CN112773416B - 具有不同柔性的导引器和工具的系统 - Google Patents

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Abstract

具有不同柔性的导引器和工具的系统。具有诸如肺导管的柔性导引器管的自动医疗系统能够记录目标结构中的导引器管的形状。如果形状包括比用于工具(例如活检针)的插入或移除的最尖锐允许弯曲还尖锐的弯曲，则控制系统能够找到尖锐的弯曲的任何部位，并自动地将导引器管缩回到与尖锐的弯曲相关联的部位。当尖端后退到该部位时，针能够被插入到导管中或从导管移除。控制系统能够使导管在导引器管的目标结构和缩回结构之间自动地移动。

Description

具有不同柔性的导引器和工具的系统
本申请是2015年9月3日提交的名称为：“具有不同柔性的导引器和工具的系统”的中国专利申请201580057638.1(PCT/US2015/048254)的分案申请。
相关申请
本专利申请要求于2014年9月9日提交的名称为“SYSTEM WITH GUIDES AND TOOLSOF DIFFERENT FLEXIBILITY(具有不同柔性的导引器和工具的系统)”的美国临时专利申请62/048,210的申请日的优先权和权益，该临时专利申请通过引用以其全文并入本文。
背景技术
许多类型的微创医疗程序涉及将导引器管插入至目标部位，然后通过导引器管插入和移除一个或更多个工具。在一些程序中，导引器管可以是足够柔性的以顺应自然管腔，但是工具或工具的一部分可能不像导引器管一样柔软。因此，工具的插入或移除可能是困难的。例如，在肺活检器械远端的活检针可以比用于导引该肺活检器械的肺导管更硬。在肺活检期间，顺应分支气道的肺导管可以弯曲到极限角度以到达目标结节(nodule)，但是活检针可能难以推进或插入通过导管中的尖锐的弯曲。特别地，当活检针被插入通过导管时，医生可以施加旨在使针沿导管中的工具管腔滑动的插入力，并且随着针被插入，工具管腔的壁可以施加力，该力使活检针偏转或甚至使活检针弯曲。然而，针与工具管腔的壁的相互作用引起摩擦力并且可以引起针戳进导管，使得工具的插入困难。此外，过大的插入力可以损坏活检针或导管。类似地，当从回旋的导引器管中移除工具时，在不施加潜在的破坏力的情况下，工具的坚硬的部分可能难以通过尖锐的弯曲被拔出。因此期望用于从柔性导引器管有效的插入和移除工具的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，自动控制的医疗系统能够确定并记录目标结构(targetconfiguration)中的导引器管的形状。如果目标结构中的柔性导引器管的形状包括具有比预定的最小曲率半径更尖锐的曲率半径的一个或更多个弯曲，或者如果目标结构在其他方面不适合用于工具的插入/移除，则用于工具的控制系统能够通知用户激活或能够自动地激活工具插入/移除模式。在工具插入/移除模式中，控制系统识别适合用于工具的插入或移除的导引器管的结构。这种插入/移除结构可以是(例如)一种结构，在这种结构中导引器管的远端被拉回到沿着目标结构并且与具有小于最小允许半径的曲率半径的最近的弯曲相关联的部位。当处于工具插入/移除模式时，控制系统能够基本上沿着记录的形状自动地缩回导引器管的远侧尖端直到导引器管处于插入/移除结构。然后能够插入或移除该工具，而不需要过度力或破坏力。然后，控制系统能够沿着记录的形状自动地将导引器管(例如，包含插入的工具的导引器管)返回到目标结构。为了导引器管从插入/移除结构返回到目标结构，工具的较硬部分(例如，活检器械中的针)可以在导引器管的可操控区段内，使得可操控区段可以根据需要使工具弯曲或挠曲以自动回溯记录的形状并将导引器管返回到目标结构。工具的移除能够是相反的插入过程。特别地，包含工具的导引器管可以从目标结构缩回到插入/移除结构，其中能够移除工具而不需要过大的力。因此，能够在使用之前插入工具，并且在使用之后移除或更换工具而不会损坏工具或导引器管，而不需要大的插入/移除力，并且不需要医疗人员手动地在目标结构和插入/移除结构之间重复地导航导引器管。
一个具体实施例是包括具有可操控远侧尖端的导引器管、驱动系统和控制逻辑的医疗系统。驱动系统可以控制导引器管的远侧尖端的俯仰和偏转，控制导引器管的远侧部分的形状，和/或控制导引器管沿插入方向的运动。控制逻辑操作驱动系统，并且可以包括形状分析模块和运动模块。例如，形状分析模块可以识别导引器管的目标结构中的弯曲，该弯曲太尖锐而使得工具不能容易地穿过，并且运动模块可以控制驱动系统以用于导引器管在目标结构和插入/移除结构之间的自动运动，其可以对应于导引器管的远侧尖端处于与对于工具过于尖锐以至于不能横穿的弯曲相关联的部位。
