在3D导航时提供距离和取向反馈的系统和方法与流程

本申请要求在2014年7月2日提交的申请号为62/020,258的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内容在此通过引用而并入本文。

技术领域

本公开涉及能够导航至气道外部的目标、或者能够导航至以其他方式接取受限的目标的系统和方法，并且涉及用于评估工具抵达目标的能力的系统和方法。

背景技术：

用于对患者气道进行检查和导航的常用装置是气管镜。通常，将气管镜通过患者的鼻或嘴插入到患者的气道中并且气管镜能够延伸到患者的肺中。典型的气管镜包括：长形挠性管，所述长形挠性管具有用于照射位于气管镜末端远侧的区域的照明组件和用于提供来自气管镜末端的视频图像的成像组件；以及工作导管，通过所述工作导管能够插入例如诊断器械(譬如活检工具)、治疗器械这样的器械。

然而，在导航至目标的过程中，气管镜因它们的尺寸而受限于能够通过气管前进多远的距离。在气管镜过大以致于不能抵达位于肺部深处的目标位置的情况下，临床医生可以使用特定的实时成像手段(例如荧光镜)。尽管有用，但是荧光图像对于导航而言仍存在一些缺点，原因在于其通常难以将管腔通道与实体组织区别开。而且，由荧光镜产生的图像是二维的，而对患者气道进行导航需要三维的机动能力。

为了解决上述问题，已经研发出的系统能够通常根据一系列计算机断层扫描(CT)图像而建立气道或者其它管腔网络的三维模型。已经研发出一种这样的系统，其作为目前由Covidien LP销售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION(ENBTM)系统的一部分。在共同受让的、2004年3月29日提交的发明名称为“ENDOSCOPE STRUCTURES AND TECHNIQUES FOR NAVIGATING TO A TARGET IN BRANCHED STRUCTURE”且授予Gilboa的美国专利US7233820中描述了这种系统的细节，其全部内容以援引的方式并入本文。

尽管在美国专利US7233820中描述的系统相当有能力，但是仍然需要针对这种系统的改进和补充进行研发。

另外，在使用电磁导航(“EMN”)系统执行ELECTROMAGNETIC NAVIGATION(“ENB”，电磁导航气管镜)手术期间，临床医生可能需要导航至气道目标外部的目标(或者以其他方式接取受限的目标)，并且在此导航期间导管可能因缺少目标而必须停留。这在用于插入接取工具或者针的预备工作中完成，所述接取工具或者针可能必须要穿透气道壁以便抵达目标。对于用户而言，非常常见的是倾向于尽可能地移动靠近目标。然而，这有时会忽略导管相对于目标的取向的因素，与跟目标相距的距离相比，导管相对于目标的取向对于抵达目标而言是同等重要或者更加重要的。而且，当接取工具、针或者活检工具布置到导管以外时，其可能因组织的生理性质或者几何性质、导管弯曲或者其它原因而发生偏移。

为了解决该问题，本公开涉及评估工具从气道内部的位置抵达位于气道外部的目标或者以其他方式接取受限的目标并且与目标相互作用的能力、并且识别出最优位置以由此实现这样的接取和相互作用的系统和方法。

技术实现要素：

根据本公开提供了用于导航至气道外部的目标或者以其他方式接取受限的目标的系统和方法。

本公开的一方面涉及一种用于导航至目标的系统，所述系统包括：延伸的工作通道，所述工作通道限定管腔，所述管腔延伸通过所述工作通道以用于接收工具；计算装置，所述计算装置包括存储器和至少一个处理器；存储在存储器中的多个图像；显示装置，所述显示装置显示用户界面；和存储在存储器中的程序，当由至少一个处理器执行程序时，所述程序给出用户界面，所述用户界面包括：所述多个图像中的至少一个图像，所述至少一个图像示出目标和延伸的工作通道通过气道的进展情况；和概率治疗区域，所述概率治疗区域限定了在所述至少一个图像中显示的、工具一旦被布置到所述延伸的工作通道的开口以外之后的轨迹的概率分布。

