(57)【要約】  ある態様は、管腔ネットワークのナビゲーションのためのシステムおよび手法に関する。いくつかの態様は、呼吸数および／または呼吸の大きさをナビゲーションシステムに組み込んで患者の安全対策を実装することに関する。いくつかの態様は、管腔ネットワーク内の器具の位置をより精度よく特定するために、患者の呼吸に起因する運動を特定して補償することに関する。
2020512102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の管腔ネットワークをナビゲートするシステムであって、
電磁場を発生させる発生器と、
操縦可能な器具の遠位端に設けられる１組の１つまたは複数の電磁センサと、
１組の１つまたは複数の呼吸センサと、
実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、
前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記管腔ネットワークを表現する手術前モデルにアクセスすることと、
前記電磁場の座標系と前記手術前モデルの座標系との間のマッピングにアクセスすることと、
前記１組の電磁センサからのデータ信号を基に、前記電磁場内の前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を計算することと、
前記１組の呼吸センサからのデータ信号を基に、前記患者の呼吸数を計算することと、
前記位置合わせマッピング、前記呼吸数、および前記電磁場内の前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の遠位端の位置を判定することと、
を実行させるプロセッサと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記１組の電磁センサの各電磁センサは、前記電磁センサと前記発生器との間の距離および角度を示す信号を生成し、前記電気信号は、前記電磁場内の前記電磁センサの位置および向きの１つまたは両方の判定に使用することができることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに
前記１組の呼吸センサからの１つまたは複数のデータ信号を前記１つまたは複数のデータ信号の周波数領域表現に変換することと、
前記１つまたは複数のデータ信号の前記周波数領域表現から呼吸数を特定すること
を実行させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記１組の電磁センサからの１つまたは複数のデータ信号に予測フィルタを適用することであって、前記予測フィルタは前記呼吸による呼吸運動を予測する、ことと、
前記予測された呼吸運動に起因する前記１つまたは複数のデータ信号の成分を除去して、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記１組の呼吸センサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記１組の呼吸センサに対する前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を判定することと、
（１）前記１組の呼吸センサに対する前記１組の電磁センサの前記判定された少なくとも１つの位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記１組の呼吸センサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置の変位を計算することと、
前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の電磁センサの前記計算された少なくとも１つの位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと
を実行させることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記１組の呼吸センサは、前記体表面の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記体表面の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記１組の電磁センサの相対位置を判定することと、
前記１組の電磁センサの前記判定された相対位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行い、前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の電磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行されることと、
を実行させることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記手術前モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、
前記推定された移動ベクトルを基に、前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳することと、
前記翻訳された手術前モデルを基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと
を実行させることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、
前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、
を実行させることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバを有するロボットシステムをさらに有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なく
とも
前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動を特定することと、
前記次の移動を行うよう前記器具ドライバの作動を指示することと
を実行させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムはさらにディスプレイを有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端野前記位置のグラフィック表現を生成することと、
前記ディスプレイに前記生成されたグラフィカル表現を表示することと
を実行させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ロボットシステムは入力装置を有し、前記入力装置は、前記入力装置のユーザ操作を基に、前記操縦可能な器具の移動を制御することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記手術前モデルは、前記患者の前記管腔ネットワークの３次元コンピュータ断層撮影モデルを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
患者の管腔ネットワークのナビゲーションを判定する装置であって、
実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、
前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記管腔ネットワークを表現するモデルにアクセスすることと、
前記モデルの座標系と前記管腔ネットワークの周囲に発生された電磁場の座標系との間のマッピングにアクセスすることと、
前記管腔ネットワークに挿入されて用いられている操縦可能な器具の遠位端の電磁センサからデータを受信することと、
前記電磁センサからのデータを基に、前記電磁センサからのデータを基にした前記電磁場内の前記電磁センサの位置を計算することと、
前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからデータを受信することと、
前記少なくとも１つの追加のセンサからのデータを基に、前記管腔ネットワークの周期的な移動の周期を計算することと、
前記マッピング、前記周期、および前記電磁場内の前記電磁センサの位置を基に、前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の位置を判定することと
を実行させることを特徴とする装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、１つまたは複数の電磁センサを有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、加速度計を有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、音響呼吸センサを有し、前記音響呼吸センサは、患者の呼吸時の前記周期的な移動を検出することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記管腔ネットワークは、呼吸気道を有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記装置に前記管腔ネットワークを通って前記操縦可能な器具を誘導することを実行させることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記少なくとも１つの追加のセンサからの１つまたは複数のデータ信号を、前記１つまたは複数のデータ信号の周波数領域表現に変換することと、
前記１つまたは複数のデータ信号の前記周波数領域表現から周期的な移動の前記周期を特定すること
を実行させることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記電磁センサからの１つまたは複数のデータ信号にフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記１つまたは複数のデータ信号の一部を弱める、ことと、
前記フィルタが適用された前記電磁センサからの前記１つまたは複数のデータ信号を基に、前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、を実行させることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記管腔ネットワークは、呼吸気道を有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで少なくとも前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで少なくとも
前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、
（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位を計算することと、
前記吸気相と前記呼気相との間の電磁センサの前記計算された位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記体表面の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記体表面の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れていることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、
前記電磁センサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電
磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、を実行させることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、
前記推定された移動ベクトルを基に、前記電磁場の前記座標系内の前記モデルを翻訳することと、
前記翻訳されたモデルを基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと
を実行させることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、
前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと
を実行させることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
命令が記憶されている非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記命令が実行されると少なくとも１つの計算装置に少なくとも
患者の組織部位に挿入されて用いられている器具の電磁センサからの第１のデータと、前記組織部位の移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、
前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する電磁場内の電磁センサの位置を計算することと、
第２のデータを基に、前記組織部位の周期的な移動の周期を計算することと、
（１）前記組織部位の周期的な運動の周期および（２）前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に、前記組織部位に対する前記器具の位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３０】
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記第２のデータを周波数領域表現に変換することと、
前記周波数領域表現から前記周期的な移動の前記周期を特定することと、
を実行させることを特徴とする請求項２９に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３１】
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記第１のデータにフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記第１のデータの一部を弱める、ことと、
前記フィルタが適用された第１のデータを基に、前記器具の前記位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする請求項３０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３２】
前記組織部位は呼吸気道を有し、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させることを特徴とする請求項２９
に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３３】
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、
（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位を計算することと、
前記吸気相と前記呼気相との間の電磁センサの前記計算された位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記患者の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記患者の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れており、
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、
前記電磁センサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、を実行させることを特徴とする請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３５】
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置にデータにアクセスさせることであって、前記データは
前記組織部位のトポグラフィを表現するモデルと、
前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングと、
を表現し、
前記器具の前記位置の判定は、前記マッピング、前記周期、および前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に実行されることを特徴とする請求項２９に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３６】
前記組織部位は呼吸気道を有し、
前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することと、
前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、
前記推定された移動ベクトルを基に、座標系内の前記モデルを翻訳することと、
前記翻訳されたモデルを基に、前記器具の前記位置を判定することと、
を実行させることを特徴とする請求項３５に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３７】
前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に
前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、
前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、
を実行させることを特徴とする請求項３６に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項３８】
患者の組織部位に挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１のデータと、前記組織部位の移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、
前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲の体積内の前記第１のセンサの位置を計算することと、
第２のデータを基に、前記組織部位の周期的な移動の周期を計算することと、
前記周期および前記体積内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記組織部位に対する前記器具の位置を判定することと、
を含む方法。
【請求項３９】
前記方法が１つまたは複数のハードウェアプロセッサによって実行されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２のデータを周波数領域表現に変換することと、
前記周波数領域表現から前記周期的な移動の前記周期を特定することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１のデータにフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記第１のデータの一部を弱める、ことと、
前記フィルタが適用された第１のデータを基に、前記器具の前記位置を判定することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記組織部位は呼吸気道を有し、前記方法は、前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することをさらに含むことと特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記第１のセンサの位置を判定することと、
（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記第１のセンサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記第１のセンサの位置の変位を計算することと、
