定向射流技术
阅读说明：本技术 定向射流技术 (Directed jet technology ) 是由 贾森·约瑟夫·素 黄家骏 雷切尔·利·足 约舒亚·F·德丰佐 兵·T·阮 维维安·塔利亚· 于 2018-12-06 设计创作，主要内容包括：公开了在用于移除对象的医疗手术期间用于施用定向射流的方法和系统。该方法包括：将第一医疗仪器和第二医疗仪器插入到治疗部位中,通过第一医疗仪器和第二医疗仪器提供治疗部位的冲洗和抽吸,确定冲洗和抽吸中的一者的特性,并且基于所确定的特性来选择冲洗和抽吸中的另一者的特性。(Methods and systems for administering a directed jet during a medical procedure for removing a subject are disclosed. The method comprises the following steps: the method includes inserting a first medical instrument and a second medical instrument into a treatment site, providing irrigation and aspiration of the treatment site through the first medical instrument and the second medical instrument, determining a characteristic of one of the irrigation and aspiration, and selecting a characteristic of the other of the irrigation and aspiration based on the determined characteristic.)
技术领域
本文中所公开的系统和方法涉及医疗机器人，并且更具体地涉及在用于从患者体内移除对象的手术期间采用定向射流的机器人医疗系统和方法。
背景技术
每年，医师都会执行用以从患者的尿路移除尿结石的手术。尿结石可以包括在肾和输尿管中发现的肾结石以及在膀胱中发现的膀胱结石。这样的尿结石可能是由于矿物质浓缩而形成的，并且一旦尿结石达到足以阻碍尿液流动穿过输尿管或尿道的大小，就可能引起严重的腹痛。这样的结石可以由钙、镁、氨、尿酸、半胱氨酸或其他化合物形成。
为了从膀胱和输尿管移除尿结石，医师通常使用通过尿道插入到尿路中的输尿管镜。通常，输尿管镜包括位于其远端端部处的观察镜，以使尿路的可视化成为可能。该手术还可以利用取石术机构来捕获或分解尿结石。在输尿管镜检查手术期间，一位医师可以控制输尿管镜的位置，并且另一医师可以控制取石术机构。为了从肾移除大的肾结石，医师通常使用经皮肾镜取石术(PCNL)技术，该技术包括将肾镜插入穿过皮肤，以使肾结石破裂并移除肾结石。
发明内容
本公开涉及用于从患者的治疗部位移除对象的系统和技术，并且更具体地涉及在对象移除手术期间采用定向射流技术的方法和系统。“定向射流技术”可以适用于用以提供冲洗或抽吸(例如，流体的流入和流出)的方法和系统，所述方法和系统可以改进或促进对象移除手术。定向射流技术可以包括对冲洗和/或抽吸的特性进行设定、控制或调节，以实现穿过治疗部位的有利、有益或期望的流体流。
在第一方面中，一种在医疗手术期间施用射流的方法，包括：将第一医疗仪器插入到治疗部位中，第一医疗仪器包括第一流体通道和第二流体通道；通过第一医疗仪器的第一流体通道向治疗部位提供冲洗；通过第一医疗仪器的第二流体通道从治疗部位提供抽吸；确定冲洗和抽吸中的一者的特性；以及基于所确定的特性来选择冲洗和抽吸中的另一者的特性。
该方法可以包括呈任意组合的以下特征中的一个或更多个特征：(a)其中，将第一医疗仪器插入到治疗部位中包括使第一医疗仪器经皮前进到治疗部位中；(b)其中，将第一医疗仪器插入到治疗部位中包括使第一医疗仪器通过患者的管腔前进到治疗部位中；(c)将第二医疗仪器通过患者的管腔插入到治疗部位中；(d)将第二医疗仪器经皮插入到治疗部位中；(e)其中，所确定的特性包括瞬时流速和一段时间内的平均流速中的至少一者；(f)其中，所选择的特性包括瞬时流速和一段时间内的平均流速中的至少一者；(g)其中，所选择的特性与所确定的特性基本匹配；(h)确定治疗部位的特性，并且当所确定的治疗部位的特性超过阈值时，进行下述操作中的至少一者：减少进入治疗部位的冲洗、增加来自治疗部位的抽吸以及提供警报；(i)其中，所确定的治疗部位的特性包括治疗部位内的流体的体积和治疗部位的内部压力中的一者；(j)在提供冲洗或抽吸的同时使第一医疗仪器的远端梢部以扫掠运动的方式移动；(k)其中，第一医疗仪器和第二医疗仪器中的至少一者是机器人控制的；(l)对治疗部位内的对象执行碎石术以使对象破碎成碎片；并且通过第一医疗仪器的第二流体通道抽吸碎片；(m)其中，碎石术是利用第二医疗仪器执行的；(n)其中，第一医疗仪器包括可转向医疗仪器，该可转向医疗仪器包括可铰接的远端端部；(o)使第一医疗仪器的可铰接的远端端部与治疗部位内的对象接触，并且通过第二流体通道提供抽吸以将对象保持到可铰接的远端端部；(p)其中，可铰接的远端端部包括凹穴，该凹穴构造成保持对象；(q)在将对象保持在凹穴中的同时执行碎石术；(r)移动第一医疗仪器以将对象重新定位在治疗部位内；(s)对治疗部位内的对象执行碎石术以使对象破碎成碎片，并且在碎石术期间通过第二流体通道进行抽吸以移除由碎石术产生的粉尘；(t)其中，附加的第一流体通道包括流体孔口，该流体孔口将流体引导远离第二医疗仪器；(u)其中，冲洗和抽吸被同时提供；以及/或者(v)其中，冲洗和抽吸未被同时提供。
在另一方面中，一种用于执行医疗手术的系统可以包括：第一医疗仪器，该第一医疗仪器构造成被插入到治疗部位中，该第一医疗仪器包括第一流体通道和第二流体通道；真空装置，该真空装置连接至第一流体通道和第二流体通道中的一者，并且该真空装置构造成施加负压以从治疗部位提供抽吸；泵，该泵联接至冲洗源以及第一流体通道和第二流体通道中的另一者，该泵构造成向治疗部位提供冲洗；以及射流控制系统，该射流控制系统联接至真空装置和泵，该射流控制系统包括一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器配置成：确定冲洗和抽吸中的一者的特性；并且基于所确定的特性来控制泵或真空装置中的至少一者的特性。
该系统可以包括呈任意组合的以下特征中的一个或更多个特征：(a)其中，第一医疗仪器构造成通过患者的管腔插入到治疗部位中；(b)其中，第一医疗仪器构造成经皮插入到治疗部位中；(c)其中，还包括构造成通过患者的管腔插入到治疗部位中的第二医疗仪器；(d)包括构造成经皮插入到治疗部位中的第二医疗仪器；(e)其中，第一医疗仪器还包括流速传感器，该流速传感器定位在第一流体通道中，并且其中，该流速传感器的输出连接至射流控制系统；(f)其中，第二第一医疗仪器还包括流速传感器，该流速传感器定位在第二流体通道中，并且其中，该流速传感器的输出连接至射流控制系统；(g)其中，第一医疗仪器还包括压力传感器，该压力传感器设置成测量治疗部位的内部压力，该压力传感器的输出连接至射流控制系统，并且其中，所述一个或更多个处理器还配置成基于所测量的治疗部位的内部压力来控制泵或真空装置中的至少一者以调节抽吸和冲洗中的至少一者；(h)第二医疗仪器构造成插入到治疗部位中，其中，第二医疗仪器还包括压力传感器，该压力传感器设置成测量治疗部位的内部压力，该压力传感器的输出连接至射流控制系统，并且其中，所述一个或更多个处理器还配置成基于所测量的治疗部位的内部压力来控制泵或真空装置中的至少一者以调节抽吸和冲洗中的至少一者；以及/或者(i)其中，第一医疗仪器包括可铰接的远端端部。
在另一方面中，一种医疗装置可以包括：可铰接的长形本体，该长形本体沿着轴线延伸至远端端部；第一流体通道，该第一流体通道沿着轴线延伸，该第一流体通道终止于第一流体孔口，该第一流体孔口形成在远端端部的远端面中；以及至少一个附加流体通道，所述至少一个附加流体通道通过长形本体形成，所述至少一个附加流体通道终止于至少一个附加流体出口孔口，所述至少一个附加流体出口孔口形成在长形本体的邻近远端端部的径向表面中。
该医疗装置可以包括呈任意组合的以下特征中的一个或更多个特征：(a)形成在远端面中的凹穴；(b)其中，该凹穴构造成在医疗手术期间至少部分地接纳要移除的对象；(c)其中，所述至少一个附加通道环形地围绕第一流体通道；(d)其中，所述至少一个附加流体孔口包括绕轴线定位的附加流体孔口；(e)其中，所述至少一个附加通道包括绕第一流体通道径向地定位的附加通道；(f)其中，四个附加流体通道中的每个附加流体通道终止于绕轴线径向地定位的附加流体孔口；以及/或者(g)用于铰接长形本体的至少一根拉线。
在另一方面中，一种非暂时性的计算机可读存储介质可以包括存储在其上的指令，所述指令在被执行时使装置的处理器至少进行下述操作：确定通过第一医疗仪器的第一通道进入治疗部位的冲洗以及通过第一医疗仪器的第二通道从治疗部位进行的抽吸中的至少一者的特性；以及基于所确定的特性来选择冲洗和抽吸中的至少一者的特性。
该非暂时性的计算机可读存储介质可以包括呈任意组合的以下特征中的一个或更多个特征：(a)其中，所确定的特性包括瞬时流速和一段时间内的平均流速中的至少一者；(b)其中，所选择的特性包括瞬时流速和一段时间内的平均流速中的至少一者；(c)其中，所选择的特性与所确定的特性基本匹配；(d)其中，所述指令在被执行时还使处理器确定治疗部位的特性，并且当所确定的治疗部位的特性超过阈值时，进行下述操作中的至少一者：减少进入治疗部位的冲洗、增加来自治疗部位的抽吸以及提供警报；(e)其中，所确定的治疗部位的特性包括治疗部位内的流体的体积和治疗部位的内部压力中的一者；(f)其中，所述指令在被执行时还使处理器利用第二医疗仪器对治疗部位内的对象执行碎石术，以使对象破碎成碎片；并且通过第二第一医疗仪器的第二流体通道抽吸碎片；(g)其中，所述指令在被执行时还使处理器利用第二医疗仪器对治疗部位内的对象执行碎石术，以使对象破碎成碎片；并且在碎石术期间通过第二第一医疗仪器的第二流体通道抽吸，以移除由碎石术产生的粉尘；(h)其中，所述指令在被执行时还使处理器同时提供冲洗和抽吸；以及/或者(i)其中，冲洗和抽吸未被同时提供。
在另一方面中，一种在从患者体内移除对象期间施用射流的方法可以包括：使第一医疗仪器通过患者的管腔朝向包含要移除的对象的治疗部位前进，该第一医疗仪器包括用于通过第一孔提供冲洗的第一流体通道，该第一孔定位在远程可铰接的远端梢部上，该第一孔构造成沿第一流体流动方向提供冲洗；将第二医疗仪器经皮插入到治疗部位中，该第二医疗仪器包括第二流体通道，该第二流体通道用于通过第二流体通道的第二孔提供抽吸；利用第一医疗仪器通过第一孔向治疗部位提供冲洗；通过第二医疗仪器的第二流体通道的第二孔从治疗部位提供抽吸；以及远程操纵第一医疗仪器的远端梢部，使得第一流体方向朝向第二孔定向。
该方法可以包括呈任意组合的以下特征中的一个或更多个特征：(a)确定第二孔在治疗部位内的位置，并且其中，操纵远端梢部包括基于所确定的第二孔在治疗部位内的位置而自动地操纵远端梢部；(b)其中，肾镜包括第二医疗仪器和碎石机，并且其中，该方法还包括使碎石机与对象接触、执行碎石术以使对象破碎成碎片以及利用抽吸管抽吸碎片；以及/或者(c)在通过第一医疗仪器提供冲洗的同时使第一医疗仪器的远端梢部以扫掠运动的方式移动。
尽管本公开在很大程度上关于输尿管镜检查、经皮肾镜取石术(PCNL)以及尿结石和结石碎片移除的使用情况的示例进行描述，但是本公开可以同样适用于与从患者的各个治疗部位移除对象有关的其他外科手术/医疗手术，所述对象包括可以经由患者腔体(例如，食道、输尿管、肠等)或经由经皮通路安全移除的任何对象，所述其他外科手术/医疗手术比如为胆囊结石移除或肺(肺部的/经胸腔的)肿瘤活检。
附图说明
将在下文中结合附图描述所公开的各方面，提供附图是用于对所公开的各方面进行图示而非限制，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1图示了布置成用于一个或多个诊断性和/或治疗性支气管镜检查手术的基于手推车的机器人系统的实施方式。
图2描绘了图1的机器人系统的其他各方面。
图3图示了布置成用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方式。
图4图示了布置成用于血管手术的图1的机器人系统的实施方式。
图5图示了布置成用于支气管镜检查手术的基于台面的机器人系统的实施方式。
图6提供了图5的机器人系统的替代视图。
图7图示了构造成存放一个或多个机器人臂的示例系统。
图8图示了构造成用于输尿管镜检查手术的基于台面的机器人系统的实施方式。
图9图示了构造成用于腹腔镜手术的基于台面的机器人系统的实施方式。
图10图示了具有俯仰或倾斜调节的图5至图9的基于台面的机器人系统的实施方式。
图11提供了图5至图10的基于台面的机器人系统的台面与柱之间的接合的详细图示。
图12图示了示例性仪器驱动器。
图13图示了具有成对的仪器驱动器的示例性医疗仪器。
图14图示了用于仪器驱动器和仪器的替代设计，其中，驱动单元的轴线平行于仪器的长形轴的轴线。
图15描绘了对根据示例实施方式的定位系统进行图示的框图，该定位系统对图1至图10的机器人系统的一个或更多个元件的位置、比如图13和图14的仪器的位置进行估计。
图16图示了用于使用经皮插入到肾中的第一医疗仪器从肾移除对象的示例手术。
图17图示了用于使用通过患者管腔插入到肾中的第一医疗仪器、经皮插入到肾中的第二医疗仪器以及定向射流从肾移除对象的示例手术。
图18图示了用于使用通过患者管腔插入到肾中的第一医疗仪器、经皮插入到肾中的第二医疗仪器以及定向射流从肾移除对象的另一示例手术。
图19图示了用于使用通过患者管腔插入到肾中的第一医疗仪器、经皮插入到肾中的第二医疗仪器以及定向射流从肾移除对象的另一示例手术。
图20图示了在对象移除手术期间提供冲洗的第一医疗仪器的远端梢部和提供抽吸的第二医疗仪器的远端梢部的详细视图。
图21A图示了在对象移除手术期间提供冲洗的第一医疗仪器的远端梢部以及提供冲洗和抽吸的第二医疗仪器的远端梢部的详细视图。
图21B图示了在对象移除手术期间执行取石术的第一医疗仪器的远端梢部以及提供冲洗和抽吸的第二医疗仪器的远端梢部的详细视图。
