CN117377440A - 具有定位传感器的可挠曲导管 - Google Patents

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Abstract

一种用于引导穿过其中的外科手术工具的可挠曲导管(200)，该可挠曲导管包括管状结构(215)、围绕管状结构的端部部分设置的传感器线圈(213)、和拉线组件(211,212)，该拉线组件联接到管状结构的端部部分并且被构造成当操作拉线组件时使管状结构的远侧部分挠曲。导管还包括线圈线(210)，该线圈线围绕管状结构的一部分设置并且被构造成约束拉线。

Description

具有定位传感器的可挠曲导管
技术领域
本公开涉及一种导管，并且更具体地，涉及一种具有用于在支气管树内的目标附近进行导航的位置传感器的可挠曲导管。
背景技术
在肺部医学领域中的常见介入程序是支气管镜检查，其中支气管镜穿过患者的鼻子或嘴插入到气道中。在一些情况下，导管插入到支气管镜的工作通道中，使得比支气管镜能够穿过的气道更小的气道能够被导航穿过。诊断工具和治疗工具可以通过导管插入以对标本进行活检或对先前诊断的病变进行治疗。
电磁导航支气管镜(ENB)系统可以用于在ENB期间给予用户导管末端的对准的连续虚拟视觉。位置传感器被放置在导管的末端处以向用户显示导管末端的对准。然而，除了典型的推动和扭矩操纵之外，可能没有办法对导管末端的对准进行任何精细调整。
发明内容
本公开的一个方面涉及导管导航系统。导管导航系统包括被配置为生成电磁场的电磁场发生器和可挠曲导管(EWC)。可挠曲导管包括管状结构、传感器线、拉线组件和线圈线。管状结构接纳并引导外科手术工具的导航。传感器线围绕管状结构的端部部分设置并且感测电磁场。拉线组件联接到管状结构的端部部分并且当操作拉线组件时使管状结构的远侧部分挠曲。线圈线围绕管状结构的一部分设置。
本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。拉线组件可以包括固定地联接到管状结构的端部部分的拉环和联接到拉环的拉线。传感器线可以定位在拉环的远侧。导管还可包括围绕柔性管状结构的一部分设置的编织线。线圈线可以围绕编织线和拉线设置。拉线组件还可包括设置在线圈与编织线之间并且被构造成接纳拉线的内腔。导管可以包括传感器线，该传感器线联接到传感器线并且沿着导管的长度的一部分设置在编织线与线圈之间。导管可以包括设置在线圈与编织线之间并且被构造成接纳传感器线的内腔。
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是根据本公开的电磁导航(EMN)系统的描绘；
图2是根据本公开的可挠曲导管(EWC)的端部部分的透视图；
图3A是根据本公开的可挠曲导管的截面图；
图3B是沿着截面线A-A截取的图3A的可挠曲导管的截面图；
图3C是图3B的可挠曲导管的细节B的截面图；并且
图4是用于图2的可挠曲导管的手柄组件的侧视图。
具体实施方式
本公开涉及对导管系统的改进，其允许对导管末端与目标的对准进行精细调整，以使得进入工具与现有装置相比能够更准确且更有效地执行活检和/或治疗规程。本公开的导管系统包括远侧拉环和拉线，以增加导管或导管的挠曲能力。拉环可以位于远侧传感器线圈的近侧。根据该构型，当用户拉动拉线时，远端末端挠曲，这导致导管尖端的对准变化，该对准变化对于用户使用导航软件系统在显示器上可见。可挠曲导管可以维持与原始导管相同的内径(ID)和外径(OD)。
与位置传感器线圈分开的线圈可以在拉线上方的导管的远侧端部部分处围绕导管壁内的轴缠绕，以防止当拉线处于张力下时拉线撕扯导管壁。导管系统的手柄可以包括附接到拉线的滑动件。沿近侧方向拉动滑动件导致导管末端挠曲。释放滑动件允许导管末端松弛并伸直。手柄滑动件可以使用两个或更多个棘爪来保持导管末端的挠曲。导管系统可以用于使直导管或预弯曲导管挠曲。
图1示出了根据本公开的电磁导航(EMN)系统10。一种这类EMN系统是美敦力公司(Medtronic PLC)当前出售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION系统。可以使用EMN系统10执行的其他任务为：规划到目标组织的路径；将定位组件导航到目标组织；将活检工具导航到目标组织以使用活检工具从目标组织获得组织样本；数字地标记获得组织样本的位置；以及在目标处或周围放置一个或多个回声标记。
