CN112804931A - 用于可转向装置的运动控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于控制可转向装置的移动的系统和方法。在一些实施例中，系统可以包括控制装置、操纵器系统和/或通信地耦连到操纵器系统和控制装置的控制系统。控制系统可以基于第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位，确定可转向装置的一部分的装置方位，并且确定所确定的装置方位与虚拟用户指示方位之间的在第一方向中的方位差异。控制系统还可以接收第二用户输入，该第二用户输入命令可转向装置在第二方向中的运动。第二方向的至少一部分可以与第一方向相反。控制系统还可以基于第二用户输入的方面和追赶曲线来减小方位差异。

Description

用于可转向装置的运动控制的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月4日提交的美国临时申请62/741,354的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的示例涉及用于程序的系统和方法，诸如用于控制系统的可转向装置的系统和方法。
背景技术
器械可以用于在工作空间中操纵和执行任务。此类器械可以被配置成由操纵器组件部分地或完全地支撑和操作。此类器械和操纵器组件可以用于执行非医疗程序或医疗程序。例如，医疗工具或医疗操纵器可以用于执行微创医疗程序。作为另一个示例，工业工具或工业操纵器可以用于制造或测试。作为其它示例，工具或操纵器可以用于娱乐、探测和各种其它目的的程序中。
微创医疗技术通常可以旨在减少在有创医疗程序期间受损的组织量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。此类微创技术可以通过患者解剖体中的自然孔口或通过一个或多个切口来执行。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以插入医疗工具以到达目标组织位置。微创医疗工具包括诸如治疗器械、诊断器械和外科手术器械的器械。微创医疗工具还可以包括成像器械(诸如内窥镜器械)，其向用户提供患者解剖体内的视野。
某些医疗和非医疗器械(包括操纵器械、成像器械或其它感测器械等)可以是远程操作的，或以其它方式是计算机辅助的。提供用于操作这些器械和其它可转向装置的直观控制件，以及控制件在程序期间快速、准确地响应用户输入将是有利的。
发明内容
以下呈现了本文描述的各种示例的简化概述，并且无意于识别关键或重要元素或描绘权利要求的范围。
在一个示例中，一种系统可以包括：控制装置，其被配置为接收用户输入；操纵器系统，其包括被配置为接收和驱动可转向装置的致动器；以及控制系统，其通信地耦连到操纵器系统和控制装置。控制系统可以被配置为基于第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位，确定可转向装置的一部分的装置方位，以及确定所确定的装置方位和虚拟用户指示方位之间的在第一方向中的方位差异。控制系统还可以被配置为接收第二用户输入，该第二用户输入命令可转向装置在第二方向中的运动。第二方向的至少一部分与第一方向相反。响应于第二用户输入，控制系统被配置为基于第二用户输入的方面和追赶曲线/跟进曲线(catch-up profile)来减小方位差异。
在另一示例中，一种方法可以包括：从主控制器接收第一用户输入，该第一用户输入指示可转向细长装置在第一运动方向中的移动，并且基于该第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位。该方法还可以包括基于第一用户输入来控制可转向细长装置的运动，并且从可转向细长装置的传感器检测可转向细长装置的当前装置方位。该方法还可以包括确定所检测的当前装置方位和虚拟用户指示方位之间的方位差异，以及从主控制器接收在第二运动方向中的第二用户输入。第二方向的方位的至少一部分与第一运动方向相反。响应于第二用户输入，可以基于追赶曲线来减小方位差异。
在另一示例中，一种设备可以包括一个或多个处理器以及存储机器可执行指令的非暂时性计算机存储器。当由一个或多个处理器执行时，机器可执行指令可以使得设备从控制装置接收命令可转向装置在第一方向中的运动的第一用户输入，并且基于第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位。当由一个或多个处理器执行时，机器可执行指令还可以使得设备基于第一用户输入来命令耦连至可转向装置的致动器在第一方向中移动可转向装置。响应于第一用户输入的可转向装置的移动可以生成方位差异。当由一个或多个处理器执行时，机器可执行指令还可以使得设备从可转向装置的传感器检测可转向装置的一部分的装置方位并且确定方位差异的测定。当由一个或多个处理器执行时，机器可执行指令还可以使得设备从控制装置接收命令可转向装置在第二方向中的运动的第二用户输入。第二方向的至少一部分可以与第一方向相反。响应于第二用户输入，可以基于第二用户输入的方面和追赶曲线来减小方位差异。
应当理解，前面的概述和下面的详细描述本质上都是说明性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解，而不限制本公开的范围。就这一点而言，根据以下详细描述，本公开的其它方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是根据一些实施例的医疗系统的简化图。
图2A和图2B是根据一些实施例的包括安装在插入组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。
图3是示出根据一些实施例的控制可转向装置的方法的流程图。
图4-图6是示出根据一些实施例的用户输入与可转向装置的方位之间的关系的图示。
图7是示出根据一些实施例的响应于故障来控制可转向装置的方法的流程图。
通过参考下面的详细描述，将最优地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于识别在一个或多个附图中示出的相似的元件，其中在其中的显示是为了示出本公开的实施例，而不是为了限制本公开的实施例。
具体实施方式
