CN104667412B - 用于导管插入的机器人辅助器 - Google Patents

Abstract

一种用于导管插入的机器人辅助器。本发明公开了用于控制侵入式探头相对于包封所述探头的护套的运动的设备。所述设备包括外部壳体，所述外部壳体被配置用于连接至所述护套。所述设备还包括驱动机构，所述驱动机构固定地连接至所述外部壳体。所述驱动机构具有第一组部件，所述第一组部件被配置成使所述探头沿平行于所述探头的轴线的方向平移，以使所述探头相对于所述护套以逐步平移的方式推进并回缩。所述驱动机构还包括第二组部件，所述第二组部件使所述探头围绕所述探头的轴线旋转，以使所述探头相对于所述护套以逐步旋转的方式顺时针和逆时针旋转。

Description

用于导管插入的机器人辅助器

技术领域

本发明一般涉及一种侵入式医疗器械，并且具体地涉及用于调控并导引用于诊断或治疗目的的侵入式探头的方法和设备。

背景技术

用于导管的各种类型的机器人导引机构是本领域已知的。例如，美国专利申请公开2005/0203382描述一种用于导引被设计用于由使用者手动调控的导管的机器人，所述公开的公开内容以引用方式并入本文。导管具有使用者可操作的控制柄部或拇指控制件，并且机器人通过大体模仿外科医生的手的运动来握持并调控导管。

又如，PCT国际专利公开WO 99/45994描述一种包括推进装置的远程控制导管插入系统，所述系统可控地将柔性、伸长探头插入到患者的身体中，所述公开的公开内容以引用方式并入本文。与推进装置通信的控制台包括使用者控制件，所述控制件由远离患者的系统的使用者操作以通过推进装置来控制探头到身体中的插入。

以引用方式并入本专利申请的文献应视为本专利申请的组成部分，不同的是，由于任何术语均以与在本说明书中以显式方式或以隐式方式给出的定义相冲突的方式定义于这些并入的文献中，因此只应考虑本说明书中的定义。

发明内容

本发明的一个实施例提供一种用于控制侵入式探头相对于包封所述探头的护套的运动的设备，所述设备包括：

外部壳体，所述外部壳体被配置用于连接至所述护套；和

驱动机构，所述驱动机构固定地连接至所述外部壳体，所述驱动机构包括：

第一组部件，所述第一组部件被配置成使所述探头沿平行于所述探头的轴线的方向平移，以使所述探头相对于所述护套以逐步平移的方式推进并回缩；和

第二组部件，所述第二组部件被配置成使所述探头围绕所述探头的轴线旋转，以使所述探头相对于所述护套以逐步旋转的方式顺时针和逆时针旋转。

通常，所述第一组和所述第二组包括由第一夹持器和第二夹持器组成的共同子组部件，所述共同子组部件被配置成将所述探头可释放地夹持在第一位置和第二位置中，以使所述第一夹持器可相对于所述护套固定，并且所述第二夹持器可相对于所述护套活动。通常，所述第一夹持器夹持所述探头同时所述第二夹持器释放所述探头且同时所述第一夹持器实施所述探头的平移和旋转之一。

在本发明所公开的一个实施例中，所述部件由液压部件组成。所述液压部件可被配置成由气体操作。另选地，所述液压部件可被配置成由液体操作。

在本发明所公开的另一个实施例中，所述部件由电磁部件组成。所述设备可包括电路，所述电路被配置成在接收到控制信号时向所述电磁部件供应电流。

在本发明所公开的另一个实施例中，所述第一组由线圈和磁体组成，所述线圈和所述磁体被配置成在所述线圈通电时实施所述探头的推进和回缩之一。

在一个可供选择的实施例中，所述设备包括螺线管，所述螺线管被配置成交替打开和关闭第一夹持器和第二夹持器，以便实施所述逐步平移的方式的平移和所述逐步旋转的方式的旋转之一。

