CN115336961A - 用于器械弯折检测的系统和方法 - Google Patents

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V·多文戴姆
T·D·苏珀尔
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Abstract

本申请题为“用于器械弯折检测的系统和方法”。一种方法包括利用传感器测量细长柔性器械的节段的形状，并将细长柔性器械的该节段的测量形状与预期形状进行比较。该方法还包括确定细长柔性器械的该节段的测量形状是否与预期形状不同达预定义阈值。

Description

用于器械弯折检测的系统和方法
本申请是于2017年9月20日提交的名称为“用于器械弯折检测的系统和方法”的中国专利申请201780057175.8(PCT/US2017/052534)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2016年9月21日提交的名称为“SYSTEMS AND METHODS FORINSTRUMENTS BUCKLING DETECTION(用于器械弯折检测的系统和方法)”的美国临时专利申请62/397,426的申请日的优先权和权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于将医疗器械导航到患者的进入点中的系统和方法，并且更具体地涉及用于定位进入点的系统和方法。
背景技术
微创医疗技术旨在减少在医疗手术期间受到损伤的组织的量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。这种微创技术可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个手术切口来进行。通过这些自然孔口或切口，操作者可以插入微创医疗器械(包括手术、诊断、治疗或活检器械)以到达目标组织定位。当这样的医疗器械被插入进入点时，医疗器械在进入点外面的部分可能易于弯折。期望使用减轻这种弯折的方法和系统，以便提供医疗器械的改进使用。
发明内容
通过随附于说明书的权利要求书概括了本发明的实施例。
根据一些实施例，一种方法包括利用传感器测量细长柔性器械的一个节段的形状，并将细长柔性器械的该节段的测量形状与预期形状进行比较。该方法还包括确定细长柔性器械的该节段的测量形状是否与预期形状不同达预定义阈值。
根据一些实施例，一种方法包括利用器械驱动机构操纵细长柔性器械，并利用传感器测量细长柔性器械的一个节段的形状。细长柔性器械的该节段位于细长柔性器械的远侧部分和近侧器械部分之间。该方法还包括利用与传感器通信的控制系统确定细长柔性器械的该节段的形状是否弯折超过预定义阈值。
根据一些实施例，一种系统包括器械驱动系统、连接到器械驱动系统的细长柔性器械以及与细长柔性器械相关联以测量细长柔性器械的形状的传感器。该系统还包括形状约束机构和控制系统，该形状约束机构定位成在器械驱动系统和细长柔性器械的远端之间的节段处约束细长柔性器械，该控制系统被配置为使用器械驱动机构操纵细长柔性器械并且确定细长柔性器械在形状约束机构的至少一部分内的节段是否弯折超过预定义阈值。
根据一些实施例，一种系统包括连接到第一器械驱动系统的第一导管、与第一导管相关联以测量第一导管的第一形状的第一传感器以及定位成在第一器械驱动系统和第一导管的远端之间的第一导管节段处约束第一导管的第一形状约束机构。该系统还包括第二导管和控制系统，该第二导管连接到第二器械驱动系统并且尺寸设计成可滑动地接收一定长度的第一导管，该控制系统被配置为使用第一器械驱动机构操纵第一导管并确定在第一形状约束机构内的第一导管节段是否弯折超过第一预定义阈值。
根据一些实施例，一种系统包括外导管、内导管、传感器和控制系统，内导管包括尺寸设计成在外导管的至少一部分内延伸并相对于该外导管的所述至少一部分滑动的一个节段，传感器与内导管相关联以测量内导管的形状，控制系统被配置为确定内导管的所述节段是否弯折超过预定义阈值。
应理解，前面的一般性描述和下面的具体实施方式本质上都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。对此，根据下面的具体实施方式，本公开的其他方面、特征和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
当结合附图阅读时，根据下面的具体实施方式，最佳地理解本公开的各方面。需要强调的是，根据工业上的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或构造之间的关系。
图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统的简化图。
图2A是根据一些实施例的医疗器械系统的简化图。
图2B是根据一些实施例的具有延伸的内侧工具的医疗器械的简化图。
图3A和图3B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4A和图4B示出了根据本文所述原理的一个示例的包括定位在形状约束机构内的细长柔性器械的外科手术坐标空间的视图。
图5是示出根据本公开的一个示例的用于检测细长柔性器械的弯折的说明性方法的流程图。
图6A和图6B示出了用于检测细长柔性器械的弯折的形状数据组。
图7A和图7B示出了根据本文所述原理的一个示例的可用于检测细长柔性器械的弯折的具有预期边界的形状数据组。
图8示出了根据本公开的一个示例的细长柔性器械自插入方向的方向偏差。
图9示出了根据本公开的一个示例的利用弯折机构的多器械系统。
通过参考下面的具体实施方式，可以最佳理解本公开的实施例及其优点。应当理解，同样的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的同样的元件，其中，在这些图中所示的是出于说明本公开的实施例的目的而不是为了限制本公开的实施例。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了描述根据一些实施例的具体细节。阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以实现其他元件，尽管这里没有具体描述，但是其在本公开的范围和精神内。另外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出和描述的一个或多个特征可以结合到其他实施例中，除非另外特别描述或者如果一个或多个特征使得实施例不起作用。
在某些情况下，未详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。
本公开根据其在三维空间中的状态描述了各种器械和器械的部分。如这里所使用的，术语“位置”是指物体或物体的一部分在三维空间中的定位(例如，沿笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“取向”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三度旋转自由度—例如，滚动、俯仰和偏航)。如本文所使用的，术语“姿势”是指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该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)。如本文所用，术语“形状”是指沿物体测量的一组姿势、位置或取向。
