CN112423652A - 与用于图像引导外科手术的配准相关的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种***包括一个或多个处理器，其被配置为读取指令以使该***执行操作，该操作包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点。模型点与模型空间相关联。该操作还包括收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联，确定该组模型点和该组测量点之间的一组匹配，为该组匹配确定第一多个权重，以及基于第一多个权重将该组模型点配准到该组测量点以生成第一配准。

Description

与用于图像引导外科手术的配准相关的***和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求提交于2018年6月19日的美国临时申请62/686,854的权益，该申请通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本公开涉及用于进行图像引导程序的***和方法，并且更具体地涉及用于在图像引导程序期间使用配准的实时图像和先前时间的解剖图像的***和方法。
背景技术
微创医疗技术旨在减少医疗程序期间受损的组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害副作用。此类微创技术可以通过患者解剖体中的自然孔口或通过一个或多个外科手术切口来执行。操作员可以通过这些自然孔口或切口***微创医疗器械(包括外科手术器械、诊断器械、治疗器械或活检器械)以到达目标组织位置。为了帮助到达目标组织位置，可以将医疗器械的位置和移动与患者解剖体的术前或术中图像相互关联。通过将图像引导器械与图像相互关联，该器械可以在解剖***诸如肺、结肠、肠、肾脏、心脏、循环***或类似物中对自然或外科手术创建的通道进行导航。通常，此种相关性基于图像引导器械的位置和移动与患者解剖体的术前或术中图像之间的刚性匹配(rigid match)来确定。然而，此种刚性匹配可能会影响相关性的质量，并从而影响图像引导程序的质量。
因此，提供改善的配准以用于执行图像引导程序将是有利的。
发明内容
通过说明书所附权利要求最好地概括本发明的实施例。
在一个说明性实施例中，一种方法由计算***执行。该方法包括：访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；并且收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联。该方法还包括确定一组模型点与一组测量点之间的一组匹配，为一组匹配确定第一多个权重，以及基于第一多个权重将一组模型点配准到一组测量点以生成第一配准。
在另一个说明性实施例中，一种方法由计算***执行。该方法包括：访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；并且收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联。该方法还包括基于目标解剖位置分别为一组模型点确定第一多个权重，以及基于第一多个权重将一组模型点配准到一组测量点以生成配准。
在又一个说明性实施例中，一种方法由计算***执行。该方法包括：访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；并且收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联。该方法还包括分别为一组测量点确定第一多个权重；以及基于第一多个权重将一组模型点配准到一组测量点以生成配准。
在又一个说明性实施例中，一种方法由计算***执行。该方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联。该方法还包括收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联。该方法还包括将一组模型点与一组测量点配准以生成第一配准，将解剖结构划分成多个解剖区域；基于第一配准分别为多个解剖区域生成多个区域配准；以及生成第二配准以用于使用多个区域配准将模型空间转换为患者空间。
在又一个说明性实施例中，一种方法由计算***执行。该方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联。该方法还包括收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联。该方法还包括将一组模型点与一组测量点配准以生成第一配准；从医疗器械的远端位置提供患者解剖图像；以及从第一导航路径位置确定患者解剖图像与模型的第一视觉表示图之间的不匹配，第一导航路径位置基于远端位置和第一配准来确定。该方法还包括提供来自与第一导航路径位置不同的第二导航路径位置的模型的第二视觉表示图；接收患者解剖图像与模型的第二视觉表示图匹配的匹配指示；以及基于远端位置和第二导航路径位置，生成用于将模型空间转换为患者空间的第二配准。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述两者在本质上都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解，而不限制本公开的范围。在这点上，根据以下详细描述，本公开的附加方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是根据一些实施例的远程操作医疗***的简化图。
图2A是根据一些实施例的医疗器械***的简化图。
图2B是根据一些实施例的具有扩展医疗工具的医疗器械的简化图。
图3A和图3B是根据一些实施例的包括安装在***组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了根据一些实施例的在人肺内***期间的图2、图3A、图3B的医疗器械***的远端。
图5是示出根据一些实施例的图像引导外科手术程序或其一部分的方法的流程图。
图6A、图6B和图6C示出了根据一些实施例的分割过程中的步骤，该步骤生成用于配准的患者的人肺的模型。
图7是根据一些实施例的提供用于更新解剖模型与患者解剖体的配准的方法的流程图。
图8A和图8B示出了根据一些实施例的在人肺内***期间的医疗器械***的远端。
图9是根据一些实施例的提供用于更新解剖模型到患者解剖体的配准的方法的流程图。
图10示出了根据一些实施例的用于配准的患者的人肺的模型。
图11是根据一些实施例的提供用于更新解剖模型与患者解剖体的配准的方法的流程图。
图12和图13示出了根据一些实施例的重新配准技术的显示阶段。
通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相似的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相似元件，其中的示出是出于说明本公开的实施例的目的，而不是出于限制本公开的实施例的目的。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了具体细节，其描述与本公开一致的一些实施例。阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文中所公开的具体实施例意在说明而非限制。尽管这里没有具体描述，但是本领域技术人员可以认识到其他元件在本公开的范围和精神内。另外，为了避免不必要的重复，与一个实施例相关联地示出和描述的一个或多个特征可以结合到其他实施例中，除非以其他方式特别描述或者如果一个或多个特征会使实施例不起作用。
在一些实例中，没有详细描述众所周知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地混淆实施例的各个方面。
本公开根据各种器械和器械的部分在三维空间中的状态描述了各种器械和器械的部分。如本文中所使用的，术语“方位”是指对象或对象的一部分在三维空间中的位置(例如，沿笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。如本文中所使用的，术语“取向”是指对象或对象的一部分的旋转放置(三个旋转自由度——例如，滚转、俯仰和偏航)。如本文中所使用的，术语“姿势”是指对象或对象的一部分在至少一个平移自由度中的方位以及该对象或对象的一部分在至少一个旋转自由度中的取向(至多六个自由度)。如本文中所使用的，术语“形状”是指沿对象测量的一组姿势、方位或取向。
