專利名稱：一種用于生物感應(yīng)和外科手術(shù)的活性套管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基本上涉及用于微創(chuàng)手術(shù)的外科套管和生物傳感器。更特別 地，涉及可通過復(fù)雜軌跡引導(dǎo)手術(shù)器械、注射物質(zhì)、診斷裝置和/或生物 傳感器的裝置和技術(shù)，
背景技術(shù)：
近年來，通過啟動沒有傳統(tǒng)開放手術(shù)一樣的大量創(chuàng)傷的外科療法，微 創(chuàng)手術(shù)(MIS)技術(shù)已具有革命性的藥物。MIS已使得醫(yī)師能夠進入到先 前開放外科技術(shù)不能到達的組織區(qū)域，并執(zhí)行干預(yù)。此外，MIS技術(shù)己經(jīng) 能極大的減少與手術(shù)有關(guān)的創(chuàng)傷，因此可以減少手術(shù)有關(guān)的并發(fā)癥，并加 快手術(shù)后的恢復(fù)。沒有可行的MIS供選方案，為了使工具能夠到達手術(shù)部 位，在體內(nèi)有限空間的手術(shù)會產(chǎn)生大的切口，并會簡單的破壞性地拆除健 康的骨、皮膚和肌肉結(jié)構(gòu)。
MIS工具涉及的技術(shù)包括堅硬的腹腔鏡裝置，為了在手術(shù)中能展示靈 活的動作，所述腹腔鏡裝置在體內(nèi)或體外都要求有大量的開發(fā)空間。該開 發(fā)空間的要求限制了腹腔鏡在很多類型的手術(shù)中的應(yīng)用。其它MIS工具涉 及的技術(shù)包括可變的形狀記憶合金裝置，當(dāng)該裝置在病人體內(nèi)時其形狀可 以通過加熱形狀記憶合金來改變。所述裝置的一個問題是非故意的加熱周 圍組織。另外一個問題是，為了得到適當(dāng)?shù)臒崃亢碗S后的散熱，形狀記憶 合金的熱時間常數(shù)要求使用一定的時間(長約數(shù)秒)。熱時間常數(shù)引起的 時間延遲限制了該MIS裝置的應(yīng)用。 MIS裝置涉及的其他技術(shù)包括通常具有5 — 10mm直徑的直的且堅硬 工具的可電視操作的外科機器人，所述機器人具有一驅(qū)動電纜控制的導(dǎo)線 或推動驅(qū)動電纜控制的桿的機械腕。該相關(guān)外科機器人技術(shù)的一個問題 是，其不得不在身體入口點裝樞軸，當(dāng)通過彎曲的軌跡和環(huán)繞一旦在體內(nèi) 碰到的障礙物時不能進行靈活操作，該外科機器人一般不適合復(fù)雜的手術(shù) 程序，比如在子宮中進行的胎兒手術(shù)。在胎兒手術(shù)需要至少兩個支點一 個位于母親皮膚，和另一個位于子宮壁。涉及頭部和頸部的外科手術(shù)是種 很大的挑戰(zhàn)，甚至MIS技術(shù)出現(xiàn)后也是如此。比如，顱底損傷的治療一般 會將MIS通過鼻插入進去作為內(nèi)窺鏡。因為MIS裝置涉及的技術(shù)在竇腔 中的彎頭周圍和小孔處不靈活，因此為了使MIS裝置能進入包括顱底在內(nèi) 的各種手術(shù)部位，必須移除許多健康組織和骨結(jié)構(gòu)，比如鼻的鼻甲骨。至 于鼻的鼻甲骨，它們的正常功能是凈化空氣和幫助olefactkm。 一旦為了能 夠進入手術(shù)部位的目的而被移除后，它們不能通過重建以恢復(fù)功能。兩個 典型的不能通過直的MIS相關(guān)的技術(shù)到達的手術(shù)部位包括頸動脈后面的 區(qū)域(眼底部附近)和額竇腔，其包括到達完全位于鼻梁后的骨的周圍。
MIS裝置涉及的技術(shù)缺乏靈活性的手術(shù)程序的其他例子是肺部手術(shù)和 咽喉手術(shù)。至于肺部手術(shù)，相關(guān)支氣管鏡技術(shù)一般只能到達肺內(nèi)部的1/3. 目前，還沒有用于移除活組織檢査樣品或直接治療深入到肺內(nèi)癌癥的低風(fēng) 險方法。此外，其他用于肺活檢和治療的相關(guān)技術(shù)方法包括插入針，其會 引起并發(fā)癥的實質(zhì)危險，所述危險包括肺放氣。至于咽喉手術(shù)，在沒有大 切口的情況下，很難進入深入到咽喉的損傷。通常使大切口能縫合。像大 道一樣的用于縫合的咽喉本身對大切口的需求將減輕。然而，相關(guān)的MIS 裝置技術(shù)缺少長距離的通過喉鏡的靈活性，所述喉鏡一般具有l(wèi)lmm的直 徑。
因此，需要一種為了能到達其他方式不能到達的手術(shù)部位而能根據(jù)解 剖特點靈活操控的手術(shù)工具。此外，還需要一種能被引導(dǎo)通過腔內(nèi)自由空 間的手術(shù)裝置，比如通過竇，咽喉，和肺，也包括組織介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于生物傳感和外科手術(shù)的活動套管，其解決了前 述由于相關(guān)技術(shù)限制引起的一個或多個問題。
因此，本發(fā)明的一個優(yōu)點是，給醫(yī)師提供了更好的體內(nèi)區(qū)域的入口， 所述體內(nèi)區(qū)域通常不能到達。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，其減少了獲得目標(biāo)組織區(qū)域入口時施加于 組織的間接創(chuàng)傷。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，其提供了新的治療方法。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，其增加了解剖特征對于治療或診斷目的探 針的可到達性。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，其為手術(shù)器械同時通過自由空間和組織介 質(zhì)提供了更好的操控性。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，其提高了手術(shù)套管的小型化。 本發(fā)明的另外一個優(yōu)點是，使手術(shù)器械在敏感組織存在時的引導(dǎo)更安全。
本發(fā)明另外的優(yōu)點將被記載在隨后的說明書中，其一部分可以表現(xiàn)在 說明書中，或者可能通過本發(fā)明的實施來表現(xiàn)。通過說明書、權(quán)利要求書 和附加的附圖中指示的部分可以認識和達到本發(fā)明的優(yōu)點。
