电磁畸变检测和补偿的制作方法

电磁畸变检测和补偿
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年9月3日提交的美国临时申请62/895,272的权益，该申请据此全文以引用方式并入。
技术领域
3.本公开大体上涉及用于检测机器人使能的医疗系统中的电磁(em)畸变的系统和方法，并且更具体地涉及补偿检测到的em畸变，该em畸变可影响用于在患者内对医疗器械进行导航和定位的基于em的导航系统。


背景技术：

4.医疗程序诸如内窥镜检查(例如，支气管镜检查)可涉及出于诊断和/或治疗目的而进入患者的腔网络(例如，气道)的内部并使其可视化。外科机器人系统可用于控制外科工具(诸如例如在内窥镜程序期间的内窥镜)的插入和/或操纵。外科机器人系统可包括至少一个机器人臂，该至少一个机器人臂包括用于在程序期间控制外科工具的定位的操纵器组件。可基于检测到的电磁(em)场将外科工具导航通过患者的腔网络。


技术实现要素：

5.本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。
6.在一个方面中，提供了一种系统，该系统包括：器械，该器械包括一组一个或多个电磁(em)传感器，该em传感器被配置成生成指示该器械的远侧端部的一个或多个位置的em位置数据；一个或多个处理器；以及至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器与该一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令以致使该一个或多个处理器：基于该em位置数据来确定该器械的该远侧端部在第一时间的参考位置；确定在第二时间的该器械的该远侧端部是静态的，该第二时间继该第一时间之后；确定在该第二时间的该em位置数据指示该器械的该远侧端部在该第二时间的该位置已从该参考位置改变大于阈值距离；基于在该第二时间的该位置与在该第一时间的参考位置之间的距离来确定当前偏移；以及基于该em位置数据和该当前偏移来确定该器械的该远侧端部的补偿位置。
7.在另一方面中，提供了一种补偿电磁(em)畸变的方法，该方法包括：基于em位置数据来确定器械的远侧端部在第一时间的参考位置，该器械包括一组一个或多个em传感器，该一个或多个em传感器被配置成生成指示该器械的该远侧端部的位置的该em位置数据；确定在第二时间的该器械的该远侧端部是静态的，该第二时间继该第一时间之后；确定在该第二时间的该em位置数据指示该器械的该远侧端部在该第二时间的该位置已从该参考位置改变大于阈值距离；基于在该第二时间的该位置与在该第一时间的该参考位置之间的距离来确定当前偏移；以及基于该em位置数据和该当前偏移来确定该器械的该远侧端部的补
偿位置。
8.在又一方面中，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质在其上存储有指令，该指令在被执行时致使至少一个计算装置：基于该em位置数据来确定器械的远侧端部在第一时间的参考位置，该器械包括一组一个或多个em传感器，该一个或多个em传感器被配置成生成指示该器械的该远侧端部的位置的该em位置数据；确定在第二时间的该器械的该远侧端部是静态的，该第二时间继该第一时间之后；确定在该第二时间的该em位置数据指示该器械的该远侧端部在该第二时间的位置已从该参考位置改变大于阈值距离；基于在该第二时间的该位置与在该第一时间的该参考位置之间的距离来确定当前偏移；以及基于该em位置数据和该当前偏移来确定该器械的该远侧端部的补偿位置。
9.在仍又一方面中，提供了一种系统，该系统包括：器械，该器械包括一组一个或多个位置传感器，该位置传感器被配置成生成指示该器械的远侧端部的位置的位置数据；一组一个或多个处理器；以及至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器与该一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令以致使该一个或多个处理器：基于该位置数据来确定该器械的该远侧端部在第一时间的参考位置；确定在第二时间的该器械的该远侧端部是静态的，该第二时间继该第一时间之后；确定在该第二时间的该em位置数据指示该器械的该远侧端部在该第二时间的该位置已从该参考位置改变大于阈值距离；以及基于该位置数据和该器械的该远侧端部在该第二时间的该位置已从该参考位置改变大于阈值距离的确定，来确定该器械的该远侧端部的补偿位置。
附图说明
10.下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。
11.图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人系统的实施方案。
12.图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。
13.图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。
14.图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。
15.图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。
16.图6提供了图5的机器人系统的另选视图。
17.图7示出了被配置成收起机器人臂的示例性系统。
18.图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。
19.图9示出了被配置用于腹腔镜规程的基于台的机器人系统的实施方案。
20.图10示出了图5-图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。
21.图11提供了图5-图10的基于台的机器人系统的台与柱之间的接口的详细图示。
22.图12示出了示例性器械驱动器。
23.图13示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。
24.图14示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。
25.图15描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图1-图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图13-图14的器械的位置)的定位系统。
26.图16示出了实现所公开的导航系统和技术的一个或多个方面的示例性操作环境。
27.图17示出了可在图16的操作环境中导航的示例性腔网络140。
28.图18示出了具有如本文所述的成像和em感测能力的示例性内窥镜的远侧端部。
29.图19a-图19c提供了示出可指示局部em畸变的度量的变化的度量的图表。
30.图20提供了示出确定已发生局部em畸变的示例性方法的流程图。
31.图21示出了根据本公开的方面的可用于检测全局em畸变的系统的实施方案。
32.图22提供了示出确定已发生全局em畸变的示例性方法的流程图。
33.图23提供了示出确定患者和em场发生器中的一者已移动的示例性方法的流程图。
34.图24提供了将em贴片传感器105放置在em场发生器的工作体积内的示例。
35.图25描绘了示出可执行本公开的方面的em跟踪系统的示例的框图。
36.图26是示出了根据本公开的方面的可由em跟踪系统或其部件操作以检测em畸变的示例性方法的流程图。
37.图27是示出了根据本公开的方面的可由em跟踪系统或其部件操作以检测em畸变的另一示例性方法的流程图。
38.图28是示出了根据本公开的各方面的可由em跟踪系统或其部件操作以促进em传感器在由场发生器产生的em场内的定位的又一示例性方法的流程图。
39.图29是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统或其部件操作以检测患者或em场发生器中的至少一者的移动的仍又一示例性方法的流程图。
40.图30a是示出根据本公开的各方面的可由em跟踪系统或其部件操作以补偿em畸变的示例性方法的流程图。
41.图30b是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统或其部件操作以补偿em畸变的示例性方法的流程图。
42.图31a是示出随时间推移与em定位相关联的多个跟踪值的多个示例性曲线图。
43.图31b提供了在没有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化。
44.图31c提供了在具有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化。
45.图32a示出了另一示例性曲线图，其示出了随时间推移与em定位相关联的多个跟踪值。
46.图32b提供了在没有em畸变补偿和具有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化。
具体实施方式
47.本公开的实施方案涉及用于检测和/或减轻电磁(em)畸变的系统和技术，em畸变可导致依赖于em数据的定位和/或导航系统中的错误。存在多个可能的em畸变的源，在极端畸变情况下，该畸变的源可导致em数据不可靠。本公开的附加实施方案涉及用于将em发生器相对于患者和/或放置在患者上的一个或多个em贴片传感器对准的技术。
48.如本文所用，术语“大约”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。此类测量范围涵盖相对于指定值的 /-10％或更小、优选地 /-5％或更小、更优选地 /-1％或更小，并且还更优选地 /-0.1％或更小的变化，只要此类变化是适当的，以便在所公开的装置、系统和技术中起作用。
49.出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。
50.1.概述。
51.本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医疗规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。
52.除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。
53.出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。
54.a.机器人系统
–
推车。
55.机器人使能的医疗系统可以按多种方式配置，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人使能系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当使用胃镜(用于胃肠道(gi)规程的专用内窥镜)执行gi规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。
56.继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分耦合到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦合到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和位置表示在向医师提供到内窥镜
