本公开涉及医学仪器，并且更具体地涉及用于在医学应用中使用受控的关节来对设备进行机器人操纵的系统和方法。
背景技术
气囊鼻窦成形术是将气囊导管插入阻塞的鼻窦以减轻患者鼻窦感染症状的流程。在此流程中，引导导管通过鼻插入鼻窦。引导导管可具有弯曲的端部以便于进入适当的鼻窦。将导丝放置在导管内，并且一旦导丝处于正确位置，引导导管就缩回。将气囊导管放置在导丝上，并且使气囊膨胀以打开空气通道。该流程在柔性内窥镜和x射线的引导下完成。x射线通常被采用以验证导丝是否放置在合适的鼻窦开口中。
鼻窦的解剖结构非常复杂，并且可以包括多个急转弯以从鼻子到达窦腔。此外，为了治疗的成功，需要找到用于展开球囊的合适位置。以下描述的问题中的一些进一步阻碍了导航。例如，引导导管的控制是复杂的。外科医师需要针对弯曲的端部选择合适的角度，这是根据患者的计算机断层摄影(ct)扫描确定的。然后引导导管被枢转并旋转以将曲线定位在鼻窦入口点处。该流程在图像引导下执行，图像引导可包括通过引导导管插入的光纤内窥镜和/或采集解剖结构和设备的二维图像的c型臂x射线系统。由于2d图像不能捕获复杂的3d解剖结构，因此x射线引导可能具有挑战性。内窥镜引导仅在其位于导管前方时才能示出窦开口。
技术实现要素：
根据本发明的原理，一种机器人包括具有一个或多个机器人控制的关节的可操纵设备，所述一个或多个机器人控制的关节被配置为操纵所述可操纵设备。设备控制系统被配置为根据来自图像控制系统的图像反馈或体积中的计划中的一个来调整可操纵设备的定位，使得向一个或多个机器人控制的关节发出控制命令以在与可操纵设备朝向目标的导航一致的方向上操纵所述可操纵设备。
一种引导系统包括具有可调节端部部分的可操纵设备，所述端部部分连接到机器人控制的关节。图像控制系统被配置为将术中图像与术前图像组合以评估可操纵设备在体积内的位置。设备控制系统被配置为从图像控制系统接收位置信息并使用运动学模型来评估可操纵设备在体积中的定位。设备控制系统向机器人控制的关节发出控制命令，以在与可操纵设备朝向目标的导航一致的方向操纵所述可操纵设备。
一种引导方法包括：插入具有可调节的机器人控制的关节的可操纵设备，所述机器人控制的关节被配置为被操纵到体积内；提供所述体积内的所述可操纵设备的位置或图像反馈；并且使用被配置为接收反馈的设备控制系统，根据计划自动地将所述可操纵设备朝向目标导航，以评估所述可操纵设备在所述体积中的定位，并且向所述机器人控制的关节发出控制命令以操纵所述可操纵设备。
根据以下对本公开的说明性实施例的详细描述，本公开的这些及其他目标、特征以及优点将变得显而易见，本公开的说明性实施例要结合附图进行阅读。
附图说明
本公开将参考下图而详细地呈现下面的优选的实施例的描述，其中：
图1是示出根据一个实施例的引导系统的框图/流程图，所述引导系统采用具有机器人控制的关节的可操纵设备以在医学设备上形成可操纵的端部部分；
图2是示出根据说明性实施例的用于引导(例如，机器人控制的)可操纵设备的方法的流程图；
图3是示出根据一个实施例的具有三个旋转自由度和平移的说明性的关节的图；
图4a是示出根据一个实施例的接近分支结构的可操纵设备的图；
图4b是示出根据一个实施例的在被调整以选择所需路径之后的图4a的可操纵设备的图；并且
图5是示出根据另一实施例的采用可操纵设备和设备控制系统的机器人的框图/流程图。
具体实施方式
根据本发明原理，提供了用于可操纵设备的系统和方法，所述可操纵设备可包括致动的机器人控制的关节，其被使用图像引导系统引导以将导丝放置在窦或其他复杂的腔或腔网络中。所述可操纵设备可以包括一个或多个关节并且可以被称为机器人。所述关节被配置为改变所述可操纵设备的形状以将所述设备引导到正确的通道中。导丝可以穿过所述可操纵设备的管腔放置。图像控制系统执行术前和术中图像的整合，并且根据图像中确定解剖结构中的必须引导可操纵端部的位置和转向的角度。
应当理解，本发明将关于医学仪器来描述；然而，本发明的教导要宽得多，并且适用于在身体任何部位使用的任何可操纵仪器。在一些实施例中，在跟踪或分析复杂生物或机械系统中采用本原理。具体而言，本原理适用于生物系统的内部跟踪和手术流程，和身体中所有区域(例如肺、脑、心脏、胃肠道、排泄器官、血管等)中的流程。附图中描绘的元件可以实现于硬件和软件的各种组合中并提供可以在单个元件或多个元件中进行组合的功能。
