CN110996829A - 柔性细长装置***和方法 - Google Patents

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Abstract

柔性细长装置***和方法包括具有柔性主体和轴向支撑结构的柔性细长装置。轴向支撑结构包括沿轴向支撑结构的长度延伸的至少一个凹槽。柔性细长装置还包括用于致动柔性细长装置的多个控制元件。多个控制元件中的每一个延伸通过轴向支撑结构的至少一个凹槽中的一个。在一些实施方式中，至少一个凹槽包括围绕轴向支撑结构周向间隔的多个凹槽。在一些实施方式中，柔性主体包括延伸通过凹槽中的至少一个的内腔。控制元件设置在内腔中。在一些实施方式中，柔性主体包括在中心延伸通过柔性主体的主内腔。主内腔为医学工具提供通道。

Description

柔性细长装置***和方法
相关申请
本公开要求于2017年7月21日提交的题为“柔性细长装置***和方法”的美国临时专利申请第62/535,673号的优先权和权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于柔性细长装置的支撑结构。
背景技术
微创医疗技术旨在减少医学程序期间受损的组织数量，从而减少患者的康复时间、不适感和有害副作用。此类微创技术可通过患者解剖结构中的自然孔口或者通过一个或多个手术切口来执行。通过这些自然孔或切口，医师可***微创医疗器械(包括手术、诊断、治疗或活检器械)，以到达目标组织位置。一种此类微创技术是使用柔性和/或可操纵细长装置，诸如柔性导管，其可被***解剖学通道中并且导向患者解剖学结构内的感兴趣区域。在一些应用中，柔性和/或可操纵细长装置在操作期间承受轴向载荷(例如，沿细长装置的轴向方向的拉力和/或推力)。如果轴向载荷超过细长装置的轴向强度，则细长装置和/或医学器械可被损坏，并且患者可受伤。
因此，为适于在微创医疗技术期间使用的柔性和/或可操纵细长装置(诸如可操纵导管)提供支撑结构将是有利的。
发明内容
通过说明书所附的权利要求书最佳概括本发明的实施方式。
根据一些实施方式，柔性细长装置包括柔性主体和轴向支撑结构。轴向支撑结构包括沿轴向支撑结构的长度延伸的至少一个凹槽。柔性细长装置还包括用于致动柔性细长装置的多个控制元件。多个控制元件中的每一个延伸通过轴向支撑结构的至少一个凹槽中的一个。
根据一些实施方式，控制具有柔性主体和轴向支撑结构的柔性细长装置的方法包括致动多个控制元件，控制元件中的每一个延伸通过轴向支撑结构中至少一个凹槽中对应的一个。
根据一些实施方式，由一个或多个控制元件致动的可操纵导管包括近侧区段，该近侧区段包括一个或多个导管，以将施加到该一个或多个控制元件的致动力从近侧区段的远侧端部转移到近侧端部；过渡区段，该过渡区段包括阻挡器，以防止一个或多个导管沿可操纵导管轴向移动；以及远侧区段，该远侧区段包括轴向支撑结构，以支撑远侧区段抵抗由一个或多个控制元件生成的轴向载荷。
应理解，前面的一般描述和下面的详细描述两者在本质上均是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解，而不限制本公开的范围。就这一点而言，根据以下详细描述，本公开的附加方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
专利或申请文件含有至少一幅彩色执行的附图。具有彩色图纸(一幅或多幅)的本专利或专利申请出版物的副本将由专利局根据要求提供，并支付必要的费用。
图1是根据一些实施方式的远程操作医学***的简化图。
图2A是根据一些实施方式的医学器械***的简化图。
图2B是根据一些实施方式的具有延伸的医学工具的医学器械的简化图。
图3A和图3B是根据一些实施方式的包括安装在***组件上的医学器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。
图4A至图4C是根据一些实施方式的柔性细长装置的简化图。
图5A至图5C是根据一些实施方式的柔性细长装置的轴向支撑结构的简化图。
图5D和图5E是根据一些实施方式的经受弯曲的柔性细长装置的轴向支撑结构上的载荷和应力的简化图。
图5F是根据一些实施方式的柔性细长装置的替代轴向支撑箍结构的简化图。
图6A至图6B是根据一些实施方式的柔性细长装置的远侧区段的简化图。
图7A至图7B是根据一些实施方式的柔性细长装置的近侧区段的简化图。
图8A至图8B是根据一些实施方式的柔性细长装置的阻挡器的简化图。
图9是根据一些实施方式的柔性细长装置的远侧安装件的简化图。
图10是根据一些实施方式的具有键接(keyed)内腔的柔性主体的简化图。
图11是根据一些实施方式的柔性细长装置的轴向支撑结构的简化图。
图12是根据一些实施方式的柔性细长装置的远侧区段的简化图。
通过参考下面的详细描述，可最佳理解本公开的实施方式及其优点。应理解，相同的附图标记用于标识在附图中的一个或多个中图示的相似元件，其中的显示是为了图示本公开的实施方式而不是为了限制本公开。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述描述与本公开一致的一些实施方式的具体细节。为了提供对实施方式的透彻理解，阐述许多具体细节。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，一些实施方式可在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实施。本文所公开的具体实施方式意在说明而非限制。本领域的技术人员可认识到尽管在此未具体描述但在本公开的范围和精神内的其它元件。另外，为了避免不必要的重复，除非另外特别描述或者如果一个或多个特征会使施例不起作用，则与一个实施方式相关联示出和描述的一个或多个特征可结合到其它实施方式中。
在一些情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序、组件和电路，以免不必要地模糊实施方式的各方面。
本公开根据其在三维空间中的状态描述各种器械和器械的部分。如本文所用，术语“位置(position)”是指物体或物体的一部分在三维空间中的位置(例如，沿笛卡尔x、y和z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“取向(orientation)”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度——例如，滚动、俯仰和偏航)。如本文所用，术语“姿势(pose)”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置，以及该物体或物体的一部分在至少一个旋转自由度(最多六个自由度)中的取向。如本文所用，术语“形状(shape)”是指沿对象测量的一组姿势、位置或取向。
图1是根据一些实施方式的远程操作医学***100的简化图。在一些实施方式中，医学***100可适用于例如手术、诊断、治疗或活检程序。尽管本文针对此类程序提供一些实施方式，但对医学或手术器械以及医学或手术方法的任何引用均是非限制性的。本文所述的***、器械和方法可用于动物、人类尸体、动物尸体、人类或动物解剖学部分、非手术诊断以及工业***和通用机器人、通用远程操作或机器人医学***。
如图1所示，医学***100通常包括操纵器组件102，该操纵器组件102用于在对患者P执行各种程序时操作医学器械104。医学器械104可经由患者P体内的开口延伸到患者P体内的内部手术部位。操纵器组件102可为远程操作的、非远程操作的或混合远程操作的和非远程操作的组件，其具有可为机动的和/或远程操作的选定运动自由度以及可为非机动的和/或非远程操作的选定运动自由度。操纵器组件102安装在手术台T上或附近。主组件106允许操作员O(例如，如图1所示的外科医生、临床医生或医师)观察介入部位并控制操纵器组件102。
主组件106可位于外科医生的控制台上，该控制台通常与手术台T位于同一房间内，诸如患者P所在的手术台一侧。然而，应理解，医师O可位于不同于患者P的房间或完全不同的建筑物中。主组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可包括任意数量的各种输入装置，诸如操纵杆、轨迹球、数据手套、扳机枪、手动控制器、语音识别装置、身体运动或存在传感器等。
操纵器组件102支撑医学器械104，并且可包括一个或多个非伺服控制连杆(例如，可手动定位并锁定在适当位置的一个或多个连杆，通常称为设置结构)和/或一个或多个伺服控制连杆(例如，可响应于来自控制***的命令而控制的一个或多个连杆)和操纵器的运动学结构。操纵器组件102可任选地包括响应于来自控制***(例如，控制***112)的命令来驱动医学器械104上的输入的多个致动器或电机。致动器可任选地包括驱动***，该驱动***在联接到医学器械104时可使医学器械104推进到自然地或通过手术创建的解剖孔中。其它驱动***可在多个自由度中移动医学器械104的远侧端部，这可包括三个自由度的线性运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔轴的线性运动)和三个自由度的旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴的旋转)。另外，致动器可用于致动医学器械104的可铰接端部执行器，用于在活检装置等的钳口(jaws)中抓取组织。
医学***100可包括传感器***108，该传感器***108具有用于接收关于操纵器组件102和/或医学器械104的信息的一个或多个子***。此类子***可包括位置(position)/位置(location)传感器***(例如，电磁(EM)传感器***)；形状传感器***，用于确定远侧端部和/或沿可构成医学器械104的柔性主体的一个或多个节段的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状；可视化***，用于从医学器械104的远侧端部捕获图像；以及致动器位置传感器，诸如分解器、编码器、电位计等，它们描述控制器械104的电机的旋转和取向。
医学***100还包括用于显示手术部位和医学器械104的图像或表示的显示***110。显示***110和主组件106可取向成使得医师O可利用远程呈现的感觉控制医学器械104和主组件106。
在一些实施方式中，医学器械104可包括可视化***，该可视化***可包括图像捕获组件，该图像捕获组件记录手术部位的并发或实时图像，并通过显示***110的一个或多个显示器将该图像提供给操作员O。并发图像可为例如由位于手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在一些实施方式中，可视化***包括可整体地或可移除地联接到医学器械104的内窥镜组件。然而，在一些实施方式中，附接到独立操纵器组件的独立内窥镜可与医学器械104一起使用以对手术部位成像。可视化***可被实施为硬件、固件、软件或其组合，它们与一个或多个计算机处理器交互或以其它方式由一个或多个计算机处理器执行，该一个或多个计算机处理器可包括控制***112的处理器。
