CN109996490B - 用于机器人导管系统和其它用途的基站、充电站和/或服务器以及改进的铰转装置和系统 - Google Patents

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Abstract

铰转装置、系统、用于铰转的方法以及用于制造铰转结构的方法将经常包括简单的囊体阵列，其中囊体的膨胀与细长的构架支承结构相互作用，从而局部地改变构架的铰转。构架可包括简单螺旋盘绕件或者互锁的螺旋通道，并且阵列可以用于在处理器的控制下使盘绕件的轴线局部地偏转或伸长。液态膨胀流体可被引导自膨胀流体罐，以便对囊体加压，并且可在增压室或者铰转系统的通道或囊体内蒸发，其中膨胀系统优选地包括由处理器控制的阀。铰转结构可用于微创医疗导管系统中，并且也可用于工业机器人，用于支承成像系统，用于娱乐和消费品等。

Description

用于机器人导管系统和其它用途的基站、充电站和/或服务器 以及改进的铰转装置和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月28日提交的题为“Heart Valve Therapy DeliveryMethods,Devices,and Robotic Catheter Systems(心脏瓣膜治疗递送方法、装置和机器人导管系统)”的美国临时申请序列第62/400,988号(代理机构案卷号097805-000600US-1014592)；以及2016年9月28日提交的题为“Base Station Charger And Server ForHandheld Robotic Catheter Systems And Other Uses,And Improved ArticulatedDevices And Systems(用于手持式机器人导管系统和其它用途的基站充电器和服务器以及改进的铰转装置和系统)”的美国临时申请序列第62/401,005号(代理机构案卷号097805-000900US-1014595)的权益；完整的公开内容的全文出于所有目的而以参见的方式纳入本文。
本申请的主题涉及于2015年3月27日提交的题为“Articulation System forCatheters and Other Uses(用于导管和其它用途的铰转系统)”的共同转让的美国临时专利申请第62/139,430号(代理机构案卷号097805-000100US-0939456)；2015年6月12日提交的题为“Selective Stiffening for Catheters and Other Uses(对导管和其它用途的选择性加强)”的共同转让的美国临时专利申请第62/175,095号(代理机构案卷号097805-000110US-0941721)；2015年10月30日提交的题为“Fluid Articulation for Cathetersand Other Uses(用于导管和其它用途的流体衔接)”的共同转让的美国临时专利申请第62/248,573号(代理机构案卷号097805-000120US-0962383)；2015年12月4日提交的题为“Input and Articulation System for Catheters and Other Uses(用于导管和其它用途的输入和铰转系统)”的共同转让的美国临时专利申请第62/263,231号(代理机构案卷号097805-000200US-0966468)；2016年2月17日提交的题为“Local Contraction ofFlexible Bodies using Balloon Expansion for Extension-Contraction CatheterArticulation and Other Uses(使用囊体扩张进行延伸－收缩导管铰转和其它用途的柔性主体的局部收缩)”的共同转让的美国临时专利申请第62/296,409号(代理机构案卷号097805-000300US-0970626)的主题；完整的公开内容全文也出于所有目的而以参见的方式纳入本文。
本申请的主题还涉及于2016年3月25日提交的题为“Fluid Drive System forCatheter Articulation and Other Uses(用于导管铰转和其它用途的流体驱动系统)”的共同转让的美国专利申请第15/080,979号(代理机构案卷号第097805-000140US-0970629号)、和同样于2016年3月25日提交的题为“Fluid-Expandable Body Articulation ofCatheters and Other Flexible Structures(导管和其它柔性结构的可流体扩张主体的铰转)”的共同转让的美国专利申请第15/080,949号(代理机构案卷号第097805-000150US-0970627号)；以及于2016年9月28日提交的题为“Lateral Articulation Anchors ForCatheters And Other Uses(用于导管和其它用途的侧向铰转锚定件)”的共同转让的美国专利申请第62/400,998号(代理机构案卷号097805-000500US-1014591)；和2016年9月28日提交的题为“Arrhythmia Diagnostic And/Or Therapy Delivery Methods,Devices,AndRobotic Catheter Systems(心律失常诊断和/或治疗递送方法、装置和机器人导管系统)”的共同转让的美国专利申请第62/401,001号(代理机构案卷号097805-000700US-1014593)；完整的公开内容全文也出于所有目的而以参见的方式纳入本文。
技术领域
一般地，本发明提供用于选择性地弯曲或以其它方式改变导管和其它细长柔性主体的弯曲特征、这些主体的长度等等的结构、系统和方法，并且还提供改进的医疗装置、系统和方法。。在示例性实施例中，本发明提供了用于修复和/或更换患者心脏中的瓣膜的囊体铰转(articulated)导管系统。本发明的实施例可用于可逆地，局部地和/或全局地改变用于医疗和其它应用场合的细长柔性主体的刚度(比如，加强或降低其刚度)。本发明可包括或用于铰转结构、系统、和用于铰转的方法、以及用于控制和制造铰转结构的方法。在示例性实施例中，本发明提供了具有流体驱动的囊体阵列的改进的铰转医疗系统，其可帮助导管、导丝或其它细长柔性结构沿着体腔成形、转向和/或前进。还提供了用于促进医疗诊断和治疗工具进入目标组织、铰转流体控制系统的和/或与目标组织、铰转流体控制系统对准的结构，以及与医疗诊断和治疗相关的方法。替代的实施例利用囊体阵列来对柔性操纵器和/或端部执行器、工业机器人、管道镜、假体手指、机器手臂、定位支承件或支腿、消费品等进行铰转(或改变其刚度)。
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，已发展了许多治疗工具，这些治疗工具可以帮助外科医生与和疾病状态相关联的组织相互作用、重构该组织、将药品递送至该组织或移除该组织，从而改善患者的健康和生命质量。遗憾的是，进入适当的内部组织并且使工具与内部组织对准以便进行评估或治疗会向医师提出了重大挑战，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。该标准方法通常使用诸如手术刀、夹钳、缝线等简单的手持式工具。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是高度成功的，但是它们会对周边组织造成显著的创伤，而该创伤的大部分与接触待治疗的组织相关。
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式进入和治疗技术。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延伸经过整个身体及其器官的血管内腔的网络前进。虽然总体地限制了对患者的创伤，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精准地进入目标区域，以将具体的基于导管的工具定位成与特定的目标组织对准，和/或以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有挑战性的(或甚至是不可能的)(取决于具体的患者的解剖结构和具体的医师的技能)。更具体地，使柔性的导丝和/或导管前进通过体腔的曲折地形成分支的网络可与推动一根绳子相提并论。在柔性细长主体绕第一个曲线部前进并且接着绕另一曲线部前进并通过一系列分叉时，导管/组织的力、(组织和细长主体的)弹性能储存以及运动相互作用可能变得更加复杂和不可预测，并且对导管的远端的旋转和轴向位置的控制可能变得更有挑战性并且更欠精确。因此，将这些细长柔性装置与期望的内腔路径和目标组织精准地对准可能是重大挑战。
可以采用各种机构以使导丝或导管的末端沿一个或多个侧向定向进行转向或可变地改变其偏转，从而有助于进行腔内技术和其它微创技术。拉线可能是最常用的导管末端偏转结构，并且通过例如在导管或线的端部附近可控地减小沿着螺旋盘绕件、编织件的或切割海波管的一侧的各环圈之间的间隔而良好地用于许多导管系统。通常期望(一般通过包括相反的拉线)在相反的方向上并且在许多情况下沿着两个正交的侧向轴线(使得一些装置中包括三根或四条拉线)来提供正偏转。在期望单个装置中有附加的导向能力的情况下，还可包括更多的拉线。已经提出并构建了具有数十根拉线的复杂且专门的导管系统，并且在一些情况下，每个拉线由附连于近端的专用马达所铰转。还提出了替代的铰转系统，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。
遗憾的是，由于用于导管的铰转系统(articulation system)变得更复杂，维持对这些柔性主体的精准控制可能变得越来越具挑战性。例如，经过弯折的柔性导管的拉线通常在管内围绕弯曲部在表面上滑动，从而利用该滑动的相互作用不仅绕由用户有意地指令的弯曲部延伸，而且绕由包围导管的组织所施加的弯曲部延伸。拉线系统的滞后和摩擦力可随着这种滑动相互作用以及弯曲部的不同的总体构造而显著变化，使得可能难以预测和控制铰转系统的响应。此外，更复杂的拉线系统可能会增加附加的挑战。尽管相反的拉线可以各自被用于使导管在相反的方向上从大致笔直的构造弯曲，但是尝试一起使用两者，即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，可能导致很大地不一致的结果。因此，可能有益的是提供更精准的小而精确的运动、改善延迟时间、和/或提供在已知导管拉线系统上的改进的运动传递，以便避免如外科医生所经历的那样地损害在导管和其它细长柔性工具的输入与输出之间的定位和协调性。
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内，并且利用计算机控制的机器人连杆来使另一端运动，以使得该轴绕微创开口枢转。手术工具可以安装在这些轴的远端上，使得它们在体内运动，并且外科医生可以通过参照由来自相同工作空间内由相机捕获的图像来使输入装置运动，以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，用于从患者体外操纵柔性导管主体的近端，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在使用沿着弯曲身体内腔延伸的拉线的情况下难以在柔性细长主体的远端处提供精准的控制。另外其它的替代的导管控制系统使用在患者体外的盘绕件来施加大型磁场，以将导管引导至患者的心脏内部，并且最近的提议寻求结合磁性和机器人导管控制技术。尽管控制手术精准度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个问题。
鉴于上文，提供改进的铰转系统和装置、铰转的方法和用于制造铰转结构的方法将会是有益的。用于控制细长结构(铰转或非铰转的)的柔性的改进技术也将会是有益的。如果这些新技术适合于提供对延伸到患者身体中的柔性导丝、导管或其它细长主体的远端的运动的治疗上有效的控制，那么将会是特别有益的。如果这些新技术提供的运动会允许增强易用性，那么也将会是有益的；这有助于安全有效地进入患者体内的目标区域，并帮助实现治疗或诊断工具与目标组织的所期望的对准。如果这些技术能够提供可以为至少一些范围(并且理想地是宽范围的)的不同装置定制的运动能力，那么也将会是有帮助的。
鉴于上文，提供用于驱动细长柔性结构的新的和改进的装置、系统和方法也将会是有益的。也将会有益的是，提供改进的医疗装置、系统和方法，具体地是那些涉及使用诸如导管、导丝之类的细长柔性主体和其它柔性微创手术工具的医疗装置、系统和方法。将会期望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数量的流体通道的流体驱动系统，该流体驱动系统可以用于控制患者体内的导管和其它细长柔性结构，或者以其它方式可以用于精准地控制流入多内腔轴和/或在多内腔轴内的流动、理想地不必求助于具有大数量的马达等的大型昂贵系统。
鉴于以上，提供用于细长柔性结构的新的和改进的铰转装置、系统和方法将进一步会是有益的。提供改进的医疗装置、系统和方法，具体地是那些涉及使用诸如导管、导丝之类的细长柔性主体和其它柔性微创手术工具的医疗装置、系统和方法，也将会是有益的。将会期望的是，这些改进的技术可以在柔性主体的构架的静止或标称形状上提供改进的可控性，并且仍然允许整个主体抵靠软组织(安全且可预测地)弯曲，理想地不需要使用非常昂贵的部件、大量的零件和/或奇特的材料。
发明内容
本发明总地提供了铰转装置、系统、用于铰转的方法、以及制造铰转结构的方法。本文所述的铰转结构将通常包括简单的囊体阵列，其中囊体的膨胀与细长的构架支承结构相互作用，从而局部地改变构架的铰转。囊体可以由阵列的基底支承，而基底则具有可以将膨胀流体引导至囊体的子集的通道。铰转阵列结构可使用挤压成型、平面3-D打印和/或激光微机械加工技术来形成。构架可包括互锁螺旋通道、简单的螺旋盘绕件或印刷管状结构，并且该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。液体膨胀流体可从膨胀流体罐引导，以便对囊体加压，并且可在增压室或者铰转系统的通道或囊体内蒸发，其中膨胀系统优选地包括由处理器控制的阀。围绕囊体的柔性真空腔室可确保流体完整性。铰转结构可在微创医疗导管系统中采用，并且也可用于工业机器人、用于支承图像捕获装置、用于娱乐和消费品等。本发明还提供用于诊断和/或治疗心脏瓣膜的新医疗装置、系统和方法。本发明可用于将诊断或治疗工具与二尖瓣或其它瓣膜对准。由于铰转囊体可以在铰转部位处产生铰转力，因此与通过沿着蜿蜒穿过曲折脉管路径的导管主体向近侧传递铰转力所引起的运动相比，铰转导管在博动的心脏内的运动可以被更好地控制和/或提供更大的柔性。
在第一方面，本发明提供一种导管系统，该系统包括具有近端和远端以及限定在近端与远端之间的轴线的细长导管主体。导管主体具有与远端相邻的铰转部分。近侧壳体可以与导管主体的近端联接，并且近侧壳体的尺寸通常会被设计成由用户的手所移动。近侧壳体可支承构造成实现铰转部分的铰转的铰转驱动系统，并且支承处理器，该处理器联接于驱动系统，以便响应于用户输入的指令向其传输驱动信号。壳体还可支承联接于处理器和电荷接收联接件的电池。导管系统还可包括基站，该基站具有构造成接纳壳体的接纳部。基站可以具有电荷提供联接件，该电荷提供联接件定位成当壳体在接纳部中时与电荷接收联接件相联接。
可选地，电荷接收联接件可包括感应电荷接收联接件，并且电荷提供联接件可类似地包括感应电荷提供联接件。基站还可包括可与网络联接的服务器。近侧壳体的处理器可与服务器联接，以便在网络和处理器之间传输数据。基站的服务器可包括第一无线通信模块或者与第一无线通信模块相联接，并且近侧壳体可包含第二无线通信模块，该第二无线通信模块构造成与第一无线通信模块通信以便传输数据。
通常，导管可具有体现为机器可读导管识别数据的ID标签。当服务器与处理器相联接时，壳体中的处理器可响应于标签的导管识别数据而将ID数据传输至服务器。服务器可从网络获得批准数据，并且处理器可以在没有批准数据的情况下禁止导管的使用。
优选的选项是还包括通常在基站和近端壳体之间的无菌屏障，其中该无菌屏障通常构造成当壳体在接纳部中时维持基站与近侧壳体之间的无菌隔离。
作为一般特征，铰转部分可包括铰转囊体阵列。
在另一方面，本发明提供一种铰转系统，该系统包括细长螺旋框架，该细长螺旋框架具有近端和远端以及在近端与远端之间的轴线。螺旋框架包括具有多个第一环圈的第一轴向区域和具有多个第二环圈的第二轴向区域。多个致动器联接于螺旋框架，以便改变相邻环圈之间的相关联的间隔。第一环圈具有第一螺旋卷绕定向，使得当致动器增加第一环圈之间的间隔时，沿着第一区域的框架以第一扭转定向绕轴线扭转。第二环圈具有与第一卷绕定向相反的第二螺旋卷绕定向，使得当致动器增加第二环圈之间的间隔时，沿着第二区域的框架以与第一扭转定向相反的第二扭转定向绕轴线扭转。
在另一方面，本发明提供了一种用于铰转对细长主体进行铰转的歧管。该主体具有铰转囊体阵列，并且歧管包括液态膨胀流体源和气态膨胀流体源。流体供应系统可以构造成将流体源联接至主体，以便可选择地将液态膨胀流体从液态流体源引导至囊体中的至少一些，并且将气态膨胀流体从气体源引导至囊体中的至少一些。
可选地，流体供应系统可包括处理器，并且该系统的至少一个流体通道可包含气体膨胀流体和液体膨胀流体。处理器可构造成响应于对与通道相连通的囊体子集的顺应性进行改变的指令而改变通道中的气态膨胀流体和液态膨胀流体的相对量。在一些实施例中，系统可仅将气体或液体引导至包括在多内腔可铰转主体中的一些或全部膨胀通道。
在另一方面，本发明提供了一种用于铰转与细长主体进行铰转的歧管，该主体具有铰转囊体阵列。歧管包括(或构造成接纳)具有第一膨胀流体的罐，以及包含具有第一侧和第二侧的可变形隔膜的增压室。歧管可构造成使得在使用时，第二膨胀流体将沿着第二侧配置。压力控制阀可沿着隔膜的第一侧将罐联接至增压室，以便控制增压室中的第一膨胀流体和第二膨胀流体的压力。多个膨胀流体控制阀可以构造成沿着隔膜的第二侧将囊体联接至增压室，以便用第二膨胀流体选择性地使囊体膨胀。
可选地，主体包括导管主体，且第一膨胀流体包括气体(比如N2O)，第二膨胀流体包括液体(比如盐水)。在一些实施例中，歧管可沿着歧管板的接纳部表面接纳导管的联接件。膨胀控制阀可沿着板的边缘配置，并且与接纳部表面相对的表面可相对于板的边缘凹陷，以便减小在膨胀流体供应系统的流体膨胀通道和凹部之间延伸的压力传感通道的长度。
通常，多个第一致动器可以与多个第一环圈联接，以便改变相关联的间隔和第一区域的长度。多个第二致动器可以与多个第二环圈联接，以便改变相关联的间隔和第二区域的长度。
可选地，第一致动器可联接在一起，以作为致动器的第一子集被致动，并且第二致动器可以联接在一起，以作为致动器的第二子集被致动。框架的第一区域和第一致动器可包括在铰转系统的第一轴向区段中，并且框架的第二区域和第二致动器可包括在铰转系统的第二轴向区段中。第一区段和第二区段可通过致动第一子集和第二子集而独立地可铰转，以便响应于在第一区域和第二区域的总长度处的扭转指令而提供所期望的组合扭转。
或者，第一致动器可以与第二致动器联接在一起，以作为致动器的第一子集被致动。框架的第一区域和第一致动器以及框架的第二区域和第二致动器可一起包括在铰转系统的第一轴向区段中。第一区段可以通过使第一子集和第二子集一起致动而可铰转，使得在该区段的长度变化期间第一区域的扭转抵消第二区域的扭转。
可使用各种布置来利用这些螺旋框架结构的旋转/轴向联接。例如，第一铰转区段可以偏离于第一区域和第二区域，该第一铰转区段可独立于第一区域和第二区域在第一侧向定向和第二侧向定向上侧向铰转。第一区段还可在横向于第一侧向定向的第二侧向定向上侧向铰转。可选地，第二轴向区段可以偏离于第一区段以及第一区域和第二区域。该第二区段可在第三横向侧向定向和第四横向侧向定向上可铰转，从而允许系统具有包括绕轴线扭转的6个自由度。
优选地，致动器包括铰转囊体。螺旋框架和致动器可包括在柔性导管主体中，该柔性导管主体构造成被引入患者体内。
在许多实施例中，细长主体包括导管主体。许多特征部可独立地或相组合地增强这种对导管的安全和精准使用。导管主体可包括具有成对的接口区域的构架，所述成对的接口区域之间具有偏移，囊体通常被配置在该对接口区域之间。优选地，构架包括螺旋构件，囊体由该构件所支承，并且该对接口之间的偏移主要沿着轴向延伸并且周向地倾斜，通常与螺旋构件的螺距相关。有利地，护套可围绕囊体进行密封，以形成压力腔室(理想地为真空腔室的形式)。该腔室可以可操作地联接于流体源，以便响应腔室内真空的恶化而阻止液体从流体源传递。通常，囊体被包括在囊体阵列，中并安装于基底。该基底可以具有提供流体源和囊体之间的流体连通的通道。基底可任选地包括多内腔轴，其中一些基底轴是螺旋形的，而另一些基底轴与框架同轴地延伸。
作为许多特征中的(不依赖于任何特定实施例的)一个，流体源通常包括罐，示例性的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(通常少于5盎司，其中许多罐包含少于1盎司)。液体通常包含诸如N2O之类的相对良性的冷冻剂。液体能在罐压力下被配置在罐中，该罐压力一般高于完全膨胀的囊体压力，使得不需要泵等来将液体从罐转移至囊体。当处于体温时，液体可以蒸发成膨胀气体，其中蒸发通常发生在小于罐压力且大于完全膨胀的囊体压力的蒸发压力下。然而注意，囊体压力可接近或甚至超过罐压力，例如，当阀关闭并且铰转结构经受足够的环境压力以压缩完全膨胀的囊体时。虽然蒸发焓会导致沿着系统的局部冷却，但是在许多实施例中，可不提供组织或其它结构的治疗冷却，并且在膨胀流体到达(一个或多个)囊体之前可蒸发大部分或全部液体。其它实施例可利用来自流体源的一部分液体进行低温冷却(通常在铰转结构的远端附近)，不过将通常沿着铰转主体提供用于这种冷却的单独低温冷却通道，以便改进铰转，尽管这种冷却可利用单独的冷却流体供应罐而不是铰转系统的低温冷却通道，其中该罐通常包含更大量的相同(或不同)的冷冻剂。
独立于特定实施例，可以提供许多不同特征中的一个或多个以增强功能。流体供应部通常以超过40个标准大气压(atm)的压力维持液体，其中流体供应部可选地具有加热器，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。第一阀可以被配置在流体源和第一囊体之间，第二阀可以被配置在流体源和第二囊体之间。第一阀和第二阀可以构造成独立地传递50纳升(nl)或更少的最小增量的液体，其中流动的冷却流体通常保持液态，直到它穿过阀的喉部。第三阀可以被配置在第一囊体和周围大气之间，第四阀可以被配置在第二囊体和周围大气之间。第三阀和第四阀可以构造成独立地传递至少0.1立方厘米/秒(scc/s)的气体。在系统中包括所有四个这样的阀可有助于对两个囊体(或两个囊体子集，其中每个子集使用共同的膨胀内腔来膨胀)的独立压力控制，带有附加的用于附加囊体(或囊体子集)的膨胀阀和泄放阀。任选地，用于膨胀的最小液体增量可以是25纳升(或甚至15纳升)或者更小，而用于泄放的最小气体流量可以是0.5立方厘米/秒(或甚至1立方厘米/秒)或者更大。该系统可采用多通阀，该多通阀可以用于控制流入囊体的膨胀流体和从囊体排出的泄放流体，其中控制精准度(尽管有不同的膨胀和泄放流量)由不同的阀喉部、由不同的孔口或与(一个或多个)阀相邻的其它流量限制装置，通过足够范围的比例流量控制和/或通过足够快速的阀响应速率来维持。压力控制的增压室可以被配置在流体源与第一囊体和第二囊体之间，或者液体可在阀之前以其它方式蒸发成气体，使得没有液体通过增压室和囊体之间的阀。
可选地，细长主体包括导管主体，并且远端构造成用于插入患者体内。腔室可以随导管主体侧向挠曲，并且压力传感内腔可以从腔室朝向近端向近侧延伸。囊体可以由基底支承和/或安装在基底上，并且基底可以包含多个内腔，用于使囊体与压力传感内腔一起膨胀。示例性的基底包括多内腔轴，囊体具有绕该轴延伸的囊体壁。
可以包括许多特征中的任何一个以增强腔室的功能。可选地，真空源可与腔室流体连通，以便降低腔室的压力，使得腔室包括真空腔室。当腔室处于真空下时，细长主体将优选地保持柔性，其中真空通常为几英寸汞柱至一半大气压或更高。具有传感器的流体控制系统可以与腔室联接，并且截流阀可以被配置在膨胀流体源和囊体之间。该截流阀可以响应于来自传感器的、指示真空正在降低的信号而抑制膨胀流体流向囊体，因为这样的信号可能与膨胀流体的泄漏、外护套的泄漏、外护套所密封的内护套的泄漏、腔室的近侧密封件和/或远侧密封件的泄漏等相关联。因此，腔室的使用可以显着增强安全性并且用作识别和防止不期望的或危险的泄漏的故障检测系统，从而有助于(例如)对作为用于导管等的膨胀流体的气体的使用。
有利地，由囊体阵列提供的受控刚度可以沿着导管或其它柔性结构的长度变化、可以周向地变化(以便在不同的侧向弯曲定向中提供不同的刚度)、和/或可以被调节，以便提供多个不同的局部或全局刚度中的任何一个，和/或在连续范围内的任何地方提供所期望的刚度。例如，构架可具有第一轴向区段和第二轴向区段，并且该对偏移部可沿着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沿着第一区段配置的囊体的第一子集的膨胀可用于抑制或促进沿着该第一区段的偏移的改变，以便(分别)选择性地增大或减小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、第四或其它区段的刚度)。作为另一种示例，该构架可具有第一侧向弯曲定向和第二侧向弯曲定向，并且该对偏移部可沿着第一侧向弯曲定向和第二侧向弯曲定向周向地分布。选择性地增大或减小沿着第一侧向弯曲定向配置的囊体的第一子集的膨胀压力可以抑制或促进沿着第一侧向弯曲定向的偏移的改变，以便选择性地增大或减小第一侧向弯曲定向中的侧向弯曲刚度，而改变第二、第三或任选的第四偏移子集的膨胀，可类似地改变沿着第二、第三、或第四(相反的定向通常相关联)侧向定向的侧向弯曲刚度。
可采用许多不同的方法来提供对刚度的控制。构架和阵列可构造成使得对囊体的第一子集的膨胀压力的减小增加了构架的侧向弯曲刚度。例如，当构架呈被偏置成具有直接的环圈/环圈配合部的直线构造的螺旋盘绕件的形式时，囊体的第一子集可具有定位在相邻环圈的并置的接口区域之间的囊体壁，从而囊体的膨胀可局部削弱构架的柱强度。更具体地，环圈可以被偏置而压缩囊体，并使囊体泄放，使得当囊体完全泄放时，通过环圈和囊体壁的固体材料在环圈之间传递轴向力，从而提供第一侧向刚度。相反，当囊体部分地膨胀时，轴向力可由囊体内的流体压力传递，从而提供低于第一侧向刚度的第二侧向刚度。
或者，增加囊体的第一子集的膨胀压力可增加构架的侧向弯曲刚度。例如，成对的接口区域可被径向地定向，并且囊体的第一子集可以跨越所述成对接口表面，并且当囊体的第一子集膨胀时可径向地配合接口表面。因此，膨胀囊体的流体压力可以推动膨胀囊体抵靠于接口区域，以便抑制相关联的偏移部的变化。作为另一种示例，囊体的第一子集可包括被配置在构架的通道中的一对相对的囊体，其中该构架的凸缘在所述相对的囊体之间。偏移部可以包括在通道和凸缘的并置表面之间的间隔，并且增加的囊体膨胀压力可增加凸缘在通道内的位置的刚度，并因此增加构架的总体侧向弯曲刚度。有利地，凸缘和通道可包括由多个相对的囊体对所配合的螺旋结构，并且偏移部可以主要轴向地延伸且可与螺旋结构的螺距周向地成角度。
可提供许多特征以增强本文提供的导管的功能，这些特征中有许多在前述和后述的段落中被标出。作为另一种示例，导管的未铰转的柔性近侧主体部分可被配置在近端和囊体阵列之间。流体通道可以跨越近侧主体部分，但是可不提供对该部分的形状的控制(并且可选地，甚至可不允许控制刚度)。这可以帮助保持系统的复杂性和尺寸，其中任何铰转功能沿着远侧部分集中，并且近侧部分被构造成挠曲以遵循于体腔或类似物。
在相关的方面，本发明提供了一种方法，该方法包括选择性地使囊体的第一子集膨胀，所述囊体包括在由螺旋构架所支承的囊体阵列中。该阵列绕构架轴向地并周向地分布。第一子集的膨胀引起螺旋构架的形状和/或刚度的第一变化。囊体的第二子集选择性地膨胀，第二子集的膨胀引起螺旋构架的形状和/或刚度的第二变化。形状和/或刚度的第二变化与第一变化轴向地和/或周向地偏移。
具有处理器控制的阀是本文所述的系统和装置的可选特征，并且可包括改良范围内的任何一种改良以进一步增强系统的能力。通过使用简单的流体源(比如预加压罐等)和由处理器控制的阀(可选地包括至少8、16、32或甚至64个阀)，而不是必须求助于重型和复杂的马达和泵，该系统可以控制具有大量自由度的细长柔性系统的形状和/或刚度。在提供有处理器的情况下，多个压力传感器可将一些通道与处理器联接，处理器构造成致动阀以便控制囊体子集内的压力。在有或没有由处理器控制的阀的情况下，另一个可选的特征是铰转装置可具有带有至少9、18、36、72或甚至108个囊体的囊体阵列。在铰转导管具有外横截面直径的情况下，囊体阵列可具有每轴向长度直径至少3、4、6、8或甚至9个囊体的轴向密度，以提供例如可期望的弯曲能力。
本文所述的结构将通常包括简单的囊体阵列，其中囊体的膨胀与细长的构架支承结构相互作用，从而局部地改变构架的铰转。囊体可以安装于阵列的基底，其中基底具有可以将膨胀流体引导至囊体的子集的通道。构架可包括简单的螺旋盘绕件，并且阵列可以用于在处理器的控制下使盘绕件的轴线局部地偏转或伸长。膨胀流体可从膨胀系统的膨胀流体贮存器而被引导至囊体，其中膨胀系统优选地包括由处理器控制的阀。这样的细长柔性铰转结构可在微创医疗导管系统中采用，并且也可用于工业机器人、用于支承成像系统、用于娱乐和消费品等。由于铰转阵列结构可使用简单的平面3-D印刷、挤压和/或微机械加工技术形成，因此生产具有大量运动学自由度的结构的成本可远远低于与已知的动力铰转技术相关联的成本。
