CN119924988A - 用于伴随内窥镜和经皮医学规程的机器人系统和方法 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及用于内窥镜辅助的经皮医学规程的系统和技术。方法可包括将具有细长轴和第一方位传感器的第一医疗器械穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中。可利用第一方位传感器来确定第一医疗器械在治疗区域内的第一方位。可限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置。可朝向目标位置经皮引导第二医疗器械。该方法可在机器人使能的医疗系统上执行。

Description

用于伴随内窥镜和经皮医学规程的机器人系统和方法

优先权申请

本申请要求2019年9月28日提交的美国临时专利申请62/738706的优先权，该申请以引用方式并入本文。

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及医疗系统和医学规程，并且更具体地涉及用于伴随内窥镜和经皮医学规程(诸如内窥镜辅助的经皮医学规程和腹腔镜辅助的内窥镜规程)的机器人系统和方法。

背景技术

医学规程诸如内窥镜检查和腹腔镜手术可涉及出于诊断和/或治疗目的而进入患者的解剖结构的内部并使其可视化。例如，输尿管镜检查是常用于治疗肾结石的医学规程。在规程期间，可将被称为输尿管镜的薄的柔性管状工具或器械插入尿道中，穿过膀胱和输尿管，并进入肾中。在某些情况下，也可能需要经皮进入肾。

在某些医学规程中，外科机器人系统可用于控制外科工具的插入和/或操纵。外科机器人系统可包括至少一个机器人臂或其他器械定位装置，其包括用于在规程期间控制外科工具的定位的操纵器组件。

发明内容

本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。

在第一方面，用于执行医学规程的方法包括：将包括细长轴和第一方位传感器的第一医疗器械穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中；利用第一方位传感器确定第一医疗器械在治疗区域内的第一方位；限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置；以及朝向目标位置经皮引导第二医疗器械穿过患者。

该方法还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)将第一方位传感器的输出与术前模型的坐标框架配准，并且其中利用第一方位传感器确定器械在治疗区域内的第一方位包括参照术前模型确定第一方位；(b)其中术前模型包括解剖结构的三维重建；(c)其中限定治疗区域内的目标位置包括参照术前模型确定目标位置；(d)其中参照术前模型确定目标位置包括：向用户显示术前模型，并且接收参照术前模型对目标位置的选择；(e)其中限定目标位置包括参照术前模型确定所确定的第一方位与目标位置之间的差异；(f)向用户显示目标位置的表示；(g)其中限定治疗区域内的目标位置包括：捕获治疗区域的一个或多个术中医学图像，以及参照一个或多个术中医学图像来限定目标位置；(h)其中一个或多个术中医学图像包括一个或多个荧光镜图像；(i)将第一方位传感器的输出与一个或多个术中医学图像配准；(j)其中限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置包括沿着从第一医疗器械的细长轴的远侧端部延伸的第一轴线确定目标位置；(k)其中朝向目标位置经皮引导第二医疗器械穿过患者包括：将第二医疗器械的第二轴线与目标位置对准，以及将第二医疗器械朝向目标位置推进；(l)其中：第二医疗器械附接到机器人臂；并且机器人臂将第二医疗器械的运动限制为沿着第二轴线运动；(m)其中第一医疗器械包括内窥镜；(n)其中第一医疗器械是机器人控制的；(o)其中第二医疗器械是机器人控制的；(p)其中治疗区域包括肾、膀胱、肺、或胃肠道；(q)利用第一医疗器械的第一方位传感器确定患者运动，并且其中朝向目标位置经皮引导第二器械穿过患者部分地基于所确定的患者运动；以及/或者(r)其中患者运动是由于呼吸。

在另一方面，用于执行医学规程的方法包括：将包括细长轴和第一方位传感器的第一医疗器械穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中；将第一方位传感器的输出与术前模型的坐标框架配准；向用户显示术前模型；限定一个或多个虚拟基准的方位以参照术前模型创建边界，一个或多个虚拟基准的方位基于第一方位传感器的所配准的输出来确定；定位第一医疗器械，使得第一方位传感器远离边界；以及基于一个或多个虚拟基准将第二器械穿过经皮开口引导至治疗区域或引导在治疗区域内。

该方法还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个方位而言：将第一医疗器械导航到治疗区域内将要放置虚拟基准的位置；以及基于第一方位传感器的所配准的输出将该位置限定为虚拟基准的方位；(b)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个方位而言：接收对要放置一个或多个虚拟基准中的一个虚拟基准的位置的用户选择；以及参照基于第一方位传感器确定的至少第一方位来确定对应于该位置的虚拟基准方位，其中虚拟基准方位远离第一方位；(c)其中边界限定切除体积；(d)其中第一医疗器械包括内窥镜；(e)其中第一医疗器械是机器人控制的；(f)其中治疗区域包括肾、膀胱、肺、或胃肠道；以及/或者(g)其中术前模型基于CT扫描确定。

在另一方面，计算机可读介质包括指令，这些指令被配置成使得至少一个处理器：将包括细长轴和第一方位传感器的第一医疗器械穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中；利用第一方位传感器确定第一医疗器械在治疗区域内的第一方位；限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置；以及朝向目标位置经皮引导第二医疗器械穿过患者。

该计算机可读介质还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)其中指令还使得至少一个处理器将第一方位传感器的输出与术前模型的坐标框架配准，并且其中利用第一方位传感器确定器械在治疗区域内的第一方位包括参照术前模型确定第一方位；(b)其中术前模型包括解剖结构的三维重建；(c)其中限定治疗区域内的目标位置包括参照术前模型确定目标位置；(d)其中参照术前模型确定目标位置包括：向用户显示术前模型，并且接收参照术前模型对目标位置的选择；(e)其中限定目标位置包括参照术前模型确定所确定的第一方位与目标位置之间的差异；(f)其中指令还使得至少一个处理器向用户显示目标位置的表示；(g)限定治疗区域内的目标位置包括：捕获治疗区域的一个或多个术中医学图像，以及参照一个或多个术中医学图像来限定目标位置；(h)其中一个或多个术中医学图像包括一个或多个荧光镜图像；(i)其中指令还使得至少一个处理器将第一方位传感器的输出与一个或多个术中医学图像配准；(j)其中限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置包括沿着从第一医疗器械的细长轴的远侧端部延伸的第一轴线确定目标位置；(k)其中朝向目标位置经皮引导第二医疗器械穿过患者包括：将第二医疗器械的第二轴线与目标位置对准；以及将第二医疗器械朝向目标位置推进；(l)其中：第二医疗器械附接到机器人臂，机器人臂将第二医疗器械的运动限制为沿着第二轴线运动；(m)其中第一医疗器械包括内窥镜；(n)其中第一医疗器械是机器人控制的；(o)第二医疗器械是机器人控制的；(p)其中治疗区域包括肾、膀胱、肺、或胃肠道；(q)其中指令还使得至少一个处理器：利用第一医疗器械的第一方位传感器确定患者运动，并且其中朝向目标位置经皮引导第二器械穿过患者部分地基于所确定的患者运动；以及/或者(r)其中患者运动是由于呼吸。

