氣管插管系統和方法

2023-07-18 13:01:26 2

專利名稱：氣管插管系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及對病人進行氣管插管的系統和方法，更具體地涉及基於氣管開口的呼吸道模式對病人進行插管的系統和方法。
背景技術：
一些醫療程序是必要的生命挽救程序，但也是侵入式的且具有潛在危險。插管術， 特別是氣管插管術，通常是在諸如施加全身麻醉、昏迷等各種醫療狀態下執行的。氣管插管術涉及經由聲帶將氣管導管(ETT)放置或插入到病人的氣管中以保護病人的呼吸道並提供允許氣體流通的機制。氣管導管的延遲和/或誤放置，如將氣管導管誤放置到食管中，可能造成永久的神經損傷或者死亡。氣管導管的錯位也會危及呼吸道保護或造成通氣不足。 因此，當醫療狀態出現時快速地對病人進行插管並正確定位氣管導管是絕對必要的。已有各種技術用於輔助將氣管導管放置到氣管中。在氣管插管喉鏡術中，使用喉鏡獲得聲門的直接視圖，然後在直視或間接視覺之下將氣管導管插入氣管。喉鏡通常包括具有各種形狀和長度並由剛性材料製成的喉鏡片。在直接喉鏡中，光源耦合到引導喉鏡片以輔助觀察聲門。在視頻喉鏡中，視頻攝像機以及光源定位在引導喉鏡片上以提供視頻圖像來引導氣管導管的插入。當用氣管插管喉鏡術對病人進行插管時，用戶通常用一隻手將引導喉鏡片插入到病人的嘴中，且一旦識別出氣管就用另一隻手將氣管導管插入到氣管中。插管術成功的定義是氣管導管成功插入到病人的氣管中。插管術可能由於各種原因而不成功。直接喉鏡的插管術的失敗可能由於聲門或聲帶的可視化差和識別不良而發生，這種情況稱為「看不見而不能插管」。作為聲帶的間接視頻圖像的結果，視頻喉鏡的插管術的失敗可能由於可視化不良或氣管導管插入角度不佳而發生。這種稱為「能看見但不能插管」的情況是常見的。此外，目前所有的插管術都由兩隻手執行(即一隻手握持引導喉鏡片，另一隻手插入氣管導管)，在插入氣管導管期間可能由於視覺與手的協調不良而不能正確地插入氣管導管。此外，存在不能用直接喉鏡或視頻喉鏡進行聲帶的可視化和正確識別的臨床條件，如對嘴張開受限、較短或受限的頸部活動或頸部病狀、懷孕和肥胖等病人執行插管術時。

發明內容
發明人在此認識到，可以通過一種通過呼吸道模式識別來識彆氣管開口的氣管插管系統解決上述問題。在一個方面，氣管插管系統包括插入到病人的上呼吸道以引導氣管導管插入到病人的氣管中的可移動的導航導管探芯，位於導航導管探芯上的至少一個氣管識別裝置用以在導航導管探芯在上呼吸道中移動時檢測呼吸道數據；及包括數據處理器的導航裝置，該數據處理器配置為分析呼吸道數據以確定指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的呼吸道模式，並生成導航元素以指導導航導管探芯移動到氣管開口。在一個實施例中，呼吸道模式是拓撲模式。在另一實施例中，呼吸道模式是氣體交換模式。在又一實施例中，呼吸道模式是聲音模式。可以通過模式匹配(Pattern Matching)或模式識別(Pattern Recognition)來確定指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的呼吸道模式。在一個實施例中，導航裝置還包括用於以至少兩個自由度移動導航導管探芯的驅動機構，其中一個自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度上下移動，另一個自由度是導航導管探芯的主體前後移動，配置為通過氣管插管系統的用戶驅動該驅動機構的執行器；及用於顯示導航元素的顯示裝置，其中導航導管探芯的移動是用戶基於該導航元素向期望的方向驅動該執行器造成的。在另一實施例中，導航裝置還包括用於以至少兩個自由度移動導航導管探芯的驅動機構，其中一個自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度上下移動，另一個自由度是導航導管探芯的主體前後移動，配置為通過氣管插管系統的用戶驅動該驅動機構的執行器；及用於顯示導航元素的顯示裝置，其中導航導管探芯的移動是用戶基於該導航元素向期望的方向驅動該執行器造成的，該氣管插管系統還包括將氣管導管和導航導管探芯與驅動機構耦合的第一螺線管。在另一實施例中，導航裝置還包括以至少兩個自由度移動導航導管探芯的驅動機構，其中導航元素生成有向移動，以允許驅動機構自動移動導航導管探芯。在另一實施例中，氣管識別裝置是圖像捕捉裝置，呼吸道模式是基於拓撲特徵確定的拓撲模式，其中該圖像捕捉裝置包括用於捕捉熱圖像數據的熱像儀或紅外線攝像機， 其中拓撲特徵包括由於病人的呼吸周期中的溫度改變造成的聲帶和聲帶開口的熱圖像顏色變化，該氣管插管系統還包括位於導航導管探芯上的氣體交換檢測器，用於在病人的呼吸周期期間檢測動態氣體交換數據。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置長度為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，寬度為容納導航導管探芯和氣管導管並適應導航導管探芯沿喉鏡片的移動和通過導航導管探芯插入氣管導管的寬度，及形狀為有助於向前上方移動病人的舌頭的形狀，其中該喉鏡片的遠端可做為多個運動自由度的支點。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置長度為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，寬度為容納導航導管探芯和氣管導管並適應導航導管探芯沿喉鏡片的移動和適應通過導航導管探芯插入氣管導管的寬度，及形狀為有助於向前上方移動病人的舌頭的形狀，其中該喉鏡片的遠端是多個運動自由度的支點，其中該喉鏡片可釋放地連接到氣管插管系統且該喉鏡片包括用於在氣管導管被插入到氣管中之後使該喉鏡片與氣管導管耦合的鎖定機構。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置長度為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，寬度為容納導航導管探芯和氣管導管並適應導航導管探芯沿喉鏡片的移動和通過導航導管探芯插入氣管導管的寬度，及形狀為有助於向前上方移動病人的舌頭的形狀，其中該喉鏡片的遠端是多個運動自由度的支點，其中導航導管探芯裝載有用於一次插管術的一個氣管導管/氣管導管片段或裝載有多個氣管導管/氣管導管片段，其中每個氣管導管片段用於一次插管術。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中
5並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，其中沿著喉鏡片的長度懸掛導航導管探芯，且氣管導管從喉鏡片的遠端預先裝載到導航導管探芯中並能夠沿著導航導管探芯朝向氣管開口移動。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，其中沿著喉鏡片的長度懸掛導航導管探芯，且氣管導管從喉鏡片的遠端預先裝載到導航導管探芯中並能夠沿著導航導管探芯朝向氣管開口移動，該氣管插管系統還包括位於導航導管探芯上的精確光引導器(precision lightguide)，用於生成指嚮導航導管探芯的移動方向的光線以使氣管導管跟隨該光線移動到氣管中。在另一實施例中，氣管插管系統還包括喉鏡片，其中導航導管探芯位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動，該喉鏡片配置長度為具有當喉鏡片放置到病人的嘴中時使喉鏡片的遠端與氣管開口相鄰的長度，寬度為接收導航導管探芯和氣管導管並適應導航導管探芯沿喉鏡片的移動和通過導航導管探芯插入氣管導管的寬度，及形狀為有助於向前上方移動病人的舌頭的形狀，其中該喉鏡片的遠端是多個運動自由度的支點，其中導航導管探芯裝載有用於一次插管術的一個氣管導管/氣管導管片段或裝載有多個氣管導管/氣管導管片段，其中每個氣管導管片段用於一次插管術，其中導航導管探芯可從氣管插管系統脫離並由密封件密封以與導航裝置中的驅動機構和電氣部件隔離，以允許對導航導管探芯消毒。模式匹配和模式識別可以允許識別在一些臨床條件下人眼不能觀察到或人眼不能通過直接視頻圖像正確識別的拓撲特徵。此外，該氣管插管系統可以識別一個或多個拓撲特徵並選擇可識別的拓撲特徵以確定指示氣管開口的拓撲模式。基於對選擇的拓撲特徵的分析的氣管識別允許在其中一些拓撲特徵由於會厭、聲帶等的畸形或創傷而不可識別的一些臨床條件下進行氣管識別。以此方式，氣管插管系統允許準確並快速地識彆氣管並在各種臨床條件下增加插管術的成功率。指示氣管開口的氣體交換模式使得能夠對病人進行插管而不依賴於聲門或聲帶的可視化。基於大量數據的模式匹配或模式識別增加了氣管識別的準確度。此外，與基於人類判斷的氣管識別相比，人工智慧(計算機化的)數據分析可以縮短用於氣管識別的時間。本發明的氣管插管系統識彆氣管開口以使導航導管探芯可以指向氣管的入口。以此方式，可以識別並與食管開口區分氣管位置以確保導航導管探芯正確插入到氣管中。根據另一方面，氣管插管系統包括具有遠端的喉鏡片，該遠端在喉鏡片插入到病人的上呼吸道中時與氣管開口相鄰；導航導管探芯，其位於喉鏡片中並可沿該喉鏡片移動並有助於氣管導管插入到病人的氣管中；位於導航導管探芯上的至少一個氣管識別裝置， 用於當導航導管探芯在上呼吸道中移動時檢測呼吸道數據；及包括數據處理器的導航裝置，該數據處理器配置為分析呼吸道數據以確定指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的呼吸道模式，並生成導航元素以指導導航導管探芯移動到並進入氣管開口，用於顯示導航元素的顯示裝置，以至少兩個自由度移動導航導管探芯的驅動機構，及配置為通過氣管插管系統的用戶驅動該驅動機構的執行器。