補償同軸插管的規劃和裝配的製作方法

2023-12-03 21:37:26

專利名稱：補償同軸插管的規劃和裝配的製作方法
補償同軸插管的規劃和裝配本發明涉及用於插入患者中的伸縮式同軸插管的規劃和構建的領域。以下相關申請和專利文件通過引用併入本文中·美國專利號4，949，277，1990年8月14日公布，Trovato等人。·美國專利號5，879，303，1999年3月9日公布，Averkiou等人。·美國專利號6,604,005，2003年8月5日公布，Dorst等人。·優選權，共同待決的Trovato等人的美國申請s/n 12/088870，於2006年10月 6 日提交(3D Path Planning, Simulation and Control System)，美國專利申請公開號 2008/0234700, 2008 年 9 月 25 日。·優選權，共同待決的Trovato等人的美國臨時申請號61/075，886，2008年6月 26 日禾口 61/099，223，2008 年 9 月 23 日(Method and System for Fast, Precise Path Planning)，其國際申請號PCT/IB2009/052650，於2009年6月19日提交。·優選權，共同待決的Greenblatt等人的美國臨時申請號61/106287，於2008年 10 月 17 日提交(Interlocking Nested Cannula)，其國際申請號 PCT/IB2009/054474，於 2009年10月12日提交。·優選權，共同待決的Trovato的國際申請號IB2007/053253，於2007年8月15 ΕΙ·交(Active Cannula Configuration for Minimally InvasiveSurgery)，15際公開號 W02008/032230 Al, 2008 年 3 月 20 日。·優選權，共同待決的Trovato的美國臨時申請號61/075401，於2008年6月 25 日提交(Nested Cannulae for Minimally Invasive Surgery)，其國際申請號 PCT/ IB2009/052521，於 2009 年 6 月 12 日提交。這些文件，當累積地閱讀時，描述了醫療應用，其概略總結如下在

圖1中，在掃描設備102中掃描患者101。該掃描設備可以為任意適當類型，例如超聲、CT掃描、或者MRI掃描。可以掃描患者身體的任意部分，例如肺部。掃描的結果將示出患者身體的內部結構。該內部結構可以包括管狀通道，例如肺部的氣道、血管、尿道、鼻腔或者腸。該內部空間可以是更加開放的，例如胃、膀胱或者鼻竇。在一些情況下，該內部結構將是實心組織，但是將處於某些優選區域，例如在大腦之內。該醫療應用不限於任意特定的掃描技術或者任意特定的身體內部空間。掃描設備將包括用於收集和處理來自掃描的數據的處理器103。該處理器可為任意適當類型，並且將典型地包括用於存儲可執行程序代碼和數據的至少一種機器可讀介質。可具有一種或多種不同類型的多個處理器和多個存儲介質。該處理器通常將具有一些與外部設備通信的方式。這一處理器圖示為具有用於無線通信的天線105，但是該通信可以同樣良好地線連接至，例如網際網路、紅外、經由光纖、或者經由任意適當的方法。掃描設備也將包括至少一個用戶界面104，包括以下中的一個或多個顯示器、觸敏屏幕、鍵盤、指示器設備、麥克風、揚聲器、印表機和/或任意其他用戶接口外設。本發明不限於用於與用戶或者與外部裝備通信的任意特定外設。雖然所有的處理可以發生在掃描設備內，但是也可以具有用於執行路徑規劃的外部處理器106，並且假想的「網狀」組來跟隨該路徑。處理器106將與用於存儲數據和程序代碼的至少一種介質107相聯合。該介質107可以包括各種類型的驅動器，例如磁的、光的或者電子的，並且也可包括存儲器，例如存在執行代碼和數據結構的緩存。