用於操縱醫療器械通過連接的人體通道的具有多種操作模式的醫療系統的製作方法
2023-12-11 01:49:17
用於操縱醫療器械通過連接的人體通道的具有多種操作模式的醫療系統的製作方法
【專利摘要】控制器以不同的操作模式操作，以便在通過連接的人體通道插入和收回醫療器械時控制醫療器械的遠側尖端的移動。當插入醫療器械時，控制器通常以自動導航模式操作，除非手動超越控制以便以手動模式操作。當收回醫療器械時，控制器通常以零力模式操作，以允許遠側尖端自由移動，以便在通過連接的人體通道收回醫療器械時遠側尖端可以遵從通道的形狀，除非手動超越控制以便以手動模式操作。
【專利說明】用於操縱醫療器械通過連接的人體通道的具有多種操作模式的醫療系統
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及醫療系統，並且具體涉及用於操縱醫療器械通過連接的人體通道的具有多種操作模式的醫療系統。
【背景技術】
[0002]被操縱通過人體通道的一種類型的醫療器械是內窺鏡。藉助通過自然孔或外科手術產生的開口插入設備並將其引導至病人體內的目標部位，內窺鏡允許內科醫生捕獲身體內部器官的圖像，以及診斷人體內部器官中的問題。在一些情況下，其也可以被用來對人體內部器官執行醫療程序。其可操縱以便為了導航目的使其遠側尖端可控地取向。圖像捕獲設備(諸如立體視場的或單視場的攝像機)可以被提供在其遠側尖端處，使得從該角度被攝像機捕獲的圖像可以在顯示屏上被外科醫生觀察。為了在目標部位執行各種醫療程序，外科手術工具(諸如用於切除、抓持、燒灼等的那些工具)可以延伸到內窺鏡的遠側尖端之外。
[0003]專用內窺鏡可以由其大致意圖查看的地方而得名。示例包括:用於在膀胱內查看的膀胱鏡、用於在腎內查看的腎鏡、用於在肺的支氣管內查看的支氣管鏡、用於在喉內查看的喉鏡、用於在耳內查看的耳鏡、用於在關節內查看的關節鏡、用於在腹部內查看的腹腔鏡以及胃腸內窺鏡。為了查看其預期的器官，內窺鏡可以移動通過人體內連接的人體通道到達目標區域。
[0004]可操縱通過人體通道的另一類型的醫療器械是導管。導管是細長的柔性管，其被插入到自然的體腔或通道內用於引入或取出流體。其用途包括通過尿道從膀胱中排出尿，或為了診斷目的而通過血管插入到心臟中。導管還可以插入到通道內以保持通道打開。
[0005]可操縱通過人體`通道的其他類型的醫療器械是外科手術和診斷工具。示例包括像用於獲得組織樣品的鑷子以及用於灼燒組織的電極這樣的常用醫療用具。
[0006]此類醫療器械被操縱通過其中的人體通道可以是曲折的，並且沿著其長度具有變化的寬度。另外，它們可以是多分支的並且狹窄的，使得到體內的目標區域的導航是困難的。同樣，通道可以包含由於與醫療器械的過度的物理接觸而極易受到傷害的敏感組織。作為連接的人體通道的一個示例，US7, 901，348B2描述了在支氣管鏡檢查程序中超薄柔性內窺鏡到肺部的支氣管樹內的預定感興趣區域的視覺輔助引導。作為連接的人體通道的其他示例，US2005/0182319A1描述了可應用於血液循環系統以及肺的空氣循環系統、消化系統與泌尿系統的圖像引導的外科手術技術。
[0007]當操作者將醫療器械通過連接的人體通道插入到病人的解剖結構內的目標區域時，希望輔助操作者將醫療器械導航至目標區域。在收回醫療器械使其從連接的人體通道離開時，必須小心以避免由於與醫療器械的過度物理接觸而傷害通道壁。病人的安全始終是首要考慮的，同時控制醫療器械在病人體內的移動。
【發明內容】
[0008]因此，本發明的一個或更多個方面的一個目的是這樣的一種醫療系統以及在其中實施的方法，其用於控制醫療器械通過人體通道的移動而不引起對病人的傷害。
[0009]本發明的一個或更多個方面的另一目的是這樣的一種醫療系統以及在其中實施的方法，其提供對操作者以安全有效的方式操縱醫療器械通過連接的人體通道到達和/或離開目標區域有益的導航輔助。
