用于动态轨迹控制的系统和方法与流程

本专利申请要求于2014年8月23日提交的题为“用于动态轨迹控制的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR DYNAMIC TRAJECTORY CONTROL)”的美国临时专利申请62/041,038的申请日的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于执行外科手术程序的系统和方法，并且更具体地，涉及用于控制医疗器械在患者的解剖结构内的运动的系统和方法。

背景技术：

微创医疗技术旨在减少在医疗程序期间损伤的组织的量，从而缩短患者的恢复时间、减轻患者的不适并且减少有害的副作用。此类微创技术可以通过患者解剖结构中的自然孔口或者通过一个或多个外科手术切口执行。临床医生可以将医疗工具插入通过这些自然孔口或切口以到达目标组织位置。医疗工具包括诸如治疗器械、诊断器械和外科手术器械的器械。为到达目标组织位置，微创医疗工具可以导航在解剖系统诸如肺、结肠、肠、肾、心脏、循环系统等中的自然或外科手术创建的通道。医疗工具的一个示例是活组织检查器械。

可以通过从用户控制站使用用户输入机构来控制一些医疗器械(诸如活组织检查器械)。具体地，用户输入机构的某些运动引起医疗器械的对应的移动。在程序期间，一些医疗程序的有效性与医疗器械的动态特性密切相关。例如，在活组织检查程序期间，活组织检查针的动态特性将影响从活组织检查获得的样品的有用性。

技术实现要素：

本发明的实施例由随附权利要求概括。

在一个示例中，用于执行医疗程序的方法包括接收利用外科手术器械在目标位置处开始组织采样的命令；从存储器装置检索用于组织采样的预定义动态轨迹；以及根据预定义动态轨迹移动外科手术器械以在目标位置处对组织采样。

在一个示例中，活组织检查系统包括活组织检查工具和与活组织检查工具通信的控制系统，控制系统经配置接收执行活组织检查的命令，从存储器装置检索用于执行活组织检查的预定义动态轨迹，并且控制活组织检查工具根据预定义动态轨迹移动以执行活组织检查。

附图说明

当与附图一起阅读时，从下面的详细描述可以最好地理解本公开的各方面。应强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征没有按比例绘制。实际上，为了清晰地讨论，可以任意地增大或减小各种特征的尺寸。另外，本公开可以在各个示例中重复参考标号和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且本身不规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1是示出根据本文描述的原理的一个示例的说明性远程操作医疗系统的图示。

图2是示出根据本文描述的原理的一个示例的包括内窥镜可视化系统的说明性医疗器械系统的图示。

图3是示出根据本文描述的原理的一个示例的模型患者解剖结构和目标位置的图示。

图4是示出根据本文描述的原理的一个示例的定位在目标位置处的说明性导管的图示。

图5是示出根据本文描述的原理的一个示例的用于活组织检查针的说明性预定义动态轨迹的图示。

图6是示出根据本文描述的原理的一个示例的在预定义动态轨迹内的说明性周期的图示。

图7是示出根据本文描述的原理的一个示例的在预定义动态轨迹内的说明性周期的变化的图示。

图8是示出根据本文描述的原理的一个示例的引起预定义轨迹的输入信号和手动输入信号之间的说明性差异的图示。

图9是示出根据本文描述的原理的一个示例的具有力传感器的说明性活组织检查工具的图示。

图10是示出根据本文描述的原理的一个示例的用于创建预定义动态轨迹的说明性方法的流程图。

图11是示出根据本文描述的原理的一个示例的使用用于活组织检查器械的预定义动态轨迹的说明性方法的流程图。

具体实施方式

出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参照附图中所示的实施例，并且将使用特定语言描述这些实施例。然而，应当理解，并非旨在限制本公开的保护范围。在本发明各方面的以下详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本公开的实施例可以在没有这些特定细节的情况下实践。在其他情况下，未详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。

完全地考虑了对所描述的装置、器械、方法以及本公开的原理的任何进一步应用的任何更改和进一步修改，这些是本公开所涉及的领域的技术人员通常将会想到的。具体地，完全考虑到关于一个实施例描述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例描述的特征、部件和/或步骤组合。另外，本文提供的尺寸是针对特定示例，并且预期可以利用不同的大小、尺寸和/或比率实施本公开的概念。为避免不必要的描述性重复，能够使用或省略根据一个说明性实施例描述的一个或多个部件或动作，如从其他说明性实施例中所适用的那样。为简洁起见，将不单独描述这些组合的许多迭代。为简单起见，在一些情况下，在整个附图中使用相同的参考标号以指代相同或相似的部分。

下面的实施例将根据各种器械和器械的部分在三维空间中的状态对它们进行描述。如本文所使用的，术语“方位”(position)是指物体或物体的一部分在三维空间中的位置(例如，沿笛卡尔X、Y、Z坐标的三个平移自由度)。如本文所使用的，术语“取向”是指物体或物体的一部分的旋转布置(三个旋转自由度——例如，滚动、俯仰和偏转)。如本文所使用的，术语“位姿”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度上的方位，以及该物体或该物体的一部分在至少一个旋转自由度上(最多六个总自由度)的取向。如本文所使用的，术语“形状”是指沿物体测量的一组位姿、方位或取向。

参照附图的图1，远程操作医疗系统通常由参考标号100指示，该远程操作医疗系统用于例如包括诊断程序、治疗程序或外科手术程序的医疗程序中。如将要描述的，本公开的远程操作医疗系统处于外科医生的远程操作控制之下。在另选实施例中，远程操作医疗系统可以处于被编程以执行程序或子程序的计算机的部分控制之下。在其他另选实施例中，在被编程以执行程序或子程序的计算机的完全控制之下的完全自动化的医疗系统可以用于执行程序或子程序。

