專利名稱：用于嵌套插管的受控部署的自動系統的制作方法
用于嵌套插管的受控部署的自動系統本發明涉及嵌套插管的精確部署和嵌套插管控制，以使得該嵌套插管能夠到達患者任意解剖區域之內的多個位置。近年來，歸因于微創程序能夠允許在無通常由開放性手術導致的損傷的情況下， 進行診斷或者手術治療，其使用已經得到不斷發展。微創手術程序也可以允許安全地進入以前不能夠到達的解剖區域。在微創手術程序中所利用的典型工具可以包括剛性腹腔鏡設備、機器人設備、或者利用類似牽線木偶的繩進行控制的觀察儀器。每一個這些設備都帶來某些限制并具有固有的缺點。例如，剛性腹腔鏡設備在身體的內部和外部中都需要用于操縱的開放空間。這一空間要求使得在很多類型的程序中都排除了剛性腹腔鏡設備的使用。由于機器人設備依賴電機來控制每個關節角度，因此它們不能夠深入到達人體。 相對于身體的微小解剖空間，電機通常是很大的。機器人關節的數量限制了機器人可以穿通的環境的復雜性。機器人通常具有六個自由度，從而它們可以從特定取向到達自由空間中的固定點。外加的解剖性障礙也有力地減小了其余的有效自由度。附加的電機提高了靈巧性，但是也增加了重量和尺寸。例如，具有七個自由度的機器人設備通常很重，并且常常很難平穩地控制。由類似牽線木偶的繩來控制的觀察儀器，例如支氣管鏡和內窺鏡，依賴牽線木偶的繩來控制觀察儀器的末端部分。雖然比機器人設備更細，但是觀察儀器遠端處僅僅控制一個弧形也是個顯著的限制。此外，類似牽線木偶的繩的使用要求額外增加設備的半徑。嵌套插管通過將預期運動構建到嵌套插管的構造中使得不需要電機和導線，從而克服了這些限制，并且這些小而細的設備能夠深入到達人體的解剖結構。具體而言，嵌套插管典型地由多個以特定方式成形的同心預彎曲的聚合物或者超彈性管制成以在避開解剖性“障礙”的同時到達目標。每個管可以伸縮出入其他管，并且也可以被扭轉。醫師可以利用各個管的相互作用和操縱以將各個管的遠端定位在期望位置。本發明提供了一種嵌套插管的新穎而獨特的電機控制，其基于每個插管的獨立旋轉和平移來便于嵌套插管的相繼運動、同時運動或者其組合，從而擴大了嵌套插管的達到范圍和重復使用。本發明的一種形式是采用以下的插管控制設備平臺和至少一個，但典型地為兩個或者更多個插管控制單元。每個插管控制單元包括插管；旋轉電機組件，其與該插管機械連接，用于將該插管相對于校準取向旋轉至特定的旋轉取向，其中該校準取向與該插管控制單元和/或該平臺相關聯，以及平移電機組件，其與該平臺機械連接，用于將該插管控制單元相對于校準位置平移至特定的平移位置，其中該校準位置與該插管控制單元和/或該平臺相關聯。本發明的第二種形式是采用以下的插管控制系統如先前段落描述的插管控制設備，和一個或多個的與該插管控制設備電氣通信的電機控制器以將一個或多個電機激活信號選擇性地應用于該插管控制設備。每個電機激活信號指示(一個或多個)插管的計劃部署，尤其是在(人類或者動物)身體的解剖區域之內的(一個或多個)插管的計劃部署。
4
通過以下結合附圖對本發明各種實施例的詳細描述，本發明的前述形式和其他形式以及本發明的各種特征和優點將變得顯而易見。詳細描述和附圖對本發明僅僅起說明作用而不是限制作用，本發明的范圍由權利要求書及其等同物來定義。圖IA和IB圖示了現有技術中已知的一對插管；圖2A和2B分別圖示了根據本發明的插管控制單元的示例性實施例的方框圖的前視圖和側視圖；圖3A和:3B分別圖示了根據本發明的插管控制設備的示例性實施例的側視圖和前視圖；圖4和5圖示了在圖3A和;3B中圖示的插管控制設備的兩個(2)操作視圖；圖6圖示了根據本發明的插管控制系統的示例性實施例；圖7圖示了根據本發明的示例性插管控制方法的流程圖表示；圖8和9圖示了根據本發明的預定義插管組的重復使用；