在本公开的另一方面中，用户界面构造成示出延伸的工作通道的移动，从而允许用户沿着一定的取向定位概率治疗区域，以使得由概率治疗区域包围目标的至少一部分。

在本公开的另一方面中，用户界面还构造成允许用户将概率治疗区域显示为三维立体状形。

在本公开的另一方面中，用户界面构造成使得概率治疗区域内部的目标体积的增加表明工具将与概率治疗区域内部的目标的一部分相互作用的概率增大。

在本公开的另一方面中，用户界面构造成使得从延伸的工作通道的开口开始的概率治疗区域的长度对应于工具能够布置到延伸的工作通道的开口以外的最大有效距离。

在本公开的另一方面中，用户界面还构造成允许用户将概率治疗区域显示为二维形状。

在本公开的另一方面中，用户界面还构造成利用第一指示物和第二指示物显示概率治疗区域，其中，第一指示物包括工具相对于目标的取向状态，所述第二指示物包括工具相对于目标的距离状态。

在本公开的另一方面中，当由概率治疗区域包围目标的一部分时，第一指示物的状态发生变化以表示工具的取向允许工具与目标相互作用。

在本公开的另一方面中，当从延伸的工作通道的开口至目标的距离小于工具的最大可布置距离时，第二指示物的状态发生变化以表示工具的距离允许工具与目标相互作用。

在本公开的另一方面中，工具选自于由针、接取工具、活检工具、治疗材料施加工具和消融工具构成的组。

在本公开的另一方面中，基于所选择的工具调节概率治疗区域。

在不背离本公开的范围的前提下，本公开的上述各方面和实施例中的任何一个均可进行组合。

附图说明

当参照附图阅读本公开的各个实施例的说明时，本公开的系统和方法的目的和特征对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见，在附图中：

图1是根据本公开的电磁导航系统的透视图；

图2是构造成与图1的系统一起使用的工作站的示意图；

图3是图解了根据本公开提供的用于导航到气道外部的目标位置或者导航到以其他方式接取受限的目标位置的方法的流程图；

图4A是显示为一种三维立体形状的概率治疗区域的示意图；

图4B是显示为另一种三维立体形状的概率治疗区域的另一个实施例的示意图；

图4C示出了显示为二维形状的概率治疗区域的两个示意图；和

图5是根据本公开的图1和图2的工作站的用户界面的示意图，其给出了用于导航到目标位置的3D模型的多个视图。

具体实施方式

本公开涉及用于确定和显示目标附近区域、并且给出活检工具或者其它手术工具在沿着目标方向从延伸的工作通道伸出时可能经过的区域的图像显示的系统和方法。利用这种系统，临床医生能够确定在收回活检工具或者治疗目标组织之前位置是否需要或者有必要改变位置，并且能够增加是在对目标进行活检或治疗而不是仅仅对目标附近的组织进行活检或治疗的信心。

EMN手术通常涉及至少两个阶段：(1)规划抵达位于患者气道内或者毗邻患者气道的目标的路径；和(2)沿着规划路径将探针导航至目标。这些阶段通常称作(1)“规划”和(2)“导航”。在共同所有的、在2013年3月15日提交、发明名称均为“Pathway Planning System and Method”且申请号为13/838,805、13/838,997和13/839,224的美国专利申请中更加完整地描述了EMN手术的规划阶段，其全部内容在此以援引的方式并入本文。

在规划阶段之前，通过例如计算机断层(CT)扫描为患者的肺部成像，不过本领域技术人员也可以获知其它可应用的成像方法。在CT扫描期间汇总的图像数据可以随后以例如医学数字成像和通信(DICOM)格式进行存储，不过本领域技术人员也可以获知其它可应用的格式。CT扫描图像数据随后可以载入到规划软件应用程序(“应用程序”)中，以便在ENB手术的规划阶段期间使用。

参照图1，根据本公开提供了EMN系统110。一种这样的ENM系统是当前由Covidien LP销售的ENB系统。可以使用EMN系统110执行的任务包括但不限于规划抵达目标组织的路径、将定位组件导航到目标组织、将活检工具导航到目标组织以便使用活检工具从目标组织获得组织样本、以及数字标记获得组织样本的位置并且将一个或多个回声标志物放置在目标处或者目标周围。

