(57)【要約】【課題】介入器具を追跡するための改良されたナビゲーションシステム及び方法を提供すること。【解決手段】  医療用追跡システムは、センサー装置の嵌合部と嵌合するように構成されたセンサードッキング機構を有するような基準マーク式装置を含む。センサードッキング機構は、嵌合部を既知の構成で保持する。基準マーク式装置は、少なくとも１つの画像形成可能な基準マーカーと、患者の解剖学的構造に取り付けるように構成された表面とを含む。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、当該システムは：
解剖学的構造を表すモデルデータセットを記憶するメモリであって、前記モデルデータセットは、１つ又は複数の基準点に対して既知の関係を含む、前記解剖学的構造の複数のモデルデータ点を有する、メモリと；
前記解剖学的構造と相互作用する器具の光ファイバーセンサーから形状データを受信するとともに、前記形状データに基づいて、前記器具と前記モデルデータセットとを位置合せするように構成されたプロセッサであって、前記形状データは、１つ又は複数の基準点に対して既知の関係を有する、プロセッサと；を有する、
システム。
【請求項２】
前記プロセッサは、前記形状データに基づいて、前記モデルデータセットを更新するようにさらに構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記形状データを用いて前記器具の姿勢を形成するとともに、該姿勢に前記モデルデータセットをフィッティングすることにより、前記モデルデータセットを更新するように構成される、
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記モデルデータセットから生成されたモデル画像データ及び前記形状データから生成された器具画像データを含む画像データセットを生成するようにさらに構成されており、前記器具画像データは、前記モデル画像データと位置合せされる、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記画像データセットを受信するとともに、前記モデル画像データに重畳された前記器具画像データを表示するためのディスプレイをさらに含む、
請求項４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、低侵襲性処置を行うために患者の解剖学的構造をナビゲートするためのシステム及び方法に関し、より具体的には、介入器具を追跡するために形状センサーシステムを使用するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲性医療技術は、介入手術の間に損傷を受ける組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感及び有害な副作用が低減される。このような低侵襲性技術は、患者の解剖学的構造の自然(natural)開口部を通じて、又は１つ又は複数の外科的切開部を通じて行ってもよい。これらの自然開口部又は切開部を通じて、臨床医は、（外科用、診断用、治療用、又は生検用器具を含む）介入器具を挿入して、標的組織の位置に到達させることができる。標的組織の位置に到達させるために、低侵襲性介入器具を、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環器系等の解剖学系における自然の又は外科的に形成された通路にナビゲートすることができる。既存のシステムでは、電磁（EM）ナビゲーションを使用して、患者の解剖学的構造を通る介入器具の動きを追跡することができる。ＥＭナビゲーションシステムは、多くの手術に有用であるが、それらシステムは、手術部位において他の器具から磁気干渉を受けることがある。例えば、Ｘ線透視撮像システムのＣアーム又は金属器具によって、ＥＭナビゲーションシステムとの磁気干渉が発生し、介入器具の追跡に許容できないエラーを引き起こすことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改良されたナビゲーションシステム及び方法が、ＥＭナビゲーションが適切でない又は損なわれ得る環境を含むような外科手術環境において、介入器具を追跡するために必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
一実施形態では、医療用追跡システムは、基準マーク式装置を有しており、この基準マーク式装置は、センサー装置の嵌合部と嵌合するように構成されたセンサードッキング機構を含む。センサードッキング機構は、嵌合部を既知の構成で保持する。基準マーク式装置は、少なくとも１つの画像形成可能な基準マーカーと、患者の解剖学的構造に取り付けるように構成された表面とを含む。
【０００５】
別の実施形態では、医療器具を追跡する方法は、解剖学的構造のモデルを受信するステップを含む。このモデルは、画像基準フレームを規定し、且つ少なくとも１つの基準マーカーの画像を含む。当該方法は、少なくとも１つの基準マーカーを含む基準マーク式装置が第１の形状センサー装置に結合された場合に、第１の形状センサー装置の基準部分を複数の基準マーカーに対して位置合せするステップをさらに含む。第１の形状センサー装置の基準部分は、少なくとも１つの基準マーカーに対して既知の構成で保持される。当該方法は、第１のセンサー基準フレームの第１の形状センサー情報を、第１の形状センサー装置の第１の形状センサーから受信するステップと、画像基準フレームと第１のセンサー基準フレームとの間の相関に基づいて、画像基準フレームにおける第１の形状センサーの姿勢を判定するステップをさらに含む。
【０００６】
医療器具を追跡する方法は、解剖学的構造のモデルを受信するステップを含む。このモデルは、画像基準フレームを規定し、且つ少なくとも１つの基準マーカーのモデルを含む。当該方法は、第１の基準フレームの第１の形状センサー情報を、少なくとも１つの基準マーカーに対して既知の構成で保持された基準部分を含むような第１の形状センサーから受信するステップをさらに含む。当該方法は、第２の基準フレームの第２の形状センサー情報を、解剖学的構造内に位置付けされた第２の形状センサーから受信するステップをさらに含む。当該方法は、第１の基準フレーム、第２の基準フレーム、及び画像基準フレームの間の相関に基づいて、画像基準フレームにおける第２の形状センサーの姿勢を判定するステップをさらに含む。
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】
【図１】本開示の実施形態に係るロボット介入システムを示す図である。
【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である。
【図３】本開示の実施形態に係る追跡システムを用いる介入器具システムを示す図である。
【図４】本開示の実施形態に係るセンサー装置を示す図である。
【図５】本開示の実施形態に係る介入器具追跡システムの使用方法を示す図である。
【図６】本開示の別の実施形態に係る追跡システムを用いる介入器具システムを示す図である。
【図７】本開示の別の実施形態に係る介入器具追跡システムの使用方法を示す図である。
【図８】本開示の別の実施形態に係る追跡システムを用いる介入器具システムを示す図である。
【図９】本開示の別の実施形態に係る介入器具追跡システムの使用方法を示す図である。
【図１０】本開示の他の実施形態に係る追跡システムを用いる介入器具システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の態様は、添付の図面と併せて確認すると、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、様々な特徴は一定の縮尺で描かれていないことを強調しておく。実際には、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することがある。また、本開示は、様々な実施例において参照符号及び／又は記号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。
