CN102076274A - 用于微创手术的嵌套插管 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于嵌套插管配置的系统和方法。嵌套插管系统包括多个可伸缩的、预定形的管，对其进行配置和尺寸设计以达到特定解剖区域之内的靶标位置。读取针对特定解剖区域和被研究结构的三维图像。在解剖区域的点和靶标位置之间产生一系列弧，确保每个具体直径的每个所述管的无碰撞运动。靶标位置是基于正在执行的医疗程序和被研究解剖结构的六个自由度中的位置和取向确定的。使用该系列弧对多根管进行配置和尺寸设计。该嵌套插管系统适于到达相对小的和复杂的靶标位置，从而递送光动力疗法、球囊血管成形术或支气管肺泡灌洗。

Description

用于微创手术的嵌套插管

本公开总体涉及微创手术过程和其他医疗过程。更具体而言，本公开涉及与嵌套插管设计和构造相关的系统和方法，所述嵌套插管的设计和构造是针对患者的特定解剖结构组成定制的，以便于有效的微创手术过程。

诸如导管和支气管镜的现有导航装置具有若干缺点。支气管镜应用中遇到的具体问题是支气管镜一般具有相对较大的管径，并且仅能在尖端转动或以其他方式导航。大尺寸部分是由于构建于支气管镜内的使其能够转动的控制机构。由于其尺寸和缺少灵巧性的原因，常规的支气管镜在其到达特定区域的能力上受到限制。例如，典型的支气管镜只能到达肺部三分之一的中心，那里是最大的气道。这样导致利用常规支气管镜技术全部肺癌(例如)有三分之二不能到达，因此，没有较大的物理介入就无法治疗。即使是可能区分良性结节和恶性结节的肺部活检也有高达40％的导致肺萎陷的可能。于是，可能得到治疗的疾病常常得不到治疗，直到疾病恶化到批准和/或需要手术为止。

与传统手术技术相关联的导管和导丝相对灵活，能够通过跟随脉管而到达身体内深处。然而，这些装置具有尖端形状，设计这种尖端形状是为了解决可能在解剖结构之内转向的最困难问题。特定装置仅能设法通过一种复杂转动限制了装置的适用性。导管和导丝常常用于“上游”方向，其中脉管的分支不需要特别控制，节省了针对特定位置的一次困难转动。例如，向着心脏将导管插入远端动脉，例如股动脉(用于球囊血管成形术中)中，意味着脉管沿这个方向汇合而不是分开。尽管在很多情况下这是有效的，但没有有效的机构来穿过复杂动脉或沿着静脉穿行，因为动脉在血液离开心脏流动时与血液一起行进，静脉逆着血流方向离开心脏行进。在肺中，导管和导丝在远端具有较低控制以抵达肺的特定分支，因此不适于抵达这些特定靶标。

插入诸如插管、导管、导丝或窥镜(支气管镜、内窥镜等)之类的医疗装置一般会导致摩擦问题，并且可能在行进到靶标的整个路线(path)中导致组织损伤。在将装置插入指定解剖区域中时可能会发生这种情况，尤其在试错法通过复杂解剖结构时，会导致锯切运动。此外，手术或探查过程中工具尖端的移动导致整个路线中所有组织的运动。例如，在活检、消融、烧灼、电生理学等过程中，装置尖端的移动导致装置在整个路线中运动。例如，这种摩擦可能会移去导致脑卒中风险增加的易损斑块。

出于本申请的目的，“活动插管”是指依赖于管的交互作用来产生运动，特别是远端处运动的装置。“嵌套插管”是指被构造成导致嵌套管之间最小交互作用的装置，嵌套管通常从最大到最小相继伸展。

申请人的题为“Active Cannula Configuration for Minimally Invasive Surgery”的先前共同未决申请国际公开号为WO 2008/032230，2008年3月20日，本文通过引用将其全文并入这里并构代价说明书的一部分，该申请公开了用于配置活动插管装置的系统和方法，除了其他效果以外，以实现多个嵌套管形状和强度的交互作用，以在装置远端产生特征性运动。对于预先弯曲的同心管而言，在Sears和Dupont于2007年的IEEE International Conference on Robotics and Automation(第1887-1892页)的文章“Inverse Kinematics of Concentric Tube Steerable Needles”中描述了一种逆运动学技术。不过，所公开的技术是自由空间中的计算，未考虑障碍物。在这种情况下，逆运动学需要识别每根管的具体配置(伸展和旋转)以实现尖端的具体位置和取向。不过，配置活动或嵌套插管的管以到达障碍物周围或受到穿过解剖结构的代价限制提出了很大的难题。

为了通过相继部署来使用嵌套插管，必须定义管的配置，从而能够实现所述路线和远端的最终的预定位置。

对于路线而言，找到通过脉管的中线并不够用，因为这种信息不描述如何将路线分解成可伸展的共同子组分。例如，不能简单地部署S形状作为单一连续S形状。这是因为在一端从包封的管出来时，它面对错误的方向。相反，必须要嵌套两个C形，使得第一个逆时针方向旋转，第二个与第一个成180度取向，伸展以创建顺时针方向的C。此外，如果每个形状均稍有不同，会要求定制制造出这些形状，例如通过加热。此外，管的直径必须要匹配所针对的解剖结构。

先前已经公开了一种技术，其描述如何在3D中定义路线以进行支气管镜控制进而到达给定靶标，同时还避开障碍物。也可以将这项技术应用于具有预定优选弧形的可弯曲导管。以前未教导在2D或3D中利用嵌套插管规划通往期望靶标的路线。而且，以前没有人教导利用嵌套插管使用提供确定这种解剖结构在空间中的位置的完整范围的变量的信息规划通往期望靶标的路线。

嵌套插管系统相对于现有的进入和导航技术可以提供一些好处，包括，但不限于：与嵌套插管系统相关联的管柔韧性、相对于其他导航系统的更小直径以及因此获得的可伸长嵌套设计的尺寸减小。特定嵌套插管系列和/或系统中的管数量受到最外层的管直径以及在相继管伸展时它们是否在解剖结构之内匹配的限制。靶标位置通常受到正在执行的手术程序的需求以及被研究解剖结构的影响和/或由其决定。结果，利用现有系统可能难以到达某些高度盘绕的狭窄路线和/或靶标位置。

例如，热整形术(thermoplasty)可以利用嵌套插管系统。热整形术是一种用于治疗哮喘患者的新兴技术，在美国这种病的患者大约为1400万人。据报道，由Asthmatx，Inc.制造的Alair

装置正在临床试验中。平滑肌响应于各种触发机制而变厚，使气道关闭，每年导致200,000人次住院治疗，直接保健代价为$51亿。Alair

装置通过使支气管树周围的平滑肌脱敏而工作。

因此，需要有效的嵌套插管系统，更具体而言，可以基于与这种解剖结构在空间中位置相关联的完整范围的变量可靠地到达解剖位置的嵌套插管系统。这些和其他需求通过本公开的系统和方法得以解决和/或克服。

