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CN102046081B - 机器人导管系统 - Google Patents

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CN102046081B CN2009801191164A CN200980119116A CN102046081B CN 102046081 B CN102046081 B CN 102046081B CN 2009801191164 A CN2009801191164 A CN 2009801191164A CN 200980119116 A CN200980119116 A CN 200980119116A CN 102046081 B CN102046081 B CN 102046081B
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Abstract

机器人导管系统(10)包括支撑在操纵器支撑结构(500)上的一个或多个机器人导管操纵器组件(300)。该机器人导管操纵器组件可以包括一个或多个可拆卸地安装的机器人导管装置盒(400)和机器人外鞘装置盒，相对于机器人导管操纵器组件，每个盒大致线性可移动。可以提供输入控制系统(100)，用于控制机器人导管操纵器组件的操作。可视化系统(12)可以包括一个或多个显示监视器，用于显示分别连接到机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒上的导管和/或外鞘的位置。

Description

机器人导管系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年3月27日提交的美国临时申请号61/040,143(′143申请)和2008年9月24日提交的61/099,904(′904申请)的优先权的权益。本申请还要求2008年12月31日提交的现在待决的美国申请号12/347,811(′811申请)的权益。在此，通过引用将′143申请、′904申请和′811申请合并于此，就如同在此全面描述了一样。
发明背景
a.发明领域
本发明涉及一种机器人导管系统和用于自动控制导管及相关部件的方法。特别是，本发明涉及一种用于操纵导管和相关部件的机器人导管系统，例如，用于诊断、治疗、绘图和消融过程。
b.背景技术
电生理导管通常用于各种诊断和/或治疗医学过程，来矫正如房性心律失常的情况，包括例如异位房性心动过速、心房纤维性颤动和心房扑动。心律失常能够引起包括不规则心跳、房室同步收缩丧失和血流淤滞等可以导致疾病甚至死亡的多种危险情况。
通常，在一个过程中，可以操纵导管通过患者的脉管系统到达例如患者的心脏，并且导管携带一个或多个可以用于绘图、消融、诊断或其他治疗的电极。一旦到达预定位置，治疗可以包括射频(RF)消融、冷冻消融、激光、化学制品、高强度聚焦超声等。消融导管将这些消融能量赋予心肌组织以在心肌组织中产生损伤。这种损伤中断了不良的电路径，从而限制或防止能够导致心律失常的杂散电信号。显而易见，在操纵时及在治疗部位，这些治疗要求精确地控制导管，这总是与用户的技能水平相关联。
发明者因此已经认识到需要一个系统和方法，该系统和方法可以精确地及动态地自动控制导管及其相关部件，例如用于诊断、治疗、绘图和消融程序，这将最小化和/或消除由于用户的技术水平引起的过程变化。发明者就此还认识到需要一个系统和方法，该系统和方法可以在病人现场或从远程位置执行用户指定的程序。
发明内容
最好能提供一种用于精确及动态地自动控制导管及其相关部件的系统和方法。特别是，最好能提供一种用于精确及动态地自动控制，例如诊断、治疗、绘图和消融程序的系统和方法，这将最小化和/或消除由于用户技术水平引起的过程变化，并且可选择地，可在病人现场或从远程位置执行该过程。
一种用于精确及动态地自动控制导管及其相关部件的系统和方法可以包括机器人导管系统，该机器人导管系统包括支撑在操纵器支撑结构上的一个或多个机器人导管操纵器组件(robotic catheter manipulatorassembly)。该机器人导管操纵器组件可以包括一个或多个可拆卸地安装的机器人导管装置盒(robotic catheter device cartridge)和机器人外鞘装置盒(robotic sheath device cartridge)，相对于机器人导管操纵器组件，每个盒通常都是线性可移动的。可以提供输入控制系统，用于控制机器人导管操纵器组件的操作。可视化系统可以包括一个或多个显示监视器，用于显示分别连接到机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒上的导管和/或外鞘的位置。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，操纵器支撑结构可以包括将机器人导管操纵器组件连接至手术台(operation bed)的连接组件。在一个实施方式中，操纵器支撑结构可以包括便于机器人导管操纵器组件的运输的一个或多个可伸缩轮。在一个实施方式中，操纵器支撑结构可以包括用于可调整地支撑机器人导管操纵器组件的一个或多个支撑臂，或用于支撑多个机器人导管操纵器组件的多个支撑臂。在一个实施方式中，支撑臂可调整地将机器人导管操纵器组件定位在一个平面上，这个平面以与大致水平设置的手术台成锐角设置。可替代地，该支撑臂可以可调整地将机器人导管操纵器组件定位在一个平面上，该平面与大致水平设置的手术台大致垂直。在一个实施方式中，该支撑臂可以可调整地定位机器人导管和外鞘装置盒，用于在与大致水平设置的手术台成一个锐角的平面上运动。可替代地，该支撑臂可以可调节地定位机器人导管和外鞘装置盒，以在大致垂直于大致水平设置的手术台的平面上运动。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，机器人导管操纵器组件支撑结构可以基本上相对于手术台固定地设置。该机器人导管系统还可以包括用于机器人导管操纵器组件的运输和无菌使用的壳体(case)。在一个实施方式中，可以提供一个用于防止机器人导管操纵器组件污染的无菌护罩。在一个实施方式中，机器人导管系统可以为便携式的(例如可移动而不必提着)。在一个实施方式中，导管和外鞘盒中的一个或多个相对于机器人导管操纵器组件可旋转。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，机器人导管操纵器组件可以包括支撑构件，该支撑构件包括相对于彼此且相对于支撑构件可移动的一个或多个导管操纵底座及一个或多个外鞘操纵底座，每个相应的操纵底座可拆卸地连接到导管和外鞘装置盒。在一个实施方式中，导管操纵底座或外鞘装置盒可以包括一个或多个第一元件，该一个或多个第一元件与一个或多个互补的第二元件接合，该一个或多个互补的第二元件与导管操纵底座或导管装置盒中的另一个可滑动地接合，以用于通过拉动连接到导管和第一或第二元件上的操纵线来控制导管的运动。在一个实施方式中，外鞘操纵底座或外鞘装置盒可以包括一个或多个第一元件，该一个或多个第一元件与一个或多个互补的第二元件可接合，该一个或多个互补的第二元件可滑动地与外鞘操纵底座或外鞘装置盒中的另一个接合，用于通过拉动连接到外鞘和第一或第二元件上的操纵线来控制外鞘的运动。在一个实施方式中，导管和外鞘操纵底座可以相对于彼此并相对于支撑构线性移动。在一个实施方式中，导管操纵底座可以基本上设置在外鞘操纵底座的后面，以允许将导管插入外鞘。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，输入控制系统可以包括一个或多个操纵杆、器械(如触觉的)手套、鼠标类设备、空间球和/或3D输入装置。在另一实施方式中，输入可以是在实体模型上绘出并通过系统计算和实施的预定路径。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括根据在远侧导管尖端实际感受到的力或从远侧导管尖端测量的阻抗的触觉反馈。在一个实施方式中，输入控制系统包括根据虚拟导管尖端到虚拟心脏解剖结构的接近程度的触觉反馈。在一个实施方式中，可视化系统可以包括显示用于输入控制系统的拇指开关偏转方向的方向矢量显示器。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括连接到导管和外鞘上的操纵线的主动张紧。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括预定义速度区，用于在病人解剖结构的预定区域改变导管和外鞘的运动速度。