EMN系统110通常包括：手术台140，所述手术台构造成支撑患者；气管镜150，所述气管镜构造成通过患者的嘴和/或鼻插入到患者的气道中；监测设备160，所述监测设备联接到气管镜150以用于显示接收自气管镜150的视频图像；追踪系统170，所述追踪系统包括追踪模块172；多个参考传感器174；电磁场发生器176；和工作站180，所述工作站包括用于辅助路径规划、目标组织的识别、导航至目标组织、以及数字标记活检位置的软件和/或硬件。

图1还示出了两种类型的导管引导组件100、190。两导管引导组件100、190都能与EMN系统110一起使用并且共用多个通用部件。每个导管引导组件100、190均包括手柄191，所述手柄191连接到延伸的工作通道(EWC)196。EWC 196的尺寸构造成用于将其安置到气管镜150的工作通道中。在操作中，包括电磁(EM)传感器194的可定位引导件192被插入到EWC 196中并且被锁定就位，以使得传感器194延伸超过EWC 196的远侧末端193期望距离。能够由追踪模块172和工作站180获得EM传感器194的位置并且因此获得EWC 196的远端在由电磁场发生器176产生的电磁场内的位置。导管引导组件100、190具有不同的操作机构，而且能够通过旋转和压缩来操纵手柄191，以使插入到EWC 196中的可定位引导件192的远侧末端193转向。导管引导组件190目前由Covidien LP以商标名称为的手术套件进行营销和销售，类似的导管引导组件100由Covidien LP以商标称为EDGE^TM的手术套件进行销售，这两种套件均包括手柄191、延伸的工作通道196和可定位引导件192。关于导管引导组件100、190的更加详细的描述，可以参照由Ladtkow等人共同所有的在2013年3月15日提交的申请号为13/836,203的美国专利申请，其全部内容在此以援引的方式并入本文。

如图1所示，患者示出为平躺在手术台140上，气管镜150通过患者的嘴插入到患者的气道中。气管镜150包括照明光源和视频成像系统(没有明确示出)并且联接到监测设备160例如视频显示装置，以用于显示接收自气管镜150的视频成像系统的视频图像。

包括可定位引导件192和EWC 196的导管引导组件100、190构造成通过气管镜50的工作通道插入到患者气道中(不过也可以替代地使用导管引导组件100、190而无需气管镜50)。可定位引导件192和EWC 196经由锁定机构199选择性相对于彼此锁定。利用六自由度电磁追踪系统170(例如，与在美国专利US6188355和已公布的PCT申请WO 00/10456和WO 01/67035中所公开的六自由度电磁追踪系统相类似，其全部内容在此以援引的方式并入本文；或者任意其他合适的定位测量系统)来执行导航，不过也可以设想其它构造。追踪系统170构造成与导管引导组件100、190一起用以在EM传感器194与EWC196协同移动通过患者气道时追踪EM传感器194的位置，正如下文详述的那样。

还如图1所示，电磁场发生器176定位在患者下方。电磁场发生器176和多个参考传感器174与追踪模块172互连，所述追踪模块以六个自由度获得每个参考传感器174的位置。参考传感器174中的一个或多个附接到患者的胸部。参考传感器174的六自由度坐标被发送到工作站180，所述工作站包括应用程序181，在所述应用程序中，来自传感器174的数据被用于计算患者参考坐标系。

在图1中还示出了导管活检工具102，所述导管活检工具2在导航到目标并移除可定位引导件192之后能够插入到导管引导组件100、190中。活检工具102用于从目标组织收集一个或多个组织样本。如下文详细所述，活检工具102还构造成与追踪系统170一起使用，以辅助将活检工具102导航到目标组织、在相对于目标组织操纵活检工具102以获得组织样本时追踪活检工具的位置、和/或标记获得组织样本的位置。

