技术领域
本发明涉及能够在管内自推进运动的可膨胀装置的领域，特别是用于 内窥镜和血管用途。
背景技术
能够使得爬行经过长的、柔性的和弯曲的管早已成为工程师的一项挑 战，因为大量的应用可以从可靠的解决方案中获益。这些应用从用于治疗 和诊断的医学应用到下水道、气体管道和发电厂。
当前的解决方案常常包括有效载荷，例如照相机，用长的柔性杆或线 从后面推动。这是当前绝大多数医学应用中所使用的解决方案，其中使用 引导线或导管将诊断或治疗仪器传送到所需位置，所述医学应用例如有导 管插入、结肠镜检查、输尿管检查、扩张球等。
在一些类型的应用中，不能从后面推动有效头部，因为所需的力将导 致长杆或线的曲折。目前内窥镜和导管的一个最大缺点是，它们被以手动 方式经过弯曲路径推入人体，从而产生摩擦，并可能导致对内腔的内组织 壁的伤害。
在解决方案的探索中，已经开发了多种运动类型的推进方式，它们是 在内腔的远端拉动而不是在近端推动。非医学应用中的例子包括爬行工具 和蜘蛛机器人，例如美国专利No.6824510和5090259中所描述的。在医学 应用中，最常用的解决方案是英寸蠕虫型的，它借助于蠕动前进，例如在 美国专利6764441、4176662、5090259、5662587、6007482和5364353以 及P.Dario等人的论文“Development and in vitro testing of a miniature robotic system for computer-assisted colonoscopy”(发表于Computer Aided Surgery，vol.4，pp.1-14，1999)和Byungkyu K等人的论文“A Locomotive Mechani sm for a Robotic Colonoscope”(发表于Proceedings of the IEEE/RSJ Intl.Conference on Intelligent Robots and Systems； 2003，pp.1373-8)中所述的。美国专利No.6702735中描述了另一种类型 的医学用途装置。
另一种解决方案是模拟蚯蚓(环节动物类)的移动，其产生交替肌肉 组(纵向和圆周肌肉)的收缩和松弛的波动，使蚯蚓向前移动，例如 J.Dietrich等人的论文中描述的，论文题目是“Development of a peristaltically actuated device for the minimal invasive surgery with a haptic sensor array”，发表于：Micro-and Nanostructrues of Biological Systems，Halle，Shaker-Verlag，69-88，ISBN3-8322-2655-9。 另一种解决方案提出使用靠近于顶端通过液压方式产生的运动，例如 I.Chermoni的美国专利申请2005/0033343“Catheter Drive”中所描述 的。
绝大多数的上述装置的缺点在于，需要多个控制线或气动管操作该装 置，这既使控制系统复杂，而且还使装置在通道内的物理展开复杂。另一 方面，M.T.Corfitsen等人的上述美国专利No.5364353“Apparatus for advancing an object through a body passage”中描述的装置仅仅需要 一个膨胀管。在此专利中描述了一种使用单一囊室和轴向可膨胀伸缩管的 装置，且在囊室与伸缩管之间具有节流阀。管设有用于为囊室和伸缩管供 应和移走膨胀介质的内腔。节流阀保证：在对膨胀管施加压力时，囊室的 膨胀比伸缩管的轴向膨胀延迟，且当从膨胀管释放压力时，囊室的收缩比 伸缩管的轴向收缩延迟，从而此装置可以逐步地在例如胃肠道内前进。
然而，美国专利5364353中描述的装置具有的缺点是，在应用于真实 生命体的情况下存在问题。该装置的向前移动借助于：伸缩管部分的轴向 膨胀、随后囊室部分径向锚固在正行进通过的通道的内部上、然后在囊室 仍借助于其膨胀压力被锚固的同时向前拉动伸缩管部分及其拖曳的膨胀 管。然而，在伸缩管的向前爬行阶段，申请人说明此装置利用拖曳膨胀管 的弯曲提供摩擦、以及相应产生的装置被向前推动的阻力，此向后阻力防 止膨胀管被向后推动，从而保证装置顶端向前移动。
然而，当装置向前移动时所使用的拖曳管中的与装置的后锚固非常相 同的摩擦将趋于阻止装置在伸缩管收缩时向前拉动拖曳管。为了向前拉动 拖曳管，装置的前囊室可能需要强力地抓住内部通道，而这在某些情况下 是不良的。为了克服如美国专利5364353中所描述的对向后摩擦的依靠， 因此需要这种装置具有在膨胀阶段中将装置锚固在位的一些附加机构。
因此，绝大多数的上述装置具有各种不同的缺点，在一方面或另一方 面限制了它们的有效性，从而需要一种新颖的远端推进的导管头部，其操 作简单，可以经过内部通道的长路线，且不会对通道的内壁造成不适当的 损坏。
本申请中该部分和其他部分中所提到的每个公开文献均通过引用整体 结合在此。
