背景技术：
1、内窥镜检查程序使用内窥镜检查中空器官或体腔的内部。与许多其他医学成像技术不同的是，内窥镜直接插入器官中。可以递送依靠直觉的操纵和控制的柔性内窥镜用于诊断和治疗通过身体中的任何自然孔口可进入的疾病。依据临床适应症，内窥镜可以被指定为支气管镜、输尿管镜、结肠镜、胃镜、耳鼻喉镜及各种其他的内窥镜。例如，柔性支气管镜可以用于肺癌诊断和/或手术治疗。然而，支气管镜检查的一个难题是在导航通过气道的同时到达肺上叶。在另一示例中，柔性内窥镜检查已被用于检查和治疗胃肠(gi)道紊乱，而无需在患者身上创建开口。内窥镜分别经由口或肛门引入上gi道或下gi道中。远端处的微型相机捕获gi壁的图像，该图像帮助临床医生诊断gi疾病。可以通过经由工作通道引入柔性工具以到达远端处的感兴趣部位来执行简单的外科手术(如息肉切除术和活检)。
2、传统上，内窥镜是可重复使用的，每次手术后可能需要对其进行彻底清洁、消毒和/或灭菌。在大多数情况下，清洁、消毒和灭菌可以是杀死病菌和/或细菌的侵略性过程。这样的程序也可能对内窥镜本身很苛刻。因此，这种可重复使用的内窥镜的设计通常可能很复杂，特别是为了确保内窥镜能够经受住这种苛刻的清洁、消毒和灭菌方案。通常可能需要对这种可重复使用的内窥镜进行定期维护和修理。
3、对于难以正确清洁的器械，指定用于单次使用的低成本一次性医疗设备已经变得很受欢迎。单次使用的一次性设备可以用无菌包装纸包装，以避免诸如hiv、肝炎和其他病原体的疾病的致病性交叉污染风险。医院普遍欣然接受单次使用的一次性产品的便利性，因为他们无须再担心产品的老化、过度使用、破损、故障和灭菌。传统内窥镜通常包括操作员用以操控内窥镜的手柄。对于单次使用的内窥镜，手柄通常在近端包封相机、昂贵的电子器件和机械结构，以便传输视频并允许用户经由用户界面操控内窥镜。这可能导致单次使用的内窥镜的手柄的高成本。
4、连续机器人和内窥镜通常较长且灵活。内窥镜的轴在将设备插入解剖结构时可能会受到弯曲或扭结的限制。内窥镜轴的被动变形可能是插入力以及与解剖结构接触的结果，这种变形很难建模。脱垂或扭结可能导致潜在的损害，因为它可能暴露扭结的细长设备的锋利边缘并使手术过程复杂化。此外，弯曲或扭结的细长设备可能导致系统失去对设备的位置/形状控制，并且可能阻塞仪器的通过。
技术实现思路
1、本文认识到需要一种机器人内窥镜，该内窥镜允许以改进的性能和成本效率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，该内窥镜可以是一次性的并且可以不需要大量的清洁程序。本公开提供了低成本、单次使用的可铰接内窥镜，用于在各种应用(诸如支气管镜检查、泌尿外科、妇科、关节镜检查、矫形外科、耳鼻喉科、胃肠内窥镜检查、神经外科、结肠镜检查和各种其他应用)中进行诊断和治疗。在一些实施方式中，本公开提供了单次使用、机器人控制的一次性支气管镜，用于与机器人系统一起使用，以实现对肺部解剖结构中任何位置的损伤的诊断评估。应当注意，所提供的内窥镜系统可以在各种微创外科手术、涉及包括心脏、膀胱和肺组织等各种类型的组织的治疗性或诊断性手术中使用，并可以在患者身体的其他解剖结构区域(诸如包括但不限于食道、肝脏、胃、结肠、尿道的消化系统或包括但不限于支气管、肺的呼吸系统以及各种其他区域)中使用。
2、在本公开的一个方面，提供了一种用于控制铰接式柔性内窥镜(articulatingflexible endoscope)的尖端速度的方法。该方法包括：生成命令以按预期速度移动铰接式柔性内窥镜的细长构件的尖端；接收由布置在细长构件的远侧尖端部分处的传感器获取的传感器数据以计算尖端速度；计算预期速度与尖端速度之间的差异；以及基于差异控制尖端速度。
3、在一个方面，提供了一种用于控制铰接式柔性内窥镜的尖端运动的方法。该方法包括：生成命令以经由仪器驱动机构(idm)沿解剖路径驱动铰接式柔性内窥镜的细长构件；接收由布置在细长构件的远侧尖端部分处的位置传感器获取的传感器数据；在确定远侧尖端部分位于解剖路径内的预选位置时，将远侧尖端的运动设置为零并计算时间窗口内远侧尖端部分的运动；计算同一时间窗口内远侧尖端部分的运动与idm的运动之间的差异；以及通过将差异与阈值进行比较来检测屈曲事件(buckling event)。
4、在一些实施例中，预选位置是主隆突。在一些实施例中，该方法还包括至少部分地基于传感器数据和解剖路径的3d模型确定远侧尖端部分位于预选位置。在一些情况下，位置传感器包括电磁传感器。
5、在一些实施例中，该方法还包括至少部分地基于位于远侧尖端部分的相机获取的图像数据确定远侧尖端部分位于预选位置。在一些实施例中，阈值是基于铰接式柔性内窥镜正在移动朝向的目标解剖区域动态确定的。在一些实施例中，阈值是解剖路径的曲折度的函数。
6、在一些实施例中，时间窗口的大小在4秒至8秒之间。在一些情况下，时间窗口的大小是基于经验数据确定的。在一些实施例中，远侧尖端部分在时间窗口内的运动是每个时间步长行进距离的累积。
7、在一些实施例中，该方法还包括在确定远侧尖端部分位于解剖路径内的预选位置时将idm施加的插入力设置为零，并将插入力与力阈值进行比较。在一些实施例中，该方法还包括在确定插入力高于力阈值时生成并在用户界面上显示警告消息。
