CN107252517A - 导管系统 - Google Patents

Abstract

可远程操作的医疗系统使用用于测量导管的姿势的传感器以及耦合到机械系统的控制系统。控制系统具有包括保持模式的多个操作模式，在保持模式中控制系统使用传感器反馈，并操作机械系统以维持工作配置。视觉探测器可以用于操控导管并摆好导管的姿势，并且然后当执行诸如肺活检的医疗任务时，视觉探测器可以被移除并被医疗探测器取代。可以在导管和视觉探测器之间划分系统的功能。传感器可以包括测量第一区段的电磁传感器和测量第二较小区段的纤维形状传感器。

Description

导管系统

本申请是于2012年10月12日提交的名称为“导管系统”的中国专利申请201280050476.5(PCT/US2012/059889)的分案申请。

背景技术

导航体腔的医疗装置需要实体上足够小以适合在腔内。例如，当导管导航分支通路时，可用于执行微创肺活检或其它医疗程序的肺导管可能需要在尺寸减小的气道中行进。为到达肺中的目标位置，导管可以在直径为小到3mm或更小的通路行进。制造这样的导管可能是具有挑战性的，其中该导管包括适合远程操作或机器人操作的机械机构和传感器结构并具有充分小的直径以导航这种小腔。具体地，一种远程操作导管的期望配置可提供安装在可操控部段上的工具；沿导管长度向下延伸到外部驱动系统的腱或牵引线，该外部驱动系统拉动腱以致动工具或可操控部段；用于抽吸和/或冲洗的腔；用于观察目标位置的视觉系统；以及识别器械相对于病人解剖结构的位置的传感器。容纳自动控制的并具有约3mm或更小直径的肺导管或其它装置的所有所需部件和元件可能是困难的。

发明内容

根据本发明的一方面，导管控制系统具有主动地将导管维持在医疗程序期望的工作配置中的控制模式(有时本文称为保持模式)。该保持模式有助于使用具有可互换探测器/探针的导管系统。具体地，当导管导航到工作部位时，视觉探测器可以被部署在导管内，从而观察工作部位，或在医疗任务的执行期间帮助识别导管的期望工作配置。该导管控制系统然后可以切换到保持模式，并且视觉系统可以被移除。然后医疗探测器可以取代移除的视觉探测器通过导管部署，并且该控制系统维持工作配置并允许在没有视觉探测器情况下执行医疗任务，同时固定和保持期望工作配置。在一个实施方式中，当医疗探测器通过导管插入、到达工作部位并执行医疗功能时，控制系统将导管主动保持在期望的工作配置中。在可替代的实施方案中，在执行医疗功能之前，控制系统将导管返回到记录的工作配置。由于导管只需要容纳视觉探测器或医疗探测器而非容纳两个，所以导管的直径可以小于提供类似功能的其它可能情况的系统的直径。

根据本发明的另一方面，用于自动控制的柔性装置的反馈控制方法和系统为不同应用和使用情况实施闭环装置致动或加强的多个不同模式。当设备导航通过临床空间或当设备与作为医疗程序一部分的组织相互作用时，不同的加强模式可以使该设备在外部施加力的情况下以期望方式响应，例如，组织反应力。

在一个实施例中，诸如导管的柔性装置使用来自传感器系统的实时反馈生成用于致动器的信号，该致动器附连到腱，这些腱被用于铰接该装置的远侧部分。例如，导管可以包括在其远侧末端处的柔性区段，该柔性区段可以在两个方向上弯曲(俯仰和偏转)。光纤形传感器可以测量柔性区段的弯曲，并且返回指示远侧末端相对于感测的形状基部的位置和取向的测量数据。例如，通过使用电磁传感器可以确定该基部的位置，该电磁传感器提供基部相对于可附连于病人的外部基准的位置和取向的测量。多个致动腱(例如，牵引线或线缆)附连到远侧末端，并且沿导管的长度延伸到致动器。控制致动器以拉动腱并因此以任何俯仰/偏转方向移动远侧末端的控制逻辑可以出于不同目以不同模式操作。具体地，对于保持模式，控制逻辑可以使用关于导管的目标形状的传感器数据和固定信息，以计算致动器的控制信号。

用于机器人导管或其它柔性系统的控制逻辑可以具有多个操作模式，这些操作模式包括下列的一个或多个：1)位置加强模式，其中控制系统控制致动器，以最小化导管或探测器的远侧末端的期望位置和测量位置之间的差异；2)取向加强模式，其中控制系统控制致动器，以最小化远侧末端的期望指向方向和测量指向方向之间的差异；3)目标位置加强模式，其中控制系统使用测量末端位置和指向方向的组合，以控制远侧末端总是指向特定的目标点；以及4)目标轴向运动加强模式，其中控制系统使用测量的末端位置和指向方向的组合，连同来自装置其它部分的传感器测量，并且控制致动器，以确保远侧末端设置在空间特定线上并且也沿该线具有指向方向。根据使用的探测器的类型(例如夹钳、照相机、激光器、刷或针)，或根据导管执行的动作(例如，导航或执行活检)，控制系统使用哪一种可用模式的选择可以通过用户选择进行。通过固定期望位置、方向、目标点或线，这些模式中的任何一个可以用于保持医疗程序的导管。

根据本发明的一方面，导管系统具有可被活检探测器或其它医疗探测器取代的可移除的视觉探测器。视觉探测器可以被用于到工作部位的导航，然后被移除并且由取出组织样品的活检探测器取代。因此，导管系统能够以较小直径提供高水平视觉功能和机械功能。用于导管自动致动的控制逻辑为以下问题进行调节，该问题可能出现在当工具和探测器交换时导管移动或者病人移动的情况下。具体地，当移除视觉探测器时，为使用活检探测器，反馈控制和远侧传感器(诸如光纤形传感器)可以用于维持或返回到期望位置或工作配置。因此，来自传感器的反馈信息可以用于控制致动器腱，使得由于工具移除或解剖结构移动，即使在干扰下，也能维持导管远侧末端的工作配置。这样，导管系统的准确度被维持，并且活检产率得到提高。作为维持恒定的工作配置的代替，期望工作配置的参数可以被记录，并且导管可以被拉直或松弛以更容易移除或插入探测器，随后在已插入新的探测器之后或根据用户指示，返回到期望工作配置。

本发明的一个特定实施例是包括导管和控制逻辑的医疗系统。导管包括主腔和机械系统。主腔容纳视觉探测器或医疗探测器，并且该主腔太窄而不能同时引导视觉探测器和医疗探测器两者到远侧末端。控制逻辑操作机械系统，以控制导管远侧末端的姿势。具体地，当部署视觉探测器时，控制逻辑可以识别远侧末端的期望工作配置，当视觉探测器已从导管移除并且医疗探测器部署在主腔内时，控制逻辑可以将导管保持在或返回到期望工作配置。