前記吸気相と前記呼気相との間の第１のセンサの前記計算された位置の変位を基に、前記器具の前記位置を判定することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記患者の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加のセンサと、前記患者の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加のセンサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加のセンサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加のセンサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れており、
前記方法は
前記第１の追加のセンサおよび前記第２の追加のセンサに対する前記第１のセンサの位置を判定することと、
前記第１のセンサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記第１のセンサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記方法はデータにアクセスすることをさらに含み、
前記データは
前記組織部位のトポグラフィを表現するモデルと、
前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングと、
を表現し、
前記方法は、前記マッピング、前記周期、および前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に、前記器具の前記位置を判定することをさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記組織部位は呼吸気道を有し、
前記方法は
前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することと、
前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、
前記推定された移動ベクトルを基に、座標系内の前記モデルを翻訳することと、
前記翻訳されたモデルを基に、前記器具の前記位置を判定することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記方法は、前記座標系内の前記モデルを翻訳することであって、
前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、
前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、
に基づいて前記モデルを翻訳すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
患者の管腔ネットワークをナビゲートするシステムであって、
電磁場を発生させる発生器と、
操縦可能な器具の遠位端に設けられる１組の１つまたは複数の電磁センサと、
少なくとも１つの呼吸センサと、
実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、
前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも
前記管腔ネットワークを表現する手術前モデルにアクセスすることと、
前記電磁場の座標系と前記手術前モデルの座標系との間のマッピングにアクセスすることと、
前記１組の電磁センサからのデータ信号を基に、前記電磁場内の前記１組の電磁センサの１つの位置を計算することと、
前記マッピングおよび前記電磁場内の前記１組の電磁センサの前記１つの位置を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の位置を判定することと、
前記少なくとも１つの呼吸センサからのデータを基に、前記１組の電磁センサからの前記データ信号の取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、
前記モデルおよび前記呼吸相に対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、
を実行させるプロセッサと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項４９】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記システムに前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させることを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに
目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、
前記ナビゲーション経路および前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、
前記操縦可能な器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、
を実行させることを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５１】
前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されていることを特徴とする請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記安全モードにおいて、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５３】
前記システムはロボットシステムをさらに有し、
前記ロボットシステムは
ディスプレイと、
入力装置であって、前記入力装置のユーザ操作に応じて前記操縦可能な器具の移動を制御する信号を生成する入力装置と、
前記入力装置からの前記信号を基に、前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバと、
を有することを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５４】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードの作動に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時に前記器具ドライバの作動を抑止させることを特徴とする請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記入力装置のユーザ操作を基に、試行された前記器具ドライバの作動を無効にすることで、前記器具ドライバの前記作動を抑止させることを特徴とする請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記ディスプレイに表示可能な、前記呼吸の吸気相と呼気相のグラフィック表現を出力させることを特徴とする請求項５３に記載のシステム。
【請求項５７】
前記手術前モデルは、前記患者の前記管腔ネットワークの３次元コンピュータ断層撮影モデルを含むことを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５８】
患者の管腔ネットワークのナビゲーションを誘導する装置であって、
実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、
前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記装置に少なくとも
データにアクセスすることであって、前記データは
前記管腔ネットワーク表現するモデルと、
前記モデルの座標系と前記管腔ネットワークの周囲に発生された電磁場の座標系との間のマッピングと、
前記管腔ネットワークに挿入されて用いられている操縦可能な器具の遠位端の電磁センサからの信号と、
前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの信号と、
に対応する、データにアクセスすることと、
前記電磁センサからの前記信号に対応する前記データを基に、前記電磁場内の前記電磁センサの位置を計算することと、
前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動を計算することと、
前記少なくとも１つの追加のセンサからの前記信号に対応する前記データを基に、前記第１のセンサからの前記信号の取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、
前記呼吸相を基に、前記操縦可能な器具の前記次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、
を実行させることを特徴とする装置。
【請求項５９】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、１つまたは複数の電磁センサを有することを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６０】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、加速度計を有することを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６１】
前記少なくとも１つの追加のセンサは、音響呼吸センサを有し、前記音響呼吸センサは、患者の呼吸時の前記周期的な移動を検出することを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６２】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記システムに前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させることを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６３】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに
目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、
前記ナビゲーション経路および前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、
前記操縦可能な器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、
を実行させることを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６４】
前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されていることを特徴とする請求項６３に記載の装置。
【請求項６５】
前記安全モードにおいて、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることを特徴とする請求項６３に記載の装置。
【請求項６６】
前記装置はロボットシステムをさらに有し、
前記ロボットシステムは
ディスプレイと、
入力装置であって、前記入力装置のユーザ操作に応じて前記操縦可能な器具の移動を制御する信号を生成する入力装置と、
前記入力装置からの前記信号を基に、前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバと、
を有することを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６７】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードの作動に応じて、前記患者の前記呼吸の１つまたは複数の呼気相時に前記器具ドライバの作動を抑止させることを特徴とする請求項６６に記載の装置。
【請求項６８】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記入力装置のユーザ操作を基に、試行された前記器具ドライバの作動を無効にすることで、前記器具ドライバの前記作動を抑止させることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記ディスプレイに表示可能な、前記呼吸の吸気相と呼気相のグラフィック表現を出力させることを特徴とする請求項６６に記載の装置。
【請求項７０】
命令が記憶されている非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記命令が実行されると装置のプロセッサに少なくとも
患者の管腔ネットワークに挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１のデータと、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、
前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する場内の前記第１のセンサの位置を計算することと、
前記第２のデータを基に、前記第１のセンサからの前記第１のデータの取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、
前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記器具の位置を判定することと、
前記器具の前記位置および前記呼吸相を基に、安全モードを作動させるか否かを判定することと、
を実行させることを特徴とする非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７１】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記少なくとも１つの追加のセンサから画像データを受信することと、前記画像データを基に、前記呼吸相が前記吸気相または前記呼気相のいずれに対応するかを判定することとを実行させることを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７２】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記少なくとも１つの追加のセンサから加速度計データを受信することと、前記加速度計データが示す移動方向を基に、前記呼吸相が前記吸気相または前記呼気相のいずれに対応するかを判定することとを実行させることを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７３】
前記命令が実行されると前記プロセッサに、（１）前記管腔ネットワークのトポグラフィを表現するモデルに対応するデータおよび（２）前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングとに対応するデータにアクセスすることを実行させ、前記器具の前記位置を判定することは、前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記モデルに対する前記器具の位置を判定することを含む、ことを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７４】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記プロセッサに前記呼吸相の次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させることを実行させることを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７５】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、
目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、
前記ナビゲーション経路および前記器具の前記位置を基に、前記器具が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、
前記器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、
を実行させることを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７６】
前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されていることを特徴とする請求項７５に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７７】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることを実行させることを特徴とする請求項７０に記載の非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
【請求項７８】
前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時にロボット器具ドライバの作動を抑止させることであって、前記ロボット器具ドライバは、前記管腔ネットワークを通って前記器具の移動を行う、ことを実行させることを特徴とする請求項７０に記載のシステム。
【請求項７９】
患者の管腔ネットワークに挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１の
データと、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、
前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する場内の前記第１のセンサの位置を計算することと、
前記第２のデータを基に、前記第１のセンサからの前記第１のデータの取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、
前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記器具の位置を判定することと、
前記位置を基に、前記器具の次の移動を判定することと、
前記呼吸相を基に、前記次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８０】
前記方法が１つまたは複数のハードウェアプロセッサによって実行されることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記安全モードを作動させることと、
前記安全モードにおいて、前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８２】
（１）前記管腔ネットワークのトポグラフィを表現するモデルに対応するデータおよび（２）前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングとに対応するデータにアクセスすることをさらに含み、前記器具の前記位置を判定することは、前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記モデルに対する前記器具の位置を判定することを含む、ことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８３】
目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、
前記ナビゲーション経路および前記器具の前記位置を基に、前記器具が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、
前記器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、
をさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８４】
前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることをさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８５】
前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時にロボット器具ドライバの作動を抑止させることであって、前記ロボット器具ドライバは、前記管腔ネットワークを通って前記器具の移動を行う、ことをさらに含むことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８６】
