本專利申請(qǐng)請(qǐng)求于2014年9月9日提交的名稱為“FLEXIBLE MEDICAL INSTRUMEN”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)案62/048,194的申請(qǐng)日的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述申請(qǐng)案以引用的方式整體并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

無

背景技術(shù)：

機(jī)器人式醫(yī)療裝置在醫(yī)療程序中具有許多優(yōu)點(diǎn)。(如本文所使用的，術(shù)語“機(jī)器人式(robotic)”或“機(jī)器人地(robotically)”等包括遙控操作或遙控機(jī)器人方面。)確切地說，機(jī)器人醫(yī)療裝置中的計(jì)算機(jī)控制能夠提供諸如活檢針、解剖刀或夾具的工具的更穩(wěn)定且更精密的移動(dòng)。對(duì)于微創(chuàng)醫(yī)療程序來說，計(jì)算機(jī)控制還可促進(jìn)工具的微型化，因?yàn)楣ぞ咧械臋C(jī)械系統(tǒng)不需要容易由手操作或直觀地操作，因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠適于復(fù)雜或遲鈍的機(jī)械系統(tǒng)或界面，并仍向人類操作者提供易于使用的用戶界面。

機(jī)器人醫(yī)療裝置及其用戶界面的一個(gè)難點(diǎn)是向人員提供觸覺或觸感反饋。確切地說，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置提供與手動(dòng)操控醫(yī)療器具的觸覺反饋類似或等效的觸覺反饋是困難的。其中觸覺反饋為至關(guān)重要的情況的一個(gè)實(shí)例是在通過氣管或其它分支或盤繞的天然管腔對(duì)器具(例如，肺導(dǎo)管、氣管鏡、活檢器具或其它類似醫(yī)療裝置)進(jìn)行導(dǎo)航期間。確切地說，通過氣管插入器具可能經(jīng)歷挑戰(zhàn)，即增加對(duì)器具進(jìn)一步前進(jìn)的阻力。器具的尖端可(例如)需要在氣管彎曲或分叉處重新取向。醫(yī)生或其它執(zhí)業(yè)醫(yī)師可通過手動(dòng)施加插入壓力而接收到的觸覺或觸感給予醫(yī)師關(guān)于器具與氣管的相互作用的指導(dǎo)和了解。醫(yī)師隨后能夠更好地判斷是否進(jìn)一步前進(jìn)器具或如何進(jìn)一步前進(jìn)器具，例如，通過施加更多插入力、施加扭矩或扭曲來重新取向器具并減少氣管中的摩擦力，或部分或完全收縮所述器具。觸感能夠是醫(yī)師在做這些決定期間使用的重要或關(guān)鍵的因素。然而，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人控制器具插入技術(shù)可能無法向醫(yī)師提供觸感或觸覺反饋，或提供極少或不精確的觸感或觸覺反饋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，機(jī)器人控制器具對(duì)于器具的插入可提供極低慣性或低摩擦驅(qū)動(dòng)。在器具插入期間且尤其在氣管導(dǎo)航期間，器具的插入驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可關(guān)閉、閑置、或以有效地將慣性降至最低的方式操作，且醫(yī)師可對(duì)器具的插入進(jìn)行直接手動(dòng)控制(例如，親自動(dòng)手)。同時(shí)，醫(yī)師可采用器具的機(jī)器人式俯仰-偏航驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的取向。舉例來說，醫(yī)師可通過手動(dòng)操控器具的遠(yuǎn)端部分來施加插入壓力，并通過計(jì)算機(jī)界面來控制尖端取向，所述計(jì)算機(jī)界面接收通過操縱桿或其它輸入裝置的醫(yī)師輸入。有源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可進(jìn)一步向醫(yī)師提供額外的控制能力，例如，控制器具的剛度。確切地說，醫(yī)師可控制器具的插入長度、器具的尖端或器具的任何部分的硬度，并可降低硬度以使所述器具符合器具的當(dāng)前路徑，或增加器具的硬度以更好地施加插入壓力。

