具体实施方式

在以下描述中，阐述了描述与本公开一致的一些实施例的特定细节。阐述了多个特定细节，以便提供对实施例的充分理解。然而，对本领域技术人员明显的是，可以在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文中公开的特定实施例旨在是说明性的而不是限制性的。本领域技术人员可以实现尽管此处未具体描述但是在本公开的范围和精神内的其他元件。此外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出并描述的一个或多个特征可以被并入到其他实施例内，除非另外具体描述或如果一个或多个特征将会使实施例不能工作。

本文描述了包括配准系统的远程操作医疗系统的各种实施例。在一些实施例中，系统可以利用医疗器械在患者的解剖体内的第一运动循环(包括医疗器械的插入循环和缩回循环)作为配准过程的一部分。在一些实施例中，医疗器械在患者的解剖体内的第一运动循环可以包括插入循环、缩回循环或部分循环中的一个。在一些实施例中，第一运动循环包括医疗器械沿着移动的方向的离散运动周期。在一些实施例中，系统可以包括医疗器械，该医疗器械包括细长的柔性主体和传感器以收集患者的解剖体内的多个测量点。在一些实施例中，系统可以生成患者的解剖体的模型，该模型包括多个模型点和与模型点的至少一部分相关联的多个模型路径。虽然本文关于此类规程提供了一些实施例，但对医疗或外科手术器械以及医疗或外科手术方法的任何提及都是非限制性的。在一些实施例中，系统可以用于涉及传统手动操作的医疗器械的非远程操作规程。本文描述的系统、器械和方法可以用于动物、人类尸体、动物尸体、人体或动物解剖体的一部分、非外科手术诊断，以及用于工业系统和通用机器人、通用远程操作或机器人医疗系统。

图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统100的简化图。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以适合于在例如外科手术、诊断、治疗或活检规程中使用。虽然在本文中提供了关于此类规程的一些实施例，但对医疗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。

如图1所示，医疗系统100通常包括用于在对患者P执行各种规程中操作医疗器械104的操纵器组装件102。操纵器组装件102可以是远程操作的、非远程操作的，或混合远程操作和非远程操作组装件，其具有可以机动和/或远程操作的选择运动自由度，和可以非机动和/或非远程操作的选择运动自由度。操纵器组装件102安装于操作台T或安装在操作台T附近。主控(master)组装件106允许操作者O(例如，如图1所图示的外科医生、临床医生或医师)观看介入部位并控制操纵器组装件102。

主控组装件106可以位于操作者控制台处，该操作者控制台通常与操作台T位于相同房间中，诸如在患者P所处的外科手术台的一侧。然而，应当理解，操作者O可以与患者P位于不同的房间或完全不同的建筑中。主控组装件106通常包括用于控制操纵器组装件102的一个或多个控制设备。控制设备可以包括任意数量的各种输入设备，如操纵杆、跟踪球、数据手套、触发枪、手动操作控制器、语音识别设备、身体运动或存在传感器、和/或类似设备。为了给操作者O提供直接控制器械104的强烈感觉，可以为控制设备提供与相关联的医疗器械104相同的自由度。以此方式，控制设备为操作者O提供控制设备与医疗器械104为一体的远程呈现或感知。

操纵器组装件102支撑医疗器械104并且可以包括一个或多个非伺服受控连杆(例如，可以手动定位并锁定在适当位置的一个或多个连杆，通常被称为组建(set-up)结构)和/或一个或多个伺服受控连杆(例如，可以响应于来自控制系统的命令控制的一个或多个连杆)的运动学结构以及操纵器。操纵器组装件102可以可选地包括响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动医疗器械104上的输入的多个致动器或马达。致动器可以可选地包括驱动系统，当该驱动系统耦接到医疗器械104时，该驱动系统可以将医疗器械104推进到自然的或外科手术建立的解剖孔口。其他驱动系统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，围绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转)。此外，致动器可以被用于致动医疗器械104的可铰接末端执行器，以便将组织抓取在活检设备和/或类似设备的钳口(jaw)中。致动器位置传感器(诸如解析器、编码器、电位计和其他机构)可以为医疗系统100提供描述马达轴的旋转和定向的传感器数据。这种位置传感器数据可以被用来确定由致动器操纵的物体的运动。

远程操作医疗系统100可以包括传感器系统108，该传感器系统108具有用于接收关于操纵器组装件102的器械的信息的一个或多个子系统。这些子系统可以包括：位置/方位传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；用于确定远端和/或沿着可以组成医疗器械104的柔性主体的一个或多个节段的位置、定向、速度、速率、姿态和/或形状的形状传感器系统；和/或用于从医疗器械104的远端捕获图像的可视化系统。

远程操作医疗系统100还包括显示系统110，用于显示由传感器系统108的子系统生成的外科手术部位和医疗器械104的图像或表示。显示系统110和主控组装件106可以被定向，使得操作者O可以利用远程呈现的感知控制医疗器械104和主控组装件106。

