CN106572794A - 用于在肺内部导航的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了通过患者气管树导航至目标的方法和系统，所述系统包括：支气管镜；探针，所述探针能够插入到支气管镜的工作通道中并且包括位置传感器；和工作站，其与探针和支气管镜操作通信，所述工作站包括用户界面，所述用户界面引导用户通道导航规划并且构造成呈现：中央导航视图，所述中央导航视图包括多张视图，所述多张视图构造成辅助用户将支气管镜朝向目标导航通过患者支气管树的中央气道；周边导航视图，所述周边导航视图包括多张视图，其构造成用于辅助用户将探针通过患者支气管树的周边气道导航至所述目标；和目标对准视图，其包括多张视图，所述多张视图构造成用于辅助用户使得探针的远侧末端与所述目标对准。

Description

用于在肺内部导航的系统和方法
技术领域
本公开涉及用于在肺内导航的装置、系统和方法。
背景技术
用于检查患者气道的常用装置是支气管镜。通常，支气管镜通过患者鼻或者嘴插入到患者气道中并且能够延伸到患者肺中。典型的支气管镜包括：细长挠性管，所述细长挠性管具有照明组件，用于照亮支气管末端远侧的区域；成像组件，其用于从支气管镜末端提供视频图像；和工作通道，器械(例如，诸如活检工具的诊断器械、治疗器械)能够插入穿过所述工作通道。
然而支气管镜的尺寸限制了它们可以前进通过气道的距离。在支气管镜太大而无法抵达肺深处的目标位置的情况中，临床医生可以利用特定的实时成像方式，诸如荧光镜。虽然有用，但是荧光镜图像存在针对导航的某些缺陷，原因在于其通常难以将管腔通路与实体组织区别开。而且，荧光镜产生的图像为二维，而为患者气道导航却需要能够三维操纵的能力。
为了解决这些问题，已经研发了系统，所述系统使得能够通常从一系列计算机断层扫描(CT)图像发展气道或者其它管腔网络的三维模型。一个这种系统已经研发作为由Covidien LP.目前出售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION(ENBTM)系统的一部分。在由Gilboa在2004年3月29日提交的题为“用于导航至分支结构中的目标的内窥镜结构和技术(ENDOSCOPE STRUCTURES ANDTECHNIQUES FOR NAVIGATING TO A TARGET IN BRANCHED STRUCTURE)”的共同受让的美国专利No.7,233,820中描述了这种系统的细节，其全部内容在此通过引用并入本发明。
尽管在美国专利No.7,233,820中描述的系统特别有效，但是一直需要研发针对这种系统的改进和增加。
发明内容
根据本公开提供了一种用于通过患者的支气管树导航至目标的系统。
在本公开的方面中，该系统包括：支气管镜，所述支气管镜构造成插入到患者的支气管树中；探针，所述探针能够插入到支气管镜的工作通道中；和工作站，其与探针和支气管镜操作通信。该探针包括位置传感器并且构造成导航通过患者的支气管树。该工作站包括存储器和至少一个处理器。该存储器存储导航规划和程序，所述程序当由处理器执行时呈现用户界面，所述用户界面引导用户通过导航规划。该用户界面构造成呈现：中央导航视图，所述中央导航视图包括多张视图，所述多张视图构造成辅助用户将支气管镜朝向目标导航通过患者支气管树的中央气道；周边导航视图，所述周边导航视图包括多张视图，其构造成用于辅助用户将探针通过患者支气管树的周边气道导航至目标；和目标对准视图，其包括多张视图，所述多张视图构造成用于辅助用户将探针的远侧末端与目标对准。
在本公开的其它方面中，中央导航视图、周边导航视图和目标对准视图中的每一张均构造成呈现选自由以下视图构成的组中的一张或者多张视图：支气管镜视图、虚拟支气管镜视图、局部视图、MIP视图、3D图谱动态视图、3D图谱静态视图、矢状CT视图、轴向CT视图、冠状CT视图、末端视图、3D CT视图和对准视图。
在本公开的另一个方面中，中央导航视图构造成呈现支气管镜视图、虚拟支气管镜视图和3D图谱动态视图。
在本公开的又一个方面中，周边导航视图构造成呈现支气管镜视图、3D图谱动态视图、末端视图和局部视图。
在本公开的一个方面中，目标对准视图构造成呈现3D图谱动态视图、局部视图、对准视图和3D CT视图。
在本公开的另一个方面中，3D图谱动态视图包括患者支气管树的3D模型。3D图谱动态视图可以构造成响应于位置传感器在患者气道内移动而自动调节3D模型的方向。
在本公开的另一个方面中，3D模型包括高亮部分，所述高亮部分表示沿着患者支气管树至目标的路径。
在本公开的另一个方面中，3D图谱动态视图或者局部视图中的至少一张包括探针的远侧末端的虚拟图示。虚拟图示可以构造成向用户提供探针的远侧末端的方向的表示。
在本公开的其它方面中，探针的远侧末端的虚拟图示是3D虚拟图示。
在本公开的又一个方面中，探针的远侧末端限定了选自由直线构造、弯曲构造或者成角度构造构成的组的构造。探针的远侧末端的虚拟图示的构造可以与探针的远侧末端的构造相同。
在本公开的另一个方面中，3D图谱动态视图和/或局部视图构造成响应于探针的远侧末端在患者气道内的方向变化而调节探针的远侧末端的虚拟图示的方向。
在本公开的其它方面中，虚拟支气管镜视图包括虚拟路径，所述虚拟路径构造成向用户提供了通向目标的路径的表示。
在本公开的又一个方面中，局部视图呈现了导航规划的三维体积的切片的正视图。局部视图可以构造成响应于探针在患者支气管树内的移动而改变要呈现的三维体积的切片。
在本公开的其它方面中，局部视图包括相对于所呈现的三维体积的切片布置的目标的3D图示。所呈现的三维体积的切片可以限定针对目标的3D图示的水印，所述水印表示目标的3D图示相对于所呈现的三维体积的切片的的相对位置。
