CN108601925A - 用于导管和其他用途的输入和铰接系统 - Google Patents

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Abstract

用户界面设备、系统和方法可被用于选择性地使导管主体、导丝、可转向套管针和在使用期间插入患者内的其他柔性结构弯曲，改变其弯曲特性，和/或改变其长度。任选地，壳体被耦合到导管的近端，并且由系统用户的手进行的壳体的移动被感测并且被用作用于导管的铰接的移动命令。替代地，可以将传感器耦合到在患者外部挠曲的细长柔性主体，以便改变患者内导管的弯曲。促进通过手动操纵和动力铰接的组合生成的移动。

Description

用于导管和其他用途的输入和铰接系统
关联申请的交叉引用
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12月4日提交的题为“用于导管和其他用途的输入和铰接系统(Input and Articulation Systemfor Catheters and Other Uses)”的美国临时专利申请号62/263,231(代理人案号097805-000200US-0966468)；和2016年4月22日提交的题为“用于导管和其他用途的输入和铰接系统(Input and Articulation System for Catheters and Other Uses)”的美国临时专利申请号62/326,551(代理人案号097805-000210US-0970624)；以上美国临时专利申请的全部公开内容通过引用整体结合在此。
本申请的主题也大体上涉及以下美国专利申请的主题：2016年3月25日提交的题为“用于导管和其他用途的铰接系统、设备和方法(Articulation System,Devices,andMethods for Catheters and Other Uses)”的美国专利申请号15/081,026(代理人案号097805-000130US-0970623)；该美国专利申请的全部公开内容通过引用整体结合在此。
发明领域
总体而言，本发明提供了改进的医学设备、系统和方法，包括用于导管主体、导丝(guidewires)等的选择性弯曲、改变导管主体、导丝等的弯曲特性和/或改变导管主体、导丝等的长度的改进的输入结构、系统和方法。本发明特别良好地适合于导管系统，该导管系统涉及在患者内的导管的手动操纵和导管的动力铰接两者，并且可以促进包括在两者之间交替的程序。在具有拥有流体驱动囊阵列的系统的示例性实施例中，本发明可以被包括在用于铰接的铰接结构、系统和方法中，或者与用于铰接的铰接结构、系统和方法一起使用，该流体驱动囊阵列可以帮助使沿着身体管腔延伸的导管、导丝或其他细长柔性结构成形、转向或前进。
本发明的背景技术
诊断和医治(treat)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标识病变或疾病状态。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、重建组织、向组织递送药物或移除组织，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内部组织对齐以便进行评估或医治(treatment)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直接的方法。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，并且这种创伤中的许多创伤与进入待医治的组织相关联。
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医治技术。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管腔的网络前进。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齐，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。当柔性细长主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(通过组织和细长主体)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齐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使导丝或导管的尖端转向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转向能力的情况下，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。随着可转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，维持对这些柔性主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由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。尽管相反的牵引线可以各自被用于使导管在相反的方向上从大致笔直的配置弯曲，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在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医治内部组织，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内，并且利用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开口枢转。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捕获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主体的近端，以便定位远侧医治工具。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，难以在柔性细长主体的远端提供准确的控制。更进一步的替代的导管控制系统使用在患者的身体外部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性和机器人导管控制技术。除了已知的机器人操纵器和导管铰接系统的技术挑战(以及其中涉及的大的资本设备投资)之外，这些系统的用户界面通常是大型、复杂且昂贵的和/或被配置为由坐在无菌区外的医师使用。尽管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总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，提供改进的医疗设备、系统和方法将是有益的，包括改进的输入设备、铰接系统和用于用户引导和控制柔性医疗结构(诸如导管、导丝等)的铰接的方法。用于控制细长结构(铰接或非铰接的)的柔韧性的改进技术也将是有益的。如果这些新技术适合于提供或增强对延伸到患者身体中的柔性导丝、导管或其他细长主体的远端的移动的治疗有效控制，则它将是特别有益的。如果这些新技术将允许自动细长的柔性医疗设备的增加的易用性，理想地以便促进安全和有效地使用动力铰接系统来进入患者身体内的目标区域，或者实现治疗或诊断工具与目标组织的期望的对准，则它也将是有益的。如果这些技术能够使用手动操纵与动力铰接的组合(其中手动操纵和动力铰接顺序地、同时地或者两者的组合地发生)来帮助提供对导丝或导管的移动的增强控制，则它也将是有帮助的。
发明内容
本发明大体上提供新的医疗设备、系统和方法，具有提供可被用于选择性地使导管主体、导丝、可转向套管针和在使用期间插入患者的其他柔性结构弯曲、改变其弯曲特性和/或改变其长度的改进的输入结构、系统和方法的示例性实施例。传感器可以被耦合到细长柔性主体，该柔性主体在使用期间从相邻微创进入部位延伸到患者。传感器可以传输与在患者外部的主体的挠曲相关联的信号。被插入的结构的可铰接的远侧部分具有可响应于传感器信号而改变的弯曲特性，并且处理器可操作地将远侧部分与传感器耦合，使得在患者外部的主体的手动挠曲可以被用于以动力铰接模式控制在患者内的远侧部分的铰接。柔性结构可以从远侧部分朝向(并且在一些实施例中穿过)身体向近侧延伸，并且系统可以具有依赖于在身体近侧的柔性结构的手动操纵的手动模式。许多实施例可以感测柔性结构在引导器护套(或其他进入部位)内或外的轴向移动，并且相关联的信号可以被用于局部地改变沿着在患者内的柔性结构的一个或多个期望的轴向区段的弯曲特性。更进一步的实施例可以使用输入信号来局部地改变沿着细长柔性结构的可推动性或可跟踪性。无论如何，本文描述的实施例中的许多实施例通过手动操纵和动力铰接的组合来促进对导丝或导管的移动的控制，其中手动移动和动力铰接顺序地、同时地或以两者的组合任选地发生。
在第一方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分被配置用于通过开口插入患者体内。多个致动器被可操作地与导管主体的远侧部分耦合。壳体可与导管主体的近侧部分(任选地无线地)耦合并且被配置成用于由用户的手支撑。传感器系统可被安装到壳体，该传感器系统包括加速度计和/或陀螺仪并且被配置为测量该壳体在多个自由度上的移动，以便接收来自支撑该壳体的手的移动命令。处理器可以将传感器耦合到致动器，使得导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动。
作为一般的任选特征，壳体可以包含电池并且与导管主体的近侧部分无线地耦合。任选地，二维输入设备被安装到壳体，处理器被配置为响应于由二维输入端接收到的输入而在两个附加的自由度上移动导管主体的远侧部分。在优选的实施例中，传感器测量壳体在三个或更多个自由度上的移动，任选地在三个平移自由度和两个或三个取向自由度上的移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用以便医治或诊断患者的导管铰接系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分可被配置用于通过开口插入患者体内。多个致动器可以与导管主体的远侧部分可操作地耦合，并且输入端可以被配置成促进由用户的手朝向与导管主体的插入的远侧部分和/或与患者的对齐的重新取向。传感器可被耦合到输入端以接收具有命令取向的移动命令。处理器可被配置成用于将传感器耦合到致动器，使得在使用期间，该导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动，其中导管移动具有与基于重新取向的输入端的命令取向对应的移动取向。
有利地，并非所有的输入轴线都需要由用户移动到与对应的输出轴线精确地平行的关系，以安全和有效地使用本文描述的系统。在程序期间，促进围绕仅单个轴线的用户输入重新取向的系统(理想地在患者被定位在手术台或其他患者支撑表面上之后，在目标管腔或其他组织的图像已经被捕获并且被示出在显示器中之后，和/或在铰接导管已经被插入患者体内并被前进至目标医治部位或其附近之后)可以提供显著的效率益处。例如，输入端可以具有基部表面，该基部表面在接收到旋转输入时将牢固地搁置在平坦的支撑表面上，并且可以通过拾取或以其他方式相对于支撑件旋转基部表面来围绕垂直轴线手动地重新取向。典型地，处理器将被配置为计算致动器信号以传输至致动器的子集以基于移动命令取向引起导管移动，其中处理器使用变换来标识致动器的该子集。本文描述的输入设备可以促进在多个取向上的重新取向，并且使用用户的手来促进朝向或者进入有效对齐的输入端的移动的系统的配置可以包括输入系统具有被配置为在程序期间被拾取和/或被保持、被旋转、被扭转或以其他方式围绕任何一个、两个或全部三个输入取向轴线(输入滚动、输入俯仰和输入偏航)被容易地重新取向的输入基部。注意到，不需要在整个程序中维持输入/输出对齐；一旦用户提供了输入和输出之间的有效对齐，该系统就可以测量并存储经对齐的输入取向，并且用户可以将输入端移动到期望的(通常更舒适或人体工程学的)取向。系统可以测量期望的输入取向并确定从存储的输入取向到期望的取向的改变，并且可以计算变换以使得输入移动和输出移动保持协调。
任选地，远侧部分可以是在两个自由度、三个自由度或更多的自由度上可铰接。移动命令可以包括二维或三维移动命令(或更多)，该二维或三维移动命令(或更多)包括位置改变或取向改变或两者，并且处理器可以基于输入端与导管结构的用户对齐来确定多个驱动信号，以便驱动多个分离的致动器使得移动取向与命令取向对齐。
还任选地，传感器可以包括加速度计、陀螺仪、惯性测量单元、图像捕获设备和/或柔性体形状传感器。移动命令可以包括包含传感器的壳体的移动。传感器可以包括至少2D加速度计和/或至少2D陀螺仪，并且移动命令可以包括在至少两个自由度上的主体的倾斜。当适当时，该传感器可以包括至少2D加速度计、图像捕获设备和/或柔性形状体传感器，并且该移动命令可以包括在至少两个自由度上平移主体。在一些情况下，输入端可以被配置为由用户的手在6个自由度上移动，并且传感器可以接收在6个自由度上的移动命令。
优选地，离合器输入端被耦合到处理器，并且该处理器被配置为当离合器输入端被致动时，响应于输入主体的移动而引起导管的远侧部分的移动，以及当离合器输入端未被致动时，响应于输入端的移动而抑制导管的远侧部分的命令的移动。无论如何，输入端可以包括被安装到输入主体的至少二维输入部件。处理器可以被配置成响应于围绕第二耦合位置的输入主体的移动引起围绕沿着轴线的第一耦合位置的导管主体的远侧部分的对齐的移动，使得用户感知到耦合位置对应。导管的远侧部分可以包括可铰接区段以及可铰接区段的远侧的治疗或诊断工具，并且第一耦合位置可以被设置在可铰接区段的远侧。作为又另一个一般特征，输入端可以具有轴线和与处理器耦合的旋转对齐输入端。处理器可以被配置成响应于由对齐输入端接收到的对齐命令而改变围绕导管的轴线的第一侧向取向的旋转对齐，以便与围绕输入端的轴线的第二侧向取向对应。有利地，输入主体可以沿着输入主体的轴线是细长的，具有近侧部分和与近侧部分区分的远侧部分(通常以便促进手中的输入取向的触觉标识)。导管主体的远侧部分当在远程成像系统上被显示时，可以具有有着在视觉上可标识的远端的细长图像，以便促进由用户将输入主体与远侧部分的图像进行手动旋转对齐。
在另一个方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用的导管系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分可被配置用于通过开口插入患者体内。壳体可以与导管主体的近侧部分可耦合并且被配置为当导管主体的近侧部分被耦合到壳体时由用户的手操纵以便在患者体内移动远侧部分。驱动系统可以被包含在壳体和导管主体内，并且处理器可以与驱动系统耦合，使得导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动。任选地，该壳体可以被配置成在远侧部分的驱动移动期间被保持在手中或者被手提起到平坦表面上以在远侧部分的驱动移动期间搁置在其上。
一般，驱动系统可以被包含在近侧壳体和导管内。壳体可以具有被配置成以稳定位置和取向搁置在平坦支撑件上的底部表面，以便在患者内的远侧部分的致动器引起的铰接期间保持固定。该底部表面可以在支撑件上充分地在定位上稳定，以便在致动铰接期间抑制无意的移动，诸如不会由约四分之一磅或更小、半磅或更小或者一磅或更小的力移动或翻倒。然而，壳体可以响应于例如半磅或更多、一磅或更多等的轴向操纵力而在支撑件上可滑动。
本文描述的导管系统将通常被配置为与具有图像捕获设备和显示器的远程成像系统一起使用。输入端可以具有输入参考系并且远侧部分可以具有远侧部分参考系，并且显示器可以在与图像捕获系和远侧导管系之间的关系相关联的显示器参考系中示出远侧部分。该系统可以被配置为维持以下之间的协调，例如：在输入参考系中的第一移动命令和如在显示器参考系中所示的第一导管铰接(第一移动命令在手动移动之前)；以及在输入参考系中的第二移动命令和如在显示器参考系中所示的第二导管铰接(第二移动命令在手动移动之后)。
本文所描述的输入端中的任何输入端可以任选地包括扭转输入端，该扭转输入端相对于被耦合到近侧导管的壳体围绕沿着导管轴线延伸的扭转输入轴线是手动地可旋转的，其中扭转输入端任选地包括围绕导管的可旋转轮子使得手动地操纵扭转输入端模仿近侧导管手柄的旋转。处理器可以被配置为使得扭转输入端的旋转引起远侧部分的铰接，该远侧部分的铰接模仿导管主体围绕轴线的旋转，而不使与开口相邻的导管的近侧部分旋转。例如，顺时针旋转扭转输入端可导致远侧导管部分的侧向偏转围绕导管轴线顺时针传播大致等于(或以其他方式成比例于)输入扭转的量。
本文描述的导管系统的处理器中的任何处理器可以任选地具有手动移动状态和致动移动状态。传感器可以与壳体可耦合，以便传输指示壳体的手动操纵的手动移动信号，该手动移动信号适合于手动地移动在患者内的导管的远侧部分。适合的传感器可以包括本文描述的运动传感器、接触传感器、用于感测壳体跨表面滑动的平移传感器(类似于计算机鼠标移动传感器)等中的任何传感器。处理器可以被配置为响应于手动移动信号而从致动移动状态改变到手动移动状态。任选地，处理器可以被配置为使得从铰接移动状态到手动移动状态的改变抑制远侧部分的至少一些铰接；减少在远侧部分和相邻组织之间的锚定接合；和/或改变远侧部分的刚度。例如，扭转输入可以导致模仿导管旋转的致动移动，但是可以抑制导管远侧部分的致动形状或姿态中的其他改变。锚定接合可以在感测到的手动移动期间被足够地减小以促进远侧部分在患者内的手动重新定位，任选地使用由处理器计算的锚定减小命令以便将组织接合力降低到阈值以下。在手动移动期间的刚度改变可以包括减小远侧区段的刚度(以便抑制组织损伤)、增加近侧区段的刚度(以便增加手动重新定位准确度)或两者。在一些实施例中，可以致动模式输入开关、按钮等以在手动移动模式和自动移动模式之间改变处理器模式。如果没有手动移动已经发生达到阈值时间(诸如5或10秒)，则处理器可以任选地返回到自动模式。
在另一个方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分被配置用于通过开口插入患者体内。多个致动器被可操作地与导管主体的远侧部分耦合，并且主体可释放地附接到导管主体的近侧部分。该主体被配置成由用户的手在三个自由度中移动。传感器可耦合到该主体以便接收包括在三个自由度中的主体的移动的移动命令。处理器将传感器耦合到致动器，使得导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分被配置用于通过开口插入患者体内。多个致动器被可操作地与导管主体的远侧部分耦合。壳体被可释放地附接到导管主体的近侧部分并且被配置成用于用用户的手支撑。传感器系统被安装到壳体。传感器系统包括加速度计并且被配置成测量该壳体在多个自由度上的移动以便接收来自支撑壳体的手的移动命令。处理器将传感器耦合到致动器，使得导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动。
在另一方面，本发明提供一种包括引导器的手术致动系统。引导器可以包括具有近端和远端(具有在它们之间延伸的管腔)的护套主体(该远端可前进到患者身体内)，与护套主体的近端相邻的输入基部，相对于基部可移动以便接收来自用户的手的移动命令的输入端，以及将输入端耦合到基部使得在使用中传感器响应于移动命令传输命令信号的传感器。与引导器护套一起，细长柔性主体被包括，其中主体具有近端和远端，在它们之间具有轴线。远端可被配置用于向远侧轴向插入经过护套主体的管腔并进入到患者身体。驱动系统通常将与细长主体可耦合，驱动系统包括处理器和多个致动器。处理器可以被配置成响应于命令信号而实现致动器的致动，使得驱使细长主体的远端以与移动命令相关联的移动而移动。
在另一方面，本发明提供了用于在手术系统中使用的输入系统。手术系统可以包括被配置用于向远侧插入患者身体内的细长柔性主体，以及可与细长主体耦合的驱动系统。驱动系统可以包括致动器和处理器，该处理器被配置为响应于命令信号而实现致动器的致动，使得驱使细长主体的远端以期望的移动来移动。输入系统包括具有近端和远端以及在它们之间的轴线的引导器护套主体。用于接收细长柔性主体的管腔轴向地延伸并且远端可前进到患者身体内。还提供了与护套主体的近端相邻的输入基部，并且输入端相对于基部可移动，以便接收来自用户的手的移动命令。传感器将输入端耦合到基部，使得在使用中传感器响应于移动命令传输适合于引起细长主体的期望的移动的命令信号。
