CN115916088A - 用于评估解剖模型的可配准性的***和相关联方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于规划医疗规程的设备、***、方法和计算机程序产品。在一些实施例中，用于规划医疗规程的***包括处理器和可操作地耦接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下的操作：接收患者的解剖区域的三维模型，以及评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。所述评估包括：分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。

Description

用于评估解剖模型的可配准性的***和相关联方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年6月30日提交的美国临时申请号63/046,584的权益，并且通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于评估解剖区域的模型的可配准性和规划配准规程的其他方面的***、方法和计算机程序产品。
背景技术
微创医疗技术旨在减小在医疗规程期间受损的组织量，由此减小患者恢复时间、不适感和有害副作用。此类微创技术可通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个外科切口来执行。通过这些自然孔口或切口，操作者可***微创医疗工具以到达目标组织位置。微创医疗工具包括器械，诸如治疗、诊断、活检和外科器械等。医疗工具可***解剖通路中并且导航到患者解剖结构内的感兴趣区域。可使用解剖通路的图像来辅助导航。需要改进的***和方法以准确地执行医疗工具和解剖通路的图像之间的配准。
发明内容
本文公开了用于规划医疗规程的设备、***、方法和计算机程序产品，包括评估解剖区域的模型是否适用于配准规程和/或确定将由医疗设备在所述配准规程期间导航的调查轨迹(survey trajectory)。在一些实施例中，用于规划医疗规程的***包括处理器和可操作地耦接到所述处理器的存储器。所述存储器可存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下的操作：接收患者的解剖区域的三维模型，以及评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。所述评估可包括：分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
在这些和其他实施例中，一种非暂态计算机可读介质可存储指令，所述指令在由计算***的一个或多个处理器执行时致使所述计算***执行包括以下的操作：接收患者的解剖区域的三维模型，以及评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。所述评估可包括：分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
在这些和另外的其他实施例中，一种方法可包括接收患者的解剖区域的三维模型，以及评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。所述评估可包括：分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
在这些和另外的实施例中，用于规划医疗规程的***包括处理器和可操作地耦接到所述处理器的存储器。所述存储器可存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下的操作：接收患者的解剖区域的三维模型；生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
在这些和其他实施例中，一种非暂态计算机可读介质可存储指令，所述指令在由计算***的一个或多个处理器执行时致使所述计算***执行包括以下的操作：接收患者的解剖区域的三维模型；生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
在这些和另外的其他实施例中，一种方法可包括：接收患者的解剖区域的三维模型；生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
附图说明
参考以下附图可更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定按比例绘制。相反，重点放在清楚地说明本公开的原理上。附图不应被视为将本公开限于所描绘的特定实施例，而仅用于解释和理解。
图1是示出根据本技术的各种实施例的用于评估解剖区域的模型的可配准性的方法的流程图。
图2A是肺的气道的示意图。
图2B是具有不足水平跨度的图2A的气道的模型的示意图。
图2C是具有足够水平跨度的图2A的气道的模型的示意图。
图3是示出根据本技术的各种实施例的用于在三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准的方法的流程图。
图4是示出根据本技术的各种实施例的用于在三维模型和多个虚拟配准数据集之间执行配准的方法的流程图。
图5是示出根据本技术的各种实施例的用于规划配准规程的方法的流程图。
图6是根据本技术的各种实施例配置的机器人或遥控医疗***的示意图。
图7是根据本技术的各种实施例配置的操纵器组件、医疗器械***和成像***的示意图。
图8是根据本技术的各种实施例的在患者的解剖区域内延伸的图7的医疗器械***的一部分的示意图。
图9示出了形成点云的多个坐标点，该点云表示根据本技术的各种实施例配置的图8的医疗器械***的部分的形状。
图10示出了根据本技术的各种实施例的从图8的医疗器械***在图8的解剖区域内延伸的部分的视点来看的真实患者解剖结构的真实导航图像。
图11示出了根据本技术的各种实施例的当图8的医疗器械***的部分在解剖区域内延伸时的图8的解剖区域的一部分的术中图像。
图12是根据本技术的各种实施例的显示***的显示器的示意图，该显示器显示合成虚拟导航图像(其中图7和图8的医疗器械***被配准到图8的解剖区域的解剖模型)、虚拟患者解剖结构的虚拟导航图像，以及解剖区域内的真实患者解剖结构的真实导航图像。
具体实施方式
本公开涉及用于规划要在患者的解剖区域内执行的医疗规程的设备、***、方法和计算机程序产品。在一些实施例中，图像引导医疗规程使用解剖区域的三维模型以辅助操作者在患者体内导航医疗设备或器械。三维模型被配准到患者的解剖结构，使得设备在患者体内的位置可被跟踪并映射到模型内的对应位置。准确的配准对于在复杂、密集和/或曲折的解剖区域(诸如肺的气道)内执行的医疗规程而言可能特别重要。然而，如果三维模型不能准确地配准到解剖结构(例如，由于不足的模型数据、解剖区域的复杂性等)，则操作者可能难以或不可能将医疗设备导航到解剖区域内的正确位置。
因此，在一些实施例中，本文描述的***被配置为在术前规划期间评估解剖模型以确定该模型是否适合于解剖区域的配准(即可准确且一致地配准到患者的解剖结构的至少一部分)。例如，评估可包括分析模型是否沿至少两个不同方向具有足够的跨度和/或确定模型是否包括关键解剖结构(例如，气管、主隆突、左主支气管、右主支气管和/或亚段支气管)。在一些实施例中，评估包括在三维模型和一个或多个虚拟配准数据集之间执行一个或多个配准。这些模拟配准的结果可用于评估模型是否适合于在实际的配准规程中使用，或者是否应该修改模型。通过在术前规划阶段提供对模型的反馈，本技术有望减小在实际医疗规程期间由于不准确的配准而导致的延误、取消或其他挫折的可能性。
此外，在配准规程期间，可能具有挑战性的是确定如何通过医疗设备调查解剖区域以获得足够的数据以便将模型准确地配准到解剖区域。因此，在一些实施例中，本文公开的***通过确定哪个或哪些调查轨迹可能产生准确的配准来辅助规划配准规程。例如，本文公开的***可通过三维模型的至少一部分生成建议的调查轨迹，并且然后生成虚拟配准数据集，该虚拟配准数据集模拟由遵循调查轨迹的医疗设备获得的调查数据。本文公开的***然后可在三维模型和虚拟配准数据集之间执行多个配准以评估调查轨迹是否可能产生成功的配准。如果确定调查轨迹合适，则可在实际配准规程期间将其显示给操作者以用于视觉引导。因此，本技术有望改进配准规程的效率和准确度。
A.用于评估解剖模型的可配准性以及规划配准规程的技术的实施例
本技术涉及要在患者的解剖区域中执行的医疗规程的术前规划。在一些实施例中，例如，本文描述的***被配置为评估解剖区域的三维模型的可配准性—即模型是否适用于后续配准规程。配准规程可涉及确定将模型的参考系映射到患者解剖结构的参考系的变换。如上所讨论的，准确的配准允许将医疗设备的位置映射到三维模型中的对应位置，因此操作者可在将设备导航到患者解剖结构中的目标位置时参考模型以进行视觉引导。然而，如果模型不包括足够的解剖区域数据(例如，沿多个方向缺乏足够的跨度，缺乏某些解剖结构)，如果模型与解剖区域的配合是不明确的(例如，由于解剖区域内的通路的高密度)，或者如果模型以其他方式无法支持稳定和一致的配准，配准的准确度可能会受到影响。这些问题可通过在术前规划阶段评估模型的可配准性来缓解，从而允许在对患者进行实际配准规程之前根据需要修正模型。
图1是示出根据本技术的各种实施例的用于评估解剖区域的模型的可配准性的方法100的流程图。方法100被示为一组步骤或过程110-150。方法100的所有步骤或步骤的子集可由计算***或设备实现，诸如工作站，包括被配置为执行医疗规程的术前规划的便携式计算***(诸如膝上型计算机)。另选地，方法100的所有步骤或步骤的子集可由医疗器械***或设备(包括机器人或遥控***的各种部件或设备)的控制***实现。用于实现方法100的计算***可包括一个或多个处理器，其可操作地耦接到存储指令的存储器，这些指令在被执行时致使计算***执行根据步骤110-150的操作。下面通过交叉引用图2A、图2B、图2C、图3和图4的各个方面来说明方法100。
方法100开始于步骤110，其中接收患者的解剖区域的三维模型。模型可表示其中要执行医疗规程的解剖区域(例如，患者的肺的气道)，并且可表示通路和该区域内的其他结构的位置、形状和连接性。在一些实施例中，三维模型是根据解剖区域的术前图像数据生成的，诸如计算机断层扫描(CT)数据、磁共振成像(MRI)数据、荧光透视数据、热成像数据、超声数据、光学相干断层扫描(OCT)数据、热图像数据、阻抗数据、激光图像数据、纳米管X射线图像数据和/或表示患者解剖结构的其他合适数据。图像数据可对应于二维、三维或四维(例如，基于时间或基于速度的信息)图像。在一些实施例中，例如，图像数据包括来自多个视角的可被组合成伪三维图像的二维图像。