在另一个可供选择的实施例中，所述第二组由线圈和磁体组成，所述线圈和所述磁体被配置成在所述线圈通电时实施所述探头的顺时针旋转和逆时针旋转之一。

通常，所述侵入式探头用于对受检者的心脏的侵入式手术中。

在另一个可供选择的实施例中，控制所述运动包括使施加至所述侵入式探头的力倍增。

另选地或除此之外，控制所述运动包括克服所述护套与所述侵入式探头之间的摩擦力。

根据本发明的一个实施例，还提供一种用于控制侵入式探头相对于包封所述探头的护套的运动的方法，所述方法包括：

将外部壳体连接至所述护套；

将驱动机构固定地连接至所述外部壳体；

操作所述驱动机构中的第一组部件以使所述探头沿平行于所述探头的轴线的方向平移，以使所述探头相对于所述护套以逐步平移的方式推进并回缩；以及

操作所述驱动机构中的第二组部件以使所述探头围绕所述探头的轴线旋转，以使所述探头相对于所述护套以逐步旋转的方式顺时针和逆时针旋转。

结合附图，通过以下对本公开的实施例的详细说明，将更全面地理解本公开。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例使用自动导管运动辅助器的导管插入系统的示意性图解；

图2是显示根据本发明的一个实施例保持在机器人驱动器中的导管的示意性图解；

图3是根据本发明的一个可供选择的实施例的处于组装状态的辅助器的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的辅助器的示意性分解图；

图5是示出根据本发明的一个实施例提供平移力和旋转力的辅助器的电磁部件的示意性分解图；

图6是显示根据本发明的一个实施例用于实施导管相对于护套的逐步运动的步骤的流程图；

图7是根据本发明的一个可供选择的实施例的处于组装状态的可供选择的辅助器的示意图；并且

图8是根据本发明的一个可供选择的实施例的可供选择的辅助器的示意性局部分解图。

具体实施方式

综述

本发明的一个实施例提供一种用于控制侵入式探头相对于包封所述探头的护套的运动的设备。通常，所述设备可用于克服通常在探头相对于护套以平移的方式或旋转的方式移动时存在的摩擦力。所述探头的运动可由所述探头的机器人驱动器发起。

所述设备包括外部壳体和驱动机构，所述外部壳体连接至所述护套，所述驱动机构固定地连接至所述外部壳体。所述驱动机构包括第一组部件，所述第一组部件使所述探头沿平行于所述探头的轴线的方向平移，以使所述探头相对于所述护套以逐步平移的方式推进并回缩。所述驱动机构还包括第二组部件，所述第二组部件使所述探头围绕所述探头的轴线旋转，以使所述探头相对于所述护套以逐步旋转的方式顺时针和逆时针旋转。

通常，所述第一组部件和所述第二组部件包括共同子组部件。所述共同子组部件包括所述探头的第一夹持器和所述探头的第二夹持器，所述夹持器被配置成将所述探头可释放地夹持在第一位置和第二位置中。为实现所述逐步运动，所述第一夹持器夹持所述探头同时所述第二夹持器释放所述探头，从而允许所述第一夹持器执行平移运动或旋转运动。所述第二夹持器随后夹持所述探头，并且所述第一夹持器释放所述探头并回到其初始位置。交替夹持和释放所述探头以及使所述探头在所述第一夹持器夹持所述探头时移动的动作可在必要时以迭代方式重复。

在一个可供选择的实施例中，代替所述设备被配置成克服所述探头与所述护套之间的摩擦力，所述设备可被配置成使施加到所述探头的力倍增。

系统描述

图1是根据本发明的一个实施例使用自动导管运动辅助器22的导管插入系统20的示意性图解。在所示实施例中，医师将导管引导护套24插入到受检者28的内腔26中。内腔准许导管30(在本文中也称作探头30)进入到诸如受检者的心脏的室的体腔32中。例如，在插入到心脏中的情况下，内腔26可包括股静脉。导管的远侧末端(放大显示在插图中)通常包括用于诊断和/或治疗目的的功能元件40。例如，元件40可包括用于组织的电感测和/或消融的电极或用于心脏内成像的超声换能器。可以下文所述的方式被驱动的其它类型的功能元件和侵入式探头将对本领域的技术人员显而易见且视为在本发明的范围内。

