CN110831653B - 器械插入补偿 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于对手术系统中器械向另一器械的工作通道中的插入进行补偿的系统和技术。根据一个实施方式，补偿的方法包括：检测可插入器械向柔性器械的工作通道中的插入；基于来自至少一个传感器的数据信号检测柔性器械的远端部分的相对于初始位置的位置变化：基于检测到的位置变化生成控制信号；以及基于控制信号调整拉线的张力，以使远端部分回到初始位置。

Description

器械插入补偿

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月28日提交的美国临时申请No.62,526,008的权益，其全部内容通过参引结合到本文中。

技术领域

本公开总体上涉及医疗装置，并且更具体地涉及机器人辅助手术。

背景技术

诸如内窥镜检查(例如，支气管镜检查)之类的医疗程序可以包括出于诊断和/或治疗目的而进入和可视化患者管腔(例如，气道)的内部。在一个程序期间，可以将比方说诸如内窥镜之类的柔性管状工具插入患者体内，并且可以使器械穿过内窥镜到达被识别用于诊断和/或治疗的组织部位。例如，内窥镜可以具有提供通向组织部位的路径的内腔(例如，“工作通道”)，其中各种工具/器械可以插入穿过内腔到达组织部位。在该程序期间可以使用机器人系统控制内窥镜和/或工具/器械的插入和/或操纵，该机器人系统可以包括至少一个机械臂，该机械臂包括构造成在该程序期间控制内窥镜和/或工具/器械的定位的操纵器组件。

发明内容

本公开的系统、技术和装置均具有若干创新方面，本文公开的各期望属性并非单独地归因于这些系统、技术和装置的若干创新方面中的单个方面。

医疗程序可能会涉及远离操作者放置的柔性器械的操纵。例如，可以通过将柔性器械导航至患者体内与期望的组织部位相对应的目标位置并将另一器械插入穿过该柔性器械的工作通道以使其接近期望的组织部位，从而在管腔或管腔网络内对目标位置执行成像、活检采样、治疗物的递送和/或手术。

与用于外科目的的现有柔性器械相关的一个挑战是，使可插入器械前进或延伸穿过柔性器械的工作通道会导致柔性器械偏转，从而使其远端端部相对于目标位置移开。由于这种偏转，柔性器械的远端端部会与组织部位未对准。

因此，本公开的某些方面涉及当另一器械插入穿过柔性器械的工作通道时有助于防止、最小化和/或补偿柔性器械的偏转的系统和技术。本公开的另一方面涉及有助于防止、最小化和/或补偿这种柔性器械的因任何偏转原因导致的偏转的系统和技术。

因此，本公开的第一方面涉及一种机器人系统。该机器人系统包括第一器械，该第一器械包括具有近端部分和远端部分的杆轴。远端部分包括可关节运动区域和远端端部。杆轴包括延伸穿过其中的工作通道。该机器人系统还包括至少一个拉线和至少一个传感器，所述至少一个传感器配置成检测杆轴的远端端部的位置。该机器人系统还包括其上存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器，以及与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器。所述一个或更多个处理器被配置为执行指令。所述指令使系统基于来自所述至少一个传感器的数据信号检测杆轴的远端端部的响应于第二器械向杆轴的工作通道中的插入的位置变化。指令还使系统基于检测到的位置变化生成至少一个控制信号。机器人系统还包括驱动机构，该驱动机构在杆轴的近端部分处连接至所述至少一个拉线。所述驱动机构被配置为基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧。调整后的张紧有助于使杆轴的远端端部朝向该位置变化发生之前的初始位置返回。

根据一个实施方式的机器人系统可以以任意组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：驱动机构连接至机械臂的端部执行器，机械臂和驱动机构构造成导航杆轴的远端部分穿过患者的管腔网络到达治疗部位；电磁(EM)场发生器，所述至少一个传感器包括位于杆轴的远端端部处的第一组一个或更多个EM传感器，以及所述一个或更多个处理器配置为执行指令以使系统基于来自第一组EM传感器的数据计算第一组EM传感器在EM场内的第一位置并基于所计算的第一位置检测杆轴的远端端部的位置变化；第二器械还包括位于远端端部处的第二组一个或更多个EM传感器，并且所述一个或更多个处理器被配置为执行指令，以使系统基于来自第二组EM传感器的数据计算第二组EM传感器在EM场内的第二位置，并进一步基于所计算的第二位置生成所述至少一个控制信号；所述至少一个传感器包括位于杆轴的远端端部处的一组一个或更多个惯性传感器，以及所述一个或更多个处理器配置为执行指令以使系统基于来自该组一个或更多个惯性传感器的数据计算该组一个或更多个惯性传感器的第一位置，并进一步基于计算出的第一位置生成所述至少一个控制信号；所述至少一个传感器包括一组一个或更多个应变仪，以及所述一个或更多个处理器被配置为执行指令，以使系统基于来自该组一个或更多个应变仪的数据来计算杆轴的远端端部的第一位置，并进一步基于计算出的第一位置生成所述至少一个控制信号；驱动机构包括该组一个或更多个应变仪；第一器械包括引导件，以及所述至少一个传感器包括位于该引导件的远端端部处的一组一个或更多个摄像机；所述至少一个控制信号的指令包括使驱动机构增大一个或更多个拉线中的张力直到如由来自所述至少一个传感器的数据信号测得地杆轴的远端端部返回至初始位置为止的命令；所述一个或更多个处理器是工作站的一部分，该工作站包括用于控制系统的用户接口；至少一个呼吸传感器，以及所述一个或更多个处理器还被配置为执行指令，以使系统基于来自所述至少一个呼吸传感器的数据来确定在从所述至少一个传感器获取数据信号期间患者的呼吸模式；将由第二器械向工作通道中的插入引起的杆轴的远端端部的位置变化与由患者的呼吸模式引起的杆轴的远端端部的位置变化进行区分；所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统检测第二器械上的标识符，并进一步基于检测到的标识符来生成所述至少一个控制信号；和/或所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于读取第二器械的射频识别标签来检测标识符。

本文讨论的实施方式可以涉及包括第一器械的机器人系统。第一器械包括杆轴，该杆轴包括近端部分和远端部分。远端部分包括可关节运动区域。杆轴包括延伸穿过其中的工作通道。机器人系统包括至少一个拉线。该机器人系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为响应于第二器械向工作通道中的插入而检测第二器械的远端端部在工作通道内的位置。机器人系统包括至少一个其上存储有可执行指令的计算机可读存储器。机器人系统包括一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器与所述至少一个计算机可读存储器通信并被配置为执行指令。所述指令使系统基于来自所述至少一个传感器的数据信号来计算第二器械的远端端部在工作通道内的位置。所述指令进一步使系统基于所计算的位置生成至少一个控制信号。机器人系统包括驱动机构，该驱动机构在杆轴的近端部分处连接至所述至少一个拉线。驱动机构可以被构造成基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，调整后的张紧有助于保持杆轴的远端部分的位置。

本文讨论的实施方式可以以任意组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：驱动机构被构造为在第二器械的远端端部前进到相对于可关节运动区域的可确定位置时调整所述至少一个拉线的张紧；驱动机构被构造为在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之前调整所述至少一个拉线的张紧；驱动机构被构造为在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之后调整至少一个拉线的张紧；所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统检测第二器械上的标识符，并进一步基于检测到的标识符生成至少一个控制信号；所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于所检测到的标识符来确定第二器械的至少一种物理特性，第二器械的所述至少一种物理特性包括抗弯刚度值，以及所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统进一步基于该抗弯刚度值生成至少一个控制信号；所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统确定杆轴的可关节运动区域的关节运动角，所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统进一步基于该关节运动角生成所述至少一个控制信号；所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于读取第二器械的射频识别(RFID)标签来检测该标识符；和/或EM场发生器，所述至少一个传感器包括位于第二器械的远端端部处的一组一个或更多个EM传感器，并且所述一个或更多个处理器配置为执行指令以使系统基于来自该组EM传感器的数据计算该组EM传感器在EM场内的位置，并进一步基于该计算出的位置计算第二器械的远端端部在工作通道内的位置。

本公开的一些部分可以讨论用于控制第一器械的至少一个拉线的方法的实施方式。该方法包括确定第一器械的初始位置。第一器械包括杆轴，该杆轴包括近端部分和远端部分。第一器械还具有包括可关节运动区域和远端端部的远端部分。第一器械还包括具有延伸穿过杆轴的工作通道的杆轴。第一器械还包括至少一个拉线。该方法还包括基于来自至少一个传感器的数据信号，检测响应于第二器械向第一器械的工作通道中的插入的杆轴的远端端部的位置变化。该方法还包括基于检测到的杆轴的远端端部的位置变化来生成至少一个控制信号。该方法还包括基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，并且调整后的张紧有助于使杆轴的远端端部返回到初始位置。

用于控制至少一个拉线的机器人系统可以以任意组合的方式包括以下一个或更多个特征：所述至少一个传感器包括位于杆轴的远端端部处的第一组一个或更多个EM传感器，以及杆轴的远端端部的位置变化的检测进一步基于从第一组一个或更多个EM传感器接收的数据；所述至少一个传感器包括位于杆轴的远端端部处的一组一个或更多个惯性传感器，杆轴的远端端部的位置变化的检测基于来自该组一个或更多个惯性传感器的数据；所述至少一个传感器包括一组一个或更多个应变仪，以及杆轴的远端端部的位置变化的检测基于来自该组一个或更多个应变仪的数据；所述至少一个传感器包括位于第一器械的远端端部处的一组一个或更多个摄像机，杆轴的远端端部的位置变化的检测基于来自该组一个或更多个摄像机的数据；和/或基于来自至少一个呼吸传感器的数据确定在从所述至少一个传感器获取数据信号期间患者的呼吸模式，并将由第二器械向工作通道的插入所引起的杆轴的远端端部的位置变化与由患者的呼吸模式所引起的杆轴的远端端部的位置变化进行区分。

本公开的一些部分可能讨论了用于控制第一器械的至少一个拉线的方法的实施方式。这样的方法可以包括检测第二器械向第一器械的工作通道中的插入。第二器械包括近端端部和远端端部。第一器械包括具有近端部分和远端部分的杆轴，该远端部分具有可关节运动区域。第一器械还包括至少一个拉线。该方法还包括计算第二器械的远端端部在可关节运动区域内的位置。该方法还包括基于所计算的位置生成至少一个控制信号。该方法还包括基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于保持杆轴的远端部分的位置。

实现用于控制至少一个拉线的方法的机器人系统可以以任意组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：在第二器械的远端端部前进到相对于可关节运动区域的可确定位置时调整所述至少一个拉线的张紧；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之前，调整所述至少一个拉线的张紧；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之后，调整所述至少一个拉线的张紧；检测第二器械上的标识符，并进一步基于检测到的标识符生成所述至少一个控制信号；基于检测到的标识符确定第二器械的至少一种物理特性，其中，所述至少一个控制信号还基于所述至少一种物理特性而生成；所述至少一种物理特性包括第二器械的抗弯刚度值；标识符的检测包括读取第二器械的RFID标签；和/或第二器械的远端端部在可关节运动区域内的计算的位置基于来自第一器械的远端端部上的至少一个EM传感器的数据。

本公开的一些部分可能讨论了非暂时性计算机可读存储介质的实施方式。非暂时性计算机可读存储介质可以在其上存储指令。这些指令在被执行时使至少一个计算装置至少为包括至少一个拉线的第一器械确定第一器械的远端端部的初始位置。所述指令还使至少一个计算装置基于来自至少一个传感器的数据信号检测响应于第二器械向第一器械的工作通道中的插入的第一器械的远端端部的位置变化。所述指令还使至少一个计算装置基于检测到的位置变化来生成至少一个控制信号。所述指令还使至少一个计算装置基于所述至少一个控制信号调整所述至少一个拉线的张紧，并且调整后的张紧有助于使第一器械的远端端部返回到该位置变化发生之前的初始位置。