可通过对图像数据中的表示解剖学特征的图形元素进行分段来生成三维模型。在分段过程期间，根据图像数据生成的像素或体素可被划分成区段或元素和/或被标记以指示它们共享某些特性或计算属性，诸如颜色、密度、强度和纹理。然后将与患者解剖特征相关联的区段或元素转换成分段解剖模型，该模型在模型或图像参考系中生成。为了表示模型，分段过程可描绘表示解剖区域的体素集，并且然后应用诸如行进立方体函数的函数来生成包围体素的三维表面。可通过生成网格、体积或体素图来制作模型。附加地或附加地，模型可包括中心线模型，该中心线模型包括延伸穿过建模通路的中心的互连线区段或点的集合。在模型包括包含互连线区段的集合的中心线模型的情况下，这些线区段可被转换为点云或点集。通过转换线区段，可手动或自动地选择对应于互连线区段的点的期望数量。
在步骤120处，评估三维模型以确定它是否适用于后续配准规程。如上所讨论，如果模型可能产生与患者解剖结构或至少其一部分的准确配准，则模型可被认为是合适的。评估规程可涉及分析模型的各个方面以评估其可配准性。在一些实施例中，评估规程用于评估整个模型的可配准性。然而，在其他实施例中，评估规程可用于评估模型的一个或多个选定部分的可配准性。例如，可配准性只能针对与其中准确配准预计为特别重要的解剖位置相对应的模型部分进行评估，诸如针对后续医疗规程感兴趣的部位处或附近的位置(例如，要进行活检的目标病变)。
例如，在步骤122处，分析三维模型的跨度。模型的跨度可对应于模型所覆盖的解剖区域的范围。如果模型没有足够跨度(即模型未覆盖足够的解剖区域以允许对该区域进行准确配准)，则可认为模型不适合于配准。如上所讨论，跨度可在整个模型或特定解剖子区域(例如，肺叶)上进行评估，其中可能存在感兴趣的部位(例如，病变)和/或其中准确的配准最为关键。
在一些实施例中，例如，分析包括确定模型是否沿至少两个不同维度或方向(例如，上下方向和内外方向)具有足够跨度。仅沿第一方向(例如，上下方向)包括足够跨度并且沿第二方向(例如，内外方向)缺乏足够跨度的模型可能被认为不适用于配准，而沿两个或多个不同方向包括足够跨度的模型可能被认为适用于配准。在一些实施例中，两个或更多个不同方向对应于已知的基本方向(例如，上下方向、内外方向等)。然而，在其他实施例中，两个或更多个不同方向可以是随机化方向，例如以确保模型在三维空间中提供足够的覆盖。
图2A-2C是相对于患者肺的气道200的跨度的概念的示意图。首先参考图2A，气道200包括沿至少两个不同方向延伸的多个分支或分叉，诸如竖直(上下)方向V0和水平(内外)方向H0。气道200的模型的跨度可对应于模型中表示的分支/分叉的量。参考图2B，例如，模型210未覆盖足够的气道200的分支/分叉点(如图2B中的虚线所指示)，使得模型210具有足够的竖直跨度V1但具有不足的水平跨度H1。因此，模型210可能产生与气道200的不良配准。接下来参考图2C，模型220覆盖气道200的足够分支/分叉，使得模型220具有足够的竖直跨度V2和足够的水平跨度H2。因此，模型220可能产生与气道200的准确配准。
在一些实施例中，通过计算沿第一方向的第一跨度值和沿不同于(例如，正交于)第一方向的第二方向的第二跨度值来分析三维模型的跨度。如果第一跨度值和第二跨度值均超过预定阈值，则可认为模型沿第一方向和第二方向具有足够的跨度。根据本领域技术人员所知的技术，跨度值可以多种方式来计算，诸如通过使用特征分析将模型分解为多个特征向量(对应于不同方向)和多个特征值(对应不同方向的跨度)。在计算模型跨度时，特征分析可提供模型所表示的平面解剖结构的方向和/或量值。可在表面模型上或解剖区域的中心线模型上执行特征分析。与其他类型的模型相比，来自中心线模型的数据可更好地表示模型的方向性和跨度。在一些实施例中，特征分析涉及计算对应于沿第一方向(例如，最大跨度的方向，诸如上下方向)的跨度的第一特征值和对应于沿第二方向(例如，最小跨度的方向，诸如内外方向)的跨度的第二特征值。如果第一特征值和第二特征值均超过阈值，则认为模型沿第一方向和第二方向具有足够的跨度。如果第一特征值或第二特征值小于阈值，则认为模型分别沿第一方向或第二方向具有不足的跨度。另选地或组合地，可使用其他技术来评估模型跨度和/或覆盖范围，诸如主分量分析(PCA)、或评估三维模型的凸包所包含的面积和/或体积。
再次参考图1，在步骤124处，分析三维模型以确定它是否包括关键解剖结构。具体地，模型应包括对应于一个或多个解剖结构的一个或多个分段分量，该于一个或多个解剖结构对于产生成功配准而言是必要的或至少非常有益的。可配准性的关键解剖结构可基于特定解剖结构和/或患者而变化，并且可基于位置、大小、形状、独特性、与目标部位的接近度和/或解剖结构的其他特征来确定。例如，在其中解剖区域包括肺的气道的实施例中，关键解剖结构可包括气管、主隆突、左主支气管、右主支气管和/或亚段支气管。缺少与一些或全部的这些关键解剖结构相对应的分段分量的模型可能被认为不适合于配准。在其他实施例中，可利用各种其他解剖结构。
除了确定在模型中是否存在某些关键解剖结构之外，分析还可包括检测模型中表示的这些结构的尺寸(例如，长度、直径等)是否大于或等于预定最小尺寸。例如，在模型包括气道的支气管的实施例中，分析可包括确定对应于支气管的分段模型分量是否具有大于或等于0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm或5cm的长度。任选地，分析可包括评估模型中表示的解剖结构的其他特性。例如，在解剖结构是具有多个代级的分支结构(例如，支气管)的实施例中，分析可包括检测模型是否包括预定的最小代级数(例如，至少两代级、三代级、四代级、五代级、六代级、七代级、八代级或更多代级)。
在步骤126处，在三维模型和一个或多个虚拟配准数据集之间执行一个或多个配准。每个虚拟配准数据集可被配置为模拟在实际配准规程期间由在解剖区域内驱动的医疗设备收集的调查数据。例如，当医疗设备在解剖结构中的不同通路内被驱动时，虚拟配准数据集可模拟由医疗设备中的一个或多个传感器生成的传感器数据(例如，位置和/或形状数据)。因此，虚拟配准数据集和模型之间的配准可用于模拟在真实患者解剖结构和模型之间执行的实际配准的结果。
模拟的配准可以各种不同的方式进行，如下面相对于图3和图4更详细地描述的。在一些实施例中，例如，一个或多个模拟配准在模型和单个虚拟配准数据集之间执行，其中每个配准通过不同的随机化初始种子来执行。另选地或组合地，可在模型和多个不同的虚拟配准数据集之间执行多个模拟配准。为了将模型配准到虚拟配准数据集，虚拟配准数据集的数据点可旋转、平移或以其他方式通过刚性和/或非刚性变换来操纵以将它们与模型的数据点对准。模拟的配准可例如使用基于点的迭代最近点(ICP)技术来执行，如美国临时专利申请号62/205,440和62/205,433中描述的，该专利申请的全部内容均通过引用并入本文。然而，在其他实施例中，模拟的配准可使用其他配准技术来执行。
可基于模型是否可准确且一致地配准到虚拟配准数据集来评估模型的可配准性。如果模型不能准确地配准到虚拟配准数据集和/或如果配准结果不稳定或不一致，则模型可能被认为不适合于配准。如上所讨论，可跨整个模型或仅在模型的选定部分(例如，表示包含目标部位的解剖位置的模型部分，或准确配准尤为重要的其他位置)评估配准的准确度和稳定性)。
在步骤130处，将评估结果输出到操作者(例如，将执行配准规程的外科医生或临床医生)。评估结果可包括步骤122-126的每个分析的结果，以及指示三维模型是否适合在配准规程中使用的反馈。在一些实施例中，如果步骤122-126各自产生成功的结果(例如，模型具有足够的跨度，包括所有关键解剖结构，并且可被成功配准到虚拟配准数据集)，则认为三维模型适用于配准。然而，在其他实施例中，即使步骤122-126中的一些步骤不成功(例如，模型没有足够的跨度但包括所有关键解剖结构并且可被成功配准到虚拟配准数据集)，模型也可被认为是合适的。任选地，步骤122-126的分析可在评估模型的整体可配准性时被给予不同的权重。在进一步的实施例中，输出可简单地包括步骤122-126的分析的结果，因此操作者评估模型的可配准性(例如，基于他们其自己的知识和经验)而无需来自***的任何具体推荐或引导。
如果模型被认为合适，***可提供反馈，其指示操作者该模型已准备好用于医疗规程。如果模型被认为不合适，则反馈可指示在执行规程之前需要采取校正动作，并且可提供有关要采取的校正动作的说明或建议。例如，反馈可指示操作者收集解剖区域的一部分或整个解剖区域的附加图像数据。另选地或组合地，反馈可指示操作者修改模型，例如，通过对来自图像数据的附加解剖结构进行分段、修改现有模型分量等。在一些实施例中，反馈可指示操作者扩展、细化或以其他方式改进模型的特定部分，例如，如果这些部分不包括足够的数据(例如，模型缺乏沿某个方向的跨度和/或缺少某些解剖结构等)和/或如果模拟的配准在这些部分处特别不准确或不一致。随后，可重复步骤122-126中的一个或多个步骤的分析以评估修正模型的可配准性。评估、反馈和修订过程可重复多次以迭代地得出合适的模型。
一旦三维模型被批准，方法100就可进行到步骤140，其中在患者中执行的实际配准规程期间将模型配准到解剖区域。在一些实施例中，保存模型(例如，作为一个或多个数字文件)作为包括配准规程的医疗规程的规划的一部分。任选地，批准的模型可用于医疗规程的其他术前规划步骤(例如，确定配准的调查轨迹，确定医疗设备到达目标部位的导航路径等)。在规划是在术前规划工作站上创建的实施例中，该规划可被转移到用于执行配准规程的医疗器械***。
在配准规程期间，当操作者在解剖区域内驱动医疗设备以获得调查数据时，可向操作者显示三维模型(例如，经由图形用户界面)以进行视觉引导。然后可使用ICP技术或本文所述的任何其他技术将模型配准到调查数据，并且从而配准到实际患者解剖结构。在一些实施例中，操作者可检查配准结果并接受配准或采取动作来调整配准。例如，操作者可获得附加的调查数据并且重新运行配准算法(例如，仅使用新调查数据或使用跨多个调查通道组合的调查数据)。此过程可重复多次，直到达到满意的配准。任选地，在执行多个配准的实施例中，可执行灵敏度分析以评估配准结果的稳定性和一致性。
一旦配准被批准，方法100就可行进到步骤150，其中在医疗规程期间显示三维模型。模型可用于引导操作者执行医疗规程(例如，将活检器械导航到目标病变)，如下文更详细描述的。
尽管方法100的步骤以特定顺序讨论和说明，但相关领域的普通技术人员将认识到方法100可被改变并且仍然保留在本技术的这些和其他实施例内。在其他实施例中，例如，方法100可不同的顺序执行，例如，方法100的任何步骤可在方法100的任何其他步骤之前、期间和/或之后执行。例如，步骤124可在步骤122之前执行，步骤126可在步骤122和/或步骤124之前执行等。另外，可省略图1所示的方法100的一个或多个步骤。例如，步骤140和150可被省略，或者可由与用于执行步骤110-130的***或设备不同的***或设备执行。任选地，可重复方法100的一个或多个步骤。
图3是示出根据本技术的各种实施例的用于在三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准的方法300的流程图。方法300被示为一组步骤或过程310-330。在一些实施例中，方法300的一些或全部步骤作为用于评估模型的可配准性的方法的一部分执行(例如，作为图1的方法100的步骤126的一部分)。方法300可由合适的计算***或设备(例如，术前规划工作站、医疗器械***等)执行。用于实现方法300的计算***可包括一个或多个处理器，其可操作地耦接到存储指令的存储器，这些指令在被执行时致使计算***执行根据步骤310-330的操作。
