專利名稱：關(guān)于曲率交互作用、多個(gè)曲率半徑和自適應(yīng)鄰域的規(guī)劃的制作方法
關(guān)于曲率交互作用、多個(gè)曲率半徑和自適應(yīng)鄰域的規(guī)劃本發(fā)明涉及同心插管在體內(nèi)、例如內(nèi)科患者人體內(nèi)的規(guī)劃插入的領(lǐng)域。下列相關(guān)申請(qǐng)和專利文獻(xiàn)以參考的方式并入本文中 于1990年8月14授予Trovato等人的第4949277號(hào)美國(guó)專利。 于1999年3月9授予Averkiou等人的第5879303號(hào)美國(guó)專利。 于2003年8月5授予Dorst等人的第6604005號(hào)美國(guó)專利。 在先的由Trovato等人于2006年10月6日提交的s/n 12/088870號(hào)共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)(3D Path Planning, Simulation and Control System)，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第 2008/0234700 號(hào)，2008 年 9 月 25 日。 在先由Trovato等人于2008年6月沈日提交的第61/075，886號(hào)共同待決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)(Method and System for Fast,Precise Path Planning)，其為于 2009 年 6 月16日提交的PCT/IB2009/05250號(hào)國(guó)際申請(qǐng)。 在先由Greenblatt等人于2008年10月17日提交的第61/106287號(hào)共同待決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)(Interlocking Nested Cannula)，其為于2009年10月12日提交的PCT/ IB2009/054474號(hào)國(guó)際申請(qǐng)。 在先由Trovato于2007年8月15日提交的第IB2007/053253號(hào)共同待決的國(guó)際申請(qǐng)(Active Cannula Configuration for Minimally Invasive Surgery),國(guó)際公開(kāi)號(hào)為 W02008/032230A1,2008 年 3 月 20 日。 在先由Trovato于2008年6月25日提交的第61/07M01號(hào)共同待決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)(Nested Cannulae for Minimally Invasive Surgery)，其國(guó)請(qǐng)?zhí)枮?PCT/ IB2009/052521，2009 年 6 月 12 日提交。這些文獻(xiàn)一同描述了一種醫(yī)療應(yīng)用，其大概概括如下在

圖1中，患者101在掃描設(shè)備102中接受掃描。掃描設(shè)備可以是任何合適的類型，例如超聲、CT掃描或者M(jìn)RI掃描?；颊呱眢w的任何部分均可被掃描，例如肺部。掃描結(jié)果將顯示患者身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)可包括諸如肺部的氣道、血管、尿道、鼻道或腸的管狀通道。內(nèi)部空間可以是更為開(kāi)放的(open)，例如胃、膀胱或竇。在某些情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)將是固態(tài)組織(但是其中某些區(qū)域是優(yōu)先的)，例如大腦內(nèi)的。這種醫(yī)療應(yīng)用不限于任何具體的掃描技術(shù)或者任何具體的體內(nèi)空間。掃描設(shè)備將包括用于收集和處理來(lái)自掃描的數(shù)據(jù)的處理器103。處理器可以是任何合適的類型，并且通常將包括至少一個(gè)用于存儲(chǔ)可執(zhí)行程序代碼和數(shù)據(jù)的機(jī)器可讀介質(zhì)。可以有一種或多種不同類型的多個(gè)處理器和多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)。處理器常常具有一些與外部設(shè)備進(jìn)行通信的途徑。該處理器被示出具有用于無(wú)線通信的天線105，但是同樣可以通過(guò)有線連接因特網(wǎng)、紅外、經(jīng)由光纖或者經(jīng)由任何合適的方式進(jìn)行通信。掃描設(shè)備還將包括至少一個(gè)用戶接口 104，其包括下列中的一個(gè)或多個(gè)顯示器、觸摸敏感屏、鍵盤(pán)、指針設(shè)備、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、打印機(jī)和/或任何其他用戶接口外設(shè)。本發(fā)明不限于與用戶或外圍儀器進(jìn)行通信的任何具體的外設(shè)。盡管所有處理均可以在掃描設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，但也可以有外部處理器106，以用于執(zhí)行
