专利名称：用于嵌套插管的螺旋形连续弯曲管的制作方法
用于嵌套插管的螺旋形连续弯曲管本发明总体上涉及为患者定制以方便最小侵入性手术流程的嵌套插管配置。本发明具体涉及调整配置规划器以采用来自包括螺旋形弧的各种弧的运动邻域，以及构造嵌套插管配置，其包括一个或多个螺旋形状的管和/或一个或多个常规形状的管(例如，直的、 圆形的和/或其组合)。现有的导航装置，诸如导管和支气管镜和其他内窥镜，具有若干缺点。支气管镜应用中遇到的具体问题是支气管镜通常具有较大的管径，并且仅能在尖端处转向或以其他方式导航。大尺寸部分是由于在支气管镜内构建的使其能够转向的控制机构。由于其尺寸以及缺少灵巧性的原因，常规的支气管镜在其到达特定区域的能力上受到限制。例如，典型的支气管镜仅能够到达肺部中心三分之一，那里是最大的气道。这导致常规的支气管镜技术不能到达全部肺癌(例如)的三分之二，因此，没有较大的物理介入就无法治疗。即使是可能区分良性和恶性瘤的肺部活检也有超过10%的导致肺部塌陷的可能。于是，可能可以治疗的疾病常常得不到治疗，直至疾病恶化许可和/或需要手术为止。与常规的手术技术相关联的导管和引导线较为灵活，并且能够通过跟随脉管而到达体内深处。然而，这些装置具有尖端形状，设计这种尖端形状是为了解决可能在解剖结构内转向的最困难问题。装置仅通过一种复杂转向进行机动的能力限制了装置的适用性。通常，导管和引导线常常用于“上游”方向上，其中血管的分支不需要具体控制，省却了针对特定位置的一次困难的转向。例如，向着心脏将导管插入远端动脉，例如股动脉(用于气囊血管成形术中)中，意味着血管沿这一方向汇合而不是分开。尽管在许多情况下这是有效的，但没有有效的机构来穿过复杂动脉，因为动脉在血液离开心脏流动时与血液一起行进； 或者沿着静脉穿过，因为静脉逆着血流方向离开心脏行进。在肺中，导管和引导线在远端具有较小的控制以抵达肺的特定分支，并且因此不适于抵达特定目标。插入医学装置，诸如套管、导管、引导线或观测镜(气管镜、内窥镜等)，一般可能会出现摩擦问题，并可能在行进到目标的整条路径上引起组织损伤。在将装置插入指定解剖区域中时可能会发生这种情况，尤其在试错技术通过复杂解剖结构时，会导致拉锯运动。此外，手术或探查流程期间工具尖端的移动导致整个路径中所有组织的运动。例如，在活检、消融、烧蚀、电生理学手术等期间，移动装置的尖端在装置的整个路径上导致运动。这种摩擦可能会驱出易受影响的血小板，例如导致中风。用于移动嵌套插管的现有技术主要关注于多个嵌套管形状和强度的相互作用，以在远端产生可表征的运动。为了通过连续部署嵌套管来使用嵌套插管，必须限定管的配置， 从而使得能够实现该路径。找到通过血管的中线是不够的，因为这一信息未描述如何将路径分解成可延伸的通用子部件。例如，不能简单地部署S形状作为单一连续的S形状。这是因为在一端从包封的管出来时，它面向错误的方向。相反，必须要嵌套两个C形，使得第一个逆时针方向旋转，而第二个与第一个成180度取向，延伸以生成顺时针方向的C。此外， 如果它们每个均稍有不同，将要求定制制造成形状，诸如通过加热。此外，管的直径必须要匹配提出的解剖结构。于2008 年 3 月 20 日公布的 Karen Trovato 的题为"ActiveCannulaConfiguration For Minimally Invasive Surgery”的国际申请WO 2008/032230A1 描述了一种有效的套管配置系统，其结合了定制的工具，定制工具是基于预先采集的3D图像和对目标位置的识别针对具体患者生成的。具体而言，系统包括彼此嵌套的多个同心伸缩管。配置嵌套管并确定其尺寸，通过生成经过从特定解剖区域的三维图像获得的一组弧的管路径而到达目标位置。通常利用三维成像系统获得必需的图像，其中，配置每个管并确定其尺寸以到达特定解剖区域内较小和/或复杂的目标位置。管可以有利地由表现出预期水平的柔韧性/弹性的材料制造。于是，一个或多个嵌套管可以由镍钛诺材料制造。镍钛诺材料具有“完美的记忆”，因此当施加力时可以将其弯曲，而一旦撤除力就返回到初始设置的形状。镍钛诺还能够在MRI机器之内使用。它是较强的材料，并且因此可以做成薄壁， 使得能够嵌套若干管。在市场上容易买到外径从大约5mm小到大约0. 2mm的管。此外，三维成像系统可以是CT、超声、PET、SPECT或MRI，但也可以根据距离传感器、立体图像、视频或其他非医学成像系统来构造。通常，使用特定解剖区域的图像来配置所述多个管中的每个并确定其尺寸，以限定所述多个管中的每个的特定形状和延伸长度。 所限定的多个管中的每个的形状和延伸长度确定了是否可到达目标位置。