器具剛度可以一種方式或通過一種程序來調(diào)整，控制器具采用所述方式或程序來控制在器具中致動(dòng)肌腱或其它結(jié)構(gòu)時(shí)的張力。在一個(gè)實(shí)施方案中，腳踏板或其它專用輸入裝置能夠提供對(duì)柔性器具的剛度的用戶控制。在另一個(gè)實(shí)施方案中，用戶可操控以便使器具轉(zhuǎn)向的操縱桿或其它輸入裝置還可提供剛度控制。舉例來說，輸入裝置可具有中心位置或空檔位置，例如，所述輸入裝置在用戶松開輸入裝置時(shí)并在輸入裝置處于其空檔位置時(shí)所占據(jù)的位置，器具的控制系統(tǒng)可將器具置于低剛度狀態(tài)。因此，在將器具插入天然管腔時(shí)遇到阻力的用戶可簡(jiǎn)單地松開輸入裝置，以使柔性器具松弛并符合天然管腔的形狀。在器具松弛并符合后，可極大地減少進(jìn)一步插入的阻力。

這類控制系統(tǒng)可向用戶提供尖端剛度的直觀控制。舉例來說，額外或?qū)Ｓ幂斎胙b置(例如，其中踏板沖程與尖端剛度成比例的腳踏板)的使用給予用戶一種明確控制剛度的簡(jiǎn)單及天然方式。操縱桿或其它輸入裝置仍能夠用來控制尖端的取向?；蛘?，操縱單一輸入裝置(例如操縱桿)可控制剛度和取向控制二者。舉例來說，實(shí)施剛度控制的一種方式是，利用彈簧加壓機(jī)構(gòu)將操縱桿位置(例如相對(duì)于中心位置)映射到尖端剛度和相對(duì)取向。還可采用單獨(dú)的剛度控制和集成式操控器及剛度控制的組合。

附圖說明

圖1示意性地展示準(zhǔn)許對(duì)插入壓力的直接手動(dòng)控制和對(duì)醫(yī)療器具的其它特性的計(jì)算機(jī)輔助控制的實(shí)施方案中的系統(tǒng)。

圖2是用于醫(yī)療器具的導(dǎo)航程序的流程圖。

圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的醫(yī)療系統(tǒng)的框圖。

圖4展示柔性器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例。

圖5展示適用于控制柔性器具的轉(zhuǎn)向和剛度二者的操縱桿。

附圖是出于解釋目的而對(duì)實(shí)例進(jìn)行說明，并且不屬于本發(fā)明自身。在不同附圖中使用相同參考符號(hào)指示相似或相同的項(xiàng)。

具體實(shí)施方式

包含柔性器具(例如肺導(dǎo)管或氣管鏡)的醫(yī)療系統(tǒng)能夠提供用于天然管腔(例如氣管)的導(dǎo)航的多種控制模式。在計(jì)算機(jī)輔助控制模式中，用戶可操控輸入裝置，并使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制用于柔性器具的轉(zhuǎn)向和插入的致動(dòng)器。在半機(jī)器人控制模式中，用戶可對(duì)插入壓力進(jìn)行直接手動(dòng)控制，并同時(shí)操控輸入裝置，以便對(duì)器具特征(例如尖端取向或器具硬度或剛度)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助或機(jī)械致動(dòng)控制。為了便于手動(dòng)控制，機(jī)器人控制器具的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可安裝在低慣性及低摩擦插入機(jī)構(gòu)上，且所述插入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是反向驅(qū)動(dòng)的，從而允許手動(dòng)操控器具，同時(shí)保留醫(yī)師可從其感知到器具與氣管之間的相互作用的觸感。一般來說，反向驅(qū)動(dòng)器具是一種具有在致動(dòng)器機(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)用戶能夠手動(dòng)操控或操作的致動(dòng)部分的器具。用戶因此可利用一定量的直接施加的作用力(effort)或力來直接操控一部分器具。器具的手動(dòng)操控(例如手動(dòng)插入)一般給予對(duì)器具與患者組織之間的相互作用的直接觸感。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠操控器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的俯仰及偏航取向，并能夠通過操控輸入裝置(例如操縱桿)而受到精確控制。計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)還能夠操控或控制全部或一部分器具的剛度，例如，靠近器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的長度?？赏ㄟ^允許用戶改變器具的受控部分的剛度的單獨(dú)輸入裝置(例如腳墊或腳踏板)，同時(shí)獨(dú)立地控制尖端取向及手動(dòng)插入所述器具來實(shí)施剛度控制。舉例來說，腳踏板可具有松開位置(例如，在踏板未被按壓的位置)，在該位置后端機(jī)構(gòu)提供具有高剛度的尖端控制模式，而按壓或加壓踏板能夠?qū)⑵骶叩倪h(yuǎn)端部分的剛度降低到最低剛度，即，遠(yuǎn)端部分的最高順應(yīng)性狀態(tài)。作為對(duì)于用于計(jì)算機(jī)輔助轉(zhuǎn)向及剛度控制的單獨(dú)輸入裝置的替代，單一輸入裝置(例如操縱桿)能夠控制兩種轉(zhuǎn)向，例如，器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的剛度和俯仰及偏航取向。舉例來說，當(dāng)輸入裝置指示遠(yuǎn)側(cè)尖端的俯仰或偏航角度應(yīng)增加時(shí)，控制系統(tǒng)可增加器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的剛度。