6路徑規(guī)劃，以及假定的一組用于遵循該路徑的“凈形狀”。處理器106將與用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序代碼的至少一個(gè)介質(zhì)107關(guān)聯(lián)。介質(zhì)107可以包括各種類型的驅(qū)動(dòng)器，例如磁的、光學(xué)的或者電子的，以及存儲(chǔ)器，例如可讓執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)貯存于其中的超高速緩沖存儲(chǔ)器。規(guī)劃過(guò)程的輸出被示意性示出，并且包括任何合適格式的技術(shù)規(guī)格108以及同心插管 109自身。圖2示出了從掃描中分割獲得的患者肺中的管狀通道的圖像。期望將醫(yī)學(xué)設(shè)備插入這些管狀通道中，因?yàn)檫@使得在通向靶標(biāo)位置的路線上形成的傷害最小。當(dāng)內(nèi)窺鏡被用于穿過(guò)通道時(shí)，這種外科手術(shù)被稱作NOTES (天然管腔內(nèi)內(nèi)窺鏡手術(shù))。這種外科手術(shù)不需要外科手術(shù)靶標(biāo)位于管狀通路內(nèi)，而是要求通過(guò)具有穿過(guò)已有管的工具以較小創(chuàng)口到達(dá)靶標(biāo)，使得靶標(biāo)可經(jīng)管腔到達(dá)。已經(jīng)提出諸如活動(dòng)插管的管狀設(shè)備，參見(jiàn)例如R. J. Webster等人在2006IEEE/ RSJ (2006 年 10 月，中國(guó)北京)第 2857-2863 頁(yè)中的“Toward Active Cannulas =Miniature Snake-like Surgical Robots”。這些設(shè)備依賴于兩個(gè)或更多個(gè)管之間的在它們彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)引起側(cè)向運(yùn)動(dòng)的交互作用。當(dāng)它們從彼此伸出時(shí)，它們能夠引起各種側(cè)向運(yùn)動(dòng)，特別是在它們沿單根管具有不同曲率的情況下。如果這種運(yùn)動(dòng)被仔細(xì)描述，則可以利用這些運(yùn)動(dòng)來(lái)到達(dá)多個(gè)位置，其類似于自由空間中的機(jī)器人。然而，如果這種側(cè)向運(yùn)動(dòng)大于有效操縱空間，則這些設(shè)備在經(jīng)管腔延伸時(shí)會(huì)遇到困難。盡管Webster的文章考慮了部署期間管的交互作用，但是未考慮與使活動(dòng)插管遵循所規(guī)劃的路徑有關(guān)的問(wèn)題。這些設(shè)備可幫助收集數(shù)據(jù)、收集組織、或者執(zhí)行其他程序。例如，基于患者的圖像，可以使一組管從最大到最小地伸展，使得在被部署時(shí)，它們具有這樣的結(jié)構(gòu)，即每個(gè)插管的至少一部分留在患者的近端，同時(shí)較小的插管將按照直徑的相反順序伸入患者內(nèi)部空間。因此，最粗的插管的終端將更靠近近端，同時(shí)最細(xì)的插管將伸向更遠(yuǎn)處。在本文中，如果在被部署時(shí)插管的終端更靠近遠(yuǎn)端，則該插管將被視為更靠近遠(yuǎn)端-如果在被部署時(shí)插管的終端更靠近近端，則該插管將被視為更靠近近端。嵌套插管與活動(dòng)插管略微不同，因?yàn)樗鼈儽粯?gòu)造成借助最小的側(cè)向運(yùn)動(dòng)(扭動(dòng)) 在特定環(huán)境下到達(dá)特定位置。在一種嵌套插管中，管被互鎖，使得它們不作相對(duì)旋轉(zhuǎn)。插入應(yīng)當(dāng)使得對(duì)管狀通道或其他組織的損傷最小。這種損傷可能來(lái)源于插管的移動(dòng)。嵌套插管例如在在先的由Greenblatt等人于2008年10月17日提交的第61/106287號(hào)共同待決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)(Interlocking Nested Cannula)中有所描述，其中該臨時(shí)申請(qǐng)為于2009年 10月12日提交的第PCT/IB2009/0M474號(hào)國(guó)際申請(qǐng)。圖3示意性示出了將要執(zhí)行的過(guò)程的范例。首先，在301上，患者接受掃描。然后在302上創(chuàng)建圖像，其指示禁止區(qū)域以及典型地穿過(guò)其他區(qū)域的代價(jià)。例如，可以將圖像進(jìn)行分割以從圖2所示圖像的其余部分中提取氣道。然后在303上規(guī)劃路徑，其包括一系列形狀。如之前的路徑規(guī)劃應(yīng)用中所描述的那樣，這需要定義用于開(kāi)始查找的種子位置。接著建立同心插管設(shè)備以獲得特定形狀，在304上由專業(yè)人員接收該設(shè)備。最后，在305上， 通過(guò)按照特定順序伸展管在患者身上執(zhí)行期望的程序?？紤]到現(xiàn)代科技的靈活性，這些操作中的很多可以遠(yuǎn)程實(shí)施。