本文描述的技术提供了一种用于控制可转向装置(诸如机器人装置或系统的器械)的技术。适用的机器人装置或系统的示例包括远程操作或以其它方式操作的医疗装置，其将柔性细长装置驱动到诸如气道或血管的通道中。作为说明性且允许的示例，相对于示例柔性机器人装置或系统(诸如关于图1、图2A和图2B描述的机器人控制的导管)描述了所公开技术的各个方面。在各种实施例中，用户指示系统使用系统的致动器来驱动机器人控制的导管。当致动器施加的力相反时，张力可能在导管内积聚。关于图3-图8描述的用于控制导管或其它器械的公开技术可以被实现以控制生成和释放张力的方式，以提供具有许多优点的直观控制技术，这些优点包括张力的平滑变化和对用户输入的高度响应。
图1是根据一些实施例的机器人医疗系统100的简化图。在一些实施例中，医疗系统100可以适合于在例如外科手术程序、诊断程序、治疗程序或活检程序中使用。尽管本文针对此类程序提供了一些实施例，但是对医疗或外科手术器械以及医疗或外科手术方法的任何提及都是非限制性的。本文描述的系统、器械和方法可以用于动物、人尸体、动物尸体、人或动物解剖体的一部分、非手术诊断以及工业系统的机器人系统，和/或其它通用机器人系统。
如图1中所示，医疗系统100可以包括用于在对患者P执行各种程序中操作医疗器械104的操纵器组件102。医疗器械104可以经由患者P体内的开口延伸到患者P体内的内部部位。操纵器组件102可以是远程操作组件、非远程操作组件或混合远程操作和非远程操作组件，其具有可以电动和/或远程操作的选择的运动自由度以及可以被非电动和/或非远程操作的选择的运动自由度。操纵器组件102可以被安装到手术台T和/或位于手术台T附近。主组件106允许操作者O(例如，如图1中所示的外科医生、临床医生或医师)观察介入部位并控制操纵器组件102。
主组件106可以位于操作员控制台处，该操作员控制台通常位于与手术台T相同的房间中，诸如在患者P位于其上的手术台的侧面。然而，应该理解，操作员O可以位于与患者P不同的房间中或完全不同的建筑中。主组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包括任何数量的各种输入装置，诸如操纵杆、轨迹球、滚轮、方向盘、按钮、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、人体运动或存在传感器和/或类似物。
操纵器组件102支持医疗器械104，并且可以包括一个或多个非伺服控制连杆(例如，可以手动地定位并锁定在适当的位置中的一个或多个连杆，通常称为设置结构)、一个或多个伺服控制连杆(例如，可以响应于来自控制系统的命令进行控制的一个或多个连杆)和/或操纵器的运动学结构。操纵器组件102可以包括多个致动器或马达，其响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令来驱动医疗器械104上的输入。致动器可以包括驱动系统，该驱动系统在耦连到医疗器械104时可以将医疗器械104推进到自然或手术产生的解剖孔口。其他驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械104的远侧部分，多个自由度可以包括三个线性运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴的线性运动)和三个旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴的旋转)。另外，致动器可以用于致动医疗器械104的可铰接的末端执行器，用于抓紧活检装置和/或类似物的钳口中的组织。
医疗系统100可以包括传感器系统108，其具有用于接收关于操纵器组件102和/或医疗器械104的信息的一个或多个子系统。这种子系统可以包括方位(position)/位置(location)传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；用于确定远侧部分和/或沿可以构成医疗器械104的柔性主体的一个或多个节段的方位、取向、速度、速率、姿势和/或形状的形状传感器系统；用于从医疗器械104的远侧部分捕获图像的可视化系统；和/或描述控制器械104的马达的旋转和取向的致动器方位传感器(诸如解析器(resolver)、编码器、电位计和类似物)。
医疗系统100可以包括用于显示手术部位和医疗器械104的图像或表示图的显示系统110。在一些示例中，显示系统110可以使用图像模态来呈现手术部位的术前或术中图像，该图像模态诸如是计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层摄影术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或诸如此类。在一些实施例中，医疗器械104可以包括可视化系统，该可视化系统包括图像捕获组件，用于记录手术部位的即时或实时图像，并且通过显示系统110的一个或多个显示器将图像提供给操作者O。
在一些示例中，医疗系统100可以配置所显示的表示图、医疗器械104以及主组件106的控制件，使得医疗器械的相对方位类似于操作者O的眼睛和/或手的相对方位。以这种方式，操作者O可以操纵医疗器械104和手控制件，就好像在基本真实临场下观看工作空间一样。
在一些示例中，诸如出于图像引导医疗程序的目的，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或即时图像/模型配准(例如动态地参考)。从医疗器械104的视角来看，可以这样做以向操作员O呈现内部手术部位的虚拟图像。
医疗系统100还可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现在操纵器组件102、医疗器械104、主组件106、传感器系统108和/或显示系统110之间的控制。控制系统112还包括编程的指令(例如，存储指令的非暂时性机器可读介质)，以实施根据本文公开的各方面描述的一些或全部方法，包括用于向显示系统110提供信息的指令。虽然控制系统112在图1的简化图中作为单个方框示出，但是该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在操纵器组件102上执行或邻近操纵器组件102执行，处理的另一部分在主组件106处执行和/或诸如此类。控制系统112的处理器可以执行与在此公开并在下面更详细描述的过程相对应的指令。
在一些示例中，控制系统112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制系统112可以将信号传输到主组件106。在一些示例中，控制系统112可以传输指示操纵器组件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。
