本申請要求于2014年2月5日提交的標題為“THREE DIMENSIONAL COMPASS ASSISTED NAVIGATION TO AUGMENT ENDO-LAPAROSCOPY”的美國臨時專利申請?zhí)?1/936,037的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)容通過參引合并到本文中以用于所有用途。

背景技術：

內(nèi)窺鏡檢查用于多種患者檢查過程。例如，內(nèi)窺鏡用于查看胃腸道(GI道)、呼吸道、膽管、耳、尿道、女性生殖系統(tǒng)以及常閉體腔。

在某些應用中，可能難以在插入過程中正確地操控內(nèi)窺鏡。例如，結(jié)腸鏡檢查是最頻繁進行的門診檢查之一。然而，由于在插入過程中因結(jié)腸的解剖結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的內(nèi)窺鏡的不可預測的環(huán)繞的可能性，結(jié)腸鏡檢查也是技術上要求最高的內(nèi)窺鏡檢查之一，結(jié)腸的解剖結(jié)構(gòu)具有向內(nèi)窺鏡的安全并且成功的推進提出挑戰(zhàn)的特性。例如，結(jié)腸充滿褶皺、呈盤繞狀并且可在包括若干銳角的非常曲折的路徑上伸展。結(jié)腸的這些特性通常導致內(nèi)窺鏡在推進過程中的環(huán)繞。另外，結(jié)腸的大部分長度是移動的，因此不提供在推進過程中提供對抗牽引力的定點。此外，在結(jié)腸的腔室內(nèi)不存在明顯的地標，這使得外科醫(yī)師難以測量內(nèi)窺鏡的實際位置和取向?？傊?，結(jié)腸鏡檢查的執(zhí)行可以是非常不可預測的并且不能夠依靠直覺。因此，在大部分內(nèi)窺鏡單元中約85％的時間發(fā)生涉及盲腸插管(最后地標)的完全結(jié)腸鏡檢查，這是不理想的。

在這個困難的解剖結(jié)構(gòu)中的結(jié)腸鏡的推進和操控過程中，外科醫(yī)師可以使結(jié)腸鏡圍繞橫向軸線俯仰或者圍繞縱向軸線滾動。這樣的滾動導致難以將近端(外科醫(yī)生進行導向的位置)處的操控輸入與所產(chǎn)生的內(nèi)窺鏡的遠端的移動相關聯(lián)，因為由內(nèi)窺鏡生成的圖像與內(nèi)窺鏡操作員的取向不對應。因此，內(nèi)窺鏡操作員可以試圖通過從近端在順時針或逆時針方向上扭轉(zhuǎn)內(nèi)窺鏡來使內(nèi)窺鏡的取向與操作員的取向相符。但是如果在錯誤的方向上進行了這樣的扭轉(zhuǎn)，這樣的扭轉(zhuǎn)能夠?qū)е聝?nèi)窺鏡的增加的環(huán)繞。此外，研究已經(jīng)表明，在高達70％的時間中，結(jié)腸鏡檢查醫(yī)師對環(huán)繞做出了錯誤的診斷(參見例如Shah等人的"Magnetic imaging of colonoscopy:an audit of looping,accuracy&ancillary measures"，Gastroinestinal Endoscopy,2000,第52卷,第1-8頁)。

對內(nèi)窺鏡的控制和導向?qū)τ诮?jīng)驗較少的實習生和外科醫(yī)生甚至更具挑戰(zhàn)性。這些經(jīng)驗不足的操作員中的許多都缺乏準確地測量結(jié)腸鏡的取向的足夠的觸覺分辨力，并且因此通常依賴于反復試驗來推進結(jié)腸鏡。研究已經(jīng)證實內(nèi)窺鏡醫(yī)師的操作量的增加與插管成功率之間直接相關。例如，在初級內(nèi)窺鏡醫(yī)師中，一個研究表明需要每年200次操作的量以保持足夠的能力(Harewood,"Relationship of colonoscopy completion rates and endoscopist features",Digestive diseases&science,2005,第50卷,第47-51頁)。缺乏經(jīng)驗導致延長的操作時間和患者不適。結(jié)腸鏡檢查的平均操作時間是約20分鐘(參見例如Allen,"Patients’time investment in colonoscopy procedures",AORN Journal,2008)。在缺乏經(jīng)驗的內(nèi)窺鏡醫(yī)師的手中，結(jié)腸鏡檢查可能持續(xù)30分鐘到一小時。延長的操作時間也不僅僅會導致患者不適。結(jié)腸的多度延伸和環(huán)繞可能導致患者經(jīng)受腹痛和痙攣、頭暈、惡心和/或嘔吐。

