(57)【要約】      （修正有）【課題】管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせするシステムを提供すること。【解決手段】管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせするシステムは、位置センサの位置データとの３Ｄモデル内の潜在的一致を識別し、潜在的一致のうちの１つに３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づく位置合わせスコアを割り当て、最高の位置合わせスコアを有する潜在的一致を表示するように構成されたコンピューティング装置を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管腔ネットワークを前記管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせする方法において、
前記管腔ネットワークをナビゲートするツール上で位置センサに関連付けられた位置データを受信することと、
前記位置データと前記３Ｄモデルにおける複数の潜在的一致を識別することと、
前記潜在的一致のうちの少なくとも１つを、前記３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づいて位置合わせスコアに割り当てることと、
最高の位置合わせスコアを有する前記複数の潜在的一致の潜在的一致を表示することとを含む、方法。
【請求項２】
前記位置合わせスコアの前記割り当てが、さらに、
前記潜在的一致と前記位置データとの間の距離、または、
位置センサの方向データと前記潜在的一致の方向との間の方向の差異のうちの少なくとも１つに基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、さらなる位置データを受信した後、前記さらなる位置データに基づいて、前記潜在的一致のうちの前記少なくとも１つを更新された位置合わせスコアに再割り当てすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記管腔ネットワーク内のアンカーポイントが、前記位置合わせを制約するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
低い位置合わせスコアが割り当てられた前記複数の潜在的一致の潜在的一致が破棄される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記潜在的一致が前記３Ｄモデルの分岐領域にあるとき、低い位置合わせスコアを有する潜在的一致の破棄を遅延させることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記変形モデルが、
前記管腔ネットワークの第１の領域と前記管腔ネットワークの第２の領域とを識別することを含み、かつ
前記第１の領域および前記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つを独立してモデル化すること、
隣接領域が相互依存性を有する前記第１の領域および前記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つをモデル化すること、または、
前記第１および第２の領域の剛性位置合わせを実行して第１および第２の剛性位置合わせを形成し、前記第１および第２の剛性位置合わせを縫合すること、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記管腔ネットワークが気管支気道であり、
前記変形モデルが、気管から前記気管支気道の周囲に移動ウィンドウを適用し、前記移動ウィンドウ内で剛性位置合わせを実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記変形モデルが、
前記管腔ネットワークの周囲領域よりも大きく前記管腔ネットワークの中心領域を重み付け位置合わせすること、
前記管腔ネットワークの右肺、左肺、または各肺葉のうちの少なくとも２つに対して異なる変形特性を有する変形モデルを使用すること、
有限画像解析に基づいて前記管腔ネットワークの生体力学的モデルを使用すること、
特定の疾患に基づいて変形モデルを使用すること、または、
気管支鏡モデルおよびカテーテルモデルのうちの少なくとも１つを使用して、特定の変形モデルを作成すること、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
管腔ネットワークの３Ｄモデルを更新するシステムであって、
患者の体内の管腔ネットワーク内でナビゲートされるように構成されたツールの位置センサと、
ＥＭナビゲーションシステムであって、
ＥＭ場を生成するように構成されたＥＭ場生成器、および、
前記ＥＭ場内の前記位置センサの位置を検出するように構成されたＥＭ追跡システム、を含むＥＭナビゲーションシステムと、
プロセッサおよび命令を記憶するメモリを含むコンピューティング装置であって、前記プロセッサによって実行されたときにコンピューティング装置に、
前記位置センサに関連付けられた位置データを受信させ、
前記位置データによって前記３Ｄモデルにおける複数の潜在的一致を識別させ、
前記複数の潜在的一致のうちの少なくとも１つに、前記３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づいて位置合わせスコアを割り当てさせ、
最高の位置合わせスコアを有する前記複数の潜在的一致のうちの潜在的一致を表示させることを実行させる、コンピューティング装置と、を備える、システム。
【請求項１１】
前記位置合わせスコアの前記割り当てが、さらに、
前記潜在的一致と前記位置データの間の距離、または、
位置センサの方向データと前記潜在的一致の方向との間の方向の差異、のうちの少なくとも１つに基づく、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記命令が、さらに、前記コンピューティング装置に、さらなる位置データを受信した後、前記さらなる位置データに基づいて更新された位置合わせスコアに前記潜在的一致のうちの前記少なくとも１つを再割り当てさせる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記命令が、さらに、前記コンピューティング装置に、前記最高の位置合わせスコアを有する複数の潜在的一致によって前記３Ｄモデルを更新させる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記変形モデルが、
前記管腔ネットワークの第１の領域および前記管腔ネットワークの第２の領域を識別すること、および
前記第１の領域および前記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つを独立してモデル化すること、
隣接領域が相互依存性を有する前記第１の領域および前記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つをモデル化すること、または、
前記第１および第２の領域の剛性位置合わせを実行して第１および第２の剛性位置合わせを形成し、前記第１および第２の剛性位置合わせを縫合すること、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記管腔ネットワークが肺を含み、前記変形モデルが、
前記肺の周囲領域よりも大きく前記肺の中心領域を重み付け位置合わせすること、
右肺、左肺、または各肺葉のうちの少なくとも２つに対して異なる変形特性を有する変形モデルを使用すること、
有限画像解析に基づいて前記肺の生体力学的モデルを使用すること、
特定の疾患に基づいて変形モデルを使用すること、または、
気管支鏡モデルまたはカテーテルモデルのうちの少なくとも１つを使用して、特定の変形モデルを作成すること、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
３Ｄモデルを管腔ネットワークに位置合わせする方法であって、
前処置画像データセットから管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、
前記管腔ネットワークの調査を実施することと、
前期調査中にキャプチャされたデータから、前記管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、
前記調査中にキャプチャされた前記データから生成された前記管腔ネットワークの前記３Ｄモデルを近似するために、前記前処置画像データセットから生成された前記管腔ネットワークの前記３Ｄモデルに変換を適用することとを含む、方法。
【請求項１７】
前記調査データが、患者の肺の各葉に挿入されたセンサによって収集される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記センサが、電磁位置データを収集する電磁センサである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、前記前処置画像データセットから生成された前記管腔ネットワークの前記３Ｄモデルに複数の変換を適用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記変換が、複数の変換のうちのどれが、前記調査中にキャプチャされた前記データからの３Ｄモデルへの前記前処置画像データから生成された前記３Ｄモデルの最良の適合をもたらすかを判定することにより選択される、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