在一些实施例中，医疗器械104可以是可视化系统的一部分，并且可以包括观察视镜(scope)组装件，该观察视镜组装件记录外科手术部位的并发或实时图像并且通过医疗系统100的一个或多个显示器(诸如显示系统110的一个或多个显示器)为操作者或操作者O提供图像。并发图像可以是例如通过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，可视化系统包括可以被一体地或可移除地耦接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在一些实施例中，被附接到单独操纵器组装件的单独内窥镜可以与医疗器械104一起被用来对外科手术部位进行成像。可视化系统可以被实施为与一个或多个计算机处理器(其可以包括控制系统112的处理器)交互或以其他方式由该一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合。

显示系统110也可以显示通过可视化系统捕获的外科手术部位和医疗器械的图像。在一些示例中，远程操作医疗系统100可以配置医疗器械104和主控组装件106的控制件，使得医疗器械的相对位置类似于操作者O的眼睛和手的相对位置。以此方式，操作者O可以如同以基本真实的存在感观察工作空间那样来操纵医疗器械104和手部控制件。通过真实的存在感，意味着图像的呈现是模拟物理地操纵医疗器械104的医师的视角的真实透视图像。

在一些示例中，显示系统110可以呈现使用来自成像技术(诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热影像技术、超声、光学相干断层成像术(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)的图像数据在术前或术中记录的外科手术部位的图像。术前或术中图像数据可以被呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像，和/或被呈现为来自从术前或术中图像数据集建立的模型的图像。

在一些实施例中，通常为了成像引导的外科手术规程的目的，显示系统110可以显示虚拟的导航图像，在该虚拟的导航图像中，医疗器械104的实际方位与术前或并发图像/模型配准(即动态参考)。这可以被完成，以从医疗器械104的视角向操作者O呈现内部外科手术部位的虚拟图像。在一些示例中，视角可以是从医疗器械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帮助操作者O控制医疗器械104。在一些示例中，医疗器械104可以在虚拟图像中不可见。

在一些实施例中，显示系统110可以显示虚拟的导航图像，在该虚拟的导航图像中，医疗器械104的实际方位与术前图像或并发图像配准，以从外部视角向操作者O呈现在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叠加在虚拟图像上以帮助操作者O控制医疗器械104。如本文所描述的，数据点的视觉表示可以被渲染到显示系统110。例如，可以以视觉表示将测量的数据点、移动的数据点、配准的数据点以及本文描述的其他数据点显示在显示系统110上。可以通过显示系统110上的多个点或圆斑(dot)或作为渲染的模型(诸如基于数据点集所建立的网格或线模型)在用户界面中可视地表示数据点。在一些示例中，数据点可以是根据它们表示的数据进行编码的颜色。在一些实施例中，在每个处理操作已经被实施以改变数据点之后，视觉表示可以在显示系统110中被刷新。

远程操作医疗系统100还可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现医疗器械104、主控组装件106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112还包括程序化指令(例如，存储这些指令的非暂时性机器可读介质)以实施根据本文公开的各方面描述的方法的一些或全部，包括用于向显示系统110提供信息的指令。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被示出为单个框，但该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中一部分处理可选地在操纵器组装件102上或邻近操纵器组装件102执行，另一部分处理在主控组装件106处执行和/或类似情况。控制系统112的处理器可以执行包括对应于在本文中公开并且在下面更详细地描述的过程的指令的指令。可以利用任何各种各样的集中式或分布式数据处理架构。类似地，程序化指令可以被实施为若干单独程序或子例程，或者它们可以集成到本文所描述的远程操作系统的若干其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT和无线遥测。

在一些实施例中，控制系统112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制系统112可以向主控组装件106传输信号。在一些示例中，控制系统112可以传输命令操纵器组装件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的身体中的开口延伸到患者P的身体内的内部外科手术部位。可以使用任何合适的常规的和/或专门的致动器。在一些示例中，一个或多个致动器可以与操纵器组装件102分开，或者与操纵器组装件102集成在一起。在一些实施例中，一个或多个致动器和操纵器组装件102作为邻近患者P和操作台T定位的远程操作推车的一部分被提供。

控制系统112可以可选地进一步包括虚拟可视化系统的至少部分，以便当在图像引导的外科手术规程期间控制医疗器械104时为操作者O提供导航帮助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航可以基于对获得的解剖通路的术前或术中数据集的参考。虚拟可视化系统处理使用成像技术(诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热影像技术、超声、光学相干断层成像术(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)成像的外科手术部位的图像。可以与手动输入结合使用的软件被用来将记录的图像转换为局部或整体解剖器官或解剖区域的分段(segmented)二维或三维复合表示。图像数据集与复合表示相关联。复合表示和图像数据集描述通路的各种方位和形状以及它们的连接性。被用来生成复合表示的图像可以在临床规程期间在术前或术中被记录。在一些实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，不是患者特定的)或者标准表示与患者特定数据的混合体。复合表示和由该复合表示生成的任何虚拟图像可以表示可变形解剖区域在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的静态姿势。