【０００９】
本発明の態様の以下の詳細な説明において、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細について説明する。しかしながら、本開示の実施形態は、これら特定の詳細がなくても実施できることは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、及び回路は、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していない。また、説明の不要な重複を避けるために、例示的な一実施形態について説明した１つ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。
【００１０】
以下の実施形態は、３次元空間内の状態の観点から、様々な器具及び器具の部分について説明する。本明細書で使用される場合に、用語「位置」は、３次元空間（例えば、直交座標Ｘ，Ｙ，Ｚ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に、用語「向き」は、対象物又は対象物の一部の回転配置（例えば、ロール、ピッチ、及びヨーの回転３自由度）を指す。本明細書で使用される場合に、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に、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。
【００１１】
図１を参照すると、例えば、外科用、診断用、治療用、又は生検用処置において使用されるロボット介入システムが、参照符号１００によって概して示されている。図１に示されるように、ロボット介入システム１００は、一般的に、患者Ｐが配置される手術台Ｏに又はそ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に作動可能に結合される。オペレータ入力システム１０６によって、外科医又は臨床医Ｓが手術部位を視認して、介入器具システム１０４の動作を制御することが可能になる。
【００１２】
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することができる。もっとも、外科医又は臨床医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を理解すべきである。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つ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ー等の多数の様々な入力装置を含んでもよい。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）は、ロボットアセンブリの介入器具と同じ自由度で提供され、テレプレゼンスを外科医に提供する、又は制御装置（複数可）が器具と一体化されるような知覚を提供し、それによって外科医は、器具を直接的に制御する強い感覚を有することになる。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ており、依然としてテレプレゼンスを外科医に提供することができる。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）は、６つの自由度で動く手動入力装置であり、（例えば、顎部を把握して閉じる、電位を電極に印加する、薬物療法を送達する等をするための）器具を作動するための作動ハンドルも含み得る。
【００１３】
ロボットアセンブリ１０２は、介入器具システム１０４をサポートしており、且つ１つ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付けされ且つロックされる１つ又は複数のリンク、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含むことができる。ロボットアセンブリ１０２は、介入器具１０４の入力装置を駆動させ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に結合された場合に、自然に又は手術によって形成された解剖学的開口部に介入器具を前進させる及び／又は介入器具の先端部を複数の自由度で動かすことができる駆動システムを含み、３つの自由度の直線運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸に沿った直線運動）及び３つの自由度の回転運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸回りの回転）を含むことができる。また、モータを使用して、生検装置等の顎部で組織を把持するための、器具の関節接合可能なエンドエフェクタを作動させることができる。
【００１４】
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つ又は複数のサブシステムを有するセンサーシステム１０８も含む。このようなサブシステムは、位置センサーシステム（例えば、電磁（EM）センサーシステム）、カテーテルチップの及び／又は器具１０４の可撓性本体に沿った１つ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ーシステム、及び／又はカテーテルシステムの先端部から画像を捕捉するための可視化システムを含んでもよい。
【００１５】
ロボット介入システム１００は、センサーシステム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、実質的に真のものが作業空間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る。真のものの存在は、表示された組織画像が、オペレータに、この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表示されることを意味する。
【００１６】
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ー（OCT）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等の撮像技術を使用して手術前に記録され及び／又はモデル化された手術部位の画像を提示することができる。提示された手術前画像は、２次元、３次元、又は４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むことができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、表示システム１１０は、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（例えば、動的に参照され）、外科用器具のチップの位置における内部手術部位のバーチャル画像を外科医に提供するような仮想の可視化画像を表示することができる。
【００１８】
他の実施形態では、表示システム１１０は、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共に記録され、手術部位における介入器具のバーチャル画像を外科医に提示するような仮想の可視化画像を表示することができる。介入器具を制御する外科医を支援するために、介入器具１０４の一部の画像をバーチャル画像に重畳してもよい。
【００１９】
