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CN102292040A - 用于医疗程序的接触检测管、方法和系统 - Google Patents

用于医疗程序的接触检测管、方法和系统 Download PDF

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CN102292040A
CN102292040A CN2009801551047A CN200980155104A CN102292040A CN 102292040 A CN102292040 A CN 102292040A CN 2009801551047 A CN2009801551047 A CN 2009801551047A CN 200980155104 A CN200980155104 A CN 200980155104A CN 102292040 A CN102292040 A CN 102292040A
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CN
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contact detection
contact
detection pipe
conductive object
electrode
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CN2009801551047A
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K·I·特罗瓦托
W·A·泽尔
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

一种接触检测方法(70)包括在身体解剖区域(50)的开放空间之内导航接触检测管(20’)。所述接触检测管包括管状壁(21)，其具有限定了工作通道(24)的内部表面(23)；以及电极(30)，其集成到所述管状壁(21)中。所述电极(30)将所述接触检测管(20’)电连接至与所述管状壁(21)的外部表面(22)物理接触的导电对象(41，52)(例如，生物组织或者医疗装备/工具)，以及将所述工作通道(24)与所述管(20’)和所述对象(41，52)的任意电连接电绝缘。所述方法(70)还包括确定所述接触检测管(20’)的在开路状态(也即，无物理接触)和闭路状态(也即，物理接触)之间的接触状态。

Description

用于医疗程序的接触检测管、方法和系统
技术领域
本发明大致涉及微创外科手术程序并且具体涉及用于在外科手术程序期间将对内部身体组织的任意损伤最小化的接触检测管。
背景技术
在现有技术中已知活动套管是一组可伸缩的、预先成形的镍钛诺管，其可被伸长并且每个管具有特定的预先设计的曲率。镍钛诺的“良好记忆力”使得该管能够在包围它的更大管内部伸直或者顺应，直到它被伸出。活动套管的最初目的是依赖于两个管之间物理强度的相互作用来例如，当弯管在另一弯管之内旋转时产生运动。在Trovato等人于2008年3月20日公开的并且名称为“Active Cannula Configuration for Minimally InvasiveSurgery”的国际公开号WO2008/032230A1中描述了活动套管的较新使用是有序地引入管。首先伸出最大的管，接着是每个连续更小的管。专门的完整路径规划计算确定每个管的适合形状和长度，从而该套管可以通过复杂的解剖结构被有序地部署，最终以特定取向到达指定目的地。
必须以特定方式来构造活动套管以到达目标，同时避免解剖“障碍”。在Trovato等人于2007年4月17日公开的并且名称为“3D Tool Path Planning，Simulation and Control System”的国际公开WO2007/042986A2中描述了可以设计具有很多受控自由度设备的构造的技术。这一技术可以被用于构造嵌套套管、气管镜和可操纵针。
虽然可以精确地指定管长度和曲率，但是很多管的小型化可能导致操纵问题。达到.007英寸(0.2mm)的更小尺寸挑战了该设备的构造以及部署。可以执行微小活动套管组的手动部署以达到固定位置，例如于2008年3月20日提交的，要求美国临时申请号61/038225的优先权的PCT/IB____，其于____提交，于____公开为WO____所描述的，其全部内容通过引用并入本文中。阻块被特定设置到每个管的给定点，并且具有精确取向，从而当它们一起滑动时，它们达到期望位置。阻块和支撑轨道提供了更加简单的阻块操纵和到达最终目标的能力。
于2008年9月16日提交的，在先的共同待决美国临时申请号61/098233描述了用于精确部署一系列活动套管的自动机电设备，其于____提交为PCT/IB____，并且于____公开为WO____，其全部内容通过引用并入本文中。这一自动系统使得单独的套管组以许多不同的构造被重新部署，并具有自动的、可重复的精度。这种系统可以特别地被用于腹腔镜程序。
