CN116940298A - 来自单个感应拾取线圈传感器的六个自由度 - Google Patents

来自单个感应拾取线圈传感器的六个自由度 Download PDF

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Abstract

一种方法和***，检测导管在第一定位和第二定位中在五个自由度(5DOF)中的定位和取向，并且基于所检测到的该导管在该第一定位中的5DOF定位和取向与所检测到的在该第二定位中的5DOF定位和取向的差值来计算该导管的第六自由度。

Description

来自单个感应拾取线圈传感器的六个自由度
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年2月26日提交的美国临时专利申请序列号63/154,407的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部内容特此以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及导管导航领域，并且涉及确定导管的远侧部分的定位和朝向。
背景技术
存在几种常用的医学方法，诸如内窥镜手术或微创手术，用于治疗各种影响器官的疾病，包括肝、脑、心脏、肺、胆囊、肾和骨骼。通常，临床医生采用如磁共振成像(MRI)、超声成像、计算机断层摄影(CT)或荧光透视等一种或多种成像方式，来标识患者体内的所关注的区域和用于活检或治疗的最终目标并且导航到所关注的区域和最终目标。在一些手术中，可以利用术前扫描来进行目标标识和术中引导。然而，可能需要实时成像来获得目标区域的更准确的且当前的图像。此外，可能需要显示医疗装置相对于目标的当前位置以及其周围的实时图像数据，来以安全且准确的方式(例如，在不会引起对其他器官或组织的损害的情况下)将医疗装置导航到目标。
例如，已经证明内窥镜方法在导航到患者体内的感兴趣的区域时是有用的，并且特别地对于身体的腔网络内的区域(诸如肺部)也是如此。为了实现内窥镜方法以及更具体地肺部中的支气管镜方法，已经开发了支气管内导航***，该支气管内导航***使用先前获取的MRI数据或CT图像数据来生成特定身体部分(诸如肺部)的三维(3D)渲染、模型或体积。
可以利用根据MRI扫描或CT扫描所生成的所得体积来创建导航计划，以促进推进导航导管(或其他合适的医疗装置)通过支气管镜和患者的支气管的分支到达所关注的区域。可将诸如电磁(EM)跟踪***的定位或跟踪***与例如CT数据结合使用，以便于引导导航导管通过支气管的分支到达感兴趣的区域。在某些情况下，导航导管可定位在分支腔网络的邻近感兴趣的区域或位于感兴趣的区域内的气道中的一个气道内，以便为一个或多个医疗器械提供通路。
导管的远侧部分的定位和朝向的准确确定对于确保诸如活检和治疗工具等工具与期望的组织相互作用是重要的。期望对当前导航导管***进行改进。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种导管导航***，包括：柔性导管，该柔性导管被配置用于在患者体内导航，该导管包括五自由度(5DOF)传感器；驱动机构，该驱动机构包括至少一根拉线，该至少一根拉线被配置为改变该柔性导管的定位和朝向；计算装置，该计算装置被配置为检测该传感器的5DOF定位和朝向，该计算装置包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序在由该处理器执行时使得该计算装置执行以下步骤：检测该导管在第一定位处在5DOF中的定位和朝向；向该驱动机构发信号以移动该导管；检测该导管在第二定位处在5DOF中的定位和朝向；该导管导航***还包括：计算该导管在该第二定位处的滚动，其中该滚动计算解析该导管的远侧部分在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和***的动作的对应的计算机***、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。
本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。该导管导航***，其中该导管包括穿过其中用于***活检或治疗工具的管腔。该导管导航***，其中该驱动机构使得该导管进行关节运动。该导管导航***，其中该驱动机构使得该导管旋转。该导管导航***，其中该导管包括弯曲部。该导管导航***，其中该计算装置被配置为显示用户界面，该用户界面描绘该导管相对于靶标的6DOF定位和朝向。该导管导航***还包括5DOF电磁传感器，该5DOF电磁传感器用于检测该导管在该第一定位和该第二定位处在5DOF中的定位和朝向。该导管导航***还包括5DOF形状感器，该5DOF形状感器用于检测该导管在该第一定位和该第二定位处在5DOF中的定位和朝向。该导管导航***还包括荧光***，其中该荧光***被配置用于确认该导管的定位。该导管导航***，其中在3Hz和10Hz之间的频率下发生向该驱动机构发信号以移动该导管。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在***上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使***执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。
本公开的另外的方面涉及一种用于检测导管在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向的方法，该方法包括：检测导管在第一定位中在五个自由度(5DOF)中的定位和朝向；向驱动机构发信号以移动该导管；检测该导管在第二定位中在5DOF中的定位和朝向；基于所检测到的该导管在该第一定位中的5DOF定位和朝向与所检测到的在该第二定位中的5DOF定位和朝向的差值来计算该导管的该滚动。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和***的动作的对应的计算机***、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。