发明内容
本发明旨在提供一种沿内部通道自推进的新方法和装置，其具有仅需 要单个膨胀和收缩循环即可推进装置的简单控制系统。装置利用流体连通 的膨胀囊状物的动力学特性，从而，利用膨胀流体从最后囊状物流到最前 囊状物的时间延迟，以使囊状物按顺序膨胀：从最后的囊状物开始，到最 前的囊状物结束。相反，同样的时间延迟还确保囊状物的收缩也按顺序执 行：从最后囊状物的开始，到最前的囊状物结束。本发明的装置利用一系 列可膨胀腔室组成牵引单元，该装置通过设置在一系列可膨胀腔室的后端 或近端的所述一个腔室或多个腔室优选顺序抓持通道的内壁，同时该装置 通过其他腔室的膨胀向前伸展，接着优选通过处于一系列可膨胀腔室的前 端或远端的一个腔室或多个腔室抓持通道的内壁，同时装置通过其他腔室 的收缩拉动其后端。通过这种措施，不需依赖通道的后向区域的物理状况 为拖曳膨胀管提供向后摩擦阻力，且拖曳管由高柔性和弹性材料制成，从 而不会对所行进通过的通道产生摩擦或损伤。同时，需施加给所经过的通 道的内壁的径向压力最小，因为需要克服的拖曳摩擦最小。而且，根据本 发明的另一个优选实施例，其中流体源不是借助于供应管供应的，而是在 装置上附带提供的，此时装置能与其机械环境独立无关地操作。
装置可以通过包括仅两个可膨胀腔室的一系列腔室工作，每个腔室在 膨胀时可以径向和轴向扩张，但使用两个以上的腔室可以具有在更多腔室 上分散对壁的径向压力的优势，从而减小为了锚固装置的相关腔室所需的 内部压力。而且，使用较多数量的腔室能够使装置运输或拉动较大的有效 载荷。
单独地或组合地，本发明的装置相对于现有技术的装置具有其他多个 优点：
(i)装置本身可以是完全被动的，且装置上不需附带地加入任何致动 器、发动机、阀或电控制器。如果需要，这些构件可以在身体之外距离装 置较远的位置处设置。对于装置是自主的或无缆的那些优选实施例，这些 构件此时也可以附带地装在装置上；
(ii)它可仅由柔性材料制成，以使得能易于接近最内部的空腔，且 当应用于医学用途时，保证对生物体的通道的内组织的伤害和损伤最小；
(iii)它仅具有单一的供应管线，以便能够形成小的、柔性的和低拖 动力的“尾巴”。可以增加另外的管，以提供与装置运动方面无关的特殊功 能，例如在装置顶端的药物注射，或者不可透过X射线的介质；
(iv)例如由于通道的狭窄部分，一个或多个部分不膨胀不会阻止装 置起作用。在这种情况下，随后的囊状物将接收所需的流体供应；
(v)推进系统本身大面积地作用于通道或空腔的内壁，优选地包括多 个单元，从而减小作用在组织上的力，减小对其的潜在伤害；
(vi)系统可以以使内腔自由地被内窥镜、引导线和其他外科工具插 入的这种方式构造；
(vii)囊状物可以沿通道的一长段长度分布，从而推进作用沿通道的 长的区域分布。例如，这使得可应用于肠道或其他长的弯曲通道中；以及
(viii)囊状物的环状结构能够使装置设计成：其抓持压力作用于内 引导线上，单元通过沿该引导线“爬行”前进。以这种方式，可以在不对 通道的外壁施加压力的情况下实现运动。例如，这例如对于避免对不稳定 冠状斑施加压力或者防止伤害内壁来说是重要的。
根据本发明的装置特别是应用于医学用途中，用于通过其顶端使导管 在内腔内自推进。它可应用于不同医学领域，例如内窥镜检查、胃肠病检 查、泌尿检查、心脏病检查、耳蜗植入、硬膜下脊髓应用等。虽然本发明 总体上是按其医学用途的这种应用进行描述的，但应该理解，本发明也可 以同样应用于通道需要检查、接近或维护的非医学应用场合，例如在企业 工厂、气体管道、电厂、隧道、公共管道等。
因此，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于在内腔内穿行运动 的自推进装置，包括：
(i)一组串联设置的可膨胀腔室，包括：
(a)在膨胀时至少径向扩张的至少第一和第二腔室，
(b)设置在至少第一和第二腔室之间的至少第三腔室，所述第三腔 室在膨胀时至少轴向扩张，以及
(c)在每对相邻的腔室之间提供流体连通的至少一个连接通道，以 及
(ii)流体源，所述流体源加装到位于所述一组串联设置的可膨胀腔室的 第一末端的一个腔室上，
其中，所述连接通道适于使得来自所述流体源的流体使所述一组串联 设置的可膨胀腔室按顺序膨胀：从最靠近流体源的可膨胀腔室开始，到距 离流体源最远的可膨胀腔室结束。
流体源可以优选包括流体供应管，所述流体供应管此时可适于被供应 位于内腔外部的流体，或者它可以包括加装到装置且从内腔抽吸流体的泵 送系统，或者它可以包括含有流体且加装到装置的封闭管路。
在任何上述装置中，当流体流出一组串联设置的可膨胀腔室时，所述 一组串联设置的可膨胀腔室也按顺序缩小：从最靠近供应管的可膨胀腔室 开始，到距离供应管最远的可膨胀腔室结束。
此外，所述至少第一和第二腔室优选也可以在膨胀时轴向扩张，所述 至少第三腔室优选也可在膨胀时径向扩张。
根据本发明的另一个优选实施例，在任何上述装置中，至少第一和第 二可膨胀腔室适于在径向扩张时抓持内腔的壁。此外，上述装置使得其在 腔室顺序地膨胀和收缩时沿内腔移动。