EMN系统10通常包括：手术台40，该手术台被构造成支撑患者；支气管镜50，该支气管镜被配置用于经患者的口腔插入到该患者的气道中；联接到支气管镜50的监测设备60，例如，用于显示从支气管镜50的视频成像系统接纳的视频图像的视频显示器；跟踪系统70，该跟踪系统包括跟踪模块72、参考传感器74和电磁场发生器76，电磁场发生器也被称为发射器垫；工作站或计算机80，该工作站或计算机包括软件和/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，和/或对导管96或穿过其的合适装置相对于目标的放置的确认和/或确定。
计算机80可以是包括存储介质和能够执行存储在存储介质上的指令的处理器的任何合适的计算机。工作站80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、包括荧光镜检查图像和视频的荧光镜检查数据集、荧光镜检查3D重建、导航规划以及任何其他此类数据。尽管未明确展示，但是计算机80可以包括输入，或者可以另外被配置为接纳CT数据集、荧光镜检查图像/视频和本文描述的其他数据。另外，工作站80包括被配置为显示图形用户界面的显示器。计算机80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。
图1描绘了可与EMN系统10一起使用的导管引导组件100。导管引导组件100包括手柄91，该手柄连接到导管96，诸如图2中描绘的导管200。在实践中，导管96被放置在支气管镜50的工作通道中。EM传感器94(因此以及导管96的远端93)在由电磁场发生器76产生的电磁场内的位置可以通过跟踪模块72和计算机80得出。导管引导组件100包括可以被操纵以操控导管96的远侧末端93的手柄91。
如图1所展示，示出了患者躺在手术台40上，其中支气管镜50通过患者的口腔插入并进入到患者的气道中。支气管镜50包括照明源和视频成像系统(未明确示出)，并且联接到监测装备60，例如，视频显示器，以用于显示从支气管镜50的视频成像系统接纳的视频图像。
导管引导组件100包括导管96，该导管被配置用于通过支气管镜50的工作通道插入到患者的气道中(尽管导管引导组件100可以替代地在没有支气管镜50的情况下使用)。六自由度电磁跟踪系统70或任何其它合适的定位测量系统用于执行导航，尽管其它配置也是可以预期的。跟踪系统70被配置用于与导管引导组件100一起使用以确定并跟踪EM传感器94的位置和取向(当EM传感器与导管96联动通过患者气道时)。
如图1所示，可以呈发射器垫形式的电磁场发生器76定位在患者下方。电磁场生成器76和参考传感器74与跟踪模块72互连，该跟踪模块得出每个参考传感器74在六个自由度上的位置。参考传感器74附接到患者的胸部。参考传感器74的六自由度坐标被发送到计算机80，该计算机包括应用程序81，该应用程序基于从参考传感器74输出的传感器数据来计算患者坐标参考系。
图1中还示出了导管活检工具102，该导管活检工具在将导管96导航到目标之后可插入到导管引导组件100中。活检工具102用于从目标组织收集一个或多个组织样本。活检工具102可以进一步被配置用于与跟踪系统70结合使用，以促进活检工具102到目标组织的导航，在相对于目标组织操纵活检工具102以获得组织样本时跟踪活检工具的位置，和/或标记获得组织样本的位置。
尽管以上关于导管96中包括的EM传感器94详细描述了导航，但是还可以设想，EM传感器94可以嵌入或合并在活检工具102内，其中活检工具102可以替代地用于导航，而不需要LG或使用LG所需的必要工具更换。多种可用的活检工具可以与如本文所述的EMN系统10一起使用。
关于规划阶段，计算机80利用先前获取的计算机断层扫描(CT)图像数据来生成和查看患者气道的三维(3D)模型或渲染，能够识别3D模型上的目标(自动、半自动或手动)，并且允许确定通过患者的气道到达目标的路径。更具体地，从以前的CT扫描中获取的CT图像被处理并组装成3D体积，然后该体积用于生成患者气道的3D模型。3D模型可以在与计算机80相关联的显示器81上呈现，或者以任何其他合适的方式呈现。使用计算机80，可以呈现3D模型的或从3D模型生成的增强的二维(2D)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。