很多工具也可以经内窥镜地递送，例如活组织检查针、烧灼和结扎设备、剪刀、圈套器，篮、等等。随着它们被推进到患者中，可能很难知道这些工具什么时候首先接触组织，而不是依赖于可能不精确的触觉或者视觉确认。
当在人体之内使用设备时，安全是至关重要的。在高受限环境中，例如在制造中或者对于患者被固定不动下的放射肿瘤学，预先规划和模拟可以运作良好。然而在外科手术中，患者运动，例如呼吸，是潜在的问题。多种工具的使用也可以在它们碰撞时引起伴随的运动，或者阻隔了外科医生的视野。
每个新的技术必须小心不作出伤害。一旦已经广泛使用和模造了机械，出于经验和理解，信任将会使得该技术变为补充的术语“工具”。然而直到那一时间，安全机构必须准备妥当。以一距离操作的设备，例如在内窥镜中，具有进一步的新增问题，例如违反直觉的并且有时候非线性控制的，2D而不是3D成像、很少的触觉反馈，等等。
现有技术中已知的安全系统对于采用有创管的活动套管等是难以实行的。期望针对例如嵌套套管的设备具有感应反馈。
例如，如Intuitive的daVinci机器人的外科手术机器人依赖于外科医生的判断和灵巧达到安全手术。手眼协调是重要的，并且通过10x放大倍率的手术域被改善。该系统依赖于假设：由外科医生的手执行的运动优选由机器人电子化地复制。
为当前机器人提供安全的其他机制包括严格的模拟以评价安全运动。看门狗电路可以被用于在特定的限位开关被激活时，或者在超出特定的扭矩时停止运动。这典型地以定制方式执行以检测该机器在什么时候已经超出了预定的配置(例如超过特定角度的旋转)，指示危险的姿势。看门狗典型地需要限位开关，例如被小心地放置于机器人工作封套的接缝或者边缘处的激光器或者机械。对于腹腔镜程序，激光灯是不切实际的，因为它们不能被设置和维持。限位开关是“每接缝”的。虽然小，但是它们比嵌套套管大得多。最终，限位开关并不一定相应于可在工具尖端或者经过该设备的主体发生的碰撞，特别在该设备不是刚性的情况下。另一安全设备是碰撞传感器，例如弹簧承载单向耦合器。这一设备被安装在机器人上，如果在工具尖端以足够的力意外碰撞时，会产生给该系统触发“停止”信号的柔性的(顺从的)接合。
虚拟固定装置是一类对远程机器人有用的控制机构，其允许定义准许的工作区域，在该区域中拒绝进入非法区域的控制指令。禁止区域虚拟固定装置(FRVF)被称为计算机生成约束，其给机器人操纵器或者操作者提供位置或者力限制，以便防止进入工作区的禁止区域的运动。人们可以将虚拟固定装置想象为虚拟地将准许运动围起来的4个平面，就好像有物理的墙壁引导该运动。
电磁跟踪是用于使用小电磁线圈来检测EM场强以确定对象的位置和取向的已知方法。跟踪部件可以从例如制造了Aurora系统的NDI的公司获得。跟踪产品的例子是Traxtal′s PercuNav系统。
有很多检测电路连续性的设备。通常，典型的廉价设备包括万用表或者连续性检测器。万用表可以被用于测量欧姆(Ω)电阻。当电阻是无穷大，或者很大时，该电路是“开路”的并且不能导电，否则它是“闭路”的。连续性检测器实质上是电池，通常9伏特或者AA(1.5伏特)，和灯泡或者蜂鸣器。每个设备具有连接将被检测的电路的两侧的两个导线。
用于使电路绝缘的材料是公知的，包括但不限于：聚乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚碳酸酯、橡胶类聚合物、特氟隆、硅树脂、和很多其他的。
也具有检测无线电波接收中的改变的开关，该接收在“天线”的长度改变时，例如当其与另一导体，如身体接触时改变。
接触感应灯检测电容的改变以确定例如灯的基座已经被触摸。基于电容的改变，控制电路信号告知在灯输出中的改变。
发明内容
本发明通过提供集成到微创管之内并且不干扰或者包含该微创管的操作的安全机构来改进了安全性。
本发明的一种形式是接触检测方法，其包括在身体的解剖区域的开放空间之内导航接触检测管，所述接触检测管包括具有限定了工作通道的内部表面的管状壁，以及集成到所述管状壁中的电极。在操作时，所述电极将所述接触检测管电连接至所述解剖区域之内的与所述管状壁的外部表面物理接触的导电对象，以及所述电极将所述工作通道与所述接触检测管和所述导电对象的任意电连接电绝缘。所述方法还包括确定所述接触检测管的在开路状态和闭路状态之间的电接触状态。所述开路状态表示感应到所述接触检测管和所述导电对象之间的开路电路，以及所述闭路状态表示感应到所述接触检测管和所述导电对象之间的闭合电路。
出于本发明的目的，术语“导电对象”在本文中被广泛地定义为在身体的解剖区域之内的、在材料上能够便于可测量的直流或交流电流经过对象的任意对象。导电对象的例子，包括但不限于，生物组织(例如，皮肤和内部器官)和医疗装备、工具和任意类型的设备。
本发明的第二形式是嵌套套管组，其采用多个构造为和尺寸形成为到达相对于身体解剖区域的目标位置的伸缩式管，其中所述嵌套套管组包括一个或者多个前述接触检测管。
本发明的第三形式是接触检测系统，其采用前述接触检测管和接触感应设备。在使用时，所述接触感应设备感应所述接触检测管的在所述开路状态和所述闭路状态之间的所述接触状态。
