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CN110234292A - 用于在医疗程序期间导航到目标位置的系统和方法 - Google Patents

用于在医疗程序期间导航到目标位置的系统和方法 Download PDF

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CN110234292A
CN110234292A CN201880008924.2A CN201880008924A CN110234292A CN 110234292 A CN110234292 A CN 110234292A CN 201880008924 A CN201880008924 A CN 201880008924A CN 110234292 A CN110234292 A CN 110234292A
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CN
China
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sensor
location
biomarker measurement
catheter
biomarker
Prior art date
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Application number
CN201880008924.2A
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F·巴巴格力
S·P·迪马奥
G·S·居塔尔
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Intuitive Surgical Operations Inc
Original Assignee
Intuitive Surgical Operations Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Intuitive Surgical Operations Inc filed Critical Intuitive Surgical Operations Inc
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Abstract

本公开的系统和方法用于朝向目标引导医疗器械，该方法将医疗器械定位在患者解剖结构内的第一位置处，其中医疗器械包括至少一个传感器，使用所述至少一个传感器确定第一生物标志物测量值，使用所述至少一个传感器确定第二生物标志物测量值，将第一生物标志物测量值与第二生物标志物测量值进行比较，以确定与目标的接近度以提供第一比较，并且基于第一比较的结果提供用于移动医疗器械的引导。

Description

用于在医疗程序期间导航到目标位置的系统和方法
相关专利申请
本专利申请要求2017年6月23日提交的美国临时申请62/524,202的权益，所述申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于进行手术程序以通过感测和分析存在于肿块(mass)附近的生物标志物(例如挥发性有机化合物(VOC))来精确检测患者体内肿块(例如肿瘤)的位置的系统和方法。手术程序可以是视觉引导的程序，并且可以允许显示在手术程序期间采样的病理数据。
背景技术
微创医疗技术旨在减小在医疗程序期间受损的组织的量，由此减小患者恢复时间、不适和有害的副作用。可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个手术切口来执行此类微创技术。临床医生可以通过这些自然孔口或切口插入微创医疗器械(包括手术器械、诊断器械、治疗器械或活检器械)以到达目标组织位置。为了辅助到达目标组织位置，可以使医疗器械的位置和移动与患者解剖结构的术前图像或术中图像相关。在图像引导器械与图像相关的情况下，器械可以对解剖系统(诸如肺、结肠、肠、肾、心脏或循环系统等)中的自然或手术创建的通道进行导航。传统的器械跟踪系统(包括电磁感测跟踪系统)可能会干扰临床环境或工作流程。因此，需要用于执行具有最小临床干扰的图像引导手术的系统和方法。此外，当患者解剖结构的术前或术中图像不可用时，需要用于执行涉及导航医疗器械以到达目标组织位置的手术程序的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例由随附权利要求概述。
在一个实施例中，由计算系统执行的方法可以包括使用导管穿过第一解剖通道以将导管的远端放置在第一解剖通道内的第一定位处，以及穿过第二解剖通道以将导管的远端放置在第二解剖通道内的第二定位处。该方法还可以包括使用传感器检测在第一定位处和在第二定位处的挥发性有机化合物(VOC)的存在。然后，该方法可以包括确定在第一定位处检测到的第一数量的VOC和在第二定位处检测到的第二数量的VOC，并且将第一数量的VOC与第二数量的VOC进行比较。然后，该方法可以基于比较结果实现导管在第一解剖通道内或在第二解剖通道内的移动。
在另一实施例中，一种方法可以包括使用导管穿过第一解剖通道以将导管的远端放置在第一解剖通道内的第一定位和第二定位处。该方法然后可以包括经由传感器检测在第一定位处和在第二定位处的挥发性有机化合物(VOC)的存在，确定在第一定位处的第一数量的VOC和在第二定位处的第二数量的VOC，并且将第一数量的VOC与第二数量的VOC进行比较。该方法还可以包括基于比较结果实现导管在第一解剖通道内的移动。
在另一实施例中，一种系统包括：远程操作组件，该远程操作组件包括操作者控制系统和被配置为用于由操作者控制系统进行远程操作的操纵器。操纵器被配置为控制医疗器械在手术环境中的移动。该系统还包括处理单元，该处理单元包括一个或多个处理器。处理单元被配置成使用导管穿过第一解剖通道以将导管的远端放置在第一解剖通道内的第一定位处，以及穿过第二解剖通道以将导管的远端放置在第二解剖通道内的第二定位处。处理器然后可以被配置为经由传感器检测在第一定位处和在第二定位处的挥发性有机化合物(VOC)的存在，确定在第一定位处的第一数量的VOC和在第二定位处的第二数量的VOC，并且将第一数量的VOC与第二数量的VOC进行比较。处理器还可以被配置为基于比较结果实现导管在第一解剖通道内或在第二解剖通道内的移动。
应当理解，前述一般描述和以下具体实施方式本质上都为示例性和解释性的，并且意图提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。在这点来说，根据以下具体实施方式，本公开的其他方面、特征和优势对本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下具体实施方式，最好地理解本公开的各方面。应当强调的是，根据行业的标准规程，各种特征不是按比例绘制的。事实上，为了讨论的清楚起见，可以任意增加或减小各种特征的尺寸。此外，本公开可重复各种示例中的附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1是根据本公开的实施例的远程操作医疗系统。
图2是示出根据本公开的实施例的用于在图像引导的手术程序中提供引导的方法的流程图。
图3示出了基于术前或术中图像数据的人肺的模型。
图4A示出了根据本公开的实施例的包括视觉装置的医疗器械系统600。
图4B示出了具有包括视觉装置的扩展医疗工具的图4A的医疗器械系统的远端。
图5是示出根据本公开的实施例的用于在图像引导的手术程序中提供引导的一般方法700的流程图。
图6A-6G示出了根据本公开的实施例的导管的远端在患者的解剖通道中的各种定位。
图7是示出根据本公开的实施例的用于在手术程序期间提供引导的一般方法900的流程图。
具体实施方式
在本发明的各方面的以下具体实施方式中阐述了许多具体细节，以便提供对所公开的实施例的充分理解。然而，对于本领域技术人员来说，将显而易见的是，本公开的实施例可在没有这些具体细节的情况下被实施。在其他情况下，众所周知的方法、程序、部件和电路未被详细描述，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。并且，为了避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例描述的一个或多个部件或动作能够被使用，或者，如果适用的话，能够从其他说明性实施例中省略。
