CN102271599B - 关于曲率交互作用、多个曲率半径和自适应邻域的规划 - Google Patents

Abstract

基于同心插管的医学机器人的规划部署考虑了多个曲率半径。曲率半径依赖于管直径。具有较小直径的管可以具有较紧的曲率半径。规划还考虑了管的惯性矩和弹性。出于规划的目的，A^*算法连同配置空间、代价度量以及邻域被用于代价波传递。邻域是自适应的。自适应邻域对于配置空间数据结构上的每个节点可以是不同的，并且依赖于用来在要检查的体内实现从最远点到最近点的路径的单独管的曲率影响特性。

Description

关于曲率交互作用、多个曲率半径和自适应邻域的规划

本发明涉及同心插管在体内、例如内科患者人体内的规划插入的领域。

下列相关申请和专利文献以参考的方式并入本文中：

●于1990年8月14授予Trovato等人的第4949277号美国专利。

●于1999年3月9授予Averkiou等人的第5879303号美国专利。

●于2003年8月5授予Dorst等人的第6604005号美国专利。

●在先的由Trovato等人于2006年10月6日提交的s/n 12/088870号共同待决的美国专利申请(3D Path Planning，Simulation and ControlSystem)，美国专利申请公开第2008/0234700号，2008年9月25日。

●在先由Trovato等人于2008年6月26日提交的第61/075,886号共同待决的美国临时申请(Method and System for Fast，Precise PathPlanning)，其为于2009年6月16日提交的PCT/IB2009/05250号国际申请。

●在先由Greenblatt等人于2008年10月17日提交的第61/106287号共同待决的美国临时申请(Interlocking Nested Cannula)，其为于2009年10月12日提交的PCT/IB2009/054474号国际申请。

●在先由Trovato于2007年8月15日提交的第IB2007/053253号共同待决的国际申请(Active Cannula Configuration for MinimallyInvasive Surgery)，国际公开号为WO2008/032230A1，2008年3月20日。

●在先由Trovato于2008年6月25日提交的第61/075401号共同待决的美国临时申请(Nested Cannulae for Minimally InvasiveSurgery)，其国际申请号为PCT/IB2009/052521，2009年6月12日提交。

这些文献一同描述了一种医疗应用，其大概概括如下：

在图1中，患者101在扫描设备102中接受扫描。扫描设备可以是任何合适的类型，例如超声、CT扫描或者MRI扫描。患者身体的任何部分均可被扫描，例如肺部。扫描结果将显示患者身体的内部结构。所述内部结构可包括诸如肺部的气道、血管、尿道、鼻道或肠的管状通道。内部空间可以是更为开放的(open)，例如胃、膀胱或窦。在某些情况下，内部结构将是固态组织(但是其中某些区域是优先的)，例如大脑内的。这种医疗应用不限于任何具体的扫描技术或者任何具体的体内空间。

扫描设备将包括用于收集和处理来自扫描的数据的处理器103。处理器可以是任何合适的类型，并且通常将包括至少一个用于存储可执行程序代码和数据的机器可读介质。可以有一种或多种不同类型的多个处理器和多个存储介质。处理器常常具有一些与外部设备进行通信的途径。该处理器被示出具有用于无线通信的天线105，但是同样可以通过有线连接因特网、红外、经由光纤或者经由任何合适的方式进行通信。扫描设备还将包括至少一个用户接口104，其包括下列中的一个或多个：显示器、触摸敏感屏、键盘、指针设备、麦克风、扬声器、打印机和/或任何其他用户接口外设。本发明不限于与用户或外围仪器进行通信的任何具体的外设。

尽管所有处理均可以在扫描设备内进行，但也可以有外部处理器106，以用于执行路径规划，以及假定的一组用于遵循该路径的“净形状”。处理器106将与用于存储数据和程序代码的至少一个介质107关联。介质107可以包括各种类型的驱动器，例如磁的、光学的或者电子的，以及存储器，例如可让执行代码和数据结构贮存于其中的超高速缓冲存储器。规划过程的输出被示意性示出，并且包括任何合适格式的技术规格108以及同心插管109自身。

图2示出了从扫描中分割获得的患者肺中的管状通道的图像。期望将医学设备插入这些管状通道中，因为这使得在通向靶标位置的路线上形成的伤害最小。当内窥镜被用于穿过通道时，这种外科手术被称作NOTES(天然管腔内内窥镜手术)。这种外科手术不需要外科手术靶标位于管状通路内，而是要求通过具有穿过已有管的工具以较小创口到达靶标，使得靶标可经管腔到达。

已经提出诸如活动插管的管状设备，参见例如R.J.Webster等人在2006IEEE/RSJ(2006年10月，中国北京)第2857-2863页中的“Toward ActiveCannulas：Miniature Snake-like Surgical Robots”。这些设备依赖于两个或更多个管之间的在它们彼此相对旋转时引起侧向运动的交互作用。当它们从彼此伸出时，它们能够引起各种侧向运动，特别是在它们沿单根管具有不同曲率的情况下。如果这种运动被仔细描述，则可以利用这些运动来到达多个位置，其类似于自由空间中的机器人。然而，如果这种侧向运动大于有效操纵空间，则这些设备在经管腔延伸时会遇到困难。尽管Webster的文章考虑了部署期间管的交互作用，但是未考虑与使活动插管遵循所规划的路径有关的问题。