在一个实施方式中，用于精确地及动态地自动控制导管及其相关部件的系统和方法可以包括机器人导管系统，该机器人导管系统包括支撑在操纵器支撑结构上的一个或多个机器人操纵器组件。该机器人操纵器组件可以包括一个或多个可拆卸地安装的机器人第一外科器械设备盒和机器人第二外科机械装置盒，每个盒相对于机器人操纵器组件可大致线性地移动。输入控制系统可以控制机器人操纵器组件的操作。可视化系统可以包括一个或多个显示器，用于显示分别连接到机器人第一和第二外科器械设备盒的一个或多个第一和第二外科器械的位置。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，操纵器支撑结构可以包括用于将机器人操纵器组件连接到手术台上的连接组件。在一个实施方式中，操纵器支撑结构可以包括便于机器人操纵器组件的运输的一个或多个可伸缩轮。在一个实施方式中，操纵器支撑结构可以包括用于可调节地支撑机器人操纵器组件的一个或多个支撑臂，或用于支撑多个机器人操纵器组件的多个支撑臂。在一个实施方式中，支撑臂可调整地将机器人操纵器组件定位在一个与大致水平设置的手术台成锐角的平面上。可替代地，该支撑臂可以可调整地将机器人操纵器组件定位在一个大致垂直于大致水平设置的手术台的平面上。在一个实施方式中，该支撑臂可以可调整地定位机器人第一和第二外科器械设备盒，以在一个与大致水平设置的手术台成锐角的平面上运动。可替代地，该支撑臂可以可调节地定位机器人第一和第二外科器械设备盒，用于在一个大致垂直于大致水平设置的手术台的平面上运动。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，机器人操纵器组件支撑结构相对于手术台大体上固定地设置。在一个实施方式中，可以提供一种用于传输及无菌使用机器人操纵器组件的壳体。在一个实施方式中，可以提供一个用于防止机器人操纵器组件污染的无菌护罩。在一个实施方式中，机器人导管系统可以为便携式的(例如可移动的且不用提着)。在一个实施方式中，第一和第二外科器械设备盒中的一个或多个相对于机器人操纵器组件可旋转。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，机器人操纵器组件可以包括一个支撑构件，该支撑构件包括相对于彼此且相对于支撑构件可移动的一个或多个第一外科器械操纵底座及一个或多个第二外科器械操纵底座，每个相应的操纵底座可拆卸地连接到第一和第二外科器械设备盒。在一个实施方式中，第一外科器械操纵底座或第一外科器械设备盒可以包括与一个或多个互补的第二元件可接合的一个或多个第一元件，该一个或多个互补的第二元件可滑动地与第一外科器械操纵底座或第一外科器械设备盒中的另一个相接合，用于通过拉动连接到第一外科器械和第一或第二元件上的操纵线来控制第一外科器械的运动。可替换地，第二外科器械操纵底座或第二外科器械设备盒可以包括与一个或多个互补的第二元件可接合的一个或多个第一元件，该一个或多个互补的第二元件可滑动地与第二外科器械操纵底座或第二外科器械设备盒中的另一个接合，用于通过拉动连接到第二外科器械和第一或第二元件上的操纵线来控制第二外科器械的运动。
在一个实施方式中，对于上述机器人导管系统，第一和第二外科器械操纵底座相对于彼此且相对于支撑构件可线性地移动。在一个实施方式中，第一外科器械操纵底座大致设置在第二外科器械操纵底座的后面，以允许将第一外科器械插入第二外科器械。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括一个或多个操纵杆、器械(如触觉的)手套、鼠标类设备、空间球和/或3D输入装置。在另一实施方式中，输入可以是在实体模型上绘制的并通过系统计算和实施的预定路径。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括根据在远侧第一外科器械尖端实际感受到的力或从远侧第一外科器械尖端测量的阻抗的触觉反馈。在一个实施方式中，输入控制系统包括根据虚拟第一外科器械尖端到虚拟心脏解剖结构的接近程度的触觉反馈。在一个实施方式中，可视化系统可以包括方向矢量显示器，用于显示输入控制系统的拇指开关的偏转方向。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括连接于第一和第二外科器械的操纵线的主动张紧。在一个实施方式中，输入控制系统可以包括预定义速度区，用于在病人解剖结构的预定区域改变第一和第二外科器械的运动速度。在一个实施方式中，第一和/或第二外科器械可以为穿刺针、导管或外鞘。在一个实施方式中，操纵器支撑结构可以为包括射频(RF)发生器、盐水泵和/或盐水袋的集成系统。在一个实施方式中，机器人操纵器组件可以包括用于预防和/或禁止盒运动的盒超控装置(cartridge override)(例如紧急开关或on/off开关)。
本发明的前述及其他方面、特征、细节、效用及优势，在阅读了下面的说明及权利要求，并回顾了所附的附图后将会明了。
附图说明
图1是机器人导管系统的等轴侧示意图，说明了不同系统部件的示范性布局；
图2a-2c是机器人导管操纵器支撑结构的第一实施方式的等轴侧且相关的示意图，图2a从大致水平位置略带倾角地说明了机器人导管操纵器；
图3a-3c是机器人导管操纵器组件的第一实施方式的等轴侧放大图，且图3d-3i分别为其左侧、右侧、顶部、前部、后部放大图及相应的左侧视图，且3j-3m分别为图3a的机器人导管操纵器组件的左侧、右侧、顶部和前部的放大图，说明了操纵器组件与机器人导管可旋转装置盒的使用。
图4a-4c是操纵底座的第一实施方式的等轴侧放大图，且图4d-4g分别为其顶部和右侧的放大图，且分别为大致沿着图4d的A-A和B-B线截取的A-A和B-B的截面图；
图5a-5e是机器人导管装置盒的第一实施方式的等轴侧放大图，图3a说明了机器人导管装置盒的示范性应用；
图6a-6c是机器人导管操纵器组件的第二至第四实施方式的等轴侧放大图；
图7a和7b是机器人导管操纵器支撑结构的第二实施方式的简图；
图8a-8c是机器人导管操纵器支撑结构及其各种部件的第三实施方式的等轴侧及相关简图；
图9a和9b是机器人导管操纵器支撑结构的第四实施方式的等轴侧及相关简图；
图10a-10c是机器人导管操纵器支撑结构的第五实施方式的等轴侧及相关简图；
图11a-11h是机器人导管操纵器支撑结构的第六实施方式及其各部件的等轴侧及相关简图；
图12a-12c是机器人导管操纵器支撑结构的第七实施方式的等轴侧及相关简图；
图13a-13o是机器人导管操纵器支撑结构的第八实施方式的等轴侧及相关简图；
图14a-14j是机器人导管操纵器支撑结构及其各部件的第九实施方式的等轴侧及相关简图；
图15a和15b是可用于图1的机器人导管系统的示范性操纵杆；
图16a-16e是图14a和14b的操纵杆的示范性结构的视图；
图17是作为操纵线张力的函数的导管偏转的示意图；
图18是两线导管的操纵线运动的示范性视图；和
图19是优化导管尖端的运动的速度区的示范性视图。
具体实施方式
现在参照附图，图中，相同的附图标记在各图中用于标识相同的部件，机器人导管系统10的实施方式(将在下面详细说明)，简称“系统”，好比导管系统的动力操纵装置。例如，该系统可以用于在心腔或在其他体腔中操纵导管和外鞘的位置和方向。如图1所示并详细说明如下，机器人导管系统10整体地包括：人类输入装置和控制系统(简称“输入控制系统”)100，例如操纵杆及其相关控制件(在下面并且在共同拥有且共同待审的题为“机器人导管系统输入装置(Robotic Catheter System Input Device)”和“包括触觉反馈的机器人导管系统(Robotic Catheter System IncludingHaptic Feedback)”的申请中详细描述)，如电生理学家(EP)的用户可与之相互作用；电子控制系统200(在共同拥有并共同待审的题为“动态响应的机器人导管系统(Robotic Catheter System with Dynamic Response)”的申请中详细描述)，该电子控制系统将用户在输入装置处的运动转变成由此引起的导管尖端的运动；以及一个可视化系统12，该可视化系统12为用户提供实时或接近实时的关于导管尖端的定位信息。该系统可进一步包括使用EnSite NavX系统14和/或光作用力传感器的闭环反馈；机器人导管操纵器组件300，(在共同拥有的且共同待审的题为“机器人导管操纵器组件(Robotic Catheter Manipulator Assembly)”的申请中详细描述)，用于操纵机器人导管装置盒400(在共同拥有的且共同待审的题为“机器人导管装置盒(Robotic Catheter Device Cartridge)”和“机器人导管可旋转装置盒(Robotic Catheter Rotatable Device Cartridge)”的申请中详细描述)；以及操纵器支撑结构500(下面将详细说明)。该系统为用户提供了与由传统的手工控制系统所提供的相似的控制，但允许进行可重复的、精确的且动态的运动。在本申请中讨论的上面指出的以及其他共同拥有并同时待审的申请的相应的公开内容通过引入包含于此。