規劃處理的輸出被示意性地示出，並且包括任意適當格式的技術說明108，並且也包括同心插管109其本身。圖2示出了從掃描分割出的患者肺部中管狀通道的圖像。期望將醫療設備插入該管狀通道中，因為這使得向著目標位置途中的損傷最小化。這一類型的手術被稱為 NOTES(自然腔道內鏡手術)，其中內窺鏡被用於行進經過通道。這一類型的手術不要求手術目標在管狀通路之內，而是通過使工具經由現有管道行進以最小損傷地到達目標，從而可以經管腔到達目標。已經提出了管狀設備，例如活動插管，見例如R. J. Webster等人「Toward Active Cannulas :Miniature Snake-like Surgical Robots"2006IEEE/RSJ(Oct. 2006, Beijing, China)第2857-2863頁。這些設備依賴於兩個或者更多個管道之間的相互作用來在彼此相對旋轉時引起側向運動。由於它們從彼此延伸，因此它們也能夠引起各種側向運動，特別是如果它們沿著單獨的管道具有不同曲率時。如果仔細地特徵化該運動，那麼這些運動能夠被用於達到多個位置，類似於自由空間中的機器人。然而，如果側向運動大於可利用的迴旋空間時，當經管腔延伸時，這些設備可能遇到困難。雖然Webster的文章考慮了在部署期間管道的相互作用，但是他沒有考慮與使活動插管跟隨規劃路徑相關的問題。這種設備可以幫助收集數據、採集組織、或者執行其他程序。例如，基於患者圖像， 管道組能夠從最大拉長至最小，從而當被部署時，它們具有的結構是每個插管的至少一部分將保持在患者的近端，同時較小的插管將以直徑的相反順序延伸進入患者的內部空間。 因而最粗的插管將終止在更加近端處，而最細的插管將延伸到更加遠端處。在本文中如果插管在被部署時終止在更加遠端處，那麼它將被認為是更加遠端的，——並且如果它在被部署時終止在更加近端處，那麼是更加近端的。嵌套插管稍微不同於活動插管，因為它們被配置為以最小的側向運動(扭動)來到達特定環境中的特定位置。在一種嵌套插管中，該管道被聯鎖，從而它們不能相對於彼此旋轉。插入應該使對管狀通道或者其他組織的損傷最小化。這種損傷可以由插管的運動導致。除其他外，在以上闡明的於2008年10月17日提交的相關美國臨時申請號61/106287 描述了嵌套插管。圖3示意性地示出了將要進行的過程的例子。首先，在301掃描患者。然後在302 創建圖像，該圖像指示禁止區域以及，典型地，用於穿過其他區域的成本。例如，可以將該圖像分割為從圖像的其餘部分提取出如圖2所示的氣道。然後在303規劃出包括一系列形狀的路徑。如在現有的路徑規劃應用中所描述地，這要求定義種子位置以開始搜索。隨後，構建實現特定形狀的同軸插管設備，該同軸插管由從業者在304接收。最終，在305通過以指定順序延伸管道，可以對患者執行期望程序。由於現代技術的靈活性，很多的這些操作可以被遠程地執行。例如，可以在一個位置處將數據處理為內部空間的模型(例如，分割的)。可以在第二位置處規劃經過該空間的路徑以及適合於跟隨那一路徑的設備。然後在將該設備返回技術員或者醫師以用於插入到患者中之前，可在第三位置處裝配該設備。優選地，將在具有良好質量和衛生控制的製造設
5施中執行該嵌套插管設備的裝配；然而，也可能是在一單獨位置處執行所有的這些步驟，並且醫師自己裝配要被插入的設備。已經提出使用A*類型路徑規劃來便於活動插管的部署，見例如，於2006年10 月 6 日提交的美國 s/n 12/088870, "3D Tool Path Planning, Simulation andControl System，」，美國專利申請公開號2008/0234700，2008年9月25日，通過引用將其全部併入本文中，並且作為這一申請的一部分。這一類型的規劃利用了「配置空間」。「配置空間」是存儲於至少一個機器可讀介質中的數據結構。該配置空間代表關於物理工作空間的信息。 