用于医疗器械力感测的系统和方法与流程

本专利申请要求于2014年8月25日提交的名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR MEDICAL INSTRUMENT FORCE SENSING(用于医疗器械力感测的系统和方法)”的美国临时专利申请62/041,204的优先权和申请日的益处，其通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本公开涉及用于在医疗程序期间跟踪患者解剖结构内的医疗设备的系统和方法，并且更具体地涉及用于有效地确定当医疗器械在患者内部时医疗器械的尖端上的压力的系统和方法。

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，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。这种微创技术可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或更多个手术切口来执行。临床医生可以通过这些自然孔口或切口插入医疗工具以到达目标组织部位。医疗工具包括诸如治疗器械、诊断器械和外科器械的器械。为了到达目标组织部位，微创医疗工具可以导航于解剖系统(诸如肺、结肠、肠、肾、心脏、循环系统等)中的自然通道或手术创建的通道。

微创医疗程序可以依赖于器械位置监测，以确保适当地接近目标组织部位以及在目标组织部位处的适当行为。对于一些程序，微创医疗器械可以导航于解剖系统中的自然通道或手术创建的通道以到达目标组织部位。例如，微创医疗器械可以导航于肺、结肠、肠、肾、心脏、循环系统等中的自然通道。一些微创医疗器械可以是远程操作的或以其他方式由计算机辅助的。

精确的医疗器械模型在器械控制系统的设计、稳定性分析和实时操作中是有用的。通常，器械建模依赖于连续数值建模技术，例如有限元分析(FEA)。这些技术通常计算起来是昂贵的，并且需要大量的可变参数拟合和优化。由于与这些系统相关联的计算复杂性，将这些技术用于实时建模或预测在器械尖端处的组织相互作用力以用于控制和监测应用通常是不可行的。需要改进的系统和方法以预测在器械尖端和周围组织之间的相互作用力，以用于控制、监测和安全应用。

技术实现要素：

本发明的实施例由随附权利要求概括。

在一个实施例中，用于确定器械的尖端上的力的方法包括从具有至少一个细长的致动构件的医疗器械接收输入，所述致动构件用于器械在患者体内时操纵器械的位置，将输入应用于器械的集总模型，并基于输入和集总模型二者确定器械的尖端上的力。

在另一个实施例中，处理系统包括处理器和具有存储在其上的计算机可读指令的存储器，当由处理器执行时，所述计算机可读指令引起系统从附接到医疗器械内的细长的致动构件的马达接收输入，该细长的致动构件用于操纵医疗器械的尖端的位置。该系统进一步接收指示医疗器械的尖端的位置的输入，将输入应用于医疗器械的模型，并且使用输入及模型来确定来自于患者组织的置于(place)器械的尖端上的力。

在另一个实施例中，医疗系统包括医疗器械，该医疗器械包括在远端具有尖端的导管主体，具有旋转构件的至少一个马达，以及缠绕旋转构件并从旋转构件延伸通过医疗器械且被配置成操纵导管主体尖端的位置的缆线。该系统还包括控制系统，控制系统被配置为接收指示马达的位置的输入、接收指示马达上的力的输入、接收指示导管主体尖端的位置的输入，并基于输入和器械的部件的模型实时地确定在导管主体尖端上的力。

附图说明

当根据附图阅读时，从下面的详细的描述能最好地理解本公开的各方面。要强调的是，根据工业中的标准惯例，各种特征没有按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，可以任意地增加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。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1是根据本文所述的原理的一个示例的远程操作医疗系统。

图2示出了根据本文所述的原理的一个示例的医疗器械系统。

图3是示出根据本文所述的原理的一个示例的具有牵引线的说明性医疗器械的简图。

图4是示出根据本文所述的原理的一个示例的器械系统的说明性模型的简图。

图5是示出根据本文所述的原理的一个示例的带有位置传感器的说明性医疗器械的简图。

图6是示出根据本文所述的原理的一个示例的能够与医疗器械系统一起使用的说明性处理系统的简图。

图7是示出根据本文所述的原理的一个示例的用于使用模型来监测医疗器械的尖端压力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，现将参照附图中所示的实施例，并将用特定的语言来描述所述实施例。然而，应该理解，并不旨在对本公开的范围进行限制。在本发明的方面的具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，对本领域的技术人员而言显而易见的是，在没有这些特定细节的情况下也可以实践本公开的实施例。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、程序、部件以及电路，以免不必要地模糊本发明的实施例的方面。

所述设备、器械、方法的任何改变和进一步修改，以及本公开的原理的任何进一步应用均是可设想的，正如本公开所涉及的领域的技术人员通常会想到的那样。具体地，完全可以设想关于一个实施例所述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例所述的特征、部件和/或步骤组合。此外，本文所提供的尺寸用于特定示例，并且可以设想可利用不同的大小、尺寸和/或比例来实施本公开的概念。为避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例所描述的一个或更多个部件或动作(action)能够用于其他说明性实施例或从其他说明性实施例中省略。出于简洁的目的，这些组合的许多重复将不单独进行描述。为简单起见，在一些情况下，贯穿附图使用的相同的标号指的是相同的或相似的部分。

