CN112074867B 与用于图像引导手术的配准有关的系统和方法 （直观外科手术操作公司）

2020.11.04PCT/US2019/0310392019.05.07WO2019/217366EN2019.11.14forMedicalImageReRegressionForests.INTERNATANDPATTERNS.2016,第2RegistrationErrorsforRegistration.BIOMEDICALPHOTONICOPTOELECTRONICIMAGING.2009与用于图像引导手术的配准有关的系统和以分别使用一个或多个扰动初始参数集将模型2一个或多个处理器，其耦接到所述非暂时性存储器并且被配置为读使用第一初始参数集将所述模型点集配准到所述测量点集以基于所述第一初始参数集生成一个或多个扰动初始执行一个或多个扰动配准过程，以分别使用所述一个或多个扰动初基于所述第一变换和所述一个或多个扰动变换来生成第通过对所述所述模型的第二感兴趣区域执行配准质量分析来生成第三配准质量指示2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个扰动初始参数集中的每个扰动初3.根据权利要求2所述的系统，其中所述一个或多个扰动初始参数集中的每个扰动初4.根据权利要求1所述的系统，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数集5.根据权利要求1所述的系统，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数集6.根据权利要求1所述的系统，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数集基于所述第一变换和所述一个或多个扰动变换，生成与所述解剖通过计算所述多个点配准误差的平均误差，生成所述第一配准质量指9.根据权利要求7所述的系统，其中所述多个点配准误差中的每个与所述模型点集中在显示器上提供与所述第一配准质量指示符相312.根据权利要求11所述的系统，其中所述显示表示包括与所述第一配准质量指示符13.根据权利要求11所述的系统，其中所述显示表示包括与所述第一配准质量指示符15.根据权利要求14所述的系统，其中所述配准质量消息包括供操作者将所述模型点将所述感兴趣区域中的第一模型点集配准到所述测量点集，以生将所述比较区域中的第二模型点集配准到所述测量点集，以生基于所述第一数量的感兴趣区域变换和所述第一数量的比较17.根据权利要求16所述的方法，其中所述比较区域包括除所述感兴趣区域之外的所19.根据权利要求16所述的方法，其中使用相同的初始参数集生成第一感兴趣区域变20.根据权利要求16所述的方法，其中使用第一数量的扰动初始参数集分别生成所述21.根据权利要求16所述的方法，其中针对所述感兴趣区域生成所述配准质量指示符对于所述感兴趣区域内的每个模型点，基于所述第一数量的通过计算与所述感兴趣区域内的所述模型点相关联生成第一数量的比较点误差，其中每个比较点误差是使用对应4将感兴趣区域中的第一模型点集配准到所述测量点集以生成第一集合的感兴趣区域针对所述感兴趣区域执行局部配准质量分析，以基于所述第一集将与所述修改后的模型空间相关联的模型点子集配准到所述测量点集，通过基于所述局部配准质量指示符和与所述感兴趣区域相关联的局部配准质量阈值沿着插入所述患者的所述解剖结构的细长装置的长度收集所28.一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在使用第一初始参数集将所述模型点集配准到所述测量点集以基于所述第一初始参数集生成一个或多个扰动初始执行一个或多个扰动配准过程，以分别使用所述一个或多个扰动初基于所述第一变换和所述一个或多个扰动变换来生成第通过对所述模型的第二感兴趣区域执行配准质量分析来生成第三配29.一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在将所述感兴趣区域中的第一模型点集配准到所述测量点集，以生将所述比较区域中的第二模型点集配准到所述测量点集，以分5基于所述第一数量的感兴趣区域变换和所述第一数量的比较区30.