这些设备可帮助收集数据、收集组织、或者执行其他程序。例如，基于患者的图像，可以使一组管从最大到最小地伸展，使得在被部署时，它们具有这样的结构，即：每个插管的至少一部分留在患者的近端，同时较小的插管将按照直径的相反顺序伸入患者内部空间。因此，最粗的插管的终端将更靠近近端，同时最细的插管将伸向更远处。在本文中，如果在被部署时插管的终端更靠近远端，则该插管将被视为更靠近远端-如果在被部署时插管的终端更靠近近端，则该插管将被视为更靠近近端。

嵌套插管与活动插管略微不同，因为它们被构造成借助最小的侧向运动(扭动)在特定环境下到达特定位置。在一种嵌套插管中，管被互锁，使得它们不作相对旋转。插入应当使得对管状通道或其他组织的损伤最小。这种损伤可能来源于插管的移动。嵌套插管例如在在先的由Greenblatt等人于2008年10月17日提交的第61/106287号共同待决的美国临时申请(Interlocking Nested Cannula)中有所描述，其中该临时申请为于2009年10月12日提交的第PCT/IB2009/054474号国际申请。

图3示意性示出了将要执行的过程的范例。首先，在301上，患者接受扫描。然后在302上创建图像，其指示禁止区域以及典型地穿过其他区域的代价。例如，可以将图像进行分割以从图2所示图像的其余部分中提取气道。然后在303上规划路径，其包括一系列形状。如之前的路径规划应用中所描述的那样，这需要定义用于开始查找的种子位置。接着建立同心插管设备以获得特定形状，在304上由专业人员接收该设备。最后，在305上，通过按照特定顺序伸展管在患者身上执行期望的程序。

考虑到现代科技的灵活性，这些操作中的很多可以远程实施。例如，可以在一个地点将数据处理输入到(例如经分割的)内部空间的模型中。可以在第二个地点规划通过该空间的路径以及适于遵循该路径的设备。然后可以在第三个地点组装该设备，此后再将该设备返还给技术人员或内科医生，以用于插入患者体内。优选地，可以在具有良好的质量和卫生控制的制造设施中组装嵌套插管设备；尽管如此，所有这些步骤也可以在单一地点执行，由内科医生自己来组装要插入的设备。

已经有人提议利用A^*型路径规划来使得对活动插管的部署变得容易，参见例如在先由Trovato等人在2006年10月6日提交的题为“3D TOOLPATH PLANNING，SIMULATION AND CONTROL SYSTEM”的s/n12/088870号共同待决的美国申请，于2008年9月25日公开的第2008/0234700号美国专利申请公开，其以引用的方式并入本文并且成为本申请的一部分。这种规划利用了“配置空间”。“配置空间”是一种存储在至少一个机器可读介质上的数据结构。该配置空间代表了有关物理任务空间的信息。在本例中，物理任务空间为活动插管将要被插入的患者身体的内部结构。配置空间包括很多“节点”或“状态”，它们分别代表插入过程中设备的配置。

图4示出了在先由Trovato等人在2008年9月23日提交的第61/099,223号和于2008年6月26日提交的第61/075,886号共同待决的美国临时申请所教导的、用于创建配置空间中的节点的源程序代码，其优选被改进以利用本文所教导的方法使存储器最小化。这种程序代码被转换成机器可读代码，并且被包含在介质上以供本发明使用。当代码被执行时，将产生包含在介质上的配置空间数据结构。已经发现，这种特殊的代码对于人体内部空间而言是有利的。通过增加3D配置空间路径，这种代码允许将6D空间压缩成3D，其具有高精度的位置和取向，而不是从这些位置和取向的配置状态位置推断出它们。

A^*或‘代价波传递’将在被用于配置空间时查找配置空间，在每个被访问的状态上留下指向“通往种子的最佳路径”的方向，例如指针。“代价波的传递”包括从查找种子(常常是靶标点)开始。通过配置空间数据结构的代价波的传递利用包含在介质上的另一种类型的数据结构，其被称作“邻域”。邻域是关于从配置空间中的一种状态到该配置空间内的其他状态的允许过渡的一种机器可读表示。例如在图6中，在关于给定位置的八个均匀间隔的旋转上示出了单个弧(也称作纤维)的单个曲率。弧长可以根据应用被限制成小于90或180度，并且在中心示出的细丝(thread)(曲率为零的弧)也可以被限制成近似具有相同的长度。

代价波的传递还包括“度量”，其为评估因从一个状态过渡到邻域状态所引起的代价的函数。

在本文中，术语“同心插管”将被用来包括上述活动插管和嵌套插管。本发明也适用于这两种类型。

用在活动插管中的一种有利材料是Ni-Ti合金(镍钛诺)。镍钛诺具有“记忆形状”，即能够在高温下设计或者预设镍钛诺的管/线的形状。因此，在较低温度(例如室温或体温)下，如果较小管从较大管中伸出，则它恢复其“设计形状”。镍钛诺的另一个好处是它可以被用在MRI机器中。它是一种相对较强的材料，因此能够被用来形成薄壁，从而实现若干管的嵌套。外径从5mm至0.8mm的0.2mm及其以下的管在市场上可轻易获取。也可以使用其他材料，诸如聚碳酸酯，其特别用于低代价的互锁嵌套插管。

