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KR20180000733A - 영상 안내 수술에서의 상관 보상의 시스템 및 방법 - Google Patents

영상 안내 수술에서의 상관 보상의 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20180000733A
KR20180000733A KR1020177036585A KR20177036585A KR20180000733A KR 20180000733 A KR20180000733 A KR 20180000733A KR 1020177036585 A KR1020177036585 A KR 1020177036585A KR 20177036585 A KR20177036585 A KR 20177036585A KR 20180000733 A KR20180000733 A KR 20180000733A
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instrument
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series
anatomical
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빈센트 듀인댐
페데리코 바르바글리
티모씨 디 소퍼
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인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

컴퓨팅 시스템에 의해 수행되는 방법은, 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에서의 기구의 원위 부분에 대한 수집된 일련의 공간 정보를 수신하는 단계 및 기구의 원위 부분이 복수의 장소 각각에 있을 때의 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 수집된 일련의 공간 정보 및 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보에 기초하여 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하는 단계 및 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계를 포함한다.

Description

영상 안내 수술에서의 상관 보상의 시스템 및 방법
본 출원은 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 2015년 5월 22에 출원된 "SYSTEMS AND METHODS OF REGISTRATION FOR IMAGE GUIDED SURGERY"라는 제목의 미국 가특허 출원 62/165,249의 출원일에 대한 우선권 및 그 이점을 주장한다.
본 개시내용은 영상 안내 절차를 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 영상 안내 절차 동안 샘플링되는 조직에 대한 병리상태 데이터를 표시하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최소 침습 의료 기술은, 침습 의료 절차 중에 손상되는 조직의 양을 줄이고 그에 의해서 환자 회복 시간, 불편함, 및 유해한 부작용을 줄이기 위한 것이다. 그러한 최소 침습 기술은 환자의 해부구조 내의 자연적인 구멍을 통해서 또는 하나 이상의 수술 절개부를 통해서 실시될 수 있다. 이들 자연적인 구멍 또는 절개부를 통해, 임상의는 최소 침습 의료 기구(수술, 진단, 치료, 또는 생검 기구를 포함)를 표적 조직 장소에 도달하도록 삽입할 수 있다. 표적 조직 장소에의 도달을 보조하기 위해서, 의료 기구의 장소 및 이동은 환자 해부구조의 수술전 또는 수술중 영상과 상관될 수 있다. 영상 안내 기구가 영상과 상관되는 것에 의해, 기구는 폐, 결장, 장, 신장, 심장, 순환 계통 등과 같은 해부학적 계통 내의 자연적 또는 수술적으로 생성된 통로를 항행할 수 있다. 전자기 감사 추적 시스템을 포함하는 전통적인 기구 추적 시스템은 임상 환경 또는 작업흐름을 방해할 수 있다. 임상 방해를 최소화하면서 영상 안내 수술을 수행하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명의 실시예는 상세한 설명 이후의 청구항에 의해 요약된다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 시스템에 의해 수행되는 방법은, 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에서의 기구의 원위 부분에 대한 수집된 일련의 공간 정보를 수신하는 단계 및 기구의 원위 부분이 복수의 장소 각각에 있을 때의 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 수집된 일련의 공간 정보 및 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보에 기초하여 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하는 단계 및 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은, 기구의 원위 부분이 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에 있을 때 원격조작 조립체에 커플링된 의료 기구 내로 연장되는 광섬유 형상 센서로부터 일련의 공간 정보를 수집하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 기구의 원위 부분이 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에 있을 때 원격조작 조립체의 구동 시스템에 대한 위치 센서로부터의 일련의 위치 정보를 수신하는 단계, 및 기구의 원위 단부가 복수의 장소에 있을 때의 기구의 근위 부분에 대한 일련의 근위 위치 데이터를 결정하는 단계를 포함한다. 일련의 근위 위치 데이터는 위치 센서로부터의 위치 정보, 및 기구의 근위 부분이 따라서 이동하는 고정된 삽입 트랙과 위치 센서 사이의 교정 정보에 기초하여 결정된다. 상기 방법은 또한 수집된 일련의 공간 정보 및 일련의 근위 위치 데이터에 기초하여 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하는 단계 및 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 시스템은 조작자 제어 시스템 및 조작자 제어 시스템에 의한 원격조작을 위해 구성되는 조종기 조립체를 포함한다. 조종기는 수술 환경의 의료 기구의 이동을 제어하도록 구성된다. 시스템은 또한 하나 이상의 프로세서를 포함하는 처리 유닛을 포함한다. 처리 유닛은 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에서의 의료 기구의 원위 부분에 대한 수집된 일련의 공간 정보를 수신하고, 기구의 원위 단부가 복수의 장소에 있을 때의 의료 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보를 수신하도록 구성된다. 처리 유닛은 또한 수집된 일련의 공간 정보 및 의료 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보에 기초하여 의료 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하고, 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키도록 구성된다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명의 양자 모두는 오직 예시이고 설명인 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하지 않으면서 본 개시내용의 이해를 제공하도록 의도되는 것으로 이해해야 한다. 그와 관련하여, 본 개시내용의 추가적인 양태, 특징, 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확해질 것이다.
본 개시내용의 양태는, 첨부 도면과 함께 읽을 때, 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 다양한 형상들은 본 산업 분야의 표준 실무에 따라서 비율에 맞게 도시된 것은 아님을 강조한다. 사실상, 다양한 형상들의 크기들은 설명을 명확하게 하기 위해 임의로 늘이거나 줄일 수 있다. 또한, 본 개시내용은 여러 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간단함과 명료함을 위한 것이고 그 자체가 설명된 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 원격조작 의료 시스템이다.
도 2a는 본 개시내용의 양태를 이용하는 의료 기구 시스템을 도시한다.
도 2b는 연장된 의료 도구를 갖고 있는 도 2의 의료 기구 시스템의 원위 단부를 도시한다.
도 3은 인간 폐 내에 위치설정된 도 2의 의료 기구 시스템의 원위 단부를 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 영상 안내 수술 절차에서 안내를 제공하기 위해 사용되는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 개시내용의 실시예에 따른 상관을 위해 환자 해부구조의 모델을 생성하는 세그먼트화 프로세스의 단계를 도시한다.
도 6 및 도 7은 삽입 조립체에 장착된 의료 기구를 포함하는 수술 좌표 공간의 측면도이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 영상 안내 수술 절차의 일부의 흐름도를 도시한다.
도 9 및 도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 상관 기술을 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 영상 안내 수술 절차의 시딩(seeding) 프로세스를 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 상관 기술의 상관 표시 스테이지를 도시한다.
본 발명의 양태에 관한 이하의 상세한 설명에서, 개시된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해서, 수 많은 구체적인 상세 내용이 전개된다. 그러나, 통상의 기술자는, 이러한 구체적인 상세 내용이 없이도 본 개시내용의 실시예가 실시될 수 있다는 것을 명확하게 이해할 수 있다. 다른 경우에, 본 발명의 실시예의 양태를 불필요하게 불명확하게 하지 않기 위해서, 주지의 방법, 절차, 구성요소, 및 회로는 상세히 설명하지 않는다. 그리고, 불필요한 설명적 반복을 피하기 위해서, 가능한 경우, 하나의 예시적 실시예에 따라서 설명된 하나 이상의 구성요소 또는 작용은 다른 예시적 실시예에서 이용될 수 있거나 그로부터 생략될 수 있다.
이하의 실시예는 여러 가지 기구 및 기구의 부분을 3차원 공간 내에서의 그들의 상태와 관련하여 설명할 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "위치"는 3차원 공간(예를 들어, 데카르트 X, Y, Z 좌표를 따른 3개 병진 자유도)에서 대상물 또는 대상물의 일부의 장소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "배향"은 대상물 또는 대상물의 일부의 회전적 배치(3개 회전 자유도 - 예를 들어, 롤, 피치 및 요)를 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "자세"는 적어도 하나의 병진 자유도에서의 대상물 또는 대상물의 일부의 위치 및 적어도 하나의 회전 자유도에서의 대상물 또는 대상물의 일부의 배향(총 6 자유도까지)을 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "형상"은 대상물을 따라 측정된 일련의 자세, 위치 또는 배향을 지칭한다.
도면 중 도 1을 참고하면, 예를 들어 수술, 진단, 치료, 또는 생검 절차에서의 사용을 위한 원격조작 의료 시스템은 전체적으로 참조 번호 100으로 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원격조작 시스템(100)은 일반적으로 환자(P)에 대한 다양한 절차를 실행함에 있어서 의료 기구(104)를 조작하는 원격조작 조종기 조립체(102)를 포함한다. 조립체(102)는 수술대(O)에 또는 그 부근에 장착된다. 마스터 조립체(106)는 임상의 또는 외과의사(S)가 개입 부위를 관찰하고 종속 조종기 조립체(102)를 제어하는 것을 허용한다.