机器人导管系统10的实施方式可以包含自动的导管运动。用户，例如EP，能够在提供的心脏解剖结构的计算机模型上鉴别位置(可能形成一个路径)。该系统被构造成使那些数字选择的点与在病人的实际/物理的解剖结构中的位置相关联，且可以指挥和控制导管运动到特定位置。一旦到位，无论用户或系统都可以执行所需的治疗或理疗——这还可以按照定义的算法进行。这个系统通过使用与闭环位置控制一起的优化路径计划程序实现完全机器人控制。进一步地，该系统可以自动进行“最佳实践”，例如拉动导管穿过表面，或以斜角接触。
参照图1，将简要地说明输入控制系统100。
共同拥有且共同待审的题为“机器人导管系统输入装置”的申请的输入控制系统100通常可以允许用户控制导管和外鞘的运动及前进。一般地，可以使用几种类型的操纵杆，包括，但不限于，仪器化的(instrumented)传统导管手柄控制器、超大导管模型、用户可穿戴的仪器化的手套和传统的操纵杆。在实施方式中，例如且不限于，操纵杆可以弹簧定心，以便任何从中心位置的运动引起实际导管尖端的增量运动，或操纵杆可以以绝对值(absolute term)工作。触觉反馈同样可以被纳入以给用户提供何时实现接触的感觉。
参照图1，将简要地说明电子控制系统200。
如共同拥有并共同待审的题为“机器人导管系统输入装置”和“动态响应的机器人导管系统”的申请中详细描述的，许多附加的特征可以包含于系统的实施方式中，以例如改进系统的精确度或效力。这些特征可以包括使用EnSite NavX系统14的闭环反馈，该闭环反馈用于产生实际的心腔几何形状或模型，显示激活时间及电压数据以鉴别心律失常，且精确地引导导管运动；和/或光作用力传感器；“被动”操纵线的主动张紧，以减少系统的响应时间；当尖端沿着从前向后的熨烫运动时积累消融；和/或电抗/电阻阻抗监视。
参照图1，将简要说明可视化系统12。
可视化系统12可以实时地或接近实时地给用户提供关于导管尖端的定位信息。在示范性实施方式中，系统12可以包括EnSite NavX监视器16，用于显示心腔几何形状或模型，显示激活时间和电压数据来鉴别心率失常，并便于引导导管运动。可以提供透视监视器18来显示实时X射线图像或协助医生进行导管运动。另外的示范性显示器分别包括ICE和EPPruka显示器20、22。
参照图1，将简要说明EnSite NavX系统14。
EnSite NavX系统14(在题为“用于在心脏中进行导管导航和定位及绘图的方法和装置(Method and Apparatus for Catheter Navigation andLocation and Mapping in the Heart)”的美国专利号7,263,397，中详细描述，并且通过引用整体结合于此)可以用于创建实际的心腔几何形状或模型，显示激活时间和电压数据以鉴别心律失常，且精确地引导导管运动。EnSiteNavX系统14可以从导管中收集电子数据，并且用这些信息来跟踪或导航导管的运动及建造腔室的三维(3-D)模型。
参照图1-6c，将简要说明用于操作机器人导管装置盒400的机器人导管操纵器组件300。
如图1-6c中总地示出的，机器人导管系统10可以包括一个或多个机器人导管操纵器组件300，它们用于一个或多个机器人导管装置盒400的运动或行动的机械控制。图1说明了一个用于使接近角最小的大致垂直定向的操纵器组件300，而图2a说明了与大致水平位置稍微成角度的操纵器组件380。图3a和6a-6c分别说明了组件300的第一实施方式-第四实施方式，即组件302、370、372和374，它们在共同拥有且同时待审的题为“机器人导管操纵器组件”的申请中详细描述。操纵器组件302及其相关部件将在此进行说明以便于理解机器人导管系统10。
参照图1和3a-5e，将详细说明机器人导管操纵器组件300和机器人外鞘装置盒400的导管和外鞘结构。
如图1和图3a-5e总地示出且如下更详细地讨论的，操纵器组件302的第一实施方式分别包括导管和外鞘操纵器机构304、306。在这个结构中，上述导管和外鞘操纵器机构304、306可以对齐，使得导管可以以同轴排列方式穿过外鞘。正如下文详细讨论地，每个机构304、306也能够独立地前进/收缩(总地由D1和D2的方向所示)和独立地四线操纵控制(例如共8条的操纵线，包括4条外鞘控制线和4条导管控制线)。
如图1和3a-5e所示，对于这种机器人导管系统10的结构，将存在导管和外鞘盒402、404的第一实施方式的相对移动，及与在两个盒402、404之间的部分导管406有关的相对运动。对于许多实施方式，近端外鞘开口408存在水密配合，有时这会对导管的前进造成阻力。为了帮助消除/减少导管406的圆柱形的皱褶的潜在问题，一段长度的例如，如实心金属棒或纤维强化复合材料之类的硬材料包括在导管406的近端部分的内部。这种材料可以局部地增加导管的弯曲刚度且提供增强的皱褶支撑。因此，可以使导管406的近端坚硬，因此在相对平移过程中，随着导管406的整个长度延伸至外鞘410中，靠近外鞘盒404伸出的那段长度导管不太可能皱褶。
参照图1和3a-5e，将详细说明机器人导管操纵器组件302的第一实施方式。
如图1和3a-5e总地示出的，包括一个或多个机器人导管操纵器组件300的机器人导管系统10，包括机器人导管操纵器组件302的第一实施方式，其包含用于操纵例如导管和外鞘盒402、404的导管和外鞘操纵机构304、306。操纵器组件302可以包括用于导管和外鞘盒402、404的互联/互锁操纵底座308、310，且同样也包括如下讨论的电子“握手”功能。每个互锁底座308、310都可以在导管/外鞘的纵向上(分别为D1、D2)移动。在一个实施方式中，每个D1和D2都可以代表近似8线性英寸的平移。如图3a所示，每个互锁底座可以通过高精密驱动机构312、314来平移。这种驱动机构可以包括，例如且不限于，电机驱动丝杠或滚珠丝杠。
如图3a-3i和4a-4g所示，对于每个盒402、404，相关的操纵底座308、310可以包括多个指状件316、318、320和322(例如每根操纵线一个)，这些指状件向上延伸或突出以接触并相互作用于操纵线滑块(例如滑块412、414、416、418)，从而独立地张紧所选择的操纵线420、422、424、426。每个指状件可以构造成通过精密驱动机构独立地驱动，例如电机驱动滚珠丝杠324，且配备力传感器以测量相应的操纵线张力。每个电机驱动滚珠丝杠(用于指状件控制和盒平移控制)可以进一步包括编码器以测量系统的每个元件的相对和/或绝对位置。如图4a所示，滚珠丝杠324的轴承332和耦合器330可以接合各自底座308、310的框架340，且相应的指状件316、318、320或322可以邻近用于测量相应操纵线张力的应变计安装。
参照图4a-4g所示，底座308、310可以包括分别与指状件316、318、320和322连接的例如电机342、344、346和348的示范性部件。可以提供轴承354，用于底座308、310在轨道356上滑动。可以提供多个电感式传感器(例如内部传感器)358，用于引导每个操纵底座至安全位置。
操纵器组件302可以以垂直构型设置(见图1)，用于最小化导管的接近角和导管必须从病人延伸的距离，或与大致平行位置(见图2)轻微成角度。在图1的垂直构型中，可以通过如下方式令接近角和导管延伸距离最小：垂直地定向操纵器头的背板，将互锁的盒定位于较下端，以便它们可以接近水平地移动和大体上与进入病人(例如在图1中一般说明的)的切入点在一条直线上。在这个实施方式中，通过操纵器头的背板垂直定向，操纵器头结构的定位可以允许对要保持与病人的身体紧密靠近的导管/外鞘的近端控制，而没有大量的结构干扰。在一个实施方式中，用于平移每个导管和外鞘盒402、404的高精密驱动机构312、314一般地定位在操纵器底座308、310之下，以允许各自的盒位于操纵器的较低区域。通过保持较近的距离，可以最小化导管/外鞘的进入角，且可以使操纵器控制更接近地位于插入位置。