图1是根据一些实施例的远程操作医疗***100的简化图。在一些实施例中，远程操作医疗***100可以适用于例如外科手术、诊断、治疗或活检程序。尽管本文中关于此类程序提供了一些实施例，但是对医学或外科手术器械以及医疗或外科手术方法的任何引用都是非限制性的。本文中描述的***、器械和方法可以用于动物、人尸体、动物尸体、人或动物解剖体的部分、非外科手术诊断以及用于工业***和通用机器人或远程操作***。
如图1所示，医疗***100通常包括操纵器组件102，其用于在对患者P执行各种程序时操作医疗器械104。操纵器组件102可以是远程操作的、非远程操作的或混合远程操作的和混合非远程操作的组件，其具有可以机动化和/或远程操作的选择运动自由度以及可以非机动化和/或非远程操作的选择运动自由度。操纵器组件102安装到手术台T或其附近。主控组件106允许操作员(例如，如图1所示的外科医生、临床医生或医师)观察介入部位并控制操纵器组件102。
主控组件106可以位于操作员控制台处，其通常与手术台T位于同一房间中，诸如在患者P所位于的手术台的侧面处。然而，应当理解，操作员O可以位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。主控组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包括任何数量的各种输入装置，诸如操纵杆、轨迹球、数据手套、扳机枪、手动控制器、语音识别装置、身体运动或存在传感器和/或诸如此类。为了向操作员O提供直接控制器械104的强烈感觉，控制装置可以被提供有与相关联医疗器械104相同的自由度。以此方式，控制装置为操作员O提供了控制装置与医疗器械104成一体的远程呈现或感知。
在一些实施例中，控制装置可以具有比相关联的医疗器械104更多或更少的自由度，并且仍然为操作员O提供远程呈现。在一些实施例中，控制装置可以可选地是手动输入装置，其以六个自由度移动，并且还可以包括用于致动器械的可致动手柄(例如，用于闭合抓紧夹具、向电极施加电势、递送药物治疗和/或诸如此类)。
操纵器组件102支撑医疗器械104，并且可以包括一个或多个非伺服控制连杆(例如，可以手动定位并锁定在适当位置的一个或多个连杆，通常称为安装结构/设置结构)、和/或一个或多个伺服控制连杆(例如，可以响应于来自控制***的命令而被控制的又一个连杆)和操纵器的运动学结构。操纵器组件102可以可选地包括多个致动器或马达，其响应于来自控制***(例如，控制***112)的命令来驱动医疗器械104上的输入。致动器可以可选地包括驱动***，其在耦连到医疗器械104时可以使医疗器械104推进到自然地或通过外科手术创建的解剖孔口中。其他驱动***可以以多个自由度移动医疗器械104的远端，该多个自由度可以包括三个线性运动自由度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴线的线性运动)和三个旋转运动自由度(例如，绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转)。另外，致动器可以用于致动医疗器械104的可铰接的末端执行器，以用于抓紧活检装置和/或类似物的夹具中的组织。致动器方位传感器(诸如分解器(resolver)、编码器(encoder)、电位计和其他机构)可以向医疗***100提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。该方位传感器数据可以用于确定由致动器操纵的物体的运动。
远程操作医疗***100可以包括具有一个或多个子***的传感器***108，该子***108用于接收关于操纵器组件102的器械的信息。此类子***可以包括方位/位置传感器***(例如，电磁(EM)传感器***)；形状传感器***，其用于确定沿柔性主体的远端和/或一个或多个分段的方位、取向、速度、速率、姿势和/或形状，该柔性主体可以构成医疗器械104；和/或可视化***，其用于从医疗器械104的远端捕获图像。
远程操作医疗***100还包括显示***110，以用于显示由传感器***108的子***生成的外科手术部位和医疗器械104的图像或表示图。显示***110和主控组件106可以被取向使得操作员O可以通过远程呈现的感知来控制医疗器械104和主控组件106。
在一些实施例中，医疗器械104可以具有可视化***(在下文中更详细地讨论)，其可以包括观察镜组件，该观察镜组件记录外科手术部位的并发或实时图像，并且通过医疗***100的一个或多个显示器(诸如，显示***110的一个或多个显示器)将图像提供给操作员或操作员O。并发图像可以是例如由定位在外科手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在一些实施例中，可视化***包括可以整体地或可移除地耦连到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在一些实施例中，附连到单独操纵器组件的单独内窥镜可以与医疗器械104一起使用以对外科手术部位成像。可视化***可以实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由该计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，该计算机处理器可以包括控制***112的处理器。
显示***110还可以显示由可视化***捕获的外科手术部位和医疗器械的图像。在一些示例中，远程操作医疗***100可以配置医疗器械104和主控组件106的控件，使得医疗器械的相对方位类似于操作员O的眼睛和手的相对方位。以此方式，操作员O可以操纵医疗器械104和手控件，就好像在基本真实存在的工作空间中观察一样。真实存在是指图像的呈现是真实的透视图像，其模拟物理地操纵医疗器械104的医师的视点。
在一些示例中，显示***110可以使用来自成像技术的图像数据来呈现术前或术中记录的外科手术部位的图像，该成像技术诸如计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层摄影术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或诸如此类。术前或术中图像数据可以呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像和/或呈现为来自于从术前或术中图像数据集创建的模型的图像。
在一些实施例中，经常出于图像引导外科手术程序的目的，显示***110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或并发图像/模型配准(即，动态地被参考)。可以这样做以从医疗器械104的视点向操作员O呈现内部外科手术部位的虚拟图像。在一些示例中，该视点可以来自医疗器械104的尖端。医疗器械104的尖端的图像和/或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上，以辅助操作员O控制医疗器械104。在一些示例中，医疗器械104在虚拟图像中可以不可见。
在一些实施例中，显示***110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或并发图像配准，以从外部视点向操作员O呈现外科手术部位内的医疗器械104的虚拟图像。医疗器械104的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以被叠加在虚拟图像上，以辅助操作员O控制医疗器械104。如本文中所描述，数据点的视觉表示图可以被渲染到显示***110。例如，本文中描述的测量数据点、移动数据点、配准数据点和其他数据点可以以视觉表示的方式显示在显示***110上。数据点可以在用户界面中由显示***110上的多个点或圆斑视觉表示，或可以视觉表示为所渲染的模型，诸如基于一组数据点创建的网格或线模型。在一些示例中，可以根据数据点表示的数据对数据点进行颜色编码。在一些实施例中，在已经实现了每个处理操作以更改数据点之后，可以在显示***110中刷新视觉表示图。
远程操作医疗***100也可以包括控制***112。控制***112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，以用于实现在医疗器械104、主控组件106、传感器***108和显示***110之间的控制。***112还包括编程的指令(例如，存储指令的非暂时性机器可读介质)，以实现根据本文中公开的各方面描述的方法中的一些或全部，包括用于向显示***110提供信息的指令。尽管控制***112在图1的简化示意图中被示为单个块，该***可以包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在操纵器组件102上或邻近操纵器组件102执行，处理的另一部分在主控组件106处执行和/或以此类推。控制***112的处理器可以执行指令，该指令包括与在本文中公开并且在下面更详细描述的过程对应的指令。可以采用各种各样的集中式或分布式数据处理架构中的任一种。类似地，编程的指令可以被实现为多个单独程序或子例程，或它们可以被集成到本文中描述的远程操作***的多个其他方面。在一个实施例中，控制***112支持无线通信协议诸如蓝牙、IrDA(红外数据通信)、HomeRF(家庭射频)、IEEE 802.11、DECT(数字增强型无线通信)和无线遥测。