例如，可以在一個(gè)地點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理輸入到(例如經(jīng)分割的)內(nèi)部空間的模型中?？梢栽诘诙€(gè)地點(diǎn)規(guī)劃通過(guò)該空間的路徑以及適于遵循該路徑的設(shè)備。然后可以在第三個(gè)地點(diǎn)組裝該設(shè)備，此后再將該設(shè)備返還給技術(shù)人員或內(nèi)科醫(yī)生，以用于插入患者體內(nèi)。優(yōu)選地，可以在具有良好的質(zhì)量和衛(wèi)生控制的制造設(shè)施中組裝嵌套插管設(shè)備；盡管如此，所有這些步驟也可以在單一地點(diǎn)執(zhí)行，由內(nèi)科醫(yī)生自己來(lái)組裝要插入的設(shè)備。已經(jīng)有人提議利用k*型路徑規(guī)劃來(lái)使得對(duì)活動(dòng)插管的部署變得容易，參見(jiàn)例如在先由 Trovato 等人在 2006 年 10 月 6 日提交的題為“3D TOOL PATH PLANNING, SIMULATION AND CONTROL SYSTEM”的s/nl2/088870號(hào)共同待決的美國(guó)申請(qǐng)，于2008年9月25日公開(kāi)的第2008/0234700號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)，其以引用的方式并入本文并且成為本申請(qǐng)的一部分。這種規(guī)劃利用了“配置空間”?！芭渲每臻g”是一種存儲(chǔ)在至少一個(gè)機(jī)器可讀介質(zhì)上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該配置空間代表了有關(guān)物理任務(wù)空間的信息。在本例中，物理任務(wù)空間為活動(dòng)插管將要被插入的患者身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。配置空間包括很多“節(jié)點(diǎn)”或“狀態(tài)”，它們分別代表插入過(guò)程中設(shè)備的配置。圖4示出了在先由Trovato等人在2008年9月23日提交的第61/099，223號(hào)和于2008年6月沈日提交的第61/075，886號(hào)共同待決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)所教導(dǎo)的、用于創(chuàng)建配置空間中的節(jié)點(diǎn)的源程序代碼，其優(yōu)選被改進(jìn)以利用本文所教導(dǎo)的方法使存儲(chǔ)器最小化。這種程序代碼被轉(zhuǎn)換成機(jī)器可讀代碼，并且被包含在介質(zhì)上以供本發(fā)明使用。當(dāng)代碼被執(zhí)行時(shí)，將產(chǎn)生包含在介質(zhì)上的配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種特殊的代碼對(duì)于人體內(nèi)部空間而言是有利的。通過(guò)增加3D配置空間路徑，這種代碼允許將6D空間壓縮成3D，其具有高精度的位置和取向，而不是從這些位置和取向的配置狀態(tài)位置推斷出它們。A*或‘代價(jià)波傳遞’將在被用于配置空間時(shí)查找配置空間，在每個(gè)被訪問(wèn)的狀態(tài)上留下指向“通往種子的最佳路徑”的方向，例如指針?！按鷥r(jià)波的傳遞”包括從查找種子(常常是靶標(biāo)點(diǎn))開(kāi)始。通過(guò)配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的代價(jià)波的傳遞利用包含在介質(zhì)上的另一種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其被稱作“鄰域”。鄰域是關(guān)于從配置空間中的一種狀態(tài)到該配置空間內(nèi)的其他狀態(tài)的允許過(guò)渡的一種機(jī)器可讀表示。例如在圖6中，在關(guān)于給定位置的八個(gè)均勻間隔的旋轉(zhuǎn)上示出了單個(gè)弧(也稱作纖維)的單個(gè)曲率?；￠L(zhǎng)可以根據(jù)應(yīng)用被限制成小于90 或180度，并且在中心示出的細(xì)絲(thread)(曲率為零的弧)也可以被限制成近似具有相同的長(zhǎng)度。代價(jià)波的傳遞還包括“度量”，其為評(píng)估因從一個(gè)狀態(tài)過(guò)渡到鄰域狀態(tài)所引起的代價(jià)的函數(shù)。在本文中，術(shù)語(yǔ)“同心插管”將被用來(lái)包括上述活動(dòng)插管和嵌套插管。本發(fā)明也適用于這兩種類型。用在活動(dòng)插管中的一種有利材料是Ni-Ti合金(鎳鈦諾)。鎳鈦諾具有“記憶形狀”，即能夠在高溫下設(shè)計(jì)或者預(yù)設(shè)鎳鈦諾的管/線的形狀。因此，在較低溫度(例如室溫或體溫)下，如果較小管從較大管中伸出，則它恢復(fù)其“設(shè)計(jì)形狀”。鎳鈦諾的另一個(gè)好處是它可以被用在MRI機(jī)器中。它是一種相對(duì)較強(qiáng)的材料，因此能夠被用來(lái)形成薄壁，從而實(shí)現(xiàn)若干管的嵌套。外徑從5mm至0.8mm的0.2mm及其以下的管在市場(chǎng)上可輕易獲取。