[0010]本發明的一個或更多個方面的另一目的是這樣的一種醫療系統以及在其中實施的方法，其用於為自動導航輔助提供手動超越控制(manual override),以便通過連接的人體通道到達目標區域。
[0011]這些以及另外的目的通過本發明的各種方面實現，其中簡而言之，一個方面是醫療系統，其包括:可操縱醫療器械；至少一個致動器；以及控制裝置，其用於在檢測到醫療器械在插入方向上的移動之後，命令至少一個致動器使醫療器械根據插入控制模式被操縱，以及在檢測到醫療器械在收回方向上的移動之後，命令至少一個致動器以允許醫療器械按照施加在醫療器械上的力移動。
[0012]另一方面是用於控制醫療器械的操縱的方法，該方法包括:檢測醫療器械的移動；以及在檢測到醫療器械在插入方向上的移動之後，命令至少一個致動器以使醫療器械根據插入控制模式被操縱，以及在檢測到醫療器械在收回方向上的移動之後，命令至少一個致動器以允許醫療器械按照施加在醫療器械上的力移動。
[0013]另一方面是醫療系統，其包括:輸入設備；醫療器械；至少一個致動器；以及控制裝置，其用於在正常控制模式下命令所述至少一個致動器以使醫療器械根據編程的導航路徑被操縱，以及用於在正常控制模式被輸入設備的操作者手動超越控制時命令所述至少一個致動器以使醫療器械根據輸入設備命令這種操縱的移動被操縱。
[0014]另一方面是用於控制醫療器械的操縱的方法，該方法包含:當醫療器械在插入方向上移動時，命令至少一個致`動器根據編程的導航路徑操縱醫療器械；接收手動超越控制指示；以及命令至少一個致動器根據輸入設備的移動操縱醫療器械。
[0015]參照以下應當與附圖結合考慮的本發明的實施例的描述，本發明的各種方面的另外的目的、特徵和優點將將會變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1圖示說明了被布置在連接的人體通道內並由利用本發明的各方面的醫療系統的控制器控制的醫療器械的示意圖。
[0017]圖2圖示說明了用於利用本發明的各方面的醫療系統的醫療器械的遠端的示意圖。
[0018]圖3圖示說明了醫療器械可以穿過其中的連接的人體通道的示意圖。
[0019]圖4圖示說明了利用本發明的各方面的醫療系統的方框圖。
[0020]圖5圖示說明了利用本發明的各方面的用於在醫療器械朝向病人體內目標區域的插入過程中控制醫療器械的方法的流程圖。
[0021]圖6圖示說明了利用本發明的各方面的用於在醫療器械遠離病人體內目標區域的收回過程中控制醫療器械的方法的流程圖。【具體實施方式】
[0022]圖1圖示說明了醫療系統的使用，其中響應於操作者與輸入設備101的交互，控制器102命令致動器103將醫療器械104移入、移出以及通過病人150的連接的人體通道。在這種情況下，醫療器械104可以是內窺鏡、導管或具有諸如在圖2中示出的可操縱尖端142的其他醫療設備。致動器103包括致動器121，其用於沿著軌道124在輸入方向(即，插入病人150體內)以及輸出方向(即，從病人150體內收回)上移動整個醫療器械104，如通過標示「I/O」的雙頭箭頭所描述的。可替代地，致動器121可以被省略，在這種情況下，操作者可以手動地將醫療器械104插入連接的人體通道或將其從連接的人體通道收回。致動器103還包括致動器122和123，用於操縱可操縱尖端142。