低侵襲外科（ＭＩＳ）処置は、患者に対して様々な診断および／または治療処置を実行する一般的な方法である。他の利点の中でも、ＭＩＳ処置は、他の外科処置と比較して、患者に低いリスクと短い回復時間をもたらす。１つのＭＩＳ処置である気管支内気管支鏡検査（ＥＮＢ）では、気管支鏡および様々なカテーテルを患者の気道に挿入して、１つ以上のツールを治療部位にナビゲートして診断および／または治療処置を実行することを含む。ＥＮＢは、患者の負傷を最小限に抑えながら、患者の肺および周囲の実質領域にアクセスするための効果的な処置である。
【０００２】
患者の気道内のツールの位置を特定する際に臨床医を支援するための画像ガイダンスを提供するために、様々なシステム、装置、およびコンピュータ実装方法が開発されてきた。そのようなシステムの１つは、患者の胸部の画像データに基づいて患者の気道の１つ以上の３次元（３Ｄ）モデルを生成し、３Ｄモデル上にツールの判定位置を表示することを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の実施形態にしたがって、管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせする方法が提供される。本方法は、ツール上の位置センサに関連付けられた位置データを受信することを含む。ツールは、管腔ネットワークをナビゲートする。本方法はまた、位置データと３Ｄモデルの潜在的一致を識別し、３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づいて潜在的一致の１つに位置合わせスコアを割り当てることを含む。本方法は、さらに、最高の位置合わせスコアを有する潜在的一致を表示することを含む。
【０００４】
本開示の他の態様では、位置合わせスコアの割り当ては、さらに、潜在的一致と位置データとの間の距離、および／または位置センサ方向データと潜在的一致の方向との間の方向の差異に基づく。
【０００５】
本開示のさらなる態様では、本方法はまた、さらなる位置データを受信した後、さらなる位置データに基づいて更新された位置合わせスコアに潜在的一致を再割り当てすることも含む。
【０００６】
本開示のさらに他の態様では、初期内腔位置合わせからのアンカーポイントを使用して位置合わせを制約する。
【０００７】
本開示の他の態様では、低い位置合わせスコアが割り当てられた潜在的一致は破棄される。
【０００８】
本開示のさらなる態様では、本方法はまた、潜在的一致が３Ｄモデルの分岐領域にある場合、低い位置合わせスコアを有する潜在的一致の破棄を遅延させることも含む。
【０００９】
本開示のさらに他の態様では、本方法は、さらに、最高の位置合わせスコアを有する複数の潜在的一致によって３Ｄモデルを更新することを含む。
【００１０】
本開示の他の態様では、変形モデルは、管腔ネットワークの第１の領域および管腔ネットワークの第２の領域を識別することを含む。変形モデルは、さらに、第１の領域および第２の領域の回転、圧縮、伸長、および曲げのうちの少なくとも１つを独立してモデル化することを含むことができる。変形モデルはまた、隣接領域が相互依存性を有する第１の領域および第２の領域の回転、圧縮、伸長、および曲げのうちの少なくとも１つをモデル化することも含むことができる。変形モデルは、第１および第２の領域の剛性位置合わせを実行して、第１および第２の剛性位置合わせを形成することと、第１および第２の剛性位置合わせを縫合することとを含むことができる。
【００１１】
本開示のさらなる態様では、管腔ネットワークは、気管支気道であり、変形モデルは、気管から気管支気道の周囲に移動ウィンドウを適用することを含む。本方法は、移動ウィンドウ内で剛性位置合わせを実行することを含むことができる。
【００１２】
本開示の他の態様では、変形モデルは、肺の周囲領域よりも大きくい肺の中心領域の位置合わせを重み付けすること、または右肺、左肺、および各肺葉のうちの少なくとも１つの異なる変形特性を有する変形モデルを使用することを含むことができる。変形モデルは、有限画像解析に基づいて肺の生体力学的モデルを使用すること、特定の疾患に基づいて変形モデルを使用すること、および／または気管支鏡モデルおよびカテーテルモデルのうちの少なくとも一方を使用して特定の変形モデルを作成することを含むことができる。
【００１３】
本開示の実施形態はまた、管腔ネットワークの３Ｄモデルを更新するためのシステムも提供する。システムは、患者の体内の管腔ネットワーク内でナビゲートされることができる位置センサを含む。システムは、さらに、ＥＭ場を生成するように構成されたＥＭ場生成器を含むＥＭナビゲーションシステムと、ＥＭ場内のＥＭセンサの位置を検出するように構成されたＥＭ追跡システムとを含む。システムはまた、プロセッサと、命令を記憶するメモリとを含むコンピューティング装置も含む。命令は、プロセッサによって実行されると、コンピューティング装置に、ツール上の位置センサに関連付けられた位置データを受信させる。ツールは、管腔ネットワークをナビゲートする。命令は、さらに、コンピューティング装置に、位置データとの３Ｄモデル内の複数の潜在的一致を識別させ、３Ｄモデルに適用される変形モデルに基づいて潜在的一致のうちの少なくとも１つを位置合わせスコアに割り当てる。命令はまた、コンピューティング装置に、最高の位置合わせスコアを有する潜在的一致を表示させる。
【００１４】
本開示のさらなる態様は、３Ｄモデルを管腔ネットワークに位置合わせする方法に関する。本方法は、前処置画像データセットから管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、管腔ネットワークの調査を実施することと、調査中にキャプチャされたデータから管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、検査中にキャプチャされたデータから生成された管腔ネットワークの３Ｄモデルを近似するように前処置画像データセットから生成された管腔ネットワークの３Ｄモデルに変換を適用することとを含む。
【００１５】
本開示のさらなる態様によれば、調査データは、患者の肺の各葉に挿入されたセンサによって収集される。さらに、センサは、電磁位置データを収集する電磁センサであってもよい。本開示のさらなる態様は、前処置画像データセットから生成された管腔ネットワークの３Ｄモデルに複数の変換を適用することを含む。変換は、複数の変換のどれが、調査中にキャプチャされたデータからの３Ｄモデルへの前手順画像データから生成された３Ｄモデルの最良適合をもたらすかを判定することにより選択されることができる。
【００１６】
本開示の上記態様および実施形態のいずれも、本開示の範囲から逸脱することなく組み合わせることができる。
【００１７】
本開示の様々な態様および特徴は、図面を参照して、本明細書に後述される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
管腔ネットワークを上記管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせする方法において、
上記管腔ネットワークをナビゲートするツール上で位置センサに関連付けられた位置データを受信することと、
上記位置データと上記３Ｄモデルにおける複数の潜在的一致を識別することと、
上記潜在的一致のうちの少なくとも１つを、上記３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づいて位置合わせスコアに割り当てることと、
最高の位置合わせスコアを有する上記複数の潜在的一致の潜在的一致を表示することとを含む、方法。
（項目２）
上記位置合わせスコアの上記割り当てが、さらに、
上記潜在的一致と上記位置データとの間の距離、または、
位置センサの方向データと上記潜在的一致の方向との間の方向の差異のうちの少なくとも１つに基づく、上記項目に記載の方法。
（項目３）
さらに、さらなる位置データを受信した後、上記さらなる位置データに基づいて、上記潜在的一致のうちの上記少なくとも１つを更新された位置合わせスコアに再割り当てすることを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目４）
上記管腔ネットワーク内のアンカーポイントが、上記位置合わせを制約するために使用される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目５）
低い位置合わせスコアが割り当てられた上記複数の潜在的一致の潜在的一致が破棄される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目６）
さらに、上記潜在的一致が上記３Ｄモデルの分岐領域にあるとき、低い位置合わせスコアを有する潜在的一致の破棄を遅延させることを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目７）
上記変形モデルが、
上記管腔ネットワークの第１の領域と上記管腔ネットワークの第２の領域とを識別することを含み、かつ
上記第１の領域および上記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つを独立してモデル化すること、
隣接領域が相互依存性を有する上記第１の領域および上記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つをモデル化すること、または、
上記第１および第２の領域の剛性位置合わせを実行して第１および第２の剛性位置合わせを形成し、上記第１および第２の剛性位置合わせを縫合すること、のうちの少なくとも１つを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目８）