也可以使用其他材料，諸如聚碳酸酯，其特別用于低代價(jià)的互鎖嵌套插管。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平的同心插管以兩種常見(jiàn)類型出現(xiàn)· “活動(dòng)插管”，其是指管在部署過(guò)程中能夠相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)；及· “嵌套插管”，其是指管將被構(gòu)造成盡可能地防止發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明可適用于這兩種類型。但是，優(yōu)選地，管的角取向在整個(gè)部署過(guò)程中保持固定，因?yàn)樾D(zhuǎn)可能導(dǎo)致組織受損。用在活動(dòng)插管中的一種有利材料是Ni-Ti合金(鎳鈦諾)。鎳鈦諾具有“記憶形狀”，即能夠在高溫下設(shè)計(jì)或者預(yù)設(shè)鎳鈦諾的管/線的形狀。因此，在較低溫度(例如室溫) 下，如果較小管從較大管中伸出，則它采取其設(shè)計(jì)形狀。鎳鈦諾的另一個(gè)好處是它可以被用在MRI機(jī)器中。它是一種相對(duì)較強(qiáng)的材料，因此能夠被用來(lái)形成薄壁，從而實(shí)現(xiàn)若干管的嵌套。外徑從5mm至0.8mm的0.2mm及其以下的管在市場(chǎng)上可輕易獲取。盡管如此，也可以使用其他材料，諸如各種種類的塑料。規(guī)劃結(jié)果優(yōu)選為 一組可在身體內(nèi)部署的同心插管；和/或 該組插管在長(zhǎng)度和半徑方面的規(guī)格。關(guān)于已有的方法和裝置仍有某些有待改進(jìn)的地方，例如，如果可以使用更大曲率半徑，則嵌套插管可以獲得更好的靈活性。通過(guò)考慮該組中的若干插管的組合曲率影響特性，可以進(jìn)一步減少對(duì)患者組織的損傷。期望利用自適應(yīng)鄰域和改進(jìn)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)這些目的中的一個(gè)或多個(gè)。各種目的和實(shí)施例將在文本的剩余部分中變得顯而易見(jiàn)。下列附圖以非限制性范例的方式示出本發(fā)明。圖1示出了正被掃描的患者；圖2示出了肺部模型；圖3是本發(fā)明工作過(guò)程的流程圖；圖4示出了用于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單元的程序代碼范例；圖5是示出對(duì)稱的角取向的管角取向選擇的鄰域表示的示意圖；圖6是基于先前(父類)細(xì)絲與如圖5所示那樣傾斜的其他標(biāo)稱細(xì)絲的交互作用的管細(xì)絲的鄰域表示的示意圖；圖7是具有各種曲率半徑的插管的圖；圖8是根據(jù)最大應(yīng)變與插管的轉(zhuǎn)向半徑有關(guān)的模擬結(jié)果的圖；圖9是根據(jù)插管轉(zhuǎn)向半徑與所到達(dá)的豬肺的百分比有關(guān)的模擬結(jié)果的圖；圖10示出了一組彎曲管的中心線；圖IlA是圖10的管的半徑和管尺寸的表格；圖IlB是示出凈曲率的計(jì)算的表格；圖12示出了具有三個(gè)可能的曲率半徑的三個(gè)插管；圖13示出了通過(guò)圖12的三個(gè)插管的旋轉(zhuǎn)形成的鄰域；圖14為表格，其示出了設(shè)置在不同取向上的兩個(gè)管的范例輸入規(guī)格，以及關(guān)于從每對(duì)交互作用中獲得的凈曲率的范例輸出規(guī)格，它們共同構(gòu)成鄰域；圖15是用于實(shí)現(xiàn)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單元的程序代碼；圖16為表格，其示出了設(shè)置在不同取向上的兩個(gè)管的范例輸入規(guī)格，以及關(guān)于從每對(duì)交互作用中獲得的凈曲率的范例輸出規(guī)格，它們共同構(gòu)成鄰域；圖17是具有一個(gè)以上曲率的單個(gè)管的示意圖；圖18A示出了用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)修正的關(guān)鍵配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單元的范例程序代碼；
圖18B為表格，其示出了管規(guī)格的范例；圖19示出了管一個(gè)接一個(gè)地朝向靶標(biāo)延伸的動(dòng)畫(huà)；圖20示出了制造方法的示意圖。在本文中，術(shù)語(yǔ)“管”和“插管”將可互換地被用于指代要部署的設(shè)備的部件。術(shù)語(yǔ)“目標(biāo)”和“靶標(biāo)”也將被可互換地使用。一組同心管中的最小管將為中心管。在本文中，該最小管還將被稱作“最遠(yuǎn)端”管， 因?yàn)樵谕ǔ５氖褂弥?，它可以比其他管伸得更遠(yuǎn)。類似地，這組管中的最大管位于這組同心管的外側(cè)，并且將被稱作“最近端”管。這種命名法表示，一旦這些管被部署，最大管的末端將最接近插入點(diǎn)。最小管將從插入點(diǎn)貫穿整個(gè)路徑延伸至目標(biāo)。