為了達到這些和其他的優(yōu)點，本發(fā)明包含手術(shù)套管。手術(shù)套管包含具 有第一預(yù)形成曲率的第一柔韌性管；具有第二預(yù)形成曲率的第二柔韌性 管，其中第二柔韌性管被置于第一柔韌性管中；與第一柔韌性管連在一起 的第一驅(qū)動器，其中第一驅(qū)動器控制第一柔韌性管的平移和旋轉(zhuǎn)；和與第 二柔韌性管連在一起的第二驅(qū)動器，其中第二驅(qū)動器控制第二柔韌性管的 旋轉(zhuǎn)和平移，第二柔韌性管的旋轉(zhuǎn)和平移獨立于第一柔韌性管的平移和旋 轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的另外一個方面，通過用引導(dǎo)手術(shù)套管的軟件編碼的計算機 可讀介質(zhì)來達到上述的及其他的優(yōu)點，所述計算機可讀介質(zhì)包含一用于接 收需要的套管路徑的程序； 一計算多個重疊柔韌性管構(gòu)型的程序，所述重 疊柔韌性管匹配于目標(biāo)套管路徑； 一計算多個與目標(biāo)套管路徑相應(yīng)的中間 構(gòu)型的程序；和一依照多個中間構(gòu)型來指令大量驅(qū)動器的程序。
本發(fā)明的另外一個方面，通過引導(dǎo)一具有多個重疊柔韌性管的外科套 管的方法來達到上述的及其他的優(yōu)點。所述方法包含確定的需要的探針路 徑；選擇多元性柔韌性管，其中眾多柔韌性管中的每一個都具有預(yù)形成曲
率和彈性；確定多元性柔韌性管的最終重疊構(gòu)型，這樣便可以使重疊構(gòu)型 的曲率結(jié)果與目標(biāo)探針路徑充分對應(yīng)；和確定多元性柔韌性管的多個中間 重疊構(gòu)型，其中的每隔中間構(gòu)型與目標(biāo)探針路徑相對應(yīng)。
可以這樣來理解，前述一般的說明和隨后詳細的說明都是典型和解釋 性的，是為本發(fā)明提供符合要求的進一步的說明。
附圖簡述
附圖用于進一步理解本發(fā)明，其被引入并作為說明書的一部分，本發(fā) 明的實施例和說明書一起用于解釋發(fā)明原理。
圖l說明活動套管，和本發(fā)明中用于控制套管的系統(tǒng)；
圖2A說明活動套管的典型外管；
圖2B說明活動套管的典型中間管子；
圖2C說明活動套管的典型內(nèi)管；
圖2D說明包含圖2A-C中顯示的3個管子的典型活動套管；
圖3進一步說明圖2B的活動套管，其中每個管都有自由度；
圖4A說明本發(fā)明的一套兩軸驅(qū)動器；
圖4B說明用于兩軸驅(qū)動器的典型裝置；
圖5說明一套手控驅(qū)動器；
圖6說明用于活動套管控制的典型程序；
圖7說明控制柔韌性管的運動幀；和
圖8說明管的邊長和曲率是如何相互應(yīng)變的。
插圖實施例的詳細說明
本發(fā)明包含活動套管(也稱為手術(shù)套管)，其可用來展開手術(shù)探 針，活動套管也被稱為蛇形手術(shù)機器人?；顒犹坠芫哂卸鄠€同心的中空柔 韌性管，其中每個管具有預(yù)定的柔韌性和預(yù)形成的曲率?；顒犹坠艿亩瞬?br> 前進是通過選擇性地平移和旋轉(zhuǎn)每個柔韌性管來實現(xiàn)地的?；∪犴g性， 預(yù)形成曲率，角定向，每個柔韌性管的平移位置，可以操控活動套管去完 成計劃中的復(fù)雜形式，以使其能靈活地通過自由空間(比如，操控通過竇 通道或者在支氣管中)和/或通過具有各種阻力的組織。組織介質(zhì)的阻力可 以影響活動套管的形態(tài)，其是通過利用組織介質(zhì)阻力引導(dǎo)活動套管的方式 來完成的。當(dāng)平移和轉(zhuǎn)動期間每個柔韌性管在彼此內(nèi)滑動時，每個柔韌性 管中的彈性能可以使活動柔韌性管連續(xù)活動。
此外，通過由同心柔韌性管的相互作用力"返推自身"的方式，活動 柔韌性管在被引導(dǎo)時可以采取復(fù)合形態(tài)來通過自由空間或者組織介質(zhì)。其 與利用推擠組織介質(zhì)的方式來引導(dǎo)探針的相關(guān)技術(shù)方法形成對照，其中的 組織介質(zhì)可以是軟組織，或像動脈壁一樣的解剖特征。


圖1是說明本發(fā)明用于控制活動套管的典型系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包含
--活動套管102，所述活動套管102包含外柔韌性管110，中間柔韌性管 115，和內(nèi)柔韌性管120。內(nèi)柔韌性管120的端部可以有末端執(zhí)行器125。 系統(tǒng)IOO進一步包含連接至內(nèi)柔韌性管120的內(nèi)部驅(qū)動模塊40;連接至 中間柔韌性管1.15的中間驅(qū)動模塊135;連接至外柔韌性管110的外部驅(qū) 動欖塊130。內(nèi)部驅(qū)動模塊140，中間驅(qū)動模塊135，和外部驅(qū)動模塊130 被連到控制計算機145上。
控制計算機145通過控制網(wǎng)絡(luò)連接].46a與主機150連接。如果主機 150和控制計算機145在同--'個地點，控制網(wǎng)絡(luò)連接146a可以是局域網(wǎng) (LAN)。選擇性地，主機150和控制計算機145可能相隔很遠，該情況 下控制網(wǎng)絡(luò)連接1.46a可以包含因特網(wǎng)。
主機150包含存儲器152，其用執(zhí)行與本發(fā)明有關(guān)的程序的軟件(F 文中的"軟件")編碼。主機150與用戶界面155連接。主機150可能是 單個計算機，或者可能是通過網(wǎng)絡(luò)連接的多臺計算機，包括通過因特網(wǎng)。 存儲器152可能包含單個存儲設(shè)備，比如硬盤驅(qū)動器，或者是包含分布在 多臺計算機中的多個存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)庫。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解， 許多這樣的用于主機150，存儲器152，和用戶界面155的體系結(jié)構(gòu)是可 行的并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
系統(tǒng)100可能進一步包含醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160，所述醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)包含
圖像處理機165。圖像處理機165可能通過成像網(wǎng)絡(luò)連接146b與主機150 連接，所述網(wǎng)絡(luò)連接的類型可以是與控制網(wǎng)絡(luò)連接146a相同的類型。
圖1例示了活動套管102被置于病人的組織170中，兩者都在醫(yī)學(xué)成 像系統(tǒng)160的視野范圍內(nèi)。病人組織.70包含進入點175，活動套管102 在其處進入病人；和手術(shù)部位180，其是病人體內(nèi)所關(guān)心的進行外科手術(shù) 或診斷的目標(biāo)部位。
醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160可以包含一個或多個醫(yī)學(xué)成像方式，比如熒光透視， 核磁共振成像，超聲波，和類似方式。醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160的特定成像形式 可能取決于用于活動套管102的材料和活動套管102所處的病人組織170 的性質(zhì)。醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160可以是這樣一種類型，其提供具有充分時效性 和充分幀率的3維圖像，所述充分時效性和充分幀率能通過在主機152上 運行軟件的方式使其得以對活動套管102進行基于圖像的反饋控制。
圖2A-2D例示了活動套管102及其組件柔韌性管。圖2A例示了典型 的外柔韌性管110。外柔韌性管110可以具有外管直部210，外管彎部212， 和外管過渡點211，所述過渡點定義外管直部210和外管彎部212之間的 邊界。外柔韌性管IIO可以具有寬度足以讓中間柔韌性管115和內(nèi)部柔韌 性管120在外柔韌性管110內(nèi)表面中獨立滑動的內(nèi)徑。外柔韌性管110的 厚度可以隨管的目標(biāo)彈性而函變，后面將進一步描述。相應(yīng)地，外柔韌性 管110的厚度可以適用于提供指定的彈性。圖示的外柔韌性管110的圓形 曲率是示范性的，給定管的材料，厚度，和活動套管102目標(biāo)用途的情況 下，很多不同的彎曲形狀是可能的。
外柔韌性管IIO可能由形狀記憶合金構(gòu)成，例如鎳鈦合金(nitinol)， 盡管可以使用只要適合于手術(shù)用途且具有通過比如材料性質(zhì)或指定管壁 的厚度被預(yù)定型的彈性的其他材料。
圖2B說明典型的中間柔韌性管115。中間柔韌性管115可以具有中間 管直部215，中間管彎部217，和中間管過渡點216，所述過渡點是定義中 間管直部215和中間管彎部217之間的邊界。中間柔韌性管115可以具有 寬度足以讓內(nèi)部柔韌性管120在中間柔韌性管115內(nèi)表面中滑動的內(nèi)徑。 中間柔韌性管115的厚度可以隨管的目標(biāo)彈性而函變，后面將進一步描述。 因此，中間柔韌性管115的厚度可以適用于提供指定的彈性。圖示的中間
柔韌性管115的圓形曲率是典型的，給定管的材料，厚度，和活動套管102 目標(biāo)用途的情況下，很多不同的曲率是可能的。
像外部柔韌性管的情況一樣，中間柔韌性管U5可能由形狀記憶合金 構(gòu)成，例如鎳鈦合金(nitinol)，盡管可以使用其他材料，只要適合于手 術(shù)用途且具有通過比如指定特定的管厚度被預(yù)定型的彈性。此外，構(gòu)成中 間柔韌性管115的材料與外柔韌性管110的材料可以是相同的蟲可以是不 同的，其取決于預(yù)計形狀，厚度，和整個活動套管102的彈性。
圖2C說明典型的內(nèi)柔韌性管120。內(nèi)柔韌性管120可以具有內(nèi)管直部 220，內(nèi)管彎部222，和內(nèi)管過渡點221，所述過渡點是定義內(nèi)管直部220 和內(nèi)管彎部222之間的邊界。內(nèi)柔韌性管120可以具有寬度足以使套管順 利通過的內(nèi)徑等。此外，該內(nèi)徑的寬度可足以使線纜，比如導(dǎo)線、針、彈 性推桿、或光學(xué)纖維線纜與末端執(zhí)行器125連接。內(nèi)柔韌性管120的厚度 可以隨管的目標(biāo)彈性而函變，后面將進一步描述。因此，內(nèi)柔韌性管120 的厚度可能適用于提供指定的彈性。圖示的內(nèi)柔韌性管120的曲率是典型 的，給定管的材料，厚度，和活動套管102目標(biāo)用途的情況下，很多不同 的曲率是可能的。
像外部柔韌性管的情況一樣，內(nèi)柔韌性管120可能由形狀記憶合金構(gòu) 成，比如鎳鈦合金(nitinol)，盡管其他材料也可以使用，只要其適合于 手術(shù)用途且具有通過比如指定特定的管厚度被預(yù)定的彈性。此外，構(gòu)成內(nèi) 柔韌性管120的材料與外柔韌性管IIO和中間柔韌性管115的材料可以是 相同的也可以是不同的
末端執(zhí)行器125可能是許多適合于目標(biāo)外科手術(shù)裝置中的一種。比如， 末端執(zhí)行器125可以是熱燒蝕探頭，光導(dǎo)纖維攝像機，用于注射放射源的 尖端，用于執(zhí)行活組織檢查的探針，及類似裝置。此外，末端執(zhí)行器125 可用于獲取組織或流體樣品，用于體外分析。另外，末端執(zhí)行器125可以 是被置入關(guān)心部位的生物傳感器。該生物傳感器可能包含立體定向定位器 (比如，磁性跟蹤器)，分子傳感器，電阻抗傳感器，遙控的機械阻抗傳 感器，光學(xué)發(fā)光傳感器，及類似的傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解， 末端執(zhí)行器125可以采取很多形式并執(zhí)行許多不同的功能，其都在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
圖2D例示了包含圖2A-D中展示的每個管的活動套管102。內(nèi)柔韌性 管120插入到中間柔韌性管115，內(nèi)柔韌性管120和中間柔韌性管115的 組合插入到外柔韌性管110。
圖3例示了包含內(nèi)柔韌性管120，中間柔韌性管115，和外柔韌性管 110的活動套管102。如圖所示，每個柔韌性管具有兩個自由度 一個圍 繞軸向的旋轉(zhuǎn)軸，和另一個沿著線性的平移軸。比如，外柔韌性管110具 有一外部的旋轉(zhuǎn)自由度305和一外部的平移自由度310。外部的旋轉(zhuǎn)自由 度305和一外部的平移自由度310以與其它管無關(guān)的方式適用于外柔韌性 管110。中間柔韌性管115具有以中間旋轉(zhuǎn)自由度315和以中間平移自由 度320，兩者只以與其它管不相關(guān)的方式適用于中間柔韌性管115。內(nèi)柔 韌性管120具有一內(nèi)部旋轉(zhuǎn)自由度325和一內(nèi)部平移自由度330，兩者以 與其他管不相關(guān)的方式適用于內(nèi)柔韌性管120。
再次參照圖3，活動套管102具有大量的重疊過渡點I>T5。每個重疊 過渡點T,-T5定義一個區(qū)域的邊界，在該邊界，每個外柔韌性管IIO，中間 柔韌性管115，和內(nèi)柔韌性管120 (或這三個的一些子集)具有充分的曲 率度數(shù)常量，或沒有曲率。比如，重疊過渡點T,和丁2之間的區(qū)域包含外 管彎部212，中間管直部215，和內(nèi)管直部220。重疊過渡點T2與中間管 過渡點216重疊。因此，T2和T3之間的區(qū)域包含外管彎部212，中間管彎 部217，和內(nèi)管直部220。
