[0001] 本发明涉及医学介入技术领域，具体地涉及介入探头、探头机器人、导管机器人、用于肺部支气管检查的机器人系统及对应的探测系统。

[0002] 肺部疾病是世界上最大的健康问题之一，是世界范围内死亡的八大原因之一，包括肺栓塞、急性呼吸衰竭和肺炎。冠状病毒疾病(COVID‑19)是近年来出现的一种新型肺炎。
及时诊断和治疗可以减少各种肺部疾病的症状、减轻各种肺部疾病的严重程度、改善患者
的健康状况、提升患者的预后生活质量以及延长患者的生存期。

[0003] 为了诊断各种肺部疾病，一些医学成像技术——包括计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(NMRI)、支气管内超声(EBUS)和支气管镜检查——已经被用于为医生提供病理学
证据。CT可以对病理组织进行成像，但是获得的结果通常是非典型的并且不能够确诊疾病。
至于NMRI，因为支气管中有大量空气，所以在NMRI结果中会出现引起的伪影，从而降低成像分辨率。除了上述外源性医学成像方法之外，EBUS可以进入支气管通道，这通常难以确保良好的接触以传输超声。在最近的研究中，将可膨胀的水袋添加到探头前部以提供人工传输
介质。由于探头前部的大直径，末端支气管的可接近性受到限制。据报告，支气管镜可以在支气管树中同时执行直接成像和手术，显示出比其他方法更好的诊断潜力。然而，迄今为
止，内窥镜领域的主要公司已经报道了一些最小外径为1.8mm的商用支气管镜产品，其仍然不能进入末端支气管区域。

[0004] 由于人类肺部的生理构造和功能以及现有的医疗技术和设备的限制，因此对一些肺部疾病(例如，原发于小叶支气管以及细支气管的疾病)的早期诊断或精确诊断存在一定
难度。尤其对于位于人体肺部的细支气管区域中的肺部疾病，由于细支气管区域的内部直
径的范围为约1‑0.5毫米，目前还没有商用的或报道的医疗设备可以到达此区域以开展后
续检测、诊断。目前，仍然存在位于支气管的末端区域(直径为约1mm)中的一些疾病，例如外周肺癌、阻塞性肺气肿和急性细支气管炎，它们是难以鉴定的，特别是在早期阶段。

[0005] 现有的用于肺部的医学影像技术，例如X射线(以CT为代表)、超声成像、核磁共振成像以及支气管镜均无法很好地对位于此区域中的肺部疾病进行检测、诊断。对于难以确
诊的疾病，经皮穿刺或支气管镜下的活检仍是医学领域用以确诊疾病的金标准。

[0006] 因此，针对末端支气管疾病的检测和诊断，现有技术在小尺寸、多功能、高精度等方面存在缺陷，需要对现有技术的介入探头进行改进。

[0054] 为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详
细具体说明将省略。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目
的，仅是示例性的，而非限制性的。

[0055] 在本文中描述的特征可以不同的形式体现，并且不应被解释为限于在本文中描述的示例。而是，提供在本文中描述的实施例仅仅是为了例示实施在本文中描述的装置、方法和/或系统的许多可能方式中的一些，这些可能方式在理解本申请的公开内容之后将是明
显的。

[0056] 如在本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及相关联的所列项中的任何两个或更多个的任何组合。

[0057] 尽管在本文中可以使用诸如“第一”、“第二”和“第三”之类的术语来描述各种构件、部件、部分或元件，但是这些构件、部件、部分或元件不受这些术语限制。而是，这些术语仅被用来将一个构件、部件、部分或元件与另一个构件、部件、部分或元件区分开。因此，在不偏离本发明的教导的前提下，在本文中提及的第一构件、部件、部分或元件也可以称为第二构件、部件、部分或元件。

[0058] 在本文中可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“之上”、“上部”、“上方”、“之下”、“下部”和“下方”之类的空间相对术语以便于描述，以描述如在图中示出的一个构件、部件、部分或元件与另一个构件、部件、部分或元件的关系。除了在图中描绘的取向之外，这样的空间相对术语意在还囊括在使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则相对于另一个构件、部件、部分或元件被描述为在“上”、“之上”、“上部”或“上方”的元件将相对于该另一个构件、部件、部分或元件在“下”、“之下”、“下部”或“下方”。因此，术语“上”囊括上取向和下取向，取决于装置的空间取向。装置还可以其他方式定向(例如，旋转
90度或处于其他取向)，并且应相应地解释在本文中使用的空间相对术语。