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、センサーシステム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、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）も含み、本明細書で説明される方法の一部又は全てを実施する。制御システム１１２が、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、このシステムは、多数のデータ処理回路を含んでもよく、処理の一部は、必要に応じて、ロボットアセンブリ１０２で又はこれに隣接して実行され、一部は、オペレータ入力システム１０６等で実行される。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を用いてもよい。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してもよく、又はそれら命令は、本明細書で説明するロボットシステムの多数の他の態様に組み込んでもよい。一実施形態では、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等の無線通信プロトコルをサポートする。
【００２０】
いくつかの実施形態では、制御システム１１６は、１つ又は複数のサーボ制御装置を含んでおり、介入器具システム１０４からオペレータ入力システム１０６の対応する１つ又は複数の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ことができる。サーボ制御装置（複数可）は、ロボットアセンブリ１０２に命令する信号を送信して、患者の身体の開口部を介してこの身体内の内部手術部位内に延びる介入器具１０４を移動させることもできる。任意の適切な従来の又は特殊なサーボ制御装置を使用してもよい。サーボ制御装置は、ロボットアセンブリ１０２から分離される、又はロボットアセンブリ１０２と一体化することができる。いくつかの実施形態では、サーボ制御装置及びロボットアセンブリは、患者の身体に隣接して位置付けされたロボットアームカートの一部として設けられる。
【００２１】
制御システム１１２は、仮想可視化システムをさらに含み、介入器具１０４にナビゲーション支援を提供することができる。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３次元構造に関連して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。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ー（OCT）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等の撮像技術を使用して記録され及び／又はモデル化された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアを使用して、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２次元又は３次元モデルに変換する。モデルは、通路及びそれら接続部の様々な位置や形状を示す。モデルを生成するために使用した画像を、臨床診断中に手術前又は手術中に記録してもよい。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、特定の患者ではない）、又は標準モデル及び患者の固有データのハイブリッドを使用してもよい。モデル及びこのモデルによって生成されたバーチャル画像は、運動の１つ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）又は誘起された解剖学的動作（例えば、患者の再位置付け又は器具によって生じる変形）の間に、変形可能な解剖学的領域の静的な姿勢を表すことができる。
【００２２】
仮想ナビゲーション手順の間に、センサーシステム１０８を使用して、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ことができる。この位置を使用して、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バーチャル画像の両方を生成することができる。仮想可視化システム等からの手術前に記録された手術画像と一緒に介入実装形態を記録し且つ表示するために光ファイバセンサーを使用する様々なシステムが、知られている。このようなシステムは、例えば、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号に記載されており、この文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００２３】
ロボット介入システム１００は、照明システム、操作制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システム等の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）をさらに含んでもよい。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んでもよい。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を併置してもよく、又はそれらを別々の位置に配置してもよい。複数のオペレータ入力システムによって、複数のオペレータが１つ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。
【００２４】
図２には、ロボット介入システム１００の介入器具システム１０４として使用されるような介入器具システム２００が示されている。あるいはまた、介入器具システム２００は、非ロボット診査処置、又は内視鏡検査等の従来の手動操作介入器具を伴う処置で使用することができる。
【００２５】
器具システム２００は、器具本体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、基端部２１７及び先端部２１８を有する細長い可撓性カテーテル本体２１６を含む。一実施形態では、可撓性本体２１６は、約３ミリメートルの外径を有する。他の可撓性本体の外径は、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、先端部２１８におけるカテーテルチップの及び／又は本体２１６に沿った１つ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ー２２２を含む。先端部２１８と基端部２１７との間の本体２１６の全長を、セグメント２２４に効果的に分割することができる。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である場合に、形状センサー２２２は、センサーシステム１０８の構成要素であってもよい。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に、形状センサー２２２を、形状センサーからデータを取得するとともに受信した形状データを処理するような追跡システムに結合することができる（例えば、図３参照）。
【００２６】
形状センサーシステム２２２は、可撓性カテーテル本体２１６と整列した（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）光ファイバを含む。一実施形態では、光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態では、この寸法は、これよりも大きくても小さくてもよい。
【００２７】