根据本发明的又一个优选实施例，还提供了一种如上所述的自推进装 置，其中，至少一个径向可膨胀腔室包括外层，该外层的至少一个纵向部 分的刚性大于外层的其他部分的刚性，使得当至少一个腔室膨胀时，刚性 较大的纵向外层部分不会碰到内腔的壁。根据本发明的另一个优选实施例， 至少一个纵向外层部分非对称地环绕着腔室的轴线的周边设置，使得当腔 室膨胀时，它使所述一组串联设置的可膨胀腔室的轴线产生弯曲。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种根据上述实施例中的任 一个的自推进装置，其还包括至少一个管状腔室，所述管状腔室设置在流 体源与流体源所加装到的腔室之间，且与二者流体连通，管状腔室适于径 向扩张，从而对内腔壁施加压力；以及压力操纵阀，所述压力操纵阀在比 使所述一组腔室膨胀所需的压力的预定压力作用在其上时关闭，压力操纵 阀设置在管状腔室与所述一组腔室之间，使得所述一组腔室与为使管状腔 室膨胀施加的压力相隔离。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了上述自推进装置中的任一 个，其还可以包括锥形顶端，所述锥形顶端加装到一组串联设置的可膨胀 腔室的第二末端，所述第二末端与加装到流体源的第一末端相反，使得顶 端在装置沿内腔移动时使装置前行。锥形顶端可以优选制成可膨胀的，且 与第二末端的可膨胀腔室流体连通，使得顶端在第二末端处的可膨胀腔室 之后膨胀。可选地且优选地，对于顶端的配置，任一上述自推进装置还可 以包括钻头，所述钻头加装到所述一组串联设置的可膨胀腔室的第二末端， 所述第二末端与加装到流体源的第一末端相反，使得钻头在装置沿内腔移 动时使装置前行。钻头优选通过膨胀流体、或者通过电机或通过转动引导 线提供动力。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种用于在内腔内穿行运动 的自推进装置，包括：
(i)一组串联设置的可膨胀腔室，以及
(ii)为所述一组串联设置的可膨胀腔室供应流体的系统，使得流体从 一端到另一端按串联顺序地使所述一组腔室膨胀，
其中，至少一个可膨胀腔室包括外层，所述外层的至少一个纵向部分 的刚性大于外层的其他部分的刚性，使得当至少一个腔室膨胀时，刚性的 纵向外层部分不会碰到内腔的壁。在这种情况下，根据另一个优选实施例， 所有的至少一个纵向外层部分非对称地环绕着腔室的轴线的周边设置，使 得当至少一个腔室膨胀时，它使所述一组串联设置的可膨胀腔室的轴线产 生弯曲。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于在内腔内穿行运 动的自推进装置，包括：
(i)一组串联设置的可膨胀腔室，
(ii)为所述一组串联设置的可膨胀腔室供应流体的系统，使得流体 从所述一组腔室的第一端到其相反端按串联顺序地使所述一组腔室膨胀， 以及
(iii)在相反端加装到所述一组腔室的阻塞物清除顶端。
阻塞物清除顶端可以优选是锥形顶端或钻头，使得钻头在装置沿内腔 运动时使装置前行。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于在内腔内穿行运 动的自推进装置，包括：
(i)一组串联设置的可膨胀腔室，以及
(ii)为所述一组串联设置的可膨胀腔室供应流体的系统，使得流体 从一端到另一端按串联顺序地使所述一组腔室膨胀，以及
(iii)延伸穿过所述腔室的中心区域的中空通道，使得腔室环绕着中 空通道环状膨胀。在这种实施例中，腔室的环绕着中空通道的壁可以优选 具有使得在膨胀时中空通道不会被腔室压缩的刚性。在这种情况下，中空 通道可适于沿其至少一部分长度包括穿入件，所述穿入件未加装到自推进 装置。
可选地且优选地，腔室的围绕着中空通道的壁可在腔室膨胀时对中空 通道施加压力。在这种情况下，中空通道可使得腔室在膨胀时抓持穿入件。 另外，腔室可以具有使得它们在膨胀时不抓持内腔的外径。在这种情况下， 装置优选在腔室顺序膨胀和收缩时沿穿入件移动。
在上述两个中空通道实施例中的任一个中，穿入件可优选是引导线、 光纤或一定长度的管件中的任一个。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种利用任一上述自推进 装置表征与内腔的壁有关的参数的方法，包括以下步骤：
(i)将装置插入内腔，
(ii)当腔室顺序膨胀时监测流体的供应压力，
(iii)通过观察供应压力发生的变化确定所述一组腔室中的哪一个腔 室正随时间变化膨胀，
(iv)监测进入所述一组腔室的流体流量，使得通过利用步骤(iii) 的结果获知每个腔室的膨胀体积，以及
(v)由步骤(iv)确定的膨胀体积，确定内腔在每个腔室的位置处的 内径。
该方法也可以优选包括另外的步骤：将膨胀压力增大(pressure build-up)和进入每个腔室的流速与测量值和壁柔性之间的预定关系相关 联，使得可以确定内腔在每个腔室得位置处的壁柔性。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种利用具有延伸穿过腔 室的中心区域的中空通道的一种上述装置将引导线插入内腔的方法，包括 以下步骤：