图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统100的简化图。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可适用于例如外科手术、诊断、治疗或活检手术。如图1所示，医疗系统100通常包括远程操作操纵器组件102，用于在对患者P进行各种手术时操作医疗器械104。远程操作操纵器组件102被安装到手术台T或被安装到手术台T附近。主组件106允许操作者O(例如，如图1所示的外科医生、临床医生或医师)观察介入部位并控制远程操作操纵器组件102。
主组件106可以位于用户站(例如，医师的控制台)处，该用户站通常与手术台T位于同一个房间中，例如在患者P所处的外科手术台旁边。然而，应当理解，操作者O可以与患者P位于不同房间或完全不同的建筑物中。主组件106通常包括一个或多个控制设备，用于控制远程操作操纵器组件102。控制设备可以包括任何数量的各种输入设备，例如操纵杆、追踪球、数据手套、触发枪、手操作的控制器、语音识别设备、人体运动或存在传感器和/或类似件。为了给操作者O提供强烈的直接控制器械104的感觉，控制设备可以具有与相关联的医疗器械104相同的自由度。以这种方式，控制设备向操作者O提供控制设备与医疗器械104是一体的远程呈现或感知。
在一些实施例中，控制设备可以具有比相关联的医疗器械104更多或更少的自由度，并且仍向操作者O提供远程呈现。在一些实施例中，控制设备可以可选地是以六个自由度移动并且还可以包括用于致动器械的可致动手柄(例如，用于闭合抓取的钳头、向电极施加电势、提供药物治疗和/或类似动作)的手动输入设备。
远程操作操纵器组件102支撑医疗器械104并且可包括一个或多个非伺服控制的连杆(links)(例如，可以被手动定位并锁定在适当位置的一个或多个连杆，其通常被称作装配结构(set-up structure))的运动学结构和远程操作操纵器。远程操作操纵器组件102可以可选地包括响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动在医疗器械104上的输入的多个致动器或马达。致动器可以可选地包括驱动系统，所述驱动系统在被联接到医疗器械104时可以将医疗器械104推进到自然产生或外科手术产生的解剖孔口中。另一些驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械104的远端，所述多个自由度可以包括三个线性运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴线的线性运动)度和三个旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转)度。另外，致动器能够被用于致动医疗器械104的可铰接末端执行器，用于在活检设备的钳头中抓取组织和/或类似动作。诸如旋转变压器(resolvers)、编码器、电位计和其它机构的致动器位置传感器可以向医疗系统100提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。该位置传感器数据可被用于确定由致动器操纵的物体的运动。
远程操作医疗系统100可以包括传感器系统108，传感器系统108具有用于接收关于远程操作操纵器组件102的器械的信息的一个或多个子系统。这种子系统可以包括：位置/定位传感器系统(诸如电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，其用于确定远端和/或沿着可以构成医疗器械104的柔性主体的一个或多个部段的位置、取向、速率、速度、姿势和/或形状；和/或可视化系统，其用于从医疗器械104的远端捕获图像。
远程操作医疗系统100还包括显示系统110，用于显示由传感器系统108的子系统产生的外科手术部位和医疗器械104的图像或表示。显示系统110和主组件106可以被取向成使得操作者O能够借助于远程呈现的感知来控制医疗器械104和主组件106。
在一些实施例中，医疗器械104可具有可视化系统(下面更详细地讨论)，可视化系统可包括察看范围组件，察看范围组件记录外科手术部位的并发或实时图像并通过医疗系统100的一个或多个显示器(例如，显示系统110的一个或多个显示器)将图像提供给操作者或者操作者O。并发图像可以是例如由定位在外科手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在一些实施例中，可视化系统包括可以整体地或可拆卸地联接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在一些实施例中，被附接到单独的操纵器组件的单独的内窥镜可以与医疗器械104一起使用以对外科手术部位成像。可视化系统可以被实现为硬件、固件、软件或其组合，其与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行，所述计算机处理器可包括控制系统112的处理器。
显示系统110还可以显示由可视化系统捕获的外科手术部位和医疗器械的图像。在一些示例中，远程操作医疗系统100可以配置医疗器械104和主组件106的控件，使得医疗器械的相对位置类似于操作者O的眼睛和手的相对位置。以这种方式，操作者O可以犹如基本上身临其境地查看工作空间那样操纵医疗器械104和手控件。身临其境意味着图像的呈现是模拟正在物理操纵医疗器械104的操作者的视角的真实透视图像。
在一些示例中，显示系统110可以使用来自成像技术(诸如，计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、热熔印刷、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或类似技术)的图像数据呈现术前或术中记录的外科手术部位的图像。术前或术中图像数据可以呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速度的信息)图像和/或呈现为来自由术前或术中图像数据组创建的模型的图像。
在一些实施例中，通常出于成像引导外科手术的目的，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际定位与术前或并发图像/模型配准(即，动态参考)。可以这样做：从医疗器械104的视角向操作者O呈现内部手术部位的虚拟图像。在一些示例中，视角可以来自医疗器械104的尖端。医疗器械104的尖端的图像和/或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上以帮助操作者O控制医疗器械104。在一些示例中，医疗器械104在虚拟图像中可能不可见。
在一些实施例中，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际定位与术前或并发图像配准，以从外部视角向操作者O呈现医疗器械104在外科手术部位内的虚拟图像。医疗器械104的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以叠加在该虚拟图像上以辅助操作者O控制医疗器械104。如本文所述，可以将数据点的视觉表示呈现给显示系统110。例如，测量的数据点、移动的数据点、配准的数据点和本文所述的其他数据点可以以视觉表示显示在显示系统110上。数据点可以通过显示系统110上的多个点或小圆点在用户界面中可视地表示，或者被表示为渲染模型，例如基于该组数据点创建的网格或线模型。在一些示例中，数据点可以根据它们表示的数据进行颜色编码。在一些实施例中，在每个处理操作已被实施以改变数据点之后，可以在显示系统110中刷新视觉表示。
