用于微创手术的嵌套插管 本公开总体涉及微创手术过程和其他医疗过程。更具体而言， 本公开涉及与嵌套 插管设计和构造相关的系统和方法， 所述嵌套插管的设计和构造是针对患者的特定解剖结 构组成定制的， 以便于有效的微创手术过程。
诸如导管和支气管镜的现有导航装置具有若干缺点。 支气管镜应用中遇到的具体 问题是支气管镜一般具有相对较大的管径， 并且仅能在尖端转动或以其他方式导航。大尺 寸部分是由于构建于支气管镜内的使其能够转动的控制机构。 由于其尺寸和缺少灵巧性的 原因， 常规的支气管镜在其到达特定区域的能力上受到限制。例如， 典型的支气管镜只能 到达肺部三分之一的中心， 那里是最大的气道。这样导致利用常规支气管镜技术全部肺癌 ( 例如 ) 有三分之二不能到达， 因此， 没有较大的物理介入就无法治疗。即使是可能区分良 性结节和恶性结节的肺部活检也有高达 40％的导致肺萎陷的可能。于是， 可能得到治疗的 疾病常常得不到治疗， 直到疾病恶化到批准和 / 或需要手术为止。
与传统手术技术相关联的导管和导丝相对灵活， 能够通过跟随脉管而到达身体内 深处。 然而， 这些装置具有尖端形状， 设计这种尖端形状是为了解决可能在解剖结构之内转 向的最困难问题。特定装置仅能设法通过一种复杂转动限制了装置的适用性。导管和导丝 常常用于 “上游” 方向， 其中脉管的分支不需要特别控制， 节省了针对特定位置的一次困难 转动。例如， 向着心脏将导管插入远端动脉， 例如股动脉 ( 用于球囊血管成形术中 ) 中， 意 味着脉管沿这个方向汇合而不是分开。尽管在很多情况下这是有效的， 但没有有效的机构 来穿过复杂动脉或沿着静脉穿行， 因为动脉在血液离开心脏流动时与血液一起行进， 静脉 逆着血流方向离开心脏行进。在肺中， 导管和导丝在远端具有较低控制以抵达肺的特定分 支， 因此不适于抵达这些特定靶标。
插入诸如插管、 导管、 导丝或窥镜 ( 支气管镜、 内窥镜等 ) 之类的医疗装置一般会 导致摩擦问题， 并且可能在行进到靶标的整个路线 (path) 中导致组织损伤。在将装置插入 指定解剖区域中时可能会发生这种情况， 尤其在试错法通过复杂解剖结构时， 会导致锯切 运动。此外， 手术或探查过程中工具尖端的移动导致整个路线中所有组织的运动。例如， 在 活检、 消融、 烧灼、 电生理学等过程中， 装置尖端的移动导致装置在整个路线中运动。例如， 这种摩擦可能会移去导致脑卒中风险增加的易损斑块。
出于本申请的目的， “活动插管” 是指依赖于管的交互作用来产生运动， 特别是远 端处运动的装置。 “嵌套插管” 是指被构造成导致嵌套管之间最小交互作用的装置， 嵌套管 通常从最大到最小相继伸展。
申请人的题为 “Active Cannula Configuration for Minimally Invasive Surgery” 的先前共同未决申请国际公开号为 WO 2008/032230， 2008 年 3 月 20 日， 本文通 过引用将其全文并入这里并构代价说明书的一部分， 该申请公开了用于配置活动插管装置 的系统和方法， 除了其他效果以外， 以实现多个嵌套管形状和强度的交互作用， 以在装置远 端产生特征性运动。对于预先弯曲的同心管而言， 在 Sears 和 Dupont 于 2007 年的 IEEE International Conference on Robotics and Automation( 第 1887-1892 页 ) 的 文 章 “Inverse Kinematics of Concentric Tube Steerable Needles” 中描述了一种逆运动学
技术。不过， 所公开的技术是自由空间中的计算， 未考虑障碍物。在这种情况下， 逆运动学 需要识别每根管的具体配置 ( 伸展和旋转 ) 以实现尖端的具体位置和取向。不过， 配置活 动或嵌套插管的管以到达障碍物周围或受到穿过解剖结构的代价限制提出了很大的难题。
为了通过相继部署来使用嵌套插管， 必须定义管的配置， 从而能够实现所述路线 和远端的最终的预定位置。
对于路线而言， 找到通过脉管的中线并不够用， 因为这种信息不描述如何将路线 分解成可伸展的共同子组分。例如， 不能简单地部署 S 形状作为单一连续 S 形状。这是因 为在一端从包封的管出来时， 它面对错误的方向。相反， 必须要嵌套两个 C 形， 使得第一个 逆时针方向旋转， 第二个与第一个成 180 度取向， 伸展以创建顺时针方向的 C。 此外， 如果每 个形状均稍有不同， 会要求定制制造出这些形状， 例如通过加热。此外， 管的直径必须要匹 配所针对的解剖结构。
先前已经公开了一种技术， 其描述如何在 3D 中定义路线以进行支气管镜控制进 而到达给定靶标， 同时还避开障碍物。也可以将这项技术应用于具有预定优选弧形的可弯 曲导管。以前未教导在 2D 或 3D 中利用嵌套插管规划通往期望靶标的路线。而且， 以前没 有人教导利用嵌套插管使用提供确定这种解剖结构在空间中的位置的完整范围的变量的 信息规划通往期望靶标的路线。 嵌套插管系统相对于现有的进入和导航技术可以提供一些好处， 包括， 但不限于 ： 与嵌套插管系统相关联的管柔韧性、 相对于其他导航系统的更小直径以及因此获得的可伸 长嵌套设计的尺寸减小。特定嵌套插管系列和 / 或系统中的管数量受到最外层的管直径以 及在相继管伸展时它们是否在解剖结构之内匹配的限制。 靶标位置通常受到正在执行的手 术程序的需求以及被研究解剖结构的影响和 / 或由其决定。结果， 利用现有系统可能难以 到达某些高度盘绕的狭窄路线和 / 或靶标位置。
例如， 热整形术 (thermoplasty) 可以利用嵌套插管系统。热整形术是一种用于治 疗哮喘患者的新兴技术， 在美国这种病的患者大约为 1400 万人。 据报道， 由 Asthmatx， Inc. 制造的 Alair 装置正在临床试验中。平滑肌响应于各种触发机制而变厚， 使气道关闭， 每
年导致 200,000 人次住院治疗， 直接保健代价为 $51 亿。Alair 装置通过使支气管树周围 的平滑肌脱敏而工作。 因此， 需要有效的嵌套插管系统， 更具体而言， 可以基于与这种解剖结构在空间中 位置相关联的完整范围的变量可靠地到达解剖位置的嵌套插管系统。 这些和其他需求通过 本公开的系统和方法得以解决和 / 或克服。
