(57)【要約】  コントローラを含む医療ナビゲーションシステムであって、コントローラは、獲得された関心領域（ＲＯＩ）の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成すること、ＲＯＩ内に配置されている関心物体（ＯＯＩ）までの基準経路（ＲＰ）を決定することであり、ＲＰは、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路（ＯＮＰ）、及び、臓器の組織を通ってＯＯＩに至る、隣接するオフロード経路（ＯＲＰ）、並びにＯＮＰとＯＲＰとの間に配置されている出口点を画定する、決定すること、ＳＳＤＩを取得するように、少なくとも１つの自然経路内のＳＳＤに問い合わせること、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、ＳＳＤＩに従って、ＳＳＤの１つ又は複数の部分の形状及びポーズを判定すること、ＲＰとＳＳＤの判定されている形状及びポーズとの間の誤差を計算すること、並びに／又は、計算されている誤差に基づいて、いつ若しくはどこで自然経路の壁を出て、ＯＲＰを開始するかを決定することを行うように構成されている、医療ナビゲーションシステム。
2020503134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療ナビゲーションシステムであって、前記医療ナビゲーションシステムは、
形状検知デバイスであって、前記形状検知デバイスの長さに沿って位置及び向きを検知し、対応する形状検知デバイス情報を生成する、形状検知デバイスと、
コントローラと
を備え、前記コントローラは、
撮像装置によって生成される関心領域の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成することと、
前記関心領域内に配置されている関心物体までの基準経路を決定することであって、前記基準経路は、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路、及び、前記臓器の組織を通って前記関心物体に至る、隣接するオフロード経路、並びに、前記オンロード経路と前記オフロード経路との間に配置されている出口点を画定する、決定することと、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに、形状検知デバイス情報を取得するように前記形状検知デバイスに問い合わせることと、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに取得される前記形状検知デバイス情報に基づいて、前記形状検知デバイスの形状及びポーズを判定することと、
前記基準経路と前記形状検知デバイスの判定されている前記形状及び前記ポーズとの間の逸脱を判定することと、
判定されている前記逸脱に基づいて、いつ又はどこで前記自然経路の壁を出て、前記オフロード経路を開始するかを決定することと
を行う、医療ナビゲーションシステム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記３Ｄボリューム上に重ね合わされている前記基準経路及び前記形状検知デバイスの形状並びに判定されている前記逸脱の指示を有するＧＵＩをレンダリングする、請求項１に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、判定されている前記逸脱が、計算されている誤差であって、前記計算されている誤差が最小値にあるときを判定する、請求項１に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項４】
前記計算されている誤差が最小値にあると判定されるとき、前記コントローラは、前記オフロード経路を開始するための指示をレンダリングする、請求項３に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項５】
前記形状検知デバイスの遠位端が、実質的に前記オンロード経路の端部に位置すると判定されるとき、前記コントローラは、形状検知デバイス情報を獲得し、前記形状検知デバイスの前記遠位端のポーズを判定するように前記形状検知デバイスに問い合わせる、請求項１に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記形状検知デバイスの遠位端が実質的に、前記オンロード経路の前記端部に位置すると判定されるときに獲得されている前記形状検知デバイス情報に従って判定される前記形状検知デバイスの前記遠位端の前記ポーズに基づいて、前記オフロード経路を通る前記形状検知デバイスの前記遠位端の予測される軌道を判定する、請求項５に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記形状検知デバイスの遠位端が実質的に、前記オンロード経路の前記端部に位置すると判定されるときに、前記形状検知デバイスの遠位端の予測される軌道と前記オフロード経路の前記基準経路との間の角度誤差を判定し、判定されている前記角度誤差をレンダリングする、請求項１に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項８】
システムが、前記コントローラによって生成されるナビゲーション情報に従って前記形状検知デバイスの動きを制御する少なくとも１つのロボットコントローラをさらに備える、請求項１に記載の医療ナビゲーションシステム。
【請求項９】
医療ナビゲーション方法であって、前記方法は、コントローラによって実施され、
形状検知デバイスによって前記形状検知デバイスの長さに沿って位置及び向きを検知し、対応する形状検知デバイス情報を生成する行為と、
撮像装置によって獲得される関心領域の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成する行為と、
前記関心領域内に配置されている関心物体までの基準経路を決定する行為であって、前記基準経路は、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路、及び、前記臓器の組織を通って前記関心物体に至る、隣接するオフロード経路、並びに、前記オンロード経路と前記オフロード経路との間に配置されている出口点を画定する、決定する行為と、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに、前記形状検知デバイス情報を取得するように前記形状検知デバイスに問い合わせる行為と、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに取得される前記形状検知デバイス情報に基づいて、前記形状検知デバイスの形状及びポーズを判定する行為と、
前記基準経路と前記形状検知デバイスの判定されている前記形状及び前記ポーズとの間の逸脱を判定する行為と、
判定されている前記逸脱に基づいて、いつ又はどこで前記自然経路の壁を出て、前記オフロード経路を開始するかを決定する行為と
を含む、医療ナビゲーション方法。
【請求項１０】
前記３Ｄボリューム上に重ね合わされている前記基準経路及び前記形状検知デバイスの形状並びに判定されている前記逸脱の指示を有するＧＵＩをレンダリングする行為をさらに含む、請求項９に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１１】
判定されている前記逸脱が、計算されている誤差であって、前記計算されている誤差が最小値にあるかを判定する行為をさらに含む、請求項９に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１２】
前記計算されている誤差が最小値にあると判定されるとき、前記オフロード経路を開始するための指示をレンダリングする行為をさらに含む、請求項１１に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１３】
前記形状検知デバイスの遠位端が実質的に、前記オンロード経路の端部に位置すると判定されるときに、前記形状検知デバイス情報を獲得するように前記形状検知デバイスに問い合わせる行為と、前記形状検知デバイスの前記遠位端のポーズを判定する行為とをさらに含む、請求項９に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１４】
前記形状検知デバイスの前記遠位端の判定されている前記ポーズに基づいて、前記オフロード経路を通る前記形状検知デバイスの遠位端の予測される軌道を判定する行為をさらに含む、請求項１３に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１５】
前記形状検知デバイスの遠位端が実質的に、前記オンロード経路の前記端部に位置すると判定されるときに、前記形状検知デバイスの遠位端の予測される軌道と前記オフロード経路の前記基準経路との間の角度誤差を判定する行為と、判定されている前記角度誤差をレンダリングする行為とをさらに含む、請求項９に記載の医療ナビゲーション方法。
【請求項１６】
コンピュータ命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
形状検知デバイスによって、前記形状検知デバイスの長さに沿って位置及び向きを検知し、対応する形状検知デバイス情報を生成する行為と、
撮像装置によって獲得される関心領域の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成する行為と、
前記関心領域内に配置されている関心物体までの基準経路を決定する行為であって、前記基準経路は、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路、及び、前記臓器の組織を通って前記関心物体に至る、隣接するオフロード経路、並びに、前記オンロード経路と前記オフロード経路との間に配置されている出口点を画定する、決定する行為と、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに、前記形状検知デバイス情報を取得するように前記形状検知デバイスに問い合わせる行為と、
前記形状検知デバイスが前記少なくとも１つの自然経路内に配置されており、前記循環的運動を受けているときに取得される前記形状検知デバイス情報に基づいて、前記形状検知デバイスの形状及びポーズを判定する行為と、
前記基準経路と前記形状検知デバイスの判定されている前記形状及び前記ポーズとの間の逸脱を判定する行為と、
計算されている誤差に基づいて、いつ又はどこで前記自然経路の壁を出て、前記オフロード経路を開始するかを決定する行為と
を実施させる、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記プロセッサに、前記３Ｄボリューム上に重ね合わされている前記基準経路及び前記形状検知デバイスの形状並びに前記計算されている誤差の指示を有するＧＵＩをレンダリングする行為を実施させる、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記プロセッサに、判定されている前記逸脱が、計算されている誤差であって、前記計算されている誤差が最小値にあるときを判定する行為を実施させる、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
前記プロセッサに、前記計算されている誤差が最小値にあると判定されるとき、前記オフロード経路を開始するための指示をレンダリングする行為を実施させる、請求項１８に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記プロセッサに、前記形状検知デバイスの遠位端が実質的に、前記オンロード経路の端部に位置すると判定されるときに、前記形状検知デバイス情報を獲得するように前記形状検知デバイスに問い合わせる行為と、前記形状検知デバイスの前記遠位端のポーズを判定する行為とを実施させる、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のシステムは、光学形状検知ファイバ（ＯＳＳ）位置特定方法を利用して可撓性デバイスの位置及び向きを判定するナビゲーションシステムに関し、より詳細には、ＯＳＳ位置特定方法及び検出されている動きを利用して可撓性デバイスを、決定されているロケーションへと組織を通って案内するリアルタイム介入医療ナビゲーションシステム、及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療手技（以下、明瞭にするために手技とする）において、医療デバイスの空間的位置及び向き（すなわち、「ポーズ」）に関するリアルタイム情報が必要とされることが多い。医療デバイスのポーズは、電磁（ＥＭ）追跡、ＯＳＳ追跡方法、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャン、Ｘ線追跡、蛍光透視追跡などのような、様々な追跡技術を使用して判定される。不都合なことに、生検のような介入手技中の生体内での医療デバイスのリアルタイム追跡は、多くの理由から、不可能ではないまでも、困難である。例えば、気管支内アプローチを介して肺末梢部病変に対する生検を実施することは、１）従来の気管支鏡が大きすぎて末梢気道までフィットすることができず、それゆえ、視覚化が失われ、器具は気道の外部から見えない状態でナビゲートされなければならないこと、２）気道の構造が複雑であることによって、蛍光透視法の有用性が制限されること、並びに、３）呼吸運動及び心臓運動によって、器具及び器械のような医療デバイスが介入手技の間に大きく動かされることのような、多くの理由から極めて困難である。これら及び他の理由から、外科医が、従来のデバイス及び方法を使用して、生体内での外科的介入中に、医療デバイスを腫瘍などの所望のロケーションまで案内することは、不可能ではないまでも、困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
末梢気道内で見えない状態でナビゲートするという課題に対処するのを助けるために、ＥＭナビゲーションのような追跡技術が提案されているが、これらの追跡技法は、器具の先端にある位置特定デバイスにのみ依拠する。不都合なことに、呼吸運動及び心臓運動によって、肺において大きな変形が引き起こされ、したがって、一点ベースの追跡技術の正確度が低減する。さらに、Ｘ線及びＣＴ追跡システムに関して、これらのシステムは高価であり、特に介入タイプの手技の間に使用されるときに、患者及び臨床医のような患者の周囲の者を高い放射線量にさらす。
【０００４】
したがって、本発明のシステムの実施形態は、従来の追跡システム及び方法のこれらの及び他の欠点を克服する。
【０００５】