下面的实施例将依据器械在三维空间中的状态来描述各种器械和器械的部分。如本文所使用的，术语“位置”指的是对象或对象的一部分在三维空间(例如，沿笛卡尔X、Y、Z坐标的三个平移自由度)中的部位。如本文所使用的，术语“取向”指的是对象或对象的一部分的旋转位移(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“姿态”(pose)指的是对象或对象的一部分在至少一个平移自由度中的位置，以及该对象或该对象的一部分在至少一个旋转自由度(多达六个总自由度)中的取向。如本文所使用的，术语“形状”指的是沿对象测量的一组姿态、位置或取向。

参考附图的图1，用于例如包括诊断程序、治疗程序或手术程序的医疗程序中的远程操作医疗系统通常通过参考标号100来指示。如将要描述的，本公开的远程操作医疗系统受外科医生的远程操作的控制。在替代实施例中，远程操作医疗系统可以受经编程以执行程序或子程序的计算机的部分控制。在其他替代实施例中，受经编程以执行程序或子程序的计算机的完全控制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大体包括用于操作医疗器械系统104在患者P上执行各种程序的远程操作组件102。组件102安装到或靠近手术台O，其中患者P定位在手术台O上。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观察表示手术部位的图像，并且控制医疗器械系统104的操作。

在替代实施例中，远程操作系统可以包括多于一个的操纵器组件。操纵器组件的确切的数目将取决于手术程序和手术室内的空间约束，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C处，外科医生的控制台通常位于与手术台O相同的房间中。然而，应该理解，外科医生S能够位于不同的房间中或完全不同于患者P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的一个或更多个控制设备112。(一个或更多个)控制设备112可以包括任意数量的各种输入设备中的一个或更多个，诸如手柄、操纵杆、追踪球、数据手套、触发抢、手操作的控制器、语音识别设备、触摸屏、人体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(一个或更多个)控制设备112将具有与远程操作组件的医疗器械相同的自由度，以向外科医生提供临场感，(一个或更多个)控制设备与器械一体的感知，从而使得外科医生具有好像置身在手术部位处直接控制器械的强烈感觉。在其他实施例中，(一个或更多个)控制设备112可以具有比相关联的医疗器械更多或更少的自由度，并且仍向外科医生提供临场感。在一些实施例中，(一个或更多个)控制设备112为手动输入设备，手动输入设备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柄部(例如，用于闭合抓取的钳头、施加电势到电极、递送药用治疗件等)。

远程操作组件102支撑医疗器械系统104，并且可以包括一个或更多个非伺服控制的链节(links)(例如，可以手动定位并锁定在恰当位置中的一个或更多个链节，其通常被称作设置结构(set-up structure))的运动学结构和远程操作操纵器。远程操作组件102包括响应于来自控制系统(例如，控制系统116)的命令而驱动医疗器械系统104上的输入的多个致动器或马达。马达包括驱动系统，当耦接到医疗器械系统104时，该驱动系统可以将医疗器械推进到自然解剖孔口或手术创建的解剖孔口中。其他机动化的驱动系统可以在多个自由度中移动医疗器械的远端，所述多个自由度可以包括三个线性运动度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三个旋转运动度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)。此外，马达能够用于致动器械的可铰接的末端执行器，以用于抓取活检设备等的钳头中的组织。

远程操作医疗系统100还包括具有一个或更多个子系统的传感器系统108，以用于接收关于远程操作组件的器械的信息。这种子系统可以包括位置传感器系统(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/或沿着器械系统104的柔性主体的一个或更多个节段的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状；和/或用于从导管系统的远端采集图像的可视化系统110。

可视化系统110可以包括观察镜组件(以下更详细所述)，使得手术部位的同步图像或实时图像被提供到外科医生控制台C。同步图像可以是例如由定位在手术部位内的内窥镜采集到的二维图像或三维图像。在该实施例中，可视化系统100包括可以整体地或可移除地耦接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在替代实施例中，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成像手术部位。可视化系统110可以被实施为与一个或更多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或更多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，所述计算机处理器可以包括控制系统116(下面所述)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的子系统生成的手术部位和(一个或更多个)医疗器械系统104的图像或表征的显示系统111。显示器111和操作者输入系统106可以被定向为使得操作者能够用临场感的感知来控制医疗器械系统104和操作者输入系统106。

