用于控制可转向装置的系统和方法与流程

用于控制可转向装置的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2018年10月4日提交的美国临时申请62/741,338的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本文描述的示例涉及用于程序的系统和方法，诸如用于控制细长装置的系统和方法。


背景技术：

4.器械可以用于在工作空间中操纵和执行任务。此类器械可以被配置成由操纵器组件部分地或完全地支撑和操作。此类器械和操纵器组件可以用于执行非医疗程序或医疗程序。例如，医疗工具或医疗操纵器可以用于执行微创医疗程序。作为另一个示例，工业工具或工业操纵器可以用于制造或测试。作为其它示例，工具或操纵器可以用于娱乐、探测和各种其它目的的程序中。
5.微创医疗技术通常可以旨在减少在有创医疗程序期间受损的组织量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。此类微创技术可以通过患者解剖体中的自然孔口或通过一个或多个切口来执行。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以插入医疗工具以到达目标组织位置。微创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。微创医疗工具还可以包括成像器械(诸如内窥镜器械)，其向用户提供患者解剖体内的视野。
6.某些医疗和非医疗器械(包括操纵器械、成像器械或其它感测器械等)可以是远程操作的，或以其它方式是计算机辅助的。当采用使用此类器械的系统执行程序时，期望机构响应于运动而控制器械的特性(诸如刚度)，以确保患者和/或周围环境的安全。


技术实现要素：

7.以下呈现了本文描述的各种示例的简化概述，并且无意于识别关键或重要元素或描绘权利要求的范围。
8.在一个示例中，机器人系统可以包括被配置为驱动细长装置的操纵器组件和被配置为接收命令细长装置的用户输入的控制装置。机器人系统还可以包括通信地耦连到操纵器组件和控制装置的控制系统。控制系统可以被配置为在多个间隔期间监测细长装置的移动，在多个间隔期间监测由控制装置接收的用户输入，并且基于监测的移动或监测的用户输入中的至少一个来调节细长装置的特性。特性的调节可以包括基于在多个间隔的第一间隔期间的移动或用户输入中的至少一个，在第一间隔期间保持细长装置的特性基本上相同。特性的调节可以包括基于多个间隔中的第二间隔期间的移动或用户输入中的至少一个，在第二间隔期间以第一速率(rate)调节细长装置的特性。特性的调节可以包括基于多个间隔的第三间隔期间的移动或用户输入中的至少一个，在第三间隔期间以大于第一速率的第二速率来调节细长装置的特性。
9.在另一示例中，一种方法可以包括：监测细长装置的移动；接收命令细长装置的运动的用户输入；基于监测的移动或接收的用户输入中的至少一个来确定操作模式；以及基于与操作模式相关联的曲线来调节细长装置的特性。调节细长装置的特性可以包括在第一间隔期间保持细长装置的特性基本上相同，在第二间隔期间以第一速率调节细长装置的特性，以及在第三间隔期间以不同于第一速率的第二速率调节细长装置的特性。
10.应当理解，前面的概述和下面的详细描述本质上都是说明性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解，而不限制本公开的范围。就这一点而言，根据以下详细描述，本公开的其它方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
11.图1是根据一些实施例的医疗系统的简化图。
12.图2a和图2b是根据一些实施例的包括安装在插入组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。
13.图3是示出根据一些实施例的使用缩回模式控制细长装置的方法的流程图。
14.图4a
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图4f是根据一些实施例的在方法期间在各个点处包括可转向细长装置的机器人医疗系统的简化图。
15.图5是示出根据一些实施例的使用活动模式(active mode)来控制细长装置的方法的流程图。
16.通过参考下面的详细描述，将最优地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于识别在一个或多个附图中示出的相似的元件，其中在其中的显示是为了示出本公开的实施例，而不是为了限制本公开的实施例。
具体实施方式
17.本申请的系统和技术可以通过监测可转向器械的移动、用户输入和/或其它因素并且响应于监测到的因素来调节可转向器械的特性(诸如刚度)，来为机器人系统的可转向器械提供保障。在一些示例中，机器人系统可以监测可转向器械的物理移动和命令可转向器械的运动的用户输入。当移动和/或用户输入指示可转向器械处于缩回模式时，系统可以减小器械的刚度。系统可以使某些因素优先于其它因素，使得器械的实际物理缩回可能覆盖/推翻(override)用户输入，或者使得指示缩回的用户输入可能覆盖/推翻命令器械转向的用户输入。可以根据与监测到的因素相关联的一个或多个曲线来确定刚度受到影响的量、刚度的变化率和/或响应的其它方面。
18.这些示例是非限制性的，下面将详细描述其它示例。关于示例柔性机器人装置或系统(诸如参考图1、图2a和图2b描述的机器人控制的导管)，描述了所公开技术的各个方面。关于图3