形状センサーシステム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の曲げセンサーを形成する。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つ又は複数の次元における構造のひずみ測定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３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、それら全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。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、蛍光散乱等の他のひずみ感知技術を用いるセンサーが適している。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してもよい。
例えば、カテーテルの先端チップ姿勢の履歴が、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、この姿勢履歴を使用して、その時間間隔に亘ってこの装置の形状を再構築することができる。別の例として、過去の姿勢、位置、又は向きデータは、呼吸等の交互に行われる動作のサイクルに従った器具の既知の点として保存することができる。この保存データを使用して、カテーテルに関する形状情報を開発することができる。あるいはまた、カテーテルに沿って配置されたＥＭセンサー等の一連の位置センサーを、形状検出のために使用することができる。あるいはまた、手術中に器具上のＥＭセンサー等の位置センサーからの履歴データを使用して、特に解剖学的通路が略静止している場合には、器具の形状を表すことができる。あるいはまた、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を、形状検出のために使用することができる。その位置の履歴を使用して、ナビゲートする通路の形状を判定することができる。
【００２８】
この実施形態では、光ファイバは、単一クラッド(cladding)内に複数のコアを含んでもよい。各コアは、十分な距離を有しており且つクラッドによってコアを分離するシングルモードであってもよく、それによって各コアの光は、他のコアで搬送される光と殆ど相互作用しない。他の実施形態では、コアの数は変化してもよく、又は各コアを別個の光ファイバに含めてもよい。
【００２９】
いく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、各屈折率変化による部分的な反射が、狭帯域の波長についてコヒーレントとなるように追加されるように選択され、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、変調によって、既知の距離だけ間隔が置かれ、こうして既知の帯域幅の波長の反射を引き起こす。しかしながら、ひずみがファイバコアに誘起された場合に、変調の間隔は、コアのひずみ量に応じて変化する。あるいはまた、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的現象を使用して、各コア内のひずみを決定することができる。
【００３０】
こうして、ひずみを測定するために、光をファイバに送り、戻ってくる光の特性が測定される。例えば、ＦＢＧは、ファイバのひずみとその温度と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.等の様々な供給先から市販されている。ロボット手術についてＦＢＧ技術の位置センサーでの使用は、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、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３１】
マルチコア光ファイバに力を加えた場合に、光ファイバの曲げによって、コアにひずみが誘起され、このひずみは、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。ファイバの軸線から外れて配置された２つ以上のコアを有することにより、光ファイバの曲げによって、各コアに異なるひずみが誘起される。これらのひずみは、ファイバの局所的な曲げの程度の関数である。そのため、例えばＦＢＧを含むコアの領域が、ファイバが曲げられる点に位置する場合に、これらの点での曲げ量を決定するために使用することができる。ＦＢＧ領域の既知の間隔と組み合わされるこれらのデータを使用して、ファイバの形状を再構築することができる。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。
【００３２】
説明したように、光ファイバを使用して、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ことができる。具体的には、光ファイバを通過する光は、器具システム２０２の形状を検出するために、及び外科手術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。センサーシステム（例えば、図３に示されるようなセンサーシステム１０８又は別のタイプの追跡システム）は、介入器具システム２０２の形状を判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データ取得(interrogation)システムを含むことができる。次に、この情報を使用して、介入器具の部品の速度及び加速度等の関連する他の変数を決定することができる。センシング（感知）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することができる、又は受動（例えば、関節同士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することができる。
【００３３】
介入器具システムは、手術部位において他の器具からの例えば磁気干渉により信頼性が損なわれる、又は他のナビゲーション追跡システムがより高い信頼性を有する場合に、オペレータ又は自動システム（例えば、制御システム１１２の機能）によって停止されるような位置センサーシステム２２０（例えば、電磁（EM）センサーシステム）をオプションで含んでもよい。
【００３４】
位置センサーシステム２２０は、１つ又は複数の導電性コイルを含み、外部で発生した電磁場を受けるＥＭセンサーシステムであってもよい。次に、ＥＭセンサーシステム２２０の各コイルは、外部で発生した電磁場に対してコイルの位置及び向きが依存するような特性を有する誘導電気信号を生成する。一実施形態では、ＥＭセンサーシステムは、６つの自由度、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つの自由度、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位置付けすることができる。ＥＭセンサー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号に提供されており、この文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３５】