上記管腔ネットワークが気管支気道であり、
上記変形モデルが、気管から上記気管支気道の周囲に移動ウィンドウを適用し、上記移動ウィンドウ内で剛性位置合わせを実行することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目９）
上記変形モデルが、
上記管腔ネットワークの周囲領域よりも大きく上記管腔ネットワークの中心領域を重み付け位置合わせすること、
上記管腔ネットワークの右肺、左肺、または各肺葉のうちの少なくとも２つに対して異なる変形特性を有する変形モデルを使用すること、
有限画像解析に基づいて上記管腔ネットワークの生体力学的モデルを使用すること、
特定の疾患に基づいて変形モデルを使用すること、または、
気管支鏡モデルおよびカテーテルモデルのうちの少なくとも１つを使用して、特定の変形モデルを作成すること、のうちの少なくとも１つを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１０）
管腔ネットワークの３Ｄモデルを更新するシステムであって、
患者の体内の管腔ネットワーク内でナビゲートされるように構成されたツールの位置センサと、
ＥＭナビゲーションシステムであって、
ＥＭ場を生成するように構成されたＥＭ場生成器、および、
上記ＥＭ場内の上記位置センサの位置を検出するように構成されたＥＭ追跡システム、を含むＥＭナビゲーションシステムと、
プロセッサおよび命令を記憶するメモリを含むコンピューティング装置であって、上記プロセッサによって実行されたときにコンピューティング装置に、
上記位置センサに関連付けられた位置データを受信させ、
上記位置データによって上記３Ｄモデルにおける複数の潜在的一致を識別させ、
上記複数の潜在的一致のうちの少なくとも１つに、上記３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づいて位置合わせスコアを割り当てさせ、
最高の位置合わせスコアを有する上記複数の潜在的一致のうちの潜在的一致を表示させることを実行させる、コンピューティング装置と、を備える、システム。
（項目１１）
上記位置合わせスコアの上記割り当てが、さらに、
上記潜在的一致と上記位置データの間の距離、または、
位置センサの方向データと上記潜在的一致の方向との間の方向の差異、のうちの少なくとも１つに基づく、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１２）
上記命令が、さらに、上記コンピューティング装置に、さらなる位置データを受信した後、上記さらなる位置データに基づいて更新された位置合わせスコアに上記潜在的一致のうちの上記少なくとも１つを再割り当てさせる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１３）
上記命令が、さらに、上記コンピューティング装置に、上記最高の位置合わせスコアを有する複数の潜在的一致によって上記３Ｄモデルを更新させる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１４）
上記変形モデルが、
上記管腔ネットワークの第１の領域および上記管腔ネットワークの第２の領域を識別すること、および
上記第１の領域および上記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つを独立してモデル化すること、
隣接領域が相互依存性を有する上記第１の領域および上記第２の領域の回転、圧縮、伸長、または曲げのうちの少なくとも１つをモデル化すること、または、
上記第１および第２の領域の剛性位置合わせを実行して第１および第２の剛性位置合わせを形成し、上記第１および第２の剛性位置合わせを縫合すること、
のうちの少なくとも１つを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１５）
上記管腔ネットワークが肺を含み、上記変形モデルが、
上記肺の周囲領域よりも大きく上記肺の中心領域を重み付け位置合わせすること、
右肺、左肺、または各肺葉のうちの少なくとも２つに対して異なる変形特性を有する変形モデルを使用すること、
有限画像解析に基づいて上記肺の生体力学的モデルを使用すること、
特定の疾患に基づいて変形モデルを使用すること、または、
気管支鏡モデルまたはカテーテルモデルのうちの少なくとも１つを使用して、特定の変形モデルを作成すること、のうちの少なくとも１つを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１６）
３Ｄモデルを管腔ネットワークに位置合わせする方法であって、
前処置画像データセットから管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、
上記管腔ネットワークの調査を実施することと、
前期調査中にキャプチャされたデータから、上記管腔ネットワークの３Ｄモデルを生成することと、
上記調査中にキャプチャされた上記データから生成された上記管腔ネットワークの上記３Ｄモデルを近似するために、上記前処置画像データセットから生成された上記管腔ネットワークの上記３Ｄモデルに変換を適用することとを含む、方法。
（項目１７）
上記調査データが、患者の肺の各葉に挿入されたセンサによって収集される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
上記センサが、電磁位置データを収集する電磁センサである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
さらに、上記前処置画像データセットから生成された上記管腔ネットワークの上記３Ｄモデルに複数の変換を適用することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目２０）
上記変換が、複数の変換のうちのどれが、上記調査中にキャプチャされた上記データからの３Ｄモデルへの上記前処置画像データから生成された上記３Ｄモデルの最良の適合をもたらすかを判定することにより選択される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（摘要）
管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせするシステムは、位置センサの位置データとの３Ｄモデル内の潜在的一致を識別し、潜在的一致のうちの１つに３Ｄモデルに適用された変形モデルに基づく位置合わせスコアを割り当て、最高の位置合わせスコアを有する潜在的一致を表示するように構成されたコンピューティング装置を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、患者の肺の領域の治療を計画および実行するための気管支内システムの概略図である。
【００１９】
【図２】図２は、図１のシステムの一部を形成する例示的なコンピューティング装置のブロック図である。
【００２０】
【図３】図３は、管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせする例示的な方法のフローチャートを示している。
【００２１】
【図４】図４は、センサデータを含む気管支気道の例示的な３Ｄモデルを示している。
【００２２】
【図５】図５は、システムが新たなサンプルを３Ｄモデルの気道に一致させる管腔位置合わせを示している。
【００２３】
【図６Ａ】図６Ａは、気管支気道の分岐前後の３Ｄモデルとの位置合わせを示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、気管支気道の分岐前後の３Ｄモデルとの位置合わせを示している。
【図６Ｃ】図６Ｃは、気管支気道の分岐前後の３Ｄモデルとの位置合わせを示している。
【図６Ｄ】図６Ｄは、気管支気道の分岐前後の３Ｄモデルとの位置合わせを示している。
【００２４】
【図７】図７は、移動境界ボックスを使用して実行される管腔位置合わせを示している。
【００２５】
【図８】図８は、調査データに対応するように前処置ＣＴ画像データセットを変換する例示的な方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本開示は、電磁ナビゲーションに基づいて患者の気道に３Ｄ気管支樹モデル（以下「３Ｄモデル」と呼ぶ）を位置合わせするための装置、システム、方法、およびコンピュータ可読媒体に関する。
【００２７】
３Ｄモデルを患者の実際の気道に正確に位置合わせするシステムおよび方法が引き続き求められている。肺は柔軟で、動的で、変形可能な器官であるため、通常、処置中の患者の気管支樹とＣＴ／ＭＲＩ画像またはモデルの気管支樹との間には、有意で動的な差異がある。
【００２８】
したがって、本明細書で説明するシステムおよび方法は、位置合わせ方法のセットを使用して肺の柔軟性および弾性に対応する。
【００２９】
ＥＮＢ処置中に、磁気ナビゲーション空間を患者のＣＴスキャンに位置合わせすることが重要である。当該技術分野で理解されるように、「位置合わせ」は、ある空間内の位置または座標を他の空間内の位置または座標に変換する変形、マッピング、変換などを指す。そのような位置合わせを実行するために、いくつかの方法が開発されてきた。手動位置合わせとして知られる方法の１つは、気管支鏡を主気道の分岐点で視覚的に識別し、それらをＣＴスキャンで視覚的に識別された点に関連付けることに基づいている。ＥＮＢ処置中に、ユーザは、気道内の分岐点まで磁気検出コイルを取り付けたカテーテルによって気管支鏡をナビゲートし、分岐点と磁気ナビゲーション空間内の位置との関連付けを手動で生成する。自動位置合わせとして知られる他の方法は、先端に磁気センサを備えたカテーテルを使用し、適切な画像分割アルゴリズムを使用してＣＴスキャンから得られた気道樹の画像に調査を適合させる、気道からの点群の収集（調査と呼ばれる）に基づいている。