显示***110还可显示由可视化***捕获的手术部位和医学器械的图像。在一些示例中，医学***100可配置医学器械104和主组件106的控件，使得医学器械的相对位置类似于操作员O的眼睛和手的相对位置。以这种方式，操作员O可操纵医学器械104和手控件，就好像在基本上真实存在的情况下查看工作空间一样。真实存在意指图像的呈现是模拟物理操作医疗器械104的医师的视角的真实透视图像。
在一些示例中，显示***110可使用来自成像技术的图像数据来呈现术前或术中记录的手术部位的图像，所述成像技术诸如是计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光检查法、热成像法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等。术前或术中图像数据可被呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像和/或来自从术前或术中图像数据集创建的模型的图像。
在一些实施方式中，经常出于成像引导医学程序的目的，显示***110可显示虚拟导航图像，其中医学器械104的实际位置与术前或并发图像/模型配准(即，动态参考)。从医学器械104的视角来看，可这样做以向医师O呈现内部手术部位的虚拟图像。
医学***100还可包括控制***112。控制***112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现医学器械104、主组件106、传感器***108和显示***110之间的控制。控制***112还包括编程指令(例如，非暂时性机器可读介质存储的指令)，以实施根据本文公开的方面描述的方法中的一些或全部，包括用于向显示***110提供信息的指令。尽管在图1的简化示意图中将控制***112示为单个块，但是该***可包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分任选地在操纵器组件102上或附近执行，处理的另一部分在主组件106处执行等。控制***112的处理器可执行指令，这些指令包括对应于在此公开并在下面更详细描述的过程的指令。
在一些实施方式中，控制***112可接收来自医学器械104的力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制***112可向主组件106发送信号。在一些示例中，控制***112可发送指示操纵器组件102的一个或多个致动器移动医学器械104的信号。
控制***112可任选地进一步包括虚拟可视化***，以在图像引导医学程序期间控制医学器械104时向操作员O提供导航辅助。使用虚拟可视化***的虚拟导航可基于对所获取的解剖学通道的术前或术中数据集的参考。可与操作员输入结合使用的软件用于将记录的图像转换为部分或整个解剖器官或解剖区域的分段的二维或三维复合表示。图像数据集与合成表示相关联。虚拟可视化***从传感器***108获得传感器数据，该传感器数据用于计算医学器械104相对于患者P的解剖结构的近似位置。该***可实施传感器***108，以将医学器械与术前或术中记录的手术图像一起配准和显示。例如，PCT公布WO2016/191298(公布于2016年12月1日)(公开“图像引导手术的配准***和方法”)公开此类一种***，该文献通过引用整体并入本文。
在虚拟导航程序期间，传感器***108可用于计算医学器械104相对于患者P的解剖结构的近似位置。该位置可用于产生患者P的解剖结构的宏观(外部)跟踪图像和患者P的解剖结构的虚拟内部图像。该***可实施一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其它传感器，以将医学器械与术前记录的手术图像一起配准和显示。例如，美国专利第8,900,131号(2011年5月13日提交)(公开“为图像引导手术提供解剖结构模型的动态配准的医学***”)公开一种此类***，该专利通过引用整体并入本文。
医学***100还可包括任选操作和支持***(未示出)，诸如照明***、转向控制***、灌溉***和/或抽吸***。在一些实施方式中，医学***100可包括多于一个操纵器组件和/或多于一个主组件。远程操作操纵器组件的确切数量将取决于医学程序和手术室内的空间约束等因素。主组件106可并置，或者它们可位于独立位置。多个主组件允许多于一个操作员以各种组合方式控制一个或多个远程操作操纵器组件。
图2A是根据一些实施方式的医学器械***200的简化图。在一些实施方式中，医学器械***200可在用远程操作医学***100执行的图像引导医学程序中用作医学器械104。在一些示例中，医学器械***200可用于非远程操作探索程序或涉及传统手动操作医学器械的程序，诸如内窥镜检查。任选地，医学器械***200可用于收集(即，测量)对应于患者(诸如患者P)的解剖通道内的位置的一组数据点。
医学器械***200包括联接到驱动单元204的细长装置202。细长装置202包括具有近侧端部217和远侧端部或末端部分218的柔性主体216。在一些实施方式中，柔性主体216的外径大约为3mm。其它柔性主体的外径可更大或更小。
医学器械***200还包括跟踪***230，用于使用下面更详细描述的一个或多个传感器和/或成像装置来确定远侧端部218处的柔性主体216和/或沿柔性主体216的一个或多个节段224的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状。柔性主体216的在远侧端部218和近侧端部217之间的整个长度可有效地分成节段224。如果医学器械***200与医学***100的医学器械104一致，则跟踪***230。跟踪***230可任选地被实施为硬件、固件、软件或其组合，它们与一个或多个计算机处理器交互或以其它方式由一个或多个计算机处理器执行，该一个或多个计算机处理器可包括图1中控制***112的处理器。
跟踪***230可任选地使用形状传感器222跟踪远侧端部218和/或节段224中的一个或多个。形状传感器222可任选地包括与柔性主体216对准的光纤(例如，设置在内部通道(未示出)内或安装在外部)。在一实施方式中，光纤的直径大约为200μm。在其它实施方式中，尺寸可更大或更小。形状传感器222的光纤形成用于确定柔性主体216的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于以一维或多维的方式提供结构中的应变测量。用于在三个维度上监控光纤的形状和相对位置的各种***和方法被描述于美国专利申请公开第2006/0013523号(2005年7月13日提交)(公开“光纤位置和形状感测装置及相关方法”)；美国专利第7,772,541号(2004年7月16日提交)(公开“光纤形状和相对位置感测”)；以及美国专利第6,389,187号(1998年6月17日提交)(公开“光纤弯曲传感器”)，所述专利全部通过引用整体并入本文。在一些实施方式中，传感器可采用其它合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在一些实施方式中，可使用其它技术来确定柔性主体216的形状。例如，柔性主体216的远侧端部姿势的历史可用于重建该时间间隔内的柔性主体216的形状。在一些实施方式中，跟踪***230可任选地和/或另附加地使用位置传感器***220来跟踪远侧端部218。位置传感器***220可为EM传感器***的部件，其中位置传感器***220包括一个或多个传导线圈，该传导线圈可受到外部生成的电磁场的影响。EM传感器***220的每个线圈然后产生感应的电信号，该感应的电信号具有取决于线圈相对于外部生成的电磁场的位置和取向的特性。在一些实施方式中，位置传感器***220可被配置和定位成测量六个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰、偏航和滚动的三个取向角，或者五个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰和偏航的两个取向角。在美国专利第6,380,732号(1999年8月11日提交)(公开“在被跟踪的对象上具有无源应答器的六自由度跟踪***”)中提供位置传感器***的进一步描述，该专利通过引用整体并入本文。
在一些实施方式中，跟踪***230可可选地和/或附加地依赖于沿交替运动(诸如呼吸)的周期为器械***的已知点存储的历史姿势、位置或取向数据。该存储的数据可用于开发关于柔性主体216的形状信息。在一些示例中，一系列位置传感器(未示出)，诸如类似于位置传感器220中的传感器的电磁(EM)传感器可沿柔性主体216定位，并且然后用于形状感测。在一些示例中，在手术期间获取的来自这些传感器中的一个或多个的数据历史可用于表示细长装置202的形状，特别是如果解剖学通道通常是静态的的情况下。
柔性主体216包括尺寸和形状适于容纳医学器械226的通道221。图2B是根据一些实施方式的具有延伸的医学器械226的柔性主体216的简化图。在一些实施方式中，医学器械226可用于诸如手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸的程序。可通过柔性主体216的通道221来部署医学器械226，并且可在解剖结构内的目标位置使用医学器械226。医学器械226可包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融纤维和/或其它手术、诊断或治疗工具。医学工具可包括具有单个工作构件的端部执行器，诸如手术刀、钝刀片、光纤、电极等。其它端部执行器可包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器等。其它端部执行器可还包括电激活的端部执行器，诸如电手术电极、换能器、传感器等。在各种实施方式中，医学器械226是活检器械，其可用于从目标解剖位置移除样本组织或细胞样本。医学器械226也可与柔性主体216内的图像捕获探针一起使用。在各种实施方式中，医学器械226可为图像捕获探针，其包括在柔性主体216的远侧端部218处或附近的具有立体或单视场相机的远侧部分，用于捕获由可视化***231处理以显示和/或提供给跟踪***230的图像(包括视频图像)，以支持对远侧端部218和/或一个或多个节段224的跟踪。图像捕获探针可包括联接到相机的电缆，用于传输捕获的图像数据。在一些示例中，图像捕获器械可为联接到可视化***231的光纤束，诸如纤维镜。图像捕获器械可为单光谱或多光谱的，例如捕获可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱中的一种或多种的图像数据。可选地，医学器械226本身可为图像捕获探针。医学器械226可从通道221的开口前进以执行该程序，并且然后在该程序完成时缩回到该通道中。可从柔性主体216的近侧端部217或沿柔性主体216从另一任选器械端口(未示出)移除医学器械226。
医学器械226可附加地容纳在其近侧端部和远侧端部之间延伸以可控地弯曲医学器械226远侧端部的电缆、连杆或其它致动控制器(未示出)。可操纵器械在美国专利第7,316,681号(2005年10月4日提交)(公开“用于以增强的灵活性和灵敏度执行微创手术的铰接式手术器械”)和美国专利第9,259,274号(2008年9月30日提交)(公开“用于手术器械的被动预加载和绞盘驱动”)中有详细描述，这些专利通过引用整体并入本文。