(i)将引导线插入内腔预定距离，
(ii)将装置插入内腔，使得其跨骑在引导线上，
(iii)通过装置的腔室的顺序膨胀，使装置在内腔内移动，直到其覆 盖引导线顶端，
(iv)使引导线在内腔内再前进预定距离，以及
(v)重复步骤(iii)和(iv)，直到装置到达其目的地。
在这种方法中，至少一些腔室的环绕着中空通道的壁具有使得在腔室 膨胀时中空通道不会被腔室压缩的刚性，使得装置通过抓持内腔的壁在内 腔内移动。可选地且优选地，至少一些腔室的围绕着中空通道的壁在腔室 膨胀时对中空通道施加压力，使得装置通过抓持引导线在内腔内移动。
根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于在内腔内穿行运 动的自推进装置，包括：
(i)包括两个可膨胀腔室的一组可膨胀腔室，二者在膨胀时径向扩张， 且至少一个在膨胀时轴向扩张，
(ii)在两个腔室之间提供流体连通的至少一个连接通道，以及
(iii)加装到一个腔室的流体源，
其中，至少一个连接通道适于使得来自流体源的流体使两个可膨胀腔 室按顺序膨胀：从最靠近流体源的可膨胀腔室开始，到距离流体源最远的 可膨胀腔室结束。
在该优选实施例中，在流体流出两个可膨胀腔室时，两个可膨胀腔室 优选还按顺序收缩：从最靠近流体源的可膨胀腔室开始，到距离流体源最 远的可膨胀腔室结束。
在任何这种实施例中，流体源可优选包括流体供应管，所述流体供应 管此时可适于从内腔外部的供应源抽吸流体，或者它可以包括加装到装置 且从内腔抽吸流体的泵送系统，或者它可以包括含有流体且加装到装置的 封闭管路。
附图说明
通过下面结合附图所作的详细描述，本发明将会被更充分地理解和认 识。附图包括：
图1示意性地示出了根据本发明的第一优选实施例构造和操作的顶端 推进导管装置；
图2A到2I示意性地示出了流体如何使图1的装置的囊状物单元按顺 序膨胀以使装置向前移动；
图3A示意性地示出了利用分离的接合段制造图1的装置的方法，而图 3B和3C示出了图1的装置的其他优选实施例，其中，装置已附带性地安装 有流体供应系统，从而提供了没有拖曳流体供应管线的无缆装置；
图4A和4B示意性地示出了图1的装置的优选实施例，其加入了用于 中心管的通道；
图5A到5D示意性地示出了另一个实施例，其能使血液或其他流体从 装置的囊状物周围流过；
图6A到6C示意性地示出了一个实施例，其中，装置中的一些囊状物 像伸缩管一样仅轴向膨胀和扩张；
图7A到7C示意性地示出了一个实施例，其中，装置由一块柔性材料 构造而成，且具有一体隔离物和内嵌金属囊状物孔眼；
图8A和8B示出了与图7A到7C的实施例类似的一个实施例，但孔眼 形成在分隔器壁的材料中；
图9示意性地示出了“多点驱动”装置的一个实施例，其能够使驱动 力沿整个装置部署，从而比其他情况较长些；
图10A和10B示意性地示出了与图9的实施例类似的一个实施例，但 可膨胀直部分像扩张器一样工作；
图11A到11C示意性地示出了本发明的一个实施例，它能够在所正经 过的通道内转弯或经过弯曲部；
图12A和12B示意性地示出了在内管或引导线上产生锁定的一个实施 例；
图13A到13C示意性地示出了具有能使通过遇到的局部阻塞物的锥形 顶端的实施例；
图14示出一个实施例，其中，涡轮头部装配在装置的前面，用于挖掘 式地穿过遇到的阻塞物；
图15A到15C示出了本发明的多个实施例，其中，装置用于确定与装 置所经过的通道的壁相关的参数，例如内径和壁柔性；以及
图16示意性地示出了一个实施例，其中，装置用于与可转向内引导线 相协调的一个新型转向系统中，装置在引导线或在通道的外壁上被推进。
具体实施方式
下面参看图1，示意性地示出了根据本发明的第一优选实施例构造和操 作的顶端推进导管装置15，用于沿内腔10向下行进。所述装置优选包括多 个囊状物11，囊状物11通过具有一个或多个小开口的分离器12彼此连接， 所述小开口优选成形成在分离器12中的孔眼13的形式，从而所有囊状物 包括单一的空间。为了便于构造，所述装置可以选择性地和优选地包括单 一的可膨胀囊状物，所述单一的可膨胀囊状物通过具有孔眼的分离器分隔 成分离的囊状物段，从而整个被分段的囊状物可以通过单一输入口膨胀。 囊状物织物优选借助于环17相对于分离器12保持在位，或者粘结或模制 在分离器上。无论使用哪种优选结构，所述装置通过单一管16连接到流体 供应源，用于使囊状物或囊状物段膨胀。为了简化，下面将通过对于每个 分离段均使用术语“囊状物”解释装置的操作，但应理解，利用经分段形 成分离段的单一囊状物也可以同样地实施本发明。所使用的膨胀流体可以 是任何一种相容性气体或液体。
根据本发明的另一个优选实施例，借助于附带的泵，流体供应可以取 自装置正移动经过的通道，且在使用后送回到那里，这将在下面更加详细 地描述。