在本公开的又一个方面中，目标的3D图示的布置在所呈现的三维体积的切片上方的第一部分呈现为第一种颜色，而目标的3D图示的布置在所呈现的三维体积的切片下方的第二部分呈现为第二种颜色。
可以在不背离本公开的范围的前提下组合本公开的上述方面和实施例中的任意一个。
附图说明
当参照附图阅读对各个实施例的描述时，本公开的系统和方法的目的和特征对于本领域中的普通技术人员而言将变得显而易见，其中：
图1是根据本公开的电磁导航系统的透视图；
图2是构造成用于与图1的系统一起使用的工作站的示意图；
图3是图解了根据本公开的实施例的导航方法的流程图；
图4是根据本公开的图2的工作站的用户界面的说明图，呈现了用于实施配准的视图；
图5是图4的视图的说明图，其中每个指示物被启动；
图6是根据本公开的图2的工作站的用户界面的说明图，呈现了用于验证配准的视图；
图7是图2的工作站的用户界面的说明图，呈现了用于实施导航至目标的视图，还呈现了中央导航标签；
图8是图7的视图的说明图，其还呈现了周边导航标签；
图9是图7的视图的说明图，其还呈现了目标附近的图8的周边导航标签；
图10是图7的视图的说明图，其还呈现了目标对准标签；
图11是图2的工作站的用户界面的说明图，其呈现了用于标记目标的活检位置或者治疗位置的视图；并且
图12是图2的工作站的用户界面的说明图，其呈现了用于核查配准的多个方面的视图。
具体实施方式
根据本公开提供并且在下文详细描述了用于在管腔网络(例如，患者肺)内导航至目标的装置、系统和方法。公开的导航系统和方法向临床医生提供了使用工作流程的便捷性，所述工作流程引导临床医生通过在实施抵达管腔网络中目标的导航中涉及的各个步骤。例如，公开的导航系统和方法使得临床医生容易完成过程，该过程包括加载导航规划、实施配准、利用支气管镜实施中央导航、利用延伸工作通道和可定位引导件实施周边导航、实施目标对准、实施虚拟的活检或治疗位置标记以及最后实施目标的活检或者治疗。导航规划可以基于患者肺的三维模型。设想了产生3D模型的各种方法，所述方法中的一些在由Baker于2013年3月15日提交的题为“通路规划系统和方法(PATHWAY PLANNING SYSTEM ANDMETHOD)”的共同待决美国专利申请No.13/838,805、No.13/838,997和No.13/839,224中更加全面地描述，其全部内容在此通过引用并入本发明。公开的导航系统和方法还向临床医生提供了虚拟标记并且追踪多个活检或治疗位置以及轻易返回到标记的活检或治疗位置的能力。
在由KEHAT等人在2014年7月2日提交的题为“智能显示装置(INTELLIGENTDISPLAY)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,238；Greenburg名下的在2014年7月2日提交的题为“用于患者肺的多次CT扫描的统一坐标系(UNIFIED COORDINATE SYSTEM FORMULTIPLE CT SCANS OF PATIENT LUNGS)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,242；Klein等人在2014年7月2日提交的题为“对准CT(ALIGNMENT CT)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,245；Merlet的在2014年7月2日提交的题为“荧光镜姿态评估的算法(ALGORITHM FOR FLUOROSCOPIC POSE ESTIMATION)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,250；Lachmanovich等人的在2014年7月2日提交的题为“气管标记(TRACHEA MARKING)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,253；Markov等人的在2014年7月2日提交的题为“自动检测人类肺气管(AUTOMATIC DETECTION OF HUMAN LUNG TRACHEA)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,257；Markov等人的在2014年7月2日提交的题为“肺和胸膜分层(LUNG AND PLEURA SEGMENTATION)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,261；Lachmanovich等人的在2014年7月2日提交的“锥视图-在3D导航的同时提供距离和方向反馈的方法(CONE VIEW-A METHOD OF PROVIDING DISTANCE AND ORIENTATION FEEDBACKWHILE NAVIGATING IN 3D)”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,258；以及由Weingarten等人在2014年7月2日提交的题为“用于在肺内部工具导航的动态3D肺图谱视图(DYNAMIC3D LUNG MAP VIEW FOR TOOL NAVIGATION INSIDE THE LUNG”的共同待决美国临时专利申请No.62/020,262中描述了本公开的ENB系统的其它特征，上述共同待决美国临时专利申请的全部内容均通过引用并入本公开。
然而，这些详细实施例仅仅为本公开的示例，本公开可以以各种形式实施。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应当理解为限制而仅仅作为权利要求的基础，并且作为允许本领域技术人员在几乎任何适当的详细结构中多样化采用本公开的代表性基础。尽管就患者气道的支气管镜描述了以下实施例，但是本领域技术人员意识到的是，相同或者类似的装置、系统和方法可以应用在其它管腔网络中，例如血管、淋巴和/或胃肠道网络。
