用于操纵医疗器械通过连接的人体通道的具有多种操作模式的医疗系统的制作方法
【专利摘要】控制器以不同的操作模式操作，以便在通过连接的人体通道插入和收回医疗器械时控制医疗器械的远侧尖端的移动。当插入医疗器械时，控制器通常以自动导航模式操作，除非手动超越控制以便以手动模式操作。当收回医疗器械时，控制器通常以零力模式操作，以允许远侧尖端自由移动，以便在通过连接的人体通道收回医疗器械时远侧尖端可以遵从通道的形状，除非手动超越控制以便以手动模式操作。
【专利说明】用于操纵医疗器械通过连接的人体通道的具有多种操作模式的医疗系统
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及医疗系统，并且具体涉及用于操纵医疗器械通过连接的人体通道的具有多种操作模式的医疗系统。
【背景技术】
[0002]被操纵通过人体通道的一种类型的医疗器械是内窥镜。借助通过自然孔或外科手术产生的开口插入设备并将其引导至病人体内的目标部位，内窥镜允许内科医生捕获身体内部器官的图像，以及诊断人体内部器官中的问题。在一些情况下，其也可以被用来对人体内部器官执行医疗程序。其可操纵以便为了导航目的使其远侧尖端可控地取向。图像捕获设备(诸如立体视场的或单视场的摄像机)可以被提供在其远侧尖端处，使得从该角度被摄像机捕获的图像可以在显示屏上被外科医生观察。为了在目标部位执行各种医疗程序，外科手术工具(诸如用于切除、抓持、烧灼等的那些工具)可以延伸到内窥镜的远侧尖端之外。
[0003]专用内窥镜可以由其大致意图查看的地方而得名。示例包括:用于在膀胱内查看的膀胱镜、用于在肾内查看的肾镜、用于在肺的支气管内查看的支气管镜、用于在喉内查看的喉镜、用于在耳内查看的耳镜、用于在关节内查看的关节镜、用于在腹部内查看的腹腔镜以及胃肠内窥镜。为了查看其预期的器官，内窥镜可以移动通过人体内连接的人体通道到达目标区域。
[0004]可操纵通过人体通道的另一类型的医疗器械是导管。导管是细长的柔性管，其被插入到自然的体腔或通道内用于引入或取出流体。其用途包括通过尿道从膀胱中排出尿，或为了诊断目的而通过血管插入到心脏中。导管还可以插入到通道内以保持通道打开。
[0005]可操纵通过人体`通道的其他类型的医疗器械是外科手术和诊断工具。示例包括像用于获得组织样品的镊子以及用于灼烧组织的电极这样的常用医疗用具。
[0006]此类医疗器械被操纵通过其中的人体通道可以是曲折的，并且沿着其长度具有变化的宽度。另外，它们可以是多分支的并且狭窄的，使得到体内的目标区域的导航是困难的。同样，通道可以包含由于与医疗器械的过度的物理接触而极易受到伤害的敏感组织。作为连接的人体通道的一个示例，US7, 901，348B2描述了在支气管镜检查程序中超薄柔性内窥镜到肺部的支气管树内的预定感兴趣区域的视觉辅助引导。作为连接的人体通道的其他示例，US2005/0182319A1描述了可应用于血液循环系统以及肺的空气循环系统、消化系统与泌尿系统的图像引导的外科手术技术。
[0007]当操作者将医疗器械通过连接的人体通道插入到病人的解剖结构内的目标区域时，希望辅助操作者将医疗器械导航至目标区域。在收回医疗器械使其从连接的人体通道离开时，必须小心以避免由于与医疗器械的过度物理接触而伤害通道壁。病人的安全始终是首要考虑的，同时控制医疗器械在病人体内的移动。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的一个或更多个方面的一个目的是这样的一种医疗系统以及在其中实施的方法，其用于控制医疗器械通过人体通道的移动而不引起对病人的伤害。
[0009]本发明的一个或更多个方面的另一目的是这样的一种医疗系统以及在其中实施的方法，其提供对操作者以安全有效的方式操纵医疗器械通过连接的人体通道到达和/或离开目标区域有益的导航辅助。