与本文所讨论的实施方式一致的非暂时性计算机可读存储介质可以以任意组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：所述至少一个传感器包括位于第一器械的远端端部处的一组一个或更多个EM传感器，以及所述指令在被执行时使所述至少一个计算装置基于来自该组一个或更多个EM传感器的数据检测第一器械的远端端部的位置变化；所述至少一个传感器包括位于第一器械的远端端部处的一组一个或更多个惯性传感器，以及所述指令在被执行时使所述至少一个计算装置基于来自该组一个或更多个惯性传感器的数据检测第一器械的远端端部的位置变化；所述至少一个传感器包括被配置为测量所述至少一个拉线的张紧的一组一个或更多个应变仪，以及所述指令在被执行时使所述至少一个计算装置基于来自该组一个或更多个应变仪的数据检测第一器械的远端端部的位置变化；所述至少一个传感器包括位于第一器械的远端端部处的一组一个或更多个摄像机，以及所述指令在被执行时使所述至少一个计算装置基于来自该组一个或更多个摄像机的数据检测第一器械的远端端部的位置变化；和/或所述指令，在被执行时，使所述至少一个计算装置基于来自至少一个呼吸传感器的数据来确定在从所述至少一个传感器获取数据信号期间患者的呼吸模式；以及将由第二器械向工作通道的插入所引起的第一器械的远端端部的位置变化与由患者的呼吸模式所引起的第一器械的远端端部的位置变化进行区分。

本公开的一些部分可能讨论了存储用于调整拉线的张紧的指令的非暂时性计算机可读存储介质的实施方式。这些指令在被执行时使至少一个计算装置至少为包括至少一个拉线和可关节运动区域的第一器械检测第二器械向第一器械的工作通道中的插入。所述指令还使至少一个计算装置计算第二器械的远端在可关节运动区域内的位置。所述指令还使至少一个计算装置基于计算的位置生成至少一个控制信号。所述指令还使至少一个计算装置基于所述至少一个控制信号调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有利于保持第一器械的远端部分的位置。

第六方面的非暂时性计算机可读存储介质可以以任意组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：在第二器械的远端端部前进到相对于可关节运动区域的可确定位置时，调整所述至少一个拉线的张紧；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之前，调整所述至少一个拉线的张紧；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之后，调整所述至少一个拉线的张紧；检测第二器械上的标识符，并进一步基于检测到的标识符生成所述至少一个控制信号；基于检测到的标识符，确定第二器械的至少一种物理特性，所述至少一个控制信号进一步基于所述至少一种物理特性而生成；和/或所述至少一种物理特性包括第二器械的抗弯刚度值。

附图说明

图1示出了机器人系统的实施方式。

图2A示出了图1的机器人系统的远端部分。

图2B示出了图2A中所示的远端部分的偏转。

图3示出了机器人系统的在管腔网络内的远端部分。

图4A示出了柔性器械的实施方式的远端部分(例如，柔性器械的护套-引导件布置中的引导件)。

图4B示出了包括电磁传感器系统和生理传感器系统的实施方式的机器人系统。

图4C示出了可插入器械的实施方式的远端部分。

图5示出了用于控制柔性器械的驱动机构的实施方式。

图6A示出了机器人系统的另一实施方式。

图6B示出了用于控制器械的器械操纵器的实施方式。

图7示出了与机器人系统一起使用的工作站的实施方式。

图8是跟踪和补偿柔性器械的偏转的示例方法的流程图。

图9是预测和补偿柔性器械的偏转的示例方法的流程图。

具体实施方式

医疗程序可能会涉及远离操作者放置的器械的操纵。例如，可以通过将柔性器械(例如，套管针、导管、内窥镜等)导航至患者体内与期望的组织部位相对应的目标位置并将另一器械插入穿过该柔性器械的工作通道以使其接近所期望的组织部位，从而在身体的管腔或管腔网络(例如肺、肠等)内执行成像、活检采样、治疗物的递送和/或手术。

用柔性器械执行的医疗程序的一个示例是用于诊断和分期支气管疾病的微创支气管镜技术，被称为经支气管针吸(TBNA)。TBNA技术可以涉及操纵活检针穿过柔性器械以在患者的管腔内的组织部位处采集组织样本。例如，医师可以使用胸部扫描来识别要进行活检的团块的位置，并引导柔性器械在患者的气道内朝向该团块定位。在将柔性器械的远端端部在肺内定位在所识别的团块附近之后，可以推进活检针穿过柔性器械的工作通道到达组织的位置。然后可以通过将针伸出工作通道以针刺组织部位而使组织被刺破。采集样品后，针可以经由工作通道缩回。

与现有的柔性器械相关联的一个挑战是，使可插入器械前进或延伸穿过柔性器械的工作通道会导致柔性器械偏转，使得其远端端部相对于目标位置偏转。目标位置可以例如至少部分地表示为柔性器械的关节运动角。通过使可插入器械延伸穿过工作通道，可插入器械会引起柔性器械的关节运动角发生变化。由于这种偏转，柔性器械的远端端部会与组织部位未对准。如果医师未进行检测，这种偏转会导致医疗程序在体内错误的位置处执行。在诸如肺内的病变之类的组织部位具有较小的直径的情况下尤其如此。在某些情况下，可以通过医师操纵柔性器械返回到目标位置中来执行针对该偏转的手动校正。但是，此过程非常耗时，尤其是在需要使用多个器械或检查多个组织部位的医疗程序中，并且可能需要进一步借助于基于辐射的导航辅助设备来引导重新定位(例如，荧光透视、X射线、计算机轴向断层扫描等)。

因此，本公开的一个方面涉及当另一器械被插入穿过柔性器械的工作通道时有助于防止、最小化和/或补偿柔性器械的偏转的系统和技术。本公开的另一方面涉及有助于防止、最小化和/或补偿这种柔性器械的因任何偏转原因导致的偏转的系统和技术。

在一些实施方式中，可以在医疗程序期间使用可转向内窥镜。在一个示例中，内窥镜可以包括至少两个套管式柔性器械，诸如内部引导件部分(本文中称为“引导件”)和外部护套部分(本文中称为“护套”)。

如本文所使用的，术语“柔性器械”、“护套”、“引导件”和“内窥镜”可以互换地指代可以插入患者体内以执行医疗程序的任何类型的柔性器械。在一些实施方式中但不是全部实施方式中，柔性器械可以包括被构造成有助于穿过管腔内路径的导航的一个或更多个摄像机。这些柔性器械可以包括支气管镜、膀胱镜、内窥镜、结肠镜、肾镜以及其他类似的可导航器械。因此，尽管下面公开的实施方式存在于用于插入患者肺部的内窥镜或支气管镜的背景中，但是本文中还设想了柔性器械的其他应用。在一些实施方式中，术语“第一器械”可以指柔性器械、内窥镜、引导件或其延伸的工作通道，并且术语“第二器械”可以指穿过第一器械的工作通道到达手术部位的可插入器械(例如，执行成像、位置检测、活检收集、治疗或手术的传输的器械)。

如本文所使用的，“远端”是指在使用过程中最靠近患者组织部位定位的观察仪器或工具的一端，而“近端”是指最靠近操作者(例如医师或机器人控制系统)定位的器械的一端。换句话说，本文从操作者的有利角度描述了机器人系统的部件的相对位置。

如本文所使用的，术语“大约”或“近似地”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。这样的测量范围包括特定值的或相对于特定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小、再更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要这种变化对于在所公开的装置、系统和技术中起作用的目的而言是适当的。

如本文所使用的，“通信地联接的”是指任何有线和/或无线数据传输介质，包括但不限于无线广域网(WW AN)(例如，一个或更多个蜂窝网络)、无线局域网(WLAN)(例如，针对诸如IEEE802.11(Wi-Fi)之类的一种或多种标准配置的)、蓝牙、数据传输电缆和/或类似物。

为了说明的目的，下面将结合附图描述各种实施方式。应当理解，所公开的概念的其他实现方式也是可能的，并且利用所公开的实现方式可以获得各种优点。本文包括有标题以供参考和帮助定位各个部分。这些标题并不意在限制相对于此描述的概念的范围。这样的概念可以在整个说明书中具有适用性。

示例性机器人系统

图1示出了机器人系统100的实施方式，该机器人系统100构造成有助于在一定距离处、诸如在患者的管腔内执行医疗程序。系统100可以包括柔性器械，诸如护套120和引导件130，可插入器械140可以插入穿过护套120和引导件130。如所示出的，利用柔性器械的护套和引导件布置，引导件130和护套120分别联接至单独的驱动机构154、164，其中每个驱动机构联接至机械臂150、160的远端端部。

护套120的远端端部122可以构造成用于插入患者的管腔(未示出)中，并且引导件130的远端端部132可以穿过护套120插入工作通道129中并被导航到患者的管腔内的目标位置，该目标位置对应于作为医疗程序的目标的患者的管腔的组织部位(例如，参见图3)。可插入器械140的远端端部142可以构造成插入穿过引导件130的工作通道139并前进到远端端部132，从而接近组织部位以执行医疗程序。

护套120可以包括远端端部122、近端端部124、在远端端部122与近端端部124之间延伸的杆轴126以及杆轴126的可关节运动区域128。可关节运动区域128可以相对于杆轴126的纵向轴线进行关节运动，以利于护套120的穿过患者的管腔的导航。可以通过使可关节运动区域128(例如，通过使用下文中进一步详细描述的一个或更多个拉线)进行关节运动来选择远端端部122的路径并且通过从近端端部124推进杆轴126和远端端部122穿过患者的管腔，从而引导远端端部122穿过患者的管腔。以这种方式，可以使远端端部122导航穿过患者的管腔到达组织部位。如上所述，各种导航辅助装置和系统都可以支持此过程，包括但不限于荧光透视法、X射线和/或计算机化轴向层面摄影法(CT)扫描。可关节运动区域128可以位于近端端部124与远端端部122之间，并且在本示例中与远端端部122相邻。这种布置可以促进护套120的穿过患者的管腔网络的导航。

引导件130可以包括远端端部132、近端端部134、在远端端部132与近端端部134之间延伸的杆轴136以及杆轴136的可关节运动区域138。可关节运动区域138可以相对于杆轴136的纵向轴线进行关节运动，以利于引导件130的穿过患者的管腔的导航。可关节运动区域138可以位于近端端部134与远端端部132之间，并且在本示例中与远端端部132相邻。这种布置可以促进引导件130的穿过患者的管腔网络的导航。

如上所述，引导件130的远端端部132可以插入到护套120的近端端部124中，从而至少部分地被支承。引导件130的远端端部132可以从护套120的远端端部122伸出并被引导穿过患者的管腔，例如通过使可关节运动区域138进行关节运动(例如，借助于使用下面进一步详细描述的一个或更多个拉线)以选择远端端部132的路径、并且通过推进引导件130穿过护套120的杆轴126。护套120可以提供基座，引导件130可以从该基座前进并进行关节运动以选择穿过患者的管腔的路径。护套120还可以提供支承并且有助于引导件130的转向。可以使用这种推进技术来推进引导件130的远端端部132穿过患者的管腔网络，例如到达与组织部位邻近的目标位置。该推进技术可以被反向执行以使引导件130和护套120从患者的管腔网络缩回。以这种方式，可以使引导件130的远端端部132导航穿过患者的管腔到达组织部位或从组织部位穿过患者的管腔。如上所述，各种导航辅助装置和系统都可以支持该过程，包括但不限于荧光透视法、X射线和/或CT扫描。

