CN106455908A - 用于跟踪和显示内窥镜形状和远端取向的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于跟踪内窥镜的形状和取向的系统和方法采用运动跟踪传感器来跟踪内窥镜上的位置，以用于确定用于在内窥镜的导航过程中显示的实时形状和远端取向。一种示例系统包括沿着内窥镜分布的传感器单元和控制单元。传感器单元跟踪内窥镜位置的运动并且将所产生的跟踪数据发送至控制单元。控制单元处理跟踪数据以确定内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向。控制单元生成到显示单元的输出，该输出使显示单元显示指示内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的一个或更多个表示以供内窥镜操作员在内窥镜操作过程中参考。

Description

用于跟踪和显示内窥镜形状和远端取向的系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月5日提交的标题为“THREE DIMENSIONAL COMPASSASSISTED NAVIGATION TO AUGMENT ENDO-LAPAROSCOPY”的美国临时专利申请号61/936,037的优先权和权益，其全部内容通过参引合并到本文中以用于所有用途。
背景技术
内窥镜检查用于多种患者检查过程。例如，内窥镜用于查看胃肠道(GI道)、呼吸道、胆管、耳、尿道、女性生殖系统以及常闭体腔。
在某些应用中，可能难以在插入过程中正确地操控内窥镜。例如，结肠镜检查是最频繁进行的门诊检查之一。然而，由于在插入过程中因结肠的解剖结构而产生的内窥镜的不可预测的环绕的可能性，结肠镜检查也是技术上要求最高的内窥镜检查之一，结肠的解剖结构具有向内窥镜的安全并且成功的推进提出挑战的特性。例如，结肠充满褶皱、呈盘绕状并且可在包括若干锐角的非常曲折的路径上伸展。结肠的这些特性通常导致内窥镜在推进过程中的环绕。另外，结肠的大部分长度是移动的，因此不提供在推进过程中提供对抗牵引力的定点。此外，在结肠的腔室内不存在明显的地标，这使得外科医师难以测量内窥镜的实际位置和取向。总之，结肠镜检查的执行可以是非常不可预测的并且不能够依靠直觉。因此，在大部分内窥镜单元中约85％的时间发生涉及盲肠插管(最后地标)的完全结肠镜检查，这是不理想的。
在这个困难的解剖结构中的结肠镜的推进和操控过程中，外科医师可以使结肠镜围绕横向轴线俯仰或者围绕纵向轴线滚动。这样的滚动导致难以将近端(外科医生进行导向的位置)处的操控输入与所产生的内窥镜的远端的移动相关联，因为由内窥镜生成的图像与内窥镜操作员的取向不对应。因此，内窥镜操作员可以试图通过从近端在顺时针或逆时针方向上扭转内窥镜来使内窥镜的取向与操作员的取向相符。但是如果在错误的方向上进行了这样的扭转，这样的扭转能够导致内窥镜的增加的环绕。此外，研究已经表明，在高达70％的时间中，结肠镜检查医师对环绕做出了错误的诊断(参见例如Shah等人的"Magnetic imaging of colonoscopy:an audit of looping,accuracy&ancillarymeasures"，Gastroinestinal Endoscopy,2000,第52卷,第1-8页)。
对内窥镜的控制和导向对于经验较少的实习生和外科医生甚至更具挑战性。这些经验不足的操作员中的许多都缺乏准确地测量结肠镜的取向的足够的触觉分辨力，并且因此通常依赖于反复试验来推进结肠镜。研究已经证实内窥镜医师的操作量的增加与插管成功率之间直接相关。例如，在初级内窥镜医师中，一个研究表明需要每年200次操作的量以保持足够的能力(Harewood,"Relationship of colonoscopy completion rates andendoscopist features",Digestive diseases&science,2005,第50卷,第47-51页)。缺乏经验导致延长的操作时间和患者不适。结肠镜检查的平均操作时间是约20分钟(参见例如Allen,"Patients’time investment in colonoscopy procedures",AORN Journal,2008)。在缺乏经验的内窥镜医师的手中，结肠镜检查可能持续30分钟到一小时。延长的操作时间也不仅仅会导致患者不适。结肠的多度延伸和环绕可能导致患者经受腹痛和痉挛、头晕、恶心和/或呕吐。
因此，鉴于上述问题，需要帮助外科医生以更高的成功率并且在更短的时间内推进内窥镜。
发明内容