如图1所示，远程操作系统100通常包括用于在患者P上执行各种程序时操作医疗器械系统104的远程操作组件102。在解剖参考系X_A、Y_A、Z_A中执行医疗器械的移动。组件102安装到患者P定位于其上的操作台O或操作台O的附近。医疗器械系统104可操作地耦接到远程操作组件102。操作者输入系统106允许外科医生或其他类型的临床医生S观察外科手术部位的图像或观察表示外科手术部位的图像并且控制医疗器械系统104的操作。

在另选实施例中，远程操作系统可以包括多于一个操纵器组件。操纵器组件的确切数量将取决于外科手术程序和手术室内的空间限制以及其他因素。

操作者输入系统106可以位于外科医生的控制台处，该控制台通常位于与操作台O相同的房间中。然而，应当理解，外科医生S能够位于与患者P不同的房间中或与患者P完全不同的建筑物中。操作者输入系统106通常包括用于控制医疗器械系统104的一个或多个控制装置。在操作者参考系X_O、Y_O、Z_O中跟踪控制装置的移动。(一个或多个)控制装置可以包括任何数量的各种输入装置中的一个或多个，诸如手柄、操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、触摸屏、身体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(一个或多个)控制装置将被设置有与远程操作组件的医疗器械相同的自由度，以向外科医生提供远程呈现、(一个或多个)控制装置与器械成一体的感知，使得外科医生具有直接控制器械的强烈感觉，就好像出现在外科手术部位。在其他实施例中，(一个或多个)控制装置可以具有比相关联的医疗器械更多或更少的自由度，并且仍然向外科医生提供远程呈现。在一些实施例中，(一个或多个)控制装置是手动输入装置，所述手动输入装置以六个自由度移动，并且还可以包括用于致动器械的可致动把手(例如，用于关闭抓持钳口、向电极施加电位、递送药物治疗等)。

远程操作组件102支持医疗器械系统104，并且可以包括一个或多个非伺服受控连杆的运动结构(例如，可以手动定位并锁定在适当位置中的一个或多个连杆，通常称为设置结构)和远程操作操纵器。远程操作组件102包括多个致动器或马达，所述多个致动器或马达响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动医疗器械系统104上的输入端。马达包括驱动系统，该驱动系统在耦接到医疗器械系统104时可以将医疗器械推进到自然孔口或外科手术创建的解剖孔口中。其他机动驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械的远侧端部，多个自由度可以包括三个线性运动度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴线的线性运动)和三个旋转运动度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转)。另外地，马达能够用于致动器械的可铰接的端部执行器，用于抓持活组织检查装置等的钳口中的组织。

远程操作医疗系统100还包括具有一个或多个子系统的传感器系统108，用于接收关于远程操作组件的器械的信息。此类子系统可以包括方位传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，其用于确定导管尖端和/或沿器械系统104的柔性主体的一个或多个节段的方位、取向、速率、速度、位姿和/或形状；和/或用于从导管系统的远侧端部捕获图像的可视化系统。

可视化系统(例如，图2的可视化系统231)可以包括(下面更详细地描述的)观察仪组件，使得向外科医生控制台提供外科手术部位的并行或实时图像。例如，并行图像可以是由定位在外科手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在该实施例中，可视化系统包括可以一体地或可移除地耦接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在另选实施例中，附接到单独的操纵器组件的单独的内窥镜可以与医疗器械一起使用以对外科手术部位成像。可视化系统可以被实施为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，该计算机处理器可以包括(下面描述的)控制系统112的处理器。

远程操作医疗系统100还包括用于显示由传感器系统108的子系统产生的外科手术部位和(一个或多个)医疗器械系统104的图像或表示的显示器系统110。显示器110和操作者输入系统106可以被定向成使得操作者能够利用远程呈现的感知来控制医疗器械系统104和操作者输入系统106。

显示器系统110还可以显示由可视化系统捕获的外科手术部位和医疗器械的图像。显示器110和控制装置可以被定向成使得观察仪组件中的成像装置和医疗器械的相对方位类似于外科医生的眼睛和手的相对方位，使得操作者能够操纵医疗器械104和手动控制装置，就好像在基本真实呈现下观察工作空间一样。通过真实呈现，意味着图像的呈现是模拟物理地操纵器械104的操作者的视角的真实透视图像。

另选地或另外地，显示器110可以呈现外科手术部位的图像，该图像在术前使用诸如计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、热成像术、超声、光学相干断层成像(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像等的成像技术进行记录和/或建模。所呈现的操作前图像可以包括二维、三维或四维图像。所呈现的术前或术中图像可以包括二维图像、三维图像或四维(包括例如基于时间或基于速度的信息)图像和用于再现图像的相关联的图像数据集。

在一些实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前图像或并行图像配准(即，动态参考)，以向外科医生S呈现在器械104的尖端位置处的内部外科手术部位的虚拟图像。器械104的尖端的图像或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上，以辅助外科医生控制医疗器械。另选地，器械104可以在虚拟图像中不可见。

在其他实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械的实际位置与术前图像或并行图像配准，以从外部或内部视角向外科医生S呈现外科手术部位内的医疗器械的虚拟图像。医疗器械的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上，以辅助外科医生控制器械104。

远程操作医疗系统100还包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个处理器(未示出)，并且通常包括多个处理器，用于实现医疗器械系统104、操作者输入系统106、传感器系统108和显示器系统110之间的控制。控制系统112还包括编程的指令(例如，存储指令的计算机可读介质)，以实施根据本文公开的各方面描述的方法中的一些或全部。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被示为单个块，但是该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在远程操作组件102上或邻近远程操作组件102执行，处理的另一部分在操作者输入系统106等处执行。可以采用各种各样的集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。类似地，编程的指令可以被实施为多个单独的程序或子例行程序，或者它们可以整合到本文所描述的远程操作系统的多个其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT和无线遥测。