每個通過重疊過渡點IVT5中的至少一個限定的區(qū)域具有曲率，所述 曲率隨著每個外柔韌性管110，中間柔韌性管115，和外柔韌性管120的 曲率和彈性而變，也隨組織介質(zhì)周圍阻力而變。需要注意的一點是有些區(qū) 域只具有中間柔韌性管115和內(nèi)柔韌性管120。在這種情況下，該區(qū)域的 曲率隨著該區(qū)域中的兩個管的曲率而變。在簡單的情況下，T5到末端執(zhí)行 器125間的區(qū)域的曲率隨著內(nèi)柔韌性管120的曲率和組織介質(zhì)周圍阻力而 變化。
圖4A說明根據(jù)本發(fā)明的一套兩軸驅(qū)動器。該兩軸驅(qū)動器包含連接到 外柔韌性管110上的外部驅(qū)動模塊130;連接到中間柔韌性管115上的中 間驅(qū)動模塊135;和連接到內(nèi)柔韌性管120上的內(nèi)部驅(qū)動模塊140。每個 驅(qū)動模塊獨立地驅(qū)動它們各自的柔韌性管。比如，外部驅(qū)動模塊130在外
旋轉(zhuǎn)自由度305附近，并沿著外平移自由度310驅(qū)動外部柔韌性管110。 中間驅(qū)動模塊135在中間旋轉(zhuǎn)自由度315附近，并沿著中間平移自由度320 驅(qū)動中間柔韌性管115。和內(nèi)驅(qū)動模塊140在內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度325附近，并 沿著平移自由度330驅(qū)動內(nèi)柔韌性管120。
圖4B說明根據(jù)本發(fā)明的典型兩軸驅(qū)動器405。兩軸驅(qū)動器405可以被 用于任何外驅(qū)動模塊130，中間驅(qū)動模塊135，和內(nèi)驅(qū)動模塊140。兩軸驅(qū) 動器405包含被堅硬地固定在柔韌性管(圖中以柔韌性管IIO為例)上的 導(dǎo)向螺桿410;螺母415通過螺紋與導(dǎo)向螺桿410結(jié)合；通過平移齒輪425 與螺母415連接的線性平移電動機435。兩軸驅(qū)動器405進一步包含通過 鏈輪437連接到導(dǎo)向螺桿410上的皮帶驅(qū)動440。皮帶驅(qū)動440通過旋轉(zhuǎn) 齒輪445也連接到旋轉(zhuǎn)電動機450上。兩軸驅(qū)動器405也包含平移和旋轉(zhuǎn) 編碼機(未顯示)，其分別向控制計算機145提供線性平移位置和角定向 信號。
兩軸驅(qū)動器405可以如下操作。在線性平移時，線性平移電動機430 從控制計算機145接收指令并根據(jù)特定的平移距離去平移它的彈性管。在 反應(yīng)時，線性平移電動機430旋轉(zhuǎn)跟螺母415咬合的平移齒輪425。螺母 425隨后的旋轉(zhuǎn)咬合用于平移柔韌性管的導(dǎo)向螺桿410。
在旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)電動機450從控制計算機145接收指令并根據(jù)特定的 旋轉(zhuǎn)角度來旋轉(zhuǎn)。在反應(yīng)時，旋轉(zhuǎn)電動機450旋轉(zhuǎn)與皮帶驅(qū)動440咬合的 旋轉(zhuǎn)齒輪445。皮帶驅(qū)動440咬合鏈輪437，依次旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向螺桿410。注意， 導(dǎo)向螺桿410的旋轉(zhuǎn)引起導(dǎo)向螺桿410的平移是因為存在螺母415。因此， 為了預(yù)防附加的平移，通過在反方向旋轉(zhuǎn)螺母415的方式來均衡線性平移 電動機430。同樣的，純理論的柔韌性管旋轉(zhuǎn)可能要求通過旋轉(zhuǎn)電動機450 和線性平移電動機430方式的同位電動機。
如圖4B所示，導(dǎo)向螺桿410可以是空心的。在這種情況下，如果兩 軸驅(qū)動器405作為外驅(qū)動模塊130，那么外柔韌性管110與導(dǎo)向螺桿410 連接，中間柔韌性管115和內(nèi)柔韌性管120可以在導(dǎo)向螺桿410的空心部 分獨立地平移和旋轉(zhuǎn)。這樣，外柔韌性管110，中間柔韌性管115，和內(nèi) 柔韌性管120可以被獨立地平移和旋轉(zhuǎn)。
圖5說明一套手控兩軸驅(qū)動器505a-c。在此，手控兩軸驅(qū)動器505a
可以代替外驅(qū)動模塊130來驅(qū)動外柔韌性管110;手控兩軸驅(qū)動器505b可 以代替中間驅(qū)動模塊135來驅(qū)動中間柔韌性管115;手控兩軸驅(qū)動器505c 可以代替內(nèi)驅(qū)動模塊140來驅(qū)動內(nèi)柔韌性管120。每個手控兩軸驅(qū)動器 505a-c可以包含平移的和旋轉(zhuǎn)的編碼器，所述編碼器用來向控制計算機 145提供線性位置和角定向信號。
兩軸驅(qū)動模塊的變化是可能的。比如，兩軸驅(qū)動器405可能包含手動 控制，比如分別代表線性平移電動機430和旋轉(zhuǎn)電動機450的按鈕。此外， 系統(tǒng)100可以包含電動驅(qū)動器和手控驅(qū)動器的結(jié)合。此外，兩軸驅(qū)動器405 是典型的。比如，可能有其他與這里顯示不同的完成每個柔韌性管線性平 移和旋轉(zhuǎn)的方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地理解，許多這樣的變化是可 能的并都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖6說明本發(fā)明用于控制活動套管的典型程序600。通過存儲在存儲 器152上并在主計算機150和/或控制計算機145和/或圖像處理機165上 執(zhí)行的軟件來執(zhí)行所有或部分程序600。程序600可以被分為兩個子進程 路徑計劃(步驟605-25)和路徑計劃執(zhí)行(步驟630-55)。
在步驟605中，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160獲取病人組織170的圖像。醫(yī)學(xué)成 像系統(tǒng)160可以被設(shè)置成具有在入口點175周圍和手術(shù)部位180處有視野。 取決于它的成像形式(比如，核磁共振，超聲等)，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160可 以獲取病人組織的3-D圖像，借此，每個圖像的像素和體素被登記為相片 坐標(biāo)幀。圖像處理機165可以通過成像網(wǎng)絡(luò)連接146b向主計算機150提 供圖像及圖像寄存信息。
在步驟610中，醫(yī)師決定一個從入口點175到手術(shù)部位180的目標(biāo)路 徑。在這樣做時，醫(yī)師可以確定一條路徑，通過該路徑活動套管102將在 存在路徑附近誤差邊界的情況下行進。取決于手術(shù)部位180的定位，和插 入組織或器官的存在，路徑可以包含具有可變誤差邊界的復(fù)雜路徑。