图22A是图示了在对象移除手术期间用于定向射流的方法的实施方式的流程图。
图22B是图示了在对象移除手术期间用于定向射流的另一方法的实施方式的流程图。
图23是图示了在对象移除手术期间用于定向射流的另一方法的实施方式的流程图。
图24是图示了用于在对象移除手术期间使用定向射流对对象进行保持和重新定位的方法的实施方式的流程图。
图25是图示了用于定向射流的系统的实施方式的框图。
图26A是医疗仪器的远端端部的立体图，该医疗仪器构造成在对象移除手术期间提供抽吸和冲洗。
图26B是图26A的医疗仪器的远端端部的横截面图，其图示了医疗仪器内的冲洗通道和抽吸通道。
图27图示了被布置成用于使用定向射流执行对象移除手术的机器人系统的实施方式。
具体实施方式
1.综述
本公开的各方面可以结合到能够执行多种医疗手术的机器人实现的医疗系统中，所述多种医疗手术包括比如腹腔镜检查的微创手术以及比如内窥镜检查的无创手术两者。在内窥镜检查手术中，该系统能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。
除了执行广泛的手术外，该系统还可以提供额外的益处，比如增强的成像和用以协助医师的导引。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学位置执行手术而无需笨拙的臂运动和姿态的能力。更进一步地，系统可以为医师提供以改进的易用性执行手术使得可以通过单个用户控制系统的仪器中的一个或更多个仪器的能力。
出于说明的目的，下面将结合附图对各种实施方式进行描述。应当理解的是，所公开的概念的许多其他实施方案是可能的，并且通过所公开的实施方案可以获得各种优点。在本文中包括标题以用于参照并且帮助定位各个部分。这些标题不意在对关于所述标题所描述的概念的范围进行限制。这些概念可以在整个说明书中具有适用性。
A机器人系统-手推车
机器人实现的医疗系统可以根据特定手术以多种方式构造。图1图示了基于手推车的机器人实现的系统10的实施方式，该系统10布置成用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查手术。在支气管镜检查期间，系统10可以包括手推车11，该手推车11具有一个或更多个机器人臂12，以将医疗仪器比如可转向内窥镜13——该内窥镜13可以是用于支气管镜检查的手术专用的支气管镜——递送至自然的孔口进入点(即，在本示例中为定位在台面上的患者的口)，从而递送诊断性和/或治疗性工具。如所示出的，手推车11可以接近患者的上躯干定位，以提供对进入点的触及。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。在通过胃镜、用于GI手术的专用内窥镜执行胃肠(GI)手术时也可以使用图1中的装置。图2更详细地描绘了手推车的示例实施方式。
继续参照图1，一旦手推车11被正确地定位，机器人臂12就可以机械地、手动地或以机械与手动组合的方式将可转向内窥镜13插入患者体内。如所示出的，可转向内窥镜13可以包括至少两个套叠伸缩部分比如内引导部分和外护套部分，每个部分联接至来自一组仪器驱动器28的分开的仪器驱动器，每个仪器驱动器联接至单独的机器人臂的远端端部。便于将引导部分与护套部分同轴地对准的仪器驱动器28的这种线性布置创建了“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”29可以通过将一个或更多个机器人臂12操纵至不同的角度和/或位置而在空间中重新定位。本文中所描述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线不对系统的任何物理结构进行描绘。仪器驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导部分相对于外护套部分套叠伸缩，或者使内窥镜13相对于患者前进或缩回。可以基于临床应用或医师偏好对虚拟轨道29的角度进行调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，所示出的虚拟轨道29的角度和位置代表了在为医师提供对内窥镜13的触及与同时使因将内窥镜13弯曲至患者的口中而产生的摩擦最小之间的折衷。
可以在插入之后使用来自机器人系统的精确命令将内窥镜13沿患者的气管和肺部向下引导，直至到达目标终点或手术部位为止。为了提高穿过患者的肺网络的导航和/或达到期望的目标，可以操纵内窥镜13以使内引导部分相对于外护套部分以套叠伸缩的方式延伸，从而获得增强的铰接和较大的弯曲半径。分开的仪器驱动器28的使用还允许引导部分和护套部分彼此独立地被驱动。
例如，可以对内窥镜13进行引导以将活检针递送至目标比如说例如患者的肺内的病变或结节。可以将针沿着沿内窥镜的长度延伸的工作通道向下部署以获得要被病理学家分析的组织样品。根据病理学结果，可以将额外的工具沿着内窥镜的工作通道向下部署以用于额外的活检。在识别出结节为恶性之后，内窥镜13可以在内窥镜下递送工具以切除潜在的癌变组织。在一些实例中，可能需要在分开的手术中进行诊断和治疗处理。在那些情况下，内窥镜13还可以用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他实例中，可以在同一手术期间进行诊断和治疗处理。
系统10还可以包括可移动的塔30，塔30可以经由支持线缆连接至手推车11以为手推车11的控制装置、电子装置、射流装置、光学装置、传感器和/或电源提供支持。将此类功能置于塔30中允许可以由手术的医师和他/她的职员更容易调节和/或重新定位的较小形状因子的手推车11。另外，在手推车/台面与支持塔30之间的功能分配减少了手术室的杂乱并且便于改进临床工作流程。在手推车11可以靠近患者定位的同时，塔30可以存放在偏远的位置中以在手术期间不挡路。
在以上所描述的机器人系统的支持中，塔30可以包括基于计算机的控制系统的一个或多个部件，所述一个或多个部件例如将计算机程序指令存储在比如持久的磁性存储驱动器、固态硬盘等非暂时性计算机可读介质内。那些指令的执行，无论执行发生在塔30中还是手推车11中，都可以对整个系统或者整个系统的一个或多个子系统进行控制。例如，当通过计算机系统的处理器执行时，指令可以引起机器人系统的部件致动相关的托架和臂安装件、致动机器人臂并且控制医疗仪器。例如，响应于接收控制信号，机器人臂的接合件中的马达可以将臂定位成某种姿势。
塔30还可以包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通道，以向可以穿过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗功能和抽吸功能。这些部件也可以使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方式中，冲洗功能和抽吸功能可以通过一个或多个分开的线缆被直接递送至内窥镜13。
塔30可以包括电压和电涌保护器，电压和电涌保护器设计成向手推车11提供经过滤和受保护的电力，由此避免了电力变压器和其他辅助电力部件在手推车11中的安置，从而得到了更小、更可移动的手推车11。
塔30还可以包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支持设备。例如，塔30可以包括用于对从整个机器人系统10中的光学传感器或摄像机接收到的数据进行检测、接收和处理的光电设备。与控制系统结合，此类光电设备可以用于产生实时的图像，以显示在包括塔30的整个系统中部署的任何数目的控制台中。类似地，塔30还可以包括用于对从部署的电磁(EM)传感器接收到的信号进行接收和处理的电子子系统。塔30还可以用于容纳和定位通过医疗仪器中或医疗仪器上的EM传感器进行检测的EM场发生器。
塔30还可以包括除了在该系统的其余部分中可用的其他控制台之外的控制台31，例如，安装在手推车的顶部上的控制台。控制台31可以包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，比如触摸屏。系统10中的控制台总体上设计成提供机器人控制以及手术的术前信息和实时信息两者，比如内窥镜13的导航信息和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，控制台31可以由第二操作者比如护士使用以对患者的健康或重要器官以及系统的操作进行监测，并且可以提供手术专用数据，比如导航信息和定位信息。
塔30可以通过一个或更多个线缆或连接件(未示出)联接至手推车11和内窥镜13。在一些实施方式中，来自塔30的支持功能可以通过单根线缆提供给手推车11，从而简化了手术室并且使手术室整齐。在其他实施方式中，特定功能可以耦合在分开的线缆和连接件中。例如，尽管可以通过单根电力线缆向手推车提供电力，但是可以通过分开的线缆提供对控制装置、光学装置、射流装置和/或导航装置的支持。
图2提供了图1中所示出的基于手推车的机器人实现的医疗系统的手推车的实施方式的详细图示。手推车11总体上包括长形支承结构14(通常被称为“柱”)、手推车基部15以及位于柱14的顶部处的控制台16。柱14可以包括用于对一个或更多个机器人臂12(在图2中示出为三个)的部署进行支承的一个或更多个托架，所述一个或更多个托架比如为托架17(替代性地为“臂支承件”)。托架17可以包括能够单独配置的臂安装件，臂安装件沿着垂直轴线旋转以对机器人臂12的基部进行调节，从而相对于患者更好地定位。托架17还包括允许托架17沿着柱14竖向平移的托架接口19。
托架接口19通过槽比如槽20连接至柱14，槽定位在柱14的相反侧部上以对托架17的竖向平移进行导引。槽20包括竖向平移接口以将托架定位和保持在相对于手推车基部15的各种竖向高度处。托架17的竖向平移允许手推车11对机器人臂12的范围进行调节以满足各种台面高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的能够单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以各种构型成角度。
在一些实施方式中，槽20可以补充有槽盖，槽盖与槽表面齐平且平行，以在托架17竖向平移时防止污物和流体进入到柱14的内部腔和竖向平移接口中。槽盖可以通过靠近槽20的竖向顶部和竖向底部定位的成对的弹簧卷筒来部署。当托架17竖向地上下平移时，盖在卷筒内卷绕，直至部署成从盖的卷绕状态延伸和缩回为止。卷筒的弹簧载荷提供力以在托架17朝向卷筒平移时将盖缩回到卷筒中，同时还在托架17平移离开卷筒时保持紧密密封。盖可以使用例如位于托架接口19中的支架连接至托架17，以确保在托架17平移时盖的合适的延伸和缩回。
柱14可以在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，所述机构被设计成使用竖向对准的导螺杆，以响应于控制信号以机械的方式平移托架17，所述控制信号响应于用户输入例如来自控制台16的输入而产生。
机器人臂12总体上可以包括机器人臂基部21和端部执行器22，所述机器人臂基部21和端部执行器22通过一系列连杆23分开，所述一系列连杆23通过一系列接合件24连接，每个接合件包括独立的致动器，每个致动器包括能够独立控制的马达。每个能够独立控制的接合件代表机器人臂可用的独立的自由度。臂12中的每个臂具有七个接合件，并且因此提供七个自由度。多个接合件产生多个自由度，从而允许“冗余的”自由度。冗余的自由度允许机器人臂12使用不同的连杆位置和接合件角度将机器人臂12的相应的端部执行器22定位在空间中的特定位置、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点对医疗仪器进行定位和引导，同时允许医师将臂接合件移动至远离患者的临床有利的位置中以创建更大的通道，同时避免了臂碰撞。
手推车基部15对地板上方的柱14、托架17和臂12的重量进行平衡。因此，手推车基部15容纳较重的部件，比如电子装置、马达、电源以及能够使手推车运动和/或固定的部件。例如，手推车基部15包括可滚动的轮型脚轮25，脚轮25允许手推车在手术之前绕房间容易地移动。在到达适当的位置之后，可以使用轮锁定件固定脚轮25以在手术期间使手推车11保持就位。
定位在柱14的竖向端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏两者(或双重目的装置比如说例如触摸屏26)向医师用户提供术前数据和术中数据两者。触摸屏26上的可能的术前数据可以包括术前计划、来源于术前的计算机断层(CT)扫描的导航及映像数据、和/或来自术前患者访谈的资料。显示器上的术中数据可以包括由工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及比如呼吸、心率和/或脉搏之类的至关重要的患者统计数据。控制台16可以定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相反的侧触及控制台。从这个位置，医师可以在从手推车11的后部操作控制台16时观察控制台16、机器人臂12和患者。如所示出的，控制台16还包括用以协助操纵手推车11和稳定手推车11的手柄27。
图3图示了布置成用于输尿管镜检查的机器人实现的系统10的实施方式。在输尿管镜检查手术中，手推车11可以定位成将输尿管镜32递送至患者的下腹部区域，手术专用的内窥镜设计成穿过患者的尿道和输尿管。在输尿管镜检查中，可以期望的是，将输尿管镜32与患者的尿道正对准以在该区域中的敏感的解剖结构上减少摩擦和力。如所示出的，手推车11可以在台面的底部(foot)处对准以允许机器人臂12将输尿管镜32定位成用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可以从台面的底部将输尿管镜32沿着虚拟轨道33穿过尿道直接插入到患者的下腹部中。
在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中的类似的控制技术，可以将输尿管镜32导航至膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断性和/或治疗性应用。例如，可以将输尿管镜32引导至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破坏积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用部署在输尿管镜32下方的篮将产生的结石碎片移除。
