(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータシステムによって実行される方法であって、当該方法は、
医療器具の細長い可撓性部分の形状情報を受信するステップであって、前記医療器具は、手術基準フレーム内で既知の姿勢を有する固定具に可動式に結合される基準部分を含み、前記手術基準フレームには、前記固定具から離れて配置される拘束構造が含まれ、該拘束構造は、前記手術基準フレーム内で拘束構造の既知の位置を有しており、前記細長い可撓性部分は、前記基準部分に結合され且つ前記拘束構造を通過するようにサイズ決めされ、前記細長い可撓性部分は、前記拘束構造内で該拘束構造に対して並進するように構成される、受信するステップと、
前記手術基準フレーム内の基準部分の位置情報を受信するステップと、
前記基準部分の位置情報及び前記形状情報から、前記手術基準フレーム内の拘束構造の推定位置を決定するステップと、
前記拘束構造の推定位置を前記拘束構造の既知の位置と比較することにより補正係数を決定するステップと、
前記補正係数に基づいて前記形状情報を修正するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記形状情報は、前記医療器具内に延びる光ファイバ形状センサーから受信される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光ファイバ形状センサーは、前記医療器具の前記基準部分に配置された基端部を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記形状情報は、前記医療器具の先端チップの姿勢を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記固定具は、前記手術基準フレーム内に固定された遠隔操作可能なマニピュレータの構成要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基準部分の位置情報は、前記遠隔操作可能なマニピュレータの少なくとも１つの自由度からのセンサーデータに基づいて較正される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記拘束構造は、前記手術基準フレーム内の前記拘束構造の既知の位置において前記医療器具の前記細長い可撓性部分の少なくとも２自由度の運動を制限するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記拘束構造は、剛性リングを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記拘束構造は、前記手術基準フレーム内の前記拘束構造の既知の位置において前記医療器具の前記細長い可撓性部分の少なくとも４自由度の運動を制限するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記拘束構造は、細長いスリーブを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記拘束構造の既知の位置は、前記手術基準フレーム内の固定位置である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
解剖学的モデル情報を受信するステップと、
修正された前記形状情報を前記解剖学的モデル情報に位置合わせするステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記手術基準フレーム内の前記拘束構造の推定位置を決定するステップは、形状センサーの基準フレーム内の前記基準部分に対する拘束構造の位置を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記手術基準フレーム内の前記基準部分の位置情報を受信するステップは、前記医療器具の前記基準部分が前記固定具に沿って位置付けされる間に受信されるモータ位置測定装置のデータに基づいて、基準部分の較正された位置情報を受信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記基準部分の位置情報は、前記手術基準フレーム内の前記固定具の動きを追跡するように構成された位置測定装置から受信される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、２０１５年４月６日に出願された、”SYSTEMS  AND  METHODS  OF  REGISTRATION  COMPENSATION  IN  IMAGE  GUIDED  SURGERY”という標題の米国仮特許出願第６２／１４３，４０５号について優先権及び出願日の利益を主張するものであり、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、画像誘導処置を行うためのシステム及び方法に関し、より具体的には、画像誘導処置中の位置合せ誤差を補償するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
低侵襲性医療技術は、医療処置中に損傷を受ける組織の量を減らし、それにより患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させることを意図している。そのような低侵襲性技術は、患者の解剖学的構造の自然オリフィスを介して、或いは１つ又は複数の外科的切開部を介して行うことができる。これらの自然オリフィス又は切開部を介して、臨床医は、（手術用、診断用、治療用、又は生検用器具を含む）低侵襲性医療器具を挿入して標的組織位置に到達させることができる。標的組織位置に到達させるのを支援するために、医療器具の位置及び動きを、患者の解剖学的構造の手術前又は手術中の画像と位置合わせしてもよい。画像に位置合わせされた画像誘導器具を用いて、器具は、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環器系等の解剖学系の自然又は外科的に形成された通路をナビゲートされ得る。いくつかの画像誘導器具は、細長い可撓性器具の形状及びこの器具の先端部の姿勢に関する情報を提供する光ファイバ形状センサーを含むことができる。器具の先端部の姿勢推定の精度を維持するためには、手術前又は手術中の画像に器具の基端部を位置合わせすることに関連する誤差を最小にするためのシステム及び技術が必要とされている。
【発明の概要】
【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。
【０００５】
一実施形態では、コンピュータシステムによって実行される方法は、医療器具の細長い可撓性部分の形状情報を受信するステップを含む。医療器具は、手術基準フレーム内で既知の姿勢を有する固定具に可動式に結合される基準部分を含む。固定具は、手術基準フレーム内で拘束構造の既知の位置を有する拘束構造を含む。細長い可撓性部分は、基準部分に結合され且つ拘束構造を通過するようにサイズ決めされる。この方法は、手術基準フレーム内の基準部分の位置情報を受信するステップと、基準部分の位置情報及び形状情報から、手術基準フレーム内の拘束構造の推定位置を決定するステップと、拘束構造の推定位置を拘束構造の既知の位置と比較することにより補正係数を決定するステップと、補正係数に基づいて形状情報を修正するステップとを含む。
【０００６】
別の実施形態では、コンピュータシステムによって実行される方法は、医療器具からこの器具の形状情報を受信するステップを含む。医療器具は、手術基準フレーム内で既知の姿勢を有する固定具に可動式に結合される基準部分を含む。固定具は、拘束構造と、基準部分に結合される細長い可撓性部分とを含む。細長い可撓性部分は、手術基準フレーム内の既知の位置で固定具の拘束構造を通過するようにサイズ決めされる。この方法は、解剖学的モデル情報を受信するステップと、器具の形状情報を解剖学的モデル情報に位置合わせするステップとをさらに含む。位置合わせするステップは、手術基準フレーム内の既知の位置を通過するように器具の形状情報を調整するステップを含む。
【０００７】
