模块化内窥镜的系统和方法与流程

模块化内窥镜的系统和方法
引用
1.本技术要求于2019年12月19日提交的第62/950,740号美国临时专利申请和2020年10月13日提交的第63/091,268号美国临时专利申请的优先权，其中每一个的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

2.内窥镜检查手术使用内窥镜检查身体的中空器官或腔体的内部。与许多其他医学成像技术不同，内窥镜是直接插入器官的。可递送本能的操纵和控制的柔性内窥镜，对于诊断和治疗通过身体任何自然孔口进入的疾病是有用的。根据临床适应症，内窥镜可指定为支气管镜、输尿管镜、结肠镜、胃镜、耳鼻喉镜，以及各种其他的。例如，柔性内窥镜检查已被用于检查和治疗胃肠道(gi)紊乱，而无需在患者身体上创建开口。内窥镜通过口腔或肛门分别进入上消化道或下消化道。远端的微型相机捕捉gi壁的图像，帮助临床医生诊断gi疾病。简单的外科手术(如息肉切除术和活检)可以通过工作通道引入灵活的工具以到达远端感兴趣的部位来执行。
3.内窥镜常规上被制成可重复使用的，这可能需要在每次手术后彻底清洁、消毒和/或灭菌。在大多数情况下，清洁、消毒和灭菌可能是杀死病菌和/或细菌的积极过程。这样的手术对内窥镜本身也可能是苛刻的。因此，这种可重复使用的内窥镜的设计往往比较复杂，尤其是为了确保内窥镜能够经受住如此苛刻的清洁、消毒和灭菌方案。对这种可重复使用的内窥镜可能经常需要定期维护和修理。
4.被指定为一次性使用的低成本、一次性医疗设备对于难以适当清洁的仪器已经成为流行。一次性使用的一次性设备可以包装在无菌包装中，以避免诸如hiv、肝炎和其他病原体等疾病的病原交叉污染风险。医院普遍欢迎一次性使用的产品的便利性，因为他们不再需要担心产品的老化、过度使用、破损、故障和灭菌。常规的内窥镜通常包括操作者用来操纵内窥镜的手柄。对于一次性使用的内窥镜，手柄通常在近端包裹相机、昂贵的电子设备和机械结构，以便传输视频，并允许用户经由用户界面操纵内窥镜。这可能导致一次性使用的内窥镜手柄的高成本。


技术实现要素：

5.本文认识到需要内窥镜，其允许以改进的性能和成本效益执行外科手术或诊断操作。本文还认识到包括内窥镜的设备和系统，其可以是一次性的并且可能不需要大量的清洁手术。本公开内容提供了低成本、一次性使用的可铰接内窥镜，其用于各种应用中的诊断和治疗，例如支气管镜检查、泌尿科、妇科、铰接镜检查、骨科、耳鼻喉科、胃肠内窥镜检查、神经外科和各种其他应用。应注意，所提供的内窥镜系统可用于各种微创外科手术、治疗或诊断手术，涉及各种类型的组织，包括心脏、膀胱和肺组织，以及患者身体的其他解剖区域，诸如消化系统，包括但不限于食道、肝脏、胃、结肠、泌尿道或呼吸系统，包括但不限于支气管、肺和各种其他系统。
6.应当注意，所提供的模块化内窥镜部件和设备的各种部件可用于各种微创外科手术、涉及包括心脏、膀胱和肺组织在内的各种组织类型的治疗或诊断手术，以及其他患者身体的解剖区域，诸如消化系统，包括但不限于食道、肝脏、胃、结肠、泌尿道或呼吸系统，包括但不限于支气管、肺和各种其他系统。
7.在一个方面，本文提供了一种铰接式(articulating)柔性内窥镜。铰接式柔性内窥镜包括：远侧尖端部分，其可经由驱动机构操纵(steerable)；弯曲段，其在第一端连接到远侧尖端部分，并在过渡接口连接到轴部分，其中弯曲段通过一根或多根拉线铰接；和轴部分包括一个或多个负载传输管，用于容纳一根或多根拉线，从而提高轴部分的稳定性。
8.在一些实施方式中，远侧尖端部分包括用于接收成像设备、位置传感器和照明设备的结构。在一些实施方式中，一根或多根拉线中的每根拉线被放置在一个或多个负载传输管的各个负载传输管的内腔内。在一些实施方式中，弯曲段通过一根或多根拉线沿两个或更多个方向弯曲。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管锚定到过渡接口并且具有大于轴部分长度的长度。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管具有非线性配置。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管具有螺旋配置。
9.在一些实施方式中，轴部分包括具有一体成型结构的管，以改变轴部分的刚度。在一些实施方式中，铰接式柔性内窥镜还包括可变形的工作通道。在一些实施方式中，铰接式柔性内窥镜还包括手柄部分，其中手柄部分包括一个或多个部件，该一个或多个部件被配置成处理图像数据、向位于远侧尖端部分的一个或多个电子部件提供电力或建立与外部设备的通信。在一些情况下，手柄部分包括被配置成将手柄部分耦合到仪器驱动机构的接口。在一些情况下，接口是电接口和机械接口。在一些情况下，手柄部分包括用于连接冲洗系统或抽吸系统的机械控制模块。
10.在另一方面，本文提供了一种一次性内窥镜。一次性内窥镜包括：远侧尖端部分，其包括成像设备、位置传感器和照明设备；弯曲段，其在第一端连接到远侧尖端部分，并在第二端连接到轴部分，其中弯曲段通过一根或多根拉线铰接；和轴部分，其包括一个或多个负载传输管，用于容纳一根或多根拉线，从而提高轴部分的稳定性。
11.在一些实施方式中，远侧尖端部分包括用于接收成像设备、位置传感器和照明设备的结构。在一些实施方式中，成像设备、位置传感器和照明设备被布置成紧凑配置。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管具有大于轴部分长度的长度。