可以针对特定解剖区域将所述多个管配置并确定其尺寸，成为预设形状和延伸长度。所述预设的多个管可以包括交替的弯曲和直的管。更具体而言，针对与特定个体相关联的特定解剖区域，配置多个管并确定其尺度， 成为预设的形状和延伸长度。配置管并确定尺度以到达解剖区域内较小直径的位置和/或需要进行复杂机动的位置。解剖区域可以是任何需要器械侵入或手术的期望区域，包括，但不限于胸部区域、腹部区域、神经区域、心脏区域、血管区域等。通过针对嵌套于内部的那些管为多个管的外管生成和/或提供屏障物，调节管以防止插入摩擦导致组织损伤。管还可以包括在延伸最远的管的尖端处的医学装置构件或其他有源结构，其适于在目标位置处执行和/或方便医学流程。与本发明相关的医学装置包括，但不限于，导管、伸缩尖端、引导线、光纤装置、活检、缝合、curatage装置和传感器(pH、 温度、电传感器)。更常用电传感器检查例如心脏的电学功能。可以调节管以在触觉或视觉反馈的辅助下人工引导和控制管插入到解剖区域中。也可以使用位置反馈，诸如管中嵌入的或者由管承载的有效载荷内的电磁跟踪线圈。可以在图形显示器上显示这一位置，优选与图像配准。通常，嵌套插管包括两个或更多个管，优选具有预先设计的曲率，例如，
图1所示的直管10和图2所示的圆管20。管具有固定的曲率，以便在插入它们时在周围管上维持一致的力，这样提供了稳定的形状。如果管在整个长度上改变曲线或形状，那么在插入期间 (一个或多个)包封管会扭动，对于横向运动可能导致损伤或伤害的许多应用这是不希望出现的。尽管先前的装置和算法假设圆形管是弧的一部分，将圆形管制造成完美的圆形是困难的，尤其是一旦圆形管的长度大于2*pi*R(周长)时。在这一长度，必须要将圆形管制成圆形或直的多个段，例如，图3所示的管30具有直段31和圆段32。这在可能不一致的形状之间创建接合，但还要求偏移地或分层存放管，类似于包裹的园艺胶管或线轴，特别是当所有多个段都是圆形时。由于管是以这种方式存储的，特别对于聚合物而言，可能不慎将管加热或冷却，并可能变得形状不匹配。如果管形状是不可预知的，那么就不能事先计算管的适当集合，并且此外，在管推进时，嵌套插管的管将具有“扭动问题”。 因此，非常希望使长度大于2*pi*R(周长)的管形状具有一致的曲率，并确保不用
必须分段制造它们，并且无须弯折或包裹成不同的形状。本发明的一种形式是一种嵌套插管，其包括多个伸缩管，协作地配置它们并确定其尺寸，以通过包括一个或多个螺旋形弧的一组弧到达相对于解剖区域的目标位置，其中， 在目标位置和与解剖区域相关联的点之间确定每个弧。本发明的另一种形式是一种用于嵌套插管配置的方法，该方法涉及读取解剖区域的图像；以及协作地配置多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括一个或多个螺旋弧的一组弧到达图像内相对于解剖区域的目标位置，其中，在目标位置和与所述解剖区域相关联的点之间确定每个弧。本发明的另一种形式是一种包括成像系统和配置规划器的嵌套插管系统。成像系统生成解剖区域的图像；并且配置规划器协作地配置多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括一个或多个螺旋弧的一组弧到达图像内相对于解剖区域的目标位置，其中，在目标位置和与所述解剖区域相关联的点之间确定每个弧。结合附图阅读本发明各实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细描述和附图仅仅例示本发明而非加以限制，本发明的范围由所附权利要求及其等价要件限定。图1图示了本领域中已知的示范性直管。图2图示了本领域中已知的示范性圆管。图3图示了本领域中已知的示范性直/圆组合管。图4图示了根据本发明的螺旋管的示范性实施例。图5图示了根据本发明的嵌套插管系统的示范性实施例。图6A和6B图示了根据本发明的螺旋弧的示范性实施例。图7图示了根据本发明的弧的示范性三维邻域的透视图。图8图示了根据本发明的肺气道示范性分割和示范性嵌套插管配置。图9图示了根据本发明的示范性网(net)螺旋管。图10图示了根据本发明的螺旋管的自然坐标系确定。图11和12图示了根据本发明的非交互螺旋弧的示范性三维螺旋形邻域的相应透视图和顶视图。图13图示了根据本发明的交互螺旋弧的示范性三维螺旋邻域的透视图。图14图示了根据本发明的交互圆弧的示范性三维螺旋邻域的透视图。图15图示了本领域中已知的圆管的扭转运动。本发明提供了一种嵌套插管配置系统和方法，其针对患者和/或感兴趣解剖区域生成定制的嵌套插管，使得最小侵入性手术流程能够到达常规手术装置通常难以到达的特定目标位置。