在一個實施例中，氣管識別裝置是用於捕捉圖像數據的圖像捕捉裝置和用於檢測氣體交換數據的氣體交換檢測器中的一個，呼吸道特徵是拓撲特徵和氣體交換特徵中的一個，且呼吸道模式是拓撲模式和氣體交換模式中的一個。在一個實施例中，氣管識別裝置是用於捕捉圖像數據的圖像捕捉裝置和用於檢測氣體交換數據的氣體交換檢測器中的一個，呼吸道特徵是拓撲特徵和氣體交換特徵中的一個，且呼吸道模式是拓撲模式和氣體交換模式中的一個，驅動機構以三個自由度移動導航導管探芯的，該導航導管探芯包括尖端部和主體，其中導航導管探芯的第一運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度上下移動，導航導管探芯的第二運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度左右移動，導航導管探芯的第三運動自由度是導航導管探芯的主體前後移動。在一個實施例中，氣管識別裝置是用於捕捉圖像數據的圖像捕捉裝置和用於檢測氣體交換數據的氣體交換檢測器中的一個，呼吸道特徵是拓撲特徵和氣體交換特徵中的一個，且呼吸道模式是拓撲模式和氣體交換模式中的一個，該導航導管探芯包括尖端部和主體，其中導航導管探芯的第一運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度上下移動，導航導管探芯的第二運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度左右移動，導航導管探芯的第三運動自由度是導航導管探芯的主體前後移動， 第三自由度由導螺杆機構、滾子機構或伸縮機構造成，且第一自由度由第一馬達造成，第二自由度由第二馬達造成。在一個實施例中，氣管識別裝置是用於捕捉圖像數據的圖像捕捉裝置和用於檢測氣體交換數據的氣體交換檢測器中的一個，呼吸道特徵是拓撲特徵和氣體交換特徵中的一個，且呼吸道模式是拓撲模式和氣體交換模式中的一個，該導航導管探芯包括尖端部和主體，其中導航導管探芯的第一運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度上下移動，導航導管探芯的第二運動自由度是導航導管探芯的尖端部相對於導航導管探芯的長度左右移動，導航導管探芯的第三運動自由度是導航導管探芯的主體前後移動， 第三自由度由導螺杆機構、滾子機構或伸縮機構造成，且第一自由度由第一馬達造成，第二自由度由第二馬達造成，該氣管插管系統還包括位於導航導管探芯上的精確光引導器，用於生成指嚮導航導管探芯的移動方向的光線以使氣管導管跟隨該光線移動到氣管中。由於導航導管探芯以多個自由度進行移動，可以響應於導航指引 (navigationguidance)容易地調節導航導管探芯的移動以允許快速搜索到氣管。喉鏡片配置可以輔助導航導管探芯在多個自由度上的移動。此外，由於氣管插管系統配置為允許氣管導管沿著導航導管探芯移動，氣管導管嚴格遵循與導航導管探芯相同的路徑以到達氣管，或氣管導管與導航導管探芯共軸。因此，氣管插管系統可以解決氣管導管插入角度異常的問題。此外，可以減少或消除與使氣管導管插入與雙手協調相關的錯誤。根據本發明的氣管導管與導航導管探芯的共軸對齊可以手動地執行，或通過馬達驅動機構半自動地或自動地執行。以此方式，可以容易地執行插管術。根據另一方面，插管裝置包括具有喉鏡片主體和遠端的喉鏡片，其中遠端在喉鏡片插入到病人的嘴中時相鄰於病人的氣管開口 ；導航導管探芯，其具有相鄰於該遠端的尖端和從導航導管探芯的安裝部朝向喉鏡片延伸的氣管導管裝載部分，其中導航導管探芯固定在安裝部並沿著喉鏡片的長度懸掛以在插管術之前將氣管導管預裝載到氣管導管裝載部分中；及位於導航導管探芯尖端的氣管識別裝置，其用於檢測呼吸道數據並生成可由用戶查看以識彆氣管開口的呼吸道模式。
在一個實施例中，氣管識別裝置是圖像捕捉裝置，呼吸道模式是拓撲模式，其中基於氣管開口的拓撲特徵識彆氣管開口，且該拓撲特徵包括聲道的倒V形狀、聲帶的顏色、聲帶褶振動、聲帶與會厭、聲門和杓狀軟骨的空間關係中的一個。在一個實施例中，氣管識別裝置是圖像捕捉裝置，呼吸道模式是拓撲模式，其中基於氣管開口的拓撲特徵識彆氣管開口，且該拓撲特徵包括聲道的倒V形狀、聲帶的顏色、聲帶褶振動、聲帶與會厭、聲門和杓狀軟骨的空間關係中的一個，該插管裝置還包括用於生成呼吸道模式的熱圖像的熱像儀或紅外線攝像機，且拓撲特徵包括在呼吸周期中的熱圖像改變，其中圖像捕捉裝置是視頻攝像機，且基於可在由視頻攝像機生成的呼吸道模式，和/或由熱像儀或紅外線攝像機生成的呼吸道模式或顏色變化查看的拓撲特徵識彆氣管開口。在另一實施例中，導航導管探芯基本上懸掛在固定的位置，且安裝部位於喉鏡片上或插管裝置的另一部件上。在另一實施例中，氣管識別裝置是光源、氣體交換檢測器、聲音檢測器和光檢測器中的一個。在另一實施例中，插管裝置還包括用於引導將氣管導管插入到氣管開口中的精確光引導器且氣管導管裝載部具有摺疊配置。應理解，提供上述發明內容以用簡化的形式介紹將在具體實施方式
中進一步描述的選擇的概念。上述發明內容不意圖標識出請求保護的主題的關鍵或核心的特徵，所請求保護的主題的範圍僅由本發明的權利要求限定。此外，請求保護的主題不限於克服上文或在本公開的任何部分中提及的任何缺點的實施方式。


圖1示出用於對病人進行插管的插管裝置的示意圖。圖2示出氣管開口、食管開口及其周圍的示意圖。圖3示出根據本發明的氣管插管系統的示例實施例。圖4是根據本發明的一個實施例的氣管插管系統的示例導航導管探芯的分解正視或剖視圖。圖5A和5B示出示意性地表示指示氣管開口、食管開口及其周圍的拓撲模式的熱圖像。圖6A和6B示出說明指示氣管的示例氣體交換模式的呼吸周期期間的氣體交換模式。圖7示出根據本發明的插管術的示例導航指引。圖8示出根據本發明的氣管插管系統的喉鏡片和導航導管探芯的示例實施例。圖9示出根據本發明的氣管插管系統的導航導管探芯的另一示例實施例。圖IOA和IOB是根據本發明的另一實施例的氣管插管系統的剖面圖。圖11示出用於根據本發明的另一實施例的氣管插管系統的一個運動自由度的示例驅動機構。圖12A、12B和12C示出在根據本發明的另一實施例的氣管插管系統的氣管插管室中使用的密封件的示例實施例。圖13是根據本發明的氣管插管系統的示意圖。
圖14是示出用於使用根據本發明的一個實施例的氣管插管系統對病人進行插管的示例方法的流程圖。圖15是根據本發明的另一實施例的示例插管裝置的正視圖。圖16是根據本發明的另一實施例的示例插管裝置的透視圖。圖17示出根據本發明的另一實施例的喉鏡片總成的剖視圖。
具體實施例方式如下文中更詳細的說明，在一些實施例中，本發明的氣管插管系統基於來自由位於導航導管探芯上的呼吸傳感器生成的呼吸道數據的特定於呼吸道的模式對病人進行插管。人類的呼吸道包括管道系統，即，傳導呼吸道。呼吸道包括上呼吸道系統或上呼吸道及下呼吸道系統或下呼吸道。上呼吸道和下呼吸道由氣管開口分隔。氣管開口是由聲帶或聲門開口界定的開口。插管術是引導氣管導管通過氣管開口(如聲帶、聲門開口)從上呼吸道進入下呼吸道的過程。當導航導管探芯插入到病人的上呼吸道中時，呼吸道傳感器檢測與呼吸道，如氣管開口的特性相關的呼吸道數據。在一個示例中，呼吸道數據是與氣管開口的解剖學特徵相關的拓撲數據。在另一個示例中，呼吸道數據是與呼吸道中氣體交換相關的氣體交換數據。在又一示例中，呼吸道數據是與由聲帶在呼吸道中產生的聲音相關的聲音水平。分析呼吸道數據以確定指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的呼吸道模式。基於呼吸道模式生成導航元素。例如，當呼吸道模式指示導航導管探芯離開氣管開口定位或位於食管開口前方或相鄰於食管開口的位置時，生成導航元素以指示導航導管探芯是否位於氣管開口處。在一個示例中，導航元素可以是顯示，例如「導航導管探芯不在氣管開口處」或「未找到氣管」。在另一示例中，當氣管開口在插入方向上位於食管開口前方且相對於插入方向高於食管開口，可以生成導航元素以根據氣管開口和食管開口的空間位置提供導航導管探芯的移動的指示。例如，導航元素可以基於呼吸道模式指示氣管開口的相對位置和/或當導航導管探芯在上呼吸道中移動時為導航導管探芯的移動提供方向，如「氣管在上方，向前上方移動」。類似地，當呼吸道模式指示導航導管探芯相鄰於氣管開口定位並位於氣管開口前方時，導航元素可以是顯示，如「導航導管探芯在氣管處」或「已找到氣管」。如下文詳述，在一個實施例中，呼吸道傳感器是圖像捕捉裝置且呼吸道模式是指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的拓撲模式。在另一實施例中，呼吸道傳感器是氣體交換檢測器且呼吸道模式是指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的氣體交換模式。 在又一個實施例中，呼吸道傳感器是聲音檢測器且呼吸道模式是指示導航導管探芯相對於氣管開口的位置的聲音模式。在一些實施例中，可以通過模式匹配技術或模式識別技術來識別指示氣管的呼吸道模式。在一些實施例中，呼吸道模式可以是在氣管開口前方並相鄰於氣管開口的呼吸道模式。在一個示例中，呼吸道模式是在氣管開口前方並相鄰於氣管開口的拓撲模式，其中拓撲模式提供氣管開口的拓撲特徵，如聲帶的區別性特徵和聲帶周圍的其他特徵。在另一示例中，呼吸道模式是在氣管開口前方並相鄰於氣管開口的氣體交換模式，或氣管中的氣體交換模式，其中氣體交換模式提供相鄰於氣管開口的氣體交換特徵或氣管中的氣體交換特徵。在又一示例中，呼吸道模式是氣管開口處(即聲帶處)的聲音模式或氣管中的聲音模