图4图示了类似的布置成用于血管手术的机器人实现的系统的实施方式。在血管手术中，系统10可以构造成使得手推车11可以将医疗仪器34比如可转向的导尿管递送至患者的腿部中的股动脉中的进入点。股动脉存在有用于导航的较大的直径以及至患者的心脏的相对较少迂回且较少弯曲的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜检查手术中那样，手推车11可以朝向患者的腿部和下腹部定位，以允许机器人臂12提供直接线性地进入患者的大腿/臀部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入到动脉中之后，可以通过平移仪器驱动器28来引导和插入医疗仪器34。替代性地，手推车可以在患者的上腹部周围定位，以到达比如说例如肩部和腕部附近的颈动脉和肱动脉之类的替代性血管进入点。
B.机器人系统-台面
机器人实现的医疗系统的各实施方式还可以结合患者的台面。台面的结合通过移除手推车减少了手术室内的主要设备的数量，这使得更易接近患者。图5图示了布置成用于支气管镜检查手术的此类机器人实现的系统的实施方式。系统36包括用于对地板上方的平台38(示出为“台面”或“床”)进行支承的支承结构或柱37。与在基于手推车的系统中非常类似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括仪器驱动器42，仪器驱动器42设计成通过或沿着由仪器驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41操纵长形医疗仪器，比如操纵图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光透视成像的C形臂可以通过将发射器和检测器安置在台面38周围而定位在患者的上腹部区域的上方。
图6出于讨论目的提供了在没有患者和医疗仪器的情况下的系统36的替代性视图。如所示出的，柱37可以包括在系统36中示出为环形的一个或更多个托架43，一个或更多个机器人臂39可以基于所述一个或更多个托架43。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖向柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从所述不同的有利点定位以到达患者。一个或多个托架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触及台面38的多个侧部，比如说例如患者的两个侧部。在具有多个托架的实施方式中，托架可以单独地定位在柱上并且可以独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要围绕柱37或甚至不需要为圆形，但是所示出的环形形状便于托架43围绕柱37的旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统将诸如内窥镜和腹腔镜之类的医疗仪器对准至患者上的不同进入点。
臂39可以通过一组臂安装件45安装在托架上，所述一组臂安装件45包括可以单独地旋转和/或以套叠伸缩的方式延伸的一系列接合件，以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装件45可以在托架43上定位成使得当托架43适当的旋转时，臂安装件45可以定位在台面38的同一侧部上(如图6中所示)、定位在台面38的相反的侧部上(如图9中所示)、或定位在台面38的邻近侧部上(未示出)。
柱37在结构上提供了用于台面38的支承件，以及用于托架的竖向平移的路径。柱37在内部可以配备有用于对托架的竖向平移进行导引的导螺杆和用以使所述托架的平移基于导螺杆机械化的马达。柱37还可以将电力和控制信号传送至托架43和安装在托架43上的机器人臂39。
台面基部46起到与在图2中示出的手推车11中的手推车基部15类似的功能，从而容纳较重的部件以平衡台面/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台面基部46还可以包括刚性脚轮以在手术期间提供稳定性。从台面基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两个侧部上沿相反的方向延伸，并且可以在系统36需要移动时缩回。
继续参照图6，系统36还可以包括塔(未示出)，塔在台面与塔之间划分系统36的功能以减小台面的形状因子和体积。如在早前所公开的实施方式中，塔可以向台面提供各种支持功能，比如处理能力、计算能力和控制能力、电源、射流装置、和/或光学处理和传感器处理。塔还能够移动成远离患者定位，以改进医师的触及并且使手术室整齐。另外，将各部件安置在塔中允许台面基部中的用于潜在的机器人臂的存放的更多的储存空间。塔还可以包括控制台，该控制台提供用于诸如键盘和/或挂件之类的用户输入的用户界面以及用于诸如实时图像、导航和跟踪信息之类的术前信息和术中信息的显示屏(或触摸屏)两者。
在一些实施方式中，台面基部可以在不使用时存放和储存机器人臂。
图7图示了存放基于台面的系统的实施方式中的机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖向平移至基部49中以将机器人臂50、臂安装件51和托架48存放在基部49内。基部盖52可以平移和缩回成打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和臂50，并且在不使用时基部盖52闭合以存放从而保护托架48、臂安装件51和臂50。基部盖52可以沿着基部盖52的开口的边缘通过膜54密封，以防止在闭合时污物和流体进入。
图8图示了构造成用于输尿管镜检查手术的机器人实现的基于台面的系统的实施方式。在输尿管镜检查中，台面38可以包括用于将患者相对于柱37和台面基部46成偏角地定位的转动部分55。转动部分55可以绕枢轴点(例如，定位在患者头部的下方)旋转或枢转，以使转动部分55的底部部分远离柱37定位。例如，转动部分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位于台面38下方的柱(未示出)争夺空间。通过使托架35(未示出)围绕柱37旋转，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入到患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，台面38的转动部分55还可以固定有镫形件58，以在手术期间对患者腿部的位置进行支承并且允许畅通地进入患者的腹股沟区域。
在腹腔镜检查手术中，通过患者的腹壁中的一个或多个小切口，微创仪器(呈长形形状以容纳一个或更多个切口的尺寸)可以插入到患者的解剖结构中。在患者的腹腔膨胀之后，可以对通常被称为腹腔镜的仪器进行引导以执行比如抓握、切割、消融、缝合等外科手术任务。图9图示了构造成用于腹腔镜手术的机器人实现的基于台面的系统的实施方式。如图9中所示，系统36的托架43可以被旋转和竖向调节以定位台面38的相反侧部上的成对的机器人臂39，使得可以使用臂安装件45将腹腔镜59定位成穿过患者两侧的最小切口而到达他/她的腹腔。
为了适应腹腔镜检查手术，机器人实现的台面系统还可以使平台倾斜至期望的角度。图10图示了具有俯仰调节或倾斜调节的机器人实现的医疗系统的实施方式。如图10中所示，系统36可以适应台面38的倾斜以将台面的一个部分定位在比其他部分距地板更大的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得臂39与台面38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括允许柱37的竖向延伸的套叠伸缩部分60，以保持台面38免于接触地板或与基部46碰撞。
图11提供了台面38与柱37之间的接合的详细图示。俯仰旋转机构61可以构造成以多个自由度改变台面38相对于柱37的俯仰角度。俯仰旋转机构61可以通过在柱-台面接合处的正交轴线1、2的定位来实现，每个轴线通过分开的马达3、4响应于电子俯仰角度命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将沿一个轴线1实现倾斜调节，而沿着另一螺钉6的旋转将沿着另一轴线2实现倾斜调节。
例如，俯仰调节在下述情况下特别有用：对于下腹部手术，在试图将台面以特伦德伦伯格卧位(Trendelenburg position)定位时，即，将患者的下腹部定位在比患者的下腹部距地板更高的位置时。特伦德伦伯格卧位使得患者的内部器官通过重力朝向他/她的上腹部滑动，从而清空腹腔以使微创工具进入并执行下腹部外科手术，例如腹腔镜前列腺切除术。
C.仪器驱动器&接口
系统的机器人臂的端部执行器包括：(i)仪器驱动器(替代性地被称为“仪器驱动机构”或“仪器装置操纵器”)，该仪器驱动器结合有用于致动医疗仪器的机电装置；以及(ii)可移动或可拆卸的医疗仪器，该可移动或可拆卸的医疗仪器可能没有诸如马达之类的任何机电部件。这种二分法可能受到对医疗手术中使用的医疗仪器进行消毒的需要以及由于医疗仪器的复杂的机械组件和敏感的电子器件而无法对昂贵的主要设备进行充分消毒的驱使。因此，医疗仪器可以设计成从仪器驱动器(并且因此从系统)拆卸、移除和更换，以由医师或医师的职员进行单独消毒或处置。相比之下，仪器驱动器不需要替换或消毒，并且可以用帘覆盖以进行保护。
图12图示了示例仪器驱动器。定位在机器人臂的远端端部处的仪器驱动器62包括一个或更多个驱动单元63，所述一个或更多个驱动单元63布置有平行的轴以经由驱动轴64向医疗仪器提供受控的扭矩。每个驱动单元63包括：单独的驱动轴64，该单独的驱动轴64用于与仪器相互作用；齿轮头65，该齿轮头65用于将马达轴的旋转转换成期望的扭矩；马达66，该马达66用于产生驱动扭矩；编码器67，该编码器67用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈；以及控制电路68，该控制电路68用于接收控制信号并致动驱动单元。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，仪器驱动器62可以向医疗仪器提供多个(如图12中示出为四个)独立的驱动输出。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所测量的产生的马达速度与期望的速度进行对比、以及对马达信号进行调制以产生期望的扭矩。
对于需要无菌环境的手术，机器人系统可以与坐置在仪器驱动器与医疗仪器之间的驱动接口结合，该驱动接口比如为连接至无菌帷帘的无菌适配器。无菌适配器的主要目的在于将角运动从仪器驱动器的驱动轴传递至仪器的驱动器输入件，同时在驱动器轴与驱动器输入件之间保持物理隔离并且因此保持无菌。因此，示例无菌适配器可以包括一系列旋转输入件和旋转输出件，所述一系列旋转输入件和旋转输出件旨在与仪器驱动器的驱动轴和仪器上的驱动输入件配合。连接至无菌适配器、包括薄的柔性材料比如透明的或半透明的塑料的无菌帷帘设计成覆盖主要设备，比如仪器驱动器、机器人臂以及手推车(在基于手推车的系统中)或台面(在基于台面的系统中)。使用帷帘将允许主要设备接近患者定位，同时仍位于不需要消毒的区域(即，非无菌区域)中。在无菌帷帘的另一侧，医疗仪器可以在需要消毒的区域(即，无菌区域)与患者接触。
D.医疗仪器
图13图示了具有成对的仪器驱动器的示例医疗仪器。类似于设计成用于与机器人系统一起使用的其他仪器，医疗仪器70包括长形轴71(或长形本体)和仪器基部72。仪器基部72——由于仪器基部72意在设计成用于医师手动交互因此也称为“仪器手柄”——总体上可以包括可旋转的驱动输入件73，例如接纳件、滑轮或卷筒，驱动输入件73设计成与驱动输出件74配合，驱动输出件74延伸穿过位于机器人臂76远端端部处的仪器驱动器75上的驱动接口。当被物理连接、闩锁和/或联接时，仪器基部72的配合的驱动输入件73可以与仪器驱动器75中的驱动输出件74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出件74传递至驱动输入件73。在一些实施方式中，驱动输出件74可以包括设计成与驱动输入件73上的接纳件相配合的花键。
长形轴71被设计成例如如在内窥镜检查中穿过解剖开口或管腔递送，或者例如如在腹腔镜检查中穿过微创切口递送。长形轴66可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的性能)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的性能)或包括柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当设计成用于腹腔镜检查时，刚性长形轴的远端端部可以连接至端部执行器和比如说抓握器或剪刀之类的手术工具，端部执行器包括接合的腕部，该接合的腕部由具有旋转轴线的U形夹形成，端部执行器和手术工具可以在驱动输入件响应于从仪器驱动器75的驱动输出件74接收到的扭矩而旋转时基于来自筋(tendon)的力而致动。当设计成用于内窥镜检查时，柔性长形轴的远端端部可以包括可转向或可控制的弯曲部段，该弯曲部段可以基于从仪器驱动器75的驱动输出件74接收到的扭矩而铰接和弯曲。
来自仪器驱动器75的扭矩使用轴71内的筋沿长形轴71向下传输。这些单独的筋比如拉线可以单独地锚固至仪器手柄72内的单独的驱动输入件73。筋从手柄72沿长形轴71内的一个或更多个拉动管腔向下引导，并且锚固在长形轴71的远端部分处。在腹腔镜检查中，这些筋可以联接至安装在远端的端部执行器，比如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入件73上的扭矩将会将张力传递至筋，从而引起端部执行器以某种方式致动。在腹腔镜检查中，筋可以引起接合件绕轴线旋转，从而引起端部执行器沿一个方向或另一方向移动。替代性地，筋可以在长形轴71的远端端部处连接至抓握器的一个或更多个钳口，其中，来自筋的张力使抓握器闭合。