8、在一些实施例中，该方法还包括基于预期速度和测量的尖端速度之间的差异来控制细长构件的远侧尖端部分的速度。在一些情况下，测量的尖端速度被计算为在前进方向上投影的传感器数据的滤波时间导数。在一些情况下，预期速度基于输入命令。在一些情况下，控制细长构件的远侧尖端部分的速度包括闭环控制。例如，测量的尖端速度通过低通滤波器处理以用作闭环控制的反馈信号。
9、在一些实施例中，远侧尖端部分包括用于容纳成像设备、位置传感器和照明设备的结构。在一些实施例中，铰接式柔性内窥镜的细长构件的近端连接到idm，用于对一条或多条拉线施加力，以铰接细长构件的远侧尖端部分，插入或缩回铰接式柔性内窥镜。在一些实施例中，该方法还包括在用户界面上显示指示屈曲事件的消息和响应于屈曲事件采取行动的建议。
10、在相关但独立的方面，提供了一种用于控制铰接式柔性内窥镜的尖端运动的系统。该系统包括：存储计算机可执行指令的存储器；一个或多个处理器，其与铰接式柔性内窥镜通信并配置为执行计算机可执行指令以：生成命令以经由仪器驱动机构(idm)沿解剖路径驱动铰接式柔性内窥镜的细长构件；接收由布置在细长构件的远侧尖端部分处的位置传感器获取的传感器数据；在确定远侧尖端部分位于解剖路径内的预选位置时，将远侧尖端的运动设置为零并计算时间窗口内远侧尖端部分的运动；计算同一时间窗口内远侧尖端部分的运动与idm的运动之间的差异；以及通过将差异与阈值进行比较来检测屈曲事件。
11、应注意的是，所提供的模块化内窥镜组件和设备的各个组件可以在各种微创外科手术、涉及包括心脏、膀胱和肺组织等各种类型的组织的治疗性或诊断性手术中使用，并可以在患者身体的其他解剖结构区域(诸如包括但不限于食道、肝脏、胃、结肠、尿道的消化系统或包括但不限于支气管、肺的呼吸系统以及各种其他区域)中使用。
12、根据以下详细描述，本公开的附加方面和优点将对本领域技术人员而言变得容易理解，其中仅示出并描述了本公开的说明性实施方式。如将被认识到的，本公开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，所有这些都是在不背离本公开的情况下。因此，附图和描述本质上被视为是说明性的，而不是限制性的。
13、援引并入
14、本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同具体地和单独地指出通过引用而并入每个单独的出版物、专利或专利申请。在通过引用而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情况下，说明书旨在取代和/或优先于任何此类矛盾的材料。
1.一种用于控制铰接式柔性内窥镜的尖端运动的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预选位置是主隆突。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括至少部分地基于所述传感器数据和所述解剖路径的3d模型确定所述远侧尖端部分位于所述预选位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述位置传感器包括电磁传感器。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括至少部分地基于位于所述远侧尖端部分的相机获取的图像数据确定所述远侧尖端部分位于所述预选位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值是基于所述铰接式柔性内窥镜正在移动朝向的目标解剖区域动态确定的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值是所述解剖路径的曲折度的函数。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间窗口的大小在4秒至8秒之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述时间窗口的所述大小是基于经验数据确定的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述远侧尖端部分在所述时间窗口内的所述运动是每个时间步长行进距离的累积。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括在确定所述远侧尖端部分位于所述解剖路径内的所述预选位置时将所述idm施加的插入力设置为零，并将所述插入力与力阈值进行比较。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在确定所述插入力高于所述力阈值时生成并在用户界面上显示警告消息。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括基于预期速度和测量的尖端速度之间的差异来控制所述细长构件的所述远侧尖端部分的速度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述测量的尖端速度被计算为在前进方向上投影的所述传感器数据的滤波时间导数。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述预期速度基于输入命令。