12.在一些实施方式中，一根或多根拉线中的每根拉线被放置在一个或多个负载传输管的各个负载传输管的内腔内。在一些实施方式中，一根或多根拉线相对于一个或多个负载传输管是可移动的。在一些实施方式中，弯曲段通过一根或多根拉线沿两个或更多个方向弯曲。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管具有非线性配置。在一些实施方式中，一个或多个负载传输管具有螺旋配置。
13.在一些实施方式中，轴部分包括具有一体成型结构的管，以改变轴部分的刚度。在一些实施方式中，一次性内窥镜还包括可变形的工作通道。在一些实施方式中，一次性内窥镜还包括手柄部分，其中手柄部分包括一个或多个部件，该一个或多个部件被配置成处理图像数据，向成像设备、位置传感器和照明设备提供电力，或建立与外部设备通信。在一些情况下，手柄部分包括被配置成将手柄部分耦合到仪器驱动机构的接口。在一些情况下，接口包括电接口和机械接口。在一些示例中，机械接口被配置成将手柄部分可释放地耦合到
仪器驱动机构。
14.通过以下详细描述，本公开内容的其他方面和优点对于本领域技术人员将变得容易理解，其中仅显示和描述了本公开内容的说明性实施方式。如将意识到的，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且其若干细节能够在各种明显方面进行修改，所有这些均不背离本公开内容。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。援引并入
15.本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度与每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指示通过引用并入的程度相同。在通过引用并入的出版物和专利或专利申请与说明书中包含的公开内容相矛盾的范围内，说明书旨在取代和/或优先于任何此类矛盾的材料。
附图说明
16.本发明的新颖特征在所附权利要求中特别阐述。通过参考以下阐述其中利用了本发明的原理的说明性实施方式的详细描述以及附图(本文也称为“附图”和“图”)，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中：
17.图1示出了根据本公开内容的一些实施方式的柔性内窥镜的示例。
18.图2示出了根据本发明的一些实施方式的具有铰接力传输机构的内窥镜的示例。
19.图3a和图3b示出了在弯曲段与一个或多个负载传输管组装的一根或多根拉线的示例。
20.图4示出了终止于远侧轴区域和近侧轴区域的负载传输管的示例。
21.图5示出了终止于远侧轴区域和近侧轴区域的负载传输管的示例。
22.图6示出了现有可操纵导管结构的示例。
23.图7示出了插入轴设计的示例。
24.图8示出了根据本发明的一些实施方式的机器人支气管镜的示例。
25.图9示出了根据本发明的一些实施方式的为机器人支气管镜的手柄部分提供机械接口的仪器驱动机构的示例。
26.图10示出了根据本发明的一些实施方式的机器人支气管镜的手柄部分的示例。
27.图11示出了根据本发明的一些实施方式的可操纵导管的示例。
28.图12示出了具有集成的成像设备和照明设备的导管的远侧部分的示例。
29.图13示出了根据本发明的一些实施方式的安置在导管的远侧部分的多个电子元件的紧凑配置的示例。
30.图14示出了附接到控制环结构的拉线的常规配置和本公开内容的新颖配置的示例。
31.图15示出了根据本发明的一些实施方式的用于机器人导管系统的拉线的各种配置。
32.图16示出了根据本发明的一些实施方式的具有充气式尖端的导丝的示例。
33.图17示出了内窥镜尖端设计的示例。
具体实施方式
34.尽管本文已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但是对于本领域技术人员来说容易理解的是，这些实施方式仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文所述的本发明实施方式的各种替代方案。
35.本文公开的实施方式可以以多种方式中的一种或多种方式组合以向患者提供改进的诊断和治疗。所公开的实施方式可以与现有方法和设备组合以提供改进的治疗，例如与已知的肺部诊断、外科手术和其他组织和器官的外科手术的方法相结合。应理解，本文所述的任何一种或多种结构和步骤可以与本文所述的方法和设备的任何一种或多种附加结构和步骤组合，附图和配套文本根据实施方式提供描述。
36.虽然示例性实施方式将主要针对用于支气管镜检查的设备或系统，但本领域技术人员将理解这并非意在限制，并且本文描述的设备可用于其他治疗或诊断手术和在患者身体的各个解剖区域。所提供的设备或系统可用于泌尿科、妇科、鼻科、耳科、喉镜检查、肠胃科和内窥镜、包括内窥镜和仪器的组合设备、具有定位功能的内窥镜，本领域技术人员将理解，这并非意在限制，并且本文描述的设备可用于其他治疗或诊断手术以及患者身体的其他解剖区域，诸如脑、心脏、肺、肠、眼睛、皮肤、肾脏、肝脏、胰腺、胃、子宫、卵巢、睾丸、膀胱、耳、鼻、口、诸如骨髓、脂肪组织、肌肉、腺体和黏膜组织、脊椎和神经组织、软骨的软组织、诸如牙齿、骨骼等的硬生物组织以及诸如鼻窦、输尿管、结肠、食道、肺通道、血管和喉咙的体腔和通道以及各种其他组织，其形式为：神经内镜、脑内窥镜、检眼镜、耳镜、鼻内窥镜、喉镜、胃镜、食管镜、支气管镜、胸腔镜、胸膜镜、血管镜、纵隔镜、肾镜、胃镜、十二指肠镜、胆道镜、胆管镜、腹腔镜、胺镜、输尿管镜、宫腔镜、膀胱镜、直肠镜、结肠窥镜、铰接(内窥)镜、涎腺内窥镜、骨科内窥镜和其他形式，结合各种工具或仪器。
