CN114025699A - 具有被动弯曲模式的主动控制可转向医疗设备 - Google Patents

Abstract

一种用于可转向医疗器械的装置、方法和系统，所述可转向医疗器械被配置成与机器人控制医疗手术过程中的导引工具和设备结合使用，所述导引工具和设备包括内窥镜、摄像头、切割工具和导管。在一个实施例中，所述可转向器械包括细长主体(100)；控制线(110)，所述控制线布置在所述细长主体的通道(104)中并可沿所述通道移位以弯曲所述细长主体；和控制器(320)，用于在主动控制模式和被动控制模式下有选择地控制施加在控制线(110)上的驱动力。在主动控制模式下，所述控制器主动弯曲所述细长主体的至少一部分。在被动控制模式下，控制器(320)减小控制线的应变量或位移量，使得控制线变得顺应外力。

Description

具有被动弯曲模式的主动控制可转向医疗设备

相关申请的引用

本申请要求2019年5月31日提交的美国临时申请62/855354的优先权，该申请的公开内容通过引用整体包含在本文中。

技术领域

本公开一般涉及机器人医疗设备。更具体地，本公开例示了具有可控刚度的关节式可转向医疗设备的各种实施例，其可应用于导引介入工具和器械(比如机器人内窥镜和导管)通过管腔内曲折路径。

背景技术

诸如内窥镜外科器械和导管之类的可弯曲医疗器械是众所周知的，并且继续在医学领域获得认可。这些可弯曲医疗器械通常包括通常称为套筒或护套的细长柔性管子，其具有从近端延伸到远端的开口。一个或多个工具通道沿着护套延伸(通常在护套内部)，以允许接近位于护套远端的末端执行器(effector)。内窥镜可以在柔性轴的远端具有成像、照明和转向能力，从而使人体内的非线性管腔或曲折路径的导航成为可能。这种类型的医疗器械应当提供具有至少一个或多于一个曲线的柔性通路，以接近预期的病变区域，同时保持扭转刚度和纵向刚度，使得医师能够通过操控器械的近端来控制位于远端的末端执行器。

在其中可转向医疗内窥镜工具主要用于接近难以到达的预期病变区域的微创手术(MIS)或经自然腔道内窥镜手术(NOTES)中，医疗器械设计的一些要求是(1)使可弯曲医疗器械的外部尺寸(外径)最小化，(2)使用于工具通道的开口的尺寸(内径)最大化，和(3)为在曲折路径中行进提供适当的柔性(或刚度)，而不会给患者造成疼痛或不适。于是，为了优化尺寸，可弯曲医疗器械必须优选包括具有最小壁厚的护套；并且为了最小化患者不适，可弯曲医疗器械必须优选具有最小的总外径。同时，这种薄而精致的可弯曲医疗器械必须提供足够的刚性和柔性，以便可转向，从而沿多个方向移动，包括沿其纵轴方向的插入和缩回，绕纵轴旋转(轴向旋转)，和在器械的多个方向和/或多个节段上径向弯曲。最近，为了增强可转向医疗器械沿管腔内曲折路径的可操控性，出现了能够控制刚度和导航的机器人化器械。在已知的机器人化器械中，为了在可转向器械的远端部分局部弯曲和产生曲线，在专利和非专利出版物中公开了不同的技术。

例如，授权前的专利申请公开US 20160067450A1描述了一种具有嵌套导管的柔性器械，其设置多个导管以保持近端部分的形状，同时驱动腱弯曲可弯曲医疗器械的远端部分。所述多个导管将以导管的近端受约束或不受约束的二元方式控制。通过选择受约束的导管，可弯曲医疗设备可以通过基于导管展开的区域改变可弯曲医疗设备的刚性来改变远端段弯曲的长度。

授权前的专利申请公开US 20100280449A1公开了一种具有多个独立节段的可转向器械，所述多个独立节段能够使致动力与可转向节段的多个部分解耦，以便允许受控节段在医疗设备插入期间顺应路径的曲率。US 20100280449A1公开了一种具有“第一部分”和“第二部分”的可转向器械，所述“第一部分”是可转向导管，所述“第二部分”是可转向护套。每个部分都是独立控制的，并且可以与铰接力或转向力解耦，以允许每个部分顺应路径。然后，第一部分可以再次被致动，并围绕第二部分的曲率插入通过第二部分。该公开关注在通过肺气道插入可转向器械的同时选定部分中的铰接力或转向力的解耦。

授予前的专利申请公开US 20140276594A1公开一种机器人手术系统，其中通过控制线控制可转向器械。控制线由滑轮致动，并且滑轮上的扭矩由扭矩传感器测量。滑轮上的扭矩被转换成控制线拉伸。在该公开中，只能感测拉伸，因为只能抵靠滑轮拉动控制线(即，抵靠滑轮推动控制线会使控制线从滑轮上解开)。美国专利8644988公开了一种可转向医疗器械，它使用力和反馈控制来转向医疗器械，比如在远端关节的定位和近端致动器之间具有不可忽略的顺应性(即，没有松弛)的导管。

Blanc等人的非专利出版物“Flexible Medical Devices：Review ofControllable Stiffness Solutions”，Actuators，2017年6月23日，doi:10.3390/act6030023，以及Loeve等人发表于IEEE Pulse，2011年1月的论文“Scopes TooFlexible…and Too Stiff”,DOI:10.1109/MPUL.2010.939176都描述了用于提供具有可控柔性和/或刚度的可转向医疗设备的许多设计挑战和提议的解决方案。

然而，本领域的一般现有技术，特别是上面讨论的示例性出版物，并没有解决典型工作流或过程中的根据需要期望可转向器械具有特定水平的柔性的某些情况。更具体地，已知的现有出版物没有公开具有控制线上拉伸为零的主动控制被动弯曲模式的可转向器械，这在某些情况下是合乎需要的。

发明内容

按照本公开的至少一个实施例，提供了一种具有主动控制被动弯曲模式的可转向医疗器械。按照本公开的一个方面，所述可转向医疗器械包括：细长主体，所述细长主体具有纵轴、近端、远端和沿着所述细长主体布置的多个通道，所述细长主体具有不可弯曲节段和至少一个可弯曲节段；控制线，所述控制线布置在所述细长主体的通道中，并延伸穿过所述不可弯曲节段和所述至少一个可弯曲节段，所述控制线固定在所述至少一个可弯曲节段的远端，并被配置成可沿所述通道滑动，以便使所述细长主体相对于所述纵轴以一角度弯曲；在控制线的近端可操作地连接到控制线的驱动单元；传感器，所述传感器被配置成输出指示施加于控制线的应变量或控制线的距离位移量的信号；以及控制器，所述控制器被配置成使所述驱动单元以主动控制模式和被动控制模式之一，有选择地向所述控制线施加驱动力。在主动控制模式下，所述控制器使用命令信号来使所述驱动单元施加驱动力，以使所述细长主体弯曲，从而导航通过曲折路径。在被动控制模式下，所述控制器使用从所述传感器输出的信号来使所述驱动单元减小施加于所述控制线的应变量或减小所述控制线的距离位移量。

按照本发明的另一个方面，一种可转向医疗器械包括：细长主体(100)，所述细长主体(100)具有不可弯曲节段(102)和至少一个可弯曲节段(103)，并且包括沿纵轴(Ax)从细长主体(100)的近端延伸到远端的多个通道(104，105)；控制线(110)，所述控制线(110)布置在细长主体(102)的第一通道(104)中，并延伸穿过所述不可弯曲节段和所述至少一个可弯曲节段，并且附接到所述至少一个可弯曲节段；传感器(221，231)，传感器(221，231)被配置成测量控制线(110)的应变量或位移量；致动器(310)，致动器(310)机械耦接到控制线(110)，并被配置成通过向所述控制线施加驱动力，致动所述细长主体(100)的至少一个可弯曲节段(103)；和控制器(320)，控制器(320)被配置成基于施加于所述控制线的除驱动力以外的外力，按照主动控制模式和被动控制模式控制致动器(310)的动作。

按照本公开的各个方面，通过提供主动控制被动弯曲模式，由此(1)当在可转向器械中需要最大柔性时，使控制线上的力为零；(2)不管采用何种控制模式，都能连续监测控制线的力和位移；(3)即使在通过曲折路径行进时，也使可转向器械中的摩擦最小化；和(4)控制线的近端在连接到其对应致动器的同时可以自由平移，显著地改进了可转向医疗设备。

当结合附图和所附权利要求书阅读本公开的示例性实施例的以下详细说明时，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

当结合表示本公开的示例性实施例的附图时，根据以下详细说明，本公开的其他目的、特征和优点将变得显而易见。

图1A图解说明适用于使用主动控制被动弯曲模式的导管或内窥镜辅助的微创手术(MIS)的连续体机器人系统1000的示例性实施例。图1B更详细地图解说明具有细长柔性轴(细长主体)和从其近端延伸到远端的多个通道或开口的可转向器械100。

图2A是具有两个弯曲节段的示例性可转向器械100的透视图。图2B表示具有用于导引控制线的通孔(导引孔)的代表性导引构件的透视图。图2C表示使可转向器械的100的单个弯曲节段106弯曲或转向的例子。

