專利名稱：補償同軸插管的規(guī)劃和裝配的制作方法
補償同軸插管的規(guī)劃和裝配本發(fā)明涉及用于插入患者中的伸縮式同軸插管的規(guī)劃和構(gòu)建的領(lǐng)域。以下相關(guān)申請和專利文件通過引用并入本文中·美國專利號4，949，277，1990年8月14日公布，Trovato等人?！っ绹鴮＠?，879，303，1999年3月9日公布，Averkiou等人?！っ绹鴮＠?,604,005，2003年8月5日公布，Dorst等人。·優(yōu)選權(quán)，共同待決的Trovato等人的美國申請s/n 12/088870，于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?！?yōu)選權(quán)，共同待決的Trovato等人的美國臨時申請?zhí)?1/075，886，2008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?zhí)朠CT/IB2009/052650，于2009年6月19日提交?！?yōu)選權(quán)，共同待決的Greenblatt等人的美國臨時申請?zhí)?1/106287，于2008年 10 月 17 日提交(Interlocking Nested Cannula)，其國際申請?zhí)?PCT/IB2009/054474，于 2009年10月12日提交?！?yōu)選權(quán)，共同待決的Trovato的國際申請?zhí)朓B2007/053253，于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?！?yōu)選權(quán)，共同待決的Trovato的美國臨時申請?zhí)?1/075401，于2008年6月 25 日提交(Nested Cannulae for Minimally Invasive Surgery)，其國際申請?zhí)?PCT/ IB2009/052521，于 2009 年 6 月 12 日提交。這些文件，當累積地閱讀時，描述了醫(yī)療應(yīng)用，其概略總結(jié)如下在

圖1中，在掃描設(shè)備102中掃描患者101。該掃描設(shè)備可以為任意適當類型，例如超聲、CT掃描、或者MRI掃描?？梢話呙杌颊呱眢w的任意部分，例如肺部。掃描的結(jié)果將示出患者身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)將是實心組織，但是將處于某些優(yōu)選區(qū)域，例如在大腦之內(nèi)。該醫(yī)療應(yīng)用不限于任意特定的掃描技術(shù)或者任意特定的身體內(nèi)部空間。掃描設(shè)備將包括用于收集和處理來自掃描的數(shù)據(jù)的處理器103。該處理器可為任意適當類型，并且將典型地包括用于存儲可執(zhí)行程序代碼和數(shù)據(jù)的至少一種機器可讀介質(zhì)?？删哂幸环N或多種不同類型的多個處理器和多個存儲介質(zhì)。該處理器通常將具有一些與外部設(shè)備通信的方式。這一處理器圖示為具有用于無線通信的天線105，但是該通信可以同樣良好地線連接至，例如因特網(wǎng)、紅外、經(jīng)由光纖、或者經(jīng)由任意適當?shù)姆椒?。掃描設(shè)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(shè)備、麥克風、揚聲器、打印機和/或任意其他用戶接口外設(shè)。本發(fā)明不限于用于與用戶或者與外部裝備通信的任意特定外設(shè)。雖然所有的處理可以發(fā)生在掃描設(shè)備內(nèi)，但是也可以具有用于執(zhí)行路徑規(guī)劃的外部處理器106，并且假想的“網(wǎng)狀”組來跟隨該路徑。處理器106將與用于存儲數(shù)據(jù)和程序代碼的至少一種介質(zhì)107相聯(lián)合。該介質(zhì)107可以包括各種類型的驅(qū)動器，例如磁的、光的或者電子的，并且也可包括存儲器，例如存在執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緩存。規(guī)劃處理的輸出被示意性地示出，并且包括任意適當格式的技術(shù)說明108，并且也包括同心插管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(yī)療設(shè)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(shù)被稱為 NOTES(自然腔道內(nèi)鏡手術(shù))，其中內(nèi)窺鏡被用于行進經(jīng)過通道。這一類型的手術(shù)不要求手術(shù)目標在管狀通路之內(nèi)，而是通過使工具經(jīng)由現(xiàn)有管道行進以最小損傷地到達目標，從而可以經(jīng)管腔到達目標。已經(jīng)提出了管狀設(shè)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(shè)備依賴于兩個或者更多個管道之間的相互作用來在彼此相對旋轉(zhuǎn)時引起側(cè)向運動。由于它們從彼此延伸，因此它們也能夠引起各種側(cè)向運動，特別是如果它們沿著單獨的管道具有不同曲率時。如果仔細地特征化該運動，那么這些運動能夠被用于達到多個位置，類似于自由空間中的機器人。然而，如果側(cè)向運動大于可利用的回旋空間時，當經(jīng)管腔延伸時，這些設(shè)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(guī)劃路徑相關(guān)的問題。這種設(shè)備可以幫助收集數(shù)據(jù)、采集組織、或者執(zhí)行其他程序。