参照图1，根据本公开提供了一种电磁导航(EMN)系统10。一种这样的EMN系统是由Covidien LP.目前出售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION 系统。可以用EMN系统10实施的任务有：规划通向目标组织的路径、将定位组件导航至目标组织、将活检工具导航至目标组织以使用活检工具从目标组织获得组织样本、对获得组织样本的位置进行数字标记以及将一个或多个回声标记物放置在目标处或者目标周围。
EMN系统10通常包括：手术台40，所述手术台40构造成支撑患者；支气管镜50，所述支气管镜50构造成插入穿过患者嘴和/或鼻进入到患者气道中；监测设备60，所述监测设备60联接到支气管镜50，用于显示接收自支气管镜50的视频图像；追踪系统70，所述追踪系统70包括追踪模块72、多个基准传感器74和电磁场发生器76；和工作站80，所述工作站80包括软件和/或硬件，所述软件和/或硬件用于辅助路径规划、目标组织的识别、导航至目标组织以及对活检位置进行数字标记。
图1还示出了两种类型的导管引导组件90、100。两个导管引导组件90、100都能够与EMN系统10一起使用并且共用多个公用部件。每个导管引导组件90、100均包括手柄91，所述手柄91连接到延伸工作通道(EWC)96。EWC 96成适当的尺寸，以用于放置到支气管镜50的工作通道中。在操作中，包括电磁(EM)传感器94的可定位引导件(LG)92插入到EWC 96中并且被锁定到适当位置，使得传感器94延伸一所需距离超过EWC 96的远侧末端93。能够通过追踪模块72和工作站80导出在由电磁场发生器76产生的电磁场内EM传感器94的位置并且因此导出EWC 96的远端的位置。导管引导组件90、100具有不同的操作机构，但是每个均包括手柄91和延伸的工作通道96，能够通过旋转和压缩来操纵所述手柄91，以操纵LG 92的远侧末端93。导管引导组件90当前由Covidien LP以商标名为的手术套件进行营销和出售。类似地，导管引导组件100由Covidien LP以商标名为EDGETM的手术套件出售。两个套件均包括手柄91、延伸工作通道96和可定位引导件92。为了更加详细地描述导管引导组件90、100，参照由Ladtkow等人在2013年3月15日提交的共同所有的美国专利申请No.13/836,203，其全部内容在此通过引用并入本公开。
如图1所示，示出患者平躺在手术台40上，支气管镜50插入通过患者嘴并且进入到患者气道中。支气管镜50包括照明源和视频成像系统(没有明确示出)并且联接到监测设备60，例如，视频显示装置，其用于显示从支气管镜50的视频成像系统接收的视频图像。
包括LG 92和EWC 96的导管引导组件90、100构造成通过支气管镜50的工作通道插入到患者气道中(不过可以替代地在没有支气管镜50的情况下使用导管引导组件90、100)。LG 92和EWC 96能够经由锁止机构99选择性地相对于彼此锁止。利用六自由度电磁追踪系统70(例如，在美国专利No.6,188,355和公开的PCT申请WO 00/10456和WO 01/67035中公开的六自由度电磁追踪系统，其全部内容均在此通过引用并入本发明)或者任何其它适当的定位测量系统实施导航，不过还可以设想其它构造。追踪系统70构造成与导管引导组件90、100一起使用以在EM传感器94结合EWC 96移动通过患者气道时追踪EM传感器94的位置，如下文详细所述。
如图1所示，电磁场发生器76定位在患者下方。电磁场发生器76和多个基准传感器74与追踪模块72互连，所述追踪模块72以六个自由度导出每个基准传感器74的位置。基准传感器74中的一个或者多个附接到患者的胸部。基准传感器74的六个自由度坐标被发送到工作站80，所述工作站80包括应用程序81，在所述应用程序81中，传感器74用于计算患者基准坐标系。
图1还示出了导管活检工具102，所述导管活检工具102在导航到目标以及移除LG92之后能够插入到导管引导组件90、100中。活检工具102用于从目标组织收集一个或者多个组织样本。如下文详细所述，活检工具102还构造成与追踪系统70结合使用，以辅助将活检工具102导航到目标组织，从而在相对于目标组织操作活检工具102以获得组织样本时追踪活检工具102的位置，和/或标记获得组织样本的位置。
尽管关于包括在LG 92中的EM传感器94在上文详细描述了导航，但是还可以设想的是EM传感器94可以嵌入或者包含在活检工具102中，活检工具102可以替代地用于导航，而又不需要LG或者LG的使用所必要的工具更换。在2013年11月20日提交的题为“用于将活检工具导航至目标位置的方法以及使用活检工具获得组织样本的装置、系统和方法(DEVICES,SYSTEMS,AND METHODS FOR NAVIGATING A BIOPSY TOOL TO A TARGETLOCATION AND OBTAINING A TISSUE SAMPLE USING THE SAME)”的美国临时专利申请No.61/906,732和No.61/906,762以及题目相同并且在2014年3月14日提交的美国临时专利申请No.61/955,407中描述了多种可用活检工具，其全部内容在此通过引用并入本公开并且可以与在此描述的EMN系统10一起使用。