醫(yī)師可以使用用戶界面155去定義路徑和它的誤差邊界。在這樣做時， 醫(yī)師可以使用光標(biāo)去標(biāo)記通過步驟605獲取的寄存后圖像中的點。軟件識 別這些寄存圖像中選擇的點的位置并將這些位置存在存儲器152中。
在步驟615中，軟件計算出活動套管102的最終構(gòu)型，所述構(gòu)型將完 成步驟610中選擇的路徑。在這樣做時，軟件可以確定每個外柔韌性管110，
中間柔韌性管115，和內(nèi)柔韌性管120的平移位置和旋轉(zhuǎn)取向，其將使活 動套管102與路徑符合。
在計算符合路徑的最終構(gòu)型時，該軟件將活動套管102分為一組被重 疊過渡點TVT5定義的區(qū)域。在這樣做時，該軟件將為每個外柔韌性管110， 中間柔韌性管115選擇平移位置和旋轉(zhuǎn)取向的初始組。重疊過渡點TrT5 的位置取決于三根柔韌性管的重疊。然后對于每個被重疊過渡點TVTs劃 界的區(qū)域，該軟件根據(jù)以下關(guān)系計算在該區(qū)域的瞬間平衡曲率(在X和Y 部分)-
AT一 =
and
其中"是柔韌性管的數(shù)量(在該例子中"=3) ; ^是該區(qū)域中^柔 韌性管的瞬間曲率；&是^柔韌性管中材料的彈性模數(shù)(楊氏模數(shù))；/, 是"柔韌性管的截面轉(zhuǎn)動慣量；A是在朝向驅(qū)動器方向最靠近重疊過渡點 r的^柔韌性管的角取向；0是結(jié)合柔韌性管在給定各柔韌性管的角取向 時的平衡角，其中的^是以該區(qū)域為基礎(chǔ)決定的。換句話說，比如，對于 通過重疊過渡點T^和K劃界的區(qū)域，^在7^上屬于平衡角。
這些術(shù)語中的&,A和/i是已知的。剩余的術(shù)語通過以下方式計算(1) 計算驅(qū)動器和第一過渡點間直線部分中的扭轉(zhuǎn)能量，和儲存在活動套管中 的彎曲能量(隨柔韌性管定向而變)，和(2)計算提供最小能量的形狀。
在這樣做時，該軟件分別計算存儲在外柔韌性管110直線部分210， 215， 和220中的扭轉(zhuǎn)能量，中間柔韌性管115，和內(nèi)柔韌性管120中的扭轉(zhuǎn)能 量；該軟件分別計算儲存在外柔韌性管110彎部212， 217，和222中的彎 曲能量，中間柔韌性管115，和內(nèi)柔韌性管120中的彎曲能量。該軟件通 過以下關(guān)系計算結(jié)合的儲存能量來完成
瑜)=i:乎("廣。2+2:2:，^廣《:,掘( -w)2u)
其中a,是內(nèi)驅(qū)動模塊140，中間驅(qū)動模塊135，和外驅(qū)動模塊130中 的角輸入；^是在^過渡點7}中/m柔韌性管的角度；^,02,...艮是重疊 過渡點r之間的每個wt重疊區(qū)域的平衡平面；和《= (Mu,hU/U附)。求出五(^)的最小值并得到A,/,H在
r,的旋轉(zhuǎn)方向，和過渡點r之間的每個重疊區(qū)域的平衡面0;,02,...0 。這
些值也可以為了上述K;r和Ky而用在方程式中，去計算活動套管102的過
渡點r之間的每個重疊區(qū)域的曲率。
圖7說明控制柔韌性管的運動幀。如圖所示，0表示柔韌性管71O在 重疊過渡點r,處柔韌性管710的平衡角度，和cc表示通過兩軸驅(qū)動器405
的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機引起的輸入旋轉(zhuǎn)角度。
步驟615的進一步情況，軟件可以為外柔韌性管110，中間柔韌性管 115，和內(nèi)柔韌性管120從管存量中選擇不同的管。在這種情況下，許多 各自的柔韌性管類型可能是可利用的，及它們的性能(直部分的長度，彎 部的長度，彎部的曲率半徑，彈性等)可以被儲存在存儲器152中。同樣 地，該軟件可以重復(fù)上述步驟610所記載的計算，其中每次重復(fù)使用不同 的有效管。如此，該軟件可以確定兩件事第一，醫(yī)師所確定的路徑是否 能被活動套管102重復(fù)；和第二，管的何種結(jié)合能完成該路徑。此外，上
述關(guān)系沒有被限制為3柔韌性管。因此，為了完成醫(yī)師所確定的路徑，該 軟件可以選擇多種柔韌性管結(jié)合，包括被利用的柔韌性管數(shù)量。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將知道如何執(zhí)行上述公式使柔韌性管大于三根。
步驟620中，軟件為活動套管102計算大量構(gòu)型，以使活動套管能逐 步地完成步驟615中計算的最終構(gòu)型，當(dāng)活動套管沒有偏離醫(yī)師所確定的 路徑和誤差邊界時。在這樣做時，軟件可以計算一系列中間構(gòu)型，和計算 一組完成每個中間構(gòu)型的線性平移和旋轉(zhuǎn)。軟件可以像上述步驟615 —樣 的進行迭代計算，其對于每個計算后的中間構(gòu)型的結(jié)果構(gòu)型可以作為下一 個計算后的中間構(gòu)型的初始構(gòu)型。
步驟620的進一步情況，為了完成序列中的中間構(gòu)型，軟件可以為每 個外驅(qū)動模塊130，中間驅(qū)動模塊135，和內(nèi)驅(qū)動模塊140中的旋轉(zhuǎn)發(fā)動 機450計算一序列旋轉(zhuǎn)指令，為線性平移發(fā)動機430計算一序列線性平移 指令。
在步驟625中，軟件為醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160坐標(biāo)系中的每個活動套管寄 存最終的和中間的構(gòu)型，就像步驟615和620中的分別計算。在這樣做時， 軟件可以檢索步驟605中獲取的已寄存圖像，在該圖像中醫(yī)師在步驟610 中已經(jīng)指定了一路徑，并寄存活動套管102的最終和中間構(gòu)型。其結(jié)果可 能時一組曲線， 一中間構(gòu)型和一最終構(gòu)型，其中每組曲線對應(yīng)于活動套管 102和一個重疊過渡點7>75之間的區(qū)域。軟件可以通過在活動套管(寄存 在圖像空間中)的原點起始，通過入口點175，和在手術(shù)部位180 (或在 中間構(gòu)型的活動套管102的末端執(zhí)行器)結(jié)束的方式來完成。軟件將這些 曲線組儲存在存儲器152中。
這完成程序600的典型路徑計劃子程序，該路徑計劃子程序可以直接 于手術(shù)前在手術(shù)室中進行。做為選擇，該路徑計劃子程序可以在外科手術(shù) 前在不同于手術(shù)室的場景中進行。在后一種情況下，步驟605獲取的圖像 可能會過時，因為病人已經(jīng)在路徑計劃子程序和執(zhí)行子程序之間移動。在 這種情況下，必須通過醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160獲取新的寄存圖像來作為執(zhí)行子 程序的前體，和新獲取的圖像必須被寄存為初期寄存圖像，所述初期寄存 圖像具有步驟625中計算的活動套管102的寄存構(gòu)型(曲線)。關(guān)于機器 人路徑計戈|」的進一步{言息可以從尸/awm'wg爿/gonYAms, Steven M. LaVaIIe,Cambridge University Press (2006)， (ISBN-10: 0521862051 1 ISBN-13: 9780521862059)中找到，其內(nèi)容就像全部公開在本申請中一樣，可以并入 用來參考。