本发明的另一特定实施例是包括可移除的视觉探测器和导管的医疗系统。导管具有尺寸适于引导视觉系统或医疗工具到该导管远侧末端的腔。进一步，导管具有小于约3mm的宽度，并且该导管太窄而不能同时引导视觉探测器和医疗探测器两者到远侧末端。

本发明的又一特定实施例是这样的过程，其包括：当识别导管远侧末端的工作配置时，使用部署在导管中的视觉探测器；从导管移除视觉探测器；部署取代移除的视觉探测器的医疗探测器；以及当医疗探测器取代视觉探测器被部署在导管中时，致动导管以维持或返回到远侧末端的工作配置。

根据本发明的一方面，在导管和可移除的视觉探测器之间划分导管系统的功能。特殊布置可以最大化整个系统的小横截面的有用性，该横截面可以适合在例如小直径的肺腔内。具体地，可移除的视觉探测器可以提供在部署活检探测器或治疗探测器之前可以采用的成像、照明、冲洗和抽吸实用性。导管可以包括对视觉探测器和医疗探测器有用的或必要的致动结构和感测结构。因此，导管可以最大化可互换探测器的可用空间，并且仍提供当视觉探测器移除时用于使用诸如医疗探测器的探测器的所有必要功能。

在一个特定实施例中，用于医疗系统的视觉探测器包括多个通道，诸如主通道、用于冲洗和抽吸的一个或多个椭圆形通道以及一个或多个辅助通道。成像系统通过主通道延伸到管的远端，并且一个或多个照明光纤延伸通过管内各自辅助通道。管可以可选地实施为包括多个通道的压制品，并且在一个特定实施例中，成像系统包括安装在视觉探测器远端处的照相机。

根据本发明的又一方面，医疗系统可以还包括具有腔的导管，在腔中视觉探测器可以在医疗程序期间被部署并移除。导管可以包括操控系统和传感器系统，其可用与视觉探测器或取代导管中的视觉探测器的探测器一起使用。

根据本发明的一方面，使用远侧反馈的机器人导管系统可以通过使用包括电磁传感器和光纤传感器的传感器系统提供导管远侧末端的小直径以及准确的远侧末端的姿势测量。根据本发明的一方面，导管的传感器系统具有包含一个或多个电磁(EM)传感器的较厚近侧区段以及包括纤维形状传感器的较薄远侧区段。EM传感器可以提供相对于病人解剖结构的远侧区段基点的准确测量，同时光纤传感器测量从基点延伸的远侧区段的形状。因此，导管的远侧区段可以小至仅使用纤维形状传感器的系统，但导管系统不遭受长纤维形状传感器共有的不准确性。

本发明的一个特定实施例是包括导管、第一传感器系统以及第二传感器系统的医疗系统。导管具有第一区段和第二区段，其中第二区段邻近第一区段。第一传感器系统在第一区段内，并且配置成测量第一区段的姿势。第二传感器系统在第二区段内，并且配置成测量第二区段相对于第一区段的姿势。

本发明的另一实施例是用于感测医疗器械中的诸如导管的细长柔性结构的远侧末端的姿势的方法。该方法包括将随时间变化的磁场施加到包含柔性结构的至少一部分的空间。然后，在沿医疗器械的柔性结构的位置设置的线圈中感应的电信号可以分析为姿势测量的一部分。线圈的位置与柔性结构的近端和远侧末端分离。除了分析来自线圈的电信号，还测量从线圈位置延伸到柔性区段的远端的一部分柔性结构的形状。

一个特定实施例是医疗系统，其包括：导管，其包含可远程操作用于控制控制导管的远侧末端的机械系统；传感器，其被配置成至少部分测量远侧末端的姿势；以及耦合到机械系统的控制系统。控制系统具有包括保持模式的多个操作模式，在保持模式中控制系统基于传感器的反馈操作机械系统，以主动维持远侧末端的工作配置。

控制系统的多个操作模式可以还包括这样的模式，即在该模式中控制系统响应于用户输入操作机械系统以操控导管。

控制系统和传感器可以形成用于移动和感测远侧末端的工作配置的闭环系统。

工作配置可以限定远侧末端相对于工作部位的位置或远侧末端相对于工作部位的取向。

维持工作配置可以包括维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端维持指向工作部位内的目标。用这种模式，医疗系统可以还包括部署在导管中的可移除的探测器，并且探测器可以包括激光器，其被配置成使得工作配置将激光器指向目标。

维持工作配置可以包括将远侧末端保持在目标线上。用这种模式，维持工作配置可以还包括维持沿目标线的远侧末端的轴线。

控制系统的保持模式可以包括多个子模式，其中控制系统维持远侧末端姿势的不同方面，并且控制系统可以包括选择模块，该选择模块被配置成将控制系统设置在对应于部署在导管中的探测器类型的子模式中的一个中。子模式可以包括取向子模式，其中控制系统维持远侧末端相对于工作部位的取向，并且当视觉探测器部署在导管中时，选择模块将控制系统设置在取向子模式中。子模式可以包括目标子模式，其中控制系统维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端维持指向工作部位中的目标，并且当包括激光器的探测器部署在导管中时，选择模块可以将控制系统设置在目标子模式中。子模式可以包括目标轴向子模式，其中控制系统维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端维持在目标线上并且沿着目标线指向，并且当包括针的探测器部署在导管中时，选择模块可以将控制系统设置在目标轴向子模式中。

另一特定实施例是用于导管的控制系统，该导管包含机械系统和传感器，该机械系统可远程操作以控制导管远侧末端，该传感器被配置成至少部分测量耦合到机械系统的远侧末端的姿势。控制系统包括：基于来自传感器的反馈控制机械系统操作的多个模块；以及存储识别远侧末端的期望工作的指示器的存储器。每个模块操作机械系统，以将远侧末端保持在由指示器识别的期望工作配置中。

模块可包括：位置模式模块，其实施包括将远侧末端从测量位置移动到期望位置的过程；取向模式模块，其实施包括将远侧末端从测量取向移动到期望取向的过程；目标模式模块，其维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端保持指向目标；或目标轴向模式模块，其维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端维持在目标线上并且沿着目标线指向。

另一特定实施例是一种方法，其包括：使用机械系统操控导管到工作部位，该机械系统可远程操作以控制导管的远侧末端；识别远侧末端的工作配置，其中工作配置为在工作部位执行医疗任务摆好远侧末端的姿势；使用来自测量远侧末端姿势的传感器的反馈，选择用于控制导管的多个模式中的一个；以及以选定的模式通过导管的操作维持远侧末端的工作配置。

该模式可以包括：位置模式，其维持远侧末端相对于工作部位的位置的；取向模式，其维持远侧末端相对于工作部位的取向；目标模式，其维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端维持指向工作部位中的目标；或目标轴向模式，其维持远侧末端的位置和取向的组合，使得远侧末端保持在目标线上并沿目标线指向。

另一特定实施例是包括视觉探测器的医疗系统，所述视觉探测器包括：包含多个通道的管，所述多个通道包括主通道、一个或多个用于冲洗和抽吸的椭圆形通道以及一个或多个辅助通道；延伸通过主通道到达管的远端的成像系统；以及延伸通过管中的各自辅助通道的一个或多个照明光纤。