9式，其中該聲音模式是可識別的。圖1示出用於對病人進行插管的插管裝置10的示意圖。插管裝置10包括喉鏡片 12和配置為提供會厭和聲帶的視圖的喉鏡14。喉鏡片12適配用於通過病人的上呼吸道， 即通過病人的嘴20和聲帶22插入病人的氣管M。圖1還示出在喉鏡片放置期間的可能的路徑。如圖1所示，會厭觀和聲門30位於聲帶22前方。食管32在氣管M下方。氣管 24位於食管32前面。氣管M和食管32這兩個腔彼此相鄰。因此，喉鏡片12可能被插入到氣管M中或食管32中。將氣管導管定位到食管中會導致插管術失敗，並且會危及呼吸道保護或造成通氣不足。圖1示出喉鏡片12插入到嘴中且喉鏡片尖端/端部沿著線A定位在氣管開口前方。當確定喉鏡片12位於氣管M的開口處時，將氣管導管(未示出)推入氣管M。一旦氣管導管處在氣管中，就從氣管M中移除喉鏡片12且插管術完成。氣管導管根據醫療過程的需要在氣管M中保持一段時間。圖2示出氣管開口、食管開口及其周圍的視圖。氣管是開放的管狀軟骨結構，並以聲帶作為其開口，而食管32是在未進行吞咽時摺疊起來的肌肉和結締組織結構。氣管開口或聲帶的形狀在尺寸上及與會厭觀、聲門30和杓狀軟骨34的解剖關係上明顯不同於食管開口的形狀。因此，結構特徵構成辨彆氣管開口與食管開口的拓撲特徵/外型特徵。此外，氣管開口處的聲帶22具有特定的特徵。如圖2所示，聲帶22由橫跨喉頭伸展並以倒V形開放的雙內褶黏膜組成。不同於其周圍的結構，聲帶22是白色的，這構成了另一個可識別的特徵。另外，雖然聲帶或褶在不用時通常保持靜止，聲帶褶在發聲期間振動且因此產生附加的可識別特徵。此外，聲帶是分隔上呼吸道和下呼吸道的最窄的部分，具有區分聲帶與上呼吸道的其他結構和食管開口的特性或特定的氣流模式。聲帶開口尺寸的變化和聲帶的運動產生附加的可識別特徵。此外，附加的拓撲特徵包括但不限於會厭、杓狀軟骨、聲帶、氣管開口及食管開口的空間關係、相對位置、相對顏色。一個或多個上述拓撲特徵形成拓撲模式/外型模式。可以從圖像捕捉裝置捕捉的圖像數據中識別指示氣管開口的拓撲模式。換言之，一個或多個拓撲特徵可以用作用於通過任何適合的數據分析技術進行氣管識別的生物度量。除了指示氣管開口的拓撲模式，呼吸道的氣體交換模式可以用於下文詳述的氣管識別。此外，聲音模式也可以用於下文詳述的氣管識別。圖3示出根據本發明的氣管插管系統40的示例實施例。氣管插管系統40通常包括引導喉鏡片或喉鏡片42和導航裝置44。導航導管探芯46位於喉鏡片42中。在一些實施例中，導航導管探芯46可以配置為沿著喉鏡片的長度定位在喉鏡片42的中心並電子地和機械地與導航裝置44連接。氣管插管室48可以包括在導航裝置外殼50中從而可以在其中預裝載氣管導管52。在所示實施例中，以氣管導管52的縱軸基本上與導航導管探芯 46的縱軸同心的方式定位氣管導管52。以此方式氣管導管52可以在導航導管探芯46上滑動並按照與導航導管探芯46相同的移動路徑推入。或者，氣管導管52的縱軸可以不與導航導管探芯46的縱軸重疊。在將氣管導管52推入喉鏡片42時，氣管導管52與導航導管探芯46並排定位。在氣管導管插入期間，氣管導管的移動可以由導航導管探芯或喉鏡片主體引導。
導航裝置44可以包括用於識彆氣管和指導氣管導管52的插入的機構。可以用氣管識別裝置或通過分析由氣管識別裝置檢測到的數據來識彆氣管。氣管識別裝置可以位於導航導管探芯的尖端部以檢測可以用於識彆氣管的各種數據，如下文詳述。在一些實施例中，導航裝置44可以包括數據處理器，該數據處理器配置為接收由氣管識別裝置檢測到的數據、分析檢測到的數據的模式並生成導航元素以指導導航導管探芯的移動。導航元素可以是由氣管插管系統的軟體或硬體生成的導航指引顯示。或者，導航元素可以是由軟體、硬體或控制器生成的有向移動，以允許導航導管探芯的半自動或自動移動。導航元素指示當導航導管探芯在呼吸道中移動時導航導管探芯是否在氣管開口中或在氣管中。當導航元素指示導航導管探芯在氣管開口中時，氣管導管52可以跟隨導航導管探芯的路徑在呼吸道中移動。一旦氣管導管52插入到氣管中，就收回導航導管探芯且插管術完成。附加地，或替代地，氣管插管系統可以包括顯示導航元素的顯示裝置M。例如，當導航導管探芯在呼吸道中移動，顯示裝置M可以顯示導航器以指導導航導管探芯的移動， 如「未找到氣管」或「已找到氣管」。可以基於導航元素調節導航導管探芯的移動。此外，顯示裝置M可以將檢測到的實時數據或呼吸道模式作為導航元素提供。在所示實施例中，顯示裝置M是單獨的部件並相鄰於喉鏡片42定位。應理解，顯示裝置M可以定位在適合於氣管插管系統的操作的任何位置。顯示裝置M可以通過有線連接或無線連接連接到導航裝置44。在一些實施例中，顯示裝置討可以是相對於導航裝置44遠程定位的顯示屏。或者，顯示裝置M可以集成到導航裝置外殼50中。氣管插管系統40還可以包括用於驅動或移動導航導管探芯46的驅動機構。該驅動機構可以使導航導管探芯在一個自由度或多個自由度上移動以使導航導管探芯可以在任何期望的方向上移動以定位氣管。在一些實施例中，執行器56可以由用戶用於半自動地操作氣管插管系統。例如，執行器56可以是基於顯示裝置M提供的導航元素由用戶控制以用於在任何期望的方向上移動導航導管探芯46的操縱杆。氣管插管系統40還可以包括自動地驅動導航導管探芯的控制器。該控制器可以配置為接收由氣管識別裝置檢測到的數據、分析檢測到的數據的一個或多個模式、生成導航元素，及基於導航元素通過驅動機構調節導航導管探芯的移動。在一些實施例中，執行器 56可以配置為開始導航導管探芯的自動插入，導航裝置44並配置為在如必要的情況下可替代(override)自動插管程序。附加地或替代地，氣管插管系統40可以包括用於在如下文詳述的插管術期間耦合導航導管探芯46和/或氣管導管52的鎖定/釋放裝置58，諸如螺線管。此外，氣管插管系統40可以包括提供氣管插管系統的電子和/或機械部件所需電力的電源60。在一些實施例中，可以從外部電源，諸如AC插座，或兩種電源的組合提供電力。或者，電源60可以包括在電源60的電池艙中的一個或多個電池。圖4是根據本發明的一個實施例的氣管插管系統的示例導航導管探芯46的分解正視或剖視圖。圖4示出位於導航導管探芯的尖端部分的示例氣管識別裝置。氣管識別裝置用於使用任何適合的機構識別或定位氣管或氣管開口。氣管識別裝置還可以稱為氣管開口識別裝置。如下文詳述，氣管識別裝置包括但不限於光源、圖像捕捉裝置、氣體交換檢測器、聲音檢測器，及光檢測器。應理解，可以在氣管插管系統中單獨使用一個氣管識別裝置以用於氣管識別，或可以在氣管插管系統中使用兩個或多個氣管識別裝置的組合以用於氣管識別。導航導管探芯46可以包括光源62中的一個或多個。光源62可以包括發光二極體(LED)或光纖。光源62在導航導管探芯的前方提供照明以允許氣管插管系統的用戶查看氣管開口及其周圍，或為位於導航導管探芯上的圖像捕捉裝置64提供照明。在一些實施例中，光源62操作用於指示氣管開口。例如，用戶可以在光源62提供的光照射下通過聲門或聲帶的直接視圖識彆氣管開口。在一些實施例中，一個或多個圖像捕捉裝置6 和64b或圖像傳感器可以位於導航導管探芯46上。圖像捕捉裝置可以是連續地捕捉圖像的視頻攝像機或捕捉靜態圖像的靜態攝像機。在另一示例中，圖像捕捉裝置可以是用於捕捉熱圖像的熱像儀或紅外線攝像機。基於所捕捉的對象的溫度差異生成熱圖像。應理解，氣管插管系統可以包括一種或多種類型的攝像機。此外，氣管插管系統可以包括相同類型且定位在導航導管探芯46上的不同位置的兩個或多個攝像機。例如，兩個或三個視頻攝像機可以生成二維或三維圖像。三維圖像可以識別不能由二維圖像識別的拓撲特徵。在一些實施例中，位於喉鏡片上的氣管識別裝置可以包括一個或多個氣體交換檢測器66a、66b、66c和66d以在呼吸周期期間檢測動態氣體交換數據。氣體交換數據可以包括溫度、空氣流率、正壓力或負壓力、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、或氮的濃度。在一個示例中， 氣體交換檢測器可以是溫度傳感器、空氣流量傳感器、壓力傳感器、CO2傳感器、氧傳感器、 氮傳感器，或溼度傳感器。應理解，可以在氣管插管系統中使用一種類型的氣體交換檢測器，或可以在氣管插管系統中使用兩個或多個不同類型的氣體交換檢測器。此外，應理解， 氣體交換檢測器可以是任何適合的傳感器，該傳感器可對於濃度改變以適當的響應時間定性地或定量地檢測變量，如CO2、氧和氮、流率或壓力。此外，一個氣體交換檢測器可以結合一個圖像捕捉裝置使用。在一個實施例中，CO2傳感器可以在氣管由圖像數據識別之後用於確認氣管位置。應理解，氣管識別裝置可以包括可區分氣管與食管的任何裝置。在一個示例中，氣管識別裝置可以是聲音檢測器或聲輻射自導裝置(sound homing device) 0聲輻射自導裝置可以包括多個麥克風在導航導管探芯上的設置以記錄來自不同位置的聲音以檢測聲帶位置。當檢測到處在預定分貝水平的聲音時可識別出氣管。在另一示例中，氣管識別裝置可以是聲音檢測器，用於檢測由發聲生成的在氣管中的聲音，或專門的發聲或聲音，諸如「啊」 或「歐」。聲音特徵可以包括聲音的分貝水平。聲音模式或聲音識別可以通過現有技術中已知的任何技術確定。另外，在一些實施例中，氣管識別裝置可以是可檢測通過吸入、消化或注射引入到病人的氣體交換中的化合物或示蹤劑(tracer)的一個或多個檢測器。例如，化合物可以包括靜脈酒精(intravenous alcohol)、氦、吸入麻醉劑(如地氟醚(desflurane)、異氟醚 (isoflurane)、七氟醚(sevoflurane))、氙，或一氧化二氮(N2O)等。對引入的化合物的檢測可以指示氣管位置。此外，在一些實施例中，氣管識別裝置可以是可檢測連接到病人的信號生成器生成的信號的一個或多個信號傳感器。回到圖1，信號生成器36可以位於病人的頸部。在一個示例中，信號生成器36可以是光源，其配置為生成任何適合的光，如可見光、紫外線、紅外線、雷射等。在另一示例中，信號生成器36可以是聲音裝置，其配置為以任何適合的分貝水平產生並發送聲音，如可聽聲或超聲波到氣管M。因此，信號檢測器可以是能夠檢測引入的光或聲音的光傳感器或聲音傳感器。應理解，信號生成器36如圖1所示可以位於病人的頸部38並在氣管M上方，或信號生成器36可以位於病人身體內部並相鄰於氣管M。