CN115916317A - 用于控制同轴对准的机器人可操纵导丝的多自由度弯曲和弯曲长度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开总体上涉及导丝控制的系统和方法，尤其是涉及用于控制同轴对准的机器人可操纵导丝的多自由度弯曲和弯曲长度的系统及方法。本公开是手动致动的，并且在其他方面是自动/机器人致动的。

Description

用于控制同轴对准的机器人可操纵导丝的多自由度弯曲和弯曲长度的系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 USC§119(e)要求2020年4月21日提交的美国临时专利申请No.63/013,425的权益，其全部内容通过引用结合在此，如同其全部内容在本文中阐述一样。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在美国国立卫生研究院授予的授权号R01HL144714的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

联合研究协议各方的名称

不适用

序列表

不适用

关于发明人或联合发明人的在先公开的声明

不适用

技术领域

本公开总体上涉及导丝控制的系统和方法，尤其是涉及用于控制同轴对准的机器人可操纵导丝的多自由度弯曲和弯曲长度的系统及方法。

背景技术

诸如慢性心脏病、中风或高血压之类的心血管疾病(CVD)是美国十大主要死亡原因之一，在2014年导致的直接和间接成本约为3300亿美元。大多数心血管疾病的微创治疗开始于临床医生将导丝从患者脉管系统中的合适位置插入并将其导航至阻塞(或患病)的血管。在大多数治疗外周动脉疾病(PAD)的程序中，手术外科医生必须使用搭承在导丝上的各种导管。这些导管可以配备用于实施粥样斑块切除术的工具(例如，微型钻头)，或者可以配备药物递送单元(以涂覆药物的球囊的形式)以帮助防止进一步沉积在该动脉上。

导丝是通常由镍钛诺制成的无源线材，取决于介入路径，其直径为0.3556mm至0.889mm(典型线材在0.3556mm至0.4572mm范围内或通常称为0.014”至0.018”导丝)，其长度为50cm至260cm。一旦导丝被导航到阻塞的脉管系统，临床医生就可以将导丝用作帮助清除阻塞的各种导管的载体。

医师通过近侧插入、回撤以及旋转导丝基部(这是临床医生可用于控制远侧末端的唯一自由度(DoF))来手动操纵导丝至目标动脉，同时在实时荧光透视图像上观察导丝的运动。在二维视觉反馈下导丝末端的这种灵巧导航困难且耗时并且需要丰富经验。此外，血管的成角度、血管曲折或钙化会使这种控制具有挑战性并且可能导致导丝扭结和断裂。

将导丝更换为具有不同刚度/曲率的替代导丝是可行的，但需要多组导丝并且重复更换可能会使血管损伤。手动导航所面临的这些挑战导致手术时间延长，以及导致患者、临床医生和手术室工作人员的辐射暴露增加。

传统的可操纵导丝和微导管具有局限性。由于对导丝直径的尺寸限制，大多数导丝是手动致动的，或者使用例如磁源从外部自动/机器人致动，或者是筋束驱动的。磁致动所需的庞大设备可能会干扰成像模式，例如荧光透视和磁共振成像(MRI)。筋束驱动设计具有固定的关节长度并且不会执行任何类型的“跟随引领者”运动，使得这些导丝难以导航到曲折的解剖路径中。

为了实施跟随引领者运动，传统的筋束驱动的连续型机器人具有可延伸的弯曲区段。然而，其有限的可延伸长度范围使得难以实现理想的跟随引领者运动并且其尺寸/复杂性使其无法应用于导丝应用。

诸如同心管组件之类的传统机构允许机器人的曲率和弯曲角度随着关节长度的增加而变化，但由于存在导致机器人在手术期间从一个最小能量状态“突然”切换到另一最小能量状态的多个最小能量状态而遭受复杂的建模和不稳定性，这可能导致对患者造成意外创伤。

避免这些问题的一种创新方法是在各个独立管状元件内引入凹口结构。

然而，在所有传统设计中，保留了系统的关节长度和弯曲角度之间的耦合，即，不能独立地控制这些系统的弯曲长度和弯曲角度。

因此，需要技术创新来提供克服传统系统和方法的局限性的导丝控制的系统和方法。因此，本发明的一个重点是提供一种筋束驱动的同轴对准的可操纵导丝机器人，其可以同时且独立地控制弯曲节段的弯曲角度和长度，从而在其远侧弯曲节段处执行“跟随引领者”运动。

发明内容

根据本发明的示例性实施例，简要描述了创新的同轴对准的可操纵(steerable)导丝的系统和方法，该同轴对准的可操纵导丝的尺寸适合血管系统并且提供远端的可变曲率和独立控制的弯曲长度。在一些示例性实施例中，本发明是手动致动的，而在其他示例性实施例中，本发明是自动/机器人致动的。

在本发明的一示例性实施例中，一种机器人系统包括三个同轴对准的中空本体或管，其中单个筋束居中延伸穿过机器人的长度。筋束包括超弹性线材。超弹性材料可以包括能够可逆变形至高达约10％的应变的任何材料。例如，在一些实施例中，本发明的各种部件可以由镍钛诺构成。然而，应当理解的是，本发明的各种部件可以由任何材料构成，如果在生物环境中使用，则材料可以包括不一定是超弹性的生物相容性材料，包括但不限于生物相容性金属、生物相容性合金、生物相容性塑料或包含生物相容性涂层的材料等等。其他生物相容性材料可以包括例如但不限于钛或不锈钢等等。在一示例性实施例中，外管状元件由微加工的镍钛诺制成，从而允许机器人在机器人的各个节段处由筋束驱动弯曲，由此实现可变弯曲曲率，而不锈钢内管控制机器人的弯曲长度。通过由在整个组件中插入和回撤来改变各管和筋束的相对位置，可以实现各种关节长度和曲率，这使得能够进行跟随引领者运动。控制器控制机器人的远侧末端。

整个机器人组件可以小型化成适合用作微型可操纵机器人导丝的范围内的总外径。导丝可以在与血管壁的最小相互作用和支撑的情况下使其远端前进通过具有变化曲率的复杂脉管系统。本发明可以利用导丝导航系统实施血管介入手术，从而避免更换替代导丝，这显著缩短了手术时间并且减少了工作量。在一些实施例中，例如，在使用导丝穿过动脉的情况下，导丝末端可以具有约0.1mm至约0.9mm的宽度。在一些实施例中，导丝末端的宽度可以为约0.3mm、约0.33mm、约0.35mm、约0.4mm、约0.45mm、约0.50mm、约0.55mm、约0.60mm、约0.65mm、约0.7mm、约0.75mm、约0.78mm、约0.8mm、约0.85mm、约0.88mm、约0.89mm、或约0.9mm。在一些实施例中，导丝的宽度可以为约0.31mm至约0.34mm、约0.36mm至约0.39mm、约0.41mm至约0.44mm、约0.46mm至约0.49mm、约0.51mm至约0.54mm、约0.56mm至约0.59mm、约0.61mm至约0.64mm、约0.66mm至约0.69mm、约0.71mm至约0.74mm、约0.76mm至约0.79mm、约0.81mm至约0.84mm、或约0.86mm至约0.89mm。在一实施例中，导丝末端可以具有大于约1.0mm的宽度。例如，在儿科神经外科中，可以使用宽度约为2.0mm的内窥镜工具。

在本发明的另一个示例性实施例中，一种机器人可操纵导丝系统包括提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括：同轴布置的管状元件和连接到管状元件之一的筋束，其中提供路径的引导件具有近侧部分和远侧部分，所述提供路径的引导件配置成将导丝的远端定位至目的地；以及控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述提供路径的引导件并且配置成以下中的一个或多个：控制管状元件的相对轴向对准、控制管状元件的相对横向对准、控制管状元件的相对旋转对准、以及控制筋束的行程，其中所述提供路径的引导件和所述控制单元相协作地配置成同时且独立地控制所述提供路径的引导件的远侧部分的曲率以及控制所述提供路径的引导件的远侧部分的弧长。