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图5描述的所公开的用于器械控制的技术可以被实现以提供许多优点，包括改善患者以及部署器械的周围环境的安全性。
19.图1是根据一些实施例的机器人医疗系统100的简化图。在一些实施例中，医疗系统100可以适合于在例如外科手术程序、诊断程序、治疗程序或活检程序中使用。尽管本文针对此类程序提供了一些实施例，但是对医疗或外科手术器械以及医疗或外科手术方法的任何提及都是非限制性的。本文描述的系统、器械和方法可以用于动物、人尸体、动物尸体、
人或动物解剖体的一部分、非手术诊断以及工业系统的机器人系统，和/或其它通用机器人系统。
20.如图1中所示，医疗系统100可以包括用于在对患者p执行各种程序中操作医疗器械104的操纵器组件102。医疗器械104可以经由患者p体内的开口延伸到患者p体内的内部部位。操纵器组件102可以是远程操作组件、非远程操作组件或混合远程操作和非远程操作组件，其具有可以电动和/或远程操作的选择的运动自由度以及可以被非电动和/或非远程操作的选择的运动自由度。操纵器组件102可以被安装到手术台t和/或位于手术台t附近。主组件106允许操作者o(例如，如图1中所示的外科医生、临床医生或医师)观察介入部位并控制操纵器组件102。
21.主组件106可以位于操作员控制台处，该操作员控制台通常位于与手术台t相同的房间中，诸如在患者p位于其上的手术台的侧面。然而，应该理解，操作员o可以位于与患者p不同的房间中或完全不同的建筑中。主组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包括任何数量的各种输入装置，诸如操纵杆、轨迹球、滚轮、方向盘、按钮、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、人体运动或存在传感器和/或类似物。
22.操纵器组件102支持医疗器械104，并且可以包括一个或多个非伺服控制连杆(例如，可以手动地定位并锁定在适当的位置中的一个或多个连杆，通常称为设置结构)、一个或多个伺服控制连杆(例如，可以响应于来自控制系统的命令进行控制的一个或多个连杆)和/或操纵器的运动学结构。操纵器组件102可以包括多个致动器或马达，其响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令来驱动医疗器械104上的输入。致动器可以包括驱动系统，该驱动系统在耦连到医疗器械104时可以将医疗器械104推进到自然或手术产生的解剖孔口。其他驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械104的远侧部分，多个自由度可以包括三个线性运动(例如，沿x、y、z笛卡尔轴的线性运动)和三个旋转运动(例如，围绕x、y、z笛卡尔轴的旋转)。另外，致动器可以用于致动医疗器械104的可铰接的末端执行器，用于抓紧活检装置和/或类似物的钳口中的组织。
23.医疗系统100可以包括传感器系统108，其具有用于接收关于操纵器组件102和/或医疗器械104的信息的一个或多个子系统。这种子系统可以包括方位(position)/位置(location)传感器系统(例如，电磁(em)传感器系统)；用于确定远侧部分和/或沿可以构成医疗器械104的柔性主体的一个或多个节段的方位、取向、速率(speed)、速度(velocity)、姿势和/或形状的形状传感器系统；用于从医疗器械104的远侧部分捕获图像的可视化系统；和/或描述控制器械104的马达的旋转和取向的致动器方位传感器(诸如解析器(resolver)、编码器、电位计和类似物)。
24.医疗系统100可以包括用于显示手术部位和医疗器械104的图像或表示图的显示系统110。在一些示例中，显示系统110可以使用图像模态来呈现手术部位的术前或术中图像，该图像模态诸如是计算机断层摄影术(ct)、磁共振成像(mri)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层摄影术(oct)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管x射线成像和/或诸如此类。在一些实施例中，医疗器械104可以包括可视化系统，该可视化系统包括图像捕获组件，用于记录手术部位的即时或实时图像，并且通过显示系统110的一个或多个显示器将图像提供给操作者o。
25.在一些示例中，医疗系统100可以配置所显示的表示图、医疗器械104以及主组件106的控制件，使得医疗器械的相对方位类似于操作者o的眼睛和/或手的相对方位。以这种方式，操作者o可以操纵医疗器械104和手控制件，就好像在基本真实临场下观看工作空间一样。
26.在一些示例中，诸如出于图像引导医疗程序的目的，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或即时图像/模型配准(例如动态地参考)。从医疗器械104的视角来看，可以这样做以向操作员o呈现内部手术部位的虚拟图像。
27.医疗系统100还可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现在操纵器组件102、医疗器械104、主组件106、传感器系统108和/或显示系统110之间的控制。控制系统112还包括编程的指令(例如，存储指令的非暂时性机器可读介质)，以实施根据本文公开的各方面描述的一些或全部方法，包括用于向显示系统110提供信息的指令。虽然控制系统112在图1的简化图中作为单个方框示出，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操纵器组件102上执行或邻近操纵器组件102执行，处理的另一部分在主组件106处执行和/或诸如此类。控制系统112的处理器可以执行与在此公开并在下面更详细描述的过程相对应的指令。