远程操作医疗系统100还包括控制系统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)，用于实现医疗器械104、主组件106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112还包括经编程的指令(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所有方法，经编程的指令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的简化示意图中被示为单个方框，但是该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中一部分处理可选地在远程操作操纵器组件102上或附近进行，另一部分处理在主组件106处进行，和/或类似操作。控制系统112的处理器可以执行指令，所述指令包括对应于本文公开的并且在下面更详细描述的过程的指令。可以采用各种集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。类似地，经编程的指令可以被实现为多个单独的程序或子例程，或者它们可以集成到本文描述的远程操作系统的多个其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT和无线遥测。
在一些实施例中，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可以向主组件106发送信号。在一些示例中，控制系统112可以发送指示远程操作操纵器组件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。医疗器械104可以经由患者P的身体中的开口延伸到患者P的身体内的内部外科手术部位。可以使用任何合适的常规和/或专用致动器。在一些示例中，所述一个或多个致动器可以与远程操作操纵器组件102分离或集成。在一些实施例中，提供所述一个或多个致动器和远程操作操纵器组件102作为被定位在患者P和手术台T附近的远程操作推车的一部分。
控制系统112可以可选地进一步包括虚拟可视化系统，以在图像引导的外科手术期间在控制医疗器械系统104时向操作者O提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于对获取的解剖通道的术前或术中数据组的参考。虚拟可视化系统处理使用成像技术(例如，计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、热熔印刷、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或类似技术)成像的手术部位的图像。可以与手动输入结合使用的软件用于将记录的图像转换成部分或整个解剖器官或解剖区域的分段的二维或三维复合表示。图像数据组与复合表示相关联。复合表示和图像数据组描述了通道的各种定位和形状及其连通性。用于产生复合表示的图像可以在临床手术期间被术前或术中记录。在一些实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，不是患者特定的)或标准表示和患者特定数据的混合。复合表示和由复合表示产生的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)可变形解剖区域的静态姿势。
在虚拟导航手术期间，传感器系统108可用于计算医疗器械104相对于患者P的解剖结构的近似定位。该定位可用于产生患者P的解剖结构的宏观(外部)跟踪图像和患者P的解剖结构的虚拟内部图像。该系统可以实施一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其他传感器以将医疗实施方式与已知的术前记录的外科手术图像(例如来自虚拟可视化系统的那些图像)配准并一起显示。例如，美国专利申请No.13/107,562(于2011年5月13日提交)(公开了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of anAnatomic Structure for Image-Guided Surgery(提供解剖结构的模型的动态配准用于图像引导的外科手术的医疗系统)”)公开了一种这样的系统，该申请通过引用整体并入本文。
远程操作医疗系统100还可以包括可选的操作和支持系统(未示出)，诸如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可包括不只一个远程操作操纵器组件和/或不只一个主组件。远程操作操纵器组件的确切数量将取决于外科手术和手术室内的空间约束以及其他因素。主组件106可以并置或者它们可以定位在单独的位置中。多个主组件允许不只一个操作者以各种组合控制一个或多个远程操作操纵器组件。
图2A是根据一些实施例的医疗器械系统200的简化图。在一些实施例中，医疗器械系统200可以用作在利用远程操作医疗系统100执行的图像引导的医疗手术中的医疗器械104。在一些示例中，医疗器械系统200可以用于非远程操作的探索性手术或涉及传统手动操作的医疗器械的手术(如内窥镜检查)。可选地，医疗器械系统200可以用于收集(即，测量)一组对应于患者(诸如患者P)的解剖通道内的定位的数据点。
医疗器械系统200包括联接到驱动单元204的细长设备202(诸如柔性导管)。细长设备202包括具有近端217和远端或尖端部分218的柔性主体216。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其他柔性主体外直径可以更大或更小。
医疗器械系统200还包括跟踪系统230，用于使用如下面进一步详细描述的一个或多个传感器和/或成像设备来确定远端218的和/或沿着柔性主体216的一个或多个部段224的位置、取向、速率、速度、姿势和/或形状。柔性主体216在远端218和近端217之间的整个长度可以有效地分成部段224。如果医疗器械系统200与远程操作医疗系统100的医疗器械104一致，则跟踪系统230。跟踪系统230可以可选地被实施为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，所述计算机处理器可以包括图1中的控制系统112的处理器。
跟踪系统230可以可选地使用形状传感器222跟踪远端218和/或部段224中的一个或多个。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对准(例如，设置在内部通道(未示出)内或安装在外部)的光纤。在一个实施例中，光纤具有约为200μm的直径。在另一些实施例中，尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成光纤弯曲传感器，用于确定柔性主体216的形状。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于提供结构在一个或多个维度上的应变测量。用于监测在三个维度上的光纤的形状和相对位置的各种系统和方法被描述在美国专利申请No.11/180,389(于2005年7月13日提交)(公开了“Fiber opticposition and shape sensing device and method relating thereto(光纤位置和形状感测设备及其相关方法)”)和美国专利申请No.12/047,056(于2004年7月16日提交)(公开了“Fiber-optic shape and relative position sensing(光纤形状和相对位置感测)”)以及美国专利No.6,389,187(于1998年6月17日提交)(公开了“Optical Fibre BendSensor(光纤弯曲传感器)”)中，上述专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。