附图说明
图1图示说明了失败的试图通过具有尖锐的弯曲的肺导管部署(deploy)活检针。
图2是包括肺导管的医疗系统的一个实施方式的框图。
图3A和图3B示出了柔性器械的远侧尖端的替代的实施方式。
图4是用于通过柔性导引器管部署工具的示例过程的流程图。
图5A示出了部署到目标结构的空导引器管。
图5B图示说明了空导引器管从图5A的目标结构到插入或移除结构的缩回。
图5C图示说明了在图5B的插入或移除结构中已经插入工具后的导引器管。
图5D图示说明了包含工具的导引器管在图5C的插入或移除结构和图5A的目标结构之间的导航。
图5E图示说明了在导引器管返回到目标结构之后被进一步插入以用于医疗程序的工具。
图6是用于从柔性导引器管移除工具的示例过程的流程图。
附图图示说明了用于说明的目的而不是本发明本身的示例。在不同图中使用相同的附图标记指示相似或相同的项目。
具体实施方式
许多微创医疗程序涉及将导引器管插入至目标部位，然后通过导引器管插入和移除一个或更多个工具。在这些程序中的一些中，导引器管是足够柔性的以顺应自然管腔，并将导引器管的远侧尖端以目标取向定位在目标部位。在被操控到其目标位置之后的导引器管具有本文称为的目标结构，并且在目标结构中，导引器管可以具有符合自然管腔的形状的形状，而没有或具有最小的扭曲。将导引器管操控至目标结构通常是可需要医生的时间和注意力的过程。例如，医生可以使用控制设备(例如，操纵杆)来控制导引器管的可操控部分，并且可以基于来自导引器管的远侧尖端的视角的或来自外部成像或感测设备的视角的视频图像来选择用于导引器管的插入的路径。一旦导引器管处于目标结构中，医生可以尝试通过导引器管插入工具，直到工具的远侧尖端从导引器管的远端延伸，其中工具可以用于医疗程序例如采集身体组织样品。然而，目标结构中的导引器管的形状可能是这样的，在不影响或甚至冒着损坏工具、导引器管或患者的风险的情况下，使得工具的插入是困难的或不可能的。
图1图示说明了其中导引器管是通过气道120被部署到目标结构的肺导管110的情况，在目标结构中导管110的远侧尖端指向结节122。导管110可以是柔性导引器管，该柔性导引器管具有用于引导诸如活检针130或其他医疗探针的工具的至少一个工具管腔。导管110可以特别地是可操纵的装置，例如具有能够控制导管110的远侧尖端114的俯仰和偏转的致动的远侧区段112。远侧区段112可以例如通过拉动沿着导管110的长度从远侧区段112延伸到驱动机构(未示出)的缆线或筋束(未示出)被控制。导管110还可以是使用计算机控制系统可操控的，计算机控制系统操作驱动系统以控制尖端114的俯仰和偏转、远侧区段112的形状、或通过气道120插入的导管110的长度。
用户(例如医生)可以通过首先将尖端114引入到患者的支气管系统来部署肺导管110。在一个实施方式中，活检器械130在导管110的初始部署过程中不在导管110中。例如，可移除的相机系统(未示出)可以在导管110的初始部署过程中被插入到导管110的主管腔或工具管腔中。替代地，导管110可以包括使主管腔可用于工具(例如活检针130)的永久性视觉系统(未示出)。在任一情况下，用户(例如医生)能够通过提供尖端114的视角的视觉系统观察支气管系统，或者能够使用外部传感器系统来识别远侧尖端114相对于气道120的部位。然后，用户能够操纵主控制器(例如操纵杆)以控制远侧尖端114的俯仰和偏转以及导管110沿着插入轴线的运动，并且以这种方式，将远侧尖端114导航至用于气道120中的结节122的活检的目标结构。在导航过程中，计算机系统能够调整远侧尖端114的俯仰、偏转和插入运动，或者导管110的运动中的一些或全部可以受直接的手动或触觉控制。参见例如通过引用以其全文并入本文的共同申请的美国专利申请No.未知(代理人案卷No.ISRG04890/US)(名称为“Flexible Medical Instrument(柔性医疗器械)”。图1图示说明了在到达目标结构之后的导管110，而不管用于到达目标结构的技术。
活检针130大体包括可由诸如不锈钢的材料制成的针区段132，针区段132附接到由诸如聚四氟乙烯的材料制成的更柔顺的区段134的远端。一般而言，区段132可以比导管110或区段134更坚硬、更不柔性或更不柔顺，并且区段134可以至少与导管110一样柔性或柔顺。导管110的目标结构可以包括许多弯曲，并且在图1中，导管110具有弯曲116，弯曲116的曲率半径和角度尺寸使得在不施加不可接受的大的插入力的情况下，活检针130的尖端或针区段132不能横穿弯曲116。因此，针区段132可以挤靠在导管110中的工具管腔的内壁。可以采用更柔性的针区段132，以允许针区段132更容易地横穿诸如弯曲116的尖锐的弯曲，但是使针区段132更柔性或更松软可以使获取活检样本更困难。一般而言，工具需要刚度以便执行其预期的医疗任务，使得可能出现其中工具130(例如活检针130)不能被完全地推进到导引器管110的远侧尖端的导引器管110的结构。