例如，基于患者圖像， 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(jié)構(gòu)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(nèi)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，那么它將被認為是更加遠端的，——并且如果它在被部署時終止在更加近端處，那么是更加近端的。嵌套插管稍微不同于活動插管，因為它們被配置為以最小的側(cè)向運動(扭動)來到達特定環(huán)境中的特定位置。在一種嵌套插管中，該管道被聯(lián)鎖，從而它們不能相對于彼此旋轉(zhuǎn)。插入應(yīng)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，在以上闡明的于2008年10月17日提交的相關(guān)美國臨時申請?zhí)?1/106287 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。然后在302 創(chuàng)建圖像，該圖像指示禁止區(qū)域以及，典型地，用于穿過其他區(qū)域的成本。例如，可以將該圖像分割為從圖像的其余部分提取出如圖2所示的氣道。然后在303規(guī)劃出包括一系列形狀的路徑。如在現(xiàn)有的路徑規(guī)劃應(yīng)用中所描述地，這要求定義種子位置以開始搜索。隨后，構(gòu)建實現(xiàn)特定形狀的同軸插管設(shè)備，該同軸插管由從業(yè)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(zhí)行期望程序。由于現(xiàn)代技術(shù)的靈活性，很多的這些操作可以被遠程地執(zhí)行。例如，可以在一個位置處將數(shù)據(jù)處理為內(nèi)部空間的模型(例如，分割的)。可以在第二位置處規(guī)劃經(jīng)過該空間的路徑以及適合于跟隨那一路徑的設(shè)備。然后在將該設(shè)備返回技術(shù)員或者醫(yī)師以用于插入到患者中之前，可在第三位置處裝配該設(shè)備。優(yōu)選地，將在具有良好質(zhì)量和衛(wèi)生控制的制造設(shè)
5施中執(zhí)行該嵌套插管設(shè)備的裝配；然而，也可能是在一單獨位置處執(zhí)行所有的這些步驟，并且醫(yī)師自己裝配要被插入的設(shè)備。已經(jīng)提出使用A*類型路徑規(guī)劃來便于活動插管的部署，見例如，于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，通過引用將其全部并入本文中，并且作為這一申請的一部分。這一類型的規(guī)劃利用了“配置空間”。“配置空間”是存儲于至少一個機器可讀介質(zhì)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該配置空間代表關(guān)于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(nèi)部結(jié)構(gòu)。該配置空間包括很多“節(jié)點”或者“狀態(tài)”，每個代表在插入期間設(shè)備的配置。圖4示出了由Trovato等人的美國臨時申請?zhí)?1/075886教導的用于在配置空間中創(chuàng)建節(jié)點的源程序代碼，其優(yōu)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(zhuǎn)換為機器可執(zhí)行代碼，并且被包含于介質(zhì)中以由本發(fā)明使用。當代碼被執(zhí)行時，它將引起被包含于介質(zhì)中的配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這一特定代碼對于人體的內(nèi)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(tài)位置來推斷它們，從而允許將6D空間壓縮為3D。當被應(yīng)用于配置空間時，A*或者“成本波傳播”將搜索配置空間，在每個可訪問狀態(tài)留下引導至“到達種子的最佳路徑”的方向，例如指針?！俺杀静ǖ膫鞑ァ卑瑥乃阉鞣N子 (通常是目標點)開始。成本波經(jīng)過配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的傳播利用了被稱為“鄰域”的包含于介質(zhì)中的額外類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該鄰域是從配置空間中的一個狀態(tài)到該配置空間之內(nèi)的其他狀態(tài)的允許轉(zhuǎn)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于給定位置的八個均勻間隔旋轉(zhuǎn)。弧的長度根據(jù)應(yīng)用可以被限制為少于90 或者180度，并且在中央示出的線(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”，其是評估由于從一個狀態(tài)到鄰近狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而引起的成本的函數(shù)。在本文中使用的術(shù)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(fā)明可適用于這兩種類型。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(shè)計或者預先調(diào)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，那么它將返回至其“設(shè)計的形狀”。鎳鈦諾的另一優(yōu)點在于它能夠在MRI機器內(nèi)使用。它是相對堅固的材料并且因而能夠?qū)⑵浔谧龀珊鼙。沟脦讉€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，特別是對于低成本的聯(lián)鎖嵌套插管。