專利名稱：內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)和用于引導(dǎo)到分枝組織中一目標(biāo)的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)窺鏡，具體地說是涉及內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)和用于引導(dǎo)到諸如人肺的分枝組織(branched structure)中一目標(biāo)以及把一醫(yī)療器械帶到該目標(biāo)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，利用支氣管鏡對從支氣管樹內(nèi)部取出的可疑惡性組織進(jìn)行活組織檢查。支氣管鏡是一種內(nèi)窺鏡，它是一根柔性管，在其末端具有一微型照相機(jī)。通過在支氣管鏡近端的一手柄的致動，支氣管鏡的末端能在兩個相反方向上進(jìn)行偏斜，以便可以把支氣管鏡引入到支氣管樹內(nèi)部。這種支氣管鏡還具有一條內(nèi)部直徑通常為約2.8毫米的工作通道，從而使一器械例如活體取樣鉗被插入并且被致動到支氣管鏡末端的前方。
一旦在CT掃描中發(fā)現(xiàn)不明肺塊，就應(yīng)對這個肺塊進(jìn)行活組織檢查。把病人放置在手術(shù)臺上，把一支氣管鏡插入到支氣管樹內(nèi)并且把該支氣管鏡引向所述肺塊。在支氣管鏡圖像中可以直接觀察肺塊，一旦支氣管鏡的末端與所述肺塊相接觸，就通過工作通道把一鉗子推入到肺塊內(nèi)，并進(jìn)行活組織檢查。
雖然這種技術(shù)在原理方面很簡單，但是，實(shí)際應(yīng)用方面卻常常很成問題。隨著支氣管樹的空氣路徑朝向支氣管樹的深處延伸，這些支氣管樹的空氣路徑變得越來越窄。典型的支氣管鏡是一種兩腔或三腔結(jié)構(gòu)(這種結(jié)構(gòu)具有用于成像和照明的一些纖維束以及用于抽吸和/或一些器械的工作通道)，其直徑通常約為5或6毫米。因此，這種支氣管鏡只能到達(dá)支氣管樹的第三至多到達(dá)第四的分枝級別(圖24中用虛線圓所示)。如果所述肺塊位于支氣管樹的外圍，那么，就必須沿著估計(jì)的肺塊方向把活體取樣鉗進(jìn)一步推進(jìn)到支氣管鏡末端前方更遠(yuǎn)的地方。于是，活組織檢查本身就會被盲目地進(jìn)行。通常X射線熒光成像用作一視覺輔助手段，但這只適用于在熒光鏡下能看得見的較大的肺塊，并且所形成的二維圖像是一種欠佳的引導(dǎo)輔助手段，缺乏深度觀察感知。由于這些以及其它原因，估計(jì)占總數(shù)60％以上的支氣管鏡活組織檢查是在錯誤的位置進(jìn)行的。
為了克服支氣管鏡的這些局限，已經(jīng)提供出各種裝置。尤其是，在授予Carpenter的美國專利US4,586,491中，公開了一種帶有一小度量觀察附件(small gauge viewing attachment)的支氣管鏡。該觀察附件選擇性地前進(jìn)通過支氣管鏡的端部，以便觀察支氣管鏡主軸所不能到達(dá)處的組織。
盡管Carpenter的裝置可以觀察到那些太窄而使得支氣管鏡不能進(jìn)入的通道內(nèi)的組織，但是，這種裝置的使用受到極大的限制。首先，觀察附件是不可操縱的，而是依賴于支氣管鏡端部的指向方向。于是，這種觀察附件在到達(dá)目標(biāo)組織的能力方面受到局限。其次，這種系統(tǒng)未提供有利于引導(dǎo)到目標(biāo)組織的位置信息。最后，對于將一醫(yī)療器械引導(dǎo)到目標(biāo)位置而言，這種裝置用處很小或沒有什么用。如果拆去這種觀察附件以將器械引入工作路徑，那么，勢必又會使得對器械的操縱再次變得“盲目”，不能確保是否到達(dá)了正確的目標(biāo)組織。
因此，需要有這樣的內(nèi)窺鏡和相應(yīng)的技術(shù)，其有利于引導(dǎo)到諸如支氣管樹的分枝組織內(nèi)的目標(biāo)，并且可以把一醫(yī)療器械準(zhǔn)確地帶到該目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的技術(shù)，用于引導(dǎo)到分枝組織例如人肺中的目標(biāo)并且用于將醫(yī)療器械帶到該目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，提供了一種用于操縱導(dǎo)管通過分枝組織到達(dá)目標(biāo)位置的方法，該方法包括(a)提供一柔性的、可操縱的導(dǎo)管，在該導(dǎo)管的遠(yuǎn)端附近具有一位置傳感器元件，該位置傳感器元件是一位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用于測量導(dǎo)管末端相對于三維參照系的位置和指向方向；(b)相對于三維參照系指定目標(biāo)位置；(c)使導(dǎo)管前進(jìn)到分枝組織內(nèi)；(d)顯示出由導(dǎo)管末端的指向方向和從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的幾何關(guān)系所確定的至少一個參數(shù)的表示(representation)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個參數(shù)包括導(dǎo)管末端的指向方向和從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的角偏離。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個參數(shù)包括使導(dǎo)管的指向方向變得與目標(biāo)位置一致所需的偏離方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，在沿著導(dǎo)管末端的指向方向所獲得的表示的范圍中來顯示所述至少一個參數(shù)的表示。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，位置傳感器元件是一個六自由度的位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用于在三個平移的和三個轉(zhuǎn)動的自由度上測量導(dǎo)管末端的位置和姿態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，導(dǎo)管還設(shè)置有多向操縱機(jī)構(gòu)，該多向操縱機(jī)構(gòu)用于選擇性地使導(dǎo)管的遠(yuǎn)端部分在至少三個不同的方向中的任何一個方向上進(jìn)行偏斜。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，利用位置傳感器元件來監(jiān)測導(dǎo)管末端的一移經(jīng)路徑，該移經(jīng)路徑的表示與末端的當(dāng)前位置一起被顯示出來，所述的表示是從不平行于末端的指向方向的至少一個方向看所投射的表示。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，指定目標(biāo)位置是這樣來執(zhí)行的(a)利用由分枝組織產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)(computerized tomographydata)來指定目標(biāo)位置；(b)用三維參照系來記錄計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的記錄是這樣來執(zhí)行的(a)提供具有一照相機(jī)的可操縱導(dǎo)管；(b)形成所述分枝組織內(nèi)至少三個不同特征中的每個特征的照相視圖；(c)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)形成所述至少三個不同特征中的每個特征的模擬圖，每個照相視圖和相對應(yīng)的其中一個模擬圖構(gòu)成一對相似視圖；(d)允許操作者在每個照相視圖內(nèi)指定一參照點(diǎn)以及在每個對應(yīng)的模擬圖內(nèi)指定對應(yīng)的參照點(diǎn)；(e)和從這些指定的參照點(diǎn)中得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與三維參照系之間的最佳擬合記錄(best fit registration)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，利用計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)來指定穿過分枝組織的一條計(jì)劃路線，該計(jì)劃路線的表示與末端的當(dāng)前位置一起被顯示出來，所述的表示是從不平行于末端指向方向的至少一個方向看所投射的表示。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征(a)位置傳感器元件的當(dāng)前位置被監(jiān)測；(b)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)產(chǎn)生虛擬的內(nèi)窺鏡圖像，該虛擬圖像對應(yīng)于由照相機(jī)所觀察到的圖像，所述照相機(jī)以預(yù)定的空間關(guān)系被定位，并且與位置傳感器元件對齊；和(c)顯示虛擬的內(nèi)窺鏡圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，分枝組織是肺組織。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，對導(dǎo)管末端的指向方向和位置的測量值進(jìn)行處理，以便減小由周期運(yùn)動所產(chǎn)生的變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的處理包括在周期運(yùn)動的末端選擇性地進(jìn)行測量。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的處理包括將低頻濾波器應(yīng)用于所述測量。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的處理包括計(jì)算出在周期運(yùn)動的時間周期上的測量平均值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，可操縱導(dǎo)管還包括護(hù)套，該護(hù)套具有腔，該腔從近端插口延伸到遠(yuǎn)端口；導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件用來通過護(hù)套的近端口插向沿著腔延伸到遠(yuǎn)端口的插入位置，該導(dǎo)向元件包括成像系統(tǒng)的至少一部分，其中的成像系統(tǒng)用于對超出遠(yuǎn)端口的區(qū)域拍攝光學(xué)圖像，這種方法還包括(a)把可操縱導(dǎo)管導(dǎo)向這么一個位置，使得末端鄰近于目標(biāo)位置；和(b)從腔中撤出導(dǎo)向元件，使得該腔可插入醫(yī)療器械。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，通過以下步驟將醫(yī)療器械插入到腔中(a)把醫(yī)療器械插入校準(zhǔn)管(calibration tube)中，該校準(zhǔn)管的長度相當(dāng)于腔的長度；和(b)在器械上標(biāo)明插入程度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，校準(zhǔn)管是螺旋儲存管，用來儲存使用之前的導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件在插入器械之前從儲存管中撤出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，可操縱導(dǎo)管還包括手柄，該手柄具有工作通道；護(hù)套，該護(hù)套被設(shè)置在工作通道內(nèi)且具有內(nèi)腔；和導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件具有被設(shè)置在腔內(nèi)的位置傳感器元件，這種方法還包括(a)把導(dǎo)向元件鎖定在護(hù)套內(nèi)，從而防止導(dǎo)向元件相對于護(hù)套運(yùn)動；(b)把護(hù)套和導(dǎo)向元件引導(dǎo)至目標(biāo)位置；(c)把護(hù)套鎖定在工作通道內(nèi)，從而防止護(hù)套相對于手柄作相對運(yùn)動；和(d)從護(hù)套中解鎖并撤出導(dǎo)向元件，從而使護(hù)套的腔留在原位用作將器械插入到目標(biāo)位置的導(dǎo)向件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)與護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置(deploy)元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，導(dǎo)向元件還包括圖像傳感器，該圖像傳感器被用來沿導(dǎo)管的指向方向生成圖像，所述圖像傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，位置傳感器的至少一部分由半透明的材料形成，這種方法還包括通過引導(dǎo)穿過半透明材料的至少一個區(qū)域的照明來照亮圖像傳感器的至少一部分觀察域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，通過利用作為光波導(dǎo)管的護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分來照亮圖像傳感器的至少一部分觀察域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，從安裝在導(dǎo)向元件內(nèi)的至少一個光源向光波導(dǎo)管提供照明。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，從與手柄相關(guān)聯(lián)的至少一個光源處向光波導(dǎo)管提供照明。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，可操縱導(dǎo)管為柔性內(nèi)窺鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，可操縱導(dǎo)管為柔性支氣管鏡。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供一種用于在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)的三維參照系之間完成記錄的方法，這種方法包括(a)提供導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有(i)位置傳感器元件，該位置傳感器元件作為位置測量系統(tǒng)的一部分來操作，從而允許相對于三維參照系來測量導(dǎo)管末端的位置和指向方向，(ii)圖像傳感器；(b)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)形成分枝組織內(nèi)至少三個不同特征的模擬圖；(c)形成至少三個不同特征的照相視圖，每個照相視圖和相對應(yīng)的其中一個模擬圖構(gòu)成一對相似視圖；(d)允許操作者在每個照相視圖內(nèi)指定參照點(diǎn)以及在每個對應(yīng)的模擬圖內(nèi)指定對應(yīng)的參照點(diǎn)；和(e)從這些指定的參照點(diǎn)中得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相圖像與三維參照系之間的最佳擬合記錄。