本发明的一个创造性特征是调整沿着所述提供路径的引导件的长度的刚度/顺应性，使之大体上变得从其近端至其远端不那么刚硬，从而为远端提供对其曲率和其弯曲长度二者的创新控制。这可以通过多种方式来完成。所述提供路径的引导件的各个节段可以沿着其长度具有相对均匀的刚度，其中能够经由节段以离散“分步”的方式调整在提供路径的引导件的长度上的刚度。也可以通过一个或多个管状元件上/中的各种类型的刚度特征来控制刚度。例如，管状元件的壁厚可以沿着其长度变化，以提供沿着节段的长度变化的刚度分布，并且因此提供沿着提供路径的引导件的长度变化的刚度分布。可以利用各种其他机制来改变刚度分布，例如，横截面轮廓的变化、节段的材料构成的变化、具有第一刚度的第一材料(材料混合物)和提供路径的引导件的包括具有第二刚度的第二材料(材料混合物)的另一部分/节段。在另一个示例性实施例中，刚度特征可以包括沿着管状元件的长度的一部分的多个凹口/一组凹口。这些组凹口可以具有相同的长度或不同的长度。

同轴布置的管状元件可以包括：具有内通道的内管状元件；具有刚度特征的中间管状元件，所述刚度特征包括沿着中间管状元件的长度的至少一部分的一组凹口；以及具有刚度特征的外管状元件，所述刚度特征包括沿着外管状元件的长度的至少一部分的一组凹口，其中这些管状元件均具有合适的横截面尺寸，使得导丝可在内管状元件的内通道内旋转地和横向地移位，内管状元件可在中间管状元件内旋转地和横向地移位，并且中间管状元件可在外管状元件内旋转地和横向地移位。

这些组凹口之间的相互作用对改变所述提供路径的引导件沿着其长度的刚度有用，使之大体上变得从其近端到其远端不那么刚硬，从而为远端提供对其曲率和其弯曲长度二者的创新控制。这些组凹口可以具有相同的长度或不同的长度。中间管状元件可以具有从近端至远端限定的长度，并且该组凹口开始于中间管状元件的中间位置并且延伸至中间管状元件的远端。

外管状元件可以具有从近端至远端限定的长度，并且该组凹口开始于外管状元件的中间位置并且延伸到外管状元件的远端。

外管状元件的该组凹口的长度可以与中间管状元件的该组凹口的长度相同，或者它们可以不同。例如，在一示例性实施例中，外管状元件的该组凹口的长度大于中间管状元件的该组凹口的长度。

外管状元件的该组凹口可以具有与中间管状元件的该组凹口相同的相位或具有相位差。具有不同相位可以促进中间管状元件与外管状元件的操作独立性，例如，从而使中间管状元件能够在外管状元件内可操作地旋转地和横向地移位。

例如，这些组凹口可以彼此偏移5°、10°、15°、20°、35°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°、145°、150°、155°、160°、165°、170°、175°、或180°。在一些实施例中，这些组凹口可以彼此偏移1°至5°、6°至10°、11°至15°、16°至20°、21°至25°、26°至30°、30°至45°、45°至60°、60°至75°、75°至90°、90°至100°、100°至120°、120°至135°、135°至150°、150°至160°、160°至175°、或175°至180°。单组凹口内的各凹口的相位(或多个相位)也可以变化。

各个凹口均可以是任何几何形状。在一示例性实施例中，凹陷部可以是矩形的。在其他实施例中，凹陷部可以是例如正弦形的或三角形的。在一些实施例中，多个凹陷部可以具有不同的形状。在其他实施例中，这些组凹口各组之间的形状可以不同(一组具有一种形状，而另一组具有不同的形状)，而单组凹口内的各凹口的形状也可以不同。例如，在单组凹口内，一部分可以具有矩形凹口，一部分可以具有正弦形凹口，一部分可以具有三角形凹口，和/或单组内的凹口间距也可以沿着长度变化。本质上，凹口几何形状可以沿着元件的长度变化。在一实施例中，凹陷部的形状可以选自于由矩形、正弦形、半圆形或三角形构成的组。

多组凹口可以形成中间管状元件和外管状元件的单向不对称凹口关节。不对称的凹口可以被描述为这样的凹口，所述凹口可以导致装置的中性弯曲平面朝向该装置的外边缘偏移，而不是通常在对称的凹口情况中看到的那样沿着该装置的中心轴线。凹口的不对称图案可以允许导丝末端以较长的力臂在凹口切口的平面中在一个方向上弯曲，从而允许更大范围的运动。

导丝末端可以由宽度和长度限定。凹口可以由深度来定义。在一些实施例中，凹口的深度可以大于导丝末端的宽度的50％。在一些实施例中，凹口的深度可以是导丝末端的宽度的约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％、约90％、或约95％。在一些实施例中，凹口的深度可以为导丝末端的宽度的约51％至约54％、约56％至约59％、约61％至约64％、约66％至约69％、约71％至约74％、约76％至约79％、约81％至约84％、约86％至约89％、或约91％至约94％。在其他实施例中，凹口的深度可以是导丝末端的宽度的50％或更小。例如，在一些实施例中，凹口的深度可以是导丝末端的宽度的约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、或约50％。在一些实施例中，凹口的深度可以为导丝末端的宽度的约11％至约14％、约16％至约19％、约21％至约24％、约26％至约29％、约31％至约34％、约36％至约39％、约41％至约44％、或约46％至约49％。实际上，在一些实施例中，多个凹口中的并非每一个凹口需要具有相同的深度，使得各凹口之间的深度可以变化。在一实施例中，凹口可以位于相同位置并且不超过管状元件的宽度的50％。在其他实施例中，凹口可以位于相同位置并且可以超过管状元件的宽度的50％。在具有位于相同位置的凹口的实施例中，凹口可以是管状元件本体的外周的约25％。在具有位于相同位置的凹口的实施例中，由于凹口位于相同位置，关节可以以两个自由度运动。

所述提供路径的引导件还可以具有中间部分，其中所述提供路径的引导件的近侧部分的刚度大于所述提供路径的引导件的中间部分的刚度，并且其中所述提供路径的引导件的中间部分的刚度大于所述提供路径的引导件的远侧部分的刚度。

所述提供路径的引导件的每个部分的刚度均可以通过管状元件的相对轴向对准、管状元件的相对横向对准、管状元件的相对旋转对准和筋束的行程来控制，使得所述提供路径的引导件的近侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的内管状元件的第一部分、中间管状元件的不带有所述一组凹口的第一部分以及外管状元件的带有所述一组凹口的第一部分的长度段，所述提供路径的引导件的中间部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的内管状元件的第二部分、中间管状元件的带有所述一组凹口的第二部分以及外管状元件的带有所述一组凹口的第二部分的长度段，其中内管状元件的第一部分和第二部分构成内管状元件的全长，并且所述提供路径的引导件的远侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的中间管状元件的带有所述一组凹口的第三部分和外管状元件的带有所述一组凹口的第三部分的长度段。

在一些实施例中，本发明是整个导丝系统的一部分，该部分仅位于远侧部分处以提供有益的顺应性控制。也就是说，本发明不需要从头到尾结合本发明的特征，而更像是与另一装置的端部部分的“快速连接”。因此，本发明可以“改装”到先前的设备上，以将本发明的有益能力提供给其他传统系统。

在本发明的另一个示例性实施例中，一种可操纵导丝系统包括：提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括近侧部分和远侧部分，所述提供路径的引导件配置成将导丝的远端定位至目的地；以及控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述提供路径的引导件，其中所述提供路径的引导件和所述控制单元相协作地配置成同时且独立地控制所述提供路径的引导件的远侧部分的曲率以及控制所述提供路径的引导件的远侧部分的弧长。

所述提供路径的引导件可以包括同轴布置的管状元件以及连接到管状元件之一的筋束，所述控制单元可以配置成以下中的一个或多个：控制管状元件的相对轴向对准、控制管状元件的相对横向对准、控制管状元件的相对旋转对准、以及控制筋束的行程。