在又另一方面，本发明提供了一种用于患者的组织的手术系统，该组织通过微创进入部位是可进入的。该系统包括细长柔性近侧主体，具有近端和远端，所述近侧主体在使用期间从微创进入部位向近侧延伸。传感器被与近侧主体可操作地耦合，该传感器被配置成传输与在患者外部的该近侧主体的挠曲相关联的信号。可铰接的远侧部分被配置成通过进入部位朝向组织前进，该远侧部分具有可以响应于驱动信号被改变的弯曲特性。处理器可操作地将远侧部分与传感器耦合，使得在动力铰接模式中的系统的使用期间，可以使用患者外部的近侧主体的手动挠曲来控制在患者内的远侧部分的铰接。
在又另一个系统方面，本发明提供了一种用于在患者的身体管腔内使用的手术系统，该管腔是通过进入部位可进入的。该系统包括具有近端和远端(在它们之间具有轴线)的细长主体，该细长主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。细长主体的长度被配置成在使用期间在进入部位和远端之间延伸，并且该长度具有可推动性和可跟踪性。第一致动器可以与第一轴向区段耦合并且可以被配置成响应于第一信号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通常在不存在环境力的情况下不引起第一轴向区段的弯曲)。因此，可以使用第一信号来针对特定身体管腔定制(tailor)细长主体的长度的可推动性和/或可跟踪性。在许多实施例中，第一致动器被包括在与细长主体耦合的多个致动器中，该多个致动器包括与第二轴向区段耦合的第二致动器。第二致动器可被配置为响应于第二信号而选择性地该变沿着第二区段的局部柔韧性，使得信号可被用于针对身体管腔定制细长主体的长度的可推动性或细长主体的长度的可跟踪性或两者，其中示例性致动器包括囊。
在又另一系统方面，本发明提供了一种用于在患者的身体管腔内使用的手术系统。管腔是通过进入部位可进入的，并且该系统包括具有近端和远端(在它们之间具有轴线)的细长主体。细长主体包括与第二轴向区段和第三轴向区段轴向耦合的第一轴向区段，每个轴向区段在使用期间定义局部轴向曲率。第一致动器与第一轴向区段耦合并且被配置为响应于第一信号选择性地改变沿着第一区段的局部轴向曲率，以便转向第一致动器的远侧的细长主体或者将第一致动器的远侧的细长主体与目标组织对准。第二致动器与第二轴向区段耦合并且第三致动器与第三轴向区段耦合。第二致动器被配置为响应于第二信号选择性地改变沿着第二区段的局部轴向曲率；第三致动器被配置为响应于第三信号选择性地改变沿着第三区段的局部轴向曲率。信号可以用于针对身体管腔定制在身体管腔与细长主体之间的安全锚定接合，使得细长主体相对于被接合的身体管腔的移动被抑制。
在方法方面，本发明提供一种包括接收通过相对于基部手动地移动输入端而定义的移动命令的手术方法。该输入端和基部可以被包括在引导器/输入组件中，该引导器/输入组件可以进一步包括具有近端和远端(具有在它们之间延伸的管腔)的护套主体。该移动命令可以在引导器的远端已经被引入到患者身体内之后被接收，并且传感器可以将输入端耦合到基部以便响应于移动命令而传输命令信号。处理器可以处理命令信号并将驱动信号传输到多个致动器。致动器可以被配置成铰接具有近端和远端的细长柔性主体，在该近端和远端之间具有轴线。远端可以向远侧被插入穿过护套主体的管腔并且进入患者身体内，并且可以传输驱动信号，使得驱使细长主体的远端以与移动命令相关联的移动而移动。
在本文提供的设备、系统和方法中，输入基部通常可以在使用期间被附连(affix)到引导器/输入组件的护套主体，并且可以被配置为由用户的另一只手来支撑。这促进通过用户的手之间的相对移动来定义一系列移动命令，其中在输入基部上的手使引导器护套稳定以便抑制与进入部位相邻的不期望的移动。这还允许用户采用与手动导管操纵期间使用的那些手部运动类似的手部运动，但是替代地提供实现插入结构的远侧部分的动力铰接的输入命令，并且可以促进在远侧部分的手动移动和动力铰接之间的转变。
任选地，输入端可以是相对简单的(并且任选地可丢弃的)结构。例如，输入端可以包括输入主体和具有管腔的细长柔性输入轴。输入轴的管腔可以穿过其接收细长柔性主体，并且输入轴可以在输入主体的至少近端的远侧延伸。输入主体可以包括止血阀，并且可以任选地可释放地附连到延伸穿过其的导管或其他细长主体，以便抑制远侧铰接部分近侧的导管的无意移动。例如，当期望手动地操纵导管而不引起铰接时，输入主体也可以可释放地可附连到输入基部。传感器可以与输入主体耦合，使得命令信号的至少一部分对应于输入主体的侧向挠曲，其可以允许用户采用手动输入命令，该手动输入命令特别容易地与在患者内的细长主体的远侧部分的侧向弯曲(有时称为X-Y弯曲或偏转)相关联。输入轴可以在输入主体的远侧延伸并且可以可滑动地接收在引导器的管腔中。传感器可以被耦合到输入轴，使得命令信号的至少一部分对应于在输入轴和引导器组件之间的轴向重叠的改变，从而允许用户采用手动输入命令，该手动输入命令特别容易地与细长主体的远侧部分的动力轴向移动(包括伸长和缩回)相关联(有时被称为Z致动)。注意到，铰接系统将通常只采用这些能力的子集，其中一些系统允许只在单个侧向方向上的铰接。
本文提供的设备和系统的传感器可以采取各种形式中的任何一种，其中传感器的示例性实施例包括光纤布拉格光栅(FBG)、挠曲敏感电部件(诸如沉积在输入轴上的一个或多个薄膜电阻器使得它随着轴的挠曲而在电阻上变化)等。传感器通常将被安装到输入端，但是可替代地(或附加地)被安装到细长柔性主体，特别是当细长主体包括FBG或其他挠曲传感器系统以用于向处理器提供要在生成驱动信号中被使用的反馈。
引导器(通常引导器的输入基部)可以任选地包括具有第一配置(诸如具有被轴向地附连到引导器护套的细长柔性主体)和第二配置(诸如具有轴向地可滑动通过引导器护套的细长柔性主体)的引导器阀。输入端可以包括具有第一配置(诸如具有被轴向地附连到输入端的细长柔性主体)和第二配置(具有轴向地可滑动通过输入端的细长柔性主体)的输入阀，并且在引导器和输入端之间的接口可具有第一配置(具有轴向地附连到输入端的输入基部)和第二配置(具有相对于输入基部轴向地可移动的输入端)。处理器可以被耦合到输入基部的阀、输入端的阀和/或接口，使得响应于配置确定驱动信号。例如，当输入基部附连到导管并且接口可相对于输入基部移动时，驱动信号可以实现X-Y偏转和伸长。当导管附连到输入端并且输入端和导管相对于输入基部可移动时，驱动信号可以引起X-Y泄放但不引起伸长。当输入端被附连到输入基部并且导管移动通过两者时，驱动信号可能不引起任何铰接(但可以任选地促进侧向弯曲以用于跟踪管腔、导丝等)。
输入端优选地包括通常地未致动的离合器输入端。在使用中，离合器的致动可以定义输入端的初始状态。处理器可以被配置成响应于当离合器保持致动时输入端从初始状态的改变而实现细长柔性主体的远端的移动。处理器可以进一步被配置为当离合器未被致动时忽视输入端的状态的改变。因此，可以使用输入端的重复致动手动铰接和输入端朝向初始状态的未致动手动返回来实现细长柔性主体的累积地增加的铰接。
第一连接器典型地将处理器耦合到输入端，并且第二连接器将细长柔性主体的近端与处理器耦合。连接器可以包括快速断开耦合器和柔性缆线。处理器可以被设置在壳体中，并且壳体还可以包含电池和加压流体罐(两者都可以是可再充电的或可替换的)。致动器可以包括流体驱动的致动器，并且壳体可以具有适合于在使用期间用单手手动地重新定位的尺寸、重量和形状。
在许多实施例中，输入包括X-Y侧向位移输入，并且移动命令的X-Y侧向位移可以在使用期间引起患者身体的近侧的细长柔性主体的侧向挠曲。驱动系统可以具有软件和硬件，该软件和硬件被配置为响应于移动命令在患者内以两个自由度(包括X-Y侧向弯曲)使细长柔性主体的远端铰接。输入可以任选地包括轴向Z位移输入，其中移动命令包括在使用期间沿着细长柔性主体的轴线的输入端的轴向Z移动。驱动系统可以被配置成在使用期间执行以下两个选项中的一个或多个：1)在患者身体内并且相对于细长柔性主体的近侧部分与输入端的轴向移动相关地轴向地移动细长柔性主体的远端，输入端的轴向移动包括在细长柔性主体的近侧部分之上的输入端的滑动移动；和/或2)与细长柔性主体的至少一部分的轴向移动相协调地使细长柔性主体的远端侧向地挠曲，使得细长柔性主体在患者身体内沿着期望的曲线移动。当移动命令包括输入端的轴向前进，其中与输入端相邻的细长柔性主体与输入端一起轴向地移动时，处理器可以被配置为驱动致动器使得细长柔性主体的远端在患者身体内跟随期望的曲线；和/或使得沿着远端的近侧的细长柔性主体的曲线随着细长柔性主体的前进与轴向移动相关地向近侧传播。在一些实施例中，处理器具有轴向致动恢复模式，以在细长柔性主体的近侧部分的手动前进期间实现细长柔性主体的远端相对于细长柔性主体的近侧部分的协调的近侧移动。任选地，致动器中的至少一个包括囊。
要由本文描述的用户界面设备、系统和方法控制的铰接主体可以具有大量的自由度。在许多实施例中(并且特别是医疗实施例)，对于系统用户能够用单手提供移动命令，通常在该手中支撑输入设备的同时，将是优选的。在医疗应用中，系统用户和输入设备可位于无菌手术区域内或与无菌手术区域相邻，并且可具有用他们另一只手执行的任务(任选地包括将导管主体插入穿过引导器护套并进入到患者体内。本文描述的设备和系统中的许多设备和系统中的一个任选特征是由用户的手手动地移动的主体可以任选地包括壳体、处理器的至少一部分设置在壳体中。输入到系统中的移动命令可以包括壳体的位置改变或壳体的取向改变或两者。另一个任选特征是感测移动命令的传感器包括加速度计、陀螺仪、惯性测量单元、图像捕获设备和/或光纤布拉格光栅。另一个任选特征是传感器包括例如2D加速度计和/或2D陀螺仪，其中移动命令包括在两个自由度上的主体的倾斜。又另一个任选特征是传感器包括2D加速度计、图像捕获设备和/或光纤布拉格光栅，其中(例如)移动命令包括在两个自由度上平移主体。
在接收输入命令作为壳体等的移动的实施例中可以包括多个任选的特征。例如，接收移动命令输入作为壳体的移动的传感器系统可以被配置为感测壳体在2、3、4、5或6个自由度上的移动，其中传感器典型地将与在感测到的自由度中的每个自由度上的壳体的移动相关联的信号传输到系统处理器。离合器输入端可以被耦合到处理器，并且该处理器可以被配置为当离合器输入端被致动时，响应于主体的移动诱导导管的远侧部分的移动，以及当离合器输入端未被致动时，抑制导管的远侧部分的命令的移动而不管主体的任何移动。二维输入端可以被安装到主体并且被耦合到处理器，其中二维输入端被配置为接收除了与主体的移动相关联的那些移动命令之外的移动命令。处理器可以响应于这些2-D移动命令而引起导管的远侧部分的其他移动，其他移动类似地是除了由主体的移动引起的那些移动之外的移动。处理器可以被配置成响应于围绕壳体的第二耦合位置的主体的移动而引起围绕沿着轴线的第一耦合位置的导管主体的远侧部分的移动，其中引起的移动被对齐使得用户感知到耦合位置对应。导管的远侧部分任选地包括可铰接区段以及可铰接区段的远侧的治疗或诊断工具，并且第一耦合位置可以被设置在可铰接区段的远侧。优选地，主体具有轴线(其任选地是细长主体等)并且旋转对齐输入端将与处理器耦合。处理器可以被配置为响应于由对齐输入端接收到的对齐命令而将围绕导管的轴线的第一侧向取向的旋转对齐改变为主体的第二侧向取向，对齐输入端理想地包括偏置到中间位置的摇杆式开关(使得用户可以直观地改变在相反取向上的对齐)、拇指轮等。电学和/或光学触点可以被包括在导管的连接器和壳体的接收器中，以便促进将反馈信号从导管传输到系统处理器，其中反馈信号指示导管的远侧部分的形状和/或位置并且可供处理器使用以更准确地驱动铰接。
在另一个方面，本发明提供了一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统。导管铰接系统包括细长导管主体，具有近侧部分和远侧部分，在它们之间具有轴线。导管主体的远侧部分被配置用于通过开口插入患者体内。多个致动器被可操作地与导管主体的远侧部分耦合。壳体与导管主体的近侧部分可耦合并且被配置成用用户的手支撑。传感器系统可被安装到壳体，该传感器系统包括加速度计并且被配置为测量该壳体在多个自由度上的移动，以便接收来自支撑该壳体的手的移动命令。处理器可以将传感器耦合到致动器，使得导管主体的远侧部分响应于移动命令而移动。
在一些实施例中，壳体包含电池并且与导管主体的近侧部分无线地耦合。任选地，二维输入设备被安装到壳体，处理器被配置为响应于由二维输入端接收到的输入而在两个附加的自由度上移动导管主体的远侧部分。
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示意性地图示导管铰接系统，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示意性地图示图1的系统中的导管的远侧部分的多个替代铰接状态。
图2示意性地图示替代的远侧结构，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，示出了可以被形成为基本上平面的配置并且卷绕成圆柱形配置的囊阵列，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，以用于在图1和图2的系统的导管中使用。
图4A和图4B分别是用于在图1的系统中使用的可铰接导管的简化的截面和简化的横截面，这里示出具有处于未充胀的小轴向轮廓配置并且位于盘管的环之间的阵列的囊。
图4C是图4A和4B的可铰接导管的简化横截面，具有沿着导管的可铰接区域的一侧充胀的多个轴向对齐的囊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，具有充胀的多个侧向相对的囊以使得导管处于轴向细长状态。
图5示意性地图示用于在图1的导管系统中使用的部件，包括囊阵列、充胀流体源、流体控制系统和处理器。
图6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被用于将流体引导到所述阵列的多个通道中的任一个，并且由此选择性地确定待膨胀的囊的子集。
图7是导管的简化的横截面，其中一个或多个囊可被充胀至径向地接合螺旋盘管的多个环，以便抑制导管轴线的弯曲。
图8示意性地图示导管铰接系统，其中系统的输入端与导引器护套结合。
图9-12是示出通过展开螺旋囊图案生成的示例性平面图案基底和相关联的囊阵列以及示例性的粘结囊制造技术的透视图。
图12A和图12B示意性地图示囊阵列，其中囊被设置在螺旋盘管芯之上，并且还示出变化的囊充胀密度对导管的曲率半径的影响。
图13示意性地图示通过致动导管的多个铰接子部分或区段来使诊断或医治递送导管弯曲成与目标组织对齐。
图14和图15分别是示出示例性引导器护套/输入组件的透视图以及护套/输入组件的示意性横截面，所述引导器护套/输入组件具有柔性操纵杆，以用于使用在用户的手或手指之间的相对移动来接收移动命令。
图16和图16A示意性地图示在手动模式中的图14的护套/输入组件的使用。
图16B-16E示意性地图示在3-D输入模式中的图14的护套/输入组件的使用，其中柔性操纵杆的挠曲引起导管的远侧可铰接部分的X-Y侧向偏转，并且其中操纵杆相对于引导器护套的轴向滑动引起可铰接部分的轴向伸长。
图16F-16H示意性地图示在“跟随曲线”模式中的图14的护套/输入组件的使用，其中导管的轴向位移被测量并且引起沿着导管的可铰接部分的一个或多个轴向区段的对应的侧向偏转。
图16I和16J示意性地图示在局部刚度变化模式中的图14的护套/输入组件的使用，其中导管的轴向位移被测量并且引起导管的刚度的局部改变使得针对身体管腔的几何结构定制整个导管的可推动性和/或可跟踪性。
图17示意性地图示铰接导管的侧向偏转以提供导管在身体管腔内的温和的和可释放的锚定，使用锚定的导管作为用于导管的3-D转向的基部，以及通过检测软远侧导引尖端针对管腔壁和/或导丝的偏转来感测导管主体的远侧和末端的弯曲路径。
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19和图20分别是具有轴向膨胀和轴向收缩囊的示例性轴向膨胀/收缩骨架和骨架的对应截面的示意图示，骨架的对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21-23是具有有着三组相反的囊的环状骨架的细长柔性铰接结构的图示，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在三维中控制框架的姿势或形状。
图23A-23H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示，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图示具有轴向膨胀囊和相反的轴向收缩囊的另一个替代的细长铰接柔性结构的部件，这里的结构具有螺旋骨架构件和螺旋囊组件。
图25A-25F图示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图示与图25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示意性地图示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端来使导管与其他细长柔性结构铰接的控制系统逻辑。
图28示意性地图示用于在本文描述的系统和方法内使用的数据采集和处理系统。
图29A-30图示替代的接口，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接收器构件。
图30A和图30B图示包含流体歧管的替代壳体，以及可安装到歧管壳体的示例性输入端。
图31A-31D图示有着从芯偏心地延伸的囊的具有单个多管腔芯的替代可铰接结构，以及结构的部件和组件的细节。
图32A和图32B图示具有操纵杆的手持式壳体以及如何可以由握持壳体的手通过用手的拇指操纵操纵杆来输入移动命令，并且还示意性图示移动命令与铰接导管的远侧部分围绕导管的轴线的旋转对齐。
图33A、33B和33C分别示意性图示具有三个独立可铰接区段的导管的九个铰接自由度、输入设备的壳体的三个取向自由度以及输入壳体的三个平移自由度。
图34示意性图示使用FBG传感器、加速度计、陀螺仪和/或相机来感测输入壳体的移动。
图35A-35D示意性图示在输入壳体的自由度与导管的铰接自由度之间的任选的相关性。
图35E示意性图示具有用户界面壳体的替代的手持式导管系统，该用户界面壳体可以从歧管组件被拆卸，其中用户界面壳体由系统用户的手可移动以便定义移动命令。
图36和图36A-36D示意性图示了具有侧向柔性操纵杆的另一个替代输入系统，该操纵杆可被轴向地前进以提供3D输入，并且被轴向地耦合至导管使得操纵杆的轴向缩回使导管的近侧部分前进。
发明的详细描述
本发明大体上提供用于控制移动以及在示例性实施例中，用于输入来自用户的移动命令以引起细长柔性铰接设备的移动的改进的设备、系统和方法。本文描述的技术特别地很好地适合用于由医师和其他健康护理专业人员使用，并且通常将被用于当它们被插入到患者的身体管腔或腔体中时，帮助引导导管和其他铰接设备的计算机控制的移动。细长柔性结构可以具有3、4、5、6、7、8或更多的主动或计算机控制的自由度，并且这些自由度中的许多、大部分或全部可以在使用期间沿着身体管腔的轴线被分布；尽管在程序的至少一部分期间，这些自由度中的许多、大部分或全部也可以处于开放工作空间内(未被周围组织支撑)。本发明可以利用令人惊讶的简单输入结构帮助提供对这些和其他铰接设备的直观控制，其中输入结构任选地被配置为当输入结构正在接收输入时任选地通过单手手持，例如其中移动包括整个手和被握持的输入结构的移动，或者从该手的一个或多个手指来提供，而留出另一个手空闲以用于其他任务。替代地，输入结构可以被配置成当被握持在用户的一个手中时被使用，而输入命令由用户的另一个手提供，或者输入结构可以由平坦的大致水平的表面支撑，使得用户可相对于患者解剖结构、成像显示器等可滑动地重新定位和重新取向输入结构。