本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。该方法还包括用驱动机构使该导管进行关节运动。该方法还包括旋转该导管，其中该导管是弯曲的。该方法，其中该导管的该定位经由定位在该导管的远侧部分中的电磁传感器来检测。该方法，其中该导管的该定位经由定位在该导管的远侧部分中的形状传感器来检测。该方法还包括在计算装置上显示用户界面，该用户界面描绘该导管相对于靶标的6DOF定位和朝向。该方法，其中在3Hz和10Hz之间的频率下发生向该驱动机构发信号以移动该导管。
所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在***上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使***执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。
本公开的一个方面涉及一种用于检测导管在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向的方法，该方法包括：检测导管的远侧部分上的传感器在第一定位处的X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向；检测导管的远侧部分上的该传感器在第二定位处的X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向；基于从该第一定位到该第二定位的x、y、z俯仰和偏航定位和朝向的变化来计算该传感器在该第二定位处的滚动取向。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和***的动作的对应的计算机***、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。
本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。该方法，其中拉线将该导管从该第一定位移动到该第二定位。该方法，其中以3Hz和10Hz之间操作的驱动机构致动该拉线以将该导管从该第一定位移动到该第二定位。
附图说明
在下文中参考附图描述了本公开的各个方面和实施方案，在附图中：
图1是根据本公开的用于经由腔网络导航到软组织目标的***的示意图；
图2A是根据本公开的各方面的导航程序的用户界面；
图2B是根据本公开的弯曲导管的剖面图；
图3A是根据本公开的机动化导管的透视图；
图3B是图3A的机动化导管的驱动机构的一部分的详细放大视图；
图4是根据本公开的方法；
图5是根据本公开的各方面的计算装置的示意图；
图6A描绘了根据本公开的处于非关节运动状态的具有5DOF传感器和拉线的导管；
图6B描绘了根据本公开的处于非关节运动状态的具有5DOF传感器和拉线的导管；
图6C描绘了与从图6A到图6B的导管的关节运动相关联的矢量的变化；并且
图6D描绘了由从图6A到图6B的导管的关节运动所限定的关节运动平面以及与该平面正交以确定导管的滚动的矢量。
具体实施方式
本公开涉及确定导管在患者体内的定位和朝向。特别地，本公开涉及利用提供导管的远侧部分在五个自由度(5DOF)中的定位和朝向的传感器来确定导管的远侧部分在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向。换句话讲，本公开涉及根据仅提供X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向数据的传感器输出来确定导管的远侧部分的X、Y、Z坐标以及俯仰、偏航和滚动取向。在很大程度上，在给定预期输入的情况下，本文所述的***和方法利用导管的远侧部分的检测到的移动或定位变化来计算缺失的滚动信息(即，滚动DOF数据)。
根据本公开，可以由如CT扫描等先前获取的扫描生成患者的肺部或解剖结构的另一合适部分的3D体积。这些扫描可以用于生成解剖结构的3D模型。3D模型和相关扫描数据用于标识目标，例如，用于活检或治疗的潜在病变，并且用于生成穿过解剖结构以到达目标的路径计划。
一旦生成了路径计划并且临床医生接受了该路径计划，导航***就可以利用该路径计划来沿路径计划驱动导管通过解剖结构以到达期望的靶标。沿路径计划驱动导管可以是手动的，或者其也可以是机器人的，或两者的组合。手动***包括美敦力公司(MedtronicPLC)销售的ILLUMISITE导航***，机器人***包括直觉手术公司(Intuitive SurgicalInc.)销售的ION***和Auris健康公司(Auris Health,Inc)销售的MONARCH***。在单个程序规划中，执行路径计划与患者的配准以及导航，以使医疗装置(例如，导管)能够沿计划的路径被导航以到达靶标(例如，病变)，使得可以完成靶标的活检或治疗。
如上所述，无论是手动的还是机器人的，都可在导管到解剖结构内的靶标的导航开始之前，将由程序前扫描数据开发的路径计划和3D模型与患者配准。一旦配准，就可以遵循路径计划将导管或其他工具导航到期望位置。另选地，配准可作为导航过程的一部分进行，其中界标和其他特征(例如，隆突)以及使用相机的视觉反馈被识别以收集足够的数据来生成3D模型与患者的配准。尽管不论采用的配准方法如何，对于路径的一般导航而言，此配准通常更合适，并且存在许多配准方法，但是3D模型和路径计划可能仍无法为靶标相互作用提供允许将医疗装置或仪器引导到靶标以用于活检和治疗的足够的准确性。
