CN117355248A - 管腔内装置的智能关节运动管理 - Google Patents

Abstract

一种导管系统和方法，该系统包括：导管，该导管具有管腔、位置传感器以及用于使导管进行关节运动的至少一根拉线；工具，该工具包括位于导管的远侧端部的金属尖端；接近传感器，该接近传感器与导管相关联并且被配置为检测在目标上接近关节运动区域的工具的存在；和关节运动机构，该关节运动机构被配置为向拉线施加压力以使导管进行关节运动和脱关节运动。该方法基于导管的关节运动水平和工具的特性来确定工具不能穿过关节运动区域；使导管进行脱关节运动以允许工具穿过关节运动区域；以及在脱关节运动之前使导管进行重新关节运动到导管的定位和取向。

Description

管腔内装置的智能关节运动管理

背景技术

技术领域

本公开涉及导管导航领域以及用于确定工具在导管中的位置、调整导管的关节运动以允许工具通过弯曲部并且防止损坏导管的内表面的系统和方法。

背景技术

存在几种常用的医学方法，诸如内窥镜手术或微创手术，用于治疗各种影响器官(包括肝、脑、心脏、肺、胆囊、肾和骨骼)的疾病。这些手术中的许多手术涉及将导管导航到患者体内的点。一旦到达期望点，工具(诸如活检工具或治疗工具)可穿过导管，以与患者体内该点处的组织相互作用。

图8A描绘了具有位于导管102的远侧端部处的位置传感器104的导管102。在图8B中，当工具103前进通过导管102时，由例如工具103的刚性金属尖端105引起的工具103的刚性使得金属尖端105撞击导管102的内表面107，如图8C中更详细地示出。此类撞击防止工具105前进通过导管102。此外，金属尖端105可嵌入并损坏内表面107，此类损坏会阻止工具13的初始前进，并且还会引起关于未来前进的问题。

除此之外，即使在工具103可被导航通过弯曲部且不撞击导管102的内表面107的情况下，由弯曲部引起的摩擦也可在某点处阻止进一步前进。类似地，因为金属尖端105可胶合或压配合到工具103的导管109上，其中导管102具有极端弯曲部，所以该弯曲部可在金属尖端105上产生足够的摩擦以将该金属尖端从工具103的导管102移除。鉴于这些挑战，特别是当导航到体内仅能沿着曲折路径到达的点时，期望对当前导管导航系统进行改进。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种用于将导管导航到患者体内的位置的系统，该系统包括：导管，该导管包括穿过其的管腔和位于其远侧部分上的位置传感器；关节运动机构，该关节运动机构包括用于使导管的关节运动区域进行关节运动的至少一根拉线；工具，该工具用于在目标部位处执行手术并且能够在导管的管腔内平移；接近传感器，该接近传感器在导管上用于检测工具接近关节运动区域；和应用程序，该应用程序存储在存储器中并由计算装置的处理器执行，当被执行时，该应用程序执行以下步骤：基于接收到的工具的类型的指示来确定工具的特性；记录导管的定位、关节运动和到目标的矢量；检测工具在关节运动区域附近；确定工具穿过关节运动区域所必需的脱关节运动量；调整导管的关节运动；检测工具已经通过关节运动区域并且接近导管的远侧部分；使导管进行关节运动到记录的定位；检测导管已经返回到记录的定位；以及在用户界面上显示重新对准的指示。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。在该系统中，应用程序进一步执行在用户界面上呈现允许工具穿过关节运动区域所必需的脱关节运动的所需量的指示的步骤。在该系统中，关节运动机构是机动化机构。在该系统中，机动化机构是以机器人方式控制的。在该系统中，机动化机构是手动操作的。在该系统中，关节运动机构手动操作的。在该系统中，应用程序进一步执行确定是否需要脱关节运动来移除工具的步骤。在该系统中，应用程序进一步执行使导管进行脱关节运动并在用户界面上显示工具可被安全地移除的指示的步骤。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

本公开的另一方面涉及一种将工具放置在目标附近的方法，该方法包括接收患者的图像数据集，从图像数据集生成管腔网络的3D模型。该放置方法还包括生成到管腔网络的3D模型内的目标位置的路径。该放置方法还包括检测包括位置传感器的导管已经被导航到接近目标位置的管腔网络内的定位。该放置方法还包括接收正被插入到导管中的工具的类型的指示。该放置方法还包括确定与正被插入到导管中的工具的类型相关的规格数据。该放置方法还包括记录从导管的远侧端部到目标位置的定位、关节运动和到目标位置的矢量。该放置方法还包括检测接近导管的关节运动区域的工具的定位。该放置方法还包括确定导管穿过关节运动区域所必需的脱关节运动量。该放置方法还包括调整导管的关节运动。该放置方法还包括检测工具穿过关节运动区域。该放置方法还包括使导管进行关节运动到记录的定位、关节运动和到目标的矢量。该放置方法还包括在用户界面上显示导管与目标位置重新对准的指示。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。在该方法中，确定规格数据包括查询其中记录了规格数据的查找表。在该方法中，该方法进一步包括在用户界面上呈现允许工具穿过导管所必需的脱关节运动量的指示。在该方法中，该方法进一步包括手动操纵马达驱动的拉线系统以使导管进行脱关节运动，从而实现所呈现的脱关节运动量。在该方法中，该方法进一步包括手动调整拉线以实现所呈现的脱关节运动量。在该方法中，该方法进一步包括以机器人方式驱动马达驱动的拉线系统以使导管进行脱关节运动。在该方法中，该方法进一步包括确定是否需要脱关节运动来移除工具。在该方法中，该方法进一步包括使导管进行脱关节运动并在用户界面上显示工具可被安全地移除的指示。在该方法中，基于与被插入到导管中的工具的类型相关的所确定的规格数据来确定所必需的脱关节运动量。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