根据现有技术发展水平的同心插管以两种常见类型出现：

●“活动插管”，其是指管在部署过程中能够相对彼此旋转；及

●“嵌套插管”，其是指管将被构造成尽可能地防止发生旋转。

本发明可适用于这两种类型。但是，优选地，管的角取向在整个部署过程中保持固定，因为旋转可能导致组织受损。

用在活动插管中的一种有利材料是Ni-Ti合金(镍钛诺)。镍钛诺具有“记忆形状”，即能够在高温下设计或者预设镍钛诺的管/线的形状。因此，在较低温度(例如室温)下，如果较小管从较大管中伸出，则它采取其设计形状。镍钛诺的另一个好处是它可以被用在MRI机器中。它是一种相对较强的材料，因此能够被用来形成薄壁，从而实现若干管的嵌套。外径从5mm至0.8mm的0.2mm及其以下的管在市场上可轻易获取。尽管如此，也可以使用其他材料，诸如各种种类的塑料。

规划结果优选为：

●一组可在身体内部署的同心插管；和/或

●该组插管在长度和半径方面的规格。

关于已有的方法和装置仍有某些有待改进的地方，例如，如果可以使用更大曲率半径，则嵌套插管可以获得更好的灵活性。通过考虑该组中的若干插管的组合曲率影响特性，可以进一步减少对患者组织的损伤。

期望利用自适应邻域和改进的计算实现这些目的中的一个或多个。各种目的和实施例将在文本的剩余部分中变得显而易见。

下列附图以非限制性范例的方式示出本发明。

图1示出了正被扫描的患者；

图2示出了肺部模型；

图3是本发明工作过程的流程图；

图4示出了用于实现关键配置空间数据结构单元的程序代码范例；

图5是示出对称的角取向的管角取向选择的邻域表示的示意图；

图6是基于先前(父类)细丝与如图5所示那样倾斜的其他标称细丝的交互作用的管细丝的邻域表示的示意图；

图7是具有各种曲率半径的插管的图；

图8是根据最大应变与插管的转向半径有关的模拟结果的图；

图9是根据插管转向半径与所到达的猪肺的百分比有关的模拟结果的图；

图10示出了一组弯曲管的中心线；

图11A是图10的管的半径和管尺寸的表格；

图11B是示出净曲率的计算的表格；

图12示出了具有三个可能的曲率半径的三个插管；

图13示出了通过图12的三个插管的旋转形成的邻域；

图14为表格，其示出了设置在不同取向上的两个管的范例输入规格，以及关于从每对交互作用中获得的净曲率的范例输出规格，它们共同构成邻域；

图15是用于实现邻域数据结构单元的程序代码；

图16为表格，其示出了设置在不同取向上的两个管的范例输入规格，以及关于从每对交互作用中获得的净曲率的范例输出规格，它们共同构成邻域；

图17是具有一个以上曲率的单个管的示意图；

图18A示出了用于实现经修正的关键配置空间数据结构单元的范例程序代码；

图18B为表格，其示出了管规格的范例；

图19示出了管一个接一个地朝向靶标延伸的动画；

图20示出了制造方法的示意图。

在本文中，术语“管”和“插管”将可互换地被用于指代要部署的设备的部件。术语“目标”和“靶标”也将被可互换地使用。

一组同心管中的最小管将为中心管。在本文中，该最小管还将被称作“最远端”管，因为在通常的使用中，它可以比其他管伸得更远。类似地，这组管中的最大管位于这组同心管的外侧，并且将被称作“最近端”管。这种命名法表示，一旦这些管被部署，最大管的末端将最接近插入点。最小管将从插入点贯穿整个路径延伸至目标。

本发明的应用领域被设想包括很多种程序，包括成像、化疗、化疗栓塞、辐射种子、以及光动力学疗法、神经外科、消融、腹腔镜检查、血管外科和心脏外科。根据本发明的同心插管可用于其他场合，例如探索复杂机器内部。在本文中描述的自适应邻域的普遍版本可用于更广的机器人领域。

期望在规划同心插管设备和路径中考虑多种相互依赖的因素。它们包括：

-要执行的程序或观察的地点-该地点也被称作靶标；

-身体结构，包括自由空间和必须避开的障碍物；

-要部署的插管组；

-每个插管的弹性；

-每个插管的惯性矩；以及

-每个插管的曲率半径。

插管的交互作用

下面在参考数目中列出的Webster等人的文章里给出了插管如何相互机械交互的模型。该文章解释了同心插管的曲率是所有插管共同作用的结果。

当活动插管相对于彼此旋转时，它们共同的曲率和曲率平面发生改变。因此，这些插管执行两种移动：设备的尖端移动和侧向移动。尽管尖端前进是期望的特征，但是设备主体的侧向移动可能会引起与障碍物的碰撞。

利用各种插管弹性进行规划的一个方法是建立全逆运动学模型。这种模型在简洁性方面是有利的，但是也会涉及障碍物避让方面的困难。

另一种方法是执行有关弹性的计算-在规划完路径和一组嵌套插管之后-作为此后的校正。这在与本申请同时提交的申请人的申请编号为012139US1的共同待决申请中有所讨论。