本公开(除了其他以外)提供了用于针对微创医疗程序设计和配置嵌套插管的有利系统和方法。嵌套插管可以被称为基于预先采集的靶标位置的3D图像和识别为特定患者生成的定制工具。以包括位置(x，y，z)和取向的六个自由度描述靶标位置，可以通过相对于第一点(x2，y2，z2)选择另一个点确定取向。根据本公开的示范性系统包括彼此嵌套的多根同心伸缩管。对嵌套管进行配置和尺寸设计以通过产生从特定解剖区域和靶标位置的三维图像获得的管路径(pathway)而到达靶标位置。

通常由正在执行的程序的需求以及由解剖区域的3D图像确定的所涉及解剖结构的六个自由度中的位置和取向来确定靶标位置。通常利用三维成像系统获得必需的路线，其中在入口点和一个或多个靶标位置之间确定每个弧。对所述管进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域之内较小的和/或复杂的靶标位置。

管可以有利地由表现出期望水平的柔韧性/弹性的材料制造。于是，一个或多个嵌套管可以由镍钛诺材料制造。镍钛诺材料具有“完美的记忆”，因为在施加力的时候它可以弯曲，而一旦移开力就返回到原来设置的形状。尽管长的管能够产生伪影，但镍钛诺也可以用于MRI机器之内。镍钛诺是相对强的材料，因此可以将其做成薄壁的，从而能够实现多根管的嵌套。外径从5mm到0.2mm的管较容易在市场上买到。也可以使用其他材料，例如形状记忆聚合物(SMP)和其他生物相容性塑料。

在示范性实施例中，三维成像系统常常是CT、超声、PET、SPECT或MRI，但也可以从距离传感器、立体图像、视频或其他非医疗成像系统构造。通常，使用特定解剖区域的图像以及被研究解剖结构的位置和取向来对所述多根管中的每个进行配置和尺寸设计以定义所述多根管中的每个的特定形状和伸展长度。所定义的所述多根管中的每个的形状和伸展长度确定是否能够到达靶标位置。在示范性实施例中，对所述多根管进行配置和尺寸设计以针对特定解剖区域和靶标位置和取向预先设计形状和伸展长度。经预先设计的多根管可以包括交替的弯管和直管。

在根据本公开的示范性系统中，对所述多根管进行配置和尺寸设计以针对与特定个体相关联的特定解剖区域和靶标位置以及所涉及的解剖结构预先设计形状和伸展长度。通常对所述管进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域之内直径较小的位置和/或需要复杂操作的位置。解剖区域可以是任何需要器械侵入或手术的期望区域，包括但不限于：肺部区域、胸部区域、腹部区域、神经区域、心脏区域、脉管区域等。通过被研究解剖结构确定解剖区域中的靶标位置。可以有各种被研究的解剖结构或结构状态，包括但不限于：肿瘤、病灶、囊肿、息肉、结节、错构瘤、赘生物、肿块、块、管道、器官、组织、伤口、裂缝、损害等。

在示范性实施例中，管适于通过利用多根管中针对那些嵌套于内部的管的外部管创建和/或提供障碍来防止插入摩擦导致的组织损伤。管还可以在远端管的尖端处包括医疗装置构件或其他活动结构，其适于在靶标位置执行和/或方便医疗程序。与本公开相关的医疗装置包括但不限于：导管、伸缩尖端、导丝、光纤装置、活检、缝合、消融、烧灼、电刺激、灌洗机构、血管成形术球囊装置以及其他血管成形术、给药(curatage)装置和传感器(例如pH传感器、温度传感器和/或电传感器)。例如，一般使用电传感器检查心电功能，而一般使用光纤装置治疗肺部的病灶。

所述管可以有利地适于允许借助于触觉和/或视觉反馈对将管插入到解剖区域中进行手动引导和控制。也可以使用位置反馈，例如嵌入管中或管承载的有效载荷之内的电磁跟踪线圈。可以在图形显示器上显示相对位置，优选与图像配准。管还可以适于允许自动化控制和/或部署系统或与之交互。

本公开还提供了一种用于嵌套插管设计和/或配置的方法，包括如下步骤：(a)捕获具有充分信息的解剖区域和被研究解剖结构的三维图像，以便基于这种结构的六个自由度确定其的位置和取向；(b)读取解剖区域和解剖结构的三维图像；(c)通过考虑到正执行的程序以及被研究解剖结构的位置和取向确定嵌套插管远端的有效位置来确定靶标位置；(d)从三维图像中特定的位置和取向产生一系列弧；(e)利用所产生的通过入口点的一系列弧计算入口和靶标位置之间的路径；以及(f)产生彼此嵌套的多根同心伸缩管以定义嵌套插管，使得嵌套插管被配置和尺寸设计成利用所产生的路径到达靶标位置。典型地，三维图像为CT扫描或MRI图像。在示范性方法中，所述多根管在直管和弯管之间交替。可以对所述管进行配置和尺寸设计以到达较小的和复杂的靶标位置并使得有效的程序能够得到执行。

根据说明书，特别是在结合附图阅读时，所公开系统和方法的额外特征、功能和益处将显而易见。

为了有助于本领域技术人员实现和使用所公开的系统和方法，可以参考附图，在附图中：

图1示出了三个不同的示范性插管曲率，28mm半径、14mm转向半径和直的(无穷大半径)；

图2示出了弧的示范性3D邻域，其表示与本公开相关联的每根管的中心行进的选项；

图3示出了弧的示范性2D邻域，强调了直线方向中的相邻弧；

图4示出了图3的弧的示范性2D邻域，强调了沿着左侧固定曲率的相邻弧；

图5示出了图3的弧的示范性2D邻域，标识了从原始组的每个纤维开始的最佳近邻；

图6示出了从第一组开放近邻弧的伸展以及多个弧的级联获得的覆盖度；

图7示出了肺气道的分割以及与本公开相关联的管的示范性配置；

图8示出了到达要活检病灶的示范性接近角；

图9示出了到达要进行支气管肺泡灌洗(BAL)的病灶的示范性切向接近角；

图10示出了对位于肺中脉管或气道周围或绕其取向的病灶的光动力疗法；

图11示出了对未位于脉管或气道周围和/或绕其取向的病灶的光动力疗法；

图12示出了所公开的适于基于网络的商务平台的嵌套插管构造和设计系统和方法；

图13示出了围绕选定靶标点的三维状态的二维截面。

本公开提供了嵌套插管配置系统和方法，其产生针对患者和/或感兴趣解剖区域和/或被研究解剖结构定制的嵌套插管。公开的系统和方法有利地使得微创手术程序能够到达传统手术手段通常难以到达的特定靶标位置。镍钛诺管考虑到了到达复杂和困难靶标位置的柔韧性和灵巧性。使用一幅或多幅3D图像来确定有效的靶标位置并产生一系列3D路线，该路线定义柔性管的形状和伸展长度。在示范性实施例中，在几分钟之内计算出靶标位置和管路线。所配置的嵌套插管系统和方法能够比手动定形的导管更快地穿过复杂的脉管系统，手动定形的导管通常需要试错法来恰当地形成。与不能到达需要有效治疗的位置的手动定形的导管或其他方法相比，所配置的嵌套插管系统和方法还能够进行更有效的治疗。