28.在一些示例中，控制系统112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制系统112可以将信号传输到主组件106。在一些示例中，控制系统112可以传输指示操纵器组件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。
29.控制系统112可以从传感器系统108获得传感器数据，该传感器数据用于计算医疗器械104相对于患者p的解剖体的大概位置。该系统可以实施传感器系统108，以使医疗器械与术前或术中记录的医疗图像一起配准和显示。例如，通过引用整体并入本文的pct公开wo 2016/191298(公开于2016年12月1日并且标题为“systems and methods of registration for image guided surgery(用于图像引导手术的配准的系统和方法)”)公开了示例系统。
30.医疗系统100可以进一步包括操作和支持系统，诸如照明系统、铰接(诸如转向)控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统(未示出)。在一些实施例中，医疗系统100可以包括一个以上操纵器组件和/或一个以上主组件。除其他因素外，操纵器组件的确切数量可以取决于医疗程序和手术室内的空间限制。主组件106可以并置，或者它们可以定位在分开的位置中。多个主组件可以允许一个以上操作员以各种组合方式控制一个或多个操纵器组件。
31.图2a和图2b是根据一些实施例的包括安装在插入组件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。如图2a和图2b中所示，手术环境300可以包括定位在手术台t上的患者p。在患者的总体运动受到镇静、约束和/或其他手段限制的意义上，患者p可以在手术环境300内静止。包括患者p的呼吸和心脏运动的循环解剖运动可以继续。在手术环境300内，医疗器械304用于执行医疗程序，该医疗程序可以包括例如手术、活检、消融、照明、冲洗、抽吸或系统配准程序。医疗器械104可以是例如器械104。器械304包括耦连到器械主体312的柔性细长装置310(例如，导管)。细长装置310包括尺寸和形状设定成接收医疗工具(未示出)的一个或多个通路(未示出)。
32.细长装置310还可以包括一个或多个传感器(例如，传感器系统108的部件)。在一些示例中，诸如光纤形状传感器的铰接传感器314可以固定在器械主体312上的近侧点316处。铰接传感器314的近侧点316可以与器械主体312一起移动，并且近侧点316的位置(例
如，经由跟踪传感器或其它跟踪装置)是已知的。铰接传感器314可以测量从近侧点316到另一点(诸如细长装置310的远侧部分318)的形状。铰接传感器314可以与(例如，提供在内部通路内(未示出)或安装在外部的)柔性细长装置310对准。在一些示例中，光纤可以具有大约200μm的直径。在其它示例中，直径可以更大或更小。铰接传感器314可以用于确定柔性细长装置310的形状。包括光纤布拉格光栅(fbg)的光纤可以用于以一维或多维提供结构中的应变测量。用于以三维监测光纤的形状和相对方位的各种系统和方法在以下文献中描述：美国专利申请no.11/180,389(2005年7月13日提交并且标题为“fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto(光纤方位和形状感测装置及其相关方法)”)；美国专利申请no.12/047,056(2004年7月16日提交并且标题为“(光纤形状和相对方位感测)”)；和美国专利no.6,389,187(1998年6月17日提交并且标题为“optical fibre bend sensor(光纤弯曲传感器)”)，这些文献通过引用以其整体并入本文。在一些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。用于使用光纤传感器配准和显示手术器械与手术图像的各种系统在pct公开wo 2016/191298(2016年12月1日公开并且标题为“systems and methods of registration for image guided surgery(用于图像引导的手术的配准的系统和方法)”)中提供，该pct公开通过引用以其整体并入本文。
33.在一些示例中，诸如电磁(em)传感器的方位传感器可以结合到医疗器械304中。一系列方位传感器可以沿柔性细长装置310定位，并且用于形状感测。在一些示例中，方位传感器可以被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、偏航和滚动的三个取向角度。在一些示例中，方位传感器可以被配置和定位成测量五个自由度，例如，三个方位坐标x、y、z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角度。方位传感器系统的进一步描述在美国专利no.6,380,732(1999年8月11日提交并且标题为“six