因此，鑒于上述問題，需要幫助外科醫(yī)生以更高的成功率并且在更短的時間內(nèi)推進內(nèi)窺鏡。

技術實現(xiàn)要素：

提供了用于跟蹤和向操作員顯示實時內(nèi)窺鏡形狀和遠端取向以幫助操作員在內(nèi)窺鏡操作過程中推進并且操控內(nèi)窺鏡。在許多實施方式中，系統(tǒng)和方法使用將位置和取向數(shù)據(jù)發(fā)送至處理單元的能夠與現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡耦接的傳感器，處理單元確定被輸出以用于顯示給內(nèi)窺鏡操作員的內(nèi)窺鏡實時形狀和遠端取向。在許多實施方式中，系統(tǒng)和方法可以通過將傳感器與內(nèi)窺鏡耦接并且使用專用處理單元和專用顯示器來與現(xiàn)有內(nèi)窺鏡一起使用。

因此，在一個方面中，提供了一種內(nèi)窺鏡形狀和遠端取向跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)包括第一傳感器單元、多個第二傳感器單元和控制單元。第一傳感器單元被配置成被布置在內(nèi)窺鏡的遠端、并且生成用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)。該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元被配置成被布置在沿著內(nèi)窺鏡的長度、靠近內(nèi)窺鏡的遠端的對應的多個位置中的一個位置處、并且生成用于相應位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)。控制單元被配置成：(1)接收(a)由第一傳感器單元生成的用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)，以及(b)由相應第二傳感器單元生成的用于相應的多個位置中的每個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)；(2)基于由第一傳感器單元和第二傳感器單元生成的數(shù)據(jù)來確定內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向；以及(3)生成到顯示單元的輸出，所述輸出使顯示單元顯示內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的表示。

第一傳感器單元和第二傳感器單元可以包括生成位置和/或取向跟蹤數(shù)據(jù)的任意合適的位置和/取向跟蹤傳感器。例如，第一傳感器單元可以包括生成用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)的加速度計、磁力計和陀螺儀。作為另一示例，該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元可以包括生成用于相應位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)的加速度計和磁力計。

控制單元可以使用用于確定內(nèi)窺鏡的實時形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的任意合適的算法。例如，控制單元能夠存儲的校準數(shù)據(jù)，所述校準數(shù)據(jù)用于根據(jù)由第一傳感器單元和第二傳感器單元生成的數(shù)據(jù)來確定內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向。作為另一示例，可以使用其中在插入前將內(nèi)窺鏡放置成已知形狀和取向、并且記錄已知形狀和取向與由第一傳感器單元和第二傳感器單元生成的對應數(shù)據(jù)之間的相關性的初始化處理。

在許多實施方式中，系統(tǒng)包括一個或更多個無線發(fā)送器，一個或更多個無線發(fā)送器無線地發(fā)送：(1)由第一傳感器單元生成的用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)，以及(2)由第二傳感器單元生成的用于多個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)。在這樣的系統(tǒng)實施方式中，控制單元可以包括無線接收器，所述無線接收器用以接收由一個或更多個無線發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)。在許多系統(tǒng)實施方式中，第一傳感器單元和多個第二傳感器單元都包括一個或更多個無線發(fā)送器中的一個無線發(fā)送器。

在許多實施方式中，系統(tǒng)包括包括插入線的插入線組件，第一傳感器單元與插入線耦接，并且第二傳感器單元與插入線耦接。插入顯組件可以被配置用于插入到內(nèi)窺鏡的工作通道中，以將第一傳感器單元定位成與內(nèi)窺鏡的遠端相鄰并且將該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元定位在沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置中相應的一個位置處。在許多實施方式中，當內(nèi)窺鏡的遠端被布置在患者體內(nèi)(例如，患者體內(nèi)的期望目標位置處)時，可以將插入線組件從工作通道移除。