마스터 조립체(106)는, 통상적으로 수술대(O)와 동일한 방 안에 위치되는 외과의사의 콘솔에 위치될 수 있다. 그러나, 외과의사(S)는 환자(P)로부터 다른 방 또는 완전히 다른 건물에 위치할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 마스터 조립체(106)는 일반적으로 조종기 조립체(102)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수조작식 제어기, 음성 인식 장치, 신체 움직임 또는 존재 센서 등과 같은 임의의 수의 다양한 입력 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외과의사가 직접적으로 기구(104)를 제어하는 강한 느낌이 들도록, 제어 장치가 기구(104)와 일체라는 인식 또는 원격현존감(telepresence)을 외과의사에게 제공하기 위해 제어 장치에는 연관된 의료 기구(104)와 동일한 자유도가 제공될 것이다. 다른 실시예에서, 제어 장치가 연관된 의료 기구(104)보다 많거나 적은 자유도를 가질 수 있으면서 여전히 의사에게 원격 현장감을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 장치는 6개의 자유도로 이동하고, 그리고 또한 기구를 작동시키기 위한(예를 들어, 파지 턱부들(grasping jaws)을 폐쇄하기 위한, 전위를 전극에 인가하기 위한, 의료적 처리를 전달하기 위한, 또는 기타 등등을 위한) 작동 가능 핸들을 포함할 수 있는 수동 입력 장치이다.
원격조작 조립체(102)는 의료 기구 시스템(104)을 지지하며, 하나 이상의 비-서보 제어형 링크(예를 들어, 셋-업 구조물로서 일반적으로 지칭되는, 수동으로 배치되고 제 위치에서 결속될(locked) 수 있는 하나 이상의 링크)의 운동학적 구조물 및 원격조작 조종기를 포함할 수 있다. 원격조작 조립체(102)는 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(112))으로부터의 명령에 응답하여 의료 기구 시스템(104)에 대한 입력을 구동하는 복수의 액추에이터 또는 모터를 포함한다. 모터는, 의료 기구 시스템(104)에 결합될 때 의료 기구를 자연적으로 또는 수술적으로 생성된 해부학적 구멍으로 전진시킬 수 있는 구동 시스템을 포함한다. 다른 모터식(motorized) 구동 시스템이, 3개의 선형 운동도(degree of linear motion)(예를 들어, X, Y, Z 데카르트 축을 따른 선형 운동)를 포함할 수 있는 복수의 자유도로 그리고 3개의 회전 운동도(예를 들어, X, Y, Z 데카르트 축 주위의 회전)로 의료 기구의 원위 단부를 이동시킬 수 있다. 부가적으로, 모터를 이용하여, 생검 장치 등의 턱부 내에서 조직을 파지하기 위한 기구의 관절식 엔드 이펙터(articulable end effector)를 작동시킬 수 있다. 리졸버, 인코더, 전위차계 및 다른 기구 같은 모터 위치 센서가 모터 샤프트의 회전 및 배향을 설명하는 원격조작 조립체에 센서 데이터를 제공할 수 있다. 이 위치 센서 데이터는 모터에 의해 조작되는 대상물의 움직임을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 원격조작 의료 시스템(100)은 원격조작 조립체의 기구에 대한 정보를 수신하기 위해 하나 이상의 하위시스템을 갖는 센서 시스템(108)을 포함한다. 이런 하위시스템은 위치 센서 시스템(예를 들어, 전자기(EM) 센서 시스템); 기구 시스템(104)의 가요성 본체를 따른 하나 이상의 세그먼트 및/또는 카테터 팁의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세 및/또는 형상을 결정하기 위한 형상 센서 시스템; 및/또는 카테터 시스템의 원위 단부로부터 영상을 포착하기 위한 가시화 시스템을 포함할 수 있다.
가시화 시스템(예를 들어, 도 2a의 가시화 시스템(231))은 수술 부위의 동시 또는 실시간 영상을 기록하며 그 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제공하는 관찰 스코프 조립체를 포함할 수 있다. 동시 영상은 예를 들어 수술 부위 내에 위치설정되는 내시경에 의해 포착되는 2차원 또는 3차원 영상일 수 있다. 본 실시예에서, 가시화 시스템은 의료 기구(104)에 일체로 또는 제거가능하게 결합될 수 있는 내시경 구성요소를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 개별적인 조종기 조립체에 부착되는 개별적인 내시경이 수술 부위를 영상화하기 위해 의료 기구와 함께 사용될 수 있다. 가시화 시스템은 제어 시스템(112)(이하에서 설명됨)의 프로세서를 포함할 수 있는 1개 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작용하거나 그것에 의해 다른 방식으로 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제어 시스템(112)의 프로세서는 본원에 개시된 프로세스에 대응하는 명령어를 실행할 수 있다.
또한, 원격조작 의료 시스템(100)은 수술 부위의 영상 또는 표현을 표시하기 위한 표시 시스템(110)과, 센서 시스템(108)의 하위시스템에 의해 생성된 의료 기구 시스템(들)(104)을 포함할 수 있다. 표시장치(110)와 조작자 입력 시스템(106)은 조작자가 원격현존감을 인지하면서 조작자 입력 시스템(106)과 의료 기구 시스템(104)을 제어할 수 있도록 배향될 수 있다.
표시 시스템(110)은 또한 가시화 시스템에 의해 포착된 수술 부위 및 의료 기구의 영상을 표시할 수 있다. 표시장치(110) 및 제어 장치는, 조작자가 마치 실질적으로 실존하는 작업공간을 관찰하는 것처럼 의료 기구(104) 및 손 제어를 조종할 수 있도록, 스코프 조립체 및 의료 기구 내의 영상화 장치의 상대 위치가 외과의사의 눈 및 손의 상대 위치와 유사하도록 배향될 수 있다. 실존은, 영상의 제시가 기구(104)를 물리적으로 조종하고 있는 조작자의 관점을 모사하는 실제적 원근 영상인 것을 의미한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 표시장치(110)는 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 또는 나노튜브 X-선 영상화 같은 영상화 기술로부터의 영상 데이터를 수술전 또는 수술중에 사용하여 기록된 수술 부위의 영상을 제시할 수 있다. 수술전 또는 수술중 영상 데이터는 2차원, 3차원 또는 4차원(예를 들어, 시간 기반 또는 속도 기반 정보 포함) 영상으로서 또는 수술전 또는 수술중 영상 데이터 세트로부터 생성되는 모델로부터의 영상으로서 제시될 수 있다.
대개 영상화 안내 수술 절차의 목적을 위한 일부 실시예에서, 표시장치(110)는, 의료 기구(104)의 팁의 장소의 관점으로부터의 내부 수술 부위의 가상 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제시하도록 수술전 또는 동시성 영상/모델과 의료 기구(104)의 실제 장소가 상관되는(예를 들어, 동적으로 참조되는) 가상 항행 영상을 표시할 수 있다. 기구(104)의 팁의 영상 또는 다른 그래픽 또는 문자숫자 지시자가 의료 기구를 제어하는 외과의사를 보조하기 위해 가상 영상에 중첩될 수 있다. 대안적으로, 기구(104)는 가상 영상에서 보이지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 표시장치(110)는 외부 관점으로부터 수술 부위 내의 의료 기구의 가상 영상을 임상의 또는 외과의사(S)에게 제시하기 위해 의료 기구의 실제 장소가 수술전 또는 동시성 영상과 상관되어 있는 가상 항행 영상을 표시할 수 있다. 의료 기구 또는 다른 그래픽 또는 문자숫자 지시자의 일부의 영상이 기구(104)를 제어하는 외과의사를 보조하기 위해 가상 영상에 중첩될 수 있다.
원격조작 의료 시스템(100)은 또한 제어 시스템(112)을 포함한다. 제어 시스템(112)은 의료 기구 시스템(104), 조작자 입력 시스템(106), 센서 시스템(108), 및 표시 시스템(110) 사이의 제어를 실행하기 위해서 적어도 하나의 메모리 및 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서(도시되지 않음), 통상적으로는 복수의 프로세서를 포함한다. 또한, 제어 시스템(112)은, 표시 시스템(110)에 병리학적 정보를 제공하기 위한 명령어를 포함하여, 본원에 개시된 양태에 따라 설명된 방법 중 일부나 모두를 구현하기 위해 프로그램된 명령어(예를 들어, 명령어를 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체)를 포함한다. 제어 시스템(112)은 도 1의 단순화된 개요에서 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 시스템은 둘 이상의 데이터 처리 회로를 포함할 수 있는데, 처리의 일 부분은 선택적으로 원격조작 조립체(102) 상에서 또는 그 부근에서 실행되고, 처리의 다른 부분은 조작자 입력 시스템(106)에서 실행되는 등등일 수 있다. 매우 다양한 중앙집중형 또는 분산형 데이터 처리 아키텍처 중 임의의 것이 이용될 수 있다. 유사하게, 프로그래밍된 명령어는 많은 수의 분리된 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수 있거나, 그러한 명령어가 본원에서 설명된 원격조작 시스템의 많은 수의 다른 양태 내로 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(112)은 블루투스, IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT, 및 무선 텔레메트리(Wireless Telemetry)와 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.
일부 실시예에서, 제어 시스템(112)은 의료 기구 시스템(104)으로부터 힘 및/또는 토크 피드백을 수신하는 하나 이상의 서보 제어기를 포함할 수 있다. 피드백에 응답하여, 서보 제어기는 조작자 입력 시스템(106)으로 신호를 송신한다. 서보 제어기(들)는 또한 신체 내의 개구부를 통해서 환자 신체 내의 내부 수술 부위로 연장되는 의료 기구 시스템(들)(104)을 이동시키기 위해서 원격조작 조립체(102)에 지시를 내리는 신호를 송신할 수 있다. 임의의 적합한 통상적인 또는 특별한 서보 제어기가 이용될 수 있다. 서보 제어기는 원격조작 조립체(102)와 분리될 수 있거나, 그와 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 서보 제어기 및 원격조작 조립체는 환자의 신체에 인접하여 배치되는 원격조작 아암 카트(teleoperational arm cart)의 일부로서 제공된다.