所述提供路径的引导件的近侧部分的刚度可以大于所述提供路径的引导件的远侧部分的刚度。

在本发明的另一个示例性实施例中，一种机器人可操纵导丝系统包括提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括至少三个管状元件：具有内通道的内管状元件、沿着第一中间管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征的第一中间管状元件、沿着第二中间管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征的第二中间管状元件(和可能的其他中间管状元件)以及沿着外管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征的外管状元件。如所指出的那样，在该实施例中，所述提供路径的引导件可以包括多个中间管状元件。

一控制模块可操作地连接到所述提供路径的引导件，其中所述控制模块配置成使内管状元件相对于第一中间管状元件的相对位置横向移位，使第一中间管状元件相对于外管状元件的相对位置旋转移位，以及使外管状元件相对于第一中间管状元件的相对位置横向移位，其中管状元件的这些移位中的一个或多个导致沿着所述提供路径的引导件的长度产生至少三个刚度区域：近侧区域的刚度大于中间区域的刚度，并且中间区域的刚度大于远侧区域的刚度，其中导丝可操作地配置成穿过所述提供路径的引导件的长度并且经由所述提供路径的引导件的远侧区域的可变柔性和弧长而被引导至目的地。

在本发明的另一个示例性实施例中，一种将导丝的末端沿曲折路径操纵至目的地的方法包括：将导丝进给穿过具有远侧部分的提供路径的引导件，导丝的末端配置成通过该远侧部分离开；以及同时且独立地沿曲折路径控制所述提供路径的引导件的远侧部分的曲率以及所述提供路径的引导件的远侧部分的弧长。

所述提供路径的引导件可以包括同轴布置的管状元件和连接到管状元件之一的筋束，并且同时且独立地控制可以包括以下中的一个或多个：控制管状元件的相对轴向对准、控制管状元件的相对横向对准、控制管状元件的相对旋转对准、以及控制筋束的行程。

要求保护的发明(或多个发明)的这些及其他方面、特征和益处将从以下结合附图对优选实施例和方面的详细书面描述中变得明显，尽管可以在不背离本公开的新颖性构思的精神和范围的情况下对其进行改变和修改。

附图说明

本文详细描述了所公开技术的实施方式、特征和方面，并且被认为是要求保护的所公开技术的一部分。可以参考以下详细描述、附图和权利要求来理解其他实施方式、特征和方面。在可能的情况下，贯穿整个附图使用相同的附图标记来指代实施例的相同或相似的元件。现在将参考不一定按比例绘制的附图和流程图。

图1是根据一示例性实施例的说明性计算机系统架构100的框图。

图2是根据一示例性实施例的本发明的示意图，示出了各个管状元件以及用于控制筋束和同轴的管状元件的致动模块。

图3是示出了根据一示例性实施例的提供路径的引导件的各节段和各部分的示意图。

图4A示出了通过控制筋束行程X₁和关节长度X₂允许可变曲率。图4B示出了在推进致动模块X₄的同时通过控制X₁和X₂允许跟随引领者运动。图4C示出了独立地推进外管状元件X₃以进一步进入目标脉管系统，同时保持血管曲折的位置处的曲率。

图5A示出了根据一示例性实施例的同轴管和尺寸。图5B示出了根据一示例性实施例的显示各个独立线性马达以控制导丝的致动阶段。

图6A至6C展示了根据一示例性实施例的本发明的演示，在不同的弧长X₂处实现了各种曲率。

图7示出了根据一示例性实施例的弯曲关节示意图和凹口横截面图。

图8至图9示出了笔直构型(图8)和具有曲率

(图9)的同轴管结构几何形状。

图10是镍钛诺肌筋束的应力-应变曲线图。

图11是针对X₂的数个值而言的如下文所述的κ-X₁关系曲线图。

图12示出了根据一示例性实施例的本机器人的三个节段的横截面，其中示出了具有惯性值的每个节段的示意图。

图13是示出了针对各种中间管深度和外管深度(以每根管外径的百分比表示)的解耦估算κ_tot的图形。

图14是示出了对于如下文所述的κ-F_t关系的实验结果的曲线图。

图15A、15B、15C示出了具有不同深度的中间管和外管的三个样本，展示了弯曲节段和非弯曲节段之间的不同耦合。

图16是根据一示例性实施例的用于本机器人的控制系统的示意图。

图17A示出了导丝相对于自由空间中的给定参考路径的跟随引领者运动。图17B示出了在δ＝22.2mm的条件下跟随引领者运动的演示。

图18A示出了导丝被推进至线性路径中的分叉点，图18B至18D示出了给定X_ref的情况下导丝可以沿着分叉处的任何通道前进。点表示导丝末端。

图19A至19D示出了在已成功横穿血管分叉后外管在内管上的前进(δ＝17.2mm)。

具体实施方式

尽管详细解释了本公开的优选示例性实施例，但是应当理解的是可以构想其他示例性实施例。因此，并不旨在将本公开的范围限制为在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本公开能够具有其他示例性实施例并且能够以各种方式实践或执行。此外，在描述优选示例性实施例时，为了清楚起见将采用特定术语。

如在说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”和“该”包括复数引述物。

此外，在描述优选示例性实施例时，为了清楚起见将采用术语。每个术语均旨在考虑其如本领域技术人员所理解的最广泛含义并且包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同。

范围在本文中可以表示为从“约”或“大致”一个特定值和/或至“约”或“大致”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一示例性实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。

使用“包含”或“包括”或类似术语是指至少指定的化合物、元素、微粒或方法步骤存在于组合物或制品或方法中，但如果其他化合物、材料、微粒、方法步骤与所指定的功能相同，则不排除存在其他此类化合物、材料、微粒、方法步骤。

提及一个或多个方法步骤并不排除在明确标识的那些步骤之间存在额外的方法步骤或介于中间的方法步骤。类似地，还应理解的是在装置或系统中提及一个或多个部件并不排除在明确标识的那些部件之间存在附加部件或介于中间的部件。

所公开技术的各方面可以使用图1的计算装置架构100中所示的部件中的至少一些来实施。如图所示，计算装置架构包括：中央处理单元(CPU)102，在这里处理计算机指令；显示器接口104，所述显示器接口用作通信接口并且提供用于在显示器上呈现视频、图形、图像和文本的功能。在所公开技术的某些示例性实施方式中，显示器接口104可以直接连接到本地显示器，例如与移动计算装置相联的触摸屏显示器。在另一个示例性实施方式中，显示器接口104可以配置成向不一定物理连接到移动计算装置的外部/远程显示器提供数据、图像和其他信息。例如，桌面监视器可用于镜像显示在移动计算装置上呈现的图形和其他信息。在某些示例性实施方式中，显示器接口104可以例如经由Wi-Fi信道或其他可用的网络连接接口112与外部/远程显示器无线通信。

在一示例性实施例方式中，网络连接接口112可以配置为通信接口并且可以提供用于在显示器上呈现视频、图形、图像、文本、其他信息或它们的任何组合的功能。在一个示例中，通信接口可以包括串行端口、并行端口、通用输入和输出(GPIO)端口、游戏端口、通用串行总线(USB)、微型USB端口、高清多媒体(HDMI)端口、视频端口、音频端口、蓝牙端口、近场通信(NFC)端口、另一类似的通信接口或其任意组合。在一个示例中，显示器接口104可以可操作地联接到本地显示器，例如与移动装置相联的触摸屏显示器。在另一个示例中，显示器接口104可以配置成为不一定连接到移动计算装置的外部/远程显示器提供视频、图形、图像、文本、其他信息、或其任何组合。在一个示例中，桌面监视器可用于镜像或扩展可以呈现在移动装置上的图形信息。在另一个示例中，显示器接口104可以例如经由诸如Wi-Fi收发器的网络连接接口112与外部/远程显示器无线通信。