前述した一般的な説明及び以下の詳細な説明は両方とも、本質的に例示的且つ説明的なものであり、本開示の範囲を限定することなく本開示の理解を与えることを意図していることを理解されたい。その点で、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当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の実施形態による遠隔操作可能な医療システムの図である。
【図２】本開示の態様を利用する医療器具システムを示す図である。
【図３】図２の医療器具システムの先端部を示す図であり、この先端部に伸長した医療ツールを含む。
【図４】本開示の一実施形態による画像誘導外科的処置において誘導を与えるために使用される方法を示すフローチャートである。
【図５】本開示の一実施形態による位置合せ技術の位置合せ表示段階を示す図である。
【図６】挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む手術座標空間の側面図である。
【図７ａ】代替実施形態による図６の挿入アセンブリの一部を示す図であり、この挿入アセンブリに２自由度の拘束構造が取り付けられる。
【図７ｂ】図７ａの拘束構造の断面図である。
【図８ａ】代替実施形態による図６の挿入アセンブリの一部を示す図であり、この挿入アセンブリに４自由度の拘束構造が取り付けられる。
【図８ｂ】図８ａの拘束構造の断面図である。
【図９ａ】医療器具と解剖学的モデル情報のセットとの位置合せを修正する方法を示すフローチャートである。
【図９ｂ】形状センサーからの形状情報を修正する方法を示すフローチャートである。
【図１０】形状センサー情報に対する解剖学的モデル情報の初期位置合せを示す図である。
【図１１】形状センサーが拘束構造を通過することに基づいて修正された最終的な位置合せを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の態様は、添付図面と併せて理解するときに以下の詳細な説明から最もよく理解される。業界の一般的な慣例に従って、様々な特徴を一定の縮尺で描いていないことを強調しておく。実際に、様々な特徴の寸法は、説明を明瞭にするために適宜増減し得る。さらに、本開示は、様々な例において参照符号及び／又は文字を繰り返し得る。この繰返しは、簡潔さ及び明瞭さを目的とするものであり、その繰返し自体が議論される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を規定するものではない。
【００１０】
本発明の態様の以下の詳細な説明では、開示される実施形態の完全な理解を与えるために、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、当業者には、本開示の実施形態がこれらの特定の詳細なしに実施し得ることは明らかであろう。他の例では、本発明の実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないために、周知の方法、手順、構成要素、及び回路を詳細に説明していない。また、不必要な説明的な繰り返しを避けるために、１つの例示的な実施形態に従って説明される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適用可能であるように、使用又は省略され得る。
【００１１】
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、デカルト座標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、少なくとも１つの並進自由度における対象物又は対象物の一部の位置、及び少なくとも１つの回転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、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。
【００１２】
図面の図１を参照すると、例えば手術、診断、治療、又は生検処置で使用する遠隔操作可能な医療システムが、全体的に参照符号１００で示される。図１に示されるように、遠隔操作可能なシステム１００は、一般に、患者Ｐに対して様々な処置を行う際に医療器具１０４を操作するための遠隔操作可能なマニピュレータセンブリ１０２を含む。このアセンブリ１０２は、手術台Ｏに又はその近くに取り付けられる。マスターアセンブリ１０６によって、臨床医又は外科医Ｓが、介入部位を確認し、スレーブマニピュレータアセンブリ１０２を制御することができる。
【００１３】
マスターアセンブリ１０６は、通常手術台Ｏと同じ部屋に位置する外科医コンソールに配置することができる。しかしながら、外科医Ｓは、患者Ｐとは異なる部屋に又は完全に異なる建物内に位置する可能性があることを理解されたい。マスターアセンブリ１０６は、一般に、マニピュレータアセンブリ１０２を制御するための１つ又は複数の制御装置を含む。制御装置は、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、手動式制御装置、音声認識装置、身体モーションセンサー又は存在センサー等の多数の様々な入力装置を含むことができる。いくつかの実施形態では、制御装置には、関連する医療器具１０４と同じ自由度が与えられ、テレプレゼンス、すなわち制御装置が器具１０４と一体であるという知覚を外科医に与えるので、外科医は器具１０４を直接的に制御しているという強い感覚を有することになる。他の実施形態では、制御装置は、関連する医療器具１０４よりも多い又は少ない自由度を有してもよく、依然として外科医にテレプレゼンスを提供することができる。いくつかの実施形態では、制御装置は、６自由度で動く手動入力装置であり、（例えば、把持顎部を閉じる、電極に電位を印加する、又は薬物療法を送達する等のために）器具を作動させるための作動可能ハンドルを含むこともできる。
【００１４】
遠隔操作可能なアセンブリ１０２は、医療器具システム１０４をサポートしており、１つ又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、手動で位置付けされ、適所にロックされる１つ又は複数のリンク、一般にセットアップ構造と呼ばれる）及び遠隔操作可能なマニピュレータの運動学的構造を含むことができる。遠隔操作可能なアセンブリ１０２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、医療器具システム１０４上の入力部を駆動させる複数のアクチュエータ又はモータを含む。モータが駆動システムに含まれ、医療器具に結合されたときに、システム１０４は医療器具を自然に又は外科的に形成された解剖学的オリフィス内に進めることができる。他の電動駆動システムは、複数の自由度で医療器具の先端部を動かすことができ、その複数の自由度は、３つの直線自由度（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸に沿った直線運動）、及び３つの回転自由度（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸の周りの回転）を含むことができる。さらに、モータを使用して、器具の関節運動可能なエンドエフェクタを作動させ、生検装置の顎部等で組織を把持することができる。レゾルバ（resolver）、エンコーダ、ポテンショメータ、及び他の機構等のモータの位置センサーは、モータシャフトの回転及び向きを表すセンサーデータを遠隔操作可能なアセンブリに提供することができる。この位置センサーデータを使用して、モータによって操作される対象物の動きを決定することができる。
【００１５】
遠隔操作可能な医療システム１００は、遠隔操作可能な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含むセンサーシステム１０８も有する。そ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）；器具システム１０４の可撓性本体に沿ったカテーテル・チップ及び／又は１つ又は複数のセグメントの位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサーシステム；カメラを用いて器具システム及び／又は患者上の外部光学マーカーを監視する光追跡システム；及び／又はカテーテルシステムの先端部から画像を取り込むための視覚化システムを含むことができる。これらのシステムのうちの１つ又は複数を使用して、患者基準フレーム及び／又は手術環境基準フレーム等の基準フレームに対して器具を位置特定することができる。