13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。
57.在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。
58.例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可能需要在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。
59.系统10还可包括可运动塔30，该可运动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调节和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台与支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。
60.为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。
61.塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。
62.塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可运动的推车11。
63.塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的em传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位em场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的em传感器进行检测。
64.除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两
者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康或生命体征和系统的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。
65.塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦合到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可耦合在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单根缆线向推车提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控制、光学、流体和/或导航的支持。
66.图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独配置的臂安装件，该臂安装件沿垂直轴线旋转以调节机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。
67.托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调节机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。
68.在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。
69.柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。
70.机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂可用的独立自由度。臂12中的每个臂具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连杆方位和关节角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师使臂关节运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。
71.推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车能够运动和/或固定的部件。例如，推车基
部15包括允许推车在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。
72.定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可包括从术前计算机化断层摄影(ct)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台。从该位置，医师可在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用于帮助操纵和稳定推车11的柄部27。
73.图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。
74.在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。
75.图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统的实施方案。在血管规程中，系统10可以被构造成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可被定位成朝向患者的腿部和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入到动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。
76.b.机器人系统
–
台。
77.机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的c形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。
78.图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该
托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。
79.臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架上，该关节可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装架45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装架45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。
80.柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架43的竖直平移的导螺杆和用以机械化基于导螺杆的所述托架的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。
81.台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要运动时回缩。
82.继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可向台提供各种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部中有更多的储存空间，以用于机器人臂的潜在收起。塔还可以包括控制台，该控制台提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。
83.在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和臂50，并且关闭以收起该托架、该臂安装件和该臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以利用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在闭合时灰尘和流体进入。
84.图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许c形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可固定到台38的旋转部分55，以在规程期间支撑患者的腿部的位置，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。
85.在腹腔镜规程中，通过患者的腹壁中的小切口，可将微创器械(细长形状以适应一个或多个切口的尺寸)插入患者的解剖结构中。在对患者的腹腔充胀之后，可以引导通常称为腹腔镜的器械以执行手术任务，诸如抓取、切割、切除、缝合等。图9示出了被构造用于腹腔镜规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将腹腔镜59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。
86.为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调节的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与基部46碰撞。
87.图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。
88.例如，当试图将台定位在特伦德伦伯格卧位(即，将患者的下腹部定位在比患者的下腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。头低脚高方位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。
89.c.器械驱动器和接口。
90.系统的机器人臂的端部执行器包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，其结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，其可以没有诸如马达的任何机电部件。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。
91.图12示出了示例性器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，其以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可向医疗器械提供多个(如图12所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。