本明細書において記載されているシステム、デバイス、方法、構成、ユーザインターフェース、コンピュータプログラム、プロセスなど（以降、これらは各々、コンテキストが他の場合を示さない限り、システムとして参照される）は、従来技術のシステムにおける問題に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のシステムの実施形態によれば、医療ナビゲーションシステムであって、形状検知デバイス（ＳＳＤ）であり、形状検知デバイスの長さに沿って位置及び向きを検知し、対応するＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ）を生成する、形状検知デバイス（ＳＳＤ）と、コントローラとを備え、コントローラは、撮像装置によって生成される関心領域（ＲＯＩ）の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成すること、ＲＯＩ内に配置されている関心物体（ＯＯＩ）までの基準経路（ＲＰ）を決定することであり、ＲＰは、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路（ＯＮＰ）、及び、臓器の組織を通ってＯＯＩに至る、隣接するオフロード経路（ＯＲＰ）、並びにＯＮＰとＯＲＰとの間に配置されている出口点を画定する、決定すること、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに、ＳＳＤＩを取得するようにＳＳＤに問い合わせること、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに取得されるＳＳＤＩに基づいて、ＳＳＤの形状及びポーズを判定すること、ＲＰとＳＳＤの判定されている形状及びポーズとの間の誤差を算出すること、並びに／又は、算出されている誤差に基づいて、いつ若しくはどこで自然経路の壁を出て、ＯＲＰを開始するかを決定することを行うように構成される、医療ナビゲーションシステムが開示される。
【０００７】
コントローラが、３Ｄボリューム上に重ね合わされているＲＰ及びＳＳＤの形状並びに算出されている誤差の指示を有するグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）をレンダリングするようにさらに構成されることが想定される。コントローラはまた、算出されている誤差がリアルタイムで最小値にあるときを判定するようにも構成される。さらに、算出されている誤差が最小値であると判定されるとき、コントローラは、ＯＲＰを開始するための指示をレンダリングするように構成される。
【０００８】
コントローラが、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置するときを判定することも想定される。コントローラは、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに、ＳＳＤＩを獲得するようにＳＳＤに問い合わせ、ＳＳＤの遠位端のポーズを判定するようにさらに構成される。コントローラは、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに獲得されているＳＳＤＩに従って判定されるＳＳＤの遠位端のポーズに基づいて、ＯＲＰを通るＳＳＤの遠位端の予測される軌道を判定するようにさらに構成される。コントローラは、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに、ＳＳＤの遠位端の予測される軌道とＯＲＰのＲＰとの間の角度誤差を判定し、判定されている角度誤差をレンダリングするようにさらに構成される。システムが、コントローラによって生成されるナビゲーション情報に従ってＳＳＤの動きを制御するように構成される少なくとも１つのロボットコントローラを含むことがさらに想定される。
【０００９】
本発明のシステムの実施形態によれば、医療ナビゲーション方法が開示され、方法は、コントローラによって実施され、ＳＳＤによって、形状検知デバイス（ＳＳＤ）の長さに沿って位置及び向きを検知し、対応するＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ）を生成する行為、撮像装置によって獲得される関心領域（ＲＯＩ）の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成する行為、ＲＯＩ内に配置されている関心物体（ＯＯＩ）までの基準経路（ＲＰ）を決定する行為であり、ＲＰは、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路（ＯＮＰ）、及び、臓器の組織を通ってＯＯＩに至る、隣接するオフロード経路（ＯＲＰ）、並びにＯＮＰとＯＲＰとの間に配置されている出口点を画定する、決定する行為、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに、ＳＳＤＩを取得するようにＳＳＤに問い合わせる行為、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに取得されるＳＳＤＩに基づいて、ＳＳＤの形状及びポーズを判定する行為、ＲＰとＳＳＤの判定されている形状及びポーズとの間の誤差を算出する行為、並びに／又は、算出されている誤差に基づいて、いつ若しくはどこで自然経路の壁を出て、ＯＲＰを開始するかを決定する行為を含む。
【００１０】
方法が、３Ｄボリューム上に重ね合わされているＲＰ及びＳＳＤの形状並びに算出されている誤差の指示を有するＧＵＩをレンダリングする行為をさらに含むことが想定される。さらに、方法は、算出されている誤差が最小値にあるときを判定する行為を含む。算出されている誤差が最小値にあると判定されるとき、方法が、ＯＲＰを開始するための指示をレンダリングする行為を含むことも想定される。方法は、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに、ＳＳＤＩを獲得するようにＳＳＤに問い合わせ、ＳＳＤの遠位端のポーズを判定する行為をさらに含む。方法はまた、ＳＳＤの遠位端の判定されているポーズに基づいて、ＯＲＰを通るＳＳＤの遠位端の予測される軌道を判定する行為をも含む。さらに、方法は、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに、ＳＳＤの遠位端の予測される軌道とＯＲＰのＲＰとの間の角度誤差を判定し、及び／又は、判定されている角度誤差をレンダリングする行為を含む。
【００１１】
本発明のシステムのまたさらなる実施形態によれば、コンピュータ命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体が開示され、命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサを、ＳＳＤによって、形状検知デバイス（ＳＳＤ）の長さに沿って位置及び向きを検知し、対応するＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ）を生成する行為、撮像装置によって獲得される関心領域（ＲＯＩ）の画像情報に基づいて三次元（３Ｄ）ボリュームを生成する行為、ＲＯＩ内に配置されている関心物体（ＯＯＩ）までの基準経路（ＲＰ）を決定する行為であり、ＲＰは、循環的運動を受ける臓器の少なくとも１つの自然経路を通るオンロード経路（ＯＮＰ）、及び、臓器の組織を通ってＯＯＩに至る、隣接するオフロード経路（ＯＲＰ）、並びにＯＮＰとＯＲＰとの間に配置されている出口点を画定する、決定する行為、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに、ＳＳＤＩを取得するようにＳＳＤに問い合わせる行為、ＳＳＤが少なくとも１つの自然経路内に配置されており、循環的運動を受けているときに取得されるＳＳＤＩに基づいて、ＳＳＤの形状及びポーズを判定する行為、ＲＰとＳＳＤの判定されている形状及びポーズとの間の誤差を算出する行為、並びに／又は、算出されている誤差に基づいて、いつ若しくはどこで自然経路の壁を出て、ＯＲＰを開始するかを決定する行為を実施するように構成する。
【００１２】
システムが、３Ｄボリューム上に重ね合わされているＲＰ及びＳＳＤの形状並びに算出されている誤差の指示を有するＧＵＩをレンダリングする行為を実施するようにさらに構成されることがさらに想定される。プロセッサが、算出されている誤差がリアルタイムで最小値にあるときを判定する行為を実施するようにさらに構成されることも想定される。算出されている誤差が最小値にあると判定されるとき、プロセッサは、ＯＲＰを開始するための指示をレンダリングする行為を実施するようにも構成される。プロセッサは、ＳＳＤの遠位端が実質的に、ＯＮＰの端部に位置すると判定されるときに、ＳＳＤＩを獲得するようにＳＳＤに問い合わせ、ＳＳＤの遠位端のポーズを判定する行為を実施するようにさらに構成される。
【００１３】
本発明は以下の例示的な実施形態において、図面を参照してさらに詳細に説明される。図面において、同一又は類似の要素は部分的に、同じ又は類似の参照符号によって指示され、様々な例示的な実施形態の特徴は、組み合わせ可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のシステムの実施形態に従って動作するナビゲーションシステムの一部分の正面斜視図である。
【図２】本発明のシステムの実施形態に従ってレンダリングされている、患者の肺のＸ線（など）から取得される２Ｄ画像上に重ね合わされているＳＳＤ器具及び気管支鏡の仮想画像を示す図である。
【図３】本発明のシステムの実施形態によるプロセスによって実施される機能フロー図である。
【図４Ａ】本発明のシステムの実施形態に従って生成される呼気相中の気道を有する肺の３Ｄボリュームの絵図である。
【図４Ｂ】本発明のシステムの実施形態に従って生成される吸気相中の気道を有する患者の肺の３Ｄボリュームの絵図である。
【図５】本発明のシステムの実施形態による図４Ｂに示す３Ｄボリュームの詳細ビューを示すＧＵＩ５００の図である。
【図６】本発明のシステムの実施形態によるプロセスによって実施される機能フロー図である。
【図７Ａ】本発明のシステムの実施形態による案内のための移動経路の指示を含むＧＵＩを示す図である。
【図７Ｂ】本発明のシステムの実施形態による案内のための移動経路の指示を含むＧＵＩを示す図である。
【図８】本発明のシステムの実施形態によるシステムの一部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下は、添付の図面とともに取り上げられるときに、上記の特徴及び利点並びにさらなる特徴及び利点を明示する例示的な実施形態の記述である。以下の記述において、限定ではなく説明を目的として、アーキテクチャ、インターフェース、技法、要素属性などのような、例示的な詳細が記載されている。しかしながら、これらの詳細から逸脱する他の実施形態が、依然として添付の特許請求項の範囲内にあると理解されることは、当業者には明らかであろう。その上、明瞭にするために、知られているデバイス、回路、器具、技法、及び方法の詳細な記述は、本発明のシステムの記述を曖昧にしないように、省略されている。図面は例示を目的として含まれており、本発明のシステムの範囲全体を表すのではないことは、明確に理解されたい。添付の図面において、異なる図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。用語及び／又はその成語要素は、記載されている要素のうちの１つ又は複数のみが、特許請求項の記載に従って、及び、本発明のシステムの１つ又は複数の実施形態に従って、システム内に適切に存在する（例えば、記載されている要素が１つのみ存在する、記載されている要素のうちの２つが存在するなど、最大ですべての記載されている要素が存在する）ことが必要であることを意味するものとして理解されるべきである。
【００１６】
本発明のシステムの実施形態は、介入手技中など、使用中に医療デバイスの空間的位置及び向き（すなわち、「ポーズ」）に関するリアルタイム情報を提供する。明瞭にするために、本発明のシステムの例示的な実施形態は、例示的に、内視鏡又は内視鏡のようなデバイスのチャネル内に挿入される形状検知デバイス（ＳＳＤ）を参照しながら記述される。したがって、ＳＳＤは、内視鏡内に内蔵されると考えられる。しかしながら、本発明のシステムの実施形態によるＳＳＤは、ＳＳＤの位置情報から、医療デバイスの位置がリアルタイムに判定されるように、他の様態で医療デバイスと関連付けられてもよいことは理解されたい。本発明のシステムの実施形態によれば、ＳＳＤは、ＳＳＤ及び結合デバイスの三次元形状（３Ｄ）及びポーズ（例えば、位置及び向き）に関係する情報を提供するために、限定ではなく、カテーテル、内視鏡、気管支鏡、腹腔鏡、ガイドワイヤ、シース、超音波プローブのようなプローブ、ブラシ、鉗子、他の手術器具のうちの１つ若しくは複数を含む生検器具、及び／又は、他の医療デバイス（例えば、アブレータ、超音波プローブ、センサ、カメラ、グリッパ、カッタ、ブラシ、針、吸引器具、生検器具、治療器具など）のうちの１つ又は複数を含む医療器械のような様々なデバイスとともに、且つ／又は、様々なデバイスと組み合わせて動作可能である。さらに、本発明のシステムのＳＳＤは、単独で、又は、１つ若しくは複数の他の医療デバイスとともに使用されることは理解されたい。例えば、イントロデューサ１０６は、実施されている手技に適する任意の適切な可撓性又は剛性デバイスを含む。例示的に、実施されている手技が肺生検などである場合に、イントロデューサ１０６は、気管支鏡などである。同様に、実施されている手技が血管手技である場合に、イントロデューサ１０６は、カテーテル又はシースである。他の分野又はタイプの手技について、イントロデューサ１０６は、内視鏡又は腹腔鏡である。明瞭にするために、本発明のシステムの実施形態は、イントロデューサ（気管支鏡など）、器具及び／又は他のデバイスに関連して図示及び記述されるが、所与の介入に適切に適用される任意のそのようなデバイスを包含するものとして理解されるべきである。
【００１７】
例えば、ＳＳＤの遠位端部は、イントロデューサの開口若しくはチャネル内に挿入されるか、又は、何らかの他の様式でイントロデューサに取り付けられる。イントロデューサに対するこの開口の位置及び向きを知ることによって、ＳＳＤの既知の形状に基づいて、対応するデバイスのポーズが判定される。他の実施形態において、イントロデューサは、単純に、イントロデューサの一部分として且つ／又はイントロデューサ自体として（すなわち、他のデバイスが存在することなく）組み込まれるＳＳＤであってもよい。
【００１８】
ＳＳＤに関連して、適切な追跡方法は、例えば、各々の内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，０５０，５２３号及び米国特許出願公開第２０１５／００１２０１１号に論じられているが、明らかに、他のＳＳＤも、本発明のシステムの実施形態に従って適切に適用される。
【００１９】