第三种方法是将管的曲率影响特性用作用于路径规划的人工智能型查找算法的一部分。该方法的范例是利用A^*和适当选择的邻域查找配置空间，例如下文中讨论的那样。

可以采取n组{k_i，α_i，I_i}的形式描述一组同心插管，其中k_i为第i段的曲率，α_i为第i个管相对于第i-1个管的角取向，而I_i为第i个管横截面的惯性矩。

在图5中的501处示出了弯曲段(有时称作细丝)的角取向的一些范例，同时还在中间示出了笔直段502。在该附图中，α_i的每个角度数值增大另外的45度，因此在本例中将整个360度均匀分为8个均匀间隔且对称的曲线。每个管i被示出在附图平面上是沿逆时针方向测量的。所选择的离散化是针对八个不同角度的对称组，其中相邻曲线之间为45°。本领域技术人员可以选择期望的精确度所要求的更多或更少的角度，并且作为替换方式，可以选择非均匀间隔的角度。更多的角度产生更精确的规划，但是略微增加了存储器的需求以及计算的复杂度。本领域技术人员在选择离散化时必须平衡这些因素。优选地，角取向α_i相对于在前的(即近端)管是固定的。这确保整个设备的主体在部署过程中不侧移，从而确保不接触障碍物(也称作碰撞避免)，并减少组织伤害。

下面将进一步讨论图6，其示出了不对称的管取向选择。

图7示出了根据本发明所部署的具有各种“净”曲率的同心插管。没有笔直的管。一般而言，较小插管与较大插管相比可能形成较小的转向半径(或者等同地，较大的曲率)。这将在下文中进行更详细的论述。由于这是平面图，因此所部署的设备被示出在平面内。实际上，所部署的设备将具有三维形状，其中各种曲率在不同平面上。

管曲率(k _i )的选择

管i可以获得最小“转向半径”或等同地最大曲率K_i，其中R_i＝1/K_i，其取决于该管的最大应变数值。这种最大应变为材料的一项特性。期望确保管维持其弹性能力以在其伸出封闭管之后恢复其原始形状，并且期望确保能够进行多种操作。这些因素进一步降低了可接受的应变量。可获得的曲率是管外径和应变的函数。如图8所述，较小的管可具有较小的转向半径。然而，之前的规划方法假设所有管的曲率均等于最大管的单一“转向半径”。这种假设不必要地限制了较小直径的插管的灵活性。

图8示出了基于外径的在不同应变下能够获得的最小转向半径的范例。所给出的应变是针对镍钛诺的典型应变。水平轴示出了用毫米表示的管外径，其范围为0.31-4.37。垂直轴示出了可能的最紧(最小)转向半径。垂直轴以毫米为单位，其范围为0-50。三角形点表示根据最大应变为0.05的管的外径的转向半径。方形点表示根据最大应变为0.06的管的外径的转向半径。菱形点表示根据最大应变为0.08的管的外径的转向半径。随着外径增大，转向半径也增大。

通常，每个管的最大曲率(即最小曲率半径)可以根据下列方程来计算：

$k_i^{\max }=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_i}{d_i}$

其中，d_i为第i个管的外径，ε_i为第i个管的应变(对于材料相同的管而言，所有管的ε将都一样)，是最大曲率，参见下面在参考文献中列出的Webster文章的第2858页。

图9示出了基于邻域，例如基于图5所示的邻域，对可到达性的研究，图5具有八个弯曲邻元素(neighbor)和一个笔直邻元素。假设对于所有直径的管而言，弯曲邻域具有固定的转向半径。水平轴是所选择的转向半径，单位为毫米，范围为5到40。垂直轴示出了所到达的所有气道体素的百分比，范围为零到100％。在该附图中，突出显示了8毫米转向半径的点(其中能够到达样品猪肺的99％)、18毫米转向半径的点(其中能够到达猪肺的93％)、28毫米的点(其中能够到达猪肺的88％)以及38毫米转向半径的点(其中只能到达肺的85％)。叠置于曲线上的肺模型图示示出了对肺中精细结构的接近机会是如何随着曲率半径的增大而减少的。这是有关图中每个点的图示。

为了这个模拟，基于猪肺的计算机模型，从碰撞角度来看未将管直径视为限制。在路径规划计算过程中，只要路径位于肺内，则理论上认为较宽的管也能够到达该点-未考虑转向半径。

尽管在此关于肺对转向半径对可到达性的影响进行了模拟，但是也可以获得关于其他身体区域(例如脉管系统)的有利结果。

通过根据所并入的专利文献定制路径规划者使用(任选地)每个管尺寸下可能的最紧曲率，可以规划灵活性更大的同心插管组。然而，第i个管的曲率可以被选择成具有允许范围内的任何数值，其中零曲率定义出笔直管。

图10示出了延伸直到尖端旋转90度的曲率组的范例，并且在同一图上示出了笔直细丝。这些曲率指示管的中心线，但不指示内径或外径。所示的细丝具有与笔直细丝1009的外径有关的曲率范例，如图11的表中所示。所选择的曲线可围绕X轴旋转，以形成可在邻域数据结构中表示的一组相关弯曲线选择。图12示出了一组三个曲率选择的范例。图13示出了这三个曲率被转动至若干离散的角取向，以创建管选择的邻域的示意性图示。