本公开 ( 除了其他以外 ) 提供了用于针对微创医疗程序设计和配置嵌套插管的有 利系统和方法。嵌套插管可以被称为基于预先采集的靶标位置的 3D 图像和识别为特定患 者生成的定制工具。以包括位置 (x， y， z) 和取向的六个自由度描述靶标位置， 可以通过相 对于第一点 (x2， y2， z2) 选择另一个点确定取向。根据本公开的示范性系统包括彼此嵌套 的多根同心伸缩管。 对嵌套管进行配置和尺寸设计以通过产生从特定解剖区域和靶标位置 的三维图像获得的管路径 (pathway) 而到达靶标位置。
通常由正在执行的程序的需求以及由解剖区域的 3D 图像确定的所涉及解剖结构 的六个自由度中的位置和取向来确定靶标位置。通常利用三维成像系统获得必需的路线， 其中在入口点和一个或多个靶标位置之间确定每个弧。 对所述管进行配置和尺寸设计以到
达特定解剖区域之内较小的和 / 或复杂的靶标位置。
管可以有利地由表现出期望水平的柔韧性 / 弹性的材料制造。于是， 一个或多个 嵌套管可以由镍钛诺材料制造。镍钛诺材料具有 “完美的记忆” ， 因为在施加力的时候它可 以弯曲， 而一旦移开力就返回到原来设置的形状。 尽管长的管能够产生伪影， 但镍钛诺也可 以用于 MRI 机器之内。镍钛诺是相对强的材料， 因此可以将其做成薄壁的， 从而能够实现多 根管的嵌套。外径从 5mm 到 0.2mm 的管较容易在市场上买到。也可以使用其他材料， 例如 形状记忆聚合物 (SMP) 和其他生物相容性塑料。
在示范性实施例中， 三维成像系统常常是 CT、 超声、 PET、 SPECT 或 MRI， 但也可以从 距离传感器、 立体图像、 视频或其他非医疗成像系统构造。通常， 使用特定解剖区域的图像 以及被研究解剖结构的位置和取向来对所述多根管中的每个进行配置和尺寸设计以定义 所述多根管中的每个的特定形状和伸展长度。 所定义的所述多根管中的每个的形状和伸展 长度确定是否能够到达靶标位置。在示范性实施例中， 对所述多根管进行配置和尺寸设计 以针对特定解剖区域和靶标位置和取向预先设计形状和伸展长度。 经预先设计的多根管可 以包括交替的弯管和直管。
在根据本公开的示范性系统中， 对所述多根管进行配置和尺寸设计以针对与特定 个体相关联的特定解剖区域和靶标位置以及所涉及的解剖结构预先设计形状和伸展长度。 通常对所述管进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域之内直径较小的位置和 / 或需要 复杂操作的位置。 解剖区域可以是任何需要器械侵入或手术的期望区域， 包括但不限于 ： 肺 部区域、 胸部区域、 腹部区域、 神经区域、 心脏区域、 脉管区域等。通过被研究解剖结构确定 解剖区域中的靶标位置。可以有各种被研究的解剖结构或结构状态， 包括但不限于 ： 肿瘤、 病灶、 囊肿、 息肉、 结节、 错构瘤、 赘生物、 肿块、 块、 管道、 器官、 组织、 伤口、 裂缝、 损害等。 在示范性实施例中， 管适于通过利用多根管中针对那些嵌套于内部的管的外部管 创建和 / 或提供障碍来防止插入摩擦导致的组织损伤。管还可以在远端管的尖端处包括 医疗装置构件或其他活动结构， 其适于在靶标位置执行和 / 或方便医疗程序。与本公开相 关的医疗装置包括但不限于 ： 导管、 伸缩尖端、 导丝、 光纤装置、 活检、 缝合、 消融、 烧灼、 电刺 激、 灌洗机构、 血管成形术球囊装置以及其他血管成形术、 给药 (curatage) 装置和传感器 ( 例如 pH 传感器、 温度传感器和 / 或电传感器 )。例如， 一般使用电传感器检查心电功能， 而一般使用光纤装置治疗肺部的病灶。
所述管可以有利地适于允许借助于触觉和 / 或视觉反馈对将管插入到解剖区域 中进行手动引导和控制。也可以使用位置反馈， 例如嵌入管中或管承载的有效载荷之内的 电磁跟踪线圈。可以在图形显示器上显示相对位置， 优选与图像配准。管还可以适于允许 自动化控制和 / 或部署系统或与之交互。
本公开还提供了一种用于嵌套插管设计和 / 或配置的方法， 包括如下步骤 ： (a) 捕 获具有充分信息的解剖区域和被研究解剖结构的三维图像， 以便基于这种结构的六个自由 度确定其的位置和取向 ； (b) 读取解剖区域和解剖结构的三维图像 ； (c) 通过考虑到正执行 的程序以及被研究解剖结构的位置和取向确定嵌套插管远端的有效位置来确定靶标位置 ； (d) 从三维图像中特定的位置和取向产生一系列弧 ； (e) 利用所产生的通过入口点的一系 列弧计算入口和靶标位置之间的路径 ； 以及 (f) 产生彼此嵌套的多根同心伸缩管以定义嵌 套插管， 使得嵌套插管被配置和尺寸设计成利用所产生的路径到达靶标位置。 典型地， 三维
图像为 CT 扫描或 MRI 图像。在示范性方法中， 所述多根管在直管和弯管之间交替。可以对 所述管进行配置和尺寸设计以到达较小的和复杂的靶标位置并使得有效的程序能够得到 执行。
根据说明书， 特别是在结合附图阅读时， 所公开系统和方法的额外特征、 功能和益 处将显而易见。
为了有助于本领域技术人员实现和使用所公开的系统和方法， 可以参考附图， 在 附图中 ：
图 1 示出了三个不同的示范性插管曲率， 28mm 半径、 14mm 转向半径和直的 ( 无穷 大半径 ) ；
图 2 示出了弧的示范性 3D 邻域， 其表示与本公开相关联的每根管的中心行进的选 项；
图 3 示出了弧的示范性 2D 邻域， 强调了直线方向中的相邻弧 ；
图 4 示出了图 3 的弧的示范性 2D 邻域， 强调了沿着左侧固定曲率的相邻弧 ；
图 5 示出了图 3 的弧的示范性 2D 邻域， 标识了从原始组的每个纤维开始的最佳近 邻；