本文所述的装置、系统和方法可以选择性地、局部地和/或可逆地改变细长主体的弯曲特征。本文详细描述了细长主体的弯曲，并且本文所述的一些技术也适合于沿着细长导管主体改变刚度，其中所述刚度通常通过一个或多个囊体的膨胀而改变。可采用许多不同的加强方法。可选地，囊体的膨胀可以引起囊体与螺旋、切割管、编织或其它细长柔性构架的环圈之间的配合，使得囊体可作用为制动件或闭锁件，以抑制挠曲。囊体通常相对于构架偏心地安装，并且可包括在囊体阵列中。囊体阵列的子集的选择性膨胀可以选择性地且局部地增加整个主体的轴向刚度。在其它实施例中，对囊体膨胀压力的调节可以允许囊体可变地抵消螺旋盘绕件或其它偏置结构的压缩力，从而有效地调节与囊体局部相邻的组件的刚度。在另外其它的实施例中，可以使用对两个相对的囊体压力的独立调节来施加弯曲或伸长，并且调节至少一个定向上的刚度。因此，可以使用单独的囊体阵列或具有不同类型的囊体的多功能阵列来对囊体的加强和弯曲或伸长进行组合。
囊体可以构造成使得在使用囊体时，囊体的膨胀将改变可铰转主体的弯曲状态。可铰转主体可包括六个或更多个、九个或更多个、或者甚至12个或更多个囊体，可选地具有多个区段，每个区段具有12个或更多个囊体，并且通常包括导管，但是可替代地包括工业连续体机器人结构、消费者装置或娱乐装置等。可选地，囊体的第一子集沿着第一环圈分布，并且囊体的第二子集沿着第二环圈分布；多个附加的子集可以沿着其它环圈分布。在那些或其它实施例中，囊体的第三子集可以偏离于轴线并且沿着第一侧向弯曲定向对准，并且囊体的第四子集可以偏离轴线并且沿着第二侧向弯曲定向对准，该第二侧向弯曲定向偏离轴线以及第一侧向定向。与囊体的第三子集相关联的端口可与轴的第一内腔流体连通，并且与囊体的第四子集相关联的端口可与轴的第二内腔流体连通。第三子集和第四子集将通常包括第一子集、第二子集和其它子集的囊体，并且囊体的另外其它的子集可以偏离轴线并且沿着偏离于第一侧向定向和第二侧向定向的第三侧向定向对准。
在大多数实施例中，囊体限定有M×N的阵列，囊体的M个侧向子集绕轴线周向地分布，M个侧向子集中的每一个包括沿着相关联的侧向弯曲定向对准的N个囊体。例如，M可以是三或四，使得存在绕可铰转主体的轴线分布的三个或四个囊体的侧向子集(子集的中心可选地分开120或90度)。注意，在铰转区段的轴向伸长状态和侧向弯曲定向之间可能存在一些关联，例如，当区段的长度增加时，螺旋盘绕件略微展开，使得连接了N个囊体的中心线的线可在区段的至少一些构造成中沿着轴线略微弯曲或螺旋(而不是N个囊体始终与轴线准确地平行对准)。与M个侧向子集中的每一个的囊体相关联的端口可提供在N个囊体和相关联的内腔之间的流体连通，使得每个侧向定向(通常是经由特定轴的内腔膨胀和/或泄放)与特定轴的内腔相关联。阵列将通常包括沿着可铰转主体的第一区段延伸的第一阵列。第一区段可以构造成，在两个、三个或更多个自由度中，由沿着与第一阵列的M个侧向子集相关联的内腔传递的流体来驱动。还可以提供可铰转主体的、通常轴向地偏离于第一部分的第二部分。第二区段可以具有第二阵列，并且可以构造成在多个自由度中由沿着与第二阵列相关联的轴的内腔传递的流体来驱动，其通常与第一阵列的那些分开。可铰转主体可以具有1至5个或更多个可独立铰转的区段，其中每个区段优选地提供一至三个自由度，每个区段通常构造成在其近端和远端之间具有一致的弯曲特征和/或伸长，但是不同的区段被驱动成不同的弯曲和/或伸长状态。
在许多实施例中，囊体壁包括非顺应性囊体壁材料，不过可使用半顺应性壁材料，其中囊体通常足够小并且具有足够的厚度以允许压力超过较大囊体中使用的压力，通常包括高于20个标准大气压、30个标准大气压或甚至40个标准大气压的压力。优选地，囊体中的至少一些包括连续的囊体壁管，这些囊体壁管在多个密封件处绕轴密封地固定。密封件可沿着轴的轴线分开，使得管限定了多个囊体的囊体壁。囊体壁管可以具有与多个密封件横截面区域交错的多个囊体横截面区域，所述囊体横截面区域大于密封横截面区域，以促进囊体的远离轴的流体扩张。可选地，增强带可以被配置在与密封件相邻的囊体上，以便抑制囊体与和囊体膨胀相关连的轴的分离。合适的增强带可包括金属结构，该金属结构类似于沿着密封件而锻压在囊体管和轴上的标记带、卷绕在其上的纤维等。通常，细长结构的构架将支承多内腔轴，该构架具有由轴向偏移分开的成对的接口区域，所述偏移随着构架的挠曲而变化，其中，囊体被配置在所述成对区域之间。
可选地，本文提供的系统的基底可具有相对的第一主表面和第二主表面以及沿主表面延伸的多个层。可以通过将基底的层结合在一起来密封通道系统。基底可以例如通过在基底/囊体组件以平面构造制造之后滚动基底/囊体组件而被弯曲成圆柱形。可以沿通道配置多个阀，以便在近端和囊体之间提供选择性的流体连通。可选地，囊体可以诸如通过从层材料吹出囊体的至少一部分形状而具有与基底的第一层成一体的囊体壁。
或者，基底可包括螺旋多内腔轴。囊体阵列可选地包括由基底支承的M×N囊体阵列，M为三或四，使得3或四个囊体子集绕轴线周向地分布。M个子集中的每一个可以沿着偏离于轴线的相关联的侧向定向对准。N可包括2，使得M个子集中的每一个包括两个或更多个轴向地分开的囊体。
作为一般方法，在囊体管的内腔中对轴进行密封期间，轴的轴线可以是直的。因此，轴可与囊体管一起弯曲以形成螺旋轴。或者，在一些实施例中，在弯曲轴之后，轴可滑入囊体管的内腔中。
本文描述的结构框架或构架的环圈可具有近侧接口区域和远侧接口区域。囊体可包括可扩张主体，并且环圈之间的囊体可被配置在第一相关的环圈的远侧接口和第二相关的环圈的近侧接口之间，近侧接口和远侧接口限定出接口对并且在接口之间具有偏移。囊体可以可选地安装在第一环圈和第二环圈之间的盘绕件的第三环圈上，或安装在螺旋盘绕件的环圈之间的、具有环圈的附加螺旋结构上。螺旋盘绕件可包括在铰转系统的构架中。
基底可包括柔性多内腔轴或管状主体，可选地包括挤出成型的聚合物多内腔管，其中通道由挤出成型的内腔以及微机械加工的径向端口一起限定；多内腔管状主体理想地弯曲以遵循螺旋曲线。构架可以集成到这种多内腔螺旋主体中、配置在这种多内腔螺旋主体内、或者与这种多内腔螺旋主体交错。致动阵列还可包括横跨基底分布和/或沿着基底分布的多个可流体扩张主体。可扩张主体可以与相关联的一对接口联接，并且通道可以在可扩张主体和流体供应系统之间提供流体连通，以便促进可扩张主体的子集的选择性膨胀。有利地，可扩张主体能够操作地联接于偏移，使得选择性膨胀改变与子集相邻的构架的铰转。
比如，当构架由螺旋盘绕件、编织物、海波管或其它具有轴向的一系列侧向切口或开口的医用级管状材料所形成时，该构架可包括一系列管状的环圈，以便提供比连续管所具有的更大的侧向柔性等。每对接口可包括例如第一相关联的环圈的第一相关联的表面区域，以及与第一环圈相邻的第二相关联的环圈的第二相关联的表面区域，使得可扩张主体的膨胀可以改变环圈之间的构架的挠曲。注意，联接于一对接口的可扩张主体可选地可以仅联接于该对接口(使得该结构的膨胀不会在很大程度上改变构架在其它环圈之间的挠曲)，但是在其它实施例中，可扩张主体不仅可与该对环圈联接，而且还可与一个或多个另外的环圈联接，使得构架的挠曲可在延伸超过该对的轴向部分上改变。作为示例，细长囊体可沿着若干环圈的内表面或外表面轴向地延伸，使得当囊体膨胀时，盘绕件轴线沿着这些环圈的弯曲被抑制。
在可扩张主体或囊体中的至少一些与各对接口相联接的情况下，第一对接口可选地可以向远侧定向，并且第二对接口可向近侧定向，其中接口的精确定向可选地为根据螺旋框架结构的间距而略微倾斜。相关的可扩张主体可以被轴向地配置在第一接口和第二接口之间。这些可扩张主体中的每一个的扩张可将这些成对的相关联的环推开，通常使得与相关联的第一环圈和第二环圈相邻的构架侧向地弯曲而远离已扩张的囊体。(一个或多个)弯曲部相对于构架轴线的侧向定向可与可扩张主体相对于该轴线的位置相关联。由任何这种扩张施加的铰转或弯曲部的数量或角度、轴向位置和/或半径可与可扩张主体的特征(以及它们由于扩张而对构架施加的相关联的偏移变化)、与构架的特征、与一个或多个已扩张的可扩张主体的(一个或多个)位置、和/或与已扩张的主体的数量和密度相关联。更一般地，可通过适当地选择可扩张主体的子集以及通过系统的结构部件的特征来选择弯曲特征。
该阵列(或另一个单独的铰转阵列)的至少一些可扩张主体或囊体可安装于构架或以其它方式构造，使得它们不会迫使相邻的环圈分开，以在构架轴线上施加弯曲。实际上，一些实施例可不具有可流体扩张结构，该结构在扩张或泄放但没有外部环境力时，根本不会引起构架轴线的弯曲。作为可选特征，本文所述致动阵列的可扩张主体或囊体中的一个或多个可选地可用于局部地且可逆地改变构架的强度或刚度，从而可选地弱化构架，以使构架沿侧向定向和/或在期望的轴向位置处弯曲。在构架包括弹性螺旋盘绕件、其中相邻的一对盘绕件通过盘绕件的材料彼此弹性地推动的一种具体的示例中，轴向地配置在一对盘绕件(或一组环圈)之间的囊体(或一组囊体)可膨胀至不足以克服盘绕件的压缩力的压力，但是这将促进盘绕件在膨胀的一对(或多对)囊体处的环境力下弯曲。更一般地，囊体子集的膨胀会局部削弱盘绕件，以促进在第一位置处的环境力下的弯曲，并且改变子集可切换弱化位置(轴向和/或周向地)，使得相同的环境压力引起在不同的位置处的弯曲。在其它实施例中，接口可例如包括第一对，并且第一对的第一接口可以是径向定向的。类似地，第一对接口的第二接口可以是径向定向的，并且第一可扩张主体可与第一对的第一接口和第二接口径向相邻，并且在第一对的第一接口和第二接口之间轴向延伸，使得第一可扩张主体的扩张将第一可扩张主体与第一对的第一接口和第二接口轴向相联接。该轴向联接可导致第一可扩张主体支承该对接口的相对位置，从而当可扩张主体扩张时抑制在第一对接口之间的偏移的变化，并帮助限制或防止与第一对相邻的构架轴线的弯曲特征的变化。有利地，如果当轴线局部地处于平直构造时这种可扩张主体扩张，则可扩张主体可防止轴线弯曲；如果当轴线局部地处于弯曲构造时这种可扩张主体扩张，则可扩张主体可防止轴线变直。
在上述任何铰转系统中，所述对可包括沿着第一侧向轴线侧向地偏离于该轴线的第一对接口。相关联的第一可扩张主体可被配置在第一对接口之间。在这样的实施例中，第二可扩张主体可被配置在第二对接口之间，该第二对接口沿着横向于第一侧向轴线的第二侧向轴线侧向地偏离于该第二侧向轴线。因此，第二可扩张主体的膨胀可使构架的轴线远离第二侧向轴线而弯曲，并且第一侧向主体的膨胀可使构架的轴线远离第一侧向轴线而弯曲。在其它实施例中，第二对接口可侧向地偏离于轴线，并且可与第一侧向轴线和第一对接口相对，使得轴线在第一对和第二对之间延伸，使得配置在第二对之间的第二可扩张主体与第一可扩张主体的膨胀一起促使构架轴向伸长。在其它实施例中，第二可扩张主体可被配置在第二对接口之间，该第二对可轴向地偏离于第一对并沿着第一侧向轴线与第一对充分对准，使得第一可扩张主体的膨胀促使构架侧向地弯曲而远离第一侧向轴线，并且第二可扩张主体与第一可扩张主体一起膨胀促使构架进一步侧向地弯曲而远离第一侧向轴线。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，其中多对接口沿着侧向偏移，多对接口相对于轴线而是相对的，和/或多对接口轴向对准，使得通过使可扩张主体的适当子集(如配置在相关联的多对接口表面或结构之间的)膨胀，轴线能够沿单一定向侧向地弯曲不同的增量，构架能够以不同的增量轴向延长，和/或轴线都能够顺序地或同时地在多个不同的侧向定向上以不同的增量侧向弯曲。可以利用本文所述的相对简单的结构提供这些期望的结构和能力中的任何两个或更多个的组合。
可选地，可扩张主体可包括非顺应性囊体壁，并且每个可扩张主体可以具有：通过压力在完全扩张压力范围内的扩张而限定的扩张构造，以及未扩张构造。构架的偏移部可以分别具有相关联的打开和关闭状态。当囊体处于未扩张构造并且没有施加环境载荷时，构架(和/或安装于其上的结构)将可选地被充分偏置，以将轴向偏移部朝向关闭状态推动。
构架和阵列将通常被包括在导管中，该导管构造成用于插入到患者体内。用于医疗或非医疗用途的铰转系统还可包括：被构造成用于接收来自用户的导管铰转指令的输入部，以及将输入部联接至流体供应源的处理器。处理器可构造成响应于指令而选择性地将流体引导至可扩张主体的子集。例如，当输入部构造成使得指令包括所期望的铰转方向时，并且当流体供应部包括联接于多个通道的多个阀时，处理器可响应于该方向来识别和致动阀的子集。输入指令和阀之间的许多附加和/或替代关系也可纳入处理器中。作为替代的示例(可以或可以不与前述示例组合和/或彼此组合)，当输入部构造成使得指令包括所期望的铰转位置时，处理器可响应于该位置来识别并致动阀的子集；当输入部构造成使得指令包括铰转半径时，处理器可响应于该半径来识别并致动阀的子集；当输入部构造成使得指令包括期望的轴向伸长量时，处理器可响应于该伸长量来识别和致动阀的子集；等等
系统能以开环方式运行，使得实际的铰转致动不被系统的数据处理部件感测并反馈给任何处理器。其它系统可包括电路以产生指示一些或所有囊体或偏移的状态的反馈信号，该电路可选地通过印刷或以其它方式在囊体壁中或囊体壁上包括适当的电气部件来产生反馈信号。一些实施例可以感测与阵列驱动的远侧部分相邻的构架的近侧或“基部”部分的定向(和/或相对位置)，以便对准所期望的和所指令的定向，而不论任何运动控制反馈，其中合适的位置和/或定向传感器可选地从依赖于成像技术(比如光学、荧光、磁共振、超声、计算机断层摄影、正电子发射断层摄影等)并使用已知的图像处理技术的已知的部件中选择，和/或从已知的微创工具跟踪技术(比如电、超声或其它插入装置和有源基准定位系统)中选择，和/或从已知的导管弯曲监测技术(比如光纤系统等)中选择。一些实施例的处理器可采用这些传感器或其它传感器中的任何一个，以用于对实际位置、方向、运动和/或姿态进行反馈并且确定另外的阀致动信号。
可选地，多个阀可联接于构架的近端。替代地(或附加地)，可沿着阵列配置多个阀。例如，阵列的基底可包括第一基底层和第二基底层，在基底层之间具有基底层接口，并且通道可包括从基底接口延伸到第一基底层中的通道壁。
本文所述的任何阵列的可扩张主体可沿着基底轴向地和周向地分布，使得阵列可限定有(例如)至少二维的阵列。致动流体容纳护套可包围住构架和囊体，该护套可选地与基底成一体。这可允许使用过的膨胀流体从基底的通道外部的囊体向近侧流动，从而有助于对囊体进行泄放而不会将使用过的膨胀流体释放到主体或类似物的内部。
在使用之前，阵列将通常与构架结构相联接，使得可扩张主体的扩张改变构架的轴线。通常，柔性基底在将阵列安装至构架期间将从初始形状挠曲，并且还可在由阵列铰转构架期间进一步挠曲。
可选地，构架可包括螺旋盘绕件，当处于松弛状态时，该螺旋盘绕件可在环圈之间具有空间，或者盘绕件可替代地被偏置，使得当盘绕件处于松弛状态时，盘绕件的相邻环圈彼此轴向相配合，这可以帮助在环圈之间传递轴向压缩载荷。替代的构架可包括海波管或具有多个侧向狭槽以便在其间限定环圈的其它管件、和/或具有限定有环圈的多个编织元件的编织管状结构。
通常，第一囊体偏心于构架，并且被径向地配置在构架和径向支承结构之间。径向支承件可以具有相对的内表面和外表面，并且可以构造成在扩张期间限制第一囊体相对于构架的径向移位，使得第一囊体从泄放构造到膨胀构造的扩张引起第一囊体与构架的第一环圈和第二环圈之间的所期望的抑制弯曲的径向配合。合适的径向支承件可包括螺旋盘绕件或者甚至是周向材料带，该周向材料带通常是被配置在构架径向外侧的聚合物材料，使得第一囊体的扩张在带中施加周向拉伸载荷。径向支承件可选地可集成到囊体阵列的基底中，其中第一囊体包括在阵列结构中。
可选地，第一囊体包括在沿着构架周向地、轴向地或同时周向和轴向地分布的囊体阵列中。每个囊体可从泄放构造扩张至膨胀构造，并且囊体中的一些或所有囊体具有构架的多个相关联的环圈，包括第一相关联的环圈和第二相关联的环圈，当囊体处于泄放构造时，第一相关联的环圈在与囊体相邻的轴线弯曲期间可相对于第二相关联的环圈轴向运动。这些囊体均在膨胀构造中径向地配合于第一相关联的环圈和第二相关联的环圈，以便当囊体处于膨胀构造时抑制与那些囊体相邻的轴线的相对轴向运动和弯曲。流体供应系统在使用期间将通常与囊体流体连通，以便选择性地使所期望的囊体子集膨胀，由此抑制与子集相邻的轴线的弯曲。在一些示例性实施例中，这些囊体绕构架周向地分布，并且绕构架的第一轴向区段分布的囊体的第一子集的膨胀抑制了构架沿着第一区段在横跨轴线的正交弯曲定向上的弯曲。还可以提供沿着构架的第二轴向区段延伸的第二囊体子集，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，使得第一子集和第二子集的膨胀抑制了构架连续地沿着构架的第一轴向区段和第二轴向区段在正交弯曲定向上的轴向弯曲。用于抑制弯曲的囊体阵列可以与用于选择性铰转的囊体阵列组合(通过提供两种类型的囊体阵列或通过将两种类型的囊体包括在成一体的阵列中)，并且该阵列可共用基底、通道和/或流体控制部件和技术。
作为可选的特征，构架包括螺旋盘绕件的多个周向环圈，该盘绕件包括绕构架的轴线卷绕的螺旋轴线，并且囊体包括至少一个囊体壁，该囊体壁沿着盘绕件的相关联的环圈的至少一部分绕螺旋轴线配置。相关联的一对区域可被配置在盘绕件的相邻环圈上，使得囊体的膨胀可将这两个相邻环圈推离其上安装有囊体的环圈。有利地，通过向外(比如通过使用囊体形成技术来吹制材料)或向内(比如通过使材料间歇地热收缩)间歇地改变材料的尺寸或两者，多个囊体可由连续的材料管在螺旋芯部上形成。芯部可包括一个或多个囊体膨胀内腔，并且通过沿着螺旋轴线适当地定位囊体，适当地确定囊体的尺寸、形状和间隔，并且通过提供穿过芯部的壁进入到与每个囊体相关联的内腔中的端口，能以有限的成本和工具制造囊体阵列。
流体通道系统将通常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内腔。例如，多个第一囊体可以沿着第一侧向定向偏离于轴线并且与螺旋内腔流体连通，螺旋盘绕件包括第一螺旋盘绕件。第二螺旋盘绕件可轴向地偏离于第一螺旋盘绕件并与第一螺旋盘绕件同轴，该第二螺旋盘绕件具有第二环圈，所述第二环圈散布在螺旋盘绕件的沿着导管或其它细长主体的轴线的环圈中。第二螺旋盘绕件可具有与多个第二囊体流体连通的第二螺旋内腔，所述多个第二囊体沿着第二侧向定向偏离于轴线，使得沿着第一螺旋内腔和第二螺旋内腔的流体传递使构架分别沿着第一侧向定向和第二侧向定向偏转。
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内腔。多个第一囊体可沿着第一侧向定向偏离于轴线并与第一螺旋内腔流体连通，并且多个第二囊体可沿着第二侧向定向偏离于轴线并与第二螺旋内腔流体连通。这可以允许流体沿着同一螺旋盘绕件的第一螺旋内腔和第二螺旋内腔传递，以使轴线分别沿着第一侧向定向和第二侧向定向偏转。
本发明还提供了一种可选的歧管架构，该歧管架构有助于沿着柔性主体配置的多个致动器的单独的计算机控制的流体致动铰转。歧管通常包括跨歧管主体的若干区域分布的流体供应通道，歧管主体可选地包括具有板安装阀的模块化板，以有助于包括在铰转的柔性主体的一个或多个多内腔轴中的多个流体传递通道的流体连通。致动器优选地包括囊体阵列内的囊体，并且将通常被安装在一个、两个或更多个挤出成型的多内腔轴上。阀/板模块可以组装成阵列或堆叠，并且(一个或多个)轴的近侧接口可具有用于进入传递通道的端口，其中端口沿着近侧接口的轴线分布。通过使近侧接口与穿过歧管组件的板或区域的接纳部对准并相配合，可以使用快速断开配件将端口快速且容易地密封于各种阀/板模块的相关联的通道。
在本文描述的许多装置和系统中，铰转结构包括导管。在许多装置和系统中可以使用的其它铰转结构包括导丝、内窥镜和内窥镜支承装置、孔探仪、工业操纵器或操纵器部分(比如夹持器等)、假体等。铰转结构的致动器将通常包括多个囊体，其中囊体通常包括在囊体阵列中，该囊体阵列绕铰转结构的细长主体轴向地和周向地分布。在示例性实施例中，通过接口/接纳部配对来联接的独立流体通道的数量将在5到60之间、通常为6到50个通道、优选地为12到42个铰转流体通道、并且理想地为12到24个铰转流体通道，这些通道包括在1-4个挤出成型的多内腔轴或其它多内腔基底结构内。
歧管主体通常包括多个板。每个板将通常具有相对的主表面，其中歧管主体的区域由板表面界定。接纳部通常穿过这些板。应当注意的是，歧管的板可选地包括在模块化阀/板单元中，使得板和阀的组件控制并引导流体流动。在其它实施例中，歧管可包括简单的接口结构，该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)和铰转主体的一个或多个柔性多内腔轴之间引导流体。在其它实施例中，可铰转结构的端口支承近侧接口包括单个刚性连续结构。尽管接纳部可跨歧管组件的若干区域或板，但已组装的歧管的接纳部通常包括连续的特征，使得近侧接口与接纳部的对准将所有通道与所有端口配准。应当注意的是，会存在有附加的联接件或连接器，该附加的联接件或连接器柔性地附连于近侧接口(比如一个或多个可单独定位的电连接器、光纤连接器和/或用于治疗流体的(一个或多个)单独的流体连接器(比如用于灌溉、抽吸、药物递送等)或甚至进行致动(比如用于假体部署囊体等)。在其它实施例中，这些连接器中的一个、一些或全部可集成到近侧接口和接纳部中。无论如何，一个或多个快速断开配件(比如可手动地在第一或锁定构造与第二或可拆卸构造之间运动的类型)可用于促进和维持端口与相关联的通道之间的密封的流体连通，并且用于允许快速且容易地移除和替换近侧部分，以便用不同的替代铰转结构来替换该铰转结构。
可铰转结构的近侧接口将可选地有助于除密封的端口/通道流体联接之外的一种或多种附加的连通形式。例如，近侧接口可包括射频识别(RFID)标签、电连接器和/或光纤连接器。在这样的实施例中，接纳部通常分别包括RFID读取器、电连接器和/或光纤连接器。RFID数据、或电子识别数据、光学识别数据或其它形式的数据可以由联接于歧管的处理器使用，以识别可铰转结构的类型(以及可选地，特定的可铰转结构本身)。通过近侧接口和接纳部之间的这种通信链路传递该识别数据有助于系统的即插即用的可操作性，从而允许系统的处理器使歧管和可铰转结构之间的流体传递适应于在使用中的特定类型的可铰转结构，从而允许系统引发所期望的铰转，而不必重新手动配置处理器或歧管。识别数据还可以帮助防止不安全和不适当地重复使用高压囊体铰转装置。可以使用电接口/接纳部连接器(比如使用已知的电磁内部导航系统)或光学接口/接纳部连接器(比如使用已知的光纤布拉格光栅柔性传感器)来提供铰转状态反馈。由可铰转结构所承载的诊断或治疗工具也可使用这种连接器。
近侧接口和接纳部可采用多种(通常是对应的)形式中的任何一种。接纳部或近侧接口可例如一个包括凸柱阵列，另一个包括凹口阵列。凸柱将通常沿着平行轴线(通常来自近侧接口的下伏表面)延伸并且可与凹口(通常在接纳部上)相匹配，这通常使得只要近侧接口主体朝向接纳部进行单次运动，凸柱就可以全部插入到凹口中。围绕凸柱的密封件可以在端口和通道之间提供密封且隔离的流体连通。在凸柱和凹口中的暴露于(一个或多个)流体的总横截面积可被限制为小于2平方英寸、并且通常小于1平方英寸、最常的是小于0.1平方英寸、并且理想的是约0.025平方英寸或更小，以避免过大的脱模力。在许多这样的凸柱－凹口实施例中，可铰转结构可以使用多内腔轴来将流体流动从歧管朝向致动器传递。为了传递相对大量的独立流动，可铰转结构可具有多个多内腔轴，比如从近侧接口向远侧延伸的整数A个多内腔轴，A大于1(并且通常为2或3)。每个多内腔轴可以具有带有相关联的端口和相关联的致动器的整数B个内腔，B也大于1(并且通常为3至15、更通常为6至15)。凸柱阵列可包括凸柱的A X B阵列，并且凸柱/凹口配合可分布在歧管的B个阀模块板之间。在示例性实施例中，每个板包括多个板层，并且每个板具有固定于板层的侧向板接纳部构件。接纳部可以由接纳部构件的侧表面限定。
在近侧接口和接纳部的替代形式中，接纳部可由接纳部通路所限定，所述接纳部通路完全延伸通过歧管的一些、大多数或甚至所有板。板可堆叠成阵列(通常具有相对的主表面)，并且接纳部通路可以在已组装的歧管中轴向对准，以便于将近侧接口插入其中。在这样的实施例中，可铰转主体的近侧接口可包括具有轴向分布的端口的轴。示例性的近侧接口结构可采用简单的挤出成型的聚合物多内腔轴的形式，其中端口包括钻入各种内腔中的侧向孔。多内腔轴自身可插入到接纳部中并抵靠接纳部密封，或者可存在具有管或轴的中间接口主体，该管或轴有助于使用具有不同可铰转结构的歧管。无论如何，轴的构造和尺寸可以被设计成插入到接纳部中，以便在端口之间提供密封配合，并且可以导致端口与其相关联的流体通道之间的密封连通。可选地，压缩构件将歧管的板联接在一起，以施加轴向压缩。可变形密封件可被配置在板之间，并且那些密封件可径向向内突出到接纳部中，以便当压缩构件将板挤压在一起时在端口之间进行密封。替代的密封结构可径向向外突出，以抵靠周围表面而提供密封。
许多的歧管主体可以使用具有可互换板模块阵列的模块化歧管组件结构。板模块包括阀和一个或多个板层。每个模块的板层限定有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利用直接的板材料与板材料的接触(可选地将配合板表面熔合在一起)来直接并置，但是更通常地，可具有可变形密封材料(比如O形环、现场成型垫圈材料、激光切割垫圈、3D打印密封材料等)或在板结构之间具有柔性膜(比如粘结到相邻板中的一个板上的柔性电路基底和/或可变形密封构件)。在一些实施例中(具体地是其中板由接纳部构件侧向支承的那些实施例)，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的间隔。因此，当接口的轴线和接纳部对准时，近侧接口与接纳部的对准可以将每个端口与相关联的流体通道配准(尽管通道包括在不同的板模块上)。替代的模块主体结构可包括3D打印结构，其中阀、传感器等可选地被一体地打印或固定于歧管主体。
板模块可选地被配置在歧管的近端盖和歧管的远端盖之间。每个板模块可包括多个板模块层，其中流体通道通常被配置在这些层之间(比如通过将打开的通道模制或激光微加工到一个层的表面中并通过在打开的通道上结合另一层来密封通道)。在一些实施例中，膨胀通道延伸通过一些、大多数或甚至所有模块化板层，并且这些膨胀通道可在模块化歧管组件的堆叠板中对准，以形成连续的膨胀流体集管(其中膨胀集管的端部通常由端盖密封)。膨胀阀可以沿着膨胀集管和接纳部之间的膨胀通道配置，以便控制从集管朝向铰转结构的特定端口传递的加压膨胀流体的流动。可选地，泄放通道可类似地延伸通过一些、大部分或全部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和接纳部之间的泄放通道配置。替代的实施例可简单地将泄放流体从每个板直接转移至大气，而放弃泄放集管。然而，使用泄放集管可提供如下优势；泄放增压室可以与泄放集管流体连通，并且泄放阀可以被配置在泄放增压室和泄放排放端口之间(用于将泄放流体释放至大气等)。通过将压力传感器联接至泄放增压室，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，多个压力传感器联接于板模块的通道。压力传感器还联接于处理器，并且处理器响应于来自压力传感器的压力信号而将阀指令传输至板模块的阀。优选地，在铰转组件中的具有相关联的端口的大多数或所有通道还将具有与其联接的压力传感器，以便通过接口的端口的流体的所有压力都被监测和控制。
包含膨胀流体的加压罐可选地可用作膨胀流体源。膨胀流体优选地包括在罐中的膨胀液体，不过膨胀液体将通常蒸发成膨胀气体以在致动器内使用。加压罐可以与歧管的罐接纳部或凹窝相匹配，以便将膨胀流体传递至流体通道，其中凹窝通常具有刺穿罐的易碎密封件的销。罐中液体的蒸发可以帮助维持恒定的流体膨胀压力，而不必借助于泵等。示例性的膨胀流体包括诸如一氧化二氮之类的低温流体，其中罐优选地容纳有小于10盎司的膨胀液体、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高达约55个标准大气压或者更多，其中受控压力通常在约3个标准大气压至大约40个标准大气压的范围内、可选地小于约35个标准大气压、并且在许多情况下是大约27个标准大气压或更少。
流体控制歧管的阀可包括配置在流体源和第一囊体之间的膨胀阀，以及配置在第二囊体和周围大气之间的泄放阀。第一阀可以构造成独立地传递50纳升或更少液体的最小增量，其中流动的冷却流体通常保持液态直到它横穿阀的喉部。第二阀可以构造成独立地传递至少0.1立方厘米/秒的气体。在用于铰转装置的膨胀内腔的系统中包括这样的阀可有助于对囊体(或囊体子集，其中每个子集使用共同的膨胀内腔来膨胀)的独立的压力控制。最小液体增量可以是25纳升(或甚至15纳升)或更小，而最小气体流量可以是0.5立方厘米/秒(或甚至1立方厘米/秒)或更大。一些实施例可采用多通阀，所述多通阀可以用于控制流入囊体的膨胀流体和从囊体排出的泄放流体，其中控制精准度(尽管有不同的膨胀和泄放流量)由不同的阀喉部、由不同的孔口或与阀相邻的其它流量限制装置，通过足够范围的比例流量控制和/或通过足够快速的阀响应速率来维持。在一些实施例中，压力控制的增压室可以被配置在流体源与第一囊体和第二囊体之间，或者液体可在阀之前以其它方式蒸发成气体，使得没有液体通过增压室和囊体之间的阀。
为了有助于安全地使用膨胀流体来铰转导管和其它可铰转结构，可在流体通道的上游配置截流阀。此外，还可包括真空源和真空传感系统，其中致动器被配置在铰转结构的密封腔室内，并且真空源可联接于该腔室。真空传感系统可以将腔室联接至截流阀，以便响应于腔室内的真空恶化而抑制膨胀流体传递至可铰转结构的致动器。有利地，真空源可包括简单的正排量泵(比如具有可闭锁手柄的注射泵)，并且真空的电子感测可以提供连续的安全监测。可铰转结构的腔室可以使用围绕囊体阵列的外护套来提供，并且可选地使用螺旋形的或其它环形的囊体阵列布置内的内护套来提供。通过在囊体的近侧和远侧密封阵列，阵列周围的空间可以形成真空腔室，如果膨胀流体从阵列中泄漏出来，和/或任何血液、空气或其它周围的液体泄漏进入腔室，则真空腔室中的真空将恶化。
