CN107921236A - 用于导管和其他用途的铰接系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

铰接设备、系统、用于铰接的方法以及用于制造铰接结构的方法包括简单的囊阵列，其中囊的充胀与细长骨架支撑结构相互作用以便局部地改变所述骨架的铰接。所述囊可以安装到所述阵列的基底上，其中所述基底具有能够将充胀流体引导到所述囊的子集的通道。所述铰接阵列可以利用简单的平面3D印刷、挤出和/或激光微加工来形成。所述骨架可以包括简单的螺旋盘管或互锁螺旋通道，并且所述阵列可以用于在处理器的控制下使所述盘管的轴线局部地偏转或伸长。液态充胀流体可以从充胀流体罐被引导到所述囊，并且可以在所述通道或囊内汽化，所述充胀系统优选地包括由处理器控制的阀。所述铰接结构可以用于医疗导管系统、工业机器人、辅助成像系统以及娱乐产品和消费产品中。

Description

用于导管和其他用途的铰接系统、设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求来自以下共同转让的美国临时专利申请的优先权权益：2015年3月27日提交的名称为“用于导管和其他用途的铰接系统(Articulation System for Cathetersand Other Uses)”的美国临时专利申请号62/139,430(代理人案号097805-000100US-0939456)；2015年6月12日提交的名称为“用于导管和其他用途的选择性固化(SelectiveStiffening for Catheters and Other Uses)”的美国临时专利申请号62/175,095(代理人案号097805-000110US-0941721)；2015年10月30日提交的名称为“用于导管和其他用途的流体铰接(Fluid Articulation for Catheters and Other Uses)”的美国临时专利申请号62/248,573(代理人案号097805-000120US-0962383)；2015年12月4日提交的名称为“用于导管和其他用途的输入和铰接系统(Input and Articulation System forCatheters and Other Uses)”的美国临时专利申请号62/263,231(代理人案号097805-000200US-0966468)；以及2016年2月17日提交的名称为“用于伸展-收缩导管和其他用途的使用囊膨胀的柔性本体的局部收缩(Local Contraction of Flexible Bodies usingBalloon Expansion for Extension-Contraction Catheter Articulation and OtherUses)”的美国临时专利申请号62/296,409(代理人案号097805-000300US-0970626)；以上美国临时专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用整体结合在此。
本申请的主题涉及以下共同转让的美国专利申请的主题：与本申请同时提交的名称为“用于导管铰接和其他用途的流体驱动系统(Fluid Drive System for CatheterArticulation and Other Uses)”的美国专利申请号15/080,979(代理人案号097805-000140US-0970629)以及与本申请同时提交的名称为“导管和其他柔性结构的流体可膨胀本体铰接(Fluid-Expandable Body Articulation of Catheters and Other FlexibleStructures)”的美国专利申请号15/080,949(代理人案号097805-000150US-0970627)；以上美国专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用整体结合在此。
技术领域
总体而言，本发明提供了用于选择性地使导管和其他细长柔性本体弯曲或以其他方式改变它们的弯曲特性、改变此类本体的长度等的结构、系统和方法。本发明的实施例可以用于可逆地、局部地和/或全局地改变用于医疗和其他应用的细长柔性本体的刚度(诸如以便使所述细长柔性本体加劲或降低其刚度)。本发明可以包括铰接结构、系统以及用于铰接的方法，或者与它们一起使用，并且用于控制和制造铰接结构。在示例性实施例中，本发明提供了具有流体驱动囊阵列的铰接医疗系统，所述流体驱动囊阵列可以帮助导管、导丝(guidewire)或其他细长柔性结构沿着身体管腔成形、导向(steer)和/或前进。还提供了用于促进进出(access)目标组织和/或使医疗诊断和治疗工具与目标组织的对准、铰接流体控制系统以及医学诊断和治疗相关方法的结构。替代实施例利用囊阵列，以便使柔性操纵器和/或末端执行器、工业机器人、内窥镜、假肢手指、机器人手臂、定位支撑件或腿部，消费产品等铰接(或改变它们的刚度)。
背景技术
诊断和治疗疾病通常涉及进入人体的内部组织。一旦已经进入组织，医疗技术就提供广泛范围的诊断工具来评估组织并识别病变或疾病状态。类似地，已经开发了许多治疗工具，它们可以帮助外科医生与疾病状态所关联的组织相互作用、重建所述组织、向所述组织递送药物或移除所述组织，以便改善患者的健康和生活质量。不幸的是，进入适当的内部组织并且使工具与所述内部组织对准以便进行评估或治疗可能对医师来说是一个重大挑战，可能对患者造成严重的疼痛，并且可能(至少在短期内)严重损害患者的健康。
开放性手术通常是进入内部组织的最简单的方法。开放性手术可以通过以下方式来提供这种进入：切割上覆组织并使其移位，以便允许外科医生手动地与身体的目标内部组织结构相互作用。这种标准方法通常利用简单的手持工具，诸如解剖刀、夹具、缝合线等。对于许多情况，开放性手术仍然是优选的方法。尽管开放性手术技术已经非常成功，但是它们可能对附属组织造成显著的创伤，并且这种创伤大部分与进入待治疗的组织相关联。
为了帮助避免与开放性手术相关联的创伤，已经开发了许多微创手术进入和治疗技术。许多微创技术涉及通常通过大腿、颈部或手臂的皮肤进入脉管系统。然后，一个或多个细长柔性导管结构可以沿着贯穿身体及其器官延伸的血管腔网络前进。虽然一般限制对患者的创伤，但是基于导管的腔内治疗通常依赖于许多专门的导管操纵技术以便安全且准确地进入目标区域，以便将特定的基于导管的工具定位成与特定的目标组织对准，和/或以便激活或使用所述工具。实际上，在概念上相对简单的一些腔内技术在实践中可能是非常具挑战性的(或甚至是不可能的)(取决于特定患者的解剖结构和特定医师的技能)。更具体地，可以将柔性导丝和/或导管前进穿过弯曲分支的身体管腔网络比作推动绳索。当柔性细长本体围绕第一曲线然后围绕另一曲线并且穿过一系列分支交叉点前进时，导管/组织力、弹性能量储存(通过组织和细长本体)以及运动相互作用可能变得更复杂且不可预测，并且对导管的远端的旋转和轴向位置的控制可能变得更具挑战性且不太精确。因此，将这些细长柔性设备与期望的管腔路径和目标组织准确地对准可能是一个重大挑战。
可以采用多种机构来在一个或多个侧向方向上导向导丝或导管的尖端或可变地改变其偏转，以便促进腔内技术和其他微创技术。牵引线可能是最常见的导管尖端偏转结构，并且通过例如可控地减小在沿着导管或线的端部附近的螺旋盘管、编织物或切割海波管的一侧的环之间的间距，可以很好地用于许多导管系统。通常期望在相反的方向上(一般通过包括相反的牵引线)并且在许多情况下沿着两个正交的侧向轴线(使得一些设备中包括三根或四条牵引线)来提供正偏转。在单个设备中期望另外的导向能力的情况下，还可以包括更多的牵引线。已经提出并构建了具有数十根牵引线的复杂且专门的导管系统，并且在一些情况下，每个牵引线由附接到近端的专用电机铰接。还提出了替代的铰接系统，包括电致动形状记忆合金结构、压电致动、相变致动等。随着可导向系统的能力的提高，应当继续扩大可以使用这些技术的治疗范围。
不幸的是，由于用于导管的铰接系统变得更复杂，维持对这些柔性本体的准确控制可能变得越来越具挑战性。例如，穿过弯曲的柔性导管的牵引线通常围绕导管内的表面上的弯曲部滑动，其中滑动相互作用不仅围绕用户有意命令的弯曲部延伸，而且还围绕由导管周围的组织施加的弯曲部延伸。牵引线系统的滞后和摩擦力可能随着这种滑动相互作用以及弯曲部的不同总体构型而显著变化，使得可能难以预测和控制铰接系统的响应。此外，更复杂的牵引线系统可能会增加另外的挑战。虽然相反的牵引线可以各自用于使导管在相反的方向上从大致笔直的构型弯曲，但是一起使用两者的尝试—同时沿着所述区段的组织正在未知的方向上施加未知的力—可能导致广泛地不一致的结果。因此，可能有益的是：提供更准确的小且精确的运动，改善延迟时间，和/或提供在已知导管牵引线系统上的改进的运动传输，以避免损害如外科医生经历的导管和其他细长柔性工具的输入与输出之间的协调性。
与基于导管的治疗一起，已经开发了许多另外的微创手术技术来帮助治疗内部组织，同时避免与开放性手术相关联的至少一些创伤。这些技术中最令人印象深刻的是机器人手术。机器人手术通常涉及将细长刚性轴的一端插入患者体内，并且利用由计算机控制的机器人连杆来移动另一端，以使得所述轴围绕微创孔口枢转。手术工具可以安装在这些轴的远端，使得它们在体内移动，并且外科医生可以通过参照来自相同工作空间内由相机拍摄的图像移动输入设备来远程定位和操纵这些工具，从而允许精确地成比例的微观手术。还提出了替代的机器人系统，用于从患者外部操纵柔性导管体的近端，以便定位远侧治疗工具。提供自动导管控制的这些尝试已经遇到了挑战，这些挑战可能部分地是因为使用沿着弯曲身体管腔延伸的牵引线，难以在柔性细长本体的远端提供准确的控制。其他一些替代的导管控制系统使用在患者体外的盘管来施加大的磁场，以便将导管引导到患者的心脏内，并且最近的提议寻求结合磁力和机器人导管控制技术。虽然控制手术准确性的潜在改进使得所有这些努力具有诱惑力，但是这些大型的专业化系统的资本设备成本和医疗保健系统的总体负担是一个问题。
鉴于上述情况，提供改进的铰接系统和设备、铰接方法以及用于制造铰接结构的方法将是有益的。用于控制细长结构(铰接或非铰接的)的柔性的改进的技术也将是有益的。如果这些新技术适合于对延伸到患者体内的柔性导丝、导管或其他细长本体的远端的移动提供治疗上有效的控制，这将是特别有益的。如果由这些新技术提供的移动将允许增强使用的便利性，这也将是有益的；以便促进安全且有效地进入患者体内的目标区域，并且帮助实现治疗或诊断工具与目标组织的期望的对准。如果这些技术可以提供可以针对至少一些(并且理想地，广泛)范围的不同设备进行定制的运动能力，这也将是有帮助的。
鉴于上述情况，提供用于驱动细长柔性结构的新型且改进的设备、系统和方法也将是有益的。提供改进的医疗设备、系统和方法，具体地涉及使用诸如导管、导丝和其他柔性微创手术工具的细长柔性本体的那些医疗设备、系统和方法也将是有益的。将合乎期望的是：利用微流体技术和制造技术的最新进展来提供具有相对大量流体通道的流体驱动系统，所述流体驱动系统可以用于控制患者体内的导管和其他细长柔性结构，或者所述流体驱动系统可以以其他方式用于准确地控制去往多管腔轴和/或多管腔轴内的流动，理想地，无需求助于具有大量电机等的大型昂贵的系统。
鉴于上述情况，提供用于与细长柔性结构一起使用的新型且改进的铰接设备、系统和方法将是进一步有益的。提供改进的医疗设备、系统和方法，具体地涉及使用诸如导管、导丝和其他柔性微创手术工具的细长柔性本体的那些医疗设备、系统和方法也将是有益的。如果这些改进的技术可以对柔性本体的骨架的静止或标称形状提供改进的可控性，并且仍然允许整个本体弯曲(安全且可预测地)抵靠软组织，理想地不需要使用非常昂贵的部件、大量的零件和/或外来材料，这将是合乎期望的。
发明内容
本发明总体上提供铰接设备、系统、用于铰接的方法，以及用于制造铰接结构的方法。本文描述的铰接结构通常将包括简单的囊阵列，其中囊的充胀与细长骨架支撑结构相互作用以便局部地改变骨架的铰接。囊可以由所述阵列的基底支撑，其中所述基底具有能够将充胀流体引导到囊子集的通道。铰接阵列结构可以利用挤出、平面3D印刷和/或激光微加工技术形成。骨架可以包括互锁的螺旋通道、简单的螺旋盘管或印制的管状结构，并且所述阵列可以用于在处理器的控制下使框架的轴线局部地偏转或伸长。液态充胀流体可以从充胀流体罐朝向囊被引导，并且可以在铰接系统的通道或囊内汽化，其中充胀系统优选地包括由处理器控制的阀。包围囊的柔性真空室可以确保流体的完整性。铰接结构可以用于微创医疗导管系统中，并且也可用于工业机器人，用于支持图像捕获设备，用于娱乐产品和消费产品等。
在第一方面，本发明提供了一种可铰接系统，所述可铰接系统包括细长柔性本体，所述柔性本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。多个囊沿着柔性本体布置，并且囊在使用期间从第一构型充胀到第二构型改变了细长本体的弯曲特性。流体源可以与柔性本体耦合，以便将液体从源朝向柔性本体传输。在使用期间，液体汽化成充胀气体，以使得处于第二构型的囊被所述充胀气体充胀。
在许多实施例中，细长本体包括导管本体。许多特征可以独立地或组合地增强此类导管的安全和准确的使用。导管本体可以包括骨架，所述骨架具有接口区域对，在所述接口区域对之间具有偏移，所述囊典型地布置在所述对的所述接口区域之间。优选地，所述骨架包括螺旋构件，所述囊由所述构件支撑，并且所述接口对之间的所述偏移主要轴向地延伸并且沿周向成角度，这通常与螺旋构件的节距相关。有利地，护套可以被密封在囊周围，以便形成压力腔室(理想地呈真空腔室的形式)。所述腔室能够可操作地耦合到流体源，以便响应于所述腔室内真空的劣化而抑制液体从所述源的传输。典型地，所述囊被包括在囊阵列中并且安装到基底上。所述基底可以具有在流体源与囊之间提供流体连通的通道。所述基底任选地可以包括多管腔轴，其中一些基底轴是螺旋形的，而另一些与所述框架同轴地延伸。
作为许多特征中的一个(其不与任何特定的实施例相关)，流体源通常将包括罐，示例性罐是具有易碎密封件的一次性罐，优选地包含小于10盎司的液体(并且通常小于5盎司，其中许多包含小于1盎司)。液体通常包含相对温和的冷冻剂，诸如N2O。液体可以以罐压力布置在罐中，其中罐压力一般高于完全充胀囊压力，以使得不需要泵等将液体从罐转移到囊。液体在体温下可能汽化成充胀气体，其中汽化典型地在小于罐压力并且大于完全充胀囊压力的汽化压力下发生。然而，应当注意，囊压力可以接近或甚至超过罐压力，例如，当阀关闭并且铰接结构经受足够的环境压力以压缩完全充胀囊时。虽然汽化焓可能导致沿着系统的局部冷却，但在许多实施例中，可以不提供对组织或其他结构的治疗性冷却，并且在充胀流体到达囊之前，大部分或全部液体可能已被汽化。其他实施例可以利用来自源的液体的一部分用于低温冷却(典型地在铰接结构的远端附近)，但是通常将沿着铰接本体提供单独的低温冷却通道用于这种冷却，以便改善铰接响应，尽管这种冷却可以利用单独的冷却流体供应罐而不是铰接系统，其中这个罐典型地包含较大量的相同的(或不同的)冷冻剂。
独立于具体实施例，可以提供许多不同特征中的一个或多个来增强功能。流体供应通常在超过40atm的压力下维持液体，其中流体供应任选地具有加热器，以在系统的使用期间将罐保持在相对恒定的温度和压力下。第一阀可以布置在流体源与第一囊之间，并且第二阀可以布置在流体源与第二囊之间。第一阀和第二阀可以被配置用于独立地传输最小增量为50nl或更少的液体，其中流动的冷却流体通常保持液体，直到其横过阀的喉部。第三阀可以布置在第一囊与周围大气之间，并且第四阀可以布置在第二囊与周围大气之间。第三阀和第四阀可被配置用于独立地传输至少0.1scc/s的气体。在系统中包括所有四个这种阀可以促进对两个囊(或两个囊子集，其中每个子集使用共同的充胀管腔充胀)的独立压力控制，并且另外的充胀阀和泄放阀用于另外的囊(或囊子集)。任选地，用于充胀的最小液体增量可以是25nl(或甚至15nl)或更小，而用于泄放的最小气体流量可以是0.5scc/s(或甚至1scc/s)或更大。所述系统可以采用多通阀，所述多通阀可以用于控制流入囊的充胀流体和从囊排放的泄放流体，其中通过不同的阀喉部、通过与(多个)阀相邻的不同孔或其他流量限制设备、通过足够范围的成比例的流量控制、和/或通过足够快的阀响应速率来维持控制的准确度(尽管具有不同的充胀和泄放流量)。由压力控制的充压室(plenum)可以布置在流体源与第一囊和第二囊之间，或者液体可以在阀之前以其他方式汽化成气体，以使得没有液体经过充压室与囊之间的阀。
在相关方法方面，本发明提供了一种铰接方法，所述方法包括：从流体源并且沿着细长柔性本体传输液体。液体汽化成充胀气体。沿着柔性本体布置的多个囊使用充胀气体充胀，以使得囊改变柔性本体的弯曲特性。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接结构，所述可铰接结构包括细长柔性本体，所述柔性本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。多个囊沿着所述本体布置，所述囊可从第一构型充胀到第二构型，以使得所述囊改变所述本体的弯曲状态。柔性护套布置在所述囊周围。所述护套被密封以形成压力腔室，其中所述囊布置在所述压力腔室中。
任选地，所述细长本体包括导管本体，并且所述远端被配置用于插入患者体内。所述腔室可以随着导管本体侧向地弯曲，并且压力感测管腔可以在近侧从所述腔室朝向近端延伸。所述囊可以由基底支撑和/或安装在基底上，并且基底可以包含多个管腔，以用于与压力感应管腔一起使囊充胀。示例性基底包括多管腔轴，所述囊具有围绕所述轴延伸的囊壁。
可以包括许多特征中的任一个以增强所述腔室的功能。任选地，真空源可以与所述腔室处于流体连通，以便减小所述腔室的压力，使得所述腔室包括真空腔室。所述细长本体优选地在腔室处于真空下将保持柔性，其中真空典型地为几英寸汞柱至半个大气或更多。具有传感器的流体控制系统杆可以与腔室耦合，并且截止阀可以布置在充胀流体源与囊之间。截止阀可以响应于来自传感器的指示真空正在劣化的信号而抑制去往囊的充胀流体流动，因为此类信号可能与充胀流体的泄漏、外护套的泄漏、外护套密封到的内护套的泄漏、腔室的近侧和/或远侧密封件的泄漏等相关联。因此，腔室的使用可以显著地增强安全性并且充当故障检测系统，所述故障检测系统识别并防止不合期望的或危险的泄漏，从而促进(例如)使用气体作为导管等的充胀流体。
在相关方面，本发明提供了一种方法，所述方法包括：将沿着细长柔性布置的多个囊从第一构型充胀到第二构型，以使得囊改变所述本体的弯曲状态。围绕囊布置的护套随着所述本体的侧向挠曲而挠曲，所述护套被密封以形成压力腔室，其中所述囊布置在所述压力腔室中。
在另一方面，本发明提供一种包括细长柔性骨架的结构，所述骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。所述骨架具有沿轴线分布的多个接口区域对，并且可以在接口区域对之间限定偏移，其中所述偏移随着骨架的挠曲而变化。囊阵列可以与所述骨架的所述偏移可操作地耦合，以使得所述囊中的至少一些的充胀改变所述骨架的侧向弯曲刚度。
有利地，由囊阵列提供的受控刚度可以沿着导管或其他柔性结构的长度改变，可以周向改变(以便在不同的侧向弯曲取向上提供不同的刚度)，和/或可以进行调制以便提供多个不同的局部或全局刚度中的任一个，和/或以便在连续范围内的任何地方提供期望的刚度。例如，骨架可以具有第一轴向区段和第二轴向区段，并且所述偏移对可以沿第一轴向区段和第二轴向区段轴向地分布。选择性地增加或减少所述囊中沿着第一区段布置的第一子集的充胀可以用于抑制或促进所述偏移沿着所述第一区段的变化，以便(对应地)选择性地增加或减少第一区段的侧向弯曲刚度。可以独立地改变第二区段刚度(和/或第三区段、第四区段或其他区段的刚度)。作为另一个示例，骨架可以具有第一侧向弯曲取向和第二侧向弯曲取向，并且所述偏移对可以沿着第一侧向弯曲取向和第二侧向弯曲取向周向分布。选择性地增加或减小所述囊中沿着第一侧向弯曲取向布置的第一子集的充胀压力可以抑制或促进所述偏移沿着所述第一侧向弯曲取向的变化，以便相应地选择性地增加或减少在第一侧向弯曲取向上的侧向弯曲刚度，而改变偏移的第二子集、第三子集或任选地第四子集的充胀可以类似地改变沿着第二侧向取向、第三侧向取向或第四侧向取向(其中相反的取向通常被耦合)的侧向弯曲刚度。
可以采用许多不同的方法来提供对刚度的控制。骨架和阵列可以被配置成使得减小第一囊子集的充胀压力增加骨架的侧向弯曲刚度。例如，当骨架呈螺旋盘管的形式时，所述螺旋盘管被偏置成具有直接环/环接合的笔直构型，第一囊子集可以具有位于相邻环的对置接口区域之间的囊壁，以使得囊的充胀可能局部地削弱骨架的裂断强度。更具体地，环可以被偏置用于对所述囊进行压缩和泄放，使得当囊被完全泄放时，轴向力通过环的固体材料和囊壁在环之间传输，从而提供第一侧向刚度。相反，当囊被部分地充胀时，轴向力可以通过囊内的流体压力来传输，从而提供低于第一侧向刚度的第二横向刚度。
可替代地，增加第一囊子集的充胀压力可以增加骨架的侧向弯曲刚度。例如，所述对的接口区域可以是径向取向的，并且第一囊子集可以跨越所述接口表面对，并且当第一囊子集被充胀时可以径向地接合所述接口表面。充胀囊的流体压力由此可以驱使充胀囊抵靠接口区域，以便抑制相关联偏移的变化。作为另一个示例，第一囊子集可以包括骨架的通道中的一对相对的囊，其中骨架的凸缘位于所述相对的囊之间。所述偏移可以包括凸缘和通道的对置表面之间的间隔，并且增加对置囊的充胀压力可以增加通道内凸缘位置的刚度，以及因此骨架的总体侧向弯曲刚度。有利地，凸缘和通道可以包括由多个相对的囊对接合的螺旋结构，并且所述偏移可以主要轴向地延伸，并且可以以螺旋结构的节距周向成角度。
在相关方法方面，本发明提供了一种方法，所述方法包括：使囊阵列中所包括的至少一些囊充胀。所述阵列由细长柔性骨架支撑，并且所述骨架具有沿着骨架的轴线分布的多个接口区域对，所述接口区域对限定随着骨架的挠曲而变化的偏移。充胀囊与骨架的偏移可操作地耦合，以使得囊的充胀改变骨架的侧向弯曲刚度。
在另一个方面，本发明提供了一种包括螺旋骨架结构的柔性导管，所述螺旋骨架结构具有近端、远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。远端被配置用于插入患者体内。囊阵列由螺旋骨架支撑，所述阵列包括围绕骨架轴向地和周向地分布的囊。流体供应系统与囊处于流体连通，并且被配置用于选择性地使囊的多个子集中的任一个子集充胀，以便选择性地改变螺旋骨架的形状和/或刚度。
可以提供许多特征来增强本文提供的导管的功能，其中许多导管在先前和之后的段落中被识别。作为另一个示例，导管的未铰接的柔性近侧本体部分可以布置在近端与囊阵列之间。流体通道可以跨越近侧本体部分，但是可能不能提供对这个部分的形状的控制(并且任选地，甚至可能不允许对这个部分的刚度进行控制)。这可以帮助保持系统的复杂性和尺寸降低，其中任何铰接功能都集中在远侧部分，并且近侧部分被配置用于挠曲以跟随身体管腔等。
在相关方面，本发明提供了一种方法，包括：选择性地使囊的第一子集充胀，所述囊包括在由螺旋骨架支撑的囊阵列中。所述阵列围绕骨架轴向地和周向地分布。第一子集的充胀引起螺旋骨架的形状和/或刚度的第一变化。选择性地使囊的第二子集充胀，第二子集的充胀引起螺旋骨架的形状和/或硬度的第二变化。形状和/或刚度的第二变化从第一变化轴向地和/或周向偏移。
在另一个方面，本发明提供了一种用于与可铰接导管一起使用的流体供应系统。导管具有骨架结构和由骨架支撑的囊阵列，流体供应系统包括被配置用于在源压力下提供充胀流体的流体源。通道系统与流体源处于流体连通，通道系统具有用于朝向所述阵列的囊传输流体的多个通道。多个阀沿着所述通道布置，并且处理器与所述阀耦合。处理器被配置用于致动所述阀，以便选择性地使囊的子集充胀以控制导管的形状和/或刚度。
具有由处理器控制的阀是本文描述的系统和设备的任选特征，并且可以包括一系列改进中的任一个以便进一步增强系统的能力。不是必须求助于笨重且复杂的电机和泵，通过使用简单的流体源(诸如预加压的罐等)以及由处理器控制的阀(任选地包括至少8个、16个、32个或甚至64个阀)，系统可以以大量的自由度来控制细长柔性系统的形状和/或刚度。在提供处理器的情况下，多个压力传感器可以将所述通道中的一些与处理器耦合，所述处理器被配置用于致动阀，以便控制囊子集内的压力。在具有或不具有由处理器控制的阀的情况下，另一个任选的特征是铰接设备可以具有包括至少9个、18个、36个、72个或甚至108个囊的囊阵列。在铰接导管具有外截面直径的情况下，囊阵列可以具有每轴向长度直径至少3个、4个、6个、8个或甚至9个囊的轴向密度，以提供例如合乎期望的弯曲能力。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接设备，所述可铰接设备包括骨架，所述骨架具有近端和远端，其中轴线在所述近端与所述远端之间延伸。骨架具有轴向管腔和多个接口区域对，其中在所述接口区域对之间具有偏移，所述偏移随着骨架的铰接而变化。多管腔轴本体布置在框架的管腔中，所述轴具有沿着轴线延伸的多个管腔。囊阵列与多管腔轴本体的管腔处于流体连通。所述阵列的囊相对于多管腔轴是偏心的并且布置在所述骨架的所述偏移中。
本文描述的结构通常将包括简单的囊阵列，其中囊的充胀与细长骨架支撑结构相互作用以便局部地改变骨架的铰接。所述囊可以安装到所述阵列的基底上，其中所述基底具有能够将充胀流体引导到所述囊的子集的通道。骨架可以包括简单的螺旋盘管，并且所述阵列可以用于在处理器的控制下使盘管的轴线局部地偏转或伸长。充胀流体可以从充胀系统的充胀流体贮器被引导到囊，并且充胀系统优选地包括由处理器控制的阀。此类细长柔性铰接结构可以用于微创医疗导管系统中，并且也可以用于工业机器人，用于支持成像系统，用于娱乐产品和消费产品等。由于可以使用简单的平面3D印刷、挤出和/或微加工技术来形成铰接阵列结构，用于产生具有大量运动学自由度的结构的成本可能远远低于与已知的动力铰接技术相关联的成本。
本文描述的设备、系统和方法可以选择性地、局部地和/或可逆地改变细长本体的弯曲特性。本文对细长本体的弯曲进行了详细论述，并且本文描述的一些技术也适用于沿着细长导管本体改变刚度，其中刚度通常是通过一个或多个囊的充胀而改变的。可以采用许多不同的加劲方法。任选地，囊的充胀可以引起囊与螺旋、切管、编织或其他细长柔性骨架的环之间的接合，以使得囊可以用作制动器或闩锁以抑制挠曲。囊通常将相对于骨架偏心地安装，并且可以包括在囊阵列中。囊阵列的子集的选择性充胀可以选择性地且局部地增加整个本体的轴向刚度。在其他实施例中，调节囊充胀压力可以允许囊可变地抵消螺旋盘管或其他偏置结构的压缩力，从而有效地调节局部地与囊相邻的组件的刚度。在其他实施例中，独立地调节两个相反的囊的压力可以用于施加弯曲或伸长并且在至少一个取向上调节刚度。因此，可以使用单独的囊阵列或具有不同类型囊的多功能阵列来组合加劲和弯曲或伸长囊。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接本体，所述可铰接本体包括多管腔螺旋轴，所述多管腔螺旋轴具有近端、远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。所述轴限定了轴向的一系列环并且具有多个管腔。多个囊沿着所述环分布，每个囊具有围绕所述轴延伸的囊壁。多个端口向所述轴开放，每个端口在相关联囊与相关联管腔之间提供流体连通。
所述囊可以被配置成使得所述囊的充胀在使用中将改变可铰接本体的弯曲状态。所述可铰接本体可以包括六个或更多个、九个或更多个、甚至12个或更多个囊，任选地具有多个区段，每个区段具有12个或更多个囊，并且典型地包括导管，但是可替代地可以包括工业连续体机器人结构、消费设备或娱乐设备等。任选地，囊的第一子集沿着第一环分布，并且囊的第二子集沿着第二环分布；多个另外的子集可以沿着其他环分布。在这些或其他实施例中，囊的第三子集可以从轴线偏离并且沿着第一侧向弯曲取向对准，并且囊的第四子集可以从轴线偏离并且沿着从轴线和第一侧向取向偏移的第二侧向弯曲取向对准。与第三囊子集相关联的端口可以与轴的第一管腔处于流体连通，并且与第四囊子集相关联的端口可以与轴的第二管腔处于流体连通。第三子集和第四子集通常将包括第一子集、第二子集和其他子集的囊，并且囊的另一个子集可以从轴线偏离并且沿着从第一侧向取向和第二侧向取向偏移的第三侧向方向对准。
在大多数实施例中，囊限定M x N阵列，其中囊的M个侧向子集围绕轴线周向分布，M个侧向子集中的每一个包括沿着相关联的侧向弯曲取向对准的N个囊。例如，M可以是三或四，以使得围绕可铰接本体的轴线分布有囊的三个或四个侧向子集(子集的中心任选地被分开120度或90度)。应当注意，铰接区段的轴向伸长状态与侧向弯曲取向之间可能存在某种耦合，例如当所述区段的长度增加时，螺旋盘管稍微展开，以使得在所述区段的至少一些构型中，连接N个囊的中心线的线条可以沿着轴线稍微弯曲或螺旋(而不是N个囊总是精确地平行于轴线对准)。与M个侧向子集中的每一个的囊相关联的端口可以在N个囊与相关联管腔之间提供流体连通，以使得每个侧向取向与轴的特定管腔相关联(通常经由所述管腔而被充胀和/或泄放)。所述阵列通常将包括沿着可铰接本体的第一区段延伸的第一阵列。第一区段可以被配置用于通过沿着与第一阵列的M个侧向子集相关联的管腔传输的流体以两个、三个或更多个自由度驱动。也可以提供可铰接本体的第二区段，典型地从第一区段轴向地偏离。第二区段可以具有第二阵列，并且可以被配置用于通过沿着与第二阵列相关联的轴的管腔传输的流体以多个自由度驱动，所述管腔通常将与第一阵列的那些管腔分开。可铰接本体可以具有1至5个独立可铰接区段或更多区段，其中每个区段优选地提供一至三个自由度，每个区段通常被配置用于在其近端与远端之间具有一致的弯曲特征和/或伸长率，但是不同的区段被驱动到不同的弯曲和/或伸长状态。
在许多实施例中，囊壁包括非顺应性囊壁材料，尽管可以使用半顺应性壁材料，其中囊通常足够小并且具有足够的厚度以允许压力超过在较大囊中使用的压力，通常包括高于20atm、30atm、或甚至40atm的压力。优选地，至少一些囊包括围绕轴密封地附连在多个密封件处的连续囊壁管。所述密封件可以沿轴的轴线分开，以使得所述管限定多个囊的囊壁。囊壁管可以具有与多个密封件截面区域交错的多个囊截面区域，所述囊截面区域大于密封件截面区域，以促进囊远离轴的流体膨胀。任选地，加强带可以布置在与密封件相邻的囊之上，以便抑制囊与轴的跟囊的充胀相关联的分离。合适的加强带可以包括类似于标记带的金属结构，所述标记带锻压在沿着密封件的囊管和轴、缠绕在其上的纤维等之上。典型地，细长结构骨架将支撑多管腔轴，所述骨架具有由轴向偏移分开的接口区域对，所述偏移随着骨架的挠曲而变化，其中，囊布置在所述对的区域之间。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接本体，所述可铰接本体包括细长柔性骨架，所述柔性骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述骨架具有由偏移分开的接口区域对；所述偏移随着骨架的挠曲而变化。基底可以安装到框架上，并且多个囊可以由所述所述基底支撑。所述囊可以围绕骨架轴向地和周向地分布，并且可以布置在所述对的区域之间。通道系统可以布置在基底中，以便在框架的近端与囊之间提供流体连通。
任选地，本文提供的系统的基底可以具有第一主表面和第二相反的主表面以及沿着所述主表面延伸的多个层。可以通过将基底的层粘结在一起来密封通道系统。基底可以弯曲成圆柱形形状，例如通过在基底/囊组件被制造成平面构型之后使其盘绕。多个阀可以沿着通道布置，以便在近端与囊之间提供选择性的流体连通。任选地，囊可以具有与基底的第一层成一体的囊壁，例如通过从层材料吹制囊形状的至少一部分。
可替代地，基底可以包括螺旋多管腔轴。囊阵列任选地包括由基底支撑的囊的M xN阵列，其中M为三或四，以使得3个或四个囊子集围绕轴线周向分布。M个子集中的每一个可以沿着从轴线偏移的相关联侧向取向对准。N可以包括2，以使得M个子集中的每一个包括两个或更多个轴向分离的囊。
在另一个方面，本发明提供了一种用于制造可铰接结构的方法。所述方法包括：提供多管腔轴，所述多管腔轴具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴的轴线。多个管腔可以沿着轴的轴线延伸。端口可以形成为管腔，所述端口布置在多个囊区域内。所述囊区域可以沿着轴的轴线分开。可以提供囊壁管，其中所述囊管具有近端和远端，其中管腔在所述近端与所述远端之间延伸。轴可以在囊区域之间的多个密封件处密封在囊管的管腔内，以形成多个囊。轴的轴线可以包括具有多个环的螺线，并且囊可以布置在多个分开的环上。
作为一般的方法，在将轴密封在囊管的管腔内的过程中，轴的轴线可以是笔直的。因此，所述轴可以随着囊管一起弯曲以形成螺旋轴。可替代地，在一些实施例中，在轴弯曲之后，所述轴可以滑动到囊管的管腔中。
在另一个方面，本发明提供了一种用于对可铰接本体进行铰接的方法。所述方法包括：沿着螺旋多管腔轴的多个管腔传输流体，其中所述轴限定一系列环。多个囊利用所传输的流体充胀。囊沿着所述环分布，每个囊具有围绕所述轴延伸的囊壁。通过将流体从管腔径向地引导穿过多个端口以使得每个端口在相关联管腔与相关联囊之间提供流体连通来实现囊的充胀。
在另一个方面，本发明提供了一种用于对可铰接本体进行铰接的方法。所述方法包括：沿着布置在基底中的通道系统传输流体。所述基底被安装到细长柔性骨架上并且支撑多个囊。细长柔性骨架具有由轴向偏移分开的接口区域对，并且囊布置在所述对的区域之间。流体通过通道系统被引导到囊，以使得囊的子集膨胀。囊围绕骨架轴向地和周向地分布并且布置在偏移中。囊子集的膨胀改变了骨架的弯曲状态。
所述环可以具有近侧接口区域和远侧接口区域。所述囊可以包括可膨胀本体，并且位于环之间的囊可以布置在第一相关联环的远侧接口与第二相关联环的近侧接口之间，所述近侧接口和远侧接口限定了接口对并且在所述接口对之间具有偏移。囊任选地可以在在第一环与第二环之间安装在盘管的第三环之上，或者另外的螺旋结构具有在所述螺旋盘管的环之间的环。螺旋盘管可以包括在铰接系统的骨架中。
基底可以包括柔性多管腔轴或管状本体，任选地包括挤出的聚合物多管腔管，其中通道由挤出的管腔与微加工的径向端口一起限定；多管腔管状本体理想地弯曲以跟随螺旋曲线。骨架可以被整合到这种多管腔螺旋本体中，布置在这种多管腔螺旋本体内，或者与这种多管腔螺旋本体交错。致动阵列还可以包括跨过和/或沿着基底分布的多个流体可膨胀本体。所述可膨胀本体可以与相关联的接口对耦合，并且通道可以在可膨胀本体与流体供应系统之间提供流体连通，以便促进可膨胀本体的子集的选择性充胀。有利地，可膨胀本体能够可操作地耦合到偏移，以使得选择性的充胀改变与所述子集相邻的骨架的铰接。
骨架可以包括管状的一系列环，诸如当骨架由螺旋盘管、编织物、海波管或其他医疗级管状材料形成时，具有轴向的一系列侧向切槽或开口，以便提供比连续管具有的柔韧性更多的侧向柔韧性等。每对接口可以包括例如第一相关联环的第一相关联表面区域以及与第一环相邻的第二相关联环的第二相关联表面区域，以使得可膨胀本体的充胀可以改变骨架在所述环之间的挠曲。应当注意，耦合到一对接口的可膨胀本体任选地可以仅耦合到所述一对接口(以使得所述结构的充胀不会在很大程度上改变骨架在其他环之间的挠曲)，但是在其他实施例中，可膨胀本体可以不仅与所述一对环耦合，而且与一个或多个另外的环耦合，以使得可以在延伸超过所述一对的轴向部分上改变骨架的挠曲。作为示例，细长囊可以沿着若干环的内表面或外表面轴向地延伸，以使得当囊被充胀时，抑制沿着这些环的盘管轴线的弯曲。
当至少一些可膨胀本体或囊与接口对耦合时，所述对中的第一接口任选地可以朝远侧取向，并且所述对中的第二接口可以朝近侧的取向，其中，所述接口的精确取向任选地根据螺旋框架结构的节距稍微成角度。相关的可膨胀本体可以轴向地布置在第一接口与第二接口之间。这些可膨胀本体中的每一个的膨胀可以将此类对中的相关联环推开，经常使得与相关联的第一环和第二环相邻的骨架远离膨胀后的囊侧向地弯曲。(多个)弯曲部相对于骨架轴线的侧向取向可以与可膨胀本体相对于这个轴线的位置相关联。任何这种充胀所引起的铰接或弯曲的数量或角度、轴向位置和/或半径可以与一个或多个可膨胀本体的特性(以及所述可膨胀本体由于充胀而施加在骨架上的偏移的相关联变化)、骨架的特性、膨胀的一个或多个可膨胀本体的位置、和/或膨胀的本体的数量和密度相关联。更一般地，可以通过适当地选择可膨胀本体子集以及通过系统的结构部件的特性来选择弯曲特性。