在系統(tǒng)的許多實施方式中，第一傳感器單元和該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元全部都是被成形為附接至內(nèi)窺鏡的外表面的一次性單元。第一傳感器單元和該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元中都可以包括一個或更多個無線發(fā)送器中的一個無線發(fā)送器。第一傳感器單元和該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元中都可以包括電池。

還可以在制造內(nèi)窺鏡時將系統(tǒng)集成到內(nèi)窺鏡中。例如，第一傳感器單元和多個第二傳感器單元中都可以在內(nèi)窺鏡的制造過程中被嵌入在內(nèi)窺鏡內(nèi)。

可以采用內(nèi)窺鏡的遠端的實時形狀和取向的任意合適的顯示。例如，內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的被顯示的表示可以包括：(1)內(nèi)窺鏡的遠端相對于參考扭轉(zhuǎn)角的縱向扭轉(zhuǎn)角，以及(2)內(nèi)窺鏡的遠端的傾斜量。在許多系統(tǒng)實施方式中，內(nèi)窺鏡的遠端的取向的被顯示的表示通過旋轉(zhuǎn)了與相對于參考顯示角的縱向扭轉(zhuǎn)角匹配的角度的表示來顯示內(nèi)窺鏡的遠端的傾斜量。在許多系統(tǒng)實施方式中，內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的被顯示的表示包括從變化從而反映內(nèi)窺鏡的遠端的取向的改變的視點觀察到的內(nèi)窺鏡的遠端的三維表示，所述視點。

在另一方面中，提供了一種用于跟蹤內(nèi)窺鏡的形狀和遠端取向的方法。該方法包括使用被布置在內(nèi)窺鏡的遠端處的第一傳感器單元來生成用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)。將用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)從第一傳感器單元發(fā)送至控制單元。使用多個第二傳感器來生成用于沿著內(nèi)窺鏡的長度、靠近內(nèi)窺鏡的遠端的多個位置中的每個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)。多個第二傳感器中的每個第二傳感器被布置在沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置中相應的一個位置處。將用于沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)從第二傳感器發(fā)送至控制單元。使用控制單元來處理用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)、以及用于沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)，以確定內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向。生成到顯示單元的輸出，所述輸出使顯示單元顯示內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的表示。

在許多方法實施方式中，第一傳感器單元和第二傳感器單元包括生成位置和/或取向跟蹤數(shù)據(jù)的合適的位置和/取向跟蹤傳感器。例如，生成用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)可以包括：(1)通過第一傳感器單元中包括的加速度計來測量第一傳感器單元的加速度，以及(2)通過第一傳感器單元中包括的磁力計和/或第一傳感器單元中包括的陀螺儀來測量第一傳感器單元的取向。作為另一示例，生成用于沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)包括：通過該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元中包括的加速度計來測量相應第二傳感器單元的加速度。

在許多方法的實施方式中，將位置和/或取向數(shù)據(jù)從第一傳感器單元和/或第二傳感器單元無線地發(fā)送至控制單元。例如，將用于內(nèi)窺鏡的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)從第一傳感器單元發(fā)送至控制單元可以包括從第一傳感器單元無線地發(fā)送位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)，并且通過控制單元中包括的無線接收器來接收經(jīng)無線發(fā)送的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)。作為另一示例，將用于沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)從第二傳感器發(fā)送至控制單元可以包括從第二傳感器單元無線地發(fā)送位置跟蹤數(shù)據(jù)，并且通過控制單元中包括的無線接收器來接收經(jīng)無線發(fā)送的位置跟蹤數(shù)據(jù)。

在許多實施方式中，方法包括將插入線組件插入到內(nèi)窺鏡的工作通道中。插入線組件包括插入線，第一傳感器單元與插入線耦接，并且第二傳感器單元與插入線耦接。在許多方法實施方式中，插入顯組件被配置用于插入到內(nèi)窺鏡的工作通道中，以將第一傳感器單元定位成與內(nèi)窺鏡的遠端相鄰并且將該多個第二傳感器單元中的每個第二傳感器單元定位在沿著內(nèi)窺鏡的長度的多個位置中相應的一個位置處。在許多方法實施方式中，當內(nèi)窺鏡的遠端被布置在患者體內(nèi)(例如，患者體內(nèi)的期望目標位置處)時，可以將插入線組件從工作通道移除。