在這一情況下，該物理工作空間是活動插管將被插入的患者身體的內部結構。該配置空間包括很多「節點」或者「狀態」，每個代表在插入期間設備的配置。圖4示出了由Trovato等人的美國臨時申請號61/075886教導的用於在配置空間中創建節點的源程序代碼，其優選使用在Trovato等人的美國臨時申請61/075886中教導的方法被改進以將存儲器最小化。這種程序代碼被轉換為機器可執行代碼，並且被包含於介質中以由本發明使用。當代碼被執行時，它將引起被包含於介質中的配置空間數據結構。 已經發現這一特定代碼對於人體的內部空間是有利的。這一代碼通過增加具有高精度的位置和取向的3D配置空間路徑，而不是從它們的配置狀態位置來推斷它們，從而允許將6D空間壓縮為3D。當被應用於配置空間時，A*或者「成本波傳播」將搜索配置空間，在每個可訪問狀態留下引導至「到達種子的最佳路徑」的方向，例如指針。「成本波的傳播」包含從搜索種子 (通常是目標點)開始。成本波經過配置空間數據結構的傳播利用了被稱為「鄰域」的包含於介質中的額外類型的數據結構。該鄰域是從配置空間中的一個狀態到該配置空間之內的其他狀態的允許轉變的機器可讀表示。例如在圖6中，單一的弧(也稱為纖維)的單一曲率示出為相對於給定位置的八個均勻間隔旋轉。弧的長度根據應用可以被限制為少於90 或者180度，並且在中央示出的線(零曲率弧)也可以被限制為大約相同的長度。成本波的傳播也包含「度量」，其是評估由於從一個狀態到鄰近狀態的轉變而引起的成本的函數。在本文中使用的術語「同軸插管」將包括如以上描述的活動插管和嵌套插管。本發明可適用於這兩種類型。在活動插管中使用的有利材料是鎳鈦合金(鎳鈦諾)。鎳鈦諾具有「形狀記憶」，也即，鎳鈦諾管/線的形狀能夠在高溫下被設計或者預先調整。因而，在較低溫度下(例如， 室溫或者體溫)如果較小的管道從較大的管道延伸，那麼它將返回至其「設計的形狀」。鎳鈦諾的另一優點在於它能夠在MRI機器內使用。它是相對堅固的材料並且因而能夠將其壁做成很薄，使得幾個管道能夠嵌套。管道具有從5mm下至.2mm的外徑，其中外徑為0. 8mm 及以下的管道在市場上是很容易獲得的。也可以使用例如聚碳酸酯的其他材料，特別是對於低成本的聯鎖嵌套插管。規劃的結果優選是·可部署的物理同軸插管組；和/或·對插管組的數量、長度和彎曲半徑的說明。對於現有方法和設備存在某些改進方面。例如，通過在同軸插管組被規劃之後調整其說明，考慮響應於管道的曲率影響屬性的管道預期相互作用，可以減小對患者組織的損傷。這種曲率影響屬性包括曲率半徑、彈性模量和轉動慣量。進一步的目的和優點將在以下變得顯而易見。以下的圖通過非限制性例子來圖示了本發明。圖1示出了被掃描的患者；圖2示出了指示氣道的肺部分割例子；圖3是本發明執行於其中的過程的示意性流程圖；圖4示出了用於配置空間狀態的程序代碼的例子(CSNODE)；圖5的流程圖示出了後規劃彈性修正；圖6示出了具有八條線的鄰域類型的示意性例子，該八條線的每條代表基於可能管道選擇的可能路徑選擇；圖7A是具有各種曲率半徑的插管的圖；圖7B示出了具有交替的彎曲區段和筆直區段的同軸插管組件；圖8示出了具有多於一個曲率半徑的管道；圖9示出了在肺部之內部署的同軸插管組件；圖10是與同軸插管組件相關的排序和製作過程的示意圖；圖11是與同軸插管組件的說明相關的動畫。在本文中，術語「管道」和「插管」將可互換地用於提及將要被部署的設備的部件。 習語「曲率半徑」、「彎曲半徑」和「管道曲率」都將可互換地用於提及管道的曲率。術語「半徑」、「直徑」、「管道半徑」和「管道直徑」都將用於提及管道橫截面的幾何尺寸。「淨曲率」將用於提及由每個部件管道的單個屬性導致的管道組件的曲率。本發明的應用領域預想為包括很多類型的程序，包括成像、化學療法、化療栓塞、 輻射種子、光動力治療、神經外科、腹腔鏡檢查、血管手術和心臟手術。根據本發明的同軸插管也可能被用於非醫療應用，其中具有很難到達的空間，可能是要修理的機器的內部。