氣管插管系統允許在一些情況下，如無呼吸病人或畸形呼吸道的情況下基於引入的信號進行氣管識別。參考圖4，附加地或替代地，方向控制線纜68可以耦合到喉鏡片42。如下文所述， 在一些實施例中，方向控制線纜68可以用於通過驅動機構調節導航導管探芯46在任何期望方向上的移動以用於半自動或自動插管術。附加地或替代地，精確光引導器70可以位於導航導管探芯46上以指導氣管導管的插入。在一個示例中，精確光引導器70可以是生成指向氣管導管通道方向的直線光線的雷射指示器或其他光指示器。精確光引導器70可以相鄰於氣管識別裝置定位在使得精確光引導器70的光路與氣管識別裝置的移動路徑對齊的方向上。以此方式，當識別出氣管時，來自對齊輔助的光線將指向氣管開口。因此，當將氣管導管推入氣管時可以使氣管導管跟隨光線。如上所述，導航裝置44可以包括用於氣管識別的一個或多個機構。在一個示例中，導航裝置44的數據處理器可以配置為接收由氣管識別裝置檢測得到的數據、分析檢測到的數據的模式，並基於該模式生成導航指引。例如，氣管識別裝置可以是圖像捕捉裝置且該模式可以是拓撲模式。回到圖2，由視頻攝像機或靜態攝像機捕捉的圖像如圖2所示可以顯示在顯示裝置52中。當攝像機在呼吸道中移動時，連續地或定期地捕捉圖像並分析實時圖像數據以得到指示氣管開口的拓撲模式。可以分析圖像數據以尋找拓撲特徵的出現。如上所述，拓撲特徵包括聲帶的構型， 諸如靜止時的倒「V」形、明顯的白色、在發聲時振動的聲帶褶和在呼吸周期期間的動態熱圖像改變。拓撲特徵還包括聲帶周圍的結構，諸如會厭和杓狀軟骨及食管開口的形狀，以及聲帶相對於其周圍結構的空間關係和相對顏色。在一些實施例中，聲帶的拓撲特徵可以單獨用於識別聲帶或氣管開口。在其他實施例中，聲帶的拓撲特徵可以用作主識別特徵，聲帶周圍的其他拓撲特徵及其關係可以用作附加識別特徵以確認聲帶開口識別。可以使用基於特定的特徵識別模式的任何適合的數據處理技術識別指示聲帶開口的拓撲模式。在一個實施例中，可以使用檢查給定模式的成分或特徵的出現的模式匹配 (pattern matching)來分析圖像數據。例如，可以分析圖像數據以通過比較預定模式尋找拓撲特徵的出現。預定模式可以是對於成人的特定的拓撲模式和對於兒童的特定的拓撲模式。另外，模式匹配可以包括與具有畸形呼吸道的病人的預定模式進行比較。模式匹配可以包括檢查一個或多個拓撲特徵在捕捉的數據中的出現。在一個示例中，如果捕捉的圖像數據包括與聲帶和/或會厭的結構特徵匹配的特徵，則可以確定出現了指示氣管開口的拓撲模式。在另一示例中，如果捕捉的圖像數據包括與在發聲期間的在氣管開口中的聲帶褶振動或運動的特徵匹配的特徵，則可以確定出現了指示氣管開口的拓撲模式。基於對拓撲模式的分析，可以生成導航指引以指導導航導管探芯的移動。應理解， 如果任何單個的拓撲特徵與預定模式匹配或如果兩個或多個拓撲特徵與預定模式匹配，則可以生成導航指引。此外，應理解，任何適合的數學模型都可以用於模式匹配。
模式匹配可以允許識別在一些臨床條件下不能由人眼觀察到或不能通過直接視頻圖像由人眼正確地識別的拓撲特徵。此外，基於對選擇的拓撲特徵進行分析的氣管識別允許在其中由於會厭、聲帶等的畸形或創傷難以識別一些拓撲特徵的一些臨床條件下進行氣管識別。此外，模式匹配具有的優點包括可選擇預定模式以適配於不同群體的病人。在一些實施例中，可以使用基於模式的類別的模式識別(pattern recognition) 來分析圖像數據。模式識別技術可以包括收集數據、從收集的數據中提取特徵(如，來自數據中的數量信息或符號信息)和基於提取的特徵分類/類別化數據。任何適合的模式識別技術都可以用於模式識別。在一個示例中，模式識別可以通過有監督學習基於先有知識進行。即，分類可以基於稱為訓練集的已分類的或帶有描述的模式的集合。在另一示例中，模式識別可以基於模式的統計規律確定分類，即無監督學習。本發明的數據處理器可以存儲具有拓撲特徵/及其它特徵的已分類模式的一個或多個集合併通過有監督學習執行模式識別。替代地或附加地，本發明的數據處理器可以通過無監督學習基於拓撲特徵的統計模型執行模式識別。再次，拓撲特徵可以是氣管、食管及其周圍的拓撲特徵中的一個或多個， 且氣管識別可以基於對一個或多個拓撲特徵的識別。可以基於模式識別生成導航指引。應理解，任何適合的數學模型或算法都可以用於模式識別。在一些實施例中，數據處理器還可以包括一旦通過稱為瞄準和鎖定的技術找到氣管就鎖定氣管開口。回到圖2，圖2所示的圖像可以由圖像捕捉裝置捕捉並顯示在顯示裝置上。框72可以出現在圖像中且當導航導管探芯在呼吸道中移動時框72跟隨氣管開口。以此方式，導航導管探芯的移動可以跟隨框72調節並補償操作者或病人的不自主/非控制的移動。在一些實施例中，控制器或數據處理器可以包括用於通過對應於導航導管探芯的位置的圖像跟蹤導航導管探芯的位置的位置跟蹤模塊。在一個示例中，位置跟蹤模塊可以包括具有呼吸道圖像和導航導管探芯的位置之間的關係的預定的影像(inage)/圖表 (nap)。因此，在插管術期間，可以通過比較捕捉的圖像與預定的圖表，確定導航導管探芯相對於氣管開口的當前位置(如，相對於氣管開口在上方、下方、左邊或右邊)。此外，導航導管探芯的位置和導航導管探芯的實時移動可以和導航元素一起顯示在顯示裝置上。導航元素還可以提供指示氣管開口的位置，如相對於導航導管探芯的當前位置在上方、下方、左邊或右邊的指示。同樣，在對相當大的量的實時數據執行模式識別以得出規律或分類，模式識別可以允許識別不能由人眼觀察到的拓撲特徵。可由模式識別所識別的特徵被稱為機器可識別特徵。此外，與整個圖像的可視化的觀察相比，一個或多個機器可識別特徵的識別允許在其中氣管插管術不可能通過直接視圖或視頻圖像進行的臨床條件下進行正確的氣管識別。應理解，任何適合的數據處理都可以用於分析指示氣管開口的拓撲模式。例如，數據處理器可以包括用於基於捕捉的圖像數據重新創建圖像的圖像重建模塊或算法。例如， 一旦捕捉的視頻圖像中不可辨別的拓撲特徵由圖像重建模塊識別，就可以在經處理的圖像上增強該特徵。或者，捕捉的圖像中缺失的拓撲特徵可以疊加到經處理的圖像上使得能夠識彆氣管開口。可以向用戶顯示經處理的圖像。經處理的圖像可以改進氣管開口的可視化。 在一個示例中，可以單獨地顯示經處理的圖像並將其用作導航元素。捕捉的圖像可以用於識彆氣管而不需要附加的數據處理。在一些實施例中，氣管識別裝置可以是用於捕捉熱圖像的熱像儀或紅外線攝像機。圖5A和5B示出熱圖像，示意性地示出指示氣管開口、食管開口及其周圍的拓撲模式。氣管和食管中的溫度特徵是不同的。溫度變化可以由熱像儀捕捉。熱圖像可以用不同的顏色顯示不同的溫度區域。在所示實施例中，如溫度條T所示，較淡的陰影表示較高的溫度而較深的陰影表示較低的溫度。在一個示例中，熱圖像中示出的倒V形可以用於識別聲帶，從而識彆氣管開口。在另一示例中，由於熱圖像在呼吸周期期間改變，聲門30或聲帶開口在呼吸周期期間的溫度變化可以用於識彆氣管開口。例如，流入呼吸道的空氣可以處在環境溫度(如，24°C的室溫)，流出氣管的空氣可以處在高達32°C的溫度。圖5A示出呼出期間的示例熱圖像。由於呼出氣體具有較高溫度，聲門如圖所示具有較淡的顏色。圖5B示出吸入期間的示例熱圖像。由於吸入氣體具有較低的溫度，聲帶開口或聲門30如圖所示具有較深的顏色。聲門30的顏色在呼吸周期中顯示出顯著的特徵變化。換言之，拓撲特徵可以包括由於病人的呼吸周期中的溫度改變造成的聲帶和聲帶開口的熱圖像顏色變化。此外，通過人工降低吸入空氣的溫度，可以進一步放大溫度差異的程度。因此，一旦在呼吸周期期間觀察到聲門有顯著的顏色改變，就可以確定指示氣管開口的拓撲模式。 以此方式，由熱像儀捕捉的圖像可以用作導航指引而不進行附加的數據分析，諸如模式匹配或模式識別。或者，也可以使用附加的數據分析，諸如模式匹配或模式識別。在一些實施例中，氣管識別裝置可以是呼吸道傳感器且模式可以是氣體交換模式。氣管開口、聲帶，或氣管處的氣體顯示出氣體交換模式，而在食管開口處缺少氣體交換模式。圖6A和6B示出呼吸周期期間的氣體交換模式，示出指示氣管開口或氣管的示例氣體交換模式。人類呼吸由吸入和呼出或呼氣吸氣循環或呼吸周期組成。呼吸周期是動態的且通常每分鐘發生十二(12)到二十00)次。吸入和呼出造成人類呼吸系統和環境空氣之間的氣體交換或空氣交換。氣體交換發生在氣管中而在食管中沒有氣體交換。因此，氣體交換模式可以用於識彆氣管。呼吸周期可以劃分為五個階段。階段0是具有環境空氣的流入的吸入階段。在階段I，在呼吸系統中的空氣流出時呼出開始於死腔(Dead Space)通氣。在階段II，呼出繼續，混合死腔和肺泡氣體。在階段III，空氣繼續流出但肺泡氣體穩定化。在階段IV，向外的空氣流減少且呼出結束。如圖6A和6B所示，每個階段可通過與吸入和呼出的空氣相關的氣體交換變量，如空氣流率、空氣壓力、(X)2和02、N2或溼度等的改變來表徵。一些氣體改變變量在環境空氣中處在較低水平，但在與肺中的氣體交換之後該水平增加。這樣的變量包括CO2、溫度和溼度。圖6A示出CO2、溫度和溼度的示例氣體交換模式。階段0是具有環境空氣的流入的吸入階段。當空氣流入呼吸道時，CO2濃度處在大氣水平，即在空氣流中約含0. 04%的C02。類似地，溫度和溼度處在環境溫度(如的室溫) 或環境溼度。在階段I，空氣開始流出但CO2溫度和溼度仍處在大氣水平。在階段II在空氣開始流出氣管時，氣體交換變量，如(X)2濃度、溫度和溼度發生變化。例如，由於肺中的熱交換，呼出的空氣具有比吸入的空氣高的溫度。此外，由於肺中的氣體交換，呼出的空氣具有比吸入的空氣高的蒸氣。類似地，CO2濃度在肺中的氣體交換之後增加。圖6A示出氣體交換變量(如CO2濃度、溫度和溼度)快速增加。在階段III，CO2濃度、溫度和溼度繼續慢速增加。(X)2濃度可以達到5%的CO2的水平、溫度可以上升到32°C且溼度可以高至5%的水含量。在階段IV，CO2濃度、溫度和溼度繼續增加到呼吸周期的最高水平。