【００１６】
視覚化システム（例えば、図２の視覚化システム２３１）は、手術部位の同時(concurrent)又はリアルタイムの画像を記録し、この画像を臨床医又は外科医Ｓに提供する視野スコープ(viewing  scope)アセンブリを含むことができる。同時画像は、例えば、手術部位内に位置付けされた内視鏡によって取り込まれた２次元又は３次元画像であってもよい。この実施形態では、視覚化システムは、医療器具１０４に一体的又は取外し可能に結合される内視鏡要素を含む。しかしながら、代替実施形態では、別個のマニピュレータアセンブリに取り付けられた別個の内視鏡を医療器具と一緒に用いて、手術部位を撮像することができる。視覚化システムは、１つ又は複数のコンピュータプロセッサと相互作用するか、又は他にそのプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組合せとして実装してもよく、視覚化システムは、制御システム１１２（後述）のプロセッサを含むことができる。
【００１７】
遠隔操作可能な医療システム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医療器具システム１０４の画像又は表現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、オペレータがテレプレゼンスの知覚によって医療器具システム１０４及びオペレータ入力システム１０６を制御できるように向き合わせしてもよい。
【００１８】
表示システム１１０は、視覚化システムによって取り込まれた手術部位及び医療器具の画像を表示することもできる。ディスプレイ１１０及び制御装置は、スコープアセンブリ内の撮像装置と医療器具との相対位置が外科医の目や手の相対位置と同様となるように向き合せされ、それによってオペレータが、あたかも実質的に真の存在下で作業空間を見ているかのように医療器具１０４及びハンド・コントロールを操作することができる。真の存在とは、提示される画像が、器具１０４を物理的に操作しているオペレータの視点をシミュレートする真の視点画像であることを意味する。
【００１９】
代替的に又は追加的に、ディスプレイ１１０は、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像法（MRI）、蛍光透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（OCT）、熱イメージング、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、又はナノチューブＸ線イメージング等の画像化技術からの画像データを用いて手術前に又は手術中に記録された手術部位の画像を提示することができる。手術前又は手術中の画像情報は、２次元、３次元、又は４次元画像（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）、或いは手術前又は手術中の画像データセットから形成されたモデルからの画像として提示することができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、多くの場合に画像誘導外科的処置の目的のために、ディスプレイ１１０は、医療器具１０４の実際の位置が手術前又は同時画像／モデルに位置合わせ（すなわち、動的に参照）され、器具１０４のチップ位置の視点からの内部手術部位の仮想画像を臨床医又は外科医Ｓに提示する仮想ナビゲーション画像を表示することができる。外科医が医療器具を制御するのを支援するために、器具１０４のチップの画像或いは他のグラフィカルインジケータ又は英数字インジケータを仮想画像に重ね合わせてもよい。あるいはまた、器具１０４は、仮想画像内で見えないことがある。
【００２１】
他の実施形態では、ディスプレイ１１０は、医療器具の実際の位置が手術前画像又は同時画像に位置合わせされ、外部視点からの手術部位内の医療器具の仮想画像を臨床医又は外科医Ｓに提示する仮想ナビゲーション画像を表示することができる。外科医が器具１０４を制御するのを支援するために、医療器具の一部の画像或いは他のグラフィカルインジケータ又は英数字インジケータを仮想画像に重ね合わせてもよい。
【００２２】
遠隔操作可能な医療システム１００は、制御システム１１２も含む。制御システム２０は、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）を含み、典型的には医療器具システム１０４と、オペレータ入力システム１０６と、センサーシステム１０８と、表示システム１１０との間で制御を行うための複数のプロセッサを含む。制御システム１１２は、本明細書に開示される態様に従って説明される方法の一部又は全てを実施するようにプログラムされた命令（例えば、命令を記憶するコンピュータ可読媒体）も含み、この命令には、病理学的情報を表示システム１１０に提供する命令も含む。制御システム１１２が、図１の簡略化した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、オプションで、処理の一部が遠隔操作可能なアセンブリ１０２で又はこのアセンブリ１０２に隣接して実行され、処理の別の部分がオペレータ入力システム１０６等で実行される２つ以上のデータ処理回路を含むことができる。多種多様の集中型又は分散型データ処理アーキテクチャを使用してもよい。同様に、プログラムされた命令は、多数の別個のプログラムやサブルーチンとして実装してもよく、又はそれら命令は、本明細書に記載される遠隔操作可能な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。
【００２３】
いくつかの実施形態では、制御システム１１２は、医療器具システム１０４から力及び／又はトルクフィードバックを受け取る１つ又は複数のサーボコントローラを含むことができる。フィードバックに応答して、サーボコントローラは、オペレータ入力システム１６に信号を送信する。サーボコントローラ（複数可）は、遠隔操作可能なアセンブリ１０２に命令する信号を送信して、医療器具システム（複数可）１０４を移動させ、このシステム１０４を、患者の身体の開口部を介してこの身体の内部手術部位に延ばすこともできる。任意の適切な従来の又は専用のサーボコントローラを使用してもよい。サーボコントローラは、遠隔操作可能なアセンブリ１０２とは別にしてもよく、又は一体化してもよい。いくつかの実施形態では、サーボコントローラ及び遠隔操作可能なアセンブリは、患者の身体に隣接して位置付けされた遠隔操作可能なアームカートの一部として提供される。
【００２４】
制御システム１１２は、画像誘導外科的処置で使用される場合に、医療器具システム（複数可）１０４にナビゲーション支援を提供する仮想視覚化システムをさらに含むことができる。仮想視覚化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的通路の手術前又は手術中に取得したデータセットを参照することに基づく。より具体的には、仮想視覚化システムは、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像法（MRI）、蛍光透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（OCT）、熱イメージング、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画像化技術を使用して撮像された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアのみ又は手動入力と組み合わされたソフトウェアが、記録された画像を、部分的又は全体的な解剖学的臓器又は解剖学的領域のセグメント化された２次元又は３次元の合成表現に変換するために使用される。画像データセットは、この合成表現に関連付けられる。合成表現及び画像データセットは、通路の様々な位置及び形状、並びにそれらの接続性を表す。合成表現を生成するために使用される画像は、臨床診断中に、手術前に又は手術中に記録することができる。代替実施形態では、仮想視覚化システムは、標準的な表現（すなわち、患者固有ではない）、又は標準的な表現及び患者固有データのハイブリッドを使用してもよい。合成表現及び合成表現によって生成された任意の仮想画像は、１つ又は複数の動作段階中（例えば、肺の吸気／呼気サイクル中）の変形可能な解剖学的領域の静的姿勢を表すことができる。