图 6 示出了从第一组开放近邻弧的伸展以及多个弧的级联获得的覆盖度 ； 图 7 示出了肺气道的分割以及与本公开相关联的管的示范性配置 ； 图 8 示出了到达要活检病灶的示范性接近角 ； 图 9 示出了到达要进行支气管肺泡灌洗 (BAL) 的病灶的示范性切向接近角 ； 图 10 示出了对位于肺中脉管或气道周围或绕其取向的病灶的光动力疗法 ； 图 11 示出了对未位于脉管或气道周围和 / 或绕其取向的病灶的光动力疗法 ； 图 12 示出了所公开的适于基于网络的商务平台的嵌套插管构造和设计系统和方法； 图 13 示出了围绕选定靶标点的三维状态的二维截面。
本公开提供了嵌套插管配置系统和方法， 其产生针对患者和 / 或感兴趣解剖区域 和 / 或被研究解剖结构定制的嵌套插管。公开的系统和方法有利地使得微创手术程序能够 到达传统手术手段通常难以到达的特定靶标位置。 镍钛诺管考虑到了到达复杂和困难靶标 位置的柔韧性和灵巧性。使用一幅或多幅 3D 图像来确定有效的靶标位置并产生一系列 3D 路线， 该路线定义柔性管的形状和伸展长度。 在示范性实施例中， 在几分钟之内计算出靶标 位置和管路线。 所配置的嵌套插管系统和方法能够比手动定形的导管更快地穿过复杂的脉 管系统， 手动定形的导管通常需要试错法来恰当地形成。与不能到达需要有效治疗的位置 的手动定形的导管或其他方法相比， 所配置的嵌套插管系统和方法还能够进行更有效的治 疗。
将到达靶标所需的运动设计到工具中， 使它能够执行多次转弯而无需马达、 控制 线等的额外尺寸或重量。 于是， 所公开的微型灵巧工具能够实现精确、 微创地到达非常小的 解剖范围和 / 或区域中。
根据本公开， 嵌套插管系统包括多个可伸缩的预定形管。由柔性镍钛诺 ( 镍钛合 金 ) 或其他适当材料制造的同心伸缩管通常沿着解剖区域伸展， 每根管具有特定的曲率。 由于镍钛诺的记忆属性和柔性， 因此镍钛诺是制造插管的特别理想的材料， 从而使得管能
够保形地进入环绕它的更大管中， 直到管伸展出来。 典型地， 首先向期望区域中引入最大的 管， 随后将依次更小的管引入 / 伸展到预计 / 期望的长度和取向。在示范性实施例中， 管可 以由较便宜但可能需要更厚的壁的橡胶或塑料制成。 如果能够到达靶标位置所需的管数量 足够小， 或者解剖结构大到足以容纳每根管， 那么非金属制造可能是有利的。 管弹性的特征 也同样重要 ； 因此， 可能有利的是在接近部署这些管时嵌套管， 使得它们采取新形状或以其 他方式受记忆效应影响的可能更小。
根据本公开的示范性嵌套插管通常包括多根伸缩镍钛诺管 ( 常称为一系列管 )， 它们可操作到达期望的解剖区域中较小的和 / 或复杂的位置中。
于是， 根据本公开的示范性系统包括嵌套插管， 其中， 从特定解剖区域的图像对到 达特定靶标位置所需的每根管的形状和伸展距离进行配置和尺寸设计。 靶标位置由正在执 行的手术程序以及被研究解剖结构的位置和取向确定或以其他方式基于上述条件进行确 定。典型地， 用于嵌套插管配置和靶标位置确定的图像是通过诸如 CT 或 MRI 系统的医疗成 像系统导出的。 与本公开相关联的示范性嵌套插管系统还可操作地确定嵌套插管的多根管 是否能够到达特定靶标。
根据特定实施例， 嵌套插管系统包括在弯管和直管之间交替的 “标准组” 管。使用 “标准组” 能够到达给定解剖区域之内的各种位置， 无需定制每根特定管的代价或延迟。
本公开还提供了一种用于配置嵌套插管系统的示范性方法。利用诸如 CT、 超声、 PET、 SPECT 或 MRI 的成像系统产生靶标解剖区域或被研究解剖结构的特定 3D 图像。可以 将这些图像彼此配准， 从而创建多模图像， 例如 PET-CT 图像， 其中 PET 提供关于靶标和周围 相对解剖结构的重要信息， 可以分割 CT 图像以定义禁止进入的 “重要区域” ( 即嵌套插管不 会行进的区域 )。首先定义一个点， 通常为靶标位置。这个位置是相对于正在执行的手术 程序以及被研究结构的位置和取向而确定的。点也可以是入口或中心关键点。从入口点开 始， 计算可以到达的位置， 并确定到达 3D 靶标位置所需的正确的一组伸缩管形状。基于这 样的确定结果， 选择和 / 或产生各根管。
下文给出了与本公开关联的范例， 其中描述了框架的每个组分 ：
(A) 方法
在以下部分中， 将针对与本公开相关联的示范性嵌套插管应用描述并随后指定框 架的若干关键组分， 包括 ： 离散定义的配置空间、 禁止状态、 ( 多个 ) 起始或目标状态、 邻域 和代价度量。
1. 配置空间 ：
配置空间由描述装置的状态 ( 有时称为 “配置” ) 的可能参数的取值范围 (span) 定义。例如， 可以由每个关节的角度值定义机器人配置。所有可能的关节角度配置的取值 范围形成配置空间。类似地， 可以由运载工具的 x、 y 位置和取向指定运载工具的配置。在 每种状态下， 常常是由针对一种装置配置的参数值指定的阵列入口， 存储若干值， 包括从这 种状态前进到下一种状态的方向以及从该状态到达目标的剩余代价。 这些值是由稍后执行 的查找方法分配的。
嵌套插管 ( 嵌套插管 ) 的配置可以由嵌套插管尖端的 x、 y、 z 位置和 rx、 ry、 rz 取 向表示， 从而产生 6 维问题空间。相关位置可以出现于示范性的 512×512×295 预程序 CT 图像中， 其中示范性 x、 y、 z 分辨率分别为 .078、 .078 和 0.3。对于 CT 图像以 10 度增量使所有取向离散化需要 3.6 万亿个状态， 每个包含大约 40 字节， 挑战性的存储器需求为 144 太字节。在解释其余四个组分之后， 解释能够使用大约为 3D CT 图像尺寸大小的配置空间 的技术。
2. 禁止状态 ：
分割解剖结构， 将一些体素区域视为 “自由空间” 状态， 并将其他体素区域视为装 置一定不能通过的禁止区域。 可以通过很多不同技术执行这一分割步骤， 包括手动绘制、 基 于模型的分割或完全自动化分割， 其中在基于模型的分割中， 用户在解剖结构范围中放置 标称模型， 并且计算机对分割进行细化。在本范例中， 为肺配置嵌套插管需要分割肺的气 * 道。利用半自动化快速行进 (Fast March)(A ) 方法用一阈值分割图 7 中的范例图像。这 产生了内部自由空间体积以及外部禁止体积 ( 肺组织 )。
3.( 多个 ) 起始或目标状态 ：