可撓性カテーテル本体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状が形成されたチャネルを含む。補助ツールは、例えば画像捕捉プローブ、生検装置、レーザーアブレーションファイバ、又は他の外科用、診断用、又は治療用ツールを含んでもよい。補助ツールは、メス、ブレード、光ファイバ、又は電極等の単一の作業部材を有するエンドエフェクタを含んでもよい。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等のペアの又は複数の作業部材を含んでもよい。電気的に作動されるエンドエフェクタの例として、電気外科電極、トランスデューサ、センサー等が挙げられる。様々な実施形態では、補助ツール２２６は、表示するために処理される画像（映像を含む）を取り込むために、可撓性カテーテル本体２１６の先端部２１８近傍に配置された立体又は単眼カメラを含むチップ部分を有するような画像捕捉プローブであってもよい。画像捕捉プローブは、取り込まれた画像データを送信するための、カメラに結合されたケーブルを含んでもよい。あるいはまた、画像捕捉装置は、撮像システムに結合するファイバースコープ等の光ファイバ束であってもよい。画像捕捉装置は、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ような単一の又はマルチスペクトルとすることができる。
【００３６】
可撓性カテーテル本体２１６は、器具本体２０４と先端部２１８との間に延びるケーブル、リンク機構、又は他の操作制御装置（図示せず）を収容してもよく、例えば先端部の点線の回転(versions)により示されるように、先端部２１８を制御可能に曲げる又は回動させることができる。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、器具本体２０４は、ロボットアセンブリの電動駆動要素に結合する駆動入力部を含んでもよい。器具システム２００が手動で操作される実施形態では、器具本体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んでもよい。カテーテルシステムは、操作可能であってもよく、又は代替的に、オペレータ制御によって器具を曲げるための組込メカニズムを有していないような操作不能であってもよい。更に又は代替的に、可撓性本体２１６は、介入器具が標的の手術部位で展開され且つ使用されるような１つ又は複数の管腔を規定することができる。
【００３７】
様々な実施形態では、介入器具システム２０２は、肺の検査、診断、生検、又は処置に使用される気管支鏡又は気管支カテーテル等の可撓性気管支用器具であってもよい。このシステムは、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系等を含む様々な解剖学系において、自然に又は外科的に形成された接続通路を介した、他の組織のナビゲーションや処置にも適している。
【００３８】
図３には、本開示の実施形態に係る介入器具追跡システム２５０が示されている。追跡システム２５０は、可撓性カテーテル本体２５４及び器具本体２５６を有する介入器具２５２を含む。この実施形態では、介入器具２５２は、器具２００と同様であるが、ＥＭ位置センサーは、形状検出システムによって、臨床医により使用される追跡情報が提供され患者の解剖学的構造を通る介入器具の経路が決定される際に、無効に又は省略され得る。光ファイバ形状センサー２５３は、介入器具２５２内に延びる。追跡システム２５０は、センサー装置２５８も含む。センサー装置２５８は、基準マーク式(fiduciary)装置２６０及び基準本体２６２を含む。基準マーク式装置２６０は、接着剤或いは他の化学的又は機械的な固定機構を使用して患者Ｐに取外し可能に取り付けられるような表面２６４を含む。いくつかの実施形態では、基準マーク式装置２６０は、患者の解剖学的構造の外面に取り付けられるが、代替実施形態では、基準マーク式装置は、例えば、経鼻、経直腸、経膣、経食道等により患者の内部解剖学的構造に取り付けてもよい。更に他の代替形態では、基準マーク式装置２６０を、ステント等の仮インプラントに取り付けてもよい。
【００３９】
基準マーク式装置２６０は、Ｘ線透視法やＣＴ等の撮像技術を用いて表示される少なくとも１つの基準マーク２６６を含むことができる。基準マーク式マーカーの設計の例は、２００９年４月２３日に出願された、”Fiducial  Marker  Design  and  Detection  for  Locating  Surgical  Instrument  in  Images”を開示する米国特許出願第１２／４２８，６５７号に提供されており、この文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。基準マーク式マークは、完全な３次元姿勢の位置合せを提供するのに十分な詳細を有することができる。例えば、基準マーク式マークは、３次元姿勢の位置合せを可能にするような不均一なリンク長さを含む「Ｌ」字形状を有してもよい。様々な他の実施形態では、基準マーク式装置２６０は、撮像技術の下で表示され且つ基準点(fiducial)として機能するような特徴（例えば、溝、突起、又は他の形状）を含んでもよい。様々な他の実施形態では、基準マーク式装置２６０自体は、基準点として機能することができ、いくつかの実施形態では３次元姿勢の判定を容易にするような形状を有してもよい。
【００４０】
基準マーク式装置２６０は、基準本体２６２の嵌合部２７０と嵌合するように構成されたセンサードッキング機構２６８をさらに含む。センサードッキング機構２６８は、基準マーク式装置２６０を基準本体２６２に着脱可能に接続するための、１つ又は複数の凹部、凸部、機械式締結具、接着剤ファスナー、磁気留め具、又は他の構成要素を含んでもよい。接続された場合に、センサードッキング機構２６８及び嵌合部２７０によって、基準マーク式装置２６０及び基準本体２６２が既知の所定の固定した空間関係に維持される。
【００４１】
図４には、基準マーク式装置３０２及び基準本体３０４を含むセンサー装置３００の代替実施形態が示されている。この実施形態では、基準マーク式装置３０２の複数のセンサードッキング機構３０６が、基準本体３０４の嵌合部３０８に整列され且つ取り付けられる。
【００４２】
図３を再び参照すると、基準本体２６２は、基準部分２５１及び形状センサーファイバ２５３を所定の基準形状に保持するように構成されたセンサーホルダ２７２を含む。この実施形態では、センサーホルダ２７２は、形状センサーファイバ２５３を受容するとともに、このファイバを基準本体２６２に対して所定の形状構成で維持するような連続巻線チャネルである。代替実施形態では、センサーホルダは、センサーファイバが基準本体に対して所定の形状を維持するように取り付けられるような一連の離散的な取付け点であってもよい。基準本体２６２は、センサーファイバ２５３が、追跡システム２５０の他の構成要素に接続するように終端処理されたセンサー接続部品２７４をさらに含む。
【００４３】
追跡システム２５０は、形状センサーファイバ２５３の現在の形状を判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データ取得システム２７６をさらに含む。データ取得システム２７６は、臨床医に表示するために返送されたデータも処理することができる。データ取得システム２７６は、コネクタ２７８を含む。ファイバーリンク２８０が、コネクタ２８２，２８４の間に延びる。この実施形態では、ファイバーリンク２８０の光ファイバは、感知されず（すなわち、ファイバーリンクの形状のデータが取得されない）、形状センサー２５３から感知した光情報をデータ取得システム２７６に伝達するように機能する。使用する際に、ファイバーリンク２８０のコネクタ２８２は、コネクタ２７４に接続され、コネクタ２８４は、コネクタ２７８に接続される。
【００４４】
使用する際に、基準マーク式装置２６０は、患者Ｐに取り付けられる。患者Ｐの手術前又は手術中の撮像は、取り付けられた基準マーク式装置２６０を用いて実施される。基準マーカー２６６は、その画像内に表示され、こうして、患者Ｐの解剖学的構造に対して、及びこの画像に生成された患者の解剖学的構造の２次元、３次元、又は４次元（すなわち、時間を含む移動）のモデルに対して固定した基準フレームを提供する（すなわち、基準マーカー２６６は、患者の解剖学的構造のモデルデータの少なくとも一部に対して既知の関係を有する基準点のセットを規定する）。様々な他の実施形態では、オプションの基準マーカー、要素、或いは基準部分２５１等の基準本体２６２は、形状センサーファイバ２５３が基準点として使用される場合に、患者Ｐの手術前の撮像の間に基準マーク式装置に結合することができる。