显示系统111还可以显示由可视化系统110采集的手术部位和医疗器械的图像。显示器111和控制设备112可以被定向为使得在镜组件中的成像装置和医疗器械的相对位置类似于外科医生的眼睛和手的相对位置，从而操作者能够犹如在非常真实的临场感下观察工作空间那样操纵医疗器械104和手控制。通过真实的临场感，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的立体图像。

替代地或另外地，显示器111可以使用成像技术(诸如计算机断层成像技术(CT)、核磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热像图、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X-射线成像等)呈现术前记录和/或建模的手术部位的图像。所呈现的术前图像可以包括二维图像、三维图像或四维图像。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，基于时间的信息或基于速度的信息)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111可以显示虚拟导航图像，在虚拟导航图像中，医疗器械104的实际部位与术前图像或同步图像配准(即，动态地参考)，以向外科医生S呈现器械104的尖端的部位处的内部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。替代地，器械104可以在虚拟图像中不可见。

在其他实施例中，显示器111可以显示虚拟导航图像，在虚拟导航图像中，医疗器械的实际部位与手术前图像或同步图像配准，以从外部视角向外科医生S呈现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以及显示系统110之间的控制。控制系统112还包括编程的指令(例如，储存指令的计算机可读介质)以实施根据本文公开的方面所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方框，但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上执行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。可以采用多种多样的集中式或分布式数据处理架构中的任一种。类似地，编程的指令可以被实施为多个单独的程序或子程序，或者它们可以被结合到本文所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、红外数据通讯(IrDA)、家庭无线射频(HomeRF)、IEEE 802.11、数字增强无线通讯(DECT)以及无线遥测技术。

在一些实施例中，控制系统112可以包括一个或更多个伺服控制器，所述一个或更多个伺服控制器从医疗器械系统104接收力和/或扭矩反馈。响应于所述反馈，伺服控制器将信号传输至操作者输入系统106。(一个或更多个)伺服控制器还可以传输指示远程操作组件102移动(一个或更多个)医疗器械系统104的信号，(一个或更多个)医疗器械系统104经由人体中的开口延伸到患者体内的内部手术部位。可以使用任何合适的常规或专门的伺服控制器。伺服控制器可以与远程操作组件102分开或成为一体。在一些实施例中，伺服控制器和远程操作组件被提供作为与患者身体相邻安置的远程操作臂推车的一部分。

控制系统112还可以包括虚拟可视化系统，以向(一个或更多个)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是基于对与解剖通道的三维结构相关联的所获取的数据集的参考。更具体地，虚拟可视化系统处理使用成像技术诸如计算机断层成像技术(CT)、核磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热像图、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X-射线成像等成像的手术部位的图像。使用软件将记录的图像转换为部分或整个解剖器官或解剖区域的二维或三维复合表征。图像数据集与复合表征相关联。复合表征和图像数据集描述了通道的各种位置和形状及其连通性。用于生成复合表征的图像可以在术前或在临床手术期间在术中被记录。在替代实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表征(即，非患者特定的)或标准表征与患者特定数据的混合。复合表征和通过复合表征生成的任何虚拟图像可以表现在运动的一个或更多个阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的可变形解剖区域的静态姿势。

在虚拟导航程序期间，可以使用传感器系统108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层次跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像。使用光纤传感器来配准和显示医疗器械以及术前记录的手术图像(例如来自虚拟可视化系统的手术图像)的各种系统是已知的。例如，通过引用以其全文并入本文的美国专利申请No.13/107,562(提交于2011年5月13日)(公开了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery(提供用于图像引导的外科手术的解剖结构的模型的动态配准的医疗系统)”)公开了一个这样的系统。

远程操作医疗系统100可以进一步包括可选的操作和支撑系统(未示出)，诸如照明系统、转向(steering)控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在替代实施例中，远程操作系统可以包括多于一个的远程操作组件和/或多于一个的操作者输入系统。操纵器组件的确切的数量将取决于手术程序和手术室内的空间约束，以及其他因素。操作者输入系统可以被放置在一起或者其可以被定位在分开的位置中。多个操作者输入系统允许多于一个的操作者以各种组合控制一个或更多个操纵器组件。

图2图示说明了医疗器械系统200，其可以用作远程操作医疗系统100的医疗器械系统104。替代地，医疗器械系统200可以用于非远程操作探查性程序或涉及传统手动操作的医疗器械的程序(例如内窥镜检查)。