如在图1的示例中所示，护套120的近端端部124可以由第一机械臂150支承，该第一机械臂150被构造为引导或导航护套120穿过患者的管腔。第一机械臂150可以包括基部152和在从该基部延伸的在关节处联接的多个臂区段，这为第一机械臂150提供多个自由度。例如，第一机械臂150的一个实现方式可以具有对应于七个臂区段的七个自由度。在一些实施方式中，第一机械臂150包括关节，所述关节使用制动器和平衡器的组合来保持第一机械臂150的位置。平衡器可以包括气弹簧或盘弹簧。制动器、例如故障安全制动器可以包括机械部件和/或电气部件。此外，第一机械臂150可以是重力辅助的被动支承型机械臂。

端部执行器可以包括驱动机构154，该驱动机构154联接到第一机械臂150并被配置为控制护套120。驱动机构154可以包括连接器以将气动压力、电力、电信号和/或光学信号从第一机械臂150传送到护套120。驱动机构154可以配置为使用包括直接驱动、谐波传动、齿轮传动、皮带和带轮、磁力驱动等的技术来操纵护套120的定位。如下面参照图5进一步描述的，驱动机构154也可以配置为操纵拉线的张紧以使可关节运动区域128进行关节运动。

第一机械臂150的基部152可以包括：电源；气动压力部；控制电子器件和传感器电子器件，包括比方说例如中央处理单元156、数据总线、控制电路和存储器158之类的部件；以及诸如马达之类的用于移动第一机械臂150的相关的致动器。在一些实施方式中，基部152包括用于运输机器人系统100的轮和用于这些轮的轮锁/制动器。外科手术机器人系统100的移动性有助于适应外科手术室中的空间限制，以及有助于外科手术设备的适当定位和移动。此外，可移动性允许第一机械臂150配置为使得第一机械臂150不干扰患者、医师、麻醉师或其他设备。在医疗程序期间，使用者可以使用控制装置、例如(下面参照图7进一步详细描述的)命令中心来控制机械臂150。

引导件130的近端部分(包括近端端部134)可以由第二机械臂160支承，该第二机械臂160被配置为引导引导件130穿过护套120的工作通道129并进入/穿过患者的管腔。正如第一机械臂150，第二机械臂160可以包括基部162、在关节处联接的多个臂区段、用于保持第二机械臂160的位置的制动器和/或平衡器。与第一机械臂150的基部152类似地，第二机械臂160的基部162可以包括：电源；气动压力部；控制和传感器电子器件，包括比方说例如中央处理单元166、数据总线、控制电路和存储器168之类的部件；以及诸如马达之类的用于移动第二机械臂160的相关的致动器。在一些实施方式中，第二机械臂的基部162包括轮和用于这些轮的锁/制动器。在机器人系统100的一些实施方式中，第一机械臂150和第二机械臂160可以安装在相同的基部上或者安装至患者手术台上。

端部执行器或驱动机构164(其可以类似于驱动机构154)可以联接至第二机械臂160并被配置为控制引导件130。驱动机构164可以包括连接器以将气动压力、电力、电信号和/或光学信号从第二机械臂160传送到引导件130。驱动机构164可以配置为使用包括直接驱动、谐波传动、齿轮传动、皮带和带轮、磁力驱动和/或类似物的技术操纵引导件130的定位。如下面参照图5进一步所述，驱动机构164也可以配置为操纵拉线的张紧以使可关节运动区域138进行关节运动。

可插入器械140的远端端部142可以被配置为手动地插入到引导件130的近端端部134处的工作通道139中。例如，可插入器械140的远端端部144上的手柄145可以由使用者(例如，医师)抓握并沿工作通道139引导至手术位置。手柄145可以包括致动机构，所述致动机构用于操纵可插入器械140以执行期望的医疗程序、诸如用于获取样品或治疗剂的插入或撤回运动以及用于瞄准或任何其他合适的运动的关节运动。可插入器械140的远端端部142可以沿着杆轴126、136穿行并穿过可关节运动区域128、138到达引导件130的远端端部132。可插入器械140的远端端部142到引导件130的可关节运动区域138中的穿行会引起可关节运动区域138的不期望的偏转，如以下参照图2B所解释的。而且，类似于可关节运动区域138的偏转，远端端部142的到护套120的可关节运动区域128中的穿行会引起护套120的可关节运动区域128的不期望的偏转。

如在图2A的示例中示出的，示出了杆轴136的可关节运动区域138，出于说明的目的，其以未被外壳135覆盖的状态示出。引导件130的外壳135可以包括柔性聚合物材料(例如，聚氨酯或聚酯弹性体等)并且提供防护以防止体液进入引导件130中，并且外壳135确保沿着杆轴136与患者的管腔的平滑接合。此外，外壳135可以放置在盘绕的金属带137上方，该盘绕的金属带137为杆轴136提供外部结构。在可关节运动区域138内，盘绕的金属带137可以比方说例如基于盘绕的金属带137中的线圈的间隔构造成使得可关节运动区域138比杆轴136的其余部分具有更大的柔性。

图2B示出了图2A所示的机器人系统100的远端部分的示例。如虚线所示，远端端部132被导航到患者的管腔内的目标位置118，目标位置118对应于引导件130的远端部分(包括远端端部132)的在作为医疗程序的对象的组织部位的限定距离内和/或与该组织部位对准的期望位置，使得可插入器械140的远端端部142可以从引导件130的远端端部132伸出以接近组织部位。例如，目标位置118可以至少部分地根据远端端部132的在患者的管腔内的位置(例如，坐标系内的位置)、患者的管腔的导航模型、远端端部132的滚动、俯仰和/或横摆、和/或可关节运动区域138的关节运动角116来表示。

如以上所描述的，可以推进可插入器械140穿过引导件130的工作通道139以接近该组织部位。在将可插入器械140的远端端部142插入到可关节运动区域138中时，远端端部132可能偏转或移出虚线所示的目标位置118至实线所示的偏转位置119。类似于目标位置118，偏转位置119可以由偏转角115的变化或由可关节运动区域138的新的关节运动角116a来指示。

在一个示例中，偏转位置119不再与组织部位相对应，使得可插入器械140的远端端部142的延伸部可以从引导件130的远端端部132伸出，但是没有接近组织部位或与组织部位未对准。在一个说明性示例中，在收集用于活检的组织样品期间，组织部位是直径小于约3cm的潜在癌性病变部位。活检针插入穿过工作通道可能引起远端端部132从目标位置118移开，从而需要由机器人系统的操作员进行校正。否则，活检针可能错过该病变部位而对患者的管腔内的不正确的组织部位进行取样。

在另一个示例中，取决于引导件130的抗弯刚度和可插入器械140的抗弯刚度，偏转角115可以高达15o或更大。其他可能影响偏转角115的大小的因素包括关节运动角116、可插入器械140的直径或可关节运动区域138的抗弯刚度。因此，本文所述的系统和技术的某些方面涉及引导件130的远端部分的相对于目标位置118的偏转或运动和/或自动防止、最小化和/或补偿该偏转。

除了由于可插入器械140的远端端部142插入到可关节运动区域138中而使远端端部132相对于目标位置118偏转之外，在一些实施方式中，远端端部132还可能因远端端部142被插入穿过护套120的可关节运动区域128而偏转或移出目标位置118。例如，可关节运动区域138的角(未示出)(类似于可关节运动区域138的偏转角115)可能因可插入器械140插入工作通道129和/或可关节运动区域128而被偏转或移动。相应地，远端端部132可能偏转或移动。该偏转或移动可以附加至如上所述的因可关节运动区域138的偏转角115的变化(如果有的话)而引起的偏转或移动。因此，本文所述的系统和技术的某些方面涉及由于护套120的偏转或运动而导致的引导件130的远端部分相对于目标位置118的偏转的检测和/或自动防止、最小化和/或补偿该偏转或移动。

如所示出的，图3示出了机器人系统100的在患者的管腔网络或管腔303例如肺内的远端部分。通过诸如利用第二机械臂160推进近端端部134、并且通过利用驱动机构164使可关节运动区域138进行关节运动而利用引导件130的远端端部132选择穿过患者的管腔303的路径，可以导航引导件130的远端端部132穿过患者的管腔303。引导件130的杆轴136可以诸如通过第二机械臂160被推进穿过护套120的工作通道129，并且远端端部132可以从护套120的远端端部122伸出。护套的远端端部122和杆轴126可以通过被沿着引导件130的杆轴136推进而被导航穿过患者的管腔。护套120可以由此提供基座，引导件130又可以从该基座推进穿过管腔303并进行关节运动以选择穿过管腔303的路径。护套120还可以为被驱动机构154驱动进行关节运动的引导件130提供支承以及另外转向。穿过管腔303的该推进技术可以重复，以使引导件130的远端端部132到达与组织部位304邻近的目标位置118。可以反向执行推进技术以将引导件130和护套120从管腔303撤回。

可插入器械140的远端端部142可以被推进穿过引导件130的内腔139并推出远端端部132(手动地和/或通过机器人自动地)。可插入器械140的远端端部可以由此接近组织部位304。如以上参照图2B所解释的，可插入器械140的前进可能引起引导件的可关节运动区域138和/或护套120的可关节运动区域128的偏转。

因此，本文描述的系统和技术的某些方面涉及对引导件130的远端端部132相对于目标位置118的偏转的检测和/或自动防止、最小化和/或补偿该偏转。例如，将理解的是，本文所描述的至少一些实施方式中的自动性质可以比对引导件130的远端端部132(或护套120的远端端部122)的偏转进行的手动校正提供大量的时间节省。由于减少了手术时间、降低了执行医疗程序的医师、外科医生和工作人员的疲劳，这些时间节省可以有助于使患者的恢复时间更短，并且通过减少完成医疗程序所需的时间以及由于医师的相对机敏而提高了所述程序的准确性并降低了执行医疗程序的错误率从而使医疗程序的费用降低。

本系统和技术的另一个优点是提升了校正偏转的准确性。这种提升的准确性通过消除对已在错误位置进行的医疗程序进行重复的需要而减少了执行手术所需的时间量，降低了在错误位置进行的活检的假阳性和假阴性的比率，减少了由于已经不正确地或在错误的位置进行而需要重复的程序的数目并且总体上会提高积极病患治疗成效。

本系统和技术的另一个优点是改进的偏转检测。这种提高的检测率可以消除对在错误位置执行的医疗程序进行重复的需要，从而提高了积极病患治疗成效。

图4A示出了柔性器械、比方说例如引导件130的远端部分的实施方式。远端部分可以包括可关节运动区域138、远端端部132和工作通道139的远端开口。引导件130的远端部分可以进一步包括跟踪传感器，所述跟踪传感器用于与一个或更多个跟踪系统或传感器模态结合使用以定位引导件130的远端端部132的位置。关于此类跟踪传感器和跟踪系统的更多细节，除了本文的细节之外，在2016年9月17日提交的标题为“管状网络的导航”的美国申请No.15/268,238中进行了描述，其全部内容通过引用合并于此。

监控这些跟踪传感器的跟踪系统可以用于跟踪和检测远端端部132的运动，包括诸如由可插入器械140向工作通道139中的插入引起的那些运动或因远端端部的其他不期望的运动导致的运动。例如，跟踪系统可以检测远端端部132是否已经被系统100导航到目标位置118、远端端部132是否已经相对于目标位置118偏转和/或相对于目标位置118偏转的幅度。此外，每个跟踪系统可以包括比方说例如下面参照图7讨论的命令中心700之类的控制器或与该控制器通信。控制器可以包括与计算机可读介质通信地联接的处理器，该计算机可读介质具有存储在其上的指令，所述指令用于生成对机器人系统100的控制信号，以使用来自如下文所述的跟踪系统中的任何跟踪系统的数据对测量出或检测到的远端端部132相对于目标位置118的偏转进行补偿。