下面参看图2A到2I，示意性地示出了流体如何使囊状物单元按顺序膨 胀，使近端一个囊状物单元首先膨胀，增大其直径及长度。在膨胀时，此 囊状物单元将自身锁定在管的内壁上，但同时，其长度增大使得其他仍未 完全膨胀并因而未锁定在管的内壁上的单元前进。囊状物单元按顺序膨胀， 直到远端单元锁定在内管壁上，但沿着管处于比未膨胀囊状物远端单元的 初始位置远的位置处。此状态在图2E时达到。此顺序的定时和次序是受经 过孔眼的流体流动力学以及囊状物膨胀的动力学控制的。如图2F所示，此 时断开供应并使流体压力下降，或者泵送出流体，导致近端单元首先收缩 而使其长度和直径减小。由于远端单元或所有中间单元此时仍是完全膨胀 的，因此它们仍锁定在管的内壁上，从而随着囊状物收缩且长度减小而将 近端单元向内拉动。
重复执行上述顺序的运动序列，从而促使整个装置运动，如图2A到2I 所示。移动顺序包括两个阶段：膨胀和收缩，在膨胀管的入口的箭头表示 流体流动方向。顺序膨胀的动力学过程如下：
经过孔眼的流量与孔眼两侧的压差的平方根、以及孔眼的直径的平方 成比例，从而选择孔眼尺寸可以提供特定的膨胀动力学过程。
膨胀阶段：开始时，每个囊状物中的压力相等，并等于外部压力，从 而囊状物处于收缩状态，如图2A所示。当供应管中的压力上升时，流体开 始流过第一孔眼进入第一(近端)囊状物，如图2B所示。此时，第一和第 二囊状物之间的压差低于供应管和第一囊状物之间的压差，从而第二孔眼 中的流速较小，第二囊状物比第一囊状物更慢地膨胀。通过这种方法，压 力以受控的和逐步的方式传播到最后(远端)囊状物，直到所有囊状物中 的压力相等，如图2E所示。
收缩阶段：此时将供应管中的压力减小为外部压力，或者将流体泵送 出膨胀管，此时在供应管线和第一囊状物之间产生压力下降。流体开始流 出第一囊状物，如图2F所示。再者，由于供应管和第一囊状物之间的压差 大于其余囊状物之间的压差，因此第一囊状物首先收缩，接着是第二囊状 物收缩，如此继续，直到最后囊状物收缩，如图2I所示。
在致动顺序的变型中，甚至可以在最后单元完全收缩之前启动循环过 程。在这种情况下，总是存在一个基点锚固在通道上，从而防止在外力的 情况下出现不希望的打滑。而且，完全根据流体流入、流出和在囊状物之 间流动的动力学过程，可以在被不同定位的囊状物之间使用不同的孔眼尺 寸或不同数量的孔眼，以改进移动以及装置的速度。此外，可以选择膨胀 流体的粘度，以改善移动动力学过程。
下面参看图3A，示意性地示出了制造该装置的可选的和优选的方法， 其中每个部分31是单独制造的，然后这些部分在使用或不使用粘结剂的情 况下通过充当囊状物段的夹具的分离器30连接起来。在整个申请中，使用 组成本发明的装置的结构的一组或一系列腔室这样的术语认为是合适的， 且是要求权利要求保护的，而无论腔室是如图3A的优选实施例中所示的那 样为连接在一起的分离的结构段，还是如图1的优选实施例中所示的那样 是由借助于机械分隔部件被分隔成分离腔室的一体式结构构造的。
根据本发明的上述实施例，供应管线在外部加装到流体供应源及其控 制系统，这称为带缆应用。根据本发明的另一个优选实施例，在图3B和3C 中示意性地示出了流体致动系统可以附带地装在此装置上，从而避免需要 连接到外部的供应管线。在图3B的实施例中，泵35位于装置上，通过开 口36从通道内的其周围环境泵入流体，且也将流体排到其中。如果装置例 如在血管系统中运行，则所使用的流体是血液；如果例如在气体管道中运 行，它可以使用气体使囊状物膨胀和收缩；如果在常规的隧道或管道中， 则流体是隧道或管道内的空气。致动系统可具有成电池形式的内功率源， 或者外功率源例如感应电磁场或任何其他种类的感应功率源。装置此时在 未加装到任何流体供应管线、且仅在从外部传递到它的命令的控制下向前 移动。
可选地且优选地，在不同的无缆实施例中，如图3C的实施例中示意性 地所示，膨胀流体成气体的形式，且从附带的压缩气体贮存器33供应到可 膨胀囊状物。因此，膨胀气体被包含在封闭管路中，与周围环境的流体隔 离开，且当囊状物收缩时优选借助于小的循环压缩机34返回到贮存器33。 膨胀流体此时可以是任何适合类型的气体，而与流过通道的流体无关。
下面参看图4A和4B，示意性地示出了本发明的又一个优选实施例，其 中，中心通道49已被引入到该装置中，且优选地穿过每个囊状物和分离器 的中心区域。用于顺序压力调节的孔眼43此时在分离器壁42中是偏置的。 中心通道可以用于插入可选的光纤、引导线、至安装在装置的鼻部中的照 相机的电线等。尽管由于图4A和4B的图的比例并不明显，但中心通道的 尺寸可使得在囊状物的内表面49与插入内部的线或其他穿入内部的物体 48之间具有小的空间，从而线或其他物体可以自由地移动穿过装置。在图 4B的实施例中，内弹簧47附加在此结构上以支撑内管49，从而防止其塌 陷到引导线48或其他穿入内部的物体上，且在囊状物膨胀时将管锁定在其 上。可选地且优选地，中心通道可用于使血液或其他所必需的流体连续流 过装置所经过的内腔，从而装置的囊状物不会阻碍这种流动。
