用于柔性计算机辅助器械控制的系统和方法技术方案

计算机辅助医疗系统包括柔性细长器械。柔性细长器械包括从柔性细长器械的近端延伸到柔性细长器械的远端的多根线。多根线中的每根线可用于导向远端。该系统还包括联接到柔性细长器械的控制系统。控制系统经配置监测柔性细长器械沿纵向中心轴线的移动，并基于该监测确定柔性细长器械沿纵向中心轴线在第一方向上的运动程度。控制系统还经配置基于相对于运动程度的刚度廓线，通过调节由多根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力来改变柔性细长器械的刚度。

System and Method for Flexible Computer Aided Instrument Control

The computer aided medical system includes flexible slender instruments. Flexible slender instruments include multiple lines extending from the proximal end of the flexible slender instruments to the distal end of the flexible slender instruments. Each of the multiple lines can be used to guide the distal end. The system also includes a control system connected to flexible slender instruments. The control system is configured to monitor the movement of the flexible slender device along the longitudinal central axis, and based on the monitoring, the degree of movement of the flexible slender device along the longitudinal central axis in the first direction is determined. The control system is also configured to change the stiffness of the flexible slender device by adjusting one or more forces applied from multiple lines to the distal end of the flexible slender device based on the stiffness profile relative to the degree of motion.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于柔性计算机辅助器械控制的系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求于2016年7月1日提交的名称为“SYSTEMSANDMETHODSFORFLEXIBLECOMPUTER-ASSISTEDINSTRUMENTCONTROL(用于柔性计算机辅助器械控制的系统和方法)”的美国临时专利申请62/357,555的优先权和申请日的权益，该临时专利申请通过引用以其全文并入本文。
本公开涉及用于计算机辅助医疗手术的系统和方法，并且更具体地涉及用于控制柔性细长器械的系统和方法。
技术介绍
微创医疗技术旨在减少在医疗手术期间受到损伤的组织的量，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进行。通过这些自然孔口或切口，医生可以插入微创医疗器械(包括手术、诊断、治疗或活检器械)以到达组织定位。为了帮助到达目标定位，医疗器械的定位和移动可以与患者解剖结构的术前或术中图像相关联。由于图像引导器械与图像相关，该器械可以导航(navigate)于解剖系统(例如，肠、肾、脑、心脏、循环系统、肺、尿道、动脉、脐带管等)中的自然通道或手术创建的通道。需要医疗工具足够柔韧以安全地导航于解剖通道的紧密床(tightbed)，同时提供足够的刚度以确保当从输送导管朝向目标组织部署时可预测的性能方向。
技术实现思路
通过随附于说明书的权利要求最佳地总结了本专利技术的实施例。根据一些实施例，一种计算机辅助医疗系统包括柔性细长器械。柔性细长器械包括从柔性细长器械的近端延伸到柔性细长器械的远端的多根线。多根线中的每根线可用于导向(steer)远端。该系统还包括联接到柔性细长器械的控制系统。控制系统经配置监测柔性细长器械沿纵向中心轴线的移动，并基于该监测确定柔性细长器械沿纵向中心轴线在第一方向上的运动程度。控制系统还经配置通过调节由多根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力，基于相对于运动程度的刚度廓线来改变柔性细长器械的刚度。根据一些实施例，一种控制医疗装置的方法包括监测柔性细长器械的命令的移动。柔性细长器械包括从柔性细长器械的近端延伸到柔性细长器械的远端的多根线。多根线中的每根线可用于导向柔性细长器械的远端。通过输入装置提供命令的移动。该方法还包括基于监测确定柔性细长器械的命令的运动的程度，并且通过调节由多根线中的每根线施加所述柔性细长器械的远端的一个或更多个力，基于相对于运动的程度的刚度廓线改变柔性细长器械的刚度。根据一些实施例，一种非暂时性机器可读介质包括多个机器可读指令，当由与柔性细长器械相关联的一个或更多个处理器执行时，所述多个机器可读指令适于使一个或更多个处理器执行一种方法。该方法包括监测柔性细长器械的移动。柔性细长器械包括从柔性细长器械的近端延伸到柔性细长器械的远端的多根线。多根线中的每根线可用于导向柔性细长器械的远端。该方法还包括基于监测确定柔性细长器械的运动的程度，并且通过调节由多根线中的每根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力，基于相对于运动的程度的刚度廓线改变柔性细长器械的刚度。