相关申请
本专利申请要求2014年8月22日提交的名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR ADAPTIVE INPUT MAPPING”的美国临时专利申请62/040,774的申请日的优先权和权益，其通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本公开涉及用于执行外科手术程序的系统和方法，并且更具体地涉及用于控制医疗器械在患者的解剖结构内的运动的系统和方法。
背景技术
微创医疗技术意图减少在医疗程序期间损害的组织的量，由此减少患者恢复时间、不适感以及有害副作用。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多个外科手术切口来执行。临床医生可以通过这些自然孔口或切口插入医疗工具以到达目标组织方位。医疗工具包含器械，诸如治疗器械、诊断器械以及外科手术器械。为了到达目标组织方位，微创医疗工具可以通过解剖系统(诸如肺、结肠、肠道、肾脏、心脏、循环系统等)中自然或外科手术产生的通道。
一些医疗器械可以通过使用用户控制装置来受控操作。具体地，用户控制装置的某些运动引起医疗器械的对应移动。为了降低患者受伤的风险，需要在用户控制装置与医疗器械之间提供有效且安全的运动映射的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例通过随附的权利要求来概述。
在一个实施例中，一种使用控制系统来控制患者解剖结构内的医疗器械的方法包括相对于患者解剖结构定位医疗器械，并且识别经定位的医疗器械的环境因素。所述方法还包括接收根据环境因素确定的运动缩放参数，并且接收来自操作者框架中的操作者输入装置移动的输入指令。所述方法还包括将输入指令映射到用于解剖框架中的医疗器械移动的输出指令。所述映射包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
在另一实施例中，一种使用控制系统来控制患者解剖结构内的医疗器械的方法包括确定医疗器械的远侧尖端与识别的解剖区域之间的距离。所述方法还包括基于所述距离来接收运动缩放参数，并且接收来自操作者框架中的操作者输入装置移动的输入指令。所述方法还包括将输入指令映射到用于解剖框架中的医疗器械移动的输出指令。所述映射包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
在另一实施例中，一种使用控制系统来控制患者解剖结构内的医疗器械的方法包括从操作者框架中的操作者输入装置移动接收输入指令，并且基于所述输入指令确定控制因素。所述方法还包括接收根据控制因素确定的运动缩放参数，并且将输入指令映射到用于解剖框架中的医疗器械移动的输出指令。所述映射包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
在另一实施例中，一种医疗器械系统包括医疗器械，所述医疗器械包含在解剖框架中的患者解剖结构内可移动的远侧尖端和在操作者框架中可移动的操作者输入装置。控制系统包括处理器和存储器，所述存储器包括机器可读指令，所述机器可读指令在被处理器执行时使得系统相对于患者解剖结构的模型定位医疗器械。机器可读指令还使得处理器基于模型来识别经定位的医疗器械的环境因素，并且接收根据环境因素确定的运动缩放参数。机器可读指令还使得处理器从操作者输入装置接收输入指令，并且将输入指令映射到用于医疗器械的输出指令，包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
在另一实施例中，一种医疗器械系统包括医疗器械，所述医疗器械包含在解剖框架中的患者解剖结构内可移动的远侧尖端和在操作者框架中可移动的操作者输入装置。控制系统包括处理器和存储器，所述存储器包括机器可读指令，所述机器可读指令在被处理器执行时使得系统确定医疗器械的远侧尖端与识别的解剖区域之间的距离。机器可读指令还使得系统基于所述距离来接收运动缩放参数，并且从操作者输入装置接收输入指令。机器可读指令还使得系统将输入指令映射到用于医疗器械的输出指令，包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
在另一实施例中，一种医疗器械系统包括医疗器械，所述医疗器械包含在解剖框架中的患者解剖结构内可移动的远侧尖端和在操作者框架中可移动的操作者输入装置。所述系统还包括控制系统，所述控制系统包含处理器和存储器，所述存储器包括机器可读指令，所述机器可读指令在被处理器执行时使得系统从操作者输入装置接收输入指令。机器可读指令还使得系统基于输入指令来确定控制因素，并且接收根据控制因素确定的运动缩放参数。机器可读指令还使得系统将输入指令映射到用于医疗器械的输出指令，包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下具体实施方式，本发明的方面被最好地理解。应当强调的是，根据行业中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了论述的清晰性，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。另外，本公开可以在各种示例中重复参考标号和/或字母。这种重复是为了简单性和清晰性，并且本质上不指定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1是示出根据本文中描述的原理的一个示例的说明性远程操作医疗系统的简图。
图2图示说明利用本公开的方面的医疗器械系统。
图3A和图3B是示出根据本文中描述的原理的一个示例的说明性缩放情境的简图。
图4是示出根据本文中描述的原理的一个示例的模型患者解剖结构的简图。
图5A和图5B是示出根据本文中描述的原理的一个示例的基于通道的横截面大小的说明性自适应输入控制映射的简图。
图6A和图6B是示出根据本文中描述的原理的一个示例的基于距感兴趣的点的距离的说明性自适应输入控制映射的简图。