令人惊讶地，用户可以操纵比被命令的那些自由度更少的离散和/或感测到的输入接合自由度。例如，通过握持壳体的手的输入结构的手持式壳体的移动可以在1、2或3三个位置自由度(诸如沿着X、Y和/或Z轴的位移)以及在1、2或3个取向自由度(例如围绕滚动轴、俯仰轴和/或偏航轴的旋转)上被感测。该壳体姿态数据的感测可以通过移动传感器(诸如微机电系统(MEMS)加速度计、陀螺仪和/或惯性测量单元(IMU))、通过图像捕获设备(诸如光学相机、红外相机或立体相机)、通过柔性体形状传感器(诸如光纤布拉格光栅(FBG)传感器或弹性体印刷电部件)、通过电磁导航传感器等来执行；并且将任选地由至少两种不同的传感器类型来执行。虽然可以使用外部传感器部件，但是可以任选地使用大部分或甚至完全地包含在手持式壳体内的部件(例如，使用为智能电话开发的室内导航技术)来获得和分析壳体姿态数据。该壳体姿态数据可以任选地与来自安装到壳体的简单多自由度输入设备(诸如操纵杆等)的信号组合以利用用户的单个手提供对超过6个铰接自由度(有时称为接合空间中的自由度)的有效控制。
本文提供的实施例可以使用囊状结构来影响细长导管或其他主体的铰接。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，并且被布置成使得在膨胀时主要作用是导致细长主体的铰接。注意到，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上径向向外的膨胀，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未铰接的近侧部分，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。
导管主体(以及受益于本文描述的发明的许多其他细长柔性主体)在本文中通常将被描述为具有或限定一轴线，使得所述轴线沿主体的伸长长度延伸。当主体是柔性的时，该轴线的局部取向可以沿着主体的长度而变化，并且虽然轴线通常将是限定在主体截面的中心处或附近的中心轴线，但是也可以使用主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，但是该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。可以相对于主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，在具有从主体的近端延伸到主体的远端的轴线的简单的实心圆柱形主体中，主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，围绕上文的圆柱形主体轴向地延伸的细长螺旋结构在本文中可以被描述为具有两个相对的轴向表面(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，而所述线的相对的内表面可以被描述为径向向内取向，等等。
本文描述的系统中的一些或全部可以受益于在输入结构和输出结构之间的取向对齐。如本文所使用的术语，输入(诸如可沿着第一移动命令轴线、壳体移动轴线等移动的操纵杆)与输出(诸如铰接导管的对应的第一侧向铰接轴线或邻近远端的导管的轴线)之间的取向对齐涵盖但不要求对应的输入轴线和输出轴线完全平行。在功能上，当生成充分对应于输入移动的输出移动以提供有效的眼睛/手部协调时，大多数具有阈值量经验的系统用户可以感知在距离平行的角度范围内的输入和输出参考系，并且在这种范围内的输入/输出角度关系在本文中被认为具有取向对齐。注意到，有效取向地对齐角度的范围可以在不同的铰接轴线(即俯仰、偏航、滚动、上/下、左/右、进/出)当中变化，并且对于具有更多自由度的输入/输出系统可接受的角度偏移可以更小。无论如何，虽然特定用户的(多个)期望角度范围可以是主观的，但是对于特定系统的典型群体中的大多数用户，特定输入/输出的取向关系是否在有效地对齐的角度范围内可以基于用户时间的统计分析来经验地量化以执行适当的基准任务，其中可接受的取向导致大多数用户任务时间在与平行的输入/输出关系相关联的那些时间的期望阈值(例如，10％、20％、40％等)内。
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交互，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管腔系统之一(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。
在该示例性实施例中，导管系统1可以在程序的一部分期间以手动模式使用。在手动模式中，用户U可以通过手动地抓握在患者附近的暴露的导管轴并相对于患者移动导管轴来帮助使导管的远端前进、缩回导管的远端或将导管的远端定位在患者体内，通常同时还保持组件的引导器护套以防止引导器护套脱落。替代地，用户U可以用一个手抓握附连到导管主体的近端的近侧或壳体(例如，使用食指和/或拇指间歇地调整转向弯曲角等，而手的其余部分支撑壳体)，并且可以用另一个手相对于引导器操纵导管(例如，用拇指和食指抓握和操纵导管主体并且其余手指保持引导器到位)。用于导管系统1的动力移动的输入可以在一定程度上模仿这些手动操纵，以便促进以自动铰接模式驱动导管，并且还促进在手动铰接模式和自动铰接模式之间的转换。例如，用户U可以使用第一个手H1的手指抓握组件5a的第一暴露部分(以抑制引导器护套移位)，并且还可以使用第二个手H2的手指来抓握并操纵患者附近的组件5a的另一个暴露部分。替代地，用户可以用一个手抓握引导器和相邻的导管，并且可以用另一个手移动导管的近侧壳体或手柄。在任何一种情况下，这些被抓握的部件的相对移动可以被用作到自动导管系统的输入移动命令，其中那些相对移动使人联想到手动模式中使用的手部移动(以及用于操纵已知手动导管系统的手部移动)。尽管在本文中通常参考导管的操纵来描述，但这些设备、系统和方法也将很好地适合于操纵包括导丝等的其他医疗结构，并且也可以用于非医疗结构(诸如工业内窥镜或内孔窥视仪等)的操纵。
示例性导管系统1通常将通过腿、手臂、颈部等的主要血管中的一个而引入到患者P体内。也可以使用多种已知的血管进入技术，或者可替代地，该系统可以通过身体孔插入或者以其他方式进入多个替代的身体管腔中的任一个中。成像系统一般将包括用于获取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。合适的成像模态可以包括荧光透视、计算机断层摄影、磁共振成像、超声检查、这些模态中的两种或更多种的组合，或者其他模态。
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在患者体内的远侧前进的至少一部分，其中系统用户U使用手HI、H2相对于患者手动地操纵导管的暴露的近侧部分。例如，可以使用线上(over-the-wire)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的前进的至少一部分，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以施加期望的远侧转向弯曲，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，其使用设置在患者体内的导管3的长度的至少一部分的计算机控制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，使得在没有使延伸穿过进入部位的轴或缆线移动的情况下提供导管的远侧部分的移动。还可以执行系统1的更进一步的操作模式，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，而在沿着导管的远侧部分的一个或多个轴向区段上的计算机控制的侧向偏转和/或刚度变化帮助远端遵循期望的路径和/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主体，并且优选地通过快速断开连接的耦合器16可拆卸地耦合到手柄14。手柄14(和具有转向输入能力的类似的近侧手柄)可以代替组件5a(也如上所描述)使用或和组件5a(也如上所描述)一起使用，使得此类手柄的部件可以被包括在导管系统的用户界面中。导管主体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主体12的轴向弯曲特性，通常用于可变地铰接导管主体的致动部分20。导管主体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26。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主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于将所述主体用作导丝，可以在致动部分20附近或在远端26附近携带工具或植入物，等等。在特定实施例中，导管主体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，一旦导管主体20已经前进，单独的细长柔性导管主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主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)。
包括在导管主体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/或医治结构中的任一种。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，用于对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/或医治的工具，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)，用于电生理学映射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/或医治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/或医治窦、咽喉、口腔或其他腔体的工具；以及各种各样的其他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、植入物或其他主体；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。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的导管主体12(并且具体地，致动部分20的铰接能力)，所述导管主体一般具有近端22和远端24，其中轴线30在两者之间延伸。如参照图2可以理解的，导管主体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主体的若干直径上(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)间歇地或连续地延伸的细长致动部分20。导管主体12(或采用本文描述的致动部件的其他柔性铰接主体)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)。柔性主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那些导管)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当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)的使用，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△L。用于实现长度的总可选择增加△L的示例性结构可以组合多个长度增量增加，△L＝△L1+△L2+……)，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中示意性示出的)，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)，其中该第二弯曲角度大于第一弯曲角度(如图1C中示意性示出的)。可以参照图4C来理解用于组合多个离散的弯曲角度增量以形成总弯曲角度33的示例性结构。无论如何，附加的总累积弯曲角度33任选地可以通过施加(图1B的)第一弯曲31作为第一增量以及一个或多个附加的弯曲角度增量35来实现。可以通过使导管系统的致动囊完全充胀和/或泄放来提供对致动部分20的增量变化。弯曲能力可能限于单个侧向方向，但是更典型地将在不同的侧向取向上可用，最典型地在3个或4个取向中的任何取向上可用(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，也在中间取向上可用。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还可以被配置用于给导管12提供多个离散的替代总轴向长度中的任一个。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经调节致动一起)的组合，但是更经常地可以使用囊的经调节或部分充胀来提供。
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。注意到，这种铰接可以相对地(或甚至完全地)独立于在基部部分21近侧的导管主体12的任何弯曲。可以例如通过以下方式来标识近侧基部21(相对于手柄14或另一方便的固定的或可移动的参考系)的位置和取向：通过在系统10中包括已知的导管位置和/或取向标识系统，通过在系统10中包括不透射线标记或其他高对比度标记和相关联的成像和位置和/或取向标识图像处理软件，通过沿着导管主体12的近侧部分包括柔性主体状态传感器系统，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主体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，尤其当囊阵列的多个不同的替代子集可以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。
注意到，沿着和超过致动部分20的细长导管主体12可以(并且通常应当)在铰接之前、期间和之后保持柔性，以便避免无意地向周围组织施加超过安全阈值的侧向力和/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、在致动部分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主体12的一个或多个轴向部分的刚度。导管主体的这种选择性硬化(stiffening)可以在具有或不具有主动铰接能力的情况下实现，可以沿着导管主体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，改变哪些部分被硬化和哪些是更柔性的。
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部件(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)。共同性可以包括使用对应的致动囊阵列，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主体的任何远侧锥形化而变化。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共同的部件和几何形状，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那些细长柔性铰接结构，系统通常将每个命令的特定区段的铰接确定并实现为朝向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到3自由度空间(诸如通过X-Y-Z工作空间中的两个横向侧向弯曲取向和轴向(伸长)取向的连续组合)。在本文描述的示例性实施例中的一些(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(诸如在轴向运动范围或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，但是当区段远离该设计构型运动(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，由支撑那些囊的螺旋结构的缠绕和退绕导致的偏心囊的侧向取向的变化，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。如果弯曲要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(或相对的囊对)可以用于提供命令的弯曲，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)。如果要将相同的弯曲与区段的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表现出某种扭转(如2度)，使得对于所命令的弯曲将存在轻微的+X分量，使得处理器可以通过命令对应的-X弯曲分量或者通过以其他方式在用于柔性主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的导管主体12包括安装到结构骨架(这里是螺旋盘管(coil)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，且N表示沿着导管12具有致动囊的轴向位置的整数。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。该第一示例性致动阵列包括总计16个囊的4 X 4阵列；替代的阵列可以是总计2个囊的1 X 2阵列至总计1600个囊(或更多)的8 X 200阵列，更典型地具有3 X 3阵列至6 X20阵列。虽然可以提供1 X N的囊阵列(特别是在依赖于导管主体的旋转来使弯曲取向的系统上)，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以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，并且囊可以被布置成更复杂的布置，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对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1 X 8、1 X 12和1 X 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4 X 4、4 X 8和4 X 12阵列(其中轴向对齐的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3 X 2N、3 X 3N、4 X 2N或4 X3N囊阵列的形式，例如具有6至48个囊的3 X 2、3 X 4、3 X 6、3 X 8、3 X 10、3 X 12、3 X14和3 X 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有收缩囊，其中单独的3 X N阵列以区段的3 X 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3 X 3N布置的每个收缩囊之间。收缩囊可以与它们相对的伸展囊轴向对齐和/或与其共面，尽管在一些实施例中可能有利的是，将相对的囊布置成从平面布置偏移，使得(例如)一种类型的两个囊使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3 X 2N和3 X 3N阵列两者，每个区段使用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的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。当环被包括在螺旋盘管34中时，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。这种轴向压缩偏置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(直接地或利用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，可以通过完全充胀的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，尽管具有与囊/骨架接口相邻的囊壁材料的一些挠曲。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以限制这种挠曲。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那些张力)。替代的环形骨架结构可以例如通过切割海波管(hypotube)(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)、编织金属或聚合物元件等来形成。可以使用许多替代的已知的刚性或柔性机器人连杆架构、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。