【００２５】
仮想ナビゲーション処置の間に、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（外部）の追跡画像と、患者の解剖学的構造の仮想的な内部画像との両方を生成することができる。仮想視覚化システムからの画像等の手術前に記録された外科的画像と一緒に医用器具を位置合わせして表示するために、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。例えば、米国特許出願第１３／１０７，５６２号（２０１１年５月１３日出願）（”Medical  System  Providing  Dynamic  Registration  of  a  Model  of  an  Anatomical  Structure  for  Image-Guided  Surgery”）を開示する）は、そのようなシステムの１つを開示しており、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
遠隔操作可能な医療システム１００は、照明システム、操縦制御システム、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）をさらに含むことができる。代替実施形態では、遠隔操作可能なシステムは、複数の遠隔操作可能なアセンブリ及び／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、数ある要因の中でも、外科的処置及び手術室内の空間的制約に依存するだろう。オペレータ入力システムを併置してもよく、又はそれら入力システム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が可能になる。
【００２７】
図２は、医療器具システム２００を示しており、このシステム２００は、遠隔操作可能な医療システム１００で行われる画像誘導医療処置において医療器具システム１０４として使用され得る。あるいはまた、医療器具システム２００は、非遠隔操作の診査的処置、又は内視鏡等の従来の手動操作の医療器具を伴う処置で使用することができる。追加的に又は代替的に、医療器具システム２００は、患者の解剖学的通路内の位置に対応するデータポイントのセットを収集するために使用してもよい。
【００２８】
器具システム２００は、器具本体２０４に結合される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、及び先端部又はチップ部分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３ｍｍ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、必要に応じて、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、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサー２２２を含むことができる。先端部２１８と基端部２１７との間の本体２１６の全長を、複数のセグメント２２４に効果的に分割してもよい。器具システム２００が遠隔操作可能な医療システム１００の医療器具システム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遠隔操作処置で使用される場合に、形状センサー２２２を追跡システム２３０に結合し、追跡システム２３０によって、この形状センサーに問い合わせし、受信した形状データを処理することができる。
【００２９】
形状センサー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）内に設けられ又は外付けされた）光ファイバを含んでもよい。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、それよりも大きくても小さくてもよい。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の形状を決定するための光ファイバの曲げセンサーを形成する。１つの代替実施形態では、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、米国特許出願第１１／１８０，３８９号（２００５年７月１３日出願）（”Fiber  optic  position  and  shape  sensing  device  and  method  relating  thereto”を開示する）、米国特許出願第１２／０４７，０５６号（２００４年７月１６日出願）（”Fiber-optic  shape  and  relative  position  sensing”を開示する）、及び米国特許第６，３８９，１８７号（１９９８年６月１７日出願）（”Optical  Fibre  Bend  Sensor”を開示する）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組み込まれる。代替実施形態では、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、及び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。他の代替実施形態では、他の技術を用いて、カテーテルの形状を決定してもよい。例えば、カテーテルの先端チップの姿勢の履歴を用いて、その時間間隔に亘った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サイクルに従った器具システム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求めることができる。あるいはまた、カテーテルに沿って位置付けされたＥＭセンサー等の一連の位置センサーを、形状感知のために使用することができる。あるいはまた、処置中に器具システム上の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含む無線装置を、形状感知のために使用することができる。無線装置の位置の履歴を使用して、ナビゲートする通路の形状を決定することができる。
【００３０】
医療器具システムは、必要に応じて、位置センサーシステム２２０を含んでもよい。位置センサーシステム２２０は、電磁（EM）センサーシステムの構成要素であってもよく、センサー２２０は、外部で発生した電磁場に曝される１つ又は複数の導電コイルを含む。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に依存する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、或いは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、米国特許第６，３８０，７３２号（１９９９年８月１１日出願）（”Six-Degree  of  Freedom  Tracking  System  Having  a  Passive  Transponder  on  the  Object  Being  Tracked”を開示する）に提供されており、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、（患者の固定座標系における）形状センサーのベースの位置に関する情報を一緒に含むセンサーの形状によって、先端チップを含む形状センサー沿った様々な点の位置を計算できるので、形状センサーは、位置センサーとして機能することもできる。
【００３１】
医療器具システムは、必要に応じて、光追跡システム２２７を含んでもよい。光追跡システムは、器具システム２００上に配置された複数のマーカーを含む。マーカーは、外科的使用中に患者の解剖学的構造の外部の器具本体２０４上に配置してもよく、又は外科的使用中に患者の解剖学的構造の内部に位置するようにカテーテルシステム２０２上に配置してもよい。立体視カメラシステムによって外科的処置中にマーカーを追跡してもよい。