提供了用于跟踪和向操作员显示实时内窥镜形状和远端取向以帮助操作员在内窥镜操作过程中推进并且操控内窥镜。在许多实施方式中，系统和方法使用将位置和取向数据发送至处理单元的能够与现有的内窥镜耦接的传感器，处理单元确定被输出以用于显示给内窥镜操作员的内窥镜实时形状和远端取向。在许多实施方式中，系统和方法可以通过将传感器与内窥镜耦接并且使用专用处理单元和专用显示器来与现有内窥镜一起使用。
因此，在一个方面中，提供了一种内窥镜形状和远端取向跟踪系统。系统包括第一传感器单元、多个第二传感器单元和控制单元。第一传感器单元被配置成被布置在内窥镜的远端、并且生成用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据。该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元被配置成被布置在沿着内窥镜的长度、靠近内窥镜的远端的对应的多个位置中的一个位置处、并且生成用于相应位置的位置跟踪数据。控制单元被配置成：(1)接收(a)由第一传感器单元生成的用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据，以及(b)由相应第二传感器单元生成的用于相应的多个位置中的每个位置的位置跟踪数据；(2)基于由第一传感器单元和第二传感器单元生成的数据来确定内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向；以及(3)生成到显示单元的输出，所述输出使显示单元显示内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的表示。
第一传感器单元和第二传感器单元可以包括生成位置和/或取向跟踪数据的任意合适的位置和/取向跟踪传感器。例如，第一传感器单元可以包括生成用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据的加速度计、磁力计和陀螺仪。作为另一示例，该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元可以包括生成用于相应位置的位置跟踪数据的加速度计和磁力计。
控制单元可以使用用于确定内窥镜的实时形状和内窥镜的远端的取向的任意合适的算法。例如，控制单元能够存储的校准数据，所述校准数据用于根据由第一传感器单元和第二传感器单元生成的数据来确定内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向。作为另一示例，可以使用其中在插入前将内窥镜放置成已知形状和取向、并且记录已知形状和取向与由第一传感器单元和第二传感器单元生成的对应数据之间的相关性的初始化处理。
在许多实施方式中，系统包括一个或更多个无线发送器，一个或更多个无线发送器无线地发送：(1)由第一传感器单元生成的用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据，以及(2)由第二传感器单元生成的用于多个位置的位置跟踪数据。在这样的系统实施方式中，控制单元可以包括无线接收器，所述无线接收器用以接收由一个或更多个无线发送器发送的数据。在许多系统实施方式中，第一传感器单元和多个第二传感器单元都包括一个或更多个无线发送器中的一个无线发送器。
在许多实施方式中，系统包括包括插入线的插入线组件，第一传感器单元与插入线耦接，并且第二传感器单元与插入线耦接。插入显组件可以被配置用于插入到内窥镜的工作通道中，以将第一传感器单元定位成与内窥镜的远端相邻并且将该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元定位在沿着内窥镜的长度的多个位置中相应的一个位置处。在许多实施方式中，当内窥镜的远端被布置在患者体内(例如，患者体内的期望目标位置处)时，可以将插入线组件从工作通道移除。
在系统的许多实施方式中，第一传感器单元和该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元全部都是被成形为附接至内窥镜的外表面的一次性单元。第一传感器单元和该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元中都可以包括一个或更多个无线发送器中的一个无线发送器。第一传感器单元和该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元中都可以包括电池。
还可以在制造内窥镜时将系统集成到内窥镜中。例如，第一传感器单元和多个第二传感器单元中都可以在内窥镜的制造过程中被嵌入在内窥镜内。
