CN106456935A - 使用可操控管心针和柔性针的设备、系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种微创系统，其包括细长器械和可滑动地设置在细长器械的管腔内的管心针。器械包括：固定地联接到刚性远侧部分的柔性近侧部分；和管腔，所述管腔通过柔性近侧部分和刚性远侧部分从近端延伸到远端，并且限定器械的纵向轴线。管心针包括固定地联接到可操控部分的柔性主体和延伸通过柔性主体的传感器元件。管心针在缩回状态和延伸配置之间在器械内可移动，在缩回状态中，可操控部分缩回到器械内，在延伸配置中，可操控部分至少部分地从器械的刚性远侧部分延伸。

Description

使用可操控管心针和柔性针的设备、系统以及方法
相关申请
本专利申请要求于2014年4月2日提交的名称为“Devices，Systems，and MethodsUsing a Steerable Stylet and Flexible Needle(使用可操控管心针和柔性针的设备、系统以及方法)”的美国临时专利申请61/974113的申请日的优先权和权益，所述专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于导航患者解剖结构以进行微创程序的系统和方法，并且更具体地涉及使用型面高度不大的、柔性的、可操控的管心针和针组件获得目标组织活检的装置和方法。
背景技术
微创医疗技术旨在减少医疗程序期间被损坏的组织的量，从而减少患者恢复时间、减轻患者不适并且减少有害的副作用。此类微创技术可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个手术切口来执行。临床医生可以将医疗工具插入通过这些自然孔口或切口，以到达目标组织部位。医疗工具包括诸如治疗器械、诊断器械以及手术器械的器械。为到达目标组织部位，微创医疗工具可以导航解剖系统诸如肺、结肠、肠、肾脏、心脏、循环系统等中的自然通道或手术创建的通道。
微创医疗程序通常依靠某种器械位置监控，以确保适当的接近目标组织位置和在目标组织部位处的行为。常规微创医疗器械通常由大体刚性的细长元件(例如，腹腔镜检查系统或机器人系统)或设计成沿循预定解剖路径的高度柔性的系统(例如，血管成形术气囊式导管)形成。不论哪种情况，位置监控通常包括器械的分立部分(例如，导管的远侧尖端)的定位追踪。不主动监控其余的导丝/导管长度，除了在尖端前进的荧光镜(屏)检查可视化期间，感测剩余长度被示出的程度的附带事件中。
然而，为了安全和有效使用，越来越复杂的微创手术系统可以要求增强的器械位置监控。例如，在经由直线路径接近可成为问题的内部位置处(例如，在不期望刺穿任何介于中间的解剖结构的情况下)，柔性的、可操控针的发展为诸如活检和/或治疗处理(诸如消融治疗或放射性粒子放置)的程序提供了机会。诸如例如在用于肝脏或其他内部器官的经皮活检针的情况下，柔性的、可操控的针可以通过直接穿透到组织中而被递送到目标部位。在其他情况中，诸如例如在经腔的肺或胃活检的情况下，柔性的、可操控的针可以通过内窥镜的管腔或导管递送到目标部位。
微创方式中柔性针的使用和位置追踪能够比常规机器人程序或腹腔镜检查程序明显更加复杂。不仅可操控针的实际形状的可变性远大于刚性元件的联动装置形状的可变性，而且针柔韧性和尖端几何结构会由于组织特性的变化而大大地增加对从目标轨迹偏离的敏感性(例如，伤疤组织或比预期组织更致密的其他组织，可以导致大于柔性针的预期曲率)。具体地，在插入通过组织期间，由于通过组织施加到通常非对称的或斜切的针尖端上的侧向力，柔性针会被动地操控穿过组织。由于柔性针轴跟随在尖端后面，所以针尖端和针轴两者均可以偏离于预期路线。因此，准确地引导并追踪柔性针的位置造成了特有的困难。
此外，在某些应用中，许多可操控针可能具有比期望的大的外径。特别是对于腔内针，期望小的外径以确保它们平滑地通过范围槽道。
因此，期望提供能够在微创医疗程序期间有效地引导并追踪的可操控的、柔性针系统。本文公开的设备、系统以及方法克服了现有技术的不足中的一个或多个。
发明内容
本发明的实施例通过说明书后面的权利要求进行概述。
在一个实施例中，本公开描述了微创系统，微创系统包括细长器械和可滑动地设置在细长器械的管腔内的管心针。细长器械从近端延伸到远端。在一方面，器械包括柔性近侧部分和刚性远侧部分。在一方面，柔性近侧部分固定地联接到刚性远侧部分。在一方面，管腔通过柔性近侧部分和刚性远侧部分从近端延伸到远端，以限定器械的纵向轴线。在一方面，管心针包括固定地联接到可操控部分的柔性主体和延伸通过柔性主体的传感器元件。在一方面，管心针在缩回状态和延伸配置之间在细长器械内可移动，在缩回状态中，可操控部分缩回到细长器械内，在延伸配置中，可操控部分至少部分地从细长器械的刚性远侧部分延伸。
在另一实施例中，本公开描述了微创系统，微创系统包括致动器、针、管心针和多个致动缆线。针包括从近端延伸到远端并且限定器械的纵向轴线的管腔。管心针能够被定位在细长器械的管腔内。在一方面，管心针包括近侧柔性主体、远侧可操控部分和延伸通过柔性主体的传感器元件。在一方面，远侧可操控部分包括抗弯曲(bend-resistive)尖端。在一方面，管心针在缩回状态和延伸配置之间在针内可移动，在缩回状态中，可操控部分缩回到针的管腔内，在延伸配置中，医疗器械的可操控部分至少部分地从针的远端延伸。在一方面，多个致动缆线通过管心针的柔性主体从致动器延伸并且终止在管心针的可操控部分中。
在另一实施例中，本公开描述了评估患者中的目标区域的方法。在一方面，方法包括朝向目标区域将针系统推进到患者中。在一方面，针系统包括可滑动地定位在细长医疗器械的管腔内的管心针，并且管心针包括柔性主体、远侧可操控部分以及经配置检测管心针的特性的传感器元件。在一方面，方法包括在细长医疗器械的远端的远侧推进管心针的可操控部分，并且随着管心针朝向目标区域推进时，从传感器元件获取管心针的特性。在一方面，方法包括基于所获取的特性确定管心针和细长医疗器械相对于目标区域的位置。在一方面，方法包括基于确定的位置操控管心针的可操控部分朝向目标区域，并且在所述管心针上方将细长医疗器械推进到目标区域中。
本公开的附加方面、特征以及优点将根据以下详细描述中变得显而易见。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下具体实施方式最好地理解本公开的方面。应当强调的是，根据行业中的标准惯例，各种特征不是按比例绘制的。实际上，为了便于清楚地论述，各种特征的尺寸可以任意增大或减小。此外，本公开可以在各种示例中重复参考标号和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，而其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或构造之间的关系。
图1示出根据本公开的实施例的远程操作医疗系统。
图2示出根据本公开的实施例的包括示例性针系统的医疗系统的方框图。
图3A至图3C示出根据本公开的各种实施例的示例性针轴的透视图。图3A示出包括分立链节(discrete link)的示例性针，图3B示出包括连续鞘管的示例性针，以及图3C示出包括盘管的示例性针。
图4示出根据本公开的实施例的示例性针的透视图。
图5示出根据本公开的实施例的示例性传感器管心针的透视图。
图6示出根据本公开的实施例的图5所示的横穿线6-6的示例性传感器管心针的一部分的透视图和部分横截面图。
图7A示出根据本公开的实施例的未弯曲状态下的图5所示的传感器管心针的示例性可操控部分的透视图。
图7B示出根据本公开的实施例的图7A所示的示例性可操控部分的横截面图。
图8A和图8B示出根据本公开的在弯曲状态下的图7A所示的示例性可操控部分的透视图。图8A示出在示例性近侧接合枢转部(joint pivot)处弯曲的示例性可操控部分，以及图8B示出在示例性近侧接合枢转部和示例性远侧接合枢转部处弯曲的示例性可操控部分。
图9示出根据本公开中的一个实施例的示例性针系统的透视图。具体地，图9示出图5所示的示例性传感器管心针，其定位在根据本公开的图4所示的示例性针内并且从其中延伸。
图10示出根据本公开的实施例的图9所示的示例性针系统的示意图，该示例性针系统导航曲折路径(即，在患者的解剖结构内)。
图11示出根据本公开的实施例的图9所示的示例性针系统的示意图，该示例性针系统操控朝向目标区域。
图12示出图9所示的当示例性针在示例性传感器管心针上推进时的示例性针系统的示意图。
图13示出根据本公开的实施例的图9所示的示例性针系统的示意图，该示例性针系统从目标区域获得活检。
图14为示出根据本公开的实施例的使用示例性传感器管心针的示例性方法的流程图。
具体实施方式