圖1示意性地說明醫(yī)療系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施方案，所述醫(yī)療系統(tǒng)100包含機(jī)器人控制器具110(例如肺導(dǎo)管、氣管鏡或具有插入軸線的任何其它柔性器具)。插入軸線對(duì)應(yīng)于器具110的遠(yuǎn)側(cè)尖端112進(jìn)一步到患者120中的移動(dòng)或從患者120中撤回器具110的遠(yuǎn)側(cè)尖端112的移動(dòng)。舉例來說，器具110可以是在對(duì)患者120的肺中的一部位執(zhí)行的程序(例如活檢)中所使用的肺導(dǎo)管，且用戶130(例如醫(yī)生或其它醫(yī)療技術(shù)人員)可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140的幫助下控制器具110，以通過患者120的嘴插入器具110并通過氣管將遠(yuǎn)側(cè)尖端112從嘴導(dǎo)航到可能處于患者120的肺部的靶部位。

在所說明的實(shí)施例中，器具110包含在本文中有時(shí)被稱作后端機(jī)構(gòu)118的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)118，其將來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140的電致動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為器具110中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，和/或?qū)碜云骶?10的傳感器信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140。機(jī)構(gòu)118可尤其包含用于操作或致動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的致動(dòng)器和機(jī)械界面/接口(interface)，例如器具110中的接合點(diǎn)(joint)。機(jī)構(gòu)118的一個(gè)實(shí)施方案包含將致動(dòng)器馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為纜線或肌腱中的移動(dòng)或張緊的傳動(dòng)裝置，所述纜線或肌腱從機(jī)構(gòu)118延伸到可沿器具110的長度定位的一或多個(gè)接合點(diǎn)或延伸到可定位在遠(yuǎn)側(cè)尖端112處的工具。在器具110為肺導(dǎo)管的示范性實(shí)施方案中，器具110的一部分114中的接合點(diǎn)能夠由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)118致動(dòng)(例如，彎曲或折曲)，以控制遠(yuǎn)側(cè)尖端112的位置和取向以及遠(yuǎn)端部分114的硬度或剛度。日期為2011年11月17日的名稱為“Drive Force Control in Medical Instrument Providing Position Measurements”美國專利申請(qǐng)公開案No.20110282491及日期為2012年5月17日的名稱為“Tension Control in Actuation of Multi-Joint Medical Instruments”的美國專利申請(qǐng)公開案No.2012/0123441進(jìn)一步描述了用于控制柔性器具(例如導(dǎo)管)的尖端取向和剛度的一些合適的計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)和方法，上述專利申請(qǐng)公開案以引用的方式整體并入本文。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140可執(zhí)行合適的程序，以基于(例如)經(jīng)由機(jī)構(gòu)118的計(jì)算機(jī)界面從器具110接收的傳感器信號(hào)，并基于來自一或多個(gè)用戶界面或輸入裝置的控制信號(hào)，產(chǎn)生致動(dòng)信號(hào)。圖1展示包含兩個(gè)輸入裝置(操縱桿142及腳踏板144)的實(shí)施方案，用戶130操控所述兩個(gè)輸入裝置以將控制信息提供到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140。確切地說，用戶130可操控操縱桿142以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)118改變遠(yuǎn)側(cè)尖端112的俯仰角度和偏航角度，并可操控腳踏板144以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)118改變器具110的至少一部分114的剛度。確切地說，腳踏板144可將比例或反比例控制信號(hào)提供到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140調(diào)節(jié)尖端114的剛度。對(duì)于一種情況，當(dāng)用戶130更努力按壓踏板144時(shí)，尖端114變得更順應(yīng)。當(dāng)踏板144被完全按壓時(shí)，尖端114可變成完全松軟狀態(tài)，例如，其最順應(yīng)狀態(tài)。對(duì)于另一種情況，隨著用戶130進(jìn)一步按壓踏板144，尖端114可變得較硬，并可在踏板144根本未被按壓時(shí)處于其最順應(yīng)狀態(tài)。能夠使用其它輸入裝置控制剛度。確切地說，如下文所描述，轉(zhuǎn)向和剛度二者均可通過單一輸入裝置(例如操縱桿142)被控制，并且可省去腳踏板144。