控制系统112可以从传感器系统108获得传感器数据，该传感器数据用于计算医疗器械104相对于患者P的解剖体的大概位置。该系统可以实施传感器系统108，以使医疗器械与术前或术中记录的医疗图像一起配准和显示。例如，通过引用整体并入本文的PCT公开WO2016/191298(公开于2016年12月1日并且标题为“Systems and Methods of Registrationfor Image Guided Surgery(用于图像引导手术的配准的系统和方法)”)公开了示例系统。
医疗系统100可以进一步包括操作和支持系统，诸如照明系统、铰接(诸如转向)控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统(未示出)。在一些实施例中，医疗系统100可以包括一个以上操纵器组件和/或一个以上主组件。除其他因素外，操纵器组件的确切数量可以取决于医疗程序和手术室内的空间限制。主组件106可以并置，或者它们可以定位在分开的位置中。多个主组件可以允许一个以上操作员以各种组合方式控制一个或多个操纵器组件。
图2A和图2B是根据一些实施例的包括安装在插入组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。如图2A和图2B中所示，手术环境300可以包括定位在手术台T上的患者P。在患者的总体运动受到镇静、约束和/或其他手段限制的意义上，患者P可以在手术环境300内静止。包括患者P的呼吸和心脏运动的循环解剖运动可以继续。在手术环境300内，医疗器械304用于执行医疗程序，该医疗程序可以包括例如手术、活检、消融、照明、冲洗、抽吸或系统配准程序。医疗器械104可以是例如器械104。器械304包括耦连到器械主体312的柔性细长装置310(例如，导管)。细长装置310包括尺寸和形状设定成接收医疗工具(未示出)的一个或多个通路(未示出)。
细长装置310还可以包括一个或多个传感器(例如，传感器系统108的部件)。在一些示例中，诸如光纤形状传感器的铰接传感器314可以固定在器械主体312上的近侧点316处。铰接传感器314的近侧点316可以与器械主体312一起移动，并且近侧点316的位置(例如，经由跟踪传感器或其它跟踪装置)是已知的。铰接传感器314可以测量从近侧点316到另一点(诸如细长装置310的远侧部分318)的形状。铰接传感器314可以与(例如，提供在内部通路内(未示出)或安装在外部的)柔性细长装置310对准。在一些示例中，光纤可以具有大约200μm的直径。在其它示例中，直径可以更大或更小。铰接传感器314可以用于确定柔性细长装置310的形状。包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤可以用于以一维或多维提供结构中的应变测量。用于以三维监测光纤的形状和相对方位的各种系统和方法在以下文献中描述：美国专利申请No.11/180,389(2005年7月13日提交并且标题为“Fiber optic positionand shape sensing device and method relating thereto(光纤方位和形状感测装置及其相关方法)”)；美国专利申请No.12/047,056(2004年7月16日提交并且标题为“(光纤形状和相对方位感测)”)；和美国专利No.6,389,187(1998年6月17日提交并且标题为“OpticalFibre Bend Sensor(光纤弯曲传感器)”)，这些文献通过引用以其整体并入本文。在一些实施例中的传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。用于使用光纤传感器配准和显示手术器械与手术图像的各种系统在PCT公开WO 2016/191298(2016年12月1日公开并且标题为“Systems and Methods ofRegistration for Image Guided Surgery(用于图像引导的手术的配准的系统和方法)”)中提供，该PCT公开通过引用以其整体并入本文。
在一些示例中，诸如电磁(EM)传感器的方位传感器可以结合到医疗器械304中。一系列方位传感器可以沿柔性细长装置310定位，并且用于形状感测。在一些示例中，方位传感器可以被配置和定位成测量六个自由度，例如三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和滚动的三个取向角度。在一些示例中，方位传感器可以被配置和定位成测量五个自由度，例如，三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角度。方位传感器系统的进一步描述在美国专利No.6,380,732(1999年8月11日提交并且标题为“Six-Degree ofFreedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object BeingTracked(在所跟踪的对象上具有无源应答器的六自由度跟踪系统)”)中提供，该美国专利通过引用以其整体并入本文。
细长装置310可以容纳在器械主体312和远侧部分318之间延伸以可控制地弯曲远侧部分318的电缆、联动装置或其他转向控件(未示出)。在一些示例中，至少四个电缆用于提供独立的控制远侧部分318的俯仰的“上下”转向和控制远侧部分318的偏航的“左右”转向。可转向的细长装置在美国专利申请No.13/274,208(2011年10月14日提交)(公开了“Catheter with Removable Vision Probe(具有可移除视觉探针的导管)”)中详细地描述，该美国专利申请通过引用以其整体并入本文。器械主体312可以包括驱动输入装置，该驱动输入装置可移除地耦连到组件的驱动元件(诸如致动器)并从该驱动元件接收动力。
器械主体312可以耦连到器械托架306。器械托架306可以安装到固定在手术环境300内的插入台(insertion stage)308。可替代地，插入台308可以是可移动的，但在手术环境300内具有已知位置(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置)。器械托架306可以是操纵器组件(例如，操纵器组件102)的部件，其耦连到医疗器械304以控制插入运动(例如沿轴线A的运动)和/或细长装置310的远侧部分318在诸如偏航、俯仰和/或滚动的多个方向上的运动。器械托架306或插入台308可以包括控制器械托架306沿插入台308的运动的致动器，诸如伺服马达(未示出)。