方法300开始于步骤310，其中生成虚拟配准数据集。虚拟配准数据集可模拟在配准规程期间由医疗设备收集的调查数据。在一些实施例中，虚拟配准数据集是从三维模型生成的，并且包括沿多个参数(例如，通路、噪声、变形、深度等)随机化的数据点。例如，数据点可通过以下方式来生成：选择通路的子集或模型的结构(例如，直到第n代级的所有气道、目标病变或其他感兴趣部位附近的气道)，创建这些通路/结构的中心线的骨架化表示，以及然后将随机化噪声添加到骨架化表示中以模拟从在选定通路/结构内驱动设备所得的调查数据。在其他实施例中，虚拟配准数据集可通过以下方式来生成：确定三维模型内的模拟调查轨迹，然后选择沿着或靠近调查轨迹的随机化数据点来模拟从沿着调查轨迹驱动设备所得的调查数据。随后，数据点可相对于其原始位置进行扰动(例如，平移和/或旋转)，使得虚拟配准数据集与模型不对准。作为另一个示例，可通过对表示在已知位置(例如，气道)处的观察或预期的解剖运动的模型应用变形来生成数据点。这种方法可用于产生反映在实际配准规程期间可能发生的预期运动或未对准(例如，由于呼吸、生理因素、患者运动等)的数据点。
在步骤320处，在虚拟配准数据集和三维模型之间执行多个配准。每个配准的结果可以是配准参数(例如，平移和/或旋转参数)集，其在应用于模型的点时将模型与虚拟配准数据集对准。因为虚拟配准数据集是从模型生成的，因此用于对准虚拟配准数据集和模型的“真实”配准参数是已知的并且可用于评估模拟配准的准确度。在一些实施例中，步骤320涉及使用蒙特卡罗分析、敏感性分析和/或其他合适的技术来评估模型是否可被一致且准确地配准到虚拟配准数据集。
在步骤322处，例如，生成随机化初始种子。初始种子可以是用于将三维模型与虚拟配准数据集对准的配准参数的初始猜测。例如，在其中三维模型是患者气道模型的实施例中，初始种子可以是用于将模型中的主隆突与虚拟配准数据集中的主隆突对准的估计变换。可以多种方式生成随机化初始种子，诸如通过首先确定用于将模型与配准数据集对准的“真实”配准参数，然后向参数添加随机化噪声。在步骤324处，使用初始种子作为起点将虚拟配准数据集配准到三维模型。配准可使用与如本文先前描述的用于实际配准规程的技术(例如，ICP技术)相同或相似的技术来执行。在步骤326处，确定配准的配准参数。例如，配准算法的输出可以是描述平移、旋转和/或用于将模型映射到虚拟配准数据集上的其他变换或操作的变换矩阵。在一些实施例中，为了针对蒙特卡罗分析或其他统计分析创建足够的结果集，将步骤322-326重复多次(例如，至少5、10、20或50次)，其中针对每个模拟配准使用不同的随机化初始种子。
在步骤330处，方法300确定多个配准之间的差异量(amount of variance)。例如，可通过对来自每个模拟配准的配准参数执行统计分析以评估参数之间的差距(spread)来确定差异(variance)。另选地或组合地，可使用统计分析来评估每个配准的准确度之间的差距。差异量可与模型的整体配准稳定性相关。例如，如果配准之间的差异相对较低(例如，小于或等于阈值)，则模型可能更有可能在实际配准规程期间产生稳定且成功的配准。相反，如果配准之间的差异相对较大(例如，大于阈值)，则模型可能不太可能产生稳定且成功的配准。这些结果可用于评估模型的整体可配准性，如先前相对于图1的方法100的步骤120所述。结果也可被输出到操作者作为用于修改模型的反馈。差异的统计测量可作为整体进行计算以确定整个模型的可配准性，或者可针对模型内的特定位置(例如，对应于解剖区域中的病变或其他感兴趣部位的位置)进行计算。
尽管方法300的步骤以特定顺序讨论和说明，但相关领域的普通技术人员将认识到方法300可被改变并且仍然保留在本技术的这些和其他实施例内。在其他实施例中，例如，方法300可不同的顺序执行，例如，方法300的任何步骤可在方法300的任何其他步骤之前、期间和/或之后执行。另外，可省略或重复图3所示的方法300的一个或多个步骤。
图4是示出根据本技术的各种实施例的用于在三维模型和多个虚拟配准数据集之间执行配准的方法400的流程图。方法400被示为一组步骤或过程410-430。在一些实施例中，方法400的一些或所有步骤作为用于评估模型的可配准性的方法的一部分执行(例如，作为图1的方法100的步骤126的一部分)。例如，方法400可与图3的方法300结合或作为其替代来执行。方法400与方法300的不同之处可在于方法300涉及将模型重复配准到单个虚拟配准数据集(其对于每次配准运行具有不同的初始种子)，而方法400涉及将模型配准到多个不同虚拟配准数据集。方法400可由合适的计算***或设备(例如，术前规划工作站、医疗器械***等)执行。用于实现方法400的计算***可包括一个或多个处理器，其可操作地耦接到存储指令的存储器，这些指令在被执行时致使计算***执行根据步骤410-430的操作。
方法400开始于步骤410，其中生成多个虚拟配准数据集。每个虚拟配准数据集可模拟在配准规程期间由医疗设备收集的调查数据。在一些实施例中，每个虚拟配准数据集不同于其他数据集。例如，步骤410涉及生成至少5个、10个、20个、50个或更多个不同的虚拟配准数据集。可使用与相对于图3的方法300的步骤310描述的过程类似或相同的技术从模型生成不同的虚拟配准数据集。在一些实施例中，例如，每个虚拟配准数据集是从模型的不同部分(例如，不同气道)生成的。另选地，一些或全部的虚拟配准数据集可从模型的相同部分生成，但添加了随机化噪声以使得每个数据集至少包括一些独特的数据点。任选地，一些或全部的虚拟配准数据集可基于不同的模拟调查轨迹来生成，如先前相对于图3的步骤310所描述的。
在步骤420处，在虚拟配准数据集和三维模型之间执行多个配准。在一些实施例中，在模型和不同的虚拟配准数据集之间执行每个配准。每个配准的结果可以是将模型与相应的虚拟配准数据集对准的配准参数集。例如，在步骤422处，将虚拟配准数据集配准到三维模型。配准可使用与如本文先前描述的用于实际配准规程的技术(例如，ICP技术)相同或相似的技术来执行。在步骤424处，如前所述，确定配准的配准参数。可多次重复步骤422和424，直到所有虚拟配准数据集都已与模型配准。
在步骤430处，方法400确定通过模型产生准确配准的虚拟配准数据集的数量。如前所述，因为每个虚拟配准数据集都是从模型生成的，所以每个虚拟配准数据的“真实”配准参数是已知的。因此，每个虚拟配准数据集的配准参数可与“真实”参数进行比较以确定配准的准确度。在一些实施例中，准确度可被表示为分数或其他定量测量。然后方法400可确定产生足够准确结果的模拟配准的数量和/或比例(例如，配准的准确度分数大于或等于阈值)。准确配准的数量和/或比例可能与模型在实际配准规程期间将被成功配准到解剖结构的总体可能性相关。例如，如果至少有一个虚拟配准数据集产生准确配准，或者如果至少有50％、75％、80％、90％、95％或99％的模拟配准结果为足够准确的，则模型可被认为适合于配准。相反，如果没有虚拟配准数据集产生准确配准，或者如果准确配准的数量和/或比例太小(例如，小于50％、25％、10％、或5％的准确配准)，则模型可被认为不适合于配准。。如上所讨论，模拟配准的准确度可在整个模型中进行评估，或者可仅针对模型的选定部分(例如，对应于感兴趣的目标解剖部位的部分)进行评估。这些结果可用于评估模型的整体可配准性，如先前相对于图1的方法100的步骤120所述。结果也可被输出到操作者作为用于修改模型的反馈。
任选地，方法400可包括用于评估模拟配准的整体稳定性和准确度的其他技术。在一些实施例中，例如，方法400包括对配准结果执行统计分析以确定跨所有配准的准确度的差异或差距。方法400还可包括识别产生成功或不成功配准的虚拟配准数据集中的共同特性(例如，如果从模型的某些部分生成的虚拟配准数据集倾向于产生更准确或不准确的配准)。该信息可作为调整模型的附加反馈提供给操作者。
尽管方法400的步骤以特定顺序讨论和说明，但相关领域的普通技术人员将认识到方法400可被改变并且仍然保留在本技术的这些和其他实施例内。在其他实施例中，例如，方法400可不同的顺序执行，例如，方法400的任何步骤可在方法400的任何其他步骤之前、期间和/或之后执行。另外，可省略或重复图4所示的方法400的一个或多个步骤。
在一些实施例中，本文描述的三维解剖模型用于规划配准规程。如前所述，配准规程可涉及在解剖区域的通路内驱动医疗设备以收集调查数据，然后使用调查数据将模型配准到解剖区域。然而，操作者可能不知道用于驱动医疗设备以获得调查数据的最佳轨迹或路线。即使***指示操作者在解剖结构的某些区域内驱动设备，也可能难以确定设备应被驱动到的特定通路，特别是当通路极其密集或曲折时(例如，如在肺的气道中时)。此外，操作者可能不知道他们是否收集了足够的调查数据以通过模型生成准确且一致的配准。在一些情况下，即使模型本身适用于配准，如果没有获得足够的调查数据和/或体验调查数据覆盖的位置不理想，则配准也可能会失败。因此，在一些实施例中，本文描述的***被配置为规划可能产生与模型的成功配准的调查轨迹。可显示调查轨迹以引导操作者在配准规程期间收集调查数据。
图5是示出根据本技术的各种实施例的用于规划配准规程的方法500的流程图。方法500被示为一组步骤或过程510-570。方法500可由合适的计算***或设备(例如，术前规划工作站、医疗器械***等)执行。用于实现方法500的计算***可包括一个或多个处理器，其可操作地耦接到存储指令的存储器，这些指令在被执行时致使计算***执行根据步骤510-570的操作。
方法500开始于步骤510，其中接收患者的解剖区域的三维模型。该模型可以是从术前成像数据生成的分段模型，如先前相对于图1的方法100的步骤110所述。在一些实施例中，模型已经被确定为适用于配准，如先前分别相对于图1、图3和图4的方法100、300和/或400所描述的。在其他实施例中，模型的可配准性尚未被评估，使得方法500的一些或全部后续步骤(例如，步骤520-550)可在方法100、300和/或400的步骤中的一些或全部步骤之前或与其同时执行。
在步骤520处，生成通过三维模型的一部分的调查轨迹。调查轨迹可以是用于在解剖区域内驱动医疗设备以在配准规程期间收集调查数据的建议路线。可使用模型来自动、半自动或手动地生成调查轨迹。例如，操作者可通过经由合适的图形用户界面选择模型中的通路(例如，气道)来手动创建调查轨迹的一些或全部。另选地或组合地，调查轨迹中的一些或全部可由***自动生成。在一些实施例中，***可自动生成轨迹，并且操作者可批准轨迹或手动修改轨迹(例如，通过添加、删除或以其他方式修改轨迹的部分)。相反，操作者可手动创建轨迹，并且***可自动修改轨迹或提出修改以供操作者批准。
在一些实施例中，***自动识别当通过医疗设备来调查时可能会产生准确配准的模型中的通路，并且生成穿过这些通路中的一些或全部的调查轨迹。例如，***可基于医疗设备的可接近性(例如，足够大的直径，不太曲折)、解剖区域内的深度(例如，至少x代级深)和/或独特性(例如，具有可很容易地与其他通路区分开来的形状和/或位置)。任选地，可至少部分地基于患者特定因素诸如医疗规程的目标部位(例如，目标病变或活检部位)的位置来生成调查轨迹。例如，调查轨迹可被配置为穿过相对靠近目标位置的通路以增加配准将在目标位置处或目标位置附近为准确的可能性。任选地，如果目标部位在解剖区域内的特定深度(例如，在第n代级通路处或附近)，则调查轨迹可被配置为至少与目标部位一样深以增加配准在目标深度处将是准确的。