继续参照图4A的示例，现在讨论许多可能的跟踪系统。在一个示例性跟踪系统中，引导件130的远端部分可以包括一个或更多个惯性传感器460，诸如加速度计和/或陀螺仪。惯性传感器460可以被配置为检测和/或测量加速度的变化并且将反映这些测量值的数据信号输出到控制器。在一个实施方式中，惯性传感器460是具有加速度计的基于3轴微机电系统(MEMS)的传感器芯片，并且可以联接到引导件130的远端端部132附近，例如，与如图4所示的摄像机450联接到相同的印制电路板上，或者联接到不同的板上。加速度计可以测量沿着三个不同轴线的线性加速度，以计算远端端部132的速度和方向。因此，可以由控制器检测和/或测量远端端部132的离开目标位置118的运动。

在一个示例中，惯性传感器460检测重力并提供有关内窥镜工具相对于地面的位置的信息。如果惯性传感器460也测量重力方向，则惯性传感器460可以提供包含关于引导件130的远端端部132的取向的绝对信息的数据。在另一个示例中，如果引导件130没有卷起或弯曲到90度，则也可以使用两轴加速度计。在另一示例中，如果加速度计的轴线保持垂直于重力方向、即垂直于地面，则单轴传感器可以是有用的。在又一个示例中，惯性传感器460可以包括陀螺仪，该陀螺仪被配置为测量远端端部132的转速，该转速可以然后被用于计算引导件130的关节运动。

惯性传感器读数可以通过通信协议使用数字或模拟信号传输至控制器。信号可以通过导线传输到导管的近端端部，再从那里传输到控制器进行处理。远端端部132的离开目标位置118的运动可以由控制器检测和/或测量。

作为另一示例性跟踪系统，摄像机450也可以用作光学跟踪系统的一部分。在一些实施方式中，摄像机450是电荷耦合装置(CCD)或延伸至远端端部132附近的光导纤维电缆。来自摄像机450的图像对于导航引导件130的远端端部132穿过诸如患者的管腔之类的解剖学空间并到达目标位置118而言会是理想的。远端端部132还可以包括诸如LED之类的光源。结合LED，摄像机450可以例如用于捕获实时视频以辅助患者的管腔内的导航。导航时，诸如粘液之类的内部体液可能会引起问题。因此，远端端部132还可以包括用于清洁摄像机450的部件、比如用于冲洗和/或吹吸摄像机镜头的部件。

除了导航之外，摄像机还可以用于检测远端端部132的偏转和/或测量这种偏转的幅度。在光学跟踪系统中，来自摄像机450的输出或数据信号可以与控制器联接，由此可以处理数据信号以检测和/或测量远端端部132离开目标位置118的偏转。

引导件130的远端部分还可以包括位于远端端部132上并且可以与图4B中所示的EM跟踪系统480结合使用的一个或更多个电磁(EM)跟踪器或传感器484。EM跟踪系统480可以将EM传感器484与所产生的电磁场(EM场)结合使用以提供传感器在电磁场内的位置的实时指示。因此，可以利用EM跟踪系统来跟踪远端端部122的位置，远端端部132包括一个或更多个EM传感器484。此外，可以使用来自跟踪系统480的数据信号检测出离开目标位置118的任何运动或偏转和/或测量出该偏转的幅度。

在基于EM的跟踪中，静态EM场发生器486产生EM场。EM场发生器486可以放置在患者101附近以产生低强度磁场。例如，如图4B所示，场发生器486可以放置在用于支承患者101的身体的患者接合面位置112上。例如，患者接合面位置112可以是用于患者101的支承平台，并且场发生器可以放置在患者下方。在另一示例中，场发生器可以被保持在机械臂上或围绕患者接合面位置112的侧面放置。

静态EM场发生器486引起产生在EM传感器484中的传感器线圈中的小电流，所述小电流与传感器和发生器之间的距离和角度相关。电信号然后可以通过(芯片上的或PCB)接口单元被数字化并通过电缆/电线被发送回系统小车，然后再被发送至命令中心。然后可以对数据进行处理以解释当前数据并计算EM传感器484相对于发射器或场发生器486的精确位置和方向。可以在引导件130中的不同位置、例如在可关节运动区域138上使用多个传感器，也用于计算那些EM传感器的位置。

因此，基于来自人工产生的EM场的读数，当EM传感器484移动穿过患者的解剖结构时，EM传感器484可以检测到场强的变化。来自EM传感器484的数据信号可以沿着引导件130的杆轴传输到控制器488或替代性地传输到控制器或命令中心700，以进行解释和分析。使用来自EM传感器484的读数，显示模块可以显示EM传感器在预先生成的三维模型中的相对位置，以供操作者查看。

尽管可以使用各种传感器和跟踪系统来检测和测量机器人系统100的远端部分的偏转，但是传感器的选择可以至少部分基于：(i)内窥镜工具内的一个或更多个传感器的尺寸；以及(ii)将一个或更多个传感器制造和集成到护套120中的成本。

可以使用一组生理传感器490跟踪患者的生理运动。例如，生理传感器490可以包括定位在患者身体上的一个或更多个惯性传感器，以帮助估计呼吸期间的胸部表面的位移。在另一个示例中，生理传感器490可以包括EM贴片或EM呼吸传感器，所述EM贴片或EM呼吸传感器被配置为放置在患者的身体上并且用于与EM跟踪系统480结合来测量呼吸周期的吸气和呼气阶段。在另一个示例中，可以在患者的身体上(例如，在患者管腔的区域中)提供多个附加的EM贴片传感器，以便跟踪由呼吸引起的位移。在一些实施方式中，对于每个EM贴片传感器而言，生理传感器490中的数据可以包括：表示传感器在EM场中随时间变化的位置的时变位置数据。许多不同的EM贴片传感器可以在身体上间隔开，以便跟踪这些位置处的不同位移。例如，由于呼吸作用，肺部外围可能比中央气道表现出更大幅度的运动，并且提供多个EM贴片传感器可以使这些运动效果的分析更加精确。此外，引导件130的远端端部132行进穿过管腔303的不同区域，并因此在其行进穿过这些不同区域时由于患者的呼吸而经历不同水平的位移。数据过滤技术可以将引导件130的远端端部132的大概位置与一个或更多个附加的EM贴片传感器相关联，并且可以使用这些特定的附加的EM贴片传感器识别出的位移幅度来校正由于气道移动而引起的内窥镜位置信号中的噪声或伪影，例如，通过过滤/去除内窥镜位置信号的呼吸运动伪影分量。生理传感器490的EM贴片传感器实施方式在于2017年3月31日提交的名称为“补偿生理噪声的用于管腔网络的导航的机器人系统”的美国临时申请No.62/480,257中进一步描述，该专利申请的全部内容通过参引结合到本文中。

在另一示例中，生理传感器490包括声学或其他类型的呼吸传感器，该传感器被配置为放置在患者身体上气道区域(例如，管腔区域103)中并且用于测量呼吸周期的吸气和呼气阶段。在另一个示例中，生理传感器490可以包括光学传感器(例如，成像装置)，该光学传感器能够捕获患者身体的一连串的图像，并且这些图像可以被分析以识别呼吸阶段和/或位移。在一些实现方式中，患者101可以在手术期间在呼吸机的帮助下呼吸，并且呼吸机(和/或通信地联接至呼吸机的装置)可以提供代表呼吸周期的吸气阶段和呼气阶段的数据。

来自生理传感器的数据可以由控制器或命令中心700与来自以上描述的一个或更多个跟踪系统的数据结合使用。通过比较来自生理传感器的这些数据，可以从跟踪系统的数据中滤除患者的运动，从而使过滤后的数据指示引导件130的远端端部132的因由于器械的插入导致的偏转而不是因患者运动(例如，在呼吸周期的吸气阶段和呼气阶段)所引起的运动。

图4C描绘了可插入器械140的实施方式，其中，在可插入器械140的远端端部142上具有EM传感器482。在一些实施方式中，诸如在其中可插入器械140被手动地插入穿过引导件130的工作通道139的机器人系统100中，EM传感器482可以与EM跟踪系统480结合使用以跟踪可插入器械140的远端端部142的穿过引导件130和/或在患者的管腔内的行进。来自EM传感器482的数据，诸如指示远端端部142的位置的数据，也可以与本文描述的任何其他跟踪机构结合使用。例如，来自EM传感器482的数据可用于初始化或终止本文所述的跟踪系统中的任何跟踪系统，例如，基于EM传感器的在引导件130内的位置或其与远端端部132的靠近度。在另一示例中，来自传感器482的数据可以用作可关节运动区域138的定时调整的因数，如下面参照图5和图9所述的。在另一示例中，来自传感器482的数据可用于计算远端端部142离可关节运动区域138的距离，以知道远端端部142何时可以进入可关节运动区域138。在另一示例中，来自传感器482的数据可以用于确定远端端部142的轨迹，以知道远端端部142何时可以进入可关节运动区域138。在一些实施方式中，代替EM传感器482或附加至EM传感器482，可插入器械140可以包括不透射线的金属带，可以使用常规的基于辐射的导航辅助工具(例如，荧光透视、X射线、计算机轴向断层扫描等)进行跟踪或查看该不透射线的金属带。

在一些实施方式中，可插入器械140可以包括识别标签，该标签对应于或包含关于特定可插入器械140的信息，并且包括比方说例如该器械的物理特性的信息。在一些实施方式中，机器人系统100可以基于标签自动识别可插入器械140。例如，标签可以是RFID标签、条形码等。在一些实施方式中，与可插入器械140相关联的物理特性可以被编码到标识符(例如，RFID标签)中，并且由机器人系统100考虑以确定因可插入器械140向工作通道139中的插入而引起的引导件130的预期的偏转响应。

图5描绘了配置为控制一个或更多个拉线556的驱动机构500的实施方式。例如，驱动机构500可以对应于一个或更多个驱动机构154或驱动机构164或者本文所述的其他机器人系统。尽管本文中参照引导件130进行了描述，但是驱动机构的实施方式也可以与护套120或任何其他柔性器械结合使用。

驱动机构500被配置为控制一个或更多个拉线556，以从近端端部134操纵引导件130。诸如响应于系统100的控制中心处的医师输入，通过控制远端端部132和可关节运动区域138的位置，并且通过推进引导件130的杆轴136穿过患者的管腔，可以将引导件130导航至目标位置118。拉线556可以控制关节运动角116和可关节运动区域138的方向。在一些实施方式中，一旦引导件130的远端端部132处于目标位置118，就可以将拉线556锁定在适当的位置以将远端端部保持在期望的位置或取向，例如，与以上参照图2B描述了的目标位置118相对应的位置或取向。锁定拉线可以涉及增大拉线556上的张力，使得用于移动引导件130所需的力增大。

拉线556可以沿引导件130的纵向长度延伸。在一些实施方式中，拉线556相对于引导件130的可关节运动区域在远端地附接在引导件130内。拉线可以绕引导件130的杆轴136的外围布置，使得增加一个拉线的张力将趋向于使可关节运动区域在该拉线的方向上进行关节运动。例如，四根拉线可以绕杆轴136均匀地间隔开，其中每个基本方向上一个拉线。

拉线556可以包括金属和非金属材料，比方说例如不锈钢、芳纶、钨、碳纤维和/或类似物。引导件130可以响应于拉线施加的力而表现出非线性行为。非线性行为可以基于引导件130的杆轴126的硬度和可压缩性、以及不同拉线之间的松弛或硬度的可变性。

驱动机构500可以包括马达551，各马达551对应于并且与齿轮箱552旋转地联接。拉线556可以与从齿轮箱552延伸的轴553对应地联接。轴553可以被配置为通过相应的马达551的旋转将来自轴553的旋转的张力施加到拉线556上。拉线556可以通过滑轮555与轴553连接，滑轮555构造成将拉线的端部与轴固定并通过轴553的旋转运动沿着拉线施加张力。替代性地，拉线556可以通过滑轮555附接到输出轴553或不通过滑轮555直接附接到输出轴553。