本公开的又另一方面涉及一种导管系统，该导管系统包括：导管，该导管具有穿过其的管腔、位于远侧端部处的位置传感器以及至少一根拉线，该至少一根拉线被配置为使导管进行关节运动。该导管系统还包括工具，该工具包括在远侧端部处的金属尖端。该导管系统还包括接近传感器，该接近传感器与导管相关联，该接近传感器被配置为检测接近目标上的关节运动区域的工具的存在。该导管系统还包括关节运动机构，该关节运动机构被配置为向拉线施加压力以使导管进行关节运动和脱关节运动；以及计算装置，该计算装置在存储器中存储能够由处理器执行的应用程序，当被执行时，该应用程序确定以下步骤：基于导管的关节运动和工具的特性来确定工具不能穿过关节运动区域；使导管进行脱关节运动以允许工具穿过关节运动区域；以及在脱关节运动之前使导管进行重新关节运动到导管的定位和取向。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。在该导管系统中，接近传感器是被配置为读取工具上的标记的光学传感器。在该导管系统中，接近传感器是电磁场传感器，该电磁场传感器被配置为当金属尖端前进到接近传感器附近时检测电磁场中的干扰。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

附图说明

在下文中参考附图描述了本公开的各个方面和实施方案，在附图中：

图1是根据本公开的用于经由管腔网络导航到软组织目标的系统的示意图；

图2是根据本公开的各方面的导航程序的用户界面；

图3A是根据本公开的机动化导管的透视图；

图3B是图3A的机动化导管的驱动机构的一部分的详细放大视图；

图3C是根据本公开的关节运动导管的透视图；

图4是根据本公开的各方面的计算装置的示意图；

图5是具有用于检测工具的传感器的导管的远侧部分的示意图；

图6是根据本公开的用于脱关节运动和关节运动到期望位置的方法的流程图；

图7A和图7B描绘了使导管进行脱关节运动以允许工具从中穿过并且进行重新关节运动到初始位置；并且

图8A和图8B描绘了现有技术的关节运动式导管102，其中关节运动防止工具穿过导管。

具体实施方式

本公开涉及用于确定工具在导管中的位置、调整导管的关节运动以允许工具通过弯曲部并且防止损坏导管的内表面的系统和方法。

根据本公开，可由先前获取的扫描(诸如CT扫描)生成患者的肺部或解剖结构的另一合适部分的3D体积。这些扫描可以用于生成解剖结构的3D模型。3D模型和相关扫描数据用于识别目标，例如，用于活检或治疗的潜在病变，并且用于生成穿过解剖结构以到达目标的路径计划。

一旦生成了路径计划并且临床医生接受了该路径计划，导航系统就可利用该路径计划来沿路径计划驱动导管通过解剖结构以到达期望目标。沿路径计划驱动导管可以是手动的，或者其也可以是机器人的，或两者的组合。手动系统包括美敦力公司(MedtronicPLC)销售的ILLUMISITE导航系统，机器人系统包括直觉手术公司(Intuitive SurgicalInc.)销售的ION系统和Auris健康公司(Auris Health,Inc)销售的MONARCH系统。在单个手术规划中，执行路径计划与患者的配准以及导航，以使得医疗装置(例如，导管)能够沿计划的路径被导航以到达目标(例如，病变)，使得可完成目标的活检或治疗。

如上所述，无论是手动的还是机器人的，都可在导管到解剖结构内的目标的导航开始之前，将由程序前扫描数据开发的路径计划和3D模型与患者配准。一旦配准，就可以遵循路径计划将导管或其他工具导航到期望位置。另选地，配准可作为导航过程的一部分进行，其中界标和其他特征(例如，隆突)以及使用相机的视觉反馈被识别以收集足够的数据来生成3D模型与患者的配准。尽管不论采用的配准方法如何，对于路径的一般导航而言，此配准通常更合适，并且存在许多配准方法，但是3D模型和路径计划可能仍无法为目标相互作用提供允许将医疗装置或仪器引导到目标以用于活检和治疗的足够的准确性。

在某些情况下，不准确性是由手术期间患者的肺部相对于获取先前获取的CT数据时的肺部的变形引起的。该变形(CT到身体散度)可能是由许多不同的因素引起的，包括例如，当在镇静状态与非镇静状态之间转换时身体的变化、支气管镜改变患者的姿势、支气管镜和导管推动组织、不同的肺部体积(例如，CT扫描是在吸气后的完全屏气期间获取的，而导航通常是在患者呼吸时执行的)、不同的床位、不同的日子等。因此，可采用另一种成像方式来帮助实时可视化医疗装置和目标并增强体内导航程序。

在将医疗装置导航到目标时，临床医生可使用荧光透视成像来可视化医疗装置相对于目标的定位。尽管荧光透视图像会显示高密度物体(诸如金属工具、骨头)以及大型软组织物体(诸如心脏)，但荧光透视图像可能无法清楚地显示所关注的小型软组织物体(诸如病变)。此外，荧光透视图像是二维(2D)投影，这使得确定视图中的深度变得困难。

已经开发了X射线体积重构，以实现对软组织物体的识别并更新目标和导管在路径计划和3D模型中的相对定位。体积重构是由在与所讨论的组织不同的角度下提取的一系列2D荧光透视图像进行的。在下面更详细地描述的一种方法中，路径计划以及导管和目标的相对位置的更新可利用局部配准过程实现。此局部配准过程降低了CT到身体散度。在局部配准过程之后，在一个实施方案中，可从导管中移除可定位引导件(即，具有多个传感器的导管)，并且将医疗装置(例如，活检工具)引入到导管中以用于导航到目标，从而执行对目标(例如，病变)的活检或治疗。

