CN110831536B - 用于针对非命令器械滚转进行校正的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一些方面涉及用于针对非命令器械滚转进行校正的系统、方法和技术。一种用于调整医疗器械中的控制器反馈系统的方法可以包括：从在器械的远端处或器械的远端附近的传感器接收数据；基于来自传感器的数据确定尖端参考系，该尖端参考系表示器械的远端的当前取向；获得期望参考系；基于尖端参考系和期望参考系来确定对视觉参考系或控制参考系的调整；以及变换视觉参考系或控制参考系。

Description

用于针对非命令器械滚转进行校正的系统和方法

对任何优先权申请的引用并入

本申请要求于2017年12月6日提交的美国临时申请第62/595,455号的优先权，该美国临时申请通过引用并入本文。在与本申请一起提交的申请数据表中标识了国外或国内优先权要求的任何和所有申请根据37CFR1.57通过引用并入本文。

技术领域

本文公开的系统和方法涉及医疗过程，并且更具体地涉及用于针对非命令器械滚转进行校正的系统和方法。

背景技术

诸如内窥镜检查(例如支气管镜检查)的医疗过程可以涉及出于诊断和/或治疗目的而进入并观察患者内腔(例如气道、支气管或细支气管)的内部。在过程期间，柔性管状器械(例如，内窥镜或导管)可以被插入患者体内，并且工具(例如，抓钳、活检钳、细胞刷、球囊扩张器、勒除器、针和/或篮状件)可以穿过柔性管状器械到达为诊断和/或治疗而识别的组织部位。

发明内容

本公开内容的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，并非所述创新方面中的单个方面单独地负责本文公开的期望属性。

在一个方面，提供了一种用于调整被插入患者体内的机器人控制的医疗器械中的控制器反馈系统的方法，该方法包括：从在器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器接收数据；基于来自至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据确定尖端参考系，该尖端参考系表示器械的远端的当前取向；获得期望参考系，该期望参考系表示相对于解剖参考系或全局参考系的参考系；基于尖端参考系和期望参考系确定对视觉参考系或控制参考系的调整；以及基于所确定的调整来变换视觉参考系或控制参考系。

该方法还可以包括以任何组合的以下特征中的一个或更多个：(a)其中，至少一个位置传感器包括电磁(EM)传感器；(b)其中，视觉参考系表示来自在器械的远端处的成像装置的图像；(c)其中，控制参考系表示器械的控制系统的取向；(d)其中，获得期望参考系是基于患者的一个或更多个解剖特征；(e)其中，获得期望参考系是基于表示患者的一个或更多个解剖特征的图像的一个或更多个像素值；(f)其中，获得期望参考系是基于患者的主隆突的一个或更多个解剖特征；(g)其中，获得期望参考系是基于来自被定位在患者上的一个或更多个EM贴片的数据；(h)其中，获得期望参考系是基于尖端参考系；(i)其中，确定所述调整是基于对从解剖特征的至少一个图像得到的一个或更多个特征与从解剖特征的至少一个模型得到的一个或更多个特征的比较；(j)其中，从在器械的远端处的成像装置获得解剖特征的至少一个图像；(k)其中，确定所述调整是基于对来自在器械的远端中的一个或更多个EM传感器的数据与来自被定位在患者上的一个或更多个EM贴片的数据的比较；(l)其中，确定所述调整是基于来自被配置成测量重力的加速度计的数据；(m)其中，变换视觉参考系或控制参考系包括：相对于器械的纵向轴线旋转视觉参考系或控制参考系；(n)其中，变换视觉参考系或控制参考系包括：旋转视觉参考系或控制参考系以与尖端参考系或期望参考系对准；(o)其中，变换视觉参考系或控制参考系是基于用户输入；(p)验证经变换的视觉参考系或经变换的控制参考系；以及/或者(q)其中，验证经变换的视觉参考系或经变换的控制参考系包括：在一个方向上移动器械，响应于器械的移动来计算视觉参考系或控制参考系的预期变化，以及将视觉参考系或控制参考系的实际变化与预期变化进行比较。

在另一方面，提供了一种被配置成变换被配置成插入患者体内的医疗器械的控制系的系统，其中，该系统包括：控制系统，其被配置成确定医疗器械的移动；存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器；以及与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器，其被配置成执行指令以使系统至少：获得表示医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在医疗器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，所述尖端参考系表示医疗器械的远端的当前取向；获得期望参考系；以及基于尖端参考系和期望参考系来变换控制参考系。

该系统还可以包括以任何组合的以下特征中的一个或更多个：(a)其中，至少一个位置传感器包括电磁(EM)传感器；(b)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从医疗器械接收尖端参考系；(c)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从在医疗器械的远端处的第二传感器接收数据；并且基于来自第二传感器的数据来确定尖端参考系；(d)其中，在器械的远端处的第二传感器包括至少一个成像装置或至少一个位置传感器；(e)其中，第二传感器包括电磁(EM)传感器；(f)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从控制系统接收控制参考系；(g)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：在一个方向上移动医疗器械；并且基于医疗器械的移动来确定控制参考系；(h)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从器械接收视觉参考系并且基于尖端参考系和期望参考系来变换视觉参考系；(i)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从在医疗器械的远端处的至少一个传感器接收数据；基于来自至少一个传感器的数据来确定视觉参考系；并且基于尖端参考系和期望参考系来变换视觉参考系；(j)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于患者的一个或更多个解剖特征来确定期望参考系；(k)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于表示患者的一个或更多个解剖特征的图像的一个或更多个像素值来确定期望参考系；(l)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于来自被定位在患者上的一个或更多个EM贴片的数据来确定期望参考系；(m)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：确定解剖特征的至少一个图像与解剖特征的至少一个模型之间的一个或更多个差异；并且基于至少一个图像与至少一个模型之间的差异来变换控制参考系；(n)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：相对于医疗器械的纵向轴线旋转控制参考系以与期望参考系对准；(o)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于用户输入来变换控制参考系；(p)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：验证经变换的控制参考系；(q)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：在一个方向上移动医疗器械；响应于医疗器械的移动来确定控制参考系的预期变化；并且将控制参考系的实际变化与预期变化进行比较；以及/或者(r)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：获得表示护套的远端的取向的护套参考系，该护套被配置成能够滑动地覆盖医疗器械；并且基于控制参考系或期望参考系来变换护套参考系。

在另一方面，提供了一种机器人控制的可操纵器械系统，其包括：可操纵器械，其包括近端、远端、延伸穿过可操纵器械的通道以及在远端处的至少一个传感器，该器械被配置成插入患者体内；一个或更多个牵引线，其延伸穿过可操纵器械并耦接至可操纵器械的至少一部分；机器人器械驱动器；控制系统，其通信地耦接至器械驱动器并且被配置成对一个或更多个牵引线进行致动；存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器；以及与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器，其被配置成执行指令以使系统至少：获得表示器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，该尖端参考系表示器械的远端的当前取向；获得期望参考系；以及基于尖端参考系和期望参考系来变换控制参考系。

该系统还可以包括以任何组合的以下特征中的一个或更多个：(a)其中，位置传感器包括电磁(EM)传感器；(b)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从至少一个传感器接收数据并且基于来自至少一个传感器的数据确定尖端参考系；(c)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从控制系统接收控制参考系；(d)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：对一个或更多个牵引线进行致动以移动器械的一部分，并且基于器械的一部分的移动来确定控制参考系；(e)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：从至少一个传感器接收数据；基于来自至少一个传感器的数据确定视觉参考系；并且基于尖端参考系和期望参考系来变换视觉参考系；(f)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于患者的一个或更多个解剖特征来确定期望参考系；(g)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于来自被定位在患者上的一个或更多个EM贴片的数据来确定期望参考系；(h)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：确定解剖特征的至少一个图像与解剖特征的至少一个模型之间的一个或更多个差异；并且基于至少一个图像与至少一个模型之间的差异来变换控制参考系；(i)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：相对于器械的纵向轴线旋转控制参考系以与期望参考系对准；(j)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行指令以使系统至少：基于用户输入来变换控制参考系；(k)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：验证经变换的控制参考系；(l)其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：对一个或更多个牵引线进行致动以移动器械的一部分，响应于器械的一部分的移动来确定控制参考系的预期变化；以及将控制参考系的实际变化与预期变化进行比较；以及/或者(m)其中，可操纵器械还包括被配置成能够滑动地覆盖器械的至少一部分的护套，并且其中，与至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行指令以使系统至少：获得表示护套的远端的取向的护套参考系；并且基于控制参考系或期望参考系变换护套参考系。

在一个方面，提供了一种存储有指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使至少一个处理器至少：获得表示被配置成插入患者体内的医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在医疗器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，该尖端参考系表示医疗器械的远端的当前取向；基于来自被定位在患者上的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来获得期望参考系，以及确定(1)控制参考系与(2)期望参考系之间的一个或更多个差异。

非暂态计算机可读存储介质还可以包括以任何组合的以下特征中的一个或更多个：(a)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：获得表示被配置成插入患者体内的医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在医疗器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，该尖端参考系表示医疗器械的远端的当前取向；基于来自被定位在患者上的至少一个成像装置或位置传感器的数据来获得期望参考系；以及确定控制参考系与期望参考系之间的一个或更多个差异；(b)其中，至少一个位置传感器包括电磁(EM)传感器；(c)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：从医疗器械接收尖端参考系；(d)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：基于尖端参考系来确定期望参考系；(e)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：基于所确定的差异来变换视觉参考系或控制参考系；(f)其中，视觉参考系表示在医疗器械的远端处的至少一个成像装置的取向；(g)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：基于患者的一个或更多个解剖特征来确定期望参考系；(h)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：通过将从解剖特征的至少一个图像得到的一个或更多个特征与从解剖特征的至少一个模型得到的一个或更多个特征进行比较来确定一个或更多个差异；(i)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：通过将来自在医疗器械的远端中的至少一个位置传感器的数据与来自被定位在患者上的一个或更多个EM贴片的数据进行比较来确定一个或更多个差异；(j)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：通过相对于医疗器械的纵向轴线旋转控制参考系以与期望参考系对准来变换控制参考系；(k)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：基于用户输入来变换控制参考系；(l)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：验证经变换的控制参考系；以及/或者(m)其中，指令在被执行时使至少一个处理器至少：在一个方向上移动医疗器械；响应于医疗器械的移动来计算控制参考系中的预期变化；并且将控制参考系中的实际变化与预期变化进行比较。

附图说明

在下文中将结合附图来描述所公开的方面，提供这些附图是为了说明所公开的方面而不是限制所公开的方面，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查过程的基于推车的机器人系统的实施方式。