所述阵列(或另一个单独的铰接阵列)的至少一些可膨胀本体或囊可以安装到骨架上或以其他方式配置，以使得它们不会迫使相邻的环分开以在骨架的轴线上施加弯曲。实际上，一些实施例可以不具有流体可膨胀结构，在没有外部环境力的情况下，所述实施例在膨胀或泄放时，完全不引起骨架轴线的弯曲。作为任选的特征，本文描述的致动阵列的一个或多个可膨胀本体或囊任选地可以用于局部地且可逆地改变骨架的强度或刚度，任选地削弱骨架在侧向取向和/或在期望的轴向位置对弯曲的抵抗。在一个具体示例中，其中，骨架包括弹性螺旋盘管，其中，通过盘管的材料弹性地驱使一对相邻的盘管抵靠彼此；轴向地布置在盘管的一对环(或一组环)之间的一个囊(或一组囊)可以被充胀到不足以克服盘管的压缩力的压力，但是这将有利于盘管在环境力下、在充胀的一对(或多对)处弯曲。更一般地，囊子集的充胀可能局部地削弱盘管，从而促进在环境力下、在第一位置处的弯曲，并且改变子集可以使弱的位置(轴向地和/或周向)移位，以使得相同的环境应力导致不同位置处的弯曲。在其他实施例中，接口可以例如包括第一对，并且第一对中的第一接口可以是径向取向的。类似地，第一对中的第二接口可以是径向取向的，并且第一可膨胀本体可以与第一对中的第一接口和第二接口径向相邻并且在所述第一接口与所述第二接口之间轴向地延伸，以使得第一可膨胀本体的膨胀将第一可膨胀本体与第一对中的第一接口和第二接口轴向地耦合。这种轴向耦合可以导致第一可膨胀本体支撑所述对的接口的相对位置，从而抑制第一对接口之间的偏移的变化，并且帮助在可膨胀本体膨胀时限制或防止与第一对相邻的骨架的轴线的弯曲特性的变化。有利地，如果这种可膨胀本体在轴线局部地处于笔直构型时膨胀，可膨胀本体可以防止其弯曲；如果这种可膨胀本体在轴线局部地处于弯曲构型时膨胀，它可以防止轴线矫直。
在上述铰接系统中的任一个中，所述对可以包括沿着第一侧向轴线从所述轴线侧向地偏移的第一对接口。相关联的第一可膨胀本体可以布置在第一对接口之间。在此类实施例中，第二可膨胀本体可以布置在第二对接口之间，所述第二对的接口沿着横向于第一侧向轴线的第二侧向轴线从所述轴线侧向地偏移。因此，第二可膨胀本体的充胀可以使骨架的轴线远离第二侧向轴线弯曲，并且第一侧向本体的充胀可以使骨架的轴线远离第一侧向轴线弯曲。在其他实施例中，第二对接口可以从所述轴线侧向地偏移，并且可以与第一侧向轴线和第一对相反，使得上所述轴线在第一对与第二对之间延伸，以使得布置在第二对之间的第二可膨胀本体的充胀与第一可膨胀本体一起驱使骨架轴向地延伸。在其他实施例中，第二可膨胀本体可以布置在第二对接口之间，其中第二对从第一对轴向地偏移并且沿着第一侧向轴线与第一对充分对准，以使得第一可膨胀本体的充胀驱使骨架远离第一侧向轴线侧向地弯曲，并且第二可膨胀本体的充胀与第一可膨胀本体一起驱使骨架远离第一侧向轴线侧向地弯曲。当然，许多实施例将包括这些结构和能力的多个这样的组合，其中多个对沿着侧向偏移，多个对相对于轴线是相反的，和/或多个对轴向地对准，以使得通过使可膨胀本体的适当子集(如布置在相关联的多对接口表面或结构之间)充胀，轴线可以在单个取向上以不同的增量侧向地弯曲，骨架可以以不同的增量轴向地延长，和/或轴线可以在多个不同侧向取向上以不同的增量侧向地弯曲，全部操作是顺序地或同时进行的。这些期望的结构和能力中的任何两种或更多种的组合可以利用本文描述的相对简单的结构来提供。
任选地，可膨胀本体可以包括非顺应性囊壁，并且每个可膨胀本体可以具有由膨胀限定的膨胀构型和非未膨胀构型，在所述膨胀构型中，压力处于全膨胀压力范围内。骨架的偏移可以分别具有相关联的打开和关闭状态。当囊处于未膨胀构型并且不施加环境负载时，骨架(和/或安装到其上的结构)任选地将被充分地偏置以将轴向偏移推向关闭状态。
骨架和阵列通常将被包括在配置用于插入患者体内的导管中。用于医疗或非医疗用途的铰接系统还可以包括被配置用于从用户接收导管铰接命令的输入端以及将输入端耦合到流体供应源的处理器。处理器可以被配置用于响应于所述命令而选择性地将流体引导到可膨胀本体的子集。例如，当输入端被配置成使得命令包括期望的铰接方向时，并且当流体供应包括耦合到多个通道的多个阀时，处理器可以响应于所述方向来识别并致动所述阀的子集。输入命令与阀之间的许多另外的和/或替代的关系也可以合并到处理器中。作为替代示例(其可以或可以不与前述示例和/或彼此组合)，当输入端被配置成使得命令包括期望的铰接位置时，处理器可以响应于所述位置来识别并致动阀的子集；当输入端被配置成使得命令包括铰接的半径时，处理器可以响应于所述半径来识别并致动阀的子集；当输入端被配置成使得命令包括期望的轴向伸长量时，处理器可以响应于所述伸长量来识别并致动阀的子集；等等。
所述系统可以以开环方式操作，以使得实际的铰接致动不被系统的数据处理部件感测到并反馈给任何处理器。其他系统可以包括用于产生反馈信号的电路系统，所述反馈信号指示一些或所有囊或偏移的状态，任选地通过印刷或以其他方式在囊壁上或囊壁中包括适当的电气部件。一些实施例可以感测与阵列传动的远侧部分相邻的骨架的近侧部分或“基部”部分的取向(和/或相对位置)，以便与期望的和所命令的取向对准，而与任何移动控制反馈无关，其中合适的位置和/或取向传感器任选地从依赖于成像技术(诸如光学、荧光镜、磁共振、超声、计算机断层摄影、正电子发射断层摄影等)的已知部件中选择，并且使用已知的图像处理技术，和/或从已知的微创工具跟踪技术(诸如电气、超声或其他插入的设备和主动基准定位系统)中选择，和/或从已知的导管弯曲监测技术(诸如光纤系统等)中选择。一些实施例的处理器可以采用这些或其他传感器中的任一个来对实际位置、取向、移动和/或姿态进行反馈，并且用于确定其他的阀致动信号。
任选地，多个阀可以耦合到骨架的近端。替代地(或此外)，多个阀可以沿着阵列布置。例如，所述阵列的基底可以包括第一基底层和第二基底层以及它们之间的基底层接口，并且通道可以包括从基底接口延伸到第一层中的通道壁。
本文描述的任何阵列的可膨胀本体可以沿着基底轴向地和周向地分布，以使得阵列可以限定(例如)至少二维阵列。致动流体容纳护套可以包围骨架和囊，其中护套任选地与基底整合在一起。这可以允许所使用的充胀流体从基底的通道外部的囊朝近侧流动，并且从而促进囊泄放，而不会释放本体等内使用的充胀流体。
在另一个方面，本发明提供了一种铰接导管系统，所述铰接导管系统包括导管本体，所述导管本体具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。骨架可以具有多个接口对，每一对包括第一接口和第二接口，并且在所述第一接口与所述第二接口之间具有偏移。所述偏移可以随着骨架的铰接而变化，以便限定铰接状态。还可以提供致动囊阵列，其中每个囊可操作地与第一相关联接口和第二相关联接口之间的偏移相关联，并且还具有第一轮廓构型。还可以包括用于接收铰接命令的输入，以及用于确定传感器数据的传感器，所述传感器数据指示与第一对相邻的骨架的位置、与第一对相邻的骨架的取向和/或与第一对相邻的骨架的铰接状态。流体供应系统可以与囊阵列处于流体连通。流体系统可以包括耦合到输入端和传感器的处理器。处理器可以被配置用于朝向囊的子集引导致动流体，以便驱使所述子集中的每个囊从第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，以便改变与所述子集相邻的(多个)偏移的铰接。处理器可以被配置用于响应于命令和传感器数据来确定所述子集。
在方法方面，本发明提供了一种用于对铰接系统进行铰接的方法。所述方法包括：将流体从流体供应朝向阵列中的一个或多个囊引导。每个囊布置在细长螺旋盘管的第一相关联环与第二相关联环之间，所述第二相关联环与所述第一相关联环相邻。螺旋盘管可以具有近端和远端，并且可以在所述近端与所述远端之间限定轴线。可以引导流体以便将(多个)囊从第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，以使得相关联环被膨胀后的囊驱使分开，并且使得盘管的轴向弯曲特性被改变。在(多个)囊膨胀之后，螺旋盘管的偏置可以将所述(多个)囊驱使回第一轮廓构型。
在另一个方法方面，本发明提供了一种用于对铰接系统进行铰接的方法。所述方法包括：将流体从流体供应系统引导到柔性基底的至少一个通道中，所述基底包括在致动阵列内并且具有相反的主表面。致动阵列还可以包括跨基底分布的多个流体可膨胀本体。所述通道可以将流体引导到可膨胀本体的子集中，以使得流体使所述子集充胀。可以通过膨胀而驱使可膨胀本体子集抵靠结构骨架的多个接口表面。结构骨架可以具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，并且可以执行所述驱使以改变与所述子集相邻的轴线的弯曲特性。
在另一个方面，本发明提供了一种用于制造铰接结构的方法，所述方法包括：在柔性基底中形成多个通道，所述基底具有第一主表面和第二相反的主表面，并且通道布置在所述主表面之间。多个可膨胀本体形成在基底中或附连到基底上，以便限定阵列，通道与可膨胀本体处于流体连通，以使得来自通道的流体可以使流体可膨胀本体膨胀。
在使用之前，阵列通常将与骨架结构耦合，以使得可膨胀本体的膨胀改变骨架的轴线。典型地，柔性基底将在阵列安装到骨架期间从初始形状挠曲，并且还可以在阵列铰接骨架期间进一步挠曲。
在另一个方面，本发明提供了一种可控柔性的导管(或其他细长本体)。所述导管(或其他本体)包括细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。骨架具有包括第一环和第二环的轴向的一系列周向环。第一囊沿着骨架的第一环和第二环延伸，所述第一囊能从泄放构型膨胀到充胀构型。当第一囊处于泄放构型时，在轴线相对自由地弯曲期间，第一环可以相对于第二环轴向地移动。然而，第一囊以充胀构型径向地接合第一环和第二环，以使得当第一囊处于充胀构型时，所述囊抑制轴线的弯曲。
任选地，骨架可以包括螺旋盘管，所述螺旋盘管在处于松弛状态时可以在环之间具有空间，或者替代地盘管可以被偏置以使得当盘管处于放松状态时盘管的相邻环彼此轴向接合，这可以帮助在环之间传输轴向压缩负载。替代的骨架可以包括具有多个侧向狭槽的海波管或其他管材，以便限定它们之间的环，和/或具有多个编织元件的编织管状结构限定所述环。
典型地，第一囊相对于骨架是偏心的，并且径向地布置在骨架与径向支撑结构之间。径向支撑件可以具有相反的内表面和外表面，并且可以被配置用于在膨胀期间限制第一囊相对于骨架的径向位移，以使得第一囊从泄放构型向充胀构型的膨胀引起第一囊与骨架的第一环和第二环之间的期望的弯曲抑制径向接合。合适的径向支撑件可以包括螺旋盘管或甚至周向材料(通常是径向布置在骨架外部的聚合物材料)带，以使得第一囊的膨胀在所述带中施加周向拉伸负载。径向支撑件任选地可以整合到囊阵列的基底中，其中第一囊包括在所述阵列结构中。
任选地，第一囊包括在沿着骨架周向、轴向地、或两者分布的囊阵列中。所述囊中的每一个可以从泄放构型膨胀到充胀构型，并且所述囊中的一些或全部具有骨架的多个相关联环，包括第一相关联环和第二相关联环，当囊处于泄放配置时，在与囊相邻的轴线的弯曲期间，所述第一相关联环可相对于第二相关联环轴向地移动。这些囊各自以充胀构型径向地接合第一相关联环和第二相关联环，以便当囊处于充胀构型时抑制相对轴向移动以及与这些囊相邻的轴线的弯曲。在使用期间，流体供应系统通常将与囊处于流体连通，以便选择性地使期望的囊子集充胀，使得与所述子集相邻的轴线的弯曲被抑制。在一些示例性实施例中，这些囊围绕骨架周向分布，并且围绕骨架的第一轴向区段分布的囊第一子集的充胀抑制骨架在正交弯曲取向上、跨沿着第一区段的轴线弯曲。还可以提供沿着骨架的第二轴向区段延伸的囊的第二子集，第二区段与第一区段轴向地相邻或重叠，并且至少部分地轴向延伸超过第一区段，以使得第一子集和第二子集的充胀抑制骨架在正交弯曲取向上、连续地沿着骨架的第一轴向区段和第二轴向区段的轴向弯曲。用于抑制弯曲的囊阵列可以与用于选择性铰接的囊阵列组合(通过提供两种类型的囊阵列或通过将两种类型的囊包括在整合阵列中)，并且阵列可以共享基底、通道和/或流体控制部件和技术。
在另一个方面，本发明提供了一种导管，所述导管包括细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。所述骨架包括轴向的一系列环，并且所述环之间的偏移随着骨架的轴向挠曲而变化。囊阵列沿着骨架分布。每个囊：1)沿着相关联的多个环延伸；2)具有第一构型和第二构型；以及3)径向地接合相关联的环，以便当囊处于第二构型时抑制偏移的变化，并且从而抑制骨架在相关环之间的轴向弯曲。
在另一个方面，本发明提供了一种导管，所述导管包括细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。基底由所述骨架支撑，所述基底具有多个通道。多个囊沿着基底分布并且与所述通道处于流体连通。流体供应系统可以耦合到骨架的近端。流体供应系统引导通道中的充胀流体，以便使一个或多个囊从未充胀构型膨胀到充胀构型，以使得轴线沿着所述充胀囊的弯曲状态的变化被抑制。流体供应系统任选地可以包括多个阀，所述多个阀被配置用于在加压流体源与囊的可选择子集之间提供流体连通，以使得所述子集的充胀可逆地抑制骨架的一个或多个可选择轴向区段的轴向弯曲。
在另一个方法方面，本发明提供了一种使用细长本体的方法，所述方法包括：移动柔性轴。所述轴包括具有近端和远端的细长结构骨架，并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述骨架具有包括第一环和第二环的轴向的一系列周向环。所述轴在轴的第一囊处于泄放构型的情况下移动，并且使得轴与第一环和第二环相邻地轴向挠曲并且引起第一环与第二环之间的相关联的相对轴向移动。第一囊被充胀，所述第一囊沿着骨架的第一环和第二环延伸，以使得第一囊从泄放构型膨胀到充胀构型，并且第一囊径向接合第一环和第二环。柔性轴随着膨胀后的第一囊移动，以使得囊抑制第一环与第二环之间的相对轴向移动以及轴线在第一环与第二环之间的弯曲。
在另一个方面，本发明提供了一种用于对患者身体的组织进行诊断或治疗的铰接系统。所述系统包括多个囊，每个囊可从第一构型充胀至第二构型。具有近端和远端的细长结构骨架在所述近端与所述远端之间限定轴线。远端可以被配置用于插入患者体内。骨架可以具有多个囊接口区域对，每一对包括近侧取向区域和远侧取向区域，并且具有布置在所述近侧取向区域与所述远侧取向区域之间的相关联囊，其中这些囊是所述多个囊之中的。流体通道系统可以包括与近端相邻的至少一个流体供应通道，以及与每个囊处于流体连通的囊充胀通道。这些通道可以用于将囊从第一构型充胀到第二构型，以使得充胀囊将相关联的接口区域驱使分开。
作为任选的特征，骨架包括螺旋盘管的多个周向环，所述盘管包括围绕骨架的轴线缠绕的螺旋轴线，并且囊包括沿着盘管的相关联环的至少一部分围绕所述螺旋轴线布置的至少一个囊壁。相关联的区域对可以布置在盘管的相邻环上，以使得囊的充胀可以推动两个相邻的环远离安装有囊的环。有利地，多个囊可以由连续的材料管形成，通过间断地向外(诸如通过使用囊成形技术吹塑材料)或向内(诸如通过间歇地使材料热回缩)或以这两种方式改变材料的尺寸。芯可以包括一个或多个囊充胀管腔，并且通过沿着螺旋轴线适当地定位囊，适当地设定囊的尺寸、形状和间距，并且通过使端口枢转穿过芯的壁进入与每个囊相关联的管腔，可以以有限的成本和工具作业制造囊阵列。
流体通道系统通常将包括沿着一个或多个螺旋结构的一个或多个螺旋轴线延伸的一个或多个螺旋管腔。例如，第一多个囊可以沿着第一侧向取向从轴线偏移并且与螺旋管腔处于流体连通，螺旋盘管包括第一螺旋盘管。第二螺旋盘管可以与第一螺旋盘管轴向地偏移并且与第一螺旋盘管同轴，第二螺旋盘管具有沿着导管或其他细长本体的轴线散布在螺旋盘管的环中的第二环。第二螺旋盘管可以具有与沿着第二侧向取向从轴线偏移的第二多个囊处于流体连通的第二螺旋管腔，以使得流体沿着第一螺旋管腔和第二螺旋管腔的传输分别使骨架沿着第一侧向取向和第二侧向取向偏转。
在一些实施例中，流体通道系统包括沿着螺旋轴线延伸的第二螺旋管腔。第一多个囊可以沿着第一侧向取向从轴线偏移并且与第一螺旋管腔处于流体连通，并且第二多个囊可以沿着第二侧向取向从轴线偏移并且与第二螺旋管腔处于流体连通。这可以允许流体沿着同一螺旋盘管的第一螺旋管腔和第二螺旋管腔传输，以便使轴线分别沿着第一侧向取向和第二侧向取向偏转。
本发明还提供了一种任选的歧管架构，所述歧管架构有利于沿着柔性本体布置的多个致动器的单独的由计算机控制的流体致动铰接。所述歧管通常包括分布在歧管本体的若干区域上的流体供应通道，所述歧管本体任选地包括具有板安装阀的模块化板，以便有利于通过包括在铰接柔性本体的一个或多个多管腔轴中的多个流体传输通道的流体连通。致动器优选地包括囊阵列内的囊，并且通常将安装在一个、两个或更多个挤出的多管腔轴上。阀/板模块可以组装成阵列或叠堆，并且(多个)轴的近侧接口可以具有用于进入传输通道的端口，其中所述端口沿着近侧接口的轴线分布。通过将近侧接口与横穿歧管组件的板或区域的接收器对准并接合，可以使用快速断开配件将端口快速且容易地密封到各种阀/板模块的相关联通道。
在第一方面，本发明提供了一种铰接系统，所述铰接系统包括具有细长柔性本体的铰接结构，所述细长柔性本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线。与近端相邻的近侧接口具有多个端口、在所述端口远侧的多个致动器、以及沿着所述柔性本体延伸的多个管腔。每个管腔在相关联端口与相关联致动器之间提供流体连通。所述系统还包括具有歧管本体的歧管。歧管本体具有近侧取向和远侧取向，以及位于所述近侧取向与所述远侧取向之间的歧管轴线。歧管本体具有沿着歧管轴线分布的多个区域，每个区域具有流体供应通道。歧管还具有横穿所述区域的接收器，并且所述接收器能够可移除地接收近侧接口，其中每个端口与相关联的流体供应通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体供应通道传输的流体可以致动致动器并引起远端的移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于与铰接结构一起使用的歧管。所述铰接结构包括在近侧接口与远端之间延伸的细长柔性本体，其中具有沿着近侧接口的多个端口、在所述端口远侧的多个致动器、以及在端口与致动器之间提供流体连通的多个管腔。歧管包括歧管本体，所述歧管本体具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的歧管轴线。歧管本体具有沿着歧管轴线分布的多个区域，每个区域具有流体通道。接收器横穿所述区域。接收器能够可移除地接收细长本体的近侧部分，其中每个端口与相关联的流体通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体通道传输的流体可以引起远端的移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于具有歧管本体的歧管一起使用的铰接结构。歧管具有多个区域，每个区域具有流体通道。歧管还具有横穿所述区域的接收器，以使得流体通道沿着所述接收器分布。铰接结构包括细长柔性本体，所述细长柔性本体具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述本体具有与近端相邻的近侧接口以及沿着近侧接口的多个端口、在所述端口远侧并且沿着柔性本体的多个致动器、以及多个管腔。每个管腔在相关联端口与相关联致动器之间提供流体连通。细长本体的近侧接口由接收器可拆卸地接收，其中每个端口与相关联供应通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体供应通道传输的流体可以引起远端的移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于铰接系统中的接口。所述铰接系统包括具有细长柔性本体的铰接结构，所述柔性本体具有近侧轴部分和远端并且在所述近侧轴部分与所述远端之间限定轴线。多个管腔和多个致动器沿着柔性本体布置。近侧轴部分具有多个轴向分布的轴端口，并且每个管腔在相关联的轴端口与相关联的致动器之间提供流体连通。所述铰接系统进一步包括歧管，所述歧管具有拥有多个流体供应通道的歧管本体。接口包括具有近端和远端的接口本体，所述接口本体包括多个可变形密封件以及包括近侧刚性结构和远侧刚性结构的多个刚性结构。刚性结构与密封件轴向地交错，并且通路在刚性结构和密封件内轴向地延伸。所述通道对准以形成在远侧刚性结构与近侧刚性结构之间延伸的接收器。轴向压缩构件将近端刚性结构与远侧刚性结构耦合，以便在它们之间维持轴向压缩力。当压缩构件不施加轴向压缩力时，接口本体的通路的被设定大小并且被配置用于接收细长本体的近侧轴。近侧刚性结构与远侧刚性结构之间的轴向压缩力可以引起密封件沿着接收器径向地向内突出，以便密封地接合轴端口之间的近侧轴部分，以使得在使用期间，从流体供应通道传输的流体可以致动致动器并引起远端的移动。
在本文描述的许多设备和系统中，铰接结构包括导管。可以使用的其他铰接结构包括导丝、内窥镜和内窥镜支撑设备、内孔窥视仪、工业操纵器或操纵器部分(诸如夹持器等)、假体等。铰接结构的致动器通常将包括多个囊，其中所述囊通常被包括在囊阵列中，所述囊阵列围绕铰接结构的细长本体轴向地和周向地分布。在示例性实施例中，通过接口/接收器配对耦合的独立流体通道的数量将在5与60之间，典型地具有6至50个通道，优选地为12至42个铰接流体通道，并且理想地为包括在1-4个挤出的多管腔轴或其他多管腔基底结构中的12至24个铰接流体通道。
歧管本体通常包括多个板。每个板典型地将具有相反的主表面，其中歧管本体的区域与板表面邻接。接收器典型地横穿所述板。应当注意，歧管的板任选地可以包括在模块化阀/板单元中，以使得板和阀的组件控制并引导流体流动。在其他实施例中，歧管可以包括简单的接口结构，所述接口结构可以例如在更复杂的模块组件(具有阀、压力传感器等)与铰接本体的一个或多个柔性多管腔轴之间引导流体。在其他实施例中，可铰接结构的端口支撑近侧接口包括单个刚性的连续结构。尽管接收器可以横跨歧管组件的若干区域或板，但已组装歧管的接收器通常包括连续的特征，以使得近侧接口与接收器的对准将所有通道与所有端口配准。应当注意，可以存在柔性地附接到近侧接口的另外的耦合器或连接器(诸如用于治疗流体(诸如用于冲洗、抽吸、牵引递送等)或甚至致动(诸如用于假体部署囊等)的一个或多个可单独定位的电连接器、光纤连接器和/或(多个)单独的流体连接器)。在其他实施例中，这些连接器中的一个、一些或全部可以整合到近侧接口和接收器中。无论如何，可以使用一个或多个快速断开配件(诸如可在第一或锁定构型与第二或可拆卸构型之间手动地移动的类型)来促进并维持端口与相关联通道之间的密封的流体连通，并且允许快速且容易地移除和替换近侧部分，以便利用不同的替代铰接结构来替换所述铰接结构。
可铰接结构的近侧接口任选地将促进超出密封端口通道流体耦合的一个或多个附加形式的连通。例如，近侧接口可以包括射频识别(RFID)标签、电连接器和/或光纤连接器。在此类实施例中，接收器通常对应地将包括RFID读取器、电连接器和/或光纤连接器。耦合到歧管的处理器可以使用RFID数据或电子识别数据、光学识别数据或其他形式的数据来识别可铰接结构(以及任选地具体的可铰接结构本身)的类型。通过近侧接口与接收器之间的这种通信链路传输这种识别数据有利于系统的即插即用可操作性，以便允许系统的处理器针对正在使用的特定类型的可铰接结构来调整歧管与可铰接结构之间的流体传输，从而允许系统在不必手动地重新配置处理器或歧管的情况下引起期望的铰接。识别数据还可以帮助防止不安全且不适当地重复使用高压囊铰接设备。可以使用电接口/接收器连接器(诸如使用已知的电磁内部导航系统)或光学接口/接收器连接器(诸如使用已知的光纤布拉格光栅柔性传感器)来提供铰接状态反馈。此类连接器也可以由可铰接结构携带的诊断或治疗工具使用。
近侧接口和接收器可以采取多种(典型地相应的)形式中的任何一种。接收器或近侧接口可以例如包括柱阵列，而另一个包括压痕阵列。所述柱典型地将沿着平行的轴线(通常从近侧接口的下表面)延伸并且可以与压痕(典型地在接收器上)配合，通常使得所述柱可以通过近侧接口本体朝向接收器的单次移动而全部插入到压痕中。所述柱周围的密封件可以在端口与通道之间提供密封的、隔离的流体连通。柱和压痕的暴露于其中的(多种)流体的总截面面积可以被限制为小于二平方英寸、并且典型小于一平方英寸、最经常地小于0.1平方英寸、并且理想地为约0.025平方英寸或更小，以避免过大的排出力。在许多这样的柱-压痕实施例中，可铰接结构可以使用多管腔轴将来自歧管的流体流朝向致动器传输。为了传输相对大量的独立流量，可铰接结构可以具有多个多管腔轴，诸如从近侧接口朝远侧延伸的整数A个多管腔轴，A大于1(并且典型地为2或3)。每个多管腔轴可以具有包括相关联端口和相关联致动器的整数B个管腔，B也大于1(并且典型地为3至15，更典型地为6至15)。柱阵列可以包括柱的A X B阵列，并且柱/压痕接合部可以分布在歧管的B个阀模块板之中。在示例性实施例中，每个板包括多个板层，并且每个板具有附连到所述板层的侧板接收器构件。接收器可以由接收器构件的侧表面限定。
在近侧接口和接收器的替代形式中，接收器可以由完全穿过歧管的一些、大多数甚至全部的板的接收器通路限定。所述板可以堆叠成阵列(典型地具有并置的相反主表面)，并且接收器通路可以在已组装歧管中轴向地对准，以便有利于将近侧接口插入其中。在此类实施例中，可铰接本体的近侧接口可以包括具有轴向分布的端口的轴。示例性的近侧接口结构可以采取简单的挤出聚合物多管腔轴的形式，其中端口包括钻入各种管腔内的侧向孔洞。多管腔轴本身可以插入接收器中并抵靠所述接收器密封，或者可以具有中间接口本体，所述中间接口本体具有管或轴，所述管或轴有利于使用具有不同可铰接结构的歧管。无论如何，所述轴可以被配置并设定大小用于插入到接收器中，以便在端口之间提供密封接合，并且这可以导致端口与其相关联的流体通道之间的密封连通。任选地，压缩构件将歧管的板耦合在一起以施加轴向压缩。可变形密封件可以布置在板之间，并且那些密封件可以径向向内突出到接收器中，以便当压缩构件将板挤压在一起时在端口之间进行密封。替代的密封结构可以径向向外突出以便提供抵靠周围表面的密封。
许多歧管本体可以利用具有可互换板模块阵列的模块化歧管组件结构。所述板模块包括阀和一个或多个板层。每个模块的板层限定模块的近侧主表面和板模块的远侧主表面。相邻板模块的主表面可以通过直接板材料-板材料接触(任选地，通过接合熔合在一起的板表面)而直接并置，但是更典型地，可以具有可变形的密封材料(诸如形成在垫圈材料中的O形环、激光切割垫圈、3D印刷密封材料等)，或者具有板结构之间的柔性膜(诸如柔性电路基板和/或以粘合剂粘结到邻接板中的一个的可变形密封件)。在一些实施例(具体地板由接收器构件侧向地支撑的实施例)中，阵列中的一些或所有板之间可能存在间隙。无论如何，近侧接口的端口之间的轴向间距可以对应于相邻模块的流体通道之间的模块到模块间隔。因此，当接口和接收器的轴线对准时，近侧接口与接收器的对准可以将每个端口与相关联的流体通道配准(尽管所述通道布置在不同的板模块上)。替代的模块本体结构可以包括3D印刷结构，其中阀、传感器等任选地被整体地印刷或附连到歧管本体。
板模块任选地将布置在歧管的近端盖与歧管的远端盖之间。板模块可以各自包括多个板模块层，其中流体通道典型地布置在所述层之间(诸如通过模制或激光微加工向一个层的表面开放的通道，并且通过将另一个层粘结在开放通道之上来密封所述通道)。在一些实施例中，充胀通路延伸穿过一些、大多数或甚至所有模块化板层，并且这些充胀通路可以在模块化歧管组件的堆叠板中对准，以便形成连续的充胀流体集管(其中所述充胀集管的末端典型地由端盖密封)。充胀阀可以沿充胀集管与接收器之间的充胀通道布置，以便控制从集管朝向铰接结构的特定端口传输的加压充胀流体的流动。任选地，泄放通路可以类似地延伸穿过一些、大多数或所有板层，并且在模块化歧管组件中对准以形成连续的泄放集管，泄放阀沿着泄放集管与接收器之间的泄放通道布置。替代实施例可以简单地将泄放流体从每个板直接输送到大气，从而放弃泄放集管。然而，使用泄放集管可以提供以下优点：泄放充压室可以与泄放集管处于流体连通，并且泄放阀可以布置在泄放充压室与泄放排放端口之间(用于将泄放流体释放到大气等)。通过将压力传感器耦合到泄放充压室，可以监测和/或控制泄放背压。
在本文提供的大多数歧管组件中，多个压力传感器耦合到板模块的通道。压力传感器还耦合到处理器，并且所述处理器响应于来自压力传感器的压力信号而向板模块的阀传输阀命令。优选地，在铰接组件中具有相关联端口的大部分或全部通道也将具有耦合到其上的压力传感器，以便监测和控制经过接口的端口的所有流体压力。
包含充胀流体的加压罐任选地可以用作充胀流体源。充胀流体优选地包括在罐中的充胀液体，尽管充胀液体通常将汽化成充胀气体以便在致动器内使用。加压罐可以与歧管的罐接收器或插口配合，以便将充胀流体朝向流体通道传输，其中所述插口通常具有刺穿罐的易碎密封件的销。罐中液体的汽化可以帮助维持恒定的流体充胀压力，而不必求助于泵等。示例性充胀流体包括低温流体，诸如一氧化二氮，其中罐优选地包含小于10盎司的充胀流体，通常为0.125盎司至71/2盎司，典型地为0.25盎司至3盎司。歧管中的流体压力可以高达约55atm或更多，其中受控压力通常在约3atm至约40atm的范围内、任选地小于约35atm、并且在许多情况下为约27atm或更小。
流体控制歧管的阀可以包括布置在流体源与第一囊之间的充胀阀，以及布置在第二囊与周围大气之间的泄放阀。第一阀可以被配置用于独立地传输最小增量为50nl或更少的液体，其中流动的冷却流体通常保持液体，直到其横穿阀的喉部。第二阀可以被配置用于独立地传输至少0.1scc/s的气体。在用于铰接设备的充胀管腔的系统中包括此类阀可以促进对囊(或囊子集，其中每个子集使用共同的充胀管腔进行充胀)的独立压力控制。最小液体增量可以是25nl(或甚至15nl)或更小，而最小气体流量可以是0.5scc/s(或甚至1scc/s)或更大。一些实施例可以采用多通阀，所述多通阀可以用于控制流入囊的充胀流体和从囊排放的泄放流体，其中通过不同的阀喉部、通过与阀相邻的不同孔或其他流量限制设备、通过足够范围的成比例的流量控制、和/或通过足够快的阀响应速率来维持控制的准确度(尽管具有不同的充胀流量和泄放流量)。在一些实施例中，由压力控制的充压室可以布置在流体源与第一囊和第二囊之间，或者液体可以在阀之前以其他方式汽化成气体，以使得没有液体经过充压室与囊之间的阀。
为了有利于安全地使用充胀流体以用于铰接导管和其他可铰接结构，截流阀可以布置在流体通道的上游。此外，还可以包括真空源和真空感测系统，其中致动器布置在铰接结构的密封腔室内，并且真空源可耦合到所述腔室。真空感测系统可以将所述腔室耦合到截止阀，以便响应所述腔室内真空的劣化而抑制充胀流体到可铰接结构的致动器的传输。有利地，真空源可以包括简单的容积泵(诸如具有可闩锁手柄的注射泵)，并且真空的电子感测可以提供连续的安全监测。可铰接结构的腔室可以使用围绕囊阵列的外护套、以及任选地位于螺旋或其他环状囊阵列安排内的内护套来提供。通过在囊的近侧和远侧密封所述阵列，所述阵列周围的空间可以形成真空腔室，如果存在充胀流体离开阵列的任何泄漏以及血液、空气或其他周围流体进入腔室的任何泄漏，所述真空腔室中的真空将劣化。
在另一个方面，本发明提供了一种铰接系统，所述铰接系统包括具有细长柔性本体的铰接结构，所述细长柔性本体具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。与近端相邻的近侧接口具有多个端口、在所述端口远侧的多个致动器、以及沿着所述柔性本体延伸的多个管腔。每个管腔在相关联端口与相关联致动器之间提供流体连通。所述系统还包括模块化流体供应组件，其中所述组件包括多个板。每个板具有相反的主表面和流体供应通道。接收器横穿所述板，并且接收器能够可移除地接收与近侧接口，其中每个端口与相关联的流体供应通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体供应通道传输的流体可以致动致动器并引起远端的移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于与铰接结构一起使用的模块化流体供应组件。所述铰接结构包括在近侧接口与远端之间延伸的细长柔性本体(其中具有沿着近侧接口的多个端口)、在所述端口远侧的多个致动器、以及在端口与致动器之间提供流体连通的多个管腔。模块化流体供应包括多个板，每个板具有相反的主表面和流体通道。接收器横穿所述板。接收器能够可移除地接收细长本体的近侧部分，其中每个端口与相关联的流体通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体通道传输的流体可以引起远端的移动。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于与设备一起使用的流体供应系统。所述流体供应系统包括具有多个板模块的模块化流体操纵组件。每个模块包括具有相反的主表面的板、阀和流体通道，阵列中的板具有横穿所述板的接收器。所述接收器可移除地接收所述设备的接口，使得所述接口的多个端口各自与所述板的相关联流体供应通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，可以独立地将从所述流体供应通道传输的流体传输到所述端口。
在又一个实施例中，本发明提供了一种用于组装与设备一起使用的歧管或接口的方法。所述设备具有拥有多个端口的接口。所述方法包括使阵列中的多个板对准。每个板具有相反的主表面、在所述主表面之间延伸的接收器表面部分以及耦合到所述接收器部分的通道。所述接收器部分对准地附连，以使得接收器部分形成接收器。接收器被配置用于可移除地接收设备并且在通道与端口之间提供密封的流体连通。
在又一个实施例中，本发明提供了一种用于制备铰接系统以供使用的方法。所述方法包括提供铰接结构，所述铰接结构具有近侧接口和远端以及位于它们之间的柔性本体。近侧接口具有多个端口，其中具有沿着柔性本体布置的相关联致动器。近侧接口与模块化操纵器组件的接收器耦合。操纵器组件具有多个板模块，每个板模块具有包括相反主表面的板、流体通道以及沿着所述通道的阀。近侧接口的耦合通过以下方式执行：将端口与通道对准并且密封在端口之间，以便有利于独立地控制穿过所述端口的流体流动。
在另一个方面，本发明提供了一种铰接系统，所述铰接系统包括具有细长柔性本体的铰接结构，所述细长柔性本体具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。与近端相邻的近侧接口具有多个端口、在所述端口远侧的多个致动器、以及沿着所述柔性本体延伸的多个管腔。每个管腔在相关联端口与相关联致动器之间提供流体连通。歧管具有拥有多个流体供应通道的歧管本体，所述歧管具有可移除地接收铰接结构的近侧接口的接收器，其中每个端口与相关联的流体供应通道密封地处于流体连通，以使得在使用期间，从流体供应通道传输的流体可以致动致动器并引起远端的运动，并且流体可以从致动器流回到歧管本体而不会与不同致动器的流体混合。任选地，流体可以包括歧管中的液体，可以汽化和膨胀，以使得流体包括致动器中的气体，并且所述气体可以流回到歧管。