将到达靶标所需的运动设计到工具中，使它能够执行多次转弯而无需马达、控制线等的额外尺寸或重量。于是，所公开的微型灵巧工具能够实现精确、微创地到达非常小的解剖范围和/或区域中。

根据本公开，嵌套插管系统包括多个可伸缩的预定形管。由柔性镍钛诺(镍钛合金)或其他适当材料制造的同心伸缩管通常沿着解剖区域伸展，每根管具有特定的曲率。由于镍钛诺的记忆属性和柔性，因此镍钛诺是制造插管的特别理想的材料，从而使得管能够保形地进入环绕它的更大管中，直到管伸展出来。典型地，首先向期望区域中引入最大的管，随后将依次更小的管引入/伸展到预计/期望的长度和取向。在示范性实施例中，管可以由较便宜但可能需要更厚的壁的橡胶或塑料制成。如果能够到达靶标位置所需的管数量足够小，或者解剖结构大到足以容纳每根管，那么非金属制造可能是有利的。管弹性的特征也同样重要；因此，可能有利的是在接近部署这些管时嵌套管，使得它们采取新形状或以其他方式受记忆效应影响的可能更小。

根据本公开的示范性嵌套插管通常包括多根伸缩镍钛诺管(常称为一系列管)，它们可操作到达期望的解剖区域中较小的和/或复杂的位置中。

于是，根据本公开的示范性系统包括嵌套插管，其中，从特定解剖区域的图像对到达特定靶标位置所需的每根管的形状和伸展距离进行配置和尺寸设计。靶标位置由正在执行的手术程序以及被研究解剖结构的位置和取向确定或以其他方式基于上述条件进行确定。典型地，用于嵌套插管配置和靶标位置确定的图像是通过诸如CT或MRI系统的医疗成像系统导出的。与本公开相关联的示范性嵌套插管系统还可操作地确定嵌套插管的多根管是否能够到达特定靶标。

根据特定实施例，嵌套插管系统包括在弯管和直管之间交替的“标准组”管。使用“标准组”能够到达给定解剖区域之内的各种位置，无需定制每根特定管的代价或延迟。

本公开还提供了一种用于配置嵌套插管系统的示范性方法。利用诸如CT、超声、PET、SPECT或MRI的成像系统产生靶标解剖区域或被研究解剖结构的特定3D图像。可以将这些图像彼此配准，从而创建多模图像，例如PET-CT图像，其中PET提供关于靶标和周围相对解剖结构的重要信息，可以分割CT图像以定义禁止进入的“重要区域”(即嵌套插管不会行进的区域)。首先定义一个点，通常为靶标位置。这个位置是相对于正在执行的手术程序以及被研究结构的位置和取向而确定的。点也可以是入口或中心关键点。从入口点开始，计算可以到达的位置，并确定到达3D靶标位置所需的正确的一组伸缩管形状。基于这样的确定结果，选择和/或产生各根管。

下文给出了与本公开关联的范例，其中描述了框架的每个组分：

(A)方法

在以下部分中，将针对与本公开相关联的示范性嵌套插管应用描述并随后指定框架的若干关键组分，包括：离散定义的配置空间、禁止状态、(多个)起始或目标状态、邻域和代价度量。

1.配置空间：

配置空间由描述装置的状态(有时称为“配置”)的可能参数的取值范围(span)定义。例如，可以由每个关节的角度值定义机器人配置。所有可能的关节角度配置的取值范围形成配置空间。类似地，可以由运载工具的x、y位置和取向指定运载工具的配置。在每种状态下，常常是由针对一种装置配置的参数值指定的阵列入口，存储若干值，包括从这种状态前进到下一种状态的方向以及从该状态到达目标的剩余代价。这些值是由稍后执行的查找方法分配的。

嵌套插管(嵌套插管)的配置可以由嵌套插管尖端的x、y、z位置和rx、ry、rz取向表示，从而产生6维问题空间。相关位置可以出现于示范性的512×512×295预程序CT图像中，其中示范性x、y、z分辨率分别为.078、.078和0.3。对于CT图像以10度增量使所有取向离散化需要3.6万亿个状态，每个包含大约40字节，挑战性的存储器需求为144太字节。在解释其余四个组分之后，解释能够使用大约为3D CT图像尺寸大小的配置空间的技术。

2.禁止状态：

分割解剖结构，将一些体素区域视为“自由空间”状态，并将其他体素区域视为装置一定不能通过的禁止区域。可以通过很多不同技术执行这一分割步骤，包括手动绘制、基于模型的分割或完全自动化分割，其中在基于模型的分割中，用户在解剖结构范围中放置标称模型，并且计算机对分割进行细化。在本范例中，为肺配置嵌套插管需要分割肺的气道。利用半自动化快速行进(Fast March)(A^*)方法用一阈值分割图7中的范例图像。这产生了内部自由空间体积以及外部禁止体积(肺组织)。

3.(多个)起始或目标状态：

感兴趣点的位置(x，y，z)和取向(rx，ry，rz)或(x2，y2，z2)代表靶标状态(目标)，可以被选择作为种子点以进行查找(稍后描述)。这一靶标状态(位置和取向)通常是基于正在执行的手术程序以及被研究解剖结构的位置和取向——所述位置和取向可以在六个自由度中——确定的。自然，如果入口方向在旋转方面不变，例如，如果承载工具(例如灯)的管在所有旋转中功能一样好，那么可以由系统分配用于“向上”的具体方向。或者，可以使用入口位置，例如气管之内的状态，作为种子点以进行查找。

在优选实施例中，基于相对自由空间在哪里更小(更受限制)选择起始或靶标。从这个位置可以定义在临床上适当的入口角度。例如，参考图8，气道800包含被靶向进行活检的肺结节或可疑块801。出于这一目的，结节或块801表示被研究的解剖结构。目的是找到穿过肺结节或可疑块801中心区，从而到达靶标状态804的路线802，其中，插入角，也称为靶标接近角803，是基本垂直的，使得在穿刺部位处针的力量是指向内部的。在这种情况下，优选角度可以是相对于理想垂直取向的折衷，但通过朝向嵌套插管将从其抵达的更大气道(左侧)角度倾斜，解决了脉管尺寸有限造成的约束。