【００３０】
肺の柔軟性により、外科処置中の実際の肺の形状は、変形したり、ＣＴスキャン時および／または初期位置合わせ時の形状と異なったりする可能性があり、ナビゲーションの精度の低下をもたらす。肺の柔軟性によって生じるこの変形は、以下のようないくつかの差異に起因することができる：（１）ＣＴスキャンは、患者が完全に吸入した後に息を止めている間に実行される一方で、位置合わせおよびナビゲーションの双方の外科処置の間、患者は鎮静されて正常に呼吸している；（２）患者は、外科処置中にはるかに長い時間水平にされ、それにより変形の増加を引き起こす場合がある；（３）外科処置中、気管支鏡が患者の体内にある間に、頭、首、および胸部の上部も変形する場合がある；および／または（４）ＣＴスキャンは、典型的であるように凹面ベッドで実行されるが、外科処置は、一般に患者が横たわっている間に実行される。
【００３１】
ナビゲーション気管支鏡検査（例えば、電磁ナビゲーション気管支鏡検査、ＥＮＢとも呼ばれる）システムでは、剛性または半剛性アルゴリズムを使用して、ＣＴスキャンにおける気管支樹または気道カリナを前処置気管支樹または気道カリナにマッピングすることがよくある。しかしながら、肺は柔軟で、動的で、変形可能な器官であるため、通常、処置中の患者の気管支樹とＣＴスキャンの気管支樹との間には、有意で動的な差異がある。本開示ではＣＴスキャンとして説明されているが、例えばＭＲＩなどの他の適切な撮像モダリティを使用して、気管支樹または気道カリナの画像データ（例えば、ＭＲＩスキャン）を生成することができる。
【００３２】
気管支樹は、呼吸、患者の位置の変化、気管支鏡や他の内視鏡ツールによって加えられる力、および他の理由により変形する。変形は患者ごとに異なり、同じ患者でも異なる機会に大きく異なる場合がある。したがって、ＣＴスキャン時から処置時まで肺がどのように変形するかを十分な精度で推定することは困難である。しかしながら、特定の変形は、他の変形よりも可能性が高いことが経験的に示されている。この情報を利用してより正確な位置合わせを提供するために、これらの変形がモデル化される。変形可能な位置合わせは、仮想気管支樹をＣＴスキャンによって取得した気管支樹の３Ｄモデルに位置合わせすることを含む。各分岐は独立して配置され、および／または特定の変形はより合理的であり、他の変形はそれほど合理的ではないと見なされる。
【００３３】
任意のそのようなモデルには、変形の可能性が高いほど高くかつ変形の可能性が低いと低くなる「位置合わせスコア」または「尤度スコア」を有する。領域変形モデルは、他の領域、例えば隣接する領域で何が起こるかに基づいて、このスコアまたは信頼区間を有することができ、変形モデルは、最良のスコアに基づいて選択される。さらに、モデルのスコアは、使用するツールのタイプや特性によって影響を受ける可能性がある。
【００３４】
肺、葉、分節、気道、または肺における他の領域は、互いに独立して回転、伸長、圧縮、または屈曲するようにモデル化されることができる。特定の変形の尤度は、肺全体で同一であると見なされるか、分岐の生成、挿入されたカテーテル、および他のパラメータに応じて変化する可能性がある。特定の肺、肺葉、セグメント、または気道の変形をモデル化して、サブ領域または隣接する肺領域の潜在的な変形に影響を与えることができる。例えば、右主気管支が２０％伸びた場合、中間気管支も伸びた可能性が高くなることができる。
【００３５】
肺は、複数の任意の領域または解剖学的領域に分割されることができる。各領域では、剛性位置合わせが実行され、全ての位置合わせは、単一のモデルまたは画像にスムーズに「縫合」されることができる。このプロセスは、異なる場合がある領域モデルに基づいて領域を個別に位置合わせし、複数の位置合わせをスムーズに調整することを含む。平滑化は、適切な画像縫合アルゴリズムを使用して実現することができる。
【００３６】
移動ウィンドウは、気管から肺の周囲に適用されることができる。各ウィンドウ内で、剛性位置合わせを実行することができる。したがって、画像が肺の周囲に近付くにつれて、変形が次第に増加することができる。
【００３７】
肺の周囲では、位置合わせの信頼性は、例えば、小さくて気道が近い、呼吸、分節気管支樹の枝の欠落、調査の制限などの要因によって低下する。したがって、使用される変形モデルにかかわらず、一般に肺の中心部の変形は、より信頼されることができる。さらに、特定の局所的な変形があまり起こりそうにないが、他にそれ以上の可能性のある候補がない場合、この変形はまた、代替の変形が可能である場合よりも信頼することができる。
【００３８】
右肺と左肺、および／または各肺葉またはセグメントに対して異なる変形特性が存在することができる。例えば、側根基部は大抵の場合に右に回転し、先端部は圧縮することが経験的に示されることができる。
【００３９】
例えば、有限画像分析に基づくモデルを含む、肺の様々な生体力学モデルを使用することができる。これらのモデルは、放射線治療中の呼吸運動の予測に利用することができる。これらのモデルの使用を拡張して、ＥＮＢの変形可能な位置合わせを提供することができる。肺気腫や様々な肺病変や腫瘍などの特定の疾患をモデル化して、特定の局所的または全体的な変形を生じさせることができる。異なる気管支鏡およびカテーテルモデルをモデル化して、特定の変形を生成することができる。変形は、内視鏡ツールの機械的特性、気道壁に対するその屈曲または方向、気道の直径と剛性、動きの方向（前方または後方）、分岐に対するツールの位置、および他の変数に依存することができる。
【００４０】
ＣＴスキャンから患者の体への発散の原因は、個別にモデル化してから組み合わせることができる。例えば、ＣＴスキャン中の特定の患者の位置と、ＥＮＢ処置中の異なる位置（手を上げ下げするなど）をモデル化することができる。ＥＮＢ処置ベッドとは異なるＣＴスキャナのベッド湾曲もモデル化することができる。気管支鏡およびカテーテルによる気道壁への力の適用をモデル化することができる。鎮静、麻酔、および／または筋遮断薬は、モデル化することができる肺の解剖学的構造に影響を及ぼす。同様に、ＣＴスキャン時からの患者の解剖学的構造の変化は、位置合わせに影響を与えることができ、モデル化することもできる（例えば、肺炎の発症、体重の変化などによって引き起こされる変化）。発散の計算では、各調査点から参照気道樹の将来の変換までの最小距離は、対応する調査点に割り当てられた重みが乗算されることができ、重み付き最小距離が平均化される。特定の領域に対するこのプロセスは、最適化された領域位置合わせと呼ばれる。
【００４１】
気道経路の変化のさらに他の原因は、ＣＴスキャン中の完全な吸入とＥＮＢ処置中の呼吸サイクル、咳、ＥＮＢ処置中の患者の硬直しない動き、および処置中の呼吸パターンの変化を含む。これらのアクションのそれぞれは、本開示の態様にしたがってモデル化および利用されることができる。
【００４２】
モデルが経験的に検証されることができかつモデル化された各変形の尤度（位置合わせスコアと呼ばれる）が推測されることができる限り、記述された変形モデル、それらの任意の組み合わせ、または任意の他のモデルのいずれかを使用することができる位置合わせ方法が提案される。例えば、気道が１０％しか拡張しない場合よりも、ＣＴスキャンの時点からＥＮＢ処置の時点までサイズが２倍伸びる可能性は低くなる。したがって、拡張の確率は、拡張の程度が増加するにつれて減少するようにモデル化されることができる。
【００４３】
ＥＮＢ処置中、システムは、各サンプルが気管支樹の特定点に一致することができるように、位置合わせおよび／またはナビゲーションサンプルを使用して、気道内のカテーテル／気管支鏡／ツールの動きを追跡する。このマッチングは、選択された変形モデルに基づいている。従来の管腔位置合わせ方法は、調査と気管支樹との間の平均距離が最小になるように一致を見つけようとする。従来の方法は、調査が継続的であり、肺を通る特定の経路をたどる必要があるという事実を利用していない。したがって、従来の位置合わせ方法は、隣接サンプルを一致させて肺内のセグメントを完全に分離することができ、これは、位置合わせの精度が低下する。対照的に、本開示の提案された方法は、気管から肺の他の領域へのサンプルごとの追跡ツールの経路をたどり、それにより、論理的経路がたどられることを保証する。サンプルを一致させる前に、サンプルを希釈したり、外れ値を除去したり、および／または呼吸ノイズを低減したりするフィルタが適用されることができる。性能を考慮すると、関心のあるサンプルにはより詳細なモデルを使用することができ、他のサンプルにはより粗いモデルを使用することができる。
【００４４】
与えられた変形モデルを使用して、サンプルを気管支樹に一致させる方法は通常複数あるため、システムは、一致を生成する一連の変形がモデルにしたがって最も可能性の高い一致を選択する。例えば、右上葉が右主気管支に対して２０度回転する変形は、５つ全ての葉が１５度回転する一連の変形よりも高い確率を有する。次に、選択した一致に基づいて位置合わせが作成される。変形モデルに少なくとも部分的に応じて、薄いプレートスプラインのように位置合わせを柔軟にすることができ、それは、各変形領域について１つずつの複数の剛性位置合わせから構成されることができ、または、サンプルごとに異なる位置合わせを含めることができる。システムは、ナビゲーション中に新たなサンプルが受信された場合、システムが上位の一致を更新し、その多くがありそうもない全ての可能な一致の再計算を回避することができるように、メモリに上位の一致を記憶することができる。
【００４５】