以下实施例将依据各种器械和器械部分在三维空间中的状态来描述所述器械和器械部分。如本文所使用的，术语“定位”是指物体或物体的一部分在三维空间中的位置(例如，沿着笛卡尔x坐标、y坐标和z坐标的三个平移自由度)。如本文所使用的，术语“定向”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度—例如，滚动、俯仰和偏航)。如本文所使用的，术语“姿态”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的定位、以及物体或物体的一部分在至少一个旋转自由度中的定向(最多达总共六个自由度)。如本文所使用的，术语“形状”是指沿着物体测量的一组姿态、定位或定向。
参考附图中的图1，例如用于手术程序、诊断程序、治疗程序或活检程序的远程操作医疗系统大体由附图标记100指示。如图1所示，远程操作系统100通常包括远程操作操纵器组件102，其用于在对患者P执行各种程序时操作医疗器械104。组件102安装到手术台O或其附近。主组件106允许临床医生、操作者、外科医生S和/或诸如此类人员查看介入部位并且控制从操纵器组件102。
主组件106可以位于外科医生的控制台处，所述外科医生的控制台通常位于与手术台O相同的房间中。但是，应当理解的是，外科医生S能够位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。主组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包括任何数量的各种输入装置，诸如操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、身体运动或存在传感器或诸如此类。
操纵器组件102支持医疗器械系统104，并且可以包括一个或多个非伺服控制的连杆(例如，可以手动定位并锁定就位的一个或多个连杆，通常称为装配结构)的运动学结构和操纵器操纵器。操纵器组件102包括多个致动器或马达，所述致动器或马达响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令来驱动医疗器械系统104上的输入。马达包括驱动系统，所述驱动系统在联接到医疗器械系统104时可以将医疗器械推进/前进(advance)到自然或手术创建的解剖孔口中。其他机动化驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械的远端，所述自由度可以包括三个线性运动度(例如，沿着X、Y、Z笛卡尔轴的线性运动)和在三个旋转运动度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴的旋转)中。另外，马达能够用于致动器械的可铰接的末端执行器，以用于将组织抓紧在活检装置等的钳口中。马达定位传感器(诸如分解器、编码器、电位计和其他机构)可以向操纵器组件提供描述马达轴的旋转和定向的传感器数据。该定位传感器数据可以用于确定由马达操纵的物体的运动。
远程操作医疗系统100还包括传感器系统108，所述传感器系统108具有用于接收关于操纵器组件的器械的信息的一个或多个子系统。此类子系统可以包括：定位传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；用于确定导管尖端和/或沿着器械系统104的柔性主体的一个或多个区段的定位、定向、速度、速率、姿态和/或形状的形状传感器系统；和/或用于从导管系统的远端捕获图像的可视化系统。
可视化系统(例如，图4A的可视化系统231)可以包括查看范围组件，所述查看范围组件记录手术部位的并发(concurrent)或实时图像并且将该图像提供给临床医生或外科医生S。例如，并发图像可以是由定位在手术部位内的内窥镜所捕获的二维或三维图像。在该实施例中，可视化系统包括内窥镜组件，所述内窥镜组件可以整体地或可移除地联接到医疗器械104。然而，在替代实施例中，附接到单独操纵器组件的单独内窥镜可以与医疗器械一起使用以便对手术部位进行成像。可视化系统可以被实现为硬件、固件、软件或它们的组合，其与一个或多个计算机处理器进行交互或者由所述一个或多个计算机处理器以其他方式执行，所述一个或多个计算机处理器可以包括控制系统112(以下描述)的处理器。控制系统112的处理器可以执行与本文公开的过程相对应的指令。
远程操作医疗系统100还包括显示系统110，所述显示系统110用于显示由传感器系统108的子系统产生的手术部位和(一个或多个)医疗器械系统104的图像或表示。显示器110和操作者输入系统106可以被定向成使得操作者能够利用远程呈现的感知来控制医疗器械系统104和操作者输入系统106。
显示系统110还可以显示由可视化系统捕获的手术部位和医疗器械的图像。显示器110和控制装置可以被定向成使得范围组件中的成像装置与医疗器械的相对定位类似于外科医生的眼睛与手的相对定位，因此操作者能够像以基本真实呈现来查看工作空间一样来操纵医疗器械104和手动控制。真实呈现意味着图像的呈现是模拟正在物理操纵器械104的操作者的视角的真实透视图像。
替代地或附加地，显示器110可以使用来自成像技术的图像数据来呈现术前或术中记录的手术部位的图像，所述成像技术诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、温度记录法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像。术前或术中图像数据可以被呈现为二维、三维或四维(例如，包括基于时间或基于速率的信息)图像，或者被呈现为来自根据术前或术中图像数据集创建的模型的图像。
在通常用于图像引导手术程序的一些实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，在该虚拟导航图像中，医疗器械104的实际位置与术前或并发图像/模型配准(即动态参考)，以便从器械104的尖端位置的视角向临床医生或外科医生S呈现内部手术部位的虚拟图像。器械104的尖端的图像或者其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上以便辅助外科医生控制医疗器械。替代地，器械104可能在虚拟图像中不可见。
在另一些实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，在该虚拟导航图像中，医疗器械的实际位置与术前或并发图像配准，以便从外部视角向临床医师或外科医生S呈现手术部位内的医疗器械的虚拟图像。医疗器械的一部分的图像或者其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上以便辅助外科医生控制器械104。
远程操作医疗系统100还包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，并且通常包括多个处理器，以用于实现医疗器械系统104、操作者输入系统106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112还包括用于实现根据本文公开的各方面描述的一些或全部方法的编程指令(例如，存储指令的计算机可读介质)，所述编程指令包括用于向显示系统110提供病理信息的指令。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被示为单个框，但所述系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中在操纵器组件102上或其附近任选地执行处理的一部分，在操作者输入系统106处执行处理的另一个部分等。
在一些实施例中，控制系统112可以包括从医疗器械系统104接收力和/或扭矩反馈的一个或多个伺服控制器。响应于反馈，伺服控制器将信号传输到操作者输入系统106。所述(一个或多个)伺服控制器也可以传输指导操纵器组件102移动(一个或多个)医疗器械系统104的信号，所述(一个或多个)医疗器械系统104经由身体中的开口延伸到患者体内的内部手术部位中。
控制系统112还可以包括虚拟可视化系统，其用于在图像引导手术程序中使用时向(一个或多个)医疗器械系统104提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于对所获取的解剖通道的术前或术中数据集的参考。单独的或与手动输入组合的软件用于将记录的图像转换成部分或整个解剖器官或解剖区域的分段二维或三维合成表示。图像数据集与合成表示相关联。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以用于计算器械相对于患者解剖结构的近似位置。该位置能够用于产生患者解剖结构的宏观(外部)跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像。用于使用光纤传感器以使医疗器械与术前记录的手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的手术图像)配准并显示的各种系统是已知的。例如，美国专利申请号13/107,562(2011年5月13日提交)(公开了“提供用于图像引导的手术程序的解剖结构的模型的动态配准的医疗系统(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of anAnatomic Structure for Image-Guided Surgery)”)公开了一个此类系统，所述专利申请通过引用以其整体并入本文。