在一些实施例中，控制***112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制***112可以将信号传输到主控组件106。在一些示例中，控制***112可以传输指示操纵器组件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。医疗器械104可以经由患者P体内的开口延伸到患者P体内的内部外科手术部位。可以使用任何合适的常规和/或专用致动器。在一些示例中，一个或多个致动器可以与操纵器组件102分离或集成。在一些实施例中，一个或多个致动器和操纵器组件102被提供为邻近患者P和手术台T定位的远程操作手术推车的一部分。
控制***112可以可选地还包括虚拟可视化***，以在图像引导外科手术程序期间控制医疗器械104时向操作员O提供导航辅助。使用虚拟可视化***的虚拟导航可以基于对解剖通道的所获取的术前或术中数据集的参考。虚拟可视化***处理使用成像技术成像的外科手术部位的图像，成像技术诸如计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层摄影术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或诸如此类。可以与手动输入组合使用的软件用于将记录的图像转换为部分或整个解剖器官或解剖区域的分段的二维或三维复合表示图。图像数据集与复合表示图相关联。复合表示图和图像数据集描述了通道的各种位置和形状及其连接性。在临床程序期间，可以在术前或术中记录用于生成复合表示图的图像。在一些实施例中，虚拟可视化***可以使用标准表示图(即，不是患者特定的)或标准表示图与患者特定数据的混合。复合表示图以及由该复合表示图生成的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气周期期间)可变形解剖区域的静态姿势。
在虚拟导航程序期间，传感器***108可以用于计算医疗器械104相对于患者P的解剖体的近似位置。该位置可以用于产生患者P的解剖体的宏观水平(外部)跟踪图像以及患者P的解剖体的虚拟内部图像两者。该***可以实现一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其他传感器以将医疗器具与术前记录的外科手术图像(诸如来自虚拟可视化***的那些)一起配准和显示。例如，通过引用以其全部内容并入本文的PCT公开WO 2016/191298(公布于2016年12月1日)(公开“Systems and Methods of Registration forImage Guided Surgery”)公开了这样的一种***。远程操作医疗***100还可以包括可选的操作和支持***(未示出)，诸如照明***、转向控制***、冲洗***和/或抽吸***。在一些实施例中，远程操作医疗***100可以包括多于一个操纵器组件和/或多于一个主控组件。远程操作操纵器组件的确切数量将取决于外科手术程序和手术室内的空间约束等因素。主控组件106可以并置，或它们可以定位在分离的位置。多个主控组件允许多于一个操作员以各种组合来控制一个或多个远程操作操纵器组件。
图2A是根据一些实施例的医疗器械***200的简化图。在一些实施例中，医疗器械***200可以在用远程操作医疗***100执行的图像引导医疗程序中用作医疗器械104。在一些示例中，医疗器械***200可以用于非远程操作探索程序或在涉及传统的手动操作医疗器械的程序(诸如内窥镜检查)中使用。可选地，医疗器械***200可以用于收集(即，测量)与患者诸如患者P的解剖通道内的位置对应的一组数据点。
医疗器械***200包括耦连到驱动单元204的细长装置202，诸如柔性导管。细长装置202包括具有近端217和远端或尖端部分218的柔性主体216。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其他柔性主体的外直径可以更大或更小。
医疗器械***200还包括跟踪***230，其用于使用一个或多个传感器和/或成像装置来确定沿柔性主体216的远端218和/或一个或多个节段224的方位、取向、速度、速率、姿势和/或形状，如下面另外详细描述。柔性主体216的在远端218和近端217之间的整个长度可以被有效地划分成分段224。跟踪***230可以可选地被实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由该计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，该计算机处理器可以包括图1中的控制***112的处理器。
跟踪***230可以使用形状传感器222可选地跟踪远端218和/或分段224中的一个或多个。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对准的光纤(例如，被提供在内部通道(未示出)内或外部安装)。在一个实施例中，光纤的直径大约为200μm。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成用于确定柔性主体216的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一维或多维中提供结构中的应变测量。用于在三维中监视光纤的形状和相对位置的各种***和方法在以下专利申请中描述：美国专利申请号11/180,389(提交于2005年7月13日)(公开“Fiber opticposition and shape sensing device and method relating thereto”)；美国专利申请号12/047,056(提交于2004年7月16日)(公开“Fiber-optic shape and relativeposition sensing”)；以及美国专利号6,389,187(提交于1998年6月17日)(公开“OpticalFibre Bend Sensor”)，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在一些实施例中，可以使用其他技术来确定细长装置的形状。例如，柔性主体216的远端姿势的历史可以用于在时间间隔上重建柔性主体216的形状。在一些实施例中，跟踪***230可以可选地和/或另外使用方位传感器***220来跟踪远端218。方位传感器***220可以是EM传感器***的部件，其中方位传感器***220包括一个或多个导电线圈，该导电线圈可以经受外部生成的电磁场。EM传感器***的每个线圈然后产生感应的电信号，该感应的电信号的特性取决于线圈相对于外部生成的电磁场的方位和取向。在一些实施例中，方位传感器***220可以被配置和定位成测量六个自由度或五个自由度，其中六个自由度例如三个位置坐标X、Y、Z和三个取向角，该取向角指示基点的俯仰、偏航和滚转，其中五个自由度例如三个位置坐标X、Y、Z和两个取向角，该取向角指示基点的俯仰和偏航。在美国专利号6,380,732(提交于1999年8月11日)(公开“Six-Degree of Freedom Tracking SystemHaving a Passive Transponder on the Object Being Tracked”)中提供了方位传感器***的进一步描述，该专利以其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施例中，跟踪***230可以可替代地和/或另外依赖于沿交替运动(诸如呼吸)的周期为器械***的已知点存储的历史姿势、方位或取向数据。该存储的数据可以用于发展关于柔性主体216的形状信息。在一些示例中，一系列方位传感器(未示出)(诸如类似于方位传感器220中的传感器的电磁(EM)传感器)可以沿柔性主体216定位，并且然后用于形状感测。在一些示例中，在程序期间取得的来自这些传感器中的一个或多个的数据的历史可以用于表示细长装置202的形状，特别是如果解剖通道通常是静态的。