出于促进对本公开的原理的理解的目的，现将参照附图中所示的实施例，并将用特定的语言来描述所述实施例。然而，应该理解，并不旨在对本公开的范围进行限制。在本发明的方面的具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，对本领域的技术人员而言显而易见的是，在没有这些特定细节的情况下也可以实践本公开的实施例。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、程序、部件以及电路，以免不必要地模糊本发明的实施例的方面。
所述设备、器械、方法的任何改变和进一步修改，以及本公开的原理的任何进一步应用均是可设想的，正如本公开所涉及的领域的技术人员通常会想到的那样。具体地，完全可以设想关于一个实施例所述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例所述的特征、部件和/或步骤组合。此外，本文所提供的尺寸用于特定示例，并且可以设想可利用不同的大小、尺寸和/或比例来实施本公开的概念。为避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例所描述的一个或多个部件或动作(action)能够适用于其他说明性实施例或从其他说明性实施例中省略。出于简洁的目的，这些组合的许多重复将不单独进行描述。为简单起见，在一些情况下，贯穿附图使用的相同的标号指的是相同的或相似的部分。
下面的实施例将依据器械在三维空间中的状态来描述各种器械和器械的部分。如本文所使用的，术语“位置”指的是对象或对象的一部分在三维空间(例如，沿笛卡尔X，Y，Z坐标的三个平移自由度)中的部位。如本文所使用的，术语“取向”指的是对象或对象的一部分的旋转位移(三个旋转自由度-例如，滚动、俯仰和偏转)。如本文所使用的，术语“姿态”指的是对象或对象的一部分在至少一个平移自由度中的位置，以及该对象或该对象的一部分在至少一个旋转自由度(多达六个总自由度)中的取向。如本文所使用的，术语“形状”指的是沿细长对象测量的一组姿态、位置或取向。
应该认识到，术语“近侧”和“远侧”在本文参考操纵从临床医生延伸到手术部位的器械的端部的临床医生使用。术语“近侧”指的是器械更靠近临床医生的部分，而术语“远侧”指的是器械更远离临床医生并且更靠近手术部位的部分。为了简洁和清楚起见，空间术语诸如“水平”、“竖直”、“在上方”以及“在下面”在本文可以参考附图使用。然而，手术器械用于许多取向和位置中，并且这些术语并非旨在是限制性的和绝对的。
本公开总体涉及用于微创医疗程序中的可操控的、柔性针系统，微创医疗程序包括但不限于诊断程序、手术程序和/或治疗程序。在一些情况下，本公开的实施例经配置作为远程操作系统的一部分。本领域的技术人员将意识到，本文公开的可操控的、柔性针系统可以用于要求可操控的、柔性针系统的类似(例如，非远程操作的)应用中。
本文公开的针系统包括主动可操控的管心针，所述管心针经配置诸如通过非限制性的示例柔性针引导柔性医疗器械。本文公开的柔性器械和可操控管心针以可伸缩方式布置，以允许器械在管心针推进到组织中时或之后在管心针上朝远侧推进。主动可操控的管心针能够在柔性器械导航通过解剖组织时充当柔性器械的内部引导件。在一方面，本文公开的针系统经配置包括位置/形状传感器，位置/形状传感器沿管心针长度轴向延伸并且在或邻近管心针尖端处终止。本文公开的管心针可以经配置在插入并前进通过解剖组织期间使传感器上的弯曲应变最小化，而且支撑并引导针。本文公开的针系统的这些特征可以增强针在微创程序中的插入期间的精度、可操控性、稳定性以及距离/轨迹控制。因此，本文公开的针系统可以改善柔性针的性能，并且可以增加柔性针(并且特别地，柔性内窥镜针)的合适应用的范围。例如，在一种情况下，本文公开的柔性针系统可以使用户能够更准确地到达目标活检位置并对其取样，更容易在临界结构周围进行导航，并且减少不准确活检的可能性。
根据各种实施例，医疗程序诸如活检程序可以使用远程操作系统实施以引导器械递送。参考附图的图1，用于例如包括诊断程序、治疗程序或手术程序的医疗程序中的远程操作医疗系统通常通过参考标号100来指示。如将要描述的，本公开的远程操作医疗系统受外科医生的远程操作的控制。在替代实施例中，远程操作医疗系统可以受经编程以执行程序或子程序的计算机的部分控制。在其他替代实施例中，受经编程以执行程序或子程序的计算机的完全控制的完全自动化的医疗系统可以用于执行程序或子程序。如图1所示，远程操作医疗系统100大体包括安装到或靠近手术台O的远程操作组件102，其中患者P定位在手术台O上。医疗器械系统104可操作地联接到远程操作组件102。操作者输入系统106允许外科医生或其他类型的临床医生S观察表示手术部位的图像，并且控制医疗器械系统104的操作。
操作者输入系统106可以位于外科医生的控制台处，外科医生的控制台通常位于与手术台O相同的房间中。然而，应该理解，外科医生S能够位于不同的房间中或完全不同于患者P的建筑物中。操作者输入系统106通常包括用于控制医疗器械系统104的一个或多个控制设备。一个或多个控制设备可以包括许多各种输入设备中的一个或多个或任意数量，诸如手柄、操纵杆、追踪球、数据手套、触发抢、手操作的控制器、语音识别设备、触摸屏、人体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(一个或多个)控制设备将具有与远程操作组件的医疗器械相同的自由度，以向外科医生提供临场感，(一个或多个)控制设备与器械一体的感知，从而使得外科医生具有好像置身在手术部位处直接控制器械的强烈感觉。在其他实施例中，(一个或多个)控制设备可以具有比相关联的医疗器械更多或更少的自由度，并且仍向外科医生提供临场感。在一些实施例中，(一个或多个)控制设备为手动输入设备，手动输入设备以六个自由度移动并且还可以包括用于致动器械的可致动柄部(例如，用于闭合抓取的钳头、施加电势到电极、递送药用治疗件等)。
远程操作组件102支撑医疗器械系统104，并且可以包括一个或多个非伺服控制的链节(例如，可以手动定位并锁定在恰当位置中的一个或多个链节，其通常被称作机构结构(set-up structure)的运动学结构和远程操作操纵器。远程操作组件102包括驱动医疗器械系统104上的输入的多个马达。这些马达响应来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而移动。马达包括驱动系统，当联接到医疗器械系统104时，驱动系统可以将医疗器械推进到自然孔口或手术创建的解剖孔口中。其他机动化的驱动系统可以多个自由度移动医疗器械的远端，多个自由度可以包括三个线性运动自由度(例如，沿X，Y，Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三个旋转运动自由度(例如，围绕X，Y，Z笛卡尔坐标轴的旋转)。此外，马达能够用于致动器械的可铰接的(articulable)端部执行器，以用于抓取活检设备等的钳头中的组织。
远程操作医疗系统100还包括带有一个或多个子系统的传感器系统108，用于接收关于远程操作组件的器械的信息。此类子系统可以包括位置传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，其用于确定导管尖端和/或一个或多个区段沿器械系统104的柔性主体的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状；和/或可视化系统，其用于捕捉来自导管系统的远端的图像。
远程操作医疗系统100还包括显示系统110，其用于显示通过传感器系统108的子系统生成的手术部位和(一个或多个)医疗器械系统104的图像或表象。显示器110和操作者输入系统106可以被取向成使得操作者能够利用临场感的感知控制医疗器械系统104和操作者输入系统106。
替代地或另外地，显示系统110可以使用成像技术诸如计算机断层成像技术(CT)、核磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热像图、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X-射线成像等呈现术前或术中记录和/或成像的手术部位的图像。所呈现的术前和术中图像可以包括二维图像、三维图像或四维(包括例如，基于信息的时间的或基于信息的速度)图像和用于再现图像的相关联的图像数据集。
在一些实施例中，显示系统110可以显示可视化图像，其中医疗器械的实际位置与术前图像或同步图像配准(例如，动态地参考)，以向外科医生呈现处于医疗器械远端部位处的内部手术部位的虚拟图像。