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，由操作者在每個照相視圖內(nèi)指定參照點(diǎn)，操作者通過使位置傳感器元件接近于該參照點(diǎn)來完成所述指定。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，由操作者在每個模擬圖內(nèi)指定參照點(diǎn)，該操作者是這樣來執(zhí)行的(a)操作者在每個模擬圖內(nèi)選定模擬圖像參照點(diǎn)；(b)從該模擬圖像參照點(diǎn)計(jì)算出模擬觀察點(diǎn)至參照點(diǎn)的矢量；和(c)計(jì)算由計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)得出的部分人體數(shù)字模型中的組織表面與該模擬觀察點(diǎn)至參照點(diǎn)的矢量之間的交點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征(a)在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)內(nèi)的至少一個位置被確定；(b)在三維參照系內(nèi)的至少一個位置的位置被計(jì)算出來；(c)所述至少一個位置的表示與位置傳感器元件的位置的表示一起被顯示出來。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個位置包括目標(biāo)位置，醫(yī)療器械將被引導(dǎo)至該目標(biāo)位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個位置是限定計(jì)劃路徑的一系列位置，醫(yī)療器械沿著該計(jì)劃路徑被引導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供一種用于在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)和一位置測量系統(tǒng)的一個三維參照系之間實(shí)現(xiàn)記錄的方法，這種方法包括(a)提供導(dǎo)管，該導(dǎo)管包括(i)位置傳感器元件，該位置傳感器元件作為位置測量系統(tǒng)的一部分來操作，從而允許相對于三維參照系來測量導(dǎo)管末端的位置和指向方向，(ii)圖像傳感器；(b)沿著分枝組織的第一分枝部分移動導(dǎo)管的末端，并且通過照相機(jī)獲得多個圖像，每個圖像與三維參照系中的位置傳感器的對應(yīng)位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)；(c)處理這些圖像和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，從而得出預(yù)先確定的幾何模型與三維參照系中的第一分枝部分的最佳擬合；(d)對分枝組織的第二分枝部分重復(fù)步驟(b)、(c)；和(e)使第一和第二分枝部分的幾何模型與計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，從而得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與三維參照系之間的最佳擬合記錄。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，對這些圖像和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)的處理包括(a)確認(rèn)一些可見特征，每個可見特征都存在于在不同位置拍攝的多個圖像中；(b)對于每個可見特征，獲得在多個圖像中每一個圖像中的照相機(jī)至特征(camera-to-feature)的方向；(c)利用照相機(jī)至特征的方向和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)來為每個可見特征確定特征位置；和(d)獲得預(yù)先確定的幾何模型與這些特征位置的最佳擬合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述預(yù)先確定的幾何模型為圓柱體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征(a)確定在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)內(nèi)的至少一個位置；(b)計(jì)算在三維參照系內(nèi)的至少一個位置的位置；(c)所述至少一個位置的表示與位置傳感器元件的位置表示一起被顯示出來。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個位置包括目標(biāo)位置，醫(yī)療器械將被引導(dǎo)至該目標(biāo)位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少一個位置是限定計(jì)劃路徑的一系列位置，醫(yī)療器械沿著該計(jì)劃路徑被引導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供用來把醫(yī)療器械引導(dǎo)到目標(biāo)位置的內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括(a)護(hù)套，該護(hù)套具有近端插口延伸到遠(yuǎn)端開口的腔；(b)導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件用來通過護(hù)套的近端開口插向沿著腔延伸到遠(yuǎn)端口的插入位置，該導(dǎo)向元件包括成像系統(tǒng)的至少一部分，成像系統(tǒng)用于對超出遠(yuǎn)端口的區(qū)域拍攝光學(xué)圖像；和(c)至少一個操縱機(jī)構(gòu)，該操縱機(jī)構(gòu)用來使護(hù)套和導(dǎo)向元件一起偏斜，其中，所述導(dǎo)向元件可以從腔中撤出，從而使得該腔可用來插入醫(yī)療器械。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，成像系統(tǒng)的至少一部分包括光學(xué)傳感器芯片，該光學(xué)傳感器芯片被設(shè)置在導(dǎo)向元件的末端。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的導(dǎo)向元件包括位置傳感器元件，該位置傳感器元件是位置測量系統(tǒng)的一部分，用于測量導(dǎo)向元件末端相對于三維參照系的位置和指向方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的位置傳感器元件的至少一部分由半透明的材料形成，所述的內(nèi)窺鏡還具有照明裝置，該照明裝置用來引導(dǎo)照明穿過半透明材料的至少一個區(qū)域，從而照亮超出遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，還提供選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)，該選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)與護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分大體上是射線不透的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，還提供至少一個射線不透標(biāo)記(radio-opaque marked)，該射線不透標(biāo)記與護(hù)套的遠(yuǎn)端相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分為光波導(dǎo)管。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，還提供至少一個光源，該光源安裝在導(dǎo)向元件內(nèi)，用來照亮超出遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，還提供至少一個光導(dǎo)纖維，該光導(dǎo)纖維沿著導(dǎo)向元件的長度被設(shè)置，用來向超出遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域傳遞照明。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供一種將醫(yī)療器械通過分枝組織引導(dǎo)至目標(biāo)位置的方法，該方法包括(a)提供導(dǎo)管組件，該導(dǎo)管組件包括手柄，該手柄具有工作通道；護(hù)套，該護(hù)套設(shè)置在工作通道內(nèi)且具有內(nèi)腔；和導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件設(shè)置在所述腔內(nèi)；(b)把導(dǎo)向元件鎖定在護(hù)套內(nèi)，從而防止導(dǎo)向元件相對于護(hù)套運(yùn)動；(c)將護(hù)套和導(dǎo)向元件引導(dǎo)至目標(biāo)位置；(d)將護(hù)套鎖定在工作通道內(nèi)，從而防止護(hù)套相對于手柄運(yùn)動；和(e)從護(hù)套中解鎖并撤出導(dǎo)向元件，從而使護(hù)套的腔留在原位用作將器械插入到目標(biāo)位置的導(dǎo)向通道。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的導(dǎo)向元件包括位置傳感器元件，該位置傳感器元件是位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用來測量導(dǎo)向元件末端相對于三維參照系的位置和指向方向。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)，該選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)與護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置元件。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，對所提供的護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分進(jìn)行處理，使其大體上為射線不透的。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的至少一個射線不透標(biāo)記與護(hù)套的遠(yuǎn)端相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的導(dǎo)向元件還包括圖像傳感器，該圖像傳感器被用來沿導(dǎo)管的指向方向生成圖像，所述圖像傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的圖像傳感器的觀察域通過利用護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分作為光波導(dǎo)管來照明。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的照明從安裝在導(dǎo)向元件內(nèi)的至少一個光源處被供給到光波導(dǎo)管。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的照明從與手柄相關(guān)聯(lián)的至少一個光源處被供給到光波導(dǎo)管。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所提供的導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，還提供操縱機(jī)構(gòu)，該操縱機(jī)構(gòu)用于選擇性地使可操縱導(dǎo)管的遠(yuǎn)端部分在至少二個獨(dú)立的方向中的任何一個方向上進(jìn)行偏斜，該操縱機(jī)構(gòu)包括(a)至少三個細(xì)長的張緊元件，這些細(xì)長的張緊元件沿著導(dǎo)管延伸并且被構(gòu)造成使得被施加到這些張力元件中的任何一個上的張力能夠促使導(dǎo)管的末端沿著對應(yīng)的預(yù)定方向進(jìn)行偏斜；(b)致動器，該致動器可以從第一位置移動到第二位置；和(c)選擇器機(jī)構(gòu)，該選擇器機(jī)構(gòu)用于選擇性地使這些細(xì)長的張緊元件中至少一個被選擇的元件與致動器機(jī)械地相互連接，從而使得致動器從第一位置到第二位置的移動向這些細(xì)長的張緊元件中至少一個被選擇的元件施加張力。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇器機(jī)構(gòu)的第一種情形是使細(xì)長的張緊元件中的單獨(dú)一個元件與致動器機(jī)械地相互連接，以致于致動器的移動使得所述末端沿著預(yù)定方向中的一個方向進(jìn)行偏斜；選擇器機(jī)構(gòu)的第二種情形是使一些細(xì)長的張緊元件中的兩個元件與致動器機(jī)械地相互連接，以致于致動器的移動使得所述末端沿著預(yù)定方向的其中兩個方向之間的中間方向進(jìn)行偏斜。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少三個張力元件包括偶數(shù)個張力元件，成對的張力元件用作單個細(xì)長元件來實(shí)施，該單個細(xì)長元件從選擇器機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)管延伸至末端，然后沿著導(dǎo)管回到選擇器機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的至少三個張力元件用作四個張力元件，這四個張力元件被設(shè)置成當(dāng)被單獨(dú)致動時，每個張力元件能促使所述末端沿著大體上以90°的倍數(shù)分隔開的四個預(yù)定方向中的一個不同的方向進(jìn)行偏斜。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，選擇器機(jī)構(gòu)的第一種情形是使細(xì)長的張緊元件中的單獨(dú)一個元件與致動器機(jī)械地相互連接，以致于致動器的移動使得所述末端沿著四個預(yù)定方向中的一個方向進(jìn)行偏斜；選擇器機(jī)構(gòu)的第二種情形是使細(xì)長的張緊元件中的兩個元件與致動器機(jī)械地相互連接，以致于致動器的移動使得所述末端沿著四個中間方向中的一個方向進(jìn)行偏斜，所述的四個中間方向中的每一個方向位于四個預(yù)定方向的其中兩個方向之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述的致動器包括一環(huán)圈，該環(huán)圈可相對于與導(dǎo)管相關(guān)聯(lián)的手柄進(jìn)行滑動，其中，所述的選擇器機(jī)構(gòu)包括滑動件，該滑動件與每個張力元件相連接且可滑動地被設(shè)置在手柄內(nèi)；和凸出于環(huán)圈的至少一個突起，從而，當(dāng)環(huán)圈被轉(zhuǎn)動時，所述的至少一個突起選擇性地接合至少一個滑動件，以致于環(huán)圈的移動促使所述的至少一個滑動件運(yùn)動。