柔性主体216包括通道221，其大小和形状设计成接收医疗器械226。图2B是根据一些实施例的具有延伸的医疗器械226的柔性主体216的简化图。在一些实施例中，医疗器械226可以用于程序诸如外科手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸。可以通过柔性主体216的通道221来部署医疗器械226，并且可以在解剖体内的目标位置处使用医疗器械226。医疗器械226可以包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融纤维和/或其他外科手术工具、诊断工具或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端执行器，诸如手术刀、钝刀、光纤、电极和/或诸如此类。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或诸如此类。其他末端执行器还可以包括电激活的末端执行器，诸如电外科电极、换能器、传感器和/或诸如此类。在各种实施例中，医疗器械226是活检器械，其可以用于从目标解剖位置移除样本组织或细胞样本。医疗器械226可以与也在柔性主体216内的图像捕获探针一起使用。在各种实施例中，医疗器械226可以是图像捕获探针，其包括在柔性主体的远端218处或附近的具有立体或单视相机216的远侧部分，该相机216用于捕获由可视化***231处理以用于显示和/或提供给跟踪***230的图像(包括视频图像)，以支持对远端218和/或分段224中的一个或多个分段的跟踪。图像捕获探针可以包括耦连到相机的电缆，其用于传输捕获的图像数据。在一些示例中，图像捕获器械可以是耦连到可视化***231的光纤束，诸如纤维镜。图像捕获器械可以是单谱或多谱的，例如捕获可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱中的一个或多个中的图像数据。可替代地，医疗器械226本身可以是图像捕获探针。医疗器械226可以从通道221的开口推进以执行程序，并且然后在程序完成时缩回到该通道中。医疗器械226可以从柔性主体216的近端217移除或从沿柔性主体216的另一个可选的器械端口(未示出)移除。
医疗器械226可以另外容纳在其近端和远端之间延伸以可控制地弯曲医疗器械226的远端的电缆、联动装置或其他致动控件(未示出)。可转向器械在美国专利号7,316,681(提交于2005年10月4日)(公开“Articulated Surgical Instrument for PerformingMinimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请号12/286,644(提交于2008年9月30日)(公开“Passive Preload and CapstanDrive for Surgical Instruments”)中详细描述，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文。
柔性主体216还可以容纳在驱动单元204和远端218之间延伸以可控制地弯曲远端218(例如通过远端218的虚线描绘219所示)的电缆、联动装置或其他转向控件(未示出)。在一些示例中，至少四根电缆用于提供独立的“上-下”转向以控制远端218的俯仰和“左右”转向以控制远端281的偏航。可转向细长装置在美国专利申请号13/274,208(提交于2011年10月14日)(公开“Catheter with Removable Vision Probe”)中详细描述，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。在其中医疗器械***200由远程操作组件致动的实施例中，驱动单元204可以包括驱动输入端，其可移除地耦连到远程操作组件的驱动元件(诸如致动器)并从其接收动力。在一些实施例中，医疗器械***200可以包括抓握特征、手动致动器或用于手动控制医疗器械***200的运动的其他部件。细长装置202可以是可转向的，或可替代地，该***可以是不可转向的，没有用于操作员控制远端218的弯曲的集成机构。在一些示例中，在柔性主体216的壁中限定了一个或多个腔，通过该腔可以在目标外科手术位置处部署和使用医疗器械。
在一些实施例中，医疗器械***200可以包括用于检查、诊断、活检或治疗肺的柔性支气管器械，诸如支气管镜或支气管导管。医疗器械***200还适用于在各种解剖***(包括结肠、肠、肾脏和肾盏、大脑、心脏、包括脉管***的循环***和/或诸如此类)中的任一个中经由自然或手术创建的连接通道导航和治疗其他组织。
来自跟踪***230的信息可以被发送到导航***232，在导航***232中，它与来自可视化***231和/或术前获得的模型的信息组合，以向医师或其他操作员提供实时方位信息。在一些示例中，实时方位信息可以被显示在图1的显示***110上以用于控制医疗器械***200。在一些示例中，图1的控制***116可以利用方位信息作为用于定位医疗器械***200的反馈。用于使用光纤传感器来配准和显示外科手术器械与外科手术图像的各种***在以下专利申请中提供：美国专利申请号13/107,562，其提交于2011年5月13日，公开“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an AnatomicStructure for Image-Guided Surgery”，以及PCT公布WO 2016/1033596(提交于2016年5月20日)(公开“Systems and Methods of Registration for Image Guided Surgery”)，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文。
在一些示例中，医疗器械***200可以在图1的医疗***100内远程操作。在一些实施例中，图1的操纵器组件102可以由直接操作员控制来代替。在一些示例中，直接操作员控制可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作员界面。
图3A和图3B是根据一些实施例的包括安装在***组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。如图3A和图3B中所示，外科手术环境300包括定位在图1的桌T上的患者P。在镇静、约束和/或其他方式限制总体患者移动的意义上，患者P可以在外科手术环境内静止。除非要求患者屏住他或她的呼吸以暂时中止呼吸运动，否则患者P的循环解剖运动(包括呼吸和心脏运动)可以继续。因此，在一些实施例中，可以在呼吸中的特定阶段处收集数据，并用该阶段对数据进行标记和识别。在一些实施例中，可以从收集自患者P的生理信息推断出收集数据的阶段。在外科手术环境300内，点收集器械304被耦连到器械托架306。在一些实施例中，点收集器械304可以使用EM传感器、形状传感器和/或其他传感器形式。器械托架306安装到固定在外科手术环境300内的***台308。可替代地，***台308可以是可移动的，但是在外科手术环境300内具有已知的位置(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置)。器械托架306可以是操纵器组件(例如，操纵器组件102)的部件，该操纵器组件耦连到点收集器械304以控制***运动(即，沿A轴的运动)以及在包括偏航、俯仰和滚转的多个方向上可选地控制细长装置310的远端318的远端318的运动。器械托架306或***台308可以包括致动器，诸如伺服马达(未示出)，其控制器械托架306沿***台308的运动。
细长装置310耦连到器械主体312。器械主体312相对于器械支架306耦连并固定。在一些实施例中，光纤形状传感器314固定在器械主体312上的近侧点316处。在一些实施例中，光纤形状传感器314的近侧点316可以与器械主体312一起移动，但是近侧点316的位置可以是已知的(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置)。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(诸如，细长装置310的远端318)的形状。点收集器械304可以基本上类似于医疗器械***200。
方位测量装置320提供关于器械主体312沿***轴线308在***台308上移动时方位的信息。方位测量装置320可以包括分解器、编码器、电位计和/或确定控制器械托架306的运动并因此控制器械主体312的运动的致动器的旋转和/或取向的其他传感器。在一些实施例中，***台308是线性的。在一些实施例中，***台308可以是弯曲的或具有弯曲和线性区段的组合。