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degree of freedom tracking system having a passive transponder on the object being tracked(在所跟踪的对象上具有无源应答器的六自由度跟踪系统)”)中提供，该美国专利通过引用以其整体并入本文。
34.细长装置310可以容纳在器械主体312和远侧部分318之间延伸以可控制地弯曲远侧部分318的电缆、联动装置或其他转向控件(未示出)。在一些示例中，至少四个电缆用于提供独立的控制远侧部分318的俯仰的“上下”转向和控制远侧部分318的偏航的“左右”转向。可转向的细长装置在美国专利申请no.13/274,208(2011年10月14日提交)(公开了“catheter with removable vision probe(具有可移除视觉探针的导管)”)中详细地描述，该美国专利申请通过引用以其整体并入本文。器械主体312可以包括驱动输入装置，该驱动输入装置可移除地耦连到组件的驱动元件(诸如致动器)并从该驱动元件接收动力。
35.器械主体312可以耦连到器械托架306。器械托架306可以安装到固定在手术环境300内的插入台(insertion stage)308。可替代地，插入台308可以是可移动的，但在手术环境300内具有已知位置(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置)。器械托架306可以是操纵器组件(例如，操纵器组件102)的部件，其耦连到医疗器械304以控制插入运动(例如沿轴线a的运动)和/或细长装置310的远侧部分318在诸如偏航、俯仰和/或滚动的多个方向上的运动。器械托架306或插入台308可以包括控制器械托架306沿插入台308的运动的致动器，诸如伺服马达(未示出)。
36.可以是传感器系统108的部件的传感器装置320可以提供关于器械主体312在沿插入轴线a在插入台308上移动时的方位的信息。传感器装置320可以包括一个或多个解析器、编码器、电位计和/或确定控制器械托架306的运动和因此器械主体312的运动的致动器的旋转和/或取向的其他传感器。在一些实施例中，插入台308是线性的。在一些实施例中，插入台308可以是弯曲的或具有弯曲部段和线性部段的组合。
37.图2a示出沿着插入台308处于缩回方位的器械主体312和器械托架306。在该缩回方位中，近侧点316在轴线a上的方位l0处。在图2b中，器械主体312和器械托架306沿插入台308的线性轨道推进，并且细长装置310的远侧部分318已经推进到患者p中。在这种推进方位中，近侧点310是在轴线a上的方位l1处。在一些示例中，来自控制器械托架306沿插入台308的移动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或插入台308相关联的一个或多个方位传感器的编码器和/或其他方位数据可以用于确定近侧点316相对于方位l0的方位。在一些示例中，该方位可以进一步用作细长装置310的远侧部分318插入患者p的解剖体的通道中的距离或插入深度的指示符。
38.随着细长装置310在通道中推进和缩回，细长装置310的特性(诸如细长装置310的径向或轴向刚度(例如，刚性))可以被改变，以便利于移动和保护通道。例如，当装置被推进通过通道以引导装置、将装置锚定在适当位置或操纵可变形通道时，细长装置310的远侧部分318的刚度可以被增加。相反，当装置缩回以减小作用在通道上的力时，细长装置310的远侧部分318的刚度可以被减小，否则可能导致磨损或伤害。在手术程序中，缩回可以包括大规模移动以及较小的位置调节和小的往复运动。不同类型的移动可以得益于细长装置310的刚度的不同变化率和变化程度。例如，较小的移动可以得益于相对较小和较慢的刚度变化，从而避免了细长装置310的远侧部分的取向中的非预期变化。因此，在以下示例中，系统可以调节柔性细长装置310的刚度或其它特性，这可以在程序的过程中重复执行。
39.首先描述细长装置310的缩回，并且随后描述推进细长装置310的示例。图3和图4a
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图4f示出被缩回的机器人医疗系统的细长装置310，以及相应地减小细长装置310的刚度的系统。图3是描述根据一些实施例的以缩回模式控制细长装置的方法350的流程图。方法350作为一组操作或过程在图3中示出。可以以与图3中所示的顺序不同的顺序来执行图3中所示的过程，并且在方法350的一些实施例中可能不执行一个或多个所示出的过程。另外，图3中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在所示的过程之前、之后、之间或作为其一部分。该方法可以由系统(诸如上述机器人医疗系统100)执行，并且在一些实施例中，方法350的一个或多个过程可以至少部分地以存储在非暂时性的有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，当该可执行代码由系统的一个或多个处理器(例如，上面的控制系统112的处理器)运行时，可以使得一个或多个处理器执行一个或多个过程。图4a
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图4f是根据一些实施例的在方法350期间的各个点处包括可转向细长装置310的机器人医疗系统100的简化图。
40.参考图3的过程352，在一些示例中，细长装置(例如，如图4a中所示的细长装置310)可以被引入诸如解剖学通道的通道中。示例解剖通道可以包括肠、肾、脑、心脏、循环系统、肺、尿道、动脉、脐带(umbilical lines)和/或诸如此类的部分。