在某些情况下，不准确性是由程序期间患者的肺部相对于获取先前获取的CT数据时的肺部的变形引起的。此变形(CT到身体散度)可能是由许多不同的因素引起的，包括例如，当在镇静状态与非镇静状态之间转换时身体的变化、支气管镜改变患者的姿势、支气管镜和导管推动组织、不同的肺部体积(例如，CT扫描是在吸气后的完全屏气期间获取的，而导航通常是在患者呼吸时执行的)、不同的床位、不同的日子等。因此，可以采用另一种成像方式来帮助实时可视化医疗装置和靶标并增强体内导航程序。
在将医疗装置导航到靶标时，临床医生可以使用荧光透视成像来可视化医疗装置相对于靶标的定位。尽管荧光透视图像会显示如金属工具、骨头等高密度物体，以及如心脏等大型软组织物体，但荧光透视图像可能无法清楚地显示如病变等所关注的小型软组织物体。此外，荧光透视图像是二维(2D)投影，这使得确定视图中的深度变得困难。
已经开发了X射线体积重构，以实现对软组织物体的标识并更新靶标和导管在路径计划和3D模型中的相对定位。体积重构是由在与所讨论的组织不同的角度下提取的一系列2D荧光透视图像进行的。在下面更详细地描述的一种方法中，路径计划以及导管和靶标的相对位置的更新可以利用局部配准过程实现。此局部配准过程降低了CT到身体散度。在局部配准过程之后，在一个实施例中，可以从导管中移除可定位引导件(即，具有多个传感器的导管)，并且将医疗装置(例如，活检工具)引入到导管中以用于导航到靶标以执行对靶标(例如，病变)的活检或治疗。
然而，即使在3D模型和路径计划中更新了导管和靶标的相对定位的情况下利用局部配准，保持如在局部配准中确认的导管和靶标的对准也可能是有挑战性的。此挑战的来源与身体的两个主要功能有关，即呼吸和心动功能(即，心跳)。
误差的另一个来源是在局部配准可能引起尖端偏斜后工具通过导管传递。当导管包含传感器时，例如，电磁传感器或柔性传感器(感测导管的一部分的形状和朝向)，这些类型的移动可以通过图形用户界面(GUI)报告给临床医生，在所述用户界面上会显示导航软件，并且导航软件允许按照路径计划到达靶标。由工具通过导管的传递引起的移动表现为GUI上靶标相对于导管的定位的移动。
根据本公开的实施方案，导管102包括一根或多根拉线。由导航***感测传感器的移动，并且可以通过操纵拉线对导管的位置进行微调整。可采用这些相同的拉线来不断地调整导管以及尤其在随着其在肺部内移动时导管102的远侧部分的定位。拉线使得导管102改变远侧部分处的形状和曲率，并且可由临床医生手动操纵或经由计算机控制的***(例如，机器人)自动操纵。
根据本公开的各方面，并且如上所述，医疗装置(例如，活检工具)朝靶标(例如，病变)的体内导航的可视化可以是如电磁导航***等导航***的更大工作流程的一部分。图1是用于促进经由肺部的气道将医疗装置(例如，导管)导航到软组织靶标的示例性***的透视图。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，用于在患者体内导航(无论其在胃肠道(即，结肠、肠、胃和食道)、脉管***)还是胸腔和腹腔中的导航(例如，腹腔镜式手术)的其他***。
***100可被配置为由2D荧光透视图像来构造靶标区域的基于荧光透视的三维体积数据，以确认到期望位置的导航。***100可被进一步配置为促进通过使用电磁导航(EMN)使医疗装置接近靶标区域并且被配置用于确定医疗装置相对于靶标的位置。一种此EMN***是当前由美敦力公司销售的ILLUMISITE***，但是用于腔内导航的其他***也被视为处于如上所述的本公开的范围内。
***100的一个方面是用于查看已从***100单独获取的计算断层摄影(CT)图像扫描数据的软件组件。对CT图像数据的查看允许用户标识一个或多个目标、规划到达所标识的目标的路径(规划阶段)、使用计算装置122上的用户界面将导管102导航到目标(导航阶段)以及确认传感器104相对于目标的放置。该目标可以是通过在规划阶段期间检查CT图像数据而识别的感兴趣的组织。在导航之后，可将诸如活检工具或其他工具等医疗装置***到导管102中，以从位于目标处或接近于目标的组织中获得组织样品。
如图1所示，导管102是导管引导组件106的一部分。在实践中，导管102被***到支气管镜108中以进入患者P的腔网络。具体地，导管引导组件106的导管102可被***到支气管镜108的工作通道中以用于导航穿过患者的腔网络。传感器104位于导管102的远侧部分上。可以得到电磁场内传感器104相对于参考坐标系的定位和朝向，以及因此导管102的远侧部分的定位和朝向。导管引导组件106目前由美敦力公司以商品名手术套件或EDGETM手术套件进行市场销售和出售，并且被认为可与本公开一起使用。
***100一般包括操作台112，该操作台被配置为支撑患者P；支气管镜108，该支气管镜被配置为通过患者P的口***患者P的气道；监视设备114，该监视设备联接到支气管镜108(例如，视频显示器，用于显示从支气管镜108的视频成像***接收的视频图像)；定位或跟踪***114，该定位或跟踪***包括定位模块116、多个参考传感器18和发射器垫120，该发射器垫包括多个并入的标记物；和计算装置122，该计算装置包括软件和/或硬件，该软件和/或硬件用于促进对目标的识别、到目标的路径规划、医疗装置到目标的导航，和/或对导管102或穿过其的合适装置相对于目标的放置的确认和/或确定。计算装置122可以与图140的工作站1401类似并且可以被配置成执行本公开的包含图11的方法的方法。
***100的此特定方面中还包含能够获取患者P的荧光透视或X射线图像或视频的荧光透视成像装置124。由荧光镜成像装置124所捕获的图像、图像序列或视频可存储在荧光镜成像装置124内，或传输到计算装置122以用于存储、处理和显示。另外，荧光镜成像装置124可相对于患者P移动，使得可从相对于患者P的不同角度或视角获取图像，以创建诸如荧光镜视频的荧光镜图像的序列。