在另一方面，医疗系统包括：第一医疗器械，该第一医疗器械被构造成穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中，第一医疗器械包括细长轴和第一方位传感器；第二医疗器械，该第二医疗器械被构造成穿过患者的经皮开口插入治疗区域中；至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器在其上存储有可执行指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器与至少一个计算机可读存储器通信并且被配置成执行指令以使得系统至少：基于第一方位传感器的输出来确定第一医疗器械在治疗区域内的第一方位；限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置；将目标位置与所确定的第一方位配准；以及朝向目标位置经皮引导第二医疗器械穿过经皮开口。

该系统还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)其中指令还使得系统将第一方位传感器的输出与术前模型的坐标框架配准，并且其中利用第一方位传感器确定器械在治疗区域内的第一方位包括参照术前模型确定第一方位；(b)其中限定治疗区域内的目标位置包括参照术前模型确定目标位置；(c)其中参照术前模型确定目标位置包括：向用户显示术前模型，并且接收参照术前模型对目标位置的选择；(d)其中限定目标位置包括参照术前模型确定所确定的第一方位与目标位置之间的差异；(e)显示器，该显示器被配置用于向用户显示目标位置的表示；(f)其中限定治疗区域内的目标位置包括：捕获治疗区域的一个或多个术中医学图像，以及参照一个或多个术中医学图像来限定目标位置；(g)其中一个或多个术中医学图像包括一个或多个荧光镜图像；(h)其中指令还使得系统将第一方位传感器的输出与一个或多个术中医学图像配准；(i)其中限定治疗区域内远离所确定的第一方位的目标位置包括沿着从第一医疗器械的细长轴的远侧端部延伸的第一轴线确定目标位置；(j)其中朝向目标位置引导第二医疗器械穿过患者包括：将第二医疗器械的第二轴线与目标位置对准，以及将第二医疗器械朝向目标位置推进；(k)机器人臂，其中第二医疗器械附接到机器人臂，并且机器人臂将第二医疗器械的运动限制为沿着第二轴线运动；(l)其中第一医疗器械包括内窥镜；(m)其中第一医疗器械是机器人控制的；以及/或者(n)其中第二医疗器械是机器人控制的。

在另一方面，计算机可读介质包括指令，这些指令被配置成使得至少一个处理器：将包括细长轴和第一方位传感器的第一医疗器械穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中；将第一方位传感器的输出与术前模型的坐标框架配准；向用户显示术前模型；限定一个或多个虚拟基准的方位以参照术前模型创建边界，一个或多个虚拟基准的方位基于第一方位传感器的所配准的输出来确定；定位第一医疗器械，使得第一方位传感器远离边界；以及基于一个或多个虚拟基准将第二器械穿过经皮开口引导至治疗区域或引导在治疗区域内。

该计算机可读介质还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个方位而言：将第一医疗器械导航到治疗区域内将要放置虚拟基准的位置；以及基于第一方位传感器的配准的输出将该位置限定为虚拟基准的方位；(b)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个方位而言：接收对要放置一个或多个虚拟基准中的一个基准位置的位置的用户选择；以及参照基于第一方位传感器所确定的至少第一方位来确定对应于该位置的虚拟基准方位，其中虚拟基准方位远离第一方位；(c)其中边界限定切除体积；(d)其中第一医疗器械包括内窥镜；(e)其中第一医疗器械是机器人控制的；(f)其中治疗区域包括肾、膀胱、肺、或胃肠道；以及/或者(g)其中术前模型基于CT扫描确定。

在另一方面，医疗系统包括：第一医疗器械，该第一医疗器械被构造成穿过患者的自然孔口插入患者的治疗区域中，第一医疗器械包括细长轴和第一方位传感器；第二医疗器械，该第二医疗器械被构造成穿过患者的经皮开口插入治疗区域中；至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器在其上存储有可执行指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器与至少一个计算机可读存储器通信并且被配置成执行指令以使得系统至少：将第一位置传感器的输出与术前模型的坐标框架配准；向用户显示术前模型；限定一个或多个虚拟基准的方位以参照术前模型创建边界，一个或多个虚拟基准的方位基于第一方位传感器的所配准的输出来确定；以及基于一个或多个虚拟基准将第二医疗器械穿过经皮开口引导至治疗区域或引导在治疗区域内。

该系统还可包括下列特征中的一者或多者的任何组合：(a)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个方位而言：将第一医疗器械导航到治疗区域内将要放置虚拟基准的位置；以及基于第一方位传感器的所配准的输出将该位置限定为虚拟基准的方位；(b)其中确定一个或多个虚拟基准的方位包括对方位中的每个而言：接收对要放置一个或多个虚拟基准中的一个的位置的用户选择；以及参照基于第一方位传感器确定的至少第一方位来确定对应于该位置的虚拟基准方位，其中虚拟基准方位远离第一方位；(c)其中边界限定切除体积；(d)其中第一医疗器械包括内窥镜；(e)其中第一医疗器械是机器人控制的；(f)其中治疗区域包括肾、膀胱、肺、或胃肠道；以及/或者(g)其中术前模型基于CT扫描确定。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的替代视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了具有俯仰或倾斜调整的图5至图9的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5至图10的基于台的机器人系统的台和立柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20描绘了根据示例性实施方案的示出定位系统的框图，该定位系统估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置，诸如图16至图18的器械的位置。

图21A至21D示出了在肾中内窥镜辅助的经皮医学规程的实施方案中的各种步骤。

图21A示出了被引导到肾中的第一医疗器械的示例。

图21B示出了远离第一医疗器械的目标位置的确定的示例。

图21C示出了第二医疗器械与目标位置的对准的示例。

图21D示出了经皮插入第二医疗器械以到达目标位置的示例。

图22A和22B示出了用于在一些伴随内窥镜和经皮医学规程中使医疗器械与目标位置对准的对准方法的实施方案中的各种步骤。

图22A示出了大体对准步骤的示例，在此其间医疗器械的远侧端部接近目标位置。

图22B示出了精密对准步骤的示例，在此其间医疗器械的纵向轴线与目标位置对准。

图23A和23B示出了根据一个实施方案的用于帮助图22B的精密对准步骤的示例性对准界面。

图23A示出了当医疗器械未与目标位置对准时对准界面的示例。

图23B示出了当医疗器械与目标位置对准时对准界面的示例。

图24示出了包括图23A和23B的对准界面的示例性用户界面。

图25A和25B示出了在肺中内窥镜辅助的经皮医学规程的另一个实施方案中的各种步骤。

图25A示出了在规程期间放置或创建虚拟基准的示例。

图25B示出了基于虚拟基准为一个或多个经皮器械创建边界的示例。

图26示出了在胃肠道中伴随内窥镜和经皮医学规程的示例性实施方案。

图27A是示出用于执行医学规程的方法的实施方案的流程图，该医学规程包括使医疗器械与目标位置会合。

图27B是示出用于执行医学规程的方法的实施方案的流程图，该医学规程包括放置虚拟基准以限定边界。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医学规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和方位。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他实施方式是可能的，并且利用所公开的实施方式可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统–推车。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式构造，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或方位而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调整、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可运动塔30，该可运动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔架30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可运动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)联接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单个缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可联接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独构造的臂安装件，该臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调整机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件方位和关节角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师将臂关节运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够运动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据以及/或者来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台16。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被构造成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统–台。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘关节的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架43上，该关节可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台面基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要运动时回缩。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包含用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且关闭以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在关闭时灰尘和流体进入。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在规程期间支撑患者的腿的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者体内解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被构造成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形关节来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调整特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医学规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统100包括可被构造成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造，使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为系统100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被构造成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被构造成沿着或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接头，该旋转接头可允许可调式臂支撑件105在特伦德伦伯格卧位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿着台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人系统100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接头113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接头121，该第四接头可沿着第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人系统140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被构造成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和翻滚的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医学规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图15示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，该一个或多个驱动单元以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可以向医疗器械提供多个(如图15所示为四个)独立的驱动输出部。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