用于铰接细长柔性结构的铰接设备、系统和方法通常具有流体驱动的囊阵列，所述囊阵列可以用于使柔性细长框架或骨架局部地收缩(例如沿着细长柔性本体的一个或多个选定轴向区段的一个或多个选定侧)，以便帮助限定细长本体的静止形状或姿态。在优选实施例中，本文描述的骨架结构通常将具有可以相对于彼此移动的相应的轴向取向表面区域对，例如，其中所述区域位于滑动接头的任一侧上，或者通过骨架的可变形螺旋盘管结构的环彼此耦合。阵列中的囊(或某个其他致动器)可以位于每一对的区域之间。这些表面对中的一个或多个可以由偏移分开，当骨架的轴线被压缩在一对附近时所述偏移增加。虽然这是违反直觉的，但是在此类区域之间的囊(或另一个致动器)的轴向膨胀可以使囊附近的骨架轴向地收缩或缩短，例如，使骨架朝向从细长本体的轴线侧向地偏移的囊弯曲。有利地，骨架和囊阵列可以被配置成使得不同的囊施加相反的局部轴向伸长和收缩力。因此，囊子集的选择性充胀以及囊的其他子集的相应泄放可以用于可控地驱使细长柔性本体在期望的方向上侧向地弯曲，以改变整个轴向长度，和/或在整个工作空间中对两者的组合进行控制。此外，改变相反囊的充胀压力能够可控地且局部地调节细长本体的刚度，任选地而不改变铰接的细长本体的姿态。
在一个方面，本发明提供了一种可铰接导管，所述可铰接导管包括至少一个细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述骨架包括内壁和外壁，其中第一凸缘附连到所述内壁并且第二凸缘附连到所述外壁。所述壁的相反主表面可以主要地径向取向，并且所述凸缘的相反主表面可以主要地轴向取向。多个轴向收缩囊可以径向地布置在内壁与外壁之间，并且轴向地布置在第一凸缘与第二凸缘之间，以使得在使用中，收缩囊的充胀将第一凸缘和第二凸缘轴向地推开，以驱使内壁和外壁的轴向重叠增加。这可以导致与充胀的收缩囊相邻的骨架响应于囊的充胀而被局部地驱使成轴向收缩。
在一些实施例中，骨架包括多个环状或环形结构，通常包括具有内壁的多个内环和具有外壁的多个外环。此类实施例的凸缘可以包括附连到所述壁上的环状凸缘，并且所述环状结构或环可以相对于彼此轴向地移动。典型地，每个环将包括相关联的壁并且将具有近侧环末端和远侧环末端，其中所述环的壁在近侧环末端处附连到近相关联的近侧凸缘并且在远侧环末端处附联到相关联的远侧凸缘，第一凸缘和第二凸缘包括在近侧凸缘和远侧凸缘之中。
在其他实施例中，骨架包括至少一个螺旋构件。例如，壁可以包括螺旋壁，并且凸缘可以包括附连到所述螺旋壁的螺旋凸缘，(多个)螺旋构件包括所述壁和所述凸缘。螺旋构件可以限定多个螺旋环，并且所述环可以相对于彼此轴向地移动以便充分地适应骨架的铰接。优选地，每个环具有相关联的壁以及近侧环边缘和远侧环边缘，所述壁在近侧环边缘处附连到相关联的近侧凸缘并且在远端环边缘处附连到相关联的远侧凸缘(第一凸缘和第二凸缘典型地包括在这些近侧凸缘和远侧凸缘之中)。
在环实施例、螺旋实施例和其他实施例中，多个轴向伸展囊可以轴向地布置在骨架的相邻凸缘之间。典型地，骨架的壁中的仅一个(例如，内壁或外壁，但不是两者)可以布置在伸展囊本身的径向方向上。换句话说，与许多收缩囊不同，伸展囊优选地不径向容纳在内壁与外壁之间的空间中。因此，并且与收缩囊不同，伸展囊在使用期间的充胀将相邻的凸缘轴向推开，以便驱使与充胀的伸展囊相邻的骨架在轴向方向上局部伸长。
有利地，伸展囊和收缩囊可以相反地安装到骨架上，以使得伸展囊的充胀和收缩囊的泄放使骨架局部地轴向伸长，并且使得伸展囊的泄放和收缩囊的充胀使骨架局部地轴向收缩。应当注意，囊可以围绕轴线周向分布，以使得囊的第一偏心子集的选择性充胀和囊的第二偏心子集的选择性泄放可以使轴线朝向第一侧向取向侧向地偏转，并且使得囊的第一偏心子集的选择性泄放和囊的第二偏心子集的选择性充胀可以使轴线远离第一侧向取向侧向地偏转。囊也可以(或替代地)沿着轴线轴向地分布，以使得囊的第三偏心子集的选择性充胀和囊的第四偏心子集的选择性泄放可以使轴线沿着骨架的第一轴向区段侧向地偏转，并且囊的第五偏心子集的选择性泄放和囊的第六偏心子集的选择性充胀使轴线沿着骨架的第二轴向区段侧向地偏转，所述第二轴向区段与所述第一轴向区段轴向地偏移。
本文提供的大多数系统和设备，并且具体地具有使用螺旋结构构件形成的骨架的那些系统和设备可以受益于具有由共享的柔性管限定的外表面的囊组。所述管可以具有沿着轴线周期性地变化的截面，并且多管腔轴可以布置在所述柔性管内。所述管可以沿着轴线间歇地密封到轴，其中径向端口在囊的内部与多管腔轴的多个管腔之间延伸，以便通过沿着所述管腔的子集引导充胀流体来促进对囊的选择性子集的充胀。在示例性实施例中，充胀流体可以包括囊内的气体和充胀管腔内的液体。
在另一个方面，本发明提供一种包括细长柔性骨架的结构，所述骨架具有近端和远端以及在所述近端与所述远端之间延伸的轴线。骨架包括多个偏心的表面区域对，每一对限定所述对表面区域之间的相关联偏移。包括多个伸展致动器，其中每个伸展致动器耦合相关联对的表面区域，以使得伸展致动器的通电驱使骨架的局部轴向伸长。还可以提供多个收缩致动器，其中每个收缩致动器耦合相关联对的表面区域，以使得收缩致动器的通电驱使骨架的局部轴向收缩。收缩致动器可以基本上与伸展致动器相反地安装到骨架，并且能量供应系统可以与致动器耦合，以便在使用期间使伸展致动器和收缩致动器同时通电，从而使得可以调节可铰接柔性结构的轴向刚度。
任选地，所述系统允许可控地且可选择地将刚度从标称非通电致动器刚度增加到中间刚度构型(其中致动器部分地通电，和/或相对高刚度构型(其中致动器更完全地或完全通电)。可以可控地改变不同的轴向区段(以使得第一区段具有多个不同刚度中的任一个，并且第二段独立地具有多个不同刚度中的任一个)。在示例性实施例中，能量供应系统可以包括加压流体源，并且致动器的通电可以包括对致动器进行加压(致动器通常包括诸如囊等的流体可膨胀本体)。
在另一个方面，本发明提供一种包括细长结构骨架的可铰接柔性设备，所述细长结构骨架具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。所述结构骨架在这里包括具有近侧通道边界和远侧通道边界的螺旋通道。螺旋构件可以在螺旋通道内与骨架的局部轴向伸长和收缩相关地轴向移动(这可以有利于使用螺旋构件来改变骨架的形状，例如通过朝向近侧边界或远侧边界轴向地推动螺旋构件)。第一螺旋致动组件可以布置在通道内，所述第一螺旋致动组件包括具有第一多个流体供应通道的第一螺旋流体管道。第一螺旋致动组件还可以包括与第一通道处于流体连通的第一多个流体可膨胀本体，并且这些流体可膨胀本体可以安装在所述通道内，以便跨在近侧通道边界与螺旋构件之间(至少在充胀时)。第二螺旋致动组件也可以布置在通道内，所述第二螺旋致动组件包括具有第二多个流体供应通道的第二螺旋流体管道，以及与第二通道处于流体连通的第二多个流体可膨胀本体。这些第二流体可膨胀本体可以定位在通道中，以便跨在远侧通道边界与螺旋构件之间(至少在充胀时)，使得螺旋构件在通道内的轴向定位受到第一多个流体可膨胀本体和第二多个流体可膨胀本体的充胀状态的约束。通过仅两个囊阵列(或其他可膨胀本体的阵列，而不是必须从大量的单独囊阵列(诸如从三个、四个、五个或甚至六个充胀组件)中协调囊的充胀和泄放)约束螺旋构件在通道内的位置的能力可以显著地降低铰接系统的复杂性并改善其性能。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接柔性设备，所述设备包括细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。所述结构骨架具有螺旋构件以及位于所述近端与所述远端之间的第一轴向区段和第二轴向区段。螺旋流体管道沿着骨架轴向地延伸，所述管道具有第一多个流体供应通道和第二多个流体供应通道。第一多个流体可膨胀本体沿着第一区段布置并且与第一流体供应通道耦合，以便有利于第一区段以第一多个自由度的铰接。第二多个流体可膨胀本体沿着第二区段布置并且与第二流体供应通道耦合，以便有利于第二区段以第二多个自由度的铰接。有利地，不必完全依赖于不同的管道用于不同的轴向区段的(例如提供独立的自由度)，本发明的这个方面允许两个、三个、四个或更多个区段使用共同的和/或连续的螺旋管道，其中典型地每个区段适应多个自由度。
在另一个方面，本发明提供了一种可铰接柔性设备，所述设备包括细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。所述结构骨架具有螺旋构件以及位于所述近端与所述远端之间的轴向区段。螺旋流体管道沿着骨架轴向地延伸，所述管道具有多个流体通道。多个流体可膨胀本体沿着所述区段轴向地和周向地分布并且耦合到流体通道，以使得在使用期间囊的充胀使骨架沿着所述区段在第一横向侧向弯曲轴线和第二横向侧向弯曲轴线上弯曲，并且还使骨架沿着所述区段轴向地伸长，使得所述骨架的区段以三个自由度铰接。
任选地，流体可膨胀本体的第一子集可以沿着骨架的区段基本上轴对称地布置，以使得第一子集的充胀使所述区段轴向地伸长。流体可膨胀本体的第二子集可以沿着所述区段偏心地分布，以使得第二子集的充胀使所述区段沿着第一侧向弯曲轴线横向地弯曲。流体可膨胀本体的第三子集可以沿着所述区段偏心地分布，以使得第三子集的充胀使所述区段沿着第二侧向弯曲轴线并且横向于第一弯曲轴线侧向地弯曲。第二子集和第三子集通常将与第一子集轴向地重叠。任选地，流体可膨胀本体的第四子集可以由骨架基本上与第一子集相反地支撑，并且流体可膨胀本体的第五子集可以类似地基本上与第二子集相反，并且流体可膨胀本体的第六子集基本上与第三子集相反。这可以有利于使用子集的选择性充胀来在整个三维工作空间中可控地且可逆地铰接所述区段。
在另一个方面，本发明提供一种包括细长柔性结构骨架的可铰接结构，所述骨架具有近端和远端以及在所述近端与所述远端之间延伸的轴线。所述骨架包括至少一个螺旋构件，所述至少一个螺旋构件具有限定在相关联的近侧取向表面与相关联的远侧取向表面之间的收缩偏移。所述收缩偏移随着骨架的局部轴向伸长而减小，并且随着局部轴向收缩而增加。囊布置在所述收缩偏移中，以使得囊的充胀使得偏移增加并且驱使骨架轴向收缩。
在另一个方面，本发明提供一种包括细长柔性结构骨架的可铰接结构，所述骨架具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线。所述骨架包括第一螺旋构件，所述第一螺旋构件具有第一近侧取向表面区域和第一远侧取向表面区域。第二螺旋构件具有第二近侧取向表面区域和第二远侧取向表面区域。第一螺旋构件和第二螺旋构件具有重叠，并且可以沿着所述重叠在第一构件的第一近侧取向表面区域与第二构件的第二远侧取向表面区域之间限定第一收缩偏移。可以在第一螺旋构件的第一远侧取向表面区域与第二螺旋构件的第二近侧取向表面区域之间限定伸展偏移。第一收缩囊可以布置在第一收缩偏移中，以使得第一收缩囊的充胀驱使骨架的局部轴向收缩。第一伸展囊可以布置在第一伸展偏移中并且与第一囊相反，以使得伸展囊的充胀驱使骨架的局部轴向延伸和第一收缩囊的泄放。
在另一个方面，本发明提供了一种铰接系统，所述铰接系统包括细长的螺旋盘管，所述螺旋盘管具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述螺旋盘管具有轴向的一系列环。还包括致动囊阵列，其中至少一些囊布置在第一相关联环与第二相关联环之间。第二环可以(或可以不)与第一相关联环相邻。囊具有第一轮廓构型，螺旋盘管被偏置，以使得所述环朝向所述第一轮廓构型驱使环之间的囊。流体供应与囊阵列处于流体连通，以便将囊从第一轮廓构型轴向地膨胀到第二轮廓构型，使得囊的膨胀将螺旋盘管的相关联环驱使分开。
在另一个方面，本发明提供了一种铰接系统，所述铰接系统包括细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线。所述骨架可以具有多个接口区域对，每一对限定所述对的接口表面或结构之间的相关联的轴向偏移。所述偏移典型地随着与所述相关联对相邻的骨架的铰接而变化。流体供应系统可以耦合到骨架的近端，并且致动阵列可以安装到骨架。致动阵列任选地将包括柔性基底，所述柔性基底具有相反的主表面以及在这些表面之间的多个通道。在一些实施例中，所述基底可以替代地包括柔性多管腔轴。
任选地，与打开状态下的轴向偏移相邻的骨架的轴向负载可以在完全膨胀的压力下通过完全膨胀的非顺应囊壁和/或充胀流体传输。在关闭状态下，轴向负载可以通过与轴向偏移相邻的固体材料(任选地，骨架、囊壁或两者的固体材料)传输。因此，可以通过相对简单的数字模型(具体地，所命令的配置的数字模型)来促进对此类系统的配置的控制，以使得可以使用简单的数字矢量或矩阵(由多个一和多个零填充)来描述一些或全部系统。应当注意，在移动期间运动学的更复杂的计算可能是适当的，但是这些计算可以通过使用倾向于提供相对均匀的充胀和泄放事件的结构和方法来保持相当可控的，以使得总体速度可以与简单控制打开通气/泄放阀的时间等相关并且受其控制。加速度分析可以考虑到骨架的弹性变形，当这种变形引起(或预计将引起)命令与偏移之间超过期望阈值的差异时，加速度引起的控制命令任选地被延迟或避免。无论如何，骨架(和/或安装到其上的结构)任选地将被充分地偏置以便将轴向偏移驱使到关闭状态。
在又一个系统方面，本发明提供了一种用于在患者的体管腔内使用的外科手术系统，所述管腔是可通过进出部位进出的。所述系统包括细长本体，所述细长本体具有近端和远端以及位于所述近端与所述远端之间的轴线，所述细长本体包括与第二轴向区段轴向地耦合的第一轴向区段。每个轴向段具有相关联的局部侧向刚度。第一致动器可以与第一轴向区段耦合，并且可以被配置用于响应于第一信号而选择性地改变沿着第一区段的局部侧向刚度(任选地通过减小第一局部侧向刚度，并且在没有环境力的情况下通常不引起第一轴向区段的弯曲)。细长本体的长度被配置用于在使用期间、在进出部位与远端之间延伸，并且所述长度具有可推动性和可跟踪性。因此，第一信号任选地可以用于针对特定的体管腔调整细长本体的长度的可推动性和/或可跟踪性。在许多实施例中，第一致动器包括在与细长本体耦合的多个致动器中，所述多个致动器包括与第二轴向区段耦合的第二致动器。第二致动器可以被配置用于响应于第二信号而选择性地改变沿着第二区段的局部柔韧性，以使得可以使用所述信号针对体管腔来调整细长本体的长度的可推动性、或细长本体的长度的可跟踪性或两者，其中示例性致动器包括囊。
附图说明
图1是医疗程序的简化透视图，其中医师可以将命令输入到导管系统中，使得使用本文描述的系统和设备来铰接导管。
图1-1示意性地示出导管铰接系统，所述导管铰接系统具有手持式近侧壳体以及具有处于松弛状态的远侧可铰接部分的导管。
图1A-1C示意性地示出图1的系统中的导管的远侧部分的多个替代铰接状态。
图2示意性地示出替代的远侧结构，其具有多个可铰接子区域或区段以便提供期望的总数量的自由度和移动范围。
图3是简化的分解透视图，示出了可以形成为基本上平面的构型并且卷绕成圆柱形构型的囊阵列，并且所述囊阵列可以同轴地安装到螺旋盘管或其他骨架框架，以便用于图1和图2所描述的芯的结构类似的结构。
图4A和图4B分别是用于图1的系统中的可铰接导管的简化的截面和简化的横截面，这里示出所述阵列的囊处于未充胀的小轴向轮廓构型并且位于盘管的环之间。
图4C是图4A和4B的可铰接导管的简化横截面，其中多个轴向对准的囊沿着导管的可铰接区域的一侧充胀，以使得导管处于侧向偏转状态。
图4D是图4的可铰接导管的简化横截面，其中多个侧向相对的囊充胀，以使得导管处于轴向细长状态。
图5示意性地示出用于图1的导管系统中的部件，包括囊阵列、充胀流体源、流体控制系统和处理器。
图5A是替代的囊阵列和流体控制系统的简化示意图，其中与导管的近端耦合的多个阀可以用于将流体引导到所述阵列的多个通道中的任一个，从而选择性地确定待膨胀的囊子集。
图5B和图5C示意性地示出用于图5的导管系统中的限定通道、相关联的流体控制阀以及阀控制引线或通道的简化的多层囊阵列基底。
图6A和图6B分别是替代可铰接导管结构的简化横截面，所述可铰接导管结构具有从螺旋盘管骨架径向向外布置的囊阵列基底，并且具有径向布置在内螺旋盘管与外螺旋盘管之间的囊阵列基底。
图6C是用于图1的系统中的可铰接导管的简化的横截面，其中，囊各自径向地接合导管骨架的螺旋盘管的多个环，以便抑制导管轴线的弯曲。
图6D是囊阵列和阀系统的示意图，所述囊阵列和阀系统用于图6C的导管中以便选择性地且局部地抑制沿着导管的一个或多个期望的轴向部分的弯曲。
图6E-6H是示出示例性囊阵列结构以及用于选择性地且局部地使柔性导管和其他细长本体加劲的示例性组件的囊与其他部件之间的相互作用的示意图。
图6I和6J分别是简化的平面示意图和透视图，示出具有可以从圆柱形基底表面形状径向位移的凸片的替代致动阵列结构，并且其中囊位于所述凸片上。
图6K是替代导管结构的简化横截面，所述导管结构具有布置在囊与螺旋表面之间的材料或本体，以便提供期望的接口表面形状，并且还示出用于径向包含任何释放的充胀流体和/或用于向骨架和囊施加轴向压缩负载的护套。
图6L是又一替代导管结构的简化横截面，其中骨架包括接收器，所述接收器用于将可膨胀本体接收在其中，以便抑制可膨胀本体与骨架之间的相对迁移，并且抑制非预期的轴向偏转；并且还示出牵引线主动地将可控的轴向负载施加到骨架和囊。
图6M-6P示意性地示出用于本文描述的铰接和/或加劲系统中的示例性囊、囊阵列结构以及用于制造囊阵列的方法。
图7A-7F示意性地示出可以用于和/或结合在本文描述的系统和设备的充胀流体供应系统中的阀和囊安排。
图7G-7I示意性地示出简单的替代囊阵列结构，其中基底螺旋地盘绕，并且其中囊和通道单独地形成并且附连在基底的层之间。
图8示意性地示出导管铰接系统，其中系统的输入端与导引器护套合并。
图9示出具有囊阵列的充胀和未充胀囊的螺旋盘管，其中盘管的远侧部分被移除以示出囊相对于盘管的轴线的不同的侧向取向。
图10A-10D是示出通过展开螺旋囊图案产生的示例性平面图案基底和相关联囊阵列的透视图，以及示例性的粘结囊制造技术。
图10E示出替代的粘结囊安排。
图10F-10I示意性地示出用于本文描述的囊阵列中的囊结构和制造技术。
图11A和图11B示意性地示出囊阵列，其中囊布置在多管腔螺旋盘管芯、轴或套管(conduit)上，并且还示出变化的囊充胀密度对导管或其他柔性本体的曲率半径的影响。
图11C和图11D示意性地示出具有多个交错的同轴螺旋盘管的结构。
图11E-11G示意性地示出以不同的侧向取向布置在螺旋芯上的囊，并且还示出挤出和/或微加工的多管腔螺旋芯可以如何用于在一个或多个相关联的囊之间提供流体连通和/或在公共芯上以期望的侧向取向使一个或多个相关联的囊充胀。
图12是可以包括在细长铰接本体的铰接区段中的部件的分解图，其中所述部件从其组装位置侧向偏移。
图13示意性地示出通过致动导管的多个铰接子部分或区段来使诊断或治疗递送导管弯曲成与目标组织对准。
图13A-13C分别示意性地示出具有整合的加劲囊、多管腔螺旋芯结构、以及螺旋芯与薄的多通道流体传输电缆之间的过渡部分的示例性多管腔电缆结构。
图14A-14C示出具有多个交错的多管腔聚合物螺旋芯的替代实施例的部件，所述多管腔聚合物螺旋芯与多个弹性盘管结构交错，所述多个弹性盘管结构具有被配置用于径向限制囊的轴向取向表面。
图15是替代螺旋囊芯的透视图，所述螺旋囊芯具有径向细长截面以便限制充胀流体流动并提供额外的流体通道和/或通道大小。
图16是示出示例性引入器护套/输入组件的透视图，所述引入器护套/输入组件具有柔性操纵杆，以便使用用户的手或手指之间的相对运动来接收移动命令。
图17A和图17B是导管和流体供应歧管系统的部件的透视图和截面。
图17C是具有与图17A和图17B的部件类似的部件的流体供应歧管的透视图，示出可以如何在歧管组件中包括另外的可互换模块以便控制具有更多数量的流体通道的流体系统。
图18是具有阀板组件叠堆的模块化歧管的简化示意图，多管腔连接器延伸穿过所述阀板组件，以便向和从阵列的囊提供受控的流体流动。
图18A-18C是示出替代模块化歧管组件的透视图，所述模块化歧管组件具有模块，每个模块包括阀、供应流体通道、排放流体通道、以及穿过模块的在堆叠板组件中对准的板的通路，以便用作多管腔轴接收器、流体集管等。
图18D和图18E是模块化流体歧管系统的替代简化示意图，示出可以与图18的那些部件和系统结合的另外的部件和系统。
图18F和图18G示出用于将具有不同大小和/或形状的多个替代多管腔轴中的任一个耦合到堆叠板流体歧管组件的接口。
图19是模块化歧管的透视图，其中一个阀组件的层被分解以便示出相关联的阀、轴向通路和侧向通道。
图19A和图19B是在与图19的模块化歧管类似的模块化歧管中使用的板层的简化透视图和示意性截面，示出多管腔轴中的一个的通道和通路。
图20A-22A示意性地示出具有框架或构件的骨架结构，其中囊以相反的方式安装，以便随着囊的一个子集的充胀而轴向地延伸，并且随着另一个囊子集的充胀而轴向收缩。
图22B和图22C分别是具有轴向膨胀和轴向收缩囊的示例性轴向膨胀/收缩骨架的示意图；并且骨架的相应截面具有由轴向膨胀和轴向收缩囊铰接的轴向的一系列环状构件或环。
图22D-22H是具有环状骨架的细长柔性铰接结构的图解，所述环状骨架具有三组相反的囊，并且示出可以如何使用囊的变化的充胀来使框架的一些部分轴向收缩并且使其他部分轴向延伸，以便使框架弯曲或细长并且以三维方式控制框架的姿势或形状。
图23A-23J是具有环状骨架和两组相反的囊的替代的细长铰接柔性结构的图解，并且示出多个独立可控的轴向区段可以如何组合以允许以6个或更多个自由度来控制整个细长结构。
图24A-24G示出具有轴向膨胀囊和相反的轴向收缩囊的另一替代的细长铰接柔性结构的部件，这里结构具有螺旋骨架构件和螺旋囊组件。
图25A-25F示出具有螺旋骨架构件以及沿所述骨架相反地支撑的三个螺旋囊组件的示例性细长铰接柔性结构，并且还示出囊子集的选择性充胀如何可以使骨架局部地轴向细长和/或收缩，以便使结构侧向地弯曲和/或改变结构的总长度。
图26A和图26B示出与图25A-25F的结构类似的替代铰接结构，这里两个囊组件沿框架相反地支撑。
图27示出用于图24和图25的囊组件中的替代多管腔管道或芯结构，示出可以与不同数量的铰接区段一起使用的多种不同数量的通道。
图28示意性地示出用于使用本文描述的流体驱动系统以便根据由系统用户提供的输入来使导管与其他细长柔性结构铰接的控制系统逻辑。
图29示意性地示出本文描述的系统和方法内使用的数据采集和处理系统。
图30A-30D示出替代的接口，所述接口用于将模块化流体歧管耦合到多个多管腔轴，以便提供对沿着多个区段的导管铰接的控制，每个区段具有多个自由度，并且示出歧管的一些板模块的部分，其中这里的板模块具有帮助将板的层耦合到接口的柱上的容纳构件。
图31A-31E示出具有单个多管腔芯的替代可铰接结构，其中囊从芯偏心地延伸，并且示出结构的部件和组件的细节。
图32A和图32B示出另一种替代的可铰接结构，其具有可以使用聚合物管中的侧向切口、通过3D印刷等形成的框架。
图33A和图33B示意性地示出替代的可充胀囊致动器和相关联的机构，所述致动器和相关联的机构可以使远侧护套或其他结构围绕导管或另一个可铰接结构的轴线旋转。
图34A和图34B示意性地示出往复运动的囊和框架组件，其用于使护套或与铰接结构的远端相邻的其他结构朝近侧或远侧增量地移动。
图35A和图35B示意性地示出替代的囊和框架安排，其用于用于使护套或与铰接结构的远端相邻的其他结构朝近侧和/或远侧增量地移动。
具体实施方式
总体而言，本发明提供具体地可用于铰接导管和其他细长柔性结构的流体控制设备、系统和方法。在示例性实施例中，本发明提供了一种模块化歧管架构，其包括板安装阀，以便促进沿着包括在一个或多个多管腔轴中的多个流体通道的流体连通，所述板安装阀通常用于铰接导管的致动器。优选的致动器包括囊或其他流体可膨胀本体，并且模块化歧管组件特别适合于独立地控制相对大量的流体压力和/或流动。单独的板模块可以包括控制供应到导管或其他设备的流体和/或从导管或其他设备排放的流体的阀。跨此类模块的叠堆延伸的接收器可以接收具有大量单独的流体耦合端口的流体流动接口，其中模块化阀组件的总体积、包括所述设备的配对的接收器和流体流动接口通常相当小。实际上，即使在包括控制器(诸如数字处理器)、加压流体源(诸如低温流体罐)和电力电源(诸如电池)的情况下，模块化歧管也优选地是足够小的，以便单只手可以握持。当用于传输将汽化成气体(所述气体使微囊阵列中选定的微囊子集充胀)的液体时，对少量充胀液体的控制可以引导微流体量的充胀流体。微机电系统(MEMS)阀和传感器可以在这些系统中找到有利的用途；幸运的是，合适的微流体和MEMS结构现在是可商购获得的，和/或已知的阀结构可以由许多商业服务提供商和供应商针对本文描述的应用而进行调整。
本文提供的实施例可以使用囊状结构来实现细长导管或其他本体的铰接。术语“铰接囊”可以用于指代这样的部件：所述部件在利用流体进行充胀时膨胀，并且被安排成使得在膨胀时主要作用是导致细长本体的铰接。应当注意，这种结构的这种使用与常规的介入囊形成对比，所述介入囊在膨胀时的主要作用是导致从整个设备的外部轮廓实质径向向外的膨胀，例如以便膨胀或闭塞或锚定在所述设备所处的容器中。独立地，本文描述的铰接医疗结构通常将具有铰接的远侧部分和非铰接的近侧部分，这可以使用标准导管插入技术显著地简化结构到患者体内的初始前进。
导管本体(以及受益于本文描述的发明的许多其他细长柔性本体)本文通常将被描述为具有或限定一个轴线，以使得所述轴线沿本体的伸长长度延伸。当本体是柔性的时，所述轴线的局部取向可以沿着本体的长度而变化，并且虽然轴线通常将是限定在本体截面的中心处或附近的中心轴线，但是也可以使用本体外表面附近的偏心轴线。应当理解，例如，“沿着轴线”延伸的细长结构可以具有在具有显著轴向分量的取向上延伸的最长尺寸，但是所述结构的长度不需要与轴线精确地平行。类似地，“主要沿着轴线”等延伸的细长结构一般将具有沿着与正交于轴线的其他取向上的分量相比具有更大轴向分量的取向延伸的长度。可以相对于本体的轴线来限定其他取向，包括侧向于所述轴线的取向(其将包括总体上跨所述轴线延伸但不必与所述轴线正交的取向)、侧向于所述轴线的取向(其将包括相对于所述轴线具有显著径向分量的取向)、相对于所述轴线是周向的取向(其将包括围绕所述轴线延伸的取向)等。本文可以通过参照在表面下方远离结构延伸的表面法线来描述表面的取向。作为示例，在具有从本体的近端延伸到本体的远端的轴线的简单的实心圆柱形本体中，本体的最远端可以被描述为朝远侧取向的，近端可以被描述为朝近侧取向的，并且近端与远端之间的表面可以被描述为径向取向的。作为另一个示例，围绕上文的圆柱形本体轴向地延伸的细长螺旋结构在此可以被描述为具有两个相反的轴向表面(其中一个表面主要是朝近侧取向的，一个表面主要是朝远侧取向的)，其中所述螺旋结构包括具有以20度角围绕圆柱体缠绕的正方形截面的线。这种线的最外表面可以被描述为精确地径向向外取向，而所述线的相反的内表面可以被描述为径向向内取向，等等。
首先参考图1，示出了第一示例性导管系统1及其使用方法。医师或其他系统用户U与导管系统1相互作用，以便对患者P执行治疗和/或诊断程序，其中所述程序的至少一部分通过使导管3前进到身体管腔中并将导管的端部部分与患者的目标组织对准来执行。更具体地，导管3的远端通过进入部位A插入患者体内，并且前进穿过身体的一个管腔系统(典型地脉管系统网络)，同时用户U参照由远程成像系统获得的导管和身体组织的图像来导引导管。
示例性导管系统1通常将通过腿部、手臂、颈部等的主血管中的一个而引入到患者体内。也可以使用多种已知的血管进入技术，或者可替代地，系统可以通过身体孔插入或者以其他方式进入多个替代身体管腔中的任一个中。成像系统一般将包括用于采集远程图像数据的图像捕获系统7以及用于呈现内部组织和相邻的导管系统部件的图像的显示器D。合适的成像方式可以包括荧光透视、计算机断层摄影、磁共振成像、超声检查、这些方式中的两种或更多种的组合，或者其他方式。
在单个程序期间，导管3可以由用户U以不同的模式使用，包括手动操纵模式、自动且提供动力的形状改变模式、以及用户手动地移动近端同时计算机铰接远侧部分的组合模式中的两种或更多种。更具体地，可以以手动模式执行导管3的远端的至少一部分前进到患者体内，其中系统用户U使用手HI、H2手动地操纵导管的相对于患者暴露的近侧部分。例如，可以使用线上技术或快速交换技术手动地使导管3在导丝上前进。导管3在手动前进期间也可以是自导引的(使得对于导管3的至少一部分前进，导管的远侧尖端可以导引手动的远侧前进)。在手动移动之前，导管的远侧部分的自动侧向偏转可能施加期望的远侧转向弯曲部，诸如在血管分叉附近，随后手动地移动通过所述分叉。除了此类手动移动模式之外，导管系统1还可以具有3D自动移动模式，其使用由计算机控制的布置在患者体内的导管3长度的至少一部分的铰接来改变导管部分的形状，通常用于使导管的远端前进或定位。导管远端在体内的移动通常将根据由用户U输入的实时或近实时移动命令来提供，其中导管的改变形状的部分任选地完全处于患者体内，以使得在无需使延伸穿过进入部位的轴或电缆移动的情况下提供导管的远侧部分的移动。还可以实现系统1的其他操作模式，包括利用自动铰接的并行手动操纵，例如，其中用户U手动地使近侧轴前进穿过进入部位A，而在导管的远侧部分上由计算机控制的侧向偏转和/或硬度变化帮助远端遵循期望的路径或减小对轴向移动的阻力。
接下来参考图1-1，参照替代的导管系统10及其导管12，可以更全面地理解可以包括在导管系统1或导管3(上文描述)中或者可以与它们一起使用的部件。导管12一般包括细长柔性导管本体，并且优选地通过快速断开耦合器16可拆卸地耦合到手柄14。导管本体12具有轴线30，并且手柄14的输入端18可以由用户移动，以便局部地改变沿着导管本体12的轴向弯曲特性，通常用于可变地铰接导管本体的致动部分20。导管体12通常将具有工作管腔26，治疗和/或诊断工具可以从手柄14的近侧端口28前进到所述工作管腔中或穿过所述工作管腔。替代的实施例可以不包括工作管腔，可以具有在致动部分20附近或沿所述致动部分合并到导管本体中的一个或多个治疗或诊断工具，可以具有足够小的外部轮廓以便有利于将所述本体用作导丝，可以携带工具或在致动部分20附近或在远端26附近植入，等等。在特定实施例中，导管本体12可以在致动部分20近侧、沿所述致动部分的长度、和/或在所述致动部分远侧支撑治疗或诊断工具8。可替代地，一旦导管本体20已经前进，单独的细长柔性导管本体就可以朝远侧被导引到目标部位(其中用于此类用途的细长本体通常采用导丝或导引导管的形式并且利用所述导丝或导引导管)。
包括在导管本体20的工作管腔内、可在所述工作管腔上前进和/或可引入穿过所述工作管腔的一个或多个特定工具可以包括广泛范围的治疗和/或治疗结构中的任一种。示例包括心血管治疗和诊断工具(诸如血管成形术囊，支架部署囊或其他设备，粥样斑块切除设备，用于检测、测量和/或表征斑块或其他闭塞的工具，用于使冠状动脉或外周动脉成像或对冠状动脉或外周动脉的其他评估和/或治疗的工具，结构性心脏工具(包括用于瓣膜手术的假体或其他工具，以用于改变心脏组织、腔室和附属物的形态等)，用于电生理学绘图或消融工具的工具等)；刺激电极或电极植入工具(诸如引线、引线植入设备和引线部署系统，无引线起搏器和相关联的部署系统等)；神经血管治疗工具(包括用于进入、诊断和/或治疗出血性或缺血性中风以及其他状况等)；胃肠和/或生殖手术工具(诸如结肠镜诊断和干预手段、经尿道手术工具、经食管手术工具、内窥镜肥胖症手术工具等)；宫管腔镜和/或输卵镜手术工具等；用于涉及肺的气道和/或脉管系统的治疗的肺部手术工具；用于诊断和/或治疗窦、咽喉、口管腔或其他管腔体的工具；以及各种各样的其他管腔内治疗和诊断结构。此类工具可以利用已知的表面或组织体积成像技术(包括诸如2D或3D相机的成像技术或其他成像技术；光学相干断层摄影技术；诸如血管内超声、经视神经超声、心脏内超声、多普勒超声等的超声技术；磁共振成像技术等)；组织或其他材料移除、切割和/或穿透技术(诸如旋转或轴向粥样斑块切除技术；分碎技术；活组织检查技术；可部署针或微针技术；血栓捕获技术；勒除器等)；组织膨胀技术(诸如顺应性或非顺应性囊、塑性或弹性可扩展支架、可逆地可扩展盘管、编织物或其他支架等)；组织重塑和/或能量递送技术(诸如电外科消融技术、射频电极、微波天线、烧灼表面、冷冻手术技术、激光能量传输表面等)；局部药剂递送技术(诸如药物洗脱支架、囊、植入物或其他本体；造影剂或药物注射端口；腔内补偿结构等)；植入物和假体部署技术；吻合技术以及用于应用夹子或缝合线的技术；组织抓握和操纵技术；等等。在一些实施例中，铰接结构的外表面可以用于直接操纵组织。可能造成显著的附带损伤并且侵入性较小的腔内途径可能是有益的外科手术的其他示例包括：脑部的治疗(包括神经刺激电极植入、包括用于诊断和/或治疗出血性或缺血性中风以及其他状况的神经血管治疗等)；心血管治疗和诊断(包括冠状动脉或外周动脉的评估和/或治疗、诸如瓣膜手术或闭合心房附件的结构性心脏治疗、诸如绘图和心律失常治疗的电生理手术等)；胃肠和/或生殖手术(诸如结肠镜诊断和干预措施、经尿道手术、经食道手术、内窥镜肥胖症手术等)；宫腔镜和/或输卵镜手术等；涉及肺的气道和/或脉管系统的肺部手术；窦、咽喉、口腔或其他腔体的诊断和/或治疗；以及各种各样的其他腔内治疗和诊断。不幸的是，用于不同治疗和/或插入不同身体管腔内的已知结构是非常专业化的，使得尝试使用针对另一器官系统的特定治疗而开发的设备通常将是不合适的(并且可能无效甚至是危险的)。非医疗实施例可以类似地具有用于工业、组装、成像、操纵和其他用途的广泛范围的工具或表面。
更详细地论述系统10的导管本体12(并且具体地，致动部分20的铰接能力)，所述导管本体一般具有近端22和远端24，其中轴线30在两者之间延伸。如参照图2，导管本体12可以具有约3个直径或更少的短致动部分20，但是通常将具有在导管本体的若干直径上(一般在多于3个直径上，通常在多于10个直径上，在许多情况下在多于20个直径上，并且在一些实施例中在多于40个直径上)间断地或连续地延伸的细长致动部分20。导管本体12(或采用本文描述的致动部件的其他柔性铰接本体)的总长度可以为5至500cm、更典型地为15至260cm，其中致动部分任选地具有1至150cm的长度(更典型地为2至20cm)，并且外径为0.65mm至5cm(更典型地为1mm至2cm)。柔性本体的导丝实施例的外径可以小到0.012”，尽管许多实施例可以大于2Fr，其中导管和其他医疗实施例任选地具有大到34French或更大的外径，并且其中工业机器人实施例任选地具有高达1”或更大的直径。用于结构性心脏治疗(诸如经导管主动脉或二尖瓣修复或植入、左心耳闭合等)的示例性导管实施例可以具有长度为3至30cm、更典型地为5至25cm的致动部分，并且可以具有10至30Fr、典型地为12至18Fr、并且理想地为13至16Fr的外部轮廓。电生理学治疗导管(包括具有用于感测心脏周期的电极和/或用于消融心脏的选定组织的电极的导管)可以具有约5至约12Fr的尺寸，以及约3至约30cm的铰接长度。针对这些或其他应用还可以实现一系列其他的尺寸。
现在参考图1A、图1B和图1C，系统10可以被配置用于对致动部分20进行铰接。铰接通常将允许在整个运动范围内连续地移动，尽管一些实施例可以通过从多个离散的铰接状态中进行选择来提供部分或全部的铰接。本文描述了具有相反的轴向伸展和收缩致动器的导管，所述导管可能特别有益于提供连续受控且可逆的移动，并且还可以用于调节柔性结构的刚度。这些连续的和离散的系统共享许多部件(并且一些系统可能采用两种方法的组合)。
首先论述离散状态系统(图1A)的用途，系统10例如可以使致动部分20的轴向长度增加一个或多个长度增量变化ΔL。用于实现长度ΔL的总可选择增加的示例性结构可以结合多个长度增量增加，即ΔL＝ΔL1+ΔL2+……)，如参照图4D可以理解的。如图1B和图1C所示，系统10还可以将远端24偏转到第一弯曲状态或第二弯曲状态，所述第一弯曲状态在未铰接轴线30与铰接轴线30’之间具有第一弯曲角度31(如图1B中示意性示出)，所述第二弯曲状态具有总弯曲角度33(在铰接轴线30与铰接轴线30”之间)，其中所述第二弯曲角度大于第一弯曲角度(如图1C中示意性示出)。可以参照图4C来理解任选地可以通过组合多个离散的弯曲角度增量以形成总弯曲角度33(和/或其也可以提供连续的移动)的示例性结构。无论如何，另外的总累积弯曲角度33任选地可以通过施加(图1B的)第一弯曲部31作为第一增量以及一个或多个另外的弯曲角增量35来实现。可以通过使导管系统的致动囊完全充胀和/或泄放来提供致动部分20的增量变化。实际上，一些实施例甚至能够仅具有单个弯曲部和/或伸长增量，但是更经常地将具有超过图1A-1C所示的选项的显著更多的增量铰接状态选项(并且还更经常地将在整个连续范围内提供弯曲)，以使得多个弯曲角度、弯曲取向、轴向长度等可以并且通常将是可用的。例如，系统10可以被配置用于提供多个离散的替代总弯曲角度(通常为3个或更多个、5个或更多个、10个或更多个、20个或更多个、或甚至40-100个角度，其中实施例在给定的侧向取向上提供3个与20个之间的替代弯曲角度)中的任一个，其中所述替代弯曲角度中的一个典型地包括静止或非铰接角度(任选地为直的或具有零度弯曲角度；可替代地具有一些预设的或医师施加的弯曲部)。增量式或连续的弯曲能力可能局限于单个侧向方向，但是更典型地将在不同的侧向取向以及中间取向上可用，最典型地在3个或4个取向上可用(例如，使用沿着两对相反的侧向轴线定位的囊，有时被称为+X、-X、+Y和-Y取向)，并且通过组合不同的弯曲取向。可以使用类似的铰接结构通过使囊或囊组部分地充胀或泄放来实现连续定位。
