[发明专利]将基于应变的形状感测与导管控制相结合

说明书

本发明提供了可改进基于应变的形状感测的用于导航管腔网络的机器人系统和方法。在一个方面，该系统可将基于应变的形状数据与基于机器人数据(例如，运动学模型数据、扭矩测量、机械模型数据、命令数据等)确定的形状数据进行比较，并且根据需要调整该基于应变的形状数据。可基于该比较来调整、不同地加权或丢弃该基于应变的形状数据的任何部分。例如，来自可信来源的数据可指示器械的形状表现出或应当表现出一个或多个特性。如果该系统确定该基于应变的形状数据的任何部分与此类特性不一致，则该系统可调整该基于应变的形状数据的该部分，使得经调整的基于应变的形状数据与该器械的特性一致。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2018年8月7日提交的美国临时申请62/715,668的权益，该临时申请据此全文以引用方式并入。

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及外科机器人，并且更具体地涉及医疗器械在患者身体的管状网络内的导航。

背景技术

支气管镜检是允许医师检查患者的肺气道诸如支气管和细支气管的内部状况的医疗规程。肺气道将空气从气管或气道运送到肺。在医疗规程期间，可将被称为支气管镜的细的柔性管状工具插入患者的口中并向下穿过患者的喉部进入他/她的肺气道，并且患者通常被麻醉以便放松他们的喉部和肺腔以用于在医疗规程期间进行外科检查和手术。

支气管镜可包括光源和允许医师检查患者的气管和气道的小相机，并且刚性管可结合支气管镜使用以用于外科目的，例如，当患者肺中存在大量出血时或者当大物体阻塞患者的喉部时。当使用刚性管时，患者通常被麻醉。机器人支气管镜在管状网络中进行导航时提供了巨大优势。它们可便于使用，并且允许即使在支气管镜检阶段期间也方便地施用治疗和活检。

除了机械装置或平台(例如，上述机器人支气管镜)之外，可使用各种方法和软件模型来帮助进行外科手术。例如，患者肺部的计算机断层摄影(CT)扫描通常在外科检查的术前期间执行。来自CT扫描的数据可用于生成患者肺部的气道的三维(3D)模型，并且所生成的3D模型使得医师能够访问在外科检查的操作过程期间可能有用的视觉参考。

然而，即使在采用医疗装置(例如，机器人支气管镜)时以及在使用现有方法(例如，执行CT扫描并生成3D模型)时，用于导航管状网络的先前技术仍具有挑战性。例如，基于装置的位置和取向变化，患者体内的医疗装置(例如，支气管镜工具)的运动估计可能不准确，并且因此装置的位置可能无法准确或正确地实时定位在患者体内。此类器械的不准确的位置信息可能会为在医疗操作过程期间使用3D模型作为视觉参考的医师提供误导性信息。

因此，需要用于在管状结构的网络中进行导航的改进技术。

发明内容

本发明描述了可改进基于应变的形状感测的用于导航管腔网络的机器人系统和方法。在一个方面，该系统可将基于应变的形状数据与基于机器人数据(例如，命令数据、力和距离数据、机械模型数据、运动学模型数据等)确定的形状数据进行比较，并且根据需要调整基于应变的形状数据。可基于该比较来调整、不同地加权或丢弃该基于应变的形状数据的任何部分。例如，来自可信来源的数据可指示器械的形状表现出或应当表现出一个或多个特性。如果该系统确定该基于应变的形状数据的任何部分与此类特性不一致，则该系统可调整该基于应变的形状数据的该部分，使得经调整的基于应变的形状数据与该器械的特性一致。

因此，一个方面涉及导航身体的内部区域内的器械的方法。该方法可包括：访问关于器械的机器人数据；访问来自定位在器械内的光纤的应变数据，该应变数据指示定位在身体的内部区域内的器械的一部分上的应变；基于应变数据来确定形状数据；比较机器人数据和形状数据；基于机器人数据和形状数据的比较来调整形状数据；基于经调整的形状数据来确定器械的估计状态；以及输出器械的估计状态。