在其他情况下，例如图9示意性示出的情况下，气道900中的靶标接近角903可以更接近切向，甚至可能不接触肺结节或可疑块901的表面而到达靶标状态904。这种方式在临床上可能是有用的，例如在肺中执行支气管肺泡灌洗(BAL)程序时。经由提出的路线902到达靶标状态904。BAL是这样的过程：经由光学纤维支气管镜，在肺的远端部分中注入并再次吸出灭菌的盐溶液(通常0.9％)。溶液填充支气管镜尖端远侧的空间(airspaces)。再次吸出的溶液可用于通过评估吸出细胞来辨别CT上识别出的结节是恶性还是良性。然而，BAL程序的灵敏度会变化，这意味着可能检测不出实际的疾病。这种可变灵敏度的一个可能原因是支气管镜尖端不能到达肺中充分远的地方；因此，使用比必需的更多流体来填充远端区域，减小了检测到实际患病细胞的机会。

不过，如果使用嵌套插管，并向肺部区域递送更小部分的水，可以更容易地检测到可疑细胞，因为这些细胞将以更高相对浓度存在。在基于支气管镜的BAL程序之后，流体保留下来，必须要由肺吸收或被咳出。在如本文公开的嵌套插管BAL程序之后，一般将向肺部区域递送较少流体，由此导致的程序后副作用更少。此外，能够可靠地、有效率地且特定地向靶标位置提供嵌套插管不仅可以转化为增强了对疾病存在的指示，而且对于确定疾病位置也可能是有效的。

在其他情况下，例如图10示意性示出的情况下，脉管或气道1002被肺部病灶1001包围，并被靶向进行光动力疗法(PDT)。病灶1001代表被研究的解剖结构，1000代表靶标状态(远端的位置和取向)。靶标接近角1006是切向的，可以不接触病灶1001的表面而到达靶标状态1000。可以基于被研究解剖结构的位置和定位——在六个自由度中——确定该接近角，以便辅助有效的治疗。这在临床上可能是有用的，例如在肺中执行PDT时。在这一示范性情况下，考虑到正在执行的手术程序(PDT)和被研究解剖结构(病灶1001)在六个自由度中的位置和取向选择靶标状态1000。选择靶标状态1000和接近角1006是因为病灶1001位于脉管1002周围，从沿着光纤1003定位的漫射体(diffuser)1004辐射的光1005在距病灶1001有效距离之内。在这种情况下，目的是找到一条路线，该路线穿透肺的脉管1002，以靶标接近角1006到达靶标状态1000。

在其他情况下，例如图11示意性示出的情况下，肺部病灶1100被靶向进行PDT治疗，但病灶并非环绕气道或脉管。病灶1100代表被研究解剖结构，而1105代表靶标状态(远端的位置和取向)。在这种情况下，必须要从两个或更多位置攻击病灶1100。必须要基于附近脉管1106、1107、1108和1109的到达范围划分病灶的覆盖。根据本公开，基于病灶1100在六个自由度中的位置和定位计算靶标状态1105、适当的接近角以及漫射体1101、1102、1103和1104，以便于进行有效的PDT。

要指出的是，基于可用气道的尺寸或可视性或者导航的复杂性，管可能无法到达特定区域。例如，规划师可能发现嵌套插管不能到达特定位置，例如1107中相当紧的收缩处。通过具有配置机构，嵌套插管设计、(一个或多个)靶标位置和插管内部仪器的规格确保最大限度地覆盖和破坏病灶，例如病灶1100。

类似地，可以定义一系列位置来部署热整形术。在这种情况下，为远端位置计算出一组管。首先将热整形术元件递送到远端位置，并在执行热整形术时，将嵌套插管收回在治疗上针对具体探头建议的距离。按照相反顺序缩回每个插管；不过，承载活动器件的最深处元件保持伸展状态。

4.邻域：

邻域包含了基于装置的可用控制和机械性质能够在自由空间中执行的一组基本装置运动。用于特定管的曲率具有指定的“最小转向半径”，这类似于汽车。在图1所示的范例中，为嵌套插管考虑三种不同曲率。第一曲率101是直的(无曲率，或等效地，无穷大的转向半径)，第二曲率102具有28mm的转向半径，第三曲率具有14mm的转向半径。沿曲线102示出的一系列点例如展示了针对28mm弯曲管的特定伸展在X、Y空间中的位置。该位置的切线给出取向。对于嵌套插管而言，基本控制是旋转和推进每根管，其中每根管的曲率是从一组离散曲率中选择的，例如图1中所述/所示的三个曲率。

通过以45度增量旋转图1所示三个弧的每个，所得的邻域可以在图2中示出。处于特定旋转状态的每个弯曲管有时也称为纤维。在图2中，对于两个曲率(14mm和28mm转向半径)有8个旋转，加上额外选项(无旋转的直线)。针对每个曲率高亮显示了一个范例，对于同样的旋转，为14mm转向半径的纤维201和28mm转向半径的纤维202。每根纤维可以遵循相同曲率伸展到任何长度。如果将弯曲纤维一直伸展到取向变化了90度，如图1到6所示，有利地执行具有随机离散定义空间的针对不完整问题的弧长度。邻域的直线部分200忽略了旋转分量，假设进入的旋转保持相同，因为任意旋转的直管都遵循同样的路线。要指出的是，尽管图1和图2看起来具有矩形像素，但它是选择轴标记符的副产品。

嵌套插管的邻域是包含装置不完整行为的机制。不完整指的是，如果不知道已经走过的路线特性，针对控制参数的具体值(推进加旋转)不能唯一地界定所得位置和取向。邻域是查找(稍后描述)的关键组分，因为它获取了从一个位置允许的一组运动。

5.代价度量：

为每个邻域状态分配代价。这是基于整体优化标准针对局部移动的构成代价。在嵌套插管的范例中，希望使行进距离最小化。因此，从原始位置到近邻沿弧或直线路线行进的距离定义了代价。

(B)为了易于控制将6D转换成3D配置空间

上文需要144太字节的离散定义的配置空间不仅导致大部分电脑出现存储问题，而且如本文披露的，需要在这些状态中进行查找。进行这一框架需要减少配置空间和计算时间的改进技术。

两种观测推动了这种改进。第一种观测是，不论尖端取向如何，从3DCT导出的禁止区域都保持相同。因此，有用的是识别条件，在所述条件下，可以在3D空间内忽略3D取向，或将其简化为每个状态存储很少的值。

第二种观测源于回顾配置空间的主要目的，即存储描述当前状态的值并提供到下一状态的方向。如果取向能够被固定在起始或目标种子位置，这为计算唯一相邻取向提供了锚定基础。从这一种子位置和取向，能够为所有可到达的点计算具体取向的位置。