附图说明
通过结合附图阅读以下对本发明各种实施例的详细描述，本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将变得显而易见。详细的描述和附图仅仅是本发明的图示而不是限制，本发明的范围由所附权利要求及其等同物来定义。
图1图示了在现有技术中已知的在医疗装备中采用的微创管；
图2图示了用于在根据本发明的医疗装备中采用的示例性微创接触检测管；
图3图示了包括根据本发明的微创接触检测管的腹腔镜程序；
图4A和4B分别图示了在图3中图示的微创接触检测管的与图3中图示的囊肿有关的开路状态和闭路状态；
图5A和5B分别图示了在图3中图示的微创管的与图3中图示的钳夹有关的开路状态和闭路状态；
图6图示的流程图代表根据本发明的接触检测方法的示例性实施例；
图7图示了在本发明的微创接触检测管和支气管树之间的示例性物理接触；
图8A-8D分别图示了根据本发明的在图2中图示的微创接触检测管的第一示例性实施例的侧视图、近端视图、远端视图和横截面视图；
图9A和9B图示了在图8A-8D中图示的微创接触检测管的操作特性；
图10A-10D分别图示了根据本发明的在图2中图示的微创接触检测管的第二示例性实施例的侧视图、近端视图、远端视图和横截面视图；
图11A和11B图示了在图10A-10D中图示的微创接触检测管的操作特性；
图12A-12D分别图示了根据本发明的在图2中图示的微创接触检测管的第三示例性实施例的侧视图、近端视图、远端视图和横截面视图；
图13A和13B图示了在图12A-12D中图示的微创接触检测管的操作特性；
图14A-14D分别图示了根据本发明的在图2中图示的微创接触检测管的第四示例性实施例的侧视图、近端视图、远端视图和横截面视图；
图15A和15B图示了在图14A-14D中图示的微创接触检测管的操作特性；
图16图示了根据本发明的接触检测系统的示例性实施例；
图17图示了根据本发明的图16中图示的接触感应设备的第一示例性实施例；
图18图示了根据本发明的图16中图示的接触感应设备的第二示例性实施例。
具体实施方式
图1图示了用于医疗装备(例如，导管、内窥镜、活动套管、嵌套套管，等等)的微创管20，其便于医疗工具(例如，外科手术工具或者内窥镜工具)引入到身体、人类或者动物之内。为此，管20具有的管状壁被构造为并且尺寸形成为在身体的解剖区域之内被手动地或者机械地导航。管状壁21具有限定了工作通道24的内部表面23，该工作通道24用于插入医疗工具或者另一管20(更小的，未示出)以便于该医疗工具到达身体之内的目标位置。为了帮助一个或者多个管20引入到身体之内，同时防止任何无意的组织损伤，本发明基于内部生物组织物理接触管状壁21的外部表面22的检测，该检测通过管状壁21的电接触状态来确定。通常，如图2所示，根据本发明这通过将一个或者多个电极30集成到管状壁21以形成接触检测管20’来实现。具体地，每个电极30具有以任意方式集成到管状壁21中的现有技术已知的电导体31和现有技术已知的电绝缘体32，使得管状壁21的外部表面22的部分或者全部是导电的，并且将工作通道24与管状壁22的电导率完全电绝缘。
例如，图3图示了腹腔镜程序，其包含腹腔镜40和经引导至腹腔50的皮肤组织51切口插入的腹腔镜钳夹41。如所示，腹腔镜40利用光纤光来照射附接至子宫53的囊肿52，其中钳夹41可以用于将囊肿52从腹腔50移出。在这一情况下，腹腔镜40已经在其远端被装备有接触检测管20’，以便于确定腹腔镜40什么时候与囊肿52或者钳夹41物理接触。
更具体而言，图4A和4B示出了接触检测管20’包括外部管状电导体31和内部管状电绝缘体32，其中电绝缘体32的内部表面限定了工作通道24。施加很小量的直流或者交流电力至外部管状电导体31，并且如在所有的简单电路中，必然具有传导返回路径以形成(闭合)该电路。这通常称为“接地”，表示普遍存在的连接导体。在我们的例子中“地”是患者的身体，因为人体组织通常是导电的，但是它可以包括与该患者接触的导电对象，例如金属工具或者工作台。因而，当在外部管状电导体31和囊肿52之间发生接触时，该电路被闭合而导致可测量的电流。如与囊肿52有关，接触检测管20’的电接触状态是如图4A所示的开路状态，或者如图4B所示的闭路状态。
参照图4A，开路状态是由接触感应设备60所检测的开路电路的表示，该接触感应设备60与电源61(直流的或者交流的)和外部管状电导体31导电耦合。具体地，外部管状电导体31和囊肿52之间没有任何物理接触时，电路是“开路”的，并且在这一情况下，设备60在导体31的感应点SP感应到无穷大的阻抗∞。这一测量结果指示接触检测管20’没有直接地或者间接地与囊肿52接触。
相反，参照图4B，闭路状态是由接触感应设备60所检测的闭合电路的表示。具体地，在外部管状电导体31和囊肿52之间的物理接触将该电路闭合，并且在这一情况下，接触感应设备60在导体31的感应点SP感应到低于∞的可测量的电阻Ω。这一测量结果指示接触检测管20’直接地或者间接地与囊肿52接触。
