(57)【要約】      （修正有）【課題】解剖学的構造の変形をモデリングする方法を提供する。【解決手段】解剖学的構造の変形をモデリングする方法３００は、基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信するステップ３０２を含む。方法はさらに、分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために基準三次元モデルに三次元変形場を適用するステップ３１６及び分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルの画像を動的に表示するステップを含む。【選択図】図３
2020032230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセッサを有する処理システムの作動方法であって、前記方法は：
前記プロセッサが、基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信するステップ、
前記プロセッサが、前記分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに三次元変形場を適用するステップ、
前記プロセッサが、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの画像を動的に表示するステップ、及び
前記プロセッサが、前記三次元変形場を生成するステップであって、前記プロセッサが、前記基準状態から前記変形状態への変形を記述する三次元場ベクトルのアレイを生成するステップによって、前記三次元変形場を生成するステップであって、前記三次元変形場は前記三次元場ベクトルのアレイを含む、ステップ、を含む、
方法。
【請求項２】
前記プロセッサが、前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップは、前記プロセッサが、前記基準三次元モデル上のポイントに対して前記三次元変形場を補間するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プロセッサが、前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップはさらに、前記プロセッサが、前記基準三次元モデル上の前記ポイントを、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデル上のポイントに変換するステップを含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、周期的な解剖学的構造の運動によって引き起こされる、又は少なくとも部分的に、前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具によって引き起こされる、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記プロセッサが、前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具の画像及び前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの前記画像を含む合成画像を表示するステップをさらに含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記変形三次元モデルは、変形三次元メッシュモデルを含む、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記プロセッサが、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップは、前記プロセッサが、変形した頂点のセットを作るステップを含み、前記変形三次元メッシュモデルは、前記変形した頂点のセットを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プロセッサが、前記基準状態から前記変形状態への変形を記述する前記三次元場ベクトルのアレイを生成するステップは、
前記プロセッサによって生成された、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記基準状態に関する基準スケルトンツリー；及び
前記プロセッサによって生成された、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態に関する変形スケルトンツリー；
に基づく、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
プロセッサ、及び
格納されたコンピュータ可読命令を有するメモリ、を備える、処理システムであって、
前記コンピュータ可読命令は、前記プロセッサによって実行されるとき、前記システムに：
基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信すること、
前記分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに三次元変形場を適用すること、
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの画像を動的に表示すること、並びに
前記基準状態から前記変形状態への変形を記述する三次元場ベクトルのアレイを生成することであって、前記三次元変形場は前記三次元場ベクトルのアレイを含む、アレイを生成すること、によって、前記システムに前記三次元変形場を生成すること、を生じさせる、
処理システム。
【請求項１０】
前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することは、前記基準三次元モデル上のポイントに対して前記三次元変形場を補間することを含む、
請求項９に記載の処理システム。
【請求項１１】
前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することはさらに、前記基準三次元モデル上の前記ポイントを、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデル上のポイントに変換することを含む、
請求項１０に記載の処理システム。
【請求項１２】
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、周期的な解剖学的構造の運動によって引き起こされる、又は少なくとも部分的に、前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具によって引き起こされる、
請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の処理システム。
【請求項１３】
前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具の画像及び前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの前記画像を含む合成画像を表示することをさらに含む、
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の処理システム。
【請求項１４】
前記変形三次元モデルは、変形三次元メッシュモデルを含み、
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することは、変形した頂点のセットを作ることを含み、前記変形三次元メッシュモデルは、前記変形した頂点のセットを含む、
請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の処理システム。
【請求項１５】
前記基準状態から前記変形状態への変形を記述する前記三次元場ベクトルのアレイを生成することは：
前記プロセッサによって生成された前記分岐した解剖学的構造の構成の前記基準状態に対する基準スケルトンツリー；及び
前記プロセッサによって生成された前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態に対する変形スケルトンツリー；
に基づく、