当环被包括在骨架中时，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的近侧表面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地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，囊的完全充胀将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。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)的替代的囊接合表面形状，和/或在囊与盘管之间提供负载传播主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、包括折叠或材料以便抑制囊迁移等。
囊的充胀可以改变沿着导管主体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/或沿着导管主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下轴向地挠曲和/或伸长。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形成或单独地形成。注意到，弹性层或其他结构可以被包括在基底中以用于阀等，并且一些替代的囊可以包括弹性材料和/或半顺应性材料。
参考图3、图4A和图5，阵列32的基底38是侧向柔性的，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或其他结构主干(诸如插入其中或径向向外围绕它们)。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的相对的侧向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，基底的间歇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，使得由棱柱状布置来近似圆柱形状(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存器54等耦合。基底的平坦构型的更进一步的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打印技术(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和与第一主表面相对的第二主表面64(其中，在圆柱形构型中，分别地，第一主表面62任选地是径向内表面或外表面并且第二主表面64是径向外表面或内表面)。为了促进将基底38和阵列32挠曲成卷绕构型，可以形成从第一主表面和/或第二主表面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被提供在基底的相对更刚性的部分之间。为了进一步避免与任何阀或其他敏感结构相邻的基底的变形，可以添加局部硬化增强材料，和/或可以部分地围绕阀形成释放切口或开口。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与基底一起形成或组装，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，将基底的至少一个层形成为管，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和图6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。基底层可以包括已知的柔性和/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更进一步的已知材料，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)。可以包括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)、电场敏感水凝胶、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打印等。可用于形成电路、阀、传感器等的合适的3D打印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层与其他部件之间的热粘结或粘合剂粘结，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打印、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上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、用于使挤压管起波纹等的那些技术)。注意到，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流体量的流体通道，但是其他实施例将包括利用大得多的流量的通道和囊或其他流体可膨胀主体，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主体(诸如采用活塞或其他正排量膨胀结构的那些主体)。
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。囊36可以由第一片基底材料形成或附接到其上，所述第一片基底材料可以粘结或以其他方式附连到另外一个或多个基底层。囊层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开口对齐。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，或者可以稍微定制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，并由此分配致动负载和环境负载。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的范围内，其中高压实施例在高达20-45atm的范围内的压力下操作，并且任选地具有50atm以上的爆破压力。
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。阀90中的至少一些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，阀中的至少一些可以安装到壳体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的指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存器以及用于对来自贮存器的流体进行加压的泵，但是通常将包括包含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。筒将通常将流体维持在囊36的完全充胀压力范围内或以上的供应压力下，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超过囊充胀压力，以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。注意到，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)可以用于对流体贮存器(通常包含或包括良性生物相容性液体，诸如水或盐水)进行加压，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主体朝远侧流动时，在通道52、囊36或导管主体上承载的其他组织医治工具(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。还注意到，可以代替筒或与筒一起使用许多替代的流体源，包括一个或多个正排量泵(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(诸如由电能或光能致动的和/或集成到基底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/或通过柔性管与至少一些囊耦合的其他正排量泵。
仍然参考图5，处理器60可以促进致动阵列32的囊36的适当子集的充胀，以便产生期望的铰接。这种处理器得出的铰接可显著增强输入端18到导管主体12的致动部分20的有效操作性耦合，从而使得用户在期望的方向上生成期望的移动或呈现期望的形状容易得多。对于具有刚性驱动连杆的远程操作系统，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主体，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可以包括示出导管主体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、显示器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标识传感器坐标系、显示器坐标系和/或输入端坐标系之间的关系，使得输入端的移动导致导管移动，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，以便促进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)、图像获取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、无线遥测器等被包括在能够执行本文描述的图像处理、刚性主体变换、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，或者可以分布在各种部件当中，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，并且可以被布置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6，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，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主体的骨架之前。在所述实施例中，每个囊具有基底38的相关联的专用通道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，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，诸如侧向相对的囊，以便使导管的远侧部分伸长。在这些或其他实施例中，在导管的一个侧向侧上的多个囊(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，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。更进一步的变化是可能的。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。所述管可以包括聚合物(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技术公司(Polymicro Technologies)或从多种替代供应商处商购获得。耦合到可致动主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主体的近端的和/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的流量。
可以使用多种已知的芯片实验室和箔上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，第三代纳米粘合剂技术(诸如CVD沉积小于400纳米的DCNA材料层)可以促进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(其可以沿着通道的一些或全部由基底支撑，和/或可以沿着其长度的一部分或全部与其他熔融石英管捆绑在一起，理想地在有组织的阵列中，类似于相干光纤束的组织，管位置对应于囊阵列内的囊位置)等来限定。安装到囊阵列的基底的任何阀可以使用在粘结之前沉积在基底层的表面上的导电迹线而电致动，其中上覆层密封基底内部中的迹线。当使用迹线将电势施加到致动材料时，阀构件可以移动，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。更进一步的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打印技术形成。多路复用电路系统可以被包括在基底38中，沉积在所述基底的层上或附连到所述基底，使得沿着导管主体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中的任一种，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(或者从所述阀结构导出)。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。
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(来自囊的流体任选地从基底离开，以便在导管的径向内密封层与径向外密封层之间朝近侧流动)或壳体14之间的单独的闸阀来控制。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挡)，或ii)囊与泄放流出之间的连通(其中来自流体源的流动被阻挡)。可以采用更进一步的替代方案，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连通(其中来自所述源的流动也是关闭的)。
现在参考图7，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204，所述囊各自轴向地延伸，其中这里囊204形成在分层的基底208中，使得囊一起限定囊阵列206，所述囊阵列可以抵靠盘管摩擦地接合或锁定以便帮助抑制导管主体的侧向弯曲。当泄放时，螺旋盘管的环202可以远离(或者如果是分开的，则朝向)彼此移动，从而允许导管主体挠曲(和伸直)。相比之下，囊208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，以便向导管主体增加轴向刚度。有趣的是，这可以使弯曲导管的笔直部分更加困难，和/或可以使导管的弯曲部分伸直(或以其他方式改变其轴向构型)更加困难。如上所述，基底208可以设置在内盘管与外盘管之间，使得轴向取向的囊径向地接合任一者(或两者)；或者基底可以设置在盘管的径向外侧，以与附连在一起的基底的边缘接合，以便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。更进一步的的替代方案是可用的，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7还可以理解的，可以通过在单个基底上(任选地在相对侧上)或者在分开的衬底上包括两种类型的囊来将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对应结构所描述的特性。
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。在该实施例中，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被包括在系统用户界面中，并且组件295和导管294的近端两者都可以使用柔性缆线(和快速断开连接的耦合器)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，并且被设定大小以供由用户的单只手定位，但在导管294的使用期间不需要移动。用于影响远侧部分296在使用期间的自动弯曲和伸长的命令可以任选地通过以下方式输入到系统中：将输入端297相对于引导器护套的近侧主体弯曲并轴向插入，从而采用对采用基于导管的诊断和治疗工具的医师而言已经熟悉的用户手动移动。
关于铰接系统292的用户界面部件中的一些，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)用户界面部件。如上文总体上指示的，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。具有沿着壳体的轴线滚动的表面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。更进一步的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或甚至更多自由度的输入端)、模仿机械可转向导管系统的那些壳体的壳体等。如图8的实施例中看到的，更进一步的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，使得它们响应于输入端297的移动而铰接)、按钮等。更进一步的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，使得囊将盘管310的环上的对应对的轴向(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。相对囊(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伸长。注意到，附图中省略了盘管314的远侧部分，使得能够更清楚地看到囊的布置。该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。在该实施例和其他实施例中，盘管之间的单个囊可以在轴线308上施加在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。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9-12，可以理解示例性的集成囊阵列和阵列基底设计以及制造过程。如在图9和图10中看到的，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(使得螺旋轴线围绕细长主体的中心轴线缠绕)。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，如利用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大的节距。如参照图11和图12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；替代实施例可以具有从两个侧向侧和/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，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)由第一层或囊层334中的片材形成(任选地通过将囊的至少一部分从合适的片材吹制到囊工具中)，并且一些或所有通道是由第二层或通道层336中的片材形成。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、粘结之后被切割，或者部分地在粘结之前且部分地在粘结之后被切割。注意到，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用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)替代地可以施加在囊层上，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批量处理(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、激光切割或粘合剂施加工具作业的滚动工具作业和/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、沿着两个相对的取向、沿着三个取向、沿着四个取向(如图所示)等定位。通道部分330可以终止于与多通道缆线334的接口处(或与该接口集成)，所述多通道缆线沿着盘管(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的囊形状和囊制造技术，包括：从第一片材吹制主要囊部分并从第二片材吹制次要部分；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)，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，使得与粘结部相邻的片材通过弯曲的连接器部分或凸片连接到相邻的基底。