器械系统200包括被耦接到器械主体204的导管系统202。导管系统202包括具有近端217和远端或尖端部218的细长的柔性导管主体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，以用于确定在远端218处的导管尖端和/或沿着主体216的一个或更多个节段224的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状。主体216在远端218和近端217之间的整个长度可以被有效地分成节段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。如果器械系统200被手动地操作或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对齐的光纤(例如，设置在内部通道内(未示出)或安装在外部)。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。在一个替代实施例中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于提供结构在一个或更多个维度上的应变测量。在美国专利申请No.11/180,389(提交于2005年7月13日)(公开了“Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto”(光纤位置和形状感测装置及其相关方法))；美国专利申请No.12/047,056(提交于2004年7月16日)(公开了“Fiber-optic shape and relative position sensing(光纤形状和相对位置感测)”)；和美国专利No.6,389,187(提交于1998年6月17日)(公开了“Optical Fibre Bend Sensor(光纤弯曲传感器)”)中描述了用于监测光纤在三维中的形状和相对位置的各种系统和方法，上述专利通过引用以其全文并入本文。替代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(Rayleigh scattering)、拉曼散射(Raman scattering)、布里渊散射(Brillouin scattering)和荧光散射(Fluorescence scattering)。在其它替代实施例中，可以使用其他技术确定导管的形状。例如，导管的远侧尖端姿势的历史能够用于在该时间间隔内重建装置的形状。作为另一示例，历史姿态、位置或取向数据可以被存储为器械系统的沿着交替运动的循环(例如呼吸)的一个已知点。该存储的数据可以用于开发关于导管的形状信息。替代地，沿着导管被定位的一系列位置传感器(例如EM传感器)能够用于形状感测。替代地，在程序期间，来自在器械系统上的位置传感器(例如EM传感器)的数据的历史可用于表征器械的形状，特别是如果解剖通道基本上是静态。替代地，具有通过外部磁场控制的位置或取向的无线装置可用于形状感测。无线装置的位置的历史可以用于确定导航通道的形状。

在该实施例中，光纤可以包括在单个包层内的多个纤芯(core)。每个纤芯可以是具有将纤芯分离的足够距离和包层的单模(single-mode)，使得每个纤芯中的光不与其它纤芯中携带的光显著地相互作用。在其他实施例中，纤芯的数量可以变化，或者每个纤芯可以被包含在单独的光纤中。

在一些实施例中，在每个纤芯内提供了一组FBG。每个FBG包括一系列纤芯的折射指数(index)的调制，以便生成在折射指数方面的空间周期性。间距可以被选择为使得来自每个指数变化的部分反射相干地增加为窄的波长带，并且因此仅反射该窄的波长带而使更宽的带通过。在制造FBG期间，按照已知距离来间隔调制，从而引起已知波长带的反射。然而，当在光纤纤芯上引起应变时，调制的间距将根据纤芯中的应变量而改变。替代地，反向散射或随光纤的弯曲而变化的其他光学现象能够用于确定每个纤芯内的应变。

因此，为了测量应变，将光向下发送到光纤中，并且测量返回光的特性。例如，FBG产生反射波长，该反射波长是光纤上的应变及其温度的函数。这种FBG技术可从各种来源(例如英国布拉克内尔的智能纤维有限公司，Smart Fibres Ltd.of Bracknell,England)作为商品购得。在通过引用以其全文并入本文的美国专利No.7,930,065(提交于2006年7月20日)(公开了“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings(包括使用光纤布拉格光栅的位置传感器的机器人手术系统)”)中描述了在用于远程操作手术的位置传感器中FBG技术的使用。光纤可用于监测导管系统202的至少一部分的形状。更具体地，处理通过该光纤的光以检测导管系统202的形状并利用该信息来辅助手术程序。传感器系统(例如，传感器系统108)可以包括用于产生和检测用于确定导管系统202的形状的光的解调系统。该信息进而能够用于确定其它相关变量，例如医疗器械系统的零件的速度以及加速度。感测可以仅受限于通过远程操作系统致动的自由度，或者它可以被应用于被动(例如，接头之间的刚性构件的未致动的弯曲)自由度和主动(例如，器械的已致动的运动)自由度二者。

医疗器械系统可以可选地包括位置传感器系统220。位置传感器系统220可以是带有传感器220的EM传感器系统的部件，其中传感器220包括一个或更多个导电线圈，导电线圈可以经受外部产生的电磁场。EM传感器系统220的每个线圈随后产生感应电信号，感应电信号具有取决于线圈相对于外部产生的电磁场的位置和取向的特征。在一个实施例中，EM传感器系统可以被配置为和定位以测量六个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示原点的俯仰、偏转和滚动的三个取向角度，或五个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示原点的俯仰和偏转的两个取向角度。在通过引用以其全文并入本文的美国专利No.6,380,732(提交于1999年8月11日)(公开了“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked(在被跟踪对象上具有被动转发器的六自由度跟踪系统)”)中提供了EM传感器系统的进一步描述。