可以操纵3D模型以促进对3D模型或2D图像上的目标的识别以及促进对通过患者气道进入目标的合适路径的选择。3D模型还可以显示先前执行活检的位置的标记，包括日期、时间和有关所获得的组织样本的其他识别信息。这些标记也可以选择为可以对其进行路径规划的目标。一旦选择，保存路径规划、3D模型以及从中得到的图像就可以被保存并且导出到导航系统以在导航阶段期间使用。当前由美敦力公司销售的ILLUMISITE软件套件包含一种此规划软件。
关于导航阶段，EM传感器94与跟踪系统70相结合，使得能够在导管96或工具102前进通过患者的气道时跟踪导管96和/或工具(例如，活检工具102)。导管96的远侧部分的位置和取向可以用于执行CT图像的和用于导航的路径的配准。跟踪系统70包括跟踪模块72、参考传感器74和发射器垫76。跟踪系统70可以被配置用于与导管96并且特别是EM传感器94一起使用。替代地，可定位引导件(未示出)和设置在可定位引导件的远侧部分处的传感器被配置用于通过导管96插入到患者P的气道中(具有或不具有支气管镜50)并且可以经由锁定机构相对于彼此选择性地锁定。
发射器垫76定位在患者P下方。发射器垫76在患者P的至少一部分周围产生电磁场，在该电磁场内可以使用跟踪模块72来确定参考传感器74和EM传感器94的位置。第二EM传感器也可以合并到工具102的端部中。第二EM传感器可以是五自由度传感器或六自由度传感器。参考传感器74中的一个或多个参考传感器附接到患者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50所观察到的患者P的气道的位置并且允许在知道传感器94的位置的情况下进行导航阶段。
可以通过使EM传感器(例如，EM传感器94)移动通过患者P的气道来执行患者P在发射器垫76上的位置的配准。更具体地，当可定位引导件移动通过气道时，使用发射器垫76、参考传感器74和跟踪系统70来记录与EM传感器94的位置有关的数据。将由该位置数据引起的形状与在规划阶段中生成的三维模型的通道的内部几何形状进行比较，并且基于该比较例如利用计算机80上的软件确定形状与三维模型之间的位置相关性。另外，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94的位置的图像与三维模型和/或从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可定位引导件仍位于患者P的气道中的非组织空间的假设。替代地，手动配准技术可以通过以下方式来采用：将具有EM传感器94的支气管镜50导航到患者P的肺部中的预先指定的位置处，并且将来自支气管镜的图像与三维模型的模型数据手动关联。
本文所述的方法可以与机器人系统结合使用，以使得机器人致动器驱动导管96或支气管镜50朝向并接近目标。
图2是根据本公开的可挠曲导管(EWC)200的端部部分的透视图。导管200包括内部管状结构215和外部管状结构201、202。内部管状结构215可以由聚四氟乙烯(PTFE)或适合于提供基础结构的任何其他柔性材料制成，导管200的其他部件(例如，拉环211)可以附接或设置在该基础结构上。导管200可以包括位于内部管状结构215的内表面上的组件衬里205。外部管状结构201、202可以是由柔性聚醚和刚性聚酰胺制成的热塑性弹性体。外部管状结构202可以比外部管状结构201刚性小，以允许导管200从导管200的远侧端部部分向近侧具有更大的柔性。
导管200还包括附接到内部管状结构215的外表面的拉环211，并且拉线212附接到拉环211的外表面。拉线212可以激光焊接到拉环的外表面。拉线212可以使用适合于确保重复地施加到拉线212的拉力不引起拉线212与拉环211分离的任何其他方法附接到拉环211。在导管200的制造过程中，拉线212的远侧端部部分可以在拉环211滑动到内部管状结构201上之前附接到拉环211。