可以是传感器系统108的部件的传感器装置320可以提供关于器械主体312在沿插入轴线A在插入台308上移动时的方位的信息。传感器装置320可以包括一个或多个解析器、编码器、电位计和/或确定控制器械托架306的运动和因此器械主体312的运动的致动器的旋转和/或取向的其他传感器。在一些实施例中，插入台308是线性的。在一些实施例中，插入台308可以是弯曲的或具有弯曲部段和线性部段的组合。
图2A示出沿着插入台308处于缩回方位的器械主体312和器械托架306。在该缩回方位中，近侧点316在轴线A上的方位L0处。在图2B中，器械主体312和器械托架306沿插入台308的线性轨道推进，并且细长装置310的远侧部分318已经推进到患者P中。在这种推进方位中，近侧点310是在轴线A上的方位L1处。在一些示例中，来自控制器械托架306沿插入台308的移动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或插入台308相关联的一个或多个方位传感器的编码器和/或其他方位数据可以用于确定近侧点316相对于方位L0的方位。在一些示例中，该方位可以进一步用作细长装置310的远侧部分318插入患者P的解剖体的通道中的距离或插入深度的指示符。
参考图3-图7C，描述了一种用于控制可转向装置(诸如上述的柔性细长装置310和/或器械104)的方法。图3是描述根据一些实施例的控制可转向装置的方法350的流程图。方法350作为一组操作或过程在图3中示出。图3中所示的过程可以以与图3中所示的顺序不同的顺序来执行，并且在方法350的一些实施例中可以不执行一个或多个所示的过程。另外，图3中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在所示的过程之前、之后、之间或作为其一部分。在一些实施例中，方法350的一个或多个过程可以至少部分地以存储在非暂时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，该可执行代码当由一个或多个处理器(例如，上述控制系统112的处理器)运行时可以使一个或多个处理器执行一个或多个过程。图4-图6是示出根据一些实施例的在控制环境中用户输入与可转向装置的方位之间的关系的图示。
参考图3的过程352，诸如上面的医疗系统100的系统可以接收第一用户输入，该第一用户输入指示该系统以第一运动方向移动该系统的可转向装置。第一运动方向可以沿着任何轴线(例如，横向轴线中的一个或两个、插入轴线等)，或者可以处于任何取向(例如，偏航、俯仰、滚转等)。用户输入可以由操作者O使用主组件106的控制装置来提供，并且在各种示例中，控制装置可以包括操纵杆、轨迹球、滚轮、方向盘、按钮、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、人体运动或存在传感器和/或其它合适的控制装置。用户输入可以包括用于可转向装置的期望速度、期望方位和/或其它指示。
参考图3和图4的过程354，系统可以响应于第一用户输入来跟踪与可转向装置相关联的用户指示方位。在图4的控制环境400中，可以称为主方位或代理方位(proxyposition)的用户指示方位由圆圈402A和402B表示。用户指示方位可以是虚拟方位，因为它可以与可转向装置的实际方位不同。在开始远程操作的周期零/循环零(cycle zero)处，用户指示方位(例如，方位402A)可以与可转向装置的方位(例如，方位404A)匹配。在所示的示例中，第一用户输入可以指示系统驱动可转向装置，使得可转向装置的一部分(例如，可转向装置的远侧部分)从方位402A移动到方位402B。如图所示，系统可以跟踪用户指示方位从方位402A到方位402B的移动。
在第一用户输入包括速度测定(measure)的示例中，可以通过应用任何适用的速度修改来确定用户指示方位移动的量，适用的速度修改诸如下面在第二用户输入的上下文中更详细描述的方位限制或追赶修改/跟进修改(catch-up modification)。然后可以对修改的速度进行积分(例如，乘以恒定大小速度的周期时间/循环时间)，以确定移动用户指示方位的量。
参考图3的过程356，系统可以响应于第一用户输入来控制可转向装置。在一些实施例中，医疗系统100的控制系统112可以响应于第一用户输入来使得操纵器组件102的致动器向可转向装置内的缆线、联动装置、拉线、腱索或其它转向控制件施加力。在一些实施例中，医疗系统的控制系统112可以响应于第一用户输入来使得插入台(例如，插入台308)的致动器向可转向装置施加力。用户输入可以被转换成致动器方位和/或由致动器施加的力的量。
参考过程358，系统可以响应于在过程356中的致动器的移动来确定可转向装置的一个或多个部分的当前方位。例如，控制系统112可以从传感器系统108的传感器(例如，可转向装置的形状传感器、方位传感器、致动器方位传感器等)接收数据，并且可以利用接收的数据来确定沿可转向装置的一个或多个节段的方位、取向、速率(speed)、速度(velocity)、姿势和/或形状。例如，控制系统112可以利用接收的数据来确定可转向装置的远侧部分或可转向装置的另一部分的方位、取向、速率、速度、姿势和/或形状。控制系统112还可以考虑历史姿势数据以在一定时间间隔上重构可转向装置的形状。在一些实施例中，控制系统112可以从与器械托架306沿着插入台308的移动相关联的传感器系统108的传感器接收数据，并且可以利用接收的数据来确定沿可转向装置的一个或多个节段的方位、取向、速率、速度、姿势和/或形状。在过程358中确定的可转向装置的方位可以在反馈回路中反馈到过程356，以调节致动器，使得可转向装置适当地响应过程352的用户输入。例如，致动器可以被控制，使得当可转向装置不受反对(unopposed)时，可转向装置的方位可以与用户指示方位紧密对准。
在图4中示出其中可转向装置不受反对的示例。由圆圈404A和404B表示沿第一运动方向的可转向装置的给定部分的方位，也称为从方位。响应于用户输入的可转向装置的移动由从404A到404B的方位变化表示。可以看出，可转向装置的方位可以紧密跟踪代理的方位。在一些实施例中，当在自由空间中移动或基本不受反对时，诸如在过程352期间，可转向装置可以与接收的用户输入大约1：1地移动。