跟踪系统230可以包括位置传感器系统220和形状传感器系统222，以用于确定远端218和沿着器械200的一个或更多个节段224的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状。跟踪系统230可以被实施为与一个或更多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或更多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，所述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包括通道，通道尺寸和形状经设计以接收辅助器械226。辅助器械可以包括例如图像采集探针、活检器械、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的末端执行器，例如解剖刀、钝刀片、光纤或电极。其它末端执行器可以包括例如钳子、抓紧器、剪刀或施夹器。电激活的末端执行器的示例包括电外科电极、转换器、传感器等等。在各种实施例中，辅助工具226可以是图像采集探针，其包括在柔性导管主体216的远端218处或远端218附近带有立体或单视相机的远侧部，以用于采集通过图像采集系统108处理以用于显示的图像(包括视频图像)。图像采集探针可以包括被耦接到相机的缆线，以用于传输采集到的图像数据。替代地，图像采集器械可以是耦接到成像系统的光纤束(例如纤维镜)。图像采集器械可以是例如在可见光谱、红外光谱或紫外光谱的一个或更多个中采集图像数据的单光谱或多光谱的。

辅助器械226可以容纳在器械的近端和远端之间延伸的缆线、联动装置或其它致动控制件(未示出)，以可控制地使器械的远端弯曲。在美国专利No.7,316,681(提交于2005年10月4日)(公开了“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity(用于执行具有增强的灵巧度和灵敏度的微创手术的铰接的手术器械)”)和美国专利申请No.12/286,644(提交于2008年9月30日)(公开了“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments(用于外科器械的无源预载和绞盘驱动)”)中详细描述了可转向器械，上述申请通过引用以其全文并入本文。

柔性导管主体216也可以容纳在壳体204和远端218之间延伸的缆线、联动装置或其它转向控制件(未示出)，以可控制地使远端218如所示弯曲，例如由远端的断裂的虚线描绘219所示。在通过引用以其全文并入本文的美国专利申请No.13/274,208(提交于2011年10月14日)(公开了“Catheter with Removable Vision Probe(具有可移除的视觉探头的导管)”)中详细描述了可转向导管。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可以包括被可移除地耦接到远程操作组件的机动化的驱动元件并从其接收功率的驱动输入装置。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，或者替代地，该系统可以是不可转向的，其不具有用于器械弯曲的操作者控制的集成机构。另外地或替代地，在柔性主体216的壁中限定了一个或更多个管腔，医疗器械能够通过所述管腔在目标手术位置处被部署和使用。

在各种实施例中，医疗器械系统200可包括用于在肺的检查、诊断、活检或治疗中使用的柔性支气管器械，例如支气管镜或支气管导管。系统200也适用于在多种解剖系统中的任一种中经由自然连接通道或手术创建的连接通道对其他组织的导航和治疗，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110的信息和/或术前获得的图像相组合以向外科医生或其他操作者在显示系统111上提供实时位置信息，以用于在器械200的控制中。控制系统116可以利用该位置信息作为用于定位器械200的反馈。在通过引用以其全文并入本文的美国专利申请No.13/107,562(提交于2011年5月13日)(公开了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery(提供用于图像引导的外科手术的解剖结构的模型的动态配准的医疗系统)”)中提供了使用光纤传感器来配准并显示外科器械与外科手术图像的各种系统。

在图2的实施例中，器械200在远程操作医疗系统100内被远程操作。在替代实施例中，远程操作组件102可以由直接的操作者控制代替。在直接操作的替代方案中，可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作者界面/接口(interfaces)。

器械系统(例如，系统200)的动态模型在引导控制器设计和执行稳定性分析中是有用的。来自控制器设计的说明书也可以用于引导导管构造和设计，从而避免了用于导管设计和性能验证的冗长的反复试验过程。这些模型也可用于预测影响安全性的关键系统参数。例如，这些模型可以用于实时地建模施加自组织的力/扭矩，从而防止或减少对组织或对器械的损伤。对于小直径器械来说，动态建模可以特别地有用，考虑到空间约束，用于直接地测量远侧尖端力的大型压力传感器是不实用的。

图3示意性地示出了类似于器械系统200的医疗器械系统300，其具有在器械300的柔性导管主体314内纵向延伸的相对的致动构件310a、310b。致动构件310a、310b在相反方向上以一个自由度(例如，俯仰自由度运动)移动柔性主体314的远端部315。柔性主体314还可以容纳相对的驱动部件(未示出)，驱动部件用于在相反方向上以其他自由度(例如偏转自由度)移动柔性主体的远侧尖端317。在该实施例中，致动构件是绳索(tendon),例如牵引线。绳索310a、310b的至少一部分可以分别由具有细长的内部部件312a、312b的鲍登缆线(Bowden cable)组成，(例如，线材或缆线)分别可相对于细长的在外部卷绕的鞘管311a、311b移动。绳索310a、310b还被设计成具有相对于主体314的内部或者绳索延伸通过的任何管腔的最小的摩擦量。这允许绳索310a、310b在器械尖端315的操作和移动期间根据需要滑动。在一些示例中，绳索310a、310b可以被设置在形成主体314的主管腔的内管腔内。