在許多實施方式中，方法包括將第一傳感器單元和第二傳感器單元附接至內(nèi)窺鏡的外表面。在許多實施方式中，方法包括在使用內(nèi)窺鏡完成內(nèi)窺鏡檢查操作之后將第一傳感器單元和第二傳感器單元從內(nèi)窺鏡的外表面分離。

在許多方法實施方式中，采用內(nèi)窺鏡的遠端的實時形狀和取向的合適的顯示。例如，方法可以包括顯示從變化從而反映內(nèi)窺鏡的遠端的取向的改變的視點觀察到的內(nèi)窺鏡的遠端的三維表示。

附圖說明

圖1是根據(jù)許多實施方式的內(nèi)窺鏡形狀和遠端取向跟蹤系統(tǒng)的簡化示意圖。

圖2是根據(jù)許多實施方式的圖1的系統(tǒng)的部件的簡化示意圖。

圖3示出了根據(jù)許多實施方式的具有與其布置在一起的傳感器單元的經(jīng)部署的內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的示例顯示。

圖4示出了根據(jù)許多實施方式的附接至內(nèi)窺鏡的外表面的低型面?zhèn)鲉纹鲉卧?/p>

圖5示出了根據(jù)許多實施方式的圖4的低型面?zhèn)鞲衅鲉卧男螤詈筒考?/p>

圖6示出了根據(jù)許多實施方式的具有與其附接的低型面?zhèn)鞲衅鲉卧膬?nèi)窺鏡。

圖7示出了根據(jù)許多實施方式的被配置用于插入到內(nèi)窺鏡的工作通道中并且包括具有與插入線附接的傳感器單元的插入線的插入線組件。

圖8示出了根據(jù)許多實施方式的圖形用戶界面顯示，其包括所跟蹤的內(nèi)窺鏡的形狀的表示、指示所跟蹤的內(nèi)窺鏡的取向的表示、以及通過所跟蹤的內(nèi)窺鏡的遠端看到的圖像。

圖9A至圖9C示出了根據(jù)許多實施方式的指示內(nèi)窺鏡的相對扭轉(zhuǎn)量和內(nèi)窺鏡的遠端的橫向角度的圖形用戶界面顯示。

圖10A至圖11C示出了根據(jù)許多實施方式的從變化從而反映內(nèi)窺鏡的遠端的取向的改變的視點觀察到的內(nèi)窺鏡的遠端的三維表示的圖形用戶界面顯示。

附圖僅出于示意的目的描繪了本發(fā)明的各種實施方式。本領域的技術人員可以容易地從下列敘述中認識到，可以在不脫離本文中描述的發(fā)明的原理的情況下，使用本文中示出的結(jié)構(gòu)和方法的替選實施方式。

具體實施方式

在以下描述中將描述各種實施方式。出于說明的目的，陳述了具體配置和細節(jié)以提供對實施方式的透徹理解。然而，本領域的技術人員還應當清楚的是，可以在不具有這些具體細節(jié)的情況下實踐實施方式。此外，為了不使所描述的實施方式變得模糊，可以省略或簡化已知特征。

在本文中描述的許多系統(tǒng)和方法的實施方式中，跟蹤并且顯示內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向，以幫助內(nèi)窺鏡的操作員。在許多實施方式中，顯示提供了內(nèi)窺鏡的遠端在推進過程中扭轉(zhuǎn)并傾斜了多少的視覺指示。這樣的顯示不僅幫助內(nèi)窺鏡操作員克服空間迷失方向，還幫助內(nèi)窺鏡操作員準確地調(diào)直內(nèi)窺鏡。