可以采用内窥镜的远端的实时形状和取向的任意合适的显示。例如，内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的被显示的表示可以包括：(1)内窥镜的远端相对于参考扭转角的纵向扭转角，以及(2)内窥镜的远端的倾斜量。在许多系统实施方式中，内窥镜的远端的取向的被显示的表示通过旋转了与相对于参考显示角的纵向扭转角匹配的角度的表示来显示内窥镜的远端的倾斜量。在许多系统实施方式中，内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的被显示的表示包括从变化从而反映内窥镜的远端的取向的改变的视点观察到的内窥镜的远端的三维表示，所述视点。
在另一方面中，提供了一种用于跟踪内窥镜的形状和远端取向的方法。该方法包括使用被布置在内窥镜的远端处的第一传感器单元来生成用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据。将用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据从第一传感器单元发送至控制单元。使用多个第二传感器来生成用于沿着内窥镜的长度、靠近内窥镜的远端的多个位置中的每个位置的位置跟踪数据。多个第二传感器中的每个第二传感器被布置在沿着内窥镜的长度的多个位置中相应的一个位置处。将用于沿着内窥镜的长度的多个位置的位置跟踪数据从第二传感器发送至控制单元。使用控制单元来处理用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据、以及用于沿着内窥镜的长度的多个位置的位置跟踪数据，以确定内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向。生成到显示单元的输出，所述输出使显示单元显示内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的表示。
在许多方法实施方式中，第一传感器单元和第二传感器单元包括生成位置和/或取向跟踪数据的合适的位置和/取向跟踪传感器。例如，生成用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据可以包括：(1)通过第一传感器单元中包括的加速度计来测量第一传感器单元的加速度，以及(2)通过第一传感器单元中包括的磁力计和/或第一传感器单元中包括的陀螺仪来测量第一传感器单元的取向。作为另一示例，生成用于沿着内窥镜的长度的多个位置的位置跟踪数据包括：通过该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元中包括的加速度计来测量相应第二传感器单元的加速度。
在许多方法的实施方式中，将位置和/或取向数据从第一传感器单元和/或第二传感器单元无线地发送至控制单元。例如，将用于内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据从第一传感器单元发送至控制单元可以包括从第一传感器单元无线地发送位置和取向跟踪数据，并且通过控制单元中包括的无线接收器来接收经无线发送的位置和取向跟踪数据。作为另一示例，将用于沿着内窥镜的长度的多个位置的位置跟踪数据从第二传感器发送至控制单元可以包括从第二传感器单元无线地发送位置跟踪数据，并且通过控制单元中包括的无线接收器来接收经无线发送的位置跟踪数据。
在许多实施方式中，方法包括将插入线组件插入到内窥镜的工作通道中。插入线组件包括插入线，第一传感器单元与插入线耦接，并且第二传感器单元与插入线耦接。在许多方法实施方式中，插入显组件被配置用于插入到内窥镜的工作通道中，以将第一传感器单元定位成与内窥镜的远端相邻并且将该多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元定位在沿着内窥镜的长度的多个位置中相应的一个位置处。在许多方法实施方式中，当内窥镜的远端被布置在患者体内(例如，患者体内的期望目标位置处)时，可以将插入线组件从工作通道移除。
在许多实施方式中，方法包括将第一传感器单元和第二传感器单元附接至内窥镜的外表面。在许多实施方式中，方法包括在使用内窥镜完成内窥镜检查操作之后将第一传感器单元和第二传感器单元从内窥镜的外表面分离。
在许多方法实施方式中，采用内窥镜的远端的实时形状和取向的合适的显示。例如，方法可以包括显示从变化从而反映内窥镜的远端的取向的改变的视点观察到的内窥镜的远端的三维表示。
附图说明
图1是根据许多实施方式的内窥镜形状和远端取向跟踪系统的简化示意图。
图2是根据许多实施方式的图1的系统的部件的简化示意图。
图3示出了根据许多实施方式的具有与其布置在一起的传感器单元的经部署的内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向的示例显示。
图4示出了根据许多实施方式的附接至内窥镜的外表面的低型面传单器单元。
图5示出了根据许多实施方式的图4的低型面传感器单元的形状和部件。