詳細な実装の例を以下に示す。管腔位置合わせが実行される。システムによって受信される新たなナビゲーションサンプルごとに、システムは、サンプルを気管支樹内の最も可能性の高い気道に一致させようとする。（一致を示す図５を参照）。この動作は、アクティブな一致ごとに実行される。
【００４６】
複数の一致が発生する可能性がある場合、各一致は、ナビゲーション全体で独立して評価および追跡される（分岐を示す図６Ａ−図６Ｂを参照）。その後のナビゲーションの後、各一致は、さらに複数の一致に分割されることができる（さらなる分岐を示す図６Ｃ−図６Ｄを参照）。各アクティブな一致は、一致した気管支経路までのサンプルの距離を計算することにより、適合性が評価される（位置および方向の双方が使用される）。分岐の識別は、分岐間の角度および／または各分岐の長さに依存する。
【００４７】
さらに、初期内腔位置合わせからのアンカーポイントが位置合わせを制約するために使用される（位置合わせを示す図４を参照）。位置合わせの制約は、位置合わせプロセスにおける過度の柔軟性を回避する。例えば、特定の葉は、ある程度移動することができるが、一部の葉は、伸びることができるのみであり、他の葉は圧縮することができるのみである。さらに、葉の変形可能性は、相互依存することができる。例えば、１つの領域が２０％伸びる場合、他の領域は、１５％圧縮することができるか、または同様に制約された方法で移動および／または回転することができる。
【００４８】
著しく不適合な一致は破棄される。ＣＴスキャン画像での内視鏡ツールの最終的な表示に使用するために、最適な一致が選択される。新たなナビゲーションサンプルが取得されると、変形可能性を可能にするために古いナビゲーションサンプルが破棄される（境界ボックスを示す図７を参照）。この境界ボックスは、カテーテルまたは他のツールとともに移動することができ、剛性位置合わせが実行されるゾーンを画定することができる。このようにして、モデルは、局所的な領域では剛体とすることができるが、異なる剛体位置合わせ間の整合の柔軟性により、その領域の外側で変形することができる。カテーテルによる咳または組織の変形を想定して、外れ値のサンプルは破棄されることができる。分岐領域は、さらなる一致が取得されるまで一致の分割を遅延させることにより、異なる方法で処理される。分岐間の遷移は、実際の解剖学的構造をよりよく表すために平滑化される。気管支樹の外側では、より保守的な最近の修正が使用される。
【００４９】
いくつかの実施形態では、画像データを取得して、患者の肺または患者の身体の他の部分の３次元（３Ｄ）モデルまたはマップなどのデジタル再構成を生成し、それと関連してまたはそれとともに表示することができる。コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージング、コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）イメージング、磁気共鳴（ＭＲ）イメージング、ポジトロン放射断層撮影（ＰＥＴ）イメージング、蛍光透視イメージング、Ｘ線イメージング、および／または超音波イメージングを含む、様々な撮像モダリティを使用して画像データを取得することができる。３Ｄモデルは、前述の撮像モダリティのうちの１つ以上からの術前画像データに基づいて構築されることができる。代替的または追加的に、治療処置の開始時にＣＢＣＴスキャンなどから追加の画像データを取得し、以下でさらに説明するように、３Ｄモデルを構築および／または強化するために位置合わせ目的で使用することができる。
【００５０】
３Ｄモデルを作成するために、患者の肺の画像データに基づいて術前のセグメントおよびサブセグメントの描写および外挿を実行して、患者の肺の視覚的表現を作成することができる。視覚的表現は、患者の肺の管腔、胸膜表面、および裂け目、および／または患者の肺に存在する可能性のある腫瘍または他の異常な構造を含むことができる。描写は、コンピュータ上で実行される１つ以上のソフトウェアアプリケーションを使用して実行されることができる。アプリケーションは、上記の画像データに基づいて患者の肺の３Ｄモデルを生成し、患者の肺の視覚的表現に使用することができる。そして、３Ｄモデルおよび画像データは、臨床医および／または外科医によって観察され、外科処置または介入処置などの医療治療処置を計画することができる。３Ｄモデルおよび／または治療計画は、さらに、手術室などにおける治療処置中に後で観察するために記憶されることができる。
【００５１】
以下でさらに説明するように、治療計画は、画像データにおいて識別された腫瘍、病変、または他の異常構造などの１つ以上の治療対象の識別位置、および患者の気管と各治療対象との間の経路を含むことができる。経路は、患者の肺の気道などの管腔の内側に位置する部分、および患者の肺の気道の外側に位置する部分を含むことができる。「出口点」は、患者の気道の内側に位置する経路の部分と患者の気道の外側に位置する経路の部分との間の移行点をマークすることができる。
【００５２】
治療処置中に、以下でさらに説明するように、３Ｄモデルを表示して、臨床医が治療対象に１つ以上のツールをナビゲートするのを支援することができる。３Ｄモデルは、患者の肺内のツールの追跡された位置のインジケータを含むことができる。治療処置中の様々な時点で、追加のＣＢＣＴスキャンを実行するなどして、患者の肺内のツールおよび／または治療対象のリアルタイム位置を示す追加の画像データを取得することができる。例えば、ツールが「出口」を通過し、患者の気道の外側に配置された後、または臨床医が選択した他の任意の時点で、追加の画像データを取得して処理し、ツールおよび／または治療対象を識別することができる。そして、ツールの追跡された位置の３Ｄモデル上のインジケータは、追加の画像データに基づいて更新され、それにより、ツールおよび／または治療対象の確認された位置を示すことができる。追加の画像データは、さらに、患者の呼吸サイクルの様々な段階でツールの位置を表示し、ひいてはそれを追跡する機能を備えたソフトウェアアプリケーションを可能にすることができる。３Ｄモデルは、患者が呼吸サイクルの特定の段階、例えば全呼吸停止中に取得した画像データに基づいて生成されることができるが、患者は、治療処置の全期間にわたって呼吸サイクルのその段階に留まらない。したがって、患者の呼吸サイクルの様々な段階、特に通常の一回換気量での治療処置中に画像データを取得すると、ツールの位置および患者の肺内の治療対象、ならびに治療対象に対するツールの位置のより明確かつより正確な視覚化を提供することができる。
【００５３】
さらに、当業者によって理解されるように、本明細書に記載の装置、システム、および方法はまた、画像誘導および／または電磁（ＥＭ）システム下で治療部位におけるツールの配置を伴う、経皮的および／または腹腔鏡処置などの他のタイプの医療処置中にも使用されることができる。そのため、以下に説明される例示的な実施形態は、単に例として提供され、限定することを意図するものではない。
【００５４】
電磁ナビゲーション（ＥＭＮ）システムは、患者の肺の領域の治療を計画および実行するために使用されることができる。一般に、実施形態では、ＥＭＮシステムは、患者の肺における１つ以上の治療対象の位置を識別し、対象位置として１つ以上の治療対象を選択することにより、患者の肺の領域の治療を計画し、対象位置までの経路を判定し、位置決めアセンブリを対象位置までナビゲートし、位置決めアセンブリを介して様々なツールを対象位置までナビゲートする際に使用されることができる。ＥＭＮシステムは、前述の画像データおよび３Ｄモデルを含む、患者の肺の様々なビューを表示するように構成されることができる。
【００５５】
図１は、医療処置中にツールの変位を検出する方法を実施するのに適したＥＭＮシステム１００を示している。ＥＭＮシステム１００は、手術台４０上に支持された患者に対して１つ以上の処置を実行するために使用され、一般に、監視機器３０（例えば、ビデオおよび／または画像ディスプレイ）、気管支鏡５０、ＥＭ追跡システム７０、およびコンピューティング装置８０を含む。
【００５６】
気管支鏡５０は、患者の口および／または鼻を通して患者の気道に挿入するように構成されている。気管支鏡５０は、照明源およびビデオ撮像システム（明示的に図示せず）を含み、気管支鏡５０のビデオ撮像システムから受信したビデオ画像を表示するための監視機器３０に結合されている。実施形態では、気管支鏡５０は、カテーテルガイドアセンブリ９０と連動して動作することができる。カテーテルガイドアセンブリ９０は、気管支鏡５０の作業チャネルを通して患者の気道に挿入するように構成されたカテーテル９６を含む（カテーテルガイドアセンブリ９０は、代わりに、気管支鏡５０なしで使用されてもよい）。カテーテルガイドアセンブリ９０は、さらに、カテーテル９６に接続されたハンドル９１を含み、これは、カテーテル９６および／または位置決め可能ガイド（ＬＧ）９２などのカテーテル９６を通して挿入されるツールを操縦するために回転および圧縮によって操作されることができ、カテーテル９６は、気管支鏡５０の作業チャネル内に配置するような大きさとされる。カテーテルガイドアセンブリ９０の動作において、ＥＭセンサ９４を含むＬＧ９２がカテーテル９６に挿入され、ＥＭセンサ９４がＥＷＣ９６の遠位先端９３を越えて所望の距離だけ延びるような位置にロックされる。いくつかの実施形態では、カテーテル９６はまた、ＥＭセンサ９５を含むかまたはそれに結合されることができ、ＥＭセンサ９４、９５は、代替的にまたは集合的に、カテーテル９６および／またはそこに挿入されるツールの位置を判定してカテーテル９６および／またはそこに挿入されるツールを操縦するために使用されることができる。ＥＭ場生成器７６によって生成されたＥＭ場内のＥＭセンサ９４、９５、したがってカテーテル９６の遠位先端９３の位置は、追跡モジュール７２およびコンピューティング装置８０によって導き出すことができる。