37.本文中的系统和设备可以以多种方式中的一种或多种方式组合以向患者提供改进的诊断和治疗。本文提供的系统和设备可以与现有方法和设备组合以提供改进的治疗，诸如与已知的肺部诊断、外科手术和其他组织和器官的外科手术方法相结合。应理解，本文所述的任何一种或多种结构和步骤可以与本文所述的方法和设备的任何一种或多种附加结构和步骤组合，附图和配套文本根据实施方式提供描述。
38.每当术语“至少”、“大于”或“大于或等于”在一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前，术语“至少”、“大于”或“大于或等于”适用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1、2或3等价于大于或等于1、大于或等于2或大于或等于3。
39.每当术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”在一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前，术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”适用于该系列数值中的每个数值。例如，小于或等于3、2或1等价于小于或等于3、小于或等于2或小于或等于1。
40.如本文所用，术语远侧和近侧通常可以指从器械引用的位置，并且可以与解剖学引用相反。例如，主轴或导管的远侧位置可以对应于患者的细长构件的近侧位置，并且主鞘或导管的近侧位置可以对应于患者的细长构件的远侧位置。模块化柔性内窥镜
41.在本发明的一个方面，提供了一种性能提高、成本降低的柔性内窥镜。图1示出了根据本公开内容的一些实施方式的柔性内窥镜100的示例。如图1所示，柔性内窥镜100可以
包括手柄部分109和将插入对象内部的柔性细长构件。在一些实施方式中，柔性细长构件可以包括轴(例如，插入轴101)、可操纵尖端(例如，尖端105)和可操纵部分(弯曲段103)。内窥镜100也可以称为如本文别处所述的可操纵导管组件。在一些情况下，内窥镜100可以是一次性使用的机器人内窥镜。在一些情况下，整个导管组件可以是一次性的。在一些情况下，导管组件的至少一部分可以是一次性的。在一些情况下，整个内窥镜可以从仪器驱动机构中释放并且可以被丢弃。在一些实施方式中，内窥镜可沿轴包含不同程度的刚度，以提高功能操作。
42.内窥镜或可操纵导管组件100可以包括手柄部分109，该手柄部分109可以包括一个或多个被配置成处理图像数据、提供电力或建立与其他外部设备通信的部件。例如，手柄部分可以包括电路和通信元件，其使得可操纵导管组件100和仪器驱动机构(未示出)以及任何其他外部系统或设备之间能够电通信。在另一个示例中，手柄部分109可以包括电路元件，诸如用于为内窥镜的电子设备(例如，相机、电磁传感器和led灯)供电的电源。
43.可以优化位于手柄处的一个或多个部件，从而可以将昂贵和复杂的部件分配给机器人支持系统、手持控制器或仪器驱动机构，从而降低成本并简化一次性内窥镜的设计。在一些情况下，手柄部分可以经由电接口(例如，印刷电路板)与仪器驱动机构(例如，图8，仪器驱动机构820)电连通，以便图像/视频数据和/或传感器数据可由仪器驱动机构的通信模块接收，并可传输至其他外部设备/系统。在一些情况下，电接口可以在没有电缆或电线的情况下建立电通信。例如，接口可以包括焊接到诸如印刷电路板(pcb)的电子板上的引脚。譬如，在仪器驱动机构上提供插座连接器(例如，母连接器)作为配合接口。这可以有利地允许内窥镜快速插入仪器驱动机构或机器人支架，而无需利用额外的电缆。这种类型的电接口也可以用作机械接口，使得当手柄部分插入仪器驱动机构时，建立机械和电耦合两者。备选地或附加地，仪器驱动机构可以仅提供机械接口。手柄部分可以与模块化无线通信设备或任何其他用户设备(例如，便携式/手持设备或控制器)电通信，用于传输传感器数据和/或接收控制信号。
44.在一些情况下，手柄部分109可以包括一个或多个机械控制模块，诸如用于对接冲洗系统/抽吸系统的鲁尔接头111。在一些情况下，手柄部分可以包括用于铰接控制的杠杆/旋钮。或者，铰接控制可以位于经由仪器驱动机构附接到手柄部分的单独控制器处。
45.内窥镜可以经由仪器驱动机构附接到机器人支持系统或手持控制器。仪器驱动机构可以由可以包括或不包括机器人系统的任何合适的控制器设备(例如，手持控制器)提供。仪器驱动机构可以为可操纵导管组件100提供机械和电接口。机械接口可以允许可操纵导管组件100可释放地耦合到仪器驱动机构。譬如，可操纵导管组件的手柄部分可以经由快速安装/释放工具(诸如磁铁、弹簧加载水平仪等)附接到仪器驱动机构。在一些情况下，可操纵导管组件可以手动耦合到仪器驱动机构或从仪器驱动机构释放而不使用工具。本文中关于仪器驱动机构的细节将在后面描述。
46.在所示示例中，导管或内窥镜轴的远侧尖端被配置成以两个或更多个自由度铰接/弯曲，以提供期望的相机视图或控制内窥镜的方向。如示例中所示，成像设备(例如，相机)、位置传感器(例如，电磁传感器)107位于导管或内窥镜轴105的尖端。例如，可以通过控制弯曲段103的铰接来控制相机的视线。在一些情况下，相机的角度可以是可调节的，使得可以在不铰接导管或内窥镜轴的远侧尖端或除了铰接导管或内窥镜轴的远侧尖端之外来
调节视线。例如，相机可以在最佳部件的帮助下关于内窥镜尖端的轴向方向以一定角度(例如，倾斜)定向。
47.远侧尖端105可以是刚性部件，其允许定位传感器，诸如电磁(em)传感器、成像设备(例如，相机)和嵌入远侧尖端处的其他电子部件(例如，led光源)。