在此參照附圖，僅通過舉例來描述本發(fā)明，在這些附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來構(gòu)造和操作的、用于引導(dǎo)到分枝組織內(nèi)的目標(biāo)的系統(tǒng)的整體示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來構(gòu)造和操作的、用在圖1系統(tǒng)中的可操縱導(dǎo)管的示意側(cè)視圖；圖3是圖2中導(dǎo)管的末端部分的立體示意圖；圖4A和4B分別是從圖2中導(dǎo)管在未致動狀態(tài)和致動狀態(tài)下通過操縱機(jī)構(gòu)控制器的剖面示意圖；圖5A-5C是沿著圖4A中V-V線剖取的剖面圖，分別顯示出了在第一、第二和第三位置中的操縱方向選擇器；圖6A是立體示意圖，表示出了在圖2中導(dǎo)管的操縱方向的選擇期間執(zhí)行者的手部位置；圖6B是立體示意圖，表示出了在圖2中導(dǎo)管的引導(dǎo)期間執(zhí)行者的手部位置；圖7是具有圖像傳感器的圖2中導(dǎo)管末端部分的另一實(shí)施方式的剖面示意圖；
圖8是示意立體圖，表示出了用于在使用同位素標(biāo)記和外部監(jiān)測器的位置傳感器參照系中獲得目標(biāo)位置的布置情況；圖9是方框圖，表示出了利用諸如圖8布置中的外部監(jiān)測器來獲得目標(biāo)位置的過程；圖10是方框圖，表示根據(jù)本發(fā)明用于使CT數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的第一過程；圖11是基于CT的虛擬支氣管鏡檢查系統(tǒng)的顯示屏幕，包括在左主支氣管和右主支氣管之間的氣管隆凸的模擬圖，用于確定圖10中程序的基準(zhǔn)點(diǎn)；圖12A是歧管隆凸的支氣管鏡圖，類似于圖11中的模擬圖；圖12B類似于圖12A，表示在支氣管鏡已前進(jìn)到使位置傳感器接近于氣管隆凸上的一個點(diǎn)之后的情況，所述一個點(diǎn)被用作圖10的過程中的基準(zhǔn)點(diǎn)；圖13是框圖，表示根據(jù)本發(fā)明、用于使CT數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的第二程序；圖14A和14B是從兩個觀察位置所看到的在脈管壁上的一可識別特征的示意圖，該示意圖得自諸如圖7中導(dǎo)管的圖像傳感器的圖像傳感器；圖15A和15B是在分枝組織的一部分內(nèi)的導(dǎo)管末端的觀察位置的示意側(cè)視圖，圖14A和14B分別得自該觀察位置；圖16是分枝組織的一部分的示意側(cè)視圖，表示出了通過三角測量來確定可識別特征的位置；圖17A和17B是在圖2或圖7中的導(dǎo)管引導(dǎo)向目標(biāo)期間，在兩個階段的末端至目標(biāo)的顯示的示意圖；圖18A、18B和18C分別是在前后向、AP和軸向表示中的附加的末端至目標(biāo)的顯示；圖19是顯示屏幕，它結(jié)合了圖17A中末端至目標(biāo)的顯示與動態(tài)的基于CT的顯示，這些基于CT的顯示對應(yīng)于軸向、前后向以及穿過當(dāng)前導(dǎo)管末端位置的AP平面；
圖20A-20D是示意圖，用于說明局部失真校正技術(shù)，該技術(shù)用于校正在CT數(shù)據(jù)和測量位置之間的由身體姿勢導(dǎo)致的失真；圖21是利用變換算子的失真校正技術(shù)的另一實(shí)施方式的示意圖；圖22是框圖，表示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的內(nèi)窺鏡的使用的優(yōu)選順序；圖23是立體示意圖，表示出了作為校準(zhǔn)管的螺旋儲存管的使用，該螺旋儲存管用于校準(zhǔn)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡中所使用的器械的長度；圖24是人肺的AP示意表示，利用虛線圓表示出了傳統(tǒng)的支氣管鏡可到達(dá)的區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的用于引導(dǎo)到諸如人肺的分枝組織中的一目標(biāo)以及把一醫(yī)療器械帶到該目標(biāo)的技術(shù)。
參照附圖和隨附的描述，可以更好地理解本發(fā)明內(nèi)窺鏡的操作和原理以及引導(dǎo)技術(shù)。
在對附圖進(jìn)行直接地描述之前，理解這些內(nèi)容是有利的，即本發(fā)明提供一種系統(tǒng)以及相應(yīng)的方法，它們包括多個特征，相信每個特征本身均可取得專利權(quán)，除了這里所描述的情況之外，這些特征中的許多特征可具有獨(dú)立于上下文中本發(fā)明的一些其它特征的用途。為了表述清楚，也為了闡明本發(fā)明的不同方面在被組合時它們之間的協(xié)同作用，在上下文的組合系統(tǒng)和隨附的過程技術(shù)中將描述不同的特征，這些過程技術(shù)中僅少量的變型被清楚地描述。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的不同特征的適用性在其它上下文中是不言而喻的，并且這些特征是由所附權(quán)利要求來限定的。
通過總體的介紹，與一些上述可授予專利的特征共同的是，本發(fā)明的一個主要的方面是一種結(jié)構(gòu)和方法，它通過提供一小度量的可操縱導(dǎo)管(該導(dǎo)管包括在護(hù)套內(nèi)的可定位導(dǎo)向件)，從而解決了上面所描述的傳統(tǒng)支氣管鏡的局限性。使用這種導(dǎo)管的一般過程如下描述a.監(jiān)測或輸入?yún)⒄兆鴺?biāo)系中的目標(biāo)位置。
b.導(dǎo)管在跟蹤參照坐標(biāo)系中的導(dǎo)向件的遠(yuǎn)末端的同時被引導(dǎo)向目標(biāo)。通常經(jīng)由傳統(tǒng)支氣管鏡的工作通道來插入導(dǎo)管。
c.一旦導(dǎo)管的末端位于目標(biāo)位置，就撤出導(dǎo)向件，從而使護(hù)套固定在原位置。
d.然后，護(hù)套被用作導(dǎo)向通道，以把醫(yī)療器械導(dǎo)向目標(biāo)。
為了表述清楚，下面將分開描述。首先，參照圖1-7，將描述根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)來構(gòu)造和操作的導(dǎo)管以及隨附系統(tǒng)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。然后，參照圖8-16，將描述用于獲得參照坐標(biāo)系內(nèi)的目標(biāo)位置的各種技術(shù)。接著，參照圖17A-21，將描述各種引導(dǎo)輔助、引導(dǎo)技術(shù)以及相關(guān)的校正。最后，參照圖22和23，將描述本發(fā)明涉及經(jīng)由護(hù)套插入的醫(yī)療器械的使用的不同方面。
總體結(jié)構(gòu)現(xiàn)在參照附圖，圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來構(gòu)造和操作的、用于引導(dǎo)到分枝組織內(nèi)的目標(biāo)的系統(tǒng)的整體示意圖。
具體地說，圖1表示出了躺在手術(shù)臺12上的病人10。支氣管鏡14被插入到這個病人的肺中。支氣管鏡14與監(jiān)控設(shè)備16相連接，該支氣管鏡通常包括照明源和視頻成像系統(tǒng)。在某些情況下，本發(fā)明的裝置可以在沒有支氣管鏡的情形下被使用，這點(diǎn)將在下文中被描述。位置測量系統(tǒng)監(jiān)測病人10的位置，從而確定一組參照坐標(biāo)。根據(jù)美國專利US6,188,355和公開的PCT申請WO00/10456和WO01/67035的教導(dǎo)，尤其優(yōu)選的位置測量系統(tǒng)是六自由度的電磁位置測量系統(tǒng)。在這個例子中，發(fā)送器裝置18為墊子形式，該墊子放置在病人10身下。許多微型傳感器20與跟蹤模塊22相互連接，從而得出每個傳感器20在6DOF(自由度)中的位置。至少一個、優(yōu)選是三個參照傳感器20被連附在病人10的胸部，它們的6DOF坐標(biāo)發(fā)送到計(jì)算機(jī)24，在計(jì)算機(jī)24中，這些6DOF坐標(biāo)被用來計(jì)算病人的坐標(biāo)參照系。
圖1中還可看到根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來構(gòu)造和操作的導(dǎo)管組件30，該導(dǎo)管組件經(jīng)由支氣管鏡14的工作通道被插入。圖2中更清楚地表示出了導(dǎo)管組件30。導(dǎo)管組件30包括可定位的導(dǎo)向件32，該導(dǎo)向件具有可操縱的遠(yuǎn)末端34、柔性主體36，并且在其近端具有控制手柄38。導(dǎo)向件32被插入護(hù)套40內(nèi)，在護(hù)套40內(nèi)導(dǎo)向件32被鎖定機(jī)構(gòu)42鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?。作為圖1中位置測量系統(tǒng)的一部分來操作的位置傳感器元件44與遠(yuǎn)末端34成一體，從而允許相對于參照坐標(biāo)系來監(jiān)測末端位置和朝向(6DOF)。
現(xiàn)在來看導(dǎo)管30的操縱機(jī)構(gòu)，應(yīng)該注意到，本發(fā)明可選擇用提供單一偏斜方向的傳統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)來實(shí)施。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于導(dǎo)管精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)度量和大面積接觸周圍腔的表面，故導(dǎo)管很難可靠地繞其縱向軸彎轉(zhuǎn)，使彎曲方向與所需的操縱偏斜方向一致。為解決這個問題，優(yōu)選地，本發(fā)明提供了具有人工方向選擇器的多向操縱機(jī)構(gòu)，從而允許由執(zhí)行者來選擇操縱方向，而無需轉(zhuǎn)動導(dǎo)管主體。應(yīng)該注意到，這里所描述的操縱機(jī)構(gòu)在獨(dú)立于本發(fā)明其它特征的廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)是有用的，相信其自身是可取得專利權(quán)的。
現(xiàn)在參照圖3，該圖表示具有位置傳感器元件44的遠(yuǎn)末端34的一放大圖，所述位置傳感器元件44被安裝在基板46上，至少三個、優(yōu)選是四個細(xì)長的張緊元件(“操縱線纜”)48與所述基板46相連接。操縱線纜48被設(shè)置成使得每根線纜上的張力能夠獨(dú)立地朝著預(yù)先確定的側(cè)向方向操縱末端。在這種四根線纜的優(yōu)選實(shí)施例中，能夠選擇沿著兩個垂直軸線相反的方向。換句話說，這四根線纜被設(shè)置成當(dāng)被單獨(dú)致動時，每根線纜能促使所述末端沿著大體上以90°的倍數(shù)分隔開的四個預(yù)定方向中的一個不同的方向進(jìn)行偏斜。為了便于制造和可靠性的實(shí)際原因，優(yōu)選地，線纜48采用由一單根長線纜形成的成對線纜來實(shí)施，該單根長線纜從手柄38延伸至末端34，在基板46的一部分上彎曲，然后返回到手柄38，如圖所示。
現(xiàn)在回過來看圖2，并且參照圖4A-5C的剖面圖，手柄38具有致動器，該致動器可以從第一位置移動到第二位置；選擇器機(jī)構(gòu)，該選擇器機(jī)構(gòu)用于選擇性地使這些操縱線纜中的至少一根線纜與致動器機(jī)械地相互連接，從而使得所述致動器從其第一位置到其第二位置的這種移動對操縱線纜48中被選擇的一根或多根線纜施加張力。在這里所示的實(shí)施方案中，致動器為可滑動的套環(huán)50，該套環(huán)50能夠相對于手柄38的固定部分被向后拖拉。從圖4A-5C中看得最清楚，選擇器機(jī)構(gòu)在這里采用轉(zhuǎn)動的度盤機(jī)構(gòu)來實(shí)施，其中，套環(huán)50的內(nèi)表面上的突棱、突起或臺階52選擇性地與一個或多個滑動件相接合，這些滑動件在這里采用致動塊(actuator block)54a、54b、54c、54d來實(shí)施，每個致動塊與一操縱線纜48相連接。當(dāng)套環(huán)50從其初始位置(圖4A)滑動至其縮回位置(圖4B)時，臺階52接合一個或多個致動塊(在這兒為致動塊54a)，以便向?qū)?yīng)的線纜48施加張力。剩余致動塊(圖4B中僅能看到54c)停留在原位。
圖5A-5C表示在三種不同狀態(tài)下的選擇器機(jī)構(gòu)的軸向視圖。在圖5A中，臺階52與對應(yīng)于使導(dǎo)向元件向上偏斜的操縱線纜的致動塊54a重疊。間隙槽56確保了剩余的致動塊54b、54c、54d不受套環(huán)50的滑動的影響。在圖5B中，套環(huán)50已經(jīng)被轉(zhuǎn)動了45°，以致于臺階52與兩個相鄰的致動塊54a和54b重疊。在這個狀態(tài)下，套環(huán)50的滑動同時對相應(yīng)的兩個操縱線纜施加張力，從而促使遠(yuǎn)末端34沿預(yù)先確定的最初方向之間的一中間方向進(jìn)行偏斜。圖5C表示出了在套環(huán)50進(jìn)一步被轉(zhuǎn)動45°之后的選擇器機(jī)構(gòu)，如圖所示，現(xiàn)在僅僅與接合圖左側(cè)上的致動塊54d接合。
很明顯，所述的結(jié)構(gòu)提供了高度可控且易于操作的操縱機(jī)構(gòu)，其中，多個操縱線纜使導(dǎo)管末端可選擇性地沿至少兩個獨(dú)立方向中的任何一個方向偏斜。因此，在本文中，“獨(dú)立方向”被定義為不共面的彎曲方向。在這兒所舉的優(yōu)選的例子中，四根操縱線纜提供了八個不同的操縱方向，這些操縱方向可以通過轉(zhuǎn)動度盤來選擇，且這些操縱方向大約以45°的增量間隔開。在另一變型的實(shí)施方案中(圖中未示)，致動器和/或選擇器機(jī)構(gòu)被設(shè)置成在兩根線纜上施加不均等的張力，以便獲得附加的中間操縱方向或大體上可連續(xù)調(diào)節(jié)的操縱方向。這種機(jī)構(gòu)的簡單實(shí)施方案采用V形致動器臺階，使與致動塊的機(jī)械接合出現(xiàn)在與致動器靜止位置相距一可調(diào)節(jié)的軸向距離的位置處。