荧光透视成像装置124相对于患者P并且在捕获图像时的姿势可经由与发射器垫120一起并入的标记物来估计。标记物定位在患者P之下、患者P与操作台112之间以及患者P与荧光透视成像装置124的辐射源或感测单元之间。与发射器垫120一起并入的标记物可以是可以固定的方式耦接或另选地可被制造为单个单元的两个单独元件。荧光镜检查成像装置124可以包括单个成像装置或多于一个成像装置。
计算装置122可以是包括处理器和存储介质的任何合适的计算装置，其中处理器能够执行存储在存储介质上的指令。计算装置122还可以包括数据库，该数据库被配置为存储患者数据、包括CT图像的CT数据集、包括荧光镜检查图像和视频的荧光镜检查数据集、荧光镜检查3D重建、导航计划以及任何其他此类数据。尽管未明确展示，但是计算装置122可以包括输入，或者可以另外被配置为接收CT数据集、荧光镜检查图像/视频和本文描述的其他数据。另外，计算装置122包括被配置为显示图形用户界面的显示器。计算装置122可以连接到一个或多个网络，通过该一个或多个网络可以访问一个或多个数据库。
关于计划阶段，计算装置122利用预先获取的CT图像数据来生成并查看患者P的气道的三维模型或渲染，使得能够进行对三维模型上的目标的识别(自动地、半自动地或手动地)，并且允许确定通过患者P的气道到达位于目标处和目标周围的组织的路径。更具体地，将从先前的CT扫描中获取的CT图像处理并组装成三维CT体积，随后利用该三维CT体积来生成患者P的气道的三维模型。该三维模型可以在与计算装置122相关联的显示器上显示，或者以任何其他合适的方式显示。使用计算装置122，呈现了三维模型或由三维模型生成的增强的二维图像的各个视图。增强的二维图像可以具有某些三维能力，因为它们是由三维数据生成的。可操纵三维模型以促进对三维模型或二维图像上的目标的识别，并且可以进行对通过患者P的气道进入位于目标处的组织的合适的路径的选择。一旦进行选择，就可以保存路径计划、三维模型以及由其得到的图像并且将其导出到导航***中以用于在导航阶段期间使用。当前由美敦力公司销售的ILLUMISITE软件套件包含一种此规划软件。
关于导航阶段，利用六自由度电磁定位或跟踪***114或用于确定导管102的远侧部分的定位和朝向的其他合适的***来执行图像的配准和导航路径。跟踪***114包括跟踪模块116、多个参考传感器118和发射器垫120(包括标记物)。跟踪***114被配置用于与导管102并且特别是传感器104一起使用。
发射器垫120定位在患者P下方。发射器垫120在患者P的至少一部分周围生成电磁场，在该电磁场内，多个参考传感器118和传感器104的定位可使用跟踪模块116来确定。参考电极118中的一个或多个附接到患者P的胸部。通常执行配准来协调来自规划阶段的三维模型和二维图像与如通过支气管镜108所观察到的患者P的气道的位置，并允许在知道传感器104的位置的情况下进行导航阶段。
患者P在发射器垫120上的位置的配准可通过移动传感器104通过患者P的气道来执行。更具体地，涉及导管102移动通过气道时传感器104的位置的数据使用发射器垫120、参考传感器118和跟踪***114来记录。将由此位置数据产生的形状与在规划阶段中生成的三维模型的传递的内部几何形状进行比较，并且例如利用计算装置122上的软件确定基于比较的形状与三维模型之间的位置相关性。另外，软件识别三维模型中的非组织空间(例如，填满空气的腔)。软件将表示传感器104的位置的图像与三维模型和/或由三维模型生成的二维图像对准或配准，这是基于记录的位置数据和传感器104仍定位在患者P的气道中的非组织空间中的假设。另选地，手动配准技术可通过以下来采用：将具有传感器104的支气管镜108导航到患者P的肺部中的预先指定的位置处，并将来自支气管镜的图像与三维模型的模型数据手动关联。
本公开的仍另外的方面涉及导管102。导管102可以包含可以用于操纵导管的远侧部分的一个或多个拉线。拉线***是已知的并且用于包括手动、动力辅助和机器人外科手术的各种设置。在大多数基于导管的拉线***中，至少一个但多达六个以及甚至十个拉线并入到导管102中，并且从接近远端延伸到定位在近端处的驱动机构。通过张紧和放松拉线，可以操纵导管的远侧部分的形状。例如，在简单的两拉线***中，通过放松一根拉线并收回相反的拉线，可以使导管沿收回拉线的方向偏斜。尽管在此详细描述了某些拉线***，但是本公开不限于此，并且可通过多种装置实现对导管102的操纵，该多种装置包括同心管***以及使导管102的远侧端部能够移动的其他装置。此外，虽然详细描述了马达辅助/机器人***，但是在不脱离本公开的范围的情况下，手动操纵装置可采用拉线的相同延伸和收回原理来改变导管的远侧部分的形状。
尽管在本文中关于使用EM传感器的EMN***进行了描述，但本公开不限于此，并且可与柔性传感器、超声传感器或与其他类型的传感器结合使用。另外，本文描述的方法可以与机器人***结合使用，以使得机器人致动器驱动导管102或支气管镜108接近目标，如下面更详细描述的。
在将患者P与图像数据和路径计划配准后，使用导航软件在计算装置122上显示如图2A所示的用户界面200，该导航软件阐述了临床医生将遵循以到达靶标的路径。一旦导管102如图2所示已经成功地被导航接近靶标202，就可以对每个靶标执行局部配准过程以减小CT到身体散度。
尽管导管102在本文中被描绘为具有直构型，但本公开不限于此。导管102可具有范围为10度至180度或更大弯曲的弯曲形状。图2B中描绘了一个示例，其中导管102具有大约90度的弯曲。在导航期间，在到达分叉点时，导管102形状的弯曲实现导管102的旋转，使得导管的远侧端部与特定分支对准，意图通过该特定分支进行导航。导管102的推进然后确保弯曲如此对准，从而确保导航将在期望的分支中继续。此类弯曲对于导航肺部的上叶特别有用。如下文将描述的，导管的此类弯曲也可用于确定导管102的滚动。