[0059] 在本文中使用的术语仅用于描述各实施例，并且不用来限制本公开内容。除非上下文另有明确指示，否则“一”、“一个”和“该”意在也可以包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”指定所陈述的特征、操作、构件、元件和/或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作、构件、元件和/或其组合。

[0060] 在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说将明显的是，不需要采用所述具体细节来实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的步骤或操作，以避免模糊本发明。

[0061] 下文结合附图仅通过示例的方式描述本发明。

[0062] 为了便于理解和描述，在本文中使用的术语“远侧”是指相对于介入探头的操作者(例如，医生)较远，并且术语“近侧”是指相对于介入探头的操作者(例如，医生)较近；术语“前端”是指相对于介入探头的操作者(例如，医生)较远的端，即远侧端，并且术语“后端”是指相对于介入探头的操作者(例如，医生)较近的端，即近侧端。

[0063] 图1示出了根据本发明的一实施例的介入探头的示意图。在图1中，该介入探头总体上由附图标记100表示。在该实施例中，介入探头100包括主体101、探头前部102、反射器
103以及光纤组件104。主体101是圆筒形的并且包括远侧端1011、中间部分1012以及近侧端
1013。中间部分1012包括第一不可变形部分1051(其靠近远侧端)、可变形部分105和第二不可变形部分1052(其靠近近侧端)。如图1中所示出的，可变形部分105位于第一不可变形部
分1051和第二不可变形部分1052之间。探头前部102布置在主体101的远侧端1011处。光纤
组件104布置在主体101的近侧端1013处并且包括单模光纤阵列1041。在图1中，单模光纤阵列1041包括周向地均匀地布置的4个单模光纤。反射器103被布置成径向地定位在主体101
的中间部分1012的第一不可变形部分1051中，并且能够将通过光纤组件104的单模光纤阵
列1041传入介入探头100的光信号的一部分反射回单模光纤阵列1041，并且更确切地说，反射器103被布置成能够将通过光纤组件104的单模光纤阵列1041的每个单模光纤传入介入
探头100的光信号的一部分反射回单模光纤阵列1041的同一单模光纤。

[0064] 根据该实施例的介入探头100是基于光纤阵列的介入探头，其中单模光纤阵列的每个单模光纤的直径为125μm。因此，根据该实施例的介入探头100通过采用相关的几何结构和部件尺寸可以实现具有亚毫米级别的外部直径，从而能够进入人类肺部的细支气管区
域并且探测位于此区域中的肺部病理组织。在该实施例中，介入探头100的形状是圆柱形
的，并且介入探头100的外部直径小于或等于1毫米。此外，应理解，基于光强调制原理的单模光纤反射测量原理(参见图2以及下文关于图2的描述)，根据该实施例的介入探头100可
以感知位于人类肺部的细支气管区域中的病理组织的力学信息。

[0065] 为了便于理解本发明，图2例示了基于光强调制原理的单模光纤反射测量原理，其中图2的左侧a部分展示了测量光纤的轴向位移的原理，并且图2的右侧b部分展示了测量光
纤的侧向位移的原理。图2中示意性地示出了单模光纤(即，传入传出共用光纤)关于平面反射镜的镜像。图2还示出了在单模光纤的出射端处收集到的反射光、投影面、反射镜、输入的圆锥形光束、虚拟的输入光纤以及倾斜角 (倾斜角 在下文中还被称为角度 并且其定义
参见下文的描述)。

[0066] 当平面反射镜离单模光纤的出射端距离为h并且与单模光纤的出射端的端面平行时，来自外部光源(在图2中未示出)的光经单模光纤传入，射向平面反射镜，并部分地由平面反射镜反射回，然后由同一单模光纤接收由平面反射镜反射回的部分光信号，则接收的
光信号强度Φcol可以被视为单变量为距离h的函数Φcol＝f1(h)。同理，当平面反射镜离单模光纤的出射端某一固定距离并且与单模光纤的出射端的端面成角度 时，来自外部光源
(在图2中未示出)的光经单模光纤传入，射向平面反射镜，并部分地由平面反射镜反射回，然后由同一单模光纤接收由平面反射镜反射回的部分光信号，则在该固定距离下接收的光
信号强度Φcol可以被视为单变量为角度 的函数 经单模光纤接收的回传光信
号(平面反射镜反射回的光信号)经由后端光电信号处理器转化为电压信号Vth，此电压信号为单变量光信号强度Φcol的函数Vth＝kvσrΦcol。结合前述函数，最终可以得到电压信号Vth与距离h或角度 之间的以下单变量函数关系：