41.参考过程354，机器人系统100的控制系统112可以监测细长装置310的物理移动。监测可以连续地、周期性地和/或在设定的时间进行。因此，过程354可以与方法350中的其
它过程同时执行。
42.为了检测缩回，控制系统112可以监测在细长装置310上、与设备耦连的主体上和/或在延伸通过细长装置的器械上的多个点的方位(例如，点402、沿着细长装置的近侧点、沿着细长装置的远侧点等)。控制系统112可以捕获这些点中的每一个点的方位，以便检测从由标记404表示的闩锁方位的缩回，如下文进一步描述的。可以由传感器系统(诸如传感器系统108)使用任何合适的传感器组(包括方位传感器、形状传感器(诸如形状传感器314))和/或其它合适的方位测量装置来测量方位。例如并且参考图2a
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图2b，当器械主体312沿着插入轴线a在插入台308上移动时，传感器装置320可以用于测量器械主体312的移动。系统可以使用传感器装置320来监测细长装置的插入深度的变化。另外地或替代地，监测可以包括测量由一个或多个致动器提供的方位或力，该一个或多个致动器与细长装置内的缆线、联动装置、拉线、腱索或其它转向控制件耦连并且用于使细长装置转向。
43.监测细长装置的移动还可以包括监测细长装置310上一个或多个点(诸如点402)的速度。例如，系统可以记录随时间推移的方位测量结果，以此来计算移动量和/或速度。该系统还可以在监测过程中监测和记录其它状态特性，诸如细长装置的当前时间和/或当前控制配置(例如，由闭环转向线控制件引起的当前刚度)。在控制配置涉及细长装置的可调节特性(诸如刚度)的情况下，系统可以考虑对该特性进行的先前调节以确定当前值。
44.参考图3的过程356，控制系统112可以监测操作者o可以用来控制细长装置310的控制装置。这些控制装置可以包括主组件106的控制装置，并且在各种示例中，控制装置可以包括操纵杆、跟踪球、滚轮、方向盘、按钮、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、人体运动或存在传感器和/或其它合适的控制装置。过程356的监测可以与方法350中的其它过程同时执行。例如，在监测过程中，控制系统112可以接收指示系统沿插入轴线a移动细长装置的用户输入，和/或指示系统铰接该细长装置以使其以不同于沿着插入轴线的自由度来转向的用户输入。
45.参考过程358，控制系统112可以基于在过程354中监测的物理移动、在过程356中接收的用户输入和/或其它合适的因素来确定操作模式。在下面的示例中，细长装置310可以具有活动模式(active mode)和缩回操作模式，并且该确定可以识别缩回模式。参考随后的附图描述确定识别活动模式的其它示例。
46.控制系统112可以基于细长装置的物理移动(例如，如在过程354中监测的)和/或用户输入(例如，如在过程356中监测的)确定缩回模式。关于物理移动，控制系统112可以基于细长装置310的参考点402从一个方位(例如，闩锁方位404，其可以在最近的向前运动结束时被记录)缩回超过阈值距离(例如5mm、10mm等)来确定操作的缩回模式。在一些示例中，控制系统112可以基于细长装置310的缩回速度超过阈值速度(例如，0.1mm/s、5mm/s等)来确定操作的缩回模式。在一些示例中，控制系统112可以基于参考点402缩回超过阈值时间(例如1秒、10秒等)的时间量来确定操作的缩回模式。阈值距离、阈值速度或阈值时间可以是预定阈值。
47.在一些示例中，控制系统112可以考虑扰动、感测的噪声、周期性解剖运动(例如，呼吸和心脏运动)、解剖体内的移动、由环境位移引起的其它移动和/或其组合。在一些实施例中，可以从监测的数据中滤除这些外部影响，以隔离细长装置相对于通道的物理移动。即使患者移动，这也可以允许测量推进或缩回的量。此外，在一些实施例中，即使细长装置相
对于通道没有相对移动，这些外部影响本身也可能触发系统的响应。例如，即使细长装置不相对于患者移动，当检测到患者的咳嗽、痉挛或其它移动时，控制系统112也可以选择操作的缩回模式。
48.关于基于用户输入来确定操作模式，控制系统112可以基于过程356的用户输入的任何合适的方面来选择操作的缩回模式。在一些示例中，系统可以基于用户输入命令以大于阈值速度(例如0.1mm/s、5mm/s等)的速度在缩回方向中的运动来确定缩回模式。在一些示例中，系统可以基于用户输入命令在缩回方向中超过阈值时间(例如1秒、10秒等)的运动来确定缩回模式。阈值速度或阈值时间可以是预定阈值。在一些示例中，系统可以基于施加在输入装置上的压力的量和/或操作者的手与输入装置之间的接触的丧失来确定操作的缩回模式。
49.在(一个或多个)用户输入命令以超过一个自由度运动的情况下，可以优先考虑自由度。在一些示例中，优先级可以基于患者安全。例如，命令缩回运动的第一用户输入可以比命令转向运动的第二用户输入具有优先级，使得系统基于缩回运动而不是任何转向运动来选择缩回模式。这可以避免迫使弯曲的细长装置返回通过通道。在一些此类示例中，如果第一输入的大小、速率和/或速度超过阈值，则命令缩回运动的第一用户输入可以被赋予超过命令转向的第二用户输入的优先级。因此，如果第一用户输入超过阈值，则系统可以基于第一用户输入的缩回运动而不是任何转向运动来选择缩回模式。