在虚拟导航规程期间，传感器系统108可以被用来监测医疗器械104的位置并且计算医疗器械104相对于患者P的解剖体的近似方位。该方位能够被用来产生患者P的解剖体的宏观水平(外部)跟踪图像和患者P的解剖体的虚拟内部图像两者。该系统可以实施一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其他传感器，以将医疗实施与术前记录的外科手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的那些图像)配准并在一起显示。例如，PCT公开号WO2016/191298(2016年12月1日公开的)(公开“Systems and Methods of Registrationfor Image Guided Surgery”)公开了一种这样的系统，该申请通过引用以其整体并入本文。远程操作医疗系统100可以进一步包括可选的操作和支持系统(未示出)，诸如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以包括多于一个的操纵器组装件和/或多于一个的主控组装件。远程操作操纵器组装件的准确数目将取决于外科手术规程和手术室内的空间约束、以及其他因素。主控组装件106可以被并置(collocated)，或它们可以被定位在分开的方位中。多个主控组装件允许多于一个的操作者以各种组合形式控制一个或多个远程操作操纵器组装件。

图2A是根据一些实施例的医疗器械系统200的简化图。在一些实施例中，医疗器械系统200可以在利用远程操作医疗系统100执行的图像引导的医疗规程中被用作医疗器械104。在一些示例中，医疗器械系统200可以被用于非远程操作探索性规程或用在涉及传统手动操作的医疗器械(诸如内窥镜)的规程中。可选地，医疗器械系统200可以被用来采集(即测量)对应于患者(诸如患者P)的解剖通路内的方位的数据点集。

医疗器械系统200包括被耦接到驱动单元204的细长设备202(诸如，柔性导管)。细长设备202包括柔性主体216，该柔性主体216具有近端217和远端或尖端部分218。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其他柔性主体外直径可以更大或更小。

医疗器械系统200进一步包括跟踪系统230，跟踪系统230用于使用如在下面进一步详细描述的一个或多个传感器和/或成像设备来确定远端218和/或沿着柔性主体216的一个或多个节段224的位置、定向、速度、速率、姿态和/或形状。远端218和近端217之间的柔性主体216的整个长度可以被有效地划分为多个节段224。跟踪系统230可以被可选地实施为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，一个或多个计算机处理器可以包括图1中的控制系统112的处理器。

跟踪系统230可以可选地使用形状传感器222来跟踪远端218和/或一个或多个节段224。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对齐的光纤(例如，在内部通道(未示出)内提供或外部安装)。在一个实施例中，光纤具有大约200μm的直径。在其他实施例中，该尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成用于监测并确定柔性主体216的形状以生成位置数据的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤被用于在一个或多个维度上提供结构中的应变测量。在美国专利申请号11/180,389(2005年7月13日提交)(公开“Fiber optic position and shape sensing device and methodrelating thereto”)；美国专利申请号12/047,056(2004年7月16日提交)(公开“Fiber-optic shape and relative position sensing”)；以及美国专利号6,389,187(1998年6月17日提交)(公开“Optical Fiber Bend Sensor”)中描述了用于在三维中监测光纤的形状和相对位置的各种系统和方法，这些申请或专利通过引用整体并入本文。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，细长设备的形状可以使用其他技术来确定。例如，柔性主体216的远端姿态的历史能够被用来重建柔性主体216在时间间隔内的形状。在一些实施例中，跟踪系统230可以可选地和/或附加地使用位置传感器系统220(诸如电磁(EM)传感器系统)来跟踪远端218。

柔性主体216包括通道221，该通道221的尺寸和形状被设置为接收医疗器械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可以被用于诸如外科手术、活检、消融、辐照、冲洗或抽吸的规程。医疗器械226可以通过柔性主体216的通道221来部署，并且在解剖体内的目标方位处使用。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、诊断或治疗工具。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、钝刀片、光纤、电极和/或类似物。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或类似物。其他末端执行器可以进一步包括电激活的末端执行器，诸如电外科手术电极、换能器、传感器和/或类似物。医疗器械226可以从通道221的开口被推进以执行规程，并且然后当该规程完成时被缩回到通道中。医疗器械226可以从柔性主体216的近端217或从沿着柔性主体216的另一可选器械端口(未示出)被移除。

医疗器械226可以附加地容纳在其近端和远端之间延伸以可控地弯曲医疗器械226的远端的线缆、联动装置或其他致动控制件(未示出)。在美国专利号7,316,681(2005年10月4日提交)(公开“Articulated Surgical Instrument for Performing MinimallyInvasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请号12/286,644(2008年9月30日提交)(公开“Passive Preload and Capstan Drive forSurgical Instruments”)中详细描述了可转向器械，该专利和专利申请通过引用整体并入本文。

柔性主体216也可以容纳在驱动单元204与远端218之间延伸以便如例如通过远端218的虚线描绘219示出的那样可控地弯曲远端218的线缆、联动装置或其他转向控制件(未示出)。在一些示例中，至少四个线缆被用来提供控制远端218的俯仰的独立的“上下”转向和控制远端281的偏航的“左右”转向。在美国专利申请号13/274,208(2011年10月14日提交)(公开“Catheter with Removable Vision Probe”)中详细地描述了可转向细长设备，该专利申请通过引用整体并入本文。在医疗器械系统200由远程操作组装件致动的实施例中，驱动单元204可以包括可移除地耦接到远程操作组装件的驱动元件(诸如致动器)并且从该驱动元件接收功率的驱动输入装置。在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括夹紧特征件、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。

