工具可包括例如圖像捕捉探針、活組織檢查裝置、激光消融光纖或其他外科手術、診斷或治療工具。輔助工具可包括末端執行器，該末端執行器具有單個工作構件，諸如解剖刀、刀片、光纖或電極。例如，其他末端執行器可包括一對或多個工作構件，諸如鑷子、抓緊器、剪刀或施加鉗。電啟動的末端執行器的示例包括電外科電極、換能器、傳感器等。在各種實施例中，輔助工具226可以是包括尖端部分的圖像捕捉探針，其中立體或單視場照相機設置在柔性導管主體216的遠端218附近，用于捕捉被處理用于顯示的圖像(包括視頻圖像)。圖像捕捉探針可包括聯接到照相機用于傳輸所捕捉的圖像數據的纜線。另選地，圖像捕捉器械可以是聯接到成像系統的光纖束，諸如纖維鏡。圖像捕捉器械可以是單個或多個光譜，例如捕捉可見光譜中的圖像數據或捕捉可見光譜和紅外或紫外光譜中的圖像數據。
[0046]柔性導管主體216也可容納纜線、連桿或在器械主體204和遠端218之間延伸的轉向控件(未示出)，以可控制地彎曲或轉動遠端218，如由例如遠端的虛線型式所示。在器械系統200由機器人組件致動的實施例中，器械主體204可包括聯接到機器人組件的機動驅動元件的驅動輸入。在器械系統200被手動操作的實施例中，器械主體204可包括抓持特征部、手動致動器和用于手動控制器械系統的運動的其他部件。導管系統可以是可轉向的，或另選地可以是不可轉向的，其中沒有用于器械的操作者控制的整合機構彎曲。另外或另選地，柔性主體216能夠限定一個或多個管腔，通過所述管腔能夠部署介入器械并且能夠在目標手術位置處使用該介入器械。
[0047]在各種實施例中，介入器械系統202可以是柔性支氣管器械，諸如用于檢查、診斷、活組織檢查或肺治療的支氣管鏡或支氣管導管。該系統也適合于經由在包括結腸、腸、腎、腦、心臟、循環系統等的各種解剖系統中的任何一種中的天然或外科手術形成的連接管道進行其他組織的導航和治療。
[0048]圖3示出根據本公開的實施例的介入器械跟蹤系統250。跟蹤系統250包括具有柔性導管主體254和器械主體256的介入器械252。介入器械252可以類似于器械200，但在該實施例中，EM位置傳感器可被禁用或省略，因為形狀感測系統提供由臨床醫生使用的跟蹤信息，以確定介入器械穿過患者解剖結構的路徑。光纖形狀傳感器253在介入器械252內延伸。跟蹤系統250也包括傳感器裝置258。傳感器裝置258包括基準設備260和參考主體262。基準設備260包括表面264，該表面264使用粘合劑或其他化學或機械固定機構可移除地附接到患者P。在一些實施例中，基準設備260附接到患者解剖結構的外表面，但在另選的實施例中，基準設備例如經鼻骨、經直腸、經陰道、經食道可附接到內部患者解剖結構。在其他替代方案中，基準設備260可附接到臨時植入物諸如支架。
[0049]基準設備260能夠包括用成像技術(諸如熒光鏡透視檢查或CT)可見的至少一個基準標記266。基準標記設計的示例在2009年4月23日提交的公開“用于定位圖像中手術器械的基準標記設計和檢測(Fiducial Marker Design and Detect1n for LocatingSurgical Instrument in Images) ”的美國專利申請N0.12/428，657中提供，該申請全文以引用方式并入本文。基準標記可具有足夠的細節來提供全三維姿勢配準。例如，基準標記可具有“L”形狀，其具有允許三維姿勢配準的不均勻鏈路長度。在各種其他實施例中，基準設備260能夠包括在成像技術下可見的特征部(例如，溝槽、突起或其他形狀)并且能夠充當基準。在各種其他實施例中，基準設備260本身能夠充當基準，并且在一些實施例中可具有有利于三維姿勢確定的形狀。
[0050]基準設備260還包括經配置與參考主體262的配合部分270配合的傳感器對接特征部268。傳感器對接特征部268可包括一個或多個凹槽、突起、機械緊固件、粘性緊固件、磁性緊固件或用于將基準設備260可移除地連接到參考主體262的其他部件。當連接時，傳感器對接特征部268和配合部分270將基準設備260和參考主體262保持處于已知的預定和固定空間關系。
[0051]圖4示出包括基準設備302和參考主體304的傳感器裝置300的另選實施例。在該實施例中，基準設備302的多個傳感器對接特征部306與參考主體304的配合部分308對準并且附接到該配合部分308。
[0052]再次參照圖3，參考主體262包括傳感器保持器272，該傳感器保持器272經配置將形狀傳感器光纖253的參考部分251保持為預定參考形狀。在該實施例中，傳感器保持器272是連續蜿蜒通道，其接收形狀傳感器光纖253并且相對于參考主體262將光纖保持為預定形狀配置。在另選的實施例中，傳感器保持器可以是一系列離散的附接點，傳感器光纖可附接到所述離散的附接點以相對于參考主體保持預定形狀。參考主體262還包括傳感器連接部件274，其中傳感器光纖253終止于該傳感器連接部件274，用于到跟蹤系統250的其他部件的連接。