92.对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动
从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。
93.d.医疗器械。
94.图13示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或耦合时，器械基部72的配合的驱动输入73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。
95.细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴66可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器包括由具有旋转轴线的连接叉形成的关节腕和外科工具(例如，抓握器或剪刀)，当驱动输入响应于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。
96.使用轴71内的腱沿着细长轴71向下传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，牵拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从器械柄部72，沿着细长轴71内的一个或多个牵拉腔向下导向腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处。在腹腔镜检查中，这些腱可以耦合到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在腹腔镜检查中，腱可以致使关节围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。
97.在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦合到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其间的间隔，
其中更紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但也呈现限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。
98.在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴可在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，发光二极管)的光载送到轴的远侧端部。
99.在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。
100.在图13的示例中，驱动轴的轴线以及因此驱动输入轴线与细长轴的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入73静止的同时沿着其轴线滚动细长轴71会引起当腱从驱动输入73延伸出去并且进入到细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴的移动的任何控制算法。
101.图14示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。
102.与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出81的多个驱动输入89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图13的设计中那样正交。
103.当耦合到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。
104.e.导航和控制。
105.传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过c形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时em跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时em跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。
106.图15是示出根据示例性实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可位于图1所示的塔30、图1-图4所示的推车、图5-图10所示的床等中。
107.如图15所示，定位系统90可包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如em场发生器)的参考系(参见下文对于em场发生器的讨论)。
108.现在更详细地描述各种输入数据91-94。定位模块95可使用术前标测来生成模型数据91。术前标测可以通过使用低剂量ct扫描的集合来完成。术前ct扫描生成二维图像，每个二维图像表示患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从ct图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者的解剖结构的三维体积，其被称为术前模型数据91。中心线几何形状的使用在美国专利申请14/523,760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从ct图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。
109.在一些实施方案中，器械可配备有相机以向定位模块95提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据以实现一个或多个基于视觉的位置跟踪。例如，术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在操作中，机器人系统可以参考该库，以便将在摄像相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。
110.其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。
111.光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。
112.定位模块95可以使用实时em跟踪和em数据93来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在em跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的em传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态em场发生器产生的em场的变化。由em传感器检测的位置信息被存储为em数据93。em场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在em传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定em传感器与em场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在手术中“配准”到患者解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式em跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。
113.机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的位置数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏。在手术中，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合em、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。
114.如图15所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图15中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供定位模块95可以用来确定器械的位置和形状的形状数据。
115.定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在em数据可能不可靠(如可能存在em干扰的情况)的情况下，由em数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。
116.如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时致使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的位置、解剖图等。
117.2.电磁(em)畸变
–
导航和定位
118.如上所讨论的，em数据可由本文所讨论的实施方案用来对外科器械(例如，可操纵器械)进行导航和定位。em数据可由位于医疗器械内的一个或多个em传感器和/或放置在患者上的一个或多个em贴片传感器生成。图16示出了实现所公开的导航系统和技术的一个或多个方面的示例性操作环境100。操作环境100包括：支撑患者的台38、em传感器105(也称为“em贴片传感器”以便与如下文所讨论的位于医疗器械上的em器械传感器区分开)以及em场发生器110。也可以包括某些附加装置/元件，但尚未在图16中示出。例如，环境100还可以包括：被配置成引导医疗器械的移动的机器人系统、用于控制外科机器人系统的操作的命令中心以及em控制器。em控制器可电连接到em贴片传感器105以从其接收em传感器信号。em控制器可进一步连接到em场发生器110以向其提供控制信号以产生em场。然而，在某些实施方案中，em控制器可部分或完全地并入到系统的其他处理装置中的一个或多个处理装置中，
包括em场发生器110、推车11(参见图1)和/或塔30(参见图1)。
119.当包括时，em控制器可控制em场发生器110产生变化的em场。em场可以是时间变化和/或空间变化的，这取决于实施方案。em场发生器110可位于推车(类似于图2示出的推车11)上，或者可经由一个或多个支撑柱附接到台38的轨道。在其他实施方案中，em场发生器110可被安装在机器人臂(例如类似于图1的外科机器人系统10中所示的那些机器人臂)上，这可围绕患者提供灵活的设置选项。
120.em场发生器110可具有相关联工作体积，em贴片传感器105在使用时可放置在该工作体积中。例如，当em贴片传感器105定位在该工作体积内时，由其产生的em传感器信号可为足够可靠的以供在em场检测(例如，em畸变检测)中使用。