此外，工作通道24与电流IC电绝缘以防止与任何生物组织和/或插入工作通道24的医疗工具，和/或与嵌套在工作通道24之内的任何另外的管20或者20’的电干扰。
可测量阻抗Ω是电路的总阻抗ZT，其由导体31的阻抗ZC和囊肿52的对象阻抗ZO确定。
在管20’的普通测量模式中，相对于对象阻抗ZO的导体阻抗ZC不便于对感应点SP和连接点CP之间的导体阻抗ZC的估计。例如，等于或者小于对象阻抗ZO的导体阻抗ZC不便于对感应点SP和连接点CP之间的导体阻抗ZC的测量计算。同样例如，大于对象阻抗ZO达ZT≠ZC程度的导体阻抗ZC不便于对感应点SP和连接点CP之间的导体阻抗ZC的测量计算。因而普通的测量模式对于检测导体31和囊肿52之间物理接触是有用的，排除了对沿着导体31的外部表面33的接触点CP位置的估计。
在管20’的特殊测量模式中，考虑到导体阻抗ZC大于对象阻抗ZO达ZT≈ZC程度，相对于对象阻抗ZO的导体阻抗ZC便于对感应点SP和连接点CP之间的导体阻抗ZC的测量计算。因而该特殊测量模式对于检测导体31和囊肿52之间物理接触是有用的，包括基于现有技术已知的取决于导体31的物理几何结构和材料电阻和/或电抗的导体31的导体阻抗ZC来估计沿着导体31的外部表面33的接触点CP的位置。
如与钳夹41有关，接触检测管20’的电接触状态是如图5A所示的开路状态或者如图5B所示的闭路状态。实际上，接触感应设备60可能在结构上并不配置为区分接触检测管20’和囊肿52的物理接触与接触检测管20’和钳夹41的物理接触。然而，如果这种区别对于接触检测管20’的应用是必须的，那么如本领域普通技术人员将意识到地，可以执行各种术中成像技术来便于区分接触检测管20’是否与囊肿52和/或钳夹41物理接触。
为了进一步便于对与管20’相关的测量模式的理解，图6图示了流程图70，其表示由接触检测管20’(图1)执行的本发明的接触检测方法。
具体地，流程图70的步骤S71包含确定接触检测管20’的在如图4A和5A示例性示出的开路状态(“OS”)和如图4B和5B示例性示出的闭路状态(“CS”)之间的电接触状态。当确定接触检测管20’处于闭路状态(“CS”)时，流程图70进行至步骤S72。
步骤S72包含识别与导电对象(例如，图3所示的囊肿52或者钳夹41)物理接触的接触检测管20’的精确的(多个)电极30。电极识别对于在流程图70的步骤S74期间执行适当的(多个)响应动作是重要的。具体而言，重要的是区别具有与导电对象物理接触的单一集成电极30的接触检测管20’与具有可同时地或者连续地与导电对象物理接触的多个集成电极30的接触检测管20’。
在步骤S72的普通测量模式(“GM”)中，识别与导电对象物理接触的接触检测管20’的(多个)电极30，并且其后执行步骤S74来执行任意必需的(多个)响应动作来防止由于接触检测管20’的无意中的组织损伤，或者如果组织损伤是无关紧要的，鉴于物理接触而继续该程序。步骤S72计算(多个)接触电极30相对于整个管状壁21的估计位置，并因而将能够提供接触检测管20’和导电对象之间的每个接触点CP位置的近似。
例如，图7示出了具有管43和44的嵌套套管组42以及接触检测管20’，其中随着接触检测管20’从管44伸出，接触检测管20’已经与导电对象80(例如，身体组织)物理接触。当电接触状态变为CS时，指示接触检测管20’已经接触导电对象80，该控制方法可以生成信号。这一信号可以生成听觉的和/或视觉的反馈来指示接触检测管20’和导电对象80之间的物理接触。可选地或者同时地，该信号可以启动响应，例如，命令管控制器(或者用户)将接触检测管20’缩回以离开物理接触。
在另一例子中，如果术中成像被用于基于术前规划来导航接触检测管20’并且检测到接触检测管20’和对象80之间的物理接触，那么可以采集图像数据以近似沿着接触检测管20’外部表面的接触检测管20’和对象80之间的物理接触的位置。该位置可以用于给用户的视觉反馈，或者作为驱动信号以根据术前规划来选择性地缩回、前进和/或旋转接触检测管20’。在接触检测管20’具有单一集成电极30的情况下，适当响应的执行是简单的，但是在接触检测管20’具有多个集成电极30的情况下，如本领域普通技术人员将意识到的，其可是更细致的。
在步骤S72的特殊测量模式(“SM”)中，在前进至步骤S74之前，流程图70的步骤73包含基于来自接触感应设备的信息来计算位置。例如，参照图7，当控制嵌套套管42时，接触检测管20’只在沿着路径的某些区域中暴露。在S74的响应动作由应用和所估计的接触位置来确定。例如，与接触检测管20’的接触可能指示伸出管44的沿着接触检测管20’的任意表面位置。如果已知每个管的精确延伸，那么可以计算出接触检测管20’的表面区域尺寸和位置。当然，接触检测管20’伸出的越远，存在越多的潜在接触位置。
作为响应动作，该系统可以顺序地缩回所有的管，从最小的20’到中间的44到最大的43，然后顺序地重新伸出该管，从最大的43到中间的44到最小的20’，并且至少一个具有不同的长度以到达另一方向。如果系统通过自动控制被部署，这可是最容易被执行的，但是其也可以被手动地完成。