如图5的示例所示，滑轮555可以与马达551的输出轴553纵向对齐并与马达551的输出轴553同心。滑轮555的花键可以设计成使得其与输出轴553上的花键对齐并锁定。在一些实施方式中，花键被设计成使得引导件130以单一取向与驱动机构500对准。在锁定至对准的状态下，轴553和滑轮555的旋转使引导件130内的拉线556张紧，从而使引导件130的可关节运动区域138进行关节运动。

在一些实施方式中，驱动机构500可以进一步包括控制器或者与外部控制器(例如，在下面进一步详细描述的图7的命令中心700)通信地联接，以控制马达551的旋转和拉线556的张紧。在一些实施方式中，驱动机构500包括与轴553联接的用于测量输出轴的旋转位置、速度和/或加速度的旋转编码器。在一些实施方式中，在驱动机构的壳体内或者在驱动机构500所安装在的机械臂内，控制器机载于驱动机构500上。控制器可以与马达551联接，并且配置有用于执行存储在计算机可读介质上的指令的处理器以控制一个或更多个拉线556的张紧。

需要注意的是，控制器可以包括在其上的用于执行存储在计算机可读介质上的指令的处理器。计算机可读介质可以将指令存储于其上，所述指令用于使用来自以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统的数据来生成对机器人系统的控制信号，从而补偿远端端部132相对于目标位置118的测量出或检测到的偏转。例如，指令可以使处理器处理数据并生成控制信号以使用驱动机构154、164中的一者或两者来调整在所述多个拉线556中的特定拉线上的张紧。

在一些实施方式中，控制信号的指令由驱动器500在可插入器械140的远端端部142被插入穿过可关节运动区域138之前执行。在这种先发模式或方法中，远端端部132会被偏转离开目标位置118，只有通过在器械140延伸穿过可关节运动区域时调整在多个拉线556上的张紧远端端部132才被返回到目标位置118。在另一示例中，控制信号的指令可以在可插入器械140的远端端部142被插入穿过可关节运动区域138之后执行。在这种模型式或方法中，在器械140被延伸穿过可关节运动区域之后通过调整多个拉线556上的张力使远端端部132返回到目标位置118。在又一个实施方式中，控制信号的指令可以在器械140的远端端部142被插入穿过可关节运动区域138时执行。因此，在可插入器械140的前进过程中，通过与远端端部142的前进相协调地调整多跟拉线556上的张力可以将远端端部132基本上保持在目标位置118。这些技术中的任何技术可以结合诸如来自EM传感器182的数据之类的指示可插入器械140的远端端部142的位置的数据来执行。

在一个实施方式中，控制信号可以包括用于通过驱动机构500逐渐增大一个或更多个拉线556中的张力直到远端端部132返回到目标位置118的指令。例如，张力可以增大直到如由利用摄像机450来确定远端端部132的位置的光学位置跟踪系统测量或跟踪到远端端部132的位置到达目标位置118时为止。作为另一个示例，张力可以增大直到如由用于确定远端端部132的位置的EM跟踪系统480或惯性跟踪系统测量或跟踪到远端端部132的位置到达目标位置118时为止。在某些情况下，拉线的张紧会轴向压缩柔性器械，从而缩短柔性器械的远端长度。在这种情况下，控制信号可以通过使柔性器械被插入到解剖结构中一段校正该轴向压缩的距离来补偿这种缩短。

驱动机构500可以包括用于监控引导件130的远端部分的运动和位置的张力感测系统。该张力感测系统可以被配置成通过检测由引导件130的远端端部132的偏转或运动引起的拉线556的张紧的变化来检测和/或测量引导件130的远端端部132的偏转或运动。例如，驱动机构500可以监控拉线556的特定拉线，以监控用于张力的增大或减小的这些特定拉线。

例如，驱动机构500可以包括一个或更多个电应变仪554，所述一个或更多个电应变仪554用于基于拉线556的张紧的任何测量到的变化来检测/测量拉线556的偏转。例如，在某些实施方式中，应变仪554被联接在对应于各马达551的马达底座558与应变仪底座557之间。相应地，应变仪554可以被封装并焊接到应变仪底座557并且使用螺钉附接到马达底座558。可以使用侧螺钉将应变仪554保持就位到其相应的马达底座上。应变仪554中的仪器接线可以竖向布置，以检测驱动机构中的任何竖向应变或挠曲，所述竖向应变或挠曲被测量为马达底座558相对于应变仪底座557的水平位移。应变量可被测量为应变仪554的梢部的水平位移与应变仪554的总水平宽度之比。因此，应变仪554可以最终测量由拉线556施加在轴553上的力。

应变仪554可以被配置为使得拉线556中的任何拉线的张紧的任何变化均可以被检测到和测量出。可以对驱动机构500进行校准，以使得在应变仪554中测量的应变可以相关于引导件130的位置、诸如远端端部132的位置和/或可关节运动区域128的偏转角116。因此，可以检测和/或测量远端端部132的位置的任何变化。

来自应变仪554和/或来自与应变仪554联接的电路的数据信号可以被传送到控制器(例如，在图5所示的驱动机构500内或在图7所示的命令中心700内)。该数据信号可以包含指示拉线556的张紧的变化、拉线556的运动和/或护套120的运动的数据。因此，诸如因将可插入器械140插入工作通道139内或穿过引导件130的可关节运动区域138而发生的引导件130的偏转可以通过驱动机构500或其部件来检测和/或测量。

图6A示出了机器人系统600的实施方式。类似于机器人系统100，系统600可以包括护套620、引导件630和可插入器械640。引导件630被配置为插入到患者的管腔(未示出)中并在患者的管腔网络内被导航。例如，护套620和引导件630可以分别具有与上述护套120和引导件130相同或相似的结构和原理。

引导件630可以包括远端端部632、近端端部634、在远端端部632与近端端部634之间延伸的杆轴636以及杆轴636的可关节运动区域638。可关节运动区域638被配置为相对于杆轴636进行关节运动，以利于导航引导件630在从护套620的远端端部622伸出后穿过患者的管腔。通过使可关节运动区域638进行关节运动以选择远端端部632的路径，并且通过从近端端部634推进杆轴636和远端端部632穿过患者的管腔可以引导远端端部632穿过患者的管腔。类似于上述，护套620可以与引导件630一起前进并提供对引导件630的支承，诸如用于使可关节运动区域638进行关节运动并进一步推进引导件630。以这种方式，可以导航远端端部632穿过患者的管腔至目标位置(例如，参见图2B中的目标位置118)。可关节运动区域638位于近端端部634与远端端部632之间，并且在本示例中与远端端部632相邻。这种布置可以有助于导航引导件630穿过患者的管腔网络。与引导件130的远端端部132类似，引导件130可以包括用于导航患者的管腔的传感器，诸如关于图4A至图5所描述的那些。以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统都可以用来跟踪远端端部632的位置或检测远端端部632的位置的变化。

与图1A中所示的护套120相似，图6A所示的护套620可以包括远端端部622、近端端部624、在远端端部622与近端端部624之间延伸的杆轴626、以及杆轴626的可关节运动区域628。可关节运动区域628可以相对于杆轴626进行关节运动，以便有助于导航护套620穿过患者的管腔并为引导件630提供支承。

包括护套620的近端端部624的近端部分可以由第一机械臂650支承，该第一机械臂650构造成引导或导航护套620穿过患者的管腔，并且该第一机械臂650与驱动机构654联接。第一机械臂650和驱动机构654可以包括与在以上讨论的机器人系统100中的第一机械臂150和驱动机构154相似的结构和功能特征。第一机械臂650可以包括：基部652和在从基部652延伸的在关节处联接的多个臂区段；电源；气动压力部；控制和传感器电子器件，包括诸如例如中央处理单元656、数据总线、控制电路和存储器658之类的部件；以及诸如马达之类的用于移动第一机械臂650的相关的致动器。基部652可以包括用于运输机器人系统600的轮和用于这些轮的轮锁/制动器。如以上关于图5进一步描述的，驱动机构654还可以操纵拉线的张紧以使可关节运动区域628进行关节运动。

包括引导件630的近端端部634的近端部分可以由第二机械臂660支承，该第二机械臂660被配置为引导或导航引导件630穿过护套620的杆轴626的内腔并进入患者的管腔。如同第一机械臂650一样，第二机械臂660可以包括基部662、在关节处联接的多个臂区段、用于保持第二机械臂660的位置的制动器和/或平衡器。

可以将端部执行器或驱动机构664与第二机械臂660联接以控制引导件630。类似于驱动机构154、164，驱动机构664可以包括至引导件630的连接器并操纵引导件630的定位。如以上关于图5进一步描述的，驱动机构664还可以操纵拉线的张紧以使可关节运动区域638进行关节运动。类似于第一机械臂150的基部152，第二机械臂660的基部662可以包括电源、气动压力部、控制和传感器电子器件、中央处理单元666、数据总线、控制电路、以及存储器668、以及诸如马达之类的用于移动第二机械臂660的相关的致动器。在此过程中，使用者可以使用控制装置(例如命令中心)来控制第二机械臂660。

类似地，可插入器械640的近端端部644可以由第三机械臂670和/或器械操纵器674支承，并且被构造为引导可插入器械640并控制可插入器械640执行医疗程序。第三机械臂670和器械操纵器674可以包括与第一机械臂650和第二机械臂660以及机器人系统100中的机械臂相似的结构和功能特征。然而，这里可插入器械640被插入引导件630的工作通道639中并沿着引导件630的工作通道639引导。与第一机械臂650一样，第三机械臂670可以包括基部672、在关节处联接的多个臂区段、用于保持第三机械臂670的位置的制动器和/或平衡器。第三机械臂670的基部672可以包括：电源；气动压力部；控制和传感器电子器件，包括诸如例如中央处理单元676、数据总线、控制电路以及存储器678之类的部件；以及诸如马达之类的用于移动第三机械臂670的相关的致动器。第三机械臂670的基部672可以包括轮和用于这些轮的锁/制动器。

替代性地，可插入器械640可以被配置为诸如由医师手动操作。在这样的实施方式中，可插入器械640可以包括EM传感器482，该EM传感器482被配置为提供可以跟踪可插入器械640在工作通道629内或进入患者的管腔中的位置的数据，如以上关于EM传感器482所描述的。

可插入器械640可以具有各种物理特征，诸如使其可以被插入工作通道629中的足够小的直径、足以延伸穿过引导件630的长度、重量以及沿其长度的抗弯刚度。在一些实施方式中，可插入器械640包括识别标签，该标签对应于或包含关于特定可插入器械640的信息，并且包括诸如器械的物理特性的信息。在一些实施方式中，机器人系统600可以基于标签自动识别可插入器械640。例如，标签可以是RFID标签、条形码或类似物。在一些实施方式中，与可插入器械640相关联的物理特性被机器人系统600考虑，来确定由于可插入器械640向引导件630中的插入而引起的引导件630的预期的偏转响应。

在一些实施方式中，为了增大系统600进入患者的管腔的抵达程度，例如，以获得对患者的肺的外围的接近，诸如直径比引导件630的直径更小的扩展的工作通道之类的可插入器械可以插入到引导件630的工作通道639中，并在引导件630的远端端部632处伸出进入到患者的管腔中。然后，该扩展的工作通道的远端端部可以被伸出或导航到与患者的管腔的用于实现医疗程序的组织部位相对应的目标位置618。可插入器械640的远端端部642被配置成插入穿过该扩展的工作通道的工作通道并前进至其远端端部并接近用于执行医疗程序的组织部位。由此仅该扩展的工作通道即可以增大引导件130的接近或抵达程度。

在某些医疗程序中，引导件630或护套620的尺寸和/或柔性增大了因引导件630的穿过而对患者的管腔造成损伤的可能性。因此，在某些医疗程序中仅使用不带护套620的引导件630可能是期望的。例如，可以将引导件630推进到患者的管腔中并利用第二机械臂660进行控制。由于在这种实施方式中，引导件630的直径可以大于与护套620结合使用的引导件630的直径，因此该引导件630可以带或不带扩展的工作通道来使用，以便获得对患者肺部外围的接近。