在其他实施例中，显示系统110可以显示虚拟可视化图像，其中医疗器械的实际位置与先前图像(包括术前记录的图像)或同步图像配准，以向外科医生呈现处于手术部位的医疗器械的虚拟图像。医疗器械系统104的一部分的图像可以叠加在虚拟图像上，以辅助外科医生控制医疗器械。
远程操作医疗系统100还包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个处理器(未示出)，并且通常包括多个处理器，用于实现医疗器械系统104、操作者输入系统106、传感器系统108以及显示系统110之间的控制。控制系统112还包括编程的指令(例如，储存指令的计算机可读介质)以实施根据本文公开的方面所述的方法中的一些或全部。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被视为单个方框，但该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分任选地在远程操作组件102上或与远程操作组件102相邻被执行，处理的另一部分在操作者输入系统106等处执行。可以采用多种多样的集中式或分布式数据处理架构中的任一种。类似地，编程的指令可以实施为多个单独的程序或子程序，或者它们可以结合到本文所述的远程操作系统的多个其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、红外数据通讯(IrDA)、家庭无线射频(HomeR)F、IEEE 802.11、数字增强无绳通讯(DECT)以及无线遥测技术。
在一些实施例中，控制系统112可以包括一个或多个伺服控制器，该一个或多个伺服控制器从医疗器械系统104接收力和/或扭矩反馈。响应于所述反馈，伺服控制器将信号传输至操作者输入系统106。(一个或多个)伺服控制器还可以传输指示远程操作组件102移动(一个或多个)医疗器械系统104的信号，医疗器械系统104经由人体中的开口延伸到患者体内的内部手术部位。可以使用任何合适的常规或专门的伺服控制器。伺服控制器可以与远程操作组件102分开或成为一体。在一些实施例中，伺服控制器和远程操作组件被提供作为与患者身体相邻安置的远程操作臂推车的一部分。
控制系统112可以进一步包括虚拟可视化系统，以向(一个或多个)医疗器械系统104提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于对与解剖通道的三维结构相关联的所获取的数据集的参考。更具体地，虚拟可视化系统处理使用成像技术成像的手术部位的图像，成像技术为诸如计算机断层成像技术(CT)、核磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热像图、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X-射线成像等。使用软件将所记录的图像转换成部分或全部解剖器官或解剖区域的二维或三维合成表象。图像数据集与合成表象相关联。合成表象和图像数据集描述通道的各种位置和形状以及其连通性。用于生成合成表象的图像可以临床程序期间在术前或术中记录。在替代实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表象(即，没有患者具体)或标准表象和患者具体数据的混合。合成表象和通过合成表象生成的虚拟图像可以表示在运动的一个或多个阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的可变形解剖区域的静态姿态。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以用于计算器械相对于患者解剖结构的合适部位。所述部位能够用于产生患者解剖结构的宏观水平追踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像。利用术前记录的手术图像(诸如，来自虚拟可视化系统的图像)使用光纤传感器来配准并且显示医疗实施的各种系统是已知的。例如美国专利申请No.13/107,562(提交于2011年5月13日)(公开为“Medical System Providing Dynamic Registration of aModel of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery(为图像引导的手术提供解剖结构模型的动态配准的医疗系统)”)公开了一种此系统，所述专利申请的全文以引用方式并入本文。
远程操作医疗系统100可以进一步包括任选的操作和支撑系统(未示出)，诸如照明系统、操控控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在替代实施例中，远程操作系统可以包括多于一个的远程操作组件和/或多于一个的操作者输入系统。操纵器组件的确切的数目将取决于手术程序和手术室内的空间约束，以及其他因素。操作者输入系统可以放置在一起或者其可以定位在分开的位置中。多个操作者输入系统允许多于一个的操作者以各种组合控制一个或多个操纵器组件。
图2示出医疗器械系统200，其包括示例性针系统205、致动器210以及传感器系统108。针系统205可以与远程操作医疗系统100的医疗器械系统104相同。在所描画的实施例中，针系统205通过致动器210进行操纵(例如，机械地弯扭(articulated)或以其他方式移动)。在一些实施例中，致动器210可以通过远程操作平台215进行控制(例如，远程操作平台215可以将控制信号发送到致动器210)。远程操作平台215可以包括图1所示的远程操作医疗系统102。在程序期间，远程操作平台215可以实现除针系统205以外的各种医疗器械的机械弯扭和控制，作为非限制性示例，各种医疗器械为诸如组织抓取器、电外科烧灼探针、牵开器、吻合器、血管密封器、内窥镜、解剖刀、超声波剪切器以及抽吸/冲洗器械。
在所描画的实施例中，医疗器械系统200包括柔性鞘管225。柔性鞘管225为中空导管，其被成形且经配置可滑动地接收针系统205。在一些实施例中，柔性鞘管225为递送器械，其经配置将针系统递送到患者体内的目标部位。在那方面，柔性鞘管225包括从近端232延伸到远端234的管腔230。在一些实施例中，柔性鞘管225可以包括柔性支气管器械，诸如用于肺的检查、诊断、活检或治疗中的支气管窥镜或支气管导管。在一些实施例中，柔性鞘管225可以包括柔性胃肠器械，诸如用于胃肠器官的检查、诊断、活检或治疗中的内窥镜。医疗器械系统200还可以适合于在各种解剖系统中的任何一个中经由自然通道或手术创建的连接通道进行其他组织的导航和治疗，各种解剖系统包括结肠、肠、肾脏、大脑、心脏、循环系统等。
在一些实施例中，医疗器械系统200可以用于非远程操作的探查性程序或者用于涉及传统的手动操作的医疗器械(诸如内窥镜)的程序中。在此类情况下，致动器210可以由任选的手动控制器220进行手动控制。在一些实施例中，任选的手动控制器220为致动器210本身(例如，用于转针的旋钮、柄部或夹持件)。在其他实施例中，任选的手动控制器220能够为(一个或多个)柄部、(一个或多个)触发器、(一个或多个)控制杆、(一个或多个)夹持件或用于向致动器210提供控制输入的任何其他用户界面。任选的手动控制器220可以直接的机械联动装置并和/或者经由电子控制件连接到致动器210，并且可以有线和/或无线方式与致动器210进行通信。
针系统205包括细长器械235，细长器械235包括柔性部分238和刚性部分240。在所描画的实施例中，细长器械235包括可操控的柔性针，可操控的柔性针包括在刚性部分240处的尖锐的针尖端245(下面关于图3进一步详细描述)。针235包括从近端248延伸到远端249的管腔246(图4中示出)。在其他实施例中，针系统205包括代替针的另外类型的细长器械。
针系统205包括可操控的管心针260。在所描画的实施例中，管心针260被示出延伸通过针235的管腔246。针235的管腔246被成形并经配置可滑动地接收管心针260。管心针260和针235之间的结构关系结合图5在下面进一步描述。管心针260从近端262延伸到远端264。管心针包括细长的柔性主体266和可操控部分268。传感器元件270沿主体266的纵向轴线LA轴向延伸。在所描画的实施例中，传感器元件270延伸到可操控部分268中。在其他实施例中，传感器元件270邻近可操控部分268终止。
针系统205能够通过致动器210操纵。具体地，管心针260能够通过致动器210操纵。在一个示例中，致动器210能够通过操控管心针260的可操控部分268沿期望的手术轨迹到达患者内的目标部位，改变可操控部分268的形状和/或改变可操控部分268的取向来操纵管心针260(并且，因此操纵针235)。管心针260的可操控部分268将参考图4和图5在下面进一步详细地描述。