前記ロボット器具ドライバの作動を抑止することは、前記呼気相時またはその後の呼気相時の前記次の移動を実行するユーザ入力を無効にすることを含むことを特徴とする請求項８５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１７年３月３１日出願の発明の名称が「生理学的ノイズを補償する管腔ネットワークのナビゲーション用ロボットシステム」である米国仮特許出願６２／４８０，２５７号の利益を主張し、その開示全体を参照により援用する。
【０００２】
本件開示のシステムおよび方法は管腔内手技に関し、より具体的には、管腔内ナビゲーションに関する。
【背景技術】
【０００３】
気管支鏡検査は、施術者が患者の気管支や細気管支などの肺気道の内部状態を調べることができる医療手技である。気管支鏡検査の手技においては、気管支鏡と呼ばれる柔軟性のある管状の器具が、患者の口に挿入され、患者の咽喉を下って肺気道に入り、後の診断および治療のために特定された組織部位に導かれる。気管支鏡は、組織部位への経路を提供する内部ルーメン（「ワーキングチャネル」）を備えることができ、カテーテルや種々の医療器具を、ワーキングチャネルを経由して組織部位に挿入することができる。
【発明の概要】
【０００４】
呼吸器専門医は、判断や行動を患者の呼吸周期に依ることで手術時の外傷を回避することができる。そのような行動の一例として、例えば気管支鏡を経由して組織の試料を収集する生検器具を挿入することが挙げられる。肺気道の周辺やその隣接部分では、気道の外周が肺の呼吸相に応じて変化する。患者が呼吸周期の吸気相で吸気すると、気道の直径が拡張し、患者が周期の呼気相で呼気すると、気道の直径が収縮する。呼吸器専門医は、手技時に、患者を観察して、患者が吸気相にあるか呼気相にあるかを決定して、直径が固定されている特定の器具や内視鏡が気道に入るか否かを判断する。気道は、呼気時に外傷を引き起こすことなく器具の周りを取り囲むことができるが、呼気時に器具を収縮した気道内を通そうとすると、例えば血管を刺すなど、重大な外傷が生じる可能性がある。
【０００５】
上記の問題は、他の問題も含めて、本件開示の管腔ネットワークのナビゲーションシステムやナビゲーション手法による一部の実施形態において解決される。開示の管腔ネットワークのナビゲーションシステムやナビゲーション手法は、呼吸数および／または呼吸量をナビゲーションフレームワークに組み込んで、患者の安全対策を実装すること（例えば、器具制御手法、ユーザインタフェースによる警告、通知など）に関する。器具制御手法の一例として、本件開示のロボットシステムは、自動的に呼吸同期を実行し、ユーザ（施術者）が意図せず患者の気道に外傷を及ぼすことを防止することができる。ここで、「呼吸同期」とは、患者の気道内の器具の操作を患者の呼吸と同期させることを意味する。一部の例では、器具制御手法には、例えば吸気時の気道の直径がおおよそ器具の直径となる、肺周辺部の小径の気道など、呼気時の器具挿入によって外傷が発生する可能性がある患者の気道における領域（「警告域」）特定が含まれる。本ロボットシステムは、器具が特定された複数の領域の一領域内に位置すると判定されたときに、呼吸同期を実行して器具を制御することができる。ユーザインタフェースによる警告の一例として、本ロボットシステムは、気管支鏡検査の手技において特定された警告域内における吸気、呼気および／または器具の位置決めについての視覚的および／または聴覚的な指標を提供することができる。ユーザは、例えば手動で呼吸同期を行ったりロボットシステムを制御して呼吸同期を行ったりすることで、ユーザインタフェースによる警告を基に器具制御を行うことができる。
【０００６】
開示の気管支鏡検査のナビゲーションシステムおよび手法の一部の実施形態は、患者の起動内の器具のより精度の高い位置特定を提供するための、患者の呼吸によって生じる動きの特定および補償に関する。例えば、患者の起動内に位置する器具として電磁石のもの（電磁センサ）が提供される。ナビゲーションシステムは、電磁センサからの器具の位置情報にフィルタを適用し、呼吸によって生じる呼吸経路の周期的な動きに起因する信号ノイズを除去することができる。周期的な呼吸の動きの回数は、１つまたは複数の追加のセンサからのデータから取得することができる。一部の実装では、吸気と呼気の周期は、一例では、患者の体の上に配置された追加の電磁センサ、加速度計、および／または音響呼吸センサからのデータに基づいて決定することができる。一部の実装では、回数は他の種類のセンサまたはシステムから取得することができ、例えば患者の呼吸の制御に使用される人工呼吸器からの呼吸数情報や、患者を観察するために配置された光学センサから受信する画像の自動分析から抽出される呼吸数情報が挙げられる。
【０００７】
したがって、一態様は、患者の管腔ネットワークをナビゲートするシステムであって、電磁場を発生させる発生器と、操縦可能な器具の遠位端に設けられる１組の１つまたは複数の電磁センサと、１組の１つまたは複数の呼吸センサと、実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記管腔ネットワークを表現する手術前モデルにアクセスすることと、前記電磁場の座標系と前記手術前モデルの座標系との間のマッピングにアクセスすることと、前記１組の電磁センサからのデータ信号を基に、前記電磁場内の前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を計算することと、前記１組の呼吸センサからのデータ信号を基に、前記患者の呼吸数を計算することと、前記位置合わせマッピング、前記呼吸数、および前記電磁場内の前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の遠位端の位置を判定することと、を実行させるプロセッサと、を有するシステムに関する。
【０００８】
いくつかの実装では、前記１組の電磁センサの各電磁センサは、前記電磁センサと前記発生器との間の距離および角度を示す信号を生成し、前記電気信号は、前記電磁場内の前記電磁センサの位置および向きの１つまたは両方の判定に使用することができる。
【０００９】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記１組の呼吸センサからの１つまたは複数のデータ信号を前記１つまたは複数のデータ信号の周波数領域表現に変換することと、前記１つまたは複数のデータ信号の前記周波数領域表現から呼吸数を特定することを実行させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記１組の電磁センサからの１つまたは複数のデータ信号に予測フィルタを適用することであって、前記予測フィルタは前記呼吸による呼吸運動を予測する、ことと、前記予測された呼吸運動に起因する前記１つまたは複数のデータ信号の成分を除去して、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、を実行させる。
【００１０】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記１組の呼吸センサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記１組の呼吸センサに対する前記１組の電磁センサの少なくとも１つの位置を判定することと、（１）前記１組の呼吸センサに対する前記１組の電磁センサの前記判定された少なくとも１つの位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記１組の呼吸センサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の
電磁センサの少なくとも１つの位置の変位を計算することと、前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の電磁センサの前記計算された少なくとも１つの位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することとを実行させる。いくつかの実装では、前記１組の呼吸センサは、前記体表面の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記体表面の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れている。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記１組の電磁センサの相対位置を判定することと、前記１組の電磁センサの前記判定された相対位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行い、前記吸気相と前記呼気相との間の前記１組の電磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行されることと、を実行させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記手術前モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、前記推定された移動ベクトルを基に、前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳することと、前記翻訳された手術前モデルを基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することとを実行させる。いくつかの実装では、前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、を実行させる。
【００１１】
いくつかの実装は、前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバを有するロボットシステムをさらに有する。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動を特定することと、前記次の移動を行うよう前記器具ドライバの作動を指示することとを実行させる。いくつかの実装は、さらにディスプレイを有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端野前記位置のグラフィック表現を生成することと、前記ディスプレイに前記生成されたグラフィカル表現を表示することとを実行させる。いくつかの実装では、前記ロボットシステムは入力装置を有し、前記入力装置は、前記入力装置のユーザ操作を基に、前記操縦可能な器具の移動を制御する。
【００１２】
いくつかの実装では、前記手術前モデルは、前記患者の前記管腔ネットワークの３次元コンピュータ断層撮影モデルを有する。
【００１３】
別の態様は、患者の管腔ネットワークのナビゲーションを判定する装置であって、実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記管腔ネットワークを表現するモデルにアクセスすることと、前記モデルの座標系と前記管腔ネットワークの周囲に発生された電磁場の座標系との間のマッピングにアクセスすることと、前記管腔ネットワークに挿入されて用いられている操縦可能な器具の遠位端の電磁センサからデータを受信することと、前記電磁センサからのデータを基に、前記電磁センサからのデータを基にした前記電磁場内の前記電磁センサの位置を計算することと、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからデータを受信することと、前記少な
くとも１つの追加のセンサからのデータを基に、前記管腔ネットワークの周期的な移動の周期を計算することと、前記マッピング、前記周期、および前記電磁場内の前記電磁センサの位置を基に、前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の位置を判定することとを実行させる。
【００１４】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、１つまたは複数の電磁センサを有する。
【００１５】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、加速度計を有する。
【００１６】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、音響呼吸センサを有し、前記音響呼吸センサは、患者の呼吸時の前記周期的な移動を検出する。
【００１７】
いくつかの実装では、前記管腔ネットワークは、呼吸気道を有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記装置に前記管腔ネットワークを通って前記操縦可能な器具を誘導することを実行させる。
【００１８】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記少なくとも１つの追加のセンサからの１つまたは複数のデータ信号を、前記１つまたは複数のデータ信号の周波数領域表現に変換することと、前記１つまたは複数のデータ信号の前記周波数領域表現から周期的な移動の前記周期を特定することを実行させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記電磁センサからの１つまたは複数のデータ信号にフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記１つまたは複数のデータ信号の一部を弱める、ことと、前記フィルタが適用された前記電磁センサからの前記１つまたは複数のデータ信号を基に、前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、を実行させる。
【００１９】
いくつかの実装では、前記管腔ネットワークは、呼吸気道を有し、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで少なくとも前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで少なくとも前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位を計算することと、前記吸気相と前記呼気相との間の電磁センサの前記計算された位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、を実行させる。いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記体表面の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記体表面の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れている。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、前記電磁センサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、を実行させる。いくつかの実装では、前記１
つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、前記推定された移動ベクトルを基に、前記電磁場の前記座標系内の前記モデルを翻訳することと、前記翻訳されたモデルを基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することとを実行させる。いくつかの実装では、前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することとを実行させる。
【００２０】
別の態様は、命令が記憶されている非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記命令が実行されると少なくとも１つの計算装置に少なくとも患者の組織部位に挿入されて用いられている器具の電磁センサからの第１のデータと、前記組織部位の移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する電磁場内の電磁センサの位置を計算することと、第２のデータを基に、前記組織部位の周期的な移動の周期を計算することと、（１）前記組織部位の周期的な運動の周期および（２）前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に、前記組織部位に対する前記器具の位置を判定することと、を実行させる非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体に関する。
【００２１】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記第２のデータを周波数領域表現に変換することと、前記周波数領域表現から前記周期的な移動の前記周期を特定することと、を実行させる。いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記第１のデータにフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記第１のデータの一部を弱める、ことと、前記フィルタが適用された第１のデータを基に、前記器具の前記位置を判定することと、を実行させる。
【００２２】
いくつかの実装では、前記組織部位は呼吸気道を有し、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することを実行させる。いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記電磁センサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位を計算することと、前記吸気相と前記呼気相との間の電磁センサの前記計算された位置の変位を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を判定することと、を実行させる。いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記患者の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加の電磁センサと、前記患者の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加の電磁センサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加の電磁センサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加の電磁センサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れており、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記第１の追加の電磁センサおよび前記第２の追加の電磁センサに対する前記電磁センサの位置を判定することと、前記電磁センサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさとの間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記電磁センサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、を実行させる。
【００２３】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置にデータにアクセスさせることであって、前記データは前記組織部位のトポグラフィを表現するモデルと、前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングと、を表現し、前記器具の前記位置の判定は、前記マッピング、前記周期、および前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に実行される。いくつかの実装では、前記組織部位は呼吸気道を有し、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することと、前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、前記推定された移動ベクトルを基に、座標系内の前記モデルを翻訳することと、前記翻訳されたモデルを基に、前記器具の前記位置を判定することと、を実行させる。いくつかの実装では、前記電磁場の前記座標系内の前記手術前モデルを翻訳するために、前記命令が実行されると前記少なくとも１つの計算装置に前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、を実行させる。