在手术规划期间，工作台80利用计算机断层扫描(CT)图像数据产生和观察患者气道的三维模型(“3D模型”)，使得能够在3D模型上识别目标组织(自动、半自动或者手动)并且允许选择通过患者气道抵达目标组织的路径。更加具体地，CT扫描被处理和组装到三维体积中，然后利用所述三维体积产生患者气道的3D模型。3D模型可以呈现在与工作站80相联的显示监测器81上，或者以任何其它适当方式呈现。通过使用工作站80，可以呈现并且/或可以由临床医生操纵三维体积的各个切片和3D模型的各个视图，以辅助识别目标以及选择通过患者气道接近目标的适当路径。3D模型还可以显示实施先前活检的部位的标记，所述标记包括日期、时间和关于获得的组织样本的其它识别信息。这些标记还可以被选择作为能够规划路径的目标。一旦被选择，便保存路径以用于在导航程序期间使用。在2014年3月15日提交的美国专利申请No.13/838,805；No.13/838,997以及No.13/839,224中描述了适当的路径规划系统和方法的示例，所述专利申请中的每一个的全部内容在此均通过引用并入本发明。
在导航期间，EM传感器94连同追踪系统70一起使得能够在EM传感器94或者活检工具102前进通过患者气道时追踪EM传感器94和/或活检工具102。
现在参照图2，示出了工作站80的系统简图。工作站80可以包括存储器202、处理器204、显示装置206、网络接口208、输入装置210和/或输出模块212。
存储器202包括任何非暂时计算机可读存储介质，以用于存储数据和/或软件，所述软件能够由处理器204执行并且控制工作站80的操作。在实施例中，存储器202可以包括一个或者多个固态存储装置，诸如闪存芯片。作为一个或者多个固态存储装置的替代方案或者附加方案，存储器202可以包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)连接到处理器204的一个或者多个大容量存储装置。尽管在此参照固态存储器描述了本文包含的计算机可读介质，但是本领域技术人员应当理解的是，计算机可读存储介质能够是处理器204可访问的任何可获得介质。即，计算机可读存储介质包括以任何方法或技术实施的非暂时、易失和非易失、可移除以及不可移除介质，以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息。例如，计算机可读存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或者其它固态存储技术、CD-ROM、DVD、蓝光或者其它光学存储器、磁盒、磁带、磁盘存储器或者其它磁性存储装置或者任何其它介质，所述任何其它介质能够用于存储所需信息并且能够由工作站80访问。
存储器202可以存储应用程序81和/或CT数据214。应用程序81在由处理器204执行时可以致使显示装置206呈现用户界面216。网络接口208可以构造成连接到网络，所述网络诸如是：局域网(LAN)，所述局域网包括有线网络和/或无线网络；广域网(WAN)；无线移动网络；蓝牙网络和/或因特网。输入装置210可以是用户可以与工作站80交互所用的任何装置(例如，鼠标、键盘、踏板、触摸屏和/或声音接口)。输出模块212可以包括任何连接端口或者总线，例如并行端口、串联端口、通用串行总线(USB)或者本领域技术人员已知的任何其它类似连接端口。
图3示出了使用导航工作站80和用户界面216的示例性导航方法。在步骤S300中，用户界面216向临床医生呈现了用于选择患者的视图(未示出)。临床医生可以将患者信息(例如，患者姓名或者患者ID号)输入到文本框中，以选择待实施导航程序的患者。替代地，可以从下拉菜单或者利用其它类似患者选择方法选择患者。一旦已经选择患者，则用户界面216向临床医生呈现包括针对选择患者的可用导航规划列表的视图(未示出)。在步骤S302中，临床医生可以通过启动导航规划中的一个来加载该导航规划。可以从手术规划软件导入导航规划。
一旦已经选择患者并且已经加载对应的导航规划，则在步骤S304中用户界面216向临床医生呈现患者细节视图(未示出)，所述视图允许临床医生核查选择患者和规划细节。在暂停视图中呈现给临床医生的患者细节的示例可以包括患者姓名、患者ID号和出生日期。规划细节的示例包括导航规划细节、自动配准状态和/或手动配准状态。例如，临床医生可以启动导航规划细节，以核查导航规划并且可以验证自动配准和/或手动配准的可用性。临床医生还可以启动编辑按钮(未示出)，以编辑从患者细节视图加载的导航规划。启动加载导航规划的编辑按钮(未示出)还可以启动上述规划软件。一旦临床医生对患者和规划细节的正确感到满意，则临床医生在步骤S306继续进行导航设置。替代地，医护人员可以在临床医生选择患者和导航规划之前或者与此同时实施导航设置。
在步骤S306的导航设置期间，临床医生或者其它医护人员通过将患者定位在电磁场发生器76上方的手术台上而准备患者和手术台。临床医生或者其它医护人员将基准传感器74定位在患者胸部并且例如通过使用由用户界面216向临床医生或者其它医护人员呈现的设置视图(未示出)来验证传感器适当定位。设置视图可以例如向临床医生或者其它医护人员提供基准传感器74相对于由发射垫76产生的磁场的位置的表示。患者传感器允许导航系统在导航期间补偿患者呼吸循环。临床医生还通过将LG 92插入到EWC 96中和将LG 92和EWC 96插入到支气管镜50的工作通道中使得LG 92的远侧末端93从支气管镜50的工作通道的远端延伸来使LG 92、EWC 96和支气管镜50准备用于手术。例如，临床医生可以使得LG 92的远侧末端93延伸超过支气管镜50的工作通道的远端10mm。
一旦完成设置，用户界面216向临床医生呈现视图400，以用于配准LG 92相对于加载的导航规划的位置。在步骤308中，临床医生通过将支气管镜50与EWC 96、LG 92和EM传感器94插入到患者气道中，直到LG 92、EM传感器94和支气管镜50的远端定位在患者气管中(例如如图4所示)来准备配准。然后临床医生经由例如鼠标或者踏板的输入装置210启动配准。如图4所示，视图400向临床医生呈现了来自支气管镜50的视频反馈402和肺测定图(survey)404。来自支气管镜50的视频反馈402向临床医生提供了患者气道内部在支气管镜50的远端处的实时视频。视频反馈402允许临床医生利用视觉来导航通过肺的气道。