清楚地，致動器和選擇器機(jī)構(gòu)的機(jī)械實(shí)施方案可以有較大變化。次要變化包括選擇器機(jī)構(gòu)為安裝在套環(huán)50中的分離環(huán)圈；臺階52為隔離的向內(nèi)突起的接合齒而不是近似連續(xù)的內(nèi)部突棱。其它一些可能的變型的非限制性示例包括致動器的一些不同的實(shí)施方案，諸如采用觸發(fā)類型的機(jī)構(gòu)。
圖6A和6B表示出了所述操縱機(jī)構(gòu)控制器的優(yōu)選實(shí)施方案在人體工程學(xué)上的一些優(yōu)點(diǎn)。在插入支氣管鏡14的遠(yuǎn)末端(圖中未示)直到它到達(dá)支氣管樹之后，導(dǎo)管30經(jīng)由工作通道入口58插入到支氣管鏡的工作通道中。優(yōu)選地，護(hù)套40的外部直徑稍小于許多支氣管鏡工作通道通常的2.8毫米直徑，從而有助于實(shí)現(xiàn)通過標(biāo)準(zhǔn)支氣管鏡的插入。然后，導(dǎo)管朝著目標(biāo)前進(jìn)到超出支氣管鏡的端部?？啥ㄎ粚?dǎo)向件32的手柄38被構(gòu)造成允許執(zhí)行者用握住支氣管鏡的那只手(通常為左手)來握住該手柄和操作操縱機(jī)構(gòu)致動器。這就使得他或她的右手空閑著。為了沿所需方向操縱導(dǎo)向件，轉(zhuǎn)動套環(huán)50，以便選擇導(dǎo)向件將要被偏斜的方向(圖6A)。然后，如圖6B所示，當(dāng)用右手使得可定位導(dǎo)向件前進(jìn)到工作通道中時，通過把套環(huán)50上的手指朝著位于手柄38后面的拇指緊握在一起來撤回操縱套環(huán)50。一旦導(dǎo)向件的末端到達(dá)目標(biāo)，鎖定裝置60就被鎖定，以使護(hù)套40相對于支氣管鏡14保持穩(wěn)定。然后，鎖定機(jī)構(gòu)42被解鎖，以從護(hù)套40中松開導(dǎo)向件32。接著，導(dǎo)向件從護(hù)套40中被撤出，從而使得護(hù)套可自由地接納任何醫(yī)療器械，例如，活體取樣鉗。
現(xiàn)在參照圖7，圖中表示出了末端部分34的另一種實(shí)施方案，該末端部分大體上類似于圖3中的末端部分，但是，在這個例子中該末端部分包括成像系統(tǒng)的至少一部分，在這個例子中所述成像系統(tǒng)的至少一部分為圖像傳感器62。這里表示出了圖像傳感器62的優(yōu)選實(shí)施方案，它是光學(xué)成像傳感器，該光學(xué)成像傳感器具有透鏡64，該透鏡被設(shè)置在圖像傳感器陣列(array)66的前方。優(yōu)選地，通過光纖光導(dǎo)管68來提供照明。
考慮到對傳感器的尺寸大小有嚴(yán)格的限制(要求直徑小于2毫米)，優(yōu)選地，利用CMOS或CCD成像傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，并通過微制造技術(shù)集成有透鏡64。更優(yōu)選地，圖像傳感器62被結(jié)合到位置傳感器元件44內(nèi)。更具體地說，根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)選的實(shí)施方案，位置傳感器元件的結(jié)構(gòu)包括多個線圈70和它們的連接線纜72，它們通常被固定在膠粘塊(adhesiveblock)74中。在這個例子中，優(yōu)選地，圖像傳感器62被固定在同一膠粘塊中。如果側(cè)向尺寸允許的話，光纖68也可以被包含在膠粘塊74中。
在一些情況中，末端的制造限制和/或側(cè)向尺寸可能不允許光纖68延伸穿過傳感器塊。在這種情況下，優(yōu)選的解決方案是，把光纖68定位成使它的端部位于塊74的近側(cè)附近，至少在這個例子中，所述塊74的近側(cè)是由大體上透明，或至少某種程度上是半透明的材料制成的。這樣，足夠的光通過由上述材料制成的塊74在一些懸浮組元(suspendedcomponents)之間以及周圍散射，從而照亮圖像傳感器62超出組件末端的觀察域。提供照明的另一種方案是利用護(hù)套40的至少遠(yuǎn)端部分作為光波導(dǎo)管。這樣，也可以通過終止于塊74近側(cè)的光纖68，通過被安裝在導(dǎo)向元件32內(nèi)的一個或多個光源，或者通過與手柄38相關(guān)聯(lián)的光源來傳遞照明，從而把光直接傳遞到護(hù)套40的近端。
在其它方面，末端部分34類似于圖3中的末端部分，該末端部分34包括連接在基板46上的雙折的操縱線纜48。這里能更清楚地看到柔性主體36被優(yōu)選地細(xì)分成五個內(nèi)腔四根操縱線纜中的每一根線纜對應(yīng)一個內(nèi)腔；且中心腔用于容納來自不同傳感器的電線和用于照明的光纖。
清楚地，末端部分34附加有圖像傳感器，從而增加了作為小度量的支氣管鏡的功能性。如下面所描述的那樣，有利地，這種結(jié)構(gòu)可以在沒有傳統(tǒng)的支氣管鏡的情況下被使用。然而，考慮到圖像傳感器尺寸的要求和當(dāng)前技術(shù)的限制，傳感器62的圖像質(zhì)量通常顯著地低于傳統(tǒng)支氣管鏡的圖像質(zhì)量。為了這個以及其它原因，可以預(yù)見，圖像傳感器62主要被用來進(jìn)一步改進(jìn)與支氣管鏡結(jié)合使用的設(shè)備，進(jìn)而有助于引導(dǎo)本發(fā)明中的導(dǎo)管超過支氣管鏡的范圍。
目標(biāo)獲得技術(shù)為了把本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)用作導(dǎo)向輔助手段，必須確定參照坐標(biāo)系中的一個或多個目標(biāo)位置。這可以直接確認(rèn)，或者通過從一脫機(jī)源輸入位置數(shù)據(jù)，諸如計(jì)算機(jī)X線斷層照相(CT)數(shù)據(jù)。直接獲得需要一成像設(shè)備或其它監(jiān)測器，所述的監(jiān)測器能夠被用來非侵入地定位目標(biāo)。從脫機(jī)數(shù)據(jù)輸入目標(biāo)需要用參照坐標(biāo)系來記錄脫機(jī)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在將描述兩組技術(shù)的不同示例。
同位素三角測量圖8表示出了用于使用同位素標(biāo)記和外部監(jiān)測器獲得的位置傳感器參照系中的目標(biāo)位置的布置情況。根據(jù)這種技術(shù)，給病人注射一次同位素溶液。優(yōu)選地，所述的同位素與那些在PET協(xié)議中所使用的同位素相同。在本領(lǐng)域中已知的是，在所述溶液被身體吸收之后，患處的溶液濃度高于身體的其它部位，從而通過升高的放射值來“標(biāo)記”該患處。在這里所舉的例子中，在病人10胸膛內(nèi)的患處80已經(jīng)通過注射放射性同位素而被標(biāo)記。與一個6DOF位置傳感器元件84相連接的監(jiān)測器82用于檢測這種放射。監(jiān)測器82被選擇具有方向靈敏度圖(profile)，該方向靈敏度圖允許對朝著最強(qiáng)放射源的方向進(jìn)行確認(rèn)。在簡單的示例中，僅僅是這樣的監(jiān)測器，該監(jiān)測器具有最強(qiáng)靈敏度方向，所述方向被定義為監(jiān)測器的“軸線”，該軸線被調(diào)整直到給出最大的讀數(shù)?；蛘?，給出監(jiān)測器的靈敏度圖和沿一些不同方向所獲得的讀數(shù)，就可以精確地得出朝最強(qiáng)放射源的方向。可選地，可以由具有多個傳感器的監(jiān)測器頭部同時獲得多個讀數(shù)。在每個階段，參照坐標(biāo)系中監(jiān)測器的位置和指向方向由基于位置傳感器元件84的輸出的跟蹤系統(tǒng)22來獲得。
圖9表示出了利用諸如圖8的布置中的外部監(jiān)測器來獲得目標(biāo)位置的過程。首先，在步驟86，從圖的第一點(diǎn)確定朝目標(biāo)的方向。應(yīng)當(dāng)知道，朝著目標(biāo)的方向(在這個例子中，為朝著最強(qiáng)放射源的方向)和監(jiān)測器的位置的結(jié)合共同限定在空間上穿過目標(biāo)的路線。然后，在步驟88，把監(jiān)測器重新定位到新的位置，并且再次確定朝目標(biāo)的方向，從而限定在空間上穿過目標(biāo)的第二路線?；蛘?，從一個或多個附加的監(jiān)測器位置重復(fù)這個過程(步驟90)。然后，得出所有這些路線的交點(diǎn)(或最接近的點(diǎn)) (步驟92)，由此限定目標(biāo)參照坐標(biāo)系中的位置。
熒光鏡三角測量可以采用熒光成像而不采用同位素標(biāo)記來使用類似的技術(shù)。具體地說，通過以熒光系統(tǒng)來代替圖8中的監(jiān)測器82，就可以確定圖像中的目標(biāo)以及指定朝目標(biāo)的方向。同樣的，目標(biāo)方向的確定可以最簡單地通過使熒光鏡與一物理軸線對齊來實(shí)現(xiàn)，通常由顯示器中的與目標(biāo)對齊的十字線來指示該物理軸線。在所有其它方面，正如圖9所述，所述技術(shù)通過從兩個或多個位置來限定朝目標(biāo)的方向并且通過把所得到的路線的交點(diǎn)確定為目標(biāo)位置來進(jìn)行。
人工CT記錄雖然上面所描述的同位素標(biāo)記和基于熒光鏡的解決方案為一些不能獲得CT數(shù)據(jù)的情況提供了重要的解決方案，但是，通常認(rèn)為，更為可取的是使本發(fā)明的系統(tǒng)與CT數(shù)據(jù)相結(jié)合。
當(dāng)作介紹，CT作為診斷工具來使用現(xiàn)在已成了慣例，并且現(xiàn)在CT的結(jié)果經(jīng)常是執(zhí)行者了解患處的尺寸大小和位置的主要的信息來源。在策劃操作過程諸如活組織檢查中，這種信息被執(zhí)行者所采用，但是只作為“脫機(jī)”信息來獲得，該“脫機(jī)”信息通常在開始操作過程之前必須被執(zhí)行者熟記。如同下面將描述的那樣，除了輸入目標(biāo)信息之外，與CT數(shù)據(jù)的結(jié)合提供了重要的附加系統(tǒng)功能性，從而大大地有助于至目標(biāo)位置的引導(dǎo)。
與前面兩個方法相反，CT數(shù)據(jù)具有自己的坐標(biāo)系。使這兩個坐標(biāo)系匹配，即使CT的坐標(biāo)系和病人的坐標(biāo)系匹配，這通常被稱為記錄。一般通過在CT中以及在身體上或身體內(nèi)確定出至少三個位置，并且在兩個坐標(biāo)系中測量出它們的坐標(biāo)來執(zhí)行記錄。
現(xiàn)在參照圖10-12，將描述根據(jù)本發(fā)明的用于使CT數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的第一過程?？偟膩碚f，圖10所示的技術(shù)始于由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生分枝組織內(nèi)的區(qū)別特征的模擬圖(步驟100)，以及指定在模擬圖內(nèi)觀察的參照點(diǎn)(步驟102)。重復(fù)這兩步驟(箭頭104)直到已指定至少三個CT參照點(diǎn)，優(yōu)選地，直到已指定5-10個CT參照點(diǎn)。然后，在對病人執(zhí)行這一過程期間，支氣管鏡或其它圖像傳感器被安置成觀察同組不同特征中的一個特征(步驟106)，從而照相視圖對應(yīng)于且大體上類似于模擬圖中相應(yīng)的一個。然后，操作者指定在照相視圖內(nèi)所觀察到的一參照點(diǎn)，該參照點(diǎn)等同于在對應(yīng)模擬圖中指定的對應(yīng)參照點(diǎn)(步驟108)，這是例如通過使這個對應(yīng)參照點(diǎn)與位置傳感器相接觸來實(shí)現(xiàn)的。重復(fù)步驟106和108(箭頭110)，直到獲得三對或更多對的對應(yīng)參照點(diǎn)。然后，這些指定的參照點(diǎn)被用于得出在計(jì)算機(jī)X線斷層照相圖像與三維參照系之間的最佳擬合記錄(步驟112)。
參照圖11-12B將更好地理解這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在開始這個程序之前，或者使用醫(yī)院以太網(wǎng)或者從諸如光盤(CD)的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)來儲存測定體積(volumetric)的CT數(shù)據(jù)，并把這些CT數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)24或者另一合適的可編程的醫(yī)學(xué)成像工作站。然后，執(zhí)行者需要指定所需的參照點(diǎn)。優(yōu)選地，所采用的參照點(diǎn)是易于確定的解剖標(biāo)志，被稱為“基準(zhǔn)點(diǎn)”?；旧?，能夠在CT數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的二維“切片”顯示中選擇所述的基準(zhǔn)點(diǎn)。然而，實(shí)際上，這并不產(chǎn)生足夠精確的記錄，這將在下面被描述。
記錄的精確度取決于精確地限定和標(biāo)記參照點(diǎn)的能力。在支氣管樹中，可獲得的解剖標(biāo)志是支氣管的分枝，對于那些在支氣管入口的分枝來說這些分枝的尺寸達(dá)幾個厘米。如果這些接合點(diǎn)被用作基準(zhǔn)“點(diǎn)”或區(qū)域，那么通常將導(dǎo)致很不精確的記錄，除非采用非常多的這種點(diǎn)。另一方面，如果執(zhí)行者被迫去匹配太多的點(diǎn)，那么整個過程將變得沒有效率。因此，本發(fā)明提供一種方法，該技術(shù)用于提高執(zhí)行者在比分枝的總尺寸大小高得多的分辨率下在分枝區(qū)域內(nèi)選擇一些等同點(diǎn)的能力。具體地說，這是通過采用基于CT的“虛擬支氣管鏡檢查”來形成類似于真實(shí)的支氣管鏡圖的模擬圖來實(shí)現(xiàn)的。虛擬支氣管鏡檢查是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，其中，CT數(shù)據(jù)被用于構(gòu)建在身體組織內(nèi)的導(dǎo)氣管的虛擬模型，并且這種模型被用于形成一些模擬圖，這些模擬圖類似于通過支氣管鏡觀察到的圖。在被授予Summers等人的美國專利US6,246,784和6,345,112以及它們引用的參考文獻(xiàn)中描述了這種虛擬支氣管鏡檢查的技術(shù)，這里引用這些參考文獻(xiàn)作為參考。在本文中，虛擬支氣管鏡檢查的使用允許執(zhí)行者基于諸如對稱和形狀的這樣一些因素來進(jìn)行視覺判斷，以便在CT數(shù)據(jù)和參照坐標(biāo)系中指定一些等同參照點(diǎn)，而且比采用其它可能的方式具有更高的精確度。
現(xiàn)在看圖11，該圖表示出了計(jì)劃方案的優(yōu)選實(shí)施的顯示屏幕，所述的計(jì)劃過程形成了本發(fā)明所使用的虛擬支氣管鏡檢查記錄圖像。圖中所示的顯示屏幕主要被分成四個視圖。其中三個視圖顯示為從CT數(shù)據(jù)獲得的相互垂直的二維“切片”視圖。左上圖是病人的軸向投影。右上圖是前后向投影。左下圖是前-后(“AP”)視圖。在每個視圖中，十字線表示當(dāng)前顯示的其它兩個切片的平面，所有三個平面在CT坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)處相交。在右下區(qū)域中，顯示出了在選定點(diǎn)處的支氣管的虛擬圖像。在這個例子中，所述的選定點(diǎn)位于氣管隆凸上，它是支氣管樹的上部接合點(diǎn)。軟件還允許對視圖方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于這個過程來說，該視圖方向被選擇為這樣一個方向，即，沿著該方向真正的支氣管鏡將接近所述區(qū)域。