导管200还包括拉线内腔206，拉线212设置在该拉线内腔中并且允许拉线212在拉线内腔206内滑动。拉线内腔206可以由聚四氟乙烯(PTFE)或适于保护拉线212的任何其它柔性材料制成。导管200还包括传感器线213，该传感器线的第一部分围绕内部管状结构215的远侧端部部分缠绕，并且该传感器线的第二部分沿近侧方向穿过导管200延伸到电连接器(未示出)。电连接器可以连接到图1中所示的跟踪系统114。替代地，传感器线213的第一绕组部分可以是与传感器线213的第二部分分离的部件。在制造期间，传感器线213的第一部分可以使用适合于将线牢固地连接在一起的方法附接到传感器线213的第二部分，使得线在导管200的远侧端部部分挠曲时不断开连接。导管200还可以包括传感器线内腔207，该传感器线内腔包含传感器线213的第二部分。传感器线内腔207可以由屏蔽传感器线213的第二部分免受电磁干扰的材料制成。该材料可以包括金属、金属合金或导电聚合物，其是柔性的并且对于重复屈曲是结实的。
导管200还包括围绕内部管状结构215的近侧部分缠绕的编织线208。编织线208可以设置在内部管状结构215与拉线内腔206和传感器线内腔207之间。编织线图案可以包括具有如图2所展示的菱形图案的成对线。导管200还包括沿着导管200的近侧部分设置的线圈线210。
转向图3A至图3C，示出了导管200的长度。外部管状结构可以包括四个挤出部分311-314，这四个挤出部分可以由热塑性弹性体(TPE)形成。挤出部分311-313可以由柔性聚醚和刚性聚酰胺制成。挤出部分312的刚性可以比挤出部分311、313的刚性更小以使得挤出部分312能够弯曲。挤出部分314可以由耐体液且毒理学安全的高粘度聚酰胺形成。如图3C所示，线圈线310的远端与拉环211之间的距离310可以大于编织线210的远端与拉环211之间的距离308。拉线内腔206和传感器线腔207可以沿着导管200的长度设置在内部管状结构215与挤出部分311-314之间，但是可以通过挤出部分314中的狭槽305离开。
图4示出了可以用于操纵或操作导管200的手柄组件400的示例。手柄组件400包括壳体402和末端401，导管200穿过该末端。手柄组件400还包括手柄部分404，该手柄部分可以由临床医生或用于保持手柄组件400的结构来保持。在多个方面中，手柄部分404被成形为使得临床医生或结构可以在操作导管200时维持手柄组件400的位置。手柄组件400还包括拉手组件410，该拉手组件连接到拉线207的近侧部分，并且该拉手组件包括用户操作的拉手416。当沿近侧方向拉动拉手416时，拉线212使导管200的远侧端部部分挠曲。拉手416可以成形为使得拉手416可以由临床医生的拇指操作。替代地，拉手416可以成形为使得拉手416可通过临床医生的食指和拇指的夹捏动作来操作。
拉手组件410还包括锁定部分414和棘爪部分412，该棘爪部分被构造成与锁定部分414接合。如图4所示，锁定部分414可以由壳体402的一部分形成。棘爪部分412可以包括与锁定部分414的近侧部分接合的脊，以将拉手组件410保持在固定位置。当临床医生压下拉手416时，棘爪部分412从锁定部分414脱离接合。在各方面中，棘爪部分412可以包括与锁定部分414接合的一个或多个棘爪或脊。虽然描述了利用棘爪的拉手组件410，但是拉手组件410可以结合用于将导管200的远侧端部部分保持在固定取向的其他机构，例如形成在拉手组件414上的棘爪(未示出)可以通过向手柄组件400的侧面上的按钮406施加压力来接合和释放。
如将理解的，在不脱离本公开的范围的情况下，接合拉线207的拉手416可以以多种方式实施。例如，拉手416可以连接到拉线207所连接到的滚筒上。杠杆的平移将拉线207缠绕在滚筒上以缩短其有效长度并且实现导管200的铰接。类似地，可以采用钟形曲柄来代替滚筒。已知的是，钟形曲柄具有固定的枢转点和两个移动的枢转点。拉线207连接到这些移动枢转点中的一个移动枢转点，并且拉手416可以附接到第二个移动枢转点。沿第一方向向拉手416施加压力使得钟形曲柄绕固定枢转点旋转，并且沿第一方向拉动连接到第二移动枢转点的拉线207以铰接导管200。沿第二方向释放或施加力到拉手416允许第二移动点沿第二方向移动并且松弛铰接。
附加地或替代地，拉线207可以附接到螺纹套环，该螺纹套环连接到导螺杆。导螺杆沿第一方向的旋转使得导螺杆接合套环的螺纹并且使套环沿第一方向移动。沿第一方向的这种移动接合拉线207以铰接导管200。导螺杆沿第二方向的旋转使套环沿第二方向移动并且松弛铰接。套环和导螺杆的使用特别适用于机动化，使得用户不直接向拉线207施加机械力，而是经由电动或气动马达施加力以实现期望的铰接。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用用于作用在拉线207上并且实现铰接的其他方法和系统。