【００２４】
別の態様は、患者の組織部位に挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１のデータと、前記組織部位の移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲の体積内の前記第１のセンサの位置を計算することと、第２のデータを基に、前記組織部位の周期的な移動の周期を計算することと、前記周期および前記体積内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記組織部位に対する前記器具の位置を判定することと、を含む方法に関する。
【００２５】
いくつかの実装は、１つまたは複数のハードウェアプロセッサによって実行される。
【００２６】
いくつかの実装は、前記第２のデータを周波数領域表現に変換することと、前記周波数領域表現から前記周期的な移動の前記周期を特定することと、をさらに含む。
【００２７】
いくつかの実装は、前記第１のデータにフィルタを適用することであって、前記フィルタは前記特定された周期で前記第１のデータの一部を弱める、ことと、前記フィルタが適用された第１のデータを基に、前記器具の前記位置を判定することと、
をさらに含む。
【００２８】
いくつかの実装では、前記組織部位は呼吸気道を有し、前記方法は、前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することをさらに含む。いくつかの実装は、前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記第１のセンサの位置を判定することと、（１）前記少なくとも１つの追加のセンサに対する前記第１のセンサの前記判定された位置および（２）吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの前記少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記吸気相と前記呼気相との間の前記第１のセンサの位置の変位を計算することと、前記吸気相と前記呼気相との間の第１のセンサの前記計算された位置の変位を基に、前記器具の前記位置を判定することと、をさらに含む。いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、前記患者の第１の位置に配置されて用いられている第１の追加のセンサと、前記患者の第２の位置に配置されて用いられている第２の追加のセンサとを有し、前記吸気相と前記呼気相との間における、前記第１の追加のセンサの第１の変位の大きさが、前記第２の追加のセンサの第２の変位の大きさよりも大きくなるように、前記第２の位置が前記第１の位置から離れており、前記方法は前記第１の追加のセンサおよび前記第２の追加のセンサに対する前記第１のセンサの位置を判定することと、前記第１のセンサの前記判定された位置を基に、前記第１の変位の大きさと前記第２の変位の大きさと
の間の補間を行うことであって、前記吸気相と前記呼気相との間の前記第１のセンサの位置の変位の前記計算は、前記補間された大きさを基に実行される、ことと、をさらに含む。いくつかの実装は、データにアクセスすることをさらに含み、前記データは前記組織部位のトポグラフィを表現するモデルと、前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングと、を表現し、前記方法は、前記マッピング、前記周期、および前記場内の前記電磁センサの前記位置を基に、前記器具の前記位置を判定することをさらに含む。いくつかの実装では、前記組織部位は呼吸気道を有し、前記方法は前記患者の前記呼吸の吸気相と呼気相との間の前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つの変位の大きさを計算することと、前記計算された少なくとも１つの変位の大きさを基に、前記モデルの少なくとも１つの位置に対する移動ベクトルを推定することと、前記推定された移動ベクトルを基に、座標系内の前記モデルを翻訳することと、前記翻訳されたモデルを基に、前記器具の前記位置を判定することと、をさらに含む。いくつかの実装は、前記座標系内の前記モデルを翻訳することであって、前記第１の変位の大きさを基に、前記モデルの第１の部分を第１の新しい座標に移動することと、前記第２の変位の大きさを基に、前記モデルの第２の部分を第２の新しい座標に移動することと、に基づいて前記モデルを翻訳すること、をさらに含む。
【００２９】
別の態様は、患者の管腔ネットワークをナビゲートするシステムであって、電磁場を発生させる発生器と、操縦可能な器具の遠位端に設けられる１組の１つまたは複数の電磁センサと、少なくとも１つの呼吸センサと、実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記システムに少なくとも前記管腔ネットワークを表現する手術前モデルにアクセスすることと、前記電磁場の座標系と前記手術前モデルの座標系との間のマッピングにアクセスすることと、前記１組の電磁センサからのデータ信号を基に、前記電磁場内の前記１組の電磁センサの１つの位置を計算することと、前記マッピングおよび前記電磁場内の前記１組の電磁センサの前記１つの位置を基に、前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の位置を判定することと、前記少なくとも１つの呼吸センサからのデータを基に、前記１組の電磁センサからの前記データ信号の取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、前記モデルおよび前記呼吸相に対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、を実行させるプロセッサと、を有するシステムに関する。
【００３０】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記システムに前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させる。
【００３１】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、前記ナビゲーション経路および前記手術前モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、前記操縦可能な器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、を実行させる。いくつかの実装では、前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されている。
【００３２】
いくつかの実装では、前記安全モードにおいて、前記１つまたは複数のプロセッサは、
前記命令を実行することで前記システムに前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させる。
【００３３】
いくつかの実装では、前記システムはロボットシステムをさらに有し、前記ロボットシステムはディスプレイと、入力装置であって、前記入力装置のユーザ操作に応じて前記操縦可能な器具の移動を制御する信号を生成する入力装置と、前記入力装置からの前記信号を基に、前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバと、を有する。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードの作動に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時に前記器具ドライバの作動を抑止させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記入力装置のユーザ操作を基に、試行された前記器具ドライバの作動を無効にすることで、前記器具ドライバの前記作動を抑止させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記ディスプレイに表示可能な、前記呼吸の吸気相と呼気相のグラフィック表現を出力させる。
【００３４】
いくつかの実装では、前記手術前モデルは、前記患者の前記管腔ネットワークの３次元コンピュータ断層撮影モデルを含む。
【００３５】
別の態様は、患者の管腔ネットワークのナビゲーションを誘導する装置であって、実行可能な命令が記憶されている少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと、前記少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能メモリと通信する１つまたは複数のプロセッサであって、前記命令を実行することで前記装置に少なくともデータにアクセスすることであって、前記データは前記管腔ネットワーク表現するモデルと、前記モデルの座標系と前記管腔ネットワークの周囲に発生された電磁場の座標系との間のマッピングと、前記管腔ネットワークに挿入されて用いられている操縦可能な器具の遠位端の電磁センサからの信号と、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの信号と、に対応する、データにアクセスすることと、前記電磁センサからの前記信号に対応する前記データを基に、前記電磁場内の前記電磁センサの位置を計算することと、前記モデルに対する前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の次の移動を計算することと、前記少なくとも１つの追加のセンサからの前記信号に対応する前記データを基に、前記第１のセンサからの前記信号の取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、前記呼吸相を基に、前記操縦可能な器具の前記次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、を実行させる装置に関する。  
【００３６】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、１つまたは複数の電磁センサを有する。
【００３７】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、加速度計を有する。
【００３８】
いくつかの実装では、前記少なくとも１つの追加のセンサは、音響呼吸センサを有し、前記音響呼吸センサは、患者の呼吸時の前記周期的な移動を検出する。
【００３９】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記システムに前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させる。
【００４０】
いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、前記ナビゲーション経路および前記手術前モデルに対する
前記操縦可能な器具の前記遠位端の前記位置を基に、前記操縦可能な器具の前記遠位端が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、前記操縦可能な器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、を実行させる。いくつかの実装では、前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されている。いくつかの実装では、前記安全モードにおいて、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させる。
【００４１】
いくつかの実装は、ロボットシステムをさらに有し、前記ロボットシステムはディスプレイと、入力装置であって、前記入力装置のユーザ操作に応じて前記操縦可能な器具の移動を制御する信号を生成する入力装置と、前記入力装置からの前記信号を基に、前記操縦可能な器具の移動を行う器具ドライバとを有する。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記安全モードの作動に応じて、前記患者の前記呼吸の１つまたは複数の呼気相時に前記器具ドライバの作動を抑止させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記入力装置のユーザ操作を基に、試行された前記器具ドライバの作動を無効にすることで、前記器具ドライバの前記作動を抑止させる。いくつかの実装では、前記１つまたは複数のプロセッサは、前記命令を実行することで前記システムに、前記ディスプレイに表示可能な、前記呼吸の吸気相と呼気相のグラフィック表現を出力させる。
【００４２】
別の態様は、命令が記憶されている非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記命令が実行されると装置のプロセッサに少なくとも患者の管腔ネットワークに挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１のデータと、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する場内の前記第１のセンサの位置を計算することと、前記第２のデータを基に、前記第１のセンサからの前記第１のデータの取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記器具の位置を判定することと、前記器具の前記位置および前記呼吸相を基に、安全モードを作動させるか否かを判定することと、を実行させる非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体に関する。
【００４３】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記少なくとも１つの追加のセンサから画像データを受信することと、前記画像データを基に、前記呼吸相が前記吸気相または前記呼気相のいずれに対応するかを判定することとを実行させる。
【００４４】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記少なくとも１つの追加のセンサから加速度計データを受信することと、前記加速度計データが示す移動方向を基に、前記呼吸相が前記吸気相または前記呼気相のいずれに対応するかを判定することとを実行させる。
【００４５】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに、（１）前記管腔ネットワークのトポグラフィを表現するモデルに対応するデータおよび（２）前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングとに対応するデータにアクセスすることを実行させ、前記器具の前記位置を判定することは、前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記モデルに対する前記器具の位置を判定することを含む。
【００４６】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させ、前記安全モードにおいて、前記プロセッサに前記呼吸相の次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装させることを実行させる。
【００４７】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、前記ナビゲーション経路および前記器具の前記位置を基に、前記器具が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、前記器具が前記あらかじめ定義された安全領域内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、を実行させる。いくつかの実装では、前記ナビゲーション経路は複数の領域を含み、前記安全領域は、気道の直径と前記操縦可能な器具の前記遠位端の直径との差が所定値未満となる、前記管腔ネットワークの一部に配置されている。
【００４８】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることを実行させる。
【００４９】
いくつかの実装では、前記命令が実行されると前記プロセッサに少なくとも、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時にロボット器具ドライバの作動を抑止させることであって、前記ロボット器具ドライバは、前記管腔ネットワークを通って前記器具の移動を行う、ことを実行させる。
【００５０】
別の態様は、患者の管腔ネットワークに挿入されて用いられている器具の第１のセンサからの第１のデータと、前記管腔ネットワークの移動を検出する少なくとも１つの追加のセンサからの第２のデータを受信することと、前記第１のデータを基に、前記組織部位の周囲に位置する場内の前記第１のセンサの位置を計算することと、前記第２のデータを基に、前記第１のセンサからの前記第１のデータの取得時における前記患者の呼吸相が、吸気相または呼気相のいずれに対応するかを判定することと、前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記器具の位置を判定することと、前記位置を基に、前記器具の次の移動を判定することと、前記呼吸相を基に、前記次の移動に対して安全モードを作動させるか否かを判定することと、を含む方法に関する。
【００５１】
いくつかの実装は、１つまたは複数のハードウェアプロセッサによって実行される。
【００５２】
いくつかの実装は、前記安全モードを作動させることと、前記安全モードにおいて、前記呼吸相の前記次の移動の同期の誘導を行う１つまたは複数の安全機能を実装することと、をさらに含む。
【００５３】
いくつかの実装は、（１）前記管腔ネットワークのトポグラフィを表現するモデルに対応するデータおよび（２）前記場の座標系と前記モデルの座標系との間のマッピングとに対応するデータにアクセスすることをさらに含み、前記器具の前記位置を判定することは、前記マッピングおよび前記場内の前記第１のセンサの前記位置を基に、前記モデルに対する前記器具の位置を判定することを含む。
【００５４】
いくつかの実装は、目標の組織部位までの前記管腔ネットワークのナビゲーション経路に関する情報にアクセスすることと、前記ナビゲーション経路および前記器具の前記位置を基に、前記器具が前記管腔ネットワークのあらかじめ定義された安全領域内に配置されて用いられていることを特定することと、前記器具が前記あらかじめ定義された安全領域
内に配置されていることの判定を基に、前記安全モードを作動させることと、をさらに含む。
【００５５】
いくつかの実装は、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記呼吸相を表す情報をユーザに出力させることをさらに含む。
【００５６】
いくつかの実装は、前記安全モードを作動させる判定に応じて、前記患者の前記呼吸の呼気相時にロボット器具ドライバの作動を抑止させることであって、前記ロボット器具ドライバは、前記管腔ネットワークを通って前記器具の移動を行う、ことをさらに含む。いくつかの実装では、前記ロボット器具ドライバの作動を抑止することは、前記呼気相時またはその後の呼気相時の前記次の移動を実行するユーザ入力を無効にすることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
本件開示の態様について、添付の図面および表と共に以下に説明するが、例示であって開示の態様を限定するものではなく、同様の構成要素には同様の名称を付す。
【００５８】
【図１Ａ】開示のナビゲーションシステムおよび手法を実装する操作環境例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの環境においてナビゲートされる管腔ネットワーク例を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの管腔ネットワーク内を通って器具の移動を誘導するロボットアーム例を示す図である。
【図２】一実施形態に係る手術ロボットシステム例のコマンドコンソール例を示す図である。
【図３】本件開示の画像生成機能およびＥＭ検知機能を有する内視鏡例を示す図である。
【図４】本件開示のナビゲーションシステムの概略ブロック図を示す図である。
【図５】本件開示の器具位置推定結果から管腔ネットワークの移動に起因するノイズにフィルタを適用する処理例のフローチャートを示す図である。
【図６Ａ】図５の調整ブロックに使用することが可能な種々の処理例のフローチャートを示す図である。