機(jī)構(gòu)118進(jìn)一步包含插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150，所述插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150可操作以沿器具110的長度施加力，以便插入或移除器具110。插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150可在計(jì)算機(jī)輔助模式和手動(dòng)模式下操作，在所述計(jì)算機(jī)輔助模式中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140產(chǎn)生控制插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150的致動(dòng)移動(dòng)的致動(dòng)信號(hào)，在所述手動(dòng)模式中，用戶130與器具110直接接觸，并手動(dòng)控制機(jī)構(gòu)118沿插入軸線的移動(dòng)。

插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150理想地提供具有低阻力和低慣性的機(jī)構(gòu)118，以便在插入方向上移動(dòng)。在所說明的實(shí)施方案中，插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150包含軌道或斜坡152和接合軌道152的驅(qū)動(dòng)輪154。機(jī)構(gòu)118中的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或其它致動(dòng)器(未示出)可使輪154旋轉(zhuǎn)，以使器具110的至少一部分沿軌道152移動(dòng)。另外或替代地，軌道152可具有傾斜角，所述傾斜角可調(diào)節(jié)以控制結(jié)構(gòu)118上的重力和所產(chǎn)生的插入壓力。確切地說，軌道152可以以傾斜角θ設(shè)置，所述傾斜角θ是固定的，以使阻力減至最小或克服抵抗器具尖端112在插入方向的移動(dòng)的摩擦力。替代地，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)軌道152的傾斜角θ以控制插入力，或能夠根據(jù)用戶130手動(dòng)引導(dǎo)器具110的方向來調(diào)節(jié)所述傾斜角θ。因此，可在程序開始前設(shè)置傾斜角θ或調(diào)節(jié)傾斜角θ，以(例如)將抵抗器具110插入的慣性或摩擦力減至最小。

在計(jì)算機(jī)輔助模式的一個(gè)實(shí)施方案中，插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)提供所有插入壓力。在手動(dòng)模式的一個(gè)實(shí)施方案中，插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)150中的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并非是閑置的?？衫缤ㄟ^關(guān)閉插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或使其不活動(dòng)，來提供手動(dòng)插入模式操作，以使得驅(qū)動(dòng)輪154在手動(dòng)插入模式下慣性滑行。

用于系統(tǒng)100的一種操作技術(shù)包含手動(dòng)控制器具110的插入，同時(shí)使用器具110的計(jì)算機(jī)輔助操作來控制尖端112的取向和器具110的剛度。圖2是在器具110是需要被導(dǎo)航到患者120的氣管中的特定部位的肺導(dǎo)管時(shí)用于操作系統(tǒng)100的一個(gè)程序200的流程圖。在氣管導(dǎo)航期間，用戶130通過控制遠(yuǎn)側(cè)尖端112的取向來使導(dǎo)管110轉(zhuǎn)向。舉例而言，用戶130可采用展示如由視覺系統(tǒng)(未示出)在遠(yuǎn)側(cè)尖端112處捕獲的氣管的3D圖像的立體觀察系統(tǒng)145，或指示遠(yuǎn)側(cè)尖端112的位置的傳感器信息的顯示器，并且，基于這些視圖或基于位置信息，用戶130能夠通過操控操縱桿142或其它輸入裝置來使遠(yuǎn)側(cè)尖端112轉(zhuǎn)向(如框210中所表示)直到遠(yuǎn)側(cè)尖端112朝向或沿著導(dǎo)管110將跟隨的氣管取向。用戶130隨后能夠通過夾持器具110的一部分及在插入方向上向器具110施加壓力來手動(dòng)施加插入壓力，如框220中所表示。用戶130可(例如)繼續(xù)用一只手對(duì)器具110施加插入壓力，而同時(shí)使用另一只手來操作操縱桿142，以使遠(yuǎn)側(cè)尖端112轉(zhuǎn)向。