针系统205还可以容纳缆线、联动装置或在致动器210和管心针260之间延伸以可控制地弯曲或转动管心针260的可操控部分268的其他操控控制件(未在图2中示出)。在一些实施例中，针235能够限定一个或多个附加管腔，其他医疗器械、缆线、联动装置和/或其他操控控制可以延伸通过所述附加管腔。
在由远程操作组件致动器械系统200的实施例中，致动器210可以包括联接到远程操作组件的机动化驱动元件的驱动输入。在手动操作器械系统200的实施例中，致动器210可以包括抓取特征件、手动致动器以及用于手动控制器械系统的运动的其他部件。
在各种实施例中，针系统205能够包括任意数量的可操控的柔性针和相应的管心针，如通过任选的针280和任选的管心针282所指示的(连同附加的针所需的任何专用的或共享的致动元件、控制元件、感测元件和/或处理元件)。
如本文所使用的，针指的是广泛类别的柔性针，其带有在基部处的控制输入和/或端口(即，在患者身体的外部)以及旨在用于刺入或刺穿目标组织的远侧区域。根据针的形状和机械性质，针和患者解剖结构(即，目标组织和/或手术入口点与目标组织之间的任何介于中间的解剖结构)之间的相互作用力能够使针偏斜，使得能够通过向针的基部简单地施加旋转来提供操控。替代地或另外地，针235能够由管心针260(和致动器210)操纵，以提供成形和方向性。同具有低轴向刚度并且不适合于穿透或刺穿的导管型设备相比，可操控针通常具有足够高的轴向刚度和尖端形状，以允许其借助最小的轴向挤压刺穿或穿透组织。
注意，与针235相关联的术语“柔性”应该被广泛地解释。实质上，它意味着针能够弯曲而无损害。在一些实施例中，如图3A所示，柔性针290可以包括一系列密集的部件291，其类似于蛇形布置中的“椎骨”。例如，参见美国专利No.6,817,974和美国专利申请公开No.2013/0046317，两者的全部内容均以引用方式并入本文。在此布置中，每个部件291是运动链中的短链节，并且每个链节之间的可移动机械约束(例如，销铰、插口结合(cup andball)等)可以允许链节之间的一个(例如，俯仰)或两个(例如，俯仰或偏转)自由度(DOF)的相对运动。在其他实施例中，针290为连续的，诸如图3B所示的封闭的、弹性体的、可弯曲的管294(例如，镍钛诺、聚合物等)或者如图3C所示开放的、可弯曲的管296(例如，切口切割(kerf-cut)管、螺旋盘管等)。在图3C所示的实施例中，管296包括绕成盘旋或盘绕配置的一定柔性长度的材料，以形成有弹性的柔性管状主体。例如，管296可以包括类似于在美国专利申请公开No.2012/0123395中所描述的特征，所述专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
柔性针290可以由任何合适的生物相容材料制成，所述材料提供必备的拉伸和弯曲性质。作为非限制示例，合适的材料可以包括形状记忆材料，诸如镍钛诺、不锈钢以及塑料。在一些实施例中，柔性针290整个由相同的材料制成。在其他实施例中，柔性针290可以由两种或更多种不同的材料制成。在一些实施例中，柔性针290可用生物相容的润滑剂涂覆。
图4示出针235的远侧部分300。如上关于图2所提及，针235包括柔性部分238和刚性部分240。柔性部分238相对于刚性部分240而言是近侧。在所描画的实施例中，柔性部分238包括限定管腔246的中空的、连续的柔性管。如上所提及，柔性部分238可以包括盘绕结构，盘绕结构与期望的断裂强度和最小的轴向挤压结合增添针235的最大柔性(如图3C所示)。管腔246终止于针235的远端249处。在所描画的实施例中，柔性部分238是被动柔性的并且经配置响应外部的或内部的力而弯曲。在其他实施例中，柔性部分238可以主动地可操控(例如，通过图2所示的致动器210可控制)。
在所描画的实施例中，刚性部分240包括远侧尖端245，远侧尖端245包括针235的切削元件245或刀片245。远侧尖端245经配置穿透组织并对组织进行取样，同时允许可预测的曲线路径和针操控通过组织。在所描画的实施例中，远侧尖端245包括环形的、非斜切的、部分圆锥形的刀片。不同于斜切的刀片，对称的、圆锥形的刀片能够通过组织取芯同时保持相对直的路径。随着针235被推进通过组织，组织能够通过远端249处的孔302进入管腔246。
刚性部分240和柔性部分238通过任何各种已知的方法固定地附接到彼此，作为非限制性示例，所述已知的方法包括粘合剂、焊接(例如，激光焊接)和/或机械紧固件。例如，在所描画的实施例中，柔性部分238的远端305通过胶粘合剂附接到刚性部分240的近端310。然而，在一些实施例中，刚性部分240能够在柔性部分238上延伸，并且沿近侧部分238的长度在更近侧的位置处附接到柔性部分238。在一些实施例中，刚性部分240为柔性部分238的整体延伸。
在所描画的实施例中，针235包括标记320a、320b。标记320a定位在远侧尖端245上，而标记320b定位在相对于远侧尖端245而言是近侧的刚性部分240上。标记320a和标记320b能够起到插入距离或位置指示器的作用。在一些实施例中，标记320a、320b可以为不透射线的(例如，荧光检查标记)。标记320a包括环形标记，而标记320b包括带状标记。其他实施例可以包括任何数目、类型和布置的位置标记。
包括远侧尖端245的刚性部分240具有从大约1mm到10mm范围内的长度L1。例如，在一个实施例中，刚性部分240具有大约8mm的长度L1。刚性部分240的其他长度L1可以更大或更小。远侧尖端245具有从大约1mm到8mm范围内的长度L2。例如，在一个实施例中，刚性部分240具有大约4mm的长度L2。远侧尖端245的其他长度L2可以更大或更小。以上提供的尺寸仅出于示例性的目的，而并非旨在进行限制。可以设想其他尺寸。
针235具有从大约1mm到2.5mm范围内的外径D1。例如，在一个实施例中，针235具有大约1.5mm的外径。其他针外径可以更大或更小。在一些实施例中，外径D1从针235的近端248到远端249渐缩(图2中示出)，并且近端248处的针外径D1大于远端249处的针外径D1。在一些实施例中，针外径D1在针235的整个长度上基本不变。在替代实施例中，在近侧部分的较大外径D1到远侧部分300的较小外径之间，在针235中能够存在陡变或止挡部(stop)。提供以上尺寸仅出于示例性的目的，而并非旨在进行限制。可以设想其他尺寸。
针235具有从大约0.8mm到1.4mm范围内的管腔内径D2。内径D2的尺寸设定成允许组织和流体通道通过管腔246。例如，在一个实施例中，针235具有大约1mm的内径D2。其他针内径可以更大或更小。在一些实施例中，内径D2从针235的近端248到远端249渐缩(图2中示出)，并且近端248处的内径D2大于远端249处的内径。在一些实施例中，内径D2在针235的整个长度上基本不变。在替代实施例中，在近侧部分的较大内径D2到远侧部分300的较小内径之间，在针235中可以存在陡变或止挡部。提供以上尺寸仅出于示例性的目的，而并非旨在进行限制。可以设想其他尺寸。
图5示出图2所示的可操控管心针260的透视图。具体地，图5示出管心针260的远侧部分350。如上参考图2所提及，管心针260包括细长的、柔性主体266和可操控部分268。在所描画的实施例中，主体266经配置响应作用到柔性主体上的力而被动地偏转，而可操控部分268经配置响应远程操作组件和/或来自致动器210(图2中示出)的控制信号而主动地弯扭。主体266经配置承载和引导致动缆线(例如，致动缆线360)到可操控部分268。在所描画的实施例中，主体266包括捆绑在一起的多个致动导管355以将致动缆线360引导到可操控部分268中。如图5和图6所示，主体266缺少围绕被捆绑的导管355的实心壁。在其他实施例中，主体266可以包括围绕该捆导管355的鞘管。
管心针260具有从大约0.8mm到1.4mm范围内的外径D3。例如，在一个实施例中，管心针260具有大约1.0mm的外径。其他管心针外径可以更大或更小。在所描画的实施例中，近端262处的外径(图2中示出)大于远端264处的外径。在一些实施例中，管心针260的外径D3非常接近针235的远侧尖端245的内径D4(图4中示出)，使得针235的远侧尖端245经配置紧贴地接收管心针260的可操控部分268。在一些实施例中，内径D4近似等于内径D2。在一些实施例中，管心针260的外径D3非常接近针235的内径D2，使得当管心针260接收在针235的管腔246内时，传感器元件270与针235的纵向轴线NA基本上对齐(图4中示出)。在一些实施例中，管心针260的外径D3非常接近针235的内径，使得当管心针260被接收在管腔246内时，管心针260阻塞针235的管腔246。