然而，即使在3D模型和路径计划中更新了导管和目标的相对定位的情况下利用局部配准，保持如在局部配准中确认的导管和目标的对准也可能是有挑战性的。该挑战的来源与身体的两个主要功能有关，即呼吸功能和心脏功能(即，心跳)。

误差的另一个来源是在局部配准可能引起尖端偏斜后工具穿过导管。当导管包括传感器时，例如，电磁传感器或柔性传感器(感测导管的一部分的形状和取向)，这些类型的移动可经由图形用户界面(GUI)报告给临床医生，在该用户界面上会显示导航软件，并且导航软件允许按照路径计划到达目标。由工具穿过导管引起的移动表现为GUI上目标相对于导管的定位的移动。

根据本公开的实施方案，导管102包括一根或多根拉线。由导航系统感测传感器104的移动，并且可通过操纵拉线对导管的位置进行微调整。可采用这些相同的拉线来不断地调整导管以及尤其在随着其在肺部内移动时导管102的远侧部分的定位。拉线使得导管102改变远侧部分处的形状和曲率，并且可由临床医生手动操纵或经由计算机控制的系统(例如，机器人)自动操纵。

根据本公开的各方面，并且如上所述，医疗装置(例如，活检工具)朝目标(例如，病变)的体内导航的可视化可以是导航系统(诸如电磁导航系统)的更大工作流程的一部分。图1是用于促进经由肺部的气道将医疗装置(例如，导管)导航到软组织目标的示例性系统的透视图。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，用于在患者体内导航(无论其在胃肠道(即，结肠、肠、胃和食道)、脉管系统)还是胸腔和腹腔中的导航(例如，腹腔镜式手术)的其他系统。

系统100可被配置为由2D荧光透视图像来构造目标区域的基于荧光透视的三维体积数据，以确认到期望位置的导航。系统100可被进一步配置为促进通过使用电磁导航(EMN)使医疗装置接近目标区域并且被配置用于确定医疗装置相对于目标的位置。一种此类EMN系统是当前由美敦力公司销售的ILLUMISITE系统，但是用于管腔内导航的其他系统也被视为处于如上所述的本公开的范围内。

系统100的一个方面是用于查看已从系统100单独获取的计算断层摄影(CT)图像扫描数据的软件组件。对CT图像数据的查看允许用户识别一个或多个目标、规划到达所识别的目标的路径(规划阶段)、使用计算装置122上的用户界面将导管102导航到目标(导航阶段)以及确认传感器104相对于目标的放置。该目标可以是通过在规划阶段期间检查CT图像数据而识别的感兴趣的组织。在导航之后，可将医疗装置(诸如活检工具或其他工具)插入到导管102中，以从位于目标处或接近于目标的组织中获得组织样品。

如图1所示，导管102是导管引导组件106的一部分。在实践中，导管102被插入到支气管镜108中以进入患者P的管腔网络。具体地，导管引导组件106的导管102可被插入到支气管镜108的工作通道中以用于导航穿过患者的管腔网络。传感器104位于导管102的远侧部分上。可得到电磁场内传感器104相对于参考坐标系的定位和取向，以及因此导管102的远侧部分的定位和取向。导管引导组件106目前由美敦力公司以商品名手术套件或EDGETM手术套件进行市场销售和出售，并且被认为可与本公开一起使用。

系统100一般包括操作台112，该操作台被配置为支撑患者P；支气管镜108，该支气管镜被配置为通过患者P的口插入患者P的气道；监视设备114，该监视设备耦接到支气管镜108(例如，视频显示器，用于显示从支气管镜108的视频成像系统接收的视频图像)；定位或跟踪系统114，该定位或跟踪系统包括定位模块116、多个参考传感器18和发射器垫120，该发射器垫包括多个并入的标记物；以及计算装置122，该计算装置包括软件和/或硬件，该软件和/或硬件用于促进对目标的识别、到目标的路径规划、医疗装置到目标的导航，以及/或者对导管102或穿过其的合适装置相对于目标的放置的确认和/或确定。计算装置122可与图4的工作站401类似并且可被配置为执行本公开的包括图6的方法的方法。

系统100的该特定方面中还包括能够获取患者P的荧光透视或X射线图像或视频的荧光透视成像装置124。由荧光透视成像装置124所捕获的图像、图像序列或视频可存储在荧光透视成像装置124内，或传输到计算装置122以用于存储、处理和显示。另外地，荧光透视成像装置124可相对于患者P移动，使得可从相对于患者P的不同角度或视角获取图像，以创建荧光透视图像的序列(诸如荧光透视视频)。荧光透视成像装置124相对于患者P并且在捕获图像时的姿势可经由与发射器垫120一起并入的标记物来估计。标记物定位在患者P之下、患者P与操作台112之间以及患者P与荧光透视成像装置124的辐射源或感测单元之间。与发射器垫120一起并入的标记物可以是可以固定的方式耦接或另选地可被制造为单个单元的两个单独元件。荧光透视成像装置124可包括单个成像装置或多于一个成像装置。

计算装置122可以是包括处理器和存储介质的任何合适的计算装置，其中处理器能够执行存储在存储介质上的指令。计算装置122还可包括数据库，该数据库被配置为存储患者数据、包括CT图像的CT数据集、包括荧光透视图像和视频的荧光透视数据集、荧光透视3D重建、导航计划以及任何其他此类数据。尽管未明确展示，但是计算装置122可包括输入，或者可以其他方式被配置为接收CT数据集、荧光透视图像/视频和本文描述的其他数据。另外地，计算装置122包括被配置为显示图形用户界面的显示器。计算装置122可以连接到一个或多个网络，通过该一个或多个网络可以访问一个或多个数据库。