제어 시스템(112)은, 영상 안내 수술 절차에서 사용될 때 의료 기구 시스템(들)(104)에 대한 항행 보조를 제공하기 위해 가상 가시화 시스템을 더 포함할 수 있다. 가상 가시화 시스템을 사용한 가상 항행은 해부학적 통로의 취득된 수술전 또는 수술중 데이터세트에 대한 참조에 기초한다. 더 구체적으로, 가상 가시화 시스템은 컴퓨터화 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 나노튜브 X-선 영상화 등과 같은 영상화 기술을 사용하여 영상화된 수술 부위의 영상을 처리한다. 기록된 영상을 부분적 또는 전체적 해부학적 장기 또는 해부학적 구역의 세그먼트화된 2차원 또는 3차원 복합 표현으로 변환하기 위해 소프트웨어가 단독 또는 수동 입력과 조합되어 사용된다. 영상 데이터 세트는 복합 표현과 연관된다. 복합 표현 및 영상 데이터 세트는 통로의 다양한 장소 및 형상과 그 연결성을 설명한다. 복합 표현을 생성하기 위해 사용되는 영상은 임상 절차 동안 수술전에 또는 수술중에 기록될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 가상 가시화 시스템은 표준 표현(즉, 환자에 특정되지 않음) 또는 표준 표현과 환자 특정 데이터의 혼합을 사용할 수 있다. 복합 표현 및 복합 표현에 의해 생성된 임의의 가상 영상은 하나 이상의 운동 단계 동안(예를 들어, 폐의 흡기/호기 주기 동안)의 변형가능한 해부학적 구역의 정적 자세를 표현할 수 있다.
가상 항행 절차 동안, 센서 시스템(108)은 환자 해부구조에 관한 기구의 근사 장소를 연산하기 위해 사용될 수 있다. 상기 장소는 환자 해부구조의 거시 수준 (외부) 추적 영상 및 환자 해부구조의 가상 내부 영상의 양자 모두를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 의료 기기를 수술전 기록된 수술 영상, 예컨대 가상 가시화 시스템으로부터의 영상과 상관시키고 그것과 함께 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 번호 13/107,562(2011년 5월 13일 출원)("Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery"를 개시)는 한 가지 이러한 시스템을 개시하고 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
원격조작 의료 시스템(100)은 조명 시스템, 조향 제어 시스템, 관류(irrigation) 시스템, 및/또는 흡입 시스템과 같은 선택적인 동작 및 지원 시스템(미도시)을 더 포함할 수 있다. 대안 실시예에서, 원격조작 시스템은 하나보다 많은 원격조작 조립체 및/또는 하나보다 많은 조작자 입력 시스템을 포함할 수 있다. 조종기 조립체의 정확한 수는 다른 인자들 중에서, 수술 절차 및 수술실 내의 공간적 제약에 의존할 것이다. 조작자 입력 시스템들은 함께 위치될 수 있거나, 분리된 장소들에 배치될 수 있다. 복수의 조작자 입력 시스템은 한 명보다 많은 조작자가 하나 이상의 조종기 조립체를 다양한 조합으로 제어할 수 있게 한다.
도 2a는 원격조작 의료 시스템(100)에 의해 실행되는 영상 안내 의료 절차에서 의료 기구 시스템(104)으로서 사용될 수 있는 의료 기구 시스템(200)을 예시한다. 대안적으로, 의료 기구 시스템(200)은 비-원격조작 탐사 절차에 또는 내시경 검사와 같이 전형적인 수동 조작식 의료 기구를 수반하는 절차에 사용될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 의료 기구 시스템(200)은 환자 해부구조 통로에 있어서의 장소에 대응하는 일련의 데이터 지점을 수집(즉, 측정)하기 위해 사용될 수 있다.
기구 시스템(200)은 기구 본체(204)에 결합된 카테터 시스템(202)을 포함한다. 카테터 시스템(202)은 근위 단부(217) 및 원위 단부 또는 팁부(218)를 갖는 세장형의 가요성 카테터 본체(216)를 포함한다. 일 실시예에서, 가요성 본체(216)는 대략 3mm의 외부 직경을 갖는다. 다른 가요성 본체 외부 직경은 더 크거나 더 작을 수도 있다. 카테터 시스템(202)은 원위 단부(218)에서의 카테터 팁의 그리고/또는 본체(216)를 따르는 하나 이상의 세그먼트(224)의 위치, 배향, 속력, 속도, 자세 및/또는 형상을 결정하기 위한 형상 센서(222)를 선택적으로 포함할 수도 있다. 원위 단부(218)와 근위 단부(217) 사이의 본체(216)의 전체 길이는 세그먼트(224)로 효과적으로 분할될 수도 있다. 기구 시스템(200)이 원격조작 의료 시스템(100)의 의료 기구 시스템(104)인 경우, 형상 센서(222)는 센서 시스템(108)의 구성요소일 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동적으로 조작되거나 다른 방식으로 비-원격조작 절차를 위해 사용되는 경우, 형상 센서(222)는 형상 센서에 질의하고 수신된 형상 데이터를 처리하는 추적 시스템(230)에 결합될 수 있다.
형상 센서(222)는 (예컨대, 내부 채널(도시되지 않음)의 내부에 제공된 또는 외부에 장착된) 가요성 카테터 본체(216)와 정렬된 광섬유를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유는 대략 200㎛의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 치수는 더 크거나 더 작을 수도 있다. 형상 센서 시스템(222)의 광섬유는 카테터 시스템(202)의 형상을 결정하기 위한 광섬유 굴곡 센서를 형성한다. 일 대안에서, FBG(Fiber Bragg Grating)를 포함하는 광섬유가 1개 이상의 차원으로 구조의 변형 측정을 제공하기 위해 사용된다. 3차원으로 광섬유의 형상 및 상대 위치를 감시하는 다양한 시스템 및 방법이 미국 특허 출원 번호 11/180,389(2005년 7월 13일 출원)("Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto"를 개시), 미국 특허 출원 번호 12/047,056(2004년 7월 16일 출원)("Fiber-optic shape and relative position sensing"를 개시), 및 미국 특허 번호 6,389,187(1998년 6월 17일 출원)("Optical Fibre Bend Sensor"를 개시)에 설명되어 있으며, 이들은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다. 대안적인 실시예의 센서는 레일리 산란(Rayleigh scattering), 라만 산란(Raman scattering), 브릴루앙 산란(Brillouin scattering), 및 형광 산란(Fluorescence scattering) 같은 다른 적절한 변형 감지 기술을 채용할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 카테터의 형상은 다른 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 카테터의 원위 팁 자세의 이력이 시간 간격에 걸친 장치의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 호흡 같은 교번적인 운동의 주기를 따른 기구 시스템의 공지된 지점에 대한 이력적 자세, 위치, 또는 배향 데이터가 저장될 수 있다. 이 저장된 데이터는 카테터에 대한 형상 정보를 제작하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 카테터를 따라 위치설정되는 EM 센서 같은 일련의 위치 센서가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 절차 동안의 기구 시스템 상의 전자기(EM) 센서 같은 위치 센서로부터의 데이터의 이력이, 특히 해부학적 통로가 일반적으로 정적인 경우에, 기구의 형상을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 외부 자기장에 의해 제어되는 위치 또는 배향을 갖는 무선 장치가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 무선 장치의 위치의 이력은 항행되는 통로에 대한 형상을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
의료 기구 시스템은 위치 센서 시스템(220)을 선택적으로 포함할 수도 있다. 위치 센서 시스템(220)은 외부에서 발생된 전자기장이 인가될 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함하는 센서(220)를 갖춘 EM 센서 시스템의 구성요소일 수도 있다. EM 센서 시스템(220)의 각각의 코일은 외부적으로 발생된 전자기장에 대한 코일의 위치 및 배향에 의존하는 특성을 갖는 유도 전기 신호를 생성한다. 일 실시예에서, EM 센서 시스템은 6개의 자유도, 예를 들어 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 기초 지점의 피치, 요, 및 롤을 지시하는 3개의 배향 각도 또는 5개의 자유도, 예를 들어 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 기초 지점의 피치 및 요를 지시하는 2개의 배향 각도를 측정하도록 구성 및 위치설정될 수 있다. EM 센서 시스템의 추가적인 설명이 미국 특허 번호 6,380,732(1999년 8월 11일 출원)("Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked"를 개시)에 제공되어 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다. 일부 실시예에서, 형상 센서는, 센서의 형상이 (환자의 고정된 좌표계에서의) 형상 센서의 기부의 위치에 대한 정보와 함께 원위 팁을 포함하는 형상 센서를 따른 다양한 지점의 장소가 계산되는 것을 허용하기 때문에, 위치 센서로서도 기능할 수 있다.
추적 시스템(230)은 기구(200)를 따른 1개 이상의 세그먼트(224) 및 원위 단부(218)의 위치, 배향, 속력, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위한 위치 센서 시스템(220) 및 형상 센서 시스템(222)을 포함할 수 있다. 추적 시스템(230)은 제어 시스템(112)의 프로세서를 포함할 수 있는 1개 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호작용하거나 또는 그것에 의해 다른 방식으로 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합으로서 구현될 수 있다.