請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、低侵襲処置を行うために患者の解剖学的構造を通過させるためのシステム及び方法、より具体的には、表示用に解剖学的構造の通路モデルを動的に変形させるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲医療技術は、介入処置の間に傷つけられる無関係な組織の量を減らすことを目的とし、したがって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を減らす。そのような低侵襲技術は、患者の解剖学的構造の自然開口部(natural  orifices)を通じて又は１若しくは複数の外科的な切開部(incisions)を通じて行われる場合がある。これらの自然開口部又は切開部を通じて、臨床医は、標的組織位置に達するように介入器具（手術、診断、治療、又は生検器具を含む）を挿入してよい。標的組織位置に達するために、低侵襲介入器具は、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環系、又は類似物のような解剖学的構造のシステム(anatomical  system)内の自然な又は外科的に創り出された通路を進んでよい。遠隔操作介入システムは、介入器具を患者の解剖学的構造の中に挿入し且つ位置決めするために使用される場合がある。介入器具のナビゲーション中、解剖学的構造の通路は、例えば、解剖学的構造の運動（anatomical  motion）（例えば、心臓運動、呼吸運動）又は介入器具によって加えられる力に起因して変形する場合がある。実際の患者の解剖学的構造の通路を介入器具で移動している間にユーザへの表示のために解剖学的構造の通路モデルを動的に変更させるためのシステム及び方法が必要とされる。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の実施形態は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって要約される。
【０００４】
１つの実施形態では、解剖学的構造の変形をモデリングする方法が、基準状態（reference  state）における分岐した解剖学的構造の構成（branched  anatomical  formation）の基準三次元モデルを受信するステップを含む。方法はさらに、分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために基準三次元モデルに三次元変形場（three  dimensional  deformation  field）を適用するステップ及び分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルの画像を動的に表示するステップを含む。
【０００５】
他の実施形態では、処理システムが、プロセッサ及びそこに格納されたコンピュータ可読命令を有するメモリを備える。コンピュータ可読命令は、プロセッサによって実行されるとき、システムに、基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信させる。命令はまた、プロセッサによって実行されるとき、システムに、分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために基準三次元モデルに三次元変形場を適用させる。命令はまた、プロセッサによって実行されるとき、システムに、分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルの画像を動的に表示させる。
【０００６】
本開示の追加の態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示の態様は、添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。この業界での標準的な慣例に従って、様々な特徴は正確な縮尺で描かれていないことが強調される。実際、様々な特徴の寸法は、議論を明確にするために適宜拡大又は縮小されることがある。また、本開示は、様々な例において参照数字及び／又は文字を繰り返して使用し得る。この繰返しは、簡略化と明瞭化を目的として行われており、説明される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係をそれ自体で規定するものではない。
【図１】本開示の実施形態による、遠隔介入システムである。
【図２】本開示の態様を利用する介入器具システムを示す。
【図３】変形状態における解剖学的構造の通路のモデルの動的な表示を生成するための方法を示す。
【図４】基準状態における解剖学的構造の通路の三次元立体表現（three  dimensional  volumetric  representation）を示す。
【図５】図４の基準モデルに基づくスケルトンツリー（skeletal  tree）を示す。
【図６】図４の基準モデルに基づく形状モデル（geometric  model）を示す。
【図７】変形の第１の状態における解剖学的構造の通路の変形の測定を示す。
【図８】変形の第２の状態における解剖学的構造の通路の変形の測定を示す。
【図９】解剖学的構造の通路の複合変形（composite  deformation）に基づくスケルトンツリーを示す。
【図１０】解剖学的構造の通路の変形を記載する変形場を示す。
【図１１】複合変形を伴う解剖学的構造の通路の三次元形状モデルを示す。
【図１２】複合変形を伴ってレンダリングされた図４の解剖学的構造の通路の三次元立体表現を示す。
【図１３】介入器具を伴う図１２の解剖学的構造の通路の変形三次元立体表現を示す。
【図１４】グラフィック処理ユニットを使用するメッシュモデル変形の方法を示す。
【図１５】マッピング技法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の態様の以下の詳細な説明では、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が説明される。しかし、本開示の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、及び回路が、本発明の実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように詳細に説明されていない。また、説明の不要な繰り返しを避けるために、１つの例示的な実施形態について説明した１又は複数の構成要素又は動作は、他の例示的な実施形態について必要に応じて使用又は省略され得る。
【０００９】
以下の実施形態は、様々な器具及び器具の部分を、三次元空間におけるそれらの状態の観点から、説明する。本明細書で使用される場合、用語「位置」は、三次元空間（例えば、デカルトＸ，Ｙ，Ｚ座標に沿った並進３自由度）における対象物又は対象物の一部の位置を指す。本明細書で使用される場合、用語「向き」は、対象物又は対象物の一部の回転配置（回転の３自由度−例えば、ロール、ピッチ、及びヨー）を指す。本明細書で使用される場合、用語「姿勢」は、並進自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の位置、及び回転自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の向き（合計６つの自由度まで）を指す。本明細書で使用される場合、用語「形状」は、細長い対象物に沿って測定された姿勢、位置、又は向きのセットを指す。
【００１０】
図面の図１を参照すると、例えば、診断、治療、又は生検処置で用いる遠隔ロボット介入システムが、参照数字１００によって概して示されている。記載されるように、本開示の遠隔ロボット介入システムは概して、外科医の遠隔操作の制御下にある。しかし、幾つかの処置又は下位処置（sub-procedure）に対して、遠隔ロボット介入システムは、処置又は下位処置を実行するようにプログラムされたコンピュータの部分的な制御下にあってよい。図１に示されるように、遠隔ロボット介入システム１００は、概して、患者Ｐが位置する手術台Ｏに又は同手術台Ｏの近くに取り付けられたロボットアセンブリ１０２を含む。介入器具システム１０４が、ロボットアセンブリ１０２に動作可能に結合されている。オペレータ入力システム１０６は、外科医又は他の種類の臨床医Ｓが手術部位を見ること及び介入器具システム１０４の動作を制御することを可能にする。