【００３２】
追跡システム２３０は、位置センサーシステム２２０、光追跡システム２２７、及び形状センサーシステム２２２を含み、器具２００に沿った先端部２１８の及び１つ又は複数のセグメント２２４の位置、向き、速さ、姿勢、及び／又は形状を決定することができる。追跡システム２３０は、制御システム１１６のプロセッサを含み得る１つ又は複数のコンピュータプロセッサと対話するか、又は他にそれらコンピュータプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組合せとして実装してもよい。
【００３３】
可撓性カテーテル本体２１６は、医療器具２２６を受容するようにサイズ決め及び成形されたチャネル２２１を含む。医療器具は、例えば、画像取込みプローブ、生検器具、レーザーアブレーション用ファイバ、又は他の手術用、診断用又は治療用ツールを含んでもよい。医療ツールは、メス、ブラント(blunt)ブレード、光ファイバ、又は電極等の単一の作動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アを含み得る。電気的に起動されるエンドエフェクタの例には、電気外科電極、トランスデューサ、センサー等が含まれる。様々な実施形態では、医療ツール２２６は、画像取込みプローブ（視覚化システム２３１の構成要素）であり、このプローブは、表示する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、可撓性カテーテル本体２１６の先端部２１８に又はこの近くに立体視カメラ又はモノスコープカメラを含む。画像取込みプローブは、取り込んだ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んでもよい。あるいはまた、画像取込み器具は、視覚化システムに結合するファイバスコープ等の光ファイバ束であってもよい。画像取込み器具は、単一スペクトル又はマルチスペクトルであってもよく、１つ又は複数の可視スペクトル、赤外スペクトル、又は紫外スペクトルで画像データを取り込む。
【００３４】
医療器具２２６は、器具の先端部を制御可能に曲げるために、器具の基端部と先端部との間に延びるケーブル、リンク機構、又は他の作動制御装置（図示せず）を収容することができる。操縦可能な器具は、米国特許第７，３１６，６８１号（２００５年１０月４日出願）（”Articulated  Surgical  Instrument  for  Performing  Minimally  Invasive  Surgery  with  Enhanced  Dexterity  and  Sensitivity”を開示する）、及び米国特許出願第１２／２８６，６４４号（２００８年９月３０日出願）（”Passive  Preload  and  Capstan  Drive  for  Surgical  Instruments”を開示する）に詳細に記載されており、これらの文献は、それら全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３５】
可撓性カテーテル本体２１６は、例えば先端部の破線表現２１９によって示されるように、先端部２１８を制御可能に曲げるために、ハウジング２０４と先端部２１８との間に延びるケーブル、リンク機構、又は他の操縦制御装置（図示せず）も収容することができる。操縦可能なカテーテルは、米国特許出願第１３／２７４，２０８号（２０１１年１０月１４日出願）（”Catheter  with  Removable  Vision  Probe”を開示する）に詳細に記載されており、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。器具システム２００が遠隔操作可能なアセンブリによって作動される実施形態では、ハウジング２０４は、遠隔操作可能なアセンブリの電動駆動要素に取外し可能に結合され、且つ電動駆動要素から電力を受け取る駆動入力部を含むことができる。器具システム２００が手動で操作される実施形態では、ハウジング２０４は、器具システムの動きを手動で制御するための把持機構、手動アクチュエータ、又は他の構成要素を含んでもよい。カテーテルシステムは、操縦可能であってもよく、あるいはまた、このシステムは、器具の曲げについてオペレータ制御の統合された機構の無い非操縦タイプ(non-steerable)であってもよい。追加的に又は代替的に、医療器具が標的手術位置で展開され使用される１つ又は複数の管腔が、可撓性本体２１６の壁内に規定される。
【００３６】
様々な実施形態では、医療器具システム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等の可撓性気管支用器具を含んでもよい。システム２００は、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環系等を含む様々な解剖学系のいずれかにおいて、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及び治療にも適している。
【００３７】
追跡システム２３０からの情報は、ナビゲーションシステム２３２に送られ、このシステム２３２では、その情報は視覚化システム２３１からの情報及び／又は手術前に取得されたモデルと組み合わされて、器具２００の制御に使用するために、外科医又は他のオペレータにリアルタイム位置情報を表示システム１１０上に提供することができる。制御システム１１６は、この位置情報を、器具２００を位置付けするためのフィードバックとして利用することができる。光ファイバセンサーを使用して手術用器具と手術画像とを位置合わせして表示する様々なシステムが、米国特許出願第１３／１０７，５６２号（２０１１年５月１３日出願）（”Medical  System  Providing  Dynamic  Registration  of  a  Model  of  an  Anatomical  Structure  for  Image-Guided  Surgery”を開示する）に提供されており、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３８】
図２の実施形態では、器具２００は、遠隔操作可能な医療システム１００内で遠隔操作される。代替実施形態では、遠隔操作可能なアセンブリ１０２を、直接的なオペレータ制御に置き換えてもよい。直接的な操作（オペレータ）の代替実施形態では、器具の手持ち式操作ために、様々なハンドル及びオペレータインターフェースを含めることができる。
【００３９】
代替実施形態では、遠隔操作可能なシステムは、複数のスレーブマニピュレータアセンブリ及び／又は複数のマスターアセンブリを含むことができる。マニピュレータアセンブリの正確な数は、数ある要因の中でも、医療処置及び手術室内の空間的制約に依存するだろう。マスターアセンブリを併置してもよく、又はそれらアセンブリを別々の位置に配置してもよい。複数のマスターアセンブリにより、複数のオペレータが１つ又は複数のスレーブマニピュレータアセンブリを様々な組合せで制御することができる。
【００４０】
図３により詳細に示されるように、手術、生検、焼灼、照明、洗浄、又は吸引等の処置のための医療器具２２８は、可撓性本体２１６のチャネル２２１を通して展開され、解剖学的構造内の標的位置で使用され得る。例えば、ツール２２８が生検器具である場合に、そのツールを用いて、解剖学的構造の標的位置からサンプル組織又は細胞のサンプリングを取り出すことができる。医療ツール２２８は、可撓性本体２１６内の画像取込みプローブと共に使用してもよい。あるいはまた、ツール２２８自体が画像取込みプローブであってもよい。ツール２２８を、チャネル２２１の開口部から前進させて処置を行い、その後処置が完了すると、チャネル内に再び後退させることができる。医療ツール２２８は、カテーテル可撓性本体の基端部２１７から又は別のオプションの器具ポート（図示せず）からその可撓性本体に沿って取り外すことができる。
【００４１】