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。在一些实施例中，细长设备的形状可以使用其他技术来确定。例如，柔性主体216的远端姿势的历史可用于重建柔性主体216在一定时间间隔内的形状。在一些实施例中，跟踪系统230可以可选地和/或另外地使用位置传感器系统220跟踪远端218。位置传感器系统220可以是EM传感器系统的一个部件，其中位置传感器系统220包括可以经受外部产生的电磁场的一个或多个导电线圈。EM传感器系统220的每个线圈然后产生感应电信号，该感应电信号具有取决于线圈相对于外部产生的电磁场的位置和取向的特性。在一些实施例中，位置传感器系统220可以被配置并定位成测量六个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和滚动的三个取向角，或者五个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航的两个取向角。位置传感器系统的进一步的描述被提供在美国专利No.6,380,732(于1999年8月11日提交)(公开了“Six-Degree of Freedom TrackingSystem Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked(具有在被跟踪对象上的被动转调器的六自由度跟踪系统)”)中，该专利通过引用整体并入本文。
在一些实施例中，跟踪系统230可以替代地和/或附加地依赖于沿着交替运动(例如呼吸)的循环针对器械系统的已知点存储的历史姿势、位置或取向数据。该存储的数据可以用于形成关于柔性主体216的形状信息。在一些示例中，一系列位置传感器(未示出)(诸如与位置传感器220中的传感器类似的电磁(EM)传感器)可以沿着柔性主体216定位，并且然后用于形状感测。在一些示例中，来自这些传感器中的一个或多个的在手术期间采集的数据历史可用于表示细长设备202的形状，特别是如果解剖通道是大体静态的话。
柔性主体216包括通道221，通道221的尺寸和形状设计成接收医疗器械226。图2B是根据一些实施例的具有延伸的医疗器械226的柔性主体216的简化图。在一些实施例中，医疗器械226可用于诸如外科手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸的手术。医疗器械226可以通过柔性主体216的通道221部署并且在解剖结构内的目标定位处使用。医疗器械226可包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融纤维和/或其他外科手术、诊断或治疗工具。医疗工具可包括具有单个工作构件的末端执行器，例如手术刀、钝刀片、光纤、电极和/或类似物。其他末端执行器可包括例如镊子、抓钳、剪刀、施夹器和/或类似物。其他末端执行器还可包括电激活的末端执行器，例如电外科电极、换能器、传感器和/或类似物。在各种实施例中，医疗器械226是活检器械，其可用于从目标解剖定位移除样品组织或细胞取样。医疗器械226也可以与同在柔性主体216内的图像捕获探针一起使用。在各种实施例中，医疗器械226可以是图像捕获探针，其包括具有在柔性主体216的远端218处或附近的立体或单视场照相机的远端部分，立体或单视场照相机用于捕获由可视化系统231处理的图像(包括视频图像)以供显示和/或将其提供给跟踪系统230以支持对远端218和/或一个或多个部段224的跟踪。图像捕获探针可以包括联接到照相机的线缆，用于传输捕获的图像数据。在一些示例中，图像捕获器械可以是联接到可视化系统231的光纤束，例如纤维镜。图像捕获器械可以是单光谱或多光谱的，例如捕获可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱中的一个或多个的图像数据。替代地，医疗器械226本身可以是图像捕获探针。医疗器械226可以从通道221的开口被推进以进行手术，并且然后当手术完成时缩回到通道中。医疗器械226可以从柔性主体216的近端217移除或者从沿着柔性主体216的另一个可选器械端口(未示出)移除。
医疗器械226可以附加地容纳在其近端和远端之间延伸的线缆、联动装置或其他致动控件(未示出)，以可控制地弯曲医疗器械226的远端。可转向器械在美国专利No.7,316,681(于2005年10月4日提交)(公开了“Articulated Surgical Instrument forPerforming Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity(用于执行具有增强的灵活性和灵敏度的微创手术的铰接式外科手术器械)”)和美国专利申请No.12/286,644(于2008年9月30日提交)(公开了“Passive Preload and CapstanDrive for Surgical Instruments(用于外科手术器械的被动预载和绞盘驱动器)”)中详细描述，上述专利通过引用整体并入本文。
柔性主体216还可以容纳在驱动单元204和远端218之间延伸的线缆、联动装置或其他转向控件(未示出)，以可控制地弯曲远端218，例如，如通过远端218的虚线描绘219所示的。在一些示例中，至少四根线缆用于提供独立的“上下”转向以控制远端218的俯仰并提供“左右”转向以控制远端281的偏航。可转向细长设备在美国专利申请No.13/274,208(于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)”)中有详细描述，上述申请通过引用整体并入本文。在医疗器械系统200由远程操作组件致动的实施例中，驱动单元204可包括驱动输入，该驱动输入可移除地联接到远程操作组件的驱动元件(例如致动器)并从其接收动力。在一些实施例中，医疗器械系统200可包括抓握特征、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。细长设备202可以是可转向的，或者，替代地，系统可以是不可转向的且没有用于操作者控制远端218的弯曲的集成机构。在一些示例中，医疗器械可以通过其在目标手术定位处部署并使用的一个或多个内腔被限定在柔性主体216的壁中。
在一些实施例中，医疗器械系统200可包括柔性支气管器械，例如支气管镜或支气管导管，用于肺的检查、诊断、活检或治疗。医疗器械系统200还适用于在各种解剖系统(包括结肠、肠、肾和肾盏、脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或类似系统)中的任一种中通过自然或外科手术产生的连接通道对其他组织进行导航和治疗。