在如肺活检和治疗的程序中，确保导管102的远端直接指向靶标是有用的。根据本公开的一个方面，如上所述对靶标的定位和朝向进行检测和监测。进一步地，可以由操纵拉线的驱动机构调整导管102的定位，以确保导管始终指向靶标。
根据本公开，驱动机构可接收由计算装置122得到的信号以基于由呼吸和心动周期引起的观察到的导管102和靶标的移动来驱动导管(例如，使拉线延伸和收回)。这种装置的一个示例可见于图3A中，该图描绘了包括三个驱动马达的外壳，该三个驱动马达用于操纵以5个自由度(例如，左右、上、下和旋转)从其延伸的导管。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用包含更少个或更多个自由度的其他类型的驱动机构和其他操纵技术。
如上所述，图3A描绘了容纳在主体201中并安装在支架202上的驱动机构200，该支架一体连接到主体201。导管102连接到内部壳体204a和204b并且在一个实施方案中与这些内部壳体形成集成单元，并且连接到正齿轮206。在一个实施方案中，该集成单元可相对于外壳201旋转，使得导管102、内部壳体204a-204b和正齿轮206可围绕轴轴线“z”旋转。导管102和集成内部壳体204a-204b由轴承208、210和212径向支撑。虽然这里详细描述了驱动机构200，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可采用其他驱动机构来使机器人或临床医生能够将导管驱动到期望的位置。
电动马达214R可包括用于将机械运动转换成电信号并且向计算装置122提供反馈的编码器。进一步地，电动马达214R(如果用于引起导管102的旋转，则R指示这种马达)可包括任选的齿轮箱，用于增加或降低安装在由电动马达214R驱动的轴上的附接正齿轮215的旋转速度。电动马达214LR(LR是指导管102的关节运动部分217的左右移动)和214UD(是指关节运动部分217的上下移动)，每个马达任选地包括编码器和齿轮箱。相应的正齿轮216和218驱动上下和左右操纵缆线，如将在下面更详细地描述的。所有三个电动马达214R、LR和UD牢固地附接到静止框架202，以防止其旋转并使得正齿轮215、216和218能够由电动马达驱动。
图3B描述了使得导管102的关节运动部分217进行关节运动的机构的细节。具体地，以下描绘了在本公开的一个方面中设想了上下铰接的方式。此***单独(与用于驱动正齿轮216的电动马达214UD耦接)将在两线***中实现如上所述的铰接。然而，在设想四线***的情况下，可以采用与下文中立即描述的***相同的第二***来驱动左右缆线。因此，为了便于理解，在此仅描述了***之一，其中应理解，本领域的技术人员将容易地理解如何在四线***中采用第二此***。本领域的技术人员将认识到，可以采用其他机构来实现导管的远侧部分的铰接，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他铰接导管。
为了实现导管102的关节运动部分217的上下关节运动，可采用操纵缆线219a-b。操纵缆线219a-219b的远侧端部附接到导管102的远侧端部，或者在该导管的远侧端部处，或者靠近该导管的远侧端部。操纵缆线219a-219b的近侧端部附接到柱220a和220b的远侧尖端。柱220a和220b纵向地并且沿相反方向往复运动。柱220a的移动导致一根操纵缆线219a变长，同时，柱220b的相反纵向移动导致缆线219b有效地变短。操纵缆线219a-b的有效长度的变化的组合效果是使得形成导管102轴的关节运动部分217的接头在缆线219b被缩短的一侧上被压缩，并且在操纵缆线219a被延长的一侧上被拉长。
相对的柱220a和1220b至少在其近侧端部处分别具有左旋和右旋内螺纹。容纳在壳体1204b内的是两个螺纹轴222a和222b，一个是左旋螺纹并且一个是右旋螺纹，以对应于柱220a和220b并与其配合。轴222a和222b具有拧入柱220a和220a的内部的远侧端部和带有正齿轮224a和224b的近侧端部。轴222a和222b可绕其轴线自由旋转。正齿轮224a和224b接合行星齿轮226的内齿。行星齿轮226也包括接合电动马达214UD的近侧端部上的正齿轮218的齿的外齿。
为了使导管在向上方向上关节运动，临床医生可经由启动开关(未示出)启动电动马达214UD，使得其旋转正齿轮218，该正齿轮又驱动行星齿轮226。行星齿轮226通过内齿轮224a和224b连接到轴222a和222b。行星齿轮226将致使齿轮224a和224b沿相同方向旋转。轴222a和222b是带有螺纹的，并且其旋转通过形成在柱220a和220b的内侧上的配合螺纹传递到柱220a和220b的线性运动中。然而，因为柱220a的内螺纹与柱220b的内螺纹相反，所以当行星齿轮226旋转时，一个柱将向远侧行进，而一个柱将向近侧(即，沿相反方向)行进。因此，上部缆线219a被向近侧拉动以提升导管102，而下部缆线219b必须被放松。如上所述，使用电动马达214LR、其正齿轮216、第二行星齿轮(未示出)、第二组螺纹轴222和柱220以及两个以上的操纵缆线219，该相同***可用于控制端部执行器的左右移动。此外，通过一致地动作，采用四根操纵缆线的***可通过使三个电动马达214及其相关联传动装置和操纵缆线219由计算装置122计算机控制来近似人类手腕的移动。
尽管以上关于如驱动机构是手持式导管***的一部分的情况那样，接收来自临床医生的手动输入进行了总体描述，但是本公开不限于此。在另外的实施方案中，驱动机构200是用于将导管102导航到体内期望位置的机器人***的一部分。根据本公开，在驱动机构是机器人导管驱动***的一部分的情况下，导管102的远侧部分的定位可以是机器人控制的。在此情况下，计算装置122确定靶标和导管102的定位。