121.em空间测量系统可确定嵌入或设置有em传感器线圈(例如em贴片传感器105或em器械传感器305)的对象在em场内的位置(如图18所示以及下文所讨论)。当em传感器如本文所述地放置在受控的变化的em场内部时，在传感器线圈中感应出电压，该传感器线圈包括在em传感器中。em空间测量系统可使用这些感应电压计算em传感器并且因此具有em传感器的对象的位置和取向。由于em场具有低场强并且可安全穿过人体组织，因此在没有光学空间测量系统的视线约束的情况下，对象的位置测量是可能的。
122.可相对于em场发生器110的坐标系来限定em场，并且腔网络的3d模型的坐标系可映射到em场的坐标系。然而，em场可受到环境100中的一个或多个em畸变的源的影响。例如，em场发生器110的工作体积内或环境100内的铁磁材料的存在可使em场畸变。该效应可取决于铁磁材料与em场的工作体积之间的距离以及铁磁材料的特性。然而，其他材料诸如顺磁材料等也可影响em场。环境100中可存在的常见的em畸变的源的示例包括：荧光镜、工具、器械、床以及台。
123.当em场畸变的源静止时，对于某些应用而言，em场畸变的源的影响是可接受的。即，当存在静止的em畸变的源时，em场可为基本上静态的。然而，em畸变的源的移动可导致em传感器信号的变化，这种变化原本被解释为em传感器的移动。在其他情况下，em畸变的源内的电流的变化也可导致em畸变，这原本被解释为em传感器的移动。因此，期望检测em场畸变以防止此类畸变被em空间测量系统错误地解释为em传感器的移动。
124.如图16所示，多个em贴片传感器105可被放置在患者的身体上(例如，放置在腔网络140的区域中)。这些em贴片传感器105可用于跟踪由呼吸引起的患者身体的位移以及跟踪em场畸变。多个不同的em贴片传感器105可在身体表面上间隔开，以便跟踪这些位置处的不同位移。例如，肺的外围可由于呼吸而表现出比中心气道更显着的运动，并且提供如所示的多个em贴片传感器105可使得能够更精确地分析这些运动效应。为了说明，内窥镜的远侧端部可行进穿过腔网络140的不同区域，并且因此当其行进穿过这些不同的区域时，由于患者呼吸而经历不同水平的位移。
125.另外，当em贴片传感器105的数量增加时，em场畸变检测的稳健性可得以增强，因为可使用所产生的附加的em传感器信号来执行对em贴片传感器105的移动的更复杂的分析。如下文将更详细地描述，从em贴片传感器105接收的em传感器信号可用于确定em贴片传感器105相对于em场发生器110的位置和取向。在某些实施方案中，em贴片传感器105可提供5个自由度(dof)的移动数据(例如，3个位置dof和2个角度dof)或6个dof数据(例如，3个位置dof和3个角度dof)。当仅存在单个em贴片传感器105时，可能难以将em畸变与em贴片传感
器105的移动区分开。然而，使用附加的em贴片传感器105可计算附加的度量，诸如em贴片传感器105之间的相对距离。由于em贴片传感器105之间的相对距离基本上固定(例如，em贴片传感器105被固定到患者身体上的位置，并且相对距离将仅由于呼吸或从患者移除而变化)，因此与患者呼吸不一致的相对距离的变化可识别为由于em畸变。
126.图17示出了可在图16的操作环境100中对其进行导航的示例性腔网络140。腔网络140包括患者的气道150的分支结构和结节155，如本文所述，可进入该结节以进行诊断和/或治疗。如图所示，结节155位于气道150的外围处。内窥镜115具有第一直径，并且因此其远侧端部不能够通过较小直径的气道而定位在结节155周围。因此，可操纵导管145从内窥镜115的工作通道延伸通往结节155的剩余距离。可操纵导管145可具有内腔，器械例如活检针、细胞检查用刷和/或组织取样钳可穿过该内腔到达结节155的目标组织部位。在此类具体实施中，内窥镜115的远侧端部和可操纵导管145的远侧端部两者均可设置有em器械传感器以跟踪其在气道150内的位置。在其他实施方案中，内窥镜115的总直径可足够小以在没有可操纵导管145的情况下到达外围，或者可足够小以接近外围(例如，在2.5cm至3cm内)以通过不可操纵导管部署医疗器械。通过内窥镜115部署的医疗器械可配备有em器械传感器，并且下文所述的位置过滤和安全模式导航技术可应用于此类医疗器械。
127.在一些实施方案中，如本文所述的3d腔网络模型的2d显示或3d模型的横截面可类似于图17。导航安全区域和/或导航路径信息可叠加到此类表示上。
128.图18示出了如本文所述的具有成像和em感测能力的示例性内窥镜(例如，图1的内窥镜13)的远侧端部300。然而，本公开的方面可涉及其他可操纵器械的使用，例如图3的输尿管镜32、图9的腹腔镜59等。在图18中，内窥镜的远侧端部300包括：成像装置315、照明源310和em传感器线圈305的端部，该em传感器线圈形成em器械传感器。远侧端部300还包括到内窥镜的工作通道320的开口，外科器械(诸如活检针、细胞检查用刷和钳)可沿着内窥镜轴插入穿过该开口，从而允许进入内窥镜末端附近的区域。
129.位于远侧端部300上的em线圈305可与em跟踪系统一起使用，以在内窥镜的远侧端部300设置在解剖系统内时检测该远侧端部的位置和取向。在一些实施方案中，线圈305可成角度以沿着不同轴线提供对em场的灵敏度，从而赋予所公开的导航系统测量全部6个dof(3个位置dof和3个角度dof)的能力。在其他实施方案中，仅单个线圈可设置在远侧端部300上或其内，其中其轴线沿着内窥镜的内窥镜轴取向。由于这样的系统的旋转对称性，它对围绕其轴线滚动不灵敏，因此在这样的具体实施中可仅检测到5个自由度。
130.a.局部畸变。
131.将参考包括内窥镜的导航和定位的本公开的实施方案来描述局部em畸变的检测的示例。然而，本公开的方面还涉及关于任何类型的外科器械(例如，胃镜、腹腔镜等)的导航和定位的em畸变的检测。如本文所用，局部em畸变通常是指由于位于器械附近或器械内的畸变的源引起的em畸变。
132.局部em畸变的源的一个示例是径向支气管内超声(rebus)探头。rebus探头可用于提供支气管旁结构的360
°
图像，并且使得能够从探头观察结构。rebus探头可包括可引起局部em畸变的部件，局部em畸变可影响设置在器械上的em传感器。例如，rebus探头可包括导电头中的换能器，该换能器结合到扭矩线圈。rebus探头还可包括流体填充的闭合导管。这些部件中的每个部件均可引起rebus探头附近的em场的畸变，这在rebus探头移动通过器械
中的工作通道时可导致局部em畸变，其中em传感器位于器械上。
133.如上所讨论的，外科器械诸如活检针、细胞检查用刷和钳等可插入并穿过内窥镜的工作通道320，以允许外科器械进入内窥镜的末端附近的区域。这些外科器械可由当外科器械移动时使em场畸变的材料形成或包括这样的部件。通常，当将外科器械穿过工作通道或在与内窥镜末端相邻的区域内对其进行导航时，内窥镜基本上静止(例如，医师用户并不在移动外科器械时同时对内窥镜进行导航)。
134.em器械传感器可被配置成响应于检测到由em场发生器110产生的em场而生成一个或多个em传感器信号。位于内窥镜的远侧端部300上的em器械传感器(例如，em传感器线圈305)可基于em传感器信号检测em场中的畸变。由于em器械传感器用于内窥镜末端的导航和定位，因此由em器械传感器检测的em场的变化被em空间测量系统解释为内窥镜末端的移动。然而，由于在外科器械的移动期间内窥镜通常是静止的，因此当已知内窥镜是静止的时，可确定如由em器械传感器检测的em场的变化指示em场中的畸变而不是内窥镜的移动。
135.存在多种方法，通过该方法，外科机器人系统可能够确定内窥镜是静止的。例如，内窥镜位置和移动可由用户控制，并且因此，当系统并未主动接收用于重新定位、控制或以其他方式导航内窥镜的命令数据时，系统可确定内窥镜是静止的。系统可使用附加的导航和控制数据来确认内窥镜是否静止。例如，可分析视觉数据92和机器人命令以及运动学数据94来确定内窥镜是静止的。
136.系统可能够基于由em器械传感器生成的em传感器信号来检测局部em畸变。例如，系统可计算与器械的远侧端部的位置和/或移动相关的一个或多个度量的一个或多个基线值。可在第一时间基于对应于第一时间的由em器械传感器产生的em传感器信号来计算基线值。在一个实施方案中，第一时间可在将内窥镜插入患者之前(例如，基线度量可以是术前测量)。在一个示例中，计算基线测量的第一时间是在已针对外科规程设置环境100之后。例如，可最初定位推车11、塔30、机器人臂12、em场发生器110和c形臂中的一者或多者以准备外科手术。由于推车11、塔30、机器人臂12、em场发生器110和c形臂中的一者或多者的移动可影响由em场发生器110产生的em场，因此可在将各种装置定位在环境100内之后测量基线度量，使得可最小化装置的进一步移动，从而最小化将由于这些装置的移动而引入的em场的畸变。
137.然而，在其他实施方案中，可在各种时间而不是在外科手术之前计算和/或更新基线度量。例如，可期望在移动c形臂之后计算和/或更新基线测量，以减少c形臂的移动和/或重新定位对测量的em场的影响。在另一个实施方案中，可响应于外科规程的开始而自动计算基线度量。由于可在相对短的时间段内(例如，几秒内)计算基线测量，因此当在经由患者导引器将内窥镜插入患者之时计算时，基线度量可以是足够准确的。
138.存在多个不同的度量，系统可基于em传感器信号计算这些度量，其每一者均可用于检测局部em畸变。可计算的示例性度量包括：器械的远侧端部300的线速度、器械的远侧端部300的角速度和指示值的变化。图19a-图19c提供了这些度量的图表，其示出了可指示局部em畸变的度量的变化。具体地，图19a示出了指示值度量的变化，图19b示出了线速度度量，并且图19c示出了角速度度量。
139.在某些具体实施中，系统可计算以下各项中的一者或多者：指示值ind，器械的远侧端部300的位置p
→
和器械的远侧端部300的角度取向q
→
。系统可在器械的导航和定位中使
用这些值。在某些具体实施中，指示值ind、位置p
→
和角位置q
→
值可基于5个dof测量(例如，3个位置dof和2个角度dof)来计算，该5个dof测量基于从线圈305接收的em传感器信号产生。指示值ind可以是表示位置p
→
和角度取向q
→
测量的质量的值。因此，系统可将指示值ind与阈值进行比较以确定位置p
→
和角度取向q
→
测量是否足够准确以在导航和定位中使用。在某些实施方案中，可在从线圈305接收的5个dof测量与作为刚性主体的内窥镜末端的模型之间使用拟合优度(gof)算法计算指示值ind。
140.图19a-图19c示出的图表中的每个曲线图均示出了当外科器械(例如钳)通过内窥镜时可确定的某些度量。这些图表是基于相同事件产生的，其中在内窥镜保持静止的同时将钳通过内窥镜五次。
141.具体地，图19a示出了以hz(例如，1/s)测量的指示值度量的变化δind。将钳通过内窥镜的五次事件是显而易见的，其中指示值度量的变化δind增加到显著高于指示值度量的变化δind中的噪声的水平。指示值度量的变化可使用以下公式计算为指示值的时间变化：
[0142][0143]
其中δind是指示值度量的变化，ind是指示值，ti是当前时间(例如，取样和/或确定指示值的时间)，并且t
i-1
是先前时间。
[0144]
类似地，图19b示出了以mm/s测量的线速度度量v。此处，钳移动事件中的每次事件均是显而易见的，因为线速度值大于基线线速度值中的噪声。线速度度量可使用以下公式计算为内窥镜的位置的时间变化：
[0145][0146]
其中v是线速度度量，并且p
→
是器械的远侧端部300的位置。
[0147]
最后，图19c示出了以rad/s测量的角速度度量ω。角速度度量可使用以下公式计算为内窥镜的取向的时间变化：