可以利用专用硬件以及与适当软件相关联的能够执行软件的硬件来提供附图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或者由多个独立处理器(其中一些可能是共享的)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解读为仅仅指能够执行软件的硬件，并且能够隐含地包括，但不限于，数字信号处理器(“dsp”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)、非易失性存储器等。
此外，本文中提到原理、方面和本发明实施例的所有陈述以及其具体范例都旨在涵盖其结构上和功能上的等价方案。此外，旨在使这样的等价方案既包括当前已知的等价方案，又包括未来开发的等价方案(即，开发出的执行相同的功能的元件，而不管其结构如何)。因而，例如，本领域技术人员将认识到，文中呈现的方框图表示体现本发明的原理的示范性系统部件和/或电路的概念图。类似地，应当认识到，流程图、程序框图、状态转移图、伪码等均表示实质上可以在计算机可读存储介质内表示，因而可由计算机或处理器执行的各种过程，而不管是否明确示出了这样的计算机或处理器。
此外，本发明的实施例可以采取计算机程序产品的形式，可由提供程序代码的计算机可用或计算机可读介质访问所述计算机程序产品，以供计算机或者任何指令执行系统使用或者与之结合使用。就本说明书的目的而言，计算机可用或计算机可读介质可以是任何可以包括、存储、交换、传播或发送程序的设备，所述程序供指令执行系统、设备或装置使用或者与之结合使用。所述介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或者设备或装置)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机软盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、刚性磁盘和光盘。当前的光盘的示例包括光盘-只读存储器(cd-rom)、光盘-读/写(cd-r/w)、蓝光碟tm和dvd。
在对本原理的“一个实施例”或“实施例”的说明中的引用以及其变型意指结合实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，出现在贯穿说明书的各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其他变型的出现不一定全部参考相同实施例。
应认识到，以下“/”、“和/或”和“……中的至少一个”(例如，在“a/b”、“a和/或b”和“a和b中的至少一个”的情况下)中的任一个的使用旨在涵盖：仅选择第一列出项(a)、仅选择第二列出项(b)、或者选择这两项(a和b)。作为另一范例，在“a、b和/或c”和“a、b和c中的至少一个”的情况下，这样的短语旨在涵盖：仅选择第一列出项(a)、或者仅选择第二列出项(b)、或者仅选择第三列出项(c)、或者仅选择第一列出项和第二列出项(a和b)、或者仅选择第一列出项和第三列出项(a和c)、或者仅选择第二列出项和第三列出项(b和c)、或者选择所有三个项(a和b和c)。如对于本领域和相关领域中的普通技术人员显而易见的，这可以针对如所列出的许多项进行扩展。
还将理解，当诸如例如元素、区域或材料的元素被称为在另一元素“上”或“之上”时，其可以直接在另一元素上或也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件之上”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接到另一元件”或“直接耦合到另一元件”时，不存在中间元件。
现在参考附图并且首先参考图1，附图中相似的数字代表相同或相似的元件，根据一个实施例示例性地示出用于对象中的组织中的机器人引导的系统100。系统100可以包括工作站或控制台112，从所述工作站或控制台监视和/管理流程。工作站112优选地包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储设备控制系统130，所述设备控制系统130被配置为根据从一个或多个输入部提供的用户输入和/或反馈来控制致动的机器人关节108的移动和编程以及其他可能的机器人控制的特征。系统100包括可操纵设备102和图像引导或控制系统106，以允许将导丝放置在管或腔的复杂或分支网络中，例如，窦腔等。致动设备102可包括一个或多个关节108。关节108被配置为操纵可操纵设备102的端部。图像控制系统或图像引导系统106执行术前图像142与术中图像144的整合，并且根据图像(142、144)确定解剖结构中设备102(例如，导管或导管状设备)的可操纵端部124必须操纵的位置和操纵的角度。