然而，当在程序期间使用时，可转向装置可能会遇到相反力/反向力(opposingforce)。例如，在可转向装置被推进通过通道的医疗应用中，该装置可能遇到来自形成通道的组织的阻力。阻力可以通过多种方式反馈给操作者O。在一些实施例中，相反力可以在控制装置处转换为阻力、振动或其它触觉反馈，和/或视觉地或通过音频提示(例如，在显示系统110处)表示。
在图5的控制环境500中示出了其中可转向装置遇到相反力的示例。沿第一运动方向的用户指示方位由圆圈502A和502B表示，并且可转向装置的方位由圆圈504A和504B表示。在该示例中，第一用户输入指示系统驱动可转向装置，使得可转向装置的一部分从用户指示方位502A移动到用户指示方位502B。然而，由于相反力，由致动器施加的附加力可能导致可转向装置的转向控制件中的张力，而在可转向装置中没有对应的移动。因此，可转向装置可能仅从504A移动至504B，这小于从502A移至502B的用户指示的移动。在用户指示方位502B与可转向装置504B的对应方位之间可能发生方位差异，如标记506所指示。该差异可以对应于可转向装置的致动器和/或转向控制件中的张力，其可以称为缠绕/拉紧(wind-up)。缠绕的一些方面是有益的，并且所得的张力可以用于引导可转向装置、锚定可转向装置和/或操纵可变形通道。
即使没有来自操作者O的任何输入，用户指示方位与实际方位之间的差异也可能随时间而变化。例如，尽管用户指示方位可能仅响应于用户指示，但可转向装置的实际方位可以随着周围通道移动并且向可转向装置施加力而变化。可转向装置上的外力或负载可以改变可转向装置的实际方位，而不改变用户指示方位。在随后的许多示例中，系统可以基于用户指示方位与实际方位之间的差异而不是仅基于用户输入做出反应。例如，即使在没有操作者O的指示并且不改变操作模式的情况下，系统也可以在程序期间施加相反力以将可转向装置相对于周围解剖体保持固定方位。从操作者的角度来看，系统可以无缝地保持可转向装置的方位。
参考图3的过程360，系统可以确定在过程358中确定的可转向装置的方位与在过程352中接收的用户输入的用户指示方位之间在第一方向中的差异量。如上所述，差异可以基于用户输入的变化和/或由于外力引起的细长装置的实际方位的变化而变化。
诸如沿第一方向的后续用户输入可能进一步增大可转向装置的方位与用户指示方位之间的差异。例如，可转向装置中的致动器力和张力可能响应于用户输入而增加，而可转向装置没有明显的移动。为了避免对周围组织的伤害，系统可能仅响应于用户输入而将张力和对应的差异增加到预定阈值。系统随后可以裁剪或忽略将进一步移动用户指示方位的在第一方向中的任何附加用户输入，并且因而使张力和/或差异增加超出阈值。抑制可转向装置超过阈值的响应可以保护周围环境。阈值可以在程序的过程期间变化，并且在一些示例中，阈值可以随着可转向装置向更深处移动而降低，以减少对越来越狭窄和/或脆弱的通道损伤的风险。
当接收到用户输入以沿相反方向移动可转向装置时，可以沿相反方向驱动可转向装置之前减小张力。对缠绕的受控调节可以允许操作者O设置适合于任务的张力，而无需移动可转向装置。参考过程362，系统可以接收第二用户输入，该第二用户输入指示系统在第二方向中移动可转向装置。在一些示例中，所指示的运动的至少一部分可以与第一方向相反。例如，第二方向可以与第一方向直接相反，诸如第二方向为左而第一方向为右，或者第二方向为上而第一方向为下。作为另一个示例，第二方向可以与第一方向部分地相反，诸如第二方向是东，而第一方向是西北或西南。与第一用户输入一样，第二用户输入可以由操作者O使用主组件106的控制装置来提供，并且操作者O可以使用相同的控制装置来向系统提供第一用户输入和第二用户输入二者。系统的接收可以基本上如过程352中所描述的那样执行。
参考图3的过程364和图6，系统可以响应于第二用户输入并且基于追赶/跟进曲线(catch-up profile)来移动用户指示方位。追赶曲线的示例将在下面更详细地描述。例如，追赶曲线可以将速度添加到与第二用户输入相关联的速度。参考图6的控制环境600，第二用户输入可以指示系统将用户指示方位602A移动到用户指示方位602B。可以看出，在可转向装置604的方位(其可能不响应于输入而改变)与第二用户指示方位602B之间仍然存在一些差异606。然而，随后的差异606可以小于可转向装置604的方位与第一用户指示方位602A之间的先前差异。
基于过程364引起的差异的变化，系统可以响应于第二用户输入，基于过程366所示的追赶曲线，来驱动可转向装置以减小可转向装置中的张力。在一些实施例中，医疗系统100的控制系统112可以使得操纵器组件102的致动器减小与先前响应于第一用户输入施加的第一方向对应的施加于可转向装置的转向控制件的力。在一些实施例中，控制系统112可以使得致动器沿着插入台308驱动器械托架306，以减小施加在可转向装置上的与第一用户输入对应的力。
参考图6，第二用户指示方位602B响应于第二用户输入而移动的量以及相应的张力减小的量可以部分地由追赶曲线来确定。在第二用户输入包括速度测定的示例中，用户指示方位移动的量可以通过应用任何适用的速度修改(诸如方位限制或来自追赶曲线的追赶修改)来确定。修改的速度然后可以被积分以确定移动用户指示方位的量。在一些实施例中，追赶曲线可以在退绕输入/松弛输入(unwinding)(消除缠绕的用户输入)和缠绕输入(生成缠绕的用户输入)之间提供1：1的关系。例如，在可转向装置中生成给定量的差异和/或张力的用户输入的大小或持续时间可以与消除该差异和/或张力的用户输入的大小或持续时间大致相同。
在一些示例中，追赶曲线可以对退绕输入比对缠绕输入更敏感，使得用于减小差异和/或张力的输入可以大于用于生成差异和/或张力的输入。在一些示例中，追赶曲线可以对退绕输入比对缠绕输入更不敏感，使得用于减小差异和/或张力的输入可以小于用于生成差异和/或张力的输入。追赶曲线可以包括限定差异和/或张力的减少与用户输入的方面之间的关系的线性、非线性、指数、对数、阶跃、分段、双曲、抛物线、周期/三角、反双曲、多项式、模数、其它单调函数和/或诸如此类的任何组合。
在一些示例中，追赶曲线可以使得方位差异和张力对于减小张力的用户输入比对增大张力的用户输入更敏感。例如，退绕功能的斜率可以大于缠绕功能的斜率。对退绕输入的这种增加的敏感度可以使系统感觉更好地响应。
在一些示例中，追赶曲线可以包括两个或更多个不同斜率的区域。在这些示例中，斜率可以与差异成比例，并且差异较大的区域比差异较小的区域可以具有更大的斜率，并且可以对退绕用户输入更敏感。当差异较小时降低敏感度可能降低过分偏向中立方位或意外地开始使可转向装置沿相反方向移动的趋势。