在許多實施方式中，所跟蹤的內(nèi)窺鏡的遠端的形狀和取向用于在內(nèi)窺鏡檢查操作過程中例如在直腸鏡檢查過程中向內(nèi)窺鏡操作員顯示指示內(nèi)窺鏡的遠端的方向和角度的表示。通過顯示內(nèi)窺鏡的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端相對于內(nèi)窺鏡操作員的取向的一個或更多個表示，提高了操作員在推進過程中成功地導引內(nèi)窺鏡的能力。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，其中在若干視圖中相同的附圖標記表示相同的部件，圖1示出了根據(jù)許多實施方式的內(nèi)窺鏡形狀和遠端取向跟蹤系統(tǒng)10的簡化示意圖。系統(tǒng)10包括內(nèi)窺鏡12、控制單元14和顯示器16。運動感測單元與內(nèi)窺鏡12耦接并且用于生成用于跟蹤內(nèi)窺鏡12的形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向的位置和取向數(shù)據(jù)。將由與內(nèi)窺鏡12耦接的運動感測單元生成的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制單元14，控制單元14處理數(shù)據(jù)以確定內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向，然后通過顯示器16來顯示內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向，以作為在內(nèi)窺鏡檢查操作過程中對內(nèi)窺鏡操作員在內(nèi)窺鏡12的導引方面的幫助。顯示器16不限于二維顯示監(jiān)視器，并且包括任意合適的顯示設備。例如，顯示器16可以被配置成使用任意合適的二維和/或三維顯示技術來顯示內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向。能夠用于顯示內(nèi)窺鏡12的形狀和遠端取向的示例二維和/或三維顯示技術包括但不限于三維圖像投影如全息圖像顯示和類似的技術，以及在可穿戴式設備如可穿戴式玻璃顯示設備上顯示圖像，以及顯示指示內(nèi)窺鏡12的所跟蹤的形狀和遠端取向的信息的其他方法。

控制單元14可以包括處理由與內(nèi)窺鏡12耦接的運動感測單元生成的位置和取向數(shù)據(jù)以確定內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向以用于在顯示器16上顯示的部件的任意合適的組合。例如，在所示出的實施方式中，控制單元14包括一個或更多個處理器18、只讀存儲器(ROM)20、隨機存取存儲器(RAM)22、無線接收器24、一個或更多個輸入設備25以及向控制器14的部件提供通信交互路徑的通信總線28。ROM 20能夠存儲用于控制器的操作系統(tǒng)的基本操作系統(tǒng)指令。RAM 22能夠存儲從與內(nèi)窺鏡12耦接的運動感測單元接收的位置和取向數(shù)據(jù)以及處理位置和取向數(shù)據(jù)以確定內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向的程序指令。

RAM 22還能夠存儲將位置和取向數(shù)據(jù)與內(nèi)窺鏡12的對應形狀和取向相關的校準數(shù)據(jù)。例如，可以通過在其中將內(nèi)窺鏡12放置成一個或更多個已知形狀和取向的校準操作過程中記錄由運動感測單元生成的位置和取向數(shù)據(jù)來生成這樣的相關數(shù)據(jù)，從而提供位置和取向數(shù)據(jù)與內(nèi)窺鏡12的具體已知形狀和取向之間的一個或更多個已知關聯(lián)。然后可以使用已知方法，包括例如內(nèi)插法和/或外推法，使用這樣的數(shù)據(jù)來處理后續(xù)所接收的位置和取向數(shù)據(jù)。

在許多實施方式中，由運動感測單元來無線地發(fā)送位置和取向數(shù)據(jù)，并且由控制單元通過無線接收器24來接收位置和取向數(shù)據(jù)?？梢允褂萌我夂线m的傳輸協(xié)議來將位置和取向數(shù)據(jù)發(fā)送至無線接收器24。在替選實施方式中，經(jīng)由一個或更多個合適的有線通信路徑來將位置和取向數(shù)據(jù)以非無線的方式發(fā)送至控制單元14。

圖2示出了根據(jù)許多實施方式的系統(tǒng)10的部件的簡化示意圖。如本文中所描述的，系統(tǒng)10包括與內(nèi)窺鏡12耦接的運動感測單元、控制單元14和圖形用戶界面(顯示器16)?？梢砸匀我夂线m的方式來實現(xiàn)運動感測單元，包括但不限于附接至現(xiàn)有內(nèi)窺鏡的外表面(在圖2中圖示為外部傳感器節(jié)點30)。運動感測單元還可以附接至插入線32，運動感測單元附接至插入線32，并且插入線32可以被配置用于到內(nèi)窺鏡的工作通道中的可拆卸插入，以如本文中所描述的沿著內(nèi)窺鏡的長度定位運動感測單元。作為另一替選，可以在制造內(nèi)窺鏡時將運動感測單元集成到內(nèi)窺鏡內(nèi)。