在步骤530处，针对调查轨迹生成虚拟配准数据集。虚拟配准数据集可模拟由沿着调查轨迹驱动的医疗设备产生的调查数据，并且可包括沿着或靠近调查轨迹的多个数据点。可使用与先前分别相对于图3和图4的步骤310和/或410描述的技术相同或相似的技术来生成虚拟配准数据集。在一些实施例中，例如，***创建由调查轨迹穿过的通路中心线的骨架化表示，然后将随机化噪声添加到该表示以生成虚拟配准数据集的数据点。在其他实施例中，可将变形应用于模拟或代表某些位置(例如，气道)处的预期解剖运动的模型，以生成反映预期运动或未对准(例如，由于呼吸、生理因素或患者运动)的数据点。
在步骤540处，在三维模型和虚拟配准数据集之间执行多个配准(例如，至少5个、10个、20个、50个或更多个配准)。类似于图3的方法300，该步骤可使用蒙特卡罗分析、灵敏度分析和/或其他统计技术来评估从调查轨迹生成的虚拟配准数据集是否一致地产生与模型的准确配准。在一些实施例中，配准算法包括相对于图3的方法300的步骤322-326描述的过程的一些或全部。例如，可使用相同的虚拟配准数据集和不同的(例如，随机化)初始种子来执行每个配准。每个配准可产生表示用于将三维模型映射到虚拟配准数据集的估计变换的配准参数集。
在步骤550处，***基于来自步骤540的配准结果来评估调查轨迹是否适用于配准规程。评估可包括确定配准之间的差异量，类似于上面相对于图3的方法300的步骤330所描述的过程。如果差异量相对较低(例如，小于或等于阈值)，则调查轨迹可能更有可能产生与模型的准确配准。另一方面，如果差异量相对较高(例如，大于阈值)，则调查轨迹可能不太可能产生准确配准。
如果确定调查轨迹不适合配准，***可向操作者输出反馈，该反馈指示需要采取纠正措施，并且任选地可包括关于要采取的具体校正动作的指令或建议。例如，反馈可指示操作者手动添加、删除或以其他方式修改调查轨迹的部分。在一些实施例中，如果模型中的某些位置处的配准准确度特别差，则***可指示操作者将调查轨迹延伸到那些位置。随后，可重复步骤530-550的分析以评估修正调查轨迹是否产生令人满意的配准结果。评估、反馈和修订过程可重复多次以迭代地得出合适的调查轨迹。
一旦调查轨迹被确定为合适，方法500就可行进到步骤560，其中显示在配准规程期间的调查轨迹。在一些实施例中，保存调查轨迹(例如，作为一个或多个数字文件)作为包括配准规程的医疗规程的术前规划的一部分。规划还可包括用于生成调查轨迹的三维模型。规划可被转移到用于执行医疗规程的医疗器械***。适用于与本文的实施例一起使用的医疗器械***的示例在下文更详细地描述。
在配准规程期间，可向操作者显示调查轨迹(例如，经由图形用户界面)以便提供用于在患者解剖结构内驱动医疗设备以收集调查数据的视觉引导。例如，***可输出调查轨迹的图形表示，例如作为覆盖到实际患者解剖结构的模型和/或图像上的路径。另选地或组合地，***可输出文本、音频或其他指令，其指导操作者以沿着调查轨迹导航设备(例如，在特定方向上和/或针对特定距离，相对于特定解剖标志等)。任选地，***可显示调查轨迹以及由医疗设备收集的医疗设备的位置数据以使得操作者可跟踪设备相对于轨迹的位置。在一些实施例中，***还显示由医疗设备收集的调查数据以及调查轨迹，因此作者可评估是否已获得足够的数据、是否存在任何间隙或不完整采样区域等。
在步骤570处，使用在配准规程期间收集的调查数据将三维模型配准到解剖区域(例如，如先前相对于图1的方法100的步骤140所描述的)。在一些实施例中，调查轨迹也用于计算配准。例如，在计算配准参数时，配准算法可假设调查数据位于沿着或靠近调查轨迹定位。任选地，算法可在计算配准时忽略远离调查轨迹定位的调查数据点，例如，如果此类数据点被认为对于准确的配准是不必要的和/或可能引入错误。在一些实施例中，操作者检查配准结果，并且如果需要，收集附加调查数据以修正配准，如上文相对于图1的步骤140所讨论的。一旦模型已被成功地配准到患者解剖结构，模型可用于引导操作者执行医疗规程(例如，将活检器械导航到目标病变)，如下文更详细描述的。
尽管方法500的步骤以特定顺序讨论和说明，但相关领域的普通技术人员将认识到方法500可被改变并且仍然保留在本技术的这些和其他实施例内。在其他实施例中，例如，方法500可不同的顺序执行，例如，方法500的任何步骤可在方法100的任何其他步骤之前、期间和/或之后执行。另外，可省略图1所示的方法500的一个或多个步骤。例如，步骤560和570可被省略，或者可由与用于执行步骤510-550的***或设备不同的***或设备执行。
任选地，可重复方法500的一个或多个步骤。例如，可多次重复步骤520-550以生成和评估多个不同的调查轨迹(例如，两个、三个、四个、五个或更多个不同的调查轨迹)。不同的调查轨迹可在解剖区域内的位置、解剖区域内的目标部位的接近度、长度、深度、形状、独特性和/或任何其他合适的特性的方面彼此不同。例如，本文描述的***可评估多个调查轨迹并建议不同的轨迹，这取决于后续活检规程的目标病变的位置。虚拟配准数据集可针对每个调查轨迹生成并且在模拟配准中使用以评估调查轨迹的适用性，如上所述。在此类实施例中，方法500还可包括选择调查轨迹的子集以用于配准规程，例如，基于调查轨迹是否可能产生准确且稳定的配准。所选择的轨迹可在步骤560处顺序或同时显示给操作者，因此操作者可在实际配准规程的不同选项之间进行选择。
此外，在其他实施例中，不是为每个调查轨迹生成单个虚拟配准数据集，而是可针对单个调查轨迹多次重复步骤530和540以生成该轨迹的多个不同虚拟配准数据集(例如，至少5个、10个、20个、50个或更多个数据集)。可使用先前相对于图4的方法400的步骤410描述的技术来创建不同的虚拟配准数据集。然后可通过评估可被成功地配准到模型的虚拟配准数据集的数量和/或比例来确定调查轨迹针对配准的适用性，类似于先前相对于图4的方法400的步骤420-430描述的技术。这种方法可提供有关经由调查轨迹产生的配准的质量和稳定性的附加信息。
在一些实施例中，用于确定配准规程的调查轨迹的技术可与用于评估三维解剖模型的可配准性的技术组合。例如，图5的方法500的一些或全部步骤可与图1的方法100的一些或全部步骤组合或同时执行(例如，方法100的步骤110可与方法500的步骤510组合，方法100的步骤126可与方法500的步骤520-540组合，方法100的步骤140可与方法500的步骤560和570组合等)。在此类实施例中，方法500可部分地或完全地由用于执行方法100的相同***或设备执行，反之亦然。然而，在其他实施例中，方法500和方法100可以是在不同时间和/或由不同***或设备执行的不同过程。
在一些实施例中，本文相对于图1-5所描述的技术作为医疗规程的术前规划的一部分执行以对一个或多个目标部位(例如，病变或其他感兴趣的组织)进行活检。因此，本文描述的技术可用于(i)评估解剖模型的与目标部位或附近的解剖结构的可配准性，以及(ii)确定可能产生与目标部位处或附近的解剖结构的准确和一致的配准的一个或多个调查轨迹。在医疗规程涉及对多个目标部位进行活检的实施例中，本文所述的***可评估模型相对于每个目标部位的可配准性(例如，通过分析模型跨度、关键解剖结构和/或在每个部位处或附近的模拟配准结果)，和/或可建议对于每个部位定制的调查轨迹(例如，通过评估通过每个部位处或附近的解剖结构的部分的不同调查轨迹)。
B.机器人或遥控医疗***和相关联设备、***和方法的实施例
图6是根据本技术的各种实施例配置的机器人或遥控医疗***600(“医疗***600”)的示意图。医疗***600可与上文相对于图1-5描述的任何规程或方法一起使用。如图所示，医疗***600包括操纵器组件602、医疗器械***604、主组件606和控制***612。操纵器组件602支持医疗器械***604并且在主组件606和/或控制***612的指导下驱动医疗器械***604以在外科环境601中对定位在台607上的患者603执行各种医疗规程。在这方面，主组件606通常包括一个或多个控制设备，其可由操作者605(例如，医师)操作以控制操纵器组件602。此外，或另选地，控制***612包括计算机处理器614和至少一个存储器616以用于实现医疗器械***604、主组件606和/或医疗***600的其他部件之间的控制。控制***612还可包括编程指令(例如，非暂态计算机可读介质存储该指令)以实现本文描述的任何一种或多种方法，包括用于向显示***610提供信息和/或处理数据以用于将医疗器械***604与患者603的解剖模型配准的指令(如下文更详细描述)。操纵器组件602可以是遥控、非遥控/或混合遥控和非遥控的组件。因此，主组件606的全部或一部分和/或控制***612的全部或一部分可定位在外科环境601的内部或外部。
为了在图像引导医疗规程期间辅助操作者605控制操纵器组件602和/或医疗器械***604，医疗***600还可包括位置传感器***608、内窥镜成像***609、成像***618，和/或虚拟可视化***615。在一些实施例中，位置传感器***608包括位置传感器***(例如，电磁(EM)传感器***)和/或形状传感器***以用于捕获医疗器械***604的位置传感器数据(例如，位置、取向、速度、速率、姿势、形状等)。在这些和其他实施例中，内窥镜成像***609包括一个或多个图像捕获设备(未示出)，其记录包括患者解剖结构的并发或实时图像(例如，视频、静止图像等)的内窥镜图像数据。例如，由内窥镜成像***609捕获的图像可以是由位于患者603内的图像捕获设备捕获的患者解剖结构的二维或三维图像，并且在下文中被称为“真实导航图像”。
在一些实施例中，医疗器械***604可包括位置传感器***608的部件和/或内窥镜成像***609的部件。例如，位置传感器***608的部件和/或内窥镜成像***609的部件可一体地或可移除地耦接到医疗器械***604。附加地或另选地，内窥镜成像***609可包括附接到单独操纵器组件(未示出)的单独内窥镜(未示出)，其可与医疗器械***604结合使用以对患者解剖结构进行成像。位置传感器***608和/或内窥镜成像***609可被实现为硬件、固件、软件或它们的组合，其与一个或多个计算机处理器交互或由一个或多个计算机处理器以其他方式执行，诸如控制***612的计算机处理器614。
医疗***600的成像***618可布置在患者603附近的外科环境601中以获得患者603在医疗规程之前、期间和/或之后的实时和/或接近实时的图像。在一些实施例中，成像***618包括用于生成三维图像的移动C形臂锥形束CT成像***。例如，成像***618可包括西门子公司的DynaCT成像***，或其他合适的成像***。在这些和其他实施例中，成像***618可包括其他成像技术，包括MRI、荧光透视、热成像、超声、OCT、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等。