远程操作医疗系统100还可以包括任选的操作和支持系统(未示出)，诸如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在替代实施例中，远程操作系统可以包括多于一个操纵器组件和/或多于一个操作者输入系统。操纵器组件的确切数量将取决于手术程序和手术室内的空间限制等因素。操作者输入系统可以并列布置，或者它们可以定位在分离的位置中。多个操作者输入系统允许多于一个操作者以各种组合控制一个或多个操纵器组件。
图4A示出了医疗器械系统600。替代地，医疗器械系统600可以用于非远程操作探索程序或用于涉及传统手动操作医疗器械(诸如内窥镜)的程序。附加地或替代地，医疗器械系统600可以用于收集(即，测量)与具有患者解剖通道的位置相对应的数据点集。
器械系统600包括联接到器械主体204的导管系统202。导管系统202包括具有近端217和远端或尖端部分218的细长柔性导管主体216。在一个实施例中，柔性主体216具有约3mm的外径。其他柔性主体外径可以是更大或更小的。导管系统202可以任选地包括形状传感器222，所述形状传感器222用于确定远端218处的导管尖端和/或沿着主体216的一个或多个区段224的定位、定向、速度、速率、姿态和/或形状。
形状传感器222可以包括与柔性导管主体216对齐(例如，设置在内部渠道(channel)(未示出)内或安装在外部)的光纤。形状传感器系统222的光纤形成用于确定导管系统202的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一个或多个维度的结构中提供应变测量。在美国专利申请No.11/180,389(2005年7月13日提交)(公开了“光纤定位和形状感测装置及相关方法(Fiber optic position andshape sensing device and method relating thereto)”)、美国专利申请No.12/047,056(2004年7月16日提交)(公开了“光纤形状和相对定位感测(Fiber-optic shape andrelative position sensing)”)以及美国专利No.6,389,187(1998年6月17日提交)(公开了“光线弯曲传感器(Optical Fibre Bend Sensor)”)中描述了用于监测光纤在三维中的形状和相对定位的各种系统和方法，所述专利申请和专利全部通过引用以其整体并入本文。在替代实施例中，传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在另一些替代实施例中，可以使用其他技术来确定导管的形状。例如，沿导管定位的一系列定位传感器(诸如电磁(EM)传感器)能够用于形状感测。替代地，在程序期间来自器械系统上的定位传感器(诸如EM传感器)的数据的历史记录可以用于表示器械的形状，特别是如果解剖通道是大体静止的话。替代地，定位或定向被外部磁场控制的无线装置可以用于形状感测。无线装置的定位的历史记录可以用于确定导航通道的形状。
任选地，医疗器械系统可以包括定位传感器系统220。定位传感器系统220可以是EM传感器系统的部件，其中传感器220包括可以承受外部产生的电磁场的一个或多个导电线圈。在美国专利No.6,380,732(1999年8月11日提交)(公开了“具有在被跟踪的物体上的无源应答器的六个自由度跟踪系统(Six-Degree of Freedom Tracking System Having aPassive Transponder on the Object Being Tracked)”)中提供了对EM传感器系统的进一步描述，所述专利通过引用以其整体并入本文。在一些实施例中，形状传感器也可以用作定位传感器，因为该传感器的形状以及关于形状传感器基部(在患者的固定坐标系中)的位置的信息允许计算沿着形状传感器(包括远侧尖端)的各个点的位置。
跟踪系统230可以包括定位传感器系统220和形状传感器系统222，以用于确定远端218和沿着器械202的一个或多个区段224的定位、定向、速度、姿态和/或形状。
柔性导管主体216包括尺寸和形状被设置以接收医疗器械226的渠道221。例如，医疗器械可以包括图像捕获探针、活检器械、激光消融纤维、或其他手术工具、诊断工具或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件(诸如手术刀、钝刀片、光纤或电极)的末端执行器。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀或施夹器。电激活的末端执行器的示例包括电外科电极、换能器和传感器等。
柔性导管主体216还可容纳电缆、联动装置或在壳体204与远端218之间延伸的其他转向控制装置(未示出)，以便例如像远端的虚线描绘219所示出的那样可控地弯曲远端218。在美国专利申请No.13/274,208(2011年10月14日提交)(公开了“具有可移除视觉探针的导管(Catheter with Removable Vision Probe)”)中详细描述了可转向导管，所述专利申请通过引用以其整体并入本文。在器械系统600由远程操作组件致动的实施例中，壳体204可以包括驱动输入装置，所述驱动输入装置可移除地联接到远程操作组件的机动化驱动元件并且从其接收动力。在手动操作器械系统600的实施例中，壳体204可以包括抓握特征、手动致动器或用于手动控制器械系统运动的其他部件。导管系统可以是可转向的，或者替代地，该系统可能是不可转向的，其中没有用于器械弯曲的操作者控制的集成机构。而且或替代地，一个或多个管腔限定在柔性主体216的壁中，通过所述一个或多个管腔能够在目标手术位置处部署和使用医疗器械。
可以将来自跟踪系统230的信息发送到导航系统232，在导航系统232处将所述信息与来自可视化系统231和/或术前获得的模型的信息进行组合，以便在显示系统110上向外科医生或其他操作者提供实时定位信息以用于控制器械600。控制系统112可以利用定位信息作为反馈以用于定位器械600。在2011年5月13日提交并公开“提供用于图像引导的手术的解剖结构的模型的动态配准的医疗系统(Medical System Providing DynamicRegistration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery)”的美国专利申请No.13/107,562中提供了用于使用光纤传感器以使手术器械与手术图像配准并显示的各种系统，所述专利申请通过引用以其整体并入本文。
在图4A的实施例中，器械600在远程操作医疗系统100内远程操作。在替代实施例中，操纵器组件102可以被直接操作者控制装置替换。在直接操作替代方案中，可以包括各种手柄和操作者界面以用于器械的手持操作。
用于诸如手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸的程序的(一个或多个)医疗工具628能够通过柔性主体216的渠道221部署，并且在解剖结构内的目标位置处使用。例如，如果工具是活检器械，则其可用于从目标解剖位置移除样本组织或细胞采样。医疗工具也可以与柔性主体216内的图像捕获探针一起使用。替代地，工具本身可以是图像捕获探针。工具可从渠道221的开口前进以执行程序并且然后在程序完成时缩回到该渠道中。可以从导管柔性主体的近端217或从沿着柔性主体的另一个任选的器械端口(未示出)移除医疗工具。
图2是示出用于图像引导手术程序的一般方法450的流程图。在过程452处，从成像技术获得术前或术中图像数据，所述成像技术诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、温度记录法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像。术前或术中图像数据可对应于二维、三维或四维(例如，包括基于时间或基于速率的信息)图像。例如，图像数据可以表示人肺。
在过程454处，使用单独的或与手动输入组合的计算机软件，以便将记录的图像转换成部分或整个解剖器官或解剖区域的分段二维或三维合成表示或模型。