【図６Ｂ】図５の調整ブロックに使用することが可能な種々の処理例のフローチャートを示す図である。
【図６Ｃ】図５の調整ブロックに使用することが可能な種々の処理例のフローチャートを示す図である。
【図７】本件開示の管腔ネットワークのナビゲーション時における安全モードを有効にする処理例のフローチャートを示す図である。
【図８Ａ】本件開示の安全モードにおける管腔ネットワークのナビゲーション時にユーザに提示可能なユーザインタフェース例を示す図である。
【図８Ｂ】本件開示の安全モードにおける管腔ネットワークのナビゲーション時にユーザに提示可能なユーザインタフェース例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
開示の実施形態は、複数のナビゲーション関連のデータ源を分析して肺気道などの管腔ネットワーク内の医療器具の位置や向きの推定精度を高めること、器具の一データにフィルタを適用して管腔ネットワークの周期運動からのノイズを除去すること、および／または当該周期運動を基にナビゲーション制御を調整する呼吸同期やその他の種類の安全機能を作動させることによって、管腔ネットワークにおけるナビゲーションを支援するシステムおよび手法に関する。
【００６０】
気管支鏡は、施術者が患者の気管や気道を調べることができるように光源と小型カメラを含むことができる。患者の気道内における気管支鏡の正確な位置が不明であると、患者に対する外傷が発生する可能性がある。気管支鏡の位置を特定するために、画像ベースの気管支鏡誘導システムでは、気管支鏡のカメラからのデータを用いて患者の気道の分岐における位置合わせ（例えば、管腔ネットワーク内の特定位置における位置合わせ）を行うことができ、患者の呼吸運動に起因した位置誤差の影響を受けにくく有利である。しかしながら、画像ベースの誘導方法は、気管支鏡の映像に頼るため、患者の咳や粘液による阻害などによって、気管支鏡の映像が映像内のアーチファクトの影響を受ける可能性がある。
【００６１】
電磁ナビゲーション誘導の気管支鏡検査（ＥＭＮ気管支鏡検査）は、電磁気（ＥＭ）技術を実装して、肺の気道内における内視鏡器具やカテーテルの位置特定や誘導を行う、気管支鏡手技の一種である。ＥＭＮ気管支検査システムは、低強度の可変の電磁場を発生して患者の管腔ネットワーク周辺の追跡対象の部位の位置を確立する電磁場発生器を用いることができる。電磁場は、荷電した物体によって生成される物理的な場であり、電磁場の近傍にある荷電した物体に影響を及ぼす。発生した場内に位置する物体に取り付けられた電磁センサを用いて、電磁場内のこれらの物体の位置および向きを追跡することができる。変化する電磁場によって電磁センサ内に小さい電流が誘起される。これらの電気信号の特性は、センサと電磁場発生器との間の距離や角度に依存する。したがって、ＥＭＮ気管支鏡検査システムは、電磁場発生器、先端あるいはその近傍に電磁センサを有する操作可能なチャネル、誘導コンピュータシステムを有することができる。電磁場発生器は、例えば気道、胃腸管、循環経路など、ナビゲーションを行う患者の管腔ネットワークの周囲に電磁場を発生させる。操作可能なチャネルは、気管支鏡のワーキングチャネルに挿入され、電磁場内において電磁センサを介して追跡される。
【００６２】
ＥＭＮ気管支鏡検査の手技を開始する前に、例えば術前コンピュータ断層撮影（ＣＴ）による胸部スキャンにより、患者の特定の気道構造についての仮想の３次元（３Ｄ）気管支マップを取得することができる。このマップとＥＭＮ気管支鏡検査システムを使用して、施術者は肺内の所望の位置までナビゲーションを行い、病変組織の生検、リンパ節のステージ特定、放射線療法のガイドや小線源療法のガイドのためのマーカ挿入などを行うことができる。例えば、手技開始時に位置合わせを行って、電磁場の座標系とモデル座標系との間のマッピングを生成することができる。これにより、気管支鏡検査時に操作可能なチャネルが追跡されるため、モデル座標系における操作可能なチャネルの位置を、電磁センサからの位置データを基に名目上は知ることが可能である。しかしながら、患者の呼吸によって、胸部の動きが生じ、操作可能な器具および／またはモデルの位置と電磁場の座標系との関連付けに誤りつながる可能性がある。気道の分岐部が小径になり患者の呼吸に起因する動きの影響がより大きくなる場合に、これらの誤りが周辺部の気道において大きくなる。
【００６３】
ここで、座標系とは、特定の検知態様における基準系である。例えば、電磁データの場合、電磁座標系は、電磁場源（電磁場発生器）によって定義される基準系である。ＣＴ画像やセグメンテーションされた３Ｄモデルの場合は、この基準系は、スキャナによって定義される系に基づく。本ナビゲーションシステムは、これらの異なるデータ源（それぞれの基準系内にある）を３Ｄモデル（ＣＴの系など）に表す（位置合わせする）、例えばモデル内の器具の位置を表示するために、ナビゲーションの問題を解決する。
【００６４】
したがって、以下に詳細を説明するように、開示の管腔ネットワークナビゲーションシステムおよび手法は、画像ベースのナビゲーションシステム、ロボットシステム、および電磁ナビゲーションシステムからの入力を組み合わせ、他の患者のセンサからの入力も組み合わせ、ナビゲーションに関する問題を軽減してより効率的な内視鏡手技を実現するこ
とができる。例えば、ナビゲーション融合フレームワークが、器具のカメラから受信した画像情報、器具先端の電磁センサからの位置情報、器具の動きを誘導するロボットシステムからのロボットの位置情報を分析することができる。ナビゲーション融合フレームワークは、分析を基に、これらの１つまたは複数の種類のナビゲーションデータに基づく器具の位置推定および／またはナビゲーションの決定を行うことができる。ナビゲーション融合フレームワークの一部の実装では、さらに管腔ネットワークの３Ｄモデルに対する器具位置を特定することができる。一部の実施形態では、電磁センサからの器具の位置情報にフィルタが適用されて、例えば、気道ナビゲーションにおける呼吸に起因するものや循環器系ナビゲーションにおける脈動する血流に起因するものなど、管腔ネットワークの周期的な動きに起因する信号ノイズを除去することができる。周期的な動きの周波数は、１つまたは複数の追加のセンサからのデータから取得することができる。例えば、呼吸数は、患者の体に配置された追加の電磁センサ、加速度計、および／または音響呼吸センサ、および／または患者の動きを観察する視野を有する位置に配置された光学センサからのデータを基に特定することができる。一部の実施形態は、器具位置および管腔ネットワークの周期的な動きの一方または両方に基づく、ナビゲーション安全機能を実装することができる。例えば、気管支鏡検査の実装では、安全機能には、呼吸数情報および／または呼気時の器具挿入に課される制限の表示が含まれる。
【００６５】
開示のシステムおよび手法は、管腔ネットワークのナビゲーションのためのその他の種類の内視鏡手技を含む、気管支鏡検査の誘導システムおよびその他の適用に利点をもたらすことができる。解剖学では、「ルーメン」とは、気道、血管、腸などの管状器官の内部の空間や腔を意味することがある。ここでは、「管腔ネットワーク」とは、目標の組織部位に向かって延びる少なくとも１つのルーメンを有する外貌学的な構造、例えば肺気道、循環系、消化器系を意味する。よって、本開示では、気管支鏡検査に関連するナビゲーションシステムの例を提示するが、開示の安全性やデータのフィルタリングに関する態様は、患者の動きのある管腔ネットワークのナビゲーションを行う他の医療システムにも適用できることがわかる。
【００６６】
以下に種々の実施形態について、例示目的の図を参照しながら説明する。開示の技術的思想のその他多数の実装が可能であり、さまざまな利点が開示の実装と共に得られる。見出しは、参照のため、種々の節を特定しやすくするために含められている。これらの見出しは、本件開示の技術的思想を見出しに関連して限定するものではない。それら技術的思想は、本明細書全体にわたって適用されてよい。
【００６７】
（例示のナビゲーションシステムの概要）
図１Ａは、開示のナビゲーションシステムおよび手法の１つまたは複数の態様を実装する例示の運用環境１００を示す。運用環境１００は、患者１０１、患者１０１を支持するプラットフォーム１０２、内視鏡１１５の移動を誘導する手術ロボットシステム１１０、手術ロボットシステム１１０の動作を制御するコマンドセンタ１０５、電磁コントローラ１３５、電磁場発生器１２０、電磁センサ１２５、１３０を含む。図１Ａは、患者１０１内の管腔ネットワーク１４０の一領域の輪郭も示し、その詳細を図１Ｂに示す。
【００６８】
手術ロボットシステム１１０は、患者１０１の管腔ネットワーク１４０で内視鏡１１５の位置決めや内視鏡１１５の移動の誘導を行う１つまたは複数のロボットアームを有する。コマンドセンタ１０５は、位置データの受信および／または使用者からの制御信号を供給する手術ロボットシステム１１０と通信可能に接続することができる。ここで、「通信可能に接続」とは、無線ＷＡＮ（Wide Area Network）（例えば、１つまたは複数のセル
ラーネットワーク）、無線ＬＡＮ（Local Area Network）（例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．１１（Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標））など、１つまたは複数の標準用に構成されたもの）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、データ転送ケーブルなど、を含むがこれに限定されない
、任意の有線および／または無線データ送信媒体を意味する。手術ロボットシステム１１０については図１Ｃを参照しながら詳細に説明し、コマンドセンタ１０５については図２を参照しながら詳細に説明する。
【００６９】
内視鏡１１５は、患者の生体に挿入されて生体（体の組織など）の画像を取得したり目標の組織部位に対して他の医用器具を挿入するためのワーキングチャネルを提供したりする、管状の柔軟性のある手術器具である。一部の実装では、内視鏡１１５は気管支鏡であってよい。内視鏡１１５は、１つまたは複数の画像生成装置（例えば、カメラやその多の種類の光学センサ）をその遠位端に有する。画像生成装置は、光ファイバ、ファイバアレイ、感光基板、および／またはレンズなどの１つまたは複数の光学部品を有してもよい。光学部品は、内視鏡１１５の遠位端と共に移動し、内視鏡１１５の遠位端が移動すると、画像生成装置によって取得される画像の視野も対応して変化する。内視鏡１１５の遠位端には、管腔ネットワーク１４０を取り囲むように発生する電磁場内において遠位端の位置を追跡するための１つまたは複数の電磁センサ１２５を設けることができる。内視鏡１１５の遠位端については、図３を参照しながら以下にさらに説明する。
【００７０】
電磁コントローラ１３５は、電磁場発生器１２０を制御して可変の電磁場を発生させることができる。電磁場は、環境に応じて時間的に変化および／または空間的に変化することができる。一部の実施形態では、電磁場発生器１２０は、電磁場発生基板とすることができる。開示の患者のナビゲーションシステムの一部の実施形態では、患者と患者を支持するプラットフォーム１０２との間に配置される電磁場発生器基板を使用することができ、電磁場発生器基板には、その下に配置される伝導性物質または磁性物質によって生じる追跡に関するひずみを軽減する薄膜の障壁を組み込むことができる。その他の実施形態では、電磁場発生器基板は、例えば手術ロボットシステム１１０に示されるロボットアームと同様のロボットアームに搭載して、患者の周囲における柔軟な設定オプションを提供することができる。
【００７１】
コマンドセンサ１０５、手術ロボットシステム１１０、および／または電磁コントローラ１３５に組み込まれる電磁空間測定システムは、例えば電磁センサ１２５、１３０などの電磁センサのコイルに埋め込まれた電磁場または電磁センサのコイルによって提供される電磁場内の物体の位置を特定することができる。電磁センサが、ここで説明する制御された可変の電磁場内に配置されると、センサのコイル内に電圧が誘起される。この誘電電圧は、電磁空間測定システムによって、電磁センサ、さらには電磁センサを有する物体の位置および向きを計算するのに使用されることができる。磁場の強さは弱く人体の組織を安全に通過できるため、光学空間測定システムにおける照準線の制約なく、物体の位置測定が可能である。
【００７２】
電磁場内のその位置を追跡するために、内視鏡１１５の遠位端に連結することができる。電磁場は電磁場発生器に対して静止しており、管腔ネットワークの３Ｄモデルの座標系は、電磁場の座標系にマッピングすることができる。しかしながら、患者の気道、したがって気道内に配置された内視鏡１１５の遠位端は患者の呼吸数のために電磁場発生器１２０に対して移動を示す可能性があり、モデルに対する内視鏡１１５の遠位端の位置を決定する際に潜在的な誤差をもたらす。
【００７３】
したがって、呼吸によって引き起こされる変位を追跡するために、患者の体表面上（例えば、管腔ネットワーク１４０の領域内）に、いくつかの追加の電磁センサ１３０を設けることができる。多数の異なる電磁センサ１３０はこれらの位置での異なる変位を追跡するために、体表面上に間隔を置いて配置することができる。例えば、肺の周辺部は中心気道よりも呼吸に起因してより大きな運動を示すことがあり、いくつかの電磁センサ提供することは、これらの運動効果のより正確な分析を可能にする。例えば、内視鏡１１５の遠
位端は管腔ネットワーク１４０の異なる領域を通って移動し、したがって、これらの異なる領域を通って移動するときに、患者の呼吸に起因する様々な程度の変位を受けうる。開示の位置フィルタリング手法は、内視鏡１１５の遠位端のおおよその位置を追加の複数の電磁センサと相関させることができ、これらの特定の追加の電磁センサの識別された変位の大きさを使用して、例えば、内視鏡位置信号の呼吸運動アーチファクト成分のフィルタリング／除去を介して、気道運動による内視鏡位置信号内のノイズまたはアーチファクトを補正することができる。
【００７４】
他の実施形態では、追加の電磁センサ１３０の代わりに、または追加の電磁センサ１３０に加えて、患者の管腔ネットワークの動きを検出するように構成された他の種類のセンサを使用することができる。例えば、１つまたは複数の慣性センサ（例えば、加速度計、ジャイロスコープなど）を患者の体表面に配置して、呼吸中の胸部表面の変位の推定に利用できる。別の例では、音響呼吸センサが気道の領域（例えば、管腔ネットワーク領域１４０）内の患者の体表面上に配置され、呼吸の周期の吸気相および呼気相を測定するために使用されてもよい。別の例では光学センサ（例えば、撮像デバイス）によって患者の体の一連の画像をキャプチャすることができ、これらの画像は呼吸相および／または変位を特定するために分析されることができる。いくつかの実施態様では患者１０１が手続中に人工呼吸器からの支援を受けて呼吸しており、人工呼吸器（および／または人工呼吸器に通信可能に連結された装置）は呼吸の周期の吸気相および呼気相を表すデータを提供することができる。
【００７５】
図１Ｂは、図１Ａの運用環境１００においてナビゲートすることができる例示的な管腔ネットワーク１４０を示す。管腔ネットワーク１４０は、患者の気道１５０の分岐構造と、診断および／または治療のために、ここで説明するようにアクセスすることができる病変１５５とを含む。図示のように、病変１５５は、気道１５０の周辺部に位置する。内視鏡１１５は第１の直径を有し、したがって、その遠位端は、病変１５５の周りのより小さい直径の気道を通って位置決めされることができない。したがって、操作可能なカテーテル１５５は、内視鏡１１５のワーキングチャネルから病変１５５までの残りの距離だけ延びる。操作可能なカテーテル１４５は器具、例えば、生検針、細胞診ブラシ、および／または組織サンプリング鉗子が病変１５５の目標組織部位に通され得る管腔を有し得る。そのような実施形態では、内視鏡１１５の遠位端および操作可能なカテーテル１４５の遠位端の両方に、気道１５０内でのそれらの位置を追跡するための電磁センサ設けることができる。他の実施形態では、内視鏡１１５の全体的な直径が操作可能なカテーテル１５５なしで周辺部に到達するのに十分に小さくてもよく、または操作不可能なカテーテルを通して医療器具を展開するために周辺部に近づくのに十分に小さくてもよい（例えば、２．５〜３ｃｍ以内）。内視鏡１１５を通して展開される医療器具は電磁センサを装備することができ、以下に説明する位置フィルタリングおよび安全モードナビゲーション手法を、そのような医療器具に適用することができる。
【００７６】
いくつかの実施形態では本件開示の３Ｄ管腔ネットワークモデルの２Ｄディスプレイ、または３Ｄモデルの断面は図１Ｂに類似し得る。ナビゲーション安全領域および／またはナビゲーション経路情報は、そのような表現上にオーバーレイすることができる。
【００７７】
図１Ｃは、図１Ｂの管腔ネットワーク１４０を通して器具の移動を案内するための手術ロボットシステム１１０の例示的なロボットアーム１７５を示す。手術ロボットシステム１１０は１つ以上のロボットアーム（例えば、ロボットアーム１７５）に連結されたベース１８０を含む。ロボットアーム１７５は共同１６５で連結された複数のアームセグメント１７０を含み、これは、ロボットアーム１７５に複数の自由度を提供する。一例として、ロボットアーム１７５の一実施形態は、７つのアームセグメントに対応する７つの自由度を有することができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム１７５がロボットア
ーム１７５の位置を維持するためにブレーキと釣り合い重りとの組み合わせを用いたセットアップジョイントを含む。釣り合い重りは、ガススプリングまたはコイルスプリングを含むことができる。ブレーキ、例えば、フェールセーフブレーキは、機械的および／または電気的な構成要素を含むことができる。さらに、ロボットアーム１７５は、重力支援パッシブサポートロボットアームであってもよい。
【００７８】
ロボットアーム１７５は、メカニズムチェンジャインターフェース（ＭＣＩ）１６０を使用して、器具装置マニピュレータ（Instrument Device Manipulator；ＩＤＭ）１９０に
連結することができる。ＩＤＭ１９０は取り外して、異なる種類のＩＤＭ、例えば、内視鏡を操作するように構成された第１の種類のＩＤＭ、または腹腔鏡を操作するように構成された第２の種類のＩＤＭと置換できる。ＭＣＩ１６０は、空気圧、電力、電気信号、および光信号をロボットアーム１７５からＩＤＭ１９０に伝達するためのコネクタを含む。ＭＣＩ１６０は、セットスクリューまたはベースプレート接続部とすることができる。ＩＤＭ１９０は、手術機器、例えば内視鏡１１５を、ダイレクト駆動、ハーモニック駆動、ギア駆動、ベルトおよびプーリ、磁気駆動などを含む技術を使用して操作する。ＭＣＩ１６０はＩＤＭ１９０の種類に基づいて交換可能であり、特定の種類の手術手技のためにカスタマイズすることができる。ロボットシステム１７５のアームは、関節レベルのトルク感知と、遠位端におけるリストとを含むことができる。
【００７９】
手術ロボットシステム１１０のロボットアーム１７５は、長尺の移動部材を使用して内視鏡１１５を操作することができる。長尺の移動部材は、プルワイヤまたはプッシュワイヤとも呼ばれるプルワイヤ、ケーブル、ファイバ、または可撓性シャフトを含むことができる。例えば、ロボットアーム１７５は、内視鏡１１５に連結された複数のプルワイヤを作動させて、内視鏡１１５の先端の向きを変えることができる。プルワイヤは金属材料および非金属材料の両方、例えば、ステンレス鋼、ケブラー、タングステン、炭素繊維などを含んでもよい。内視鏡１１５は、長尺の移動部材によって加えられる力に応答して非直線的な動きを示すことができる。非直線的な動きは、内視鏡１１５の剛性および圧縮性、ならびに異なる長尺の移動部材間のたるみまたは剛性の変動性に基づくことができる。
【００８０】
ベース１８０は、ロボットアーム１７５が患者に対する手術手技を実行または補助するためのアクセスを有する一方で、医師などのユーザがコマンドコンソールを快適に使用して手術ロボットシステム１１０を制御し得るように、配置され得る。いくつかの実施形態では、ベース１８０が患者を支持するための手術台またはベッドに連結されてもよい。ベース１８０は、図１Ａに示すコマンドコンソール１０５に通信可能に連結することができる。
【００８１】
ベース１８０は、動力源１８２、空気圧１８６、ならびに中央処理装置、データバス、制御回路、およびメモリなどの部品を含む制御およびセンサ電子機器１８４、ならびにロボットアーム１７５を移動させるためのモータなどの関連アクチュエータを含むことができる。電子機器１８４は、本件開示のナビゲーション制御手法、安全モード、および／またはデータフィルタリング手法を実装することができる。ベース１８０内の電子機器１８４はコマンドコンソールから通信される制御信号を処理し、送信することもできる。いくつかの実施形態では、ベース１８０が手術ロボットシステム１１０を搬送するための車輪１８８と、車輪１８８のための車輪ロック／ブレーキ（図示せず）とを含む。手術ロボットシステム１１０が可動であることで、手術室内の空間制約に適応しやすくなり、手術機器の適切な位置決めおよび移動が容易になる。さらに、可動であることで、ロボットアーム１７５が患者、医師、麻酔科医、または任意の他の機器の邪魔にならないように、ロボットアーム１７５を構成することができる。動作中、ユーザは、制御装置、例えばコマンドコンソールを使用してロボットアーム１７５を制御することができる。