在一些实施例中，控制系统112可以包括从医疗器械系统104接收力和/或扭矩反馈的一个或多个伺服控制器。响应于反馈，伺服控制器将信号传输到操作者输入系统106。(一个或多个)伺服控制器还可以传输指示远程操作组件102移动(一个或多个)医疗器械系统104的信号，(一个或多个)医疗器械系统104经由身体中的开口延伸到患者体内的内部外科手术部位中。可以使用任何合适的常规或专用伺服控制器。伺服控制器可以与远程操作组件102分离或成一体。在一些实施例中，将伺服控制器和远程操作组件提供为邻近患者身体定位的远程操作手推车(arm cart)的一部分。

控制系统112可以进一步包括虚拟可视化系统，以向(一个或多个)医疗器械系统104提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于对所获取的与解剖通道的三维结构相关联的数据集的参考。更具体地，虚拟可视化系统处理外科手术部位的图像，该图像使用诸如计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、热成像术、超声、光学相干断层成像(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等的成像技术进行成像。软件单独或与手动输入组合用于将记录的图像转换为部分或整个解剖器官或解剖区域的分段二维或三维复合表示。图像数据集与复合表示相关联。复合表示和图像数据集描述通道的各种位置和形状以及它们的连通性。在临床程序期间，用于生成复合表示的图像可以在术前或术中记录。在另选实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，不是患者特定的)或者标准表示和患者特定数据的混合。复合表示和由复合表示生成的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气周期期间)可变形解剖区域的静态位姿。

在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以用于计算器械相对于患者解剖结构的近似位置。该位置能够用于产生患者解剖结构的宏观水平跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像。使用光纤传感器配准和显示医疗器件(medical implement)以及术前记录的外科手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的图像)的各种系统是已知的。例如，(2011年5月13日提交的)(公开了“为图像引导外科手术提供解剖结构的模型的动态配准的医疗系统(Medical System Providing Dynamic Registration of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery)”的)美国专利申请No.13/107,562公开了一种此类系统，该申请通过引用整体并入本文。

远程操作医疗系统100可以进一步包括可选的操作和支持系统(未示出)，诸如，照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在另选实施例中，远程操作系统可以包括多于一个远程操作组件和/或多于一个操作者输入系统。操纵器组件的确切数量将取决于外科手术程序和手术室内的空间限制以及其他因素。操作者输入系统可以是并置的，或者它们可以定位在单独的位置中。多个操作者输入系统允许多于一个操作者以各种组合控制一个或多个操纵器组件。

图2示出医疗器械系统200，其可以用作远程操作医疗系统100的医疗器械系统104。另选地，医疗器械系统200可以用于非远程操作探测程序或用在涉及传统手动操作的医疗器械的程序(诸如内窥镜检查)中。

器械系统200包括耦接到器械主体204的导管系统202。导管系统202包括具有近侧端部217和远侧端部或尖端部分218的细长柔性导管主体216。在一个实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外径。其他柔性主体外径可以更大或更小。导管系统202可以可选地包括形状传感器222，该形状传感器222用于确定在远侧端部218处的导管尖端和/或沿主体216的一个或多个节段224的方位、取向、速率、速度、位姿和/或形状。主体216在远侧端部218和近侧端部217之间的整个长度可以被有效地划分成节段224。如果器械系统200是远程操作医疗系统100的医疗器械系统104，则形状传感器222可以是传感器系统108的部件。如果手动操作器械系统200或器械系统200以其他方式用于非远程操作程序，则形状传感器222可以被耦接到询问形状传感器并处理接收到的形状数据的跟踪系统230。

形状传感器222可以包括与柔性导管主体216对准的(例如，提供在内部通路(未示出)内或安装在外部的)光纤。在一个实施例中，光纤具有大约200μm的直径。在其他实施例中，该尺寸可以更大或更小。

形状传感器系统222的光纤形成用于确定导管系统202的形状的光纤弯曲传感器。在一个另选方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一个或多个维度中提供结构中的应变测量。在以下专利申请中描述了用于在三个维度上监测光纤的形状和相对方位的各种系统和方法：(2005年7月13日提交的)(公开了“光纤方位和形状感测装置及其相关方法(Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto)”的)美国专利申请No.11/180,389；(2004年7月16日提交的)(公开了“光纤形状及相关方位感测(Fiber-optic shape and relative position sensing)”的)美国专利申请No.12/047,056；和(1998年6月17日提交的)(公开了“光纤弯曲传感器(Optical Fibre Bend Sensor)”的)美国专利No.6,389,187，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文。另选实施例中的传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。光纤可以用于监测导管系统202的至少一部分的形状。更具体地，对通过光纤的光进行处理以检测导管系统202的形状，并利用该信息辅助外科手术程序。传感器系统(例如，传感器系统108)可以包括生成和检测用于确定导管系统202的形状的光的询问系统。该信息继而能够用于确定其他相关变量，诸如医疗器械系统的零件的速度和加速度。感测可以仅限于由远程操作系统致动的自由度，或者其可以应用于被动(例如，刚性构件在接头之间的未致动弯曲)自由度和主动(例如，器械的受致动的移动)自由度。

在其他另选实施例中，可以使用其他技术确定导管的形状。例如，导管的远侧尖端位姿的历史能够用于重建在该时间间隔期间装置的形状。作为另一示例，可以沿交替运动诸如呼吸的周期存储器械系统的已知点的历史位姿、方位或取向数据。该存储的数据可以用于形成关于导管的形状信息。另选地，沿导管定位的一系列方位传感器诸如EM传感器能够用于形状感测。另选地，在程序期间来自器械系统上的方位传感器(诸如EM传感器)的数据的历史记录可以用于表示器械的形状，特别是在解剖通道通常是静态的情况下。另选地，具有由外部磁场控制的方位或取向的无线装置可以用于形状感测。无线装置的方位的历史记录可以用于确定导航的通道的形状。