【００１１】
オペレータ入力システム１０６は、通常、手術台Ｏと同じ部屋に位置するような外科医コンソールに配置され得る。しかし、外科医Ｓは、患者Ｐとは異なる部屋又は完全に異なる建物に位置し得ることが理解されるべきである。オペレータ入力システム１０６は、一般的に、介入器具システム１０４を制御するための１又は複数の制御装置を含む。制御装置（複数可）は、ハンドグリップ、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガーガン、手動操作制御装置、音声認識装置、タッチスクリーン、身体動き又は存在センサ等のような、多数の様々な入力装置を含んでもよい。幾つかの実施形態では、制御装置（複数可）は、テレプレゼンス、又は外科医が器具を直接的に制御する強い感覚を有するよう制御装置（複数可）が器具と一体化されるような知覚を外科医に提供するために、ロボットアセンブリの介入器具と同じ自由度を備える。他の実施形態では、制御装置（複数可）は、関連する介入器具より多い又は少ない自由度を有し得るとともに、依然としてテレプレゼンスを外科医に提供し得る。幾つかの実施形態では、制御装置（複数可）は、６自由度で動く手動入力装置であり、この手動入力装置は、（例えば、把持ジョーを閉じる、電位を電極に印加する、薬物療法を送達する等のための）器具を作動させるための作動可能ハンドルも含み得る。
【００１２】
ロボットアセンブリ１０２は、介入器具システム１０４を支持し、１又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、所定の位置に手動で位置決めされ且つロックされる１又は複数のリンク、一般的にセットアップ構造と呼ばれる）及びロボットマニピュレータの運動学的構造を有し得る。ロボットアセンブリ１０２は、介入器具１０４の入力部を駆動する複数のアクチュエータ（例えば、モータ）を含む。これらのモータは、制御システム（例えば、制御システム１１２）からのコマンドに応答して、能動的に動く。モータは、介入器具１０４に結合されるとき、自然に又は手術によって作られた解剖学的開口部に介入器具を前進させ得る及び／又は介入器具の遠位端部を多自由度で動かし得る駆動システムを含み、この多自由度は、３自由度の直線運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸に沿った直線運動）及び３自由度の回転運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸回りの回転）を含み得る。また、モータは、生検装置等のジョーの中に組織を把持するための器具の関節動作可能（articulable）なエンドエフェクタを駆動するために使用されることができる。
【００１３】
ロボット介入システム１００は、ロボットアセンブリの器具に関する情報を受信するための１又は複数のサブシステムを有するセンサシステム１０８も含む。このようなサブシステムは、位置センサシステム（例えば、電磁（ＥＭ）センサシステム）；カテーテル先端の及び／又は器具１０４の可撓性ボディに沿った１又は複数のセグメントの、位置、向き、速度、姿勢、及び／又は形状を判定するための形状センサシステム；並びに／又はカテーテルシステムの遠位端部から画像を取り込むための可視化システムを含み得る。
【００１４】
ロボット介入システム１００は、センサシステム１０８のサブシステムによって生成された手術部位及び介入器具１０４の画像を表示するための表示システム１１０も含む。ディスプレイ１１０及びオペレータ入力システム１０６は、オペレータが、作業空間を実質的に本当に存在しているかのように視認して、介入器具システム１０４及びオペレータ入力システム１０６を制御することができるように向き合せされ得る。本当に存在するとは、表示された組織画像が、オペレータに、オペレータが画像位置に物理的に存在しており且つ画像の視点から組織を直接的に視認しているかのように見えることを意味する。
【００１５】
代替的に又は追加的に、表示システム１１０は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のようなイメージング技術を使用して手術前又は手術中に記録された及び／又はモデル化された手術部位の画像を提示し得る。提示された手術前又は手術中の画像は、二次元、三次元、又は四次元（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）画像及びモデルを含み得る。
【００１６】
幾つかの実施形態では、表示システム１１０は、手術器具の先端の位置における内部手術部位の仮想画像を外科医に提供するために、（例えば、動的に参照される）介入器具の実際の位置が手術前又は同時の画像と共に記録される仮想の可視化画像を表示することができる。
【００１７】
他の実施形態では、表示システム１１０は、手術部位における介入器具の仮想画像を外科医に提示するために、介入器具の実際の位置が（手術前に記録された画像を含む）以前の画像又は同時画像と位置合わせされる仮想可視化画像を表示し得る。介入器具１０４の一部の画像が、介入器具を制御する外科医を支援するために、仮想画像に重畳され得る。
【００１８】
ロボット介入システム１００は、制御システム１１２も含む。制御システム１１２は、介入器具システム１０４、オペレータ入力システム１０６、センサシステム１０８、及び表示システム１１０の間で制御を行うための、少なくとも１つのメモリ及び少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム１１２は、本明細書で説明される方法の一部又は全てを実施するために、プログラムされた命令（例えば、命令を格納するコンピュータ可読媒体）も含む。制御システム１１２は、図１の簡略化した概略図に単一のブロックとして示されているが、システムは、オプションで、処理の一部がロボットアセンブリ１０２で又はこれに隣接して実行される、一部がオペレータ入力システム１０６等で実行される、多数のデータ処理回路を含み得る。多種多様な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャのいずれかが用いられ得る。同様に、プログラムされた命令は、多数の別々のプログラム又はサブルーチンとして実装され得る、又はそれらは、本明細書で説明されるロボットシステムの多数の他の態様に組み込まれ得る。１つの実施形態では、制御システム１１２は、ブルートゥース（登録商標）、ＩｒＤＡ、ホームＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ及び無線テレメトリのような無線通信プロトコルをサポートする。
【００１９】
幾つかの実施形態では、制御システム１１６は、介入器具システム１０４からオペレータ入力システム１０６の１又は複数の対応するサーボモータに力及びトルクフィードバックを提供するために、１又は複数のサーボコントローラを含み得る。サーボコントローラ（複数可）は、患者の身体の開口部を介して身体の中の内部手術部位の中に延びる介入器具１０４を動かすために、ロボットアセンブリ１０２に命令する信号を送信し得る。任意の適切な従来の又は特殊なサーボコントローラが使用され得る。サーボコントローラは、ロボットアセンブリ１０２から分離され得る、又はロボットアセンブリ１０２と一体化され得る。幾つかの実施形態では、サーボコントローラ及びロボットアセンブリは、患者の身体に隣接して位置決めされたロボットアームカートの一部として設けられる。
【００２０】
制御システム１１２はさらに、介入器具１０４にナビゲーション支援を提供するために、仮想可視化システムを含み得る。仮想可視化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的通路の三次元構造に関連付けられる取得されたデータセットに対する参照に基づくものである。より具体的には、仮想可視化システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のようなイメージング技術を使用して記録された及び／又はモデル化された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアが、記録した画像を、部分的な又は全体的な解剖学的臓器又は解剖学的領域の二次元又は三次元モデルに変換するために、使用される。モデルは、通路及びそれら接続部の様々な位置及び形状を示す。モデルを生成するために使用される画像は、臨床処置中に手術前又は手術中に記録され得る。代替実施形態では、仮想可視化システムは、標準的なモデル（すなわち、患者特有ではない）、又は標準モデル及び患者の特有データのハイブリッドを使用し得る。モデル及びこのモデルによって生成された仮想画像は、運動の１又は複数の段階の間に（例えば、肺の吸気／呼気サイクルの間に）変形可能な解剖学的領域の静的な姿勢を表し得る。