图2描绘了图1的机器人系统的另外的方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方式。

图4示出了被布置用于血管过程的图1的机器人系统的实施方式。

图5示出了被布置用于支气管镜检查过程的基于工作台的机器人系统的实施方式。

图6提供了图5的机器人系统的替选视图。

图7示出了被配置成收起机器人臂的示例系统。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查过程的基于工作台的机器人系统的实施方式。

图9示出了被配置用于腹腔镜检查过程的基于工作台的机器人系统的实施方式。

图10示出了具有俯仰或倾斜调整的图5至图9的基于工作台的机器人系统的实施方式。

图11提供了图5至图10的基于工作台的机器人系统的工作台与柱之间的接口的详细图示。

图12示出了示例性器械驱动器。

图13示出了具有成对的器械驱动器的示例性医疗器械。

图14示出了器械驱动器和器械的替选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图15描绘了示出根据示例实施方式的定位系统的框图，该定位系统估计图1至图10的机器人系统的一个或更多个元件的位置，例如图13至图14的器械的位置。

图16示出了实现所公开的系统和技术的一个或更多个方面的示例操作环境。

图17示出了在图16的操作环境中可以导航的示例内腔网络。

图18示出了具有成像和EM感测能力的示例性器械的远端。

图19A至图19B示出了示例医疗器械的尖端参考系、视觉参考系、控制参考系和期望参考系。

图20A至图20B示出了具有非命令器械滚转的示例医疗器械的尖端参考、视觉参考系、控制参考系和期望参考系。

图21A至图21B示出了在针对非命令器械滚转的校正之后的图20A至图20B的示例医疗器械的尖端参考系、视觉参考系、控制参考系和期望参考系。

图22描绘了示出用于针对非命令器械滚转进行校正的示例性处理的框图。

图23描述了根据示例实施方式的由EM贴片传感器确定的期望参考系。

图24A至图24D描述了可以在用于针对非命令器械滚转进行校正的处理期间向用户呈现的示例性用户接口。

图25描绘了确定对非命令器械滚转的调整的示例性处理。

图26描述了被配置成针对非命令器械滚转进行校正的控制系统。

具体实施方式

1.概述

本公开内容的各方面可以被集成到能够执行各种医疗过程的机器人使能的医疗系统中，所述各种医疗过程包括诸如腹腔镜检查的微创过程以及诸如内窥镜检查的无创过程二者。在内窥镜检查过程中，系统能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的过程之外，系统可以提供另外的益处例如增强的成像和引导以辅助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学位置执行过程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。更进一步地，该系统可以为医师提供以提高的易用性执行过程的能力，使得系统的一个或更多个器械可以由单个用户控制。

出于说明的目的，下面将结合附图描述各种实施方式。应当理解的是，所公开的构思的许多其他实现方式是可能的，并且利用所公开的实现方式可以实现各种优点。标题被包括在本文中以供参考，并且用于帮助定位各个部分。这些标题不意在限制关于标题所描述的构思的范围。这样的构思可以在整个说明书中具有适用性。

如本文所用，“远端”是指示波器、仪器或工具的在使用期间被定位成最靠近患者的端部，并且“近端”是指示波器、器械或工具的被定位成最靠近操作者(例如，医师或机器人控制系统)的端部。换句话说，本文从操作者的角度描述了示波器、器械、工具和/或机器人系统的部件的相对位置。

如本文所使用的，术语“大约”或“近似”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。这样的测量范围包含指定值的以及从指定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小以及进一步更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要这样的变化对于在所公开的装置、系统和技术中起作用是适当的。

出于说明的目的，下面将结合附图描述各种实施方式。应当理解的是，所公开的构思的许多其他实现方式是可能的，并且利用所公开的实现方式可以实现各种优点。标题被包括在本文中以供参考，并且用于帮助定位各个部分。这些标题不意在限制关于标题所描述的构思的范围。这样的构思可以在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统-推车

取决于具体过程，可以以各种方式配置机器人使能的医疗系统。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查过程的基于推车的机器人使能系统10的实施方式。在支气管镜检查期间，系统10可以包括推车11，推车11具有一个或更多个机器人臂12以将可以是用于支气管镜检查的特定于过程的支气管镜的医疗器械例如可操纵的内窥镜13递送到自然腔道进入点(即，在本示例中为被置于工作台上的患者的嘴)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可以被置于患者的上躯干附近，以便接近进入点。类似地，机器人臂12可以被致动以相对于进入点放置支气管镜。当利用用于胃肠(GI)过程的专用内窥镜即胃镜执行GI过程时，也可以利用图1中的布置。图2更详细地描述了推车的示例实施方式。

继续参照图1，一旦推车11被正确放置，机械臂12就可以以机器人方式、手动地或以其组合方式将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可以包括至少两个伸缩部件，例如内引导件部和外护套部，每个部耦接到来自器械驱动器集28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦接到各个机器人臂的远端。便于将引导件部与护套部同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，“虚拟轨道”29可以通过将一个或更多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置来在空间中来重新放置。在图中使用虚线描绘了本文描述的虚拟轨道，并且因此虚线不描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13相对于患者前进或缩回。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调整、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，所示的虚拟轨道29的角度和位置代表了在向医师提供对内窥镜13的访问同时使由于使内窥镜13弯曲到患者的口中而产生的摩擦最小化之间的折衷。

内窥镜13可以在插入之后使用来自机器人系统的精确命令沿着患者的气管和肺被引导直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可以被操纵成从外护套部伸缩地延伸内引导件部，以获得增强的接合和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还使得引导件部和护套部能够被彼此独立地驱动。

例如，可以引导内窥镜13以将活检针递送至目标，例如，患者肺内的病变或结节。可以沿着工作通道部署针以获得要由病理学家分析的组织样本，该工作通道沿着内窥镜的长度延伸。取决于病理学结果，可以沿着内窥镜的工作通道部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，可能需要在单独的过程中递送诊断和治疗处理。在那些情况下，内窥镜13也可以用于递送基准点以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，可以在相同的过程期间递送诊断和治疗处理。

系统10还可以包括可移动塔30，该可移动塔30可以经由支承线缆连接至推车11以向推车11提供对控制、电子、流控、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能置于塔30中实现了可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新放置的更小形状因子的推车11。此外，在推车/工作台与支持塔30之间的功能划分减少了操作室的混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可以放置在患者附近，但是塔30可以被收起在远程位置中以在过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，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将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质例如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等内。这些指令的执行，无论是在塔30中执行还是在推车11中执行，都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可以使机器人系统的部件对相关的托架和臂安装件进行致动，对机器人臂进行致动，以及控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可以将臂定位成特定姿势。

塔30还可以包括泵、流量计、阀控制器和/或流体入口，以向可以通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸功能。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，冲洗和抽吸功能可以通过一个或多个单独的线缆被直接递送至内窥镜13。

塔30可以包括电压和浪涌保护器，电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和受保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，以产生更小、更可移动的推车11。

塔30还可以包括用于部署在整个机器人系统10中的传感器的支持设备。例如，塔30可以包括用于检测、接收和处理从整个机器人系统10中的光学传感器或摄像装置接收到的数据的光电子设备。与控制系统结合，这样的光电子设备可以用于生成实时图像以在部署在整个系统中的任何数量的控制台中显示，所述控制台包括在塔30中的控制台。类似地，塔30还可以包括用于接收和处理从部署的EM传感器接收到的信号的电子子系统。塔30还可以用于容纳和定位EM场发生器，以由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器检测。

除了在系统的其余部分中可用的其他控制台例如安装在推车顶部的控制台之外，塔30还可以包括控制台31。控制台31可以包括用于医师操作者的用户接口和显示屏，例如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供过程中的机器人控制以及手术前信息和实时信息，例如，内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是仅医师可用的控制台时，控制台31可以由第二操作者例如护士使用，以监测患者的健康或生命特征以及系统的操作，以及提供特定于过程的数据，例如导航和定位信息。

塔30可以通过一个或更多个线缆或连接(未示出)耦接至推车11和内窥镜13。在一些实施方式中，可以通过单个线缆将来自塔30的支持功能提供至推车11，从而简化操作室并且使手术室不混乱。在其他实施方式中，特定功能可以耦接在单独的线缆和连接中。例如，尽管可以通过单个电力线缆向推车提供电力，但也可以通过单独的线缆提供对控制、光学、流控和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能系统的推车的实施方式的详细图示。推车11通常包括细长的支承结构14(通常称为“柱”)、推车基部15和在柱14的顶部处的控制台16。柱14可以包括用于支承一个或更多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的一个或更多个托架，例如托架17(替选地“臂支承件”)。托架17可以包括可分别配置的臂安装件，这些臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，托架接口19使得托架17沿着柱14能够竖直平移。

托架接口19通过诸如槽20的槽连接至柱14，所述槽被定位在柱14的相对侧以引导托架17的竖直平移。槽20包含用于相对于推车基部15将托架定位和保持在各种竖直高度处的竖直平移接口。托架17的竖直平移使得推车11能够调整机器人臂12的可达范围以满足各种工作台高度、患者大小和医师偏好。类似地，托架17上的可分别配置的臂安装件使得机器人臂12的机器人臂基部21能够以各种配置成一定角度。

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，以防止在托架17竖直平移时灰尘和流体进入柱14的内部腔室和竖直平移接口。可以通过被定位在槽20的竖直顶部和底部附近的弹簧卷轴对来部署槽盖。盖在卷轴内盘绕直到被部署成在托架17竖直地上下平移时从盖的盘绕状态延伸和缩回。当托架17朝卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖缩回到卷轴中的力，而当托架17远离卷轴而平移时也保持紧密密封。盖可以使用例如托架接口19中的支架连接至托架17，以确保在托架17平移时盖适当地延伸和缩回。

柱14可以在内部包括诸如齿轮和马达的机构，这些机构被设计成使用竖直对准的导螺杆，以响应于控制信号来以机械化方式平移托架17，所述控制信号响应于用户输入例如来自控制台16的输入来生成。