现在参考图12A和图12B，可以理解替代的同轴囊/盘管布置。在这些实施例中，囊364安装在盘管366之上，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。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、通过局部地热收缩初始管直径、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。可以通过卷曲环来施加囊材料沿着盘管的一些或甚至全部的直径变化，尽管囊的选择性热收缩和/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，囊的内部容积之间的(囊壁与盘管芯之间的)流体连通可以通过径向端口提供到盘管芯内的相关联管腔。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齐。如参照图12A和图12B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齐的每隔一个囊充胀、每隔两个对齐的囊、每隔三个对齐的囊等)来确定。
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，该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计划的程序。例如，在该实施例中，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，主动脉瓣膜、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腔静脉或下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)，形成非常大致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；并且3)将远端处的导管的轴线在三维上取向并取向成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轴向伸长能力，或者沿着导管430的可铰接部分432的大部分连续地或者以沿其延伸的规则间隔处的铰接区段。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和32之间个囊，所述区段内的囊的子集任选地沿着1至4个侧向取向进行取向。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齐，并且可以由单个充胀管腔提供服务，通常由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服务的多组囊。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相邻定位的较小的弯曲半径较小，以及弯曲的远侧的导管的相对笔直的部段。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：其中第一弯曲分量远离隔膜平面并且第二弯曲分量侧向远离区段434a和434b的弯曲的平面。区段434d可以包括轴向伸长区段，其中相对的囊与该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(在该区段的运动范围内)。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，替代的区段布置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例如以下方式来定位瓣膜：插入导管，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14，可以更详细地看到用于图1和图8的系统中的示例性引导器护套/输入组件的透视图。引导器/输入组件460一般包括引导器护套组件462和输入组件464。引导器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导器护套466。引导器462的近侧壳体472包含引导器止血阀。输入端464包括柔性操纵杆轴474，其具有可滑动地延伸到引导器壳体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的缆线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导器/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的移动引起在导管的远端附近的导管480的一个或多个可铰接区段的铰接，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。引导器/输入组件的壳体内的阀可以独立地致动，以便将导管480轴向地附连到引导器462和/或输入端464。
现在参照图1、图8、图14-16J和表1，引导器/输入组件460可以在导管系统的操作期间以多种不同的模式被使用。表1总结了一些示例性模式的示例性系统配置和操作，且图15示意性地图示了可以用于帮助实现这些模式的引导器组件462的部件。图16和图16A示意性地图示了在示例性手动模式中的在导管的手动操纵期间的系统部件的手动移动。图16B-16E示意性地图示了示例性3-D移动输入命令和铰接导管的铰接状态中的相关联的自动变化。图16F-16H示意性地图示了在示例性跟随曲线模式中的导管主体通过引导器的测量到的手动移动和铰接导管的铰接状态中的自动改变的组合，并且还可以帮助理解示例性的轴向伸长恢复模式。图16I和16J示意性地图示测量到的手动轴向移动以及局部地改变导管的刚度，从而定制整体导管的可跟踪性/可推动性。
表1
现在参照图15和图16，可以通过将引导器壳体472附连到输入壳体476并且通过打开两者的阀来以手动模式使用引导器/输入组件460，使得导管480可以旋转并且轴向地滑动穿过引导器462和输入端464的同轴管腔。壳体可以使用可释放的输入/引导器接口484被附连在一起，其中示例性的接口包括对应的螺纹、鲁尔(Luer)锁等。柔性操纵杆474可以延伸到引导器壳体472中或穿过引导器壳体472，其中操纵杆可围绕管腔旋转并且可在由接口484和滑动限制止动件486限制的移动范围内轴向地滑动。注意到，柔性操纵杆可以任选地在引导器壳体472的刚性远侧伸展部内滑动，允许系统用户抓握患者外部的延伸部，以帮助抑制护套466在进入部位内的移动或弯曲。替代地，柔性操纵杆可以在柔性护套内朝向患者可远侧地延伸，或者甚至进入患者可远侧地延伸。
阀可以包括弹性阀体，诸如O形环等，其在闭合时被轴向地压缩(使得它们被径向地向内推动到与导管的外表面轴向约束接合)并且在打开时被轴向地释放(以便或允许导管主体通过其轴向滑动)。因此，阀壳体可以包括螺纹、鲁尔锁、止血钳状可锁定夹紧手柄等，并且可以替代地包括流体可充账或电动阀致动器。当打开时，在阀体与导管之间的滑动接合可帮助维持止血，并且可沿一个或两个管腔和/或在柔性操纵杆和围绕的引导器壳体之间包括另外的止血结构(诸如鸭嘴阀体、狭缝泡沫阀体等)，以便当阀处于不同配置时在插入导管之前促进较小直径导丝周围的止血等。
由于发送到充胀流体驱动器或其他致动部件的导管系统模式和驱动信号可以与引导器阀、输入阀和接口的配置相关地变化，传感器488可以与这些中的任何一个或多个相关联，其中这些传感器发送对应于相关联的结构的配置的信号，并且促进使用它们的手动重新配置作为到系统处理器的输入以改变导管系统的模式。无论如何，在该示例性实施例中，使用多个传感器来感测引导器/输入组件460的导管系统部件的移动或与引导器/输入组件460相邻的导管系统部件的移动，并且作为响应传输移动命令输入。例如，轴向运动命令传感器490可以被安装到引导器462、输入端464和/或导管480，并且可以传输与输入端(和/或导管)相对于引导器的轴向位移或移动对应的信号。示例性的轴向传感器可以包括电线圈、霍尔效应传感器、光学传感器(任选地类似于光学计算机鼠标的那些)等，并且将优选地测量输入壳体相对于引导器壳体的轴向位移，使得引导器壳体作为输入基部来操作。侧向移动命令传感器492类似地测量相对于引导器壳体的管腔轴线的侧向和/或角度位移。侧向传感器492可以被安装到柔性操纵杆，输入壳体和/或导管480，并且任选地包括沿着柔性操纵杆474的柔性轴延伸的光纤布拉格光栅挠曲传感器或挠曲电路挠曲传感器。因此，侧向传感器492可以包括相对简单的成本有效的光纤或其他部件，其使用可重复使用的处理结构来发送待处理的光信号或电信号，从而允许引导器/输入组件是单次使用的物品并且避免灭菌和重复使用的危险。最后，离合器输入端494可以包括简单开关，理想地常闭开关，其操作以响应于输入结构的移动而抑制自动铰接，除非按钮被保持按下等。
现在参照图16和16A，手动模式中的导管系统的操作适用于通过管腔的容易被导航的部分的快速手动移动，并且可以向系统操作员提供触觉反馈。导管480的轴向插入502和旋转504在引导器护套附近，并且可以实现导管的远端500的对应的轴向移动和旋转移动506、508。然而，在导管沿曲折的3-D路径510延伸的情况下，如图16中示意性所示，在手动输入移动与由导管的远端展示的那些移动之间可能存在显著差异。注意到，该手动模式可以在没有引导器/输入组件460的部件中的许多部件的情况下被执行，例如，先于输入组件的附接等之前使用简单的引导器。还注意到，输入移动502、504和输出移动506、508的取向可以相当不同，特别是当在从患者偏移的显示器上观看输出移动时。虽然熟练使用导管和导丝的医师可以容易地处理这些差异，但是增加取向对齐可以是有利的，特别地通过在X-Y输入取向与X'-Y'输出取向对齐之间旋转地对齐(或允许系统用户提供期望的旋转对齐)。虽然复杂的路径从所图示的跟随的自动铰接模式中被省略，但是示例性系统和方法帮助提供这种输入-输出旋转对齐。
现在参照图15和图16B，导管系统可以通过关闭引导器阀在自动3-D模式中被使用(使得导管480通过引导器的阀被保持在静止的轴向和旋转位置)。打开输入端的阀，并且使引导器和输入端之间的接口分离，使得输入端可以在柔性操纵杆474的轴向运动的范围内以及操纵杆和延伸通过其中的导管轴的侧向灵活性的范围内相对于引导器移动。在离合器的致动之前，移动命令信号是无效的，使得系统用户可以将输入端相对于引导器定位在期望的初始相对位置和取向。例如，输入壳体476可以相对于引导器护套壳体472围绕通过其的管腔的轴线可旋转。在侧向位移传感器包括附连到柔性操纵杆的挠曲传感器的情况下，输入端的旋转可以被用于将X-Y侧向偏转512取向成与输出移动的被显示的图像对齐，任选地使用一个或多个小的测试侧向输入移动命令。无论如何，当离合器输入端被按下时，侧向输入512导致操纵杆474挠曲并将相关联的传感器信号传输到系统的处理器。处理器确定适当的驱动信号以发送到适当的囊充胀阀(或其他致动系统部件)，使得朝向侧向偏转输出移动514驱使远端500，其结果在图16B中被图示。注意到，轴在横向侧向方向上的挠曲将导致远端被驱使成类似地在横向侧向方向上移动，由此提供X-Y偏转输入和输出。还注意到，输出移动在量级上可以对应于输入命令移动，但通常将在大小上有所不同。例如，输出位移距离可以与输入位移成比例但小于输入位移；输入和输出可以具有类似的取向，但可能不具有恒定的比例性；输出位移角可以小于、等于或大于输入挠曲角，等。
现在参照图16C和图16D，连同(或代替)X-Y侧向偏转，引导器/输入组件可用于接受轴向(Z)输入移动命令，其中该组件同时地在示例性3-D模式中适应。当离合器输入端被按下时，输入壳体476可朝向引导器壳体472移动，以便提供轴向输入移动命令516。柔性操纵杆474滑动到引导器壳体472中，并且轴向传感器向处理发送导致轴向输出移动518的对应的轴向命令信号。注意到，一些系统可以帮助取向地对齐这些轴向输入和输出。例如，显示图像的取向可以使用图像处理来旋转以帮助将远端500的被显示的轴向移动与输入对齐；和/或在引导器壳体与患者之间的护套的灵活性可允许系统用户帮助使轴向输入与相关联的被显示的轴向移动对齐。许多其他系统可以依赖于系统用户来适应轴向输入/输出取向不一致。在所图示的示例性实施例中，不提供轴向对齐(使得Z’可能不同于Z)，但是如果初始测试输入命令指示输入和输出缺少期望的旋转对齐，则用户可以简单地相对于引导器壳体472旋转输入壳体476。旋转对齐的重新测试和细化(如果需要)应该快速地提供期望的侧向(X-Y)对齐，尽管缺少轴向对齐但这将帮助用户维持准确的控制。其他系统可以具有旋转输入端或旋钮，该旋转输入端或旋钮提供电子信号以基于用户输入实现类似的侧向取向对齐。
如参照图16D和16E可以理解的，总体输入移动命令可以由导管系统接收(并且实施)作为一系列部分移动。为了发起第一移动命令的开始，用户可以通过按压离合器按钮等来致动离合器。处理器可以在离合器被致动时存储输入的配置，并且可以导出驱动信号以试图相对于该初始配置执行命令的移动。当在实现导管的期望配置之前，输入端接近其运动范围的末端(其可以通过输入设备、患者的解剖结构、医师的舒适性等等来施加)时，系统用户可以释放离合器。系统处理器然后可以将导管的铰接部分维持在当释放离合器时它所处的配置或状态中，并且系统用户可以将输入端(不致动离合器按钮)返回到输入端的运动范围的中间。然后可以致动离合器按钮来再次输入期望的总体移动命令512'的一部分；系统可以作为响应发起期望的移动514’的剩余部分(或另一部分)。这可以类似于在将光标移动到期望位置之前从桌面的边缘抬起计算机鼠标，将其向桌面中间移回，然后将其向下放回以允许继续的光标移动。
现在参照图16F和图16G，为了在示例性的跟随曲线模式中发起远端500的移动，导管480可以通过关闭输入阀被轴向地附连到输入壳体476，并且可以通过打开引导器阀被允许相对于引导器壳体472滑动，其中在阀之间的接口被分离。该移动的目标可以是(例如)导管尖端和主体至少近似地跟随弯曲的3-D路径520，其中该路径具有在曲率半径和/或曲率取向上与第二路径区段520b的曲率半径和/或曲率取向不同的第一弯曲路径区段520a，第一弯曲路径区段和第二路径区段两者可能不同于另一路径区段520c的那些等。为了适应期望的移动，导管的铰接部分可以具有最远侧的第一铰接区段522a和第二铰接区段522b，并且还可以具有第三铰接区段522c，以及任选地一个或多个附加的铰接区段，其中这些区段典型地被轴向地耦合并且独立地可铰接。
曲线520可以以多种不同的方式来定义。任选地，可以在发起特定的轴向移动之前，诸如通过确定穿过身体管腔或体积的3D表面模型(诸如沿着心脏的腔室的血液/组织边界)的期望路径来确定曲线520。曲线520也可以由结构来定义，诸如通过在其上要使导管480前进的导丝。在一些实施例中，可以诸如通过使用柔性操纵杆474来输入与并发的轴向操纵杆配置相关联的路径的侧向位置或曲率，在导管正在前进时生成曲线520。在许多实施例中，最远侧的第一区段522a近侧的区段可以从它们的当前配置被朝向远侧相邻区段的配置(实际的或命令的或两者的组合)驱动。注意到，在一些实施例中，沿着细长主体的区段的轴向位置可以改变或重叠。无论如何，尽管被用于实施本文所描述的模式中的一些或全部的导管系统的一些实施例可以包括从最远侧的铰接区段的远端一直向近侧延伸到进入部位的铰接部分，但是许多实施例将依赖被动的(未铰接的)近侧部分，所述近侧部分从患者体内的铰接部分和/或区段向近侧延伸，并且这种被动近侧部分通常将沿着铰接部分的近侧的弯曲路径被侧向地弯曲。导管480的手动插入可被用于通过经由引导器/输入组件460的轴向传感器感测导管的手动轴向位移，并且通过朝向对应于相邻路径区段(520a、520b、520c中的一个或多个)的曲率配置的曲率配置驱动导管的铰接区段(522a、522b、522c……中的一个或多个)来提供铰接部分和任何被动近侧部分两者沿着弯曲路径420的远侧前进。
参照图16F和图16G，铰接区段的侧向驱动可以在轴向移动期间和/或在递增的轴向移动之间发生。可以驱动铰接区段中的一个或多个，以便在导管区段和曲线区段对齐之前或者一旦它们被对齐就呈现与接近的区段相关联的曲率。然而，可以通过按下输入端的离合器并相对于引导器壳体472手动地移动输入壳体476来发起侧向铰接。一旦输入端处于其运动范围的末端或在其运动范围的末端附近(如图16G中所见)，离合器就可以被释放。由于阀配置可以被反转以允许输入端在不移动导管480的情况下向近侧缩回，所以将离合器释放器耦合到用于该模式的动力阀致动器可以是有利的。无论如何，如图16G和16H中所见，输入壳体476可以被撤回，并且发起新的轴向位移增量(具有铰接区段522a、522b等的对应的侧向偏转)，使得导管的远端基本上沿着路径520跟随。注意到，如果在该模式中的任何运动被发起(例如通过按下离合器输入端)，则系统处理器可以确定导管的任何铰接区段是否处于部分或完全的伸长的配置中。如果使区段中的一个或多个伸长超过期望的配置，并且如果使导管至少初始地向远侧前进，则处理器可以传输轴向驱动信号，使得(多个)伸长的区段被轴向地缩回到与手动的远侧移动相关的期望的长度配置，以便使导管为未来的驱动伸长移动做好准备。一旦区段的伸长长度处于它们的期望状态，则可以终止这种伸长恢复。
现在参照图16I和图16J，具有本文描述的导管系统的又另一种移动模式可以采用铰接囊的部分充胀，以便局部地减小导管的侧向刚度，从而定制用于特定身体管腔的并且理想地用于导管相对于管腔的弯曲的轴向关系的导管的可推动性和/或可跟踪性。可跟踪性、可推动性、可扭转性和可交叉性是导管的已知特性，其可以(通过询问多个用户以针对这些特性中的一个或多个特性对导管进行评价)主观地，(通过测量在受控测试中的移动输入和输出)经验地，和/或(通过基于导管结构的特性或性质对导管和所得的导管性能的相互作用建模)分析地被定量地确定。可推动性通常反映导管的远端响应于从管腔的近侧执行的轴向插入而在弯曲的管腔内向远侧前进的能力，而可跟踪性通常反映导管的远端响应于轴向插入而跟随穿过弯曲的管腔的路径(任选地如由导丝或管腔壁所定义)的能力。可推动性和可跟踪性两者都可以随着导管结构的多个不同特性而变化(例如，两者通常随着增加的外部润滑性而改善)，但是在至少一些情形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小该轴向刚度来增强。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种挑战，因为可以通过改变囊压力来独立地改变导管区段的轴向刚度，任选地不施加压力，以便在任何特定方向上施加侧向弯曲(不存在针对导管的环境力)。