当在图像引导医疗规程期间控制医疗器械***604时，控制***612的虚拟可视化***615向操作者605提供导航和/或解剖结构交互辅助。如下文更详细描述的，使用虚拟可视化***615的虚拟导航可至少部分地基于对所获取的患者603的解剖通路的术前或术中数据集的参考(例如，至少部分地基于对由位置传感器***608、内窥镜成像***609和/或成像***618生成的数据的参考)。在一些具体实施中，例如，虚拟可视化***615处理由成像***618捕获的患者603的解剖区域的术前和/或术中图像数据以生成解剖区域的解剖模型(未示出)。虚拟可视化***615然后将解剖模型配准到位置传感器***608生成的位置传感器数据和/或由内窥镜成像***609生成的内窥镜图像数据以(i)将解剖区域内的医疗器械***604的跟踪位置、取向、姿势、形状和/或移动映射到解剖模型内的正确位置，和/或(ii)确定从医疗器械***604的视角来看的解剖区域的虚拟患者解剖结构的虚拟导航图像，其在解剖模型内的位置对应于患者603内的医疗器械***604的位置。
显示***610可显示由位置传感器***608、内窥镜成像***609、成像***618和/或虚拟可视化***615生成的患者解剖结构和/或医疗器械***604的各种图像或表示。在一些实施例中，显示***610和/或主组件606可被取向成使得操作者605可通过感知远程呈现来控制操纵器组件602、医疗器械***604、主组件606和/或控制***612。
如上所讨论，操纵器组件602在主组件606和/或控制***612的指导下驱动医疗器械***604。就此而言，操纵器组件602可选择可被机动化和/或遥控的运动自由度并且选择可为非机动化和/或非遥控的运动自由度。例如，操纵器组件602可包括响应于从控制***612接收的命令而驱动医疗器械***604上的输入的多个致动器或马达(未示出)。致动器可包括驱动***(未示出)，当耦接到医疗器械***604时，该驱动***可将医疗器械***604推进到自然或外科产生的解剖孔口中。其他驱动***可以多个自由度移动医疗器械***604的远侧部分(未示出)，该多个自由度可包括三个线性运动度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴的线性运动)和三个自由度旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴的旋转)。另外地或另选地，致动器可用于致动医疗器械***604的可关节运动的端部执行器(例如，用于在活检设备的钳口中抓取组织等)。
图7是在外科环境601内并根据本技术的各种实施例配置的图6的操纵器组件602、医疗器械***604和成像***618的示意图。如图7所示，外科环境601具有外科参考系(XS,YS,ZS)，其中患者603位于台607上并且医疗器械***604在外科环境601内具有医疗器械参考系(XM,YM,ZM)。在医疗规程期间，从患者的总体运动可通过镇静、约束和/或其他方式来限制的意义上讲，患者603可在外科环境601内静止。在这些和其他实施例中，患者603的周期性解剖运动(包括呼吸和心脏运动)可继续，除非患者603被要求屏住他或她的呼吸以暂时中止呼吸运动。
操纵器组件602包括安装到***台728的器械托架726。在所示实施例中，***台728是线性的，而在其他实施例中，***台728是弯曲的或具有弯曲部分和线性部分的组合。在一些实施例中，***台728固定在外科环境601内。另选地，***台728可在外科环境601内移动但在外科环境601内具有已知位置(例如，经由跟踪传感器(未示出)或其他跟踪设备)。在这些另选方案中，医疗器械参考系(XM,YM,ZM)相对于外科参考系(XS,YS,ZS)是固定的或以其他方式已知的。
图7的医疗器械***604包括细长设备731、医疗器械732、器械主体735、位置传感器***608的至少一部分和内窥镜成像***609的至少一部分。在一些实施例中，细长设备731是柔性导管或限定通道或内腔744的其他生物医疗设备。通道744的尺寸和形状可被设计成接收医疗器械732(例如，经由细长设备731的近侧端部736和/或器械端口(未示出))并且促进将医疗器械732递送到细长设备731的远侧部分738。细长设备731耦接到器械主体735，该器械主体继而相对于操纵器组件602的器械托架726耦接和固定。
在操作中，操纵器组件602可控制细长设备731经由患者603的自然或外科产生的解剖孔口到患者603中的***运动(例如，沿轴线A的近端和/或远端运动)以促进将细长设备731导航通过患者603解剖区域的解剖通路和/或促进将细长设备731的远侧部分738递送到患者603内的目标位置或目标位置附近。例如，器械托架726和/或***台728可包括致动器(未示出)，诸如伺服电机，其有助于控制器械托架726沿着***台728的运动。此外，或另选地，在一些实施例中，操纵器组件602可控制细长设备731的远侧部分738在多个方向上的运动，包括偏航、俯仰和滚转旋转方向(例如，以导航患者解剖结构)。为此，细长设备731可容纳或包括缆线、连杆和/或其他转向控件(未示出)，操纵器组件602可使用其来可控地使细长设备731的远侧部分738弯曲。例如，细长设备731可容纳至少四根缆线，这些缆线可由操纵器组件602使用以提供(i)独立“上下”转向以控制细长设备731的远侧部分738的俯仰，以及(ii)细长设备731的独立“左右”转向以控制细长设备731的远侧部分738的偏航。
医疗器械***604的医疗器械732可用于医疗规程，诸如用于解剖通路的调查、外科手术、活检、消融、照明、冲洗和/或抽吸。因此，医疗器械732可包括图像捕获探头、活检器械、激光消融纤维和/或其他外科、诊断和/或治疗工具。例如，医疗器械732可包括内窥镜或其他生物医疗设备，其具有位于医疗器械732的远侧部分737和/或沿着该医疗器械的其他位置处的一个或多个图像捕获设备747。在这些实施例中，当医疗器械732在患者603的解剖区域中，图像捕获设备747可捕获解剖通路和/或其他真实患者解剖结构的一个或多个真实导航图像或视频(例如，一个或多个真实导航图像帧的序列)。
如上所讨论，医疗器械732可经由细长设备731限定的通道744部署到和/或递送到患者603体内的目标位置。在医疗器械732在其远侧部分737处包括内窥镜或具有图像捕获设备747的其他生物医疗设备的实施例中，在操纵器组件602将细长设备731的远侧部分738导航到患者603内的目标位置之前、期间和/或之后，图像捕获设备747可被推进到细长设备731的远侧部分738。在这些实施例中，医疗器械732可用作调查器械以捕获解剖通路和/或其他真实患者解剖结构的真实导航图像，和/或辅助操作者(未示出)将细长设备731的远侧部分738导航通过解剖通路到目标位置。
作为另一个示例，在操纵器组件602将细长设备731的远侧部分738定位在患者603内的目标位置附近之后，医疗器械732可被推进超过细长设备731的远侧部分738以在目标位置处执行医疗规程。继续该示例，在目标位置处的医疗规程的全部或部分完成后，医疗器械732可缩回到细长设备731中，并且另外或另选地从细长设备731的近侧端部736或从另一个器械端口(未示出)沿着细长设备731移除。
如图7所示，医疗器械***604的位置传感器***608包括形状传感器733和位置测量设备739。在这些和其他实施例中，除了形状传感器733和/或位置测量设备739之外或代替形状传感器和/或位置测量设备，位置传感器***608可包括其他位置传感器(例如，加速度计、旋转编码器等)。
位置传感器***608的形状传感器733包括在细长设备731内延伸并与细长设备对准的光纤。在一个实施例中，形状传感器733的光纤具有约200μm的直径。在其他实施例中，光纤的直径可更大或更小。形状传感器733的光纤形成用于确定细长设备731的形状、取向和/或姿势的光纤弯曲传感器。在一些实施例中，具有光纤布拉格光栅(FBG)的光纤可用于提供一维或多维的结构中的应变测量。用于在三维中监测光纤的形状和相对位置的各种***和方法在以下中进一步详细描述：美国专利申请公开号2006/0013523(2005年7月13日提交)(公开了光纤位置和形状感测设备以及与其相关的方法)；美国专利号7,781,724(2006年9月26日提交)(公开了光纤位置和形状感测设备及其相关方法)；美国专利号7,772,541(2008年3月12日提交)(公开了基于瑞利散射的光纤位置和/或形状感测)；以及美国专利号6,389,187(1998年6月17日提交)(公开了光纤弯曲传感器)，其全部内容都通过引用并入本文。在这些和其他实施例中，本技术的传感器可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。在这些和其他实施例中，可使用其他技术来确定细长设备731的形状。例如，细长设备731的远侧部分738的姿势的历史可用于在一定时间间隔内重建细长设备731的形状。
在一些实施例中，形状传感器733固定在医疗器械***604的器械主体735上的近侧点734处。在操作中，例如，形状传感器733测量从近侧点734沿着光纤到另一个点的医疗器械参考系(XM,YM,ZM)中的形状，诸如细长设备731的远侧部分738。形状传感器733的近侧点734可与器械主体735一起移动，但近侧点734的位置可以是已知的(例如，经由跟踪传感器(未示出)或其他跟踪设备)。
位置传感器***608的位置测量设备739提供关于器械主体735的当其在操纵器组件602的***台728上沿***轴线A移动时的位置的信息。在一些实施例中，位置测量设备739包括解析器、编码器、电位计和/或其他传感器，其确定控制操纵器组件602的器械托架726的运动的致动器(未示出)的旋转和/或取向，并且因此确定医疗器械***604的器械主体735的运动。
图8是根据本技术的各种实施例的在患者603的解剖区域850(例如，人肺)内延伸的图7的医疗器械***604的一部分的示意图。具体地，图8示出了在解剖区域850的分支解剖通路852内延伸的医疗器械***604的细长设备731。解剖通路852包括气管854和多个支气管856。
如图8所示，细长设备731在解剖区域850内具有一定位置、取向、姿势和形状，其中的全部或一部分(除了或代替移动，诸如速度或速率)可由图6和图7的位置传感器***608(例如，由形状传感器733和/或位置测量设备739(图7))捕获作为位置传感器数据以调查解剖区域850的解剖通路852。具体地，位置传感器***608可通过在医疗器械参考系(XM,YM,ZM)中的解剖区域850内收集医疗器械***604的位置传感器数据来调查解剖通路852。位置传感器数据可至少部分地被记录为二维或三维坐标点的集合。在解剖区域850是人肺的示例中，坐标点可表示在细长设备731被推进通过气管854和支气管856时的细长设备731的远侧部分738和/或细长设备731的其他部分的位置。在这些和其他实施例中，当细长设备731被推进通过解剖区域850时，坐标点的集合可表示细长设备731的形状。在这些和另外的其他实施例中，坐标点可表示医疗器械***604的其他部分(例如，医疗器械732(图7))的位置数据。