在插入程序期間，導(dǎo)管-組織相互作用可能發(fā)生并且其可能阻止或抵抗導(dǎo)管在氣管中的前進(jìn)。當(dāng)用戶130手動(dòng)施加插入壓力時(shí)，用戶130能夠感測(cè)到所施加的插入壓力的量和阻力并判定(如框230中所表示)插入阻力是否已增加到(例如)用戶130判斷為過高的水平的情形。如果阻力過高，例如，如果導(dǎo)管被卡在組織(例如，繃緊管腔中的楔狀物)中，那么用戶130能夠改變導(dǎo)管110的剛度(如框240中所表示)。舉例來說，用戶130能夠操作腳踏板144或另一輸入裝置以降低器具110的至少遠(yuǎn)端部分114的硬度或剛度水平。在一些醫(yī)療系統(tǒng)中，導(dǎo)管尖端的剛度可等于控制參數(shù)，例如，在確定對(duì)用戶輸入的致動(dòng)器響應(yīng)中使用的所施加的控制比例增益參數(shù)。在其它醫(yī)療系統(tǒng)中，器具110可具有能夠鎖定或松開以改變剛度的接合點(diǎn)。不管用于控制剛度的特定機(jī)構(gòu)如何，在框240執(zhí)行期間，可使遠(yuǎn)端部分114高度順應(yīng)，這允許遠(yuǎn)端部分114松弛并使器具110的形狀符合器具110所在的氣管的形狀。當(dāng)部分114松弛時(shí)，器具110對(duì)氣管壁的摩擦力可大幅度降低。在恢復(fù)轉(zhuǎn)向(框210)之前或之后，隨后能夠通過在框250中手動(dòng)施加壓力來插入器具110的遠(yuǎn)側(cè)尖端112。在框240中使尖端松弛一般將在施加插入壓力時(shí)允許器具(例如導(dǎo)管)沿著管腔方向前移。當(dāng)轉(zhuǎn)向恢復(fù)時(shí)，用戶能夠使用(例如松開)腳踏板144來增加剛度，以準(zhǔn)許轉(zhuǎn)向或者能夠保持在低剛度狀態(tài)下使器具前移，直到用戶需要改變尖端的取向以(例如)用于氣管導(dǎo)航。

系統(tǒng)100及程序200能夠給予用戶130觸覺反饋，同時(shí)提供遠(yuǎn)側(cè)尖端112的俯仰-偏航取向的機(jī)器人控制器具轉(zhuǎn)向的精確度優(yōu)點(diǎn)。如果器具110被卡在管腔(例如氣管)中，用戶130可直接并立即感覺到阻力，并通過調(diào)節(jié)尖端112的方向或取向，或通過降低尖端112的剛度來作出反應(yīng)，使得遠(yuǎn)側(cè)尖端112能夠容易地滑動(dòng)到繃緊管腔中而不損害或撞擊到組織。

當(dāng)遠(yuǎn)側(cè)尖端112靠近靶部位(例如，用于活檢針的活檢部位)時(shí)，圖1的系統(tǒng)100且尤其是插入驅(qū)動(dòng)150可在完全機(jī)器人控制模式下操作。確切地說，用戶130能夠?qū)⑾到y(tǒng)100切換到計(jì)算機(jī)輔助控制模式，在所述計(jì)算機(jī)輔助控制模式中，插入軸線和俯仰-偏航兩者能夠通過操縱桿142或其它輸入裝置(未示出)被控制。當(dāng)通過器具110插入工具(例如活檢針)且用戶130希望遠(yuǎn)側(cè)尖端112穩(wěn)定或被精確控制時(shí)，完全機(jī)器人控制模式可尤其是合適的。

圖3示意性地說明可如上文所述操作的導(dǎo)管系統(tǒng)300的一個(gè)特定實(shí)施方案。在所說明的實(shí)施方案中，導(dǎo)管系統(tǒng)300包含肺導(dǎo)管310、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320、插入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)330、控制邏輯340、操作者界面350以及傳感器系統(tǒng)360。

導(dǎo)管310一般是柔性的，并且具有一或多個(gè)管腔，所述管腔包含能夠容納可互換探針(例如活檢針或視覺系統(tǒng))的主管腔。能夠使用編織結(jié)構(gòu)來制造柔性導(dǎo)管，所述編織結(jié)構(gòu)例如是內(nèi)層或外層為柔性或低摩擦材料(例如聚四氟乙烯(PTFE))的金屬絲編織管(woven wire tube)。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)管310包含通過一種材料(例如聚醚嵌段酰胺(Pebax))的編結(jié)護(hù)套和回焊(即通過熔化融合)護(hù)套保持在一起的一束管腔或管子。能夠附接額外尖端部段316(例如，如圖4中所示出及下文進(jìn)一步描述的金屬結(jié)構(gòu))作為導(dǎo)管310的遠(yuǎn)端。除了主管腔以外，導(dǎo)管310可包含用于拉線和傳感器線的較小管腔。在所說明的實(shí)施例中，導(dǎo)管310具有附接到轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320的近側(cè)部段312和從近側(cè)部段312延伸的遠(yuǎn)側(cè)部段314。近側(cè)部段312可包含用戶可夾持以便在系統(tǒng)300于手動(dòng)插入模式下操作時(shí)施加插入壓力的握持區(qū)域。遠(yuǎn)側(cè)部段314包含可通過拉線致動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述拉線從轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320延伸穿過近側(cè)部段312和遠(yuǎn)側(cè)部段314，并連接到可轉(zhuǎn)向的遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316。