尽管以上参照被包括在可定位引导件192中的EM传感器194详细描述了导航，但是也可以设想能够将EM传感器194嵌入或者包含在活检工具102中，其中，活检工具102可以替代地用于导航且不需要可定位引导件192或者必要的、需要用到可定位引导件192的工具更换。在2013年11月20日提交的发明名称均为“DEVICES,SYSTEMS,AND METHODS FOR NAVIGATING A BIOPSY TOOL TO A TARGET LOCATION AND OBTAINING A TISSUE SAMPLE USING THE SAME”且申请号61/906,732和61/906,762的美国临时专利申请、以及2014年3月14日提交的具有同样的发明名称且申请号为61/955,407的美国临时专利申请中描述了多种可用的、并且能够与在此描述的EMN系统110一起使用的活检工具，其全部内容在此以援引的方式并入本文。

在手术规划期间，工作站180利用CT图像数据或者DICOM格式的其它图像数据以产生并观察患者气道的三维模型(“3D模型”)。3D模型和取自3D模型的图像数据使得能够(自动地、半自动地或者手动地)识别目标组织，并且允许选择通过患者气道抵达目标组织的路径。更具体地，CT扫描结果被处理并汇总成三维立体，然后利用所述三维立体以产生患者气道的3D模型。3D模型可以在与工作站180相关联的显示监测装置181上给出，或者以任何其它适当的方式给出。通过使用工作站180，可以给出三维立体的各个部分和3D模型的各种视图和/或可以由临床医生进行操纵，以辅助识别目标并选择通过患者气道接近目标的适当路径。3D模型还可以示出执行先前活检的位置的标记，所述标记包括日期、时间和关于所获得的组织样本的其它识别信息。这些标记还可以被选择作为能够规划路径抵达的目标。一旦被选中，路径即被保存以用于在导航过程中使用。

在导航期间，EM传感器194连同追踪系统170一起使得能够在EM传感器194或者活检工具102行进通过患者气道时追踪EM传感器94和/或活检工具102。

现转至图2，示出了工作站180的系统示意图。工作站180可以包括：存储器202，所述存储器还包括CT数据214和应用程序181，所述应用程序包括用户界面216；处理器204；显示装置206；网络接口208；输入装置210和/或输出模块212。

现在参照图3，示出了根据本公开在手术期间用于导航到气道外部的目标或者以其他方式接取受限的目标的示例性方法的流程图。在开始导航之前，临床医生将导航规划从存储器202经由网络接口208或者USB驱动器装载到导航应用程序181中，所述导航规划包括患者的肺部的3D模型和通向识别目标的规划路径。能够在共同受让的、2014年6月2日提交的发明名称为“SYSTEM AND METHOD FOR NAVIGATING WITHIN THE LUNG”且申请号为62/020,240的美国临时专利申请中找到导航应用程序的示例，其全部内容在此以援引方式并入本文。

为了执行自动配准，在步骤S300中，临床医生将气管镜150、可定位引导件192和EWC 196推进到患者气道的每个区域中，直到在可定位引导件192的EM传感器194以及3D模型和导航规划中的其它数据之间实现配准为止。在2014年6月2日提交的申请号为62/020,220的美国临时专利申请中陈述了该配准的细节，其全部内容在此以援引的方式并入本文。包括手动配准的替代配准技术也是可行的，并且在发明名称为“ENDOSCOPE STRUCTURES AND TECHNIQUES FOR NAVIGATING TO A TARGET IN BRANCHED STRUCTURE”的美国专利US7233820中进行了详细描述，其全部内容在此以援引的方式并入本文。