系统10还可以被配置用于提供具有多个离散的替代总轴向长度中的任一个的导管12。与弯曲能力一样，这种长度致动也可以通过使囊阵列结构的囊充胀来实现。为了提供与本文描述的简单囊阵列结构的铰接，每个致动可以被实现为离散的预定致动增量(任选地与一个或多个部分或调节致动)的组合，但是更经常地可以使用一些、大多数或全部囊的调节或部分致动。因此，无论特定导管是否包括此类弯曲铰接能力，系统10都可以被配置用于为导管12至少提供多个离散的替代总轴向长度(通常为3个或更多个、5个或更多个、10个或更多个、20个或更多个、或甚至40-100个长度，其中大多数实施例提供3个与20个之间的替代总长度)中的任一个，更典型地提供在整个伸长范围内的长度。尽管如此，系统10的实施例可以被配置用于部分地或全部实现每个总致动作为离散的预定致动增量的组合。一些或全部离散致动增量(和相关联的(多个)囊)可以具有沿致动部分20内的轴线30的相关联位置37或长度区段，任选地相关联的侧向X-Y取向和/或相关联的预定的增量致动量。至少一些致动增量的侧向X-Y取向可以侧向于导管本体12的局部轴线(图1B中示出为Z轴)，并且不同致动囊36与侧向偏转轴线X-Y的位置之间的关系可以参照图4来理解。关于增量致动量，可以使用增量弯曲角度、轴向偏移变化、轴向伸长位移等来表征特定囊的充胀和/或泄放。每个致动增量(包括一个或多个囊的充胀或泄放)也可具有相关联的增量致动时间(用于囊的完全充胀或泄放，其中这些时间通常是不同的)。虽然在一些实施例中，可以任选地通过在单个致动增量期间控制流体流动的变化(诸如斜升或斜降)来可变地控制这些时间，但是许多实施例可以替代地使用相对均匀的增量致动压力和流动特性(任选地经由节制或阻挡进入和/或离开囊的流体流动)。尽管如此，可以通过协调沿着导管本体的长度的离散致动增量的定时来提供可控的(并且相对较高的)总体远侧速度，例如通过控制启动多个囊的充胀以使得其相关联的充胀时间的至少一部分重叠。致动增量实现结构(一般为一个或多个相关联的致动囊)可以与每个致动增量相关联，其中致动结构任选地被命令处于致动构型或未致动构型(诸如分别致动囊完全充胀或完全泄放)。弯曲角度的变化可以例如通过改变沿着导管本体12的一侧的囊数量来实现，所述囊被命令在给定的时间完全充胀，其中每个另外的囊充胀增量地增加总弯曲角度。囊通常沿着致动部分20将具有不同的相关联轴向位置37、37’。这可以允许通过选择将要包括在充胀组中的相关囊轴向位置，来从多个离散轴向位置37、37’中选择所命令的弯曲增量的轴向位置，所述充胀组典型地将小于一个阵列中的所有囊。可以通过从可用的增量致动中识别和组合弯曲增量(和/或其他致动增量)的子集并且将一个或多个总体囊阵列中的相关联致动囊子集充胀来实现期望的总致动)。因此，连同允许对总弯曲角度的控制，从沿着致动部分20的预定弯曲增量中适当地选择子集可以允许对弯曲部的平均半径进行控制，例如通过在弯曲部的总长度上轴向地分布或分离离散弯曲增量的子集。可以通过选择充胀囊子集的轴向位置来提供对总体弯曲部的轴向位置的控制；并且可以通过从不同的可用增量侧向取向中选择子集以便组合在一起来近似期望的取向，提供对总体弯曲部的侧向X-Y取向的控制；等等。
如上所述，致动部分20通常可以铰接到具有多个不同弯曲角度的多个不同总体弯曲轮廓中的任一个中。此外，并且通常基本上独立于弯曲角度，致动部分20可以被重新配置以便在多个不同侧向弯曲方向中的任一个上弯曲(在截面或X-Y平面中，通常通过离散增量弯曲取向的组合)，可以在多个轴向位置中的任一个处弯曲，和/或可以被致动用于利用多个不同的总体弯曲半径中的任一个弯曲。此外，弯曲取向和/或弯曲半径可以沿着致动部分20的轴向长度可控地不同。有趣的是，并且与大多数导管转向系统相反，本发明的一些实施例可能不能够将导管本体20的轴线30驱动到离散弯曲增量31、35的总和之间的中间弯曲角度，因为总铰接的本质可能在某种程度上是数字的。然而，应当注意，虽然一些或所有致动增量可以是均匀的，但是可替代地，各个弯曲角度等可以是不均匀的(诸如通过在阵列内包括不同大小的囊)，以使得预定的弯曲增量可以被配置用于允许弯曲角度的微调等。可替代地，由于总致动通常将是一系列增量致动的总和，一个或多个囊可以被配置用于提供模拟(而不是数字)铰接，其中模拟移动通常足以在离散的数字铰接之间桥接，从而提供连续位置范围。这可以例如通过将系统构型用于诸如通过使用相关联的容积泵，可变地使阵列的一个或多个囊部分地充胀(而不是依赖于完全充胀或泄放)来实现。更通常地，囊或囊组可以在整个范围内被充胀到可变压力，从而在系统的整个运动范围内提供有效的模拟移动。
方便地，可以使用多个标量来描述导管本体12的总体致动构型或状态，每个标量指示相关联致动增量和囊的状态，其中这些增量状态任选地进行组合以限定致动状态矢量或矩阵。在致动增量本质上是数字(诸如与囊的完全充胀或完全泄放相关联)的情况下，可以通过数字致动状态向量或矩阵来描述导管12的一些或所有致动状态。此类数字实施例(具体地没有模拟分量的数字实施例)可以利用这些简单的数字状态向量或数字状态矩阵来显著地促进数据操纵并增强控制信号处理速度，从而有助于使最小期望处理能力和总体系统成本减小。还应当注意，当阵列的所有囊可充胀到可变的充胀状态时，还可获得上述囊阵列系统的许多分辨率、柔韧性和准确性优点。因此，本文描述的系统的一些实施例可以包括将流体的调节量和/或压力沿着一个或多个流体传输通道引导到多个囊的流体控制系统。用于此类实施例的控制系统可以采用类似的处理方法，但是囊充胀标量值具有在从最小或无有效充胀到完全充胀范围内的可变值。
现在参考图1-1和图2，铰接系统10的实施例将使导管12的远端24相对于基部部分21在工作空间中朝向期望的位置和/或取向移动，其中基部部分通常与致动部分20相邻并且在其近侧。应当注意，这种铰接可以相对地(或甚至完全地)独立于在基部部分21近侧的导管本体12的任何弯曲。可以通过以下方式来识别近侧基部21(相对于手柄14或另一方便的固定或可移动的参考框架)的位置和取向：例如，通过在系统10中包括已知的导管位置和/或取向识别系统，通过包括不透射线标记或其他高对比度标记和相关联的成像以及识别系统10中的图像处理软件的位置和/或取向，通过沿着导管本体12的近侧部分包括柔性本体状态传感器系统，通过放弃近侧手柄14与致动部分20之间的任何柔性长度的导管本体12，等等。可以通过致动部分20来提供多种不同的自由度。铰接系统10的示例性实施例可以允许例如远端24相对于基部部分21以2个自由度、3个自由度、4个自由度、5个自由度或6个自由度移动。在一些实施例中，铰接部分20的运动自由度的数量可能高得多，具体地当囊阵列的多个不同的替代子集可能潜在地处于不同的充胀状态以给出相同的所得导管尖端和/或工具位置和方向时。
应当注意，沿着和超过致动部分20的细长导管本体12可以(并且通常应当)在铰接之前、期间和之后保持柔性，以避免无意地向周围组织施加超过安全阈值的侧向和/或轴向力。尽管如此，本文描述的系统的实施例可以沿着致动部分20、致动部分20的近侧和/或致动部分20的远侧，局部地且可控地增加导管本体12的一个或多个轴向部分的刚度。导管本体的这种选择性加劲可以在具有或不具有主动铰接能力的情况下实现，可以沿着导管本体12的一个或多个轴向部分延伸，并且可以响应于来自用户的命令、传感器输入(任选地指示导管的轴向移动)等，改变被加劲的部分和更柔韧的部分。
如图2所示，致动部分20可以包括轴向的一系列2个或更多个(并且优选地至少3个)可致动子部分或区段20’、20”、20”’，其中所述区段任选地彼此相邻，或者可替代地由导管12的相对短的(小于10个直径)和/或相对刚性的中间部分分离。每个子部分或区段可以具有相关联的致动阵列，其中所述阵列一起工作以提供期望的总体导管形状以及到尖端或工具的自由度。至少2个子部分可以采用类似的铰接元件(诸如类似的囊阵列、类似的结构主干部分、类似的阀系统和/或类似的软件)。共同点可以包括使用相应的致动囊阵列，但是任选地不同阵列的各个致动囊的特性以及阵列的位置之间的间距对于导管本体的任何远侧锥形是不同的。使用不同的铰接部件可能具有优点，例如其中近侧和远侧子部分20’、20”’具有被配置用于允许以至少两个自由度选择性地侧向弯曲的类似结构，并且中间部分20”被配置用于允许可变的轴向伸长。然而，在许多实施例中，至少两个(并且优选地全部)区段是基本上连续的并且共享公共的部件和几何形状，其中不同的区段具有单独的流体通道并且是单独地可铰接的，但每个区段任选地提供类似的移动能力。
对于本文描述的包括多个轴向区段的这些细长柔性铰接结构，系统通常将每个所命令的特定区段的铰接确定并实现为针对沿着所述区段分布的期望区段形状状态的单个一致的铰接。在一些示例性实施例中，标称或静止区段形状状态可以被约束为3自由度空间(诸如通过X-Y-Z工作空间中的两个侧向弯曲取向和轴向(伸长)取向的连续组合)。在本文描述的一些示例性实施例(包括螺旋伸展/收缩实施例中的至少一些)中，当区段处于或接近设计轴向长度构型(诸如在轴向或Z运动范围的中间处或附近)，沿区段的侧向弯曲可以是至少大致平面的，但是当区段远离这种设计构型运动(诸如在轴向运动范围的近端和/或远端附近)时，可以表现出轻微但逐渐增加的离平面扭转曲率。通过确定当螺旋结构的轴向长度增加和减少时，由支撑这些囊的螺旋结构的缠绕和退绕导致的偏心囊侧向取向的变化，可以在运动学上可重复地考虑离平面弯曲。例如，可以命令区段(作为总体期望姿势或移动的一部分)以20度弯曲角度在-Y取向上弯曲。如果弯曲发生在设计轴向长度处(诸如在轴向运动范围的中间)，并且假设在4个轴向弯曲位置处的囊(或相反的囊对)可以用于提供所命令的弯曲，那么囊(或囊对)可以各自被充胀或泄放，以使区段在-Y取向上弯曲约5度(从而提供5×4或20度的总弯曲)。如果将相同的弯曲与区段轴向延长到其轴向运动范围的末端相结合，那么处理器可以确定所述曲段可能将表现出某种扭转(如2度)，使得将存在用于所命令的弯曲的轻微的+X分量，以使得处理器可以通过命令相应的-X弯曲分量或者通过以其他方式在用于柔性本体的另一区段的命令中进行补偿来补偿所述扭转。
参考图3和图5，系统10的导管本体12包括安装到结构骨架(这里是螺旋盘管34的形式)的致动阵列结构32。示例性囊阵列32包括流体可膨胀结构或囊36，所述流体可膨胀结构或囊沿着柔性基底38分布在囊位置处，以便限定M x N阵列，其中M是在沿着轴线30的给定位置处围绕导管12的圆周50分布的囊的整数，N表示沿着具有致动囊的导管12的轴向位置的整数。阵列元件位置的周向和轴向间距一般将是已知的，并且将优选地是规则的。所述第一示例性致动阵列包括总计16个囊的4X 4阵列；替代的阵列可以是总计2个囊的1X 2阵列至总计1600个囊(或更多)的8X 200阵列，更典型地具有3X 3至6X 20阵列。虽然可以提供1X N的囊阵列(具体地位于依赖于导管本体的旋转来取向弯曲部的系统上)，M将更典型地为2或更大、更经常地为3至8、并且优选地为3或4。类似地，虽然可以提供M X 1的囊阵列以允许在特定位置处沿多个不同的期望侧向取向中的任一个施加单个弯曲增量，但是阵列32将更典型地具有2至200、通常为3至20或3至100的N。在下文描述的收缩/膨胀实施例中，可以提供多个阵列，其中类似的M x N阵列相反地安装。并非所有的阵列位置都需要具有可充胀的囊，并且囊可以被安排成更复杂的构型，诸如沿着轴线具有交替的周向数量的囊，或者沿着阵列的轴向长度、在囊之间具有变化的或交替的间隔。
可以将特定区段的囊或安装到公共基底的囊描述为形成阵列，其中致动囊阵列结构任选地用作多区段或相反的铰接系统中的子阵列。组合的子阵列一起可以形成总体设备的阵列，其也可以简单地被描述为阵列或任选地总体阵列或组合阵列。沿着铰接部分20的区段或子部分的示例性囊阵列包括用于在单个方向上弯曲的1X 8、1X 12和1X 16阵列(任选地其中所述区段的2个、3个、4个或甚至所有囊与单个公共的充胀管腔处于流体连通以便一起充胀)以及用于X-Y弯曲的4X 4、4X 8和4X 12阵列(其中轴向对准的2-12个囊的组与4个或更多个公共管腔耦合以便在+X、-X、+Y和-Y取向上铰接)。具有本文描述的相反的伸展/缩回连续铰接结构的每个区段的示例性阵列可以是3X 2N、3X 3N、4X 2N或4X 3N囊阵列的形式，例如具有6至48个囊的3X 2、3X 4、3X 6、3X 8、3X 10、3X 12、3X 14和3X 16阵列，其中3个侧向囊取向围绕导管轴线分开120度。伸展囊通常将沿着每个侧向取向轴向散布在收缩囊中，其中单独的3X N阵列以区段的3X 2N伸展/收缩阵列组合在一起，同时两个伸展囊可以轴向定位在3X 3N安排的每个收缩囊之间。收缩囊可以与它们相反的伸展囊轴向对准和/或与其共面，尽管在一些实施例中可能有利的是，将相反的囊安排成从平面安排偏移，以使得(例如)一种类型的两个囊与另一类型的一个囊平衡，或者反之亦然。沿着区段的每个取向的伸展囊可以共享公共的充胀流体供应管腔，而用于每个取向的区段的收缩囊类似地共享公共的管腔(对于3X 2N和3X 3N阵列，每个段使用6个流体供应管腔)。伸展/收缩导管可以具有沿着铰接部分的1至8个此类区段、更典型地1至5个区段、并且优选地2至4个区段。其他医疗和非医疗的细长柔性铰接结构可以具有类似或更复杂的囊铰接阵列。
如图3、图4A、图4B和图4C中可以看到的，骨架将通常(尽管并不总是)包括轴向的一系列环42。当螺旋盘管34中包括环时，盘管可以任选地被偏置，以便将盘管34的相邻环42朝向彼此驱使。这种轴向压缩的偏压可以帮助将流体驱使出并使囊泄放，并且可以在具有或不具有螺旋压缩的情况下由其他结构(内护套和/或外护套、牵引线等)来施加。相邻环之间的轴向接合(直接地或与环之间的阵列的囊壁或其他材料)也可以允许在囊未充胀时相对刚性地传输压缩轴向力。当特定的囊完全充胀时，可以通过完全充胀囊壁材料并且通过囊内的流体在相邻环之间传输轴向压缩。在囊壁为非顺应性的情况下，充胀囊可以相对刚性地传递这些力，尽管其中囊壁材料的一些挠曲与囊/骨架接口相邻。跨更宽的囊接口区域分布轴向负载的刚性或半刚性接口结构可能会限制这种挠曲。可以通过骨架的偏置(和/或通过其他轴向压缩结构)来抵抗轴向张力(包括与轴向弯曲相关联的张力)。替代的环形骨架结构可以例如通过切割海波管、编织金属或聚合物元件等来形成，其中轴向的一系列侧向切槽(incision)从一个或多个侧向取向跨截面的一部分。可以使用许多替代的已知的刚性或柔性机器人连接架构、包括基于已知的软机器人结构的结构来形成非环形骨架。盘管34或其他骨架结构的合适材料可以包括金属，诸如不锈钢、弹簧钢、超弹性或形状记忆合金(诸如镍钛诺TM合金)、聚合物、纤维增强聚合物、高密度或超高密度聚合物等。
当骨架中包括环时，致动阵列32可以安装到骨架，其中至少一些囊36位于两个相邻的相关联环42之间，诸如在盘管34的环之间。现在参考图4C，示例性的泄放囊36i位于近侧相邻环42i与远侧相邻环42ii之间，其中囊的第一表面区域接合近侧环34i的远侧取向表面，并且囊的第二表面区域接合远侧环42ii的近侧取向表面。泄放囊36i的壁具有一定的厚度，并且相邻环42i和42ii的近侧和远侧表面在环之间维持非零的轴向泄放偏移41。轴向压缩力可以从环传递通过固体囊壁。替代的骨架结构可以允许环直接抵靠彼此接合，以便具有为零的泄放偏移并且直接传输轴向压缩力，例如通过包括囊接收器或一个或多个从一个或两个环周向或径向地延伸超过囊和任何相邻的基底结构的轴向突出部。无论如何，囊的完全充胀典型地将相邻环之间的间隔增加到更大的完全充胀偏移41’。图4B、图4C和图4D的简化横截面示意性地示出均匀厚度的薄壁囊与圆形螺旋盘管环之间的直接接口接合。这种接口可能导致囊壁的相对有限的区域接合盘管以及在轴向负载下相关联的变形。替代的囊接合表面沿着盘管(通常包括局部增加的凸半径、局部平坦的表面和/或局部凹入的囊接收器)和/或沿着囊的盘管接合表面(诸如通过局部增厚囊壁以扩展接合区域)形成，和/或在囊与盘管之间提供负载传播本体可以增加轴向刚度。对囊和囊/盘管接口的多种其他修改也可以是有益的，包括将囊粘合剂粘结到相邻盘管、包括折叠部或材料以便抑制囊迁移等。
囊的充胀可以改变沿着导管本体12的几何形状，例如通过增加螺旋盘管的环之间的间隔以便使导管12的轴线30弯曲。如参照图1B、图1C和图4-4C可以理解的，选择性地使囊的偏心子集充胀可以可变地改变导管轴线的侧向偏转。如参照图1A、图4和图4D可以理解的，所有囊(或囊的轴对称子集)的充胀可以增加导管结构的轴向长度。使具有不同侧向取向和轴向位置的组合的囊子集充胀可以提供导管远侧尖端26的宽范围的潜在位置和取向和/或沿着导管本体的宽范围的一个或多个其他位置(诸如安装工具的位置)。
包括在致动阵列32中的基底38的一些或所有材料通常将是相对非弹性的。然而，可能期望允许骨架和总体导管利用囊的充胀或在环境力作用下轴向地挠曲和/或细长。因此，阵列32可以具有切口56，以便允许囊阵列在弯曲和伸长期间与骨架一起轴向移动。替代地(或另外)，阵列结构可以通过具有蛇形构型或螺旋盘绕构型来配置用于这种铰接。阵列32的囊36可以包括非顺应性囊壁材料，其中囊壁材料任选地由基底的材料整体地或单独地形成。应当注意，弹性层或其他结构可以包括在用于阀等的基底中，并且一些替代的囊可以包括弹性和/或半柔性材料。
参考图3、图4A和图5，阵列32的基底38是侧向柔性的，以使得阵列在使用时可以卷绕或以其他方式呈现圆柱形构型。圆柱形阵列可以同轴地安装到导管的螺旋盘管34或其他结构骨架(诸如插入其中或径向向外包围它们)。阵列的圆柱形构型一般将具有等于或小于导管的外径的直径。基底38的相反的侧边缘可以由间隙分开(如图所示)，可以彼此接触，或者可以重叠。接触或重叠的边缘可以附连在一起(任选地，以便帮助密封导管以防径向流体流动)或者可以适应相对运动(以便促进轴向挠曲)。在一些实施例中，使基底侧向卷绕或挠曲以形成圆柱形构型可以是均匀的(以便沿着主表面提供连续的侧向曲线)，而在其他实施例中，基底的间断的轴向弯曲区域可以由基底的轴向伸长的相对平坦区域分开，以使得通过棱柱状安排来近似圆柱形状(任选地，以便限制基底沿着囊、阀或其他阵列部件的弯曲)。
通常(尽管并不总是)将有利的是，以平坦的、基本平面的构型(以及任选地，以如下所述的线性构型)来形成和/或组装阵列结构的一个或多个部件。这可以促进例如在基底38上部分或最终形成囊36，或者可替代地，预形成的囊到基底的附接。基底的平坦构型还可以促进使用已知的挤出或微流体通道制造技术来提供流体连通通道52，以便选择性地将囊与流体充胀流体源或贮器54耦合。基底的平坦构型的其他优点可以包括使用电路印刷技术来制造电迹线和其他电路部件，使用自动3D印刷技术(包括添加和/或移除技术)来形成阀、囊、通道或将由基底38支撑的其他流体部件等。当基底处于卷绕的、管状的或平坦的平面构型时，基底典型地将具有与囊36相邻的第一主表面62和与第一主表面相反的第二主表面64(其中，在圆柱形构型中，对应地第一主表面62任选地是径向的内表面和外表面并且第二主表面64是径向的外表面或内表面)。为了有利于将基底38和阵列32挠曲成卷绕构型，可以从第一主表面和/或第二主表面形成延伸到基底中的释放切口或通道，或者活动铰链区域可以以其他方式布置在基底的相对更具刚性的部分之间。为了进一步避免与任何阀或其他敏感结构相邻的基底变形，可以添加局部加劲的增强材料，和/或可以部分地围绕阀形成释放切口或孔口。在一些实施例中，阵列部件的至少一部分可以至少部分地以圆柱形构型形成或与基底组装在一起，诸如通过以下方式：将基底的层粘结在一起同时基底至少局部地弯曲，从而将基底的至少一个层形成为管，从而选择性地在基底中形成切口(任选地利用飞秒、皮秒或其他激光)以形成流体、电路或其他部件或允许轴向挠曲和伸长(类似于切割支架以允许用于轴向挠曲和径向膨胀)和/或以形成至少一些通道，并且在切割之后将层粘结在一起。
如参照图5-5C可以理解的，阵列32的基底38可以包括一个或多个柔性基底材料层70、72、74……。基底层可以包含已知的柔性和/或刚性微流体基底材料，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)和其他聚烯烃、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、纳米复合聚合物材料、玻璃、硅、环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酯、聚氨酯(PU)等。致动阵列32的其他部件中可以包括这些和其他已知材料，包括已知的用于囊中的聚合物(其通常将包括用于非顺应性囊的PET、PI、PE、聚醚嵌段酰胺(PEBA)聚合物(诸如PEBAXTM聚合物)、尼龙、聚氨酯橡胶、聚氯乙烯(PVC)、热塑性塑料等；或用于顺应性或半顺应性囊的硅氧烷、聚氨酯、半弹性尼龙或其他聚合物、胶乳等)。可以包含在基底组件中的另外的聚合物可以包括阀致动元件(任选地包括形状记忆合金结构或箔；相变致动器材料(诸如石蜡或其他蜡)、电场敏感水文、双金属致动器、压电结构、介电弹性体致动器(DEA)材料等)。因此，虽然一些实施例可以采用用于致动阵列32的均质材料，但是许多阵列和基底替代地可以是异质的。
幸运的是，用于形成和组装致动阵列32的部件的技术可以从许多最近的(并且相对广泛地报道的)技术得出。用于在基底层材料中制造通道的合适技术可以包括激光微加工(任选地使用飞秒或皮秒激光)、光刻技术(诸如干抗蚀剂技术)、压花(包括热辊压花)、铸造或模制、静电印刷技术、微热成型、立体光刻、3D印刷等。可用于形成电路、阀、传感器等的合适的3D印刷技术可以包括立体光刻、数字光处理、激光烧结或熔化、熔融沉积建模、喷墨印刷、选择性沉积层压、电子束熔化等。致动阵列32的部件的组装可以利用激光、热和/或粘合剂粘结在层与其他部件之间，尽管也可以使用激光、超声波或其他焊接技术；微型紧固件等。由基底38承载的导电迹线、致动、信号处理器和/或传感器部件的电气元件制造可以例如使用喷墨或光刻技术、3D印刷、化学气相沉积(CVD)和/或更具体的变体(诸如引发化学气相沉积(iCVD))、机器人微组装技术等，其中电迹线和其他部件通常包含含有金属(诸如银、铜或金)、碳或其他导体的油墨和其他材料。已经在微流体芯片实验室或箔实验室应用的开发期间开发了许多合适的制造和组装技术。用于制造医用囊的技术得到良好地开发，并且可以任选地进行修改以利用已知的高容量生产技术(任选地包括开发用于制造泡罩、用于波纹挤压管材等的技术)。应当注意，虽然本文描述的致动阵列结构的一些实施例可以采用足够小以准确地处理皮升或纳升液体量的流体通道，但是其他实施例将包括利用更大流量的通道和囊或其他流体可膨胀本体，以便提供期望的致动响应时间。具有至少部分柔性囊壁的囊可以为本文描述的系统提供特别的优点，但是在一些实施例中也可以使用替代的刚性流体可膨胀本体(诸如使用活塞或其他正位移膨胀结构的本体)。
如包括在致动阵列32中的囊36的结构可以由与阵列的其他部件一体化的材料形成，或者可以单独地形成并附接到阵列。例如，如图5B和图5C所示，囊36可以由第一基底材料片材74形成或附接到其上，所述第一基底材料片材可以粘结或以其他方式附连到另外一个或多个基底层72。囊层74的材料可以任选地直接覆盖通道的部分，或者可以与通过通道与囊之间的中间基底层表面打开的孔口78对准。孔口78可以允许每个囊与至少一个相关联的通道52之间的流体连通。用于制造各个囊的替代方法是众所周知的，并且所形成的囊可以通过粘合剂粘结而附连到基底38上。囊形状可以包括相对简单的圆柱体，或者可以稍微调整成锥形以跟随盘管的环之间的扩大的偏移，以便与圆柱形基底一起弯曲和/或在更宽的表面区域上接合骨架的接口表面，从而分配致动和环境负载。阵列中囊的有效直径可以在约0.003mm至多达2cm(或更多)的范围内、更典型地在约0.3mm至约2mm或5mm的范围内，并且囊长度通常为直径的约2至约15倍。典型的囊壁厚度可以在约0.0002mm至约0.004mm的范围内(其中一些囊壁厚度在.0002mm与.020mm之间)，并且囊中的完全充胀压力可以为约0.2至约40atm(大气压)、更典型地在约0.4至约30atm的范围内、并且在一些实施例中为约10至约30atm，其中高压实施例在高达20-45atm的压力下操作，并且任选地具有超过50atm的爆破压力。
现在参考图5，囊36一般将利用流体供应系统来充胀，所述流体供应系统包括流体源54(这里示出为加压的一次性筒)和一个或多个阀90。至少一些阀90可以合并到囊阵列基底中，其中阀任选地利用印刷在基底38的一个或多个层上的电路系统来致动。在具有或不具有可以在患者体内使用的基底安装阀的情况下，至少一些阀可以安装到壳体14，或者以其他方式耦合到导管12的近端。阀90优选地将耦合到通道52，以便允许流体系统在处理器60的引导下选择性地使包括在致动阵列32中的多个替代的单独囊或囊36子集中的任一个子集充胀。因此，处理器60通常将经由导体耦合到阀90，这里导体任选地包括基底38上的挠曲电路迹线。
仍然参考图5，流体源54可以任选地包括单独的流体贮器以及用于对来自贮器的流体进行加压的泵，但是通常将包括容纳加压流体的简单箱或筒，所述流体任选地是气体或气液混合物。筒通常将液体维持在囊36的完全充胀压力范围内或之上的供应压力下，其中筒任选地通过壳体14中的电阻加热器等(未示出)缓慢地进行加热，以便在使用期间将供应压力维持在筒中的期望范围内。考虑到通过通道52和阀90的压力损失，供应压力典型地将足够高于充胀压力，以便提供在目标阈值内的囊充胀时间，其中典型的供应压力为在10与210atm之间、并且更典型地为在20和60atm之间。合适的流体可以包括已知的医疗加压气体，诸如二氧化碳、氮气、氧气、一氧化二氮、空气、已知的工业和低温气体(诸如氦气和/或其他惰性或稀有气体)、包括碳氟化合物的制冷气体等。应当注意，罐中的加压流体可以经由通道52被引导到囊36中以用于充胀，或者可替代地，来自罐的流体(通常至少部分为气体)可以用于对流体贮器(通常容纳或包含良性生物相容性液体，诸如水或盐水)进行加压，以使得囊充胀流体与筒中所包含的流体不同。当加压液体或气体/液体混合物沿着导管本体朝远侧流动时，在通道52、囊36或导管本体所携带的其他组织治疗工具(诸如组织扩张囊、低温处理表面或组织电极)中或与它们相邻的液体的汽化焓可以用于治疗性地冷却组织。在其他实施例中，尽管使用了在体内用作制冷剂的流体，但是不可以提供治疗性冷却。筒任选地可以是可重新填充的，但是替代地通常将具有易碎的密封件，以便抑制或限制再利用。
由于各个囊可以具有相当小的充胀体积，适合于包括在手持式壳体中的筒可以允许多于一百次、任选地多于一千次、并且在许多情况下多于一万次或甚至十万次单独囊充胀，尽管筒包含少于10盎司的流体、通常少于5盎司、在大多数情况下少于3盎司、并且理想地少于1盎司。还应当注意，可以代替筒或与筒一起使用许多替代的流体源，包括一个或多个容积泵(任选地诸如简单的注射泵)、蠕动泵或旋转泵、多种微流体压力源(诸如由电能或视能致动的和/或整合到基底38中的蜡或其他相变设备)中的任一个等。一些实施例可以采用一系列专用的注射器或通过基底的通道和/或通过柔性管材与至少一些囊耦合的其他容积泵。
仍然参考图5，处理器60可以促进致动阵列32的适当囊子集36的充胀，从而产生期望的铰接。这种处理器得出的铰接可显著增强输入端18到导管本体12的致动部分20的有效操作性耦合，从而使得对用户来说更容易在期望的方向上产生期望的运动或呈现期望的形状。对于具有刚性驱动联杆的远程操作系统，输入命令与输出移动之间的合适的相关性已经得到良好地开发。对于本文描述的系统中使用的细长柔性导管和其他本体，通常将有利的是，处理器基于输入到用户界面66(并且具体地，用户界面66的输入端18)的移动命令、并且基于导管12的致动部分20与用户界面的一个或多个部件之间的空间关系来选择用于充胀的囊子集。许多不同的相关性可能是有帮助的，包括取向相关性、位移相关性等。连同输入端，用户界面66可以包括示出导管本体12的致动部分20的显示器，并且传感器63可以向处理器60提供关于近侧基部21的取向和/或位置的信号。在输入端、显示起和传感器之间的关系已知的情况下(诸如当它们全部安装到近侧壳体14或某个其他公共基部时)，这些信号可以允许导出用户界面坐标系与致动部分20的基部坐标系之间的变换。替代的系统可以感测或以其他方式识别传感器坐标系、显示坐标系和/或输入端坐标系之间的关系，以使得输入端的移动导致导管移动，诸如显示器中所示。在传感器包括耦合到远程成像系统(诸如荧光透视、MRI或超声系统)的图像处理器的情况下，可以在近侧基部21中包括高对比度标记系统，以便有利于明确地确定基部位置和取向。电池或其他电源(诸如燃料电池等)可以包括在壳体14中并且耦合到处理器60，其中壳体和导管在程序的至少一部分期间任选地用作不具有任何机械系绳的手持式单元。然而，应当注意，处理器60和/或传感器63可以无线地耦合或甚至系结在一起(和/或耦合或甚至系结到其他部件，诸如用户界面66的单独显示器、外部电源或流体源等)。
关于处理器60、传感器63、用户界面66以及系统10的其他数据处理部件，应当理解，本文描述的特定数据处理架构仅仅是示例，并且可以采用多种替代方案、适配方案和实施例。处理器、传感器和用户界面一起典型地将包括数据处理硬件和软件两者，其中所述硬件包括输入端(诸如可相对于壳体14或某个其他输入基部至少2维地移动的操纵杆等)、输出端(诸如医学图像显示屏)、图像采集设备或其他传感器以及一个或多个处理器。这些部件连同适当的连接器、导体、无线遥测器等包括在能够执行本文描述的图像处理、刚性本体变换、运动学分析和矩阵处理功能的处理器系统中。处理能力可以集中在单个处理器板中，或者可以分布在不同部件中，以使得可以传输较小量的较高级别的数据。(多个)处理器通常将包括一个或多个存储器或存储介质，并且用于执行本文描述的方法的功能通常将包括其中体现的软件或固件。所述软件典型地将包括体现在非易失性介质中的机器可读编程代码或指令，并且可以被安排在广泛多种替代的代码架构中，范围为从在单个处理器上运行的单个单片代码到在许多单独的处理器子单元上并行运行的大量专门的子例程。
现在参考图5A，示意性地示出替代的致动阵列和流体供应系统。如在上文的实施例中所述，囊36可以沿着基底38的主表面附连，任选地在将基底卷绕并且将致动阵列安装到导管本体的骨架之前。在所述实施例中，每个囊具有相关联的基底38的专用通道52以及相关联的阀90。处理器60与阀90耦合，并且通过致动阀的期望子集，可以使相关联的囊子集充胀或泄放。在一些实施例中，每个阀可以与多于一个囊36相关联，以使得(例如)单个阀的打开可以使多个(任选地2个、3个、4个、8个、12个或某个其他期望数量的)囊充胀，诸如侧向相反的囊，以便使导管的远侧部分伸长。在这些或其他实施例中，在导管的一个侧面上的多个囊(2个、3个、4个、5个、8个、12个或另一期望数量)可以经由公共通道或多个通道与单个相关联的阀90处于流体连通，以使得阀的打开使囊充胀并且导致在导管的轴线上的多囊和多增量弯曲。其他的变化是可能的。例如，在一些实施例中，通道52可以通过附连在基底38的开放或封闭通道内或者沿着基底的表面胶合的柔性管而至少部分地形成。所述管可以包含聚合物(诸如聚酰亚胺、PET、尼龙等)、熔融石英、金属或其他材料，并且合适的管材料可以从亚利桑那州的Polymicro Technologies公司或从多种替代供应商处商购获得。耦合到可致动本体的近端的通道可以使用堆叠的流体板组装，其中阀耦合到一些或所有板。合适的电致动微型阀可从许多供应商处商购获得。本文描述的用于所有囊阵列的流体供应系统的任选实施例可以具有安装到壳体14的所有阀或耦合到细长柔性本体的近端的和/或在其近侧的某个其他结构。有利地，准确形成的通道52(具有足够紧密公差的通道宽度、深度、长度和/或弯曲部或其他特征)可以利用微流体技术来制造，并且可以与基底结构组装在一起，以便计量进入和离开本文描述的所有致动阵列的囊的充胀流体流量。
现在参考图5B和图5C，示意性地示出两个替代的基底层结构和阀。可以使用多种已知的芯片实验室和箔实验室生产技术来组装和密封基底层，其中许多实施例在层之间采用热熔融粘结、溶剂粘结、焊接(并且具体地超声焊接)、UV固化型粘合剂、接触粘合剂、纳米粘合剂(包括双交联纳米粘合剂或DCNA)、含环氧树脂的聚合物(包括聚甲基丙烯酸缩水甘油酯)、等离子体或其他表面改性剂等。对于高流体压力系统，第三代纳米粘结技术(诸如CVD沉积小于400纳米的DCNA材料层)可以有利于使用高强度聚合物材料，诸如PET。此类高压系统的通道任选地可以至少部分地通过PET和/或熔融石英管材(其可以沿着一些或所有通道由基底支撑，和/或可以沿着其一部分或全部长度与其他熔融石英管材捆绑在一起，理想地在有组织的阵列中，类似于相干光纤束的组织，管材位置对应于囊阵列内的囊位置)等来限定。如图5B的实施例所示，安装到囊阵列的基底的任何阀(诸如阀90a)可以使用在粘结之前沉积在基底层(诸如层70)的表面上的导电迹线73而电致动，其中上覆层(诸如层72)密封基底内部的迹线。当使用迹线将电位施加到致动材料93时，阀90的阀构件91可以移动，其中这种材料任选地包括形状记忆合金、压电、电致动聚合物等。其他替代的致动材料可以包括相变材料，诸如蜡等，其中相变是由电能或光能(诸如经由基底的层之间的光纤或印刷路径传输的激光)引起的。在一些实施例中，致动材料和阀构件可以使用3D印刷技术形成。多重电路系统可以包括基底38中，沉积在所述基底的层上或附连到所述基底，以使得沿着导管本体12朝近侧延伸的电迹线的数量可以小于能够由这些阀致动的阀的数量。阀可以采取各种各样的形式，并且可以采用已知的阀结构，诸如已知的静电致动弹性体微流体阀、微流体聚合物活塞或自由浮动的闸阀、分层模块化聚合物微型阀、介电弹性体致动器阀、形状记忆合金微型阀、水凝胶微致动器阀、采用石蜡的集成高压流体操纵阀等(或者从所述阀结构中得出)。连同电致动微型阀，合适的阀可以是光学致动的、流体致动的等。
关于图5C，替代的流体致动阀包括囊充胀通道52与横向致动通道75之间的弹性体层77。如通常在商业微流体结构中所实现的，致动通道中的流体压力可以将弹性体层52推入通道52中，以便充分地密封囊充胀通道52来抑制流动，这里抑制进出囊的流动。致动流体流动可以来自与囊充胀流体相同的原始流体源或不同的源，并且可以处于不同的压力下。可以提供其他横向致动流体通道和阀，以便允许控制比在至少导管的近侧部分中的通道更大数量的囊。
应当理解，本文示出的许多阀是示意性的，并且可以包括另外的或更复杂的阀和通道系统以控制囊的充胀和泄放。系统中的一个或多个阀可以包括闸阀(任选地常闭的、常开的或稳定的)，以便开启或关闭从流体源到至少一个囊的充胀流体流动。泄放可以任选地由每个囊(或囊组)与基底38的一个或多个泄放端口或壳体14之间的单独的闸阀来控制(来自囊的流体任选地从基底离开，以便在导管的径向的内密封层与外密封层之间朝近侧流动)。替代的2通阀可以允许i)流体源与囊之间的连通(其中来自囊的流动被阻止)，或ii)囊与泄放流出物之间的连通(其中来自流体源的流动被阻止)。还可以采用其他替代方案，包括3通阀，其具有上文的两种模式以及iii)密封囊模式，在所述密封囊模式下，囊被密封以防止与流体源连通并且防止与泄放流出物连通(其中来自所述源的流动也是关闭的)。
现在参考图6A，导管本体12的替代实施例包括基底38，其中囊36从所述基底径向向内延伸。基底36的侧边缘可以至少间断地(具体地沿着囊36轴向地)附连在一起，以便限制基底的径向膨胀(并且从而限制囊36以免从骨架的环之间径向迁移出来)。现在参考图6B，导管本体12的另一替代实施例具有内部螺旋盘管92(布置在基底38的径向内侧)和外部螺旋盘管34(布置在基底的径向外侧)。内部盘管可以在基底的边缘附连或未附连在一起的情况下，帮助保持囊和基底以免从期望的位置向内迁移。