【００５７】
ＬＧ９２およびカテーテル９６は、ロック機構を介して互いに対して選択的にロック可能である。６自由度ＥＭ追跡システム７０、または任意の他の適切な位置決め測定システムが、ナビゲーションを実行するために利用されるが、他の構成も考えられる。センサ９４および９５は、本明細書ではＥＭセンサとして説明されているが、本開示は、そのように限定されなるものではい。センサ９４および９５は、カテーテル９６の屈曲および方向を判定するために使用することができるファイバーブラッググレーティングセンサなどの可撓性センサ、または超音波センサ、加速度計、温度センサ、および本開示の範囲から逸脱しない他のものを含む他のセンサとすることができる。
【００５８】
ＥＭ追跡システム７０は、カテーテルガイドアセンブリ９０とともに使用してＥＭセンサ９４、９５が患者の気道を通ってカテーテル９６と連動して移動する際の位置を追跡するように構成されることができる。実施形態では、ＥＭ追跡システム７０は、追跡モジュール７２、複数の基準センサ７４、およびＥＭ場生成器７６を含む。図１に示すように、ＥＭ場生成器７６は、患者の下に配置される。ＥＭ場生成器７６および複数の基準センサ７４は、６自由度で各基準センサ７４の位置を導き出す追跡モジュール７２と相互接続される。１つ以上の基準センサ７４が患者の胸部に取り付けられる。基準センサ７４の座標は、基準センサ７４からのデータが患者の基準座標フレームを計算するために使用されるアプリケーション８１を含むコンピューティング装置８０にデータとして送信される。
【００５９】
ＥＭセンサ９４、９５は、それぞれ、ＬＧ９２およびカテーテル９６に含まれるものとして上述されているが、ＥＭセンサは、生検ツール６２および／またはアブレーションツール６４などの治療ツール内に埋め込まれるかまたは組み込まれてもよく、治療ツールは、代替的に、ＬＧ９２またはＬＧ９２の使用を必要とするツール交換を必要とせずに、ナビゲーションに利用されてもよい。
【００６０】
治療ツール６２、６４は、対象位置へのナビゲーションおよびＬＧ９２（使用する場合）の除去に続いて、カテーテルガイドアセンブリ９０およびカテーテル９６に挿入可能に構成される。生検ツール６２は、対象位置から１つ以上の組織サンプルを収集するために使用されることができ、実施形態では、さらに、対象部位への生検ツール６２のナビゲーション、および組織サンプルを得るために対象位置に対して操作されるときの生検ツール６２の位置の追跡を容易にするために追跡システム７０と併せて使用するように構成される。アブレーションツール６４は、無線周波数生成器またはマイクロ波生成器などの生成器６６によって動作されるように構成され、様々なアブレーションツールおよび／またはカテーテルのいずれかを含むことができる。
【００６１】
図１では生検ツールおよびマイクロ波アブレーションツールとして示されているが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、例えばＲＦアブレーションツール、近接照射療法ツール、凍結アブレーションツール、および他を含む他のツールを同様に展開および追跡することができることを認識するであろう。さらに、穿刺ツールおよび／またはパンクチャツールを使用しておよび／またはＬＧ９２内に組み込んで、ＬＧ９２、したがってカテーテル９６が患者の気道の外側で対象位置に向かってナビゲーションされる出口点を作成することができる。
【００６２】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージング装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）イメージング装置、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）イメージング装置、Ｃ−アームイメージング装置などのコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）イメージング装置、および／または患者の肺の少なくとも一部のスキャンを実行することができる他の撮像装置などの放射線イメージング装置２０は、ＥＭＮシステム１００とともに使用されることができる。イメージング装置２０は、さらに、患者の肺の蛍光透視スキャンを実行することができてもよい。図１に示すように、イメージング装置２０は、アプリケーション８１がイメージング装置２０によって取得された画像データを受信および処理することができるように、コンピューティング装置８０に接続されている。しかしながら、イメージング装置２０はまた、イメージング装置２０によって取得された画像データを最初に受信し、そのような画像データをコンピューティング装置８０に中継するために、治療室または別個の制御室内に位置する別個のコンピューティング装置を有してもよい。例えば、臨床医が繰り返しの放射線スキャンからの不必要な放射線に曝されるのを回避するために、臨床医は、イメージング装置２０がスキャンを実行する間、治療室を出て制御装置などの隣接室で待機してもよい。
【００６３】
コンピューティング装置８０は、３Ｄモデルの生成、対象位置の識別、対象位置への経路の計画、患者の実際の気道との３Ｄモデルの位置合わせ、対象位置へのナビゲーション、および対象位置における治療の実行を含むＥＭＮ処置の様々な段階を容易にするために使用されるアプリケーション８１などのソフトウェアおよび／またはハードウェアを含む。例えば、コンピューティング装置８０は、ＣＴスキャン、ＣＢＣＴスキャン、ＭＲＩスキャン、ＰＥＴスキャン、および／または任意の他の適切な撮像モダリティから取得したデータを利用して、患者の気道の３Ｄモデルを生成および表示し、画像データおよび／または３Ｄモデルを分析することにより（自動、半自動、または手動で）３Ｄモデル上での対象位置の識別を可能にし、患者の気道を通る対象位置までの経路の判定および選択を可能にする。３Ｄモデルは、コンピューティング装置８０に関連付けられたディスプレイモニタ上に、または他の適切な方法で提示されることができる。
【００６４】
コンピューティング装置８０を使用して、画像データおよび／または３Ｄモデルの様々なビューが臨床医に表示され、臨床医によって操作され、対象位置の識別を容易にすることができる。対象位置は、治療が行われる患者の肺内の部位とすることができる。例えば、治療対象は、気道に隣接する肺組織に配置されてもよい。３Ｄモデルは、とりわけ、患者の肺の実際の気道に対応するモデル気道樹を含むことができ、患者の実際の気道樹の様々な通路、分岐、および分岐枝を示すことができる。さらに、３Ｄモデルは、病変、マーカー、血管および血管構造、リンパ管および構造、臓器、他の生理学的構造の表現、および／または胸膜表面および患者の肺の亀裂の３Ｄレンダリングを含むことができる。前述の要素の一部または全ては、３Ｄモデルを観察するときに臨床医が表示されるべき要素を選択することができるように、選択的に表示されることができる。
【００６５】
対象位置を識別した後、アプリケーション８１は、患者の気道を介して患者の気管と対象位置との間の経路を判定することができる。対象位置が気道に直接隣接していない肺組織にある場合、経路の少なくとも一部は、患者の気道の外側に位置し、気道壁の出口点を対象位置に接続する。そのような場合、ＬＧ９４および／またはカテーテル９６は、最初に、患者の気道を通って気道壁の出口点までの経路の第１の部分に沿ってナビゲーションされる。そして、ＬＧ９４は、カテーテル９６、およびカテーテル９６に挿入される穿刺またはパンクチャツールなどのアクセスツールから取り外され、出口点において気道壁に開口を作成することができ、そして、カテーテル９６は、気道壁を通って、気道を取り巻く実質へと進められることができる。そして、アクセスツールは、カテーテル９６およびＬＧ９４および／またはカテーテル９６に再挿入されたツール６２、６４から取り外され、気道の外側の経路の第２の部分に沿ってカテーテル９６を対象位置までナビゲーションすることができる。
【００６６】
処置中、ＥＭセンサ９４、９５は、追跡システム７０と連動して、計画段階中に計画された経路をたどるカテーテル９６が患者の気道を通って前進する際にＥＭセンサ９４、９５（したがってカテーテル９６の遠位先端９３またはツール６２、６４）の追跡を可能にする。処置の初期ステップとして、３Ｄモデルは、患者の実際の気道に位置合わせされ、アプリケーション８１が患者の気道内のＥＭセンサ９４、９５の位置に対応する３Ｄモデル上のＥＭセンサ９４、９５の位置の指示を表示することを可能にする。
【００６７】
潜在的な位置合わせ方法の１つは、その葉の気道の少なくとも第２の分岐点まで患者の肺の各葉にＬＧ９２をナビゲートすることにより、患者の肺の調査を実行することを含む。ＬＧ９２の位置は、この位置合わせ段階中に追跡され、３Ｄモデルは、患者の肺の実際の気道内のＬＧ９２の追跡位置に基づいて繰り返し更新される。位置合わせプロセスでは、患者の実際の気道を３Ｄモデルの気道に合わせることに重点が置かれるが、位置合わせはまた、血管構造、胸膜表面、および肺の裂け目の位置が正確に判定されることを保証する。気管支気道内の分岐点に対応することができるアンカーポイント４３０（図４）は、この初期管腔位置合わせ中に取得され、位置合わせを制約するために使用されることができる。
【００６８】
図２は、コンピューティング装置８０の簡略化されたブロック図を示している。コンピューティング装置８０は、メモリ２０２、プロセッサ２０４、ディスプレイ２０６、ネットワークインターフェース２０８、入力装置２１０、および／または出力モジュール２１２を含むことができる。メモリ２０２は、アプリケーション８１および／または画像データ２１４を記憶することができる。アプリケーション８１は、プロセッサ２０４によって実行されるとディスプレイ２０６にＧＵＩを表示させるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）２１６を生成するための命令および／または実行可能コードを含むことができる。