【００４５】
いずれにしても、介入処置を開始する前に、基準本体２６２は、基準マーク式装置２６０に結合され、ドッキング機構２６８及び嵌合部２７０によって基準マーク式装置に対して所定の構成で保持される。このように接続されると、形状センサーファイバ２５３の基準部分２５１によって、基準マーク式装置２６０に対する形状センサーファイバの基端部の既知の姿勢が提供される。データ取得システム２７６は、形状センサーファイバ２５３からデータを取得して、可撓性カテーテル本体２５４の先端チップの姿勢及び形状を判定する。カテーテル本体２５４の感知した相対的な姿勢及び形状データは、基準マーク式装置２６０に位置合せされる形状センサーファイバの基準部分２５１に関して既知である。こうして、形状センサーファイバの基準部分２５１についての位置合せ情報を用いてカテーテル本体２５４の相対的な姿勢及び形状情報を処理することによって、患者Ｐに対するカテーテル本体２５４の姿勢及び形状が提供される。
【００４６】
基準本体及び基準マーク式装置の上述した固定され且つ事前に規定された構成についての様々な代替実施形態では、基準本体及び基準マーク式装置の構成は、測定可能なバリエーションで変化する。この構成は、既知であるが、事前に規定する代わりに測定可能とされる。例えば、基準マーク式装置及び基準本体は、短い可変距離だけ離間してもよいが、この短い距離は、静電容量センサー、圧電センサー、又は光学センサーを含むセンサーベースの変動追跡システムによって連続的に監視し且つ記録することができる。別の例として、測定可能な変動は、例えばモータのエンコーダを使用して測定されるような挿入方向の距離であってもよい。
【００４７】
図５には、介入器具追跡システム２５０を使用する方法３２０が示されている。３２２において、処理システムは、患者Ｐの解剖学的構造のモデルを受信する。このモデルは、取り付けられた基準マーク式装置２６０で撮影された患者Ｐの画像から生成される。このモデルは、画像基準フレームを規定する。基準マーク２６６が、モデルに表示される。３２４において、基準マーク式装置２６０が、基準本体２６２に結合される。こうして、形状センサーファイバ２５３の基準部分２５１が、基準マーク式装置２６０に対して所定の構成で保持される。こうして、基準部分２５１は、基準マーク式装置２６０に位置合せされる。３２６において、形状センサー情報が、処理するために（形状センサーファイバ２５３の基準フレームに）受信される。３２８において、形状センサーファイバ２５３の先端部（又は他の部分）の姿勢が、画像基準フレームと形状センサー２５３の基準フレームとの間の位置合せに基づいて、画像基準フレームにおいて判定される。必要に応じて、可撓性本体２５４の先端部の姿勢に対応するような、画像基準フレームからの画像が表示される。画像は、患者モデルからの画像に重畳される、可撓性本体２５４の先端部の画像であってもよい。いくつかの実施形態では、患者モデルは、（例えば、可撓性本体２５４の姿勢に対して患者モデルをフィッティングすることにより）形状センサー情報に基づいて更新してもよい。あるいはまた、画像は、可撓性本体の先端部から視た画像に対応するような患者モデルの内側から視た画像であってもよい。
【００４８】
図６には、本開示の実施形態に係る介入器具追跡システム３５０が示されている。追跡システム３５０は、可撓性カテーテル本体３５４及び器具本体３５６を有する介入器具３５２を含む。光ファイバ形状センサー３５３が、介入器具３５２内に延びる。追跡システム３５０は、センサー装置３５８も含む。センサー装置３５８は、基準マーク式装置３６０を含んでおり、この基準マーク式装置は、接着剤或いは他の化学的又は機械的な固定機構を使用して患者Ｐに取外し可能に取り付けられるような表面３６４を含む。様々な実施形態では、基準マーク式装置３６０は、Ｘ線透視法やＣＴ等の画像処理技術を用いて表示される少なくとも１つの基準マーク３６６を含む。様々な他の実施形態では、基準マーク式装置３６０は、基準として使用される物理的特徴、或いはその基準マーク式装置自体が基準とされるような特徴を含むことができる。基準マーク式装置３６０は、形状センサー３５３のコネクタ３７４と嵌合するドッキング機構３７３も含む。
【００４９】
基準マーク式装置３６０は、形状センサーファイバ３５３の基準部分３５１とドッキングし、この部分３５１を所定の基準形状に保持するように構成されたセンサーホルダ３７２を含む。この実施形態では、センサーホルダ３７２は、形状センサーファイバ２５３の基準部分３５１を受容するとともに、このファイバを基準マーク式装置３６０に対して既知の事前に規定された形状構成に維持するような連続巻線チャネルである。センサー接続部品２７４によって、センサーファイバ３５３が終端処理され、嵌合ドッキング機構３７３に着脱可能に接続される。様々な代替実施形態では、既知の構成は、前述したように測定可能な変数であってもよい。
【００５０】
追跡システム３５０は、形状センサーファイバ３５３の現在の形状を判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データ取得システム３７６をさらに含む。データ取得システム３７６は、臨床医に表示するために返送されたデータも処理することができる。データ取得システム３７６は、コネクタ３７８を含む。ファイバーリンク３８０が、コネクタ３８２，３８４の間に延びる。この実施形態では、ファイバーリンク３８０の光ファイバは、感知されず（すなわち、ファイバーリンクの形状のデータが取得されない）、形状センサー３５３から感知した光情報をデータ取得システム３７６に伝達するように機能する。使用する際に、ファイバーリンク３８０のコネクタ３８２は、コネクタ３７４に接続され、コネクタ３８４は、コネクタ３７８に接続される。この実施形態では、コネクタ３７４，３８２は、基準マーク式装置３６０の一部内に接続される。
【００５１】
使用する際に、基準マーク式装置３６０は、患者Ｐに取り付けられる。患者Ｐの手術前又は手術中の撮像は、取り付けられた基準マーク式装置３６０を用いて実施される。存在する場合に、基準マーカー３６６が、その画像内に表示され、こうして、患者Ｐの解剖学的構造に対して、及びこの画像に生成された患者の解剖学的構造の２次元又は３次元モデルに対して固定した基準を提供する。他の実施形態では、センサーホルダ３７２のような機構等の基準マーク式装置３６０上の代替の基準要素、センサーホルダ３７２に配置された形状センサーファイバ３５３の基準部分３５１、或いは基準マーク式装置３６０自体を、固定した患者基準を確立するために画像化することができる。
【００５２】
介入処置を開始する前に、形状センサーファイバ３５３の基準部分３５１は、コネクタ３８２に接続されたコネクタ３７４を用いてセンサーホルダ３７２内に配置される。こうして、基準部分３５１は、基準マーク式装置３６０に対して、センサーホルダ３７２の所定の構成に固定されて保持される。このように接続されると、形状センサーファイバ３５３の基準部分３５１によって、基準マーク式装置３６０に対する形状センサーファイバの基端部の既知の向きが提供される。データ取得システム３７６は、形状センサーファイバ３５３からデータを取得して、可撓性カテーテル本体３５４の先端チップの姿勢及び形状を判定する。カテーテル本体３５４の感知した相対的な姿勢及び形状データは、基準マーク式装置３６０に位置合せされるファイバ基準部分３５１に対して既知である。こうして、形状センサーファイバの基準部分３５１についての位置合せ情報を用いてカテーテル本体３５４の相対的な姿勢及び形状情報を処理することによって、患者Ｐに対するカテーテル本体３５４の姿勢及び形状が提供される。
【００５３】