図４は、画像誘導外科的処置を行う際に使用するための一般的な方法４５０を示すフローチャートである。プロセス４５２において、手術前又は手術中の画像データが、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像法（MRI）、蛍光透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（OCT）、熱イメージング、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、又はナノチューブＸ線イメージング等の画像化技術によって取得される。手術前又は手術中の画像データは、２次元、３次元、又は４次元画像（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）に対応し得る。プロセス４５４において、コンピュータソフトウェアのみ又は手動入力と組み合わされたコンピュータソフトウェアが、記録された画像を、部分的又は全体的な解剖学的臓器又は解剖学的領域のセグメント化された２次元又は３次元の合成表現又はモデルに変換するために使用される。合成表現及び画像データセットは、通路の様々な位置及び形状及びそれらの接続性を表す。より具体的には、セグメント化プロセス中に、画像は、色、密度、強度、及び質感等の特定の特性又は計算された特性を共有するセグメント又は要素（例えば、ピクセル又はボクセル）に区分けされる。このセグメント化プロセスは、得られた画像に基づいて標的の解剖学的構造のモデルを形成する２次元又は３次元の再構成をもたらす。モデルを表現するために、セグメント化プロセスは、標的の解剖学的構造を表すボクセルのセットを描画し、次に、マーチングキューブ関数等の関数を適用して、ボクセルを取り囲む３Ｄ表面を得ることができる。追加的に又は代替的に、モデルは、モデル化された通路の中心を通って延びる相互接続された線分又は点のセットを含む中心線モデルを含んでもよい。プロセス４５６において、解剖学的モデルデータは、患者への画像誘導外科的処置の前に及び／又はその経過中に患者の解剖学的構造に位置合わせされる。一般に、位置合せは、剛体変換及び／又は非剛体変換の使用によって、測定点とモデルの点とを一致させることを含む。測定点は、例えば、撮像中に走査され、処置中に追跡される解剖学的構造中のランドマーク、光学マーカー、及び／又は電磁コイルを使用して生成してもよい。付加的に又は代替的に、測定点は、形状センサー情報及び反復最短点（ICP）技術を使用して生成してもよい。
【００４２】
図５は、解剖学的モデル情報に基づいてヒトの肺５０４の解剖学的通路５０２の描画を表示する表示システム５００を示す。外科的環境の基準フレームをモデル基準フレームに位置合わせして、カテーテル５１０の現在の形状及び先端部５１８の位置を、モデル通路５０２の描画と同時に位置特定して表示することができる。カテーテルが通路５０２内を移動するときに、カテーテルの動きを追跡し、表示して、カテーテルの動きを制御する誘導をユーザに提供する。
【００４３】
上述したように、様々な位置特定システムを使用して、画像誘導外科的処置中に（静止した患者の患者基準フレームと同じ又は略同じ）手術基準フレームに対して器具を位置特定することができる。このような位置特定システムには、ＥＭセンサー、インピーダンスベースのセンサー、超音波ベースのセンサー、光ファイバベースのセンサー、及び／又は光学式追跡ベースのセンサーの使用が含まれる。これらのセンサーは、医療処置中に患者の解剖学的構造内に位置する器具の構成要素上に配置してもよく、又は医療処置中に患者の解剖学的構造の外部に留まる器具の構成要素上に配置してもよい。位置特定システムのいくつかは、手術環境において器具を位置特定するための有用性を制限し得る特性を有する。例えば、ＥＭ又はインピーダンスベースの感知では、手術環境で使用される金属対象物又は特定の電子装置は、感知されたデータの品質を損なう外乱を発生させる可能性がある。光学式追跡ベースのシステムでは、追跡カメラシステムは、解剖学的構造内のマーカーを観察するには大き過ぎることがあり、解剖学的構造の外部のマーカーを観察する場合に、臨床ワークフローを妨げる可能性がある。
【００４４】
光ファイバ形状センサーは、これらセンサーが、領域内の金属対象物に鋭敏ではなく、又は障害となる撮像機器を必要とせずに、先端チップの姿勢を含む器具の全体形状に関するデータを与えるので、位置特定センサーとして特に有用である。しかしながら、光ファイバ形状センサーを使用する場合に、光ファイバの基端部における小さな位置及び向きの誤差は、センサーの長さ（例えば、約１メートル）によってセンサーの先端部に累積した大きな位置及び向きの誤差を発生させる。これらの誤差を修正するためのシステム及び方法が、以下に説明され、解剖学的モデル情報に対する光ファイバのより正確な位置合せを生成するために使用することができる。
【００４５】
図６は、患者Ｐがプラットフォーム６０２上に位置付けされる手術座標系Ｘｓ，ＹＳ，ＺＳを含む手術環境６００を示す。患者Ｐは、患者の全体の動きが鎮静剤の投与、拘束、又は他の手段によって制限されるという意味で、手術環境内で静止し得る。こうして、患者基準フレームは、手術環境の基準フレームと同じであるか又は手術環境の基準フレームに対して固定されているとみなすことができる。患者Ｐの呼吸及び心臓運動を含む周期的な解剖学的運動が継続する。手術環境６００内で、医療器具６０４が、器具キャリッジ６０６に結合される。この器具キャリッジ６０６は、挿入ステージ６０８に取り付けられる。挿入ステージ６０８自体を手術環境６００内に固定してもよい。あるいはまた、挿入ステージを遠隔操作可能なシステムのマニピュレータアームに結合してもよい。例えば、マニピュレータアームのための運動学ベースの関節センサー、光学式追跡、ＥＭ追跡、又は他の既知の追跡システムを使用して、マニピュレータアーム、従って挿入ステージの動きを手術環境６００内で追跡することができる。こうして、挿入ステージ自体が固定されていなくても、この環境内の挿入ステージの位置を知ることができる。挿入ステージは、本実施形態に示すようなリニアステージであってもよく、又は手術環境において別の所定の既知の形状を有してもよい。
【００４６】
器具キャリッジ６０６は、挿入動作（すなわち−Ｘｓ方向への運動）及びオプションで器具の先端部のヨー、ピッチ、ロールを含む多方向の動作を制御するために器具６０４に結合する遠隔操作可能なマニピュレータセンブリ（例えば、アセンブリ１０２）の構成要素であってもよい。器具キャリッジ６０６又は挿入ステージ６０８は、器具キャリッジの動きを挿入ステージに沿って制御するサーボモータ（図示せず）を含んでもよい。
【００４７】
医療器具６０４は、基端側剛性器具本体６１２に結合される可撓性カテーテル６１０を含んでもよい。剛性器具本体６１２は、器具キャリッジ６０６に対して結合且つ固定され、こうして、キャリッジを介して挿入ステージ６０８に可動式に結合される。光ファイバ形状センサー６１４は、剛性器具本体６１２の基準部分６１６に固定してもよい。代替実施形態では、センサー６１４の基準部分６１６は、本体６１２に沿って移動可能であってもよいが、基準部分の位置は、（例えば、追跡センサー又は他の追跡装置によって）既知であり得る。基準部分６１６の基準フレームは、座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴを有する。形状センサー６１４は、基準部分６１６からカテーテル６１０の先端部６１８等の別の点までの形状を測定する。医療器具６０４は、医療器具システム２００と実質的に同様であってもよい。
【００４８】
位置測定装置６２０は、剛性器具本体６１２が挿入軸線Ａに沿って挿入ステージ６０８上を移動する際に、剛性器具本体６１２の位置に関する情報を提供する。位置測定装置６２０は、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、及び他の機構を含み、器具キャリッジ６０６の動きを制御するモータシャフトの回転及び向きを決定し、結果として、堅固に取り付けられた器具本体６１２の動きの間接的な測定を提供する。あるいはまた、位置測定装置６２０は、例えば機械式テープ測定、レーザ距離センサー、又は電磁式又は光学式の追跡器を使用して器具本体６１２の動きを直接的に測定することができる。この実施形態では、挿入ステージ６０８は直線状であるが、代替実施形態では、湾曲してもよく、又は湾曲部と直線部との組合せを有してもよい。必要に応じて、リニアトラックは、例えば米国仮特許出願第６２／０２９，９１７号（２０１４年７月２８日出願）（”Guide  Apparatus  For  Delivery  Of  A  Flexible  Instrument  And  Methods  Of  Use”を開示する）に説明されるように折畳み可能であってもよく、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。図６は、挿入ステージ６０８に沿った後退位置にある器具本体６１２及びキャリッジ６０６を示す。この後退位置では、基準部分６１６は、軸線Ａ上の位置Ｌ０にある。挿入ステージ６０８に沿ったこの位置では、基準部分６１６の位置のＸｓ成分は、「０」又は原点値に設定してもよい。器具本体６１２及びキャリッジ６０６のこの後退位置では、カテーテルの先端部６１８は、患者Ｐの入口オリフィスの直ぐ内側に位置付けしてもよい。