本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域被設(shè)想包括很多種程序，包括成像、化療、化療栓塞、輻射種子、 以及光動(dòng)力學(xué)療法、神經(jīng)外科、消融、腹腔鏡檢查、血管外科和心臟外科。根據(jù)本發(fā)明的同心插管可用于其他場(chǎng)合，例如探索復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部。在本文中描述的自適應(yīng)鄰域的普遍版本可用于更廣的機(jī)器人領(lǐng)域。期望在規(guī)劃同心插管設(shè)備和路徑中考慮多種相互依賴的因素。它們包括-要執(zhí)行的程序或觀察的地點(diǎn)-該地點(diǎn)也被稱作靶標(biāo)；-身體結(jié)構(gòu)，包括自由空間和必須避開(kāi)的障礙物；-要部署的插管組；-每個(gè)插管的彈性；-每個(gè)插管的慣性矩；以及-每個(gè)插管的曲率半徑。插管的交互作用下面在參考數(shù)目中列出的Webster等人的文章里給出了插管如何相互機(jī)械交互的模型。該文章解釋了同心插管的曲率是所有插管共同作用的結(jié)果。當(dāng)活動(dòng)插管相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們共同的曲率和曲率平面發(fā)生改變。因此，這些插管執(zhí)行兩種移動(dòng)設(shè)備的尖端移動(dòng)和側(cè)向移動(dòng)。盡管尖端前進(jìn)是期望的特征，但是設(shè)備主體的側(cè)向移動(dòng)可能會(huì)引起與障礙物的碰撞。利用各種插管彈性進(jìn)行規(guī)劃的一個(gè)方法是建立全逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。這種模型在簡(jiǎn)潔性方面是有利的，但是也會(huì)涉及障礙物避讓方面的困難。另一種方法是執(zhí)行有關(guān)彈性的計(jì)算-在規(guī)劃完路徑和一組嵌套插管之后-作為此后的校正。這在與本申請(qǐng)同時(shí)提交的申請(qǐng)人的申請(qǐng)編號(hào)為012139US1的共同待決申請(qǐng)中有所討論。第三種方法是將管的曲率影響特性用作用于路徑規(guī)劃的人工智能型查找算法的一部分。該方法的范例是利用A*和適當(dāng)選擇的鄰域查找配置空間，例如下文中討論的那樣?？梢圆扇ˇ墙M{ki; ai，IJ的形式描述一組同心插管，其中Iii為第i段的曲率，Cii 為第i個(gè)管相對(duì)于第i-ι個(gè)管的角取向，而Ii為第i個(gè)管橫截面的慣性矩。在圖5中的501處示出了彎曲段(有時(shí)稱作細(xì)絲)的角取向的一些范例，同時(shí)還在中間示出了筆直段502。在該附圖中，α i的每個(gè)角度數(shù)值增大另外的45度，因此在本例中將整個(gè)360度均勻分為8個(gè)均勻間隔且對(duì)稱的曲線。每個(gè)管i被示出在附圖平面上是沿逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量的。所選擇的離散化是針對(duì)八個(gè)不同角度的對(duì)稱組，其中相鄰曲線之間為45°。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇期望的精確度所要求的更多或更少的角度，并且作為替換方式，可以選擇非均勻間隔的角度。更多的角度產(chǎn)生更精確的規(guī)劃，但是略微增加了存儲(chǔ)器的需求以及計(jì)算的復(fù)雜度。本領(lǐng)域技術(shù)人員在選擇離散化時(shí)必須平衡這些因素。優(yōu)選地， 角取向Cii相對(duì)于在前的(即近端)管是固定的。這確保整個(gè)設(shè)備的主體在部署過(guò)程中不側(cè)移，從而確保不接觸障礙物(也稱作碰撞避免)，并減少組織傷害。下面將進(jìn)一步討論圖6，其示出了不對(duì)稱的管取向選擇。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明所部署的具有各種“凈”曲率
權(quán)利要求
1.一種用于配置設(shè)備的計(jì)算機(jī)方法，該方法包括在至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備上執(zhí)行操作，所述操作包括接收許可管規(guī)格的表示，該管規(guī)格包括關(guān)于直徑和針對(duì)每個(gè)直徑的至少一個(gè)相應(yīng)曲率半徑的至少一個(gè)指示，其中，對(duì)于至少一個(gè)管的相應(yīng)曲率半徑小于至少一個(gè)具有更大直徑的管所可能具有的曲率半徑；接收關(guān)于由所述設(shè)備探索的空間的描述，所述描述包括以下表示 至少一個(gè)起始點(diǎn)，至少一個(gè)自由空間和/或至少一個(gè)障礙物，以及至少一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)；選擇多個(gè)管，使得當(dāng)所述管被部署時(shí)，它們將定義出至少一條路徑，所述路徑通過(guò)自由空間并且避開(kāi)障礙物穿過(guò)從所述起始點(diǎn)到所述目標(biāo)的空間，這種選擇響應(yīng)于所述組和描述，這種選擇的輸出包括 至少一連串管的規(guī)格； 針對(duì)每個(gè)管的至少一個(gè)曲率半徑； 針對(duì)每個(gè)所選擇的管的相應(yīng)長(zhǎng)度；以及管相對(duì)于之前管的角取向。