應注意，空氣流量或壓力可以遵循與圖6A所示類似的模式。例如，呼出空氣流率和空氣壓力在呼出階段增加然後減小。氣體交換變量，諸如氧，在環境空氣中處在較高水平，但在與氣管中的氣體交換之後該水平降低。圖6B示出呼吸周期期間O2的示例氣體交換模式。在階段0，空氣流入呼吸道且A濃度處在大氣水平，即在空氣流中約含21 %的02。在階段I，空氣開始流出但&濃度仍然處在大氣水平。在階段II，O2濃度快速降低並可以降低至14%的02。在階段III， O2濃度繼續降低。在階段IV，O2濃度降低到呼吸周期中的最低水平。應注意，氣體交換模式不限於上述示例。任何在呼吸周期期間可檢測的模式都可以用於識彆氣管。此外，可以修正吸入空氣的特性以使該模式更加可辨別。例如，可以將吸入空氣的溫度、溼度、氧濃度調節到預定值並通過氣管插管系統或面罩提供給病人從而可以在呼吸周期期間獲得溫度、溼度、氧含量的期望的變化。在一個示例中，如果需要，可以降低吸入空氣的溫度並可以增加吸入空氣的化含量以產生更高的溫度和&濃度差異。如上所述，氣體交換數據，諸如CO2和&濃度、溫度、空氣流量或壓力可以由適當的氣體交換檢測器檢測到。如圖6Α和6Β所示可以用圖形格式提供/表示檢測到的氣體交換數據以顯示氣體交換模式。氣體交換模式的出現可以指示導航導管探芯相鄰於氣管開口或在氣管中。因此，如圖6Α和6Β所示的氣體交換模式可以用作導航指引。附加地，可以分析檢測到的數據以得出指示氣管的氣體交換模式。氣體交換特徵可以包括但不限於在預定閾值的(X)2或氧濃度、在預定水平的溫度、溼度、流率或壓力。氣體交換特徵還可以包括氣體交換數據在從階段I至階段Π或從階段IV到階段0時的突然改變。氣體交換特徵還可以包括檢測到的氣體交換數據在階段Π、ΙΙΙ或IV期間的持續增加或持續降低。如上文中參考拓撲模式所述，任何適合的數據分析技術都可以用於識別指示氣管的氣體交換模式。例如，可以通過比較檢測到的氣體交換數據與預定的氣體交換模式、閾值、其他氣體交換特徵來使用模式匹配。在另一示例中，可以通過基於氣體交換特徵的模式識別來確定指示氣管的氣體交換模式。模式識別可以基於如上所述的有監督學習或無監督學習。可以基於氣體交換數據分析生成導航指引。作為替代或補充，聲音模式可以用於識彆氣管。在一個示例中，氣管插管系統是特定於病人的且可以在插管術之前通過記錄病人的聲音學習到病人的語音，且該聲音可以由氣管插管系統使用任何語音識別技術存儲並識別。在插管術期間，可以要求病人發出聲音， 諸如「啊、衣、喔」。聲音檢測器，諸如麥克風或聲學攝像機可以用於檢測該聲音。氣管插管系統可以匹配檢測到的聲音與存儲的聲音模式並生成導航指引。圖7示出如顯示在根據本發明的一個實施例的氣管插管系統的顯示裝置M上的示例導航元素。導航元素陽可以包括一個或多個用戶可查看的導航指引顯示，以指導氣管插管系統的導航導管探芯的移動。如上所述，基於對檢測到的相關於氣管的數據的分析和/ 或處理生成導航元素55。在插管術期間，當導航導管探芯在病人的呼吸道中移動時可以在顯示裝置M中動態地提供導航元素55。在一個示例中，導航元素55可以顯示為語句55a， 如當基於檢測到的數據識別出氣管時的「已找到氣管」。類似地，當導航導管探芯不在氣管開口的位置或氣管中時，導航元素可以顯示為「未找到氣管」。在另一示例中，導航元素5 可以顯示為氣管開口、食管及其周圍的圖像。導航元素5 可以是熱圖像、視頻圖像或經處理的圖像。用戶可以通過上述拓撲特徵識彆氣管，或可以通過觀察呼吸周期中的變化，諸如呼吸周期期間聲門在熱圖像中的顏色變化和發聲期間聲帶的運動來識彆氣管。在又一示例中，導航元素55c可以是氣體交換模式。用戶可以通過觀察氣體交換模式確定導航導管探芯是否處在氣管中。在又一示例中，導航元素55d 可以包括指示，諸如指示如何移動導航導管探芯的指示。在另一示例中，導航元素55d可以是由氣管插管系統的控制所允許的有向移動。在另一示例中，導航元素可以包括具有在圖像中連續移動並瞄準氣管的目標，如框(未示出)的捕捉的圖像。應理解，可以根據氣管識別裝置和氣管插管系統的數據分析在顯示裝置M中同時提供所示的導航元素的一個或多個示例。圖8示出根據本發明的喉鏡片42和導航導管探芯46的示例實施例。喉鏡片42 可以具有各種形狀和尺寸。在所示實施例中，喉鏡片42為曲線形並尺寸為具有長度L，該長度使得當喉鏡片42放置到病人的嘴中時喉鏡片42的遠端/端部43相鄰於氣管開口。此外，喉鏡片的寬度可以配置為接收導航導管探芯和氣管導管並適配為容納導航導管探芯沿著喉鏡片的移動並通過導航導管探芯插入氣管。喉鏡片的形狀可以適配為有助於將病人的舌頭向上前方移動。以此方式，喉鏡片42可以用作導軌以有助於導航導管探芯的移動。導航導管探芯46可以從遠端43延伸。在延伸的位置，遠端43可以用作支點使導航導管探芯的尖端部執行期望的移動。在一些實施例中，喉鏡片42可以包括底壁80作為導航導管探芯46前後移動的導軌。另外，喉鏡片42可以包括從底壁延伸的側壁82，以使導航導管探芯46靠住側壁82移動而不偏離插入方向或離開喉鏡片。在其他實施例中，喉鏡片42可以包括頂壁86以限定導航導管探芯的上下移動，並避免導航導管探芯被病人咬住。或者，喉鏡片42可以包括與側壁82相對的另一側壁(未示出)，使得導航導管探芯46沿著其長度封閉。開口 84可以結合到側壁82中以允許觀察導航導管探芯的移動和氣管導管的移動。應理解，喉鏡片42 可以為直線形配置，或喉鏡片42可以具有任何需要的長度。導航導管探芯46可以配置為在多個自由度(Degree of Freedom，D0F)上移動。 例如，導航導管探芯46可以執行稱為第一 DOF的「上下移動」，稱為第二 DOF的「左右移動」， 和稱為第三DOF的「前後移動」。多DOF移動可以通過由用戶激活氣管插管系統上的執行器以由驅動機構造成。或者，多DOF移動可以通過氣管插管系統的控制器自動地由驅動機構造成。或者，用戶可以手動地移動導航導管探芯以執行多DOF移動。圖9示出根據本發明的導航導管探芯M6的另一個示例實施例。導航導管探芯 246通常包括尖端部分274、接頭部分276和導航導管探芯主體278。氣管識別裝置，諸如圖像捕捉裝置、氣體交換檢測器和光源如上參考圖4所述可以位於或連接到尖端部274。氣管識別裝置可以生成相關於尖端部274周圍的信息。例如，所連接的圖像捕捉裝置具有從尖端部274查看的視線並可看到尖端部274前方的視圖。在另一示例中，氣體交換檢測器檢測尖端部274周圍或相鄰處的狀況。當尖端部274在氣管開口或氣管中時，連接的氣體交換檢測器可以檢測氣體交換特性或氣體交換模式。接頭部分276具有預定長度且能夠在任何方向上偏轉。接頭部分276可以由撓性材料或剛性材料，如線圈形式的金屬製成。探芯主體278如圖所示包括管和位於管部的多個線纜觀0。線纜280可以包括光束線(如光纖)和/或攝像機線纜。在一些實施例中，線纜280可以包括可由驅動機構連接驅動以將尖端部274指向所需方向的方向控制線纜。方向控制線纜的連接驅動可以調節尖端部的方向，因此允許導航導管探芯的多DOF移動。應理解，導航導管探芯可以具有各種配置。例如，尖端部、接頭部和導航導管探芯主體可以由具有不同剛性的不同材料製成。或者，尖端部、接頭部和導航導管探芯主體可以由相同材料製成，並可以沿著導航導管探芯的長度是剛性或撓性的。此外，應理解導航導管探芯可以和喉鏡片一起用在根據本發明的氣管插管系統中。如本申請中所述，喉鏡片可以有助於導航導管探芯的多DOF移動。或者，可以單獨使用導航導管探芯而不使用喉鏡片來進行氣管識別。圖IOA和IOB示出根據本發明的另一實施例的氣管插管系統100的剖視圖，其中示出了喉鏡片、氣管導管室和驅動機構。如圖IOA和IOB所示，氣管插管系統100可以包括喉鏡片142和位於喉鏡片142內部的導航導管探芯146。喉鏡片142可以包括具有遠端108 的主體102。喉鏡片142可以朝向遠端或如圖所示或沿著其長度形成為曲線形。喉鏡片142 可以包括底壁104和側壁106。底壁104可以配置為具有長度L，該長度使得底壁104的遠端108在插管術期間相鄰於氣管開口或食管開口定位。在一些實施例中，喉鏡片142還可以包括頂壁110和側壁(未示出)。喉鏡片142可以配置為具有三個壁並留出一側開放，以有助於氣管導管氣囊線(未示出)和氣管導管52和/或導航導管探芯146的插入的可視觀察。底壁104、頂壁110可以配置為具有用於容納導航導管探芯和氣管導管的插入並對病人帶來較少創傷的形狀。喉鏡片142可以是剛性的並由足夠強度的金屬或塑料製成。由於其剛性，底壁104 可以用作導軌以有助於導航導管探芯146的第三DOF移動(即前後移動)。在一些實施例中，遠端108可以用作導航導管探芯146的第一 DOF移動(例如上下移動)的支點或樞軸點。類似地，側壁106的遠端可以用作導航導管探芯146的第二 DOF移動(例如左右移動) 的支點。在一些實施例中，喉鏡片142可以通過任何適合的連接，如螺釘、卡扣配合、夾配合或螺線管可釋放地連接到氣管插管系統。氣管插管系統的用戶可以選擇適配用於特定病人群體，如成人或兒童的喉鏡片。該喉鏡片是可再用的。可以從喉鏡片142的遠端108將氣管導管52預裝載或裝載到氣管導管室148中。 在所示實施例中，導航導管探芯146的後部在氣管導管室148處位於氣管導管內部。導航導管探芯146的前部基本上位於喉鏡片142的中心部分。在一些實施例中，導航導管探芯 146沿著部分喉鏡片142懸掛。懸掛意味著在導航導管探芯和喉鏡片之間有空隙或間隔111 以使氣管導管可以插入到喉鏡片中並在導航導管探芯上滑動，或在導航導管探芯和喉鏡片之間沒有物理連接。雖然導航導管探芯是被懸掛的，導航導管探芯可以和喉鏡片物理接觸以由用戶或由驅動機構沿著喉鏡片移動或沿著喉鏡片的長度移動。導航導管探芯的定位允許氣管導管套在導航導管探芯上滑動並沿著導航導管探芯移動。因為在氣管導管52和導航導管探芯146的插入方向或縱向軸線上，氣管導管52基本上與導航導管探芯146同心地定位，氣管導管52的移動路徑與導航導管探芯146對齊。以此方式，氣管導管52可以跟隨導航導管探芯146移動到氣管中。換言之，只要能夠「看到」或識別出氣管，氣管插管系統就可以進行插管。