镍钛诺管和聚合物管允许灵活地和灵巧地到达复杂和困难的目标位置。使用一个或多个3D图像以生成一系列3D路径，其限定软管的形状和延伸长度。在本发明的示范性方面中，在几分钟之内计算出管路径。配置的嵌套插管系统和方法能够比人工成形的导管更快地穿过复杂的脉管系统，人工成形的导管通常需要反复试错以正确地形成。将到达目标所需的运动设计到工具中，使它能够执行多次转向而无需马达、控制线等额外尺寸或重量。这种微型、灵巧的工具能够精确地、最小侵入地到达非常小的解剖区和/或区域中。根据本发明，嵌套插管系统可以包括多个伸缩式预先成形的管。由柔性镍钛诺 (镍-钛合金)或其他适当材料制造的同轴伸缩管大致沿着解剖区域延伸，每个管具有特定的曲率。由于其记忆属性和柔性，镍钛诺是插管制造的特别理想的材料，从而使得管能够保形地进入环绕它的更大管中，直到管延长。通常，首先将最大的管引入到预期的区域中，随后将依次更小的管引入/延伸到预计/期望的长度和取向。在本发明的示范性方面中，管可以由聚合物制成，其不那么昂贵但可能需要更厚的壁。如果需要的管数量充分小，使得它们能够到达目标位置，或解剖区域足够大以容纳每个管，这可能是优选的。它们的弹性特性也是重要的，因此在接近部署它们的时间嵌套它们可能是有利的，这样它们采取新形状的机会较小。示范性嵌套插管通常可能具有多个伸缩的镍钛诺管(常常称为一系列管)，可到达期望解剖区域中较小和/或复杂的位置。根据本发明的有益方面，嵌套插管套件可以包括“标准组”的管，其包括具有(一个或多个)预设计长度的一个或多个直管(例如，图1所示的直管10)、具有预设计转向半径(ii)和(一个或多个)长度的一个或多个圆管(例如，图2所示的圆管20)、具有预设计转向半径(ii)和长度的一个或多个直/圆组合管(例如，图3所示具有直部31和圆部32 的管20)、和/或具有预设计转向半径(ii)、( 一个或多个)长度和(一个或多个)间距的一个或多个螺旋管(例如，图4所示的螺旋管)。使用“标准组”能够到达给定解剖区域之内的各种位置，而没有惯常制造每个特定管的成本或延迟。在实践中，可以利用本领域中公知的用于均一曲率的管和导线的技术制造每个螺旋管。例如，一种技术涉及挤压出特定长度的管，随后使管绕着特定转向半径的心轴热变形，以形成螺旋管。对于本范例，螺旋管必须针对每个重复环具有足够高的间距，以清除螺旋管相邻环之间距离带来的先前转向。优选地，对于具有间距参数c的螺旋管40，如图4所示，间距等于2 π c，对于螺旋管40而言c为非零常数，确保了螺旋管40相邻环之间有足够间距。在这种情况下，螺旋管预设计的曲率k依据以下等式[1]
权利要求
1.一种嵌套插管(60)，包括多个伸缩管，协作地配置它们并确定其尺寸以通过包括至少一个螺旋弧Gl)的一组弧到达相对于解剖区域的目标位置，其中，每个弧是在所述目标位置和与所述解剖区域相关联的点之间确定的。
2.根据权利要求1所述的嵌套插管(60)，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管GO)；并且其中，每个螺旋管GO)具有由所述螺旋管GO)的转向半径以及所述螺旋管GO)的非零间距参数限定的曲率。
3.根据权利要求2所述的嵌套插管(60)，其中，至少两个嵌套的螺旋管00)形成网螺旋，所述网螺旋具有由所述至少两个嵌套的螺旋管GO)的曲率的交互限定的网曲率。
4.根据权利要求1所述的嵌套插管(60)，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管G0)；并且其中，每个螺旋管G0)具有由所述螺旋管G0)的转向半径以及所述螺旋管G0)的非零间距参数限定的扭矩。
5.根据权利要求4所述的嵌套插管(60)，其中，至少两个嵌套的螺旋管00)形成网螺旋，所述网螺旋具有由所述至少两个嵌套的螺旋管G0)的扭矩的交互限定的网扭矩。
6.根据权利要求1所述的嵌套插管(60)，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管G0)；并且其中，将自然坐标系沿每个螺旋管G0)的运动的因素融合到配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以到达相对于所述解剖区域的所述目标位置中。