当针130到达弯曲116时，通过导管110手动地插入活检针130的医生可以感觉到针130的插入阻力大大增加，并且然后可以知道针130在导管110处于目标结构时不能通过导管110被完全地部署。类似地，如果医生将包含工具(例如活检针130)的导管110的导引器管导航到包含尖锐的弯曲的目标结构，则医生可以发现尖锐的弯曲116使工具的移除停止。在一个实施方式中，医生可能会遇到一种情况，在该情况下工具(例如活检针130)在没有不可接受的力或风险的情况下不能通过导引器管(例如导管110)被进一步推进或缩回，并且可以启动如下进一步描述的执行导引器管的自动运动的插入/移除控制模式。例如，用于导管110的控制系统可以自动地部分地将导管110缩回到工具插入结构，其中针130能够先于导管110被插入，而插入的工具130被自动地返回到目标结构。类似地，用于导管110的控制系统可以自动地将包含活检针130的导管110缩回到工具移除结构，其中针130能够被移除并且导管110能够保持准备好插入替换工具。通常，插入结构可以与移除结构相同或不同，并且本文中使用插入/移除结构来指代插入结构或移除结构的结构。
作为使人类用户识别具有工具的插入或移除的问题的替代方案，用于导引器管(例如肺导管)的控制系统能够测量并评估导引器管在其目标结构中的形状，以确定是否能够沿着导引器管的目标结构插入或移除工具，而不需要不可接受的力或不可接受的风险。如果目标结构不适于插入或移除工具，则控制系统能够通知医生并确定适于插入或移除工具的工具插入/移除结构。然后，医生能够选择使用插入/移除控制模式，或者控制系统能够自动切换到插入/移除控制模式，而不需要人为干预。
图2示意性地示出了根据本发明的一个实施例的医疗系统200的一个具体实施方式。在所说明的实施例中，系统200包括肺导管210、操控驱动机构220、插入驱动机构230、控制逻辑240、操作者界面/接口(interface)250和传感器系统260。
导管210是具有一个或更多个管腔的大体柔性的设备，所述一个或更多个管腔包括能够容纳诸如活检针的可互换的探针或视觉系统的工具管腔。柔性导管能够使用编织结构制造，例如具有柔性或低摩擦材料(例如聚四氟乙烯(PTFE))的内层或外层的编织线管。在一个实施例中，导管210包括通过编织护套和诸如聚醚嵌段酰胺(Pebax)的材料的回流(即通过熔融熔化)护套夹持在一起的一束管腔或管。可操控的远侧区段216(例如，如图3A或图3B中所示的并且在下面进一步描述的结构)能够形成导管210的远端的一部分。
如上所述的导管210包括用于可互换的探针系统的至少一个工具管腔，并且还可以包括用于牵引线、传感器线、照明光纤或永久性视觉系统的较小的管腔，或用于将流体或药物引入到工作部位或从工作部位移除的较小的管腔。在所说明的实施例中，导管210具有附接到操控驱动机构220的近侧区段212和从近侧区段212延伸的远侧区段214。在说明的实施方式中，远侧区段214包括可操控区段216，可操控区段216具有可通过牵引线致动的机械结构，牵引线从操控驱动机构220延伸通过近侧区段212和远侧区段214并连接到可操控远侧节段216。替代地或另外地，在沿导管210的长度的任何地方的机械元件可以使用驱动筋束或其他机构被类似地铰接或致动。
导管210用于在肺或气道中执行的程序的整个长度可以为约60cm至80cm或更长，其中远侧区段214为约15cm长，并且可操控节段216为约4cm至5cm长。远侧区段214可以具有比近侧区段212更小的直径。在医疗程序中，近侧区段212的一部分和远侧区段214的全部可以沿着自然管腔(例如患者的气道)被插入。远侧区段214的较小直径可以允许在管腔中使用对于近侧区段212太小的远侧区段214，但是近侧区段212的较大直径可有助于手动操纵或使更多或更大的结构或装置(例如可能不适合在远侧区段214中的电磁感测线圈262)包含在近侧区段212中。
可操控节段216是可远程控制的，并且特别地具有能够使用致动筋束(例如，牵引丝)被控制的俯仰和偏转。可操控节段216可以形成远侧区段214的全部或部分，并且可以被简单地实现为柔性材料(例如Pebax)的多腔管，其具有与致动筋束的适当连接。可操控节段216可以比导管210的其余部分更柔性，以在操控驱动机构220拉动致动筋束时帮助隔离可操控节段216上的致动或弯曲。导管210还能够采用用于致动筋束的附加特征或结构(例如使用鲍登电缆)来防止致动使近侧区段212弯曲(或使除了可操控节段216之外的远侧区段214的任何部分弯曲)。然而，导管210的整体应该具有足够的柔顺性和足够小的最小曲率半径以顺应或符合自然管腔(例如，气道)的形状。
