CN101081166A - 基于模型的位置测量校正 - Google Patents

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Abstract

在使用基于阻抗的测量技术时，通过对所显示的探头或导管的图像进行稳定化来改进对探头的显像。使用一个合理探头形状的模型和一种匹配算法对错误的探头图像进行调节，从而使得该探头图像在显示器上采用实际的形状。在该模型中还合并了一定的位置变化范围。当视在探头位置超出所允许的运动范围时，将所述探头图像约束到实际的位置。

Description

基于模型的位置测量校正
技术领域
本发明涉及感测放置在活体内的对象的位置。更具体来说，本发明涉及检测及补偿在活体内探头的位置感测期间所经历的伪像。
背景技术
多种医疗程序涉及到把诸如传感器、管状装置、导管、分散装置和植入物之类的对象放置在身体内。常常使用实时成像方法来帮助医生在这些程序期间来肉眼观察所述对象及其周围环境。然而，在大多数情况下，实时三维成像是不可能的，或者是不合期望的。相反，用于获得内部对象的实时空间坐标的系统却经常得到利用。
在现有技术中已经开发或者构想了许多这样的位置感测系统。某些系统涉及到以换能器或天线的形式把传感器附着到所述内部对象，所述传感器可以感测在体外产生的磁场、电场或超声场。举例来说，被授予Wittkampf的美国专利No.5,983,126描述了一种系统，其中通过待测对象施加三个基本上正交的交流信号，该专利的公开内容被合并在此以作参考。一个导管配备有至少一个测量电极，并且在导管尖端与参考电极之间感测电压。该电压信号具有对应于所施加的三个正交电流信号的分量，根据所述分量进行计算，以便确定所述导管尖端在身体内的三维位置。被授予Pfeiffer的美国专利No.5,899,860提出了用于感测电极之间的电压差动的类似方法，该专利的公开内容被合并在此以作参考。在上述两种系统中，为了调节在所测量的导管尖端的视在位置与其真实位置之间的差异，必须执行单独的校准程序。
发明内容
在使用阻抗测量技术来确定探头或导管的位置时，已经发现如果探头图像不被约束成采用实际的形状和位置，则可能会发生突然的波动，所述突然的波动会扰乱正在观看患者监视器的医师。根据本发明所公开的实施例，在使用基于阻抗的测量技术时，通过对所显示的探头或导管的图像进行稳定化来改进对探头的显像。本发明在基于电压的阻抗系统以及基于电流的系统中是很有用的，所述基于电压的阻抗系统例如有Endocardial Solutions Inc.(ESI)(St.Paul，Minnesota)所生产的无接触标测系统，所述基于电流的系统例如有在2005年1月7日提交的美国专利申请11/030,934中所描述的系统，该专利申请被转让给本专利申请的受让人，其公开内容被合并在此以作参考。本发明的实施例也可以在基于其他原理的位置测量系统中使用。
根据本发明的一方面，创建一个描述合理的探头形状的模型。一般来说，诸如导管尖端的探头是柔软的，因此可以采用一定范围的弯曲形状。把所测量的探头的位置和构造与所述模型相关，并且使用一个匹配算法来根据所述模型拓扑确定所述探头图像是否具有实际的形状。在必要的情况下调节所述探头图像，以便强制其符合由所述模型所限定的约束。
根据本发明的另一方面，可以假定体内探头的移动速度不会快于特定的速度。如果阻抗波动导致视移动超出该最大速度，则可以把所述探头图像约束到由该最大速度所限制的位置。
根据本发明的另一方面，采用Kalman滤波器来根据先前的测量预测探头位置和形状。利用特定于模型的Kalman等式，在所述估计处理中可以采用包括关于模型中误差的变化和统计量的形状模型。举例来说，可以把轴杆偏转的变化以及找到具有给定曲率的轴杆的可能性包括到所述模型的形状估计中。
本发明的一个实施例提供了一种确定已经被插入待测对象体内的探头的位置的方法，该方法是通过如下步骤执行的：确定该探头在身体内的视在位置；证实该视在位置与该探头在已知时刻下的先前位置之间的第一位移对应于第一运动速率，该第一运动速率超出预定极限；把该视在位置调节到新的位置，从而使得在该新位置与该先前位置之间的第二位移对应于第二运动速率，该第二运动速率低于该预定极限；以及显示该新位置。
根据所述方法的一方面，通过测量所述探头与远离该探头的多个位置之间的阻抗来确定所述视在位置。
根据所述方法的另一方面，通过如下步骤测量所述阻抗：令电流在设置在所述探头上的至少一个电极与所述多个位置之间穿过身体；以及测量穿过所述多个位置的对应的电流特性。