[0023]圖2圖示說明了醫療器械104遠端的細節，其中以實線的形式示出處於非旋轉狀態的可操縱尖端142，而以虛線的形式示出處於各種旋轉狀態的可操縱尖端142。醫療器械104包括柔性主體141，可操縱尖端142可旋轉地耦連至柔性主體141。例如，當在俯仰(pitch)方向上旋轉可操縱尖端142時，其如以圖示的虛線形示出的那樣移動。當在偏航方向(yaw)上旋轉可操縱尖端142時，其在與圖示的虛線形正交的方向上移動。通過以俯仰與偏航組合的形式旋轉可操縱尖端142，可以實現俯仰與偏航之間的中間角度。在這種情況下，致動器122可以在俯仰方向上操縱可操縱尖端142，而致動器123可以在偏航方向上操縱可操縱尖端142。可替代地，利用相應的致動器，可以以圍繞主體141的中心軸線轉動的形式以及在俯仰與偏航方向中的一個或兩個方向上旋轉可操縱尖端142。柔性主體141可以被動彎曲或主動彎曲或其組合。為了主動彎曲柔性主體141，除了那些已經提到的之外，還可以提供另外的致動器和控制元件用於操縱醫療器械104。
[0024]當醫療器械104是可操縱內窺鏡時，其可以具有一個或更多個內腔145，多個光纖電纜144和圖像捕獲設備143延伸通過內腔145。圖像捕獲設備143可以是立體視場的或單視場的攝像機，用於 捕獲圖像，該圖像被傳遞給圖像處理器108並由圖像處理器108處理，並且在顯示屏109上顯示(在圖4中示出)。可替代地，圖像捕獲設備143可以是相干光纖束/傳像束，其被耦連至器械104 (諸如纖維內窺鏡)的近端上的成像處理系統。光纖電纜144中的一個可以在其近端被耦連到光源(未示出)，該光源在醫療器械104的遠端處用於照明目的。其他的光纖電纜144可以被配置為具有彎曲傳感器或形狀傳感器，諸如光纖布拉格光柵(或其他應變傳感器，諸如利用瑞利散射的傳感器)，以便使得穿過光纖電纜的光被控制器102處理，以確定醫療器械104的當前位置和形狀，包括可操縱尖端142的取向。
[0025]在標題為「Apparatus and methods for automatically controllingendoscope」的W02009/097461A1中描述了這種可操縱內窺鏡的一個不例，該文獻被併入本文以供參考。利用光纖布拉格光柵確定內窺鏡的位置和彎曲的細節可以在以下文獻中找到，例如，在標題為「Robotic Surgery System Including Position Sensors Using FiberBragg Gratings」 的 US2007/0156019A1、標題為 「Fiber Optic Position and/or ShapeSensing Based on Rayleigh Scatter」 的 US2008/0212082A1、標題為 「Robotic SurgicalInstrument and Methods using Bragg Fiber Sensors，，的 US2008/0218770A1 和標題為「Fiber Optic Shape Sensor」的US2009/0324161A1，這些文獻均被併入本文以供參考。
[0026]圖3圖示說明了病人150體內的連接的人體通道152的示意圖，其中響應於操作者與輸入設備101的交互，在控制器102的控制下醫療器械104移動通過連接的人體通道152。連接的人體通道152具有入口點151、分支通道154、155、156和157以及組織壁153，其中醫療器械104通過入口點151進入，並且分支通道154、155、156和157提供醫療器械104到達病人體內不同目標區域的路徑。儘管在圖3中連接的人體通道152被顯示為具有多個分支通道的樹形結構，但其可以取而代之地包含單個內腔或通道。除了自然的人體通道之外，人造的人體通道或外科手術產生的人體通道也可以被包括在連接的人體通道152中。