图3A示出了一个具体实施例，其中可操控节段216由管310制成，图2的导管210中限定用于探针系统的主管腔312的远端，并且包含用于致动筋束330和图3A中未示出的形状传感器的较小的管腔。特别地，继续通过导管210的主管腔312在可操控节段216的远侧尖端314处具有开口，并且通过主管腔312插入的工具(例如活检针)能够在医疗程序中延伸超过远侧尖端314以与组织相互作用。在所说明的实施例中，四根筋束330相距90°放置并且围绕管腔312，以便于在由筋束330的位置限定的俯仰方向和偏转方向上操控器械110。回流护套(为了更好地说明可操控节段216的内部结构，在图3A中未示出)也可以覆盖管310。如图3A所示，管310被切割或形成以创建一系列挠曲件320。筋束330连接到可操控节段216的远侧尖端314并延伸回操控驱动机构220。筋束330能够是电线、缆线、鲍登电缆、海波管或能够将力从操控驱动机构220传递到远侧尖端314并且能够在操控驱动机构220拉动筋束330时限制近侧区段212的弯曲的任何其他结构。在操作中，更用力拉动任何一根筋束330趋于引起可操控节段216沿着该筋束330的方向弯曲。为了适应反复的弯曲，管310可以由例如镍钛诺的材料制成，镍钛诺是能够被反复弯曲而很少或没有损坏的金属合金。
图3A所示的可操控区段216的实施方式不包括能够从远侧尖端314的视角向用户提供视图(例如，立体视图)的视觉系统的相机或其他元件。然而，包括视觉系统的探针能够通过主管腔312被插入，以例如在导管210沿自然管腔(例如气道)的导航期间向用户提供视图。可以移除视觉探针以与另一种工具或探针(例如活检针)替换。替代地，如图3B所示，可操控区段216可以包括视觉系统的永久部件340，使得当视觉部件340处于操作中时，探针(例如活检针)可以驻留在主管腔312中。视觉部件340可以包括例如相机系统、照明系统或在导管210的远端和近端之间的携带照明光或成像光的光纤的端部。
图2的操控驱动机构220拉动筋束330以致动远侧可操控节段216，操控驱动机构220包括将致动器222(例如，电动马达)的运动转换成筋束330贯穿导管210并连接到远侧可操控节段216的运动或张紧的机械系统或传动装置224。因此，能够通过计算机化地选择或产生用于操控驱动机构220中的致动器222的相应的致动信号来控制远侧可操控节段216的运动和姿态。除了可操控节段216的致动之外，操控驱动机构220可以用于控制导管210的其他运动，例如导管210的近端的旋转或滚动，其也可以通过致动器222和传动装置224来提供动力。以柔性轴器械著称的后端机构或传动装置通常可以用于或经修改以用于操控驱动机构220。例如，在通过引用以其全文并入本文的美国专利申请公开No.2010/0331820(名称为“Compliant Surgical Device(柔顺外科手术装置)”)中描述了用于柔性器械的一些已知的驱动系统。除了致动导管210之外，操控驱动机构220应允许在导管210中移除和更换探针，使得驱动机构220的结构在这种操作期间应该是不碍事的。
在图2所说明的实施方式中，操控驱动机构220被安装在插入驱动机构230上，插入驱动机构230包括致动器232和用于沿着插入方向移动操控驱动机构220和导管210的机械系统234。机械系统234可以包括滑块或轨道，操控驱动机构220可移动地安装在该轨道上。致动器232可以是驱动马达，驱动马达根据控制逻辑240选择或产生的致动信号来驱动操控驱动机构220和导管210的运动。
控制逻辑240控制操控驱动机构220中的致动器222以根据需要选择性地拉动筋束以致动远侧可操控节段216并且控制导管210的远侧尖端的俯仰和偏转，并且控制致动器232以控制在导管210的远侧尖端的插入方向上的运动。通常，控制逻辑240响应来自用户(例如，外科医生、医生或使用操作者界面250的其他人类用户)的命令而操作，并且用户可以响应视觉系统提供的或来自传感器系统260的测量的视图来操作界面250。可以使用具有合适的软件、固件和/或设备专用接口硬件的通用计算机来实现控制逻辑240，以解释来自操作者界面250和传感器系统260的信号并且产生用于致动器222和232的致动信号。
在所说明的实施例中，控制逻辑240包括实现使用导管210的不同过程或模式的多个模块241、242、243、244和245。如本文所使用的，术语“模块”指的是硬件(例如，诸如集成电路或其他电路的处理器)和软件(例如，机器可执行指令或处理器可执行指令、命令或诸如固件代码、编程代码或目标代码的代码)的组合。硬件和软件的组合仅包括硬件(即，没有软件元素的硬件元件)、装载在(hosted at)硬件处的软件(例如，存储在存储器中并在处理器处执行或解释的软件)或装载在硬件处的硬件和软件。