探测器可以具有小于约2mm的直径。探测器可以还具有形状适于接合导管上的互补键锁/楔紧部件的键锁/楔紧部件(keying feature)。

成像系统可以包括：安装在管的远端的CMOS摄像机；或延伸通过管到达管远端的图像光纤束。

管可以包括通道位于其内的压制品。

医疗系统可以还包括具有腔的导管，在腔中视觉探测器可以在医疗程序期间被部署并移除。导管可以还包括：导管远端处的可操控部段；以及多个腱，其附连到可操控部段并从可操控部段延伸通过导管到达导管近端，其中可操控部段通过拉动腱的近端致动。可操控部段可以包括切割的管，以提供允许可操控部段沿俯仰和偏转的方向弯曲的多个挠曲件。例如，挠曲件可以包括镍钛合金。

导管可以具有宽度小于约3mm的远侧区段。探测器的宽度可以超过导管宽度的一半。护套可以适合在导管和视觉探测器之间的腔内，其中护套相对于导管是可移动的，并且可延伸超过导管的远端。

另一特定实施例是医疗系统，其包括：导管，所述导管具有第一区段和第二区段，其中第二区段邻近第一区段；第一传感器系统，其在第一区段中并且被配置成测量第一区段的姿势；第二传感器系统，其在第二区段中并且配置成测量第二区段相对于第一区段的姿势。

第二区段可以比第一区段更窄，以及/或第一区段可以比第二区段更宽。

第一传感器系统可以包括被配置成测量第一区段相对于外部基准的位置和取向。第一传感器系统可以包括产生电信号的电磁传感器，该电信号取决于第一区段相对于外部施加的磁场的位置和取向，并且电磁传感器可以配置成测量第一区段的六个自由度。电磁传感器可以包括：具有第一磁轴的第一线圈；具有倾斜于第一磁轴的第二磁轴的第二线圈。第一线圈和第二线圈可以彼此刚性地固定。第一线圈和第二线圈可以在第一区段的横截面内。第一测量系统可以还包括被配置成测量重力方向的加速计。

第二传感器系统可以包括被配置成测量第二区段相对于第一区段的位置和取向的第二传感器。第二传感器系统包括形状传感器。形状传感器可以沿第一区段和第二区段的至少一部分延伸，并且第一传感器系统内的第一线圈和第二线圈可以沿形状传感器的长度设置在隔开的位置处。形状传感器可以被配置成测量第一线圈和第二线圈之间的空间关系。

另一特定实施例是用于感测医疗器械细长柔性结构的远侧末端的姿势的方法。该方法包括：将随时间变化的磁场施加到包含柔性结构的至少一部分的空间；分析沿医疗器械的柔性结构的位置处设置的第一线圈中感应的电信号，其中该位置与柔性结构的近端和远侧末端分离；测量医疗器械的柔性结构的一部分形状，其中测量的部分从线圈位置延伸到柔性区段的远端。

柔性结构可以包括导管，并且导管可以包括：包含线圈的第一区段；以及临近第一区段并延伸到远侧末端的第二区段。

可以使用纤维形状传感器测量形状。

分析第一线圈内的电信号可以包括在沿纤维形状传感器的点处确定全局位置和取向。确定全局位置和传感器可以还包括使用沿柔性结构设置的第二线圈中感应的第二电信号。

附图说明

图1示出具有多个控制模式的根据本发明实施例的机器人导管系统。

图2示出图1系统可采用的致动远侧末端的可操控部段的实施例。

图3A和图3B示出根据本发明实施例的导管的近侧区段和远侧区段的横截面视图。

图4示出部署在图3A和图3B导管中并且可用图3A和图3B所示导管内的医疗探测器交换的视觉探测器的横截面视图。

图5是用于使用具有可移除的视觉系统和多个控制模式的导管系统的过程的流程图。

图6是保持模式中的导管控制过程的流程图。

图7示出可在本发明一些实施例中的医疗系统中的电磁传感器中采用的感测线圈。

图8A、8B、8C和8D示出根据包括电磁传感器和形状传感器的本发明的实施例的传感器系统的可替代的配置。

图9示出包含六自由度的EM传感器的导管系统和包含两个五自由度的EM传感器的导管系统的横截面。

不同附图中使用的相同参考标记表示相似或相同的物件。

具体实施方式

导管系统可以采用与一个或多个医疗探测器或工具可互换的视觉探测器。视觉探测器可以被移除或被医疗程序中使用的医疗探测器所取代。视觉探测器和医疗探测器的互换可以容许导管系统具有较小的直径，因此与同时容纳视觉系统和医疗系统两者的相似系统相比具有更小的导航通路。可替代地，可互换探测器为视觉系统和医疗系统留出更多空间，其与必须同时容纳视觉系统和医疗系统两者的导管相比具有更大功能性。

一种用于使用导管系统的方法包括沿体腔的至少一部分路径操控导管到医疗程序的工作部位。然后，视觉系统可以在操控期间被部署在导管中和/或用于导航完成时观察到达的工作部位。视觉系统还可以用于帮助识别导管的期望工作配置，并识别何时操纵导管进入期望工作配置。导管的控制系统然后可以记录工作配置，并且可以放置在“保持”模式，其中导管相对于病人的姿势被监测，并且导管被致动以有效地/主动地维持或返回到记录的工作配置。当移除视觉系统时，导管仍可以使用取代视觉探测器的医疗探测器提供感测、操控和保持能力。视觉探测器和导管之间的功能划分提供紧凑横截面内的高水平效用。控制系统可以提供不同类型的控制模式，其可以用于不同类型的医疗探测器或不同类型的医疗程序。例如，如果医疗探测器包括激光器，则导管远侧末端的位置和取向的组合可以被控制，从而使得远侧末端维持对准病人体内的特定位置。可替代的保持模式可以维持导管远侧末端的位置，同时容许远侧末端的取向沿线改变或维持远侧末端。

用于呼吸道中的诸如气道或通路的小腔内的机器人导管可以采用一个或多个EM传感器和纤维形状传感器的组合，以提供小直径远侧末端的姿势的准确测量。

图1示意性地示出根据本发明一个实施例的导管系统100。在所示的实施例中，导管系统100包括导管110、驱动器接口120、控制逻辑140、操作员接口150以及传感器系统160。

导管110是具有包含主腔的一个或多个腔的大体柔性装置，主腔可容纳可互换的探测器，如下面进一步描述。可使用编织结构制作柔性导管，其中编织结构诸如具有柔性或低摩擦材料(诸如聚四氟乙烯(PTFE))的内层和外层的编织金属管。在一个实施例中，导管110包括由诸如聚醚嵌段酰胺(Pebax)的材料的编制外套和回流(即，通过熔化熔合的)外套保持在一起的一束腔或管。可替代地，材料(诸如Pebax)的压制品可以相似地用于形成导管110中的多个腔。导管110具体包括用于可互换探测器系统的主腔和用于牵引线和传感器线路的小腔。在所示的实施例中，导管110具有附连到驱动接口120的近侧区段112和从近侧区段112延伸的远侧区段114。额外的可操控部段116(例如，如图2中所示以及下面进一步描述的金属结构)可以形成远侧区段114的远侧子区段。牵引线从驱动系统120通过近侧区段112和远侧区段114延伸，并且连接到可操控部段116。