在步骤S302中，一旦配准，临床医生就遵循在路径规划中识别出的路径而继续向目标导航。在步骤S304中，随着EWC 196和可定位引导件192接近目标，临床医生手动地启用或者由应用程序自动地启用概率治疗区域(“PTZ”)404的模型的显示。一旦启用，则如图5所示，临床医生相对于目标403导航EWC 196。当临床医生遵循路径规划接近目标403时，EWC 196能够定位成使得PTZ 404的显示与所显示的目标403相互作用。具体地，在步骤S306、S308和S310中，临床医生导航EWC 196，以使PTZ 404包围目标403的足够大的部分，从而使临床医生能够合理地确定所部署的活检或者治疗能够适当地影响到目标403而非周围的组织。临床医生能够在步骤S310中重新定位EWC 196以进一步确保PTZ 404的增量包围目标403。临床医生通过相对于目标403重新定位EWC 196，由此重新定位PTZ 404。一旦对PTZ 404相对于目标403的定位感到满意，临床医生即可在步骤S312可选地标记EWC 196的位置和取向。可以在步骤S314移除可定位引导件192(根据使用了可定位引导件的话)，并且在步骤316中将活检工具或者治疗工具通过EWC 196插入，以在步骤S318执行所需的活检或者治疗。

现在参照图4A，PTZ 404示出为三维立体形状。在此情况下，该三维立体形状是起始于EWC 196或者可定位引导件192的远侧末端193的中心点的圆锥形投影。圆锥体长度L表示气管镜工具(例如，活检工具、微波或者辐射消融工具、化疗工具、治疗药物施加工具、短程治疗工具、标记放置工具或者其它类似的气管镜工具)能够延伸到EWC 196的远端以外的最大可用距离或者最大有效距离。圆锥体直径D表示当工具延伸到EWC 196以外时的最大可能分布或者偏移。正如本领域技术人员所理解的那样，工具可用或者有效的最大长度可以根据所采用的工具而变化，并且选择的特征可以在导航应用程序的用户界面上启用以改变圆锥体的长度。尽管示出为在EWC 196开口以外展开的圆锥形图形叠加，但是PTZ 404可以根据所采用的工具的物理属性而构造成各种形状。

在图4B中，PTZ 404示出为三维体积的圆锥形投影，其中，球状盖起始于EWC 196或者可定位引导件192的远侧末端193的中心点。图4B详细示出了治疗药物施加工具的用法。具有球状盖(或者其它可应用形状)的圆锥状投影表示治疗药物的最大可能分布，所述治疗药物在EWC 196的远端之外进行分配。在一个这样的实施例中，随着治疗药物的继续分配，治疗药物以三维体积的小圆锥形离开EWC 196或者可定位引导件192的远侧末端193并随后形成立体的球状。尽管治疗药物可以继续分配成超出图4B所示出的立体形状，但是该立体形状具体给出了治疗药物有用或者有效的最大体积。

图4C示出了从EWC 196观察的两个投影的比较：与图4A的圆锥体相类似的圆锥体404以及不平衡的椭球体406。正如本领域技术人员所理解的那样，不平衡的椭球体可以代表沿着一个方向的挠曲大于沿着其它方向的挠曲的工具的偏移。

在进一步的实施例中，PTZ 404可以具有不同的颜色，并且可以随着PTZ 404内的目标403的增多而变化颜色。由此，向临床医生提供关于覆盖PTZ 404内的目标403的充分程度的反馈，并且随着PTZ404从表示PTZ 404中的目标403太小或没有目标403的红色变为表示目标404的大于一定阈值的部分处于PTZ 404内的绿色，临床医生就能够更加确信正在抵达目标403。

另外，PTZ 404可以包含各种指示物，所述指示物使临床医生能够判定与目标403相距的距离以及EWC 196的远侧末端193相对于目标403的取向。指示物可以包括视觉、触觉或者声音的变化，以向临床医生指示EWC 196的远侧末端193处于允许工具与目标403相互作用的位置和取向。例如，随着将PTZ 404操纵成如图4C所示的视图，指示物的状态可以改变，以确保更好地理解距离L(图4A所示)。一旦距离L大于从EWC 196的远侧末端193到目标403的距离，则指示物的状态改变，以通知临床医生目标403处于PTZ 404内。

根据本公开的实施例，一旦完成配准，显示装置181就通过用户界面500向临床医生给出如图5所示的多个视图502、504和506，以辅助临床医生将可定位引导件192和EWC 196导航至目标403。用户界面500可以包括局部视图(3D地图静态视图)502、虚拟气管镜视图504、和3D地图动态视图506。局部视图502还向临床医生给出了远侧末端193和可定位引导件192的EM传感器194的视觉表示。在不背离本公开的距离的前提下，可以给出其它的视图。随着EWC 196和可定位引导件192的行进，更新视图502、504和506中的每一个以体现位置的变化。