在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括柔性支气管器械，诸如用于在肺的检查、诊断、活检或治疗中使用的支气管镜或支气管导管。医疗器械系统200也适用于在各种解剖系统(包括结肠、肠、肾和肾盏、大脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或诸如此类)中的任一解剖系统中，经由自然的或外科手术建立的连接通路对其他组织进行导航和治疗。

来自跟踪系统230的信息可以被发送给导航系统232，其中它与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型进行组合以便为医师或其他操作者提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可以被显示在图1的显示系统110上以用于医疗器械系统200的控制。在一些示例中，图1的控制系统116可以将位置信息用作反馈以便定位医疗器械系统200。2011年5月13日提交的公开“Medical System Providing Dynamic Registration ofa Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”的美国专利申请号13/107,562、PCT公开WO2016/1033596(2016年5月20日提交)(公开“Systems and Methods ofRegistration for Image Guided Surgery”)和PCT公开WO2016/164311(2016年4月4日提交)(公开“Systems and Methods of Registration Compensation in Image GuidedSurgery”)中提供了用于利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系统，这些专利申请通过引用整体并入本文。

图3A和图3B是根据一些实施例的包括安装在插入组装件上的医疗器械的患者坐标空间(或“器械空间”)的侧视图的简化图。患者坐标空间内的已知点可以包括坐标，诸如一组X_I、Y_I和Z_I坐标。如图3A和图3B所示，外科手术环境300包括位于图1的台T上的患者P。患者P在外科手术环境内可以是静止的，因为患者的总体移动受到镇静、约束和/或其他方式的限制。除非要求患者屏住他或她的呼吸以暂时停止呼吸运动，否则包括患者P的呼吸和心脏运动的循环解剖运动可以继续。因此，在一些实施例中，可以在呼吸的特定阶段采集数据并进行过滤，使得以该阶段标记和标识数据。在一些实施例中，可以根据从患者P收集的生理信息推断收集数据的阶段。在外科手术环境300内，点采集器械304耦接到器械托架306。在一些实施例中，点采集器械304可以包括医疗系统200的部件，包括例如细长设备202和驱动单元204。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/或其他传感器模态。器械托架306安装到固定在外科手术环境300内的插入台308。替代地，插入台308可以是可移动的，但在外科手术环境300内具有已知方位(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪设备)。器械托架306可以是操纵器组装件(例如，操纵器组装件102)的部件，其耦接到点采集器械304以控制插入运动(即，沿A轴线的运动)，并且可选地，控制细长设备310的远端318或医疗器械在包括偏航、俯仰和滚转的多个方向上的运动。器械托架306或插入台308可以包括致动器，诸如伺服电机(未示出)，其控制器械托架306沿插入台308的运动。

细长设备310耦接到器械主体312。器械主体312相对于器械托架306耦接和固定。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312一起可移动，但是近侧点316的方位可以是已知的(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪设备)。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(诸如细长设备310的远端318)的形状。点采集器械304可以基本上类似于医疗器械系统200。

位置测量设备320在器械主体312沿插入轴线A在插入台308上移动时提供关于器械主体312的位置的信息。位置测量设备320可以包括解析器、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/定向的其他传感器。在一些实施例中，插入台308是线性的。在一些实施例中，插入台308可以是弯曲的或具有弯曲和线性区段的组合。

图3A示出了沿插入台308处于缩回位置的器械主体312和器械托架306。在这个缩回位置，近侧点316在轴线A上的位置L0处。在沿着插入台308的这个位置中，近侧点316的方位的A分量可以设置为零和/或另一个参考值以提供用于描述器械托架306(并且因此近侧点316)在插入台308上的位置的基础参考值。在器械主体312和器械托架306的这个缩回位置的情况下，细长设备310的远端318可以正好定位在患者P的进入孔口内。而且，在这个位置，位置测量设备320可以被设置为零和/或其他参考值(例如，I＝0)。在图3B中，器械主体312和器械托架306已经沿着插入台308的线性轨道推进并且细长设备310的远端318已经推进到患者P中。在这个推进位置中，近侧点316处于轴线A上的位置L1处。在该实施例中，细长设备310的运动循环被定义为细长设备310从患者P的进入孔口内的起点到进一步推进到患者P的解剖体中的终点的单次插入以及细长设备310从终点到位于患者P的进入孔口内的起始点的对应的单次缩回。对应的单次缩回通常在单次插入之后立即发生，使得可以推断患者解剖体内的回缩的起点的方位与插入的终点的方位相同。附加地，可以在诸如上文已经描述的那些规程期间完成细长设备310的多个运动循环。在一些示例中，编码器和/或来自控制器械托架306沿插入台308的移动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或插入台308相关联的一个或多个位置传感器的其他位置数据用于确定近侧点316相对于位置L₀的位置L_X。在一些示例中，位置L_X还可用作细长设备310的远端318插入患者P的解剖体的通路中的距离或插入深度的指示符。