在所示出的實施方式中，運動感測單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移單元34，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移單元34將由運動感測單元生成的位置和取向數(shù)據(jù)發(fā)送至處理單元14。在許多實施方式中，運動感測單元中的每個運動感測單元包括專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移單元34。在替選實施方式中，一個或更多個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移34用于將運動感測單元中的一個或更多個運動感測單元或全部運動感測單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至控制單元14。在所示出的實施方式中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移單元34包括微控制器單元36、收發(fā)器38和數(shù)據(jù)交換機40。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移單元34將由運動感測單元生成的位置和取向數(shù)據(jù)無線地發(fā)送至控制單元14，控制單元14處理位置和取向數(shù)據(jù)以確定內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向，以用于通過顯示器16來顯示給內(nèi)窺鏡操作員。圖3示出了根據(jù)許多實施方式的具有與其布置在一起的傳感器單元的經(jīng)部屬的內(nèi)窺鏡13的形狀和內(nèi)窺鏡的遠端的取向的示例顯示。

圖4示出了根據(jù)許多實施方式的附接至現(xiàn)有內(nèi)窺鏡12的外表面的低型面運動感測單元42的實施方式。如所示，低型面運動感測單元42具有被成形為與內(nèi)窺鏡12的彎曲的外表面匹配的彎曲的輪廓。在所示出的實施方式中，將薄的柔性片44(例如，合適的塑料的薄片)緊密包裹在內(nèi)窺鏡12的周圍，并且將運動感測單元42結(jié)合至片44，從而避免運動感測單元42與內(nèi)窺鏡12之間的直接結(jié)合以使得能夠在完成內(nèi)窺鏡操作之后容易地將運動感測單元42從內(nèi)窺鏡12移除。

圖5示出了根據(jù)許多實施方式的低型面運動感測單元42的形狀和部件。在所示出的實施方式中，運動感測單元42包括殼體蓋46、天線48、柔性印刷電路板50、電池52和安裝在電路板50上的部件54。部件54可以包括加速度計、磁力計、陀螺儀、微控制器單元38、收發(fā)器38和數(shù)據(jù)交換機40。在許多實施方式中，低型面運動感測單元42被配置成給現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡12增加2mm至3mm的額外徑向尺寸。

圖6示出了根據(jù)許多實施方式的具有與其附接的低型面?zhèn)鞲衅鲉卧?2的內(nèi)窺鏡12。所附接的低型面運動感測單元42包括附接至內(nèi)窺鏡12的遠端的第一傳感器單元42a和附接至內(nèi)窺鏡12并且沿著內(nèi)窺鏡12的長度分布的多個第二傳感器單元42b。在許多實施方式中，第一傳感器單元42a被配置成生成能夠用于確定并且跟蹤內(nèi)窺鏡12的遠端的位置和取向的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)。例如，第一傳感器單元42a可以包括生成用于內(nèi)窺鏡12的遠端的位置和取向跟蹤數(shù)據(jù)的加速度計、磁力計和陀螺儀。在許多實施方式中，第二傳感器單元42b中的每個第二傳感器單元被配置成生成能夠用于確定并且跟蹤相應的第二傳感器42b所附接的沿著內(nèi)窺鏡12的位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)。例如，第二傳感器單元42b中的每個第二傳感器單元可以包括生成用于沿著內(nèi)窺鏡12的相應位置的位置跟蹤數(shù)據(jù)的加速度計和磁力計。對于每個傳感器單元42a和42b，由外部專用軟件來收集運動傳感器數(shù)據(jù)。已經(jīng)開發(fā)了根據(jù)運動傳感器數(shù)據(jù)來生成四元數(shù)表示的傳感器融合算法，運動傳感器數(shù)據(jù)包括陀螺儀、加速度計和磁力計讀數(shù)。從四元數(shù)表示實時地得出取向的常規(guī)表示，包括每個傳感器單元42a和42b的俯仰、滾動和偏轉(zhuǎn)。通過每個傳感器單元42b的已知局部空間取向和相鄰傳感器單元之間的指定距離，每個傳感器單元的方向向量的內(nèi)插生成結(jié)腸鏡12分段的形狀。因此實時地計算出結(jié)腸鏡12的遠端的取向和位置信息以及整個結(jié)腸鏡12的形狀，并且通過顯示器16來向用戶呈現(xiàn)信息的可視化。