[0067]

[0068] 其中kv表示光通量与电压之间的转换系数，并且σr表示由于光纤弯曲和未对齐现象导致的光源损耗。

[0069] 在本发明中，图1中所示出的反射器103可以被视为图2中所示出的反射镜，反射器103与布置在介入探头100的近侧端1013处的单模光纤阵列1041的单模光纤的端面之间的
距离h和角度 作为两个维度的自变量。当介入探头100的前端受到沿着主体101的轴向方
向的压力Faxial或偏离主体101的轴向方向的压力Flateral时，可变形部分105将产生相应的轴向压缩位移或侧向弯曲位移。同时记录外部力学信号F与输出电压信号Vth之后，可以通过曲线拟合获得二者之间的单变量函数关系F＝f3(Vth)。最后，介入探头100的前端所受力学信号与介入探头100自身的变形量之间的函数关系可以被表示为：

[0070]

[0071] 图3示出了当介入探头100的探头前部102受到沿着主体101的轴向方向的压力Faxial时主体101的可变形部分105产生轴向压缩位移(其由位移δ表示)的示意图。

[0072] 图4示出了当介入探头100的探头前部102受到偏离主体101的轴向方向的压力Flateral时主体101的可变形部分105产生侧向弯曲位移(其由相对于主体101的轴向方向的
偏离角度 表示)的示意图。

[0073] 由此，可以通过根据本发明的该实施例的介入探头100感知并且获得位于人类肺部的细支气管区域中的病理组织的力学信息。

[0074] 再次参考图1，描述介入探头100的一些可选特征。在包括所述可选特征的介入探头100的一实施例中，介入探头100的光纤组件104还包括布置在单模光纤阵列1041中央的
多模光纤或光纤传像束1042，并且反射器103是中空环形的半反射半透射反射器(即，其可
以反射50％的入射光信号，同时透射50％的入射光信号)，并且光纤组件104的多模光纤或
光纤传像束1042和半反射半透射反射器103被配置为使得通过光纤组件104的单模光纤阵
列1041传入的光信号的一部分透射穿过半反射半透射反射器103、到达待探测的目标组织
表面并且经由所述待探测的目标组织表面反射回光纤组件104的多模光纤或光纤传像束
1042。在光纤组件104包括多模光纤的情况下，该多模光纤的直径可以被选择为250μm。在光纤组件104包括光纤传像束的情况下，该光纤传像束的直径可以被选择为450μm。在该实施例中，经由半反射半透射反射器103反射回的一部分光信号可以传入周向地布置的单模光
纤阵列1041以用于测量介入探头100的变形，并且透射穿过半反射半透射反射器103的一部
分光信号可以被用作布置在单模光纤阵列1041中央的多模光纤或光纤传像束1042的成像
光源。换言之，在该实施例中，可以实现以下功能的集成：1)感知位于人类肺部的细支气管区域中的病理组织的力学信息的功能；和，2)获取在人类肺部的细支气管区域中位于探头
前方的病理组织的表观图像的功能。

[0075] 图1还示出了介入探头100的另外的可选特征。在包括所述另外的可选特征的介入探头100的一实施例中，探头前部102是圆筒形的采样尖端，所述探头前部在其前端(远侧
端)处具有周向地均匀地布置在其圆筒壁中的多个咬合块106。通过示例而非限制，在图1中示出了3个咬合块106。应理解，咬合块106的数目可以是两个或更多个。为了清楚和容易理解起见，图5示出了根据本发明的一实施例的介入探头100的探头前部102的示意性立体视
图。多个咬合块106中的每个咬合块包括周向地延伸的前端平面部1063以及分别自所述前
端平面部1063的两个周向端向探头前部102的后端(近侧端)延伸的采样锯齿1061和回退弧
面1062，其中前端平面部1063位于采样锯齿1061和回退弧面1062之间并且位于探头前部
102的前端所形成的端面中。沿着探头前部102的圆筒壁在介入探头100的介入期间，当介入探头100不可避免地接触组织时，前端平面部1063可以确保组织不受或少受伤害。在介入探头100介入至目标采样区域时，在介入探头100后端(近侧端)的操作端施加压力，可以将多
个咬合块106压入组织，再通过使介入探头100以图1中的箭头所指示的方向旋转，可以利用采样锯齿1061实现病理组织活检采样。当采样区域不理想时，可以通过使介入探头100以与图1中的箭头所指示的方向相反的方向旋转退出，具有回退弧面1062能够辅助更好并且更
顺滑地回退抽出介入探头100。换言之，在该实施例中，可以实现以下功能的集成：1)感知位于人类肺部的细支气管区域中的病理组织的力学信息的功能；2)获取在人类肺部的细支气
管区域中位于探头前方的病理组织的表观图像的功能；以及，3)对位于人类肺部的细支气
管区域中的病理组织进行活检组织采样的功能。