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述曲率半徑中的至少一個(gè)是基于針對(duì)相應(yīng)管直徑的可能的最緊轉(zhuǎn)向半徑來(lái)選擇的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述表示對(duì)應(yīng)于期望在制造設(shè)施處維持的一組離散管。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述表示包括包含在至少一個(gè)介質(zhì)上的機(jī)器可讀鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 關(guān)于所述空間的所述描述包括包含在所述介質(zhì)上的機(jī)器可讀配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；以及所述選擇包括通過(guò)響應(yīng)于所述鄰域使代價(jià)波傳遞通過(guò)所述配置空間來(lái)應(yīng)用A*。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述選擇的所述輸出包括動(dòng)畫(huà)。
6.一種用于規(guī)劃一組同心管的計(jì)算機(jī)方法，其包括在至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備中執(zhí)行操作，所述操作包括接收以包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式、關(guān)于要探索的空間的機(jī)器可讀描述，所述描述考慮了至少一個(gè)起始、至少一個(gè)目標(biāo)和至少一個(gè)障礙物；接收包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括關(guān)于具有不同直徑和對(duì)應(yīng)于每個(gè)管的至少一個(gè)相應(yīng)曲率影響特性的多個(gè)管的表示；利用A*、所述配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所述自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)避開(kāi)所述障礙物，將代價(jià)波從最遠(yuǎn)端管傳遞至最近端管，這種傳遞包括單獨(dú)管的累計(jì)效果，使得所述組的凈曲率結(jié)合了所述相應(yīng)曲率影響特性中的至少一些的效果；以及響應(yīng)于A*，輸出要部署以遵循由代價(jià)波的傳遞產(chǎn)生的從所述起始到所述目標(biāo)的路徑的一組管的規(guī)格。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述曲率影響特性為曲率半徑。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述曲率影響特性為慣性矩。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述曲率影響特性為彈性。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述曲率影響特性為角取向。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，累計(jì)包括保存所述配置空間的至少一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)上的凈曲率；以及在所述一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之后打開(kāi)下一狀態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)使用所保存的凈曲率。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，累計(jì)包括在打開(kāi)所述配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)，重新獲得與在這種打開(kāi)之前形成的至少一個(gè)單獨(dú)管選擇對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)曲率影響特性有關(guān)的至少一個(gè)數(shù)值；以及將所述數(shù)值與和當(dāng)前單獨(dú)管選擇關(guān)聯(lián)的數(shù)值結(jié)合。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，針對(duì)至少一個(gè)管，所述鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括累計(jì)來(lái)自至少一個(gè)其他管的曲率影響特性的效果的不對(duì)稱的結(jié)果角取向。