在过程456处，在对患者进行图像引导手术程序之前和/或期间，将解剖模型数据配准到患者解剖结构。一般地，配准涉及通过使用刚性和/或非刚性变换将测量点与模型的点匹配。可以使用解剖结构中的界标、在程序期间扫描和跟踪的电磁线圈、或形状传感器系统来产生测量点。可以产生测量点以用于本公开的其他地方描述的迭代最近点(ICP)技术。还可以在本公开的范围内的配准过程中使用其他点集配准方法。
用于使用传感器以使医疗器械与术前记录的手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的手术图像)配准并显示的各种系统是已知的。例如，美国专利申请No.13/107,562(2011年5月13日提交)(公开了“提供用于图像引导的手术的解剖结构的模型的动态配准的医疗系统(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an AnatomicStructure for Image-Guided Surgery)”)公开了一个此类系统，所述专利申请通过引用以其整体并入本文。
现有的系统和方法通常不能在其早期阶段诊断诸如癌症的疾病。这是因为现有的系统和方法依赖于临床症状的检测，临床症状通常在早期阶段是不易察觉的，并且直到疾病进展到晚期才表现出来。在癌症的早期阶段期间缺乏特征性临床症状的表现使得疾病的早期检测非常困难。而且，为诊断癌症执行的现有系统和方法要么需要侵入性手术程序，要么伴随着不希望的辐射暴露和高假阳性率。因此，当前系统和方法对于诸如癌症的危及生命的疾病的早期诊断无效。因此，需要能够早期诊断危及生命的疾病的新系统和方法。
本公开提出了能够对患有危及生命的疾病的个体进行早期诊断并因此能够进行关键的及时治疗的系统和方法。具体地，如下面进一步详细讨论的，本公开的系统和方法能够通过感测和分析肿块附近存在的生物标志物(例如VOC)的特性来精确检测患者体内肿块(例如肿瘤)的位置。感测的特性可以包括生物标志物的检测、检测到的生物标志物的各种变化(包括梯度变化)以及生物标志物的挥发性代谢特征(metabolomic signature)。在一些实施方式中，所公开的系统和方法能够包括识别和检测由目标肿块散发的VOC的挥发性代谢特征，并基于检测到的挥发性代谢特征的强度变化沿解剖通道导航。检测挥发性代谢特征能够包括滤除不归因于目标肿块的挥发性代谢特征的任何背景VOC的存在。尽管使用VOC作为检测和分析的生物标志物提供了若干示例，但是生物标志物的检测和分析以及生物标志物的变化(包括其他类型的生物标志物的梯度差异)在下面进一步提供。除了VOC之外，合适的生物标志物还可以包括压力、氧水平、pH水平和/或荧光性能。
本公开包括对生物标志物(例如VOC)的检测和分析可以用作能够早期检测癌症的安全且非侵入性或微创方式的实现。VOC是一组不同的碳基化学颗粒，其由存在于患者体内的肿块(例如，癌性肿瘤)产生。这些VOC是识别肿块存在的独特特征化合物，并且在不同于正常身体生理过程的生理过程中以不同浓度产生。因此，这些VOC可以用作评估或诊断疾病(例如癌症)的潜在生物标志物。此外，例如，在形成肿块/肿瘤时，VOC可以经由血流、组织间液、淋巴液或其他体液(包括气体)产生和排出到解剖通道(诸如患者的支气管腔)中。也就是说，在表现出疾病的任何临床症状之前，VOC可以产生并且可以存在于患者的解剖通道中。本公开的系统和方法使用非侵入性程序来检测和分析解剖通道中的这些VOC，从而能够实现疾病的安全且有效的早期诊断。
图3示出了从术前或术中图像数据开发的患者肺201的模型500。在模型500中，观察到肿块/肿瘤510以及模型500内的导管系统600的虚拟渲染。可以进行对肿块/肿瘤510活检的医疗程序以确定肿块/肿瘤510是恶性的还是良性的。即使肿块/肿瘤510的位置在模型中是可见的，也可能不容易确定导管系统600相对于患者肺201的通道内的肿块/肿瘤510的用以进行活检的最佳定位。这可能是由于在收集术前数据时与进行活检的手术程序之间的解剖结构的转换以及由于呼吸、循环或患者移动导致的解剖结构转换。由于这些原因，至关重要的是补偿在模型500中显示的患者肺内的通道与手术程序期间患者肺内的实际通道之间的任何差异。
如下所讨论的，本公开的系统和方法通过感测和分析肿块/肿瘤510附近存在的VOC来补偿上述差异。例如，本公开的导管系统600可以与能够感测和分析由肿块/肿瘤510产生的特征VOC的传感器联接。在各种实施例中，传感器系统可以感测并报告在肿块/肿瘤510附近的患者肺201的通道中的VOC的数量。来自传感器系统的报告可以周期性地或在由操作者(例如，临床医生、外科医生等)激活时被接收。基于解剖通道中的VOC的密度更靠近肿块/肿瘤510更大的假设，执行手术程序的临床医生/操作者/外科医生可以检查所接收的报告中的信息，并且因此可以导航患者肺的不同解剖通道。然后，临床医生可以确定患者肺201的选定解剖通道中的最佳导管远侧尖端位置和/或定位(例如，接近导管远侧尖端的方向和角度)，用于将导管202放置成最靠近肿块/肿瘤510以用于活检。换句话说，基于VOC的数量的梯度，传感器系统可以辅助不同通道的导航。这可以有利地允许选择最佳位置和/或定位，其中VOC的密度被感测为最高，用于放置远端218以用于活检。
图4A和图4B示出了利用本公开的各方面的医疗器械系统600。在各种实施例中，医疗器械系统600可以包括上面关于图4A和图4B描述的整个导管系统600。另外，医疗器械系统可以与传感器系统610联接。传感器系统610在图1中示出，并且可以包括一组分布式部件。例如，传感器系统610可以包括生物标志物传感器(例如，VOC传感器)620，其经由例如能够携带电/光信号的柔性连接器640被电连接到生物标志物分析器(例如，VOC分析器)630。在替代实施例中，可以无线地传送信号。柔性连接器640可以设置在导管202内部和/或沿着导管202的长度设置。生物标志物传感器620可以被附接到导管202。在一个实施例中，生物标志物传感器620可以被附接在导管202的远端或尖端部分218附近。替代地，生物标志物传感器620可以设置在上面参考图4B所讨论的医疗工具628的远端处。生物标志物分析器630可以被包括在上面关于图1讨论的远程操作的医疗系统100中，并且可以设置在位于外科医生的控制台处的主组件106附近或内部，或者可以是控制系统112的部件。在各种实施例中，生物标志物传感器可以位于器械系统中的或沿着器械系统的其他位置处。
生物标志物传感器620可以被配置为检测和识别存在于患者P的肺的通道中的由肿块/肿瘤510产生的生物标志物，例如VOC。在一个实施例中，生物标志物传感器620可以被配置为执行气相色谱和质谱(GC-MS)以检测和识别由肿块/肿瘤510产生的生物标志物(例如，VOC)。在另一些实施例中，生物标志物传感器620可以被配置为结合固相微萃取(SPME)、离子迁移谱仪、晶体传感器、石英微量天平、比色分析仪或金粒子纳米传感器(例如，覆盖有金、银或其他贵金属纳米颗粒的多壁碳纳米管)用作例如GC-MS以检测和识别由肿块/肿瘤510产生的生物标志物(例如VOC)。这样的纳米传感器可以被构造成具有纳米结构、大表面积和贵金属纳米颗粒，以增强灵敏度和增加电子转移电阻，以提高电化学传感器的性能。生物标志物传感器620可以基于VOC的检测生成电/光信号，并且通过连接器640将电/光信号传送到生物标志物分析器630，以指示生物标志物(例如VOC)的存在和感测的量。例如，当生物标志物传感器620被配置为用作金粒子纳米传感器时，纳米传感器中包括的电极的电阻在暴露于生物标志物(例如VOC)时发生变化，并且生物标志物传感器620基于电极电阻的变化生成电/光信号，以指示存在生物标志物(例如VOC)。当检测到的生物标志物(例如VOC)的量改变时，电阻和电/光信号幅度的成比例变化由生物标志物分析器630分析，以指示检测到的生物标志物(例如VOC)的量。这允许临床医生在穿过患者P的肺201的不同通道时辨别生物标志物(例如VOC)的密度变化。
换句话说，当观察到指示检测到的生物标志物(例如VOC)的密度的增加(例如，相对于先前读数)的读数时，临床医生理解生物标志物传感器620以及由此导管202的远端218正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。相反，当观察到指示检测到的VOC的密度减小(例如，相对于先前读数)的读数时，临床医生理解生物标志物传感器620以及由此导管202的远端218正在远离肿块/肿瘤510穿过。