在维持而不是避免接触的可选技术中，接触检测管20’可以伸出直到由闭路状态指示其接触对象80。如果其后电接触状态变为指示失去接触的开路状态，那么接触检测管20’可以缓慢伸出直到重新恢复接触。在最简单的情况下，指示接触的管具有用于那一可能接触的有限区域。
对于接触检测管20’，可以计算沿着与导电对象物理接触的导体31外部表面33的接触点估计位置。必须给控制机构感应点SP的位置，每个可应用导体31的管状几何结构，以及每个可应用导体31的材料电阻，从而如现有技术已知的来估计(多个)接触点CP的位置。这可以通过执行校准以针对给定电阻细化所指示的位置而被进一步改善。(多个)接触点CP的这一位置估计便于步骤S74的(多个)响应动作的更加精确的执行，例如，如图7所示的接触检测管20’和对象80之间的物理接触位置的更加精确的可视化，以及接触检测管20’远离对象80的更加精确地缩回、前进和/或旋转。
对于与步骤S72相关的任一模式，如本文中之前所述地，可以将两个或者更多电极30集成到接触检测管20’中。在这种情况下，与单一电极的实施例相比，普通测量模式将能够提供对接触点CP位置的改善近似，因为全部的路径首先被分解为每个管的暴露部分，缩小了对位置的选择。
同样，特殊测量模式可以基于针对管长度而测量的电阻，使用管状壁21的几何结构来计算所存储的针对每个电极30的感应点SP和接触点CP的位置之间的距离。虽然如此，实际上，本发明的接触检测管20’的检测灵敏度将依赖于接触检测管20的预期应用。
对于与步骤S73有关的特殊测量模式，阻抗值可以在管20’应用之前实验性地测量，并用于缩小在20’和导电对象之间的任意物理接触的估计位置。
同样实际上，本发明在接触检测管的横截面形状和尺寸方面不给接触检测管的结构构造强加任何的限制或者约束。本发明的接触检测管的重要特征是管状壁的外部表面的部分或者全部为导电性的，并且由管状壁的内部表面限定的工作通道与管状壁的外部表面电绝缘。虽然如此，为了便于进一步地理解本发明，图8-15图示了本发明的接触检测管的四(4)个示例性实施例。
参照图8A-8D，所图示的接触检测管具有管状的电导体131(例如，镍钛诺或者铜)，该电导体131具有被电绝缘体132(例如，特氟隆、例如聚碳酸酯的聚合物)涂覆的内部表面，电绝缘体132限定了工作通道124，其中该内部表面和电导体131的远端被电绝缘体132覆盖。如图9A所示，接触感应设备61与导体131的近端电连接，由此导体131相对于近端的阻抗范围从最小阻抗Ω最小到在导体131远端的最大阻抗Ω最大。这便于当导电对象81(例如，生物组织或者医疗装备/工具)如图9B示例性所示地与导体131物理接触时通过设备61的阻抗估计Ω估计。
参照图10A-10D，所图示的接触检测管具有：管状电绝缘体232(例如，聚合物，包括聚碳酸酯或者特氟隆)，该电绝缘体具有限定了工作通道224的内部表面；以及涂覆到电绝缘体232的外部表面上的电导体231(例如，镍钛诺或者铜)。如图11A所示，接触感应设备62与导体231的近端电连接，由此导体231相对于近端的阻抗范围从最小阻抗Ω最小到在导体231远端的最大阻抗Ω最大。这便于当导电对象82(例如，生物组织或者医疗装备/工具)如图11B示例性所示地与导体231物理接触时通过设备62的阻抗估计Ω估计。
参照图12A-12D，所图示的接触检测管具有：管状电绝缘体332(例如，如聚碳酸酯、橡胶或者特氟隆的聚合物)，所述电绝缘体332具有限定了工作通道324的内部表面；以及嵌入电绝缘体332的外部表面上的四(4)根电导线331a-331d(例如，镍钛诺或者铜)。如图13A所示，接触感应设备63与每个导体331a-d的近端电连接，由此每个导体331a-d相对于它们近端的阻抗范围从最小阻抗Ω最小到在导体331a-d远端的最大阻抗Ω最大。这便于当导电对象83(例如，生物组织或者医疗装备/工具)如图13B示例性所示地与导体331a-d物理接触时通过设备63的阻抗估计Ω估计。
可选地，在图13A和13B中，期望测试所述线中的两根是否与对象接触。这可能发生在对象83横跨导线331a到331b的情况下，该导线例如可是处于彼此接近的位置。在这一情况下，患者不再是地，而是例如电流沿着导线331a流过并经由导线331b返回至接触发送设备63。电阻也将给出对接触点的更好估计，因为两个传导路径都好于人体。
参照图14A-14D，所图示的接触检测管具有：管状电绝缘体432(例如，如聚碳酸酯、橡胶或者特氟隆的聚合物)，所述电绝缘体432具有限定了工作通道424的内部表面；以及在电绝缘体432的外部表面上形成图案的四(4)根电导体431a-431d(例如，镍钛诺或者铜)，其相关联的接触导线嵌入绝缘体432之内。如图15A所示，接触感应设备64与每个导体431a-431d的近端电连接，由此每个导体431a-431d相对于它们近端的阻抗范围从最小阻抗Ω最小到在导体431a-431d远端的最大阻抗Ω最大。这便于当导电对象84(例如，生物组织或者医疗装备/工具)如图15B示例性所示地与导体431a-431d物理接触时通过接触感应设备64的阻抗估计Ω估计。基于所选择的接触，例如所示的导体431b，该系统可以计算或者(具体而言，在开路电路或者阻抗大幅增加的情况下)报告近似位置。形成图案的导体组431a-431b可以被设置在接触检测管上以允许在对象或者组织接触导体431a-431b时的位置的识别，或者由于该(多个)接触检测管延伸时失去接触的识别。