计算装置架构100可以包括向键盘提供通信接口的键盘接口106。在一个示例性实施方式中，计算装置架构100可以包括用于连接到存在敏感显示器107的存在敏感显示器接口108。根据所公开技术的某些示例性实施方式，存在敏感显示器接口108可以提供连接到例如定点装置、触摸屏、深度相机等等的各种装置的通信接口，所述各种装置可以与显示器相联或不相联。

计算装置架构100可以配置成经由输入/输出接口(例如，键盘接口106、显示器接口104、存在敏感显示器接口108、网络连接接口112、摄像机接口114、声音接口116等等)中的一个或多个来使用输入装置，以允许用户将信息捕获到计算装置架构100中。输入装置可以包括鼠标、跟踪球、方向板、触控板、触摸验证的触控板、存在敏感触控板、存在敏感显示器、滚轮、数码相机、数码视频摄像机、网络摄像机、麦克风、传感器、智能卡等等。另外，输入装置可以与计算装置架构100集成在一起或者可以是单独的装置。例如，输入装置可以是加速度计、磁力计、数码相机、麦克风和光学传感器。

计算装置架构100的示例性实施方式可以包括：向天线提供通信接口的天线接口110；向网络提供通信接口的网络连接接口112。如上所述，显示器接口104可以与网络连接接口112通信，例如，以提供在不直接连接或附接到系统的远程显示器上显示的信息。在某些实施方式中，提供摄像机接口114，其充当通信接口并且提供用于从摄像机捕获数字图像的功能。在某些实施方式中，提供声音接口116作为通信接口，用于使用麦克风将声音转换为电信号以及用于使用扬声器将电信号转换为声音。根据示例性实施方式，提供了随机存取存储器(RAM)118，在这里计算机指令和数据可以存储在易失性存储装置中以供CPU102处理。

根据一示例性实施方式，计算装置架构100包括只读存储器(ROM)120，在这里用于基本系统功能(例如，基本输入和输出(I/O)、启动或从键盘接收击键)的不变低级系统代码或数据存储在非易失性存储装置中。根据一示例性实施方式，计算装置架构100包括存储介质122或其他合适类型的存储器(例如，RAM、ROM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘、光盘、软盘、硬盘、可移动盒式磁带、闪存驱动器)，其中文件包括操作系统124、应用程序126(根据需要，包括例如网络浏览器应用程序、窗口小部件或小工具引擎、和/或其他应用程序)并且存储数据文件128。根据一示例性实施方式，计算装置架构100包括电源130，所述电源提供适当的交流电(AC)或直流电(DC)来给各部件供电。

根据一示例性实施方式，计算装置架构100包括允许装置100通过电话网络发送和接收声音的电话子系统132。各构成装置和CPU102通过总线134相互通信。

根据一示例性实施方式，CPU102具有适当的结构以作为计算机处理器。在一种布置中，CPU102可以包括一个以上的处理单元。RAM118与计算机总线134相连以在执行诸如操作系统应用程序和装置驱动程序之类的软件程序期间向CPU102提供快速RAM存储。更具体地，CPU102将计算机可执行处理步骤从存储介质122或其他介质加载到RAM118的字段中，以便执行软件程序。数据可以存储在RAM118中，其中数据可以在执行期间由计算机CPU102访问。在一个示例性构型中，计算装置架构100包括至少98MB的RAM和至少256MB的闪存。

存储介质122本身可以包括多个物理驱动单元，例如独立磁盘冗余阵列(RAID)、软盘驱动器、闪存、USB闪存驱动器、外部硬盘驱动器、拇指驱动器、笔驱动器、密钥驱动器、高密度数字多功能盘(HD-DVD)光盘驱动器、内置硬盘驱动器、蓝光光盘驱动器或全息数字数据存储(HDDS)光盘驱动器、外部微型双列直插内存模块(DI MM)同步动态随机存取存储器(SDRAM)或外部微型DI MM SDRAM。这种计算机可读存储介质允许计算装置访问存储在可移除和不可移除存储介质上的计算机可执行处理步骤、应用程序等等，以从该计算装置卸载数据或将数据上传到该计算装置上。计算机程序产品(例如，使用通信系统的计算机程序产品)可以有形地包含在存储介质122中，所述存储介质可以包括机器可读存储介质。

根据一个示例性实施方式，如本文所使用的术语计算装置可以是CPU，或概念化为CPU(例如，图1的CPU102)。在该示例性实施方式中，CPU可以与一个或多个外围装置(例如，显示器)联接、连接和/或通信。在另一个示例性实施方式中，如本文所使用的术语计算装置可以指代移动计算装置，例如智能手机、平板计算机或智能手表。在该示例性实施例中，计算装置可以将内容输出到其本地显示器和/或一个或多个扬声器。在另一个示例性实施方式中，计算装置可以将内容输出到外部显示装置(例如，通过Wi-Fi)，例如TV或外部计算系统。

如图2-3所示，机器人可操纵导丝系统200可以包括提供路径的引导件210，所述提供路径的引导件包括近侧部分212和远侧部分214，所述提供路径的引导件210配置成将导丝的远端定位至目的地。提供路径的引导件210具有可操作长度，在下文中可将所述可操作长度描述为节段A(SA)、节段B(SB)和节段C(SC)的连续节段长度的组合长度。提供路径的引导件210的可操作长度也可以描述为非弯曲部分(NBP)和弯曲部分(BP)的连续节段长度的组合长度。

控制单元/致动模块300可操作地连接到提供路径的引导件210。提供路径的引导件210和控制单元300相协作地配置成同时且独立地控制提供路径的引导件210的远侧部分BP的曲率κ的(量)，以及控制提供路径的引导件210的远侧部分BP的可用弯曲长度SA。

提供路径的引导件210包括同轴布置的管状元件220和连接到所述管状元件之一的筋束222。如本文使用的，“同轴”和/或“同轴对准”是相对术语并且不需要元件的理想化完全轴向对准。本发明对促进伸缩能力的一系列对准(包括管状元件的“嵌套”布置)都是可行的。

本领域技术人员还将理解，术语“刚度”和/或具有刚性/刚硬品质的术语也可以使用其他相对术语来描述，例如“顺应”和/或具有顺应/柔性的特质。这些相对术语可以从不同方向描述本发明的部件，例如，部件或部件的一部分具有沿着长度增加的刚度，或具有降低的顺应性。或者更顺应意味着刚度更小。

控制单元300配置成控制(i)管状元件220的相对轴向对准，和/或(ii)一个管状元件如何在另一管状元件内居中对准，和/或(iii)控制管状元件220的相对横向对准，和/或(iv)控制一个管状元件相对于另一个管状元件的伸缩布置或横向移位，和/或(v)控制管状元件220的相对旋转对准，和/或(vi)控制筋束222的行程。

对管状元件220的相对轴向对准的控制取决于一个管状元件在另一个管状元件内的装配的贴合度。例如，如果最里面的管状元件的外壁和靠着的管状元件的内壁之间的公差可以忽略不计，那么最里面的管状元件“偏离中心”的量可以忽略不计。可替代地，如果管状元件的直径之间存在差异(横截面应该是同样的卵形)，那么管状元件的相对轴向对准远离公共旋转轴线的公差越大。

对管状元件220的相对横向对准的控制较少依赖于上述公差。只要一个管状元件可以相对于另一个管状元件“滑动”，那么一个管状元件可能相对于另一个管状元件延伸或回撤的长度是相当容易控制的。

通过控制管状元件220的相对旋转对准使得能够微调提供路径的引导件210的远侧部分(或多个远侧部分)的刚度并且使得导丝能够在平面外(在三个维度上)行进。

当管状元件的外/内几何形状不同时，管状元件220的相对旋转对准的控制是相关的。例如，如果最里面的管状元件沿着其长度具有均匀的圆形横截面(具有均匀的壁厚并且全部由相同的材料组成)并且如果靠着的管状元件沿着其长度的均匀圆形横截面大到足以容纳穿过其中的最里面的管状元件并且具有均匀的壁厚且全部由相同的材料组成，那么管状元件之间的相对旋转对准不受任何一个管状元件的旋转的影响。它们之间的旋转条件实际上是平淡无奇的。