가요성 카테터 본체(216)는 의료 기구(226)를 수용하도록 크기설정 및 형성되는 채널(221)을 포함한다. 의료 기구는 예를 들어 영상 포착 프로브, 생검 기구, 레이저 절제 섬유, 또는 다른 수술, 진단, 또는 치료 도구를 포함할 수 있다. 의료 도구는 스칼펠(scalpel), 무딘 블레이드, 광섬유, 또는 전극 같은 단일 작업 부재를 갖는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 다른 엔드 이펙터는 예컨대, 겸자, 파지기, 가위 또는 클립 적용기를 포함할 수도 있다. 전기 작동식 엔드 이펙터의 예는 전기 수술용 전극, 변환기, 센서 등을 포함한다. 다양한 실시예에서, 의료 도구(226)는 표시를 위해 가시화 시스템(231)에 의해 처리되는 영상(비디오 영상을 포함)을 포착하기 위한 가요성 카테터 본체(216)의 원위 단부(218)의 또는 그 부근의 스테레오스코픽 또는 모노스코픽(monoscopic) 카메라를 갖는 원위 부분을 포함하는 영상 포착 프로브일 수 있다. 영상 포착 프로브는 포착된 영상 데이터를 전송하기 위한 카메라에 결합된 케이블을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 영상 포착 기구는 가시화 시스템에 결합되는 파이버스코프 같은 광섬유 번들일 수 있다. 영상 포착 기구는 예컨대, 가시, 적외선 또는 자외선 스펙트럼 중 하나 이상으로 영상 데이터를 포착하는 단일 또는 다중 스펙트럼식일 수도 있다.
의료 기구(226)는 기구의 원위 단부를 제어가능하게 굴곡시키기 위해 기구의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 케이블, 연동구, 또는 다른 작동 제어부(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. 조향가능 기구가 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 포함되는 미국 특허 번호 7,316,681(2005년 10월 4일자로 출원됨)("Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity"를 개시하고 있음) 및 미국 특허 출원 번호 12/286,644(2008년 9월 30일자로 출원됨)("Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments"를 개시하고 있음)에 상세히 기재되어 있다.
가요성 카테터 본체(216)는 또한 예를 들어 원위 단부의 파선 표시(219)에 의해 도시된 바와 같이 원위 단부(218)를 제어가능하게 굴곡시키기 위해 하우징(204)과 원위 단부(218) 사이에서 연장되는 케이블, 연동구, 또는 다른 조향 제어부(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. 조향가능 카테터가 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 포함되는 미국 특허 출원 번호 13/274,208(2011년 10월 14일자로 출원됨)("Catheter with Removable Vision Probe"를 개시하고 있음)에 상세히 기재되어 있다. 기구 시스템(200)이 원격조작 조립체에 의해 작동되는 실시예에서, 하우징(204)은, 원격조작 조립체의 동력화 구동 요소에 제거가능하게 결합되고 그리고 이 동력화 구동 요소로부터 동력을 수신하는 구동 입력부를 포함할 수 있다. 기구 시스템(200)이 수동으로 조작되는 실시예에서, 하우징(204)은 기구 시스템의 운동을 수동으로 제어하기 위해 파지 특징부, 수동 액추에이터 또는 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 카테터 시스템은 조향가능할 수도 있거나, 또는 대안적으로 카테터 시스템은 기구 굴곡의 조작자 제어를 위한 어떤 통합된 기구도 없어 조향불가능할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 루멘이 가요성 본체(216)의 벽 내에 형성되는데, 이 루멘을 통해 의료 기구가 전개되어 표적 수술 장소에서 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 의료 기구 시스템(200)은 폐의 진찰, 진단, 생검 또는 치료에서의 사용을 위한 기관지경 또는 기관지 카테터와 같은 가요성 기관지 기구를 포함할 수도 있다. 시스템(200)은 또한 결장, 장, 신장, 뇌, 심장, 순환 계통 등을 포함하는 다양한 해부학적 계통 중의 어떤 것의 자연적인 또는 수술적으로 생성된 연결 통로를 통한 다른 조직의 항행 및 치료에 적합하다.
추적 시스템(230)으로부터의 정보는, 그것이 기구(200)의 제어에서의 사용을 위해 표시 시스템(110) 상에서 외과의사 또는 다른 조작자에게 실시간 위치 정보를 제공하기 위해 가시화 시스템(231)으로부터의 정보 및/또는 수술전 획득 모델과 조합되는, 항행 시스템(232)에 송신될 수 있다. 제어 시스템(112)은 기구(200)를 위치설정하기 위한 피드백으로서의 위치 정보를 이용할 수 있다. 수술 기구를 수술 영상과 상관시키고 표시하기 위해 광섬유 센서를 사용하는 다양한 시스템이 "Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery"를 개시하고 있는 2011년 5월 13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/107,562에 제공되어 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
도 2a의 실시예에서, 기구(200)는 원격조작 의료 시스템(100) 내에서 원격조작된다. 대안적인 실시예에서, 원격조작 조립체(102)는 직접 조작자 제어부로 대체될 수도 있다. 직접 조작 대안에서는, 다양한 핸들과 조작자 인터페이스가 기구의 핸드-헬드(hand-held) 조작을 위해 포함될 수도 있다.
대안적인 실시예에서, 원격조작 시스템은 1개 초과의 종속 조종기 조립체 및/또는 1개 초과의 마스터 조립체를 포함할 수 있다. 조종기 조립체의 정확한 개수는 다른 인자 중 의료 절차 및 수술실 내의 공간 제약에 의존할 것이다. 마스터 조립체는 함께 위치되거나 별개의 장소에 위치설정될 수 있다. 다수의 마스터 조립체는 1명 초과의 조작자가 1개 이상의 종속 조종기 조립체를 다양한 조합으로 제어하는 것을 허용한다.
도 2b에 더 상세하게 도시된 바와 같이, 수술, 생검, 절제, 조명, 관류, 또는 흡입과 같은 절차를 위한 의료 도구(들)(228)가 가요성 본체(216)의 채널(221)을 통해 전개될 수 있고 해부구조 내의 표적 장소에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도구(228)가 생검 기구인 경우, 이것은 표적 해부학적 장소로부터의 샘플 조직의 제거 또는 세포의 샘플링을 위해 사용될 수 있다. 의료 도구(228)는 또한 가요성 본체(216) 내에 있는 영상 포착 프로브와 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 도구(228)는 그 자체가 영상 포착 프로브일 수 있다. 도구(228)는 절차를 실행하기 위해 채널(221)의 개구로부터 전진되고 그 후 절차가 완료되면 채널 안으로 후퇴될 수 있다. 의료 도구(228)는 카테터 가요성 본체의 근위 단부(217)로부터 또는 가요성 본체를 따른 다른 선택적인 기구 포트(도시되지 않음)로부터 제거될 수 있다.
도 4는 환자 해부구조의 해부학적 통로 내에 위치설정된 카테터 시스템(202)을 도시한다. 본 실시예에서, 해부학적 통로는 인간 폐의 기도이다. 대안적인 실시예에서, 카테터 시스템(202)은 해부구조의 다른 통로에서 사용될 수 있다.
도 4는 영상 안내 수술 절차에서의 사용을 위한 일반적인 방법(450)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 452에서, 수술전 또는 수술중 영상 데이터가 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기 공명 영상화(MRI), 형광투시, 열조영, 초음파, 광 간섭 단층촬영(OCT), 열 영상화, 임피던스 영상화, 레이저 영상화, 또는 나노튜브 X-선 영상화 같은 영상화 기술로부터의 획득된다. 수술전 또는 수술중 영상 데이터는 2차원, 3차원 또는 4차원(예를 들어, 시간 기반 또는 속도 기반 정보 포함) 영상에 대응할 수 있다. 예를 들어, 영상 데이터는 도 3의 인간 폐(201)를 나타낼 수 있다. 프로세스 454에서, 컴퓨터 소프트웨어가 단독으로 또는 수동 입력과 조합되어 기록된 영상을 부분적 또는 전체적 해부학적 장기 또는 해부학적 구역의 세그먼트화된 2차원 또는 3차원 복합 표현 또는 모델로 변환하기 위해 사용된다. 복합 표현 및 영상 데이터 세트는 통로의 다양한 장소 및 형상과 그 연결성을 설명한다. 더 구체적으로는, 세그먼트화 프로세스 동안, 영상은 색, 밀도, 강도, 및 질감 같은 소정의 특징 또는 계산된 특성을 공유하는 세그먼트 또는 요소(예를 들어, 픽셀 또는 복셀)로 구획된다. 이 세그먼트화 프로세스에 의해 획득된 영상에 기초하여 표적 해부구조의 모델을 형성하는 2차원 또는 3차원 재구성이 이루어진다. 모델을 표현하기 위해서, 세그먼트화 프로세스는 표적 해부구조를 표현하는 복셀의 세트를 표현할 수 있고 그 후 복셀을 에워싸는 3D 표면을 획득하기 위해 마칭 큐브(marching cube) 기능 같은 기능을 적용할 수 있다. 이 세그먼트화 프로세스는 획득된 영상에 기초하여 표적 해부구조의 모델을 형성하는 2차원 또는 3차원 재구성으로 이어진다. 모델을 표현하기 위해서, 세그먼트화 프로세스는 표적 해부구조를 표현하는 복셀의 세트를 표현할 수 있고 그 후 복셀을 에워싸는 3D 표면을 획득하기 위해 마칭 큐브 기능 같은 기능을 적용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 모델은 모델화된 통로의 중심을 통해 연장되는 일련의 상호연결 라인 세그먼트 또는 지점을 포함하는 중심선 모델을 포함할 수 있다. 모델이 일련의 상호연결된 세그먼트를 포함하는 중심선 모델을 포함하는 경우, 이들 선 세그먼트는 클라우드 또는 지점의 세트로 변환될 수 있다. 선 세그먼트를 변환함으로써, 상호연결된 선 구분에 대응하는 원하는 양의 지점이 수동적으로 또는 자동으로 선택될 수 있다. 프로세스 456에서, 해부학적 모델 데이터는 환자에 대한 영상 안내 수술 절차의 과정 전에 및/또는 그 과정 동안 환자 해부구조에 상관된다. 일반적으로, 상관은 강체 및/또는 비강체 변환의 사용을 통한 모델의 지점에 대한 측정된 지점의 매칭을 수반한다. 측정된 지점은 해부구조의 랜드마크(landmark), 절차 동안 스캐닝되고 추적된 전자기 코일, 또는 형상 센서 시스템을 사용하여 생성될 수 있다. 측정된 지점은 도 6 및 본 개시내용의 그밖의 부분에 상세하게 기재된 반복적 최근접 포인트(ICP) 기술에서의 사용을 위해 생성될 수 있다. 다른 지점 세트 상관 방법이 또한 본 개시내용의 범위 내의 상관 프로세스에서 사용될 수 있다.