器具110的總長度可為約60cm到80cm或更長，其中遠(yuǎn)側(cè)部段314約15cm長，且可轉(zhuǎn)向區(qū)段316約4cm到5cm長。遠(yuǎn)側(cè)部段314可具有比近側(cè)部段312小的直徑，以準(zhǔn)許將遠(yuǎn)側(cè)尖端316導(dǎo)航到較小的天然管腔或通路中。在醫(yī)療程序期間，近側(cè)部段312的一部分和全部遠(yuǎn)側(cè)部段314可沿天然管腔(例如患者的咽喉和氣管)插入。較小直徑的遠(yuǎn)側(cè)部段314準(zhǔn)許在對(duì)于近側(cè)部段312來說可過小的管腔中使用遠(yuǎn)側(cè)部段314，但較大直徑的近側(cè)部段312也可便于手動(dòng)操控。

可轉(zhuǎn)向區(qū)段316是遠(yuǎn)程可控的，且尤其具有能夠使用拉線控制的俯仰及偏航。可轉(zhuǎn)向區(qū)段316可包含全部或部分遠(yuǎn)側(cè)部段314，并可簡(jiǎn)單地實(shí)施為柔性材料(例如Pebax)的管子。理想的是，可轉(zhuǎn)向區(qū)段316比導(dǎo)管310中的區(qū)域部分更具柔性，以在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320拉緊而致動(dòng)肌腱時(shí)，有助于隔離對(duì)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的致動(dòng)或彎曲。導(dǎo)管310還能夠采用額外特征或結(jié)構(gòu)，例如使用鮑登線(Bowden cables)來致動(dòng)肌腱以防止致動(dòng)彎曲器具110的近側(cè)部段312(或彎曲除了可轉(zhuǎn)向區(qū)段316之外的部段314的任何部分)。

圖4展示可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的一個(gè)特定實(shí)施方案。圖4的實(shí)施方案中的可轉(zhuǎn)向區(qū)段316由管子410制成，所述管子410限定探針系統(tǒng)的主管腔，并限定(例如)用于致動(dòng)肌腱430的較小管腔和圖4中未示出的形狀傳感器。在所說明的實(shí)施例中，肌腱430被放置為與管腔312相隔90°及其周圍，以便于使器具110在由肌腱430的位置所限定的俯仰及偏航方向上轉(zhuǎn)向?；睾缸o(hù)套還可覆蓋管子410，為了更好地說明可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而在圖4中未示出所述回焊護(hù)套。如圖4中所展示，管子410經(jīng)切割或形成為包括一系列折曲420。肌腱430連接到可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的遠(yuǎn)側(cè)尖端415并延伸回到轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320。肌腱430能夠?yàn)榻饘俳z、纜線、鮑登線、皮下注射管(hypotube)或能夠?qū)⒘霓D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)側(cè)尖端415并在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320拉緊肌腱430時(shí)限制近側(cè)部段312的彎曲的任何其它結(jié)構(gòu)。在操作中，更大勁地拉緊任一肌腱430往往會(huì)使可轉(zhuǎn)向區(qū)段316在所述肌腱430的方向上彎曲。為了適應(yīng)反復(fù)彎曲，管子410可由諸如鎳鈦諾的材料制成，鎳鈦諾是能夠反復(fù)彎曲而損害極少或無損害的金屬合金。