柔性主体216还可容纳在驱动单元204和远侧端部218之间延伸以可控地弯曲远侧端部218的电缆、连杆或其它转向控件(未示出)，如例如通过远侧端部218的虚线描绘219所示。在一些示例中，至少四根电缆用于提供独立的“上-下”转向以控制远侧端部218的俯仰，以及“左-右”转向以控制远侧端部281的偏航。在美国专利第9,452,276号(2011年10月14日提交)(公开“具有可移除视觉探针的导管”)中详细描述可操纵导管，该专利通过引用整体并入本文。在医学器械***200由远程操作组件致动的实施方式中，驱动单元204可包括驱动输入，该驱动输入可移除地联接至远程操作组件的驱动元件(诸如致动器)并从中接收功率。在一些实施方式中，医学器械***200可包括抓握特征部、手动致动器或用于手动控制医学器械***200的运动的其它部件。细长装置202可为可操纵的，可选地，该***可为不可操纵的，没有用于操作员控制远侧端部218弯曲的集成机构。在一些示例中，在柔性主体216的壁中限定一个或多个内腔，医学器械可通过该一个或多个内腔在目标手术位置处部署和使用。
在一些实施方式中，医学器械***200可包括用于检查、诊断、活检或治疗肺部的柔性支气管器械，诸如支气管镜或支气管导管。医学器械***200还适合于在各种解剖***(包括结肠、肠、肾脏和肾结石、大脑、心脏、包括脉管***的循环***等)中的任何一个，经由自然或手术创建的连接通道导航和治疗其它组织。
来自跟踪***230的信息可被发送到导航***232，在导航***232中，该信息与来自可视化***231和/或术前获得的模型的信息相组合，以向医师、临床医生或外科医生或其它操作员提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可显示在图1的显示***110上，用于医学器械***200的控制。在一些示例中，图1的控制***116可利用位置信息作为定位医学器械***200的反馈。在2011年5月13日提交的美国专利第8,900,131号中提供使用光纤传感器以配准和显示手术器械和手术图像的各种***，该专利公开“为图像引导手术提供解剖结构模型的动态配准的医学***”，该专利通过引用整体并入本文。
在一些示例中，医学器械***200可在图1的医学***100内进行远程操作。在一些实施方式中，图1的操纵器组件102可由直接操作员控件代替。在一些示例中，直接操作员控件可包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作员界面。
图3A和图3B是根据一些实施方式的包括安装在***组件上的医学器械的患者坐标空间的侧视图的简化图。如图3A和图3B所示，包括患者P的手术环境300位于图1的桌子T上。患者P在手术环境内可为静止的，在这种意义上，总体患者活动受到镇静、约束和/或其它手段的限制。包括患者P的呼吸和心脏运动在内的循环解剖运动可继续。在手术环境300内，医学器械304用于执行医学程序，该医学程序可包括例如手术、活检、消融、照明、冲洗、抽吸或***配准程序。医学器械304可为例如器械104。器械304包括联接至器械主体312的柔性细长装置310(例如，导管)。细长装置310包括尺寸和形状适于容纳医学工具(未示出)的一个或多个通道(未示出)。
细长装置310还可包括一个或多个传感器(例如，传感器***108的部件)。在一些实施方式中，光纤形状传感器314固定在器械主体312上的近侧点316处。在一些实施方式中，光纤形状传感器314的近侧点316可与器械主体312一起移动，但近侧点316的位置可为已知(例如，经由跟踪传感器或其它跟踪装置)。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(诸如细长装置310的远侧端部318)的形状。形状传感器314可与柔性细长装置310对准(例如，设置在内部通道(未示出)内或安装在外部)。在一实施方式中，光纤的直径大约为200μm。在其它实施方式中，尺寸可更大或更小。形状传感器314可用于确定柔性细长装置310的形状。在一种替代方式中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一个或多个维度上提供结构中的应变测量。用于在三个维度上监控光纤的形状和相对位置的各种***和方法被描述于美国专利申请公开第2006/0013523号(2005年7月13日提交)(公开“光纤位置和形状感测装置及相关方法”)；美国专利第7,772,541号(2004年7月16日提交)(公开“光纤形状和相对位置感测”)；以及美国专利第6,389,187号(1998年6月17日提交)(公开“光纤弯曲传感器”)，所述专利全部通过引用整体并入本文。在一些实施方式中，传感器可采用其它合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。PCT公布WO 2016/191298(公布于2016年12月1日)(公开“图像引导手术的配准***和方法”)中提供使用光纤传感器以配准和显示手术器械和手术图像的各种***，该文献通过引用整体并入本文。
在各个实施方式中，诸如电磁(EM)传感器的位置传感器可被结合到医学器械304中。在各个实施方式中，一系列位置传感器可沿柔性细长装置310定位，并且然后用于形状感测。在一些实施方式中，位置传感器可被配置和定位为测量六个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰、偏航和滚动的三个取向角，或者五个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰和偏航的两个取向角。在美国专利第6,380,732号(1999年8月11日提交)(公开“在被跟踪的对象上具有无源应答器的六自由度跟踪***”)中提供位置传感器***的进一步描述，该专利通过引用整体并入本文。
细长装置310还可容纳在器械主体312和远侧端部318之间延伸以可控地弯曲远侧端部318的电缆、连杆或其它转向控件(未示出)。在一些示例中，至少四根电缆用于提供独立的“上-下”转向以控制远侧端部218的俯仰，以及“左-右”转向以控制远侧端部281的偏航。在美国专利第9,452,276号(2011年10月14日提交)(公开“具有可移除视觉探针的导管”)中详细描述可操纵细长装置，该专利通过引用整体并入本文。器械主体312可包括驱动输入，该驱动输入可移除地联接至远程操作组件的驱动元件(诸如致动器)并从中接收功率。
患者P位于图1的桌子T上。患者P在手术环境内可为静止的，在这种意义上，总体患者活动受到镇静、约束和/或其它手段的限制。包括患者P的呼吸和心脏运动在内的循环解剖运动可继续。在手术环境300内，医学器械304用于执行医学程序，该医学程序可包括例如手术、活检、消融、照明、冲洗、抽吸或***配准程序。医学器械304可为例如器械104。器械304包括联接至器械主体312的柔性细长装置310(例如，导管)。细长装置310包括尺寸和形状适于容纳医学工具(未示出)的一个或多个通道(未示出)。
细长装置310还可包括一个或多个传感器(例如，传感器***108的部件)。在一些实施方式中，光纤形状传感器314固定在器械主体312上的近侧点316处。在一些实施方式中，光纤形状传感器314的近侧点316可与器械主体312一起移动，但近侧点316的位置可为已知(例如，经由跟踪传感器或其它跟踪装置)。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(诸如细长装置310的远侧端部318)的形状。形状传感器314可与柔性细长装置310对准(例如，设置在内部通道(未示出)内或安装在外部)。在一实施方式中，光纤的直径大约为200μm。在其它实施方式中，尺寸可更大或更小。形状传感器314可用于确定柔性细长装置310的形状。在一个替代方式中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一个或多个维度上提供结构中的应变测量。用于在三个维度上监控光纤的形状和相对位置的各种***和方法被描述于美国专利申请公开第2006/0013523号(2005年7月13日提交)(公开“光纤位置和形状感测装置及相关方法”)；美国专利第7,772,541号(2004年7月16日提交)(公开“光纤形状和相对位置感测”)；以及美国专利第6,389,187号(1998年6月17日提交)(公开“光纤弯曲传感器”)，所述专利全部通过引用整体并入本文。在一些实施方式中，传感器可采用其它合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。PCT公布WO 2016/191298(公布于2016年12月1日)(公开“图像引导手术的配准***和方法”)中提供使用光纤传感器来配准和显示手术器械和手术图像的各种***，该文献通过引用整体并入本文。
在各个实施方式中，诸如电磁(EM)传感器的位置传感器可被结合到医学器械304中。在各个实施方式中，一系列位置传感器可沿柔性细长装置310定位，并且然后用于形状感测。在一些实施方式中，位置传感器可被配置和定位为测量六个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰、偏航和滚动的三个取向角，或者五个自由度，例如三个位置坐标X、Y、Z和指示基点俯仰和偏航的两个取向角。在美国专利第6,380,732号(1999年8月11日提交)(公开“在被跟踪的对象上具有无源应答器的六自由度跟踪***”)中提供位置传感器***的进一步描述，该专利通过引用整体并入本文。
细长装置310还可容纳在器械主体312和远侧端部318之间延伸以可控地弯曲远侧端部318的电缆、连杆或其它转向控件(未示出)。在一些示例中，至少四根电缆用于提供独立的“上-下”转向以控制远侧端部318的俯仰，以及“左-右”转向以控制远侧端部318的偏航。在美国专利第9,452,276号(2011年10月14日提交)(公开“具有可移除视觉探针的导管”)中详细描述可操纵细长装置，该专利通过引用整体并入本文。器械主体312可包括驱动输入，该驱动输入可移除地联接至远程操作组件的驱动元件(诸如致动器)并从中接收功率。
器械主体312可联接至器械托架306。器械托架306安装至固定在手术环境300内的***台308。可选地，***台308可以是可移动的但在手术环境300内具有已知位置(例如，经由跟踪传感器或其它跟踪装置)。器械托架306可为操纵器组件(例如，操纵器组件102)的部件，该操纵器组件联接到医学器械304以控制***运动(即，沿A轴线的运动)，并且任选地，控制细长装置310的远侧端部318在多个方向上的运动，包括偏航、俯仰和滚动。器械托架306或***台308可包括致动器，诸如伺服电机(未示出)，该致动器控制器械托架306沿***台308的运动。