实际上，在本发明的接触检测系统中采用了一个或者多个管20’以使得医疗工具能够到达身体之内的目标位置，同时最小化(如果不可消除)对该身体内部组织的任何损伤。现在将于此描述基于接触检测系统的示例性套管以便于对本发明接触检测系统的理解。具体地，从这一描述，本领域普通技术人员将意识到如何构建和使用基于套管管、嵌套套管、活动套管、导管管、内窥镜管，等等的其他接触检测系统。
图16图示了本发明的基于套管的接触检测系统，其采用了四(4)个嵌套管20’、驱动机构90、接触感应设备100以及控制机构110。在一个实施例中，驱动机构90便于管的手动推进和/或旋转。在可选的实施例中，驱动机构90提供机械引导，例如用于精确手动推进的轨道。在进一步的实施例中，管20’可以在驱动机构90的计算机控制下被机电地推进。(多个)管20’的每个导体31经由驱动机构90的相应导电通道91电连接至接触感应设备100。
在系统的手动版本中，用户手动操做驱动机构90来根据需要将每个接触检测管20’延伸和旋转至身体之内的目标位置。随着用户操做驱动机构90，接触感应设备60给控制机构110提供指示管20’的接触状态的连续性信号CS1-CS4。控制机构110可以是与具有适应性规划和/或成像性能的(多个)其他系统通讯的单独设备，或者可被集成到(多个)这种系统中。在两种情况下，只要连续性信号CS1-CS4中的一个或者多个指示相应管20’处于代表(多个)管20’和身体的内部身体组织或者身体之内的另一导电对象之间的物理接触的闭路状态时，控制机构110就给用户提供可听见的和/或可视的反馈。
在手动的情况下，针对要避免这种物理接触的应用，用户通过以下而适当地响应于该反馈：根据需要缩回、推进和/或旋转(多个)管20’以将(多个)物理接触管20’的接触状态变为代表管20’和身体的内部身体组织或者身体之内的另一导电对象之间的物理接触不存在的开路状态。
在手动的情况下，针对这种物理接触对于应用是必须的应用，用户通过以下而适当地响应于该反馈：根据需要缩回、推进和/或旋转(多个)管20’以将(多个)物理接触管20’的接触状态维持在或者如果必要的话恢复到代表管20’和身体的内部身体组织或者身体之内的另一导电对象之间的物理接触的闭路状态。
在系统的自动版本中，控制机构110给驱动机构90提供驱动信号DS1-DS4以根据需要延伸、缩回和旋转每个接触检测管20’从而到达身体之内的目标位置。由于控制机构110控制驱动机构90，因此接触感应设备100给控制机构110提供指示管20’的接触状态的连续性信号CS1-CS4。控制机构110提供的DS1-DS4可以是电子信号或者编码信号，或者编程式命令。即使在这一例子中，对于控制机构110有四(4)个输入CS1-CS4和四(4)个输出驱动信号DS1-DS4，任选地在该连续性信号CS1-CS4中的一个或者多个指示(多个)相应管20’处于代表(多个)管20’和身体的内部身体组织或者身体之内的另一导电对象之间的物理接触的闭路状态时给该系统用户提供可听见的和/或可视的反馈。
控制机构110可以很多方式来使用连续性信号CS1-CS4。例如，控制机构110可以生成很像人类的、很快地计算和执行的反射性反应。反射的一例子是相应于所检测到的连续性信号来使管缩回。可选地，可以使用基于相关信号的表面图案的位置或者从电学性质导出的位置来估计物理接触。如果根据适应性规划或者反射控制方案基于特定信号图案而被转换成管组的特定构造例如，位置，则控制机构110提供驱动信号DS1-DS4至驱动机构90来缩回、推进和/或旋转(多个)管20’。适应性规划器可以作出复杂的决策来确定适当的响应。在一些情况下，根据需要来将(多个)物理接触管20’的接触状态变为代表管20’和身体的内部身体组织或者身体之内的另一导电对象之间的物理接触不存在的开路状态。
实际上，如本领域技术人员将意识到地，驱动机构90、接触感应设备100和控制机构110的结构构造和操作规范依赖于管20’的应用。此外，导电对象必须被接地以便设备100精确地检测每个接触检测管20’的接触状态。
图17图示了设备100的示例性实施例101，该设备100在导电对象85被独立接地的情况下采用了四(4)个电流表102和电压源103(例如，1-10mVrms的量级)。例如，对象85是患者的内部身体组织，接地连接优选通过尽可能靠近导体31的工作区域放置在患者上的皮肤电极来建立。在对象85是管20’外部的医疗工具的进一步例子中，该医疗工具在其外部必须是导电的并且与地电连接。如示例性所示，当一个或者多个导体31物理接触对象85时，连续电流IC将不断地从电压源103顺序流动通过相应电流表102(1)-(4)、相应导体31和对象85至地。控制机构110(图16)将连续电流IC用作指示(多个)相应管20’的闭路状态的检测信号DS，并依赖于通常感应模式或者特定感应模式中的操作采取步骤来执行(多个)响应性动作。