如同所看到的那樣，氣管隆凸接合點(diǎn)是長的且本身不限定任何單個點(diǎn)。然而，考慮到氣管隆凸的對稱，執(zhí)行者能夠沿著氣管隆凸在中間位置以最小誤差的可重復(fù)的方式指定參照點(diǎn)，在該中間位置處隔膜相對狹窄。然后，這個點(diǎn)被標(biāo)記為選定的基準(zhǔn)點(diǎn)，并且它在CT坐標(biāo)系中的坐標(biāo)被儲存。該過程被重復(fù)，直到已記錄至少三個基準(zhǔn)點(diǎn)，優(yōu)選是記錄5至10個基準(zhǔn)點(diǎn)。然后，優(yōu)選地，這個數(shù)據(jù)以這樣一種形式被儲存或者被傳送，在這種形式中，使得執(zhí)行者在實(shí)際操作期間能獲得直觀顯示。
附帶說明，應(yīng)該注意到，在模擬圖像中點(diǎn)的選擇是這樣來執(zhí)行的，即，利用鼠標(biāo)或其它計(jì)算機(jī)輸入裝置在屏幕上的二維圖像中選擇一個點(diǎn)。三維CT數(shù)據(jù)坐標(biāo)系中點(diǎn)的指定是這樣來實(shí)現(xiàn)的，即，通過從模擬圖方向中選定的點(diǎn)來推斷，直到路線與最近的組織表面相交(根據(jù)得自CT數(shù)據(jù)的身體的一部分的上述數(shù)字模型)。
在實(shí)際執(zhí)行操作期間，第一存儲圖像被呈現(xiàn)給把支氣管鏡引導(dǎo)到病人體內(nèi)的相應(yīng)的標(biāo)志特征的執(zhí)行者。當(dāng)支氣管鏡末端接近所述位置時，支氣管鏡觀察到一圖像(圖12A)，該圖像與圖11右下屏面中所示的虛擬圖像非常類似。然后，執(zhí)行者指定參照點(diǎn)，優(yōu)選地，通過使位于可定位導(dǎo)向件32末端的位置傳感器44前進(jìn)到接觸等同于虛擬圖像中所標(biāo)記的位置的點(diǎn)(圖12B)，并且把傳感器位置指定為三維參照坐標(biāo)系中對應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。對于在虛擬支氣管鏡檢查階段中指定的至少三個基準(zhǔn)點(diǎn)，且更優(yōu)選地為全部的5至10個基準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)這個步驟。在累積數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出CT基準(zhǔn)點(diǎn)與參照坐標(biāo)系之間的最佳擬合映像(mapping)(典型地，平移和轉(zhuǎn)動)。更為復(fù)雜的失真校正映像的可能性將在下面參照圖21來描述。
一旦獲得最佳擬合映像，CT數(shù)據(jù)的任何和全部信息就會變得易于獲得，以便輸入到位置測量系統(tǒng)參照系中。最低限度地，通過在計(jì)算機(jī)24上運(yùn)行導(dǎo)向軟件，使得患處的位置、還可能是患處的形狀被結(jié)合為目標(biāo)信息。可選擇地，數(shù)據(jù)還能被用來輸入到目標(biāo)的預(yù)先計(jì)劃路線圖或者提供對應(yīng)于當(dāng)前位置傳感器位置的實(shí)時的CT和/或虛擬支氣管鏡檢查顯示，這將在下面作進(jìn)一步描述。
半自動的CT記錄盡管上述記錄技術(shù)的人工基準(zhǔn)點(diǎn)的指定非常有效，但是，取樣的點(diǎn)數(shù)的選擇必然表示精確與效率的折衷。為了避開這種折衷并加速所述過程，可選擇的半自動記錄技術(shù)允許在非常短的時期內(nèi)自動地收集大量的取樣點(diǎn)。下面將參照圖13-16來描述這種技術(shù)。
總的來說，這種技術(shù)基于自動地收集在導(dǎo)氣管的內(nèi)表面上的多個參照點(diǎn)，然后使幾何模型(通常為圓柱體)與這些點(diǎn)相擬合。于是，通過使這個幾何模型與基于CT數(shù)據(jù)的模型中的一個或一些相應(yīng)特征相關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)記錄。
多個參照點(diǎn)位置的收集能通過使位置傳感器44直接在表面區(qū)域上移動來實(shí)現(xiàn)。更為優(yōu)選地，本發(fā)明提供一種基于圖像處理的技術(shù)，其允許簡單地通過使與位置傳感器相關(guān)聯(lián)的一圖像傳感器沿著導(dǎo)氣管前進(jìn)來收集參照點(diǎn)位置。
現(xiàn)在參照圖13，圖中表示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)用于在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)的三維參照系之間完成記錄的優(yōu)選方法的步驟。這個方法始于沿著分枝組織的第一分枝部分移動導(dǎo)管的末端，并且從圖像傳感器獲得多個圖像(步驟120)。每個圖像與位置傳感器的對應(yīng)位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。
應(yīng)該注意到，圖像傳感器可以是傳統(tǒng)的支氣管鏡成像系統(tǒng)，或者是被嵌入本發(fā)明的導(dǎo)管30中的圖像傳感器，如圖7所示。在任一情況下，圖像傳感器的空間關(guān)系，包括任何側(cè)向偏移，必須在操作之前被確定。
然后，處理這些圖像，以便得出組織表面上參照點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)(步驟122)，接著，利用這個位置數(shù)據(jù)得出預(yù)先確定的幾何模型與第一分枝部分的最佳擬合(步驟124)。然后，對分枝組織的第二分枝部分重復(fù)步驟120、122和124(步驟126)?？蛇x地，所述幾何模型可以是兩個分枝部分的一組合模型，在這種情況下，首先重復(fù)步驟120和122，接著對累積的數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟124一次。然后，使幾何模型與CT數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，從而得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)的三維參照系之間的最佳擬合記錄(步驟128)。在這個簡單的例子中，兩個不平行的分枝部分中的每一部分被模型化為圓柱體，所得到的這兩個圓柱體足以在CT與位置傳感器坐標(biāo)系之間唯一地限定最佳擬合映像(平移和轉(zhuǎn)動)。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，步驟122被如下執(zhí)行。沿著每條分枝從不同位置拍攝到的這些圖像被相互關(guān)聯(lián)，以便確認(rèn)存在于多個圖像中的一些可見特征(步驟130)。這些特征可以是任何永久的或暫時的可見特征，包括一些細(xì)小的血管，表面形狀或顏色的局部變化、塵?；蛘咂渌恍┪⒘！τ谶@些特征中的每個特征，為顯示那個特征的每個圖像得出照相機(jī)至特征的方向(步驟132)。然后，利用這些照相機(jī)至特征的方向和對應(yīng)的位置傳感器數(shù)據(jù)來為每個可見特征確定特征位置(步驟134)。
這個過程在圖14A-16中被圖示地表示出來。圖14A和14B示意地表示出了從兩個不同位置拍攝到的照相視圖，在這兩個視圖中都能看到一特征136。圖15A和15B表示出了導(dǎo)管末端34(帶有圖像傳感器62和位置傳感器44)的相應(yīng)位置，這些視圖就是從這些位置中拍攝到的。應(yīng)該注意到，在照相視圖中的特征位置對應(yīng)于從照相機(jī)至特征的唯一方向。因此，通過預(yù)先確定照相機(jī)的光學(xué)特性(或者通過設(shè)計(jì)，或者通過校準(zhǔn)過程例如通過使用帶有光源的半球形圓頂)，圖像中的特征位置就能夠被轉(zhuǎn)換為方向矢量。在圖15A和15B中，這被示意地表示為偏離軸線的角度(θ1，θ2)。實(shí)際的數(shù)據(jù)還包括第二角度(圍繞軸線的轉(zhuǎn)動角度)，兩個角度一起限定唯一的照相機(jī)至特征的方向。通過把這個信息與來自兩個位置的6DOF位置傳感器數(shù)據(jù)(和任何偏移調(diào)節(jié))相結(jié)合，就能夠容易地通過簡單的三角測量來獲得三維空間中的特征位置，如圖16所示。如果可以從多于兩個位置獲得數(shù)據(jù)，那么就能進(jìn)一步提高精確度。
雖然這里只圖式地例證了單個孤立的特征，但是，通?？梢詮囊欢螌?dǎo)氣管中獲得數(shù)十個，或者甚至數(shù)百個這樣的特征位置。這樣就提高了相關(guān)過程中的精確度。
和前面一樣，一旦獲得最佳擬合映像，CT數(shù)據(jù)的任一和全部信息就會變得易于獲得，以便輸入到位置測量系統(tǒng)參照系中。最低限度地，通過在計(jì)算機(jī)24上運(yùn)行導(dǎo)向軟件，患處的位置、也可能是患處的形狀被結(jié)合為目標(biāo)信息?？蛇x擇地，數(shù)據(jù)還能被用來輸入至目標(biāo)的預(yù)先計(jì)劃路線圖或者提供對應(yīng)于當(dāng)前位置傳感器位置的實(shí)時CT和/或虛擬支氣管鏡檢查顯示，這將在下面作進(jìn)一步描述。
引導(dǎo)技術(shù)末端至目標(biāo)的顯示一旦在參照坐標(biāo)系中確定目標(biāo)位置，通過上述這些技術(shù)中的一種技術(shù)或者以其它方式，本發(fā)明的裝置有助于引導(dǎo)至目標(biāo)。肺外圍的細(xì)小空氣路徑通常不能夠被當(dāng)前采用的實(shí)時成像裝置檢測到。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，所述的系統(tǒng)提供了末端至目標(biāo)的顯示和各種其它引導(dǎo)輔助手段，從而有助于朝向傳統(tǒng)支氣管鏡的成像系統(tǒng)所不能到達(dá)的目標(biāo)的引導(dǎo)。
因此，根據(jù)本發(fā)明用于操縱導(dǎo)管穿過分枝組織至目標(biāo)位置的優(yōu)選方法，當(dāng)導(dǎo)管在分枝組織內(nèi)移動時，由導(dǎo)管末端的指向方向與從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的幾何關(guān)系所確定的至少一個參數(shù)的表示被顯示出來。優(yōu)選地，所述的至少一個參數(shù)包括一個或多個下列參數(shù)在導(dǎo)管末端的指向方向與從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的角偏離；使導(dǎo)管的指向方向變得與目標(biāo)位置一致所需的偏離方向；和從導(dǎo)管末端至目標(biāo)的距離。應(yīng)當(dāng)注意到，上面所提到的每個參數(shù)本身是一有用的引導(dǎo)輔助手段。即使角偏離在沒有任何方向顯示的情況下僅以一數(shù)字角度出現(xiàn)，所述的角偏離也能夠通過試驗(yàn)和誤差被用來找到操縱方向，從而減小了偏離。類似地，所述的偏離方向甚至在沒有角偏離的直接表示的情況下也能夠被用作操縱輔助手段。到目標(biāo)的距離也是增加與目標(biāo)接近程度的一重要的指標(biāo)。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，角偏離和偏離方向都被顯示出來，通常還顯示出到目標(biāo)的距離。
圖17A和17B中表示出了一個尤其優(yōu)選的顯示格式，它表示出了在沿著導(dǎo)管末端的指向方向獲得的視圖表示范圍中的至少一個參數(shù)。這種表示不需要任何的成像系統(tǒng)，它從導(dǎo)管末端、病人身體和目標(biāo)位置的6DOF位置信息以數(shù)字方式產(chǎn)生。
所述的顯示具有三個區(qū)域。第一區(qū)域是類似于支氣管鏡成像系統(tǒng)的向前直視方向的環(huán)狀顯示，而圖示地顯示出關(guān)于至目標(biāo)方向的信息。在圖17A的例子中，目標(biāo)位于由圓限定的前向區(qū)域的外面。在這個例子中，箭頭140表示出了到朝向目標(biāo)的點(diǎn)所需的偏離方向。通過在顯示屏幕頂部的導(dǎo)管的“向上”操縱方向得出顯示的方向，從而執(zhí)行者能夠使顯示屏幕與操縱機(jī)構(gòu)控制器相關(guān)聯(lián)。顯示屏幕的右下區(qū)域表示出了一象形圖142，該象形圖142圖示地表示出了所述“向上”操縱方向與病人身體的關(guān)系。因此，在圖17A的例子中，導(dǎo)管末端正在向下指向病人的左后側(cè)，而所述“向上”方向則轉(zhuǎn)向他的胸部。第三區(qū)域是字母數(shù)字顯示，該字母數(shù)字顯示提供了諸如到目標(biāo)的角偏離144和到目標(biāo)的距離146的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
圖17B表示在導(dǎo)管進(jìn)一步前進(jìn)之后的顯示屏幕。在這個例子中，角偏離已足夠小，從而由符號148所表示的目標(biāo)出現(xiàn)在環(huán)狀顯示內(nèi)。在這個例子中，象形圖142表示出了“向上”操縱方向?qū)嶋H上正朝著病人的背部，也就是，相對于躺在手術(shù)臺上的病人是向下的。
優(yōu)選地，圖17A和17B的指向方向的顯示由各種附加的顯示來補(bǔ)充，這些附加顯示在使用期間便于執(zhí)行者進(jìn)行理解分析，并且向執(zhí)行者提供各種附加的信息或功能性。作為例子，圖18A-18C分別顯示了在前后向、AP和軸向投影中的導(dǎo)管末端150和目標(biāo)148的計(jì)算機(jī)圖形表示。(在這些圖中出現(xiàn)的附加路線將在下面描述。)圖19表示出了另一個例子，在這個例子中，圖17A中末端至目標(biāo)的顯示與動態(tài)的基于CT的顯示相結(jié)合，這些基于CT的顯示對應(yīng)于軸向、前后向以及穿過當(dāng)前導(dǎo)管末端位置的AP平面。另一優(yōu)選的選擇(圖中未示)是用相當(dāng)于導(dǎo)管末端的當(dāng)前位置和指向方向的虛擬支氣管鏡檢查圖像來代替或補(bǔ)充所述的“切片”CT顯示，從而提供小度量成像導(dǎo)管的模擬功能性。在這個例子中，導(dǎo)管30以如圖7中所示的圖像傳感器62來執(zhí)行，優(yōu)選地，由所述傳感器提供真實(shí)的圖像。
路徑策劃可選擇地，CT或虛擬的支氣管鏡檢查信息能夠被用來預(yù)先選擇一到目標(biāo)的計(jì)劃路徑。具體地說，例如通過計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)可以在CT切片上選擇一系列位置。每個位置實(shí)際上是3D空間中的一坐標(biāo)(兩個坐標(biāo)在圖像內(nèi)，第三坐標(biāo)來自切片自身的位置)。通過連接這些位置，就可以在3D空間中畫出一條路徑。如果從一目標(biāo)位置到支氣管(支氣管樹的入口)向后追溯的支氣管樹內(nèi)部的互連空氣路徑的相鄰部分獲得每個位置，那么，所得到的路徑就相當(dāng)于到目標(biāo)的計(jì)劃路徑的“路線圖”。然后，在操作期間，這個路徑或者是基于所述路徑的操縱數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)一起被顯示出來。