[0010]本发明的一个或更多个方面的另一目的是这样的一种医疗系统以及在其中实施的方法，其用于为自动导航辅助提供手动超越控制(manual override),以便通过连接的人体通道到达目标区域。
[0011]这些以及另外的目的通过本发明的各种方面实现，其中简而言之，一个方面是医疗系统，其包括:可操纵医疗器械；至少一个致动器；以及控制装置，其用于在检测到医疗器械在插入方向上的移动之后，命令至少一个致动器使医疗器械根据插入控制模式被操纵，以及在检测到医疗器械在收回方向上的移动之后，命令至少一个致动器以允许医疗器械按照施加在医疗器械上的力移动。
[0012]另一方面是用于控制医疗器械的操纵的方法，该方法包括:检测医疗器械的移动；以及在检测到医疗器械在插入方向上的移动之后，命令至少一个致动器以使医疗器械根据插入控制模式被操纵，以及在检测到医疗器械在收回方向上的移动之后，命令至少一个致动器以允许医疗器械按照施加在医疗器械上的力移动。
[0013]另一方面是医疗系统，其包括:输入设备；医疗器械；至少一个致动器；以及控制装置，其用于在正常控制模式下命令所述至少一个致动器以使医疗器械根据编程的导航路径被操纵，以及用于在正常控制模式被输入设备的操作者手动超越控制时命令所述至少一个致动器以使医疗器械根据输入设备命令这种操纵的移动被操纵。
[0014]另一方面是用于控制医疗器械的操纵的方法，该方法包含:当医疗器械在插入方向上移动时，命令至少一个致`动器根据编程的导航路径操纵医疗器械；接收手动超越控制指示；以及命令至少一个致动器根据输入设备的移动操纵医疗器械。
[0015]参照以下应当与附图结合考虑的本发明的实施例的描述，本发明的各种方面的另外的目的、特征和优点将将会变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1图示说明了被布置在连接的人体通道内并由利用本发明的各方面的医疗系统的控制器控制的医疗器械的示意图。
[0017]图2图示说明了用于利用本发明的各方面的医疗系统的医疗器械的远端的示意图。
[0018]图3图示说明了医疗器械可以穿过其中的连接的人体通道的示意图。
[0019]图4图示说明了利用本发明的各方面的医疗系统的方框图。
[0020]图5图示说明了利用本发明的各方面的用于在医疗器械朝向病人体内目标区域的插入过程中控制医疗器械的方法的流程图。
[0021]图6图示说明了利用本发明的各方面的用于在医疗器械远离病人体内目标区域的收回过程中控制医疗器械的方法的流程图。【具体实施方式】
[0022]图1图示说明了医疗系统的使用，其中响应于操作者与输入设备101的交互，控制器102命令致动器103将医疗器械104移入、移出以及通过病人150的连接的人体通道。在这种情况下，医疗器械104可以是内窥镜、导管或具有诸如在图2中示出的可操纵尖端142的其他医疗设备。致动器103包括致动器121，其用于沿着轨道124在输入方向(即，插入病人150体内)以及输出方向(即，从病人150体内收回)上移动整个医疗器械104，如通过标示“I/O”的双头箭头所描述的。可替代地，致动器121可以被省略，在这种情况下，操作者可以手动地将医疗器械104插入连接的人体通道或将其从连接的人体通道收回。致动器103还包括致动器122和123，用于操纵可操纵尖端142。