来自跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，在导航系统232中该信息与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型组合，以向该操作者或其他操作者提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可以显示在图1的显示系统110上用于对医疗器械系统200进行控制。在一些示例中，图1的控制系统112可以利用位置信息作为用于定位医疗器械系统200的反馈。在美国专利申请No.13/107,562(于2011年5月13日提交)(公开了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an AnatomicStructure for Image-Guided Surgery(提供解剖结构的模型的动态配准用于图像引导的外科手术的医疗系统)”)中提供了用于使用光纤传感器来配准和显示手术器械与手术图像的各种系统，该专利申请通过引用整体并入本文。
在一些示例中，医疗器械系统200可以在图1的医疗系统100内被远程操作。在一些实施例中，图1的远程操作操纵器组件102可以由直接操作者控件代替。在一些示例中，直接操作者控件可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作者界面。
图3A和图3B是根据一些实施例的患者坐标空间的侧视图的简化图，其包括被安装在插入组件上的医疗器械。如图3A和图3B所示，外科手术环境300包括定位在平台T上的患者P。患者P可以在外科手术环境中静止，在这种意义上，患者的总体运动受到镇静、束缚和/或其他手段的限制。包括患者P的呼吸和心脏运动的循环解剖运动可以继续，除非要求患者屏住他或她的呼吸以暂时中止呼吸运动。因此，在一些实施例中，可以在呼吸的特定阶段收集数据，并用该阶段标记和识别数据。在一些实施例中，可以从患者P收集的生理信息推断收集数据的阶段。在外科手术环境300中，点收集器械304联接到器械滑架306。在一些实施例中，点收集器械304可以使用EM传感器、形状传感器和/或其他传感器模态。器械滑架306被安装到固定在外科手术环境300内的插入台308上。替代地，插入台308可以是可移动的，但在外科手术环境300内具有(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪设备)已知定位。器械滑架306可以是远程操作操纵器组件(例如，远程操作操纵器组件102)的部件，其联接到点收集器械304以控制细长设备310的远端318的插入运动(即，沿A轴线的运动)，并且可选地，控制细长设备310的远端318在多个方向上的运动，包括偏航、俯仰和滚动。器械滑架306或插入台308可以包括控制器械滑架306沿插入台308的运动的致动器，例如伺服马达(未示出)。
细长设备310被联接到器械主体312。器械主体312相对于器械滑架306被联接并固定。在一些实施例中，光纤形状传感器314被固定在器械主体312上的近侧点316处。在一些实施例中，光纤形状传感器314的近侧点316可以与器械主体312一起移动，但是近侧点316的定位可以(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪设备)被获知。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(例如细长设备310的远端318)的形状。点收集器械304可基本上类似于医疗器械系统200。
位置测量设备320提供关于器械主体312沿插入轴线A在插入台308上移动时器械主体312的位置的信息。位置测量设备320可包括旋转变压器、编码器、电位计和/或确定致动器的旋转和/或取向的其他传感器，其中所述致动器控制器械滑架306的运动并因此控制器械主体312的运动。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节段和线性节段的组合。
图3A示出了沿着插入台308处于缩回位置的器械主体312和器械滑架306。在该缩回位置，近侧点316位于轴线A上的位置L0处。在沿着插入台308的该位置中，近侧点316定位的一个分量可以设置为零和/或另一个参考值，以提供基准参考来描述器械滑架306在插入台308上的位置，并因此描述近侧点316在插入台308上的位置。在器械主体312和器械滑架306处于该缩回位置的情况下，细长设备310的远端318可以恰好定位在患者P的进入孔口内。同样在该位置，位置测量设备320可以被设置为零和/或另一个参考值(例如，I＝0)。可折叠形状约束设备272将细长设备310支撑在器械主体312和患者P的进入孔口之间。可折叠形状约束设备272将柔性细长设备310约束到由形状约束设备限定的窄通道并当器械主体沿轴线A被向前(向远侧)推动时支撑器械主体以防其弯折。与本公开的实施例一致，如果设备呈现非线性形状，特别是超过预定义阈值的非线性形状，则可认为该设备弯折。预定义阈值无须与即时机械故障相关联，而是可以是与降低的准确度、减少的控制、预测的故障或其他次优性能相关联的形状。预定义阈值可以取决于另一种测量，例如插入距离、摩擦检测、障碍物检测、远端曲率检测或计划导航路线。
在图3B中，器械主体312和器械滑架306已沿着插入台308的线性轨道前进，并且细长设备310的远端318已前进到患者P体内。在该前进位置，近侧点316在轴线A上的位置L1处。在一些示例中，编码器和/或来自控制器械滑架306沿插入台308的移动的一个或多个致动器的其他位置数据和/或与器械滑架306和/或插入台308相关联的一个或多个位置传感器用于确定近侧点316相对于位置L0的位置Lx。在一些示例中，位置Lx还可以用作对细长设备310的远端318插入患者P的解剖结构的通道中的距离或插入深度的指示。
当器械主体312朝向患者进入孔口被推进时，可折叠形状约束设备272有助于防止柔性细长设备310弯折。被容纳在设备272内的柔性细长设备310的长度具有预期的笔直线性形状。可以通过形状传感器314测量该设备内的柔性细长设备310的形状。如果形状传感器314的测量的形状呈现超过预定义阈值的非线性形状或弯折，则可以报告错误，从而指示形状约束设备未能保持柔性细长器械的预期配置，并因而未能保持形状传感器的预期配置。
图4A和图4B示出了外科手术坐标空间400的视图，外科手术坐标空间400包括被定位在形状约束设备408内的柔性细长器械404(例如，设备310、202)。如前所述，柔性细长器械可以是导管。形状约束设备408可在导管插入进入端口406时收缩，并在导管从进入端口缩回时扩张。导管404被联接到器械主体402。导管304还包括形状传感器412。图4A示出了处于扩张位置的形状约束设备408，而图4B示出了处于收缩位置的形状约束设备。
形状传感器412产生可用于确定导管404的形状的形状数据。形状数据可用于确定导管404的远端407在外科手术坐标空间400内的姿势。例如，如果导管404的特定部分的定位在外科手术坐标空间400中已被获知或被跟踪到(即，导管404的基部403)，那么形状数据可用于确定在外科手术坐标空间400中沿着导管304的任何点的定位。可以替代地或组合地使用各种形状感测系统以产生形状数据。
在一个示例中，形状传感器412是光纤形状传感器。这种形状传感器可包括沿着导管404的长度延伸的一个或多个光纤线缆。光纤形状传感器可包括一个或多个光核心。在一些情况下，光纤形状传感器可包括一个或多个光纤，每个光纤具有一个或多个光核心。如上所述，核心可以包括光纤布拉格光栅，以提供在一个或多个维度上的应变测量。在另一些替代方案中，采用其他应变感测技术的传感器可能是合适的。在一种示例中，光纤形状传感器利用被定位在导管404的基部403的近侧的询问系统(未示出)。在操作中，询问系统产生光并检测返回的光以确定光纤形状传感器的当前形状。询问系统然后可以创建表示检测到的光的数据。可以分析该数据以确定沿着导管404的长度的任何点的位置和取向。因为充当参考固定件的基部403可以在外科手术坐标空间400中具有固定的、已知的或跟踪到的位置，所以可以由传感器数据确定沿着导管404的任何点相对于外科手术坐标空间的位置和取向。