[0053]跟蹤系統250還包括用于生成和檢測光的詢問系統276，所述光用于確定形狀傳感器光纖253的當前形狀。詢問系統276也可處理返回的數據以顯示給臨床醫生。詢問系統276包括連接器278。光纖鏈路280在連接器282、284之間延伸。在該實施例中，光纖鏈路280的光纖未被感測(即，光纖鏈路的形狀未被詢問)，并且用于將來自感測的形狀傳感器253的光學信息傳達到詢問系統276。在使用中，光纖鏈路280的連接器282連接到連接器274，并且連接器284連接到連接器278。
[0054]在使用中，基準設備260附接到患者P。利用所附接的基準設備260對患者P進行手術前或手術中成像。基準標記266在圖像中是可見的，并且因此提供相對于患者P的解剖結構和由圖像生成的患者解剖結構的任何二維、三維或四維(即，隨時間移動)模型固定的參考幀(即，基準標記266限定與患者解剖結構的模型數據的至少一部分具有已知關系的一組參考點)。在各種其他實施例中，參考主體260在對患者P的手術前成像期間能夠聯接到基準設備，使得可選的基準標記、元件或甚至形狀傳感器光纖253的參考部分251能夠用作基準。
[0055]在任何情況下，在開始介入程序之前，參考主體262聯接到基準設備260，并且由對接特征部268和配合部分270相對于基準設備保持為預定配置。這樣連接之后，形狀傳感器光纖253的參考部分251相對于基準設備260提供形狀傳感器光纖的近端的已知姿勢。詢問系統276詢問形狀傳感器光纖253以確定遠側尖端的姿態和柔性導管主體254的形狀。導管主體254的這種感測的相對姿勢和形狀數據相對于形狀傳感器光纖的參考部分251是已知的，該參考部分251配準到基準設備260。因此，用形狀傳感器光纖的參考部分251的配準信息處理導管主體254的相對姿勢和形狀信息提供了導管主體254相對于患者P的姿勢和形狀。
[0056]在替代上述參考主體和基準設備的固定和預定配置的各種實施例中，參考主體和基準設備的配置可以是可變的但具有可測量的變化。該配置也是已知的，但是可測量的而非預定的。例如，基準設備和參考主體可以間隔開一段短的可變距離，但該段短距離可被包括電容式傳感器、壓電傳感器或光學傳感器的基于傳感器的變化跟蹤系統連續監測和記錄。作為另一個示例，可測量的變化性可以是例如可使用馬達編碼器測量的插入方向距離。
[0057]圖5示出使用介入器械跟蹤系統250的方法320。在322處，處理系統接收患者P的解剖結構的模型。該模型由利用所附接的基準設備260拍攝的患者P的圖像生成。該模型限定圖像參考幀。基準標記266在該模型中是可見的。在324處，基準設備260聯接到參考主體262。因此，形狀傳感器光纖253的參考部分251相對于基準設備260保持為預定配置。以這種方式，參考部分251配準到基準設備260。在326處，接收(在形狀傳感器光纖253的參考幀中的)形狀傳感器信息用于處理。在328處，基于圖像參考幀和形狀傳感器253的參考幀之間的配準在圖像參考幀中確定形狀傳感器光纖253的遠端(或任何其他部分)的姿勢。可選地，來自圖像參考幀的、對應于柔性主體254的遠端的姿勢的圖像被顯示。該圖像可以為疊加在來自患者模型的圖像上的柔性主體254的遠端的圖像。在一些實施例中，患者模型可以基于形狀傳感器信息更新(例如，通過使患者模型符合柔性主體254的姿勢)。另選地，該圖像可以是從患者模型內部看去的視圖，其對應于從柔性主體的遠端看去的視圖。
[0058]圖6示出根據本公開的實施例的介入器械跟蹤系統350。跟蹤系統350包括具有柔性導管主體354和器械主體356的介入器械352。光纖形狀傳感器353在介入器械352內延伸。跟蹤系統350也包括傳感器裝置358。傳感器裝置358包括具有表面364的基準設備360，該表面364使用粘合劑或其他化學或機械固定機構可移除地附接到患者P。在各種實施例中，基準設備360包括用成像技術(諸如熒光鏡透視檢查或CT)可見的至少一個基準標記366。在各種其他實施例中，基準設備360能夠包括特征部，該特征部能夠是能夠用作基準的物理特征部，或其本身能夠是基準。基準設備360也包括用于與形狀傳感器353的連接器374配合的對接特征部373。
[0059]基準設備360包括經配置對接形狀傳感器光纖353的參考部分351的傳感器保持器372，從而將部分351保持為預定參考形狀。在該實施例中，傳感器保持器372是連續蜿蜒通道，其接收形狀傳感器光纖253的參考部分351并且相對于基準設備360將光纖保持為已知的預定形狀配置。傳感器連接部件274終止傳感器光纖353并且可移除地連接到配合對接特征部373。在各種另選的實施例中，已知配置可以是如先前所述的可測量變量。
[0060]跟蹤系統350還包括用于生成和檢測光的詢問系統376，所述光用于確定形狀傳感器光纖353的當前形狀。詢問系統376也可處理返回的數據以顯示給臨床醫生。詢問系統376包括連接器378。光纖鏈路380在連接器382、384之間延伸。在該實施例中，光纖鏈路380的光纖未被感測(即，光纖鏈路的形狀未被詢問)，并且用于將來自感測的形狀傳感器353的光學信息傳達到詢問系統376。在使用中，光纖鏈路380的連接器382連接到連接器374，并且連接器384連接到連接器378。在該實施例中，連接器374、382連接在基準設備360的一部分內。
[0061]在使用中，基準設備3