感兴趣点的位置 (x， y， z) 和取向 (rx， ry， rz) 或 (x2， y2， z2) 代表靶标状态 ( 目 标 )， 可以被选择作为种子点以进行查找 ( 稍后描述 )。这一靶标状态 ( 位置和取向 ) 通常 是基于正在执行的手术程序以及被研究解剖结构的位置和取向——所述位置和取向可以 在六个自由度中——确定的。 自然， 如果入口方向在旋转方面不变， 例如， 如果承载工具 ( 例 如灯 ) 的管在所有旋转中功能一样好， 那么可以由系统分配用于 “向上” 的具体方向。或者， 可以使用入口位置， 例如气管之内的状态， 作为种子点以进行查找。 在优选实施例中， 基于相对自由空间在哪里更小 ( 更受限制 ) 选择起始或靶标。 从 这个位置可以定义在临床上适当的入口角度。例如， 参考图 8， 气道 800 包含被靶向进行活 检的肺结节或可疑块 801。出于这一目的， 结节或块 801 表示被研究的解剖结构。目的是找 到穿过肺结节或可疑块 801 中心区， 从而到达靶标状态 804 的路线 802， 其中， 插入角， 也称 为靶标接近角 803， 是基本垂直的， 使得在穿刺部位处针的力量是指向内部的。在这种情况 下， 优选角度可以是相对于理想垂直取向的折衷， 但通过朝向嵌套插管将从其抵达的更大 气道 ( 左侧 ) 角度倾斜， 解决了脉管尺寸有限造成的约束。
在其他情况下， 例如图 9 示意性示出的情况下， 气道 900 中的靶标接近角 903 可以 更接近切向， 甚至可能不接触肺结节或可疑块 901 的表面而到达靶标状态 904。 这种方式在 临床上可能是有用的， 例如在肺中执行支气管肺泡灌洗 (BAL) 程序时。 经由提出的路线 902 到达靶标状态 904。BAL 是这样的过程 ： 经由光学纤维支气管镜， 在肺的远端部分中注入并 再次吸出灭菌的盐溶液 ( 通常 0.9％ )。溶液填充支气管镜尖端远侧的空间 (airspaces)。 再次吸出的溶液可用于通过评估吸出细胞来辨别 CT 上识别出的结节是恶性还是良性。然 而， BAL 程序的灵敏度会变化， 这意味着可能检测不出实际的疾病。这种可变灵敏度的一个 可能原因是支气管镜尖端不能到达肺中充分远的地方 ； 因此， 使用比必需的更多流体来填 充远端区域， 减小了检测到实际患病细胞的机会。
不过， 如果使用嵌套插管， 并向肺部区域递送更小部分的水， 可以更容易地检测到 可疑细胞， 因为这些细胞将以更高相对浓度存在。在基于支气管镜的 BAL 程序之后， 流体保 留下来， 必须要由肺吸收或被咳出。在如本文公开的嵌套插管 BAL 程序之后， 一般将向肺部 区域递送较少流体， 由此导致的程序后副作用更少。此外， 能够可靠地、 有效率地且特定地 向靶标位置提供嵌套插管不仅可以转化为增强了对疾病存在的指示， 而且对于确定疾病位 置也可能是有效的。
在其他情况下， 例如图 10 示意性示出的情况下， 脉管或气道 1002 被肺部病灶 1001 包围， 并被靶向进行光动力疗法 (PDT)。病灶 1001 代表被研究的解剖结构， 1000 代表靶标 状态 ( 远端的位置和取向 )。靶标接近角 1006 是切向的， 可以不接触病灶 1001 的表面而到 达靶标状态 1000。 可以基于被研究解剖结构的位置和定位——在六个自由度中——确定该 接近角， 以便辅助有效的治疗。这在临床上可能是有用的， 例如在肺中执行 PDT 时。在这一 示范性情况下， 考虑到正在执行的手术程序 (PDT) 和被研究解剖结构 ( 病灶 1001) 在六个 自由度中的位置和取向选择靶标状态 1000。 选择靶标状态 1000 和接近角 1006 是因为病灶 1001 位于脉管 1002 周围， 从沿着光纤 1003 定位的漫射体 (diffuser)1004 辐射的光 1005 在距病灶 1001 有效距离之内。在这种情况下， 目的是找到一条路线， 该路线穿透肺的脉管 1002， 以靶标接近角 1006 到达靶标状态 1000。
在其他情况下， 例如图 11 示意性示出的情况下， 肺部病灶 1100 被靶向进行 PDT 治 疗， 但病灶并非环绕气道或脉管。病灶 1100 代表被研究解剖结构， 而 1105 代表靶标状态 ( 远端的位置和取向 )。在这种情况下， 必须要从两个或更多位置攻击病灶 1100。必须要 基于附近脉管 1106、 1107、 1108 和 1109 的到达范围划分病灶的覆盖。根据本公开， 基于病 灶 1100 在六个自由度中的位置和定位计算靶标状态 1105、 适当的接近角以及漫射体 1101、 1102、 1103 和 1104， 以便于进行有效的 PDT。 要指出的是， 基于可用气道的尺寸或可视性或者导航的复杂性， 管可能无法到达 特定区域。例如， 规划师可能发现嵌套插管不能到达特定位置， 例如 1107 中相当紧的收缩 处。通过具有配置机构， 嵌套插管设计、 ( 一个或多个 ) 靶标位置和插管内部仪器的规格确 保最大限度地覆盖和破坏病灶， 例如病灶 1100。
类似地， 可以定义一系列位置来部署热整形术。 在这种情况下， 为远端位置计算出 一组管。 首先将热整形术元件递送到远端位置， 并在执行热整形术时， 将嵌套插管收回在治 疗上针对具体探头建议的距离。 按照相反顺序缩回每个插管 ； 不过， 承载活动器件的最深处 元件保持伸展状态。
4. 邻域 ：
邻域包含了基于装置的可用控制和机械性质能够在自由空间中执行的一组基本 装置运动。用于特定管的曲率具有指定的 “最小转向半径” ， 这类似于汽车。在图 1 所示的 范例中， 为嵌套插管考虑三种不同曲率。第一曲率 101 是直的 ( 无曲率， 或等效地， 无穷大 的转向半径 )， 第二曲率 102 具有 28mm 的转向半径， 第三曲率具有 14mm 的转向半径。沿曲 线 102 示出的一系列点例如展示了针对 28mm 弯曲管的特定伸展在 X、 Y 空间中的位置。该 位置的切线给出取向。 对于嵌套插管而言， 基本控制是旋转和推进每根管， 其中每根管的曲 率是从一组离散曲率中选择的， 例如图 1 中所述 / 所示的三个曲率。