영상 안내 수술에서의 사용을 위한 다른 상관 방법은 종종 전자기 또는 임피던스 감지에 기초한 기술의 사용을 수반한다. 수술 환경에서 사용되는 금속 물체 또는 소정 전자 장치는 감지된 데이터의 품질을 손상시키는 방해를 생성할 수 있다. 다른 상관 방법은 임상 작업흐름을 방해할 수 있다. 이하에 기재된 시스템 및 방법은 ICP, 또는 다른 지점 세트 상관 알고리즘, 및 광섬유 형상 센서를 갖는 지점 수집 기구의 교정된 이동에 기초하여 상관을 수행하며, 따라서 수술 환경에서의 분열을 제거 또는 최소화한다. 수술전 모델 또는 다른 양식을 사용하여 획득된 모델에 일련의 측정된 지점을 상관시키기 위해서 다른 상관 기술이 사용될 수 있다. 이하에 기재된 실시예에서, 환자 및 기구 상의 EM 센서 및 기수를 위한 광학 추적 시스템이 제거될 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 4에 도시된 일반적 방법(450)의 단계의 일부를 도시한다. 도 5a는 수술전 또는 수술중 영상화 데이터로부터 생성된 일련의 해부학적 통로의 세그먼트화된 모델(502)을 도시한다. 본 실시예에서, 통로는 인간 폐의 기도이다. 자연적으로 발생하는 제한 또는 조작자에 의해 설정되는 제한으로 인해, 세그먼트화된 모델(502)은 인간 폐 내에 존재하는 모든 통로를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 폐의 비교적 좁고 및/또는 원위측의 통로는 세그먼트화된 모델(502)에 충분히 포함되지 않을 수 있다. 세그먼트 모델(502)은 폐의 통로 또는 내부 루멘을 형성하는 벽을 포함하는 메쉬 모델 같은 3차원 모델일 수 있다.
세그먼트화된 모델(502)에 기초하여, 중심선 세그먼트화된 모델(504)이 도 5b에 도시된 바와 같이 생성될 수 있다. 중심선 세그먼트화된 모델(504)은 세그먼트화된 모델(502)에 포함되는 통로의 근접 중심에 대응하는 일련의 곡선 또는 일련의 3차원 직선을 포함할 수 있다. 모델의 해상도가 높을수록, 일련의 직선 또는 곡선은 통로의 중심선에 더 정확하게 대응할 수 있다. 중심선 세그먼트화된 모델(504)로 폐를 표현하는 것은 통로의 벽을 표현하는 세그먼트화된 모델(502)의 데이터 세트보다 하나 이상의 프로세서 또는 처리 코어에 의해 더 효율적으로 처리되는 더 적은 일련의 데이터를 제공한다. 이러한 방식에서, 제어 시스템(112)의 기능화는 향상될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 중심선 세그먼트화된 모델(504)은 몇몇 분기 지점을 포함하며, 이들 중 일부는 도 5b에서 가시성을 위해 강조되어 있다. 분기 지점(A, B, C, D, 및 E)이 수개의 분기 지점 각각에 나타나 있다. 분기 지점 A는 기관이 좌측 및 우측 주 기관지로 분할되는 모델의 지점을 표현할 수 있다. 우측 주 기관지는 분기 지점 A와 B 사이에 위치되는 바와 같은 중심선 세그먼트 모델(504)에서 식별될 수 있다. 마찬가지로, 부 기관지는 분기 지점 B와 C 사이 및 분기 지점 B와 E 사이에 의해 식별된다. 분기 지점 C와 D 사이에 다른 생성부가 형성될 수 있다. 이들 생성부 각각은 대응하는 통로의 루멘의 직경의 표현과 연관될 수 있다. 일부 실시예에서, 중심선 모델(504)은 각각의 세그먼트화된 생성부의 평균 직경값을 포함할 수 있다. 평균 직경값은 환자 특정값 또는 다수의 환자로부터 유도되는 더 일반적인 값일 수 있다.
일부 실시예에서, 중심선 세그먼트화된 모델(504)은 연속적인 선보다는 3차원 공간의 지점의 클라우드, 세트 또는 모임으로서의 데이터로 표현된다. 도 5c는 일련의 지점(506)으로서의 중심선 세그먼트화된 모델(504)을 도시한다. 데이터에서, 일련의 모델 지점의 각 지점은 일련의 (XM, YM, ZM), 좌표들 또는 3차원 공간의 각 지점의 장소를 식별하는 다른 좌표들과 같은 좌표를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각 지점은 그 지점이 어느 통로 생성부와 연관되는지 및/또는 중심선 세그먼트화된 모델(504)의 그 부분과 연관된 직경 또는 반경 값을 식별하는 생성부 식별자를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 주어진 지점과 연관된 반경 또는 직경을 설명하는 정보는 별개의 데이터 세트의 일부로서 제공될 수 있다.
중심선 세그먼트화된 모델(504)이 도 5c에 도시된 바와 같이 생성되고 일련의 지점(506)으로서의 데이터에 저장된 후에, 중심선 세그먼트화된 모델(504)은 영상 안내 수술 절차에서의 사용을 위해 데이터 스토리지로부터 회수될 수 있다. 영상 안내 수술 절차에서 중심선 세그먼트화된 모델(504)을 사용하기 위해서, 모델(504)은 모델(504)의 모델화된 통로를 수술 환경에 존재하는 바와 같은 환자의 실제 해부구조와 연관시키도록 상관될 수 있다. 지점 세트 상관에서의 모델(504)의 사용은 모델(504)으로부터의 일련의 지점(506)을 사용하는 것을 포함한다.
도 6a 및 도 6b는, 환자(P)가 플랫폼(602)에 위치설정되어 있는, 수술 좌표계(XS, YS, ZS)를 갖는 일부 실시예에 따른 예시적인 수술 환경(600)을 도시한다. 환자(P)는 총체적 환자 이동이 진정, 구속 또는 다른 수단에 의해 제한된다는 의미에서 수술 환경에서 정지상태일 수 있다. 환자(P)의 호흡 및 심장 움직임을 포함하는 주기적인 해부학적 움직임이 계속된다. 수술 환경(600) 내에서, 지점 수집 기구(604)가 기구 캐리지(606)에 커플링된다. 다양한 실시예에서, 지점 수집 기구(604)는 EM 센서, 형상 센서, 및/또는 다른 센서 양식을 사용할 수 있다. 기구 캐리지(606)는 수술 환경(600) 내에 고정된 삽입 스테이지(608)에 장착된다. 대안적으로, 삽입 스테이지(608)는 이동가능하지만 수술 좌표계 내의 알려진 위치(예를 들어, 추적 센서 또는 다른 추적 장치를 통해)를 가질 수 있다. 기구 캐리지(606)는 삽입 움직임(즉, XS 방향의 움직임) 및 선택적으로는 요, 피치 및 롤을 포함하는 다중 방향으로의 기구의 원위 단부의 움직임을 제어하기 위해 기구(604)에 결합되는 원격조작 조종기 조립체(예를 들어, 조립체(102))의 구성요소일 수 있다. 기구 캐리지(606) 또는 삽입 스테이지(608)는 삽입 스테이지를 따른 기구 캐리지의 움직임을 제어하는 서보모터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
지점 수집 기구(604)는 근위 강성 기구 본체(612)에 커플링된 가요성 카테터(610)를 포함할 수 있다. 강성 기구 본체(612)는 기구 캐리지(606)에 대해 커플링 및 고정된다. 도시된 실시예에서, 광섬유 형상 센서(614)가 강성 기구 본체(612) 상의 근위 참조 지점(616)에 고정된다. 본 실시예에서, 참조 지점(616)은 환자 해부학적 통로의 외부에 위치되지만, 대안적인 실시예에서 참조 지점은 환자 내에서 이동할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 센서(614)의 지점(616)은 본체(612)를 따라 이동가능할 수 있지만, 지점의 위치는 공지일 수 있다(예를 들어, 추적 센서 또는 다른 추적 장치를 통해). 형상 센서(614)는 참조 지점(616)으로부터 카테터(610)의 원위 단부(618) 같은 다른 지점까지의 형상을 측정한다. 지점 수집 기구(604)는 의료 기구 시스템(200)과 실질적으로 유사할 수 있다.