D.医疗器械。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的关节腕和外科工具或医疗器械(例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜式、内窥镜式或混合手术期间，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而致使端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使关节围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件联接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如光纤视镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入到细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器80的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图16的设计中那样正交。

当联接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可联接到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和联接到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或沟槽158。沟槽158被构造成接收穿过该沟槽的一根或多根线材或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，所述一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩联接器往复地配合。

在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机械臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制引起器械的对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被构造成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机械臂)198。棱柱接头196被构造成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被构造成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被构造用于导纳控制，而万向支架186被构造用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被构造用于导纳控制，而定位平台188被构造用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图20是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车11、图5至图14所示的床等中。

如图20所示，定位系统90可以包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请号14/523760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图20所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测光纤的器械可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时致使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的方位、解剖图等。

2.用于伴随内窥镜和经皮医学规程的机器人系统和方法。

本公开的实施方案涉及用于伴随内窥镜和经皮医学规程，诸如内窥镜辅助的经皮(或腹腔镜)医学规程和腹腔镜辅助的内窥镜规程的机器人系统和方法。该系统和方法可在机器人使能的医疗系统中体现或采用，诸如以上参照图1至图20描述的那些和以下进一步详细描述的那些。

许多医学规程涉及将医疗器械引导到患者的治疗区域内的目标位置。在某些情况下，这些医学规程可涉及经皮引导医疗器械穿过开口(诸如经皮入口)到达目标区域。因为目标位置通常在内部，可能难以将医疗器械准确地引导至目标位置。通常，医师，特别是受过高度训练的放射科医师依靠实时荧光镜图像来将医疗器械引导到目标位置。但是，此类规程很困难。放射科医师必须根据二维荧光镜图像得出到达目标位置的三维路径，这通常导致医疗器械的不精确引导和放置。此外，使用荧光镜透视检查会使患者和医护人员不可取地长时间暴露于辐射。

例如，经皮肾镜取石术(PCNL)是一种涉及经皮进入肾以移除肾结石的医学规程。通常，PCNL分两步执行。首先，放射科医师将介入鞘经皮引导到肾中以进入治疗区域。放射科医师依靠二维荧光镜图像来引导和放置介入鞘。其次，在介入鞘保持在适当位置的情况下，泌尿科医师然后通过介入鞘进入治疗区域以移除肾结石。放射科医师通常需要执行该规程的第一部分，这增加了规程的成本、复杂性和操作调度时间延迟，而在理想情况下该规程仅需要泌尿科医师及其工作人员来执行。此外，因为放射科医师并未受过泌尿学训练，所以放射科医师通常将介入鞘放置在次优方位。然而，泌尿科医师必须依靠放射科医师来放置介入鞘，因为泌尿科医师没有受过放射学训练，并因此不能自己引导介入鞘。因为放射科医师依赖于荧光镜成像技术，PCNL的另一个缺点是以上提及的辐射暴露。

本专利申请所描述的用于伴随内窥镜和经皮医学规程的方法和系统可以提供经皮和/或内窥镜医疗器械的改进的引导和放置。如将参照以下所例示的示例更详细地描述，该方法和系统可有利地用于在治疗区域内限定医疗器械的会合点以及/或者在治疗区域内限定边界以供在规程期间使用。

图21A至图21D示出了在肾202中内窥镜辅助的经皮医学规程的实施方案中的各种步骤。在所例示的示例中，该医学规程是用于移除肾结石212的内窥镜辅助的经皮肾镜取石术(PCNL)规程，但示例所示出的原理适用于其他类型的医学规程，所有这些均旨在本公开的范围之内。如将在以下详细描述，在所例示的示例中，第一医疗器械204穿过患者的自然孔口插入到肾202中(图21A)。第一医疗器械204包括方位传感器206。参照方位传感器206来确定用于引导第二医疗器械214经皮插入的目标位置208(图21B)。目标位置208可远离方位传感器206，如图所示。在一些实施方案中，目标位置208可为位置(诸如空间中的点)或轨线(诸如空间中的线)。在一些实施方案中，目标位置208可在图形用户界面上显示为点或线。使第二医疗器械214与目标位置208对准(图21C)。最终，朝向目标位置208经皮插入第二医疗器械214(图21D)。在该方位中，PCNL可通过第二医疗器械214执行。在一些实施方案中，PCNL可由第一医疗器械204辅助。

如以下将更详细地描述，图21A至图21D所示的内窥镜辅助的PCNL规程可以提供若干优点。例如，该规程可以允许提高第二医疗器械214经皮放置的准确性，因为第二医疗器械214的插入可被引导朝向目标位置208。另外，在一些实施方案中，该规程允许引导第二医疗器械214而无需荧光镜可视化。这可有利地减少或消除规程期间患者和医务人员的辐射暴露。这也可简化规程，因为其可允许规程完全由泌尿科医师来执行，而不是由放射科医师和泌尿科医师同时执行。另外，在一些实施方案中，因为目标位置208可参照方位传感器206来确定，但是在远离方位传感器206的方位处，可以在第一医疗器械204不能直接接近的方位处确定目标位置208。例如，在一些实施方案中，规程可以允许在单次尝试中放置入口。相比之下，其他技术(诸如荧光镜透视检查引导技术)有时需要医师多次撤回和替换工具，直到最终实现正确的位置。以下将更具体地参考附图来更详细地描述这些及其他优点。

如上所提及，图21A至图21D示出了用于移除肾结石212的内窥镜辅助的经皮肾镜取石术(PCNL)规程的各种步骤。如图21A所示，在所例示的示例中，肾结石212位于肾盏的入口处。在某些情况下，泌尿科医师可能希望将介入鞘插入肾202中的肾盏内和肾结石212后面。然后可通过介入鞘执行PCNL以打碎和移除肾结石212。介入鞘的准确放置对于使规程效率最大化以及使对患者的应力和冲击最小化可能是重要的。

在所例示的示例中，为了准确地放置介入鞘，首先，可将第一医疗器械204引导到肾202中。在一些实施方案中，第一医疗器械204穿过自然孔口插入患者体内。例如，第一医疗器械204可穿过尿道、膀胱和输尿管插入肾202中。在一些实施方案中或在其他规程中，可使用其他自然患者孔口。在一些实施方案中，第一医疗器械204可经皮插入。