一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在将感兴趣区域中的第一模型点集配准到所述测量点集以生成第一集合的感兴趣区域针对所述感兴趣区域执行局部配准质量分析，以基于所述第一集将与所述修改后的模型空间相关联的模型点子集配准到所述测量点集使用第一初始参数集将所述模型点集配准到所述测量点集以基于所述第一初始参数集来生成一个或多个扰动初始执行一个或多个扰动配准过程，以分别使用所述一个或多个扰动初基于所述第一变换和所述一个或多个扰动变换生成第通过对所述所述模型的第二感兴趣区域执行配准质量分析来生成第三配准质量指示32.根据权利要求31所述的方法，其中所述一个或多个扰动初始参数集中的每个扰动33.根据权利要求32所述的方法，其中所述一个或多个扰动初始参数集中的每个扰动34.根据权利要求31所述的方法，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数35.根据权利要求31所述的方法，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数36.根据权利要求31所述的方法，其中第一扰动初始参数集包括与所述第一初始参数基于所述第一变换和所述一个或多个扰动变换，生成与所述解剖通过计算所述多个点配准误差的平均误差，生成所述第一配准质量指639.根据权利要求37所述的方法，其中所述多个点配准误差中的每个与所述模型点集40.根据权利要求37所述的方法，其中所述多个点配准误差与所述解剖结构的目标区在显示器上提供与所述第一配准质量指示符相42.根据权利要求41所述的方法，其中所述显示表示包括与所述第一配准质量指示符43.根据权利要求41所述的方法，其中所述显示表示包括与所述第一配准质量指示符将所述第一配准质量指示符与配准质量阈值进行比较以生成比较结45.根据权利要求44所述的方法，其中所述配准质量消息包括供操作者将所述模型点7[0002]本申请要求2018年5月11日提交的美国临时申请62/670,530的权益，其通过整体[0004]微创医疗技术旨在减少医疗程序中受损的组织数量，从而减少患者的康复时间、8[0010]在另一个说明性实施例中，一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介[0011]在另一个说明性实施例中，一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介到测量点集以生成分别与第一数量的感兴趣区域变换相对应的第一数量的比较区域变换；[0012]在另一个说明性实施例中，一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介空间相关联的模型点子集配准到测量点集以[0017]图3A和图3B是根据一些实施例的包括安装在插入装配件上的医疗器械的患者坐9[0023]图9是根据一些实施例的提供用于基于配准质量分析来执行重新配准的方法的流体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的定位以及该物体或物体的一部分在至少一作的选择运动自由度和非电动和/或非远程操作的选择运动自由度的远程操作装配件、非O具有直接控制器械104的强烈感觉，可以为控制装置提供与相关联的医疗器械104相同的[0033]在一些实施例中，控制装置可以具有比相关联的医疗器械104更多或更少的自由[0034]操纵器装配件102支撑医疗器械104，并且可以包括一个或多个非伺服控制连杆动器可以可选地包括驱动系统，该驱动系统在被耦接到医疗器械104上时可以使医疗器械104前进到自然或手术创建的解剖孔口中。其他驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械旋转和取向的传感器数据提供到医疗系统100。该定位传感器数据可以用于确定由致动器[0036]远程操作医疗系统100还包括显示系统110，该显示系统110用于显示由传感器系可以被取向成使得操作者O可以以远程呈现的感知来控制医疗器械104和100的一个或多个显示器(诸如显示系统110的一个或多个显示器)将图像提供给操作者或[0038]显示系统110还可以显示由可视化系统所采集的手术部位和医疗器械的图像。在于时间或基于速度的信息)图像和/或呈现为来自术前或术中图像数据集所创建的模型的的虚拟图像。医疗器械104的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟[0042]远程操作医疗系统100也可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储指示操纵器装配件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。