图6示出了根据许多实施方式的具有与其附接的低型面传感器单元的内窥镜。
图7示出了根据许多实施方式的被配置用于插入到内窥镜的工作通道中并且包括具有与插入线附接的传感器单元的插入线的插入线组件。
图8示出了根据许多实施方式的图形用户界面显示，其包括所跟踪的内窥镜的形状的表示、指示所跟踪的内窥镜的取向的表示、以及通过所跟踪的内窥镜的远端看到的图像。
图9A至图9C示出了根据许多实施方式的指示内窥镜的相对扭转量和内窥镜的远端的横向角度的图形用户界面显示。
图10A至图11C示出了根据许多实施方式的从变化从而反映内窥镜的远端的取向的改变的视点观察到的内窥镜的远端的三维表示的图形用户界面显示。
附图仅出于示意的目的描绘了本发明的各种实施方式。本领域的技术人员可以容易地从下列叙述中认识到，可以在不脱离本文中描述的发明的原理的情况下，使用本文中示出的结构和方法的替选实施方式。
具体实施方式
在以下描述中将描述各种实施方式。出于说明的目的，陈述了具体配置和细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，本领域的技术人员还应当清楚的是，可以在不具有这些具体细节的情况下实践实施方式。此外，为了不使所描述的实施方式变得模糊，可以省略或简化已知特征。
在本文中描述的许多系统和方法的实施方式中，跟踪并且显示内窥镜的形状和内窥镜的远端的取向，以帮助内窥镜的操作员。在许多实施方式中，显示提供了内窥镜的远端在推进过程中扭转并倾斜了多少的视觉指示。这样的显示不仅帮助内窥镜操作员克服空间迷失方向，还帮助内窥镜操作员准确地调直内窥镜。
在许多实施方式中，所跟踪的内窥镜的远端的形状和取向用于在内窥镜检查操作过程中例如在直肠镜检查过程中向内窥镜操作员显示指示内窥镜的远端的方向和角度的表示。通过显示内窥镜的形状和内窥镜的远端相对于内窥镜操作员的取向的一个或更多个表示，提高了操作员在推进过程中成功地导引内窥镜的能力。
现在转向附图，其中在若干视图中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了根据许多实施方式的内窥镜形状和远端取向跟踪系统10的简化示意图。系统10包括内窥镜12、控制单元14和显示器16。运动感测单元与内窥镜12耦接并且用于生成用于跟踪内窥镜12的形状和内窥镜12的远端的取向的位置和取向数据。将由与内窥镜12耦接的运动感测单元生成的数据发送至控制单元14，控制单元14处理数据以确定内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向，然后通过显示器16来显示内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向，以作为在内窥镜检查操作过程中对内窥镜操作员在内窥镜12的导引方面的帮助。显示器16不限于二维显示监视器，并且包括任意合适的显示设备。例如，显示器16可以被配置成使用任意合适的二维和/或三维显示技术来显示内窥镜12的实时形状和内窥镜的远端的取向。能够用于显示内窥镜12的形状和远端取向的示例二维和/或三维显示技术包括但不限于三维图像投影如全息图像显示和类似的技术，以及在可穿戴式设备如可穿戴式玻璃显示设备上显示图像，以及显示指示内窥镜12的所跟踪的形状和远端取向的信息的其他方法。
控制单元14可以包括处理由与内窥镜12耦接的运动感测单元生成的位置和取向数据以确定内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向以用于在显示器16上显示的部件的任意合适的组合。例如，在所示出的实施方式中，控制单元14包括一个或更多个处理器18、只读存储器(ROM)20、随机存取存储器(RAM)22、无线接收器24、一个或更多个输入设备25以及向控制器14的部件提供通信交互路径的通信总线28。ROM 20能够存储用于控制器的操作系统的基本操作系统指令。RAM 22能够存储从与内窥镜12耦接的运动感测单元接收的位置和取向数据以及处理位置和取向数据以确定内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向的程序指令。
RAM 22还能够存储将位置和取向数据与内窥镜12的对应形状和取向相关的校准数据。例如，可以通过在其中将内窥镜12放置成一个或更多个已知形状和取向的校准操作过程中记录由运动感测单元生成的位置和取向数据来生成这样的相关数据，从而提供位置和取向数据与内窥镜12的具体已知形状和取向之间的一个或更多个已知关联。然后可以使用已知方法，包括例如内插法和/或外推法，使用这样的数据来处理后续所接收的位置和取向数据。