图4A、图4B、图4C和图4D图示说明了图3A和图3B的细长设备310通过图1、图3A和图3B的患者P的肺400的解剖通路402的推进。这些解剖通路402包括气管和支气管。当细长设备310随着器械托架306沿着插入台308移动而推进时，操作者O可以使细长设备310的远端318转向以导航通过解剖通路402。在通过解剖通路402导航时，细长设备310呈现可以由在细长设备310内延伸的形状传感器314测量的形状。

图5是图示说明用于在图像引导的外科手术规程中使用的一般方法500的流程图。方法500在图5中图示说明为一组操作或过程502到510。并非所有图示说明的过程502到510都可以在方法500的所有实施例中执行。另外，图5中未明确图示说明的一个或多个过程可以被包括在过程502到510之前、之后、之间或作为过程502到510的一部分。在一些实施例中，一个或多个过程可以至少部分地以存储在非暂时性、有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来实施，当由一个或多个处理器(例如，控制系统112的处理器)运行时，该可执行代码可以导致一个或多个处理器执行一个或多个过程。

在过程502处，从成像技术(诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热成像技术、超声、光学相干断层成像术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像)获得术前或术中图像数据。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-图4D的人肺400。

在过程504处，单独操作或结合手动输入操作的计算机系统用于将记录的图像转换成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或模型。例如，图6A图示说明了图4A-图4D的肺400的分段模型600。由于数据或分段算法的限制，分段模型600可以不包括存在于人肺内的所有感兴趣的通路，但包括至少一些通路601。例如，肺的相对狭窄和/或远侧通路601可能没有完全被包括在分段模型600中。分段模型600可以是三维模型，诸如网格模型、连杆模型或定义患者P的肺的内部管腔或通路601的其他合适的模型。通常，分段模型600用作术前或术中参考系(例如模型空间)内气道几何形状的空间模板。复合表示和图像数据集描述了通路601的各种方位和形状以及它们的连接性，并且可以省略被包括在术前或术中图像数据中的解剖体的不期望部分。在一些实施例中，模型600可以包括特别期望的特征，诸如可疑的肿瘤、病变或其他感兴趣的组织部分。

在一个示例中，在分段过程期间，图像可以被划分成共享某些特性或计算属性(诸如颜色、密度、强度和纹理)的节段或元素(例如，像素或体素)。该分段过程导致二维或三维重建，其基于获得的图像形成目标解剖体的模型，如模型600。为了表示模型，分段过程可以划定表示目标解剖体的体素集，并且然后应用函数(诸如行进立方体(marching cube)函数)来生成包围体素的3D表面。可以通过生成网格、体积或体素映射来制作模型。该模型可以被示出在显示系统110中以帮助操作者O可视化解剖体，诸如肺的内部通路601。

附加地或替代地，单独操作或与手动输入结合操作的计算机系统生成与模型600相关联的多个模型点604，其由图6B的虚线表示。可以手动或自动选择模型点604以在配准过程期间表示中心线分段模型602。在这点上，模型600可以用于生成模型点604，并且进而模型点604可以用于生成中心线分段模型602。中心线分段模型602包括模型链路(links)605和模型路径606，模型路径606中的每一个可以包括多个模型链路605。模型600、中心线分段模型602和模型点604都与模型空间相关联(例如，布置在模型空间中或参考模型空间)。例如，多个模型点604中的每个模型点604可以包括诸如一组X_M、Y_M和Z_M坐标的坐标，或标识三维模型空间中每个模型点604的方位的其他坐标。在一些实施例中，模型点604中的每一个可以包括标识模型点604与哪个通路601代相关联的代标识符(generationidentifier)，和/或与中心线分段模型602的该部分相关联的直径或半径值。在一些实施例中，描述与给定模型点604相关联的半径或直径的信息可以作为单独数据集的一部分提供。

附加地或替代地，如图6C所示，计算机系统可以生成多个模型路径606，多个模型路径606中的每个模型路径606与多个模型点604的对应部分相关联，如图6C所示。在图6C图示说明的示例中。中心线分段模型602可以包括多个三维直线、多个曲线或两者的组合，其限定与模型点604的至少一部分相关联的多个模型路径606并对应于中心线分段模型602中包含的通路601的近似中心。模型的分辨率越高，该组直线或曲线将越精确地对应于通路601的中心。在一些实施例中，多个模型路径606可以与中心线分段模型602内的一些其他位置或功能目的相关联以促进患者P的解剖体内的配准和数据采集。与表示模型600的通路601的壁的中心线分段模型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核更有效地处理的较小数据集。以此方式，可以改善控制系统112的功能。