当组装这组同心插管时，插管的数量限定了管的最外侧直径。管的数量将伴随有从规划者所选择的邻域中得到的特定的管曲率和取向。

自适应邻域

“自适应”邻域是能够根据配置空间中的状态而变化的邻域。这些变化通常将基于与一个或多个相邻状态关联的数值，并且通常在代价波传递期间动态发生。就同心插管而言，邻域将根据管数量而变化，而且还根据先前在代价波传递期间访问的管而变化。

如果曲率不同的两个管相对于彼此进行角旋转，则必须考虑它们的角和曲率的交互作用。所得到的曲率具有两个平面分量。所得到的“净曲率”的普遍形式依赖于两个管之间的弹性交互作用，并且如下：

${\stackrel{\‾}{\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}}_r=\frac{1}{E_1{I}_1+E_2{I}_2}\·\left[\begin{array}{c}{E}_1{I}_1\·{\mathrm{\κ}}_1\·{\sin \mathrm{\α}}_1+E_2{I}_2\·{\mathrm{\κ}}_2\·{\sin \mathrm{\α}}_2\\ E_1{I}_1\·{\mathrm{\κ}}_1\·{\cos \mathrm{\α}}_1+E_2{I}_2\·{\mathrm{\κ}}_2\·{\cos \mathrm{\α}}_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，α₁和α₂是围绕参考轴的旋转角，k₁和k₂是管的曲率，E₁I₁和E₂I₂分别是每个管的杨氏模量和惯性矩的乘积。

所得到的曲率是2D矢量：

${\stackrel{\‾}{\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}}_r=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\κ}}}_{\mathrm{rx}}\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\κ}}}_{\mathrm{ry}}\end{array}\right],---\left(2\right)$

其中 ${\stackrel{\‾}{k}}_r=\sqrt{k_{\mathrm{rx}}^2+k_{\mathrm{ry}}^2}$ 和 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_r={\tan }^{-1}(k_{\mathrm{rx}}/k_{\mathrm{ry}})$ 为最终(净)曲率和取向。数值表示正被组装的管的净曲率和净取向，而数值{κ_i，α_i}表示管的“自然”的预组装的曲率和取向。

在部署过程中，通常存在两个以上管之间的交互作用，例如具有力矩I_i，I_i+1，I_i+2、曲率k_i，k_i+1，k_i+2和角度α_i，α_i+1，α_i+2的三个管之间的交互作用，其中i表示最外侧管。为简化计算，所得到的曲率将利用方程(1)进行计算，其中利用了以下事实，即：两个嵌套的管(例如i和i+1)在与第三个管交互作用时作为一个管。这两个管的惯性矩为I₁＝I_i+I_i+1，曲率为第三个管作为一个管，因此定义I₂＝I_i+2和k₂＝k_i+2。

如果该自适应邻域模型被用于计算美国临时申请#60/725185(WO2007/042986)中的“容许运动的邻域”的细丝，则在每个传递步骤中，能够将管交互作用解释成A^*算法传递。这种传递优选从所定位的“种子”开始，通常情况下，最小管将从“种子”处伸向靶标，使得管能够顺序分层。

为简化本文中的计算，将假设所有管由完全相同的材料制成，因此且其中和分别为管的外径和内径，const1为常数，其中在这种情况下，方程(1)可以被简化，从而消去所有的E_i和const₁，因此使用I_i ^*＝I_i/const₁。本领域技术人员可能会将设备改变成包括不同材料。在这种情况下，必须改变计算以反映这点。

图11B示出了利用3个管(编号为0、1和2)的范例。

管0为具有最小外径(OD)的最小管，其通常接触靶标(用于查找的种子位置)。管0的转向半径为18mm(曲率＝0.056mm^-1)，且角取向为45°(0.7854rad)。管1是下一个身体管，其曲率为0.036mm^-1(半径＝28mm)。管2的曲率为.029mm^-1。

从针对管0和管1的方程(1)的交互作用模型中能够计算所产生的交互作用，以便定义净曲率和角度。这在图14的表中示出。因此，该表为两个交互作用的管的范例，其中假定第一管被设置成某一角度，例如可以是管从靶标指向当前位置的角度。第二管可以被定位成按照8个不同角度中的任何一个从例如第一管的尖端伸出。它们的交互作用的净结果为净邻域，其类似于图6中示出的。因此，该净邻域在曲率和角度上均是不对称的(如图6所示)，而非图5中示出的对称邻域，并且它描述了被视为交互作用的管的结果的路径。

从图14的表的最后两栏中可以看出这种不对称。该邻域不是一次计算出的，而是必须在每次分段过渡时(其通常是每个新节点被打开(扩张)时)重新计算。在图7中示出了分段和分段的过渡，其中对于第一(最小)管，下标为0(零)，邻域中的弧形细丝均匀分布在360°圆上(例如，对于图5的8弧段邻域，间隔为45°)。因此能够根据弧段的指标i计算旋转角(α＝(i-1)*45°，其中i为当前的细丝编号)。对于后面的每个管(下标为1到n-1)，必须计算自适应邻域。假定管交互作用复杂，则向图14中的邻域加入角度数值。