如图5所示，PTZ 404可以是当EWC 196位于目标403附近时由导航应用程序施加的图形叠加，如上所述，在手术的路径规划阶段期间已经由临床医生识别出目标403。可以在用户界面500上示出的任意一个视图中给出PTZ 404，以辅助EWC 196的最终定向。如上所述，用户界面500可以包括用户主动启用概率治疗区域视图按钮516，其允许临床医生在用户界面500上示出的任意一个视图中显示出PTZ404。在一些实施例中，这在3D视图模型(例如3D地图和/或虚拟气管镜视图504)中尤为有用。

返回参照图2的计算机可读取介质，存储器202包括非临时性计算机可读取存储介质以用于存储数据和/或软件，所述数据和/或软件能够由处理器204执行并且控制工作站80的操作。在一个实施例中，存储器202可以包括一个或多个固态存储装置例如闪存芯片。作为一个或多个固态存储装置的替代方案或者附加方案，存储器202可以包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)连接到处理器204的一个或多个大容量存储装置。尽管在此参照固态存储装置描述了计算机可读取介质，但本领域技术人员应当理解，计算机可读取存储介质可以是能由处理器204访问的任何可获取介质。即，计算机可读取存储介质包括以任何方法或技术实施的非临时性、易失性和非易失性、可移除和不可移除的介质，以用于存储信息例如计算机可读取指令、数据结构、程序模块或其它数据。例如，计算机可读取存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其它固态存储技术、CD-ROM、DVD、蓝光光碟或者其它光学存储装置、磁盒、磁带、磁盘存储装置或者其它磁性存储装置、或者能够用于存储所需信息并且能够由工作站180访问的任何其它介质。

在Brown等人于2014年6月2日提交的共同待决且共同所有的发明名称为“Real-Time Automatic Registration Feedback”且申请号为62/020,220的美国临时专利申请、Brown于2014年6月2日提交的发明名称为“Methods for Marking Biopsy Location”且申请号为62/020,177的美国临时专利申请、Brown等人于2014年6月2日提交的发明名称为“System and Method for Navigating Within the Lung”且申请号为62/020,240的美国临时专利申请、Kehat等人于2014年6月2日提交的发明名称为“Intelligent Display”且申请号为62/020,238的美国临时专利申请、Greenburg于2014年6月2日提交的发明名称为“Unified Coordinate System for Multiple CT Scans of Patient Lungs”且申请号为62/020,242的美国临时专利申请、Klein等人于2014年6月2日提交的发明名称为“Alignment CT”且申请号为62/020,245的美国临时专利申请、Merlet于2014年6月2日提交的发明名称为“Algorithm for Fluoroscopic Pose Estimation”且申请号为62/020,250的美国临时专利申请、Markov等人于2014年6月2日提交的发明名称为“System and Method for Segmentation of Lung”且申请号为62/020,261的美国临时专利申请、Lachmanovich等人于2014年6月2日提交的发明名称为“Trachea Marking”且申请号为62/020,253的美国临时专利申请、以及Weingarten等人于2014年6月2日提交的发明名称为“Dynamic 3D Lung Map View for Tool Navigation Inside the Lung”且申请号为62/020,262的美国临时专利申请中描述了系统和方法的更多方面，其全部内容在此以援引的方式并入本文。

已经在本文中描述了装置、包含所述装置的系统和使用所述装置的方法的详细实施例。然而，这些详细实施例仅仅是能够以多种形式实施的本公开的示例。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应当理解为限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础并且作为允许本领域技术人员实际上以任何适当的详细结构和各种不同的方式使用本公开的基础。尽管在患者气道的气管镜这方面描述了先前的实施例，但本领域技术人员应当意识到的是，相同或者类似的装置、系统和方法可以应用在其它的管腔网络中，例如也可以应用在血管、淋巴和/或胃肠道网络中。