如图6C所示，中心线分段模型602包括多个分支点。在若干分支点中的每一个处示出分支点A、B、C、D和E。多个模型链路605被图示说明为在相应的分支点A、B、C、D和E之间的中心线分段模型内延伸。每个模型路径606可以包括多个模型链路605，多个模型链路605以彼此串联关系端对端延伸并且每个包括多个模型点604。在一些实施例中，至少一些模型链路605从沿着模型路径606中的至少一个的不对应于分支点的点延伸。分支点A可以表示中心线分段模型602中气管分成左主支气管和右主支气管的点以及第一模型链路605a结束和第二相邻模型链路605b开始的点。右主支气管可在中心线分段模型602中被标识为位于沿着第二模型链路605b的分支A和B之间。类似地，次级支气管由位于第二模型链路605b的结束和第三模型链路605c的开始处的分支点B和位于第三模型链路605c的结束的分支点C标识。次级支气管还被标识在沿着第四模型链路605d的分支点B和分支点E之间。可以在分支点C和D之间定义另一个第五模型链路605e。另外，第六模型链路605f可以定义为远离分支点C延伸。模型路径606中的每一个和模型链路605中的每一个也可以与患者的解剖体P内的对应的通路601的对应的管腔的直径的表示相关联。在一些实施例中，中心线分段模型602可以包括每个模型路径606和每个模型链路605的平均直径值。平均直径值可以是患者特定的值，或者从多个患者导出的更通用的值。

如图6C所示，在生成中心线分段模型602并以数据存储为多个模型点604、多个模型链路605和多个模型路径606后，可以从数据存储中检索多个模型点604、多个模型链路605和多个模型路径606，以用于图像引导的外科手术规程。为了在图像引导的外科手术规程中使用中心线分段模型602和模型600，模型点604以及对应的模型链路605和模型路径606可以通过比较测量点608和模型点604(或模型链路605或模型路径606)之间的空间关系映射到多个测量点。模型点604还可以与多个测量点608(或模型链路605或模型路径606)配准以将模型600中的建模通路601与外科手术环境中存在的患者的实际解剖体相关联。可以根据将模型空间(X_M、Y_M、Z_M)中的坐标转换或关联到患者坐标空间(X_I、Y_I、Z_I)中的对应坐标来执行映射和配准。

图6D-图6F关于定义第一运动循环的图6C-图6J的中心线分段模型602、模型点604、模型链路605和模型路径606图示说明了图3A和图3B的细长设备310推进通过图1和图3A和图3B的患者P的肺400的解剖通路402。图6G关于作为第一运动循环的一部分的模型路径606图示说明了通过在如图6D-图6F所示的患者P的解剖体内推进细长设备310而生成和收集的多个测量点608。图6H-图6J图示说明了图6G的区段1，其图示说明了在第一运动循环期间关于与模型路径606相关联的模型点604测量的多个测量点608。在图6D中，细长设备310已经被推进到患者P的气管中，大致遵循第一模型链路605a到达分支点A。在图6E中，细长设备310已被进一步推进到患者P的解剖体，最紧密地遵循第二模型链路605b和第三模型链路605c，经过分支点B，其中细长设备310的远端318最靠近分支点C定位。在图6F中，细长设备310已经推进经过分支点C，大致遵循第五模型链路605e经过分支点D。

回到图5，在过程506处，可从对应于解剖模型的患者解剖体P获得测量点608，如参考图3A-图3B、图4A-图4D和图6D-图6F所描述的。如图6D-图6J所图示说明的，第一运动循环的测量点608(如图6G-图6J所示)可以通过将细长设备310推进通过患者P的解剖体和/或推进到解剖体中的界标，同时测量细长设备310的远端318的位置，或者通过在从患者解剖体P缩回细长设备310之前，使用传感器系统(例如，传感器系统108)测量细长设备310的姿势来生成。在示例实施例中，传感器系统108包括细长设备310，细长设备310可以包括传感器。

在一些实施例中，传感器可以是耦接到细长设备310的电磁传感器。在其他实施例中，传感器可以是形状传感器，该形状传感器被配置为生成细长设备310的至少一部分的形状观察。在示例实施例中，测量点608与细长设备310的一个运动循环相关联。在一些其他实施例中，测量点608可以与促进如本文所述的医疗器械系统200的操作的细长设备310的任何数量的运动循环相关联。测量点608与患者P的解剖体内的患者空间相关联并且也可以被称为患者空间点。

在过程508处，与第一运动循环相关联的所收集的测量点608的集合被映射到包括多个模型链路605的至少一个模型路径606。如图6G所图示，基于细长设备310在第一运动循环期间所遵循的路径，所收集的测量点608的集合被映射或与模型链路605a、605b、605c和605e相关联。更具体地，当评估模型路径606(包括串联连接的多个模型链路605，每个测量点608应该与该模型路径606匹配)时，细长设备310在第一运动循环期间所遵循的路径的全部被考虑。作为标识测量点608最接近地对应模型路径606中的哪一个的结果而发生将测量点608与模型路径606匹配。

例如，如图6G所图示说明的，与细长设备310在第一运动循环期间所遵循的路径最接近地对齐的第一模型路径606a包括第一模型链路605a、第二模型链路605b、第三模型链路605c和第五模型链路605e。第二模型路径606b包括第一模型链路605a、第二模型链路605b和第四模型链路605d，每个模型链路605处于端到端的串联关系。第三模型路径606c包括第一模型链路605a、第二模型链路605b、第三模型链路605c和第六模型链路605f，每个模型链路605处于端到端的串联关系。在一些实施例中，当将测量点608与模型路径606中的至少一个匹配时，可以考虑多个模型路径606。在一些实施例中，当评估哪个模型路径606与测量点608匹配时，考虑多个模型路径606中的每个模型路径606。在一些其他实施例中，当评估哪个模型路径606与测量点608匹配时，考虑测量点608中的任一个的预定距离内的任何模型路径606。在一些附加实施例中，使用包括最接近测量点608的模型点604的模型链路605，用多个模型链路605填充每个模型路径606。