坐标点可一起形成点云。例如，图9示出了根据本发明的各种实施例的多个坐标点962，其形成表示图8的细长设备731在细长设备731处于解剖区域850(图8)内时的形状的点云960。具体地，图9的点云960是从由位置传感器***608(图7)在细长设备731处于图8所示的静止位置时记录的坐标点962的全部或子集的并集生成的。
在一些实施例中，点云(例如，点云960)可包括由位置传感器***608在跨越解剖区域850内的细长设备731的多个形状、位置、取向和/或姿势的图像捕获时段期间记录的坐标点的全部或子集的并集。在这些实施例中，点云可包括由位置传感器***608捕获的坐标点，其表示当细长设备731在图像捕获时段期间被推进或移动通过患者解剖结构时的细长设备731的多种形状。另外或另选地，因为患者603内的细长设备731的配置(包括形状和位置)可能在图像捕获时段期间由于解剖运动而改变，所以在一些实施例中，点云可包括由位置传感器***608捕获的多个坐标点962，其表示当细长设备731在患者603内被动移动时的细长设备731的形状。如下面更详细地描述的，由位置传感器***608捕获的坐标点的点云可被配准到患者解剖结构的不同模型或数据集。
再次参考图7，医疗器械***604的内窥镜成像***609包括一个或多个图像捕获设备747，其被配置为当细长设备731和/或医疗器械732在患者603的解剖区域内(例如，图8的解剖区域850)时捕获真实患者解剖结构(例如，图8的解剖通路852)的一个或多个真实导航图像。例如，内窥镜成像***609可包括位于医疗器械732的远侧部分737处的图像捕获设备747。在这些和其他实施例中，内窥镜成像***609可包括一个或多个图像捕获设备(未示出)，这些图像捕获设备位于沿医疗器械732和/或沿细长设备731的其他位置处(例如，在细长设备731的远侧部分738处)。
在图8所示的实施例中，医疗器械732(图7)的图像捕获设备747被推进到并且定位在细长设备731的远侧部分738处。在该实施例中，图像捕获设备747可通过在细长设备731被导航通过解剖区域850的气管854和支气管856时捕获解剖通路852的真实导航图像来调查解剖通路852。
图10是经由图像捕获设备747(图8)捕获的图8的解剖区域850(诸如解剖通路852中的一者)的患者解剖结构的真实导航图像1070(例如，静止图像、视频的图像帧等)的示例。如图所示，真实导航图像1070示出了从医疗器械732(图7)的视点来看的解剖区域850内的两个解剖通路852的分支点或隆突1071。在该示例中，因为图像捕获设备747分别定位在医疗器械732和细长设备731(图8)的远侧部分737和738处，所以真实导航图像1070的视点是来自医疗器械732的远侧部分737，使得医疗器械732和细长设备731在实际导航图像1070中不可见。在其他实施例中，图像捕获设备747可沿着医疗器械732和/或沿着细长设备731(图7和图8)定位在另一个位置。在这些实施例中，内窥镜成像***109(图7)可从医疗器械732和/或细长设备731的对应视点捕获真实导航图像。医疗器械732和/或细长设备731的一部分在这些真实导航图像中可能是可见的，取决于医疗器械732和细长设备731相对于彼此的位置。
再次参考图7，由内窥镜成像***609捕获的真实导航图像可促进细长设备731的远侧部分738导航通过患者解剖结构(例如，通过图8的解剖通路852)和/或将细长设备731的远侧部分738递送到达患者603内的目标位置。在这些和其他实施例中，由内窥镜成像***609捕获的真实导航图像可促进(i)医疗器械732的远侧部分737导航超出细长设备731的远侧部分738，(ii)将医疗器械732的远侧部分737递送到患者603内的目标位置，和/或(iii)在医疗规程期间的患者解剖结构的可视化。在一些实施例中，由内窥镜成像***609捕获的每个真实导航图像可与时间戳和/或记录在医疗器械参考系(XM,YM,ZM)中的位置相关联。由内窥镜成像***609捕获的真实导航图像可任选地用于改进由位置传感器***608生成的坐标点的点云(例如，图9的点云960)与由成像***618捕获的图像数据之间的配准。
如图7所示，成像***618被布置在患者603附近以获得患者603(例如，图8的解剖区域850)的三维图像。在一些实施例中，成像***618包括一种或多种成像技术，包括CT、MRI、荧光透视、热成像、超声、OCT、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等。成像***618被配置为在细长设备731在患者603内延伸之前、期间和/或之后生成患者解剖结构的图像数据。因此，成像***618可被配置为捕获患者解剖结构的术前、术中和/或术后三维图像。在这些和其他实施例中，成像***618可提供患者解剖结构的实时或接近实时的图像。
图11示出了当医疗器械***604的细长设备731在解剖区域850内延伸时由成像***618(图7)在图像捕获时段期间捕获的图8的解剖区域850的部分1155的术中图像数据1180的示例。如图所示，图像数据1180包括表示细长设备731的图形元素1181和表示解剖区域850的解剖通路852的图形元素1182。
图像数据1180的图形元素1181和1182的全部或部分可被分段和/或过滤以生成在解剖区域850的部分1155内的解剖通路852的虚拟三维模型(有或没有医疗器械***604)。在一些实施例中，图形元素1181和1182可附加地或另选地被分段和/或过滤以便至少部分地基于当医疗器械***604处于解剖区域850内时由成像***118(图7)捕获的图像来生成医疗器械***604的图像点云(未示出)。在分段过程期间，根据图像数据1180生成的像素或体素可被划分成区段或元素或被标记以指示它们共享某些特性或计算属性，诸如颜色、密度、强度和纹理。然后可将区段或元素转换为解剖模型和/或医疗器械***604的图像点云。此外或另选地，区段或元素可用于定位(例如，计算)和/或定义中心线或沿解剖通路852延伸的其他点。所生成的解剖模型和/或图像点云可以是二维的或三维的并且可在图像参考系(XI,YI,ZI)中生成。
如上面相对于图6所讨论的，医疗***600(图6)的显示***610(图6)可至少部分地基于由位置传感器***608、内窥镜成像***609、成像***618和/或虚拟可视化***615捕获和/或生成的数据来显示患者解剖结构和/或医疗器械***604的各种图像或表示。在各种具体实施中，***可利用图像和/或表示来辅助操作者605(图6)进行图像引导的医疗规程。
图12是根据本技术的各种实施例的由显示***610(图6)产生的示例性显示器1210的示意图。如图所示，显示器1210包括真实导航图像1270、合成虚拟导航图像1291(也称为“合成虚拟图像1291”)和虚拟导航图像1292。真实导航图像1270可与图10的真实导航图像1070基本上相同。因此，例如，真实导航图像1270可由内窥镜成像***609(图7)捕获并且提供给显示***610(图6)以实时或接近实时地呈现在显示器1210上。在所示的实施例中，真实导航图像1270示出了从远离医疗器械732(图7)的远侧部分737向远侧定向的视点来看的真实患者解剖结构(例如，标记两个解剖通路852的分支点的隆突1271)。
图12的合成虚拟图像1291显示在图像参考系(XI,YI,ZI)中并且包括从由成像***618(图7)捕获的图8的解剖区域850的图像数据生成的解剖模型1250。解剖模型1250与由位置传感器***608(图7)生成的坐标点的点云(例如，图9的点云960)配准(即，动态参考)以显示在患者603(图7)内的医疗器械***604(例如，图7的细长设备731)的跟踪位置、形状、姿势、取向和/或移动的解剖模型1250内的表示1204。在一些实施例中，合成虚拟图像1291由控制***612(图6)的虚拟可视化***615(图6)生成。生成合成虚像1291涉及了将图像参考系(XI,YI,ZI)与外科参考系(XS,YS,ZS)配准和/或与医疗器械参考系(XM,YM,ZM)配准。该配准可通过刚性和/或非刚性变换来旋转、平移或以其他方式操纵由位置传感器***608捕获的点云的坐标点(例如，图9的点云960的坐标点962)以将坐标点与解剖模型1250对准。图像和外科/器械参考系之间的配准可例如通过使用基于点的ICP技术来实现，如在美国临时专利申请号62/205,440和62/205,433中描述的，该专利申请的全部内容均通过引用并入本文。在其他实施例中，可使用另一种点云配准技术来实现配准。
至少部分地基于配准，虚拟可视化***615可附加地或另选地根据解剖模型1250内的医疗器械***604(图8)的表示1204来生成虚拟导航图像(例如，图12的虚拟导航图像1292)，该虚拟导航图像包括从虚拟相机的视点来看的对患者解剖结构的虚拟描绘。在图12所示的实施例中，虚拟导航图像1292的虚拟相机定位在表示1204的远侧部分1237处，使得(i)虚拟导航图像1292的虚拟视点远离表示1204的远侧部分1237向远侧指向，并且(ii)表示1204在虚拟导航图像1292内不可见。在其他实施例中，虚拟可视化***615可(a)在沿着表示1204的另一个位置处和/或(b)以不同取向定位虚拟相机，使得虚拟导航图像1292具有对应的虚拟视点。在一些实施例中，取决于虚拟相机的位置和取向以及细长设备731和医疗器械732在患者603内相对于彼此的位置，虚拟可视化***615可呈现细长设备731和/或医疗器械732的至少一部分到虚拟导航图像1292中的虚拟表示(未示出)。
在一些实施例中，虚拟可视化***615可以与图像捕获设备747在患者603(图7)内的位置和取向相对应的位置和取向将虚拟相机放置在解剖模型1250内。如图12中进一步所示，虚拟导航图像1292从图像捕获设备747(图7)捕获真实导航图像1270的基本上相同的位置示出了虚拟患者解剖结构，诸如标记解剖模型1250的两个解剖通路1252的分支点的隆突1201。因此，虚拟导航图像1292提供在图8的解剖区域850内的给定位置处的对于图像捕获设备747可见的患者解剖结构的渲染估计。因为虚拟导航图像1292至少部分基于由位置传感器***608生成的点云和由成像***618捕获的图像数据的配准，所以虚拟导航图像1292和真实导航图像1270之间的对应关系提供了有关配准确度的见解并且可用于改进配准。此外，由内窥镜成像***609(图7)捕获的真实导航图像(例如，真实导航图像1270)可(a)提供关于医疗器械***604(图6)在患者603内的位置和取向的信息，(b)提供有关由医疗器械***实际访问的解剖区域的部分的信息，和/或(c)帮助识别接近医疗器械***604的患者解剖结构(例如，解剖通路的分支点)，其中的任何一个或多个可用于改进配准的准确度。