明瞭にするために、本発明のシステムの実施形態は、Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ  ＲｅａｌＳｈａｐｅ（商標）（ＦＯＲＳ）方法などを使用して利用されるような、形状検知ファイバ（ＳＳＦ）のような形状検知デバイス（ＳＳＤ）に関連して図示及び記述される。したがって、ＳＳＤは、ＦＯＲＳ方法を利用するＦＯＲＳタイプデバイスを含んでもよい。しかしながら、本発明のシステムの実施形態が、ＥＭ追跡方法などのような、複数のデータ点を逐次又は同時にサンプリングする他の追跡システムと互換性があることも想定される。
【００２０】
ＳＳＤ及び／又はイントロデューサは、遠位端部に対する圧力を検知し、この圧力の指示を提供するために、その遠位端部における力／圧力フィードバックのような、フィードバックセンサをさらに備える。したがって、システムは、イントロデューサ／ＳＳＤが気管壁、病変、腫瘍などのような固体又は半固体構造と接触するときの指示を提供することができる。この情報は、例えば、イントロデューサ／ＳＳＤが気道の所望の出口点に達したとき（例えば、フィードバックセンサから取得される力の増大によって検出されるような）を判定するのに有用であり、この点において、イントロデューサは、例えば、そうでなければイントロデューサが届かない、管路の外部に位置する又は管路の一部分内に位置する、病変、腫瘍などのような所望の関心物体（ＯＯＩ）に達するために通路外（例えば、呼吸気道、血管、腸などのような、自然に存在する管路の外部）に出るために、所望の出口点において気道の壁を通じて穿孔する。しかしながら、容易に理解されるように、所望の位置へのルート内にありながら、通路外に出るための他の理由（例えば、閉塞、血管を避けてナビゲートするためなど）が存在する。
【００２１】
図１は、本発明のシステムの実施形態に従って動作するナビゲーションシステム１００（以降、明瞭にするためにシステム１００）の一部分の正面斜視図を示す。システム１００は、ＳＳＤ１０２、撮像装置１０４、ローンチベース１０８、イントロデューサ１０６、支持プラットフォーム１１０、コントローラ１２２、ロボットコントローラ１４０、ネットワーク１２０、メモリ１２４、センサ１３２、ユーザインターフェース（ＵＩ）１２６、及び呼吸モニタ１４２のうちの１つ又は複数を備える。明瞭にするために、本発明のシステムは、例示的に、例示的な医療デバイスとしてのイントロデューサ１０６に関連して記述されるが、１つ又は複数の他の医療デバイスが、単独で又はイントロデューサ１０６とともに適切に利用されることは明確に理解されたい。
【００２２】
コントローラ１２２は、システム１００の全体的な動作を制御し、有線及び／又は無線バス、ネットワーク１２０などのような適切な有線及び／又は無線通信方法を使用して、ＳＳＤ１０２、撮像装置１０４、ローンチベース（以下ベース）１０８、イントロデューサ１０６、支持プラットフォーム１１０、ロボットコントローラ１４０、ネットワーク１２０、メモリ１２４、センサ１３２、ユーザインターフェース（ＵＩ）１２６、及び呼吸モニタ１４２のうちの１つ又は複数と通信する。
【００２３】
撮像装置１０４は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）撮像装置、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ、Ｘ線撮像装置（例えば、介入的Ｘ線撮像装置）、超音波撮像装置、カメラ、蛍光透視撮像装置、及び／又はそれらの組み合わせのような１つ又は複数の撮像モダリティを含む。撮像装置１０４は、データの分析、再構築、記憶などのようなさらなる処理のために任意の適切なフォーマット（例えば、原画像、処理済み、デジタルなど）において画像情報をコントローラ１２２に提供する。本発明のシステムの実施形態によれば、撮像装置１０４は、術前ＣＴスキャン（例えば、蛍光透視画像）を取得し、コントローラ１２２とともに、対応する術前３Ｄボリュームを形成する。
【００２４】
ロボットコントローラ１４０は、コントローラ１２２の制御下で、イントロデューサ１０６のような本発明のシステムの１つ又は複数の外科デバイスを、所望の形状、位置及び／又は向きに、ロボット制御で操作するように動作可能である。したがって、例えば、ロボットコントローラ１４０は、コントローラ１２２によって生成されるナビゲーション情報を受信し、それに応じて、イントロデューサ１０６のような本発明のシステムの１つ又は複数のイントロデューサを、所望の形状、位置及び／又は向きに、ロボット制御で操作する。同様に、ロボットコントローラ１４０は、イントロデューサ１０６と関連付けられる１つ又は複数のデバイスを制御する。したがって、ロボットコントローラ１４０は、イントロデューサ１０６及び／又は例えばイントロデューサ１０６と関連付けられる他の医療デバイスを、所望に応じてユニットとして又は互いから独立して操作するための、１つ又は複数のアクチュエータ、アームなどを含む。さらに、ロボットコントローラ１４０は、それによってユーザがイントロデューサ１０６／医療デバイス及び／又はその部分を操作するか又は操作するためのコマンドを入力することができる機械的又は電気機械的操作部を含む。例えば、ＵＩ１２６は、それによってユーザ（外科医）がイントロデューサ１０６／医療デバイスの１つ又は複数の部分のポーズを制御するためのコマンド（例えば、信号及び／又は力として生成される）を入力することができるジョイスティックなどのようなユーザ入力デバイスを含む。したがって、イントロデューサ１０６の遠位端部１０７は、患者１０１の肺１０３内のような、患者１０１内の所望の領域へと操作される。ロボットコントローラ１４０は、所望に応じてベース１０８に結合される。イントロデューサ１０６及び／又はデバイスなどが自動的に及び／又はユーザによって手動で制御されるように、手動及び／又は自動制御が提供されることが想定される。したがって、イントロデューサ１０６、ＳＳＤ１０２、及び／又はデバイスの手動及び／又はロボット操作が提供される。
【００２５】
呼吸モニタ１４２は、患者の呼吸サイクルを判定するための任意の適切な呼吸モニタを含む。例えば、呼吸モニタ１４２は、呼吸サイクルを判定するための情報を供給するＳＳＤタイプの呼吸モニタを含む。呼吸モニタ１４２は、患者１０１の呼吸をモニタリングし、患者１０１の呼吸サイクル（例えば、呼吸相）内の一点をリアルタイムで判定するためなど、さらなる処理のためにコントローラ１２２に提供される、対応する呼吸情報を形成する。容易に理解されるように、呼吸モニタ１４２は、所望に応じて、ＳＳＤ１０２の一部分を形成し、及び／又は、ＳＳＤから分離される。呼吸モニタ１４２がＳＳＤ１０２から分離される実施形態において、ＳＳＤが挿入、除去されているときなどのように、たとえＳＳＤ１０２が他の様態で利用可能でないときであっても、患者がどの呼吸サイクルにあるかに関するリアルタイム情報が提供される。
【００２６】
ネットワーク１２０は、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット、システムバス、周辺バス、イントラネット、有線バス、無線バス、アドホックネットワークなどのような任意の適切な通信リンクを含む。したがって、システムの部分は、ネットワーク１２０を介してシステムの他の部分と通信する。ユーザがネットワーク１２０を介したローカル及び／又はリモート通信方法を使用してシステムと通信することも想定される。
【００２７】
メモリ１２４は、動作命令、システムによって生成される情報、ユーザ入力及び／又は設定、履歴情報、動作設定及び／又はパラメータ、指示情報、ユーザ情報、患者情報などのような情報が記憶される任意の適切な不揮発性メモリを含む。
【００２８】
センサ１３２は、対応するセンサ情報を取得し、このセンサ情報をさらなる処理のためにコントローラ１２２に提供するセンサを含む。例えば、センサ１３２は、ＦＯＲＳタイプのセンサのような光学形状センサを含み、当該センサは、ＳＳＤ１０２の形状を検知し、及び／又は、対応する情報（例えば、ＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ））をコントローラ１２２に提供し、コントローラ１２２は、本発明のシステムの実施形態にしたがって、ＳＳＤ１０２の１つ又は複数の部分の位置及び／又は向きを判定し、対応する形状、位置及び／又は向きの情報を形成する。センサ１３２は、システム１００全体を通じて分散され、タッチセンサ、圧力センサ、力センサ、周囲条件センサなどのようなセンサをさらに含む。センサ１３２は、それによってユーザがシステムに情報を入力することができる、ユーザ入力デバイス（例えば、キーボード、タッチスクリーン、ジョイスティックなど）などをさらに含む。さらに、センサ１３２は、テーブル１１０、患者１０１、ベース１０８、ロボットコントローラ１４０などの位置／向きに関係する位置／向きの情報を提供する位置センサを含む。
【００２９】
ＵＩ１２６は、システム及び／又は画像情報によって生成されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）のような、ユーザにとって好都合な情報をレンダリングする任意の適切なユーザインターフェースを含む。したがって、ＵＩ１２６は、スピーカ（ＳＰＫ）、ディスプレイ１２８（例えばタッチスクリーンディスプレイなど）、触覚デバイス（例えば振動器など）を含む。さらに、ＵＩ１２６は、それによってユーザが、イントロデューサ１０６、ロボットコントローラ１４０、並びに／又は、単独で及び／若しくはイントロデューサ１０６とともに挿入することができるデバイスのような、システム１００の１つ又は複数の部分を制御することができるユーザインターフェースを含む。例えば、ＵＩ１２６は、それによってユーザが、イントロデューサ１０６及び／又は他のデバイスなどのようなシステム１００の他の部分を制御するためのコマンドを入力することができるジョイスティックコントローラなどを含む。本発明のシステムの実施形態によれば、１つ又は複数のデバイスは、病変、腫瘍、疑わしい組織などのような関心物体（ＯＯＩ）に到達するために、イントロデューサ１０６内に挿入され、及び／又は、少なくとも部分的にイントロデューサ１０６によって案内される。１つ又は複数のデバイスは、その形状及び／又はポーズが判定されるように、ＳＳＤにさらに結合される。例えば、ＳＳＤは、対応する１つ又は複数のデバイスのポーズを判定するためにシステムのコントローラによって処理されるＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ）を取得するように、問い合わせを受ける。
【００３０】
支持プラットフォーム１１０は、患者１０１のような物体を、介入手技のような手技のために所望の位置及び／又は向きにおいて支持する任意の適切な支持プラットフォームである。支持プラットフォーム１１０は、例えばコントローラ１２２の制御下で支持プラットフォームを動かすアクチュエータを備える。
【００３１】
ベース１０８は、イントロデューサ１０６、ＳＳＤ１０２及び／又は１つ若しくは複数のデバイスのうちの１つ又は複数のためのローンチ固定具として機能する１つ又は複数の任意の適切なベース（物理的又は仮想的）を含む。さらに、ベース１０８は、例えば、イントロデューサ１０６、１つ又は複数のデバイスなどの位置、向き及び／又は形状を制御するロボットのような、ロボットなどの固定点として構成される。したがって、イントロデューサ１０６、１つ若しくは複数のデバイス、及び／又はＳＳＤ１０２のうちの１つ又は複数の少なくとも一部分の位置及び／又は向きは、基準座標系１０５のような１つ若しくは複数の基準座標系に対して判定される。本発明のシステムの実施形態によれば、ベース１０８は、サブベース同士で、又は、支持プラットフォーム１１０の複数のロケーションのような、システムの１つ若しくは複数の既知の部分に結合される複数のサブベースを含む。例えば、ベース１０８は、それぞれイントロデューサ１０６及びＳＳＤ１０２のローンチ固定具として動作するサブベース１０８Ａ及び１０８Ｂを含む。さらに、ベース１０８は、イントロデューサ１０６などのような、システムの１つ又は複数のロボット操作される部分の形状及び／又はポーズを制御するシステムのアクチュエータのベースとして作用するように構成される。サブベース同士で結合されて示されているが、これらのサブベースは所望に応じて、使用中に互いから分離され、又は、互いと一体的に形成されることが想定される。ベース１０８は、Ｃアーム、支持プラットフォーム１１０などのような任意の適切な固定具に結合される。
【００３２】
ベース１０８及び／又は支持プラットフォーム１１０は、それを通じてＳＳＤ１０２が配置される１つ又は複数の既知の経路１１１を含む。これらの既知の経路１１１を通じて又はその中に配置されると、ＳＳＤは、対応する既知の経路１１１の形状をとり、対応するＳＳＤＩを形成する。コントローラ１２２は（例えばＳＳＤＩの分析を通じて）対応する既知の経路を認識し、対応して認識されている既知の経路に対するＳＳＤ１０２の１つ又は複数の部分の位置及び／又は向きを判定する。既知の経路１１１の形状は、既知の経路の情報として、見当合わせ手順の間など、後に使用するために、システムのメモリ内に記憶される。既知の経路１１１は、対応するベース１０８に見当合わせされる。
【００３３】
基準座標系１０５は、支持プラットフォーム１１０の基準座標系、ベース１０８（又はその部分）の基準座標系など、患者１０１の基準座標系、共通の基準座標系などのような、任意の適切な基準座標系を含む。明瞭にするために、基準座標系１０５は共通の基準座標系を参照することが仮定される。システムは、所望に応じて、１つ又は複数の基準座標系を、互いに対して、及び／又は、これらの基準座標系のうちの所望される基準座標系に見当合わせするための見当合わせを実施する。
【００３４】
本発明のシステムの実施形態によれば、イントロデューサ１０６は、患者１０１の身体のような所望の物体内に挿入される。イントロデューサ１０６は、例えば、イントロデューサ１０６の一部分の位置及び／又は向きがＳＳＤ１０２のポーズの分析を通じて容易に判定されるように、ＳＳＤ１０２を受け入れるのに適した１つ又は複数の開口又はチャネルを含む。同様に、１つ又は複数のデバイスは、例えば、対応するデバイス又はその部分（例えば遠位端部）の一部分の位置及び／又は向きがＳＳＤ１０２のポーズの分析を通じて容易に判定されるように、ＳＳＤ１０２を受け入れるのに適した１つ又は複数の開口又はチャネルを含む。これらのチャネル又はその部分の位置は、対応するイントロデューサ１０６及び／又はデバイスの本体に対して分かっている。コントローラ１２２はその後、対応するイントロデューサ１０６及び／又はデバイスの位置及び／又は向きの仮想画像をレンダリングする。明瞭にするために、デバイスは気管支鏡であると仮定される。しかしながら、他の実施形態において、イントロデューサ１０６は、所望のロケーションに案内される任意の適切なデバイスと置き換えられてもよいことは理解されたい。
【００３５】
イントロデューサ１０６は、その長さに沿って１つ又は複数の開口を含み、患者内のＯＯＩのような所望のロケーションに到達するために、１つ又は複数のデバイス及び／又はＳＳＤが当該開口内に挿入される。本発明のシステムの実施形態によれば、１つ又は複数のデバイスは、イントロデューサ１０６内に逐次又は同時に挿入される。さらに、イントロデューサ１０６及びＳＳＤ１０２が、同じ又は異なる開口、管路、管路部分などを通じて患者内に挿入されることが想定される。