图6B描绘了配置成控制一个或更多个器械的前进和操作的器械操纵器的实施方式。尽管以下出于说明性目的参照机器人系统600进行了描述，但是在一些实施方式中，此处所述的器械操纵器674也可以与机器人系统100结合使用，以代替对可插入器械140的手动控制。参照图6B，器械操纵器674可以构造成支承可插入器械640的近端端部644并与第三机械臂670结合。器械操纵器674和/或机械臂670可以导航可插入器械140的远端端部142穿过引导件630的工作通道639以接近组织部位。

在一个示例中，可插入器械640可以是针头组件。针头组件包括针套647、针645和连接到针头的管状细长杆649。第三机械臂670可以构造成定位针头组件并保持对针头组件的定位。第三机械臂670可以包括用于控制和施用治疗剂的第一握持部分682以及可以分别固定杆649和针套647的两个另外的握持部分684、886。在一些实施方式中，第一握持部分682、第二握持部分684和第三握持部分686可以如上所述位于同一机械臂上，或者以任何组合位于不同的机械臂上。第一握持部分682可以包括一个或更多个致动器688，所述致动器688用于控制例如注射器和/或机械地控制注射器的柱塞。第三握持部分686可以保持针套647的固定定位。第二握持部分684可以构造成将杆649的近端端部向近端和向远端移动，以将针头645移入和移出针套647和/或移至对组织部位实施采样。

器械的其他示例包括但不限于钳子、刷子、手术刀、激光器、螺旋钻、摄像机和探针。在一些实施方式中，可插入器械640可以在术中用器械的其他实施方式替代以在单个程序中执行多个治疗方面。作为另一示例，器械操纵器674可以包括类似于本文所描述的驱动机构的具有至少一个拉线的驱动机构，诸如用于使用所述至少一个拉线来致动钳子。在其他示例中，器械操纵器可以包括用于操作可插入器械640来执行各种医疗程序的各种马达、压力调节器、电连接器等。因此，器械操纵器674可以具有各种配置以适应多种器械类型。

图7示出了可以例如与以上描述的机器人系统结合使用的命令中心700。命令中心700包括控制台基部701、例如显示器的显示模块702以及例如键盘703和操纵杆704的控制模块。在一些实施方式中，命令中心700功能的一个或更多个功能可以集成到位于机器人系统上或位于通信地联接到机器人系统的另一系统上的控制器中。使用者705、例如医师可以使用命令中心700从人机工程位置远程控制机器人系统。

控制台基部701可以包括中央处理单元、存储器单元、数据总线以及相关联的数据通信端口，所述数据通信端口负责解释和处理诸如来自以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统的数据之类的信号，所述跟踪系统包括但不限于：张力感测系统、光学跟踪系统、惯性跟踪系统、EM跟踪系统和生理跟踪系统。

控制台基部701还可以通过控制模块703和控制模块704处理由使用者705提供的命令和指令。除了在图7中所示的键盘703和操纵杆704之外，控制模块可以包括其它装置，例如，计算机鼠标、触控板、轨迹球、控制板、诸如手持式遥控器之类的系统控制器、以及捕获手势和手指姿势的传感器(例如运动传感器或摄像机)。系统控制器可以包括映射到器械的操作(例如，关节运动、驱动、水冲洗等)的一组用户输入(例如，按钮、操纵杆、指向柄等)。

使用者705可以使用命令中心700在例如速度模式或位置控制模式下控制柔性器械(例如，护套120、引导件130、护套620或引导件630，尽管本文中针对引导件130进行了描述)。在速度模式下，使用者705使用控制模块基于直接手动控制而直接控制引导件130的远端端部132的俯仰和横摆运动。例如，操纵杆704上的运动可以被映射为引导件130的远端端部132的横摆和俯仰运动。操纵杆704可以向使用者705提供触觉反馈。例如，操纵杆704可以振动以指示引导件130不能进一步沿某一方向平移或旋转。命令中心700还可以提供视觉反馈(例如，弹出消息)和/或音频反馈(例如，蜂鸣声)以指示引导件130已达到最大平移或旋转。由于系统在患者呼气期间以安全模式操作，因此也可以提供触觉和/或视觉反馈，如下面更详细描述的。

在位置控制模式下，命令中心700可以使用患者管腔的三维(3D)映射和来自如本文所描述的导航传感器的输入来控制手术器械、例如引导件130。命令中心600向机器人系统100的机械臂提供控制信号以诸如通过控制可关节运动区域128的关节运动角116而将远端端部122(或远端端部632)操纵到目标位置118。

在一些实施方式中，引导件130的模型以3D模型显示，以帮助指示手术程序的状态。例如，CT扫描识别可能需要进行活检的解剖学病变部位。在手术期间，显示模块702可以示出由引导件130捕获的与引导件130的当前位置相对应的参照图像。显示模块702可以根据用户设置和特定手术程序自动显示引导件130的模型的不同视图。例如，在如引导件130接近患者的手术区域的导航步骤期间，显示模块702示出引导件130的俯视荧光透视图。

示例性偏转补偿技术

根据本公开的一个或更多个方面，图8描绘了用于检测和补偿柔性器械的远端端部的偏转的跟踪补偿过程800的实现方式的流程图。出于说明性目的，参照机器人系统100描述了过程800；然而，过程800也可以在其他合适的机器人系统上实现。

过程800可以基于机器人系统100的条件和/或到机器人系统100中的输入开始。例如，过程800可以基于或响应于第一器械的位置、例如可插入器械140在引导件130的工作通道139内的位置而开始。例如，过程800可以基于可插入器械140的远端端部142的在引导件130的工作通道139内的特定位置、诸如靠近引导件130的可关节运动区域138(例如，在约10cm之内)或引导件132的远端端部132而开始。在另一个示例中，系统100可以确定使用者通过诸如在命令中心700处的用户接口或用户输入装置正在手动触发过程800。在又一示例中，当系统100利用以上描述的跟踪系统中的一个跟踪系统识别出引导件130的远端端部132已经被导航到目标位置118时，过程800可以被自动触发。在又一个示例中，响应于没有进一步的用户输入或命令来移动或操纵系统100的任何可控制元件，过程800被初始化。

在框810处，系统100可以确定(例如，检测或测量)第一器械的初始位置。所述第一器械可以包括：杆轴，其包括近端部分和远端部分，远端部分包括可关节运动区域和远端端部，杆轴包括延伸穿过其中的工作通道；以及和至少一个拉线。框810可以包括确定柔性器械的远端端部(例如，引导件130的远端端部132)的初始位置。在一些实现方式中，初始位置可以对应于目标位置118。

用于监控远端端部132的位置的上述跟踪系统中的任何跟踪系统可以用于检测远端端部132的初始位置。例如，EM跟踪系统480可以将关于传感器484的指示远端端部132的初始位置的数据中继到控制器；并且/或者惯性跟踪系统可以中继关于传感器460的指示远端端部132的初始位置的数据。电应变仪554可以中继基于拉线556的张紧指示远端端部132的初始位置的数据。光学跟踪系统的摄像机450可以中继基于光学定位指示远端端部132的初始位置的数据。

在框820处，系统100可以基于来自至少一个传感器的数据信号检测响应于第二器械向第一器械的工作通道中的插入的杆轴的远端端部的位置变化(例如，偏转)。例如，框820可以包括基于来自至少一个传感器的数据信号，检测例如响应于可插入器械140向引导件130的工作通道139中的插入的引导件130的远端端部132相对于初始位置的位置变化。用于监控远端端部132的位置的以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统都可以用于检测远端端部132的偏转。控制器可以接收来自张力感测系统、光学跟踪系统、惯性跟踪系统和/或EM跟踪系统480的指示偏转的数据。例如，EM跟踪系统480可以将关于传感器484的指示远端端部132的位置的变化的数据中继至控制器；惯性跟踪系统可以将关于传感器460的指示远端端部132的位置的变化和/或偏转的位置119的数据中继到控制器；光学跟踪系统可以将来自摄像机450的指示远端端部132的位置变化的数据中继至控制器；并且/或者张力感测系统500可以将来自应变传感器554的指示可关节运动区域138的关节运动角116的变化的数据中继至控制器。

在一些示例中，测量位置变化可以涉及滤除与远端端部132的偏转(例如，关节运动角116的变化)不同和/或不指示远端端部132的偏转的患者的生理运动(例如，呼吸模式)。例如，在过程800中的框820处、之前或之后，控制器可以接收来自身体生理运动传感器490的数据信号。系统100因此可以考虑(例如，补偿)由于患者的生理运动导致的远端端部132的检测到的位置变化。

在框830处，系统100可以基于检测到的杆轴的远端端部的位置变化来生成至少一个控制信号。例如，框830可以包括基于来自跟踪系统的指示远端端部132的位置变化的数据生成至少一个控制信号。所生成的控制信号可以至少部分地基于初始位置、任何检测到的偏转的大小、方向和/或角度、和/或来自生理运动传感器490的信号。

该控制信号可以包括用于使远端端部132返回到初始位置的指令。在一些实施方式中，控制信号可以包括用于使远端端部132返回到目标位置118的指令。例如，控制信号可以包括用于驱动机构164调整引导件130的拉线556中的至少一个拉线的张紧以补偿该偏转从而使远端端部132返回到初始位置的指令。替代性地或附加地，控制信号可以包括用于驱动机构154调整护套120的拉线中的至少一个拉线的张紧以使引导件130的远端端部132返回到其初始位置的指令。

在方框840处，系统100可以基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于使杆轴的远端端部返回到初始位置。例如，框840可以包括基于所述至少一个控制信号来调整引导件130和/或护套120的至少一个拉线的张紧。例如，驱动机构164和/或驱动机构154可以执行控制信号中的指令，并调整(引导件130和/或护套120的)一个或更多个拉线的张紧以使远端端部132返回到初始位置，从而补偿由于可插入器械140的插入而导致的远端端部132的任何偏转。

系统100可以基于若干条件中的任何条件结束过程800。在一个示例中，系统100当检测到引导件130的远端端部132在检测出位置变化之后已经返回到初始位置时结束过程800。在另一示例中，系统100响应于收到来自使用者的例如经由命令中心700的首要的输入控制信号而结束过程800。在另一示例中，系统100基于检测到通过使用者的手动输入来结束过程800。在另一示例中，过程800可以因可插入器械140在引导件130的工作通道139内的位置和/或运动的方向(例如，撤回)而结束。例如，由EM跟踪系统480检测到的运动可以指示可插入器械140从可关节运动区域138和/或从工作通道139撤回。

替代性地，已经检测到远端端部132相对于初始位置的一次偏转，随着系统100继续跟踪或监控远端端部132的位置，可以重复过程800。远端端部132的偏转的后续检测、生成控制信号、以及对引导件130和/或护套120的拉线556的张紧的调整可以如上所述地继续进行。

在另一实现方式中，可以使用机器人系统600并通过检测引导件630的远端端部632的偏转来执行以上所描述的过程800。在框810处，系统600可以使用以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统来检测引导件630的远端端部632的初始位置(例如，目标位置618)。在框820处，系统600可以比方说例如通过使用张力感测系统或EM跟踪系统480和/或本文中所描述的任何其他跟踪系统来检测引导件630的远端端部632的位置变化(例如，偏转)。替代性地或附加地，可以使用以上描述的跟踪系统中的任何跟踪系统检测护套620的远端端部622的偏转，该偏转也可以指示需要补偿的引导件630的远端端部632的偏转。