肺测定图404向临床医生提供了针对肺的气管408和每个区域410、412、414和416的指示物406。区域410、412、414还可以对应于患者肺叶。可以设想的是，其它区域(未示出)可以存在并且可以对应于第五肺叶，例如位于患者右肺的中部肺叶。肺测定图404还可以针对例如因先前手术而缺失了一个肺的全部或者一部分的患者进行修改。
在配准期间，临床医生使得支气管镜50和LG 92前进到每个区域410、412、414和416中直到启动对应的指示物406。例如，对应指示物可以在被启动时显示“复选标记”符号417。如上所述，通过LG 92的EM传感器94和电磁场发生器76之间的电磁交互来追踪在LG 92的远侧末端93处的EM传感器94相对于每个区域410、412、414和416的位置，并且当EM传感器94进入对应区域410、412、414或者416中时可以启动指示物406。
在步骤S310中，一旦已经启动针对气管408和每个区域410、412、414和416的指示物406，例如，如图5所示，临床医生便经由输入装置210(例如鼠标或者踏板)启动“完成”按钮418，并且进行在步骤S312中的配准验证。尽管在图5中示出了每个指示物406被启动，但是临床医生可以替代地实现与当前加载导航规划的配准，而没有启动区域410、412、414和416中的一个或者多个。例如，只要临床医生实现与当前加载导航规划充分的配准，临床医生便可以启动“完成”按钮418，以进行步骤S312中的配准验证。在Brown等人的在2014年7月2日提交的题为“实时自动配准反馈(REAL-TIME AUTOMATIC REGISTRATION FEEDBACK)”的美国临时专利申请No.62/020,220中陈述了关于配准处理的更多的细节，其全部内容通过引用结合于此。充分配准可以取决于患者肺结构和当前加载的导航规划，其中，例如，在规划识别到一个肺中的目标的情况中，仅仅需要针对一个肺中的气管408和区域410、412、414或者416中的一个或者多个的指示物406来实现可用配准。
在完成与当前加载导航规划的配准之后，在步骤S312中用户界面216向临床医生呈现了视图420，用于配准验证。视图420向临床医生呈现了覆盖在当前加载导航规划的三维体积的显示切片424上的LG指示物422(实际示出EM传感器94的位置)，例如如图6所示。尽管图6中显示的切片424沿着冠状方向，但是临床医生可以替代地通过启动显示工具条426来选择轴向或者矢状方向中的一个。当临床医生使得LG 92和支气管镜50前进通过患者气道时，显示的切片424基于LG 92的EM传感器94相对于导航规划的配准三维体积的位置而变化。临床医生然后在步骤S314中判定配准是否能够被接受。一旦临床医生对能够接受配准感到满意，例如，如显示切片424所示LG指示物422没有从患者气道内偏离，则临床医生通过启动“接受配准”按钮428接受配准并且进行步骤S316中的导航。尽管现在临床医生已经完成了配准，但是EMN系统10可以继续追踪LG 92的EM传感器94在患者气道内相对于三维体积的位置，并且可以在导航程序期间继续更新并且改进配准。
在导航期间，用户界面216向临床医生呈现了例如在图7中示出的视图450。视图450向临床医生提供了用户界面，以用于导航至目标452(图8)，所述目标452包括中央导航标签454、周边导航标签456和目标对准标签458。中央导航标签454主要用于引导支气管镜50通过患者气管树，直到气道变得小到足以使得支气管镜50嵌在合适位置并且不能前进为止。在支气管镜50嵌入在合适位置中之后，周边导航标签456主要用于朝向目标452(图8)引导EWC 96、EM传感器94和LG 92。目标对准标签458主要用于在使用周边导航标签456将LG92导航至目标452之后验证LG 92与目标452对准。视图450还允许临床医生通过启动目标选择按钮460选择待导航的目标452。
每个标签454、456和458均包括多个窗口462，所述窗口462辅助临床医生导航至目标。临床医生能够在导航之前或者在导航期间通过启动“选项”按钮454来构造要呈现的窗口462的数量和构造。在每个窗口462中显示的视图也能够由临床医生通过启动每个窗口462的显示按钮466而构造。例如，通过启动显示按钮466向临床医生呈现供临床医生选择的视图列表，所述视图列表包括支气管镜视图470(图7)、虚拟支气管镜视图472(图7)、局部视图478(图8)、MIP视图(没有明确示出)、3D图谱动态视图482(图7)、3D图谱静态视图(没有明确示出)、矢状CT视图(没有明确示出)、轴向CT视图(未示出)、冠状CT视图(没有明确示出)、末端视图488(图8)、3D CT视图494(图10)和对准视图498(图10)。
支气管镜视图470向临床医生呈现接收自支气管镜50的实时图像，例如如图7所示。支气管镜视图470允许临床医生在支气管镜50朝向目标452导航通过患者气道时实时地视觉观察患者气道。
虚拟支气管镜视图472向临床医生呈现了从加载导航规划的三维体积产生的患者气道壁的3D渲染474，例如如图7所示。虚拟支气管镜视图472还向临床医生呈现了导航路径476，所述导航路径476提供了方向表示，临床医生将需要沿着所述方向行进以抵达目标452。可以以与3D渲染474形成对比的颜色或者形状呈现导航路径476，使得临床医生可以轻易地判定行进所需的路径。