图3图解说明主动控制被动弯曲模式的示例性实施例，该实施例在本文中被称为“力控制回路”实现。

图4图解说明可转向器械100的主动控制被动弯曲模式的示例性实施例，该实施例在本文中被称为“无摩擦直接驱动”实现。

图5A和图5B图解说明由具有无摩擦轴承的感应电动机实现的无摩擦直接驱动配置的示例性实施例。

图6A、图6B和图6C图解说明由超声电动机实现的无摩擦直接驱动配置的另一种示例性实现。

图7A图解说明按照本公开的被配置成实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的控制系统1500的示例性框图。图7B图解说明可以操作控制系统1500的电动机控制器1504或者是电动机控制器1504的一部分的计算机1600的功能块。

图8图解说明用于以反馈力控制回路实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的示例性流程图。

图9图解说明用于以无摩擦直接驱动实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的示例性流程图。

图10A图解说明实现一种算法的示例性流程图，所述算法使驱动单元减小施加于控制线的应变量或压缩量，或者减小控制线的距离位移量，使得当在可转向器械中需要最大柔性时，通过将控制线中的力减小为零，使控制线顺应外力。图10B图解说明在主动控制模式和被动控制模式下操作可转向器械100的用户激活控制的场景的示例性过程。

具体实施方式

参考附图，详细说明本文中公开的实施例。尽管附图表示了一些可能的配置和方法，不过，附图不一定是按比例绘制的，并且某些特征可以被放大、去除或部分分割，以更好地图解说明和解释本公开的某些方面。本文中记载的说明不是详尽无遗的，也不意图将权利要求限定或限制于附图中所示并在下面的详细说明中公开的精确形式和配置。

在所有附图中，除非另有说明，否则相同的参考数字和字符用于表示图解所示的实施例的相同特征、元件、组件或部分。此外，虽然现在将参考附图详细说明本公开，不过它是结合示例性实施例进行的。旨在可以对所说明的示例性实施例进行各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求所限定的本公开的真实范围和精神。

当一个特征或元件在本文中被称为“在”另一个特征或元件上时，它可以直接在另一个特征或元件上，或者也可以存在居间的特征和/或元件。相反，当一个特征或元件被称为“直接在”另一个特征或元件上时，不存在居间的特征或元件。还应当理解的是，当一个特征或元件被称为“连接”、“附接”、“耦接”等到另一个特征或元件时，它可以直接连接、附接或耦接到另一个特征或元件，或者可以存在居间的特征或元件。相反，当一个特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦接”到另一个特征或元件时，不存在任何居间的特征或元件。尽管是关于一个实施例进行说明或表示的，但是在一个实施例中如此说明或表示的特征和元件可以应用于其他实施例。本领域的技术人员还会意识到的是，对与另一个特征“相邻”布置的结构或特征的引用可以具有与相邻特征重叠或在其下面的部分。

本公开一般涉及医疗设备，并且例示了关节式可转向医疗设备的各种实施例，关节式可转向医疗设备可向通过管腔内曲折路径的导引介入工具和器械(比如内窥镜和导管)应用可控刚度。本公开的实施例可以被配置成机器人系统的一部分，不过本领域的技术人员会意识到的是，本文中公开的可转向器械也可以用于不需要机器人系统的类似应用中。

可转向医疗器械及其各个部分的实施例是利用它们在三维空间中的状态来说明的。本文中使用的术语“位置”指的是物体或物体的一部分在三维空间中的地点(例如，沿着笛卡尔X、Y、Z坐标的三个平移自由度)；术语“取向”指的是物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度-例如，滚转、俯仰和偏航)；术语“姿态”指的是物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置，以及该物体或物体的一部分在至少一个旋转自由度中的取向(最多总共六个自由度)；术语“形状”指的是沿着物体的细长主体测量的一组姿态、位置和/或取向。

正如在医疗设备领域中已知的，本文中关于从用户延伸到手术或诊断部位的器械的端部的操控，使用了术语“近端”和“远端”。在这点上，术语“近端”指的是器械更靠近用户的部分，而术语“远端”指的是器械更远离用户和更靠近手术或诊断部位的部分。

<可转向医疗设备的配置>

图1A图解说明按照本公开的一个实施例的连续体机器人系统1000的一般结构，连续体机器人系统1000包括计算机系统400(例如控制台)、机器人控制系统300和可转向器械100，可转向器械100经过手柄(handle)接口200连接到控制系统300。可转向器械100具有近端不可转向节段102和由适用于导管或内窥镜辅助的微创医疗手术的多个弯曲节段组成的可转向节段103。具体地，图1A表示一种机器人控制的可转向器械100，其具有被分成沿着纵轴Ax布置的多个弯曲段部或节段(1，2，3...n)的可转向节段103，并被配置成相对于纵轴Ax以角度β弯曲可转向节段中的至少一个。

可转向器械100由致动系统控制，所述致动系统由手柄接口200和控制系统300组成。控制系统300通常包括控制器，或者连接到计算机系统400，以及由处理器或中央处理器(CPU)410操作的适当软件、固件和外围硬件，这些将在后面说明。除其他功能以外，控制系统300和计算机系统400可以向外科医生或其他操作者提供图像显示420和图形用户界面(GUI)422，以交互和操作可转向器械100。手柄接口200提供可转向器械100和控制系统300之间的机电互连。例如，手柄接口200可提供机械、电气和/或光学连接，以及用于使可转向器械100和控制系统300进行接口连接的数据/数字采集(DAQ)系统。手柄接口200还可以提供插入医疗工具的接入端口250，操作者可用于手动控制末端执行器的操作和/或器械的转向的一个或多个机械拨盘或旋钮252，以及具有一个或多个控制按钮和状态指示器的用户接口254。

作为用户接口254的一部分，手柄200可包括用于向用户提供机器人可转向器械100的操作状态的LED。在实施例中，LED例如可以包括不同的灯光颜色，用于分别指示正常操作(绿光)和异常操作(红光)。或者，LED例如可以包括闪烁码，以指示异常操作的类型。另外，用户接口254可包括紧急开启/关闭开关，以在紧急情况下手动停止可转向器械的致动。

图1B更详细地图解说明可转向器械100，可转向器械100具有通常称为套筒或护套的细长柔性轴(细长主体)；该片材由不可转向节段102和由多个弯曲段部组成的可转向节段103形成；一个或不止一个通道或开口沿着可转向器械100的纵轴Ax从近端延伸到远端。在开口或通道当中，护套可包括沿着护套的壁(通常在内部)延伸的一个或多个工具通道105，和沿着护套的壁(通常在内部)延伸的多个导线管104。一个或多个工具通道105允许接近要被递送的或位于可转向节段103的远端的末端执行器。一个或多个通道105还可用于将液体或气体物质(例如，空气、水)送到目标区域或从目标区域取回，或者用于使光纤和/或电线通过。此外，一个或多个通道105可以用于插入医学成像设备180，比如内窥镜摄像头或基于光纤的成像探头。内窥镜摄像头的例子包括但不限于尖端芯片(COT)摄像头，比如具有布置在成像设备的尖端处的微型CMOS传感器的摄像头。基于光纤的成像探头的例子包括但不限于近红外自动荧光(NIRAF)成像探头、光谱编码内窥镜(SEE)探头、血管内超声(IVUS)探头、或光学相干断层成像(OCT)成像探头。

导线管104允许用于转向(或弯曲)护套的至少一个节段的控制线110的锚定和/或通过。为此，在护套的远端，可转向节段103由多个可弯曲段部组成。在护套的近端，不可转向节段102连接到把手或手柄接口200，手柄接口200具有用于在一个或多个方向上弯曲可转向节段的一个或多个控制轮或旋钮252。用于工具进入工具通道105的接入端口250也包含在把手或手柄中。接入端口250可以用于插入小器械，比如小镊子、针或电灼器械等。在一些实施例中，导线管104可以用于使电线111通过，以例如将电磁(EM)传感器115连接到位于接口手柄200的电气端子212。

可转向器械100被配置成为到管腔内目标区域的柔性通路提供一个或不止一个弯曲曲线，以到达在器械远端附近的预期目标区域，同时保持扭转刚度和纵向刚度，使得医师能够通过操控控制系统来控制位于护套的远端的末端执行器或成像设备。为了提供这种可转向功能，用布置在沿着护套的壁(通常在内部)的导线管104中的多根控制线110来控制可转向器械100。一些控制线110使用线锚112锚定在护套的远端，其他控制线110可以使用线锚113锚定在距远端一定距离处。在一个示例性实施例中，具有6根控制线的可转向器械100可具有用线锚113锚定在护套的中部(例如，在一个或多个转折点107处)的两对控制线110(即，4根控制线)，另一对控制线110(2根控制线)可由线锚112锚定在护套的远端。以这种方式，可转向器械100可具有由分别穿过单独的导线管104的3对对抗控制线110控制的至少两个(即，两个或更多个)可转向节段。

在器械100的近端，手柄接口200被配置成提供可转向器械100和控制系统300之间的机械连接和机电接口。在一个实施例中，手柄接口200提供多个机电连接210(每根控制线110一个连接)，使得致动器系统310可机械操作每根控制线310。控制器320用于基于每根控制线的拉伸或扭转状态，电子控制每根控制线110的操作，如后面在本公开中进一步详细说明的。

如图1B中所示，控制系统300可以包括作为致动器系统310的一部分的多个致动电动机(或致动器)1～M，其中M为大于零且等于控制线110的数量的整数。以这种方式，每根控制线110可以通过反馈控制回路325主动控制，以实现适当的用于导航通过患者的解剖结构的轴导引。