【００４９】
図６に示されるように、拘束構造６２２が、挿入ステージ６０８に堅固に結合される。代替実施形態では、拘束構造は移動可能であってもよいが、拘束構造の位置は、手術基準フレーム内で（例えば、追跡センサー又は他の追跡装置によって）知ることができる。拘束構造６２２の位置が手術用座標系６００において固定又は既知であるため、拘束構造６２２を通過するカテーテル６１０の部分も同じ固定又は既知の位置を通過する。拘束構造の固定位置又は既知の位置に関するこの情報を使用して、手術用座標系におけるセンサー６１４からの形状情報の向きを決定又は修正し、こうしてセンサー及びカテーテルの先端部の位置のより正確な推定値を生成することもできる。
【００５０】
図７ａに示されるように、拘束構造６２２ａは、軸線Ａに沿った摺動通路内でカテーテル６１０を受容し、＋ＸＳ，−ＸＳ方向に短い長さＬ１を有するようにサイズ決めされたリング状部材であってもよく、カテーテルの動きを２自由度に制限する。一実施形態では、リングは、約２ｍｍの長さＬ１を有する。拘束された点を中心する旋回運動を可能にしながら、ＹＳ及びＺＳ方向の並進を制限する他の比較的短い長さが適切であり得る。図７ｂに示されるように、カテーテル６１０は、このカテーテルがリング拘束構造６２２ａを通過しなければならないという制約があるため、カテーテルの１つの点のＹＳ及びＺＳ座標は、拘束構造の中心のＹＳ及びＺＳ座標に等しくなるように拘束される。換言すれば、拘束構造６２２ａの位置において、カテーテル６１０の並進運動は、＋／−ＹＳ及び＋／−ＺＳ方向に制限される。長さＬ１が比較的短いので、拘束構造６２２ａを通過するシャフトの部分は、向きが拘束されず、依然として拘束された点の周りで旋回し得る。あるいはまた、図８ａに示されるように、拘束構造６２２ｂは、＋ＸＳ，−ＸＳ方向の摺動通路内でカテーテル６１０を受容し、長さＬ１よりも長い長さＬ２を有するようにサイズ決めされたチューブ形状部材であってもよく、カテーテルの動きを４自由度に制限する。一実施形態では、チューブ形状部材は、約２ｃｍの長さＬ２を有する。ＹＳ及びＺＳ方向の並進自由度及びピッチ及びヨー方向の回転自由度を制限する他の長さが適切であり得る。図８ｂに示されるように、拘束構造６２２ｂは、カテーテルのシャフトの部分のＹＳ及びＺＳ座標が拘束構造の中心線のＹＳ及びＺＳ座標に等しくなるように拘束されるだけでなく、ピッチ及びヨーの配向角がＸＳ方向に整列するように制限されるように、カテーテルのシャフトの部分を拘束する。２つの位置制約及び２つの向き制約が、４自由度を制約する拘束構造に追加される。
【００５１】
図９ａは、本開示の一実施形態による手術環境６００において患者Ｐに画像誘導外科的処置を行う際に臨床医に誘導を提供するために使用される方法７００を示すフローチャートである。プロセス７０２において、形状情報が、器具６０４内に延びる光ファイバ形状センサー６１４から受信される。形状情報は、基端側基準部分６１６と先端部６１８との間の器具６０４の形状を表す。累積された形状情報は、基端側基準部分６１６に対する（すなわち、ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ座標フレーム内の）先端部６１８の位置及び向きも表す。センサー６１４からの形状情報８００は、図１０に図示されるように示すことができる。形状情報は、基端側基準部分６１６に対する拘束の位置に関する情報も提供する。形状センサーが軸線Ａに沿って移動する際に、固定された又は既知の拘束の位置から観察される形状情報は、基端側基準部分６１６の異なる位置に対して同じとなる（すなわち、同じ既知の拘束を示す）。
【００５２】
プロセス７０４において、解剖学的モデル情報が受信される。上述したように、解剖学的モデル情報は、ＣＴ、ＭＲＩ及び／又は蛍光透視法を含む画像化技術から得られた手術前又は手術中の画像データから生成することができる。手術前又は手術中の画像データは、２次元、３次元、又は４次元の画像に対応してもよい。セグメント化プロセスは、取得した画像に基づいて解剖学的構造のモデルを形成する２次元又は３次元の再構成を生成する。モデルは、例えば、モデル化された通路の中心を通って延びる相互接続された線分又は点のセットを含む中心線モデルとして表してもよく、又はモデル化された通路の表面を表す表面モデルとして表してもよい。図１０は、解剖学的通路のセットの中心線モデルを表す解剖学的モデル情報８０２を示す。
【００５３】
プロセス７０６において、器具の形状情報８００は、解剖学的モデル情報８０２に位置合わせされる。形状情報と解剖学的モデル情報との間の位置合せを行うために、（形状情報と解剖学的モデル情報との）両方の情報のセットが、（静止している患者の患者基準フレームと同じである）手術基準フレームに位置合わせされる。センサー６１４の基端側基準部分６１６は、器具キャリッジ６０６に結合される剛性器具本体６１２に対して固定されるか又は既知である。器具キャリッジは、手術基準フレーム内の固定位置又は既知の位置を有する挿入ステージ６０８に沿って移動する。例えばセンサー６２０を使用して器具キャリッジの動きを追跡することにより、手術基準フレームに対する基端側基準部分６１６、従って基端側基準部分の基準フレームの位置及び向きを決定し、且つ追跡することができる。
【００５４】
解剖学的モデル情報８０２を手術基準フレームに位置合わせすることは、様々な方法のいずれかに従って行うことができる。例えば、位置合せは、外科的処置中に患者に残る、手術前又は手術中の撮像中に患者に取り付けられたマーカー６２４、及びセンサー６１４の基準部分６１６において器具に取り付けられたマーカー６２６を使用して達成してもよい。一実施形態では、マーカー６２４は、２次元又は３次元のマーキングの特有の構成を有する光学式追跡器であってもよい。別の光学式追跡器をセンサー６１４の基準部分６１６に配置してもよい。光学式追跡に基づく位置合せは、［代理人整理番号ＩＳＲＧ０６８９０］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組み込まれる。別の実施形態では、マーカー６２４，６２６は、ＥＭセンサーであってもよい。ＥＭセンサーに基づく位置合せは、例えば米国特許出願第１１／１３０，４７１号（２００５年５月１６日出願）（”Methods  and  system  for  performing  3-D  tool  tracking  by  fusion  of  sensor  and/or  camera  derived  data  during  minimally  invasive  robotic  surgery”を開示する）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組み込まれる。他の位置合せ方法は、形状センサーによって収集された解剖学的構造点に基づく位置合せアルゴリズムの使用を含み、［代理人整理番号ＩＳＲＧ０６８８０］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組み込まれる。この位置合せの後に、基端側基準部分、解剖学的モデル情報、及び拘束構造の位置は、手術基準フレームにおいて既知である。こうして、形状情報及び解剖学的モデル情報が手術基準フレーム内で互いに位置合わせされる。
【００５５】