第一医疗器械204可为内窥镜。在一些实施方案中，第一医疗器械204可为机器人控制的。例如，第一医疗器械可为以上参照图1至图20所述的任何机器人可控的医疗器械。在一些实施方案中，第一医疗器械204可为手动控制的。如图21A所示，第一医疗器械204可包括细长轴205。细长轴205可为可关节运动和可控制的，使得第一医疗器械204可通过患者的解剖结构导航到肾202中。以上参照图16至图18描述了此类医疗器械的几个实施方案。在一些实施方案中，医疗器械204还可包括各种其他特征部，诸如可允许操作者从第一医疗器械204的视角可视化治疗区域的光学系统(诸如相机)，以及可允许附加的医疗工具或器械通过细长轴205递送至治疗区域的工作通道。在一些实施方案中，工作通道可用于递送流体或抽吸流体或碎屑。

同样如图21A所示，第一医疗器械204可包括方位传感器206。在例示的实施方案中，方位传感器206定位在第一医疗器械204的细长轴205的远侧端部处或远侧端部附近。在其他实施方案中，方位传感器206可定位在细长轴205上的其他位置中。在一些实施方案中，第一医疗器械204包括多个方位传感器206。方位传感器206被配置成提供输出，根据该输出可以确定方位传感器206(以及第一医疗器械204)的位置或方位。在一些实施方案中，方位传感器206包括电磁(EM)传感器，该电磁传感器被配置成在EM场内产生可检测信号，根据该可检测信号可以确定EM传感器在EM场内的方位。在一些实施方案中，方位传感器206包括形状感测光纤，根据该形状感测光纤可以确定细长轴205的位姿或形状并且用于确定医疗器械204的方位。在其他实施方案中，可以使用其他类型的方位传感器。

如图21A所示，在规程期间，第一医疗器械204被引导到肾202中。在一些实施方案中，通过导航或定位系统(诸如上述定位系统90)来促进对第一医疗器械204的引导。操作者可利用第一医疗器械204上的光学系统使肾结石212可视化。

如图21B所示，在第一医疗器械204定位在肾202内的情况下，操作者(或系统)可以确定目标位置208。目标位置208可以表示期望放置第二医疗器械214的位置(参见图21C和21D)。如以下将参照图21C和21D描述，目标位置208可以提供用于引导第二医疗器械214插入的信标。例如，第二医疗器械214可被引导以便与目标位置208会合。

在一些实施方案中，目标位置208可参照方位传感器206来确定，但是处于远离方位传感器206的方位。也就是说，目标位置208不需要与方位传感器206(或第一医疗器械204上的任何其他点)重合。

例如，在一些实施方案中，可使方位传感器206的输出与肾202的术前模型配准。配准可涉及例如使用方位传感器206来标测第一医疗器械204通过解剖结构的路径，并且将所标测的路径与术前模型匹配。又如，配准可涉及将医疗器械204导航到一个或多个解剖学标志，并使用方位传感器206在一个或多个解剖学标志处的输出来将术前模型与方位传感器206的输出配准。以上参照定位系统90和图20提供了配准的附加细节。一旦术前模型被配准，在一些实施方案中，操作者(或系统)可以通过在术前模型内选择目标位置208来确定该目标位置。例如，术前模型可显示给操作者，并且操作者可从术前模型内选择位置作为目标位置208。如上所述，目标位置208可远离方位传感器206。在一些实施方案中，利用术前模型以及来自方位传感器206的数据，可以通过系统确定方位传感器206的位置与所选择的目标位置208之间的距离和方向。例如，方位传感器206的位置可以表示为x，y，z坐标，目标位置208可以由x’，y’，z’坐标表示，并且可以确定x，y，z坐标和x’，y’，z’坐标之间的距离和方向。

又如，目标位置208可以参照术中医学成像(诸如一个或多个荧光镜图像)来确定。例如，操作者可以选择荧光镜图像上的位置作为目标位置208。同样，目标位置208可远离方位传感器206。在一些实施方案中，可将方位传感器的输出与荧光镜图像配准，使得可以确定目标位置208与方位传感器206之间的关系。例如，方位传感器206可为电磁(EM)传感器。EM基帧可以通过将包括EM传感器的器械在已知的支气管分支中来回运动来配准到术前CT图像。这可以在两个坐标框架(即，EM基帧和荧光镜帧)中生成相应的点对。利用相应的点对，可使用算法来确定坐标框架之间的变换。该过程通常或统称为配准。一旦确定了变换，就可以在荧光镜图像帧中示出方位传感器206，并且可以确定在图像帧中定义的目标位置208与传感器之间的关系。

在一些实施方案中，沿着从第一医疗器械204的细长轴205的远侧末端向外延伸的轴线216选择目标位置208(例如，如图21B中所示)。例如，目标位置208可为方位传感器206的位置沿轴线216的投影。在其他实施方案中，目标位置208不需要位于轴线216上。也就是说，目标位置208可为方位传感器206在任何方向上的投影。

选择远离方位传感器206的目标位置208可有利地允许使用第一医疗器械204不能直接接近的目标位置208。例如，在所例示的示例中，肾结石212定位在肾盏的入口中。在该方位，肾结石212可能妨碍医疗器械204导航到肾盏中。有利的是，即使第一医疗器械204不能物理地导航到肾盏中，目标位置208也可被投影到肾盏中。相似地，可以在甚至不能用第一医疗器械204可视化的方位处确定目标位置208。在所例示的示例中，肾结石212甚至可阻挡视觉触及肾盏。无论如何，目标位置208可有利地投影到肾盏中。

如图21C所示，目标位置208可用作信标以对准第二医疗器械214。在例示的实施方案中，第二医疗器械214可为经皮介入鞘。在其他实施方案中，第二医疗器械可为例如其他类型的医疗器械，诸如内窥镜或腹腔镜工具。在例示的实施方案中，可以操纵第二医疗器械214，直至第二医疗器械214的轴线218与目标位置208对准。

在一些实施方案中，第二医疗器械214可定位在器械定位装置诸如机器人臂上。器械定位装置可为机器人控制的，以使第二医疗器械214与目标位置自动地对准。例如，第二医疗器械214可基于器械定位装置的方位或第二医疗器械214上的方位传感器的输出而与目标位置208机器人对准。

在一些实施方案中，第二医疗器械214可与目标位置208手动对准。在此类实施方案中，第二医疗器械214可包括用于确定第二医疗器械214的方位和取向的一个或多个方位传感器。以下将参照图22A和22B更详细地描述用于对准第二医疗器械214的示例性过程。

如图21D所示，在第二医疗器械214与目标位置208对准的情况下，第二医疗器械214可以被引导或插入以便与目标位置208会合。在例示的实施方案中，第二医疗器械214例如穿过经皮开口220经皮地插入肾202中。在一些实施方案中，经皮开口220通过第二医疗器械214形成。在一些实施方案中，在插入第二医疗器械214之前，经皮开口220例如通过单独的医疗工具单独地形成。