关于计划阶段，计算装置122利用预先获取的CT图像数据来生成并查看患者P的气道的三维模型或渲染，使得能够进行对三维模型上的目标的识别(自动地、半自动地或手动地)，并且允许确定通过患者P的气道到达位于目标处和目标周围的组织的路径。更具体地，将从先前的CT扫描中获取的CT图像处理并组装成三维CT体积，随后利用该三维CT体积来生成患者P的气道的三维模型。该三维模型可以在与计算装置122相关联的显示器上显示，或者以任何其他合适的方式显示。使用计算装置122，呈现了三维模型或由三维模型生成的增强的二维图像的各个视图。增强的二维图像可以具有某些三维能力，因为它们是由三维数据生成的。可操纵三维模型以促进对三维模型或二维图像上的目标的识别，并且可进行对通过患者P的气道进入位于目标处的组织的合适的路径的选择。一旦进行选择，就可以保存路径计划、三维模型以及由其得到的图像并且将其导出到导航系统中以用于在导航阶段期间使用。

关于导航阶段，利用六自由度电磁定位或跟踪系统114或用于确定导管102的远侧部分的定位和取向的其他合适的系统来执行图像的配准和导航路径。跟踪系统114包括跟踪模块116、多个参考传感器118和发射器垫120(包括标记物)。跟踪系统114被配置用于与导管102并且特别是传感器104一起使用。

发射器垫120定位在患者P下方。发射器垫120在患者P的至少一部分周围生成电磁场，在该电磁场内，多个参考传感器118和传感器104的定位可使用跟踪模块116来确定。参考电极118中的一个或多个参考电极附接到患者P的胸部。通常执行配准来协调来自规划阶段的三维模型和二维图像与如通过支气管镜108所观察到的患者P的气道的位置，并允许在知道传感器104的位置的情况下进行导航阶段。

患者P在发射器垫120上的位置的配准可通过移动传感器104通过患者P的气道来执行。更具体地，涉及导管102移动通过气道时传感器104的位置的数据使用发射器垫120、参考传感器118和跟踪系统114来记录。将由此位置数据产生的形状与在规划阶段中生成的三维模型的传递的内部几何形状进行比较，并且例如利用计算装置122上的软件确定基于比较的形状与三维模型之间的位置相关性。除此之外，软件识别三维模型中的非组织空间(例如，填满空气的腔)。软件将表示传感器104的位置的图像与三维模型和/或由三维模型生成的二维图像对准或配准，这是基于记录的位置数据和传感器104仍定位在患者P的气道中的非组织空间中的假设。另选地，手动配准技术可通过以下来采用：将具有传感器104的支气管镜108导航到患者P的肺部中的预先指定的位置处，并将来自支气管镜的图像与三维模型的模型数据手动关联。

本公开的又另一方面涉及导管102。导管102可包括可用于操纵导管的远侧部分的一根或多根拉线。拉线系统是已知的并且用于包括手动、动力辅助和机器人外科手术的各种设置。在大多数基于导管的拉线系统中，至少一根但多达六根以及甚至十根拉线并入到导管102中，并且从接近远侧端部延伸到定位在近侧端部处的驱动机构。通过张紧至少一根拉线，可操纵导管的远侧部分的形状。例如，在两拉线系统中，通过放松一根拉线并收回相反的拉线，可使导管沿收回拉线的方向偏斜。尽管在此详细描述了某些拉线系统，但是本公开不限于此，并且可通过多种装置实现对导管102的操纵，该多种装置包括同心管系统以及使导管102的远侧端部能够移动的其他装置。此外，虽然详细描述了马达辅助/机器人系统，但是在不脱离本公开的范围的情况下，手动操纵装置可采用拉线的相同延伸和收回原理来改变导管的远侧部分的形状。

尽管在本文中关于使用EM传感器的EMN系统进行了描述，但本公开不限于此，并且可与柔性传感器、超声传感器或与其他类型的传感器结合使用。另外地，本文描述的方法可与机器人系统结合使用，以使得机器人致动器驱动导管102或支气管镜108接近目标，如下面更详细描述的。

在将患者P与图像数据和路径计划配准后，使用导航软件在计算装置122上显示如图2A所示的用户界面200，该导航软件阐述了临床医生将遵循以到达目标的路径。一旦导管102如图2所示已经成功地被导航接近目标202，就可对每个目标执行局部配准过程以减小CT到身体散度。

在手术(诸如肺活检和治疗)中，确保导管102的远侧端部直接指向目标是有用的。根据本公开的一个方面，驱动机构可接收由计算装置122导出的信号以驱动导管102(例如，延伸或缩回拉线)。此类装置的一个示例可见于图3A中，该图描绘了包括三个驱动马达的外壳，该三个驱动马达用于操纵以5个自由度(例如，左右、上、下和旋转)从其延伸的导管。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用包含更少个或更多个自由度的其他类型的驱动机构和其他操纵技术。

如上所述，图3A描绘了容纳在主体201中并安装在支架202上的驱动机构200，该支架一体连接到主体201。导管102连接到内部壳体204a和204b，并且在一个实施方案中与这些内部壳体形成一体单元，并且连接到正齿轮206。在一个实施方案中，该集成单元可相对于主体201旋转，使得导管102、内部壳体204a-204b和正齿轮206可围绕轴轴线“z”旋转。导管102和集成内部壳体204a-204b由轴承208、210和212径向支撑。虽然这里详细描述了驱动机构200，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可采用其他驱动机构来使机器人或临床医生能够将导管驱动到期望位置。