16.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述细长构件的所述远侧尖端部分的速度包括闭环控制。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述测量的尖端速度通过低通滤波器处理以用作所述闭环控制的反馈信号。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述远侧尖端部分包括用于容纳成像设备、所述位置传感器和照明设备的结构。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述铰接式柔性内窥镜的所述细长构件的近端连接到idm，用于对一条或多条拉线施加力，以铰接所述细长构件的所述远侧尖端部分，插入或缩回所述铰接式柔性内窥镜。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括在用户界面上显示指示所述屈曲事件的消息和响应于所述屈曲事件采取行动的建议。
21.一种用于控制铰接式柔性内窥镜的尖端运动的系统，所述系统包括：存储计算机可执行指令的存储器；一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述铰接式柔性内窥镜通信并配置为执行所述计算机可执行指令以：
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述预选位置是主隆突。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为至少部分地基于所述传感器数据和所述解剖路径的3d模型确定所述远侧尖端部分位于所述预选位置。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述位置传感器包括电磁传感器。
25.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为至少部分地基于位于所述远侧尖端部分的相机获取的图像数据确定所述远侧尖端部分位于所述预选位置。
26.根据权利要求21所述的系统，其中所述阈值是基于所述铰接式柔性内窥镜正在移动朝向的目标解剖区域动态确定的。
27.根据权利要求21所述的系统，其中所述阈值是所述解剖路径的曲折度的函数。
28.根据权利要求21所述的系统，其中所述时间窗口的大小在4秒至8秒之间。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述时间窗口的所述大小是基于经验数据确定的。
30.根据权利要求21所述的系统，其中所述远侧尖端部分在所述时间窗口内的所述运动是每个时间步长行进距离的累积。
31.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为在确定所述远侧尖端部分位于所述解剖路径内的所述预选位置时将所述idm施加的插入力设置为零，并将所述插入力与力阈值进行比较。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为在确定所述插入力高于所述力阈值时生成并在用户界面上显示警告消息。
33.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为基于预期速度和测量的尖端速度之间的差异来控制所述细长构件的所述远侧尖端部分的速度。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述测量的尖端速度被计算为在前进方向上投影的所述传感器数据的滤波时间导数。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述预期速度基于输入命令。
36.根据权利要求34所述的系统，其中使用闭环控制来控制所述细长构件的所述远侧尖端部分的速度。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述测量的尖端速度通过低通滤波器处理以用作所述闭环控制的反馈信号。
38.根据权利要求31所述的系统，其中所述远侧尖端部分包括用于容纳成像设备、所述位置传感器和照明设备的结构。
39.根据权利要求31所述的方法，其中所述铰接式柔性内窥镜的所述细长构件的近端连接到idm，用于对一条或多条拉线施加力，以铰接所述细长构件的所述远侧尖端部分，插入或缩回所述铰接式柔性内窥镜。
40.根据权利要求31所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为在用户界面上显示指示所述屈曲事件的消息和响应于所述屈曲事件采取行动的建议。