然后可以连同代价和方向一起存储规划的取向rx、ry、rz或x2、y2、z2，作为每个x、y、z配置状态之内的值。取向rx隐含地包含在邻域中作为线程编号(线程编号定义每个线程的相对取向，图2：201和202)。在直角坐标系(XYZ)中，取向ry是绕Y轴的旋转，取向rz是绕Z′轴的旋转，其中Z′轴是绕Y轴旋转角度θ的Z轴。利用角度θ描述绕Y轴的旋转。由角度

定义绕Z′轴的旋转。于是，可以由参数集{线程，θ，

}替换参数集{rx，ry，rz}。消除作为配置空间独立参数的{线程，θ，

}将空间从6D减少为3D，将所需存储空间显著地减少到大约7千7百万状态以及更容易处理的3吉字节存储器。

通过在每个状态之内存储经规划的值也可以减小位置(X，Y，Z)离散化误差。离散状态的内在(默认)值是体素中心表示的值。取决于体素离散化的水平，该值可能足以控制所提出的装置。通过任选地存储每个状态之内的精确位置(X，Y，Z)值而不在整个配置空间中导致离散化误差，可以实现进一步改进。这项技术有两个具体优点。

第一个优点是可以将位置存储到任意精度用于定位。在体素的尺度不相等时，导致一些方向(例如X和Y)中精确度高，其他方向(例如Z)中精确度低，这时这种存储能力可能尤其有用。例如，在诸如CT中的医疗图像中，体素可以是非正方形的，或更适当地将，是非立方体的或各向异性的，其中X和Y体素长度可以是(.078mm)且Z体素长度(0.3mm)。尽管利用体素的分辨率定义障碍物的覆盖度，但可以通过在每个状态空间中存储所计算的(例如双精度)x、y、z、线程、θ、值更精确地定义控制。

第二个优点是，如果当前状态不足以可控制到达下一状态，那么可以识别这种限制并自动触发替换控制策略。在最简单的情况下，装置可以停止并可以等候适当的安全状况以重新开始运动。例如，在患者呼吸时，装置的实际位置x、y、z将移动。适当的做法可能是，仅在实际位置处于规划方案的0.5mm之内时，然后才进行装置的控制。

一旦定义了这些关键组分，就可以基于一组可用组分管曲率或形状以及邻域中包含的该管允许的运动(例如旋转和伸展)，从固定的种子(起始或目标)产生最短的无碰撞路线。该路线由起始和目标之间级联的弧或直线运动构成并利用关联的控制逐步执行。

(C)路线的产生：

使用A^*查找方法找到始于(一个或多个)种子位置的所有可能路线。前面描述了3D查找，包括针对运载工具机动性和支气管镜机动性的3D查找。为嵌套插管执行同样的3D查找，但由于纸质介质的限制，将在2D中例示说明。

图3示出了示范性2D邻域。这一简化的邻域示出了“原始位置”300和直线线程，包括近邻301-306。还有两条具有相同曲率的线程，以彼此旋转180度的方式方便设置，使得它们位于纸张的同一平面上。在图4中，原始位置400对应于图3中的原始位置300，沿着左侧线程的近邻被表示为401-406。可以沿着右侧线程识别一组等价的近邻。

邻域支配着被视为接下来可到达的近邻的位置，而不是仅仅考虑那些毗连的近邻。以最低代价优先方式相继扩展状态，向迄今为止的总代价增加过渡代价，并仅存储最低的代价。基于先前的取向和行进到选定近邻导致的变化计算经修订的尖端取向。在图5中，示出了最终到达的具有最短距离度量的近邻。近邻位于非立方体配置空间中，这进一步突出了如何识别状态的最低代价。在这种情况下，经由直线路线到达包括501和502的近邻。沿着没有通往这些状态的更好(例如直线)路线的左侧纤维到达的近邻被标识为503。还可以沿着右侧纤维将类似近邻标识为504。这些近邻变为用于后续轮扩展的开放节点。

在图6中，示出了最初的原始节点600，还示出了会以图5中所述的位置和取向扩展的近邻的图案。在每个“开放位置”处，读取原始节点600的取向，相对于该取向确定后续扩展的取向。利用被取向成匹配开放节点的原始取向的新邻域，在位置603处扩展图5的一组开放近邻503的位置和取向。类似地，在图6的位置601和602扩展图5的开放节点501和502，在位置604扩展图5中开放节点504。

迄今为止，这种简化的查找范例假设没有禁止状态。优选沿着从最近到最远的每条纤维从邻域的原始位置开始执行邻域的扩展。如果发现了禁止状态，那么就认为纤维的其余部分不可到达，利用下一纤维继续查找。这防止了路线从禁用区域“跳过”。

在3D中执行同样的查找技术，包括通过纤维顺序查找以避免障碍物。它仅仅需要图2中所示的邻域被重新取向到开放节点的给定位置和取向，以计算一组接下来可到达的状态。在相继的计算充满了空间(在没有更多开放状态时)或查找到达另一可接受终止状态时，该过程终止。在查找从诸如图8的靶标状态804的靶标开始时，一组可接受的终止状态例如可以是沿着最高气管平面的任何节点。

接着是对这种最低代价优先A^*扩展的直观类比。想象在水池中丢在种子位置处的石子产生的波。在波向外荡漾时，绕着岛(禁止区域)传播，每秒钟拍一张快照，包括时间戳(t₀..t_n)。在快照上绘制波的垂线形成“指示器”，其给出从每个可到达位置朝向源种子的方向。从任何可达到的位置，仅需要跟随指示器从一个位置到另一位置，以到达丢下石子的种子位置。此外，包含当前位置的图像上的时间戳指示出返回到种子所需的估计时间。只要波不能到达某个位置，那么在这个位置和种子位置之间就没有路线。识别出不会产生可行路线(利用具体装置)的情况是一种有用的性质，因为它节省了时间以及无谓努力中的能量。在没有路线时，可以建立其他装置的模型以找到有效的装置。另一种方式是识别是否可以移动一个或多个障碍物。尽管在2D中描述了这种类比，但A^*方法在3D或更高维度中也可以工作。可以使用几种本领域技术人员公知的有效A^*技术关注于查找，从而仅计算解决方案可能最需要的状态。

(D)路线的跟随：

如果到达了终止节点，然后计算终止节点和种子之间的路线。或者，用户或计算机可以选择要连接到最近种子的终点。在起始和目标之间逐个状态产生路线。从一种状态到另一种状态的跟随(following)需要读取“方向矢量”，可以将其存储为近邻编号。如图3和4所示，近邻编号还指示了纤维，因此指示了所采取路线的类型。例如，位于图4中405处的近邻识别出特定弯曲的弧指向左侧特定距离，获得特定位置和取向。这对应于这一弯管沿着路线到达下一状态所需的包封管之内的旋转和插入长度。