[0148][0149]
其中ω是角速度度量，并且q
→
是器械的远侧端部300的角度取向。
[0150]
如图19a-图19c所示，对于五次单独的内窥镜移动事件中的每次内窥镜移动事件，计算的度量中的每个度量均说明了与基线值的偏差(例如，其中基线值被设定为0)。通过选择适当的阈值或限制，可检测与基线的这些偏差。
[0151]
在已计算度量的基线值之后，系统可在第一时间之后的时间段期间基于来自一个或多个em传感器信号的对应于第一时间之后的时间段的em传感器信号周期性地计算一个或多个度量的一个或多个更新值。例如，系统可周期性地计算度量的更新值以便确定是否正发生局部em畸变。当系统已确定器械是静止的时，度量中的一者或多者的变化可指示局部em畸变。
[0152]
因此，系统可确定一个或多个更新值与一个或多个基线值之间的差是否大于阈值。可针对正被计算的度量中的每个度量设定不同的阈值。当差大于阈值时，系统可确定em
场已畸变。
[0153]
图20提供了示出确定已发生局部em畸变的示例性方法的流程图。方法2000在框2001处开始。在框2005处，系统确定去抖动周期是否有效。如本文所用，去抖动周期通常是指预定时间段，该预定时间段限制可确定已发生em畸变的频率。例如，在某些具体实施中，当去抖动周期是活跃的时，系统将不计算新的度量和/或评估度量以确定是否已发生em畸变。系统可确定在整个去抖动周期内实际上已发生em畸变，并且一旦去抖动周期已到期，便重新开始确定是否已发生em畸变。去抖动标记作为数据存储在系统中，可用于指示去抖动周期是活跃的。去抖动周期可被设定为限定多久标记一次em畸变的间隔。例如，当去抖动周期是活跃的时，可不设定新的em畸变事件。
[0154]
如果去抖动周期是活跃的，则方法2000在框2030处继续，在该框处确定已发生局部em畸变。当去抖动周期不是活跃的时，方法2000在框2010处继续，在该框处系统计算多个度量。在一个示例中，系统计算线速度度量、角速度度量和指示值度量的变化。在框2015处，系统分析已存储在时间窗口内的所计算的度量，包括确定度量中的每个度量的标准偏差。在框2020处，系统确定所分析的度量是否指示局部em畸变。这可包括将度量中的每个度量与对应的阈值进行比较，并且将标准偏差与对应的阈值进行比较。在一些情况下，系统可通过将局部畸变事件的发生随时间推移与一些标准进行比较来尝试限制假阳性的发生。例如，在一个实施方案中，当给定时间窗口中的规定数量或一些数量的比较指示局部em畸变时，系统可确定度量指示局部em畸变。将理解，这种方法仅仅是一种方法，并且其他实施方案可采用任何合适的方法，诸如当度量指示一些数量的连续比较时确定已发生局部em畸变。
[0155]
在框2025处，响应于确定度量指示局部em畸变，系统激活去抖动周期，这可包括激活去抖动标记。在框2030处，系统确定已发生局部em畸变，这可包括设定em畸变标记和/或局部em畸变标记。该方法在框2035处结束。将理解，系统可响应于检测到局部em畸变而执行多个动作。下文描述一些示例性响应。
[0156]
b.全局畸变。
[0157]
另一个可能的em畸变的源是全局em畸变。如本文所用，全局em畸变通常是指由位于环境100内但不与器械的远侧端部直接相邻的源引起的em畸变。例如，可使用荧光镜成像来执行某些外科规程，这可包括将c形臂放置在患者旁边。用于荧光镜规程的示例性设置在图5中示出，其中c形臂被定位成使得发射器和检测器被放置成定位在患者的相对侧上。c形臂可定位在前后(ap)位置中，作为外科规程的初始位置。
[0158]
由于荧光镜透视检查的技术要求，c形臂通常包括可引起由em场发生器110产生的em场中的畸变的多个部件。例如，发射器产生x射线可需要产生和/或影响em场的部件，作为产生x射线的副产物。然而，当c形臂保持在相同位置中时，由c形臂引起的em场畸变可为相对静态的。即，虽然由c形臂引起的em场畸变可使由em传感器(例如，em贴片传感器105和em器械传感器305)测量的em场畸变，但如果em场是稳定的，em空间测量系统仍可能够有效地导航和定位器械。然而，当c形臂的位置在导航和/或定位期间移动时，em场可动态地畸变，从而使得如由em空间测量系统计算的器械的位置和/或取向从器械的实际位置和取向偏移。因此，期望检测此类全局em畸变事件，以便使得em空间测量系统能够作用于全局em畸变事件。虽然已提供了作为全局em畸变的源的示例的c形臂，但也可检测其他全局em畸变的
源。可以是全局em畸变的源的其他材料包括导电材料和磁性材料以及任何em场源。
[0159]
图21示出了根据本公开的方面的可用于检测全局em畸变的系统的实施方案。图21实施方案包括em场发生器110和定位在em场发生器110的工作体积内的三个em贴片传感器105。如上所讨论的，em贴片传感器110可用于检测患者的呼吸，这可用于经由位于其上的em器械传感器来校正器械的导航和定位。此外，贴片传感器105可用于检测全局em畸变，这将在下文更详细地描述。
[0160]
在图21的实施方案中，贴片传感器105包括三个贴片传感器p0、p1和p2。然而，其他具体实施可包括更多或更少的贴片传感器105。当em空间测量系统包含更多数量的贴片传感器105时，系统可能够计算可用于跟踪全局em畸变的更多数量的度量，从而提高畸变跟踪的稳健性。
[0161]
当放置在患者上时，em贴片传感器105中的每个em贴片传感器可被配置成响应于检测到em场而生成一个或多个em传感器信号。类似于线圈305，em空间测量系统可能够基于从em贴片传感器105接收的em传感器信号来生成5个dof测量。当至少两个em贴片传感器105可用时，系统可能够计算相对位置度量和相对角度度量。此外，当至少三个em贴片传感器105可用时，系统可能够计算修补面积度量和修补空间6dof度量。
[0162]
em贴片传感器附接到患者身体上的各个位置。如此，相对距离、相对角度、修补空间和修补面积度量是相对稳定的，并且可仅基于用户的呼吸而变化。通过跟踪用户的呼吸，系统可滤除由呼吸引起的所计算的度量的变化。一旦已从度量中过滤了呼吸变化，任何剩余的变化便可因此归因于全局em畸变。
[0163]
相对位置度量可表示em贴片传感器中的两个em贴片传感器(例如，p1和p2)之间的相对位置。针对em贴片传感器p1和p2的相对位置度量可使用以下公式来计算：
[0164][0165]
其中dp1p2
rel
是相对位置度量，p1
x
和p2
x
是em贴片传感器p1和p2的相应x坐标，p1y和p2y是em贴片传感器p1和p2的相应y坐标，并且p1z和p2z是em贴片传感器p1和p2的相应z坐标。
[0166]
相对角度度量可为em贴片传感器中的两个em贴片传感器(例如，p1和p2)的z轴线之间的相对角度。相对角度度量可使用以下公式来计算：
[0167]
θ
rel
＝cos-1
(dot(p1
rz
，p2
rz
))
ꢀꢀꢀ
(5)
[0168]
其中θ
rel
是相对角度度量，p1
rz
是em贴片传感器p1的z轴线，并且p2
rz
是em贴片传感器p2的z轴线。
[0169]
修补面积度量可为由em贴片传感器产生的面积，并且可使用以下公式来计算：
[0170][0171]
其中面积是修补面积度量，相对位置根据公式(4)来计算，并且s可使用以下公式来计算：
[0172][0173]
修补空间6dof度量可为由em贴片传感器产生的空间的6dof位置和取向，并且可使用以下公式来计算：
[0174][0175][0176][0177]
其中p0是em贴片传感器p0在em场发生器110空间中的位置并且用作原点，p1是em贴片传感器p1在em场发生器110空间中的位置，并且p2是em贴片传感器p2在em场发生器110空间中的位置。通过公式(8)至(10)计算的修补空间度量的x
轴线
、y
轴线
和z
轴线
的示例在图21中示出。
[0178]
在已计算度量的基线值之后，系统可在第一时间之后的时间段期间基于来自一个或多个em传感器信号的对应于第一时间之后的时间段的em传感器信号周期性地计算一个或多个度量的一个或多个更新值。例如，系统可周期性地计算度量的更新值以便确定是否正发生全局em畸变。由于度量的值的变化仅受患者的呼吸的影响，因此当更新的度量中的一个或多个度量与一个或多个度量的基线值之间的差大于阈值时，系统可确定已发生全局em畸变。此外，在某些实施方案中，可从计算的度量中滤除呼吸，并且因此，可确定度量中的任何剩余变化均是由em场中的畸变引起的。
[0179]
因此，系统可确定一个或多个更新值与一个或多个基线值之间的差是否大于阈值。可针对正被计算的度量中的每个度量设定不同的阈值。当差大于阈值时，系统可确定em场已畸变。
[0180]
图22提供了示出确定已发生全局em畸变的示例性方法的流程图。方法2200在框2201处开始。在框2205处，系统针对所计算的度量中的每个度量确定基线度量。这可包括从存储器检索针对度量的基线值，或者基于从em贴片传感器105接收的em传感器信号计算基线度量。在框2210处，系统确定基线度量质量是否大于阈值质量。当基线度量质量不大于阈值质量时，方法2200结束并且可通过尝试收集更好质量的基线度量来重复方法2200。
[0181]
当基线度量质量大于阈值质量时，方法2200在框2215处继续，在该框处系统计算多个度量。在一个示例中，系统计算相对距离度量、相对角度度量、6dof修补空间度量和修补面积度量。在框2220处，系统分析已存储在时间窗口内的所计算的度量，包括确定度量中的每个度量的标准偏差。在框2225处，系统确定所分析的度量是否指示全局em畸变。这可包括将度量中的每个度量与对应的阈值进行比较，并且将标准偏差与对应的阈值进行比较。当规定数量的比较指示全局em畸变时，系统可确定度量指示全局em畸变。
[0182]
在框2230处，响应于确定度量指示全局em畸变，系统确定已发生全局em畸变，这可包括设定em畸变标记和/或全局em畸变标记。该方法在框2235处结束。将理解，系统可响应于检测到全局em畸变而执行多个动作。下文描述一些示例性响应。
[0183]
c.运动检测。
[0184]
当患者和em场发生器110中的一者或多者移动时，基于em数据的器械的导航和定位也可受到负面影响。对于em场发生器110或患者的移动，通常存在两种情形。第一、em场发生器110或患者可被移动并且安置在新的位置处。第二、em场发生器110或患者可接收冲击力(例如，被撞击)并且在返回到与接收冲击力之前大致上相同的位置之前就地经历临时振
荡。由于患者或em场检测器110的移动可被错误地解释为器械的移动、局部em畸变和/或全局em畸变，因此可期望检测em场发生器110或患者的移动。
[0185]
由于患者上的em贴片传感器105之间的相对距离是相对稳定的，因此em场发生器110或患者的移动将导致em贴片传感器105中的每个em贴片传感器与em场发生器110之间的所计算的绝对距离的变化。这种移动还可导致em贴片传感器105与em场发生器110之间的所计算的绝对角度的变化。
[0186]
当至少一个em贴片传感器105可用时，系统可能够计算绝对位置度量和绝对角度度量。此外，当至少三个em贴片传感器105可用时，系统可使用修补空间6dof度量，如结合公式(8)至(10)所述。至少一个度量的附加示例包括：em传感器中的每个em传感器相对于场发生器的绝对位置、em传感器相对于场发生器的绝对位置的平方和的平方根、em传感器中的每个em传感器相对于场发生器的绝对角度、em传感器相对于场发生器的绝对角度的平方和的平方根，以及由em传感器产生的空间的位置和取向。