机器人臂12通常可以包括由一系列连接件23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，一系列连接件23由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括独立可控的马达。每个独立可控的关节表示机器人臂可用的独立自由度。臂12中的每一个具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节产生多个自由度，从而实现了“冗余”自由度。冗余自由度使得机器人臂12使用不同的连接件位置和关节角度将它们各自的端部执行器22定位在空间中的特定位置、取向和轨迹处。这使得系统能够从空间中的期望点定位和引导医疗器械，同时使得医师能够将臂关节移动到远离患者的临床有利位置以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15平衡柱14、托架17和臂12在地面上的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，例如电子器件、马达、电源以及使得能够移动和/或固定推车的部件。例如，推车基部15包括使得推车能够在过程之前容易地在室中移动的可滚动的轮状脚轮25。在到达适当位置之后，可以使用轮锁固定脚轮25，以在过程期间将推车11保持在适当位置。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16使得用于接收用户输入的用户接口和显示屏(或两用装置，例如触摸屏26)两者能够向医师用户提供手术前数据和手术中数据两者。触摸屏26上的潜在手术前数据可以包括手术前计划、从手术前计算机化断层层析成像(CT)扫描得出的导航和映射数据和/或来自手术前患者面谈的记录。显示器上的手术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计数据，例如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成使得医师能够从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台。从该位置，医师可以在从推车11后面操作控制台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还包括用于辅助操纵和稳定推车11的手柄27。

图3示出了被布置成用于输尿管镜检查的机器人使能系统10的实施方式。在输尿管镜检查过程中，推车11可以被定位成将被设计成穿过患者的尿道和输尿管的特定于过程的内窥镜即输尿管镜32递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可能期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如所示出的，推车11可以在工作台的脚部处对准，以使得机器人臂12能够定位输尿管镜32，以直接线性进入患者的尿道。从工作台的脚部，机器人臂12可以沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部。

在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断性和/或治疗性应用。例如，可以使用沿着输尿管镜32的工作通道部署的激光或超声碎石装置将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿着输尿管镜32部署的篮状件移除所得到的结石碎片。

图4示出了类似地被布置成用于血管过程的机器人使能系统的实施方式。在血管过程中，系统10可以被配置成使得推车11可以将医疗器械34例如可操纵导管递送至患者腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者心脏的相对较少的迂回曲折的路径，这简化了导航。如在输尿管镜检查过程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿和下腹部，以使得机器人臂12能够提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入动脉后，可以通过平移器械驱动器28来引导和插入医疗器械34。替选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达替选的血管进入点，例如，肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统-工作台

机器人使能医疗系统的实施方式还可以包含患者工作台。包含工作台通过移除推车而减少了手术室内的重要设备的量，这使得能够更接近患者。图5示出了被布置成用于支气管镜检查过程的这样的机器人使能系统的实施方式。系统36包括用于将平台38(示出为“工作台”或“床”)支承在地面上的支承结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，器械驱动器42被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长的医疗器械，例如图5中的支气管镜40。实际上，通过将发射器和检测器放置在工作台38周围，可以将用于提供荧光成像的C形臂定位在患者的上腹部区域上方。

出于讨论的目的，图6提供了没有患者和医疗器械的系统36的替选视图。如所示出的，柱37可以包括在系统36中被示为环状的一个或更多个托架43，一个或更多个机器人臂39可以基于一个或更多个托架43。托架43可以沿着竖直柱接口44平移以提供不同的有利点，竖直柱接口44沿柱37的长度延伸，机器人臂39可以被定位成从这些有利点到达患者。托架43可以使用被定位在柱37内的机械马达绕柱37旋转，以使得机器人臂39能够接近工作台38的多个侧，例如患者的两侧。在具有多个托架的实施方式中，托架可以分别地定位在柱上，并且可以独立于其他托架而平移和/或旋转。尽管托架43不需要围绕柱37或甚至是圆形的，但所示的环状有利于托架43绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移使得系统能够将医疗器械例如内窥镜和腹腔镜对准到患者的不同进入点中。

臂39可以通过一组臂安装件45安装在托架上，该组臂安装件45包括一系列关节，这些关节可以分别地旋转和/或可伸缩地延伸，以为机器人臂39提供附加的可配置性。此外，臂安装件45可以被定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可以被定位在工作台38的相同侧(如图6所示)、工作台38的相对侧(如图9所示)或工作台38的相邻侧(未示出)。

柱37在结构上为工作台38提供支承并且为托架的竖直平移提供路径。在内部，柱37可以配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及使基于导螺杆的所述托架的平移机械化的马达。柱37还可以将电力信号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。

工作台基部46提供与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡工作台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。工作台基部46也可以包含用于在过程期间提供稳定性的刚性脚轮。从工作台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要移动时缩回。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔在工作台与塔之间划分系统36的功能以减小工作台的形状因子和体积。如在较早公开的实施方式中，塔可以为工作台提供各种支持功能，例如处理、计算和控制能力、电力、流控和/或光学和传感器处理。塔还可以是可移动的以被定位成远离患者，从而改善医师的接近并且使手术室不杂乱。此外，将部件置于塔中使得工作台基部中的更多储存空间能够用于机器人臂的潜在收起。塔还可以包括控制台，该控制台提供用于用户输入的用户接口例如键盘和/或下垂件以及用于手术前和手术中信息例如实时成像、导航和跟踪信息的显示屏(或触摸屏)。

在一些实施方式中，工作台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于工作台的系统的实施方式中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以被平移和缩回以打开以绕柱53部署托架48、臂安装件51和臂50，以及在不使用时关闭以收起以保护托架48、臂安装件51和臂50。可以沿着基部盖52的开口的边缘用薄膜54密封基部盖52，以防止在关闭时灰尘和流体进入。

图8示出了被配置成用于输尿管镜检查过程的机器人使能的基于工作台的系统的实施方式。在输尿管镜检查中，工作台38可以包括用于将患者定位成与柱37和工作台基部46成偏斜角的旋转部55。旋转部55可以绕枢转点(例如，位于患者头部下方)旋转或枢转，以将旋转部55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部55的枢转使得C形臂(未示出)能够被定位在患者的下腹部上方，而不与工作台38下方的柱(未示出)争夺空间。通过绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以被固定至工作台38的旋转部55，以在过程期间支承患者的腿的位置，并且使得能够清楚地进入患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查过程中，通过患者腹壁中的一个或多个小切口，可以将微创器械(形状细长以适应一个或更多个切口的大小)插入患者的解剖结构中。在患者的腹腔膨胀之后，可以引导通常称为腹腔镜的器械执行外科手术任务，例如抓取、切割、切除、缝合等。图9示出了被配置用于腹腔镜检查过程的机器人使能的基于工作台的系统的实施方式。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整成将成对的机器人臂39定位在工作台38的相对侧，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到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查过程，机器人使能工作台系统还可以将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能医疗系统的实施方式。如图10所示，系统36可以适应工作台38的倾斜，以将工作台的一部分定位在与其他部分相比距地面更远的距离处。此外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得臂39与工作台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部60，伸缩部60使得柱37能够竖直延伸以防止工作台38接触地面或与基部46碰撞。

图11提供了工作台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变工作台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过以下操作实现：将正交轴1、2定位在柱-工作台接口处，每个轴由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令来致动。沿着一个螺杆5的旋转将使得能够沿一个轴1进行倾斜调整，而沿着另一个螺杆6的旋转将使得能够沿着另一个轴2进行倾斜调整。

例如，当试图将工作台定位成头低脚高(Trendelenburg)位置，即，将患者的下腹部定位在与患者的下腹部相比距地面更高的位置以用于下腹部外科手术时，俯仰调整特别有用。头低脚高位置使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科手术过程，例如腹腔镜前列腺切除术。

C.器械驱动器和接口

系统的机器人臂的端部执行器包括：(i)器械驱动器(替选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，其包含用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，其可以没有任何机电部件例如马达。该二分法可能是由需要对医疗过程中使用的医疗器械进行消毒以及由于昂贵的重要设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的重要设备进行充分消毒所驱动的。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员分别进行消毒或处置。相反，器械驱动器不需要被更改或消毒，并且可以被覆盖以便保护。

图12示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远端处的器械驱动器62包括一个或更多个驱动单元63，一个或更多个驱动单元63被布置成具有平行轴线以经由驱动轴64向医疗器械提供受控的扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64、用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65、用于生成驱动扭矩的马达66、用于测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67以及用于接收控制信号并且对驱动单元进行致动的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可以向医疗器械提供多个(如图12所示为四个)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测量的所产生的马达速度与期望速度进行比较，以及调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的过程，机器人系统可以包含驱动接口，例如连接至无菌遮盖物的无菌适配器，该驱动接口位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将来自器械驱动器的驱动轴的角运动传递到器械的驱动输入，同时保持驱动轴与驱动输入之间的物理分离并且因此保持无菌性。因此，示例无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入配合的一系列旋转输入和输出。连接至无菌适配器的由薄的柔性材料例如透明或半透明塑料组成的无菌遮盖物被设计成覆盖主要设备，例如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或工作台(在基于工作台的系统中)。使用该遮盖物将使得主要设备能够定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，未灭菌区)。在无菌遮盖物的另一侧，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即无菌区)与患者对接。

D.医疗器械

图13示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长体)和器械基部72。器械基部72由于其意在被设计用于由医师进行手动交互，因此也被称为“器械手柄”，器械基部72通常可以包括被设计成与延伸通过机器人臂76的远端处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出74配合的可旋转的驱动输入73，例如插座、滑轮或卷轴，驱动输入73。当被物理连接、被闩锁和/或被耦接时，器械基部72的配合的驱动输入73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以使得能够将扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方式中，驱动输出74可以包括花键，这些花键被设计成与驱动输入73上的插座配合。

细长轴71被设计成例如在内窥镜检查中通过解剖结构开口或内腔或例如在腹腔镜检查中通过微创切口来递送。细长轴66可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或是刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部和刚性部两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远端可以连接至端部执行器，该端部执行器包括由具有旋转轴线的U形夹形成的有关节的腕部和手术工具，例如抓握器或剪刀，当驱动输入响应于从器械驱动器75的驱动输出74接收的扭矩而旋转时，可以基于来自腱的力来对该端部执行器进行致动。当被设计成用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远端可以包括可操纵或可控制的弯曲区段，该弯曲区段可以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而被铰接和弯曲。

使用轴71内的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些各个腱例如拉线可以分别被锚定至器械手柄72内的各个驱动输入73。从手柄72沿着细长轴71内的一个或更多个牵引内腔引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处。在腹腔镜检查中，这些腱可以耦接至远侧安装的端部执行器，例如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入73上的扭矩将张力传递到腱，从而使端部执行器以某种方式致动。在腹腔镜检查中，腱可以使关节绕轴线旋转，从而使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。替选地，腱可以连接至在细长轴71的远端处的抓握器的一个或更多个钳口，其中来自腱的张力使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦接至沿着细长轴71定位(例如，在远端处)的弯曲或接合区段。当被固定地附接至弯曲区段的远端时，施加在驱动输入73上的扭矩将沿着腱传递，从而使较软的弯曲区段(有时称为可接合区段或区域)弯曲或接合。沿着非弯曲部，可以有利地使各个牵引内腔成螺旋形或成盘旋形，所述牵引内腔沿着内窥镜轴的壁(或内部)引导各个腱，以平衡由牵引线中的张力产生的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其之间的间隔，其中较紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较小的螺旋量在负载力下引起较大的轴压缩，但也呈现有限的弯曲。在范围(spectrum)的另一端，牵引内腔可以被引导成平行于细长轴71的纵向轴线以使得能够在期望的弯曲或可接合区段中进行受控接合。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人过程。轴可以包括用于将手术工具、冲洗器和/或抽吸器部署到轴71的远端处的手术区域的工作通道。轴71还可以容纳电线和/或光纤以向/从远侧尖端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学摄像装置。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近处的光源(例如，发光二极管)的光传送到轴的远端。