在各种实施例中，生物标志物传感器620可以周期性地(例如，每1秒、每3秒、每5秒等)生成并提供电/光信号。替代地，生物标志物传感器620可以在由临床医生激活时生成并提供电/光信号。例如，每当导管202的远端218的定位在穿过通道时改变时，临床医生可以激活生物标志物传感器620。替代地，生物标志物传感器620可以被定位在第一位置处达预定的一段时间，以在第一位置处收集多个测量值。在经过预定的一段时间之后，生物标志物传感器620可以被移动到第二位置达预定的一段时间以在第二位置处收集多个测量值。在每个位置处收集多个测量值可以允许更准确地滤除含噪测量值(noisy measurement)。
在各种实施例中，生物标志物传感器620能够被实施为电化学(安培计)传感器，其包括膜、内部电解质溶液、工作电极、参考电极和反电极。电压控制器被电连接到工作电极和参考电极，以使工作电极相对于参考电极充分极化。电流测量单元被电连接到工作电极、电压控制器和反电极，以在存在生物标记物(例如VOC)的情况下响应于工作电极处的电化学反应来检测电信号。在操作中，分析物颗粒(例如，来自检测到的生物标志物(例如VOC))能够通过电化学传感器中的膜和内部电解质(例如，强酸、碱或非质子溶剂的水溶液)扩散并且与相对于参考电极极化的工作电极相互作用。分析物颗粒与工作电极的相互作用引起工作电极处的电化学反应，同时反电极经历为电化学反应提供电子平衡的反应。例如，这导致氧化还原反应，其生成由电流发生器检测的电流。
在各种实施例中，生物标志物传感器620能够被实施为传感器阵列以并行执行多个生物标志物检测和分析。这样的传感器阵列能够被实施为芯片实验室(lab-on-a-chip)设计。例如，阵列中的不同传感器能够被实施以检测不同类型的生物标志物(例如，不同VOC)或不同的生物标志物特征。
在各种实施例中，目标组织可以位于患者的皮肤表面附近，并且所描述的系统和方法可以通过将导管和传感器移动到患者的皮肤附近或沿着患者的皮肤移动而被离体使用来通过皮肤检测肿瘤。
图5是示出根据本公开的实施例的一般方法700的流程图，所述方法700用于在手术环境100中对患者P的图像引导手术程序中向临床医生提供引导。方法700被示为一组框、步骤、操作或过程。并非所有示出、枚举的操作都可以在方法700的所有实施例中执行。另外，图5中未明确示出的一些附加操作可以包括在所枚举的过程之前、之后、之间或作为所枚举的过程的一部分。例如，上面关于图2讨论的方法450可以作为方法700的一部分来执行，以使例如患者肺(图3)的术前或术中图像数据可用。在一个实施例中，患者肺201的图像数据可以包括上面关于图3讨论的肿块/肿瘤510的表示。此外，导管系统600可以与患者肺201的可用图像数据配准，使得包括患者肺201的通道内的传感器系统510的导管202的移动被显示，以在手术过程期间引导临床医生。方法700的一些实施例包括存储在存储器中的与方法700的过程相对应的指令。这些指令可以由处理器(类似控制系统112的处理器)执行。
经由远程操作、手动或自动化控制(例如，经由主组件106)来控制导管202的远端218的移动，以勘测解剖通道的一部分。例如，远程操作控制信号可以使导管的远端218在解剖通道内被指导、前进或缩回。当导管在多个通道内移动时，确定并显示导管202和/或远端218在手术环境中的当前位置。临床医生在显示器上观察导管202和/或远端218在手术环境中的移动(例如图3)。图6A-6G示出了导管202的远端218在患者P的肺的通道中的各种定位。
在过程702处，导管202的远端218通过例如患者P的口插入患者P的身体内。然后导管202的远端218穿过患者P的解剖通道(例如，患者肺201的通道)。图6A示出了导管202的远端218在患者P的解剖通道中的初始位置处的初始定位。由于导管202的远端218的初始位置相对于肿块/肿瘤510相当远，因此VOC传感器620可能检测不到由肿块/肿瘤510产生的VOC的存在。
在过程704处，导管202的远端218被推进到图6B中所示的定位和位置，并且远程操作的医疗系统100接收来自VOC传感器620的电/光信号。换句话说，在图6B中所示的导管202的远端218的位置处，VOC传感器620感测并检测存在于肿块/肿瘤510的附近/顶部空间中的通道中的VOC的存在。当检测到VOC的存在时，VOC传感器620生成并传送电/光信号到VOC分析器630。如前所述，由VOC传感器620生成的电/光信号指示在VOC传感器620的当前位置处检测到的VOC的量或数量。在图6B中所示的VOC传感器620的位置处，由肿块/肿瘤510产生的VOC的密度相对较低。然而，经过比较，处理器确定图6B中所示位置处的VOC密度相对于图6A中所示位置处观察到的VOC密度更大。检测到的VOC密度的这种增加向临床医生指示VOC传感器620正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。
在过程706处，导管202的远端218被推进到图6C中所示的定位和位置。在该定位处，VOC传感器620再次基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在图6C中所示的VOC传感器620的定位处，经过比较，处理器确定VOC的密度相对于在图6B中所示的定位处观察到的VOC的密度更大。检测到的VOC密度的这种增加向临床医生指示VOC传感器620正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。
在将导管202的远端218经过图6C中所示的位置并且朝向肿块/肿瘤510推进时，临床医生可以要么沿着第一通道朝向图6D中所示的位置推进导管202，要么沿着第二通道朝向图6E中所示的位置推进导管202。如下所讨论的，为了确定对肿块/肿瘤510进行活检的最佳定位和位置，临床医生可以沿着第一和第二通道顺序地推进导管202的远端218。也就是说，临床医生可以选择沿着第一通道推进导管202的远端218，并确定在第一通道中检测到的VOC的数量。然后，临床医生可以选择沿着第二通道推进导管202的远端218，并确定在第二通道中检测到的VOC的数量。基于在第一通道和第二通道中检测到的VOC的数量的比较，临床医生或处理器可以确定用于推进导管202的更多定位和位置。
在过程708处，导管202的远端218沿第一通道被推进到图6D中所示的位置。在该定位处，VOC传感器620再次基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在图6D中所示的VOC传感器620的位置处，经过比较，处理器确定VOC的密度相对于在图6C中所示的位置处观察到的VOC的密度更大。检测到的VOC密度的这种增加向临床医生指示VOC传感器620正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。然而，在导管202的远端218进一步沿着第一通道推进之前，临床医生可以沿第二通道推进导管202以确定在第二通道中检测到的VOC的数量。
在过程710处，导管202的远端218沿第二通道被推进到图6E中所示的位置。在该位置处，VOC传感器620再次基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在图6E中所示的VOC传感器620的定位处，经过比较，处理器确定VOC的密度相对于在图6C中所示的位置处观察到的VOC的密度更大。检测到的VOC密度的这种增加向临床医生指示VOC传感器620正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。然而，为了确定最佳路线，临床医生可以在沿第二通道进一步推进导管202的远端218之前比较在第一通道和第二通道中检测到的VOC的数量。
在过程712处，包括在远程操作医疗系统100中的处理器对在第一通道和第二通道中检测到的VOC的数量进行比较。当在第一通道中检测到的VOC的数量大于在第二通道中检测到的VOC的数量时，系统可以辅助临床医生确定导管202应该沿着第一通道被推进。替代地，当在第二通道中检测到的VOC的数量大于在第一通道中检测到的VOC的数量时，系统可以辅助临床医生确定导管202应该沿着第二通道被推进。换句话说，在第一通道和第二通道中检测到的VOC的数量的比较结果辅助临床医生确定沿着将导致远端218最靠近肿块/肿瘤510的通道推进导管202。对于后续步骤，假设比较结果表明在第二通道中检测到的VOC的数量大于在第一通道中检测到的VOC的数量。
在过程714处，基于上述比较结果，处理器或临床医生基于显示的比较结果确定导管202的远端218应该沿第二通道被推进。导管202的远端218沿第二通道的前进位置在图6F中示出。在该位置处，VOC传感器620再次基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在图6F中所示的VOC传感器620的位置处，经过比较，处理器确定VOC的密度相对于在图6E中所示的位置处观察到的VOC的密度更大。检测到的VOC的密度的这种增加向临床医生指示VOC传感器620正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。在各种替代示例中，基于比较结果，控制系统112可以向临床医生提供引导或指令以帮助更靠近肿块地推进导管和/或使导管转向。在各种替代示例中，基于比较结果，控制系统112可以更靠近肿块地推进导管和/或使导管转向。