在最初的執(zhí)行子程序，如圖1所示，為手術(shù)準(zhǔn)備好病人，且病人組織 170被放在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160的視野內(nèi)?；顒犹坠?02被放在入口點175 的附近，外驅(qū)動模塊130，中間驅(qū)動模塊135，和內(nèi)驅(qū)動模塊140和活動 套管102連接。控制計算機145與驅(qū)動模塊130， 135，和140三個連接， 且通過控制網(wǎng)絡(luò)連接器146a在控制計算機145和主計算機150之間建立 通信。
在步驟630中，執(zhí)行子程序的第一步驟，醫(yī)師(通過用戶界面)向軟 件發(fā)出一個指令將活動套管102移動到步驟630中(在路徑計劃子程序中) 計算的第一中間構(gòu)型。在這樣做時，該軟件，所述軟件可能正在主計算機 150和/或控制計算145上運行，向每個外驅(qū)動模塊130，中間驅(qū)動模塊135， 和內(nèi)驅(qū)動模塊140的平移發(fā)動機430和旋轉(zhuǎn)發(fā)動機145發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶睿?去完成步驟620中計算的第一中間構(gòu)型。
在步驟635中，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160獲取一張活動套管102在病人組織 170中的圖像。在這樣做時，圖像處理器165可能在圖像坐標(biāo)系中分割和 寄存活動套管102。圖像處理器165可能使用本領(lǐng)域公知的一種或多種分 段算法。圖像處理器165可以通過圖像網(wǎng)絡(luò)連接器136b向主計算機150 傳送寄存信息和圖像。該軟件可以接收活動套管102在病人組織107內(nèi)的 寄存信息和圖像，并通過用戶界面155向醫(yī)師呈現(xiàn)信息和圖像。
在步驟640中，該軟件比較活動套管102的寄存圖像和步驟620中計 算的中間構(gòu)型。在這樣做時，該軟件可以使用許多圖像處理算法中的一種 或多種去比較這兩張圖像。此外所述軟件可以比較分割、寄存的活動套管 坐標(biāo)和給定中間構(gòu)型計算出的坐標(biāo)，基于該對比，計算路徑誤差，或差動 位移。
在步驟645中，所述軟件確定在分割、寄存的活動套管102和給定中 間構(gòu)型之間是否存在差異。如果沒有差異，程序600通過"不"支路從步 驟645進行到步驟655。
在步驟655中，所述軟件確定給定的中間構(gòu)型是否就是步驟615中計
算的最終構(gòu)型。如果是，程序600可以通過步驟655的"是"支路進行到 結(jié)束。如果它不是最終構(gòu)型，于是程序600可以通過步驟655的"不"支 路進行到具有下一中間構(gòu)型(或最終構(gòu)型)的重復(fù)步驟630 — 645。
回到步驟645，如果在分割、寄存的活動套管102跟給定的中間構(gòu)型 之間沒有差異，那么程序600可以通過步驟645的"是"支路進行到步驟 650。
在步驟650中，所述軟件計算步驟630中活動套管102穿過病人組織 170時，施加在活動套管102上的力和扭矩。該軟件可以根據(jù)以下關(guān)系計 算力和扭矩。
其中Ay,z是通過組織介質(zhì)作用在活動套管102上力的成分，所述力作 用在兩個重疊過渡點K和7^+/之間的給定區(qū)域上；、y，z是作用在活動套管 102 .....i:的扭矩，所述扭矩通過組織介質(zhì)作用到活動套管102的相同區(qū)域匕; ^印x,^是步驟640中計算的活動套管102的差動位移的平移成分。 是步驟640中計算的活動套管102的差動位移的旋轉(zhuǎn)成分;《是柔度矩陣， 其是6x6矩陣，并對應(yīng)于兩重疊過渡點K和ZW之間給定區(qū)域的活動套管 102的力和扭矩柔度。
柔度矩陣K可以被預(yù)定在校準(zhǔn)程序中，在所述校準(zhǔn)程序中活動套管102 在一個或多個具有己知阻力性質(zhì)的人體模型中平移和旋轉(zhuǎn)。此外，如果柔 度矩陣《是已知的，然后活動套管102可以被用作力傳感器。在這樣情況 下，醫(yī)師可以為活動套管102設(shè)置路徑(使用全部或部分典型程序600) 以使末端執(zhí)行器125可以與感興趣的組織區(qū)域接觸。 一旦末端執(zhí)行器125 與感興趣的組織區(qū)域接觸，步驟650中計算的厶^和kv,z數(shù)值可以分別對
應(yīng)于通過感興趣的組織區(qū)域作用在末端執(zhí)行器125上的力和力矩。因此，
活動套管102可以被用作力傳感器。
圖8說明張力如何應(yīng)變于柔韌性管邊長，所述柔韌性管可以是外柔韌 性管110，中間柔韌性管115，和內(nèi)柔韌性管120中的任一種。所述軟件， 在計算步驟615和620的最終和中間構(gòu)型時，可以確定最大曲率度，或最 小曲率半徑，超過時給定柔韌性管將遭受塑性形變。塑性形變指形狀記憶 材料的彎曲程度，材料將不再恢復(fù)到它的原始形狀。這可能符合柔韌性管 容許曲率的極限。所述軟件可以根據(jù)以下關(guān)系計算最大曲率度
— 2》
其中d是柔韌性管直徑，和e是柔韌性管材料的最大可恢復(fù)應(yīng)變。對
于鎳鈦合金(nitinol) ， ￡、范圍可以從0.08到0.1。像從上面關(guān)系推斷出 的---樣，內(nèi)柔韌性管越大曲率度越大(或內(nèi)柔韌性管越小曲率半徑越小)。 因此，根據(jù)步驟610中醫(yī)師確定的路徑，希望得到薄柔韌性管。所述軟件 可以幫助醫(yī)師根據(jù)步驟610中確定的路徑來選擇優(yōu)選的柔韌性管厚度。
活動套管102，系統(tǒng)100，和程序600的變化是可能的，且落入本發(fā) 明的范圍。比如，活動套管102中的一些或全部柔韌性管可以有相同的彈 性度
，或它們每個具有不同的彈性度。如果所有的柔韌性管具有相似彈性，其 將使活動套管102更靈活，且更容易地引導(dǎo)通過復(fù)雜路徑。作為選擇，外 柔韌性管IIO可以比中間柔韌性管115更硬，所述中間柔韌性管115可以 比內(nèi)柔韌性管120更硬。在后一種情況下，活動套管102可能比前一種情 況不靈活(在前一種情況，所有柔韌性管具有相同彈性)。然而，在后一 種情況下，活動套管102的路徑可能更容易計算，可能更適合手控操作， 比如，通過使用如圖5所示的手控兩軸驅(qū)動器505。