具体地，外径D3在主体266的整个长度上保持不变，并且沿可操控部分268的长度L3的至少一部分朝远侧渐缩。在替代实施例中，管心针外径D3沿管心针260的长度变化。在替代实施例中，在管心针260的近侧部分的较大外径到远侧部分350的较小外径之间，在管心针260中能够存在陡变或止挡部。可操控部分268的长度L3能够在从大约2mm到6mm变动。例如，在一个实施例中，可操控部分268具有大约5mm的长度L3。可操控部分268的其他长度L3可以更大或更小。提供以上尺寸仅出于示例性的目的，而并非旨在进行限制。可以设想其他尺寸。
图6示出管心针260的主体266的透视和部分横截面图。如图6中所示，主体266的每个导管355包括经配置可滑动地接收致动缆线360的柔性管。在所描画的实施例中，每个导管355包括柔性微弹簧圈(microcoil)结构。在其他实施例中，每个导管355可以包括任何合适类型的中空的、柔性的、生物相容的管，其被设定尺寸并经配置可滑动地接收致动缆线360。在所描画的实施例中，主体266包括被布置成圆周地围绕经配置承载传感器元件270的传感器导管362的八个导管355。在所描画的实施例中，每个导管355被定位成围绕传感器导管362紧邻相邻的导管355，使得导管355之间不留缝隙(例如，径向地)。在一方面，传感器导管362被成形并经配置保持传感器元件270的轴向位置在1mm范围内(相对于管心针260的纵向轴线LA)。通过各种已知方法中的任何一种，导管355和传感器导管362固定地附接到彼此，作为非限制性示例，所述已知方法包括粘合剂、焊接(例如，激光焊接)和/或机械紧固件。例如，在所描画的实施例中，导管355通过激光焊接联接到彼此并且联接到传感器导管360。该配置能够利用小的俯仰和很少至无的轴向挤压为管心针260增添期望程度的轴向刚度。主体266可以包括任何数目和布置的导管355，导管355经配置将期望数目的致动缆线360准确引导至可操控部分268中。例如，在所描画的实施例中，由于可操控部分268经配置接收八条致动缆线360，因此主体266包括八个导管355，其中每个导管355经配置接收单个致动缆线360。在此类实施例中，致动缆线360的拉动或致动很大程度上有助于管心针尖端(即，可操控部分268)的弯曲，这可以改善设备形状、位置以及推进方向的可控性。一些其他的实施例可缺少用于容纳致动缆线的导管。在此类实施例中，张紧或拉动致动缆线可以沿整个管心针260产生分布式弯曲。
如图5和图6所示，主体266和可操控部分268通过各种已知方法中的任何一种固定地附接到彼此，作为非限制性示例，所述已知方法包括粘合剂、焊接(例如，激光焊接)和/或机械紧固件。例如，在所描画的实施例中，主体266的远端365通过激光焊接联接到可操控部分268的近端370。然而，在一些实施例中，近端370能够在主体266的远端355上延伸，并且在沿主体长度的更近侧位置处附接到主体266。在此类实施例中，主体266可以延伸小的距离到可操控部分268中。在一些实施例中，可操控部分268为主体266的整体延伸。
如图2和图6所示，传感器元件270沿主体266的纵向轴线LA轴向延伸。在图6所描画的实施例中，传感器元件270在传感器导管362内延伸通过主体266的中心。在其他实施例中，传感器导管362可相对于导管355定位在偏离中心的位置中。在所描画的实施例中，传感器元件270至少部分地延伸到管心针260的可操控部分268中。在替代实施例中，传感器元件270终止于在相对于可操控部分268而言是近侧的主体266内。
如果针系统205为图1所示的远程操作医疗系统100的医疗器械系统104，则传感器元件270可以为传感器系统108的部件。如果针系统205为手动操作或以其他方式用于非机器人程序，则传感器元件270可以联接到追踪系统，追踪系统询问传感器元件270并且处理接收的数据(例如，来自形状传感器元件的形状数据)。不管管心针260的具体操控机构如何，针系统205的可用性均通过包括传感器元件270而得到增强。根据传感器元件270延伸到可操控部分268中有多远，传感器元件270能够确定管心针260的可操控部分268和/或沿管心针主体266和/或针235的一个或多个分立区段的位置、取向、速率、姿态和/或形状。传感器元件270读取的数据能够通过图1所示的传感器系统108和/或控制系统112转换成可用的形状和/或位置信息。然后，形状和/或位置信息能够用于进一步引导管心针260的操纵(并且因此引导针235的操纵)。
在所描画的实施例中，传感器元件270是提供管心针260(和针235，当管心针260定位在针235内时)的形状和/或位置测量的传感器。在所描画的实施例中，传感器元件270可以包括能够用于点定位(即，位置/取向测量)的EM传感器系统。在一些实施例中，传感器元件270包括多个EM传感器或以各种时间间隔累积测量的单个EM传感器，以确定管心针260在任何给定时间点处的形状。EM传感器元件270可以包括可经受外部生成的电磁场的一个或多个导电线圈。然后，EM传感器元件270的每个线圈产生感应电信号，所述感应电信号具有取决于线圈相对于外部生成的电磁场的位置和取向的特性。在一个实施例中，EM传感器系统可以经配置和定位成测量六个自由度(“6-DOF”)，例如，三个位置坐标X，Y，Z和指示基准点的俯仰、偏转和滚动的三个取向角度。在替代实施例中，EM传感器系统可以经配置和定位成测量五个自由度(“5-DOF”)，例如，三个位置坐标X，Y，Z和基准点的二个取向。例如，在一些实施例中，传感器元件270包括5-DOF EM传感器，其经配置提供与管心针266的主体266有关的位置和/或取向数据(例如，以随着针235在管心针260上延伸并且连同管心针一起延伸，允许用户辨认针尖端249在患者体内的哪个位置)。EM传感器系统的进一步描述在提交于1999年8月11日的公开为“Six-Degree of Freedom Tracking System Having aPassive Transponder on the Object Being Tracked(在被追踪对象上具有被动应答器的六自由度追踪系统)”美国专利No.6,380,732中有所提供，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，传感器元件270可以包括与管心针260对齐的光导纤维(例如，光导纤维可以提供在如图6所示的传感器导管362内)。传感器元件270的光导纤维可以形成光纤弯曲传感器用于确定针系统205的至少一部分的形状。用于监控光导纤维的形状和在三个维度中的相对位置的各种系统和方法在提交于2005年7月13日的公开为“Fiber opticposition and shape sensing device and method relating thereto(光纤位置和形状感测设备及其相关方法)”的美国专利申请No.11/180,389；提交于2004年7月16日的公开为“Fiber-optic shape and relative position sensing(光纤形状和相对位置感测)”的美国临时专利申请No.60/588,336；以及提交于1998年6月17日的公开为“Optical FiberBend Sensor(光导纤维弯曲传感器)”的美国专利No.6,389,187中有所描述，这些专利申请的全部内容以引用方式并入本文。在其他替代中，采用其他应变感测技术诸如瑞利(Rayleigh)散射、拉曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射以及荧光散射的传感器可以是合适的。在其他替代实施例中，针系统205的形状可以使用其他技术来确定。
更具体地，穿过光导纤维的光经处理以检测管心针260和/或针系统205的形状，并且用于利用该信息来辅助医疗程序。传感器系统(例如，如图2所述的传感器系统108或另一类型的追踪系统)可以包括询问系统用于生成并检测用于确定管心针260的形状的光。该信息进而能够用于确定其他相关变量，诸如医疗器械的各部分的速度和加速度。
如上所述，传感器元件270可以包括细长的光纤形状传感器，该传感器提供沿管心针260的长度的形状测量。传感器元件270可以包括在传感器长度上的单个连续的感测区域或者沿传感器长度分布的多个感测区域。与分立位置传感器相比，细长传感器能够利用单个传感器沿管心针260的长度进行形状测量。单个细长形状传感器的一体化特性可以提供管心针260的更准确的形状测量，这能够更精确地控制和/或增强错误校正，以确保管心针260(和针235)准确地穿过期望的手术轨迹。
注意，虽然出于说明的目的将传感器元件270描绘并描述成单个细长传感器，但是在其他实施例中，传感器元件270能够包括多个分立的形状传感器。在一个此类实施例中，每个形状传感器可以测量管心针260的总长度的连续部分的形状。多个形状传感器可以提供更高的形状建模精确度，或者可用于补偿能够影响传感器的环境因素(例如，沿管心针260的长度的温度变化)。