第二医疗器械214的插入能够以各种方式进行。例如，插入可为手动的或机器人的。在一些手动实施方案中，医师手动地插入第二医疗器械214。医师可朝向目标位置208引导第二医疗器械214。在一些实施方案中，可提供对准界面，该对准界面有助于医师在插入期间保持医疗器械214与目标位置208的对准。以下所述的图23A和23B示出了示例性对准界面。

在一些实施方案中，第二医疗器械214的插入可为机器人的。第二医疗器械214可定位在器械定位装置诸如机器人臂上。在一些实施方案中，当医师通过物理地操控(例如推动)第二医疗器械214(或器械定位装置)来插入第二医疗器械214时，器械定位装置在插入期间保持对准。在这些实施方案中，可以机器人保持对准，同时手动执行第二医疗器械214的实际插入。例如，医师可以握住第二医疗器械214或器械定位装置上的柄部以将第二医疗器械214推入患者体内。器械定位装置可将第二医疗器械214的运动限定或限制为沿着插入轴线运动。例如，器械定位装置可以限制或防止将会致使第二医疗器械214与目标位置208脱离对准的运动。在一些实施方案中，运动被限制为仅沿着插入轴线。在一些实施方案中，运动被限制在围绕插入轴线的范围内。例如，运动可被限制在围绕插入轴线的锥形或圆柱形边界内。在一些实施方案中，运动由触觉边界限制。触觉边界可在物理上限制允许范围之外的运动，或者向医师提供运动偏离轨道的触觉反馈。

在一些实施方案中，医师使用控制器命令插入，并且对准和插入两者均以机器人方式执行。与前面的示例一样，机器人系统可以限制或防止运动，使得第二医疗器械214保持与目标位置208对准。

在一些实施方案中，在第二医疗器械214的对准(图21C)和插入(图21D)期间，第一医疗器械204保持在治疗区域中(例如肾202中)。方位传感器206的输出信号可用于跟踪规程期间的患者运动。患者运动可包括呼吸。例如，当患者呼吸时，肾202可轻微运动。该运动可利用方位传感器206进行跟踪。然后可在第二医疗器械214的对准和插入期间补偿该患者运动，使得第二医疗器械214与目标位置208会合的准确度提高。在一些实施方案中，为了准确跟踪和补偿患者运动，第一医疗器械204应当在对准和插入期间保持定位，使得方位传感器206保持接近目标位置208。

在一些实施方案中，当第二医疗器械214到达如图21D所示的目标位置208时，第二医疗器械214的插入停止。在第二医疗器械214处于图21D所示的方位的情况下，医师可执行PCNL以移除肾结石212。

如上所提及，图22A和22B示出了可用于将第二医疗器械214与目标位置208对准的对准过程的实施方案中的各个步骤。图22A示出了大体对准步骤的示例，在此期间第二医疗器械214的远侧端部接近目标位置208，并且图22B示出了精密对准步骤的示例，在此期间第二医疗器械214的轴线218与目标位置208对准。在一些实施方案中，关于图22A和22B所述的对准过程用于第二医疗器械214的手动对准和插入。在一些实施方案中，机器人对准和插入可采用类似的过程。

如图22A所示，对准过程可以涉及首先相对于目标位置208大体上定位第二医疗器械214。如图所示，这可涉及使第二医疗器械214沿着患者的皮肤203的表面或在患者的皮肤的表面附近运动，直到第二医疗器械214的远侧末端被定位在接近目标位置208的区226(由两条虚线之间的区域可视地表示)内。区226的方位可被确定为接近目标位置208的解剖区域或期望进行经皮插入的解剖区域。第二医疗器械214的远侧末端的方位可使用方位传感器222跟踪，该方位传感器可类似于先前描述的任何方位传感器。如图所示，医师可例如使第二医疗器械214沿箭头224的方向前后运动，直到方位传感器222处于区226内。当方位传感器222处于区226内时，系统可向医师提供警示。警示可例如为听觉或视觉的。如图22A所示，在该步骤期间，第二医疗器械214的轴线218不一定需要与目标位置208对准。相反，该步骤可致力于仅仅将第二医疗器械214带到接近目标位置208的区226中。

一旦第二医疗器械214定位在区226内(以提供大体对准)，医师然后就可致力于将第二医疗器械214的轴线218与目标位置208对准。该步骤的一个示例在图22B中示出。在该步骤期间，医师可将第二医疗器械214的远侧末端保持在适当位置，并且围绕该点旋转或枢转第二医疗器械214，直到轴线218与目标位置208对准。例如，医师可沿着箭头228的方向旋转或枢转第二医疗器械214，直到轴线218与目标位置208对准。这可以为第二医疗器械214和目标位置208提供精密对准。

可使用对准界面以利于轴线218与目标位置208的对准。在一些实施方案中，对准界面是提供对准的视觉表示的图形用户界面。以下所述的图23A和23B示出了此类对准界面的示例。在其他实施方案中，对准界面可例如使用其他方法来指示对准，诸如听觉提示。

图23A和23B示出了根据一个实施方案的用于帮助图22B的精密对准步骤的示例性对准界面230。在图23A和23B中，附图的上部分示出了对准界面230的示例，而附图的下部分示出了第二医疗器械214和目标位置208如何对准的相应示例。

如图23A所示，对准界面230可包括对准的图形或视觉表示。在例示的实施方案中，对准界面230包括外圆232、目标指示器234和器械指示器236。目标指示器234可表示目标位置208的方位。在一些实施方案中，目标指示器234保持在圆232的中心。器械指示器236可表示第二医疗器械214相对于目标位置208的当前对准。随着第二医疗器械214运动，当第二医疗器械214与目标位置208之间的相对对准改变时，器械指示器236围绕圆232运动。

在一些实施方案中，对准界面230表示顺着第二医疗器械214的轴看到的对准视图。例如，如图23A所示，器械指示器236定位在目标指示器234的左上方。这可指示第二医疗器械214沿目标位置208的左上方方向偏离。医师可将对准界面230解释为知道第二医疗器械214应当向右下方枢转以便与目标位置208对准。

图23B示出了当第二医疗器械214与目标位置208对准时的对准界面230。如图所示，当对准时，器械指示器236可与目标指示器234重叠。医师可首先利用对准界面230将第二医疗器械214与目标位置208正确对准。然后，医师可在插入期间继续使用对准界面230以在插入时保持对准。当医师插入第二医疗器械214时，医师可致力于通过保持器械指示符236与目标指示器234重叠来保持对准。用户可然后继续插入第二医疗器械214，直到达到期望的深度。

对准界面230可显示给用户，例如，作为机器人系统的图形用户界面的一部分。图24示出了包括对准界面230的此类图形用户界面235的示例。图形用户界面235可包括用于向用户显示信息的各种屏幕部分。例如，在例示的实施方案中，图形用户界面235包括对准指示器230、内窥镜视图238以及模型或荧光镜视图240。内窥镜视图238可以显示来自第一医疗器械204上的光学系统的实时视图。模型或荧光镜视图240可以显示治疗区域的实时荧光镜视图的术前视图。在一些实施方案中，目标位置208可以显示在模型或荧光镜视图240上。在一些实施方案中，医师可以使用模型或荧光镜视图240来选择目标位置208。图24中所示的图形用户界面235仅以举例的方式提供。可以使用显示比图24所示更多、更少或其他类型的信息的其他图形用户界面235。