如图12中进一步所示，虚拟导航图像1292可任选地包括导航路径覆盖1299。在一些实施例中，导航路径覆盖1299用于辅助操作者605(图6)将医疗器械***604(图6)通过解剖区域的解剖通路导航到患者603内的目标位置。例如，导航路径覆盖1299可示出通过解剖区域的“最佳”路径，其供操作者605遵循以将医疗器械732和/或细长设备731的远侧部分737和/或738分别递送到患者603内的目标位置。在一些实施例中，导航路径覆盖1299可与对应解剖通路的中心线对准或与沿着对应解剖通路(例如，其底部)的另一条线对准。
C.实施例
本技术的若干方面在以下实施例中阐述。尽管在针对***、计算机可读介质和方法的示例中阐述了本技术的若干方面，但在其他实施例中，可在针对***、计算机可读介质和方法中的任何一个的示例中阐述本技术的这些方面中的任何一个。
1.一种用于规划医疗规程的***，所述***包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器并且存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下的操作—
接收患者的解剖区域的三维模型，以及
评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程，其中所述评估包括—
分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，
确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及
在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述至少两个不同方向包括第一方向和第二方向，并且其中所述操作还包括：
计算所述三维模型的沿所述第一方向的第一跨度值；
计算所述三维模型的沿所述第二方向的第二跨度值；以及
确定所述第一跨度值或所述第二跨度值中的一者或多者是否超过阈值。
3.根据实施例1或实施例2所述的***，其中所述至少一个结构包括以下中的一者或多者：气管、主隆突、左主支气管、右主支气管和亚段支气管。
4.根据实施例1或实施例2所述的***，其中所述操作还包括确定所述至少一个分段分量的长度是否大于或等于最小长度。
5.根据实施例1或实施例2所述的***，其中所述至少一个结构是具有多个代级的分支结构，并且其中所述操作还包括确定所述至少一个分段分量是否覆盖所述分支结构的所述代级的最小数量。
6.根据实施例1至5中任一项所述的***，其中所述虚拟配准数据集包括所述三维模型内的沿着或接近调查轨迹的多个数据点。
7.根据实施例1至6中任一项所述的***，其中所述操作还包括在所述三维模型和所述虚拟配准数据集之间执行多个配准，其中每个配准使用不同的初始种子来执行。
8.根据实施例7所述的***，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
9.根据实施例1至6中任一项所述的***，其中所述操作还包括执行多个配准，并且其中所述配准中的每一者在所述三维模型和不同的虚拟配准数据集之间执行。
10.根据实施例9所述的***，其中所述操作还包括确定每个配准的准确度。
11.根据实施例10所述的***，其中每个配准的所述准确度在对应于所述解剖区域中的一个或多个目标部位的所述三维模型的一个或多个部分处进行评估。
12.根据实施例1至11中任一项所述的***，其中所述操作还包括输出指示所述三维模型是否适用于所述配准规程的反馈。
13.一种在其上存储有指令的非暂态计算机可读介质，所述指令在由计算***的一个或多个处理器执行时致使所述计算***执行包括以下的操作：
接收患者的解剖区域的三维模型；以及
评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程，其中所述评估包括—
分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，
确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及
在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
14.根据实施例13所述的非暂态计算机可读介质，其中所述至少两个不同方向包括第一方向和第二方向，并且其中所述操作还包括计算第一特征值和第二特征值，所述第一特征值对应于所述三维模型的沿所述第一方向的第一跨度，并且所述第二特征值对应于所述三维模型的沿所述第二方向的第二跨度。
15.根据实施例13或实施例14所述的非暂态计算机可读介质，其中所述至少一个结构包括以下中的一者或多者：气管、主隆突、左主支气管、右主支气管和亚段支气管。
16.根据实施例13或实施例14所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括确定所述至少一个分段分量的长度是否大于或等于最小长度。
17.根据实施例13或实施例14所述的非暂态计算机可读介质，其中所述至少一个结构是具有多个代级的分支结构，并且所述操作还包括确定所述至少一个分段分量是否覆盖所述分支结构的所述代级的最小数量。
18.根据实施例13至17中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括通过以下方式生成所述虚拟配准数据集：
选择所述三维模型的通路的子集；
创建所述通路的所述子集的中心线的表示；以及
向所述表示添加随机化噪声。
19.根据实施例13至18中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括在所述三维模型和所述虚拟配准数据集之间执行多个配准，其中每个配准使用随机化初始种子来执行。
20.根据实施例19所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
21.根据实施例13至18中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括执行多个配准，其中所述配准中的每一者在所述三维模型和不同的虚拟配准数据集之间执行。
22.根据实施例21所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括确定每个配准的准确度。
23.根据实施例22所述的非暂态计算机可读介质，其中每个配准的所述准确度在活检规程的目标病变的位置处或附近进行评估。
24.根据实施例13至23中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括输出指示所述三维模型是否适用于所述配准规程的反馈。
25.一种方法，包括：
接收患者的解剖区域的三维模型；以及
评估所述三维模型是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程，其中所述评估包括—
分析所述三维模型的沿至少两个不同方向的跨度，
确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及
在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
26.一种用于规划医疗规程的***，所述***包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器并且存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下的操作：
接收患者的解剖区域的三维模型；
生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；
在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及
基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
27.根据实施例26所述的***，其中所述调查轨迹通过在所述三维模型内选择一个或多个通路来生成，其中所述通路基于深度、可接近性和独特性中的一者或多者来选择。
28.根据实施例26所述的***，其中所述调查轨迹基于所述解剖区域内的目标部位的位置来生成。
29.根据实施例26至28中任一项所述的***，其中所述虚拟配准数据集被配置为模拟由沿着所述调查轨迹行进的医疗设备生成的位置数据。
30.根据实施例26至29中任一项所述的***，其中每个配准使用不同的初始种子来执行。
31.根据实施例26至30中任一项所述的***，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
32.根据实施例31所述的***，其中如果所述差异量小于或等于阈值，则所述调查轨迹适用于所述配准规程。
33.根据实施例26所述的***，其中所述操作还包括：
确定通过所述三维模型的所述部分的多个调查轨迹；以及
针对所述调查轨迹中的每一者—
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的相应多个数据点的相应虚拟配准数据集，以及
在所述三维模型与所述相应虚拟配准数据集之间执行相应多个配准。
34.根据实施例33所述的***，其中所述操作还包括选择所述调查轨迹的子集以用于所述配准规程。
35.根据实施例26至32中任一项所述的***，其中所述操作还包括输出所述调查轨迹的图形表示，其中所述图形表示被配置为在所述配准规程期间显示给操作者。
36.一种在其上存储有指令的非暂态计算机可读介质，所述指令在由计算***的一个或多个处理器执行时致使所述计算***执行包括以下的操作：
接收患者的解剖区域的三维模型；
生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；
在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及
基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
37.根据实施例36所述的非暂态计算机可读介质，其中所述调查轨迹通过在所述三维模型内选择一个或多个通路来生成。
38.根据实施例37所述的非暂态计算机可读介质，其中至少部分地基于来自操作者的输入来选择所述一个或多个通路。
39.根据实施例36至38中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述虚拟配准数据集被配置为模拟由沿着所述调查轨迹行进的医疗设备生成的调查数据。
40.根据实施例36至39中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中每个配准使用随机化初始种子来执行。
41.根据实施例36至40中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
42.根据实施例41所述的非暂态计算机可读介质，其中如果所述差异量小于或等于阈值，则所述调查轨迹适用于所述配准规程。
43.根据实施例36所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括：
确定通过所述三维模型的所述部分的多个调查轨迹；以及