圖10圖示了現有技術中已知的吸引導管；圖11圖示了根據本發明的示例性插管控制設備構造方法的流程圖表示；圖12A-18圖示了根據圖11所示流程圖來構造插管控制設備的各個步驟。本發明針對任意類型插管的受控部署，該插管例如是圖1中所示的直插管20、圖 1中所示的彎曲插管21、或者螺旋狀插管(未示出)。如于此將進一步說明的，根據本發明的單一插管的受控部署涉及將插管相對于校準取向旋轉到特定的旋轉取向。可選地或者同時地，根據本發明的單一插管的受控部署涉及將插管相對于校準位置平移到特定的平移位置。本發明還針對任意布置的嵌套插管的受控部署，該嵌套插管例如是圖2中所示的嵌套插管22和23，其中插管23可以在內部旋轉并且在完全嵌套狀態(“FNS”)和多個伸出狀態(“EXS”)之一之間可移動。如于此將進一步說明的，根據本發明的嵌套插管的受控部署涉及將每個插管相對于校準取向旋轉到特定的旋轉取向。可選地或者同時地，根據本發明的嵌套插管的受控部署涉及將每個插管相對于校準位置平移到特定的平移位置。實際上，每個插管的構造和尺寸都將取決于相應的插管程序。因而，本發明不在超出相應插管程序所強加的任何約束或者任何限制的范圍之外對每個插管的構造和尺寸加以任何約束或者任何限制。同樣，插管實際上可以由各種材料或者材料的組合來制造，包括但不限于，形狀記憶合金(例如，鎳鈦合金)，和/或形狀記憶聚合物(例如，來自康涅狄格州貝瑟爾的Memry 公司和德國亞琛的Mnemc^cience股份有限公司的商業上可獲得的微管)。聚合物通常是一個劃算的選擇。本發明控制單一插管或者嵌套插管的部署的前提是利用X個如圖2A所示的插管控制單元40，其中1。每個插管控制單元40采用旋轉電機組件50和平移電機組件60。出于本發明的目的，“旋轉電機組件”于此廣泛定義為與(一個或多個)齒輪、(一個或多個)螺釘、(一個或多個)帶、(一個或多個)鏈齒輪、(一個或多個)編碼器、(一個或多個)傳感器和/或其他適當的機電部件相聯合的電機的任意獨立結構性布置，以用于將插管30相對于校準取向旋轉到特定的旋轉取向，例如如圖2A所示，插管30相對于校準取向31到特定旋轉取向的旋轉。出于本發明的目的，可選地或者同時地，“旋轉電機組件”于此廣泛定義為與外部電機機械連接的(一個或多個)齒輪、(一個或多個)螺釘、(一個或多個)帶、(一個或多個)鏈齒輪、(一個或多個)編碼器、(一個或多個)傳感器和/或其他適當的機電部件的任意獨立結構性布置，以用于將插管30相對于校準取向旋轉到特定的旋轉取向。如本文中的之前描述，插管30的構造和尺寸將取決于相應的插管程序。同樣，出于本發明的目的，“平移電機組件”于此廣泛定義為與(一個或多個)齒輪、(一個或多個)螺釘、(一個或多個)帶、(一個或多個)鏈齒輪、(一個或多個)編碼器、(一個或多個)傳感器和/或其他適當的機電部件相聯合的電機的任意獨立結構性布置，以用于將插管控制單元40相對于校準位置以前向運動或者反向運動平移到特定的平移位置，例如如圖2B所示，插管控制單元40相對于校準位置32的前向或者反向的線性平移。出于本發明的目的，可選地或者同時地，“平移電機組件”于此廣泛定義為與(一個或多個)齒輪、(一個或多個)螺釘、(一個或多個)帶、(一個或多個)鏈齒輪、(一個或多個)編碼器、(一個或多個)傳感器和/或與外部電機機械連接的其他適當的機電部件相聯合的電機的任意獨立結構性布置，以用于將插管控制單元40相對于校準位置前向或者反向平移到特定的平移位置。為了便于對插管控制單元40的發明原理的進一步理解，圖3A圖示了采用兩個 (2)插管控制單元40(1)和4(K2)的插管控制設備70的示例性實施例，其中插管控制單元 40 (1)的插管30 (1)是彎曲插管(例如，圖1中所示的彎曲插管21)，而插管控制單元40 (2) 的插管30( 是直插管(例如，圖1中所示的直插管20)。插管控制設備70還采用了具有基底81和兩個(2)相對的壁82和83的平臺80， 該壁82和83從基底81向上延伸以支撐沿著基底81長度的軌道85。軌道85延伸穿過插管控制單元40的每個平移電機組件60，并通過便于每個插管控制單元40以獨立方式、同步方式或者其組合的方式向前或者相反方向的任意方式來與每個平移電機組件60機械連接。在一個實施例中，每個平移電機組件60具有獨立的內部電機以將其對應的插管控制單元40沿著軌道85以前向或者反向相對于與插管控制單元40相關聯的校準位置平移到特定平移位置(例如，插管控制單元40沿著軌道85的編碼基線位置)。