驱动机构可以接收来自计算装置122或外科医生通过其指定导管102的期望的动作的另一机构的输入。在临床医生控制导管102的移动的情况下，可以通过方向按钮、操纵杆(如拇指操作的操纵杆)、切换键、压力传感器、开关、轨迹球、拨盘、光学传感器以及其任何组合启用此控制。计算装置通过向马达214发送控制信号来响应用户命令。马达214的编码器向控制单元24提供关于马达214的当前状态的反馈。
在本公开的另外的方面，导管102可包括或被配置为收纳超声成像器228。超声成像器228可以是径向超声换能器、线性超声换能器、电容性微机械超声换能器、压电微机械超声换能器或不脱离本公开的范围的其他超声换能器。根据本公开，在将导管102导航到接近靶标的位置并进行局部配准之后，可接合超声成像应用。通过进行局部配准程序，消除了CT到身体散度，并且临床医生确信，如导航软件中显示的导管102和靶标的相对定位是导管102相对于靶标在体内的放置的准确表示。
存在确定5DOF传感器104连同导管102的远侧部分的6DOF定位和朝向的多种方法。如上所述，5DOF传感器不能直接提供与导管102的滚动相关的数据。当在导管102中采用时，5DOF传感器是非常有益的，因为它可由缠绕在导管102的远侧端部的内部部分周围的线材来构造。加热和回流导管的外部部分和内部部分，使得这两个部分的熔合将绕组固定在导管102内。这使得导管102内的工作通道可用于***活检和治疗工具诸如微波消融导管和其他工具。相比之下，6DOF传感器通常需要防止工作通道穿过导管102的元件。然而，如别处所述，这是以丢失滚动数据为代价的。
两个选项可用于确定导管102在患者的气道中进行导航时的第六DOF(即，滚动)。在如图2B所描绘的弯曲导管102的情况下，导管102的旋转导致导管102的远侧部分和5DOF传感器104的定位和朝向的改变。定位和朝向的这种改变可影响5DOF中的任一个DOF，但是肯定会使得这些DOF(例如，X、Y、Z、俯仰和偏航)中的若干DOF改变。5DOF传感器的定位和朝向的所检测到的变化可由计算装置122或定位模块116上运行的应用程序用以估计实现定位和朝向的变化所必需的滚动量。在如图3A和图3B所描绘的马达辅助或机器人***的情况下，用于实现期望的旋转的输入也是已知的。因此，在已知向导管102输入10度的滚动的情况下，可将传感器104在弯曲导管102(例如，导管的远侧部分)上的定位和朝向的变化与所确定的滚动量进行比较。该比较可由应用程序用以确定滚动计算的相对准确度。然后可在图2的UI 150上更新导管102所经历的滚动。
另选地，在直的但可关节运动的导管102(诸如采用图3A和图3B中描绘的驱动机构200的那些导管)的情况下，可使导管102的远侧部分进行关节运动。类似于弯曲导管102，导管102的关节运动可实现与弯曲导管102的旋转几乎相同的目的。同样，导管102的远侧部分、特别是5DOF传感器104的定位和朝向的变化可用于确定传感器104由于关节运动以及传感器的位置和取向的变化而经历的滚动量(第6DOF)。特别地，当仅采用单个拉线或双拉线***(其中仅在单个平面中进行关节运动)时，对关节运动平面的确定可结合定位和朝向的变化用以计算导管102在任何给定时间经历的滚动量。
马达辅助或机器人***诸如驱动机构200的益处之一是关节运动可作为驱动过程的一部分而自动化。以这种方式，尽管看起来是以例如3Hz和10Hz之间的频率向患者体内的期望靶标的连续驱动，但是导管102的远侧部分可定期进行关节运动。以这种方式，可在导管102的导航期间连续地计算导管102的滚动。关节运动的实际频率优选地是没有***100的其他部件操作的频率，因此对关节运动的检测可与导管102的其他移动隔离。***100知道关节运动的定时并且可确认移动是关节运动的结果，这一事实有助于该确定。尽管未关于图3A和图3B提及，但是可采用多种装置来确定施加到导管102的滚动或关节运动量。这些装置包括基于伺服马达或步进马达的***、光学尺度***(其中观察标记物的旋转)、2D位移传感器(诸如存在于无线鼠标中的那些传感器)等。重要的方面是知道滚动或关节运动的输入的量值，以便与由导管102的旋转或关节运动引起的所检测到的位置变化进行比较。
虽然可预期导管102的一些旋转或关节运动并非从驱动机构200或其他输入装置所在的近侧端部转换，但是导管102可具备足够的扭转刚度，使得从导管102的输入到移动存在尽可能接近于一对一对应。然而，即使在转换中存在滞后或损失的情况下，由于驱动机构200提供已知输入，***100并且特别是计算装置122或定位模块116也可寻找导管102的远侧端部处的响应并且将其与输入进行比较。如果响应不精确地对应，则可进行另外的移动(例如，滚动或关节运动)，并且随着越来越多的数据被收集，输入和输出之间的变化可被评估，并且在计算装置122或定位模块116上运行的应用程序可被更新为将该变化考虑在滚动计算中。
在至少一个实施方案中，UI 150可向用户提供提示以在手术期间的各点处执行导管的关节运动或旋转。特别地，当导管102接近靶标152时，为了确认导管102的取向，UI可向用户发信号以旋转导管102或使该导管进行关节运动。关节运动或旋转提供可用于确定导管102的滚动或第六DOF的定位和朝向的变化。如果需要，定位和朝向的多个变化可用于确保导管102被导引成使得从导管102延伸的工具将命中靶标152。
图4描绘了可在计算装置122或定位***116上操作的软件中实现的方法300。在步骤302处，检测导管102的远侧部分在5DOF中的定位和朝向。在步骤304处，移动导管。步骤304可以是如上所述的直导管102的关节运动或弯曲导管102的滚动。在步骤306处，检测传感器104连同导管102的远侧部分在5DOF中的定位和朝向。在步骤308处，计算装置122或定位***使用传感器104在5DOF中的定位和朝向的变化来计算导管102的滚动(即，第6DOF)量。如上所述，导管102的关节运动或滚动可手动或自动驱动并且可根据需要频繁地重复以在导航期间并且特别是在导管102接近靶标152时准确地反映导管102的滚动。