图15示出了用于实现邻域和数据结构单元的程序代码。应当注意，在现有技术的应用中，有时将邻域称作“刷子”(因为它看似刷子)。

在图15的范例中，用“OLD THREADNODE”标记的早期方法利用细丝编号获取角度(alpha)，因为它是邻域的第一指标。在图15的范例中，用“NEW THREADNODE”标记的当前提出的方法明确地存储所计算的(净)alpha数值，因为它依赖于在前的管，并且将被用于计算后面的管的交互作用。

在图15中，n表示由实际位置(例如以mm为单位的x、y、z)描述的邻域上的点，theta和phi是配置空间的坐标空间中邻域的取向，alpha是邻域细丝相对于在前管的取向。

在邻域数据结构的THREADNODE中，变量alpha、n、cost(代价)、theta和phi的数值随着算法传递而变化。

然而，必须维持嵌套管的分段之间的取向，例如以便能够利用如在先的共同待决的由Greenblatt等人于2008年10月17日提交的61/106287号美国临时申请中所述的互锁机构。这确保在整个管中，管一端的插入角始终保持定向。如果所用互锁例如是六边形，并且管沿着平坦面弯曲，则可以方便地将第二管锁入6个可能取向中的任何一个。“净细丝”的邻域于是基于当前管的曲率以及与六个弧形管和任选地笔直管的交互作用来计算。

因此，基于第一管和用于设置物理管的一些可能取向计算净邻域。这些取向根据应用可以是均匀分布的，或者可以是不均匀分布或优选地集中在某些方向上的。例如，可以优选避免通向与当前管相反方向的管。

为了在整个旋转上获得均匀分布的角度，从而确保分段之间存在固定的相对分离角，计算n条细丝，其中在它们之间具有标称的2π/n角。然而，假如在管之间存在交互作用，则所得到的角度将是不均匀分布的。

接着利用上述一组管(管0、管1和管2)并且假设它们具有八边形横截面，计算范例自适应邻域。当最低代价节点被“打开”时，规划者建立邻域。在我们的范例中，将假定“当前的最佳路径”遵循图14中用1401标出的弧。应当从之前的角度开始，利用8个均匀分布的角度来计算下一邻域。在图16的表格中给出了如何根据用图14中的划上阴影线的长方形标记的分段(其具有.039mm^-1的净曲率和所形成的1.48弧度的取向)建立邻域的范例。图14中表示管0和管1的总(净)交互作用的.039mm^-1的净曲率k_r变为图16中的k₁。所得到的图14中的取向α_r＝1.480变为图16中的α₁。在该表格中，α₂从α₁开始以π/4(＝.785)的步阶均匀分布。显然，邻域能够以其他模式分布，然而对于六边形管(例如该范例中所述的)，优选以相对于面对齐的增量选择角度。

当算法探索该配置空间内可能的管组的空间(其也被视为障碍物空间)时，邻域适应于“当前”采用的最佳管系列。自适应邻域的计算使用之前的净曲率(.039)、之前的净角度(1.48弧度)、之前的惯性矩、下一管的曲率(.029)、以及下一管的惯性矩来计算下一个适应的邻域。

图18A示出了用于实现在路径规划中考虑曲率影响特性时使用的修正的配置空间数据结构单元的程序代码范例。由于在进行规划之前已知有关每个管编号的曲率(每个管尺寸)，因此能够从管曲率查询数组中利用下一管的管编号(图18A，currentTubeNumber)检测“下一管”的曲率。因此，61/075886号美国临时申请和图4中描述的节点结构优选通过图18A中的变量currentTubeNumber得到扩展。由于在进行规划之前已知每个管编号的直径，因此可以预先计算每个管的惯性矩，并且将其存储在查询数组中。

存在两种不同的方式来获得父类(parent)参数，即第i个节点的曲率和角度

方法1

在该方法中，61/075886号美国临时申请和图18A中描述的节点结构通过变量previousCurvature得到进一步扩展。该变量在节点被“改善”时更新，以使得它存储用于到达该节点的净曲率因此，在新扩展期间，关于每条细丝执行一次计算-如方程(1)和(2)及图16中所述那样。在优选实施例中，当探索到细丝时，如果当前细丝与父类细丝相同，则曲率、角度和管编号可以保持与父类不同。这实质上是将父类管扩展，而未添加额外的管。如果从方程(1)和(2)计算交互作用的时间为t，则这种方法用于一次扩展的计算时间为O(N*t)，其中N为邻域中的细丝数。该方法将使解决该问题所需要的存储器增加M^*(CURVATURETYPE)的大小，其中M为得到改善的节点总数，(CURVATURETYPE)的大小在32位处理器上为4比特。然而，利用61/075886号美国临时申请所述的存储器降低方法，配置空间的大小有少量增加。

方法2

在该方法中，不保存先前的父类曲率，而是进行“即时”计算。通过提取之前所有管的特征(以指向父类的指针开始，该指针为变量vector，图18A)来计算交互作用。由于指针可以被用于追溯种子点，因此能够重新获得每个管的物理曲率和相对于之前管的相对旋转：

α_i＝(线-1)·2·π/(N-1)