图18图示了设备100的示例性实施例101，该设备100在导电对象的部分86a(例如，邻近身体中切口的皮肤)永久地连接至接地导体31(1)的情况下采用了三(3)个电流表102和电压源103。这消除了将导电对象独立接地的需要。如示例性所示，当一个或者多个导体31(2)-31(4)物理接触导电对象的内部部分86b时，连续电流IC将不断地从电压源103顺序流动通过相应电流表102、相应导体31、导电对象86、导体31(1)至地。此外，控制机构110(图14)将连续电流IC用作指示(多个)相应管20’的闭路状态的检测信号，并依赖于通常感应模式或者特定感应模式中的操作采取步骤来执行(多个)响应性动作。
实际上，本领域普通技术人员将意识到，虽然不是必需的，但是应该以将经过患者身体的电流限制在安全范围，例如，美国心脏学会所建议的电流界限，之内的方式设计本发明的接触检测系统。也期望将本发明的接触检测系统中使用的电压限制于最大安培数和预期电阻。这些限制依赖于设备100的实际结构，例如，相应图17和18所示的实施例101和102，或者本领域普通技术人员将意识到的电压表-电流源实施例。在M.W.Kroll的美国专利号5,761,019公开的医疗限流器可以被用作本发明的接触检测系统的安全基础。
另外，如果接触检测系统是自动套管系统，控制机构110可以被系统用作安全装置以在检测到与导电对象的物理接触时中断管20’的推进。并行地或者可选地，准许指定的(多个)管20’接触导电对象80，例如，图16所示的最里面的接触检测管20’。在最里面的接触检测管20’运载用于执行外科任务的工具并且其他管20’只旨在支持该最里面的接触检测管20’的到达时，这可以是有用的。
从图2-18，本领域普通技术人员将意识到本发明的各种和众多益处，包括但不限于，本发明在活动或者嵌套套管的所有应用中的使用。具体地，本发明主要被构想为针对套管被插入患者身体的宽大自由空间(例如，二氧化碳-膨胀腹部)中的微创腹腔镜外科手术，但是理论上可以用于其他套管应用(例如，癌、心脏、血管、肠胚、和神经应用)。
虽然已经图示和描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解在本文中描述的方法和系统是图示性的，并且可作出各种改变和变型并且等同物可替代其元件而不脱离本发明的实际范围。此外，可以作出很多变型来使得本发明的教导适应于实体路径规划而不脱离其中心范围。因而，本发明旨在不被限于预期作为执行本发明的最佳方式而公开的特定实施例，并且本发明包括落在所附权利要求范围之内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种接触检测方法(70)，包括：
在身体的解剖区域(50)之内导航接触检测管(20’)，所述接触检测管(20’)包括
管状壁(21)，其具有限定了工作通道(24)的内部表面(23)，
以及
电极(30)，其集成到所述管状壁(21)中，
其中，所述电极(30)可操作地将所述接触检测管(20’)电连接至所述解剖区域(50)之内的与所述管状壁(21)的外部表面(22)物理接触的导电对象(41，52)，并且
其中，所述电极(30)还可操作地将所述工作通道(24)与所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)的电连接电绝缘；以及
确定所述接触检测管(20’)的在开路状态和闭路状态之间的电接触状态，
其中，所述开路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的开路电路；并且
其中，所述闭路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的闭合电路。
2.如权利要求1所述的接触检测方法(70)，还包括：
识别所述电极(30)相对于所述管状壁(21)的位置。
3.如权利要求1所述的接触检测方法(70)，还包括：
依赖于所述电极(30)的阻抗来估计所述管状壁(21)的所述外部表面(22)和所述导电对象(41，52)之间的接触点。
4.如权利要求1所述的接触检测方法(70)，还包括：
通过将所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)电断开来执行对于闭路状态的至少一个响应性动作。
5.如权利要求1所述的接触检测方法(70)，还包括：
通过维持所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)的电连接来执行对于闭路状态的至少一个响应性动作。
6.一种嵌套套管组，包括：
构造为和尺寸形成为到达相对于身体的解剖区域(50)的目标位置的多个伸缩式管，其中，所述多个管的接触检测管(20’)包括：
管状壁(21)，其具有限定了工作通道(24)的内部表面(23)，
以及
电极(30)，其集成到所述管状壁(21)中，