可以在用户将导管210操控到目标部位或目标结构的同时使用导航模块241。导航模块241可以用于解释或转换来自操作者界面250的控制信号并产生用于致动器222和232的致动信号。操作者界面250可以包括标准输入/输出硬件，例如视觉系统、显示器、键盘、操纵杆、脚踏板、诸如鼠标的指向设备或可以为外科手术环境定制的或优化的类似的I/O硬件。通常，操作者界面250向用户提供信息并且接收来自用户的指令。例如，操作者界面250可以指示系统200的状态，并向用户提供包括在系统200中产生的图像和测量结果的数据。用户可以通过操作者界面250(例如，使用操纵杆或类似的主控制器)提供的一种类型的指令指示远侧可操控节段216的期望的俯仰、偏转和插入运动。使用这样的输入，控制逻辑240能够产生用于驱动机构220和230中的致动器222和232的致动信号。来自用户的其他指令可以选择控制逻辑240的操作模式。
形状测量模块242可用于测量或记录导管210的形状，例如，在导管210导航到用于医疗程序的目标结构期间或之后。例如，在用户已经使用导航模块241并且已经使用操作者界面250将导管210导航到目标结构之后，可以使用形状测量模块242来确定和记录指示导管210的至少远侧部分的形状的形状数据249。在图2的实施方式中，光纤形状传感器264可以沿导管210的整个长度或远侧部分延伸，使得形状测量模块242能够使用在光纤上传输的光的干涉的测量结果，确定导管210的至少一部分的形状，并将形状数据249存储在控制逻辑240使用的存储器或其他存储设备中。在通过引用以其全文并入本文的美国专利No.7,720,322(名称为“Fiber Optic Shape Sensor(光纤形状传感器)”)中进一步描述了使用光纤光栅的这种形状传感器。其他实施方式可以使用用于感测导管210的远侧部分的形状的其它系统。在一个实施方式中，远侧可操控节段216具有最大的弯曲能力，并且当导管210处于目标结构时，远侧可操控节段216可以弯曲，该弯曲是在远侧可操控节段216处或附近的唯一的或最常见的对于工具的插入过于尖锐的弯曲。
形状分析模块243能够用于分析形状数据249，特别是用于诸如导管210中的工具的插入或移除的操作。例如，当用户期望沿着导管210的部署的形状插入工具(例如活检针)时，形状分析模块243能够使用形状数据249以及可能关于工具的数据来识别导管210中的任何弯曲，该弯曲对于工具太尖锐以至于不能够横穿。更一般地，当导管210具有目标结构时，形状分析模块243能够确定特定工具是否能够通过导管210被部署或从导管210被移除并且一般地或针对该特定工具来识别导管210的插入或移除结构。然后，自动缩回模块244能够被用于自动地(即，无用户操控)将导管210的远侧尖端216沿着由形状数据249所指示的形状从目标结构移动后退到导管210的插入或移除结构。例如，缩回模块244可以自动地将导管210缩回到足够远，使得特定工具能够被插入到导管210的远侧尖端，而没有过度的力或风险。然后，返回模块245可以通过沿着形状数据249所指示的路径操控远侧尖端而自动地将导管210返回到目标结构。尽管图2中显示了不同的模块，但多个模块的功能可以组合成单个模块，例如，自动缩回/返回模块。
图4是用于使用具有可能不能够或不被允许在目标结构中横穿导引器管的工具的导引器管的过程400的流程图。为了提供一个明确的示例，本文有时参考图2的结构以及图5A至图5E所图示说明的结构来描述过程400，但是更一般地，过程400不限于图2所说明的特定的硬件或图5A至图5E的特定的结构。过程400从方框410开始，在方框410中导引器管(例如，导管210)被操控到如图5A所示的目标结构。例如，用户可以激活利用系统200的导航模块241实施的导航模式，然后根据需要控制用户界面250，以引导导管210通过患者的气道。这种导航可以包括选择气道的分支以顺应和控制导管210的远侧区段216的俯仰和偏转，以顺应所选的气道到结节122。在导航方框410的执行期间，导引器管可以是空的或者如果导引器管不具有永久性视觉系统则其可以包括探针(例如视觉系统)。