图2A是示例性可转向器械100的透视图。按照一个实施例，可转向器械100可以是线驱动的连续体机器人，它包括近端不可转向节段102和可转向节段103，可转向节段103被分成具有至少一个转折点107的多个弯曲段部或节段106a和106b。在可转向器械100中，多根控制线110穿过沿着护套的不可转向节段102的壁的导线管104，并穿过护套的可转向节段103中的多个导引构件108a、108b，以及锚定构件103a、103b，从近端延伸到远端。控制线110布置在平行于Z轴的方向上；一些控制线110在转折点107耦接到第一锚定构件103a，一些控制线110在远端耦接到第二锚定构件103b。所有控制线110都在其近端耦接到单独的电动机或致动器(致动器系统310，如图1B中所示)。控制线110可以是金属丝，例如钢琴型丝、不锈钢丝或镍钛合金丝。锚定构件103a和103b具有其中心轴沿着Z轴方向延伸的环形形状。在多根控制线110当中，例如通过粘结、钉扎、超声焊接或热焊接、压装或螺钉，一些控制线固定地附接到锚定构件103a，一些控制线附接到锚定构件103b。

护套的支撑节段或不可转向节段102具有其纵轴沿着Z轴方向延伸的圆柱形形状，以及在所述圆柱形形状的壁内延伸的多个导管或通孔。支撑节段是不可转向节段，并且具有当穿过护套的通孔的控制线在Z轴方向上被驱动时，传递来自致动器的致动力的功能，而不存在控制线的任何屈曲或松弛。

图2B表示代表性的导引构件108b和代表性的导引构件108a的透视图。每个导引构件具有中心轴或纵轴Ax沿着z轴方向延伸的环形形状。导引构件108b具有沿着导引构件的环形形状的壁延伸的导线管或导引孔104a、104b和104c。导引孔104a、104b和104c配置成在可转向器件100的导航(转向)操作期间，允许相应的控制线110穿过和滑动通过。在控制线110当中，一根控制线可以在给定锚定构件的导引孔的内表面中，被固定地附接在给定锚定构件上，另外两根控制线可以相对于给定锚定构件的导引孔滑动。由于每个导向构件108b通过导引孔104接触控制线110，因此导引构件可包括摩擦系数低的润滑材料。导引构件108a具有导引孔104a、104b、104c、104d、104e和104f，允许控制线110通过弯曲节段106a和弯曲节段106b。设计上类似于弯曲节段106b，弯曲节段106a具有多个导引构件108a，每个导向构件具有导引孔104a～104f。导引孔104a～104f被布置成允许耦接到锚定构件103b的控制线110和耦接到锚定构件103a的控制线穿过导引孔。

接下来说明可转向器械100在控制线110被主动驱动以导航通过曲线路径时的弯曲运动(转向)。为了简单起见，解释了单个弯曲段部或节段的弯曲。如图2C中所示，可转向器械100的单个弯曲节段106从其远端起包括锚定构件109、多个导引构件108和具有多个导引孔的支撑不可转向节段102。控制线110a、110b和110c分别沿着导引孔104a、104b和104c从可转向器械的近端延伸到远端。一根或全部控制线110在其远端固定地耦接到锚定构件109上。在其远端耦接到锚定构件109的控制线110通过连接在每根控制线的近端的致动器或电动机的作用(参见图1A-1B)可相对于导引构件108滑动。三根控制线110中的一根控制线(例如，图2C中的控制线110b)相对于所有导引构件108固定(或机械接地)，其余两根控制线110(例如，图2C中的控制线110a和110c)可相对于导引构件108的导引孔滑动。

在弯曲可转向器械100时，每根控制线110由相应的致动器或电动机单独控制。例如，在图2C中，在控制线110b可以被固定或锚定到锚定构件109的同时，用第一控制力F1拉动控制线110a，并用与力F1不同的第二控制力F2(在本例中，控制力F2小于控制力F1)拉动控制线110c。以这种方式，可以根据控制线110a和110c的直线位移的驱动量的组合，使弯曲节段106沿期望的方向弯曲。为了控制可转向器械100的远端的姿态，驱动三根控制线中的两根(或者甚至一根)就足够了。当力F1和F2分别施加在控制线110a和110c上时，对应的传感器检测施加在其上的拉伸力，如下更详细所述。这里，应注意的是，力F1和F2不限于通过拉动控制线而施加的拉伸力。力F1和F2也可以是通过用所需量的压缩力机械推动控制线而施加在控制线110上的压缩力。

尽管上面关于图2C说明了驱动锚定在单个弯曲节段106的远端的控制线的情况，不过如果驱动图2A的所有弯曲节段的控制线，可以独立地和有选择地控制各个弯曲节段(1,2,3…N)的姿态，从而以蛇形运动弯曲，这取决于由致动器系统310(驱动单元)的致动器驱动各个控制线的驱动量。此外，可以另外设置绕线驱动可转向器械100的纵轴扭转或转动线驱动可转向器械100的机构。为了向可转向器械100提供一定量的旋转或扭转作用，可以通过先只驱动一根控制线110，使弯曲节段向期望的方向弯曲，然后通过致动在不同的弯曲节段中的第二控制线110来旋转整个护套。可转向器械100的这种操控可基于例如在美国专利No.9144370中所述的公知的机械和运动学原理来实现，该专利通过引用包含在本文中。

按照一个实施例，图2A-2C中所示的可转向器械100可具有约0.14英寸的外径，远端可转向节段的长度约为2.0英寸，器械100的总长度约为24英寸。类似于导引环，锚定构件具有导线管104和工具通道105，并且通常由医用级塑料或类似的复合材料构成。这些材料允许制备柔性但有扭转弹性的可转向器械，比如尺寸减小的导管和内窥镜。例如，用于可转向器械100的其他原型尺寸为外径(OD)约3.3mm，内径(工具通道)约2.4mm，长度约550mm。

通常，在可转向器械的插入或缩回期间，管腔(例如气道)的中心线是在弯曲节段的主动控制期间要遵循的期望轨迹。为此，已知的可转向器械，比如机器人导引的导管或内窥镜试图实现轴导引系统的各种概念，目的是迫使柔性轴遵循期望的轨迹。在一个例子中，当使用轴导引系统时，使可转向器械前进通过管腔，同时传感器测量轴导引件的插入深度和用户控制的可转向尖端段的角度以获得轨迹信息。轨迹信息被存储在系统的存储器中并被连续更新。在插入深度的短暂前进之后，通过以使新的形状紧密匹配所需轨迹的方式调整(旋转或弯曲)器械的段部，校正可转向的轴导引件的形状。重复该过程直到到达目标区域。当从患者身上撤回可转向器械时，应用同样的过程。例如，参见出于所有目的通过引用包含在本文中的US 2007/0135803。

然而，大多数可转向的医疗器械仍然依赖于来自周围的解剖结构的支撑，以在插入或撤回期间中遵循期望的轨迹。特别是，当外部干扰(例如，由于患者的不自主运动而产生的外力)被施加到可转向器械上时，难以将可转向器械保持在期望的插入(或撤回)轨迹上，因为可转向器械的尖端(或其他部分)会卡在患者的解剖结构上，从而妨碍适当的导航(例如，由于器械的意外弯曲或扭结)。值得注意的是，在可转向器械撤回期间，导引系统通常保持不活动的状态，这使可转向器械处于非受控(被动)状态。然而，可转向器械仍然可以接触患者的解剖结构，并且意外地被卡住；这会给患者造成不适和/或疼痛。为了避免这种状况，上面引用的专利申请公开US 2007/0135803提出通过使用当在患者体内移动器械时，被连续地保持的基于传感器的测绘技术来主动控制可转向器械的形状。

然而，当从患者解剖结构的路径中移除可转向器械时，使器械非常柔性(例如，拉伸为零)，同时仍然保持在任何给定时间主动控制其刚度的能力是有益的。例如，让器械在取出期间非常柔性(柔顺)可以减少对患者的解剖结构(例如气道、结肠壁等)的创伤，减小移除器械所需的力，并减轻患者的不适。然而，如果在部分或完全取出后需要重新插入或重新定向器械(例如，由于患者呼吸或运动)，则需要立即控制器械的位置和拉伸力。于是，需要一种改进的可转向的医疗器械，该医疗器械具有(1)最小的外部尺寸(外径)，(2)用于工具通道的最大开口尺寸(内径)，和(3)主动控制的柔性(或刚度)，以便有效地行进通过曲折路径，而不会对患者造成任何疼痛或不适。特别是，如果在部分或完全取出(例如，由于患者呼吸或运动)后需要重新插入或重新定向器械，则希望使器械非常柔性(例如，拉伸近似为零)，同时仍然保持以主动控制被动弯曲模式控制其刚度的能力。

在本公开中，控制导引系统以使可转向器械100处于被动控制状态(主动控制被动弯曲模式)，使得(1)当在可转向器械中需要最大柔性时，使控制线110上的力为零；(2)不管采用何种控制模式，都不断地监测控制线110的力和位移；(3)即使在插入或撤回期间行进通过曲折路径时，也使可转向器械中的摩擦最小化；和(4)控制线110的近端可以自由平移，同时仍然主动连接到对应致动器。