在内窥镜检查中，筋可以联接至弯曲部段或铰接部段，该弯曲部段或铰接部段经由粘合剂、控制环或其他机械固定件沿着长形轴71(例如，在远端端部处)定位。当以固定的方式附接至弯曲部段的远端端部时，施加在驱动输入端73上的扭矩将沿筋向下传输，从而引起较软的弯曲部段(有时被称为可铰接部段或可铰接区域)弯曲或铰接。沿着非弯曲部段，可能有利的是，使沿着内窥镜轴的壁(或在内窥镜轴的壁的内侧)引导单独的筋的单独的拉力管腔螺旋或盘旋，以平衡由拉线中的张力引起的径向力。螺旋的角度和/或螺旋之间的间距可以针对特定目的进行改变或设计，其中，更紧密的螺旋在载荷力下表现出较小的轴压缩，而较小的螺旋量在载荷力下导致较大的轴压缩，但也表现出限制弯曲。另一方面，拉动管腔可以平行于长形轴71的纵向轴线引导，以允许期望的弯曲部段或可铰接部段中的受控的铰接。
在内窥镜检查中，长形轴71容纳用以协助机器人手术的许多部件。轴可以包括工作通道，以用于在轴71的远端端部处部署外科手术工具、对操作区域进行冲洗和/或抽吸。轴71还可以容置线材和/或光纤以向远端梢部处的光学组件传递信号/从远端梢部处的光学组件传递信号，光学组件可以包括光学摄像机。轴71还可以容置光纤以将光从近端定位的光源比如发光二极管传递至轴的远端端部。
在仪器70的远端端部处，远端梢部还可以包括工作通道的开口，以用于递送用于诊断和/或治疗、对手术部位进行冲洗和抽吸的工具。远端梢部还可以包括用于摄像机的端口，摄像机比如为用以捕获内部解剖空间的图像的纤维镜或数字摄像机。相关地，远端梢部还可以包括用于光源的端口，光源用于在使用摄像机时照亮解剖空间。
在图13的示例中，驱动轴轴线、并且因此驱动输入件轴线正交于长形轴的轴线。然而，这种布置使长形轴71的滚动能力复杂。在筋延伸离开驱动输入件73并且进入长形轴71内的拉力管腔时，使长形轴71沿着其轴线滚动同时保持驱动输入件73静止会导致筋的不期望的缠结。这些筋所产生的缠结可能会干扰意在在内窥镜检查手术期间预测柔性的长形轴的运动的任何控制算法。
图14图示了用于仪器驱动器和仪器的替代性设计，其中，驱动单元的轴线平行于仪器的长形轴的轴线。如所示出的，圆形的仪器驱动器80包括四个驱动单元，其中，所述四个驱动单元的驱动输出件81在机器人臂82的端部处以平行的方式对准。驱动单元和驱动单元的相应的驱动输出件81容纳在仪器驱动器80的旋转组件83中，旋转组件83由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动。响应于由旋转的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连接至仪器驱动器的非旋转部分84。电力和控制信号可以从仪器驱动器80的非旋转部分84通过电接触连通至旋转组件83，电接触可以通过借助于带刷滑环连接件(未示出)的旋转而保持。在其他实施方式中，旋转组件83可以响应于分开的驱动单元，分开的驱动单元结合到非旋转部分84中，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许仪器驱动器80使驱动单元和驱动单元的相应的驱动输出件81作为单个单元绕仪器驱动器轴线85旋转。
类似于早前所公开的实施方式，仪器86可以包括长形轴部分88和仪器基部87(出于讨论目的而示出为具有透明的外部壳)，该仪器基部87包括多个驱动输入件89(比如接纳件、滑轮和卷筒)，所述多个驱动输入件89构造成接纳仪器驱动器80中的驱动输出件81。不同于先前所公开的实施方式，仪器轴88从仪器基部87的中央延伸，仪器基部87具有的轴线大致平行于驱动输入件89的轴线，而不是如在图13中的设计中的正交。
当联接至仪器驱动器80的旋转组件83时，包括仪器基部87和仪器轴88的医疗仪器86与旋转组件83一起绕仪器驱动器轴线85旋转。由于仪器轴88定位在仪器基部87的中央处，仪器轴88在附接时与仪器驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转引起仪器轴88绕仪器轴88自身的纵向轴线旋转。此外，由于仪器基部87与仪器轴88一起旋转，连接至仪器基部87中的驱动输入件89的任何筋在旋转期间都不会缠结。因此，驱动输出件81、驱动输入件89和仪器轴88的轴线的平行允许轴旋转而不会使任何控制筋缠结。
E.导航和控制
传统的内窥镜检查可能涉及荧光检查的使用(例如，如可以通过C型臂递送)和其他形式的基于辐射的成像方式，以向操作医师提供腔内引导。相反地，由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减少手术室内的设备数量。如本文中所使用的，术语“定位”可以指的是确定和/或监测对象在参考坐标系中的位置。诸如术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据之类的技术可以被单独使用或组合使用以实现无辐射的操作环境。在其他情况下，如果仍然使用基于辐射的成像方式，则可以单独使用或组合使用术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以对仅通过基于辐射的成像方式获得的信息进行改进。
图15是图示了根据示例实施方式的定位系统90的框图，该定位系统90对机器人系统的一个或更多个元件的位置比如仪器的位置进行估计。定位系统90可以是构造成执行一个或更多个指令的一组一个或更多个计算机装置。计算机装置可以由以上所讨论的一个或更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。作为示例而非限制，计算机装置可以位于图1中所示出的塔30中、位于图1至图4中所示出的手推车中、位于图5至图10中所示出的床中等。
如图15中示出的，定位系统90可以包括定位模块95，该定位模块95处理输入数据91至94以生成用于医疗仪器的远端梢部的定位数据96。定位数据96可以是代表仪器的远端端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。该参考系可以是相对于患者的解剖结构或相对于已知对象比如EM场发生器(参见下面关于EM场发生器的讨论)的参考系。
现在更详细地描述各种输入数据91至94。术前映射可以通过使用低剂量CT扫描的收集来完成。术前CT扫描例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”被重建到三维图像中，所述三维图像是可视化的。当以聚集的方式进行分析时，可以产生用于患者的解剖结构的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型，比如患者的肺部网络。可以从CT图像确定和模拟诸如中心线几何形状之类的技术，以开发出患者的解剖结构的三维体，该三维体被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。在美国专利申请No.14/523,760中讨论了中心线几何形状的使用，该美国专利申请的全部内容通过参引并入本文。网络拓扑模型也可以从CT图像中得出，并且特别适用于支气管镜检查。
在一些实施方式中，仪器可以配备有摄像机以提供视觉数据92。定位模块95可以处理视觉数据以实现一个或更多个基于视觉的位置跟踪。例如，术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现医疗仪器的基于计算机视觉的跟踪(例如，内窥镜或仪器穿过内窥镜的工作通道而前进)。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的预期行进路径从模型生成预期的内窥镜图像库，每个图像与模型内的位置相关联。在手术中，机器人系统可以参照该库，以便对在摄像机(例如，内窥镜的远端端部处的摄像机)处所捕获的实时图像和图像库中的那些图像进行对比从而辅助定位。
其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定摄像机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以在术前模型数据91中识别出对应于解剖管腔的圆形的几何形状，并且跟踪那些几何形状的变化以确定选择哪个解剖管腔，以及跟踪摄像机的相对旋转和/或平移运动。拓扑映射的使用还可以增强基于视觉的算法或技术。
另一基于计算机视觉的技术、光流法可以在视觉数据92中以视频序列对图像像素的位移和平移进行分析，以推断摄像机的运动。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。通过在多次迭代中对比多个帧，可以确定摄像机(并且因此确定内窥镜)的运动和位置。
定位模块95可以使用实时EM跟踪以生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以与由术前模型表示的患者的解剖结构配准。在EM跟踪中，EM传感器(或跟踪器)对由定位在已知位置处的一个或更多个静止的EM场发生器产生的EM场的变化进行测量，包括有一个或更多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)嵌入在医疗仪器(例如内窥镜工具)中的一个或更多个位置和取向中。由EM传感器检测到的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者安置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场感应EM传感器的传感器线圈中的小电流，小电流可以被分析以确定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手术中与患者解剖结构(例如，术前模型)“配准”，以便确定几何形状变换，该几何形状变换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位置对准。一旦配准，在医疗仪器的一个或更多个位置(例如，内窥镜的远端梢部)中的嵌入式EM跟踪器就可以提供医疗仪器穿过患者的解剖结构的进程的实时显示。
机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用，以为机器人系统提供定位数据96。可以在术前校准期间确定由铰接命令产生的装置俯仰和偏航。在手术中，这些校准测量值可以与已知的插入深度信息结合使用来估计仪器的位置。替代性地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑模型来进行分析，以估计医疗仪器在网络内的位置。
如图15所示，定位模块95可以使用许多其他输入数据。例如，虽然未在图15示出，利用形状感测纤维的仪器可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定仪器的位置和形状。
定位模块95可以组合地使用输入数据91至94。在某些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中，定位模块95向由输入数据91至94中的每个输入数据确定的位置分配置信权重。因此，在EM数据可能不可靠的情况下(如可以是存在EM干扰的情况)，由EM数据93确定的位置的置信度可能会降低，并且定位模块95可能会更大程度地依赖视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。
如以上所讨论的，本文中所讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一个或更多个技术的组合。基于塔、床和/或手推车的机器人系统的基于计算机的控制系统例如可以将计算机程序指令存储在比如永久性的磁性存储驱动器、固态驱动器等非暂时性的计算机可读存储介质内，计算机程序指令在被执行时使得系统接收并分析传感器数据和用户命令，在整个系统生成控制信号、并且显示比如仪器在全局坐标系内的位置、解剖图等导航和定位数据。
2.定向射流技术
本公开的各实施方式涉及用于从患者的治疗部位移除对象的系统和技术，并且具体地涉及在对象移除手术期间采用定向射流的方法和系统。
在对象移除手术期间，可以将射流(例如，诸如生理盐水之类的液体的冲洗(流入)和/或抽吸(流出))应用于治疗部位。例如，在经皮肾镜取石术(PCNL)期间，射流可以用于使由肾结石破裂而引起的结石粉尘和小碎片的视场变得清晰。然而，如下面更详细讨论的，在对象移除手术期间，用于射流的常规方法还可能引起并发症。例如，冲洗可以在治疗部位内产生电流，该电流使要被移除的对象移动离开在手术期间所使用的医疗仪器。
如本文中所使用的，术语“定向射流技术”适用于本公开中所描述的方法、技术和系统，所述方法、技术和系统对常规的射流技术进行改进，促进了对象移除手术，以及/或者解决或减轻了与常规的对象移除手术相关联的一个或更多个问题。通常，定向射流技术涉及对冲洗流和/或抽吸流的各种特征(例如速率、方向、压力、位置等)进行控制，以及/或者将冲洗的一个流入点(或多个流入点)与抽吸的一个流出点(或多个流出点)分开以促进对象移除手术。在一些示例中，定向射流技术涉及通过单个医疗仪器(例如，经皮插入的医疗仪器)提供冲洗和抽吸，并且还可以涉及对冲洗和抽吸的特征进行控制以促进对象移除。在一些示例中，定向射流技术涉及控制从流入点至流出点的流动方向，以便例如在手术期间保持或稳定对象。通过若干示例的以下详细描述，定向射流技术的这些和其他特征以及在对象移除手术期间用于实施定向射流的各种方法和系统将变得明显。以下示例意在说明本公开的原理，并且不应被解释为限制本公开。
在本文中所描述示例的若干示例中，对象移除手术涉及从肾移除肾结石。然而，本公开不仅限于移除肾结石。例如，以下描述也适用于与从患者身上移除对象有关的其他外科手术或医学操作或医疗手术，所述对象包括可以经由经皮进入装置和/或内窥镜检查进入装置从治疗部位或患者腔体(例如，食管、输尿管、肠、眼等)移除的任何对象，所述其他外科手术或医学操作或医疗手术比如说例如胆囊结石移除、肺(肺部的/经胸腔的)肿瘤活检或白内障移除。