然而，如果一个管状元件具有一组不具有旋转对称性的特征，那么一个管状元件相对于另一个管状元件旋转多少将影响管状元件之间的关系。

在一示例性实施例中，至少一个管状元件220具有刚度特征，所述刚度特征使得提供路径的引导件210的近侧部分NBP的刚度能够大于提供路径的引导件220的远侧部分BP的刚度。

管状元件220可以包括具有内通道的内管状元件224、沿着中间管状元件226的长度的至少一部分具有刚度特征232的中间管状元件226、以及沿着外管状元件228的长度的至少一部分具有刚度特征的外管状元件228。

管状元件224、226、228均具有合适的横截面尺寸，使得导丝可以在内管状元件224的内通道内旋转地和横向地移位，使得内管状元件224可以在中间管状元件226内旋转地和横向地移位，以及使得中间管状元件226可以在外管状元件228内旋转地和横向地移位。

中间管状元件226具有从近端至远端限定的长度，刚度特征232可以包括一组凹口242，该组凹口在中间管状元件226的中间位置(SB的近端)处开始延伸至中间管状元件226的远端(SA的远端)。

外管状元件228具有从近端至远端限定的长度，刚度特征234可以包括一组凹口244，该组凹口在外管状元件228的中间位置(SC的近端)处开始延伸至外管状元件228的远端(SA的远端)。

如图所示，外管状元件228的一组凹口244的长度大于中间管状元件226的一组凹口242的长度，尽管一组或多组凹口的长度可以变化。

外管状元件228的一组凹口244优选地与中间管状元件226的一组凹口242具有相位差，使得中间管状元件226能够在外管状元件228内/外可操作地旋转地和横向地移位。多组凹口的相位差优选但不一定是180°。

任一组或两组凹口242、244可以形成多种凹口几何形状/图案，例如，可以形成中间管状元件226和外管状元件228的单向不对称凹口关节。

通过控制筋束222，管状元件224、226、228的伸缩、刚度特征232、234的相对旋转对准以及系统200的整体移位限定了导丝的可及范围和导丝导航弧形路径(例如，脉管系统)的能力。系统200大体上通过改变提供路径的引导件210的各部分的刚度来体现本发明的蛇行能力。

本领域技术人员将理解，本发明可以包括多于一个的筋束和多于三个的管状元件，这些附加部件可以扩展跟随曲折路径的范围和能力。

此外，本领域技术人员将理解，管状元件可以都没有彼此类似的横截面轮廓或者管状元件中的一些或所有的管状元件可以具有彼此相似的横截面轮廓，实际上甚至单个管状元件也不需要沿着其长度具有均一的横截面。在管状元件具有彼此变化的横截面形状的情况下以及在单个管状元件的长度上具有变化的横截面形状和/或尺寸的情况下，管状元件可以在彼此内/外滑动，并且在彼此内部或外部旋转。

提供路径的引导件210的部分SC的刚度大于提供路径的引导件210的部分SB的刚度。提供路径的引导件210的部分SB的刚度大于提供路径的引导件210的部分SA的刚度。

提供路径的引导件210的每个部分的刚度可通过管状元件220的相对轴向对准、管状元件220的相对横向对准、管状元件226、228的相对旋转对准和筋束222的行程来控制，使得提供路径的引导件210的部分SC是提供路径的引导件的包括同轴布置的内管状元件224的第一部分、中间管状元件226的第一部分(其不带有所述一组凹口)以及外管状元件228的第一部分(其带有所述一组凹口244)的长度段。

提供路径的引导件210的部分SB是提供路径的引导件210的包括同轴布置的内管状元件224的第二部分、中间管状元件226的第二部分(其带有所述一组凹口242)和外管状元件228的第二部分(其带有所述一组凹口244)的长度段，其中内管状元件224的第一部分和第二部分构成内管状元件224的全长。

提供路径的引导件210的部分BP是提供路径的引导件210的包括同轴布置的中间管状元件226的第三部分(其带有所述一组凹口242)和外管状元件228的第三部分(其带有所述一组凹口244)的长度段。

同轴的管状元件220使得本发明能够在导丝所需的紧凑空间中以有限的自由度(DOF)实现“跟随引领者”运动。在一示例性实施例中，内管状元件224由不锈钢制成并且具有带有内通道的规则圆柱形横截面。在一示例性实施例中，中间管状元件226和外管状元件228是镍钛诺管，其带有沿着每个管的长度的至少一部分微加工出的凹口图案。

管状元件中的每个均具有合适的尺寸，使得它们可以分别在彼此内滑动。为避免中间管状元件和外管状元件上的凹口之间发生碰撞/干扰，凹口存在180°的相位差。筋束222穿过内管状元件224并且连接到中间管状元件226的远端。

根据每个管状元件的相对位置和凹口图案，在SA中，中间管状元件上的凹口图案会减小其截面二次矩(second moment of area)并且将它的中性轴移动到没有凹口的一侧，这增加了该节段的顺应性以及筋束力臂。然而，在SB中，不锈钢内管状元件的引入增加了组合结构的截面二次矩，导致该节段的刚度显著增加以及力臂减小。最后，只有外管状元件228在SC中保持其凹口图案，这有助于增加该节段的刚度。

因此，如图所示的本发明具有拥有变化刚度的三个节段并且可以根据内管状元件224的相对位置主要分为弯曲部分BP(即，SA)和非弯曲部分NBP(即，SB和SC)。

参考图2，控制单元/致动模块300驱动提供路径的引导件210。筋束222以及内管状元件224和外管状元件228分别连接到驱动器302、304、312。在一示例性实施例中，这些驱动器是线性马达。

本领域技术人员将理解，对于特定的使用方式，不仅马达，而且本发明的所有元件都可以选择。例如，如果本发明用于磁共振成像(MRI)环境，则马达、管状元件和筋束应该避免使用在MRI环境中有害的那些材料。

本发明的适应性随着所选部件类型的选择而进一步增强。虽然可以使用线性马达，但也可以使用许多其他位移机构，包括压电马达以及齿条和小齿轮。此外，虽然不锈钢可用于内管状元件，但也可以使用其他材料为本发明提供本文公开的有益柔性/刚度。此外，虽然镍钛诺可用于中间管状元件和外管状元件，但已知具有足够弹性但仍具有刚性以体现刚度特征(如凹口)的其他材料。

中间管状元件226可以固定到控制单元/致动模块300本身，或者由可以赋予中间管状元件226旋转的驱动器308/齿轮314组件可旋转地驱动。本领域技术人员将理解，操作上的考虑是中间管状元件226和外管状元件228的相对旋转。因此，在可替代布置中，外管状元件228可以用具有固定旋转的中间管状元件226来旋转控制，或者这两个元件226、228都可以具有旋转控制。

如图所示，致动模块具有五个控制变量：X₁，X₂，X₃，X₄和ψ，所述变量分别对应于筋束行程、内管状元件和管状元件之间的相对距离、外管状元件的位移、致动模块的位移、以及中间管状元件的旋转。

给定控制变量，本发明可以在几何约束内形成任何弧的形状，因为X₁和X₂分别控制提供路径的引导件210的远侧部分(弯曲节段A)的曲率和弧长(参见图4A)。因此，通过控制X₁和X₂以及通过使致动模块进给X₄，弯曲节段A可以遵循脉管系统的弯曲路径，其是曲率和弧长的函数，在没有来自脉管系统的壁的被动支撑的情况下，这导致在沿着弯曲路径(参见图4B)引导期间产生跟随引领者运动。

外管状元件228可以沿着弯曲的中间管状元件226滑动并且进一步行进(参见图4C)。中间管状元件226可以作为导引器护套而为外管状元件228提供稳定通道以到达适当位置，同时在弯曲路径的位置处保持曲率。然后可以在下一个弯曲路径处重复该整个过程，直到到达最终目标位置为止。因此，本发明提供了导丝在曲折的脉管系统中的容易插入，无需更换导丝，从而显著缩短了手术时间。