48.在实时em跟踪中，包括一个或多个传感器线圈的em传感器嵌入在医疗仪器(例如，内窥镜工具的尖端)中的一个或多个位置和方向中，测量由定位在患者的附近位置的一个或多个静态em场发生器产生的em场的变化。em传感器检测到的位置信息储存为em数据。em场发生器(或发射器)可以在患者附近放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场感应出em传感器的传感器线圈中的小电流，可以对其进行分析以确定em传感器和em场发生器之间的距离和角度。例如，em场发生器可以在手术期间在患者躯干附近定位以将em传感器位置定位在3d空间中，或者可以将em传感器位置和方向定位在5d或6d空间中。这可以在驱动支气管镜朝向目标部位时为操作者提供视觉指导。本文中关于尖端设计和嵌入在尖端的多个部件的细节将在后面描述。
49.内窥镜可以在轴部件中具有独特的设计。在一些情况下，内窥镜的插入轴可以由单个管组成，该单个管沿其长度包含一系列切口(例如，浮雕、狭缝等)，以允许提高柔韧性以及所需的刚度。本文中关于轴设计的细节将在后面描述。
50.弯曲段103可以设计成允许在两个或更多个自由度(例如，铰接)上弯曲。弯曲段的独特结构可以实现更大的弯曲度，例如180度和270度(或其他临床适应症的铰接参数)。在一些情况下，弯曲段可以独立制造为模块化部件并组装到插入轴上。在一些情况下，弯曲段可以进一步结合极简特征，从而降低成本并增加可靠性。例如，弯曲段可以结合有利地允许较大程度的管变形的雕刻图案以实现相对于插入轴的所需的尖端位移。
51.在一些实施方式中，弯曲段或内窥镜可包括铰接力传输机构以确保内窥镜稳定并递送本能的弯曲段响应性。图2示出了根据本发明的一些实施方式的具有铰接力传输机构201的内窥镜的示例。铰接力传输机构201可以包括位于插入轴/管的孔内的多个负载传输管。在一些情况下，至少一个、两个、三个、四个、五个或更多个负载传输管可以包括在内，以在弯曲段的铰接期间减少插入管203的轴向压缩/延伸(拉紧)。负载传输管可以将施加到弯曲段和/或轴的铰接负载的至少一部分传输回手柄(例如，经由驱动一根或多根铰接拉线的致动器或电机)。
52.轴部分可以包括用于容纳一根或多根拉线的一个或多个负载传输管。传输管抵消了铰接负载，允许提高插入轴的稳定性。多个负载传输管201可以驻留在轴管的内腔(即，管孔)内，并且被配置成将铰接反作用力从弯曲段传递到手柄部分。负载传输管被配置成将弯曲段的铰接反作用力传递回手柄部分，从而减小将施加到插入轴管的铰接力。这种设计可以有利地防止这些铰接力通过插入轴管被分解，由此提供稳定的轴。本文所述的传输模态可确保插入轴管经历最小的轴向压缩或拉伸力，从而在弯曲段的铰接期间保持稳定。
53.在负载传输机构的优选实施方式中，多个负载传输管201可以比插入轴管203的长度长。多个负载传输管201的长度可以被确定为使得当负载传输管在轴向压缩下，它们仍然比插入轴管203的长度长，从而防止负载通过插入轴管传输。例如，负载传输管的长度可以比插入轴的长度长至少0.01％、0.1％、0.2％、0.3％、1％、5％、10％。负载传输管的长度可以至少部分地基于轴的内径尺寸来确定。例如，负载传输管可以具有提供足够刚度以承受/
传输负载的螺旋配置。
54.负载传输管可以具有能够适应轴管内的位移的尺寸和配置。例如，当插入轴管203例如由于经受扭转的解剖结构而弯曲时，插入轴管可能导致容纳在插入轴管的孔内的部件的位移。在这种情况下，负载传输管的额外长度可以有利地适应插入轴管孔内的位移，同时提高轴的稳定性。与可利用手柄部分内的盘管和维修环的现有技术相比，负载传输管的模块化设计和组装可有利地降低成本而不影响轴的性能。与其他现有将拉线内置在轴中的技术(如图6所示)相比，所提供的负载传输机构可以有利地将负载从弯曲段传输到手柄，而不会压缩轴，从而提高了轴的稳定性。
55.多个负载传输管可以锚定在插入轴管203的近端207和远端205处。如上所述，因为负载传输管比插入轴管的长度长，所以负载传输管可以在插入轴管的孔内具有非线性/直线配置，从而允许灵活地调整由弯曲引起的位移。例如，一个或多个负载传输管可以具有非直线(例如，螺旋形的)配置，在内窥镜放置在解剖结构中的同时，当内窥镜经受扭转配置时，允许在内窥镜主腔内移动，以考虑轴长度的几何变化。这种负载传输机构可以有利地用作自然弹簧以抵消来自外部插入轴的运动。
56.在一些实施方式中，一个或多个负载传输管可包围一根或多根拉线。可通过一根或多根拉线向内窥镜的远端施加力来控制内窥镜的铰接。一根或多根拉线可以附接到内窥镜的远端。在多根拉线的情况下，一次拉一根线可能会改变远侧尖端的方向，以向上、向下、向左、向右或任何需要的方向倾斜。在一些情况下，拉线可以锚定在内窥镜的远侧尖端处，穿过弯曲段，并进入手柄，在手柄处它们与驱动部件(例如，滑轮)耦合。该手柄滑轮可以与来自机器人系统的输出轴相互作用。
57.在一些实施方式中，一根或多根拉线可以位于一个或多个负载传输管内或穿过传输管的内部。图3a和图3b示出了在弯曲段301处与负载传输管307组装的一根或多根拉线305的示例。如图3a所示，弯曲段301可以由不锈钢带构成。弯曲段可由其他合适的结构或材料形成，以实现预定的弯曲刚度，同时以低铰接力保持所需的轴向和扭转刚度。例如，弯曲段可以包括用于扭转稳定性的编织结构。在所示示例中，多根拉线305可以穿过负载传输管307和弯曲段的内腔或置于其内部，终止于内窥镜的尖端。
58.例如，驱动机构(例如，致动器、电机)可以与拉线接合以使弯曲段铰接。一个或多个负载传输管可被配置成将至少一部分铰接负载(例如，压缩)从弯曲段传输回手柄或电机，例如，通过分别将一根或多根拉线放置在一个或多个负载传输管内部。在铰接期间，拉线和相应的负载传输管之间可能存在相对运动。一个或多个负载传输管可以将施加到弯曲段和/或轴的铰接负载的至少一部分传输回手柄(例如，驱动一根或多根铰接拉线的电机)。这可以有利地减少施加到弯曲段和/或插入轴的铰接力的至少一部分，从而提高插入轴的稳定性。