图25A和25B示出了在肺302中内窥镜辅助的经皮医学规程的另一个实施方案中的各种步骤。在所例示的示例中，该医学规程是用于移除肺302的一部分的内窥镜辅助的切除规程，但示例所示出的原理也适用于其他类型的医学规程，所有这些均旨在本公开的范围之内。如将在以下详细描述，在所例示的示例中，第一医疗器械304穿过患者的自然孔口插入到肺302中(图25A)。第一医疗器械304包括方位传感器306。用于限定切除边界的一个或多个虚拟基准308的方位可参照方位传感器306来确定(图25A)。边界309可基于虚拟基准308来确定(图25B)。一个或多个第二医疗器械314可基于虚拟基准308和边界309来执行肺302的一部分的经皮切除(图25B)。

如以下将更详细地描述，图25A和25B所示的内窥镜辅助的切除规程可以提供若干优点。例如，该规程可允许在限定边界309方面提高准确度。另外，在一些实施方案中，第二医疗器械314的运动可被限制为使得第二医疗器械314不能超越边界。这可使肺302被切除的总体部分最小化，并且降低健康组织将被损害的可能性。另外，在一些实施方案中，该规程允许引导第二医疗器械314而无需荧光镜可视化。先前，此类切除规程涉及在肺内放置物理不透射线标记物(例如金属标记物)，然后在该规程期间通过荧光镜透视观察标记物以使边界可视化。另选地，可以用染料物理地标记肺，其可利用支气管镜可视化以引导切除。在一些实施方案中，本专利申请中所述的虚拟基准308和边界309可以参照已经与解剖结构配准的术前模型来观察，并因此可在不采用荧光镜透视检查的情况下观察。以下将更具体地参考附图来更详细地描述这些及其他优点。

图25A示出了在规程期间放置或创建虚拟基准308的示例。在所例示的示例中，医师可能希望切除肺302的一部分。为了引导切除，医师可放置虚拟基准308，该虚拟基准可用于限定肺302将要被切除的部分周围的边界。然后可基于边界经皮执行切除。在所例示的示例中，为了准确地放置虚拟基准308，首先，将第一医疗器械304引导到肺302中。在一些实施方案中，第一医疗器械304穿过自然孔口插入患者体内。例如，第一医疗器械304可穿过患者的口部和气管插入肺302中。在一些实施方案中或在其他规程中，可使用其他自然患者孔口。在一些实施方案中，第一医疗器械304可经皮插入。

第一医疗器械304可为内窥镜，诸如支气管窥镜。在一些实施方案中，第一医疗器械304可为机器人控制的。例如，第一医疗器械304可为以上参照图1至图20所述的任何机器人可控的医疗器械。在一些实施方案中，第一医疗器械304可为手动控制的。如图25A所示，第一医疗器械304可包括细长轴。细长轴可为如前所述的可关节运动和可控制的，使得第一医疗器械304可穿过患者的气道导航到肺302内。第一医疗器械304还可包括如先前示例中所述的方位传感器306。方位传感器306被配置成提供输出信号，根据该输出信号可以确定方位传感器306的方位。可通过导航或定位系统，诸如上述定位系统90来促进对第一医疗器械304的引导。

如图25A所示，在第一医疗器械304定位在肺302内的情况下，医师(或系统)可以确定一个或多个虚拟基准308的位置。虚拟基准308可用于标记切除体积的边界，类似于先前使用物理基准或染料的方式。然而，虚拟基准308可例如参照已经与解剖结构配准的术前模型来虚拟地放置。例如，在一些实施方案中，可使方位传感器306的输出与肺302的术前模型配准。配准可如上所述完成，例如，通过使用方位传感器306来标测第一医疗器械304通过解剖结构的路径，并且将所标测的路径与术前模型匹配，或者将医疗器械304导航到一个或多个解剖学标志，并使用方位传感器306在一个或多个解剖学标志处的输出来将术前模型与方位传感器306的输出配准。

在一些实施方案中，通过以下方式来放置虚拟基准308：将第一医疗器械304导航到肺302内期望放置虚拟基准308的方位，利用方位传感器306确定该方位，以及将虚拟基准虚拟放置在术前模型内该确定的方位处。医师可然后将第一医疗器械304导航到期望放置虚拟基准308的下一个方位，并且重复该过程，直到放置所有期望的虚拟基准308。

在一些实施方案中，在术前模型与患者的解剖结构和位置传感器306的输出配准的情况下，可参照术前模型来选择用于放置虚拟基准308的方位。例如，在一些实施方案中，虚拟基准308的方位可参照方位传感器306来确定，但是处于远离方位传感器306的方位。也就是说，在一些实施方案中，虚拟基准308的位置不需要与方位传感器306(或医疗器械314的任何其他部分)重合。例如，术前模型可显示给医师，并且医师可以选择虚拟基准308在所显示的术前模型上的放置位置。

在一些实施方案中，虚拟基准308的方位可参照术前模型在手术前确定。然后可将第一医疗器械304导航到肺302中以将术前模型与解剖结构配准。在一些实施方案中，第一医疗器械304可以用于通过例如导航到对应于虚拟基准308的方位的位置来验证虚拟基准308的术前选择的方位的放置。在一些实施方案中，如果需要，医师可然后在术中调整虚拟基准308的放置方位。

又如，虚拟基准308的方位可参照术中医学成像(诸如荧光镜图像)来确定。例如，操作者可以选择虚拟基准308在荧光镜图像上的方位。

虚拟基准308的方位可例如在如图24所示的图形用户界面上显示给用户。

如图25B所示，虚拟基准308的方位可用于限定边界309。边界309可限定切除体积。在一些实施方案中，系统被配置成配合穿过虚拟基准308的线或表面以限定边界309。在一些实施方案中，边界309可例如在如图24所示的图形用户界面上显示给用户。在一些实施方案中，边界309被省略，并且虚拟基准308被用作边界。

边界309(或虚拟基准308本身)可用于在切除期间引导一个或多个第二医疗器械314。切除可以经皮执行，但并非在所有实施方案中都需要如此。在例示的实施方案中，示出了两个第二医疗器械314。第二医疗器械可例如为腹腔镜医疗器械，诸如以上参照图1至图20所述的那些。在一些实施方案中，第二医疗器械314可定位在器械定位装置诸如机器人臂上。器械定位装置可为机器人控制的。在一些实施方案中，机器人控制可以限制或防止第二医疗器械314打破或越过边界309。这可以限制或防止切除非预期组织。

在一些实施方案中，第二医疗器械314可为手动控制的。系统可提供第二医疗器械314何时接近边界309的指示，使得医师被警示。该指示可为视觉、听觉或触觉信号。

在一些实施方案中，在用第二医疗器械314切除期间，第一医疗器械304保持在治疗区域中(例如肺302中)。如上所述，方位传感器306的输出信号可用于跟踪规程期间的患者运动，诸如呼吸。该运动可利用方位传感器306进行跟踪。然后可在切除期间补偿该患者运动。