图7A和图7B是示出根据本文中描述的原理的一个示例的基于器械的命令位置与实际位置之间的差的说明性自适应输入控制映射的简图。
图8是示出基于阻抗力的说明性自适应输入控制映射的简图。
图9是示出根据本文中描述的原理的一个示例的自适应输入控制映射的说明性方法的流程图。
具体实施方式
出于促进对本发明的原理的理解的目的，现将参考附图中图示说明的实施例，并且将使用具体的语言描述所述实施例。然而应当明白，这并不意图限制本公开的范围。在本发明的方面的以下具体实施方式中，阐述大量具体细节以便提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，未详细描述熟知方法、步骤、组件以及电路以便不必要地模糊本发明的实施例的方面。
如本公开涉及的领域的技术人员通常将想到的，充分考虑对描述的装置、器械、方法的任何更改和进一步修改，以及本公开的原理的任何进一步应用。特别地，充分考虑关于一个实施例描述的特征、组件和/或步骤可以与关于本公开的其它实施例描述的特征、组件和/或步骤组合。另外，本文中提供的尺寸用于具体示例，并且应当考虑不同大小、尺寸和/或比例可以用于实施本公开的概念。为了避免不必要的描述重复，根据一个说明性实施例描述的一个或多个组件或动作可以在适用于其它说明性实施例的情况下而被使用或省略。出于简洁性的目的，将不单独地描述这些组合的大量迭代。为了简单性，在一些情况下，贯穿附图使用相同的参考数字来指相同或相似的部分。
下面的实施例将根据其在三维空间中的状态来描述各种器械和器械的部分。如本文中所使用的，术语“位置”指物体或物体的一部分在三维空间中的方位(例如，沿着笛卡尔X、Y、Z坐标系的三个平移自由度)。如本文中所使用的，术语“取向”指物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度-例如，滚动、俯仰以及偏航)。如本文中所使用的，术语“姿态”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所述物体或所述物体部分在至少一个旋转自由度中的取向(至多总共六个自由度)。如本文中所使用的，术语“形状”指沿着物体测量的一组姿态、位置或取向。
参考附图的图1，用于例如包含诊断、治疗或外科手术程序的医疗程序的远程操作医疗系统一般通过参考数字100指示。如将描述的，本公开的远程操作医疗系统在外科医生的远程操作控制下。在替代实施例中，远程操作医疗系统可以在经编程以执行程序或子程序的计算机的部分控制下。在其它替代实施例中，在经编程以执行程序或子程序的计算机的完全控制下，完全自动化的医疗系统可以用于执行程序或子程序。
如图1所示，远程操作系统100一般包含远程操作组合件102，所述组合件用于在对患者P执行各种程序时操作医疗器械系统104。医疗器械的移动在解剖参考框架XA、YA、ZA中执行。组合件102安装到手术台O或在手术台O附近，患者P被定位在所述手术台O上。医疗器械系统104可操作地耦合到远程操作组合件102。操作者输入系统106允许外科医生或其它类型的临床医生S观察外科手术部位的图像或表示外科手术部位的图像以及控制医疗器械系统104的操作。
在替代实施例中，远程操作系统可以包含多于一个操纵器组合件。操纵器组合件的精确数量将取决于外科手术程序和手术室内的空间约束等其它因素。
操作者输入系统106可以位于外科医生的控制台处，所述控制台通常位于与手术台O相同的房间内。然而，应当理解，外科医生S可以位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。操作者输入系统106一般包含一个或多个控制装置，用于控制医疗器械系统104。控制装置的移动在操作者参考框架XO、YO、ZO中被跟踪。(多个)控制装置可以包含任何数量的多种输入装置中的一个或多个，诸如把手、操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别装置、触摸屏、身体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(多个)控制装置将设置有与远程操作组合件的医疗器械相同的自由度，以提供给外科医生临场感，即(多个)控制装置与器械成一体，使得外科医生具有(如同在外科手术部位处)直接控制器械的强烈感觉的感知。在其它实施例中，(多个)控制装置可以具有比相关联的医疗器械更多或更少的自由度，并且仍提供给外科医生临场感。在一些实施例中，(多个)控制装置是手动输入装置，所述装置以六个自由度移动，并且所述装置还可以包含用于致动器械(例如，用于关闭抓钳、对电极施加电势、提供药物治疗等)的可致动手柄。
远程操作组合件102支持医疗器械系统104，并且可以包含一个或多个非伺服控制连杆(例如，可以被手动定位并且锁定在适当位置的一个或多个连杆，一般称为装配结构)的运动学结构和远程操作操纵器。远程操作组合件102包含多个致动器或马达，其驱动医疗器械系统104上的输入以响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令。马达包含驱动系统，所述驱动系统在耦合到医疗器械系统104时，可以将医疗器械推进到自然或外科手术产生的解剖孔口中。其它机动化驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械的远端，所述自由度可以包含三个线性运动自由度(例如，沿着X、Y、Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三个旋转运动自由度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)。附加地，马达可以用于致动器械的可铰接末端执行器，以便在活检装置等的钳口中抓取组织。
远程操作医疗系统100还包含传感器系统108，其具有用于接收关于远程操作组合件的器械的信息的一个或多个子系统。这种子系统可以包含位置传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，其用于确定导管尖端的和/或沿着器械系统104的柔性主体的一个或多个区段的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状；和/或可视化系统，其用于从导管系统的远端捕获图像。