在器械70的远端处，远侧尖端还可以包括用于将用于诊断和/或治疗、冲洗和抽吸的工具递送至手术部位的工作通道的开口。远侧尖端还可以包括用于摄像装置例如纤维镜或数码摄像装置的端口，该摄像装置用于捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧尖端还可以包括用于光源的端口，所述光源用于在使用摄像装置时照亮解剖空间。

在图13的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入轴线与细长轴的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚转功能复杂化。在保持驱动输入73静止的同时使细长轴71沿着轴线滚转会使腱在从驱动输入73延伸出去并且进入到细长轴71内的牵引内腔时产生不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能扰乱旨在在内窥镜检查过程期间预测柔性细长轴的移动的任何控制算法。

图14示出了器械驱动器和器械的替选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如所示出的，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处被平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81被容纳在器械驱动器80的旋转组件83中，旋转组件83由组件83内的驱动单元之一驱动。响应于由旋转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连接至器械驱动器的非旋转部84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部84传送至旋转组件83，电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方式中，旋转组件83可以对集成到不可旋转部84中的单独的驱动单元进行响应，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80使驱动单元及其各自的驱动输出81作为单个单元绕器械驱动器轴线85旋转。

与较早公开的实施方式类似，器械86可以包括细长的轴部88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部87包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出81的多个驱动输入89(例如，插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方式不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，其中器械轴88的轴线基本平行于驱动输入89的轴线，而不是如图13的设计中那样正交。

当被耦接至器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83结合绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此器械轴88在被附接时与器械驱动器轴线85共轴。因此，旋转组件83的旋转使器械轴88绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接至器械基部87中的驱动输入89的任何腱在旋转期间都不会缠结。因此，驱动输出81、驱动输入89和器械轴88的轴线的平行允许轴旋转而不会使任何控制腱缠结。

E.导航和控制

传统的内窥镜检查可以包括使用荧光镜检查(例如，可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开内容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且减少手术室内的设备的数量。如本文所使用的，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的位置。诸如手术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在其他情况下，在仍使用基于辐射的成像模态的情况下，可以单独地或组合地使用手术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图15是示出根据示例实施方式的估计机器人系统的一个或更多个元件的位置例如器械的位置的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或更多个指令的一个或更多个计算机装置的集合。计算机装置可以由以上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实施。作为示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车、图5至图10所示的床等中。

如图15所示，定位系统90可以包括定位模块95，定位模块95处理输入数据91至94以生成医疗器械的远侧尖端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远端相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者的解剖结构或相对于已知对象例如EM场发生器(参见下文关于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。手术前映射可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。手术前CT扫描被重构成三维图像，这些三维图像被可视化为例如患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当以聚合形式分析时，可以生成患者的解剖结构例如患者的肺网络的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者的解剖结构的三维体，该三维体被称为手术前模型数据91。在美国专利申请第14/523,760号中讨论了中心线几何形状的使用，该申请的全部内容并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中得出，并且特别适于支气管镜检查。

在一些实施方式中，器械可以配备有摄像装置以提供视觉数据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，手术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或通过内窥镜的工作通道前进的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用手术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的预期行进路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像链接至模型内的位置。在手术中，机器人系统可以参考该库，以将在摄像装置(例如，在内窥镜远端处的摄像装置)处捕获的实时图像与图像库中的图像进行比较，以辅助定位。

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装置的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别手术前模型数据91中的与解剖内腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化，以确定选择了哪个解剖内腔以及摄像装置的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

作为另一种基于计算机视觉的技术的光流可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的移位和平移以推断摄像装置移动。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。通过在多次迭代上的多个帧的比较，可以确定摄像装置(以及因此确定内窥镜)的移动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该实时位置可以被配准到由手术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或更多个位置和取向中的包括一个或更多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或更多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发送器)可以靠近患者放置，以产生嵌入的传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对这些小电流进行分析以确定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“配准”到患者的解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手术前模型中的位置对准的几何变换。一旦被配准，嵌入在医疗器械(例如，内窥镜的远侧尖端)的一个或更多个位置中的EM跟踪器可以提供对医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供机器人系统的定位数据96。可以在手术前校准期间确定由接合命令产生的装置俯仰和偏转。在手术中，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的位置。替选地，可以结合EM、视觉和/或拓扑建模来分析这些计算，以估计医疗器械在网络内的位置。

如图15所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图15中未示出，但是利用形状感测光纤的器械可以提供定位模块95可以用来确定器械的位置和形状的形状数据。

定位模块95可以组合地使用输入数据91至94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91至94中的每一个确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠的情况下(可能是存在EM干扰的情况)，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更多地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如以上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成包含以上技术中的一个或更多个技术的组合。基于塔、床和/或推车的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质例如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等内，计算机程序指令在被执行时使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，例如器械在全局坐标系内的位置、解剖图等。

2.对非命令器械滚转校正的介绍

本公开内容的实施方式涉及可用于校正非命令器械运动的系统和技术，其在某些实施方式中涉及校正非命令器械滚转。当操作者(例如，医师、外科医生、支气管镜医师或机器人控制系统)控制患者体内的柔性管状器械时，器械可以以改变器械方向的方式运动。例如，器械可以独立于操作者的命令而滚转或旋转(例如，相对于器械的纵向轴线)。这种非命令移动可能发生在各种情况下，例如，当将柔性管状器械通过气管导管插入时和/或当器械穿过弯曲的解剖结构并使其形状与该结构相符时。该非命令滚转会给柔性管状器械的操作者带来一个或更多个协调问题，因为非命令滚转会使得视觉参考系和/或控制参考系与操作者的期望或预期不一致。本文公开的某些实施方式涉及用于针对这种意外的器械运动进行校正的方法和系统。

如上所述，本文讨论的实施方式可以将电磁(EM)数据用于医疗器械(例如，可操纵器械)的导航和定位。可以由位于医疗器械内的一个或更多个EM传感器和/或放置在患者上的一个或更多个EM贴片传感器生成EM数据。图16示出了实现所公开的系统和技术的一个或更多个方面以使用EM数据来检测非命令滚转和/或针对非命令滚转进行校正的示例操作环境100。操作环境100包括支承患者的工作台38、EM传感器105(也称为“EM贴片传感器”，以便与如下所述的位于医疗器械上的EM器械传感器区分开)以及EM场发生器110。还可以包括附加的设备/元件，但是在图16中未示出所述附加的设备/元件。例如，环境100还可以包括：机器人系统，其被配置成引导医疗器械的移动；命令中心或控制台，其用于控制机器人系统的操作；以及EM控制器等。EM控制器可以电连接至EM贴片传感器105，以从其接收EM传感器信号。EM控制器还可以连接至EM场发生器110，以向其提供控制信号以生成EM场。在某些实施方式中，EM控制器可以部分地或完全地包含在系统的一个或更多个其它处理装置中，所述其它处理装置包括EM场发生器110、推车11(参见图1)和/或塔30(参见图1)。

当被包括时，EM控制器可以控制EM场发生器110以产生变化的EM场。EM场可以是时变的和/或空间变化的，这取决于实施方式。EM场发生器110可以位于与图2中所示的推车11类似的推车上，或者可以经由一个或更多个支承柱附接至工作台38的轨道上。在其它实施方式中，EM场发生器110可以安装在机器人臂上，例如类似于图1的手术机器人系统10中所示的机器人臂，该机器人臂可以提供围绕患者的灵活设置选项。EM场发生器110可以具有相关联的工作体，EM贴片传感器105在使用时可以放置在该工作体中。

EM空间测量系统可以确定EM场内的嵌入有或提供有EM传感器线圈例如EM贴片传感器105(如图16所示)或EM器械传感器305(如下面的图18所示)的对象的位置。在EM传感器被放置在如本文所述的受控的变化的EM场内的情况下，在EM传感器中包括的(一个或更多个)传感器线圈中感应出电压。这些感应电压可以被EM空间测量系统用来计算EM传感器的位置和取向，并因此计算具有EM传感器的对象的位置和取向。由于EM场具有低场强并且可以安全地穿过人体组织，因此可以在没有光学空间测量系统的视线约束的情况下对对象进行位置测量。可以相对于EM场发生器110的坐标系限定EM场，并且可以将内腔网络的3D模型的坐标系映射或配准至EM场的坐标系。可以在机器人控制的系统(例如，系统10、36或47)、器械驱动器(例如，器械驱动器62)、控制器(例如，控制电路68)、控制台(例如，控制台16或31)以及/或者控制台基部(例如，推车基部15)或其部件中实现EM空间测量系统。

如图16所示，多个EM贴片传感器105可以放置在患者身体上或患者身体附近(例如，在内腔网络140的区域中，参见图17)。多个不同的EM贴片传感器105可以在身体表面上被间隔开，以便跟踪这些位置处的不同移位。例如，肺的外围可能由于呼吸而比中心气道呈现更大的运动，并且提供如图所示的多个EM贴片传感器105可以实现对这些运动影响的更精确的分析。这使得能够准确跟踪内窥镜的远端，该内窥镜可以行进通过内腔网络140的不同区域并且因此当其行进通过这些不同区域时由于患者呼吸而经历变化的移位水平。

从EM贴片传感器105接收的EM传感器信号可以用于确定EM贴片传感器105相对于EM场发生器110的位置和取向。EM贴片传感器105可以为贴片传感器中的每一个提供5自由度(DoF)数据(例如，3个位置DoF和2个角度DoF)或6DoF数据(例如，3个位置DoF和3个角度DoF)。