[0027]作為一個示例，圖4圖示說明了醫療系統100的方框圖。根據控制器102的當前操作模式，控制器102通過命令致動器103來控制醫療器械104的移動。控制器102可以被實現為執行存儲在一個或更多個存儲器中的程序代碼的一個或更多個集中式或分布式處理器，每個處理器又可以由硬體、固件和軟體中的一個或其組合實現。當前的操作模式通常取決於操作者是在插入方向上(即，進入病人)還是在收回方向上(即，離開病人)命令醫療器械104的移動。提供預設操作模式，以便在檢測到醫療器械104在插入方向上的移動時，當前的操作模式為自動導航模式，而在檢測到醫療器械104在收回方向上的移動時，當前的操作模式為零力模式，然而，為了安全、路線改變或其他目的，編程的預設模式可以被手動地超越控制。輸入設備101被提供在醫療系統100中，用於在自動導航模式被超越控制時手動地操縱醫療器械104。輸入設備101還可以用於命令醫療器械104的插入和收回。可替代地，通過操作者在插入和收回方向上手動地移動醫療器械104，可以執行這種插入和收回。同樣被包括在醫療系統100中的是致動器103、醫療器械104、存儲器107、顯示屏109和圖像處理器108。
[0028]作為一個示例，圖5圖示說明了由控制器102執行的用於在醫療器械104朝向病人體內目標區域的插入過程中控制醫療器械104的操縱的方法的流程圖。在方框501中，該方法通過利用適當的傳感器檢測輸入設備101的移動或醫療器械104的移動來檢測醫療器械104在插入方向上的移動。在方框502中，該方法確定移動是否超過閾值，以避免操作者預期的插入移動的錯誤指示。此類錯誤指示的示例包括在操作者與輸入設備101進行手動交互或手動插入醫療器械10 4時系統中的噪聲和手的抖動。閾值可以基於與時間無關的位置變化或在指定的時間段內的位置變化(即，速度)。
[0029]如果方框502中的確定為否，那麼該方法循環回至方框501。另一方面，如果方框502中的確定為是，那麼該方法進行到方框503，在方框503中，該方法確定醫療器械104的遠側尖端142的當前姿勢(即，位置和取向)。在方框504中，該方法然後利用醫療器械104的當前姿勢根據編程的導航路徑確定操縱方向。可以在術前或術中利用病人的解剖結構圖像確定導航路徑，病人的解剖結構圖像諸如利用計算機斷層(CT)掃描、核磁共振成像(MRI)掃描等產生的圖像。
[0030]在正常操作中，該方法然後進入到方框506，在方框506，該方法以自動導航模式操作，從而命令致動器122和123沿著根據確定的操縱方向編程的導航路徑操縱醫療器械104。在執行方框506之後，該方法然後通過跳回到方框501，從而繼續執行另一過程循環。
[0031]該方法還提供有手動超越控制特徵，其在邏輯上被顯示為方框505 (被置於方框504與506之間)，在方框505中確定操作者是否已經激活手動超越控制。通過激活例如位於輸入設備101上的手動超越控制開關，或通過僅移動輸入設備101，操作者可以完成手動超越控制的激活，以便「超控(overpower)」導航模式，並且命令致動器122和123如所期望地操縱可操縱尖端142。在這個意義上來說，超控意味著操作者已經通過輸入設備101在與導航模式命令的相反方向的操縱方向上命令可操縱尖端142的充分移動(例如，超過閾值量)。儘管在方框505中被顯示為確定，手動超越控制可以被實現為常規的「系統中斷」，其使得實現該方法的控制器102跳轉至方框507，以便允許操作者可以接管操縱醫療器械104的控制的手動模式操作。具體地，在手動模式操作中，控制器102允許操作者通過如下方式對操縱醫療器械104的可操縱尖端142的完全控制，即通過響應於命令這種操縱動作的操作者與輸入設備101的交互而命令尖端操縱致動器122和123操縱可操縱尖端142。