在一些示例中，用于减少差异的追赶曲线可以包括两个区域。在差异较大的第一区域中，用户输入可以更可能表示微调缠绕的意图，并且曲线可能对用户输入相对不敏感，以允许操作者O对张力进行精确调节。在差异较小的第二区域中，用户输入可以更可能表示沿第二方向移动可转向装置的意图。因此，该曲线对于第二区域中的用户输入可能相对更敏感，以使系统更好地响应。
特定的追赶曲线和追赶曲线的各方面(诸如(一个或多个)函数、(一个或多个)斜率、敏感度和其它方面)可以取决于1)差异量(例如，方位误差)；2)用户输入的任何方面，诸如输入的大小、输入的持续时间、输入之间的间隔长度和/或其它合适的方面；3)时间；4)可转向装置由于外部负载而导致的移动；5)致动器或其它张紧机构的响应平稳性；6)可转向装置的形状；7)构成通道的组织的敏感度；8)解剖体的曲率；9)操作者偏好；和/或10)系统、操作者O或程序的其它合适方面。
在一些示例中，当可转向装置由于外部负载而没有(或很少)移动、用户输入处于恒定速率并且追赶项是瞬时方位误差的线性函数时，在用户指示方位渐近地接近装置方位的情况下，追赶曲线可以提供衰减指数。对于一些系统和致动器配置，衰减指数可以在可转向装置中提供张力的平滑变化。
参考图3的过程368，该系统可以接收第三用户输入，该第三用户输入进一步指示系统诸如在用户指示方位和可转向装置的方位已经会合之后以第二运动方向移动可转向装置。第三用户输入可以由操作者O使用主组件106的控制装置来提供，并且操作者O可以使用相同的控制装置来将第一用户输入、第二用户输入和第三用户输入提供给系统。系统的接收可以基本上如过程352中所描述的那样执行。
参考过程370，系统可以响应于第三用户输入而移动用户指示方位。由于已经消除了方位差异，因此参考过程372，系统可以响应于第三用户输入来控制可转向装置以第二运动方向移动。这可以基本上如过程356中所描述的那样执行。
在医疗程序期间，当可转向装置穿过患者解剖体时，可以重复方法350。例如，穿过分支解剖区域(诸如人肺)的可转向装置可以使用方法350而被插入到一系列解剖分支中并且从一系列解剖分支中移除，以管理与用户指示方位和可转向装置的对应方位之间的差异相关联的张力。
在任何时候，系统可以检测到系统中、可转向构件中和/或程序中的故障。基于检测到故障，系统可以消除可转向构件中的差异和张力(如果存在)。图7是描述根据一些实施例的响应于故障来控制可转向装置的方法700的流程图。方法700作为一组操作或过程在图7中示出。在方法700的一些实施例中，可以不执行一个或多个所示过程。此外，图7中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在所示的过程之前、之后、之间或作为其一部分。在一些实施例中，方法700的一个或多个过程可以至少部分地以存储在非暂时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，该可执行代码当由一个或多个处理器(例如，上述控制系统112的处理器)运行时可以使得一个或多个处理器执行一个或多个过程。方法700可以在包括上述方法350期间的任何时间执行。
参考图7的过程702，诸如上面的医疗系统100的系统可以检测到系统中、可转向构件中和/或程序中的故障，或者可以从操作者O接收紧急指示。参考图7的过程704，如果存在方位差异，则系统可以响应于故障或紧急指示来控制可转向装置以减小方位差异。方位差异减少的速率和程度可以类似于追赶曲线，因为它可以包括线性、非线性、指数、对数、阶跃、分段、双曲、抛物线、周期/三角、反双曲、多项式、模数、其它单调函数和/或类似函数来确定减小方位差异和可转向装置中的张力的速率和程度。该性能的各个方面(诸如(一个或多个)功能、(一个或多个)斜率和其它方面)可以取决于细长装置的形状、构成通道的组织的敏感度、解剖体的曲率、操作者偏好、或系统的其它合适方面、操作者O或程序。减小方位差异的速率和程度可以被选择，以便不存在操作者O可察觉的可转向装置的意外移动。
在一些示例中，方位差异可以被立即消除，并且可转向装置中的张力可以被立即释放。在脆弱的环境中，快速减小张力可能有益于减少可转向装置造成的损坏或伤害的风险。在一些示例中，可以以较慢的速率减小方位差异，以避免弹性回弹、转向控制件的屈曲或成束，或致动器或转向控制件的其它影响。
本公开的实现方式的各种示例
本发明根据各种器械和器械的部分在三维空间中的状态对其进行描述。例如，术语方位是指对象或对象的一部分在三维空间中的位置(例如，沿着笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。术语取向是指对象或对象的一部分的旋转放置(例如，一个或多个旋转自由度，诸如滚转、俯仰和偏航)。术语姿势是指对象或对象的一部分处于至少一个平移自由度中的方位，或者指对象或对象的一部分处于至少一个旋转自由度中的方位(例如，多达六个总自由度)。术语形状是指沿对象测量的一组姿势、方位或取向。
本公开的实施例中的一个或多个元件可以在软件中实现以在诸如控制处理系统的计算机系统的处理器上执行。当以软件实现时，本公开的实施例的元素可以是用于执行各种任务的代码段。程序段或代码段可以被存储在处理器可读存储介质或装置中，该处理器可读存储介质或装置可以通过在传输介质或通信链路上以载波形式体现的计算机数据信号来下载。处理器可读存储装置可以包括可以存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和/或磁性介质。处理器可读存储装置的示例包括电子电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其它存储装置。代码段可以经由诸如互联网、内联网等的计算机网络来下载。可以采用各种各样的集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。编程指令可以被实现为多个单独的程序或子例程，或者它们可以被集成到本文描述的系统的多个其它方面中。在一些示例中，控制系统可以支持无线通信协议，诸如蓝牙、红外数据通讯(IrDA)、HomeRF、IEEE 802.11、数字增强无绳通信(DECT)、超宽带(UWB)、ZigBee(物联网)和无线遥测。