在图7中，在706处的入口与靶标707之间示出了范例路线。为了正确地计算管的数量，如果一根纤维沿着所述路线通往相同类型的纤维(具有相同的相对取向和曲率)，则应当将其示为一根连续管。换言之，可以将具有相同的曲率和相对旋转的弧进行级联以成为具有相同规格的更长管，例如两个处于+45度旋转的28mm半径的弧。该系列中线程类型的每次变化都代表到嵌套插管系统的嵌套管系列中的下一根管的变化。图7中给出的路线是为了简化可视结果的示意图。要指出的是，管必须要通过鼻或口以到达气管，并考虑始于具有指定取向的入口点706的路线。

第一根管是直的，必须推进长度705。始于该点，推进第二根管704，直到其到达704连接到管703处。该第二根管704具有比705的内径更窄的外径，其曲率由所选的近邻和纤维指定。通过类似方式，703是直的，并一直伸展到其到达702，并且702是弯的，一直伸展到其到达701。每一后继的管都比其前方的管小。

(E)针对特定功能和解剖结构定义管半径

仅在一系列管能够实际匹配在指定区域内部时，路线才是切实可行的。难题在于，解剖结构可能是复杂的，在整个解剖结构内直径都在变化。而且，需要越多类型的机动，一般就需要越多的管，入口处可能需要越大的直径。提出了几种方法来基于给定路线和可用自由空间产生管直径。

1.蛮力算法是创建路线，从最小的管外径开始计算管的每段所需的管外径。对于路线上的每个点，测试该点与半径距离之间的禁用状态。如果有交叉，该路线就不可行，不过如果没有其他方法，这种方法留下了碰运气的可行性。

2.更可靠的方法是将自由空间收缩预期的最大管的尺寸。在这种方法中，每条路线都是可以实现的，因为它在边界之内。令人遗憾的是，这种技术也将切断通往小管可到达的解剖结构的通路。

3.潜在可靠性较低的方法是将自由空间收缩最小可用管外径的尺寸。这立即描绘出即使利用最小的管也不可能到达的区域，以及继续提供一些潜在的自由空间区域。在这个空间中规划提高了识别可行路线的机会，但仍然不能确保。

4.优选方法具有几个关键步骤：

4.1预先计算禁止区域的若干版本。每个禁止区域都是由每个有用管的外半径生长出来的。仅在一根管与其他管嵌套在一起并最小的管大到足以承载期望的有效载荷或工具时，该管才是有用的。嵌套插管的预期用途确定出最小的有用管。例如，如果要插入摄像机，它将比要取出流体样品的情况更大且管为空。可以迅速执行对自由空间的腐蚀或等价地膨胀禁止空间，但针对每个有用管仅能执行一次。膨胀和腐蚀对于图像处理领域是公知的。

4.2沿着路线在解剖结构的狭窄部分之内选择种子。因此，在肺中，特定的种子可能是远端的肿瘤位置，而不是气管的中心。在脑中，应该选择最窄的脉管，例如眼动脉，而不是例如颈动脉。尽管这通常位于靶标，但有可能在靶标和入口点之间，例如在中途有斑块聚集的脉管应用中。

4.3设置种子处的禁止区域，将由最小有用管的外半径确定。

4.4跟踪从种子位置开始已经发生的管变化总数。除了到达目标的代价之外，还可以将这存储在配置空间中。在扩展一个节点时，基于管变化的数量选择禁止区域，其界定了当前使用的管的半径。

在到达终止节点时，还将指定所需管的半径。使用根据本公开的嵌套插管系统使得临床医生和/或其他医务人员能够到达/进入特定解剖区域之内相对较小直径的靶标位置和/或需要复杂机动的靶标位置。

示范性解剖区域包括胸部区域，但是很多其他解剖区域也可以受益于所公开的系统和方法。与本公开相关联的示范性嵌套插管系统可操作用于到达支气管镜或内窥镜一般不能到达的靶标位置。

根据本公开的用于控制嵌套插管系统以解决不完整问题的示范性方法包括产生从特定入口点到期望区域的特定靶标所定义的一系列弧。该系列弧形成该区域之内期望的路径。

根据本公开的示范性嵌套插管系统能够防止因管插入摩擦导致的组织损伤。嵌套设计允许最外层的管保护插入点附近接触的组织。在与肺相关程序相关联的插入过程中，或在脉管斑块可能不稳定的情况下，这可能尤其有帮助。示范性嵌套插管系统包括一系列管，对其进行配置和尺寸设计以具有通过3D成像计算方法确定的特定形状、长度、最大直径和序列。

嵌套插管技术相对于其他导航装置提供了几个优点，包括但不限于：(i)不使用关节马达或牵线装置的线(marionette wire)就能有效控制伸缩尖端及其角度形成；(ii)比传统装置的管直径更小；(iii)插管较为便宜且通常是一次性的；(iv)镍钛诺和类似制造材料允许将插管形成为任意形状和曲率，从而便于进入和/或到达复杂区域；(v)镍钛诺是MRI友好材料；(vi)可以在图像引导的辅助下手动引导预先形成的插管配置，稍后由MRI友好的压电马达控制；(vii)依次变小的同心插管匹配各种形状，用于各种医疗应用，其进入较大区域，最终到达依次变小的区域；以及(viii)可以利用手动控制和精确配置计算实现插管系统的早期部署。

替换实施方式

根据示范性系统，可以定义一组标准的插管，使得使用特定模式的管，但定制部署于特定的针对特定患者和/或靶标位置计算的角度和长度，可以到达解剖结构，例如肺中多个靶标位置。可以计算到达特定靶标位置的一系列弯管和直管。从所得的一系列弯管和直管产生靶标管路线。可以对路线计算加权，使得从一根纤维变到另一根纤维会产生额外的损失。

医生选择靶标点可能更为简单，这种选择常常是在3(x，y，z)维中进行的，无需定义入口角度。系统可以基于从毗连节点朝向靶标点的入口方向自动计算进入角度。可以从一组3个正交视图，例如冠状图、轴向图(横断图)和矢状图中选择该点。为了表达更加简单，图13示出了环绕选定靶标点1305的3D状态的2D切片。并非向许多点增加选定的靶标点作为用于进行查找的种子，而是将环绕的状态视为潜在的种子。从图13中选定的点1305开始，分析一组环绕的状态以自动包括在查找到大量点中。环绕的相邻状态可以包括“禁用状态”，其通常具有无穷大或非常高的代价，例如，由1302标识的阴影状态。诸如由1301、1303和1304识别的那些其他状态是可以通过的。针对3D中所有环绕的状态，包括未示出的那些，执行模拟过程。分析包括针对每个环绕状态的两个基本步骤：

(1)利用具体的变换或线程类型确定是否允许通往目标的路线，亦即，以一定代价可通过。例如，可以使用直线运动，线程0。如果中间没有“禁用”或“无穷大代价”状态，那么允许该路线。显然，从毗连状态1306到选定点1305的路线是允许的。如果对角线近邻1303是可通过的，则仅在水平近邻1301和垂直近邻1304中的至少一个可通过时它才是可通过的。如果两者都不可通过(即，禁用)，那么不允许对角线，因为不能确定地到达它。可能优选地，在允许对角线之前要求水平和垂直近邻都是可通过的。