导管110的总长度可以约为60cm到80cm或更长，其中远侧区段114约15cm长，可操控部段116约4cm到5cm长。根据本发明的一方面，远侧区段114的直径比近侧区段112的直径小，因此可以导航较小的自然腔或通路。在医疗程序期间，至少一部分近侧区段112和全部远侧区段114可以沿诸如病人的气道的自然腔插入。远侧区段114的较小直径容许远侧区段114在腔中的使用，该腔对于近侧区段112来说可能太小，但是远侧区段114的较大直径有利于包括不适合在远侧区段114的诸如电磁(EM)传感器162的更多或更大的结构或装置。

可操控部段116是远程控制的，并且特别地具有可使用牵引线控制的俯仰和偏转。可操控部段116可以包括所有或部分远侧区段114，并且可简单地实施为诸如Pebax的柔性材料的多腔管。一般而言，可操控部段116比导管110的剩余部分更具柔性，当驱动器接口120拉动致动腱时，这有助于隔离对可操控部段116的致动或弯曲。导管110也可采用额外部件或结构，如使用用于致动腱的鲍登(Bowden)线缆，以防止致动弯曲导管110的近侧区段112(或弯曲除可操控部段116之外的远侧区段114的任何部分)。图2示出一个特定实施例，其中可操控部段116由的管210制成，该管210在图1的导管110中包含限定探测器系统的主腔以及用于致动腱230和图2中未示出的形状传感器的较小腔的多个管。在所示的实施例中，腱230环绕腔312相隔90°放置，以便于沿由腱230的位置限定的俯仰和偏转方向操纵导管110。为更好地示出可操控部段116的内部结构而在图2中未示出的回流外套也可以覆盖管210。如图2所示，切割或形成管210，以产生一系列的挠曲件220。腱230连接到可操控部段116的远侧末端215，并且延伸返回到驱动器接口120。腱230可以是有涂层的或没有涂层的单个细丝或多股绞合线、线缆、鲍登线缆、海波管或其它能够当驱动器接口120拉动腱230时将力从驱动器接口120传递到远侧末端215并限制近端区段112弯曲的任何结构。腱230可以由足够强度的任何材料制成，其包括但不限于诸如钢的金属或诸如凯芙拉尔的聚合物。在操作中，用力拉动腱230的任何一个易于引起可操控部段116沿所拉动的腱的方向弯曲。为适应反复弯曲，管210可以由诸如镍钛合金的材料制成，镍钛合金是可反复弯曲而几乎没有或没有损害的金属合金。

拉动腱230以致动可操控部段116的图1中的驱动器接口120包括将致动器122(例如电动机)的移动转换成腱230的移动(或张力)的机械系统或传动装置124，该腱230延伸通过导管110并且连接到可操控部段116。(可想到地是推杆可以代替腱230用在导管110中，但不能提供期望水平的柔性。)因此可操控部段116的移动和姿势可以通过驱动器接口120中的致动器122的驱动信号的选择而被控制。除了操纵腱230，驱动器接口120也能够控制导管110的其它移动，诸如沿插入方向的运动以及导管110近端的旋转或滚动的范围，驱动器接口120也可以通过致动器122和传动装置124被供以动力。一般而言，已知用于挠性轴器械的后端机构或传动装置可以被用于或修改为驱动器接口120。例如，在名为“CompliantSurgical Device”的美国专利申请公开号2010/0331820中描述了一些用于柔性器械的已知驱动系统，该申请的全部内容通过引用并入本文。除致动导管110外，驱动器接口120还应允许移除或替换导管110内的探测器，使得驱动结构应在这种操作期间不成为障碍。

驱动器接口120中的对接器126可提供驱动器接口120和导管110之间的机械耦合并且将致动腱230连接到传动装置124。对接器126可以另外包含用于接收、转换和/或传送来自导管110中的传感器系统160的部分的传感器信号的电子或机械系统，并且包含用于识别探测器或部署在导管110中的探测器的类型的电子或机械系统。

控制逻辑140控制驱动器接口120中的致动器，以根据需要选择性地拉动腱230，从而致动和操控可操控部段116。一般而言，控制逻辑140响应于来自使用操作员接口150的用户(例如外科医生或其它医务人员)的命令以及响应来自传感器系统160的测量信号而操作。然而，在如下面进一步描述的保持模式中，控制逻辑140响应于来自传感器系统160的测量信号操作，以维持或获得先前识别的工作配置。控制逻辑140可以使用具有合适软件、固件和/或接口硬件的通用计算机实现，以解释来自操作员接口150和传感器系统160的信号，并且产生用于驱动器接口120的控制信号。关于控制逻辑的细节可参见美国专利申请公开号2011/0282491(公开“Drive Force Control in Medical Instrument ProvidingPosition Measurements”)和美国专利申请公开号20120123441(公开“Tension Controlin Actuation of Multijoint Medical Instrument”)，这两个申请公开的内容通过引用并入本文。

在所示的实施例中，控制逻辑140包括实施用于控制导管110致动的不同过程的多个模块141、142、143和144。具体地，模块141、142、143和144分别实施位置加强模式、取向加强模式、目标位置模式以及目标轴向模式，这将在下文进一步描述。模块146选择将使用哪一个控制过程，并且可将选择基于用户输入、部署在导管110中的探测器的类型和状态以及正在执行的任务。控制逻辑140还包括任务期望的可操控部段116的工作配置的存储参数148的存储器，并且每个模块141、142、143和144可以使用其不同控制过程，以有效地维持或保持期望的工作配置。

操作员接口150可以包括标准输入/输出硬件，诸如显示器、键盘、鼠标、操纵杆或可为外科手术环境定制或优化的其它指向设备或类似的I/O硬件。一般而言，操作员接口150向用户提供信息并接收来自用户的指令。例如，操作员接口150可以指示系统100的状态，并且向用户提供包括由系统100取得的图像和测量结果的数据。例如用户使用操作杆或类似控制器通过操作员接口150提供的一种类型的指令指示可操控部段116的期望移动或位置，并且通过使用这种输入，控制逻辑140可以产生用于驱动器接口120中的致动器控制信号。例如，来自用户的其它指示可以选择控制逻辑140的操作模式。