在过程716处，导管202的远端218沿第二通道被推进到图6G中所示的位置。在该位置处，VOC传感器620再次基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在图6G中所示的VOC传感器620的位置处，经过比较，处理器确定VOC的密度相对于在图6F中所示的位置处观察到的VOC密度更小。检测到的VOC的密度的这种减小向临床医生指示VOC传感器620正在更远离肿块/肿瘤510穿过。
基于以上观察，在过程718处，确定接近图6F中所示的导管202的远端218位置的位置表示用于放置导管202的远端218的最佳位置。可以执行方法700的上述步骤的进一步迭代以微调用于放置导管202的远端218以进行活检的最佳位置的位置。一旦确定最佳位置，临床医生可以实现导管202的远端218的移动以置于准备进行活检的最佳定位和位置。然后可以在导管202的远端218放置在用于活检的最佳定位和位置的情况下进行活检。
以这种方式，感测/确定在患者P的肺201的通道内的多个定位和/或位置中检测到的VOC的数量有助于在手术程序期间补偿在患者P的生理学中观察到的任何差异(如上所述)，以及确定用于放置导管202的远端218以进行活检程序的最佳定位。
图7是示出根据本公开的实施例的用于在手术环境100中对患者P进行手术程序期间向临床医生提供引导的一般方法900的流程图。类似于上面讨论的方法700，导管系统600可以与能够感测和分析由肿块/肿瘤510产生的特征VOC的传感器系统610联接，并且可以与方法900结合使用。如先前讨论的，传感器系统610可以感测并报告在肿块/肿瘤510附近的患者肺201的通道中的VOC的数量。基于通道中的VOC的密度更靠近肿块/肿瘤510更高的假设，执行手术程序的临床医生可以导航患者肺的不同通道，并且然后确定患者肺201的选定通道中的最佳定位和位置，用于将导管202放置和定位成最靠近肿块/肿瘤510以进行活检。换句话说，基于VOC的数量的梯度，传感器系统可以辅助不同通道的导航。这可以有利地允许选择VOC的密度被感测为最高的最佳位置，用于放置远端218以进行活检。在一个示例中，确定最佳位置可能需要导管202穿过若干代通道以发现VOC的密度逐渐增加的通道。导管202可以穿过第一通道以确定第一通道中的VOC的密度，且然后可以穿过第二下一代通道以确定第二代通道中VOC的密度是否相对于第一通道中的VOC的密度更高。在一个示例中，多个第二代通道可以从第一通道引出，其中导管202能够穿过多个第二代通道中的每一个，以通过确定VOC的最高密度来确定最佳位置。
在各种实施例中，通道的穿过和VOC密度的确定可以用于更新在配准的术前模型中的肿块/肿瘤510的位置。在导管202被配准到术前模型的情况下，可以使用最高密度的VOC的患者解剖结构中的确定位置来更新术前模型或者增强经由图形用户界面提供给临床医生的导航引导。还可以根据预先计划的目标位置更新导管的目标位置和从气道到目标位置的出口点。
有时，患者肺201的模型500形式的术前或术中图像数据可能不可用于在手术程序期间引导临床医生。在这种情况下，像在美国申请No.13/274,229(2011年10月14日提交)(公开了“视觉探针导管系统(Vision Probe Catheter Systems)”)(所述申请以其整体并入本文)中描述的视觉探针那样的视觉探针可以与方法900结合使用。替代地，上面讨论的医疗工具可以与方法900结合使用。医疗工具可以是图像捕获探针，其包括在柔性导管主体216的远端218处或附近具有立体或单视场相机的远侧部分。在任一情况下，视觉探针或医疗工具用作“视觉装置”并且能够捕获由可视化系统231处理的图像(包括视频图像)以供显示。在一个实施例中，从导管202的远端218的视角来看，导管202的移动和进展被显示给临床医生。
经由远程操作、手动或自动化控制(例如，经由主组件106)控制导管202的远端218的移动，以勘测解剖通道的一部分。例如，远程操作控制信号可以使导管的远端218在解剖通道内被指导、前进或缩回。当完全部署在导管202中时，视觉装置可以以期望的定向放置在导管202的远端218处或甚至延伸超出导管202的远端218，以提供从导管202的远端218的视角的前视图。视觉装置可以被远程地转向，并且可以提供呼吸道的视频图像，这可以辅助临床医生将远端218朝向目标位置(例如，肿块/肿瘤510)导航。到达目标位置的路径可以完全在自然管腔内，所述自然管腔诸如呼吸道的气道。当导管在多个通道内被移动时，显示从手术环境中导管202的远端218的视角的当前图像。临床医生在显示器上观察导管202和/或远端218在手术环境中的移动。临床医生可以在由视觉装置提供的视频图像以及由传感器系统610感测的检测到的VOC的引导下实现导管202沿着任何通道的移动。
方法900被示为一组框、步骤、操作或过程。并非所有示出、枚举的操作都可以在方法900的所有实施例中执行。另外，图7中未明确示出的一些附加操作可以包括在所枚举的过程之前、之后、之间或作为所枚举的过程的一部分。例如，可以执行附加步骤以将导管系统600与人肺的一般图像数据配准，使得包括患者肺201的通道内的传感器系统610的导管202的移动被显示。方法900的一些实施例包括与存储在存储器中的方法900的过程相对应的指令。这些指令可以由处理器(诸如控制系统112的处理器)执行。
在过程902处，在导管202中部署视觉探针或配备有立体或微观相机(即，“视觉装置”)的医疗工具，并且将导管202通过例如患者P的口插入患者P的身体内，并且定位在初始位置处。导管202的远端218穿过患者P的解剖通道(例如，患者肺201的通道)。如先前讨论的，VOC传感器620可以提供电/光信号以指示存在于肿块/肿瘤510的附近/顶部空间中的通道中的VOC的存在。在初始位置处，导管202的远端218可以与肿块/肿瘤510相距一定距离，在那里VOC传感器620可能检测不到由肿块/肿瘤510产生的VOC的存在。
在过程904处，临床医生在由视觉装置提供的视频图像的引导下将导管202的远端218推进经过初始位置到第一通道中的位置。
在过程906处，在第一通道中的该位置处，VOC传感器620可以感测或检测VOC的存在并提供指示VOC的所测量数量的电/光信号。第一通道中的位置处的相应测量值可以被存储在存储器中。
检测到的VOC的密度的这种正变化或增加向临床医生指示VOC传感器620以及因此导管202的远端218正在更靠近肿块/肿瘤510穿过。基于该信息，临床医生可以决定沿着第一通道进一步推进导管202的远端218。在将导管202的远端218经过第一位置并且朝向肿块/肿瘤510推进时，临床医生可以沿第二通道或沿第三通道推进导管202。在各种实施例中，第二通道和第三通道可以是相对于第一通道的下一代通道。
在过程908处，导管202的远端218在视觉装置提供的视频图像的引导下被推进到第二通道中的位置。
在过程910处，在第二通道中的该位置处，VOC传感器620基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在第二通道中的该位置处检测到的VOC的数量的相应测量值可以被存储在存储器中。
在过程912处，导管202的远端218在视觉装置提供的视频图像的引导下被放置在第三通道中的位置。
在过程914处，在第三通道中的该位置处，VOC传感器620基于检测到VOC而生成电/光信号并将其传送到VOC分析器630。在第三通道中的该位置处检测到的VOC的数量的相应测量值可以被存储在存储器中。
在过程916处，处理器可以从存储器检索并且将第一通道中的位置处的测量值与第二通道中的位置处的测量值进行比较。该方法可以基于比较结果进行。例如，当处理器确定第一通道中的位置处的测量值大于第二通道中的位置处的测量值时，该方法可以进行到过程918。类似地，当处理器确定第一通道中的位置处的测量值小于第二通道中的位置处的测量值时，该方法可以进行到过程920。
在过程918处，处理器可以从存储器中检索并且将第一通道中的位置处的测量值与第三通道中的位置处的测量值进行比较。该方法可以基于比较结果进行。例如，当处理器确定第一通道中的位置处的测量值大于第三通道中的位置处的测量值时，该方法可以进行到过程926。类似地，当处理器确定第一通道中的位置处的测量值小于第三通道中的位置处的测量值时，该方法可以进行到过程922。