在图16I和图16J中，身体管腔具有第一弯曲B1和第二弯曲B2，在弯曲之间具有笔直部。在图16I的位置中导管的良好的总体可推动性和可跟踪性可以受益于具有沿着导管区段520b(弯曲B1的近侧以及沿着弯曲B1)的高的侧向柔韧性(低刚度)以及沿着导管区段520a和520c(沿着笔直管腔区段延伸)的相对高的刚度(低柔韧性)的导管结构。当导管向远侧前进使得远端在弯曲B2附近时，可跟踪性可以受益于增加区段520a的柔韧性，同时可推动性和可跟踪性可以通过减小区段520c的刚度(当其接近或到达弯曲B1时)，以及增加区段520b的刚度(当其离开弯曲B2和/或沿着笔直部延伸时)而总体上受益。通过例如由测量导管的轴向插入以及调节区段的囊的压力来标识路径的高度弯曲的和较笔直的区段，使得接近或沿着较大曲率的导管区段不太僵硬(通常通过部分囊充胀)，以及使得接近或沿着较笔直的路径部分的导管区段更僵硬(诸如通过使那些区段的囊的泄放或充胀竞争)。
现在参照图17，可以理解导管480的两种不同锚定模式。在该实施例中，期望将导管480的远端500与经由分支身体管腔BBL进入的目标组织TT对准。为了进入目标组织和/或产生期望的对准，导管480可以在导丝GW上前进，或者可以是自导引的，并且将使用如以上大体上描述的远侧可铰接导管区段520a的侧向偏转和轴向伸长。系统用户在此已经确定例如将导管480锚定在区段520a的近侧将是期望的，使得导管的远侧区段将随着在目标组织TT附近的生理移动而移动，使得导管的远侧区段与锚定位置的近侧的移动隔离，以在铰接期间使区段520a稳定等。为了在沿着分支身体管腔BBL的相对笔直部延伸的第一锚定位置530处提供导管480的外表面与管腔壁之间的期望的锚定接合，可以驱动导管铰接区段520c以便施加至少一个弯曲，并且优选地以便施加相对的弯曲、正弦弯曲、螺旋弯曲等。在身体管腔的弯曲位置532处的锚定接合可以通过朝向具有大于身体管腔弯曲的弯曲角度的弯曲角度的导管弯曲配置驱动铰接区段520b来提供。注意到，图17还图示了如由导丝GW、管腔壁或两者施加的导管480的柔性尖端534的侧向偏转。如以上可以理解的，具有挠曲传感器(任选地，光纤或柔性电路)的这种柔性尖端可以测量这种偏转并且生成可以被用作远侧路径曲线传感器的信号。
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开口，以使得所述芯的近端与后盖相邻或位于其中，其中开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。应当注意，也可以使用各种各样的替代歧管和导管耦合器结构，包括歧管系统，其中堆叠板连接器系统被用于与导管相接，并且其中端口的阵列从连接器侧向地延伸以提供与可重复使用的阀组件的快速断开连接的接口(如图29-30C所示并在下面描述)。
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主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。
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受压的(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。注意到，当囊都未充胀时，此类相对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19，简化的示例性C形通道结构骨架680包括在骨架的近端(朝向页面的底部)与远端(朝向页面的顶部)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、近侧凸缘和远侧凸缘642。壁的相对的主表面侧向地取向，并且凸缘的相对的主表面轴向地(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和远侧表面限定了重叠偏移量。凸缘还限定附加的偏移量，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。
囊被设置在每个C形框架682、684的通道中(只有其中的一些被示出)。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682的第一壁与第二相邻通道684的第二壁之间。相比之下，伸展囊660在一个侧向侧上仅具有单个壁；伸展囊660的相对侧面未被框架覆盖(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)。当伸展囊660被完全充胀，它们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。收缩囊662被设置在具有伸展囊的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，将驱使在相邻的类似框架(682、682)之间的偏移量扩大，并且将允许在不同地朝向的框架(682、684)之间的收缩偏移量减小。相比之下，当骨架680被驱动朝向轴向收缩配置时，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增加，并且将局部骨架结构轴向地拉动成更短的配置。为了允许收缩囊662在特定的C形通道内膨胀，可以允许膨胀囊660泄放。还可以提供具有相对的伸展/收缩囊的多个替代的框架布置，如可以参考2016年2月17日提交的题为“Local Contraction of Flexible Bodies using BalloonExpansion for Extension-Contraction Catheter Articulation and Other Uses(用于伸展-收缩导管铰接和其他用途的使用囊膨胀的柔性体的局部收缩)”的美国临时申请第62/296,409号(代理人案号097805-000300US-0970626)可以理解的。
注意到，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向侧的轴向长度的情况下使骨架的一个侧向侧延伸来施加侧向弯曲)。还注意到，使用相对的囊通常将涉及协调地使相对囊充胀和泄放以便提供骨架长度的最大变化。然而，这种布置的显著优点在于，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。
再次参考图19，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684都具有由壁644和凸缘648限定的通道，所述通道具有轴向宽度以容纳两个囊组件。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。这些不同框架形状的相邻轴向表面在凸块处彼此接合，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19和图20，可以理解图19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19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)。注意到，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21-23，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21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22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23的短构型中，收缩囊662全部完全充胀，而伸展囊660被泄放。注意到，囊的状态保持非对称，使得环形框架骨架690的所有侧向侧上的长度保持一致，并且骨架的轴线保持笔直。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。更具体地，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。类似地，存在三组收缩囊。每组的囊沿着从轴线相同的侧向取向对齐。沿着特定区段的每个轴向对齐的组的伸展囊可以被耦合到相关联的充胀流体通道，并且每个轴向对齐的组的收缩囊可以被耦合到相关联的充胀通道，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的伸展囊泄放并且使相对的收缩囊充胀，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的伸展囊充胀，并且通过选择性地使这些其他取向的收缩囊泄放，环形框架骨架690的侧向相对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对的伸展/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。
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相对的伸展囊和收缩囊的环形框架骨架可以提供与由图19-23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23A-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’的细长柔性主体与具有较少环形框架的那些主体相比，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23C所示)与伸展构型(如图23A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23B所示)。
如参照图23F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主体可以弯曲，其曲率半径(如在主体的轴线处测量的)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齐的伸展囊。
如参照处于图23A的笔直构型、处于图23F的连续弯曲构型以及处于图23D和23E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。注意到，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)以及细长柔性主体的许多其他结构(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23F所示的两区段环形框架骨架690’系统的铰接主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23E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的相对的囊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23D可以理解的，可以通过向相对的收缩/伸展囊组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。注意到，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23H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。注意到，针对期望的工作空间，可以使用更进一步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23G可以理解的。
具有如上文参照图20-23H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打印、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布置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对地安装到框架。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主体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主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3X 5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齐的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相对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对地安装的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。注意到，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，轴向对齐的收缩囊的数量也可以是不同的，但是通常将是相同的。还注意到，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”。
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(诸如通过热收缩或轴向拉伸成形)。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/框架接合接口(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(通过热收缩、通过轴向拉伸成形、通过热收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起波纹或成波浪形，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收缩材料(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、将囊管热收缩和/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套筒热收缩在密封区之上，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设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齐。无论如何，芯/囊组件的形状设置可以帮助设定囊的M个不同的侧向取向，使得每一组的囊720i、720ii、720iii对齐(如参考图24E和图24E-1可以理解的)。
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。螺旋凸缘由相对的囊轴向接合，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(或其他可铰接主体)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的充胀相对地起作用。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。注意到，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/收缩囊对置布置。注意到，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)。
各种导管尺寸和能力可以被提供，其中区段的数量通常与芯轴的尺寸和管腔有关。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。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，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。更进一步优点可以通过将7Fr芯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个充胀管腔的芯可以通过将较小的管腔和壁厚与径向细长截面相结合来提供，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更进一步的数量的管腔。
应当理解，更进一步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对，以使得当充胀流体从囊释放时，弹簧使囊泄放并且将柔性主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个专用的相对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27，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，于是可以由系统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。这些相等的连结角度可以帮助朝向系统的最低势能状态引导该系统。本文描述了用于系统的过量接头的其他的替代目标。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，成像模态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导引的铰接)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。在囊以相对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28，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主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可以是集成到手持式驱动器中的用户界面，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)可以被集成到驱动器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或其他细长柔性主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更进一步通信，包括导管标识数据的传输(所述导管标识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。
参考图27和图28，输入设备806和/或与处理器板802相关联的输入传感器也可用于生成处理器模式信号，例如，以在本文所述的系统模式中的任何系统模式之间切换。输入设备806可以例如包括模式按钮或开关，该模式按钮或开关允许从一组模式当中选择处理器的模式，该一组模式诸如手动移动模式、自动移动模式、跟随曲线模式、轴向恢复模式、本文描述的其他操作模式中的任何操作模式(或其任何子集)。在一些实施例中，处理器模式可以响应于传感器信号而改变。例如，响应于移动传感器指示包含歧管等的近侧壳体以高于阈值的移动(诸如足以沿着导管主体被向远端传输到患者体内的移动)正在被手动地移动，处理器可以从自动移动模式改变为手动移动模式。这可以允许例如系统用户手动地重新定位导管，而不必等待输入模式命令。响应于与手动重新定位导管的远侧部分的开始相关联的模式改变命令或传感器信号，系统可以标识导管的远侧部分的移动前位置。系统还可以标识远侧部分的移动后位置，并且可以使用移动前位置和移动后位置之间的差异来更新输入和输出之间的变换，以便维持用户的协调。任选地，在手动移动期间可以使用近侧壳体的感测到的移动来导出铰接命令，诸如通过感测壳体的轴向移动以便估算导管主体穿过引导器护套的轴向移动(代替测量引导器和导管之间的相对运动或者除了测量引导器和导管之间的相对运动之外)以用于当在跟随曲线模式下时计算侧向偏转轴向传播。
现在参考图29A-30，可以理解导管的替代近侧接口830，以及它如何可被配合至替代模块化歧管834的替代接收器832。近侧接口830提供多达三个多管腔轴836的轴向分离的端口之间的密封连通，其中多管腔轴的端口通过轴向地压缩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主体而被密封。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30，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。