図７には、介入器具追跡システム３５０を使用する方法４００が示されている。４０２において、処理システムが、患者Ｐの解剖学的構造のモデルを受信する。このモデルは、取り付けられた基準マーク式装置３６０で撮影された患者Ｐの画像から生成される。このモデルは、画像基準フレームを規定する。基準マーク３６６が、モデルに表示される。４０４において、基準部分３５１が、基準マーク式装置３６０に結合される。こうして、形状センサーファイバ３５３の基準部分３５１は、基準マーク式装置３６０に対して所定の構成で保持される。このようにして、基準部分３５１は、基準マーク式装置３６０に位置合せされる。４０６において、形状センサー情報が、処理するために（形状センサーファイバ３５３の基準フレームに）受信される。４０８において、形状センサーファイバ３５３の先端部（又は他の部分）の姿勢が、画像基準フレームと形状センサー３５３の基準フレームとの間の相関に基づいて、画像基準フレームにおいて判定される。必要に応じて、可撓性本体３５４の先端部の姿勢に対応するような、画像基準フレームからの画像が、表示される。この画像は、患者モデルからの画像に重畳される、可撓性本体３５４の先端部の画像であってもよい。いくつかの実施形態では、患者モデルは、（例えば、可撓性本体２５４の姿勢に対して患者モデルをフィッティングすることにより）形状センサー情報に基づいて更新してもよい。あるいはまた、画像は、可撓性本体の先端部から視た画像に対応するような患者モデルの内部から視た画像であってもよい。
【００５４】
図８には、本開示の実施形態に係る介入器具追跡システム４５０が示されている。追跡システム４５０は、可撓性カテーテル本体４５４及び器具本体４５６を有する介入器具４５２を含む。光ファイバ形状センサー４５３が、介入器具４５２内に延びる。形状センサー４５３の基端部が、センサー接続部品４５１で終端処理される。追跡システム４５０は、センサー装置４５８も含む。センサー装置４５８は、基準マーク式装置４６０及び基準治具４６２を含む。基準マーク式装置４６０は、接着剤或いは他の化学的又は機械的な固定機構を使用して患者Ｐに取外し可能に取り付けられた表面４６４を含む。いくつかの実施形態では、基準マーク式装置４６０は、Ｘ線透視法又はＣＴ等の撮像技術を用いて表示される少なくとも１つの基準マーク４６６を含むことができる。様々な他の実施形態では、基準マーク式装置３６０は、基準点として使用される物理的特徴を含む、或いはその基準マーク式装置自体を基準にすることができる。
【００５５】
光ファイバーセンサー形状４７０が、基準マーク式装置４６０から延びる。基準マーク式装置４６０は、形状センサーファイバ４７０の基準部分４７１と嵌合するとともにこの基準部分４７１を所定の基準形状に保持するように構成されたドッキング機構として機能するようなセンサーホルダ４７２を含む。この実施形態では、センサーホルダ４７２は、形状センサーファイバ４７０を受容するとともに、このファイバの基準部分４７１を基準マーク式装置４６０に対して所定の形状構成に維持するような連続巻線チャネルである。センサーファイバ４７０の基端部が、センサー接続部品４７４で終端処理される。この実施形態では、ファイバ４７０の基準部分４７１は、この基準部分が基準マーク式装置に対して固定され且つ撮像技術を用いて表示される際に、基準マークとして機能することができる。
【００５６】
様々な代替実施形態では、形状センサー４７０は、基準マーク式装置４６０と基準治具４６２との間の相対的な姿勢を測定するために、省略してもよいし、他の構成要素によって補完してもよい。様々なセンサーベース追跡システムのいずれかを使用して、基準マーク式装置４６０に対する基準治具４６２の相対姿勢を追跡することができる。このような追跡システムは、容量センサー、圧電センサー、又は光学センサーを含んでもよい。
【００５７】
追跡システム４５０は、形状センサーファイバ４５３及び形状センサーファイバ４７０の現在の形状を判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データ取得システム４７６をさらに含む。データ取得システム４７６は、臨床医に表示するために返送されたデータも処理することができる。データ取得システム４７６は、コネクタ４７８，４７９を含む。ファイバーリンク４８０が、コネクタ４８２，４８４の間に延びる。ファイバーリンク４８６が、コネクタ４８８，４９０の間に延びる。この実施形態では、ファイバーリンク４８０，４８６の光ファイバは、感知されず（つまり、ファイバーリンクの形状のデータが取得されない）、形状センサー４５３，４７０とデータ取得システム４７６との間で感知した光情報を伝達するように機能する。
【００５８】
使用する際に、基準マーク式装置４６０は、患者Ｐに取り付けられる。患者Ｐの手術前又は手術中の撮像は、患者の解剖学的構造に取り付けられた基準マーク式装置４６０を用いて実施される。この実施形態では、撮像中に、形状センサーファイバ４７０を基準マーク式装置４６０に取り付けてもよい。存在する場合に、基準マーカー４６６が、その画像内に表示され、こうして、患者Ｐの解剖学的構造に対して、及び画像に生成された患者の解剖学的構造の２次元又は３次元モデルに対して固定した基準を提供する。他の実施形態では、センサーホルダ４７２のような機構等の基準マーク式装置４６０上の代替的な基準要素、センサーホルダ４７２に配置された形状センサーファイバ４７０の基準部分４７１、或いは基準マーク式装置４６０自体を、固定した患者基準を確立するために画像化することができる。
【００５９】
介入処置を開始する前に、センサーファイバ４７０の基端部及び取付けコネクタ４７４が、基準治具４６２に結合される。センサーファイバ４５３の基端部及び取付けコネクタ４５１も、基準治具４６２に結合される。基準治具は、センサーファイバ４７０，４５１の基端部を固定位置に保持し、且つ互いに対して及び基準治具に対して向き合せさせる。ファイバーリンク４８０のコネクタ４８２は、コネクタ４５１に接続され、コネクタ４８４は、データ取得システム４７６のコネクタ４７８に接続される。ファイバーリンク４８６のコネクタ４８８は、コネクタ４７４に接続され、コネクタ４９０は、データ取得システム４７６のコネクタ４７９に接続される。データ取得システム４７６は、形状センサーファイバ４５３からデータを取得して、可撓性カテーテル本体４５４の先端チップの姿勢及び形状を判定する。データ取得システム４７６は、形状センサーファイバ４７０からもデータを取得して、形状センサーファイバ４７０の基準部分４７１の姿勢を判定する。カテーテル本体４５４の感知した相対的な姿勢及び形状データは、基準治具４５１に関して既知であり、基準部分４７１の相対姿勢及び形状データは、基準治具４６２に関して既知である。コネクタ４５１，４７４が互いに対して固定されており、且つ基準治具４６２に対して固定されるので、基準治具によって、形状センサーファイバ４５３，４７０の間に固定した位置合せが提供される。こうして、形状センサーファイバ４７０の基準部分４７１についての位置合せ情報を用いてカテーテル本体４５４の相対的な姿勢及び形状情報を処理することによって、患者Ｐに対する基準治具４６２の姿勢及び形状が提供される。
【００６０】
図９には、介入器具追跡システム４５０を使用する方法５００が示されている。５０２において、処理システムが、患者Ｐの解剖学的構造のモデルを受信する。このモデルは、取り付けられた基準マーク式装置４６０で撮影された患者Ｐの画像から生成される。このモデルは、画像基準フレームを規定する。基準マーク４６６が、モデルに表示される。形状センサーファイバ４５３が、基準治具４６２に結合され、形状センサーファイバ４７０が、基準治具４６２に結合される。５０４において、形状センサー情報が、処理するために（形状センサーファイバ４７０の基準フレームにおいて）形状センサーファイバ４７０から受信される。５０６において、形状センサー情報が、処理するために（形状センサーファイバ４５３の基準フレームにおいて）形状センサーファイバ４５３から受信される。５０８において、形状センサーファイバ３５３の先端部の姿勢が、画像基準フレーム、形状センサー３５３の基準フレーム、及び形状センサー４７０基準フレームの間の相関に基づいて、画像基準フレームにおいて判定される。必要に応じて、可撓性本体４５４の先端部の姿勢に対応するような、画像基準フレームからの画像が、表示される。この画像は、患者モデルからの画像に重畳される、可撓性本体４５４の先端部の画像であってもよい。あるいはまた、画像は、可撓性本体の先端部から視た画像に対応するような患者モデルの内部から視た画像であってもよい。