图4A和4B描述了在本发明的图1到3的上述实施例的这种类型的自 推进移动装置中加入用于穿入线状元件的中心通道。然而，应该理解，图 4A和4B的实施例中所示的中心通道以及由此获得的益处也可以有利地加 入到任何的现有技术可膨胀腔室自推进装置中，且本发明意欲也包括这些 实施例。
下面参看图5A到5D，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例，其 能够使血液或其他流体在囊状物51周围流过。这在沿着其中流体流动不能 被装置的存在阻断且需要旁路的动脉或管50的移动中是有用的。根据此实 施例，囊状物被构造成在其膨胀时不具有圆形形状。优选通过沿囊状物长 度加入纵向加强带53，囊状物的外层的纵向部分被构造成其柔性小于外层 的其余部分，从而囊状物不能沿这些部分扩张到其完全尺寸。图5B示意性 地示出了未膨胀囊状物的横截面，图5C示出了膨胀囊状物，示出了体液可 以连续无阻碍地流过的间隙区域59。图5D示出了其中一个囊状物膨胀的装 置的等轴测视图。
图5A到5D描述了在本发明的上述实施例的这种类型的自推进移动装 置的囊状物中加入流体旁路部分，所述自推进移动装置使用了具有自动膨 胀顺序的串联腔室。然而，应该理解，图5A到5D的实施例中描述的流体 旁路部分以及由此获得的益处也可以有利地加入到任何现有技术可膨胀腔 室自推进装置中，且本发明意欲也包括这些实施例。
下面参看图6A到6C，示意性地示出了本发明的又一个优选实施例，其 中，装置中的一些囊状物被构造成像伸缩管一样仅仅轴向膨胀和扩张，从 而使每个运动循环实现较长延伸。在图6A的优选实施例中，囊状物61A和 61C是在膨胀时径向和轴向扩张的常规囊状物，如图6B所示，从而它们执 行装置的壁抓持功能，而囊状物61B和61D具有被构造成为它们的封套物 的加强环62，从而当它们膨胀时，如图6C所示，它们产生明显的轴向扩张， 但径向扩张如果存在也很小。
下面参看图7A到7C，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例，其 中，装置由一块柔性材料构造而成，在囊状物段分隔件处具有一体式隔离 物72，且具有插入这些隔离物的中心的金属喷射形成的结构70，以充当相 继的囊状物腔室71之间的孔眼。这种结构降低装置的制造成本。可选地且 优选地，可以使用多孔眼嵌件。
下面参看图8A和8B，示意性地示出了本发明的又一个优选实施例，它 类似于图7A到7C的实施例，但是孔眼本身83形成在分离器壁82的材料 中，从而更多地降低制造成本。这些部分之间的材料优选制造得较宽或较 硬些，以保持孔眼直径不变。供应管86也可以优选地被制造成同一块材料 的一部分。
下面参看图9，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例，示出了“多 点驱动”装置。驱动囊状物91的组95、或者甚至是单个驱动囊状物91可 以利用不可膨胀的管状部分94隔开。这能够使驱动力沿整个装置部署，使 得每个膨胀顺序具有较好的牵引和较高的行程。这对于移动经过非常长和 弯曲的通道例如医学应用中的动脉或肠等非常有用。此装置像具有沿着整 个身体的推进力的非常长的尺蠖一样操作。相对于仅在顶端处使用了囊状 物的实施例，该实施例或在整个长度上使用囊状物的任何实施例的优点在 于，爬行速度较高，这是因为有效行程长度较长，且压力沿内壁更加均匀 地分布。
下面参看图10A和10B，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例， 它与图9的实施例有一些类似之处，但直部分109是由在预定压力下膨胀 的材料构造的。囊状物部分104如上所述地推进。压力阀103被构造在囊 状物部分104的入口中，且压力阀103适于在压力106升高到比囊状物推 进部分104正常膨胀操作过程中所使用的压力数值高一些时关闭。
该升高的压力可用于扩张装置的直腔室109，从而其充当可用于产生治 疗效果的扩张器部分105，而不会增大到损坏囊状物推进单元的膨胀压力。 当囊状物推进单元104已将装置带到其所需目标位置时，压力106增大， 阀103关闭，扩张器105可以利用高压力膨胀，以执行其所需功能。阀103 将高压力106保持在推进囊状物外。可选地且优选地，如果推进囊状物104 以它们膨胀受到限制的方式或由这种材料制成，则不需要阀103。
当治疗过程完成时，降低压力，阀103再次打开，且装置可再次正常 工作。高压力可以例如用于打开局部阻塞动脉、或者将处于塌陷状态的支 架在部分105上展开、或者将药物从装置注射到被穿行的通道中、或者用 于需要应用局部机械压力的任何其他动作。
为推进而被供应的流体优选是不可透过X射线的流体，从而在插入和 推进过程中可利用X射线成像观察该装置。
下面参看图11A到11C，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例， 其中，在一个或多个囊状物111的外层或外壁中非对称地提供了优选成一 个或多个带112的形式的加强区域。当具有这种加强区域的囊状物膨胀时， 加强体所处的区域不能够以与囊状物的其他区域相同的方式伸展，且产生 弯曲作用，该弯曲作用可以用于在到达内腔中的弯曲部或接合部115时， 使装置转弯或得到引导，如图11B所示。这种加强带可同样很好地增加到 装置的相继的囊状物上，从而沿装置的长度产生更加渐进的转弯。