医疗器械系统可以可选地包括方位传感器系统220。方位传感器系统220可以是EM传感器系统的部件，其中传感器220包括可以经受外部生成的电磁场的一个或多个导电线圈。然后EM传感器系统220的每个线圈产生感应电信号，该感应电信号具有取决于线圈相对于外部生成的电磁场的方位和取向的特性。在一个实施例中，EM传感器系统可以经配置和定位成测量六个自由度，例如，三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏转和滚动的三个取向角，或者测量五个自由度例如三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏转的两个取向角。在(1999年8月11日提交的)(公开了“在被跟踪对象上的具有无源应答器的六自由度跟踪系统(Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked)”的)美国专利No.6,380,732中提供了EM传感器系统的进一步描述，其全部内容通过引用并入本文。

跟踪系统230可以包括用于确定远侧端部218和沿器械200的一个或多个节段224的方位、取向、速率、位姿和/或形状的方位传感器系统220和形状传感器系统222。跟踪系统230可以被实施为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，该计算机处理器可以包括控制系统116的处理器。

柔性导管主体216包括通路，该通路的尺寸和形状设定为接收辅助器械226。例如，辅助器械可以包括图像捕获探针、活组织检查器械、激光消融纤维或其他外科手术工具、诊断工具或治疗工具。辅助工具可以包括具有单个工作构件(诸如，解剖刀、钝刀片、光纤或电极的端部执行器。其他端部执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀或施夹器。电激活的端部执行器的示例包括电外科手术电极、换能器、传感器等。在各种实施例中，辅助工具226可以是图像捕获探针，该图像捕获探针包括具有在柔性导管主体216的远侧端部218处或附近的立体相机或单视相机的远侧部分，用于捕获由可视化系统231处理以用于显示的图像(包括视频图像)。图像捕获探针可以包括耦接到相机的用于传输捕获的图像数据的缆线。另选地，图像捕获器械可以是耦接到可视化系统的光纤束诸如纤维镜。图像捕获器械可以是例如在可见光谱、红外光谱或紫外光谱中的一个或多个中捕获图像数据的单光谱或多光谱图像捕获器械。

辅助器械226可以容纳在器械的近侧端部和远侧端部之间延伸的缆线、联动装置或其他致动控制装置(未示出)，以使器械的远侧端部可控地弯曲。在以下专利和专利申请中详细描述了可转向器械：(2005年10月4日提交的)(公开了“用于执行微创手术的具有增强的敏捷度和敏感性的铰接外科手术器械(Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity)”的)美国专利No.7,316,681和(2008年9月30日提交的)(公开了“用于手术器械的被动预载和绞盘驱动(Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments)”的)美国专利申请No.12/286,644，所述专利和专利申请的全部内容通过引用并入本文。

柔性导管主体216还可以容纳在壳体204和远侧端部218之间延伸的缆线、联动装置或其他转向控制装置(未示出)，以使远侧端部218可控地弯曲，例如，如由远侧端部的虚线绘图219所示。(2011年10月14日提交的)(公开了“具有可移除的视觉探针的导管(Catheter with Removable Vision Probe)”的)美国专利申请No.13/274,208中详细描述了可转向导管，其全部内容通过引用并入本文。在其中器械系统200由远程操作组件致动的实施例中，壳体204可以包括可移除地耦接到远程操作组件的机动驱动元件并从其接收动力的驱动输入端。在其中手动操作器械系统200的实施例中，壳体204可包括抓握特征、手动致动器或用于手动控制器械系统的运动的其他部件。导管系统可以是可转向的，或另选地，该系统可以是不可转向的，其中没有用于操作者控制器械弯曲的一体机构。另外或另选地，在柔性主体216的壁中限定了一个或多个管腔，医疗器械能够通过所述管腔在目标外科手术位置处展开和使用。

在各种实施例中，医疗器械系统200可以包括用于肺的检查、诊断、活组织检查或治疗中的柔性支气管器械，诸如支气管镜或支气管导管。系统200还适于经由在各种解剖系统中的任一种中的自然或外科手术形成的连接通道导航和治疗其他组织，所述解剖系统包括结肠、肠、肾、脑、心脏、循环系统等。

来自跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，在导航系统232中该信息与来自可视化系统231和/或术前获得的模型的信息结合，以在显示器系统110上向外科医生或其他操作者提供实时方位信息110，用于控制器械200。控制系统116可以利用方位信息作为反馈用于定位器械200。在2011年5月13日提交的公开了“为图像引导的外科手术提供解剖结构的模型的动态配准的医疗系统(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery)”的美国专利申请No.13/107,562中提供了使用光纤传感器以将外科手术器械与外科手术图像配准以及显示外科手术器械和外科手术图像的各种系统，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

在图2的实施例中，器械200在远程操作医疗系统100内远程操作。在另选实施例中，可以由直接操作者控制装置来代替远程操作组件102。在直接操作的另选方案中，可以包括各种手柄和操作者界面，用于器械的手持操作。

为执行某些类型的外科手术程序，将医疗器械(例如，具有导管主体216的器械200)插入患者体内。如上所述，导管主体216包括通路，所述通路的尺寸和形状设定为接收辅助器械226(诸如活组织检查工具)。可选地，活组织检查工具可以是嵌套的活组织检查工具，其包括具有在针内延伸的闭塞器的插管活组织检查针。导管可以导航各种解剖通道以到达导管停驻位置。导管停驻位置是外科手术程序(诸如活组织检查)将被执行的位置。在活组织检查外科手术程序的示例中，活组织检查工具能够由外科医生远程控制。具体地，外科医生可以操纵各种控制装置以引起活组织检查工具相对于导管的特定移动，以便执行活组织检查程序。具体地，活组织检查工具的尖端包括针，当活组织检查工具相对于导管移动时，该针可以从导管延伸。在传统的、完全手动的程序情况下，活组织检查程序(包括细针吸取程序)的有效性取决于执行程序的临床医生的技能。在完全手动的程序情况下，临床医生控制活组织检查器械的运动的各个方面，包括方位、取向、速度、加速度和往复形式。如下面将描述的，活组织检查器械的临床医生控制的运动的全部或部分可以被修改、增多或用预定义的动态例行程序代替。