【００６９】
メモリ２０２は、プロセッサ２０４によって実行可能でありかつコンピューティング装置８０の動作を制御するデータおよび／またはソフトウェアを記憶するための任意の非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含むことができる。実施形態では、メモリ２０２は、フラッシュメモリチップなどの１つ以上の固体記憶装置を含むことができる。１つ以上の固体記憶装置の代替的にまたは追加的に、メモリ２０２は、大容量記憶コントローラ（図示せず）および通信バス（図示せず）を介してプロセッサ２０４に接続される１つ以上の大容量記憶装置を含むことができる。本明細書に含まれるコンピュータ可読媒体の説明は、ソリッドステートストレージに言及しているが、コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサ２０４によってアクセス可能な任意の利用可能な媒体とすることができることが当業者によって理解されるべきである。すなわち、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールまたは他のデータなどの情報を記憶するための任意の方法または技術で実装された非一時的、揮発性および不揮発性、リムーバブルおよび非リムーバブル媒体を含む。例えば、コンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリもしくは他のソリッドステートメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ブルーレイもしくは他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ、もしくは他の磁気記憶装置、または所望の情報を記憶するために使用することができかつコンピューティング装置８０によってアクセスされることができる任意の他の媒体を含む。
【００７０】
ネットワークインターフェース２０８は、有線ネットワークおよび／または無線ネットワークから構成されるローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線モバイルネットワーク、ブルートゥース（登録商標）ネットワーク、および／またはインターネットなどのネットワークに接続するように構成されることができる。入力装置２１０は、例えば、マウス、キーボード、フットペダル、タッチスクリーン、および／または音声インターフェースなど、ユーザがコンピューティング装置８０と対話することができる任意の装置とすることができる。出力モジュール２１２は、例えば、パラレルポート、シリアルポート、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、または当業者に知られている任意の他の同様の接続ポートなどの接続ポートまたはバスを含むことができる。
【００７１】
図３は、管腔ネットワークを管腔ネットワークの３Ｄモデルに位置合わせする方法３００を示すフローチャートである。方法３００は、位置センサを含むツールによって管腔ネットワークをナビゲートすることを含む動作３０２において開始する。動作３０２から、方法３００のフローは、位置センサに関連付けられた位置データを受信することを含む動作３０４に進む。動作３０４から、方法３００のフローは、位置データと管腔ネットワークの画像内の潜在的一致を識別することを含む動作３０６に進む。任意の動作３０６から、方法３００のフローは、潜在的一致と位置データとの距離、および画像に適用される変形モデルに基づいて位置合わせスコアを潜在的一致に割り当てることを含む動作３０８に進む。動作３０８から、方法３００のフローは、最高の位置合わせスコアを有する潜在的一致を表示することを含む動作３１０に進む。動作３１０から、方法３００のフローは、終了円に進む。図３に示す動作の順序は、例示にすぎず、動作は異なる順序で実行されてもよい。
【００７２】
図４は、分岐４２０を有する気管支気道４１０の例示的な３Ｄモデル４００を示している。また、図４に示されているものは、位置センサ、例えば気管支鏡上のＥＭセンサから得られたセンサデータ４４０、４５０である。また、図４に示されているものは、分岐、例えば分岐４２０を形成する気管支気道４１０内の分岐点に対応することができるアンカーポイント４３０である。アンカーポイント４３０は、初期管腔位置合わせ中に取得されてもよく、位置合わせを制約するために使用されてもよい。
【００７３】
図５は、システムが３Ｄモデルの気管支気道４１０に新たなサンプルを一致させる管腔位置合わせ５００を示している。位置合わせデータ４４０は、位置および方向５１０の双方を含む。位置合わせデータ５３０は、気管支気道４１０の分岐５２０の後に発生し、気管支鏡がどの分岐に移動したかを判定するのを支援する。
【００７４】
図６Ａは、気管支気道４１０の分岐点において３Ｄモデル６００を使用する位置合わせを示している。センサデータ６２０は、位置および方向を含み、位置は、初期気道６１０の外側にあることができる。しかしながら、変形モデルに基づいて、センサデータ６２０は、高い位置合わせスコアを受信することができ、したがって、気管支鏡の位置センサの位置の最良の推定値と見なされることができる。３Ｄモデル６００は、変形モデルに基づいて調整されることができる。初期気道６１０は、分岐６４０および６４５の始まりを示すことができる分岐点６３０において終了することができる。他のセンサデータ６５０は、分岐点６３０を越えたが、分岐６４０と６４５との間の位置を示すことができる。したがって、システムは、センサデータ６５０を分岐６４０に割り当てる重み付きスコアを与えることができる。
【００７５】
図６Ｂは、分岐点６３０における気管支気道４１０の分岐点で３Ｄモデル６００を使用する、図６Ａに示されるような本開示にかかる位置合わせを示している。上述したように、センサデータ６２０は、初期気道６１０に位置合わせされることができる。他のセンサデータ６５０に基づいて、システムは、上述したように、気管支鏡が分岐６４０および６４５のどちらに移動しているかを結論付けることができない可能性があり、したがって、システムは、センサデータ６５０を分岐６４５に割り当てる他の重み付きスコアを与えることができる。
【００７６】
図６Ｃは、分岐点６３５における気管支気道４１０のさらなる分岐で３Ｄモデル６００を使用する、図６Ａおよび図６Ｂに示されるような本開示にかかる位置合わせを示している。他のセンサデータ６５０およびさらなるセンサデータ６５５に基づいて、システムは、気管支鏡が分岐６４０ではなく分岐６４５を下って移動していると結論付けることができる。この結論は、分岐６４０との位置合わせよりも高い重み付きスコアを分岐６４５との位置合わせに割り当てることによって実現することができる。さらなるセンサデータ６５５は、分岐点６３５を超える位置を示すことができる。したがって、システムは、センサデータ６５０を分岐６６０に割り当てる重み付きスコアを与えることができる。
【００７７】
図６Ｄは、分岐点６３５における気管支気道４１０の分岐点で３Ｄモデル６００を使用する、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃに示されるような本開示にかかる位置合わせを示している。分岐６６５から著しく離れて位置するさらなるセンサデータ６５５に基づいて、システムは、分岐６６５とのさらなるデータ６５５の位置合わせに非常に低いスコアを割り当てることができる。追加的または代替的に、システムは、さらなるセンサデータ６５５と分岐６６０との間よりもさらなるセンサデータ６５５と分岐６６５との間の方向においてより大きな差異を識別することができる。その結果、システムは、方向データの差異に基づいて、より高い位置合わせスコアを分岐６６０に割り当てることができる。代替的に、システムは、分岐６６５と位置合わせされるさらなるデータ６５５に関連付けられた全ての可能性を破棄してもよい。このようにして、分岐６６０は、さらなるセンサデータ６５５に対する可能な限り最良の適合として生じることができる。
【００７８】
図７は、システムが移動境界ボックス７１０内の３Ｄモデル７００の気管支気道４１０に新たなサンプルを一致させる、実行される管腔位置合わせを示している。移動境界ボックス７１０は、移動境界ボックス７１０内の中心にあるかまたは移動境界ボックス７１０内の他の場所にあることができる位置センサの位置とともに移動することができる。位置センサを有する気管支鏡または他のツールが気管支気道４１０内で移動すると、移動境界ボックス７１０も移動することができる。移動境界ボックス７１０は、移動境界ボックス７１０の連続する位置が重ならないかまたは僅かに重なるのみであるように、徐々に、または段階的に移動することができる。移動境界ボックス７１０内で、システムは、センサデータ６２０と３Ｄモデル７００との間の第１の剛性位置合わせを実行し、移動境界ボックス７１０の移動後に、第２の剛性位置合わせが実行されることができる。続いて、第１および第２の剛性位置合わせは、単一の位置合わせを形成するために縫合されることができる。
【００７９】