在过程920处，处理器可以从存储器中检索并且将第二通道中的位置处的测量值与第三通道中的位置处的测量值进行比较。该方法可以基于比较结果进行。例如，当处理器确定第二通道中的位置处的测量值大于第三通道中的位置处的测量值时，该方法可以进行到过程924。类似地，当处理器确定第二通道中的位置处的测量值小于第三通道中的位置处的测量值时，该方法可以前进到过程922。
在过程922处，处理器确定第三通道中的位置应该是导管202的远端218的下一个位置。这是基于在过程916和918处进行比较的结果，即在第三通道中的位置处检测到的VOC的测量值大于在第一通道和第二通道中的位置处单独检测到的VOC的测量值。在通道中的位置处检测到的VOC的密度向临床医生指示将导管202的远端218放置在第三通道中的位置处将允许VOC传感器620更靠近肿块/肿瘤510穿过。换句话说，不同通道中检测到的VOC的数量的比较结果有助于确定沿着将导致远端218最靠近肿块/肿瘤510的通道推进导管202。
在过程924处，处理器确定第二通道中的位置应该是导管202的远端218的下一个位置。这是基于在过程916和920处进行比较的结果，即在第二通道中的位置处检测到的VOC的测量值大于在第一通道和第三通道中的位置处单独检测到的VOC的测量值。在通道中的位置处检测到的VOC的密度向临床医生指示将导管202的远端218放置在第二通道中的位置处将允许VOC传感器620更靠近肿块/肿瘤510穿过。换句话说，不同通道中检测到的VOC的数量的比较结果有助于确定沿着将导致远端218最靠近肿块/肿瘤510的通道推进导管202。
在过程926处，处理器确定除了第二通道和第三通道中的位置之外的位置应该是导管202的远端218的下一个位置。这基于在过程916和918处进行比较的结果，即在第一通道中的位置处检测到的VOC的测量值大于在第二通道和第三通道中的位置处单独检测到的VOC的测量值。
在各种实施例中，基于比较结果，控制系统112可以向临床医生提供引导或指令以帮助更靠近肿块/肿瘤510地推进导管和/或使导管转向。在另一些实施例中，基于比较结果，控制系统112可以更靠近肿块/肿瘤510地推进导管和/或使导管转向。
可以执行方法900的上述过程的进一步迭代以微调用于放置导管202的远端218以进行活检的最佳定位的位置。然后可以在导管202的远端218被放置在进行活检的最佳定位的情况下进行活检。
导管202的远端218可以沿着第二通道和第三通道被顺序地推进，以确定对肿块/肿瘤510进行活检的最佳定位和位置。也就是说，临床医生可以选择沿着第二通道推进导管202的远端218，并且确定在第二通道中检测到的VOC的数量。然后，临床医生可以选择沿着第三通道推进导管202的远端218，并且确定在第三通道中检测到的VOC的数量。基于在第二通道和第三通道中检测到的VOC的数量的比较，临床医生可以确定用于推进导管202的更多位置。
以这种方式，在没有术前或术中图像数据的情况下，导管202的远端218可以在由视觉设备提供的视频图像的引导下被放置在患者P的肺的通道内的不同定位。此外，在这些不同定位处，可以在传感器系统610的帮助下感测/确定VOC的数量。这有助于确定用于放置导管202的远端218以进行活检程序的最佳定位。
类似于上面讨论的VOC的检测和分析，本公开考虑到检测和分析在肿块/肿瘤附近通过例如压力、氧和pH水平的变化产生的其他生物标志物。例如，传感器系统610可以包括压力传感器以感测由于肿块/肿瘤附近的压力水平的变化而产生的生物标志物。这些生物标志物的比较测量值可用于确定治疗或其他介入程序的位置，并且如上面针对方法700、900所述。在生理学上，由于肿块/肿瘤的存在，在肿块/肿瘤附近的解剖通道中的压力可能存在非特征性的变化(增加或减少)。压力的这种非特征性的的变化可能会改变生物标志物的密度。例如，这些生物标志物的密度在更靠近肿块/肿瘤的高压区域中可能更大，而在相对更远离肿块/肿瘤的低压区域中则更低。压力传感器可以通过感测和分析这些生物标志物的密度(类似于上面讨论的VOC的密度)来精确检测患者体内肿块/肿瘤的位置。
在另一实施例中，传感器系统610可以包括氧传感器以感测由于肿块/肿瘤附近的氧水平变化而产生的生物标志物。这些生物标志物的比较测量值可用于确定治疗或其他介入程序的位置，并且如上面针对方法700、900所述。在生理学上，由于肿块/肿瘤的存在，在肿块/肿瘤附近的解剖通道中的氧水平可能存在非特征性的变化(增加或减少)。氧水平的这种非特征性的变化可能会改变生物标志物的密度。例如，氧生物标志物的密度在更接近肿块/肿瘤的具有低氧水平(导致缺氧)的区域中可能更大，而在相对更远离肿块/肿瘤的具有更高氧水平的区域中则更低。氧传感器可以通过感测和分析这些生物标志物的密度(类似于上面讨论的VOC的密度)来精确检测患者体内肿块/肿瘤的位置。
传感器系统610可以替代地包括pH传感器以感测由于肿块/肿瘤附近的pH水平的变化而产生的生物标志物。这些生物标志物的比较测量值可用于确定治疗或其他介入程序的位置，并且如上面针对方法700、900所述。在生理学上，由于肿块/肿瘤的存在，在肿块/肿瘤附近的解剖通道中的pH水平可能存在非特征性的变化(增加或减少)。pH水平的这种非特征性的变化可能会改变生物标志物的密度。例如，pH生物标志物的密度在更接近肿块/肿瘤的具有低pH水平(酸性环境)的区域中可能更大，而在相对更远离肿块/肿瘤的具有高pH水平的区域中则更低。pH传感器可以通过感测和分析这些生物标志物的密度(类似于上面讨论的VOC的密度)来精确检测患者体内肿块/肿瘤的位置。
传感器系统610还可以包括荧光传感器以感测由肿块/肿瘤产生的荧光生物标志物。这些生物标志物的比较测量值可以用于确定治疗或其他介入程序的位置，并且如上面针对方法700、900所述。在生理学上，肿块/肿瘤可以在肿块/肿瘤附近的解剖学通道中产生荧光生物标志物。荧光生物标志物的密度可能在更接近肿块/肿瘤的区域中更大，而在更远离肿块/肿瘤的区域中则更低。荧光传感器可以通过感测和分析这些荧光镜生物标志物的密度(类似于上面讨论的VOC的密度)来精确检测患者体内肿块/肿瘤的位置。
尽管上述实施例描述了使用一个VOC传感器，但是在所有实施例中，导管系统600可以与包括多个VOC传感器的传感器系统610联接。该多个VOC传感器的特征可以类似于上面讨论的VOC传感器620的特征。该多个VOC传感器可以被附接到导管202。例如，第一VOC传感器可以被附接在导管202的远端或尖端部分218附近，而第二VOC传感器可以相对于第一VOC传感器以间隔关系在近侧被附接到导管202。以这种方式，能够在患者解剖结构内的导管202的给定位置和定位处获得多个生物标志物测量值。如先前讨论的，可以将多个生物标志物测量值彼此进行比较，以确定用于放置导管202的远端218以进行活检程序的最佳位置和定位。除了确定用于放置导管202的远端218的最佳位置和定位之外，可以在患者解剖结构的各种解剖通道中获得多个生物标志物测量值以创建指示患者解剖结构内各种水平和数量的VOC的存在的术前模型。
尽管本公开的系统和方法已经被描述用于与肺连接的支气管通道，但是它们也适合于经由自然或手术创建的连接通道导航和治疗在任何一种解剖系统(包括结肠、肠、肾、脑、心脏、循环系统等)中的其他组织。而且，尽管为了进行活检的目的已经结合检测肿块/肿瘤的精确位置描述了本公开的系统和方法，但是本公开的系统和方法也可以用于递送治疗的目的。例如，本系统和方法可以用于递送药物药品或用于将放射治疗递送到患者体内解剖通道中的精确位置。在各种实施例中，药物药品或放射治疗的递送可以在图1的远程操作医疗系统的控制下被远程操作或自动执行。
本发明的实施例中的一个或多个元件可以以用于在计算机系统(诸如控制系统112)的处理器上执行的软件实现。在以软件实现时，本发明的实施例的元件本质上是用于执行必要任务的代码段。程序或代码段能够被存储在处理器可读存储介质或装置中，所述处理器可读存储介质或装置可以通过在载波中通过传输介质或通信链路实现的计算机数据信号下载。处理器可读存储装置可以包括能够存储包括光学介质、半导体介质和磁介质的信息的任何介质。处理器可读存储装置示例包括电子电路；半导体器件、半导体存储器件、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。代码段可以经由计算机网络(诸如互联网、内联网)下载。
应当注意的是，所呈现的过程和显示可能本质上不涉及任何特定的计算机或其他设备。各种这些系统所需的结构将作为权利要求中的元素出现。此外，不参考任何特定的编程语言来描述本发明的实施例。应当理解的是，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。
尽管已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，应当理解的是，此类实施例仅是对广义发明的说明而不是限制，并且本发明的实施例不限于所示出和描述的具体构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。