根据一些实施例，一种计算机辅助医疗系统包括柔性细长器械，该柔性细长器械包括从柔性细长器械的近端延伸到柔性细长器械的远端的多根线。多根线中的每根线可用于导向远端。该系统还包括联接到柔性细长器械的控制系统。控制系统经配置监测柔性细长器械的移动并确定柔性细长器械的操作模式。操作模式对应于缩回模式、插入模式和停放模式(parkingmode)中的一种。响应于确定操作模式是缩回模式，控制系统被配置为基于监测确定柔性细长器械的缩回的程度，并且基于缩回的程度，通过调节由多根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力来减小柔性细长器械的刚度。响应于确定操作模式是插入模式，控制系统被配置为基于监测确定柔性细长器械的插入的程度。控制系统还被配置为基于插入的程度通过调节由多根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力来增加柔性细长器械的刚度。响应于确定操作模式是停放模式，控制系统被配置为基于监测确定柔性细长器械的停放的程度，并且基于停放的程度通过调节由多根线施加到柔性细长器械的远端的一个或更多个力来增加或减小柔性细长器械的刚度。附图说明图1是示例性远程操作医疗系统。图2A是示例性医疗器械系统。图2B是柔性细长器械的示例性远端。图3是示例性致动器。图4A和图4B示出了患者坐标空间的侧视图，该患者坐标空间包括安装在插入组件上的医疗器械。图5A和图5B是柔性细长器械的示例性刚度廓线。图6是示出用于控制柔性主体的示例性方法的流程图。图7示出了在图6的方法的示例性应用期间应用的与缩回距离有关的刚度乘数曲线。图9-图10示出了子模式刚度廓线。通过参考下面的具体实施方式，可以最佳理解本公开的实施例及其优点。应当理解，同样的附图标记用于标识在一个或更多个附图中示出的同样的元件，其中，在这些图中所示的是出于说明本公开的实施例的目的而不是为了限制本公开的实施例。具体实施方式在以下描述中，阐述了描述根据本公开的一些实施例的具体细节。阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以实现其他元件，尽管这里没有具体描述，但是其在本公开的范围和精神内。另外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出和描述的一个或更多个特征可以结合到其他实施例中，除非另外特别描述或者如果一个或更多个特征使得实施例不起作用。在某些情况下，未详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。本公开根据其在三维空间中的状态描述了各种器械和器械的部分。如这里所使用的，术语“位置”是指物体或物体的一部分在三维空间中的定位(例如，沿笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“取向”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三度旋转自由度—例如，滚动、俯仰和偏航)。如本文所使用的，术语“姿势”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置以及该物体或该物体的一部分在至少一个旋转自由度中的取向(最多总共六个自由度)。如本文所用，术语“形状”是指沿物体测量的一组姿势、位置或取向。描述为“联接”的部件可以电气地或机械地直接联接，或者它们可以通过一个或更多个中间部件间接联接。长柔性装置(诸如导管)具有小横截面，长柔性装置包括沿着其长度的一个或更多个中空开口并且宜为将医疗器械和/或装置插入患者的狭窄通道(例如肺中的气道等)。为导管的前端或远端导向通过通道使得更易于控制导管进入的通道。为这些导管的前端导向的一种可能方式是通过致动器推和/或拉沿着长柔性装置延伸的一系列线。使用这些线，操作者和/或自动化系统能够在前端的一侧相对于另一侧更用力地拉和/或推，以使前端相对于装置的其余部分在期望的方向上弯曲。除了为前端导向之外，更用力地推和/或拉线还会影响前端的刚度或硬度变得如何。当前端的弯曲与前端插入的通道一致时，这通常不是问题，但是当前端进一步插入通道和/或从通道缩回但不与当前通道一致时可能不是这种情况。例如，前端可以弯折成“钩”形状以在通道中沿曲线插入前端，但是当前端稍后缩回时，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机辅助医疗系统，包括：柔性细长器械，其包括从所述柔性细长器械的近端延伸到所述柔性细长器械的远端的多根线，所述多根线中的每根线可用于导向所述远端；以及联接到所述柔性细长器械的控制系统，所述控制系统经配置：监测所述柔性细长器械沿纵向中心轴线的移动；基于所述监测，确定所述柔性细长器械沿所述纵向中心轴线在第一方向上的运动程度；以及基于相对于所述运动程度的刚度廓线，通过调节由所述多根线施加到所述柔性细长器械的所述远端的一个或更多个力，改变所述柔性细长器械的刚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.01 US 62/357,5551.一种计算机辅助医疗系统，包括：柔性细长器械，其包括从所述柔性细长器械的近端延伸到所述柔性细长器械的远端的多根线，所述多根线中的每根线可用于导向所述远端；以及联接到所述柔性细长器械的控制系统，所述控制系统经配置：监测所述柔性细长器械沿纵向中心轴线的移动；基于所述监测，确定所述柔性细长器械沿所述纵向中心轴线在第一方向上的运动程度；以及基于相对于所述运动程度的刚度廓线，通过调节由所述多根线施加到所述柔性细长器械的所述远端的一个或更多个力，改变所述柔性细长器械的刚度。2.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中为监测所述柔性细长器械的移动，所述控制系统还经配置使用一个或更多个传感器来确定所述柔性细长器械的插入深度的变化。3.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置确定所述柔性细长器械的速度，所述柔性细长器械的所述速度对应于所述柔性细长器械的插入深度随时间的变化。4.根据权利要求1-3之一所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置确定所述柔性细长器械的当前状态，所述当前状态包括由以下组成的组中的一个或更多个：所述柔性细长器械的当前位置、当前时间以及当前控制配置。