传感器系统160通常测量可操控部段116的姿势。在所示的实施例中，传感器系统160包括EM传感器162和形状传感器164。EM传感器162包括可经受外部产生的电磁场的一个或多个导电线圈。EM传感器162的每个线圈然后产生感应电信号，该电信号具有取决于线圈相对于外部产生的电磁场的位置和取向的特征。在示例性实施例中，EM传感器162被配置和设置为测量六个自由度，例如三个位置坐标X、Y和Z以及指示基点的俯仰、偏转和滚动的三个定向角。系统100中的基点处于或靠近导管110的近侧区段112的端部和远侧区段114的开端。本发明的示例性实施例中的形状传感器164包括光纤光栅，其容许确定从基点延伸的一部分导管110的形状，例如远侧区段114或可操控部段116的形状。这种使用光纤光栅的形状传感器进一步描述在名为“Fiber Optic Shape Sensor”的美国专利US7720322中，该文献全部内容通过引用并入本文。所示类型的传感器系统160的优点是EM传感器162可提供相对于外部产生的磁场的测量，该磁场可相对于病人的身体被校准。因此，系统160可以使用EM传感器162，从而可靠地测量形状传感器164的基点的位置和取向，并且形状传感器164仅需要提供相对短距离的形状测量。另外，远侧区段114仅包含形状传感器164并且其直径小于近侧区段112的直径。更一般地说，传感器系统160仅需要能够测量可操控部段116的姿势，并且其它类型的传感器也可以被采用。

图3A和3B分别示出本发明一个实施例中的导管110近侧区段112和远侧区段114的横截面。图3A示出具有主体310的导管110的实施例，主体310包括用于视觉探测器或医疗探测器的主腔312、包含腱230的腔314、包含EM传感器162或相关信号线的腔316以及包含纤维形状传感器164的腔318。主腔312、腱腔314和形状传感器腔318延伸到图3B所示的远侧区段114内，但因为EM传感器162仅在近侧区段112内，所以在远侧区段114中不需要用于EM传感器162的腔316。因此，远侧区段114比近侧区段112小，特别是因为用于纤维形状传感器164的腔318适合在用于牵引线的两个腔314之间，并且不会不利地影响远侧区段114的外直径。在示例性实施例中，近侧区段112中的主体310的外直径约为4mm(例如，在3mm到6mm的范围内)，并且提供直径约为2mm的主腔312(例如，在1mm到3mm的范围内)，远侧区段114中的主体310的外直径约为3mm(例如，在2mm到4mm的范围内)，同时主腔312的直径维持在约为2mm。主体310中的平滑锥形或突变阶梯可用在从近侧区段112的较大直径向远侧区段114的较小直径转换处。

以上所述特定尺寸主要用于容纳直径为2mm探测器的导管，其是用于诸如肺活检探测器的现有医疗工具的标准尺寸。然而，本发明可替代实施例可以更大或更小以容纳具有更大或更小的直径的医疗探测器，例如1mm直径探测器。当与导管中所使用的探测器的尺寸相比，这种实施例的特别的优点是在具有相对小外直径的导管中提供高水平的功能性。

图3A和图3B还示出可在导管主体310和主腔312中的探测器之间采用的护套360。在导管110的一个实施例中，护套360相对于主体310是可移动的，并且可延伸超过可操控部段116的端部。这在一些医疗程序中可能是有利的，因为护套360甚至比远侧区段114小，因此可适应在较小自然腔或通路内。例如，如果导管110到达太小而不能容纳可操控部段116的腔的分支，则可操控部段116可以指向期望分支的方向，使得护套360可以被推动超出可操控部段116的端部并进入该分支。护套360因此可以可靠地引导医疗探测器进入期望分支。然而，护套360是被动的，因为其不是直接致动或可操控的。相比之下，远侧区段114容纳致动腱230，该致动腱230连接到可操控部段116并被操纵以操控可操控部段116或摆好可操控部段116的姿势。在一些医疗应用中，在医疗程序期间可操控部段116的主动控制是期望的或必要的，并且在本发明的一些实施例中可不使用被动护套360。

主腔312的尺寸适于容纳各种医疗探测器。一种特定探测器是如图4所示的视觉探测器400。视觉探测器400具有柔性主体410，该柔性主体具有适合在导管110的主腔内的外直径(例如，约2mm)，并且具有包含视觉探测器400结构的多个内腔。主体410可以通过使用诸如Pebax或其它聚合物的挤压柔性材料形成，这允许在最小的横截面面积内以最大效用产生多个腔和薄壁。多腔压制品也整齐地组织组件的位置。主体410的长度可选地包括两个多腔压制品的组合，例如，远侧压制品“对焊”到近侧压制品。这可以完成，例如，从而使得近侧压制品或远侧压制品具有期望的形状，例如，三叶草形或椭圆形外部形状，从而与导管110中的互补键锁(keying)特征/部件相配合。这些配合的形状或键锁部件可以防止探测器在导管内旋转，并且确保照相机320相对于导管110的已知取向。

在所示的实施例中，视觉探测器400的结构包括CMOS照相机420，该照相机在探测器的远端，并且通过沿视觉探测器400长度延伸的一个或多个信号线(未示出)连接，例如，从而向图1所示的控制逻辑140或操作员接口150提供视频信号。可替代地，可采用纤维束成像系统，但CMOS照相机420通常提供的图像比纤维束成像系统获得的图像的质量高。视觉探测器400还包括照明光纤430，其围绕照相机420并为主体腔内的成像提供光的。在示例性实施例中，照明光纤430由诸如塑料的柔性材料制成，其往往比玻璃光纤更具柔性。在主体410内提供长方形流体端口440用于可能有用的抽吸和冲洗，例如，用于清洗照相机420的透镜。在视觉探测器400从导管110内移除或被活检探测器取代之前，流体端口440还可以用于输送药物，例如，用于麻醉。虽然视觉探测器400所示实施例包括多个流体端口440，但单个流体端口也可用于冲洗和抽吸，并且视觉探测器400可替代地仅具有单个流体端口以节省空间。视觉探测器400可以另外包括刚好邻近嵌入到CMOS照相机420的电磁传感器(未示出)，以提供关于视觉探测器400端部的额外姿势信息。

当导管110用于医疗程序时，视觉探测器400适于从导管110插入或移除。因此，视觉探测器400通常相对于导管110自由移动。尽管在插入或移除视觉探测器400期间，相对于导管110的移动是必要的或期望的，但为最优或更便于使用，视觉探测器400(以及一些医疗探测器)的取向需要是已知的。例如，从视觉探测器400中观察视频以及操作类似于操纵杆的控制器以操控导管110的用户通常希望控制器移动的方向对应于可操控部段116和由此所引起的来自视觉探测器400的图像变化的响应。操作员接口150需要(或至少可以使用)视觉探测器400相对于腱230的取向的信息，从而提供用户接口中使用的方向的一致性。根据本发明的一方面，键锁系统(未示出)可以将视觉探测器400固定到相对于导管110和腱230的已知取向。例如，键锁系统可以通过探测器400的近侧区段或远侧区段的形状实施，或包括弹簧、固定突起或视觉探测器400或可操控部段116上的闩锁以及可操控部段116或视觉探测器400中的互补凹口或部件。