【００２１】
仮想ナビゲーション手順の間に、センサシステム１０８は、患者の解剖学的構造に対する器具のおおよその位置を計算するために使用され得る。位置は、患者の解剖学的構造のマクロレベル追跡画像及び患者の解剖学的構造の内部仮想画像の両方を生成するために使用されることができる。仮想可視化システムからのもののような手術前に記録された手術画像と一緒に介入実装を位置合わせし且つ表示するために光ファイバセンサを使用する様々なシステムが、知られている。例えば、その全体が本明細書に参照により援用される、２０１１年５月１３日に出願された、“Medical  System  Providing  Dynamic  Registration  of  a  Model  of  an  Anatomical  Structure  for  Image-Guided  Surgery”を開示する米国特許出願第１３／１０７，５６２号は、１つのこのようなシステムを開示している。
【００２２】
ロボット介入システム１００はさらに、照明システム、操向（steering）制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システムのようなオプションのオペレーション及びサポートシステム（図示せず）をさらに含み得る。代替実施形態では、ロボットシステムは、複数のロボットアセンブリ及び／又は複数のオペレータ入力システムを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中でもとりわけ、外科手術及び手術室内の空間的制約に依存する。複数のオペレータ入力システムは併置され得る、又はそれらは別々の位置に配置され得る。複数のオペレータ入力システムは、複数のオペレータが１又は複数のマニピュレータアセンブリを種々の組合せで制御することを可能にする。
【００２３】
図２は、ロボット介入システム１００の介入器具システム１０４として使用され得る介入器具システム２００を示す。代替的には、介入器具システム２００は、非ロボット診査処置、又は内視鏡検査のような従来の手動操作介入器具を伴う処置で使用され得る。
【００２４】
器具システム２００は、器具ボディ２０４に結合されたカテーテルシステム２０２を含む。カテーテルシステム２０２は、近位端部２１７及び遠位端部２１８を有する細長可撓性カテーテルボディ２１６を含む。１つの実施形態では、可撓性ボディ２１６は、約３ミリメートルの外径を有する。他の可撓性ボディの外径は、これよりも大きくても小さくてもよい。カテーテルシステム２０２は、遠位端部２１８におけるカテーテル先端の及び／又はボディ２１６に沿った１又は複数のセグメント２２４の、位置、向き、速度、姿勢、及び／又は形状を判定するための形状センサ２２２を含み得る。遠位端部２１８と近位端部２１７との間のボディ２１６の全長は、セグメント２２４に効果的に分割され得る。器具システム２００がロボット介入システム１００の介入器具システム１０４である場合、形状センサ２２２は、センサシステム１０８の構成要素であり得る。器具システム２００が手動操作される又は他に非ロボット処置で使用される場合、形状センサ２２２は、形状センサに問い合わせするとともに受信した形状データを処理する追跡システムに結合され得る。
【００２５】
形状センサシステム２２２は、可撓性カテーテルボディ２１６と位置合わせされた（例えば、内部チャネル（図示せず）内に設けられた又は外付けされた）光ファイバを含み得る。１つの実施形態では、光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態では、寸法は、より大きくても小さくてもよい。
【００２６】
形状センサシステム２２２の光ファイバは、カテーテルシステム２０２の形状を判定するための光ファイバ曲げセンサを形成する。１つの代替形態では、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧｓ）を含む光ファイバが、１又は複数の次元における構造のひずみ測定値を提供するために使用される。光ファイバの形状及び相対位置を三次元で監視するための様々なシステム及び方法が、２００５年７月１３日に出願された、”Fiber  optic  position  and  shape  sensing  device  and  method  relating  thereto”を開示する米国特許出願第１１／１８０，３８９号、２００４年７月１６日に出願された、”Fiber-optic  shape  and  relative  position  sensing”を開示する米国仮特許出願第６０／５８８，３３６号、１９９８年６月１７日に出願された、”Optical  Fibre  Bend  Sensor”を開示する米国特許第６，３８９，１８７号に記載されており、これらの文献は、それら全体が参照により本明細書に援用される。他の代替形態では、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、蛍光散乱のような他のひずみ検知技術を用いるセンサが適し得る。他の代替形態では、カテーテルの形状は、他の技術を用いて判定され得る。例えば、カテーテルの遠位先端姿勢の履歴が、ナビゲーション表示を再読み込みする期間又は交互に行う動作（例えば、吸入及び呼気）の期間よりも短い時間間隔に亘って保存される場合に、この姿勢履歴は、その時間間隔に亘ってこの装置の形状を再構成するために使用されることができる。他の例として、過去の姿勢、位置、又は向きデータが、呼吸のような交互に行われる動作のサイクルに従った器具の既知のポイントに関して保存され得る。この保存データは、カテーテルに関する形状情報を発展させるために使用され得る。代替的には、カテーテルに沿って配置されたＥＭセンサのような一連の位置センサが、形状検出のために使用されることができる。代替的には、手術中の器具上の、ＥＭセンサのような、位置センサからのデータの履歴が、特に解剖学的通路が略静止している場合に、器具の形状を表すために使用され得る。代替的には、外部磁場により制御される位置又は向きを有する無線装置が、形状検出のために使用され得る。その位置の履歴は、進められる通路の形状を判定するために使用され得る。
【００２７】
この実施形態では、光ファイバは、単一クラッド（cladding）の中に複数のコアを含み得る。各コアは、各コアの光が他のコアで搬送される光と殆ど相互作用しないように、十分な距離及びコアを分離するクラッドを持つシングルモードであり得る。他の実施形態では、コアの数は変化し得る、又は各コアは別個の光ファイバに含まれ得る。
【００２８】
幾つかの実施形態では、ＦＢＧのアレイが各コア内に設けられる。各ＦＢＧは、屈折率の空間的な周期性を生成するように、コアの屈折率の一連の変調を含む。間隔は、各屈折率変化からの部分反射が、狭帯域の波長についてコヒーレントに追加されるように選択されることができ、こうしてより広帯域を通過させながら、この狭帯域の波長のみを反射することができる。ＦＢＧの製造中に、変調が既知の距離だけ離間され、こうして既知の帯域幅の波長の反射を引き起こす。しかし、ひずみがファイバコアに誘起されるとき、変調の間隔は、コアのひずみ量に応じて変化する。代替的には、光ファイバの屈曲に伴って変化する後方散乱又は他の光学現象が、各コア内のひずみを決定するために使用されることができる。
【００２９】
こうして、ひずみを測定するために、光がファイバに送られ、戻ってくる光の特性が測定される。例えば、ＦＢＧは、ファイバのひずみ及びその温度の関数である反射波長を生成する。このＦＢＧ技術は、英国のブラックネルにあるSmart  Fibres  Ltd.のような様々な供給先から市販されている。ロボット手術用位置センサにおけるＦＢＧ技術の使用は、２００６年７月２０日に出願された、”Robotic  Surgery  System  Including  Position  Sensors  Using  Fiber  Bragg  Gratings”を開示する米国特許第７，９３０，０６５号に記載されており、この文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【００３０】