图3A示出了沿***台308处于缩回方位的器械主体312和器械托架306。在该缩回方位，近侧点316在轴线A上的方位L0处。在沿***台308的该方位，近侧点316的位置的A分量可以设置为零和/或另一个参考值，以提供基本参考来描述器械托架306的方位，并因此描述***台308上的近侧点316的方位。通过器械主体312和器械托架306的该缩回方位，细长装置310的远端318可以恰好定位在患者P的入口孔口内。也在此方位，方位测量装置320可以设置为零和/或另一个参考值(例如，I＝0)。在图3B中，器械主体312和器械托架306沿***台308的线性轨道推进，并且细长装置310的远端318已经推进到患者P体内。在该推进位置，近侧点316在轴线A上的方位L1处。在一些示例中，编码器和/或来自控制器械托架306沿***台308的移动的一个或多个致动器的其他位置数据和/或与器械托架306和/或***台308相关联的一个或多个方位传感器用于确定近侧点316相对于方位L0的方位L1。在一些示例中，方位L1还可以用作细长装置310的远端318被***到患者P的解剖体的通道中的距离或***深度的指示符。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了图3A和图3B的细长装置310通过图1和图3A和图3B的患者P的肺400的解剖通道402的推进。这些通道402包括气管和支气管。当细长装置310随着托架306沿***台308移动而推进时，操作员O可以使细长装置310的远端318转向以导航通过解剖通道402。在导航通过解剖通道402时，细长装置310采取可以被在细长装置310内延伸的形状传感器314“读取”的形状。
参考图5、图6A、图6B、图6C、图7、图8A、图8B、图9、图10、图11和图12，描述了使用加权和/或非刚性配准的图像引导外科手术程序的各种实施例。图5是示出了用于图像引导外科手术程序中的通用方法500的流程图。图6A、图6B和图6C示出了生成用于配准的人肺模型的通用方法500的分段过程。图7、图8A和图8B示出了用于在***患者解剖体内期间基于细长装置的远端的实时位置来执行加权配准的方法。图9和图10示出了用于执行非刚性配准的方法，其考虑了解剖体的不同解剖区域的变形、偏转和取向。图11、图12和图13示出了用于通过将患者解剖图像与解剖模型的视觉表示图进行匹配来执行配准的方法。
图5是示出了用于在图像引导外科手术程序中使用的通用方法500的流程图。方法500在图5中被示为一组操作或过程502至512。并非所有示出的过程502至512都可以在方法500的所有实施例中执行。另外，在图5中未明确示出的一个或多个过程可以包括在过程502至512之前、之后、之间或作为其部分。在一些实施例中，可以至少部分地以存储在非暂时、有形、机器可读的介质上的可执行代码的形式来实现过程中的一个或多个，当由一个或多个处理器(例如，控制***112的处理器)运行时，该可执行代码可以使一个或多个处理器执行过程中的一个或多个。
在过程502处，从成像技术获得术前或术中图像数据，该成像技术诸如计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层摄影术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像。术前或术中图像数据可以对应于二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像。例如，图像数据可以表示图4A至图4D的人肺400。
在过程504处，单独操作或与手动输入组合操作的计算机***被用于将记录的图像转换为部分或整个解剖器官或解剖区域的分段的二维或三维复合表示图或模型。例如，图6A示出了图4A至图4D的肺400的分段模型600。由于自然发生的限制或操作员设置的限制，分段模型600可以不包括人肺内存在的所有通道，而是包括某些通道601。例如，肺的相对狭窄和/或远侧的通道可以不被完全包括在分段模型600中。分段模型600可以是三维模型，诸如网格模型或另一种合适的模型，其包括限定了肺的内部腔或通道的壁。通常，模型提供了用于区分解剖体区域内的点和解剖体区域外的点的机制或手段。复合表示图和图像数据集描述了通道的各种位置和形状及其连接性，并且可以省略术前或术中图像数据中包括的不期望的解剖体的部分。在一些实施例中，模型600可以包括特别期望的特征，诸如疑似肿瘤或其他感兴趣的组织部分。
在分段过程期间，图像被划分为共享某些特性或计算出的属性(诸如颜色、密度、强度和纹理)的分段或元素(例如，像素或体素)。该分段过程引起二维或三维重建，其基于获得的图像来形成目标解剖体的模型，如模型600。为了表示该模型，分段过程可以描绘表示目标解剖体的多组体素，并且然后应用函数诸如行进立方体函数来生成包围体素的3D表面。可以通过生成网格、体积或体素映射来创建模型。该模型可以示出在显示器110中，以辅助操作员O可视化解剖体，诸如肺的内部通道。
另外或可替代地，该模型可以包括中心线模型，其包括延伸通过建模通道的中心的一组互连的线段或点。图6B示出了从模型600导出或直接从成像数据导出的示例性中心线模型602。中心线分段模型602可以包括一组三维直线或一组曲线，其对应于分段模型602中包含的通道的近似中心。模型的分辨率越高，该组直线或曲线将越准确地对应于通道的中心。与表示模型600的通道壁的分段模型602的数据集相比，用中心线分段模型602表示肺可以提供由一个或多个处理器或处理内核更有效地处理的较小数据集。这样，可以改善控制***112的运作。
如图6B所示，中心线分段模型602包括若干个分支点，为了图6B中的可见性，其中一些分支点被突出显示。分支点A、B、C、D和E在分支点中的若干个分至点中的每个处示出。分支点A可以表示模型中气管分为左主支气管和右主支气管的点。可以在中心线分段模型602中将右主支气管识别为位于分支点A和B之间。类似地，次级支气管由分支点B和C以及在分支点B和E之间识别。另一世代(generation)可以定义在分支点C和D之间。这些世代中的每个都可以与对应通道的腔直径的表示图相关联。在一些实施例中，模型602可以包括每个分段世代的平均直径值。平均直径值可以是患者特定的值，或可以是得自多个患者的更一般的值。
在模型包括具有一组互连线段的中心线模型的情况下，那些线段可以被转换为云或一组点604，称为模型点，其由图6C的虚线表示。通过将线段转换成点，可以在配准过程期间手动或自动选择与互连的线段对应的期望数量的模型点，以表示中心线模型602(并从而表示模型600)。在数据中，该组模型点604的点中的每个点可以包括坐标诸如一组XM、YM和ZM坐标，或标识每个点在三维模型空间中的位置的其他坐标。在一些实施例中，点中的每个点可以包括标识这些点与哪个通道世代相关联的世代标识符和/或与中心线分段模型602的该部分相关联的直径值或半径值。在一些实施例中，描述与给定点相关联的半径或直径的信息可以作为单独数据集的部分提供。
在生成中心线分段模型602并将其存储在数据中作为图6C所示的一组点604之后，可以从数据存储中检索模型点604以用于图像引导外科手术程序。为了在图像引导外科手术程序中使用中心线分段模型602和模型600，可以配准模型点604，以将模型600中的建模通道与外科手术环境中存在的患者的实际解剖体相关联。
返回图5，在过程506处，可以从与解剖模型对应的患者解剖体获得测量点，如图3A至图3B和图4A至图4D所示。测量点与患者空间相关联，并且也可以称为患者空间点。可以通过驱动通过解剖体和/或触摸解剖体中的界标，并基于电磁线圈和/或传感器***(例如，传感器***108)的跟踪方位来生成测量点。
在过程508处，确定点加权方案以用于将解剖模型配准到患者解剖体。可以将权重分配给测量点、模型点和/或成对的测量点和模型点之间的匹配。在将权重分配给测量点的实施例中，可以独立于模型来确定权重。例如，权重可以仅基于如参考图3A至图3B所描述的通过***或方位传感器测量的细长装置的***深度。在该示例中，如果将细长装置***一小段距离，则测量点的权重可以较低，而随着***更深，测量点的权重较高。在一些实施例中，如果将细长装置***相对较大的距离，则测量点的权重可以较低。在将权重分配给模型点的实施例中，可以仅基于模型来确定权重。例如，未连接到其他点的点可以被视为噪声，并且被加权为非常低的值或零的值。在将权重分配给测量点和对应模型点之间的匹配的实施例中，模型点和对应测量点被认为是匹配点或匹配，并且被赋予权重。在一些实施例中，用于匹配的点加权方案基于匹配到目标解剖位置的接近度来确定。例如，基于匹配与目标解剖位置之间的距离来确定匹配的权重。在该示例中，与更接近目标解剖位置的模型点相关联的匹配可以具有更大的权重。在另一个示例中，基于匹配的相关联模型点与到目标解剖位置的预定导航路径之间的距离来确定匹配的权重。在该示例中，与更接近到目标解剖位置的预定导航路径的模型点的匹配可以具有更大的权重。在一些实施例中，使用滑动权重标尺来确定匹配的权重。在一些实施例中，当匹配的模型点与目标解剖位置/到目标解剖位置的预定导航路径之间的距离大于预定目标解剖位置距离阈值时，可以将具有零值的权重分配给该匹配。在那些示例中，可以在随后的配准过程期间丢弃权重为零的匹配。