针对所述调查轨迹中的每一者—
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的相应多个数据点的相应虚拟配准数据集，以及
在所述三维模型与所述相应虚拟配准数据集之间执行相应多个配准。
44.根据实施例43所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括选择所述调查轨迹的子集以用于所述配准规程。
45.根据实施例36至42中任一项所述的非暂态计算机可读介质，其中所述操作还包括输出所述调查轨迹的所述子集的图形表示，其中所述图形表示被配置为在所述配准规程期间显示给操作者。
46.一种方法，包括：
接收患者的解剖区域的三维模型；
生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；
在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及
基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适用于将在所述解剖区域中执行的配准规程。
D.结论
本文描述的***和方法可以有形和非暂态机器可读介质(诸如硬盘驱动器、硬件存储器等)的形式提供，在该介质上记录有指令以供处理器或计算机执行。指令集可包括指示计算机或处理器执行特定操作(诸如这里描述的各种实施例的方法和过程)的各种命令。指令集可以是以软件程序或应用程序的形式。计算机存储介质可包括易失性和非易失性介质，以及可移除和不可移除介质，其用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息。计算机存储介质可包括但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、或其他光存储装置、磁盘存储装置、或可用于存储期望信息并可由***的部件访问的任何其他硬件介质。***的部件可经由有线或无线通信相互通信。部件可彼此分离，或者部件的各种组合可一起集成到监视器或处理器中或包含在具有标准计算机硬件(例如，处理器、电路、逻辑电路、存储器等)的工作站内。***可包括处理设备，诸如微处理器、微控制器、集成电路、控制单元、存储介质和其他硬件。
尽管上文在患者的肺内导航和执行医疗规程的上下文中描述了许多实施例，但除了本文描述的那些之外的其他应用和其他实施例也在本技术的范围内。例如，除非另有说明或从上下文中明确说明，否则本技术的设备、***、方法和计算机程序产品可用于各种图像引导的医疗规程，诸如在中空患者解剖结构上、其中或其附近执行的医疗规程，并且更具体地说，用于调查、活检、消融或以其他方式处理中空患者解剖结构内和/或近侧的组织的规程。因此，例如，本公开的***、设备、方法和计算机程序产品可用于与患者的其他患者解剖结构(诸如膀胱、泌尿道、GI***和/或心脏)相关联的一个或多个医疗规程。
如本文所用，术语“操作者”应被理解为包括可执行或协助医疗规程的任何类型的人员，并且因此包括医师、外科医生、医生、护士、医疗技术人员、本文公开的技术的其他人员或用户及它们的任何组合。此外，或另选地，术语“患者”应被认为包括正在对其执行医疗规程的人类和/或非人类(例如，动物)患者。
根据所述，应当理解，为了说明的目的，本文已经描述了本技术的具体实施例，但并未详细示出或描述公知的结构和功能以避免不必要地模糊本技术实施例的描述。如果以引用方式并入本文的任何材料与本公开内容冲突，则以本公开内容为准。在上下文允许的情况下，单数或复数术语还可分别包括复数或单数术语。此外，除非单词“或”被明确限于仅表示与关于两个或更多个项目的列表中的其他项目不同的单个项目，否则在此类列表中使用“或”应被解释为包括(a)列表中的任何单个项目、(b)列表中的所有项目、或(c)列表中的项目的任意组合。如本文所用，如在“A和/或B”中的短语“和/或”指单独的A、单独的B以及A和B。在上下文允许的情况下，单数或复数术语还可分别包括复数或单数术语。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”和“带有”在全文中用于表示至少包括所列举的特征，使得任何更大数量的相同特征和/或附加类型的其他特征不被排除。
此外，如本文所用，术语“基本上”是指动作、特性、属性、状态、结构、项目或结果的完整或接近完整的范围或程度。例如，“基本上”封闭的对象将意味着该对象被完全封闭或几乎完全封闭。在一些情况下，与绝对完整性的确切允许偏差程度可能取决于具体情况。然而，一般来说，接近完成将具有与获得绝对和完全完成相同的总体结果。当以否定含义使用时，“基本上”的使用同样适用于表示完全或几乎完全没有动作、特性、属性、状态、结构、项目或结果。
本技术的实施例的以上详细描述并非旨在穷举或将本技术限制为上文所公开的精确形式。尽管上文出于说明性目的描述了本技术的特定实施例和示例，但在本技术的范围内可进行各种等效修改，如相关领域的技术人员将认识到的那样。例如，虽然步骤以给定的顺序呈现，但另选实施例可以不同的顺序执行步骤。作为另一个示例，各种技术的部件可被进一步划分成子部件，和/或技术的各种部件和/或功能可进行组合和/或集成。此外，尽管在那些实施例的上下文中描述了与本技术的某些实施例相关联的优点，但其他实施例也可展示此类优点，并且并非所有实施例都必须展示此类优点以落入本技术的范围内。
还应注意，除了本文所公开的实施例之外的其他实施例也在本技术的范围内。例如，除了本文所示或描述的那些之外，本技术的实施例可具有不同的配置、部件和/或规程。此外，本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本技术的情况下，这些和其他实施例可没有本文所示或描述的配置、部件和/或规程中的若干。因此，本公开和相关联技术可涵盖本文未明确示出或描述的其他实施例。

Claims (22)

1.一种用于规划医疗规程的***，所述***包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器并且存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下各项的操作：
接收患者的解剖区域的三维模型，以及
评估所述三维模型是否适合用于将要在所述解剖区域中执行的配准规程中，其中所述评估包括—
分析所述三维模型沿至少两个不同方向的跨度，
确定所述三维模型是否包括对应于所述解剖区域的至少一个结构的至少一个分段分量，以及
在所述三维模型和虚拟配准数据集之间执行配准。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述至少两个不同方向包括第一方向和第二方向，并且其中所述操作还包括：
计算所述三维模型沿所述第一方向的第一跨度值；
计算所述三维模型沿所述第二方向的第二跨度值；以及
确定所述第一跨度值或所述第二跨度值中的一者或多者是否超过阈值。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述至少一个结构包括以下各项中的一者或多者：气管、主隆突、左主支气管、右主支气管和亚段支气管。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述操作还包括确定所述至少一个分段分量的长度是否大于或等于最小长度。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述至少一个结构是具有多个代级的分支结构，并且其中所述操作还包括确定所述至少一个分段分量是否覆盖所述分支结构的所述代级的最小数量。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述虚拟配准数据集包括所述三维模型内的沿着或接近调查轨迹的多个数据点。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述操作还包括在所述三维模型和所述虚拟配准数据集之间执行多个配准，其中每个配准使用不同的初始种子来执行。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
9.根据权利要求1所述的***，其中所述操作还包括执行多个配准，并且其中所述配准中的每一者在所述三维模型和不同的虚拟配准数据集之间执行。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述操作还包括确定每个配准的准确度。
11.根据权利要求10所述的***，其中每个配准的所述准确度在对应于所述解剖区域中的一个或多个目标部位的所述三维模型的一个或多个部分处进行评估。
12.根据权利要求1所述的***，其中所述操作还包括输出指示所述三维模型是否适合用于所述配准规程的反馈。
13.一种用于规划医疗规程的***，所述***包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器并且存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述***执行包括以下各项的操作：
接收患者的解剖区域的三维模型；
生成通过所述三维模型的一部分的调查轨迹；
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的多个数据点的虚拟配准数据集；
在所述三维模型与所述虚拟配准数据集之间执行多个配准；以及
基于所述多个配准，评估所述调查轨迹是否适合用于将要在所述解剖区域中执行的配准规程中。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述调查轨迹通过在所述三维模型内选择一个或多个通路来生成，其中所述通路基于深度、可接近性和独特性中的一者或多者来选择。
15.根据权利要求13所述的***，其中所述调查轨迹基于所述解剖区域内的目标部位的位置来生成。
16.根据权利要求13所述的***，其中所述虚拟配准数据集被配置为模拟由沿着所述调查轨迹行进的医疗设备生成的位置数据。
17.根据权利要求13所述的***，其中每个配准使用不同的初始种子来执行。
18.根据权利要求13所述的***，其中所述操作还包括确定所述配准之间的差异量。
19.根据权利要求18所述的***，其中在所述差异量小于或等于阈值的情况下，所述调查轨迹适合用于所述配准规程中。
20.根据权利要求13所述的***，其中所述操作还包括：
确定通过所述三维模型的所述部分的多个调查轨迹；以及
针对所述调查轨迹中的每一者—
生成包括沿着或接近所述调查轨迹的相应多个数据点的相应虚拟配准数据集，以及
在所述三维模型与所述相应虚拟配准数据集之间执行相应多个配准。
21.根据权利要求20所述的***，其中所述操作还包括选择所述调查轨迹的子集以在所述配准规程中使用。
22.根据权利要求13所述的***，其中所述操作还包括输出所述调查轨迹的图形表示，其中所述图形表示被配置为在所述配准规程期间显示给操作者。
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