在一个实施例中，可操纵设备102可以在近端处在空间上固定(例如使用医学定位臂)。可以在近端(固定坐标系)的坐标系中定义每个关节108的坐标系。由于每个关节108的每个电机(未示出)的位置根据电机编码器是已知的，因此每个关节108的位置和三个取向角度在固定坐标系中也是已知的。
为了将该视图与设备102的3d位置在固定坐标系中配准，建立固定坐标系与x射线图像(或其他图像)中的关节位置之间的对应关系。在由成像系统111拍摄的图像中，可以使用本领域已知的诸如阈值分割和形状适配的图像处理方法来检测每个刚性节段。替代地，可以将不透射线标记物附接到每个关节108。
在一个实施例中，在检测到关节108之后，可以在简单树中对它们进行排序，其中节点的父节点和子节点是任何给定关节的直接邻居。给定设备102的链接构架，将存在两个可能的树(近端到远端和远端到近端)。然后，根据两个树定义两个对应关系。如果树中的节点的数量与设备102的关节108的数量相同，则需要计算两个配准。如果可见节点的数量(m)小于节点的总数(n)，则可能的配准数量将是2x(n选择m)。
配准过程假设2dx射线空间中的m个点和3d机器人空间中的m个点(固定坐标系)。配准过程还假设焦距或x射线系统是已知的。因此，可以使用本领域已知的任何方法，例如迭代最近点，基于ransac(随机样本共识)的迭代方法等来检测系统111的x射线探测器在设备102的坐标系中的姿态。
如果m<n，则针对不正确的对应关系的残差将比来自正确对应关系的残差显著更高，并且可以使用残差作为准则来将那些拒绝。例如，可以向用户显示具有最佳残差的解，作为x射线系统111相对于设备102的位置。在翻转关节顺序的情况下，用户可以通过观察两种解的绘制或回答简单的问题(例如，“图像探测器在患者上方还是下方？”)来选择正确的解。也可以采用其他配准方法来记录术中图像144和术前图像142以及可操纵设备102。
系统100采用可操纵设备102，其中，可操纵端部124位于通道或解剖学管腔(例如，窦通道)内。设备102还包括插入台128，其沿着主体内的主轴平移设备102。在可操纵端部124的一个实施例中，设备102可以被配置为使用一个关节在一个平面中实现操纵。在可操纵端部124的另一个实施例中，设备102可以被配置为使用两个关节来实现偏航和俯仰运动。在另一个实施例中，可以采用两个或更多个平行电机来实现操纵角。在又一个实施例中，具有两个或更多个筋的筋驱动系统可以提供操纵，所述筋驱动系统嵌入在设备102中并且耦合到筋远端处的致动器/马达。在又一个实施例中，附加的旋转自由度可使设备102围绕设备的主轴(纵向轴)旋转。根据需要，这些致动和/或旋转方案中的一个或多个可以与任何一个或多个其他致动和/或旋转方案组合。
设备控制系统130可以存储在存储器116中，并且被配置为将关节108的角度转换成设备的致动器命令，或者生成致动器命令以根据图像反馈来改变关节的角度。设备控制系统130包括设备的运动学模型132和本领域已知的控制方案。运动学模型132计算引导设备102通过通道所需的配置。诸如速度、位置和其他空间考虑(例如，由于内部体积结构引起的角度)的参数由模型132考虑。例如，当设备接近分支结构，分叉等时，设备控制系统130基于医学设备102的位置和速度来控制关节108的旋转量。当确定了下一个配置时，由设备控制系统130生成致动器命令，以通过调节可操纵端部124来操纵设备102。根据本原理的设备102的导航可以以增加的速率进行，这导致操作时间的减少。
工作站112包括用于查看对象(患者)或体积134的内部图像144和142的显示器118，并且可以包括具有覆盖物或其他绘制的图像142、144。显示器118也可以允许用户与工作站112及其部件和功能或系统100内的任何其他元件交互。这通过用户接口120进一步方便，接口120可以包括键盘、鼠标、游戏杆、触觉设备、或其他外围或控件以允许来自工作站的用户反馈和与工作站112的交互。在一个实施例中，可以存在成像系统110以用于获得术前图像142(例如，mri、ct等)。在其他实施例中，成像系统110可以单独地定位，并且可以根据其他描述的操作远程地收集图像。术中成像系统111可以包括光纤镜、相机系统、x射线成像系统、移动x射线成像系统等，用于获得术中图像144。
设备控制系统130使用运动学模型132将关节108的角度转换成用于设备102的致动器命令，以选择路径并操纵设备102。在一种方法中，图像(142、144)区分开放通道和组织。设备控制系统130使用术前图像142和术中图像144选择通向目标位置的开放路径。在一个实施例中，术中成像系统111可包括用于对解剖结构和设备102进行成像的移动x射线系统、插入穿过设备管腔或集成到设备中的光纤内窥镜、或其他成像配置和技术。