更具体地，如图6H-图6J所示，与第一运动循环相关联的每个测量点608相对于模型链路605和模型路径606定位。测量点608通过一距离相对于模型路径606和模型链路605定位，该距离从大约覆盖模型链路605和模型路径606中的至少一个到与模型链路605和模型路径606中的至少一个间隔开测量的点偏移距离变化。参考图6H，测量点608的第一部分均与第一模型路径606a间隔开第一偏移距离610a。不沿着第一模型路径606a定位的每个测量点608的第一偏移距离610a的累积总和等于第一累积偏移值。

参考图6I，测量点608的第一部分的每个测量点608与第二模型路径606b间隔开第二偏移距离610b。不沿第二模型路径606b定位的每个测量点608的第二偏移距离610b的累积总和等于第二累积偏移值。如图6J所示，测量点608的第一部分的每个测量点608与第三模型路径606c间隔开第三偏移距离610c。不沿第三模型路径606c定位的每个测量点608的第三偏移距离610c的累积总和等于第三累积偏移值。在图6H-图6J所示的示例中，第一累积偏移值小于第二偏移值和第三偏移值中的任一个。因此，可以确定当测量点608被采集时与细长设备310所遵循的路径最接近地对应的模型路径606(以及因此与测量点608相关联的模型路径606)是具有最小累积偏移值的模型路径606。在本实施例中，具有最小累积偏移值的模型路径606为第一模型路径606a。

在本示例中，基于最小累积偏移值(与测量点608和第一模型路径606a相关联的第一累积偏移值)以及测量点608与第一运动循环的相关联，与第一运动循环相关联的所有测量点608被映射到第一模型路径606a。在示例实施例中，个体测量点可以相比于第一模型路径606a相对更靠近第二模型路径606b和第三模型路径606c之一定位。然而，为了确定测量点608将被映射到的模型路径606，确定所有测量点608的累积偏移值，减少测量点608到非关联模型路径606的映射。

在过程510处，在对患者坐标空间中的患者P的解剖体进行图像引导外科手术规程之前和/或过程期间，将模型空间中的解剖模型数据配准到患者坐标空间(或反之亦然)。通常，配准涉及测量点608与模型点604的匹配，模型点604与已经通过使用刚性和/或非刚性变换利用最小累积总和将测量点608映射到的模型路径606的模型链路605相关联。在本公开范围内的配准过程中也可以使用点集配准方法(例如，迭代近点(ICP)技术)。这种点集配准方法可以生成将测量点608(诸如在细长设备310的一个运动循环期间获得的测量点608的集合)和与测量点608已经被映射到的模型路径606之一相关联的模型点604(也被称为模型点集)对齐的变换。

在各种示例中，测量点608到与测量点608已被映射到的模型路径606相关联的模型点604的配准的结果质量可以取决于各种因素。这些因素可以包括例如测量点608的数量和/或模型点604的数量、测量点608和/或模型点604的密度、相对于患者P的解剖体内的感兴趣区域的测量点608和/或模型点604的分布、与测量点608和/或模型点604相关联的测量误差、以及与测量点608和/或模型点604相关联的患者P的解剖体的变形。

图7图示了根据一些实施例的方法700。方法700被图示说明为一组操作或过程。并非所有所图示说明的过程都可以在方法700的所有实施例中执行。另外，图7中未明确图示说明的一个或多个过程可以被包括在过程之前、之后、之间或作为过程的一部分。在一些实施例中，一个或多个过程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施，当由一个或多个处理器(例如，控制系统的处理器)运行时，该可执行代码可以导致一个或多个处理器执行一个或多个过程。在一个或多个实施例中，过程可以由控制系统(例如，控制系统112)执行。

在过程702处并参考图6A和图6B，生成患者P的解剖结构的模型600的多个模型点604。如图6C所示，多个模型点604与模型600相关联，并且患者P的解剖结构的模型600包括多个模型路径606。多个模型路径606中的每个模型路径606与多个模型点604的一部分相关联。如前述实施例中所述，患者P的解剖结构可以包括多于一个解剖结构，多个模型点604和多个模型路径606与患者P的解剖体的每个解剖结构相关联。

在过程704处并参考图6D-图6F，使用例如细长设备310收集测量点608的集合。当细长设备或医疗器械310设置在患者P的解剖结构内时，测量点608的集合与患者P的解剖结构的第一部分相关联并从细长设备310收集。在该示例中，在所收集的测量点608的集合中的每个测量点608与细长设备310的多个运动循环中的一个相关联。如前述实施例中所述，细长设备310的每个运动循环包括细长设备310的插入和缩回循环，细长设备310可以是包括细长柔性主体的医疗器械。此外，细长设备310可以包括传感器。在至少一些实施例中，传感器可以包括形状传感器以及耦接到细长设备310的电磁传感器中的至少一种。