在许多实施方式中，由运动感测单元来无线地发送位置和取向数据，并且由控制单元通过无线接收器24来接收位置和取向数据。可以使用任意合适的传输协议来将位置和取向数据发送至无线接收器24。在替选实施方式中，经由一个或更多个合适的有线通信路径来将位置和取向数据以非无线的方式发送至控制单元14。
图2示出了根据许多实施方式的系统10的部件的简化示意图。如本文中所描述的，系统10包括与内窥镜12耦接的运动感测单元、控制单元14和图形用户界面(显示器16)。可以以任意合适的方式来实现运动感测单元，包括但不限于附接至现有内窥镜的外表面(在图2中图示为外部传感器节点30)。运动感测单元还可以附接至插入线32，运动感测单元附接至插入线32，并且插入线32可以被配置用于到内窥镜的工作通道中的可拆卸插入，以如本文中所描述的沿着内窥镜的长度定位运动感测单元。作为另一替选，可以在制造内窥镜时将运动感测单元集成到内窥镜内。
在所示出的实施方式中，运动感测单元将数据发送至数据转移单元34，数据转移单元34将由运动感测单元生成的位置和取向数据发送至处理单元14。在许多实施方式中，运动感测单元中的每个运动感测单元包括专用数据转移单元34。在替选实施方式中，一个或更多个数据转移34用于将运动感测单元中的一个或更多个运动感测单元或全部运动感测单元的数据转移至控制单元14。在所示出的实施方式中，数据转移单元34包括微控制器单元36、收发器38和数据交换机40。数据转移单元34将由运动感测单元生成的位置和取向数据无线地发送至控制单元14，控制单元14处理位置和取向数据以确定内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向，以用于通过显示器16来显示给内窥镜操作员。图3示出了根据许多实施方式的具有与其布置在一起的传感器单元的经部属的内窥镜13的形状和内窥镜的远端的取向的示例显示。
图4示出了根据许多实施方式的附接至现有内窥镜12的外表面的低型面运动感测单元42的实施方式。如所示，低型面运动感测单元42具有被成形为与内窥镜12的弯曲的外表面匹配的弯曲的轮廓。在所示出的实施方式中，将薄的柔性片44(例如，合适的塑料的薄片)紧密包裹在内窥镜12的周围，并且将运动感测单元42结合至片44，从而避免运动感测单元42与内窥镜12之间的直接结合以使得能够在完成内窥镜操作之后容易地将运动感测单元42从内窥镜12移除。
图5示出了根据许多实施方式的低型面运动感测单元42的形状和部件。在所示出的实施方式中，运动感测单元42包括壳体盖46、天线48、柔性印刷电路板50、电池52和安装在电路板50上的部件54。部件54可以包括加速度计、磁力计、陀螺仪、微控制器单元38、收发器38和数据交换机40。在许多实施方式中，低型面运动感测单元42被配置成给现有的内窥镜12增加2mm至3mm的额外径向尺寸。
图6示出了根据许多实施方式的具有与其附接的低型面传感器单元42的内窥镜12。所附接的低型面运动感测单元42包括附接至内窥镜12的远端的第一传感器单元42a和附接至内窥镜12并且沿着内窥镜12的长度分布的多个第二传感器单元42b。在许多实施方式中，第一传感器单元42a被配置成生成能够用于确定并且跟踪内窥镜12的远端的位置和取向的位置和取向跟踪数据。例如，第一传感器单元42a可以包括生成用于内窥镜12的远端的位置和取向跟踪数据的加速度计、磁力计和陀螺仪。在许多实施方式中，第二传感器单元42b中的每个第二传感器单元被配置成生成能够用于确定并且跟踪相应的第二传感器42b所附接的沿着内窥镜12的位置的位置跟踪数据。例如，第二传感器单元42b中的每个第二传感器单元可以包括生成用于沿着内窥镜12的相应位置的位置跟踪数据的加速度计和磁力计。对于每个传感器单元42a和42b，由外部专用软件来收集运动传感器数据。已经开发了根据运动传感器数据来生成四元数表示的传感器融合算法，运动传感器数据包括陀螺仪、加速度计和磁力计读数。从四元数表示实时地得出取向的常规表示，包括每个传感器单元42a和42b的俯仰、滚动和偏转。通过每个传感器单元42b的已知局部空间取向和相邻传感器单元之间的指定距离，每个传感器单元的方向向量的内插生成结肠镜12分段的形状。因此实时地计算出结肠镜12的远端的取向和位置信息以及整个结肠镜12的形状，并且通过显示器16来向用户呈现信息的可视化。
图7示出了根据许多实施方式的被配置用于插入到内窥镜12的工作通道中的插入线组件60。插入线组件60包括具有与其附接的传感器单元42a、42b的插入线。在操作之前，将插入线组件60在内窥镜12的近端处插入到工作通道中。显示器16可以被固定到用于内窥镜12的现有内窥镜检查屏幕上或附近。在许多实施方式中，传感器单元42a、42b被配置成将位置和取向数据无线地发送至控制单元14以用于处理，以在显示器16上显示内窥镜12的形状和内窥镜12的远端的取向。因此，在许多实施方式中，不需要额外的步骤来准备系统。例如，当在结肠镜检查过程中使用系统时，结肠镜操作员能够根据标准协议来进行操作，并且将结肠镜插入到直肠中并推进结肠镜通过大肠。