在框830处，系统600可以基于来自跟踪系统的指示位置变化、检测到的偏转的数据、来自生理运动传感器490的数据和/或指示偏转的大小的数据来生成至少一个控制信号。控制信号可以包括用于使远端端部632返回到初始位置的指令(例如，用于驱动机构664调整引导件630的拉线556中的至少一个拉线的张紧的指令)。替代性地或附加地，控制信号可以包括用于驱动机构654调整护套620的拉线中的至少一个拉线的张紧以使引导件630的远端端部632返回到其初始位置的指令。

在框840处，驱动机构664和/或驱动机构654可以执行控制信号中的指令，调整引导件630和/或护套620的一个或更多个拉线的张紧以使引导件630的远端端部632返回到初始位置。

根据本公开的一个或更多个方面，图9描绘了基于控制第一器械的至少一个拉线来补偿第一器械(例如，柔性器械)的偏转的示例性过程的流程图。出于说明性目的，参照机器人系统100描述了过程900；然而，过程900也可以在其他合适的机器人系统上实现。

该过程900可以基于若干条件中的任何条件或至系统100的输入而开始。在框910处，系统100可以检测第二器械向第一器械的工作通道中的插入，其中，第二器械可以包括近端端部和远端端部。第一器械可以包括：杆轴，该杆轴包括近端部分和远端部分，该远端部分包括可关节运动区域；以及至少一个拉线。所述条件可以基于可插入器械140的在引导件130的工作通道139内的位置(例如，可插入器械140的远端端部142的特定位置)，诸如可插入器械140到引导件130的可关节运动区域138或远端端部132的靠近度(例如，在约2cm、5cm、10cm或任何其他合适的阈值距离内)。附加地或替代性地，系统100可以确定使用者正在通过诸如在命令中心700处的用户接口手动触发过程900的开始。在一个示例中，当系统100识别出远端端部132处于目标位置118时(例如，基于系统100自动检测到该条件和/或基于系统100收到指示该条件的用户输入)，可以自动初始化过程900。在又一示例中，响应于没有进一步的用户输入或命令来移动或操纵系统100的任何可控制元件，过程900被初始化。

在一个实施方式中，系统100可以跟踪可插入器械140的穿过工作通道139的前进。例如，EM跟踪系统480可以将关于可插入器械140的传感器482的指示远端端部142在工作通道139内的位置的数据中继到控制器。相对于工作通道130的位置可以包括远端端部142在引导件130的可关节运动区域138和/或远端端部132处的靠近度和/或到达。

在框920处，系统100可以计算第二器械的远端端部在可关节运动区域内的位置。例如，框920可以包括基于来自EM跟踪系统480的数据和/或机器人控制数据来计算第二器械的远端端部在可关节运动区域内的位置。

在框930处，系统100可以基于第二器械的远端端部在可关节运动区域内的计算出的位置来生成至少一个控制信号。在其他实施方式中，所述至少一个控制信号可以基于源自第二器械的远端端部在可关节运动区域内的计算出的位置的第一器械的预测的偏转。控制信号可以包括用于防止远端端部132相对于目标位置118偏转或另外基于预测的偏转来使远端端部132返回到目标位置的指令。例如，控制信号可以包括用于驱动机构164调整引导件130的拉线556中的至少一个拉线的张紧以防止或最小化可能以别的方式发生的任何偏转的指令。在一些实施方式中，控制信号可以包括用于驱动机构154(或驱动机构154、164两者)调整拉线中的至少一个拉线的张紧以将远端端部132保持在目标位置118处的指令。应当理解，在某些情况下，由于拉线上的张拉度增大，引导件可能会压缩。在这种情况下，控制信号同样可以指示控制引导件的机械臂使引导件被插入与引导件将经历的压缩有关的特定距离。以此方式，沿着引导件的长度的插入和压缩的组合使得引导件的远端端部保持其在解剖结构内的位置(例如，目标位置118)。

在框940处，系统100的驱动机构500可以基于至少一个控制信号来调整至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于保持杆轴的远端部分的位置。例如，框940可以包括执行控制信号中的指令并调整引导件130的拉线556的张紧。在一些实施方式中，包含在控制信号中的指令与可插入器械140的远端端部142在工作通道139内的可确定位置相协调地执行。例如，可确定位置可以利用来自可插入器械140上的EM传感器482的数据来计算。在该方法的其他实现方式中，诸如利用以上描述的系统600，可以基于各机械臂的已知位置及其相互之间的关系来计算可确定位置。在一些实现方式中，在可插入器械140的远端端部142被插入到特定的可确定位置(诸如在可关节运动区域138内)之前执行控制信号的指令。在这种先发模式或方法中，远端端部132可以因控制信号暂时偏离目标位置118，但是一旦可插入器械140被推进到诸如可关节运动区域138或远端端部132之类的第二可确定位置，远端端部132即返回到目标位置118。在另一个实施方式中，可以在可插入器械140的远端端部142被推进到远端端部132或穿过可关节运动区域138之后执行控制信号的指令。在这样的模式或方法中，远端端部132暂时偏转然后在控制信号被完全执行之后返回到目标位置118。

在先发方法的另一示例中，系统100通过与可插入器械140的远端端部142的可确定位置相协调地执行控制信号(例如，基本上同时)，使远端端部132的相对于目标位置的偏转的程度或幅度最小化，从而最小化了远端端部132经历的偏转量。例如，当可插入器械的远端端部142被推进穿过可关节运动区域138时可以执行控制信号以便以增量调整一个或更多个拉线的张紧。

过程900的结束可以由来自使用者或命令中心700或系统100的另一部件的首要输入控制信号触发。在一个示例中，过程900的结束也可以通过系统100收到使用者的手动输入来触发。在另一个示例中，过程900的结束可以通过自动检测可插入器械140的远端端部142在工作通道139内的位置来触发，诸如可插入器械140正在从工作通道中撤回或已从可关节运动区域138撤回的位置指示。

根据一个或更多个方面，提供了一种过程，该过程包括计算由于可插入器械140插入穿过可关节运动区域138而导致的第一器械、例如远端端部132相对于目标位置118的预测的偏转。计算出的预测的偏转可以基于一个或更多因素，比方说例如可插入器械140在工作通道139内的位置、该器械的相对于引导件130的可关节运动区域138的位置和/或可关节运动区域138的关节运动角116。计算出的预测的偏转还可以基于例如引导件130和/或可插入器械140(包括其拉线)的物理特性，诸如长度、直径、重量、弹性和/或抗弯刚度等。

在一些实施方式中，系统100通过识别可插入器械140和/或将其与可插入器械140的已知的物理特性相关联来计算该预测的偏转。例如，可插入器械140可以基于其标签、诸如可以包含有关该特定器械的信息(例如，物理特性)的RFID标签来识别。可插入器械140可以与该器械的一组物理特性相关联，所述物理特性比方说例如是可插入器械140的器械直径、长度、重量和/或特定部分的抗弯刚度。在计算预测的偏转时，系统100可以考虑所述信息。在一些实施方式中，在基于来自与EM跟踪系统480结合使用的EM传感器482的数据来计算补偿时考虑可插入器械140的远端端部142的位置。

在一些实施方式中，可以由与系统100通信联接的控制器或计算装置利用以上描述的因素和物理特性以及引导件130和/或可插入器械140的预测性数学模型来计算预测的偏转。在其他实施方式中，预测的偏转是已知的/存储在存储器中或在数据库中查找。在这样的实施方式中，可以基于关于系统100的信息(例如，引导件130或可插入器械140的物理特性、关节运动角116、一个或更多个拉线554中的张力或系统100的其他特性)在相应的数据库中查找适当的控制信号和/或预测的偏转。例如，给定可关节运动区域138的已知关节运动角116、已知引导件130和已知可插入器械140，则可在与这些变量相关的数据库中查找预测的偏转。

替代性地，已经计算出远端端部132的一次预测的偏转，随着系统100继续跟踪或监控可插入器械140的位置，可以重复上述过程900。可以如上所述地对预测远端端部132的偏转的后续计算进行处理，直到过程900结束。

在另一实现方式中，可以利用机器人系统600并通过预测引导件630的远端端部632的偏转来执行以上描述的过程900。在框910处，系统600基于系统600的位置、模型、传感器和/或控制器跟踪可插入器械640在工作通道639内的位置。例如，系统600可以基于分别引导和支承护套620、引导件630和/或可插入器械640的机械臂650、660和/或670的机器人插入数据来跟踪可插入器械640的位置。所述机器人插入数据可以例如包括指示可插入器械640的远端端部642，例如在远端端部642前进穿过工作通道639时，相对于引导件630的可关节运动区域638和/或远端端部632的位置和取向的数据。

在框920处，系统600可以至少部分地基于第一器械或第一器械的部件的姿势来计算引导件630的远端端部632的相对于目标位置618的预测的位置变化或偏转。例如，系统600可以基于引导件630和/或护套620的位置和取向(例如，关节运动角616和/或拉线556中的张力)来计算预测的位置变化。在另一示例中，系统600可以基于系统的一个或更多个物理特性，诸如引导件630和/或可插入器械640的物理特性(例如，可插入器械640的抗弯刚度和/或引导件630的可关节运动区域638的抗弯刚度)来计算(或在数据库中查找)预测的位置变化，在一些示例中，这些物理特性可以被编码到引导件630和/或可插入器械640上的RFID标签等中(由例如系统600的RFID读取器或扫描仪读取)。

在框930处，系统600可以基于该预测的偏转生成控制信号。该控制信号可以包括用于使远端端部632返回到目标位置618的指令。在一些实施方式中，控制信号可以包括使驱动机构654(或驱动机构654和664两者)调整拉线556中的至少一个拉线的张紧以补偿该预测的偏转从而使远端端部632返回到目标位置618的指令。

在框940处，系统600的驱动机构500可以执行控制信号中的指令并调整一个或更多个拉线556的张紧。在一些实施方式中，控制信号中包含的指令被与可插入器械640的远端端部642在工作通道639内的可确定位置相协调地执行。例如，控制信号可在远端端部642被推进到可确定位置之前执行，控制信号可在远端端部642被推进到可确定位置之后被执行，或者控制信号可以与远端端部642的穿过引导件630的工作通道639的前进同时(例如，增量地)执行。

另外的实现方式

根据一个或更多个方面，提供了一种机器人系统，该机器人系统包括：第一器械，该第一器械包括(i)包括近端部分和远端部分的杆轴，该远端部分包括可关节运动区域，该杆轴包括延伸穿过其中的工作通道，(ii)以及至少一个拉线。该机器人系统还可以包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为响应于第二器械向工作通道中的插入来检测第二器械的远端端部在工作通道内的位置。该机器人系统还可以包括至少一个在其上存储了可执行指令的计算机可读存储器以及一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器与所述至少一个计算机可读存储器通信并被配置为执行指令以使该系统至少进行以下操作：基于来自所述至少一个传感器的数据信号计算第二器械的远端端部的在工作通道内的位置；以及基于计算出的位置生成至少一个控制信号。机器人系统还可以包括驱动机构，该驱动机构在杆轴的近端部分处连接至所述至少一个拉线，该驱动机构被配置为基于所述至少一个控制信号利用所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于保持杆轴的远端部分的位置。

在相关方面，驱动机构可以被构造成在下述情况下利用所述至少一个拉线的张紧：在第二器械的远端端部相对于可关节运动区域前进到可确定位置时；在第二器械的远端端部前进到可确定位置之前；和/或在第二器械的远端端部前进到可确定位置之后。

在另外的相关方面，所述一个或更多个处理器可以被配置为执行指令以使系统：检测第二器械上的标识符；以及进一步基于检测到的标识符生成至少一个控制信号。

在另外的相关方面，所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于检测到的标识符来确定第二器械的至少一种物理特性，其中：第二器械的所述至少一种物理特性包括抗弯刚度值；以及所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使系统进一步基于该抗弯刚度值生成所述至少一个控制信号。