A.对象移除的背景讨论
如以上所提及的，对象移除是常见的外科手术操作或医疗手术。为了更好地理解本文中描述的采用定向射流的用于对象移除的方法和系统的特征和优点，本部分首先介绍与某些对象移除手术有关的背景信息。借助于示例，描述了从肾移除肾结石的手术。
通常，存在用于治疗肾结石患者的若干方法，包括观察、药物治疗(比如驱逐治疗法)、非侵入性治疗(比如体外冲击波碎石术(ESWL))和外科手术治疗(比如输尿管镜检查和PCNL)。在两种外科手术方法(输尿管镜检查和PCNL)中，医师可以触及病变结构(即，可以触及要移除的对象；例如，可以触及结石)，能量被传递至结石以使结石破碎成较小的块或碎片，并且从肾机械地提取小的结石碎片/粒状物。
PCNL的一个组成部分是射流的使用(冲洗和抽吸)。在PCNL期间，射流可以应用于从治疗部位清除结石粉尘、小碎片和血栓，以及由医疗仪器提供视场。
图16图示了用于使用经皮插入到肾103中的医疗仪器100从肾103移除对象101的示例性过程。图示的示例可以代表PCNL手术。对象101可以是旨在移除的任何对象，比如肾结石。在图示的示例中，医疗仪器100包括腹腔镜或肾镜105。肾镜105可以通过进入护套107经皮插入到肾103中。肾镜105可以包括工作通道108，各种工具可以通过工作通道108插入。如所图示的，可以通过肾镜105的工作通道108插入碎石机109(比如超声碎石机)。肾镜105还可以包括光学装置，该光学装置构造成允许外科医师可视化治疗部位。图示了光学装置的视场117。
通常，通过将医疗仪器100朝向对象101扭转来使医疗仪器100在肾103内导航。外科医师的目标是使碎石机109的远端端部121接触到对象101，以使对象101破碎成较小的碎片，然后可以将其移除。
如以图16中的箭头所图示的，冲洗(例如，生理盐水溶液的冲洗)可以通过医疗仪器100被应用于治疗部位(例如，肾103)。在该示例中，冲洗穿过肾镜105，从而离开穿过远端梢部113进入肾103中。冲洗可以用于从视场117清除结石粉尘和小碎片，以允许外科医师可视化治疗部位，以及使肾103扩张以允许触及对象101。在图示的示例中，抽吸也通过医疗仪器100被应用于治疗部位。如所示出的，液体可以通过进入护套107以及碎石机109中的通道从肾103中移除。在一些实例中，冲洗通过碎石机109(主动)泵送，而通过进入护套107进行的剩余的冲洗是被动的(例如，被动地流动穿过进入护套107)。在一些示例中，射流在整个手术期间被应用。
所应用的射流在手术期间可以建立如通过图16中的箭头所图示的流体流。最初，流体可以从肾镜105的远端梢部113朝向对象101向外流动。通过进入护套107和碎石机109的冲洗可以使得流体流朝向医疗仪器100返回。如所图示的，在对象101的区域中，流相对于医疗仪器100的远端端部朝向和远离对象101引导。在一些实例中，这种流的净效应可能是在对象101和医疗仪器100的远端端部周围形成许多小的且不可预见的涡流119。这可能导致对象101被推动成远离医疗仪器100。这可能会防止外科医师将碎石机109与对象101接触和/或分散在结石破碎时由碎石机109产生的碎片。当仅冲洗被主动地管理而抽吸为被动时，可能会出现这些困难，因此在手术期间不能允许高等级的射流控制。另一潜在的危险是肾103可能变得过满。
作为另一示例，在输尿管镜碎石术期间，输尿管镜可以通过输尿管进入肾，并且分别使用取石篮和碎石机重新放置和分解肾结石。例如，碎石机可以被部署通过输尿管镜并且用于使结石碎裂成碎片。在肾结石的碎石术中，可能会发生若干问题。例如，碎石机(碎石机施加能量以使结石破裂)可能会引起结石在肾内以不可预见的方式四处移动。此外，如上所述，碎石术会产生结石粉尘，这可能妨碍治疗部位内的视线。结石破裂之后，碎石机可以被移除，并且篮装置可以被部署通过输尿管镜以取回结石碎片。这个过程既繁琐又耗时。在试图通过篮移除所有结石碎片之后，可能会残留小的结石碎屑。
上面讨论的用于移除肾结石的手术(PCNL和输尿管镜检查)可能会出现某些挑战或并发症。例如，PCNL可以使用射流，射流会在肾内产生电流，电流可以使对象和碎片移动远离医疗仪器，从而使移除过程复杂化。输尿管镜检查可以使用通过输尿管镜采用的碎石机使肾结石破碎；然而，在碎石术期间可能没有用以稳定结石的机构就位。通常，用于使结石破碎的能量会导致结石从碎石机弹开，从而使移除复杂化。此外，在经由碎石术分解结石时，会产生妨碍治疗部位的视线的结石粉尘。这些手术的另一挑战在于，由于肾外部的周围解剖结构，对于医师而言可能难以触及治疗部位。例如，由于肾外部的周围解剖结构，可能限制了经皮进入肾的位置。
B.使用定向射流技术移除对象的综述
本文中所描述的方法和系统可以用于通过定向射流技术的使用来减轻或解决PCNL和输尿管镜检查(以上所述)的问题中的一个或更多个问题。在一些实施方式中，定向射流可以被应用成使得冲洗(流入)通过第一医疗装置(例如，经皮插入的医疗仪器)的第一通道进入治疗部位，并且抽吸(流出)通过第一医疗仪器的第二通道离开治疗部位。在一些实施方式中，冲洗和抽吸都可以是主动的。在一些实施方式中，冲洗和抽吸可以被管理成产生期望的流动特性。在一些实施方式中，也可以在手术期间使用不提供冲洗或抽吸的第二医疗仪器，例如以使被移除的对象破碎。在一些实施方式中，定向射流可以被应用成使得冲洗(流入)通过第一医疗装置(例如，导尿管或内窥镜)进入治疗部位，而抽吸(流出)通过第二医疗仪器(例如，导尿管或内窥镜)离开治疗部位。这可以创建从第一仪器朝向第二仪器的受控流。受控流可以促进对象移除。第一医疗仪器可以顺行于要移除的对象插入到治疗部位中，而第二医疗仪器可以逆行于对象插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以穿过患者管腔或经皮插入。第二医疗仪器可以穿过患者的管腔或经皮插入。在一些实施方式中，第一医疗仪器通过患者管腔(例如输尿管)插入到治疗部位(例如肾)中而第二医疗仪器经皮插入到治疗部位中，或者第一医疗仪器经皮插入到治疗部位中而第二医疗仪器通过患者管腔(例如输尿管)插入到治疗部位(例如肾)中。
第一医疗仪器和第二医疗仪器中的一者或两者可以是如以上参照图1至图15所描述的机器人控制的医疗仪器。因此，在一些实施方式中，以下所描述的方法和系统可以以机器人的方式采用。
在一些实例中，定向射流技术可以包括将流入(冲洗)的一个点(或多个点)与流出(抽吸)的一个点(或多个点)分开。可以例如通过将第一医疗仪器的远端端部朝向第二医疗仪器偏转而使得流体流朝向第二医疗仪器来将流入朝向流出点引导。这可以通过以上参照图1至图15所描述的系统和仪器以机器人的方式完成和/或自动地完成。在一些实施方式中，只要第一医疗仪器构造成在不引起湍流的情况下实现足够高的流入速率，则流入(冲洗)点不需要是定向的(即，指向特定方向)。这可以允许治疗部位(例如肾)充满液体而不会使结石移位。在一些实施方式中，流出(抽吸)点可以是单个点或集中点。流出点可以构造成以高速度提供高流量，以使得碎片被朝向流出点拉动。
在一些实施方式中，可以调节冲洗速率和抽吸速率以改进结石移位或稳定性或者有意地产生湍流，使得冲洗到达治疗部位的所有角落。例如，冲洗和抽吸的温和的交替循环可以产生类似灌洗效果，以优选地拉动大的结石碎屑远离肾盏并朝向抽吸部位。替代性地，可以使用短暂的搏动性流入和流出来产生湍流，并且确保较小且较轻的结石碎片不会沉积在治疗部位的底部上，而是在冲洗剂中保持漂浮并且最终通过流出被抽吸。
图17图示了用于使用通过患者管腔202插入到肾103中的第一医疗仪器200、经皮插入到肾中的第二医疗仪器204以及定向射流从肾103移除对象101的示例手术。在图17的图示示例中，第一医疗仪器200包括内窥镜，比如输尿管镜。患者管腔202可以包括输尿管。第一医疗仪器200可以包括用于供应冲洗的通道。该通道可以连接至冲洗源和泵(参见图25)。第一医疗仪器200可以是可铰接的。第一医疗仪器200可以是机器人控制的。
如所图示的，第二医疗仪器204可以包括肾镜105。肾镜105可以是刚性肾镜。肾镜105可以通过进入护套107经皮插入到肾103中。肾镜105可以包括工作通道108，各种工具可以通过工作通道108插入或者工作通道108可以用作用于抽吸或冲洗的通道。在一些实施方式中，肾镜内的其他通道可以用于抽吸和冲洗。如所图示的，碎石机109(比如超声碎石机)可以通过肾镜105的工作通道108插入。肾镜105还可以包括光学装置，光学装置构造成允许外科医师可视化治疗部位。图示了光学装置的视场117。
在图17中以箭头图示出流体流。如所示出的，通过第一医疗仪器200提供冲洗，并且通过第二医疗仪器204提供抽吸。在图示的实施方式中，通过碎石机109提供冲洗，但是替代性地(或此外)，可以通过肾镜105和/或进入护套107提供冲洗。如所示出的，流入(冲洗)点和流出(抽吸)点是分开的，并且建立了从第一医疗仪器200至第二医疗仪器204的大致流动方向。
如以上所提及的，第二医疗仪器204可以包括用于可视化治疗部位(具有视场117)的光学装置(例如，摄像机)。因为流被引导成连续地远离第一仪器200并朝向第二仪器204，所以光学装置的视场117可以保持清晰，从而允许改进治疗部位的可视化。此外，因为流朝向包括碎石机109的第二医疗仪器204被引导，所以对象101和碎片可以朝向第二医疗仪器204被推动，从而有益地促进了与碎石机109的接触。
定向射流的这种构思允许碎屑、粉尘、血栓和碎片自然地流向第二医疗仪器204并进入结石提取装置或破坏装置(碎石机109)。在医师需要追踪碎片的情况下，由于碎片朝向第二医疗装置204而不是远离第二医疗装置204流动的趋势，他或她可能需要比其他手术期间操纵该装置的程度更小。
此外，在通过肾镜105和/或进入护套107提供冲洗的情况下，这可以使直径大的多的碎石机109的使用成为可能，因为不再需要通过碎石机109提供冲洗和/或抽吸。
在另一示例中，第二仪器204可以是可铰接的导尿管，该导尿管经由经皮进入装置进入到治疗部位(例如肾)中(参见图18、图19、图26A和图26B)。导尿管可以构造成能够在肾内导航。例如，导尿管可以构造成插入和缩回到治疗部位中和/或铰接(例如弯折)。在一些实施方式中，导尿管可以包括用于控制铰接的拉线。在一些实施方式中，四根拉线沿四个正交方向定向，以使导尿管的铰接成为可能。用于准许导尿管铰接的其他方法也是可能的。导尿管可以包括例如抽吸管腔(或通道)。抽吸管腔可以连接至泵。该泵可以是外部泵。该泵可以产生使得流从治疗部位进入导尿管中的负压。抽吸功能能够由用户或系统切换(例如，打开和关闭)并调节。在一些实施方式中，抽吸管腔可以用于冲洗。
在采用定向射流技术的对象移除手术期间，导尿管可以提供若干功能。例如，导尿管可以在碎石术期间稳定结石。如果结石大于导尿管的抽吸管腔，则可以将结石保持在抽吸管腔的远端面处，从而在将结石分解成粉尘和较小碎片的同时稳定结石。抽吸流可以将结石保持到远端面。这可以为用户提供对于碎石术而言的更少的移动目标。
导尿管可以改进治疗部位的能见度。导尿管可以从肾移除结石粉尘。这可以例如从插入到治疗部位中的成像装置(例如，成像装置在插入到治疗部位中的医疗仪器上)为用户提供改进的能见度(例如，连续足够的能见度)。
导尿管可以移除结石粉尘和碎片。流体流可以将流体和碎屑携带到导尿管中。碎屑可以在其产生时(即，在结石被破碎时)被清除。经由导尿管移除碎屑可以代替经由输尿管镜装篮移除碎片，由于难以将结石周围的篮封闭，并且由于在每个碎片移除期间需要移除并重新插入输尿管镜，因此经由输尿管镜装篮移除碎片可能是耗时的。经由导尿管移除碎屑可以引起更有效的移除手术。这样的手术可以更快地完成，因为例如碎片在结石破碎时被移除。经由导尿管移除结石碎屑也可以减少结石碎片损伤组织的风险(比如在通过输尿管移除结石期间损伤组织)。
导尿管可以用于重新放置肾结石。例如，导尿管可以构造成在肾内朝向结石或结石碎屑导航。通过抽吸，结石或结石碎屑可以保持到导尿管的远端梢部上，并且移动至肾内的另一位置。此功能可以移除或减少对使用篮装置重新放置或移动结石的需要。导尿管也可以构造成前进到输尿管中以取回已经迁移到输尿管中的结石或碎片。这可以允许医师执行该手术而无需输尿管保护装置，输尿管保护装置有时在某些手术期间被采用。
导尿管在手术期间可以以若干方式使用。例如，导尿管可以在整个手术中移动。导尿管可以在治疗部位周围导航成指向具体的结石/碎片，以在碎石术期间对结石/碎片进行约束，同时也对粉尘/碎屑进行抽吸。作为另一示例，在手术期间，导尿管最初可以是静止的，并且可以使用第一医疗仪器(例如输尿管镜)将结石重新放置到导尿管。结石可能会在导尿管处破裂。在手术期间的稍后时间，导尿管可以导航穿过治疗部位以拾取残留的碎屑。作为另一示例，导尿管可以仅在需要时例如在手术升级期间被(例如，经皮)插入。
图18图示了用于使用通过患者管腔202插入到肾103中的第一医疗仪器200、经皮(例如，通过进入护套107)插入到肾103中的第二医疗仪器204比如可转向导尿管以及定向射流从肾103移除对象101的示例手术。可以通过第一医疗仪器200提供冲洗，并且可以通过第二医疗仪器204提供抽吸。在该示例中，流入(冲洗)点和流出(抽吸)点是分开的，并且建立了从第一医疗仪器200朝向第二医疗仪器204的大致流动方向。箭头图示了流体流的方向。
如图18中图示的，第一医疗仪器200可以是可铰接的。即，第一医疗仪器200的形状或姿势可以被控制。在一些实施方式中，如上所述，铰接是机器人控制的。如所图示的，第一医疗仪器200可以被铰接成使得冲洗流朝向第二医疗仪器204被定向或引导。这可以帮助建立从第一医疗仪器200朝向第二医疗仪器204的流体流。
第二医疗仪器204(例如，可转向导尿管)也可以是可铰接的。即，第二医疗仪器204的形状或姿势可以被控制。在一些实施方式中，如上所述，铰接是机器人控制的。如所图示的，第二医疗仪器204可以包括可铰接的远端梢部206。第二医疗仪器204(或其远端梢部206)可以被铰接成使得远端梢部206朝向第一医疗仪器200和/或对象101被定向或引导。这可以帮助建立从第一医疗仪器200朝向第二医疗仪器204的流体流，从而用于将对象101朝向第二医疗仪器204拉动。