可選地或者同時地， 在另一實施例中，每個平移電機組件60外部的電機使軌道85旋轉和/或平移，由此同時將插管控制單元40沿著軌道85以前向或者反向相對于與插管控制單元40相關聯的校準位置平移到特定平移位置(例如，由伺服電機確定的相對于基底81的編碼基線位置)。每個插管30的近端通過任意方式機械連接到對應的插管控制單元40的旋轉電機組件50，并且以便于插管30穿過前壁83的插管通道84的受控部署的方式嵌套插管30的遠端。在一個實施例中，每個旋轉電機組件50具有獨立的內部電機以將相應的插管控制單元40相對于與相應的插管控制單元40 (例如，插管控制單元40沿著軌道85的編碼基線取向)和/或平臺80 (例如，如圖;3B所示的相對于插管通道84的基線取向86)相關聯的校準位置旋轉至特定的取向位置。可選地或者同時地，在另一實施例中，插管控制單元40外部的電機獨立地將機械能量給予每個旋轉電機組件50，因而將相應的插管控制單元40相對于與相應的插管控制單元40和/或平臺80相關聯的校準位置旋轉至特定的取向位置。在使用時，圖3A圖示了插管控制設備70的完全嵌套狀態。在這一嵌套狀態下，插管30(1)已經相對于與插管通道84相關的校準取向85被預校準到特定的旋轉取向。圖4圖示了圖3A所示的插管控制設備在身體90的解剖區域之內的完全伸出狀態。在這一完全伸出狀態下，每個平移電機組件60已經被激活以將插管30穿過插管通道 84和身體90的進入點91延伸至身體90解剖區域之內的特定位置，以到達目標92。如所示，插管30( 在從插管通道84伸出時維持其直的構造，而插管30(1)在從插管30(2)伸出時以相對于校準取向86(圖3B)的180°旋轉取向恢復其弧形構造。圖5圖示了圖3A所示的插管控制設備在身體93的解剖區域之內的部分伸出狀態。在這一部分伸出狀態下，每個平移電機組件60被激活以將插管30穿過插管通道84和身體93的進入點94平移至身體93解剖區域之內的特定位置，以到達目標95。如所示，插管30 (2)在從插管通道84伸出時維持其直的構造，而插管30(1)在從插管30 (2)伸出時以相對于校準取向86 (圖;3B)的0°旋轉取向恢復其弧形構造。圖3-5是本發明的插管控制設備的簡單圖示，其強調了本發明的顯著益處。具體而言，鑒于電機組件50和60的操作特性，圖4所示的插管30從插管通道84伸出的距離要大于圖5所示的插管30從插管通道84伸出的距離，并且圖4和5所示的插管30 (1)的角度取向具有180°的差別。這強調了這樣的事實單一的插管組可以在同樣的嵌套狀態下被重復使用以到達同一身體之內的各種目標，并且在適當消毒的條件下到達如圖4和5所示的不同身體之內的不同目標。為了便于對插管控制單元40的發明原理的更進一步理解，圖6圖示了采用插管控制設備100和一個或多個電機控制器101的插管控制系統，所述插管控制設備100具有兩個(2)插管控制單元40(3)和4(K4)。出于本發明的目的，“電機控制器”于此廣泛定義為結構上構造為在執行(一個或多個)插管的計劃部署時將電機激活信號(例如，設定點) 選擇性地應用到本發明的插管控制設備的任意設備。例如，圖6所示的(一個或多個)電機控制器101在執行這一特定插管的計劃部署時，出于部署插管控制單元40 (3)的插管的目的，將旋轉激活信號和平移激活信號的信號組102應用于插管控制設備100。響應于旋轉激活信號，插管控制單元40 C3)的旋轉電機組件(未示出)將其插管相對于由旋轉激活信號指示的校準取向旋轉至特定的旋轉取向。 在插管控制單元40(3)的插管具有直的構造的情況下，旋轉激活信號可具有空白值或者可以從信號組102中省略。響應于平移激活信號，插管控制單元40(3)的平移電機組件(未示出)將其插管相對于由平移激活信號指示的校準位置平移至特定的平移位置。同樣，圖6所示的(各)電機控制器101在執行這一特定插管的計劃部署時，出于部署插管控制單元4(Κ4)的插管的目的，而將旋轉激活信號和平移激活信號的信號組103 應用于插管控制設備100。響應于旋轉激活信號，插管控制單元40 (4)的旋轉電機組件(未示出)將其插管相對于由旋轉激活信號指示的校準取向旋轉至特定的旋轉取向。