现在参考图5，该图是***400的示意图，该***被配置用于与包括图4的方法的本公开的方法一起使用。***400可包括工作站401以及任选地荧光透视成像装置或荧光***415。在一些实施方案中，工作站401可例如通过无线通信与荧光***415直接或间接耦接。工作站401可包括存储器402、处理器404、显示器406和输入装置410。处理器或硬件处理器404可包括一个或多个硬件处理器。工作站401可任选地包括输出模块412和网络接口408。存储器402可存储应用程序418和图像数据414。应用程序418可包括可由处理器404执行以用于执行本公开的方法包括图4的方法的指令。
应用程序418还可包括用户界面416。图像数据414可包括CT扫描、所生成的靶标区域的荧光透视3D重建和/或3D重建的任何其他荧光透视图像数据和/或生成的一个或多个切片。处理器404可与存储器402、显示器406、输入装置410、输出模块412、网络接口408和荧光***415耦接。工作站401可以是固定计算装置诸如个人计算机，或便携式计算装置诸如平板计算)。工作站401可嵌入多个计算机装置。
存储器402可包括用于存储数据和/或软件包括指令的任何非暂态计算机可读存储介质，这些指令可由处理器404执行并且控制工作站401的操作并且在一些实施方案中还可控制荧光***415的操作。根据本公开，荧光***415可用于捕获基于其生成荧光透视3D重建的荧光透视图像的序列并且用于捕获实况2D荧光透视视图。在一个实施方案中，存储器402可包括一个或多个存储装置，诸如固态存储装置，例如闪存存储器芯片。另选地或除一个或多个固态存储装置之外，存储器402还可包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)而连接到处理器404的一个或多个大容量存储装置。
尽管本文所含的对计算机可读介质的描述是指固态存储装置，但是本领域技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是处理器404可访问的任何可用介质。即，计算机可读存储介质可包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动的介质。例如，计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可用于存储期望信息并且可以由工作站1001访问的任何其他介质。
应用程序418可在由处理器404执行时使得显示器406呈现用户界面416。用户界面416可被配置为向用户呈现单个屏幕，该单个屏幕包括来自医疗装置的尖端的视角的靶标的3D模型的三维(3D)视图、示出医疗装置的实况二维(2D)荧光透视视图以及对应于靶标的3D模型的覆盖在如例如图2所示的实况2D荧光透视视图上靶标标志物。用户界面416可被进一步配置为根据医疗装置尖端是否在三个维度上与目标对准而以不同的颜色显示靶标标志物。根据本公开的各方面，用户界面416可进一步向用户提供使导管102进行关节运动以在导管的导航期间实现滚动或第六个DOF确定的提示。
网络接口408可被配置为连接到网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络和/或互联网。网络接口408可用于在工作站401和荧光***415之间进行连接。网络接口408也可用于接收图像数据414。输入装置410可以是用户可通过其与工作站401交互的任何装置，诸如，例如鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音界面。输出模块412可包括任何连接端口或总线，诸如，例如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域技术人员已知的任何其他类似连接端口。根据上文并且参考各个附图，本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，还可以对本公开进行某些修改。
尽管上文进行了大致描述，但是可关于图6A至图6D观察滚动确定的另外的细节。在图6A中，导管102处于非关节运动状态。非关节运动的导管102的X、Y、Z坐标限定与非关节运动的导管102同轴的3D矢量V0，该3D矢量V0与导管102的端部同轴并且从该端部向前限定。如图6A所描绘的，由于导管102处于非关节运动状态，矢量和V0基本上对应。拉线602例如使用拉环604附接在导管102的远侧端部处。在致动时，拉线602朝向手柄(未示出)或如图3A、图3B所描绘的驱动机构向近侧收回，以实现如图6B所描绘的导管102的形状。拉线602在相对于手柄或驱动机构和导管101的轴的已知点处(例如，在端部导管102上的已知径向位置处)连接到拉环604。收回拉线的效果并且特别是由拉线602的已知收回量引起的导管102的远侧尖端的定位和朝向的预期变化也是已知的。这种数据可存储在查找表或其他数据存储装置中。然而，由于肺部的生理学，由于设定量的拉线602收回而引起的定位变化可能不会产生定位的预期变化。
在导航期间，在任何点处，可记录传感器的初始5DOF定位和朝向(包括X0、Y0、Z0坐标)。为了确定导管的滚动，需要到拉线602的输入。该输入引起导管102的关节运动和定位变化，以将导管的远侧部分移动到定位B，如图6C所示。在定位B处，坐标X1、Y1和Z1限定导管102的远侧部分的新定位。X1、Y1和Z1也限定新矢量V1。矢量V0和V1限定关节运动的平面。然后可由公式P＝V0×V1导出的与关节运动的平面正交的矢量P提供可用于近似导管102的滚动的变化数据点。通过与由两个矢量限定的关节运动平面正交，P必然垂直于原始矢量V0和V1两者。当导管102不受约束并且拉线相对于手柄和导管轴的径向位置已知时，该矢量可与预期矢量P比较。预期矢量P与所计算矢量P之间的差值限定导管102的滚动的近似值。