在图示实施例中，导管30还包括其远侧末端内的位置换能器42，所述位置换能器用于测定所述末端的位置坐标。例如，换能器42可包括磁场传感器，所述传感器检测场换能器44在身体外部的已知部位处产生的磁场。此类磁性位置感测系统例如在美国专利5,391,199中有所描述，并且用于心脏内跟踪系统，诸如CARTO^TM系统(Biosense Webster Inc.(Diamond Bar,California)所生产的)，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。另选地，换能器42可产生要由换能器44感测的场。此外，另选地或除此之外，换能器42可包括本领域已知的任何其它合适类型的位置换能器，诸如用于基于阻抗的位置感测目的的电极、超声换能器、或用于将导管末端定位于身体的二维或三维图像中的基准标记。

位置感测模块50与换能器42和44通信以便测定导管末端在受检者的身体内部的位置坐标。控制单元52使用所述坐标来控制机器人驱动器54(下文将参照图2更详细描述)以便将导管30导航至身体内的所期望位置。为此，控制单元52可根据预定程序指令自动地操作。另选地或除此之外，控制单元可将导管位置呈现于显示器60上，通常并置于腔32的映射图或图像上，以使人操作者(未示出)能够控制导管。控制单元52通常包括用软件编程以实施所期望功能的通用计算机处理器。

机器人驱动器54允许人操作者使用控制单元52自动调整导管30。所述调整通常包括使导管在内腔26中沿导管的轴线推进并回缩，并且使导管围绕其轴线顺时针或逆时针旋转。人操作者通常通过调控连接至控制单元的诸如鼠标或操纵杆的指示装置来输入导管的所期望运动，并且控制单元将指示装置调控转换成与机器人驱动器54相关的信号。

图2是显示根据本发明的一个实施例保持在机器人驱动器54中的导管30的示意性图解。导管30包括柄部70，所述柄部被设计用于由人操作者握持并调控。在常规使用中，操作者将护套24经由皮肤插入到内腔26中，并且将导管的远侧端部插入到护套中。操作者随后使导管沿其纵向轴线线推进穿过护套24进入腔体32中。操作者使柄部前后移动以使导管回缩并推进，并且还可使柄部围绕所述轴线旋转，以使导管自身旋转。近侧端子72将导管连接至控制单元52，但与端子的连接为了简化和清楚说明起见而从图2中省去。

然而，在本发明的实施例中，驱动器54可代替人操作者实施这些调控。夹具74保持柄部70。所述夹具包括用于使柄部围绕所述轴线旋转的传动装置。夹具74安装在平台80上，所述平台能够相对于基座82平移以使导管沿其轴线推进并回缩。驱动模块88由传动装置90联接至夹具74，以使传动装置旋转并且使平台46沿基座47平移。诸如操纵杆的指示装置可连接至控制单元52，并且系统20的操作者可使用指示装置来使控制单元产生适用于驱动模块88的信号。

类似于驱动器54的驱动器的更详细说明提供于美国专利申请12/539,707中，所述申请以引用方式并入本文。

如图2所示，导管30从柄部70退出，并进入到辅助器22中。辅助器22连接至护套24，并且导管30随后横贯辅助器和护套，并且进入腔体34中。

图3是根据本发明的一个实施例的处于组装状态的辅助器22的示意图，并且图4是所述辅助器的示意性分解图。辅助器22包括驱动模块100和圆柱形外部壳体102，导管30进入所述驱动模块，所述外部壳体通过过渡区104固定地连接至护套24。导管30横贯驱动模块100、外部壳体102和过渡区104，并进入护套24。模块100的元件由电路106(通常为ASIC(专用集成电路))中所产生的电流来驱动，所述电路响应于来自控制单元52的控制信号产生所需电流。以举例的方式，假设电路106安装在壳体102中，但电路106可安装在任何其它方便的位置中，包括安装在控制单元52内，并且通过缆线连接至从动元件以便提供所需电流。

驱动模块100包括固定单元110和活动单元112。如下文更详细描述的，活动单元112可沿由导管30的轴线限定的方向以及沿围绕所述轴线的方向移动，这两种运动均是相对于固定单元110的。前一种运动在本文中也称作平行运动或平移运动，并且后一种运动在本文中也称作旋转运动。单元110可通过锁定环114相对于外部壳体102且因此相对于护套24固定。固定单元110包括夹头116，所述夹头连接至固定单元的固定单元基座区段118，并且所述单元可通过将锁定环拧到夹头上固定至壳体102。下述说明假设单元110已通过锁定环和夹头固定至壳体102。