可视化系统(例如，图2的可视化系统231)可以包含观察镜组合件(下文更详细描述)，使得将外科手术部位的同步或实时图像被提供到外科医生控制台。同步图像可以为例如通过定位在外科手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在该实施例中，可视化系统包含内窥镜组件，其可一体地或可移除地耦合到医疗器械104。然而，在替代实施例中，附接到单独的操纵器组合件的单独的内窥镜可以与医疗器械一起使用以对外科手术部位成像。可视化系统可以实施为硬件、固件、软件或其组合，所述硬件、固件、软件或其组合与一个或多个计算机处理器交互或另外通过一个或多个计算机处理器执行，所述计算机处理器可以包含控制系统112的处理器(下文描述)。
远程操作医疗系统100还包含显示系统110，用于显示通过传感器系统108的子系统产生的外科手术部位和(多个)医疗器械系统104的图像或表示。显示器110和操作者输入系统106可以经取向使得操作者可以以临场的感知控制医疗器械系统104和操作者输入系统106。
显示系统110还可以显示通过可视化系统捕获的外科手术部位和医疗器械的图像。显示器110和控制装置可以经取向使得镜组合件中的成像装置与医疗器械的相对位置类似于外科医生的眼睛与手的相对位置，因此操作者可以操纵医疗器械104和手控件，如同观察实质上真实存在的工作区一样。通过真实存在，意味着呈现的图像为模拟物理地操纵器械104的操作者的视角的真实视角图像。
替代地或附加地，显示器110可以呈现使用成像技术在外科手术前记录和/或模型化的外科手术部位的图像，所述成像技术诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像或纳米管X射线成像。呈现的术前图像可以包含二维、三维或四维图像。呈现的术前图像或术中图像可以包含二维、三维或四维(包含例如基于时间或基于速度的信息)图像和用于重现所述图像的相关联的图像数据集。
在一些实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际方位与术前或同步图像对齐(register)(即，动态参考)，以将在器械104的尖端的方位处的内部外科手术部位的虚拟图像呈现给外科医生S。器械104的尖端的图像或其它图形或字母数字指示符可以添加在虚拟图像上以辅助外科医生控制医疗器械。替代地，器械104可以在虚拟图像中不可见。
在其它实施例中，显示器110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械的实际方位与术前或同步图像对齐，以从外部或内部视角将外科手术部位内的医疗器械的虚拟图像呈现给外科医生S。医疗器械的一部分的图像或其它图形或字母数字指示符可以添加在虚拟图像上以辅助外科医生控制器械104。
远程操作医疗系统100还包含控制系统112。控制系统112包含至少一个存储器和至少一个处理器(未示出)(并且通常为多个处理器)，用于实现在医疗器械系统104、操作者输入系统106、传感器系统108以及显示系统110之间的控制。控制系统112还包含经编程的指令(例如，计算机可读媒体存储所述指令)以实施根据本文中公开的方面描述的方法中的一些或全部。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被示为单个框，但是该系统可以包含两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在远程操作组合件102上或与其相邻而执行，处理的另一部分在操作者输入系统106处执行等。可以采用各种各样的集中式或分布式数据处理架构中的任一个。类似地，经编程的指令可以被实施为多个单独的程序或子例程，或所述经编程的指令可以整合到本文中描述的远程操作系统的多个其它方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、家庭RF、IEEE 802.11、DECT以及无线遥测。
在一些实施例中，控制系统112可以包含一个或多个伺服控制器，其从医疗器械系统104接收力和/或扭矩反馈。响应于所述反馈，伺服控制器将信号发送到操作者输入系统106。(多个)伺服控制器还可以发送指示远程操作组合件102移动(多个)医疗器械系统104的信号，所述(多个)医疗器械系统经由身体中的开口延伸到患者身体内的内部外科手术部位中。可以使用任何合适的常规或专门的伺服控制器。伺服控制器可以与远程操作组合件102分开或与远程操作组合件102整合在一起。在一些实施例中，伺服控制器和远程操作组合件被提供为定位成与患者的身体相邻的远程操作臂推车的一部分。
控制系统112可以进一步包含虚拟可视化系统以对(多个)医疗器械系统104提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航基于参考与解剖通道的三维结构相关联的获取的数据集。更具体地，虚拟可视化系统处理使用成像技术成像的外科手术部位的图像，所述成像技术是诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查、温度记录法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等。软件单独地或结合手动输入用于将记录的图像转换成部分或全部解剖器官或解剖区域的分段式二维或三维复合表示。图像数据集与复合表示相关联。复合表示和图像数据集描述通道的各种方位和形状及其连通性。用于产生复合表示的图像可以在临床程序期间在术前或术中记录。在替代实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，非具体患者)或标准表示和患者具体数据的混合。复合表示和通过复合表示产生的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的可变形解剖区域的静态姿态。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以用于计算器械相对于患者解剖结构的大致方位。所述方位可以用于产生患者解剖结构的宏观层面的跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像两者。用于使用光纤传感器来对齐和显示医疗工具连同术前记录的外科手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的图像)的各种系统是已知的。例如，美国专利申请No.13/107,562(2011年5月13日提交)(公开“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”)公开一个这种系统，上述申请通过引用以其全文结合在此。