图17示出了可以在例如图16的操作环境100中导航的示例内腔网络140。如图所示，内腔网络140包括患者的气道150的分支结构和可以如本文所述的那样被进入以用于诊断和/或治疗的结节155。在该示例中，结节155位于气道150的外围。内窥镜115可以包括护套120和引导件145。在一个实施方式中，护套120和引导件145可以伸缩方式布置。例如，引导件145可滑动地位于护套120的工作通道内。护套120可以具有第一直径，并且其远端不能够被定位成穿过围绕结节155的较小直径的气道150。因此，引导件145可以被配置成从护套120的工作通道延伸剩余距离而到达结节155。引导件145可以具有内腔，器械例如活检针、细胞刷和/或组织取样钳可以通过该内腔到达结节155的目标组织部位。在这样的实现方式中，护套120的远端和引导件145的远端都可以设置有用于跟踪它们在气道150内的位置的EM器械传感器(例如，图18中的EM器械传感器305)。在一些实施方式中，护套120和引导件145的这种伸缩布置可以使得能够实现内窥镜115的更薄的设计，并且可以经由护套120提供结构支承并改进内窥镜115的弯曲半径。

在其它实施方式中，在没有伸缩布置的情况下，内窥镜115的总直径可以足够小以到达外周，或者可以足够小以靠近外周(例如，在2.5cm至3cm内)以通过不可操纵的导管部署医疗器械。通过内窥镜115部署的医疗器械可以配备有EM器械传感器(例如，图18中的EM器械传感器305)，并且下面描述的位置过滤和安全模式导航技术可以应用于这样的医疗器械。在一些实施方式中，如本文所述的3D内腔网络模型的2D显示或3D模型的横截面可以类似于图17，在一些实施方式中，导航安全区和/或导航路径信息可以叠加到这样的表示上。

图18示出了可以包括如本文所述的成像和EM感测功能的示例器械(例如，图17的内窥镜115、护套120或引导件145和/或图1的医疗器械70或内窥镜13)的远端300。但是，本公开内容的方面可以涉及其他可操纵器械例如图3的输尿管镜32、图9的腹腔镜59等的使用。如图18所示，器械的远端300可以包括成像装置315、照明源310和EM传感器305的线圈的端部。远端300还可以包括通向器械的工作通道320的开口，工具(例如，活检针、细胞刷和钳子)可以通过该开口沿器械轴被插入，从而使得能够进入器械的远端300附近的区域。

照明源310可以提供光以照亮解剖空间的一部分。照明源每个均可以是一个或更多个发光器件，所述发光器件被配置成发出选定波长或波长范围的光。波长可以是任何合适的波长，例如可见光谱光、红外光、X射线(例如，用于荧光检查)，仅举几例。在一些实施方式中，照明源310可以包括位于远端310处或远端310附近的发光二极管(LED)。在一些实施方式中，照明源310可以包括延伸穿过内窥镜的长度以使来自诸如X射线发生器之类的远程光源的光通过远端300传输的一个或更多个光纤。在远端300包括多个照明源310的情况下，这些照明源均可以被配置成发出相同或不同波长的光。

成像装置315可以包括被配置成将表示接收到的光的能量转换成电信号的任何光敏基板或结构，例如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。成像装置315的一些示例可以包括被配置成将图像从内窥镜的远端300传输至在内窥镜的近端处的目镜和/或图像传感器的一个或更多个光纤例如光纤束。成像装置315还可以包括各种光学设计所需的一个或更多个透镜和/或波长通过或截止滤光器。从照明源310发出的光使成像装置315能够捕获患者内腔网络内部的图像。这些图像然后可以作为各个帧或一系列连续的帧(例如，视频)传输至计算机系统例如命令控制台，以进行处理和/或显示。

位于远端300上的EM传感器305可以与EM跟踪系统一起使用，以检测内窥镜的远端300在被定位在解剖系统内时的位置和/或取向。在一些实施方式中，EM传感器305可以成角度以提供对沿不同轴线的EM场的灵敏度，使得所公开的导航系统能够测量完整的6DoF：三个位置DoF和三个角度DoF。在其他实施方式中，仅单个线圈或传感器可以被布置在远端300上或远端300内，其中所述单个线圈或传感器的轴线沿内窥镜的内窥镜轴取向。在仅单个EM线圈或传感器放置在器械的远端300上以使系统相对于其轴线(例如，其纵向轴线)对称的情况下，系统可能不能检测到相对于其轴线的一个或更多个滚转，因为这样的滚转不会改变单个线圈或传感器上的磁通量或电通量。由于这种系统的旋转对称性，系统可能对绕其轴线的滚转不敏感，因此在这种实现方式中只能检测到5DoF。在系统包括具有不平行的对称轴(例如，彼此垂直的对称轴)的两个或更多个线圈或传感器的情况下，该系统可能对相对于其轴线的(一个或更多个)滚转敏感。对于具有一个或更多个EM线圈或传感器的对相对于其轴线的滚转不敏感的系统，可以经由除EM线圈以外的一个或更多个传感器或检测器来检测非命令滚转。在一些实施方式中，可以通过分析来自成像装置(例如，成像装置315或在器械的远端处或远端附近的成像装置)的一个或更多个图像来确定非命令滚转。

图19A至图19B示出了示例医疗器械(例如，医疗器械350、医疗器械70或图1的内窥镜13)的尖端参考系、视觉参考系、控制参考系和期望参考系。图19A示出了三维(3D)空间中的医疗器械350的尖端参考系360和期望参考系368。医疗器械350具有远侧尖端352，该远侧尖端352包括与图18所示的医疗器械的远端300的部件相似的一个或更多个部件(例如，成像装置356和/或EM传感器线圈358)。医疗器械350还可以包括被配置成操纵或接合器械350的远侧尖端352的一个或更多个牵引线354。尖端参考系360可以表示器械350的远端352的取向。尖端参考系360包括x轴362、y轴364和z轴366。如以下将更详细解释的，可以通过一个或更多个成像装置(例如，成像装置356)、位置传感器(例如，EM贴片传感器105)、EM线圈(例如，EM传感器线圈358)或任何其他合适的传感器(例如，测量器械350的重力或其他运动的加速度计)或其组合来确定尖端参考系360。

期望参考系368可以是对视觉参考系和/或控制参考系的调整所基于的参考系。在一些实施方式中，期望参考系368可以是系统或操作者旨在将视觉参考系和/或控制参考系变换为的目标参考系。系统可以使得基于触发例如请求(可以从用户输入发起和接收)来执行此变换，或者系统可以使得此变换持续执行，以便在医疗过程期间保持一致的视图和控制。期望参考系368可以是解剖参考系(例如，由解剖特征确定的参考系)或世界参考系(例如，由重力方向确定的参考系)。在图19A中，期望参考系368由三角锥表示，该三角锥的顶点369指向参考方向(例如，向上方向或z方向)。

图19B示出了在来自医疗器械350的远端352处的成像装置356的一个或更多个图像中所示的医疗器械350的期望参考系368、视觉参考系380和控制参考系390。视觉参考系380表示根据从医疗器械350的成像装置356捕获的图像而生成的输出图像的取向。在图19B中，视觉参考系380与期望参考系368对准，该期望参考系368由视觉参考系380中所示的三角锥表示。换言之，代表向上方向的三角锥的顶点369对应于视觉参考系380的向上方向。应当注意并在下面进一步解释的，可以基于尖端参考系360的改变以下述方式来调整视觉参考系380：使得尽管尖端参考系360发生了改变，但输出图像仍与期望参考系368一致，如在非命令滚转期间可能经历的那样。

控制参考系390是表示器械350的马达控制命令与马达输出之间的关系的数据。在图19B中，控制参考系390由控制系指示符392、394、396和398表示。应当理解，控制系指示符392、394、396和398仅被示出用于说明控制输入将使得医疗装置350致动的移动方向。例如，在用户输入装置上按下向上方向将使得医疗装置350的尖端以由控制系指示符392表示的方式向上致动。在一些实施方式中，控制系指示符392、394、396和398可以显示在屏幕上。在那些实施方式中，控制系指示符392、394、396和398可以包括表示操作者(例如，医师、外科医生、支气管镜检员或机器人控制系统)可以命令医疗器械350移动的方向(例如，分别向上、向下、向左和向右)的一个或更多个形状(例如，箭头、圆点或三角形)。类似于视觉参考系380，应当注意并且下文进一步解释的，可以基于尖端参考系360的改变以下述方式来调整控制参考系390：使得尽管尖端参考系360发生了改变，但马达控制命令仍与期望参考系368一致，如在非命令滚转期间可能经历的那样。

图20A至图20B图示了示例医疗器械(例如，医疗器械450)的尖端参考系460、视觉参考系480、控制参考系490和期望参考系468中的改变。图20A示出了在发生非命令滚转但没有任何校正之后的3D空间中的医疗器械450的尖端参考系460和期望参考系468。在所示的示例中，医疗器械450的远侧尖端452示出了远侧尖端452由于非命令滚转而被定向成沿对角线。因此，包括x轴462、y轴464和z轴466的尖端参考系460也定向在对角线方向上。期望参考系468由具有指向上方的顶点469的三角锥表示。

图20B示出了基于图20A中所示出的非命令滚转并且同样没有任何校正的在来自在医疗器械450的远端452处的成像装置456的一个或更多个图像中所示出的医疗器械450的期望参考系468、视觉参考系480和控制参考系490。如图20B所示，医疗器械450的视觉参考系480和控制参考系490(由控制系指示符492、494、496和498表示)与期望参考系368不一致。这种不一致性可能导致终端用户迷失方向。例如，在没有命令滚转的情况下，由医疗装置显示的图像将处于与终端用户的期望不一致的取向。如在该示例中可以看到的，由于医疗器械450的非命令滚转，控制系指示符492(在一些实施方式中，操作者预期指示符将是向上方向)不与期望参考系468的向上方向(如顶点469所指示的)对准。

与图20A至图20B相比，图21A至图21B示出了在针对非命令滚转进行校正之后的示例医疗器械(例如，医疗器械450)的尖端参考系460'、视觉参考系480'、控制参考系490'和期望参考系468'。图21A示出了3D空间中的医疗器械450的尖端参考系460(由x轴462、y轴464和z轴466表示)和期望参考系468。针对非命令滚转的校正可以包括对视觉参考系480和控制参考系468的一个或更多个调整，这将在下面描述，并且在一些实施方式中，可以在不对尖端参考系460进行(一个或更多个)改变情况下发生对视觉参考系480和控制参考系490的调整。图20B示出了在非命令滚转校正之后的在来自在医疗器械450的远端452处的成像装置456的一个或更多个图像中示出的医疗器械450的期望参考系468'、视觉参考系480'和控制参考系490'(由控制系指示符492'、494'、496'和498'表示)。在调整期间，旋转医疗器械450的视觉参考系480'和控制参考系490'，以使得表示期望参考系468'的三角锥的顶点469被显示为使得顶点469指向上方，并且控制系指示符492'、494'、496'和498'继续分别表示相对于期望参考系468'的向上、向下、向左和向右方向。该调整可以例如通过将视觉参考系480'和控制参考系490'定向在对操作者而言的直观的方向上来辅助操作者灵活且一致地操纵医疗器械450。下面还描述了基于尖端参考系和/或期望参考系来调整或变换视觉参考系和/或控制参考系的一种或更多种方法。