通过以 45 度增量旋转图 1 所示三个弧的每个， 所得的邻域可以在图 2 中示出。处 于特定旋转状态的每个弯曲管有时也称为纤维。在图 2 中， 对于两个曲率 (14mm 和 28mm 转 向半径 ) 有 8 个旋转， 加上额外选项 ( 无旋转的直线 )。针对每个曲率高亮显示了一个范 例， 对于同样的旋转， 为 14mm 转向半径的纤维 201 和 28mm 转向半径的纤维 202。每根纤维 可以遵循相同曲率伸展到任何长度。如果将弯曲纤维一直伸展到取向变化了 90 度， 如图 1 到 6 所示， 有利地执行具有随机离散定义空间的针对不完整问题的弧长度。邻域的直线部 分 200 忽略了旋转分量， 假设进入的旋转保持相同， 因为任意旋转的直管都遵循同样的路
线。要指出的是， 尽管图 1 和图 2 看起来具有矩形像素， 但它是选择轴标记符的副产品。
嵌套插管的邻域是包含装置不完整行为的机制。不完整指的是， 如果不知道已经 走过的路线特性， 针对控制参数的具体值 ( 推进加旋转 ) 不能唯一地界定所得位置和取向。 邻域是查找 ( 稍后描述 ) 的关键组分， 因为它获取了从一个位置允许的一组运动。
5. 代价度量 ：
为每个邻域状态分配代价。这是基于整体优化标准针对局部移动的构成代价。在 嵌套插管的范例中， 希望使行进距离最小化。 因此， 从原始位置到近邻沿弧或直线路线行进 的距离定义了代价。
(B) 为了易于控制将 6D 转换成 3D 配置空间
上文需要 144 太字节的离散定义的配置空间不仅导致大部分电脑出现存储问题， 而且如本文披露的， 需要在这些状态中进行查找。进行这一框架需要减少配置空间和计算 时间的改进技术。
两种观测推动了这种改进。第一种观测是， 不论尖端取向如何， 从 3DCT 导出的禁 止区域都保持相同。因此， 有用的是识别条件， 在所述条件下， 可以在 3D 空间内忽略 3D 取 向， 或将其简化为每个状态存储很少的值。 第二种观测源于回顾配置空间的主要目的， 即存储描述当前状态的值并提供到下 一状态的方向。如果取向能够被固定在起始或目标种子位置， 这为计算唯一相邻取向提供 了锚定基础。从这一种子位置和取向， 能够为所有可到达的点计算具体取向的位置。
然后可以连同代价和方向一起存储规划的取向 rx、 ry、 rz 或 x2、 y2、 z2， 作为每个 x、 y、 z 配置状态之内的值。取向 rx 隐含地包含在邻域中作为线程编号 ( 线程编号定义每 个线程的相对取向， 图2： 201 和 202)。在直角坐标系 (XYZ) 中， 取向 ry 是绕 Y 轴的旋转， 取向 rz 是绕 Z′轴的旋转， 其中 Z′轴是绕 Y 轴旋转角度 θ 的 Z 轴。利用角度 θ 描述绕
Y 轴的旋转。由角度 定义绕 Z′轴的旋转。于是， 可以由参数集 { 线程， θ， } 替换参数 集 {rx， ry， rz}。消除作为配置空间独立参数的 { 线程， θ， } 将空间从 6D 减少为 3D， 将 所需存储空间显著地减少到大约 7 千 7 百万状态以及更容易处理的 3 吉字节存储器。
通过在每个状态之内存储经规划的值也可以减小位置 (X， Y， Z) 离散化误差。离散 状态的内在 ( 默认 ) 值是体素中心表示的值。取决于体素离散化的水平， 该值可能足以控 制所提出的装置。通过任选地存储每个状态之内的精确位置 (X， Y， Z) 值而不在整个配置空 间中导致离散化误差， 可以实现进一步改进。这项技术有两个具体优点。
第一个优点是可以将位置存储到任意精度用于定位。在体素的尺度不相等时， 导 致一些方向 ( 例如 X 和 Y) 中精确度高， 其他方向 ( 例如 Z) 中精确度低， 这时这种存储能力 可能尤其有用。例如， 在诸如 CT 中的医疗图像中， 体素可以是非正方形的， 或更适当地将， 是非立方体的或各向异性的， 其中 X 和 Y 体素长度可以是 (.078mm) 且 Z 体素长度 (0.3mm)。 尽管利用体素的分辨率定义障碍物的覆盖度， 但可以通过在每个状态空间中存储所计算的( 例如双精度 )x、 y、 z、 线程、 θ、 值更精确地定义控制。 第二个优点是， 如果当前状态不足以可控制到达下一状态， 那么可以识别这种限 制并自动触发替换控制策略。在最简单的情况下， 装置可以停止并可以等候适当的安全状 况以重新开始运动。例如， 在患者呼吸时， 装置的实际位置 x、 y、 z 将移动。适当的做法可能 是， 仅在实际位置处于规划方案的 0.5mm 之内时， 然后才进行装置的控制。
一旦定义了这些关键组分， 就可以基于一组可用组分管曲率或形状以及邻域中包 含的该管允许的运动 ( 例如旋转和伸展 )， 从固定的种子 ( 起始或目标 ) 产生最短的无碰撞 路线。该路线由起始和目标之间级联的弧或直线运动构成并利用关联的控制逐步执行。
(C) 路线的产生 ：
使用 A* 查找方法找到始于 ( 一个或多个 ) 种子位置的所有可能路线。前面描述 了 3D 查找， 包括针对运载工具机动性和支气管镜机动性的 3D 查找。为嵌套插管执行同样 的 3D 查找， 但由于纸质介质的限制， 将在 2D 中例示说明。
图 3 示出了示范性 2D 邻域。这一简化的邻域示出了 “原始位置” 300 和直线线程， 包括近邻 301-306。还有两条具有相同曲率的线程， 以彼此旋转 180 度的方式方便设置， 使 得它们位于纸张的同一平面上。在图 4 中， 原始位置 400 对应于图 3 中的原始位置 300， 沿 着左侧线程的近邻被表示为 401-406。可以沿着右侧线程识别一组等价的近邻。
邻域支配着被视为接下来可到达的近邻的位置， 而不是仅仅考虑那些毗连的近 邻。 以最低代价优先方式相继扩展状态， 向迄今为止的总代价增加过渡代价， 并仅存储最低 的代价。 基于先前的取向和行进到选定近邻导致的变化计算经修订的尖端取向。 在图 5 中， 示出了最终到达的具有最短距离度量的近邻。近邻位于非立方体配置空间中， 这进一步突 出了如何识别状态的最低代价。在这种情况下， 经由直线路线到达包括 501 和 502 的近邻。 沿着没有通往这些状态的更好 ( 例如直线 ) 路线的左侧纤维到达的近邻被标识为 503。还 可以沿着右侧纤维将类似近邻标识为 504。这些近邻变为用于后续轮扩展的开放节点。