更具体地，本公开提出一种被动弯曲模式，该模式可以容易地转变到主动形状控制，反之亦然，而不会丢失任何关键的反馈信息，比如控制线位置和控制线拉伸力或压缩力。这种被动-主动模式转换的主要原理在于，主动控制的驱动线(控制线110)允许施加可忽略的力，于是产生可转向器械100的非常柔软的弯曲行为。该效应或模式在本文中被称为可转向的医疗设备的主动控制被动弯曲模式。尽管可转向的医疗设备的主动控制被动弯曲模式可以以各种配置来实现，不过重要的是驱动线用避免增加摩擦或产生过度松弛的硬件直接驱动。为此，优选的是用能够保持控制器和末端执行器之间的稳定和精确关系的硬件驱动控制线110，从而精确地控制被致动元件的位置。主动控制被动弯曲模式在通过患者解剖结构的曲折路径进行插入和撤回期间，控制可转向的医疗器械的平滑和精确弯曲方面特别有利。

在任何实施例中，都有致动控制线的电动机或致动器。每根控制线都可以有单独的电动机或致动器，或者可以有可以单独地控制各个控制线的单个电动机或致动器。控制线与其他控制线一起沿器械的长度方向纵向移动，以在器械上的远端位置产生弯矩。器械的结构允许这些弯曲节段中的一个或多个被单独地致动。在本公开中，重要的一点在于不管所使用的致动器的类型如何(直流电动机、直线感应电动机、超声电动机等)，都会产生线性力以在主动弯曲模式下单独地移动控制线，并且使用控制回路来保持每根控制线完全被动(柔顺并且能够被外力移动，就像控制线与任何驱动致动器断开一样)，同时在驱动线上仍然保持编码器位置反馈和力反馈。在一个实施例中，为了保持每根控制线完全被动，控制器通过将应变力减小到基本为零来实现力平衡。在另一个实施例中，控制器实现连接到控制线的致动器的主动运动；这不同于力平衡反馈，因为在这种情况下，致动器能够由控制线被动地移动。

在直流(DC)电动机的情况下，需要从旋转运动到直线运动的变换；为此，通常使用导螺杆或滚珠螺杆机构。不过诸如超声和直接驱动致动器之类的其他可选方案可能更有利。超声电动机和直线感应电动机的好处在于它们都是直线致动器，不需要机械转换。超声电动机或直线感应电动机可以直接驱动控制线，而不需要任何机械齿轮或中间机构。用这样的直线致动器直接驱动控制线的一个好处是减小了摩擦和其他非线性(例如，导螺杆机构中的机械斜坡)。

在主动控制模式下，给定弯曲节段的每根控制线被赋予特定的位置。测量位置上的任何误差，并采取校正措施以减小该误差。这种过程每秒发生多次，并且将迅速地将位置误差减小到可忽略的量。其结果是基于控制线的位置，对器械的所需形状进行闭环控制。

然而，有时需要使器械的形状符合外部施加在器械上的外力，比如来自曲折路径壁的力，或者由于例如患者的呼吸运动引起的导航路径的意外改变。为了应用力反馈，本公开包括在每根控制线上的力传感器。当在控制线上感测到拉伸或压缩时，控制器可以基于来自传感器的信号来测量拉伸或压缩或控制线位移。然后，提供一种算法来采取校正措施，以朝着零减小测量的力；这将减小作用在曲折路径壁和器械之间的总力。该过程每秒也会发生多次，并且可以快速地将力减少到可忽略的量。

在本公开中，减小由于器械与曲折路径之间的接触而施加在器械上的外力的另一方面通过独特的控制线配置和致动方法来实现。大多数已知的可转向器械在它们的控制线中只使用拉伸模式，并且对于每组致动位置具有至少两根处于对抗配置的控制线。这意味着当只使用拉伸时，可在一个平面内弯曲的一个弯曲节段将需要两根控制线。这种常规方法还需要在器械中具有刚性的主干，以防止器械在拉伸下在纵向方向上变形。然而，在本公开中，在控制线中可以使用拉伸和压缩两者，并且可转向器械没有主干。相反，在本公开中，利用力偶，在对称配置中使用多根控制线在弯曲节段中产生纯弯矩。纯弯矩沿器械产生零纵向力；这不仅允许精确地控制拉伸力和压缩力，而且允许通过不包含主干来减小器械的尺寸。通常，对于只有拉伸的控制线，在控制线上始终保持小但不为零的拉伸量，以预加载该机构和避免任何会破坏控制系统的松弛或非线性。本公开的可转向器械不存在该问题。控制线中无机械倾斜或松弛；特别是当它直接连接到致动器上时；并且致动器为直线致动器。这允许将控制线中的所有轴向力减小到零，同时连续地监测和调整控制力。这种作用再加上没有刚性的主干产生一种按需的非常柔顺的器械。此外，编程算法从主动控制弯曲模式无缝地改变到被动控制弯曲模式，反过来也一样。

<第一实现：力控制回路>

图3图解说明主动控制被动弯曲模式的示例性实施例，该实施例在本文中被称为“力控制回路”实现。如图3中所示，可转向器械100的每根控制线110在其近端连接到对应的电动机和电动机控制系统。为了便于图解说明，图3表示了连接到第一直线电动机311的第一控制线110a，第一直线电动机311又由第一电动机控制系统321(电动机控制器)控制。类似地，第二控制线110b连接到第二直线电动机312，第二直线电动机312又由第二电动机控制系统322控制。为了确保精确定位(以避免松弛)，直线电动机311被固定在结构底座311a上，直线电动机312被固定在类似的底座312a上。底座311a/312a例如可以是包围接口200和控制系统300的至少一部分的患者接口单元(PIU)的外壳或底盘。对于具有i～M根控制线110的可转向器械100，预期对应数量的i～M个控制电动机或致动器。然而，既不预期也不需要提供对应的相等数量的电动机控制器。只要每个电动机M被单独控制以致动对应的控制线110，可对单个控制器编程以分别驱动本文中所述的所有电动机或致动器中的每一个。

在图3的实施例中，为了实现被动-主动模式转换的原理，每根控制线110还连接到应变传感器和位置传感器。在图3中，第一控制线110a连接到应变传感器221和位置传感器231(位移传感器)。类似地，第二控制线110b连接到应变传感器222和位置传感器232。应变传感器可以是基于应变计的、基于光学的或基于编码器的传感器，而位置传感器可以是基于编码器的、基于电磁的或基于霍尔效应的传感器；基于编码器的传感器包括光学编码器、磁编码器、电位计等。

应变传感器检测和/或测量施加在从动控制线110上施加的压缩力或拉伸力F，并输出对应于(指示)在任何给定时间点施加在控制线上的压缩力或拉伸力的量(应变量)的信号(Fi)。类似地，位置传感器检测控制线110的纵向位置(或移动的距离)，并输出对应于(指示)控制线的当前位置的信号(Xi)。来自用于每根控制线110的应变传感器和位置传感器的信号被送入电动机控制系统。电动机控制系统产生控制信号(Ci)，该信号被反馈到电动机或致动器，以沿较小的力的方向移动对应的控制线110。即，电动机控制系统产生的控制信号(Ci)用于对应的致动器或电动机的反馈回路，该致动器或电动机沿与力F的方向相反的方向移动对应的控制线110，以便减小施加在控制线上的应变量。这将导致在某个短时间量t之后控制线中的剩余力可忽略不计，如下关于图7A-图10更详细所述。以这种方式，主动控制的从动控制线110允许施加在可转向器械100上的力基本上可以忽略不计，于是产生器械的远端的非常柔软的弯曲行为。

<第二实现：无摩擦直接驱动>

图4图解说明可转向器械100的主动控制被动弯曲模式的另一个示例性实施例；该实施例在本文中被称为“无摩擦直接驱动”实现。在图4中，可转向器械100的第一控制线110a在其近端经由移动滑架341直接连接到对应的第一电动机311，第二控制线110b在其近端经由移动滑架342直接连接到第二电动机312。移动滑架341和342例如通过配置成沿路径L1、L2直线移位控制线110的螺旋式直线轴，机械连接到对应的电动机311和312。这些螺旋式直线致动器可以基于众所周知的导螺杆、滚珠螺杆或滚柱螺杆原理。第一和第二控制电动机311和312两者可操作地连接到电动机控制器320。另外，第一支撑线121a在其近端连接到第一应变传感器211，第二支撑线121b在其近端连接到第二应变传感器222。每个应变传感器输出与施加在其最近的控制线110上的应变量对应的信号(或与施加在至少两根最近的控制线110上的应变力的平均值对应的信号)。第一应变传感器221输出第一应变信号(F_i)，第二应变传感器222输出第二应变信号(F_i+1)。与所有应变传感器检测的应变量对应的输出信号作为反馈回路325被反馈到控制器320。在一些实施例中，控制器320可以用如比例积分微分控制(PID)之类的标准方案来实现。

在图3的前述实施例中，直线电动机连接到控制线110，应变传感器布置在它们之间。相反，按照图4的实施例，直线电动机311/312从移动滑架341/342直接连接到对应的控制线110a/110b。为了监测施加在控制线上的应变，在第一支撑线121a的远端设置第一应变传感器，在第二支撑线121b的近端设置第二应变传感器222。通过这种直接连接配置，在移动滑架341/342和致动器或电动机311/312的底座(或外壳)之间使摩擦最小化。以这种方式，当命令直线电动机的模式具有为零的力时-来自驱动线的力将移位对应电动机的移动滑架341/341，从而消除控制线中的残余力或拉伸。