固定单元基座区段118包括固定夹持器120，所述夹持器在启动时夹持导管30。夹持器120包括一对相对的螺线管122，所述螺线管容纳于基座区段118的相应保持罩124中。相应的钳口126由螺线管122保持，并且在螺线管通电时接合并保持导管，使得导管相对于护套24固定。如果螺线管不通电，则钳口126不接合导管，并且因此允许导管相对于护套自由移动。

活动单元112包括两个子区段132和134，这两个子区段被配置成彼此配合并且还沿平行运动方向(即，平行于由导管30限定的轴线)以有限滑动的方式相对于彼此移动。子区段134包括大体类似于上文所述的夹持器120的活动夹持器140。因此，夹持器140包括一对相对的螺线管142，所述螺线管容纳于子区段134的相应保持罩144中。相应的钳口146由螺线管142保持，并且在螺线管通电时接合并保持导管，使得子区段134保持导管。当螺线管142不通电时，导管相对于子区段134自由移动。

子区段134相对于子区段132的平行滑动或平移运动被配置成在远侧和近侧两个方向上受到限制。因此，例如，子区段134的接触子区段132的止挡件152的表面150限制子区段134在远侧方向上的运动。子区段134的平移运动的典型范围(即，从远侧极限到近侧极限)为大约2mm。

当固定单元110和活动单元112组装在一起时，固定单元110中的保持突起160与活动单元112中的狭槽162配合。狭槽162在围绕导管30的方向上测量时大于突起160，使得活动单元112能够以旋转运动(即，沿围绕由导管30限定的轴线的方向)移动。旋转运动受限于突起160和狭槽162的尺寸的差异。活动单元112的旋转运动的典型整体范围为大约5°。

除用于夹持导管30的包括于固定单元110和活动单元112中的上述电磁部件以外，单元110和112还包括被配置成提供上文所提及的平移运动和旋转运动所需的相应力的电磁部件。

图5是示出根据本发明的一个实施例提供平移力和旋转力的辅助器22的电磁部件的示意性分解图。

为简明和清晰起见，仅提供平移力和旋转力的辅助器22的电磁部件(本文中也被称作力电磁部件170)及其保持元件显示于图5中。辅助器22的平移力由在通电时与永磁体182相互作用的线圈180提供。线圈180保持在子区段132中，并且磁体182保持在子区段134中。辅助器22的旋转力由在通电时与永磁体194相互作用的线圈190和192提供。线圈190和192保持在固定基座单元区段118中，并且磁体194保持在子区段132中。应当理解，上文所述的电磁部件允许平移力和旋转力彼此完全独立地实施。因此，仅平移力或仅旋转力或平移力和旋转力两者可由电磁部件170施加，并且被施加的力的类型取决于线圈180、190、和/或192中的哪一个被通电。

本发明的实施例使用上文所述的电磁部件来使导管相对于护套沿平行于由导管所限定的轴线的平移方向或沿围绕所述轴线的旋转方向或沿这两个方向移动。针对所有这些情况的运动均以逐步方式实施。

图6是显示根据本发明的一个实施例用于实施导管30相对于护套24的逐步运动的步骤的流程图200。以举例的方式，并且为简明起见，所述流程图的说明假设要实施导管沿远侧方向的平移运动。类似步骤适用于平移近侧运动并且适用于顺时针和逆时针旋转运动，并且本领域的普通技术人员将能够以必要的变更来使所述说明适合于这些其它运动。

在准备步骤202中，将柄部70插入到机器人驱动器54中。另外，将外部壳体102连接至护套24，并且将所述护套插入到患者中。通常，一旦所述护套已插入到患者中，所述外部壳体就诸如通过缝合临时固定至患者。然后，将探头30从探头柄部馈送到驱动模块100中。