위치 측정 장치(620)는 강성 기구 본체(612)가 삽입 축선 A를 따라 삽입 스테이지(608)에서 이동함에 따라 강성 기구 본체의 위치에 대한 정보를 제공한다. 위치 측정 장치(620)는 기구 캐리지(606)의 움직임을 제어하는 모터 샤프트의 회전 및 배향을 결정하며 결과적으로 강성적으로 부착된 기구 본체(612)의 움직임을 결정하는 리졸버, 인코더, 전위차계, 및 다른 기구를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 삽입 스테이지(608)는 선형적이지만, 대안적인 실시예에서 삽입 스테이지는 만곡형이거나 만곡형 및 선형 구간의 조합을 가질 수 있다. 선택적으로, 선형 궤도는 예를 들어 그 전문이 본원에 참조로 통합되는 미국 가특허 출원 번호 62/029,917(2014년 7월 28일 출원)("Guide Apparatus For Delivery Of A Flexible Instrument And Methods Of Use"를 개시함)에 기재된 바와 같이 절첩가능할 수 있다. 도 6은 삽입 스테이지(608)를 따라 후퇴된 위치에 있는 기구 본체(612) 및 캐리지(606)를 도시한다. 이 후퇴 위치에서, 근위 지점(616)은 축선 A 상의 위치(L0)에 있다. 삽입 스테이지(608)를 따른 이 위치에서, 지점(616)의 장소의 Xs 성분은 0 또는 원래의 값으로 설정될 수 있다. 기구 본체(612) 및 캐리지(606)의 이 후퇴 위치에 의해, 카테터의 원위 단부(618)는 환자(P)의 입구 오리피스 바로 내측에 위치설정될 수 있다. 또한, 이 위치에서, 위치 측정 장치는 0 또는 원래의 값(예를 들어, I=0)으로 설정될 수 있다. 도 7에서, 기구 본체(612) 및 캐리지(606)는 삽입 스테이지(608)의 선형 트랙을 따라 전진되었으며, 카테터(610)의 원위 단부는 환자(P) 안으로 전진되었다. 이 전진 위치에서, 근위 지점(616)은 축선 A 상의 위치(L1)에 있다.
지점 수집 기구(604)의 실시예는 EM 감지 및 형상 감지를 포함하는 임의의 수의 양식을 사용하여 측정된 지점을 수집할 수 있다. 측정 지점이 환자의 통로 내부로부터 수집됨에 따라, 지점은 메모리 같은 데이터 저장 장치에 저장된다. 일련의 측정된 지점은 절차 중에 또는 절차 직전에 획득되는 측정 지점의 적어도 일부를 포함하지만 모두를 포함할 수도 있는 데이터베이스에 저장될 수 있다. 메모리에 저장됨에 따라, 각각의 지점은 지점의 좌표, 타임스탬프, 및 상대적인 센서 위치 또는 개별 센서 ID를 포함하는 데이터에 의해 표현될 수 있다(지점 수집 기구(604)의 길이를 따라 분포된 다수의 센서가 수개의 지점의 위치를 동시에 결정하기 위해 사용되는 경우). 일부 실시예에서, 각각의 지점을 표현하는 데이터는 또한 지점이 수집된 환자의 호흡 위상을 나타내는 호흡 위상 마커를 포함할 수 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 수술 환경(600)에서의 환자(P)에 대한 영상 안내 수술 절차에서 임상의에 대한 안내를 제공하기 위해 사용되는 방법(500)을 도시하는 흐름도이다. 방법(500)은 일련의 블록, 단계, 동작 또는 프로세스로서 도 8에 도시되어 있다. 도시된 모두가 그러한 것은 아니지만, 열거된 동작은 방법(500)의 모든 실시예에서 수행될 수 있다. 부가적으로, 도 8에 명확하게 도시되지 않은 일부 추가적인 동작은 열거된 프로세스들 전, 후, 그 사이, 또는 그 일부로서 포함될 수 있다. 방법(500)의 일부 실시예는 메모리에 저장된 바와 같은 방법(500)의 프로세스에 대응되는 명령어를 포함한다. 이들 명령어는 제어 시스템(112)의 프로세서 같은 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
따라서, 방법(500)의 일부 실시예는, 삽입 경로를 따른 센서 참조 지점의 상대 위치 및/또는 배향을 지점 수집 기구(604) 또는 다른 적절한 장치 같은 위치 측정 장치에 의해 교정하기 위해서 교정 절차가 수행되는 프로세스 502에서 개시될 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 지점 수집 기구(604)는, 캐리지(606)가 지점(616)이 장소(L0)에 있는 후퇴 위치로부터 지점(616)이 장소(L1)에 있는 전진 위치로 이동함에 따라 지점(616)의 위치 및 배향을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 교정 절차는 위치 측정 장치(620)의 각각의 변화에 대한 지점(616)의 이동의 방향을 결정한다. 이 실시예에서, 삽입 스테이지(608)가 캐리지(606)의 이동을 선형 경로로 규제하는 경우, 교정 절차는 직선의 방향을 결정한다. 한가지 이러한 교정 방법은 카테터의 직선 구간을 따른 2개의 지점 사이의 위치 차를 측정하는 것이며; 그 차이 벡터의 방향은 삽입 축선의 방향이다. 대안적인 방법은 카테터의 알려진 지점(즉, 팁)을 고정된 장소에 제약하는 것, 및 후미가 삽입 축선을 따라 횡단할 때 알려진 고정된 지점에 대한 지점(616)의 상대 위치를 측정하고 그 후 측정된 지점의 이러한 수집물에 방향 벡터를 피팅시키는 것이다. 삽입 스테이지 트랙의 경사로부터, 수술 환경(600)에서의 지점(616)의 위치 및 배향이 위치 측정 장치(620)의 모든 대응하는 측정치마다 결정될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 삽입 스테이지가 만곡된 또는 다른 비선형적인 형상을 갖는 경우, 교정 절차는 위치 장치의 모든 측정에 대해 수술 환경에서의 지점(616)의 위치 및 배향이 결정될 수 있도록 비선형 형상을 결정할 수 있다. 예를 들어, 기구 본체가 비선형 삽입 스테이지를 따라 안내되는 동안 카테터의 원위 팁은 고정된 위치에 유지될 수 있다. 고정된 지점(616)으로부터 형상 센서에 의해 수집된 위치 및 배향 데이터는 기구 본체가 삽입 스테이지를 따라 안내됨에 따라 위치 측정 장치 데이터와 상관되고, 따라서 삽입 스테이지(608)의 축선 A를 따른 지점(616)의 이동을 교정한다.
프로세스 504에서, 카테터의 원위 단부(618)는 환자(P)의 해부학적 통로(예를 들어, 환자의 폐의 기도)를 횡단하여, 형상 센서(614)로부터의 데이터, 카테터의 원위 단부에 대한 장소 데이터 및/또는 형상 센서의 형상을 따른 다른 지점을 통해 기록을 행한다. 이 장소 데이터는 본원에 기재된 바와 같이 일련의 측정된 지점을 포함하거나 이를 획득하기 위해 처리될 수 있다. 더 구체적으로는, 카테터(610)의 원위 팁의 이동은 해부학적 통로의 부분을 조사하기 위해 원격조작, 수동, 또는 자동화된 제어를 통해(예를 들어, 마스터 조립체(106)를 통해) 제어된다. 예를 들어, 원격조작 제어 신호는 캐리지(606)가 축선 A를 따라 이동하게 할 수 있고, 카테터의 원위 팁(618)이 해부학적 통로 내에서 전진 또는 후퇴하게 할 수 있다. 또한 또는 대안적으로, 원격조작 제어 신호는 수술 기구 내에서 연장되는 제어 부재의 작동이 요, 피치 및 롤을 포함하는 소정 이동 범위에서 원위 팁(618)을 이동하게 할 수 있다. 카테터가 복수의 통로 내에서 이동함에 따라, 형상 센서 데이터는 원위 팁의 다수의 장소에 대해 수집된다. 일부 실시예에서, 카테터는 다양한 통로 안으로 대략 3인치까지 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 카테터는 폐의 각 측의 대략 3개의 분기 생성부를 통해 또는 그 안으로 연장될 수 있다. 카테터(610)가 접근가능한 생성부의 수는 가요성 카테터(610)의 직경이 감소하고 및/또는 가요성 카테터의 가요성이 증감함에 따라 증가할 수 있다.