电动马达214R可包括用于将机械运动转换成电信号并且向计算装置122提供反馈的编码器。进一步地，电动马达214R(如果用于引起导管102的旋转，则R指示这种马达)可包括任选的齿轮箱，用于增加或降低安装在由电动马达214R驱动的轴上的附接正齿轮215的旋转速度。电动马达214LR(LR是指导管102的关节运动部分217的左右移动)和214UD(是指关节运动部分217的上下移动)，每个马达任选地包括编码器和齿轮箱。相应的正齿轮216和218驱动上下和左右操纵缆线，如将在下面更详细地描述的。所有三个电动马达214R、LR和UD牢固地附接到静止框架202，以防止其旋转并使得正齿轮215、216和218能够由电动马达驱动。

图3B描述了使得导管102的关节运动部分217进行关节运动的机构的细节。具体地，以下描绘了在本公开的一个方面中设想了上下关节运动的方式。此类系统单独(与用于驱动正齿轮216的电动马达214UD耦接)将在两线系统中实现如上所述的关节运动。然而，在设想四线系统的情况下，可以采用与下文中立即描述的系统相同的第二系统来驱动左右缆线。因此，为了便于理解，在此仅描述了系统中的一个系统，其中应理解，本领域的技术人员将容易地理解如何在四线系统中采用第二此类系统。本领域的技术人员将认识到，可采用其他机构来实现导管的远侧部分的关节运动，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可采用其他关节运动导管。

为了实现导管102的关节运动部分217的上下关节运动，可采用操纵缆线219a-219b。操纵缆线219a-219b的远侧端部附接到导管102的远侧端部，或者在该导管的远侧端部处，或者靠近该导管的远侧端部。操纵缆线219a-219b的近侧端部附接到柱220a和220b的远侧尖端。柱220a和220b纵向地并且沿相反方向往复运动。柱220a的移动导致一根操纵缆线219a变长，同时，柱220b的相反纵向移动导致缆线219b有效地变短。操纵缆线219a-219b的有效长度的变化的组合效果是使得形成导管102轴的关节运动部分217的接头在缆线219b被缩短的一侧上被压缩，并且在操纵缆线219a被延长的一侧上被拉长。

相对的柱220a和1220b至少在其近侧端部处分别具有左旋内螺纹和右旋内螺纹。容纳在壳体1204b内的是两个螺纹轴222a和222b，一个是左旋螺纹并且一个是右旋螺纹，以对应于柱220a和220b并与其配合。轴222a和222b具有拧入柱220a和220a的内部的远侧端部和带有正齿轮224a和224b的近侧端部。轴222a和222b可绕其轴线自由旋转。正齿轮224a和224b接合行星齿轮226的内齿。行星齿轮226也包括接合电动马达214UD的近侧端部上的正齿轮218的齿的外齿。

为了使导管在向上方向上进行关节运动，临床医生可经由启动开关(未示出)启动电动马达214UD，使得该电动马达旋转正齿轮218，该正齿轮又驱动行星齿轮226。行星齿轮226通过内齿轮224a和224b连接到轴222a和222b。行星齿轮226将使得齿轮224a和224b沿相同方向旋转。轴222a和222b是带有螺纹的，并且其旋转通过形成在柱220a和220b的内侧上的配合螺纹传递到柱220a和220b的线性运动中。然而，因为柱220a的内螺纹与柱220b的内螺纹相反，所以当行星齿轮226旋转时，一个柱将向远侧行进，而一个柱将向近侧(即，沿相反方向)行进。因此，上部缆线219a被向近侧拉动以提升导管102，而下部缆线219b必须被放松。如上所述，使用电动马达214LR、其正齿轮216、第二行星齿轮(未示出)、第二组螺纹轴222和柱220以及两个以上的操纵缆线219，该相同系统可用于控制端部执行器的左右移动。此外，通过一致地动作，采用四根操纵缆线的系统可通过使三个电动马达214及其相关联传动装置和操纵缆线219由计算装置122计算机控制来近似人类手腕的移动。

尽管以上关于如驱动机构是手持式导管系统的一部分的情况那样，接收来自临床医生的手动输入进行了总体描述，但是本公开不限于此。在另一实施方案中，驱动机构200是用于将导管102导航到体内期望位置的机器人系统的一部分。根据本公开，在驱动机构是机器人导管驱动系统的一部分的情况下，导管102的远侧部分的定位可以是以机器人方式控制的。在此类情况下，计算装置122确定目标和导管102的定位。

驱动机构可以接收来自计算装置122或外科医生通过其指定导管102的期望的动作的另一机构的输入。在临床医生控制导管102的移动的情况下，可通过方向按钮、操纵杆(诸如拇指操作的操纵杆)、切换键、压力传感器、开关、轨迹球、拨盘、光学传感器以及它们的任何组合启用该控制。计算装置通过向马达214发送控制信号来响应用户命令。马达214的编码器向控制单元24提供关于马达214的当前状态的反馈。

虽然图3A和图3B描绘了复杂的关节运动机构，但是本公开不限于此。图3C描绘了在近侧端部具有手柄302的导管102。手柄302包括可向远侧和向近侧手动操纵的滑动件304。拉线306可操作地连接到滑动件304。拉线306可延伸穿过形成在导管102的壁中的管腔(未示出)。拉线306终止于拉环308处。拉环308可与导管102一体地形成，使得滑动件304向近侧的缩回使得拉线306缩回并且由此使得导管102进行关节运动。滑动件304的前进允许拉线306放松，并且允许导管102返回到较少关节运动状态。一旦由拉线306施加的压力被减小或消除，导管106的材料的弹性特性迫使形状恢复。管腔310延伸穿过手柄302和导管102。