用于对细长柔性结构进行铰转的铰转装置、系统和方法通常具有流体驱动的囊体阵列，该囊体阵列可以用于局部收缩细长柔性主体的柔性细长框架或构架(例如，沿着一个或多个选定轴向区段的一个或多个选定侧)，以帮助限定出细长主体的静止形状或姿态。在优选实施例中，本文描述的构架结构将通常具有成对的对应轴向定向的表面区域，这些表面区域可以相对于彼此运动，例如其中各区域位于滑动接头的任一侧，或者通过构架的可变形螺旋盘绕件结构的环圈彼此连接。阵列的囊体(或一些其它的致动器)可在每一对区域之间。这些表面对中的一对或多对可通过偏移部分开，当构架的轴线在该对表面附近被压缩时，该偏移部增大。虽然它是违反直觉的，但是这些区域之间的囊体(或另一致动器)的轴向扩张可以轴向收缩或缩短囊体附近的构架，例如，使构架朝向侧向地偏离于细长主体的轴线的囊体而弯曲。有利地，构架和囊体阵列可以构造成使得不同的囊体施加相反的局部轴向伸长力和收缩力。因此，囊体子集的选择性膨胀以及其它囊体子集的对应缩瘪可以用于可控制地促使细长柔性主体沿期望的方向侧向弯曲，以改变总的轴向长度，和/或在整个工作空间对两者进行受控组合。此外，改变相对的囊体的膨胀压力可以可控地且局部地调节细长主体的刚度，可选地不改变铰转的细长主体的姿态。
在一个方面，本发明提供了一种可铰转的导管，该导管包括具有近端和远端并且在近端与远端之间限定有轴线的至少一个细长构架。该构架包括内壁和外壁，其中第一凸缘固定于内壁，第二凸缘固定于外壁。壁的相对的主表面可主要径向定向，并且凸缘的相对的主表面可主要轴向定向。多个轴向收缩囊体以被可径向地膨胀在内壁和外壁之间，并且轴向地配置在第一凸缘和第二凸缘之间，使得在使用中，收缩囊体的膨胀将第一凸缘和第二凸缘轴向地推开，以便促使内壁和外壁的轴向重叠增加。这可以导致与膨胀的收缩囊体相邻的构架被局部地推动以响应于囊体的膨胀而轴向收缩。
在一些实施例中，构架包括多个环形或环结构，通常包括具有该内壁的多个内环和具有该外壁的多个外环。这些实施例的凸缘可包括固定于壁的环形凸缘，并且环形结构或环可相对于彼此轴向运动。通常，每个环将包括相关联的壁并且将具有近侧环端和远侧环端，其中环的壁在近侧环端处固定于相关联的近侧凸缘并且在远侧环端处固定于相关联的远侧凸缘，第一凸缘和第二凸缘包括在近侧凸缘和远侧凸缘中。
在其它实施例中，该构架包括至少一个螺旋构件。例如，壁可包括螺旋壁，并且凸缘可包括固定于螺旋壁的螺旋凸缘，(一个或多个)螺旋构件包括所述壁和所述凸缘。螺旋构件可限定有多个螺旋环圈，并且环圈可相对于彼此轴向运动，以适应于构架的铰转。优选地，每个环圈具有相关联的壁，该壁具有近侧环圈边缘和远侧环圈边缘，壁在近侧环圈边缘处固定于相关联的近侧凸缘并且在远侧环圈边缘处固定于的相关联的远侧凸缘(第一凸缘和第二凸缘包括在这些近侧凸缘和远侧凸缘中)。
在环的实施例、螺旋的实施例和其它实施例中，多个轴向延伸的囊体可轴向地配置在构架的相邻凸缘之间。通常，构架的仅一个壁(例如，内壁或外壁但不是两者)可被配置在延伸囊体自身的径向上。换言之，与许多收缩囊体不同，延伸囊体优选地不径向地包含在内壁和外壁之间的空间中。作为结果，并且与收缩囊体不同的是，在使用期间，延伸囊体的膨胀将推动相邻的凸缘轴向分开，以便促使与膨胀的延伸囊体相邻的构架轴向地局部伸长。
有利地，延伸囊体和收缩囊体可相对地安装于构架，使得延伸囊体的膨胀和收缩囊体的缩瘪使构架局部地轴向伸长，以及使得延伸囊体的缩瘪和收缩囊体的膨胀使构架局部地轴向收缩。应当注意的是，囊体可以绕轴线周向地分布，使得囊体的第一偏心子集的选择性膨胀以及囊体的第二偏心子集的选择性缩瘪可以使轴线侧向地朝向第一侧向定向偏转，并且使得囊体的第一偏心子集的选择性缩瘪以及囊体的第二偏心子集的选择性膨胀可以使轴侧向地偏离第一侧向定向。囊体还可(或替代地)沿着轴线轴向地分布，使得囊体的第三偏心子集的选择性膨胀以及囊体的第四偏心子集的选择性缩瘪可使轴线沿着构架的第一轴向区段侧向地偏转，并且囊体的第五偏心子集的选择性缩瘪以及囊体的第六偏心子集的选择性膨胀使轴线沿着构架的第二轴向区段侧向地偏转，第二轴向区段轴向地偏离于第一轴向区段。
本文提供的大多数系统和装置、并且具体地是具有使用螺旋结构构件形成的构架的系统和装置，可受益于具有由共用柔性管限定的外表面的囊体组。该管可具有沿着轴线周期性变化的横截面，并且多内腔轴可以被配置在柔性管内。该管可沿着轴线间歇地密封于轴，其中径向端口在囊体的内部和多内腔轴的多个内腔之间延伸，以便通过沿着内腔的子集引导膨胀流体来促进囊体的可选子集的膨胀。在示例性实施例中，膨胀流体可包括囊体内的气体和膨胀内腔内的液体。
可选地，系统允许刚度可控地且可选择地从标称的未激励的致动器刚度增加到中间刚度构造(其中致动器被部分地激励)，和/或增加到相对高的刚度构造(致动器被更完全地或完全激励)。可以可控地改变不同的轴向区段(使得第一区段具有多个不同的刚度中的任何一个，并且第二区段独立地具有多个不同的刚度中的任何一个)。在示例性实施例中，能量供应系统可包括加压流体源，并且致动器的激励可包括对致动器加压(致动器通常包括诸如囊体等之类的可流体扩张主体)。
可选地，可流体扩张主体的第一子集可以沿着构架的区段基本上轴对称地配置，使得第一子集的膨胀使该区段轴向地伸长。可流体扩张主体的第二子集可沿着该区段偏心地分布，使得第二子集的膨胀使该区段沿着第一侧向弯曲轴线侧向地弯曲。可流体扩张主体的第三子集可沿着该区段偏心地分布，使得第三子集的膨胀使该区段沿着第二侧向弯曲轴线并横向于第一弯曲轴线侧向地弯曲。第二子集和第三子集将通常在轴向上与第一子集重叠。可选地，可流体扩张主体的第四子集可由骨架基本上与第一子集相对地支承，并且可流体扩张主体的第五子集可以类似地基本上与第二子集相对，其中可流体扩张主体的第六子集基本上与第三子集相对。这可以有助于使用子集的选择性膨胀来在整个三维工作空间中可控地和可逆地铰转区段。
在另一方面，本发明提供了一种可铰转结构，该可铰转结构包括：
细长柔性主体，该细长柔性主体具有近端和远端以及在近端与远端之间的轴线。可以沿着该主体安装致动器阵列，以便对主体进行铰转。
可选地，可以提供歧管以用于对细长主体进行铰转。致动器阵列可以包括铰转囊体阵列，并且歧管可以包括液态膨胀流体源和气态膨胀流体源。还可以包括处理器，并且在使用中，该结构的至少一个流体通道可同时包含气体膨胀流体和液体膨胀流体。处理器可以构造成响应于改变与通道连通的囊体子集的顺应性的指令而改变通道中的气态膨胀流体和液态膨胀流体的相对量。
另外其它的有利特征可以包括在将用于对细长主体进行铰转的任何歧管中。例如，当主体具有铰转囊体阵列或其它可流体扩张主体时，歧管可包括接纳部，该接纳部构造成接纳具有第一膨胀流体的罐。歧管的可变形隔膜可具有第一侧和第二侧，并且在使用中，第一侧可与第一膨胀流体流体连通，并且第二侧可与第二膨胀流体流体连通。阀可以将罐联接至隔膜的第一侧，以便控制第一膨胀流体和第二膨胀流体的压力。隔膜的第二侧可以与囊体流体连通，以利用第二膨胀流体选择性地使囊体膨胀。例如，如果主体包括导管主体，第一膨胀流体包括气体，并且第二膨胀流体包括液体，则这可能是有益的。
系统和结构的其它部件可包括许多改良。例如，主体可包括具有近侧凸缘和远侧凸缘的螺旋框架，其中轴向壁在凸缘之间延伸。致动器可轴向推动凸缘，以使轴线局部偏转。框架可在轴向壁中具有开口、狭槽或切口，其中这些狭槽或切口周向地定位在致动器之间，以便增强框架的侧向柔性。
还可包括许多不同的数据处理特征。例如，
主体可具有体现机器可读数据的ID标签，并且结构或系统还可包括与致动器相联接的处理器，以便向其传输驱动信号。处理器可构造成与服务器相联接，该服务器又与网络通信，以便传输ID数据。如果致动器包括可流体扩张主体，则该结构或系统还可包括与可流体扩张主体连通的多个压力传感器。还可包括加压流体源，并且多个阀可以位于该流体源和可扩张主体之间。处理器可构造成响应于系统用户输入的指令而引起主体朝向新位置的运动，并且处理器可包括闭环阀控制器，该控制器构造成致动阀并在可扩张主体中提供如由传感器所感知的特定压力。可选地，处理器包括构造成确定主体的期望状态的模块、构造成确定期望的接头状态的逆运动学模块；构造成确定实际的接头状态与所期望的接头状态之间的差异以便定义接头误差的模块、以及接头轨迹规划器。轨迹规划器可以响应于所期望的接头状态和接头误差来定义接头误差轨迹，并且接头轨迹可以被传输至逆流体计算器以确定用于阀的指令信号。在另外其它的可选特征中，该系统或结构还包括反馈系统，该反馈系统构造成使用传感器感测主体或其它铰转结构的实际位置或状态。传感器可包括例如电磁导航系统、超声导航系统、联接于3D图像采集系统的图像处理器、光纤形状传感器和/或电气形状传感器。
在另一方面，本发明提供了一种心脏瓣膜治疗系统，该治疗系统用于在结构上改变患者体内的心脏瓣膜。该治疗系统包括细长的柔性心脏导管主体，该主体具有近端和远端以及在近端与远端之间的轴线。治疗瓣膜工具可以安装在导管主体的远端附近，该工具具有轴线。导管主体可以具有与远端相邻的铰转部分，并且铰转部分可包括铰转囊体阵列。
可选地，囊体可包括第一子集和第二子集，并且第一子集的膨胀可沿着第一铰转定向(比如沿X方向弯曲铰转导管)来对铰转部分进行铰转。第二子集的膨胀可沿着横向于第一定向的第二定向(比如通过沿Y方向弯曲导管)来对铰转部分进行铰转。在本文提供的许多实施例中，该工具包括置换瓣膜(比如经导管假体二尖瓣)。替代实施例可以利用包括瓣膜瓣叶折叠术夹具(plication clip)的工具，该工具是一种可以提供类似于Alfieri针法的微创疗法的假体结构。另外其它的替代实施例可利用包括经导管瓣环成形术环的工具或环形折叠术工具来减小瓣膜瓣环的尺寸。无论工具采用何种特定形式，导管主体可选地可以形成经中隔进路和/或治疗系统的组件，其中通常还提供已知的经中隔部件(经中隔针、隔膜扩大末端、用于验证进入左心房的血压感测系统、可操纵的护套或引导导管、和/或类似物)。其它程序可能不需要经中隔进路，并且治疗可针对心脏的任何瓣膜，包括主动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣，和/或肺动脉瓣。
在一些实施例中，导管系统可构造成经由患者的主动脉弓进入心脏组织。例如，导管主体的铰转部分的铰转可具有铰转构造，其中工具相对于铰转部分的近端成一定角度，该角度足以在工具的整个横跨主动脉弓的前进过程中抑制工具与主动脉弓表面之间的创伤性配合。这种系统可选地可以包括假体主动脉瓣，但也可替代地包括假体二尖瓣。在心脏的具有左心室、主动脉瓣膜和二尖瓣的地方，导管主体的铰转部分的铰转可将导管主体驱动至弯曲构造，在该构造中工具相对于铰转部分的近侧基部成一角度，当导管的主体延伸通过二尖瓣或主动脉瓣时，该角度足以允许工具和二尖瓣组织之间的逆行配合。
当工具包括二尖瓣时，铰转部分可具有第一轴向区段以及远离第一区段的第二轴向区段，第一区段具有沿着第一定向涵盖了大约90度侧向弯曲的运动范围，使得当第一区段的近侧基部沿着腔静脉延伸时，第一区段的远端可以经中隔地定向。第二区段可具有沿着第一定向涵盖了大约90度侧向弯曲的运动范围，使得当第一区段的远端被经中隔地定向时，第二区段的远端可以向心尖延伸。优选地，在各区段的运动范围内，各区段的铰转将是独立的。可选地，第一区段和第二区段沿着横向于第一定向的第二定向各自还可具有独立的运动范围。在一些实施例中，铰转部分还包括配置在第二区段的近侧的可独立铰转的第三区段，在第三运动范围内，该第三区段可在锚定构造和小轮廓构造之间铰转。第三区段可在第二运动范围内沿着轴线伸长，无论其是否具有专门的锚定构造。
在另一方面，本发明提供了一种用于修复或置换患者体内心脏瓣膜的心脏瓣膜治疗方法。该方法包括使细长的柔性心脏导管主体在患者体内铰转。导管主体具有近端和远端，在近端和远端之间具有轴线。治疗瓣膜工具安装在导管主体的远端附近，并且通过使沿着导管主体配置的铰转囊体阵列的子集膨胀来执行导管主体在患者体内的铰转。
附图说明
图1是医疗程序的简化立体图，其中医师可以将指令输入到导管系统中，从而使用本文所述的系统和装置来铰转导管。
图1-1示意性地示出了导管铰转系统，该导管铰转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转部分的导管。
图1A-1C示意性地示出了图1的系统中的导管的远侧部分的多个替代的铰转状态。
图2示意性地示出了替代的远侧结构，其具有多个可铰转子区域或区段以便提供所期望的总数量的自由度和运动范围。
图3是简化的分解立体图，显示了可以形成为基本上平面的构造并且卷绕成圆柱形构造的囊体阵列，并且该囊体阵列可以同轴地安装于螺旋盘绕件或其它构架框架，以在图1和2的系统的导管中使用。
图4A和4B分别是用于在图1的系统中使用的可铰转导管的简化剖视图和简化横向剖视图，此处显示了具有处于未膨胀的小的轴向轮廓构造中、并且位于盘绕件的环圈之间的阵列的囊体。
图4C是图4A和4B的可铰转导管的简化横向剖视图，其中沿着导管的可铰转区域的一侧轴向地对准的多个囊体膨胀，使得导管处于侧向偏转状态。
图5是图4的可铰转导管的简化横向剖视图，其中侧向相对的多个囊体膨胀，使得导管处于轴向伸长状态。
图6示意性地示出了用于在图1的导管系统中使用的部件，包括囊体阵列、膨胀流体源、流体控制系统和处理器。
图7是替代的囊体阵列和流体控制系统的简化示意图，其中与导管的近端联接的多个阀可以用于将流体引导至所述阵列的多个通道中的任一个，并由此选择性地确定待扩张的囊体的子集。
图8-13示意性地示出了可在本文所述的系统和装置的膨胀流体供应系统中使用和/或组合的阀和囊体布置。
图14A-16示出了另一种实施例的部件，这种实施例的部件具有多个交错的多内腔的聚合物螺旋芯部，所述多内腔的聚合物螺旋芯部与多个弹性盘绕件结构交错，所述多个弹性盘绕件结构具有构造成径向地限制囊体的、轴向地定向的表面。
图17A和17B是导管和流体供应歧管系统的部件的立体图和剖视图。
图17C是具有与图17A和17B的部件类似的部件的流体供应歧管的立体图，该附图显示了如何在歧管组件中包括附加的可互换模块，以控制具有更多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，多内腔连接器延伸穿过所述阀板组件，以便提供到阵列的囊体和来自阵列的囊体的受控流体流动。
图18A-18C是显示出具有各模块的替代的模块化歧管组件的立体图，每个模块包括阀、供应流体通道、排放流体通道和穿过模块的板的通路，这些板在堆叠板组件中对准，以用作多内腔轴接纳部、流体集管等。
图18D和18E是模块化流体歧管系统的替代的简化示意图，这些附图显示了可以与图18的那些结合的附加的部件和系统。
图18F和18G示出了用于将具有不同尺寸和/或形状的多个替代的多内腔轴中的任何一个联接至堆叠板流体歧管组件的接口。
图19是模块化歧管的立体图，其中阀组件中的一个的层被分解，以便显示相关联的阀、轴向通路和侧向通道。
图19A和19B是类似于图19的模块化歧管中所使用的板层的简化立体图和示意性剖视图，这些附图显示了用于多内腔轴中的一个的通道和通路。
图20A-22A示意性地示出了具有框架或构件的构架结构，其中囊体相对地安装，以便随着囊体的一个子集的膨胀而轴向地延伸，并且随着囊体的另一个子集的膨胀而轴向地收缩。
图22B和22C分别是具有轴向扩张和轴向收缩的囊体的示例性轴向扩张/收缩构架的示意图；以及具有由轴向扩张和轴向收缩的囊体所铰转的轴向的一系列环状构件或环的构架的对应剖视图。
图22D-22H是具有带着三组相对的囊体的环状构架的细长柔性铰转结构的图示，并且显示了如何可以使用囊体的变化的膨胀来使框架的一些部分轴向地收缩并且使其它部分轴向地延伸，以使框架弯曲或伸长并且以在三维空间中控制框架的姿态或形状。
图23A-23J是具有环状构架和两组相对的囊体的替代的细长铰转柔性结构的图示，并且显示了多个可独立控制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图示具有轴向扩张囊体和相对的轴向收缩囊体的另一种替代的细长铰转柔性结构的部件，此处该结构具有螺旋构架构件和螺旋囊体组件。
图25A-25F示出了具有螺旋构架构件以及沿着所述构架相对地支承的三个螺旋囊体组件的示例性的细长铰转柔性结构，并且还显示了囊体子集的选择性膨胀如何能够使构架局部地轴向地伸长和/或收缩，以使结构侧向地弯曲和/或改变结构的总体长度。
图26A和26B示出了与图25A-25F的那些相类似的替代的铰转结构，此处的铰转结构具有沿框架相对地支承的两个囊体组件。
图27示出了用于图24和25的囊体组件的替代的多内腔管道或芯部结构，该附图显示了可以与不同数量的铰转区段一起使用的多种不同数量的通道。
图28示意性地示出了用于使用本文所述的流体驱动系统以依照由系统用户提供的输入来使导管和其它细长柔性结构铰转的控制系统逻辑。
图29示意性地示出了在本文所述的系统和方法内使用的数据采集和处理系统。
图29A示意性地示出了在本文所述的系统和方法内使用的基站和网络系统。
图30A-30D示出了替代的接口，该接口用于将模块化流体歧管连接至多个多内腔轴，以便提供对导管的沿多个区段的铰转的控制，每个区段具有多个自由度，以及歧管的一些板模块的一些部分，其中板模块在此具有接纳部构件，该接纳部构件帮助将板的各层联接至接口的凸柱。
图31A-31C示意性地示出了用于在患者心脏中部署二尖瓣假体的对二尖瓣递送导管系统的定位和锚定。
图32A-32C示意性地示出了通过铰转导管的三个轴向区段的独立铰转而在五个自由度中定位二尖瓣假体。
图33A和33B示出了可使用本文所述的部署系统递送的替代的假体瓣膜结构。
图34示出了瓣膜瓣叶应用夹具和相关联的部署系统。
图35A-35C示出了用于瓣环成形术环的导管部署系统。
图35D-35F示出了用于瓣环成形术折叠术缝线的导管部署系统。
图35G和35H示出了到左主动脉的经主动脉进路和二尖瓣环的逆行治疗。
图36A-37D示意性地示出了替代的螺旋框架结构，所述螺旋框架结构具有切口和通道，以增强柔性和/或提供到囊体端面的进路，从而促进囊体子集的旋转对准。
图37E、37F和37G示出了可用于帮助促进螺旋框架结构内的囊体的旋转对准的部件。
图38A和38B示意性地示出了具有增强的柔性的替代的螺旋内框架。
图39A-39D示出了替代的环形框架组件部件。
图40A-40D示出了替代的螺旋框架组件，该组件可以包含螺旋囊体组件，并且在该组件中，阵列的相对的囊体使框架垂直于框架的轴线弯曲。
图41A-41F示意性地示出了螺旋框架结构，其中框架的一个区域的卷绕定向与框架的另一区域的卷绕定向相反，并且还示出了框架的轴向扭转和伸长之间的联接可以如何用于控制框架的总体长度、框架的总体扭转、或两者。
图42A-42D示出了替代的歧管组件和歧管部件。
具体实施方式
本发明总地提供了具体可用于铰转导管和其它细长柔性结构的流体控制装置、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，该模块化歧管架构包括板安装阀，以便促进沿着包括在一个或多个多内腔轴中的多个流体通道的流体连通，所述模块化歧管架构通常用于对导管的致动器进行铰转。优选的致动器包括囊体或其它可流体扩张主体，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。单独的板模块可包括对供应至导管或其它装置的流体和/或从导管或其它装置排放的流体进行控制的阀。跨越堆叠的此类模块延伸的接纳部可以接纳具有大量单独的流体联接端口的流体流动接口，其中模块化阀组件的总体积、包括所述装置的配对的接纳部和流体流动接口通常是相当小的。实际上，即使在包括控制器(比如数字处理器)、加压流体源(比如低温流体罐)和电源(比如电池)的情况下，模块化歧管也优选地将是足够小的，以便单手握持。当用于传递将会蒸发为气体的液体时，对少量膨胀液体的控制可以引导微流体量的膨胀流体，所述气体使微囊体阵列中选定的微囊体子集膨胀。微机电系统(MEMS)阀和传感器可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所述的应用场合定制。
本发明还提供改进的医疗装置、系统和方法，其中示例性实施例提供了用于诊断和/或治疗心脏瓣膜的改进的系统。本发明可选地利用铰转囊体阵列来控制导管的远侧部分在心脏内的运动，并且可用于使诊断或治疗工具与二尖瓣或其它瓣膜对准。由于铰转囊体可以在铰转部位处产生铰转力，因此与通过沿着蜿蜒穿过曲折脉管路径的导管主体向近端传递铰转力所引起的运动相比，铰转导管在博动的心脏内的运动可以被更好地控制和/或提供更大的柔性。
本文提供的实施例可使用球状结构来实现细长导管或其它主体的铰转。术语“铰转囊体”可用于指在利用流体的膨胀时扩张的部件，并且布置成使得对于扩张的主要效果是致使细长主体的铰转。注意，这种结构的使用与传统的介入式囊体形成对比，传统的介入式囊体对于扩张的主要效果是从整个装置的外轮廓中引起大幅径向向外扩张，例如以扩大或闭塞或锚定在装置所位于的接纳部中。独立地，本文所述的铰转内侧结构通常具有铰转的远侧部分和未铰转的近侧部分，这样，使用标准导管插入技术来使该结构进入患者的初始前进可以得到显著简化。
导管主体(以及受益于本文所述的发明的许多其它细长柔性主体)在本文中将通常描述为具有或限定有轴线，使得该轴线沿着主体的细长长度延伸。因为主体是柔性的，该轴线的局部定向可沿着主体的长度变化，并且虽然轴线将通常是限定在主体截面的中心处或附近的中心轴线，不过也可使用主体外表面附近的偏心轴线。应当理解的是，例如，“沿着轴线”延伸的细长结构可具有其沿着这样的定向的最长尺寸，该定向具有显著的轴向分量，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这样的定向的长度，该定向具有的轴向分量大于沿与正交于该轴线的其它定向的分量。可以相对于主体的轴线来限定其它定向，包括横向于该轴线的定向(其将包括总体上跨越该轴线延伸而不必与该轴线正交的定向)、侧向于该轴线的定向(其将包括具有相对于该轴线显著的径向分量的定向)、相对于该轴线是周向的定向(其将包括绕该轴线延伸的定向)等。本文中可通过参照延伸离开在表面下方的结构的表面法线来描述表面的定向。作为示例，在具有从主体的近端延伸至主体的远端的轴线的简单实心圆柱形主体中，主体的最远端可描述为朝远侧定向的，近端可描述为朝近侧定向的，并且近端与远端之间的表面可描述为径向定向的。作为另一种示例，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描述为具有两个相对的轴向表面(其中一个主要是朝近侧定向的，一个主要是朝远侧定向的)，其中该螺旋结构包括以20度角绕圆柱体卷绕的具有正方形截面的线。该线的最外表面可描述为确切地径向向外定向，而该线的相对的内表面可描述为径向向内定向，等等。
首先参照图1，示出了第一示例性导管系统1及其使用方法。医师或其它系统用户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，其中该程序的至少一部分通过使导管3前进到体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内腔系统之一(典型地是脉管系统网络)，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将通常通过腿、手臂、颈部等的主要血管中的一个而引入到患者P体内。也可以使用各种已知的脉管进入技术，或者可替代地，该系统可以通过身体孔插入或者以其它方式进入多个替代体腔中的任一个中。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，或者其它模态。
在单个手术程序期间，导管3可由用户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、以及用户手动地使近端运动的同时计算机铰转远侧部分的组合模式中的两种或更多种。更具体地，可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，可使用丝上(over-the-wire)技术或快速交换技术来手动地使导管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，导管的远侧末端可导引手动的远侧前进)。在手动运动之前，导管的远侧部分的自动侧向偏转可诸如在血管分叉附近施加期望的远侧转向弯曲，随后进行通过该分叉的手动运动。除了这样的手动运动模式之外，导管系统1还可具有3-D自动运动模式，该模式使用配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转来改变该导管部分的形状，通常以使导管的远端前进或定位。导管的远端在体内的运动将通常根据由用户U输入的实时或接近实时的运动指令来提供，其中导管的改变形状的部分可选地完全处于患者体内，使得在使延伸穿过进入部位的轴或缆线没有运动的情况下提供导管的远侧部分的运动。还可以实施系统1的其它操作模式，包括利用自动铰转的并行手动操纵，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/或刚度变化帮助远端遵循期望的路径或减小对轴向运动的阻力。
接下来参照图1-1，参考替代的导管系统10及其导管12，可以更全面地理解可包括在(上述)导管系统1或导管3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的联接件16可拆卸地联接于手柄14。导管主体12具有轴线30，并且手柄14的输入部18可由用户移动，以便局部地改变沿着导管主体12的轴向弯曲特征，通常用于可变地铰转导管主体的致动部分20。导管主体12将通常具有工作内腔26，治疗和/或诊断工具可从手柄14的近侧端口28前进到工作内腔中或穿过工作内腔26。替代的实施例可不包括工作内腔，可具有在致动部分20附近或沿致动部分20包含到导管主体中的一个或多个治疗或诊断工具，可具有足够小的外部轮廓以便于将主体用作导丝，可在致动部分20附近或在远端26附近承载工具或植入物，等等。在具体实施例中，导管主体12可在致动部分20近侧、沿致动部分20的长度、和/或在致动部分20远侧支承治疗或诊断工具8。或者，一旦导管主体20已经前进，单独的细长柔性导管主体就可朝远侧被导引至目标部位(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的工作内腔内、可在工作内腔上前进和/或可被引入而穿过工作内腔的一个或多个特定工具可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(比如血管成形术囊体、支架部署囊体或其它装置、粥样斑块旋切装置、用于检测、测量和/或表征斑块或其它闭塞的工具、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它评估和/或治疗的工具、结构性心脏工具(包括用于瓣膜程序的假体或其它工具，以用于改变心脏组织、腔室和附属物等的形态)、用于电生理学绘图的工具或消融工具等)；刺激电极或电极植入工具(比如引线、引线植入装置和引线部署系统、无引线起搏器和相关联的部署展开系统等)；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它状况等)；胃肠和/或生殖手术程序工具(比如结肠镜诊断和介入性工具、经尿道程序工具、经食管程序工具、内窥镜肥胖症程序工具等)；宫内腔镜和/或输卵镜手术程序工具等；用于涉及肺的气道和/或脉管的治疗的肺部手术程序工具；用于诊断和/或医治窦、咽喉、口或其它内腔的工具；以及广泛范围的其它腔内治疗和诊断结构。此类工具可利用已知的表面或组织体积成像技术(包括诸如2-D或3-D相机的成像技术或其它成像技术；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)；组织或其它材料移除、切割和/或穿透技术(比如旋转或轴向粥样斑块旋切技术；分碎技术；活组织检查技术；可展开针或微针技术；血栓捕获技术；勒除器等)；组织扩大技术(比如顺应性或非顺应性囊体、塑性或弹性可扩张支架、可逆地可扩张盘绕件、编织物或其它支承架等)；组织重塑和/或能量递送技术(比如电外科消融技术、RF电极、微波天线、烧灼表面、冷冻手术技术、激光能量传递表面等)；局部药剂递送技术(比如药物洗脱支架、囊体、植入物或其它主体；造影剂或药物注射端口；腔内补偿结构等)；植入物和假体部署展开技术；吻合技术以及用于应用夹具或缝线的技术；组织抓取和操纵技术；等等。在一些实施例中，铰转结构的外表面可用于直接操纵组织。可能造成显著的附带损伤并且侵入性较小的腔内方法可能是有益的外科干预的其它示例包括：对脑部的医治(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它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/或医治、诸如瓣膜程序或闭合心耳之类的结构性心脏治疗、诸如绘图和心律失常医治之类的电生理程序等)；胃肠和/或生殖手术程序(比如结肠镜诊断和干预措施、经尿道程序、经食道程序、内窥镜肥胖症程序等)；宫腔镜和/或输卵镜手术程序等；涉及肺的气道和/或脉管的肺部手术程序；窦、咽喉、口或其它内腔的诊断和/或医治；以及广泛范围的其它腔内治疗和诊断。遗憾的是，用于不同治疗和/或插入不同体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装置将通常是不合适的(并且可能无效或甚至是危险的)。非医疗实施例可类似地具有用于工业、组装、成像、操纵和其它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(并且具体地是致动部分20的铰转能力)，该导管主体一般具有近端22和远端24以及在两端之间延伸的轴线30。如参照图2可以理解的，导管主体12可以具有约3个或更少的直径的短致动部分20，但是将通常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它柔性铰转主体)的总长度可以为5至500厘米、更典型地为15至260厘米，其中致动部分可选地具有1至150厘米的长度(更典型地为2至20厘米)，并且外直径为0.65毫米至5厘米(更典型地为1毫米至2厘米)。柔性主体的导丝实施例的外直径可小到0.012英寸，尽管许多实施例可大于2弗伦奇(Fr，法制单位)，其中导管和其它医疗实施例可选地具有大到34弗伦奇(French，法制单位)或更大的外直径，并且其中工业机器人实施例可选地具有达到1英寸或更大的直径。用于结构性心脏治疗(比如经导管主动脉或二尖瓣修复或植入、左心耳闭合等)的示例性导管的实施例可具有长度为3至30厘米、更典型地为5至25厘米的致动部分，并且可以具有10至30弗伦奇、典型地为12至18弗伦奇、且理想地为13至16弗伦奇的外部轮廓。电生理学治疗导管(包括具有用于感测心脏周期的电极和/或用于消融选定的心脏组织的电极的那些导管)可具有约5至约12弗伦奇的尺寸，以及约3至约30厘米的铰转长度。针对这些或其它应用场合还可以实施一系列其它的尺寸。