在过程510处，在对患者进行图像引导外科手术程序的进程之前和/或期间，将模型空间的解剖模型数据配准到患者空间的患者解剖体(反之亦然)。在一些实施例中，点加权方案用于在配准期间将权重应用于测量点、模型点和/或测量点与对应模型点之间的匹配。通常，配准涉及通过使用刚性和/或非刚性变换将测量点与模型的模型点匹配。在本公开的范围内，可以在配准过程中使用点集配准方法(例如，迭代最近点(ICP)技术)。此种点集配准方法可以生成使测量点(也称为测点集)和模型点(也称为模型点集)对准的变换。在一些实施例中，配准还可以生成与患者解剖体(其与测量点和/或模型点相关联)的变形相关联的变形模型。
在其中解剖模型被配准到患者解剖体以使得相对于患者解剖体定位的医疗器械可以相对于解剖模型进行表示的过程510之后，可以在患者解剖体中推进医疗器械。随着医疗器械移动到新位置，可以在过程512处更新配准。可以在整个外科手术程序中连续地执行配准的更新。以此方式，可以补偿由于患者移动(总体移动和周期性生理移动两者)、患者呼吸，医疗器械的移动和/或可能导致患者解剖体改变的任何其他因素引起的改变。
用于与图像引导外科手术一起使用的其他配准方法通常涉及基于电磁或阻抗感测的技术的使用。外科手术环境中使用的金属物体或某些电子装置可能会产生干扰，其影响感测数据的质量。其他配准方法可能会阻碍临床工作流程。本文中描述的***和方法的一些实施例基于ICP或另一点集配准算法以及具有光纤形状传感器的点收集器械的校准移动来执行配准，因此消除或最小化外科手术环境中的干扰。可以使用其他配准技术将一组测量点配准到术前模型或使用另一种模态获得的模型。在下面描述的实施例中，可以消除患者和器械上的EM传感器以及用于器械的光学跟踪***。
参考图7、图8A和图8B，用于更新配准的过程(例如，图5的过程512)可以包括方法700，以通过使用基于细长装置的远端位置和/或目标解剖位置的加权方案来提供改善的配准。
参考图7，图7中的方法700被示为一组操作或过程702至712。并非所有示出的过程702至712都可以在方法700的所有实施例中执行。另外，图7中未明确示出的一个或多个过程可以包括在过程702至712之前、之后、之间或作为其部分。在一些实施例中，可以至少部分地以存储在非暂时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现过程中的一个或多个，当由一个或多个处理器(例如，控制***112的处理器)运行时，该可执行代码可以使一个或多个处理器执行过程中的一个或多个。
方法700在过程702处开始，其中接收解剖模型到患者解剖体的当前配准。在示例中，当前配准是在将细长装置朝向目标解剖位置驱动之前在图5的配准过程510处生成的配准。在另一个示例中，参考图8A，将细长装置310朝向目标解剖位置804驱动。在该示例中，在过程702中，细长装置310的远端318在远端位置802处。可以基于远端位置802和/或目标解剖位置804使用点加权方案在图5的更新配准过程512中生成当前配准。
在过程704处，确定细长装置310的远端318的位置改变。参考图8B的示例，在过程704处，确定细长装置310的远端318从远端位置802推进到远端位置806。
尽管在图8B的示例中，目标解剖位置804保持相同，但是在一些实施例中，目标解剖位置可以移位(例如，基于操作员的输入)。在那些实施例中，在过程706处，确定目标解剖位置移动到更新的目标解剖位置。
在过程710处，可以基于改变的远端位置和/或改变的(当前)目标解剖位置来更新点加权方案。具体地，基于改变的远端位置和/或改变的目标解剖位置更新的权重可以被分配给患者解剖体的测量点(例如，在图5的过程506处收集的测量点，和/或在细长装置朝向目标解剖位置驱动时收集的新测量点)。在一些实施例中，基于测量点与当前远端位置之间的距离来确定测量点的权重。在该示例中，更接近当前远端位置的测量点可能具有更大的权重。在一些实施例中，基于测量点与当前远端位置之间的距离，使用滑动权重标尺来确定测量点的权重。在一些实施例中，当测量点与当前远端位置之间的距离大于预定远端距离阈值时，可以将具有零值的权重分配给该该测量点。在那些示例中，权重为零的测量点可以在后续的配准过程期间被丢弃。
在一些实施例中，可以基于其相关联的模型点与目标解剖位置之间的距离，和/或模型点与到目标解剖位置的预定导航路径之间的距离来可替代地或另外确定匹配的权重，例如，以上参考图5的过程508讨论的。
在过程712处，使用在过程710中生成的点加权方案来再次执行解剖模型到患者解剖体的配准。这样，随着将细长装置310朝向目标解剖位置驱动，可以基于当前远端位置与目标解剖位置连续更新配准。
参考图9和图10，在一些实施例中，用于更新配准的过程(例如，图5的过程512)可以包括方法900，以通过考虑解剖结构的不同区域的变形、偏转和旋转来提供改善的配准。在各种实施例中，解剖结构可以被划分为多个解剖区域(例如，基于解剖区域的刚度)。在一些示例中，可以为那些解剖区域中的每个执行局部配准，以生成对应的区域配准。然后可以使用那些区域配准来将解剖模型的配准更新到测量点。在一些示例中，配准方法可以使用不同解剖区域的偏转和旋转(例如，利用解剖结构的全局配准或解剖区域的局部配准)，并且为每个解剖区域生成偏转和/或旋转参数估计。
参考图9，图9中的方法900被示为一组操作或过程902至908。并非所有示出的过程902至908都可以在方法900的所有实施例中执行。另外，图9中未明确示出的一个或多个过程可以包括在过程902至908之前、之后、之间或作为其部分。在一些实施例中，可以至少部分地以存储在非暂时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现过程中的一个或多个，当由一个或多个处理器(例如，控制***112的处理器)运行时，该可执行代码可以使一个或多个处理器执行过程中的一个或多个。
方法900在过程902处开始，其中接收解剖模型到患者解剖体的当前配准。在示例中，当前配准是在将细长装置朝向目标解剖位置驱动之前在图5的配准过程510处生成的配准。在另一个示例中，当前配准是在将细长装置朝向目标解剖位置驱动期间在图5的配准过程512处生成的配准。
在过程904中，解剖结构被划分为多个解剖区域。在各种实施例中，可以将肺划分为任何合适数量的解剖区域。参考图10的示例，示出了患者的人肺的解剖模型600。在图10的示例中，确定了人肺的左肺和右肺趋向于在主隆突处变形(例如，在气管分为左和右主支气管的分支点A附近)，同时保留了左肺和右肺的各个结构。因此，解剖模型600基于主隆突被划分为解剖区域1002、1004和1006。解剖区域1002包括肺的中央区域，解剖区域1004包括右肺，并且解剖区域1006包括左肺。在另一个示例中，可以将患者的肺划分为六个解剖区域，包括中央区域1002、右肺的上叶区域、右肺的中叶区域、右肺的下叶区域、左肺的上叶区域和左肺的下叶区域。
在过程906处，将解剖结构的每个解剖区域与解剖模型的对应模型区域配准，以生成局部配准。例如，(例如，在过程506期间和/或在细长装置朝向目标解剖位置驱动时收集的)测量点可以基于当前配准和解剖模型被划分为与解剖区域对应的多组测量点。在图10的示例中，对于解剖区域1002、1004和1006中的每个，将对应解剖区域中的模型点的子集配准到该解剖区域中的测量点的子集以生成区域配准。该配准方法可以包括点集配准算法诸如迭代最近点(ICP)技术，或另一种配准算法。
在过程908处，使用那些区域配准来更新解剖模型到患者解剖体的配准。在一些实施例中，更新的配准包括三个单独的区域配准。在那些实施例中，患者空间中的点(例如，细长装置的远端位置)可以严格基于该点的解剖区域被变换到模型空间。例如，使用用于解剖区域1002的区域配准，将患者空间的解剖区域1002中的点变换到模型空间，并且使用用于解剖区域1004的区域配准，将患者空间的解剖区域1004中的点变换到模型空间。在此类实施例中，当细长装置的远端被驱动通过两个相邻解剖区域的过渡区域(例如，相邻解剖区域1002和1004的过渡区域、相邻解剖区域1002和1006的过渡区域)时，在(例如，使用显示***110)显示给操作员的一个或多个图像中可能有跳跃。那些图像可以用于促进操作员引导导航和/外科手术。在示例中，图像包括虚拟导航图像，其包括来自外部视点的在患者解剖体内的细长装置的虚拟图像。在另一个示例中，图像包括来自配准到解剖模型的细长装置的远端的视角的解剖模型的一部分的内部视图。这样，那些图像中的跳跃可能会给图像引导外科手术造成干扰和不确定性。这样，在一些实施例中，在过程908处，配准在相邻解剖区域的过渡区域中混合单独的区域配准，使得相邻解剖区域之间的过渡被平滑化。