在过程400的一个实施方式中，医生(在导航到目标结构之后但是在将工具插入到导引器管之前)按压按钮或以其他方式激活与导引器管相关联的医疗系统的插入/移除模式。过程400的方框415确定并记录指示在目标结构中的导引器管的形状的形状数据。能够使用许多用于测量导引器管的形状的技术。例如，导管210包括光纤光栅传感器264，光纤光栅传感器264可以按照通过引用以其全文并入本文的美国专利申请公开No.2009/0324161(名称为“Fiber Optic Shape Sensor(光纤形状传感器)”)中描述的那样使用。利用光纤光栅传感器能够测量到图5A的目标结构中的导管210的全部或远侧部分的形状。替代地，可以通过在过程410期间跟踪器械210的远侧尖端到其目标结构的导航或运动来确定导管210的形状。测量到的或以其他方式确定的导管210的形状能够被记录，例如存储在存储器中或存储在导管210的控制系统240中的其他存储设备。例如，所确定的形状可以以任何期望的格式记录为形状数据249。
形状数据能够在决策框420中被分析，以识别出目标结构中的任何位置或区段，通过该位置或区段工具的插入是被禁止的。例如，形状分析模块243可以识别导引器管的目标结构中的对于期望的工具来说在不施加被认为太大的插入力的情况下太尖锐以至于不能横穿的任何弯曲的位置。尖锐的弯曲，例如可以是延伸超过特定距离或角度并且具有小于最小允许弯曲半径的曲率半径的导管210的一个区段。例如，形状分析模块243可以确定与形状数据相关联的一系列点中的每一个点处的曲率半径，并将每个确定的曲率半径与特定工具的最小允许曲率半径进行比较。可以根据插入的工具选择最小允许弯曲半径，并且所述最小允许弯曲半径可以取决于例如工具和导引器管之间的摩擦系数、工具的临界区段的刚度和长度、导引器管的刚度、支撑导引器管的刚性组织等因素。替代地，可以开发指示导引器管的一个区段是否是有问题的“经验表”，并且可以通过因素(诸如工具的柔性或能够适应而不损坏的工具的最小曲率半径)，导引器管的区段的曲率半径、导引器管的刚度、以及围绕导引器管的区段的组织的刚度进行索引。更一般地，形状分析模块243可以使用任何期望的标准来评估形状数据的每个区段并确定或识别问题区段。一般来说，如果推动或拉动工具通过一个区段需要不可接受的力水平，并且可以基于例如对患者的风险、对导引器管或工具损坏的风险或工具使用的便利性选择不可接受的插入力水平，则该区段是一个问题。图5A至图5E图示说明了其中仅一个区段(弯曲116)是通过导引器管插入工具的问题的情况。更一般地，可以找到零个、一个或多个问题区段。形状分析模块243能够确定导引器管的插入或移除结构是不包括任何问题区段的目标结构的最长的近侧部。
如果决策框420判定整个目标结构对于工具的插入是可接受的，则能够执行方框425，在方框425执行期间，工具被插入到导引器管的远侧尖端，而导引器管保持在如图5D所示的目标结构中，并且可以如下参照图5E所述使用该工具。
如果决策框420判定导引器管的目标结构对于工具的插入是不可接受的(例如，目标结构包括对于工具的插入太尖锐的弯曲)，则可以通知医生或其他用户，并且可以按下按钮或以其他方式选择将导引器管缩回到所识别的插入结构。在图4中，方框430将导引器管的远侧尖端缩回到与可接受的结构相关联的部位(例如，恰好在目标结构中的导引器管的最近的问题区段之前的部位，或恰好在如图5B所示的对于工具太尖锐的最近的弯曲之前的部位)。因此，方框430将导引器管从图5A的目标结构移动到如图5B所示的插入或移除结构。一般而言，导引器管仅部分缩回(即，未完全移除)，例如，因为导引器管中的最尖锐的弯曲可能被期望接近目标结构的远端。方框430中的导引器管的缩回能够被自动地执行，即不需要用户来操控导引器管。例如，在图2的系统200中，用户或控制逻辑240自发地可以接合缩回模块244，缩回模块244自动地从形状数据249产生用于致动器222和232的致动信号，而不使用或不需要来自操作者界面250的控制信号。
随后，用户能够手动地将工具插入到导引器管中。在方框435中，工具被插入到导引器管的远侧尖端，同时导引器管保持在如图5C所示的插入结构中。更一般地，活检针130的尖端可以被插入超过远侧尖端114，或者可以短于远侧尖端114。针是否最好插入到导引器管的远侧尖端、超过导引器管的远侧尖端、或者短于导引器管的远侧尖端可以取决于诸如工具的临界区段的刚度或最小曲率半径以及导引器管的可操控区段能够施加到工具的临界区段的致动力的量的因素。例如，当工具(例如活检针)足够柔软使得可以通过导引器管的致动俯仰和偏转而弯曲时，针能够被插入到导管的尖端，并且导管-针联合能够自动地或手动地沿着所记录的路径恰好行进到目标结构。如果针非常坚硬，则系统能够向用户推荐针需要被插入超过(或短于)导管的远侧尖端多少，以保持合理的导管-针刚度，使得导管-针联合仍然能够向前行进于所记录的路径。如果导管-针联合太坚硬而不能跟随先前记录的路径，则用户仍然可以手动地驱动导管。如上所述，缩回到插入结构允许工具被插入，并且在该时刻，能够选择返回到目标结构的途径。