远程操作医疗系统100可以进一步包含可选的操作和支持系统(未示出)，诸如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在替代实施例中，远程操作系统可以包含多于一个远程操作组合件和/或多于一个操作者输入系统。操纵器组合件的精确数量将取决于外科手术程序和手术室内的空间约束等。操作者输入系统可以被放在一起，或它们可以定位在不同方位。多个操作者输入系统允许多于一个操作者控制在各种组合中的一个或多个操纵器组合件。
图2图示说明医疗器械系统200，所述医疗器械系统可以用作远程操作医疗系统100的医疗器械系统104。替代地，医疗器械系统200可以用于非远程操作探查程序，或用于涉及传统手动操作的医疗器械(诸如内窥镜)的程序。
器械系统200包含耦合到器械主体204的导管系统202。导管系统202包含细长柔性导管主体216，其具有近端217和远端或远侧尖端部分218。在一个实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其它柔性主体外直径可以更大或更小。导管系统202可以可选地包含形状传感器222，用于确定在远端218处的导管尖端的和/或沿着主体216的一个或多个区段224的位置、取向、速率、速度、姿态和/或形状。主体216在远端218与近端217之间的整个长度实际上可以分成区段224。如果器械系统200是远程操作医疗系统100的医疗器械系统104，则形状传感器222可以为传感器系统108的组件。如果器械系统200被手动操作或另外用于非远程操作程序，则形状传感器222可以耦合到跟踪系统230，所述跟踪系统询问形状传感器并且处理接收的形状数据。
形状传感器222可以包含与柔性导管主体216对准的光纤(例如，设置在内部通道(未示出)内或安装在外部)。在一个实施例中，光纤具有大约200μm的直径。在其它实施例中，尺寸可以更大或更小。
形状传感器系统222的光纤形成用于确定导管系统202的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包含光纤布喇格光栅(FBG)的光纤用于沿一个或多个维度在结构中提供应变测量。用于监测光纤沿三个维度的形状和相对位置的各种系统和方法在以下专利申请中描述：美国专利申请No.11/180,389(2005年7月13日提交)(公开“Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto”)；美国专利申请No.12/047,056(2004年7月16日提交)(公开“Fiber-optic shape and relative position sensing”)；以及美国专利No.6,389,187(1998年6月17日提交)(公开“Optical Fibre Bend Sensor”)，上述专利申请和专利通过引用以其全文结合在此。在替代实施例中，传感器可以采用其它合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射以及荧光散射。光纤可以用于监测导管系统202的至少一部分的形状。更具体地，通过光纤的光被处理以检测导管系统202的形状，并且利用所述信息来辅助外科手术程序。传感器系统(例如，传感器系统108)可以包含询问系统，其用于产生并且检测用于确定导管系统202的形状的光。这种信息进而可以用于确定其它相关变量，诸如医疗器械系统的各部分的速度和加速度。感测可以仅限于通过远程操作系统致动的自由度，或感测可以应用于被动(例如，接合处之间的刚性构件的未经致动的弯曲)和主动(例如，器械的经致动的移动)自由度。
在其它替代实施例中，导管的形状可以使用其它技术确定。例如，导管的远侧尖端姿态的历史可以用于在时间间隔期间重构装置的形状。作为另一示例，可以针对器械系统沿着交替运动(例如呼吸)的循环的已知点，存储历史姿态、位置或取向数据。这种存储的数据可以用于产生关于导管的形状信息。替代地，沿着导管定位的一系列位置传感器(诸如EM传感器)可以用于形状感测。替代地，在程序期间，来自器械系统上的位置传感器(诸如EM传感器)的数据的历史可以用于表示器械的形状，特别是在解剖通道通常为静态的情况下。替代地，具有被外部磁场控制的位置或取向的无线装置可以用于形状感测。无线装置的位置的历史可以用于确定导航通道的形状。
医疗器械系统可以可选地包含位置传感器系统220。位置传感器系统220可以为EM传感器系统的组件，其中传感器220包含一个或多个导电线圈，所述导电线圈可以经受外部产生的电磁场。EM传感器系统220中的每个线圈随后产生感应电信号，其具有取决于线圈相对于外部产生的电磁场的位置和取向的特性。在一个实施例中，EM传感器系统可以经配置和定位以测量六个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基准点的俯仰、偏航以及滚动的三个取向角；或五个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基准点的俯仰和偏航的两个取向角。美国专利No.6,380,732(1999年8月11日提交)(公开“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked”)提供EM传感器系统的进一步描述，上述专利通过引用以其全文结合在此。