参照图30A和30B，示出了示例性替代的近侧壳体1002、1004。这里的近侧壳体1002包括歧管壳体1006和输入壳体1008，其中输入壳体任选地可释放地可安装到歧管壳体上，典型地使用快速断开连接的机械耦合器、电气/机械连接器、磁性和/或磁性导引的耦合器等。替代系统可以具有集成或永久地附连在一起的输入壳体和歧管壳体，或者分开的结构(任何一者或者两者任选地被可分开地安装到基部站)。当可拆卸时，歧管壳体1006和输入壳体1008可各自包含处理器系统的相关联部件(诸如用于歧管壳体的一个或多个歧管PCB板，以及用于输入壳体的一个或多个用户界面板)和电池或其他电源。输入壳体1008的用户界面处理器部件可以任选地在分离时通过无线遥测与歧管的处理器部件耦合；如果输入端可释放地被安装到歧管/当输入端可释放地被安装到歧管时，可以经由当壳体配合在一起时接合的可拆卸的耦合器在包括在这两个不同的壳体中的处理器部件之间任选地传输数据和电力。
参考图30A，歧管壳体1006经由可拆卸的导管耦合器或基部耦合到柔性导管1014，并且可丢弃的预加压气体/液体充胀流体罐1010也由歧管壳体可拆卸地支撑。歧管壳体1006具有相关联的歧管参考系1012并且被配置成由系统用户的手保持在空间中，同时用户使用保持歧管的手和/或另一只手来输入移动命令。保持歧管壳体1006的用户还可以通过轴向地移动导管穿过插入护套以及进入/离开患者身体来手动地操纵导管的远端，任选地(至少部分地)通过朝向和远离患者移动歧管壳体来使用保持歧管壳体的手。用户还可以围绕导管的轴线旋转歧管，以便手动地旋转导管的远端。由于将罐的轴线保持在距直立的角度范围内可以促进充胀流体的稳定流动，扭转输入1016可以被安装到歧管壳体1006，其中扭转输入被配置成接收围绕扭转输入轴线1018的旋转输入，该扭转输入轴线沿着与歧管相邻的导管的轴线延伸。响应于该扭转输入，处理器可以被配置成铰接导管，使得导管的可铰接远侧部分的一个、一些或所有弯曲围绕远侧导管轴线进动，其中进动角度对应于扭转角度输入。这可以允许用户以类似于操纵未铰接导引导管等的方式手动地使用导管的轴向移动与扭转的组合，其中在输入和输出之间具有好得多的扭转相关性、具有更小的扭转抖动等。如参考图32A-35E和相关联文本可以更全面地理解的，用户手中的歧管壳体1006的总移动可以被感测并被用作导管铰接的输入，其中移动感测任选地通过由歧管壳体自身支撑的传感器来提供，通过由输入壳体支撑的传感器来提供(当输入壳体被安装在歧管壳体上时)，或者通过两者来提供。
仍参考图30A，当提供可分离的壳体时，尽管用户界面的选定部件(输入、显示、声音等)可以任选地安装到歧管壳体1006，移动命令输入部件可以主要或完全由输入壳体1008支撑。输入壳体1008可以包括例如用于在多个自由度中输入移动命令的操纵杆和/或轨迹球，其中示例性输入端具有至少3D操纵杆(并且理想地是6D操纵杆)，其被配置为接收在输入滚动、俯仰、偏航以及X、Y和Z平移中的一些或全部中的移动命令(所有均在输入参考系1018中)。适合的6D操纵杆可以从3Dconnexion(包括SpaceNavigatorTM 3D运动控制器)和其他供应商商购获得，并且这种3D输入设备可以特别地良好地适合于提供移动命令作为速度(平移和/或旋转)输入向量。输入壳体的总移动可以良好地适合用于提供位置(平移和/或旋转)输入向量。附加或替代的用户界面部件可包括与铰接取向相关联的按钮、用于调整(多个)输入/输出取向的拨动开关、触摸屏、离合器按钮、处理器模式按钮、显示器、触摸屏等。为了帮助将输入向量与铰接导管的输出运动向量对齐，用户可以至少粗略地将输入壳体1008(和/或歧管壳体1006)与患者的大体解剖结构对齐，与针对医治的患者的内部组织对齐(任选地该组织显示在显示器中)，或者与导管的远侧部分(任选地如显示器中所示)对齐。为此，输入壳体1008可以是细长的(以促进输入和细长铰接导管远侧部分之间的轴向对齐)并且具有区分输入近侧取向、远侧取向、垂直取向和侧向取向的视觉和/或触觉特征(诸如一个或多个轴向偏移的用户界面部件和区分的垂直厚度和侧向宽度)。输入壳体1008的用户界面部件、无线遥测电路、传感器结构，处理器部件、电池等中的一些或所有可以在商业上可用于或适配自标准智能电话和其他消费者移动计算设备的那些。
参考图30B，近侧壳体1004包括替代的歧管壳体1006'，并且将典型地包括用户界面1008'。用户界面1008'可以包括以上描述的输入壳体1008的用户界面部件，其可以集成到歧管壳体1006'中，或者可以由可拆卸地可安装在歧管壳体1006'上的输入壳体来支撑或被保持分离。歧管壳体1006'具有腿1020a、1020b、1020c，其中腿的底部表面1022一起限定了在平坦支撑表面1024上稳定的基部表面。腿的底部表面将导管支撑在支撑表面上方并且使导管取向为与歧管相邻，使得导管的轴线朝向引导器护套向远侧向下成角度。支撑表面1024将典型地包括小的(小于0.5平方米)、通常水平的桌子的顶部，该桌子可以在患者上方悬臂，其中该桌子由可锁定的轮子支撑或者可安装到手术台的侧轨上。有利地，用户可以通过抓握和移动歧管壳体1006'远侧的导管主体，和/或通过抓握和移动歧管壳体1006'来手动地操纵导管。可以通过底部表面1022在平坦表面之上的轴向滑动来适应导管轴穿过引导器护套的轴向手动移动。导管主体在近侧壳体和输入护套之间的挠曲可适应与滑动移动相关联的任何角度变化，和/或平坦表面可任选地向远侧向下倾斜(朝向插入护套和在近侧壳体附近的导管主体的角度，允许更均匀的腿长度)以用轴向移动减小导管的近侧弯曲。安装到导管附近的壳体1006'上的扭转输入1016(参见图30A)的旋转可以模仿导管轴的手动旋转，或者用户可以提升并手动地旋转歧管壳体和导管轴。可以提供更进一步的替代布置，包括保持歧管并允许围绕导管轴线的旋转的支架系统、适应相对旋转的导管/歧管耦合器等。无论如何，用户可以使用完全包含在壳体1006'内的驱动系统和安装在其上的导管在患者体内的导管的手动前进和其他操纵与患者体内的导管的远侧铰接部分的自动操纵之间容易地交替。任选地，处理器可以响应于安装到歧管壳体1006'的移动传感器(任选地通过在其上安装输入壳体)在自动模式和手动模式之间切换。相关的铰接导管系统可具有类似的用户界面能力但非常不同的驱动系统，包括具有通过电机致动的(任选地在近侧壳体中没有流体歧管)或通过使用类似以上描述的那些的流体充胀/泄放阀和气体/液体罐驱动的注射泵活塞致动的拉线的导管系统。当提供可分离的输入和驱动系统壳体时，一旦导管大致就位，用户就可以将输入壳体1008'移动到期望的位置，以便例如限制用户矫形应变和/或暴露于来自荧光透视或其他成像系统的辐射。
现在参考图31A-31D，具有单个多管腔芯的替代囊铰接结构850可以特别良好地适用于较小的轮廓应用，诸如尺寸小至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提供两个支柱，其中这两个支柱在周向上偏移约180度；邻近的环对之间的轴向相邻的支柱可以偏移约90度，从而促进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利用框架850的侧向弯曲而移动得更靠近在一起和/或更远地分开，使得可以使用囊来控制这些区域之间的偏移以及由此框架的弯曲状态。
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，用于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，其中阵列再次采用Mx N阵列的形式，其中囊的M个子集周向地分布，M个子集中的每一个沿着侧向弯曲取向对齐(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，使得它们可以作为一组被充胀。偏心囊872任选地可以通过以下方式形成：在选定的外围管腔864之间钻出去往芯主体的外表面的端口，并且将附连在多管腔芯862的钻出主体之上的囊壁材料管与密封地附连到芯的多管腔主体的外表面的囊管的内表面附连在一起。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面管腔进行加压，以便局部地径向向外吹制芯的多管腔主体的材料来形成囊。无论如何，囊从多管腔芯的主体侧向地延伸，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(围绕芯的轴线周向地弯曲)、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地延伸)、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)，多管腔芯的主体被接收在框架的管腔中，并且囊872被设置在环858的对置表面之间。通过选择性地使沿着侧向弯曲取向之一对齐的囊872的一个子集充胀，并且通过选择性地使相对的囊子集(从充胀囊偏移约180度)泄放，可铰接结构850的轴线可以被弯曲。控制相对囊子集的充胀压力可以改变可铰接结构850的曲率和刚度两者，其中增加相对的充胀压力使刚度增加，并且减小相对的充胀压力使刚度减小。侧向偏移囊组(例如，围绕轴线处于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。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的外径为约1.4mm，多管腔芯862的主体的外径为约0.82mm，并且外围管腔864的内径为约0.10mm。多管腔芯主体和囊可以包括聚合物，诸如上文描述的挤出物或囊材料中的任一个，并且框架可以包括聚合物或金属结构，所述框架任选地通过模制、在材料管中切割侧向切槽、3D打印等形成。注意到，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，并且当将要包括更进一步区段时可以提供更多的管腔。
现在参考图32A，铰接系统902包括壳体输入设备904和具有3个独立可铰接的区段908a、908b、908c的铰接导管906。每个区段可以具有3个铰接自由度，包括X和Y取向上的侧向弯曲，以及Z取向上的轴向伸长。为了控制例如远侧区段908a的侧向弯曲，壳体输入设备904可以例如具有X-Y操纵杆910，该X-Y操纵杆被配置为由保持壳体输入设备的手H的拇指912来操纵。可以通过X-Y操纵杆910和由操纵杆的移动引起的导管906的X-Y铰接之间的对齐来增强输入设备的易用性。优选的对齐是根据外科医生的感知在如输入到输入设备中的移动命令和区段908a、908b和/或908c的所得到的自动移动之间，使得该关系是舒适的或直观的。外科医生可以主要地从通过荧光镜检查(或一些其他远程成像模态)获得的以及在屏幕或其他显示设备上显示给外科医生的图像感知在导管远端处的移动。期望的对齐典型地不直接与导管尖端和输入设备之间的真实对齐相关联，使得导管尖端和输入设备的实际取向可以处于任何相对角度。取向的感知与监测或成像场(也称为监测器和相机位置/角度)的相对取向以及导管尖端的图像向外科医生的显示有关。可以使用旋转对齐输入916来实现合适的对齐，以围绕远侧区段的Z轴或伸长轴电子地旋转远侧区段908a、中间区段908b和/或近侧区段908c的X-Y侧向铰接轴线。区段908a、908b和908c可以围绕Z轴旋转地附连在一起，使得提供与任何区段的对齐可以实现与所有三个区域的对齐。无论如何，可以提供一个或多个附加的操纵杆或其他输入结构以提供对铰接导管906的其他自由度的控制。替代地，可以通过用手H移动壳体输入设备904的壳体918来提供至少一些铰接自由度的输入，显著地简化了用户界面并允许用户的单个手提供导管906的3个、4个、5个、6个、7个或甚至8个(例如，利用包含X-Y操纵杆910等)或更多个铰接自由度的直观输入命令，铰接自由度有时被称为接头空间中的自由度。
现在参考图32B，并且这里使用旋转对齐输入916解决操纵杆910的旋转对齐，诸如荧光透视系统、MRI系统、计算机断层摄影系统、超声系统、红外或光学相机等之类的图像捕获设备920可以获得导管906的至少远侧部分的图像。导管906的图像906'(包括远侧区段908a的图像908a')可以显示在显示器922上，其中用户通常参考如显示器中所示的导管和相邻的组织结构的图像来引导导管的移动。由于图像捕获设备920相对于导管和组织结构可以处于与用户不同的取向，并且由于显示器可以处于与两者仍然不同的取向，因此不存在对齐结构的情况下，在期望取向上(例如，在Y取向上)的输入命令可以导致远侧区段908a在任意取向上(例如，在X+取向上)的被显示的铰接。
可以包括各种部件和方法以改善输入/输出相关性。导管图像906'通常将具有细长形状和可见远端，并且在输入壳体设备904和导管的图像之间的总体相关性可任选地通过壳体输入的细长形状，并且在一些情况下通过使用户手动地取向壳体使得壳体的细长形状大致地对应于在显示器中所示的导管的取向来提供。可以通过导管的远侧部分的细长图像(使得可以在视觉上标识导管的轴线的取向，任选地参考可识别的远侧导管端部)以及细长输入壳体形状(使得输入壳体的轴线可以被容易地标识并且手动旋转到与图像中的导管轴线对齐，任选地参考输入端的近端和远端之间的触觉区分)来促进手动建立对齐。这种手动对齐可以类似于计算机鼠标与显示器的对齐，并且可以在导管的手动或自动移动之后修改对齐。替代的自动对齐系统可以使用FBG或其他导管形状传感器、图像捕获和/或图像处理软件(诸如用于从飞利浦(Phillips)可商购的EchoNavigatorTM系统和用于融合超声和荧光图像数据的其他系统中使用的软件)、手术导航系统(包括来自美敦力(Medtronic)的StealthStationTM系统或具有电磁定位部件的其他系统)等。无论如何，远侧区段图像908a'的铰接和操纵杆910之间的旋转相关性可以任选地通过对操纵杆进行一系列小的测试铰接输入命令(例如在Y-取向上)同时在固定取向上保持壳体918(参见图32A)，观察远侧区段908a'铰接的显示取向(例如，初始地在X+取向上)，并通过致动旋转对齐输入916来提供输入校正输入(例如，导致侧向弯曲X-Y轴围绕导管906和/或远侧区段908a的Z轴的增量旋转(参见图32A)来提供、增强或确认。
注意到，不需要提供或寻求输入和输出取向之间的绝对相关性，因为粗致的相关性可以足以允许系统902的直观操作。还注意到，各种替代输入和调整输入或机制可以被提供，包括使用轨迹球、触摸板、操纵杆或各种替代的X-Y铰接输入设备；使用拇指轮、拨动、滑动或各种替代的旋转对齐输入；和/或使用关于显示器和输入壳体的图像识别或相对位置信息来计算提供期望的输入/输出旋转相关性的变换。应当理解，可以围绕导管的Z轴电子地旋转的X-Y铰接不需要涉及各种铰接囊或其他铰接结构的任何实际旋转；典型地，将简单地修改控制器和/或阀驱动器的数学变换，使得替代的囊子集将被充胀以生成在不同取向中的侧向弯曲(尽管在一些实施例中可以使用机械旋转)。还应该理解，在一些输入控制配置中，在侧向弯曲取向之间的相关性可以通过壳体918的辊926来改变，而相关性可以不随其他而改变。例如，移动整个控制主体或壳体作为控制手段可以帮助对齐命令/视觉轴线。然而，在一些实施例中(包括具有预加压液体/气体罐的集成歧管/输入端的实施例)，可能期望将输入端维持在竖立取向。在也具有安装在控制器上的滚轮或操纵杆的这样的实施例中，控制器壳体的重新定位可能与导管尖端不协调或不直观，和/或以这些其他物理取向到达或处理输入端可能是不方便的。
现在参考图33A，无论用户如何与系统交互以实现远侧区段908a的侧向弯曲，包括帮助利用系统的增强的灵巧性的用户界面部件将是有益的，该增强的灵巧性可从由柔性细长铰接结构906提供的大量的自由度获得。更具体地，远侧区段可以配置成提供Xa和Ya取向上的侧向弯曲，以及在Za取向上的轴向伸长，由此允许3个自由度的铰接。中间区段908b可以类似地配置用于在Xb、Yb和Zb取向上进行铰接，而近侧区段908c可以被配置用于在Xc、Yc和Zc取向上进行铰接。其他区段可以提供附加的自由度。对于3区段导管906，其中每个区段具有3个自由度，接收用于远侧区段的侧向弯曲的移动命令的操纵杆(或其他X-Y输入)可能是有帮助的，但是系统可以受益于额外的输入机构。表2是输入壳体系统902的输入和铰接自由度的部分顶层映射，其可以有助于标识附加的输入结构和技术。
表2
虽然旋转对齐输入916确实提供了用于辅助输入命令移动与显示的铰接的对齐的输入，但是一旦建立了对齐，则在主动铰接期间可以不使用该输入。幸运地，围绕远侧区段的Z轴的取向的对齐还应该导致围绕其他区段的Z轴的旋转对齐(因为区段中的所有区段被旋转地耦合在一起，并且可以被基本上旋转地对齐)，使得单个旋转对齐程序可以是足够的。无论如何，如表2所建议的，壳体输入设备904的壳体918的移动被用作用于输入移动命令的输入以便生成导管906的铰接可以是有益的。应当注意，相比存在来自用户的输入，在导管的铰接区段中可能(或可能不)存在更多的自由度。来自沿着导管的组织的机械约束可以利用这些潜在地过量自由度中的一些或全部。替代地，处理器可以使用可用的自由度来增进改善系统性能的一个或多个目标(诸如最小化驱动流体使用，将系统朝向具有期望的刚度特性的状态驱动，最小化非锚定组织接合力等)。用于使用具有超过任务所需的最小自由度的运动系统的灵活性的合适控制布置通常分析可能满足作为零空间的主要移动命令的可用替代方案，以及用于利用可以由本文描述的导管提供的大量自由度的合适控制器可以从公共零空间控制文献来确定。
存在可以用于完成表2的映射的各种各样的相关性，其中一些在下面进行了回顾。然而，一般地，壳体918可以以H(从1至6的整数)个自由度移动以定义输入命令，并且那些H个输入自由度可以用于为导管906的至少H个铰接自由度提供输入移动命令。例如，在输入命令传感器系统生成响应于壳体H在6个自由度上的移动的信号的情况下，那些6个壳体自由度可用于计算至少6个铰接自由度的命令移动。附加的输入结构可以包括在壳体或其他输入设备上，以用于不与壳体的移动相关联的铰接自由度(包括操纵杆910或进一步的附加输入设备)，或者控制器可以确定命令以利用以其他方式可能是铰接结构的过量或多余的自由度。作为几个简单的示例，处理器可以在区段之间均匀地分布轴向伸长，或者可以寻求将所述区段中的一个或两个维持在标称或中长度配置中(其中侧向和/或垂直弯曲可能是最接近平面的)，或者可以维持以有限侧向位移沿着导管的位置(诸如穿过隔膜壁等)。
现在参考图33B和图33C以回顾壳体918的六个潜在的输入自由度，取向的自由度包括俯仰924(此处围绕壳体输入设备904的X轴旋转)，滚动926(围绕Z轴旋转)，以及偏航928(围绕Y轴或垂直轴旋转)。平移自由度包括沿着Z轴的轴向平移930、沿着Y轴的上或下平移932，以及沿着X轴的侧向平移934。
现在参考图34，可以使用许多替代传感器结构和系统来生成指示壳体918的移动的信号。如从以上的描述可以理解的，在壳体918和引导器护套936(或者进入患者的进入部位)之间延伸的导管906的近侧部分可以具有形状传感器，诸如光纤布拉格光栅(FBG)、印刷在导管的结构上的柔性电子部件等。电磁导航结构可以被包括在壳体中，或者壳体可以具有标记(诸如高对比度球体、印刷的QR码、可标识的符号等)，以使用可商购的立体导航系统来促进壳体的光学定位。在一些实施例中，壳体移动传感器系统的有源部件的大部分或全部可以包含在壳体中，例如，通过在壳体中包括FBG光学和处理部件。作为另一个示例，并非依靠外部立体成像来容纳位置图像，而是可以将图像捕获设备938(诸如高清相机、以及红外相机、立体相机等)安装到壳体918，其中壳体中的处理器执行图像处理以导出壳体移动数据。合适的图像捕获设备可以包括可从英特尔(Intel)获得的RealSense 3D相机系统，可从Occipital，Inc.获得的结构IO(Structure IO)系统等。一个或多个参考标记940可以被安装在固定位置，以促进使用与使用手机图像数据进行室内导航所开发和描述的那些技术类似的技术来计算移动数据。为手机开发的其他技术可以被采用作为壳体移动传感器，包括MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS惯性导航单元(INU)等。由于使用导管106的一些临床设置可能具有可以干扰INU的磁力计的电磁噪声，因此使用来自形状感测FBG、图像传感器等的数据来调整加速度计和/或陀螺仪的漂移可能是有益的。例如，可以在以下参考中的一个或多个中找到用于在使用来自MEMS传感器的数据和图像数据来计算壳体的姿势和/或移动中使用的合适信号处理：