参照图1-3m，尤其是图3j-3m，机器人导管操纵器组件302可用于机器人导管可旋转装置盒490，后者在共同拥有且同时待审的题为“机器人导管可旋转装置盒”的申请中详细描述。如图3m所示，操纵器底座308可以用机器人导管可旋转驱动头492和机器人导管可旋转驱动机构494替代，其在共同拥有且同时待审的题为“机器人导管可旋转驱动机构”的申请中详细描述。
参照图1和5a-5e，将详细说明导管和外鞘盒402、404。
如上面简要讨论的，机器人导管系统10可以包括一个或多个盒400，操纵器302包括至少两个盒402、404，每个盒可以被分别设计成控制导管或外鞘远端的运动。关于导管盒402，导管406可以大体上与盒402连接或固定，以便使盒402的前进相应地使导管406前进，且盒的退回使得导管退回。进一步如图5a-5e所示和上述讨论的，在一个实施方式中，每个盒402、404包括滑块(例如412、414、416、418)，每个滑块以允许每个操纵线的独立张紧的方式刚性地(独立地)与多个导管操纵线(例如420、422、424、426)中的一个连接或固定。盒可以作为一次性物品提供，这能够很容易地定位(如卡到位)于整个组件中。在一个实施方式中，如下面详细讨论的，盒可能包括电子“握手”装置或部件，以使系统能够正确地识别盒(如通过类型和/或适当的放置/定位)。外鞘盒404可以按与导管盒402类似的方式设计，但通常会被配置为提供导管406的通道。组件302可以包括多个(如十个或更多的)独立驱动机构(如电机驱动滚珠丝杠324)。
对于一些实施方式，导管和外鞘盒可以被设计成大体上相似，并在这方面对其中任一个的提及可以涉及到两者。例如，如图5a-5e所示，导管/外鞘盒的设计可能包括上部和下部盒部分428、430，和独立的滑块412、414、416、418。该系统一般不局限于特定的材料选择或形成技术。然而，在一个实施方式中，上部和下部盒部分428、430可用聚碳酸酯材料注塑成形。每个滑块412、414、416、418可以连接到一个单独的导管操纵线420、422、424、426上，并可能由例如DelrinAF之类的Teflon类材料形成。当与盒外壳部分428、430接触时，这种Teflon类滑块可以保持较低的静态和动态摩擦系数，且可以避免额外的润滑需要。
参照图3a-5e及如上所述，导管和外鞘盒402、404可能被配置为固定或锁定到各自的互联导管和外鞘操纵底座308、310上。为了将盒402(和404)与底座308(和310)连接，在盒上的一个或多个锁定销(例如，图5a、5d和5e中的432)与在底座(见图4a)中的一个或多个配合凹槽360接合。在一个实施方式中，这种凹槽360可以包括例如弹簧制动器或其他锁定装置之类的干涉锁。在一个实施方式中，这种其他锁定装置包括物理干涉，这可能需要用户确认/肯定动作以释放盒。这种动作可以包括或要求致动释放杆362。此外，如图5c、5d和5e所示，盒402(和404)可能包括一个或多个定位销434，该定位销434被构造成被动地(passively)配合在底座上(如图4a的364)的配合孔中。
在一个实施方式中，用户(例如，EP)可以首先手动地将导管406和外鞘410(导管406插入到外鞘410中)定位在病人的脉管系统中。一旦装置大致与心脏相关地定位，例如，通过将盒的锁定/定位销432、434插入各自的底座308、310的配合孔360、364中，用户便可以将导管盒接合或连接(例如，“卡入”)至操纵器组件302的互联/互锁底座308、310上的适当位置处。当盒与底座互连时，多个指状件316、318、320或322中的每一个可以配合到滑块412、414、416、418的远端边缘和盒外壳的下部之间形成的凹槽中。例如这些凹槽如图5d和5e所示。
每个指状件可能被设计成在靠近方向上被触动，以相应地推动每个相应的滑块。该滑块可以配置为第一次接触时迫使指状件在其几何形状上自居中。这样的居中特征可通过滑块的接触面而实现。例如，如图5d和5e所示，滑块可能包括接合面(例如，成形为在面向前部分中的半圆柱形凹槽)。这个表面可能被配置为与相应指状件的配合圆形部分相配合或相互作用。
由于在每个滑块和相应的操纵线之间具有足够刚性的耦合，在近端方向上推动滑块可能会导致所连接的操纵线张紧，且从而横向偏转导管和外鞘406、410的远端。此外，在这样的一个实施方式中，因为每个指状件及其相关的滑块之间没有刚性连接，操纵器组件302不能在前进的方向上拉动操纵线。也就是说，当每个滑块被触动时，它只可能张紧操纵线。此外，因为每个滑块的推动-触动动作在那个滑块的底面附近发生，一个力矩会施加在该滑块上。因为这个力矩可能增加滑块在移动期间约束(binding)的可能性，滑块的长度可以被优化，来降低或最小化滑块和盒外壳之间的接触力。
将简要地说明操纵底座308、310和导管和外鞘盒402、404之间的上述电子握手。
机器人导管系统10可用于各种过程并且可以结合多种工具和/或导管使用。这些工具和/或导管包括，但不限于，螺旋导管、消融导管、绘图导管、气囊导管、针/扩张器工具、切割工具、烧灼工具和/或夹持工具。另外，该系统可以包括确定被安装使用的导管/工具盒的性质和/或类型的装置，和/或与位置或连接有关的信息。该系统可以自动地访问/获取关于盒的其他信息，例如，但不限于，其生产日期、序列号、灭菌日期、之前的使用等。
进一步地，该系统的一些实施方式可以包括通过使用包括在一次性盒中的存储器并与一些数据/信号通信装置一起“读取”或检测所连接的盒的类型或性质的能力。举例来说，每个盒可能包含一个芯片(例如，EEPROM芯片)，该芯片可能被操纵器头电气连接。例如，这个芯片可以在制造过程中编程且可以电子地储存各种数据，例如制造商、模型、序列号、生产日期和/或与盒或工具相关的特殊特征。此外，芯片可能包含其他有用的信息，如以前使用的信息、导管特定的标定数据和/或关于特定装置的安全或性能的其他信息。
在一个实施方式中，在将盒(例如402、404)与操纵器头(例如302)互联时，例如光学或磁性传感器之类的检测手段可以初步检测盒的存在。一旦检测到存在，操纵器就会给芯片上电，并开始数据/信号的检索。这种检索到的数据/信号然后可以被系统使用来根据所提供的设备和/或信息的类型控制或改变各种特征和/或显示。虽然一个实施方式可使用芯片(例如，EEPROM)，但由于其设计的灵活性，另一个实施方式可包括无线传输装置，例如RFID，该无线传输装置可以取代芯片或除芯片外还利于数据存储/传输。
整体参照图1、2a-2c和7a-14j，将公开操纵器支撑结构500的各种实施方式。
具体而言，参照图1和2a-2c，将说明机器人导管操纵器支撑结构510(以下简称“操纵器支撑结构”)的第一实施方式的等轴侧简图。操纵器支撑结构510一般地可以包括支架512，该支架512包括可伸缩轮514和用于连接到手术台518上的连接组件516。可以提供多个支撑连杆520，用于精确地定位机器人导管操纵器组件300/302。如用于操纵器支撑结构的第二实施方式550的图7a和7b所示，在使用中，操纵器支撑结构510可以用轮子行走到手术台518并通过连接组件516连接于其上。此后，如图7b所示，轮子514可以收回。
参照图7a和7b，说明了操纵器支撑结构550的第二实施方式的等轴侧简图。操纵器支撑结构550一般可以包括支架552，支架552包括可伸缩轮554和用于连接到手术台518上的连接组件556。可以提供多个支撑连杆558，用于精确地定位机器人导管操纵器组件300。如图7a所示，可以提供手柄560以协助用户将连接组件556延伸至床518的另一侧。如图7a和7b所示，在使用中，操纵器支撑结构550可以用轮子行走到手术台518，并通过连接组件556连接于其上。此后，轮子514可以在由踏板系统562释放时向上枢转，以定位在操作人员的路径之外。
参照图8a-8c，说明了操纵器支撑结构600的第三实施方式及其相关部件的等轴侧且相关的示意图。操纵器支撑结构600一般地包括便携式单元602，其用于操纵器支撑结构600及其相关部件的运输。结构600可包括用于连接至手术台518的连接组件604和用于精确定位机器人导管操纵器组件300的多个支撑连杆606。参照图8a和8b，在使用时，操纵器支撑结构600可以用轮子行走到手术台518，并通过连接组件604连接于其上，此后拆下并放置在便携式单元602上，用于运输。
参照图9a-9b，说明了操纵器支撑结构650的第四实施方式的等轴侧和相关的示意图。操纵器支撑结构650一般地包括用于操纵器支撑结构650及其相关部件运动的轨道安装单元652。结构650可以包括用于连接到天花板上或否则连接到所安装的轨道656上的连接组件654，和多个用于精确地定位机器人导管操纵器组件300的支撑连杆658。参照图9a和9b，在使用中，操纵器支撑结构650可以相对于手术台518定位且在使用时锁定在该位置，且通过支撑连杆658的重新定位移出使用位置或否则而重新配置到存放位置。如图9b所示，操纵器支撑结构可以大致水平和垂直地移动，以定位在手术台518的区域和从该区域退出。