跟踪系统230可以包含位置传感器系统220和形状传感器系统222，用于确定远侧尖端218和沿着器械200的一个或多个区段224的位置、取向、速率、姿态和/或形状。跟踪系统230可以被实施为硬件、固件、软件或其组合，所述硬件、固件、软件或其组合与一个或多个计算机处理器交互或另外通过一个或多个计算机处理器执行，所述计算机处理器可以包含控制系统116的处理器。
柔性导管主体216包含经设定大小和形状以接收辅助器械226的通道。辅助器械可以包含例如图像捕获探针、活检器械、激光烧蚀光纤或其它外科手术、诊断或治疗工具。辅助工具可以包含末端执行器，其具有单个工作构件，诸如解剖刀、钝刀片、光纤或电极。其它末端执行器可以包含例如镊子、抓取器、剪刀或施夹器。电激活末端执行器的示例包含电外科电极、换能器、传感器等。在各种实施例中，辅助工具226可以为具有远侧部分的图像捕获探针，其中立体或单视场照相机在柔性导管主体216的远端218处或附近，以便捕获通过可视化系统231处理的图像(包含视频图像)以供显示。图像捕获探针可以包含电缆，其耦合到相机以便发送捕获的图像数据。替代地，图像捕获器械可以为耦合到可视化系统的光线束，诸如纤维镜。图像捕获器械可以为单光谱或多光谱的，从而例如捕获在可见光谱、红外光谱或紫外光谱中的一个或多个中的图像数据。
辅助器械226可以容纳在所述器械的近端与远端之间延伸以可控地使器械的远端弯曲的电缆、连杆或其它致动控制装置(未示出)。可转向器械在以下两者中详细描述：美国专利No.7,316,681(2005年10月4日提交)(公开“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”)以及美国专利申请No.12/286,644号(2008年9月30日提交)(公开“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments”)，上述专利申请和专利通过引用以其全文结合在此。
柔性导管主体216还可以容纳在外壳204与远侧尖端218之间延伸以可控地使远侧尖端218弯曲的电缆、连杆或其它转向控制装置(未示出)，使远侧尖端218弯曲例如通过远端的虚线描绘219所示。可转向导管在美国专利申请No.13/274,208(2011年10月14日提交)(公开“Catheter with Removable Vision Probe”)中详细描述，上述专利申请通过引用以其全文结合在此。在器械系统200通过远程操作组合件致动的实施例中，外壳204可以包含驱动输入装置，其可移除地耦合到远程操作组合件的机动化驱动元件并从其接收功率。在器械系统200被手动操作的实施例中，外壳204可以包含用于手动地控制器械系统的运动的抓紧特征件、手动致动器或其它组件。导管系统可以为可转向的，或替代地，所述系统可以为非可转向的，其不具有用于器械弯曲的操作者控制的整合机构。另外或替代地，一个或多个管腔界定在柔性主体216的壁中，医疗器械可以通过所述一个或多个管腔部署并且在目标外科手术方位处被使用。
在各种实施例中，医疗器械系统200可以包含柔性支气管器械(诸如支气管镜或支气管导管)，用于肺的检查、诊断、活检或治疗。系统200还适于在多种解剖系统中的任一个中经由自然或外科手术产生的连接通道而进行其它组织的导航和治疗，所述解剖系统包含结肠、肠道、肾脏、大脑、心脏、循环系统等。
来自跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，其中所述信息与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型组合以将显示系统110上的实时位置信息提供给外科医生或其它操作者，以便控制器械200。控制系统116可以将位置信息用作用于定位器械200的反馈。用于使用光纤传感器来对齐和显示外科手术器械及外科手术图像的各种系统在2011年5月13提交的公开为“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”的美国专利申请No.13/107,562中提供，上述专利申请通过引用以其全文结合在此。
在图2的实施例中，器械200在远程操作医疗系统100内远程操作。在替代实施例中，远程操作组合件102可以被直接操作者控制替代。在直接操作替代方案中，可以包含各种手柄和操作者界面以用于器械的手持式操作。
在远程操作医疗系统中，操作者输入系统(例如，输入系统106)处的控制装置可以用于控制医疗器械(例如，器械104)的远侧尖端在患者内的移动。更具体地，控制装置在操作者框架中的移动被记录为一组输入指令。输入指令经映射以产生一组输出指令，其控制医疗器械在患者解剖参考框架中的移动。控制移动可以经映射使得包含三维移位(X、Y以及Z方向横向移动)、三维旋转(俯仰、偏航以及滚动)、速度以及加速度的各种移动尺寸可以直接地对应在操作者框架中和解剖框架中。这种类型的恒等映射具有1:1映射比或比例。替代地，控制移动可以经映射使得各种移动尺寸使用预定比例(例如，1:1.5、1:5)从控制框架更高地缩放到解剖框架。更高的缩放将在解剖框架中比在控制框架中产生更大的移动(例如，更长的距离、更快的速度)。替代地，控制移动可以经映射使得各种移动尺寸使用预定比例(例如，1:0.8、1:0.2)从控制框架更低地缩放到解剖框架。更低的缩放将在解剖框架中比在控制框架中产生更小的移动(例如，更小的距离、更慢的速度)。
图3A和图3B是图示说明不同的缩放情境的简图。在操作者参考框架XO、YO、ZO中的操作者控制或输入装置400用于控制医疗器械410在解剖参考框架XA、YA、ZA中的运动。更具体地，输入指令基于操作者输入装置400在控制框架中的移动产生，并且被映射为用于医疗器械410在解剖框架中的移动的输出指令。控制装置400和医疗器械410可以在多个自由度内可移动。图3A图示说明俯仰或偏航移动。然而，其它自由度可根据本文中描述的原理来使用。