在一种示例中，形状传感器412包括沿着导管404的长度的多个电磁(EM)传感器。如上所述，EM传感器可以包括可以经受由EM发射器(未示出)产生的电磁场的一个或多个导电线圈。EM传感器的每个线圈然后产生感应电信号，该感应电信号具有取决于线圈相对于由EM发射器产生的电磁场的位置和取向的特性。因此，EM传感器可测量六个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和滚动的三个取向角，或者测量五个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角。
在一种示例中，形状传感器412包括用于分析由视频照相机系统获得的成像数据的光学标记。例如，多个视频照相机或静态照相机可以指向导管404的在进入端口406外面的部分410。照相机可以是立体的，以便获得表示导管404在外科手术坐标空间400内的位置的数据。光学标记可以包括变化的颜色、反射率、纹理或其他特征，这可以允许更有效地分析由视频照相机产生的成像数据。
器械主体402可以基本上类似于主体312并且被连接到器械滑架416，器械滑架416可以是远程操作操纵器组件(例如，组件102)的一部分，其可以沿着插入台418在外科手术坐标空间内移动，以使导管404从进入端口406插入和缩回。远程操作操纵器组件可以是远程操作系统(例如，系统100)的一部分，其包括具有处理器和存储器以及软件(机器可读指令)的控制系统414以操作导管404。例如，控制系统可以操纵控制器械驱动机构402的移动的马达以及控制拉线及操纵导管404的远端的其他机构的马达。控制系统414还可以处理从形状传感器412获得的数据以实时确定导管404的形状。
导管404可以被插入患者的自然孔口或外科手术产生的切口中。在孔口是患者口腔的情况下，进入端口406可以是例如气管内导管。在孔口是外科手术产生的切口的情况下，进入端口406可以是例如套管针插管。
形状约束设备408被定位在器械主体402和进入端口406之间。形状约束设备408可以限制在导管404插入进入端口406时的弯折。可以根据本文描述的原理使用各种类型的形状约束设备。例如，形状约束设备408可包括一系列联动装置，如2013年5月15日提交的名称为“Guide Apparatus for Delivery of a Flexible Instrument and Methods of Use(用于输送柔性器械的引导装置和使用方法)”的美国临时专利申请61/823,666中所述，上述专利申请通过引用整体并入本文。在一些示例中，形状约束设备408可包括一系列固持构件和一系列支撑构件，如2014年7月28日提交的名称为“Guide Apparatus for Deliveryof a Flexible Instrument and Methods of Use(用于输送柔性器械的引导装置和使用方法)”的美国临时专利申请No.62/029,917和2016年7月8日提交的名称为“GuideApparatus For Delivery Of An Elongate Device And Methods Of Use(用于输送细长设备的引导装置和使用方法)”的美国临时专利申请No.62/359,957中所述，上述专利申请在此通过引用整体并入本文。
形状约束设备408通常有助于防止导管404的弯折、下垂或其他非线性形态，然而，为了防止在导管和设备之间的摩擦形成，设备的尺寸可以设计成比导管稍大(例如，2-10毫米)。由于尺寸差异，在前进位置，导管404不会保持精确的线性形状，并且因此导管404的在进入端口406外面的部分会比长度D1长。来自传感器412的形状传感器数据可用于确定导管404在长度D1上的形状。如果所确定的形状超过预期的(通常为线性的)形状达阈值，则系统414可以执行诸如用户警告、用以停止进一步前进的反馈信号或用以校正形状的施加的力的动作。
控制系统414可用于确定导管404的在进入端口406外面的部分410的最小长度。如图4B所示，当导管404插入进入端口406时，部分410的长度变小。可以使用各种技术确定在导管404的操作期间的任何给定时间时部分410的最小长度。在一种示例中，来自与驱动导管404的器械滑架416的马达相关联的插入传感器(例如，编码器)的数据可用于确定部分410的最小长度。例如，在缩回位置，在器械主体402上的近侧点420位于轴线A上的位置L0处。在沿着插入台418的该位置中，近侧点420定位的一个分量可以被设置为零和/或另一个参考值，以提供基准参考来描述器械滑架416在插入台418上的位置，并因此描述近侧点420在插入台418上的位置。在器械主体402和器械滑架416处于该缩回位置的情况下，柔性细长器械404的远端407可以恰好定位在进入端口406内。在该缩回位置，在进入端口406外面的部分410的最小长度是长度D1。如果器械404是大体未弯折的，则部分410的最小长度可以与部分410的最小长度大致相同。同样在该位置，插入传感器可以被设置为初始值(例如，零和/或另一个参考值)。在图4B中，器械主体402和器械滑架416已沿着插入台418前进，并且柔性细长器械404的远端已经前进通过进入端口406。在该前进位置，近侧点420位于A轴线上的位置L1处。来自插入传感器的数据指示L0与L1之间的距离。更具体地，来自编码器传感器的数据可以指示马达状态的改变。马达的状态可以包括马达的当前旋转位置以及马达已经从参考状态进行的圈数。在进入端口406外面的部分410的最小长度是长度D2，其大约为长度D1减去L0与L1之间的前进距离。如果在进入端口406外面的部分410弯折，则部分410的实际长度可能超过长度D2。
控制系统414可以分析导管操作期间导管404的形状。例如，控制系统分析来自形状传感器412的数据以确定导管404的当前形状。然后，控制系统414将从形状传感器接收的形状数据与预期形状进行比较。可以使用各种技术来定义预期形状。例如，如下面将进一步详细描述的，将形状数据与预期形状进行比较可包括确定导管404的当前形状是否超过预期边界。将形状数据与预期形状进行比较还可以包括确定导管的一部分已经偏离轴线A达预定义距离。将形状数据与预期形状进行比较还可以包括确定导管404在正交于插入方向的方向上的定向移动。
如果控制系统414确定当前形状与预期形状不同达预定量，那么控制系统可以触发弯折减轻动作。在一种示例中，弯折减轻动作包括向导管404的操作者报告警告或错误消息。在一种示例中，弯折减轻动作包括将导管控制系统转换到安全状态。安全状态是禁止导管进一步移动的状态。在一些示例中，弯折减轻动作可以包括向用户指示导管404的已经超过预期形状的精确部分。在一些示例中，弯折减轻动作可以包括自动缩回或调整导管404的位置，直到导管404的当前形状返回到更接近预期形状的状态。在一种示例中，弯折减轻动作可以包括修改形状约束设备的形状以减少测量的弯折。例如，可以控制形状约束设备以在与测量的弯折相反的方向上变形，以使导管返回到预期形状。替代地，如果导管由于与约束设备的摩擦而弯折，则约束设备可绕其纵向轴线旋转以克服静摩擦。
图5是示出用于检测细长柔性器械的弯折的说明性方法450的流程图。方法450在图5中被示出为一组操作或过程452-456。并非所有示出的过程452-456都会在方法450的所有实施例中执行。另外，图5中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在过程452-456之前、之后、之间或作为过程452-456的一部分。在一些实施例中，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实现所述过程中的一个或多个，所述可执行代码在由一个或多个处理器(例如，控制系统112或414的处理器)运行时可以使所述一个或多个处理器执行所述过程中的一个或多个。