图7A和图7B示出根据本公开的一个实施例的管心针260的可操控部分268。与具有低轴向刚度并且不是很适合于穿透或刺穿的导管型设备相比，管心针260通常具有高轴向刚度和尖端形状(即，可操控部分268的形状)，该尖端形状允许其借助最小的轴向挤压或屈曲来穿透或刺穿组织。在图7A描绘的所描画的实施例中，可操控部分268包括朝向远端264渐缩的柔性的、有节的(jointed)结构。可操控部分268从近端400延伸到远端264。在所描画的实施例中，可操控部分268包括近侧可弯曲节段410和远侧抗弯曲节段415。在所描画的实施例中，可弯曲节段410包括连续的有节的结构，该有节的结构包括多个可弯扭区段：近侧区段417、中间区段418以及远侧区段419。近侧接合枢转部420将近侧区段417和中间区段418分开，并且远侧接合枢转部425将中间区段418和远侧区段419分开。图7所示的可弯曲部分410仅为例示性的而并非旨在进行限制。在该公开的视图中，可弯曲部分410可以包括任何类型的可操控的、大致管状的结构，该结构经配置容纳致动缆线360并且在致动缆线360致动时在多个方向上弯曲。换言之，管心针260的可操控部分268可以根据需要包括从具有许多区段的至少一个可弯曲节段到任意数目的可弯曲节段以提供可操控管心针260的所需功能。在一些情况下，管心针260的可操控部分268包括类似于在名称为“Articulatingmechanism with flex-hinged links(借助挠性铰接链节的铰接机构)”，和提交于2004年9月24日的美国专利申请No.2005/0273085；和/或名称为“Medical instrument withflexible wrist mechanism(带有柔性腕部机构的医疗器械)”，以及提交于2011年8月15日的美国专利申请No.2013/0046317中公开的部件或特征，所述专利申请两者的全文均以引用方式并入本文。
可操控部分268可以由任何合适的生物相容的材料制成，该材料提供必备的拉伸和弯曲性质。作为非限制性示例，合适的材料可以包括聚合物、形状记忆材料(诸如镍钛诺)、不锈钢以及塑料。在一些实施例中，可操控部分268整个由相同的材料制成。在其他实施例中，可操控部分268可以由两种或更多种不同的材料制成。例如，在一些实施例中，抗弯曲节段415可以由比可弯曲节段410更加刚性的材料形成。在一些实施例中，可操控部分268可以用生物相容的润滑剂涂覆。
可弯曲节段410和抗弯曲节段415通过各种已知方法中的任何一种固定地附接到彼此，作为非限制性示例，所述已知方法包括粘合剂、焊接(例如，激光焊接)和/或机械紧固件。例如，在所描画的实施例中，可弯曲节段410的远侧区段419和抗弯曲节段415通过激光焊接联接到彼此。在其他实施例中，可弯曲节段410和抗弯曲节段415可以由单个一体的、细长的管状或实心构件形成，该构件可以根据本发明进行切削以形成三个区段417、418、419，可弯曲节段410的近侧接合枢转部420和远侧接合枢转部425以及抗弯曲部分415。
抗弯曲节段415形成管心针260的远侧尖端，并且被成形和经配置借助最小的轴向挤压穿透组织。在所描画的实施例中，抗弯曲节段415形成圆锥形的、尖锐的尖端。在其他实施例中，抗弯曲节段415可以具有能够使其借助最小的轴向挤压穿透组织的任何形状。抗弯曲节段415经配置接收和/或锚固致动缆线360。在所描画的实施例中，抗弯曲节段415包括沟槽或缺口430以接收和/或锚固致动缆线360的远端435。在所描画的实施例中，管心针260包括八条致动线360，并且抗弯曲节段415包括八个互补的沟槽430，以接收致动线360中的每个。在其他实施例中，抗弯曲节段415可以包括任何数目的沟槽430，以适应包括在管心针260中的致动线360的数目。在所描画的实施例中，沟槽430被布置成对称地且圆周地围绕抗弯曲节段415。在其他实施例中，沟槽430以能够实现管心针260的期望可操控性的任何方式围绕抗弯曲节段415布置。
如上所述，可操控部分268(并且特别是，可弯曲部分410)经配置响应远程操作组件和/或来自致动器210(图2中示出)的控制信号，依靠选择性致动单个致动缆线360来主动地进行弯扭。如图7A所示，每个致动缆线360在终止于沟槽430内之前从柔性部分266延伸到并通过可操控部分268中的单个槽道440。在所描画的实施例中，示出四个致动缆线360a、360b、360c以及360d。例如，所描画的实施例示出致动线360a、360b、360c以及360d的相应远端435a、435b、435c以及435d，所述远端锚固在四个互补的沟槽430内。
在所描画的实施例中，致动缆线360围绕管心针260的纵向轴线LA成对布置。具体地，如图7A所示，致动缆线360a和致动缆线360b形成通过槽道440a和440b延伸的一对。在一个实施例中，致动缆线360a和致动缆线360b为相同的连续致动缆线的两个分支，并且所述两个分支360a、360b在近端处一起被致动。图7B示出可操控部分268(如图2中所示)的区段217的横截面图。如图7B所示，槽道440分组成围绕可操控部分268的纵向轴线LA对称布置的四对。例如，槽道440a与槽道440b配对，并且槽道440c与槽道440d配对。因此，致动缆线360a与致动缆线360b配对，并且致动缆线360c与致动缆线360d配对。在其他实施例中，槽道440(并且因此，致动缆线360)可以能够实现管心针260的期望的可操控性的任何方式围绕可弯曲部分410布置。
能够施加拉力和/或延伸力以引起管心针260的可操控部分268的期望弯曲。致动缆线360能够经由机械张紧器、马达致动器或(例如，联接到管心针260的)任何其他机构控制。例如，在一些实施例中，致动缆线360能够包括响应热变化的材料，诸如(一条或多条)镍钛诺线，其经配置响应于电流引起的加热而收缩(诸如，在Dunlop等的“A Nitinol WireActuated Stewart Platform(镍钛诺线致动的Strwart平台)”(收录于2002年11月27日至29日2002Australasian Conference on Robotics and Automation的Proc.)中所描述的，其全部内容以引用方式并入本文)。各种其他操控机构将显而易见。例如，在一些实施例中，每个致动缆线260可以延伸通过多个致动导管中的一个进入到槽道440中，并且通过多个致动导管中的另一个返回。
在图7A中，可操控部分268被示出处于直的或未弯曲的状态中，其中纵向轴线LA与例示性x-轴平行对齐。图8A和图8B示出处于弯曲状态中的可操控部分268。在图8A中，由于致动缆线360c和360d处于张紧状态，所以可操控部分268在例示性x-z平面中在近侧接合枢转部420处朝向槽道440c和440d的方向弯曲(例如，处于俯仰中)。具体地，可操控部分268中相对于近侧接合枢转部420而言是远侧的部分(即，区段418、区段419以及抗弯区节段415)分别在承载张紧的缆线360c和360d的槽道440c和440d的方向上弯曲或弯扭。在图8B中，由于致动缆线360a和致动缆线360b也处于张紧状态(即，除致动缆线360c和致动缆线360d以外)中，因此可操控部分268还在例示性x-y平面上在远侧接合枢转部425处朝向槽道440a和440b的方向弯曲。具体地，可操控部分268中相对于远侧接合枢转部425而言是远侧的部分(即，区段419和抗弯曲节段415)分别在承载张紧的缆线360a和360b的槽道440a和440b的方向上弯曲或弯扭。
图9示出根据本公开的一个实施例的针系统500的透视图。针系统500可以类似于图2所示的针系统205。具体地，图9示出图5所示的示例性传感器管心针，其定位在根据本公开的在图4中所示的示例性针系统内，并且从该针系统延伸。针系统500包括管心针260，管心针260可滑动地定位在针235的管腔246内。管心针260和针235以相对于彼此可伸缩的方式布置。因此，管心针260能够完全缩回到针235的管腔246中，并且还能够从针235朝远侧延伸(即，当针235保持固定时)，如图9所示。
如图9所描绘，管心针260的形状和尺寸被设定成被接收在针235的内部。具体地，管心针260的可操控部分268的形状和尺寸被设定成紧贴地接收在针235的刚性部分240的内部。在所描画的实施例中，针235的内径D2被设定成仅稍大于管心针260的外径D3，从而允许管心针260在其从针235显露出来时牢固地支撑在针235的刚性部分240内。