现在参照图1A、1B和1C，系统10可构造成对致动部分20进行铰转。铰转将通常允许在整个运动范围内连续地运动，尽管一些实施例可以通过从多个离散的铰转状态当中进行选择来提供部分(in-part)或全部(in-full)的铰转。本文描述了具有相反的轴向延伸和收缩致动器的导管，该导管可能特别有益于提供连续的受控且可逆的运动，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用许多部件(并且一些系统可能采用两种方法的组合)。
首先论述对图1A的离散状态系统的使用，系统10可以例如使致动部分20的轴向长度增加一个或多个长度增量变化ΔL。如参照图5可以理解的，用于实现总的可选择的长度增量ΔL的示例性结构可以结合有多个长度增量ΔL＝ΔL1+ΔL2+……)。如图1B和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，第一弯曲状态在未铰转轴线30与铰转轴线30’之间具有第一弯曲角度31(如图1B中示意性所示)，第二弯曲状态具有总弯曲角度33(在铰转轴线30与铰转轴线30”之间)，其中该第二弯曲角度大于第一弯曲角度(如图1C中示意性所示)。可以参照图4C来理解可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运动)的示例性结构。无论如何，附加的总累积弯曲角度33可选地可通过施加(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体完全膨胀和/或紧缩来提供对致动部分20的增量变化。实际上，一些实施例可以甚至能够仅具有单个弯曲和/或伸长增量，但是更经常地会具有超过图1A-1C所示的多得多的增量铰转状态选项(并且还更经常会在整个连续范围内提供弯曲)，以使得多个弯曲角度、弯曲定向、轴向长度等可以并且将通常是可获得的。例如，系统10可构造成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，其中实施例提供沿给定的侧向定向的3至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转角度(可选地为直的或具有零度弯曲角度；替代地具有一些预设的或医师施加的弯曲)。增量的或连续的弯曲能力可能局限于单个侧向定向，但是更典型的是将可以沿不同的侧向定向获得，最典型的是可以沿3或4个定向中的任一个获得(例如，使用沿着两对相反的侧向轴线定位的囊体，有时称为+X、-X、+Y和-Y定向)，并且通过结合不同的弯曲定向，也可以沿中间定向获得。可以使用类似的铰转结构通过使囊体或囊体组部分地膨胀或紧缩来实现连续定位。
系统10还可构造成向导管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，这种长度致动也可通过使囊体阵列结构的囊体膨胀来实现。为了提供与本文描述的简单囊体阵列结构的铰转，每个致动可实现为离散的预先确定的致动增量的组合(可选地与一个或多个部分致动或经调节的致动一起)，但是更经常地可以使用囊体中的一些、大部分或全部囊体的经调节的膨胀或部分膨胀来提供。因此，无论特定导管是否包括这样的弯曲铰转能力，系统10都可构造成向导管12提供至少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至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上的长度。尽管如此，系统10的实施例可以构造成部分或全部地将每个总致动实现为离散的、预先确定的致动增量的组合。一些或全部的离散的致动增量(以及相关联的(一个或多个)囊体)可具有沿着致动部分20内的轴线30的相关联位置37或长度区段、可选地为相关联的侧向X-Y定向和/或相关联的预先确定的增量致动量。至少一些致动增量的侧向X-Y定向可以横向于导管主体12的局部轴线(图1B中显示为Z轴)，并且各个致动囊体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体的膨胀和/或紧缩。每个致动增量(包括一个或多个囊体的膨胀或紧缩)也可具有相关联的增量致动时间(对于囊体的完全膨胀或紧缩，而这些通常是不同的)。虽然在一些实施例中，可选地可通过在单个致动增量期间控制流体流动的变化(比如倾斜向上或倾斜向下)来可变地控制这些时间，但是许多实施例可替代地使用相对均匀的增量致动压力和流动特性(可选地经由对进入和/或离开囊体的流体流动进行固定的节流或抑制)。尽管如此，可例如通过多个囊体的膨胀的受控启动，使得囊体的相关联的膨胀时间的至少一部分重叠，而由沿着导管主体的长度的离散的致动增量的协调定时来提供可控的(并且相对较高的)总体远侧速度。致动增量实现结构(一般为一个或多个相关联的致动囊体)可以与每个致动增量相关联，其中致动结构可选地被指令处于致动构造或未致动构造(比如分别在致动囊体完全膨胀的情况下或致动囊体完全紧缩的情况下)。弯曲角度的变化可例如通过改变沿着导管主体12的一侧的囊体的数量来实现，所述囊体被指令在给定的时间完全膨胀，其中每个附加的囊体膨胀递增地增加总弯曲角度。囊体沿着致动部分20将通常具有不同的相关联的轴向位置37、37’。这可以允许通过选择将要包括在膨胀组中的相关联的囊体轴向位置，来从多个离散的轴向位置37、37’中选择所指令的弯曲增量的轴向位置，膨胀组中的囊体将通常少于阵列中的所有囊体。可以通过从可获得的增量致动中识别和组合弯曲增量(和/或其它致动增量)的子集并且使一个或多个总体囊体阵列中的相关联的致动囊体的子集膨胀来实现所期望的总致动)。因此，例如通过在弯曲的总长度上轴向地分布或分离离散的弯曲增量的子集，可从沿着致动部分20的预定弯曲增量中适当地选择子集来允许对弯曲的平均半径进行控制，以及允许对总弯曲角度进行控制。可以通过选择膨胀的囊体子集的轴向位置来提供对总体弯曲的轴向位置的控制；并且可以通过从不同的可获得的增量侧向定向中选择子集，以便将它们组合在一起而成为近似期望的定向，来提供对总体弯曲的侧向X-Y定向的控制；等等。
如上所提议的，致动部分20通常可以铰转到具有多个不同弯曲角度的不同的多个总体弯曲轮廓中的任一个中。附加地，并且通常基本上独立于弯曲角度，致动部分20可以被再构造，以便在多个不同的侧向弯曲方向中的任一方向上弯曲(在截面或X-Y平面中，通常通过离散的增量弯曲定向的组合)、可以在多个轴向位置中的任一个处弯曲、和/或可以被致动以将多个不同的总体弯曲半径中的任一个弯曲。此外，弯曲定向和/或弯曲半径可沿着致动部分20的轴向长度可控地不同。有趣的并且与大多数导管转向系统相反的是，本发明的一些实施例可能不能够将导管主体20的轴线30驱动至离散的弯曲增量31、35的总和之间的中间弯曲角度，因为总的铰转在某种程度上可能本质上是数字的。然而，应当注意的是，虽然一些或所有致动增量可以是均匀的，但是替代地(比如通过在阵列内包括不同尺寸的囊体)，各弯曲角度等可以是不均匀的，使得预定弯曲增量可以构造成允许弯曲角度的微调等。替代地，由于总致动将通常是一系列增量致动的总和，所以一个或多个囊体可构造成提供模拟的(而不是数字的)铰转，其中该模拟运动通常足以在离散的数字铰转之间起到桥梁作用并由此提供连续的位置范围。这可以例如通过将系统构造成诸如通过使用相关联的正排量泵可变地使阵列的一个或多个囊体部分地膨胀(而不是依赖于完全膨胀或紧缩)来实现。更通常地，囊体或囊体组可在膨胀至整个范围内的可变压力，从而在系统的整个运动范围内提供有效的模拟运动。
方便的是，可使用多个标量来描述导管主体12的总体致动构造或状态，每个标量指示相关联的致动增量和囊体的状态，其中这些增量状态可选地组合，以限定致动状态向量或矩阵。在致动增量本质上是数字(比如与囊体的完全膨胀或完全缩瘪相关联)的情况下，可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。这些数字实施例(具体地是那些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，从而帮助使最小期望处理能力和总体系统成本减小。还应当注意的是，当阵列的所有囊体可膨胀至可变的膨胀状态时，还可获得上述囊体阵列系统的许多分辨率、柔性和精准度优点。因此，本文描述的系统的一些实施例可包括流体控制系统，该流体控制系统将流体的调节量和/或压力沿着一个或多个流体传递通道引导至多个囊体。用于这些实施例的控制系统可采用类似的处理方法，但是囊体膨胀标量值具有在从最小或无有效膨胀到完全膨胀的范围内的可变值。
现在参照图1-1和2，铰转系统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/或定向运动，其中基部部分通常与致动部分20相邻并且在其近侧。应当注意的是，这种铰转可相对地(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。通过以下方式来识别近侧基部21的位置和定向(相对于手柄14或另一方便的固定或可动的参考框架)：例如，通过在系统10中包括已知的导管位置和/或定向识别系统、通过在系统10中包括不透射线标记或其它高对比度标记和相关联的成像以及位置和/或定向识别图像处理软件、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之间的导管主体12的任何柔性长度等等。可通过致动部分20来提供多种不同的自由度。铰转系统10的示例性实施例可允许例如远端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个自由度运动。在一些实施例中，铰转部分20的运动自由度的数量可能高得多，尤其是当囊体阵列的许多不同的替代子集可以潜在地处于不同的膨胀状态以给出相同的最终导管末端和/或工具位置和定向时。
应当注意的是，沿着并超出致动部分20的细长导管主体12可以(并且通常应当)在铰转之前、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，本文描述的系统的各实施例可沿着致动部分20、在致动部分20近侧和/或在致动部分20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加强可在具有或不具有主动铰转能力的情况下实现，可沿着导管主体12的一个或多个轴向部分延伸，并且可响应于来自用户的指令、传感器输入(可选地指示导管的轴向移动)等来改变哪些部分被加强和哪些是更柔性的。
如图2所示，致动部分20可包括一系列轴向的2个或更多个(并且优选地为至少3个)可致动子部分或区段20’、20”、20”’，其中这些区段可选地彼此相邻，或者替代地由导管12的相对短的(小于10个直径)和/或相对刚性的中间部分分开。每个子部分或区段可具有相关联的致动阵列，其中这些阵列一起工作以向末端或工具提供期望的总体导管形状和自由度。至少2个子部分可采用类似的铰转部件(比如类似的囊体阵列、类似的结构结构骨部分、类似的阀系统和/或类似的软件)。共同性可包括使用对应的致动囊体阵列，但是可选地，其中不同阵列的单独的致动囊体的特征以及阵列的位置之间的间距对于导管主体的任何远侧渐缩而有所变化。使用不同的铰转部件可能是有优点的，例如，其中近侧子部分20’和远侧子部分20”’具有构造成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”构造成允许可变的轴向伸长。然而，在许多实施例中，至少两个(并且优选地为全部)区段是基本上连续的并且共用共同的部件和几何形状，其中不同的区段具有分开的流体通道并且是单独地可铰转的，但是每个区段可选地提供类似的运动能力。
对于本文描述的包括多个轴向区段的那些细长柔性铰转结构来说，系统将通常特定区段的每个指令的铰转确定并实现为朝向沿着该特定区段分布的期望区段形状状态的单个一致的铰转。在一些示例性实施例中，标称或静止区段形状状态可被约束到3自由度(DOF)的空间(比如通过X-Y-Z工作空间中的两个横向侧向弯曲定向以及轴向(伸长)定向的连续组合)。在本文描述的一些示例性实施例中(包括螺旋形的延伸/收缩实施例中的至少一些)，当区段处于或接近设计轴向长度构造(比如在轴向或Z运动范围的中间处或附近)时，沿着该区段的侧向弯曲可以是至少大致平面的，但是当该区段运动离开该设计构造(比如在轴向运动范围的近端和/或远端附近)时，该侧向弯曲可呈现出轻微但增加的偏离平面的扭转曲率。当螺旋结构的轴向长度增加和减少时，通过确定支承那些囊体的螺旋结构的卷绕和退绕导致的偏心囊体的侧向定向的变化，可在运动学上重复地引起该偏离平面的弯曲。例如，可指令区段(作为总体期望姿态或运动的一部分)以20度弯曲角度沿-Y定向弯曲。如果弯曲要发生在设计轴向长度处(比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体(或相对的囊体对)可以用于提供所指令的弯曲，则该囊体(或囊体对)可各自膨胀或缩瘪，以使该区段沿-Y定向弯曲约5度(由此提供5×4或20度的总弯曲)。如果要将上述的弯曲与区段到其轴向运动范围的端部的轴向拉伸相结合，则处理器可确定该区段可能将呈现出一些扭转(如2度)，使得对于所指令的弯曲将存在轻微的+X分量，从而处理器可通过指令对应的-X弯曲分量或者通过以其它方式在针对柔性主体的另一区段的指令中进行补偿来补偿所述扭转。
参照图3和5，系统10的导管主体12包括安装于结构构架(此处呈螺旋盘绕件34的形式)的致动阵列结构32。示例性囊体阵列32包括可流体扩张结构或囊体36，所述可流体扩张结构或囊体沿着柔性基底38分布在囊体各位置处，从而限定有M×N的阵列，其中M是在沿着轴线30的给定位置处绕导管12的周缘50分布的囊体的整数个数，N表示沿着具有致动囊体的导管12的轴向位置的整数个数。阵列元件位置的周向和轴向间距将一般是已知的，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个囊体的4×4阵列；替代的阵列可以是从总计2个囊体的1×2阵列至总计1600个囊体(或更多)的8×200阵列、更典型地是具有从3×3阵列至6×20阵列。虽然可提供1×N的囊体阵列(特别是在依赖于导管主体的旋转来使弯曲定向的系统上)，但是M将更典型地为2或更大、更经常地为从3至8、并且优选地为3或4。类似地，虽然可提供M×1的囊体阵列以允许在特定位置处沿多个不同的期望侧向定向中的任一个施加单个弯曲增量，但是阵列32将更典型地具有从2至200、通常为从3至20或从3至100的N。在下文描述的收缩/扩张实施例中，可提供多个阵列，其中类似的M×N阵列相对地安装。并非所有的阵列位置都需要具有可膨胀的囊体，并且囊体可布置成更复杂的布置，比如沿着轴线具有交替的周向数量的囊体，或者沿着阵列的轴向长度而在囊体之间具有变化的或交替的间隔。
可将特定区段的囊体或者安装于共同基底的囊体描述为形成阵列，其中致动囊体阵列结构可选地用作多区段或相对的铰转系统中的子阵列。组合的子阵列一起可形成总体装置的阵列，其也可简单地描述为阵列或可选地描述为总体阵列或组合阵列。沿着铰转部分20的区段或子部分的示例性囊体阵列包括用于沿单个方向弯曲的1×8、1×12和1×16的阵列(可选地其中所述区段的2个、3个、4个或甚至所有囊体与单个共同的膨胀内腔流体连通以便一起膨胀)以及用于X-Y弯曲的4×4、4×8和4×12阵列(其中轴向对准的2-12个囊体的组与4个或更多个共同的内腔相联接，以沿+X、-X、+Y和-Y定向铰转)。具有本文描述的相对的延伸/缩回连续铰转结构的每个区段的示例性阵列可以是3×2N、3×3N、4×2N或4×3N囊体阵列的形式，例如具有6至48个囊体的3×2、3×4、3×6、3×8、3×10、3×12、3×14和3×16阵列，其中3个侧向囊体定向绕导管轴线分开120度。延伸囊体将通常与收缩囊体沿着每个侧向定向轴向地散布，其中单独的3×N阵列与区段的3×2N延伸/收缩阵列组合在一起，同时两个延伸囊体可轴向地定位在3×3N布置的每个收缩囊体之间。收缩囊体可与它们相对的延伸囊体轴向对准和/或共面，尽管在一些实施例中可能有利的是将相对的囊体布置成偏离于平面布置，使得(例如)一种类型的两个囊体使另一类型的一个囊体平衡，或者反之亦然。沿着区段的每个定向的延伸囊体可共用共同的膨胀流体供应内腔，而用于每个定向的区段的收缩囊体类似地共用共同的内腔(对于3×2N和3×3N阵列两者，每个区段使用6个流体供应内腔)。延伸/收缩导管可具有沿着铰转部分的1至8个这样的区段、更典型地为从1至5个区段、并且优选地为2至4个区段。其它医疗和非医疗的细长柔性铰转结构可具有类似的或更复杂的囊体铰转阵列。
如图3、4A、4B和4C中可以看到的，构架将通常(尽管并不总是)包括轴向的一系列环圈42。当环圈被包括在螺旋盘绕件34中时，盘绕件可选地可以偏置，以便促使盘绕件34的相邻环圈42朝向彼此。这种轴向压缩偏置可帮助促使流体出来并使囊体缩瘪，并且可在具有或不具有螺旋压缩的情况下由其它结构(内护套和/或外护套、拉线等)来施加。相邻环圈之间的轴向配合(直接地或利用环圈之间的阵列的囊体壁或其它材料)还可以允许在囊体未膨胀时相对刚性地传递压缩轴向力。当某一特定囊体完全膨胀时，可通过完全膨胀的囊体壁材料以及通过囊体内的流体在相邻环圈之间传递轴向压缩。在囊体壁为非顺应性的情况下，膨胀的囊体可相对刚性地传递这些力，不过也具有与囊体/构架接口相邻的囊体壁材料的一些挠曲。将轴向载荷横跨更宽的囊体接口区域分布的刚性或半刚性的接口结构可限制这种挠曲可通过构架的偏置(和/或通过其它轴向压缩结构)来抵抗轴向张力(包括与轴向弯曲相关联的那些)。替代的环圈形构架结构可例如通过切割海波管、编织金属或聚合物元件等来形成，其中海波管具有从一个或多个侧向定向横跨截面的一部分的轴向的一系列侧向切口。可使用许多替代的已知刚性或柔性机器人连杆结构、包括基于已知的软机器人结构的结构来形成非环圈形构架。适于盘绕件34或其它构架结构的材料可包括诸如不锈钢、弹簧钢之类的金属、诸如NitinolTM合金之类的超弹性或形状记忆合金、聚合物、纤维增强聚合物、高密度或超高密度聚合物等。
当环圈包括在该构架中时，致动阵列32可以安装于构架，其中至少一些囊体36定位在相邻的、相关联的两个环圈42之间，比如在盘绕件34的环圈之间。现在参照图4C，示例性的缩瘪囊体36i位于近侧的相邻环圈42i与远侧的相邻环圈42ii之间，其中囊体的第一表面区域配合近侧环圈34i的向远侧定向的表面，而囊体的第二表面区域配合远侧环圈42ii的向近侧定向的表面。缩瘪囊体36i的壁具有一定厚度，并且相邻的环圈42i和42ii的近侧表面和远侧表面在环圈之间维持非零的轴向缩瘪偏移41。轴向压缩力可以从环圈传递通过固体囊体壁。替代的构架结构可允许环圈直接抵靠彼此配合，以便具有为零的缩瘪偏移，并且例如通过包括囊体接纳部或者一个或多个从一个或两个环圈周向或径向地延伸超出囊体和任何相邻的基底结构的轴向突出部来直接传递轴向压缩力。无论如何，囊体的完全膨胀将典型地使相邻环圈之间的间隔增加到更大的完全膨胀偏移41’。图4B、4C和5的简化侧向剖视图示意性地示出了均匀厚度的薄壁囊体与圆形螺旋盘绕件环圈之间的直接接口配合。这种接口可能导致囊体壁的相对有限的区域配合盘绕件以及在轴向载荷的作用下相关联的变形。替代的囊体配合表面沿着盘绕件(通常包括局部增大的凸半径、局部平坦的表面和/或局部凹入的囊体接纳部)和/或沿着囊体的盘绕件配合表面(比如通过使囊体壁局部增厚以铺展开配合区域)成形，并且/或者在囊体与盘绕件之间提供载荷分散主体可增加轴向刚度。对囊体和囊体/盘绕件接口的多种其它修改也可以是有益的，包括将囊体粘结到相邻的盘绕件、包括折叠部或材料以便抑制囊体迁移等。
例如通过增加螺旋盘绕件的环圈之间的间隔以便使导管12的轴线30弯曲，囊体的膨胀可以改变沿着导管主体12的几何形状。如参照图1B、1C和4-4C可以理解的，选择性地使囊体的偏心子集膨胀能够可变地改变导管轴线的侧向偏转。如参照图1A、4和5可以理解的，所有囊体(或囊体的轴对称子集)的膨胀可增加导管结构的轴向长度。使具有不同侧向定向和轴向位置的组合的囊体子集膨胀可以提供导管远侧末端26的较宽范围的潜在位置和定向，和/或沿着导管主体的一个或多个其它位置(比如安装工具的地方)。
包括在致动阵列32中的基底38的一些材料或所有材料将通常是相对非弹性的。然而，可能期望允许构架和总体导管利用囊体的膨胀或在环境力的作用下轴向地挠曲和/或伸长。因此，阵列32可具有切口56，以便允许囊体阵列在弯曲和伸长期间与构架一起轴向运动。替代地(或附加地)，阵列结构可以构造成通过具有蛇形构造或螺旋盘绕构造而用于这种铰转。阵列32的囊体36可包括非顺应性囊体壁材料，其中囊体壁材料可选地由基底的材料一体地形成或单独地形成。应当注意的是，弹性层或其它结构可包括在基底中以用于阀和类似物，并且一些替代的囊体可包括弹性材料和/或半顺应性材料。
参照图3、4A和5，阵列32的基底38是侧向柔性的，使得阵列在使用时可以被卷绕或以其它方式呈现圆柱形构造。圆柱形阵列可同轴地安装于(比如插入或径向向外围绕)导管的螺旋盘绕件34或其它结构主干。阵列的圆柱形构造将一般具有等于或小于导管的外直径的直径。基底38的相对的侧向边缘可如图所示地由间隙分开，可彼此接触，或者可重叠。接触或重叠的边缘可固定在一起(可选地，以便帮助对导管的密封，以防止径向流体流动)或者可适应相对运动(以便促进轴向挠曲)。在一些实施例中，使基底形成圆柱形构造的侧向卷绕或挠曲可以是均匀的(以便沿着主表面提供连续的侧向曲线)，而在其它实施例中，基底的间歇轴向弯曲区域可由基底的轴向细长的、相对平坦的区域分开，使得通过棱柱状布置来近似出圆柱形形状(可选地，以便限制基底沿着囊体、阀或其它阵列部件的弯曲)。
以平坦的、基本上平面的构造(以及可选地，以如下所述的线性构造)形成和/或组装阵列结构的一个或多个部件将通常(尽管并不总是)是有利的。这可促进例如在基底38上囊体36的部分的或最终的形成，或替代地，促进预形成的囊体到基底的附连。基底的平坦构造还可有助于使用已知的挤出成型或微流体通道制造技术来提供流体连通通道52，以便选择性地将囊体与流体膨胀流体源或贮存器54等相联接。基底的平坦构造的另外其它的优点可包括使用电路印刷技术来制造电迹线和其它电路部件，使用自动3-D打印技术(包括添加和/或移除的技术)来形成阀、囊体、通道或将会由基底38支承的其它流体部件等。当基底处于卷绕的、管状的或平坦的平面构造中时，基底将典型地具有与囊体36相邻的第一主表面62以及与第一主表面相对的第二主表面64(其中在圆柱形构造中，分别地，第一主表面62可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挠曲成卷绕构造，可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其它方式设置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它敏感结构相邻的基底的变形，可添加局部刚化增强材料，和/或可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至少部分地以圆柱形构造与基底一起形成或组装，比如通过以下方式：将基底的层结合在一起同时基底至少局部地弯曲，将基底的至少一层形成为管，选择性地在基底中形成切口(可选地利用飞秒、皮秒或其它的激光)以形成流体、回路或其它部件或者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扩张)和/或以形成至少一些通道，并且在切割之后将各层结合在一起。
如参照图5-5C可以理解的，阵列32的基底38可包括一个或多个柔性基底材料层70、72、74…。基底层可包括已知的柔性和/或刚性微流体基底材料，比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)和其它聚烯烃、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的其它部件中可包括所述这些和还有其它的已知材料，包括已知的用于囊体中的聚合物(其将通常包括用于非顺应性囊体的PET、PI、PE、聚醚嵌段酰胺(PEBA)聚合物(比如PEBAXTM聚合物)、尼龙、氨基甲酸酯、聚氯乙烯(PVC)、热塑性塑料等；或用于顺应性或半顺应性囊体的硅酮、聚氨酯、半弹性尼龙或其它聚合物、胶乳等)。可包括在基底组件中的附加的聚合物可包括阀致动元件(可选地包括形状记忆合金结构或箔；相变致动器材料(比如石蜡或其它蜡)、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，虽然一些实施例可采用用于致动阵列32的均质材料，但是许多阵列和基底可替代地是非均质的。
幸运的是，用于形成和组装致动阵列32的部件的技术可从许多最近的(并且相对广泛地报道的)技术中得到。用于在基底层材料中制造通道的合适的技术可包括激光微加工(可选地使用飞秒或皮秒的激光)、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、3-D打印等。可用于形成电路、阀、传感器等的合适的3-D打印技术可包括立体光刻、数字光处理、激光烧结或熔融、熔融堆积成型、喷墨印刷、选择性沉积层压、电子束熔融等。致动阵列32的部件的组装可在层与其它部件之间利用激光、热和/或粘合剂粘结，不过也可以使用激光、超声波或其它焊接技术、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例如使用喷墨或光刻技术、3-D打印、化学气相沉积(CVD)和/或更具体的变型(比如起始化学气相沉积(iCVD))、机器人微组装技术等，其中电迹线和其它部件通常包括墨水以及含有金属(比如银、铜或金)、碳或其它导体的其它材料。已经在微流孔芯片实验室(microfluidiclab-on-a-chip)或箔实验室(lab-on-a-foil)应用场合的开发期间开发了许多合适的制造和组装技术。用于制造医用囊体的技术得到良好地开发，并且可选地可以被修改以利用已知的高容量生产技术(可选地包括开发用于制造泡沫包装、用于使挤压成型的管起波纹等的那些技术)。应当注意的是，虽然本文描述的致动阵列结构的一些实施例可采用足够小以精准地处理皮升或纳升流体量的流体通道，但是其它实施例将包括利用大得多的流量以便提供期望的致动响应时间的通道和囊体或其它可流体扩张主体。具有至少部分地为柔性的囊体壁的囊体可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使用替代的刚性可流体扩张主体，比如采用活塞或其它正排量扩张结构的那些。
如包括在致动阵列32中的囊体36的结构可由与阵列的其它部件成一体的材料形成，或者可单独地形成并附连于阵列。例如，如图5B和5C所示，囊体36可由第一片基底材料74形成或附连于第一片基底材料74上，该第一片基底材料可以粘结或以其它方式固定于另一个或多个基底层72。囊体层的材料74可选地可以直接覆盖通道的部分，或者可与通过在通道与囊体之间的中间基底层表面的开口78对准。开口78可允许在每个囊体与至少一个相关联的通道52之间的流体连通。用于制造单独的囊体的替代方法是众所周知的，并且所形成的囊体可通过由粘合剂粘结而固定于基底38。囊体形状可包括相对简单的圆柱体，或者可某种程度上定制成渐缩以遵循盘绕件的环圈之间的扩张偏移，以与圆柱形基底一起弯曲和/或在更宽的表面区域上配合构架的接口表面，并由此分配致动载荷和环境载荷。阵列中囊体的有效直径可在从约0.003毫米至多达2厘米(或更多)的范围内、更典型地是在约0.3毫米至约2毫米或5毫米的范围内，而囊体长度通常为直径的约2至约15倍。典型的囊体壁厚度可在从约0.0002毫米至约0.004毫米(其中，一些囊体壁厚度在.0.0002毫米至.0.020毫米之间)的范围内，并且囊体中的完全膨胀压力可为约0.2至约40个标准大气压、更典型地在约0.4至约30个标准大气压的范围内、并且在一些实施例中为约10至约30个标准大气压的范围内，其中高压实施例在高达20-45个标准大气压的范围内的压力下操作，并且可选地具有50atm以上的胀破压力。