在许多情况下，方框440的执行能够将带有插入的工具的导引器管自动地返回到如图5D所示的由所记录的形状数据指示的目标结构。由于与来自导管210的壁的由施加到工具130的近端的插入力造成的力相比，可操控的远侧区段216的致动通常可以能够更好地使工具130的坚硬区段132弯曲，因此导管210能够带着工具130通过问题区段或急弯116。一旦带有工具的导引器管到达目标结构，就能够执行方框445以在目标部位处使用工具。例如，工具(例如活检针)能够延伸超过导引器管的远侧尖端以如图5E所示与(例如，样本)组织相互作用。
当移除具有比导引器管柔性更小的至少一部分的工具时，导引器管中的尖锐的弯曲或问题区段也能够成为问题。图6是用于从被部署到目标结构的导引器管移除工具的过程600的流程图，该目标结构包括对于工具太过尖锐以至于不能横穿的弯曲，其没有弯曲到小于工具允许的最小曲率半径的曲率半径。过程600开始于方框610的执行，其将导引器管和工具后退到恰好在最近的问题区段之前的部位(例如，与最近的过于尖锐的弯曲相关联的部位)。一旦处于该部位，执行方框620可以移除并替换工具，同时导引器管的远侧尖端保持在插入/移除结构中。假设替换工具具有与被移除的工具的曲率半径相同或比该曲率半径小的最小允许曲率半径，则方框620的执行可以使导引器管处于相同位置。例如，已经获取到组织样本的活检针能够用相同类型的新的活检针代替，新的活检针可用于在目标部位处获取第二组织样本。然后，步骤630能够使用记录的形状数据自动地将导引器管和插入的替换工具导航回到导引器管的目标结构。然后，方框640的执行能够在目标部位处使用替换工具。
如上所述的自动缩回和返回可以具有优于类似的手动程序的优点。特别地，通过导管部署活检针的医生可以手动地将导管缩回到活检针能够被插入到导管的末端的某个位置。一般而言，手动缩回将比自动化的过程需要更长的时间，并且通常将缩回比严格所需更多的导引器管。然后，医生可能也需要手动地将带有活检针的导管导航回到目标部位和结构。手动往返程序能够非常耗时，并为错误创造机会，因为医生经常需要对同一个部位进行多次活检，这要求医生多次将导管导航通过相同的气道或多个气道。自动缩回和返回过程可能比医生控制的运动花费更少的时间。此外，如果由医生控制，这些程序可能需要用于医生的视觉系统，因此难以或不可能用缺乏永久性视觉系统的导管执行。可以预期具有永久性视觉系统的导管更大或具有更小的主管腔，以允许用于视觉系统的空间，使得自动缩回和返回可允许使用适合于较小气道内的较小导管。此外，即使导管具有视觉系统，如果待活检的结节位于相机或其他视觉系统无效的区域中(例如在粘液气道中)，或者如果结节位于导管不适合在其中的小管腔中，医生控制的往返运动可能无法保证导管和活检针返回到目标部位和结构。
上述的一些实施方式可以有效地提供一种稳健的、可靠的、可重复的、精确的活检过程，即使当用于活检针的导管或其它导引器管包括尖锐的弯曲时，该过程在活检针的尖端仅需要允许量的插入力或弯曲。在活检程序期间，用于缩回和返回的自动导航能够基于记录的形状数据，并且可以节省大量的时间，特别地当需要从同一个结节获取多个样本时。与可能需要多于一名医生的活检任务相比，活检程序中所需的劳动力也可能减少。例如，在传统程序中，一名医生可能负责导航支气管镜，而其他医生控制针的部署。利用本文所述的系统和程序，因为可以减少插入活检针所需的力量，因此单个医生可能是足够的。沿着相同气道的重复的后退和返回的自动化也可以能够减少在这种活检期间产生的人为错误。
上述发明的一些实施例能够在计算机可读介质(例如，非瞬态介质，诸如光盘或磁盘、存储卡或包含计算设备能够处理以执行本文所述的特定过程的指令的其他固态存储器)中实施。这种介质可以进一步是或被包含在连接到网络的服务器或其他设备，所述网络例如提供数据和可处理指令的下载的因特网。
虽然已经公开了具体的实施方式，但是这些实施方式仅仅是示例，并且不应当被视为限制。所公开的实施方式的特征的各种修改和组合都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种医疗系统，其包括：
柔性导引器管；
驱动系统，所述驱动系统耦接到所述柔性导引器管并且被配置为移动所述柔性导引器管的至少一部分；以及
控制逻辑，所述控制逻辑操作所述驱动系统，其中所述控制逻辑包括：
形状分析模块，所述形状分析模块被配置为：
在所述柔性导引器管的第一结构中识别所述柔性导引器管的具有被配置为插入通过所述柔性导引器管的工具不能横穿的一个或更多个弯曲的一个或更多个区段；
通知用户所述第一结构包括所述柔性导引器管的具有所述工具不能横穿的所述一个或更多个弯曲的所述一个或更多个区段；以及
运动模块，所述运动模块被配置为命令所述驱动系统将所述柔性导引器管从所述第一结构移动到第二结构，其中所述第二结构不包括所述工具不能横穿的所述一个或更多个区段。