[0187]
绝对位置度量可表示em贴片传感器105中的给定一个em贴片传感器与em场发生器110之间的绝对距离。绝对位置度量可使用以下公式来计算：
[0188][0189]
其中d
abs
是绝对位置度量，p
x
是em贴片传感器105相对于em场发生器110在x轴线上的位置，py是em贴片传感器105相对于em场发生器110在y轴线上的位置，并且pz是em贴片传感器105相对于em场发生器110在z轴线上的位置。
[0190]
绝对角度度量可表示em贴片传感器105中的给定一个em贴片传感器与em场发生器110之间的绝对角度。绝对角度度量可使用以下公式来计算：
[0191]
θ
abs
＝cos-1
(dot(p
rz
，fg
rz
))
ꢀꢀꢀ
(12)
[0192]
其中θ
abs
是绝对角度度量，p
rz
是em贴片传感器p1的z轴线，并且fg
rz
是em场发生器110的z轴线。
[0193]
由于em场发生器110和/或患者的移动是临时的，因此em空间测量系统可被配置成确定患者和/或em场发生器110移动的时间段。
[0194]
因此，em跟踪系统可能够基于由em贴片传感器生成的em传感器信号来检测患者和/或em场发生器110的移动。例如，系统可基于一个或多个em传感器信号来计算至少一个度量的基线值。至少一个度量的基线值可对应于第一时间。在一个实施方案中，第一时间可在将内窥镜插入患者之前(例如，基线度量可以是术前测量)。然而，对于移动检测，基线值可以是针对度量的最近稳定值(例如，一段时间内对度量的改变小于阈值)。
[0195]
em跟踪系统可基于一个或多个em传感器信号来计算至少一个度量的更新值。至少一个度量的更新值可对应于第一时间之后的第二时间。然后，系统可将度量的更新值与度量的基线值进行比较。当度量的更新值与基线值之间的差大于阈值时，系统可确定患者和场发生器中的至少一者在包括第一时间和第二时间的时间段期间已移动。
[0196]
一旦系统已确定患者和em场发生器110中的一者已移动，系统便可确定患者或em场发生器110中的一者是否已改变其位姿(例如，已移动到新位置)。例如，响应于确定患者和场发生器中的至少一者已移动，系统可基于一个或多个em传感器信号计算至少一个度量的频率值，该频率值对应于em传感器在继第二时间之后的第三时间的定位的变化的频率。
然后，系统可将该频率值与阈值频率值进行比较。当频率值大于阈值频率值时，系统可确定患者和场发生器中的至少一者已改变其位姿。
[0197]
em跟踪系统还可确定患者和em场发生器110中的一者是否接收冲击力并且返回到初始状态。例如，响应于确定患者和场发生器中的至少一者已移动，系统可基于一个或多个em传感器信号来计算至少一个度量的后续值。至少一个度量的后续值可对应于em传感器在继第二时间之后的第三时间的定位。然后，系统可响应于后续值在基线值的误差阈值内而确定场发生器接收了冲击力并且在接收冲击力之后返回到初始状态。
[0198]
在选择用于计算后续值的第三时间之前，系统可确定至少一个度量的区间值在第三时间之前的时间间隔内稳定，并且响应于确定至少一个度量的区间值已稳定而选择第三时间。因此，系统可在确定患者或em场发生器110是否已移动到新位姿或安置到其初始位姿之前确定患者或em场发生器110已安置在最终位姿处。
[0199]
在一个具体实施中，系统可基于该时间间隔期间的至少一个度量的最大值和最小值来确定患者或em场发生器110的位姿已稳定。例如，系统可计算至少一个度量在该时间间隔期间的最大值和最小值，计算至少一个度量的最大值与最小值之间的差值，并且响应于至少一个度量的最大值与最小值之间的差值小于阈值差值而确定至少一个度量的区间值在该时间间隔内稳定。当确定至少一个度量的变化小于阈值差值时，系统可确定度量的变化是由于噪声，而不是患者或em场发生器110的振荡引起的。
[0200]
在另一示例中，响应于确定患者和场发生器中的至少一者已移动,系统可基于一个或多个em传感器信号来计算至少一个度量的后续值。至少一个度量的后续值可对应于em传感器在继第二时间之后的第三时间的定位。然后，响应于后续值不在基线值的误差阈值的范围内，系统可确定患者和场发生器中的至少一者已改变其位姿。例如，如上所讨论的，度量可为em贴片传感器105中的一个或多个em贴片传感器的绝对位置或绝对角度。如果针对绝对差值或绝对角度的基线值变化并且稳定在新值处，则这指示患者和em场发生器110中的至少一者被移动并且安置在新位置处。
[0201]
图23提供了示出确定患者和em场发生器中的一者已移动的示例性方法的流程图。方法2300在框2301处开始。在框2305处，系统确定所计算的度量中的每个度量的基线度量。这可包括从存储器检索针对度量的基线值，或者基于从em贴片传感器105接收的em传感器信号来计算基线度量。在框2310处，系统确定基线度量质量是否大于阈值质量。当基线度量质量不大于阈值质量时，方法2300结束，并且可通过尝试收集更好质量的基线度量来重复方法2300。
[0202]
当基线度量质量大于阈值质量时，方法2230在框2315处继续，在该框处系统计算多个度量。在一个示例中，系统计算绝对差值度量、绝对角度度量和6dof修补空间度量。在框2320处，系统分析已存储在时间窗口内的所计算的度量，包括确定度量中的每个度量的标准偏差。在框2325处，系统确定所分析的度量是否指示患者和em场发生器中的至少一者被移动，或者患者和em场发生器中的至少一者接收冲击力。这可包括将度量中的每个度量与对应的阈值进行比较，并且将标准偏差与对应的阈值进行比较。当规定数量或一些阈值数量的比较指示患者和em场发生器中的至少一者被移动时，该方法在框2330处继续。当规定数量或一些阈值数量的比较指示患者和em场发生器中的至少一者接收冲击力时，该方法2300在框2335处继续。
[0203]
在框2330处，响应于确定度量指示患者和em场发生器中的至少一者被移动，系统可设定em畸变标记和/或移动标记。在框2330处，响应于确定度量指示患者和em场发生器中的至少一者接收冲击力，系统可设定em畸变标记和/或冲击力标记。该方法在框2235处结束。将理解，系统可响应于检测到em场发生器的移动而执行多个动作。下文描述一些示例性响应。
[0204]
d.对em畸变的检测的响应
[0205]
em跟踪系统可响应于检测到em畸变而执行多种技术中的一种或多种技术。所执行的具体技术可取决于以下各项中的一者或多者：所检测的em畸变的类型(例如，局部或全局em畸变、由于移动而引起的畸变等)、em畸变的量值、em畸变的位置等。
[0206]
在一个具体实施中，系统可避免使用或以其他方式限制在器械的导航和/或定位中给予em数据的权重。当避免使用em数据时，由系统执行的导航和/或定位可依赖于em畸变期间的其他类型的数据。具体地，在一个实施方案中，系统可检测到已设定em畸变标记，并且然后由于设定了em畸变标记而通过降低对应于基于em位置的算法的置信度值(或任何其他合适的权重)来避免或以其他方式限制给予基于em传感器信号确定器械的远侧端部的位置的权重。对不同位置算法的置信度值和权重的使用在2016年9月16日提交的美国专利申请号15/268,238中有所讨论，其内容全文并入本文中。
[0207]
在一些具体实施中，响应于确定em场畸变，系统可计算畸变的量。em场畸变的量可与所计算的度量中的一个或多个度量的变化成比例。在该具体实施中，系统可基于在第二时间计算的一个或多个更新值和在第二时间之前的第一时间计算的一个或多个基线值来计算em场中的畸变的量。系统可对畸变的量的指示进行编码并且向被配置成渲染编码数据的显示器提供畸变的量的编码指示。因此，可通知用户em场畸变的量。然后，用户可能够在外科规程期间确定是否基于em数据使用导航。
[0208]
在某些实施方案中，系统可使用畸变的量来改变在导航和/或定位技术中使用的em数据的权重。当em畸变增加时，系统可在生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96时将较低权重分配给em数据。
[0209]
系统还可能够确定其中em场中的畸变大于阈值畸变值的区域。例如，相对距离度量可用于确定围绕em贴片传感器中的一个em贴片传感器的区域正经历em畸变。即，如果em贴片传感器p1与em贴片传感器p0和p2中的每个em贴片传感器之间的相对距离已改变超过阈值，但em贴片传感器p0与p2之间的相对距离基本上不变，则系统可确定em贴片传感器p1附近的区域中的em场已畸变。
[0210]
响应于确定em贴片传感器105中的一个em贴片传感器附近的em场已畸变，系统可调整(例如，减少)应用于从所识别的em贴片传感器105接收的em数据的权重。系统还可向用户指示其中正发生em场畸变的区域。然后，用户可能够基于目标部位是否在畸变的区域内来确定是否使用em数据继续导航。另选地，系统可基于器械相对于em畸变区域的当前位置来自动确定是否继续使用em数据进行导航。
[0211]
在某些实施方案中，系统还可访问表示患者的腔网络的模型，并且基于以下各项中的至少一者来计算em场的坐标系与模型的坐标系之间的映射：(i)一个或多个基线值和(ii)一个或多个更新值。响应于确定em场已畸变，系统可进一步避免在计算映射中使用一个或多个更新值。
[0212]
e.对准。
[0213]
在执行使用em数据进行导航和/或定位的外科规程之前，期望将患者与em场发生器110对准。更精确地，期望将em场发生器110与待对其执行外科规程的患者的解剖特征对准。执行这种对准规程的一个优点是em场发生器110可具有工作体积，在该工作体积中em传感器能够更准确地测量em场。即，当em传感器中的一个或多个em传感器位于工作体积之外时，由em传感器生成的em传感器信号可能并不足够可靠以用于导航和/或定位、呼吸跟踪和/或em畸变检测。
[0214]
如上所讨论的，可在围绕或至少部分地重叠感兴趣区域的规定位置处将多个em贴片传感器105放置在患者上。感兴趣区域可为待对其执行外科规程的患者的解剖特征。解剖特征的一个示例是腔网络，诸如腔网络140。em跟踪系统可向用户提供关于在何处将em贴片传感器105定位在患者上以及在何处定位em场发生器110的指导，使得em贴片传感器105处于em场发生器110的工作体积内。当em贴片传感器105被适当地定位时，em贴片传感器在工作体积内的定位可保证患者的感兴趣区域与em场发生器110对准。
[0215]
将结合支气管镜检查规程描述用于将em场发生器110与患者对准的示例性规程。然而，可针对任何类型的机器人辅助的其中em数据用于导航和/或定位的外科规程修改该规程。
[0216]
最初，用户可将一个或多个em贴片传感器105定位在患者上。对于支气管镜检查，用户将em贴片传感器105放置成围绕或至少部分地重叠感兴趣区域(例如，患者的肺)。当系统包括三个em贴片传感器105时，用户可将第一em贴片传感器放置在患者的中间胸骨上，将第二个em贴片传感器放置在患者的左侧第8根肋骨上，将第三个em贴片传感器放置在患者的右侧第8根肋骨上。em贴片传感器105的上述放置仅是示例性的，并且em贴片传感器105可放置在重叠感兴趣区域的其他位置中。
[0217]
图24提供了将em贴片传感器105放置在em场发生器的工作体积内的示例。在已放置em贴片传感器105之后，用户可定位em场发生器110，使得em贴片传感器105位于em场发生器110的工作体积400内。尽管图24示出了从上方观察时的工作体积400，但工作体积400可限定一个三维体积，em贴片传感器105将在对准期间放置在该三维体积中。