可为传感器装置320——其可以是传感器***108的部件——在器械主体312沿***轴线A在***台308上移动时提供关于器械主体312位置的信息。传感器装置320可包括分解器、编码器、电位计和/或其它传感器，这些传感器确定控制器械托架306的运动并因此控制器械主体312的运动的致动器的旋转和/或取向。在一些实施方式中，***台308是线性的。在一些实施方式中，***台308可为弯曲的或具有弯曲和线性区段的组合。
图3A示出沿***台308处于缩回位置的器械主体312和器械托架306。在该缩回位置，近侧点316位于轴线A上的位置L0处。在沿***台308的该位置，近侧点316的位置可被设定为零和/或另一个参考值，以提供基本参考来描述器械托架306在***台308上的位置，以及由此描述近侧点316在***台308上的位置。在器械主体312和器械托架306的该缩回位置的情况下，细长装置310的远侧端部318可恰好位于患者P的进入孔内。同样在该位置，传感器装置320可被设定为零和/或另一参考值(例如，I＝0)。在图3B中，器械主体312和器械托架306已沿***台308的线性轨道前进，并且细长装置310的远侧端部318已前进到患者P中。在该前进位置，近侧点316在轴线A上的位置L1处。在一些示例中，编码器和/或来自控制器械托架306沿***台308移动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或***台308相关联的一个或多个位置传感器的其它位置数据用于确定近侧点316相对于位置L0的位置Lx。在一些示例中，位置Lx还可用作细长装置310的远侧端部318***患者P的解剖结构的通道中的距离或***深度的指示器。
图4A至图4C是根据一些实施方式的柔性细长装置400的简化图。根据与图1至图3一致的一些实施方式，柔性细长装置400可对应于医学器械***200的细长装置202。如图4A所示，柔性细长装置400可包括近侧区段402、远侧区段404和在它们之间的过渡区段406。
柔性细长装置400可包括柔性主体410，该柔性主体410的柔性壁的厚度从柔性主体410的内表面延伸到外表面。主内腔411可在柔性主体410内延伸，通过近侧区段402、过渡区段406和远侧区段404。主内腔411可为待通过柔性主体410***的医学工具(例如内窥镜、活检针、支气管内超声(EBUS)探头、消融工具、化学药品输送工具等)提供输送通道。根据本发明的一些实施方式，多个控制元件内腔412延伸通过柔性主体410的柔性壁，围绕主内腔411周向布置在柔性壁中。在一些实施方式中，传感器内腔419延伸通过柔性主体410的柔性壁。传感器内腔419可从柔性细长装置400的近侧端部延伸，通过近侧区段402、过渡区段406，终止于远侧区段404的远侧部分。在一些示例中，柔性主体410可包括用于导线、纤维、传感器、小型医学器械、化学药品输送等的各种其它类型的腔。在替代实施方式中，柔性主体410可包括可用于多种目的的通用内腔，包括容纳多个同时***的器械、控制元件、传感器等。
如图4A至图4C所示，在控制元件内腔412中的每一个内，盘管或导管423可延伸通过柔性主体410的近侧区段402，从而提供多个控制元件421延伸通过的通道。在一些示例中，控制元件421可包括拉线、腱、推杆等。导管423终止于过渡区段406，远侧区段404的近侧。控制元件421在过渡区段406处延伸出导管423之外，通过控制元件内腔412进入远侧区段404，并附接到远侧安装件422。一个或多个控制元件421可用于致动柔性细长装置400的远侧区段404。如图4B和图4C所示，四个控制元件421可设置在控制元件内腔412内并且围绕柔性细长装置400的圆周均匀地间隔。
在图4B中提供的说明性示例中，包括传感器内腔419和控制元件内腔412中的一个的一对内腔沿由主内腔411形成的圆角正方形的一侧大致居中。因此，传感器内腔419和控制元件内腔412均没有沿圆角正方形的侧面单独居中。此外，由于控制元件421围绕圆角正方形的周边均匀地间隔，因此没有控制元件内腔412相对于圆角正方形居中。结果，由控制元件421形成的正方形和由主内腔411形成的圆角正方形偏移大约30度。然而，应理解，控制元件421的不同数量和/或布置是可能的。例如，控制元件421可围绕柔性细长装置400的圆周不均匀地间隔和/或相对于主内腔411的侧面居中。
通过向控制元件421施加致动力(例如，以不相等的方式拉动和/或推动控制元件421)来致动远侧区段404。施加致动力使得远侧区段404在由净致动力限定的方向上弯曲。在一些示例中，可手动地、自动地等施加致动力。例如，可使用位于柔性细长装置400的近侧端部处的致动器430来施加致动力。导管423在过渡区段406处将施加至控制元件421的致动力从近侧区段402的近侧端部转移至远侧端部。因此，即使当向控制元件421施加不相等的致动力时，几乎没有致动力出现在近侧区段402内。在一些示例中，导管423可为柔性的，以保持近侧区段402的柔性。在2014年10月24日提交的题为“具有嵌入式致动导管的柔性器械”的美国专利申请PCT/US14/62188中提供导管的进一步示例，该申请通过引用整体并入本文。
沿柔性细长装置400的近侧区段402的长度的任何弯曲均会致使控制元件内腔412的长度改变。例如参考图4A，如果柔性主体以向下运动弯曲，则柔性主体410的下部上的控制元件内腔412的长度将减小，而柔性主体的上部上的控制元件内腔412的长度将增大。因此，导管423在控制元件内腔412内的轴向滑动可能是必要的。在一些示例中，导管可在致动器430内的柔性细长装置的近侧端部处受到约束(例如，固定和/或防止其沿导管纵向轴线向近侧滑动)，并且可以终止于过渡区段406。导管可在过渡区段406处受到约束(例如，固定和/或防止其沿导管纵向轴线向远侧滑动)。在此示例中，在过渡区段406内，阻挡器425联接在阻挡器近侧的导管423和阻挡器远侧的轴向支撑结构424之间。阻挡器425防止导管423沿柔性细长装置400向远侧移动。在替代示例中，导管可固定到阻挡器425。下面将参考图8A至图8B更详细地论述阻挡器的示例。
在远侧区段404内，轴向支撑结构424被配置成响应于施加到控制元件421的致动力而弯曲。因此，当不相等的致动力施加到控制元件421时，远侧区段404在由净致动力限定的方向上弯曲。轴向支撑结构424支撑远侧区段404抵抗由施加到控制元件421的致动力生成的轴向载荷。特别地，轴向支撑结构424可防止或减少远侧区段404在轴向载荷下的变形、压缩和/或塌陷。在下面参考图5A至图5C更详细地论述轴向支撑结构的示例。在题为“用于柔性细长装置的轴向支撑结构”的美国临时专利申请62/378,943中提供轴向支撑结构的其它示例，该申请通过引用整体并入本文。
尽管在图4A中将轴向支撑结构424描绘为具有脊柱状结构，但其它结构也是可能的。例如，轴向支撑结构424可由类似于导管423的导管构成。尽管导管423的导管围绕控制元件421同心地布置，以抵消施加到控制元件421的致动力，但轴向支撑结构424的导管可偏移控制元件421(例如，位于围绕柔性主体410的圆周的不同位置处)，以允许轴向支撑结构424响应于致动力而弯曲。可选地或附加地，轴向支撑结构424的导管可比导管423更柔性(例如，较小的直径和/或使用较小规格的线材构造)。在一些示例中，轴向支撑结构424可形成为包围主内腔411的单个大线圈。
在一些示例中，内腔411、内腔412、内腔419和/或其区段中的一个或多个可为键接的。也就是说，内腔和/或内腔的一部分可具有非圆形横截面形状，当通过内腔***时，该非圆形横截面形状防止或约束具有匹配的非圆形横截面形状的工具(例如，医学器械、传感器、纤维、导线、致动元件等)的旋转。如图4B所示，近侧区段402的主内腔411为键接的。特别地，主内腔411具有支撑四个键接取向的圆角正方形横截面形状。
在一些示例中，诸如形状传感器222的光纤的定位传感器426延伸通过传感器内腔419。像导管423一样，定位传感器可被约束(例如，固定地附接和/或防止其轴向滑动)在柔性细长装置420的每一端部处。在一个示例中，定位传感器固定地附接到远侧安装件422，在传感器内腔419中自由浮动，并且固定地附接在致动器430处。在一些示例中，可在致动器430内的固定定位附件和柔性细长装置420的近侧端部之间提供服务环，以适应由于弯曲引起的传感器内腔419的变化长度。在替代示例中，服务环可设置在致动器430和柔性细长装置420的远侧端部之间或者柔性细长装置内。
在一些示例中，内腔411至内腔419的横截面形状可在近侧区段402和远侧区段404之间变化。例如，主内腔411可在近侧区段402内被键接，而在远侧区段404内未被键接。如图4C所示，远侧区段404的主内腔411未被键接，具有不约束***其中的医学器械的旋转的圆形横截面形状。下面参考图10更详细地论述键接内腔的示例。
在一些示例中，内腔411至内腔419的直径可在近侧区段402和远侧区段404之间变化。因此，内腔411至内腔419可在过渡区段406内逐渐变细，以提供不同横截面形状之间的逐渐过渡，例如近侧上的键接内腔和远侧上的未键接内腔。
在一些示例中，柔性主体410的柔性壁可在近侧区段402和远侧区段404之间变化。在一些示例中，所需的弯曲柔性和/或压缩强度可基于患者解剖结构内的潜在定位而沿导管的长度变化。因此，柔性壁可包括可在近侧区段柔性壁内和远侧区段柔性壁内变化的多个层。下面参考图6B更详细地论述远侧区段柔性壁的分层构造的示例。参考图7B更详细地论述近侧区段柔性壁的分层构造的示例。
图5A至图5C是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的轴向支撑结构500的简化图。根据与图1至图4C一致的一些实施方式，轴向支撑结构500可对应于轴向支撑结构424。与此类实施方式一致，轴向支撑结构500可设置在柔性主体(诸如柔性主体410)内。然而，应理解，轴向支撑结构500可在其它情况下使用，包括用作独立装置和/或与除了本文所述的部件之外的部件结合使用。
根据图5A至图5C所示的实施方式，轴向支撑结构500形成为由多个箍511至箍519组成的脊柱。箍511至箍519通过柔性支柱521至柔性支柱529彼此联接。通道530在中心延伸通过轴向支撑结构500，并为主内腔(诸如主内腔411)提供导管。凹槽540周向延伸通过轴向支撑结构500，并为一个或多个腔(诸如内腔412和内腔419)提供导管。在一些示例中，凹槽540可形成在箍511至箍519的内表面、箍511至箍519的外表面和/或其任何组合上。在一些示例中，凹槽540可被箍511至箍519完全包围，从而形成隧道。下面参考图6A至图6B更详细地论述凹槽540的尺寸和位置。
如图5A至图5B所示，通道530和凹槽540至少部分地由箍511至箍519包围，箍511至箍519用于加强工具输送和/或控制元件内腔。根据一些实施方式，加强内腔壁可防止拉穿，当控制元件(和/或延伸通过内腔的其它装置)摩擦并最终拉穿内腔壁时发生拉穿。
根据一些实施方式，轴向支撑结构500可整体地形成。例如，箍511至箍519和柔性支柱521至柔性支柱529可通过从整体管上切除材料来限定。相对于包括多个不同部件的其它类型的支撑结构，这倾向于降低制造和/或操作复杂度。在轴向支撑结构500的切除区域中形成间隙531至间隙539。如图5A所示，间隙531至间隙539具有带离隙560和凸起中间区段561的大写“I”形。离隙560限定柔性支柱521至柔性支柱529的长度和宽度，继而影响轴向支撑结构500的柔性，因为较长、较窄的支柱通常比较短、较宽的支柱更柔性。凸起中间区段561通过设置柔性支柱521至柔性支柱529在相邻的箍511至箍519接触之前可挠曲的量来限定柔性支柱521至柔性支柱529的运动范围。