医疗工具可以通过本文公开的柔性细长装置(例如，导管)递送，并且可以包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融光纤和/或其它手术工具、诊断工具或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端致动器，诸如手术刀、钝刀、光纤、电极和/或诸如此类。其它末端致动器可以包括例如钳子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或诸如此类。其它末端致动器可以进一步包括电激活的末端致动器，诸如电外科电极、换能器、传感器和/或诸如此类。医疗工具可以包括图像捕获探针，该图像捕获探针包括用于捕获图像(包括视频图像)的立体或单视相机。医疗工具可以另外容纳在其近侧部分和远侧部分之间延伸以可控制地弯曲医疗工具的远侧部分的缆线、联动装置或其它致动控制装置。可转向器械在美国专利No.7,316,681(于2005年10月4日提交，并且标题为“Articulated Surgical Instrumentfor Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity andSensitivity”)和美国专利申请No.12/286,644(于2008年9月30日提交，并且标题为“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments”)中详细描述，其全部内容通过引用并入本文。
本文所述的系统可以适合于在多种解剖系统中的任何一种(包括肺、结肠、肠、肾和肾盏、脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或诸如此类)中经由自然或手术产生的通道来导航和治疗解剖组织。
注意，所呈现的过程和显示可能并非固有地与任何特定计算机或其它设备有关。各种通用系统可以与根据本文的教导的例程一起使用，或者可以证明构造更专用的设备来执行所描述的操作是方便的。另外，将意识到，可以使用多种编程语言来实现本文描述的示例。
尽管已经描述并在附图中示出了某些示例，但是应当理解，这些示例仅是示例性的，而不是限制性的，并且所描述的示例不限于所示出和描述的特定构造和布置，这是由于本领域普通技术人员可以进行各种其它修改。

Claims (39)

1.一种系统，其包括：
控制装置，其被配置为接收用户输入；
操纵器系统，其包括被配置为接收和驱动可转向装置的致动器；以及
控制系统，其通信地耦连到所述操纵器系统和所述控制装置，所述控制系统被配置为：
基于第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位；
确定所述可转向装置的一部分的装置方位；
确定所确定的装置方位与所述虚拟用户指示方位之间的在第一方向中的方位差异；
接收命令所述可转向装置以在第二方向中的运动的第二用户输入，其中所述第二方向的至少一部分与所述第一方向相反；以及
响应于所述第二用户输入，基于所述第二用户输入的方面和追赶曲线来减小所述方位差异。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统被配置为通过减小所述可转向装置的转向控制件中的张力来减小所述方位差异。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二用户输入的所述方面包括所述第二用户输入的大小或所述第二用户输入的持续时间中的至少一个。
4.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述追赶曲线基于以下中的至少一项：所述可转向装置的形状、所述可转向装置所设置的通道的敏感度或操作者偏好。
5.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述追赶曲线通过向所述第二用户输入应用追赶速度来减小所述方位差异。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述追赶速度被配置为使得所述可转向装置的控制对减小所述方位差异的输入比对增大所述方位差异的输入更敏感。
7.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述追赶曲线包括被配置为具有第一敏感度的第一区域和被配置为具有不同于所述第一敏感度的第二敏感度的第二区域。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一区域与比所述第二区域更大的方位差异相关联，并且所述第一敏感度大于所述第二敏感度。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一区域与比所述第二区域更大的方位差异相关联，并且所述第一敏感度小于所述第二敏感度。
10.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述控制系统被配置为：
接收命令所述可转向装置在所述第一方向中的运动的第三用户输入；
确定所述第三用户输入导致所述方位差异超过阈值；以及
基于确定所述第三用户输入导致所述方位差异超过所述阈值来抑制对所述第三用户输入的响应。
11.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述虚拟用户指示方位不响应于所述可转向装置上的负载而改变。
12.根据权利要求1或2-3所述的系统，其中所述控制系统被配置为：
检测到故障；以及
响应于所述故障，在没有操作者可察觉的所述可转向装置的运动的情况下减小所述方位差异。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制系统被配置为通过消除所述可转向装置的转向控制件中的张力来响应于所述故障减小所述方位差异。
14.一种方法，其包括：
从主控制器接收第一用户输入，所述第一用户输入指示可转向细长装置在第一运动方向中的移动；
基于所述第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位；
基于所述第一用户输入来控制所述可转向细长装置的运动；
从所述可转向细长装置的传感器检测所述可转向细长装置的当前装置方位；
确定所检测的当前装置方位与所述虚拟用户指示方位之间的方位差异；
从所述主控制器接收在第二运动方向中的第二用户输入，其中所述第二方向的至少一部分与所述第一运动方向相反；以及
响应于所述第二用户输入，基于追赶曲线来减小所述方位差异。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：从所述主控制器的公共控制装置接收所述第一用户输入和所述第二用户输入。