现在参考图4，该图是系统400的示意图，该系统被配置用于与包括图4的方法的本公开的方法一起使用。系统400可包括工作站401以及任选地荧光透视成像装置或荧光透视镜415。在一些实施方案中，工作站401可例如通过无线通信与荧光透视镜415直接或间接耦接。工作站401可包括存储器402、处理器404、显示器406和输入装置410。处理器或硬件处理器404可包括一个或多个硬件处理器。工作站401可任选地包括输出模块412和网络接口408。存储器402可存储应用程序418和图像数据414。应用程序418可包括可由处理器404执行以用于执行本公开的方法包括图4的方法的指令。

应用程序418可进一步包括用户界面416。图像数据414可包括CT扫描、所生成的目标区域的荧光透视3D重建和/或3D重建的任何其他荧光透视图像数据和/或所生成的一个或多个切片。处理器404可与存储器402、显示器406、输入装置410、输出模块412、网络接口408和荧光透视镜415耦接。工作站401可以是固定计算装置诸如个人计算机，或便携式计算装置诸如平板计算机。工作站401可嵌入多个计算机装置。

存储器402可包括用于存储数据和/或软件包括指令的任何非暂态计算机可读存储介质，这些指令可由处理器404执行并且控制工作站401的操作并且在一些实施方案中还可控制荧光透视镜415的操作。根据本公开，荧光透视镜415可用于捕获基于其生成荧光透视3D重建的荧光透视图像的序列并且用于捕获实况2D荧光透视视图。在一个实施方案中，存储器402可包括一个或多个存储装置，诸如固态存储装置，例如闪存存储器芯片。另选地或除一个或多个固态存储装置之外，存储器402还可包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)而连接到处理器404的一个或多个大容量存储装置。

尽管本文所含的对计算机可读介质的描述是指固态存储装置，但是本领域技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是处理器404可访问的任何可用介质。即，计算机可读存储介质可包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动的介质。例如，计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可用于存储期望信息并且可以由工作站1001访问的任何其他介质。

应用程序418可在由处理器404执行时使得显示器406呈现用户界面416。用户界面416可被配置为向用户呈现单个屏幕，该单个屏幕包括来自医疗装置的尖端的视角的目标的3D模型的三维(3D)视图、示出医疗装置的实况二维(2D)荧光透视视图以及对应于目标的3D模型的覆盖在如例如图2所示的实况2D荧光透视视图上目标标志物。用户界面416可被进一步配置为根据医疗装置尖端是否在三个维度上与目标对准而以不同的颜色显示目标标志物。

网络接口408可被配置为连接到网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络和/或互联网。网络接口408可用于在工作站401和荧光透视镜415之间进行连接。网络接口408也可用于接收图像数据414。输入装置410可以是用户可通过其与工作站401交互的任何装置，诸如，例如鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音界面。输出模块412可包括任何连接端口或总线，诸如，例如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域技术人员已知的任何其他类似连接端口。根据上文并且参考各个附图，本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，还可以对本公开进行某些修改。

参考图5可看到导管102的其他特征。与本文所述的其他导管102一样，图5的导管102包括在远侧端部处的传感器104，用于确定导管102的远侧端部的位置。除了传感器104之外，还可采用第二传感器111。传感器111可以是缠绕在导管102的管腔周围的线圈或放置在导管102的管腔的壁上的线圈，当被放置在由发射器垫120产生的电磁场中时，该传感器产生电流。当含铁材料或其他磁性畸变材料通过传感器111附近时，传感器111附近的电磁场被畸变。根据本公开的一个方面，如下面更详细描述的，该畸变可被感测到并用作信号以指示工具103的金属尖端105接近关节运动区域113。

作为第二传感器111沿着导管102定位的替代，第二传感器111可以是如图3C中所描绘的安装在导管102的近侧端部上的光学传感器，例如作为手柄302的一部分。当工具103前进通过管腔310时，可读取或感测工具上的标记，并且确定工具105已经沿着导管102行进了多远。根据本公开的一些方面，工具103上的图案可由光学传感器111感测，以确定正被插入到导管102中的工具103的类型。

本公开的另一方面涉及与工具103相关联的芯片115。可以是RFID芯片的芯片115由与计算装置122相关联的读取器(未示出)和应用程序418读取，该应用程序读取芯片115并确定正被采用的工具105的类型。如将在下面更详细地描述的，在确定工具103的类型时，应用程序418可参考详细描述工具103的规格的查找表或其他数据源，包括在不影响导管102的侧壁的情况下工具103可横穿的导管102的关节运动量，该关节运动量将仍然允许工具103的插入而不导致阻止工具前进的摩擦。查找表还可具有关于工具103的柔性特性的信息。其他数据项也可存储在其中。作为RFID芯片的替代，用户可经由用户界面416和例如在程序的某些部分期间呈现的下拉菜单来访问查找表或其他数据存储库。

不管用于使导管102进行关节运动的驱动机构200或关节运动系统300如何，本公开的另一方面涉及一种方法500。该方法开始于步骤502，其中传感器104在导管102上的定位由计算装置122上的导航应用程序418确定为接近目标位置，如图2所示。如将理解的，将导管102的远侧端部放置在目标位置附近通常需要导管102的关节运动(有时需要导管的显著关节运动)，以将导管102的远侧端部中的开口取向，使得从导管102延伸的工具103可与目标组织(例如，病变或肿瘤，或怀疑是病变或肿瘤的组织)相互作用。

在将导管102导航通过曲折路径(例如，患者的气道的曲折路径)到达目标位置期间的某个点处，将工具103插入到导管102中。在步骤504处，识别被插入的工具103的类型。该识别可通过从用户界面上的下拉菜单中选择来实现，可由与导管102相关联的光学传感器111读取，或者经由与计算装置122相关联的芯片读取器从芯片115感测。不管采用哪种系统来识别工具103，工具103的识别导致在步骤506处访问关于工具103的数据。这可以是访问与计算装置122相关联的并且能够由应用程序418使用的查找表或其他数据存储库以确定各方面，诸如工具103可以横穿的导管102的最大关节运动、进行脱关节运动以允许工具103通过关节运动区域113的所需的关节运动量、将改变导管102的关节运动的曲率的工具103的增加的刚度量、实现与导管102的关节运动类似的工具103的关节运动所需的附加力量、即使当通过关节运动区域113时在不产生阻止工具103的前进的摩擦配合的情况下导管102可进行的关节运动量、以及与工具的物理特性及其与导管102的相互作用有关的其他数据。