根据本公开内容的一个或更多个方面，图22描绘了用于如本文所描述的针对非命令器械滚转进行校正的示例方法或处理600的流程图。如本文所描述的，处理600可以用于基于尖端参考系和/或期望参考系来调整或变换视觉参考系和/或控制参考系，以使得器械的控制更直观。例如，处理600可以将视觉参考系和/或控制参考系与用户预期或期望的方向对准，而不管尖端参考系的位置的器械的非命令滚转。处理600可以例如在机器人控制系统(例如，系统10、36或47)、器械驱动器(例如，器械驱动器62)、控制器(例如，控制电路68)、控制台(例如，控制台16或31)和/或控制台基部(例如，推车基部15)或其部件中实现。因此，实现下面描述的处理600的系统不限于机器人控制系统。在一些情况下，可以由系统的用户执行示例处理600的一个或更多个框。

处理600可以在框605处开始。在框605处，系统可以获得或确定医疗器械(例如，医疗器械150、350或450)的尖端参考系(例如，图19A中的尖端参考系360或图20A和21A中的尖端参考系460)。如上面在图19A至图21B中所描述的，尖端参考系可以表示医疗器械的远端的物理取向。在一些方面，系统可以被配置成从例如医疗器械上的一个或更多个传感器获得尖端参考系。例如，系统可以被配置成从一个或更多个成像装置、位置传感器或EM线圈或传感器获得数据，并基于该数据计算尖端参考系。在基于视觉的示例中，可以通过分析一个或更多个图像(例如，来自成像装置的一个或更多个图像)来确定尖端参考系。在图像的分析期间，患者的一个或更多个解剖特征可以用于确定尖端参考系。如下面进一步解释的，解剖特征可以是表征手术中图像数据中示出的特征。在基于位置的示例中，可以基于来自医疗器械上的位置传感器和附接至患者或位于患者附近的设备(例如，手术床)的EM贴片传感器的数据来确定尖端参考系。

在框610处，系统可以获得或确定期望参考系(例如，期望参考系368或468)。类似于获得尖端参考系，可以基于解剖参考系(例如，基于患者的解剖结构)、世界参考系(例如，基于世界的特征例如重力方向)等来确定期望参考系。其它实施方式可以使用其它参考系。在根据解剖参考系确定期望参考系的情况下，期望参考系可以基于从手术前数据(例如，一个或更多个解剖模型)得到的患者的一个或更多个解剖特征或者基于对解剖特征的特性的假设。例如，在过程之前，可以生成并处理患者的解剖结构的模型以确定解剖结构的特征，从而确定期望参考系。这样的特征可以基于在模型中的给定位置处的气道的中心点的取向。附加地或可替选地，除了使用从患者解剖结构的模型得到的特征以外，实施方式可以基于假设或已知的患者的解剖结构的特征来确定期望参考系。一种这样的假设或已知特征是主隆突中的左支气管和右支气管的中心线基本上在水平轴线上对准。下面在图25中描述了用于基于患者的解剖结构的特征(例如，根据手术前数据得到的或假设的/已知的)来确定期望参考系的示例性处理。

如刚才提到的，一些实施方式可以根据从位于患者附近(例如，在床上或附接至患者胸部)的静态贴片传感器得到的参考系来得到期望参考系。在这些实施方式中，系统可以基于例如由贴片传感器形成的平面来检测重力的方向。例如，在贴片被放置在患者的胸部或工作台的床上的情况下，由多个贴片形成的平面的负z方向可以被假设为重力的方向。然后，系统可以操作为使得期望参考系与重力方向相对(例如，对准)。参照图23更详细地讨论了使用贴片传感器来确定期望参考系的一些实施方式。

在框615处，系统可以基于相对于期望参考系的当前尖端参考系来确定对视觉参考系(例如，视觉参考系380或480)和/或控制参考系(例如，控制参考系390或490)的调整。可以基于尖端参考系与期望参考系之间的差异来确定调整，并且对视觉参考系和/或控制参考系进行对应的调整。图19A至图21B和图24A至图24D中描述了基于期望参考系来确定对视觉参考系和控制参考系的调整的示例性调整处理。

在框620处，系统可以基于所确定的调整来变换视觉参考系和/或控制参考系。在一些实施方式中，系统可以通过相对于医疗器械的纵向轴线旋转视觉参考系和/或控制参考系来变换视觉参考系和/或控制参考系。在一些实施方式中，系统可以通过旋转视觉参考系和/或控制参考系直到它与期望参考系对准来变换视觉参考系和/或控制参考系。在一些实施方式中，系统可以基于用户输入来变换视觉参考系和/或控制参考系。在一些实施方式中，系统可以通过旋转视觉参考系和/或控制参考系以减少器械的远端的滚转或尖端参考系的累积滚转的影响来变换视觉参考系和/或控制参考系。

在框625处，系统还可以验证经变换的视觉参考系和/或经变换的控制参考系。在一些实施方式中，系统可以通过在一个或更多个方向上移动器械、响应于器械的移动来计算或确定视觉参考系和/或控制参考系中的预期变化以及将视觉参考系和/或控制参考系中的实际变化与预期变化进行比较来验证经变换的视觉参考系和/或经变换的控制参考系。在一些实施方式中，在一个或更多个方向上移动器械可以包括以特定的移动序列移动器械。在一些方面，视觉运动检测方法(例如，光流)可以用于将视觉参考系和/或控制参考系中的实际变化与预期变化进行比较。在一些方面，视觉运动检测方法可以检查来自器械的远端的图像是否在与器械相同的方向(或相同的方式)上移动。在一些方面，该系统还可以基于该比较来调整视觉参考系和/或控制参考系。例如，在器械滚转大于180度的情况下，验证步骤可以是特别有用的。

应当理解，在系统包括其中多个器械可以是可接合的伸缩式医疗器械的情况下，可以对视觉参考系和/或控制参考系进行类似的调整。例如，针对一个器械所确定的调整可以应用于其他器械。在一些实施方式中，可以独立地调整各个伸缩式器械。

在相关方面，系统可以被配置成变换被配置成插入患者体内的医疗器械的控制系。系统可以包括：被配置成确定医疗器械的移动的控制系统；存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器；以及一个或更多个处理器，其与至少一个计算机可读存储器通信并且被配置成执行指令以使系统至少：获得表示医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在医疗器械的远端处或医疗器械的远端附近的至少一个成像装置(例如，成像装置315、356或456)或位置传感器(例如，EM线圈305或358，或EM贴片传感器105、670、672或674)的数据来确定尖端参考系，尖端参考系表示医疗器械的远端的当前取向；获得期望参考系；以及基于尖端参考系和/或期望参考系来变换控制参考系。

图23描述了根据一个实施方式的可以基于EM贴片传感器确定的期望参考系680。图23示出了用于获得可以根据世界参考系确定的期望参考系的方法。如图23所示，一个或更多个EM贴片传感器(例如，EM贴片传感器670、672和674)可以放置在患者上或患者附近(例如，如图16的EM贴片传感器105所示的患者上，或在患者所躺的床上)。EM贴片传感器670、672和674可以形成由三角形表示的平面676，该三角形的顶点在EM贴片传感器670、672和674的位置处。可以基于平面676确定期望参考系680。在一个实施方式中，x轴682和y轴684可以平行于平面676或在平面676中，并且z轴686可以垂直于平面676。在一些方面，期望参考系680可以是这样的：参考系680的负z轴(即，与z轴686相反的方向)可以与重力的方向对准或至少大致一致(例如，当患者面朝上躺着并且EM贴片传感器被放置在患者的身体上时)。

现在将讨论使用基于解剖学的方法来调整视觉参考系和控制参考系。根据本公开内容的一个或更多个方面，图24A至图24D示出了可以在如本文描述的用于针对非命令器械滚转进行校正的处理(例如，图22中的处理600)期间向用户呈现的示例用户界面780、800、820和840。例如，在一些实施方式中，用户界面780、800、820或840可以呈现在控制台16或31的显示屏上。

图24A示出了可以在医疗器械(例如，医疗器械350或450、医疗器械70或内窥镜13)被插入患者体内之前呈现给用户的示例用户界面780。示例用户界面780包括视觉显示782以及一个或更多个控制系指示符790、792、794和796。视觉显示782示出从在医疗器械的远端处或医疗器械的远端附近的成像装置(例如，成像装置315、356或456)获得的一个或更多个图像。在医疗器械未被插入患者体内时，视觉显示782示出外部世界(例如手术室)的图像。应当理解，这里示出控制系指示符790、792、794和796以说明用户输入至器械控制的映射，并且实际上可以不被视觉地显示。然而，显示视觉指示符的实施方式可以将指示符显示为任何合适的形状(例如，箭头、点或三角形)。在一些实施方式中，在示例用户界面780上可以存在任何数量的控制系指示符。例如，可以仅存在一个表示向上方向或向下方向的控制系指示符。在另一示例中，可以存在两个控制系指示符，以表示1)向上方向和向下方向之一以及2)向左方向和向右方向之一。在另一示例中，除了向上、向下、向左和向右方向以外，可以存在多于四个控制系指示符。

在一些实施方式中，可以在空气中或在将器械插入患者体内之前校准视觉参考系、控制参考系和/或尖端参考系。例如，可以通过来自成像装置的图像(例如，视觉显示782中所示的图像)来确定控制系指示符790、792、794和796(即，控制参考系)的方向和/或位置，如本文所描述的。如图24A所示，在一些示例中，控制系指示符790、792、794和796可以至少基本上与重力参考系一致。另外，如图24A所示，在一些示例中，控制系指示符790、792、794和796可以至少基本上与视觉显示782的视觉参考系一致。例如，视觉显示782中的向上、向下、向左和向右方向可以至少基本上对应于控制系指示符790、792、794和796的向上、向下、向左和向右方向。