規(guī)劃的結(jié)果優(yōu)選是·可部署的物理同軸插管組；和/或·對插管組的數(shù)量、長度和彎曲半徑的說明。對于現(xiàn)有方法和設(shè)備存在某些改進方面。例如，通過在同軸插管組被規(guī)劃之后調(diào)整其說明，考慮響應(yīng)于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(zhuǎn)動慣量。進一步的目的和優(yōu)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(fā)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(fā)明執(zhí)行于其中的過程的示意性流程圖；圖4示出了用于配置空間狀態(tài)的程序代碼的例子(CSNODE)；圖5的流程圖示出了后規(guī)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于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(qū)段和筆直區(qū)段的同軸插管組件；圖8示出了具有多于一個曲率半徑的管道；圖9示出了在肺部之內(nèi)部署的同軸插管組件；圖10是與同軸插管組件相關(guān)的排序和制作過程的示意圖；圖11是與同軸插管組件的說明相關(guān)的動畫。在本文中，術(shù)語“管道”和“插管”將可互換地用于提及將要被部署的設(shè)備的部件。 習語“曲率半徑”、“彎曲半徑”和“管道曲率”都將可互換地用于提及管道的曲率。術(shù)語“半徑”、“直徑”、“管道半徑”和“管道直徑”都將用于提及管道橫截面的幾何尺寸?！皟羟省睂⒂糜谔峒坝擅總€部件管道的單個屬性導致的管道組件的曲率。本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)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(jīng)外科、腹腔鏡檢查、血管手術(shù)和心臟手術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的同軸插管也可能被用于非醫(yī)療應(yīng)用，其中具有很難到達的空間，可能是要修理的機器的內(nèi)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(qū)域中的組合效果的結(jié)果的曲率和彈性。由于活動插管相對于彼此旋轉(zhuǎn)，因此它們的接合處曲率和曲率平面都改變。因而，插管執(zhí)行兩種運動設(shè)備的尖端運動和側(cè)向運動。然而尖端前進是期望特征，設(shè)備的部件插管的側(cè)向運動可能引起與組織的碰撞，可能引起傷害。創(chuàng)建同軸插管設(shè)備的一個方法考慮在規(guī)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(guān)于這種模型。另一方法是事后(post hoc)的，其基于路徑定義部件插管的形狀。這要求在確定路徑之后執(zhí)行與管道相互作用相關(guān)的計算。圖5示出了如此做的程序。在501，發(fā)生路徑規(guī)劃，例如根據(jù)Trovato等人的美國申請s/nl2/088870。在502，結(jié)果是同軸插管配置，例如，包括η個交替的筆直區(qū)段和弧形區(qū)段。這一配置可采取η組/J的形式，其中i是區(qū)段的曲率，f是區(qū)段的角取向，并且Ii是管道橫截面的轉(zhuǎn)動慣量。值{^,^；}代表由于裝配管道的相互作用而導致的凈曲率和凈取向。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(guī)劃的鄰域，也可被認為是圖示了彎曲區(qū)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(jīng)驗的技工可以基于特定應(yīng)用根據(jù)期望精度水平的要求，或者取決于所制造的管道—— 例如，六個均勻間隔的線將匹配用于嵌套插管設(shè)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(guī)劃期間的更多選擇，但是可能會增加計算時間。有經(jīng)驗的技工必須權(quán)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(zhí)行計算來修正部署規(guī)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(shù)值?！扒氏蛄俊北欢ㄏ驗榇怪庇趶澢矫?。具有相同角旋轉(zhuǎn)的η個管道(或者線)之間的相互作用如下定義
權(quán)利要求
1.一種用于規(guī)劃設(shè)備的配置的計算機方法，所述方法包括對數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行操作， 所述操作包括接收作為輸入的針對所述設(shè)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凈曲率說明，其包括哪些插管在所述同軸插管組中的初始指示；響應(yīng)于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凈曲率，所述相互作用歸因于所述插管的至少一個曲率影響屬性；以及響應(yīng)于所述確定創(chuàng)建針對所述同軸插管組的輸出說明。
2.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的方法，其中，所述曲率影響屬性包括轉(zhuǎn)動慣量。