在初始控制单元步骤204中，系统20的操作者启动控制单元52，使得所述单元如上所述产生假设包括探头的近侧平移运动的所期望运动的信号。将所述信号输送至机器人驱动器54以使所述柄部朝近侧平移。还将所述信号输送至电路106以控制驱动模块100，使得所述模块执行下文所述的迭代步骤206-218。所述迭代继续直到控制单元52不再产生所期望运动的信号。

迭代步骤206-218需要使螺线管122和124通电并断电，并且使线圈180、190、和/或192通电并断电，所有这些动作均依序执行。所述动作所需的电流由电路106产生。

在第一迭代步骤206中，电路通过使螺线管122通电来关闭固定夹持器120，以便夹持探头。

在第二迭代步骤208中，电路通过使螺线管142断电来打开活动夹持器140，使得探头不被活动夹持器夹持。

在第三迭代步骤210中，通过使线圈180通电来使活动夹持器140在打开的同时移动至其平移运动的近侧极限。

在第四迭代步骤212中，通过使螺线管142通电来关闭活动夹持器，以便夹持探头。

在第五迭代步骤214中，通过使螺线管122断电来打开固定夹持器120，以便不再夹持探头。

上述迭代步骤使活动夹持器移动至其所需位置中，同时使探头保持处于固定位置。下述迭代步骤描述探头的逐步运动。

在第六迭代步骤216中，通过使线圈180通电来使活动夹持器在夹持探头的同时移动至其平移运动的远侧极限。

在决策步骤218中，电路106检查是否仍然正在从控制单元52接收运动信号。如果在接收所述信号，则由驱动模块100产生的逐步运动通过重复步骤206-216迭代。如果不再接收运动信号，则由驱动模块产生的逐步运动终止并且所述流程结束。

图7是根据本发明的一个可供选择的实施例的处于组装状态的辅助器322的示意图，并且图8是所述辅助器的示意性局部分解图。除下文所述的差异以外，辅助器322的操作大体类似于辅助器22(图1-5)的操作，并且辅助器22和322中以相同参考标号表示的元件在构造和操作方面大体类似。

与使用电磁部件作为其夹持单元且作为其平移力和旋转力发生器的辅助器22相比，辅助器322使用液压部件作为这些元件。通过使用液压部件，辅助器322中不需要由如辅助器22中所使用的磁性材料形成的任何元件。因此，辅助器322可用于MRI(磁共振成像)环境中，而在这样的环境中使用辅助器22可能会成问题。

至于辅助器22，辅助器322的驱动模块330包括如图7所示组装在一起的固定单元340和活动单元342。如上所述，辅助器322的元件由液压部件形成，所述液压部件由使用液压流体352的管350驱动。通常，管内所使用的液压流体为压缩空气，所述压缩空气在一个实施例中可被压缩至约为5个或更多个大气的压力。然而，在其它实施例中，流体352可为空气或在任何其它方便压力下操作的可多于或少于1个大气的另一种气体。另选地，液压流体可包括诸如水的液体。

在固定单元340中，使用锁定环114和夹头116将固定基座单元区段348锁定至壳体102。区段348包括固定夹持器358，所述固定夹持器由在汽缸362内移动的带钳口的活塞360和相对的钳口364组成。当由施加至汽缸362的流体352致动时，带钳口的活塞360在汽缸362内移动，使得所述活塞及其相对的钳口夹持导管30。

活动单元342包括活动单元基座区段370，所述活动单元基座区段又包括活动夹持器372。活动夹持器372由具有活动的带钳口的活塞376和相对的钳口378的汽缸374组成。当由施加至汽缸374的流体352致动时，带钳口的活塞376在汽缸374内移动，使得所述活塞及其相对的钳口夹持导管30。

活动单元342包括两个平移止挡件：远侧平移止挡件380和近侧平移止挡件382。所述活动单元还包括两个旋转止挡件(第一旋转止挡件390和第二旋转止挡件392)。

这两个平移止挡件中的一个或另一个可由在与两根管350连接的活塞保持器402内移动的双头活塞400接合。保持器402固定至固定基座单元区段348。通过对连接至保持器的这两根管350施加流体352，活塞400在近侧方向上正向移动，从而接触近侧止挡件382并使活动单元342相对于固定单元340朝近侧移动。另选地，可对连接至保持器402的另一根管350施加流体352，以使活塞400在远侧方向上正向移动，以便接触远侧止挡件380并使活动单元342相对于固定单元340朝远侧移动。