59.内窥镜可以包括位于弯曲段和轴的接合接口处的弯曲段过渡部303。弯曲段过渡部303可以包括可以实现内窥镜的高效和方便组装的结构。例如，弯曲段过渡部303可以包括诸如卡扣/夹子之类的机械部件，以将负载传输管(例如，海波管)锚定到插入轴上的切口特征。图3b示出了弯曲段过渡部309的另一个示例。在所示示例中，负载传输管可以通过焊接到弯曲段过渡部309的过渡环结构而锚定到插入轴和弯曲段之间的接口。这可以有利地减少轴部分和弯曲段之间的突然刚度变化，从而防止扭结。
60.图4示出了终止于远侧轴区域403和近侧轴区域405的负载传输管401的示例。如上所述，负载传输管可以在插入管的孔内具有非线性/非直线配置，从而允许灵活地调整由弯曲引起的位移。如示例中所示，负载传输机构可以包括一个或多个负载传输管。这种负载传输机构可以有利地用作自然弹簧以抵消来自外部插入轴的运动，而不需要在手柄部分处额外的维修环。在所示示例中，负载传输管的端部可以固定地连接(例如，焊接到)弯曲段过渡部407。弯曲段过渡部407可以包括耦合结构409(例如，卡扣)，以便于组装到插入轴。
61.在一些情况下，一个或多个负载传输管可以由诸如金属管材或金属缠绕盘管的材料构成。可以选择/确定负载传输管的几何形状和/或材料以提供所需的轴向和弯曲刚度。例如，该材料可以是诸如不锈钢或镍钛诺的金属材料、诸如peek的刚性聚合物、玻璃或碳填充的peek、ultem、聚砜和其他合适的材料。在一些情况下，一个或多个负载传输管可以具有大于拉线的外径的内径，以允许负载传输管和拉线之间的相对运动(例如，平移和/或旋转运动)。一个或多个负载传输管的壁厚可以基于传输弯曲段的铰接负载所需的负载传输函数来确定。
62.图5示出了终止于远侧轴区域503和近侧轴区域的负载传输管501的示例。如本文别处所述，负载传输管501可位于插入轴(未示出)的内腔内和工作通道505的外部。
63.图6示出了现有可操纵导管结构600的示例。在现有导管设计中，没有负载传输管，一根或多根拉线609通常穿过导管607，导管607内置于插入轴605和弯曲段603的壁中。导管轴可以具有与中性轴同轴的中心孔/内腔611。如截面图所示，轴壁或弯曲段壁可以具有内置结构(例如，内腔、导管)以让拉线穿过。在这种情况下，轴可能会承受铰接负载，从而导致轴不稳定。
64.图7示出了插入轴的设计示例。如上所述，内窥镜的插入轴可以由具有一体成型结构的单个管构成，以改变轴部分的刚度。例如，管可以具有沿长度形成的一系列切口(或浮雕、狭缝等)。管中的切口可以具有沿长度变化的轮廓/图案701、703和密度，以产生从远侧区域到近侧区域的可变弯曲刚度。这可以有利地允许通过控制插入轴中的切口来控制弯曲刚度参数。低成本和一次性使用机器人支气管镜
65.在本发明的另一个方面，提供了一种一次性机器人支气管镜。机器人支气管镜可以与本文别处所述的可操纵导管组件相同。常规的内窥镜设计复杂，并且通常设计为在手术后重复使用，每次手术后都需要彻底清洁、消毒或灭菌。现有内窥镜通常设计有复杂的结构，以确保内窥镜能够承受清洁、消毒和灭菌过程。所提供的机器人支气管镜可以是一次性内窥镜，可以有利地减少患者和感染之间的交叉污染。在一些情况下，机器人支气管镜可以在预先消毒的包装中交付给医生，并打算在一次性使用后丢弃。
66.图8至图10示出了根据本发明的一些实施方式的机器人支气管镜的示例。如图8所示，机器人支气管镜820可以包括手柄部分813和柔性细长构件811。在一些实施方式中，柔性细长构件811可以包括轴、可操纵尖端和可操纵部分。机器人支气管镜820可以与图1中描述的可操纵导管组件相同。机器人支气管镜可以是一次性机器人内窥镜。在一些情况下，只有导管可以是一次性的。在一些情况下，导管的至少一部分可以是一次性的。在一些情况下，整个机器人支气管镜可从仪器驱动机构中释放并且可被丢弃。支气管镜沿其轴可包含不同程度的刚度，以改善功能操作。
67.机器人支气管镜可以可释放地耦合到仪器驱动机构820。仪器驱动机构820可以安装到机器人支持系统的臂或如本文别处所述的任何致动的支持系统。仪器驱动机构可以向机器人支气管镜820提供机械接口和电接口。机械接口可以允许机器人支气管镜820可释放地耦合到仪器驱动机构。例如，机器人支气管镜的手柄部分可以通过快速安装/释放工具(例如磁铁和弹簧加载水平仪)附接到仪器驱动机构。在一些情况下，机器人支气管镜可以手动耦合仪器驱动机构或从仪器驱动机构释放，而不使用工具。
68.图9示出了仪器驱动机构920的示例，该仪器驱动机构920为机器人支气管镜的手柄部分913提供机械接口。如示例中所示，仪器驱动机构920可以包括一组电机，这些电机被致动以旋转地驱动导管的一组拉线。导管组件的手柄部分913可以安装到仪器驱动机构上，使得其滑轮组件由电机组驱动。滑轮的数量可能因拉线配置而变化。在一些情况下，一根、两根、三根、四根或更多根拉线可用于铰接导管。
69.手柄部分可以设计成允许机器人支气管镜以降低的成本一次性使用。例如，经典的手动和机器人支气管镜可在支气管镜手柄的近端有一根电缆。该电缆通常包括照明光纤、相机视频电缆和其他传感器光纤或电缆，例如电磁(em)传感器或形状传感光纤。这种复杂的电缆可能很昂贵，增加了支气管镜的成本。所提供的机器人支气管镜可以具有优化的设计，从而可以采用简化的结构和部件，同时保留机械功能和电功能。在一些情况下，机器人支气管镜的手柄部分可以采用无电缆设计，同时为导管提供机械接口/电接口。