50.在过程354的监测运动与过程356的用户输入发生冲突的情况下，系统可以利用任何适当的规则或试探法(heuristic)来确定适当的响应。在一些示例中，如果细长装置的运动或任何用户输入中的任一个满足缩回模式的上述条件中的任一个，则系统可以选择缩回模式，而不管运动和/或(一个或多个)输入的其余部分。这可以提供故障保险，当存在任何缩回指示时，该故障保险将细长装置置于缩回模式。在一些示例中，细长装置的运动可以优先于用户输入，使得如果细长装置被物理缩回则系统选择缩回模式，而无需关注用户输入。如果细长装置通过手动或其它过程手动缩回(在某些情况下为推进)，则可以允许适当的响应。
51.当细长装置在模式之间转换时，系统可以记录状态特性，诸如方位、时间、控制配置等。由于从活动模式到缩回模式的改变可以指示最近的向前运动的结论，因此当模式改变以用于上述比较时，系统可以记录(一个或多个)参考点404的方位。
52.参考过程360，控制系统112可以基于操作的缩回模式和与缩回模式相关联的一个或多个曲线来确定对细长装置310的特性(诸如径向刚度或轴向刚度)的调节。(一个或多个)曲线可以指定调节细长装置的一部分的特性的程度、如何快速地调节特性、用于调节的上限和/或下限、和/或其它合适的方面。(一个或多个)曲线可以基于在过程358的上下文中描述的任何考虑因素，以及确定操作模式的考虑因素可以与确定调节程度、调节速度等的考虑因素相同或不同。系统可以为细长装置的给定特性和模式应用任何数量的曲线，并且可以在程序的不同阶段使用不同的曲线。
53.在各种示例中，曲线可以涉及刚度并且可以利用任何数量的合适因素来确定在缩回模式中细长装置310的刚度。说明性因素包括：从闩锁方位缩回的量、缩回的速度、缩回的持续时间、总插入深度、作为当前最大插入深度的百分比的位置、操作者输入的大小、操作者输入的速率(speed)、操作者输入的速度(velocity)、操作者输入的持续时间和/或输入
装置上的压力或压力不足。该因素可以包括细长装置310的参考点402、与该装置耦连的主体和/或延伸通过细长装置的器械从在最近的向前运动结束时锁定的方位404缩回的量。对于基于(例如，如在过程354中所监测的)细长装置的运动的因素，系统可以考虑扰动、感测的噪声、周期性解剖运动(例如，呼吸和心脏运动)、解剖体内的移动、通过环境位移引起的其它移动和/或它们的组合。该因素还可以包括施加到细长装置的外力、细长装置的形状、形成通道的解剖体的敏感性、解剖体的曲率、操作者偏好和/或其它合适的因素。
54.如以上示例中所述，在因素冲突的情况下，系统可以利用任何适当的规则或试探法来确定适当的响应。在一些示例中，导致最小的刚度的因素可以占主导。例如，当细长装置的运动将产生第一程度的刚度时，并且当第一用户输入将产生第二程度的刚度时，系统可以实现两者中的较小者。在一些示例中，在基于用户输入的因素中，基于细长装置的真实世界运动的因素可以占主导，使得在存在冲突的情况下系统基于细长装置的运动来实现一定程度的刚度。
55.曲线可以包括定义特性(例如，刚度)和确定特性的因素之间的关系的线性、非线性、指数、对数、阶跃、分段、双曲、抛物线、周期/三角、反双曲、多项式、模数、其它单调函数和/或类似物的任何组合。在一些实施例中，曲线可以取决于相关因素的导数、积分或其它函数。在一些实施例中，曲线可以具有阶梯配置，在达到阈值之前不进行刚度调节，随后在达到阈值之后完全松弛。
56.曲线可以被组织成具有不同表现/性能(behavior)的不同区域。示例曲线可以包括其中一个或多个(例如，一组)因素尚未超过预定阈值的第一区域，其中刚度与(一个或多个)因素成比例地减小的第二区域，以及其中刚度减小到较低的值(例如，最小值)的第三区域。最小值可以设置为标称值，可能为非零值，以保持对细长装置的远侧部分中的弯曲、在细长装置的远侧部分处部署的器械和/或类似物的至少一些控制。最小值和最大值可以部分地由致动器、转向控制件、细长装置、细长装置所耦连的主体和/或器械的物理极限来确定。在一些示例中，最大速率(rate)可以被配置为避免弹性回弹、转向控制件的屈曲或成束，或致动器或转向控制件的其它影响。
57.参考过程362，控制系统112可以根据在过程360中确定的调节和/或曲线来调节细长装置的部分的特性。曲线可以控制最终值和进行变化的速率。在一些示例中，控制系统112可以通过调节由致动器施加到细长装置的转向控制件的力来将细长装置310的远侧部分的刚度调节到由曲线确定的值。在一些此类示例中，控制系统112可以调节由致动器施加的力和/或扭矩，以控制细长装置内的一根或多根线的推动和/或拉动。当调节由致动器施加的力和/或扭矩时，控制系统112可以实现用于缩放由致动器施加的力和/或扭矩的比例因子和/或扭矩倍增器。在致动致动器时，控制系统112可以考虑施加到细长装置的外力、细长装置的形状、形成通道的解剖体的敏感性、解剖体的曲率、一个或多个操作者偏好和/或其它考虑因素。
58.参考过程364，当控制系统112在过程356中检测到用户输入时，控制系统112可以响应于用户输入来控制细长装置。在一些实施例中，控制系统112可以响应于用户输入而使得插入台将细长装置沿着插入轴线缩回。在一些实施例中，控制系统112可以响应于用户输入而使得致动器将力施加到细长装置内的线缆、联动装置、拉线、腱索或其它转向控制件上。
59.可以基于在过程362中调节的细长装置的部分的特性来确定系统如何控制细长装置的一些方面。例如，系统可以基于细长装置的部分的刚度来改变细长装置缩回程度或速度。例如，系统可以基于当前的刚度、当前正在减小刚度的速率(rate)和/或可以减小刚度的最大速率来设置缩回速度极限。当几乎没有伤害通道的风险时，这可以允许系统更快地缩回细长装置。在其它示例中，基于过程362中调节的特性，系统改变以其它自由度铰接细长装置的程度或速度。