相邻的箍511-519对相对于彼此旋转90度。因此，相邻的柔性支柱521-529对沿垂直轴线挠曲。这种布置为轴向支撑结构500提供至少两个自由度。以这种方式，轴向支撑结构500可响应于施加的致动力而在任何方向挠曲。在替代实施方式中，相邻的柔性支柱521-529对可旋转除90度之外的角度(例如60度和/或45度)，以支持对施加的致动力的不同弯曲响应。
轴向支撑结构500的可操纵性和/或运动范围由轴向支撑结构500的各种参数确定，包括箍长度570、间隙长度571和箍511至箍519的数量。在操作期间，柔性支柱521至柔性支柱529中的一个或多个由于施加到轴向支撑结构500的致动力而弯曲。图5C示出处于弯曲状态的柔性支柱521至柔性支柱529中的一个。响应于柔性支柱的弯曲，间隙长度571在内弯曲侧572上从标称长度g减小到较短长度g-Δg，并且在外弯曲侧573上从标称长度g变宽到较长长度g+Δg'。在一些实施方式中，由于材料特性、柔性支柱521至柔性支柱529的位置和/或引起弯曲所施加的力的变化，内弯曲侧572的间隙长度Δg的变化可不等于外弯曲侧573的间隙长度Δg'的变化，使得当内弯曲侧572的间隙长度571可变为g-Δg而外弯曲侧573的间隙长度571可变为g+Δg'。
轴向支撑结构500的一个品质系数是操作期间的Δg与g的比率。在一些示例中，适应高间隙比Δg/g的能力促进可操纵性，因为在每组支柱处均可产生大的弯曲。然而，可存在内弯曲侧572的最小间隙长度g-Δg，其应被保持以便在弯曲过程中提供轴向支撑结构500的有效性能。参考图5D和图5E，可通过压缩应变来描述弯曲对轴向支撑结构500的影响，该压缩应变将被施加到位于内弯曲侧572上的间隙内的可移除顺应性固定装置(未示出)。例如，如果顺应性固定装置被放置在内弯曲侧572上的间隙内，并且轴向支撑结构500被放置在较高的弯曲中，则当其经受来自两个相邻的箍的增加的压缩载荷时，顺应性固定装置开始压缩。间隙尺寸Δg的变化与施加的载荷之间的关系在图5D中示出。随着间隙尺寸Δg的变化开始增加，所施加的压缩载荷呈现逐渐线性增加。在阈值压缩量574下，轴向支撑结构500被压缩成压缩配置，这防止轴向支撑结构500容易地压缩，进一步致使施加的压缩载荷开始以更快的速率增加。在图5E中可看到类似的行为，图5E示出通过间隙比Δg/g测量的压缩应力与压缩应变之间的关系，其中压缩应力与经受轴向支撑结构500的施加的压缩载荷有关。因此，通过选择对应于阈值压缩量574的间隙长度g-Δg的最小间隙长度571或图5E中的最大间隙比575，可以期望在压缩应力增加较小的范围内操作。在满足这些阈值中的一个或两个的情况下进行操作有助于操纵性，同时避免过度的压缩载荷。取决于用于构造围绕轴向支撑结构500的护套层(例如护套层633)的材料，最大间隙比575可设定为30％或在诸如20％至40％的范围内。在替代实施方式中，不同的材料可提供不同范围的最大间隙比575。
增加轴向支撑结构500中的箍的数量也可提供较低的间隙比，并且可提供改善的可操纵性。在一个示例中，由于箍的数量较大，间隙长度571减小，并且由于每个柔性支柱521至柔性支柱529为轴向支撑结构500提供较小的弯曲以达到某一总弯曲，Δg也减小。通过调整箍的数量和间隙长度571，可优化间隙比Δg/g。但是，增加箍的数量可致使起皱，从而使多余的材料聚集在弯曲的内部。通常，起皱程度由材料的泊松比决定；泊松比越低，起皱越小。在某些应用中起皱可能是有问题的，因为起皱可能致使通道530更窄和/或更颠簸，和/或可能增加柔性主体上的磨损。例如，起皱可在柔性主体的内腔壁层和/或粘附层上施加应变，最终致使内腔壁层与柔性主体的其它层分层。在一些实施方式中，可最小化或避免起皱，而不管间隙比被适当限制的箍的数量。当间隙比没有适当限制时，起皱效果会更明显。当间隙比没有适当限制并且环的数量增加时，起皱会更过度。
维持低间隙比的一种方法是减小箍长度570和/或增加间隙长度571(例如，长的支柱521-529和/或短的箍511-519)。在一些示例中，增加支柱521至支柱529的长度和/或减小箍长度570可减小轴向支撑结构500的轴向刚度。因此，可选择箍长度570和间隙长度571以在减轻起皱的同时实现期望的轴向强度。在一些实施方式中，如图5F所示，从每个箍511至箍519延伸的一个或多个突起580可用作阻止轴向支撑结构500进一步轴向压缩的阻挡器。在替代实施方式(未示出)中，一个或多个突起580可周向地更靠近支柱521至支柱529定位，即沿箍511至箍519的圆周定位。
在一些示例中，轴向支撑结构500的总长度可为3.5厘米至5.0厘米。例如，轴向支撑结构500可包括至少30个箍511至箍519(例如34至37个箍)以提供令人满意的运动范围和平滑的通道530。在一些示例中，箍511至箍519和/或支柱521至支柱529的尺寸可沿轴向支撑结构500的长度变化，以改变轴向支撑结构500沿其长度的柔性。例如，轴向支撑结构500可在近侧端部处较硬(例如，较长的箍、较短和/或较宽的支柱等)并且在远侧端部处较柔性(例如，较短的箍、较长和/或较窄的支柱等)，以实现对轴支撑结构500的远侧末端附近的致动力的较大弯曲响应。
图6A至图6B是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的远侧区段600的简化图。根据与图1至图5C一致的一些实施方式，远侧区段600可对应于柔性细长装置400的远侧区段404。然而，应理解，远侧区段600可在除了柔性细长装置400之外的环境中使用，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的区段之外的区段结合使用。
远侧区段600包括柔性主体610，该柔性主体610具有主内腔611、控制元件621延伸通过的四个控制元件内腔612以及定位传感器626延伸通过的传感器内腔619。远侧区段600可还包括轴向支撑结构624。如上所述，这些特征通常对应于柔性细长装置400的类似标记的特征。在一些示例中，轴向支撑结构624可对应于轴向支撑结构500。
如图6B所示，轴向支撑结构624具有围绕对应于主内腔611的中心通道的环形横截面形状。在一些示例中，凹槽625可形成在轴向支撑结构624的表面上，以容纳内腔612和内腔619。由于内腔612和内腔619被嵌入轴向支撑结构624内，所以内腔612和内腔619的存在对远侧区段600和/或主内腔611的直径影响很小或没有影响。也就是说，内腔612和内腔619的存在既不增加远侧区段600的外径，也不减小主内腔611的直径。
在一些示例中，凹槽625可形成在轴向支撑结构624的内表面和/或外表面上。可选地或附加地，轴向支撑结构624可包括隧道、附件(例如，夹子、凸片等)等，以容纳内腔612和内腔619。在一些示例中，凹槽625的尺寸通常可匹配对应的内腔612和内腔619的尺寸和/或可提供足够的间隙以允许内腔中的器械(例如，控制元件621和/或定位传感器626)在约束其横向运动的同时在轴向方向上自由移动。例如，凹槽625可将控制元件621横向地保持就位，以维持转向对准，防止拉穿和/或防止控制元件621在操作期间漂移，从而致使转向控制的丧失。
在一些示例中，定位传感器626围绕轴向支撑结构624的圆周的放置可影响对应的定位传感器的精度。例如，当轴向支撑结构624包括支柱(诸如支柱521至支柱529)时，位置传感器的精度可取决于定位传感器626是与支柱对准还是从支柱偏移。因此，可通过确定最高精度的定位传感器的从支柱的偏移量来选择定位传感器626(以及容纳定位传感器626的对应部件，诸如凹槽625和/或传感器内腔619)的放置。
同样，控制元件621围绕轴向支撑结构624的圆周的放置可影响远侧区段600的可操纵性。例如，当轴向支撑结构624包括支柱(诸如支柱521至支柱529)时，远侧区段600的可操纵性可取决于控制元件621是与支柱对准还是从支柱偏移。在一些示例中，当控制元件621和/或定位传感器626的尺寸类似于和/或大于轴向支撑结构624的支柱的厚度时，控制元件621可从支柱偏移。这可通过显著减小支柱的厚度来防止凹槽625损害轴向支撑结构624的轴向刚度。因此，可通过确定产生最大可操纵性和/或令人满意的轴向刚度的从支柱的偏移量来选择控制元件621(以及容纳控制元件621的对应部件，诸如凹槽625和/或控制元件内腔612)的放置。当定位传感器626和控制元件621的期望位置之间存在冲突时，可将冲突的内腔中的一个或两个移位以容纳另一个。
远侧区段600的柔性主体610可包括形成为多个层630至层639的远侧区段柔性壁。内腔壁层630形成围绕主内腔611的内衬。在一些示例中，内腔壁层630可使用具有低摩擦和/或高熔点的材料形成，诸如聚四氟乙烯(PTFE)。加强层632围绕控制元件内腔612和/或轴向支撑结构624设置。在一些示例中，加强层632可由盘绕和/或编织导线形成。导线可由各种金属和/或聚合物材料形成。在一些示例中，编织加强层632的一端或两端可被带围绕，以减少磨损和/或减少由于编织加强层632的磨损而引起的对轴向支撑结构624的其它层的损坏。在一些示例中，该带可包括单根编织导线的多个环。在一些示例中，带可被焊接在适当位置。在一些示例中，带可包括不锈钢。
护套层633形成柔性主体610的外涂层。在一些示例中，护套层633可使用热缩管、真空膨胀管和/或在加热时熔化的材料(例如，诸如聚酰胺、聚醚、硅酮等的热塑性塑料)、可被拉伸的弹性体(例如，乙丙二烯单体橡胶(EPDM)、Vitron等)等形成。与此类实施方式一致，当加热时，护套层633可填充在内腔611至内腔619、加强层632和/或轴向支撑结构624周围的区域中。
在一些示例中，内腔壁层630可具有与轴向支撑结构624、加强层632、护套层633和/或柔性主体610的其它层的直接界面。为了防止内腔壁层630在这些界面处分层，粘结层639可作为薄涂层施加在内腔壁层630周围。在一些示例中，粘结层634可包括聚合物层，诸如聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚氨酯等，其具有比内腔壁层630的材料(例如，PTFE)更好的粘附特性。
在一些实施方式中，层630至层639中的一层或多层可被处理以增加对柔性主体的相邻层的粘附。例如，内腔壁层630(和/或其它PTFE层)的外表面可被化学蚀刻。在一些示例中，可对层630至层639中的一个或多个层进行机械粗糙化(例如，打磨、喷砂等)以增加粘附力。与此类实施方式一致，可省略任选粘结层639。
尽管图6A至图6B示出用于形成柔性主体610的一系列层630至层639的一个示例，但许多不同的层序列也是可能的。在一些实施方式中，凹槽625可位于轴向支撑结构624的内表面上。与此类实施方式一致，加强层632可位于轴向支撑结构624的内部，直接封装内腔壁层630和/或粘结层639。在一些实施方式中，可选择层的顺序以防止材料(诸如护套层633的材料)进入轴向支撑结构624中的间隙，诸如轴向支撑结构500的间隙531至间隙539。例如，减少或消除间隙中的材料可增加轴向支撑结构624的柔性，减少起皱等。