在图 6 中， 示出了最初的原始节点 600， 还示出了会以图 5 中所述的位置和取向扩 展的近邻的图案。在每个 “开放位置” 处， 读取原始节点 600 的取向， 相对于该取向确定后 续扩展的取向。利用被取向成匹配开放节点的原始取向的新邻域， 在位置 603 处扩展图 5 的一组开放近邻 503 的位置和取向。类似地， 在图 6 的位置 601 和 602 扩展图 5 的开放节 点 501 和 502， 在位置 604 扩展图 5 中开放节点 504。
迄今为止， 这种简化的查找范例假设没有禁止状态。优选沿着从最近到最远的每 条纤维从邻域的原始位置开始执行邻域的扩展。如果发现了禁止状态， 那么就认为纤维的 其余部分不可到达， 利用下一纤维继续查找。这防止了路线从禁用区域 “跳过” 。
在 3D 中执行同样的查找技术， 包括通过纤维顺序查找以避免障碍物。它仅仅需要 图 2 中所示的邻域被重新取向到开放节点的给定位置和取向， 以计算一组接下来可到达的 状态。在相继的计算充满了空间 ( 在没有更多开放状态时 ) 或查找到达另一可接受终止状 态时， 该过程终止。在查找从诸如图 8 的靶标状态 804 的靶标开始时， 一组可接受的终止状 态例如可以是沿着最高气管平面的任何节点。
接着是对这种最低代价优先 A* 扩展的直观类比。想象在水池中丢在种子位置处 的石子产生的波。在波向外荡漾时， 绕着岛 ( 禁止区域 ) 传播， 每秒钟拍一张快照， 包括时 间戳 (t0..tn)。在快照上绘制波的垂线形成 “指示器” ， 其给出从每个可到达位置朝向源种 子的方向。 从任何可达到的位置， 仅需要跟随指示器从一个位置到另一位置， 以到达丢下石 子的种子位置。 此外， 包含当前位置的图像上的时间戳指示出返回到种子所需的估计时间。 只要波不能到达某个位置， 那么在这个位置和种子位置之间就没有路线。识别出不会产生 可行路线 ( 利用具体装置 ) 的情况是一种有用的性质， 因为它节省了时间以及无谓努力中 的能量。在没有路线时， 可以建立其他装置的模型以找到有效的装置。另一种方式是识别是否可以移动一个或多个障碍物。尽管在 2D 中描述了这种类比， 但 A* 方法在 3D 或更高维 度中也可以工作。可以使用几种本领域技术人员公知的有效 A* 技术关注于查找， 从而仅计 算解决方案可能最需要的状态。
(D) 路线的跟随 ：
如果到达了终止节点， 然后计算终止节点和种子之间的路线。 或者， 用户或计算机 可以选择要连接到最近种子的终点。在起始和目标之间逐个状态产生路线。从一种状态到 另一种状态的跟随 (following) 需要读取 “方向矢量” ， 可以将其存储为近邻编号。如图 3 和 4 所示， 近邻编号还指示了纤维， 因此指示了所采取路线的类型。例如， 位于图 4 中 405 处的近邻识别出特定弯曲的弧指向左侧特定距离， 获得特定位置和取向。这对应于这一弯 管沿着路线到达下一状态所需的包封管之内的旋转和插入长度。
在图 7 中， 在 706 处的入口与靶标 707 之间示出了范例路线。为了正确地计算管 的数量， 如果一根纤维沿着所述路线通往相同类型的纤维 ( 具有相同的相对取向和曲率 )， 则应当将其示为一根连续管。换言之， 可以将具有相同的曲率和相对旋转的弧进行级联以 成为具有相同规格的更长管， 例如两个处于 +45 度旋转的 28mm 半径的弧。该系列中线程类 型的每次变化都代表到嵌套插管系统的嵌套管系列中的下一根管的变化。图 7 中给出的路 线是为了简化可视结果的示意图。 要指出的是， 管必须要通过鼻或口以到达气管， 并考虑始 于具有指定取向的入口点 706 的路线。
第一根管是直的， 必须推进长度 705。始于该点， 推进第二根管 704， 直到其到达 704 连接到管 703 处。该第二根管 704 具有比 705 的内径更窄的外径， 其曲率由所选的近邻 和纤维指定。通过类似方式， 703 是直的， 并一直伸展到其到达 702， 并且 702 是弯的， 一直 伸展到其到达 701。每一后继的管都比其前方的管小。
(E) 针对特定功能和解剖结构定义管半径
仅在一系列管能够实际匹配在指定区域内部时， 路线才是切实可行的。 难题在于， 解剖结构可能是复杂的， 在整个解剖结构内直径都在变化。而且， 需要越多类型的机动， 一 般就需要越多的管， 入口处可能需要越大的直径。提出了几种方法来基于给定路线和可用 自由空间产生管直径。
1. 蛮力算法是创建路线， 从最小的管外径开始计算管的每段所需的管外径。对于 路线上的每个点， 测试该点与半径距离之间的禁用状态。如果有交叉， 该路线就不可行， 不 过如果没有其他方法， 这种方法留下了碰运气的可行性。
2. 更可靠的方法是将自由空间收缩预期的最大管的尺寸。在这种方法中， 每条路 线都是可以实现的， 因为它在边界之内。 令人遗憾的是， 这种技术也将切断通往小管可到达 的解剖结构的通路。
3. 潜在可靠性较低的方法是将自由空间收缩最小可用管外径的尺寸。 这立即描绘 出即使利用最小的管也不可能到达的区域， 以及继续提供一些潜在的自由空间区域。在这 个空间中规划提高了识别可行路线的机会， 但仍然不能确保。
4. 优选方法具有几个关键步骤 ：
4.1 预先计算禁止区域的若干版本。每个禁止区域都是由每个有用管的外半径生 长出来的。 仅在一根管与其他管嵌套在一起并最小的管大到足以承载期望的有效载荷或工 具时， 该管才是有用的。嵌套插管的预期用途确定出最小的有用管。例如， 如果要插入摄像机， 它将比要取出流体样品的情况更大且管为空。可以迅速执行对自由空间的腐蚀或等价 地膨胀禁止空间， 但针对每个有用管仅能执行一次。膨胀和腐蚀对于图像处理领域是公知 的。
4.2 沿着路线在解剖结构的狭窄部分之内选择种子。因此， 在肺中， 特定的种子可 能是远端的肿瘤位置， 而不是气管的中心。 在脑中， 应该选择最窄的脉管， 例如眼动脉， 而不 是例如颈动脉。 尽管这通常位于靶标， 但有可能在靶标和入口点之间， 例如在中途有斑块聚 集的脉管应用中。
4.3 设置种子处的禁止区域， 将由最小有用管的外半径确定。
4.4 跟踪从种子位置开始已经发生的管变化总数。 除了到达目标的代价之外， 还可 以将这存储在配置空间中。 在扩展一个节点时， 基于管变化的数量选择禁止区域， 其界定了 当前使用的管的半径。