本发明的原型机如图5B所示构成和组装。中间管状元件226和外管状元件228使用超弹性镍钛诺制造而成以便具有高弯曲能力，它们的凹口图案在飞秒激光器(WS-FlexUltra-Short Pulse Laser Workstation，Optec，内拉默里，比利时)上制造。筋束222也由镍钛诺制成，以便易于插入通过管状元件并且易于附接。最后，内管状元件224是不锈钢，这是因为它具有比中间管状元件和外管状元件更高的刚度。外管状元件228、内管状元件224和筋束222连接到线性马达(Maxon Precision Motors，马萨诸塞州，美国，分辨率≈2.8μm)并且产生在每个表面上滑动的线性运动(参见图5B)。在运动行程中，可以控制筋束位移X₁和SA的弧长X₂，从而在SA的数个弧长处实现可变曲率(参见图6A、6B、6C)。整个致动平台300安装在带有线性导轨的底座上并且由底座线性马达306驱动(以控制X₄)。筋束222连接到微型力传感器以测量筋束张力。在表格I中总结了在原型机中使用的如图5A所示的管状元件的尺寸。

表格I

在测试的实施例中，该系统被制造为具有不同于用于体外可行性测试的传统导丝的较短的长度(l₀)。

为了推导筋束行程X₁、所需的曲率κ以及SA的弧长X₂之间的关系以及推导导丝的弯曲部分BP的静力学模型和非弯曲部分NBPs中的耦合模型，考虑具有凹口深度d、凹口宽度h和关节中n个凹口的单个带凹口的管状元件(“管”)的情况(参见图7)。此外，r_o和r_i分别是管的外半径和内半径，激光微加工在凹口处产生面积A_o-A_i的横截面(参见图7(插图))。

这个横截面表示为从扇形面积

减去扇形面积

其中

是激光微加工产生的中心角。为了推导关节的运动学，必须首先得到关节的中性轴的表达式。如图7中可见，由于凹口图案，关节的中性轴沿y轴偏离管的中心轴线。对于具有面积A_o的外圆扇形，该中性轴的位置给出为

对于具有面积A_i的内圆扇形，该中性轴的位置被给出为

最后，复合结构的中性轴(例如，面积为A_o-A_i的凹口横截面)给出如下：

因此，当前管的中性轴的位置给出如下(其中，下标“j”指外管状元件、中间管状元件或内管状元件)：

面积为A_o-A_i的带凹口节段的截面二次矩给出如下：

现在，根据平行轴定理和等式(2)，带凹口节段关于管的中性轴的截面二次矩由下式给出：

给定所需的曲率κ和关节长度X₂，所需的弯曲角度由θ＝κX₂给出。在图8中示出了机器人的弯曲部分以及管的各种长度和半径的示意图。筋束直径表示为t_d。筋束在该笔直构型中的初始长度由

给出。这里，

是内管和中间凹口关节之间的偏移量。这是关节弯曲开始的长度并且因此对于消除任何阶段的任何筋束松弛至关重要。

随着导丝的弯曲节段SA弯曲到一定的曲率κ，中间管的内壁形成圆心为“O”、角度为θ的弧(参见图9)。结果，筋束穿过中间管的路径可以分成两个部分。在图9中由线段

表示的筋束的笔直部分从内管的内壁延伸并且在点‘A’处与中间管的弯曲部分相交，使得线

在点‘A’处于弯曲曲线相切。

在图9中由弧

表示的第二部分与中间管一起弯曲，沿着中间管的内壁行进，半径为r_cur。此外，

(由等式(2)导出并且在下面的引述中缩写为

)是中间管的带凹口区段的中性轴在其中心坐标系中的位置。从几何学上看，由筋束的笔直部分形成的三角形ΔOAB是直角三角形，其中，

此外，

是中间关节的曲率半径，r_t＝t_d/2＝0.038mm是筋束横截面的半径。

筋束的笔直部分的长度则给出为

侧边

和

之间的内角θ_str给出为θ_str＝arccos(r_cur/r_str)，筋束的弯曲部分的长度为L_cur＝r_cur(θ-θ_str)。最后，目标几何结构组合所需的筋束位移κ,X₂位位移由ΔL^kin(κ,X₂)＝L_i(X₂)-(L_str+L_cur)给出。此外，马达行程X₁高度受针对任何κ,X₂组合的筋束伸长率支配。因此，在运动学模型中添加了一伸长率项，如下：

在这里，施加的筋束张力为F_t，L_total＝337.2mm是整个筋束从机器人末端到执行器的“未伸长”的原始长度。E_t＝53.965GPa是镍钛诺筋束在其奥氏体相下的杨氏模量并且通过实验推导得出(参见图10)。为了测试所使用的运动学模型，针对数个关节长度X₂值评估κ-X₁(参见图11)。

对于每个实验而言，筋束张力F_t用于评估和解释筋束伸长率。来自编码器的马达行程数据被用作每种情况的真值。最后，针对每种情况，也绘制了运动学项ΔL^kin。在每种情况中，筋束伸长率支配着关节运动学。此外，等式(5)正确地预测了关节运动学，尤其是对于X₂的较高的值(图11中X₂＝{37.45mm，32.45mm，27.45mm}，RMSE＝0.0324mm)。较低的X₂值(图11中X₂＝17.45mm，RMSE＝0.1331mm)下模型的偏差较高，这被认为是由于当关节随着关节长度减小而变僵硬时摩擦损失较高。

理想情况下，设计目标是筋束行程X₁将导致弯曲节段A(参见图2至图3中的SA)产生曲率κ，而非弯曲节段B、C(参见图2至图3中的SB和SC)不会经受任何变形。然而，由于非弯曲节段内同轴管的布置以及各节段之间的耦合，这些节段也经受少量变形。

开发并且验证了SA的静力学模型和与关节凹口深度和非弯曲节段的耦合效应相关的耦合模型。SA(参见图12中的插图)由带凹口中间管和带凹口外管构成并且由沿着中间管的内壁放置的筋束驱动。由于筋束连接到中间管的远侧末端，力矩ΔM＝F_tΔy_n施加于整个结构。在这里，力臂Δy_n是节段n(参见图12中的SA、SB、SC)中筋束和中间管的中性轴之间的位移。此外，由于筋束的致动，中间管移位并且接触外管(参见图12中SB的横截面)。筋束张力的力臂

仍然保持不变。任何带凹口管(带凹口中间管或带凹口外管)的弯曲都被认为是由于在沿管的每一个凹口处的各弯曲节段的累积而发生的。

由于每个关节中的凹口数量很高(分别对于中间管和外管，n＝{95，160})，对于管的单个带凹口元件而言，弯曲元件所实现的曲率被认为可以忽略不计(对于关节中的180°弯曲，≤2°)。此外，假设总弯曲角度均匀分布在所有凹口中，而两个凹口之间的长度为c的节段(参见图7)不经受任何弯曲。

假设某一节段内的均匀凹口间距β＝h/(h+c)被定义为表示独立凹口的宽度与关节的带凹口和不带凹口的各个独立区段之和的比率。对于特定的关节节段，带凹口的区段和不带凹口的区段均匀地重复。请注意，中间管和外管设计有相同的c值。通过针对SA的κ-F_t关系应用欧拉梁方程，得到如下：

因为这个两个管没有粘合在一起并且可以在彼此之上相互滑动，所以由于上述等式中惯性项的总和而产生曲率κ。在等式(6)中，针对SA的每个管的截面二次矩

其中在等式(4)中定义j＝{out，mid}。对于SB，筋束不再位于中间管的内壁处，而是位于内管内部(如图12中的截面图所示)。这将所施加的筋束张力的力臂减小到

此外，在SB中添加内管会在静力学模型中增加一个惯性项(参见图12)：

内管由304不锈钢制成并且因此假设E_inn＝制造商数据表中的200GPa。此外，内管不带凹口并且因此由等式(4)得出

由于筋束张力F_t在机器人的整个长度上保持不变，因此由等式(6)得出的值F_t可代入等式(7)，得到SA、SB的曲率(即κ和κ_s2)之间的以下耦合比:

与SB类似，SC由所有三个管构成。然而，主要区别在于，在该节段中，中间管不带凹口(参见图12)。所施加的筋束张力的力臂减小到

并且SA和SC之间的耦合关系给出如下：

这里，

是不带凹口中间管的惯性矩并且在等式(4)中定义。从等式(8)和(9)可以清楚，弯曲节段和非弯曲节段之间的耦合比仅取决于节段的横截面的几何形状(不取决于它们的相对长度)。因此，(d_mid，d_out)是可以影响耦合的仅两个参数。耦合比的总和

用作优化的成本函数。

图13示出了(d_mid，d_out)与κ_tot关系。参数(d_mid，d_out)表示为它们对应外径的百分比。随着微加工凹口深度的增加，节段之间的耦合程度减小。然而，这种解耦是以牺牲机器人末端刚度为代价实现的。

对应于(d_mid，d_out)的变化值(参见图15A、15B、15C)，微加工出三个样本。正如预期的那样，在‘G1’(图15A)中发现最高耦合，在‘G2’(图15B)中发现可忽略不计的耦合。关节‘G1’对于导航脉管系统来说足够刚硬却高度耦合，而样本‘G2’非常顺应但只能在需要大曲率且与血管壁的相互作用极小的情况下使用。因此，关节‘G3’(图15B)被选定为最有可能实现高曲率、最小耦合且高刚度的候选方案。

接下来，针对样本‘G3’验证SA静力学模型(参见等式(6))。致动本发明的原型机，使得导丝能够实现数个曲率以获得κ-F_t关系(参见图14)。首先，对于SA的各种曲率和弧长(X₂＝{37.45mm，32.45mm，27.45mm，22.45mm，17.45mm})，值得注意的是κ-F_t关系保持不变并且可以通过线性拟合(RMSE＝0.064N)近似为此几何形状。通过使用此线性近似和等式(6)并且从样本‘G3’的几何形状知晓

的值，可以估算出组件的弹性模量E＝77.3GPa，这落入超弹性镍钛诺在奥氏体相下的有效值范围内。

从等式(5)和(6)，用给定的X₂如下推导κ和X₁之间的直接关系：

因此，无需任何力信息，可以由X₁直接控制κ。

基于等式(10)和血管的几何信息G＝[δ,θ,a₁,a₂]^T(参见图16)，可以控制变量(i，e，X₁，X₂，X₃和X₄)以遵循脉管系统的特定路径。假设可以通过使用诸如荧光透视或MRI的非侵入性成像观察来识别脉管系统的G，并且假设该曲线具有恒定的曲率。

沿着血管的中心线，路径变量形式的介入距离s被输入到具有G的运动学/静力学模型中并且其生成第n个线性致动器的参考X_ref.n(n＝1，2，3和4)。然后根据每个血管区段中的s(即图16中的P1、P2或P3)，X_ref＝[X_ref.1,X_ref.2,X_ref.3,X_ref.4]^T如下：

图17A、17B示出了通过使用所提出的自由空间中的控制方案(这里，a₁和a₂被假设为0)，末端的X-Y坐标遵循具有各种曲率的给定参考弯曲路径，并且在单次跟踪试验中由电磁跟踪器测量该X-Y坐标。低曲率路径误差相对较小(平均L²距离＝4.53mm)；然而，在高曲率路径中误差显著增加(平均L²距离＝14.66mm)。相信这主要因SB和SC的耦合而发生，该耦合移动了SA的坐标。然而，需要注意的是，该机器人旨在在受限空间中被致动并且这种耦合问题可以在脉管系统等受限空间中得到补偿。

为了验证本发明，用各种路径对血管虚拟模型进行了3D打印，所述血管虚拟模型复制了具有介于0.08mm^-1和0.015mm^-1之间的曲率范围的小儿颈动脉、主动脉弓和主动脉分叉(参见图18A-18D)。导丝被进给到线性通道中(在等式(11)中s∈P1)并且制成具有恒定曲率的曲线形状以在分叉处遵循给定的参考路径(在等式(11)s∈P2)。

当机器人的远侧末端到达弯曲路径的终点时，外管在弯曲的中间管上滑动(在等式(11)中s∈P3)并且进一步行进(参见图19A-19D)，这可以作为导引器护套为中间管提供稳定的通道，以到达下一个操作点。在下一个弯曲路径重复整个过程。

因此，本发明的导丝的介入和导航功能在血管虚拟模型中的具有各种曲率的分叉处得到成功证明。这一特征可以在不更换导丝的情况下防止目前临床实践中导丝常见的扭结和断裂问题并且提供稳定且快速的介入过程，以微创方式治疗心血管疾病。

本发明是使用同轴管(在一示例性实施例中，三个管)和筋束(在一示例性实施例中，一个筋束)设计的同轴对准的可操纵导丝机器人。弯曲弧长和曲率的独立控制允许机器人使用其固有的跟随引领者运动来遵循具有变化长度和弯曲角度的血管曲率。

推导了机器人的运动学模型和静力学模型并且提出了基于这些模型的控制算法来控制本发明。该机器人原型机的直径与商用导丝兼容。在自由空间中使用血管虚拟模型评估本发明的性能。机器人成功通过了数个高曲率的血管结构。本发明还能够在荧光透视引导下导航通过具有血管刚度特性和脉动血流系统的三维虚拟脉管系统。

虽然已经结合当前被认为是最实用的实施例描述了所公开技术的某些实施例，但是应当理解，所公开技术不限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置。尽管在此采用了特定术语，但它们仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制目的。

该书面描述使用示例来公开了所公开技术的某些实施例，包括最佳模式，并且也使得本领域技术人员能够实践所公开技术的某些实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。所公开技术的某些实施例的专利范围限定在权利要求中，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果此类其他示例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则它们旨在落入权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种可操纵导丝系统，包括：

提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括近侧部分和远侧部分，所述提供路径的引导件配置成将导丝的远端定位至目的地；和

控制单元，所述控制单元能够操作地连接到所述提供路径的引导件；

其中，所述提供路径的引导件和所述控制单元相协作地配置成同时且独立地：

控制所述提供路径的引导件的所述远侧部分的曲率；以及

控制所述提供路径的引导件的所述远侧部分的弧长。

2.根据权利要求1所述的可操纵导丝系统，其中，所述控制单元是自动化控制单元；并且

其中，所述可操纵导丝系统是机器人可操纵导丝系统。

3.根据权利要求1所述的可操纵导丝系统，其中，所述控制单元是能够手动操作的控制单元；并且

其中，所述可操纵导丝系统是手动可操纵导丝系统。

4.根据权利要求1所述的可操纵导丝系统，其中：

所述提供路径的引导件包括：

伸缩布置的可嵌套元件；和

连接到所述可嵌套元件之一的筋束；并且

所述控制单元配置成以下中的一个或多个：

控制所述可嵌套元件的相对轴向对准；

控制所述可嵌套元件的相对横向对准；

控制所述可嵌套元件的相对旋转对准；和

控制所述筋束的行程。

5.根据权利要求4所述的可操纵导丝系统，其中，所述提供路径的引导件沿着所述提供路径的引导件的长度具有可变刚度分布。

6.根据权利要求5所述的可操纵导丝系统，其中，所述可变刚度分布是沿着所述提供路径的引导件的长度连续地变化的。

7.根据权利要求5所述的可操纵导丝系统，其中，所述可变刚度分布是沿着所述提供路径的引导件的长度离散地变化的，其中，沿着所述提供路径的引导件的一个或多个部分，所述一个或多个部分沿着所述一个或多个部分的长度具有基本上相同的刚度。

8.一种机器人可操纵导丝系统，包括：

提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括：

同轴布置的管状元件；和

连接到所述管状元件之一的筋束；

其中，所述提供路径的引导件具有近侧部分和远侧部分，所述提供路径的引导件配置成将导丝的远端定位至目的地；以及控制单元，所述控制单元能够操作地连接到所述提供路径的引导件，并且配置成以下中的一个或多个；