圖3的拉緊肌腱430以致動(dòng)遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320包含機(jī)械系統(tǒng)或傳動(dòng)裝置324，其將致動(dòng)器322(例如，電動(dòng)馬達(dá))的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為肌腱430的移動(dòng)(或肌腱430中的張緊)，所述肌腱430貫通導(dǎo)管310并連接到遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316。(推桿可令人信服地代替拉線用于導(dǎo)管310中，但可不提供所需的柔性水平)。因此，能夠通過用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320中的致動(dòng)器322的相應(yīng)致動(dòng)信號(hào)的計(jì)算機(jī)化選擇或產(chǎn)生，來控制遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的移動(dòng)和姿態(tài)。對(duì)施加到肌腱430的致動(dòng)器力的控制還能夠控制有效剛度或?qū)赊D(zhuǎn)向區(qū)段316的移動(dòng)阻力。除了可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的致動(dòng)和剛度控制之外，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320可用于控制導(dǎo)管310的其它運(yùn)動(dòng)，例如，導(dǎo)管310的近端的旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)，所述導(dǎo)管還可通過致動(dòng)器322和傳動(dòng)裝置324激勵(lì)。已知用于柔性軸器具的后端機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)裝置一般可用于或經(jīng)改進(jìn)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320。舉例來說，名稱為“Compliant Surgical Device”的美國專利申請(qǐng)公開案No.2010/0331820中描述了用于柔性器具的一些已知驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述公開案通過引用的方式整體并入本文。除了致動(dòng)導(dǎo)管310之外，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320還應(yīng)允許移除和替換導(dǎo)管310的主管腔中的探針，使得驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在這些操作期間應(yīng)不會(huì)擋道。

在圖3的所說明性實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320安裝在插入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)330上，所述插入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)330包含致動(dòng)器332和用以沿著插入方向移動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320及導(dǎo)管310的機(jī)械系統(tǒng)334。機(jī)械系統(tǒng)334可經(jīng)耦接以滑動(dòng)或載送轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320并可包含具有如上文所描述的可調(diào)節(jié)傾斜的軌道系統(tǒng)。致動(dòng)器332可為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)根據(jù)由控制邏輯340選擇的致動(dòng)信號(hào)激勵(lì)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320及導(dǎo)管310的移動(dòng)。

控制邏輯340控制轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320中的致動(dòng)器322，以選擇性地按需要拉緊肌腱來致動(dòng)遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316，并控制導(dǎo)管310的遠(yuǎn)側(cè)尖端的取向，且控制邏輯340控制致動(dòng)器332，以控制在導(dǎo)管310的遠(yuǎn)側(cè)尖端的插入方向上的移動(dòng)。一般來說，控制邏輯340響應(yīng)于來自用戶(例如，外科醫(yī)生、醫(yī)師或使用操作者界面350(例如操縱桿142及腳踏板144)的其它醫(yī)務(wù)人員)的命令并響應(yīng)于來自傳感器系統(tǒng)360的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行操作。然而，在手動(dòng)插入模式中，控制邏輯340可將插入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)330的致動(dòng)器332置于慣性滑行狀態(tài)，以允許用戶控制插入壓力?？刂七壿?40可使用具有合適的軟件、固件和/或裝置特定界面硬件的通用計(jì)算機(jī)實(shí)施，以解譯來自操作者界面350和傳感器系統(tǒng)360的信號(hào)并產(chǎn)生用于致動(dòng)器322及332的致動(dòng)信號(hào)。

在所說明的實(shí)施例中，控制邏輯340包含針對(duì)導(dǎo)管310的不同控制模式或程序?qū)嵤┎煌绦虻亩鄠€(gè)模塊341、342、343及344。如本文所使用，術(shù)語“模塊”指代硬件(例如，諸如集成電路或其它電路的處理器)與軟件(例如，機(jī)器或處理器可執(zhí)行指令、命令，或諸如固件的代碼、編程或目標(biāo)代碼)的組合。硬件與軟件的組合包含只有硬件(即，沒有軟件元件的硬件元件)、承載于硬件處的軟件(例如，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器處并在處理器處執(zhí)行或解譯的軟件)，或硬件與承載于硬件處的軟件。模塊341及342分別實(shí)施手動(dòng)插入模式和計(jì)算機(jī)輔助插入模式。模塊343可利用由硬度模塊344設(shè)置的剛度水平來控制轉(zhuǎn)向。模塊346選擇將使用哪些控制程序，并可基于諸如以下的因素進(jìn)行選擇：用戶輸入、導(dǎo)管310中所部署的探針的類型或狀態(tài)，以及正執(zhí)行的任務(wù)。