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4695469/
https://www.researchgate.net/publication/261267019_Indoor_navigation_ system_using_image_and_sensor_data_processing_on_a_smartphone
http://www.doc.ic.ac.uk/teaching/distinguished-projects/2013/ a.chandgadkar.pdf
http://www.google.com/patents/WO2014128507A2？cl＝en
https://www.researchgate.net/publication/261551014_An_inertial_and_ QR_code_landmarks-based_navigation_system_for_impaired_wheelchair_users
可以使用在许多参考中已经充分描述的一系列替代的运动感测系统，其中技术中的许多是可商购的的或者从开源部件被容易地组装。对于增强现实和其他应用，视觉测程(VO)、同步定位和映射(SLAM，包括视觉惯性变体)、基准和无标记相机姿态跟踪、惯性和光学数据融合等已经得到了很好的发展，并且合适的分析工具可以从Vicon、Kudan或其他处可商购，或者从ARToolKit开源库或其他来源获得，其中这些工具中的许多适用于与配置为包括在诸如智能手机、平板电脑等的移动设备中的传感器一起使用。无论如何，来自1D、2D或3D加速度计，1D、2D或3D陀螺仪，耦合到导管906的形状传感器和/或图像捕获设备938的数据的组合可以感测壳体918的移动，以便接收2个、3个、4个、5个或6个移动命令输入自由度。输入自由度可包括三个取向自由度中的任何一个或多个，或三个平移自由度中的任何一个或多个，或两者。
现在参考图35A、图35B和表3，壳体输入设备904的输入自由度到导管906的三个区段908的铰接自由度的一个简化示例性映射有助于说明感测到的壳体的移动如何可以被用于帮助用户运用对大量的铰接自由度的控制，而不必包括大量的分离的输入设备等。例如，如图35A所示，壳体918的俯仰924可以被任选地耦合到中间区段108b的垂直弯曲Yb，而壳体918的偏航928可以被任选地耦合到中间区段的侧向弯曲Xb。壳体918的侧向平移934可以被耦合到近侧区段108c的侧向弯曲Xc，而壳体918的垂直平移932可以被耦合到近侧区段108c的垂直弯曲Yc。壳体918的轴向平移930可以被耦合到区段Za、Zb和/或Zc中的任何区段、一些区段或全部区段的轴向伸长。虽然在一些实施例中可以使用这种相对过分简单的输入/输出映射，但是在壳体的用户的命令移动与铰接导管的对应的自动移动之间的更复杂的关系可以帮助避免混淆并改善易用性。
表3
例如，壳体918的输入自由度到导管906耦合器的铰接自由度的映射可以被配置成以便在导管906在导管的期望的耦合中心940处的诱导运动中至少大致地模仿在相对于壳体的期望位置(诸如在操纵杆910下方的耦合中心942)附近的移动，好像例如用户的手抓握在耦合中心940处或与耦合中心940相邻的导管(耦合中心任选地与远侧区段908a被安装到中间区段908b的地方相邻)。即使在图35A和图35B的简单映射中，紧邻该位置的近侧的中间区段的侧向铰接和垂直铰接将很大程度上与耦合位置940处的轴的取向耦合(尽管也将存在一些平移)，同时近侧区段的侧向铰接和垂直铰接可以如图35中示意性地图示的与在耦合位置处的平移更多地耦合(尽管也将存在一些旋转)。其他耦合可能稍微更复杂：中间区段和近侧区段908b、908c的轴向伸长两者可以与耦合位置940的轴向位移耦合；远侧区段908a的轴向伸长将不会，但是将至少远侧伸长和中间伸长Za、Zb的伸长与壳体的轴向平移人工地耦合可以延伸相关的轴向平移的范围并且可以不引起太多的混淆。更一般地，该系统可以利用由每个具有三个自由度的3个或更多个区段提供的过量铰接自由度，以促成各种目标中的任何目标，包括使囊充胀流体的使用最小化，将区段维持在它们的运动范围和/或直线的中心附近，抑制导管与其自身的碰撞，使组织接合力最小化等。注意到，依赖于远侧、中间和任选的近侧的区段的侧向和垂直变换的修改，而不是将壳体918的输入自由度直接耦合到导管906的相关联的铰接自由度，壳体918的辊926可以任选地改变侧向弯曲和垂直弯曲之间的相关性(类似于改变旋转对齐输入端916)，以便维持抓握和围绕耦合位置940旋转该区段的外观。可以实现更进一步的替代目标，例如，第一区段和第二区段具有沿相对方向缠绕的螺旋结构，在导管的远端的给定位置处，可通过调整第一区段的长度并由第二区段的适当调整来补偿来控制远端围绕Z轴的滚动取向。
现在参考图35D，壳体918的移动的更复杂的映射将更有可能利用控制架构来更有效地将壳体918的输入命令移动映射到导管906的所显示的移动，其中在单个输入自由度上的壳体的移动通常在期望的耦合位置940'处引起铰接自由度的组合移动，使得铰接导管看起来以对应于壳体的那些运动的输出运动而移动。例如，壳体918围绕输入中心942的偏航928可以导致中间区段和近侧区段两者的伸长和侧向偏转的组合，以便相比可以由任何单个区段内的铰接生成的，更精确地模仿耦合位置940处的偏航。可以使用针对正向和反向运动学的适当变换以及通过求解输入和输出之间的向量单位来计算偏转的期望组合。在表4中示出了壳体围绕输入中心942的俯仰移动和偏航移动到导管围绕耦合位置940的俯仰和偏航的映射，以及三个平移自由度到耦合位置的平移自由度的映射。这些对齐的映射可以通过提供用户感知为与输入命令移动直观地对应的输出移动来帮助用户维持对导管的准确控制。
表4
在许多实施例中，壳体918的移动将仅在离合器输入端944被手挤压时引起导管906的移动；离合器的释放可以停止导管906的移动。任选地，壳体和导管之间的输入/输出相关性可以提供速度控制器，使得当按下离合器输入端944时壳体918的移动可以提供速度命令，发起导管906在壳体移动的取向上的并且以与壳体移动的尺度成比例的速度的移动。替代地，壳体和导管之间的输入/输出相关性可以提供位置控制器，使得当按下离合器输入端944时壳体918的移动可以提供位置命令，发起导管906在壳体移动的取向上的并且达到与壳体移动的尺度成比例的距离的移动。在许多实施例中，导管上的耦合中心可以与可递送的治疗或诊断工具(诸如人工瓣膜)的近端或远端相邻。这可能位于远侧区段的远侧尖端，并且可以使用户感觉像他们正在保持在钳子中具有某些事物的一对钳子，该某些事物是工具(诸如人工瓣膜)。
现在参考图35E，替代的壳体输入设备960包括第一壳体部分962，该第一壳体部分962任选地能够可释放地附接到第二壳体部分964(具有采用保持分离的输入设备和歧管壳体的替代系统)。第一壳体部分和第二壳体部分一起包括以上关于图32A、32B、33B、33C、34和35A-35D的壳体输入设备902描述的的功能部件中的一些或所有。例如，第一壳体部分962通常将包括铰接用户界面部件，诸如壳体运动感测系统(用于向处理器提供移动命令)，而第二壳体部分964通常将包括流体供应罐，歧管和用于接收导管的连接器的接收器。第一壳体部分962和第二壳体部分964两者都可以包括电源(诸如电池)和用于在用户界面部件和阀歧管之间无线传输数据的电路。系统处理器可以被包括在第一壳体部分962或第二壳体部分964中，但是通常将被分布在两者之间，其中至少一些命令信号处理在第一壳体部分中执行并且至少一些阀信号处理被在第二壳体部分中执行。任选地，当这些部分被锁定在一起时，这些部分的对应的电触点接合，以更有效地传输数据和/或共享电力，并且替代的壳体输入设备可以用作如上所述的单个单元。替代地，用户可以将第一壳体部分962从第二壳体部分964分离，并且可以通过致动离合器并且以平移移动930、932、934和/或旋转移动924、926、928来移动第一壳体部分而不必操纵第二壳体部分的额外重量和体积来使用第一壳体部分以向导管系统输入移动命令。系统用户可以任选地在离开患者一定距离(诸如1-10米)处取得并使用第一壳体部分962，以便减少系统用户对与荧光透视检查等相关联的照射的暴露。替代地，第二用户界面壳体部分或工作站可被提供有设置在用户和患者之间的辐射屏障。在更进一步的替代实施例中，可以提供两个分离的(而不是可连接的)壳体，和/或柔性信号传导缆线或系绳可以将用户输入和歧管壳体耦合在一起(而不是依赖于无线遥测)。
现在参考图36-36D，替代的铰接导管系统具有柔性操纵杆输入950系统，其具有反向驱动系统952和离合器954、956，使得操纵杆可以从导管主体958轴向地解耦合，轴向地耦合到导管主体(使得例如当用户向远侧移动操纵杆时，导管主体在与操纵杆相同的轴向取向上移动)，或者反向耦合到导管主体(使得例如当操纵杆向近侧撤回时，导管主体向远侧移动)。
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 (27)

1.一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统，所述导管铰接系统包括：
细长导管主体，所述细长导管主体具有近侧部分和远侧部分，在所述近侧部分和所述远侧部分之间具有轴线，所述导管主体的所述远侧部分被配置成用于通过开口插入患者体内；
多个致动器，所述多个致动器可操作地与所述导管主体的所述远侧部分耦合；
壳体，所述壳体能与所述导管主体的所述近侧部分耦合并且被配置成用于用所述用户的手支撑；
传感器系统，所述传感器系统被安装到所述壳体，所述传感器系统包括加速度计和/或陀螺仪并且被配置为测量所述壳体在多个自由度上的移动，以便接收来自支撑所述壳体的手的移动命令；和
处理器，所述处理器将所述传感器耦合到所述致动器，使得所述导管主体的所述远侧部分响应于所述移动命令而移动。
2.根据权利要求1所述的导管铰接系统，其中所述壳体包含电池并且与所述导管主体的所述近侧部分无线地耦合，并且其中所述传感器测量所述壳体在三个或更多个自由度上的移动。
3.根据权利要求2所述的导管铰接系统，其中至少二维输入设备被安装到所述壳体，所述处理器被配置为响应于由所述至少二维输入接收到的输入以至少两个附加的自由度移动所述导管主体的所述远侧部分。
4.一种用于由具有手的用户使用以便医治或诊断患者的导管铰接系统，所述导管铰接系统包括：
细长导管主体，所述细长导管主体具有近侧部分和远侧部分，在所述近侧部分和所述远侧部分之间具有轴线，所述导管主体的所述远侧部分被配置成用于通过开口插入患者体内；
多个致动器，所述多个致动器可操作地与所述导管主体的所述远侧部分耦合；
输入端，所述输入端被配置成促进通过所述用户的手朝向与所述导管主体的插入的远侧部分和/或与患者的对齐的重新取向；
传感器，所述传感器被耦合到所述输入端以接收具有命令取向的移动命令；以及
处理器，所述处理器被配置成用于将所述传感器耦合到所述致动器，使得在使用期间，所述导管主体的所述远侧部分响应于所述移动命令而移动，其中导管移动具有与基于所重新取向的输入端的所述命令取向对应的移动取向。
5.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述远侧部分在三个自由度或更多个自由度上是可铰接的，其中所述移动命令包括三维移动命令，所述三维移动命令包括位置改变或取向改变或两者，并且其中所述处理器基于所述输入端的所述对齐确定多个驱动信号，使得所述移动取向与所述命令取向对齐。
6.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述传感器包括加速度计，陀螺仪、惯性测量单元、图像捕获设备和/或柔性体形状传感器，所述移动命令包括包含所述传感器的壳体的移动。
7.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述传感器包括至少2D加速度计和/或至少2D陀螺仪，所述移动命令包括所述主体在至少两个自由度上的倾斜。
8.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述传感器包括至少2D加速度计、图像捕获设备和/或柔性形状体传感器，所述移动命令包括在至少两个自由度上平移所述主体。
9.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述输入端被配置成由所述用户的手在6个自由度上移动，其中所述传感器接收在6个自由度上的所述移动命令。
10.根据权利要求4所述的导管铰接系统，进一步包括耦合到所述处理器的离合器输入端，所述处理器被配置为当所述离合器输入端被致动时，响应于所述输入主体的移动而引起所述导管的所述远侧部分的移动，以及当所述离合器输入端未被致动时，响应于所述输入端的移动而抑制所述导管的所述远侧部分的命令的移动。
11.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述输入端包括安装到输入主体的至少二维的输入部件。
12.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述处理器被配置成响应于输入主体围绕第二耦合位置的移动而引起所述导管主体的所述远侧部分围绕沿所述轴线的第一耦合位置的对齐的移动，使得所述用户感知到所述耦合位置对应。
13.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述导管的所述远侧部分包括可铰接区段和所述可铰接区段的远侧的治疗或诊断工具，并且其中所述第一耦合位置被设置在所述可铰接区段的远侧。
14.根据权利要求4所述的导管铰接系统，其中所述输入端具有轴线并且进一步包括与所述处理器耦合的旋转对齐输入端，所述处理器被配置成响应于由所述对齐输入端接收到的对齐命令，改变围绕所述导管的所述轴线的第一侧向取向的旋转对齐，以便与围绕所述输入端的所述轴线的第二侧向取向对应。
15.根据权利要求14所述的导管铰接系统，其中所述输入主体沿着所述输入主体的所述轴线是细长的，具有近侧部分和与所述近侧部分区分的远侧部分，并且其中所述导管主体的所述远侧部分当在远程成像系统上被显示时具有有着在视觉上可标识的远端的细长图像，以便促进通过所述用户将所述输入主体与所述远侧部分的所述图像手动旋转对齐。
16.一种用于由具有手的用户使用的导管系统，所述导管铰接系统包括：
细长导管主体，所述细长导管主体具有近侧部分和远侧部分，在所述近侧部分和所述远侧部分之间具有轴线，所述导管主体的所述远侧部分被配置成用于通过开口插入患者体内；
壳体，所述壳体能与所述导管主体的所述近侧部分耦合并且被配置为当所述导管主体的所述近侧部分被耦合到所述壳体时由所述用户的手操纵以便在所述患者体内移动所述远侧部分；
驱动系统，所述驱动系统包含在所述壳体和所述导管主体内；以及
处理器，所述处理器耦合所述驱动系统，使得所述导管主体的所述远侧部分响应于移动命令而移动。
17.根据权利要求16所述的导管铰接系统，其中所述壳体被配置成在所述远侧部分的驱动移动期间被保持在所述手中或者被所述手提起到平坦表面上以在所述远侧部分的驱动移动期间搁置在其上。
18.根据权利要求16所述的导管系统，其中所述壳体包括底部表面，所述底部表面配置成在在所述患者体内的所述远侧部分的驱动铰接期间搁置在平坦支撑件上，所述底部表面在所述支撑件上位置上稳定，以便抑制在致动铰接期间的无意的移动并且响应于轴向操纵力在所述支撑件上能滑动。
19.根据权利要求16所述的导管系统，用于与具有图像捕获设备和显示器的远程成像系统一起使用，进一步包括具有输入参考系的输入端，所述远侧部分具有远侧部分参考系，所述显示器在显示器参考系中示出所述远侧部分，其中所述系统被配置为维持以下之间的协调：
在所述输入参考系中的第一移动命令和如在所述显示器参考系中所示的第一导管铰接，所述第一移动命令在所述壳体的手动移动之前；和
在所述输入参考系中的第二移动命令和如在所述显示器参考系中所示的第二导管铰接，所述第二移动命令在所述手动移动之后。
20.根据权利要求16所述的导管系统，进一步包括相对于所述壳体围绕沿所述导管轴线延伸的轴线手动地能旋转的扭转输入端，并且其中所述旋转输入端的旋转引起所述远侧部分的铰接，所述远侧部分的铰接模仿所述导管主体围绕所述轴线的旋转而不旋转所述导管的所述近侧部分。
21.根据权利要求16所述的导管系统，其中所述处理器具有手动移动状态和致动移动状态，其中传感器能与所述壳体耦合以便传输指示所述壳体的手动操纵的手动移动信号，并且其中所述处理器被配置为响应于所述手动移动信号而从所述致动移动状态改变到所述手动移动状态。
22.根据权利要求21所述的导管系统，其中所述处理器被配置为使得从所述铰接移动状态到所述手动移动状态的改变：
抑制所述远侧部分的至少一些铰接；
减少在所述远侧部分和相邻组织之间的锚定接合；和/或
改变所述远侧部分的刚度。
23.一种用于在手术系统中使用的输入系统，所述手术系统包括驱动系统，所述驱动系统包括致动器和处理器，所述处理器被配置为响应于命令信号而实现所述致动器的致动，使得驱使细长柔性主体的远端以期望的移动进行移动，所述输入系统包括：
引导器护套主体，具有近端和远端；
输入基部，与所述护套主体的所述近端相邻；
输入端，所述输入端相对于所述基部能移动，以便接收来自用户的手的移动命令；和
传感器，所述传感器将所述输入端耦合到所述基部，使得在使用中所述传感器响应于所述移动命令传输适合于引起所述期望的移动的命令信号。
24.一种手术致动系统，包括：
细长柔性主体，所述细长柔性主体具有近端和远端，在所述近端和所述远端之间具有轴线，所述远端被配置成用于向远侧轴向插入到患者身体内；
细长柔性导引体，所述细长柔性导引体能在所述细长柔性主体的所述远端的远侧延伸；
传感器，所述传感器被耦合到所述细长导引体，所述传感器响应于所述导引体的侧向挠曲而传输导引信号；以及
驱动系统，所述驱动系统能与所述传感器耦合，所述驱动系统包括处理器和多个致动器，所述处理器被配置为响应于所述导引信号而实现所述致动器的致动，以便在所述细长柔性主体在所述患者身体内向远侧前进之后响应于所述信号而改变在所述远端近侧的所述细长主体的弯曲特性。
25.一种用于患者的组织的手术系统，所述组织能通过微创进入部位进入，所述系统包括：
细长柔性近侧主体，所述细长柔性近侧主体具有近端和远端，所述近侧主体在使用期间从所述微创进入部位向近侧延伸；
传感器，所述传感器与所述近侧主体可操作地耦合，所述传感器被配置成传输与所述近侧主体在所述患者外部的挠曲相关联的信号；
可铰接的远侧部分，所述可铰接的远侧部分被配置成通过所述进入部位朝向所述组织前进，所述远侧部分具有能够响应于信号被改变的弯曲特性；以及
处理器，所述处理器可操作地将所述远侧部分与所述传感器耦合，使得在动力铰接模式中的所述系统的使用期间，能够使用患者外部的所述近侧主体的手动挠曲来控制在患者体内的所述远侧部分的铰接。
26.一种用于在患者的身体管腔内使用的手术系统，所述管腔能通过进入部位进入，所述系统包括：
细长主体，所述细长主体具有近端和远端，在所述近端和所述远端之间具有轴线，所述细长主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，所述细长主体的长度被配置为在使用期间在所述进入部位和所述远端之间延伸并限定所述细长主体的长度，所述长度具有可推动性和可跟踪性；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成响应于第一信号选择性地改变沿着所述第一区段的所述局部侧向刚度，使得所述第一信号能够被用于针对所述身体管腔定制所述细长主体的长度的所述可推动性或所述细长主体的所述长度的所述可跟踪性或两者。
27.一种用于由具有手的用户使用的导管铰接系统，所述导管铰接系统包括：
细长导管主体，所述细长导管主体具有近侧部分和远侧部分，在所述近侧部分和所述远侧部分之间具有轴线，所述导管主体的所述远侧部分被配置成用于通过开口插入患者体内；
多个致动器，所述多个致动器可操作地与所述导管主体的所述远侧部分耦合；
主体，所述主体可释放地附接到所述导管主体的所述近侧部分并且被配置成由所述用户的手在三个自由度上移动；
传感器，所述传感器可耦合到所述主体以便接收包括在三个自由度上的所述主体的移动的移动命令；以及
处理器，所述处理器将所述传感器耦合到所述致动器，使得所述导管主体的所述远侧部分响应于所述移动命令而移动。
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