图像控制系统106被配置为整合术前3d图像142(ct，mri等)和术中图像144(x射线，内窥镜等)并将它们配准到机器人设备102的单个坐标系中。图像控制系统106还被配置为允许用户规划到受影响的窦或其他目标的路径或者识别目标。在一个实施例中，计划路径并基于解剖结构内的位置识别用于端部操纵的位置和角度。在规划阶段期间，可以生成用于操纵控制的命令的集合。在操作期间，这些命令被传送到设备控制系统130。这些命令与解剖结构或其他路标中的位置相关联，以使得能够在正确的时间发出命令以使用命令来控制可操纵端部来选择路径。
操纵可以根据存储在存储器116中的计划150。可以在虚拟空间中选择计划150(例如，使用术前图像142)。可以使用设备控制系统130实时地执行操纵控制，以在设备102前进时进行路径确定和角度调整。
参考图2，根据说明性实施例提供了一种用于操纵机器人的方法。可以使用图1的系统100来执行该方法。在框202中，拍摄术前3d图像并识别受影响的窦或其他目标。在框204中，具有导丝的可操纵设备(例如，机器人)被放置在可操纵设备管腔中并且被插入解剖结构(例如，鼻)中。这可以手动地执行。
在框206中，针对体积内的可操纵设备收集位置或图像反馈。例如，采集可操纵设备的x射线图像并执行配准(例如，将术前图像配准到术中图像和可操纵设备)。可操纵设备和x射线系统之间的配准可以使用本领域已知的方法进行。在另一实施例中，在框206中，采集内窥镜图像并执行配准。可以使用本领域已知的方法进行设备与内窥镜图像之间的配准。在另一个实施例中，可以确定可操纵设备的位置(例如，使用光纤定位、电磁定位、图像定位等)。可操纵设备的位置可以被用于在体积中导航可操纵设备(具有或不具有图像)。
在框208中，用户/外科医师识别图像中的一幅(例如，ct)中受影响的窦或目标的位置。执行路径规划以确定交互路径。路径规划可以包括使用图像控制系统来计算从鼻子(或其他孔口)到鼻窦(或其他目标)的所有可能路径。在框210中，用户/外科医师通过转向并采用设备(102)的平移台来推进装置端部，从而跟随体积(例如，鼻腔)中的计划路径。平移台可以是手动的(手持，滑动台等)或电动的(具有运动触发或速度调节)。自动导航可操纵设备，并且控制系统根据计划或使用位置或图像反馈实时控制转向。在一个实施例中，图像控制系统从设备控制系统接收设备位置，并计算路径的坐标系中的端部位置。在每个计算周期中，设备控制系统计算是否需要致动可操纵端部。如果端部位置未被致动，则设备将继续沿先前的路径方向前进。如果设备控制系统确定需要改变方向，则改变针对给定位置的角度和方向以操纵可转向端部。设备控制系统自动控制端部以符合期望或计划的路径。
在框212中，取决于程序，在目标区域上进行处置或其他活动。在一个实施例中，一旦实现目标，撤回可操纵设备并使用穿过可操纵设备放置的导丝引导球囊。放置球囊后，可以扩张球囊以打开鼻窦或其他解剖学特征。在框214中，在完成该过程后，撤回所述设备。设备撤回还可以采用设备的操纵能力。虽然关于鼻流程进行了描述，但是应该理解，本原理适用于任何流程，并且对于受限空间中的任何导航尤其有用。
参考图3，根据一个示例说明性地示出了机器人特征300。特征300包括在设备102中，并且提供设备102的端部的平移和旋转运动。特征300包括轴310，轴310可包括内部管腔308以接收导丝(或导管)或其他细长仪器。特征300被采用以操纵可操纵设备(102)的远端部分。在其他实施例中，特征300由护套等覆盖。在一个特别有用的实施例中，特征300是导管的一部分并且在内部管腔内接收导丝。一旦导丝和可操纵设备就位，就撤回可操纵设备(和特征300)。然后使用导丝将球囊导管引导到目标位置，在该位置采用球囊来扩张腔体以进行处置。
特征300包括末端执行器312，末端执行器312可以包括环或其他形状，其环绕导管或穿过内部管腔308的其他设备。末端执行器312可以被用于引导导管或其他仪器穿过内部管腔308。
末端执行器312通过关节302被耦合到可平移杆306(筋)。可平移杆306可以前进或缩回到轴310中，以沿箭头“c”的方向提供平移运动。例如，当所有三个杆306同时前进(或缩回)时，实现了平移。如果杆306以不同的速率或不同的量前进或缩回，则相对运动将使末端执行器312沿箭头“a”和/或“b”的一个或多个方向旋转。另外，可以采用旋转平台304来使整个末端执行器312围绕轴310的纵向轴线旋转(例如，沿箭头“d”的方向)。特征300在局部位置处提供多个自由度。以此方式，可以实现设备102的精确且良好受控的操纵。