其中，所述电极(30)可操作地将所述接触检测管(20’)电连接至所述解剖区域(50)之内的与所述管状壁(21)的外部表面(22)物理接触的导电对象(41，52)，并且
其中，所述电极(30)还可操作地将所述工作通道(24)与所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)的电连接电绝缘。
7.如权利要求6所述的嵌套套管组，
其中，所述接触检测管(20’)具有在开路状态和闭路状态之间的电接触状态；
其中，所述开路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的开路电路；并且
其中，所述闭路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的闭合电路。
8.如权利要求6所述的嵌套套管组，其中，所述电极(30)包括：
管状电导体(31)，其形成所述接触检测管(20’)的所述工作通道(24)的至少一部分；以及
电绝缘体(32)，其设置在所述管状电导体(31)的整个导电性内部表面(23)上。
9.如权利要求6所述的嵌套套管组，其中，所述电极(30)包括：
管状电绝缘体(32)，其形成所述接触检测管(20’)的所述工作通道(24)的至少一部分；以及
电导体(31)，其设置在所述管状电绝缘体(32)的外部表面(22)的至少一部分上。
10.如权利要求6所述的嵌套套管组，其中，所述电极(30)根据以下中的至少一个来提供所述接触检测管(20’)与所述导电对象(41，52)的所述电连接的接触位置信息：所述接触检测管(20’)的嵌套次序、所述接触检测管(20’)在所述解剖区域(50)之内的位置以及所述电极(30)的接触阻抗。
11.一种接触检测系统，包括：
接触检测管(20’)，其构造为和尺寸形成为在身体的解剖区域(50)之内被导航，所述接触检测管(20’)包括：
管状壁(21)，其具有限定了工作通道(24)的内部表面(23)，以及
电极(30)，其集成到所述管状壁(21)中，
其中，所述电极(30)可操作地将所述接触检测管(20’)电连接至所述解剖区域(50)之内的与所述管状壁(21)的外部表面(22)物理接触的导电对象(41，52)，并且
其中，所述电极(30)还可操作地将所述工作通道(24)与所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)的电连接电绝缘；以及
接触感应设备(100)，其与电极(30)电通信以感应所述接触检测管(20’)在开路状态和闭路状态之间的电接触状态，
其中，所述开路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的开路电路；并且
其中，所述闭路状态表示感应到所述接触检测管(20’)和所述导电对象(41，52)之间的闭合电路。
12.如权利要求1所述的接触检测系统，还包括：
控制机构(101)，其与所述接触感应设备(100)电通信以响应于所述接触感应设备(100)感应到所述接触检测管(20’)的闭路状态而识别所述电极(30)相对于所述管状壁(21)的位置。
13.如权利要求11所述的接触检测系统，还包括：
控制机构(101)，其与所述接触感应设备(100)电通信以根据以下中的至少一个来估计所述接触检测管(20’)与所述导电对象(41，52)的所述电连接的接触点：所述接触检测管(20’)的嵌套次序、所述接触检测管(20’)在所述解剖区域(50)之内的位置以及所述电极(30)的接触阻抗。
14.如权利要求11所述的接触检测系统，还包括：
控制机构(101)，其与所述接触感应设备(100)电通信以响应于所述接触感应设备(100)感应到所述接触检测管(20’)的闭路状态而确定对于所述接触检测管(20’)与所述导电体(41，52)的电连接的至少一个响应性动作。
15.如权利要求14所述的接触检测系统，还包括：
驱动机构(90)，其与所述接触检测管(20’)机械通信并且与所述控制机构(101)电通信以执行由所述控制机构(101)引导的所述至少一个响应性动作。
16.一种嵌套套管组，包括：
接触检测管(20’)，包括
管状壁(21)，其具有限定了工作通道(424)的内部表面(23)，以及
至少两个或者更多个导体(431a-431d)，其在集成到所述管状壁(21)中的绝缘体(432)的表面上形成图案，
其中，所述至少两个或者更多个导体(431a-431d)可操作地将所述接触检测管(20’)与解剖区域(50)之内的与所述管状壁(21)的外部表面物理接触的导电对象电连接或者断开，并且
其中，所述至少两个或者更多个导体(431a-431d)可操作地提供输入给接触感应设备(64)，由此计算或者报告所述接触检测管(20’)的位置。
17.如权利要求16所述的嵌套套管组，其中，所述至少两个或者更多个导体(431a-431d)在所述绝缘体(432)的表面上形成图案。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111221