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在一些實施例中，喉鏡片142可以是一次性的，從而喉鏡片142可以作為防咬器保持在病人的嘴中以防止病人在醫療過程期間咬住氣管導管。喉鏡片142可以由一次性材料，如塑料製成。喉鏡片142和氣管導管52可以配置為用於一次插管術的一次性包裝。例如喉鏡片142和氣管導管52可以包括鎖定機構，如夾配合以便一旦氣管導管52插入到氣管中就將喉鏡片142與氣管導管52耦合到一起。在該配置中，可以首先將喉鏡片42連接到導航裝置144或氣管導管室148中。然後，可以從喉鏡片142的遠端108將氣管導管52 預裝載到氣管導管室148中。在一些實施例中，氣管導管可以具有多個片段且這些片段中的每個適配用於一次插管術的單次使用。具有多個片段的氣管導管可以單獨地或在一個集成的管中以摺疊的形式預裝載到氣管導管室148中，其中預定長度的片段可通過任何適合的機構分離(例如通過切割)。在插管術期間，一個氣管導管片段與餘下的氣管導管片段分離且餘下的氣管導管片段可以保持在氣管導管室中以便下次使用。圖IOA還示出目標點P和由精確光引導器70，如位於導航導管探芯146上的雷射指示器生成的光路M。當定位了氣管時，來自雷射指示器的光指向由點P表示的氣管開口。 可以跟隨目標點P和光路M朝氣管開口插入氣管導管52。因此，即使喉鏡片142具有曲線形配置、氣管導管只能從不佳的角度插入，或必須從喉鏡片42之後較遠的位置推氣管導管 52，都可以正確地將氣管導管52插入到氣管中。圖IOA示出導航導管探芯146和氣管導管52的未鎖定位置，圖IOB示出導航導管探芯146和氣管導管52的鎖定位置。在所示實施例中，在氣管導管52預裝載到氣管導管室148中之後，導航導管探芯146由導航導管探芯鎖定螺線管114鎖定。當導航導管探芯鎖定螺線管114受到激勵時，導航導管探芯146與驅動機構116耦合以允許導航導管探芯在馬達驅動下移動。驅動機構116包括通過驅動齒輪122由馬達120驅動的導螺杆118。在所示實施例中，導螺杆118可以造成導航導管探芯146的第三DOF移動，即，導航導管探芯 146的前後移動。第三DOF使得導航導管探芯從當前位置收回以準備在不同方向上移動，然後造成導航導管探芯向前移動。包括引導螺杆的驅動機構可以按預定距離以所需精度移動導航導管探芯。任何適合的驅動機構都可以用於執行第三DOF移動。參考圖11，示出示例滾子馬達驅動機構400。例如，滾子馬達驅動機構400可以用於造成第三DOF移動。滾子馬達驅動機構400可以包括由馬達410驅動的驅動齒輪420。驅動齒輪420與從動齒輪430接合以造成導航導管探芯146相對於接合點前後移動。在所示實施例中，還可以調節滾子馬達驅動機構400以接收氣管導管52並造成氣管導管52前後移動。與包括導螺杆的驅動機構相比，滾子馬達驅動機構400可以允許導航導管探芯或氣管導管移動更長距離。在另一示例中，伸縮機構可以用於執行第三DOF移動。回到圖IOA和IOB驅動機構116還可以包括用於執行第一 DOF移動的第二馬達 123。第二馬達123可以通過在預定方向上，即相對於插入方向的上下方向上偏轉或鉸接導航導管探芯，造成第一 DOF移動。在上文參考圖6描述的一個實施例中，導航導管探芯包括有向線纜。可以通過偏轉該有向線纜實現導航導管探芯的連接。類似地，驅動機構116可以包括用於執行第二 DOF移動的第三馬達125，且第三馬達125可以通過在預定方向上，即相對於插入方向的左右方向上偏轉導航導管探芯，造成第二 DOF移動。或者，可以使用四個
19馬達鉸接導航導管探芯的尖端部以使用現有技術中已知的技術執行多DOF移動。應理解，第三DOF移動可以是導航導管探芯平移/運動的前後移動，或可以是導航導管探芯旋轉的前後移動。類似地，第一 DOF移動可以是導航導管探芯平移的上下移動， 或可以導航導管探芯旋轉的上下移動，且第二 DOF移動可以是導航導管探芯平移的左右移動，或可以是導航導管探芯旋轉的左右移動或蛇形移動。多DOF移動操縱導航導管探芯在所需的方向上移動。例如，一旦確定未識別出氣管，則第三DOF移動可以造成導航導管探芯以預定距離收回。控制下的收回隨後是在調節後的方向上向前移動，從而允許快速操縱導航導管探芯。此外，導航導管探芯可以在收回之後從預定點重新開始搜索氣管。以此方式，不需要收回導航導管探芯使其大幅離開相鄰於氣管或食管的位置並再次開始插入嘗試。此外，半自動或自動的插管術使得用一隻手對病人進行插管成為可能。在一些實施例中，氣管導管52可以由氣管導管驅動器移動。如圖IOA所示，氣管導管52預裝載在氣管導管往復機構(Shuttle)IM中。圖IOA示出在氣管導管鎖定螺線管 126去激勵時氣管導管52解鎖。圖IOB示出在氣管導管鎖定螺線管1 受到激勵時氣管導管52鎖定。在圖IOB的鎖定位置，氣管導管可以如箭頭所示在氣管導管往復機構124中前後移動。在所示實施例中，氣管導管52可以自動地由氣管導管往復機構壓入到氣管中。或者，氣管導管52可以手動地插入到氣管中。氣管導管室148可以由密封件130與導航裝置144的主室1 分離以形成隔離的室。圖12A示出包括摺疊式結構132的密封件130的一個實施例。摺疊式結構132允許密封件沿著其長度延伸或收縮以使氣管導管室148在氣管導管往復機構IM的移動期間保持密封。圖12B示出密封件130的另一實施例。較大的彈性體帶134如圖所示圍起各部件， 諸如驅動機構116和電子部件135。圖12C示出密封件130的又一實施例。密封件130如圖所示包括彼此連接並沿著往復運動的方向相對於彼此可活動的多個片136。以此方式，無論如何往復運動，氣管導管室148都與主室1 分離。氣管導管室148還可以包括可拆卸機構，諸如夾配合或卡扣配合，以從氣管插管系統中移除氣管導管室148。可拆卸機構可以使氣管導管室148與驅動機構和氣管插管系統的其他部件分離。在插管術過程之前可能需要對氣管導管室148消毒以接收氣管導管52。密封的室防止用於消毒的流體進入主室128。因此，可以對與氣管導管52接觸的部件，諸如導航導管探芯和氣管導管室148進行消毒而不影響氣管插管系統的電子和機械部件。S卩，氣管導管室148是水密的以用於消毒。此外，可以從氣管插管系統中移除導航導管探芯和氣管導管室以獨立地進行消毒，然後將其重新安裝到氣管插管系統中。在一些實施例中，氣管導管室不能包含在氣管插管系統中。導航導管探芯可以裝載有單個氣管導管或多個氣管導管片段，每個片段用於一次插管術。導航導管探芯上與導航裝置的其他部件接觸的一部分相對於電子部件和驅動部件是水密的以便消毒。圖13是根據本發明的一個實施例的氣管插管系統100的示意圖，其中示出氣管插管系統的示例部件。如圖13所示，插管引導裝置144可以包括用戶接口 140和控制器150。用戶接口 140可以包括用於激活和操作氣管插管系統100的用戶輸入裝置152。此外，用戶接口 140可以包括提供用於氣管插管系統的操作的信息，如導航元素的顯示裝置154。控制器150可以是包括微處理器單元或數據處理器156、電子存儲介質或存儲器 158，及通信接口 160的微型計算機。數據處理器156和通信接口 160可以由總線連結到存儲器158。控制器150還可以配置為通過通信接口 160與氣管識別裝置164通信。氣管識別裝置164可以是氣體交換檢測器、圖像捕捉裝置、聲音檢測器和光檢測器中的一個。在一些實施例中，存儲器158可以包括非易失性存儲器和易失性存儲器，且程序或算法可以存儲在非易失性存儲器中並由處理器使用易失性存儲器的部分來執行，以實現本文描述的數據分析和操作。存儲介質只讀存儲器可以編程有計算機可讀數據，該計算機可讀數據表示可由微處理器執行以進行本公開描述的數據分析和方法以及可預期但未具體列出的其他變體的指令。例如，控制器可以接收來自各種傳感器的通信(例如輸入數據)、處理輸入數據，並基於對應於一個或多個例程編程在其中的指令或代碼響應於經處理的輸入數據觸發執行器。在一些實施例中，可以手動地執行插管術。如上所述，氣管識別裝置164可以位於導航導管探芯146上。當激活了氣管插管系統100時，用戶可以將導航導管探芯146插入到病人的嘴或鼻孔中，然後基於顯示的導航指引調節導航導管探芯146的位置。附加地或替代地，用戶可以根據他/她的判斷插入導航導管探芯146。在一些實施例中，導航導管探芯146可以配置為半自動地或自動地移動。氣管插管系統100還可以包括可操作地耦合到導航導管探芯146和控制器150的驅動機構116。 控制器150可以配置為通過通信接口 160與氣管識別裝置164和驅動機構116通信以執行本文描述的各種操作。驅動機構116可以配置為手動地、半自動地，和/或自動地造成導航導管探芯146 的期望的移動，並可以包括一個或多個馬達、驅動器等。在一個示例中，期望的移動可以包括但不限於第一 DOF移動(如，前後移動)、第二 DOF移動(如，上下移動)，第三DOF(如， 左右移動)，或相對於導航導管探芯位置在任何方向上或以任何角度的移動。導航導管探芯的移動可以包括但不限於線性移動、360°旋轉，或其組合。在一些實施例中，導航導管探芯 146的尖端部可以配置為執行轉向移動，如在任何方向上的移動，且導航導管探芯配置為跟隨尖端部。在一些實施例中，導航導管探芯的移動可以是完全自動化的。例如，控制器150可以配置為包括基於來自氣管識別裝置164的信息移動導航導管探芯146的程序或算法。如上所述，該信息可以包括溫度、CO2, O2、聲音、光的水平、呼吸道的氣體交換模式，或拓撲模式。在一些實施例中，當導航導管探芯146插入到病人的嘴或鼻中且激活了氣管插管系統 100時，導航導管探芯146的尖端部可以自動地向前移動且可以在任何期望的方向上相對於導航導管探芯146的位置自動地調節其位置以搜索氣管。應理解，導航導管探芯146可以配置為執行任何適合的移動以搜索氣管並移動到氣管中。此外，應注意，現有技術中已知的任何適合的已知方法都可以用於實現自動化的移動。在一些實施例中，導航導管探芯的移動可以半自動地執行。