在一些实施例中，在过程908处，配准考虑到每个解剖区域的偏转和/或旋转。在示例中，对于每个解剖区域，估计偏转参数和旋转参数。在配准过程中可以使用各种优化方法(例如，随机参数变化和最小化或任何其他合适的最小化方法)。在一些示例中，优化方法可以包括成本函数，用于最小化点匹配残差(point match residues)并且惩罚过度或不自然的大偏转和/或旋转。在一些示例中，优化方法可以使用测量点的数量和质量(例如，总测量点、用于每个解剖区域的测量点的子集)来避免过度拟合解剖模型。通过考虑解剖结构的单独解剖区域的各种刚性、偏转和旋转，改善了解剖模型到测量点的配准。
参考图11、图12和图13，在一些实施例中，用于更新配准的过程(例如，图5的过程512)可以包括方法1100，以通过将患者解剖体的图像与解剖模型的经渲染的内部视图进行匹配来提供改善的配准。
参考图11，图11中的方法1100被示为一组操作或过程1102至1114。并非所有示出的过程1102至1114都可以在方法1100的所有实施例中执行。另外，图11中未明确示出的一个或多个过程可以包括在过程1102至1114之前、之后、之间或作为其部分。在一些实施例中，可以至少部分地以存储在非暂时性的有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来实现过程中的一个或多个，当由一个或多个处理器(例如，控制***112的处理器)运行时，该可执行代码可以使一个或多个处理器执行过程中的一个或多个。
方法1100在过程1102处开始，其中接收解剖模型到患者解剖体的当前配准。在示例中，当前配准是在将细长装置朝向目标解剖位置驱动之前在图5的配准过程510处生成的配准。在另一个示例中，当前配准是在将细长装置朝向目标解剖位置驱动期间在图5的配准过程512处生成的配准。
在过程1104处，提供了来自细长装置的远端的视角的患者解剖体的并发或实时图像(例如，由可视化***捕获)，以及来自远端的视角的解剖模型的内部视图的第一视觉表示图。参考图12的示例，显示***110显示来自细长装置的远端的患者解剖体的并发或实时图像1202，以及显示来自细长装置的远端的视角的解剖模型的内部视图的第一视觉表示图1204。
如图12的示例中所示，并行或实时图像1202包括患者的肺的通道1208-1、1208-2和1208-3。第一视觉表示图1204示出了到目标解剖位置的导航路径1206以及基于解剖模型的通道1208-1、1208-2和1208-3的渲染模型图像。在一些实施例中，基于(例如，在过程1102处接收的)当前配准，将细长装置的当前远端位置配准到第一导航路径位置1210。通过从沿导航路径1206朝向目标解剖位置的第一导航路径位置1210的视角生成解剖模型的内部视图，来生成第一视觉表示图1204。
在过程1106处，确定并发或实时图像1202和第一视觉表示图1204不匹配。在图12的示例中，第一视觉表示图1204中的通道1208-1、1208-2和1208-3相比来自当前远端位置的实时图像1202中的通道1208-1、1208-2和1208-3更远离第一导航路径位置1210(对应于使用当前配准在解剖模型中配准的当前远端位置)。在一些实施例中，此种不匹配可能由患者的肺变形引起(例如，由患者移动引起，包括例如总体移动和周期性生理移动、细长装置的移动等)。
在一些实施例中，并发或实时图像1202与第一视觉表示图1204之间的此种不匹配由控制***自动确定(例如，通过执行图像处理方法以比较并发或实时图像1202与第一视觉表示图1204)。可替代地，如图12的示例中所示，在一些实施例中，由操作员确定并提供不匹配。在图12的示例中，操作员(例如，使用选择1212)确定并发或实时图像1202和第一视觉表示图1204不匹配，并且(例如，使用按钮1214)将不匹配确定提交给控制***。
在过程1108处，提供来自第二导航路径位置的视角的解剖模型的内部视图的第二视觉表示图。参考图13的示例，显示***110显示来自细长装置的远端的患者解剖体的并发或实时图像1202，以及来自第二导航路径位置1304的视角的解剖模型的内部视图的第二视觉表示图1302。在一些实施例中，图13的并发或实时图像1202与图12的并发或实时图像1202相同，因为细长装置的远端位置在过程1106和1108期间保持相同。
如图13的示例中所示，与第一导航路径位置1210相比，第二导航路径位置1304更接近目标解剖位置。这样，与第一视觉表示图1204相比，第二视觉表示图1302中的通道1208-1、1208-2和1208-3更接近视点。在其他示例中，第二导航路径位置1304可以距目标解剖位置更远，使得第二视觉表示图1302中的通道1208-1、1208-2和1208-3距视点更远。
在一些实施例中，第二导航路径位置由控制***自动确定。可替代地，在一些实施例中，操作员可以使用输入装置沿导航路径调整第二导航路径位置。
在过程1110处，接收到并发或实时图像与解剖模型的第二视觉表示图匹配的指示。在一些实施例中，在比较并发或实时图像与解剖模型的第二视觉表示图之后，由控制***提供此指示。可替代地，如图13中所示，在一些实施例中，此匹配指示由操作员确定并提供。在图13的示例中，操作员(例如，使用选择1306)确定并发或实时图像1202与第二视觉表示图1302匹配，并且(例如，使用按钮1308)将匹配指示提交给控制***。
在过程1112处，基于当前远端位置、当前配准和第二导航路径位置来确定解剖结构的变形。在示例中，通过使用可能的肺变形的模型(例如，基于呼吸运动)来确定此变形，其中通过使用该变形，当前远端位置和第二导航路径位置具有最紧密的配合。
在过程1114处，然后使用在过程1112处确定的变形来更新配准。换句话说，通过考虑解剖结构的所确定的变形来改善更新的配准。
本公开的***和方法可以用于肺的连接的支气管通道。该***和方法还可以适用于经由自然的或手术创建的连接通道在包括结肠、肠、肾脏、大脑、心脏、循环***或类似物的各种解剖***中的任一种中导航和治疗其他组织。该***和方法还可以适用于在器官的可跟踪表面周围导航。本公开的方法和实施例也适用于非外科手术应用。
在一些示例性实施例中，一种由计算***执行的方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联；分别为该组测量点确定第一多个权重；以及基于该第一多个权重将该组模型点配准到该组测量点以生成配准。在将医疗器械***患者的解剖结构中期间收集该组测量点。确定第一多个权重基于在收集该组测量点时医疗器械的***深度。
在一些示例性实施例中，一种由计算***执行的方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联；将该组模型点与该组测量点配准以生成第一配准；从医疗器械的远端位置提供患者解剖图像；确定患者解剖图像与来自第一导航路径位置的模型的第一视觉表示图之间的不匹配，该第一导航路径位置基于远端位置和第一配准来确定；提供来自与第一导航路径位置不同的第二导航路径位置的模型的第二视觉表示图；接收患者解剖图像与模型的第二视觉表示图匹配的匹配指示；以及基于远端位置和第二导航路径位置，生成用于将模型空间转换为患者空间的第二配准。在一些实施例中，匹配指示由操作员提供。在一些实施例中，生成第二配准包括：基于远端位置和第二导航路径位置确定解剖结构的变形；以及使用变形更新第二配准。在一些实施例中，一种非暂时性机器可读介质包括多个机器可读指令，该多个机器可读指令在由一个或多个处理器执行时适于使一个或多个处理器执行本文中所述的一种或多种方法。
在一些示例性实施例中，一种由计算***执行的方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联；确定该组模型点与该组测量点之间的一组匹配；为该组匹配确定第一多个权重；以及基于该第一多个权重将该组模型点配准到该组测量点以生成第一配准。在一些实施例中，用于该组匹配的第一多个权重基于匹配中的每个到解剖目标的接近度，其中解剖目标与模型空间相关联。在一些实施例中，该方法还包括为该组模型点或该组测量点确定第二多个权重。在一些实施例中，将该组模型点配准到该组模型点还基于第二多个权重。在一些实施例中，该方法还包括获得***到解剖结构中的医疗器械的远端的第一远端位置。在一些实施例中，确定第一多个权重包括：为每个测量点确定测量点与第一远端位置之间的远端距离；以及基于远端距离将权重分配给测量点。在一些实施例中，基于远端距离将权重分配给测量点包括：确定远端距离大于预定的远端距离阈值；以及将值为零的权重分配给测量点。在一些实施例中，第一测量点具有距第一远端位置的第一距离，其中第二测量点具有距第一远端位置的第二距离，第二距离小于第一距离，并且其中分配给第一测量点的第一权重小于分配给第二测量点的第二权重。在一些实施例中，该方法还包括检测远端到第二远端位置的移动；基于第二远端位置为该组测量点分别确定第二多个权重；以及基于第二多个权重将该组模型点配准到该组测量点以生成第二配准。在一些实施例中，该方法还包括为每个测量点确定测量点与目标解剖位置之间的目标距离；以及基于远端距离与目标距离中的至少一个将权重分配给测量点。