图11A到11C描述了在本发明的上述实施例的这种类型的自推进移动 装置的囊状物中加入用于产生转弯作用的加强部分，所述自推进移动装置 使用了具有自动膨胀顺序的串联腔室。然而，应该理解，如图11A到11C 的实施例所述的用于产生转弯作用的这种加强部分以及由此获得的益处也 可以有利地加入到任何现有技术可膨胀腔室自推进装置中，且本发明意欲 也包括这些实施例。
下面参看图12A和12B，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例， 其中，在内管或引导线128上存在锁定。这通过以下方式实现：通过使囊 状物的外表面比内表面更硬、或者通过使用本身较硬的材料制作外层、或 者如图12A和12B所示地通过将加强肋121加入到外壁中。在示出了未膨 胀的囊状物的图12A中，虽然在图中看不到，但在囊状物的内通道与插入 内部的管或引导线128之间具有小的间隙，使得管或线或其他穿入物体可 以自由地移动通过未膨胀的装置。当囊状物膨胀时，内表面向内扩张，并 最终锁住内引导线或管上，如图12B所示。囊状物的内表面可以优选地装 配有翅片129，使得囊状物在狭窄点处抓持内管或引导线，从而增大抓持压 力。由于装置的中心轴线被中心管或引导线占据，因此将各个囊状物连接 起来的孔眼124不得不偏离中心设置。可选地且优选地，可使用环绕着中 心管倾斜地伸展的多个孔眼。像前面的图6A到6C的实施例一样，一些部 分可以具有大致圆形囊状物，其他部分可以是圆柱形轴向延伸囊状物。
图12A和12B描述了在本发明的上述实施例的这种类型的自推进移动 装置中加入用于穿入线状元件的中心通道，所述自推进移动装置使用了具 有自动膨胀顺序的串联腔室。然而，应该理解，图12A和12B的实施例所 述的中心通道、以及由此获得的益处也可以有利地加入到任何现有技术的 可膨胀腔室自推进装置中，且本发明意欲也包括这些实施例。
下面参看图13A到13C，示意性地示出了本发明的又一个优选实施例， 其中，装置设有锥形顶端138，当装置沿通道前进时，所述锥形顶端138 能够使得其穿过遇到的局部阻塞物137。顶端使阻塞物物部分地压缩到通道 的壁上。另外，装置可优选地像图10A和10B的实施例一样装配有扩张器 部分136，用于完成清除部分阻塞物137的操作。
下面参看图13D，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例，其类似 于图13A到13C的实施例中所示的实施例，但其中顶端134借助于至最远 端囊状物的流体连通而成为可膨胀的。顶端的前端135随着装置向前爬行 而穿过阻塞物137，且当最远端囊状物已被充起时，可膨胀顶端头部也膨胀， 从而将阻塞物物朝通道的内壁推。由于当远端囊状物膨胀时顶端膨胀自动 进行，因此该实施例比需另外装设阀门和压力监测的图10A和10B所示的 实施例简单。
根据本发明的另一个优选实施例，在图13A到13D所示的配置中，其 中仅仅一些囊状物用于运动目的，其余囊状物和头部用于扩张以外的其他 治疗目的。
下面参看图14，示意性地示出了本发明又一个优选实施例，其中，在 装置的前面装有钻头143，例如涡轮或推进器，从而它可以在向下沿通道前 进过程中破除障碍物147前进。钻头优选是液压供给动力的，动力优选来 自由膨胀流体驱动的桨141等，或来自另外的外部液压源。可选地且优选 地，可使用电动力，该电动力可优选来自电池。可选地且优选地，钻头的 动力可来自于插入装置的中心孔的转动引导线。
图13A到13D和图14描述了各种不同顶端的实施例的加入，以便使具 有自动膨胀顺序的串联腔室的本发明的自推进移动装置能够通过其路途上 遇到的局部阻塞物前进。然而，应该理解，图13A到13D和图14中描述的 这种顶端实施例、以及由此获得的益处也可以有利地加入到任何现有技术 的可膨胀腔室自推进装置中，且本发明意欲也包括这种实施例。
下面参看图15A和15B，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例， 其中，该装置用于确定与其经过的通道的壁有关的多种参数。特别地，装 置能提供有关通道内径、和通道壁的柔性的信息。从而，这种装置及其操 作方法对于粗略地获得在他/她身体的远处位置的身体血管或任何其他通 道的情况特别有利。根据该实施例的装置需要在流体输入处增加压力监测 器、和流量计，以确定填充装置的囊状物所需的膨胀流体的体积。
图15A示出了本实施例的装置的囊状物，在此示例性情况下，该囊状 物是近端囊状物150，其沿着通道的长度处于三个不同优选位置，所述通道 为了说明该优选实施例而被看作是血管。图示的血管的壁厚是变化的，因 此具有变化的内径。血管在点P3处内径大，在点P1处具有中等内径，在 点P2处最小。相应地，用于使近端囊状物150膨胀的流体的体积在点P3 处较大，在点P1处较小，在点P2处最小。如果已执行了初始标定过程以 使囊状物体积与血管直径相关，则膨胀所需的体积的测量结果就能够确定 装置在血管中前进的每个循环点处的血管内径。