其中N为邻域中的细丝数。

通过针对每个分段交替使用方程1和2，能够计算到达第i个节点的净曲率。

该方法不需要比61/075886号美国临时申请所述的更多的存储器。每次扩展时的计算时间为O((N+currentTubeNumber-1)*t)，每次扩展增加O((currentTubeNumber-1)*t)。

在某些情况下，制造同时含有笔直部分和弯曲部分的管更为容易，如图17所示。该范例管具有曲率K₂＝0的笔直部分和曲率半径为2cm(或者等同地K₁＝.5)的弯曲部分。在上述计算中，可以将这种管作为两个管来处理，其中每个管的惯性矩和杨氏模量相同，但曲率不同。而且，必须对这种计算进行调整以表示这“两个”管不发生交互作用。

典型地，在具有三个以上管的组件中，在有3个以上的管重叠的区域上，最内侧管将不再对设备的总曲率产生明显影响。可以通过应用用于确定有多少个管被认为对净曲率有贡献的阈值来简化这种计算。一种阈值可以是与确定内侧管的惯性矩何时小于某外侧管的惯性矩的某个预定百分比有关的。这样一个预定百分比可以是10％。另一种阈值将在重叠区域上只考虑预定数量的(例如三个)外侧管。

先前计算的结果是管组规格，其通常为顺序编号的管的列表的形式。每个顺序编号的管还将规定直径、曲率、长度和取向：例如图18B中所示那样。

输出可以是动画或者一些其他图像输出的形式。图19示出了这种动画，其中连续的帧图示出同心插管在肺中的前进。这种动画可以伴随有与管特征和/或管的部署有关的声音或文字指示。制造商在接收该规格时将生产包括一组同心插管的设备。这些插管将优选在气密且无菌的包装(其中使它们的远端平齐)中运输。优选通过插入组件、然后按照管直径的逆序推进内侧管，直至组件中所有管近端平齐为止来进行部署。也可以采用其他顺序，并且可能涉及不同类型的交互作用。

图20示意性示出了多个单独的检查地点2001，其通过因特网2002向插管组的装配人员2003提供检查数据，装配人员接着将很多已组装的同心插管组2004运至合适的诊所和医院，它们在这些地方被部署到患者体内。一般而言，规划同心插管设备可以以离散的一组预先排序和存储的管2005开始。该离散组通过减少管数量、特别是制造商库存中一定有的特定曲率的数量，降低了制造成本。管还必须在2006处进行排序，在商业需求变化时也可以有所变化。

通过阅读本公开文本，其他修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这种修改可以包括在设计、制造和医学机器人使用中已知的其他特征，以及可以被用于替代或者补充已在文中描述的特征的其他特征。尽管本申请中的权利要求已被表述成特征的特定组合，但是应当理解，本申请的公开范围还包括任何新颖的特征，或者在文中明显或隐含公开的特征的新颖组合或其概括，无论它是否缓解了与本发明相同的技术问题中的任何一个或全部。因此，申请人注意到在本申请的申请或者源于此的任何其他申请期间，新的权利要求可以被表述成这些特征。

单词“包括”、“包含”或“含有”在本文中使用时不应被视为排除其他元件。“一”或“一个”在文本中使用时不应被视为排除多个元件。单词“或”应当被解释成包括在内的，换言之被解释成“和/或”。

参考目录

●DE 4223897C2

●第6572593号美国专利

●R.J.Webster&N.J.Cowan在2006IEEE/RSJ(2006年10月，中国，北京)第2857-2863页中的“Toward Active Cannulas：Miniature Snake-like Surgical Robots”

●K.I.Trovato，A ^* Planning in Discrete Configuration Spaces of  Autonomous Systems，(U.ofAmsterdam 1996)

●US 6251115

●P Sears等人的“Inverse Kinematics of concentric tube steerableneedles”，IEEE conf.on Robotics andAutomations，第1887-1892页(2007)

Claims (21)

1.一种用于配置同心管组件的方法，该方法：

接收许可管规格的表示，该管规格包括关于直径和针对每个直径的至少一个相应曲率半径的至少一个指示，其中，对于至少一个管的相应曲率半径小于至少一个具有更大直径的管所可能具有的曲率半径；

接收关于由所述管探索的空间的描述，所述描述包括以下表示：

至少一个起始点，

至少一个自由空间和/或至少一个障碍物，以及

至少一个目标点；

选择一组管，使得当所述管被部署时，它们将定义出至少一条路径，所述路径通过自由空间并且避开障碍物穿过从所述起始点到所述目标点的空间，这种选择响应于所述组管和描述，这种选择的输出包括：

至少一连串管的规格；

针对每个管的至少一个曲率半径；

针对每个所选择的管的相应长度；以及

管相对于之前管的角取向。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述曲率半径中的至少一个是基于针对相应管直径的可能的最紧转向半径来选择的。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述表示对应于期望在制造设施处维持的一组离散管。

4.如权利要求1所述的方法，其中

所述表示包括包含在至少一个介质上的机器可读邻域数据结构；

关于所述空间的所述描述包括包含在所述介质上的机器可读配置空间数据结构；以及

所述选择包括应用A*算法，该A*算法响应于所述邻域使代价波传递通过所述配置空间。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择的所述输出包括动画。