如图3A所示，控制装置400可以移动从原始位置402到第二位置404的距离406。控制装置400从位置402到位置404的移动导致医疗器械410跨越距离416从原始位置412到第二位置414的对应移动。在该实施例中，控制装置400到医疗器械410的移动的缩放映射通过第一运动缩放参数调节。运动缩放参数是用于将输入移动缩放到输出移动的比例。
如图3B所示，控制装置400可以同样移动从原始位置402到第二位置404的距离406。在该实施例中，控制装置400从位置402到位置404的移动导致医疗器械410跨越距离420从原始位置412到第二位置418的对应移动。在该实施例中，控制装置400到医疗器械410的移动的缩放映射通过第二运动缩放参数调节。因此，与第二运动缩放参数相比，第一运动缩放参数使得控制装置400的相同运动在医疗器械411中缩放至更低。换句话说，在控制装置400的相同运动的情况下，当在映射中使用第一运动缩放参数时，医疗器械中产生较小运动，且当在映射中使用第二缩放参数时，医疗器械中产生较大运动。虽然图3A和图3B图示说明不同的移动距离416、420以响应于控制机构的单个移动距离406，但是可以使用用于缩放移动的比例的其它方法。例如，医疗器械的速度或加速度可以另外或替代地缩放。
控制移动可以经映射使得各种移动尺寸基于在患者解剖结构内或在操作者框架中的测量因素在解剖框架中自适应地缩放，而非依赖于固定的预定运动缩放参数。因此，控制输入与医疗器械输出之间的映射的缩放可以在解剖程序期间随测量因素变化而变化。如下文将详细描述的，测量因素可以提供医疗器械的移动对患者造成的相关受伤风险的指示。例如，医疗器械在肺的较大中心通道中的移动可以导致比医疗器械在肺的更外围区域中的移动更低的患者受伤风险。在肺的空气通道较小、较软且较短的外围区域中的不精确移动可以导致医疗器械刺穿通道壁。可以导致气胸或其它有害状况。为了降低受伤的风险，医疗器械在外围区域中的运动可以缩放至较低，使得医疗器械的移动成比例地小于(例如，更短的横向距离、更慢的速度)控制装置的移动。如下文将详细描述的，多个测量因素可以用于适应用户输入与医疗器械输出之间的缩放。在整个医疗程序中，这些测量因素可以改变，因此改变映射。
在一些实施例中，运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放至输出移动的比例)可以基于关于医疗器械的远侧尖端和周围解剖区域的知识来确定。图4描绘从人肺152的外部的视角观察的包含肺的解剖模型151的复合图像150。肺152的模型151可以使用模型化功能(诸如分段过程)根据一组扫描图像(例如，术前或术中CT或MRI图像)产生。模型151可以经呈现用于显示为描绘肺的气道的二维或三维数据地图图像。
在肺152中使用的医疗器械(例如，器械104、200)位于解剖参考框架中。医疗器械和沿着医疗器械的各个点(包含远侧尖端)的位置、取向、姿态以及形状可以定位在解剖参考框架中。如先前所描述的，诸如远侧尖端的点在解剖框架中的方位可以使用EM传感器、光纤形状传感器或荧光传感器确定。用于定位医疗器械的远侧尖端的其它传感器可以包含基于超声的传感器、光学定位传感器、基于阻抗的定位传感器、运动学传感器或这些传感器中的任何传感器的组合。在一些实施例中，运动缩放参数可以直接基于定位传感器数据应用，例如，基于通过方位或运动学传感器指示的医疗器械插入到肺中的深度、通过超声传感器指示的组织的密度和/或通过形状传感器指示的器械配置。
在各种其它实施例中，模型肺151还与解剖参考框架对齐，使得经定位的医疗器械(或所述器械的至少一部分)的图像154可以与复合图像150对齐和共同显示。复合图像150因此指示医疗器械的远侧尖端在肺152中的方位。医疗器械的远侧尖端因此相对于模型定位，并且关于经定位的医疗器械的远侧尖端的环境信息可以根据模型和自所述模型得到的图像确定。复合图像150可以经由显示系统110显示。肺152的模型151和器械的视图可以改变，例如，以描绘在吸气或呼气的状态中的肺。器械图像154可以改变以描绘器械通过支气管通道156的前进或抽出。在一些示例中，模型151还可以包含目标区域160。目标区域160可以表示外科手术器械的目的地。例如，当执行活检时，待提取的组织在目标区域160内。
医疗器械的远侧尖端在肺152内的方位的知识允许从术前或术中图像数据测量关于所述位置的环境信息。这种测量包含例如在远侧尖端的方位处的气道的横截面大小、在远侧尖端的位置处的气道的硬度、远侧尖端与感兴趣的解剖结构(诸如肺的胸膜)之间的距离或远侧尖端与中心肺区域(诸如左支气管和右支气管之间的分叉点)之间的距离。
图5A和图5B是示出基于测量因素的自适应输入控制映射的简图，所述测量因素为通道(例如，通道156)的横截面大小504、506。图5A图示说明在具有相对宽的横截面大小504的通道500内的医疗器械502。图5B图示说明在具有相对小的横截面大小506的通道510内的医疗器械502。不同的运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放到输出移动的比例)可以根据测量的横截面大小504、506确定。例如，当器械502的尖端501在较小的横截面大小506内时，运动缩放参数可以比当器械502的尖端501在较大的横截面大小504内时更低。如图5B中所图示说明的，较低运动缩放参数映射操作者输入装置的插入运动以使得当器械在较小通道中时，医疗器械502的远侧尖端501移动距离D2。如图5A中所图示说明的，与较大的横截面大小504相关联的较高运动缩放参数映射操作者输入装置的相同插入运动，以使得医疗器械502的远侧尖端501移动距离D1。因此，器械的尖端501经缩放以在较小通道中进行比在较大通道中更小的移动。虽然较低运动缩放参数被示出与较小移动输出相关联，但是它可以另外或替代地与较小旋转运动、较小速度或较小加速度输出相关联。
在替代实施例中，再次参考图4，自适应输入控制映射可以基于测量因素，所述测量因素为解剖结构的区域的一般硬度，其中定位有包含医疗器械的远侧尖端的通道(例如，通道156)。例如，如果远侧尖端位于中心区域162中，则已知气道具有更刚性的构造和更大的硬度量度。如果远侧尖端位于外围区域164中，则已知气道具有更软、更加柔性的构造和更低的硬度量度。较高运动缩放参数可以与更中心的区域和更大的硬度量度相关联，并且较低运动缩放参数可以与更外围的区域和更小的硬度量度相关联。因此，操作者输入移动将更小心地(更小的移动、更低的速度和加速度)映射在外围区域中，其中更纤细的气道产生更大的刺穿气道的风险。在更中心的区域中，其中通道更大且更加稳固，以较高运动缩放参数映射输入控制运动可以允许器械在较大的解剖通道中以较大距离和较大速度更高效地行进，其中患者受伤的风险降低。