マルチコア光ファイバに曲げが加えられるとき、光ファイバの曲げは、各コアにおける波長シフトを監視することによって測定されることができるコアのひずみを誘起する。２以上のコアをファイバに軸から外れて配置することにより、光ファイバの曲げは、コアのそれぞれに異なるひずみを誘起する。これらのひずみは、ファイバの曲げの局所的な程度に応じる。例えば、ＦＢＧを含むコアの領域が、ファイバが曲げられるポイントに位置する場合に、それによって、これらのポイントでの曲げ量を決定するために使用されることができる。ＦＢＧ領域の既知の間隔と組み合わされるこれらのデータは、ファイバの形状を再構成するために使用されることができる。このようなシステムは、バージニア州、ブラックスバーグのLuna  Innovation.  Inc.によって説明されている。
【００３１】
説明したように、光ファイバは、カテーテルシステム２０２の少なくとも一部の形状を監視するために使用され得る。より具体的には、光ファイバを通過する光は、カテーテルシステム２０２の形状を検出するために、及び外科処置を支援するためのその形状情報を利用するために処理される。センサシステム（例えば、センサシステム１０８）は、カテーテルシステム２０２の形状を決定するために使用される光を生成し且つ検出するための問合せ(interrogation)システムを含み得る。次に、この情報は、介入器具の部品の速度及び加速度のような他の関連する変数を決定するために使用されることができる。検知することは、ロボットシステムによって作動される自由度にだけ制限され得る、又は受動（例えば、ジョイント間の剛性部材の非作動状態の曲げ）及び能動（例えば、器具の作動状態の運動）の両方の自由度に適用され得る。
【００３２】
介入器具システムは、オプションで、位置センサシステム２２０を含み得る。位置センサシステム２２０は、外部発生電磁場に曝される１又は複数の導電性コイルを含む電磁（ＥＭ）センサシステムであり得る。次に、ＥＭセンサシステム２２０の各コイルは、外部発生電磁場に対するコイルの位置及び向きに依存する特性を有する誘導電気信号を生成する。１つの実施形態では、ＥＭセンサシステムは、６自由度、例えば３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ及び基点のピッチ、ヨー、及びロールを示す３つの方位角、又は５自由度、例えば３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ及び基点のピッチ及びヨーを示す２つの方位角を測定するように構成され且つ配置され得る。ＥＭセンサシステムについての更なる説明は、１９９９年８月１１日に出願された、”Six-Degree  of  Freedom  Tracking  System  Having  a  Passive  Transponder  on  the  Object  Being  Tracked”を開示する米国特許第６，３８０，７３２号に提供され、この文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【００３３】
可撓性カテーテルボディ２１６は、補助ツール２２６を受容するようにサイズ決めされ且つ形成されたチャネルを含む。補助ツールは、例えば、画像取込プローブ、生検装置、レーザアブレーションファイバ、又は他の外科用、診断用、若しくは治療用ツールを含み得る。補助ツールは、メス、ブレード、光ファイバ、又は電極のような単一の作業部材を有するエンドエフェクタを含み得る。他のエンドエフェクタは、例えば、鉗子、把持器、はさみ、又はクリップアプライヤのようなペアの又は複数の作業部材を含み得る。電気的に作動されるエンドエフェクタの例は、電気手術電極、トランスデューサ、センサ等を含む。様々な実施形態では、補助ツール２２６は、表示のために処理される画像（ビデオ画像を含む）を取り込むために、可撓性カテーテルボディ２１６の遠位端部２１８近傍に配置された立体又は単眼カメラを持つ遠位部分を含む画像取込プローブであり得る。画像取込プローブは、取り込まれた画像データを送信するために、カメラに結合されたケーブルを含み得る。代替的には、画像取込器具は、イメージングシステムに結合する、ファイバースコープのような光ファイバ束であり得る。画像取込器具は、例えば、画像データを可視スペクトルで取り込む又は画像データを可視及び赤外又は紫外スペクトルで取り込む、単一又はマルチスペクトルであり得る。
【００３４】
可撓性カテーテルボディ２１６は、例えば先端部の点線バージョンにより示されるように、遠位端部２１８を制御可能に曲げる又は回動させるために、器具ボディ２０４と遠位端部２１８との間に延びるケーブル、リンク機構、又は他の操向制御装置（図示せず）を収容し得る。器具システム２００がロボットアセンブリによって作動される実施形態では、器具ボディ２０４は、ロボットアセンブリのモータ駆動要素に結合する駆動入力部を含み得る。器具システム２００が手動で操作される実施形態では、器具ボディ２０４は、器具システムの動作を手動で制御するための、把持機構、手動アクチュエータ、及び他の構成要素を含み得る。カテーテルシステムは、操向可能（steerable）であり得る、又は代替的に、器具の曲げのオペレータ制御のための組込機構を伴わずに操向不能であり得る。更に又は代替的に、可撓性ボディ２１６は、そこを通って介入器具が標的の手術部位で展開され且つ使用され得る、１つ又は複数の管腔を規定することができる。
【００３５】
様々な実施形態では、介入器具システム２００は、肺の検査、診断、生検、又は治療に使用するための気管支鏡又は気管支カテーテルのような可撓性気管支用器具を含み得る。システムは、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系等を含む様々な解剖学的構造の系のいずれかにおける、自然に又は外科的に形成された接続通路を経由する、ナビゲーション又は他の組織の治療にも適している。
【００３６】
患者の中で処置を行うために介入器具システム２００を使用するとき、本明細書に記載されるように、外科医が処置に関連するデータの様々な形態を同時に利用できることが望ましい場合がある。例えば、呼吸器系のような解剖学的構造の特定の部分を通って介入器具を案内するとき、内視鏡は、介入器具２００と平行して解剖学的構造を安全に通るのに適合するには大きすぎる場合がある。このような処置では、外科医は、内視鏡カメラの表示を、上述の種類の手術前又は手術中画像の表示で補う又は置き換えることを望むかもしれない。加えて、外科医は、内視鏡カメラの表示を、解剖学的構造内の処置部位又は特定の標的位置に対する介入器具の場所を示す解剖学的構造の概観表現の表示で補うことを望むかもしれない。
【００３７】
図３は、変形状態における解剖学的構造の通路の三次元立体表現の動的表示を生成するための方法３００を示す。３０２において、患者の解剖学的構造の解剖学的構造の通路の三次元立体表現（すなわち、ソリッドモデル）が、受信される又はコンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のような技術を使用して手術前又は手術中に生成された画像から作られる。図４は、方法３００のステップ３０２で受信される又は作られるような患者の解剖学的通路の三次元立体表現４００の少なくとも一部を示す。三次元立体表現４００は、患者の呼吸周期の完全に息を吐いた（full  exhalation）状態のような、基準状態における様々な肺の通路４０２を示す。
【００３８】
再び図３を参照すると、方法３００はさらに、ステップ３０４において、基準状態の基準モデルからのノード及びリンク（linkages）の区分的剛体基準スケルトンツリー（piecewise  rigid  reference  skeleton  tree）を作ることを含む。図５は、三次元立体表現４００に基づくスケルトンツリー４２０を示し、三次元立体表現４００の構造を近似するために、リンク４２４によって相互接続された複数のノード４２２を含む。スケルトンツリー４２０のノード４２２は、解剖学的構造の通路の分岐に、著しい屈曲又はねじれのポイントに、及び／又は解剖学的構造の通路の任意の他のポイントに位置し得る。ノードは概して、解剖学的構造の通路の中で中心に置かれ得るが、代替実施形態では、通路の壁に沿って又は解剖学的構造の基準構造に対する他の場所に位置し得る。リンク４２４は、ノードの間を延びる直線のセグメントである。リンクは概して、解剖学的構造の通路の中で中心に置かれ得るが、代替実施形態では、通路の壁に沿って又は解剖学的構造の基準構造に対する他の場所に位置し得る。