【００３６】
デバイス、ＳＳＤ１０２、及び／又はイントロデューサ１０６は、任意の適切な有線及び／又は無線通信方法を使用してコントローラ１２２と通信する。例えば、デバイス、ＳＳＤ１０２、及び／又はイントロデューサ１０６は、ネットワーク１２０を介してコントローラ１２２と通信する。
【００３７】
ＳＳＤ１０２は、基準座標系１０５のような所望の基準座標系に対するＳＳＤ１０２の少なくとも一部分の位置及び／又は向き（例えばポーズ）を判定するのに適したＳＳＤ情報を提供する少なくとも１つのセンサを含む。明瞭にするために、例示的に、ＳＳＤ１０２は、ＳＳＤ１０２の遠位端部１０３がデバイスのうちの１つ又は複数に、又はその中に配置されるように、イントロデューサ１０６の開口の少なくとも一部分を通過する。例えば、ＳＳＤ１０２は、デバイスに結合される。しかしながら、また他の実施形態において、ＳＳＤ１０２は、所望される場合は１つ又は複数のデバイスから既知の距離に配置され、既知のオフセット距離及び／又は向きを使用して、１つ又は複数のデバイスの位置及び／又は向きが判定される。ＳＳＤ１０２はさらに、見当合わせのためにシステム１００によって認識される経路１１１のような既知の経路（例えば、ベース１０８に既知の位置及び／又は向きにおいて結合される）を通過するか、又はその中を通る。イントロデューサ１０６はまた、ＳＳＤに対するそのポーズが判定されるように、既知の経路をも含む。
【００３８】
コントローラ１２２に戻って参照すると、コントローラ１２２は、システム１００の全体的な動作を制御し、トランジスタ、ゲート、インピーダンス素子、金属化相互接続など、個別及び／又は分散論理ゲート並びにスイッチング素子などのような、複数の相互接続された半導体素子を有するプロセッサ１３０（例えば、マイクロプロセッサ（μＰ）など）のような１つ又は複数の論理デバイスを含む。コントローラ１２２は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、１つ又は複数の所望の機能を実施させる（例えば、プロセッサをプログラムする）、そのメモリ及び／又はメモリ１２４内に記憶されている命令を有するハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアデバイスを含む、尋問モジュール１３４及び／又は見当合わせモジュール１３６を含む。そのように構成されているプロセッサは、本発明のシステムの実施形態に従って実施するのに特に適した専用機械になる。
【００３９】
尋問モジュール１３４は、ＳＳＤ情報（ＳＳＤＩ）（例えば、下記に記述するような）のような、ＳＳＤ１０２が経時的に移動する経路及び／又はＳＳＤ１０２の１つ又は複数の部分の形状を指示する、ＳＳＤ１０２からの情報を（例えば、尋問プロセスを介して）取得するように動作可能である。この経路は、対応するＳＳＤの形状と対応し、逐次（例えば、経時的に）及び／又は同時に（例えば、一度に）判定される。ＳＳＤＩは、その遠位部分（例えば、先端）におけるポーズのような、ＳＳＤ１０２の１つ又は複数の部分の位置及び／又は向き（例えばポーズ）を判定するために処理される。ＳＳＤ１０２の形状を知ることによって、それを通じてＳＳＤが移動するもの（例えば、イントロデューサ１０６）のような、任意のデバイスの形状が判定される。同様に、ＳＳＤ１０２に結合されているか、又は、他の様態で関連付けられている１つ又は複数のデバイスのポーズも判定される。例えば、ＳＳＤの先端に配置されたデバイスのポーズを判定するために、ＳＳＤのＳＳＤＩが分析される。
【００４０】
見当合わせモジュール１３６は、本発明のシステムの１つ又は複数のデバイスが、共通の基準座標系１０５のような所望の基準座標系に見当合わせされるような見当合わせを実施するように動作可能である。見当合わせモジュール１３６は、ベース１０８（又はその部分）、既知の形状１１１、支持プラットフォーム１１０、撮像装置１０４、ＳＳＤ１０２、イントロデューサ１０６、ＳＳＤと関連付けられる（例えば、結合される）１つ又は複数のデバイスなどのようなシステムの１つ又は複数の部分（及び／又はそこから取得される情報）を、基準座標系１０５のような所望の基準座標系に見当合わせする。例えば、見当合わせモジュール１３６は、撮像装置１０４の１つ又は複数の撮像モダリティから取得される画像を、互いに、ＳＳＤに、及び／若しくは基準座標系１０５に、並びに／又は既知の形状１１１に見当合わせすることが想定される。
【００４１】
ＳＳＤ１０２は、その長さに沿って複数のロケーションの位置及び／又は向きを指示する複数のセンサからのＳＳＤセンサ情報（例えば、ＳＳＤＩ）を提供する、Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  ＲｅａｌＳｈａｐｅ（商標）（ＦＯＲＳ）ファイバなどのような任意の適切な形状検知デバイスを使用して形成される。例えば、ＳＳＤＩは、例えば、形状検知センサロケーションにおける各対応する形状検知センサの位置（例えば、ｘ、ｙ、ｚ座標など）及び／又は向き（例えば、対応するファイバのねじれ）に関係する情報を提供する。複数の形状検知ロケーションは、所望される場合は、連続する複数のロケーションを近似する。しかしながら、概して、複数の形状検知ロケーションは、４０μｍ又は他の適切な距離のような、所望の距離だけ互いから離間して設定される。したがって、形状検知ロケーションは、ＳＳＤ１０２全体を通じて分散される。適切なＳＳＤ１０２は、例えば、形状検知ファイバ（ＳＳＦ）、その先端に配置されたＥＭセンサのような少なくとも１つのＥＭセンサを有するＥＭベースの追跡デバイスなどを含む。ＳＳＦは、レイリー（増強又は通常）、ファイバブラッグなどの検出方法を利用する、任意の適切な形状検知多芯光ファイバを含む。
【００４２】
ＳＳＦに関して、これらのファイバは、能動発光ダイオード（ＬＥＤ）、球のような受動反射器、光学及び／若しくはＥＭコイル、並びに／又は、Ｘ線及び／若しくは放射性の撮像のような撮像に基づいて識別可能な放射活性若しくは放射線不透過性マーカのような、センサを含む。光学センサと同様に、ＥＭセンサ及び／又は他のセンサ／マーカは、所望に応じて互いから離間した１つ又は複数のロケーションに配置され、又は、形状は、ＳＳＤ１０２が経路に通されるときの位置の履歴を累積することによって一点センサから再構築される。
【００４３】
動作中、ＳＳＤＩは、任意の適切な方法を使用してＳＳＤ１０２に尋問することによって取得される。利用される尋問技法は、システムによって利用されるＳＳＤ１０２のタイプと対応する。例えば、ＳＳＦは、その位置及び／又は向きを判定してＳＳＤＩを取得するために、ＦＯＲＳ技術を利用する。しかしながら、これらの尋問技法は、互いに対して排他的であってもよく、又はそうでなくてもよいことは理解されたい。さらに、光学尋問技法は、ＳＳＤ１０２の少なくとも１つの光学センサに、時間的に同期して尋問する。本発明のシステムの実施形態によれば、ＦＯＲＳ技術は、ＳＳＤＩを取得するためにＳＳＤ内にＥＭセンサを含む電磁（ＥＭ）追跡システムによって置換又は補完される。
【００４４】
尋問技法のタイプにかかわらず、尋問は、ＳＳＤＩを取得し、ＳＳＤＩはその後、基準座標系１０５のような所望の基準座標系へのＳＳＤ１０２の見当合わせを実施し、ＳＳＤ１０２の形状を判定するために処理される。
【００４５】
コントローラ１２２は、ＳＳＤ１０２が尋問されるように、（電子的、光学的になど、任意の適切な方法を使用して）ＳＳＤ１０２に通信可能に結合される。明瞭にするために、患者１０１の作業空間が基準作業空間として参照されることが仮定される。しかしながら、本発明のシステムの実施形態に従って動作するシステム内にいくつかの基準作業空間があることは理解されたい。
【００４６】
ＳＳＤ１０２に戻って参照すると、本発明のシステムの光学形状検知（ＯＳＳ）実施形態は、ＳＳＤＩを取得するために光学形状検知ファイバ（ＯＳＳＦ）のような多芯光ファイバに沿って光を分散させる。その後、ＳＳＤＩは、ＳＳＤの形状、ＳＳＤの遠位端部（例えば、先端）のようなＳＳＤの部分のポーズを判定するために分析される。ＳＳＤＩはさらに分析され、結果は、外科的介入の間のような使用中の、見当合わせ、デバイス位置特定及びナビゲーションに使用される。本発明のシステムの実施形態によれば、特徴的なレイリー後方散乱又は制御された格子パターンを使用して、光ファイバ（ＳＳＦの）内の分布歪み測定が実施される。ＳＳＤ１０２に沿った形状は、ローンチ又はｚ＝０として知られるＳＳＤ１０２に沿った特定の点において開始し、ＳＳＤ１０２の後続の形状は、ＳＳＤ１０２の遠位端点を通じてその点（例えば、ローンチ点）に対して画定される。同様に、ＳＳＤの遠位端部のような、ＳＳＤ１０２の１つ又は複数の部分のポーズが判定される。
【００４７】
本発明のシステムの実施形態によれば、ＳＳＤ１０２は、最小侵襲手技の間に対応するデバイスのライブ案内を提供するために１つ又は複数のガイドワイヤデバイスと一体化される。さらに、ＳＳＤ１０２は、イントロデューサ１０６と一体化される。
【００４８】
ＳＳＤの形状及び／又はポーズを知ることによって、イントロデューサ又はその部分のような、関連付けられるデバイスの形状及び／又はポーズが判定される。したがって、関連付けられるデバイス及び／又はその部分の位置及び／又は向きは、本発明のシステムの実施形態に従ってリアルタイムで判定される。
【００４９】
もう１つのＳＳＤが気管支鏡又はカテーテル内に組み込まれるとき、その組み合わせはユニバーサルカテーテル（例えば、ユニカス（ｕｎｉ−ｃａｔｈ））と称される。同様に、もう１つのＳＳＤ１０２が気管支鏡内に組み込まれるとき、その組み合わせはユニバーサル気管支鏡（ＵＢ）と称される。カテーテル、気管支鏡、ガイドワイヤ、生検器具などのような対応するＳＳＤ１１２と関連付けられる（例えば、それにわたって延伸する、それに沿っている、それに結合されている、など）デバイスを視覚的に検知するために、ユニバーサルカテーテルハブが、ＳＳＤ１０２とともに使用される。ＳＳＤ１０２がガイドワイヤに埋め込まれているとき、この組み合わせは、形状検知ガイドワイヤ（ＳＳＧ）と称され、ＳＳＤが生検器具に埋め込まれているとき、この組み合わせは形状検知生検器具（ＳＳＢＴ）と称される。ＳＳＤをデバイスに埋め込むことによって、ＳＳＤＩは、結合デバイスの１つ又は複数の部分の形状及びポーズを判定するために使用される。ＳＳＧ及びＳＳＢＴは概して、コンテキストが他の場合を指示しない限り、ＳＳＤ器具と称される。
【００５０】
別個の呼吸モニタ１４２を使用することによって、この動作はＳＳＤによって実施される必要がなくなり、別個の呼吸モニタ１４２からの情報を使用して、患者の呼吸サイクル中の一点が判定及び／又は確認される（すなわち、ＳＳＤは呼吸サイクルに関する情報も提供する）。患者の呼吸サイクルをモニタリングすることによって、呼吸運動がモニタリングされ、ナビゲーションに使用される。
【００５１】
図２は、本発明のシステムの実施形態に従ってレンダリングされている、患者の肺２０３の蛍光透視撮像からユニバーサルカテーテルハブを使用して例示的に取得される２Ｄ画像上に重ね合わされているＳＳＤ器具２０２（例えばＳＳＧ）及び気管支鏡２０６の仮想画像２００を示す。例示的な実施形態において、これらの仮想器具は、気管支鏡及びさらなるデバイスを含め、肺の２Ｄ蛍光透視画像上にオーバーレイされる。さらなる実施形態において、仮想ＳＳＤ器具及び他のデバイスが重ね合わされた、気道の３Ｄ再構築ボリュームが提供される。
【００５２】
ＳＳＤ２０２は、気管支鏡２０６のような適切な案内デバイスのチャネルを通じて、患者の肺２０３内の所望の位置まで延伸する。システムは、任意の適切な方法を使用して、ＳＳＤ器具２０２、及び、関連付けによって気管支鏡２０６を、共通の基準座標系に見当合わせする。システムは、ＳＳＤ器具２０２からＳＳＤＩを取得し、ＳＳＤＩに従ってＳＳＤ器具２０２の形状及びポーズを判定する。その後、ＳＳＤ器具２０２の形状が分かると、気管支鏡２０６の形状及びポーズが判定される。
【００５３】
システムは、ＳＳＤ器具２０２及び気管支鏡２０６の仮想画像を生成し、図示のように蛍光透視画像のような撮像デバイスから取得される２Ｄ／３Ｄ画像ボリューム上に仮想画像を重ね合わせる。本発明の実施形態は、蛍光透視撮像方法を使用して形成される２Ｄ／３Ｄ画像ボリュームを例示しているが、他のタイプの撮像方法（例えば、ＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線、超音波など）も、蛍光透視画像とともに（例えば、見当合わせされた複数の画像の層化を使用して）、又は、その代わりに利用されてもよい。したがって、２Ｄ／３Ｄ画像ボリュームは、異なるタイプの撮像方法から取得される複数の重ね合わされた画像を含む。さらに、所望に応じて、画像がリアルタイムで獲得、再構築及び／若しくはレンダリングされ、又は、遅延されることが想定される。
【００５４】
気管支鏡２０６は、患者の肺２０３の１つ又は複数の気道２１１内に配置される。ＳＳＤ器具２０２の遠位部分は、気管支鏡２０６から対応する気道２１１を通じて延伸し、その後、領域２０９の点２１３において対応する気道２１１の壁を通じて出て、結果、ＳＳＤ器具２０２の遠位端部２５０（例えば、遠位端）は、任意の適切な生物質量（例えば、病変、腫瘍など）である所望の関心物体（ＯＯＩ）２１７に配置される。システムは、リアルタイムマッピング方法を利用して、中でナビゲートするための気道２１１、及び、対応する気道２１１を出て、「通路外（ｏｆｆ−ｒｏａｄ）」に出る（以降、通路外又は通路外に出ること）ときを判定する。通路外に出るとき、ＳＳＤ器具２０２の遠位端部２５０のポーズを判定するために、ＳＳＤ器具２０２の形状及びポーズが使用される。このポーズを知ることによって、移動ベクトル２５１が決定される。移動ベクトル２５１は、線形又は非線形であり、動的に決定される。この移動ベクトル２５０は、通路外に出るときに（例えば、肺２０３の組織質量を通じて前進されるときにＳＳＤ器具２０２が移動する経路を判定するために使用される。
【００５５】
本発明のシステムの実施形態によれば、術前画像（例えば、１つ又は複数の術前ＣＴスキャン）とＳＳＤの判定された形状（例えば、ＳＳＤＩによって指示されるような）との間の見当合わせをより正確に更新するために、介入的Ｘ線撮像装置が利用される。例えば、全呼吸サイクル中にＳＳＤの形状が記録している段階全体の間に、低フレームレート蛍光透視画像が獲得される。本発明のシステムの実施形態によれば、必須ではないが、これによって、より正確な案内のためにＳＳＤの判定された形状の見当合わせが改善される。Ｘ線情報はまた、呼吸サイクルの他の点の間に自然経路（例えば、肺の気道）、基準経路、及び／又は生体構造を表示するために術前ＣＴスキャンをモーフィングするためにも使用される。
【００５６】
本発明のシステムの実施形態に従って、肺のような臓器内で、対応する臓器内の病変、腫瘍などのようなＯＯＩへとナビゲートするプロセスは、図３に関して例示的に記述される。
【００５７】