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是自適應(yīng)的，因?yàn)樗鲟徲蛉Q于管編號(hào)，并且針對(duì)每個(gè)管編號(hào)包括響應(yīng)于彈性和/或慣性矩的至少一個(gè)相應(yīng)數(shù)值；多個(gè)相應(yīng)角旋轉(zhuǎn)數(shù)值，其對(duì)于至少一個(gè)管編號(hào)是對(duì)稱的，并且對(duì)于至少一個(gè)其他管編號(hào)是不對(duì)稱的；以及選項(xiàng)，用于選擇具有與相應(yīng)直徑對(duì)應(yīng)的相應(yīng)轉(zhuǎn)向半徑的管，使得所述轉(zhuǎn)向半徑小于更靠近近端管所可能具有的轉(zhuǎn)向半徑。
15.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述輸出是動(dòng)畫(huà)。
16.一種包括在至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備上執(zhí)行操作的計(jì)算機(jī)方法，該方法包括 維持關(guān)于要穿刺的物理任務(wù)空間的第一表示；維持關(guān)于要在該空間內(nèi)部署的一組管的第二表示，所述第二表示包括針對(duì)每個(gè)管的至少一個(gè)曲率影響特性的指示；響應(yīng)于所述第一表示和所述第二表示，同時(shí)考慮由于所述曲率影響特性引起的同心管之間的交互作用，規(guī)劃所述管的配置，所述配置指示所述配置的凈曲率；以及傳送以能夠從中生產(chǎn)同心管組件的形式的所述配置。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一表示包括包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 所述第二表示包括包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；以及規(guī)劃包括考慮所述曲率影響特性響應(yīng)于所述鄰域?qū)*應(yīng)用于所述配置空間。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述鄰域是自適應(yīng)的。
19.一種同心管組件，其響應(yīng)于如權(quán)利要求1至18所述的方法中的任何一項(xiàng)的結(jié)果進(jìn)行組裝，并且準(zhǔn)備好部署到人體內(nèi)。
20.一種可由數(shù)據(jù)處理設(shè)備閱讀并且包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用于規(guī)劃?rùn)C(jī)器人設(shè)備的路徑和/或配置的鄰域，這種規(guī)劃與利用k*和配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的代價(jià)波傳遞協(xié)同，所述鄰域包括多個(gè)子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示沿所述路徑和/或在所述配置中的一種可能選擇，其中，所述鄰域是自適應(yīng)的。
21.如權(quán)利要求20所述的介質(zhì)，其中，所述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)數(shù)值和/或子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依賴于之前針對(duì)路徑和/或設(shè)備配置選擇的選項(xiàng)。
22.如權(quán)利要求20所述的介質(zhì)，其中規(guī)劃是針對(duì)同心插管組件的配置的；所述配置空間包括響應(yīng)于要將所述組件部署于其中的身體內(nèi)部的掃描的表示； 每個(gè)子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括關(guān)于管和該管的相應(yīng)曲率影響特性的表示；以及與A*和所述配置空間協(xié)同，所述鄰域適于輸出所述組件。
23.—種系統(tǒng)，其包括用于接收與身體掃描有關(guān)的數(shù)據(jù)的接口； 用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)的至少一個(gè)介質(zhì)；至少一個(gè)處理器，其用于通過(guò)執(zhí)行操作規(guī)劃一組同心插管，所述操作包括 接收許可管規(guī)格的表示，該管規(guī)格包括關(guān)于直徑和針對(duì)每個(gè)直徑的至少一個(gè)相應(yīng)曲率半徑的至少一個(gè)指示，其中，對(duì)于至少一個(gè)管的相應(yīng)曲率半徑小于至少一個(gè)具有更大直徑的管所可能具有的曲率半徑；接收關(guān)于由所述設(shè)備探索的空間的描述，所述描述包括以下表示 至少一個(gè)起始點(diǎn)，至少一個(gè)自由空間和/或至少一個(gè)障礙物，以及至少一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)；選擇多個(gè)管，使得當(dāng)所述管被部署時(shí)，它們將定義出至少一條路徑，所述路徑通過(guò)自由空間并且避開(kāi)障礙物穿過(guò)從所述起始點(diǎn)到所述目標(biāo)的空間，這種選擇響應(yīng)于所述組和描述，這種選擇的輸出包括 至少一連串管的規(guī)格； 針對(duì)每個(gè)管的至少一個(gè)曲率半徑； 針對(duì)每個(gè)所選擇的管的相應(yīng)長(zhǎng)度；以及管相對(duì)于之前管的角取向； 用于響應(yīng)于所述規(guī)劃提供嵌套插管的規(guī)格的接口。