参照图10a-10c，说明了操纵器支撑结构700的第五实施方式的等轴侧且相关的示意图。操纵器支撑结构700可以一般地包括用于操纵器支撑结构700及其相关部件运动的固定单元702。结构700可以包括用于连接到地板上的连接组件704，和多个用于精确定位机器人导管操纵器组件300的支撑连杆706。在使用中，操纵器支撑结构700可以相对于手术台518安装就位，或可替换地，床518可以位于结构700附近。在使用后，结构700可以通过重新定位支撑连杆706来重新配置到存放位置。
参照图11a-11h，说明了操纵器支撑结构750的第六实施方式及其各种部件的等轴侧且相关的示意图。操纵器支撑结构750可以一般地包括用于操纵器支撑结构750及其相关部件运动的便携式单元752。结构750可以包括用于精确地定位机器人导管操纵器组件300的可枢转支撑件754。可枢转支撑件754可以绕大致垂直和水平的横轴和纵轴756、758枢转。如图11c和11d所示，一次性无菌护罩760可以位于机器人导管操纵器组件300上。在操作室/EP实验室的环境，无菌护罩760可以隔离操纵器与无菌场所。无菌界面可以可选择地包括例如柔软垫片型材料之类的密封材料或部件，以使操纵器指状件(例如316、318、320和322)与盒(例如402、404)相互作用而不会受到操作的干扰，但同时保持所需的无菌度。这样的屏障或盖布可以允许操纵器被重新使用而不需要额外的消毒。
参照图11a-11h，在使用中，操纵器支撑结构750可位于手术台518附近，或可替代地，床518可以位于结构750附近，且适当的无菌护罩760设置在机器人导管操纵器组件300上。在使用后，结构750可以如图11f折叠。如图11g所示，可以根据需要经由操纵器壳体764的铰接盖而通过入口安装或替换盒402、404，或可替换地，如图11h所示，可以提供一个分区壳体(sectioned case)766，用于盒替换或接近机器人导管操纵器组件300。
参照图12a-12c，说明了操纵器支撑结构800的第七实施方式及其相关部件的等轴侧且相关的示意图。操纵器支撑结构800在设计上可以类似于图7a和图7b中的支撑结构550。操纵器支撑结构800可以一般地包括支架802，支架802包括轮子804和用于连接到手术台518上的连接组件806。可以提供多个用于精确地定位机器人导管操纵器组件300的支撑连杆808。如图12c所示，可以提供用于控制机器人导管操纵器组件300的操作的触摸屏界面810。如用于支撑结构550的图12a和12b及图7a和7b所示，在使用中，操纵器支撑结构800可以用轮子行走到手术台518，并通过连接组件806连接于其上。
参照图13a-13o所示，说明了操纵器支撑结构850的第八实施方式及其相关部件的等轴侧且相关的示意图。操纵器支撑结构850可以在设计上类似于图7a和7b的支撑结构550。操纵器支撑结构850可以大体上包括支架852，该支架852包括轮子854及用于连接到手术台518的连接组件856。可以提供多个支撑连杆858，用于精确地定位机器人导管操纵器组件300。如用于支撑结构550的图13a及7a和7b，在使用中，操纵器支撑结构850可以用轮子行走到手术台518并由连接组件856连接于其上。参照图13d和13e所示，可以提供用于机器人导管操纵器组件300的一次性封盖860，该封盖860可用于在此公开的操纵器支撑结构的任何实施方式。如图13d-13f所示，一次性封盖860和862可以包括顶盖和底盖864、866两个部分，及盐水袋连接环868和集成的手柄870。如图13g和13h所示，封盖872可折叠，以通过暴露导管/外鞘874，允许机器人导管操纵器组件300的使用。如图13j-13n所示，封盖876可以打开且拆去，以允许操纵器组件300自由地操作。如图13o所示，说明了另一个用于前述操纵器支撑结构及其相关部件的运输系统。
参照图1和14a-14j，说明了操纵器支撑结构900的第九实施方式及其各种部件的等轴侧示意图。操纵器支撑结构900可以一般地包括支架902，支架902包括可伸缩轮904及用于连接到手术台518上的可拆卸连接组件906。可以提供用于精确地定位机器人导管操纵器组件300的多个支撑连杆908。如图14a和14b所示，说明了操纵器支撑结构900分别设置成处于使用中和存放/运输构型中。如图14a和14b所示，在使用中，操纵器支撑结构900可以用轮子行走到手术台518，并通过连接组件906连接于其上。此后，轮子904可以在经踏板(未显示)释放时向上枢转，以定位在操作人员的路径之外。
参照图14a-14c，操纵器支撑结构900可以包括设置在操纵器组件300上的无菌封盖910。其他部件包括冲洗管道912、USB/电源连接器914和包含有电源端口、网络端口和EnSiteTM系统连接的控制模块916。盐水袋可去除地悬挂在挂钩918上，且可以提供用于例如盐水泵和/或消融发电机922等设备的可折叠搁架920。
参照图14d，说明了图1的操纵器组件300的放大图。如图14d所示，包含有无菌封盖910的操纵器组件300可以进一步包括电源on/off开关924、926，和紧急电源开关928。可以在930、932上提供操纵器和盒电气/控制连接。手柄934可以按照需要控制操纵器组件300。可以提供适当的LED 936、938，用于指示导管和外鞘盒的正确连接。如图14d-14f所示，操纵器组件300可以在枢轴点940由包括紧固件944和垫片/定位仪946的两点刚性连接942可枢转地连接至支撑连杆908。
参照图14a-14c和14g-14j，对于操纵器支撑结构900的第九实施方式，盒400可以包括切口950，该切口950的大小适于卡滞地咬合到操纵器底座的锁销(detent)952上。可以提供用于从操纵器组件300释放盒的释放按钮954。如图14g所示，在应变释放连接956和电气连接968处，盒400可以包括用于导管/外鞘的柔性连接。如图14h所示，可以提供用于促进盒的连接、分离和握持的符合人体工学的把手区958。参照图14i，每个盒可以包括引导龙骨960，该引导龙骨960包括控制针槽962和控制锁销964，它们与操纵底座中的相应锁销和插槽可接合(见图14g)。进一步地，如图14j所示，可以提供用于盒的存储和运输的无菌帽966，并且在使用时取下该无菌帽。本领域的技术人员从本公开内容中会很容易理解到：可以与在此公开或在上面提到的共同拥有并同时待审的申请中公开的任何其他的操纵器组件和子组件相结合来利用图14g-14j的盒设计。
在上述讨论的基础上，前述铰接支撑结构可以将操纵器组件300保持在便于处理或治疗的位置(例如，邻近股静脉/动脉以促进插入导管)。参照图2a-14j讨论的这种支撑结构可以包括但不限于接头，在每个接头上可以包括气体或液压协助，并可能进一步地包括制动机构，以将任何移动部件减速或锁定到位。可以在所有的接头上提供气-液压协助机构，以辅助操纵器组件的垂直或其他运动。此外，可以在所有的接头上和所有的自由度上提供电气的或电动机械的制动。制动器可能默认地被配置为锁定状态，以使需要电源来实现任何运动。可以提供通常锁定的结构，以便瞬间掉电不会造成任何脱开或接头运动。该系统同样可以设计有足够的稳定性，以防止甚至在任何较小的影响下的运动。
参照图1、15a和15b，公开了可用于图1的机器人导管系统10的示范性操纵杆，用于在共同拥有且同时待审的题为“机器人导管系统输入装置”和“动态响应的机器人导管系统”的申请中详细描述的输入控制系统100。
具体而言，机器人导管系统10的实施方式可以包括用户界面装置1000。对于某些实施方式，这种装置可能类似于操纵杆——允许用户以模拟普通导管操纵控制的方式提供输入到系统中。一般地如图15a和15b所示，系统的实施方式可以分别提供仪器化的外鞘和导管手柄1002、1004(或反之亦然)，它们能够纵向平移(例如在D3和D4方向)，独立旋转(在R1和R2方向)，和/或包括一个或多个可移动拇指片(thumb tab)(例如元件1006、1008)。为了记录用户的输入，每个自由度的运动可以用例如电位器或电动机/编码器等仪器化。
模仿传统的、手动的导管控制，机器人导管系统10的实施方式可以被构造成：纵向地平移输入手柄会导致导管/外鞘远侧尖端的相应纵向平移。然而，不像传统的手工导管，自动的导管系统一般通过前进或后退盒来实现这个平移。此外，机器人导管系统10可以配置成使任何手柄的转动都能引起导管/外鞘尖端的虚拟旋转，且拇指片的运动导致在目前偏转平面的偏转。