図３は、本発明のシステムの実施形態によるプロセス３００によって実施される機能フロー図を示す。プロセス３００は、ネットワークを介して通信する１つ又は複数のプロセッサ、コンピュータ、コントローラなどを使用して実施され、互いにローカル及び／又はリモートである１つ又は複数のメモリから情報を取得し、及び／又は、当該メモリに情報を記憶する。プロセス３００は、以下の行為のうちの１つ又は複数を含む。本発明のシステムの実施形態によれば、プロセス３００の行為は、本発明のシステムの実施形態に従って動作する１つ又は複数の適切な座標見当合わせシステムを使用して実施される。さらに、これらの行為のうちの１つ又は複数は、所望に応じて、組み合わされ、及び／又は、部分行為に分離される。さらに、これらの行為のうちの１つ又は複数は、設定に応じてスキップされる。明瞭にするために、プロセスは、気管支鏡及びＳＳＤ器具（例えば、本発明の実施形態においては生検デバイス）を参照しながら記述され、後者は、気管支鏡のチャネルを通過する。しかしながら、限定ではなく、プロセスは複数のデバイス及び／又はＳＳＤ器具を利用し、それらの各々は、別個の又は部分的の別個のワークフローを含むことは理解されたい。動作時、プロセスは、行為３０１の間に開始し、その後、行為３０３に進む。プロセス３００は、単一の病変を参照しながら記述されるが、プロセスの部分は、複数の病変又は他のＲＯＩについて繰り返される場合がある。
【００５８】
行為３０３の間、プロセスは、関心領域（ＲＯＩ）の蛍光透視撮像のような、システムの１つ又は複数の選択されている撮像モダリティを使用して、画像情報を獲得するために術前撮像を実施する。獲得された画像情報は、概して、例えば２Ｄ及び／又は３Ｄボリュームと称される、対応する術前２Ｄ及び／又は３Ｄボリュームを形成するために再構築される。ＲＯＩは、明瞭にするために本発明の例では病変であると仮定される関心物体（ＯＯＩ）を含む。
【００５９】
本発明の実施形態において、３Ｄボリューム（及び／又は他の３Ｄボリューム）は、明瞭にするために蛍光透視撮像方法を使用して獲得される再構築画像から形成されると仮定される。しかしながら、限定ではなく、本発明の実施形態の蛍光透視法とともに、又はその代わりに、他の撮像方法がシステムによって利用されてもよいことは理解されたい。
【００６０】
プロセスは、ユーザにとって好都合であるように、システムのレンダリングデバイス上で３Ｄボリューム（又はその部分）をレンダリングする。プロセスは、それによってユーザが、例えば、３Ｄボリューム内で、病変、本発明の実施形態では肺の気道のような自然経路などを選択するためにシステムと対話することができる、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）のようなユーザインターフェース（ＵＩ）を提供することも想定される。したがって、プロセスは、ランドマーク（例えば、気道、気管壁、病変、腫瘍、質量など）のような、３Ｄボリューム内の特徴を判定する。これらのランドマークは、実施されている手技のタイプに基づいて選択される。例えば、本発明の例示的な実施形態にあるように肺生検を実施するとき、システムは、所望の病変並びに（呼吸）気道のような自然経路及びそれらの壁（例えば、気管壁）を検出する。したがって、本発明の実施形態において、コンテキストが他の場合を指示しない限り、自然経路は、肺の呼吸気道を参照し、チャネル壁は、これらの呼吸気道の壁を参照する。
【００６１】
したがって、本発明のシステムの実施形態は、置換などによって最小限の修正だけで他のタイプの手技による動作に適する。例えば、本発明のシステムの実施形態は、それぞれ自然経路及び自然経路の壁を血管及び血管壁に置換することによって、血管手技に適する。それぞれ自然経路及び自然経路の壁を腸管及び腸管壁に置換することによって、腸管手技によって同様の置換が行われる。最後に、それぞれ自然経路及び自然経路の壁を心室及び心臓壁に置換することによって、心臓手技のために同様の置換が行われる。
【００６２】
実施されている手技のタイプにかかわらず、システムは、自動的に又はユーザ入力に従って、対応する自然経路（ＮＰ）及び病変のようなＯＯＩを判定する。本発明の手技は、例示的に肺生検として記述されるため、ＲＯＩは、明瞭にするために、人間の患者の肺を含むものと仮定される。しかしながら、限定ではなく、ＲＯＩは、実施されている手技のタイプに応じて、心臓、血管又は胃腸管などのような、人間及び他の動物の生体構造の他の部分をも含むことが想定される。行為３０３が完了した後、プロセスは行為３０５に続く。
【００６３】
行為３０５の間、プロセスは、３Ｄボリュームによって表現されるように、ＲＯＩの中からＯＯＩを選択する。例えば、ＯＯＩは、本発明の実施形態においては、患者の肺の中の病変であると仮定される。しかしながら、他のタイプのＯＯＩも想定される。ＯＯＩは、（例えば、腫瘍、所望の部分などを検出するための画像分析方法などを使用して）システムによって自動的に選択され、又は、ユーザによって、システムのレンダリングデバイス上にレンダリングされる３Ｄボリューム内から選択される。例えば、システムは、３Ｄボリュームを含むＧＵＩをレンダリングし、ユーザが、ＧＵＩと対話して、所望に応じて、ＳＳＤ器具によるナビゲーションが行われる、病変などのような１つ又は複数のＯＯＩを選択する。ＧＵＩはさらに、ユーザが、３Ｄボリュームのビューを操作し、並びに／又は、２Ｄ若しくは３Ｄ方法を使用して３Ｄボリュームの特徴を選択及び／若しくはタグ付けするために相互対話する選択項目を提供する。行為３０５が完了した後、プロセスは行為３０７に続く。
【００６４】
行為３０７の間に、プロセスは、選択されているＯＯＩに到達するために（例えば、通路外に出るために）オフロード経路（ＯＲＰ）を使用する必要があるか否かを判定する。したがって、選択されているＯＯＩに到達するためにＯＲＰを使用する必要があると判定される場合、プロセスは行為３０９に続く。一方、選択されているＯＯＩに到達するためにＯＲＰを使用する必要がないと判定される場合、プロセスは行為３３１に続く。選択されているＯＯＩが自然経路に接続されていないか、又は、閾値直径（例えば、本例では直径０．５ｍｍ）未満の対応する自然経路の直径（又は断面）を有する自然経路の周辺にあると判定されるとき、プロセスは、選択されているＯＯＩに到達するためにＯＲＰを使用する必要があると判定する。この閾値直径は、対応するＳＳＤ器具及び直径に関係する。したがって、対応する自然経路の直径が閾値直径未満であるとき、ＳＳＤ器具は、ＯＲＰを使用せずにこの天然経路を通じて前進することはできない。一方、対応する自然経路の直径が閾値直径以上であるとき、ＳＳＤ器具は、ＯＲＰを使用することなくこの天然経路を通じて移動することができる。この判定は、獲得されている３Ｄ画像ボリュームの任意の適切な分析（例えば、画像分析）技法を使用して行われる。したがって、ＳＳＤ器具が届く気道のような自然経路に隣接しないと判定されるＯＯＩは、到達するためにＯＲＰが必要であると判定される。
【００６５】
選択されているＯＯＩに到達するためにＯＲＰが所望されるか又は使用しないようにするかをユーザが選択することも想定される。例えば、ユーザがこの選択を行うために、ＧＵＩ上の選択項目が提供される。さらに、システムは、ユーザにとって好都合であるように、選択されているＯＯＩへとナビゲートするためにＯＲＰを使用する必要があるか否かの情報をレンダリングする。例えば、システムは、（例えば、「選択されている病変にはオフロードアクセス方法が必要です」又は「選択されている病変にオフロードアクセス方法は必要ありません」）のような情報をレンダリングする。
【００６６】
行為３０９の間、システム（例えば、１つ又は複数のプロセッサ）は、本発明の実施形態においては気管支鏡（例えば、ＵＢ）及びＳＳＧＴ又はＳＳＢＴのようなＳＳＤ器具のような１つ又は複数の選択されている外科用具をＯＲＰを使用してＯＯＩへ案内するための基準経路（ＲＰ）を決定するために３Ｄボリューム及び経路計画を実施する。ＲＰは、自然経路部分及びＯＲＰのような下位部分を画定し、自然経路部分は、自然経路（例えば、本発明の実施形態においては気道）と対応する。明瞭にするために、外科デバイスは、本発明の実施形態においては気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具を参照する。しかしながら、実施されている手技に応じて、他の外科用具も同様に利用されることが想定される。例えば、実施されている手技のタイプに応じて、気管支鏡がカテーテルに置換される。同様に、アブレータ、生検器具、超音波プローブ、グリッパなどのような種々のタイプの器具が、所望に応じてＳＳＤ器具と置換される。その上、ＳＳＤ器具は、介入の間に引き抜かれ、交換されてもよい。例えば、介入の間に、ＳＳＧがＳＳＢＴに置換される。
【００６７】
患者の１つ又は複数の自然経路（例えば、肺の気道）内を移動し、その後、自然経路の壁を通じて出て、組織（例えば、肺組織）を通じて通路外に出てＯＯＩに進むように、ＲＰが決定される。例えば、ＲＰは、少なくとも１つの自然経路（患者の肺の気道など）を介して出口点（例えば、肺の壁の中にある）へと移動する経路であって、出口点の時点において、この経路は、選択されているＯＯＩへと通路外を進む、経路を画定する。ＲＰは、仮想軌道と考えられ、対応する自然経路を通じてＯＯＩへと移動するための最適な又は実質的に最適な経路である。経路計画は、ＥｍｂｏＧｕｉｄｅ（商標）、Ｓｕｐｅｒ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（商標）などのような、任意の適切な経路計画方法、アルゴリズム、アプリケーションなどを使用して実施される。
【００６８】
ＲＰの少なくとも一部分がユーザによって決定されることが想定される。例えば、ユーザは、肺、並びに／又は、外科デバイス（例えば、気管支鏡など）及び／若しくはＳＳＤ器具がＯＯＩに到達するために移動する１つ若しくは複数の所望の自然経路（例えば、気道）に外科用具が入る入口点のような、ＲＰの少なくとも一部分を選択するために、システムと対話する。したがって、ＲＰの所望の部分（例えば、入口点）が分かると、システムは、所望される場合にＲＰの残りの部分を計画する。さらに、システムは、ユーザによって選択するための複数の経路を決定し、ユーザは、これらの経路のうちの１つをＲＰとして選択する。例えば、システムは、３Ｄボリュームのレンダリング上に複数の提案されている経路をレンダリングし、ユーザは、これらの経路のうちの１つをＲＰとして選択する。さらに、ＲＰが決定されると、プロセスは、ユーザにとって好都合であるように、術前３Ｄボリュームの上に重ね合わされているＲＰをレンダリングする。ＲＰを決定するとき、システムは、心臓運動及び患者の呼吸に起因する運動のような、ＲＯＩ内の循環的運動を考慮に入れる。この運動は、所望に応じて、少なくとも１つのサイクルにわたって判定される。
【００６９】
本発明のシステムの実施形態によれば、入口点は、所望に応じて撮像装置又は入口点を画定するＳＳＤＩを使用することなどによって、システムによって自動的に検出される。行為３０９が完了した後、プロセスは行為３１１に続く。
【００７０】
行為３１１の間、気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具のうちの１つ又は複数のような、外科デバイスのうちの１つ又は複数が、ＲＰによって、又は実質的にＲＰによって画定される自然経路内で、閾値前進距離（ＴＡＤ）だけ前進される。この前進は、システムによって自動的に（例えば、ロボットコントローラを制御することによって）、及び／又は、ユーザによって手動で、又は、１つ若しくは複数の選択されている外科デバイスのリモート制御を介して実施される。例えば、システムのコントローラは、ＲＰによって画定される経路に沿って外科デバイスのうちの１つ又は複数を前進させるように、ロボットコントローラを制御する。システムは、所望に応じて、１つ若しくは複数の選択されている外科デバイスを前進させるようにユーザに通知する信号をレンダリングする。
【００７１】
ＴＡＤに関連して、この距離は、ユーザ及び／又はシステムによって決定される。例えば、ＴＡＤは、ユーザによって２ｍｍに設定され、さらなる使用のためにシステムのメモリ内に記憶される。しかしながら、また他の実施形態において、ＴＡＤは、ＲＰに沿った対応する１つ又は複数の外科デバイスの遠位端部（例えば、先端又は他の部分）のロケーションに基づいて変化する。したがって、ＲＰに沿ってＯＯＩに近づいているとき、ＴＡＤは、初期距離（例えば、１０ｍｍなど）から（例えば、１ｍｍに）低減し、又は、生検器具のような１つ又は複数の外科デバイスが、単回の前進において自然経路から通路外に出てＯＯＩへと押し出されるように、増大される。したがって、ＴＡＤは、システム設定に応じて、ＯＲＰの距離のような所望の距離に設定される。
【００７２】
概して、自然経路の直径が気管支鏡の直径以下になるロケーションまで、気管支鏡（ＳＳＤ器具を備えるか、又は備えない）がＲＰに沿って自然経路内に挿入されることが仮定される。この距離はＲＰによって指定される。その後、ＳＳＤ器具は、ＯＯＩへと前進される。したがって、ユーザは、ＲＰによって画定される経路に沿って気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具のような１つ又は複数の選択されている外科用具のうちの１つ又は複数を前進させるために、システムと対話する。行為３１１が完了した後、システムは行為３１３に続く。
【００７３】
行為３１３の間、システムは、選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数の形状を判定する。したがって、システムは、その形状を判定するために処理される対応するＳＳＤＩを取得するために、ＳＳＤ器具に問い合わせる。形状及びローンチ点が分かると、システムは、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの各々の遠位端部のポーズを判定する。行為３１３が完了した後、プロセスは行為３１５に続く。
【００７４】
行為３１５の間、システムは、最初に、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの判定された形状（例えば、ＳＳＤＩから判定される）を３Ｄボリュームに対して見当合わせする。３Ｄボリュームが蛍光透視法を使用して取得され、ＳＳＤＩがＦＯＲＳ方法を使用して取得されると仮定すると、システムはこのとき、ＳＳＤＩを術前３Ｄボリュームに対して見当合わせする。システムはその後、判定された形状に従って１つ又は複数の外科デバイス（例えば、本発明の実施形態においては気管支鏡及びＳＳＤ器具）の仮想画像を形成し、この仮想画像を３Ｄボリュームの上に重ね合わせて、複合画像を形成する。複合画像はその後、システムのレンダリングデバイス上にレンダリングされる（例えば、図４Ａ〜図５を参照されたい）。システムはさらに、異なる色強調を使用することなどによって、１つ又は複数の外科デバイスを互いから区別する。例えば、システムは、気管支鏡及びＳＳＤ器具を、異なる色を使用して強調する。１つ又は複数の外科デバイスの各々は、ＳＳＤＩから、又は、画像分析を介して識別される。したがって、ＳＳＧはＳＳＢＴなどから容易に区別される。同様に、システムは、異なる色、強調などを使用して、気管支鏡、シースなどを区別する。システムはさらに、選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数を、ＲＰに沿ってＴＡＤだけ前進させるようにユーザに通知する命令のような、ユーザに対する命令をレンダリングする。行為３１５が完了した後、システムは行為３１７に続く。