图24B示出了在医疗器械被插入患者体内并且器械的远端已经到达患者体内的特定区域(例如，如图24B所示的患者的主隆突)的情况下可以呈现给用户的示例用户界面800。示例用户界面800包括视觉显示802以及表示控制参考系的一个或更多个控制系指示符810、812、814和816(例如，分别为向上、向下、向左和向右方向)。在该示例中，因为医疗器械已经到达患者的主隆突，所以视觉显示802示出了主隆突的图像，其中具有左支气管804和右支气管806。图24B中所示的用户界面800示出了其中发生了非命令滚转并且未对控制参考系或视觉参考系进行校正的显示。这可能使系统的用户迷失方向，因为用户可能期望到左支气管804和右支气管806的气道的中心线基本上对准。然而，如图24B所示，右支气管806基本上旋转成在左支气管804下方。该旋转可以使系统的用户将其解剖结构的知识调整成由医疗器械呈现的旋转视图。这种不一致可能是由于如上所述的非命令的、非有意的和/或寄生的器械滚转伪影(例如，由于医疗器械的气管内插入导致的器械滚转)。

图24C示出了在视觉参考系被变换之后可以呈现给用户的示例用户界面820。示例用户界面820包括视觉显示822以及表示控制参考系的一个或更多个控制系指示符830、832、834和836(例如，分别为向上、向下、向左和向右方向)。与图24B中的视觉显示802的图像相比，视觉显示822的视觉参考系被变换(例如，旋转)，以使得视觉参考系与解剖参考系(例如，主隆突)一致。例如，左支气管804位于视觉显示822的左侧，而右支气管806位于视觉显示822的右侧。本文描述了变换视觉参考系的方法(例如，基于期望参考系、被跟踪的尖端滚转、尖端参考系、重力参考系和/或通过一个或更多个EM贴片传感器例如EM贴片传感器105、670、672和/或674测量的参考系)。在图24C中，仅视觉参考系被变换以对应于解剖参考系；控制参考系仍然与解剖参考系不一致。这种不一致性可能为医疗器械的操作者带来了控制挑战。例如，引导医疗器械向上致动现在将致使医疗装置根据用户界面820中呈现的视图对角地向右上移动。

图24D示出了在视觉参考系和控制参考系两者都被变换之后可以呈现给用户的示例用户界面840。示例用户界面840包括视觉显示842和表示控制参考系的一个或更多个控制系指示符850、852、854和856(例如，分别为向上、向下、向左和向右方向)。与图24C中的视觉显示822相比，视觉显示842中所示的视觉参考系和控制参考系两者都被变换(例如，旋转)，以使得视觉参考系和控制参考系(如由控制系指示符850、852、854和856所表示的)与解剖参考系(例如，主隆突)一致。例如，表示向左方向的控制系指示符854对应于左支气管804的位置，而表示向右方向的控制系指示符856对应于右支气管806的位置。本文描述了变换控制参考系的方法(例如，基于期望参考系、被跟踪的尖端滚转、尖端参考系、重力参考系和/或通过一个或更多个EM贴片传感器例如EM贴片传感器105、670、672和/或674测量的参考系)。

根据本公开内容的一个或更多个方面，图25描绘了确定非命令滚转的示例处理。在一些实施方式中，所计算的非命令滚转可以用于调整视觉参考系和/或控制参考系。从医疗器械(例如，医疗器械350或450、医疗器械70或内窥镜13)的远端处或医疗器械的远端附近的成像装置(例如，成像装置315、356或456)得到的图像860示出了患者的主隆突，其中具有左支气管804和右支气管806。图像860示出了视觉参考系未与解剖参考系对准。在该示例处理中，解剖特征(例如，图像860中所示的主隆突)被用作界标。由于肺的解剖特征，主隆突中的最远深度点是右支气管806。可以通过各种计算例如明暗恢复形状(SFS)方法来确定最远深度点。

SFS方法可以首先将从成像装置得到的图像860转换为阴影图像865，其中阴影图像865的每个像素表示原始图像860的阴影或亮度。在阴影图像865中，最亮的像素用较暗的颜色表示，而最暗的像素用较亮的颜色表示。阴影图像865分别示出左支气管804和右支气管806的深度峰867和869的位置。该系统可以被配置成例如通过在阴影图像865中搜索一个或更多个局部最大像素来分别定位左支气管804和右支气管806的深度峰867和869。

然后，SFS方法可以分别基于左支气管804和右支气管806的深度峰267和869的位置来计算视觉参考系和/或控制参考系的旋转调整。可以通过计算原始图像860的水平线874与连接左支气管867和右支气管869的线872之间的角度来确定旋转调整880。因此，进行对视觉参考系的旋转调整880，以使得连接两个深度峰867和869的线872变成水平的；左支气管804位于经变换的图像的左区域上；而右支气管806位于经变换的图像的右区域上。对控制参考系的旋转调整被计算为与对视觉参考系的旋转调整880相同的值，但是方向相反。如上所述，对控制参考系的旋转调整使控制参考系对应于解剖参考系。在一些实施方式中，用于确定非命令滚转或对视觉参考系和/或控制参考系的调整的处理可以是自动的。

图26描述了被配置成针对非命令器械滚转进行校正的控制系统900。可以例如在如上所述的机器人控制的系统(例如，系统10、36或47)、器械驱动器(例如，器械驱动器62)、控制器(例如，控制电路68)、控制台(例如，控制台16或31)和/或控制台基部(例如，推车基部15)或其部件中将控制系统910实现为一个或更多个数据存储装置和一个或更多个硬件处理器。

控制系统900包括视觉参考系数据储存库902、控制参考系数据储存库904、尖端参考系数据储存库906、期望参考系数据储存库908、处理模块910、经变换的视觉参考系数据储存库912以及/或者经变换的控制参考系数据储存库914。输入储存库902、904、906和908中的每一个的数据可以来自用户输入、一个或更多个处理器或另一数据储存库(例如，重力参考系数据储存库)。在一些实施方式中，控制系统900可以具有并非所有的输入数据储存库902、904、906和908。在一些实施方式中，控制系统900可以包括输入数据储存库902、904、906和908的多于一个。在一些实施方式中，控制系统900可以具有并非所有的输出数据储存库912和914。在一些实施方式中，控制系统900可以包括输出数据储存库912和914中的多于一个。尽管在下面的讨论中为了清楚起见而在图24中分开示出，但是将理解，一些或所有的数据储存库可以被一起存储在单个存储器或存储器集合中。

处理模块910被配置成从视觉参考系数据储存库902、控制参考系数据储存库904、尖端参考系数据储存库906以及/或者期望参考系数据储存库908接收输入数据，并且将输出数据传输至经变换的视觉参考系数据储存库912和/或经变换的控制参考系数据储存库914。处理模块910包括一个或更多个处理器和存储指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使(一个或更多个)处理器进行本文描述的方法、处理和步骤。例如，指令在被执行时可以使(一个或更多个)处理器至少：获得表示被配置成插入患者体内的医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系；基于来自在医疗器械的远端处或医疗器械的远端附近的至少一个成像装置(例如，成像装置315、356或456)或位置传感器(例如，EM线圈305或358，或EM贴片传感器105、670、672或674)的数据来确定尖端参考系，该尖端参考系表示医疗器械的远端的当前取向；基于来自被定位在患者上或患者附近的至少一个成像装置或位置传感器的数据来获得期望参考系；以及确定(1)控制参考系与(2)期望参考系之间的一个或更多个差异。在一个实施方式中，指令在被执行时可以使(一个或更多个)处理器至少：基于所确定的差异来变换视觉参考系和/或控制参考系。在一个实施方式中，指令在被执行时可以使(一个或更多个)处理器至少：通过将来自在医疗器械的远端中的至少一个成像装置或位置传感器的数据与来自被定位在患者上或患者附近的一个或更多个EM贴片的数据进行比较来确定一个或更多个差异。

这里的实施方式已经讨论了经由医疗器械和/或诸如放置在患者上的贴片传感器之类的位于外部的其他传感器的传感器数据来确定尖端参考系的方法。另外地或可替选地，其它实施方式可以基于系统设置或器械形状来估计尖端参考系。为了说明，一些实施方式可以基于医疗器械是否正从给定侧被插入到患者体内来确定医疗器械将在指定方向上滚转。例如，如果医疗装置从患者的右侧被插入，则系统可以假设医疗装置将在给定方向上滚转。可以基于所检测到的窥镜形状来进行类似的确定。在以该方式确定尖端参考系的情况下，系统可以将这些估计的尖端参考系与期望参考系进行比较或可以用于补充以上方法以检测尖端参考系。

3.实现系统和术语

本文公开的实现方式提供了用于针对非命令器械滚转进行校正的系统、方法和装置。

应当注意，本文使用的术语“耦接(couple)”、“耦接(coupling)”、“耦接的(coupled)”或词语耦接的其他变形可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“耦接”至第二部件，则第一部件可以经由另一部件间接连接至第二部件或者直接连接至第二部件。

本文所述的校正、变换和/或调整功能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”指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或者可用来存储呈指令或数据结构形式的期望程序代码且可以由计算机访问的任何其它介质。应当注意，计算机可读介质可以是有形的且非暂态的。如本文所使用的，术语“代码”可以指可以由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文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，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换言之，除非正描述的方法的适当操作需要特定次序的步骤或动作，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的次序和/或使用。

如本文所使用的，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指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、得到、调查、查找(例如，在表、数据库或另一数据结构中查找)、查明等。另外，“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。另外，“确定”可以包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另外明确指出，否则短语“基于”不表示“仅基于”。换言之，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

如本文所使用的，“通信地耦接”是指任何有线和/或无线数据传输介质，包括但不限于无线广域网(WWAN)(例如，一个或更多个蜂窝网络)、无线局域网(WLAN)(例如，被配置用于一个或更多个标准例如IEEE802.11(Wi-Fi))、蓝牙、数据传输线缆等。

提供所公开实现方式的先前描述以使本领域的技术人员能够产生或使用本发明。对这些实现方式的各种修改对于本领域的技术人员将是明显的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所限定的一般原理可以应用于其它实现方式。例如，可以理解，本领域的普通技术人员将能够采用许多相应的替代和等同的结构细节，例如紧固、安装、耦接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构以及用于输送电能的等同机构。因此，本发明不意在被限制于本文所示的实现方式，而是应符合与本文所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (61)

1.一种存储有指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使至少一个处理器至少：

基于用户命令来移动被插入到患者体内的机器人控制的医疗器械；

通过以下操作来检测由所述移动引起的所述器械绕所述器械的纵向轴线的非命令滚转：

从在所述器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器接收数据；

基于来自所述至少一个成像装置或所述至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，所述尖端参考系表示所述器械的远端的当前取向；