现在参照图5，囊体36将一般利用流体供应系统来进行膨胀，该流体供应系统包括流体源54(此处示出为加压的一次性料筒)以及一个或多个阀90。阀90中的至少一些可包含到囊体阵列基底中，其中阀可选地利用印刷在基底38的一个或多个层上的电路来致动。在具有或不具有可以在患者体内使用的基底安装的阀的情况下，阀中的至少一些阀可安装于壳体14，或者以其它方式联接于导管12的近端。阀90将优选地联接于通道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体或囊体36的子集中的任一个膨胀。因此，处理器60将通常经由导体联接于阀90，此处导体可选地包括基底38上的挠曲电路迹线。
仍然参照图6，流体源54可选地可以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，但是将通常包括容纳加压流体的简单的箱或料筒，该流体可选地是气体或气液混合物。料筒通常会将流体维持为处于囊体36的完全膨胀压力范围内或以上的供应压力下，其中料筒可选地通过壳体14中的电阻加热器等(未示出)缓慢地进行加热，以便在使用期间将料筒中的供应压力维持在期望范围内。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以超过囊体膨胀压力，以提供在目标阈值内的囊体膨胀时间，其中典型的供应压力为在10至210个标准大气压之间、并且更典型地为在20至60个标准大气压之间。合适的流体可包括诸如二氧化碳、氮气、氧气、一氧化二氮、空气之类的已知的医疗加压气体、诸如氦气和/或其它惰性或稀有气体之类的已知的工业和低温气体、包括碳氟化合物的制冷气体等。应当注意的是，罐中的加压流体可以经由通道52被引导到囊体36中以用于膨胀，或者来自罐的流体(通常至少部分为气体)可替代地用于对流体贮存器(通常包含或包括诸如水或盐水之类的良性的可生物相容的液体)进行加压，使得囊体膨胀流体与料筒中所包含的不同。当加压液体或气体/液体混合物沿着导管主体向远侧流动时，在通道52、囊体36或导管主体上承载的其它组织医治工具(比如组织扩大囊体、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用于治疗性地冷却组织。在其它实施例中，尽管使用了在体内用作制冷剂的流体，但是不会提供治疗性冷却。料筒可选地可以是可再填充的，但是将通常替代地具有易破裂的密封件，以便抑制或限制再使用。
由于单独的囊体可具有相当小的膨胀体积，因此适合于包括在手持式壳体中的料筒可允许多于一百次、可选地多于一千次、并且在许多情况下多于一万次或甚至十万次单独的囊体膨胀，尽管料筒容纳有少于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。还应当注意的是，许多替代的流体源可代替料筒或与料筒一起使用，这些流体源包括一个或多个正排量泵(可选地比如是简单的注射泵)、蠕动泵或旋转泵、多种微流体压力源(比如由电能或光能致动的和/或集成到基底38中的蜡或其它相变装置)中的任一个等。一些实施例可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体相联接的其它正排量泵。
仍然参照图6，处理器60可以促进致动阵列32的囊体36的适当子集的膨胀，以便产生所期望的铰转。这种源自处理器的铰转可显著增强输入部18到导管主体12的致动部分20的有效操作性联接，从而使得用户产生沿期望方向的所期望的运动或呈现所期望的形状容易得多。对于具有刚性驱动的连杆的远程操作系统，输入指令与输出运动之间的合适的相关性已经被良好地开发。对于本文描述的系统中使用的细长柔性导管和其它主体，通常有利的是，处理器基于输入至用户界面66(并且具体地是用户界面66的输入部18)的运动指令并且基于导管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膨胀的囊体子集。许多不同的相关性可能是有帮助的，包括定向相关性、位移相关性等。用户界面66与输入部一起可包括示出导管主体12的致动部分20的显示器，并且传感器63可向处理器60提供关于近侧基部21的定向和/或位置的信号。在输入部、显示器和传感器之间的关系已知的情况下(比如当它们全部安装于近侧壳体14或某个其它共用基部时)，这些信号可允许用户界面坐标系与致动部分20的基础坐标系之间的变换推导。替代的系统可感测或以其它方式识别传感器坐标系、显示器坐标系和/或输入部坐标系之间的关系，使得输入部的运动导致导管运动，如显示器中所示。在传感器包括联接于远程成像系统(比如荧光透视、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，以有助于明确地确定基部位置和定向。电池或其它电源(比如燃料电池等)可包括在壳体14中并且联接于处理器60，其中壳体和导管在手术程序的至少一部分期间可选地用作不具有任何机械系绳的手持式单元。尽管如此，应当注意的是，处理器60和/或传感器63可无线地联接或甚至系结在一起(和/或联接或甚至系结于诸如用户界面66的单独的显示器、外部电源或流体源等其它部件)。
关于处理器60、传感器63、用户界面66以及系统10的其它数据处理部件，应当理解的是，本文描述的特定数据处理架构仅仅是示例，并且可采用多种替代方案、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，其中该硬件包括输入部(比如可相对于壳体14或某个其它输入基部在至少2个维度中运动的操纵杆等)、输出部(比如医学图像显示屏)、图像获取装置或其它传感器、以及一个或多个处理器。这些部件与适当的连接器、导体、无线遥测件等一起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。处理能力可集中在单个处理器板中，或者可分布在各种部件中，使得可以传递更小量的较高级别的数据。(一个或多个)处理器将通常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将通常包括在其中实施的软件或固件。软件将典型地包括以非易失性介质所实施的机器可读的编程代码或指令，并且可布置在许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用子例程。
现在参照图7，示意性地示出了替代的致动阵列和流体供应系统。如在上文的实施例中那样，可选地，在将基底卷绕并且将致动阵列安装至导管主体的构架之前，囊体36沿着基底38的主表面被固定。在该实施例中，每个囊体具有基底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相联接，并且通过致动阀的期望子集，可以使相关联的囊体子集膨胀或缩瘪。在一些实施例中，每个阀可以与多于一个的囊体36相关联，使得(例如)单个阀的打开可使多个(可选地为2、3、4、8、12个或某个其它期望数字的)囊体膨胀，使比如侧向相对的囊体膨胀，以便使导管的远侧部分伸长。在这些或其它实施例中，在导管的一个侧向侧上的多个囊体(2、3、4、5、8、12个或另一所期望的数字)可以经由共同的通道或多个通道而与单个相关联的阀90流体连通，使得阀的打开致使囊体膨胀并且致使沿导管的轴线的多囊体和多增量弯曲。另外其它的变型是可能的。例如，在一些实施例中，通道52可由固定于基底38的打开或封闭通道内的、或者沿着基底的表面胶合的柔性管至少部分地形成。这些柔性管可包括聚合物(比如聚酰亚胺、PET、尼龙等)、熔融二氧化硅、金属或其它材料，并且合适的制管材料可从亚利桑那州的Polymicro技术公司(Polymicro Technologies)或从多个替代供应商处商购获得。联接于可致动主体的近端的通道可使用堆叠的流体板来组装，其中，阀联接于一些或所有板。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体阵列的流体供应系统的可选实施例可具有安装于壳体14的所有阀，或者联接于细长柔性主体的近端的和/或在细长柔性主体近侧的某个其它结构。有利地，精准地形成的通道52(具有足够的紧密公差的通道宽度、深度、长度和/或弯曲或者其它特征)可使用微流体技术来制造，并且可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体的膨胀流体的流量。
参照图8-13，可以理解用于本文所述的任一或所有铰转、加强和/或弯曲控制系统的多个膨胀流体供应系统部件布置。如上所述，阀、端口等可包括在近侧壳体中，可包含到囊体阵列的基底中，或者是两者的组合。首先论述图8的简单膨胀控制装置240，单个开/关闸阀242可沿着流体源244与囊体246之间的流体流动路径。限流排放端口248保持打开，并且阀242的打开允许来自流体源的充足流体使囊体膨胀，尽管从受限的端口248流出的是有限的流量，该端口可以具有孔口或其它固定的流动限制。当闸阀242关闭时，从受限端口248的流出允许囊体缩瘪。图9的双阀布置250使用两个单独的闸阀242来独立地控制流入和流出囊体的流量，从而在囊体保持膨胀的同时限制流体的损失并且还防止缩瘪速度被限制得比其它方式所期望的更大。虽然此处示出了进入囊体和离开囊体的流入通道是分开的，但是两个阀可替代地联接于流入通道，而泄放阀通常位于膨胀阀与囊体之间。
图10中示出了双通阀装置260，双通阀262具有提供供应部244与囊体246之间的流体连通的第一模式，以及提供囊体与排气口264之间的流体连通的第二模式(当供应相对于端口和囊体被密封时)。
在图11中示出了联合囊体装置270，其中在供应部244和多个囊体272、274、276……之间具有双向阀262。这样的布置允许使用单个阀来使一定数量的囊体(通常在2到10个囊体之间)膨胀和缩瘪，该阀可在囊体的子集经常被膨胀时使用，例如用于轴向区段的伸长、用于施加期望的基部曲率(可向其添加其它增量轴向弯曲部件)、用于施加多囊体的增量轴向弯曲部件等。
图12中示出了转移－弯曲阀装置280，其中双向阀262i、262ii分别允许相关联的囊体246i、246ii膨胀。此外，囊体246i和246ii之间的转移闸阀242允许膨胀流体从一个(或多个)囊体流到另外的(一个或多个)囊体。例如，这样可响应于作用在柔性主体上的环境力而允许与一个囊体相关联的弯曲部分地或完全地转移为与不同的囊体相关联的弯曲，比如当导管在弯曲的体腔内被轴向推动时(使得弯曲轴向转移)、当导管在弯曲的体腔内旋转(使得弯曲侧向转移)时、当为两者的组合时等。例如，还可使用转移阀来帮助确定导管形状，该导管形状限制了在周围腔壁与导管结构之间施加的力。为此(以及可能的其它有利用途)，可在完全膨胀压力源与一个或多个囊体之间打开阀，以初始地使这样的(一个或多个)囊体膨胀，使得导管被促使朝向初始状态。可在膨胀的囊体与一个或多个未膨胀的囊体之间打开至少一个转移阀，以便驱使导管构造具有弯曲部。如果围绕弯曲部(和导管的内部囊体压缩结构)的组织以足够的力促使膨胀的囊体缩瘪，并且如果周围组织促使导管呈现与那些未膨胀的(一个或多个)囊体相关联的另一弯曲部以便减少导管的内部囊体压缩结构，则可以迫使膨胀流体从膨胀的(一个或多个)囊体进入未膨胀的(一个或多个)囊体，然后导管可以允许组织呈现更松弛的形状。有趣的是，与在囊体之间流动的膨胀流体相关联的导管弯曲构造的变化可至少部分地是假塑性的，其中流体流动阻力限制弹性恢复到先前状态。使用流量调节转移阀(与简单的开/关闸阀相反)可允许相应地调节该假塑性的弯曲状态变化。或者，转移阀和相关联的通道可具有定制的流动阻力(比如孔口或受控的有效直径部段)以定制假塑性特性。
图13中示出了多压阀装置290，其中双通阀允许相关联的囊体如上所述地由完全膨胀供应部244i膨胀或缩瘪。或者，部分膨胀流体供应部244ii可以将流体以较低(可选地固定)的部分膨胀压力引导至同一囊体。部分膨胀压力可能不足以克服螺旋盘绕件和类似物趋向囊体缩瘪和直线盘绕件构造的偏置，因此可能不会单独使柔性主体弯曲(没有组织或其它环境力抵抗导管)，但是可以选择性地降低导管的抵抗与部分膨胀的囊体相关联的弯曲的强度。或者，压力可足以使囊体部分膨胀并催生完全膨胀弯曲部的一部分。无论如何，可使用一个或多个相关联的阀来提供一个或多个部分膨胀流体供应压力，其中膨胀流体是完全囊体膨胀压力与大气压力之间的一个或多个增量压力。应当注意的是，通过控制闸阀的一个或多个开/关脉冲循环时间或类似方法，可在有限的膨胀时间内通过调节可变阀来替代地提供部分膨胀，以便来控制到一个或多个囊体的总流体流量。在许多实施例中可包括膨胀流体引导部件的其它组合，其中至少一些部件(并且具体地是阀和囊体之间的通道)被集成到囊体阵列中，至少一些部件(具体地是加压流体罐或其它源)在联接于导管或其它柔性主体的近端的近侧壳体中，并且其它部件(通道、阀、端口、阀致动电路或类似部件的部分)在囊体阵列与近侧壳体的任一个中或者分布在两者中。在一些实施例中，可在处于标称非膨胀状态的一些或所有囊体中维持非致动的正膨胀流体压力(大于囊体阵列周围的大气但不足以分开盘绕件的环圈)。这可使囊体预膨胀，使得流体部分地填充囊体并且囊体壁在不与盘绕件配合的地方膨胀，从而减少流向囊体的流体的量以实现完全膨胀。
可以使用上述一个或多个阀部件布置来提供许多种所期望的膨胀流体供应系统能力。例如，不包括单独的部分膨胀压力流体供应，而是可以使用转移阀首先使第一囊体完全膨胀，之后可以使用转移阀将流体的一部分从膨胀的囊体转移至一个或多个其它囊体，从而导致多个囊体的部分膨胀。流体供应系统可具有通道网络，该网络具有膨胀闸阀和泄放闸阀的组合，以便允许选择性地将多个单独的囊体中的任何一个包括在膨胀子集中、包括在选定的联合囊体中等等，选定的联合囊体预先限定有将同时使用的子集的一些或全部成员。
现在参照图14A-16，铰转导管的另一种实施例包括：交错的第一螺旋多内腔囊体流体供应/支承结构440a和第二螺旋多内腔囊体流体供应/支承结构440b，以及第一弹性螺旋盘绕件442a和第二弹性螺旋盘绕件442b。在这个实施例中，一系列囊体(未示出)围绕每个多内腔结构安装，其中各囊体间隔开以便沿着三个侧向弯曲定向对准，这些侧向弯曲定向绕导管的轴线彼此偏移120度。在每个多内腔结构440a、440b中设有六个内腔，其中一个专用的膨胀内腔和一个专用的泄放内腔用于三个侧向弯曲定向中的每一个。内腔与相关联的囊体之间的径向流体连通端口可由穿过成对的内腔的贯穿切口来提供。
通过如图所示将切口444a、444b、444c间隔开，并且通过将囊体安装在切口上，可以使用膨胀内腔和泄放内腔来使沿着三个弯曲定向中的每一个而对准的囊体子集膨胀和缩瘪。有利地，具有这种结构的第一铰转区段可以通过使沿着该区段的期望的囊体子集膨胀而允许导管轴线沿三个弯曲定向的任何组合进行弯曲。可选地，该子集的弯曲角度可通过使用仅一个多内腔结构(例如，440a)的6个内腔传递至囊体的流体的量和/或压力来控制，从而允许区段以与机器人手腕类似的方式起作用。轴向地偏离于第一区段的导管的另一区段可以具有由另一多内腔结构(在我们的示例中为440b)的6个内腔供应的囊体的布置类似的布置，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定向导管的端部。在其它实施例中，由两个多内腔结构供应的至少一些囊体可轴向地重叠，例如以便通过组合重叠的囊体子集的膨胀来允许增加弯曲角度和/或减小弯曲半径。还应当注意的是，可使用单个内腔同时用于囊体的膨胀和缩瘪，并且可提供具有超过6个内腔的多内腔结构，以使得可采用这些自由度的另外其它的组合。
在图14A的侧视图以及图15的剖视图中所示出的实施例中，螺旋盘绕件的外直径为约0.130英寸。多内腔结构440a、440b的外直径范围约为0.020英寸至约0.030英寸(可选地为约0.027英寸)，其中内腔的内直径为约0.004英寸，并且围绕每个内腔的壁的最小厚度为0.004英寸。尽管使用了20个标准大气压或更大的膨胀压力，小直径的内腔帮助对典螺旋芯部结构上的应变进行限制，所述螺旋芯部结构典型地包括理想地是挤出成型的聚合物。主要通过使用盘绕件442a、442b中的金属来提供囊体的轴向压缩(以及泄放之后导管轴线的伸直)，而不是在多内腔结构中包括弹性线等。盘绕件442的相对的凹入轴向表面帮助维持囊体和多内腔结构在盘绕件之间的径向定位。将弹性盘绕件442和囊体供应/支承结构440的端部一起固定至盘绕件端部处的内护套和外护套以及可选地固定在区段之间也可帮助维持螺旋形状。增加盘绕件442的轴向厚度和凹入表面的深度还可有益于帮助维持对准，其中盘绕件随后可选地包括聚合物结构。在本文描述的大部分或所有螺旋形实施例中，还可包括其它的维持螺旋形的结构，包括固定于盘绕件442或其它螺旋构架构件的周期性结构，这些周期性结构具有突出部，这些突出部在囊体之间延伸并且能配合膨胀的囊体壁的端部以维持或指示侧向囊体定向。
本文描述的许多实施例提供对导管、导丝和其它细长柔性主体的流体驱动的铰转。有利地，这种流体驱动的铰转可以依赖于沿着细长主体的非常简单的(且小横截面的)流体传递，其中施加于细长主体的工作端的大部分力局部地抵抗周围环境，而不是被传递回到近侧手柄等。这可提供对铰转精准度的显著提高、滞后的减少以及更简单且更低成本的铰转系统，特别是在将要包括大量的自由度时。应当注意的是，与细长柔性主体的远端相邻的相对高压的流体和/或低温的流体和/或电路的存在也可用于增强由主体所携带的工具的功能，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。
现在参照图17A和17B，可以看见与图14A-16中的那些部件相关的铰转系统部件。两个多内腔聚合物螺旋芯部440可以沿着导管的铰转部分与轴向凹入的螺旋弹簧交错。弯曲的过渡区域在螺旋芯部的近侧延伸至轴向平直的多内腔延伸部540，所述延伸部可沿着导管的被动(未铰转)或不同铰转的部段延伸，或者可延伸通过由其它结构(未示出)传递的流体驱动的铰转区段。有利地，通常通过采用穿过多内腔轴的外壁进入各种芯部的内腔而形成的在轴向上的一系列侧向端口，在近端附近的每个近侧延伸部540的一部分可以用作近侧接口550(参见图17C)。该近侧接口550可以与模块化阀组件542的接纳部552相匹配，或者与非模块化阀组件的接纳部相匹配，或者与连接器或接口主体相匹配，所述连接器或接口主体联接至歧管，以提供密封的、独立控制的流体通信和从加压膨胀流体源流入囊体的所期望的子集的受控的膨胀流体流，以及从囊体流入大气或排放流体贮存器的受控的排放流体流。
延伸部540向近侧延伸到阀组件542中，以便在阀组件的流体路径与铰转区段的囊体之间提供流体连通。阀组件542包括轴向的一系列模块化阀单元542a、542b、542c等。端板和螺栓对阀组件内的流体路径进行密封并将单元保持就位。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。这些阀可包括感测和控制压力的压力调节阀、闸阀、三通阀(以允许膨胀流体沿着通道将流入一个或多个相关联的囊体，以在阻挡来自流体源的流的同时对膨胀通道和相关联的囊体中的膨胀流体进行密封，并且以允许来自通道和囊体的膨胀流体被释放)、流体分散阀等。O形环在阀之间并围绕延伸部540提供密封，并且松开螺栓可释放O形环上的压力并允许延伸部从阀组件被拉向远侧，从而提供简单的快速断开能力。径向端口546沿着延伸部540轴向地间隔开，以提供阀与多内腔聚合物延伸部、过渡部和螺旋盘绕件的相关联的内腔之间的流体连通。有利地，在将采用更多或更少数量的膨胀通道的情况下，可将更多或更少的阀单元轴向堆叠在一起。虽然此处示出了阀544具有外部流体管件连接器(以联接于流体源等)，但是通向阀的流体路径也可包括在模块化阀单元内，例如，其中流体供应沿着集管内腔而被传递至每个阀，该集管内腔沿着组件轴向延伸，并且使用附加的O形环等将集管内腔密封在阀单元之间。应当注意的是，虽然模块化单元542a，542b……可包括阀，但是在替代实施例中，这些单元可简单地包括箍圈、凸柱或其它接口结构，这些接口结构允许组件用作连接器或接口主体，其帮助提供多内腔内轴或芯部与流体供应系统的一些部件之间的流体连通。
现在参照图17C，附加的模块化阀单元542d、542e和542f被包括在阀和歧管组件542’中，以有助于独立控制膨胀流体流入和流出多内腔芯部的内腔。模块化阀单元优选地是可互换的，并且通常包括用于每个膨胀内腔的电路和压力传感器，以及阀、板结构和通道。每个板的电路通常由柔性电路基底所支承，并且可选地可以粘结于板的主表面中的一个，或者它可在板的层之间或被压缩地保持在板之间。柔性电路还可与用于阀、传感器和系统处理器之间的通信的导电迹线一起支持电子器件，以有助于板模块之间的多路复用、即插即用板模块能力、菊花链接或板模块的联网、和/或类似能力。在下面描述的示例性实施例中，柔性电路基板还可支持(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可选地可以帮助支承O形环、垫圈或围绕穿过板(或其层)的通路的其它密封材料，包括形成接纳部552、膨胀集管、泄放集管等的通道；尽管用于这些结构的一些或所有密封件可替代地独立定位。如上所述，一个或多个快速断开配件554可构造成帮助将多内腔轴(或中间主体)的端口密封至板的流体通道。在端口被包括在延伸穿过板的轴上的情况下，快速断开配件可采用压缩构件的形式，可手动地使该压缩构件在可拆卸构造(其中在板之间施加很小的压缩或没有压缩)和密封构造(其中在板之间施加足够的压缩以从堆叠板之间并抵靠轴挤压密封材料)之间运动。快速断开配件可包括一个或多个偏心闭锁件、一个或多个螺纹连接器、一个或多个凸轮单元等。
现在参照图18，简化的歧管示意图示出替代的歧管602的流体供应和控制部件。如以上总体所述，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……。阀板的叠堆被夹在前端盖606与后端盖608之间，并且在使用期间，(一个或多个)多内腔管道芯部的近侧部分延伸穿过前盖和阀板中的孔，以使得所述芯部的近端与后盖相邻或位于其中，其中孔限定出多内腔芯部接纳部。叠堆中的歧管单元或模块的数量足以包括用于(一个或多个)多内腔芯部中每一个的每个内腔的板模块。例如，在可铰转的结构具有3个多内腔芯轴并且每个轴具有6个内腔的情况下，歧管组件可包括6个板的叠堆。每个板可选地包括膨胀阀和泄放阀，以控制每个多内腔轴的内腔中的一个(以及与该内腔连通的囊体)中的压力。在我们的3个多内腔轴/每个为6个内腔的示例中，每个板可包括3个膨胀阀(一个用于每个轴的特定内腔)和3个泄放阀(一个用于每个轴的同一内腔)。如参照图18示出的接纳部1所示的多内腔轴可以理解的，沿着轴的端口之间的间距对应于沿着接纳部的流体通道之间的间距。通过将芯轴完全插入多内腔轴接纳部中，可以将板通道位置与芯轴向地配准，并且与从多内腔芯部的外表面径向钻孔的端口轴向地配准。处理器可以将沿着接纳部的阀的轴向位置与沿着芯轴的端口的轴向位置映射，以使得进入芯部的特定内腔的端口可以与特定的膨胀阀和泄放阀的流体通道配准并且关联。可以通过轴向穿过阀单元板的通路来限定出一个或多个膨胀集管；也可以提供类似的泄放集管(未示出)来监测从铰转装置的内腔系统释放的流体的压力和量。O形环可以被设置为与包围集管的板与接纳部之间的接口相邻。压力传感器(未示出)可以监测每个板与多内腔接纳部之间的接口处的压力。
连同监测和控制所有囊体的膨胀和缩瘪，歧管602还可以包括真空监测器系统610，用于验证没有膨胀流体从患者体内的铰转系统泄漏。简单的真空泵(比如具有闭锁件等的注射器泵)可以对围绕囊体阵列的铰转主体的内部容积或腔室施加真空。替代的真空源可包括标准操作室真空供应部或更复杂的动力真空泵。无论如何，如果真空室的密封变差，则铰转结构的腔室中的压力将增加。响应于来自联接于腔室的压力传感器的信号，截流阀可以自动地停止来自罐的气体流动，关闭所有囊体膨胀阀，和/或打开所有囊体泄放阀。当要在患者体内使用铰转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)使囊体膨胀时，这种真空系统可以提供有价值的安全性优点。多内腔芯轴的内腔可用于经由近侧接口的端口和歧管组件的相关联的通道而将歧管的压力传感器联接于铰转结构的真空室，其中真空内腔可选地包括多内腔轴的中心内腔以及位于多内腔轴的近端上或附近的真空端口。
现在参照图18A-18C，示例性替代模块化歧管组件556具有流体供应部和在堆叠的板模块558内部的泄放排放通道。板模块558堆叠在前端盖和后端盖之间，其中前端盖位于远端并具有用于接纳每个多内腔轴的通道或孔，并且后端盖位于近端并具有用于接纳N2O的罐560的凹窝。如图18B中最清楚地看到的那样，每个板模块558包括使用多个板层562a、562b、562c……形成的板562。虽然此处示出的板层延伸穿过堆叠部，但是其它层可沿着堆叠部轴向堆叠。无论如何，每个板562具有相对的近侧主表面562i和远侧主表面562ii。一系列通路在主表面之间延伸穿过板，包括一个或多个膨胀流体通路564、一个或多个接纳部通路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，这些通路组合以形成一个或多个膨胀集管564’、一个或多个接纳部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与接纳部之间的板562内延伸，膨胀阀沿着膨胀集管564和接纳部566之间的通道配置，并且泄放阀沿着接纳部和泄放集管568之间的通道配置。应当注意的是，图18A-18C的歧管组件包括多盘绕件三通阀572，该三通阀同时起到膨胀阀和泄放阀的作用，其中两个三通阀用于两个多内腔芯轴。
现在参照图18C和18D，可以理解歧管组件的附加的可选部件。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。此处的后端盖574包括沿着将膨胀流体罐560与膨胀集管564联接的通道配置的系统流体供应阀576。应当注意，端盖可包括一个或多个十字集管，以允许用于不同多内腔芯轴的单独的膨胀或排放集管。系统供应阀可停止或允许流向歧管和铰转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的流体用于对供应增压室进行加压，其中使用压力传感器和系统供应阀来控制该供应增压室的压力。如果期望使用诸如盐水等的非挥发性囊体膨胀液体，和/或如果期望防止囊体的膨胀超过罐560的压力以下的压力，那么这可能是有益的。然而，将膨胀流体直接从罐560传递至模块化板的膨胀阀可能存在以下优点：包括当使用满罐压力传递液体或液体/气体混合物时，增强的膨胀流体流过歧管和铰转结构的小通道，以及可以通过罐内液体的蒸发提供相对恒定的压力。为了使罐内的气体/液体膨胀流体压力更加恒定，可将电阻加热器与罐的外表面热联接，以补偿其中发生的汽化焓。
仍然参照图18C和18D，在一个、一些或所有排放通道(通常是在一个或多个排放集管568之间)与通向大气的排放端口580之间具有排放增压室578可能存在更显著的优点。与排放增压室578联接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，联接于排放增压室578的压力传感器以及沿着将排放增压室联接于排放端口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)向多个囊体提供均匀的压力或者和/或校准板模块的单独的压力传感器。手动释放阀可选地可以包括在膨胀集管和泄放集管与周围环境之间，以允许在阀或类似部件失效的情况下将系统完全减压。
现在参照图18E，简化的压力控制示意图示出了压力控制系统的一些部件，这些部件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流体连通的多内腔轴的端口来控制与通道相联接的相关联的一个或多个囊体。系统控制器582可维持所有通道的压力控制，其中所期望的压力典型地由响应于用户经由用户界面584输入的运动或刚度指令的控制器来确定。根据所感测的压力(如使用压力传感器586确定的)与该通道的期望压力之间的差异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将指令传输至膨胀阀588和/或泄放阀589，以便升高或降低通道中的压力。尽管是相同的流体流入和流出囊体，但是从罐通过膨胀阀588(其可包括液体，通常主要是液体或甚至基本上完全是液体)的流动与从囊体通过泄放阀589(其可包括气体，通常主要是气体或甚至基本上完全是气体)的流动之间可能存在显著的差异。为了提供准确的对膨胀和泄放流量控制，在膨胀阀与接纳部之间包括膨胀孔可能是有利的(理想地，以便在到达膨胀阀之前抑制汽化)，和/或在接纳部与泄放集管568之间包括泄放孔口可能是有利的。尽管使用类似的阀结构用作膨胀阀588和泄放阀589，但这种孔口可有助于精准的流量控制。然而，在膨胀阀和泄放阀之间可能存在有益的差异，包括使用通常关闭的阀进行膨胀和通常打开的阀进行泄放(因此如果出现电源故障，囊体将缩瘪)。此外，膨胀阀588可具有较小的喉部和/或快速响应，以可控制地传递小体积的液体(可选地为50纳升或更少、通常为25纳升或更少、并且优选地为15纳升或更少、并且理想地为10纳升或更少到提供理想的小移动增量)；而泄放阀589将允许至少0.1立方厘米/秒的气流、优选地至少0.5立方厘米/秒或甚至1立方厘米/秒或更高(以提供理想的快速铰转响应)。因此，在一些实施例中，这两种阀的喉部尺寸可不同。应当注意的是，在一些实施例中(具体地是在罐与膨胀阀之间具有压力控制的增压室的那些，或具有非低温加压流体源的那些)，流入和流出的流体可能是更相似的，流入和流出囊体的液体、流入和流出囊体的气体等。