這種類型的路徑策劃的可行性取決于目標(biāo)的位置和可獲得的CT數(shù)據(jù)的分辨率。在某些情況下，CT數(shù)據(jù)中相鄰切片之間的距離使得相鄰切片之間非常細(xì)小的導(dǎo)氣管的路線不能夠被可靠地確定。如果可以的話，這個問題通常通過采用更薄的切片厚度來解決。
歷史記錄正是由于支氣管樹的錯綜復(fù)雜的本性，朝向目標(biāo)位置局部延伸的一分枝實(shí)際上并不通向目標(biāo)。結(jié)果，執(zhí)行者可能經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)看上去他好像已經(jīng)轉(zhuǎn)向到一分枝中，但實(shí)際卻引離了目標(biāo)。在這種情況下，提供引導(dǎo)輔助手段是有利的，以便避免重復(fù)錯誤，且有助于確認(rèn)正確路徑。為此，優(yōu)選地，本發(fā)明的系統(tǒng)和相應(yīng)的方法提供了“記錄”功能，從而允許選擇性地顯示導(dǎo)管末端經(jīng)過的歷史路徑。
具體地說，參照圖18A-18C，在這三個視圖中表示出了由實(shí)線152表示的路徑。路徑152表示執(zhí)行者試圖到達(dá)目標(biāo)148而先前追隨的路徑。雖然開始該路徑似乎是到達(dá)目標(biāo)的正確方向，但是，執(zhí)行者發(fā)現(xiàn)該路徑通向預(yù)期目標(biāo)后面的一個位置。在那個點(diǎn)上，執(zhí)行者啟動記錄模式并撤回導(dǎo)管，從而生成表示已經(jīng)經(jīng)過的路徑的路線152。然后，執(zhí)行者開始再次慢慢地使導(dǎo)管前進(jìn)，摸索著尋找(通過操縱機(jī)構(gòu))向上的分枝，直到他找到從路徑152向上分叉的以虛線154表示的正確路徑。
周期運(yùn)動校正雖然用位置傳感器44對導(dǎo)管位置進(jìn)行實(shí)時測量，但是沒有對目標(biāo)位置進(jìn)行測量。目標(biāo)通常被認(rèn)為相對于由傳感器20(圖1)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的病人身體位置來說是固定的。然而，引導(dǎo)準(zhǔn)確度可能由于由呼吸引起的周期胸部運(yùn)動而降低。優(yōu)選地，采取一些預(yù)防措施來減少這種周期運(yùn)動的影響。這可以通過許多技術(shù)中的一個來進(jìn)行，如下所述。
根據(jù)第一優(yōu)選的選擇，選擇性地示例位置傳感器測量法，即，僅在周期運(yùn)動的極端進(jìn)行測量。在呼吸周期期間，所述的極端能夠輕易地通過傳感器20的周期移位來確認(rèn)。優(yōu)選地，采用最大極限的呼氣狀態(tài)來測量，因?yàn)檫@種狀態(tài)通常保持穩(wěn)定，與最大極限的吸氣狀態(tài)相比，所述呼氣狀態(tài)占呼吸周期的比例更大。
可選地，測量能夠連續(xù)地進(jìn)行，并且通過附加的處理來消除或減少周期變化。這種處理可能包括把一低頻濾波器應(yīng)用于測量。可選地，可以計(jì)算出在周期運(yùn)動的時間周期上的平均測量值。
局部失真校正上面描述了用于利用測量系統(tǒng)的參照坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)CT數(shù)據(jù)記錄(平移和/或轉(zhuǎn)動)，從而使得CT數(shù)據(jù)可用來輸入目標(biāo)信息和提供實(shí)時CT或虛擬支氣管鏡檢查顯示的各種技術(shù)。然而，在許多情況中，平移和轉(zhuǎn)動映像不是十分令人滿意，特別是在遠(yuǎn)離用于執(zhí)行記錄的參照點(diǎn)的區(qū)域中。
兩個坐標(biāo)系之間不匹配的主要原因被認(rèn)為是身體姿勢變形，所述的變形是由兩個過程中所采用的不同身體姿勢引起的。具體地說，在CT掃描期間為了保持不變的位置，通常要求病人在掃描期間(要么一個期間，要么被分成許多期間)屏住呼吸。此外，要求病人將其手臂舉過頭頂，以便避免由手臂在掃描區(qū)域內(nèi)引起人為現(xiàn)象。相反地，支氣管鏡檢查過程在一持續(xù)期間并且通常在部分鎮(zhèn)靜的情況下實(shí)施，這樣就使得要求在整個操作期間屏住呼吸或者舉起手臂是不可行的。
圖20A-20D圖示地表示出了特別簡單但實(shí)用的能解決這個問題的方法。假設(shè)，通過要求病人暫時地吸氣并舉起雙臂，就可以精密地復(fù)制出執(zhí)行過CT掃描的身體姿勢和幾何圖形。圖20A中圖示地表示出了這種狀態(tài)。圖20B中圖示地表示出了病人“正常的”放松狀態(tài)。執(zhí)行者可以這樣執(zhí)行簡單的局部糾正，即在圖20A的狀態(tài)下對導(dǎo)管末端160的位置進(jìn)行測量，在圖20B的放松狀態(tài)下再次對它進(jìn)行測量，并且把差量(箭頭162)用作一校正矢量，于是，所有的CT數(shù)據(jù)被改變(圖20D)。這個過程能夠根據(jù)需要快速地和容易地被重復(fù)多次，每一次都有效地使得CT數(shù)據(jù)與導(dǎo)管末端當(dāng)前所處的區(qū)域重新一致。
圖21表示出了解決這個問題的另一種方法，其中，利用更綜合的失真變形來使CT數(shù)據(jù)映射當(dāng)前身體姿勢。用于得出所需變形的數(shù)據(jù)基本上可以從參照圖20A-20D所描述的重復(fù)測量中獲得。可選地，在足夠的數(shù)據(jù)可以從最初記錄程序中獲得的情況下(通過上述這些記錄技術(shù)的其中之一，或者從其他來源)，從一開始整個記錄調(diào)節(jié)能夠作為失真變形來執(zhí)行，從而補(bǔ)償了與身體姿勢相關(guān)的失真。
工具的使用如較早提及的那樣，一旦導(dǎo)管30已經(jīng)成功地被引導(dǎo)至目標(biāo)位置，優(yōu)選地，撤出導(dǎo)向元件32，從而把護(hù)套40留在原位當(dāng)作一導(dǎo)向通道，以便把一器械引向目標(biāo)位置。為了確保護(hù)套的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確地把器械引導(dǎo)向目標(biāo)，本發(fā)明提供了優(yōu)選的使用方法，如圖22所示。
具體地說，圖22表示出了引導(dǎo)一醫(yī)療器械穿過分枝組織至目標(biāo)位置的優(yōu)選方法，在這個方法中，首先，把導(dǎo)向元件鎖定在護(hù)套內(nèi)，從而防止導(dǎo)向元件相對于護(hù)套移動(步驟170)。然后，通過手柄(舉例來說，支氣管鏡的一部分)的工作通道來插入護(hù)套和導(dǎo)向元件并且把所述的護(hù)套和導(dǎo)向元件引導(dǎo)至目標(biāo)位置(步驟172)，例如通過上面所描述的那些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。接著，把護(hù)套鎖定在工作通道內(nèi)，從而防止護(hù)套相對于手柄運(yùn)動(步驟174)。然后，從護(hù)套中解鎖并撤出導(dǎo)向元件(步驟176)。這樣就把護(hù)套的腔留在原位當(dāng)作把器械插向目標(biāo)位置的導(dǎo)向件(步驟178) 。
護(hù)套40可以用作導(dǎo)向件，以便可插入基本上任何醫(yī)療器械。例如包括，但不限于此，活組織檢查器械諸如不同種類的鉗子和吸引針(aspiration needle)，和在支氣管操作過程中所使用的用來切除惡性組織的各種各樣的器械。附帶說明，應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語“器械”在這里被用來指細(xì)長結(jié)構(gòu)的整體，它的一部分沿著護(hù)套被插入，而不僅僅是活動的(active)末端部分。經(jīng)由支氣管鏡的工作通道所使用的大部分標(biāo)準(zhǔn)器械具有大約達(dá)1.8毫米的外部直徑，從而允許這些器械容易地裝配通過護(hù)套40的腔。
選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)被用作附加的防護(hù)裝置，以便在撤出導(dǎo)向元件和插入器械期間確保護(hù)套不離開目標(biāo)，優(yōu)選地，該選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)與所述護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。沿著護(hù)套的固定機(jī)構(gòu)的位置通常不是至關(guān)重要的。在目標(biāo)位置位于傳統(tǒng)支氣管鏡不能夠到達(dá)的小直徑導(dǎo)氣管中的情況下，護(hù)套從目標(biāo)的側(cè)向移動通常不是問題。因此，提供防止縱向移動的固定機(jī)構(gòu)就足夠了，該固定機(jī)構(gòu)可以被設(shè)置在支氣管中或者被設(shè)置在鼻子中。結(jié)構(gòu)上優(yōu)選地，固定機(jī)構(gòu)采用一可膨脹元件來實(shí)施。或者，也可以采用機(jī)械配置固定元件。在任一情況下，用于這個目的的固定機(jī)構(gòu)在本領(lǐng)域中是已知的。
作為另一個可選擇的預(yù)防措施，優(yōu)選地，護(hù)套40設(shè)置有射線不透標(biāo)記，從而有助于通過熒光鏡成像來證實(shí)該護(hù)套沒有移動。根據(jù)第一優(yōu)選的方案，所述標(biāo)記通過對護(hù)套的遠(yuǎn)端部分進(jìn)行處理來實(shí)施，從而致使該遠(yuǎn)端部分大體上是射線不透的?；蛘撸辽僖粋€射線不透標(biāo)記可連接在護(hù)套的遠(yuǎn)端處或者被連接在該遠(yuǎn)端附近。
如同已經(jīng)提到過的那樣，本發(fā)明基本上能用于任何標(biāo)準(zhǔn)器械。為了確保正確地器械沿著護(hù)套40插入的程度，優(yōu)選首先要校準(zhǔn)該器械的長度。優(yōu)選是通過這樣來執(zhí)行，即，使用之前將器械插入校準(zhǔn)管中，該校準(zhǔn)管的長度相當(dāng)于護(hù)套40腔的長度，并且在所述器械上標(biāo)明插入程度。標(biāo)記能夠簡單地通過把一寫有“插至此處”(“INSERT THIS FAR”)的標(biāo)簽粘貼到所述器械的細(xì)長主體上來實(shí)現(xiàn)?；蛘?，一夾子或類似的東西能夠被用來物理地阻止過多地插入器械。
基本上，在操作之前能夠使用護(hù)套自身來執(zhí)行器械的校準(zhǔn)。然而，通常認(rèn)為更可取的是，在操作過程中要避免所使用元件的不必要的磨損?；蛘?，如圖23所示，導(dǎo)向元件和護(hù)套更可取地被儲存在螺旋儲存管180中，該螺旋儲存管180兼用作校準(zhǔn)管，以便校準(zhǔn)器械182的長度。于是，執(zhí)行者從存儲管180中撤出導(dǎo)向元件和護(hù)套并且插入器械182直到該器械的端部觸及存儲管180的端部。接著，執(zhí)行者如前所述的用一標(biāo)簽或夾子184來標(biāo)記器械182。這樣就使得器械182作好了使用的準(zhǔn)備。
可收縮成像的微型內(nèi)窺鏡如同上面參照圖7所例舉的那樣，本發(fā)明的某些實(shí)施例提供了由護(hù)套40和導(dǎo)向元件32所組成的導(dǎo)管30，所述護(hù)套40具有從近端插口延伸到遠(yuǎn)端開口的腔，所述導(dǎo)向元件32被構(gòu)造成通過護(hù)套40插入，其中，導(dǎo)向元件包括成像系統(tǒng)62的至少一部分，導(dǎo)管包括用于使護(hù)套40和導(dǎo)向元件32共同偏斜的至少一個操縱機(jī)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意到，這個結(jié)構(gòu)無論其具不具有位置傳感器，它都是具有強(qiáng)大功能性的非常有效的獨(dú)一無二的裝置。
具體地說，利用具有可撤回成像系統(tǒng)的護(hù)套來使小度量單腔導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)與內(nèi)窺鏡的成像、可操縱引導(dǎo)能力和器械接入能力相結(jié)合。優(yōu)選地，所述的裝置包括諸如上面所描述的傳感器62的光學(xué)成像傳感器，或者包括諸如光纖束的光學(xué)成像系統(tǒng)的一部分。
這種獨(dú)一無二的裝置的各種變型都落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。首先，應(yīng)當(dāng)注意到，操縱機(jī)構(gòu)可以是一種傳統(tǒng)的單向操縱機(jī)構(gòu)，并且這種操縱機(jī)構(gòu)可以被包含在護(hù)套內(nèi)，而不是被包含在導(dǎo)向元件內(nèi)。更為優(yōu)選地，采用諸如圖3-5C中的多向操縱機(jī)構(gòu)。在這里和上面所描述的實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意到，操縱機(jī)構(gòu)可以被設(shè)置在護(hù)套內(nèi)，而不是被設(shè)置在可撤回的導(dǎo)向元件內(nèi)。這樣就提供了一些優(yōu)越性，尤其是在通過保持導(dǎo)管末端的偏斜而到達(dá)目標(biāo)位置的情況下，在撤回導(dǎo)向元件和插入器械期間可以保持這種偏斜。一類似的結(jié)果可以通過這樣來獲得，即，通過采用作為可撤回導(dǎo)向元件的操縱機(jī)構(gòu)的附加件的第二操縱機(jī)構(gòu)或其他機(jī)械結(jié)構(gòu)來使套管末端的彎曲狀態(tài)“凍結(jié)”。然而，這樣所付出的代價是增加了套管的厚度以及增大了成本。
這種裝置可以有利地與上面所描述的位置測量系統(tǒng)相結(jié)合，從而無需支氣管鏡就可以完全實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的功能。在這里，也可以獲得上面關(guān)于圖像傳感器和照明布置的所有可選方案。
如同前述所采用的護(hù)套40一樣，該護(hù)套優(yōu)選設(shè)置有諸如上面所描述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)。也可以有利地利用射線不透的遠(yuǎn)端標(biāo)記。
最后，這種裝置的另一個實(shí)施例包括一可撤回的放射性傳感器，利用導(dǎo)向元件可以把該放射線傳感器從護(hù)套中撤出。在這里，把放射線傳感器與單一腔室裝置中的器械導(dǎo)向元件的功能結(jié)合起來形成這種獨(dú)一無二的裝置，這也是其價值之一。