根据本文所述的原理，用预定义动态轨迹控制诸如活组织检查器械的外科手术工具的移动。预定义动态轨迹可以基于例如可以针对当前患者状况最优化的预编程动态轨迹模型或输出，或者基于由熟练的外科医生的先前手动输入产生的记录轨迹。例如，在活组织检查程序的情况下，在熟练的外科医生执行操作时，活组织检查针在进入目标组织并且提取组织样品时的动态轨迹能够被记录下来。然后记录的轨迹能够用作预定义轨迹，不管如何，预定义轨迹用于在随后的活组织检查程序中移动活组织检查针。

图3描绘了从肺外部的视角看去的包括人肺152的模型151的复合图像150。此图像示出到目标位置的说明性路径。在目标位置处，能够根据本文描述的原理执行活组织检查程序。模型肺151与柔性器械(诸如导管系统202)的器械图像154配准。可以使用建模函数(诸如分割处理)从一组扫描图像(例如，术前CT或MRI图像)生成肺152的模型151。复合图像150可以经由显示器系统110显示。在器械通过肺152的支气管通道156前进时，来自跟踪系统230和/或可视化系统231的信息用于将器械图像154与模型肺图像151配准。肺152的模型151的视图可以改变例如以描绘处于吸气或呼气状态的肺。器械图像154可以改变，以描绘器械通过支气管通道156的前进或撤回。在一些示例中，模型151还可以包括目标区域160。目标区域160可以表示外科手术器械的目的地。例如，当执行活组织检查时，要提取的组织在目标区域160内。因此，外科医生能够使用模型151来计划器械到达目标区域160的路线。

图4是示出包括导管412的说明性医疗器械系统400(例如，系统200)的图示，其中辅助器械(诸如活组织检查器械406)延伸通过导管412。活组织检查器械406包括细长主体407，在细长主体407的远侧端部处具有活组织检查针尖端404。导管412包括工作通路，该工作通路的尺寸和形状被设定为接收器械400。活组织检查器械406耦接到活组织检查器械托架402。导管412被插入到患者体内并导航通过解剖通道到沿解剖通道的壁408的停驻位置409。活组织检查器械406被在导管导航之前、期间或之后插入导管412的工作通路中。活组织检查器械406可以从导管412延伸通过壁408，以在目标位置410上执行活组织检查程序。

活组织检查器械托架402是用于活组织检查器械406的致动系统的一部分。响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的控制信号，托架以一个或多个自由度(包括在延伸/缩回方向上的平移和至少尖端404的俯仰、偏转和/或滚动移动)操作器械406。例如，托架402可以被耦接到远程操作组件，并且响应于来自托架或远程操作组件中的控制系统马达的电信号，可以根据预定义轨迹相对于导管412移动器械406。导管412和活组织检查器械406的移动能够在多个自由度(包括俯仰、偏转和滚动、沿轴线的平移)上独立地受控。轨迹可以由沿时间线的特定距离、速度、以及加速度或减速度限定。下面将描述关于轨迹的更多细节。

针尖端404被设计成刺穿组织并获得样品，用于进一步研究或分析。在许多情况下，目标位置410(诸如可疑肿瘤)不在解剖通道的壁内。因此，针用于刺穿通道的壁并且延伸得足够深以到达可疑位置。然而，在一些示例中，可疑位置在解剖通道内，并且因此不必刺穿通道壁408以便从目标位置410获得样品。来自目标位置的样品可以用于各种目的，诸如组织学和/或细胞学检查以确定采样的组织和细胞是否是癌性的。

在一些示例中，针尖端404是固定到柔性细长主体406的远侧端部的刚性部件。针404可以是设计成切割和提取各种类型的组织的许多不同形状中的一种。在一些示例中，针可以包括设计成夹住组织以用于提取的可移动零件。如本文使用的术语组织可以包括单个细胞、细胞组或解剖材料的较大部分。根据本文所述的原理，可以使用各种类型的活组织检查针。

针尖端404包括端口405，可以通过该端口405收集用于从目标位置410移除的分离的组织。经由刺入切割动作、旋转切割动作、刮削切割动作、施加抽吸或者多于一个收集过程的组合，组织(包括细胞)样品可以移动进入针尖端的端口中。中空针尖端404可以连接到导管412的主体内的提取管腔(未示出)。提取管腔可以被连接到外部腔室，外部腔室能够用于在提取管腔内形成真空，并且因此在中空针尖端404内形成真空。真空提供吸力，该吸力用于提取通过针的移动被自由切割的组织和细胞。在一些示例中，当未使用吸力时，闭塞器(未示出)可以延伸通过提取管腔或针尖端404的中空部分。

在一些示例中，活组织检查器械406具有传输轴向动力的细长轴。例如，细长主体407或针尖端404可以包括线圈。在一些示例中，细长主体406或针404可以包括激光切割海波管构造。针404还可以包括经最优化的锯齿状边缘或粗糙表面，用于从周围组织结构刮削细胞，而不是从周围组织钻取组织块。

根据某些说明性示例，活组织检查针能够响应于用户命令而沿预定义动态轨迹开始移动。用户可以通过触觉操作、语音命令、眼睛移动或其他用户动作来接合控制装置以开始预定义动态轨迹。预定义动态轨迹可以包括多个动态控制模式。例如，预定义动态轨迹可以包括用于执行活组织检查程序的插入阶段的动态控制模式和用于执行活组织检查程序的采样阶段的另一动态控制模式。插入阶段涉及将针或器械的尖端插入到通道的壁408的组织中并通过任何中间组织，且然后移动一段距离，使得针尖端404在期望的目标位置410处。然后，采样阶段用于使针尖端404沿通过针尖端404的纵向轴线A以往复运动的方式移动以执行组织收集。该第二阶段涉及随后被提取以用于分析的实际切割的组织。对于每个阶段，可以由预编程的计算机模型或手动输入的记录来预定义动态轨迹。在一些情况下，可以手动执行插入阶段，但使用预定义动态轨迹执行提取阶段。