参照图18F和18G，可能期望使用具有多种不同类型的可铰转结构的歧管组件(或其部件)，例如歧管组件具有不同尺寸和/或形状的多内腔轴的导管。为此，包括接口主体590可能是有益的，该接口主体590用于将可铰转结构的多内腔芯轴592(或其它容纳内腔的基底)与歧管组件556的接纳部566相联接。接口主体590具有近端和远端，其中轴线在近端和远端之间延伸。轴向内腔向近侧接纳多内腔轴，并且该轴可完全延伸穿过接口主体(使得轴的端口与板模块的通道之间的配准依赖于如图18G所示的轴与后盖的表面的配合，接纳部包括盲孔)，或者该轴的近端可配合接口主体中的内腔的底部(使得接口主体与接纳部配准并且内腔与接口主体配准)。快速断开配件592在接口主体的远端附近。接口主体590包括一组相对刚性的环形结构或环594(可选地包括金属或相对高硬度的聚合物)，环形结构或环594与弹性密封材料596(可选地包覆模制在环或类似物上)交错。凹口可选地绕每个环的中间的内表面和外表面周向地延伸，并且一个或多个气体通道在环的内表面和环的外表面之间、可选地在凹口之间径向地延伸。特征可包括在环的轴向端部上，以抑制主体分离成轴向区段。
仍然参照图18F和18G，歧管的接纳部可选地可以包括平滑的盲孔，该盲孔延伸穿过堆叠的所有阀板。阀板可具有在板/板边界之间延伸入和延伸出接纳部的流体通道。歧管的特征将通常有助于联接，此处该特征是短螺纹管，其围绕接纳部的开口从歧管向远侧延伸。该特征与被示出为翼形螺母的快速断开配件592相匹配，以将接口主体和多内腔轴固定至歧管。为了将导管连接至歧管，用户将多内腔轴插入到接口主体中，使它们一起滑入歧管的接纳部中，直到轴的近端撞击接纳部的底部(或直到接口主体配合配准特征)。用户可以配合并拧紧轴向压缩连接器轴的螺纹，从而致使弹性密封材料596向内凸出(以围绕多内腔轴进行密封)并向外凸出(以密封接口主体)，并将接纳部分成轴向的一系列密封区，每个板有一个密封区。可以针对不同的轴尺寸和形状制造具有不同内径和/或不同内横截面的不同接口主体。单个螺纹、紧固件或闭锁件可选地可以施加轴向压力以围绕多个多内腔轴进行密封，或者可为每个轴包括单独的快速断开配件。
现在参照图19，另一种替代性歧管结构620包括单元板622的堆叠，其中每个阀单元形成有三个层624、626、628。所有层都包括轴向通道，并且这些通道沿着所插入的多内腔芯轴的轴线对准，以限定出多内腔接纳部、膨胀集管、泄放集管等。第一层624包括容纳有离散的微机电系统(MEMS)阀的阀接纳部，所述阀接纳部可使用粘合剂粘结于层的背面(未示出)的柔性电路而电耦合于处理器和/或安装于板层，其中柔性电路可选地具有安装或形成在其上的O形环，以在相邻的阀单元板之间进行密封。第二阀层626可具有由通道联接的通孔，以在阀端口、集管和多内腔接纳部之间提供流动，并且可密封地结合在第三板层628和第一板层624之间(可选地，其中O形环围绕阀端口与阀相配合)。合适的MEMS阀可从德克萨斯州的盾安微斯塔克公司(DunAn Microstaq，Inc.)，瑞典的纳米空间公司(NanoSpace)，加利福尼亚的穆格公司(Moog)或其它公司获得。已组装的模块化阀单元堆叠可具有小于21/2”×21/2”×2”的尺寸，用于两个或三个多内腔芯部系统，每个芯部具有12个内腔(因此包括36个可单独控制的内腔通道，并且具有总共至少64个阀，每个内腔都有膨胀阀和泄放阀)。板层624、626、628可包括聚合物(具体地是适合在低温下使用的聚合物(比如PTFE、FEP、PCTFE等))、金属(比如铝、不锈钢、黄铜、合金，诸如LiquidmetalTM合金之类的非晶态金属合金等)、玻璃、半导体材料等，并且可由机械加工或激光微加工制成、由3D打印制成、或使用立体光刻型式化、但将优选的是模制而成。替代的MEMS阀系统可具有集成到通道板结构中的阀结构，从而进一步减小尺寸和重量。
参照图19A和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，此处显示的许多通道、通路和特征是用于与单个多内腔轴进行接口的；附加的轴可包括附加特征。由于对流体通道的控制可受益于与每个板模块的通道相联接的压力传感器，因此用于MEMS压力传感器625的孔包括在第一板624中，其中相关联的通道627(在接纳部与压力传感器的压力感测区域之间延伸)包括在第二板626中。合适的压力传感器可从优质传感器系统公司(Merit Sensor Systems)和许多替代供应商商购获得。由于压力传感器和阀可具有不同的厚度，因此将第一层624分成两层可能是有利的(其中较厚部件的孔设置在两个层中，而较薄部件的孔设置成仅通过一个层)。由于压力传感器可受益于外部参考压力，因此可在第三板628中形成释放通道，该释放通道从传感器上的参考压力位置延伸至外部端口。如参照图19B可以理解的，这些层组合而形成板结构562”，其中每个板都具有相对的近侧主表面和远侧主表面。可以将板(以及支承在板上以构成板模块的部件)堆叠起来以形成模块化歧管阵列。
上述的许多柔性铰转装置依赖于一个或多个囊体的膨胀以将结构从第一静止状态铰转至第二状态，在第二状态下，柔性结构的构架是弹性受应力通过使囊体缩瘪，构架可以将柔性结构推回朝向原始的静止状态。这种简单的系统对于许多应用场合可能具有优点。然而，替代的系统可能存在优点，在替代的系统中，第一致动器或第一组致动器促使柔性结构从第一状态(例如，平直构造)到达第二状态(例如，弯曲或伸长构造)，并且其中第二致动器或第二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可以主动地且可控地促使柔性结构从第二状态回到第一状态。为此，下述的示例性系统通常使用第一组囊体来使结构构架局部地轴向伸长，并且使用安装到构架的第二组囊体来使结构构架局部地轴向收缩。注意到，当没有囊体膨胀时，此类相对的囊体系统的构架可能具有非常小的侧向或轴向刚度(在它们的运动范围之内)。
现在参照图20A和20B，示出了处于轴向延伸构造(图19中)和轴向收缩构造(图20中)的简化的示例性C形通道结构构架630(或构架的部分或截面)。C形框架构架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，其中每个刚性的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)。壁的相对的主表面644、646侧向地定向，并且凸缘的相对的主表面648、650轴向地(并且更具体地是分别向远侧和向近侧)定向。C形通道在定向上交替，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限定有重叠偏移部652。凸缘还限定有附加的偏移部654，其中这些偏移部是在相邻的、类似地定向的框架的凸缘之间所测量的。
在图19和20的示意图中，在每个C形框架632的通道中配置有三个囊体。尽管囊体本身在结构上可以(或可以不)是类似的，但是囊体具有两种不同的功能类型：延伸囊体660和收缩囊体662。两种类型的囊体轴向地配置在刚好位于囊体远侧的凸缘的朝近侧定向的表面与刚好位于囊体近侧的凸缘的朝远侧定向的表面之间。然而，收缩囊体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，延伸囊体660在一个侧向侧上仅具有单个壁；延伸囊体660的相对侧未被框架覆盖(尽管它们将典型地配置在总体导管系统的柔性护套或其它部件内)。
图19的细长构造中的C形框架构架630与图20的较短构造中的构架的比较示出囊体的选择性膨胀和缩瘪可以如何用于引起轴向延伸和收缩。应当注意的是，在这些示意图中，C形框架632示出为彼此侧向相反的。在图19中，延伸囊体660完全膨胀，将相邻的凸缘表面推开，从而增加相关联框架之间的轴向间隔。由于两个收缩囊体662配置在具有单个延伸囊体的每个C形通道中，并且由于通道的尺寸将不会显著增加，通常地将允许收缩囊体至少在一定程度上随着延伸囊体的扩张而缩瘪。因此，将促使偏移部654扩大，并且将允许收缩偏移部652减小。相比之下，当构架630被驱动朝向图20所示的轴向收缩构造时，收缩囊体662膨胀，由此将重叠框架的各凸缘轴向地推开以迫使收缩重叠部652增加，并且将局部构架结构轴向地拉成更短的构造。为了允许两个收缩囊体662在特定的C形通道内扩张，可以允许扩张囊体660缩瘪。
虽然处于收缩构造中的C形框架构架630与处于延伸构造中的C形框架构架之间的总体差异是显著的(并且此类构架可找到有利的用途)，但值得注意的是，与本文描述的其它延伸/收缩框架布置相比，单个C形通道中存在一个延伸囊体和两个收缩囊体可能存在缺点。具体地，在一个通道中使用三个囊体可能对一些囊体能够施加的相关偏移的总行程或轴向变化有限制。即使在三囊体宽的C形通道中使用类似的囊体/芯部组件作为延伸囊体和收缩囊体，两个收缩囊体也只能用于单个延伸囊体的大约一半的行程，因为通道中的单个延伸行程不能包含两个完整的收缩行程。此外，对单个铰转区段中使用的囊体/芯部组件的数量进行限制具有优点。
应当注意的是，无论选择哪种延伸/收缩构架构造，当囊体的特定子集膨胀和缩瘪时所引起的构架长度的轴向变化将通常是局部的、可选地是轴向局部的(例如，以便在不改变其它轴向区段的长度的情况下改变沿着期望的铰转区段的长度)以及，在框架侧向地和/或周向地延伸的情况下，是侧向局部的(例如，以便通过在不改变构架的另一侧向侧的轴向长度的情况下使构架的一个侧向侧延伸来施加侧向弯曲)。还应当注意的是，使用相对的囊体将通常涉及协调地使相对的囊体膨胀和缩瘪以提供构架长度的最大变化。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体上的压力(以便限制所述凸缘的轴向位置)的能力允许调节构架的形状和位置或姿态。如果两个囊体均在相当低的压力下(例如，在低于完全膨胀压力的10％下)均匀地膨胀，那么可促使凸缘到各囊体之间的中间位置，但是可以在较轻的环境力下通过压缩囊体中的气体而模仿低弹力系统来弹性地运动。如果两个囊体均匀地膨胀但是在更高的压力下，那么构架可以具有相同的标称或静止姿态，但是随后可以更大的刚度来抵抗所述标称姿态的变形。
在图21A和21B中分别示意性地示出处于收缩构造和延伸构造中的替代的S形通道构架670，所述S形通道构架可具有改进的行程效率(给出可获得的囊体行程的轴向构架长度的更大百分比的变化)，并且具有比构架632更少的部件。S形构架670具有上文关于C形框架构架630所描述的许多部件和相互作用，但此处是由结构性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纳一个延伸囊体660和一个收缩囊体662的通道。这允许所有延伸囊体和所有收缩囊体充分利用共同的行程。此外，虽然针对每个收缩囊体具有两个延伸囊体，但是可选地可以省略每隔一个延伸囊体，而不会改变基本的延伸/收缩功能(尽管可用于延伸的力可能减少)。换言之，如果省略了标有X的延伸囊体660’，则构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，针对特定的铰转区段，S形通道框架672可选地可以使用三组或仅两组相对的囊体。
现在参照图22A，修改的C形框架构架680具有共用C形框架构架630和S形框架构架670两者的各方面的部件，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形构架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64两者都具有由壁644和凸缘648限定的通道，所述通道具有一定的轴向宽度用于包含两个囊体组件，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。这些不同的框架形状的相邻轴向表面在凸块686处彼此配合，允许框架相对于彼此枢转，并且有利于总体构架的轴向弯曲，具体地是在使用螺旋框架构件时。
现在参照图22B和22C，可以理解图20A-22A的示意性延伸/缩回框架图与第一示例性的三维构架几何形状之间的关系。为了从图22B所示的示意性修改的C形框架构架680形成轴对称的环形框架构架结构690，框架构件682、684的几何形状可以绕轴线688旋转，从而产生环形或环形框架692、694。这些环形框架保持了上文描述的壁和凸缘几何形状，但是现在其中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，但替代地也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的特征)。应当注意的是，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转而变形)的情况下，凸块696会增加更多的价值。因此，在一些实现方式中，非变形的环形框架结构可选地可以省略所述凸块。
现在参照图22C-22F，很大程度上如上所述地执行环形框架构架690的区段的均匀的轴向延伸和收缩。为了围绕环形框架的轴线均匀地进行推动，三个囊体围绕凸缘之间的轴线均匀地分布(其中各中心以120度间隔开)。为简单起见，囊体在此处被示出为球形，并且同样分成延伸囊体660和收缩囊体662。在图22D所示的平直延伸构造中，区段的延伸囊体660全部完全膨胀，而收缩囊体662全部完全缩瘪。在图22E所示的中间长度构造中，两组囊体660、662处于中间膨胀构造。在图22F所示的短构造中，收缩囊体662全部完全膨胀，而延伸囊体660缩瘪。应当注意的是，囊体的状态保持轴对称，使得环形框架构架690的所有侧向侧上的长度保持一致，并且构架的轴线保持平直。
如参照22G和22H可以理解的，可以通过延伸囊体和收缩囊体的子集的不同横向膨胀来实现环形框架构架690的轴线的侧向弯曲或偏转。在每对铰转的凸缘之间存在围绕轴线分布的三个囊体，以使得延伸囊体660分成三组660i、660ii和660iii。类似地，存在三组收缩囊体662i、662ii和662iii。每组的囊体沿着从轴线相同的侧向定向对准。在一些示例性实施例中，沿着特定区段的每组延伸囊体(延伸囊体660i、延伸囊体660ii和延伸囊体660iii)联接于相关联的膨胀流体通道(例如，用于延伸囊体660i的通道i、用于延伸囊体660ii的通道ii和用于延伸囊体660iii的通道iii，此处未示出通道)。类似地，每组收缩囊体662i、662ii和662iii联接于相关联的膨胀通道(例如，分别为通道iv、v和vi)，使得每个区段存在总计6个内腔或通道(提供三个自由度和三个定向相关的刚度)。其它区段可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定向的延伸囊体660i缩瘪并且使相反的收缩囊体662i膨胀，可以缩短环形框架构架690的第一侧。通过选择性地使其它定向的延伸囊体660ii、660iii膨胀，并且通过选择性地使这些其它定向的收缩囊体662ii、662iii缩瘪，环形框架构架690的侧向相对的部分可以局部地延伸，从而致使构架的轴线弯曲。通过调节围绕三个相对的延伸/收缩囊体定向分布的伸长量和收缩量，构架姿态可在三个自由度中平滑且持续地运动和被控制。
现在参照图23A和23B，如上文参照图21A和21B所描述的，虽然可以在所有分离的凸缘之间包括囊体以使可用的延伸力等最大化，但是为了紧凑、简单和成本，在系统中放弃上述运动学上冗余的囊体可能是有利的。为此，具有1对l的相对的延伸囊体和收缩囊体(660i、660ii和660iii；以及662i、662ii、662iii)的环形框架构架可以提供与由图22G-22H所示的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，可选地在3D空间中沿不同的定向而以不同的方式调节构架的刚度。这种区段的总自由度可以适当地被认为是4D(X、Y、Z和针对刚度的S)，其中刚度自由度可选地具有3个定向分量(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23H可以理解的，具有带更大数量的内环形框架692和外环形框架694(以及相关联的更大数量的延伸囊体和缩回囊体)的环状框架构架690’的细长柔性主体与具有更少的环形框架的那些主体相比，将通常提供更大的运动范围。可通过囊体铰转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，其中更大百分比的伸长率提供更大的运动范围。囊体阵列沿着具有环形框架690、690’的区段(或更一般地是具有本文描述的延伸收缩构架系统)所能够产生的轴向长度的局部变化可以范围是构架总长度的约1％至约45％、典型地为约21/2％至约25％、更典型地为约5％至约20％、并且在许多情况下为约71/2％至约171/2％。因此，环形框架构架690’的更长的轴向区段长度将在收缩构造(如图23E所示)与延伸构造(如图23C所示)之间提供更大的轴向运动范围，同时仍然允许对各中间轴向长度状态的全范围进行控制(如图23D所示)。
如参照图23A、23B、23D和23H可以理解的，设定囊体压力以便使环形框架构架690’的一侧(具有相对更大数量的环形框架的一侧)轴向收缩、并且使另一侧轴向延伸长，使得构架的轴线侧向地弯曲或偏转通过相当大的角度(与具有更少的环形框架的环形框架构架相比)，其中每个框架/框架接口典型地在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。具有环形框架构架的导管或其它铰转的细长柔性主体可以弯曲，其中曲率半径(如在主体的轴线处测量的)为构架外直径的2与20倍之间、更典型地为约2.25至约15倍、并且最通常地为约2.4至约8倍。虽然使用更多的延伸囊体660和收缩囊体662来提供这种运动范围，但是延伸囊体和收缩囊体子集(660i、660ii和660iii；以及662i、662ii和662iii)仍然可各自由单个共同的流体供应内腔来供应。例如，在所示的实施例中，6个流体供应通道可各自用于使16个囊体膨胀和缩瘪，其中单个内腔上的囊体是沿着一个侧向定向对准的延伸囊体660i。
如参照处于图23D的平直构造、处于图23H的连续弯曲构造以及处于图23F的组合的平直和弯曲构造中的环形框架构架690’可以理解的，本文描述的细长构架690’和致动阵列囊体结构的示例性实施例可以在功能上分成多个轴向区段690i、690ii。注意到，许多或大多数构架部件(包括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/或芯部、一些或全部流体通道、囊体外管或护套材料等)以及细长柔性主体的许多其它结构(比如用于诊断、治疗、感测、导航、阀控制以及其它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，其中相邻区段之间极少或没有差异，并且可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所示的两区段式环形框架构架690’系统的铰转主体可具有轴向连续的一系列内环形框架692和外环形框架694，该铰转主体横跨各接头之间的接口延伸，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膨胀流体量和压力而与恒定的弯曲半径协调地弯曲。如参照图23G可以理解的，除了区段的不同铰转状态之外，可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可见的指示。
尽管具有许多共用的部件(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构架分离成多个区段为总体铰转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的相对的囊体660、662施加适当不同的压力，可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，可以通过向各区段的相对的收缩/延伸囊体组660i、660ii、660iii、662i、662ii、662iii施加不同的膨胀流体供应压力来提供两个(或更多个)不同的所期望的弯曲半径、和/或两个不同的侧向弯曲定向和/或两个不同的轴向区段长度。注意到，单区段式和双区段式系统的工作空间可以重叠，以使得两种类型的系统能够将端部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)，但是多区段式系统将通常能够实现附加的自由度，诸如允许端部执行器或工具在6D空间中以一个或多个旋转自由度定向。如图23J所示，具有多于两个区段的铰转系统提供了更多的灵活性，其中环形框架构架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，可使用另外其它的设计替代方案来增加系统的功能和成本/复杂性，比如具有不同长度的区段(比如提供由具有690b、690c和690d的组合长度的较长的区段支承的相对短的远侧区段690a。虽然已经参照平面构造的区段示出和描述了许多多区段实施例，在平面构造中，所有区段位于单个平面中并且是平直的或处于完全弯曲的构造中，但是还应当完全理解的是，多个区段690i、690ii等可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所描述的环形框架构架的导管和其它细长柔性铰转结构在灵活性和简单性方面提供了优于已知的铰转系统的巨大优点，具体是用于提供大量的自由度以及当与本文描述的任一流体供应系统联接时。合适的环形框架可由聚合物(比如尼龙、氨基甲酸酯、PEBAX、PEEK、HDPE、UHDPE等)或金属(比如铝、不锈钢、黄铜、银、合金等)形成，可选地使用3D打印、注射成型、激光焊接、粘合剂粘结等。可以首先制造铰转囊体基底结构，并且将囊体阵列与如上所述的、呈平面构造的基底组装在一起，然后将阵列与构架组装在一起和/或安装在构架上，可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，并且将基底的螺旋形或蛇形轴向部段桥接在环形框架之间。虽然与环形框架实施例相关联的延伸囊体660和缩回囊体662在本文中示出为球形，但是使用周向细长(并且可选地弯曲的)囊体可以增加囊体/构架接口的面积，并且由此增强轴向收缩和延伸力。还可对一般的环形框架构架布置和相关联的囊体阵列进行各种各样的修改。例如，不是将囊体周向分成三个侧向定向，而是替代的实施例可以具有四个侧向定向(+X、-X、+Y和-Y)，以使得四组收缩囊体与四组延伸囊体相对地安装到框架。无论如何，虽然环形框架构架具有许多能力和灵活性，并且在几何状上是相对简单的，以使得它们的功能相对容易理解，但是具有螺旋构架构件(如下所述)的替代的延伸/收缩铰转系统可更容易地制造，和/或更容易与铰转囊体阵列部件组装在一起，具体地是当使用有利的螺旋多内腔芯部基底和上述连续的囊体管结构时。
首先查看示例性螺旋框架收缩/扩张铰转系统的部件，图24A-24E示出了致动囊体阵列部件以及它们在螺旋囊体组件中的用途。图24F和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26来理解示例性螺旋收缩/扩张铰转系统(本文中有时被称为螺旋推/拉式系统)的结构和用途。
现在参照图24A和24B，示例性多内腔管道或囊体组件芯轴具有与上文参照图14和15所描述的芯部的结构类似的结构。芯部702具有近端704和远端706，带有在它们之间延伸的多内腔主体708。多个内腔710a、710b、710c……在近端与远端之间延伸。单个芯部702中所包括的内腔数量可在3至30之间变化，其中示例性实施例具有3个内腔、7个内腔(其中一个是中心内腔)、10个内腔(包括1个中心内腔)、13个内腔(包括1个中心内腔)、17个内腔(一个是中心内腔)等。多内腔芯部将通常是圆形的，但是替代地可以具有如上所述的椭圆形或其它细长截面。当为圆形时，芯部702可以具有在约0.010”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，以供在导管中使用。每个内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0.001”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成型的聚合物，诸如尼龙、氨基甲酸酯、PEBAX、PEEK、PET、上文标识出的其它聚合物等，并且挤压成型将通常提供围绕每个内腔的超过约0.0015”、通常为约0.003”或更大的壁厚度。示出的示例性的挤出成型的芯部具有约0.0276””的OD，并且7个内腔中的每个内腔为约0.004”，其中每个内腔由至少0.004”的挤出成型的尼龙芯材料包围。
仍然参照图24A和24B，芯部702的内腔可以具有径向囊体/内腔端口716a、716b、716c……，其中每个端口包括穿过芯部702的壁并且分别进入相关联的内腔710a、710b、710c……而形成的一个或多个孔洞。这些端口在此处被示为一组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，但是可选地是轴向细长和/或成形的，以便减小穿过其中的流体流的压降。在其它实施例中(并且具体地是具有由单个内腔供应膨胀流体的多个囊体的那些实施例)，在内腔与囊体之间具有显著压降可能帮助使囊体的膨胀状态变均匀，以使得每个端口的总截面可选地可以小于内腔的截面(和/或通过将端口限制到一个或两个圆形内腔)。典型的端口可以使用1至10个孔洞形成，所述1至10个孔洞的直径在相关联内腔的直径的10％与所述内腔的直径的150％之间、通常为从25％至100％，并且在许多情况下具有在0.001”至0.050”之间的直径。在端口中包括多于一个孔洞的情况下，它们通常在比囊体的长度短的跨度内分组在一起，因为每个端口将被包含在相关联的囊体中。端口之间的间距将对应于囊体之间的间距，以便促进从轴向相邻的囊体来对每个囊体进行密封。
关于向哪些端口打开哪些内腔，沿着芯轴的远侧部分的端口将通常成组地形成，每一组构造成提供向着和来自相关联的一组囊体的流体流动，该组囊体对于铰转的柔性主体的特定铰转区段将沿着芯部的环分布(一旦芯部弯曲成螺旋构造)。当芯部中内腔的数量足够时，针对铰转装置的不同区段将通常存在单独的端口组。每一组的端口将通常沿着多内腔芯部702的轴线形成周期性型式，以使得这些端口提供到M个不同内腔(M是待围绕铰转装置轴线分布的不同囊体定向的数量，通常为3或4，即内腔710a、内腔710b和内腔710c)中的流体连通，并且该型式重复N次(N通常是沿着所述区段的每个定向的收缩囊体的数量)。因此，多内腔芯部管道可以用作基底，该基底支承囊体并且限定上述囊体阵列位置和上述相关联的流体供应网络。可为收缩囊体和扩张囊体提供单独的多内腔芯部702和相关联的囊体阵列。
作为一种示例，可能期望端口型式包括用于导管的特定区段的3×5的收缩囊体阵列。当所述区段要具有三个侧向囊体定向(M＝3)和沿着每个侧向定向对准的5个收缩囊体(N＝5)时，所述组端口可能是合适的。在所述示例中，所述组中的最远侧端口716a可通过芯部的外表面形成为进入第一内腔710a中，下一个近侧口716b形成为到内腔710b，接下去的端口716c形成为到内腔710c，以使得第一批3(M)个囊体限定一个“a、b、c”的型式，它将通入最终将位于所述组的最远侧的螺旋环圈上的三个囊体。对于螺旋盘绕件的5个环，相同的型式可重复5次(例如：a、b、c、a、b、c、a、b、c、a、b、c、a、b、c)，所述螺旋盘绕件的5个环将支承流向流体供应系统的区段的所有15个收缩囊体，使得沿着所述区段的每个定向的5个收缩囊体与共用的供应内腔流体连通。在该区段将包括与收缩囊体1对1地相对地安装的扩张囊体的情况下，单独的多内腔芯部和相关联的囊体可具有类似的端口组；在所述区段将包括与每个收缩囊体相对地安装的2个扩张囊体的情况下，可设置两个单独的多内腔芯部，每个具有类似的端口组。
如果相同的多内腔芯将流体供应到另一独立区段(并且支承其囊体)，那么另一组端口可设置成与第一型式轴向相邻，其中，第二组的端口形成为M’X N’型式，针对任何附加的区段，所述第二组的端口形成为进入螺旋盘绕件的不同内腔中(例如，在M’＝3和N’＝5的情况下为：d、e、f、d、e、f、d、e、f、d、e、f、d、e、f)等。注意到，对于使用单个芯部的不同区段，周向囊体的定向的数量(M)将通常是相同的，但在一些情况下可以是不同的。当M在同一个芯部的不同区段之间不同时，端口(以及安装到芯的相关联的囊体)之间的间距也可能发生变化。对于同一个螺旋芯部的不同区段，轴向对准的收缩囊体的数量也可以是不同的，但是通常将是相同的。还应当注意的是，对于特定多内腔芯上的特定区段，所有囊体(和相关联的流体内腔)典型地将仅是延伸囊体或仅是收缩囊体(因为延伸囊体和收缩囊体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)。可将单个简单的端口型式配置在芯轴702的近端附近，使每个内腔与歧管的相关联阀板对接，此处的端口定尺寸为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，所示出的示例性芯部具有使用5个孔洞的组(每个孔洞具有0.006”的直径，所述组内的中心线间距为0.012”)形成的远侧端口，其中这些组轴向地分开约0.103”。
仍然参照图24A和24B，用于形成适合于铰转的两个远侧区段(每个区段具有3X 4囊体阵列)的端口的示例性激光钻孔型式可以表格的形式概述为如表1中所示：
表1
Figure BDA0002073675290000811