在轴向支撑结构624的箍之间提供气隙的一种方式是将轴向支撑结构624封装在内衬和外衬(诸如PTFE)之间。内衬和外衬在热收缩处理期间可能不会熔化。因此，在热收缩处理期间防止熔化的材料进入轴向支撑结构624的间隙。在一些示例中，内衬和外衬还可提供低摩擦表面，以允许轴向支撑结构624在致动期间相对于其它层轴向滑动，这可改善可操纵性。在轴向支撑结构624的箍之间提供气隙的另一种方式是使用不涉及熔化层的工艺步骤来形成层630至层639的序列。例如，护套层633可包括真空膨胀的护套、围绕轴向支撑结构624松配合的护套、在柔性细长装置的一个或多个端部粘合地粘结的护套、和/或在热收缩处理期间收缩但不熔化的交联护套。
在一些实施方式中，可用于在轴向支撑结构624的箍之间提供气隙的层的说明性序列(从内层开始)包括：(1)内腔壁层，例如PTFE；(2)粘合层，例如PEBA；(3)加强层，例如金属编织层；(4)内部气隙衬里，例如PTFE；(5)具有气隙的轴向支撑结构624；(6)外部气隙衬里，例如PTFE；以及(7)护套层，例如热塑性塑料。因为轴向支撑结构624被当其它层被加热时不熔化的衬里层封装(例如，内PTFE层和外PTFE层(4)和(6))，因此护套层材料在热收缩过程期间不会进入轴向支撑结构624的气隙。
在一些实施方式中，可用于在轴向支撑结构624的箍之间提供气隙的层的另一说明性序列包括(从内层开始)：(1)内腔壁层，例如PTFE；(2)粘合层，例如PEBA；(3)具有气隙的轴向支撑结构624；(4)加强层，例如金属编织层；(5)局部护套层，例如，轴向支撑结构624的一部分中的热塑性填料；以及(6)封装(1)至(5)的外部弹性护套层，允许轴向支撑结构624内的部分暴露气穴。
图7A至图7B是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的近侧区段700的一部分的简化图。根据与图1至6B一致的一些实施方式，近侧区段700可对应于柔性细长装置400的近侧区段402，并且包括对应于柔性主体410的柔性主体710。然而，应理解，近侧区段700可在除了柔性细长装置400之外的环境中使用，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的区段之外的区段结合。
柔性主体710包括主内腔711、控制元件内腔712和传感器内腔719，每一个内腔均从柔性主体710的近侧端部延伸至远侧端部。如图7A至图7B所示，近侧区段700可包括四个控制元件内腔712、传感器内腔719、控制元件721和导管723，这些部件通常对应于柔性细长装置400的类似标记的特征，如上所述。
近侧区段700的柔性主体710可包括形成为多个层730至层739的近侧区段柔性壁。内腔壁层730形成围绕主内腔711的内衬。在一些示例中，内腔壁层730可使用具有低摩擦和/或高熔点的材料(诸如PTFE)形成。内腔加强层731围绕内腔壁层730形成。在一些示例中，内腔加强层731可由编织导线和/或盘绕导线形成。导线可由各种金属和/或聚合物材料形成。外部加强层732围绕控制元件内腔712设置。像内腔加强层731一样，外部加强层732可由编织导线和/或盘绕导线形成。护套层733形成柔性主体710的外涂层。在一些示例中，护套层733可使用热缩管和/或在加热时在其下方熔化的材料(例如，诸如聚酰胺、聚醚、硅酮等的热塑性塑料)、可被拉伸的弹性体(例如，EPDM、Vitron等)等形成。与此类实施方式一致，当加热时，护套层733可填充在内腔712和/或719和/或层731和/或732周围的区域中。在与图6A至图6B一致的一些示例中，层730至层739中的一个或多个可与对应层630至层639邻接和/或使用与对应层630至层639相同的材料形成。例如，内腔壁层730和/或护套层733可分别与内腔壁层630和/或护套层633邻接和/或使用相同的材料形成。
在一些示例中，内腔壁层730可直接与内腔加强层731、护套层733和/或柔性主体710的其它层对接。为了防止内腔壁层730在这些界面处分层，任选粘结层739可作为薄涂层施加在内腔壁层730周围。在一些示例中，粘结层739可包括聚合物层，诸如聚醚嵌段酰胺(PEBA)，其比内腔壁层730的材料(诸如PTFE)具有更好的粘附特性。
内腔壁层730和内腔加强层731通常具有与主内腔711相同的横截面形状。在图7B所示的示例中，横截面形状对应于相对于由外部加强层732形成的圆角正方形旋转大约30度的圆角正方形，如上面参考图4B所述。这种布置有效地利用近侧区段700的横截面积。特别地，主内腔711在近侧区段700的中心占据较大的横截面积，而内腔712和内腔719有效地布置到通过相对于外部加强层732旋转主内腔711而形成的三角形角区域中。此外，在这种布置中，内腔711、内腔712和内腔719中的每一个被封装在至少一个加强层(例如，内腔加强层731和/或外部加强层732)内。另外，主内腔711通过至少一个加强层与内腔712和内腔719中的每一个隔开。因此，图7B所示的柔性层的布置增强近侧区段700和主内腔711的结构完整性，同时有效地利用可用的横截面积。
图8A至图8B是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的阻挡器800的简化图。根据与图1至图7B一致的一些实施方式，阻挡器800可对应于柔性细长装置400的阻挡器425。然而，应理解，阻挡器800可在除了柔性细长装置400之外的环境中使用，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的部件之外的部件结合使用。
阻挡器800防止部件(诸如导管423和/或轴向支撑结构424)在操作期间轴向移动到相邻的区段中。在一些示例中，阻挡器800可形成为具有通道810和多个凹槽811的实心块。在与图5A至图5C一致的一些示例中，通道810的尺寸可匹配轴向支撑结构500的通道530的尺寸。在一些示例中，当导管423包括导管时，邻接导管的凹槽811的尺寸可匹配和/或可小于导管的尺寸，从而防止导管滑过凹槽811。同时，凹槽811可足够大，以允许器械(诸如控制元件421和/或定位传感器426)通过。
图9是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的远侧安装件900的简化图。根据与图1至图8B一致的一些实施方式，远侧安装件900可对应于柔性细长装置400的远侧安装件422。然而，应理解，远侧安装件900可在除了柔性细长装置400之外的环境中使用，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的部件之外的部件结合使用。
远侧安装件900包括联接到末端环920的控制环910。如图9所示，控制环910位于对应于柔性细长装置400的轴向支撑结构424的轴向支撑结构930附近。与此类实施方式一致，控制环910的横截面尺寸可匹配轴向支撑结构930。在一些示例中，末端环920和控制环910可具有匹配的锥度，使得末端环920滑动到控制环910的远侧部分上。在一些示例中，衬里922可定位在控制环910和末端环920之间，并且末端环920在远侧安装件900的远侧末端处的位置924处可被焊接、激光焊接、粘接等至控制环910。在该示例中，衬里922将在控制环910和末端环920之间提供密封。为了提供足够的密封，控制环910可围绕末端环920张开，从而形成张开的远侧安装件。在一些示例中，末端环920和控制环910可由热塑性材料、不锈钢、镀金304不锈钢和/或类似材料构成。
可对应于柔性细长装置400的控制元件421的控制元件940被固定地附接到控制环910。在一些示例中，控制元件940可在结合点941处被焊接、激光焊接、粘接等至控制环910。可对应于柔性细长装置400的定位传感器426的定位传感器950也固定地附接到控制环910。在一些示例中，定位传感器950可粘合地结合至控制环910。在替代示例中，定位传感器950可由设置有远侧安装件900的柔性主体(例如，柔性主体410)保持在适当位置。在一些实施方式中，控制元件940和/或定位传感器950可被钉在控制环910和末端环920之间，其中末端环920围绕控制环910逐渐变细。
图10是根据一些实施方式的具有键接内腔的柔性主体1000的简化图。根据与图1至图9一致的一些实施方式，柔性主体可对应于柔性细长装置400的柔性主体410。然而，应理解，柔性主体1000可在除了柔性细长装置400之外的环境中使用，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的部件之外的部件结合使用。柔性主体1000包括多个内腔1011至内腔1119，它们通常对应于柔性主体410的内腔411至内腔419。柔性主体1000可还包括通常对应于层632、层731和/或层732的一个或多个加强层1022和加强层1024。
如图10所示，柔性主体1000的主内腔711为键接的。也就是说，主内腔711具有非圆形横截面形状，当通过主内腔711***时，该非圆形横截面形状防止或约束具有匹配的非圆形横截面形状的器械的旋转。通常，横截面形状的对称性确定支持多少个键接取向。如图10所示，主内腔711具有关于单个轴线(例如，通过主内腔711的中心的垂直轴线)对称的横截面形状，该横截面形状产生用于在主内腔711内***类似形状且稍微较小的装置的单个可能取向。尽管图10示出关于单个轴线对称的一个可能形状，但具有关于单个轴线的对称的许多其它形状也是可能的，诸如等腰三角形、具有圆角的等腰三角形等。围绕更多轴线对称的其它形状，以及因此更多可能键接取向也是可能的。例如，关于四个轴线对称的横截面形状(例如，正方形和/或具有圆角的正方形，和/或具有斜角的正方形)支持四种不同的键接取向，关于两个轴线对称的横截面形状(例如，椭圆形、菱形、具有圆角的菱形、矩形和/或具有圆角的矩形)支持两种不同的键接取向，关于三个轴线对称的横截面形状(例如，等边三角形)等。更一般地，主内腔711的横截面形状可关于n轴具有对称性以支撑n个键接取向。
键接内腔(例如主内腔711)的一种说明性应用是维持内窥镜的期望的滚动取向，以向用户提供正确取向的相机图像。与此类实施方式一致，视觉取向标志(indicator)可被放置在主内腔711的内衬上。例如，视觉取向标志可在主内腔711的内衬的一侧上包括彩色条纹。当内窥镜被***主内腔711中时，视觉取向标志出现在内窥镜生成的相机图像中。在一些示例中，机器视觉处理可用于自动检测相机图像中的视觉取向标志并将相机图像旋转到期望的取向以进行显示。
图11是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的轴向支撑结构1100的简化图。根据与图1至图4C一致的一些实施方式，轴向支撑结构1100可对应于轴向支撑结构424。与此类实施方式一致，轴向支撑结构1100可设置在柔性主体(诸如柔性主体410)内。然而，应理解，轴向支撑结构1100可在其它环境中使用，包括用作独立装置和/或与除了本文所述的部件之外的部件结合使用。