【００７５】
行為３１７の間、１つ又は複数の選択されている外科デバイス（例えば、気管支鏡及びＳＳＤ器具）のうちの１つ又は複数が、必要に応じて、ＲＰによって又は実質的にＲＰによって画定されるように自然経路内で前進される。したがって、１つ又は複数の選択されている外科デバイスは、肺の気道内の経路に沿って（例えば、ＲＰによって画定される自然経路に沿って）前進される。この前進は、所望に応じて、ユーザによって手動で、又は、１つ若しくは複数の選択されている外科デバイスのうちの１つ若しくは複数のリモート制御を介して実施される。調整に関連して、システムはさらに、ＲＰに一致する必要性に応じて、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの形状又はポーズを調整する。例えば、システムは、ＳＳＤ器具及び／又はカテーテルのような１つ又は複数の選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数を回転させるように、ユニカスハブを制御する。システムが、「ユニカスハブを＋３０度回転させてください」などのような、１つ又は複数の選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数の調整においてユーザを案内する命令を決定及びレンダリングすることも想定される。
【００７６】
１つ又は複数の選択されている外科デバイスの１つ又は複数の前進又は調整に関連して、明瞭にするために、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの各々が、通路外に出ると判定されるまで、ＲＰに沿って一斉に前進されることが仮定され、通路外に出た時点で、ＳＳＤ器具は前進され、一方で気管支鏡は前進されない。しかしながら、システムは、１つ又は複数の選択されている外科デバイスが移動する経路が、所望される適合までＲＰに一致するように、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの各々を一斉に、互いから独立して、又は互いから実質的に独立して調整する。ＲＰは、気管支鏡及びＳＳＤ器具のような１つ又は複数の選択されている外科デバイスの各々の１つ又は複数の経路セグメントを画定する経路セグメント情報をさらに含む。例えば、気管支鏡は、ＳＳＤ器具よりも少ない経路セグメントに沿って移動する。行為３１７が完了した後、システムは行為３１９に続く。
【００７７】
行為３１９の間、システムは、１つ又は複数の選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数の形状を判定する。したがって、システムは、その形状を判定するために処理される対応するＳＳＤＩを取得するために、任意の適切な方法を使用してＵＢのＳＳＤ及びＳＳＢＴに問い合わせる。この行為は、行為３１３と同様である。判定された形状は、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの現在の又は実際の形状（リアルタイム）であると考えられる。行為３１９が完了した後、プロセスは行為３２１に続く。
【００７８】
行為３２１の間、システムは、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの判定された形状（例えば、ＳＳＤＩから判定される）を互いに対して及び術前３Ｄボリュームに対して見当合わせする。この行為は、行為３１５と同様である。同様に、システムはその後、術前３Ｄボリューム上に重ね合わされている、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの見当合わせされた、判定されている形状を、システムのレンダリングデバイス上にレンダリングし、１つ又は複数の外科デバイスがユーザによって前進されるときは、選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数を前進させるための、ユーザに対する命令を出力する。行為３２１が完了した後、システムは行為３２３に続く。
【００７９】
行為３２３の間、システムは、任意の適切な方法を使用して、ＲＰと、１つ又は複数の外科デバイスの現在の形状（例えば、実際の経路である現在の経路）との間の誤差（例えば、逸脱）を計算する。プロセスは、曲線適合法などのような１つ又は複数の任意の適切な数学的方法を使用してこれを行う。誤差に関連して、形状を術前３Ｄボリュームに対して連続的に見当合わせし直すことによって、気道をさらに下る気管支鏡の前進が改善する。これは、気道がますます小さくなり（例えば、直径が低減するにつれて）、気道は気管支鏡の外側と同じサイズに近づくことになり、したがって、気管支鏡及びそれと関連付けられるＳＳＤ器具が移動する自由が制約されるためである。この制約によって、検出されている形状とＲＰの形状とがより近く適合される。システムは、気道の組織の損傷を防止するように、気管支鏡が中で移動している気道の内寸に気管支鏡の外寸が近づいているときに、気管支鏡の前進を止める。形状を術前ボリュームに連続的に見当合わせし直すことによって、ＲＰとＳＳＤの現在の形状との間の誤差がリアルタイムで計算される。容易に理解されるように、ＯＯＩまでのより短い経路が提供されるときなど、気道が小さくなりすぎてナビゲートすることができなくなる時点よりも前に、又はその位置の前に、通路外に出ることが望ましい。この行為が完了した後、システムは行為３２５に続く。
【００８０】
行為３２５の間、システムは、術前３Ｄボリューム上に重ね合わされているＲＰ及び１つ又は複数の外科デバイスの現在の形状を含むＧＵＩを形成し、システムのレンダリングデバイス上にレンダリングする。システムはさらに、数値又はグラフィックによってなど、任意の適切な方法を使用してＲＰの指示をレンダリングする。例えば、システムは、現在の形状の、最小誤差を有すると判定される部分を緑色の強調を使用してレンダリングし、現在の形状の、最大誤差を有すると判定される部分が、赤色で強調される。したがって、強調は、計算される誤差が増大するにつれて、緑色から赤色に変化する。したがって、計画されている経路及び現在の形状（例えば、実際の経路）が、３Ｄボリューム上に重ね合わされ（例えば、オーバーレイされ）、計算されている誤差の指示とともに、ディスプレイ上など、システムのレンダリングデバイス上にレンダリングされる。しかしながら、また他の実施形態において、計算されている誤差は、スピーカ又は触覚デバイスを使用してレンダリングされ、この場合、例えば、誤差が増大するにつれてピッチ及び／又はトーンが増大し、またその逆になる。行為３２５が完了した後、システムは行為３２７に続く。
【００８１】
本発明のシステムの実施形態によれば、行為３１９〜３２５は、患者の呼吸サイクルに起因する運動のような運動に起因する計算されている誤差がリアルタイムで更新されるように、患者の少なくともＮ回の呼吸サイクルのような所望の時間間隔にわたって、リアルタイムで連続的に繰り返される（Ｎは、ユーザ及び／又はシステムによって設定される整数であり、明瞭にするために、以下の例では１に等しい）。
【００８２】
行為３２７の間、システムは、自然経路を出るべきか否かを判定する。したがって、自然経路を出るべきであると判定される場合、システムは行為３２９に続く。一方、自然経路を出るべきではないと判定される場合、システムは行為３１７を繰り返す。
【００８３】
本発明のシステムの実施形態によれば、システムは、計算されている誤差が閾値誤差（Ｅｔｈｒｅｓｈ）未満であると判定されるときに、自然経路を出ることを決定する。しかしながら、システムは、計算されている誤差が閾値誤差（Ｅｔｈｒｅｓｈ）以上であると判定されるときには、自然経路を出ないことを決定する。自然経路を出ることによって、ＳＳＤ器具は、ＯＲＰに沿ってＯＯＩへと案内される。また他の実施形態において、システムは、ＳＳＤ器具又は気管支鏡の先端（例えば、遠位端部）が、ＲＰの、軌道壁を通じて出ることが所望される部分に配置されていると判定されるときに、自然経路を出ることを決定する。また他の実施形態において、システムは、本明細書においてさらに論じるように、ＳＳＤ器具の軌道がＯＯＩの軌道に交差するときに、自然経路を出ることを決定する。
【００８４】
例えば、肺は弾性体として動作するため、呼吸サイクルの吸気相及び呼気相の間、肺は、２つの非常に異なる状態、すなわち、それぞれ拡張状態及び虚脱状態をとる。しかしながら、ＯＯＩ、及び、ＳＳＤ器具が移動する自然経路の壁内の出口のロケーションは、剛体運動を使用して表現されると仮定される。これは、本発明のシステムの実施形態に従って生成される呼気相の間の気道４５３を有する肺４６３の３Ｄボリュームのグラフィック描写４００Ａを示す図４Ａ、及び、本発明のシステムの実施形態に従って生成される吸気相の間の気道４５３を有する患者の肺の３Ｄボリュームのグラフィック描写４００Ｂを示す図４Ｂを参照しながらより明瞭に例示される。図示されているように、ＳＳＤ器具は、気道４５３内に挿入され、病変４５５のようなＯＯＩに向かって延伸する。
【００８５】
図４Ｂを参照すると、例えば、肺４６３が最大限に拡張され、気道４５３が最も拡張される、呼吸サイクル中の所望の点について、ＲＰ４５０が決定される。これは、気管支鏡及びＳＳＤ器具のような１つ又は複数の選択されている外科用具が、自然経路（例えば、肺４６３の気道）内をＲＰ４５０に沿って病変４５５に向かって通過するのを容易にする。ＲＰ４５０のＯＲＰ部分４６１が点線４６１として示されており、この部分は、１つ又は複数の選択されている外科用具のＳＳＤ器具の、病変４５５に向かって通路外を移動するときの所望の経路を指示する。
【００８６】
呼吸サイクルの間、肺４６３は、拡張及び収縮し、これによって、気道４５３及び病変４５５のような肺４６３の部分のロケーションが、自由空間内で変化する。この変化はまた、ＲＰ４５０と対応する形状を有すると仮定されている肺４６３の気道内に配置されている１つ又は複数の選択されている外科デバイスの形状をも変化させる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂの各々の肺４６３が同じ縮尺で示されていると仮定すると、呼吸サイクルの呼気部分の間の肺４６３は、呼吸サイクルの吸気部分の間のサイズと比較すると、縮小する。この変化は、病変及び気道に関連して、肺の部分のロケーションを変化させる。例えば、病変４５５は、呼吸サイクルの呼気部分の間に、仮想病変４５５’によって指示されるロケーションに移動する。同様に、気道４５３は、ＲＰ４５０が図示のように仮想ＲＰ’４５０’へシフトするように、それらの形状及びサイズを変化させる。したがって、病変４５５の動きは、矢印４５９によって指示されるように、線形的に移動する。したがって、１つ又は複数の選択されている外科デバイスが肺４６３の気道４５３内でＲＰ４５０に沿って配置されていると仮定すると、実際の経路によって画定されるものとして形状及びサイズは、より望ましい経路が呼吸サイクルの呼気相の間にＲＰ’４５０’と対応するように、呼吸サイクルの間に変化する。吸気の時間におけるＲＰ’４５０’は、仮想病変４５５’までの仮想ＯＲＰ’４６１’を有する。明瞭にするために、呼吸サイクル中の２つの個別の点のみが論じられる。しかしながら、そのような点がより最適な経路を提供するときなど、他の点が、所望に応じて呼吸サイクル全体を通じて選択されてもよい。
【００８７】
外科的介入の間、呼吸サイクルの所与の点（例えば、吸気部分の間）において、ＳＳＤ器具の現在の経路（例えば、実際の経路）は、呼吸サイクルの同じ（又は実質的に同じ）点の間のＲＰと実質的に同じ経路（例えば、形状及びサイズ）を有するはずであり、したがって、この点におけるＲＰと実際の経路との間の計算される誤差は、（呼吸サイクルのすべての部分の間のすべての計算される誤差の中で）最低であるはずである。しかしながら、肺は呼吸サイクルの間に形状及びサイズを変化させるため、誤差が最低の点からの呼吸サイクルの約半分において、ＳＳＤ器具の形状はＲＰの形状とは異なるはずであり、ＳＳＤ器具の形状とＲＰとの間の計算される誤差は、ほぼ最大になると予測される。したがって、図４Ｂに示す例を参照すると、ＲＰと実際の経路との間の最低の誤差は、呼吸サイクルの吸気部分の間に予測され、ＯＲＰ４６１を含む。
【００８８】
例えば、外科的介入の間、計算される誤差の指示は、外科デバイス（例えば、ＳＳＤ器具）の形状、ＲＰ、及び／又は３Ｄボリュームと関連付けて、ユーザにとって好都合であるように、システムのレンダリングデバイス上にリアルタイムでレンダリングされる。ＳＳＤ器具が出口ロケーションにあると仮定すると、現在の経路が最もＲＰらしく見え、したがって、最小誤差を有するときには通路外に出ることが（例えば、システムによって自動的に及び／又はユーザによって）決定される（又はその逆）。この時点において、自然経路を出ることが決定される。したがって、１つ又は複数の選択されている外科デバイスの判定された現在の経路がＲＰらしく見えるとき、肺は、ＳＳＢＴのような選択されている１つ又は複数の外科デバイスを前進させるための位置（例えば、吸気相）にある。しかしながら、肺が呼気相にあるとき、この時点における誤差は実質的に最大値にあると予測されるため、ＳＳＢＴのような選択されている１つ又は複数の外科デバイスは、通路外に出るように前進されるべきではない。したがって、システムは、計算されている誤差の指示を提供し、システムのレンダリングデバイス上にそのような指示をレンダリングする。例えば、ディスプレイデバイス、ＳＳＢＴの制御ハンドル内に配置されている触覚デバイス、及び／又は他のレンダリングデバイスが誤差をレンダリングする。臨床医はこのとき、計算されている誤差の指示を（例えば、表示される３Ｄ画像、呼吸サイクル中の計算されている誤差に比例する振動のような触覚フィードバックなどを使用して）提供される。このように、誤差がその最小値に達すると、臨床医は、そのことを容易に認識し、その時点において通路外に出るようにＳＳＢＴを前進させる。
【００８９】
図３に戻って参照すると、行為３２９の間、１つ又は複数の外科デバイスは、ＯＯＩに向かって「通路外に」前進される。生検デバイスのような１つ又は複数の外科デバイスは、外科医によって手動で又はシステムによって自動的に前進される。例えば、システムは、呼吸サイクル中の、計算された最小誤差をもたらす計算された時点において、ＳＳＤ器具（例えば、システム及び／又はユーザの選択に応じてＳＳＧ又はＳＳＢＴのうちの選択される一方）を、ＲＰに沿ってＯＯＩに向かって自動的に前進させるように、ロボットコントローラを制御する。
【００９０】