【００８２】
図２は、例示的な動作環境１００においてコマンドコンソール１０５として使用することができる例示的なコマンドコンソール２００を示す。コマンドコンソール２００は、コンソールベース２０１と、ディスプレイモジュール２０２、例えばモニタと、制御モジュール、例えばキーボード２０３およびジョイスティック２０４とを含む。いくつかの実施形態では、コマンドコンソール２００の機能性のうちの１つ以上が手術ロボットシステム１１０のベース１８０、または手術ロボットシステム１１０に通信可能に連結された別のシステムに統合することができる。ユーザ２０５、例えば医師は、コマンドコンソール２００を使用して人間工学的な位置から手術ロボットシステム１１０を遠隔制御する。
【００８３】
コンソールベース２０１は中央処理装置、記憶部、データバス、および、例えば図１Ａ〜図１Ｃに示す内視鏡１１５からのカメラ画像および追跡センサデータなどの信号を解釈して処理する役割を担う関連データ通信ポートを含むことができる。いくつかの実施形態では、コンソールベース２０１およびベース１８０の両方が負荷バランシングのための信号処理を実行する。コンソールベース２０１は、制御モジュール２０３、２０４を介してユーザ２０５によって提供されるコマンドおよび命令を処理することもできる。図２に示すキーボード２０３およびジョイスティック２０４に加えて、制御モジュールは他のデバイス、例えば、コンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ハンドヘルドリモートコントローラなどのコントローラ、およびハンドジェスチャおよび指ジェスチャをキャプチャするセンサ（例えば、モーションセンサまたはカメラ）を含むことができる。コントローラは器具の動作（例えば、関節動作、駆動、水洗浄等）にマッピングされた一組のユーザ入力（例えば、ボタン、ジョイスティック、方向パッド等）を含むことができる。
【００８４】
ユーザ２０５は、速度モードまたは位置制御モードでコマンドコンソール２００を使用して、内視鏡１１５などの手術機器を制御することができる。速度モードでは、ユーザ２０５が制御モジュールを使用する直接的な手動制御に基づいて、内視鏡１１５の遠位端のピッチ運動およびヨー運動を直接制御する。例えば、ジョイスティック２０４上の移動は、内視鏡１１５の遠位端におけるヨー移動およびピッチ移動にマッピングされることができる。ジョイスティック２０４は、ユーザ２０５に触覚的なフィードバックを提供することができる。例えば、ジョイスティック２０４は、内視鏡１１５が特定の方向にさらに並進または回転できないことを伝えるために振動することができる。また、コマンドコンソール２００は、視覚的なフィードバック（例えば、ポップアップメッセージ）および／または音声的なフィードバック（例えば、ビープ音）を提供して、内視鏡１１５が最大並進または回転に達したことを伝えることもできる。触覚的なフィードバックおよび／または視覚的なフィードバックは、以下に詳細を説明するように、患者の呼気の間、安全モードで動作するシステムによって提供され得る。
【００８５】
位置制御モードでは、コマンドコンソール２００が患者管腔ネットワークの３次元（３Ｄ）マップと、本件開示のナビゲーションセンサからの入力とを使用して、手術機器、例えば、内視鏡１１５を制御する。コマンドコンソール２００は、手術ロボットシステム１１０のロボットアーム１７５に制御信号を提供して、内視鏡１１５を目標の位置に操作する。３Ｄマップに依存するため、位置制御モードは、患者の解剖学的構造の正確なマッピングが必要となる場合がある。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ユーザ２０５がコマンドコンソール２００を使用せずに、手術用ロボットシステム１１０のロボットアーム１７５を手動で操作することができる。手術室でのセットアップ中に、ユーザ２０５は、ロボットアーム１７５、内視鏡１１５（または内視鏡）、および他の手術機器を動作させて患者にアクセスする。手術ロボットシステム１１０は、ユーザ２０５からの力のフィードバックや慣性制御を基に、ロボットアーム１７５および装置の適切な構成を決定する。
【００８７】
ディスプレイ２０２は電子モニタ（例えば、ＬＣＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、タッチセンシティブディスプレイ）、バーチャルリアリティビューイングデバイス（例えば、ゴーグルまたは眼鏡）、および／または他のディスプレイデバイスを含み得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイモジュール２０２が例えば、タッチスクリーンを有するタブレットデバイスとして、制御モジュールと一体化される。いくつかの実施形態では、一方のディスプレイ２０２が患者の管腔ネットワークの３Ｄモデルおよび仮想ナビゲーション情報（例えば、電磁センサ位置に基づくモデル内の内視鏡の端部の仮想表現）を表示し、他方のディスプレイ２０２が、内視鏡１１５の端部のカメラまたは別の感知デバイスから受信した画像情報を表示することができる。いくつかの実施態様では、ユーザ２０５が統合ディスプレイ２０２および制御モジュールを使用して、データを確認することと、手術ロボットシステム１１０へのコマンドを入力することとの両方を行うことができる。ディスプレイ２０２は立体装置、例えば、バイザまたはゴーグルを使用して、３Ｄ画像および／または３Ｄ画像の２Ｄレンダリングを表示することができる。３Ｄ画像は患者の解剖学的な構造を示すコンピュータ３Ｄモデルである「内視鏡ビュー」（すなわち、内視鏡ビュー）を提供する。「内視鏡ビュー」は、患者の体内や患者内部の内視鏡１１５の予想位置の仮想環境を提供する。ユーザ２０５は「内視鏡ビュー」モデルをカメラによって取得された実際の画像と比較して、内視鏡１１５が患者内の正確な、あるいはほぼ正確な位置にあると精神的な判断や確認に役立てる。「内視鏡ビュー」は解剖学的構造、例えば、内視鏡１１５の遠位端の周りの気道、循環血管、または患者の腸もしくは結腸の形状に関する情報を提供する。表示モジュール２０２は、内視鏡１１５の遠位端の周りの解剖学的構造の３ＤモデルおよびＣＴスキャンを同時に表示することができる。さらに、表示モジュール２０２は３ＤモデルおよびＣＴスキャン上に、内視鏡１１５の既に決定されたナビゲーション経路を重ねて表示することができる。
【００８８】
いくつかの実施形態では、内視鏡１１５のモデルが手術の状態を示すのを助けるために、３Ｄモデルと共に表示される。例えば、ＣＴスキャンは、生検が必要である可能性がある解剖学的な構造内の病変を特定する。動作中、ディスプレイモジュール２０２は、内視鏡１１５の現在位置に対応する内視鏡１１５によって取得された参照画像を表示できる。ディスプレイモジュール２０２は、ユーザ設定および特定の手術手技に応じて、内視鏡１１５のモデルの異なるビューを自動的に表示することができる。例えば、ディスプレイモジュール２０２は、内視鏡１１５が患者の手術領域に接近する際のナビゲーションステップ中の内視鏡１１５の蛍光透視による俯瞰図を示す。
【００８９】
図３は、例えば図１Ａ〜１Ｃの内視鏡１１５のような、本件開示の画像および電磁感知機能を有する例示的な内視鏡の遠位端３００を示す。図３では、内視鏡の遠位端３００が撮像装置３１５、照明源３１０、および電磁センサコイル３０５の端部を含む。遠位端３００は、生検針、細胞診ブラシ、および鉗子などの手術機器が内視鏡シャフトに沿って挿入され、内視鏡先端付近の領域へのアクセスを可能にする内視鏡のワーキングチャネル３２０への開口部をさらに含む。
【００９０】
照明源３１０は、解剖学的空間の一部を照明するための光を提供する。照明源は、それぞれ、選択された波長または波長範囲で光を放出するように構成された１つまたは複数の発光デバイスとすることができる。この波長は、いくつかの例を挙げると、任意の適切な波長、例えば、可視スペクトル光、赤外線、Ｘ線（例えば、蛍光透視法）であり得る。いくつかの実施形態では、照明源３１０が遠位端３００に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、照明源３１０が遠隔光源、例えば、Ｘ線発生器から遠位端３００を通して光を伝送するために、内視鏡の全体を通って延在する１つ以上の光ファイバを含むことができる。遠位端３００が複数の照明源３１０を含む場合、これらはそれぞれ、互いに同じまたは異なる波長の光を放射するように構成するこ
とができる。
【００９１】
撮像デバイス３１５は受光した光を表すエネルギーを電気信号に変換するように構成された任意の感光性基板または構造、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサを含むことができる。撮像デバイス３１５のいくつかの例は、内視鏡の遠位端３００から内視鏡の近位端の接眼レンズおよび／またはイメージセンサにイメージを伝送するように構成された、１つまたは複数の光ファイバ、たとえば光ファイババンドルを含むことができる。撮像デバイス３１５は様々な光学設計で必要なように、１つまたは複数のレンズおよび／または波長通過フィルタまたはカットオフフィルタをさらに含むことができる。照明源３１０から放出された光は、撮像装置３１５が患者の管腔ネットワークの内部の画像を取得することを可能にする。次いで、これらの画像は本件開示の処理のために、コマンドコンソール２００などのコンピュータシステムに、個々のフレームまたは一連の連続するフレーム（例えば、映像）として送信され得る。
【００９２】
遠位端３００上に配置された電磁コイル３０５は解剖システム内に配置されている間に内視鏡の遠位端３００の位置および向きを検出するために、電磁追跡システムと共に使用されてもよい。いくつかの実施形態では、コイル３０５が異なる軸に沿った電磁場に対する感度を提供するように角度が設定されてもよく、開示されたナビゲーションシステムに、３つの位置および３つの角度という完全な６自由度を測定する機能を与えることができる。他の実施形態では、単一のコイルが、その軸が内視鏡の内視鏡シャフトに沿って配向された状態で、遠位端３００上または遠位端３００内に配置されてもよい。このようなシステムの回転対称性のために、このシステムはその軸の周りの回転には感度を有さず、このような実施形態では、５自由度しか検出することができない。
【００９３】
図４は、本件開示の例示的なナビゲーション融合システム４００の概略ブロック図を示す。以下に詳細に説明するように、枠内４００を使用して、多数の異なるソースからのデータは患者の管腔ネットワーク内の手術機器（例えば、内視鏡）のリアルタイム移動情報および位置／向き情報の推定を提供し、ナビゲーション決定を行うために、手術手技時に組み合わされ、繰り返し分析される。システム４００は、呼吸センサデータリポジトリ４０５、内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５、位置合わせデータ、リポジトリ４７５、モデルデータリポジトリ４２５、内視鏡撮像データリポジトリ４８０、ナビゲーション経路データリポジトリ４４５、安全領域データリポジトリ４５５、およびロボット位置データリポジトリ４７０を含むいくつかのデータリポジトリを含む。以下の説明を明確にするために図４には別々に示されているが、データリポジトリの一部または全部を、単一のメモリまたはメモリのセットに共に格納することができる。また、システム４００は、呼吸数および／または相特定器４１０、内視鏡位置推定器４２０、位置合わせ計算器４６５、位置計算器４３０、画像分析器４３５、状態推定器４４０、安全モードコントローラ４５０、およびナビゲーションコントローラ４６０を含むいくつかの処理モジュールを含む。各モジュールは、記憶に格納された１組のコンピュータ可読命令と、以下で説明する機能を共に実行するために命令によって構成された１つまたは複数のプロセッサとを表す。例えば、ナビゲーション融合システム４００は、上述の制御およびセンサ電子機器１８４および／またはコンソールベース２０１において、１つまたは複数のデータ記憶デバイスおよび１つまたは複数のハードウェアプロセッサとして実装することができる。
【００９４】
呼吸センサデータリポジトリ４０５は、呼吸センサから導出されたデータを記憶するデータ記憶装置である。上述のように、呼吸センサは、電磁センサ、音響呼吸センサ、管腔ネットワークの画像を取得するように配置された視野を有するイメージセンサ、および人工呼吸器の膨張／収縮情報を備えることができる。いくつかの実施形態では呼吸センサがいくつかの電磁センサ備えることができ、呼吸センサデータリポジトリ４０５内のデータ
は各センサについて、時間経過にける電磁場内のセンサの位置を表す時間依存位置データを含むことができる。例えば、それぞれのセンサのデータは（ｘ、ｙ、ｚ、ｔn）の形式
の組として記憶することができ、ここで、ｘ、ｙ、ｚは、期間ｔnにおける領域内のセン
サの座標を表す。呼吸センサデータリポジトリ４０５は、多数の異なる時間に対応する各センサのための多数のそのようなタプルを記憶することができる。
【００９５】
呼吸数および／または相特定器４１０は呼吸センサデータ再配置４０５からデータを受信し、そのようなデータを分析して呼吸数および／または呼吸相を計算するように構成されたモジュールである。呼吸数は連続する相の間、例えば、吸気と呼気の連続する周期間の時間隔を指す。相は呼吸周期が吸気相（例えば、患者が吸気している間）であるか、または呼気相（患者が呼気している間）であるかを指す。いくつかの実施形態は、種々の実施におけるセンサのうちの１つまたはすべてからのデータを使用して、フーリエ変換を使用して、呼吸センサデータから呼吸数を抽出することができる。
【００９６】
内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５は、内視鏡の遠位端にある電磁センサから導出されたデータを記憶するデータ記憶装置である。上述のように、そのようなセンサは電磁センサコイル３０５を含むことができ、結果として得られるデータを使用して、電磁場内のセンサの位置および向きを特定することができる。電磁呼吸センサからのデータと同様に、内視鏡電磁センサデータは（ｘ、ｙ、ｚ、ｔn）の形式の組として記憶することが
でき、ここで、ｘ、ｙ、およびｚは、期間ｔnにおける電磁場内のセンサの座標を表す。
いくつかの実施形態は、電磁センサタプル内の器具のロール、ピッチ、およびヨーをさらに含むことができる。内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５は、多数の異なる時間に対応する各内視鏡ベースのセンサのための多数のそのようなタプルを記憶することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、内視鏡位置推定器４２０は内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５から、さらに呼吸数および／または相特定器４１０からデータを受信し、そのデータを使用して、患者の管腔ネットワークの周期的な動きに起因する内視鏡電磁センサから受信される信号中の「ノイズ」を低減するモジュールである。例えば、一実施形態では、内視鏡位置推定器４２０が決定された呼吸数に基づいてフィルタを生成し、フィルタを内視鏡電磁センサデータに適用することができる。別の実施態様では、内視鏡位置推定器４２０が呼吸中の１つまたは複数の呼吸センサの変位の大きさを識別することができ、変位値を、内視鏡電磁センサデータによって示される位置にバイアスとして適用することができる。これは、例えば、期間ｔnで呼吸センサ変位を識別し、それを期間ｔnで内視鏡位置にバイアスとして適用すること、期間ｔn+1で次の呼吸センサ変位を識別し、それを期
間ｔn+1で内視鏡位置にバイアスとして適用することなどによって動的に実行することが
できる。
【００９８】
モデルデータリポジトリ４２５は、患者の管腔ネットワークのモデルを表すデータを記憶するデータ記憶装置である。一例として、手術前手技を行って患者の肺のＣＴスキャンを行うことができ、コンピュータシステムはこれらのスキャンからのデータを使用して、患者の肺の３Ｄモデルを構築することができる。そのようなモデルは、いくつかの例では患者の気道のトポグラフィおよび／または直径を含む、管腔ネットワークの構造および接続に関する３Ｄ情報を提供することができる。いくつかのＣＴスキャンは患者の気道がそれらの全直径まで拡張されるよう、息止め時に実行される。
【００９９】
位置合わせ計算器４６５は３Ｄモデルの座標系（例えば、モデルを生成するために使用されるＣＴスキャナの座標系）と電磁場（例えば、電磁場発生器１２０の電磁場）の座標系との間の位置合わせまたはマッピングを識別することができるモジュールである。患者の解剖学的構造を介してセンサを追跡するために、ナビゲーション融合システム４００は
「位置合わせ」として知られるプロセスを必要とすることがあり、それによって、位置合わせ計算器４６５は、異なる座標系間で単一の物体を位置合わせする幾何学的変換を特定する。例えば、患者の特定の解剖学的部位は、３Ｄモデル座標および電磁センサ座標においても表現を有することができる。初期位置合わせの計算を行うために、位置合わせ計算器４６５の一実施形態は、その開示内容が参照により本明細書に援用される、２０１６年９月１７日に出願された「管状ネットワークのナビゲーション(Navigation of Tubular Networks)」という名称の米国特許出願第１５／２６８，２３８号に記載されているように、位置合わせを実行することができる。１つの可能な位置合わせ手法の例として、位置合わせ計算器４６５は内視鏡が患者の気道に挿入されるとき、例えば、内視鏡が様々な分岐に到達するときに、内視鏡撮像データリポジトリ４８０および電磁センサデータリポジトリ４１５から、いくつかの異なる点でデータを受信することができる。画像データは内視鏡の遠位端がいつ分岐に到達したかを、例えば、自動化された特徴分析を介して識別するために使用することができる。位置合わせ計算器４６５は内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５からデータを受信し、内視鏡が分岐部に配置されるときに、内視鏡の遠位端における電磁センサ位置を識別することができる。いくつかの例では、分岐だけでなく、患者の気道内の他の点を使用することができ、そのような点を気道の「骨格」モデル内の対応する点にマッピングすることができる。位置合わせ計算器４６５は電磁領域とモデルとの間の幾何学的変換を識別するために、電磁位置のうちの少なくとも３つをモデル内の点にリンクするデータを使用することができる。別の実施形態は例えば、患者の気道の第１の分岐から、および左肺および右肺の２つ以上の分岐から少なくとも３つを採取することによって、手動位置合わせを含むことができ、対応する点を使用して位置合わせの計算を行うことができる。幾何学的変換を実行するためのこのデータ（位置合わせデータとも呼ばれる）は、位置合わせデータとして位置合わせデータリポジトリ４７５に格納することができる。
【０１００】
初期位置合わせが完了した後、位置合わせ計算器４６５は変換精度を向上させると共に、ナビゲーションシステムの変化、例えば、患者の移動による変化を補償するために、受信データに基づいて位置合わせ変換の推定値を更新することができる。いくつかの態様では、位置合わせ計算器４６５が定義された間隔で、および／または管腔ネットワーク内の内視鏡（またはその部品）の位置に基づいて、位置合わせ変換の推定値を連続的に更新することができる。
【０１０１】
位置合わせデータ、リポジトリ４７５は、ここで説明したように、電磁場の座標系からモデルの座標系への幾何学的変換を実行するために使用可能な位置合わせデータを記憶するデータ記憶装置である。また、上記の通り、位置合わせデータは位置合わせ計算機４６５によって生成されてもよく、いくつかの実施形態では連続的にまたは周期的に更新されてもよい。
【０１０２】
位置計算器４３０は、モデルデータリポジトリ４２５、位置合わせデータリポジトリ４７５、およびスコープ位置推定器４２０からデータを受信して、電磁センサ座標を３Ｄモデル座標に変換するモジュールである。スコープ位置推定器４２０は上述したように、電磁場発生器の位置に対する電磁センサ初期位置を計算する。この位置はまた、３Ｄモデル内の位置に対応する。電磁座標系からモデル座標系に電磁センサ初期位置を変換するために、位置計算器４３０は位置合わせデータリポジトリ４７５に格納された電磁座標系とモデル座標系（例えば、位置合わせデータ）との間のマッピングにアクセスすることができる。スコープ位置を３Ｄモデル座標系に変換するために、位置計算器４３０は、入力として、モデルデータリポジトリ４２５から３Ｄモデルのトポグラフィを表すデータと、位置合わせデータリポジトリ４７５からの３Ｄモデルの電磁場と座標系との間の位置合わせを表すデータと、スコープ位置推定器４２０からの電磁場内のスコープの位置とを受信する。また、いくつかの実施形態では、状態推定器４４０から事前に推定された状態データを