图6A和图6B是示出基于测量因素的自适应输入控制映射的简图，所述测量因素为距感兴趣的区域或点608的距离。图6A图示说明经定位使得从医疗器械的尖端604到感兴趣的点608的测量距离606相对大的医疗器械602。图6B图示说明经定位使得从医疗器械的尖端604到感兴趣的点608的测量距离612相对小的医疗器械602。
感兴趣的点608可以为解剖结构内的多个方位。在一个示例中，感兴趣的点608可以为用于获得活检样本的目标点。在这种情况下，医疗器械410的尖端604可以为活检针。感兴趣的点608还可以为解剖结构的高风险部分，诸如包围肺的胸膜。不注意地用医疗器械接近胸膜可以对患者造成气胸或其它严重伤害。
不同的运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放到输出移动的比例)可以根据测量距离606、612确定。例如，当器械602的尖端604更接近感兴趣的点608且测量距离612较小时，运动缩放参数可以比当器械602的尖端604更远离感兴趣的点608时更低。如图6B所图示说明的，较低运动缩放参数映射操作者输入装置的插入运动以使得当器械更接近感兴趣的点608时，医疗器械602的远侧尖端604移动距离D3。如图6A所图示说明的，与较大测量距离606相关联的较高运动缩放参数映射操作者输入装置的相同插入运动，以使得医疗器械602的远侧尖端604移动距离D4。因此，当尖端更接近感兴趣的点时，器械的尖端604经缩放进行更小的移动D3。虽然较低运动缩放参数被示出与较小移动输出相关联，但是它另外或替代地与较小的旋转运动、较小的速度或较小的加速度输出相关联。因此，当远侧尖端更接近感兴趣的点时，操作者输入移动将更小心地映射(更小的移动、更慢的速度和加速度)，并且可能需要更大的预防措施来接近目标组织或降低刺穿气道的风险。通过将医疗器械602的输入控制与移动之间的比例缩放至更低，器械将不太可能用过量力接触感兴趣的点608。即使在来自输入控制机构的恒定输入的情况下，医疗器械602也可以基于器械的远侧尖端与感兴趣的点608之间的变化的测量距离而减速并且甚至停止。
一个或多个测量系统可以用于确定运动缩放参数。如上文所描述的，关于器械远侧尖端在解剖结构内的方位的知识可以根据患者解剖结构的术前或术中模型确定。术前或术中图像或模型还可以用于测量器械的远侧尖端与图像或模型中可见的解剖结构之间的距离。在替代实施例中，远侧尖端在解剖结构内的一般方位和因此远侧尖端相对于具体解剖结构(例如，胸膜)的一般方位可以通过测量周期性解剖运动周期(例如，呼吸周期)对远侧尖端的移动的影响来确定。例如，肺可以响应于周期性解剖运动而在外围区域中比在更加固定的中心区域中移动得更多。
在其它替代方案中，用于确定运动缩放参数的测量系统可以用一个或多个传感器确定。例如，安装在医疗器械(例如，器械104、200)上的传感器可以用于评估其中定位有器械的通道的横截面大小或评估在器械的远侧尖端与在远侧尖端附近的其它解剖结构之间的距离。合适的传感器可以包含光学传感器、超声传感器、二维照相机、三维照相机或激光扫描仪。例如，幅度调制扫描(A扫描)可以通过从导管延伸的光纤的尖端进行。来自A扫描的信息可以使用来自器械的尖端的位置和取向数据来暂时地整合。在另一示例中，传感器可以为立体成像系统。立体内窥镜从空间移动的透镜产生两个单独的图像。通过关联来自两个图像的数据，可以构造三维数据。因此，立体成像系统可以确定靠近医疗器械的远侧尖端的三维表面。在另一示例中，传感器可以为结构光成像系统。例如，在位置上偏移的投影仪投射通过相机可见的光图案。这种信息用于重构3D表面。在另一示例中，传感器可以为血管内超声(IVUS)系统。IVUS系统可以使用超声信号来测量超声换能器与周围组织之间的距离。安装在器械的尖端上的IVUS探针可以用于通过在轴向方向上投射超声信号来扫描通道内的环境，以确定限定通道的三维表面结构。在一个替代示例中，IVUS探针可以为前向探针。在另一示例中，光学相干断层扫描(OCT)用于使用干涉仪传感器来测量组织结构。光学相干断层扫描还可以用作测量解剖通道的三维表面的测距仪。在另一示例中，传感器可以为基于工具的测量装置。例如，活检针可以经延长以测量探针与各表面之间的距离。来自多次测量的数据可以用于构造器械正经过的通道的三维表面。如上文所描述的，测量距离可以用于自适应地确定用于将控制装置的移动映射到医疗器械的运动缩放参数。
图7A和图7B是示出基于测量因素的说明性自适应输入控制映射的简图，所述测量因素为器械702的命令位置与实际位置之间的差。图7A图示说明在器械702的命令位置706与实际位置704之间的相对大的测量差或误差705。图7B图示说明在器械702的命令位置708与实际位置704之间的相对小的测量差或误差707。
不同的运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放到输出移动的比例)可以根据测量误差704、707确定。例如，当测量误差较大时，运动缩放参数可以较低。命令位置与实际位置之间的较大测量误差可以由器械的远侧尖端上的较大抵消负载引起。因此，较大测量误差与较小、更纤细的解剖通道相关联。如先前所描述的，当医疗器械的远侧尖端位于紧密围绕远侧尖端或围绕远侧尖端紧密伸展的较小的、更纤细的解剖通道中时，以较低运动缩放参数映射输入控制运动可以降低患者受伤的风险。命令位置706与实际位置704之间的大误差还可以指示器械已经接近一些类型的约束。例如，器械可以已经接触相邻组织的表面并且不能够继续前进。在这种情况下，可期望不将过多的力施加在器械上，因为将过多的力施加在器械上，器械可以刺穿组织。在一些情况下，如果测量误差超过阈值，则输入控制机构的移动将不导致在相应的自由度中的任何移动。