虽然图3示出了说明性的关节，但是应该理解，可以采用更复杂或更简单的关节。这些其他关节类型可包括简单的铰链关节、旋转关节、平移机构等。
参考图4a，以第一配置示出了可操纵设备102的说明性示例。第一配置示出了在插入鼻腔320之后的可操纵设备102。当设备102接近分叉或路径分裂324时，设备控制系统自动感测需要转向动作来操纵端部124以符合期望的或规划的路径，或者设备控制系统感测到特定路径需要根据计划进行导航。设备控制机构采用信号控制来调整特征300，以通过控制端部124的角度来提供设备102的适当导航。
参考图4b，可操纵设备102以第二配置示出。第二配置示出了在由设备控制系统发出命令以使用特征300旋转端部124以控制在鼻腔320中的特定方向上的插入之后的可操纵设备102。当设备102接近分叉或路径分裂处324时，设备控制系统自动操纵端部124以符合计划的路径或感知路径是实现当前目的或目标的更好路径。
参考图5，根据本原理示出了机器人400。机器人400包括可操纵设备402(也参见，设备102)，其具有被配置为操纵设备402一个或多个机器人控制的关节408。设备402包括用于存储例如导丝等其他仪器的管腔404。每个关节408可包括与其相关联的一个或多个电机410。电机410接收根据控制命令生成的信号以控制关节408。
设备控制系统430(也参见，系统130)被配置为接收来自图像控制系统406(也参见。系统106)的反馈，以评估可操纵设备402在体积中的定位，使得向一个或多个机器人控制的关节408发出控制命令，以沿与朝向目标的导航医学设备一致的方向或根据计划来操纵可操纵设备402。
所述图像控制系统406将术前图像与术中图像配准以在单个坐标系中定位所述可操纵设备的位置。术中图像可以包括相机图像(内窥镜检查)，x射线图像或其他成像模态图像。
设备控制系统430控制一个或多个机器人控制的关节408的平移和/或旋转，以使医学设备朝向通道偏置。当可操纵设备402接近分支结构时，设备控制系统430还可以基于可操纵设备402的位置、方向和速度来控制平移和/或旋转的量。设备控制系统430包括运动学模型432，以评估可操纵设备402的动态以控制一个或多个机器人控制的关节408。运动学模型432被用于预测可操纵设备402要采取的下一转向或配置。
一个或多个机器人控制的关节408可包括一个、两个或更多个旋转度(degreesofrotation)。可操纵设备402还可包括平移台414，以支撑可操纵设备402的前进和/或缩回。一个或多个机器人控制的关节408可包括可操纵的端部或末端执行器411或在机器人400上的其他远侧安装的结构。末端执行器411可包括多个可平移杆，使得杆的位置提供末端执行器411相对于支撑杆的轴的纵向轴线的旋转(图3)。
在一个实施例中，可转向端部411可以被配置为使用两个电机410'(针对一个或多个马达410)和万向关节408'(针对一个或多个关节408)来实现偏航和俯仰运动。可以采用两个或更多个并联电机410'来实现转向角。在另一实施例中，具有两个或更多个筋的筋驱动系统(300)可以提供操纵，所述筋驱动系统嵌入在设备102中并且耦合到筋远端处的致动器/马达。在又一个实施例中，额外的旋转自由度可使设备402围绕设备402的主轴(纵向轴)旋转。根据需要，这些致动和/或旋转方案中的一个或多个可以与任何一个或多个其他致动和/或旋转方案组合。
在解释所附的权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除在给定权利要求中所列举的其他元件或动作之外的元件或动作的存在；
b)在元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在；
c)在权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同项或者硬件或软件实施的结构或功能来表示；并且
e)并不旨在要求特定动作的特定顺序，除非专门指出。
在已经描述了用于图像引导的机器人引导导管放置的优选实施例(意在是例示性的而非限制性的)之后，要指出的是，本领域的技术人员受以上教导的启发能够做出修改和变型。因此要理解，可以在所披露的公开的特定实施例中做出改变，这些改变处于所公开的实施例的由所附权利要求界定的范围之内。在已经这样描述了专利法所要求的细节和特性之后，在随附的权利要求中阐述了所主张或期望由专利证书保护的内容。