视觉探测器400只是部署在导管110中或通过导管110引导到工作部位的探测器系统的一个示例。可使用的其它探测系统包括但不限于活检钳、活检针、活检刷、消融激光器以及径向超声探测器。一般而言，导管110可用于现有手动医疗探测器，其可从诸如奥林巴斯欧洲控股有限公司(Olympus Europa Holding GmbH)的医药公司商购。

图1的导管系统100可用于交换视觉探测器和医疗探测器的手术程序中。图5是使用图1的导管系统100的过程500的一个实施例的流程图。在过程500中，在步骤510中视觉探测器400部署在导管110中，并且导管110沿包括病人的自然腔的路径插入。例如，对于肺活检，导管110的可操控部段116可通过病人的嘴导入病人的呼吸道。当视觉探测器400完全部署在导管110中时，该视觉探测器400可适合在键锁结构内，该键锁结构以期望取向将视觉探测器400保持在可操控部段116处或甚至延伸超过可操控部段116，从而从导管110的可操控部段116提供良好的前向视野。如上所述，导管110的可操控部段116是可操控的，并且视觉探测器320可提供呼吸道视频，当导航导管110朝向目标工作部位时，该视频可帮助用户。然而，由于使用传感器系统160或其它系统的测量结果，其中其它系统具有或不具有在导管110中部署或使用的视觉探测器400，导管110的导航是可能的，所以在导航期间使用视觉探测器400并非绝对必要。遵循工作部位的路径可完全在诸如呼吸道的气道的自然腔内，或可在一个或多个点处穿刺或穿过组织。

当可操控部段116到达目标工作部位时，如在步骤530中，视觉探测器400可用于观察工作部位，并且如在步骤540中，视觉探测器400可用于摆好可操控部段116的姿势以便在目标工作部位执行任务。摆好可操控部段116的姿势可使用来自视觉探测器400的图像或可视信息以及来自传感器系统160的测量结果，以表征工作部位并且确定期望的工作配置。期望的工作配置还可取决于待使用的工具类型或下一个医疗任务。例如，达到导管110的期望工作配置可使可操控部段116的远侧末端与待处理的、待取样的或待用取代导管110中的视觉探测器400的医疗工具移除的组织接触。另一类型的工作配置可以将可操控部段116指向待使用消融激光器移除的目标组织。例如，当视觉探测器400仍在导管110中的适当位置时，组织可被瞄准在一个或多个2D照相机视图中，或通过使用手术前3D成像数据连同相对于病人解剖结构的位置感测，目标组织可以被定位在工作部位的虚拟视图上。又一类型的工作配置可以限定将针或其它医疗工具插入组织的线，并且工作配置包括姿势，其中可操控部段116的远侧末端沿着目标线。一般而言，期望工作配置限定可操控部段116的远侧末端的位置或取向的约束，并且导管110的更多近侧区段的形状没有类似地被约束，并且可根据需要变化以适应病人。

步骤550将识别期望工作配置的控制逻辑参数存储在存储器中。例如，远侧末端或目标组织的位置可以通过使用三个坐标来限定。需要的目标线可以通过使用线上点坐标和指示线与该点的方向的角来限定。一般而言，如下文进一步描述的，当以保持模式操作时，其中该保持模式将导管110的可操控部段116维持在期望工作配置，控制逻辑120使用限定期望工作配置的存储参数。

在已建立和记录期望工作配置后，步骤560选择并激活导管系统的保持模式。当可操控部段116的期望配置具有固定约束时，图1的导管100的控制逻辑140可以具有一个或多个模块141、142、143和144，所述模块实现可用作保持模式的多个加强模式。可用的控制模式可以包括以下的一个或多个。

1)位置加强模式比较由传感器系统160测量的可操控部段116的远侧末端的位置与期望末端位置，并且控制致动器以最小化期望末端位置和测量的末端位置的差异。位置加强模式可特别地适合一般操纵任务，其中用户试图精确地控制末端位置，并且适合远侧末端接触组织的情形。

2)取向加强模式比较远侧末端的测量的取向或指向方向与远侧末端的期望指向方向，并且控制致动器以最小化期望末端指向方向和实际末端指向方向的差异。例如，当控制诸如附连到可操控部段116的视觉探测器400的成像设备时，该取向加强可能是合适的，在这种情况下按需要保持观察方向，而可操控部段116的准确位置可能不太重要。

3)目标位置加强模式使用测量的末端位置和指向方向的组合以控制导管110总是将可操控部段116的远侧末端指向可操控部段116前方一段距离的指定目标点。在外部干扰情况下，控制逻辑140可以控制致动器以实施该目标位置加强行为，例如，当通过导管插入的医疗探测器包含消融激光器时，其可能是合适的，其中该消融激光器应总是被瞄准到组织中的目标消融点。

4)目标轴向运动加强模式使用测量的末端位置和指向方向的组合以确保可操控部段116的远侧末端总是在空间中的线上，并且具有也沿着该线的指向方向。例如，当沿指定线将活检针插入组织时，该模式能够是有用的。当插入针时，组织反应力可使导管110的柔性区段弯曲，但该控制策略将确保该针总是沿着正确的线。

基于导管110中正使用的探测器类型(例如，抓紧器、照相机、激光器或针)，或基于正在执行的活动导管110，在步骤560中的模式选择可以通过用户手动选择进行。例如，当激光器部署在导管110中时，当部署在导管110中的激光器关闭时，控制逻辑120可以位置加强模式操作，当激光器打开时，控制逻辑120可以目标位置加强模式操作以将激光器聚焦在期望目标上。当激活“保持”时，控制逻辑140使用工作配置的存储参数(取代来自操作员接口150的直接输入)，以产生用于驱动器接口120的控制信号。

在步骤570中视觉探测器从导管移除，这为通过导管110插入医疗探测器或工具的步骤580清空导管110的主腔。对于图5所示的特定步骤顺序，当移除视觉系统(步骤570)并插入医疗探测器(步骤580)时，控制逻辑140以保持模式操作，并且将可操控部段116维持在期望工作配置中。因此，当医疗探测器完全部署时，例如，到达可操控部段116的端部，医疗探测器将处于期望的工作配置中，并且然后如步骤590，可执行医疗任务的执行，而不进一步需要或使用移除的视觉探测器。一旦完成医疗任务，导管可从保持模式中退出或以其它方式松弛，使得医疗探测器可以被移除。如果医疗程序完成，则导管可从病人移除，或如果需要进一步的医疗任务，则视觉探测器或其它探测器可通过导管插入。

在一个可替代的过程500的步骤顺序中，当插入医疗探测器时，导管110可不在保持模式中，但在医疗探测器完全部署后，导管110可切换到保持模式。例如，可松弛或拉直导管110，以便易于移除视觉探测器400(步骤570)并插入医疗探测器(步骤580)。一旦启动保持模式，例如，插入医疗探测器后，如果可操控部段116已移动以摆好在期望工作配置中，则控制逻辑140将控制驱动器接口130从而将可操控部段116返回到期望工作配置。其后，在步骤590中，控制逻辑140监测可操控部段116的姿势，并且在执行医疗任务时有效地将可操控部段116维持在期望工作配置中。