受信することができる。受信されたデータに基づいて、位置計算器４３０は、例えば電磁センサ位置データの３Ｄモデル内の位置への実行時（on-the-fly）変換を行うことができる。これは、３Ｄモデルのトポグラフィ内のスコープの遠位端の位置の予備推定値を表すことができ、以下に詳細を説明するように、スコープ位置の最終推定値を生成するための状態推定器４４０への１つの入力として提供することができる。
【０１０３】
内視鏡撮像データリポジトリ４８０は、内視鏡のカメラ、例えば撮像装置３１５から受信した画像データを記憶するデータ記憶装置である。種々の実施では、画像データがビデオシーケンス内の別個の画像または一連の画像フレームとすることができる。
【０１０４】
画像分析器４３５は内視鏡撮像データリポジトリ４８０およびモデルデータリポジトリ４２５からデータを受信し、このデータを比較して内視鏡の位置決めを決定することができるモジュールである。例えば、画像分析器４３５はモデルスキャンから気道系のボリュームレンダリングまたは表面レンダリングされた管腔内画像にアクセスして、レンダリングされた画像を撮像装置３１５からのリアルタイム画像または映像フレームと比較することができる。例えば、画像を位置合わせすることができ（例えば、Ｐｏｗｅｌｌの最適化、単体法または勾配法、正規化相互相関または相互情報を費用として有する勾配降下アルゴリズムを用いる）、次いで、二乗誤差の加重正規化和および正規化相互情報を使用して、２つの情報源から得られた位置合わせ画像を比較することができる。スキャンからの２Ｄ画像と内視鏡から受け取った２Ｄ画像との間の類似性は、内視鏡がスキャンからの画像の位置の近くに配置されていることを示すことができる。そのような画像ベースのナビゲーションは患者の気道の分岐部で局所的な位置合わせを実行することができ、電磁追跡システムよりも、患者の呼吸運動によるノイズの影響を受けにくくすることができる。しかしながら、画像分析器４３５は内視鏡ビデオに依存するので、分析は、患者の咳または粘膜閉塞によって引き起こされる画像中のアーチファクトによって影響を受ける可能性がある。
【０１０５】
画像分析器４３５は、いくつかの実施形態では画像分析器４３５が分岐開口部、病変、または粒子など、イメージデータの視野内に存在する物体を検出することができる物体認識手法を実装することができる。物体認識を使用して、画像分析器はどの物体が識別されたかに関する情報、ならびに確率として表される物体の位置、向き、および／またはサイズを示す物体データを出力することができる。一例として、物体認識を使用して、管腔ネットワーク内の分岐点を示すことができる物体を検出し、次いで、それらの位置、サイズ、および／または向きを決定することができる。一実施形態では管腔ネットワーク内の所与の画像において、各枝は典型的には暗いほぼ楕円形の領域として現れ、これらの領域はオブジェクトとしてＭＳＥＲ（Maximally Stable Extremal Region）などの領域検出アルゴリズムを使用して、プロセッサによって自動的に検出することができる。画像分析器４３５は気道を特定するために、他の技術と組み合わされた光反射強度を使用することができる。さらに、画像分析器４３５は、管腔ネットワーク内の１組の可能な分岐の中からどの分岐が入力されたかを検出するために、１組の連続する画像フレームにわたって検出された物体を追跡することができる。
【０１０６】
ロボット位置データリポジトリ４７０は手術ロボットシステム１１０から受信したロボット位置データ、例えば、管腔ネットワーク内の手術ロボットシステム１１０による医療機器または医療機器の一部（例えば、器具先端または遠位端）の物理的移動に関連するデータを記憶するデータ記憶デバイスである。例示的なロボット位置データには、管腔ネットワーク内の特定の解剖学的部位に到達することおよび／または管腔ネットワークにおいて向きを（例えば、内視鏡器具のリーダおよびシースの一方または両方に対して、特定のピッチ、ロール、ヨー、挿入、および後退で）変更することを器具先端に命令するコマンドデータ、医療機器の一部（例えば、器具先端またはシース）の挿入移動を表す挿入デー
タ、ＩＤＭデータ、例えば、管腔ネットワーク内の内視鏡の実際の移動を駆動する内視鏡の１つまたは複数のプルワイヤ、腱、またはシャフトの移動など、医療機器の長尺の部材の機械的移動を表す機械的データが含まれる。
【０１０７】
ナビゲーション経路データリポジトリ４４５は、管腔ネットワークを通って目標の組織部位までのあらかじめ計画されたナビゲーション経路を表すデータを記憶するデータ記憶デバイスである。患者の体の管腔ネットワーク内の特定の位置へのナビゲーションは、管状ネットワークの３Ｄモデルを生成し、管状ネットワーク内のナビゲーション経路を決定するのに必要な情報を生成するために、手術前に特定のステップを行うことを必要とする場合がある。上記の通り、特定の患者の気道のトポグラフィおよび構造の３Ｄモデルを生成することができる。ターゲット、例えば、生検する病変または手術によって修復する器官組織の一部を選択することができる。一実施形態では、ユーザがマウスでクリックすること、またはタッチ画面をタッチすることなどによって、３Ｄモデルを示すことができるコンピュータディスプレイに指示することによって、対象の位置を選択することができる。いくつかの実施形態では、ナビゲーション経路がモデル化および特定された病変部位の分析によってプログラム的に特定されて、病変までの最短のナビゲーション経路を導出することができる。いくつかの実施形態では経路が医師によって特定されてもよく、または自動的に特定された経路は医師によって修正されてもよい。ナビゲーション経路は、特定された目標の部位に到達するように移動する管腔ネットワーク内の一連の分岐を特定することができる。
【０１０８】
状態推定器４４０は入力を受信し、入力の分析を実行して医療機器の状態を決定するモジュールである。例えば、状態推定器４４０は、呼吸数および／または相特定器４１０、スコープ位置推定器４２０、位置計算器４３０、画像分析器４３５、ナビゲーション経路データリポジトリ４４５、およびロボット位置データリポジトリ４７０からのデータを入力として受信することができる。状態推定器４４０は、提供された入力が与えられると、確率分析を実施して、管腔ネットワーク内の医療機器の状態および対応する確率を決定することができる。推定された状態は（１）管腔ネットワークのモデルの座標系に対する器具のｘ、ｙ、ｚ位置、（２）器具がモデルの特定の領域、例えば、特定の気道枝または事前に特定された安全領域に位置するかどうか、（３）器具のピッチ、ロール、ヨー、挿入、および／または後退、ならびに（４）目標の部位までの距離のうちの１つまたは複数を指すことができる。状態推定器４４０は、時間の関数として器具（または器具の遠位先端）の推定された状態を提供することができる。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、状態推定器４４０が状態および対応する確率を決定するためにベイズフレームワークを実装することができる。ベイズ統計分析は事前（prior）と呼
ばれる信念（belief）から始まり、観察されたデータでその信念を更新する。事前はベイズモデルパラメータが何であるかの推定値を表し、パラメータ化された分布として表すことができる。観察されたデータは、パラメータの実際の値についての証拠を得るために収集することができる。ベイズ分析の結果は事後（posterior）と呼ばれ、事象を信頼度で
表現する確率分布を表す。さらなるデータが取得される場合、事後は事前として扱われ、新たなデータで更新することができる。このプロセスは条件付き確率、例えば、イベントＢが発生した場合にイベントＡである可能性がどの程度高いかを示すベイズの定理を用いる。
【０１１０】
開示のナビゲーション融合システム４００に関して、状態推定器４４０は以前に推定された状態データを事前として使用することができ、呼吸数および／または相特定器４１０、スコープ位置推定器４２０、位置計算器４３０、画像分析器４３５、ナビゲーション経路データリポジトリ４４５、および／またはロボット位置データリポジトリ４７０からの入力を観測データとして使用することができる。手技の開始時に、視覚に基づく初期化手
法を使用して、気管内の初期深さおよびロールを推定することができ、この推定値を事前に使用することができる。状態推定器４４０は複数の可能な状態のそれぞれの確率および信頼値を表す事後分布を生成するために、事前データおよび観測データのベイズ統計分析を実行することができる。
【０１１１】
本明細書で使用される「確率分布」の「確率」は、医療機器の可能な位置および／または向きの推定が正しい可能性を意味する。例えば、医療器具が管腔ネットワーク内のいくつかの異なる可能な分岐のうちの１つにある相対的な可能性を示すアルゴリズムモジュールのうちの１つによって、異なる確率を計算することができる。一実施形態では、確率分布の種類（例えば、離散分布または連続分布）は推定された状態の特徴（例えば、推定された状態の種類、例えば、連続的な位置情報と離散的な分岐選択）に一致するように選択される。一例として、医療器具が三つ叉の分岐部にあるためにどのセグメントにあるかを識別するための推定状態は離散確率分布によって表されてもよく、アルゴリズムモジュールのうちの１つによって決定されるように、３つの分岐のそれぞれに存在する可能性を表す２０％、３０％、および５０％という３つの離散値を含んでもよい。別の例として、推定された状態は４０±５度の医療機器のロール角を含んでもよく、分岐内の器具先端のセグメント深さは４±１ｍｍであってもよく、各々は連続確率分布の一種であるガウス分布によって表される。
【０１１２】
これに対して、本明細書で使用される「信頼値」は、１つまたは複数の要因に基づく図４のモジュールのうちの１つによって提供される状態の推定における信頼性の尺度を反映する。電磁ベースのモジュールでは、電磁場の歪み、電磁位置合わせの不正確さ、患者のシフトまたは移動、および患者の呼吸などの要因が状態の推定の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。特に、電磁ベースのモジュールによって提供される状態の推定における信頼値は患者の特定の呼吸数、患者または電磁場発生器の動き、および器具先端が位置する解剖学的構造内の位置に依存し得る。画像分析器４３５の場合、状態の推定における信頼値に影響を及ぼす可能性がある要素の例には、画像が取得される解剖学的構造内の１地点の照明条件、画像を取得する光学センサに対するまたはその前方の流体、組織、または他の障害物の存在、患者の呼吸、管状ネットワーク内の一般的な流体などの患者自体の管状ネットワーク（例えば、肺）の状態、および管状ネットワークの閉塞、ならびに、例えば、ナビゲーションまたは画像取得で使用される特定の動作手法が含まれる。
【０１１３】
例えば、１つの要因は、特定のアルゴリズムが、気道開口部に比較的近い位置など、患者の肺の深さごとに精度レベルが異なる場合があることであり、特定のアルゴリズムは、医療機器の位置および向きの推定において高い信頼性を有するが、肺の下端へと進むほど、その信頼値が低下する場合があることである。一般に、信頼値は、結果をもたらすプロセスに関連する１つまたは複数の系統的要素に基づくものであり、確率は。基礎となるデータに基づく単一のアルゴリズムを用いて複数の可能性から正しい結果を得ようと試みる場合に生じる相対的な尺度である。
【０１１４】
一例として、離散確率分布によって表される推定状態の結果を計算するための数式（例えば、関与する推定状態の３つの値を有する三分岐についての分岐／セグメント識別）は、以下のようにすることができる。
【０１１５】
上の例示的な数式において、Ｓｉ(ｉ=１、２、３）は３Ｄモデルにおいて３つの可能なセグメントが識別されるか、または存在するケースにおける推定されたステートの可能な例示的な価値を表し、ＣＥＭ、Ｃｉｍａｇｅ、およびＣｒｏｂｏｔは電磁ベースのアルゴリズム、画像ベースのアルゴリズム、およびロボットベースのアルゴリズムに対応する信頼価値を表し、Ｐｉ，ＥＭ、Ｐｉ，ｉｍａｇｅ、およびＰｉ，ｒｏｂｏｔは、セグメントｉの確率を表す。このような融合アルゴリズムの確率的性質のために、呼吸は経時的に追
跡することができ、さらには、待ち時間外乱（latency disturbance）および外れ値外乱
（outlier disturbance）を克服するように予測することもできる。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、スコープ位置推定器４２０、位置合わせ計算器、および画像分析器４３５からのデータの信頼値は呼吸数および／または相特定器４１０からの呼吸相に基づいて適応的に決定することができる。例えば、ロボット位置データおよび画像データは、呼吸運動による電磁センサデータとは異なる影響を受ける可能性がある。いくつかの実施形態では、内視鏡撮像データリポジトリ４３０から取得された視覚データを使用して、管腔ネットワークの外部のセンサを介して検出可能でない特定の種類の呼吸運動、例えば、視覚処理によって検出することができる頭尾（前後）運動における気道の運動を検出することができる。
【０１１７】
安全領域データリポジトリ４５５は、器具挿入中に特定の注意を払うべき領域および／または条件を表すデータを記憶するデータ記憶装置である。例えば、上述のように、３Ｄモデルは、気道直径に関する情報を含むことができる。内視鏡の直径以下、または内視鏡の直径の所定の閾値（例えば、１〜２ｍｍ、約４ｍｍ、または任意の他の閾値距離）内の直径を有する管腔ネットワークの分岐は、安全領域として指定することができる。いくつかの実施形態では、そのような指定は、直径の比較をプロセッサによってプログラム的に行うことができる。別の例として、患者の呼吸の周期の特定の相は患者の呼吸の呼気相安全「領域」として、または呼気で始まり、患者の気道が収縮すると予想される吸気の途中で終わる遷移相として指定することができる。いくつかの実施形態では、閾値が器具の寸法、制御された動きの制御公差、ユーザ構成可能な好みなどを含む要因に基づいて構成することができる。いくつかの実施形態では、安全領域データリポジトリ４５５は、ロボットシステムの動作および／または様々な安全領域における制限に関する命令を格納することができる。
【０１１８】
セーフティモードコントローラ４５０は種々の入力を受信し、セーフティモードを起動するかどうかを決定するモジュールである。例えば、安全モードコントローラ４５０は、入力として、安全領域データリポジトリ４５５からのデータ、呼吸数および／または相特定器４１０からの呼吸位相データ、および状態推定器４４０からの推定状態出力を受信することができる。安全モードコントローラ４５０は、呼吸相および推定状態を安全領域リポジトリからのデータと比較して、安全モードを起動すべきかどうかを判定することができる。
【０１１９】
ナビゲーションコントローラ４６０は安全モードコントローラ４５０からデータを受信し、このデータを使用して手術ロボットシステム１１０のさらなる動作を案内するモジュールである。例えば、安全モードが起動されると、ナビゲーションコントローラ４６０は、特定の表示命令および／またはＩＤＭ動作命令に関するデータを安全モードコントローラ４５０から受信することができる。安全モードが起動されていないとき、ナビゲーションコントローラ４６０は、推定された状態およびナビゲーション経路データ内で識別された次の移動に関するデータを安全モードコントローラ４５０から受信することができる。
【０１２０】
（ナビゲーション技術例の概要）
本件開示の１つまたは複数の態様によれば、図５は本明細書で説明されるように、器具の位置推定から管腔ネットワークの運動に起因するノイズをフィルタリングして除去するための例示的なプロセス５００のフローチャートを示す。プロセス５００は、図４のナビゲーション融合システム４００、図１の制御およびセンサ電子機器１８４、および／または図２のコンソールベース２０１、またはその構成要素において実施することができる。
【０１２１】
ブロック５０５において、位置計算器４３０は例えばモデルデータリポジトリ４２５か
ら、患者の管腔ネットワークのモデルにアクセスすることができる。例えば、モデルは、いくつかの実施形態ではＣＴスキャンから生成された患者の気道のセグメント化されたマップとすることができる。モデルは、患者の実際の管腔ネットワーク（または管腔ネットワークの一部）の任意の２次元または３次元表現とすることができる。
【０１２２】
ブロック５１０において、内視鏡位置推定器４２０は器具センサからデータを受信することができ、呼吸数／相特定器４１０は例えば、呼吸センサデータリポジトリ４０５および内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１０から、それぞれ、データ呼吸センサを受信することができる。上述のように、内視鏡センサデータは内視鏡の電磁センサから導出することができ、管腔ネットワークの周りに生成された電磁場内の内視鏡の遠位端の位置および／または向きを提供することができ、呼吸センサデータは、管腔ネットワークの動きを検出するように配置されたセンサによって生成することができる。
【０１２３】
ブロック５１５において、位置計算器４３０は、モデルに対する機器の位置を推定することができる。例えば、モデルの座標系は、位置合わせ中の（位置合わせ計算器４６５および位置合わせデータリポジトリ４７５に関する上記の説明を参照）医療手技の開始時に電磁場の座標系にマッピングされてもよい。位置計算器４３０は、このマッピングを（位置合わせデータを介して）電磁場内のセンサ位置の座標と共に使用して、モデル内の機器センサの位置の初期推定値を生成することができる。しかしながら、上記の通り、呼吸中の患者の気道の動きのために、電磁場の座標系へのモデルの初期位置合わせは、電磁場内の患者の気道の実際の動的な位置を正確に反映しないことがある。器具は動的に動く気道のうちの１つの中に位置するので、電磁場内の気道位置がモデル内のその同じ気道のマッピングされた位置から変化するとき、ブロック５１５で推定された位置は、例えば、器具の推定された位置の呼吸運動アーチファクト／成分に対して不正確であり得る。
【０１２４】
ブロック５２０において、呼吸数および／または相特定器４１０は、例えばフーリエ変換を使用して呼吸数を抽出することによって、呼吸センサからのデータから呼吸数を抽出することができる。フーリエ変換は、複数の呼吸センサを有する実施形態において、１つ以上のセンサからのデータに適用され得る。
【０１２５】
ブロック５２５において、位置計算器４３０および／または内視鏡位置推定器４２０は管腔ネットワークの周期的な動きを補償するために、特定された呼吸数に基づいて器具およびモデル位置の一方または両方を調整するために、フィルタリングステージ５３５を実装することができる。フィルタリングステージ５３５の様々な実施形態は、図６Ａ〜６Ｃを参照しながら詳細を説明する。
【０１２６】
ブロック５３０において、状態推定器４４０は、器具位置を示す指標を出力することができる。出力はナビゲーションシステム、例えば、手術ロボットシステム１１０、ユーザインタフェース、例えば、ディスプレイ２０２、またはその両方に提供され得る。いくつかの実施形態では、機器の可能性のある状態の特定に使用するために、指標を状態推定器４４０に出力することができる。
【０１２７】
図６Ａ〜図６Ｃは、図５のフィルタリングステージ５３５に使用することができる様々な例示的なプロセスのフローチャートを示す。図６Ａ〜図６Ｃのプロセスは、図４のナビゲーション融合システム４００、図１の制御およびセンサ電子機器１８４、および／または図２のコンソールベース２０１、またはその構成要素によって実行することができる。
【０１２８】
図６Ａを参照すると、フィルタリングステージ５３５に使用することができる例示的な１つのプロセス６００Ａが示されている。ブロック６０５において、内視鏡位置推定器４２０は、特定された呼吸数に基づいてフィルタを設計することができる。上記の通り、い
くつかの実施形態では、患者の気道のモデルが、息止め時に生成される。したがって、フィルタは、モデルが生成された間の息止め状態に対応する吸気のピーク状態の間に機器電磁センサデータを選択するように設計されたバンドパスフィルタまたはバンドストップフィルタとすることができる。
【０１２９】