图5是示出用于工具(诸如活组织检查器械)的说明性预定义动态轨迹510的方位分量的曲线图500。根据本示例，水平轴线504表示时间。垂直轴线502表示活组织检查器械的方位。具体地，垂直轴线502表示活组织检查器械尖端在给定时间点的位移(例如，针尖端从导管或另一开始方位的延伸)。曲线图500示出表示活组织检查程序的两个单独阶段506、508的两个运动曲线。例如，运动曲线可以表示器械在一定时间段内的方位、速度或加速度曲线。具体地，曲线图500示出表示插入阶段506和采样阶段508的方位曲线。

插入阶段506是这样的时段，即在该时段期间，针尖端404从开始方位(诸如在导管的入口处的位置)行进到目标组织410的内部或周边的提取方位。在插入阶段中，活组织检查针将在到达目标组织之前穿过通常不关注的一些组织。这可以是这样的情况，例如：如果可疑肿瘤在一些健康组织下面。因此，针在到达可疑肿瘤或受不利影响的组织之前必须穿过健康组织。虚线512指示活组织检查针从不关注的组织穿过到目标组织的时间。该时间可以接近或处于插入阶段结束时。插入阶段506的动态旨在使针前面的组织移位而不从周围组织切割细胞或组织样品。通常，插入阶段506是低动态阶段。具体地，插入阶段的速度和加速度比在程序的组织收集部分中使用的低。通过将活组织检查针更小心地插入组织中，可以最小化对患者的解剖结构的损伤。

采样阶段508在活组织检查针尖端已经插入期望的位移距离或期望的深度之后发生。采样阶段508涉及活组织检查针的重复延伸和缩回。此往复运动将细胞或更大的组织样品与周围组织分离以用于提取。采样阶段508可以切割组织和细胞而不受周围组织的影响，同时最小化出血量。与插入阶段相比，采样阶段通常涉及更高水平的动态。具体地，采样阶段508可以涉及更高的速度和更高的加速度。这种更快的移动用于有效地切割组织并从目标位置提取细胞。

应当注意，图5中所示的轨迹510表示一个平移自由度具体地为深度上上的运动。如上所述，可以记录和应用包括在其他自由度上的移动的动态轨迹的其他方面。此类其他轨迹可以同时使用。例如，如图5所示，当活组织检查针沿纵向轴线移动时，活组织检查针可以俯仰、偏转、围绕纵向轴线旋转，或平移，以便执行期望的活组织检查程序。自由度中的每个可以具有相应的预定义动态轨迹。另外地，活组织检查程序可以涉及活组织检查系统的其他部件的移动。例如，动态轨迹可以指示应该移动或移除闭塞器的时间，使得吸力被施加到中空针。具体地，可以接合闭塞器以阻塞提取管腔或端口，或者可以使闭塞器脱离以打开提取管腔或端口。

图5中所示的轨迹510指示活组织检查针在给定时间点的方位。可以从活组织检查针的方位推导出在插入阶段期间动态轨迹的其他动态特性，诸如速度和加速度。例如，活组织检查针在给定时间点的速度由轨迹510在该时间点的斜率表示。另选地，轨迹在插入阶段期间的其他预定义动态特性可以由示出作为时间的函数的速度曲线或加速度曲线的其他曲线图表示。

能够针对特定类型的组织设计预定义动态轨迹。例如，一些类型的组织比其他类型的组织更硬。因此，对于不同类型的组织阻抗曲线，用于引起沿预定义动态轨迹的期望运动的输入信号可以不同。在一些情况下，不同的患者状况也可以影响特定类型的组织的机械阻抗。操作者能够基于如组织类型或患者状况的此类因素选择适当的预定义动态轨迹。在一些示例中，操作者可以从数据库中选择适当的预定义动态轨迹。可以根据目标组织类型、患者状况和在活组织检查程序期间可以与活组织检查工具的运动相关的其他因素来对数据库进行分类。

如上所述，采样阶段涉及针的重复插入和提取。每次插入和采样发生称为运动周期。图6是示出预定义动态轨迹的动态控制模式内的说明性运动周期的曲线图。根据本示例，水平轴线604表示时间。垂直轴线602表示方位。具体地，垂直轴602表示活组织检查针尖端在给定时间点的位移(例如，针尖端从导管或另一开始方位的延伸)。曲线图600示出表示采样阶段的不同子阶段的方位曲线。具体地，曲线图600表示预定义动态轨迹的采样阶段的第一切割阶段606、第一抽吸阶段608、第二切割阶段610和第二抽吸阶段612。

第一切割阶段606包括多个延伸和缩回周期。在第一切割阶段606之后，阶段608可以是抽吸阶段，其中抽吸系统激活以提取在切割阶段606期间被自由切割的细胞。可以由控制系统根据与预定义动态轨迹相关联的预定义的命令激活抽吸系统。抽吸阶段可以被认为是预定义动态轨迹的采样动态控制模式的一部分，或者可以被认为是预定义动态轨迹的不同的抽吸控制模式。在阶段608期间，活组织检查针尖端的方位保持相对静止。如上所述，活组织检查针尖端包括与导管的管腔流体连通的中空中心。与管腔的近侧端部连接的装置能够用于在管腔内形成真空。这在活组织检查针的尖端处形成吸力，该吸力将流体，包括最近被自由切割的细胞提取到针和管腔中。一般地，在活组织检查期间，可以最小化提取的材料的量。在一个示例中，吸力施加得足够久以拉出大约10厘米的材料。这意味着针的中空部分以及可能地管腔的一部分将填充到离针的尖端大约10厘米的点。在一些示例中，随后的切割阶段610和抽吸阶段612可以用于从患者身上提取进一步的材料。为每个抽吸阶段608、610提供的抽吸量能够使得提取的流体和组织的总量填充到离活组织检查针的尖端大约10厘米的点。也能够提取其他量的流体。例如，在一些情况下，可以从患者身上提取5厘米、15厘米或20厘米的材料。在一些示例中，在随后的抽吸阶段发生之前，每个切割阶段可以涉及设定数量的运动周期。另选地，阶段608可以是闭塞器移除阶段，在该移除阶段，在活组织检查器械的单独致动控制下的闭塞器从活组织检查器械撤回。闭塞器移除阶段可以被认为是预定义动态轨迹的采样动态控制模式的一部分，或者是预定义动态轨迹的不同的抽吸控制模式。