24.—種系統(tǒng)，其包括用于接收與身體掃描有關(guān)的數(shù)據(jù)的接口； 用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)的至少一個(gè)介質(zhì)；至少一個(gè)處理器，其用于通過(guò)執(zhí)行操作規(guī)劃一組同心插管，所述操作包括 接收以包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式、關(guān)于要探索的空間的機(jī)器可讀描述，所述描述考慮了至少一個(gè)起始、至少一個(gè)目標(biāo)和至少一個(gè)障礙物；接收包含在介質(zhì)上的機(jī)器可讀自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括關(guān)于具有不同直徑和對(duì)應(yīng)于每個(gè)管的至少一個(gè)相應(yīng)曲率影響特性的多個(gè)管的表示；利用A*、所述配置空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所述自適應(yīng)鄰域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)避開(kāi)所述障礙物，將代價(jià)波從最遠(yuǎn)端管傳遞至最近端管，這種傳遞包括單獨(dú)管的累計(jì)效果，使得所述組的凈曲率結(jié)合了相應(yīng)曲率影響特性中的至少一些的效果；以及響應(yīng)于A*，輸出要部署以遵循由代價(jià)波的傳遞產(chǎn)生的從所述起始到所述目標(biāo)的路徑的一組管的規(guī)格；用于響應(yīng)于所述規(guī)劃提供嵌套插管的規(guī)格的接口。
25.—種系統(tǒng)，其包括用于接收與身體掃描有關(guān)的數(shù)據(jù)的接口；用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)的至少一個(gè)介質(zhì)；至少一個(gè)處理器，其用于通過(guò)執(zhí)行操作規(guī)劃一組同心插管，所述操作包括維持關(guān)于要穿刺的物理任務(wù)空間的第一表示；維持關(guān)于要在該空間內(nèi)部署的一組管的第二表示，所述第二表示包括針對(duì)每個(gè)管的至少一個(gè)曲率影響特性的指示；響應(yīng)于所述第一表示和所述第二表示，同時(shí)考慮由于所述曲率影響特性引起的同心管之間的交互作用，規(guī)劃所述管的配置，所述配置指示所述配置的凈曲率；以及傳送以能夠從中生產(chǎn)同心管組件的形式的所述配置；用于響應(yīng)于所述規(guī)劃提供嵌套插管的規(guī)格的接口。
26.一組可部署的同心插管，該組包括多個(gè)管，每個(gè)管通過(guò)包括直徑、長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)向半徑的參數(shù)進(jìn)行定義，所述多個(gè)管中的至少一個(gè)具有相應(yīng)轉(zhuǎn)向半徑，所述轉(zhuǎn)向半徑比具有更大直徑的管所可能具有的轉(zhuǎn)向半徑更緊。
27.如權(quán)利要求沈所述的一組同心插管，其中，所述相應(yīng)轉(zhuǎn)向半徑是考慮到所述一個(gè)管的最大應(yīng)變的可能的最緊值。
28.如權(quán)利要求沈所述的一組同心插管，其中，至少第一管和第二管是不直的，并且分別具有第一曲率半徑和第二曲率半徑，所述第一曲率半徑和第二曲率半徑不相等。
全文摘要
基于同心插管的醫(yī)學(xué)機(jī)器人的規(guī)劃部署考慮了多個(gè)曲率半徑。曲率半徑依賴于管直徑。具有較小直徑的管可以具有較緊的曲率半徑。規(guī)劃還考慮了管的慣性矩和彈性。出于規(guī)劃的目的，A*算法連同配置空間、代價(jià)度量以及鄰域被用于代價(jià)波傳遞。鄰域是自適應(yīng)的。自適應(yīng)鄰域?qū)τ谂渲每臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是不同的，并且依賴于用來(lái)在要檢查的體內(nèi)實(shí)現(xiàn)從最遠(yuǎn)點(diǎn)到最近點(diǎn)的路徑的單獨(dú)管的曲率影響特性。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102271599SQ200980153171
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
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