利用感应直线电机和空气轴承台的无摩擦直接驱动

无摩擦直接驱动配置的另一种实现是使用在移动滑架和致动器或电动机的底座之间具有极低摩擦的直线感应致动器。这种实现的一个例子是使用具有空气轴承的精密直线电动机。具有空气轴承的精密直线电动机(PLM)广泛用于晶片的光学光刻制造中，以实现几乎零摩擦，和达到工作台运动的亚微米位置精度。PLM的动子(mover)通过法向的三个空气轴承和侧向的两个空气轴承(每侧一个)浮在定子上。带空气轴承的PLM预期沿直线运动，并且在工作期间能够达到亚微米定位精度。空气轴承的优点是几乎无摩擦、低发热和低噪音。具有空气轴承的PLM还大大减小由反冲(backlash)和摩擦引起的非线性和干扰。这些优点使得具有空气轴承的PLM可以应用于先进制造领域，例如半导体制造，不过也可以在使用微机电系统操作控制线的新型可转向医疗器械100的控制线110的无摩擦直接驱动配置中实现。

图5A和图5B图解说明由具有无摩擦轴承的感应电动机实现的无摩擦直接驱动配置的示例性实施例。图5A中，可转向医疗器械100类似于前面参考图1A、1B、3和/或4所述的结构。图5A中，致动器或电动机被实现为由动子或电动机滑架1330和定子组成的驱动单元1300，所述定子由磁性底板1360和顶板或导板1310组成。驱动单元1300标记为M1，代表图1A的电动机1。可以理解的是，图5A中存在多个驱动单元1300(例如，每根控制线一个)。图5B更详细地表示了与空气轴承台结合的感应直线电动机(驱动单元1300)的示图。图5B中，顶板或导板1310包括多个压力区(P)1312和多个真空区(V)1314。这些区相互平衡，以将导板1310保持在距电动机滑架1330预定距离处。压力区和真空区由制造者预先加载，并且这里表示为弹簧，以图解说明空气轴承部分1320的“浮动”效应。当施加于电动机滑架1330的感应力1340为零(无感应力)时，动子或电动机滑架1330可以自由地沿直线方向1302移动。位置传感器1331监测电动机滑架1330的直线运动，并输出指示电动机滑架1330(移动滑架)的位移量的信号Xi。这里，信号Xi用作控制电动机1300对控制线110的致动的反馈信号1325。感应力1340施加于电动机滑架1330的电动机绕组1332。在电动机绕组1332和作为永磁体的磁性底板1360的永磁体(N,S)之间设置气隙1350。

在这种布置中，归因于气隙1350，电动机滑架1330在空气轴承上自由浮动。归因于气隙，在纵向方向没有摩擦。并且当没有电流通过直线感应电动机时，不对电动机滑架1330施加力。于是，由控制线110施加在电动机滑架上的运动和力将使电动机滑架沿直线方向1302自由移动。滑架的运动可由位置传感器1331连续地测量。当需要主动控制所述控制线110和电动机滑架1330的位置时，控制系统只需要使电流通过直线感应电动机，并在控制回路中使用位置数据作为反馈，与前面的实施例中一样。

图5B图解说明与无摩擦空气轴承配对的直线感应电动机1300的简单示图。轴承和感应驱动力这两个要素是实现本实施例所必需的。这里，必须具有其中电动机滑架1330(它附接到驱动控制线110)可以自由移动的模式。然后，当需要时，可以向电动机绕组1332施加电流，从而产生沿期望的方向(优选沿较小的力的方向)移动滑架1330的力1340。这里的这种实现的另一个要素是可以在保持位置传感器反馈的同时，允许电动机滑架1330自由移动。然后，由于不断地获取位置传感器数据，因此在任何时候，模式都可以从自由移动模式切换回主动控制模式。

关于空气轴承的另一个细节。在图5A和图5B的示图中，发明人示出了弹簧，以表示位于电动机滑架1330和顶板1310的上导引面之间的空气的质量。该特定示图示出了所谓的真空预加载空气轴承中的压力区(P)和真空区(V)。压力区和真空区彼此“对抗”。压力将电动机滑架推开，而真空将电动机滑架拉近。电动机滑架将停留在与上导引面相距一定距离之处，在该距离处这两种相反的力被平衡。如果从电动机滑架1330到顶板1310的上导引面的距离变化，则真空和压力将不平衡，会自然产生净校正力，这将使电动机滑架1330回到原来的飞行高度(力被平衡之处)。除非对控制线110施加外力，否则这会使控制线110持续地保持基本为零的力。

利用超声电动机的无摩擦直接驱动

无摩擦直接驱动配置的另一种实现可以是使用直线超声电动机，该直线超声电动机可以在这样的模式下工作：由于控制信号的施加，滑架和定子之间的接触摩擦极小。图6A、图6B和图6C图解说明在控制线110上致动的超声电动机的示例性实施例。图6A中，可转向医疗器械100类似于前面参考图1A、1B、3和4所述的结构，并且弯曲控制类似于关于图2A-2C所述的弯曲控制。

图6A中，电动机或致动器被实现为由滑动块或可动体1430和定子组成的超声压电驱动单元1400，所述定子由耦接板1420和振荡压电元件1410组成。驱动单元1400标记为M1，代表图1A的电动机1。可以理解的是，图6A中存在多个驱动单元1400(例如，每根控制线一个)。压电致动器是基于压电效应将电能转换为机械位移的换能器。这些致动器可以有利地用作高精度定位机构，因为可以在高速下控制较小的机械位移，同时产生相对较大的力。例如，

超声压电电动机可以在2nm的分辨率下实现500mm/sec的速度，并且保持力高达15N，扭矩高达0.3Nm。

图6B和6C更详细地表示超声驱动单元1400在可转向医疗设备100上的应用。在直线超声压电电动机中，在控制器系统300的程控下，向压电元件1410施加高频振荡电压波形。波形信号在耦接板1420中引起模态振动，并且接触点1421和1422(“脚”)高速地交替接触可动体1430。在可动体1430与脚触点1421和1422之间有预加载的法向力，在接触时，所述法向力每次在一个脚和可动体1430(移动板)之间导致瞬时静摩擦。接触点在该振荡振动期间所采用的路径具有在垂直和平面或水平方向的分量。垂直运动每次使一个脚与板接触，而水平运动沿一个方向(优选为控制线的纵向)推动可动体1430。与前述实施例类似，应变和/或位置传感器1431输出指示由可动体1430向控制线110致动或传递的应变量或位移量(距离)的信号Xi。反馈信号1425用于控制可转向器械100的致动。

例如，图6B表示第一脚1421接触可动体1430并使可动体1430向右方向滑动或移动的初始位置。图6C表示第二脚1422现在接触可动体1430并使可动体1430继续向右方向滑动或移动的第二或最终位置。其导致的效果是，可动体1430进行距离1450的直线运动，同时应变传感器1431连续不断地监测可动体1430的位置。以这种方式，当可转向器械100的可转向节段103的至少一个段部弯曲时，可动体1430可以从第一位置Z₀直线平移(移动)到第二位置Z₁(例如，由于导管或内窥镜弯曲)。

取决于施加于超声电动机的电压波形，可以实现不同的运动和行为。可动体1430附接到控制线110，使得可以以可控的速度在直线运动1402的任一方向上驱动控制线110。位置反馈也由应变传感器1431不断监测，使得在任何时间点，控制系统都可以使用来自应变传感器1431的信息进行定位。压电致动器还具有当没有电力施加于压电致动器1410时，脚与移动体之间存在静摩擦的特性。该静摩擦作为被动制动力作用在驱动控制线上，这在临床环境中也可以用于避免末端执行器的不自主运动。超声驱动单元1400的另一行为是具有低摩擦模式。可以向压电元件1410施加特定的振荡电压信号，使得脚(接触点1421和1422)在可动体1430上产生很小的水平力，并且花很少的时间与可动体1430的表面接触。其结果是超声致动器表现得更像低摩擦轴承，而不是摩擦驱动致动器。

类似于感应致动器设计，直线超声电动机的可动体1430可以响应由导管弯曲所引起的控制线位置变化而自由移动。可动体1430的位置由应变传感器1431持续监测，并且在任何时候，控制系统都可以切换回主动模式并对移动体施加力。

在两种情况下，直线电动机都直接连接到控制线110，并且能够通过来自控制线的较小的力移动。控制线上的力和控制线的位移可以彼此独立地并且独立于电动机的控制模式来测量，并且这些力不会受模式变化干扰，因为即使在驱动力可忽略不计时，应变传感器和位置传感器仍然持续活动。

当驱动控制线110上没有力时，由于控制线自由平移，因此可以容易地改变器械100的形状。例如，某些障碍物，比如患者的气道壁，对可转向器械100的远端的外部接触可以引起可转向器械的弯曲，这导致控制线的错位。一旦控制线移动，应变传感器1431就向控制器提供输出信号，所述输出信号触发致动器沿相反方向(较小的力的方向)对控制线施加驱动力。