在一些示例中，高动态抖动信号可以用于覆盖输入信号，该输入信号用于使活组织检查针根据预定义动态轨迹移动。抖动信号将噪声添加到信号。此噪声可以帮助活组织检查针在其通过目标组织来回移动时克服摩擦力。在一些示例中，抖动信号可以由操作者修改。例如，可以根据需要修改抖动信号的脉冲形状、频率或振幅。

尽管图6示出彼此类似的周期，但是预定义动态轨迹的其他实施例可以包括变化的周期。图7是示出预定义动态轨迹内的周期的说明性变化的曲线图700。根据本示例，水平轴线704表示时间。垂直轴线702表示方位。具体地，垂直轴线702表示活组织检查针的尖端在给定时间点被定位的深度。曲线图700表示切割阶段的变化的周期。

例如，代替使预定义动态轨迹针对每个周期遵循类似的形式，周期能够变化，使得不同的运动能够根据需要切割组织。周期可以以多种方式变化。在一个示例中，对于切割阶段的部分706，周期可以在深度上变化。具体地，每个周期可以将针更深地延伸到患者的组织中。在一些示例中，对于切割阶段的部分708，周期可以涉及较慢地延伸和缩回针。

如上所述，在一些情况下，可以响应于用户命令而开始根据预定义动态轨迹的移动。然而，在一些示例中，操作者可以手动控制活组织检查器械的运动，同时控制系统调整输入以使活组织检查工具根据预定义动态轨迹移动。

图8是示出引起预定义轨迹的输入信号和手动输入信号之间的说明性差异的图示。根据本示例，水平轴线804表示时间。垂直轴线802表示输入信号，诸如施加到以特定自由度致动外科手术工具的马达的电流。选择输入信号以引起外科手术工具的期望移动，使得工具在特定时间的方位是根据需要的。

线808表示由来自操作者的手动输入产生的输入信号。线806表示将使外科手术工具根据预定义动态轨迹移动的输入信号。线810表示由线806和808表示的信号之间的差异。因此，控制系统能够将由线810表示的信号添加到手动输入信号808，以便形成使外科手术工具根据预定义轨迹移动的输入信号806。应当注意，图8中所示的输入信号806、808、810是用于讨论的目的，并且不一定表示可用于本文所述的原理的实际实施的实际输入信号。

图9是示出具有力感测机构904的说明性活组织检查工具900的图示。力感测机构904可以允许活组织检查工具的控制系统确定活组织检查针尖端404所经受的力。此信息能够允许控制系统调整到致动机构902的输入信号，以确保活组织检查针尖端404根据预定义动态轨迹移动。如上所述，输入信号被设计成使活组织检查针尖端404根据预定义动态轨迹移动。但是，因为外部因素诸如更坚韧的组织可以影响轨迹，所以来自力感测机构904的信息能够用于确定应该如何调整输入信号，以使得活组织检查针尖端404的运动的加速度、速度、方位、取向或其他方面更紧密地匹配预定义动态轨迹。根据本示例，力感测机构904安置在活组织检查器械406的近侧端部处。根据另选实施例，力传感器可以被远侧地定位在活组织检查针尖端404处或活组织检查针尖端404附近。

在另一另选方案中，通过比较用于驱动活组织检查器械的电流水平和用于预定义动态轨迹的(例如，基于当前组织类型、活组织检查器械特性、引导活组织检查器械移动的导管的当前形状)的预期电流水平之间的差异，力感测机构904可以检测在活组织检查针尖端处的接触力的定性测量。实际电流水平超过预期电流水平的大小提供活组织检查针尖端所经历的接触力的指示。当尖端经受显著的意外接触力时，必须施加更大的电流以沿期望的动态曲线驱动尖端。

力感测机构902能够用于估计进行活组织检查的组织的机械阻抗。在一些情况下，此信息可以帮助确定活组织检查针是否在目标位置内。例如，如果活组织检查针将在到达预期是硬的目标组织之前穿过一些不硬的组织，则能够知道活组织检查针406在用于执行活组织检查程序的适当方位处。在一些示例中，局部阻抗曲线用于定性地估计活组织检查针是否穿过一种或多种类型的组织进行活组织检查。在一些示例中，如果力感测机构检测到特定的力，或者如果检测到活组织检查器械退回导管中，则可以重新定位导管本身，使得导管的尖端更接近通道的壁。

图10是示出用于形成预定义动态轨迹的说明性方法1000的流程图。根据本示例，方法1000包括用于记录在活组织检查程序的手动控制期间的器械轨迹(包括例如位移、速度、加速度、取向、抽吸动作和闭塞器移除动作)的过程1002。在一个示例中，这包括记录当操作者使用手动控制装置手动执行活组织检查程序时形成的输入信号。在一个示例中，记录轨迹包括使用传感器来监测活组织检查针相对于活组织检查工具托架的方位，以确定手动控制的活组织检查针的轨迹。执行活组织检查程序的操作者可以是熟练且有经验的临床医生，使得活组织检查过程得以适当地执行。