ブロック６１０では、内視鏡位置推定器４２０がブロック６０５で設計されたフィルタを器具電磁センサデータに適用して、データの一部をフィルタ除去することができる。そうすることによって、プロセス６００Ａは、典型的に「ノイズ」と考えられ、３Ｄモデルとの不正確な位置合わせにつながる電磁センサ信号の部分をフィルタ除去することができる。電磁センサ位置は静的３Ｄモデルに対して位置合わせされるので、モデルが生成された呼吸状態とは異なる呼吸状態中に発生する信号の部分をフィルタリングすることにより、位置合わせの精度を高めることができる。
【０１３０】
図６Ｂを参照すると、フィルタリングステージ５３５に使用することができる別の例示的なプロセス６００Ｂが示されている。ブロック６１５において、呼吸数および／または相特定器４１０は、各呼吸センサの変位の大きさを識別することができる。大きさは、各センサの「ベースライン」位置に対して測定することができる。基準線は、較正時に各センサの位置を記録することによって、モデル座標を電磁場の座標に較正するときに設定することができる。患者の胸部に配置された複数の電磁センサを有する実施形態では、胸骨に近接して取り付けられたセンサが肺の下側の境界に近接して取り付けられたセンサよりも低い変位の大きさを示す。
【０１３１】
ブロック６２０において、内視鏡位置推定器４２０は、呼吸センサに対する器具センサの相対位置を識別することができる。例えば、ｘ座標およびｙ座標（電磁場における長さおよび幅位置を表す）を比較して、最も近い呼吸センサおよび／または器具センサと各呼吸センサとの間の相対距離を決定することができる。
【０１３２】
ブロック６２５において、プロセス内視鏡位置推定器４２０は、呼吸センサの変位と、器具センサおよび呼吸センサの相対位置とに基づいて、器具センサの変位を補間することができる。
【０１３３】
ブロック６３０において、内視鏡位置推定器４２０は、ブロック５１５において補間された変位によって計算された推定器具位置を調整することができる。したがって、調整された位置は、モデル座標系に対する気道の変位を補償することによって、モデル内の器具のより正確な位置を表すことができる。
【０１３４】
図６Ｃを参照すると、フィルタリングステージ５３５に使用することができる別の例示的なプロセス６００Ｃが示されている。ブロック６３０において、呼吸数および／または相特定器４１０は、各呼吸センサの変位の大きさを識別することができる。これは、上述のプロセス６００Ｂのブロック６１５と同様に実行することができる。
【０１３５】
ブロック６３５において、位置計算器４３０は、呼吸センサ位置への３Ｄモデルのマッピングにアクセスすることができる。例えば、各呼吸センサは、モデル内のｘ座標およびｙ座標にマッピングすることができる。
【０１３６】
ブロック６４０で、位置計算器４３０は、このマッピングおよび変位の大きさに基づいて、モデルを電磁場の座標系内の新しい座標に変換することができる。例えば、センサがマッピングされた各（ｘ，ｙ）座標において、プロセス６００Ｃは、マッピングされたセンサの変位の大きさに基づいて（ｘ，ｙ，ｚ）モデル座標のｚの値を調整することができる。マッピングされたセンサ間の（ｘ，ｙ）座標について、ｚの値は、隣接するセンサか
らの大きさおよび距離に基づいて補間された大きさに基づいて調整することができる。したがって、電磁場の座標系内のモデルの位置は、患者の気道の動きを反映するように動的に調整することができる。
【０１３７】
ブロック６４５において、位置計算器４３０は、器具位置を平行移動されたモデルに位置合わせすることができる。例えば、位置計算器４３０は電磁場内の器具センサの（ｘ，ｙ，ｚ）座標データにアクセスし、変換されたモデル内の対応する位置を識別することができる。
【０１３８】
プロセス５００のいくつかの実施形態は、プロセス６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃのうちの１つまたは複数を使用して、フィルタリングステージ５３５におけるモデルに対する器具位置を計算することができる。
【０１３９】
本件開示の１つまたは複数の態様によれば、図７は、本件開示の管腔ネットワークナビゲーション中に安全モードを起動するための例示的なプロセス７００のフローチャートを示す。プロセス７００は、図４のナビゲーション融合システム４００、図１の制御およびセンサ電子機器１８４、および／または図２のコンソールベース２０１、またはその構成要素によって実施することができる。
【０１４０】
ブロック７０５において、状態推定器４４０は例えばモデルデータリポジトリ４２５から、患者の管腔ネットワークの３Ｄモデルにアクセスすることができる。
【０１４１】
ブロック７１０において、状態推定器４４０は機器センサおよび呼吸センサの一方または両方から、例えば、呼吸センサデータリポジトリ４０５および内視鏡電磁センサデータリポジトリ４１５からデータを受信することができ、またはモジュール４１０、４２０、および／または４３０からそのようなデータの分析を受信することができる。上述のように、内視鏡センサデータは管腔ネットワークの周りに生成された電磁場内の内視鏡の遠位端の位置および／または向きを提供することができ、呼吸センサデータは、管腔ネットワークの動きを検出するように配置されたセンサによって生成することができる。ブロック７１０の後、プロセス７００は安全モードを起動するかどうかを決定するために、個別にまたは共に実行することができる２つのサブプロセスに分割することができる。これらのサブプロセスは、共に実行される場合は、並列または直列に実行することができる。
【０１４２】
ブロック７１０で状態推定器４４０が計器センサ位置データを受信した場合、プロセス７００はブロック７１５に進むことができる。ブロック７１５において、状態推定器４４０は、モデルに対する機器の位置を推定することができる。この推定は周期的な動きを補償するために、いくつかの実施形態において上記のプロセス６００Ａ〜６００Ｃのいずれかによって実行することができる。
【０１４３】
判定ブロック７２０において、安全モードコントローラ４５０は、器具の位置が３Ｄモデルの所定の安全領域内にあるかどうかを判定する。上述したように、安全領域は、気道および器具直径の比較に基づいてあらかじめ定義することができる。器具の位置が安全領域内に入らない場合、プロセス７００は、ブロック７１０にループバックして、センサから新たなデータを受信する。他の実施形態では、プロセス７００は、ブロック７２５に進んでもよい。
【０１４４】
器具の位置が安全領域内にある場合、プロセス７００はブロック７３５に進み、安全モードコントローラ４５０は器具のさらなるナビゲーション（例えば、器具の次の移動またはその後の移動）のための安全モードを起動する。
【０１４５】
ブロック７２５に移ると、プロセス７００がブロック７１０で呼吸センサ位置データを受信した場合、プロセス７００はブロック７２５に進むことができる。ブロック７２５において、呼吸数および／または相特定器４１０は、呼吸相を吸気または呼気のいずれかとして識別することができる。
【０１４６】
判定ブロック７３０において、安全モードコントローラ４５０は、呼吸相が所定の安全条件に対応するかどうかを判定する。いくつかの実施形態では、すべての呼気相を安全条件として識別することができる。いくつかの実施形態では、気道の一定の分岐における呼気が安全条件に対応し得る。いくつかの実施形態では、安全モードコントローラ４５０が器具の次の動きが安全状態と相関する呼吸相内に入るかどうかを予測するために、呼吸数の履歴データを分析することができる。呼吸の位相（または予測された位相）が所定の安全条件に対応しない場合、プロセス７００は、ブロック７１０にループバックして、センサから新たなデータを受信する。他の実施形態では、プロセス７００は、ブロック７１５に進んでもよい。
【０１４７】
呼吸相（または予測された相）が所定の安全条件に対応する場合、プロセス７００はブロック７３５に進み、安全モードコントローラ４５０はさらなるナビゲーション（例えば、器具の次の移動、または器具のその後のすべての移動）のための安全モードを起動する。
【０１４８】
器具の位置が安全領域に入ったために、プロセス７００がブロック７３５に進む場合、いくつかの実施形態では、気道の直径が肺周辺部に向かってさらに小さくなる傾向があり、またナビゲーション経路が気道の中心から外側の肺周辺部に向かって移動する傾向があるので、安全モードはその後のすべての挿入に対して作動されてもよい。呼吸相（例えば、呼気相）がプロセスに安全モードを起動させるためにプロセス７００がブロック７３５に進む場合、安全モードは、予測された呼気周期の存続期間の間、または次の検出された吸気周期まで作動されてもよい。
【０１４９】
安全モードでは、プロセス７００のいくつかの実施形態がナビゲーションコントローラ４６０を実施して、器具の動きに制限を課すことができる。例えば、安全モードでは、ナビゲーションコントローラ４６０によって、手術ロボットシステム１１０が器具ドライバを作動させることを抑止することができる。そのような実施形態では、ナビゲーションコントローラ４６０によって、安全モードが起動されている間、例えば、患者の呼気の間、器具の挿入を案内するために、ロボットシステムに対するユーザ入力を無効にすることができる。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、安全モードコントローラ４５０によって、計算された器具位置からナビゲーション経路を下った位置に配置された気道の直径が器具の直径よりも小さいと判定される場合がある。これにより、安全モードでは、ナビゲーションコントローラ４６０がさらなる挿入を抑止することができ、ユーザはさらなるナビゲーションのために、内視鏡のワーキングチャネルを介して、より細径の操作可能なチャネルを挿入するように促されることができる。
【０１５１】
安全モードにおいて、プロセス７００のいくつかの実施形態では、器具の移動に制限を課す代わりに、器具の移動時の注意喚起を示す出力をユーザに提供してもよい。そのような出力はグラフィック（例えば、ディスプレイ上）、音声、または触覚（例えば、入力装置２０４を介した触覚フィードバック）による警告を含む。
【０１５２】
（ナビゲーションユーザインターフェース例の概要）
図８Ａおよび８Ｂは、本件開示の安全モードでの管腔ネットワークナビゲーション中に
ユーザに提示することができる例示的なユーザインタフェース８００Ａ、８００Ｂを示す。例えば、いくつかの実施形態では、ユーザインタフェース８００Ａ、８００Ｂを図２のディスプレイ２０２上に表示することができる。
【０１５３】
図８Ａは、患者の呼吸の呼気相中にユーザに提示することができる例示的なユーザインタフェース８００Ａを示す。例示的なユーザインタフェース８００は、警告８０５と、仮想ナビゲーションセクション８１０と、呼吸追跡セクション８２０とを含む。
【０１５４】
仮想ナビゲーションセクション８１０は、患者の気道８１２の視覚化と、気道を通るナビゲーション経路８１４の視覚化とを含む。上記の通り、これは、いくつかの実施形態では３Ｄモデルに基づくことができる。いくつかの実施形態では、仮想ナビゲーションセクション８１０は、代替的にまたは追加的に、内視鏡カメラから受信した画像を表示することができる。
【０１５５】
呼吸追跡セクション８２０は、患者の呼吸の波形８２２と、呼吸周期における現在の点を示すマーカ８２４とを含む。波形８２２において、正の勾配を有する波形の部分は吸気を表し、負の勾配を有する部分は呼気を表す。いくつかの実施形態は例えば、以前の呼吸数および／または人工呼吸器の周期のデータの呼吸数分析に基づいて、将来の呼吸の予測波形をさらに表示することができる。図示されているように、呼吸周期における現在の点は、呼気相に対応する。
【０１５６】
警告８０５は、呼気中にナビゲーションを一時停止するようにシステムのオペレータに警告する。いくつかの実施形態では、警告８０５が仮想ナビゲーションセクション８１０上に重ね合わされた追加の警告８１６を伴うことができる。他の実施形態ではディスプレイの色が変化してもよく、アラームが鳴ってもよく、入力ジョイスティックが振動してもよく、あるいはデバイスが安全モードで動作していることをユーザに警告するために、他の視覚、音声、または触覚による表示が提示されてもよい。いくつかの実施形態では、患者の気道への外傷を軽減するために、この状態では、ロボットシステム１１０のユーザ制御が無効にされてもよい。
【０１５７】
図８Ｂを参照すると、上記の所定の安全領域を通るナビゲーション中にユーザに提示することができる別の例示的なユーザインタフェース８００Ｂが示されている。ユーザインタフェース８００Ｂは、警告８０５と、仮想ナビゲーション部８１０と、モデル表示部８３０とを含む。
【０１５８】
上記の通り、仮想ナビゲーションセクション８１０は、患者の気道８１２の視覚化と、気道を通るナビゲーション経路８１４の視覚化とを含む。
【０１５９】
モデル表示セクション８３０は、現在位置マーカ８３２および安全領域マーカ８３４を有する３Ｄモデルのグラフィカル表現を含む。図示するように、現在位置８３２は安全領域８３４内にある。したがって、警告８０５は、警告領域をナビゲートしていることをシステムの操作者に警告する。この領域において呼気中にユーザがナビゲーションを一時停止するよう支援するために、さらなる警告が提示されてもよい。
【０１６０】
（代替のフィルタリング技術）
上記の通り、いくつかの実施形態は（ａ）所与の期間にわたって生のセンサデータを受信し、（ｂ）所与の期間にわたって呼吸速度を決定するために生のセンサデータ上で呼吸速度を決定する関数（例えば、フーリエ変換）を適用し、（ｃ）決定された呼吸速度に起因する生のセンサデータの成分を除去するために生のセンサデータにフィルタを適用するアプローチを利用することができる。ただし、これらのアプローチでは、（ａ）〜（ｃ）
による不要な遅滞が生じる可能性がある。（ａ）〜（ｃ）による遅滞を低減するために、いくつかの実施形態では、将来の期間の呼吸数を予測するための予測手法を利用することができる。１つの予測アプローチによれば、非線形カルマンフィルタ（拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）、非セントカルマンフィルタ（ＵＫＦ）、または非線形関数にカルマンフィルタを適用する他の適切なアプローチなど）を使用して、略リアルタイムでまたは実質的にリアルタイムで呼吸運動を予測することができる。本明細書において、「リアルタイム」とは、センサデータの取得の直後に適用される処理、例えば、処理されたデータが器具のナビゲーションのために使用されることができるように、十分に短い期間内に完了されるセンサデータに対する処理を意味する。ＥＫＦまたは複数のＥＫＦ（パッチに１つ、範囲に１つ）は、呼吸の振幅、指示、および位相をリアルタイムで識別することができる。実施形態によれば、電磁センサ、または任意の他の位置センサによって生成された生の電磁センサデータから、ＥＫＦまたはＥＫＦによって検出された呼吸運動を除去することができる。ＥＫＦは現在の期間の呼吸運動を予測するために、生センサデータの履歴データを処理することができる。予測された呼吸運動は次に、生のセンサデータ内の呼吸成分をフィルタリングして除去するために使用される。ＥＫＦまたは複数のＥＫＦ（パッチに１つ、範囲に１つ）は、呼吸の振幅、指示、および位相をリアルタイムで特定することができる。他の例示的な実施形態は、アルファ−ベータフィルタリング、ベイズフィルタリング、粒子フィルタリングなどの他の予測技術を使用することができる。
【０１６１】
（ロボットによる命令の補償）
いくつかの実施形態では、器具の動きが呼吸と同様の動きを示す場合がある。これらの動きを補償するために、呼吸速度（または任意の他の生理学的に誘発された動き）を検出および補償するための実施形態において、器具を制御（例えば、挿入、後退、関節運動）するために使用される命令された動きデータを使用して、その動きを呼吸速度として検出することを回避することができる。例えば、器具の動きが（命令されたデータによって決定可能である）所与のレートである場合、上述の実施形態は、センサデータにフィルタを適用して、その動きに起因するデータを除去することができる。
【０１６２】
（代替のセンサ種類）
上記の通り、器具の位置を決定するために電磁センサ使用することに加えて、他の実施形態は、他の適切なセンサタイプを使用してもよい。そのような位置センサは、形状感知ファイバ、加速度計、視覚検出アルゴリズム、ジャイロスコープ、または動きの特性を検出することができる任意の他の適切なセンサを含むことができる。
【０１６３】
（他の生理学的なノイズの補償）
本件開示の実施形態の多くは患者の呼吸数から生じるノイズを検出し、補償するが、他の実施形態は心拍数または任意の他の検出可能な特性、患者の他の生理学的特性によって生じるノイズを検出し、補償することができる。このような場合、心拍数が電磁データノイズを生成する可能性があるときは、これらの実施形態において、上記の手法を用いて、心拍数を検出し、心拍数によって生成されるノイズを除去することができる。患者が周期的な震えまたは身体運動を示す場合に起こり得る、他のノイズアーチファクトも検出することができる。
【０１６４】
（実装システムおよび用語）
本件開示の実施形態は、管腔ネットワークの改善されたナビゲーションのためのシステム、方法、および装置を提供する。
【０１６５】
本明細書で使用される用語「連結する」、「連結する」、「連結される」、または単語「連結される」の他の変更は、間接的な連結または直接的な連結のいずれかを示すことができることに留意されたい。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素に「連結」される
場合、第１の構成要素は、別の構成要素を介して第２の構成要素に間接的に連結されるか、または第２の構成要素に直接的に連結され得る。
【０１６６】
本明細書で説明されるロボット動作の作動機能は、プロセッサ可読媒体またはコンピュータ可読媒体上に１つまたは複数の命令として記憶することができる。用語「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータまたはプロセッサによってアクセス可能な任意の利用可能な媒体を意味する。限定ではなく例示として、そのような媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気ストレージデバイス、あるいは命令またはデータ構造の態様で所望のプログラムコードを格納するために使用することができ、コンピュータによってアクセス可能な任意の他の媒体を備えることができる。コンピュータ可読媒体は、有形かつ非一時的であってもよいことに留意されたい。本明細書で使用される「コード」という用語は、コンピューティングデバイスまたはプロセッサによって実行可能なソフトウェア、命令、コード、またはデータを意味することがある。
【０１６７】
本件開示の方法は、記載された方法を実現するための１つまたは複数のステップまたはアクションを備える。方法のステップおよび／または動作は、特許請求の範囲から逸脱することなく、入れ替えることができる。言い換えれば、記載の方法の適切な動作のために特定の順序のステップまたはアクションが必要とされない限り、特定のステップおよび／またはアクションの順序および／または使用は、特許請求の範囲から逸脱することなく変更することができる。
【０１６８】
本明細書で使用される場合、用語「複数」は、２つ以上であることを意味する。例えば、複数の構成要素は、２つ以上の構成要素を意味する。用語「決定すること」は種々の動作を包含し、したがって、「決定すること」には、計算すること、計算すること、処理すること、導出すること、調査すること、検索すること（例えば、表、データベース、または別のデータ構造を検索すること）、確認することなどが含まれる。また、「決定すること」には、受信すること（例えば、情報を受信すること）、アクセスすること（例えば、メモリ内のデータにアクセスすること）なども含まれる。また、「決定すること」には、解決すること、選択すること、選択すること、確立することなども含まれる。
【０１６９】
「に基づく」という語句は特に明記しない限り、「のみに基づく」ことを意味しない。言い換えれば、「に基づく」という語句は、「にのみ基づいて」および「少なくともに基づいて」の両者の説明である。
【０１７０】
開示の実施形態の上記説明は、当業者が本発明を製造または使用することを可能にするために提供されたものである。これらの実装に対する様々な変更は当業者に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実装に適用され得る。例えば、当業者は、器具の構成要素を固定、取り付け、連結、または係合などと同等の方法、特定の作動運動を生成するための同等の機構、および電気エネルギーを送達するための同等の機構などの、いくつかの対応する代替的および同等の構成内容を採用することができることが理解されるのであろう。したがって、本発明は、本明細書に示された実施に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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