在另外的相关方面，所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统：确定杆轴的可关节运动区域的关节运动角；以及进一步基于所述关节运动角生成所述至少一个控制信号。

在另外的相关方面，所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于读取第二器械的RFID标签来检测标识符。

在相关方面，机器人系统可以还包括EM场发生器，其中：所述至少一个传感器包括位于第二器械的远端端部处的一组一个或更多个EM传感器；并且所述一个或更多个处理器被配置为执行指令以使系统基于来自所述一组EM传感器的数据来计算EM传感器组在EM场内的位置，并进一步基于该组EM传感器的计算的位置来计算第二器械的远端端部的在工作通道内的位置。

根据一个或更多个方面，提供了一种控制第一器械的至少一个拉线的方法，该方法包括：检测第二器械向第一器械的工作通道中的插入，第二器械包括近端端部和远端端部，第一器械包括杆轴和所述至少一个拉线，该杆轴包括近端部分和远端部分，该远端部分包括可关节运动区域；计算第二器械的远端端部在可关节运动区域内的位置；基于计算出的位置生成至少一个控制信号；以及基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于保持杆轴的远端部分的位置。

在相关的方面，该方法可以进一步包括在下述情况下调整所述至少一个拉线的张紧：在第二器械的远端端部前进到相对于可关节运动区域的可确定位置时；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之前；在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之后。

在其他相关方面，该方法可以进一步包括：检测第二器械上的标识符；以及进一步基于检测到的标识符生成所述至少一个控制信号。

在另外的相关方面，该方法可以进一步包括基于检测到的标识符来确定第二器械的至少一种物理特性，其中，所述至少一个控制信号是进一步基于所述至少一种物理特性生成的。所述至少一种物理特性可以包括第二器械的抗弯刚度值。标识符的检测可以包括读取第二器械的RFID标签。

在另外的相关方面，第二器械的远端端部的在可关节运动区域内的计算的位置可以基于来自第一器械的远端端部上的至少一个EM传感器的数据。

根据一个或更多个方面，提供了一种在其上存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使至少一个计算装置至少针对包括至少一个拉线和可关节运动区域的第一器械：检测第二器械向第一器械的工作通道中的插入；计算第二器械的远端端部在可关节运动区域内的位置；基于计算出的位置生成至少一个控制信号；并基于所述至少一个控制信号调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的张紧有助于保持第一器械的远端部分的位置。

在相关的方面，使所述至少一个计算装置调整张紧的指令可以使所述至少一个计算装置在第二器械的远端端部前进到相对于可关节运动区域的可确定位置时调整所述至少一个拉线的张紧。

在另外的相关方面，使所述至少一个计算装置调整张紧的指令可以使所述至少一个计算装置在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之前调整所述至少一个拉线的张紧。

在另外的相关方面，使所述至少一个计算装置调整张紧的指令可以使所述至少一个计算装置在第二器械的远端端部前进到该可确定位置之后调整所述至少一个拉线的张紧。

在另外的相关方面，使所述至少一个计算装置调整张紧的指令可以使所述至少一个计算装置：检测第二器械上的标识符；并且进一步基于检测到的标识符生成所述至少一个控制信号。

在另外的相关方面，使所述至少一个计算装置调整张紧的指令可以使所述至少一个计算装置基于检测到的标识符确定第二器械的至少一种物理特性，其中，所述至少一个控制信号是进一步基于所述至少一种物理特性而生成的。所述至少一种物理特性可以包括第二器械的抗弯刚度值。

实现系统和术语

本文公开的实现方式提供了用于改进的管腔导航的系统、技术和装置。

应当注意的是，如本文中使用的术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接的(coupled)”或词语联接的其他变体可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可以通过另一部件间接连接到第二部件或者直接连接到第二部件。

本文所描述的自动补偿功能可以作为一个或更多个指令存储在处理器可读介质或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可以由计算机或处理器访问的任何可用介质。以示例而不是限制的方式来说，这种介质可以包括RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)、闪存、CD-ROM(只读压缩光盘存储器)或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁性存储设备、或可用于存储指令或数据结构形式的所需程序代码且可由计算机访问的任何其他介质。应当注意的是计算机可读介质可以是有形的和非暂时性的。如本文所用，术语“代码”可以指代由计算装置或处理器可执行的软件、指令、代码或数据。

本文公开的技术包括用于实现所描述的方法的一个或更多个步骤或动作。所述方法步骤和/或动作在不背离替代性方案的范围的情况下可以彼此互换。换句话说，除非步骤或动作的特定顺序是所描述的方法的正确操作所要求的，否则所述特定步骤和/或动作的顺序和/或使用在不背离替代性方案的范围的情况下可以被修改。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件表示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，因此，“确定”可以包括计算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或其他数据结构中查找)，认定等等。而且，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。同样，“确定”可以包括解析、挑选、选择、建立等。

短语“基于”并不意味着“仅基于”，除非另外明确地指定。换句话说，短语“基于”描述了“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的实现方式的前文描述以使本领域的任何技术人员能够制造或使用本公开。对这些实现方式的各种改型对于本领域技术人员而言将是明显的，本文中定义的一般原理可以应用于其他实现方式而不背离本公开的范围。例如，将理解的是，本领域的一名普通技术人员将能够采用许多相应的替代和等同的结构细节，诸如等同方式的紧固、安装、联接或接合工具部件、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于输送电能的等同机构。因此，本公开内容不意在限于本文所示的实现方式，而是应被赋予与本文公开的原理和新颖性特征一致的最广范围。

Claims (19)

1.一种机器人系统，包括：

第一器械，所述第一器械包括：

杆轴，所述杆轴包括近端部分和远端部分，所述远端部分包括可关节运动区域和远端端部，所述杆轴包括延伸穿过其中的工作通道；以及

至少一个拉线；

第二器械，所述第二器械至少部分地设置在所述杆轴的所述工作通道内；

至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为检测所述杆轴的所述远端端部的位置；

至少一个计算机可读存储器，所述至少一个计算机可读存储器上存储有可执行的指令；

一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器与所述至少一个计算机可读存储器通信，并且被配置为执行所述指令以使所述系统至少：

确定所述第二器械的位置；以及

响应于所述第二器械的所确定的位置：

基于来自所述至少一个传感器的数据信号自动地检测所述杆轴的所述远端端部的响应于所述第二器械向所述杆轴的所述工作通道中的插入的位置变化；

基于检测到的所述位置变化自动地生成至少一个控制信号；以及

驱动机构，所述驱动机构在所述杆轴的所述近端部分处连接至所述至少一个拉线，所述驱动机构配置成基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的所述张紧有助于使所述杆轴的所述远端端部朝向所述位置变化发生之前的初始位置返回。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述确定所述第二器械的位置包括确定所述第二器械的远端端部位于所述杆轴的所述远端部分的所述可关节运动区域。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括电磁场发生器，其中：

所述至少一个传感器包括位于所述杆轴的所述远端端部处的第一组一个或更多个电磁传感器；以及

所述一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统：基于来自第一组电磁传感器的数据计算所述第一组电磁传感器在电磁场内的第一位置；并且基于计算出的所述第一位置检测所述杆轴的所述远端端部的所述位置变化。

4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中：

所述第二器械还包括位于所述远端端部处的第二组一个或更多个电磁传感器；以及

所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使所述系统：基于来自第二组电磁传感器的数据计算所述第二组电磁传感器在所述电磁场内的第二位置；以及进一步基于计算出的所述第二位置生成所述至少一个控制信号。

5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述至少一个传感器包括位于所述杆轴的所述远端端部处的一组一个或更多个惯性传感器；并且

所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使所述系统：基于来自所述一组一个或更多个惯性传感器的数据来计算所述一组一个或更多个惯性传感器的第一位置；以及进一步基于计算出的所述第一位置生成所述至少一个控制信号。

6.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述至少一个传感器包括一组一个或更多个应变仪；并且

所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使所述系统：基于来自所述一组一个或更多个应变仪的数据来计算所述杆轴的所述远端端部的第一位置；以及进一步基于计算出的所述第一位置生成所述至少一个控制信号。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中，所述驱动机构包括所述一组一个或更多个应变仪。

8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第一器械包括引导件；并且

所述至少一个传感器包括位于所述引导件的所述远端端部处的一组一个或更多个摄像机。

9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述至少一个控制信号的所述指令包括下述命令：所述命令用于使所述驱动机构增大一个或更多个所述拉线中的张力直到如由来自所述至少一个传感器的数据信号测得的所述杆轴的所述远端端部返回至所述初始位置为止。

10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述一个或更多个处理器是工作站的一部分，所述工作站包括用于控制所述系统的用户接口。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个呼吸传感器，其中，所述一个或更多个处理器进一步被配置为执行所述指令以使所述系统：

基于来自所述至少一个呼吸传感器的数据确定在从所述至少一个传感器获取所述数据信号期间患者的呼吸模式；以及

将由所述第二器械向所述工作通道中的所述插入所引起的所述杆轴的所述远端端部的所述位置变化与由所述患者的所述呼吸模式所引起的所述杆轴的所述远端端部的位置变化进行区分。

12.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使所述系统：检测位于所述第二器械上的标识符；以及进一步基于检测到的所述标识符生成所述至少一个控制信号。

13.根据权利要求12所述的机器人系统，其中，所述一个或更多个处理器被配置为执行所述指令以使所述系统基于读取所述第二器械的射频识别标签来检测所述标识符。

14.一种非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令在被执行时使至少一个计算装置至少为包括至少一个拉线的第一器械以及至少部分地设置在所述第一器械的工作通道内的第二器械：

确定所述第一器械的远端端部的初始位置；确定所述第二器械的位置；以及

响应于所述第二器械的所确定的位置：

基于来自至少一个传感器的数据信号，自动地检测所述第一器械的所述远端端部的响应于所述第二器械向所述第一器械的所述工作通道中的插入的位置变化；

基于检测到的所述位置变化自动地生成至少一个控制信号；以及

基于所述至少一个控制信号调整所述至少一个拉线的张紧，其中，调整后的所述张紧有助于所述第一器械的所述远端端部返回到所述位置变化发生之前的所述初始位置。

15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述至少一个传感器包括位于所述第一器械的所述远端端部处的一组一个或更多个电磁传感器，并且使所述至少一个计算装置检测所述位置变化的所述指令使所述至少一个计算装置基于来自所述一组一个或更多个电磁传感器的数据检测所述第一器械的所述远端端部的所述位置变化。

16.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述至少一个传感器包括位于所述第一器械的所述远端端部处的一组一个或更多个惯性传感器，并且使所述至少一个计算装置检测所述位置变化的所述指令使所述至少一个计算装置基于来自所述一组一个或更多个惯性传感器的数据检测所述第一器械的所述远端端部的所述位置变化。

17.根据权利要求14所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述至少一个传感器包括一组一个或更多个应变仪，所述一组一个或更多个应变仪被配置成检测所述至少一个拉线的张力，并且使所述至少一个计算装置检测所述位置变化的所述指令使所述至少一个计算装置基于来自所述一组一个或更多个应变仪的数据检测所述第一器械的所述远端端部的所述位置变化。

18.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述至少一个传感器包括位于所述第一器械的所述远端端部处的一组一个或更多个摄像机，并且使所述至少一个计算装置检测所述位置变化的所述指令使所述至少一个计算装置基于来自所述一组一个或更多个摄像机的数据检测所述第一器械的所述远端端部的所述位置变化。

19.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质上进一步存储有下述指令，所述指令在被执行时使所述至少一个计算装置：

基于来自至少一个呼吸传感器的数据确定在从所述至少一个传感器获取所述数据信号期间患者的呼吸模式；以及

将由所述第二器械向所述工作通道中的所述插入所引起的所述第一器械的所述远端端部的所述位置变化与由所述患者的所述呼吸模式所引起的所述第一器械的所述远端端部的位置变化进行区分。

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