(2)如果路线得到允许，那么存储到达该目标的代价，从给定近邻到达靶标1305所用的线程，定义角度θ和Φ，并向查找到的大量点增加该节点。两个角度和线程，如1303和1304所示，提供了完整的3D取向。角度代表邻域参照系的旋转，线程表示给定方向上的移动。

具有预先设置的模式使得能够在同一程序中潜在重复使用同一嵌套插管系统以伸展到不同长度而到达同一个体中的不同靶标位置。针对特定患者预先确定的形状和伸展距离可以显著降低与特定医疗程序相关联的代价。

根据示范性系统，可以定义一组标准的插管，使得使用特定模式的管，但定制部署于特定的针对特定患者和/或靶标位置计算的角度和长度，可以到达例如肺中的多个靶标。可以计算到达特定靶标位置的一系列弯管和直管。从所得的一系列弯管和直管产生靶标管路线。可以对路线计算加权，使得从一个弧变到另一个弧会产生额外的损失。这导致产生可行的路径，同时减少所需的管和/或定制管的总数。

在示范性实施例中，可以通过仔细选择一组预定义的管避免镍钛诺管的定制成形。在示范性系统中，可以在一组固定的弧中，或在一组交替的弯管-直管-弯管-直管中嵌套管。准备适当的预定义的数组(管)能够简化和加快路线计算。此外，可以大量制造多组标准的插管，而不需要定制成形和制造。具有预先设置的模式使得能够在同一程序中潜在重复使用同一嵌套插管系统以伸展到不同长度而到达同一个体中的不同靶标位置。针对特定患者预先确定的形状和伸展距离能够显著降低与特定医疗程序相关联的代价。手动部署为技术人员/临床医师，例如外科医生提供了如下能力：借助于触觉、视觉、位置或其他类型的反馈对插入过程提供物理引导和控制。可以采取特定步骤来便于进行精确的手动部署，包括但不限于：

(1)将距离标记蚀刻到管中，从而能够在每次运动时部署精确的距离；

(2)将取向标志蚀刻到管中以实现管的适当取向；

(3)在需要一组固定形状且插管不是要用于不同的靶标位置的特定情况下，管可以具有联锁脊以相对于每根管锁定适当取向；以及

(4)可以将管切割成适当长度，使得每个相继的管终止于与更大(母)管相同的位置。

与示范性嵌套插管系统相关的管数量受到最外层的管直径的限制。可以采取特定步骤来便于到达特定解剖区域中靶标位置所使用的管数量最小化，包括但不限于：

(1)针对每种新的弧类型或取向增加计算方法之内的障碍导致产生可行路径，同时减少了所需的管和/或定制管的总数；以及

(2)包括到达最后伸展管末端的高度柔性的导管、导丝和/或光纤，以到达最远的复杂靶标位置。

可以为各种医疗应用、诊断应用和/或手术应用，包括肺癌诊断、活检、光动力疗法等使用示范性嵌套插管系统和方法。例如，可以使用嵌套插管系统，以利用图像引导和跟踪执行活检，以便精确递送活检工具。根据本公开的嵌套插管系统利用图像引导、跟踪以及光纤传输和感测便于自发体荧光。实际上，可以在肺癌治疗中利用与本公开相关联的示范性嵌套插管系统和方法以到达当前实践无法到达的靶标位置。

具体而言，根据本公开的示范性嵌套插管系统和方法可以用于PDT中。PDT已经在临床上得到证实适用于肺腺癌。在示范性PDT程序中，在治疗之前24-72小时注射药剂(例如Photofrin

)，在癌症部位累积，并在病灶1cm之内由递送的光激活。令人遗憾的是，支气管镜仅到达最大通道，大约代表肺部33％。利用当前的技术、系统或方法不能到达(或精确到达)发生氧气交换的较小通道。可能需要从附近的脉管或通道治疗未环绕通道或脉管周围的病灶或肿瘤。根据本公开的嵌套插管系统能够利用高分辨率图像和跟踪确定和到达较难但有效的靶标位置。在示范性实施例中，根据本公开的嵌套插管系统可以结合当前的支气管镜实践工作。

可以使用示范性嵌套插管系统对难以到达的解剖区域进行活检，以确定分子治疗或其他介入的范围程度和/或需要。还可以将其用于“当场”递送以电子方式产生的辐射，例如，使用Xoft的Axxent微型2.25mm X射线源。在心脏环境中，与本公开相关联的示范性嵌套插管系统在进入困难位置或取向方面是有用的。对于脉管应用而言，根据本公开的嵌套插管系统能够通过现有医疗技术不能到达的复杂脉管。此外，降低了移去凝块的风险，因为嵌套插管仅针对入口路线的一部分而非整个远端长度产生摩擦。

本公开提供的嵌套插管系统还可操作用于胆结石的微创手术。能够调整插管以到达胆囊进行去除。对于肠胃疾病，根据本公开的示范性嵌套插管系统适于将PDT递送到特定胃肠道并到达此前不能到达的靶标位置。还可以通过微创脉管术到达大脑中的靶标位置。尽管针对3D图像给出了这个范例，但该解决方案对于2D图像也有效，2D邻域涵盖允许的装置运动。

本公开还提供了基于网络(web)的商务应用。如图12所示，嵌套插管设计和配置系统和方法在基于网络的商务平台中可以很到地工作。从解剖区域的一组成像模态系统(CT、MRI、超声、PET、荧光透视等)或其组合中之一产生(一幅或多幅)数字3D图像10。可以通过因特网12或其他网络，由成像系统容易地直接地，或经由PACS(图片存档系统)向远程服务器14发送图像。放射科医师、成像技师或介入医师还可以传送关于患者的信息、正在执行手术程序的要求，和/或其他相关信息11。例如，可以基于放射科医师的专门知识识别，或可以由计算机辅助检测(CAD)系统选择针对活检的3D靶标位置。根据程序，也可以提供优选入口角度。网页或其他接口13便于手动传输图像和相关信息。从传输的3D图像和位于服务器上的数据，确定管的设计和配置15。然后使用配置和尺度信息来制造嵌套插管的每根管。

优选地，该组管限于具有适当间隙的一组预先确定的管的组合，以便在管彼此移动时的摩擦是可接受的。还优选选择管，使得它们的壁厚越来越大。因此，较小直径的管还将比较大直径的管具有较小的壁厚。这减小了较小管对较大管形状的影响。

可以现场完成22，或通过向远程设施或第三方传送配置和尺度信息远程23完成管的制造和组装20。在完成制造和组装时，然后直接向介入师21发送嵌套插管装置。可以在一两天之内向介入师提供组装的嵌套插管装置。