7.根据权利要求1所述的嵌套插管(60)，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管G0)；并且其中，将每个螺旋管G0)的扭转扭曲的因素融合到配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以到达相对于所述解剖区域的所述目标位置中。
8.一种用于配置嵌套插管(60)的方法，所述方法包括读取解剖区域的图像(51)；以及协作地配置多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括至少一个螺旋弧Gl)的一组弧到达所述图像(51)内相对于解剖区域的目标位置，其中，每个弧是在所述目标位置和与所述解剖区域相关联的点之间确定的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管G0)；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧Gl) 的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置包括确定每个螺旋管G0)的由所述螺旋管00)的转向半径以及所述螺旋管G0)的非零间距参数限定的曲率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，至少两个嵌套的螺旋管G0)形成网螺旋；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置还包括确定所述网螺旋的由所述至少两个嵌套的螺旋管GO)的曲率的交互限定的网曲率。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管GO)；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧Gl) 的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置包括确定每个螺旋管GO)的由所述螺旋管00)的转向半径以及所述螺旋管GO)的非零间距参数限定的扭矩。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，至少两个嵌套的螺旋管GO)形成网螺旋；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧Gl) 的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置还包括确定所述网螺旋的由所述至少两个嵌套的螺旋管GO)的扭矩的交互限定的网扭矩。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管GO)；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置包括确定自然坐标系沿每个螺旋管GO)的运动。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个伸缩管包括至少一个螺旋管GO)；并且其中，协作地配置所述多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括所述至少一个螺旋弧Gl) 的一组弧到达所述图像(51)内相对于所述解剖区域的所述目标位置包括确定螺旋管GO)的扭转扭曲。
15.一种用于配置嵌套插管(60)的嵌套插管系统，包括成像系统(50)，其用于生成解剖区域的图像(51)；以及配置规划器(52)，其用于协作地配置多个伸缩管并确定其尺寸以通过包括至少一个螺旋弧Gl)的一组弧到达图像(51)内相对于解剖区域的目标位置，其中，每个弧是在所述目标位置和与所述解剖区域相关联的点之间确定的。
全文摘要
用于涉及螺旋管(40)的嵌套插管配置的方法和系统。嵌套插管(60)包括多个伸缩管，协作地配置它们并确定其尺寸以通过包括一个或多个螺旋弧(41)的一组弧(11、21、41)到达相对于解剖区域的目标位置，每个弧是在目标位置和与解剖区域相关联的点之间确定的。具体而言，利用解剖区域的三维图像(51)生成一系列弧，继而利用它们计算用于配置管并确定尺度的路径(53)。
文档编号A61M25/01GK102368965SQ201080015589
公开日2012年3月7日 申请日期2010年3月3日 优先权日2009年3月31日
发明者G·埃利奥特埃利亚胡, P·亚历山德拉, T·卡伦艾琳 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司