图8示出了根据许多实施方式的图形用户界面显示70，其包括所跟踪的内窥镜的形状的表示72、指示所跟踪的内窥镜的取向的表示74和通过所跟踪的内窥镜的远端看到的图像76。生成内窥镜的形状的表示72和指示所跟踪的内窥镜的取向的表示74来分别表示由控制单元14确定的内窥镜12的实时形状和内窥镜12的远端的取向。在所示出的表示中，内窥镜12的长度相对于参考轴78、80、82的布置被显示为表示72，内窥镜12的远端相对于参考轴78、80、82的取向被示出为表示74。在结肠镜操作过程中，外科医生能够使用图形用户界面显示70来查看结肠上的衬层并且对结肠镜进行导向。
图9A至图9C示出了根据许多实施方式的图形用户界面显示80，其是能够被显示在显示器16上以表示内窥镜12的相对扭转量和内窥镜12的远端的横向角度的表示74的替选方案。通过内部显示部分82相对于固定外部显示部分84之间的、以及作为固定外部显示部分84的一部分的固定外部显示参考箭头86与随着内部显示部分82旋转的内部显示参考箭头88之间的相对角取向差值来示出内窥镜12的相对扭转量。在图9A中，内部显示箭头88与固定外部显示参考箭头86对准，从而指示内窥镜12没有相对于参考内窥镜扭转取向发生扭转。在图9B和图9C二者中，内部显示部分82被示出相对于固定外部显示部分84成角度，如由内部显示箭头88与固定外部显示参考箭头82的不对准所指示，从而指示内窥镜12相对于参考内窥镜扭转取向的相对扭转。可以由内窥镜操作员使用内窥镜12的相对扭转来扭转内窥镜12以与参考内窥镜扭转取向对准，从而使被显示的图像76与参考内窥镜扭转取向对准，以降低内窥镜的导引过程中由于扭转引起的内窥镜操作员的迷失方向。
图形用户界面显示80的内部显示部分82包括显示内窥镜12的远端的角倾斜的倾斜指示器90。在图9A和图9B二者中，倾斜指示器90指示内窥镜12的远端的零倾斜。在图9C中，倾斜指示器90指示内窥镜12的远端的正三度的倾斜。可以由内窥镜操作员结合被显示的图像76来使用所指示的内窥镜12的远端的倾斜，以在内窥镜12的导引过程中调整内窥镜12的远端的倾斜。
图10A至图11C示出了图形用户界面显示100，其是表示74的替选方案。显示100包括根据许多实施方式的从变化从而反映内窥镜12的远端的取向的改变的视点观察到的内窥镜12的远端的三维表示102。图形用户界面显示包括固定扭转参考箭头104和远端扭转参考箭头106。箭头104、106之间的相对对准的差异用于显示内窥镜12相对于参考扭转取向的扭转量。此外，根据其示出三维表示102的视点被示出为指示内窥镜12的远端相对于参考取向的三维取向。例如，图10A示出用于内窥镜12的远端的零相对扭转和与参考取向对准的内窥镜12的远端的取向的图形用户界面显示100。图10B示出于与参考取向对准并且相对于参考扭转取向顺时针扭转的远端。图10C示出相对于参考扭转取向扭转并且相对于参考取向倾斜的内窥镜12的远端。图11A示出相对于参考取向倾斜并且不相对于参考扭转取向扭转的远端。图11B和图11C示出了相对扭转和相对于参考取向的两个不同的倾斜量。
其他变型在本公开的精神范围内。因此，虽然所公开的技术容易经受各种修改和替换结构，但是在附图中示出并且在上文中详细描述了其某些所示出的实施方式。然而应当理解，并不试图将本发明限制于所公开的一种或更多种具体的形式，相反，如在所附权利要求中所限定的，本发明要覆盖落在本发明的精神和范围之内的所有修改、替选结构和等同物。
除非本文中另有所指或通过上下文清楚地否定，描述所公开的实施方式(特别是在所附权利要求的上下文中)的上下文中使用的单数形式的术语以及类似的指代物应该解释为涵盖单数和复数二者。除非另有所指，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”被理解为开放式的术语(即，意指“包括但不限于”)。即使存在某物介入情况下，术语“连接”应被解释为部分地或者全部地包含在内、固定至或者结合在一起。除非本文中另有所指，否则本文中数值范围的记载仅旨在充当单独提及落在范围内的每个分开的值的速记方法，并且每个分开的值并入本说明书，如同其在本文中被单独地列举。除非本文中另有所指或通过上下文清楚地否定，否则可以以任何合适的顺序进行本文中描述的所有方法。除非另有所指，否则本文中提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“如”)的用途仅旨在更好地阐明本发明的实施方式并且不造成对本发明的范围的限制。本说明书中的语言不应被解释为表明如对本发明的实践必不可少的任何非要求保护的要素。