図１０に示されるように、器具の形状情報８００の解剖学的モデル情報８０２への初期位置合せは、モデル基準フレームに対する形状センサーの基端側基準部分の基準フレームの位置合わせされた向きに関連する誤差のために不完全である可能性がある。この基準部分の基準フレームの位置及び／又は向きに関連する小さな誤差は、それら誤差がセンサーの先端部８０４の姿勢を決定するための基礎を形成するときに合成され、拡大され得る。こうして、図１０に示されるように、形状情報８００の基端側基準部分６１６に伴う小さな向き誤差は、形状センサーの先端部８０４を特定する際に重大な誤差を生じ得る。これらの誤差は、この誤差によって形状センサーの先端部８０４を間違った解剖学的通路内で位置特定する点で重大となり得る。
【００５６】
プロセス７０８において、器具の形状情報８００は、センサー基準部分の基準フレームの向き又は位置に関連する誤差を補償することによって修正される。拘束構造６２２は、器具が通過しなければならない手術基準フレーム内の既知の位置を与える。こうして、形状センサー情報８００は、拘束構造６２２によって強制される自由度の制約を含む既知の位置を通過しなければならない。拘束構造によって課される既知の拘束を受けない（does  not  observe）初期位置合せは、形状センサー情報８００の向きを回転させる及び／又は位置を並進させることによって修正され、拘束構造６２２によって指示される既知の姿勢で既知の位置を通過することができる。図１１に示されるように、形状情報８００の向きは、形状情報８００を拘束構造６２２の位置を通して経路指定されるように調整される。
【００５７】
図９ｂは、形状センサーからの形状情報を修正する方法７１０を示すフローチャートである。プロセス７１２において、形状情報が、器具６０４内に延びる光ファイバ形状センサー６１４から受信される。形状情報は、基端側基準部分６１６と先端部６１８との間の器具６０４の形状を表す。累積された形状情報は、基端側基準部分６１６に対する（すなわち、ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ座標フレーム内の）先端部６１８の位置及び向きも表す。形状情報は、基端側基準部分６１６に対する拘束の位置に関する情報も提供する。形状センサーが軸線Ａに沿って移動する際に、固定された又は既知の拘束位置における形状情報は、基端側基準の異なる位置について同じとなる。
【００５８】
プロセス７１４において、手術基準フレーム内の基端側基準部分６１６の位置情報が、受信又は決定される。一実施形態では、基端側基準部分６１６の相対位置及び／又は向きを挿入経路に沿って較正するために較正手順が実行される。例えば、部分６１６の位置及び向きは、キャリッジ６０６が、部分６１６が位置Ｌ０にある状態の後退位置から部分６１６が位置Ｌ１にある状態の前進位置に移動する際に、測定される。較正手順は、位置測定装置６２０の各変化に対して部分６１６の運動の方向を決定する。この実施形態では、挿入ステージ６０８がキャリッジ６０６の移動を直線経路に制限する場合に、較正手順は、直線の方向を決定する。挿入ステージのトラックの傾斜から、手術環境６００における部分６１６の位置及び向きは、位置測定装置６２０の対応する測定毎に決定してもよい。代替実施形態では、挿入ステージが湾曲又は他に非線形形状を有する場合に、較正手順は、位置測定装置の全ての測定に対して、手術環境における部分６１６の位置及び向きを決定できるように、非線形形状を決定してもよい。例えば、カテーテルの先端チップは、器具本体が非直線状の挿入ステージに沿って経路指定される間に、固定位置に保持してもよい。形状センサーによって収集された部分６１６からの位置及び向きデータは、器具本体が挿入ステージに沿って経路指定される際に位置測定装置のデータと相関され、こうして挿入ステージ６０８の軸線Ａに沿った部分６１６の運動を較正する。
【００５９】
プロセス７１６において、手術基準フレームにおける拘束構造６２２の位置及び向きは、器具の形状情報及び基端側基準部分６１６の位置情報に基づいて予測することができる。より具体的には、位置測定装置６２０の所与の測定に対して、基端側基準部分６１６の位置は、較正に基づいて手術基準フレームにおいて既知である。形状情報から、基準部分６１６に対する拘束構造６２２の位置及び向きも既知である。従って、基準部分６１６の各位置について、較正された挿入位置情報と形状情報とを組み合わせることによって、手術基準フレームにおける拘束構造６２２の位置及び向きを予測することができる。
【００６０】
プロセス７１８において、手術基準フレームにおける拘束構造６２２の予測された位置及び向きは、手術基準フレームにおける拘束構造６２２の既知の位置及び向きと比較される。拘束構造の予測位置と既知の位置との間の位置及び向き成分を含む補正係数が決定される。この補正係数は形状センサー情報に適用されて、手術基準フレーム内の形状センサー情報の先端部の位置及び向きを修正する。必要に応じて、この修正された形状センサー情報は、画像誘導外科的処置を行うために、解剖学的モデル情報との位置合せのために使用してもよい。必要に応じて、位置特定された器具は解剖学的モデルと共に表示され、画像誘導手術において臨床医を支援することができる。
【００６１】
本開示のシステム及び方法は、肺の気管支接続通路での使用について説明しているが、それらシステム及び方法は、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環系等を含む様々な解剖学系のいずれかにおいて、天然又は外科的に形成された接続通路を介して、他の組織のナビゲーション及び治療にも適している。
【００６２】
本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、制御処理システム１１２等のコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するために、ソフトウェアで実現してもよい。ソフトウェアで実現された場合に、本発明の実施形態の要素は、本質的に、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介した搬送波で具現化されるコンピュータデータ信号によっ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は、プロセッサ可読記憶媒体又は装置に記憶させることができる。プロセッサ可読記憶装置は、情報を格納することができる光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む任意の媒体を含むことができる。プロセッサ可読記憶装置の例には、電子回路；半導体装置、半導体メモリ装置、読み出し専用メモリ（ROM）、フラッシュメモリ、消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ（EPROM）；フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置が含まれる。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。
【００６３】
提示されるプロセス及びディスプレイは、本質的に、特定のコンピュータ又は他の装置に関連しなくてもよいことに注意されたい。これらの様々なシステムに必要な構造は、特許請求の範囲の要素として現れる。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説明していない。様々なプログラミング言語を使用して、本発明の教示を本明細書に説明されるように実現し得ることが理解されるであろう。
【００６４】
本発明の特定の例示的な実施形態が、説明され且つ添付の図面に示されているが、そのような実施形態は、単に例示であり、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、様々な他の修正を当業者に想起させることができるので、図示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】
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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６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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