[0023]图2图示说明了医疗器械104远端的细节，其中以实线的形式示出处于非旋转状态的可操纵尖端142，而以虚线的形式示出处于各种旋转状态的可操纵尖端142。医疗器械104包括柔性主体141，可操纵尖端142可旋转地耦连至柔性主体141。例如，当在俯仰(pitch)方向上旋转可操纵尖端142时，其如以图示的虚线形示出的那样移动。当在偏航方向(yaw)上旋转可操纵尖端142时，其在与图示的虚线形正交的方向上移动。通过以俯仰与偏航组合的形式旋转可操纵尖端142，可以实现俯仰与偏航之间的中间角度。在这种情况下，致动器122可以在俯仰方向上操纵可操纵尖端142，而致动器123可以在偏航方向上操纵可操纵尖端142。可替代地，利用相应的致动器，可以以围绕主体141的中心轴线转动的形式以及在俯仰与偏航方向中的一个或两个方向上旋转可操纵尖端142。柔性主体141可以被动弯曲或主动弯曲或其组合。为了主动弯曲柔性主体141，除了那些已经提到的之外，还可以提供另外的致动器和控制元件用于操纵医疗器械104。
[0024]当医疗器械104是可操纵内窥镜时，其可以具有一个或更多个内腔145，多个光纤电缆144和图像捕获设备143延伸通过内腔145。图像捕获设备143可以是立体视场的或单视场的摄像机，用于 捕获图像，该图像被传递给图像处理器108并由图像处理器108处理，并且在显示屏109上显示(在图4中示出)。可替代地，图像捕获设备143可以是相干光纤束/传像束，其被耦连至器械104 (诸如纤维内窥镜)的近端上的成像处理系统。光纤电缆144中的一个可以在其近端被耦连到光源(未示出)，该光源在医疗器械104的远端处用于照明目的。其他的光纤电缆144可以被配置为具有弯曲传感器或形状传感器，诸如光纤布拉格光栅(或其他应变传感器，诸如利用瑞利散射的传感器)，以便使得穿过光纤电缆的光被控制器102处理，以确定医疗器械104的当前位置和形状，包括可操纵尖端142的取向。
[0025]在标题为“Apparatus and methods for automatically controllingendoscope”的W02009/097461A1中描述了这种可操纵内窥镜的一个不例，该文献被并入本文以供参考。利用光纤布拉格光栅确定内窥镜的位置和弯曲的细节可以在以下文献中找到，例如，在标题为“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using FiberBragg Gratings” 的 US2007/0156019A1、标题为 “Fiber Optic Position and/or ShapeSensing Based on Rayleigh Scatter” 的 US2008/0212082A1、标题为 “Robotic SurgicalInstrument and Methods using Bragg Fiber Sensors，，的 US2008/0218770A1 和标题为“Fiber Optic Shape Sensor”的US2009/0324161A1，这些文献均被并入本文以供参考。
[0026]图3图示说明了病人150体内的连接的人体通道152的示意图，其中响应于操作者与输入设备101的交互，在控制器102的控制下医疗器械104移动通过连接的人体通道152。连接的人体通道152具有入口点151、分支通道154、155、156和157以及组织壁153，其中医疗器械104通过入口点151进入，并且分支通道154、155、156和157提供医疗器械104到达病人体内不同目标区域的路径。尽管在图3中连接的人体通道152被显示为具有多个分支通道的树形结构，但其可以取而代之地包含单个内腔或通道。除了自然的人体通道之外，人造的人体通道或外科手术产生的人体通道也可以被包括在连接的人体通道152中。