根据图11所示的实施方式，轴向支撑结构1100形成为由多个箍1110构成的脊柱。箍1110通过与关于箍511至箍519所描绘的那些一致的柔性支柱彼此联接。通道在中心延伸通过轴向支撑结构1100，并为主内腔(诸如主内腔411)提供导管。凹槽1120周向延伸通过轴向支撑结构1100，并为一个或多个内腔(诸如内腔412和419)提供导管。在一些示例中，凹槽1120可形成在箍1110的内表面、箍1110的外表面和/或其任何组合上。在一些示例中，凹槽1120可被箍1110完全包围，从而形成隧道。
如图11所示，凹槽1120被箍1110至少部分地包围，箍1110用于加强工具输送和/或控制元件内腔。根据一些实施方式，加强内腔壁可防止拉穿，当控制元件(和/或延伸通过内腔的其它装置)摩擦并最终拉穿内腔壁时发生拉穿。
如图11进一步所示，凹槽1120在对应的箍1110中的每一个处包括切口1130，以便当轴向支撑结构1100弯曲、挠曲等时，减少对部署在凹槽1120内的控制元件、定位传感器等的挤压和/或损坏。在一些示例中，切口1130可包括圆形、斜边等中的一个或多个。
图12是根据一些实施方式的柔性细长装置(诸如柔性细长装置400)的远侧区段1200的简化图。根据与图1至图5C一致的一些实施方式，远侧区段1200可对应于柔性细长装置400的远侧区段404。然而，应理解，远侧区段1200可用于除了柔性细长装置400之外的环境中，包括作为独立装置和/或与除了柔性细长装置400的区段之外的区段结合使用。
远侧区段1200包括柔性主体1210，该柔性主体1210具有主内腔1211、控制元件1221延伸通过的四个控制元件内腔1212以及定位传感器1226延伸通过的传感器内腔1219。远侧区段1200可还包括轴向支撑结构1224。如上所述，这些特征通常对应于柔性细长装置400的类似标记的特征。在一些示例中，轴向支撑结构1224可对应于轴向支撑结构500。
如图12所示，轴向支撑结构1224具有环形横截面形状，该环形横截面形状围绕对应于主内腔1211的中心通道。在一些示例中，凹槽1225可形成在轴向支撑结构1224的内表面上，以容纳内腔1212和内腔1219。因为内腔1212和内腔1219被嵌入轴向支撑结构1224内，所以内腔1212和内腔1219的存在对远侧区段1200和/或主内腔1211的直径影响很小或没有影响。也就是说，内腔1212和内腔1219的存在既不增加远侧区段1200的外径，也不减小主内腔1211的直径。
在一些示例中，凹槽1225的尺寸通常可匹配对应内腔1212和内腔1219的尺寸和/或可提供足够的间隙以允许内腔内的器械(例如，控制元件1221和/或定位传感器1226)在约束其横向运动的同时在轴向方向上自由移动。例如，凹槽1225可将控制元件1221横向地保持在适当位置，以维持转向对准，防止拉穿和/或防止控制元件1221在操作期间漂移，从而致使转向控制的丧失。在一些示例中，将凹槽1225放置在轴向支撑结构1224的内表面上可减小控制元件1221和/或定位传感器1226中的张力，诸如用于操纵远侧区段1200的张力和/或由于轴向支撑结构1224的弯曲和/或挠曲引起的张力。
在一些示例中，定位传感器1226围绕轴向支撑结构1224的内圆周的放置可影响相应的定位传感器的精度。例如，当轴向支撑结构1224包括支柱(诸如支柱521至支柱529)时，定位传感器的精度可取决于定位传感器12212是与支柱对准还是从支柱偏移。因此，可通过确定产生定位传感器最高精度的从支柱的偏移量来选择定位传感器1226(以及容纳定位传感器1226的对应特征，诸如凹槽1225和/或传感器内腔1219)的放置。
同样，控制元件1221围绕轴向支撑结构1224的内圆周的放置可影响远侧区段1200的可操纵性。例如，当轴向支撑结构1224包括支柱(诸如支柱521至支柱529)时，远侧区段1200的可操纵性可取决于控制元件1221是与支柱对准还是从支柱偏移。在一些示例中，当控制元件1221和/或定位传感器1226的尺寸类似于和/或大于轴向支撑结构1224的支柱的厚度时，控制元件1221可从支柱偏移。这可通过显著减小支柱的厚度来防止凹槽1225损害轴向支撑结构1224的轴向刚度。因此，可通过确定产生最大可操纵性和/或令人满意的轴向刚度的从支柱的偏移量来选择控制元件1221(以及容纳控制元件1221的对应特征，诸如凹槽1225和/或控制元件内腔1212)的放置。当定位传感器1226和控制元件1221的期望位置之间存在冲突时，可将冲突的内腔中的一个或两个移位以容纳另一个。
远侧区段1200的柔性主体1210可包括形成为多个层1230-1239的远侧区段柔性壁。内腔壁层1230形成围绕主内腔1211的内衬。在一些示例中，内腔壁层1230可使用具有低摩擦和/或高熔点的材料形成，诸如聚四氟乙烯(PTFE)。加强层1232围绕控制元件内腔1212和/或轴向支撑结构1224设置。在一些示例中，加强层1232可由盘绕和/或编织导线形成。导线可由各种金属和/或聚合物材料形成。护套层1233形成柔性主体1210的外涂层。在一些示例中，护套层1233可使用热缩管、真空膨胀管和/或在加热时熔化的材料(例如，诸如聚酰胺、聚醚、硅酮等的热塑性塑料)、可被拉伸的弹性体(例如，乙丙二烯单体橡胶(EPDM)、Vitron等)等形成。与此类实施方式一致，当加热时，护套层1233可填充在内腔1211至内腔1219、加强层1232和/或轴向支撑结构1224周围的区域中。
在一些示例中，内腔壁层1230可具有与轴向支撑结构1224、加强层1232、护套层1233和/或柔性主体1210的其它层的直接界面。为了防止内腔壁层1230在这些界面处分层，粘结层1239可作为薄涂层施加在内腔壁层1230周围。在一些示例中，粘结层1234可包括聚合物层，诸如聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚氨酯等，其具有比内腔壁层1230的材料(例如，PTFE)更好的粘附特性。
在一些实施方式中，层1230至层1239中的一层或多层可被处理以增加对柔性主体的相邻层的粘附。例如，内腔壁层1230(和/或其它PTFE层)的外表面可被化学蚀刻。在一些示例中，可对层1230至层1239中的一个或多个层进行机械粗糙化(例如，打磨、喷砂等)以增加粘附力。与此类实施方式一致，可省略任选粘结层1239。
本公开的实施方式中的一个或多个元件可在软件中实施，以在计算机***(诸如控制处理***)的处理器上执行。当以软件实施时，本发明的实施方式的元件本质上是用于执行必要任务的代码段。程序或代码段可被存储在处理器可读存储介质或装置中，该处理器可读存储介质或装置可通过在传输介质或通信链路上以载波形式体现的计算机数据信号来下载。处理器可读存储装置可包括可存储信息的任何介质，包括光学介质、半导体介质和磁性介质。处理器可读存储装置的示例包括电子电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其它存储装置。可经由计算机网络(诸如因特网、内联网等)来下载代码段。可采用各种各样的集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。编程指令可被实施为多个单独的程序或子例程，或者它们可被集成到本文所述的***的多个其它方面中。在一个实施方式中，控制***支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT和无线遥测。
可通过本文公开的柔性细长装置或导管输送的医学工具可包括例如图像捕获探针、活检工具、激光消融纤维和/或其它手术、诊断或治疗工具。医学工具可包括具有单个工作构件的端部执行器，诸如手术刀、钝刀片、光纤、电极等。其它端部执行器可包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器等。其它端部执行器可还包括电激活的端部执行器，诸如电手术电极、换能器、传感器等。医学工具可包括图像捕获探针，该图像捕获探针包括用于捕获图像(包括视频图像)的立体或单视场相机。医学工具还可容纳在其近侧端部和远侧端部之间延伸以可控地弯曲医学器械226远侧端部的电缆、连杆或其它致动控件(未示出)。可操纵器械在美国专利第7,316,681号(2005年10月4日提交)(公开“用于以增强的灵活性和灵敏度执行微创手术的铰接式手术器械”)和美国专利第9,259,274号(2008年9月30日提交)(公开“用于手术器械的被动预加载和绞盘驱动”)中有详细描述，这些专利通过引用整体并入本文。
本文所述的***可适合于在各种解剖学***(包括肺、结肠、肠、肾和肾结石、大脑、心脏、包括脉管***的循环***等)中的任何一个中，经由自然或手术创建的连接通道导航和治疗解剖学组织。
注意，所呈现的过程和显示可能并非固有地与任何特定计算机或其它设备有关。各种通用***可与根据本文的教导的程序一起使用，或者可证明构造更专用的设备来执行所描述的操作是方便的。各种这些***所需的结构将作为权利要求中的要素出现。另外，没有参考任何特定的编程语言来描述本发明的实施方式。应理解，可使用多种编程语言来实施如本文所述的本发明的教导。
尽管已在附图中描述和示出本发明的某些示例性实施方式，但应理解，此类实施方式仅是示例性的，而不是对本发明的限制，并且本发明的实施方式不限于所示出和描述的具体结构和布置，因为本领域的普通技术人员可进行各种其它修改。

Claims (72)

1.一种柔性细长装置，包括：
柔性主体和轴向支撑结构，其中所述轴向支撑结构包括沿所述轴向支撑结构的长度延伸的至少一个凹槽；以及
多个控制元件，其用于致动所述柔性细长装置，其中所述多个控制元件中的每一个延伸通过所述轴向支撑结构的所述至少一个凹槽中的一个。
2.根据权利要求1所述的柔性细长装置，其中所述至少一个凹槽包括围绕所述轴向支撑结构周向间隔的多个凹槽。
3.根据权利要求1所述的柔性细长装置，其中所述柔性主体包括延伸通过所述轴向支撑结构的所述至少一个凹槽的多个控制元件内腔，所述多个控制元件设置在所述多个控制元件内腔中。
4.根据权利要求1所述的柔性细长装置，其中所述柔性主体包括在中心延伸通过所述柔性主体的主内腔，所述主内腔为医学工具提供通道。
5.根据权利要求4所述的柔性细长装置，其中所述主内腔为键接的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，其中所述主内腔的横截面形状关于n个轴线具有对称性，其中n选自由1、2、3和4组成的组。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，其中所述主内腔的内衬包括视觉取向标志，以指示内窥镜相机图像中的取向。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，其中所述柔性主体包括一系列层，所述一系列层包括内腔壁层和护套层。
9.根据权利要求8所述的柔性细长装置，其中所述内腔壁层包括聚四氟乙烯(PTFE)，并且所述护套层包括热塑性塑料。
10.根据权利要求8所述的柔性细长装置，其中所述一系列层还包括内部气隙衬里和外部气隙衬里，所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里在所述轴向支撑结构内形成未被所述护套层填充的气隙。
11.根据权利要求10所述的柔性细长装置，其中所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里由PTFE构成。