方法1000进一步包括用于分析在活组织检查程序期间获得的细胞样品的过程1004。该过程1004可以由单独的实体执行。可以向细胞样品分配指示它们对于有助于进行诊断的分析有多有用的质量度量。如果质量度量高于特定阈值，则认为用于获得细胞样品的活组织检查程序是可接受的。然而，如果分配的质量度量低于阈值，则认为用于获得细胞样品的活组织检查程序是不可接受的。

在过程1006处，确定活组织检查程序是否是可接受的。如果不是，则在过程1008处能够丢弃对于该活组织检查程序的动态轨迹的记录。然而，如果认为活组织检查程序是可接受的，则在步骤1010处能够将轨迹添加到存储的轨迹集合。存储的轨迹的集合包括被认为是可接受的所有轨迹。

在步骤1012处，创建基于存储的轨迹集合的一个或多个预定义轨迹。在一个示例中，最终预定义动态轨迹可以是来自存储的轨迹集合的与某一活组织检查程序相关联的记录的轨迹，该活组织检查程序具有分配给从该活组织检查程序获得的样品的最高质量度量。在一个示例中，可以基于存储的轨迹集合中的若干个轨迹形成预定义动态轨迹。例如，可以针对类似的分量分析若干个轨迹。然后，可以形成具有与所述若干个轨迹类似的分量的复合轨迹。例如，可以确定若干个良好轨迹指示慢插入移动和快速提取移动。因此，复合轨迹将具有类似的特性。

在一些示例中，能够从产生最优结果的程序的单个记录中形成预定义动态轨迹。因此，预定义动态轨迹可以允许任何操作者，甚至没有广泛经验和技能的操作者执行活组织检查并获得与最高效的临床医生的结果类似的结果。

在一些示例中，可以通过参考来自实际活组织检查操作的记录的轨迹对活组织检查器械的移动进行编程来形成预定义动态轨迹。例如，可以确定轨迹的某些特性产生成功的活组织检查。可以将此类特性编程到预定义动态轨迹中。

在一些情况下，用户可以在操作之前对预定义动态轨迹进行手动改变。例如，用户可希望设置最大速度或加速度。在一些情况下，用户可希望改变某些动态。这可以是因为操作者已经观察了目标组织的扫描图像，并且认为此类修改将有助于得到更好的细胞样品。

图11是示出用于使用活组织检查器械的预定义动态轨迹的说明性方法1100的流程图。根据本示例，方法1100可选地包括用于将导管定位在患者的解剖结构内的停驻位置的过程1102。导管包括工作通路，该工作通路的尺寸和形状设定为接收外科手术工具(诸如活组织检查工具)。导管可以是可转向的，使得其能够导航通过患者的解剖结构以到达目标位置。停驻位置可以是将从其执行外科手术操作(诸如活组织检查)的部位。

方法1100进一步包括用于使外科手术工具穿过导管的过程1104。具体地，将外科手术工具插入导管的工作通路中。外科手术工具可以是活组织检查工具并且包括固定到工具的远侧端部的活组织检查针。因此，当活组织检查工具相对于导管移动时，针也相对于导管移动。可以在过程1102之前、过程1102期间或过程1102之后将外科手术工具插入导管中。

该方法进一步包括用于接收从停驻位置执行活组织检查的命令的过程1106。可以由例如与导管通信的控制系统接收该命令。操作者可以被提供有控制装置。在适当地安置导管和活组织检查工具之后，操作者能够简单地接合控制装置以使活组织检查程序得以执行。

该方法进一步包括用于从存储器装置检索预定义动态轨迹的过程1108。可以由活组织检查工具的操作者选择预定义动态轨迹。如上所述，预定义动态轨迹可以特定于正在执行的活组织检查操作的类型、组织的类型、患者状况或可以影响活组织检查工具的期望的动态轨迹的其他相关因素。

方法1100进一步包括用于使活组织检查工具的活组织检查针通过根据预定义动态轨迹移动而在目标组织位置上执行活组织检查的过程1110。因此，响应于接收到的命令，活组织检查器械根据预定义动态轨迹移动以执行活组织检查程序。预定义轨迹可以包括多个动态控制模式，例如，用于插入阶段的动态控制模式和用于采样阶段的动态控制模式。

本公开的系统和方法可以用于肺的连接的支气管通道。该系统和方法还可以适于经由在各种解剖系统中的任一种中的自然或外科手术形成的连接通道导航和治疗其他组织，所述解剖系统包括结肠、肠、肾、脑、心脏、循环系统系统等。本公开的方法和实施例也可适用于非外科手术应用。

本发明的实施例中的一个或多个元件可以用软件实施，以在计算机系统(诸如控制处理系统112)的处理器上执行。当以软件实施时，本发明的实施例的元件基本上是执行必要的任务的代码段。程序或代码段能够存储在处理器可读存储介质或装置中，其可以通过在传输介质或通信链路上的载波中体现的计算机数据信号下载。处理器可读存储装置可以包括能够存储信息的任何介质，包括光介质、半导体介质和磁介质。处理器可读存储装置示例包括电子电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储装置。可以经由计算机网络诸如因特网、内联网等下载代码段。

注意，所呈现的过程和显示可以不固有地与任何特定计算机或其他设备相关。各种通用系统可以与根据本文的教导的程序一起使用，或者可以证明构造更专用的设备以执行所述操作是方便的。各种这些系统所需的结构将作为元素出现在权利要求中。另外，不参考任何特定的编程语言来描述本发明的实施例。应当理解，各种编程语言可以用于实施如本文所述的本发明的教导。

虽然已经在附图中描述和示出本发明的某些示例性实施例，但是应当理解，此类实施例仅是对广泛的本发明的说明而非限制，并且由于本领域技术人员可以想到各种其他修改，所以本发明的实施例不限于所示出的和所描述的特定构造和布置。