【００３９】
再び図３を参照すると、方法３００はさらに、ステップ３０６において、基準形状モデルを作ることを含む。１つの実施形態では、図６に示されるように、形状モデル４５０は、解剖学的構造の通路の（内部又は外部）表面を表す複数の三角形４５２から構成されるポリゴンメッシュモデルである。例えば、解剖学的構造の通路の一部のメッシュモデルは、約１３０，０００の三角形を含み得る。代替実施形態では、ポリゴンメッシュモデルは、四辺形又は他の平らな、凸状の、又は凹状のポリゴンを有し得る。メッシュモデル４５０の各頂点は、スケルトンツリー４２０のノード４２２の１つに拘束され得る。したがって、選択されたノード４２２に拘束されるメッシュモデル４５０の各頂点は、その選択されたノードに接続されるスケルトンリンク４２４にも拘束される。
【００４０】
再び図３を参照すると、方法３００はさらに、ステップ３０８において、解剖学的構造の運動に起因する解剖学的構造の通路の少なくとも１つの変形を測定することを含む。患者の解剖学的構造の多くの領域は、通常の機能において動的である（例えば、心臓、肺、腎臓、肝臓、血管）。この実施形態では、解剖学的構造の運動は、例えば、呼吸又は心周期によって生じる肺の周期性の解剖学的構造の運動であり得る。変形は、基準状態の状態と異なる解剖学的構造の周期の少なくとも１つの状態で測定される。例えば、呼吸周期に関する基準状態が完全に息を吐いたこと（full  exhalation）である場合、変形状態は、完全に息を吸った（full  inhalation）状態であり得る。追加的に又は代替的に、変形状態は、完全に息を吐いたことと完全に息を吸ったこととの間の状態で生じ得る。解剖学的構造の運動が、心周期に起因する運動を含む場合、基準状態は、例えば、初期拡張状態であり得るとともに、変形状態は、心房収縮、等容性心室収縮、心室駆出、又は等容性心室弛緩状態のような心周期の他の相（phase）であり得る。解剖学的構造の通路の変形は、前述のイメージング技術のいずれかを使用する手術前又は手術中画像から、形状センサ測定値から、位置センサ測定値から、又は運動に起因する変形を測定する他の既知の方法から、決定され得る。
【００４１】
３１０において、方法３００は、通路の内部に位置する介入器具（例えば、カテーテル２０２）によって加えられる力に起因する解剖学的構造の通路の変形を測定することを含む。介入器具の形状は、例えば、光学形状検知ファイバの使用を含む、器具形状検知のための上述の方法のいずれかを使用して検知され得る。
【００４２】
３１２において、方法３００は、解剖学的構造の運動及び介入器具の影響によって変形したスケルトンツリーを作ることを含む。図７は、解剖学的構造の運動に起因した変形状態の解剖学的構造の通路のスケルトンツリー４６０を示す。この図では、肺通路は、完全に息を吸った変形状態にある。変形スケルトン４６０では、ノード４２２の位置並びにリンク４２４の位置及び向きが、変形状態の画像化された解剖学的構造から解剖学的構造の通路と位置が合うように修正される。図８は、息を吐いた基準状態だが、解剖学的構造の通路の幾つかの中の介入器具４７２によって加えられる力に起因した変形状態の解剖学的構造の通路のスケルトンツリー４７０を示す。変形スケルトン４７０では、ノード４２２の位置並びにリンク４２４の位置及び向きは、介入器具４７２に関する形状測定値に基づいて修正される。介入器具４７２の形状は、介入器具が位置する通路を直接変形させ得るが、通路を接続する組織に加えられる力に起因して隣接する通路も間接的に変形させ得る。図９は、解剖学的構造の運動（例えば、完全に息を吸った図７）及び介入器具によって加えられた力（図８）に起因した変形状態の解剖学的構造の通路のスケルトンツリー４８０を示す。様々な代替実施形態では、他の力によって生じる解剖学的構造の通路の変形が測定され得るとともに合成変形スケルトンツリーを作るために使用され得る。
【００４３】
再び図３を参照すると、方法３００はさらに、ステップ３１４において、解剖学的構造の運動及び／又は介入器具の力に起因する測定された変形を記述するために変形場を作ることを含む。例えば、変形場は、完全に息を吐いた基準状態から完全に息を吸った変形状態までの解剖学的構造の通路の変形を基準状態と完全変形状態との間の一連の中間変形状態とともに記述する３次元場ベクトルアレイ（three  dimensional  field  vector  array）を含み得る。図１０に示されるように、変形場４９０は、スケルトンツリー４２０のスケルトンツリー４８０への３次元変形を記述する三次元場ベクトルアレイを含み得る。
【００４４】
再び図３を参照すると、方法３００はさらに、ステップ３１６において、変形形状モデルを作るために基準形状モデルに変形場を適用することを含む。一般的に、基準メッシュモデル４５０の各頂点に関して、変形場４９０の補間が各時間ｔにおいて実行される。基準メッシュモデル４５０からの各頂点は次に、変形メッシュモデル（５００）の対応する頂点に変換される（図１１）。
【００４５】
当業者に知られている、リニアブレンドスキニング（Linear  blend  skinning）（ＬＢＳ）技術が、変形メッシュモデルの作成で使用され得る。ＬＢＳ技術により、メッシュモデル４５０の各三角形４５２の各頂点は、頂点を変形させる原因であるスケルトンツリー４２０に拘束される。ＬＢＳ技術では、スケルトンのリンクは、「骨」と見なされ、「骨の影響（bone  influences）」を提供する。各頂点はまた、頂点に影響を及ぼすスケルトンの各リンクに対する重み（ｗｉ）を割り当てられ得る。重み付け割り当ては、各重みに関して、０≦ｗｉ≦１且つΣｗｉ＝１のようになる。重みは、異なるスケルトンを作ること、そして、メッシュがそれに応じて変形するまで重みを変えることによって、実験的に見つけ出され得る。メッシュモデル４５０において初期姿勢から各頂点（ｖ）を変形させるために、スケルトンリンクによって変形する頂点の重み付き組合せ（weighted  combination）が使用され：
【数１】
2020032230.tif 000003
ここでＮは、骨の影響の数であり、ｉはスケルトンの中のリンク、Ｍは、スケルトン変形を記述する、変形場４９０のような、絶対リンク変換行列である。
【００４６】
重みを決定するための例示の方法が提供される。メッシュの選択された頂点ｖに対する２つのリンクの影響（すなわち骨の影響）では、変形式においてＮ＝２である。頂点ｖに対するｗ１及びｗ２を決定するために、ｖに対する２つの最も近いリンクが選ばれる。第１の最も近いリンクはｌ１であり、第２の最も近いリンクはｌ２である。ｖとｌ１（ｌ２）との間の距離はｄｖ、ｌ１（ｄｖ、ｌ２）であり、ｖとｌ１（ｌ２）のポイントとの間の最短ユークリッド距離として定義される。
【００４７】
ｄｖ、ｌ１及びｄｖ、ｌ２を計算するために、ベクトルのドット積（dot  product）が、（頂点ｖにおけるポイントＰ（point  P）とセグメントＳ（segment  S）（すなわち、スケルトンのリンク）との間の最短距離（distance）がＰとＳの端点の一方との間にあるかどうかテストするために適用される。このテストは以下のように記載される：
【数２】
2020032230.tif 000004
【００４８】
アルゴリズムはまた、次のように表され得る：
【数３】
2020032230.tif 000005
【００４９】
したがって、ｗ１及びｗ２は、ｄｖ、ｌ１及びｄｖ、ｌ２の正規化（normalization）として計算されることができる：
【数４】
2020032230.tif 000006
【００５０】
したがって、メッシュの各頂点に対する重み付けが決定されることができ、メッシュにおける各変形した頂点（ｖｄｅｆｏｒｍｅｄ）が決定され得る。グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を使用するメッシュモデル変形の実装は、図１４に提供される。
【００５１】