在到达终止节点时， 还将指定所需管的半径。使用根据本公开的嵌套插管系统使 得临床医生和 / 或其他医务人员能够到达 / 进入特定解剖区域之内相对较小直径的靶标位 置和 / 或需要复杂机动的靶标位置。
示范性解剖区域包括胸部区域， 但是很多其他解剖区域也可以受益于所公开的系 统和方法。 与本公开相关联的示范性嵌套插管系统可操作用于到达支气管镜或内窥镜一般 不能到达的靶标位置。 根据本公开的用于控制嵌套插管系统以解决不完整问题的示范性方法包括产生 从特定入口点到期望区域的特定靶标所定义的一系列弧。 该系列弧形成该区域之内期望的 路径。
根据本公开的示范性嵌套插管系统能够防止因管插入摩擦导致的组织损伤。 嵌套 设计允许最外层的管保护插入点附近接触的组织。在与肺相关程序相关联的插入过程中， 或在脉管斑块可能不稳定的情况下， 这可能尤其有帮助。示范性嵌套插管系统包括一系列 管， 对其进行配置和尺寸设计以具有通过 3D 成像计算方法确定的特定形状、 长度、 最大直 径和序列。
嵌套插管技术相对于其他导航装置提供了几个优点， 包括但不限于 ： (i) 不使用 关节马达或牵线装置的线 (marionette wire) 就能有效控制伸缩尖端及其角度形成 ； (ii) 比传统装置的管直径更小 ； (iii) 插管较为便宜且通常是一次性的 ； (iv) 镍钛诺和类似制 造材料允许将插管形成为任意形状和曲率， 从而便于进入和 / 或到达复杂区域 ； (v) 镍钛诺 是 MRI 友好材料 ； (vi) 可以在图像引导的辅助下手动引导预先形成的插管配置， 稍后由 MRI 友好的压电马达控制 ； (vii) 依次变小的同心插管匹配各种形状， 用于各种医疗应用， 其进 入较大区域， 最终到达依次变小的区域 ； 以及 (viii) 可以利用手动控制和精确配置计算实 现插管系统的早期部署。
替换实施方式
根据示范性系统， 可以定义一组标准的插管， 使得使用特定模式的管， 但定制部署 于特定的针对特定患者和 / 或靶标位置计算的角度和长度， 可以到达解剖结构， 例如肺中 多个靶标位置。可以计算到达特定靶标位置的一系列弯管和直管。从所得的一系列弯管和 直管产生靶标管路线。可以对路线计算加权， 使得从一根纤维变到另一根纤维会产生额外 的损失。
医生选择靶标点可能更为简单， 这种选择常常是在 3(x， y， z) 维中进行的， 无需定 义入口角度。系统可以基于从毗连节点朝向靶标点的入口方向自动计算进入角度。可以从 一组 3 个正交视图， 例如冠状图、 轴向图 ( 横断图 ) 和矢状图中选择该点。为了表达更加简 单， 图 13 示出了环绕选定靶标点 1305 的 3D 状态的 2D 切片。 并非向许多点增加选定的靶标 点作为用于进行查找的种子， 而是将环绕的状态视为潜在的种子。 从图 13 中选定的点 1305 开始， 分析一组环绕的状态以自动包括在查找到大量点中。 环绕的相邻状态可以包括 “禁用 状态” ， 其通常具有无穷大或非常高的代价， 例如， 由 1302 标识的阴影状态。诸如由 1301、 1303 和 1304 识别的那些其他状态是可以通过的。针对 3D 中所有环绕的状态， 包括未示出 的那些， 执行模拟过程。分析包括针对每个环绕状态的两个基本步骤 ：
(1) 利用具体的变换或线程类型确定是否允许通往目标的路线， 亦即， 以一定代价 可通过。例如， 可以使用直线运动， 线程 0。如果中间没有 “禁用” 或 “无穷大代价” 状态， 那 么允许该路线。显然， 从毗连状态 1306 到选定点 1305 的路线是允许的。如果对角线近邻 1303 是可通过的， 则仅在水平近邻 1301 和垂直近邻 1304 中的至少一个可通过时它才是可 通过的。如果两者都不可通过 ( 即， 禁用 )， 那么不允许对角线， 因为不能确定地到达它。可 能优选地， 在允许对角线之前要求水平和垂直近邻都是可通过的。 (2) 如果路线得到允许， 那么存储到达该目标的代价， 从给定近邻到达靶标 1305 所用的线程， 定义角度 θ 和 Φ， 并向查找到的大量点增加该节点。 两个角度和线程， 如 1303 和 1304 所示， 提供了完整的 3D 取向。角度代表邻域参照系的旋转， 线程表示给定方向上的 移动。
具有预先设置的模式使得能够在同一程序中潜在重复使用同一嵌套插管系统以 伸展到不同长度而到达同一个体中的不同靶标位置。 针对特定患者预先确定的形状和伸展 距离可以显著降低与特定医疗程序相关联的代价。
根据示范性系统， 可以定义一组标准的插管， 使得使用特定模式的管， 但定制部署 于特定的针对特定患者和 / 或靶标位置计算的角度和长度， 可以到达例如肺中的多个靶 标。可以计算到达特定靶标位置的一系列弯管和直管。从所得的一系列弯管和直管产生靶 标管路线。可以对路线计算加权， 使得从一个弧变到另一个弧会产生额外的损失。这导致 产生可行的路径， 同时减少所需的管和 / 或定制管的总数。
在示范性实施例中， 可以通过仔细选择一组预定义的管避免镍钛诺管的定制成 形。在示范性系统中， 可以在一组固定的弧中， 或在一组交替的弯管 - 直管 - 弯管 - 直管中 嵌套管。准备适当的预定义的数组 ( 管 ) 能够简化和加快路线计算。此外， 可以大量制造 多组标准的插管， 而不需要定制成形和制造。具有预先设置的模式使得能够在同一程序中 潜在重复使用同一嵌套插管系统以伸展到不同长度而到达同一个体中的不同靶标位置。 针 对特定患者预先确定的形状和伸展距离能够显著降低与特定医疗程序相关联的代价。 手动 部署为技术人员 / 临床医师， 例如外科医生提供了如下能力 ： 借助于触觉、 视觉、 位置或其 他类型的反馈对插入过程提供物理引导和控制。 可以采取特定步骤来便于进行精确的手动 部署， 包括但不限于 ：
(1) 将距离标记蚀刻到管中， 从而能够在每次运动时部署精确的距离 ；
(2) 将取向标志蚀刻到管中以实现管的适当取向 ；
(3) 在需要一组固定形状且插管不是要用于不同的靶标位置的特定情况下， 管可
以具有联锁脊以相对于每根管锁定适当取向 ； 以及