60.系统100可以在整个程序中重复执行过程354
‑
364的监测、确定、调节或控制中的一个或多个，以在结束过程366之前在细长装置310中提供实时或接近实时的响应。在程序期间，细长装置的操作模式可以在缩回模式和活动模式之间切换。如上所述，并且将在下面进一步详细说明，系统可以基于操作模式和/或与操作模式相关联的一个或多个曲线来确定对细长装置的特性(例如，刚度)的适当调节。
61.现在将在机器人程序的背景下解释方法350。例如，细长装置310可以以活动模式开始并且具有一定程度的刚度，如图4a中所示。如图4b中所示，控制系统112可以在细长装置310缩回之前保持细长装置310处于活动模式，直到(测量或由用户指示的)缩回量或(测量或由用户指示的)缩回速度达到阈值。在该示例中，控制系统112可以保持图4b中所示的刚度与图4a中相同，但是在其它示例中，处于活动模式时的用户输入可能导致刚度的改变。如图4c中所示，控制系统112可以确定细长装置310的点402已经从闩锁方位404缩回了超过阈值量或者已经被指示这样做，并且控制系统112可以以根据曲线的速率减小细长装置310的刚度。由曲线指定的速率和/或最终刚度可以取决于许多因素，诸如细长装置310已经被抽出的量、细长装置310的缩回速度、细长装置310已处于缩回模式的时间量和/或其它合适的因素。例如，当细长装置310缩回或被命令以较慢的速率缩回时，如图4c中所示，刚度可以根据曲线以较慢的速率减小。
62.参考图4d至图4f，当细长装置310缩回或被命令以更快的速率缩回时，刚度可以根据曲线以更快的速率减小。在这方面，图4d对应于图4a，并且示出了在缩回之前处于活动模式的细长装置310。图4e对应于图4b，并且示出了处于活动模式的细长装置310，因为缩回量和/或缩回速度尚未达到(一个或多个)相应的阈值。图4f对应于图4c，并且示出了控制系统112确定细长装置310的点402已经缩回超过阈值量或已被指示这样做。由于(测量或由用户指示的)更快的缩回速度，控制系统112可以以比图4c的速率更快的速率减小细长装置310的刚度。
63.在一些示例中，如果控制系统112确定细长装置310正在缩回或被指示以甚至更大的缩回速度缩回，则刚度可以以更大的速率减小(例如，系统100从图4d过渡到图4f)，无论细长装置310已经缩回的量如何。
64.在程序的过程期间，方法350的过程可以重复多次，并且在图4a
‑
图4f中示出的状态和响应可以多次发生并且以任何顺序发生。例如，控制系统112可以基于第一时间间隔中的运动和/或用户输入来在第一时间间隔期间保持细长装置310的刚度，基于第二时间间隔中的运动和/或用户输入来在第二时间间隔期间以第一速率(例如，如图4c所示)减小细长装置310的刚度，并且基于第三时间间隔中的运动和/或用户输入来在第三时间间隔期间减小刚度。
65.上面的一些示例描述了缩回模式下的操作。图5是描述根据一些实施例的在活动
模式下控制细长装置的方法500的流程图。方法500作为一组操作或过程在图5中示出。图5中所示的过程可以以与图5所示的顺序不同的顺序来执行，并且在方法500的一些实施例中可能不执行一个或多个所示的过程。另外，图5中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在所示的过程之前、之后、之间或作为其一部分。该方法可以由系统(诸如上述机器人医疗系统100)执行，并且在一些实施例中，方法500的一个或多个过程可以至少部分地以存储在非暂时性有形的机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，该可执行代码当由系统的一个或多个处理器(例如，上述的控制系统112的处理器)运行时可以使一个或多个处理器执行一个或多个过程。方法500可以在程序过程期间以交替方式结合方法350来执行。
66.参考过程502，在一些示例中，细长装置被引入通道中。参考过程504，机器人系统100的控制系统112可以监测细长装置的物理移动，并且参考过程506，控制系统112可以监测用于控制细长装置的(一个或多个)控制装置。过程504和506可以基本上分别如过程354和356中所述的那样执行。
67.参考过程508，控制系统112可以基于在过程504中监测的细长装置的物理移动、在过程506中监测的用户输入和/或其它合适的因素来确定操作模式。在下面的示例中，细长装置310可以具有活动模式和缩回模式或操作，并且该确定可以识别操作的活动模式。
68.在过程504中监测的可能引起控制系统112选择活动模式的细长装置310的物理移动的某些方面包括细长装置310的推进运动以及某些类型的缩回运动。例如，当细长装置310缩回小于阈值量并且缩回速度低于阈值时，控制系统112可以选择活动模式。在另外的示例中，当细长装置已经在一时间段内没有活动或缩回时，控制系统112可以选择活动模式。
69.类似地，关于在过程506中监测的用户输入，控制系统112可以在用户输入命令细长装置推进或命令小于阈值的缩回量和小于阈值的缩回速度时选择活动模式。控制系统112还可以考虑与用户输入相关联的轴线。当用户输入命令细长装置以不同于沿着插入轴线的自由度铰接时，例如，假如用户输入还没有命令大于阈值的缩回运动，那么控制系统112可以选择操作的活动模式。例如，如果操作者o试图将细长装置转向而不缩回它，则控制系统112可以选择活动模式。
70.在过程504的监测运动与过程506的用户输入冲突的情况下，系统可以利用任何适当的规则或试探法来确定适当的响应。