図７では、センサデータ６２０は、位置および方向を含み、位置は、初期気道６１０の外側にあることができる。変形モデルに基づいて、センサデータ６２０は、高い位置合わせスコアを受信することができ、したがって、気管支鏡の位置センサの位置の最良の推定値と見なされることができる。３Ｄモデル７００は、変形モデルに基づいて調整されることができる。初期気道６１０は、分岐６４０および６４５の始まりを示すことができる分岐点６３０において終了することができる。他のセンサデータ６５０は、分岐点６３０を越えたが、分岐６４０と６４５との間の位置を示すことができる。したがって、システムは、センサデータ６５０を分岐６４０に割り当てる重み付きスコアを与えることができる。
【００８０】
本開示のさらなる態様は、図８を参照して説明される。図８では、３Ｄモデルと位置センサ（例えば、ＥＭセンサ９４、９５）から受信したセンサデータとの間の関係を改善する方法が記載されている。本方法によれば、ステップ８０２において患者の術前ＣＴ画像データセットが取得される。通常、肺の場合、患者が息を完全に止めている間に術前ＣＴ画像データセットが取得される。当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、ＣＢＣＴ、ＭＲＩ、蛍光透視法、および他を含む他の形態のイメージングを採用することができることを認識するであろう。１つの要件は、イメージング技術が３Ｄモデルを生成することができる画像を提供することができるということである。ステップ８０４において、気道の３Ｄモデルが術前ＣＴ画像データセットから生成される。完全な息止めで設定されたＣＴ画像データを取得することにより、画像内の組織を気道からより容易に区別することができるため、３Ｄモデル内の気道の境界の判定が容易になる。３Ｄモデルを生成する前に、治療計画と、患者内でカテーテルがナビゲートされるＣＴ画像データセット内の対象の識別が識別されることができ、これらの対象への経路は、上記の詳細に説明された治療計画の一部として確立される。
【００８１】
３Ｄモデルが生成されると、３Ｄモデルおよび治療計画は、ステップ８０６において、ＥＭＮシステム１００と併せてアプリケーション８１によって使用されるコンピューティング装置８０にロードされることができる。３Ｄモデルおよび治療計画をロードした後、ステップ８０８において患者の生理機能の調査を行うことができる。肺調査の場合、センサ９４、９５を含むカテーテル９６が気道に挿入されて駆動され、肺の各葉の気道の形状に関するデータを収集することができる。ＥＭセンサ９４または９５が使用される場合、カテーテル９６およびセンサが気道を通って肺の各葉へとナビゲートされると、ＥＭデータ点が収集される。これらは、高頻度で収集されることができる（例えば、１秒あたり１００−５００データ点）。結果は、肺の気道の形に似た点群である。一般に、これらのデータ点は、全て肺の気道内から取得されることが理解されている。
【００８２】
センサ９４による肺の調査から取得されたデータは、ステップ８１０において、患者の気道の３Ｄモデルを生成するためにアプリケーション８１によって使用されることができる。患者の気道のこの３Ｄモデルは、術前ＣＴ画像データから生成された３Ｄモデルとは全く異なることができる。初期問題として、また上記のように、患者が肺の完全な息止め（すなわち、最大膨張）にある間にＣＴ画像データが通常取得される一方で、患者は、一回換気量呼吸を経験している間、カテーテル９６は、気道を通してナビゲートされて調査を実施する。
【００８３】
通常、調査から生成された点群は、術前ＣＴ画像データから生成された３Ｄモデルを患者の生理機能に位置合わせするためにアプリケーション８１によって使用される。このように、カテーテル９６は、カテーテルベースのイメージングシステムを必要とせずに、むしろ術前ＣＴ画像データから生成された３Ｄモデルを介して経路および治療計画をたどることにより、患者の気道を通してナビゲートされることができる。しかしながら、ＣＴ画像データのキャプチャ中およびナビゲーション処置中の患者の肺の位置の差異により、この位置合わせは、必然的に正確ではない。
【００８４】
肺の位置の差異は、繰り返し観察されており、特に処置中ＣＢＣＴ画像が取得されるときに観察されている。これらの処置中ＣＢＣＴ画像を使用して、複数のデータ変換が開発されてきた。これらの変換は、術前ＣＴ画像データからの３Ｄモデルの特定の態様の位置と、ＣＢＣＴ画像から導出された３Ｄモデルのそれらの同じ態様の位置との比較に基づいて開発されている。これらの態様は、分岐の場所または画像データセットの他の観察可能な態様とすることができる。理解されるように、中央気道は、２つの画像データセット間を大きく移動する可能性が低くなるが、肺の周囲に近付くほど移動の機会が大きくなる。したがって、変換は、肺の中央から周囲へのグラデーションを含むことができる。これらの変換は、術前ＣＴ画像データセットと処置中ＣＢＣＴ画像および患者に関する他のデータの数百または数千の比較に基づいている。他のデータは、身長、体重、性別、年齢、以前の喫煙活動、病状、体脂肪、胸の直径、肺気量、呼吸数、および患者に関する他のデータなどの項目を含むことができる。このデータから、潜在的な患者のほとんどに対応するための多数の変換が開発されることができる。これらの変換は、コンピューティング装置８０に記憶され、アプリケーション８１によってアクセスされることができる。
【００８５】
ステップ３１２において、アプリケーションは、１つ以上の変換を術前ＣＴ画像データから生成された３Ｄモデルに適用し、結果を患者の気道から収集された調査データからの点群から生成された３Ｄモデルと比較する。点群から生成された３Ｄモデルに最も一致する変換を利用して、術前ＣＴ画像データセットから３Ｄモデルを変換する。この最も近い一致は、調査データ（例えば、点群）から３Ｄモデルで定義された気道の形状を実現するための前処置ＣＴ画像データセットから生成された３Ｄモデルの変化の近似である。
【００８６】
場合によっては、特定の変換への変換の適用にスケーリングが必要になることがある。これは、変換の開発に使用される画像のスケールと比較したＣＴ画像データセットの取得からのスケールの差異（例えば、フレーム内の画像の位置、またはイメージング装置からの距離）を補償するために必要とすることができる。スケーリングは、変換がＣＴ画像データセットの幅広い配列で使用されることを可能にする。
【００８７】
ステップ３１４において、収集された点群データを使用して、変換された３Ｄモデルが患者に位置合わせされ、識別された対象への患者の気道のナビゲーションを開始することができる。患者の気道のこのナビゲーションは、ここでは３Ｄモデルの相対位置と患者の気道内のカテーテル９６の実際の位置の信頼性を高めて行われる。効果的に、変換を適用すると、ＣＴ画像データが収集されるときと調査または点群データが収集されるときのタイミング、ポジショニング、および呼吸属性などの差異に基づいて発生するＣＴから身体への相違の多くが排除される。
【００８８】
図７に関して上述したように、変換は、前処置ＣＴ画像データセット全体にグローバルに適用される必要はなく、むしろ、変換の最良適合が選択部分に適用されることができるようにＣＴ画像データセットの部分に選択的に適用されることができる。このようにして、肺の各葉、または左肺と右肺の分離、または他の区分を採用することができ、肺のこれらのサブユニットのそれぞれに異なる変換を適用して、患者の気道の調査データ（例えば、点群）から生成された３Ｄモデルに対する前処置ＣＴ画像データセットおよびそこから導出された３Ｄモデルのより近い変換を達成することができる。
【００８９】
本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は当該技術分野が許容する広い範囲として捉えられるべきであり、本明細書も同様に読み取られるべきと考えられるので、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではないことが意図される。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は本明細書に添付される特許請求の範囲の範囲および主旨内での他の修正を想定するであろう。
【符号の説明】
【００９０】
２０  イメージング装置、放射線イメージング装置
３０  監視機器
４０  手術台
５０  気管支鏡
６２  治療ツール、ツール、生検ツール
６４  アブレーションツール、ツール、治療ツール
６６  生成器
７０  追跡システム、ＥＭ追跡システム
７２  追跡モジュール
７４  基準センサ
７６  ＥＭ場生成器
８０  コンピューティング装置
８１  アプリケーション
９０  カテーテルガイドアセンブリ
９１  ハンドル
９３  遠位先端
９４  センサ、ＥＭセンサ
９５  センサ、ＥＭセンサ
９６  カテーテル
１００  ＥＭＮシステム
２０２  メモリ
２０４  プロセッサ
２０６  ディスプレイ
２０８  ネットワークインターフェース
２１０  入力装置
２１２  出力モジュール
２１４  画像データ
３１２  ステップ
３１４  ステップ
４００  ３Ｄモデル
４１０  気管支気道
４２０  分岐
４３０  アンカーポイント
４４０  センサデータ、位置合わせデータ
４５０  センサデータ
５００  管腔位置合わせ
５１０  方向
５２０  分岐
５３０  位置合わせデータ
６００  ３Ｄモデル
６１０  初期気道
６２０  センサデータ
６３０  分岐点
６３５  分岐点
６４０  分岐
６４５  分岐
６５０  センサデータ
６５５  データ、センサデータ
６６０  分岐
６６５  分岐
７００  ３Ｄモデル
７１０  移動境界ボックス
８０２  ステップ
８０４  ステップ
８０６  ステップ
８０８  ステップ
８１０  ステップ
【図１】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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