A、HomeRF、IEEE 802.1UDECT和無線遙測。
[0030]在一些實施例中，控制系統112可包括一個或多個伺服控制器，以將來自介入器械系統104的力和扭矩反饋提供給操作者輸入系統106的一個或多個對應的伺服馬達。(一個或多個)伺服控制器也可傳輸指示機器人組件102移動介入器械104的信號，該介入器械104經由體內開口延伸到患者身體內的內部手術部位中。可以使用任何合適的常規或專門的伺服控制器。伺服控制器可與機器人組件102分開或整合。在一些實施例中，伺服控制器和機器人組件被提供作為鄰近患者身體定位的機器人臂推車的一部分。
[0031]控制系統112還可包括虛擬可視化系統，以為介入器械104提供導航幫助。使用虛擬可視化系統的虛擬導航基于對與解剖管道的三維結構相關聯的獲得的數據集的參考。更具體地，虛擬可視化系統使用諸如計算機斷層攝影術(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光鏡透視檢查、溫度記錄法、超聲波、光學相干斷層攝影術(OCT)、熱成像、阻抗成像、激光成像、納米管X射線成像等的成像技術來處理記錄和/或建模的手術部位的圖像。軟件用于將記錄的圖像轉換成局部或整個解剖器官或解剖區域的二維或三維模型。該模型描述管道的各種位置和形狀以及它們的連通性。在臨床程序期間可在手術前或手術中記錄用于生成模型的圖像。在另選的實施例中，虛擬可視化系統可使用標準模型(即，不是患者特定的)或標準模型和患者特定數據的混合體。模型和由該模型生成的任何虛擬圖像可表示在一個或多個運動階段期間(例如，在肺的吸氣/呼氣循環期間)或在引發的解剖運動(例如，患者重新定位或器械引起的變形)期間的可變形解剖區域的靜態姿態。
[0032]在虛擬導航程序期間，傳感器系統108可用于計算器械相對于患者解剖結構的大致位置。該位置能夠用于產生患者解剖結構的宏觀水平的跟蹤圖像和患者解剖結構的虛擬內部圖像兩者。使用光纖傳感器來配準和一起顯示介入器械與手術前記錄的手術圖像(諸如來自虛擬可視化系統的圖像)的各種系統是已知的。例如，2011年5月13日提交的公開“為圖像導向手術提供解剖結構模型的動態配準的醫療系統(Medical System ProvidingDynamic Registrat1n of a Model of an Anatomical Structure for Image-GuidedSurgery) ”的美國專利申請N0.13/107，562公開了一種此類系統，該申請全文以引用方式并入本文。
[0033]機器人介入系統100還可包括可選操作和支撐系統(未示出)，諸如照明系統、轉向控制系統、噴灌系統和/或吸入系統。在另選的實施例中，機器人系統可包括一個以上機器人組件和/或一個以上操作者輸入系統。除了其他因素之外，確切數量的操縱器組件將取決于手術程序和手術室內的空間限制。操作者輸入系統可并置排列，或者它們可以定位在分開的位置中。多個操作者輸入系統允許一個以上操作者控制以各種組合的一個或多個操縱器組件。
[0034]圖2示出介入器械系統200，其可用作機器人介入系統100的介入器械系統104。另選地，介入器械系統200可用于非機器人探查程序或用在涉及傳統手動操作的介入器械(諸如內窺鏡)的程序。
[0035]器械系統200包括聯接到器械主體204的導管系統202。導管系統202包括具有近端217和遠端218的細長的柔性導管主體216。在一個實施例中，柔性主體216具有約3_的外徑。其他柔性主體的外徑可以更大或更小。導管系統202包括形狀傳感器222，其用于沿主體216確定遠端218處的導管尖端和/或一個或多個節段224的位置、定向、速度、姿勢和/或形狀。遠端218和近端217之間的整個長度的主體216可有效地分成節段224。如果器械系統200是機器人介入系統100的介入器械系統104，則形狀傳感器222可以是傳感器系統108的部件。如果器械系統200手動地操作或以其他方式用于非機器人程序，則形狀傳感器222可聯接到詢問形狀傳感器并且處理所接收的形狀數據的跟蹤系統。參見例如圖3。
[0036]形狀傳感器系統222包括與柔性導管主體216對準的光纖(例如，提供在內部通道(未示出)內或安裝在外部)。在一個實施例中，光纖具有約200 μm的直徑。在另一些實施例中，尺寸可以更大或更小。
[0037]形狀傳感器系統222的光纖形成用于確定導管系統202的形狀的光纖彎曲傳感器。在一個替代方案中，包括光纖布拉格光柵(FBG)的光纖用于在一個或多個維度上在結構中提供應變測量。用于監測三維上光纖的形狀和相對位置的各種系統和方法在2005年7月13日提交的公開“光纖位置和形狀感測裝置以及與其相關的方法(Fiber opticposit1n and shape sensing device and method relating thereto)，，的美國專利申請N0.11/180，389、2004年7月16日提交的公開“光纖形狀和相對位置感測(Fiber-opticshape and relative posit1n sensing) ”的美國臨時專利申請 N0.60/588，336 以及 1998年6月17日提交的公開“光纖彎曲傳感器(Optical Fibre Bend Sensor) ”的美國專利N0.6，389，187中進行描述，這些申請全文以引用方式并入本文。