医疗器械104可以经由患者P体内的开口延伸到患者P体内的内部手术部位。可以使用任何合适的常规和/或专实施例中，一个或多个致动器和操纵器装配件102被提供作为定位成邻近患者P和手术台T[0044]控制系统112可以可选地进一步包括虚拟可视化系统，以在图像引导手术程序期与手动输入结合使用的软件可以用于将记录的图像变换为部分或整个解剖器官或解剖区的)或标准表示与患者专用数据的混合。该复合表示和由该复合表示生成的任何虚拟图像可以表示一个或多个运动期间(例如，肺的吸气/呼气周期期间)可变形解剖区域的静态姿[0045]在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以用于计算医疗器械104相对于患者P的解剖结构的近似位置。该位置可以用于产生患者P的解剖结构的宏观(外部)跟踪图像和患感器和/或其他传感器以将医疗实施与术前记录的手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的图像)一起配准和显示。例如，PCT公开WO2016/191298(公开于2016年12月1日)(公开中，远程操作医疗系统100可以包括一个以上的操纵器装配件和/或一个以上的主装配件。远程操作操纵器装配件的确切数量将取决于手术程序和手术室内的空间限制以及其他因上的操作者以各种组合控制一个或多个远程操作操纵器装配件。系统200可以在使用远程操作系统医疗系统100执行的图像引导医疗程序中用作医疗器械与诸如患者P的患者的解剖通道内的位置相对[0047]医疗器械系统200包括耦接到驱动单元204的细长装置202(诸如柔性导管)。细长用一个或多个传感器和/或成像装置确定沿着柔性主体216的远端218和/或一个或多个段机处理器可以包括图1中的控制系统112[0049]跟踪系统230可以使用形状传感器222可选地跟踪远端218和/或段224中的一个或多个。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对准的光纤(例如，提供在内部通道中的应变测量。美国专利申请No.11/180,389(2005年7月13日提交)(公开“F216的形状。在一些实施例中，跟踪系统230可以可选地和/或另外地使用定位传感器系统220跟踪远端218。定位传感器系统220可以是EM传感器系统的部件，其中定位传感器系统220包括可以经受外部生成的电磁场的一个或多个导电线圈。EM传感器系统的每个线圈然年8月11日提交)(公开“Six-DegreeofFreedomTrackingSystemHavingaPassive器相似的电磁(EM)传感器的一系列定位传感器(未示出)可以沿着柔性主体216定位，然后后在程序完成时缩回到该通道中。从柔性主体216的近端217或从沿着柔性主体216的另一[0052]医疗器械226可以附加地容纳在其近端和远端之间延伸的线缆、连杆机构或其他10月4日提交)(公开“ArticulatedSurgicalInstrumentforPerformingMinimallyInvasiveSurgerywithEnhancedDexterityandSensitivity”)和美国专利申请No.12/286,644(2008年9月30日提交)(公开“PassivePreloadandCapstanDrivefor[0053]柔性主体216还可以容纳在驱动单元204和远端218之间延伸的线缆、连杆机构或动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。细长装置202可以是可转向的，柔性支气管器械(诸如支气管镜或支气管导管)。医疗器械系统200还适用于在各种解剖系200的反馈。美国专利申请No.13/107,562(2011年5月13日提交)(公开“MeProvidingDynamicRegistrationofaModelofanAnatomicStructurefoGuidedSurgery”)、PCT公开WO2016/103359GuidedSurgery”)中提供使用光纤传感器以配准和显示具有手术图像的手术器械的各种控件可以包括用于器械的手持操作的各种手柄界[0057]图3A和图3B是根据一些实施例的包括安装在插入装配件上的医疗器械的患者坐环境中静止。