每个缆线312a、312b被耦接到相应的驱动机构316a、316b。在该实施例中，驱动机构316a、316b是分别具有驱动轴318a、318b的伺服马达。缆线312a缠绕在驱动轴318a上，且缆线312b缠绕在驱动轴318b上。致动构件310a、310b的远端连接到器械远侧尖端317或靠近器械远侧尖端317连接。驱动机构316a、316b通过张紧系统320a、320b柔顺地耦接到马达壳体或彼此。例如，驱动机构316a能够利用附接到驱动机构316b的弹簧拉紧。张紧系统320a、320b包括施加扭转预张紧力以驱动部件316a、316b的偏置构件(例如弹簧)。张紧系统能够补偿在致动构件310a、310b中可能产生的松弛。

马达316a、316b的旋转将延伸或缩短轴318a、318b与器械尖端317之间的致动构件距离。马达轴318a，318b能够以往复方式旋转，使得远端部315围绕接头区域319以俯仰运动枢转。例如，为了在俯仰方向322上移动远端部315，马达316a可以旋转轴318a以缩短致动构件310a在轴318a和器械尖端317之间的距离。另外或替代地，马达316b可以旋转轴318b，使得致动构件310b在轴318b和器械尖端317之间的距离延伸。类似地，为了在相反的俯仰方向324上移动远端部315，马达316a可以旋转轴318a，以延伸致动构件310a在轴318a和器械尖端317之间的距离。另外地或替代地，马达316b可以旋转轴318b，使得致动构件310b在轴318b和器械尖端317之间的距离缩短。器械的远端部315能够在俯仰上(如所述的)或在其他移动度(例如偏转和滚动)上被移动，以导航于患者的内部通道。接头319与远侧尖端317之间的角度量θ_tip和远侧尖端317与通过接头319的器械近侧限定的纵向轴线A之间的偏移距离R随着远端部315的俯仰且因此随着马达316a、316b的角度旋转量θ₁和θ₂分别变化。

器械300包括尺寸经设计用于各种工具中的任一种的通过以执行各种医疗程序的通道328。在一个示例中，活检工具可以延伸通过通道以通过远侧尖端317从患者移除组织。可以已经从术前或术中CT图像识别待活检的特定组织的位置。在另一示例中，器械300可以包括成像装置或允许成像装置通过通道328的通过，以允许外科医生目测检查患者的内部通道内的目标部位。因此，器械尖端317可以导航于患者的内部通道以到达目标部位。

如图4所示，器械系统300可以与集总参数模型400一样建模。集总模型是对空间分布的物理系统的行为的简化描述。它通常使用由在某些假设下近似于分布式系统的行为的离散实体组成的拓扑结构。用于机械系统的集总模型通常包括带有弹簧的一组刚体和在这些刚体之间的阻尼力。与计算上更复杂的连续数值模拟技术(例如FEA)相比，集总参数模型400是允许器械300的实时建模的简单的动态导管模型。因此，该模型能够用于在医疗程序期间向操作者提供引导和反馈。

在模型400中，马达316a、316b被建模为刚体质量M_motor，其经受库伦摩擦力f₁和耦接到地402的粘性摩擦力d₁。地402表示理论固定的稳定体。摩擦力f₁和d₁对应于由旋转的马达轴所经历的摩擦力。因为模型400是集总模型，所以f₁和d₁可以表示由马达轴所经历的摩擦力和由连接到马达轴的缆线的部分所经历的摩擦力的组合效应。马达轴318a、318b的角度旋转和/或取向(或取向的变化)可以被建模为取向位移X1。能够实时确定马达轴的旋转和/或取向。这可以例如通过使用解角器、编码器、电位计和其它能够确定马达轴的旋转和取向的机构来完成。被施加用于致动马达的力被建模为施加到质量M_motor的力F_motor。如果提供恒定的弹簧力，则接载弹簧(pick-up spring)320a/320b能够通过向F_motor添加常数被计入到模型中。如果接载弹簧320a/320b是线性弹簧，则它们能够被考虑使用马达位置。然而，在一些情况下，来自接载弹簧320a/320b的力可以被忽略不计，使得模型400在不考虑接载弹簧320a/320b的情况下是足够准确的。

模型400将两个马达316a、316b表示为单一刚体质量，但是在替代实施例中，多个马达可以被建模为单独的刚体质量。两个马达316a、316b能够通过仅考虑运动的部件被简化，该部件由拉伸其牵引线的一个马达和释放其牵引线的相对的马达组成。因此，两个马达316a/316b能够由一个质量表示。能够实时监控力F_motor404。这可以通过计算来自于被施加到马达的电流的力来完成。在一些示例中，正在被施加的电流是软件控制的。因此，能够容易地监测电流且因此能够容易地监测力。然而，在某些情况下，缆线或马达轴上的力传感器可用于监测马达力F_motor404。