도 9를 참조하면, 형상 센서 데이터는 일련의 측정된 데이터 지점(D)에 대해 수집된다. 측정된 데이터 지점은 각 수집된 지점에 대한 좌표, 타임스탬프, 센서 ID, 호흡 위상 정보 등과 함께 데이터 세트 또는 지점 풀(pool)로서 메모리에 저장될 수 있다. 형상 센서 또는 다른 지점 수집 장치로부터의 데이터 지점(D)에 의해 제공되는 이 수집된 일련의 공간 정보는, 카테터(610)의 원위 단부(618)가 수술 공간(600)(즉, 원격조작 조종기 공간) 내의 복수의 장소로 이동됨에 따라 수집될 수 있다. 수술 환경 공간(600)의 주어진 수집된 데이터 지점(DX)의 장소는, 카테터의 원위 단부가 지점 DX에 위치될 때의 위치 측정 장치(620)로부터의 정보를 카테터의 원위 단부가 지점 DX에 위치될 때의 형상 센서로부터의 형상 데이터와 조합함으로써 결정된다. 지점은 또한 카테터의 길이를 따라 수집될 수 있다. 양 경우에, 위치 측정 장치(620)로부터의 데이터 및 고정된 센서 지점(616)의 교정된 경로는, 카테터의 원위 단부(618)가 지점 DX에 있을 때의 환자 수술 환경(600)에서의 센서 지점(616)의 위치를 제공한다. 예를 들어, 트랙(608)을 따른 캐리지(606)의 이동을 제어하는 하나 이상의 모터로부터의 인코더 데이터 및 트랙을 다른 캐리지의 이동으로부터의 교정 데이터는 카테터의 원위 단부가 지점 DX에 있을 때의 수술 환경(600)에서의 센서 지점(616)의 위치를 제공한다. 형상 센서는 고정된 센서 지점(616)과 원위 단부(618) 사이의 기구의 형상을 제공한다. 따라서, 수술 환경 공간(600)에서의 지점 DX의 장소(원위 단부(618)가 위치되는 곳)는 원위 단부가 지점 DX에 있을 때 기록된 형상 센서 데이터 및 교정된 위치 측정 데이터로부터 결정될 수 있다. 일련의 수집된 데이터 지점의 모든 데이터 지점(D)에 대한 수술 환경(600) 좌표 공간에서의 장소(즉, 지점(616)에 대한 원위 단부(618)의 장소에 대한 형상 센서 데이터와 함께 조합된 근위 지점(616)의 교정된 위치)는 해부학적 모델 정보와 상관될 수 있는 기구에 대한 공간 정보의 참조 세트이다.
도 8을 다시 참조하면, 프로세스 506에서, 수집된 데이터 지점(D) 중 하나 이상은 환자 해부구조의 랜드마크 장소에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 랜드마크에 대응하는 수집된 데이터 지점(D)은 ICP 프로세스 같은 상관 프로세스를 시딩(seeding)하기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 랜드마크에 대응하는 수집된 데이터 지점(D)의 이 하위세트는 시드(seed) 지점이라 지칭될 수 있다. 랜드마크에 대응하는 수집된 데이터 지점(D)의 하위세트를 표현하는 데이터는 메모리에 저장될 때 랜드마크 지시자를 포함할 수 있다. 도 11을 참조하면, 일련의 해부학적 통로(700)는 통로(700)가 갈라지는 주요 용골(C1, C2, C3)을 포함한다. 카테터의 원위 단부를 각각의 용골 장소로 이동시킴으로써 각 용골의 장소에 대해 데이터 지점(D)이 수집될 수 있다. 예를 들어, 데이터 지점(DL1)은 용골(C1)에서 수집될 수 있다. 데이터 지점(DL2)은 용골(C2)에서 수집될 수 있다. 데이터 지점(DL3)은 용골(C3)에서 수집될 수 있다. 용골 또는 다른 적절한 랜드마크는 지점 DX에 대해 위에서 기술한 바와 같이 환자 수술 환경(600)에 위치될 수 있다. 프로세스 506은 선택적이며 대안적인 시딩 기술이 사용되는 경우 생략될 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 프로세스 508에서, 해부학적 모델 정보가 수신된다. 해부학적 모델 정보는 도 5c에 기재된 바와 같은 세그먼트화된 중심선 모델(504)일 수 있다. 도 9를 다시 참조하면, 해부학적 모델 정보는 분기된 해부학적 통로의 중심선 모델(550)로서 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 모델은 시드 지점(DL1, DL2, 및 DL3)에 매칭되는 하나 이상의 랜드마크 지점을 포함할 수 있다. 시드 지점(DL1, DL2, 및 DL3)에 매칭되는 모델에 포함되는 이들 지점은 일부 실시예에서는 중심선 지점이 아닐 수 있지만, 후속하는 상관 프로세스의 시딩을 용이하게 하기 위해서 중심선 모델(550)에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 중심선 모델(550)은 ML1, ML2, 및 ML3보다 더 많은 모델 랜드마크 지점을 포함할 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 프로세스 510에서, 수술 환경(600)으로부터의 일련의 수집된 데이터 지점(D)과의 해부학적 모델 정보(550)의 상관이 수행된다. 상관은 프로세스 512 내지 520에 기재된 바와 같은 반복적 클라우드 포인트(ICP) 기술 같은 지점 세트 상관 알고리즘을 사용하여 또는 다른 상관 알고리즘의 실행에 의해 달성될 수 있다. 프로세스 512에서, ICP 상관은 환자 수술 환경과 해부학적 모델 사이의 변위 및 배향 관계에 대한 공지된 정보에 의해 시딩된다. 본 실시예(도 11)에서, 예를 들어 용골 랜드마크(C1, C2, C3)는 지점(ML1, ML2, ML3)으로서 해부학적 모델 정보에서 식별된다. 대안적인 실시예에서, 해부학적 모델 정보는 다른 방식으로, 예를 들어 중심선 세그먼트 또는 3D 메쉬 모델의 축선으로서 표현될 수 있다. 또는 대안적으로, 모델은 3D 영상 또는 실린더 같은 3D 형상으로 구성되는 볼륨으로서 표현될 수 있다. 환자 수술 환경으로부터의 기록된 랜드마크 데이터 지점(DL1, DL2, DL3)은 대응하는 모델 지점(ML1, ML2, ML3)에 각각 매칭된다(즉, DL1가 ML1에 매칭되는 등이다). 지점에 매칭된 상태에서, 랜드마크 데이터 지점(DL1, DL2, DL3)과 모델 지점(ML1, ML2, ML3) 사이의 초기 변환(예를 들어, 위치 및/또는 배향의 변화)이 결정된다. 변환은, 모든 랜드마크 데이터 지점이 위치 및 배향의 동일한 변화에 의해 변환되는 강체 변환 또는 랜드마크 데이터 지점이 위치 및 배향의 상이한 변화에 의해 변환되는 비강체 변환일 수 있다. 랜드마크 데이터 지점(DL1, DL2, DL3)에 의해 결정된 변환은 수집된 데이터 지점(D) 모두에 적용될 수 있다. 몇몇 랜드마크 지점에 기초한 이 시딩 프로세스는 해부학적 모델에 대한 수집된 데이터 지점(D)의 초기 대략적 상관을 제공한다.
초기 대략적 상관을 획득하는 대안적인 방법은 원격조작 조종기 조립체 및 환자 위치에 대한 대략적으로 알려진 정보를 사용하는 것이다. 원격조작 조종기 조립체에는 중력에 대한 삽입 트랙의 상대적인 자세를 측정하는 인코더 또는 다른 센서가 장치될 수 있다. 이 정보는 환자 배향 가정, 예를 들어 환자가 등을 대고 누워 있다는 가정 및 삽입 트랙이 환자의 입에 배치되어 있다는 가정과 조합될 수 있다. 따라서, 조합된 정보는 또한 환자에 관한 기구의 대략적인 상대적인 배향 및 위치를 제공할 수 있고 완전한 상관을 계속하기 위한 시딩 상관으로서 충분할 수 있다.
프로세스 514에서, 초기 대략적 상관이 수행된 상태에서, 일련의 수집된 데이터 지점(D)이 해부학적 모델 정보(550)에 매칭된다(도 9). 본 실시예에서, 해부학적 모델 정보는 해부학적 모델의 중심선을 따른 일련의 지점이다. ICP 알고리즘은 수집된 데이터 지점(D)과 일련의 해부학적 모델 지점의 최근접 지점 사이의 매칭을 식별한다. 다양한 대안에서, 매칭은 브루트 포스(brute force) 기술, KD 트리(tree) 기술, 최대 거리 임계치 산출, 최대 각도 임계치 산출, 모델 중심선 지점, 모델 메쉬 지점, 및/또는 모델 볼륨 지점을 사용하여 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 매칭은 전혀 요구되지 않고, 각각의 수집된 지점이 어떤 명확한 매칭 함수를 사용하거나 룩업 테이블을 사용하여 모델 상의 또는 내부의 가장 가까운 지점에 맵핑된다. 수집된 지점과 모델 지점 사이의 매칭 또는 맵핑은 삽입 깊이, 호흡 위상, 모터 토크, 속도 등과 같은 추가적인 기준에 의해 더 정보통지될 수 있다.
프로세스 516에서, 일련의 수집된 데이터 지점(D)을 매칭된 해부학적 모델 지점의 위치 및 배향으로 이동시키는데 필요한 움직임이 결정된다. 더 구체적으로는, 위치 및 배향의 전체적인 오프셋이 일련의 수집된 데이터 지점(D)에 대해 결정된다. 도 9는, 예를 들어, 수집된 데이터 지점(D)과 해부학적 모델 정보(550) 사이에서 대략 배향 20° 및 변위 40mm의 초기 오프셋을 도시한다.
프로세스 518에서, 일련의 수집된 데이터 지점(D)은 일련의 수집된 데이터 지점(D)의 각 지점을 이동시키기 위해서 변위 및 배향에 있어서의 연산된 오프셋을 적용하는 강체 또는 비강체 변환을 사용하여 변환된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 일련의 수집된 데이터 지점(D)은 모델 지점(550)에 수렴되도록 변환된다.
프로세스 520에서, 수집된 데이터 지점(D)과 매칭된 해부학적 모델 지점(550)의 수렴이 평가된다. 즉, 배향 및 변위에 대한 에러 인자가 각 매칭된 지점 세트에 대해 결정된다. 총 에러 인자가 임계값보다 큰 경우, 전체적인 위치 및 배향 에러 인자가 임계값 아래로 떨어질 때까지 프로세스 514 내지 520의 추가적인 되풀이가 반복될 수 있다.