如本文进一步描述的，所收集的测量点608的集合可以从细长设备310的远端318处的观察或从细长设备310的形状传感器收集。即，形状传感器可以在不同时间记录细长设备310的观察到的形状，并且可以通过分析细长设备310的观察到的形状结合沿着细长设备310的长度的点的已知方位或与其固定关系来导出测量点608。例如，图3A-图3B的近侧点316可以用于基于观察到的形状确定沿细长设备310的长度的任何点的方位。另外，控制系统(例如，控制系统112)可以进一步被配置为对测量点608进行过滤以生成过滤后的测量点608的集合，该过滤后的测量点608的集合仅包括在患者P的解剖体的解剖移动的选定阶段处测量的测量点608。在一些实施例中，用于生成过滤后的测量点608的集合的解剖移动的选定阶段包括患者P的肺(例如，肺400)的呼吸循环的呼气阶段。

在过程706处并参考图6G，与多个运动循环中的第一运动循环相关联的测量点608的集合被映射到为模型600生成的多个模型路径606中的第一模型路径606a。如在前述实施例中所述，第一模型路径606a可以包括串联连接的包括多个模型点604的多个相邻模型链路605，例如，模型链路605a、605b、605c和605e。在至少一些实施例中，与测量点608相关联的模型路径606可以包括一个或任何其他数量的相邻的串联模型链路605，每个模型链路605包括任何数量的模型点604。

在过程708处并参考图6H，测量点608的集合与映射到多个模型路径606中的第一模型路径606a的多个模型点604的部分配准。如本文所述，可以使用多个过程(包括使用刚性和/或非刚性变换、点集配准方法(例如，迭代近点(ICP)技术)，或本公开范围内的任何其他数量的配准过程)来将测量点608的集合与多个模型点604的部分配准。

本公开的实施例中的一个或多个元素可以用软件实施以在计算机系统的处理器(诸如控制处理系统)上执行。当以软件实施时，本发明的实施例的元素基本上是执行必要任务的代码段。程序或代码段可以存储在处理器可读存储介质或设备中，该程序或代码段可以已经通过体现在载波中的计算机数据信号通过传输介质或通信链路下载。处理器可读存储设备可以包括可以存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和磁介质。处理器可读存储设备示例包括：电子电路、半导体器件、半导体存储器器件、只读存储器(ROM)、闪速存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。代码段可以经由诸如互连网、内联网等计算机网络下载。可以采用多种集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。编程指令可以实施为多个单独的程序或子例程，或者它们可以被集成到本文描述的系统的多个其他方面中。在一个实施例中，控制系统支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE802.11、DECT和无线遥测。

可以通过本文公开的柔性细长设备或导管递送的医疗工具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、诊断或治疗工具。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、钝刀片、光纤、电极和/或类似物。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或类似物。其他末端执行器可以进一步包括电激活的末端执行器，诸如电外科手术电极、换能器、传感器和/或类似物。医疗工具可以包括图像捕获探针，其包括用于捕获图像(包括视频图像)的立体或单视场相机。医疗工具可以另外容纳在其近端和远端之间延伸以可控地弯曲器械的远端的线缆、联动装置或其他致动控制器(未示出)。在美国专利号7,316,681(于2005年10月4日提交)(公开了“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgerywith Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请号12/286,644(于2008年9月30日提交)(公开了“Passive Preload and Capstan Drive for SurgicalInstruments”)中详细描述了可转向(steerable)的器械，该专利和专利申请通过引用其整体并入本文。

本文所描述的系统可以适用于在多种解剖系统(包括肺、结肠、肠、肾和肾盏、大脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或诸如此类)中的任一个中经由自然或外科手术建立的连接通路对解剖组织进行导航和治疗。

应当注意的是，所呈现的过程和显示可能本质上不涉及任何特定的计算机或其他装置。各种通用系统可以与根据本文的教导的程序一起使用，或者构造更专用的装置来执行所描述的操作可以证明是方便的。各种这些系统所需的结构将作为权利要求中的元素出现。此外，不参考任何特定的编程语言来描述本发明的实施例。应当理解的是，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。

在一些情况下，没有详细描述众所周知的方法、规程、部件和电路，以免不必要地混淆实施例的方面。

本公开根据它们在三维空间中的状态来描述各种器械和器械的部分。如本文所用，术语“位置”是指物体或物体的一部分在三维空间中的方位(例如，沿着笛卡尔x坐标、y坐标和z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“定向”是指物体或物体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)。如本文所用，术语“姿势”是指物体或物体一部分在至少一个平移自由度上的位置，以及物体或物体一部分在至少一个旋转自由度上的定向(最多达总共六个自由度)。如本文所用，术语“形状”是指沿着物体测量的一组姿势、位置或定向。

尽管已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，但应当理解的是，此类实施例仅是对广义发明的说明而不是限制，并且本发明的实施例不限于所示出和描述的具体构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。