[0076] 本发明还涉及探头机器人、用于与该探头机器人配合使用的导管机器人以及用于肺部支气管检查的机器人系统。

[0077] 图6示出了根据本发明的一实施例的用于肺部支气管检查的机器人系统的概念示意图。图6示出了患者以及对患者进行肺部支气管检查时处于肺部支气管区域中的机器人
系统。该机器人系统包括导管机器人和位于导管机器人的导管中的探头机器人。

[0078] 图7示出了根据本发明的一实施例的探头机器人的示意图。探头机器人600包括介入探头100和光纤束，其中该介入探头100的光纤组件104连接到该光纤束的一端，并且介入探头100的外表面涂覆有一层磁性表皮，使得能够通过施加外部电磁场来控制探头机器人
在人类肺部的细支气管区域内的位置和姿态。图7中所示出的介入探头100可以是本发明任
一实施方案的介入探头。

[0079] 图8示出了根据本发明的一实施例的导管机器人中使用的导管的结构示意图。在该实施例中，该导管采用中空管状结构、具有两个弯曲自由度(即，两个径向维度弯曲自由度)，并且在该导管的壁中周向地布置有用于放置腱索的多个通孔，例如四个通孔801、802、
803、804，用于放置四个腱索8011、8021、8031、8041。在一个实施例中，采用3D打印技术实现
300μm的导管壁厚度，有利于促进对细支气管区域等病理区域的诊断。所述导管机器人的导管的壁可以是镂空的，从而可以通过操纵所述腱索可以实现两个弯曲自由度，例如，通过拉紧两个腱索8011、8021并且同时放松两个腱索8031、8041可以实现所述导管机器人的导管
向上弯曲(即，在图8中向上弯曲)；通过拉紧两个腱索8011、8031并且同时放松两个腱索
8021、8041可以实现所述导管机器人的导管向图8中的页面内侧弯曲。

[0080] 图9示出了根据本发明的一实施例的导管机器人与探头机器人的装配关系的示意图。左侧图以纵向剖面示意图示出了导管机器人与探头机器人的装配关系，其中示出了导
管机器人的导管、探头机器人、手术工具以及键索，探头机器人和手术工具位于导管机器人的导管内；右侧图以横向剖面示意图示出了导管机器人与探头机器人的装配关系，其中示
出了导管机器人的导管、探头机器人、手术工具以及用于放置键索的四个通孔801、802、
803、804。

[0081] 图10示出了根据本发明的一实施例的探测系统200，其包括：上文所描述的机器人系统，该机器人系统的介入探头100的光纤组件104仅具有单模光纤阵列1041；外部光源
201；以及后端光电信号处理器202。来自外部光源201的光信号通过介入探头100的单模光
纤阵列1041传入介入探头100。后端光电信号处理器202被配置为接收通过介入探头100的
反射器103反射并且通过单模光纤阵列1041传回的光信号并且将所述光信号处理成电信
号。

[0082] 图11示出了根据本发明的另一实施例的探测系统300，其包括：上文所描述的机器人系统，该机器人系统的介入探头100的光纤组件104具有单模光纤阵列1041和多模光纤或
光纤传像束1042二者；后端光电信号处理器202；以及后端视觉信号处理器203。来自外部光源201的光信号通过介入探头100的单模光纤阵列1041传入介入探头100。后端光电信号处
理器202被配置为接收通过介入探头100的反射器103反射并且通过单模光纤阵列1041传回
的光信号并且将所述光信号处理成电信号。后端视觉信号处理器203被配置为通过多模光
纤或光纤传像束1042接收透射穿过介入探头100的反射器103并且经由人体组织反射回的
光信号并且将所述光信号处理成视觉信号。

[0083] 上文关于介入探头、探头机器人、导管机器人以及机器人系统所描述的所有特征都适用于上文所描述的探测系统200和300。

[0084] 以上描述的各技术特征可以任意地组合。尽管未对这些技术特征的所有可能组合进行描述，但这些技术特征的任何组合都应当被认为由本说明书涵盖，只要这样的组合不
存在矛盾。

[0085] 尽管结合实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解，上文的描述和附图仅是示例性而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。在不偏离本发明的精神的
情况下，各种改型和变体是可能的。