図３を再び参照すると、方法３００はさらに、３１８において、図１２に示されるような変形三次元立体表現５１０の画像を生成するために、基準三次元立体表現を変形メッシュと位置が合うように変形させることを含む。
【００５２】
３２０において、合成画像５２０（図１３）が生成され、介入器具４７２の画像とともに変形三次元立体表現５１０又は変形メッシュモデル４５０を表示する。
【００５３】
変形モデルがほぼリアルタイム表示速度で動的に表示され得るように変形メッシュモデルの作成を速めるために、ＧＰＵを使用する並列計算プラットフォームのような、ソフトウェア及び／又はハードウェアベースのアクセラレータが、使用され得る。このような計算プラットフォームを使用して、基準状態から完全変形状態への及び中間変形状態の全てを含む、解剖学的構造の通路の変形画像が表示され得る。ＧＰＵは、毎秒約３０の異なるフレームの速度で、そして、幾つかの実施形態では、毎秒約５０の異なるフレームの速度で、基準及び変形状態画像の表示を可能にし得る。
【００５４】
図４は、ＧＰＵ６２０を使用するメッシュモデル変形［例えば、方法３００のステップ３１６］の方法６００を示す。６０４において、基準状態におけるメッシュモデル（例えば、メッシュ４５０）が、中央処理ユニット（ＣＰＵ）］６０６に提供される。ＣＰＵ６０６で動作しているローダー６０８がメッシュモデルをメインメモリ（図示せず）にロードする。メモリから、メッシュモデルがＧＰＵ６０２に転送される。
【００５５】
マッピング段階６１０もまたＣＰＵ上で実行される。図１５は、メッシュ空間６３０（例えば、メッシュモデル４５０の一部）の間を３Ｄテクスチャメモリ６１２に格納された３Ｄテクスチャ空間６３２にマッピングするためにマッピング技法を示す。ＧＰＵ６０２上の３Ｄテクスチャメモリは、スケルトンツリーの各ノードのための及びスケルトンノードの間の補間された座標のための剛体変換（rigid  transform）を格納する。３Ｄテクスチャメモリは、スケルトンノードのための剛体変換を格納するための及びノードの間の座標のための変換を補間するための速く且つ便利なフォーマットを提供する。補間の速度は、ほぼリアルタイムでのスケルトンモデルに拘束されるメッシュモデルの変形及び運動を可能にする。スケルトンの多くの構成ノードに対する剛体変換の使用は、全メッシュモデル空間に対する非剛体変換を近似する。３Ｄテクスチャメモリ空間６３２における各（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）テクスチャ空間座標は、メッシュモデル空間６３０における対応するメッシュ空間座標（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）にマッピングされる。（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対して、最短のリンクｌ１（ｌ２）及び重みｗ１（ｗ２）が、ＬＢＳ技術に関して上述されたように決定される。（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）がスケルトンのいずれのリンクからも遠すぎる場合、ｗ１＝ｗ２＝０である。メモリ空間を節約するために、マッピング段階６１０の出力は、ｗ１≠０のとき、且つそのときに限り、５カラムのマッピングテーブル（以下に示す）である。
【表１】
2020032230.tif 000007
マッピングテーブルは、各変形に対して１回だけ計算される必要があり得る。マッピングテーブルはＧＰＵ６０２に移動される。
【００５６】
各時間ｔに対して、非剛体変換６１４がＧＰＵ６０２に移動される。非剛体変換アルゴリズム６１４は、どのようにそのノードが変形したスケルトンツリー４８０に基づいて動くべきかを表すように、スケルトンツリー４２０の各ノードに対する剛体変換を計算するために使用される。６１６において、非剛体変換６１４が、スケルトンツリーの各ノードに対する変換を計算するためにＧＰＵ６０２によって使用される。作られたマッピングテーブルに基づいて、完全変形場が、３Ｄテクスチャ空間６３２の各補間座標に対して、変換されたスケルトンツリーノードから、展開される。３Ｄテクスチャメモリ６１２は、３Ｄテクスチャ空間６３２における各座標に対する変換を格納する。３Ｄテクスチャメモリ６１のフィールドは、ＧＰＵによって同時に書き込まれる。ＧＰＵの別のスレッド（すなわち、独立して管理されるプログラム命令の小さいシーケンス）が、３Ｄテクスチャメモリの各座標に対して、上で提供された変形式を使用して、変形値を計算するために働く。ＧＰＵの３Ｄテクスチャメモリは、２つの目的のために働く。第１に、テクスチャの寸法は、モデル空間よりはるかに小さい。例えば、３Ｄテクスチャメモリは、１２８×１２８×１２８ボクセルアレイを使用することができ、モデル空間は１０２４×１０２４×１０２４ボクセルアレイを使用し得る。第２に、ＧＰＵの３Ｄテクスチャメモリの値を線形補間で取得することは非常に速い。
【００５７】
６１８において、メッシュモデル４５０の各頂点に取り組む１つのスレッドにより、スレッドが、初期メッシュモデル４５０の頂点の位置に対応し且つそれを変形した頂点に変換する３Ｄテクスチャメモリ６１２から（マッピングテーブルを使用して）値を取得する。６２０において、基準状態の頂点のそれぞれに対して作られた変形した頂点により、変形メッシュモデルが生成され且つ表示される。変形メッシュモデルの表示は、患者の解剖学的構造のほぼリアルタイム変形に対応する高表示速度で更新される変形メッシュモデルの表示で動的に提示され得る。例えば、表示の速度は、毎秒約３０フレーム以上であり得る。したがって、患者の解剖学的構造を通って介入器具を誘導する臨床医は、患者の解剖学的構造の現在の画像を変形のその現在の状態で提供される。
【００５８】
本発明の実施形態の１又は複数の要素は、制御システム１１２のようなコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するソフトウェアに実装されてもよい。ソフトウェアに実装される場合に、本発明の実施形態の要素は、基本的に、必要なタスクを実行するためのコードセグメントである。伝送媒体又は通信リンクを通じた搬送波に具現化されるコンピュータデータ信号を介してダウンロードしてもよいプログラム又はコードセグメントを、プロセッサ可読記憶媒体又はデバイスに格納することができる。プロセッサ可読記憶装置は、光学媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を格納することができる任意の媒体含み得る。プロセッサ可読記憶装置の例は、電子回路、半導体装置、半導体メモリデバイス、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピーディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のようなコンピュータネットワークを介してダウンロードされ得る。
【００５９】
提示されるプロセス及び表示は、任意の特定のコンピュータ又は他の装置に本質的に関連しなくてもよいことに注意されたい。様々なこれらのシステムに必要な構成は、特許請求の範囲において要素として現れるであろう。また、本発明の実施形態は、特定のプログラミング言語を参照して記載されるわけではない。本明細書に説明されているように、様々なプログラミング言語が、本明細書に記載されるような本発明の教示を実装するために使用することができることが理解されるであろう。
【００６０】
本発明の特定の例示的な実施形態について説明し且つ添付の図面に示してきたが、このような実施形態は、単なる例示であり、広範な本発明に対する限定ではなく、本発明の実施形態は、様々な他の修正が当業者に想起されるので、図示され及び説明された特定の構成及び配置に限定されるものではないことを理解すべきである。
【００６１】
次の付記を記す。
（付記１）  基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信するステップ、
前記分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに三次元変形場を適用するステップ、及び
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの画像を動的に表示するステップ、を含む、
方法。