例如，可以通過用戶輸入裝置152來驅動移動。相對於導航導管探芯146的尖端部在任何方向上的用戶控制的移動，如向前、向後、向上、向左或向右的移動，可以由用戶使用在用戶輸入裝置152上的對應的執行器驅動。另外，用戶控制的移動和/或自動化的移動可以由信息，如在顯示裝置巧4上提供的導航元素指導。或者，移動可以由用戶通過網絡連接使用計算裝置來激活或控制。容易的氣管識別和馬達驅動的導航導管探芯和/或氣管導管的移動簡化了插管術並增加了插管術的成功率。附加地或替代地，氣管插管系統100可以配置為在自動化或半自動化的插管過程期間允許用戶交互。例如，自動化的引導移動可以由用戶的輸入在任何時候替代。以此方式，插管術可以進一步由用戶改善。圖14是示出使用根據本發明的一個實施例的氣管插管系統對病人進行插管的示例方法300的流程圖。在302，該方法包括插入導航導管探芯到病人的上呼吸道。如果通過病人的鼻子執行插管術，則將導航導管探芯插入病人的鼻孔。如果通過病人的嘴執行插管術，則可以將喉鏡片插入嘴中且當喉鏡片插入到病人的嘴中時，喉鏡片可以停在相鄰於氣管開口或食管開口的位置。在一些實施例中，在302之前，該方法包括將氣管導管預裝載到導航導管探芯中或將氣管導管預裝載到氣管插管系統的氣管導管室中以用於預插管步驟。接下來，在304，該方法包括激活氣管插管系統並移動導航導管探芯。如上所述， 可移動的導航導管探芯可以定位在喉鏡片內部，而氣管識別裝置位於導航導管探芯的尖端部。在一些實施例中，導航導管探芯可以定位在喉鏡片的中心部分並沿著喉鏡片的長度懸掛。或者，導航導管探芯可以由通過執行器在用戶的控制下的驅動機構移動或通過控制器自動地移動。在一些實施例中，氣管識別裝置可以檢測呼吸道數據。例如，呼吸道數據可以包括圖像數據或氣體交換數據，且氣管識別裝置可以是檢測圖像數據的圖像捕捉裝置或檢測氣體交換數據的氣體交換檢測器。在306，該方法包括當導航導管探芯在呼吸道中移動時由氣體交換檢測器檢測氣體交換數據和/或由圖像捕捉裝置捕捉圖像數據。在308，該方法分析或顯示檢測到的氣體交換數據的氣體交換模式和/或檢測到的圖像數據的拓撲模式。任何適合的數據分析技術都可以用於確定指示氣管開口的模式的出現。如上所述，可以使用模式匹配或模式識別。或者，可以在能夠容易地識彆氣管的圖形模式，如圖6A和6B示出的模式中提供檢測到的氣體交換數據。在另一示例中，可以直接顯示捕捉的圖像，諸如熱圖像，如在圖5A和5B所示。接下來，在310，該方法基於檢測到的數據或數據分析生成導航元素。該導航元素可以包括指示，諸如「已找到氣管」或「未找到氣管」。或者，導航指引可以是指示氣管開口或氣管的模式。在312，確定導航元素是否指示導航導管探芯在氣管開口處。如果回答為否，則該方法進入314以調節導航導管探芯的移動。在一個示例中，該調節可以包括部分地收回導航導管探芯，然後改變移動方向。在另一個示例中，可以調節導航導管探芯以從第三DOF移動(如，前後移動)到第一 DOF移動(如，上下移動)到第二 DOF移動(如，左右移動)。從 314，該方法進入306以重複數據檢測和分析的步驟。如果在312的回答為是，則該方法進入316以確認導航導管探芯在氣管中。在一些實施例中，可以通過基於相同類型的檢測到的呼吸道數據的來自導航元素的重複的指示確認氣管位置。在其他實施例中，可以使用通過不同類型的檢測到的呼吸道數據生成的導航元素確認該確定。例如，基於拓撲模式的導航元素可以指示導航導管探芯在氣管開口的前方。當確定導航導管探芯在氣管開口中之後，基於氣體交換模式，諸如CO2模式的第二導航元素可以用於確認導航導管探芯在氣管中。接下來，在318，氣管導管在導航導管探芯上滑動且在適當的位置被放置到氣管中。步驟304和318構成插管階段。接下來，在320，該方法包括對氣管導管氣囊進行充氣並與喉鏡片一起或不與喉鏡片一起收回導航導管探芯。在一些實施例中，喉鏡片是一次性的並保持在嘴中作為防咬器。 如果喉鏡片保持在嘴中，該方法包括在322夾持和鎖定氣管導管與喉鏡片。步驟318和320 構成插管後階段。上述方法允許響應於從實時數據生成的導航指引進行導航導管探芯的自動或半自動移動。因此，可以通過來自導航指引的反饋連續地調節導航導管探芯的位置。以此方式，導航導管探芯可以準確快速地插入氣管中。應理解，該方法可以使用在包括(X)2傳感器、仏傳感器、空氣流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器或聲音檢測器的氣管插管系統中。可以基於來自CO2傳感器、O2 傳感器、溫度傳感器、光傳感器或聲音檢測器中的一個的信息生成導航元素。圖15示出根據本發明的另一實施例的示例插管裝置400。插管裝置400可以配置為允許氣管導管52與導航導管探芯446共軸設置，在此稱為共軸對齊或共軸設置。即，氣管導管52可以在與導航導管探芯446的移動路徑相同的路徑中移動。插管裝置400包括導航裝置402和喉鏡片主體404。導航裝置402可以包括用於識彆氣管開口或氣管的電子部件。喉鏡片主體404可以包括喉鏡片442。喉鏡片442可以具有適合於插入病人的上呼吸道並有助於向前上方移動病人舌頭的任何形狀。此外，喉鏡片442可以尺寸適合於接收氣管導管52。在所示實施例中，喉鏡片442具有凸表面以在表面下方形成中空的空間且喉鏡片朝向遠端410彎曲。在一個示例中，喉鏡片442可以具有長度L，該長度使得當喉鏡片442插入到病人的嘴中時遠端410相鄰於病人的氣管開口定位。喉鏡片的寬度可以尺寸適合於有助於沿著喉鏡片移動氣管導管52。或者，喉鏡片442可以具有任何適合用於插管術的形狀，諸如常規的喉鏡喉鏡片。在一個實施例中，喉鏡片主體404可釋放地連接到導航裝置402。 插管裝置400可以包括導航導管探芯446。在一些實施例中，導航導管探芯446可以固定在導航裝置402上的安裝部412。或者，導航導管探芯446可以固定在喉鏡片主體 402上。相鄰於喉鏡片的凸表面或在其下方沿著喉鏡片442的長度懸掛導航導管探芯446。 在一些實施例中，導航導管探芯446可以沿著喉鏡片442的長度基本上居中定位且可以沿著喉鏡片的整個長度懸掛，並在喉鏡片的近端414上延伸。在一些實施例中，導航導管探芯 446可以包括相鄰於喉鏡片的遠端410的尖端416，沿著喉鏡片的長度L定位的第一部分 418，在喉鏡片的安裝部412和近端414之間延伸的第二部分420。導航導管探芯446可以由剛性材料，諸如金屬或硬塑料製成以具有基本上靜止地懸掛所需的剛度。在一些實施例中，導航導管探芯可以在一個點處的支撐下剛性地懸掛，或通過在一個位置上的支撐懸掛在基本上固定的位置。導航導管探芯446與插管裝置的其他部件機械地、電子地或光學地華禹合。
在所示實施例中，導航導管探芯基本上靜止或具有零個運動自由度。在一些實施例中，導航導管探芯的第二部分420配置為在安裝部412和喉鏡片的近端414之間具有足夠的長度，使得導航導管探芯的總長度大於氣管導管52的長度，以允許沿著導航導管探芯預裝載或裝載氣管導管52。氣管導管52可以從喉鏡片的遠端410預裝載到第二部分(氣管導管裝載部分)420中。在一些實施例中，導航導管探芯442可以可釋放地連接到導航裝置並可拆卸以便消毒或更換。如圖15所示，氣管導管52可以在導航導管探芯446上朝向喉鏡片的遠端410移動。因此，可以沿著導航導管探芯將氣管導管52推入氣管。在一些實施例中，喉鏡片442是一次性的並由諸如塑料等材料製成。此外，喉鏡片 442可以保持在病人的嘴中作為防咬器。一旦插管完成，喉鏡片442和氣管導管52就可以由鎖定機構鎖定到一起。例如，如圖15所示，喉鏡片442可以包括夾持件似4且氣管導管 52可以包括互補的夾持件426以將喉鏡片442和氣管導管52耦合到一起。任何適合的鎖定機構都可以用於鎖定喉鏡片與氣管導管。在一些實施例中，氣管識別裝置，諸如光源或視頻攝像機可以位於導航導管探芯 446的尖端416上。氣管識別裝置電子地和/或光學地耦合到導航裝置。可以通過由光源提供的照明通過氣管開口的直接視圖識彆氣管開口，或通過由視頻攝像機捕捉的圖像通過氣管開口的間接視圖識彆氣管開口。換言之，可以通過呼吸道模式或拓撲模式的視圖識彆氣管開口。在氣管導管與導航導管探芯共軸對齊時，氣管導管處在與導航導管探芯相同的視線中。換言之，只要能夠識彆氣管開口，就可以插管。氣管導管插入氣管開口的精度還可以通過使用精確光引導器(未示出)提高。在一些實施例中，導航導管探芯的尖端416可以包括精確光引導器，諸如位於導航導管探芯 446上的雷射指示器或其他光指示器。一旦導航導管探芯的尖端416中的氣管識別裝置識別出氣管開口，來自雷射指示器的光線就指向氣管開口。可以跟隨該光線將氣管導管52推向氣管開口。因此，氣管導管52可以正確地插入到氣管中。應理解，可以使用任何適合的氣管識別裝置。例如，氣管識別裝置可以是呼吸道傳感器，諸如上文所述的光源、圖像捕捉裝置、氣體交換檢測器、聲音檢測器或光檢測器。在一個示例中，呼吸道傳感器可以生成用戶可查看的呼吸道模式，且可以通過在呼吸道模式中指示或顯示的呼吸道特徵識彆氣管開口。例如，在一些實施例中，呼吸道傳感器可以是圖像捕捉裝置，諸如視頻攝像機或熱像儀以捕捉和顯示呼吸道模式的圖像，包括氣管開口、食管開口及其周圍的圖像。可以基於氣管開口的呼吸道特徵或拓撲特徵識彆氣管開口。拓撲特徵可以包括聲帶的倒V形、聲帶的白色、聲帶褶振動，及聲帶與其周圍結構，諸如會厭、聲門，及杓狀軟骨的空間關係。在一些實施例中，呼吸道傳感器可以是氣體交換檢測器以在呼吸周期中生成呼吸道模式或氣體交換模式。可以向插管裝置的用戶顯示氣體交換模式。基於氣體交換模式的氣體交換特徵識彆氣管開口。此外，應理解，該插管裝置可以包括配置為分析呼吸道數據以基於呼吸道特徵確定指示氣管開口的呼吸道模式的數據處理器。在一些實施例中，可以如上所述通過比較圖像數據的呼吸道特徵與預定模式進行的模式匹配來分析呼吸道數據。在一些實施例中，可以如上所述通過模式識別來分析呼吸道數據。此外，如上所述，可以生成導航元素以指導導航導管探芯到氣管開口的移動。