在用户界面装置1000的实施方式中，该装置的任何或所有的运动控制都能够与弹簧定心特征相关联/采用该弹簧定心特征，这个弹簧定心特征使得每个控制元件在该元件释放后返回到设置位置或“原”位置。这种定心特征可以通过将各种输入运动记录为从“原”位置的增量运动而不是通过完全以绝对范围记录运动，来允许对远侧尖端的运动进行高精度校正。
在一个实施方式中，取代拇指片式的控制，用户界面设备1000可以另外包括或替代以位移拨号控制。此外，为了适应用户的需要，这种用户界面装置的实施方式可以允许手柄完全互换，以便各种控制(例如，拨号和拇指片手柄)的组合能够用于导管/外鞘的输入。在另一个实施方式中，用户界面装置1000可以进一步地包括安全按钮(例如，“紧急制动开关(dead-man switch)”)，为了由系统记录任何操纵杆运动，必须按下该安全按钮。这种设计可以防止无意的运动影响实际导管顶端的位置。在另一个实施方式中，用户界面装置1000可以进一步包括虚拟现实外科系统，其中医生可以处于心脏的环境中(见图1)，且物理地将导管定位在理想的或需要的地方。
一般地如图16a-16e所示，用于用户界面装置1000的这种装置的物理结构类似于一个实际的导管，虽然规模不同。如图16d和16e所示，通过示例的方式，各个部位可由与传统导管相关的拉线、线槽和可变刚度部分1010、1012、1014建造。在一个实施方式中，这个装置所有的运动可配置一个定心特征(例如，弹簧定心机构1016)，其中当释放时，装置本能地回复到初始位置。这个配置对于增量输入控制方案是有用的或适合的。
在其它实施方式中，该装置可以构造为没有定心机构，其中该装置的绝对位置可以代之被用来控制实际外鞘和导管的绝对位置。利用这样绝对的方法，输入装置的物理限制可以被设计为模拟实际导管和外鞘的物理限制(例如基于弯曲半径、导管缩回到外鞘中等的运动限制)。
为了记录用户输入，每个自由度的运动通常可以用电位器或电动机/编码器来仪器化。如果使用电动机/编码器，该系统同样可以对某些事件提供触觉反馈，如导管要接触虚拟墙时提供“感觉”。本发明的实施方式可以同样包括在该装置的远端的消融激活按钮。
呈仪器手套形式的用户界面装置现在将加以讨论。
对于机器人导管系统10的某些实施方式，用户界面装置1000可以包括或采取仪器手套的方式。在一个实施方式中，用户的/佩戴者的食指可以被仪器化来作为虚拟导管尖端。在另一个实施方式中，用户可以通过与尖端的虚拟表示相互作用来操纵实际导管。对于这样的一个用户界面装置，用户可以戴上装备有传感器(例如，加速度和位置传感器)的仪器手套。这个装置可以例如通过全息摄影来操纵三维可视化导管和/或心脏解剖结构或与之相互作用。
在这样的输入控制手段的实施方式中，遥控“手套型的”系统可以进一步在液体贮罐(例如，水箱)内实施，其中，场发生器(例如由St.Jude医疗销售的与NavXTM控制系统相关的场发生器)被外部连接。对于这样的实施方式，仪器手套可以扩展到该贮罐中，同时用户的手指(如食指)或手套的其他部位装备有电极，以实现检测整个手套或部分手套的位置和取向信息。
在一个实施方式中，电极(例如NavX型电极)可以定位在用户的食指上，以与导管上的类似的电极相对应，其中手套电极的运动被构造成引起实际导管电极的相应运动。进一步地，如果需要的话，可以通过结合激活开关例如脚踏板，来实施增量运动控制方案。这种控制/开关向系统表示为了以后使用(例如以控制为目的)可以记录连续运动。
现在将讨论基于在远侧导管尖端上的实际感知的力的触觉反馈。
用户界面装置1000的实施方式可以包括触摸式反馈，通常被称为“触觉反馈”，这可能涉及通过连接到用户界面装置1000的电动机产生的力，在持有该装置时，用户可以感觉到该力，同样在共同拥有且同时待审的题为“包括触觉反馈的机器人导管系统”的申请中公开，该申请通过引用整体结合于此。这些力可以是基于施加到物理导管尖端的实际的或计算的力。在一个实施方式中，在导管的尖端，该单元可以通过使用力和/或阻抗传感器感觉到力，且在输入手柄上产生相对应的力。在其他的实施方式中，该力可以基于所计算的心脏解剖结构几何模型，例如与St.Jude医疗公司EnSiteTM系统相关的。
在一个实施方式中，触觉反馈可以通过采用输入装置传达给用户，该输入装置在每个自由度上配备有电动机/编码器。虽然电动机可以针对大部分程序在被动模式下工作，但如果系统需要反馈，电动机可以被供电以在输入控制上产生扭矩，能够阻碍用户在特定的自由度的运动。而在被动的模式下，电动机一般不会产生显著的阻力，但附加的编码器可以记录输入，以用在可视化和控制程序中。
在触觉响应被传达之前，系统可先计算出这个力的适宜性和大小。在一个实施方式中，这种力可以试图复制实际导管尖端和心脏解剖结构部分之间的接触。在一个实施方式中，这种接触可以通过导管/外鞘远侧尖端上的一个或多个力传感器直接感受到，或基于在所提供的几何计算机模型中的虚拟导管/外鞘位置来计算。
在触觉力基于实际导管接触的实施方式中，导管的远侧尖端可能配备有力传感器。这种力传感器可以包括但不限于，负载传感器、基于形状记忆合金的力传感器、压电式力传感器、应变计或基于光学或声学的力传感器。在其他实施方式中，接触传感器可以基于电接触，例如与所探测的阻抗相关联的那些。
在采用实际接触探测的实施方式中，该传感器可以产生代表实际的物理或电接触的信号。根据力的大小和方向，以及输入装置的当前位置，系统可以在输入装置上产生相应的力矩，该力矩可以阻止穿过阻挡的解剖结构的进一步运动。该系统可以被构造成用户将“感受”到这个反作用力，就像输入装置撞击到“虚拟墙”上。
在系统校准的基础上，用户在输入操纵杆上感觉到的阻力可以更有弹性或者弹性更差。即，该系统可以进行调整，以便尖端与心脏壁的撞击或是感觉像与固定物体的刚性撞击，或可能像与软海绵接触。
现在将讨论基于接近于虚拟心脏解剖结构的虚拟导管尖端的触觉反馈。
如上所述，在一个实施方式中，触觉反馈力可以基于从虚拟导管模型和计算机产生的心脏解剖结构表示之间的近似度所计算的接触力传达给用户。在一个实施方式中，导管定位可以通过一个基于阻抗的位置检测系统(例如与St.Jude医学公司的NavXTM有关的系统)获得。此外，这样一个计算机生成的心脏解剖结构表示可以从先前的CT或MRI数据，或模型(如由St.Jude医学公司的EnSiteTM系统建立或维护的)中取得。
在这样的实施方式/结构中，用户可能有事先得到的心脏解剖结构几何模型。通过可视化系统(如St.Jude医学公司的EnSiteTM系统)，这种模型可能由EP用户观看。这种模型可以利用例如以前捕获的CT或MRI图像，和/或通过(例如，用St.Jude医学公司的NavXTM系统)探测绘图导管的实际位置数据获得的“蒙皮(skinned)”的几何形状来组成。一旦模型被组成，导管定位系统(例如，St.Jude医学公司的NavXTM系统)然后可以将工作导管放置在计算的几何模型的内部。在一个实施方式中，随着导管在该几何形状中移动，触觉系统可以用来将导管位置与生成的几何形状的位置相比较。如果导管被视为与生成的几何接触，相对于相关的输入设备，产生阻力，例如，用所连接的电动机。
在一个实施方式中，几何模型可以和一个重复的生理信号挂钩，例如，心律或呼吸节奏。由于该信号是在实际过程感觉到，所以几何模型可以动态地改变。这可以使所计算的触觉反馈能够提供一个对在病人体内实际发生接触的更准确的表示。
参照图17，现在将讨论在可视化软件中显示拇指开关偏转方向的方向矢量显示。
对于一些传统的、非机器人导管程序，导管手柄上的拇指开关通过张紧相应的操纵线来导致导管偏转。这种开关通常允许导管的远侧尖端在单独平面上的一个或两个相反的方向上横向转移。如果希望在一个以上的平面上偏转，用户通常必须围绕其纵轴物理地旋转导管以引起偏转平面的旋转。
不同于传统的非机器人控制，机器人导管系统10不需要导管物理旋转以实现类似的定位结果。而该系统代之通过使用4个(或更多)操纵线可以实现360度的远侧尖端运动(除了在共同拥有且同时待审的题为“机器人导管可旋转装置盒”的申请中讨论的使用可旋转盒的情况)。在一个实施方式中，四个操纵线中的每一个围绕导管/外鞘的周长等间隔(例如，间隔90度的位置)。在结合仪器化传统导管处理输入控制的实施方式中，如上所述的，提供一个标记(见图17的示范箭头)，使得用户知道如果驱动拇指开关，远侧尖端将向何方向偏转。
机器人导管系统10的一个实施方式通过包括在计算机可视化(例如，如结合St.Jude医学公司的EnSiteTM系统提供的显示)上的表示(例如，一个偏转平面矢量)而提供对偏转方向的指示。在一个实施方式中，这样的表示(如矢量)可能包括重叠在对物理导管的虚拟表示的尖端上的箭头。这种箭头指示拇指开关拉向用户时导管将移动的方向。同样，推动控制装置(如拇指开关)可能会导致导管向相反的箭头尾部的方向移动。用户可以通过旋转输入手柄，引起这个矢量的旋转，然后可以通过所连接的电动机/编码器或电位器感受到。类似的，偏转矢量可以与外鞘可视化相关联。
