用于机器人导管和其他用途的沿部分约束路径的轴向插入和移动制造技术

提供了用于控制导管和其他细长体的自动移动的设备、系统和方法。流体和/或拉线驱动系统可以用于提供机器人协调的横向弯曲运动，并且系统的处理器可以生成同步的致动器驱动信号，以将工具沿着至少部分横向约束的路径移动，其中该路径可选地沿着导管的虚拟模型的轴延伸，该虚拟模型已经在计算机上被驱动成与邻近开放工作空间(诸如心脏的开放腔室)的目标组织对准。组织对准。组织对准。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机器人导管和其他用途的沿部分约束路径的轴向插入和移动
关联申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2020年6月17日提交的美国临时申请第63/040,429号的权益。本申请的主题还涉及于2019年12月11日提交的PCT/US2019/065752(代理人案卷号097805
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001530PC
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1169644)的主题。这些申请的公开内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。


[0002]总体上，本专利技术提供了用于使用、培训使用、规划使用和/或模拟使用细长铰接体和其他工具(诸如导管、管道镜、连续机器人操纵器、刚性内窥镜机器人等)的改进的设备、系统和方法。在示例性实施例中，本专利技术提供了原位机器人导管运动规划，以及复杂轨迹之上的导管位置控制，特定是用于沿着曲折和横向约束的路径推进并进入心脏的开放腔室或其他开放工作空间的导管移动。专利技术背景
[0003]疾病的诊断和治疗通常涉及进入(access)人体的内部组织，且开放手术通常是获得至内部组织的入路的最直接的方法。尽管开放手术技术已经取得了很大的成功，但它们可能对侧支组织造成严重的创伤。
[0004]为了帮助避免与开放手术相关联的创伤，已经开发了数个微创手术入路和治疗技术，包括可以沿着遍及全身延伸的血管腔的网络推进的细长的柔性导管结构。虽然通常限制对患者的创伤，但基于导管的腔内治疗可能是非常有挑战性的，其部分原因在于难以使用穿过曲折脉管系统的仪器进入目标组织(并且与目标组织对准)。可替代的微创手术技术包括机器人手术，并且先前也已经提出用于从患者体外操作柔性导管主体的机器人系统。这些现有的机器人导管系统中的一些已遇到挑战，这可能是由于目前在临床导管实验室中难以将大型且复杂的机器人拉线导管系统有效地整合至介入心脏病学的实践。虽然手术精度的潜在提高使这些努力具有吸引力，但这些大型专门系统的资本设备成本和总体负担也是一个令人关注的问题。有利于避免的现有的机器人缺点的示例可以包括较长的设置和总体手术时间、手术方式的有害变化(诸如在最初朝向内部治疗部位进入或推进工具时的有效触觉反馈的减少)等等。
[0005]最近已经提出了一种控制导管形状的新技术，这种新技术可能比拉线导管铰接系统和其他已知的导管铰接系统具有显著优势。如于2016年9月29日公开的标题为“Articulation Systems,Devices,and Methods for Catheters and Other Uses(用于导管和其他用途的铰接系统、设备和方法)”的美国专利公开第US 2016/0279388号(其被转让给主题申请的受让人，并通过引用来将其全部的公开内容并入本文)中更充分解释的，铰接囊阵列可以包括可被膨胀以选择性弯曲、延长、或使导管的分段变硬的囊子集。这些铰接系统可以将来自简单流体源(诸如预加压罐)的压力朝向沿着患者体内的导管的(多个)分段设置的铰接囊的子集引导，以便引起期望的形状的变化。这些新技术可以提供超越以前可
用的技术的导管控制，而通常不需要借助复杂机器人机架，不需要依靠拉线，并且甚至没有电机的花费。因此，这些新的流体驱动的导管系统似乎提供了显著优势。
[0006]除了流体驱动的技术的优势外，目前针对由介入医生和其他医生用于引导铰接治疗递送系统在患者体内的移动的改进的成像，正在进行大量工作。超声和荧光镜系统通常获取平面图像(在某些情况下，在角度偏移的取向处的不同平面上)，并且已经(并且仍在)开发和使用新的三维(3D)成像技术来显示这些3D图像。虽然3D成像拥有一些优点，但参考2D图像(和其他用途)引导介入手术可能仍然具有优于新的3D成像和显示技术中的至少一些的益处，包括使用已发展多年的定量和定性的平面定位指南来提供与目标组织对准的能力。
[0007]尽管新提出的流体驱动的机器人导管和成像系统具有优势，但是与所有成功案例一样，仍然需要进一步的改进和替代方案。通常，提供进一步改进的医疗设备、系统和方法以及提供供用户输入、查看和控制其自动移动的替代性的设备、系统和方法将是有益的。例如，与结构性心脏治疗相关的病变心脏组织的位置和形态可能在获得诊断和治疗规划图像的日期与介入性心脏病学家开始在正在跳动的心脏之内部署治疗的日期和时间之间显著地变化。这些变化可能会限制基于治疗日期或时间之前获取的图像的介入性手术开始之前的治疗规划的价值。然而，结构性心脏设备与心脏敏感组织的过度接合(如在尝试将结构性心脏工具沿约束进入路径(诸如血管进入腔、经中隔(trans
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septal)穿孔和/或引导导管或引导鞘形式的外鞘)推进或从约束进入路径推进到心脏的开放腔室中的目标位置时可能被施加的)可能会诱发心律失常以及其他创伤。因此，(理想情况下，当工具靠近目标治疗部位或在目标治疗部位时)促进这些工具的准确移动和/或整体工具移动的至少一部分的原位轨迹规划的技术将是特别有益的。