70.图10示出了根据本发明的一些实施方式的机器人支气管镜的手柄部分1000的示例。在一些情况下，手柄部分1000可以是外壳或包括被配置成处理图像数据、提供电力或建立与其他外部设备通信的部件。在一些情况下，通信可以是无线通信。例如，无线通信可以包括wi-fi、无线电通信、蓝牙、ir通信或其他类型的直接通信。这种无线通信能力可以使机器人支气管镜以即插即用的方式发挥作用，并且可以在一次性使用后方便地丢弃。在一些情况下，手柄部分可以包括电路元件，例如用于为安置在机器人支气管镜或导管内的电子设备(例如，相机和led光源)供电的电源。
71.手柄部分可以与导管结合设计，以便消除电缆或光纤。根据导管的机械结构，例如，导管部分可以采用具有允许仪器通过机器人支气管镜的单个工作通道的设计，以及诸如尖端芯片相机的低成本电子设备、诸如发光二极管(led)的照明源以及位于最佳位置的em传感器。这可以允许手柄部分的简化设计。例如，通过使用led进行照明，手柄部分的端部可以单独基于电焊或电线夹压。例如，手柄部分可以包括近侧板，其中相机电缆、led电缆和em传感器电缆终止于此，而该近侧板连接到手柄部分的接口并建立与仪器驱动机构的电连接。如上所述，仪器驱动机构附接到机器人臂(机器人支持系统)并为手柄部分提供机械接口和电接口。这可以有利地提高组装和实施效率以及简化制造过程和成本。在一些情况下，手柄部分连同导管可在一次性使用后被丢弃。一次性使用可操纵导管
72.图11示出了根据本发明的一些实施方式的可操纵导管1100的示例。在一些实施方式中，导管可以具有基本上一体的设计，一个或多个部件可以与导管一体，从而简化组装、制造过程，同时保持可操纵导管的运动学、动态性能。如示例中所示，可操纵导管可包括细长构件1101或接近待检查的组织和/或区域的探测部分。在一些情况下，细长构件1101也可以称为导管。导管1101可包括诸如工作通道1103的内部结构，允许如本文别处所述的工具
插入穿过。在一些情况下，工作通道可以具有诸如2mm左右直径的尺寸以与标准工具兼容。
73.导管1101可以由合适的材料组成，以获得所需的柔韧性或弯曲刚度。在一些情况下，可以选择导管的材料，使得它可以保持对内部结构(例如，工作通道)的结构支持以及基本上是柔性的(例如，能够在各种方向和方位上弯曲)。例如，导管可以由任何合适的材料制成，例如provista共聚物、乙烯基(例如聚氯乙烯)、尼龙(例如vestamid、grilamid)、颗粒烷、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、硅弹性体、醋酸酯等。在一些情况下，材料可以是聚合物材料、生物相容性聚合物材料，并且导管可以具有足够的柔性以通过具有小曲率的路径前进而不会给对象造成疼痛。在一些情况下，导管可以包括鞘。鞘可与导管的长度不同。鞘可以比导管短以提供所需的支持。备选地，导管可以基本上是单件部件。
74.在一些情况下，导管的远侧部分或尖端可以是基本上柔性的，使得它可以被操纵到一个或多个方向(例如，俯仰、偏航)。导管可以包括与图1至图5中描述的相同的尖端部分、弯曲段和插入轴。在一些实施方式中，导管可以沿纵向轴线方向具有可变的弯曲刚度。例如，导管可以包括具有不同弯曲刚度(例如，柔性、半刚性和刚性)的多个部分。弯曲刚度可以通过选择具有不同刚度/刚性的材料、不同部分中的不同结构(例如，切口、图案)、添加附加支持部件或以上任何组合来改变。在一些情况下，导管的近端不需要高度弯曲，因此导管的近端部分可以用附加机械结构(例如，附加材料层)来加强以实现更大的弯曲刚度。这种设计可以为导管提供支持和稳定性。在一些情况下，可变弯曲刚度可以通过在导管挤压期间使用不同的材料来实现。这可以有利地允许在挤压制造过程中沿着导管的轴具有不同的刚度水平，而无需附加紧固或组装不同材料。
75.导管的远侧部分可由一根或多根拉线1105操纵。导管的远侧部分可由任何合适的材料制成，例如共聚物、聚合物、金属或合金，使得它可以由拉线弯曲。在一些实施方式中，一根或多根拉线1105的近端或近侧部分可操作地耦合到导管组件的手柄部分中的各种机构(例如，齿轮、滑轮等)。拉线1105可以是金属线、电缆或线，或者它可以是聚合物线、电缆或线。拉线1105也可以由天然或有机材料或光纤制成。拉线1105可以是任何类型的合适的电线、电缆或线，能够承受各种负载而不变形、不发生显著变形或断裂。一根或多根拉线1105的远端或远侧部分可锚定或集成到导管的远侧部分，使得控制单元对拉线的操作可对导管的远侧部分施加力或张力，而该远侧部分可操纵或铰接(例如，向上、向下、俯仰、偏航或中间的任何方向)至少导管的远侧部分(例如，柔性部分)。
76.如上所述，拉线可由任何合适的材料制成，例如不锈钢(例如ss316)、金属、合金、聚合物、尼龙或生物相容性材料。拉线可以是电线、电缆或线。在一些实施方式中，不同的拉线可以由不同的材料制成，以改变拉线的承载能力。在一些实施方式中，拉线的不同部分可以由不同的材料制成以改变沿拉线的刚度和/或承载。在一些实施方式中，拉线可以用于电信号的传输。如本文别处所述，拉线可以穿过一个或多个负载传输管的内腔。
77.导管可以具有使得一个或多个电子部件可以集成到导管的尺寸。例如，远侧尖端的外径可以是大约4至4.4毫米(mm)，并且工作通道的直径可以是2mm左右，使得一个或多个电子部件可以嵌入到导管的壁中。然而，应注意的是，根据不同的应用，外径可以在小于4mm或大于4.4mm的任何范围内，并且工作通道的直径可以根据工具尺寸或具体应用在任何范围内。
78.一个或多个电子部件可以包括成像设备、照明设备或传感器。在一些实施方式中，