本文描述了本发明的一些优选实施方式，包括本发明人所知的实施本发明的最佳方式。阅读上文描述后，那些优选实施方式的变化对本领域技术人员将是显而易见的。本发明人预期本领域技术人员适当采用这些变化，并且本发明人旨在使本发明以本文具体描述之外的其他方式实施。因此，本发明包括被适用的法律认可的本文所附权利要求记载主题的所有修改和等同方案。此外，除非另有说明或者与上下文有明显矛盾，本发明包括所有可能变化方式的上述要素的任何组合。
本文引用的全部参考文献，包括出版物、专利申请和专利均通过引用并入，程度如同各参考文献单独地并且特别地示出通过引入并入并在文中以其整体给出。

Claims (20)

1.一种内窥镜形状和远端取向跟踪系统，包括：
第一传感器单元，所述第一传感器单元被配置成被布置在内窥镜的远端处、并且生成用于所述内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据；
多个第二传感器单元，所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元被配置成被布置在沿着所述内窥镜的长度、靠近所述内窥镜的远端的对应的多个位置中的一个位置处、并且生成用于相应位置的位置跟踪数据；以及
控制单元，所述控制单元被配置成：
(1)接收(a)由所述第一传感器单元生成的用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据、以及(b)由相应第二传感器单元生成的用于相应的多个位置中的每个位置的所述位置跟踪数据；
(2)基于由所述第一传感器单元和所述第二传感器单元生成的数据来确定所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向；以及
(3)生成到显示单元的输出，所述输出使所述显示单元显示所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向的表示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述第一传感器单元包括生成用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据的加速度计、磁力计和陀螺仪；以及
所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元包括生成用于相应位置的所述位置跟踪数据的加速度计和磁力计。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元存储校准数据，所述校准数据用于根据由所述第一传感器单元和所述第二传感器单元生成的数据来确定所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
一个或更多个无线发送器，所述一个或更多个无线发送器无线地发送(1)由所述第一传感器单元生成的用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据、以及(2)由所述第二传感器单元生成的用于所述多个位置的所述位置跟踪数据；以及
其中，所述控制单元包括无线接收器，所述无线接收器用以接收由所述一个或更多个无线发送器发送的数据。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一传感器单元和所述多个第二传感器单元都包括所述一个或更多个无线发送器中的一个无线发送器。
6.根据权利要求1所述的系统，包括包括插入线的插入线组件，所述第一传感器单元与所述插入线耦接，并且所述第二传感器单元与所述插入线耦接，所述插入线组件被配置用于插入到所述内窥镜的工作通道中，以将所述第一传感器单元定位成与所述内窥镜的远端相邻并且将所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元定位在沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置中相应的一个位置处，当所述内窥镜的远端被布置在患者体内时，所述插入线组件能够从所述工作通道移除。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器单元和所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元都是被成形为附接至所述内窥镜的外表面的一次性单元。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一传感器单元和所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元都包括所述一个或更多个无线发送器中的一个无线发送器。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一传感器单元和所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元都包括电池。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器单元和所述多个第二传感器单元都在所述内窥镜的制造过程中被嵌入在所述内窥镜内。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向的被显示的表示指示：