在另一些替代方案中，采用其他應變感測技術(諸如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射和熒光散射的傳感器)可以是合適的。在另一些另選實施例中，使用其他技術可以確定導管的形狀。例如，如果導管的遠側尖端姿勢的歷史存儲的時段小于用于刷新導航顯示或用于交替運動(例如，吸氣和呼氣)的周期，則姿勢歷史能夠用于在時段內重建裝置的形狀。作為另一個示例，可沿交替運動的循環(諸如呼吸)針對器械的已知點存儲歷史姿勢、位置或定向數據。該存儲的數據可用于開發關于導管的形狀信息。另選地，沿導管定位的一系列位置傳感器(諸如EM傳感器)能夠用于形狀感測。另選地，在手術程序期間來自器械上的位置傳感器(諸如EM傳感器)的數據歷史可用于表示器械的形狀，尤其是在解剖管道一般為靜態的情況下。另選地，位置或定向由外部磁場控制的無線裝置可用于形狀感測。其位置歷史可用于確定導航管道的形狀。
[0038]在該實施例中，光纖可包括在單個包層內的多個芯。每個芯可以是具有足夠距離和將芯分開的包層的單模，使得每個芯中的光不與其他芯中攜帶的光顯著地相互作用。在另一些實施例中，芯的數量可改變，或者每個芯可被包含在單獨光纖中。
[0039]在一些實施例中，在每個芯內提供FBG陣列。每個FBG包括芯折射率的一系列調制，以便生成折射率的空間周期性。間距可被選擇成使得來自每個折射率變化的部分反射針對窄頻帶波長相干地增加，并且因此僅反射該窄頻帶波長，并且穿過更寬廣的頻帶。在FBG制造期間，調制被間隔一段已知距離，從而引起已知頻帶波長的反射。然而，當在光纖芯上引起應變時，調制的間距將變化，這取決于芯中的應變量。另選地，隨光纖彎曲而改變的反向散射或其他光學現象能夠用于確定每個芯內的應變。
[0040]因此，為測量應變，光向下發送到光纖，并且測量返回光的特性。例如，FBG產生反射波長，其為光纖上的應變及光纖溫度的函數。這種FBG技術可從各種來源商購獲得，諸如英國布拉克內爾的智能光纖有限公司(Smart Fibres Ltd.0f Bracknell, England)。用于機器人手術的位置傳感器中的FBG技術的使用在2006年7月20日提交的公開“包括使用光纖布拉格光柵的位置傳感器的機器人手術系統(Robotic Surgery System IncludingPosit1n Sensors Using Fiber Bragg Gratings)，，的美國專利 N0.7，930，065 中進行描述，該專利全文以引用方式并入本文。
[0041]當施加到多芯光纖時，光纖的彎曲引起芯上的應變，該應變能夠通過監測每個芯中的波長偏移測量。通過使兩個或更多個芯離軸設置在光纖中，光纖的彎曲在每個芯上引起不同應變。這些應變是光纖的局部彎曲程度的函數。例如，包含FBG的芯的區域如果位于光纖彎曲的點處，則能夠由此用于確定在那些點處的彎曲量。與FBG區域的已知間距結合的這些數據能夠用于重建光纖的形狀。此類系統已經由弗吉尼亞州布萊克斯堡的月神創新公司(Luna Innovat1ns.1nc.0f Blacksburg, Va)描述。
[0042]如上所述，光纖可用于監測導管系統202的至少一部分的形狀。更具體地，穿過光纖的光經處理以檢測器械系統202的形狀，并且利用該信息來輔助手術程序。傳感器系統(例如，傳感器系統108或如圖3所述的另一個類型的跟蹤系統)可包括用于生成和檢測光的詢問系統，所述光用于確定介入器械系統202的形狀。繼而，該信息能夠用于確定其他相關的變量，諸如介入器械的各部分的速率和加速度。感測可僅限于由機器人系統致動的自由度，或可施加到被動自由度(例如，接頭之間的剛性構件的未致動彎曲)和主動自由度(例如，器械的致動移動)兩者。
[0043]介入器械系統可選地包括位置傳感器系統220 (例如，電磁(EM)傳感器系統)，如果位置傳感器系統220由于例如來自手術間中其他器材的磁場干擾而變得不可靠或如果其他導航跟蹤系統更可靠，則該位置傳感器系統220可被操作者或自動化系統(例如，控制系統112的功能)禁用。
[0044]位置傳感器系統220可以是EM傳感器系統，其包括可受到外部生成的電磁場的一個或多個導電線圈。然后，EM傳感器系統220的每個線圈產生感應的電信號，所述感應的電信號具有取決于線圈相對于外部生成的電磁場的位置和定向的特性。在一個實施例中，EM傳感器系統可經配置和定位以測量六個自由度，例如，三個位置坐標X、Y、Z和指示基點的俯仰、偏航和橫滾的三個定向角，或五個自由度，例如三個位置坐標X、Y、Z和指示基點的俯仰和偏航的兩個定向角。1999年8月11日提交的公開“在被跟蹤的對象上具有被動式轉發器的六個自由度的跟蹤系統(Six-Degree of Freedom Tracking System Having aPassive Transponder on the Object Being Tracked)，，的美國專利N0.6，380，732 中提供了 EM傳感器系統的進一步描述，該專利全文以引用方式并入本文。
[0045]柔性導管主體216包括尺寸和形狀設定成接收輔助工具226的通道。輔助