在装置的囊状物的顺序填充过程中连续监测膨胀流体的流量就能够确 定随着时间变化哪个囊状物正被填充，因为每个相继的囊状物开始填充时 具有明显的压力变化，且监测这些压力变化能够确定正被填充的囊状物。 因此，可以在任何时刻将作为时间的函数的连续体积和压力测量结果与正 被填充的特定囊状物关联起来。由于填充体积与血管内径相关，因此可以 得到沿装置的长度的每个点处的该内径估计值。这可以在装置沿血管前进 时在不同的装置位置处重复进行，从而，可以得到整个血管的直径轮廓。 这示出在图15B中，其是示意图，示出了由向装置内的流速确定的膨胀体 积V随着沿装置的位置的曲线，其本身由随时间的压力变化确定。由于每 个膨胀囊状物体积是血管直径d的函数，因此坐标标记为V(d)。从曲线中 可以看出，示出的是每个囊状物膨胀体积与每个点P1、P2、P3的血管直径 之间的关系。
然而，除了使用填充压力获知现正填充哪个囊状物以外，该压力也可 用于提供关于沿血管长度的各个点处的血管壁的柔性或刚性的信息。该位 置由在测量压力时哪个囊状物正被填充的信息得到，如同上面对体积测量 结果所作的解释。在每个点处的血管直径也是由图15B的方法得到的。在 将要被确定的血管柔性与可被测量出的压力增大和流速之间存在关系，因 此可以从压力增大和流速的相应时间历程得出血管壁柔性。为了得到该关 系，必须首先对测量结果进行表征和标定。
下面参看图16，示意性地示出了本发明的另一个优选实施例，其中， 装置被用作与内部预弯曲引导线相协调的一种新型转向系统。在现有技术 中，可转向内引导线一般单独使用，用于越过生物体中的弯曲通道。然而， 在这种可转向引导线中，顶端可以以所正行进的通道的弯曲方向弯曲，缺 点是顶端在其穿过通道的路径时可以引起通道内壁的组织损伤，像拖动弯 曲引导线在通道中行进一样。
根据本发明的该优选实施例，可转向引导线168用作可膨胀装置的内 部构件，如图4A-4B的实施例中、或图12A-12B的实施例中所示，其中， 可膨胀装置在内引导线上自己向前推进。在图16中，图4A-4B的结构用 于示出该实施例。可转向引导线168在爬行装置向前移动时保持缩回在爬 行装置内，除了当需要越过生物体通道中的弯曲部162时、或当到达Y接 合处而顶端必须进入一个分支或另一个分支时，在上述两种情况下，引导 线的可转向顶端165可以从前端伸出一小段距离，以便在分叉处引导装置 的前端。小的伸出长度防止顶端损伤通道壁，这是因为环绕着引导线顶端 的前囊状物的保护作用且将顶端保持在通道中心。可选地且优选地，可转 向引导线顶端可以只是留在装置的顶端内部，而根本不伸出，并从内部进 行转向操作，使得其引导弯曲部附近的装置顶端，而根本不暴露到装置外 部。因此，在内腔内行进主要是由可膨胀装置的顶端完成的，而不是由引 导线的顶端完成的，从而增大了使用安全性。
在使用中心引导线的本发明的实施例中，如图4A-4B和12A-12B中 所示，引导线或中心管通常恰好插到所要经过的通道的末端，且可使装置 沿其爬行。然而，将引导线一直插到其目的地可能存在困难，且在此过程 中，壁可能被顶端损伤，或者被拖曳引导线摩擦，或者将危险斑无意地移 去。根据本发明的另一个优选实施例，提供了装置的使用方法，其中首先 将内引导线插入到所要行进的通道中一小段距离，对于插入血管通常是5cm 左右，并从外部保持在位，且可膨胀装置可被使得沿通道向着引导线的顶 端爬行，如图4A-4B的实施例所示。当可膨胀装置已充分前进而使引导线 的可转向顶端优选刚被覆盖在装置内时，装置锁定在通道壁上，将引导线 再向前推一小段距离进入通道，并再次从外部保持在位。接着，膨胀的装 置收缩，使其从通道壁松开，然后使其向前爬行，直到其再次覆盖引导线 的露出部分。重复此过程，直到引导线到达其目标点。通过这种措施，引 导线主要在环绕着的可膨胀装置的保护下在通道内前进，从而可以大大降 低对通道组织损伤的可能性。
作为沿通道的壁爬行且在引导线前进时将自身锚固在壁上的装置的替 代性方案，该方法也可以用于图12A-12B中所示的实施例，其中装置沿内 引导线本身爬行，而不对壁施加压力。在这种情况下，引导线在装置收缩 而未被锚固时被向前推动，在引导线前进的同时使拖曳膨胀管提供小的阻 力，使装置保持在位。一旦引导线已前进了一小段距离，它就被从外部保 持在位，同时装置沿其爬行直到经过该一小段距离，然后它本身与引导线 松开，使引导线前进另一小段距离，重复整个过程直到达到目标。
本领域的普通技术人员应该理解，本发明并不局限于已在上面特别示 出的和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述的各种特征的组合和子 组合、以及本领域的普通技术人员在阅读了上面的描述后可以想到的现有 技术中不存在的多种变化和修改。