圖7示出了根據(jù)許多實施方式的被配置用于插入到內(nèi)窺鏡12的工作通道中的插入線組件60。插入線組件60包括具有與其附接的傳感器單元42a、42b的插入線。在操作之前，將插入線組件60在內(nèi)窺鏡12的近端處插入到工作通道中。顯示器16可以被固定到用于內(nèi)窺鏡12的現(xiàn)有內(nèi)窺鏡檢查屏幕上或附近。在許多實施方式中，傳感器單元42a、42b被配置成將位置和取向數(shù)據(jù)無線地發(fā)送至控制單元14以用于處理，以在顯示器16上顯示內(nèi)窺鏡12的形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向。因此，在許多實施方式中，不需要額外的步驟來準備系統(tǒng)。例如，當在結(jié)腸鏡檢查過程中使用系統(tǒng)時，結(jié)腸鏡操作員能夠根據(jù)標準協(xié)議來進行操作，并且將結(jié)腸鏡插入到直腸中并推進結(jié)腸鏡通過大腸。

圖8示出了根據(jù)許多實施方式的圖形用戶界面顯示70，其包括所跟蹤的內(nèi)窺鏡的形狀的表示72、指示所跟蹤的內(nèi)窺鏡的取向的表示74和通過所跟蹤的內(nèi)窺鏡的遠端看到的圖像76。生成內(nèi)窺鏡的形狀的表示72和指示所跟蹤的內(nèi)窺鏡的取向的表示74來分別表示由控制單元14確定的內(nèi)窺鏡12的實時形狀和內(nèi)窺鏡12的遠端的取向。在所示出的表示中，內(nèi)窺鏡12的長度相對于參考軸78、80、82的布置被顯示為表示72，內(nèi)窺鏡12的遠端相對于參考軸78、80、82的取向被示出為表示74。在結(jié)腸鏡操作過程中，外科醫(yī)生能夠使用圖形用戶界面顯示70來查看結(jié)腸上的襯層并且對結(jié)腸鏡進行導向。

圖9A至圖9C示出了根據(jù)許多實施方式的圖形用戶界面顯示80，其是能夠被顯示在顯示器16上以表示內(nèi)窺鏡12的相對扭轉(zhuǎn)量和內(nèi)窺鏡12的遠端的橫向角度的表示74的替選方案。通過內(nèi)部顯示部分82相對于固定外部顯示部分84之間的、以及作為固定外部顯示部分84的一部分的固定外部顯示參考箭頭86與隨著內(nèi)部顯示部分82旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部顯示參考箭頭88之間的相對角取向差值來示出內(nèi)窺鏡12的相對扭轉(zhuǎn)量。在圖9A中，內(nèi)部顯示箭頭88與固定外部顯示參考箭頭86對準，從而指示內(nèi)窺鏡12沒有相對于參考內(nèi)窺鏡扭轉(zhuǎn)取向發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在圖9B和圖9C二者中，內(nèi)部顯示部分82被示出相對于固定外部顯示部分84成角度，如由內(nèi)部顯示箭頭88與固定外部顯示參考箭頭82的不對準所指示，從而指示內(nèi)窺鏡12相對于參考內(nèi)窺鏡扭轉(zhuǎn)取向的相對扭轉(zhuǎn)。可以由內(nèi)窺鏡操作員使用內(nèi)窺鏡12的相對扭轉(zhuǎn)來扭轉(zhuǎn)內(nèi)窺鏡12以與參考內(nèi)窺鏡扭轉(zhuǎn)取向?qū)?，從而使被顯示的圖像76與參考內(nèi)窺鏡扭轉(zhuǎn)取向?qū)?，以降低?nèi)窺鏡的導引過程中由于扭轉(zhuǎn)引起的內(nèi)窺鏡操作員的迷失方向。

圖形用戶界面顯示80的內(nèi)部顯示部分82包括顯示內(nèi)窺鏡12的遠端的角傾斜的傾斜指示器90。在圖9A和圖9B二者中，傾斜指示器90指示內(nèi)窺鏡12的遠端的零傾斜。在圖9C中，傾斜指示器90指示內(nèi)窺鏡12的遠端的正三度的傾斜?？梢杂蓛?nèi)窺鏡操作員結(jié)合被顯示的圖像76來使用所指示的內(nèi)窺鏡12的遠端的傾斜，以在內(nèi)窺鏡12的導引過程中調(diào)整內(nèi)窺鏡12的遠端的傾斜。