12.根据权利要求8所述的柔性细长装置，其中所述一系列层还包括至少一个加强层。
13.根据权利要求12所述的柔性细长装置，其中所述至少一个加强层包括金属编织物。
14.根据权利要求8所述的柔性细长装置，其中所述一系列层还包括在所述内腔壁层和所述一系列层中的其它层之间的粘附层。
15.根据权利要求14所述的柔性细长装置，其中所述粘附层由聚醚嵌段酰胺(PEBA)构成。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，其中：
所述柔性细长装置包括近侧区段和远侧区段，并且其中所述轴向支撑结构设置在所述远侧区段内。
17.根据权利要求16所述的柔性细长装置，还包括在所述柔性细长装置的所述近侧区段内的导管，所述导管将施加到所述控制元件中的一个的力从所述近侧区段的近侧端部转移到所述近侧区段的远侧端部。
18.根据权利要求17所述的柔性细长装置，其中所述导管围绕所述控制元件中的一个同轴设置。
19.根据权利要求17所述的柔性细长装置，其中所述柔性细长装置还包括过渡区段和在所述过渡区段内的阻挡器，其中所述阻挡器防止所述导管在操作期间向远侧移动。
20.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，还包括在所述轴向支撑结构的远侧端部处的远侧安装件，并且其中所述控制元件中的每一个固定地附接到所述远侧安装件。
21.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性细长装置，还包括定位传感器，所述定位传感器沿所述轴向支撑结构的所述长度延伸，通过所述轴向支撑结构的所述多个凹槽中的至少一个。
22.根据权利要求1至5中的任一项所述的柔性细长装置，其中所述轴向支撑结构包括一组箍，每个相邻的箍对通过对应的支柱对进行联接。
23.根据权利要求22所述的柔性细长装置，其中相邻的箍对之间的间隙具有“I”形，所述“I”形具有限定所述支柱的长度的离隙和限定所述轴向支撑结构的运动范围的凸起中间区段。
24.根据权利要求22所述的柔性细长装置，其中选择所述箍之间的间隙长度，使得当所述轴向支撑结构相对于未弯曲状态下的所述间隙长度弯曲时，所述间隙长度的变化保持在预定阈值以下。
25.根据权利要求24所述的柔性细长装置，其中所述预定阈值对应于0.3的间隙长度的变化与所述间隙长度之比。
26.一种控制具有柔性主体和轴向支撑结构的柔性细长装置的方法，所述方法包括：
致动多个控制元件，所述控制元件中的每一个延伸通过所述轴向支撑结构中的至少一个凹槽中的对应的一个。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括部署医学工具通过主内腔，所述主内腔在中心延伸通过所述柔性主体。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述主内腔被键接以防止所述医学工具在所述主内腔内旋转。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述主内腔的横截面形状关于n个轴线具有对称性，其中n选自由1、2、3和4组成的组。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，还包括：
检测所述主内腔的内衬上的视觉取向标志；以及
基于所述检测到的视觉取向标志来调整内窥镜相机图像的取向的显示。
31.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中所述柔性主体包括延伸通过所述轴向支撑结构的所述至少一个凹槽的多个控制元件内腔，所述多个控制元件设置在所述多个控制元件内腔中。
32.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，还包括通过向所述多个控制元件中的每一个施加不相等的力来操纵所述柔性细长装置的远侧端部。
33.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中所述柔性主体包括一系列层，所述一系列层包括内腔壁层和护套层。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述内腔壁层包括聚四氟乙烯(PTFE)，并且所述护套层包括热塑性塑料。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述一系列层还包括内部气隙衬里和外部气隙衬里，所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里在所述轴向支撑结构内形成未被所述护套层填充的气隙。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里由PTFE构成。
37.根据权利要求33所述的方法，其中所述一系列层还包括至少一个加强层。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述至少一个加强层包括金属编织物。
39.根据权利要求33所述的方法，其中所述一系列层还包括在所述内腔壁层和所述一系列层中的其它层之间的粘附层。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述粘附层由聚醚嵌段酰胺(PEBA)构成。
41.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中：
所述柔性细长装置包括近侧区段和远侧区段，并且其中所述轴向支撑结构设置在所述远侧区段内。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括在所述柔性细长装置的所述近侧区段内的导管，所述导管将施加到所述控制元件中的至少一个的力从所述近侧区段的近侧端部转移到所述近侧区段的远侧端部。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述导管围绕所述控制元件中的至少一个同轴设置。
44.根据权利要求42所述的方法，其中所述柔性细长装置还包括过渡区段和在所述过渡区段内的阻挡器，其中所述阻挡器防止所述导管在操作期间向远侧移动。
45.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，还包括在所述轴向支撑结构的远侧端部处的远侧安装件，并且其中所述控制元件中的每一个固定地附接到所述远侧安装件。
46.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，还包括定位传感器，所述定位传感器沿所述轴向支撑结构的长度延伸，通过所述轴向支撑结构的所述至少一个凹槽中的第二个。
47.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中所述轴向支撑结构包括一组箍，每个相邻的箍对通过对应的支柱对进行联接。
48.根据权利要求47所述的方法，其中相邻的箍对之间的间隙具有“I”形，所述“I”形具有限定所述支柱的长度的离隙和限定所述轴向支撑结构的运动范围的凸起中间区段。
49.根据权利要求47所述的方法，其中选择所述箍之间的间隙长度，使得当所述轴向支撑结构相对于未弯曲状态下的所述间隙长度弯曲时，所述间隙长度的变化保持在预定阈值以下。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述预定阈值对应于0.3的间隙长度的变化与所述间隙长度之比。
51.一种由一个或多个控制元件致动的可操纵导管，所述可操纵导管包括：
近侧区段，其包括一个或多个导管，以将施加到所述一个或多个控制元件的致动力从所述近侧区段的远侧端部转移到近侧端部；
过渡区段，其包括阻挡器，以防止所述一个或多个导管沿所述可操纵导管轴向移动；以及
远侧区段，其包括轴向支撑结构，以支撑所述远侧区段抵抗由所述一个或多个控制元件生成的轴向载荷。
52.根据权利要求51所述的可操纵导管，其中所述一个或多个控制元件延伸通过所述轴向支撑结构中的一个或多个凹槽。
53.根据权利要求52所述的可操纵导管，其中所述一个或多个凹槽包括围绕所述轴向支撑结构周向间隔的多个凹槽。
54.根据权利要求51所述的可操纵导管，其中所述远侧区段包括延伸通过所述轴向支撑结构的一个或多个凹槽的多个控制元件内腔，所述一个或多个控制元件设置在所述多个控制元件内腔中。
55.根据权利要求51至54中任一项所述的可操纵导管，其中所述远侧区段包括在中心延伸通过所述远侧区段的主内腔，所述主内腔为医学工具提供通道。
56.根据权利要求55所述的可操纵导管，其中所述主内腔为键接的。
57.根据权利要求55所述的可操纵导管，其中所述主内腔的横截面形状关于n个轴线具有对称性，其中，其中n选自由1、2、3和4组成的组。
58.根据权利要求55所述的可操纵导管，其中所述主内腔的内衬包括视觉取向标志，以指示内窥镜相机图像中的取向。
59.根据权利要求51至54中任一项所述的可操纵导管，其中所述远侧区段包括一系列层，所述一系列层包括内腔壁层和护套层。
60.根据权利要求59所述的可操纵导管，其中所述内腔壁层包括聚四氟乙烯(PTFE)，并且所述护套层包括热塑性塑料。
61.根据权利要求59所述的可操纵导管，其中所述一系列层还包括内部气隙衬里和外部气隙衬里，所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里在所述轴向支撑结构内形成未被所述护套层填充的气隙。
62.根据权利要求61所述的可操纵导管，其中所述内部气隙衬里和所述外部气隙衬里由PTFE构成。
63.根据权利要求59所述的可操纵导管，其中所述一系列层还包括至少一个加强层。
64.根据权利要求63所述的可操纵导管，其中所述至少一个加强层包括金属编织物。
65.根据权利要求59所述的可操纵导管，其中所述一系列层还包括在所述内腔壁层和所述一系列层中的其它层之间的粘附层。
66.根据权利要求65所述的可操纵导管，其中所述粘附层由聚醚嵌段酰胺(PEBA)构成。
67.根据权利要求51至54中任一项所述的可操纵导管，还包括在所述轴向支撑结构的远侧端部处的远侧安装件，并且其中所述控制元件中的每一个固定地附接到所述远侧安装件。
68.根据权利要求51至54中任一项所述的可操纵导管，还包括定位传感器，所述定位传感器沿所述可操纵导管的长度延伸。
69.根据权利要求51至54中任一项所述的可操纵导管，其中所述轴向支撑结构包括一组箍，每个相邻的箍对通过对应的支柱对进行联接。
70.根据权利要求69所述的可操纵导管，其中所述相邻的箍对之间的间隙具有“I”形，所述“I”形具有限定所述支柱的长度的离隙和限定所述轴向支撑结构的运动范围的凸起中间区段。
71.根据权利要求69所述的可操纵导管，其中选择所述箍之间的间隙长度，使得当所述轴向支撑结构相对于未弯曲状态下的所述间隙长度弯曲时，所述间隙长度的变化保持在预定阈值以下。
72.根据权利要求71所述的可操纵导管，其中所述预定阈值对应于0.3的间隙长度的变化与所述间隙长度之比。
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