6.一种用于规划一组同心管的方法，其包括：

接收以包含在介质上的机器可读配置空间数据结构的形式、关于要探索的空间的机器可读描述，所述描述考虑了至少一个起始、至少一个目标和至少一个障碍物；

接收包含在介质上的机器可读自适应邻域数据结构，所述自适应邻域数据结构包括关于具有不同直径和对应于每个管的至少一个相应曲率影响特性的多个管的表示；

利用A*算法、所述配置空间数据结构和所述自适应邻域数据结构，同时避开所述障碍物，将代价波从最远端管传递至最近端管，这种传递包括单独管的累计效果，使得所述组同心管的净曲率结合了所述相应曲率影响特性中的至少一些的效果；以及

响应于所述A*算法，输出要部署以遵循由代价波的传递产生的从所述起始到所述目标的路径的一组管的规格。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述曲率影响特性为曲率半径。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述曲率影响特性为惯性矩。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述曲率影响特性为弹性。

10.如权利要求6所述的方法，其中，所述曲率影响特性为角取向。

11.如权利要求6所述的方法，其中，累计包括：

保存所述配置空间的至少一个状态节点上的净曲率；以及

在所述一个状态节点之后打开下一状态节点时使用所保存的净曲率。

12.如权利要求6所述的方法，其中，累计包括：

在打开所述配置空间数据结构的当前状态节点时，重新获得与在这种打开之前形成的至少一个单独管选择对应的至少一个曲率影响特性有关的至少一个数值；以及

将所述数值与和当前单独管选择关联的数值结合。

13.如权利要求6所述的方法，其中，针对至少一个管，所述邻域数据结构包括累计来自至少一个其他管的曲率影响特性的效果的不对称的结果角取向的值。

14.如权利要求6所述的方法，其中，所述邻域数据结构是自适应的，因为所述邻域取决于管编号，并且针对每个管编号包括：

响应于弹性和/或惯性矩的至少一个相应数值；

多个相应角旋转数值，其对于至少一个管编号是对称的，并且对于至少一个其他管编号是不对称的；以及

选项，用于选择具有与相应直径对应的相应转向半径的管，使得所述转向半径小于更靠近近端管所可能具有的转向半径。

15.如权利要求6所述的方法，其中，所述输出是动画。

16.一种用于产生同心管的配置的方法，包括：

维持关于要穿刺的物理任务空间的第一表示；

维持关于要在该空间内部署的一组管的第二表示，所述第二表示包括针对每个管的至少一个曲率影响特性的指示；

响应于所述第一表示和所述第二表示，同时考虑由于所述曲率影响特性引起的同心管之间的交互作用，规划所述同心管的配置，所述配置指示所述同心管的配置的净曲率；以及

传送以能够从中生产同心管组件的形式的所述配置。

17.如权利要求16所述的方法，其中：

所述第一表示包括包含在介质上的机器可读配置空间数据结构；

所述第二表示包括包含在介质上的机器可读邻域数据结构；以及

所述规划包括考虑所述曲率影响特性响应于所述邻域应用A*算法以查找所述配置空间。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述邻域是自适应的。

19.一种用于配置同心管组件的装置，其包括：

用于接收许可管规格的表示的模块，该管规格包括关于直径和针对每个直径的至少一个相应曲率半径的至少一个指示，其中，对于至少一个管的相应曲率半径小于至少一个具有更大直径的管所可能具有的曲率半径；

用于接收关于由所述管探索的空间的描述的模块，所述描述包括以下表示：

至少一个起始点，

至少一个自由空间和/或至少一个障碍物，以及

至少一个目标点；

用于选择一组管，使得当所述管被部署时，它们将定义出至少一条路径的模块，所述路径通过自由空间并且避开障碍物穿过从所述起始点到所述目标点的空间，这种选择响应于所述组管和描述，这种选择的输出包括：

至少一连串管的规格；

针对每个管的至少一个曲率半径；

针对每个所选择的管的相应长度；以及

管相对于之前管的角取向。

20.一种用于规划一组同心管的装置，其包括：

用于接收以包含在介质上的机器可读配置空间数据结构的形式、关于要探索的空间的机器可读描述的模块，所述描述考虑了至少一个起始、至少一个目标和至少一个障碍物；

用于接收包含在介质上的机器可读自适应邻域数据结构的模块，所述自适应邻域数据结构包括关于具有不同直径和对应于每个管的至少一个相应曲率影响特性的多个管的表示；

用于利用A*算法、所述配置空间数据结构和所述自适应邻域数据结构，同时避开所述障碍物，将代价波从最远端管传递至最近端管的模块，这种传递包括单独管的累计效果，使得所述组同心管的净曲率结合了相应曲率影响特性中的至少一些的效果；以及

用于响应于所述A*算法，输出要部署以遵循由代价波的传递产生的从所述起始到所述目标的路径的一组管的规格的模块。

21.一种用于产生同心管的配置的装置，其包括：

用于维持关于要穿刺的物理任务空间的第一表示的模块；

用于维持关于要在该空间内部署的一组管的第二表示的模块，所述第二表示包括针对每个管的至少一个曲率影响特性的指示；

用于响应于所述第一表示和所述第二表示，同时考虑由于所述曲率影响特性引起的同心管之间的交互作用，规划所述管的配置的模块，所述配置指示所述配置的净曲率；以及

用于传送以能够从中生产同心管组件的形式的所述配置的模块。