16.根据权利要求14所述的方法，其中减小所述方位差异包括减小所述可转向细长装置的转向控制件中的张力。
17.根据权利要求14或15-16所述的方法，其中所述追赶曲线基于所述第二用户输入的大小或所述第二用户输入的持续时间中的至少一个。
18.根据权利要求14或15-16所述的方法，其中所述追赶曲线基于以下中的至少一项：所述可转向细长装置的形状、所述可转向细长装置所设置的通道的敏感度或操作者偏好。
19.根据权利要求14或15-16所述的方法，其中所述追赶曲线通过向所述第二用户输入应用追赶速度来减小所述方位差异。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述追赶速度被配置为使得所述可转向细长装置的控制件对减小所述方位差异的输入比对增大所述方位差异的输入更敏感。
21.根据权利要求14或15-16所述的方法，其中所述追赶曲线包括被配置为具有第一敏感度的第一区域和被配置为具有不同于所述第一敏感度的第二敏感度的第二区域。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一区域与比所述第二区域更大的方位差异相关联，并且所述第一敏感度大于所述第二敏感度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一区域与比所述第二区域更大的方位差异相关联，并且所述第一敏感度小于所述第二敏感度。
24.根据权利要求14或15-16所述的方法，进一步包括：
检测到在所述第一运动方向中的第三用户输入；
确定所述第三用户输入导致所述方位差异超过阈值；以及
基于确定所述第三用户输入导致所述方位差异超过所述阈值来抑制对所述第三用户输入的响应。
25.根据权利要求14或15-16所述的方法，进一步包括：
在减小所述方位差异之后，检测到在所述第二运动方向中的第三用户输入；
基于所述第三用户输入来移动所述虚拟用户指示方位；以及
基于所述第三用户输入来使所述可转向细长装置在所述第二运动方向中移动。
26.根据权利要求14或15-16所述的方法，进一步包括：
检测到故障；以及
响应于所述故障，在没有操作者可察觉的所述可转向装置的移动的情况下减小所述方位差异。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
响应于所述故障，消除所述可转向细长装置的转向控制件中的张力。
28.一种设备，包括：
一个或多个处理器；以及
非暂时性计算机存储器，其存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述设备：
从控制装置接收命令可转向装置在第一方向中的运动的第一用户输入；
基于所述第一用户输入来跟踪虚拟用户指示方位；
基于所述第一用户输入来命令耦连至所述可转向装置的致动器使所述可转向装置在所述第一方向中移动，其中所述可转向装置响应于所述第一用户输入的移动生成方位差异；
从所述可转向装置的传感器检测所述可转向装置的一部分的装置方位；
确定所述方位差异的测定；
从所述控制装置接收命令所述可转向装置在第二方向中的运动的第二用户输入，其中所述第二方向的至少一部分与所述第一方向相反；以及
响应于所述第二用户输入，基于所述第二用户输入的方面和追赶曲线来减小所述方位差异。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述方位差异与所述可转向装置中的张力相关联，并且其中所述非暂时性计算机存储器存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述设备命令所述致动器基于所述追赶曲线来减小所述可转向装置中的所述张力。
30.根据权利要求28所述的设备，其中所述第二用户输入的所述方面包括所述第二用户输入的大小或所述第二用户输入的持续时间中的至少一个。
31.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述追赶曲线基于以下中的至少一项：所述可转向装置的形状、所述可转向装置所设置的通道的敏感度或操作者偏好。
32.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述追赶曲线向所述第二用户输入应用追赶速度。
33.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述追赶曲线使得所述设备对减小所述方位差异的用户输入比对增大所述方位差异的用户输入更敏感。
34.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述追赶曲线具有与较大的方位差异相关联的第一区域和与较小的方位差异相关联的第二区域，并且其中所述第一区域的第一敏感度大于所述第二区域的第二敏感度。
35.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述非暂时性计算机存储器存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述设备抑制导致所述方位差异超过阈值的响应。
36.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述非暂时性计算机存储器存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述设备：
在接收到所述第二用户输入之后，从所述控制装置接收命令所述可转向装置在所述第二方向中的运动的第三用户输入；以及
基于所解决的所述方位差异，响应于所述第二用户输入，命令所述致动器使所述可转向装置在所述第二方向中移动。
37.根据权利要求28或29-30所述的设备，其中所述非暂时性计算机存储器存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述设备：
检测到故障，以及
响应于所述故障，命令所述致动器在没有操作者可察觉的所述可转向装置的运动的情况下减小所述方位差异。
38.根据权利要求37所述的设备，其中所述非暂时性计算机存储器存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述设备响应于所述故障而命令所述致动器消除所述可转向装置中的张力。
39.根据权利要求37所述的设备，其中所述虚拟用户指示方位不基于所述可转向装置上的负载而改变。
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