在以下參考書目中引用的Webster等人的文章中將得知插管彼此如何機械地相互作用的模型。從這一文章，可以看出同軸插管將具有作為所有插管在重疊區域中的組合效果的結果的曲率和彈性。由於活動插管相對於彼此旋轉，因此它們的接合處曲率和曲率平面都改變。因而，插管執行兩種運動設備的尖端運動和側向運動。然而尖端前進是期望特徵，設備的部件插管的側向運動可能引起與組織的碰撞，可能引起傷害。創建同軸插管設備的一個方法考慮在規劃期間管道的相互作用。在與此同時提交的未完待決申請的申請人的備審案件目錄號011868討論了更多關於這種模型。另一方法是事後(post hoc)的，其基於路徑定義部件插管的形狀。這要求在確定路徑之後執行與管道相互作用相關的計算。圖5示出了如此做的程序。在501，發生路徑規劃，例如根據Trovato等人的美國申請s/nl2/088870。在502，結果是同軸插管配置，例如，包括η個交替的筆直區段和弧形區段。這一配置可採取η組/J的形式，其中i是區段的曲率，f是區段的角取向，並且Ii是管道橫截面的轉動慣量。值{^,^；}代表由於裝配管道的相互作用而導致的淨曲率和淨取向。值 (Ki, aj代表管道在被裝配之前的曲率和取向。圖6，雖然圖示了針對路徑規劃的鄰域，也可被認為是圖示了彎曲區段的一些可能角取向，例如，在601，以及在中心的直管602。在圖6中，角度、示出為在圖的平面中被逆時針地測量。所選擇的離散化針對八個不同角度，其是對稱的組且在相鄰曲線之間是45°。 有經驗的技工可以基於特定應用根據期望精度水平的要求，或者取決於所製造的管道—— 例如，六個均勻間隔的線將匹配用於嵌套插管設備中的六邊形管道，來選擇更多或更少的角度。更多的角度提供在規劃期間的更多選擇，但是可能會增加計算時間。有經驗的技工必須權衡這些因素來選擇離散化。角取向α ^皮針對每個管道定義。通常該角度被均勻地分布，然而這不是必須的。例如，α值可以不包括與當前取向相反的管道，從而減少可能最大地壓迫該管道的情形。在503，考慮到插管之間的彈性相互作用，執行計算來修正部署規劃。兩個管道之間的相互作用在平面中的管道曲率的絕對值被定義為彎曲半徑的倒數值。「曲率向量」被定向為垂直於彎曲平面。具有相同角旋轉的η個管道(或者線)之間的相互作用如下定義
權利要求
1.一種用於規劃設備的配置的計算機方法，所述方法包括對數據處理裝置執行操作， 所述操作包括接收作為輸入的針對所述設備的路徑信息，所述路徑信息包括針對同軸插管組的至少一個淨曲率說明，其包括哪些插管在所述同軸插管組中的初始指示；響應於計算在所述初始指示中的插管之間的相互作用來確定至少一個實際淨曲率，所述相互作用歸因於所述插管的至少一個曲率影響屬性；以及響應於所述確定創建針對所述同軸插管組的輸出說明。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述曲率影響屬性包括彈性。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述曲率影響屬性包括曲率半徑。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述曲率影響屬性包括轉動慣量。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述曲率影響屬性包括來自包含彈性、曲率半徑和轉動慣量的組之中的多於一個的屬性。
6.如權利要求1所述的方法，其中，創建包括在基於所述初始指示以從最裡面的插管到最外面的插管的順序考慮插管時迭代地累積相互作用信息。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述輸出說明包括 被編號插管的有序順序；針對每個插管的相應曲率； 針對每個插管的相應長度；以及每個插管的相應取向。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述操作還包括接收將要被探究的空間的表示，其中，所述空間為包含於至少一種介質中的配置空間數據結構的形式；接收可能管道組的表示，其中，所述可能管道組為包含於至少一種介質中的鄰域數據結構的形式；以及基於應用A*以使用度量和所述鄰域來傳播成本波經過所述配置空間來計算所述路徑信息，以得到所述初始指示。