在步骤508处，应用程序418记录定位、关节运动量和到目标的矢量。该记录提供导管的远侧端部应当进行关节运动到的点和取向，以便允许工具103与目标位置(例如，肿瘤或病变)相互作用。当工具103前进通过导管102时，该工具在导管102内的定位可通过使用传感器111来检测以检测电磁场中的破坏，或通过使用手柄302中的光学传感器111来检测。在前进的某个点处，在步骤510处检测到工具103接近关节运动区域。例如，这可通过以已知间隔在工具103上使用多个标记并且通过计数此类标记通过光学传感器111的次数来确定工具103已经在导管102内行进的距离(例如，测距测量)来实现。另选地，可采用一对光学传感器111来检测工具103行进通过导管的距离。一对光学传感器111(一个发射器和一个检测器)将光透射到工具103上。基于对由检测器捕获的连续图像的检测特性的比较，可确定工具105在导管102内行进的速度和距离。在一对光学传感器111是高性能光学传感器的情况下，不需要在工具105的外表面上包括任何特殊图案或其他特征。在一些情况下，可基于工具105的表面中的细微变化来进行精确的距离和速度测量，这与光学鼠标可与计算机一起使用的方式几乎相同。

一旦在步骤510处检测到工具103接近关节运动区域113，则在步骤512处，应用程序418可确定导管102的脱关节运动量以允许工具103通过关节运动部分113。在步骤512处的确定之后，如果正在使用如图3A和图3B所描绘的机器人或机动化导管102，则应用程序418可在步骤514处自动地驱动导管102以将施加到拉线306或操纵缆线219的力放松以减少导管102的关节运动量，从而允许工具通过关节运动区域113并且到达导管102的远侧端部而不损坏导管102的内表面。该步骤的示例可在图7A中看到，示出了导管102从关节运动的定位1移动到脱关节运动的定位2，使得工具103可前进到导管102的远侧端部。作为替代，应用程序418的用户界面416可在步骤516处显示脱关节运动量以使得工具103能够通过。无论是经由滑动件304手动操作(如图3C所示)还是马达操作(如图3A和图3B所描绘)，所需的关节运动变化都可显示在用户界面416上，等待用户采取所必需步骤来减小施加到拉线306或操纵缆线219的力以实现期望的脱关节运动。一旦实现了脱关节运动，工具103可前进通过关节运动区域113，并且在步骤518处可检测到工具103接近导管102的远侧端部。当进行工具103的脱关节运动和前进时，可在步骤520处调整显示在用户界面416上的图像。在采用机器人或自动马达操作系统的情况下，此类遮蔽图像的步骤可能是特别有益的。对用户界面416的该调节可以是为了在脱关节运动过程中遮蔽导管102的移动。遮蔽导管102的移动可防止用户做出这样的错误假设：脱关节运动是需要克服的事情或者是导管102的不期望的漂移。例如，用户界面可在该过程期间被冻结或者被指示正在进行脱关节运动过程以允许工具103穿过关节运动区域113的指示符遮蔽。另选地，可仅减慢在用户界面上描绘的图像的更新速率，并且在用户界面416上显示指示符以警告用户正在进行脱关节运动过程以允许工具103穿过关节运动区域113。然而，步骤520是可选的，并且导管102的所有移动可在整个过程中被准确地显示在用户界面416中，以在用户界面416上准确地显示导管102的移动，使得用户可遵循脱关节运动和重新关节运动过程(例如，步骤512-步骤528)。

在确定工具103(特别是金属尖端105)已经通过关节运动区域113之后，在步骤522处，在工具103穿过关节运动区域113之前，使导管进行重新关节运动回到具有如在步骤508处确定的到目标位置的相同矢量的相同定位和取向。这可特别应用于例如关于图3A和图3B所描述的机器人或机动化关节运动机构的情况。另选地，在采用手动操作系统的情况下，不管是使用如图3C所示的手柄302上的滑动件304还是使用如图3A和图3B所示的机动化系统但接收手动输入，在步骤524处在用户界面416上提供指示，指导用户调整导管102和工具103的关节运动以将导管102和工具103的远侧端部重新取向，使得在工具103穿过关节运动区域113之前，使导管102的远侧端部处的开口进行重新关节运动回到具有如在步骤508处确定的到目标位置的相同矢量的相同定位和取向。在图7A中可看到从定位2到定位1的重新关节运动过程的示例，但是其中工具103位于导管102的远侧端部附近。

在步骤526处，检测在具有如在步骤508处确定的到目标位置的相同矢量的定位和取向处的导管102的远侧端部和工具103的定位和取向。在步骤528处，可在用户界面416上显示重新对准的指示和对目标位置的锁定。一旦实现，在步骤530处，用户在目标位置处自由地执行手术，例如，活检或治疗或与患者相关的一些其他手术。在执行手术之后，在步骤532处，可确定是否需要脱关节运动532来移除工具105。如果不是，则该过程前进到步骤540。