根据本示例，方法450包括步骤452，用于利用传感器测量解剖入口通道(例如，患者口腔处的进入端口406或者在外科手术创建的开口处的插管)和近侧器械部分(例如，器械主体402)之间的细长柔性器械的节段的形状。传感器可以是例如光纤形状传感器、一系列EM传感器或成像传感器。方法450还包括步骤454，用于将细长柔性器械的该节段的测量形状与预期形状进行比较。预期形状可以是对应于参考轴线(例如，中心轴线或基轴线)穿过形状约束设备(例如，放置在解剖入口通道和近侧器械部分之间的抗弯折机构408)的线。替代地，预期形状可以是具有与轴线(例如，中心轴线或基轴线)的预定累积偏差的形状。替代地，预期形状可以是适合在预定义体积内的任何形状。替代地，预期形状可以是其中远端距近端预期距离的形状。方法450还包括步骤456，用于确定细长柔性器械的该节段的测量形状是否与预期形状不同达预定义阈值。可选地，该方法还可以包括触发减轻动作，例如向操作者提供警告，经由远程操作系统施加校正力，进入安全状态，或向用户提供校正动作的指令。
图6A示出了从在柔性器械在进入端口和近侧器械主体之间的节段内的形状传感器(诸如传感器412)获得的形状数据500。在一个示例中，该节段可以由形状约束设备408约束。轴线502是该节段的预期形状。在各种示例中，预期形状502可表示穿过形状约束设备408的中心轴线或沿着形状约束设备的重力底部的基轴线。基于对实现期望的插入移动准确度所需的预期形状的一致性，将预定义阈值504设置在距预期形状502的距离510处。该阈值沿着形状的长度可以是恒定的，或者根据沿着预期形状的不同点处的预期偏差量而变化。在该示例中，形状数据500具有超过预定义阈值504的偏差506。因此，偏差506将触发减轻动作。在该示例中，形状数据500还具有偏差508、512，偏差508、512均小于预定义阈值504。偏差508和偏差512本身都不会触发减轻动作。在一个示例中，偏差508和512的累积大小可以超过预定义阈值504。该累积偏差可以触发减轻动作。
预定义阈值可以可变地取决于测量或取决于已知或检测到的情况。例如，当导管由于阻塞或曲折路径而在解剖通道内经历摩擦时，可以预期导管在形状约束设备内弯曲。在这样的情况下，可以扩大预定义阈值。例如，当用传感器或参考插入马达电流测量高输入力时，可以增加阈值。例如，当导管的远端在患者解剖结构内具有足够弯曲的形状时，可以增加阈值。例如，当预测计划的导航路径是曲折的时，可以增加阈值。
在一些示例中，如果一个偏差超过另一个偏差预定值，则触发弯折减轻动作。在一个示例中，如果偏差506比任何其他偏差508、512大预定值，则触发弯折减轻动作。在一些示例中，如果特定偏差506超过更远侧偏差508或偏差512预定值，则触发弯折减轻动作。
图6B示出了用于确定柔性器械的节段的测量形状是否与预期形状测量不同的替代技术。如前所述，编码器或其他位置传感器可用于确定近侧器械主体402前进的距离(即，LO和L1之间的距离)。在该示例中，从形状传感器412获得形状数据550。形状数据550的近端552可以对应于相对于近侧器械主体402的固定点(例如，点420或导管端部403)。形状数据550的远端554可以对应于导管的远端407或导管404的在进入端口406外面的部分410的远端。形状数据550的远端554可以通过由进入端口406引起的形状扰动、进入端口406处的温度变化或导管已进入进入端口的其他指示符来确定。如果数据点552和554之间的线性距离D3小于LO和L1之间的距离，该比较可以指示导管404已经经历了弯折。如果距离D3超过LO和L1之间的距离预定义阈值，则可以触发减轻动作以例如向用户发出弯折的警报，或者校正弯折。
图7A和图7B示出了可用于检测细长柔性器械604(例如器械404)的弯折的预期边界602。方法450的预期形状可以是适合在由边界602限定的三维体积内的任何形状。在一个示例中，预期边界602限定外科手术坐标空间400内的体积，其对应于由形状约束设备408限定的体积。该体积可具有基本上管状的形状。该管状的形状可以为基本上直的或弓形的。在一些实施方式中，由预期边界602限定的体积可以基本上匹配由形状约束设备408限定的体积。在一些实施方式中，由预期边界602限定的体积可以缩放成比由形状约束设备408限定的体积稍大或稍小的体积。可以相对于轴线605限定预期边界602，预期沿着轴线605插入从其获得形状数据504的细长柔性器械。预期边界602表示预定义阈值，如果形状数据604超过该预定义阈值，则导致减轻动作被触发。
在一些示例中，预期边界602可以对应于解剖管腔。例如，可以使用各种医学成像技术(诸如CT扫描)来映射患者的解剖结构。当柔性器械被插入患者的解剖结构中时，可以基于解剖管腔的几何形状来限定预期边界602，其中当前存在从其获得形状数据404的柔性器械的指定部分。
图7A示出了形状数据604保持在预期边界602内的示例。虽然形状数据604被示为具有轻微的弯折603，但该弯折不超过由预期边界602限定的预定义阈值。然而，图7B示出了形状数据606，其被成形为使得形状的一部分608超过预期边界602。在这种情况下，控制系统(例如，控制系统414)会触发减轻动作。通过将来自形状传感器(例如，传感器412)的形状数据与相对于穿过形状约束机构的插入轴线所限定的预期边界602进行比较，控制系统可以确定形状604的部分608超过预期边界602。
图8示出了细长柔性器械652自插入方向658(例如，沿着轴线A)的方向偏差，以便检测弯折。具体地，控制系统可以实时分析形状传感器数据，以确定特定部分是否正在基本上正交于插入方向658的方向上移动。图8示出了器械652的正在基本上正交于插入方向658的第一方向660上移动的部分654。此外，器械652的部分656正在与第一方向相反并且基本上正交于插入方向658的第二方向662上移动。如果特定部分沿正交于插入方向658的方向660、662移动预定距离或预定时间段，则会触发减轻动作。在本示例中，部分654可以超过预定距离或时间段，而部分656不超过预定距离或时间段。如果形状约束设备中的形状的局部曲率(例如，最小的弯曲半径)或累积曲率(例如，总弯曲角度)超过特定阈值，则可以附加地或替代地触发减轻动作。
图9示出了多器械系统701，其利用多个器械之间以及器械驱动机构与进入端口之间的形状约束设备。医疗器械系统701(例如，器械104、200)包括外导管728、内导管726和医疗工具724。根据本示例，每个医疗器械连接到远程操作操纵器组件702、712、718(例如，操纵器组件102)。
操纵器组件702包括基部704a、运动臂组件709a(其包括一组连杆706a、一组关节708a)和端部机构710。关节708a可包括马达或其他致动器，以驱动臂709a在一个或多个自由度上的移动。虽然本示例示出了由两个关节708a联接的三个连杆706a，但是另一些示例可以具有其他数量的连杆706和关节708。在一些示例中，连杆可以是能够延伸预定距离的伸缩连杆。连杆可绕关节枢转，以便将端部机构移动到外科手术坐标系内的期望位置。一些关节可以允许仅在一个平面中旋转。另一些关节可以允许在多个平面中旋转。