所述内窥镜的远端相对于参考扭转角的纵向扭转角；以及
所述内窥镜的远端的倾斜量。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述内窥镜的远端的取向的被显示的表示通过旋转了与相对于参考显示角的纵向扭转角匹配的角度的表示来显示所述内窥镜的远端的倾斜量。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向的被显示的表示包括从变化从而反映所述内窥镜的远端的取向的改变的视点观察到的所述内窥镜的远端的三维表示。
14.一种用于跟踪内窥镜的形状和远端取向的方法，所述方法包括：
使用被布置在内窥镜的远端处的第一传感器单元来生成用于所述内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据；
将用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据从所述第一传感器单元发送至控制单元；
使用多个第二传感器来生成用于沿着所述内窥镜的长度、靠近所述内窥镜的远端的多个位置中的每个位置的位置跟踪数据，所述多个第二传感器中的每个第二传感器被布置在沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置中相应的一个位置处；
将用于沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置的所述位置跟踪数据从所述第二传感器发送至所述控制单元；
使用控制单元来处理用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据、以及用于沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置的所述位置跟踪数据，以确定所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向；以及
生成到显示单元的输出，所述输出使所述显示单元显示所述内窥镜的形状和所述内窥镜的远端的取向的表示。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，生成用于所述内窥镜的远端的位置和取向跟踪数据包括：
通过所述第一传感器单元中包括的加速度计来测量所述第一传感器单元的加速度；以及
通过所述第一传感器单元中包括的磁力计和/或所述第一传感器单元中包括的陀螺仪来测量所述第一传感器单元的取向。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，生成用于沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置的位置跟踪数据包括：通过所述多个第二传感器单元中的每个第二传感器单元中包括的加速度计来测量相应第二传感器单元的加速度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中：
将用于所述内窥镜的远端的所述位置和取向跟踪数据从所述第一传感器单元发送至控制单元包括：从所述第一传感器单元无线地发送所述位置和取向跟踪数据，并且通过所述控制单元中包括的无线接收器来接收经无线发送的位置和取向跟踪数据；以及
将用于沿着所述内窥镜的长度的所述多个位置的所述位置跟踪数据从所述第二传感器发送至所述控制单元包括：从所述第二传感器单元无线地发送所述位置跟踪数据，并且通过所述控制单元中包括的无线接收器来接收经无线发送的位置跟踪数据。
18.根据权利要求14所述的方法，包括将插入线组件插入到所述内窥镜的工作通道中，所述插入线组件包括插入线，所述第一传感器单元与所述插入线耦接，并且所述第二传感器单元与所述插入线耦接。
19.根据权利要求14所述的方法，包括将所述第一传感器单元和所述第二传感器单元附接至所述内窥镜的外表面。
20.根据权利要求14所述的方法，包括显示从变化从而反映所述内窥镜的远端的取向的改变的视点观察到的所述内窥镜的远端的三维表示。
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