图8中示出的局部视图478向临床医生呈现了位于LG 92的远侧末端93处并且与远侧末端93对准的三维体积的切片480。局部视图478示出了目标452、导航路径476和从高角度重叠在切片480上的周围气道分支。局部视图478呈现的切片480基于EM传感器94相对于加载导航规划的三维体积的位置而变化。局部视图478还向临床医生呈现了呈虚拟探针479形式的LG 92的远侧末端93的可视化。虚拟探针479向临床医生提供了LG 92的远侧末端93所面向的方向的表示，使得临床医生能够控制LG 92在患者气道中前进。例如，当临床医生操纵导管引导组件90、100的手柄91时，锁定就位的EWC 96和LG 92相对于手柄91旋转，并且虚拟探针479的远端479a的方向也相对于显示切片480旋转，以允许临床医生引导LG 92和EWC 96通过患者气道。局部视图478还向临床医生提供了水印481，水印481向临床医生表示目标452相对于显示切片的高度。例如，如图8所示，目标452的大部分位于水印481的下方并且可以例如显示为具有诸如深绿的暗颜色，同时可以将目标452的位于水印481上方的较小部分显示为例如具有诸如浅绿的亮颜色。还可以替代使用任何其它配色方案，所述其它配色方案用于表示目标452的布置在水印481上方的部分和目标452的布置在水印481下方的部分之间的差别。
在本领域中已知为最大强度投影图的MIP视图(没有明确示出)是加载导航规划的三维体积的体积渲染。MIP视图呈现了体积渲染，所述体积渲染基于沿着从视点至投影平面的平行射线发现的最大强度体素。例如，MIP视图增强了肺结节的3D特性和其它肺特征，以为了由临床医生更便捷地视觉化。
3D图谱动态视图482(图8)呈现了从加载导航规划的三维体积产生的患者气道的动态3D模型484。动态3D模型484包括高亮部分486，所述高亮部分486表示临床医生行进抵达目标452所将需要沿着的气道。动态3D模型484的方向基于EM传感器94在患者气道内的移动而自动更新，以向临床医生提供动态3D模型484的视图，所述视图相对没有被不在抵达目标452的路径上的气道分支所遮挡。3D图谱动态视图482还向临床医生呈现了如上所示的虚拟探针479，其中，虚拟探针479旋转并且在临床医生使得LG 92前进通过对应患者气道时经过动态3D模型484中呈现的气道。
3D图谱静态视图(没有明确示出)与3D图谱动态视图482类似，只是没有自动更新静态3D模型的方向。替代地，3D图谱静态视图必须由临床医生启动，以展开或者旋转静态3D模型。3D图谱静态视图还可以如在上文针对3D图谱动态视图482描述的那样向临床医生呈现虚拟探针479。
矢状、轴向和冠状CT视图(未明确示出)沿着冠状、矢状和轴向方向中的每一个呈现了从加载导航规划的三维体积获得的切片。能够在上述美国专利申请No.13/838,805中发现冠状、矢状和轴向CT视图的示例。
末端视图488例如如图8所示从LG 92的远侧末端93向临床医生呈现了模拟视图。末端视图488包括十字光标490和距离指示物492。十字光标490可以具有任何形状、尺寸或者颜色，所述形状、尺寸或者颜色向临床医生表示LG 92的远侧末端93所面向的方向。距离指示物492向临床医生提供了LG 92的远侧末端93与目标452的中心相距的距离的指示。末端视图488可以用于使得LG 92的远侧末端93与目标452对准。
3D CT视图494(图10)向临床医生提供了位于LG 92的远侧末端的正前方的三维体积的3D投影图496。例如，3D投影图496向临床医生呈现了高密度结构，例如血管和病变。3DCT视图494还向临床医生呈现了距离指示物492，如上文针对末端视图488所述的那样。
对准视图498(图10)向临床医生呈现了位于LG 92的远侧末端93的正前方的三维体积的2D投影图500，例如如图10所示。2D投影图500呈现了高密度结构，例如血管和病变。在2D投影图500中，目标452可以用例如绿色的颜色呈现并且可以为半透明。对准视图498还可以向临床医生呈现距离指示物492，如针对末端视图488在上文所述的那样。
现在将描述导航至目标452。
首先，在步骤S316中，通过用户界面202向临床医生呈现视图450，中央导航标签454激活，例如如图7所示。在通过用户界面202初始化视图450时中央导航标签454可以是默认标签。如上所述，中央导航标签454向临床医生呈现了支气管镜视图470、虚拟支气管镜视图472和3D图谱动态视图482。使用中央导航标签452，临床医生通过沿着患者气道遵循虚拟支气管镜视图472的导航路径476而将支气管镜50、LG 92和EWC 96导航向目标452。临床医生观察支气管镜50在每张视图470、472和482中的进程。在步骤S318中，临床医生判定通往目标的气道是否已经变得对于支气管镜50而言太小并且如果这样的话支气管镜50被嵌在适当位置。一旦已经将支气管镜50嵌在适当位置，则临床医生使用输入装置210(例如，鼠标或者踏板)启动周边导航标签456，并且在步骤S320中进行周边导航。
在步骤S320的周边导航期间，例如如图8所示向临床医生呈现了周边导航标签456。周边导航标签456向临床医生呈现了局部视图478、3D图谱动态视图482、支气管镜视图470和末端视图488。周边导航标签456辅助临床医生在支气管镜50的远端和目标452之间导航。如图8中的支气管镜视图470所示，临床医生使得LG 92和EWC 96朝向目标452从支气管镜50的工作通道延伸到患者气道中。临床医生追踪LG 92、EM传感器94以及EWC 96在局部视图478、3D图谱动态视图482和末端视图488中的进程。例如，如上所述，并且如在图8中所示，临床医生使得LG 92、EM传感器94和EWC 96相对于患者气道旋转，直到虚拟探针479的末端479a朝向通往目标452的所需气道定向。例如可以基于在局部视图478中呈现的导航路径476和在3D图谱动态视图482中呈现的高亮部分486判定所需气道。临床医生然后使得LG92、EM传感器94和EWC 96前进到所需气道中并且在3D图谱动态视图482和局部视图478中确定EM传感器94相对于目标452和患者气道的移动。临床医生还可以检查目标452在末端视图488上的位置，以判定在LG 92移动靠近目标452时目标452相对于LG 92的远侧末端93的取向的位置。