[0027]作为一个示例，图4图示说明了医疗系统100的方框图。根据控制器102的当前操作模式，控制器102通过命令致动器103来控制医疗器械104的移动。控制器102可以被实现为执行存储在一个或更多个存储器中的程序代码的一个或更多个集中式或分布式处理器，每个处理器又可以由硬件、固件和软件中的一个或其组合实现。当前的操作模式通常取决于操作者是在插入方向上(即，进入病人)还是在收回方向上(即，离开病人)命令医疗器械104的移动。提供缺省操作模式，以便在检测到医疗器械104在插入方向上的移动时，当前的操作模式为自动导航模式，而在检测到医疗器械104在收回方向上的移动时，当前的操作模式为零力模式，然而，为了安全、路线改变或其他目的，编程的缺省模式可以被手动地超越控制。输入设备101被提供在医疗系统100中，用于在自动导航模式被超越控制时手动地操纵医疗器械104。输入设备101还可以用于命令医疗器械104的插入和收回。可替代地，通过操作者在插入和收回方向上手动地移动医疗器械104，可以执行这种插入和收回。同样被包括在医疗系统100中的是致动器103、医疗器械104、存储器107、显示屏109和图像处理器108。
[0028]作为一个示例，图5图示说明了由控制器102执行的用于在医疗器械104朝向病人体内目标区域的插入过程中控制医疗器械104的操纵的方法的流程图。在方框501中，该方法通过利用适当的传感器检测输入设备101的移动或医疗器械104的移动来检测医疗器械104在插入方向上的移动。在方框502中，该方法确定移动是否超过阈值，以避免操作者预期的插入移动的错误指示。此类错误指示的示例包括在操作者与输入设备101进行手动交互或手动插入医疗器械10 4时系统中的噪声和手的抖动。阈值可以基于与时间无关的位置变化或在指定的时间段内的位置变化(即，速度)。
[0029]如果方框502中的确定为否，那么该方法循环回至方框501。另一方面，如果方框502中的确定为是，那么该方法进行到方框503，在方框503中，该方法确定医疗器械104的远侧尖端142的当前姿势(即，位置和取向)。在方框504中，该方法然后利用医疗器械104的当前姿势根据编程的导航路径确定操纵方向。可以在术前或术中利用病人的解剖结构图像确定导航路径，病人的解剖结构图像诸如利用计算机断层(CT)扫描、核磁共振成像(MRI)扫描等产生的图像。
[0030]在正常操作中，该方法然后进入到方框506，在方框506，该方法以自动导航模式操作，从而命令致动器122和123沿着根据确定的操纵方向编程的导航路径操纵医疗器械104。在执行方框506之后，该方法然后通过跳回到方框501，从而继续执行另一过程循环。
[0031]该方法还提供有手动超越控制特征，其在逻辑上被显示为方框505 (被置于方框504与506之间)，在方框505中确定操作者是否已经激活手动超越控制。通过激活例如位于输入设备101上的手动超越控制开关，或通过仅移动输入设备101，操作者可以完成手动超越控制的激活，以便“超控(overpower)”导航模式，并且命令致动器122和123如所期望地操纵可操纵尖端142。在这个意义上来说，超控意味着操作者已经通过输入设备101在与导航模式命令的相反方向的操纵方向上命令可操纵尖端142的充分移动(例如，超过阈值量)。尽管在方框505中被显示为确定，手动超越控制可以被实现为常规的“系统中断”，其使得实现该方法的控制器102跳转至方框507，以便允许操作者可以接管操纵医疗器械104的控制的手动模式操作。具体地，在手动模式操作中，控制器102允许操作者通过如下方式对操纵医疗器械104的可操纵尖端142的完全控制，即通过响应于命令这种操纵动作的操作者与输入设备101的交互而命令尖端操纵致动器122和123操纵可操纵尖端142。
[0032]当以手动模式操作时，可以可选地执行方框508，在方框508中，该方法使得在方框504中确定的操纵方向的图形指示显示在显示屏109中。可替代地或额外地，该方法可以使得轻推力被提供在输入设备101上，以便支持操作者在方框504中确定的操纵方向上操纵医疗器械104。当操作者希望将控制转回到自动导航模式时，可以释放超越控制，并且该方法跳回至方框501。其后，在执行手动超越控制之后，在方框504中，可以利用在方框503中确定的医疗器械的当前姿势来确定更新的导航路径，并且利用更新的导航路径来确定新的操纵方向，因为在手动超越控制之后医疗器械104可能不再处于原始的导航路径上。以此方式，操作者每次从手动模式转变为导航模式时，可以确定从当前器械位置到目标区域的新导航路径，确定方式类似于在驾驶者驶离导航路径时自动重新计算出到目的地的路径的汽车导航系统。导航路径(原始的和更新的)可以存储在存储器107中，以便可被控制器102访问。