[0032]當以手動模式操作時，可以可選地執行方框508，在方框508中，該方法使得在方框504中確定的操縱方向的圖形指示顯示在顯示屏109中。可替代地或額外地，該方法可以使得輕推力被提供在輸入設備101上，以便支持操作者在方框504中確定的操縱方向上操縱醫療器械104。當操作者希望將控制轉回到自動導航模式時，可以釋放超越控制，並且該方法跳回至方框501。其後，在執行手動超越控制之後，在方框504中，可以利用在方框503中確定的醫療器械的當前姿勢來確定更新的導航路徑，並且利用更新的導航路徑來確定新的操縱方向，因為在手動超越控制之後醫療器械104可能不再處於原始的導航路徑上。以此方式，操作者每次從手動模式轉變為導航模式時，可以確定從當前器械位置到目標區域的新導航路徑，確定方式類似於在駕駛者駛離導航路徑時自動重新計算出到目的地的路徑的汽車導航系統。導航路徑(原始的和更新的)可以存儲在存儲器107中，以便可被控制器102訪問。
[0033]作為一個示例，圖6圖示說明了由控制器102執行的用於在醫療器械104遠離病人體內目標區域的收回過程中控制醫療器械104的方法的流程圖。在方框601中，該方法通過利用適當的傳感器檢測輸入設備101的移動或醫療器械104的移動來檢測醫療器械104在收回方向上的移動。在方框602中，該方法確定移動是否超過閾值，以避免操作者預期的收回移動的錯誤指示(諸如之前參照圖5的方框502描述的)。如果方框602中的確定為否，那麼該方法循環回至方框601。
[0034]在正常操作時，該方法然後進行到方框604，在方框604中，該方法以零力模式操作，從而命令致動器122和123允許醫療器械104按照/遵從在醫療器械104上施加(諸如在醫療器械行進通過通道時由通道壁施加的)的力進行移動。例如，控制器102可以主動控制可操縱尖端142，以便基於檢測到的相互作用力最小化與連接的人體通道152的壁153的接觸力。作為另一示例，控制器102可以停用操縱的致動器122和123，使得可操縱尖端142按照/遵從連接的人體通道152的壁153自由移動。因此，在醫療器械104的收回過程中，可能是敏感組織的通道壁僅經受最小的傷害。該方法然後通過跳回到方框601，從而繼續執行另一過程循環。
[0035]該方法還可選地提供有手動超越控制特徵，其在邏輯上被顯示為方框603和605。在這種情況下，手動超越控制將會與參照圖5描述的方框505和507的手動超越控制相似地操作。在完成手動超越控制之後，該方法然後跳回至方框601，從而重新進入正常模式的收回操作。
[0036]不管控制器102以哪一種操作模式操作，值得注意的是，操作者始終具有對醫療器械104的移動的方向和速度的控制。具體地，即使當控制器102自動操縱可操縱尖端142時，操作者也可以通過停止命令醫療器械104的插入而停止所有動作。操作者也可以通過減慢命令的插入速率來減慢這樣的動作。
[0037] 儘管已經關於一個或更多個實施例描述了本發明的各種方面，但應理解本發明有權全面保護所附權利要求的全部範圍，並且不受所描述的實施例限制。
【權利要求】
1.一種醫療系統，其包含: 可操縱醫療器械； 至少一個致動器；以及 控制裝置，其用於在檢測到所述醫療器械在插入方向上的移動之後，命令所述至少一個致動器使所述醫療器械根據插入控制模式被操縱，以及在檢測到所述醫療器械在收回方向上的移動之後，命令所述至少一個致動器允許所述醫療器械按照施加在所述醫療器械上的力移動。
2.根據權利要求1所述的醫療系統，其中所述插入控制模式命令所述至少一個致動器根據編程的導航路徑操縱所述醫療器械。
3.根據權利要求2所述的醫療系統，其中所述編程的導航路徑指示根據所述醫療器械的當前插入位置確定的操縱方向。
4.根據權利要求2所述的醫療系統，其中如果所述操作者超越控制所述編程的導航路徑，則所述插入控制模式命令所述至少一個致動器根據操作者與控制設備的交互來操縱所述醫療器械。
5.根據權利要求4所述的醫療系統，其中所述控制裝置使得輕推力施加在所述控制設備上，以便按照所述編程的導航路徑指示操縱方向。
6.根據權利要求4所述的醫療系統，其還包含顯示屏，其中所述控制裝置使得按照所述編程的導航路徑的操縱方向的指示顯示在所述顯示屏上。