成像设备可以是摄像机1113。成像设备可以包括用于捕获图像数据的光学元件和图像传感器。图像传感器可以被配置成生成图像数据以响应光的波长。可以采用各种图像传感器来捕获图像数据，例如互补金属氧化物半导体(cmos)或电荷耦合器件(ccd)。成像设备可以是低成本相机。在一些情况下，图像传感器可以提供在电路板上。电路板可以是成像印刷电路板(pcb)。pcb可以包括用于处理图像信号的多个电子元件。例如，用于ccd传感器的电路可以包括a/d转换器和放大器以放大和转换由ccd传感器提供的模拟信号。可选地，图像传感器可以与放大器和转换器集成以将模拟信号转换为数字信号，从而可以不需要电路板。在一些情况下，图像传感器或电路板的输出可以是图像数据(数字信号)，可以由相机电路或相机的处理器进一步处理。在一些情况下，图像传感器可以包括光学传感器阵列。
79.照明设备可以包括定位在远侧尖端处的一个或多个光源1111。光源可以是发光二极管(led)、有机led(oled)、量子点或任何其他合适的光源。在一些情况下，光源可以是用于紧凑设计的小型led或双色闪光led照明。
80.成像设备和照明设备可以集成到导管中。例如，导管的远侧部分可以包括至少匹配成像设备和照明设备的尺寸的合适结构。成像设备和照明设备可以嵌入导管中。图12示出了具有集成的成像设备和照明设备的导管的远侧部分的示例。相机可以位于远侧部分。远侧尖端可具有接收相机、照明设备和/或位置传感器的结构。例如，相机可以嵌入到导管的远侧尖端处的腔体1210中。腔体1210可以与腔体的远侧部分一体地形成并且可以具有与相机的长度/宽度相匹配的尺寸，使得相机不会相对于导管移动。相机可以紧邻导管的工作通道1220以提供组织或器官的近场视图。在一些情况下，可以通过控制导管的旋转运动(例如，滚动)来控制成像设备的姿态或方向。
81.相机的电力可以由有线电缆提供。在一些情况下，电缆线可以在线束中为相机以及导管的远侧尖端处的照明元件或其他电路提供电力。相机和/或光源可以经由电线、铜线或经由贯穿导管长度的任何其他合适的工具从位于手柄部分处的电源获得电力。在一些情况下，组织或器官的实时图像或视频可以无线传输到外部用户界面或显示器。无线通信可以是wifi、蓝牙、rf通信或其他形式的通信。在一些情况下，可以将相机捕获的图像或视频广播到多个设备或系统。在一些情况下，来自相机的图像和/或视频数据可以经由电线、铜线或经由任何其他合适的工具沿导管的长度传输到位于手柄部分中的处理器。图像或视频数据可以经由手柄部分中的无线通信部件传输到外部设备/系统。在一些情况下，系统可以设计成没有电线可见或暴露给操作者。
82.在常规的内窥镜检查中，照明光可由将位于内窥镜近端的光源的光传递到机器人内窥镜的远端的光缆提供。在本公开内容的一些实施方式中，可以采用小型led灯并将其嵌入导管的远侧部分以降低设计复杂性。在一些情况下，远侧部分可以包括具有与小型led光源的尺寸匹配的尺寸的结构1230。如示出的示例中所示，两个腔体1230可以与导管一体地形成以接收两个led光源。譬如，远侧尖端的外径可以是大约4至4.4毫米(mm)并且导管的工作通道的直径可以是大约2mm，使得两个led光源可以嵌入在远端处。外径可以在小于4mm或大于4.4mm的任何范围内，并且工作通道的直径可以根据工具的尺寸或具体应用在任何范围内。可以包括任何数量的光源。远侧部分的内部结构可以设计成配合任何数量的光源。
83.在一些情况下，每个led可以连接到可运行到近侧手柄的电源线。在一些实施方式中，led可以焊接到分开的电源线，这些电源线随后捆绑在一起以形成单股。在一些实施方
式中，led可以被焊接到供电的拉线。在其他实施方式中，led可以被夹压或直接连接到单对电源线。在一些情况下，可以将保护层(诸如生物相容胶薄层)施加到led的前表面以提供保护，同时允许光发射出去。在一些情况下，可以在远侧尖端的向前端面放置附加覆盖物1231，从而提供led的精确定位以及为胶提供足够的空间。覆盖物1231可以由与胶的折射率相匹配的透明材料构成，使得照明光不会被阻挡。
84.在一些实施方式中，一个或多个传感器可以嵌入到导管的远侧部分中。在常规的机器人支气管镜中，传感器可用于跟踪通常位于远侧尖端的尖端位置，从而导致尖端尺寸增加。所提供的可操纵导管可以捆绑一个或多个电子部件以提供紧凑设计。在一些情况下，照明光源和一个或多个位置传感器可以组合成束。图13示出了位于远侧部分的电子元件的紧凑配置的示例。在一些实施方式中，诸如电磁(em)传感器之类的位置传感器可用于准确地跟踪导管的远侧尖端的位置。例如，位于远端的电磁线圈1310可以与电磁跟踪系统一起使用，以检测导管的远侧尖端的位置和方向，同时它被处置在解剖系统(例如，解剖内腔网络)内。在一些情况下，线圈可以倾斜以提供对沿不同轴的电磁场的灵敏度，使所公开的导航系统具有测量六个自由度的能力：三个位置和三个角度。
85.在一些情况下，一个或多个em传感器1310可以位于远侧部分并且可以紧邻照明光源1320(例如，led)或在其后面立体排列放置。在一些情况下，em传感器和led光源可以形成束1300。em传感器的电力电缆可以与led的电线捆绑在一起以提供减少的空间和复杂性。在一些情况下，立体对齐可以提供差分5d测量或融合6d测量，这允许导管远侧尖端的准确定位和方向感测。在手术期间，位于患者躯干旁边、下方或上方的em场发生器可以定位em传感器，从而实时跟踪导管尖端的位置。拉线配置和设计
86.机器人支气管镜可以包括一根或多根拉线，用于控制导管的铰接。在常规的内窥镜中，一根或多根拉线的远端或远侧部分可以锚定或安装到控制环上，使得控制单元对拉线的操作可以向控制环施加力或张力，该控制环可以操纵或铰接(例如，向上、向下、俯仰、偏航或之间的任何方向)导管的某段或某部分(例如，远侧部分)。图14示出了附接到控制环结构1411的拉线1413的常规配置和本公开内容的新颖配置1420的示例。控制环可以附接到导管1415的远端。通常，拉线的尖端被焊接或锡焊到控制环1411，并且控制环也可以通过焊接附接到远侧尖端。焊接过程可能是昂贵、麻烦和复杂的。此外，当一根拉线断裂或出现故障时，可能会影响整个操纵控制功能。