图19图示了用于使用通过患者管腔202插入到肾103中的第一医疗仪器200、经皮(例如，通过进入护套107)插入到肾103中的第二医疗仪器204(比如可转向导尿管)以及定向射流从肾103移除对象101的另一示例手术。在图示的示例中，第一医疗仪器200包括碎石机109。从第一医疗仪器200至第二医疗仪器204的流体流可以用于将对象101和/或碎片保持到第二医疗仪器204的远端梢部206上。这可以在使用第一医疗仪器200的碎石机109的碎石术期间稳定对象101和/或碎片。第二医疗仪器204的远端梢部206可以在其远端梢部上包括凹穴(或其他保持装置)，以稳定并保持对象101和/或碎片。例如，参见下文描述的图26A和图26B。
图20提供了第一医疗仪器200的远端梢部203(提供冲洗)和第二医疗仪器204的远端梢部206(在对象移除手术期间提供抽吸)的详细视图。箭头图示了从第一医疗仪器200至第二医疗仪器204的流动方向。如所示出的，冲洗穿过第一医疗仪器200中的第一流体通道205并在远端梢部203处离开。通过远端梢部206和第二流体通道207提供抽吸。如所示出的，流将对象101朝向第二医疗仪器204的远端梢部206引导。
在一些示例中，导尿管还可以具有将流体冲洗到肾中的能力(除了上述抽吸之外)。例如，导尿管的冲洗通道可以开始于导尿管的近端端部，并且可以包括导尿管轴与抽吸管腔管之间的环形空间。导尿管的远端端部可以包括冲洗开口。例如，导尿管可以包括周向孔(例如，四个孔)，冲洗流体从周向孔离开。冲洗可以由用户或系统开启/关闭。冲洗可以连接至射流系统，该射流系统具有平衡或以其他方式修改如本文中所描述的冲洗/抽吸水平的能力。
图21A提供了在对象移除手术期间提供冲洗的第一医疗仪器200的远端梢部以及提供冲洗和抽吸两者的第二医疗仪器204的远端梢部206的详细视图(还参见下文描述的图26A和图26B)。箭头图示了从第一医疗仪器200至第二医疗仪器204的流动方向。如所示出的，在该示例中，冲洗穿过第一医疗仪器200中的第一流体通道205并在远端梢部203处离开。类似于图20，通过第二医疗仪器204的远端梢部206和第二流体通道207提供抽吸。然而，第二医疗仪器204还包括用于供应冲洗的附加流体通道209。附加流体通道209可以环形地围绕第二流体通道207。在图示的实施方式中，附加流体通道209终止于第二医疗仪器204的远端梢部206附近的流体出口211。在一些实施方式中，流体出口211可以将冲洗从第二医疗仪器204引导远离远端梢部206。在一些实施方式中，流体出口211可以将冲洗径向地引导远离远端梢部206。如所示出的，流可以将对象101朝向第二医疗仪器204的远端梢部206引导。
在一些实施方式中，可以通过单个医疗仪器提供冲洗和抽吸，而另一医疗仪器可以用于执行手术的其他方面。例如，图21B提供了在对象移除手术期间利用碎石机216执行取石术的第一医疗仪器200的远端梢部以及提供冲洗和抽吸两者的第二医疗仪器204的远端梢部206的详细视图。第二医疗仪器204可以类似于下面参照图26A和图26B描述的仪器700。如所示出的，在该示例中，仅第二仪器204用于提供射流。冲洗和抽吸两者通过第二仪器204提供。
定向射流可以提供以下优点中的一个或更多个优点。在输尿管镜碎石术期间，肾结石可能在肾周围移动并在肾内迁移。来自碎石机的能量可能会加剧这种运动。具有或不具有提供了抽吸和冲洗两者的导尿管的定向射流可以使用抽吸来限制这些不需要的结石运动。例如，流体流可以将结石保持到仪器的远端端部。
此外，在碎石术期间，会形成小的粉尘颗粒，粉尘颗粒可能通过输尿管镜遮挡视线。在一些输尿管镜碎石术中，视线可能变得模糊不清以至于手术必须停止。具有或不具有提供了抽吸和冲洗两者的导尿管的定向射流可以提供将粉尘颗粒(或其他物质)从治疗部位抽吸出的优点，从而为用户提供持续良好的能见度。
此外，由于难以将结石碎片捕获在篮内并且然后对于每个碎片移除而言都要从患者体内移除整个输尿管镜，因此装篮可能很耗时。定向射流可以提供在结石碎片形成时将结石碎片快速移除的优点。
最后，在一些输尿管镜碎石术期间，如果肾结石需要重新放置，则通常使用篮形取回装置，由于需要将结石定位在篮中，并且由于需要将碎石机更换为篮形取回装置，因此这可能是耗时的。定向射流可以提供以下优点：使导尿管导航穿过肾并使用抽吸保持到结石上，并且然后通过移动抽吸导尿管将结石重新放置到肾中的另一位置。
C.用于定向射流技术的示例方法
图22A是图示了用于在医疗手术比如对象移除手术期间管理定向射流的方法300的实施方式的流程图。在一些示例中，对象移除手术是用于从肾移除肾结石的手术。方法300也可以在其他类型的医疗手术和其他治疗部位中实现。在一些实施方式中，方法300在机器人医疗系统例如在以上参照图1至图15所描述的系统中的任何系统中实现。
方法300开始于框302。在框302处，将第一医疗仪器插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以通过患者的管腔被插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第一医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第一医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第一医疗仪器是不可铰接的。在一些实施方式中，第一医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮形取回装置、钳子等)。第一医疗仪器可以包括至少一个第一流体通道。第一流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位提供射流。
在框304处，将第二医疗仪器插入到治疗部位中。第二医疗仪器可以通过患者的管腔被插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第二医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第二医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第二医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第二医疗仪器是不可铰接的。第二医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮形取回装置、钳子等)。第二医疗仪器可以包括至少一个第二流体通道。第二流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位提供流体。
在一些实例中，框302和框304的顺序可以颠倒。在一些实例中，框302和框304可以同时执行。
在一些实例中，第一医疗装置和第二医疗装置经由不同的进入方法插入到治疗部位中。例如，第一医疗仪器可以通过患者管腔插入，而第二医疗仪器可以经皮插入，或者第一医疗仪器可以经皮插入，而第二医疗仪器可以通过患者管腔插入。作为另一示例，第一医疗仪器可以通过第一患者管腔插入到治疗部位中，并且第二医疗仪器可以通过与第一患者管腔不同的第二患者管腔插入到治疗部位中。作为另一示例，第一医疗装置可以通过第一经皮通路插入，而第二医疗装置可以通过与第一经皮通路不同的第二经皮通路插入。在一些示例中，第一医疗装置和第二医疗装置通过相同的患者管腔或通过相同的经皮通路插入。
在一些实例中，将第一医疗装置和第二医疗装置插入到治疗部位中，使得第一医疗装置的远端端部和第二医疗装置的远端端部在治疗部位内分开。例如，第一医疗装置的远端端部可以顺行于要移除的对象定位，而第二医疗装置的远端端部可以逆行于要移除的对象定位。作为另一示例，医疗装置的远端端部可以逆行于要移除的对象定位，而第二医疗装置的远端端部可以顺行于要移除的对象定位。在一些实例中，第一医疗装置和第二医疗装置被定位成使得对象定位在第一医疗装置的远端端部与第二医疗装置的远端端部之间。
在一些实例中，第一医疗装置的远端端部可以朝向第二医疗装置的远端端部定向(例如，引导或指向)。替代性地或此外，第二医疗装置的远端端部可以朝向第一医疗装置的远端端部定向。在一些示例中，“指向”可以指进入或离开第一医疗仪器或第二医疗仪器的第一流体通道或第二流体通道的流体流的大致轴线或方向。在一些实施方式中，第一医疗装置的远端端部和第二医疗装置的远端端部可以包括位置传感器。位置传感器可以是EM传感器。EM传感器可以配置成提供关于第一医疗装置的远端端部和第二医疗装置的远端端部的位置信息和/或关于第一医疗装置的远端端部和第二医疗装置的远端端部的取向信息。可以使用其他类型的位置传感器和取向传感器。位置传感器的输出可以被用于对第一医疗仪器和第二医疗仪器进行定向。在一些实施方式中，第一医疗仪器和第二医疗仪器可以在视觉上或通过其他方法定向。
在一些实例中，第一医疗仪器的远端端部可以与要移除的对象接触。替代性地或此外，第二医疗仪器的远端端部可以与要移除的对象接触。在一些实施方式中，两个仪器都不接触要移除的对象。
在框306处，通过第一医疗仪器提供冲洗。例如，可以通过第一医疗仪器的第一流体通道提供冲洗。第一流体通道可以通过泵连接至冲洗源。冲洗源可以提供用于冲洗治疗部位的液体冲洗剂(例如生理盐水)。泵可以构造成使冲洗剂移动穿过流体通道并且进入治疗部位。在一个示例中，泵是蠕动泵。泵可以构造成设定通过第一医疗仪器的特定流速。在另一示例中，泵可以是构造成施加负压的真空源，该负压将冲洗剂从冲洗源吸出、穿过第一医疗仪器并进入治疗部位。流速可以通过调节真空压力来改变。
在框308处，通过第二医疗仪器提供抽吸。例如，可以通过第二医疗仪器的第二流体通道提供抽吸。第二流体通道可以通过真空装置连接至收集容器。真空装置可以构造成施加负压，该负压将流体(例如，冲洗剂)从治疗部位吸引穿过第二医疗仪器并进入收集容器中。流速可以通过调节真空压力来改变。在另一示例中，真空装置可以用诸如蠕动泵之类的泵代替。泵可以用于使流体(例如冲洗液)从治疗部位移动穿过第二医疗仪器并且进入收集容器。泵或真空装置可以构造成设定通过第二医疗仪器的特定流速。
在一些实例中，框306和框308的顺序可以颠倒。在一些实例中，框306和框308可以同时执行。在一些实例中，框306和框308可以交替执行成使得例如在一系列重复性步骤中提供冲洗，随后是抽吸。
在框310处，方法300确定冲洗或抽吸中的任一者的特性。该特性可以是冲洗或抽吸的瞬时流速。该特性可以是一定时间间隔内的冲洗或抽吸的平均流速。该时间间隔可以是例如1.0秒、2.5秒、5秒、10秒、15秒或更长时间，以及高于所列出的值和低于所列出的值的间隔。该特性可以是在一定时间间隔比如说例如在上面列出的时间间隔中的任何时间间隔期间冲洗或抽吸的流体的体积。该特性可以是与冲洗或抽吸相关联的瞬时流体压力。该特性可以是在一定时间间隔比如说例如上面列出的时间间隔中的任何时间间隔内与冲洗或抽吸相关联的平均流体压力。流体压力可以是例如第一流体通道内的流体压力、第二流体通道内的流体压力或治疗部位自身内的流体压力。
在一些实例中，使用一个或更多个传感器确定特性。传感器可以例如定位在第一流体通道中、定位在第一医疗仪器上、定位在第二流体通道中、定位在第二医疗仪器上或者另外地定位在治疗部位内。传感器可以是流速传感器、压力传感器或用于确定冲洗或抽吸特性的其他传感器。在一些实施方式中，传感器可以测量肾内压力。在一些实例中，该特性由供应冲洗或抽吸的泵或真空源确定。例如，可以基于由泵设定的流速或由真空源施加的真空压力来确定特性。在一些实例中，根据一个或更多个已知或测量的参数来计算特性。例如，该特性可以包括基于泵送至治疗部位中的冲洗剂的量计算出的治疗部位内的冲洗剂的量。
在框312处，方法300基于在框310处所确定的冲洗或抽吸的特性来选择(例如，设定或调节)冲洗或抽吸中的另一者的特性。例如，如果在框310确定抽吸的特性，则基于所确定的特性在框312处选择冲洗的特性。如果在框310处确定冲洗的特性，则基于所确定的特性在框312处选择抽吸的特性。
所选择的特性可以是以上参照框310的确定的特性所描述的特性中的任何特性。例如，所选择的特性可以是瞬时流速或平均流速、流体体积、压力等。
在一些实例中，所选择的特性可以与所确定的特性相对应。例如，如果确定冲洗的瞬时流速，则选择抽吸的流速。在所有实例中不必都是这种情况。例如，可以确定冲洗量并且可以调节与抽吸相关联的瞬时流速或压力。在一些实例中，所选择的特性被选择成匹配所确定的特性。例如，如果冲洗的流速确定为x mL/sec，则抽吸的流速可以被选择成与之匹配——也就是说，抽吸的流速可以选择为x mL/sec，使得冲洗的流速和抽吸的流速相匹配。在所有实施方式中不必都是这种情况。例如，如果冲洗的流速确定为x mL/sec，则可以基于所确定的流速选择抽吸的流速，而无需与之完全匹配——也就是说，抽吸的流速可以被选择为y mL/sec，使得冲洗的流速和抽吸的流速不完全匹配。在一些实施方式中，所确定的特性和所选择的特性是相关的，但并不完全匹配。例如，抽吸的流速可以大于、小于或等于冲洗的流速。
通过框310和框312，可以基于抽吸或冲洗中的一者来调节抽吸和冲洗中的另一者。因此，方法300提供了用于平衡(例如，瞬时地或在一段时间内)抽吸和冲洗的方式。方法300还提供了用于调节治疗部位的状况的机构。例如，通过平衡冲洗和抽吸，可以调节或维持治疗部位的内部流体体积或压力。方法300还提供了用于调节流体流的状况的机构。例如，通过平衡冲洗和抽吸，可以调节或维持第一医疗仪器与第二医疗仪器之间的流速。可以通过例如脉冲抽吸和/或冲洗而使用方法300来调节或产生其他流体流特性。
因为通过方法300产生的穿过治疗部位的流体流通常是从第一医疗仪器朝向第二医疗仪器，所以方法300能够实现前述定向射流的优点和益处中的许多有点和益处。例如，方法300可以用于保持视场清晰、将结石(或结石碎片)朝向第二医疗仪器吸引以进行抽吸、在碎石术期间将结石(或结石碎片)保持就位、和/或通过将结石保持到第二医疗仪器的远端端部而允许结石(或结石碎片)的运动或重新放置。
方法300可以包括图22A中未图示的附加步骤或框。例如，方法300可以包括确定治疗部位的特性。治疗部位的特性可以是例如治疗部位内的流体的体积或治疗部位内的压力。所确定的治疗部位的特性可以通过传感器来确定，或者可以基于冲洗和/或抽吸的一个或更多个特性来计算。在一些实施方式中，所确定的治疗部位的特性是治疗部位的内部压力，该内部压力可以基于冲洗和抽吸压力和/或冲洗和抽吸流速来确定。