應(yīng)當(dāng)知道，上面所作的描述只是作為一些例子而已，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)還可以有許多種其它的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于操縱導(dǎo)管通過分枝組織到達(dá)目標(biāo)位置的方法，該方法包括(a)提供柔性的、可操縱的導(dǎo)管，在該導(dǎo)管的遠(yuǎn)端附近具有位置傳感器元件，該位置傳感器元件是位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用于測量導(dǎo)管末端相對于三維參照系的位置和指向方向；(b)相對于三維參照系指定目標(biāo)位置；(c)使導(dǎo)管前進(jìn)到分枝組織內(nèi)；和(d)顯示出由導(dǎo)管末端的指向方向與從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的幾何關(guān)系所確定的至少一個參數(shù)的表示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的至少一個參數(shù)包括在導(dǎo)管末端的指向方向與從導(dǎo)管末端朝向目標(biāo)位置的方向之間的角偏離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的至少一個參數(shù)包括使導(dǎo)管的指向方向變得與目標(biāo)位置一致而所需的偏離方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在沿著導(dǎo)管末端的指向方向所獲得的視圖表示中來顯示所述至少一個參數(shù)的表示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的位置傳感器元件是六自由度的位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用于在三個平移的和三個轉(zhuǎn)動的自由度上測量導(dǎo)管末端的位置和姿態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，還包括為所述導(dǎo)管提供多向操縱機(jī)構(gòu)，該多向操縱機(jī)構(gòu)用于選擇性地使導(dǎo)管的遠(yuǎn)端部分在至少三個不同的方向中的任何一個方向上進(jìn)行偏斜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，還包括(a)利用位置傳感器元件來監(jiān)測導(dǎo)管末端經(jīng)過的路徑；(b)一起顯示出所述移經(jīng)路徑的表示與末端的當(dāng)前位置，所述的表示是從不平行于末端的指向方向的至少一個方向看所投射的表示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的指定目標(biāo)位置是這樣來執(zhí)行的(i)利用從分枝組織所產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)來指定目標(biāo)位置；(ii)利用三維參照系來記錄計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述的記錄是這樣來執(zhí)行的(i)提供具有照相機(jī)的可操縱導(dǎo)管；(ii)形成所述分枝組織內(nèi)至少三個不同特征中的每個特征的照相視圖；(iii)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)形成所述至少三個不同特征中的每個特征的模擬圖，每個照相視圖和相對應(yīng)的其中一個模擬圖構(gòu)成一對相似視圖；(iv)允許操作者在每個照相視圖內(nèi)指定參照點(diǎn)以及在每個對應(yīng)的模擬圖內(nèi)指定對應(yīng)的參照點(diǎn)；(v)從這些指定的參照點(diǎn)中得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與三維參照系之間的最佳擬合記錄。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，還包括(a)利用計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)來指定穿過分枝組織的計(jì)劃路線；和(b)一起顯示計(jì)劃路線的表示和末端的當(dāng)前位置，所述的表示為從不平行于末端指向方向的至少一個方向看所投射的表示。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，還包括(a)監(jiān)測所述位置傳感器元件的當(dāng)前位置；(b)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)產(chǎn)生虛擬的內(nèi)窺鏡圖像，該虛擬圖像對應(yīng)于由照相機(jī)所觀察到的圖像，所述照相機(jī)以預(yù)定的空間關(guān)系被設(shè)置，并且與位置傳感器元件對齊；和(c)顯示虛擬的內(nèi)窺鏡圖像。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的分枝組織是一肺組織。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于，還包括對導(dǎo)管末端的指向方向和位置的測量值進(jìn)行處理，以便減小由周期運(yùn)動所產(chǎn)生的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，所述的處理包括在周期運(yùn)動的末端選擇性地進(jìn)行測量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，所述的處理包括將低頻濾波器應(yīng)用于所述測量。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，所述的處理包括計(jì)算在周期運(yùn)動的時間周期上的測量平均值。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的可操縱導(dǎo)管還包括護(hù)套，該護(hù)套具有腔，該腔從近端插口延伸到遠(yuǎn)端開口；和導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件用來通過所述護(hù)套的所述近端開口插向沿著所述腔延伸到所述遠(yuǎn)端開口的插入位置，所述的導(dǎo)向元件包括成像系統(tǒng)的至少一部分，其中的成像系統(tǒng)用于對超出所述遠(yuǎn)端開口的區(qū)域拍攝光學(xué)圖像，這種方法還包括(a)把所述可操縱導(dǎo)管導(dǎo)向這么一個位置，使得所述末端鄰近于目標(biāo)位置；和(b)從所述腔中撤出所述導(dǎo)向元件，使得所述腔可用來插入醫(yī)療器械。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，還包括通過如下步驟準(zhǔn)備將醫(yī)療器械插入到所述腔中(a)把醫(yī)療器械插入一校準(zhǔn)管中，該校準(zhǔn)管的長度相當(dāng)于所述腔的長度；和(b)在所述器械上標(biāo)明插入程度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，所述的校準(zhǔn)管是螺旋儲存管，其用來在使用之前存儲所述導(dǎo)向元件，所述的導(dǎo)向元件在插入所述器械之前從所述儲存管中撤出。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的可操縱導(dǎo)管還包括手柄，該手柄具有工作通道；護(hù)套，該護(hù)套被設(shè)置在所述工作通道內(nèi)且具有內(nèi)腔；和導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件具有被設(shè)置在腔內(nèi)的位置傳感器元件，這種方法還包括(a)把導(dǎo)向元件鎖定在護(hù)套內(nèi)，從而防止導(dǎo)向元件相對于護(hù)套的運(yùn)動；(b)把護(hù)套和導(dǎo)向元件引導(dǎo)至目標(biāo)位置；(c)把護(hù)套鎖定在工作通道內(nèi)，從而防止護(hù)套相對于手柄運(yùn)動；和(d)從護(hù)套中解鎖并撤出導(dǎo)向元件，從而使護(hù)套的腔留在原位當(dāng)作把器械插入到目標(biāo)位置的導(dǎo)向件。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，還包括提供選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)，該可致動的固定機(jī)構(gòu)與所述護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述的導(dǎo)向元件還包括圖像傳感器，該圖像傳感器被用來沿所述導(dǎo)管的指向方向生成圖像，所述圖像傳感器從作為所述導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述的位置傳感器的至少一部分由半透明的材料形成，這種方法還包括通過引導(dǎo)穿過所述半透明材料的至少一個區(qū)域的照明來照亮所述圖像傳感器的至少一部分觀察域。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，還包括通過利用作為光波導(dǎo)管的所述護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分來照亮所述圖像傳感器的至少一部分觀察域。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，從安裝在所述導(dǎo)向元件內(nèi)的至少一個光源處向所述光波導(dǎo)管提供照明。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，從與所述手柄相關(guān)聯(lián)的至少一個光源處向所述光波導(dǎo)管提供照明。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述的導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為所述導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中撤出。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的可操縱導(dǎo)管為柔性內(nèi)窺鏡。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的可操縱導(dǎo)管為柔性支氣管鏡。
32.一種用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與位置測量系統(tǒng)的三維參照系之間的記錄的方法，該方法包括(a)提供導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有(i)位置傳感器元件，該位置傳感器元件作為位置測量系統(tǒng)的一部分來操作，從而允許相對于三維參照系來測量導(dǎo)管末端的位置和指向方向，和(ii)圖像傳感器；(b)從計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)形成分枝組織內(nèi)至少三個不同特征的模擬圖；(c)形成至少三個不同特征的照相視圖，每個照相視圖和相對應(yīng)的其中一個模擬圖構(gòu)成一對相似視圖；(d)允許操作者在每個照相視圖內(nèi)指定參照點(diǎn)以及在每個對應(yīng)的模擬圖內(nèi)指定對應(yīng)的參照點(diǎn)；(e)從這些指定的參照點(diǎn)得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相圖像與三維參照系之間的最佳擬合記錄。
33.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，操作者在每個照相視圖內(nèi)指定參照點(diǎn)是這樣來執(zhí)行的，即操作者使位置傳感器元件接近于該參照點(diǎn)。
34.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，由操作者在每個模擬圖內(nèi)指定參照點(diǎn)是這樣來執(zhí)行的(a)操作者在每個模擬圖內(nèi)選定模擬圖像參照點(diǎn)；(b)從該模擬圖像參照點(diǎn)計(jì)算出模擬觀察點(diǎn)至參照點(diǎn)的矢量；和(c)計(jì)算出由計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)得出的人體的部分?jǐn)?shù)字模型中的組織表面與所述模擬觀察點(diǎn)至參照點(diǎn)的矢量之間的交點(diǎn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，還包括(a)確定在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)內(nèi)的至少一個位置；(b)計(jì)算在三維參照系內(nèi)的所述的至少一個位置的位置；和(c)一起顯示所述的至少一個位置的表示和位置傳感器元件的位置表示。
36.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其特征在于，所述的至少一個位置包括目標(biāo)位置，醫(yī)療器械將被引導(dǎo)至該目標(biāo)位置。
37.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其特征在于，所述的至少一個位置是限定計(jì)劃路徑的一系列位置，醫(yī)療器械沿著該計(jì)劃路徑被引導(dǎo)。