图26示出了胃肠道中的内窥镜辅助的经皮医学规程的示例性实施方案。在所例示的示例中，医师希望经皮地获取胰腺的活组织切片。然而，通常难以确保经皮插入的医疗器械与胰腺相交。在该示例中，经皮插入的器械可以与部分地基于内窥镜插入的器械的方位传感器确定的目标位置对准。

在所例示的示例中，第一医疗器械504被引导穿过患者的口部、食道532、胃534和十二指肠536到达乳突538。乳突538可以例如使用第一医疗器械504上的光学系统在视觉上识别。第一医疗器械504包括上述方位传感器506。可相对于由方位传感器506确定的方位确定胰腺中的目标位置508。这样做是因为医师知道胰腺位于乳突538的对面。因此，可在远离方位传感器506的方位处确定目标位置508。目标位置508可然后用作如上所述用于对准和引导第二医疗器械514经皮插入的信标。例如，第二医疗器械的轴线518可与目标位置508对准，然后第二医疗器械可穿过开口520经皮插入，以便与目标位置508相交并获取活组织切片。如前所述，第二医疗器械514的对准可以机器人方式保持。

图27A是示出用于执行医学规程的方法600的实施方案的流程图，该医学规程包括使医疗器械与目标位置会合。方法600开始于框602，此处将第一医疗器械插入治疗区域中。治疗区域可包括例如肾、膀胱、肺、胃、胃肠道等。第一医疗器械可为内窥镜。在一些实施方案中，第一医疗器械穿过自然患者孔口插入治疗区域中。第一医疗器械可为腹腔镜。在一些实施方案中，第一医疗器械经皮地或穿过经皮开口插入治疗区域中。第一医疗器械可为机器人控制的，例如使用上文参照图1至图20所述的机器人使能的医疗系统。第一医疗器械可为手动控制的。

接下来，方法600移向框604，此处利用第一医疗器械上的第一方位传感器来确定第一医疗器械的第一方位。第一医疗器械可包括第一方位传感器。第一方位传感器可为EM传感器、形状感测光纤、或用于确定方位的任何其他类型的传感器。在一些实施方案中，第一方位传感器的输出可与术前模型配准，使得参照术前模型来确定第一方位传感器的方位。可例如基于CT扫描或如上所述的其他方法来开发术前模型。

方法600然后移向框606，此处在治疗区域内确定远离第一方位的目标位置。目标位置可表示第二医疗器械的会合点。目标位置可显示给用户。在一些实施方案中，限定治疗区域内的目标位置包括参照术前模型确定目标位置。例如，参照术前模型确定目标位置可通过向用户显示术前模型，并且接收参照术前模型对目标位置的选择来实现。

在一些实施方案中，可以确定如由第一方位传感器所确定的第一方位与目标位置之间的距离和方向。可例如根据配准的术前模型来计算距离和方向。

在一些实施方案中，限定治疗区域内的目标位置可包括捕获治疗区域的一个或多个术中医学图像，以及参照一个或多个术中医学图像来限定目标位置。术中医学图像可为一个或多个荧光镜图像。一个或多个医学图像可与方位传感器的输出配准。

最后，方法移向框608，此处第二医疗器械被引导向目标位置。第二医疗器械可为腹腔镜。在一些实施方案中，第二医疗器械经皮地或穿过经皮开口插入治疗区域中。第二医疗器械可为内窥镜。在一些实施方案中，第二医疗器械穿过自然患者孔口插入治疗区域中。第二医疗器械可为机器人控制的，例如使用上文参照图1至图20所述的机器人使能的医疗系统。第二医疗器械可为手动控制的。在一些实施方案中，通过经皮插入第一医疗器械来获得初始进入，该第一医疗器械可包括内置的方位传感器。第一医疗器械可为针，该针包括留下的薄壁套管，以便产生进入患者体内的小进入通道。然后，可将第二医疗器械(诸如导丝)穿过套管插入并进入患者体内，此时可移除穿过的套管，同时确保导线留在适当位置。然后，导线可用作导轨以递送扩张工具并最终递送较大端口。

在一些实施方案中，朝向目标位置引导第二医疗器械可包括将第二医疗器械的第二轴线与目标位置对准，以及将第二医疗器械朝向目标位置推进。在一些实施方案中，第二医疗器械附接到机器人臂或其他器械定位装置。机器人臂可将第二医疗器械的运动限制为沿着或围绕第二轴线运动以保持与目标位置对准。机器人臂可以提供保持第二医疗器械对准的触觉边界。

在一些实施方案中，方法600还包括利用第一医疗器械的第一方位传感器确定患者运动。例如，在规程期间，第一医疗器械可保持在治疗区域中，并且第一方位传感器可监测患者运动。在一些实施方案中，第二器械的引导可补偿所测量的患者运动。可被补偿的患者运动可以包括例如由于呼吸引起的运动。

图27B是示出用于执行医学规程的方法610的实施方案的流程图，该医学规程包括放置虚拟基准以限定边界。边界可为例如切除边界。方法610开始于框612，此处将第一医疗器械插入治疗区域中。治疗区域可包括例如肾、膀胱、肺、胃、胃肠道等。第一医疗器械可为内窥镜。在一些实施方案中，第一医疗器械穿过自然患者孔口插入治疗区域中。第一医疗器械可为腹腔镜。在一些实施方案中，第一医疗器械经皮地或穿过经皮开口插入治疗区域中。第一医疗器械可为机器人控制的，例如使用上文参照图1至图20所述的机器人使能的医疗系统。第一医疗器械可为手动控制的。

接下来，方法610移向框614，此处第一方位传感器与手术前模型配准。第一医疗器械可包括第一方位传感器。第一方位传感器可为EM传感器、形状感测光纤、或用于确定方位的任何其他类型的传感器。在一些实施方案中，第一方位传感器的输出可与术前模型配准，使得参照术前模型来确定第一方位传感器的方位。可例如基于CT扫描或如上所述的其他方法来开发术前模型。

方法610然后移向框616，此处限定一个或多个虚拟基准的方位以参照术前模型创建边界。在一些实施方案中，确定一个或多个虚拟基准的方位包括将第一医疗器械导航到治疗区域内将要放置虚拟基准的位置，以及基于第一方位传感器的所配准的输出将该位置限定为虚拟基准的方位。在一些实施方案中，确定一个或多个虚拟基准的方位包括接收对要放置一个或多个虚拟基准中的一个虚拟位置的位置的用户选择，以及参照基于第一方位传感器确定的至少第一方位来确定对应于该位置的虚拟基准方位，其中虚拟基准方位远离第一方位。在一些实施方案中，将虚拟曲线或表面配合到虚拟基准以限定边界。边界和/或虚拟基准可显示给医师。

接下来，方法610移向框618，此处第一医疗器械远离边界定位。在一些实施方案中，在该方位中，可如上所述利用第一医疗器械的第一方位传感器来监测规程期间的患者运动。在一些实施方案中，可省略框618，并且第一医疗器械可在规程期间保持在边界处。第一器械是否保持在边界处可取决于例如边界的使用和时序。例如，在图25B中，边界表示要移除的区域。在这种情况下，当外科医生切除肺的远侧部分时，第一器械可定位在边界内，以提供更好的可视化。然而，当外科医生需要切除第一器械位于边界内的区域时，应当将第一器械拉离以给予操作空间。