在另一個變化形式中，任何一種柔韌性管可以具有非圓形的內(nèi)型材和 /或外型材。柔韌性管截面的該變化形式可以隨著彎曲角度提供不同彈性。 此外，柔韌性管可以沿著它的長度具有不同成形區(qū)域，借此，每個區(qū)域可
以具有不同截面形狀。
在活動套管102中的任何一種柔韌性管可以只具有一彎部或一直線部 分。此外，任何一種柔韌性管可以具有多段，每段具有不同彎曲度(包含 不彎曲的)。
這可以讓活動套管102得到更多復(fù)雜形狀。比如，任何一個柔韌性管 可以具有三維曲線和直線區(qū)域的序列。同樣，任何一種柔韌性管可以具有 復(fù)雜形狀的片斷，比如螺旋形狀，橢圓形狀，拋物線形狀，在三維中的可 變曲率，及類似的。在這些情況的任何一種下，多數(shù)過渡點(像內(nèi)管過渡
點221，中間過渡點216,和外管過渡點211)可以被定義為特定柔韌性管 曲率半徑變化的標(biāo)記。.因此，曲率的離散分層可以被分開用來限定重疊區(qū) 域，作為步驟615和620中計算套管最終和中間構(gòu)型的一部分。
在另一個可變形式中， 一個或多個柔韌性管被設(shè)計成具有可變的硬 度，所述可變的硬度是根據(jù)柔韌性管彎曲的方向來變化的。比如， 一個或 多個柔韌性管在其內(nèi)表面或外表面有刻痕或槽。
在另一個可變形式中， 一個或多個柔韌性管可以包含標(biāo)記，所述標(biāo)記 被置入到柔韌性管材料中，所述柔韌性管材料被設(shè)計成醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160 可視。比如，如果醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)160是光學(xué)攝像機，被置入的標(biāo)記的形式 可以是有色條帶或淺色和深色波帶。此外，如果醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)是C-arm熒 光鏡，置入的標(biāo)記可以包含植入管材料中的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 容易地理解，許多這樣地變化形式是可能的，并落入本發(fā)明的范圍。
如果鎳鈦合金(nitinol)被用在任何上述記載的柔韌性管中，那么系 統(tǒng)IOO可以包含一個或多個加熱原件，所述加熱原件沿著一個或多個柔韌 性管IIO, 115，和120運行。根據(jù)該變化形式，熱量可以被用來改變給定 柔韌性管的形狀。本領(lǐng)域技術(shù)人員將懂得如何將加熱原件結(jié)合到活動套管 102和系統(tǒng)100中，且該變化形式落入本發(fā)明的范圍。
除了肺和咽喉手術(shù)外，像上面提到的，本發(fā)明可以用在其他手術(shù)程序 中，在所述手術(shù)程序中活動套管102和系統(tǒng)IOO提供的靈活性可能是有利 的。所述手術(shù)程序包含射頻燒蝕。在射頻燒蝕中，在手術(shù)部位放置電極， 和然后傳輸無痛射頻能量來加熱電極周圍的組織。該程序可以作為肝、腎、 和肺腫瘤治療的一部分，用來殺死細胞。活動套管102和系統(tǒng)IOO可能被
用來配置電極。
另一個可能的手術(shù)應(yīng)用涉及在視網(wǎng)膜后面的外科手術(shù)。 一個這樣的外 科手術(shù)可以包含視網(wǎng)膜套管插入去治療凝固，所述凝固是失明的主要原因 之一。
另一個可能的手術(shù)應(yīng)用涉及經(jīng)胃手術(shù)，在該手術(shù)中，工具通過嘴巴進
入胃，然后退出胃進入腹腔。活動套管102的靈活性，和其被引導(dǎo)通過自 由空間和組織的能力，可以使得進行經(jīng)胃手術(shù)。
在另一個可變形式中，系統(tǒng)100可以包含第二活動套管102，所述第 二活動套管102包含第二組連接到控制計算145上的內(nèi)部、中間、和外部 驅(qū)動模塊。在該變化形式中，所述兩個活動套管可以被用作并行機器人 ("Stuart Platform"是個典型的并行機器人，但還有許多本領(lǐng)域公知的變 體)，借此，兩個活動套管的尖端被連到單個末端執(zhí)行器125上。這樣做 可以是系統(tǒng)能控制末端執(zhí)行器的位置和方向，就像控制位置和方向的H lj 性，在另一個具有兩個活動套管系統(tǒng)100的可變形式的應(yīng)用中，兩個活動 套管可以被置入病人組織170中，并被用作抓取軟組織和暴露手術(shù)部位的 牽開器。
盡管上述描述涉及本發(fā)明的手術(shù)應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解， 本發(fā)明可以被用于其它需要將裝置引導(dǎo)通過包含自由空間的復(fù)雜路徑的 應(yīng)用。其它應(yīng)用可以包括制造和微型裝配，遠程結(jié)構(gòu)檢査，去除法令 (defusing ordinance)，在破損結(jié)構(gòu)中搜尋和救助，及類似應(yīng)用。
在沒有脫離本發(fā)明精神或范圍的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理 解，本發(fā)明可以做出各種改進和變化。因此，其意圖是本發(fā)明覆蓋了其改 進和變化形式，所述改進和變化形式都落在所附的權(quán)利要求和其等同體的 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種手術(shù)套管，包含具有第一預(yù)形成曲率的第一柔韌性管；具有第二預(yù)形成曲率的第二柔韌性管，其中第二柔韌性管被置于第一柔韌性管內(nèi)；連到第一柔韌性管的第一驅(qū)動器，其中第一驅(qū)動器控制第一柔韌性管的平移和旋轉(zhuǎn)；和連到第二柔韌性管的第二驅(qū)動器，其中第二驅(qū)動器控制第二柔韌性管的平移和旋轉(zhuǎn)，其獨立于第一柔韌性管的平移和旋轉(zhuǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管比第二柔韌性管硬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管具有第一硬度，第 二柔韌性管具有第二硬度，且其中的第一硬度和第二硬度基本上相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管包含鎳鈦合金。