[0033]作为一个示例，图6图示说明了由控制器102执行的用于在医疗器械104远离病人体内目标区域的收回过程中控制医疗器械104的方法的流程图。在方框601中，该方法通过利用适当的传感器检测输入设备101的移动或医疗器械104的移动来检测医疗器械104在收回方向上的移动。在方框602中，该方法确定移动是否超过阈值，以避免操作者预期的收回移动的错误指示(诸如之前参照图5的方框502描述的)。如果方框602中的确定为否，那么该方法循环回至方框601。
[0034]在正常操作时，该方法然后进行到方框604，在方框604中，该方法以零力模式操作，从而命令致动器122和123允许医疗器械104按照/遵从在医疗器械104上施加(诸如在医疗器械行进通过通道时由通道壁施加的)的力进行移动。例如，控制器102可以主动控制可操纵尖端142，以便基于检测到的相互作用力最小化与连接的人体通道152的壁153的接触力。作为另一示例，控制器102可以停用操纵的致动器122和123，使得可操纵尖端142按照/遵从连接的人体通道152的壁153自由移动。因此，在医疗器械104的收回过程中，可能是敏感组织的通道壁仅经受最小的伤害。该方法然后通过跳回到方框601，从而继续执行另一过程循环。
[0035]该方法还可选地提供有手动超越控制特征，其在逻辑上被显示为方框603和605。在这种情况下，手动超越控制将会与参照图5描述的方框505和507的手动超越控制相似地操作。在完成手动超越控制之后，该方法然后跳回至方框601，从而重新进入正常模式的收回操作。
[0036]不管控制器102以哪一种操作模式操作，值得注意的是，操作者始终具有对医疗器械104的移动的方向和速度的控制。具体地，即使当控制器102自动操纵可操纵尖端142时，操作者也可以通过停止命令医疗器械104的插入而停止所有动作。操作者也可以通过减慢命令的插入速率来减慢这样的动作。
[0037] 尽管已经关于一个或更多个实施例描述了本发明的各种方面，但应理解本发明有权全面保护所附权利要求的全部范围，并且不受所描述的实施例限制。
【权利要求】
1.一种医疗系统，其包含: 可操纵医疗器械； 至少一个致动器；以及 控制装置，其用于在检测到所述医疗器械在插入方向上的移动之后，命令所述至少一个致动器使所述医疗器械根据插入控制模式被操纵，以及在检测到所述医疗器械在收回方向上的移动之后，命令所述至少一个致动器允许所述医疗器械按照施加在所述医疗器械上的力移动。
2.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述插入控制模式命令所述至少一个致动器根据编程的导航路径操纵所述医疗器械。
3.根据权利要求2所述的医疗系统，其中所述编程的导航路径指示根据所述医疗器械的当前插入位置确定的操纵方向。
4.根据权利要求2所述的医疗系统，其中如果所述操作者超越控制所述编程的导航路径，则所述插入控制模式命令所述至少一个致动器根据操作者与控制设备的交互来操纵所述医疗器械。
5.根据权利要求4所述的医疗系统，其中所述控制装置使得轻推力施加在所述控制设备上，以便按照所述编程的导航路径指示操纵方向。
6.根据权利要求4所述的医疗系统，其还包含显示屏，其中所述控制装置使得按照所述编程的导航路径的操纵方向的指示显示在所述显示屏上。
7.根据权利要求4所 述的医疗系统，其中在所述操作者释放所述编程的导航路径的超越控制之后，所述控制装置根据所述医疗器械的当前姿势更新所述编程的导航路径。