5.根据权利要求4所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于由所述多根线中的每根线施加的所述一个或更多个力确定所述柔性细长器械的所述当前控制配置。6.根据权利要求4所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于由所述多根线中的每根线施加的所述一个或更多个力的集合确定所述柔性细长器械的所述当前控制配置。7.根据权利要求4所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置通过测量由用于控制所述多根线的一个或更多个致动器施加的扭矩来确定所述当前控制配置。8.根据权利要求1-3之一所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于经过的缩回时间确定所述运动程度。9.根据权利要求1-3之一所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于当前插入深度与在运动开始时记录的插入深度之间的差确定所述运动程度。10.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于经过的运动时间和当前插入深度与在运动开始时记录的插入深度之间的差的结合确定所述运动程度。11.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述刚度廓线是相对于所述运动程度的单调下降函数。12.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述刚度廓线是由以下组成的组中的一个或更多个：线性函数、非线性函数、指数函数、对数函数、阶跃函数、分段函数、多项式函数、三角函数以及周期函数。13.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述刚度廓线包括所述柔性细长器械的所述刚度的三个不同的行为区：包括第一线性函数的第一行为区；包括非线性单调下降函数的第二行为区；以及包括第二线性函数的第三行为区。14.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置减小所述刚度直到所述刚度处于最终值。15.根据权利要求14所述的计算机辅助医疗系统，其中所述最终值不为零。16.根据权利要求14所述的计算机辅助医疗系统，其中所述最终值由操作者选择或基于正在进行的手术。17.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统经配置基于柔性细长器械相对于患者的解剖结构的位置改变所述柔性细长器械的所述刚度。18.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置通过减小由用于控制所述多根线的一个或更多个致动器施加的所述一个或更多个力调节由所述多根线施加的所述一个或更多个力。19.根据权利要求18所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置通过减小由用于控制所述多根线的所述一个或更多个致动器施加的相应扭矩来调节由所述一个或更多个致动器施加到所述多根线的所述一个或更多个力。20.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置通过调节用于控制一个或更多个致动器的一个或更多个控制器的相应最大力极限来调节由所述多根线施加的所述一个或更多个力，所述一个或更多个致动器经配置将所述一个或更多个力施加到所述多根线。21.根据权利要求1-3或10中的任一项所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置通过调节用于控制一个或更多个致动器的一个或更多个控制器的相应最大扭矩极限来调节由所述多根线施加的所述一个或更多个力，所述一个或更多个致动器经配置将所述一个或更多个力施加到所述多根线。22.根据权利要求1、2或10所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置在所述柔性细长器械在与所述第一方向相反的第二方向上的速度超过阈值时确定操作模式的变化，所述柔性细长器械的所述速度对应于所述柔性细长器械在患者解剖结构中的深度的变化。23.根据权利要求22所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置在所述柔性细长器械在所述第二方向上的所述速度超过所述阈值达阈值时间时确定所述操作模式的所述变化。24.根据权利要求22所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置响应于确定所述操作模式改变，基于所述监测确定在所述第二方向上的第二运动程度。25.根据权利要求24所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置响应于确定所述操作模式改变，通过调节由所述多根线施加到所述柔性细长器械的所述远端的所述一个或更多个力，基于在所述第二方向上的所述第二运动程度改变所述柔性细长器械的所述刚度。26.根据权利要求24所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于经过的插入时间确定在所述第二方向上的所述第二运动程度。27.根据权利要求24所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于在所述第二方向上的当前器械深度与在运动开始时记录的深度之间的差确定在所述第二方向上的所述第二运动程度。28.根据权利要求24所述的计算机辅助医疗系统，其中所述控制系统还经配置基于经过的插入时间和在所述第二方向上的当前器械深度与在运动开始时记录的深度之间的差的结合确定在所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·迪奥莱提，S·Y·昌，V·多文戴姆，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US