现在将通过参照图5a-5e(如上所述)和18简要地讨论“被动”的操纵线的主动张紧。
机器人导管系统10的一个实施方式中采用了多个(如4个)独立控制的操纵线，以允许导管尖端偏转360度。一般地如图18所示，四线实施方式提供了：对于任何给定的运动，(多个中的)一个或两个相邻的操纵线在近端方向被张紧，以带来理想的远侧尖端偏转。通过有选择地控制哪根操纵线被张紧，自动导管系统有能力获得360度远侧尖端偏转，而不需要围绕其轴的纵向轴线物理地旋转导管。
一般地，如使用简化的、两线导管的图18所示，在任何偏转时，没有直接张紧的操纵线(“被动”操纵线)可能倾向于在远端方向收缩。
如上所述，机器人导管系统10的实施方式可以提供操纵线的张紧(例如，通过在近端方向移动指状件/滑块)。一般地如图18所示，主动操纵器指状件1050在近端方向推动滑块1052。这个运动导致所连接的操纵线1054张紧，造成导管尖端的远侧偏转。为了允许位移，部分由于导管的弯曲曲率半径，操纵线1056必须在远端方向上移动。这会导致所连接的滑块1058将在远端方向上被拉动。在一个实施方式中，因为它们的机械安装(如高精密驱动机构)，操纵器指状件不能自由移动。然后为了允许被动滑块1058远端地移动，操纵器指状件1060可能会被迫使在远端方向移动。
在一个实施方式中，为了有助于防止指状件1060阻碍被动操纵线1056，在不是可控制地张紧操纵线时，每个指状件可收回至“原”位置。这种回归到原位置的配置可以至少部分有助于确保每个指状件1060不会阻碍被动滑块1058的远端移动。但是对于这种结构来说，可取的是包括解决与减少系统响应时间和潜在的步进远侧尖端运动相关的问题的特征，这些问题归结于被动滑块必须张紧以导致理想的运动时指状件1060移动回到与滑块1058接触所需的时间。
在另一实施方式中，通过在每个操纵器指状件1060中的机械交流中结合力传感器，被动滑块1058可以被允许自由退回，而避免接触延迟。在这样的一个实施方式中，每个被动指状件1060都有可能可被控制地定位，以便指状件1060和被动操纵线滑块1058之间一直保持着最小的接触力。这将确保所有的被动操纵线1056均保持在“准备”状态，而没有重大的阻碍。这种“主动张紧”可能涉及一个闭环算法，其通过使用例如应变计来不断监控施加在每个指状件1060上的力。这种“主动张紧”控制程序然后可通过触动相连接的驱动机构来平移相应的被动指状件1060，以将指状件1060和滑块1058之间的接触力保持在一个范围内(例如，50-100克的力)。
现在将参照图19简要地讨论预先定义的导管“速度区”。
为了帮助用户安全且快速围绕心腔导航导管，机器人导管系统10采用预先定义的“速度区”以优化导管尖端的运动。如结合图19所描述的，A区可以定义为心腔中最核心且最安全的区域。在A区，可以加快导管尖端，以使导管尖端可以以比正常速度快的速度穿过这个区域，例如，输入运动的200％。当用户将导管靠近心脏壁时，他/她可能希望提高精度，而不是速度。因此，B和C区可以有目的地且逐步地缩小输入运动和尖端运动之间的缩放因子。最后，用户可以有能力定义该几何形状外的一个区域，例如，D区，防止导管进入其中。另外，这种“外区”可被建模，来提供一个将导管“推”回到可接受范围中的力。
如果需要，在输入操纵杆中，该系统可包括相应的触觉响应。对于区域A、B和C，这样的触觉响应可能涉及在手柄上阻尼力的变化(例如，随着尖端更进一步接近壁，用户可能会觉得好像尖端被陷在越来越密的污泥中)。一旦该尖端开始跨区域C和D区之间的障碍，这种感觉可能会伴随着防止无意地继续运动的力。
虽然上面以特定具体程度描述了本发明的几个实施方式，但本领域技术人员可以对公开的实施方式作出很多变动，而不会脱离本发明的范围。所有方向参考(例如，上部、下部、向上、向下、左侧、右侧、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、纵向、水平、顺时针和逆时针)仅作识别之用，以帮助读者理解本发明，并不会造成限制，特别是不会对本发明的位置、方向或使用造成限制。连接参照(例如，所安装的、所耦合的、所连接的等)要广泛地解释，且可能包括所连接元件之间的中间构件和元件之间的相对运动。因此，连接参照并不一定推断两个元件直接连接和固定的相互关系。其目的是，在上面的描述和附图图示中包含的所有事项应仅解释为说明，而非限制。在不离开所附权利要求限定的本发明的前提下可以在细节和结构上作出改变。

Claims (51)

1.一种机器人导管系统，包括：
至少一个机器人导管操纵器组件，其被支撑在操纵器支撑结构上，所述机器人导管操纵器组件包括至少一个可拆卸地安装的机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒，每个盒相对于所述机器人导管操纵器组件可大致线性地移动，其中，所述机器人导管装置盒的线性移动范围与所述机器人外鞘装置盒的移动范围至少部分重叠；
输入控制系统，其用于控制所述机器人导管操纵器组件的操作；和
可视化系统，其包括至少一个显示监视器，用于显示分别连接到所述机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒上的导管和外鞘中的至少一个的位置。
2.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括用于将所述机器人导管操纵器组件连接至手术台上的连接组件。
3.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括便于所述机器人导管操纵器组件的运输的至少一个可伸缩轮。
4.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括可调整地支撑所述机器人导管操纵器组件的至少一个支撑臂。
5.如权利要求4所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地将所述机器人导管操纵器组件定位在相对于大致水平设置的手术台成锐角的平面上。
6.如权利要求4所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地将所述机器人导管操纵器组件定位在与大致水平设置的手术台大致垂直的平面上。
7.如权利要求4所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地定位所述机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒，用于在相对于大致水平设置的手术台成锐角的平面上运动。
8.如权利要求4所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地定位所述机器人导管装置盒和机器人外鞘装置盒，用于在与大致水平设置的手术台大致垂直的平面上运动。
9.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述机器人导管操纵器组件支撑结构大体上相对于手术台固定地设置。
10.如权利要求1所述的机器人导管系统，还包括用于所述机器人导管操纵器组件的传输和无菌使用的壳体。
11.如权利要求1所述的机器人导管系统，还包括用于防止所述机器人导管操纵器组件污染的无菌护罩。
12.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述机器人导管系统是便携式的，不用提着。
13.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述导管盒和外鞘盒中的至少一个相对于所述机器人导管操纵器组件为可旋转的。
14.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述机器人导管操纵器组件包括支撑构件，所述支撑构件包括相对于彼此且相对于支撑构件可移动的至少一个导管操纵底座和至少一个外鞘操纵底座，每个相应的操纵底座可释放地连接至所述导管装置盒和外鞘装置盒。
15.如权利要求14所述的机器人导管系统，其中，所述导管操纵底座和导管装置盒中的一个包括至少一个第一元件，该至少一个第一元件与至少一个互补的第二元件可接合，该至少一个互补的第二元件与所述导管操纵底座和导管装置盒中的另一个可滑动接合，用于通过拉动连接到所述第一元件和第二元件中的一个以及导管的操纵线来控制所述导管的运动。