2.根据权利要求1所述的医疗系统，其中识别所述柔性导引器管的具有所述工具不能横穿的一个或更多个弯曲的一个或更多个区段包括确定所述柔性导引器管的一个或更多个区段是否具有小于阈值曲率半径的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述柔性导引器管包括导管，并且所述工具包括活检针。
4.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述运动模块被配置为命令所述驱动系统将所述柔性导引器管从所述第一结构自动地移动到所述第二结构。
5.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述柔性导引器管包括形状传感器。
6.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述控制逻辑进一步包括返回模块，所述返回模块被配置为命令所述驱动系统在所述工具已经被插入到所述柔性导引器管或已经从所述柔性导引器管被移除之后使得所述柔性导引器管返回到所述第一结构。
7.根据权利要求6所述的医疗系统，其中响应于来自所述用户的手动输入，执行命令所述驱动系统使得所述柔性导引器管返回到所述第一结构。
8.根据权利要求7所述的医疗系统，其中：
所述控制逻辑进一步包括形状测量模块，该形状测量模块被配置为记录指示处于所述第一结构的所述柔性导引器管的形状的形状数据；以及
所述医疗系统进一步包括操作者界面，该操作者界面被配置为经由显示器向所述用户提供所述形状数据的至少一部分以用于手动导航所述柔性导引器管。
9.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述控制逻辑进一步包括返回模块，所述返回模块被配置为命令所述驱动系统在所述工具已经被插入到所述柔性导引器管或已经从所述柔性导引器管被移除之后移动所述柔性导引器管到第三结构。
10.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述医疗系统被配置为推荐所述工具应该被插入到所述柔性导引器管内的距离。
11.根据权利要求10所述的医疗系统，其中所述距离基于在所述工具被插入的情况下所述柔性导引器管的所需刚性被确定。
12.一种存储指令的计算机可读介质，当被计算装置执行时所述指令导致所述计算装置：
识别在第一结构中的柔性导引器管的具有一个或更多个弯曲的一个或更多个区段，当所述柔性导引器管处于所述第一结构时被配置成被插入通过所述柔性导引器管的工具将难以横穿所述一个或更多个弯曲；
通知用户该第一结构包括所述柔性导引器管的所述一个或更多区段具有所述工具将难以横穿的所述一个或更多个弯曲；以及
经由被发送到耦接到所述柔性导引器管的驱动系统的致动信号，将所述柔性导引器管从所述第一结构移动到第二结构以用于接收所述工具，其中所述第二结构不包括所述工具将难以横穿的所述一个或更多个弯曲。
13.根据权利要求12所述的计算机可读介质，存储当被所述计算装置执行时导致所述计算装置通过确定所述柔性导引器管的一个或更多个区段的曲率半径小于所述工具的一部分允许的最小曲率半径来识别所述一个或更多个区段的指令。
14.根据权利要求12所述的计算机可读介质，存储当被所述计算装置执行时导致所述计算装置通过确定所述第一结构中的所述柔性导引器管的形状来识别所述一个或更多个区段的指令。
15.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中确定所述第一结构中的所述柔性导引器管的所述形状包括使用光纤形状传感器或跟踪所述柔性导引器管的远侧部分的运动来测量所述第一结构中的所述柔性导引器管的所述形状。
16.根据权利要求12所述的计算机可读介质，其中所述第二结构中的所述柔性导引器管的第一部分的形状与所述第一结构中的所述柔性导引器管的第二部分的形状基本相同。
17.根据权利要求12所述的计算机可读介质，存储当被所述计算装置执行时导致所述计算装置在所述工具已经被接收到所述柔性导引器管中之后使得所述柔性导引器管返回到所述第一结构。
18.根据权利要求17所述的计算机可读介质，响应于来自所述用户的手动输入执行使得所述柔性导引器管返回到所述第一结构。
19.根据权利要求12所述的计算机可读介质，存储当被所述计算装置执行时导致所述计算装置推荐所述工具应该被插入到所述柔性导引器管中的距离。
20.根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中所述距离基于在所述工具被插入的情况下所述柔性导引器管的所需刚性被确定。
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