θ1、θ2和θ3在此处指示三个侧向弯曲定向，并且指示为M＝3，一旦囊体/轴组件被盘绕，则囊体典型地将具有分开约120度的中心线。因此，沿着平直的轴(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转的结构的具有约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体精确地以120度分开，或者当区段处于所有构造中时，子集的N个囊体恰好平行于所述轴线对准。例如，螺旋芯部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，(当从侧向弯曲子集的囊体到囊体时)使囊体沿着特定的弯曲定向趋向稍微周向地围绕轴线，以使得侧向弯曲在更多的区段状态中更接近于为更平坦的。囊体之间的间隔在各区段之间可保持一致，或者可以稍微更长，以适应囊体/轴组件到框架以及内护套和外护套的固定。用于近端的钻孔型式式可以稍微更简单，因为可以钻出单个端口来在每个内腔与歧管组件的相关联的阀板模块之间提供流体连通，如表2所示：
表2
Figure BDA0002073675290000821
应当注意的是，这些表格数据提供了板的阀与铰转囊体的子集之间的相关性，以及因此系统的运动学之间的相关性。因此，当铰转结构与歧管优选地在以即插即用的方式联接时，系统处理器将通常能够访问所述数据或相关数据。类似的(尽管可能不同)钻孔型式可使其它多内腔芯部的钻孔型式与阀和运动学相关。
现在参照图24C和24D，柔性囊体壁材料718制成的连续管可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分开的一系列囊体形状720。囊体管718可包括约9至约290个规则地间隔开的囊体形状720，其中密封区典型地具有的内直径大约等于上述多内腔螺旋芯轴702的外直径。在一些实施例中，当形成囊体管时，密封区的内直径可显著地大于相关联的芯部的外直径，并且在组装囊体管和芯轴之前或期间，密封区的直径可减小(比如通过热收缩或轴向拉伸成形)。密封区可具有在约0.025”至约0.500”之间、通常在约0.050”至约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大囊体的长度，以便提供更大的囊体/框架配合接口(以及因此更大的铰转力)，而较长的密封区域可有助于囊体之间的组装和密封以避免铰转通道之间的串扰。
仍然参照图24C和24D，囊体管718的囊体形状720可具有这样的直径，其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％。囊体管718的厚度将通常随着管的变化的局部直径而轴向地改变，形成囊体形状的局部较大的直径部分可选地在从约0.00008’(或约2微米)至约0.005”、典型地为从约0.00.1”与约0.003”的范围内。囊体管718最初可形成为具有恒定的直径和厚度，并且该直径可局部地扩张(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、或者通过以其它方式沿着囊体形状720处理管材料)，和/或囊体管的直径可局部减小(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，或者通过以其它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体形状使直径局部地扩张和沿着密封区使直径局部地收缩。用于形成囊体管的特别有利的技术可包括使用挤压成型的聚合物管波纹机，包括可以从Unicore公司、科尔马公司(Corma)、弗兰科希公司(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公司、定制管道公司(Custom Pipe)、弗兰科希公司等商购获得。更先进的制造技术可允许使用机器人梭式波纹成型机(robotic shuttle corrugator)和定制模具来实现吹制或真空波纹，具体地是当期望沿着连续的管改变囊体的尺寸或间距时。应当注意的是，虽然示出单个连续的囊体管，但是可以将多个囊体管(每个具有多个(或在一些情况下，至少一个)囊体形状)密封地安装到单个芯部上。无论如何，密封区的材料厚度将通常大于囊体形状的材料厚度。
如图所示，囊体管718的囊体形状720在组装之前可各自具有相对简单的圆柱形中心部段。囊体的中心部段与密封区之间的渐缩部可以采取多种形状中的任一种。这些渐缩部可以是例如大致圆锥形、圆形或方形，并且优选地将是相对较短的，以便针对给定的平台区长度允许更大的囊体/框架配合。还可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体形状，可选地同时使渐缩部的表面起波纹或成波浪形，以使得囊体管总体保持相对平直的。每个中心部段的长度典型地足以围绕所期望的囊体组件螺旋线的轴线定义出从5至180度、更典型地为从约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、更典型地为从约0.020”至约0.150”、并且多次在约0.025”至约0.100”的范围内，以用于医疗应用场合。在约0.059”的总囊体长度(包括渐缩部)上，示例性囊体形状可具有约0.051”的外直径。
如参照图24C、24D、24E和24E-1可以理解的，囊体管718可密封地固定于芯部702，并且芯部/囊体管组件随后可形成为所期望的螺旋形状。可使用粘合剂(比如上文描述的任一种，通常包括UV固化的粘合剂)，热粘结、激光粘结、芯片粘结等来将囊体管密封在螺旋芯部上。囊体的密封也可受益于配置在囊体材料上的压缩结构，以帮助在囊体膨胀时维持管/芯部配合。合适的压缩结构或技术可包括收缩到密封区上的热收缩材料(比如PET)的较短的部段、围绕密封区周向包裹并用粘合剂粘结的高强度丝线绕组、在密封区上锻压类似于的标记带的金属环结构、在密封区域上的小孔卷曲夹具、将囊体管热收缩和/或拉动成形到芯部上等。这些中的任何两种或更多种也可组合，例如，通过围绕密封区将粘合剂注射到囊体管中而将囊体管用粘合剂粘结到芯管，使囊体管和周围的PET套筒在密封区上热收缩，然后将金属标记带锻压在密封PET套筒上(以使得套筒提供应变释放)。无论如何，端口716将优选地被配置在相应的囊体形状720内，并且在囊体/芯部组件730以图24D所示的平直构造密封在一起之后将保持打开。囊体/芯部组件从平直构造到图24E所示的螺旋弯曲构造的形状设定可以通过将组件绕心轴进行卷绕和/或卷绕在心轴内并且对所卷绕的组件进行加热来实施。螺旋通道可包括在心轴中，该螺旋通道也可具有离散的囊体接纳部或特征，以帮助确保囊体组沿着期望的侧向囊体轴线对准。无论如何，芯部/囊体组件的形状设定可以帮助设定囊体的M个不同的侧向定向，使得每一组的囊体720i、720ii、720iii对准，如24E-1中所见。如其它地方所指出，由于在轴向伸长等期间盘绕的组件的几何形状发生一些轻微变化，当铰转结构和/或其部件处于一些构造中时、包括在静止时，在具有相同的侧向弯曲定向的囊体之间可能存在一些轻微的周向偏移。
参照图24E-2，替代的囊体管718’具有通过密封区722联接在一起的多个预弯曲囊体形状720’，以便于将囊体/芯部组件形成和/或保持为处于螺旋构造中。替代的囊体管718’的总体构造是平直的，并且在预弯曲的囊体形状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，并且作为对此处示意性地示出的预弯曲的替代或附加，囊体形状可选地可以沿着所述外部部分具有波纹。囊体形状、过渡(部)和密封区可通过在加工的或印刷的工具作业中使用医疗囊体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。
参照图24E-3，示出了囊体管718的密封区722与多内腔芯部702的外表面之间的示例性密封的细节。在一些实施例中，囊体管718到芯部702的粘结711采用粘合剂、热粘结、激光粘结等，并且足以抑制相邻的囊体之间的流体流动。可选地，径向压缩材料带713可以被配置在囊体管和芯部上，以在相邻的囊体中的一个或两个被膨胀时帮助维持密封配合。合适的带可包括金属，并且可褶缩或锻压到组件上，其中所述带可选地包括薄的管状标记带状结构(可选地包括不锈钢、银、金、铂等)，所述结构使用标准标记带锻压工具和技术锻压上。替代的压缩带可包括诸如尼龙、聚酯、Spectra等的聚合物的柔性丝线，并且可卷绕在囊体管和芯部上和用粘合剂粘结。其它的替代压缩带可包括微压接夹具等。应变释放管715(可选地包括PET等)可选地可设置在带713与囊体管718之间，以抑制沿着带的边缘的损伤，和/或带可在端部处径向向外张开。优选地，带和任何应变释放管将被压缩到囊体上，以使得带和应变释放管的外表面的一些或全部凹陷到相邻的囊体管的附近或甚至下方，类似于标准标记带褶缩到标准导管管材上的情况。
现在参照图24F和24G，可以分别看到示例性的内螺旋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包含了图22a所示的修改的C形通道框架680，但是具有由带有沿着其近侧和远侧螺旋边缘的凸缘740的轴向连续的螺旋壁736的所限定的C形通道。螺旋凸缘由相对的囊体轴向配合，并且允许囊体膨胀以类似于上述环形框架的环状凸缘的方式使构架和导管(或其它可铰转的主体)局部地轴向收缩和/或延伸。可选的螺旋凸块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/凸缘配合部抵靠彼此而枢转，使得所述凸块替代地可包括在外框架的凸缘上或两者上(或者可包括轴向夹在两个框架的凸缘之间的单独的结构)。替代的实施例可完全放弃这种枢转结构。
现在参照图25A-25D，示例性的柔性延伸/收缩螺旋框架铰转结构750(本文有时称为推/拉式螺旋结构)的区段包含了图24A-24G所示的部件，并且提供了图22B-22I所示的环状延伸/收缩框架实施例的功能。推/拉式结构包括由内螺旋框架732和外螺旋框架734所限定的构架，并且还分别包括三个球/芯部组件730a、730b和730c。每个囊体/芯部组件包括在三个侧向定向上的一组囊体720i、720ii和720iii。囊体/芯部组件730b沿着螺旋空间延伸，该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体/芯部组件重叠。因此，当囊体/芯部组件730的囊体720膨胀时，它们将相邻的凸缘推开并且增加框架的重叠，引起构架的轴向收缩，使得所述组件的囊体充当收缩囊体。相反地，囊体/芯部组件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的囊体720的扩张会轴向推抵框架，从而减少框架的重叠，并且与组件730b的囊体720的膨胀相对地起作用。因此，组件730a、730c的囊体720充当延伸囊体。
现在参照图25A-25C，当组件730b的所有收缩囊体720膨胀并且组件730a、730c的所有延伸囊体缩瘪时，推/拉式结构750处于如图25A所示的平直短构造中。延伸囊体的均匀的部分膨胀以及收缩囊体的均匀的部分缩瘪将推/拉式结构750铰转到平直的中间长度构造，并且组件730a、730c的所有延伸囊体的完全膨胀(以及收缩囊体的缩瘪)使所述结构完全轴向地伸长。与环形推/拉式框架一样，使沿着组件730b的一个侧向定向的收缩囊体720ii膨胀(伴随着组件730a、730b的延伸囊体720ii的相应缩瘪)局部地减小了构架沿着所述侧的轴向长度，而组件730b的收缩囊体720i的选择性缩瘪(伴随着组件730a和730c的延伸囊体720i的相应膨胀)局部地增加了构架的长度，从而导致图25E示出的完全侧向弯曲的构造。注意到，沿着定向720iii的延伸和收缩囊体可与定向720ii的延伸和收缩定向囊体一起膨胀和缩瘪，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，结构的刚度可均匀地或局部地进行调节(具有轴向和/或定向变化)。类似地，可确定沿着每个方向的延伸和收缩囊体的数量(其通常与组件730a、730b的环圈的数量等相关联)以提供所期望的运动、分辨率和响应范围。如参照推/拉式环形框架实施例所描述的，结构的总体铰转部分将通常分成多个独立可控的区段。
现在参照图25F，推/拉式结构750将通常包括外柔性护套752和内柔性护套754。护套752、754可在远侧密封件756处、在组件730的膨胀内腔和囊体的远侧密封在一起，并且一个或多个近侧密封件(未示出)可设置在囊体的近侧和/导管结构的近端附近，以便提供围绕铰转囊体的密封体积。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体或膨胀内腔系统中不存在泄漏。
现在参照图26A和26B，替代的推/拉式结构省略了两个延伸囊体组件730a、730c中的一个，并且使用如上文参照图23A和23B所述的1对1的延伸/收缩囊体对置布置。应当注意的是，该实施例保持与外框架734径向相邻的囊体组件730c(使得即使在护套被移除的情况下也不会看到囊体)。替代的实施例可保留组件730a并放弃组件730c(例如，以使得可以通过透明的护套看到囊体)。
现在参照图27，示出了替代的芯部结构的短区段以进行比较。芯轴702具有约0.028”的外直径和7个内腔，其中6个周边内腔(外围的腔)具有约0.004”的内直径，容易用于形成相关联的端口，并用于向囊体和从囊体传递膨胀流体。例如，可使用中心内腔来监测真空系统，以验证系统的完整性。芯轴702可以例如在14-15Fr(弗伦奇，法制单位)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(或者可替代地为更多或更少的弯曲，取决于每个通道上组合在一起的囊体的数量)，其中这种系统可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。
仍然参照图27，其它治疗可能受益于更小的导管轮廓，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系统按比例缩小为7-8Fr消融导管可能会利用直接按比例缩放的芯部762，所述芯部具有芯部702的总体外直径的一半和内腔内直径的一半，因为材料中的包含压力的应力将会随着内腔直径而缩放。然而，将最小内腔壁厚度维持在高于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”可能具有成本上益处。为此，并且为了沿着共用的螺旋芯部以及期望的小弯曲半径向两个3D推/拉式区段提供6个收缩或延伸内腔，可能有益的是，使用具有6个内腔的径向伸长的芯部764，这些内腔全部由至少0.003”的材料包围。芯部764具有芯部702的一半的轴向高度，并且其径向宽度小于14-15Fr系统的囊体直径的一半。可能有益的是，使截面的径向(细长)尺寸小于安装于其上的囊体的膨胀内直径，以抑制膨胀流体陷在囊体的一个轴向侧(远离膨胀端口)上。
另外其它的优点可通过将7Fr芯部762的更小的内腔和壁厚度尺寸应用于15Fr导管芯部尺寸来提供，因为这导致12个膨胀内腔的芯部766。所述实施例的大的第13个内腔可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个内腔可允许例如连续的推/拉式结构具有4个独立可控的3D形状(4D形状+刚度)区段。16个膨胀内腔的芯部768将更小的内腔和壁厚与径向细长的截面相结合，允许5个独立可控的3D区段。应当理解的是，使用已知的且相对低成本的多内腔挤压成型技术，可以在更小的轮廓下获得更多数量的内腔。
应当理解的是，另外其它的替代实施例可利用本文描述的有益的部件和组件。例如，如根据以上关于图3-12所示的柔性结构中的许多柔性结构的公开内容可以理解的，囊体的膨胀可通过螺旋弹簧或其它偏置结构来弹性地抵抗，使得当膨胀流体从囊体释放时，弹簧使囊体缩瘪并且将柔性主体朝向囊体膨胀前的状态推回。在上述的推/拉式环形框架和推/拉式螺旋框架实施例中，不是依赖于每个区段的6个专用的相对的扩张和收缩囊体通道(沿着每个侧向定向提供独立的收缩和扩张)，而是两个或多个通道(来自相同的区段或来自不同的区段)可成组在一起，以用作常见的偏置结构或流体弹簧。作为示例，沿着两个相邻的区段的所有收缩囊体可向着被膨胀至小于全压力的单个内腔打开。调节不同组的延伸囊体的压力仍然可允许延伸囊体以三个独立的自由度来将每个区段铰转，因为分组的收缩囊体可以选择性地被延伸囊体(像盘簧那样)压倒或可允许使延伸囊体缩瘪。在一些实施例中，不是依赖于延伸囊体或收缩囊体的分压力，而是可将弹性体材料安装在区段的一些或所有延伸囊体或收缩囊体的芯部上，以便被动地与一组囊体对抗。
现在参照图28，用于向系统的致动囊体和从系统的致动囊体导引膨胀流体的铰转控制器770典型地将具有这样的硬件和/软件：所述硬件和/软件构造和编程为响应于由系统用户输入的指令轨迹772来总体试图使可铰转的结构采取新的实际位置或状态X实际。本文描述的许多铰转的柔性结构可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，并且所述铰转的结构将通常受到更多接头的欠约束，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使其协作，所述内部顺应性引导各接头相对于区段内的下一个接头处于类似的角度。控制器770在区段内具有相等的接头角度以供对控制方程式进行求解。与引起远离优选定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转的结构的下一个期望位置或状态Xi期望的软件模块，并且将应用逆向导管运动学774来确定下一个期望的接头状态Θi期望。确定实接头状态和下一个的期望接头状态之间的差异以定义接头误差，并且可以将期望接头状态以及接头误差向前馈送到接头轨迹规划器776，以定义接头误差轨迹。所述接头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中以提供致动接头状态的指令信号。在一些实施例中，阀的闭环控制可取决于压力感测，并且可用于控制如由阀逆运动学所确定的具体压力。导管动力学和对致动接头状态的力学反应(以及相关联的环境与导管的相互作用，诸如组织力等)导致铰转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转系统的实际位置或状态的反馈，但是其它实施例可受益于这种反馈，以提供更精确的移动以及指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，控制器可选地可以使用一个或多个闭环反馈路径。在一些实施例中，部分或完全地在铰转结构782外部的反馈系统可以这样来感测导管或其它铰转结构的实际位置或状态，即，使用定位传感器784，诸如电磁导航系统、超声导航系统、联接于3D成像的图像处理(比如双平面荧光透视、磁共振成像、计算机断层扫描、超声检查、立体相机等；其中，成像模态可选地还可以用于产生呈现给系统用户的图像以供图像导引的铰转)。在许多实施例中，将使用在内部闭环反馈系统786下从铰转系统本身获得的信号来提供反馈。为了获得铰转结构所测量的形状或状态，可采用各种已知的传感器技术作为铰转结构形状传感器788，包括光纤形状传感器(比如使用光纤布拉格光栅的传感器)、电气形状传感器(比如使用弹性可变形电路部件的传感器)等。可使用逆运动学来处理所测量和/或感测的信号以导出相关联的测量值和/或所感测的接头状态。此外，通常可从系统的压力传感器获得囊体阵列压力信号，以及将压力与铰转系统的接头或形状状态相关联的信息。引导到铰转囊体和从铰转囊体排放的膨胀流体的历史也可用于帮助确定所估计的存在于每个囊体(或在共用膨胀内腔上的一组囊体)中的膨胀流体量。在囊体以相对或平行的方式安装的情况下，这些相关囊体在不同通道上的压力和膨胀流体量可能也是可获得的。可使用接头运动处理器790来处理这些压力信息中的一些或全部，以确定压力导出的接头位置或状态(包括构成柔性结构运动链的压力铰转接头的导出位置ΘL导出)。接头运动处理器790还可使用压力信息、优选地连同内部定位信息和/或外部定位信息来推导出接头上的载荷，以便确定如由接头轨迹规划器776等使用的运动极限775。在多于一个可获得的情况下，基于外部定位的反馈接头状态、基于内部形状传感器的接头状态以及压力导出的接头状态可被矫正792，并且将所矫正的(或以其它方式可获得的)接头状态与期望的接头状态进行比较来确定接头误差信号。
现在参照图29，可以理解用于控制本文描述的导管或其它铰转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，其中驱动器可选地包括手持式资产类设备单元。输入装置806可选地可以包括具有有线或无线数据遥测的单独的工作站(以便当与荧光透视系统的辐射场分离时，允许例如介入心脏科专家等执行程序的一部分)，或者输入装置806可以是集成到手持式驱动器中的用户界面，或是这两种情况的两者。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，并且将包含在手持式驱动器单元804内。罐810可固定于驱动器(直接地或通过将导管联接到驱动器)，并且将通常包括在部署展开系统的手持式近侧组件内，所述部署展开系统包括驱动器、导管的近侧接口以及在使用期间导管的其它近侧部件(比如心脏瓣膜致动或展开装置813等)。类似地，系统的电池(未示出)可以集成到驱动器804中，可以安装到导管的近侧接口，或是两种情况的两者。
用于与驱动器804一起使用的导管812或其它细长柔性主体一般将具有与驱动器的接纳部816相配合的近侧接口814。如参照以上描述可以理解的，近侧接口与接纳部的配合将通常在导管的囊体阵列与歧管组件的阀之间提供密封的流体连通。近侧接口与接纳部的联接也可导致驱动器818的电触点与导管820的电触点的联接，从而有助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递(其可以包括用于构造控制器的导管类型、唯一导管标识符，以帮助抑制对导管等的不合期望并且可能有害的重复使用等)。作为所述数据的电通信的替代方案(或附加于其)，导管812可以在近侧接口814上或附近具有RFID、条形码或其它机器可读标签，并且驱动器804可以包括相应的读取器一个或在接纳部816附近。
现在参照图29A，示意性地示出了网络系统1900，其中铰转导管系统1902使用基站1904联接于其它联网装置。铰转导管系统1902可包括本文所述的任何导管系统，并且一般包括具有诸如RFID标签等之类的ID 1908的囊体铰转导管1906。导管1906可替换地连接于近侧壳体1910，该近侧壳体1910包括导管系统的歧管和流体处理部件，以及许多电气部件和数据处理部件。用户界面1912可集成到近侧壳体中或者由壳体可移除地支承。
首先论述壳体1910和基站1904的动力部件，电壁动力用于激励基站的电感应充电线圈，该电感应充电线圈激励壳体1910的感应线圈，当外壳放置在基站的接纳部中时，这两个线圈形成感应线圈对1920。来自感应线圈对1920的电力对电池进行充电，当将壳体从接纳部中移除时，该电池用于为由近侧壳体支承的电路供电。应当注意的是，在一些实施例中，当用户界面1912与壳体分开时，如果要使用该用户界面，则另一个感应线圈对可对用户界面1912的电池充电，并且可使用沿着壳体和接纳部(以及用户界面和壳体之间)的电触头来代替感应充电部件。然而，感应充电可具有优点，包括便于使用简单的无菌盖布1924或可消毒的壳体材料，以便抑制患者之间的交叉污染。
仍然参照图29A，还示出了壳体1910、基部1904和网络系统1930中的部件之间的遥测。无线通信模块1932将通常在基站和近侧壳体的处理器之间提供无线通信，不过也可使用电触头、导线或甚至光缆。无论如何，壳体1910的处理器可将大范围的数据传输至处理器1934，该数据典型地包括与ID标签1908相关联的导管ID数据(如经由RFID读取器等获得的)。附加的数据可包括识别近侧外壳单元类型、特定ID等的数据；用户数据；患者数据(具有适当的HIPAA合规性验证)等。进一步还可有数据传输至基站，这些数据包括歧管诊断数据、流体使用数据、铰转和指令/铰转响应数据等。这些数据中的一些和/或其它数据可被输入到基站的用户界面中或者由基站从临床设定的其它联网装置获得，和/或从患者的电子病历数据储存库1940获得。这些数据中的任何一个可以是在基站的处理器1934与网络系统1930的服务器1936之间的通信，该通信或者经由基站的无线模块1932、即基站的不同的无线通信装置，或者经由基站与服务器1936和处理器1932之间的有线网络连接。可使用各种无线或有线路由器系统中的任何一种来处理这些通信。
服务器1936可被包括在被构造成处理临床数据的本地网络中，本地网络包括一个或多个临床工作站1942或其它装置(比如用于输入患者数据的临床医生台式计算机，移动式医师触摸屏装置等)、临床数据采集系统1944(比如图像数据系统、EKG传感器等)。来自导管系统和其它网络装置的合适数据可涉及针对特定患者的电子病历1940。
临床网络1930和其它网络部件之间的通信可经由诸如因特网1950之类的网络传输，其中数据存储和传输通常采用许多种基于云的计算技术中的任何一种，可选地如所构造的那样，以便维持适合于患者医疗数据的安全性。其它临床站点的服务器1952、1954……，可类似地经由互联网传输数据。虽然临床站点之间的通信可针对特定患者而基于点对点直接进行，但是从具有包括联网机器人导管系统的网络的一些、大多数或所有临床服务器传输的总成导管系统数据(以及相关联的总成患者数据)可由数据处理系统1960处理，该数据处理系统由诸如导管制造商或销售商之类的具有导管数据监督职责的实体维护。数据处理系统1960的一个有利特征是，通过使用处理器可以访问安全可用的导管ID数据的数据库，从而允许处理器验证壳体1910正联接于安全导管(并且可以传输该验证或未来程序的许可)，并且可以在使用过导管ID后从数据库中删除一次性导管ID。临床数据库1964可以收集一些、大多数或所有符合HIPAA的导管系统数据，以及可选地任何附加的电子病历数据或者来自导管程序期间所使用的其它联网装置的数据，因为这些数据是可以获得的并且被批准用于从每个临床网络传输。
现在参照图30A-30D，可以理解配置在导管近端处的替代接口830，以及导管的近侧接口与替代的模块化歧管834的替代接纳部832的匹配。近侧接口830可永久地或可移除地固定于导管的近端，并且在导管对于相关联的阀的多达三个多内腔轴836的轴向分开的端口与歧管的流体通道之间提供快速断开密封连通。通过轴向压缩O形环838或在更刚性的接口构件840之间交错的其它可变形密封主体，多内腔轴的端口可以密封于近侧接口830。螺纹压缩构件842维持在最近侧接口构件和最远侧接口构件之间的轴向密封压缩。接口构件840的凸柱844侧向延伸并彼此平行。每个接口构件840包括用于每个多内腔轴的凸柱844，并且近侧接口830中所包括的接口构件的数量与每个多内腔轴中的独立使用的内腔的数量相同，使得凸柱形成阵列，该阵列的凸柱总数等于铰转结构中独立的多内腔通道的总数。内腔从多内腔轴的端口径向延伸，穿过凸柱844，并且延伸至由可变形密封材料的盖围绕的接口端口。
参照图30D，歧管组件834的接纳部832具有一系列凹口，这一系列凹口对应于近侧接口830的凸柱844。凹口具有对应于凸柱的表面并且密封至可变形盖，其中接口端口各自与相关联的板模块的相关联的通道密封地流体连通。在该实施例中，每个板模块的接纳部表面在接纳部构件848上。接纳部构件支承板层，其中在各层之间形成通道，MEMS阀和压力传感器如上所述地安装在板上。然而，此处相邻板模块的板可能不直接以板对板的方式接触，使得供应流和排放流可轴向延伸通过接纳部构件、通过近侧接口、或通过歧管组件的另一结构。如上所述，替代实施例可具有直接接触的板，其中用于阀、压力传感器等的任何壳体形成为各层之间的空隙，并且膨胀和/或泄放流体通过密封件直接在板模块之间传递(比如O形环、就地形成的密封件、固定于柔性电路结构的垫圈材料等)。
现在参照图31A-31C，示意性地示出了简化的瓣膜部署系统1540在患者身体的心脏1542中的前进。在部署系统1540的该示意图中，假体瓣膜支承在铰转导管的远端处。虽然为简单起见未示出，但是可提供渐缩扩大末端和/或可缩回护套以便于前进。导丝1544可使用已知技术经由下腔静脉IVC前进至心脏，并且可通过穿过右心房RA并使用标准经中隔进路部件横穿将右心房与左心房LA分开的隔膜来提供进入二尖瓣MV的进路。可选地，部署导管的转向能力可用于帮助在荧光透视引导下引导经中隔针穿过卵圆窝处或附近的隔膜。如图31A所示，虽然可使用一根以上的导丝来获得进路，但是经中隔导丝1544最终可以定位在左心房中，并且部署导管1540可以在导线上前进到右心房RA中。如还可以参照该图所理解的，可通过使用上述囊体阵列铰转系统对部署导管的一个或多个区段进行铰转来促进瓣膜从IVC朝向隔膜的前进。
对于许多患者，卵圆窝可能在IVC的心门上方(尾侧)的5至14.5毫米之间。颅尾(Cranio-caudal)和前后卵圆窝的直径分别为12.1±3.6和14.1±3.6毫米；IVC的心门可具有约18毫米至30.2毫米的直径，详见
Figure BDA0002073675290000951