在一些实例中，可以将所确定的治疗部位的特性与阈值进行比较。在确定所确定的特性满足或超过阈值时，该方法可以包括以下操作中的至少一者：减少进入治疗部位的冲洗、增加来自治疗部位的抽吸以及提供警报。例如，如果确定治疗部位的内部压力太高，则可以减少冲洗和/或增加抽吸以降低治疗部位内的压力。还可以向医师提供警报。
方法300还可以包括以下步骤：在提供冲洗或抽吸的同时使第一医疗仪器的远端梢部和/或第二医疗仪器的远端梢部以扫掠运动的方式移动。也就是说，第一医疗仪器的远端梢部和/或第二医疗仪器的远端梢部可以以抖动运动的方式移动。
方法300还可以包括对治疗部位内的对象执行碎石术以将对象破碎成碎片。碎石术可以使用通过第一医疗仪器或第二医疗仪器插入的碎石机来执行。方法300还可以包括通过第二医疗仪器的第二流体通道抽吸对象的碎片。在一些实例中，第二医疗仪器在治疗部位周围导航以收集碎片。在一些实例中，从第一医疗仪器朝向第二医疗仪器的流体流将碎片携带到第二医疗仪器以进行抽吸。
如前所述，第二医疗仪器可以是包括可铰接远端端部的可转向医疗仪器。方法300可以包括使远端端部与治疗部位内的对象接触。接触远端端部可以包括将远端端部铰接或导航至对象。使远端端部与对象接触可以包括利用流体流将对象吸至远端端部。方法300还可以包括通过第二流体通道提供抽吸以将对象保持到第二医疗仪器的远端端部。远端端部可以包括构造成保持对象的凹穴。方法300还可以包括在将对象保持到第二医疗仪器的远端端部的同时执行碎石术。方法300还可以包括在将对象保持到远端端部的同时移动第二医疗仪器，以将对象重新定位在治疗部位内。
除了在框306处通过第一医疗仪器提供冲洗以及通过第二医疗仪器308提供抽吸之外，方法300还可以包括通过第二医疗仪器提供冲洗。除了用于提供抽吸的第二流体通道之外，第二医疗仪器还可以包括用于提供冲洗的一个或更多个附加流体通道。例如，参见图26A和图26B的装置。
图22B是图示了用于在医疗手术比如对象移除手术期间管理定向射流的另一方法350的实施方式的流程图。在一些示例中，对象移除手术是用于从肾移除肾结石的手术。方法350也可以在其他类型的医疗手术和其他治疗部位中实现。在一些实施方式中，方法350在机器人医疗系统例如以上参照图1至图15所描述的系统中的任何系统中实现。
在方法350中，冲洗和抽吸两者通过例如如以上例如参照图21B所描述的单个医疗仪器提供。该医疗仪器可以类似于以下参照图26A和图26B所描述的医疗仪器700。
方法350开始于框350。在框352处，将第一医疗仪器插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以通过患者的管腔插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第一医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第一医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第一医疗仪器是不可铰接的。在一些实施方式中，第一医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮形取回装置、钳子等)。第一医疗仪器可以包括至少一个第一流体通道和至少一个第二流体通道。第一流体通道和第二流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位提供射流。在一些实例中，第一医疗仪器的远端端部可以与要移除的对象接触。
在框354处，通过第一医疗仪器提供冲洗。例如，可以通过第一医疗仪器的第一流体通道提供冲洗。如上所述，第一流体通道可以连接至冲洗源。
在框356处，通过第一医疗仪器提供抽吸。例如，可以通过第一医疗仪器的第二流体通道提供抽吸。如上所述，第二流体通道可以通过真空装置连接至收集容器。在一些实例中，框354和框356的顺序可以颠倒。在一些实例中，框354和框356可以同时执行。在一些实例中，框354和框356可以交替执行成使得例如在一系列重复性步骤中提供冲洗，随后是抽吸。
在框358处，方法350确定如上所述的冲洗或抽吸中的任一者的特性。在框360处，方法350基于在框358处所确定的冲洗或抽吸的特性来选择(例如，设定或调节)冲洗或抽吸中的另一者的特性。
方法350图示的是，在一些示例中，定向射流可以通过单个医疗仪器比如图26A和图26B中示出的仪器来提供。在一些实施方式中，第二医疗仪器还可以在手术期间被用于执行其他任务，如以上所描述的。例如，第二仪器可以是输尿管镜，通过该输尿管镜可以部署碎石机以用于使要移除的对象破碎。
图23提供图示了在医疗手术比如对象移除手术期间用于定向射流的另一方法400的实施方式的流程图。在一些示例中，对象移除手术是用于从肾移除肾结石的手术。方法400也可以在其他类型的医疗手术和其他治疗部位中实现。在一些实施方式中，方法400在机器人医疗系统比如以上参照图1至图15所描述的系统中的任何系统中实现。在一些实例中，方法400可以与图22A的方法300和/或图22B的方法350一起执行。
方法400开始于框402。在框402处，将第一医疗仪器定位到治疗部位中。第一医疗仪器可以通过患者的管腔插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第一医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第一医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第一医疗仪器是不可铰接的。在一些实施方式中，第一医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮装置、钳子等)。第一医疗仪器可以包括至少一个第一流体通道。第一流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位提供射流。
在框404处，将第二医疗仪器定位到治疗部位中。第二医疗仪器可以通过患者的管腔插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第二医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第二医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第二医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第二医疗仪器是不可铰接的。第二医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮形取回装置、钳子等)。第二医疗仪器可以包括至少一个第二流体通道。第二流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位提供射流。
在一些实例中，框402和框404的顺序可以颠倒。在一些实例中，框402和框404可以同时执行。
在一些实例中，第一医疗装置和第二医疗装置经由不同的进入方法定位到治疗部位中。例如，第一医疗仪器可以通过患者管腔插入，而第二医疗仪器可以经皮插入，或者第一医疗仪器可以经皮插入，而第二医疗仪器可以通过患者管腔插入。作为另一示例，第一医疗仪器可以通过第一患者管腔插入到治疗部位中，而第二医疗仪器可以通过与第一患者管腔不同的第二患者管腔插入到治疗侧中。作为另一示例，第一医疗装置可以通过第一经皮通路插入，而第二医疗装置可以通过与第一经皮通路不同的第二经皮通路插入。在一些示例中，第一医疗装置和第二医疗装置通过相同的患者管腔或通过相同的经皮通路插入。
在一些实例中，将第一医疗装置和第二医疗装置定位在治疗部位中，使得第一医疗装置的远端端部和第二医疗装置的远端端部在治疗部位内分开。例如，第一医疗装置的远端端部可以顺行于要移除的对象的定位，而第二医疗装置的远端端部可以逆行于要移除的对象定位。作为另一示例，第一医疗装置的远端端部可以逆行于要移除的对象定位，而第二医疗装置的远端端部可以顺行于要移除的对象的定位。在一些实例中，第一医疗装置和第二医疗装置被定位成使得对象定位在第一医疗装置的远端端部与第二医疗装置的远端端部之间。
在框406处，通过第一医疗仪器的第一孔沿第一流体流动方向提供冲洗。在一些实施方式中，第一流体流动方向可以是垂直于第一孔的方向。第一流体流动方向可以是流体离开第一流体孔的大致流动方向。在框408处，通过第二医疗仪器中的第二孔提供抽吸。在一些实例中，框406和框408的顺序可以颠倒。在一些实例中，框406和框408可以同时执行。
在框410处，将第一医疗仪器和/或第二医疗仪器操纵成使得第一流动方向朝向第二医疗仪器的第二孔定向。操纵第一医疗仪器和/或第二医疗仪器可以包括远程操纵和/或以机器人的方式操纵第一医疗仪器和/或第二医疗仪器。操纵第一医疗仪器和/或第二医疗仪器可以包括将第一医疗仪器和/或第二医疗仪器移动成使得第一流体流动方向朝向第二流体孔定向或指向第二流体孔。
根据方法400，使流体流从第一医疗仪器朝向第二医疗仪器定向，这可以提供上述益处中的一个或更多个益处。
方法400可以包括一个或更多个附加步骤。例如，方法400可以包括确定第一医疗仪器的远端端部和/或第二医疗仪器的远端端部的位置和/或取向。第一医疗仪器和/或第二医疗仪器可以在其远端端部上包括位置传感器。位置传感器可以是EM传感器。EM传感器可以配置成提供关于第一医疗仪器的远端端部和第二医疗仪器的远端端部的位置信息以及关于第一医疗仪器的远端端部和第二医疗仪器的远端端部的取向信息。例如，可以使用其他类型的位置传感器和取向传感器，比如形状感测纤维。位置传感器的输出可以用于定向第一医疗仪器和第二医疗仪器。
在方法400的一些实施方案中，框410自动地发生。例如，可以确定第一医疗仪器的远端端部和第二医疗仪器的远端端部的位置和取向，并且可以自动地操纵第一医疗仪器和第二医疗仪器。例如，可以自动地操纵第一医疗仪器的取向以跟踪第二医疗仪器的位置。也就是说，在第二医疗仪器的移动时，第一医疗仪器的取向自动地调节成使得第一流体流动方向保持指向第二医疗仪器或朝向第二医疗仪器定向。这可以有助于确保流体流保持沿正确的方向定向。
图24是图示了用于在医疗手术比如对象移除手术期间使用定向射流保持和重新定位对象的方法500的实施方式的流程图。在一些示例中，对象移除手术是用于从肾移除肾结石的手术。方法500也可以在其他类型的医疗手术和其他治疗部位中实现。在一些实施方式中，方法500在机器人医疗系统比如上面参照图1至图15所描述的系统中的任何系统中实现。在一些实例中，方法500可以与图22A的方法300、图22B的方法350以及图23的方法400一起执行。在一些实例中，方法500可以使用图26A和图26B的医疗仪器被采用。
方法500开始于框502。在框502处，将第一医疗仪器定位到治疗部位中。例如，第一医疗仪器可以通过患者的管腔插入。在肾结石移除的示例中，患者管腔可以是输尿管。在一些示例中，第一医疗仪器可以经皮插入到治疗部位中。第一医疗仪器可以是内窥镜、肾镜、导尿管或其他类型的医疗仪器。第一医疗仪器可以是可铰接的。在一些示例中，第一医疗仪器是不可铰接的。在一些实施方式中，第一医疗仪器可以包括一个或更多个工作通道，所述一个或更多个工作通道构造成接纳穿过其中的各种工具(例如碎石机、篮形取回装置、钳子等)。第一医疗仪器可以包括至少一个第一流体通道。第一流体通道可以构造成在医疗手术期间向治疗部位或从治疗部位提供射流。
在框504处，使第一医疗仪器的远端端部与要移除的对象接触。使远端端部与对象接触可以包括将远端端部铰接或导航至对象。在一些实例中，第一医疗仪器的铰接或导航是例如通过借助于仪器装置操纵器或机器人臂对第一医疗仪器进行操纵而以机器人的方式实现的，第一医疗仪器附接至仪器装置操纵器或机器人臂。在一些实例中，铰接或引导是由控制机器人系统的医师控制的。在一些实例中，铰接或引导由机器人系统自动确定。例如，机器人系统可以确定对象和第一医疗仪器的位置，并且将第一医疗仪器导航至对象。使远端端部与对象接触可以包括利用流体流例如利用通过第一医疗仪器的抽吸和/或通过第二医疗仪器提供的冲洗来将对象吸至远端端部。
在框506处，通过第一医疗仪器提供抽吸以将对象保持到第一医疗仪器的远端端部。可以向抽吸提供连接至第一医疗仪器的真空装置。真空装置可以构造成施加负压，该负压将流体从治疗部位吸引穿过第一医疗仪器。在另一示例中，真空装置可以用诸如蠕动泵之类的泵代替。泵可以用于使流体从治疗部位移动穿过第一医疗仪器。在通过第一医疗仪器抽吸流体时，流体流可以将对象保持到第一医疗仪器的远端端部。在一些实例中，第一医疗仪器可以在其远端端部上包括凹穴(或其他接纳部或保持装置)以帮助固定对象。例如，参见图26A和图26B。
在框508处，使第一医疗仪器在治疗部位内移动以重新定位对象。在运动期间，抽吸可以维持成将对象保持到远端端部。运动可以以机器人的方式完成。运动可以是自动的(例如，按照预编程的动作或移动至预编程的位置)或者基于医师输入或控制。在一些实例中，第一医疗仪器用于将对象移动至治疗部位内更适合碎石术的位置。例如，可以将对象移动至可以更容易地收集碎片或存在更多工作空间的位置。作为另一示例，可以使对象移动远离患者的解剖结构的敏感区域。在一些实施方式中，框508可以被省略。也就是说，在一些实施方式中，不需要将对象在治疗部位内重新定位。
在框510处，在利用第二医疗仪器提供冲洗的同时利用第二医疗仪器对对象执行碎石术。此外，可以在将对象保持到第一医疗仪器的远端端部的同时执行碎石术。从第二医疗仪器至第一医疗仪器的流体流可以用于在碎石术期间保持对象，以及将碎片和粉尘引导至第一流体仪器中以进行抽吸和移除。流体流还可以保持清晰的视场，这可以协助医师执行手术。
方法500可以包括一个或更多个附加步骤。例如，方法500可以包括通过第一医疗仪器提供冲洗。第一医疗仪器可以包括用于提供冲洗的一个或更多个附加流体通道(除了用于提供抽吸的第一流体通道之外)。附加流体通道可以例如如下文描述的图26A和图26B的装置中所示出的布置。冲洗的流出可以远离(例如，径向地远离)第一医疗仪器的远端端部定向。
D.用于定向射流技术的示例系统和装置
图25是图示了用于在医疗手术比如对象移除手术期间采用定向射流的系统600的实施方式的框图。在一些实例中，可以使用系统600来实现以上描述的方法300、400、500。此外，系统600可以形成以上参照图1至图15描述的机器人系统中的任何机器人系统的一部分。