图6示出可在图1的控制逻辑140中实施的保持模式的过程600的流程图。过程600在步骤610处开始，接收来自传感器系统160的测量信号。所需特定测量结果取决于正实施的保持模式的类型。但作为示例，测量可指示可操控部段116远侧末端的位置坐标，例如，矩形坐标X、Y和Z，以及可操控部段116远侧末端的中心轴线相对于坐标轴X、Y和Z的取向角，例如，角θ_X、θ_Y、θ_Z。可使用用于表示可操纵部段116姿势的其它坐标系统和方法，并且所有坐标和方向角的测量结果是不必要的。然而，在示例性实施例中，传感器系统160能够测量可操控部段116的远侧末端的六自由度(DoF)，并且能够在步骤610中向控制逻辑140提供这些测量结果。

在步骤620中控制逻辑140确定可操控部段116的期望姿势。例如，控制逻辑140可确定可操控部段116端部的期望位置坐标，例如X’、Y’和Z’，以及可操控部段116的中心轴线相对于坐标轴X、Y和Z的的期望取向角，例如，角θ’_X、θ’_Y和θ’_Z。上述的保持模式通常对期望坐标提供少于六个约束。例如，位置加强操作以约束三个自由度，即可操控部段116的端部位置而不是取向角。相比之下，取向加强模式约束一个或多个取向角而不是可操控部段116的端部位置。目标位置加强模式约束四个自由度，轴向加强模式约束五个自由度。控制逻辑610可施加进一步约束以选择参数组中的一个，例如X’、Y’和Z’以及角θ’_X、θ’_Y和θ’_Z，其提供期望工作配置。这种进一步约束包括但不限于可操控部段116和导管110的能力大体所需要的机械约束，以及实用约束，如最小化可操控部段116的移动或向导管110中的控制应力提供诸如平滑的、非振荡的以及可预测的移动的期望操作特性。步骤620可能包括通过找到从测量的姿势到满足约束的姿势的最小移动，仅维持一组姿势可操控部段116，例如，找到用于轴向运动加强的最靠近测量位置的目标线上的点，或找到来自靠近当前姿势的已登记的手术前数据的一些合适姿势。

步骤630中的控制逻辑140使用所需和/或测量姿势确定校正的控制信号，该校正的控制信号将使驱动器接口120将可操控部段116移动到期望姿势。例如，导管110和驱动器接口120的机械结构可容许从期望坐标X’、Y’和Z’以及角θ’_X、θ’_Y和θ’_Z到提供期望姿势的致动器控制信号的映射发展。其它实施例可使用测量姿势和期望姿势的差异确定校正的控制信号。一般而言，控制信号不仅可以用于控制通过腱连接到可操控部段116的致动器，还可以(在某种程度上)整体控制导管110的插入或滚动。

在控制系统140施加新的控制信号给驱动器接口120之后，分支步骤650通过使过程600返回到测量步骤610完成反馈回路。因此，只要控制系统120维持在保持模式中，就可根据固定约束主动监测并控制远侧末端的姿势。然而，应当指出的是，可操控部段116的一些自由度可不需要主动控制。例如，在取向加强模式中，反馈控制可主动维持可操控部段116的俯仰和偏转，而导管110的机械扭转加强依靠保持滚动角固定。然而，一般而言，导管110可经受不可预测的外力或病人移动，外力或病人移动其将另外使导管110相对于工作部位移动，并且需要如在过程600中的主动控制以维持或保持期望工作配置。

如上所述的导管110的传感器系统160可以采用EM传感器162和纤维形状传感器164。EM传感器或跟踪器是现有技术位置传感器和取向传感器，其将全局高精确度和小包装尺寸(如，约1×10mm)结合。EM传感器可从诸如Ascension Technology Corporation和Northern Digital Inc商购。可用于上述实施例的形状感测技术通常采用光导光纤内的反射和干扰以测量沿光导光纤长度的形状。该形状感测技术很好地用于给出沿光纤两点之间的6自由度相对测量结果，以及很好地用于测量可控关节的弯曲角或用于提供全三维形状信息。该类型的典型纤维形状传感器的直径约为0.2mm，这远小于典型的EM传感器。

图7示出可用于EM传感器的三种不同类型的感测线圈710、720和730。在操作中，导管或其它设备中的感测线圈(例如线圈710)放置在外部EM发生器产生的良好控制的磁场中。EM发生器通常具有正方形或20-60cm宽、几厘米厚的圆柱形盒的形状，并且可以具有相对于病人的固定位置。由发生器产生的磁场随时间变化，并且在感测线圈710中感生电压和电流。名为“System for Determining the Position and Orientation of a Catheter”的美国专利号7,197,354、名为“Intrabody Navigation System for MedicalApplications”的美国专利号6,833,814以及名为“Wireless Six-Degree-of-FreedomLocator”的美国专利号6,188,355描述适合用于医疗环境的一些EM传感器系统的操作，并且这三个申请的全部内容通过引用并入本文。名为“Methods,Apparatuses,and Systemsuseful in Conducting Image Guided Interventions”的美国专利号7,398,116、名为“Apparatus and Method for Automatic Image Guided Accuracy Verification”的美国专利号7,920,909、名为“Methods,Apparatuses,and Systems Useful in ConductingImage Guided Interventions”的美国专利号7,853,307以及名为“Apparatus and Methodfor Image Guided Accuracy Verification”的美国专利号7,962,193进一步描述了可在引导医疗程序中使用电磁感测线圈的系统和方法，并且这三篇文献的全部内容也通过引用并入本文。一般而言，感测线圈中的感应电压取决于时间导数的磁通量，其反过来取决于磁场强度和磁场相对于线圈环路区域的法线的方向。场发生器能够以系统化的方式改变磁场的方向和大小，其能够至少部分确定来自感应电信号的线圈710的姿势。可使用包含单个感测线圈710的传感器162确定多达五个自由度。然而，感测线圈710是圆柱形对称的，使得不能确定滚动角，即指示关于线圈710的感应区的法线712的取向的角。使用单个线圈710仅能够确定位置和指向方向。即使如此，包含单个感测线圈710的五自由度(5-DoF)传感器在许多医疗系统中非常有用。具体地，典型感测线圈(长而细)的机械形状非常符合微创医疗工具的机械形状，并且如果工具是旋转对称的(例如在针或激光器光纤的情况下)，则滚动角不相关。