5.如權(quán)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(zhuǎn)動慣量的組之中的多于一個的屬性。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，創(chuàng)建包括在基于所述初始指示以從最里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(quán)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(yīng)曲率； 針對每個插管的相應(yīng)長度；以及每個插管的相應(yīng)取向。
8.如權(quán)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，所述空間為包含于至少一種介質(zhì)中的配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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于至少一種介質(zhì)中的鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式；以及基于應(yīng)用A*以使用度量和所述鄰域來傳播成本波經(jīng)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(quán)利要求1所述的方法，其中，創(chuàng)建所述輸出說明包括在所述初始指示之內(nèi)，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凈曲率；如果在所述計算操作中的所述插管的所述實際凈曲率不同于所述凈曲率說明，那么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(quán)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(qū)段和彎曲區(qū)段。
11.如權(quán)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(xiàn)筆直區(qū)段。
12.如權(quán)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(zhuǎn)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(yīng)于如權(quán)利要求1所述的方法的所述輸出說明而被裝配，并且根據(jù)所述路徑信息而準備用于部署。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的多個同軸插管組件。
15.如權(quán)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(guān)聯(lián)的至少一個值，在創(chuàng)建所述輸出說明時并且在確定所述實際凈曲率之后被改變。
16.如權(quán)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，所述管道適于通過延伸而被部署為跟隨規(guī)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(qū)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(xiàn)期望曲率，從而跟隨所述規(guī)劃路徑，所述期望曲率與所述第一和第二管道兩者的相應(yīng)曲率不同。
18.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求17所述的組件，其中，所述曲率影響屬性是轉(zhuǎn)動慣量。
21.如權(quán)利要求17所述的組件，其中，所述規(guī)劃路徑包括交替的筆直區(qū)段和彎曲區(qū)段， 并且所述第一和第二管道相互作用以實現(xiàn)筆直區(qū)段。
22.如權(quán)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(quán)利要求22所述的組件，其中，至少一個管道響應(yīng)于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(guī)劃路徑。
24.一種計算機可讀介質(zhì)，其包含用于令數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)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(shè)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凈曲率說明，其包括哪些插管在所述同軸插管組中的初始指示；響應(yīng)于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凈曲率，所述相互作用歸因于所述插管的至少一個曲率影響屬性；以及響應(yīng)于所述確定創(chuàng)建針對所述同軸插管組的輸出說明。
全文摘要
歸因于影響設(shè)備凈曲率的插管之間的相互作用，可以發(fā)現(xiàn)針對包括同軸插管組的設(shè)備的說明具有與期望路徑不同的實際路徑。通過執(zhí)行考慮各個插管的包括曲率半徑、彈性和轉(zhuǎn)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(yōu)選迭代地執(zhí)行，從最遠端的插管開始經(jīng)由該插管迭代至最近端，累積曲率影響屬性的凈效應(yīng)。
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(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者A·波波維奇, K·I·特羅瓦托 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司