38.一種用于在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)和位置測量系統(tǒng)的三維參照系之間完成記錄的方法，該方法包括(a)提供導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有(i)位置傳感器元件，該位置傳感器元件作為位置測量系統(tǒng)的一部分來操作，從而允許相對于三維參照系來測量導(dǎo)管末端的位置和指向方向，(ii)圖像傳感器；(b)沿著分枝組織的第一分枝部分移動導(dǎo)管的末端，并且通過照相機(jī)獲得多個圖像，每個圖像與所述三維參照系中的位置傳感器的對應(yīng)位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)；(c)處理所述的這些圖像和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，從而得出預(yù)先確定的幾何模型與所述三維參照系中的所述第一分枝部分的最佳擬合；(d)對分枝組織的第二分枝部分重復(fù)步驟(b)和(c)；和(e)使所述第一和第二分枝部分的幾何模型與計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，從而得出計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)與三維參照系之間的最佳擬合記錄。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，對所述的圖像和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行所述的處理包括(a)確認(rèn)一些可見特征，每個可見特征都存在于在不同位置拍攝到的多個圖像中；(b)對于每個所述的可見特征，在多個所述圖像的每一個圖像中得出照相機(jī)至特征的方向；(c)利用所述照相機(jī)至特征的方向和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)來為每個可見特征確定特征位置；(d)得出預(yù)先確定的幾何模型與這些特征位置的最佳擬合。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，所述的預(yù)先確定的幾何模型是圓柱體。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其特征在于，還包括(a)確定出在計(jì)算機(jī)X線斷層照相數(shù)據(jù)內(nèi)的至少一個位置；(b)計(jì)算出在三維參照系內(nèi)的至少一個位置的位置；和(c)一起顯示出所述至少一個位置的表示和位置傳感器元件的位置表示。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其特征在于，所述的至少一個位置包括目標(biāo)位置，醫(yī)療器械將被引導(dǎo)至該目標(biāo)位置。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其特征在于，所述的至少一個位置是限定計(jì)劃路徑的一系列位置，醫(yī)療器械沿著該計(jì)劃路徑被引導(dǎo)。
44.一種用來把醫(yī)療器械引導(dǎo)到目標(biāo)位置的內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括(a)護(hù)套，該護(hù)套具有腔，該腔從近端插口延伸到遠(yuǎn)端開口；(b)導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件設(shè)置為通過所述護(hù)套的近端開口插向沿著所述腔延伸到所述遠(yuǎn)端開口的插入位置，所述導(dǎo)向元件包括成像系統(tǒng)的至少一部分，該成像系統(tǒng)用于對超出所述遠(yuǎn)端開口的區(qū)域拍攝光學(xué)圖像；和(c)至少一個操縱機(jī)構(gòu)，該操縱機(jī)構(gòu)用來使所述護(hù)套和所述導(dǎo)向元件一起偏斜，其中，所述導(dǎo)向元件可以從所述腔中撤出，從而使得所述腔可用來插入醫(yī)療器械。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述的成像系統(tǒng)的至少一部分包括光學(xué)傳感器芯片，該光學(xué)傳感器芯片被設(shè)置在所述導(dǎo)向元件的遠(yuǎn)端。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述的導(dǎo)向元件包括位置傳感器元件，該位置傳感器元件是位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用于測量導(dǎo)向元件末端相對于三維參照系的位置和指向方向。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述位置傳感器元件的至少一部分由半透明的材料形成，所述的內(nèi)窺鏡還具有照明裝置，該照明裝置被用來引導(dǎo)穿過所述半透明材料的至少一個區(qū)域的照明來照亮超出所述遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域。
48.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，還包括選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)，該可致動的固定機(jī)構(gòu)與所述護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置元件。
51.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分大體上是射線不透的。
52.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，還包括至少一個射線不透標(biāo)記，該射線不透標(biāo)記與所述護(hù)套的遠(yuǎn)端相關(guān)聯(lián)。
53.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，至少所述護(hù)套的遠(yuǎn)端部分為光波導(dǎo)管。
54.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，還包括至少一個光源，該光源安裝在導(dǎo)向元件內(nèi)，用來照亮超出所述遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域。
55.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，還包括至少一個光導(dǎo)纖維，該光導(dǎo)纖維沿著導(dǎo)向元件的長度被設(shè)置，用來向超出所述遠(yuǎn)端開口的至少部分區(qū)域傳遞照明。
56.根據(jù)權(quán)利要求44的內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
57.一種將醫(yī)療器械通過一分枝組織引導(dǎo)至目標(biāo)位置的方法，該方法包括(a)提供導(dǎo)管組件，該導(dǎo)管組件包括手柄，該手柄具有工作通道；護(hù)套，該護(hù)套被設(shè)置在工作通道內(nèi)且具有內(nèi)腔；和導(dǎo)向元件，該導(dǎo)向元件被設(shè)置在所述腔內(nèi)；(b)將導(dǎo)向元件鎖定在護(hù)套內(nèi)，從而防止導(dǎo)向元件相對于護(hù)套運(yùn)動；(c)將護(hù)套和導(dǎo)向元件引導(dǎo)至目標(biāo)位置；(d)將護(hù)套鎖定在工作通道內(nèi)，從而防止護(hù)套相對于手柄運(yùn)動；和(e)從護(hù)套中解鎖并撤出導(dǎo)向元件，從而使護(hù)套的腔留在原位當(dāng)作把器械插向目標(biāo)位置的導(dǎo)向件。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，所述導(dǎo)向元件包括位置傳感器元件，該位置傳感器元件是位置測量系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)用來測量導(dǎo)向元件末端相對于三維參照系的位置和指向方向。
59.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，還包括設(shè)置選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)，該可致動的固定機(jī)構(gòu)與所述護(hù)套的一部分相關(guān)聯(lián)。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括可膨脹元件。
61.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其特征在于，所述的選擇性可致動的固定機(jī)構(gòu)包括機(jī)械配置元件。
62.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，對所述護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分進(jìn)行處理，從而使其大體上為射線不透的。
63.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，還包括設(shè)置至少一個射線不透標(biāo)記，該射線不透標(biāo)記與所述護(hù)套的遠(yuǎn)端相關(guān)聯(lián)。
64.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，所述導(dǎo)向元件還包括圖像傳感器，該圖像傳感器被用來沿導(dǎo)管的指向方向生成圖像，所述圖像傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
65.根據(jù)權(quán)利要求64的方法，其特征在于，還包括通過利用作為光波導(dǎo)管的所述護(hù)套的至少遠(yuǎn)端部分來照明所述圖像傳感器的觀察域。
66.根據(jù)權(quán)利要求65的方法，其特征在于，從安裝在導(dǎo)向元件內(nèi)的至少一個光源處向所述光波導(dǎo)管提供照明。
67.根據(jù)權(quán)利要求65的方法，其特征在于，從與手柄相關(guān)聯(lián)的至少一個光源處向所述光波導(dǎo)管提供照明。
68.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，所述導(dǎo)向元件還包括放射性傳感器，該放射性傳感器從作為導(dǎo)向元件的一部分的護(hù)套中被撤出。
69.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其特征在于，還包括通過以下步驟準(zhǔn)備將醫(yī)療器械插入所述腔中(a)把醫(yī)療器械插入到校準(zhǔn)管中，該校準(zhǔn)管的長度相當(dāng)于所述腔的長度；和(b)在所述器械上標(biāo)明插入程度。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其特征在于，所述的校準(zhǔn)管是螺旋儲存管，被用來儲存使用之前的所述導(dǎo)向元件，所述的導(dǎo)向元件在插入所述器械之前從所述儲存管中撤出。
71.一種操縱機(jī)構(gòu)，該操縱機(jī)構(gòu)用于選擇性地使可操縱導(dǎo)管的遠(yuǎn)端部分在至少兩個獨(dú)立方向中的任何一個方向上進(jìn)行偏斜，該操縱機(jī)構(gòu)包括(a)至少三個細(xì)長的張緊元件，這些細(xì)長的張緊元件沿著導(dǎo)管延伸并且被構(gòu)造成使得被施加到所述張力元件中的任何一個元件上的張力能夠促使導(dǎo)管的末端沿著對應(yīng)的預(yù)定方向進(jìn)行偏斜；(b)致動器，該致動器可以從第一位置移動到第二位置；(c)選擇器機(jī)構(gòu)，該選擇器機(jī)構(gòu)用于選擇性地使所述細(xì)長的張緊元件中至少一個被選擇的元件與所述致動器機(jī)械地相互連接，從而使得所述致動器從所述第一位置到所述第二位置的移動對所述細(xì)長的張緊元件中的所述至少一個被選擇的元件施加張力。
72.根據(jù)權(quán)利要求71的操縱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述選擇器機(jī)構(gòu)的第一種情形是使所述細(xì)長的張緊元件中的單獨(dú)一個元件與所述致動器機(jī)械地相互連接，以致于所述致動器的移動使得所述末端沿著所述預(yù)定方向中的一個方向進(jìn)行偏斜；所述選擇器機(jī)構(gòu)的第二種情形是使所述細(xì)長的張緊元件中的兩個元件與所述致動器機(jī)械地相互連接，以致于所述致動器的移動使得所述末端沿著所述預(yù)定方向的其中兩個方向之間的中間方向進(jìn)行偏斜。
73.根據(jù)權(quán)利要求71的操縱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的至少三個張力元件包括偶數(shù)個所述張力元件，成對的所述張力元件采用單個細(xì)長元件來實(shí)施，該單個細(xì)長元件從所述選擇器機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)管延伸至所述末端，然后沿著導(dǎo)管返回到所述選擇器機(jī)構(gòu)。
74.根據(jù)權(quán)利要求71的操縱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的至少三個張力元件采用四個張力元件來實(shí)施，這四個張力元件被設(shè)置成當(dāng)被單獨(dú)致動時，每個張力元件能促使所述末端沿著大體上以90°的倍數(shù)分隔開的四個預(yù)定方向中的一個不同的方向進(jìn)行偏斜。
75.根據(jù)權(quán)利要求74的操縱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述選擇器機(jī)構(gòu)的第一種情形是使所述細(xì)長的張緊元件中的單獨(dú)一個元件與所述致動器機(jī)械地相互連接，以致于所述致動器的移動使得所述末端沿著所述四個預(yù)定方向中的一個方向進(jìn)行偏斜；所述選擇器機(jī)構(gòu)的第二種情形是使所述細(xì)長的張緊元件中的兩個元件與所述致動器機(jī)械地相互連接，以致于所述致動器的移動使得所述末端沿著四個中間方向中的一個方向進(jìn)行偏斜，所述的四個中間方向中的每一個方向位于所述四個預(yù)定方向的其中兩個方向之間。
76.根據(jù)權(quán)利要求71的操縱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的致動器包括環(huán)圈，該環(huán)圈可相對于與導(dǎo)管相關(guān)聯(lián)的手柄進(jìn)行滑動，并且其中，所述的選擇器機(jī)構(gòu)包括滑動件，該滑動件與每個所述的張力元件相連接且可滑動地設(shè)置在所述手柄；和凸出于所述環(huán)圈的至少一個突起，于是，當(dāng)所述環(huán)圈被轉(zhuǎn)動時，所述的至少一個突起選擇性地與至少一個所述的滑動件接合，以致于所述環(huán)圈的移動促使所述的至少一個滑動件運(yùn)動。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用小度量可操縱導(dǎo)管(30)的系統(tǒng)和方法，其中可操縱導(dǎo)管(30)包括具有護(hù)套(40)的可定位導(dǎo)向件(32)，這種系統(tǒng)和方法具體用于提高支氣管鏡(14)的性能。一般過程如下監(jiān)測或輸入在一參照坐標(biāo)系中的目標(biāo)位置；導(dǎo)管(30)在跟蹤所述參照坐標(biāo)系中的導(dǎo)向件(32)的遠(yuǎn)端(34)的同時被引導(dǎo)向所述目標(biāo)；通常經(jīng)由傳統(tǒng)支氣管鏡的工作通道來插入所述導(dǎo)管；一旦所述導(dǎo)管的末端位于所述目標(biāo)位置，就撤出導(dǎo)向件(32)，從而使護(hù)套(40)留在適當(dāng)位置處；然后，護(hù)套(40)被用作導(dǎo)向通道，以便把醫(yī)療器械導(dǎo)向目標(biāo)。
文檔編號A61B1/267GK1658789SQ03813548
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者平哈斯·吉勒博阿 申請人:超級測量有限公司