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管具有直部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管包含具有復(fù)合形狀 的區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第一柔韌性管包含多個區(qū)域，其 中對于每個所述的多個區(qū)域，第一柔韌性管具有不同的厚度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第二柔韌性管包含鎳鈦合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第二柔韌性管具有直部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第二柔韌性管包含具有復(fù)合形 狀的區(qū)域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，其中第二柔韌性管包含多個區(qū)域， 其中對于每個所述的多個區(qū)域，第二柔韌性管具有不同的厚度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，進一步包含連接到第一驅(qū)動器和第 二驅(qū)動器的計算機，其中所述計算機包含以程序編碼的計算機可讀介質(zhì)， 所述程序用于根據(jù)第一柔韌性管的線性位置；第一柔韌性管角取向；第一 預(yù)形成曲率；第二柔韌性管線性位置；第二柔韌性管角取向；第二預(yù)形成 曲率；和第一柔韌性管和第二柔韌性管之間的重疊來確定手術(shù)套管的形狀。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的手術(shù)套管，進一步包含具有第三預(yù)形成曲率 的第三柔韌性管，其中第三柔韌性管被置于第二柔韌性管內(nèi)；和連接至第三柔韌性管的第三驅(qū)動器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的手術(shù)套管，進一步包含連接到第一驅(qū)動器，第 二驅(qū)動器，和第三驅(qū)動器的計算機，所述計算機具有以程序編碼的計算機 可讀介質(zhì)，所述程序通過第一柔韌性管線性位置；第一柔韌性管角取向； 第一預(yù)形成曲率；第二柔韌性管線性位置；第二柔韌性管角取向；第二預(yù) 形成曲率；第三柔韌性管線性位置；第三柔韌性管角取向；第三預(yù)形成曲 率；和第一柔韌性管，第二柔韌性管，和第三柔韌性管之間的重疊來確定 手術(shù)套管的形狀。
15. 被用于引導(dǎo)手術(shù)套管的以軟件編碼的計算機可讀介質(zhì)，所述軟件 包含接收目標(biāo)套管路徑的程序；計算多個重疊柔韌性管構(gòu)型的程序，所述構(gòu)型基本上匹配目標(biāo)套管路徑；計算多個與目標(biāo)套管路徑對應(yīng)的中間構(gòu)型的程序； 根據(jù)所述多個中間構(gòu)型來指令多個驅(qū)動器的程序。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的計算機可讀介質(zhì)，其中所述軟件進一步包含 獲取套管圖像的程序；寄存圖像中套管位置的程序；和 將套管位置和目標(biāo)套管路徑對比的程序。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的計算機可讀介質(zhì)，其中所述軟件進一步包含計 算作用在套管上的力和扭矩的程序。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的計算機可讀介質(zhì)，其中計算所述多個重疊套管 構(gòu)型的程序包含確定多個重疊區(qū)域的程序；為每個所述的多個重疊區(qū)域計算曲率的程序，其基于在每個重疊區(qū)域 中的每個多個重疊柔韌性管的預(yù)形成曲率，和每個重疊柔韌性管的彈性。
19. 用于引導(dǎo)具有多個重疊柔韌性管的手術(shù)套管的方法，包含 確定目標(biāo)路徑；選擇所述的多個柔韌性管，其中在所述的多個柔韌性管中的每個柔韌性管具有預(yù)形成曲率和彈性；確定所述的多個柔韌性管的最終重疊構(gòu)型，以使得到的重疊構(gòu)型曲率 與目標(biāo)套管路徑基本上對應(yīng)；和確定所述的多個柔韌性管的多個中間重疊構(gòu)型，其中各中間構(gòu)型與目 標(biāo)套管路徑基本上對應(yīng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中確定最終重疊構(gòu)型包含為每個所述 的多個重疊柔韌性管確定平移和旋轉(zhuǎn)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進一步包含根據(jù)每個所述的多個中間重 疊構(gòu)型來平移和旋轉(zhuǎn)每個所述的多個柔韌性管。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中確定最終重疊構(gòu)型包含選擇與每 個所述的多個重疊柔韌性管相對應(yīng)的初始的平移和旋轉(zhuǎn)組；確定與平移和 旋轉(zhuǎn)初始組相對應(yīng)的多個重疊區(qū)域；計算與每個所述的多個重疊區(qū)域相對 應(yīng)的瞬時曲率。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中計算與每個所述的多個重疊區(qū)域相 對應(yīng)的瞬時曲率包含計算與手術(shù)套管直部相對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)能量； 計算與手術(shù)套管相對應(yīng)的彎曲能量；和求出對應(yīng)于最小扭轉(zhuǎn)能量和最小彎曲能量的手術(shù)套管的形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了手術(shù)探針，或活動套管，它們可以沿著復(fù)雜路徑通過病人體內(nèi)的腔和組織。所述探針具有多個重疊柔韌性管，每個柔韌性管具有預(yù)形成曲率和預(yù)確定的彈性。每個所述的多個柔韌性管的選擇是基于它們各自的預(yù)形成曲率和彈性，因此給定重疊構(gòu)型使重疊柔韌性管結(jié)合形成預(yù)定的形狀，且所述形狀完全匹配通過體內(nèi)的目標(biāo)路徑。通過單獨地控制每個柔韌性管地平移和角方向，手術(shù)探針可以根據(jù)目標(biāo)路徑被引導(dǎo)通過體內(nèi)。
文檔編號A61M5/178GK101351236SQ200680050046
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者羅伯特·詹姆斯·韋伯斯特, 羅素·H·泰勒, 諾厄·J·考恩, 阿利森·M·奧卡穆拉 申請人:約翰霍普金斯大學(xué)