控制所述管状元件的相对轴向对准；

控制所述管状元件的相对横向对准；

控制所述管状元件的相对旋转对准；和

控制所述筋束的行程；

其中，所述提供路径的引导件和所述控制单元相协作地配置成同时且独立地：

控制所述提供路径的引导件的所述远侧部分的曲率；并且

控制所述提供路径的引导件的所述远侧部分的弧长。

9.根据权利要求8所述的可操纵导丝系统，其中，所述同轴布置的管状元件包括：

具有内通道的内管状元件；

中间管状元件，所述中间管状元件沿着所述中间管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；和

外管状元件，所述外管状元件沿着所述外管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；

其中，所述管状元件均具有合适的横截面尺寸，使得：

导丝能够在所述内管状元件的所述内通道内旋转地和横向地移位；

所述内管状元件能够在所述中间管状元件内旋转地和横向地移位；

所述中间管状元件能够在所述外管状元件内旋转地和横向地移位。

10.根据权利要求9所述的可操纵导丝系统，其中，所述中间管状元件具有从近端至远端限定的长度，并且所述中间管状元件的所述刚度特征包括在所述中间管状元件的中间位置处开始延伸到所述中间管状元件的远端的一组凹口；

其中，所述外管状元件具有从近端至远端限定的长度，并且所述外管状元件的所述刚度特征包括在所述外管状元件的中间位置处开始延伸到所述外管状元件的远端的一组凹口；并且

其中，所述外管状元件的所述一组凹口与所述中间管状元件的所述一组凹口具有相位差，使得所述中间管状元件能够在所述外管状元件内可操作地旋转地和横向地移位。

11.根据权利要求10所述的可操纵导丝系统，其中，所述外管状元件的所述一组凹口与所述中间管状元件的所述一组凹口形成所述中间管状元件和所述外管状元件的单向不对称凹口关节；并且

其中，所述外管状元件的所述一组凹口与所述中间管状元件的所述一组凹口的相位差为180°。

12.根据权利要求10所述的可操纵导丝系统，其中，所述提供路径的引导件还具有中间部分；

其中，所述提供路径的引导件的所述近侧部分的刚度大于所述提供路径的引导件的所述中间部分的刚度；并且

其中，所述提供路径的引导件的所述中间部分的刚度大于所述提供路径的引导件的所述远侧部分的刚度。

13.根据权利要求11所述的可操纵导丝系统，其中，所述提供路径的引导件的每个部分的刚度能够通过所述管状元件的所述相对轴向对准、所述管状元件的所述相对横向对准、所述管状元件的所述相对旋转对准以及所述筋束的所述行程来控制，使得：

所述提供路径的引导件的所述近侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述内管状元件的第一部分、所述中间管状元件的不带有所述一组凹口的第一部分和所述外管状元件的带有所述一组凹口的第一部分的长度段；

所述提供路径的引导件的所述中间部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述内管状元件的第二部分、所述中间管状元件的带有所述一组凹口的第二部分以及所述外管状元件的带有所述一组凹口的第二部分的长度段，其中所述内管状元件的所述第一部分和所述第二部分构成所述内管状元件的全长；并且

所述提供路径的引导件的所述远侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述中间管状元件的带有所述一组凹口的第三部分和所述外管状元件的带有所述一组凹口的第三部分的长度段。

14.一种机器人可操纵导丝系统，包括：

提供路径的引导件，所述提供路径的引导件包括至少三个管状元件：

具有内通道的内管状元件；

第一中间管状元件，所述第一中间管状元件沿着所述第一中间管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；和

外管状元件，所述外管状元件沿着所述外管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；

控制模块，所述控制模块能够操作地连接到所述提供路径的引导件；

其中，所述控制模块配置成：

使所述内管状元件相对于所述第一中间管状元件的相对位置横向地移位；

使所述第一中间管状元件相对于所述中间外管状元件的相对位置旋转地移位；和

使所述外管状元件相对于所述第一中间管状元件的相对位置横向地移位；

其中，所述管状元件的这些移位中的一个或多个导致沿着所述提供路径的引导件的长度产生刚度区域，近侧区域的刚度大于中间区域的刚度，并且所述中间区域的刚度大于远侧区域的刚度；

其中，导丝能够操作地配置成穿过所述提供路径的引导件的长度并且经由所述提供路径的引导件的所述中间区域和所述远侧区域的可变柔性和弧长被引导至目的地。

15.一种沿着曲折路径将导丝的末端操纵到目的地的方法，包括：

将所述导丝进给通过具有远侧部分的提供路径的引导件，所述导丝的末端配置成通过所述远侧部分离开；和

沿着所述曲折路径同时且独立地控制：

所述提供路径的引导件的所述远侧部分的曲率；和

所述提供路径的引导件的所述远侧部分的弧长。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述提供路径的引导件包括：

同轴布置的管状元件；和

连接到所述管状元件之一的筋束；并且

其中，同时且独立地控制包括以下中的一个或多个：

控制所述管状元件的相对轴向对准；

控制所述管状元件的相对横向对准；

控制所述管状元件的相对旋转对准；和

控制所述筋束的行程。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述提供路径的引导件沿着所述提供路径的引导件的长度具有可变刚度分布。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述同轴布置的管状元件包括：

具有内通道的内管状元件；

中间管状元件，所述中间管状元件沿着所述中间管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；和

外管状元件，所述外管状元件沿着所述外管状元件的长度的至少一部分具有刚度特征；

其中，所述管状元件均具有合适的横截面尺寸，使得：

所述导丝能够在所述内管状元件的所述内通道内旋转地和横向地移位；

所述内管状元件能够在所述中间管状元件内旋转地和横向地移位；

所述中间管状元件能够在所述外管状元件内旋转地和横向地移位。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述中间管状元件具有从近端至远端限定的长度，并且所述中间管状元件的所述刚度特征包括在所述中间管状元件的中间位置处开始延伸到所述中间管状元件的所述远端的一组凹口；并且

其中，所述外管状元件具有从近端至远端限定的长度，并且所述外管状元件的所述刚度特征包括从所述外管状元件的中间位置处开始延伸到所述外管状元件的所述远端的一组凹口；

其中，所述外管状元件的所述一组凹口的长度大于所述中间管状元件的所述一组凹口的长度；并且

其中，所述外管状元件的所述一组凹口与所述中间管状元件的所述一组凹口具有相位差，使得所述中间管状元件能够在所述外管状元件内可操作地旋转地和横向地移位。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述外管状元件的所述一组凹口和所述中间管状元件的所述一组凹口形成所述中间管状元件和所述外管状元件的单向不对称凹口关节；并且

其中，所述外管状元件的所述一组凹口和所述中间管状元件的所述一组凹口的相位差为180°。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述提供路径的引导件还具有中间部分；

其中，所述提供路径的引导件的近侧部分的刚度大于所述提供路径的引导件的中间部分的刚度；并且

其中，所述提供路径的引导件的所述中间部分的刚度大于所述提供路径的引导件的远侧部分的刚度。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述提供路径的引导件的每个部分的刚度能够通过所述管状元件的相对轴向对准、所述管状元件的相对横向对准、所述管状元件的相对旋转对准以及所述筋束的行程来控制，使得：

所述提供路径的引导件的所述近侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述内管状元件的第一部分、所述中间管状元件的不带有所述一组凹口的第一部分和所述外管状元件的带有所述一组凹口的第一部分的长度段；

所述提供路径的引导件的所述中间部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述内管状元件的第二部分、所述中间管状元件的带有所述一组凹口的第二部分以及所述外管状元件的带有所述一组凹口的第二部分的长度段，其中所述内管状元件的所述第一部分和所述第二部分构成所述内管状元件的全长；并且

所述提供路径的引导件的所述远侧部分是所述提供路径的引导件的包括同轴布置的所述中间管状元件的带有所述一组凹口的第三部分和所述外管状元件的带有所述一组凹口的第三部分的长度段。

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