如所图示的，系统600包括第一医疗仪器616、第二医疗仪器620、连接至第一医疗仪器616的泵608、连接至第二医疗仪器620的真空装置612以及连接至泵608和真空装置612的定向射流模块或射流控制系统602。定向射流控制系统602可以构造成控制泵608和真空装置612以通过第一医疗仪器616和第二医疗仪器620向治疗部位提供定向射流(例如，冲洗和抽吸)。
第一医疗仪器616可以构造成经由患者管腔插入到治疗部位中。替代性地，第一医疗仪器616可以构造成经皮插入到治疗部位中。第一医疗仪器616可以是内窥镜(比如输尿管镜)、导尿管(比如可转向或不可转向的导尿管)、肾镜或如本文中所描述的其他类型的医疗仪器。第一医疗仪器616可以包括用于提供射流(冲洗或抽吸)的第一流体通道。在图示的实施方式中，第一医疗仪器附接至用于提供冲洗的泵608。泵608附接至冲洗源610，该冲洗源610提供要被泵送穿过第一医疗仪器并进入治疗部位的冲洗剂(例如生理盐水溶液)。在一些示例中，泵608是蠕动泵。在一些实施方式中，泵608可以用真空装置代替，真空装置施加真空压力以将冲洗剂从冲洗源610吸出并通过第一医疗仪器616抽出。
第一医疗仪器616可以连接至第一仪器装置操纵器624。第一仪器装置操纵器624可以以机器人的方式控制以操纵第一医疗仪器616。例如，第一医疗仪器616可以是可铰接的或可转向的，并且第一仪器装置操纵器624可以被用于使第一医疗仪器铰接或转向。此外，第一医疗装置操纵器624可以附接至机器人臂，该机器人臂构造成使第一医疗装置616插入到治疗部位中或从治疗部位缩回。仪器装置操纵器的示例是以上参照图1至图15所描述的。第一医疗装置616可以包括一个或更多个工作通道，可以通过所述一个或更多个工作通道将比如碎石机、篮形取回装置、钳子等附加工具引入到治疗部位中。
第二医疗仪器620可以构造成经由经皮通路插入到治疗部位中。替代性地，第二医疗仪器620可以构造成经由患者管腔插入到治疗部位中。第二医疗仪器620可以是内窥镜(比如输尿管镜)、导尿管(比如可转向或不可转向的导尿管)、肾镜或如本文中所描述的其他类型的医疗仪器。第二医疗仪器620可以包括用于提供射流(冲洗或抽吸)的第二流体通道。在图示的实施方式中，第二医疗仪器附接至用于提供抽吸的真空装置612。真空装置612可以构造成施加负压以将流体从治疗部位吸出。真空装置612连接至收集容器，抽出的流体被收集到收集容器中。在一些示例中，真空装置612可以用泵代替，该泵将液体从治疗部位泵送穿过第二医疗仪器620并进入到收集容器614中。
第二医疗仪器620可以连接至第二仪器装置操纵器626。第二仪器装置操纵器626可以以机器人的方式控制以操纵第二医疗仪器620。例如，第二医疗仪器620可以是可铰接的或可转向的，并且第二仪器装置操纵器626可以构造成使第二医疗仪器620铰接或转向。此外，第二医疗装置操纵器626可以附接至机器人臂，该机器人臂构造成使第二医疗装置620插入到治疗部位中或从治疗部位缩回。第二医疗装置620可以包括一个或更多个工作通道，可以通过所述一个或更多个工作通道将比如碎石机、篮取出装置、钳子等附加工具引入到治疗部位中。
在一些实施方式中，仅通过第一医疗仪器616或第二医疗仪器620中的一者来提供射流，其中，所述仪器提供冲洗和抽吸两者。提供射流的仪器可以经皮插入到患者体内。在一些实施方式中，所述仪器可以类似于图26A和图26B中示出的仪器。第一医疗仪器616或第二医疗仪器620中的另一者可以不提供射流，并且可以用于其他功能，比如使要移除的对象破碎。
射流控制系统602可以包括处理器604和存储器606。存储器606可以包括将处理器604配置成确定冲洗和抽吸中的一者的特性以及基于所确定的特性控制泵或真空装置中的至少一者的特性的指令。所确定的特性可以是例如冲洗或抽吸的瞬时流速。该特性可以是一定时间间隔内的冲洗或抽吸的平均流速。时间间隔可以是例如1.0秒、2.5秒、5秒、10秒、15秒或更长时间，以及高于所列出的值和低于所列出的值的间隔。该特性可以是在一定时间间隔比如说例如以上所列出的时间间隔中的任何时间间隔期间冲洗或抽吸的流体的体积。该特性可以是与冲洗或抽吸相关联的瞬时流体压力。该特性可以是在一定时间间隔比如说例如以上所列出的时间间隔中的任何时间间隔内与冲洗或抽吸相关联的平均流体压力。流体压力可以是例如第一流体通道内的流体压力、第二流体通道内的流体压力或治疗部位自身内的流体压力。
在一些实例中，使用一个或更多个传感器比如分别位于第一医疗仪器616和第二医疗仪器620上的传感器618、622来确定特性。传感器618可以例如定位在第一医疗仪器616的第一流体通道中或第一医疗仪器616自身上。传感器622可以定位在第二医疗仪器620的第二流体通道中或第二医疗仪器620自身上。在一些实施方式中，第一医疗仪器616和第二医疗仪器620中的一者或两者均包括多个传感器616、622。传感器618、622可以是流速传感器、压力传感器或用于确定冲洗或抽吸的特性的其他传感器。来自传感器616、622的输出可以连接至处理器604，使得处理器604可以使用传感器618、622的输出来确定特性。在一些实例中，特性由供应冲洗或抽吸的泵608或真空装置确定。例如，特性可以基于由泵608设定的流速或由真空装置612施加的真空压力来确定。在一些实例中，特性根据一个或更多个已知或测量的参数来计算。例如，特性可以包括基于泵送到治疗部位中冲洗剂的量和/或从治疗部位抽吸的冲洗剂的量所计算的治疗部位内的冲洗剂的体积。
在一些实施方式中，传感器618、622包括位置传感器，所述位置传感器配置成提供关于第一医疗仪器616和第二医疗仪器620的位置信息。位置传感器可以提供3个自由度位置信息(例如，x、y和z坐标)或6个自由度位置信息(例如x、y和z坐标以及俯仰角、侧倾角和横摆角)。位置传感器618、622可以是例如EM传感器、形状感测纤维或包括加速度计、陀螺仪等的其他类型的位置传感器。
在一些实施方式中，存储器606包括将处理器604进一步配置成计算第一位置传感器的位置以确定第一医疗仪器616的位置、计算第二位置传感器的位置以确定第二医疗仪器620的位置以及操纵第一医疗仪器616或第二医疗仪器620使得第一医疗仪器616的流出孔朝向第二医疗仪器620的流入孔定向的指令。
第一医疗仪器616和第二医疗仪器620中的一者或两者可以构造成提供冲洗和抽吸两者。例如，如图25中所图示的，第二医疗仪器620可以连接至用于提供抽吸的真空装置612，并且也可以(经由虚线)连接至泵608以提供冲洗。在该实施方式中，第二医疗仪器620可以包括用于提供冲洗的附加流体通道。下面在图26A和图26B中示出了医疗仪器700的示例，该医疗仪器700包括用于提供抽吸或冲洗的第一流体通道和用于提供抽吸或冲洗中的另一者的附加流体通道。
图26A和图26B是医疗仪器700的远端端部的立体图和横截面图，该医疗仪器700构造成在对象移除手术期间提供抽吸和冲洗。医疗仪器700可以用作以上描述的第一医疗仪器和/或第二医疗仪器中的任一者。医疗仪器700可以经皮或通过患者管腔插入到治疗部位中。
参照图26A和图26B，医疗装置700可以包括终止于远端端部704的长形本体702。在图示的实施方式中，在远端端部的远端面中形成有凹穴706或凹部。凹穴706提供了在手术期间可以将要移除的对象接纳在其中的空间。在一些实施方式中，抽吸和/或冲洗将对象保持在凹穴706中。在碎石术期间，可以将对象保持在凹穴706中，以稳定和固定对象。在对象通过碎石术破碎时，碎片和粉尘可以通过医疗仪器700被抽吸。
医疗仪器700可以包括流体通道708(参见图26B)。流体通道708可以终止于具有流体孔口710的远端端部。流体通道708可以用于抽吸或冲洗。在一个示例中，流体通道708用于抽吸，并且吸至流体通道708中的流体可以用于将对象保持在凹穴706内。
医疗仪器700还可以包括围绕流体通道708的一个或更多个附加通道712(参见图26B)。这些附加通道712与流体通道708相比可以构造成提供抽吸或冲洗中的另一者。附加通道712可以终止于医疗仪器的远端端部704附近的孔口714。孔口714可以定位在医疗仪器700的径向表面中，以使穿过孔口的流沿径向方向定向，例如，如图21A和图21B中示出的。在一些实施方式中，医疗仪器700包括四个孔口714。在一些实施方式中，孔口714沿与医疗仪器700的纵向轴线正交或大致正交的方向引导流体。在一些实施方式中，孔口714沿相对于医疗仪器700的纵向轴线非正交或成角度的方向引导流体。
医疗仪器700可以是可铰接的。例如，医疗仪器可以包括用于控制医疗仪器700的形状或姿势的拉线(或其他机构)。
图27图示了机器人系统800的实施方式，该机器人系统800布置成用于使用定向射流执行对象移除手术。机器人系统800可以类似于以上参照图1至图15所描述的机器人系统。在图示的实施方式中，机器人系统包括多个机器人臂805。机器人臂805可以构造成操纵在手术期间所使用的仪器和工具。如所图示的，系统800包括三个机器人臂805a、805b、805c。在其他实施方式中可以使用其他数量的机器人臂805。
机器人臂805a、805b可以附接至第一仪器801。第一仪器801可以包括具有工作通道的外部护套以及定位在该外部护套内的内部导尿管。在一些实施方式中，机器人臂805a控制外部护套，并且机器人臂805b控制内部护套。第一仪器801可以通过患者管腔插入到患者体内。如所图示的，机器人臂805a、805b可以将第一仪器801通过尿道插入到患者的下腹部中。在一些实施方式中，插入沿着如上所述的虚拟轨道执行。在插入到尿道中之后，使用如上所述的控制技术，可以将第一仪器801导航到治疗部位(例如，膀胱、输尿管和/或肾)中以用于诊断性和/或治疗性应用。
机器人臂805c可以附接至第二仪器802。在一些实施方式中，第二仪器802可以包括具有工作通道的外部护套和定位在该外部护套内的内部导尿管。在一些实施方式中，可以使用多个机器人臂来操纵第二仪器802。在图示的实施方式中，第二仪器802经皮(即，腹腔镜)插入到治疗部位中。
如图27中示出的，在第一仪器801和第二仪器802由机器人臂805定位的情况下，系统800可以构造成实现如上所述的定向射流。例如，第一仪器801和第二仪器802可以用于向如上所述的治疗部位提供冲洗和抽吸。
图27提供了构造成用于定向射流的机器人系统800的一个示例。包括其他数量或类型的机器人臂、其他数量或类型的医疗仪器的其他系统和/或用于插入和控制仪器的其他方法也是可能的。
3.实施系统和术语
本文中公开的实施方案提供了用于从患者的治疗部位移除对象的系统、方法和装置，并且具体地涉及在对象移除手术期间采用定向射流的方法和系统。定向射流技术可以包括对穿过治疗部位的冲洗和/或抽吸的流体流的各种特征(例如，速率、方向、压力等)进行控制，以及/或者将冲洗的流入点与抽吸的流出点分开以促进对象移除手术。在一些示例中，定向射流技术涉及控制从流入点至流出点的流动方向，以便在手术期间保持或稳定对象。
应当注意的是，如本文中所使用的术语“联接”、“正在联接”、“被联接”或词语联接的其他变型可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”至第二部件，则第一部件可以通过另一部件间接连接至第二部件，或者直接连接至第二部件。
本文中使用的参考本文描述的特定计算机实现过程/功能的短语和特征可以作为一个或更多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可以由计算机或处理器访问的任何可用的介质。作为示例而非限制，这样的介质可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、光盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储设备、或者可以用于存储呈指令或数据结构形式的所需程序代码且可以由计算机访问的任何其他介质。应当注意的是，计算机可读介质可以是有形的并且是非暂时性的。如本文中所使用的，术语“代码”可以指代可由计算设备或处理器执行的软件、指令、代码或数据。
本文中所公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或更多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，该方法的步骤和/或动作可以彼此交换。换句话说，除非所描述的方法的正确操作要求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对特定步骤和/或动作的顺序和/或使用进行修改。
如本文中所使用的，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件表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”可以包括计算、运算、处理、推导、研究、查找(例如，在表、数据库或其他数据结构中查找)、确定等。此外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解析、选择、选定、建立等。
除非另外明确规定，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话说，短语“基于”描述了“仅基于”和“至少基于”两者。
提供所公开的实施方案的先前描述以使本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。这些实施方案的各种改型对于本领域技术人员而言将是明显的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的通用原则可以应用于其他实施方案。例如，将理解的是，本领域的普通技术人员将能够采用许多对应的替代性和等同的结构细节，比如紧固、安装、联接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定的致动运动的等效机构以及用于传递电能的等效机构。因此，本发明不意在限于本文中所示出的实施方案，而是应被给予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广泛的范围。