诸如导管110的机器人控制导管可能需要包括滚动角的测量的6自由度测量，以使致动腱的位置是已知的。如果滚动角的测量是感兴趣的，则可以结合两个5自由度EM传感器以形成6自由度EM传感器。6自由度EM传感器的一个特定配置使用诸如710的两个线圈，其中两个线圈的感应区具有倾斜的例如彼此垂直的法线矢量。更一般地说，需要布置两个线圈，使得感应区的法线矢量不沿相同的轴线，并且法线矢量之间较大的角通常提供更好的测量准确度。线圈720和730示出线圈720或730如何具有线环，其中线环具有法线722或732，法线722或732与包含线圈720或730的圆柱形的轴线成非零角度。因此，线圈720和730能够沿相同方向(例如，沿导管或其它医疗工具的长度)取向，并且仍能够用于测量六个自由度。

图8A示出具有包含6自由度EM传感器820的近侧区段812以及包含纤维形状传感器822的远侧区段814的导管系统810的配置。EM传感器820在近侧区段812的远端处或其附近终止。因此，因为EM传感器820不延伸到远侧区段814中，所以远侧区段814可以具有比近侧区段812的直径(例如，约4mm)更小的直径(例如，约3mm以容纳直径约2mm的探测器)。可以通过使用EM传感器820以测量或确定沿形状传感器822的点的全局位置和取向，并且通过使用形状传感器822以确定从测量的点延伸的远侧区段814的形状，来确定区段814的远侧末端的姿势。因为形状传感器822仅需要测量导管810的相对短的区段814的形状，而不是导管810的整个长度，所以形状传感器822的准确度能够相对较高。例如，在一种情况下，区段814的远侧末端的位置测量的准确度是EM传感器820的位置和取向准确度(通常分别为约1mm和0.01弧度)以及形状传感器的位置准确度(区段814的长度的.15％)的函数。如果6自由度EM传感器820离远侧末端约115mm，则典型末端位置准确度将约为2.5mm。

图8B示出在近侧区段832中使用两个5自由度EM传感器840和841的导管830，以测量沿延伸到导管830的远侧区段834中的形状传感器842的基点的六个自由度。EM传感器840和841的线圈在近侧区段832的相同横截面内，因此，相对于彼此刚性地固定。EM传感器840和841可以还包含感测线圈，诸如具有不同取向的线环的线圈720和730，以测量沿形状传感器842的点的不同自由度。因此，滚动角能够通过使用传感器840和841的两个测量指向方向确定，以限定参考帧。使用5自由度传感器840和841可以允许减少近侧区段832的直径。具体地，商购的6自由度EM传感器通常具有比类似的5自由度EM传感器的直径更大的直径。根据本发明的一方面，通过使用5自由度EM传感器可以减小导管直径。例如，图9示出导管830远侧区段832如何能够在圆形横截面区域内容纳两个5自由度EM传感器840和841以及主腔910，该圆形横截面区域小于导管810的远侧区段812的区域。具体地，因为区段812必须容纳主腔和直径大于5自由度传感器840和841的6自由度传感器，所以区段812更大。

图8C示出使用传感器系统的本发明实施例，该传感器系统通过使用沿近侧区段852的长度隔开的两个5自由度EM传感器860和861，允许导管850的近侧区段852更小。因此，只有一个5自由度EM传感器860或861需要被容纳在近侧区段852的横截面内。然而，由于远侧区段852是柔性的，并且在使用时可弯曲，所以EM传感器860和861相对于彼此不是刚性地固定，并且形状传感器862用于测量EM传感器861和860之间的部分近侧区段852的形状以及EM传感器860和861的相对取向。EM传感器861和860之间的形状测量指示相对于传感器861的传感器860的位置和取向，并且需要相对配置以从两个5自由度测量结果确定6自由度测量结果。形状传感器862还测量远侧区段854的形状，该形状指示使用EM传感器860和861确定的相对于全局位置和取向测量结果的远侧末端的位置和取向。

图8D示出使用沿导管870长度隔开的两个5自由度EM传感器880和881的另一导管870。图8D的导管870中的感测系统与图8A、8B和8C的感测系统不同之处在于：一个EM传感器880位于导管870的近侧区段872，另一个EM传感器881位于导管870的远侧区段874。因此，远侧区段874必须足够大以包括传感器881，但当与在远侧末端具有6自由度EM传感器的导管相比时，仍可以允许减少导管870的直径。

在图8B、8C和8D的实施例中使用两个5自由度EM传感器提供的信息比6自由度测量严格所需的信息更多。根据本发明的另一方面，图8B、8C或8D的导管830、850或870中的两个5自由度EM传感器中的一个可以被不能测量五个自由度的另一种类型的传感器所取代。例如，加速计可以被采用以代替两个EM传感器中的一个，并且提供重力方向(即向下)的测量。假如5自由度传感器的对称轴线不是竖直的，则5自由度传感器的测量与相对于竖直方向的取向测量的组合就足以指示六个自由度的测量。

上述的一些实施例或元件可以在计算机可读介质中实施，例如，非瞬时介质，诸如光盘或磁盘、存储卡或其它固态存储装置，其包含计算设备可执行以实行本文描述的特定过程的指令。这种介质还可以是或可包含在服务器或连接到网络(如提供数据下载和可执行指令的因特网)的其它设备。

虽然已参照特定实施例描述本发明，但本说明仅是本发明申请的一个示例，不应作为对本发明的限制。公开的实施例的特征的各种改进和组合落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种医疗系统，其包括：

具有主腔和机械系统的导管，其中所述主腔容纳视觉探测器和医疗探测器中的任一个，并且所述主腔太窄而不能同时引导视觉探测器和医疗探测器两者到远侧末端，其中所述医疗系统被连接以控制所述导管的远侧末端的姿势；以及

控制逻辑，其被耦合以操作所述机械系统，其中所述控制逻辑可操作用于：当所述视觉探测器部署在所述主腔内时，识别所述远侧末端的期望工作配置，并且当所述视觉探测器已从所述导管移除并且所述医疗探测器部署在所述主腔内时，将所述导管保持在或返回到所述期望工作配置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述导管的远侧区段具有小于约3mm的宽度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述导管中的所述主腔的宽度超过所述远侧区段的所述宽度的一半。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制逻辑可操作在多个模式中，用于将所述导管保持在或返回到所述期望工作配置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个模式包括位置模式，其中所述控制逻辑操作所述机械系统以将所述远侧末端保持在或返回到目标位置。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个模式包括取向模式，其中所述控制逻辑操作所述机械系统以将所述远侧末端保持在或返回到目标取向。

7.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个模式包括目标模式，其中所述控制逻辑操作所述机械系统以控制所述远侧末端的位置和取向的组合，从而将所述远侧末端指向目标位置。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个模式包括目标轴向模式，其中所述控制逻辑操作所述机械系统以控制所述远侧末端的位置和取向的组合，使得所述远侧末端维持在目标线上或返回到目标线。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括：

接口，所述接口被配置成识别被部署在所述导管中的是所述视觉探测器还是所述医疗探测器，其中

所述控制系统包括选择模块，所述选择模块被连接到所述接口并且可操作用于基于被部署的是所述视觉探测器还是所述医疗探测器，来选择并激活所述多个模式中的一个。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述接口是允许所述操作员选择期望操作模式的用户输入设备。