技术实现思路

[0008]本专利技术总体上提供了用于使用、培训使用、规划使用和/或模拟使用细长体和其他工具(诸如导管、管道镜、连续机器人操纵器、刚性内窥镜机器人等)的改进的设备、系统和方法。本文所描述的技术可以通过例如允许医学专业人员基于插入心脏的实际导管的起始位置来规划由导管支撑的治疗工具的自动移动，并且理想地在工具推进通过心脏的开放腔室的至少一部分之前，来促进对基于实际导管的治疗和基于虚拟导管的治疗这两者的精确控制。可选地，工具的虚拟版本可以沿着蜿蜒的路径从该起始位置安全地移动通过多个不同的位置，直到用户已经标识出用于移动的工具的期望的位置和取向为止。系统的处理器可以然后生成同步的致动器驱动信号，以将心脏腔室中的工具从其起点移动到终点，而无需遵循蜿蜒的输入路径，其中工具的行进通常沿着细长支撑体的虚拟轴，以将工具支撑在期望的位置和取向。注意，工具的实际位置和取向可能会从虚拟期望轴偏移，其中该轴用于为一个或多个独立驱动的可弯曲分段的横向铰接设定目标。为了便于在导管从约束路径推进到悬臂中的心脏的开放腔室中时控制导管的远侧部分，本文所描述的机器人处理器和控制器将基于可横向弯曲分段的约束部分的长度和/或约束该部分的组织或支撑结构的刚度来调整横向弯曲命令。
[0009]在第一方面，本专利技术提供了一种用于将工具与邻近患者身体内的工作空间的目标组织对准的方法。方法包括沿着患者身体内的进入路径轴向地推进细长结构。细长结构的
第一分段被配置为响应于第一分段驱动命令而横向弯曲。推进可以被执行以使得第一分段的第一部分在工作空间内是横向无约束的，并且第一分段的第二部分沿着进入路径是横向约束的。可以利用机器人控制器根据期望的工具位置和第一部分的第一部分轴向长度确定第一分段驱动命令。可以从机器人控制器传送第一分段驱动命令，使得第一分段的无约束的第一部分横向弯曲，并且工具朝向期望的工具位置移动。
[0010]可以单独或组合地提供多个独立的可选特征，以有益于本文所描述的设备和方法的功能。例如，期望的工具位置可以由期望的工具路径限定，并且可以重复推进、确定和传送以使得工具沿着工具路径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将工具与邻近患者身体内的工作空间的目标组织对准的方法，所述方法包括：沿着所述患者身体内的进入路径轴向地推进细长结构，所述细长结构的第一分段被配置为响应于第一分段驱动命令而横向弯曲，其中所述推进被执行以使得所述第一分段的第一部分在所述工作空间内是横向无约束的，并且所述第一分段的第二部分沿着所述进入路径是横向约束的；利用机器人控制器根据期望的工具位置和所述第一部分的第一部分轴向长度确定所述第一分段驱动命令；以及从所述机器人控制器传送所述第一分段驱动命令，使得所述第一分段的无约束的所述第一部分横向弯曲，并且所述工具朝向所述期望的工具位置移动。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述期望的工具位置由期望的工具路径限定，并且其中所述推进、确定和传送步骤被重复以使得所述工具沿着所述工具路径推进。3.如权利要求2所述的方法，进一步包括在所述工具与所述目标组织对准的情况下通过确定所述细长结构的对准姿态来限定所述路径，其中所述细长结构具有轴，并且所述路径沿着处于所述对准姿态的所述细长结构的所述轴延伸。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对准姿态通过参考显示所述目标组织的图像的显示器驱动所述细长结构的虚拟模型来确定，所述虚拟模型的所述驱动包括所述第一分段的模拟横向弯曲和所述细长结构的模拟轴向推进，以及将所述细长结构的所述虚拟模型的图像叠加在所述显示器中的所述目标组织的图像上。5.如权利要求4所述的方法，进一步包括通过将所述细长结构的虚拟验证模型叠加在所述显示器中的所述目标组织的图像上来验证沿着处于所述对准姿态的所述细长结构的所述轴的所述细长结构的候选路径，以及沿着所述候选路径移动所述虚拟验证模型。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述细长结构的所述推进是用轴向传感器来测量的，所述轴向传感器生成轴向传感器信号，并且所述控制器响应于所述轴向信号确定所述第一分段驱动命令。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述轴向推进是手动执行的。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进入路径包括具有横向弯曲刚度的外鞘的腔，并且其中所述第一分段驱动信号是使用外鞘的所述横向弯曲刚度来确定的。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细长结构的第二分段被配置为响应于第二分段驱动命令而横向弯曲，所述第二分段从所述第一分段轴向偏移。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一分段在所述第二分段的近侧，并且进一步包括利用所述机器人控制器根据所述期望的工具位置确定第二分段驱动命令，使得所述第一驱动命令和所述第二驱动命令一起将所述工具朝向所述期望的工具位置移动。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述机器人控制器确定具有第一数量的命令自由度的所述第一分段驱动命令和所述第二分段驱动命令，并且进一步包括当所述第一分段的至少一部分受到约束时，确定具有小于所述第一数量的第二数量的命令自由度的约束的驱动命令。12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一分段在所述第二分段的远侧，并且进一步包括利用所述机器人控制器响应于所述第二分段的约束的横向弯曲来确定所述第
一分段驱动命令。13.一种用于将工具与邻近患者身体内的工作空间的目标组织对准的方法，所述方法包括：参考显示器，将细长结构的虚拟模型从所述细长结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：项目莫里股份有限公司，
类型：发明
国别省市：