在一些实施例中，图1所示的远程操作医疗系统100经配置控制管心针260的可操控部分268的移动或弯扭。具体地，远程操作系统100能够控制致动缆线360的致动，并且从而控制管心针260的可操控部分268的移动和弯曲。如果当操纵或移动可操控部分268时，可操控部分268定位在针235内(如图9所示)，那么针235将呈现可操控部分268的移动的样子(mimic)并且与其一致地移动(例如，由于针235覆盖并围绕管心针260的移动部分)。在一些实施例中，远程操作系统100和针系统500经配置将可操控部分268变换到一组预定的形状或弯曲角度。例如，在一些实施例中，通过向远程操作系统100输入单个命令，可操控部分268可以具有带有“向左弯曲”的预定第一位置，该“向左弯曲”在近侧接合枢转部420处具有预设角度α1，如图8A所示。在其他实施例中，可以操纵可操控部分268并且将其移动到包括一个或多个接合枢转部的各种弯曲形状中，接合枢转部具有一系列的弯曲角度。
图10至图12示出根据本公开的一个实施例的图9所示的示例性针系统500的示意图，系统500导航患者解剖结构P以获得活检样本。图10示出根据本公开的实施例的导航曲折路径510(即，患者解剖结构内的通道)的针系统500的示意图，其中管心针260在针235内处于缩回或被覆盖状态。在所描画的实施例中，针系统500被示出通过柔性鞘管520朝向目标区域515推进。柔性鞘管520可以与以上关于图2所述的柔性鞘管225相同。在所描画的实施例中，针235可滑动地接收在柔性鞘管520内，并且管心针260可滑动地接收在针235内。当针235通过柔性鞘管520推进时，管心针260在针235的管腔246内处于缩回或未延伸的状态。具体地，管心针260的远端264被定位在相对于针235的远端249而言的近侧。在针系统500通过柔性鞘管520推进期间，用户无需利用带有管心针260的传感器元件270，但用户可以这么做，以确认针系统500准确地通过柔性鞘管520前进。
图11示出根据本公开的实施例的朝向目标区域515操控的针系统500的示意图。具体地，图11示出从针235显露出来以在目标区域515的方向上穿透组织的管心针260。随着用户从柔性鞘管520推进针235，并且贯穿整个程序，用户可以采用荧光镜检查或其他成像与不透射线标志320(或其他不透射线标志，未描画)协作，以追踪针235在患者解剖结构内的位置(例如，相对于目标区域515)。在将针235和管心针260从柔性鞘管520推进之后(即，其中管心针260定位在针235内)，用户能够从针235推进管心针260以使管心针260先于针235穿透组织(例如，未对组织取芯同时阻塞针235的管腔260接收组织)。随着推进传感器管心针260，用户可以利用从传感器元件270接收的数据来估计并追踪管心针260的位置、取向和进程。
从传感器元件270获得的信息能够以各种方式来使用。例如，能够根据测量的形状确定进入到组织中的总插入深度以及尖端位置和取向(例如，管心针260的远端264)。这些变量能够用于伺服回路中，以精确地控制管心针260和针235的插入和取向-而非依据控制输入仅测量近侧插入和旋转量并且假设最佳传输到尖端，传感器元件270能够用于直接测量远侧插入和旋转，与针235或管心针260的扭曲和轴向柔性以及针235或管心针260与组织之间的摩擦和法向力的影响无关。在另一实施例中，测量的尖端位置和取向(如根据形状信息计算出的)能够用于规划算法中，该规划算法计算从当前管心针的位置到目标区域515的可行路径。代替(潜在地不精确的)成像技术或者除成像技术以外，传感器元件270能够用于测量传感器管心针的姿态和针的姿态。
在另一实施例中，传感器元件270能够用于与成像技术结合，以改善针235和/或管心针260相对于术前数据的配准。例如，通过将可成像的基准特征附接到传感器元件270的一部分，或者将传感器元件270上的固定参考点对接到患者身上的可见基准特征，能够将传感器元件270和/或传感器管心针270的基部或一些其他部分配准到图像坐标空间。响应组织运动或变形，术中成像将提供适应管心针和针的轨迹的手段。管心针260和/或针235的测量形状能够用于辅助检测并定位术中图像中的管心针260和/或针235，使得可测量其相对于解剖目标的位置/取向。
基于来自管心针260的传感器元件270的感测数据和随后的结论，用户和/或远程操作系统100能够选择性地操控管心针260的可操控部分268朝向目标区域515(例如，通过选择性地张紧或释放特定的致动缆线360(如图5所示)，以使可操控部分268的特定节段弯曲，如图8A和图8B所示)。具体地，管心针260的传感器元件270能够与驱动机构结合使用来提供输入，以便手动地(例如，通过用户)或自动地(例如，通过远程操作系统100)控制在医疗程序期间操控管心针260的可操控部分268的致动器。
当用户将管心针260推进到组织中时或之后，用户可以朝远侧推进针235，以使针235在管心针260上滑动。图12示出针235的在管心针260的可操控部分268上方延伸(并且沿循管心针260的弧线)以穿透目标区域515(例如，以从目标区域515获得或吸入活检样本)的刚性部分240。当管心针260被精确地操控到达目标区域515(或者甚至操控到达较大目标区域515内的感兴趣的分立区域)时，随着针235在管心针260上推进通过组织，管心针260可以稍微先于针235推进，以引导针235的轨迹。
在用户确认(例如，使用射线照相术数据和/或来自传感器元件270的感测数据)针235在目标区域内的准确定位之后，用户可以朝近侧撤回管心针260，如图13所示，并且开始通过目标区域吸入和/或取芯，以获得组织样本(例如，活检样本)。在一些实施例中，针系统500将目标区域515的活检样本吸入到针管腔246中。在其他实施例中，针系统500将目标区域515的活检样本取芯到针235的刚性部分240中。
图14在流程图600中示出用于使用或控制管心针260的方法的一个实施例的。在步骤605处，针系统500(例如，管心针260和针235)可以在感兴趣区域或目标组织(例如，图10所示的目标区域515)的方向上一起被推进到患者解剖结构(例如，图10所示的患者解剖结构P)内。在一些实施例中，管心针260和针235可在递送设备(例如，图10所示的柔性鞘管520)内推进。当管心针260和针235朝向感兴趣区域推进时，管心针260可以伸缩地覆盖在针235内。
在步骤610处，在朝向感兴趣区域推进针系统500期间，无需利用管心针260的传感器元件270，但是控制系统112(例如，控制系统112的处理器)可以分析通过传感器元件270供应的形状和/或位置数据，以确认针系统500通过患者解剖结构的精确进程。
在步骤615处，在将针系统500定位在感兴趣区域的附近之后，管心针260可以先于针235被推进(例如，越过针235的远端249)以穿透组织，如图11所示。管心针260可以穿透组织而不对组织进行取芯，并且促进针235稍后前进通过组织。
在步骤620处，随着传感器元件270被推进到组织中，传感器元件270能够取得或检测管心针260的当前形状/位置，并且控制系统112可以分析通过传感器元件270供应的形状和/或位置数据，以确定针系统500相对于感兴趣区域的位置。
在步骤625处，基于通过传感器元件270供应的形状和/或位置数据，控制系统112可以操控管心针260朝向感兴趣区域。
在步骤630处，控制系统112可以在管心针260上朝向感兴趣区域推进针235或者将针235推进到感兴趣区域中，如图12所示。
在步骤635处，管心针260可以通过针235撤回，如图13所示。
在步骤640处，针235可以进一步推进到感兴趣区域中，以通过组织进行取芯并获得活检样本。
本发明的实施例中的一个或多个元件可以在软件中实施，以在计算机系统(诸如控制系统112)的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明的实施例的元件本质上为执行必要任务的代码段。程序或代码段能够存储在处理器可读存储介质或设备中，其中所述设备可以已经通过传输介质或通信链接经由实施在载波中的计算机数据信号下载。处理器可读存储设备可以包括能够存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质以及磁性介质。处理器可读存储设备示例包括电子电路；半导体设备、半导体存储器设备、只读存储器(ROM)、闪存存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。代码段可以经由计算机网络(诸如因特网、内联网等)进行下载。
注意，提出的过程和显示可以不是固有地涉及任何特定的计算机或其他装置。各种这些系统的所需结构将作为元件在权利要求书中出现。此外，本发明的实施例并不参考任何特定的编程语言进行描述。应该认识到，各种编程语言均可以用于实施如本文所述的本发明的教导。