9.如權利要求1所述的方法，其中，創建所述輸出說明包括在所述初始指示之內，從最遠端插管開始；計算當前插管和至少一個更近端插管之間的相互作用以得到所述當前插管和更近端插管的所述實際淨曲率；如果在所述計算操作中的所述插管的所述實際淨曲率不同於所述淨曲率說明，那麼改變所述當前插管和/或所述更近端插管的說明；以及迭代所述計算和改變操作直到到達最近端插管的說明。
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述路徑信息包括交替的筆直區段和彎曲區段。
11.如權利要求10所述的方法，其中，使用具有均衡的曲率影響屬性的管道來實現筆直區段。
12.如權利要求1所述的方法，其中，在所述輸出組中的所有插管具有來自包括轉動慣量、彈性和曲率的組中的至少一個相同的屬性。
13.一種同軸插管組件，響應於如權利要求1所述的方法的所述輸出說明而被裝配，並且根據所述路徑信息而準備用於部署。
14.根據權利要求13的多個同軸插管組件。
15.如權利要求14所述的組件，其中，與來自所述初始指示的所述插管中的至少一個的屬性相關聯的至少一個值，在創建所述輸出說明時並且在確定所述實際淨曲率之後被改變。
16.如權利要求1所述的方法，其中，所述輸出說明是動畫的形式。
17.一種同軸管道的組件，所述管道適於通過延伸而被部署為跟隨規劃路徑，所述組件至少包括具有互補的曲率影響屬性值的第一和第二管道，從而在重疊區域，所述第一和第二管道通過相互的反作用力相互作用而實現期望曲率，從而跟隨所述規劃路徑，所述期望曲率與所述第一和第二管道兩者的相應曲率不同。
18.如權利要求17所述的組件，其中，所述曲率影響屬性是曲率半徑。
19.如權利要求17所述的組件，其中，所述曲率影響屬性是彈性。
20.如權利要求17所述的組件，其中，所述曲率影響屬性是轉動慣量。
21.如權利要求17所述的組件，其中，所述規劃路徑包括交替的筆直區段和彎曲區段， 並且所述第一和第二管道相互作用以實現筆直區段。
22.如權利要求17所述的組件，其中，在所述組件中的至少一些管道從包括針對每個管道直徑的離散曲率組的組中選擇。
23.如權利要求22所述的組件，其中，至少一個管道響應於所述曲率影響屬性的所述值而被從所述離散組改變，從而所述組件跟隨所述規劃路徑。
24.一種計算機可讀介質，其包含用於令數據處理裝置執行操作的程序代碼，所述操作包括接收作為輸入的針對所述設備的路徑信息，所述路徑信息包括針對同軸插管組的至少一個淨曲率說明，其包括哪些插管在所述同軸插管組中的初始指示；響應於計算在所述初始指示中的插管之間的相互作用來確定至少一個實際淨曲率，所述相互作用歸因於所述插管的至少一個曲率影響屬性；以及響應於所述確定創建針對所述同軸插管組的輸出說明。
全文摘要
歸因於影響設備淨曲率的插管之間的相互作用，可以發現針對包括同軸插管組的設備的說明具有與期望路徑不同的實際路徑。通過執行考慮各個插管的包括曲率半徑、彈性和轉動慣量的曲率影響屬性的計算，可以修正對特定插管的選擇。這一計算優選迭代地執行，從最遠端的插管開始經由該插管迭代至最近端，累積曲率影響屬性的淨效應。
文檔編號A61B19/00GK102264313SQ200980153013
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月10日 優先權日2008年12月29日
發明者A·波波維奇, K·I·特羅瓦託 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司