71.参照过程510，当控制系统112检测到用户输入时(例如，在过程506中)，控制系统112可以响应于用户输入来控制细长装置。在一些实施例中，控制系统112可以响应于用户输入来使插入台将细长装置沿着插入轴线推进或缩回。在一些实施例中，控制系统112可以响应于用户输入来使致动器将力施加到细长装置内的线缆、联动装置、拉线、腱索或其它转向控制件上。与缩回模式相反，在活动模式中，控制系统112可以在过程510中控制细长装置的同时保持细长装置310的刚度或增加其刚度。
72.在结束过程512之前，系统100可以单独地或与方法350的一个或多个过程组合地重复执行过程504
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510的监测、确定、调节或控制中的一个或多个。例如，在程序期间，细长装置的操作模式可以在缩回模式和活动模式之间切换，并且系统可以基于操作模式和/或与操作模式相关联的一个或多个曲线来确定对细长装置的特性(例如，刚度)的适当调节。
73.在这些示例和其它示例中，该系统可以提供对细长装置的各种特性(包括刚度)的
快速和精细粒度控制，并且可以提供附加的保护以防止伤害插入细长装置的通道。
74.本公开的实现方式的各种示例
75.本发明根据各种器械和器械的部分在三维空间中的状态对其进行描述。例如，术语方位是指对象或对象的一部分在三维空间中的位置(例如，沿着笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。术语取向是指对象或对象的一部分的旋转放置(例如，一个或多个旋转自由度，诸如滚转、俯仰和偏航)。术语姿势是指对象或对象的一部分处于至少一个平移自由度中的方位，或者指对象或对象的一部分处于至少一个旋转自由度中的方位(例如，多达六个总自由度)。术语形状是指沿对象测量的一组姿势、方位或取向。
76.本公开的实施例中的一个或多个元件可以在软件中实现以在诸如控制处理系统的计算机系统的处理器上执行。当以软件实现时，本公开的实施例的元素可以是用于执行各种任务的代码段。程序段或代码段可以被存储在处理器可读存储介质或装置中，该处理器可读存储介质或装置可以通过在传输介质或通信链路上以载波形式体现的计算机数据信号来下载。处理器可读存储装置可以包括可以存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和/或磁性介质。处理器可读存储装置的示例包括电子电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(rom)、闪存、可擦可编程只读存储器(eprom)；软盘、cd
‑
rom、光盘、硬盘或其它存储装置。代码段可以经由诸如互联网、内联网等的计算机网络来下载。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。编程指令可以被实现为多个单独的程序或子例程，或者它们可以被集成到本文描述的系统的多个其它方面中。在一些示例中，控制系统可以支持无线通信协议，诸如蓝牙、红外数据通讯(irda)、homerf、ieee 802.11、数字增强无绳通信(dect)、超宽带(uwb)、zigbee(物联网)和无线遥测。
77.医疗工具可以通过本文公开的柔性细长装置(例如，导管)递送，并且可以包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融光纤和/或其它手术工具、诊断工具或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端致动器，诸如手术刀、钝刀、光纤、电极和/或诸如此类。其它末端致动器可以包括例如钳子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或诸如此类。其它末端致动器可以进一步包括电激活的末端致动器，诸如电外科电极、换能器、传感器和/或诸如此类。医疗工具可以包括图像捕获探针，该图像捕获探针包括用于捕获图像(包括视频图像)的立体或单视相机。医疗工具可以另外容纳在其近侧部分和远侧部分之间延伸以可控制地弯曲医疗工具的远侧部分的缆线、联动装置或其它致动控制装置。可转向器械在美国专利no.7,316,681(于2005年10月4日提交，并且标题为“articulated surgical instrument for performing minimally invasive surgery with enhanced dexterity and sensitivity”)和美国专利申请no.12/286,644(于2008年9月30日提交，并且标题为“passive preload and capstan drive for surgical instruments”)中详细描述，其全部内容通过引用并入本文。
78.本文所述的系统可以适合于在多种解剖系统中的任何一种(包括肺、结肠、肠、肾和肾盏、脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或诸如此类)中经由自然或手术产生的通道来导航和治疗解剖组织。
79.注意，所呈现的过程和显示可能并非固有地与任何特定计算机或其它设备有关。各种通用系统可以与根据本文的教导的例程一起使用，或者可以证明构造更专用的设备来执行所描述的操作是方便的。另外，将意识到，可以使用多种编程语言来实现本文描述的示
例。
80.尽管已经描述并在附图中示出了某些示例，但是应当理解，这些示例仅是示例性的，而不是限制性的，并且所描述的示例不限于所示出和描述的特定构造和布置，这是由于本领域普通技术人员可以进行各种其它修改。