Claims (36)

1.一种用于朝向目标引导医疗器械的方法，其包括：
将医疗器械定位在第一位置处，其中所述医疗器械包括至少一个传感器；
使用所述至少一个传感器确定第一生物标志物测量值；
使用所述至少一个传感器确定第二生物标志物测量值；
将所述第一生物标志物测量值与所述第二生物标志物测量值进行比较，以确定与所述目标的接近度以提供第一比较；以及
基于所述第一比较的结果，提供用于移动所述医疗器械的引导。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
所述至少一个传感器包括第一传感器和第二传感器，并且
所述第一传感器沿着所述医疗器械的长度相对于所述第二传感器的位置设置在近侧位置处。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使用所述第一传感器提供所述第一生物标志物测量值，并且使用所述第二传感器提供所述第二生物标志物测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述医疗器械定位在第二位置处。
5.根据权利要求4所述的方法，其中当所述医疗器械被定位在所述第一位置处时确定所述第一生物标志物测量值，并且当所述医疗器械被定位在所述第二位置处时确定所述第二生物标志物测量值。
6.根据权利要求1或2-5中任一项所述的方法，其中用于移动所述医疗器械的所述引导包括指导所述医疗器械朝向所述目标的缩回、前进或转向。
7.根据权利要求1或2-5中任一项所述的方法，其中所述提供引导包括：当所述第二生物标志物测量值大于所述第一生物标志物测量值时，引导所述医疗器械前进。
8.根据权利要求1或2-5中任一项所述的方法，其中所述提供引导包括：当所述第一生物标志物测量值大于所述第二生物标志物测量值时，引导所述医疗器械缩回。
9.根据权利要求1或2-5中任一项所述的方法，其中所述提供引导包括：提供由设置在所述医疗器械的远端处的视觉装置提供的视频图像。
10.根据权利要求4所述的方法，其中所述确定所述第一生物标志物测量值包括从所述至少一个传感器接收指示在所述第一位置处检测到的第一数量的生物标志物的第一电信号或光信号，并且所述确定所述第二生物标志物测量值包括从所述至少一个传感器接收指示在所述第二位置处检测到的第二数量的生物标志物的第二电信号或光信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号包括周期性地接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号包括在激活所述至少一个传感器时接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号。
13.根据权利要求1或2-5中任一项的方法，其中所述第一生物标志物测量值与第一数量的挥发性有机化合物即VOC相关联，并且所述第二生物标志物测量值与患者解剖结构内的第二数量的挥发性有机化合物即VOC相关联。
14.根据权利要求1或2-5中任一项的方法，其中所述目标是肿块或肿瘤。
15.根据权利要求1或2-5中任一项所述的方法，其还包括：
识别与所述目标相关联的挥发性代谢特征。
16.一种系统，其包括：
医疗器械，其被配置为定位在患者解剖结构内的第一位置处；
被联接到所述医疗器械的至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为确定第一生物标志物测量值和第二生物标志物测量值；和
处理器，其被配置为：
将所述第一生物标志物测量值与所述第二生物标志物测量值进行比较，以确定与所述患者解剖结构内的目标的接近度；以及
提供用于朝向所述目标移动所述医疗器械的引导。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个传感器包括第一传感器和第二传感器，其中所述第一传感器沿着所述医疗器械的长度设置在所述第二传感器的近侧。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一传感器被配置为提供所述第一生物标志物测量值，并且所述第二传感器被配置为提供所述第二生物标志物测量值。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述医疗器械被配置为定位在所述患者解剖结构内的第二位置处。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述至少一个传感器被配置为：
当所述医疗器械被定位在所述第一位置处时，提供所述第一生物标志物测量值；以及
当所述医疗器械被定位在所述第二位置处时，提供所述第二生物标志物测量值。
21.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中用于移动所述医疗器械的所述引导包括指导所述医疗器械朝向所述目标的前进、缩回或转向。
22.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中用于移动所述医疗器械的所述引导包括：当所述第二生物标志物测量值大于所述第一生物标志物测量值时，推进所述医疗器械。
23.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中用于移动所述医疗器械的所述引导包括：当所述第一生物标志物测量值大于所述第二生物标志物测量值时，缩回所述医疗器械。
24.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其还包括：
设置在所述医疗器械的远端处的视觉装置，其中所述处理器被配置为提供由所述视觉装置提供的视频图像。
25.根据权利要求19所述的系统，其中
为了确定所述第一生物标志物测量值，所述至少一个传感器被配置为感测指示在所述第一位置处检测到的第一数量的生物标志物的第一电信号或光信号，以及
为了确定所述第二生物标志物测量值，所述至少一个传感器被配置为感测指示在所述第二位置处检测到的第二数量的生物标志物的第二电信号或光信号。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个传感器被配置为周期性地接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个传感器被配置为在激活所述至少一个传感器时接收所述第一电信号或光信号和所述第二电信号或光信号。
28.根据权利要求16-20或25-27中任一项所述的系统，其中所述第一生物标志物测量值和所述第二生物标志物测量值与所述患者解剖结构内的一定量的挥发性有机化合物即VOC相关联。
29.根据权利要求16-20或25-27中任一项所述的系统，其中所述目标是所述患者解剖结构内的肿块或肿瘤。
30.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中所述至少一个传感器包括气相色谱和质谱传感器。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述至少一个传感器包括固相微萃取传感器、离子迁移谱仪、晶体传感器、石英微量天平、比色分析仪或金粒子纳米传感器。
32.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中所述至少一个传感器包括电化学传感器。
33.根据权利要求16或17-20中任一项所述的系统，其中所述至少一个传感器包括传感器阵列。
34.一种系统，其包括：
医疗器械，其包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器被配置为定位在患者解剖结构内的第一位置处，所述第二传感器被配置为定位在所述患者解剖结构内的第二位置处，其中，所述第一传感器和所述第二传感器被配置为分别确定第一生物标志物测量值和第二生物标志物测量值；和
处理器，其被配置为：
将所述第一生物标志物测量值与所述第二生物标志物测量值进行比较，以确定与所述患者解剖结构的目标的接近度；和
提供用于朝向所述目标移动所述医疗器械的引导。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述第一传感器沿着所述医疗器械位于所述第二传感器的近侧。
36.一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由与医疗装置相关联的一个或多个处理器执行时适于使所述一个或多个处理器执行权利要求1-15中任一项所述的方法。
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