现在参考图6C-6H，任选的导管结构采用替代的囊阵列结构，其具有一个或多个细长囊96、204，所述囊各自轴向地延伸，其中这里囊形成在分层的基底208中，以使得囊一起限定囊阵列206，所述囊阵列可以与盘管摩擦地接合或抵靠盘管锁定以便帮助抑制导管本体的侧向弯曲。当泄放时，螺旋盘管的环42、100、102可以远离(或者如果是分开的，朝向)彼此移动，从而允许导管本体挠曲(和拉直)。相比之下，囊204的流体膨胀致使每个轴向囊与多个盘管202径向地接合，从而抑制盘管朝向或远离彼此的移动，以增加导管本体的轴向刚度。有趣的是，这可能使导管的笔直部分变得更难以弯曲，和/或可能使导管的弯曲部分更难以拉直(或以其他方式改变其轴向构型)。如上所述，基底38、208可以布置在内部盘管与外部盘管之间，以使得轴向取向的囊径向地接合任一者(或两者)；或者基底可以布置在盘管的径向外侧，以便与附连在一起的基底的边缘接合，进而限制囊的径向位移并且促进膨胀后的囊与盘管之间的牢固的径向接合。其他的替代方案也是可用的，包括在边缘附连或未附连在一起的情况下，在基底中使用半刚性或其他径向支撑材料。如参照图4C和图6A还可以理解的，可以通过在单个基底上包括两种类型的囊来弯曲引起的囊与弯曲抑制囊组合。有利的是，这些弯曲变化抑制囊阵列的基底、囊以及流体供应和控制结构可以包括上文针对囊铰接系统的相应结构所描述的特性。应当注意，图6D的简化的示意性加劲囊阵列仅仅是代表性的(示出多组三个囊的轴向重叠，其中所述组偏移以允许在整个区段中连续地加劲)。为了有利于区段在囊未充胀时进行弯曲，基底可以具有侧向切口56(如图5所示)，阵列可以安排在部分重叠的基底区域中，其中一个或多个基底在囊96之间滑动(诸如通过使用螺旋基底安排，如参照图7G和图7I可以理解的)等。
现在参考图6E和图6H，替代的局部加劲系统200包括限定轴线的螺旋盘管202以及一个或多个囊204，其中囊通常包括在具有囊阵列的囊阵列结构206、基底208、基底内或附连到基底的通道等中。基底208还用于典型地通过在卷绕时将基底的边缘附连在一起、使用管材料形成基底等，来形成环绕盘管以及一些或所有囊并且布置在盘管202的径向外侧的周向带。由于囊有效地径向保持在盘管与所述基底材料带之间，因此囊的膨胀可以引起所述带内的周向张力。因此，即使由柔性材料形成，所述带也可以充当径向卡箍支撑件，以使得如果与盘管的相邻环充分接合以抑制它们之间的轴向滑动，可以维持膨胀后的囊。应当注意，如果导管或其他细长本体在囊膨胀之前被轴向弯曲(如图6H所示)，囊204的充胀可以用于帮助抑制对这种弯曲构型的改变。然而，充胀囊可以至少稍微偏置以呈现笔直的形状，以使得可能有利的是，将每个囊的轴向长度限制为小于导管的总直径的3倍(任选地小于2倍)，尽管其他实施例可以使用更长的加劲囊。
如参照图6A-6E可以理解的，加劲囊或盘管或两者上可以包括轴向移动抑制特征或表面，以便限制膨胀囊与它们接合的环之间的任何移动。如图所示，盘管可以包括一个或多个径向取向的突出特征或边缘。可替代地(或组合地)，囊可以具有突出的特征或肋，和/或一个或两个相应的接合表面可以包括高摩擦或静摩擦(stiction)表面。
如图6F和图6G所示，在本文描述的加劲和/或铰接囊阵列结构的一些实施例中，囊210可以任选地与阵列基底212分开形成，任选地使用已知的用于从管材料等吹制非顺应性医用囊的技术形成。可以通过将囊粘结在基底214的第一(任选地较厚的)层与第二(任选地较薄的)基底层216之间来将此类囊至少部分地附连到基底212。第二层216可以主要符合用于流体供应系统的通道的第一层、囊210以及任选地任何单独形成的管材的形状，其中第二层任选地包含可以使用加热和压差成型的聚合物，诸如热塑性塑料。第二层216可以比第一层214具有更大的顺应性，以使得囊主要沿第二层216的方向从基底212膨胀。第二层216可以任选地比第一层212具有更大的弹性，和/或可以包括具有相对高的摩擦或静摩擦的表面218。当用于选择性加劲的囊阵列结构中时，具有低的摩擦或静摩擦表面的第三聚合物层220也可以包括在基底阵列中，其中第二层位于第一层与第三层之间。当囊210处于泄放构型时，高静摩擦或摩擦表面220可以凹陷到第三层下方，以使得盘管的相邻环相对于彼此自由移动，尽管与第三层220的低摩擦表面存在任何偶然的接触。当使囊210充胀时，第二层216的高静摩擦或摩擦表面218被暴露以接合盘管的环，从而抑制盘管的相对移动(包括在盘管之间改变轴向偏移)以及与所接合的环相邻的骨架轴线的弯曲。
现在参考图61、图6J和图6L，另一替代的阵列结构102包括围绕至少一些囊36的周向部分(但不完全包围)穿过基底106的孔口104。孔口104限定基底材料108、囊36以及相邻通道部分52(图6I中可见)的凸片，所述凸片在基底已经被卷绕成周向构型之前或之后从相邻的基底材料径向弯曲(图6J中示出)。这有利于从基底的层来形成可膨胀的囊壁(任选地通过沿着接口局部地减小一个或两个相邻基底层的厚度，局部地对模具内的基底材料进行加热并且使受热的基底材料充胀以形成囊壁。与其他卷绕的基底结构一样，侧向切槽56(图5中示出)和/或螺旋卷绕状基底构型(在所述构型中，任何重叠的基底区域之间发生滑动)可以帮助维持组件的柔韧性。
参考图6K和图6L，可以看到囊与相邻盘管之间的接口表面的细节。每个轴向弯曲或伸长囊36典型地将布置在近侧相邻环42i的远侧取向表面与远侧相邻环42ii的近侧取向表面之间。囊36通常(尽管并不总是)在膨胀时具有凸形表面。虽然螺旋盘管可以由具有平坦或甚至凹入的近侧和远侧表面的线或聚合物形成，但是许多螺旋盘管由具有凸出的远侧和近侧表面的圆形线形成。为了限制与充胀的囊壁的局部偏转相关联的轴向偏转，通常将有益的是，将在骨架与囊之间传输的轴向负载分布在囊表面的区域上，所述区域大于由凸形表面到凸形表面接合提供的区域。因此，使用具有凹入的近侧和远侧盘管表面的盘管结构(至少相邻的囊36)将提供更大的充胀轴向刚度。如参照图10可以理解的，可以使用相邻的近侧骨架表面与囊之间和/或相邻的远侧骨架表面与囊之间的中间本体或材料112，从具有平坦或凸形表面的螺旋盘管分布轴向负载。中间材料可以任选地附连到(或甚至整合到)与盘管相邻的囊壁或与囊相邻的盘管，或者可以是与两者分开的结构。中间本体或材料112可以具有协同的轴向接合表面114，所述表面压靠在彼此上(直接地或通过泄放的囊壁)，以便在囊泄放时以有限的偏转来传输轴向负载。
图6K中还示出，外阻隔护套120径向布置在盘管34和致动阵列32之上，以便容纳从阵列释放的充胀流体。护套120可以具有多个聚合物层122、124，其中分离材料126(诸如编织物、机织布或毛毡)位于所述层之间。可以通过简单的手动注射泵等将真空施加到聚合物层122、124之间的空间，并且可以监测真空以验证系统中的流体密封。替代的较简单的阻隔护套可以包括单个聚合物层。可以在具有或不具有外阻隔护套的情况下提供内阻隔护套，并且一个或两个阻隔护套可以与一个或多个致动阵列的基底成一体。在本文描述的任一或所有实施例中，将内阻隔护套和外阻隔护套朝可致动部分的远侧彼此密封(诸如将基底38密封到聚合物层124)可以允许从基底释放或移出流体充胀流体，以便围绕盘管、囊等在阻隔护套之间朝近侧流动。可以使用在内护套与外护套之间(例如，在围绕盘管34和囊36的区域中)抽出的真空来验证大部分或全部流体处理部件周围的密封，其中当所使用的充胀流体在基底的通道内朝近侧输出时，真空和真空监测系统总体上是更简单的。
现在参考图6K和图6L，可以理解当囊泄放时骨架的相应的轴向表面114的轴向耦合。在图6K的实施例中，骨架的轴向表面被配置用于通过直通的放气气囊壁间接地传输轴向负载。在图6L的实施例中，如由泄放的最左侧囊36所示，骨架130的径向向外的轴向表面114被配置用于直接彼此接合。在图6L中还可以看到凸形表面囊容纳表面134，其可以通过跨充胀囊36的表面分布轴向负载来限制轴向偏转。
如上所述，螺旋结构的骨架可以被偏置以轴向压缩囊并帮助使囊泄放。另外的被动或主动结构轴向压缩结构还可以在具有或不具有这种螺旋盘管偏置的情况下，帮助将可铰接结构维持在所命令的构型中。在图6K中，外阻隔护套120包括轴向弹性的压缩护套。护套轴向地张紧并且在致动部分的一部分或全部长度上施加负载140。在使用期间，护套120可以在致动部分20的远侧和致动部分20的近侧附连到骨架(参见图1-1)。为了增加保质期，护套可以以不太紧张的构型运输，然后在使用之前朝近侧拉动并且在致动部分20近侧或壳体14近侧附连到导管本体12(参见图1-1)。在图6L中，多个主动牵引线可以沿着导管12的致动部分20的至少一部分延伸，其中牵引线围绕导管的轴线周向分布。电机或弹簧可以用于主动地拉动牵引线以帮助使囊泄放，并且尽管存在环境力，仍然维持导管的总体构型或姿态。可以采用多种替代方案，包括使用单个主动张紧的中央牵引线、主动地使内护套或外护套张紧等。
现在参考图6M-6P，可以理解示例性囊几何形状和制造技术。首先论述图6M的简化示意图，囊阵列结构220的一部分包括囊222和基底224。囊222围绕弯曲基底的轴线(和相关联骨架的轴线，这里为简单起见省略)周向延伸，以便限定弧角α。如参照图6N和图6P可以理解的，囊222可以具有典型地在囊的周向中间部分附近的第一直径226。囊直径可以朝着囊的周向末端渐缩到更小的直径228，以便在整个弧角中促进囊/盘管接口接合，如参照图6P可以理解的。此外，当囊222在基底224的外侧径向延伸时，囊的径向外表面可以受益于具有足够的材料长度，以使得囊的充胀不会趋向于使基底224沿着弧角α局部地平坦化。
尽管在基底处于平坦构型时形成囊壁，但是参照图60可以理解用于促进制造沿着外表面具有变化直径和足够材料的囊的工具和方法。在所述实施例中，通道228已经形成在第一基底层230中，任选地经由激光微加工、模制等。囊壁将主要由第二基底层232限定，其中第二层通过使用压差形成，以便抵靠工具234驱使或吹制第二层。应当注意，虽然可以在第一层和第二层通过通道228粘结在一起之后吹制第二层232，但是替代地在粘结基底层之前，可能更容易形成囊壁。在准备吹制囊222时，可以使用激光微加工等将第二层224局部变薄以便在所规划的囊区域中形成凹部236。工具234可以具有凹部238并且可以围绕所述凹部接合第二层232的材料。可以对与凹部相邻的第二层232的材料进行加热，并且可以向与工具相对的第二层的表面施加足够的压力，以便使所述层的材料膨胀并且抵靠工具将其驱使到凹部内。凹部238可以具有如图示意性地示出的波状表面，以使得当基底被组装并弯曲时，充胀囊将预成形为围绕弧角α弯曲。上述囊直径的变化也可以在工具234的凹部238中限定，其中工具任选地具有用于囊阵列结构的其他囊的多个凹部、用于从囊材料与工具之间施加真空或端口气体的通路。可以使用多种3D印刷技术、激光微加工或本文描述的许多其他技术中的任一种来形成所述工具。
可以参照图7A-7F来理解用于在本文描述的任一或所有铰接、加劲和/或弯曲控制系统中使用的许多充胀流体供应系统部件安排。如上所述，阀、端口等可以包括在近侧壳体中，可以合并到囊阵列的基底中，或两者的组合。首先论述图7A的简单的充胀控制安排240，单个开/关闸阀242可以沿着流体流动路径位于流体源244与囊246之间。有限流量排放端口248保持打开，并且阀242的打开允许来自源的足够流体以使囊充胀，尽管离开有限端口248的流体流动有限，所述端口可以具有孔或其他固定的流动限制。当闸阀242闭合时，离开有限端口248的流动允许囊泄放。图7B的双阀安排250使用两个单独的闸阀242来独立地控制进入和离开囊的流动，从而限制在囊保持充胀时流体的损失，并且还防止泄放速度以免受到比否则可能期望的更大的限制。虽然进入囊并且离开囊的流入通道在这里被示出为分开的，但是两个阀替代地可以耦合到流入通道，其中泄放阀典型地位于充胀阀与囊之间。
图7C中示出双向阀安排260，其中双向阀262具有第一模式和第二模式，所述第一模式在供应244与囊246之间提供流体连通，并且所述第二模式在囊与排放端口264之间提供流体连通(同时供应被密封到端口和囊)。
图7D中示出成组囊安排270，其中双向阀262位于供应244与多个囊272、274、276……之间。这种安排允许使用单个阀来使一定数量的(典型地2至10个囊)充胀和泄放，当通常将使囊子集充胀时可以使用所述单个阀，诸如用于使轴向区段伸长、用于施加期望的基本曲率(可以向所述曲率添加其他增量的轴向弯曲分量)、用于施加多囊增量轴向弯曲分量等。
图7E中示出传递弯曲阀安排280，其中双向阀262i、262ii各自分别允许使相关联的囊246i、246ii充胀。此外，囊246i与246ii之间的传递闸阀242允许充胀流体从一个(或多个)囊流动到另一个(一个或多个)囊。这可以允许例如响应于抵靠柔性本体的环境力，将与一个囊相关联的弯曲部部分地或完全地传递到与不同囊相关联的弯曲部，诸如当导管被轴向推到弯曲身体管腔内(以使得弯曲部轴向地传递)时、当导管在弯曲身体管腔内旋转(以使得弯曲部侧向地传递)时、两者的组合等。也可以使用传递阀(transfer valve)，例如，帮助确定限制在周围管腔壁与导管结构之间施加的力的导管形状。对于这一点(和潜在的其他有利用途)，阀可以在完全充胀压力源与一个或多个囊之间打开，以便初始地使这种(多个)囊充胀，使得导管朝向初始状态被驱使。至少一个传递阀可以在充胀的(多个)囊与一个或多个未充胀囊之间打开，以便驱动具有弯曲部的导管构型。如果围绕弯曲部的组织(以及导管的内部囊压缩结构)以足够的力量驱使充胀囊泄放，并且如果周围的组织驱使导管呈现与那些未充胀囊相关联的另一个弯曲部，以便减轻导管的内部囊压缩结构，那么可以强制充胀液体从充胀囊到达未充胀囊，然后导管可以允许组织呈现更松弛的形状。有趣的是，与在囊之间流动的充胀流体相关联的导管弯曲构型的变化可以至少部分地是假塑性的，其中流体流动阻力限制弹性返回到先前状态。使用流量调节传递阀(与简单的开/关闸阀相反)可以允许对这种假塑性弯曲状态变化进行相应的调节。可替代地，传递阀和相关联的通道可以具有经调整的流动阻力(诸如孔或受控的有效直径部段)以调整假塑性性质。
图7F中示出多压力阀安排290，其中双通阀允许从完全充胀供应244i使相关联的囊充胀或泄放，如上所述。可替代地，部分充胀流体供应244ii可以在较低的(任选地固定的)部分充胀压力下将流体引导到同一囊。部分充胀压力可能不足以克服螺旋盘管等针对囊泄放和笔直盘管构型的偏置，并且因此单独地可能不会使柔性本体弯曲(不存在抵靠导管的组织或其他环境力)，而是可以选择性地降低导管抵抗与部分充胀囊相关联的弯曲的强度。可替代地，所述压力可能足以部分地使囊充胀并且引起完全充胀的一部分弯曲。无论如何，可以使用一个或多个相关联的阀来提供一个或多个部分充胀流体供应压力，其中充胀流体是完全囊充胀压力与大气压力之间的一个或多个增量压力。应当注意，可替代地，部分充胀可以通过在有限充胀时间内调节可变阀来提供，以便通过控制闸阀的一个或多个开/关脉冲循环次数等来控制到一个或多个囊的总流体流量。在许多实施例中可以包括充胀流体引导部件的其他组合，其中所述部件中的至少一些(并且具体地，阀与囊之间的通道)被整合到囊阵列中，所述部件中的至少一些(具体地，加压流体罐或其他源)处于耦合到导管或其他柔性本体的近端的近侧壳体中，并且其他部件(通道、阀、端口、阀致动电路系统等的部分)处于任一情况下或分布在两者中。在一些实施例中，可以在处于名义上非充胀状态的一些或所有囊中维持非致动的正充胀流体压力(大于囊阵列周围的大气但不足以将盘管的环分离)。这可以使囊预先充胀，以使得流体部分地填充囊，并且囊壁在不与盘管接合的位置处膨胀，从而减少流到囊以实现完全充胀的流体的量。
可以使用上述的一个或多个阀部件安排来提供各种各样的期望的充胀流体供应系统能力。例如，不是包括单独的部分充胀压力流体供应，传递阀可以用于首先使第一囊完全充胀，之后传递阀可以用于将流体的一部分从充胀囊传递到一个或多个其他囊，从而导致多个囊的组部分充胀。流体供应系统可以具有通道网络，其中具有充胀闸阀和泄放闸阀的组合，以便允许在充胀子集中选择性地包括多个单独囊中的任一个，选定的成组囊预先限定一些或所有将同时使用的子集数量等。
在图7G-7I中可以看到螺旋囊阵列结构282的示例性实施例。螺旋阵列282可以形成为平坦构型并且螺旋地卷绕成圆柱形构型。囊284可以使用相对常规的非顺应性囊成形技术初始地形成，任选地具有偏移末端，以便有利于将囊和充胀/泄放通道288附连到基底286。囊284可以是相对短的(长度/直径纵横比为4或更小)，和/或可以形成或修改为沿囊轴线弯曲(以便当基底被卷绕并且囊轴向地延伸时适应弧角曲率，如上文关于图12所述的)。囊284和初始地限定充胀/泄放通道288的管状结构可以使用粘合剂粘结附连到第一基底层292，其中通道任选地包括可商购获得的熔融石英管材。在所述实施例中，囊284限定呈平坦构型的1X N阵列，N任选地在4与80之间、优选地在8与32之间，并且在至少一些实施例中是16或24。
囊284的细长轴线被取向成以对应于与螺旋阵列结构282一起使用的骨架的螺旋盘管的螺距角的角度周向延伸(所述螺距角通常将不同于基底286的螺旋节距)，并且被定位成使得当基底被卷绕成圆柱形构型时，每隔三个(或任选地，每隔两个)囊轴向地对准。因此，在卷绕的圆柱形构型中，囊284可以限定4X N阵列(或3X N)阵列以允许处于4(+/-X和+/-Y)个侧向取向。囊迁移抑制特征或凸片294可以附连到囊(诸如当囊被充胀时用粘合剂粘结)，以使得囊、基底和凸片一起限定盘管环接收器298。可以任选地形成第二基底层并将其附连在组件上，以使得囊、通道和任何凸片布置在层之间。基底的延伸部分可以用作快速断开的流体耦合器，以便在通道288与阀之间提供流体连通以及近侧壳体的流体供应。螺旋基底可以促进导管组件的挠曲和伸长，并且阵列可以利用有限的工具作业进行组装。可以使用可商购获得的3D印刷技术来制造合适的流体供应集管系统，其中阀包括可商购获得的安装到印刷头并且处于标准微处理器的控制下的电致动结构。
现在参考图8，可以看到示例性导管铰接系统292的部件，其中这些部件一般适合在图1的导管系统1中使用。在所述实施例中，导管294具有远侧铰接部分296，其中所述铰接部分任选地包括轴向分离的铰接子部分或区段，并且可替代地具有单个相对连续的铰接长度。插入护套/输入组件295包括在系统用户界面中，并且组件295和导管294的近端都可以使用柔性电缆(和快速断开耦合器)与近侧壳体298可拆卸地耦合，其中所述壳体包含电池、处理器、可替换的压缩流体筒、阀等。壳体298还包括或包含用户界面的附加部件，并且被设定大小以便通过用户的单只手定位，但在导管294的使用期间不需要移动。用于实现远侧部分296在使用期间自动弯曲和细长命令可以任选地通过以下方式输入到系统中：将输入端297相对于引入器护套的近侧本体弯曲并轴向插入，从而采用使用基于导管的诊断和治疗工具的医师已经熟悉的用户手动移动。
关于铰接系统292的一些用户界面部件，下文将更详细地描述用于控制导管294的铰接状态的输入端297的使用。除了输入端297之外，可以采用多个另外的(或替代的)用户界面组件。如上文总体上指出的，用户界面可以包括附连到导管294的近端的壳体，其中所述壳体具有如上文关于图1-1所描述的操纵杆。可以提供轨迹球或触摸板来代替操纵杆，并且由于本文描述的导管和其他结构可以具有多于两个的自由度，一些实施例可以包括两个偏移操纵杆，其中手柄上的较近侧的操纵杆用于使导管沿着近侧X-Y区段侧向地偏转，并且同一手柄上的较远侧的操纵杆用于使导管沿着较远侧的X’-Y’区段侧向地偏转。这两种偏转可以用于输入移动命令，其方式类似于使用第一操纵杆定位机器人基部、然后利用第二操纵杆来铰接安装到所述基部的腕部，其中操纵杆提供到导管系统的位置或速度控制输入。表面沿着壳体的轴线滚动的输入轮可以用于输入轴向伸长移动命令，并且壳体可以具有周向轮，所述周向轮可以由系统用户转动以便帮助提供壳体的取向相对于导管的侧向偏转之间的期望对准，如在远程成像显示器中所看到的。其他替代的用户界面系统可以采用计算机工作站，诸如已知的机器人导管或机器人手术系统的计算机工作站，所述计算机工作站可以包括一个或多个3D操纵杆(任选地包括允许4D、5D或更多自由度的输入端)、模拟机械可导向导管系统壳体的壳体等。如图8的实施例中可以看到的，其他任选的部件包括触摸屏(其可以示出远侧铰接部分296的图形表示(所述远侧铰接部分的一个或多个区段可以是触摸选择的并且被突出显示，以使得它们响应于输入端297的移动而铰接)、按钮等。其他替代的用户界面部件可以包括语音控制、手势识别、立体眼镜、虚拟现实显示器等。
现在参考图9，可以更详细地看到铰接导管304的铰接部分302的选定部件。多个充胀囊306沿着第一侧向取向+X从导管304的轴线308偏移，以使得囊将盘管310的环上的相应对的轴向(近侧和远侧)表面驱使分开。这驱使盘管远离充胀囊306、远离+X取向并朝向-X侧向取向弯曲。未充胀囊312a、312b和312c分别在侧向-X、-Y和+Y取向上偏移，从而允许这些囊的不同子集进行选择性充胀以使轴线308在不同的方向上弯曲。相反囊(诸如-X和+X、或-Y和+Y、或两者)的充胀可以使盘管314沿着轴线308细长。应当注意，附图中省略了盘管314的远侧部分，以使得能够更清楚地看到囊的安排。所述实施例示出相对标准的偏移囊形状，其中囊的轴线弯曲以跟随盘管。在所述实施例和其他实施例中，盘管之间的单个囊可以将轴线308具有在1至20度的范围内、更典型地在21/2至15度的范围内、并且通常为6至13度的弯曲部。为了允许单个充胀管腔实现更大的弯曲角度，与囊相邻的2个、3个、4个或更多个囊充胀管腔或端口可以与单个公共的流体充胀管腔处于流体连通。
现在参考图10A-10D，可以理解示例性的整合囊阵列和阵列基底设计以及制造过程。如在图10A和图10B可以看到的，圆柱体318被限定为具有与盘管310的螺旋盘管轴线320对应的直径，其中盘管轴线典型地与盘管线的中心轴线对应(以使得螺旋轴线围绕细长本体的中心轴线缠绕)。这里期望的囊中心线322被限定在盘管的环之间。替代的囊中心线可以沿着盘管轴线延伸，如根据下文描述的其他实施例可以理解的。囊中心线322的平坦图案324可以从圆柱体318展开，其中平坦图案任选地形成沿着圆柱体的螺旋卷绕部延伸的重复图案，螺旋图案展开任选地是相对于盘管310逆向缠绕，并且典型地具有比盘管的节距更大的节距。如参照图10C和图10D可以理解的，重复的平坦图案324可以用于限定重复的基底图案326，其中基底图案这里针对阵列的所述部分中的每个囊，包括囊部分328、多管腔通道部分330、以及用于将囊连接到多管腔通道部分的连接器部分332。这里的连接器部分和囊从多管腔通道部分的单侧延伸出来；替代实施例可以具有从两个侧面或周向侧延伸的连接器部分和囊。基底螺旋物的环也可以重叠。在其他实施例中，平坦图案(以及相关联的基底和多管腔通道)可以沿与盘管相同的方向缠绕，其中囊和通道结构任选地沿着连续的条带延伸，囊任选地具有沿着条带的一个或两个轴向侧的通道，并且囊从条带并且在盘管的环之间径向突出，以使得任选地可以省略连接器部分332。此类实施例可以受益于较厚的和/或聚合物盘管。无论如何，螺旋囊阵列结构可以促进导管沿着其轴线的侧向弯曲和/或导管的轴向伸长，而不会使沿着流体流动通道的基底材料扭结或损坏，因为基底环可以相对于彼此沿着盘管310的内表面或外表面滑动(通常在与导管的内表面和外表面毗邻的内护套和外护套之间的密封环状空间内)。
有利的是，基底图案然后可以总体如上文描述的那样在层中形成，其中每个囊的至少一部分(通常为大部分)由第一或囊层334中的片材材料形成(任选地通过将囊的至少一部分从合适的片材材料吹制到囊工具中)，并且一些或所有通道是由第二或通道层336中的片材材料形成。所述层可以粘结在一起，以便在囊与流体供应系统的其他部件之间提供密封的流体连通，其中囊部分328、连接器部分332和通道部分的轮廓形状在粘结之前、粘合之后被切割，或者部分地在之前且部分地在粘结之后被切割。应当注意，囊形状的一部分可以施加在(多个)通道层上，并且多个通道层可以使于促进多个螺旋分离的囊(包括沿着已组装导管的单个侧向取向的囊)与公共的流体供应通道之间的流体连通。类似地，通道结构的一部分(或甚至全部)可替代地可以施加在囊层上，以使得各种各样的架构是可能的。多个囊334和通道330的形成以及层的粘结可以使用并行或分批的处理(例如，用于同时吹制用于铰接子部分的螺旋囊阵列的一些或所有囊的工具作业、切割多个平行通道的激光微加工站、同时在多个囊和通道周围沉积粘合剂材料)、或者顺序地(例如，用于囊吹制、激光切割或粘合剂涂覆工具作业的滚动工具和/或滚动站)、或者两者的组合来执行。包括在单个螺旋基底图案中的囊的数量可以改变(典型地为4至80、并且任选地为4至32、并且通常为8至24)。囊可以间隔开，以便沿着单个侧向导管弯曲取向、沿着两个相反的取向、沿着三个取向、沿着四个取向(如图所示)定位。通道部分330可以终止于与多通道电缆334的接口处(或与其整合在一起)，所述多通道电缆沿着盘管(并且任选地沿着使用类似或不同的重复囊基底图案形成的其他近侧囊阵列部分)朝近侧延伸。可以采用各种各样的替代囊形状和囊制造技术，包括：从第一片材材料吹制主要囊部分并从第二片材材料吹制次要囊部分；以及利用轴向取向的粘结部将围绕吹制部分的片材粘结在一起(如图10所示)，以使得片材和基底层沿着与盘管毗邻的圆柱体取向，或者利用径向取向的粘结部将围绕吹制部分的片材粘结在一起，以使得与粘结部相邻的片材材料通过弯曲的连接器部分或凸片连接到相邻的基底。
如参照图10E-10I的囊结构可以理解的(并且更一般地，如本文示出和描述的)，可以采用各种各样的替代囊形状和囊制造技术。图10E的囊340可以通过从第一片材材料吹制主要囊部分342并从第二片材材料吹制次要部分344，并且通过将围绕吹制部分的片材粘结在一起来形成。所述粘结部可以是轴向取向的(如图10A-10D所示)，以使得片材和基底层沿着与盘管毗邻的圆柱体取向或径向地取向(如图6L和图10E所示)，其中与所述粘结部相邻的径向取向的片材材料通过弯曲的连接器部分或凸片连接到另一阵列基底。如上所述，囊可以具有基本上圆形的截面，其中在末端附近直径较小。虽然粘结的囊任选地可以通过在两个片材或层中形成类似的相应扩展区域346(如图10F所示)而形成，但是可能有利的是，主要在第一片材348中形成囊截面并将其粘结到具有较小(或非)扩展区域350(如图10G所示)的第二片材。具体地，如图10H所示，可以通过将与囊形状相邻的毗邻基底材料折叠并粘结到囊的壁上来增强粘结的强度；当囊的主要部分位于粘结部的一侧上时，这可能是有利的。其他的替代方案是可能的，包括提供围绕本文示出或描述的任一粘结囊的第二囊壁层，如参照图10I可以理解的。粘结囊和第二囊壁可以单独地形成，其中类似的形状将趋向于维持壁之间的对准，从而减少了对囊材料之间的高强度粘结的任何依赖。
现在参考图11A和图11B，可以理解替代的同轴囊/盘管安排。在这些实施例中，囊364安装在盘管366上，其中多个囊典型地由沿着盘管的螺旋轴线延伸的连续材料管形成(参见图10A的螺旋轴线320)。囊材料一般将具有局部变化的直径，其中囊由管的局部较大直径的区域形成，并且囊通过管材料与其中的盘管之间的、在管的局部较小直径处的密封接合而分离。直径的变化可以通过从初始管直径向外局部吹制囊、通过使管从初始管直径局部地热回缩和/或轴向向下拉伸、或两者来形成，并且在管与其中的盘管芯之间的粘合或热粘结可以增强密封。在替代实施例中，金属环可以围绕管状囊材料卷曲，以便将管附连(并且任选地密封)到下方的螺旋盘管，其中环和卷曲任选地采用标记带结构和相关联技术。可以通过卷曲环来施加囊材料沿着盘管的部分或甚至全部的直径变化，尽管囊的选择性热回缩和/或吹制和/或囊到盘管的激光热粘结可以与卷曲组合以提供期望的囊形状和密封。无论如何，囊的(囊壁与盘管芯之间的)内部容积之间的流体连通可以通过到盘管芯内的相关联管腔的径向端口来提供。如参照图11A的盘管组件360可以理解的，囊可以具有与上述形状类似的外表面形状，并且可以类似地沿着一个或多个侧向弯曲取向对准。如参照图11A和图11B的组件360和362可以理解的，与囊阵列相邻的导管的弯曲角度和曲率半径可以通过囊之间的轴向间距(和/或环数量)和/或通过囊子集的选择性充胀(诸如通过使沿着特定侧向轴线对准的每隔一个囊充胀、每隔两个对准的囊、每隔三个对准的囊等)来确定。
现在参考图11C、图11D和图11E，替代的同轴囊/盘管系统可以采取多种不同的形式。在图11C中，多个螺旋结构370、372交错在一起。这里的一个螺旋结构370采取简单的螺旋盘管的形式，并且用作导管的结构骨架的元件，从而在盘管的环之间的压缩囊等。另一个螺旋结构包括在螺旋芯之上的囊374，其中一个或多个管腔在螺旋芯内延伸。应当注意，支撑囊的螺旋芯可以或可以不包括结构盘管线等，以使得提供流体传输功能的部件可以与结构部件分离或与结构部件整合在一起。在图11D的实施例中，多个螺旋结构各自具有相关联的囊，所述囊可以单独地或一起充胀。在一些实施例中，沿着一个或多个侧向取向对准的囊可以位于第一螺旋结构上，并且沿着一个或多个不同取向的囊可以位于第二交错的螺旋结构上，以使得可以简化通过螺旋芯的流体传输。在其他实施例中(如参照图11E的4方向同轴囊/盘管380可以理解的)，沿着不同的侧向取向对准的囊子集可以安装到单个螺旋芯。
现在参考图11F和图11G，可以理解示例性的多管腔螺旋芯结构。在这些实施例中，挤出的聚合物护套布置在结构盘管线382之上，其中护套具有多个外围管腔，诸如4个或6个管腔护套384或16个管腔护套386。囊材料管可以定位在护套之上，其中管的较大直径部分形成囊388，并且较小直径部分390与护套接合，以便在囊之间进行密封。可以穿过护套的壁在所述管腔中的一个内形成端口392(典型地在囊结构完成之前)，以使得囊的内部与所述相关联的管腔处于流体连通。所述管腔可以专用于这一个囊，或者通常将耦合到一个或多个囊作为组或子集(并且用于使所述一个或多个囊充胀)，其中所述组通常沿着盘管的侧向取向对准，以便使盘管沿共同的方向弯曲，相反地以便使盘管轴向细长等。如通过比较图11F和图11G可以理解的，螺旋芯中的管腔数量可能会影响充胀管腔大小(和响应时间)，以使得使用单独的致动子部分并使流体流动通道在螺旋芯外部延伸可能是有益的。在期望大量的管腔或复杂的管腔网络和几何形状的情况下，芯可以包括具有外表面的第一护套层，所述外表面经过处理(典型地激光微加工)以形成一些或所有通道。第二护套层可以在第一层之上径向地挤出或粘结，以便侧向地密封所述通道。也可以执行与第二层(和任选地后续层)的外表面的类似的处理以及在第二层之上径向地挤出或粘结第三层(和任选地后续层)以提供多层管腔系统。
现在参考图12，可以参照分解组件400来理解示例性导管部件之中的功能的进一步分离，所述分解组件示出铰接导管的轴向部分，所述部件这里彼此侧向地(并且从已组装的同轴定位)移位。所述部分的包含流体的部件优选地容纳在内护套402与外护套404之间，其中这些护套在囊阵列(或所述阵列的某个部分)的近侧和远侧彼此密封。通过在密封的内护套与外护套之间抽取真空(任选地使用简单的正注射泵等)并且通过利用耦合到流体供应截止阀的压力感测电路来监测真空，可以确保患者体内的流体传输和驱动部件的整体性，并且可以抑制患者体内的驱动流体的意外释放。
仍然参考图12，同轴螺旋盘管/囊组件406径向布置在内护套402与外护套404之间。内护套和/或外护套可以被配置用于增强径向强度和轴向柔韧性，诸如通过包括周向纤维(任选地呈聚合物或金属编织物、环或绕组的形式)、轴向波纹等。如上所述，组件406的囊沿着螺旋轴线安装到螺旋芯。至少一个管腔沿着螺旋芯延伸，并且允许芯上的囊充胀和泄放。为了帮助维持组件406的环的轴向对准，对准的间隔盘管408在组件环之间交错。间隔盘管408具有包括锯齿状特征的相反表面，以使得(来自环境或囊的充胀的)轴向压缩力挤压对准的间隔件并且保持组件囊和相邻的环以免被径向地推离轴向对准，如参照图6K和图6L以及相关联的文本可以进一步理解的。应当注意，本文描述的任何结构骨架或框架元件(包括下述的推挽式框架)可以包括囊/框架接合特征(诸如沿着囊接合表面的压痕)，和/或单独的囊/框架接口本体可以布置在框架与囊之间以便帮助维持对准囊/框架对准或有效地传输和分配负载或两者。应当注意，组件406的环之间的压缩可以由盘管、间隔件、内护套和/或外护套、由牵引线、或者由这些中的两个或更多个的组合来施加。还应当注意，替代实施例可以利用位于与分层阵列基底耦合的盘管环之间的囊(诸如图10C和图10D所示的那些)、任选地利用位于囊的任一轴向表面上(并且因此位于囊与盘管之间)的一对对准间隔盘管来代替安装在盘管上的囊。其他的替代方案包括多个交错的盘管/囊组件和/或本文描述的其他部件和安排。
由于在一些实施例的整个囊阵列中可能存在总量较大的囊，并且由于这些阵列可以轴向地分离成总体导管(或其他铰接的细长本体)的铰接的子部分，并且由于可以限制盘管/囊组件406的盘管芯内的可用空间，因此在内护套402与外护套404之间的环状空间内具有轴向延伸的一个或多个单独的结构可能是有利的。这些单独的结构可以具有另外的流体充胀通道，所述流体充胀通道与一个或多个盘管/囊组件的流体充胀通道分开并且可以用于使安装在盘管/囊组件406远侧的囊铰接阵列充胀。为此，薄的平坦的多管腔螺旋电缆结构410a、410b可以径向地布置在盘管/囊组件406与外护套404之间和/或所述盘管/囊组件与内护套402之间的空间中。电缆410可以包括：一系列小直径的管状结构(任选地包括具有适当覆层的PET或熔融石英)，所述管状结构可以或可以不附连在一起并且并排对准；通过对层进行微加工并粘结(如上所述)形成的多通道结构；具有细长截面的多管腔挤出物等。特定轴向区段的每根电缆410a、410b可以耦合到盘管/囊组件的芯，以用于更远侧的铰接轴向区段。电缆的螺旋或蛇形构型可以促进轴向弯曲和/或伸长而不会使电缆受到压力，并且沿着铰接区段的电缆的数量可以在0(具体地沿着远侧铰接区段)至10的范围内。应当注意，许多替代安排也是可能的，包括利用中间护套将电缆与盘管/囊组件分开、通过在不将管的子集捆绑成电缆的情况下使用许多单独的熔融石英管来增强柔韧性等。
如参照图13A可以理解的，可以将一个或多个加劲囊合并到电缆结构中，其中每个区段的加劲囊任选地与公共的供应管腔处于流体连通，并且任选地具有用于一个、一些或所有其他区段的公共供应管腔。在所示的示例性电缆结构中，加劲囊可以包括围绕多管腔电缆挤出物布置的管状材料，并且可以使用管内的、进入挤出物的选定管腔的端口充胀。加劲囊管可以在端口的近侧和远侧密封到电缆挤出物等，并且可以具有足以沿着轴向部分或全部铰接区段或子部分延伸的可扩展长度。电缆以及其上的任何加劲囊可以在盘管与内护套或外护套之间轴向地延伸，此类加劲囊的充胀可以引起加劲囊与盘管之间的径向接合，从而抑制环之间的偏移的变化，并且从而使导管加劲以抵抗轴向弯曲。加劲囊可以在显著低于弯曲或伸长致动囊压力的压力下充胀，并且可以沿着完全不具有弯曲或伸长囊的区段或甚至导管使用。可替代地，电缆通常可以省略，具体地在沿着单个区段的芯可以包括用于导管的期望自由度的足够通道的情况下。
现在参考图13B和图13C，可以理解从多管腔螺旋芯到电缆的一个示例性过渡。这里的螺旋芯同样包括由挤出的多管腔聚合物本体422包围的盘管线420，其中所述本体这里具有围绕盘管线扭转的管腔424。虽然仅示出3个管腔，但是这里的间距将允许9个扭转管腔(为简单起见，省略了其他管腔)。这些管腔中的8个的径向端口将允许例如对8个囊(或囊组)进行独立的充胀控制，并且可以使用第九管腔来抽取和监测围绕这些囊的密封轴向区段中的以及内护套与外护套(均如上所述)之间的真空。此外，在两个相邻的管腔之间的空间中，凹口426部分地径向延伸穿过本体422，其中凹口围绕芯轴线缠绕。在安装在本体422上的最近侧的囊近侧，本体422在凹口426处分离，并且本体材料和其中的管腔424从盘管线420退绕。这种退绕的材料可以被平坦化以形成如上文关于图12和图13的电缆410、410a和410b所解释的多管腔电缆，其中电缆从螺旋多管腔芯朝近侧延伸，而不必依赖于密封的管状接头等。还可以在挤出物、单管腔或多管腔管状结构和/或分层通道系统之间采用替代的粘结接头或连接器。