最终，方法600移向框620，此处基于一个或多个虚拟基准在治疗区域内引导第二医疗器械。第二医疗器械可为腹腔镜。在一些实施方案中，第二医疗器械经皮地或穿过经皮开口插入治疗区域中。第二医疗器械可为内窥镜。在一些实施方案中，第二医疗器械穿过自然患者孔口插入治疗区域中。第二医疗器械可为机器人控制的，例如使用上文参照图1至图20所述的机器人使能的医疗系统。第二医疗器械可为手动控制的。在一些实施方案中，第二医疗器械的运动被限定或限制为使得第二医疗器械不能超越边界。在一些实施方案中，当第二医疗器械附接到机器人臂或其他器械定位装置时，利用触觉边界来创建对第二医疗器械的运动的限定或限制。

在一些实施方案中，方法600、610可例如使用上文参照图1至图20所述的机器人使能的医疗系统来执行。

上述伴随内窥镜和经皮(例如腹腔镜)系统和方法可提供多个优点，包括为内窥镜或腹腔镜工具提供改善的放置精度，以及提供明确限定或以其他方式改善的切除边界。

上述伴随内窥镜和经皮(例如腹腔镜)系统和方法也可在内窥镜和腹腔镜联合手术(CELS)期间使用，其可使用上述系统以机器人方式执行。可有利地使用CELS执行的规程的示例是结肠息肉切除术，但也存在其他示例。息肉可基于其尺寸、类型和位置通过内窥镜方式评估它们是否可被移除。当息肉不能通过内窥镜方式移除时，它们可经由节段性结肠切除术去除，这伴随着相对高的并发症率和增加的恢复时间。在多段切除期间，CELS可(利用腹腔镜器械)使得结肠能够腔外活动以(利用内窥镜器械)使息肉更容易腔内切除。

当手动执行时，CELS通常需要至少两位医师(分别控制腹腔镜器械和内窥镜器械)和两位助手(分别保持腹腔镜和结肠镜)。当一个医师正在运动器械时，其余提供者可保持他们的器械静止，这在延长的时间段内可能是身体上苛刻的。在房间中可以有另外的工作人员来帮助进行器械更换、递缝合线或纱布、在移除后处理标本以及控制腹腔镜器械等。另外，两位操作医师之间的沟通可能既缓慢又困难。例如，一位医师可能难以将他或她正在控制的器械的位置传达给另一位医师，或反之亦然。上述系统和方法可通过允许单位医师控制两个器械以及/或者提供两个器械之间改善的会合来减少或消除手动执行CELS时可能发生的这些困难。

除了癌性肿瘤的内窥镜诊断和手术切除的上述示例之外，其他示例性医学程序可受益于本文所述的系统和方法，包括肺癌的支气管镜定位与同时胸腔镜式切除、胃肠癌的内窥镜定位与腹腔镜式切除、在腹腔镜辅助下对胃肠癌进行内窥镜定位和切除，对胃肠重建规程进行内窥镜成像或可视化，诸如胃切除术、胃旁路术(roux-en-y-gastric bypass)等、输尿管镜下结石/肿瘤定位和经皮移除/切除。在一些实施方案中，此类规程可在单个治疗阶段中执行。在一些实施方案中，此类规程可由最少数量的临床医生执行，并且在一些情况下，可由单个医师执行。此外，在一些实施方案中，可使用单个类型的控制台来控制同时规程以执行同时规程。

在某些情况下，一个器械(例如内窥镜插入的器械)可能够提供治疗部位(例如病变)更好的可视化，而另一个器械(例如腹腔镜插入的器械)可能更适合于治疗(例如，活检或切除)治疗部位。反之亦然。在一些情况下，腹腔镜插入的器械可提供更好的可视化，而内窥镜插入的器械可提供更好的治疗。上述方法和系统可有利地允许以更适合的方式使用每个器械，同时传递可用于引导其他器械的信息。这可有利地允许更高的精度并减少规程的总时间，从而提供改善的患者结果。

3.实施系统和术语。

本文所公开的实施方式提供了用于内窥镜辅助的经皮医学规程的系统、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接(coupled)”或词语联接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

引用本文所述的特定计算机实施的过程和功能的短语可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读的介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这样的介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的具体实施的前述具体实施方式以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

第一器械，所述第一器械被构造成插入解剖结构中，所述第一器械包括方位传感器；和

控制系统，所述控制系统被配置成：

接收所述方位传感器的输出，其指示所述第一器械相对于第一坐标框架的方位；

确定所述第一器械相对于与所述解剖结构的模型相关联的第二坐标框架的方位；

至少部分地基于所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位在所述解剖结构的模型上放置第一虚拟基准；以及

基于所述第一虚拟基准在所述解剖结构的模型上的放置引导第二器械插入所述解剖结构中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一器械被构造成通过所述解剖结构的自然孔口插入，并且所述第二器械被构造成经皮插入所述解剖结构中。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，确定所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位包括：

将所述第一器械导航至所述解剖结构内的解剖学标志；

在所述解剖结构的模型上识别所述解剖学标志的方位；以及

响应于将所述第一器械导航至所述解剖学标志，将所述第一器械在所述第一坐标框架中的方位与所述解剖学标志在所述解剖结构的模型上的方位相匹配。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，确定所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位包括：

沿着路径将所述第一器械导航通过所述解剖结构；

将所述第一器械的所述路径映射在所述解剖结构的模型上；以及

响应于沿着所述路径导航所述第一器械，将所述第一器械在所述第一坐标框架中的方位与映射到所述解剖结构的模型上的所述路径相匹配。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述解剖结构的模型上放置所述第一虚拟基准包括：

响应于将所述第一器械导航到所述解剖结构内的期望位置，将所述第一虚拟基准放置在所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位处。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统还被配置成：

至少部分地基于所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位在所述解剖结构的模型上放置第二虚拟基准，所述第一虚拟基准和所述第二虚拟基准限定与解剖结构的模型相关联的边界。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，引导所述第二器械插入所述解剖结构中包括：

控制所述第二器械的移动，使得所述第二器械不会越过所述边界。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，引导所述第二器械插入所述解剖结构中还包括：

当所述第二器械接近所述边界时，生成视觉信号、听觉信号或触觉信号中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，引导所述第二器械插入所述解剖结构中包括：

显示图形界面，所述图形界面包括在其上放置了所述第一虚拟基准的所述解剖结构的模型。

10.一种由系统执行的方法，所述方法包括：

接收方位传感器的输出，其指示第一器械相对于第一坐标框架的方位，所述第一器械被构造成插入解剖结构中；

确定所述第一器械相对于与所述解剖结构的模型相关联的第二坐标框架的方位；

至少部分地基于所述第一器械相对于所述第二坐标框架的方位在所述解剖结构的模型上放置第一虚拟基准；以及

基于所述第一虚拟基准在所述解剖结构的模型上的放置引导第二器械插入所述解剖结构中。