所有实施例中的“应变传感器”的感测原理可以是基于应变计的。已知的应变计是使用用于测量施加在物体上的压缩力或拉伸力(应变)的力敏电阻器的电路。当物体在弹性极限内变形时，它要么变窄变长，要么变短变宽。其结果是电阻发生变化。力敏电阻器包含导电聚合物薄膜，当在其表面上施加力时，所述导电聚合物薄膜以可预测的方式改变其电阻。所引起的电阻值的变化量给出所施加的力的量的测量。应变计可有多种几何形状，包括直线应变计、剪切应变计等。还有称为压敏电阻器的半导体应变计，由金基或碳基电阻器制成的纳米颗粒应变计，以及广泛用于微机电系统(MEMS)中的微米级应变计。在其他实现中，可以使用光纤传感器，比如光纤布拉格光栅或法布里-珀罗干涉仪；例如参见出于所有目的通过引用包含在本文中的专利申请公开US 2018/0193100。

在这两种实现模式中，使用超声电动机的实施例可能更有利。具体地，由于超声电动机技术的不断进步，有可能利用重量轻；可实现微米级运动，可扩展以获得更大的力而不损失速度，并且可以独立于力和位置感测而工作的超声电动机实现可转向器械100。另外，超声电动机非常小，使得它们可以装配在非常紧凑的空间中。可以实现更大的速度，而不影响力传递量。

<控制系统和反馈控制实现>

图7A图解说明按照本公开的配置成实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的控制系统1500的示例性框图。在主动控制被动弯曲模式下，控制系统1500控制可转向器械100，使得：(1)当在可转向器械中需要最大的灵活性时，使控制线110上的力为零；(2)不管采用何种控制模式，都不断地监测控制线110的力和位移；(3)即使在插入期间行进穿过曲折路径时或在经过这样的路径撤回期间，也使可转向器械中的摩擦最小化；和(4)控制线110的近端在连接到其对应致动器的同时可以自由平移。

在图7A中，控制系统1500包括“所需控制线位置”方框1502、“电动机控制器”方框1504、电动机或致动器方框1506、“实际控制线位置”1508、应变和/或位置传感器方框1510、以及比较器方框1512。该控制系统1500是根据所需位置和实际位置(由力/位置传感器方框1510提供)之间的差值，(在比较器方框1512)产生误差信号的反馈控制回路的非常简化的形式。误差信号也可以通过将控制线上的所需的或先前测量的力与应变传感器所检测的力的突然变化(例如，外力)进行比较来产生。误差信号由电动机控制器1504转换成控制输入信号，然后将该控制输入信号发送到电动机或致动器。这是控制线之一的闭环控制。每根控制线110将具有它自己的反馈回路(这被称为单输入单输出“SISO”)。在这种情况下，如果希望不止一个电动机由一个反馈回路控制，多输入/输出系统也是可能的，不过在本专利申请中没有描述这种实现。

正如本领域的技术人员会意识到的，控制系统1500可以采取纯硬件实施例，和纯软件实施例(包括固件、驻存软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文中通常都可被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，控制系统1500的一些方面可以采取包含在其中存储有计算机可用程序代码的任何有形的表达介质中的计算机程序产品的形式。例如，下面参考方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图示例和/或方框图描述的控制系统1500的一些方面可以通过计算机程序指令来实现。计算机程序指令可以存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质可以指令计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令构成制成品，所述制成品包括实现在流程图和/或方框图中指定的功能/动作/步骤的指令和过程。

图7B图解说明可以操作电动机控制器1504或计算机系统400或者是电动机控制器1504或计算机系统400的一部分的计算机1600的功能块。如图7B中所示，计算机1600可以包括经由数据总线1605可操作地互连的中央处理单元(CPU)1601、包括易失性随机存取存储器(RAM)和非易失性只读存储器(ROM)的存储器1602、用户输入/输出(I/O)接口1603和系统接口1604等。计算机1600可以被编程以在例如经由用户接口1603接收到用户输入时发出命令，所述命令可以被传送到控制系统1600的各个部分。作为用户接口1603的一部分，可以包括触摸面板屏幕、键盘、鼠标、转向杆、控制球和/或脚踏板。通过使用用户接口1603，用户可以发出使控制系统1500主动操作可转向器械100的命令。例如，当用户经由用户接口1603输入命令时，命令被传送到中央处理单元CPU 1601，以便执行给定的程序例程，从而使CPU1601经由系统接口1604向一根或多根控制线110发送命令，或者准备输出来自一个或多个应变传感器221或222的信号。

CPU 1601可以包括配置成读取并进行存储在存储器1602中的计算机可执行指令的一个或多个微处理器(处理器)。计算机可执行指令可以包括用于进行本文中公开的新的过程、方法和/或计算的程序代码。特别地，计算机可执行指令可以包括用于执行在图8、9、10A和10B中图解所示的过程，以实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的程序代码。

存储器1602包括一个或多个计算机可读和/或可写介质，所述计算机可读和/或可写介质例如可以包括磁盘(例如，硬盘)、光盘(例如，DVD、蓝光)、磁光盘、半导体存储器(例如，非易失性存储卡、闪存、固态驱动器、SRAM、DRAM)、EPROM、EEPROM等。存储器1602可以存储计算机可读数据和/或计算机可执行指令。

系统接口1604向输入设备和输出设备提供电子通信接口。特别地，系统接口1604可以包括使计算机1600与操作控制线110的电动机或致动器进行接口连接的一个或多个电路，比如现场可编程门阵列(FPGA)。系统接口1604还可以包括键盘、显示器、鼠标、打印设备、触摸屏、光笔、光学存储设备、扫描仪、麦克风、摄像头、驱动器、通信电缆和网络(有线的或无线的)。

图8图解说明用于利用反馈力控制回路实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的示例性流程图。图8的过程包括以下步骤，即：(a)判定导管是否受外力弯曲；(b)读取由在导管的近端的应变或位置传感器感测的拉伸/压缩力；(c)执行控制算法以确定如何移动驱动线致动器以减小弯曲力；和(d)判定驱动线上的剩余弯曲力是否继续存在。

更具体地，图8的流程假设可转向器械100处于主动轴导引模式，其中在步骤1702，控制系统1500正在执行进行中的可转向器械导引。即，在步骤1702，所述系统在导管插入期间或在取出(撤回)期间监测所述转向器械的导航。在步骤1704，系统1500从传感器读取信号；即，系统从应变传感器221/222、位置传感器231/232，或者从位于设备的近端的一个或多个应变传感器和一个或多个位置传感器读取信号。在一些实施例中，应变、位置和/或取向传感器(例如，EM传感器115)也可以设置在可转向器械100的远端。在步骤1706，系统1500连续地监测来自传感器的信号，直到它判定可转向器械是否被除主动驱动力以外的外力致动(弯曲)为止。如果器械受外力弯曲，步骤1706中为“是”，则流程进行到步骤1708。在步骤1708，系统1500暂时停止可转向器械100的导航。在步骤1710，系统1500启动算法以确定如何移动电动机或致动器以减小施加在可转向设备上的力的应变。在步骤1712，系统1500判定弯曲力是否可以忽略不计。如果由外部弯曲力施加的力不可忽略不计(步骤1712中为“否”)，则系统1500连续调节施加在控制线110上的力，直到外力变得可忽略不计为止。如果弯曲力可忽略不计(近似等于零)，则流程进行到步骤1714，并且控制系统继续可转向器械100的正常导航。

按照一个实施例，在图8的过程中，在步骤1706，系统从主动形状控制(主动控制模式：步骤1702-1704)转变到被动弯曲模式(被动控制模式：1708-1712)，而不损失任何关键反馈信息，比如控制线位置和控制线力(拉伸或压缩)。为此，系统可以以类似于在US 2007/0135803所述的方式，采用基于传感器的测绘技术，其中轨迹信息被存储在系统的存储器中，并且随着器械在患者的解剖结构内移动而不断被更新。然而，在本公开中，在步骤1706，当系统判定器械受外力弯曲时，系统进入被动弯曲模式，该模式可以容易地转变到主动形状控制，反之亦然，而不会损失诸如控制线位置和控制线力(拉伸或压缩)之类的关键反馈信息。步骤1706的判定可以基于由系统控制器在所需的或记录的控制线位置(或所需的或记录的控制线上的驱动力)与传感器测量的实际力或位置之间进行的比较。步骤1706的判定可以包括阈值。具体地，为了防止可转向器械的扭结并确保患者舒适和安全，用户可以在软件中设定直线位移量、扭曲量、旋转量(或应变力量)的阈值。例如，如果用户将5％或10％或15％设定为所需值和测量值之间的阈值差，则只有当误差超过阈值时，系统控制器软件才触发主动控制模式和被动控制模式之间的改变。转向线从“主动”控制到“被动”控制的主动转变减少了系统响应时间，而不损失诸如控制线位置和控制线力之类的关键反馈信息。

图9图解说明用于利用无摩擦直接驱动实现可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式的示例性流程图。图9的过程包括以下步骤，即：(a)判定导管是否受外力弯曲；(b)读取由在导管的近端的应变或位置传感器感测的拉伸/压缩力；(c)执行控制算法以使致动器处于被动模式，使得致动器本身响应施加在控制线上的力而移动；(d)判定驱动控制线上的弯曲力是否可以忽略不计；和(e)使致动器返回其主动模式(与控制线接合)。