现在参考图13，示例性导管430具有铰接部分432，其包括多个轴向分离的铰接区段或子部分434a、434b、434c和434d。一般来说，多个铰接区段可以被配置用于促进导管的远端与靶组织436对准。合适的铰接区段可以取决于目标组织和所规划的程序。例如，在所述实施例中，铰接区段被配置用于使导管的远端与天然瓣膜组织的角度和轴向位置准确地对准，优选地针对选定的患者群体之中的任一患者。更具体地，导管被配置用于使导管远端处的导管轴线与目标组织的轴线对准(并且具体地平行于所述轴线)，并且(如沿着导管的轴线所测量的)用于使导管的末端与目标组织轴向对准。这种对准可能是特别有益的，例如，用于将人工心脏瓣膜(任选地，主动脉瓣、肺动脉瓣等，并且具体地二尖瓣)与患病天然瓣膜的组织或与患病天然瓣膜相邻的组织定位在一起。合适的导管铰接能力也可部分地取决于到达目标组织的进入路径。为了与二尖瓣对准，导管可以例如经由上管腔静脉或下管腔静脉朝远侧前进到右心房中，并且可以从右心房穿过隔膜438刺入左心房。可以使用已知的导管系统和技术(尽管可替代地可以使用利用本文描述的铰接结构的替代隔膜穿过工具)来实现合适的穿越(transceptal)进入。无论如何，为了实现与天然瓣膜组织的期望的对准，导管可以被配置用于例如：1)从隔膜远侧(或附近)，形成大致90度的弯曲(+/-足够的角度，以适应群体中患者的不同生理结构)；2)在三维空间中延伸期望范围的距离，包括a)从隔膜穿透部位朝顶端延伸，b)在穿透时远离隔膜壁的平面延伸；并且3)将导管的轴线在三维上取向在远端处并与天然瓣膜组织对准。
为了实现期望的对准，导管430可以任选地提供一致的多轴弯曲能力，以及沿着导管430的可铰接部分432的大部分连续的或者在铰接区段中以规则间隔沿其延伸的轴向伸长能力。替代的方法可以采用更多功能上不同的铰接区段。当存在时，每个区段可以任选地具有4至32个囊，所述区段内的囊的子集任选地沿着1至4个侧向取向取向。在一些实施例中，至少一个区段内的轴线弯曲囊可以全部沿着单个弯曲取向对准，并且可以由单个充胀管腔提供服务，通常由所调节的流体供应提供服务，所述流体供应将受控的充胀流体体积或压力引导到所述区段的囊以便控制相关联取向上的弯曲量。如上所述，替代的单侧向弯曲方向区段可以具有由不同管腔感测的多组囊。例如，区段434a和434b可以都包括单方向弯曲区段，每个弯曲区段能够施加高达60度的弯曲角度，并且前者在所示构型中具有第一相对大的弯曲半径，这是由于每隔一个轴向囊被充胀(如参照图11A可以理解的)或者由于利用有限量的充胀流体充胀。在区段434b中，除最远侧的四个囊之外的所有囊都可以被充胀，从而导致与区段434a相邻定位的弯曲半径较小，其中导管的相对笔直的部段在弯曲部的远侧。区段434c可以具有在相对高的轴向密度下具有四个不同弯曲取向的囊，这里使选定的横向囊(诸如6个+X囊和2个-Y囊)充胀，以便驱使导管呈现以下形状：其中具有远离隔膜平面的第一弯曲部件以及侧向远离区段434a和434b的弯曲部的平面的第二弯曲部件。区段434d可以包括轴向伸长区段，其中相反的囊与所述区段的一个或多个充胀流体供应管腔处于流体连通。因此，可以通过充胀流体的适当传输来准确地控制导管末端的轴向定位(在所述区段的运动范围内)。有利地，此类专门的区段可以限制实现期望数量的自由度和期望的空间分辨率所需的流体通道的数量(以及导管的成本、复杂性和/或大小)。应当理解，替代的区段安排可以用于递送人工心脏瓣膜等，包括使用三个区段。可以使用三区段系统通过以下方式来定位阀：例如，通过插入导管，以使得隔膜沿着三个区段的中间定位，理想的是导管在中间区段的中间或中间附近穿过隔膜。
现在参考图14A-14C，铰接导管的另一实施例包括交错的第一螺旋多管腔囊液体供应/支撑结构440a和第二螺旋多管腔囊液体供应/支撑结构440b，以及第一弹性螺旋盘管442a和第二弹性螺旋盘管442b。在所述实施例中，一系列囊(未示出)安装在每个多管腔结构周围，其中第二囊间隔开以便沿着三个侧向弯曲取向对准，所述侧向弯曲取向围绕导管的轴线彼此偏移120度。在每个多管腔结构440a、440b中布置六个管腔，其中一个专用的充胀管腔和一个专用的泄放管腔用于三个侧向弯曲取向中的每一个。管腔与相关联的囊之间的径向处于流体连通端口可以通过穿过成对的管腔的贯穿切口来提供。
通过如图所示将切口444a、444b、444c间隔开，并且通过将囊安装在切口之上，可以使用充胀管腔和泄放管腔来使沿着三个弯曲取向中的每一个对准的囊子集充胀和泄放。有利地，具有这种结构的第一铰接区段可以通过使沿着所述区段的期望子囊子集充胀而允许导管轴线以三个弯曲取向的任何组合进行弯曲。任选地，所述子集的弯曲角度可以通过使用仅一个多管腔结构(例如，440a)的6个管腔传输到囊的流体的量和/或压力来控制，从而允许所述区段以与机器人手腕类似的方式起作用。与第一区段轴向偏移的导管的另一区段可以具有由另一多管腔结构(在我们的示例中为440b)的6个管腔提供的囊安排类似的囊安排，从而允许导管以与一系列手腕机器人操纵器的灵活性类似的灵活性来定位和取向导管的末端。在其他实施例中，由两个多管腔结构提供的至少一些囊可以轴向地重叠，例如以便通过组合囊的重叠子集的充胀来允许增加弯曲角度和/或减小弯曲半径。还应当注意，可以使用单个管腔用于囊的充胀和泄放两者，并且可以提供多于6个管腔的多管腔结构，以使得可以采用这些自由度的其他组合。
在图14A的侧视图以及图14B的截面中示出的实施例中，螺旋盘管的外径为约0.130英寸。多管腔结构440a、440b的外径在约0.020英寸至约0.030英寸(任选地为约0.027英寸)的范围内，其中管腔的内径为约0.004英寸，并且每个管腔周围的壁的最小厚度为0.004英寸。尽管使用了20atm或更大的充胀压力，小直径的管腔帮助限制典型地包含聚合物(理想地，被挤出的)的螺旋芯结构上的应变。主要通过使用盘管442a、442b中的金属来提供囊的轴向压缩(以及泄放之后导管轴线的拉直)，而不是在多管腔结构中包括弹性线等。盘管442的相反的凹形轴向表面帮助维持囊和多管腔结构在盘管之间的径向定位。将弹性盘管442和囊供应/支撑结构440的末端一起附连到盘管末端处的内护套和外护套以及任选地附连在区段之间也可以帮助维持螺旋形状。增加盘管442的轴向厚度和凹形表面的深度也可以有益于有帮助维持对准，其中盘管然后任选地包括聚合物结构。在本文描述的大部分或所有螺旋实施例中，还可以包括其他的螺旋维持结构，包括附连到盘管442或其他螺旋骨架构件的周期性结构，所述周期性结构具有在囊之间延伸并且能够接合充胀囊的末端以维持或指示侧向囊取向的突出部。
本文描述的许多实施例提供导管、导丝和其他细长柔性本体的流体驱动的铰接。有利地，这种流体驱动的铰接可以依赖于沿着细长本体的非常简单的(且小横截面的)流体传输，其中施加到细长本体的工作端的大部分力局部地抵抗周围环境起作用而不是被传输回到近侧手柄等。这可以提供铰接准确度的显著提高、滞后的减少以及更简单且更低成本的铰接系统，具体地当将要包括大量的自由度时。应当注意，与细长柔性本体的远端相邻的相对高压流体和/或低温流体和/或电路系统的存在也可以用于增强由所述本体携带的工具的功能，具体地通过改进或添加诊断工具、治疗工具、成像或导航工具等。
现在参考图15，径向细长聚合物螺旋囊芯结构450一般具有径向厚度452显著大于轴向厚度454的截面。径向厚度452任选地可以是例如周围囊的充胀直径的80％或更多，而轴向厚度454可以在充胀直径的20％至75％之间。与圆形芯横截面相比，这种细长截面为在盘管芯内延伸的囊管腔提供了另外的地域(从而允许更多的管腔和可单独充胀的囊或囊组，和/或允许较大的管腔尺寸以便实现更快的致动时间)以及与周围囊相同的轴向致动行程。示例性截面形状包括椭圆形或其他连续弯曲的形状，以便促进与周围的囊壁材料的密封接合，其中具有近侧区域和远侧区域的替代方案的圆形曲率对应于充胀囊的圆形曲率(从而增强抵抗被配置用于均匀地接合充胀囊的轴向锯齿状盘管弹簧表面的轴向压缩力传输)。
现在参考图16，可以更详细地看到用于图1和图8的系统中的示例性引入器护套/输入组件的透视图。引入器/输入组件460一般包括引入器护套组件462和输入组件464。引入器462包括具有近端468和远端470以及在它们之间延伸的轴向管腔的细长引入器护套466。引入器462的近侧壳体472包含引入止血阀。输入端464包括柔性操纵杆轴474，其具有可滑动地延伸到引入器壳体472的管腔中的远端，以及附连到包含输入阀的输入壳体476的近端。管腔轴向延伸穿过输入端464，并且可铰接导管480可以前进穿过组件460的两个管腔。组件460的电缆或其他数据通信结构将移动命令从组件传输到导管系统的处理器，以便引起导管在患者体内的铰接。更具体地，当导管系统处于从动铰接模式并且引入器/输入组件460的离合器输入端482被致动时，输入壳体476相对于护套壳体472的移动引起导管480的一个或多个可铰接区段铰接在导管的远端附近，其中导管优选地具有本文描述的铰接结构中的任何一个或多个。引入器/输入组件的壳体内的阀可以独立地致动，以便将导管480轴向地附接到引入器462和/或输入端464。
现在参考图17A和图17B，可以看到与图14A-14C的部件相关的铰接系统部件。两个多管腔聚合物螺旋芯440可以沿着导管的铰接部分与轴向凹入的螺旋弹簧交错。弯曲的过渡区在螺旋芯的近侧延伸到轴向笔直的多管腔延伸部分540，所述多管腔延伸部分可以沿着导管的被动的(未铰接)或以不同方式铰接的部段延伸，或者可以延伸穿过由其他结构(未示出)传输的流体驱动的铰接区段。有利地，靠近近端的每个近侧延伸部分540的一部分可以用作近侧接口550(参见图17C)，通常通过采用通过进入芯的各种管腔的多管腔轴的外壁形成的轴向的一系列侧向端口。所述近侧接口550可以与模块化阀组件542的接收器552、或者与非模块化阀组件的接收器、或者与耦合到歧管的连接器或接口本体相配合，以便提供密封的、独立受控的流体传输以及从加压充胀流体源到期望的囊子集的受控的充胀流体流动，以及从囊到大气或排放流体贮器的受控的排放流体流动。
延伸部分540朝近侧延伸到阀组件542中，以便在阀组件的流体路径与铰接区段的囊之间提供流体连通。阀组件542包括轴向的一系列模块化阀单元542a、542b、542c等。端板和螺栓密封阀组件内的流体路径并将这些单元保持在适当位置。组件542的每个阀单元包括至少一个流体控制阀544，并且优选地包括两个或更多个阀。阀可以包括感测并控制压力的压力调节阀、闸阀、三通阀(以便允许充胀流体沿着通道去往一个或多个相关联囊，以便在阻止来自流体源的流动的同时密封充胀通道和相关联囊中的充胀流体，并且以便允许释放来自通道和囊的充胀流体)、流体分散阀等。O形环提供阀之间以及延伸部分540周围的密封，并且螺栓的拧开可以释放O形环上的压力并允许将延伸部分从阀组件朝远侧拉出，从而提供简单的快速断开能力。径向端口546沿着延伸部分540轴向地间隔开，以在阀与多管腔聚合物延伸部分、过渡部分和螺旋盘管的相关联管腔之间提供流体连通。有利地，在将采用更大或更小数量的充胀通道的情况下，可以将更多或更少的阀单元轴向地堆叠在一起。虽然阀544在这里被示出为具有外部流体管材连接器(用于耦合到流体源等)，但是可替代地，在模块化阀单元内也可以包括去往阀的流体路径，例如其中流体供应沿着集管腔被传输到每个阀，所述歧管腔沿着组件轴向地延伸并且使用另外的O形环等密封在阀单元之间。应当注意，虽然模块单元542a、542b……可以包括阀，但是在替代实施例中，这些单元可以仅仅包括允许组件用作连接器或接口本体的套圈、柱或其他接口结构，所述连接器或接口本体有助于在多管腔轴或芯与流体供应系统的一些部件之间提供流体连通。
现在参考图17C，阀和歧管组件542’中包括另外的模块化阀单元542d、542e和542f，以便有利于独立地控制去往和来自多管芯的管腔的充胀流体流量。模块化阀单元优选地是可互换的，并且通常将包括用于每个充胀管腔以及阀、板结构和通道的电路系统和压力传感器。用于每个板的电路系统通常将由柔性电路基底支撑，并且任选地可以用粘合剂粘结到板的一个主表面，或者它可以位于板的层之间或压缩地保持在板之间。连同用于阀之间的通信的导电迹线、传感器和系统处理器，柔性电路还可以支持用于促进板模块之间的多路复用、即插即用板模块功能、板模块的菊花链或联网等电子器件。在下文描述的示例性实施例中，柔性电路基底还可以支持(并且帮助提供与MEMS阀和/或MEMS压力传感器的电耦合。柔性电路基底或另一薄膜基底材料任选地可以帮助支持围绕穿过这些板(或它们的层)的通路的O形环、垫圈或其他密封材料，包括形成接收器552的通道、充胀集管、泄放集管等；尽管这些结构的一些或全部密封件替代地可以被独立地定位。如上所述，一个或多个快速断开配件554可以被配置用于帮助密封多管腔轴(或中间本体)的去往板的流体通道的端口。在延伸穿过板的轴上包括所述端口的情况下，快速断开配件可以采取压缩构件的形式，所述压缩构件可手动地在可拆卸构型(在所述可拆卸构型中，在板之间施加极少或不施加压缩)与密封构型(在所述密封构型中，在板之间施加足够的压缩以便从叠堆的板之间并且抵靠轴挤压密封材料)之间移动。快速断开配件可以包括一个或多个过中心(over-center)闩锁、一个或多个螺纹连接器、一个或多个凸轮单元等。
现在参考图18，简化的歧管示意图示出替代歧管602的流体供应和控制部件。如上文总体上所述，歧管602具有以阵列堆叠的多个模块化歧管单元或阀组件板604i、604ii……。阀板的叠堆夹在前端盖606与后端盖608之间，并且在使用期间，(多个)多管腔管道芯的近侧部分延伸穿过前盖和阀板中的孔口，以使得所述芯的近端与后盖相邻或位于其中，其中孔口限定多管腔芯接收器。叠堆中的歧管单元或模块的数量足以包括用于(多个)多管腔芯中每一个的每个管腔的板模块。例如，在可铰接结构具有3个多管腔芯轴并且每个轴具有6个管腔的情况下，歧管组件可以包括6个板的叠堆。每个板任选地包括充胀阀和泄放阀，用于控制每个多管腔轴的管腔(以及与所述管腔连通的囊)中的一个中的压力。在3多管腔轴/6管腔的每个示例中，每个板可以包括3个充胀阀(一个用于每个轴的特定管腔)和3个泄放阀(一个用于每个轴的同一管腔)。如参照图18的接收器1所示的多管腔轴可以理解的，沿着轴的端口之间的间距对应于沿着接收器的流体通道之间的间距。通过将芯轴完全插入多管腔轴接收器中，可以将板通道位置与芯、并且与从多管腔芯的外表面径向钻出的端口轴向地配准。处理器可以将沿着接收器的阀的轴向位置与沿着芯轴的端口的轴向位置映射，以使得进入芯的特定管腔的端口可以与特定充胀阀和泄放阀的流体通道配准且相关联。可以通过轴向穿过阀单元板的通路来限定一个或多个充胀集管；也可以提供类似的泄放集管(未示出)来监测从铰接设备的管腔系统释放的流体的压力和量。O形环可以布置成与包围集管和接收器的板之间的接口相邻。压力传感器(未示出)可以监测每个板与多管腔接收器之间的接口处的压力。
连同监测和控制所有囊的充胀和泄放，歧管602还可以包括真空监测器系统610，用于验证充胀流体是否从患者体内的铰接系统泄漏。简单的真空泵(诸如具有闩锁等的注射器泵)可以对围绕囊阵列的铰接本体的内部容积或腔室施加真空。替代的真空源可以包括标准操作室真空供应或更复杂的动力真空泵。无论如何，如果真空室的密封降低，铰接结构的腔室中的压力将增加。响应于来自耦合到腔室的压力传感器的信号，截止阀可以自动地停止来自罐的气体流动，关闭所有囊充胀阀，和/或打开所有囊泄放阀。当将在患者体内使用铰接结构并且将利用流体(所述流体可以首先采取液体的形式，但是可以汽化成气体)使囊充胀时，这种真空系统可以提供有价值的安全优点。多管腔芯轴的管腔可以用于经由近侧接口的端口和歧管组件的相关联通道将歧管的压力传感器耦合到铰接结构的真空室，其中真空管腔任选地包括多管腔轴的中心管腔以及位于多管腔轴的近端上或附近的真空端口。
现在参考图18A-18C，示例性的替代模块化歧管组件556具有在板模块558的叠堆内部的流体供应和泄放排放通道。板模块558堆叠在前端盖与后端盖之间，其中前端盖位于远端并且具有用于接收每个多管腔轴的通路或孔口，并且后端位于近端并且具有用于接收N2O的罐560的插口。如图18B中最清楚地看到的，每个板模块558包括使用多个板层562a、562b、562c……形成的板562。虽然这里示出的板层跨叠堆延伸，但是其他层可以沿着叠堆轴向地堆叠。无论如何，每个板562具有相反的近侧主表面562i和远侧主表面562ii。一系列通路在主表面之间延伸穿过板，包括一个或多个充胀流体通路564、一个或多个接收器通路566以及一个或多个泄放流体通路568。当板和端盖组装在歧管组件556内时，这些通路组合来形成一个或多个充胀集管564’、一个或多个接收器566’以及一个或多个泄放集管568’，其中每个通路提供用作组装结构的一部分的表面。通道570在集管564、568和接收器之间、在板562内延伸，其中充胀阀沿着充胀集管564与接收器566之间的通道布置，并且泄放阀沿着接收器与泄放集管568之间的通道布置。应当注意，图18A-18C的歧管组件包括用作充胀阀和泄放阀两者的多盘管三通阀572，其中两个三管腔阀用于两个多管腔芯轴。
现在参考图图18C和图18D，可以理解歧管组件的另外的任选部件。这些部件中的一个、一些或全部的功能可以包括在本文描述的任何歧管组件实施例中。这里的后端盖574包括沿着将充胀流体罐560与充胀集管564耦合的通道布置的系统流体供给阀576。应当注意，端盖可以包括一个或多个十字接头，以允许用于不同多管腔芯轴的单独的充胀或排放集管。系统供应阀可以停止或允许去往歧管和铰接结构的其余部件的所有流体流动。在一些实施例中，来自罐560的流体用于对供应充压室进行加压，其中压力传感器和系统供应阀用于控制供应充压室压力。如果期望使用诸如盐水等的非挥发性囊充胀液体，和/或如果期望防止囊的充胀超过罐560的压力以下的压力，那么这可能是有益的。然而，将充胀流体直接从罐560传输到模块化板的充胀阀可能存在以下优点：包括当使用全罐压力传输液体或液体/气体混合物时，增强的充胀流体流过歧管和铰接结构的小通道，以及可以通过罐内液体的汽化提供相对恒定的压力。为了使罐内的气体/液态充胀流体压力更加稳定，可以将电阻加热器与罐的外表面热耦合，以补偿其中发生的汽化焓。
仍然参考图18C和图18D，在一个、一些或所有排放通道之间(通常位于一个或多个排放集管568之间)与去往大气的排放端口580之间具有排放充压室578可能具有更重要的优点。与排放充压室578耦合的压力传感器或流量传感器可以用于监测排放流体流量。在一些实施例中，耦合到排放充压室578的压力传感器以及沿着将排放充压室耦合到排放端口580的通道的排放阀可以用作背压控制系统，以便帮助控制排放流量，从而(经由泄放阀)向多个囊提供均匀的压力或者和/或校准板模块的各个压力传感器。手动释放阀任选地可以包括在充胀集管和泄放集管与周围环境之间，以允许在阀等出现故障的情况下将系统完全减压。
现在参考图18E，简化的压力控制示意图将压力控制系统的一些部件示出为用于控制单个板模块的单个通道中的压力(以及经由密封成与通道处于流体连通的多管腔轴的端口与通道耦合的一个或多个相关联囊中的压力。所有通道的压力控制可以由系统控制器582来维持，其中期望的压力典型地由控制器响应于用户经由用户界面584输入的移动或刚度命令来确定。根据感测压力(如使用压力传感器586所确定的)与所述通道的期望压力之间的差值来确定特定通道的压力差或误差信号。响应于误差信号，控制器582将命令发送到充胀阀588和/或泄放阀589，以便升高或降低通道中的压力。虽然相同的流体向和从囊流动，但是在来自罐的穿过充胀阀588的流动(其可以包括液体，通常主要是液体或甚至基本上全部是液体)与来自囊的穿过泄放阀589的流动(其可以包括气体，通常主要是气体或甚至基本上全部是气体)之间可能存在显著的差异。为了提供准确的充胀和泄放流量控制，在充胀阀与接收器之间包括充胀孔(理想地以便抑制充胀阀之前的汽化)和/或在接收器与泄放集管568之间包括泄放孔可能是有利的。此类孔可以促进准确的流量控制，尽管使用类似的阀结构用作充胀阀588和泄放阀589。然而，充胀阀与泄放阀之间可能存在有益的差异，包括使用常闭阀充胀和常开阀泄放(因此如果发生动力故障，囊将会泄放)。此外，充胀阀588可以具有较小的喉部和/或快速响应，以便可控地传输小体积的液体(任选地50nl或更少、通常为25nl或更少、并且优选地15nl或更少、并且理想地10nl或更少，以提供期望的小的移动增量)；而泄放阀589将允许至少0.1scc/s、优选至少0.5scc/s或甚至1scc/s或更多的气体流量(以提供期望的快速铰接响应)。因此，在一些实施例中，这两个阀的喉部尺寸可以是不同的。应当注意，在一些实施例(具体地在罐与充胀阀之间具有压力受控的充压室的实施例，或具有非低温加压流体源的实施例)中，向和从囊流动的流体可能更类似，例如，其中液体向和从囊流动、气体向和从囊流动等。
参考图18F和图18G，可能期望使用具有许多不同类型的可铰接结构、例如包括不同尺寸和/或形状的多管腔轴的导管的歧管组件(或其部件)。为此，包括用于将可铰接结构的多管腔芯轴592(或其他管腔容纳基底)与歧管组件556的接收器566耦合的接口本体590可能是有益的。接口本体590具有近端和远端，以及在它们之间延伸的轴向管腔。轴向管腔在近侧接收多管腔轴，并且所述轴可以完全延伸穿过接口本体(以使得轴的端口与板模块的通道之间的配准依赖于轴与后盖的表面的接合，如图18G所示，接收器包括盲孔)，或者所述轴的近端可以接合在接口本体中的管腔的底部(以使得接口本体与接收器配准，并且管腔与接口本体配准)。快速断开配件592靠近接口本体的远端。接口本体590包括一组相对刚性的环状结构或环594(任选地包括金属或相对高硬度的聚合物)，其与弹性体密封材料596交错(任选地包覆模制在环等上)。压痕任选地在每个环的中间围绕内表面和外表面周向延伸，并且一个或多个气体通路在环的内表面与环的外表面之间、任选地在压痕之间径向地延伸。环的轴向末端上可以包括特征，以便抑制本体分离成轴向区段。
仍然参考图18F和图18G，歧管的接收器任选地可以包括延伸穿过叠堆的所有阀板的平滑盲孔。阀板可以具有在板/板边框之间延伸进入和离开接收器的流体通道。歧管的特征通常将有利于耦合，这里是从歧管围绕接收器的开口朝远侧延伸的短的螺纹管。所述特征与快速断开配件592配合，所述快速断开配件被示出为用于将接口本体和多管腔轴附连到歧管的翼形螺母。为了将导管连接到歧管，用户将多管腔轴插入接口本体中，将它们一起滑入歧管的接收器中，直到轴的近端撞到接收器的底部(或者直到接口本体接合配准特征)。用户可以接合使连接器轴轴向压缩的螺纹并将所述螺纹拧紧，从而使得弹性体密封材料596向内凸出(以便围绕多管腔轴进行密封)并向外凸出(以便围绕接口本体进行密封)，从而将接收器分成轴向的一系列密封区，每个板一个密封区。可以针对不同的轴尺寸和形状制造具有不同内径和/或不同内截面的不同接口本体。单个螺纹、紧固件或闩锁任选地可以施加轴向压力以便围绕多个多管腔轴进行密封，或者可以包括用于每个轴的单独的快速断开配件。
现在参考图19，另一替代的歧管结构620包括阀单元板622的叠堆，其中每个阀单元形成为具有三个层624、626、628。所有层均包括轴向通路，并且这些通路沿着插入的多管腔芯轴的轴线对准以便限定多管腔接收器、充胀集管、泄放集管等。第一层624包括包含离散的微机电系统(MEMS)阀的阀接收器，其可以使用以粘合剂粘结到所述层的背面的柔性电路(未示出)电耦合到处理器和/或安装到板层，其中柔性电路任选地具有安装或形成在其上的O形环以便在相邻的阀单元板之间进行密封。第二阀层626可以具有通过通道耦合的通孔，以便在阀端口、集管和多管腔接收器之间提供流动，并且可以密封地粘结在第三板层628与第一板层624之间(任选地利用围绕阀端口结合阀的O形环。合适的MEMS阀可以从德克萨斯州的DunAn Microstaq公司、瑞典的NanoSpace公司、加利福尼亚州的慕格公司或其他公司商购获得。对于每个芯具有12个管腔的两个或三个多管腔芯系统(并且因此包括36个可单独控制的管腔通道，并且具有用于每个管腔的充胀阀和泄放阀，总计至少64个阀)，已组装的模块化阀单元叠堆的尺寸可以小于21/2”X 21/2”X 2”，充胀阀和用于每个管腔的泄放阀，总共至少64个阀)。板层624、626、628可以包含聚合物(具体地适合在低温下使用的聚合物(诸如PTFE、FEP、PCTFE等)、金属(诸如铝、不锈钢、黄铜、合金、无定形金属合金诸如LiquidmetalTM合金等)、玻璃、半导体材料等，并且可以进行机械加工或激光加工、3D印刷或使用立体光刻图案化，但是优选地将被模制。任选的MEMS阀系统可以将阀结构整合到通道板结构中，从而进一步减少尺寸和重量。
参考图19A和图19B，可以理解能够包括在MEMS歧管620的板层结构中的附加特征。为简单起见，这里显示的许多通道、通路和特征用于与单个多管腔轴对接；可以包括附加特征用于附加的轴。由于对流体通道的控制可以受益于与每个板模块的通道耦合的压力传感器，用于MEMS压力传感器625的孔口包括在第一板624中，其中相关联的通道627(在接收器与压力传感器的压力感测区域之间延伸)被包括在第二板626中。合适的压力传感器可以从Merit传感器系统公司和许多替代的供应商处商购获得。由于压力传感器和阀可以具有不同的厚度，将第一层624分成两个层(有其中用于较厚部件的孔口布置在两者中，并且用于较薄部件的孔口布置成仅穿过一个层)可能是有益的。由于压力传感器可以受益于外部参考压力，因此可以在从传感器上的参考压力位置延伸到外部端口的第三板628中形成释放通道。如参照图19B可以理解的，这些层组合来形成板结构562”，其中每个板具有相反的近侧主表面和远侧主表面。所述板(以及支撑在其上以组成板模块的部件)可以堆叠以形成模块化歧管阵列。
上文描述的许多柔性铰接设备依赖于一个或多个囊的充胀以便将结构从第一静止状态铰接到第二状态，在所述第二状态下，柔性结构的骨架是弹性负载的(resilientlystressed)。通过使囊泄放，骨架可以将柔性结构驱使回原始的静止状态。这种简单的系统对于许多应用可能具有优点。然而，以下替代的系统可能存在优点：其中第一致动器或第一组致动器将柔性结构从第一状态(例如，笔直构型)驱使到第二状态(例如，弯曲或伸长构型)，并且其中第二致动器或一组致动器安装成与第一组相对，使得第二致动器或第二组致动器能够主动地且可控地将柔性结构从第二状态驱使回到第一状态。为此，下文描述的示例性系统通常使用第一组囊来使结构骨架局部地轴向伸长，并且使用安装到骨架的第二组囊来使结构骨架局部地轴向收缩。应当注意，当囊都未充胀时，此类相反的囊系统的骨架可能具有非常小的侧向或轴向刚度(在它们的运动范围内)。
现在参考图20A和图20B，示出了处于轴向伸展构型(图19中)和轴向收缩构型(图20中)的简化的示例性C形通道结构骨架630(或骨架的部分或截面)。C形框架骨架630包括在近端634与远端636之间延伸的轴向的一系列C形通道构件或框架632，其中每个刚性C形通道包括轴向壁638、近侧凸缘640和远侧凸缘642(统称为凸缘640)。壁644、646的相反的主表面侧向地取向，并且凸缘648、650的相反的主表面轴向地(并且更具体地，分别朝向远侧和近侧取向。C形通道在取向上交替，以使得框架通过凸缘互锁。因此，轴向相邻的框架重叠，其中两个相邻框架的近侧表面650和远侧表面648限定了重叠偏移量652。凸缘还限定附加的偏移量654，其中这些偏移是在相邻的类似取向的框架的凸缘之间测量的。
在图19和图20的示意图中，在每个C形框架632的通道中布置三个囊。尽管囊本身在结构上可以(或可以不)相似，但是囊具有两种不同的功能类型：伸展囊660和收缩囊662。两种类型的囊轴向地布置在刚好位于囊远侧的凸缘的朝近侧取向的表面与刚好位于囊近侧的凸缘的朝远侧取向的表面之间。然而，收缩囊662也侧向地夹在第一相邻C形通道632的第一壁638与第二相邻通道的第二壁之间。相比之下，伸展囊660在一个侧面上仅具有单个壁；伸展囊660的相反侧面未被框架覆盖(尽管它们典型地将布置在总体导管系统的柔性护套或其他部件内)。
图19的细长构型中的C形框架骨架630与图20的较短构型中的骨架的比较示出囊的选择性充胀和泄放可以如何用于引起轴向伸展和收缩。应当注意，在这些示意图中，C形框架632被示出为彼此侧向相反的。在图19中，伸展囊660正在完全充胀，从而将相邻的凸缘表面推开，以增加相关联框架之间的轴向间隔。由于两个收缩囊662布置在具有单个伸展囊的每个C形通道中，并且由于通道的尺寸将不会显著增加，通常将允许收缩囊至少在一定程度上随着伸展囊的膨胀而泄放。因此，将驱使偏移量654扩大，并且将允许收缩偏移量652减小。相比之下，当骨架630被驱动朝向图20的轴向收缩构型时，收缩囊662被充胀，从而将重叠框架的凸缘轴向地推开以迫使收缩重叠量652增加，并且将局部骨架结构轴向地拉动成更短的构型。为了允许两个收缩囊662在特定的C形通道内膨胀，可以允许膨胀囊660泄放。
虽然处于收缩构型的C形框架骨架630与处于伸展构型的C形框架骨架之间的总体差异是显著的(并且此类骨架可以找到有利的用途)，但是值得注意的是，与本文描述的其他伸展/收缩框架安排相比，单个C形通道中存在一个伸展囊和两个收缩囊可能存在缺点。具体地，在一个通道中使用三个囊可能限制一些囊能够施加的相关偏移的总行程或轴向变化。即使在三囊宽的C形通道中使用类似的囊/芯组件作为伸展囊和收缩囊，两个收缩囊也只能用于单个伸展囊的大约一半的行程，因为通道中的单个伸展行程不能容纳两个完整的收缩行程。此外，限制单个铰接区段中使用的囊/芯组件的数量具有优点。
应当注意，无论选择哪种伸展/收缩骨架构型，当囊的特定子集充胀和泄放时引起的骨架长度轴向变化通常将是局部的，任选地轴向局部的(例如，以便在不改变其他轴向区段的长度的情况下改变沿着期望铰接区段的长度)以及(在框架侧向地和/或周向地延伸的情况下)侧向局部的(例如，以便通过在不改变骨架的其他侧面的轴向长度的情况下使骨架的一个侧面延伸来施加侧向弯曲)。还应当注意，使用相反的囊通常将涉及协调地使相反囊充胀和泄放以便提供骨架长度的最大变化。然而，这种安排的显著优点在于，独立地控制定位在凸缘任一侧上的囊上的压力(以便限制所述凸缘的轴向位置)的能力允许调节骨架的形状和位置或姿势。如果两个囊均在相当低的压力下(例如，在低于完全充胀压力的10％下)均匀地充胀，那么凸缘可以被驱使到囊之间的中间位置，但是可以在轻的环境力下通过压缩囊中的气体而模仿低弹力系统弹性地移动。如果两个囊均匀地充胀但是在较高的压力下，那么骨架可以具有相同的标称或静止姿态，但是可以以较大的刚度来抵抗所述标称姿态的变形。
在图21A和图21B中分别示意性地示出处于收缩构型和伸展构型的替代的S形通道骨架670，所述S形通道骨架可以具有改进的行程效率(给出可用囊行程的轴向骨架长度的更大百分比变化)，并且具有比骨架632更少的部件。S形骨架670具有上文关于C形框架骨架630所描述的许多部件和相互作用，但是这里是由结构性S形通道构件或框架672形成。每个S形通道框架672具有两个壁644和三个凸缘640，所述框架的近侧壁具有与所述框架的远侧壁的近侧凸缘成一体的远侧凸缘。轴向相邻的S形通道同样是互锁的，并且在所述实施例中，S形通道框架的每一侧具有接收一个伸展囊660和一个收缩囊662的通道。这允许所有伸展囊和所有收缩囊充分利用共同的行程。此外，虽然针对每个收缩囊具有两个伸展囊，但是任选地可以省略每隔一个伸展囊，而不会改变基本的伸展/收缩功能(尽管可用于伸展的力可能减少)。换句话说，如果省略了标有X的伸展囊660’，骨架可以在整个相同的标称运动范围内保持完全受约束。因此，针对特定的铰接区段，S形通道框架672任选地可以使用三组或仅两组相反的囊。
现在参考图22A，修改的C形框架骨架680具有共享C形框架骨架630和S形框架骨架670的各方面的部件，并且在至少一些实施例中可以提供优于两者的优点。修改的C形骨架680具有两个不同的大致C形框架或构件：C形框架682和缓冲器C形框架684。C形框架682和缓冲器框架64都具有由壁644和凸缘648限定的通道，所述通道具有一定的轴向宽度以容纳两个囊组件，类似于S形框架672的通道。缓冲器框架684还具有从一个凸缘轴向地延伸到通道中的突出部或凸块686。这些不同框架形状的相邻轴向表面在凸块686处彼此接合，从而允许框架相对于彼此枢转，并且有利于总体骨架的轴向弯曲，具体地在使用螺旋框架构件时。
现在参考图22B和图22C，可以理解图20A-22A的示意性伸展/缩回框架图解与第一示例性的三维骨架几何形状之间的关系。为了从图22B的示意性修改的C形框架骨架680形成轴对称的环形框架骨架结构690，框架构件682、684的几何形状可以围绕轴线688旋转，从而导致环状或环形框架692、694。这些环形框架保持了上文描述的壁和凸缘几何形状，但是现在环状壁和凸缘是互锁的。环状C形框架682、684在示意性框架680中面向不同的方向，以使得外C形框架环692具有外壁(有时被称为外环形框架692)和径向向内开放的通道，而缓冲器C形框架环694具有径向向外开放的通道和内壁(以使得所述框架有时被称为内环形框架694)。环形凸块696保持在内环形框架694上，但可替代地，可以形成在外环形框架的相邻表面上(或者使用两者上的相应特征)。应当注意，由于变形可能涉及引起相邻凸缘面的不同角度的扭转，在框架由于弯曲而变形(例如，框架由于下文描述的螺旋框架结构的铰接而变形)的情况下，凸块696可以增加更多的价值。因此，在一些实现方式中，非变形的环形框架结构任选地可以省略所述凸块。
现在参考图22C-22F，如上所述，大量地执行环形框架骨架690的区段的均匀的轴向伸展和收缩。为了围绕环形框架的轴线均匀地推动，三个囊围绕凸缘之间的轴线均匀地分布(中心的间距是120度)。为简单起见，囊在这里被示出为球形，并且同样被分成伸展囊660和收缩囊662。在图22D的笔直延伸构型中，区段的伸展囊660全部完全充胀，而收缩囊662全部完全泄放。在图22E所示的中间长度构型中，两组囊660、662处于中间充胀构型。在图22F的短构型中，收缩囊662全部完全充胀，而伸展囊660被泄放。应当注意，囊的状态保持轴对称，以使得环形框架骨架690的所有侧面上的长度保持一致，并且骨架的轴线保持笔直。
如参照图22G和图22H可以理解的，可以通过伸展囊和收缩囊的子集的不同侧向充胀来实现环形框架骨架690的轴线的侧向弯曲或偏转。在每对铰接凸缘之间存在围绕轴线分布的三个囊，以使得伸展囊660被分成三组660i、660ii和660iii。类似地，存在三组收缩囊662i、662ii和662iii。每组的囊沿着从轴线相同的侧向取向对准。在一些示例性实施例中，沿着特定区段的每组伸展囊(伸展囊660i、伸展囊660ii和伸展囊660iii)被耦合到相关联的充胀流体通道(例如，用于伸展囊660i的通道i、用于伸展囊660ii的通道ii和用于伸展囊660iii的通道iii，这里未示出通道)。类似地，每组收缩囊662i、662ii和662iii被耦合到相关联的充胀通道(例如，分别为通道iv、v和vi)，以使得每个区段存在总计6个管腔或通道(从而提供三个自由度和三种取向相关的刚度)。其他区段可以具有单独的流体通道以提供单独的自由度，并且替代的区段可以具有少于6个流体通道。无论如何，通过选择性地使第一侧向取向660i的伸展囊泄放并且使相反的收缩囊662i充胀，可以缩短环形框架骨架690的第一侧。通过选择性地使其他取向660ii、660iii的伸展囊充胀，并且通过选择性地使这些其他取向662ii、662iii的收缩囊泄放，环形框架骨架690的侧向相反的部分可以局部地延伸，从而致使骨架的轴线弯曲。通过调节围绕三个相反的伸展/收缩囊取向分布的伸长量和收缩量，可以以三个自由度平滑且持续地移动和控制骨架姿势。
现在参考图23A和图23B，如上文参照图21A和图21B所描述的，虽然可以在所有分离的凸缘之间包括囊以使可用的伸展力等最大化，但是为了紧凑、简单和成本，在系统中放弃运动学上冗余的囊可能是有利的。为此，具有1-对-l相反的伸展囊和收缩囊(660i、660ii和660iii；以及662i、662ii和662iii)的环形框架骨架可以提供与由图22G和图22H的区段所提供的自由度和运动范围相同的自由度和运动范围(包括两个横向X-Y侧向弯曲自由度和轴向Z自由度)，并且还可以控制刚度，任选地在3D空间中的不同取向上以不同的方式调节骨架的刚度。这种区段的总自由度可以适当地被认为是4D(针对刚度而言，X、Y、Z和S)，其中刚度自由度任选地具有3个取向分量(从而提供多达5D或6D。无论如何，6个流体通道可用于控制区段的4个自由度。