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，本文公开了利用可挠曲导管和设置在导管的远侧端部部分上的EM传感器线的电磁导航系统的实施方案。然而，可挠曲导管可以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)

1.一种导管导航系统，所述导管导航系统包括：
电磁场发生器，所述电磁场发生器被配置为生成电磁场；
可挠曲导管，所述可挠曲导管包括：
管状结构，所述管状结构被构造成接纳和引导外科手术工具；
传感器，所述传感器围绕所述管状结构的端部部分设置并且被配置为感测所述电磁场；
拉线组件，所述拉线组件联接到所述管状结构的所述端部部分并且被构造成当操作所述拉线组件时使所述管状结构的远侧部分挠曲；和
线圈，所述线圈围绕所述管状结构的一部分设置，所述线圈被构造成约束所述拉线；和
跟踪系统，所述跟踪系统与所述电磁场发生器和传感器线电联接，所述跟踪系统被配置为基于由所述传感器线感测到的所述电磁场来确定所述传感器线的位置。
2.根据权利要求1所述的导管导航系统，其中所述拉线组件包括固定地联接到所述管状结构的所述端部部分的拉环和联接到所述拉环的拉线。
3.根据权利要求2所述的导管导航系统，其中所述传感器定位在所述拉环的远侧。
4.根据权利要求2所述的导管导航系统，其中所述导管还包括围绕所述管状结构的一部分设置的编织线。
5.根据权利要求4所述的导管导航系统，其中所述线圈围绕所述编织线和所述拉线设置。
6.根据权利要求5所述的导管导航系统，其中所述拉线组件还包括设置在所述线圈与所述编织线之间并且被构造成接纳所述拉线的内腔。
7.根据权利要求5所述的导管导航系统，其中所述传感器包括沿着所述导管的长度的一部分设置在所述编织线与所述线圈之间的线。
8.根据权利要求5所述的导管导航系统，其中所述导管还包括设置在所述线圈与所述编织线之间并且被构造成接纳所述线的内腔。
9.一种可挠曲导管，所述可挠曲导管包括：
管状结构，所述管状结构被构造成接纳和引导外科手术工具；
传感器，所述传感器围绕所述管状结构的端部部分设置并且被配置为感测电磁场；
拉线组件，所述拉线组件联接到所述管状结构的所述端部部分并且被构造成当操作所述拉线组件时使所述管状结构的远侧部分挠曲；和
线圈线，所述线圈线围绕所述管状结构的一部分线布置并且被构造成约束所述拉线。
10.根据权利要求9所述的可挠曲导管，其中所述拉线组件包括固定地联接到所述管状结构的所述端部部分的拉环和联接到所述拉环的拉线。
11.根据权利要求10所述的可挠曲导管，其中所述拉线接合所述拉环以使导管挠曲。
12.根据权利要求10所述的可挠曲导管，其中所述传感器定位在所述拉环的远侧。
13.根据权利要求10所述的可挠曲导管，其中所述导管还包括围绕所述管状结构的一部分设置的编织线。
14.根据权利要求10所述的可挠曲导管，其中所述线圈围绕所述编织线和所述拉线设置。
15.根据权利要求14所述的可挠曲导管，其中所述拉线组件还包括设置在所述线圈与所述编织线之间并且被构造成接纳所述拉线的内腔。
16.根据权利要求14所述的可挠曲导管，所述可挠曲导管还包括联接到所述传感器并且沿着所述导管的长度的一部分设置在所述编织线与所述线圈之间的线。
17.根据权利要求14所述的可挠曲导管，所述可挠曲导管还包括设置在所述线圈与所述编织线之间并且被构造成接纳所述传感器线的内腔。
18.一种导管引导组件，所述导管引导组件包括：
导管，所述导管包括：
管状结构，所述管状结构被构造成接纳和引导外科手术工具；
传感器，所述传感器围绕所述管状结构的端部部分设置并且被配置为感测所述电磁场；
拉线组件，所述拉线组件联接到所述管状结构的所述端部部分并且被构造成当操作所述拉线组件时使所述管状结构的远侧部分挠曲；和
线圈线，所述线圈线围绕所述管状结构的一部分设置，所述线圈线被构造成约束所述拉线；和
手柄组件，所述手柄组件包括：
手柄；和
操纵器，所述操纵器联接到所述拉线并且使得用户能够使所述导管的所述远侧端部部分挠曲。
19.根据权利要求18所述的导管引导组件，所述导管引导组件还包括封闭所述导管的第二管状结构。
20.根据权利要求18所述的导管引导组件，其中所述操纵器包括具有棘爪的滑动件，所述棘爪与锁定构件接合以将所述导管的所述远侧端部部分维持在挠曲状态。
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