然而，如果在步骤532处需要关节运动，例如基于在步骤506中参考的数据，则导管102可在步骤534处进行脱关节运动(例如，使用图3A和图3B的自动化装置)。另选地，在步骤536处，可在用户界面416上显示允许用户驱动图3A和图3B的机动化系统或者操纵滑动件304所必需的脱关节运动量的指示。在步骤538处，检测到导管102的充分脱关节运动，并且在步骤540处，可在用户界面416上显示可安全地移除工具的指示。在步骤542处，确定体内是否存在要导航到的另外的位置。如果不需要导航到其他位置，则该手术可结束。另选地，导管102需要被导航到其他目标位置，导管102可被如此导航并且导管102接近目标的检测可被再次检测，并且该过程被重复直到已经导航到所有目标位置。

尽管本文公开了详述的实施方案，但是所公开的实施方案仅仅是可以各种形式并且在各方面体现的本公开的示例。例如，本文公开了结合目标覆盖系统和方法的电磁导航系统的实施方案；然而，目标覆盖系统和方法还可应用于本领域技术人员已知的其他导航或跟踪系统或方法。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅仅是权利要求书的基础，并作为具有代表性的基础用于教导本领域的技术人员以几乎任何合适的具体结构不同地采用本公开。

Claims (20)

1.一种用于将导管导航到患者体内的位置的系统，所述系统包括：

导管，所述导管包括管腔和位于远侧部分处或附近的位置传感器、接近传感器和关节运动区域；

关节运动机构，所述关节运动机构包括用于使所述导管的所述关节运动区域进行关节运动的至少一根拉线；

工具，所述工具用于在目标部位处执行手术并且能够在所述导管的所述管腔内平移，其中所述接近传感器被配置为检测所述工具接近所述关节运动区域；和

应用程序，所述应用程序存储在存储器中并由计算装置的处理器执行，其中当被执行时，所述应用程序执行以下步骤：

基于接收到的工具的类型的指示来确定所述工具的特性；

记录所述导管的定位、关节运动和到目标的矢量；

检测所述工具在所述关节运动区域附近；

确定所述工具穿过所述关节运动区域所必需的脱关节运动量；

调整所述导管的所述关节运动；

检测所述工具已经通过所述关节运动区域并且接近所述导管的远侧部分；

使所述导管进行关节运动到所记录的定位；

检测所述导管已经返回到所记录的定位；以及

在用户界面上显示重新对准的指示。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述应用程序进一步执行在所述用户界面上呈现允许所述工具穿过所述关节运动区域所必需的脱关节运动的所需量的指示的步骤。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述关节运动机构是机动化机构。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述机动化机构是以机器人方式控制的。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述机动化机构是手动操作的。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述关节运动机构是手动操作的。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述应用程序进一步执行确定是否需要脱关节运动来移除所述工具的步骤。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述应用程序进一步执行使所述导管进行脱关节运动并在所述用户界面上显示所述工具能够被安全地移除的指示的步骤。

9.一种将工具放置在目标附近的方法，所述方法包括：

接收患者的图像数据集；

从所述图像数据集生成管腔网络的3D模型；

生成到所述管腔网络的所述3D模型内的目标位置的路径；

检测包括位置传感器的导管已经被导航到接近所述目标位置的所述管腔网络内的定位；

接收正被插入到所述导管中的工具的类型的指示；

确定与正被插入到所述导管中的所述工具的类型相关的规格数据；

记录从所述导管的远侧端部到所述目标位置的定位、关节运动和到所述目标位置的矢量；

检测接近所述导管的关节运动区域的工具的定位；

确定所述导管穿过所述关节运动区域所必需的脱关节运动量；

调整所述导管的所述关节运动；

检测所述工具穿过所述关节运动区域；

使所述导管进行关节运动到所记录的定位、关节运动和到所述目标的矢量；以及

在用户界面上显示所述导管与所述目标位置重新对准的指示。

10.根据权利要求9所述的方法，其中确定规格数据包括查询其中记录了所述规格数据的查找表。

11.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括在所述用户界面上呈现允许所述工具穿过所述导管所必需的脱关节运动量的指示。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括手动操纵马达驱动的拉线系统以使所述导管进行脱关节运动，从而实现所呈现的脱关节运动量。

13.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括手动调整拉线以实现所呈现的脱关节运动量。

14.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括以机器人方式驱动马达驱动的拉线系统以使所述导管进行脱关节运动。

15.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括确定是否需要脱关节运动来移除所述工具。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括使所述导管进行脱关节运动并在所述用户界面上显示所述工具能够被安全地移除的指示。

17.根据权利要求16所述的方法，其中基于与被插入到所述导管中的所述工具的类型相关的所确定的规格数据来确定所述所必需的脱关节运动量。

18.一种导管系统，所述导管系统包括：

导管，所述导管具有管腔、位于远侧部分处或附近的位置传感器、接近传感器和至少一根拉线，所述至少一根拉线被配置为使关节运动区域进行关节运动；

工具，所述工具包括位于远侧端部处的金属尖端；

接近传感器，所述接近传感器与所述导管相关联并且被配置为检测接近所述关节运动区域的所述工具的存在；

关节运动机构，所述关节运动机构被配置为向所述拉线施加压力以使所述导管进行关节运动和脱关节运动；和

计算装置，所述计算装置在存储器中存储能够由处理器执行的应用程序，当被执行时，所述应用程序确定以下步骤：

基于所述导管的所述关节运动和所述工具的特性来确定所述工具不能穿过所述关节运动区域；

使所述导管进行脱关节运动以允许所述工具穿过所述关节运动区域；以及

在脱关节运动之前使所述导管进行重新关节运动到所述导管的定位和取向。

19.根据权利要求18所述的导管系统，其中所述接近传感器是被配置为读取所述工具上的标记的光学传感器。

20.根据权利要求18所述的导管系统，其中所述接近传感器是电磁场传感器，所述电磁场传感器被配置为当所述金属尖端前进到所述接近传感器附近时检测电磁场中的干扰。