如参照图23C-23E和图23H可以理解的，具有包括较大数量的内环形框架692和外环形框架694(以及相关联的较大数量的伸展囊和缩回囊)的环形框架骨架690’的细长柔性本体与具有较少环形框架的那些本体相比，通常将提供更大的运动范围。可以通过囊铰接阵列提供的伸长率或Z轴运动范围可以表示为结构的总长度的百分比，其中较大百分比的伸长率提供更大的运动范围。囊阵列沿着具有环形框架690、690’的区段(或更一般地，本文描述的伸展收缩骨架系统)能够产生的轴向长度的局部变化可以在为骨架总长度的约1％至约45％、典型地约21/2％至约25％、更典型地约5％至约20％、并且在许多情况下约71/2％至约171/2％的范围内。因此，环形框架骨架690’的较长轴向区段长度将在收缩构型(如图23E所示)与伸展构型(如图23C所示)之间提供更大的轴向运动范围，同时仍然允许贯穿一定范围的中间轴向长度状态进行控制(如图23D所示)。
如参照图23A、图23B、图23D和图23H可以理解的，设定囊压力以便使环形框架骨架690’的一侧(具有相对较大数量的环形框架)轴向收缩并且使另一侧轴向延展使得骨架的轴线侧向地弯曲或偏转通过相当大的角度(与具有较少环形框架的环形框架骨架相比)，其中每个框架/框架界面典型地在1至15度的轴向弯曲角度之间，更典型地为约2至约12度，并且通常为约3至约8度。具有环形框架骨架的导管或其他铰接的细长柔性本体可以弯曲，其曲率半径(如在本体的轴线处测量的)为骨架外径的2与20倍之间，更典型地为约2.25至约15倍，并且最经常地为约2.4至约8倍。虽然使用更多的伸展囊660和收缩囊662来提供这种运动范围，但是伸展囊和收缩囊子集(660i、660ii和660iii；以及662i、662ii和662iii)仍然可以各自由单个公共流体供应管腔来供应。例如，在所示的实施例中，6个流体供应通道可以各自用于使16个囊充胀和泄放，其中单个管腔上的囊是沿着一个侧向取向对准的伸展囊660i。
如参照处于图23D的笔直构型、处于图23H的连续弯曲构型以及处于图23F的组合的笔直和弯曲构型的环形框架骨架690’可以理解的，本文描述的细长骨架690’和致动阵列囊结构的示例性实施例可以在功能上分离成多个轴向区段690i、690ii。应当注意，许多或大多数骨架部件(包括一个框架构件或轴向的一系列框架构件等)和致动阵列部件(包括基底和/或芯、一些或全部流体通道、囊外管或护套材料等)以及细长柔性本体的许多其他结构(诸如用于诊断、治疗、感测、导航、阀控制以及其他功能的内护套和外护套、电导体和/或光学管道)可以沿着两个或更多个轴向区段连续地延伸，其中相邻区段之间存在极少或没有差异，并且任选地在相邻区段之间不存在任何功能能力上的分离。例如，具有如图23H所示的两区段环形框架骨架690’系统的铰接本体可以具有轴向连续的一系列内环形框架692和外环形框架694，其跨接头之间的界面延伸，以使得两个区段可以通过沿着与两个单独的区段相关联的流体供应通道引导类似的充胀流体量和压力而与恒定弯曲半径协调地弯曲。如参照图23G可以理解的，除了区段的不同铰接状态之外，任选地可能存在极少或不存在一个区段结束而另一个区段开始的位置的指示。
尽管具有许多共享的部件(以及非常简单且相对连续的总体结构)，但是在功能上将细长骨架分离成多个区段为总体铰接系统提供了极大的灵活性和适应性。可以通过对两个(或更多个)区段690i、690ii的相反的囊660、662适当地施加不同的压力，任选地可以提供类似的弯曲半径以及不同的刚度。此外，如参照图23F可以理解的，可以通过向相反的收缩/伸展囊组660i、660ii、660iii、662i、662ii、662iii施加不同的充胀流体供应压力来提供两个(或更多个)不同的期望弯曲半径、和/或两个不同的侧向弯曲取向和/或两个不同的轴向区段长度。应当注意，单区段和双区段系统的工作空间可以重叠，以使得两种类型的系统能够将末端执行器或工具放置在3D空间中的期望位置(或甚至在整个期望的位置范围内)，但是多区段系统通常将能够实现另外的自由度，诸如允许末端执行器或工具在6D空间中以一个或多个旋转自由度取向。如图23J所示，具有多于两个区段的铰接系统提供了更多的灵活性，其中环形框架骨架690’的所述实施例具有4个功能区段690a、690b、690c和690d。应当注意，针对期望的工作空间，还可以使用其他的设计替代方案来增加系统的功能和成本/复杂性，诸如具有不同长度的区段(诸如提供由具有690b、690c和690d的组合长度的较长区段支撑的相对短的远侧区段690a。虽然已经参照平面构型的区段示出和描述的许多多区段实施例，其中，所有区段位于单个平面中并且是笔直的或处于完全弯曲的构型，但是还应当完全理解，多个区段690i、690ii等可以沿着不同的平面弯曲并且具有不同的弯曲半径、不同的轴向伸长状态和/或不同的刚度状态，如参照图23I可以理解的。
具有如上文参照图22C-23I描述的环形框架骨架的导管和其他细长柔性铰接结构在灵活性和简单性方面提供了优于已知铰接系统的巨大优点，具体地用于提供大量的自由度并且当与本文描述的任一流体供应系统耦合时。合适的环形框架可以由聚合物(诸如尼龙、聚氨酯、PEBAX、PEEK、HDPE、UHDPE等)或金属(诸如铝、不锈钢、黄铜、银、合金等)形成，任选地使用3D印刷、注射成型、激光焊接、粘合剂粘结等。可以首先制造铰接囊基底结构，并且将球状阵列与如上所述呈平面构型的基底组装在一起，然后将阵列与骨架组装在一起和/或安装在骨架上，任选地用粘合剂将基底粘结到内环的径向内表面和/或外环的径向外表面，并且将基底的螺旋或蛇形轴向部段桥接在环形框架之间。虽然本文将与环形框架实施例相关联的伸展囊660和缩回囊662示出为球形，但是使用周向细长(并且任选地弯曲的)囊可以增加囊/骨架界面的面积，并且从而增强轴向收缩和伸展力。还可以对一般的环形框架骨架安排和相关联的囊阵列进行各种各样的修改。例如，不是将囊周向分成三个侧向取向，替代实施例可以具有四个侧向取向(+X、-X、+Y和-Y)，以使得四组收缩囊与四组伸展囊相反地安装到框架。无论如何，虽然环形框架骨架具有许多能力和灵活性，并且在几何上是相对简单的，以使得它们的功能相对容易理解，但是具有螺旋骨架构件(如下所述)的替代的伸展/收缩铰接系统可能更容易地制造，和/或更容易与铰接囊阵列部件组装在一起，具体地当使用有利的螺旋多管腔芯基底和上述连续的囊管结构时。
首先查看示例性螺旋框架收缩/伸展铰接系统的部件，图24A-24E示出致动囊阵列组件以及它们在螺旋囊组件中的用途。图24F和图24G示出示例性的外螺旋框架构件和内螺旋框架构件。在查看了这些部件之后，可以参照图25和图26来理解示例性螺旋收缩/伸展铰接系统(本文有时被称为螺旋推/拉系统)的结构和用途。
现在参考图24A和图24B，示例性多管腔管道或囊组件芯轴具有与上文参照图14和图15所描述的芯的结构类似的结构。芯702具有近端704和远端706，以及在它们之间延伸的多管腔本体708。多个管腔710a、710b、710c……在近端与远端之间延伸。单个芯702中包括的管腔数量可以在3与30之间变化，其中示例性实施例具有3个管腔、7个管腔(其中一个是中心管腔)、10个管腔(包括1个中心管腔)、13个管腔(包括1个中心管腔)、17个管腔(一个是中心管腔)等。多管腔芯通常将是圆形的，但是可替代地，可以具有如上所述的椭圆形或其他细长截面。当为圆形时，芯702可以具有在约.010”至约1”的范围内、更典型地在约0.020”至约0.250”的范围内，并且理想地在约0.025”至约0.100”的范围内的直径712，以便在导管中使用。每个管腔典型地将具有在约0.0005”至约0.05”的范围内的直径714，更优选地具有在约.001”至约0.020”的范围内的直径，并且理想地具有在约0.0015”至约0.010”的范围内的直径。芯轴典型地将包括挤出的聚合物，诸如尼龙、聚氨酯、PEBAX、PEEK、PET、上文标识出的其他聚合物等，并且挤出通常将提供围绕每个管腔的超过约0.0015”、通常为约0.003”或更大的壁厚度。示出的示例性挤出芯具有约.0276””的OD，并且7个管腔中的每个管腔为约.004”，其中每个管腔由至少.004”的挤压尼龙芯材料包围。
仍然参考图24A和图24B，芯702的管腔可以具有径向囊/管腔端口716a、716b、716c……，其中每个端口包括穿过芯702的壁并且分别进入相关联的管腔710a、710b、710c……形成的一个或多个孔洞。这些端口在这里被示为一组5个孔洞，但是可以使用1个或更多个孔洞形成，其中这些孔洞典型地是圆形的，但是任选地是轴向细长和/或成型的，以便减小穿过其中的流体流动的压降。在其他实施例中(并且具体地具有由单个管腔供应充胀流体的多个囊的那些实施例)，在管腔与囊之间具有显著压降可能帮助使囊的充胀状态变均匀，以使得每个端口的总截面任选地可以小于管腔的截面(和/或通过将端口限制到一个或两个圆形管腔)。典型的端口可以使用1至10个孔洞形成，所述孔洞的直径在相关联管腔的直径的10％与所述管腔的直径的150％之间、通常为25％至100％，并且在许多情况下具有在0.001”与0.050”之间的直径。在端口中包括多于一个孔洞的情况下，它们通常在比囊的长度短的跨度内被分组在一起，因为每个端口将被包含在相关联囊中。端口之间的间距将对应于囊之间的间距，以便有利于从轴向相邻的囊来密封每个囊。
关于向哪些端口开放哪些管腔，沿着芯轴的远侧部分的端口通常将形成组，每一组被配置用于向和从相关联的一组囊提供流体流动，所述一组囊针对铰接柔性本体的特定铰接区段将沿着芯的环分布(当芯弯曲成螺旋形构型时)。当芯中管腔的数量足够时，针对铰接设备的不同区段通常将存在单独的端口组。每一组的端口通常沿着多管腔芯702的轴线形成周期性图案，以使得这些端口提供到M个不同管腔(M是待围绕铰接设备轴线分布的不同囊取向的数量，通常为3或4，即管腔710a、管腔710b和管腔710c)中的流体连通，并且所述图案重复N次(N通常是沿着片段的每个取向的收缩囊的数量)。因此，多管腔芯管道可以用作支撑囊并且限定上述囊阵列位置和相关联流体供应网络的基底。可以为收缩囊和膨胀囊提供单独的多管腔芯702和相关联的囊阵列。
作为一个示例，可能期望端口图案包括用于导管的特定区段的3X5收缩囊阵列。当所述区段具有三个侧向囊取向(M＝3)和沿着每个侧向取向对准的5个收缩囊(N＝5)时，所述组端口可能是合适的。在所述示例中，所述一组中的最远端口716a可以通过芯的外表面形成为第一管腔710a，下一个近侧口716b形成为管腔710b，下一个端口716c形成为管腔710c，以使得第一批3(M)个囊限定一个“a、b、c”图案，它将通入最终将位于所述一组的最远侧螺旋环上的三个囊。对于螺旋盘管的5个环，相同的图案可以重复5次(例如：a、b、c、a、b、c、a、b、c、a、b、c、a、b、c)，所述螺旋盘管将支撑去往流体供应系统的区段的所有15个收缩囊，以使得沿着所述区段的每个取向的5个收缩囊与公共供应管腔处于流体连通。在区段将包括与收缩囊1对1相反地安装的膨胀囊的情况下，单独的多管腔芯和相关联的囊可以具有类似的端口组；在所述区段将包括与每个收缩囊相反地安装的2个膨胀囊的情况下，并且可以布置两个单独的多管腔芯，每个多管腔芯具有类似的端口组。
如果相同的多管腔芯将流体供应到另一独立区段(并且支撑另一独立区段的囊)，那么另一组端口可以被布置成与第一图案轴向相邻，其中，第二组的端口形成为M’X N’图案，针对任何另外的区段，所述第二组的端口通入螺旋盘管的不同管腔(例如，在M’＝3和N’＝5的情况下：d、e、f、d、e、f、d、e、f、d、e、f、d、e、f)等。应当注意，对于使用单个芯的不同区段，周向囊取向(M)的数量通常将是相同的，但在一些情况下可以是不同的。当M在同一个芯的不同区段之间不同时，端口(以及安装到芯的相关联囊)之间的间距也可能发生变化。对于同一个螺旋芯的不同区段，轴向对准的收缩囊的数量也可以是不同的，但是通常将是相同的。还应当注意，对于特定多管腔芯上的特定区段，所有囊(和相关联的流体管腔)典型地将是仅伸展囊或仅收缩囊(因为伸展囊和收缩囊阵列布置在至少部分地由下述优选的螺旋框架结构分开的螺旋空间中)。可以将单个简单的端口图案布置在芯轴702的近端附近，以便使每个管腔与歧管的相关联阀板对接，这里的端口被设定大小以便最小化与阀板厚度对应的压降和端口到端口间距。无论如何，所示出的示例性芯具有使用5个孔洞的组(每个孔洞具有.006”的直径，所述组内的中心线间距为.012”)形成的远侧端口，其中这些组轴向地分开约0.103”。
仍然参考图24A和图24B，用于形成适合于铰接的两个远侧区段(每个区段具有3X4囊阵列)的端口的示例性激光钻孔图案可以以表格的形式概述如表1所示：
表1
θ1、θ2和θ3在这里指示三个侧向弯曲取向，并且指示为M＝3，一旦囊/轴组件被盘绕，囊典型地将具有分开约120度的中心线。因此，沿着笔直轴(在盘绕之前)的端口之间的中心线间距典型地将对应于最终铰接结构的具有约120度弧角的螺旋区段长度，两者都在区段的特定N子集内和相邻的N个子集之间。然而，每个周向子集沿着侧向弯曲轴线的对准并不一定意味着相邻囊精确地以120度分开，或者当区段处于所有构型时，一个子集的N个囊精确地平行于所述轴线对准。例如，螺旋芯可能存在一定的与轴向伸长相关联的退绕，并且可能有益的是，使囊沿着特定的弯曲取向围绕轴线稍微周向延伸(当从侧向弯曲子集的囊到囊延伸时)，以使得侧向弯曲在更多的区段状态中更接近于更平坦。囊之间的间隔在不同区段之间可以保持一致，或者可以稍微更长以适应囊/轴组件到框架以及内护套和外护套的附连。用于近端的钻孔图案式可以稍微更简单，因为可以钻出单个端口来在每个管腔与歧管组件的相关联阀板模块之间提供流体连通，如表2所示：
表2
应当注意，所述表格数据提供了板的阀与铰接囊的子集以及因此系统的运动学之间的相关性。因此，当铰接结构与歧管优选地在以插即用的方式耦合时，系统处理器通常将能够访问所述数据或相关数据。类似的(尽管可能不同)钻孔图案可以使其他多管腔芯的钻孔图案与阀和运动学相关。
现在参考图24C和图24D，柔性囊壁材料718的连续管可以通过周期性地改变管壁材料的直径而形成，以形成由较小的轮廓密封区722分开的一系列囊形状720。囊管718可以包括约9至约290个规则间隔的囊形状720，其中密封区典型地具有大约等于上述多管腔螺旋芯轴702的外径的内径。在一些实施例中，当形成囊管时，密封区的内径可显著大于相关联芯的外径，并且在组装囊管和芯轴之前或期间，密封区的直径可以减小(诸如通过热回缩或轴向拉伸成形)。密封区可以具有在约0.025”与约0.500”之间、通常在约0.050”和约0.250”之间的长度。减小密封区域的长度允许针对给定的导管尺寸增加囊的长度，以便提供更大的囊/框架接合界面(以及因此更大的铰接力)，而较长的密封区域可以促进囊之间的组装和密封以避免铰接通道之间的串扰。
仍然参考图24C和图24D，囊管718的囊形状720的直径可以比密封区的直径大了约10％至约200％，更典型地大了约20％至约120％范围内的量，并且通常为约40％至约75％。囊管718的厚度通常将随着管的变化的局部直径而轴向地改变，形成囊形状的局部较大的直径部分任选地在约0.00008’(或约2微米)至约0.005”、典型地约0.00.1”与约0.003”的范围内。囊管718可以最初形成为具有恒定的直径和厚度，并且所述直径可以局部地扩展(通过吹塑成形、通过真空成形、通过吹塑成形和真空成形两者的组合，或者通过以其他方式沿着囊形状720处理管材料)，和/或囊管的直径可以局部减小(通过热回缩、通过轴向拉伸成形、通过热回缩和拉伸成形两者的组合，或者通过以其他方式沿着密封区处理管材料)，其中通常处理管材料以便沿着期望的囊形状使直径局部地扩展并且沿着密封区使直径局部地收缩。用于形成囊管的特别有利的技术可以包括使用挤出的聚合物管材波纹机，包括可以从Unicore、Corma、Fraenkische等商购获得的垂直小钻孔波纹机。用于此类管道波纹机的合适的定制模具可以从GlobaiMed、Custom Pipe、Fraenkische等商购获得。更先进的制造技术可以允许使用机器人穿梭瓦楞机和定制模具实现的吹制或真空波纹，具体地当期望沿着连续的管改变囊的大小或间距时。应当注意，当示出单个连续的囊管时，可以将多个囊管(每个具有多个(或在一些情况下，至少一个)囊形状)密封地安装到单个芯上。无论如何，密封区通常将具有大于球形形状的厚度的材料厚度。
如图所示，囊管718的囊形状720在组装之前可以各自具有相对简单的圆柱形中心部段。囊中心部段与密封区之间的锥体可以采取多种形状中的任一种。所述锥体可以是例如大致圆锥形、圆形或方形，并且优选地将相对较短，以便针对给定的着陆区长度允许更大的囊/框架接合。还可以提供更复杂的实施例，包括形成具有弯曲圆柱形中心部段的囊形状，任选地同时使锥体的表面波纹化或起波纹，以使得囊管总体保持相对笔直的。每个中心部段的长度典型地足以围绕期望的囊组件螺旋线的轴线定义5至180度、更典型地约10至约50度的弧角，中心部段的长度通常在约0.010”至约0.400”的范围内、更典型地为约0.020”至约0.150”、并且多次在约0.025”至约0.100”的范围内，以用于医疗应用。在约0.059”的总囊长度(包括锥体)上，示例性囊形状可以具有约0.051”的外径
如参照图24C、图24D、图24E和图24E-1可以理解的，囊管718可以密封地附连到芯702，并且然后芯/囊管组件可以形成为期望的螺旋形状。可以使用粘合剂(诸如上文描述的粘合剂中的任一种，通常包括UV固化的粘合剂)热粘结、激光粘结、芯片粘结等来将囊密封在螺旋芯上。囊的密封也可以受益于布置在囊材料之上的压缩结构，以帮助在囊充胀时维持管/芯接合。合适的压缩结构或技术可以包括回缩到密封区上的热回缩材料(诸如PET)的短部段分、围绕密封区周向包裹并用粘合剂粘结的高强度细丝绕组、锻压类似于密封区之上的标记带的金属环结构、在密封区域之上的小孔卷曲夹具、将囊管热回缩和/或拉形成到芯上等。这些中的任何两种或更多种也可以组合，例如，通过围绕密封区将粘合剂注射到囊管中而将囊管用粘合剂粘结到芯管，将囊管和周围的PET套筒热回缩在密封区之上，然后将金属标记带锻压在密封的PET套筒之上(以使得套筒提供应变消除)。无论如何，端口716将优选地布置在相应的囊形状720内，并且在囊/芯组件730以图24D所示的笔直构型密封在一起之后将保持打开。囊/芯组件从笔直构型到图24E的螺旋形弯曲构型的形状布置可以通过将组件缠绕在心轴周围和/或缠绕在心轴内并且对所包裹的组件进行加热来执行。螺旋通道可以包括在心轴中，其也可以具有离散的囊接收器或特征，以帮助确保囊组沿着期望的侧向囊轴线对准。无论如何，芯/囊组件的形状布置可以帮助设定囊的M个不同的侧向取向，以使得每一组的囊720i、720ii、720iii对准，如图24E-1中所见。如其他地方所指出，由于在轴向伸长等期间盘管组件的几何形状发生一些轻微变化，当铰接结构和/或其部件处于一些构型时、包括在静止时，在相同侧向弯曲取向的囊之间可能存在一些轻微的周向偏移。
参考图24E-2，替代的囊管718’具有通过密封区722耦合在一起的多个预弯曲囊形状720’，以便于将囊/芯组件形成和/或保持为螺旋构型。替代囊管718’的总体构型是笔直的，并且在预弯曲囊形状720'与密封区722之间提供不对称的波纹过渡部分725可能是有益的。波纹过渡部分725可以具有与沿着螺旋线的至少外部径向部分的波纹状吸管类似的形式，并且代替或者除了这里示意性地示出的预弯曲形状，囊形状任选地可以沿着所述外部部分具有波纹形状。囊形状、过渡部分和密封区可以通过在机加工或印刷工具作业中使用医疗囊吹制技术的吹塑模制、通过利用波纹系统的移动工具作业的吹塑模制等来形成。
参考图24E-3，示出了囊管718的密封区722与多管腔芯702的外表面之间的示例性密封的细节。在一些实施例中，囊管718与芯702的粘结711采用粘合剂、热粘结、激光粘结等，并且足以抑制相邻囊之间的流体流动。任选地，径向压缩材料带713可以布置在囊管和芯之上，以帮助在相邻囊中一个或两个被充胀时维持密封接合。合适的带可以包括金属并且可以卷曲或锻压到组件上，其中所述带任选地包括薄的管状标记带状结构(任选地包括不锈钢、银、金、铂等)，所述结构使用标准标记带锻压工具和技术进行锻压。替代的压缩带可以包括诸如尼龙、聚酯、光谱等的聚合物的柔性细丝，并且可以缠绕在囊管和芯上并且用粘合剂粘结。其他的替代压缩带可以包括微压接夹具等。应变消除管715(任选地包括PET等)任选地可以布置在带713与囊管718之间，以抑制沿着带的边缘的损伤，和/或带可以在末端处径向向外张开。优选地，带和任何应变消除管将被压缩到囊上，以使得带和应变消除管的外表面的一些或全部凹入到相邻囊管的附近或甚至下方，类似于标准标记带被卷曲到标准导管管材上的情况。
现在参考图24F和图24G，可以看到对应地示例性的内螺旋C形通道框架732和外螺旋C形通道框架734。内螺旋框架732和外螺旋框架734合并了图22a的修改的C性通道框架680，但是具有由轴向连续的螺旋壁736与凸缘740沿其近侧和远侧螺旋边缘限定的C形通道。螺旋凸缘由相反的囊轴向接合，并且允许囊充胀以类似于上述环形框架的环状凸缘的方式使骨架和导管(或其他可铰接本体)局部地轴向收缩和/或伸展。任选的螺旋凸块742轴向突出到内环形框架734的通道中，以允许框架沿着凸缘/凸缘接合部抵靠彼此枢转，使得所述凸块替代地可以包括在外框架的凸缘上或两者上(或者可以包括轴向夹在两个框架的凸缘之间的单独结构)。替代的实施例可以完全放弃这种枢轴结构。
现在参考图25A-25D，示例性的柔性伸展/收缩螺旋框架铰接结构750(本文有时被称为推/拉螺旋结构)的区段合并了图24A-24G的部件，并且提供了图22B-22I的环状伸展/收缩框架实施例的功能。推/拉结构包括由内螺旋框架732和外螺旋框架734限定的骨架，并且还包括三个囊/芯组件730a、730b和730c。每个囊/芯组件包括一组在三个侧向取向上的囊720i、720ii和720iii。囊/芯组件730b沿着螺旋空间延伸，所述螺旋空间轴向地位于内框架的凸缘与外框架的凸缘之间并且径向地位于内框架的壁与外框架的壁之间，使得框架沿着所述囊/芯组件重叠。因此，当囊/芯组件730的囊720充胀时，它们将相邻的凸缘推开并且增加框架的重叠，从而引起骨架的轴向收缩，使得所述组件的囊充当收缩囊。相比之下，囊/芯组件730a和730c仅与内框架732(在组件730a的情况下)或外框架734(在组件730b的情况下)径向相邻。组件730a、730c的囊720的膨胀将抵靠框架轴向推动以减少框架的重叠，并且与组件730b的囊720的充胀相反地起作用。因此，组件730a、730c的囊720充当伸展囊。
现在参考图25A-25C，当组件730b的所有收缩囊720被充胀并且组件730a、730c的所有伸展囊被泄放时，推/拉结构750处于如图25A所示。伸展囊的均匀部分充胀以及收缩囊的均匀部分泄放将推/拉结构750铰接到笔直的中间长度构型，并且组件730a、730c的所有伸展囊的完全充胀(以及收缩囊的泄放)使所述结构完全轴向地伸长。与环形推/拉框架一样，使沿着组件730b的一个侧向取向的收缩囊720ii充胀(伴随着组件730a、730b的伸展囊720ii的相应泄放)局部地减小了骨架沿着所述侧的轴向长度，而组件730b的收缩囊720i的选择性泄放(伴随着组件730a和730c的伸展囊720i的相应充胀)局部地增加了骨架的长度，从而导致图25E的完全侧向弯曲构型。应当注意，沿着720iii取向的伸展和收缩囊可以与取向720ii的伸展和收缩取向囊一起充胀和泄放，以便保持如所示出的附图平面中的曲率。如上文关于环形框架实施例所描述的，结构的刚度可以均匀地或局部地进行调制(具有轴向和/或取向变化)。类似地，可以确定沿着每个取向的伸展和收缩囊的数量(所述数量通常与组件730a、730b等的环的数量相关联)，以提供期望的运动范围、分辨率和响应。如参照推/拉环形框架实施例所描述的，结构的总体铰接部分通常将被分成多个独立可控的区段。
现在参考图25F，推/拉结构750通常将包括外柔性护套752和内柔性护套754。护套752、754可以在远侧密封件756处、在组件730的充胀管腔和囊的远侧密封在一起，并且一个或多个近侧密封件(未示出)可以布置在囊的近侧和/导管结构的近端附近，以便提供围绕铰接囊的密封体积。可以对所述密封体积施加真空，并且可以监测真空，以验证患者体内的囊或充胀管腔系统中是否存在泄漏。
现在参考图26A和图26B，替代的推/拉结构省略了两个伸展囊组件730a、730c中的一个，并且使用如上文参照图23A和图23B所述的1对1的伸展/收缩囊对置安排。应当注意，所述实施例保持与外框架734径向相邻的囊组件730c(以使得即使在护套被移除的情况下也不会看到囊)。替代实施例可以保持组件730a并放弃组件730c(例如，以使得可以通过透明护套看到囊)。
现在参考图27，示出了替代芯结构的短区段以进行比较。芯轴702具有约0.028”的外径和7个管腔，其中6个周边管腔具有约0.004”的内径，容易用于形成相关联的端口，并用于向和从囊传输充胀流体。例如，可以使用中心管腔来监测真空系统，以验证系统的完整性。芯轴702可以例如在14-15Fr导管系统中使用，所述导管系统具有两个区段，每个区段能够提供多达120度的弯曲(或者可替代地更多或更少的弯曲，这取决于每个通道上组合在一起的囊的数量)，其中这种系统任选地能够提供足以适应导管在3英寸或更小空间内、理想地在21/2英寸或更小空间内、并且在一些情况下在2英寸或更小空间内的180度弯曲的弯曲半径。这种系统例如对结构性心脏治疗、并且具体地对二尖瓣递送、定位和/或植入可能是有益的。
仍然参考图27，其他治疗可能受益于较小的导管轮廓，并且不需要从15Fr导管可获得的弯曲力。诸如来自心脏心房内的AFib消融的电生理学治疗可能是将受益于可以使用本文描述的系统在小结构中提供的自由度的治疗的良好示例。将15Fr系统缩小为7-8Fr消融导管可能会使用直接缩放芯762，所述直接缩放芯具有芯702的总体外径的一半和管腔内径的一半，因为材料中的包含压力的应力将会随着管腔直径而缩放。然而，维持最小管腔壁厚度高于0.002”、优选地等于或高于0,0025”、并且理想地等于或高于约0.003”可能具有成本益处。为此，并且为了沿着公共的螺旋芯以及期望的小弯曲半径向两个3D推/拉区段提供6个收缩或伸展管腔，可能有益的是，使用具有6个管腔的径向伸长芯764，这些管腔全部由至少0,003”的材料包围。芯764具有芯702的一半的轴向高度，并且其径向宽度小于14-15Fr系统的囊直径的一半。可能有益的是，使截面的径向(细长)尺寸小于安装在其上的囊的充胀内径，以便抑制充胀流体陷在囊的一个轴向侧(远离充胀端口)上。
其他优点可以通过将7Fr芯762的较小管腔和壁厚度尺寸应用于15Fr导管芯尺寸来提供，因为这导致12个充胀管腔的芯766。所述实施例的大的第13个管腔可以帮助增强区段的柔韧性，并且同样可以用于使用真空系统来监测系统的完整性。12个管腔可以允许例如连续推/拉结构具有4个独立可控的3D形状(4D形状+刚度)区段。16个充胀管腔的芯768将较小的管腔和壁厚与径向细长截面相结合，从而允许5个独立可控的3D区段。应当理解，使用已知且相对低成本的多管腔挤压技术，可以在更小的轮廓下获得其他数量的管腔。
应当理解，其他的替代实施例可以利用本文描述的有益部件和组件。例如，如根据以上关于图3-12的柔性结构的公开内容可以理解的，囊的充胀可以通过螺旋弹簧或其他偏置结构弹性地相反，以使得当充胀流体从囊释放时，弹簧使囊泄放并且将柔性本体朝向囊充胀前状态驱使回。在上述的推/拉环形框架和推/拉螺旋框架实施例中，不是依赖于每个区段的6个专用的相反的伸展和收缩囊通道(以便沿着每个侧向取向提供独立的收缩和伸展)，两个或多个通道(来自相同的区段或来自不同区段)可以组合在一起以用作常见的偏置结构或流体弹簧。作为示例，沿着两个相邻区段的所有收缩囊可以向被充胀至小于全压力的单个管腔开放。调节不同组的伸展囊的压力仍然可以允许伸展囊以三个独立的自由度来将每个区段铰接，因为分组的收缩囊可以选择性地被伸展囊(如螺旋弹簧)压倒或可以被允许使伸展囊泄放。在一些实施例中，不是依赖于伸展或收缩囊的分压，可以将弹性体材料安装在区段的一些或所有伸展或收缩囊的芯上，以便被动地与一组囊对抗。
现在参考图28，用于向和从系统的致动囊引导充胀流体的铰接控制器770典型地将具有这样的硬件和/软件：所述硬件和/软件被配置和编程用于响应于由系统用户输入的命令轨迹772，一般试图使可铰接结构采取新的实际位置或状态X实际。本文描述的许多铰接的柔性结构可以包括在可以使用与连续体机器人相关联的技术进行分析和控制的机器人系统中，并且所述铰接的结构通常将不会受到较多接头的约束，于是可以使用标准控制器直接进行控制。这些过量的或冗余的自由度通常由控制器770使用内部顺应性进行管理并协作，所述内部顺从性指导接头相对于区段内的下一个接头具有类似的角度。控制器770在区段内具有相等的连结角度以求解控制方程。与引起远离优选取向的弯曲相关联的区段偏置(例如朝向直线)和应变致使内部接头具有处于类似的相对角度的偏好。系统的处理器典型地将具有用于确定可铰接结构Xi期望的下一个期望位置或状态的软件模块，并且将应用逆向导管运动学774来确定下一个期望的连结状态Θi期望。确定实际连结状态和下一个期望的连结状态之间的差异以限定连结误差，并且可以将期望的连结状态以及连结误差向前馈送到连结轨迹规划器776以定义连结误差轨迹。所述连结轨迹可以用于逆流计算778中，以确定可以被馈送到闭环阀控制器780中以提供致动连结状态的命令信号。在一些实施例中，阀的闭环控制可以取决于压力感测，并且可以用于控制如通过阀逆运动学确定的具体压力。对致动连结状态的导管动力学和力学反应(以及相关环境与导管的相互作用，诸如组织力等)导致铰接导管系统的新的实际位置或状态X实际。
在一些实施例中，可以省略关于控制器对铰接系统的实际位置或状态的反馈，但是其他实施例可以受益于这种反馈，以提供更精确的移动以及命令输入与实际状态变化之间的更好的相关性(从系统用户的角度)。为此，控制器任选地可以使用一个或多个闭环反馈路径。在一些实施例中，部分地或完全在铰接结构782外部的反馈系统可以使用定位传感器784(诸如电磁导航系统、超声导航系统)、耦合到3D成像的图像处理(诸如双平面荧光透视、磁共振成像、计算机断层扫描、超声检查、立体相机等；其中，成像模式任选地还可以用于产生呈现给系统用户的图像以实现图像引导的铰接)来感测导管或其他铰接结构的实际位置或状态。在许多实施例中，将使用在内部闭环反馈系统786下从铰接系统本身获得的信号来提供反馈。为了获得所测量的铰接结构的形状或状态，可以采用多种已知的传感器技术作为铰接式结构形状传感器788，包括光纤形状传感器(诸如使用光纤布拉格光栅的传感器)、电气形状传感器(诸如使用弹性可变形电路部件的传感器)等。可以使用逆运动学来处理所测量和/或感测的信号以导出相关的测量值和/或所感测的连结状态。此外，通常将可从系统的压力传感器获得囊阵列压力信号，以及将压力与铰接系统的连结或形状状态相关联的信息。引导到铰接囊和从铰接囊排放的充胀流体的历史也可用于帮助确定所估计的存在于每个囊(或在公共充胀管腔上的一组囊)中的充胀流体量。在囊以相反或平行的方式安装的情况下，这些相关囊在不同通道上的压力和充胀流体量可能也是可用的。可以使用连结运动学处理器790来处理这些压力信息中的一些或全部，以确定压力导出的连结位置或状态(包括构成柔性结构运动链的压力铰接接头的导出位置ΘL导出)。连结运动学处理器790还可以使用压力信息、优选地连同内部定位信息和/或外部定位信息一起来导出接头上的负载，以便确定如由连结轨迹规划器776等使用的运动极限775。在多于一个可用的情况下，可以矫正792基于外部定位的反馈连结状态、基于内部形状传感器的连结状态以及压力导出的连结状态，并且将所矫正的(或以其他方式可用的)连结状态与期望的连结状态进行比较来确定连结误差信号。
现在参考图29，可以理解用于控制本文描述的导管或其他铰接的细长柔性本体的形状的示例性数据处理结构800。许多数据处理发生在可重复使用的驱动器804的控制器板802上，其中驱动器任选地包括手持式资本设备单元。输入设备806任选地可以包括具有有线或无线数据遥测的单独的工作站(以便当与透视系统的辐射场分离时，允许例如介入心脏病专家等执行程序的一部分)，或者输入设备806可以是整合到手持式驱动器中的用户界接口，或两者。优选地，阀歧管808将包括本文描述的模块化板歧管结构中的一个，并且将被包含在手持式驱动器单元804内。罐810可以附连到驱动器(直接地或通过将导管耦合到驱动器)，并且通常将被包括在部署系统的手持式近侧组件内，所述部署系统包括驱动器、导管的近侧接口以及在使用期间导管的其他近侧部件(诸如心脏瓣膜致动或部署装置813等)。类似地，系统的电池(未示出)可以被整合到驱动器804中，可以安装到导管的近侧接口，或两者。
用于与驱动器804一起使用的导管812或其他细长柔性本体一般将具有与驱动器的接收器816相配合的近侧接口814。如参照以上描述可以理解的，近侧接口与接收器的配合通常将在导管的囊阵列与歧管组件的阀之间提供密封的流体连通。近侧接口与接收器的耦合也可以导致驱动器818的电触点与导管820的电触点的耦合，从而有利于访问内部形状传感器数据、外部定位数据(其可以采用关于导管和外部电磁传感器系统等的动力基准)。还可以促进导管与驱动器之间的进一步通信，包括导管识别数据的传输(所述导管识别数据可以包括用于配置控制器的导管类型、唯一导管标识符，以帮助抑制导管等的不合期望的且可能有害的重复使用)。作为电传输所述数据替代方案(或除此之外)，导管812可以在近侧接口814上或附近具有RFID、条形码或其他机器可读标签，并且驱动器804可以在接收器816附近包括相应的读取器。
现在参考图30A-30D，可以理解布置在导管的近端的替代接口830，以及导管的所述近侧接口与替代模块化歧管834的替代接收器832的配合。近侧接口830可以永久地或可移除地附连到导管的近端，并且提供导管的多达三个多管腔轴836的轴向分离的端口与歧管的相关联的阀和流体通道之间的快速断开的密封连通。多管腔轴的端口可以通过轴向地压缩O形环838或交错在更具刚性的接口构件840之间的其他可变形密封本体而被密封到近侧接口830。螺纹压缩构件842在最近侧接口构件与最远侧接口构件之间维持轴向密封压缩。接口构件840的柱844侧向地且平行于彼此延伸。每个接口构件840包括用于每个多管腔轴的柱844，并且包括在近侧接口830中的接口构件的数量与每个多管腔轴中独立使用的管腔的数量相同，以使得这些柱形成阵列，其中柱的总数量等于铰接结构中独立多管腔通道的总数量。管腔从多管腔轴的端口径向延伸穿过柱844，并且延伸到由可变形密封材料的盖包围的接口端口。
参考图30D，歧管组件834的接收器832具有与近侧接口830的柱844相对应的一系列压痕。压痕具有对应于柱的表面并且密封到可变形的盖，其中每个接口端口与相关联板模块的相关联通道密封地处于流体连通。在所述实施例中，每个板模块的接收器表面位于接收器构件848上。接收器构件支撑其间形成有通道的板层，其中MEMS阀和压力传感器如上所述安装到板上。然而，这里，相邻板模块的板可能不直接进行板-板接触，以使得供应流和排放流可以轴向地延伸穿过接收器构件、穿过近侧接口或穿过歧管组件的另一个结构。如上所述，替代实施例可以具有直接接触的板，其中用于阀、压力传感器等的任何壳体形成为层之间的空隙，并且其中充胀和/或泄放流体板直接穿过密封件(诸如O形环、就地形成的密封件、附连到柔性电路结构的垫圈材料等)在模块之间传输。
现在参考图31A-31E，具有单个多管腔芯的替代囊铰接结构850可以特别适用于较小的轮廓应用，诸如尺寸少至2或3Fr的微导管、导丝等。铰接结构850总体上具有近端852和远端854，并且可以在它们之间限定轴线。结构的框架856在图31C中单独示出并且总体上是管状的，具有通过轴向支柱860互连的一系列环858。可以在每对相邻的环之间布置两个支柱，其中这两个支柱开始周向偏移约180度；邻近的环对之间的轴向相邻的支柱可以偏移约90度，从而有利于框架在正交侧向弯曲取向上的侧向弯曲。如根据本文描述的许多现有框架结构将会理解的，环858之间的对置表面区域对将通过框架850的侧向弯曲而更靠近在一起和/或更远地分开移动，以使得可以使用囊来控制这些区域之间的偏移以及因此框架的弯曲状态。