连杆706a和关节708a的组合可以提供端部机构710在六个自由度上的移动，所述六个自由度可以包括三个线性运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴线的线性运动)度和三个旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转)度。臂709a可以包括布线、电路和其他电子器件，以将来自控制系统703(例如，控制系统112)的功率和控制信号传送到致动器以及联接到端部机构710的器械和器械末端执行器。致动器位置传感器(例如，旋转变压器、编码器、电位计和其它机构)可以向控制系统提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。该位置传感器数据可用于确定由马达操纵的物体的运动。例如，关节可以具有传感器，所述传感器可以确定关节的旋转位置或者确定连接关节的两个连杆当前定位的角度。另外，如果连杆是可延伸的，那么这样的连杆可以包括传感器以确定连杆当前延伸的距离。以这种方式，可以基于来自这样的传感器的数据确定端部机构相对于基部的位置。具体地，控制系统703可以处理由这样的传感器接收的数据，并确定端部机构710、716、722相对于它们相应的基部的位置。另外，因为医疗工具724和导管726、728可以包括如上所述的形状和位置传感器，所以医疗工具和导管中的每一个的相对于端部机构的远端可以是已知的。因此，可以确定在外科手术坐标空间内的医疗工具和导管的远端相对于彼此和固定点(例如，基部704中的一个)的位置和取向。
操纵器组件712包括基部704b、运动臂组件709b(其包括一组连杆706b、一组关节708b)和端部机构716。操纵器组件718包括基部704c、运动臂组件709c(其包括一组连杆706c、一组关节708c)和一个端部机构722。组件712、718的致动和控制可基本上类似于组件702。
基部704a、704b、704c可以是便携式的，使得每个操纵器组件能够根据需要单独定位并固定在患者附近的手术空间中。替代地，操纵器组件中的一个或多个可以联接到推车或其他能够定位在患者附近的手术空间中的共用平台。
在图9的示例中，医疗工具724连接到端部机构710。控制工具724的致动可以至少部分地通过端部机构710由功率和控制信号控制。内导管726通过连接器机构714连接到端部机构716。连接器机构714可用于将医疗工具724引导到内导管726中。内导管726的致动可以至少部分地通过端部机构716由功率和控制信号控制。外导管728通过连接器机构720连接到端部机构722。连接器机构720可用于将内导管726引导到外导管728中。外导管728的致动可以至少部分地通过端部机构722由功率和控制信号控制。医疗工具724的尺寸和形状设计成在内导管726内适配、滑动和旋转。另外，内导管726的尺寸和形状设计成在外导管728内适配、滑动和旋转。内导管726和外导管728可以类似于上面描述并在图2A中示出的导管202。医疗工具724可以是各种医疗工具(包括活检工具、捕获探针、消融探针或其他外科手术或诊断工具)中的一种。在替代实施例中，可以省略所述导管中的一个或两个。
可以单独控制三个端部机构710、716、722以根据需要移动医疗工具724和导管726、728。例如，为了将内导管726进一步插入外导管728中，端部机构716可以移动得更靠近端部机构722。为了将医疗工具724进一步插入内导管726和外导管728二者中，端部机构710可以移动得更靠近端部机构716。
可以移动端部机构710、716、722以将医疗工具724的远端和导管726、728穿过进入端口736插入患者体内。如上所述，可以将工具和导管穿过自然或外科手术创建的孔口插入。
第一形状约束设备740可以放置在第一端部机构710和第二端部机构716之间。因此，第一形状约束设备740有助于在医疗工具724插入内导管726时减少医疗工具724的弯折。第二形状约束设备742放置在第二端部机构714和第三端部机构722之间。因此，第二形状约束设备742有助于在内导管726插入外导管728时减少内导管726的弯折。类似于上述形状约束设备308，第三形状约束设备746放置在第三端部机构720和进入端口736之间。第三形状约束设备746有助于在外导管228插入进入端口736时减少外导管228的弯折。控制系统703可以利用上述技术中的任何一种来限定预期形状并确定来自医疗工具724、内导管726或外导管728的形状数据是否已超过该限定的形状。在一些示例中，外导管728可以用作内导管726的形状约束设备，并且内导管726可以用作工具724的形状约束设备。尽管是柔性的，导管726、728可以足够坚硬以为穿过其中延伸的设备提供支撑。
本发明的实施例中的一个或多个元素可以用软件实现，以在诸如控制系统112的计算机系统的处理器上执行。当以软件实现时，本发明的实施例的元素基本上是用以执行必要任务的代码段。程序或代码段可以存储在非暂时性处理器可读存储介质或设备中，所述非暂时性处理器可读存储介质或设备包括可以存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和磁介质。处理器可读存储设备示例包括：电子电路；半导体器件、半导体存储器件、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。可以通过诸如因特网、内联网等计算机网络下载代码段。
注意，所呈现的过程和显示可能不固有地与任何特定计算机或其他装置相关。种种这样的系统所需的结构将作为权利要求中的元素出现。另外，不参考任何特定编程语言描述实施例。应认识到，可以使用各种编程语言来实施如本文所述的本发明的教导。
虽然已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，但是应当理解，这些实施例仅仅是对广义发明的说明而非限制，并且本发明的实施例不限于所示和所述的具体结构和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其他修改。

Claims (10)

1.一种方法，其包括：
利用传感器测量细长柔性器械的一个节段的形状；
将所述细长柔性器械的所述节段的所述测量形状与预期形状进行比较；以及
确定所述细长柔性器械的所述节段的所述测量形状是否与所述预期形状不同达预定义阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在解剖入口通道和近侧器械部分之间测量所述细长柔性器械的所述节段的所述形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述细长柔性器械的所述节段在形状约束设备内延伸，并且所述预期形状基于所述形状约束设备。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括通过推进所述细长柔性器械来收缩所述形状约束设备。
5.根据权利要求1或2-4中任一项所述的方法，其中所述预期形状是预期形状体积。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预期形状体积包括以下之一：基本上直的管状体积和弧形管状体积。
7.根据权利要求1或2-4中任一项所述的方法，其中所述预期形状是线性的。
8.根据权利要求1或2-4中任一项所述的方法，其中确定所述细长柔性器械的所述节段的所述测量形状是否与所述预期形状不同包括确定所述节段的近侧部分自或沿着参考轴线偏离是否比所述节段的远侧部分自或沿着所述参考轴线偏离更多。
9.根据权利要求1或2-4中任一项所述的方法，其中确定所述细长柔性器械的所述节段的所述测量形状是否与所述预期形状不同包括确定所述节段的一部分是否沿预定义方向移动。
10.根据权利要求1或2-4中任一项所述的方法，其中所述测量所述细长柔性器械的所述节段的所述形状包括测量所述细长柔性器械的最大曲率。
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