通路外に出るまた別の方法によれば、ＲＰが、本発明の実施形態においてはＳＳＤ器具のような選択されている１つ又は複数の外科デバイスが、ＯＯＩに到達するために自然経路を出たときに、ＲＰのＯＲＰと対応してとるべき方向（例えば、軌道）に関する情報を含むことが想定される。例えば、図５は、本発明のシステムの実施形態による図４Ｂに示す３Ｄボリュームの詳細ビューを示すＧＵＩ５００を示す。ＲＰ４５０は、呼吸サイクルの時間に応じて病変４５５又は仮想病変４５５’に到達するために対応する気道４５３を出たときにＳＳＤ器具がとるべき方向に関する情報を提供するＯＲＰ部分４６５を含む。腫瘍４５４は全呼吸サイクルの間、実質的に、肺４６３の隣接する気道４５３と一致して動くため（４５５及び４５５’参照）、腫瘍４５５又は仮想腫瘍４５５’に到達するためにＳＳＤ器具が移動するべき方向は、呼吸サイクル中に大幅に変化するとは予測されない。それゆえ、ＳＳＤ器具の遠位端（例えば、遠位端部にある先端）が、病変４５５（又は仮想病変４５５’）に到達するために通路外でナビゲートされるべきである方向に位置決めされている間に、ＳＳＤ器具の近位区画（例えば、ＳＳＤ器具の、例えば遠位端を除外する、自然経路内にある部分）が、呼吸運動をモニタリングするために使用される。ＳＳＤ器具の現在の軌道が３Ｄボリューム上にオーバーレイされるとき、ＳＳＤ器具の仮想軌道４６５’（本発明の実施形態においてはＯＲＰ４６１’と対応する）も、（ＳＳＤ器具の遠位端部の先端が出口点に達しているとき）仮想腫瘍４５５’まで示される。本発明のシステムのこれらの実施形態において、臨床医は、このとき、現在の軌道と計画されている軌道との間の計算される最低誤差の指示を待つのではなく、腫瘍までの仮想軌道４６５’に従う。システムは、ＳＳＤ器具の遠位端部において又はその付近で、ＳＳＤＩに従ってＳＳＤの現在の軌道を判定し、ユーザにとって好都合であるように、この情報を現在の軌道４６５又は仮想軌道４６５’として、３Ｄボリューム上にレンダリングする。例えば、システムは、ＳＳＤ器具の遠位端のポーズを判定し、仮想軌道４６５’のような対応する軌道をリアルタイムでレンダリングする。したがって、この情報を使用して、ユーザ又はシステムは、その後、現在の軌道と計画されている軌道との間の計算される最低誤差の指示を待つことなく、ＳＳＤ器具をいつでも病変４５５まで通路外で案内することができる。
【００９１】
行為３２９が完了した後、システムは行為３３１に続き、システムは、本発明の実施形態においては病変に生検を行うか又はアブレーションデバイスを位置決めするなどのために、ＯＯＩに対して所望の行為を実施する。その後、システムは、現在のプロセス中に生成及び／若しくは他の様態で取得される情報をシステムのメモリ内に記憶し、並びに／又は、ユーザにとって好都合であるように、この情報をレンダリングする。その後、システムは行為３３３に続き、プロセスは終了する。
【００９２】
行為３３１に関連して、この行為の間、システムは、自然経路を使用した（例えば、通路外に出て進むことのない）ＯＯＩまでの経路を決定し、１つ又は複数の選択されている外科デバイスのうちの１つ又は複数を自動的に案内し、ユーザが１つ又は複数の選択されている外科デバイスをＯＯＩへと案内することができるように、システムのレンダリングデバイス上に案内情報をレンダリングする。１つ又は複数の選択されている外科デバイスがＯＯＩに配置されると、システムは行為３２９へと続く。
【００９３】
本発明のシステムの利点は、単一の３Ｄボリュームのみが取得されればよく、基準経路が決定されればよいことである。その後、本発明のシステムによって生成されるナビゲーション情報が、ＳＳＤＩ及び基準経路に基づいて決定される。本発明のシステムの実施形態によれば、これによって、例えば、追加の蛍光透視撮像が必要とされないため、介入的手技の間に患者に対する放射線暴露が低減する。
【００９４】
図６は、本発明のシステムの実施形態によるプロセス６００によって実施される機能フロー図を示す。プロセス６００は、ネットワークを介して通信する１つ又は複数のプロセッサ、コンピュータ、コントローラなどを使用して実施され、互いにローカル及び／又はリモートである１つ又は複数のメモリから情報を取得し、及び／又は、当該メモリに情報を記憶する。プロセス６００は、以下の行為のうちの１つ又は複数を含む。本発明のシステムの実施形態によれば、プロセス６００の行為は、本発明のシステムの実施形態に従って動作する１つ又は複数の適切な座標見当合わせシステムを使用して実施される。さらに、これらの行為のうちの１つ又は複数は、所望に応じて、組み合わされ、及び／又は、部分行為に分離される。さらに、これらの行為のうちの１つ又は複数は、設定に応じてスキップされる。明瞭にするために、プロセスは、気管支鏡及びＳＳＤ器具（例えば、本発明の実施形態においては生検器具）を参照しながら記述され、後者は、気管支鏡のチャネルを通過する。しかしながら、限定ではなく、プロセスは複数のイントロデューサを利用し、それらの各々は、別個の又は部分的の別個のワークフローを含むことは理解されたい。動作時、プロセスは、行為６０１の間に開始し、その後、行為６０３に進む。プロセス６００は、単一の病変を参照しながら記述されるが、プロセスの部分は、複数の病変又は他のＲＯＩについて繰り返される場合がある。
【００９５】
行為６０３の間、プロセスは、患者の肺のようなＲＯＩの蛍光透視画像のようなシステムの撮像方法を使用して術前撮像を実施する。この行為は、行為３０３と同様に実施される。行為６０３が完了した後、システムは行為６０５に続く。
【００９６】
行為６０５の間、システムは、ＲＯＩの３Ｄボリュームを生成し、病変のような、３Ｄボリューム内の選択されるＯＯＩまでの基準経路（ＲＰ）を生成する。ＲＰは、肺の気道内の少なくとも一部分及び通路外部分を含む。ＲＰは、ＳＳＤ器具が通路外に出て移動するために気道の壁を出る出口点を指示する出口領域をさらに表記する。ＲＰは、ＯＯＩまでの３Ｄ経路を画定する。ＯＯＩは、システムによって自動的に及び／又はユーザによって選択される。行為６０５が完了した後、システムは行為６０７に続く。
【００９７】
行為６０７の間、気管支鏡が挿入され、気管支鏡のチャネル内に配置されているＳＳＤ器具が最初に、ＲＰと対応する患者の肺の気道内に挿入される。また他の実施形態において、気管支鏡は、ＳＳＤを含み、及び／又は、気管支鏡が最初に（例えば、出口点まで）ＳＳＤ器具なしで挿入され、出口点において、ＳＳＤ器具が気管支鏡のチャネル内に挿入される。行為６０７が完了した後、システムは行為６０９に続く。しかしながら、限定ではなく、所望に応じて、ＳＳＤ器具が気管支鏡なしで肺の気道内に挿入されることも想定される。
【００９８】
行為６０９の間、システムは、ＳＳＤＩを術前３Ｄボリュームと見当合わせし、そのため、ＳＳＤ器具（及び関連付けられる気管支鏡）は、術前３Ｄボリューム（画像）と見当合わせされる。したがって、システムは、ＦＯＲＳ方法のような任意の適切な方法を使用して、ＳＳＤ器具からＳＳＤＩを取得する。その後、システムは、ＳＳＤ器具及び関連付けられる気管支鏡の形状を術前３Ｄボリュームと見当合わせするように、ＳＳＤＩを術前３Ｄボリュームと見当合わせする。その後、システムは、ＳＳＤ器具及び気管支鏡の形状の仮想画像を術前３Ｄボリューム上に、リアルタイムでレンダリングする。この行為は、所望に応じてプロセス中に連続的に実施され、それによって、ＳＳＤ器具及び／又は気管支鏡のリアルタイム画像が提供される。行為６０９が完了した後、システムは行為６１１に続く。
【００９９】
行為６１１の間、例えば、ＳＳＤ器具の少なくとも先端が出口点（ＲＰによって画定されるような）に達したと判定されるまで、気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具は、システムのコントローラによって自動的に及び／又はユーザによって、病変に向かってナビゲートされる。本発明のシステムの実施形態によれば、このプロセスは、気管支鏡及びＳＳＤ器具が閾値距離だけ（ともに又は互いから独立して）前進されることによって、離散的に行われる。行為６１１が完了した後、プロセスは行為６１３に続く。
【０１００】
行為６１３において、システムは、ＲＰとＳＳＤ器具の現在の経路との間の誤差を計算する。したがって、システムは、ＳＳＤ器具からＳＳＤＩを取得し、ＳＳＤ器具の現在の経路を判定し、現在の経路はその後、ＲＰと比較されて、それら２つ（例えば、ＲＰ及び現在の経路）の間の誤差が計算される。この誤差は、曲線適合モデルのような任意の適切な数学的方法を使用して計算される。関係のないデータを制限するために、プロセスは、ＲＰ及び現在の経路の選択される部分に基づいて誤差を判定する。例えば、プロセスは、システム及び／又はユーザによって判定されるように、ＳＳＤ器具の、肺の自然経路内に位置する部分などのみについて誤差を計算する。計算された誤差が（例えば、ＲＰの、出口点及びＳＳＤ器具の一部分において終端する部分のようなＲＰの任意の所与の部分について）閾値誤差未満であると判定されると、ＳＳＤ器具の先端（例えば、遠位端部）が出口点にあると判定され、プロセスは行為６１５へと続く。一方、計算された誤差が閾値誤差以上であると判定される場合、プロセスは行為６１１を繰り返す。
【０１０１】
必須ではないが、本発明のシステムの実施形態によれば、気道はますます小さくなっていき、したがって、気道がＳＳＤ器具自体と同じサイズに近づくとＳＳＤ器具は気道の内部でしか動くことができないため、形状を術前ボリュームに対して見当合わせし直すことによって、気道をさらに下るＳＳＤ器具の前進が改善する。見当合わせし直している間（例えば、連続的に）、ＲＰと気管支鏡の現在の経路との間の誤差が計算される。この情報は、３Ｄボリューム及びＲＰの上にオーバーレイされて、気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具の（ＳＳＤＩによって決定された）現在の（実際の）経路の画像とともに、臨床医に対してレンダリングされる。呼気及び吸気の間、肺は、２つの非常に異なる状態にある（例えば、図４Ａ及び図４Ｂ）。呼吸サイクル中のいくつかの点において、現在の経路は、計画された経路らしく見え、誤差が最も低い。本発明のシステムの実施形態によれば、この時点において、ユーザは、気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具を前進させるように促され（例えば、ユーザインターフェースを通じて）、及び／又は、ロボットシステムがこれを行う。
【０１０２】
行為６１５の間、システムは、少なくとも１つの全呼吸サイクルにわたって呼吸運動を記録する。容易に理解されるように、この動作は、連続的に又はプロセスの任意の部分の間に実施される。したがって、システムは、ＳＳＤ器具を安定して（例えば、ユーザによって及び／又はシステムのコントローラの制御下にあるロボットコントローラによって）保持し、呼吸運動は少なくとも１つの呼吸サイクルにわたって記録される。したがって、システムは、このサイクルの間にリアルタイムでＳＳＤＩを獲得し、その後、この少なくとも１つの呼吸サイクルの間の呼吸運動を判定するためにＳＳＤＩを分析する。ＳＳＤＩの形状は、少なくとも１つの呼吸サイクルの間の１００ミリ秒ごとなど、呼吸サイクルにわたる複数の離散的な点において判定される。呼吸運動は、気道を出て病変まで通路外を移動するべき時点を決定するための、システムの較正を可能にする。行為６１５が完了した後、プロセスは行為６１７に続く。
【０１０３】
行為６１７の間、プロセスは、呼吸サイクル中の、誤差が最低である点を判定する。したがって、システムは、少なくとも１つの呼吸サイクルにわたって、ＲＰとＳＳＤ器具の現在の経路との間の誤差を計算する。システムはその後、計算された誤差から、少なくとも１つの呼吸サイクル中の、計算された誤差が最低である点を判定する。誤差は、離散的な複数の点において、又は、１００ミリ秒ごとなど、呼吸サイクルにわたってＳＳＤＩが収集される度に計算される。呼吸サイクル中の、ＳＳＤ器具の形状がＲＰと対応する時点において誤差は最低であると予測されるため、この点は、出口時点として称され、呼吸サイクル中の、気管支鏡及び／又はＳＳＤ器具が出口点において対応する気道の壁を出るべきである（例えば、誤差が最低である）点を指示する。行為６１７が完了した後、システムは行為６１９に続く。
【０１０４】
行為６１９の間、システムは、気管支鏡及び／又はＳＳＤが所望の出口点及びポーズに達した後に、見当合わせし直す。行為６１９が完了した後、システムは行為６２１に続く。行為６２１の間、システムは、気道を出る。したがって、システムは、決定されている出口時点と対応する、現在の呼吸サイクル中の対応する時点を待ち、論じられているように誤差が最低である呼吸サイクル中の時点に対応するこの時点において、通路外を進むために気道の壁を出る。したがって、ＳＳＤ器具を自動的に制御する場合、システムは、現在の呼吸サイクル中の、決定された出口時点と対応する時点において、ＳＳＤ器具を、気道の壁を通じて通路外に出て病変へと前進させるように、ロボットコントローラを制御する。しかしながら、システムはまた、ＳＳＤ器具の手動制御も可能にし、現在の呼吸サイクル中の、決定されている出口時点と対応する時点において、ユーザがＳＳＤ器具を通路外で病変へと案内することができるように、呼吸サイクル中のその時点の指示を提供する。
【０１０５】
システムはまた、ＳＳＤが通路外を移動するために気道を出る角度（例えば、所望のポーズ）を決定し、この情報をロボットコントローラに提供し、及び／又は、ユーザにとって好都合であるように、この情報をレンダリングする。したがって、呼吸サイクル中のいずれの時点において、及び、いずれの角度において、ＳＳＤが気道を出るべきであるかがシステムに知れると、システムは、呼吸サイクル中の所望の時点及び所望の正確な角度において、通路外のナビゲーションを開始するように、ロボットコントローラを制御する。したがって、システムは、ユーザにとって好都合であるように、システムの動作の視覚的補助又は視覚的確認を可能にするために、ＧＵＩをレンダリングする。
【０１０６】
本発明のシステムの実施形態によれば、システムは、手動ナビゲーションを実施するときにユーザを支援するためのナビゲーション補助をユーザに提供するＧＵＩをレンダリングする。例えば、システムは、病変のようなＯＯＩに対するＳＳＤ器具の位置整合においてユーザを支援するための情報を提供するＧＵＩをレンダリングする。これは、図７Ａ及び図７Ｂに関連して例示されており、図７Ａは、本発明のシステムの実施形態による案内のための移動経路の指示を含むＧＵＩ７００Ａを示し、図７Ｂは、本発明のシステムの実施形態による案内のための移動経路の指示を含むＧＵＩ７００Ｂを示す。
【０１０７】