在一些示例性实施例中，一种由计算***执行的方法包括访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，该模型点与模型空间相关联；收集患者的解剖结构的一组测量点，该测量点与患者空间相关联；基于目标解剖位置分别为该组模型点确定第一多个权重；以及基于该第一多个权重将该组模型点配准到该组测量点以生成配准。在一些实施例中，确定第一多个权重包括：为每个模型点确定模型点与目标解剖位置之间的目标距离；以及基于目标距离将权重分配给测量点。在一些实施例中，确定第一多个权重包括：为每个模型点确定模型点与到目标解剖位置的预定导航路径之间的导航路径距离；以及至少基于目标距离和导航路径距离，将权重分配给测量点。在一些实施例中，将权重分配给模型点包括：确定目标距离大于预定目标距离阈值；以及将值为零的权重分配给模型点。在一些实施例中，第一模型点具有距目标解剖位置的第一距离，其中第二测量点具有距目标解剖位置的第二距离，第二距离小于第一距离，并且其中分配给第一模型点的第一权重小于分配给第二测量点的第二权重。
本发明的实施例中的一个或多个元件可以以软件实现以在计算机***诸如控制***112的处理器上执行。当以软件实现时，本发明的实施例的元件本质上是执行所需指令的代码段。程序或代码段可以存储在处理器可读存储介质或装置中，该处理器可读存储介质或装置可以通过在传输介质或通信链路上以载波体现的计算机数据信号来下载。处理器可读存储装置可以包括可以存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和磁性介质。处理器可读存储装置示例包括电子电路；半导体装置、半导体存储器装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储装置。可以经由计算机网络诸如互联网、内联网等下载代码段。
注意，所呈现的过程和显示可以非固有地与任何特定计算机或其他设备相关。各种通用***可以与根据本文中的教导的程序一起使用，或可以证明构造更专用的设备来执行所描述的操作是方便的。各种这些***的所需结构将作为权利要求中的要素出现。另外，没有参考任何特定的编程语言来描述本发明的实施例。应当理解，可以使用各种编程语言来实现如本文中所描述的本发明的教导。
尽管已经描述并在附图中示出了本发明的某些示例性实施例，但是应当理解，此类实施例仅是对广义发明的说明而不是对广义发明的限制，并且由于本领域普通技术人员可以进行各种其他修改，因此本发明的实施例不限于所示和所描述的特定构造和布置。

Claims (22)

1.一种***，包括：
非暂时性存储器；
一个或多个处理器，其耦连到所述非暂时性存储器并且被配置为读取指令以使所述***执行操作，所述操作包括：
访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，所述模型点与模型空间相关联；
收集所述患者的所述解剖结构的一组测量点，所述测量点与患者空间相关联；
确定所述一组模型点和所述一组测量点之间的一组匹配；
为所述一组匹配确定第一多个权重；以及
基于所述第一多个权重将所述一组模型点配准到所述一组测量点以生成第一配准。
2.根据权利要求1所述的***，其中用于所述一组匹配的所述第一多个权重基于所述匹配中的每个到解剖目标的接近度，其中所述解剖目标与所述模型空间相关联。
3.根据权利要求2所述的***，还包括为所述一组模型点或所述一组测量点确定第二多个权重。
4.根据权利要求3所述的***，其中将所述一组模型点配准到所述一组模型点还基于所述第二多个权重。
5.根据权利要求1所述的***，还包括获得***到所述解剖结构中的医疗器械的远端的第一远端位置。
6.根据权利要求5所述的***，其中确定所述第一多个权重包括：
为每个测量点确定所述测量点与所述第一远端位置之间的远端距离；以及
基于所述远端距离将权重分配给所述测量点。
7.根据权利要求6所述的***，其中基于所述远端距离将所述权重分配给所述测量点包括：
确定所述远端距离大于预定远端距离阈值；以及
将值为零的所述权重分配给所述测量点。
8.根据权利要求6所述的***，其中第一测量点具有距所述第一远端位置的第一距离，
其中第二测量点具有距所述第一远端位置的第二距离，所述第二距离小于所述第一距离，以及
其中分配给所述第一测量点的第一权重小于分配给所述第二测量点的第二权重。
9.根据权利要求6所述的***，其中所述操作还包括：
检测所述远端到第二远端位置的移动；
基于所述第二远端位置为所述一组测量点分别确定第二多个权重；以及
基于所述第二多个权重将所述一组模型点配准到所述一组测量点以生成第二配准。
10.根据权利要求6所述的***，还包括：
为每个测量点确定所述测量点与目标解剖位置之间的目标距离；以及
基于所述远端距离与所述目标距离中的至少一个将所述权重分配给所述测量点。
11.一种***，包括：
非暂时性存储器；
一个或多个处理器，其耦连到所述非暂时性存储器并被配置为读取指令以使所述***执行操作，所述操作包括：
访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，所述模型点与模型空间相关联；
收集所述患者的所述解剖结构的一组测量点，所述测量点与患者空间相关联；
基于目标解剖位置分别为所述一组模型点确定第一多个权重；以及
基于所述第一多个权重将所述一组模型点配准到所述一组测量点以生成配准。
12.根据权利要求11所述的***，其中确定所述第一多个权重包括：
为每个模型点确定所述模型点与所述目标解剖位置之间的目标距离；以及
基于所述目标距离将权重分配给所述测量点。
13.根据权利要求12所述的***，其中确定所述第一多个权重包括：
为每个模型点确定所述模型点与到所述目标解剖位置的预定导航路径之间的导航路径距离；以及
至少基于所述目标距离和所述导航路径距离将所述权重分配给所述测量点。
14.根据权利要求12所述的***，其中将所述权重分配给所述模型点包括：
确定所述目标距离大于预定目标距离阈值；以及
将值为零的所述权重分配给所述模型点。
15.根据权利要求11所述的***，其中第一模型点具有距所述目标解剖位置的第一距离，
其中第二测量点具有距所述目标解剖位置的第二距离，所述第二距离小于所述第一距离，以及
其中分配给所述第一模型点的第一权重小于分配给所述第二测量点的第二权重。
16.一种由计算***执行的方法，所述方法包括：
访问患者的解剖结构的模型的一组模型点，所述模型点与模型空间相关联；
收集所述患者的所述解剖结构的一组测量点，所述测量点与患者空间相关联；
将所述一组模型点与所述一组测量点配准以生成第一配准；
将所述解剖结构划分为多个解剖区域；
基于所述第一配准为所述多个解剖区域分别生成多个区域配准；以及
使用所述多个区域配准生成用于将所述模型空间转换为所述患者空间的第二配准。
17.根据权利要求16所述的方法，其中为所述多个解剖区域生成所述多个区域配准包括为每个解剖区域：
基于所述第一配准确定所述解剖区域中的测量点的子集；以及
将所述解剖区域中的所述模型点与所述测量点的对应子集配准以生成对应的区域配准。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将所述解剖结构划分为所述多个解剖区域包括：
基于所述多个解剖区域的结构刚性分别划分所述解剖结构。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述解剖结构包括所述患者的肺，并且
其中所述解剖区域包括右肺区域，以及包括气管的中央区域。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述解剖结构包括所述患者的肺，并且
其中所述解剖区域包括右肺的上叶区域、所述右肺的中叶区域、所述右肺的下叶区域、左肺的上叶区域、所述左肺的下叶区域，以及包括气管的中央区域。
21.根据权利要求16所述的方法，其中生成所述第二配准包括：
在相邻解剖区域的过渡区域中混合用于所述相邻解剖区域的所述区域配准。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二配准包括用于第一解剖区域的偏转估计和旋转估计中的至少一个。
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