更具体地，图9的流程类似于图8，因为它假设可转向器械100处于主动轴导引模式，其中在步骤1802，控制系统1500正在执行进行中的可转向器械导引。即，图9中，步骤1802、1804、1806和1808分别类似于步骤1702、1704、1706和1708。特别地，在步骤1806，系统控制器判定可转向器械是否被除致动器施加的常规导航力以外的外力弯曲。在步骤1810，系统1500启动算法以使电动机或致动器处于被动模式，其中致动器停止对控制线施加任何力。在这种状态下，如果控制线受到外力的作用，则致动器以最小的摩擦被直线移位(移动)，直到施加在控制线110上的外力变得可以忽略不计(例如，基本上为零)为止。在步骤1812，系统1500判定弯曲力是否可以忽略不计。如果弯曲力可以忽略不计(近似等于零)，则流程进行步骤1814，并且控制系统150O使致动器处于主动模式(电动机与控制线接合)，并恢复可转向器械100的正常导航。

在另一种情况下，释放(脱离)控制线的算法可以基于用户的输入。具体地，在步骤1806，用户可以确定器械导航中的某些异常事件，并手动输入信号以从主动控制模式切换到被动控制模式。例如，在导航期间，当导管被驱动通过曲折路径时，导管可能出现推进问题和/或跟踪问题；当这些问题出现时，系统可以提示用户手动停止主动导航并进入被动控制。当导管的近端部分被进一步推入管腔接入点中，但是导管的远端没有移动对应距离时，会出现推进问题。当近端部分被扭转而远端没有如预期那样成比例地旋转时，会出现跟踪问题。推进和跟踪控制是导管在导航通过患者解剖结构中的困难曲线和/或障碍物时的非常重要的方面。为了解决这些问题，系统可以例如在手柄200处配备报警系统，比如触觉反馈，或声音或视觉指示器，以便如果器械被卡住，则向用户提示推动和/或跟踪问题。

在可转向医疗器械100的主动控制被动弯曲模式下，减小控制线上的拉伸的示例性算法可以包括如上关于图8和9讨论的类似过程。图10A图解说明了可以同样地用于在图8的步骤1710中降低拉伸力(或位移)，以及在图9的步骤1810中释放控制线的示例性算法。

图10A中，当由于检测到在一根或多根控制线110中施加拉伸的外力而暂时停止(中断)可转向器械100的正常导航时，该流程开始。即，在图8的步骤1710或在图9的步骤1810，控制系统1500接收来自应变或位置传感器的信号(图10A的步骤1902)。在图10A的算法中，在步骤1904，系统控制器通过反转致动器或电动机的驱动方向(在图8的情况下：步骤1710)，或者通过释放控制线(在图9的情况下：步骤1810)，减小在步骤1902测量的应变力。然后，在图10A的步骤1906，系统1500判定拉伸信号是否表示值近似为零(或可忽略不计)的应变力。如果来自传感器的信号指示不是近似为零的值(在1906为“否”)，则系统取决于可转向器械是按照力控制回路来控制，还是按照无摩擦直接驱动来控制，按照图8或图9的流程过程继续减小应变力。一旦外力的拉伸被减小到近似为零(在1906为“是”)，就结束拉伸力的主动控制。

图10B图解说明通过基于用户的输入，在图8的步骤1710或图9的步骤1810释放一根或多根控制线110的致动(或调节一根或多根控制线110的位移)，可以类似地降低拉伸力的示例性算法。更具体地，按照上面的说明，基于由应变和/或位置传感器监测的外力(例如，由于患者的移动)及其某些阈值，自动地发生从主动控制模式到被动控制模式的改变，反之亦然。然而，在备选实施例中，被动/主动模式之间的切换也可以由可转向器械100的操作者来实现。特别地，被动控制模式可能有助于导管在导航通过患者的曲折解剖结构(例如，气道)期间摆脱“阻塞”状况。在这种情况下，当医师操作者确定导管被卡住时，用户可以通过例如按压控制器上的按钮来停止主动控制模式并进入被动控制模式，将主动模式切换为被动模式。在被动模式下，系统控制器使导管的姿态“放松”，从而使导管可以摆脱“卡住”状况。之后，操作者可以使模式返回到主动模式，并继续使用机器人控制。

图10B图解说明在主动控制模式和被动控制模式下操作可转向器械100的用户激活控制的场景的示例性过程。图10B中，在步骤1912，控制器32O接收来自用户的输入信号，例如，当用户确定可转向器械100可能被阻塞或卡在管腔内路径中，并按下手柄200的用户接口254中的控制按钮，或者通过计算机系统400的GUI 422手动输入命令时。一旦用户输入这样的输入信号，在步骤1914，系统控制器32O就使致动器310脱离和释放控制线110。在步骤1915，应变传感器测量控制线中剩余的拉伸力。然后，在步骤1916，系统控制器判定控制线中的拉伸信号是否近似为零(或可忽略不计)。如果来自传感器的信号指示不是近似为零的值(在1916为“否”)，则系统确定可转向器械被卡住，并进行到步骤1918。在步骤1918，系统通过沿较小的力的方向致动控制线110来主动减小应变力。继续步骤1915、1916和1918的该过程，直到使导管松弛(处于被动模式)为止。一旦控制线中的拉伸被减小到近似为零(在1906为“是”)，则结束被动控制模式，用户可以使系统返回到主动控制模式。

在主动控制被动弯曲模式下，不存在施加于控制线110的主动力。当控制线110上没有力时，由于控制线可以自由平移，因此可以容易地改变可转向器械100的形状。例如，当诸如气道壁之类的东西引起在可转向设备100的远端的外部接触时，这种干扰会导致护套的意外弯曲，这导致控制线错位并减轻患者的任何可能的不适或疼痛。相反，当控制线110在所施加的拉伸力的作用下主动弯曲时，任何外部接触可能无法被检测到，因此不能被校正。

在可转向器械可能意外地阻塞或卡在患者的解剖结构中的情况下，用户可以手动停止致动力以使可转向器械处于被动相关状态。另外，在手动操作下，如果导管是被动的，但是仍然被卡住，则系统或用户可以控制致动器沿较小的力的方向驱动控制线，直到导管变得不被卡住为止。之后，操作者使模式返回到主动模式，并继续使用机器人控制。通过用户的手动操作进行的被动模式是系统进行的一个非常简单的判断(因为操作者做出切换模式的判断)。

主动控制被动弯曲模式产生了优于已知的轴导引控制系统的各种有利效果。首先，对于两个实施例，优点之一在于控制线可以是完全被动的(能够被外力移动，好像它们与任何驱动致动器断开一样)，同时仍然保持编码器位置反馈和力反馈。另外，控制线110由直线致动器直接驱动，不需要齿轮、皮带或滑轮，这可以避免增加摩擦，还可以防止控制线过度松弛。控制线110可以在拉动以及推动模式下(拉伸和压缩)可以被主动控制。于是，在可转向器械100的插入和取出(撤回)期间可以实现主动控制被动弯曲模式。

第二实施例的特别优点在于它不同于使用反馈平衡的力，因为在本例中，致动器能够被动地由驱动线移动，这不受传感器噪声或速度问题的影响。另外，摩擦被最小化(在超声电动机驱动系统的情况下使用独特的频率和波形，而在直线感应电动机的情况下通过诸如空气轴承台之类的低摩擦表面)以使电动机移动体被动地移动。

尽管本文中所述的所有实施例都被认为提供了明显优于主动弯曲模式的常规技术的优点，但是第二实施例被认为是更加有利的，特别是当使用超声电动机时。即，使用超声电动机来实现主动控制被动弯曲模式允许具有低移动重量，可扩展以获得更大的力而不损失速度的可转向器械。此外，它允许可转向器械独立于力和位置感测以主动控制模式或被动控制模式操作。由于超声电动机技术允许通过小型致动器实现高精度控制，因此可转向器械可以非常紧凑。此外，没有机械倾斜，并且具有主动形状控制和被动弯曲控制之间的无缝转变，可以在不影响力传递量的情况下实现更高速度的控制。

<变形例、定义和其他实施例>

本发明的实施例也可以通过系统或装置的计算机来实现，所述计算机读出并执行记录在存储介质(也可以更全面地称为“非临时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)，以进行一个或多个上述实施例的功能，和/或包括用于进行一个或多个上述实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))，以及通过所述系统或装置的所述计算机进行的方法来实现，例如，通过从存储介质读出并执行计算机可执行指令，以进行一个或多个上述实施例的功能，和/或控制所述一个或多个电路以进行一个或多个上述实施例的功能。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理器(CPU)、微处理单元(MPU))，并且可以包括独立计算机或独立处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令例如可以从网络或存储介质提供给计算机。存储介质例如可以包括硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(比如压缩光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)或蓝光光盘(BD)^TM)、闪存设备、存储卡等中的一个或多个。I/O接口可以用于向输入设备和输出设备提供通信接口，输入设备和输出设备可以包括键盘、显示器、鼠标、触摸屏、非触摸接口(例如，手势识别设备)、打印设备、光笔、光学存储设备、扫描仪、麦克风、摄像头、驱动器、通信电缆和网络(有线的或无线的)。

在参考说明时，陈述了具体的细节，以提供对所公开的例子的透彻理解。在其他情况下，没有详细说明公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地拉长本公开。除非本文中另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明的范围不受本说明书的限制，而仅由所采用的权利要求条款的明确含义限定。