7.根據權利要求4所 述的醫療系統，其中在所述操作者釋放所述編程的導航路徑的超越控制之後，所述控制裝置根據所述醫療器械的當前姿勢更新所述編程的導航路徑。
8.根據權利要求1所述的醫療系統，其中所述控制裝置通過在所述插入方向上超過閾值量的變化檢測所述醫療器械在所述插入方向上的移動。
9.根據權利要求1所述的醫療系統，其中所述控制裝置通過在所述收回方向上超過閾值量的變化檢測所述醫療器械在所述收回方向上的移動。
10.根據權利要求1所述的醫療系統，其中所述插入控制模式命令所述至少一個致動器根據操作者與控制設備的交互操縱所述醫療器械。
11.根據權利要求10所述的醫療系統，其中所述控制裝置使得輕推力施加在所述控制設備上，以便按照所述編程的導航路徑指示操縱方向。
12.根據權利要求10所述的醫療系統，其還包含顯示屏，其中所述控制裝置使得按照所述編程的導航路徑的操縱方向的指示顯示在所述顯示屏上。
13.根據權利要求1所述的醫療系統，其中通過操作者將所述可操縱醫療器械手動推入和拉出通道，在所述插入和收回方向上移動所述可操縱醫療器械。
14.一種用於控制醫療器械的操縱的方法，所述方法包含: 檢測所述醫療器械的移動；以及 在檢測到所述醫療器械在插入方向上的移動之後，命令所述至少一個致動器使所述醫療器械根據插入控制模式被操縱，以及在檢測到所述醫療器械在收回方向上的移動之後，命令所述至少一個致動器允許所述醫療器械按照施加在所述醫療器械上的力進行移動。
15.—種醫療系統，其包含: 輸入設備；醫療器械； 至少一個致動器；以及 控制裝置，其用於在正常控制模式下命令所述至少一個致動器使所述醫療器械根據編程的導航路徑被操縱，以及用於當所述正常控制模式被所述輸入設備的操作者手動超越控制時命令所述至少一個致動器使所述醫療器械根據所述輸入設備命令這種操縱的移動被操縱。
16.根據權利要求15所述的醫療系統，其中響應於所述輸入設備命令這種操縱的移動，所述控制裝置命令所述至少一個致動器使所述醫療器械在插入方向上移動，同時在所述正常控制模式下使所述醫療器械根據所述編程的導航路徑被操縱。
17.根據權利要求16所述的醫療系統，其中所述編程的導航路徑指示根據所述醫療器械的當前插入位置確定的操縱方向。
18.根據權利要求16所述的醫療系統，其中如果所述操作者超越控制所述編程的導航路徑，則所述插入控制模式命令所述至少一個致動器根據操作者與控制設備的交互來操縱所述醫療器械。
19.根據權利要求18所述的醫療系統，其中所述控制裝置使輕推力施加在所述控制設備上，以便按照所述編程的導航路徑指示操縱方向。
20.根據權利要求18所述的醫療系統，其還包含顯示屏，其中所述控制裝置使得按照所述編程的導航路徑的操縱方向的指示顯示在所述顯示屏上。
21.根據權利要求18所述的醫療系統，其中在所述操作者釋放所述編程的導航路徑的超越控制之後，所述控制裝置根據所述醫療器械的當前姿勢更新所述編程的導航路徑。`
22.根據權利要求15所述的醫療系統，其中所述控制裝置通過在所述插入方向上超過閾值量的變化檢測所述醫療器械在所述插入方向上的移動。
23.根據權利要求15所述的醫療系統，其中通過操作者將所述醫療器械手動推入和拉出通道，在插入和收回方向上移動所述醫療器械。
24.一種用於控制醫療器械的操縱的方法，所述方法包含: 當醫療器械在插入方向上移動時，命令至少一個致動器根據編程的導航路徑操縱所述醫療器械； 接收手動超越控制指不；以及 命令所述至少一個致動器根據輸入設備的移動來操縱所述醫療器械。
【文檔編號】A61B1/005GK103607941SQ201280023017
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年4月27日 優先權日:2011年5月13日
【發明者】V·多文戴姆, G·M·普裡斯科 申請人:直觀外科手術操作公司