在插管控制單元4(Κ4)的插管具有直的構造的情況下，旋轉激活信號可具有空白值或者可以從信號組103中省略。響應于平移激活信號，插管控制單元4(Κ4)的平移電機組件(未示出)將其插管相對于由平移激活信號指示的校準位置平移至特定的平移位置。本領域技術人員將意識到，當插管在身體的解剖區域內平移時，插管可能需要維持它們的相對位置，例如當插管在身體的解剖區域內平移時，相應的插管程序要求工具之類的插入，所述插入必須在插管之前維持一位置。因而，可選地，插管控制單元40 (3)和 40(4)的插管的旋轉在以同時方式執行插管的平移時保持獨立。具體而言，信號組102可以代表(一個或多個)旋轉激活信號以將(一個或多個)插管旋轉至特定的(一個或多個)旋轉取向。相比較，信號組103可以代表用于以前向同時平移插管的向前平移信號和用于以反向同時平移插管的反向平移信號。現在，這里將結合涉及插管在身體解剖區域之內的部署的插管程序描述由圖7所示的流程圖110表示的本發明的插管控制方法。通過對流程圖110的這些說明，本領域技術人員將意識到如何將本發明的插管控制方法應用到其它類型的插管程序。具體而言，流程圖110的步驟Slll包括插管產生方案和插管選擇方案。在產生方案中，步驟Slll通常結合了 (a)讀取身體解剖區域的三維圖像(例如，CT、超聲、PET、 SPECT、MRI)，(b)在該三維圖像中從特定位置和取向產生一系列弧形，(c)使用所產生的系列弧形來計算穿過身體的在入口和目標位置之間的路徑，計算時使用所產生的系列弧形來穿過該點，(d)使用所產生的系列弧形和所計算的路徑來產生一個或多個同心伸縮管，該管的構造和尺寸形成為到達目標位置，以及(e)將每個插管機械連接至插管控制單元的旋轉電機組件。在本發明的選擇方案中，步驟Slll通常結合了 (a)讀取身體解剖區域的三維圖像，(b)計算穿過身體的在入口和目標位置之間的路徑，以及(c)選擇一個或多個插管控制單元，其具有先前產生的、其構造和尺寸形成為到達目標位置的(一個或多個)插管。例如，以下的表1列出了用于到達圖8所示的目標位置96和用于到達圖9所示的不同的目標位置97的四個(4)嵌套插管M-27的構造表 權利要求
1.一種插管控制設備(70)，其包括 平臺(80)；以及至少一個插管控制單元(40)，其中，每個插管控制單元00)包括插管(30)， 旋轉電機組件(50)，其與所述插管(30)機械連接，用于將所述插管(30)相對于校準取向旋轉至特定的旋轉取向，其中所述校準取向與所述插管控制單元GO)和所述平臺(80) 中的至少一個相關聯，以及平移電機組件(60)，其與所述平臺(80)機械連接，用于將所述插管控制單元GO)相對于校準位置平移至特定的平移位置，其中所述校準位置與所述插管控制單元GO)和所述平臺(80)中的至少一個相關聯。
2.如權利要求1所述的插管控制設備(70)，其中，第一插管控制單元GO)還包括摩擦配合在第一旋轉電機組件(50)之內的適配器(131)；并且其中，所述第一插管(30)的近端摩擦配合在所述適配器(131)之內，從而將所述第一插管(30)機械連接至所述第一旋轉電機組件(50)。
3.如權利要求2所述的插管控制設備(70)，其中，所述第一插管控制單元G0)還包括可平移的板(141)；并且其中，所述第一插管(30)的遠端被導入穿過所述可平移的板(141)。
4.如權利要求1所述的插管控制設備(70)，其中，所述平臺(80)包括軌道(85)，其螺紋穿過每個平移電機組件(60)，從而將每個平移電機組件(60)機械連接至所述平臺(80)。
5.如權利要求1所述的插管控制設備(70)，其中，所述平臺(80)包括前壁(83)，其具有插管引導通道，以便于至少一個插管(30)從所述平臺(80)伸出。
6.如權利要求1所述的插管控制設備(70)，其中，所述平臺(80)還包括安裝在所述前壁(83)上，以用于建立所述校準取向的校準機構(186)。
7.如權利要求1所述的插管控制設備(70)，其中，所述至少一個插管(30)包括直插管、彎曲插管和螺旋狀插管中的至少一個。