获得期望参考系，所述期望参考系表示相对于解剖参考系或全局参考系的参考系；以及

检测所述尖端参考系与所述期望参考系之间的差异，其中，所述差异是基于所述器械的所述非命令滚转；

确定对以下中的至少一者的调整：(1)表示所述器械的成像装置的显示的输出的取向的视觉参考系；或者(2)表示所述用户命令和所述器械的移动的取向的控制参考系，其中，所述调整是基于所述尖端参考系与所述期望参考系之间的差异；以及

基于所确定的调整来变换所述视觉参考系或所述控制参考系，使得所述视觉参考系或所述控制参考系与所述期望参考系对准。

2.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述至少一个位置传感器包括电磁传感器。

3.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，获得所述期望参考系是基于所述患者的一个或更多个解剖特征。

4.根据权利要求3所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，获得所述期望参考系是基于表示所述患者的一个或更多个解剖特征的图像的一个或更多个像素值。

5.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，获得所述期望参考系是基于所述患者的主隆突的一个或更多个解剖特征。

6.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，获得所述期望参考系是基于来自被定位在所述患者上的一个或更多个电磁贴片的数据。

7.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，获得所述期望参考系是基于所述尖端参考系。

8.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，确定所述调整是基于对从解剖特征的至少一个图像得到的一个或更多个特征与从所述解剖特征的至少一个模型得到的一个或更多个特征的比较。

9.根据权利要求8所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，从在所述器械的远端处的成像装置获得所述解剖特征的至少一个图像。

10.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，确定所述调整是基于对来自在所述器械的远端中的一个或更多个电磁传感器的数据与来自被定位在所述患者上的一个或更多个电磁贴片的数据的比较。

11.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，确定所述调整是基于来自被配置成测量重力的加速度计的数据。

12.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，变换所述视觉参考系或所述控制参考系包括：相对于所述器械的所述纵向轴线旋转所述视觉参考系或所述控制参考系。

13.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，变换所述视觉参考系或所述控制参考系包括：旋转所述视觉参考系或所述控制参考系以与所述尖端参考系或所述期望参考系对准。

14.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，变换所述视觉参考系或所述控制参考系是基于用户输入。

15.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，还包括：验证经变换的视觉参考系或经变换的控制参考系。

16.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，验证所述经变换的视觉参考系或所述经变换的控制参考系包括：

在一个方向上移动所述器械；

响应于所述器械的移动来计算所述视觉参考系或所述控制参考系的预期变化；以及

将(1)所述视觉参考系或所述控制参考系的实际变化与(2)所述预期变化进行比较。

17.一种被配置成变换被配置成插入患者体内的医疗器械的控制系的系统，所述系统包括：

控制器，其被配置成确定所述医疗器械的移动；

存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器；以及

与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器，其被配置成执行所述指令以使所述系统至少：

基于在表示所述医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系内提供的一个或更多个用户命令来移动所述医疗器械，其中，所述控制参考系将所述一个或更多个用户命令的取向与所述器械的相应运动关联；

通过使所述系统执行以下操作来检测由所述移动引起的所述医疗器械绕所述器械的纵向轴线的非命令滚转：

基于来自在所述医疗器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，所述尖端参考系表示所述医疗器械的远端的当前取向；

获得期望参考系；以及

检测所述尖端参考系与所述期望参考系之间的差异，其中，所述差异是基于所述器械的所述非命令滚转；以及

基于所述尖端参考系和所述期望参考系之间的差异来变换所述控制参考系，使得所述控制参考系与所述期望参考系对准。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个位置传感器包括电磁传感器。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：从所述医疗器械接收所述尖端参考系。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：(1)从在所述医疗器械的远端处的第二传感器接收数据以及(2)基于来自所述第二传感器的数据来确定所述尖端参考系。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，在所述器械的远端处的第二传感器包括至少一个成像装置或至少一个位置传感器。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第二传感器包括电磁传感器。

23.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：从所述控制器接收所述控制参考系。

24.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：从所述器械接收视觉参考系并且基于所述尖端参考系和所述期望参考系来变换所述视觉参考系。

25.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：(1)从在所述医疗器械的远端处的至少一个传感器接收数据，(2)基于来自所述至少一个传感器的数据来确定视觉参考系，以及(3)基于所述尖端参考系和所述期望参考系来变换所述视觉参考系。

26.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：基于所述患者的一个或更多个解剖特征来确定所述期望参考系。

27.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：基于表示所述患者的一个或更多个解剖特征的图像的一个或更多个像素值来确定所述期望参考系。

28.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：基于来自被定位在所述患者上的一个或更多个电磁贴片的数据来确定所述期望参考系。

29.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：

确定解剖特征的至少一个图像与所述解剖特征的至少一个模型之间的一个或更多个差异；以及

基于所述至少一个图像与所述至少一个模型之间的差异来变换所述控制参考系。

30.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：相对于所述医疗器械的纵向轴线旋转所述控制参考系以与所述期望参考系对准。

31.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述系统至少：基于用户输入来变换所述控制参考系。

32.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述系统至少：验证经变换的控制参考系。

33.根据权利要求17所述的系统；其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述系统至少：

在一个方向上移动所述医疗器械；

响应于所述医疗器械的移动来确定所述控制参考系的预期变化；以及

将(1)所述控制参考系的实际变化与(2)所述预期变化进行比较。

34.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述系统至少：

获得表示护套的远端的取向的护套参考系，所述护套被配置成能够滑动地覆盖所述医疗器械；以及

基于所述控制参考系或所述期望参考系来变换所述护套参考系。

35.一种机器人控制的可操纵器械系统，包括：

可操纵器械，其包括近端、远端、延伸穿过所述可操纵器械的通道以及在所述远端处的至少一个传感器，所述器械被配置成插入患者体内；

一个或更多个牵引线，其延伸穿过所述可操纵器械并耦接至所述可操纵器械的至少一部分；

机器人器械驱动器；

控制器，其通信地耦接至所述器械驱动器并且被配置成对所述一个或更多个牵引线进行致动；

存储有可执行指令的至少一个计算机可读存储器；以及

与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器，其被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：

基于在表示所述器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系内提供的一个或更多个用户命令来移动所述可操纵器械，其中，所述控制参考系将所述一个或更多个用户命令的取向与所述可操纵器械的相应运动关联；

通过使所述可操纵器械系统执行以下操作来检测所述可操纵器械绕所述可操纵器械的纵向轴线的非命令滚转；

基于来自在所述器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，所述尖端参考系表示所述器械的远端的当前取向；

获得期望参考系；以及

检测所述尖端参考系与所述期望参考系之间的差异，其中，所述差异是基于所述可操纵器械的所述非命令滚转；以及

基于所述尖端参考系和所述期望参考系之间的差异来变换所述控制参考系，使得所述控制参考系与所述期望参考系对准。

36.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，所述位置传感器包括电磁传感器。

37.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：(1)从所述至少一个传感器接收数据以及(2)基于来自所述至少一个传感器的数据来确定所述尖端参考系。

38.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：从所述控制器接收所述控制参考系。

39.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：(1)对所述一个或更多个牵引线进行致动以移动所述器械的一部分以及(2)基于所述器械的一部分的移动来确定所述控制参考系。

40.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：(1)从所述至少一个传感器接收数据，(2)基于来自所述至少一个传感器的数据来确定视觉参考系，以及(3)基于所述尖端参考系和所述期望参考系来变换所述视觉参考系。

41.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：基于所述患者的一个或更多个解剖特征来确定所述期望参考系。

42.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：基于来自被定位在所述患者上的一个或更多个电磁贴片的数据来确定所述期望参考系。

43.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：

确定解剖特征的至少一个图像与所述解剖特征的至少一个模型之间的一个或更多个差异；以及

基于所述至少一个图像和所述至少一个模型之间的差异来变换所述控制参考系。

44.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：相对于所述器械的纵向轴线旋转所述控制参考系以与所述期望参考系对准。

45.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：基于用户输入来变换所述控制参考系。

46.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：验证经变换的控制参考系。

47.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：

对所述一个或更多个牵引线进行致动以移动所述器械的一部分；

响应于所述器械的一部分的移动来确定所述控制参考系的预期变化；以及

将(1)所述控制参考系的实际变化与(2)所述预期变化进行比较。

48.根据权利要求35所述的可操纵器械系统，其中，所述可操纵器械还包括被配置成能够滑动地覆盖所述器械的至少一部分的护套，并且其中，与所述至少一个计算机可读存储器通信的一个或更多个处理器被配置成还执行所述指令以使所述可操纵器械系统至少：

获得表示所述护套的远端的取向的护套参考系；以及

基于所述控制参考系或所述期望参考系来变换所述护套参考系。

49.一种存储有指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使至少一个处理器至少：

基于在表示被插入患者体内的医疗器械的马达控制命令与马达输出之间的关系的控制参考系内提供的一个或更多个用户命令来移动所述医疗器械；

通过以下操作来检测由所述移动引起的所述医疗器械绕所述器械的纵向轴线的非命令滚转：

基于来自在所述医疗器械的远端处的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来确定尖端参考系，所述尖端参考系表示所述医疗器械的远端的当前取向；

基于来自被定位在所述患者上的至少一个成像装置或至少一个位置传感器的数据来获得期望参考系；以及

检测所述尖端参考系与所述期望参考系之间的差异，其中，所述差异是基于所述器械的所述非命令滚转；以及

基于所述差异，确定(1)所述控制参考系与(2)所述期望参考系之间的一个或更多个差异。

50.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述至少一个位置传感器包括电磁传感器。

51.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：从所述医疗器械接收尖端参考系。

52.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：基于所述尖端参考系来确定所述期望参考系。

53.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：基于所确定的差异来变换视觉参考系或所述控制参考系。

54.根据权利要求53所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述视觉参考系表示在所述医疗器械的远端处的至少一个成像装置的取向。

55.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：基于所述患者的一个或更多个解剖特征来确定所述期望参考系。

56.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：通过将从解剖特征的至少一个图像得到的一个或更多个特征与从所述解剖特征的至少一个模型得到的一个或更多个特征进行比较来确定所述一个或更多个差异。

57.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：通过将来自在所述医疗器械的远端中的至少一个位置传感器的数据与来自被定位在所述患者上的一个或更多个电磁贴片的数据进行比较来确定所述一个或更多个差异。

58.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：通过相对于所述医疗器械的纵向轴线旋转所述控制参考系以与所述期望参考系对准来变换所述控制参考系。

59.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：基于用户输入来变换所述控制参考系。

60.根据权利要求53、58和59中任一项所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：验证经变换的控制参考系。

61.根据权利要求49所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器至少：

在一个方向上移动所述医疗器械；

响应于所述医疗器械的移动，计算所述控制参考系的预期变化；以及

将(1)所述控制参考系的实际变化与(2)所述预期变化进行比较。

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