多管腔芯862在图31B中单独示出，并且当使用时在框架856的管腔内轴向延伸(如图31D所示)。芯862包括围绕中心管腔868的多个外围管腔864。中心管腔868可以作为铰接结构850的工作通道保持打开，以允许铰接结构在导丝上前进，从而使导丝或工具前进穿过铰接结构等。偏心囊872的阵列870轴向地和周向地围绕多管腔芯分布，其中阵列同样呈M xN阵列的形式，其中囊的M个子集周向分布，M个子集中的每一个沿着侧向弯曲取向对准(M这里为4，其中如上所述，替代实施例具有1、2、3或其他数量的周向子集)。M个子集中的每一个包括N个囊，其中N典型地为1至20。每个子集的N个囊可以与相关联的外围管腔864处于流体连通，以使得它们可以作为一组充胀。偏心囊872任选地可以通过以下方式形成：在选定的周边管腔864之间钻出去往芯本体的外表面的端口，并且将附连在多管腔芯862的钻出本体上的囊壁材料管与附连到芯的多管腔本体的外表面上的囊管内表面附连在一起。可替代地，偏心囊可以与多管腔芯结构成一体，例如，其中囊是通过以下方式形成的：局部地对多管腔芯的适当区域进行加热并对芯的下部管腔进行加压，以便局部地径向向外吹制芯的多管腔体材料来形成囊。无论如何，囊从多管腔芯的本体侧向地延伸，其中囊任选地包括顺应囊、半顺应囊或非顺应囊。充胀囊的形状可以是大致球形、半球形、肾形(围绕芯的轴线周向弯曲)、圆柱形(典型地长度:直径纵横比小于3:1，其中长度径向地或周向延伸)、或这些形状中的两个或更多个的某个组合。
当多管腔芯862与框架856组装在一起时(如图31A、图31C和图31D中)，多管腔芯的本体被接收在框架的管腔中，并且囊872布置在环858的对置表面之间。通过选择性地使沿着一个侧向弯曲取向对准囊872的一个子集充胀，并且通过选择性地将相反的囊子集(从充胀囊偏移约180度)泄放，可铰接结构850的轴线可以是弯曲的。控制相反囊子集的充胀压力可能会改变可铰接结构850的曲率和刚度，其中增加相反的充胀压力使刚度增加，并且减少相反的充胀压力使刚度减少。侧向偏移囊组(例如，围绕轴线呈90度和270度)的变化的充胀可以类似地使结构在正交弯曲取向上可变地弯曲并且控制所述方向上的刚度。
如参照图31E可以理解的，单芯组件的轮廓可能相当小，其中示例性实施例具有的框架856的外径874为约1.4mm，多管腔芯862的本体的外径876为约0.82mm，并且外围管腔864的内径878为约0.10mm。多管腔芯本体和囊可以包含聚合物，诸如上文描述的任何挤出物或囊材料，并且框架可以包含聚合物或金属结构，所述框架任选地通过模制、在材料管中切割侧向切槽、3D印刷等形成。应当注意，示例性多管腔芯结构包括8个外围管腔，而所示出的区段利用4个管腔以两个自由度来铰接所述区段；第二区段可以与所示的区段轴向地耦合以提供附加的自由度，并且当将要包括其他区段时可以提供更多的管腔。
现在参考图32A和图32B，另一个替代的铰接结构880分别以弯曲构型和直线构型示出。铰接结构880包括框架882，所述框架任选地通过以下方式形成：在管状材料中切割侧向狭缝并且在这些狭缝附近使管壁局部地向内弯曲以形成支架或凸片884。所切割的管状材料可以包含聚合物(任选地浸渍有PTFE的聚合物，诸如TeflonTM)或金属(诸如海波管或超弹性合金诸如NitinolTM合金)。可替代地，也可以通过3D印刷等形成类似的结构。支架884具有在狭缝近侧和远侧总体上横向于管状轴线延伸的表面。囊886可以布置在对置支架884之间，并且可以使铰接结构880的轴线侧向地偏转，其中囊任选地从多管腔芯本体偏心地延伸(如上文关于图31所描述的)，具有沿着铰接结构的螺旋囊/芯绕组(如上文关于图24所描述的)，通过将囊层粘结到基底材料上而形成(如上文关于图10所描述的)，等等。
现在参考图33A，囊活塞系统890可以用于在远侧部件之间提供轴向铰接，和/或提供围绕本文描述的任何细长铰接结构的远侧轴线的旋转。囊活塞系统890可以采用充胀流体来驱动轴向和/或旋转移动，其中流体典型地沿基底内的细长柔性结构朝远侧流动。因此，囊活塞系统890可以例如与管腔内假体递送系统一起用来旋转地定位与二尖瓣对准的轴向不对称二尖瓣假体，以便从具有自膨胀框架的瓣膜假体近侧抽出护套，等等。
系统890一般包括呈板892形式的活塞，所述板附连到第一囊896与第二囊898之间的轴向可滑动轴894。穿过可滑动轴894的端口在囊与多管腔供应轴900的第一和第二管腔之间提供流体连通，其中第一供应管腔与第一囊896处于流体连通，并且第二管腔与第二囊898处于流体连通。两个囊之间的差压作用在活塞上并且引起可滑动轴894的轴向运动，这可用于轴向致动安装到铰接结构的可移动部件(例如用于将护套从自膨胀支架或阀假体拉回)。任选地，位于可滑动轴894的远端处的导螺杆或螺纹902可以接合相应的可旋转部件904的螺纹(其中所述部件通过旋转支承表面等保持在轴向位置)。因此，活塞系统890也可以用于提供安装到铰接结构的部件的旋转。
现在参考图33B，替代的增量旋转系统910提供围绕导管或其他铰接结构的轴线的增量旋转，典型地在导管的远端附近。增量旋转系统910利用一对或多对相反的囊912a、912b、912a’、912b’……，其中囊优选地安装在朝远侧延伸(并且任选地，在一些或所有囊之间朝近侧和远侧缠绕)的一个或多个多管腔芯轴上。(多个)芯轴可以采取去往旋转系统910的多个不同路径，其中(多个)芯轴任选地从相邻铰接区段的芯轴朝远侧继续延伸，或以其他方式在内护套914与外护套916之间围绕导管的外围延伸；或者可替代地，旋转系统芯轴可以包括在内导管中，所述内导管朝远侧延伸穿过另一个铰接导管的工作管腔(诸如图25F所示的内护套的管腔)；等等。囊912的形状总体上为圆柱形，其中囊的轴线沿着导管的轴线延伸，并且囊对布置在与轴向肋918邻接的轴向通道内。肋918可以附连到内护套914或外护套916(这里被附连到内护套)的远侧部分上，并且布置在每一对囊之间的凸缘附连到另一个(这里附连到外护套)。
通过交替地使每一对的相反囊912a、912a’……中的第一囊充胀，同时对所述对912b、912b’……中的第二囊泄放；然后在第二囊充胀时允许第一囊泄放，所述囊可以使护套916的远侧部分围绕导管922的轴线相对于内护套914旋转，其中外护套的远侧部分来回旋转。外护套的来回旋转可以用于通过包括从外护套径向地延伸的一个或多个单向夹子926来使可旋转护套924增量地旋转，以便弹性地接合可旋转护套的内表面，其中所述夹子在期望的旋转方向上沿周向成角度。夹子926典型地具有尖锐的外边缘，任选地包括金属或高强度聚合物，这允许可旋转护套在沿期望方向旋转时滑动，但是抑制在相反方向上的移动。应当注意，就在增量旋转的远侧部分近侧的外护套的低扭转刚度部段或接头可以促进沿期望方向的增量旋转。更具体地说，安装到诸如扭转接头近侧的外护套上的一个或多个类似的夹子(并且它们也与可旋转护套接合)可以与接头远侧的夹子926组合，以帮助当远侧夹子在来回驱动旋转过程中沿着可旋转护套的内表面滑动时，防止可旋转护套与期望方向相反地旋转(如参照夹子926在图34的轴向增量移动系统中的轴向柔性部段近侧和远侧的类似使用可以理解的)。可以围绕轴线设置更多的相反囊对以及相关联的肋和凸缘(诸如通过具有以120度中心的3组、以90度增量的4组等等)以增加旋转力，和/或多个囊可以串联地分组在一起以增加旋转增量(如参照串联囊用于增加轴向移动增量大小(如下文描述以及图35中所示)的类似使用可以理解的)。
现在参考图34A和图34B，增量轴向致动系统930可以轴向地铰接位于柔性铰接结构的远端处或附近的部件。例如，轴向增量系统930可以使可滑动护套932在铰接导管或其他铰接结构远端处、在外护套934上朝近侧增量地移动，以便部署自膨胀支架或瓣膜。穿过轴向增量系统930的一侧的截面在图34A和图34B中示出(导管和致动系统的中心线是水平的并且在图下方)。在所述实施例中，周向凸缘936附连到相反囊940a、940b之间的内护套938并且从所述内护套径向向外延伸。相反的囊布置在由周向肋942轴向地邻接的可移动通道中，并且那些肋从外护套934的远侧部分径向向内延伸。外护套的远侧部分通过轴向的柔性部段或接头(在此示出为波纹结构)与外护套的其余部分耦合。相反囊940a、940b之间的交替的充胀和泄放使外护套的通道和远侧部分轴向地来回移动。布置在移动通道与可滑动护套932之间的夹子926(以及布置在轴向接头近侧的外护套与可滑动护套之间的类似夹子)帮助将通道的轴向来回运动转变为可滑动护套在近侧方向上的增量轴向移动。应当注意，具有在轴向相反方向上取向的夹子926的类似系统替代地将导致护套在远侧方向上的轴向移动。
在期望比可从单个囊对获得的轴向致动力更多的轴向致动力的情况下，可并行地使用多个相反的囊对来使护套朝近侧移动(或在某个其他的期望致动中)。为了允许另外的囊，凸缘936和肋938可以包括周向垂直于导管的轴线延伸的环状结构(从而允许例如3对或4对相反的囊以120度或90度中心围绕轴线分布。然而，使用有利的螺旋凸缘和肋结构可以提供更大的力，每个螺旋凸缘和肋结构具有围绕导管的轴线延伸的一个或多个环，以提供期望数量的相反囊对(及其相关联的轴向铰接力)。应当注意，为了提供另外的负载能力，凸缘936和肋938可以用作刚性本体(诸如通过在凸缘的整个螺旋长度上将凸缘936附连到内护套或外护套，并且在所述凸缘的整个长度上将肋附连到另一个护套)。这种相反的囊可以安装在可移动螺旋通道内的第一多管腔芯和第二多管腔芯上。方便地，如上所述，真空腔室可以包围囊，并且芯可以从本文描述的其他铰接系统中的任一个的最远侧侧向和/或轴向铰接区段朝远侧延伸，穿过本文描述的铰接结构中的一个的内护套的管腔等。轴向致动囊任选地可以与铰接囊具有相同的大小和形状，其中每个芯的一个管腔被用于增量的轴向致动。
现在参考图35A和图35B，另一个增量的轴向致动系统示出了任选的部件，这些部件可以增加另外的行程和/或轴向反转能力。在所述实施例中，系统的大部分总体上如上文关于图34所描述的那样操作，但是多个相反的囊940a、940a’、940b、940b’……串联地使用，以便在每个充胀/泄放循环中提供更大的轴向移动增量。此外，不是依赖于单向夹子来将单个期望方向的来回运动转换成增量运动，所述系统包括简单的离合器944，所述离合器可以通过离合器接合囊946的充胀来致动，从而将驱动通道轴向地耦合到轴向可滑动护套932。被动弹簧或离合器脱离囊948使驱动通道与可滑动护套932脱离，其中这里的离合器包括轴向相反的边缘或其他特征，当离合器接合时，所述轴向相反的边缘或其他特征枢转或以其他方式移动进入和离开与轴向可滑动护套的接合。通过适当的离合器接合、脱离顺序、驱动通道的近侧运动以及驱动通道的远侧运动，可滑动护套932可以例如首先朝近侧移动期望的总量，然后超远侧移动相同或不同的量，所有操作都在单个程序中。这种移动可以帮助例如收回和重新定位部分部署的心脏瓣膜，并且在替代位置处重新部署心脏瓣膜。当使用单向夹子而不是离合器时，部分部署的心脏瓣膜的收回可替代地可以通过使收回护套在导管本体、轴向可滑动护套932和部分部署的心脏瓣膜框架上朝远侧前进来执行。
使用本文描述的设备和系统可以获得另外的益处。例如，铰接囊的部分充胀可以局部地减小导管的侧向刚度，从而针对特定的身体管腔定制导管的可推动性和/或可跟踪性。从定量上来说，导管的已知特征的可跟踪性、可推动性、可扭转性和可交叉性可以主观地(通过针对这些特性的一种或多种询问一些用户来评估导管)、经验性地(通过在受控测试中测量移动输入和输出)和/或分析地(通过基于导管结构的特性或性质来建模导管以及所导致的导管性能的相互作用)确定。可推动性总体上反映导管的远端响应于从管腔近侧执行的轴向插入而在弯曲管腔内朝远侧前进的能力，而可跟踪性总体上反映导管的远端响应于轴向插入而跟随穿过弯曲管腔的路径(任选地如由导丝或管腔壁限定的)的能力。可推动性和可跟踪性都可以随着导管结构的许多不同特性而变化(例如，通常随着外部润滑性的增加而改善)，但是在至少一些情况下，它们可能相互矛盾。例如，可推动性可以通过增加导管的至少一个轴向区段的轴向刚度来增强，而可跟踪性可以通过减少所述轴向刚度来增强。本文描述的流体铰接导管可以帮助克服针对特定身体管腔的这一挑战，因为可以通过任选地在不施加压力以在任何特定方向施加侧向弯曲(不存在抵抗导管的环境力)的情况下改变囊压力来独立地改变导管区段的轴向刚度。
在一个示例中，导管的良好总体可推动性和可跟踪性可以受益于这样的导管结构：其沿着远侧导管区段具有高的侧向柔韧性(低刚度)并且沿着中间和近侧导管区段具有相对高的刚度(低柔韧性)。当导管朝远侧前进时，可跟踪性可能受益于增加远侧区段的柔韧性，而可推动性和可跟踪性可以总体受益于减少近侧区段的刚度(当它接近或到达弯曲部时)并且增加中间区段的刚度(当它离开弯曲部和/或沿笔直部段延伸时)。接近或沿着更大曲率的导管区段可以变得不太硬(通常是通过部分囊充胀或通过相反囊的部分泄放)，并且使得接近或沿着更笔直路径部分的导管区段更具刚性(诸如通过对抗这些区段的囊的泄放或泄放，或者通过增加相反囊的充胀压力)。
虽然为了清楚理解和通过示例的方式已经详细描述了示例性实施例，但是对本文描述的结构和方法的多种修改、改变和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (59)

1.一种可铰接系统，包括：
细长柔性本体，所述柔性本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线；
多个囊，沿着所述柔性本体布置，其中，所述囊从第一构型充胀到第二构型改变了所述细长本体的弯曲特性；
流体源，所述流体源可与所述柔性本体耦合，以便将液体从所述源朝向所述柔性本体传输，其中，所传输的液体汽化成充胀气体，以使得处于所述第二构型的所述囊被所述充胀气体充胀。
2.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，所述细长本体包括导管本体。
3.如权利要求2所述的可铰接系统，其中，所述导管本体包括骨架，所述骨架具有接口区域对，在所述接口区域对之间具有偏移，所述囊布置在所述对的所述接口区域之间。
4.如权利要求3所述的可铰接系统，其中，所述骨架包括螺旋构件，所述囊由所述构件支撑，并且所述接口对之间的所述偏移主要轴向地延伸并且与螺旋构件的节距相关地沿周向成角度。
5.如权利要求2所述的可铰接系统，其中，护套被密封在所述囊周围以形成真空腔室，所述真空腔室可操作地耦合到所述流体源以便响应于所述腔室内真空的劣化而抑制所述液体的传输。
6.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，所述多个囊包括囊阵列并且安装到基底上，所述基底具有在所述流体源与所述囊之间提供流体连通的多个通道。
7.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，所述流体源包括罐。
8.如权利要求7所述的可铰接系统，其中，所述罐包括具有易碎密封件的一次性罐。
9.如权利要求7所述的可铰接系统，其中，所述罐包含小于10盎司的所述液体，所述液体包含N2O。
10.如权利要求6所述的可铰接系统，布置在所述罐中的所述液体处于罐压力下，所述罐压力高于完全充胀囊压力，其中，当在体温下时，所述液体在小于所述罐压力并且大于所述完全充胀囊压力的汽化压力下汽化成所述气体。
11.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，所述流体供应具有超过40atm的压力，其中，第一阀布置在所述流体源与第一囊之间，其中，第二阀布置在所述流体源与第二囊之间，其中，所述第一阀和所述第二阀被配置用于独立地传输最小增量为50nl或更小的所述液体。
12.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，第三阀布置在第一囊与周围大气之间，其中，第四阀布置在第二囊与所述周围大气之间，并且其中，所述第三阀和所述第四阀被配置用于独立地传输至少0.1scc/s的所述气体。
13.如权利要求1所述的可铰接系统，其中，由压力控制的充压室布置在所述流体源与第一囊和第二囊之间，并且其中，所述液体在经过分别位于所述充压室与所述第一囊和所述第二囊之间的第一阀和第二阀之前汽化成所述气体。
14.一种铰接方法，包括：
从流体源并且沿着细长柔性本体传输液体，所述液体汽化成充胀气体；
使用所述充胀气体来使沿着所述柔性本体布置的多个囊充胀，以使得所述囊改变所述柔性本体的弯曲特性。
15.一种可铰接结构，包括：
细长柔性本体，所述柔性本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线；
多个囊，沿着所述本体布置，所述囊可从第一构型充胀到第二构型，以使得所述囊改变所述本体的弯曲状态；以及
柔性护套，布置在所述囊周围，所述护套被密封以形成压力腔室，其中所述囊布置在所述压力腔室中。
16.如权利要求15所述的可铰接结构，其中，所述细长本体包括导管本体，所述远端被配置用于插入患者体内，并且其中，所述腔室随着所述导管本体侧向地挠曲。
17.如权利要求15所述的可铰接结构，进一步包括与所述腔室处于流体连通的压力感测管腔，所述压力感测管腔朝向所述近端延伸。
18.如权利要求17所述的可铰接结构，其中，所述囊安装在基底上，并且其中，所述基底具有用于使所述囊充胀的多个管腔，所述压力感测管腔布置在所述基底中。
19.如权利要求15所述的可铰接结构，其中，所述基底包括多管腔轴，所述囊具有围绕所述轴延伸的囊壁。
20.如权利要求15所述的可铰接结构，进一步包括与所述腔室处于流体连通的真空源，以减小所述腔室的压力，所述腔室包括真空腔室。
21.如权利要求20所述的铰接结构，进一步包括流体控制系统，所述流体控制系统具有与所述腔室耦合的传感器以及布置在充胀流体源与所述囊之间的截止阀，其中，所述截止阀响应于来自所述传感器的与所述充胀流体的泄漏相关联的信号而抑制去往所述囊的充胀流体流动。
22.如权利要求15所述的铰接结构，其中，所述充胀流体当被布置在所述囊中供使用时包括气体。
23.一种方法，包括：
将沿着细长柔性本体布置的多个囊从第一构型充胀到第二构型，以使得所述囊改变所述本体的弯曲状态；以及
使围绕所述囊布置的护套随着所述本体的侧向挠曲而挠曲，所述护套被密封以形成压力腔室，其中所述囊布置在所述压力腔室中。
24.一种结构，包括：
细长柔性骨架，所述柔性骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，所述骨架具有沿着所述轴线分布的多个接口区域对，所述接口区域对限定随着所述骨架的挠曲而变化的偏移；
囊阵列，所述囊阵列与所述骨架的所述偏移可操作地耦合，以使得所述囊中的至少一些的充胀改变所述骨架的侧向弯曲刚度。
25.如权利要求24所述的结构，其中，所述骨架具有第一轴向区段和第二轴向区段，并且其中，所述偏移对沿着所述第一轴向区段和所述第二轴向区段轴向地分布，并且其中，选择性地改变所述囊中沿着所述第一区段布置的第一子集的充胀能够抑制所述偏移沿着所述第一区段的变化，以便选择性地增加所述第一区段的侧向弯曲刚度。
26.如权利要求24所述的结构，其中，所述骨架具有第一侧向弯曲取向和第二侧向弯曲取向，并且其中，所述偏移对沿着所述第一侧向弯曲取向和所述第二侧向弯曲取向周向分布，并且其中，减少所述囊中沿着所述第一侧向弯曲取向布置的第一子集的充胀能够促进所述偏移沿着所述第一侧向弯曲取向的变化，以便选择性地降低在所述第一侧向弯曲取向上的侧向弯曲刚度。
27.如权利要求26所述的结构，其中，所述骨架具有第一轴向区段和第二轴向区段，并且其中，所述偏移对沿着所述第一轴向区段和所述第二轴向区段轴向地分布，并且其中，选择性地改变所述囊中沿着所述第一区段布置的第三子集的充胀能够抑制所述偏移沿着所述第一区段的变化，以便选择性地增加所述第一区段的侧向弯曲刚度。
28.如权利要求27所述的结构，其中，减小第一囊子集的充胀压力增加了所述骨架的侧向弯曲刚度，所述骨架被偏置成笔直构型，并且所述第一囊子集沿着所述第一区段布置在所述对的所述接口区域之间。
29.如权利要求28所述的结构，其中，所述骨架包括具有多个环的螺旋盘管，所述接口区域对包括相邻环的对置表面，所述第一囊子集包括布置在所述对置表面之间的囊壁，所述环被偏置用于对所述囊进行压缩和泄放，当所述囊完全泄放时，通过固体材料在环之间传输轴向力，从而提供第一侧向刚度，当所述囊被部分充胀时，通过所述囊内的流体压力传输轴向力，从而提供比所述第一侧向刚度低的第二侧向刚度。
30.如权利要求24所述的结构，其中，增加第一囊子集的充胀压力增加了所述骨架的侧向弯曲刚度。
31.如权利要求30所述的结构，其中，所述对的所述接口区域是径向取向的，其中，所述第一囊子集跨越所述接口表面对，并且当所述第一囊子集从第一构型充胀到第二构型时径向地接合所述接口表面，充胀囊的所述流体压力驱使所述充胀囊抵靠所述接口区域，从而抑制相关联偏移的变化。
32.如权利要求30所述的结构，其中，所述第一囊子集包括布置在所述骨架的通道中的一对相对的囊，其中所述骨架的凸缘位于所述囊之间，所述偏移包括在所述凸缘与所述通道的对置表面之间的间隔，增加所述对置囊的充胀压力增加了所述通道内的所述凸缘的刚度。
33.如权利要求32所述的结构，其中，所述凸缘和所述通道包括由多个相对的囊对接合的螺旋结构，并且其中，所述偏移主要轴向地延伸并且周向成角度。
34.一种方法，包括：
使包括在囊阵列中的至少一些囊充胀，所述阵列由细长柔性骨架支撑，所述骨架具有沿着所述骨架的轴线分布的多个接口区域对，所述接口区域对限定随着所述骨架的挠曲而变化的偏移，所述至少一些囊与所述骨架的所述偏移可操作地耦合，以使得所述囊的所述充胀改变所述骨架的侧向弯曲刚度。
35.一种导管，包括：
螺旋骨架结构，所述螺旋骨架结构具有近端、远端、以及位于所述近端与所述远端之间的轴线，所述远端被配置用于插入患者体内；
囊阵列，所述囊阵列由所述螺旋骨架支撑，所述阵列包括围绕所述骨架轴向地和周向地分布的囊；以及
流体供应系统，所述流体供应系统与所述囊处于流体连通并且被配置用于选择性地使所述囊的多个子集中的任一个子集充胀，以便选择性地改变所述螺旋骨架的形状和/或刚度。
36.如权利要求35所述的导管，进一步包括布置在所述近端与所述囊之间的被动柔性近侧导管本体部分，其中，所述流体供应系统包括沿着所述近侧本体部分延伸的通道。
37.一种方法，包括
选择性地使第一囊子集充胀，所述囊包括在由螺旋骨架支撑的囊阵列中，所述阵列围绕所述骨架轴向地和周向地分布，所述第一子集的所述充胀引起所述螺旋骨架的形状和/或刚度的第一变化；
选择性地使所述囊的第二子集充胀，所述第二子集的所述充胀引起所述螺旋骨架的形状和/或刚度的第二变化，形状和/或刚度的所述第二变化从所述第一变化轴向地和/或周向地偏移。
38.一种用于与可铰接导管一起使用的流体供应系统，所述导管具有骨架结构以及由所述骨架支撑的囊阵列，所述流体供应系统包括：
流体源，所述流体源被配置用于在源压力下提供充胀流体；
通道系统，所述通道系统与所述流体源处于流体连通，所述通道系统具有用于朝向所述阵列的所述囊传输所述流体的多个通道；
沿着所述通道布置的多个阀；以及
处理器，所述处理器与所述阀耦合，所述处理器被配置用于致动所述阀，以便选择性地使所述囊的子集充胀从而控制所述导管的形状和/或刚度。
39.如权利要求38所述的系统，进一步包括多个压力传感器，所述多个压力传感器将所述通道与所述处理器耦合，所述处理器被配置用于致动所述阀，以便控制囊的所述子集内的压力。
40.一种设备，包括：
骨架，所述骨架具有近端和远端，其中轴线在所述近端与所述远端之间延伸，所述骨架具有轴向管腔和多个接口区域对，在所述接口区域对之间具有偏移，所述偏移随着所述骨架的挠曲而变化；
多管腔轴本体，所述多管腔轴本体布置在所述框架的所述管腔中，所述轴具有沿着所述轴线延伸的多个管腔；以及
囊阵列，所述囊阵列与所述多管腔轴本体的所述管腔处于流体连通，所述阵列的所述囊相对于所述多管腔轴是偏心的并且布置在所述骨架的所述偏移中。
41.一种铰接系统，包括：
细长螺旋盘管，所述细长螺旋盘管具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述螺旋盘管具有轴向的一系列环；
致动囊阵列，每个囊布置在第一相关联环和与所述第一相关联环相邻的第二相关联环之间，并且具有第一轮廓构型，所述螺旋盘管被偏置以使得所述环向所述第一轮廓构型驱使所述囊；以及
流体供应，所述流体供应与所述囊阵列处于流体连通，以使所述囊中的一些或全部从所述第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，以使得所述螺旋盘管的所述相关联环被所膨胀的囊驱使分开。
42.一种铰接系统，包括：
细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述骨架具有多个接口区域对，每一对限定在所述对的相关联接口之间的相关联偏移，所述偏移随着与所述相关联对相邻的所述骨架的铰接而变化；
流体供应系统，所述流体供应系统耦合到所述骨架的所述近端；以及
致动阵列，所述致动阵列包括柔性基底，所述柔性基底具有相反的主表面，在所述主表面之间具有多个通道，所述阵列安装到所述骨架上并且包括跨所述基底分布的多个流体可膨胀本体，所述通道在所述可膨胀本体与所述流体供应系统之间提供流体连通，以便促进对所述可膨胀本体的子集的选择性充胀，所述可膨胀本体可操作地耦合到所述偏移，以使得所述选择性充胀改变与所述子集相邻的所述骨架的铰接。
43.一种铰接导管系统，包括：
导管本体，所述导管本体具有结构骨架，所述结构骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述骨架具有多个接口对，每一对包括第一接口和第二接口，所述第一接口与所述第二接口在其间限定偏移，所述偏移随着所述骨架的铰接而变化；
致动囊阵列，每个囊可操作地与第一相关联接口和第二相关联接口之间的偏移相关联并且具有第一轮廓构型；
输入端，所述输入端用于接收铰接命令；
传感器，所述传感器用于确定指示以下各项中的一项或多项的传感器数据：与所述第一对相邻的所述骨架的位置、与所述第一对相邻的所述骨架的取向、和/或与所述第一对相邻的所述骨架的铰接状态；以及
流体供应系统，所述流体供应系统与所述囊阵列处于流体连通，所述流体系统包括耦合到所述输入端和所述传感器的处理器，并且被配置用于朝向所述囊的子集引导致动流体，以便驱使所述子集中的每个囊从第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，从而改变与所述子集相邻的所述(多个)偏移的铰接，其中，所述处理器响应于所述命令和所述传感器数据来确定所述子集。
44.一种用于对铰接系统进行铰接的方法，所述方法包括：
将流体从流体供应朝向阵列的一个或多个囊引导，每个囊布置在细长螺旋盘管的第一相关联环与第二相关联环之间，所述第二相关联环与所述第一相关联环相邻，所述螺旋盘管具有近端和远端，在所述近端与所述远端之间具有轴线；
其中，所述流体被引导以便使所述(多个)囊从第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，以使得所述相关联环被所膨胀的囊驱使分开，并且所述盘管的轴向弯曲特性被改变；以及
在所述(多个)囊膨胀之后，使用所述螺旋盘管的偏置来将所述(多个)囊驱使回所述第一轮廓构型。
45.一种用于对铰接系统进行铰接的方法，所述方法包括：
将流体从流体供应系统引导到柔性基底的至少一个通道中，所述基底包括在致动阵列内并且具有相反的主表面，所述致动阵列还包括跨所述基底分布的多个流体可膨胀本体；
利用所述通道将流体引导到所述可膨胀本体的子集中，以使得所述流体使所述子集充胀；
其中，可膨胀本体的所述子集的膨胀驱使所述可膨胀本体抵靠结构骨架的多个接口表面，所述结构骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，所述驱使被执行以改变与所述子集相邻的所述轴线的弯曲特性。
46.一种可控柔性的导管，包括：
细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述骨架包括轴向的一系列周向环，所述一系列周向环包括第一环和第二环；以及
第一囊，所述第一囊沿着所述骨架的所述第一环和所述第二环延伸，所述第一囊能从泄放构型膨胀到充胀构型，当所述第一囊处于所述泄放构型时，所述第一环可在所述轴的弯曲期间相对于所述第二环轴向地移动，所述第一囊以所述充胀构型径向地接合所述第一环和所述第二环，以便在所述第一囊处于所述充胀构型时抑制所述轴线的弯曲。
47.一种导管，包括：
细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，所述骨架包括轴向的一系列环，所述环之间的偏移随着所述骨架的轴向挠曲而变化；
囊阵列，所述囊阵列沿着所述骨架分布，每个囊：
沿着相关联的多个所述环延伸；
具有第一构型和第二构型；并且
径向地接合所述相关联的环，以便在所述囊处于所述第二构型时抑制所述偏移的变化，从而抑制所述骨架在所述相关联的环之间的轴向弯曲。
48.一种导管，包括：
细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线；
基底，所述基底由所述骨架支撑，所述基底具有多个通道；
多个囊，所述多个囊沿着所述基底分布并且与所述通道处于流体连通；以及
流体供应系统，所述流体供应系统耦合到所述骨架的所述近端，所述流体供应系统引导所述通道中的充胀流体，以便使所述囊中的一个或多个从未充胀构型膨胀到充胀构型，以使得所述轴线沿着所充胀囊的弯曲状态的变化被抑制。
49.一种用于使用细长本体的方法，所述方法包括：
使具有细长结构骨架的柔性轴移动，所述细长结构骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述骨架包括轴向的一系列周向环，所述周向环包括第一环和第二环，其中，所述轴在泄放构型中随着所述轴的第一囊移动，并且使得所述轴与所述第一环和所述第二环相邻地轴向挠曲并且引起所述第一环与所述第二环之间的相关联的相对轴向移动；
使所述第一囊充胀，所述第一囊沿着所述骨架的所述第一环和所述第二环延伸，以使得所述第一囊从所述泄放构型膨胀到充胀构型，并且所述第一囊径向地接合所述第一环和所述第二环；以及
利用所膨胀的第一囊来使所述柔性轴移动，以使得所述囊抑制所述第一环与所述第二环之间的相对轴向移动以及所述轴线在所述第一环与所述第二环之间的弯曲。
50.一种铰接系统，包括：
细长螺旋盘管，所述细长螺旋盘管具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述螺旋盘管具有轴向的一系列环；
致动囊阵列，每个囊布置在第一相关联环与第二相关联环之间，并且具有第一轮廓构型，所述螺旋盘管被偏置以使得所述环向所述第一轮廓构型驱使所述囊；以及
流体供应，所述流体供应与所述囊阵列处于流体连通，以使所述囊中的一些或全部从所述第一轮廓构型膨胀到第二轮廓构型，以使得所述螺旋盘管的所述相关联环被所膨胀的囊驱使分开。
51.一种铰接系统，包括：
细长骨架，所述细长骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述骨架具有多个接口区域对，每一对限定在所述对的相关联接口之间的相关联偏移，所述偏移随着与所述相关联对相邻的所述骨架的铰接而变化；
流体供应系统，所述流体供应系统耦合到所述骨架的所述近端；以及
致动阵列，所述致动阵列安装到所述基底上，所述阵列包括多个流体可膨胀本体，所述多个流体可膨胀本体具有在所述可膨胀本体与所述流体供应系统之间提供流体连通的通道，以便促进所述可膨胀本体的子集的选择性充胀，所述可膨胀本体可操作地耦合到所述偏移，以使得所述选择性充胀改变与所述子集相邻的所述骨架的铰接。
52.一种用于对患者身体的组织进行诊断或治疗的铰接系统，所述系统包括：
多个囊，每个囊可从第一构型充胀到第二构型；
细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端并且在所述近端与所述远端之间限定轴线，所述远端被配置用于插入患者体内，所述骨架具有多个囊接口区域对，每一对包括朝近侧取向的区域和朝远侧取向的区域，并且具有布置在所述朝近侧取向的区域与所述朝远侧取向的区域之间的相关联囊；以及
流体通道系统，所述流体通道系统包括与所述近端相邻的至少一个流体供应通道以及与所述囊中的每一个处于流体连通的囊充胀通道，以便将所述囊从所述第一构型充胀到所述第二构型，从而使得所充胀的囊将所述相关联的接口区域对驱使分开。
53.一种铰接系统，包括：
细长本体，所述细长本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线；
螺旋结构，所述螺旋结构在所述近端与所述远端之间延伸，所述螺旋结构具有限定围绕所述细长本体的所述轴线延伸的多个环的螺旋轴线以及沿着所述螺旋轴线延伸的螺旋管腔；以及
囊，所述囊布置在所述螺旋结构之上，所述囊与所述螺旋管腔连通，以用于将所述囊从第一构型充胀到第二构型，从而将所述螺旋结构的环驱使分开并使所述细长本体的所述轴线弯曲。
54.一种用于在患者的身体管腔内使用的外科手术系统，所述管腔是可通过进出部位进出的，所述系统包括：
细长本体，所述细长本体具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，所述细长本体包括与第二轴向区段轴向地耦合的第一轴向区段，每个轴向区段具有相关联的局部侧向刚度；以及
第一致动器，所述第一致动器与所述第一轴向区段耦合，所述第一致动器被配置用于响应于第一信号而选择性地改变沿着所述第一区段的局部侧向刚度。
55.如权利要求54所述的外科手术系统，其中，所述第一致动器包括在与所述细长本体耦合的多个致动器中，所述多个致动器包括与所述第二轴向区段耦合的第二致动器，所述第二致动器被配置用于响应于第二信号而选择性地改变沿着所述第二区段的局部柔韧性。
56.如权利要求55所述的外科手术系统，其中，所述致动器包括多个囊。
57.如权利要求55所述的外科手术系统，其中，所述细长本体的长度被配置用于在使用期间在所述进出部位与所述远端之间延伸并且限定所述细长本体的长度，所述长度具有可推动性和可跟踪性，其中，所述第一致动器和所述第二致动器被配置成使得所述信号能够用于针对所述身体管腔来定制所述细长本体的所述长度的所述可推动性、或所述细长本体的所述长度的所述可跟踪性或两者。
58.一种可铰接的柔性设备，包括：
细长结构骨架，所述细长结构骨架具有近端和远端，其中在所述近端与所述远端之间具有轴线，所述结构骨架具有在所述近端与所述远端之间的螺旋构件和轴向区段；
螺旋流体管道，所述螺旋流体管道沿着所述骨架轴向地延伸，所述管道具有多个流体通道；以及
多个流体可膨胀本体，所述多个流体可膨胀本体沿着所述区段轴向地和周向地分布并且耦合到所述流体通道，以使得在使用期间所述囊的充胀使所述骨架在第一横向侧向弯曲轴线和第二横向侧向弯曲轴线上沿着所述区段弯曲，并且还使所述骨架沿着所述区段轴向地伸长，以使得所述骨架的所述区段以三个自由度铰接。
59.如权利要求58所述的可铰接柔性设备，其中：
所述流体可膨胀本体的第一子集沿着所述骨架的所述区段基本上轴对称地布置，以使得所述第一子集的充胀使所述区段轴向地伸长；
所述流体可膨胀本体的第二子集沿着所述区段偏心地分布，以使得所述第二子集的充胀使所述区段沿着所述第一侧向弯曲轴线侧向地弯曲；
所述流体可膨胀本体的第三子集沿着所述区段基本上偏心地分布，以使得所述第三子集的充胀使所述区段沿着所述第二侧向弯曲轴线并且横向于所述第一弯曲轴线侧向地弯曲，所述第二子集和所述第三子集与所述第一子集轴向地重叠。
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