ＧＵＩ７００Ａを参照すると、システムは、ＳＳＤ器具の一部分の現在の経路７０２（例えば、現在の軌道）、ＳＳＤ器具の外挿軌道７６６、ＲＰ７０４（例えば、計画されている軌道）、出口ロケーション７６２、及び誤差インジケータ７６０を決定及びレンダリングし、これらは３Ｄ画像ボリューム（例えば、術前３Ｄ画像ボリュームの対応する部分の上で層上に重ねられ、システムのレンダリングデバイス上でレンダリングされる。レンダリングされる３Ｄ画像ボリュームは、気道７５３、気管壁７５８、及び腫瘍７５５の仮想画像を含む。誤差インジケータ７６０は、任意の適切な方法を使用してレンダリングされ、現在の経路７０２とＲＰ７０４との間の誤差を指示する。例えば、誤差インジケータ７６０は、誤差が増大するにつれて面積が増大し、誤差が低減するにつれて面積が低減する、現在の経路７０２とＲＰ７０４との間の強調された領域として表される。出口ロケーション７６２は、ＳＳＤ器具７６６の外挿軌道及び気管壁７５８とのその交差に従って変化する。
【０１０８】
ＧＵＩ７００Ｂを参照すると、システムは、ＳＳＤＩから判定され、リアルタイムで更新されるものとしての、ＳＳＤ器具の遠位端部７６８のポーズを示すＳＳＤＩのようなＳＳＤＩに基づいて動的に外挿される動的軌道７６６をさらに判定する。ＳＳＤ器具のポーズ及び／又は形状が呼吸サイクルの間に変化すると、システムはそれに従って動的軌道７６６を更新する。システムはさらに、動的軌道７６６及び気管壁７５８とのその交差に基づいて、出口ロケーション７６２の指示を提供する。システムはさらに、推奨回転情報を決定し、例えば、ＳＳＤ器具が結合されているユニカスハブを回転させることによって実施されるＳＳＤ器具の推奨される回転を示す回転矢印７６４のような、任意の適切な方法を使用して、推奨回転情報のグラフィック描写をレンダリングする。推奨回転情報はさらに、ＳＳＤ器具が点線７７４として示されている現在のロケーションから図示のような計画されている向きへと動くことができるように、ユニカスの推奨される回転を示す推奨回転ベクトル７７２を提供する回転ガイド７７０を使用してレンダリングされる。
【０１０９】
動的軌道及び推奨回転情報は、ユーザに、線形的に及び回転の両方で所望の軌道を達成するのに必要な再配置を推奨する指示を提供する。ＳＳＤ器具の遠位端部の遠位部分（例えば、本発明の例においては針を含む）が湾曲した経路をとる場合、器具をその近位端部において回転させることによって、何らかの再配置が達成されることが可能である。気管支鏡及び／又はＳＳＤの近位端部及び遠位端部のポーズの間の関係は事前に分かっており、そのような湾曲の存在は形状検知によって検出可能であるため、ユニカスは、器具の近位回転を追跡し、それによって、遠位及び近位の向きの間のオーバーレイ表示が提示される。
【０１１０】
図６に戻って参照すると、行為６２１が完了した後、システムは行為６２５に続く。行為６２５の間、器具は、任意の適切な所望の方法を使用して病変に生検を行うように（手動で又は自動的に）制御される。例えば、器具は、病変から組織試料を採取するように制御される。行為６２３が完了した後、プロセスは行為６２５に続き、プロセスは終了する。
【０１１１】
図８は、本発明のシステムの実施形態によるシステム８００の一部分を示す。例えば、本発明のシステムの一部分は、メモリ８２０に動作可能に結合されているプロセッサ８１０（例えば、図１に示すコントローラ１２２のようなコントローラ）と、ディスプレイ８３０のようなレンダリングデバイスを含むユーザインターフェース（ＵＩ）と、センサ８４０と、通信ネットワーク８８０と、ユーザ入力デバイス８７０とを含む。メモリ８２０は、アプリケーションデータ、及び、記述されている動作に関係する他のデータを記憶するための任意のタイプのデバイスである。アプリケーションデータ及び他のデータは、本発明のシステムに従って演算行為を実施するようにプロセッサ８１０を構成（例えば、プログラム）するために、プロセッサ８１０によって受信される。そのような構成されているプロセッサ８１０は、本発明のシステムの実施形態に従って実施するのに特に適した特殊目的機械になる。
【０１１２】
演算行為は、システム設定に従って、例えば、ＳＳＤ追跡システム（例えば、センサ８４０）を含むシステムを構成することを含む。例えば、プロセッサ８１０は、ＯＯＩへのＲＰを決定し、ＲＰに沿ってＳＳＤからＳＳＤＩを取得する。そのプロセッサ８１０は、センサ情報、ＳＳＤ情報などのような受信信号を処理し、ＳＳＤの形状並びにＳＳＤ及び１つ又は複数の関連付けられる医療デバイスの先端のポーズを判定するためにこれらの信号を変換し、例えば、ディスプレイ８３０、スピーカなどの上のような、システムのＵＩ上にレンダリングされる画像情報（例えば、静止又はビデオ画像）、データ、及び／又は、グラフを含むコンテンツを生成する。コンテンツは、本発明のシステムの医療撮像システムによって生成されるような画像情報を含み、及び／又は、手技の間にユーザを案内するための案内情報（例えば、右へ移動、左へ移動、矢印など）を含む。さらに、コンテンツは、その後、後に使用するために、メモリ８２０のようなシステムのメモリ内、及び／又は、ネットワーク８８０を通じてプロセッサ８１０に結合されているデバイス上などの別のデバイス上に記憶される。プロセッサ８１０はさらに、ＳＳＤ及び／若しくは関連付けられる医療デバイスのロケーションを、蛍光透視撮像装置、ＭＲＩ及び／若しくはコンピュータ断層撮影（ＣＡＴ）、Ｘ線などのような他の医療撮像システムから取得される情報と見当合わせし、並びに／又は、ＳＳＤから取得されるコンテンツ（例えば、形状情報）を、それらの情報と融合する。したがって、演算行為は、３Ｄ画像ボリュームのようなコンテンツの獲得、提供、及び／又はレンダリングを含む。プロセッサ８１０は、システムのレンダリングデバイス８３０（例えば、ディスプレイ）のような、システムのＵＩ上に、画像情報のようなコンテンツをレンダリングする。
【０１１３】
ユーザ入力８７０は、パーソナルコンピュータ、個人情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話（例えば、スマートフォン）、モニタ、スマート若しくはダム端末、又は、有線及び／若しくは無線通信リンクのような任意の動作可能なリンクを介してプロセッサ８１０と通信するための他のデバイスの一部のような、システムの一部であるか、又は、スタンドアロンである、キーボード、マウス、トラックボール、又は、タッチセンサ式ディスプレイのような他のデバイスを含む。ユーザ入力デバイス８７０は、本明細書において記述されているようなＵＩ内の対話を有効化することを含め、プロセッサ８１０との対話のために動作可能である。明らかに、プロセッサ８１０、メモリ８２０、ディスプレイ８３０、及び／又はユーザ入力デバイス８７０は、全体的に又は部分的に、コンピュータシステム又はクライアント及び／若しくはサーバのような他のデバイスの一部分である。
【０１１４】
本発明のシステムの方法は、本発明のシステムによって記述及び／又は想定される個々のステップ又は行為のうちの１つ又は複数に対応するモジュールを含むプログラムのような、コンピュータソフトウェアプログラムによって実行されるのに特に適している。そのようなプログラムは無論、集積チップ、周辺デバイス、又は、メモリ８２０若しくはプロセッサ８１０に結合されている他のメモリのようなメモリのような、コンピュータ可読媒体内に具現化される。
【０１１５】
メモリ８２０に含まれるプログラム及び／又はプログラム部分は、本明細書において開示されている方法、演算行為、及び機能を実施するように、プロセッサ８１０を構成する。メモリは、例えばクライアント及び／又はサーバ、又はローカル、及びプロセッサ８１０の間で分散されてもよく、この場合、追加のプロセッサが提供されてもよく、同じく分散されてもよく、又は、単体であってもよい。メモリは、電気、磁気若しくは光学メモリとして実施され、又は、これらの若しくは他のタイプの記憶デバイスの任意の組み合わせである。その上、「メモリ」という用語は、プロセッサ８１０によってアクセス可能なアドレス指定可能空間内のアドレスから読み出し、又は当該アドレスに書き込むことが可能な任意の情報を包含するのに十分に広範に解釈されるべきである。この定義によれば、例えば、プロセッサ８１０は、本発明のシステムに従って動作するためにネットワークから情報を取り出すことができるため、ネットワークを通じてアクセス可能な情報は、依然としてメモリ内にある。
【０１１６】
プロセッサ８１０は、制御信号を提供し、並びに／又は、ユーザ入力デバイス８７０からの入力信号に応答して、及び、ネットワークの他のデバイスに応答して動作を実施し、メモリ８２０内に記憶されている命令を実行するように動作可能である。プロセッサ８１０は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路又は汎用集積回路、論理デバイスなどのうちの１つ又は複数を含む。さらに、プロセッサ８１０は、本発明のシステムに従って機能するための専用プロセッサであるか、又は、多くの機能のうちの１つのみが本発明のシステムに従って機能するために動作する汎用プロセッサである。プロセッサ８１０は、プログラム部分、複数のプログラムセグメントを利用して動作するか、又は、専用若しくは多目的集積回路を利用するハードウェアデバイスである。
【０１１７】
本発明のシステムの実施形態は、画像を獲得及び／又は再構築するための撮像方法を提供する。しかしながら、限定ではなく、本発明のシステムの実施形態は、ＭＲＩ、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、光学、Ｘ線、及び／又はそれらの組み合わせのような撮像システムをさらに含むことを理解されたい。さらに、本発明のシステムの実施形態は、異なる座標系を有する１つ又は複数の撮像システム（例えば、超音波、ＣＴスキャン、ＭＲＩ、Ｘ線など）からの画像及び／又はセンサ情報を統一された座標系によってリアルタイムで生成及びレンダリングする外科的介入技法に理想的に適している。システムは、介入デバイスのポーズを判定し、デバイス及び／又はデバイスから取得される画像情報を、これらの他のシステムと見当合わせする。したがって、システムは、これらの他のシステムと見当合わせするために、介入デバイスの速度及び／又はポーズを判定する。
【０１１８】
したがって、本発明のシステムの実施形態は、患者内の医療デバイス（例えば、生検器具のような医療器具を含む）の位置及び向きをリアルタイムで判定するためにＯＳＳ方法のような形状検知方法を利用し、患者内の医療デバイスの位置及び向きを示す、対応する位置情報（例えば、２Ｄ又は３Ｄ）を生成する。位置情報は、ＥＭ追跡、Ｘ線、蛍光透視法、ＭＲＩ、超音波、ＣＴなどを使用して獲得されるような、他の獲得される情報に対して見当合わせされる。例えば、システムは、患者の自然経路（例えば、肺気道）内の１つ又は複数の医療デバイスの位置を判定し、対応する位置情報を形成する。その後、医療デバイスの経路が、位置情報に従って決定され、適切な医療撮像方法を使用して取得される術前画像のようなベースライン撮像から決定されるものとして１つ又は複数の事前計画された経路と比較される。
【０１１９】
したがって、本発明のシステムの実施形態は、リアルタイム位置情報に基づいて肺の中で可撓性デバイスをナビゲートするための、呼吸／心臓運動の存在下でのリアルタイム案内情報を生成する。患者のような観察物体の気道又は他の自然経路の内部と外部（通路外）の両方でナビゲートするときの助けとなるように、現在の経路の、計画された経路からの誤差逸脱が使用される。これによって、気道のような自然経路を出て、患者のような観察物体内で通路外でのナビゲートを開始するときをリアルタイムで判定するためのシステム及び方法が提供される。
【０１２０】
本発明のシステムの実施形態は肺生検手技に関連して記述されているが、限定ではなく、本発明のシステムの実施形態は、組織の外科的切除又はアブレーションを含む肺臓学用途のような様々な他の用途で動作可能であることは理解されたい。本発明のシステムの応用形態が、心臓、血管（ＣＴＯ、血管修復などにわたる）及び／又は胃腸管などのような他の用途に適用されることがさらに想定される。
【０１２１】
したがって、本発明のシステムの実施形態は、すべてリアルタイム呼吸及び心臓運動を考慮に入れる、病変が気道に付着していないとき、及び／又は、デバイスが他の様態で、通路外で使用されなければならないときの軌道計画のためのシステム及び方法を提供する。本発明のシステムのさらなる変形形態が、当業者に容易に想起され、添付の特許請求の範囲によって包含される。
【０１２２】
最後に、上記の論述は本発明のシステムを例示するようにのみ意図されており、添付の特許請求の範囲をいかなる特定の実施形態又は実施形態群に限定するものとしても解釈されるべきではない。したがって、本発明のシステムが例示的な実施形態を参照しながら記述されているが、添付の特許請求項に記載されているような本発明のシステムのより広い対象とする趣旨及び範囲から逸脱することなく多数の修正及び代替の実施形態が当業者によって考案されることも理解されたい。加えて、本明細書に含まれる任意のセクション見出しは、検討を容易にするように意図されているが、本発明のシステムの範囲を限定するようには意図されていない。したがって、本明細書及び図面は、例示的な様式において考えられるべきであり、添付の特許請求項の範囲を限定するようには意図されていない。
【０１２３】
添付の特許請求の範囲を解釈するに当たっては、以下のことを理解されたい。
ａ）「備える」という単語は、所与の請求項内に列挙されているもの以外の要素又は行為が存在することを除外するものではない。
ｂ）単数形の要素の場合、これは、そのような要素が複数存在することを除外するものではない。
ｃ）特許請求の範囲内の任意の参照符号は、それらの範囲を限定するものではない。
ｄ）いくつかの「手段」が、同じ項目又はハードウェア又はソフトウェアによって実施される構造又は機能によって表現される場合がある。
ｅ）開示されている要素はいずれも、ハードウェア部分（例えば、個別及び集積電子回路を含む）、ソフトウェア部分（例えば、コンピュータプログラミング）、及びそれらの任意の組み合わせから構成される。
ｆ）ハードウェア部分は、アナログとデジタルの一方又は両方の部分から構成される。
ｇ）開示されているデバイス又はその部分はいずれも、他の場合が具体的に記述されていない限り、ともに組み合わされ、又はさらなる複数の部分に分離される。
ｈ）いかなる特定の行為又はステップのシーケンスも、具体的に指示されていない限り、必須であるようには意図されていない。
ｉ）「複数の」の要素という用語は、２つ以上の特許請求されている要素を含み、要素の数のいかなる特定の範囲も暗示しない。すなわち、複数の要素は２つ程度の少ない要素であってもよく、無限の要素を含んでもよい。
ｊ）用語及び／又はその成語要素は、列挙されている要素のうちの１つ又は複数のみが、特許請求項の記載に従って、及び、本発明のシステムの１つ又は複数の実施形態に従って、システム内に適切に存在することが必要であることを意味するものとして理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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８】
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【国際調査報告】
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