8.一種插管控制系統，其包括 插管控制設備(70)，其包括平臺(80)，以及至少一個插管控制單元(40)，其中，每個插管控制單元00)包括插管(30)，旋轉電機組件(50)，其與所述插管(30)機械連接，用于將所述插管(30)相對于校準取向旋轉至特定的旋轉取向，其中所述校準取向與所述插管控制單元G0)和所述平臺(80) 中的至少一個相關聯，以及平移電機組件(60)，其與所述平臺(80)機械連接，用于將所述插管控制單元G0)相對于校準位置平移至特定的平移位置，其中所述校準位置與所述插管控制單元G0)和所述平臺(80)中的至少一個相關聯；以及至少一個電機控制器，其與所述插管控制設備(70)電氣通信，用于將電機激活信號選擇性地應用于插管控制設備(70)，其中，所述電機激活信號指示所述至少一個插管(30)的計劃部署。
9.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，第一插管控制單元GO)還包括摩擦配合在第一旋轉電機組件(50)之內的適配器(131)；并且其中，所述第一插管(30)的近端摩擦配合在所述適配器(131)之內，從而將所述第一插管(30)機械連接至所述第一旋轉電機組件(50)。
10.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，所述第一插管控制單元GO)還包括可平移的板(141)；并且其中，所述第一插管(30)的遠端被導入穿過所述可平移的板(141)。
11.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，所述平臺(80)包括軌道(85)，其螺紋穿過每個平移電機組件(60)，從而將每個平移電機組件(60)機械連接至所述平臺(80)。
12.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，所述平臺(80)包括前壁(83)，其具有插管引導通道，以便于至少一個插管(30)從所述平臺(80)伸出。
13.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，所述平臺(80)還包括安裝在所述前壁 (83)上，以用于建立所述校準取向的校準機構(186)。
14.如權利要求8所述的插管控制系統，其中，所述至少一個插管(30)包括直插管、彎曲插管和螺旋狀插管中的至少一個。
15.一種在包括插管(30)、與所述插管(30)機械連接的旋轉電機組件(50)、以及與所述平臺(80)機械連接的平移電機組件(60)的插管控制單元00)中，控制所述插管(30) 的部署的方法，所述方法包括操作所述旋轉電機組件(50)以將所述插管(30)相對于校準取向旋轉至特定的旋轉取向，其中所述校準取向與所述插管控制單元GO)和所述平臺(80)中的至少一個相關聯，以及操作所述平移電機組件(60)以將所述插管控制單元GO)相對于校準位置平移至特定的平移位置，其中所述校準位置與所述插管控制單元G0)和所述平臺(80)中的至少一個相關聯。
全文摘要
插管控制設備(70)采用平臺(80)和一個或者多個的插管控制單元(40)。每個插管控制單元(40)包括插管(30)；旋轉電機組件(50)，其與該插管(30)機械連接，用于將該插管(30)相對于校準取向旋轉至特定的旋轉取向，其中該校準取向與插管控制單元(40)和/或平臺(80)相關聯；以及平移電機組件(60)，其與該平臺(80)機械連接，用于將該插管控制單元(40)相對于校準位置平移至特定的平移位置，其中該校準位置與該插管控制單元(40)和/或該平臺(80)相關聯。設備(70)的(一個或多個)插管(30)能夠精確地到達各種目標位置，尤其在同一身體或者不同身體的解剖區域之內。
文檔編號A61M25/01GK102159275SQ200980135929
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月1日 優先權日2008年9月16日
發明者K·I·特羅瓦托, N·D·馬爾丘克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司