圖10A至圖11C示出了圖形用戶界面顯示100，其是表示74的替選方案。顯示100包括根據(jù)許多實施方式的從變化從而反映內(nèi)窺鏡12的遠端的取向的改變的視點觀察到的內(nèi)窺鏡12的遠端的三維表示102。圖形用戶界面顯示包括固定扭轉(zhuǎn)參考箭頭104和遠端扭轉(zhuǎn)參考箭頭106。箭頭104、106之間的相對對準的差異用于顯示內(nèi)窺鏡12相對于參考扭轉(zhuǎn)取向的扭轉(zhuǎn)量。此外，根據(jù)其示出三維表示102的視點被示出為指示內(nèi)窺鏡12的遠端相對于參考取向的三維取向。例如，圖10A示出用于內(nèi)窺鏡12的遠端的零相對扭轉(zhuǎn)和與參考取向?qū)实膬?nèi)窺鏡12的遠端的取向的圖形用戶界面顯示100。圖10B示出于與參考取向?qū)什⑶蚁鄬τ趨⒖寂まD(zhuǎn)取向順時針扭轉(zhuǎn)的遠端。圖10C示出相對于參考扭轉(zhuǎn)取向扭轉(zhuǎn)并且相對于參考取向傾斜的內(nèi)窺鏡12的遠端。圖11A示出相對于參考取向傾斜并且不相對于參考扭轉(zhuǎn)取向扭轉(zhuǎn)的遠端。圖11B和圖11C示出了相對扭轉(zhuǎn)和相對于參考取向的兩個不同的傾斜量。

其他變型在本公開的精神范圍內(nèi)。因此，雖然所公開的技術容易經(jīng)受各種修改和替換結(jié)構(gòu)，但是在附圖中示出并且在上文中詳細描述了其某些所示出的實施方式。然而應當理解，并不試圖將本發(fā)明限制于所公開的一種或更多種具體的形式，相反，如在所附權(quán)利要求中所限定的，本發(fā)明要覆蓋落在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有修改、替選結(jié)構(gòu)和等同物。

除非本文中另有所指或通過上下文清楚地否定，描述所公開的實施方式(特別是在所附權(quán)利要求的上下文中)的上下文中使用的單數(shù)形式的術語以及類似的指代物應該解釋為涵蓋單數(shù)和復數(shù)二者。除非另有所指，否則術語“包括”、“具有”、“包含”和“含有”被理解為開放式的術語(即，意指“包括但不限于”)。即使存在某物介入情況下，術語“連接”應被解釋為部分地或者全部地包含在內(nèi)、固定至或者結(jié)合在一起。除非本文中另有所指，否則本文中數(shù)值范圍的記載僅旨在充當單獨提及落在范圍內(nèi)的每個分開的值的速記方法，并且每個分開的值并入本說明書，如同其在本文中被單獨地列舉。除非本文中另有所指或通過上下文清楚地否定，否則可以以任何合適的順序進行本文中描述的所有方法。除非另有所指，否則本文中提供的任何和所有示例或示例性語言(例如，“如”)的用途僅旨在更好地闡明本發(fā)明的實施方式并且不造成對本發(fā)明的范圍的限制。本說明書中的語言不應被解釋為表明如對本發(fā)明的實踐必不可少的任何非要求保護的要素。

本文描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，包括本發(fā)明人所知的實施本發(fā)明的最佳方式。閱讀上文描述后，那些優(yōu)選實施方式的變化對本領域技術人員將是顯而易見的。本發(fā)明人預期本領域技術人員適當采用這些變化，并且本發(fā)明人旨在使本發(fā)明以本文具體描述之外的其他方式實施。因此，本發(fā)明包括被適用的法律認可的本文所附權(quán)利要求記載主題的所有修改和等同方案。此外，除非另有說明或者與上下文有明顯矛盾，本發(fā)明包括所有可能變化方式的上述要素的任何組合。

本文引用的全部參考文獻，包括出版物、專利申請和專利均通過引用并入，程度如同各參考文獻單獨地并且特別地示出通過引入并入并在文中以其整體給出。