操作者界面350可包含標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出硬件，例如，視覺系統(tǒng)或顯示器、鍵盤、操縱桿、腳踏板、鼠標(biāo)或可針對(duì)手術(shù)環(huán)境定制或優(yōu)化的其它指示裝置或類似I/O硬件。一般來說，操作者界面350向用戶提供信息并從用戶接收指令。舉例來說，操作者界面350可指示系統(tǒng)300的狀態(tài)，并向用戶提供包含圖像和由系統(tǒng)300進(jìn)行的測(cè)量的數(shù)據(jù)。用戶可通過操作者界面350(例如)使用操縱桿或類似輸入裝置提供的一類指令指示遠(yuǎn)側(cè)可轉(zhuǎn)向區(qū)段316的所需移動(dòng)、位置或取向。用戶可操作腳踏板來指示硬度的量或水平。使用此類輸入，控制邏輯340能夠產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)320中的致動(dòng)器322的致動(dòng)信號(hào)。來自用戶的其它指令能夠選擇控制邏輯340的操作模式。

圖5示出操縱桿500，其可用于如上文所描述的柔性器具的轉(zhuǎn)向。確切地說，用戶可在兩個(gè)維度中相對(duì)于操縱桿500的基底部分520操控并傾斜操縱桿500的桿部分510，以指示俯仰角θ和偏航角ψ，或器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端所需的俯仰角θ和偏航角ψ的變化。

醫(yī)療系統(tǒng)還能夠根據(jù)操縱桿輸入改變?nèi)嵝云骶叩膭偠?。確切地說，剛度能夠?yàn)橐韵碌暮瘮?shù)：桿510從空檔位置的位移；俯仰角θ及偏航角ψ；或俯仰角θ及偏航角ψ的變化/速度。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)(例如，圖1的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)140或控制邏輯340)在操縱桿處于空檔位置時(shí)例如通過在驅(qū)動(dòng)肌腱中施加零或最低張力，使柔性器具的剛度為其最小值，并隨著操縱桿從空檔位置的偏轉(zhuǎn)增加而單調(diào)地增加硬度?？刂葡到y(tǒng)能夠選擇操縱桿500的空檔位置，并能夠?qū)⑷嵝云骶咚沙诘狡渲腥嵝云骶叻掀渲車h(huán)境的低剛度或高順應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)用戶移動(dòng)桿510遠(yuǎn)離操縱桿500的空檔位置時(shí)，控制系統(tǒng)能夠增加受控器具的剛度，并直接改變用戶所選擇的受控器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端的取向。

可以多種方式選擇操縱桿500的空檔位置。舉例來說，操縱桿500的空檔位置可為：固定的，例如，在沒有用戶力施加到桿510時(shí)的位置；由用戶設(shè)置，例如通過用戶按壓輸入裝置(例如按鈕或腳踏板)；或由控制系統(tǒng)基于對(duì)桿510的用戶移動(dòng)的分析而設(shè)置，例如設(shè)置在用戶在其處握住桿510一段時(shí)間的位置處。

可將用于控制轉(zhuǎn)向和剛度兩者的操縱桿或類似輸入裝置與柔性器具和可或不可提供手動(dòng)插入模式的醫(yī)療系統(tǒng)一起使用。確切地說，甚至在用戶并未手動(dòng)插入器具時(shí)或在用戶并未接收到對(duì)待插入器具的阻力的觸感感覺時(shí)，可能需要容易釋放柔性器具的剛度的能力。

醫(yī)療器具的一些實(shí)施方案能夠提供用于將器具的遠(yuǎn)側(cè)尖端轉(zhuǎn)向到活檢部位的快速導(dǎo)航程序的優(yōu)點(diǎn)。此外，用戶接收到直接觸覺或觸感反饋的情況可允許用戶準(zhǔn)確判斷所施加的插入壓力的量，并因此使自動(dòng)化系統(tǒng)將大量力從導(dǎo)管施加到組織的機(jī)會(huì)最小化。當(dāng)在氣管周圍導(dǎo)航時(shí)，手對(duì)插入程序的感覺還可給予用戶更多信心。

本發(fā)明的上述一些實(shí)施例能夠以計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(例如非暫時(shí)性介質(zhì)，諸如光碟或磁碟、存儲(chǔ)卡或其它固態(tài)存儲(chǔ)裝置，其含有計(jì)算裝置能夠執(zhí)行以進(jìn)行本文所描述的特定程序的指令)來實(shí)施。此類介質(zhì)可進(jìn)一步是服務(wù)器或連接到網(wǎng)絡(luò)的其它裝置，或包含在所述服務(wù)器或其它裝置中，所述網(wǎng)路例如是提供數(shù)據(jù)及可執(zhí)行指令的下載的互聯(lián)網(wǎng)。

盡管已公開特定實(shí)施方案，但這些實(shí)施方案僅為實(shí)例性的并不應(yīng)被視為限制性的。所公開的實(shí)施方案的各種修改和組合在隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。