第一旋转止挡件390可由活塞410接合。活塞410在对汽缸412施加流体352时在所述汽缸内移动。汽缸412由衬圈420固定至固定基座单元区段348，使得当活塞410接合止挡件390时，活动单元342相对于固定单元340沿逆时针方向旋转。

第二旋转止挡件392可由活塞430接合。活塞430在对汽缸432施加流体352时在所述汽缸内移动。汽缸432由衬圈440固定至固定单元348。因此，当活塞430接合止挡件392时，活动单元342相对于固定单元340沿顺时针方向旋转。

辅助器322的平移运动和旋转运动的整体范围通常大致与辅助器22的相应范围相同。

参见图6，本领域的普通技术人员将能够以必要的变更来修改流程200的步骤的说明，使得其适用于辅助器322。

本发明的实施例如上文所述且如由辅助器22和322所例示通过帮助机器人驱动器54克服导管与护套之间的摩擦力来控制导管相对于其护套的运动。在本发明的一个可供选择的实施例中，辅助器22或辅助器322可被配置为力倍增器。在这种情况下，代替机器人驱动器54对导管30施加平移运动和/或旋转运动，人操作者在壳体102固定的同时对导管施加平移运动和/或旋转运动。人操作者可手动启动辅助器以根据由操作者所施加的运动而使运动所需的力(即，近侧平移或远侧平移或顺时针旋转或逆时针旋转所需的力)倍增。另选地，通过将为本领域的普通技术人员所熟悉的方法，辅助器可自动启动以根据由操作者所施加的运动来用作上文所述的用于平移运动或旋转运动的力倍增器。

应当理解，上述实施例仅以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上面具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合和子组合以及其改变和变型，本领域技术人员在阅读上述说明时将会想到所述改变和变型，并且所述改变和变型并未在现有技术中公开。

Claims (13)

1.用于控制侵入式探头相对于包封所述探头的护套的运动的设备，所述设备包括：

外部壳体，所述外部壳体被配置用于固定连接至所述护套；和

驱动机构，所述驱动机构固定地连接至所述外部壳体，所述驱动机构包括：

第一组部件，所述第一组部件被配置成使所述探头沿平行于所述探头的轴线的方向平移，以使所述探头相对于所述护套以逐步平移的方式推进并回缩；和

第二组部件，所述第二组部件被配置成使所述探头围绕所述探头的轴线旋转，以使所述探头相对于所述护套以逐步旋转的方式顺时针和逆时针旋转，

其中所述第一组部件和所述第二组部件包括共同子组部件，所述共同子组部件包括第一夹持器和第二夹持器，所述第一夹持器和第二夹持器被配置成将所述探头可释放地夹持在第一位置和第二位置中，

其中所述第一夹持器相对于所述护套固定，并且其中所述第二夹持器相对于所述护套活动。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一夹持器夹持所述探头同时所述第二夹持器释放所述探头且同时所述第一夹持器实施所述探头的平移和旋转之一。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述部件包括液压部件。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述液压部件被配置成由气体操作。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述液压部件被配置成由液体操作。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述部件包括电磁部件。

7.根据权利要求6所述的设备，还包括电路，所述电路被配置成在接收到控制信号时向所述电磁部件供应电流。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一组部件包括线圈和磁体，所述线圈和所述磁体被配置成在所述线圈通电时实施所述探头的推进和回缩之一。

9.根据权利要求1所述的设备，还包括螺线管，所述螺线管被配置成交替打开和关闭第一夹持器和第二夹持器，以便实施所述逐步平移的方式的平移和所述逐步旋转的方式的旋转之一。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二组部件包括线圈和磁体，所述线圈和所述磁体被配置成在所述线圈通电时实施所述探头的顺时针旋转和逆时针旋转之一。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述侵入式探头用于对受检者的心脏的侵入式手术中。

12.根据权利要求1所述的设备，其中控制所述运动包括使施加至所述侵入式探头的力倍增。

13.根据权利要求1所述的设备，其中控制所述运动包括克服所述护套与所述侵入式探头之间的摩擦力。