导管主体314(及在其中延伸的任何工具)的全部或一部分被建模为刚体质量M_catheter，其经受库伦摩擦力f₂和耦接到地402的粘性摩擦力d₂。例如，质量M_catheter可以表示尖端317或远端315。摩擦力f₂和d₂对应于导管主体314沿着解剖通道滑动所经历的摩擦力。摩擦力f₂和d₂表示当远端部315弯曲时缆线或缆线的在导管主体内滑动的一部分的摩擦力以及在远端部315中的摩擦力。导管的远侧尖端317的位置和取向(例如，角度θ_tip和偏移距离R)被建模为位移X₂。X₂表示θ_tip和能够从θ_tip中得到R。导管主体314的弯曲刚度和轴向刚度被建模为具有耦接在质量M_catheter和地402之间的弹簧常数k_offset的弹簧。

致动构件310a、310b被建模为耦接在质量M_catheter和M_motor之间的弹簧。该弹簧具有弹簧常数k_cable和提供粘性摩擦力d₃的对应的阻尼器参数。模型400将致动构件310a、310b表示为具有单个弹簧和单个阻尼器的单一元件，但是在替代实施例中，多个致动构件可以被建模为单独的刚体质量。

现在参考图5，当器械300的远端315移动通过患者的内部通道时，其遇到人体组织350。因此，力将通过远侧尖端317被施加到组织350上，并且一个等大反向的力F_tissue将通过组织350被施加到远侧尖端317上。如上所述，如果该力超过预定的阈值，则远端315可引起对组织350的损伤。例如，器械尖端317可能擦伤组织350的内表面或可在组织中撕开孔。使用模型400，医疗器械300的操作者可以实时地掌握正在向组织350施加多少压力或力。因此，模型400用作动态状态观察器，以用于连续地监测组织和器械之间的相互作用力。

再次参考图4，可以使用模型400确定在患者组织上的远侧尖端317的力F_tissue。可以贯穿整个医疗程序测量参数—力F_motor、位移X₁和位移X₂，并将其应用于模型，以确定实时力F_tissue。被施加到集总模型400的力F_motor提供了力F_tissue的实时估计。摩擦力参数f₁、f₂、d₁、d₂、d₃以及弹簧参数k_cable和k_offset用于确定在器械系统300中工作的其他力，这些力影响力F_motor以确定合力F_tissue。在一些实施例中，用于在特定患者上执行医疗程序的特定医疗器械的摩擦力参数f₁、f₂、d₁、d₂、d₃以及弹簧参数k_cable和k_offset可以是恒定的。替代地，这些参数中的一个或更多个可以在医疗程序的开始时或期间基于特定患者改变。例如，与靠着通道移动的导管主体314的摩擦力相关联的摩擦参数f₂、d₂可以随着患者年龄、组织类型和/或沿着患者解剖通道的部位而变化(即，与其他部位相比，通道在某些部位时可能更刚性)。此外，可以测量导管主体314的形状，并且该形状信息用于调整弹簧常数k_offset的值。例如，基于导管主体314如何弯曲，可存在更多或更少的轴向和弯曲刚度。由于模型是集总模型400，导管和牵引线的惯性(质量)、刚度和摩擦力取决于导管的形状。例如，当进行90度弯曲时，导管的刚度可能不同于伸直时导管的刚度。校正这种影响的一种方法是确定在许多不同离线形状下的导管的惯性、刚度和摩擦力参数(即M_catheter、k_offset、f₂、d₂、k_cable、d₃)，且然后在程序期间使用形状传感器确定哪个离线形状最合适。

另外地或替代地，能够通过在外部卷绕的鞘管311a、311b的基部附接力传感器来直接地测量摩擦力f₂、d₂和d₃。随着导管的近侧部分(在318和319之间)改变形状，用于所需θ_tip的正确的马达位置改变。通过使用形状传感器，我们能够测量导管形状并确定正确的马达位置应该是怎样的。

图4中的系统的运动遵循以下关系：M_motor a1＝-d1 v1-f1 sine(v1)+k_cable(x2-x1)+d3(v2-v1)+F_motor+F_return_spring；以及M_catheter a2＝-k_offset x2-d2v2-f2sine(v2)+k_cable(x1-x2)+d3(v1-v2)+F_tissue；其中v1(速度)是x1的时间导数，a1(加速度)是v1的时间导数(对于v2，a2和x2类似)。因为我们知道x1(马达位置)，x2(导管尖端位置)和F_motor(通过马达施加的力)，且我们能够从x1和x2导出v1、v2、a1和a2，且我们从离线实验中知道d1、d2、d3、M_motor、M_catheter、f1、f2、k_cable和k_offset，所以我们能够从上述方程推导出F_tissue。