16.如权利要求14所述的机器人导管系统，其中，所述外鞘操纵底座和所述外鞘装置盒中的一个包括至少一个第一元件，该至少一个第一元件与至少一个互补的第二元件可接合，所述至少一个互补的第二元件与所述外鞘操纵底座和所述外鞘装置盒中的另一个可滑动接合，用于通过拉动连接到所述第一元件和第二元件中的一个以及外鞘的操纵线来控制所述外鞘的运动。
17.如权利要求14所述的机器人导管系统，其中，所述导管操纵底座和外鞘操纵底座相对于彼此且相对于所述支撑构件可线性移动。
18.如权利要求14所述的机器人导管系统，其中，所述导管操纵底座大致设置在所述外鞘操纵底座之后，以允许将所述导管插入所述外鞘。
19.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括操纵杆、仪器手套、鼠标、空间球和3维输入设备中的至少一个。
20.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括根据在远侧导管尖端上实际感受到的力以及在远侧导管尖端测量的阻抗中的一个的触觉反馈。
21.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括根据虚拟导管尖端到虚拟心脏解剖结构的接近程度的触觉反馈。
22.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述可视化系统包括用于显示所述输入控制系统的拇指开关偏转方向的方向矢量显示器。
23.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括连接到所述导管和外鞘的操纵线的主动张紧。
24.如权利要求1所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括用于在病人解剖结构的预定区域中改变所述导管和外鞘的运动速度的预先定义的速度区域。
25.一种机器人导管系统，包括：
至少一个机器人操纵器组件，其被支撑在操纵器支撑结构上，所述机器人操纵器组件包括至少一个可拆卸地安装的机器人第一外科器械设备盒和机器人第二外科器械设备盒，每个盒相对于所述机器人操纵器组件可大致线性地移动，其中，所述第一外科器械设备盒的线性移动范围与所述第二外科器械设备盒的移动范围至少部分重叠；
输入控制系统，其用于控制所述机器人操纵器组件的操作；和
可视化系统，其包括至少一个显示器，用于显示分别连接到所述机器人第一外科器械设备盒和机器人第二外科器械设备盒上的第一外科器械和第二外科器械中的至少一个的位置。
26.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括用于将所述机器人操纵器组件连接到手术台上的连接组件。
27.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括便于所述机器人操纵器组件的运输的至少一个伸缩轮。
28.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构包括至少一个支撑臂，该至少一个支撑臂可调整地支撑所述机器人操纵器组件。
29.如权利要求28所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地将所述机器人操纵器组件定位在相对于大致水平设置的手术台成锐角的平面上。
30.如权利要求28所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地将所述机器人操纵器组件定位在与大致水平设置的手术台大致垂直的平面上。
31.如权利要求28所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地定位所述机器人第一外科器械设备盒和机器人第二外科器械设备盒，用于在相对于大致水平设置的手术台成锐角的平面上运动。
32.如权利要求28所述的机器人导管系统，其中，所述支撑臂可调整地定位所述机器人第一外科器械设备盒和机器人第二外科器械设备盒，用于在与大致水平设置的手术台大致垂直的平面上运动。
33.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述机器人操纵器组件支撑结构大体上相对于手术台固定地设置。
34.如权利要求25所述的机器人导管系统，还包括用于所述机器人操纵器组件的运输和灭菌使用的壳体。
35.如权利要求25所述的机器人导管系统，还包括用于防止所述机器人操纵器组件污染的灭菌护罩。
36.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述机器人导管系统是便携式的，不用提着。
37.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述第一外科器械设备盒和第二外科器械设备盒中的至少一个相对于所述机器人操纵器组件可转动。
38.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述机器人操纵器组件包括支撑构件，所述支撑构件包括相对于彼此且相对于支撑构件可移动的至少一个第一外科器械操纵底座和至少一个第二外科器械操纵底座，每个相应的操纵底座可释放地连接至所述第一外科器械设备盒和第二外科器械设备盒。
39.如权利要求38所述的机器人导管系统，其中，所述第一外科器械操纵底座和所述第一外科器械设备盒中的一个包括至少一个第一元件，该至少一个第一元件与至少一个互补的第二元件可接合，所述至少一个互补的第二元件与所述第一外科器械操纵底座和所述第一外科器械设备盒中的另一个可滑动地接合，用于通过拉动连接到所述第一元件和第二元件中的一个以及所述第一外科器械的操纵线来控制所述第一外科器械的运动。
40.如权利要求38所述的机器人导管系统，其中，所述第二外科器械操纵底座和所述第二外科器械设备盒中的一个包括至少一个第一元件，该至少一个第一元件与至少一个互补的第二元件可接合，所述至少一个互补的第二元件与所述第二外科器械操纵底座和所述第二外科器械设备盒中的另一个可滑动地接合，用于通过拉动连接到所述第一元件和第二元件中的一个以及所述第二外科器械的操纵线来控制所述第二外科器械的运动。
41.如权利要求38所述的机器人导管系统，其中，所述第一外科器械操纵底座和第二外科器械操纵底座相对于彼此且相对于所述支撑构件可线性移动。
42.如权利要求38所述的机器人导管系统，其中，所述第一外科器械操纵底座大致设置在所述第二外科器械操纵底座的后面，以允许将所述第一外科器械插入所述第二外科器械。
43.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括操纵杆、仪器手套、鼠标、空间球和三维输入设备中的至少一个。
44.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括根据在远侧第一外科器械尖端实际感受到的力和从远侧第一外科器械尖端测量的阻抗中的一个的触觉反馈。
45.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括根据虚拟第一外科器械尖端到虚拟心脏解剖结构的接近程度的触觉反馈。
46.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述可视化系统包括用于显示所述输入控制系统的拇指开关偏转方向的方向矢量显示器。
47.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括连接到所述第一外科器械和第二外科器械的操纵线的主动张紧。
48.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述输入控制系统包括用于在病人解剖结构的预定区域中改变所述第一外科器械和第二外科器械的运动速度的预先定义的速度区域。
49.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述第一外科器械和第二外科器械为穿刺针、导管和外鞘中的一个。
50.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述操纵器支撑结构是包括射频发生器、盐水泵和盐水袋的集成系统。
51.如权利要求25所述的机器人导管系统，其中，所述机器人操纵器组件包括盒超控装置，所述盒超控装置用于对所述盒的运动进行预防和禁止中的至少一项。
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