圖16示出根據本發明的另一實施例的示例插管裝置500。插管裝置500包括導航裝置502和喉鏡片總成504。導航裝置502可以包括用於識彆氣管開口或氣管的電子部件。喉鏡片總成504包括喉鏡片542和導航導管探芯M6。類似於圖15所示的實施例，喉鏡片總成504配置為具有導航導管探芯546和氣管導管52的共軸對齊。在所示實施例中， 喉鏡片542包括壓板510和側板512。壓板510具有沿著喉鏡片的長度彎曲的表面，且該長度尺寸適合於允許一旦喉鏡片插入到病人的嘴中，喉鏡片的遠端514就相鄰於氣管開口定位。壓板510可以壓住病人的舌頭以允許觀察氣管開口或聲帶。側板512從壓板510的表面延伸並基本上垂直於壓板510。側板512可以將氣管導管52限制於沿著壓板510的表面移動。同樣，喉鏡片542可以具有適當的形狀。導航導管探芯546可以包括沿著喉鏡片542的長度定位的第一部分516，和第二部分518。第二部分518可以處在摺疊配置，其中一個或多個片段基本上摺疊在一個或多個其他片段的上方或下方。例如，在一些實施例中，摺疊配置可以包括交錯配置、L形配置、S形配置、卷繞配置、螺旋配置。在一些實施例中，導航導管探芯可以由剛性材料，諸如金屬或硬塑料製成，使得導航導管探芯可以剛性地懸掛在喉鏡片542上或基本上固定地懸掛而將導航導管探芯固定在一個安裝部520或喉鏡片總成的連接塊522的一個點上。在一些實施例中，可以通過任何適合的連接機制，諸如在安裝部520處的焊接，將導航導管探芯546連接到連接塊522。喉鏡片總成504可以可釋放地連接到導航裝置502。導航導管探芯546機械地、電子地或光學地與導航裝置502耦合。由於導航導管探芯546從遠端514到安裝部520始終懸掛著，可以將氣管導管52 從喉鏡片的遠端514裝載到導航導管探芯的第二部分518。S卩，氣管導管52可以在導航導管探芯上移動。此外，精確光引導器可以定位在導航導管探芯的尖端以指導氣管導管的移動。如上文參考圖15所述，氣管識別裝置可以位於導航導管探芯546的尖端524以識彆氣管開口。應理解，可以使用任何適合的氣管識別裝置。例如，氣管識別裝置可以是呼吸道傳感器，諸如上文所述的光源、圖像捕捉裝置、氣體交換檢測器、聲音檢測器或光檢測器。 可以基於來自圖像捕捉裝置或氣體交換檢測器的信息識彆氣管開口。在一個示例中，呼吸道模式可以如上所述用於識彆氣管開口。此外，應理解，導航導管探芯可以是撓性的。插管裝置500具有導航導管探芯與氣管導管共軸對齊的優點。此外，由於導航導管探芯的一部分是摺疊的且可以沿著導航導管探芯的摺疊的片段裝載氣管導管，喉鏡片總成是緊湊的。圖17示出根據本發明的另一實施例的喉鏡片總成600的剖視圖。喉鏡片總成600 可以具有如上參考圖15和16所述的共軸對齊。喉鏡片642可以形成管狀配置。喉鏡片 642的外表面610具有帶圓角612的矩形形狀，喉鏡片642的內表面614為圓形以容納氣管導管的插入。喉鏡片642可以沿著其長度彎曲以有助於定位到病人的嘴中。導航導管探芯646如圖所示基本上處在喉鏡片642的中間位置。導航導管探芯可以具有適合於接收氣管識別裝置的尺寸。導航導管探芯646可以是剛性的並如上參考圖15 和16所述固定到喉鏡片總成或插管裝置。雖然導航導管探芯如圖所示具有圓形的配置，其可以具有任何適合的形狀。在所示的實施例中，喉鏡片642的側壁616包括通道618以容納氣管導管氣囊和附件以在插管後使用。側壁616還可以包括一個或多個槽(未示出)以使用戶能夠在將氣管導管推入氣管時觀察到氣管導管的移動。根據本發明的一個方面，氣管插管系統的喉鏡片總成包括具有遠端的喉鏡片，其中當喉鏡片插入病人的上呼吸道中時，該遠端與氣管開口相鄰；及沿著喉鏡片的一部分懸掛並沿著喉鏡片延伸的導航導管探芯。氣管導管可以從喉鏡片的遠端裝載到導航導管探芯上。在一個實施例中，導航導管探芯剛性地固定到氣管插管系統且不可移動。在另一實施例中，導航導管探芯可由驅動機構移動以執行一個或多個自由度的移動。喉鏡片可以用作導軌以有助於導航導管探芯沿著插入方向的前後移動，且喉鏡片的遠端作為導航導管探芯在至少一個自由度上的移動的支點。在又一個實施例中，氣管插管系統還包括將導航導管探芯與驅動機構耦合的導航導管探芯鎖定螺線管，及將氣管插管與氣管插管往復機構耦合以允許氣管插管往復機構移動氣管插管的氣管插管鎖定螺線管。應注意，所示的各種步驟或功能可以按所示順序執行、並行執行，或在一些情況下省略。類似地，處理的順序不是實現本文所述示例實施例的特徵和優點所必須的，而是為便於演示和說明而提供。取決於所使用的具體策略，可以重複地執行所示步驟或功能中的一個或多個。此外，所述步驟可以用圖形表示編程在引導控制裝置中的計算機可讀存儲介質中的代碼。
權利要求
1.一種氣管插管系統，包括移動式導航導管探芯，所述導航導管探芯引導氣管導管移動並插入到病人的氣管中；至少一個氣管識別裝置，所述氣管識別裝置位於所述導航導管探芯上，當所述導航導管探芯在所述上呼吸道中移動時所述氣管識別裝置檢測呼吸道數據；及導航裝置，包括數據處理器，所述數據處理器分析所述呼吸道數據，確定呼吸道模式，所述呼吸道模式指示所述導航導管探芯相對於氣管開口的位置，並生成導航元素以指導所述導航導管探芯移動插入到所述氣管開口中，其中，當所述導航導管探芯插入到病人的氣管中後，預裝載的氣管導管沿所述導航導管探芯插入到病人的氣管中。
2.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述氣管識別裝置是圖像捕捉裝置，所述呼吸道模式是拓撲模式，且所述呼吸道特徵是拓撲特徵，其中所述拓撲特徵包括聲帶的倒V形、聲帶的顏色、聲帶褶振動、病人呼吸周期期間的熱圖像改變、聲帶與會厭、聲門和杓狀軟骨的空間關係，其中所導航元素指導所述導航導管探芯向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口。
3.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述氣管識別裝置是圖像捕捉裝置，所述呼吸道模式是基於拓撲特徵確定的拓撲模式，其中所述圖像捕捉裝置包括捕捉熱圖像數據的熱像儀或紅外線攝像機，所述拓撲特徵包括由於病人的呼吸周期中的溫度改變造成的氣管和聲帶開口的熱圖像變化，其中所述導航元素指導所述導航導管探芯朝向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口。
4.根據權利要求1或權利要求2所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述導航裝置還包括實時地同步顯示圖像數據、所述拓撲模式、所述導航元素和所述導航導管探芯的位置，或所述導航導管探芯的移動的顯示裝置。
5.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述氣管識別裝置是氣體交換檢測器，所述氣體交換檢測器配置為檢測病人的呼吸周期期間的動態氣體交換數據，所述呼吸道模式是氣體交換模式，且所述呼吸道特徵是氣體交換特徵，其中所述氣體交換特徵包括氣體交換變量在呼吸周期期間的變化，其中所產生的導航元素指導所述導航導管探芯朝向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口。
6.根據權利要求5所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述氣體交換變量是空氣流量、 壓力、ω2濃度、O2濃度、溫度、溼度中的一個，且所述氣體交換檢測器是分別用於在病人呼吸周期的吸入和呼出中的一個期間檢測空氣流量、壓力、CO2濃度、O2濃度、溫度、及溼度的變化的空氣流量傳感器、壓力傳感器、CO2傳感器、O2傳感器、溫度傳感器，及溼度傳感器中的一個。
7.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，所述氣管識別裝置是檢測病人的聲帶產生的發聲的聲音檢測器，所述呼吸道模式是聲音模式，且所述呼吸道特徵包括分貝水平的變化，其中所述導航元素可指導所述導航導管探芯和氣管導管朝向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口。
8.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，通過比較所述呼吸道模式與預定模式進行的模式匹配分析產生導航元素指導所述導航導管探芯朝向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口。。
9.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，通過比較所述呼吸道模式與預定模式進行的模式識別分析產生導航元素以指導所述導航導管探芯朝向所述氣管開口方向運動並防止所述導航導管探芯進入食管開口 .。
10.根據權利要求1所述的氣管插管系統，其特徵在於，導航導管探芯和氣管導管基本共軸，用戶可基於所述導航元素在一個運動自由度或至少兩個運動自由度上自動或手動控制導航並完成氣管插管。
全文摘要
本發明的氣管插管系統基於指示氣管開口的呼吸道模式進行插管。氣管插管系統包括移動式導航導管探芯，氣管識別裝置和導航裝置。所述導航導管探芯引導氣管導管插入到病人的氣管中。氣管識別裝置檢測到的呼吸道數據來確定呼吸道模式並基於呼吸道模式生成導航元素。在一個實施例中，呼吸道模式是指示氣管開口的氣體交換模式。在另一實施例中，氣管開口轉換模式是指示氣管開口的拓撲模式。在導航元素的指引之下，導航導管探芯和氣管導管能夠以多個自由度在呼吸道中移動以準確插入到氣管中。
文檔編號A61M16/04GK102233152SQ20111010108
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者邱春元 申請人:邱春元