87.所提供的机器人支气管镜可以包括单独控制的拉线，每根拉线直接连接到远侧部分。如示例1420中所示，一根或多根拉线1423可以附接到远侧部分的一体形成的结构1421。例如，一体形成的结构1421可以是与远侧尖端一起模制的凹槽。凹槽可以具有与拉线的远端1421的尺寸匹配的尺寸或大小，使得拉线可以方便地在远端处卷曲。这可以有利地提高组装效率。在一些情况下，拉线可以在远端刚性地固定到凹槽，使得拉线的远端可能不允许相对于导管的远侧部分移动。
88.拉线配置还可以在操纵远侧部分时提供提高的可靠性。譬如，由于每根拉线都单独连接到远侧部分并单独控制，因此可以根据不同的拉线配置动态调整铰接力。譬如，在拉线断裂的情况下，可以重新计算铰接力并且可以基于可用的拉线动态调整用于控制拉线的控制信号。
89.将拉线方便地组装到远侧部分还可以允许设计拉线配置的灵活性。例如，可以动态选择或调整拉线的数量或组合，以满足不同的性能或设计要求。图15示出了用于机器人导管系统的拉线的各种配置。在一些实施方式中，用于接收拉线的整体结构(凹槽)可以是预制的。例如，四个凹槽可以与导管一体地形成，并且一根或多根拉线可以固定地连接/夹压到从多个凹槽中选择的一个或多个凹槽以形成不同的配置1510、1530。如示例中所示，可以选择任何数量的凹槽/狭槽或任何给定子集的凹槽/狭槽，以在一端接收或耦合到拉线。在一些情况下，一旦选择了狭槽/凹槽的组合来耦合到相应的拉线，就可以形成拉线配置模式，并且可以将选定的凹槽/狭槽与拉线之间的映射关系传输到控制单元。然后可以在铰接期间基于映射关系生成控制信号以实现所需的铰接力。
90.在另一个示例中，预制凹槽可以具有各种配置。譬如，三拉线配置1520可以具有分开呈120
°
的三个凹槽。在一些情况下，虚拟映射算法可以将三线配置映射为四线配置。当一根或多根拉线在操作期间发生故障/损坏时，也可利用虚拟映射算法来对新的映射关系进行更新。拉线配置的这种整体设计有利地简化了组装、制造过程，同时保留了导管的运动学、动态性能。具有充气式尖端的导丝
91.在一些实施方式中，导丝可以在支气管镜检查操作期间使用。导丝通常可以插入远远超出支气管镜尖端以首先进入所需的空气通道，接下来允许支气管镜在导丝上滑动进入选定的通路。由于与支气管镜相比，导丝的直径更小，导丝可能没有足够的刚度和/或足够的摩擦力来将导丝锚定在空气通路内。
92.本公开内容的导丝可以在尖端具有可扩展的外径特征。图16示出了具有充气式尖端的导丝1600的示例。导丝1601可以通过导管/支气管镜的工作通道插入以帮助引导肺中的空气通路。在一些情况下，导丝可以延伸超过导管的尖端进入所需的气道，然后导管可以在导丝上滑动以到达所需的位置。可以使用各种合适的方法来实施充气式尖端。例如，诸如充气式球囊的附加部件1603可以定位在导丝的远端处或附近。球囊可以通过工作通道连接到球囊充气源或泵，用于球囊的充气或放气。
93.在一些情况下，导丝可以包括穿孔。放气球囊的直径可以等于细长臂(例如支气管镜导管)的直径。在一些情况下，放气球囊的直径可略大于细长臂。导丝可能能够向远侧或向近侧移动。导丝可以附接到空气泵以从导丝注入空气和抽出空气，分别使球囊充气和放气。在将导丝插入空气通路期间，球囊可能会保持放气。当到达适当的位置时，球囊将通过泵入空气而充气。一旦支气管镜到达所需的向前位置，球囊可通过泵出空气放气，这可允许导丝向前移动。在一些实施方式中，充气式尖端可以由使用诸如形状记忆合金(sma)、电活性聚合物(eap)和铁磁流体的材料的可折叠网状结构制成，并具有相应的充气和放气控制机构。锚定元件可以具有任何其他形式以固定导丝的锚定。例如，锚定元件可以是可以径向膨胀或收缩的金属丝。锚定元件可由滑动致动器致动，滑动致动器线性滑动以导致锚定元件改变其位置，特别是导致锚定元件或展开或放回折叠位置。致动器的滑动动作可以转化为锚定元件的位置(状态)的变化(例如，锚定元件展开并径向扩展，以便提供将锚定导丝到位的结构，或者相反地，锚定元件径向收缩并返回到折叠状态)。
94.图17示出了导管尖端设计1701的另一个示例。在所示示例中，尖端1701的直径可以大于弯曲段1702和/或轴1703的直径。工作通道1708可以是可变形的(例如，可扩展的/可
挤压的)。工作通道1708可由可以容纳具有可变尺寸的仪器的弹性材料(例如塑料)形成。例如，诸如活检、治疗仪器、能量设备的较大仪器，当通过工作通道1708插入时，可以扩展工作通道的尖端部分。
95.在第一示例1710中，可以在内窥镜到达目标位置之后换掉led光源或光导。在第二示例1712中，led光源1711可以嵌入尖端中。在第三示例1713中，led光源可以嵌入尖端中，而光导可以是可移除的。尖端可以包括其他电子部件，例如本文别处所述的相机1707。内窥镜还可包括与本文别处所述的手柄相似的手柄部分1704。例如，手柄部分可以包括用于各种功能的鲁尔接头1705和电接口1706。
96.尽管本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员来说容易理解的是，这些实施方式仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，在实施本发明时可以采用本文描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在定义本发明的范围，并且这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物由此被覆盖。