[0218]
用户可将em场发生器110附接到保持器，该保持器可附接到床轨道。使用em跟踪系统提供的指导，用户可旋转em场发生器110使得所有em贴片传感器105均位于工作体积400内。为了经由显示器(例如，经由触摸屏26)提供反馈，em跟踪系统可基于由em贴片传感器105生成的一个或多个em贴片传感器信号来确定em贴片传感器105相对于em场发生器110的位置。系统可对em贴片传感器105相对于em场的工作体积的位置的表示进行编码。对em贴片传感器105的位置的表示进行编码可包括生成图像(或用以形成视频的图像系列)，其中关于工作体积的表示来显示em贴片传感器105的相对位置。编码可进一步包括使用图像或视频编解码器对图像(或视频)进行编码，使得图像可由显示器解码和渲染。然后，系统可将位置的编码表示提供给被配置成渲染编码数据的显示器。
[0219]
用户可在旋转em场发生器110中使用显示器提供的视觉反馈，使得em贴片传感器105被定位在工作体积内。一旦em贴片传感器105与em场发生器110旋转地对准，用户就可将场发生器定位成更靠近em贴片传感器105，使得em贴片传感器105在距离em场发生器110的在如由视觉上显示的工作体积所限定预定距离内。参考图24，工作体积可包括多个子体积，
该多个子体积可限定优选的405子体积、可接受的410子体积和处于风险的415子体积。由于em场的强度可在距离em场发生器110更大的距离下衰减，因此可期望将em贴片传感器105定位在优选的405子体积或可接受的410子体积内多于定位在处于风险的415子体积内。
[0220]
在至少一个具体实施中，系统可对em贴片传感器105相对于场发生器的第一子体积和第二子体积中的每个子体积的位置的表示进行编码。第二子体积大于第一子体积并且包覆第一子体积，并且因此在至少一个具体实施中，第二子体积可为处于风险的415子体积。系统可将em贴片传感器105相对于第一子体积和第二子体积中的每个子体积的位置的编码表示提供到显示器，使得用户可通过移动em场发生器110来将em贴片传感器105重新定位在第一子体积内。
[0221]
在其他具体实施中，第一子体积和第二子体积可对应于优选的405子体积和可接受的410子体积。在这些具体实施中，系统可向用户编码用户指令以定位em场发生器110，使得em贴片传感器105定位在第一子体积和第二子体积中的至少一个子体积内，并且向显示器提供编码的用户指令。
[0222]
用户可重复em场发生器110的旋转，并且调整em场发生器110的距离，直到所有的em贴片传感器105均位于工作体积内。此后，用户可锁定em场发生器110的位置以准备外科规程。
[0223]
在某些具体实施中，可能无法将所有的em贴片传感器105都放置在工作体积内。例如，对于具有大的感兴趣区域的患者，em场发生器110可不产生足够大的工作体积以涵盖所有em贴片传感器105。在这些具体实施中，系统可编码用户指令以定位场发生器，使得限定数量的em传感器定位在第一工作体积内并且向显示器提供编码的用户指令。例如，当使用三个em贴片传感器105时，系统可向用户编码指令，使得em贴片传感器105中的至少两个em贴片传感器被定位在工作体积内。
[0224]
在一个具体实施中，系统可对用户指令进行编码以：(i)将em传感器中的第一个em传感器定位在患者的中间胸骨上，(ii)将em传感器中的第二个em传感器定位在患者的左侧第八根肋骨上，并且(iii)将em传感器中的第三个em传感器定位在患者的左侧第八根肋骨上。因此，在定位em场发生110之前，系统可向用户提供用于放置em贴片传感器105的指令。系统可向显示器提供编码的用户指令以将第一至第三em传感器定位在患者上。
[0225]
在另一具体实施中，系统可被配置成例如经由触摸屏26接收来自用户的输入，即第二em传感器和第三em传感器中的一个em传感器不能与工作体积一起定位。作为响应，系统可对用户指令进行编码以将第二em传感器和第三em传感器中的一个em传感器重新定位成比第二em传感器和第三em传感器中的一个em传感器的当前位置更靠近场发生器。例如，指令可对用以将第二em贴片传感器重新定位在患者的左侧第六根肋骨上的指令进行编码。系统可向显示器提供编码的用户指令以重新定位第二em传感器和第三em传感器中的一个em传感器。
[0226]
将理解，上文描述的与用于将场发生器与患者解剖结构对准的技术特征相关的系统的一些实施方案可具有多个优点。例如，向用户提供关于放置和对准场发生器的反馈可简化系统的设置。这种简化的设置可使用户避免对系统是否正确对准而感到沮丧。仍进一步地，对准的反馈可产生更准确的读数，并且因此向导航和/或定位系统提供更好的输入。
[0227]
e.em追踪系统和示例性流程图。
[0228]
图25描绘了示出可执行本公开的方面的em跟踪系统的示例的框图。em跟踪系统500可包括一个或多个em传感器503、处理器510和存储器515。该一个或多个em传感器503可体现为em贴片传感器105和/或em器械传感器305。em跟踪系统500可并入到塔30、控制台16、em场发生器110和/或环境100内的任何其他部件中的一者或多者中。另外，em跟踪系统500可被配置成执行上文结合图20-图24所述的或下文结合图26和图27所述的方法和/或技术中的一者或多者。
[0229]
图26是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以检测em畸变的示例性方法的流程图。例如，图26示出的方法2600的步骤可由em跟踪系统500的处理器510执行。为了方便起见，方法2600被描述为由em跟踪系统500的处理器510执行。
[0230]
方法2600在框2601处开始。在框2605处，处理器510计算指示第一em传感器在第一时间的位置的一个或多个度量的一个或多个基线值。一个或多个基线值的计算可基于从第一组一个或多个em传感器信号接收的对应于第一时间的em传感器信号。另外，第一em传感器可被配置成响应于检测到em场而生成第一组一个或多个em传感器信号。在框2610处，处理器510计算一个或多个度量在第一时间之后的时间段期间的一个或多个更新值。一个或多个更新值的计算可基于来自第一组一个或多个em传感器信号的对应于第一时间之后的时间段的em传感器信号。
[0231]
在框2615处，处理器510确定一个或多个更新值与一个或多个基线值之间的差值大于阈值。在框2620处，处理器510响应于该差值大于阈值而确定em场已畸变。方法2600在框2625处结束。
[0232]
图27是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以检测em畸变的另一示例性方法的流程图。例如，图27示出的方法2700的步骤可由em跟踪系统500的处理器510执行。为了方便起见，方法2700被描述为由em跟踪系统500的处理器510执行。
[0233]
方法2700在框2701处开始。在框2705处，处理器510计算指示器械的远侧端部在第一时间的速度的一个或多个度量的一个或多个基线值。一个或多个基线值的计算可基于从一个或多个em传感器信号接收的对应于第一时间的em传感器信号。器械可包括位于器械的远侧端部处的em传感器。em传感器可被配置成响应于检测到em场而生成一个或多个em传感器信号。
[0234]
在框2710处，处理器510计算一个或多个度量在第一时间之后的时间段期间的一个或多个更新值。一个或多个更新值的计算可基于来自一个或多个em传感器信号的对应于第一时间之后的时间段的em传感器信号。在框2715处，处理器510确定一个或多个更新值与一个或多个基线值之间的差值大于阈值。在框2720处，处理器510响应于该差值大于阈值而确定em场已畸变。方法2700在框2725处结束。
[0235]
图28是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以促进em传感器在由场发生器产生的磁场内的定位的又一示例性方法的流程图。例如，图28示出的方法2800的步骤可由em跟踪系统500的处理器510执行。为了方便起见，方法2800被描述为由em跟踪系统500的处理器510执行。
[0236]
方法2800在框2801处开始。在框2805处，处理器510基于一个或多个em传感器信号来确定em传感器相对于场发生器的位置。em传感器可被配置成在定位于em场的工作体积中时基于检测到em场而生成一个或多个em传感器信号。另外，em传感器可被配置成用于在使
用中放置在患者上。在框2810处，处理器510对em传感器相对于em场的工作体积的位置的表示进行编码。在框2815处，处理器510将位置的编码表示提供到被配置成渲染编码数据的显示器。方法2800在框2820处结束。
[0237]
图29是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以检测患者或em场发生器中的至少一者的移动的仍又一示例性方法的流程图。例如，图29示出的方法2900的步骤可由em跟踪系统500的处理器510执行。为了方便起见，方法2900被描述为由em跟踪系统500的处理器510执行。
[0238]
方法2900在框2901处开始。在框2905处，处理器510基于由em传感器生成的一个或多个em传感器信号计算至少一个度量的基线值。至少一个度量的基线值可对应于em传感器在第一时间的定位。em传感器可被配置成响应于检测到em场而生成一个或多个em传感器信号。em传感器可被配置成用于在使用中放置在患者上。在框2910处，处理器510基于一个或多个em传感器信号来计算至少一个度量的更新值。至少一个度量的更新值可对应于em传感器在第二时间的定位。在框2915处，处理器510基于基线值和更新值来确定患者和场发生器中的至少一者在包括第一时间和第二时间的时间段期间已移动。方法2900在框2920处结束。
[0239]
f.em畸变补偿简介。
[0240]
在将医疗器械导航通过腔网络的上下文中，导航系统可周期性地估计医疗器械的远侧端部相对于腔网络的模型的位置(例如，基于术前ct扫描)。可使用机器人命令和运动学数据(例如，可包括由用户命令的插入)、从定位在医疗器械的远侧端部处的一个或多个em传感器接收的em位置数据和/或从定位在医疗器械的远侧端部处的相机接收的图像数据来确定估计值。如上所述，系统包括产生振荡em场的场发生器(例如，图16的em场发生器110)，该振荡em场在定位在医疗器械的远侧端部处的em传感器中感应出电流。em传感器可对放置在场发生器的工作体积附近的金属物体敏感。此类金属物体可干扰由场发生器产生的em场，当在医疗规程期间引入时，这可导致em场中的畸变。如果这些畸变在医疗规程期间发生，则这些畸变可被系统错误地解释为em传感器的移动，这可导致对医疗器械的远侧端部的位置的定位的不正确估计。因此，期望补偿em场中的em畸变，使得当存在em畸变时，em数据可用于可靠地估计医疗器械的位置。
[0241]
当执行医疗规程诸如内窥镜检查时，医师可期望使用荧光镜透视检查来辅助该规程。为了执行荧光镜透视检查，可将金属c形臂推到手术室中并四处移动。c形臂通常包括相对大的金属部件，当被定位在由em发生器产生的em场的一定距离内时，其可使em场畸变。在某些系统中，由c形臂引起的em畸变可导致基于em的导航偏离轨道(例如，对医疗器械的位置的估计可能不够可靠以进行导航)，使得医师可能必须例如在保持导航或使用荧光镜透视检查之间进行选择。因此，在不补偿由于在手术室中引入c形臂而引起的em畸变的情况下，导航和荧光镜透视检查的使用可以是相互排斥的。