尽管已经在附图中示出且描述本发明的某些示例性实施例，但应该理解，此类实施例仅是对广义发明的说明而非对其进行限制，并且由于本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改，因此本发明的实施例不限于所示和所述的特定结构和布置。

Claims (33)

1.一种微创系统，其包括：
细长器械，其从近端延伸到远端并且包括：
柔性近侧部分；
刚性远侧部分，所述柔性近侧部分固定地联接到所述刚性远侧部分；以及
管腔，其通过所述柔性近侧部分和所述刚性远侧部分从所述近端延伸到所述远端，并且限定所述器械的纵向轴线；以及
管心针，其可滑动地设置在所述细长器械的所述管腔内，所述管心针包括固定地联接到可操控部分的柔性主体和延伸通过所述柔性主体的传感器元件，所述管心针在缩回状态和延伸配置之间在所述细长器械内可移动，在所述缩回状态中，所述可操控部分缩回到所述细长器械内，在所述延伸配置中，所述可操控部分至少部分地从所述细长器械的所述刚性远侧部分延伸。
2.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述传感器元件经配置测量所述管心针的至少一部分的形状。
3.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述传感器元件经配置测量所述管心针的至少一部分的位置。
4.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述传感器元件延伸到所述管心针的所述可操控部分中。
5.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述管心针包括非常接近所述细长器械的内径的外径，使得当所述管心针被接收在所述细长器械的所述管腔内时，所述管心针阻塞所述细长器械的所述管腔。
6.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述管心针包括传感器导管，所述传感器导管经配置保持所述传感器元件的轴向位置与所述细长器械的纵向轴线基本上平行对齐。
7.根据权利要求1所述的微创系统，其进一步包括多个致动缆线，所述致动缆线延伸通过所述管心针的所述柔性主体并且终止在所述管心针的所述可操控部分中。
8.根据权利要求7所述的微创系统，其进一步包括在所述管心针的所述柔性主体内的多个致动导管和在所述管心针的所述可操控部分内的多个致动槽道，其中所述多个致动缆线中的每个延伸通过所述多个致动导管的离散的致动导管，并且锚固在所述多个致动槽道的离散的致动槽道内。
9.根据权利要求8所述的微创系统，其中每个致动导管包括柔性的微弹簧圈。
10.根据权利要求8所述的微创系统，其中所述多个致动导管中的每个致动导管被定位成紧邻所述多个致动导管的相邻致动导管。
11.根据权利要求10所述的微创系统，其中所述管心针包括传感器导管，所述传感器导管经配置保持所述传感器元件的轴向位置与所述细长器械的纵向轴线基本上平行对齐，并且所述多个致动导管被布置成圆周地围绕所述传感器导管。
12.根据权利要求7所述的微创系统，其中当所述致动缆线从所述柔性主体延伸到所述可操控部分中时，所述多个致动缆线中的每个致动缆线相对于所述管心针的所述纵向轴线保持其径向位置。
13.根据权利要求7所述的微创系统，其中所述管心针的所述可操控部分包括抗弯曲节段和可弯曲节段，所述可弯曲节段包括通过所述致动缆线连结的多个可弯扭区段。
14.根据权利要求13所述的微创系统，其中所述可弯曲区段包括设置在相邻可弯扭区段之间的多个接合枢转部。
15.根据权利要求14所述的微创系统，其中所述可弯曲节段包括第一可弯扭区段和第二可弯扭区段之间的第一接合枢转部，以及所述第二可弯扭区段和第三可弯扭区段之间的第二接合枢转部。
16.根据权利要求15所述的微创系统，其中所述第一接合枢转部允许所述第一可弯扭区段相对于所述第二可弯扭区段在第一平面中弯曲，并且所述第二接合枢转部允许所述第二可弯扭区段相对于所述第三可弯扭区段在第二平面中弯曲，所述第一平面不同于所述第二平面。
17.根据权利要求1所述的微创系统，其中所述细长器械的所述刚性远侧部分包括部分圆锥的、非斜切的且环形的切削尖端。
18.一种微创系统，其包括：
致动器；
针，其包括从近端延伸到远端并且限定所述器械的纵向轴线的管腔；
管心针，其可滑动地设置在所述细长器械的所述管腔内，所述管心针包括近侧柔性主体、包括抗弯曲尖端的远侧可操控部分，以及延伸通过所述柔性主体的传感器元件，所述管心针在缩回状态和延伸配置之间在所述针内可移动，在所述缩回状态中，所述可操控部分缩回到所述针的所述管腔内，在所述延伸配置中，所述医疗器械的所述可操控部分至少部分地从所述针的所述远端延伸；以及
多个致动缆线，其从所述致动器延伸通过所述管心针的所述柔性主体，并且终止在所述管心针的所述可操控部分中。
19.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述传感器元件经配置测量所述管心针的至少一部分的形状。
20.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述传感器元件经配置测量所述管心针的至少一部分的位置。
21.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述传感器元件延伸到所述管心针的所述可操控部分中。
22.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述管心针包括非常接近所述针的所述管腔的内径的外径，使得当所述管心针被接收在所述针的所述管腔内时，所述传感器元件与所述针的所述纵向轴线基本上对齐。
23.根据权利要求18所述的微创系统，其进一步包括延伸通过所述柔性主体的多个致动导管和延伸通过所述可操控部分的多个致动槽道，其中所述多个致动缆线中的每个延伸通过所述多个致动导管中的一个，并且锚固在所述多个致动槽道中的一个内。
24.根据权利要求23所述的微创系统，其中所述多个致动导管中的每个致动导管包括柔性微弹簧圈。
25.根据权利要求18所述的微创系统，其进一步包括延伸通过所述柔性主体的多个致动导管和延伸通过所述可操控部分的多个致动槽道，其中所述多个致动缆线中的每个致动缆线延伸通过所述多个致动导管中的一个，并且通过所述多个致动导管中的另一个返回。
26.根据权利要求23所述的微创系统，其中当所述致动缆线从所述柔性主体延伸到所述可操控部分中时，所述多个致动缆线中的每个致动缆线相对于所述管心针的所述纵向轴线保持其径向位置。
27.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述管心针的所述可操控部分包括多个可弯扭区段，所述多个可弯扭区段通过所述致动缆线连结，并且通过设置在相邻可弯扭区段之间的多个接合枢转部分开。
28.根据权利要求27所述的微创系统，其中所述多个接合枢转部的第一接合枢转部允许第一可弯扭区段相对于第二可弯扭区段在第一平面中弯曲，并且所述多个接合枢转部的第二接合枢转部允许所述第二可弯扭区段相对于第三可弯扭区段在第二平面中弯曲，其中所述第一平面不同于所述第二平面，所述第一接合枢转部设置在所述第一可弯扭区段和所述第二可弯扭区段之间，并且所述第二接合枢转部设置在所述第二可弯扭区段和所述第三可弯扭区段之间。
29.根据权利要求18所述的微创系统，其中所述针的所述远端包括部分圆锥的、非斜切的且环形的切削尖端。
30.一种评估患者中的目标区域的方法，其包括：
朝向所述目标区域将针系统推进到患者中，所述针系统包括可滑动定位在细长医疗器械的管腔内的管心针，所述管心针包括柔性主体、远侧可操控部分以及经配置检测所述管心针的特性的传感器元件；
在所述细长医疗器械的远端的远侧推进所述管心针的所述可操控部分；
随着朝向所述目标区域推进所述管心针，从所述传感器元件获取所述管心针的特性；
基于所述获取的特性确定所述管心针和所述细长医疗器械相对于所述目标区域的位置；
基于所述确定的位置操控所述管心针的所述可操控部分朝向所述目标区域；以及
在所述管心针上方将所述细长医疗器械推进到所述目标区域中。
31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括，从所述细长医疗器械的所述管腔撤回所述管心针，以及
从所述目标区域获得活检到所述细长器械的所述管腔中。
32.根据权利要求30所述的方法，其中获取所述管心针的特性包括检测所述管心针的至少一部分的形状。
33.根据权利要求30所述的方法，其中获取所述管心针的特性包括检测所述管心针的至少一部分相对于所述目标区域的位置。
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