图5示出了在一个实施例中，可以通过位置和/或形状传感器确定远侧尖端317的位移x₂和/或远端部315的形状。根据所图示说明的实施例，形状传感器362(例如上述的形状传感器222)包括延伸通过器械300的光纤缆线。形状传感器362在近端处被耦接到询问器360并且延伸到远侧尖端317。在替代实施例中，传感器可以在远端部315的其他位置终止。被询问的形状传感器362提供关于远端部315的形状的信息，并且该形状信息可以用于确定远侧尖端317相对于沿着传感器的另一点(例如接头319或可以相对于患者解剖结构被固定的询问器360)的位置和取向。在通过引用以其全文并入本文的美国专利No.7,720,322(提交于2008年6月30日)(公开了“Fiber Optic Shape Sensor(光纤形状传感器)”)中提供了关于使用光学形状传感器确定医疗器械的部分的位置的附加信息。

图6是示出能够与医疗器械系统300一起使用的说明性处理系统(例如，控制系统116)的简图。处理系统600包括可以包括软件606和数据存储区608的存储器604。处理系统还包括处理器610和输入/输出(I/O)端口602。

存储器604可以是几种不同类型的存储器之一。某些类型的存储器(例如固态驱动器)被设计用于存储。这些类型的存储器通常具有大的存储容量，但性能相对较慢。其他类型的存储器(例如用于随机存取存储器(RAM)的存储器)针对速度进行了优化，并通常被称为“工作存储器”。各种类型的存储器可以以软件606和在数据存储区608中的数据的形式存储信息。

处理系统600还包括用于执行软件606并使用或更新存储在存储器604中的数据608的处理器610。软件606可以包括基于模型和一组输入实时计算器械尖端力所需的工具。软件还可以包括用于在器械尖端力超过预定义值时警告器械的操作者的机构。例如，器械的操作者可以设置一个值，如果器械尖端力超过该值时，他或她应该被警告。该值可以是按照医疗行业标准设定的标准值。在某些情况下，可以基于患者的生理机能来调整该值。例如，如果操作者认为患者可能更容易在内部组织中发生撕裂，则操作者可以将该值设置得更低，使得当器械尖端力超过被视为对特定的病人不安全的水平时能够警告他或她。

图7是示出使用模型来监测医疗器械的尖端压力的说明性方法的流程图。根据一个说明性实施例，用于确定器械的尖端上的力的方法700包括用于接收来自器械的输入的步骤702，该器械具有用于器械在患者体内时操纵器械的位置的至少一个致动构件。输入可以包括马达力、马达位置和器械尖端位置。这些输入可以通过如上所述的各种仪器来测量。例如，可以通过光纤传感器确定器械尖端位置。

该方法还包括用于将输入应用到器械的集总模型的步骤704。如上所述，集总模型包括马达质量和与医疗器械的一部分相关联的医疗器械质量。这两个质量通过弹簧和阻尼力相互作用。此外，这两个质量涉及摩擦力。

该方法还包括用于基于输入和集总模型二者确定器械的尖端上的力的步骤706。这可以被实时执行。因此，基于输入和集总模型，操作者能够获得被置于器械的尖端上的力的基本准确的读数，其进而指示在患者的组织上的力。当力超过预定的值时，能够相应地通知操作者。

本公开的系统和方法可以用于肺的连接的支气管通道。所述系统和方法也可适用于在多种解剖系统中的任一种中经由自然或手术创建的连接通道用于其他组织的导航和治疗，所述解剖系统包括结肠、肠、肾、脑、心脏、循环系统等。本公开的方法和实施例也适用于非手术应用。

本发明的实施例中的一个或更多个元件可以在软件中实施，以在计算机系统(诸如控制处理系统600)的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明的实施例的元件本质上为执行必要任务的代码段。程序或代码段能够被存储在处理器可读存储介质或设备中，其中所述设备可以已经通过传输介质或通信链接经由实施在载波中的计算机数据信号下载。处理器可读存储设备可以包括能够存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质以及磁性介质。处理器可读存储设备示例包括电子电路；半导体设备、半导体存储器设备、只读存储器(ROM)、闪存存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。代码段可以经由计算机网络(诸如因特网、内联网等)进行下载。

注意，所呈现的过程和显示可以不固有地与任何具体计算机或其他装置相关。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装置以执行所描述的操作是方便的。各种这些系统的所需结构将作为元件在权利要求书中出现。此外，本发明的实施例并不参考任何特定的编程语言进行描述。应该认识到，各种编程语言均可以用于实施如本文所述的本发明的教导。

尽管已经在附图中示出且描述本发明的某些示例性实施例，但应该理解，此类实施例仅是对广义发明的说明而非对其进行限制，并且由于本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改，因此本发明的实施例不限于所示和所述的特定结构和布置。