如上文所述，通过近似导管102的滚动，可在导航期间经由用户界面向用户提供该数据，以帮助用户理解导管102的取向。此外，该关节运动可以是相对小的并且处于用户未检测到的频率，但是被***用来连续地更新所显示的导管102的滚动。如将了解的，在不脱离本公开的范围的情况下，也可采用使用矢量分析或运动学的其他装置。
尽管本文公开了详述的实施方案，但是所公开的实施方案仅仅是可以各种形式并且在各方面体现的本公开的示例。例如，本文公开了结合目标覆盖***和方法的电磁导航***的实施方案；然而，目标覆盖***和方法还可应用于本领域技术人员已知的其他导航或跟踪***或方法。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅仅是权利要求书的基础，并作为具有代表性的基础用于教导本领域的技术人员以几乎任何合适的具体结构不同地采用本公开。

Claims (20)

1.一种导管导航***，包括：
柔性导管，所述柔性导管被配置用于在患者体内导航，所述导管包括五自由度(5DOF)传感器；
驱动机构，所述驱动机构包括至少一根拉线，所述至少一根拉线被配置为改变所述柔性导管的定位和朝向；
计算装置，所述计算装置被配置为检测所述传感器的5DOF定位和朝向，所述计算装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在由所述处理器执行时使得所述计算装置执行以下步骤：
检测所述导管在第一定位和朝向处在5DOF中的定位和朝向；
向所述驱动机构发信号以移动所述导管；
检测所述导管在第二定位和朝向处在5DOF中的定位和朝向；以及
计算所述导管在所述第二定位处的滚动，其中所述滚动计算解析所述导管的远侧部分在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向。
2.根据权利要求1所述的导管导航***，其中所述导管包括穿过其中用于***活检或治疗工具的管腔。
3.根据权利要求1所述的导管导航***，其中所述驱动机构使得所述导管进行关节运动。
4.根据权利要求1所述的导管导航***，其中所述驱动机构使得所述导管旋转。
5.根据权利要求1所述的导管导航***，其中所述驱动机构是手动驱动机构。
6.根据权利要求1所述的导管导航***，其中所述计算装置被配置为显示用户界面，所述用户界面描绘所述导管相对于靶标的6DOF定位和朝向。
7.根据权利要求1所述的导管导航***，还包括5DOF电磁传感器，所述5DOF电磁传感器用于检测所述导管在所述第一定位和朝向以及所述第二定位和朝向处在5DOF中的定位和朝向。
8.根据权利要求1所述的导管导航***，还包括5DOF形状传感器，所述5DOF形状传感器用于检测所述导管在所述第一定位和朝向以及所述第二定位和朝向处在5DOF中的定位和朝向。
9.根据权利要求1所述的导管导航***，还包括荧光***，其中所述荧光***被配置用于确认所述导管的定位和朝向。
10.根据权利要求1所述的导管导航***，其中在3Hz和10Hz之间的频率下发生向所述驱动机构发信号以移动所述导管。
11.一种用于检测导管在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向的方法，所述方法包括：
检测导管在第一定位和朝向中在五个自由度(5DOF)中的定位和朝向；
向驱动机构发信号以移动所述导管；
检测所述导管在第二定位和朝向中在5DOF中的定位和朝向；
基于所检测到的所述导管在所述第一定位中的5DOF定位和朝向与所检测到的在所述第二定位中的5DOF定位和朝向的差值来计算所述导管的滚动。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括用驱动机构使所述导管进行关节运动。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括旋转所述导管，其中所述导管是弯曲的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述导管的所述定位经由定位在所述导管的远侧部分中的电磁传感器来检测。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述导管的所述定位经由定位在所述导管的远侧部分中的形状传感器来检测。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括在计算装置上显示用户界面，所述用户界面描绘所述导管相对于靶标的6DOF定位和朝向。
17.根据权利要求11所述的方法，其中在3Hz和10Hz之间的频率下发生向所述驱动机构发信号以移动所述导管。
18.一种用于检测导管在六个自由度(6DOF)中的定位和朝向的方法，所述方法包括：
检测导管的远侧部分上的传感器在第一定位处的X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向；
检测导管的远侧部分上的所述传感器在第二定位处的X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向；
基于从所述第一定位到所述第二定位的X、Y、Z、俯仰和偏航定位和朝向的变化来计算所述传感器在所述第二定位处的滚动取向。
19.根据权利要求18所述的方法，其中拉线将所述导管从所述第一定位移动到所述第二定位。
20.根据权利要求19所述的方法，其中以3Hz和10Hz之间操作的驱动机构致动所述拉线以将所述导管从所述第一定位移动到所述第二定位。
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US17/585,289 2022-01-26
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