【００６１】
図１０には、本開示の実施形態に係る介入器具追跡システム５５０が示されている。追跡システム５５０は、可撓性カテーテル本体５５４及び器具本体５５６を有する介入器具５５２を含む。光ファイバ形状センサー５５３は、介入器具５５２とは別体であり、介入器具５５２内に挿入するようにサイズ決めされる。追跡システム５５０は、センサー装置５５８も含む。センサー装置５５８は、基準マーク式装置５６０及び基準本体５６２を含む。基準マーク式装置５６０は、接着剤或いは他の化学的又は機械的な固定機構を使用して患者Ｐに取外し可能に取り付けられた表面５６４を含む。基準マーク式装置５６０は、Ｘ線透視法やＣＴ等の撮像技術を用いて表示される少なくとも１つの基準マーク５６６を含む。基準マーク式装置５６０は、基準本体５６２の嵌合部５７０に嵌合するように構成されたセンサードッキング機構５６８をさらに含む。センサードッキング機構５６８は、基準マーク式装置５６０を基準本体５６２に着脱可能に接続するための、１つ又は複数の凹部、凸部、機械式締結具、接着剤ファスナー、磁気留め具、又は他の構成要素を含んでもよい。接続されたときに、センサードッキング機構５６８及び嵌合部５７０によって、基準マーク式装置５６０及び基準本体５６２を、固定した、事前に規定された空間的関係で維持する。
【００６２】
基準本体５６２は、形状センサーファイバ５５３の基準部分５５１を所定の基準形状に保持するように構成されたセンサーホルダ５７２を含む。この実施形態では、センサーホルダ５７２は、形状センサーファイバ５５３を受容するとともに、このファイバを基準本体５６２に対して所定の形状構成で維持するような連続巻線チャネルである。代替実施形態では、センサーホルダは、センサーファイバが基準本体に対して既知の、所定の形状を維持するように取り付けられるような一連の離散的な取り付け点であってもよい。基準本体５６２は、センサーファイバ５５３が追跡システム５５０の他の構成要素に接続するために終端処理されるようなセンサー接続部品５７４をさらに含む。様々な代替実施形態の公知の構成は、前述したように測定可能な変数であってもよい。
【００６３】
追跡システム５５０は、形状センサーファイバ５５３の現在の形状を判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データ取得システム５７６をさらに含む。データ取得システム５７６は、臨床医に表示するために返送されたデータも処理することができる。データ取得システム５７６は、コネクタ５７８を含む。ファイバーリンク５８０が、コネクタ５８２，５８４の間に延びる。この実施形態では、ファイバーリンク５８０の光ファイバは、感知されず（すなわち、ファイバーリンクの形状のデータ取得されない）、形状センサー５５３から感知した光情報をデータ取得システム５７６に伝達するように機能する。使用する際に、ファイバーリンク５８０のコネクタ５８２は、コネクタ５７４に接続され、コネクタ５８４は、コネクタ５７８に接続される。
【００６４】
使用する際に、基準マーク式装置５６０は、患者Ｐに取り付けられる。患者Ｐの手術前又は手術中の撮像は、取り付けられた基準マーク式装置５６０を用いて実施される。基準マーカー５６６が、その画像内に表示され、こうして、患者Ｐの解剖学的構造に対して、及びこの画像に生成された患者の解剖学的構造の２次元又は３次元モデルに対して固定した基準を提供する。介入処置を開始する前に、センサーファイバ５５３が、可撓性カテーテル本体５５４内に挿入される。基準本体５６２は、基準マーク式装置５６０に結合され、且つドッキング機構５６８及び嵌合部５７０により基準マーク式装置に対して所定の構成で保持される。このように接続されると、形状センサーファイバ５５３の基準部分５５１によって、基準マーク式装置５６０に対して形状センサーファイバの基端部の既知の向きが提供される。データ取得システム５７６は、形状センサーファイバ５５３からデータを取得して、可撓性カテーテル本体５５４の先端チップの姿勢及び形状を判定する。カテーテル本体５５４の感知した相対的な姿勢及び形状データが、基準マーク式装置５６０に位置合せされる、形状センサーファイバの基準部分５５１に関して既知である。こうして、形状センサーファイバの基準部分５５１についての位置合せ情報を用いてカテーテル本体５５４の相対的な姿勢及び形状情報を処理することによって、患者Ｐに対するカテーテル本体５５４の姿勢及び形状が提供される。センサーファイバ５５３からの情報を処理する方法の更なる詳細は、図５で説明したものと同様である。
【００６５】
この実施形態では、センサーファイバ５５３は、可撓性カテーテル本体から分離可能であり、したがって、センサーファイバ５５３は、ファイバ５５３を受容するようにサイズ決めされた管腔を有する気管支鏡又は他のデバイスを含むような他のタイプの器具と一緒に使用することができる。
【００６６】
本開示のシステム及び方法は、肺の気管支の接続通路に使用するために説明してきたが、それらシステム及び方法は、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系等を含む様々な解剖学系において、自然に又は外科的に形成された接続通路を介した、他の組織のナビゲーションや処置にも適している。本開示の方法及び実施形態は、非介入的用途にも適している。
【００６７】
本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、制御システム１１２等のコンピュータシステムのプロセッサ上で実行されるソフトウェアで実装してもよい。ソフトウェアで実装された場合に、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で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むことができる。プロセッサ可読記憶装置の例は、半導体装置、半導体記憶装置、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）、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置等の電子回路を含む。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コンピュータネットワークを介してダウンロードしてもよい。
【００６８】
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表される。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、本発明の教示を実践するために使用することができることを理解されるであろう。
【００６９】
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制限ではなく、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。
【図１】
2020022865.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020022865.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2020022865000001.pdf