除非患者被要求屏住呼吸以暂时中止呼吸运动，否则患者P的循环解剖运动致动器控制器械托架306沿插入台308[0058]细长装置310耦接到器械主体312。器械主体312相对于器械托架306被耦接并固[0059]定位测量装置320提供关于器械主体312沿插入轴线A在插入台308上移动时的定[0060]图3A示出沿着插入台308处于缩回定位的器械主体312和器械托架306。在该缩回而描述插入台308上的近端点316的定位。在器械主体312和器械托架306的该缩回定位中，着插入台308的运动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或插入台308相关联的一个或多个定位传感器的编码器和/或其他定位数据被用于确定近端点316的相对于定位L0架306沿着插入台308移动而前进时，操作者O可以转向细长装置310的远端318以导航通过[0063]图5是示出在图像引导手术程序中使用的通用方法500的流程图。在图5中示出的[0065]在过程504，使用单独操作的或与手动输入结合操作的计算机系统将记录的图像施例中，模型600可以包括诸如疑似肿瘤、病变或其他感兴趣的组织部分的特别期望的特模的通道的中心的一组互连的线段或点。图6B示出从模型600导出或直接从成像数据导出分段模型602表示肺可以提供由一个或多个处理器或处理核心更有效地处理的较小数据为左右主支气管的点。在中心线分段模型602中可以将右主支气管识别为位于分支点A和B点可以包括代识别符，该代识别符识别这些点与哪个通道代相关联和/或与中心线分段模[0070]在生成中心线分段模型602并将其存储在数据中作为图6C中置的远端的定位或细长装置的姿态的同时，通过使细长装置前进通过解剖结构和/或到达最近点(ICP)技术)也可以在配准过程中使用。这种点集配准方法可以生成将测量点(也称为测量点集)和模型点(也称为模型点集)对准高质量阈值)的示例中，这样的配准质量指示符可以增强操作者对图像引导手术程序的信可执行代码在由一个或多个处理器(例如，控制系统112的处理器)运行时可以使一个或多[0078]方法700开始于过程702，在过程702，执行全局配准以将模型空间配准到患者空程508提供的变换可以用作变换Topt，在步骤508执行的用于配准的初始参数可以用作最优初始参数的总扰动数n和修改值可以被配置为使得由n个扰动生成的配准变换至动以偏向于肺的一侧上的点高于肺的另一侧，或者偏向于给定肺叶上的点高于另一肺叶。第i个扰动初始参数集计算下一个扰动变换mwvese700进行到过程714，其中对于模型空间中的点集中的每个点yk，点平均配准误差Ek计算如[0088]在一些实施例中，针对患者空间中的测量点集的每个测量点计算点平均配准误[0093]在用于全局配准质量分析的图7的方法700计算跨一定范围的预期初始参数的配个区域相关联的配准变换结果的一致性来计算局部[0094]图8中的方法800被示为一组操作或过程802至810。在方法800的所有实施例中并由一个或多个处理器(例如，控制系统112的处理器)运行时可以使一个或多个处理器执行Topt。可以使用该最优初始参数集或基于该最优初始参数集生成的扰动初始参数集来执行部配准使用初始参数集，该初始参数与在过程802处用于配准感兴趣区域的初始参数集相感兴趣区域变换T1和比较区域变换T2如下计算分别使用n1个扰动初始参数生成扰动变换至(t-sy和(r-s至可以基本较区域以分别生成和其中i是0和n1-1之间的扰动指数。基于扰动变换至准质量高/低阈值可以由操作者针对特定的感兴趣区域来配置。符(例如，全局配准质量指示符和/或一个或多个局部配准质量指示符)从模型空间中排除[0109]图9中的方法900被示出为一组操作或过程902至910。在方法900的所有实施例中在由一个或多个处理器(例如，控制系统112的处理器)运行时可以使一个或多个处理器执的位置可以与包括通道601A和601B的通道601的绘制同时定位和显示。可以在显示器上通过多个点或小点在用户界面中可视地表示模型点，或者可以将模型点表示为渲染模型(诸参数集(其基于该最优初始参数集生成)，如上面关于图8所讨论的，以用于对区域进行配1008，该局部配准质量区1008显示在过程904处生成的第一区域集的局部配准质量指示符[0118]方法900可以进行到过程910以使用修改后的模型空间执解剖模型600显示人肺的解剖通道的渲染，其中细长装置310的当前形状和远端318的位置有指示介质质量的配准质量指示符值(例如，通过与一个或多个介质配准质