应理解的是，如果元件或部件在本文中被称为在另一个元件或部件之上，“抵靠”、“连接到”或“耦接到”另一个元件或部件，那么它可以直接在另一个元件或部件上，直接抵靠、连接到或耦接到另一个元件或部件，或者可以存在居间的元件或部件。相反，如果元件被称为直接在另一个元件或部件上，“直接连接到”或“直接耦接到”另一个元件或部件，则不存在居间的元件或部件。使用时，用语“和/或”可以缩写为“/”，并且它包括关联的列举项目中的一个或多个的任何及所有组合(如果有的话)。

为了易于描述，以说明如在各个附图中图解所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系，本文中可以使用空间上相对的用语，比如“在…下面”、“在…下方”、“在…之下”、“下”、“在…之上”、“上”、“近端”、“远端”等。然而，应理解的是，除了图中所示的取向之外，空间上相对的术语还意图包括设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，那么被描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将被取向成在其他元件或特征“之上”。从而，诸如“在…之下”之类的相对空间用语可以包括在之上和在之下的取向。设备可能以其他方式取向(旋转90°或者成其他取向)，从而本文中使用的空间相对描述语将被相应地解释。类似地，在适用的情况下，相对空间用语“近端”和“远端”也可以是可互换的。

本文中使用的用语“大约”或“近似”例如意味着在10％以内，在5％以内，或更少。在一些实施例中，用语“大约”可以意味着在测量误差之内。在这点上，在描述或要求保护的地方，所有数字都可以好像以词语“大约”或“近似”作为开头一样地来理解，即使该用语没有明确出现。短语“大约”或“近似”可以在描述量值和/或位置时使用，以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可以具有为所陈述的值(或数值范围)的±0.1％的值、所陈述的值(或数值范围)的±1％的值、所陈述的值(或数值范围)的±2％的值、所陈述的值(或数值范围)的±5％的值、所陈述的值(或数值范围)的±10％的值等。任何数值范围(如果在本文中列举的话)意图包括纳入其中的所有子范围。

用语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可用于描述各个元件、组件、区域、部分和/或节段。应理解的是，这些元件、组件、区域、部分和/或节段不应当受到这些用语的限制。这些用语只用于区分一个元件、组件、区域、部分或节段和另一个区域、部分或节段。从而，在不脱离本文的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、部分或节段可以被称为第二元件、组件、区域、部分或节段。

本文中使用的术语只是用于描述特定的实施例，而不是限制性的。本文中所用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”意图还包括复数形式，除非上下文明确地另有说明。应当进一步理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除未明确陈述的一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组的存在或添加。要进一步注意的是，可以编写一些权利要求以排除任何可选的要素；这样的权利要求可以结合权利要求要素的列举使用“仅仅”，“只”等排他用语，或者它可以使用“否定”限制。

在附图中图解所示的示例实施例中，为了清楚起见，采用了特定的术语。然而，本专利说明书的公开并不意图局限于所选择的特定术语，应理解的是，每个特定元件包括以类似方式操作的所有技术等同物。

尽管参考示例性实施例说明了本公开，不过应理解的是，本公开不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被给予最宽泛的解释，以包括所有这样的修改和等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种可转向医疗器械，包括：

细长主体(100)，所述细长主体(100)具有不可弯曲节段(102)和至少一个可弯曲节段(103)，并且包括沿纵轴(Ax)从细长主体(100)的近端延伸到远端的多个通道(104，105)；

控制线(110)，所述控制线(110)布置在细长主体(102)的第一通道(104)中，并且延伸穿过所述不可弯曲节段和所述至少一个可弯曲节段，并且附接到所述至少一个可弯曲节段；

传感器(221，231)，所述传感器(221，231)被配置成测量控制线(110)的应变量或位移量；

致动器(310)，所述致动器(310)机械耦接到控制线(110)，并被配置成通过向所述控制线施加驱动力，致动所述细长主体(100)的所述至少一个可弯曲节段(103)；和

控制器(320)，所述控制器(320)被配置成基于除所述致动器施加的驱动力以外的施加于所述控制线的外力，或者基于用户输入，可互换地在主动控制模式和被动控制模式下控制所述可转向器械的致动。

2.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，控制器(320)控制致动器(310)本身沿与施加在控制线(110)上的驱动力相反的方向移动，使得控制线(110)是完全被动的，好像所述控制线与所述致动器断开一样。

3.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在主动控制模式下，控制器(320)控制致动器(310)向控制线(110)施加驱动力，以通过使控制线沿第一方向位移来主动弯曲所述细长主体，并且传感器输出第一信号，所述第一信号指示由驱动力施加在控制线(110)上的应变量或者施加的控制线(110)的位移量。

4.按照权利要求3所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，控制器(320)控制致动器(310)停止向控制线(110)施加驱动力，使得控制线是完全被动的并且能够被外力移动，好像所述控制线与所述致动器断开一样。

5.按照权利要求3所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，所述传感器被配置成输出指示施加在控制线上的外力的第二信号，并且

其中控制器(320)使用从所述传感器输出的所述第二信号来使致动器(310)减小施加于所述控制线的应变量，或减小所述控制线的位移量。

6.按照权利要求5所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，所述控制器使所述致动器减小施加在控制线上的驱动力，直到施加在控制线上的应变量可以忽略不计，或者直到控制线的位移量基本为零。

7.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，控制器(320)控制致动器(310)沿与第一方向相反的第二方向移动控制线(110)，使得控制线(110)是完全被动的，好像控制线与致动器断开一样。

8.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中所述传感器包括独立于主动控制模式和被动控制模式，测量控制线上的应变量的应变计和测量控制线的位移量的编码器。

9.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在主动控制模式下，所述传感器被配置成测量由驱动力施加在控制线上的应变量和由外力施加的应变量，并且

其中所述控制器基于由外力施加的应变量停止主动控制模式并进入被动控制模式。

10.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在主动控制模式下，所述控制器被配置成接收来自所述用户的指示所述可转向器械的故障的输入信号，并且

其中所述控制器基于用户输入的信号，停止主动控制模式并进入被动控制模式。

11.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中所述致动器包括直接耦接到控制线(110)的直接驱动电动机(312,1300,1400)。

12.按照权利要求11所述的可转向医疗器械，

其中所述直接驱动电动机是直接连接到控制线(110)的直线电动机(1300)，并且

其中控制器(320)使用基于外力的命令信号(325)来控制直线电动机(1300)以在控制线上施加基本上可忽略不计的力，并且

其中，当直线电动机(1330)被命令以具有基本上可忽略不计的力时，施加在控制线上的外力使直线电动机的移动滑架(1330)位移，从而消除施加在控制线上的应变力。

13.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中所述致动器包括具有可动滑架(1430)和定子(1420)的直线超声电动机，并且

其中控制器(320)使用从传感器(1431)输出的信号(1425)或由用户输入的信号来控制所述超声电动机，以使所述可动滑架和定子之间的接触最小化，从而使来自控制线的力使可动滑架位移，并消除施加在控制线上的应变力。

14.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，所述控制器使所述致动器驱动控制线，以使控制线是完全被动的并且被外力移动，好像控制线与致动器断开一样，同时传感器基于测量的控制线(110)的应变量或位移量继续输出位置反馈信号和/或力反馈信号。

15.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在主动控制模式下，所述至少一个可弯曲节段(103)被配置成在插入方向上和撤回方向上被驱动穿过管腔内曲折路径，并且

其中，在被动控制模式下，所述控制器使所述致动器驱动控制线以在插入方向上和/或撤回方向上具有基本上可忽略不计的应变。

16.按照权利要求1所述的可转向医疗器械，

其中，在被动控制模式下，所述控制器使所述致动器沿着所述第一通道自由平移控制线而不致动所述细长主体，同时控制线保持连接到所述致动器。

17.一种可互换地在主动控制模式和被动控制模式下控制可转向医疗器械(100)的方法，所述医疗器械包括：细长主体(100)，所述细长主体(100)具有不可弯曲节段(102)和至少一个可弯曲节段(103)，并且包括沿纵轴(Ax)从细长主体(100)的近端延伸到远端的多个通道(104，105)；和控制线(110)，所述控制线(110)布置在细长主体(102)的通道(104)中，并延伸穿过所述不可弯曲节段和所述至少一个可弯曲节段，所述控制线附接到所述至少一个可弯曲节段，所述方法包括：

用致动器(310)驱动控制线(110)，以便弯曲所述细长主体的所述至少一个可弯曲节段(103)；

用传感器感测所述控制线，并输出指示施加在控制线(110)上的应变量或控制线的位移量的信号；和

基于除驱动力以外的施加在所述控制线上的外力或基于用户输入，按照主动控制模式和被动控制模式控制致动器(310)的动作。

18.按照权利要求17所述的方法，

其中，在主动控制模式下，所述控制使用命令信号向所述控制线施加驱动力，以主动弯曲所述细长主体，和

其中，在被动控制模式下，所述控制使用从所述传感器输出的信号来驱动所述控制线，以将施加在所述控制线上的应变量减小到基本为零，或者将所述控制线的位移量减小到基本为零，使得所述控制线是完全被动的，并且能够被外力移动，好像所述控制线与所述致动器断开一样。

19.按照权利要求17所述的方法，

其中，在主动控制模式下，所述控制包括：

接收来自用户的指示所述可转向器械的故障的输入信号，和

基于用户输入的信号，停止主动控制模式，并转变到被动控制模式。

20.一种存储计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，所述计算机可执行指令使计算机按照权利要求17所述的方法控制可转向医疗器械(100)。

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