本公开还实现了基于光的癌症检测。光敏药物的额外特征是它们表现出荧光。在通常在更短波长被照射时，化合物将会发荧光。这种荧光可以用于在有时称为光动力学诊断(PDD)的程序中定位有病的组织。可以使用这种更短波长的光扫描潜在的癌症。

对于该程序而言，为患者服用光敏药物。该药物例如可以是前体药物5-ALA。5-ALA被转变成PPIX，这是一种光敏药物。数小时之后，光敏剂将以比健康组织更高的浓度累积在有病的组织中。

在优选实施例中，光通过光动力学检测突出了要治疗的有病组织。亦即，嵌套插管包含光源和检测器以测量组织的荧光。在有病的组织将诸如5-ALA的光敏剂转变成PPIX，PPIX将会发荧光。针对荧光的吸收峰大约为410nm。发射在600-650nm附近的红色区域。于是，嵌套插管包含诸如发射410nm附近光的LED的光源，也可以经由光纤递送以向组织引导光。任选地，由光缆收集从组织反射的光并聚焦到一个或几个光电探测器上。对光电探测器进行频谱过滤以对应于荧光带，在这种情况下在600-650nm附近。在荧光信号超过预先设置的阈值时，那么就已经成功定位了肿瘤部位。

显然，尽管在3D中提供了这个范例，但可以仅利用图像的一个切片产生2D计划和路线。将采用的仅有邻域入口是位于平面上的那些，一系列直管和弯管将停留在平面上。

尽管参考示范性实施例及其实现描述了本公开，但是所公开的系统和方法不限于这样的示范性实施例/实现。相反，本领域的技术人员从这里提供的描述将明了，容易对所公开的系统和方法进行修改、变更和改进，而不脱离本公开的精神或范围。因此，本公开明确地涵盖这样位于其范围之内的修改、变更和改进。

Claims (38)

1.一种嵌套插管系统，包括：

彼此嵌套的多根同心伸缩管，对其进行配置和尺寸设计以通过产生管路径到达靶标位置，所述管路径通过从特定解剖区域的三维图像数据确定的一组弧，其中，在起点和所述靶标位置之间确定每个弧，且其中，通过(i)医疗程序和(ii)解剖结构的位置和取向的要求确定所述靶标位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述靶标位置是利用六个参数定义的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述手术程序是光动力疗法。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，对所述管进行配置和尺寸设计以到达所述解剖区域之内较小的或复杂的靶标位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述三维图像数据是通过诸如CT扫描器、荧光透视系统、X射线系统、超声系统或MRI系统的成像系统产生的。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，使用所述解剖区域的所述图像数据对所述多根管中的每个进行配置和尺寸设计以定义所述多根管中的每个的特定形状和伸展长度。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所定义的所述多根管中的每个的形状和伸展长度能够确定是否能够到达靶标位置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，对所述多根管进行配置和尺寸设计以针对特定解剖区域预先设置形状和伸展长度。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，经预先设计的多根管包括交替的弯管和直管。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，对所述多根管进行配置和尺寸设计以针对与特定个体相关联的特定解剖区域预先设计形状和伸展长度。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，使用逆运动学对所述管进行配置和尺寸设计。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解剖区域为肺。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解剖结构是癌性的。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管适于通过利用所述多根管中最外层的管产生障碍来防止插入摩擦导致的组织损伤。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管在伸展最远的管的尖端处包括医疗装置构件，所述医疗装置构件适于在特定靶标位置执行所述医疗程序。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述医疗装置构件是从以下构成的组中选择的：导管、伸缩尖端、导丝、消融装置、烧灼装置、缝合装置、电刺激装置、灌洗机构、血管成形术球囊、热整形术装置和光纤装置。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管在伸展最远的管的尖端处包括医疗装置构件，所述医疗装置构件能够在特定靶标位置执行光动力疗法。

18.根据权利要求1所述的系统，还包括适于将所述多根管引导到靶标位置的驱动器机构。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管适于允许借助于触觉反馈对将所述管插入到所述解剖区域中进行手动引导和控制。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管中的一个或多个是由镍钛诺或由生物相容性塑料制造的。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管路径上的一点是起始或目标，且是基于所述特定区域之内哪里相对自由空间较小或更受限而选择的。

22.一种用于嵌套插管配置的方法，包括如下步骤：

(a)在三个或更多维度上采集解剖区域的图像数据；

从所述数据识别解剖结构；

(b)确定所述解剖区域中的靶标位置；

(c)在起点和所述靶标位置之间产生一系列级联的路线形状以形成路径；以及

(d)产生彼此嵌套的多根同心伸缩管，对其进行配置和尺寸设计以利用所述级联的路线形状到达所述靶标位置。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述图像数据是从诸如CT扫描器、荧光透视系统、超声系统或MRI系统的成像系统产生的。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述解剖区域为肺。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述解剖结构是癌性的。

26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述管在伸展最远的管的尖端处包括医疗装置构件，所述医疗装置构件适于在特定靶标位置执行医疗程序。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述医疗装置构件是从以下构成的组中选择的：导管、伸缩尖端、导丝、消融装置、烧灼装置、缝合装置、电刺激装置、灌洗机构、血管成形术装置、热整形术装置和光纤装置。

28.根据权利要求22所述的方法，其中，所述靶标位置是由医疗程序的要求以及所识别的解剖结构的位置和取向确定的。

29.根据权利要求22所述的方法，其中，所述靶标位置是针对光动力疗法以及所识别的解剖结构的位置和取向确定的。

30.根据权利要求22所述的方法，其中，所述多根管在直管和弯管之间交替。

31.根据权利要求22所述的方法，其中，使用逆运动学对所述管进行配置或尺寸设计。

32.根据权利要求22所述的方法，其中，所述管中的一个或多个是由镍钛诺制造的。

33.根据权利要求22所述的方法，其中，所述靶标位置是由三个参数定义的，并且接近角是从可到达相邻状态确定的。

34.根据权利要求22所述的方法，其中，产生一系列级联的路线形状的所述步骤还产生将匹配于所允许空间中避开障碍物的管直径。

35.一种嵌套插管设计和配置商务系统，包括：

(a)通过基于网络的接口接收解剖区域和解剖结构的图像数据；

(b)接收关于特定医疗程序或患者的信息；

(c)由医疗程序的要求以及所述解剖区域中解剖结构的位置和取向确定靶标位置；

(d)在所述解剖区域之内的起点和所述靶标位置之间产生一系列级联的路线形状以形成路径；以及

(e)产生用于彼此嵌套的多根同心伸缩管的规格，对所述同心伸缩管进行配置和尺寸设计以利用所述级联的路线形状到达所述靶标位置。

36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述解剖结构为肺。

37.根据权利要求35所述的系统，其中，所述信息与医疗程序相关，且所述医疗程序为光动力疗法。

38.根据权利要求35所述的系统，还包括制造或组装所述同心伸缩管的步骤。

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