상관 프로세스(510)는 주기적 해부학적 움직임, 기구 힘, 또는 환자 환경에서의 다른 변화에 의해 유발되는 통로의 변형에 응답하여 수술 절차 동안 수회 재연산될 수 있다(예를 들어, 1시간당 대략 2회지만, 더 또는 덜 빈번할 수 있다).
해부학적 모델 및 환자 환경이 상관된 후에, 영상 안내 수술 절차는 선택적으로 수행될 수 있다. 도 8을 다시 참조하면, 프로세스 522에서, 수술 절차 동안, 수술 환경에서의 수술 기구의 현재 장소가 결정된다. 더 구체적으로는, 고정된 센서 지점(616)의 규정된 경로 및 위치 측정 장치(620)로부터의 데이터는 카테터가 현재 장소에 있을 때의 환자 수술 환경(600)에서의 센서 지점(616)의 위치를 제공한다. 형상 센서는 고정된 센서 지점(616)과 원위 단부(618) 사이의 기구의 형상을 제공한다. 따라서, 수술 환경 공간(600)에서의 카테터(210)의 현재 장소 및 특히 카테터의 원위 단부(618)는 교정된 위치 측정 데이터 및 형상 센서 데이터로부터 결정될 수 있다.
프로세스 524에서, 이전에 결정된 상관 변환이 현재 기구를 해부학적 모델에 지역화하기 위해 현재 기구 위치 및 형상 데이터에 적용된다. 예를 들어, 기구의 원위 단부에 대한 현재 위치 및 배향에 대하여, 데이터 지점(D현재)이 프로세스 510에서 결정된 하나 이상의 변환 되풀이를 사용하여 변환된다. 따라서, 수술 환경(600)에서의 데이터 지점(D현재)이 해부학적 모델 공간으로 변환된다. 대안적인 실시예에서, 해부학적 모델은 카테터 위치 데이터가 수집된 수술 환경에 대신 상관될 수 있다.
프로세스 526에서, 선택적으로 지역화된 기구는 영상 안내 수술에서 임상의를 보조하기 위해서 해부학적 모델과 함께 표시될 수 있다. 도 12는 해부학적 모델 정보에 기초한 인간 폐(804)의 해부학적 통로(802)의 렌더링을 표시하는 표시 시스템(800)을 도시한다. 도 8에서 위에서 기술된 바와 같이 수술 환경 공간이 모델 공간에 상관된 상태에서, 카테터(610)의 현재 형상 및 원위 단부(618)의 장소는 통로(802)의 렌더링과 동시에 위치 및 표시될 수 있다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 폐의 연결된 기관지 통로에서의 사용을 위해 설명되었지만, 시스템 및 방법은, 결장, 장, 신장, 뇌, 심장, 순환 계통 등을 포함하는 임의의 다양한 해부학적 계통의 자연적 또는 수술적으로 형성된 연결 통로를 통한 다른 조직의 항행 및 처치에도 적합하다.
본 발명의 실시예의 하나 이상의 요소가 제어 시스템(112)과 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서를 실행하기 위한 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 본 발명의 실시예의 요소가 본질적으로 필요 과업을 실시하기 위한 코드 세그먼트이다. 전송 매체 또는 통신 링크를 통해서 반송파로 구현된 컴퓨터 데이터 신호의 방식으로 다운로드된 것일 수 있는 프로그램 또는 코드 세그먼트가 프로세서 판독 가능 저장 매체 또는 장치에 저장될 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치는 광학 매체, 반도체 매체, 및 자기 매체를 포함하는, 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 프로세서 판독가능 저장 장치의 예는 전자 회로; 반도체 장치, 반도체 메모리 장치, 리드 온리 메모리(ROM), 플래시 메모리, 소거가능 프로그래밍가능 리드 온리 메모리(EPROM); 플로피 디스켓, CD-ROM, 광학 디스크, 하드 디스크 또는 다른 저장 장치를 포함한다.
제시되는 프로세스 및 디스플레이는 본질적으로 임의의 특별한 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되지 않을 수 있다. 다양한 이러한 시스템을 위한 요구된 구조는 청구항 내의 요소로서 나타날 것이다. 또한, 임의의 특별한 프로그래밍 언어를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하지 않았다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 교시를 구현하기 위해 각종 프로그래밍 언어가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 특정의 예시적 실시예를 설명하고 첨부 도면에서 도시하였지만, 다양한 다른 변형이 통상의 기술자에게 보여질 수 있기 때문에, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것이고 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 실시예는 도시되고 설명된 구체적인 구성 및 배열로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 있다.

Claims (20)

  1. 컴퓨팅 시스템에 의해 수행되는 방법이며,
    일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에서의 기구의 원위 부분에 대한 수집된 일련의 공간 정보를 수신하는 단계;
    기구의 원위 부분이 복수의 장소 각각에 있을 때의 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보를 수신하는 단계;
    기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보 및 수집된 일련의 공간 정보에 기초하여 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하는 단계; 및
    공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 수집된 일련의 공간 정보는 기구의 원위 부분과 기구의 참조 부분 사이에서 연장되는 광섬유 형상 센서로부터 수신되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 광섬유 형상 센서는 기구의 참조 부분에 고정되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소를 통해 기구를 이동시키기 위해서 제어 장치로부터 명령을 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 일련의 위치 정보를 수신하는 단계는 기구의 참조 부분에 커플링된 구동 시스템으로부터 인코더 정보를 수신하는 단계 및 기구의 참조 부분에 의해 횡단되는 고정된 삽입 경로에 대한 교정 정보 및 인코더 정보에 기초하여 일련의 위치 정보를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 교정 정보는 인코더 정보에 대응하는 기구의 참조 부분에 대한 교정된 위치 정보를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공간 정보의 참조 세트는 수술 좌표 공간에 있는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 일련의 해부학적 모델 정보는 일련의 수술전 해부학적 영상으로부터 오는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계는 공간 정보의 참조 세트로부터의 참조 데이터 지점을 해부학적 모델 정보로부터의 해부학적 지점과 매칭시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계는 변화 움직임을 결정하는 단계 및 공간 정보의 참조 세트로부터의 참조 데이터 지점을 변환하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 방법이며,
    기구의 원위 부분이 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에 있을 때 원격조작 조립체에 커플링된 의료 기구 내에서 연장되는 광섬유 형상 센서로부터 일련의 공간 정보를 수집하는 단계;
    기구의 원위 부분이 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 위치에 있을 때의 원격조작 조립체의 구동 시스템에 대한 위치 센서로부터의 일련의 위치 정보를 수신하는 단계;
    기구의 원위 부분이 복수의 장소에 있을 때의 기구의 근위 부분에 대한 일련의 근위 위치 데이터를 결정하는 단계로서, 결정 단계는 기구의 근위 부분이 따라 이동하는 고정된 삽입 트랙과 위치 센서 사이의 교정 정보 및 위치 센서로부터의 위치 정보에 기초하는, 일련의 근위 위치 데이터를 결정하는 단계;
    수집된 일련의 공간 정보 및 일련의 근위 위치 데이터에 기초하여 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하는 단계; 및
    공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    기구의 근위 부분이 고정된 삽입 트랙을 따라 이동하는 동안 일련의 해부학적 통로를 통해 기구의 원위 부분을 이동시키기 위해서 원격조작 조립체를 조종하는 명령을 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 고정된 삽입 트랙은 대략 직선형이며 위치 센서는 삽입 트랙을 따른 기구 삽입을 측정하는 인코더인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 교정 정보는 삽입 축선의 방향을 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 삽입 축선의 방향은 삽입 트랙과 정렬되는 기구의 구간을 따른 두 개의 지점 사이의 위치의 차이의 측정으로부터 획득되는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 삽입 축선의 방향은, 원위 부분이 고정되고 기구가 적어도 2개의 상이한 위치로 이동되는 동안, 기구의 원위 부분에 대한 기구의 근위 부분 상의 참조 지점의 위치를 측정함으로써 획득되는 방법.
  17. 시스템이며,
    수술 환경에서 의료 기구를 이동시키도록 구성되는 조종기; 및
    조종기에 동작식으로 커플링되는 처리 유닛을 포함하고,
    처리 유닛은,
    일련의 해부학적 통로 내의 복수의 장소에서의 의료 기구의 원위 부분에 대한 수집된 일련의 공간 정보를 수신하고;
    기구의 원위 부분이 복수의 장소 각각에 있을 때의 의료 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보를 수신하고;
    의료 기구의 참조 부분에 대한 일련의 위치 정보 및 수집된 일련의 공간 정보에 기초하여 의료 기구의 원위 부분에 대한 공간 정보의 참조 세트를 결정하며;
    공간 정보의 참조 세트를 일련의 해부학적 모델 정보와 상관시키도록 구성되는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 수집된 일련의 공간 정보는 기구의 원위 부분과 기구의 참조 부분 사이에서 연장되는 광섬유 형상 센서로부터 수신되는 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 처리 유닛은 일련의 해부학적 통로 내의 복수의 위치를 통해 기구를 이동시키기 위해서 제어 장치로부터 명령을 수신하도록 더 구성되는 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 처리 유닛은, 의료 기구의 참조 부분에 커플링되는 구동 시스템으로부터 인코더 정보를 수신하고, 의료 기구의 참조 부분에 의해 횡단되는 고정된 삽입 경로에 대한 교정 정보 및 인코더 정보에 기초하여 일련의 위치 정보를 결정하도록 더 구성되며, 교정 정보는 인코더 정보에 대응하는 기구의 참조 부분에 대한 교정된 위치 정보를 포함하는 시스템.
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