（付記２）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップは、前記基準三次元モデル上のポイントに対して前記三次元変形場を補間するステップを含む、
付記１に記載の方法。
（付記３）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップはさらに、前記基準三次元モデル上の前記ポイントを、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデル上のポイントに変換するステップを含む、
付記２に記載の方法。
（付記４）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップは、グラフィック処理ユニットで実行される、
付記１に記載の方法。
（付記５）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、周期的な解剖学的構造の運動によって引き起こされる、
付記１に記載の方法。
（付記６）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具によって引き起こされる、
付記１に記載の方法。
（付記７）  前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する前記介入器具の画像及び前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの前記画像を含む合成画像を表示するステップをさらに含む、
付記６に記載の方法。
（付記８）  前記基準三次元モデルを受信するステップは、三次元メッシュモデルを受信するステップを含む、
付記１に記載の方法。
（付記９）  前記変形三次元モデルは、変形三次元メッシュモデルを含む、
付記１に記載の方法。
（付記１０）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用するステップは、変形した頂点のセットを作るステップを含み、前記変形三次元メッシュモデルは、前記変形した頂点のセットを含む、
付記９に記載の方法。
（付記１１）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記基準状態に関する基準スケルトンツリーを生成するステップ、
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態に関する変形スケルトンツリーを生成するステップ、及び
前記基準状態から前記変形状態への変形を記述する三次元場ベクトルのアレイを生成するステップであって、前記三次元変形場は前記三次元場ベクトルのアレイを含む、ステップ、
によって、前記三次元変形場を生成するステップをさらに含む、
付記１に記載の方法。
（付記１２）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの前記画像を表示するステップは、少なくとも毎秒約３０の連続変形画像の速度で、前記分岐した解剖学的構造の構成の中間変形の一連の画像を表示するステップを含む、
付記１に記載の方法。
（付記１３）  プロセッサ、及び
格納されたコンピュータ可読命令を有するメモリ、を備える、処理システムであって、
前記コンピュータ可読命令は、前記プロセッサによって実行されるとき、前記システムに：
基準状態における分岐した解剖学的構造の構成の基準三次元モデルを受信すること、
前記分岐した解剖学的構造の構成の変形状態の変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに三次元変形場を適用すること、及び
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの画像を動的に表示すること、を生じさせる、
処理システム。
（付記１４）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することは、前記基準三次元モデル上のポイントに対して前記三次元変形場を補間することを含む、
付記１３に記載の処理システム。
（付記１５）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することはさらに、前記基準三次元モデル上の前記ポイントを、前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデル上のポイントに変換することを含む、
付記１４に記載の処理システム。
（付記１６）  前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することは、グラフィック処理ユニットで実行される、
付記１３に記載の処理システム。
（付記１７）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、周期的な解剖学的構造の運動によって引き起こされる、
付記１３に記載の処理システム。
（付記１８）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態は、少なくとも部分的に、前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する介入器具によって引き起こされる、
付記１３に記載の処理システム。
（付記１９）  前記分岐した解剖学的構造の構成の中に位置する前記介入器具の画像及び前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの前記画像を含む合成画像を表示することをさらに含む、
付記１８に記載の処理システム。
（付記２０）  前記基準三次元モデルを受信することは、三次元メッシュモデルを受信することを含む、
付記１３に記載の処理システム。
（付記２１）  前記変形三次元モデルは、変形三次元メッシュモデルを含む、
付記１３に記載の処理システム。
（付記２２）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルを作るために前記基準三次元モデルに前記三次元変形場を適用することは、変形した頂点のセットを作ることを含み、前記変形三次元メッシュモデルは、前記変形した頂点のセットを含む、
付記２１に記載の処理システム。
（付記２３）  前記コンピュータ可読命令は、前記プロセッサによって実行されるとき：
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記基準状態に対する基準スケルトンツリーを生成すること、
前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態に対する変形スケルトンツリーを生成すること、及び
前記基準状態から前記変形状態へ変形を記述する三次元場ベクトルのアレイを生成することであって、前記三次元変形場は前記三次元場ベクトルのアレイを含む、アレイを生成すること、
によって、前記システムに前記三次元変形場を生成することをさらに生じさせる、
付記１３に記載の処理システム。
（付記２４）  前記分岐した解剖学的構造の構成の前記変形状態の前記変形三次元モデルの画像を表示することは、少なくとも毎秒約３０の連続変形画像の速度で、前記分岐した解剖学的構造の構成の中間変形の一連の画像を表示することを含む、
付記１３に記載の処理システム。
【図１】
2020032230.tif 000008
【図２】
2020032230.tif 000009
【図３】
2020032230.tif 000010
【図４】
2020032230.tif 000011
【図５】
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【図６】
2020032230.tif 000013
【図７】
2020032230.tif 000014
【図８】
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【図９】
2020032230.tif 000016
【図１０】
2020032230.tif 000017
【図１１】
2020032230.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2020032230.tif 000022
【外国語明細書】
2020032230000001.pdf