当临床医生已经使得LG 92的远侧末端93前进至目标452时，例如如图9所示，临床医生可以在步骤S322中决定启动目标对准标签458，以确定与目标452的目标对准。
在步骤S324中的目标对准期间，如图10所示向临床医生呈现了目标对准标签458。目标对准标签458向临床医生呈现了局部视图478、3D图谱动态视图482、3D CT视图494和对准视图498。目标对准标签458辅助临床医生将LG 92与目标452对准。通过将3D CT视图494和对准视图498的3D和2D投影图与局部视图488和3D图谱动态视图482中的虚拟探针479的位置和方向进行比较，临床医生可以判定LG 92的远侧末端是否与目标452对准以及判定LG92的远侧末端93与目标452相距的相对距离。
在临床医生在步骤S326中使用目标对准标签458判定目标已经对准之后或者如果临床医生在步骤S322中决定不启动目标对准视图458，临床医生就可以在步骤S328中决定启动周边导航标签456(图9)或者目标对准标签458(图10)的“标记位置”按钮502，以对虚拟探针479的当前位置进行虚拟标记，在所述当前位置处，虚拟探针479的配准位置对应于LG92的远侧末端93的当前位置。该标记可以永久记录为导航规划的一部分，以使得临床医生能够在后续导航中或者在同一手术的稍后时间中返回到基本相同的位置，例如，在活检样本已经获得并确定癌变且需要立即治疗的情况中。在Brown于2014年7月2日提交的题为“用于标记活检位置的方法(METHODS FOR MARKING BIOPSY LOCATOIN)”的美国专利申请No.62/020,177中陈述了关于虚拟标记活检位置的处理的更多细节，其全部内容在此通过引用并入本公开。
一旦临床医生已经启动了“标记位置”按钮502，则用户界面216向临床医生呈现了视图504，所述视图504向临床医生提供了例如如图11所示的虚拟探针470的标记位置的细节。例如，视图504向临床医生提供了活检或治疗位置编号506以及与目标中心508相距的距离，以用于临床医生核查。在呈现了视图504的同时，临床医生可以在步骤S330中从支气管镜50的EWC 96收回LG 92并且将工具插入通过EWC 96，所述工具例如为活检装置102、基准标记装置、消融探针、化疗探针或者其它类似工具，以取样、标记和/或治疗目标452。一旦临床医生使用工具完成取样、标记和/或治疗目标452，临床医生就从支气管镜50收回工具并且将LG 92插回到支气管镜50中。临床医生然后启动“完成”按钮510，以完成标记目标452。
一旦已经启动“完成”按钮506，用户界面216就向临床医生呈现视图500，所述视图500具有激活的标签454、456或者458中的一个。如图10所示，例如，在多张视图中由目标对准标签458呈现虚拟标记512的图示，所述多张视图包括例如3D图谱动态视图482、局部视图488或者上述任何其它视图，以向临床医生表示先前治疗部位的位置。然后临床医生在步骤S332中判定目标452是否需要其它活检、标记或者治疗。如果需要其它活检，则临床医生重复步骤S320至步骤S330。因为临床医生已经导航至目标452，所以临床医生可以替代地仅仅重复步骤S320至步骤S330中的子集。例如，临床医生可以返回到目标对准标签458，而没有启动周边导航标签456，以继续导航至目标或者使得LG 92与目标对准，以用于其它活检、标记或者治疗。替代地，临床医生可以仅仅使用周边导航标签456，以继续导航至目标452，以用于其它活检或者治疗。
如果不需要其它活检或者治疗，则临床医生在步骤S334中通过启动目标选择按钮460判定是否存在导航规划的其它目标。如果导航规划有其它目标，则临床医生启动其它目标并且重复步骤S316至步骤S332以导航至其它目标，以用于活检或者治疗。如果其它目标处于与目标452相同的肺叶或者区域中，则临床医生可以替代地仅仅重复步骤S316至步骤S332的子集。例如，在嵌入的支气管镜50的位置仍然能够接近所述其它目标的情况中，临床医生可以使用周边导航标签456(步骤S320)或者目标对准标签458(步骤S324)而不使用中央导航标签454(步骤S316)开始导航至所述其它目标。
如果不存在其它目标，则临床医生完成导航程序并且可以从患者收回LG 92、EWC96和支气管镜50。临床医生然后可以在步骤S336中向存储器、经由输出模块212向USB装置、或者经由网络接口208向服务器或者其它用于稍后核查的目的地输出导航程序的记录。
在导航程序期间，LG 92的EM传感器94可以利用配准信息连续更新工作站80，使得连续更新配准。另外，工作站80可以在发现三维体积中的LG 92的EM传感器94的配准位置位于三维体积的气道之外时自动调节配准，使得LG 92的EM传感器94再配准于三维体积的气道内。例如，可以更新配准，使得三维体积中的EM传感器94的位置自动卡入到最近的气道。以这种方式，可以完成LG 92的EM传感器94的位置关于加载导航规划的三维体积的动态配准。
在导航程序期间的任何时间，临床医生均还可以通过启动“选项”按钮94以及启动核查配准按钮(未示出)来核查配准。用户界面216然后向临床医生呈现了例如如图12所示的视图514。视图514向临床医生呈现了从加载导航规划的三维体积产生的患者支气管树的3D模型516，以用于核查配准。如图12所示，3D模型516包括一组数据点518，所述数据点518基于LG 92的传感器94在患者气道内行进的位置在配准期间产生。在3D模型516上呈现数据点518，以允许临床医生评估3D模型516与患者气道的整体配准。另外，在导航至目标452期间，基于LG 92的传感器94在其通向目标452的路径上已经行进到的位置产生了第二组数据点520。数据点518和520可以进行颜色编码，例如，分别为绿色和紫色，或者可以具有不同的形状或者其它识别特征，所述不同形状或者其它识别特征允许临床医生区别数据点518和520。临床医生还可以启动或者停用复选框522，以控制在3D模型516中呈现哪一组数据点518和520。