(4) 可以将管切割成适当长度， 使得每个相继的管终止于与更大 ( 母 ) 管相同的位 置。
与示范性嵌套插管系统相关的管数量受到最外层的管直径的限制。 可以采取特定 步骤来便于到达特定解剖区域中靶标位置所使用的管数量最小化， 包括但不限于 ：
(1) 针对每种新的弧类型或取向增加计算方法之内的障碍导致产生可行路径， 同 时减少了所需的管和 / 或定制管的总数 ； 以及
(2) 包括到达最后伸展管末端的高度柔性的导管、 导丝和 / 或光纤， 以到达最远的 复杂靶标位置。
可以为各种医疗应用、 诊断应用和 / 或手术应用， 包括肺癌诊断、 活检、 光动力疗 法等使用示范性嵌套插管系统和方法。 例如， 可以使用嵌套插管系统， 以利用图像引导和跟 踪执行活检， 以便精确递送活检工具。 根据本公开的嵌套插管系统利用图像引导、 跟踪以及 光纤传输和感测便于自发体荧光。实际上， 可以在肺癌治疗中利用与本公开相关联的示范 性嵌套插管系统和方法以到达当前实践无法到达的靶标位置。
具体而言， 根据本公开的示范性嵌套插管系统和方法可以用于 PDT 中。PDT 已经 在临床上得到证实适用于肺腺癌。在示范性 PDT 程序中， 在治疗之前 24-72 小时注射药剂 ( 例如 Photofrin )， 在癌症部位累积， 并在病灶 1cm 之内由递送的光激活。 令人遗憾的是， 支气管镜仅到达最大通道， 大约代表肺部 33％。 利用当前的技术、 系统或方法不能到达 ( 或 精确到达 ) 发生氧气交换的较小通道。可能需要从附近的脉管或通道治疗未环绕通道或脉 管周围的病灶或肿瘤。 根据本公开的嵌套插管系统能够利用高分辨率图像和跟踪确定和到 达较难但有效的靶标位置。在示范性实施例中， 根据本公开的嵌套插管系统可以结合当前 的支气管镜实践工作。
可以使用示范性嵌套插管系统对难以到达的解剖区域进行活检， 以确定分子治疗 或其他介入的范围程度和 / 或需要。还可以将其用于 “当场” 递送以电子方式产生的辐射， 例如， 使用 Xoft 的 Axxent 微型 2.25mm X 射线源。在心脏环境中， 与本公开相关联的示范 性嵌套插管系统在进入困难位置或取向方面是有用的。对于脉管应用而言， 根据本公开的 嵌套插管系统能够通过现有医疗技术不能到达的复杂脉管。 此外， 降低了移去凝块的风险， 因为嵌套插管仅针对入口路线的一部分而非整个远端长度产生摩擦。
本公开提供的嵌套插管系统还可操作用于胆结石的微创手术。 能够调整插管以到 达胆囊进行去除。对于肠胃疾病， 根据本公开的示范性嵌套插管系统适于将 PDT 递送到特 定胃肠道并到达此前不能到达的靶标位置。还可以通过微创脉管术到达大脑中的靶标位 置。 尽管针对 3D 图像给出了这个范例， 但该解决方案对于 2D 图像也有效， 2D 邻域涵盖允许 的装置运动。
本公开还提供了基于网络 (web) 的商务应用。如图 12 所示， 嵌套插管设计和配置 系统和方法在基于网络的商务平台中可以很到地工作。从解剖区域的一组成像模态系统 (CT、 MRI、 超声、 PET、 荧光透视等 ) 或其组合中之一产生 ( 一幅或多幅 ) 数字 3D 图像 10。可 以通过因特网 12 或其他网络， 由成像系统容易地直接地， 或经由 PACS( 图片存档系统 ) 向 远程服务器 14 发送图像。放射科医师、 成像技师或介入医师还可以传送关于患者的信息、 正在执行手术程序的要求， 和 / 或其他相关信息 11。 例如， 可以基于放射科医师的专门知识识别， 或可以由计算机辅助检测 (CAD) 系统选择针对活检的 3D 靶标位置。根据程序， 也可 以提供优选入口角度。网页或其他接口 13 便于手动传输图像和相关信息。从传输的 3D 图 像和位于服务器上的数据， 确定管的设计和配置 15。然后使用配置和尺度信息来制造嵌套 插管的每根管。
优选地， 该组管限于具有适当间隙的一组预先确定的管的组合， 以便在管彼此移 动时的摩擦是可接受的。还优选选择管， 使得它们的壁厚越来越大。因此， 较小直径的管还 将比较大直径的管具有较小的壁厚。这减小了较小管对较大管形状的影响。
可以现场完成 22， 或通过向远程设施或第三方传送配置和尺度信息远程 23 完成 管的制造和组装 20。在完成制造和组装时， 然后直接向介入师 21 发送嵌套插管装置。可以 在一两天之内向介入师提供组装的嵌套插管装置。
本公开还实现了基于光的癌症检测。光敏药物的额外特征是它们表现出荧光。在 通常在更短波长被照射时， 化合物将会发荧光。这种荧光可以用于在有时称为光动力学诊 断 (PDD) 的程序中定位有病的组织。可以使用这种更短波长的光扫描潜在的癌症。
对于该程序而言， 为患者服用光敏药物。 该药物例如可以是前体药物 5-ALA。 5-ALA 被转变成 PPIX， 这是一种光敏药物。 数小时之后， 光敏剂将以比健康组织更高的浓度累积在 有病的组织中。
在优选实施例中， 光通过光动力学检测突出了要治疗的有病组织。 亦即， 嵌套插管 包含光源和检测器以测量组织的荧光。在有病的组织将诸如 5-ALA 的光敏剂转变成 PPIX， PPIX 将会发荧光。针对荧光的吸收峰大约为 410nm。发射在 600-650nm 附近的红色区域。 于是， 嵌套插管包含诸如发射 410nm 附近光的 LED 的光源， 也可以经由光纤递送以向组织引 导光。任选地， 由光缆收集从组织反射的光并聚焦到一个或几个光电探测器上。对光电探 测器进行频谱过滤以对应于荧光带， 在这种情况下在 600-650nm 附近。在荧光信号超过预 先设置的阈值时， 那么就已经成功定位了肿瘤部位。
显然， 尽管在 3D 中提供了这个范例， 但可以仅利用图像的一个切片产生 2D 计划和 路线。将采用的仅有邻域入口是位于平面上的那些， 一系列直管和弯管将停留在平面上。
尽管参考示范性实施例及其实现描述了本公开， 但是所公开的系统和方法不限于 这样的示范性实施例 / 实现。相反， 本领域的技术人员从这里提供的描述将明了， 容易对所 公开的系统和方法进行修改、 变更和改进， 而不脱离本公开的精神或范围。因此， 本公开明 确地涵盖这样位于其范围之内的修改、 变更和改进。