-Piotrowska的题为“Anatomy ofthe true interatrial septum for transseptal access to the left atrium(真实的经中隔进入左心房的房中隔解剖)”(解剖学纪事(Annals of Anatomy)205(2016)60-64)，其可在以下地址访问到：http://www.heart.cm.uj.edu.pl/documents/104468614/110577839/Anatomy％20of％20the％20true％20interatrial％20septum％20for％20transseptal％20access％20to％20the.pdf，其全部公开内容以参见的方式纳入本文。在IVC的心门和卵圆窝(或其它中隔穿刺部位)之间的分隔空间内，导管1540的在获得进路时和/或在瓣膜定位或部署期间驻留的区段可提供在约60至约120度之间的范围内的受控侧向弯曲角度、更典型地在70度至110度之间、并且通常在约80至100度之间。儿科患者可受益于具有更紧密弯曲半径的部署导管，而更大的患者以及心脏增大的患者可使用具有更大弯曲半径的更大直径的导管。
现在参照图31A和31B，当假体瓣膜1550从IVC前进并通过右心房时，部署导管1540的远侧区段1552的侧向弯曲可帮助使瓣膜定向，以使瓣膜遵循导丝1544朝向左心房LA。在一些实施例中，当与瓣膜相邻的扩大末端配合隔膜时，在大部分或全部远侧区段的近侧的导管可抵靠右心房的相对壁支撑。可选地，更近侧的区段可将导管锚定在IVC中。无论如何，远侧区段1552的轴向伸长可帮助使瓣膜前进进入和/或穿过隔膜，而导管的近侧未铰转部分有或没有向远侧前进。在其它实施例中，可使用通过引入器阀使导管的近侧部分手动地或自动地前进到患者体内来使瓣膜从右心房RA运动至左心房LA。当瓣膜在左心房内前进时，远侧区段1552可被驱动成更平直的构造，并且更近侧的区段(比如中间区段1554)可被驱动成弯曲大约80-100度，以从IVC跨越至中隔穿越部位。
现在参照图31B和31C，当瓣膜1550和远侧区段1552的一些、大部分或全部在左心房LA内时，近侧区段1556在IVC内可被驱动朝向螺旋或蛇形锚定构造，其中该区段的相对弯曲部的标称直径大于周围IVC的标称直径。在其它实施例中，可采用诸如弹性囊体之类的替代的锚定件，其从导管1540的在铰转区段近侧的一侧扩张、从导管侧向延伸出线的环圈等等。IVC和导管1540之间的锚定配合可为在锚定件远侧的铰转区段的铰转提供稳定的基部。在一些实施例中，导管的在锚定件远侧的中间区段1554或者另一部分可配合于右心房的与隔膜相对的表面。在锚定件远侧的导管还将配合隔膜的心脏组织(可选地沿着远端或中间区段)，并且这些心脏组织在某种程度上可帮助稳定瓣膜。天然二尖瓣将在心脏搏动期间运动，并且与瓣膜近侧的导管配合的心脏组织也可随着不同于二尖瓣的生理运动而运动。
现在参照图32A-32C，可以理解用于将假体瓣膜1550定位在二尖瓣MV内的三区段铰转导管系统的示例性运动。二尖瓣MV具有轴线1560，并且瓣膜平面1562可以由瓣膜瓣环限定，其中瓣膜平面可选地垂直于该轴线。在一些实施例中，假体瓣膜1550可以是轴对称的，使得假体瓣膜相对于天然瓣膜的期望定位可以由五个自由度限定。在其它实施例中，瓣膜结构可适于允许相对宽范围的轴向定位，使得4个精准的自由度就足够了。在其它包括具有非圆形假体瓣膜横截面或非平面假体瓣膜座部的那些的实施例中，可能期望六个精准的自由度。无论如何，此处将部署系统1570示出为具有远侧铰转部分，该远侧铰转部分具有三个可独立铰转的轴向区段1572、1574和1576，每个轴向区段可在两个或三个自由度(DOF)中被铰转，以根据期望将假体瓣膜1550相对于二尖瓣MV的天然组织定位。在替代实施例中，近侧锚定区段可与中间区段和远侧区段一起使用，每个区段能够以3个DOF被铰转。在另外其它的替代方案中，单个3DOF区段系统可延伸通过传统的可转向的经中隔导管。
如参照图31C和32A可以理解的，可期望初始地使假体瓣膜1550的远端前进超过目标部署位置，然后在右心房内向尾侧抬起瓣膜的近端。为此，中间区段1574可向上弯曲，并且远侧区段可以轴向地缩回并且如图所示向下弯曲。如参照图32A和32B可以理解的，当假体瓣膜1550的轴线与轴线1560对准时，该假体瓣膜可保持在天然瓣膜组织的平面1562上方。近侧区段1572、中间区段1574和远侧区段1576可根据需要侧向弯曲而进入和/或离开所示图像的平面，以使假体瓣膜对准，其中导管绕经中隔轴线部位1580枢转，从而轴向滑动通过该部位1580，和/或使部位1580轻微地侧向运动。如参照图32B和32C可以理解的，一旦假体瓣膜1550的远端已经与瓣膜的开口对准，就可以驱使中间区段1574伸直然后向下弯曲。远侧区段1576可稍微伸直，并且区段1572、1574和/或1576可轴向伸长，以完成轴向对准并且还使假体瓣膜轴向地前进至相对于天然二尖瓣组织的平面的期望位置。然后可以通常通过囊体扩张、周围护套的近侧缩回等来部署瓣膜。
关于远侧区段的铰转能力，这些区段可具有类似的结构、弯曲半径、伸长能力等。以上描述了跨越右心房的区段的弯曲角度和空间约束。对于在左心房内运动的区段，左心房的尺寸可能随着与瓣膜疾病相关联的疾病而增加。例如在四腔室超声视图中所解释的，左心房可具有约28至40毫米的直径和约41至61毫米的长轴；在严重扩大的心脏中，这些尺寸可增加多达100％或更多。当在左心房内的(一个或多个)铰转导管区段(通常包括远侧区段的大部分或全部，并且可选地包括近侧相邻区段的一部分)从经中隔进路部位延伸，然后弯曲以沿着二尖瓣的轴线延伸(这可在距离中隔壁小于LA一半的直径的间隔处发现)时，该铰转导管区段将包含80至120度的弯曲。优选地，每个可伸长区段的伸长能力将是该区段处于其最短构造时的长度的至少5％、通常至少为10％、理想地为12.5％或更高。用于瓣膜递送和/或其它瓣膜治疗的铰转部分长度(该铰转部分处于短构造，在该短构造中铰转部分可伸长，并且包括其间的所有区段和连接部)可以是2.5英寸至约11英寸、通常在约4.5英寸至8.5英寸之间。
现在参照图33A和33B，示出了可使用本文所述的瓣膜治疗装置部署的代表性假体瓣膜结构。这些和其它合适的假体置换瓣膜结构可以从雅培公司(Abbott Laboratories)、Tendyne控股公司(Tendyne Holdings)、爱德华生命科学公司(Edwards Lifesciences)、美敦力公司(Medtronic)、Twelve公司、波士顿科学公司(Boston Scientific)、圣犹达公司(St.Jude)、CardiAQ公司、微介入装置公司(Micro Interventional Devices)、Neovasc公司以及其它公司商购获得，并且有关特定瓣膜结构的其它信息可从这些实体的出版物中找到。这些假体装置的一些实施例可以是囊体扩张的(使得一旦它们被定位，就通过使部署囊体膨胀来使瓣膜的框架塑性扩张)。虽然部署囊体膨胀系统可选地可以与铰转囊体膨胀系统成一体，但是在许多实施例中，可以提供单独的标准囊体膨胀系统和内腔，其中该内腔沿着配置在本文所述的铰转装置中的一种的内护套内的轴向远侧延伸。在其它实施例中，框架被偏置以扩张，并且通过、比如通过向近侧抽出周围护套来释放框架而在目标部位处扩张，同时本文提供的铰转导管结构中的一种将假体保持在护套内的目标部位处。还可使用用于部署现有的扩张囊体以及瓣膜和支架的弹性扩张的已知变型，包括用于取回部分部署的瓣膜和支架的系绳和其它系统。
现在参照图34-35H，本文所述的装置和系统可用于许多附加的瓣膜治疗中。例如，在图34中，多区段囊体铰转导管1580用于部署二尖瓣瓣叶折叠术夹具，该折叠术夹具可以将二尖瓣瓣叶的中央部分固定在一起，以便抑制二尖瓣反流。夹具可再现在一些开放式手术程序中使用的Alfieri针法，并且可以从雅培公司关于MitraclipTM系统的出版物中找到关于夹具装置及其使用嵌套有拉线的可操纵导管的部署的附加信息。当使用囊体铰转导管1580来递送时，假体瓣膜瓣叶折叠术末端可承载在穿过导管的轴上，以便于围绕导管轴线旋转。或者，可通过铰转区段之间的协调和/或通过包括如下所述的囊体铰转区段来提供旋转范围。
现在参照图35A-35C，可以使用能够在囊体铰转导管1590上承载的替代瓣膜修复装置(可选地具有如上所述的两个、三个或更多个独立铰转的区段)来部署瓣环成形术环1592。参考Valtech公司的出版物中(和/或在http://citoday.com/pdfs/cit0515_Valve％20Update_Tobis.pdf中)所描述的标准部署系统可以更详细地理解，由Valtech公司和其它公司正在开发的系统可以通过使一系列锚定件从导管系统前进至围绕天然瓣膜瓣叶的支承组织中来绕二尖瓣的瓣环部署瓣环成形术环，以便使瓣膜再成形，使得可以抑制二尖瓣反流。利用本文所述的任何囊体阵列铰转结构来替换标准导管系统可显著地有助于锚定件的放置，提供更高的精准度并且减少部署时间。可选地，还可采用组合的部署导管的治疗，例如，如果单独的环无法提供所期望的结果(或甚至作为预先计划的治疗)，则将瓣环成形术环的基于导管的部署与假体瓣膜在该环(以及天然瓣膜组织)内的部署相结合。
现在参照图35D-35F，二尖瓣环折叠术是又一种替代的二尖瓣治疗，这种治疗可通过改变现有的部署技术以便利用本文所述的囊体铰转系统而受益。如此处所示(并且通过参考Mitralign公司和其它公司的出版物可以进一步理解)，可使用两个单独的囊体铰转导管1592a、1592b(或顺序地使用单个囊体铰转导管)在隔开期望的距离的位置处将拭子1590固定于二尖瓣环。在所部署的拭子之间的缝线可以被张紧以接近瓣膜瓣环的相关联的区段，并且夹具可以在抽出导管系统之后将缝线保持就位。对于这种治疗和一些其它的瓣膜治疗，从左心室内进入瓣膜瓣环的下表面可能是有利的。可以通过使经中隔导管的远端向下前进通过二尖瓣，然后使用逆行方法使导管的一个或两个远侧区段在心室内铰转，来获得进路。在图35G和35H中示出了另一种逆行方法，其中多区段囊体铰转导管1596被铰转，以便于在导丝上横跨主动脉瓣并进入左心室LV。然后，一个或两个远侧区段在120至270度的角度范围内被驱动，以提供进入二尖瓣MV的下环组织的逆行进路。
使用本文描述的装置和系统可获得附加的益处。例如，铰转运动囊体的部分膨胀可局部地降低导管的侧向刚度，以便使导管的推动性和/或可追踪性适应于特定的体腔。可追踪性、可推动性、可扭转性和交叉性是导管的已知特征，这些特征可在主观上(通过要求许多用户对导管中这些特征中的一个或多个进行评级)、根据经验(通过在受控测试中测量运动输入和输出)和/或通过分析(通过基于导管结构的特征或特性对导管的相互作用和所得的导管性能进行建模)被定量地确定。可推动性一般反映导管的远端响应于从内腔的近侧执行的轴向插入而在弯曲内腔内向远侧前进的能力，而可追踪性一般反映导管的远端响应于轴向插入而遵循通过弯曲内腔的路径(可选地由导丝或内腔壁限定)的能力。可推动性和可追踪性都可以随着导管结构的许多不同的特征而变化(例如，两者通常随着外部润滑性的增加而改善)，但是至少在某些情况下它们可能彼此相矛盾的。例如，可通过增加导管的至少一个轴向区段的轴向刚度来增强可推动性，同时可通过降低该轴向刚度来增强可追踪性。本文所述的流体铰转导管可帮助克服对特定体腔的这一挑战，因为导管区段的轴向刚度可以通过改变囊体压力而独立地改变，可选地不施加压力以便沿任何特定方向施加侧向弯曲(不存在对导管施加的环境力)。
在一种示例中，导管的总体良好的可推动性和可追踪性可受益于沿着远侧导管区段具有高侧向柔性(低刚度)、以及沿着中间和近侧导管区段具有相对高的刚度(低柔性)的导管结构。当导管向远侧前进时，可追踪性可受益于增加远侧区段的柔性，而可推动性和可追踪性可通过降低近侧区段的刚度(当导管接近或到达弯曲部处)并且增加中间区段的刚度(当导管离开弯曲部和/或沿着平直部段延伸)而在总体上受益。接近或沿着较大曲率的导管区段可制成为具有较小的刚度(通常通过部分囊体膨胀，或通过相对囊体的部分缩瘪)，并且使得接近或沿着较平直的路径部分的导管区段具有较大的刚度(比如通过这些区段的囊体的对抗性缩瘪或膨胀，或通过增加相对囊体的膨胀压力)。
现在参照图36A-38B，示出了对上述内螺旋框架和外螺旋框架结构以及一些相关联的部件的许多修改，这些部件可帮助未持导管组件内的部件对准。如图36A和36B中所示的，径向切口1970或狭槽可在内螺旋框架1972的腹板中制成，其中切口可选地轴向延伸并且形成在绕框架轴线分开约120度的三个位置处，使得切口可以定位在组件的囊体之间。切口可在凸缘之间延伸穿过腹板，并且可选地沿着凸缘的相邻内径向部分延伸。邻近相对的切割表面滑动可有助于内框架的弧形区段响应于囊体致动而在切口之间的局部轴向平移，从而增强整个导管框架的轴向弯曲和/或伸长。
现在参照图37A-37G，可替代的内螺旋框架结构1974和外螺旋框架结构1978分别同时具有开口区域1976，所述该开口区域1976可以例如通过在3个位置中从每个环圈的相邻凸缘和腹板上切割并移除材料而形成，这3个位置间隔大约120度，其中开口理想地与相邻环圈上的开口轴向对准。开口的周向宽度可在约0.005”至约0.030”的范围内，并且可沿着相邻的凸缘径向延伸约0.010”至约0.030”的距离。邻近开口的凸缘的挠曲可有助于螺旋框架区段在开口之间的局部轴向平移，并因此有助于整个框架的轴向弯曲和/或伸长。框架中的径向开口也可用于帮助促进囊体子集的轴向对准。更一般地，具有沿着本文所述的螺旋框架配置的结构或特征以帮助促进囊体子集、比如组1980a、1980b、1980c的轴向对准可能是有利的。离散的特征可固定于一些或所有环圈(比如通过增材制造或3D打印到挤压成型的框架结构上)，其中，这些特征具有配置在一些或全部囊体的端部之间并且将配合抵靠这些端部的表面。或者，内护套1984和/或外护套1986可具有径向突出的表面，该表面可径向延伸穿过内框架1974、外框架1978或两者中的开口1976。开口1976沿着腹板和凸缘的径向部分的延伸可允许(一个或多个)护套的突出表面在框架的弧形区段之间连续地延伸，从而保持框架区段轴向对准。类似地，如果突出表面开始运动脱离与子集的对准，则突出表面可配合于任何囊体端部。应当注意的是，其中一个护套中的一个或多个突出特征可能是足够的，并且囊体可在囊体组件上成角度，以便有助于框架区段的轴向运动和/或提供轴向定向的端部，这样的端部更均匀地配合护套的突出的径向对准表面。可选地，凸缘的螺距角可周向地变化，例如，其中沿着切割部分的凸缘具有比切口之间的凸缘更大的螺距角(从侧向平面测量)。沿着多内腔轴以一定角度配置的囊体可帮助限制对框架的周向载荷，同时增强抵靠凸缘的轴向载荷。
现在同时参照图38A和38B，又一替代的螺旋内框架结构1990可具有边缘通道或切口1992。例如，通过在每个环圈上(相隔120度)的3个位置中从凸缘和相邻腹板上切割并移除材料，可大大增强框架的柔性。移除的材料在凸缘/腹板接合部处可具有0.005-0.030”的周向宽度，并且可沿着凸缘的整个径向长度径向地延伸。通过配置在移除的凸缘区域之间的囊体来使腹板挠曲可促进凸缘之间的框架区段的局部轴向平移和整个框架的轴向弯曲。从腹板移除的材料的形状可以是“V”形(具有平直切口，如图所示)，“C”形(具有弯曲切口，可选地被钻孔)，“U”形(具有平直切口和弯曲切口)等。
现在参照图39A-39D，替代的环形框架结构1402、1404包括内框架环和外框架环的凸缘中的轴向开口(在图39B中)，以及在开口之间横穿内框架或外框架的腹板的可选狭槽(参见图39C)。螺旋囊体盘绕件具有一系列囊体，该一系列囊体使用密封在如上所述的多内腔轴上的连续囊体管形成，其中此处的组件具有由垂直(或接近垂直)的环圈形成的螺旋盘绕件，所述环圈通过环圈之间的轴向成角度的部段连接在一起。沿着每个环圈的囊体可安装成使得该组相对于多内腔轴成一定角度，使得囊体可以在一对凸缘之间保持周向对准，同时该轴略微轴向地成角度。无论如何，囊体组件可以绕框架包裹，并且使用轴向孔将框架组装在一起。因此，本文所述的螺旋囊体组件可以与环形框架结构以及螺旋框架组装在一起。可选地，内护套或外护套1406可具有径向突出部，该径向突出部可延伸到环形框架中的狭槽中，以维持环形框架和囊体的轴向对准。如图39D所示，径向突出部中的通道还可包含多内腔轴，该多内腔轴可以用于铰转更远侧的区段。
现在参照图40A-40D，又一替代框架结构1410利用了可包含本文所述的螺旋囊体组件的螺旋框架，其中框架的环圈可在铰转期间彼此结合(或以其它方式保持在一起)。如参照图40A可以理解的，示出了软聚合物螺旋基部的表面模型。基部可挤出成型或模制成型，并相结合或以其它方式固定在一起。图40B中的螺旋基部的清晰模型示出了在相邻环圈之间形成的螺旋通道，该螺旋通道可以接纳多内腔轴/囊体组件。如参照图40C可以理解的，可以在盘绕件中制造两个相对的侧向切口(此处切口示出为容纳要移除的材料的盒体)。每个切口可以接纳囊体组件的囊体，并且当囊体膨胀时，每个囊体推动与切口相邻并隔开的盘绕框架的轴向表面。相对切口的囊体与螺旋轴线相对地作用，以提供+X/-X弯曲。如参照图40D可以理解的，附加的+Y/-Y侧向切口可类似地各自接纳囊体，从而允许侧向弯曲。框架环圈、切口和囊体可以沿着螺旋轴线重复，其中+X囊体位于多内腔轴的一个共同内腔上，-X囊体位于另一个内腔上，等等。当螺旋框架的相邻环圈固定在一起时，该组件可非常适合于提供X/Y侧向铰转。
现在参照图41A-41F，螺旋铰转结构可利用轴向伸长和扭转之间的关联，以便可选地通过包括具有相反的卷绕定向的螺旋结构来提供对导管和其它细长柔性主体的远端的定向的控制。首先论述伸长/轴向扭转关联，螺旋结构示意性地示出为图41A和41B中的简单盘绕件1420，但是可表示本文所示的任何内螺旋框架和/或外螺旋框架、螺旋多内腔轴和/或囊体组件等。盘绕件1420具有近端1422和远端1446，在近端和远端之间具有轴线。远端具有围绕轴线的旋转定向，并且螺旋结构的初始数量的环圈沿着盘绕件配置在端部之间。随着盘绕件1420伸长(通过囊体或其它致动器将环圈推开，或者通过作用在盘绕件上的环境力)，远端1444将倾向于在一个方向上相对于近端1442退绕或扭转，以便(至少些许地)减少沿着螺旋盘绕件的环圈数。盘绕件的缩短使退绕反转。此外，如参照图41C和41D可以理解的，以与第一盘绕件1420相反的方向卷绕的另一个螺旋盘绕件1430将类似地退绕，不过是在相反的扭转方向上退绕。因此，如果两个盘绕件1420、1430轴向地固定在一起，第一盘绕件1444的远端附连于反向卷绕的第二盘绕件的近端1444’，则当两个盘绕件一致地轴向伸长相同的量时，扭转相互抵消，并且第二盘绕件1444”的远端在整个伸长和/或收缩期间保持相同的围绕轴线的旋转定向。本文描述的结构可以通过将铰转区段的螺旋结构分成第一区域和第二区域来利用这一点，其中两个区域具有相反的卷绕定向。这可以用于帮助抑制在将要作为一个单元而被铰转的区段的伸长期间的扭转，该区段即为沿着区段的囊体或其它致动器(对于至少一个铰转定向)在功能上联接在一起以作为子集膨胀(比如与多内腔轴的共同内腔流体连通)的位置。
现在参照图41E和41F，通过不同地铰转(并且具体地，不同地伸长)反向卷绕的盘绕件区域，可以利用螺旋结构的伸长/扭转联接来提供对组件的远端相对于近端围绕轴线的旋转定向的附加控制。在所示的相对简单的实施例中，两个盘绕件的组合长度可保持恒定(例如，通过响应于扭转指令的控制器的逻辑，或者通过将组件的轴向结构固定至两端，和/或通过将一个区域的伸长囊体联接至另一个区域的缩短囊体等)。如果近侧盘绕件部分以相对短的构造开始并且伸长，则该盘绕件的远端将倾向于沿第一方向退绕或扭转。由于远侧盘绕件具有反向卷绕定向并且开始时是长的，因此它将同时倾向于卷绕，从而沿相同的第一方向扭转。两个盘绕件区域1420、1430联接在一起，使得第二盘绕件的远端随着两个区域的组合扭转而旋转。参照图41A-41F可以进一步理解，通过独立地铰转两个区域，可以独立地控制远侧区段的远端的组合长度和旋转方向(在运动范围内)，使得该扭转可以用作系统的自由度，该自由度用于将工具(比如不对称假体心脏瓣膜)与目标组织或其它结构对准。有利地，该独立扭转和伸长可选地还可以与一个或两个区段的侧向弯曲DOF组合，从而允许两个3-DOF的反向卷绕绕区段具有附加的灵活性。
现在同时参照图42A-42D，可以看到示例性歧管部件和组件。如上所述，当使用歧管1450时，N2O罐提供加压流体以对联接于歧管的接纳部1452的导管进行铰转。如上所述，此处罐将增压室1454加压至受控压力。歧管内的隔膜1456将N2O(主要是增压室中的气体)与诸如盐水之类的液体分开，从而对盐水加压，使得盐水可以使囊体膨胀。可闭锁注射器1458可以联接于排放集管的端口，从而提供简单的真空源或排放增压室，该真空源或排放增压室可以用于从歧管和导管的通道以及从囊体中抽出流体，包括用于从囊体和多内腔通道中除去气体以准备使用该系统。如上所述，膨胀集管通道将膨胀流体(通常是液体)从增压室向膨胀阀引导，这帮助控制流体流向囊体。可选地，气体阀可将增压室内隔膜的N2O侧联接至膨胀集管，从而有助于在使用后除去流体和/或允许引入气体(或气体和液体的受控混合物)。因此，该系统可控制气体(来自第一源或增压区域)、液体(来自第二源或增压区域)和/或泄放流体(流向大气或真空源)的流动。进出囊体膨胀和泄放阀1460的流体网络通道很大程度上沿着阀板1462的表面形成，罐和增压室之间的流动由高压阀1464控制。阀板1462的与接纳部1452相对的表面可凹入阀配合边缘下方，以便限制在囊体膨胀通道和压力传感阵列1466之间延伸的压力传感通道的容积。
虽然为了清楚理解并且作为示例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、改变和适应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 (19)

1.一种可铰转结构，所述结构包括：
细长的柔性主体，所述主体具有近端和远端以及在所述近端与所述远端之间的轴线，所述主体包括细长的螺旋框架，所述螺旋框架具有多个环圈；以及
致动器阵列，所述致动器阵列沿着所述主体安装以便铰转所述主体，所述致动器包括设置在所述螺旋框架的所述环圈之间的囊体，从而当所述囊体膨胀时增加所述环圈之间的间隔；
与所述囊体连通的多个压力传感器、压力流体源、以及在所述压力流体源和所述囊体之间的多个阀，其中处理器被配置为响应于系统用户输入的指令而引起所述主体朝向新位置的运动，并且其中，所述处理器包括闭环阀控制器，所述闭环阀控制器构造成致动所述阀并在所述囊体中提供所期望的压力；以及
其中，处理器包括：构造成确定所述主体的期望状态的模块、构造成确定期望的接头状态的逆运动模块、构造成确定实际接头状态与所述期望的接头状态之间的差异以便定义接头误差的模块、以及接头轨迹规划器，其中，所述轨迹规划器响应于所述期望的接头状态和所述接头误差而定义接头误差轨迹，并且其中，所述接头轨迹被传输至逆流体计算器，以确定所述阀的指令信号。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述主体包括导管主体，所述导管主体具有与所述远端相邻的铰转部分；
近侧壳体，所述近侧壳体能够与所述导管主体的所述近端相联接，所述近侧壳体的尺寸设计成由用户的手移动，以及
还包括基站，所述基站具有能够与网络连接的服务器，所述处理器能够与所述服务器相联接，以便在所述网络与所述处理器之间传输数据，其中，所述导管具有体现为机器可读导管识别数据的ID标签，其中，当所述服务器与所述基站的处理器相联接时，所述处理器响应于所述标签的导管识别数据将ID数据传输至所述服务器，其中，所述服务器从所述网络获得批准数据，并且其中，所述处理器在没有批准数据的情况下禁止使用所述导管。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于：所述主体包括：
所述螺旋框架包括具有多个第一环圈的第一轴向区域以及具有多个第二环圈的第二轴向区域；
所述第一环圈具有第一螺旋卷绕定向，使得当所述致动器增加所述第一环圈之间的间隔时，沿着所述第一轴向区域的所述框架以第一扭转定向绕所述轴线扭转；
所述第二环圈具有与所述第一螺旋卷绕定向相反的第二螺旋卷绕定向，使得当所述致动器增加所述第二环圈之间的间隔时，沿着所述第二轴向区域的所述框架以与所述第一扭转定向相反的第二扭转定向绕所述轴线扭转。
4.如权利要求3所述的结构，其特征在于，多个第一致动器与多个所述第一环圈相联接，以便改变相关联的间隔和所述第一轴向区域的长度，其中，多个第二致动器与多个所述第二环圈相联接，以便改变相关联的间隔和所述第二轴向区域的长度。
5.如权利要求4所述的结构，其特征在于：
A)所述第一致动器联接在一起，以作为所述致动器的第一子集而被致动，
所述第二致动器联接在一起，以作为所述致动器的第二子集而被致动，
所述第一致动器和所述框架的所述第一轴向区域包括在所述结构的第一轴向区段中，
所述第二致动器和所述框架的所述第二轴向区域包括在所述结构的第二轴向区段中，
所述第一轴向区段和所述第二轴向区段通过致动所述第一子集和所述第二子集而能够独立地铰转，以便响应于在所述第一轴向区域和所述第二轴向区域的总长度处的扭转指令而提供所期望的组合扭转；或者
B)所述第一致动器与所述第二致动器联接在一起，以作为所述致动器的第一子集而被致动，
所述框架的所述第一轴向区域和所述第一致动器以及所述框架的所述第二轴向区域和所述第二致动器包括在所述结构的第一轴向区段中，以及
所述第一轴向区段能够通过使所述第一子集和所述第二子集一起致动而铰转，使得在所述区段的长度变化期间，所述第一轴向区域的所述扭转抵消所述第二轴向区域的所述扭转。
6.如权利要求4所述的结构，其特征在于，第一铰转区段偏离于所述第一轴向区域和所述第二轴向区域，所述第一铰转区段能够独立于所述第一轴向区域和所述第二轴向区域而沿第一侧向定向和第二侧向定向侧向地铰转，并且其中，所述第二侧向定向横向于所述第一侧向定向，并且，所述铰转系统还包括偏离于所述第一轴向区段以及所述第一轴向区域和所述第二轴向区域的第二轴向区段，所述第二轴向区段能够沿第三横向侧向定向和第四横向侧向定向铰转，所述系统具有6个自由度，包括围绕所述轴线扭转的自由度。
7.如权利要求3所述的结构，其特征在于，所述框架和致动器包括在柔性导管主体中，所述柔性导管主体构造成被引入患者体内。
8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括用于铰转所述主体的歧管，所述歧管包括：
液态膨胀流体源；
气态膨胀流体源；以及
处理器，所述处理器与流体源相联接，其中，在使用中，所述结构的至少一个流体通道容纳气态膨胀流体和液态膨胀流体，并且其中，所述处理器构造成响应于改变与所述通道连通的所述囊体的子集的顺应性的指令而改变所述气态膨胀流体和所述液态膨胀流体的相对量。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括用于铰转所述主体的歧管，所述歧管包括：
接纳部，所述接纳部构造成接纳具有第一膨胀流体的罐；
可变形隔膜，所述可变形隔膜具有第一侧和第二侧，其中，在使用中，所述第一侧与所述第一膨胀流体流体连通，并且所述第二侧与第二膨胀流体流体连通；
阀，所述阀将所述罐联接至所述隔膜的所述第一侧，以便控制所述第一膨胀流体和所述第二膨胀流体的压力；
其中，所述隔膜的所述第二侧与所述囊体流体连通，以利用所述第二膨胀流体选择性地使所述囊体膨胀。
10.如权利要求9所述的结构，其特征在于，所述主体包括导管主体，并且其中，所述第一膨胀流体包括气体，而所述第二膨胀流体包括液体。
11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述框架具有近侧凸缘和远侧凸缘，其中轴向壁在所述近侧凸缘和所述远侧凸缘之间延伸，其中，所述致动器轴向地推动所述凸缘，以使所述轴线局部地偏转，并且其中，所述框架在所述轴向壁中具有周向地位于所述致动器之间的开口，以便增强所述框架的侧向柔性。
12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述主体具有体现机器可读数据的ID标签，所述处理器构造成用于与和网络相通信的服务器相联接，以便于传输ID数据。
13.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括反馈系统，所述反馈系统构造成使用传感器来感测所述主体的实际位置或状态，所述传感器包括电磁导航系统、超声导航系统、联接于3D图像采集系统的图像处理器、光纤形状传感器或电气形状传感器。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述结构被包括在一种用于在结构上改变患者身体内的心脏瓣膜的心脏瓣膜治疗系统中，
其中，所述主体包括细长的柔性心脏导管主体；
治疗瓣膜工具，所述工具安装在所述导管主体的所述远端附近；以及
所述导管主体具有与所述远端相邻的铰转部分。
15.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述工具包括瓣膜瓣叶折叠术夹具。
16.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述工具包括瓣环成形术环。
17.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述工具包括环形折叠术工具。
18.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述患者身体具有主动脉弓，其中，所述导管主体的所述铰转部分的铰转具有铰转构造，其中所述工具相对于所述铰转部分的近侧基部成角度，所述角度足以在所述工具的整个横跨主动脉弓的前进过程中抑制所述工具与主动脉弓表面之间的创伤性配合。
19.如权利要求14所述的结构，其特征在于，心脏具有左心室、主动脉瓣膜和二尖瓣，其中，所述导管主体的所述铰转部分的铰转引起弯曲构造，其中所述工具相对于所述导管的近侧基部成角度，当所述导管的所述主体延伸通过二尖瓣或主动脉瓣时，所述角度足以允许所述工具和二尖瓣组织之间的逆行配合。
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