8.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述控制装置通过在所述插入方向上超过阈值量的变化检测所述医疗器械在所述插入方向上的移动。
9.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述控制装置通过在所述收回方向上超过阈值量的变化检测所述医疗器械在所述收回方向上的移动。
10.根据权利要求1所述的医疗系统，其中所述插入控制模式命令所述至少一个致动器根据操作者与控制设备的交互操纵所述医疗器械。
11.根据权利要求10所述的医疗系统，其中所述控制装置使得轻推力施加在所述控制设备上，以便按照所述编程的导航路径指示操纵方向。
12.根据权利要求10所述的医疗系统，其还包含显示屏，其中所述控制装置使得按照所述编程的导航路径的操纵方向的指示显示在所述显示屏上。
13.根据权利要求1所述的医疗系统，其中通过操作者将所述可操纵医疗器械手动推入和拉出通道，在所述插入和收回方向上移动所述可操纵医疗器械。
14.一种用于控制医疗器械的操纵的方法，所述方法包含: 检测所述医疗器械的移动；以及 在检测到所述医疗器械在插入方向上的移动之后，命令所述至少一个致动器使所述医疗器械根据插入控制模式被操纵，以及在检测到所述医疗器械在收回方向上的移动之后，命令所述至少一个致动器允许所述医疗器械按照施加在所述医疗器械上的力进行移动。
15.—种医疗系统，其包含: 输入设备；医疗器械； 至少一个致动器；以及 控制装置，其用于在正常控制模式下命令所述至少一个致动器使所述医疗器械根据编程的导航路径被操纵，以及用于当所述正常控制模式被所述输入设备的操作者手动超越控制时命令所述至少一个致动器使所述医疗器械根据所述输入设备命令这种操纵的移动被操纵。
16.根据权利要求15所述的医疗系统，其中响应于所述输入设备命令这种操纵的移动，所述控制装置命令所述至少一个致动器使所述医疗器械在插入方向上移动，同时在所述正常控制模式下使所述医疗器械根据所述编程的导航路径被操纵。
17.根据权利要求16所述的医疗系统，其中所述编程的导航路径指示根据所述医疗器械的当前插入位置确定的操纵方向。
18.根据权利要求16所述的医疗系统，其中如果所述操作者超越控制所述编程的导航路径，则所述插入控制模式命令所述至少一个致动器根据操作者与控制设备的交互来操纵所述医疗器械。
19.根据权利要求18所述的医疗系统，其中所述控制装置使轻推力施加在所述控制设备上，以便按照所述编程的导航路径指示操纵方向。
20.根据权利要求18所述的医疗系统，其还包含显示屏，其中所述控制装置使得按照所述编程的导航路径的操纵方向的指示显示在所述显示屏上。
21.根据权利要求18所述的医疗系统，其中在所述操作者释放所述编程的导航路径的超越控制之后，所述控制装置根据所述医疗器械的当前姿势更新所述编程的导航路径。`
22.根据权利要求15所述的医疗系统，其中所述控制装置通过在所述插入方向上超过阈值量的变化检测所述医疗器械在所述插入方向上的移动。
23.根据权利要求15所述的医疗系统，其中通过操作者将所述医疗器械手动推入和拉出通道，在插入和收回方向上移动所述医疗器械。
24.一种用于控制医疗器械的操纵的方法，所述方法包含: 当医疗器械在插入方向上移动时，命令至少一个致动器根据编程的导航路径操纵所述医疗器械； 接收手动超越控制指不；以及 命令所述至少一个致动器根据输入设备的移动来操纵所述医疗器械。
【文档编号】A61B1/005GK103607941SQ201280023017
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年5月13日
【发明者】V·多文戴姆, G·M·普里斯科 申请人:直观外科手术操作公司