[0242]
g.用于em畸变补偿的示例性技术。
[0243]
本公开的方面涉及用于畸变补偿的系统和方法，该系统和方法可动态地补偿em畸变，诸如由用于荧光镜透视检查的c形臂或类似金属结构引起的那些em畸变。在典型规程期间，用户可在引进c形臂以进行荧光镜透视检查之前驱动医疗器械的远侧端部靠近目标。当医疗器械靠近目标时，用户可能不会驱动医疗器械或非常缓慢地驱动医疗器械。在某些具
体实施中，系统可通过补偿在医疗器械以小于阈值速度的速度行进时发生的em畸变来利用这种典型的工作流程。
[0244]
在某些具体实施中，系统可将不存在显著用户移动命令(例如，针对大于阈值移动量的移动的用户命令)的时间段识别为“静态”的。在静态周期期间，系统可确定由em传感器检测的医疗器械的远侧端部的大幅位置移动是由于em畸变引起的。当em畸变被识别时，系统可基于由em传感器检测的移动量来更新畸变向量(也称为偏移)。系统可使用偏移来补偿使用em传感器数据估计的医疗器械的远侧端部的位置，从而使得导航算法的其他方面能够不受em畸变的影响。
[0245]
结合图30a提供用于补偿em畸变的其他示例性具体实施。图30a是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以补偿em畸变的示例性方法3000的流程图。例如，图30a示出的方法3000的步骤可由em跟踪系统500的处理器510执行。为了方便起见，方法3000被描述为由em跟踪系统的处理器执行。
[0246]
方法3000在框3001处开始。在框3002处，处理器基于em位置数据来确定器械的远侧端部在第一时间的参考位置。例如，处理器可选择第一时间的第一em数据点和第一命令插入和关节运动数据作为参考值。第一em数据点可包括基于em位置数据的器械的远侧端部的参考位置。
[0247]
对于规程的其余部分，处理器可重复框3004至3010中描述的动作。在框3004处，处理器可确定在第二时间的器械的远侧端部是“静态的”。第二时间可在继第一时间之后。在一些具体实施中，处理器可确定是否满足以下两个条件：(i)关于参考命令插入的当前命令插入小于或等于第一阈值距离(例如，《＝0.5mm)，并且(ii)关于命令关节运动的当前命令关节运动小于或等于阈值关节运动(例如，《＝0.1rad)。响应于满足这两个条件，处理器可确定在第二时间的器械的远侧端部是静态的。
[0248]
响应于确定器械是静态的，在框3006处，处理器确定在第二时间的em位置数据指示器械的远侧端部的位置已从参考位置改变大于阈值距离或量。例如，处理器可确定器械在第二时间的位置与参考位置之间的距离大于沿着任何轴线的第二阈值距离(例如，》20mm)。
[0249]
响应于确定在第二时间的位置与参考位置之间的距离大于阈值距离，在框3006处，处理器基于在第二时间的位置与在第一时间的参考位置之间的距离确定偏移。如先前所述，偏移可为向量，当应用于em数据时，其补偿em数据中的畸变(例如，由于引入可使em场畸变的物体，诸如c形臂)。
[0250]
在一些具体实施中，如果第二时间的位置与参考位置之间的距离不大于阈值距离并且先前计算了当前偏移，则处理器可在第二时间相对于器械的位置重新计算当前偏移。
[0251]
在框3010处，处理器可基于em位置数据和当前偏移来确定器械的远侧端部的补偿位置。例如，处理器可根据以下计算确定当前畸变补偿的em数据：当前畸变补偿的em数据等于当前em数据减去当前偏移减去参考偏移。当在规程期间将器械操纵通过腔网络时，方法3000可针对每个时间点重复框3002至3010。
[0252]
响应于确定器械不是静态的，处理器可执行如图30b所示的方法3050。图30b是示出根据本公开的方面的可由em跟踪系统500或其部件操作以补偿em畸变的示例性方法3050的流程图。在框3052处，如果当前偏移大于第二阈值距离，则处理器可将当前偏移添加到参
考偏移。在框3054处，处理器可将当前偏移重置为零。在框3056处，处理器可将器械在第二时间的位置和第二时间的命令插入和关节运动数据选择为参考值，从而替换先前参考值。在框3058处，处理器可确定是否满足以下两个条件：(i)检测到em信号丢失，并且(ii)补偿的em数据比未补偿的em数据更差或更不可靠。在框3060处，处理器可响应于满足框3058的两个条件而将参考偏移重置为零。然后，方法3050可返回到图30a的方法3000的框3010。
[0253]
图31a是示例性曲线图3100，其示出了与随时间推移的em定位相关联的多个跟踪值。图31b提供了在没有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化3140，并且图31c提供了在具有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化3140。
[0254]
参考图31a，畸变事件发生在框3102内。线3104在曲线图3100的标记为(a)的部分内示出了导航程序期间的命令插入，而线3106示出了器械的远侧端部是否被确定为静态的，例如，如在图30a的框3004中所确定的(例如，线3016在非静态时具有0的值并且在静态时具有正值)。如图31a所示，在示出畸变事件的框3102内，命令插入基本上是恒定的。
[0255]
第二曲线图(b)包括线3108和3110，其分别示出了命令的观察仪器俯仰和偏航关节运动，并且该曲线图还包括线3112和3114，其分别示出了命令的护套俯仰和偏航关节运动。第二曲线图(b)示出了所有命令的关节运动3108至3114(例如，观察仪器俯仰3108和偏航3110以及护套俯仰3112和偏航3114)在示出畸变事件的框3102内也是基本上恒定的。因此，框3102内的区域可例如使用图30的方法3000确定为静态的。
[0256]
然而，在由框3102指示的时间段期间，em畸变导致分别如由线3116、3118和3120指示的第三曲线图、第四曲线图和第五曲线图中的em
x,y,z
曲线图中的畸变。在由线3122所示的曲线图(f)中，还可从三个修补数据看到em畸变。畸变补偿的em
x,y,z
在曲线图(c、d、e)中的线3124、3216和3218中示出。
[0257]
在图31b和图31c中的每个图中，配准的em位置3142和融合位置3144被绘制在分割表面3146内。另外，畸变的em位置3148在图31b中示出，该位置在图31c中得到补偿。
[0258]
图32a示出了另一示例，其包括与随时间推移的em定位相关联的多个跟踪值，并且图32b提供了在没有em畸变补偿和具有em畸变补偿的情况下基于em数据确定的医疗器械的远侧端部的位置的可视化3240。具体地，图32a提供了另一示例，其示出了用户正缓慢驱动时的畸变补偿，以便补偿由框3202表示的畸变事件。图32a所示的线3204至3230中的每个线示出了与由图31a的线3104至3130所示的那些跟踪值基本上相同的跟踪值。在图32b中，线3242示出了配准的em迹线，其包括由于畸变事件3202引起的畸变，该畸变在线3244中得到补偿。
[0259]
在某些具体实施中，除了em畸变补偿的em数据之外和/或代替em畸变补偿的em数据，融合算法可使用附加的数据源来辅助定位医疗器械的远侧端部的位置。例如，形状感测技术可用于确定器械的远侧端部的位置。形状感测技术对金属物体不敏感，并且因此可用于减轻em畸变的影响。然而，形状感测可具有多个挑战，例如误差传播、商品成本(cog)等。
[0260]
本文所公开的em畸变补偿技术的某些方面的一个优点包括允许在移动c形臂时使用医疗器械，而不引入与形状感测技术相关联的挑战。
[0261]
当用户快速驱动(例如，以大于阈值速度的速度)并且同时诱导畸变(例如，经由c形臂移动)时，em畸变补偿可能并不准确。在一些具体实施中，系统可使用预测建模方法(诸
如例如卡尔曼(kalman)滤波器)来估计在给定用户命令的情况下器械的远侧端部预期已移动到的位置。预测建模方法可识别器械何时偏离预测位置超过阈值距离(例如，通过将预测位置和使用em数据确定的位置之间的差值与阈值距离进行比较)。在畸变周期期间(例如，偏离预测位置大于阈值距离)，系统可使用模型预测作为融合算法的输入并且更新用于补偿em数据的畸变偏移。
[0262]
用于em畸变补偿的一种示例性技术可涉及分析多种em畸变情况并将这些情况与器械的标准驱动进行比较。可通过构建自定义过滤器或基于机器学习方法来识别畸变模式。此类技术可能在区分畸变事件与“轻弹”之间的能力中受到限制，其中观察仪器突然失去一些解剖支撑并基本上瞬时拉直。本文所述的本公开的方面可处理这些轻弹，因为通常在动态驱动(例如，非静态情况)期间发生轻弹。
[0263]
在一些具体实施中，系统可使得用户能够在移动c形臂或其他金属物体之前经由手动命令主动“冻结”导航。例如，系统可包括一些ui上下文菜单或悬吊控制器上的按钮以允许用户冻结导航。此类手动冻结具体实施可依赖于用户在执行任何可能的畸变动作(诸如移动c形臂)之前记得要冻结导航。用户可在输入用于驱动器械的运动命令时恢复导航。然而，在每个运动命令之后，用户将必须记得要在执行进一步的可能导致em畸变的动作之前重新激活导航的冻结。在一些具体实施中，系统可将手动冻结选项与本文所述的“自动冻结”方法(例如，上述em畸变算法)中的一种或多种方法组合。
[0264]
在一些具体实施中，相机反馈(例如，来自器械的远侧端部处的相机)可用于检测身体中相对运动的不存在。然而，使用相机反馈来检测运动的准确性可能受到由相机捕获的视图中气道的可见性的限制。可见性可取决于目标和患者而变化。
[0265]
实施系统和术语
[0266]
本文所公开的具体实施提供了用于检测em畸变的系统、方法和器具。
[0267]
应当指出的是，如本文所用，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”或词语耦合的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“耦合”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。
[0268]
本文所述的机器人运动致动功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，此类介质可包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪存储器、致密盘只读存储器(cd-rom)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。
[0269]
本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。
[0270]
如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部
件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。
[0271]
除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。
[0272]
提供对所公开的具体实施的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦合或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。