当测量误差较小时，运动缩放参数可以较高。命令位置与实际位置之间的较小测量误差可以由器械的远侧尖端上的较少抵消负载导致。因此，较小测量误差与较大的、更坚固的中心解剖通道相关联。如先前所描述的，以较高运动缩放参数映射输入控制运动可以允许器械在较大的解剖通道中以较大距离并且以较大速度更高效地行进，其中患者受伤的风险降低。
由于位置传感器中的较小变化，认为命令位置与实际位置之间存在小程度的误差。因此，如果差707在阈值水平之下，则为了命令位置708与实际位置704之间的差，可以不调整缩放。但是当差变更大时，器械702的输入控制与移动之间的比例将增加，使得器械702变得不太可能对解剖结构造成损害。在一些情况下，可以感测到医疗器械上的重力负载并且从命令位置与实际位置之间的差减去所述重力负载。命令位置与实际位置之间的差可以根据马达致动器的命令位置和实际位置确定。替代地，误差可以根据传感器(诸如光纤形状传感器或力传感器)确定。
图8是示出基于测量因素的说明性自适应输入控制映射的简图，所述测量因素为器械702的感测阻抗。感测阻抗是在经受力F时对器械的运动的抵抗的量度。不同的运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放到输出移动的比例)可以根据感测阻抗确定。例如，当测量阻抗较大时，运动缩放参数可以较低。较大测量阻抗(和因此力F)可以由器械的远侧尖端上的较大抵消负载导致。因此，较大测量误差与较小的、更纤细的解剖通道相关联。如先前所描述的，当医疗器械的远侧尖端位于紧密围绕远侧尖端或围绕远侧尖端紧密伸展的较小的、更纤细的解剖通道中时，以较低运动缩放参数映射输入控制运动可以降低患者受伤的风险。大感测阻抗还可以指示器械已经接近一些类型的约束。例如，器械可以已经接触相邻组织的表面并且不能够继续前进。在这种情况下，可期望不将过多的力施加在器械上，因为将过多的力施加在器械上，器械可以刺穿组织。在一些情况下，如果测量力超出阈值，则输入控制机构的移动将不导致在相应的自由度中的任何移动。
当测量阻抗较小时，运动缩放参数可以较高。较小测量阻抗可以由器械的远侧尖端上的较少抵消负载导致。因此，较小测量阻抗或力F与较大的、更坚固的中心解剖通道相关联。如先前所描述的，以较高运动缩放参数映射输入控制运动可以允许器械在较大的解剖通道中以较大距离并且以较大速度更高效地行进，其中患者受伤的风险降低。
在一些实施例中，阻抗或力F可以根据供马达操作医疗器械的运动的马达电流的测量确定。替代地，阻抗或力F可以根据测量器械形状(例如，光纤形状传感器)和器械的硬度特性确定。
在替代实施例中，自适应输入控制映射可以基于测量的操作者输入装置的动态。不同的运动缩放参数(例如，用于将输入移动缩放到输出移动的比例)可以根据测量的操作者输入装置的动态确定。例如，当操作者输入装置具有高测量动态(诸如高测量速度或加速度)时，运动缩放参数可以较大。因此，当操作者输入装置快速移动时，医疗器械移动可以经缩放以与控制装置一样快移动或比控制装置更快速地移动。当操作者输入装置具有较低测量动态(诸如较慢的测量速度或加速度)时，运动缩放参数可以较小。因此，当操作者输入装置移动缓慢时，医疗器械移动可以经缩放以比操作者输入装置移动地更慢。
图9是示出用于自适应输入控制映射的说明性方法900的流程图。根据当前示例，方法900包含用于接收运动缩放参数的过程902。运动缩放参数是用于将在操作者输入装置处的输入移动缩放到医疗器械的远侧尖端的输出移动的比例。运动缩放参数可以适应于患者解剖结构中的环境状况，从而在医疗程序期间随着医疗器械移动通过所述解剖结构而改变。如上文所描述的，运动缩放参数根据一个或多个测量因素确定，所述测量因素包含器械环境因素，诸如解剖通道的横截面距离、解剖通道的硬度以及器械与高风险区域之间的距离。测量因素可以另外或替代地包含用于操作者输入装置移动的动态参数，诸如控制装置移动的速度或加速度分量。测量因素还可以包含医疗器械的命令运动与实际运动之间的误差值。测量因素还可以包含用于医疗器械的命令运动的力或阻抗值
方法900进一步包含用于从操作者输入装置移动接收输入指令的过程904。当操作者在操作者参考框架中移动操作者输入装置时，控制系统接收关于移动的输入指令，所述输入指令用于将移动映射到医疗器械。
方法900进一步包含用于将输入指令映射到用于移动医疗器械的输出指令的过程906。映射过程906包含将运动缩放参数应用到输入指令以产生输出指令。当医疗器械在解剖通道内移动并且运动缩放参数响应于变化的解剖环境或其它测量因素而变化时，实时地调整输入移动到输出移动的映射。
本公开的系统和方法可以用于肺的连接的支气管通道。所述系统和方法还可以适于在多种解剖系统中的任一个中经由自然或外科手术产生的连接通道而进行的其它组织的导航和治疗，所述解剖系统包含结肠、肠道、肾脏、大脑、心脏、循环系统等。本发明的方法和实施例还适合于非外科手术应用。
本发明的实施例中的一个或多个元件可以在软件中实施以在计算机系统(诸如控制处理系统112)的处理器上执行。当在软件中实施时，本发明的实施例的元件实质上是用以执行必要任务的代码段。程序或代码段可以存储在处理器可读存储介质或装置中，所述处理器可读存储介质或装置已经通过在传输介质或通信链路上的载波中实施的计算机数据信号下载。处理器可读存储装置可以包含可以存储信息的任何介质，包含光学介质、半导体介质以及磁性介质。处理器可读存储装置示例包含电子电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其它存储装置。代码段可以经由诸如因特网、内联网等计算机网络下载。
注意，呈现的过程和显示可以并非固有地与任何特定计算机或其它设备相关。各种通用系统可以与根据本文中的教导的程序一起使用，或所述系统可以被证明便于构造更专门的设备以执行所描述的操作。多种这些系统的所需结构将呈现为权利要求中的元素。另外，本发明的实施例并非关于任何特定的编程语言描述。应当理解，多种编程语言可以用于实施如本文描述的本发明的教导。
虽然已经描述并且在附图中示出本发明的某些示例性实施例，但是应当理解，这种实施例仅说明本发明而并不限制更宽广的发明，并且本发明的实施例并不限于所示出和描述的具体构造和布置，因为本领域技术人员可以想到各种其它修改。