当在此使用时，术语“远侧”指的是更加远离用户的部分，而术语“近侧”指的是更加靠近用户的部分。此外，在一致的程度上，在此描述的方面和特征中的任意一个可以结合在此描述的其它方面和特征中的任意一个或者所有使用。
尽管已经在附图中描绘了本公开的若干实施例，但是不应当理解为本公开局限于此，原因在于本公开的范围如本技术领域所允许的那样宽泛并且同样解读本说明书。因此，上述描述不应当理解为限制，而是仅仅为特定实施例的示例。在所附权利要求的范围和精神内本领域技术人员将设想其它修改方案。

Claims (15)

1.一种用于通过患者的支气管树导航至目标的系统，所述系统包括：
支气管镜，所述支气管镜构造成插入到患者的支气管树中，所述支气管镜限定了工作通道；
探针，所述探针能够插入到所述支气管镜的所述工作通道中并且包括位置传感器，所述探针构造成导航通过患者的支气管树；和
工作站，其与所述探针和所述支气管镜操作通信，所述工作站包括存储器和至少一个处理器，所述存储器存储导航规划和程序，所述程序当由所述处理器执行时呈现用户界面，所述用户界面引导用户通过所述导航规划，所述用户界面构造成呈现：
中央导航视图，所述中央导航视图包括多张视图，所述多张视图构造成辅助用户将所述支气管镜朝向目标导航通过患者的支气管树的中央气道；
周边导航视图，所述周边导航视图包括多张视图，其构造成用于辅助用户将所述探针通过患者的支气管树的周边气道导航至所述目标；和
目标对准视图，其包括多张视图，所述多张视图构造成用于辅助用户将所述探针的远侧末端与所述目标对准。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央导航视图、所述周边导航视图和所述目标对准视图中的每一张均构造成呈现选自由以下视图构成的组中的一张或者多张视图：支气管镜视图、虚拟支气管镜视图、局部视图、MIP视图、3D图谱动态视图、3D图谱静态视图、矢状CT视图、轴向CT视图、冠状CT视图、末端视图、3D CT视图和对准视图。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述中央导航视图构造成呈现所述支气管镜视图、虚拟支气管镜视图和3D图谱动态视图。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述周边导航视图构造成呈现所述支气管镜视图、所述3D图谱动态视图、所述末端视图和所述局部视图。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述目标对准视图构造成呈现所述3D图谱动态视图、所述局部视图、所述对准视图和所述3D CT视图。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述3D图谱动态视图包括患者的支气管树的3D模型，所述3D图谱动态视图构造成自动调节所述3D模型响应于所述位置传感器在患者气道内移动的方向。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述3D模型包括高亮部分，所述高亮部分表示沿着患者的支气管树至所述目标的路径。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述3D图谱动态视图或者所述局部视图中的至少一张包括所述探针的远侧末端的虚拟图示，所述虚拟图示构造成向用户提供所述探针的所述远侧末端的方向的表示。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述探针的所述远侧末端的虚拟图示是3D虚拟图示。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述探针的所述远侧末端限定了选自由直线构造、弯曲构造或者成角度构造构成的组的构造，并且其中所述探针的所述远侧末端的虚拟图示的构造与所述探针的所述远侧末端的构造相同。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述3D图谱动态视图和所述局部视图中的至少一张构造成响应于所述探针的所述远侧末端在患者气道内的方向变化而调节所述探针的所述远侧末端的虚拟图示的方向。
12.根据权利要求2所述的系统，其中，所述虚拟支气管镜视图包括虚拟路径，所述虚拟路径构造成向所述用户提供了通向所述目标的路径的表示。
13.根据权利要求2所述的系统，其中，所述局部视图呈现了所述导航规划的三维体积的切片的正视图，并且其中，所述局部视图构造成响应于所述探针在患者的支气管树内的移动而改变要呈现的所述三维体积的所述切片。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述局部视图包括相对于所呈现的三维体积的切片布置的所述目标的3D图示，所呈现的三维体积的切片限定针对所述目标的3D图示的水印，所述水印表示所述目标的所述3D图示相对于所呈现的三维体积的切片的相对位置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述目标的3D图示的布置在所呈现的三维体积的切片上方的第一部分呈现为第一种颜色，而所述目标的所述3D图示的布置在所呈现的三维体积的切片下方的第二部分呈现为第二种颜色。
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