根据所述方法的一个附加方面，利用Kalman滤波器执行对所述视在位置的调节。
本发明的一个实施例提供了一种确定已经被插入待测对象体内的探头的位置的方法，该方法是通过如下步骤执行的：维持拓扑模型，该模型包括可以由该探头所采用的形状范围；确定该探头在身体内的视在构造；证实该视在构造在所述范围之外；参考该模型来确定该探头的真实构造；把该视在构造调节到该真实构造；以及显示该真实构造。
所述方法的另一方面包括：响应于参考所述模型，把所述探头的视在位置调节到真实位置。
本发明的一个实施例提供了一种用于感测具有至少一个探头电极的探头的位置的设备，该探头适于被插入到待测对象体内。该设备包括：多个身体表面电极，所述各身体表面电极适于固定到身体表面的对应位置处；显示器；以及控制器，该控制器适于耦合到所述探头以及所述各身体表面电极，以便令电流在所述探头电极与所述各身体表面电极之间穿过身体。所述控制器适于通过测量穿过所述各身体表面电极的对应电流特性来确定所述探头的位置坐标。所述控制器还适于执行以下操作：确定所述探头在身体内的视在位置；证实该视在位置与该探头在已知时刻下的先前位置之间的第一位移对应于第一运动速率，该第一运动速率超出预定极限；把该视在位置调节到新的位置，从而使得在该新位置与该先前位置之间的第二位移对应于第二运动速率，该第二运动速率低于该预定极限；以及在所述显示器上显示该新位置。
本发明的一个实施例提供了一种用于感测具有多个探头电极的探头的位置的设备，该探头适于被插入到待测对象体内。该设备包括：多个身体表面电极，所述各身体表面电极适于固定到身体表面的对应位置处；显示器；以及控制器，该控制器适于耦合到所述探头以及所述各身体表面电极。所述控制器令电流在所述各探头电极与所述各身体表面电极之间穿过身体，并且适于通过测量穿过所述各身体表面电极的对应电流特性来确定所述探头的位置坐标。所述控制器适于执行以下操作：维持拓扑模型，该模型包括可以由所述探头所采用的形状范围；确定该探头在身体内的视在构造；证实该视在构造在所述范围之外；参考该模型确定该探头的真实构造，把该视在构造调准到该真实构造；以及显示该真实构造。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面将以举例的方式参考应结合附图阅读的本发明的详细描述，在附图中，对于相同的元件给出了相同的附图标记，其中：
图1示出了位置感测系统，该位置感测系统是根据本发明的一个公开实施例来构造和操作的；
图2是图1所示的系统中的导管的详细示意图，该导管是根据本发明的一个公开实施例来构造和操作的；
图3示出了根据本发明的一个公开实施例被定位在左心室内的导管的示意剖面图；
图4是图1所示的系统中的控制单元的详细方框图，该控制单元是根据本发明的一个公开实施例来构造和操作的；
图5示意性地示出了根据本发明的一个公开实施例被定位的导管的移动；以及
图6是用于根据本发明的一个公开实施例校正活体内的探头的位置测量的方法流程图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的全面了解。但是本领域技术人员应当意识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中并没有详细示出公知的电路、控制逻辑和用于传统的算法和处理的计算机程序指令的细节，以免不必要地模糊本发明。
系统概述
现在参照附图，首先参照图1，该图示出了位置感测系统20，该系统是根据本发明的一个公开实施例来构造和操作的。该系统20被用于确定探头(比如导管22)的位置，该探头被插入到内部体腔，比如待测对象26体内的心脏24的腔室。一般来说，所述导管被用于诊断或治疗，比如标测心脏内的电势或者执行心脏组织的摘除。所述导管或其他体内装置通过自身或者与其他治疗装置相结合也可以用于其他目的。如下所述，导管22的末端包括一个或多个电极。如下所述，这些电极通过连线穿过导管22的插入管连接到控制单元28中的驱动器电路。该控制单元通过连线穿过线缆30而连接到各身体表面电极，所述各身体表面电极典型地包括粘性皮肤贴片32、34、36。在本发明的替换实施例中，身体表面上的电极的数目可以不同，并且可以采取其他形式，比如皮下探头或者由专业医护人员38操作的手持式装置。所述贴片32、34、36可以被放置在位于所述探头附近的身体表面上的任何适当位置处。例如，对于心脏应用，所述贴片32、34、36典型地被放置在待测对象26的胸部周围。关于所述贴片相对于彼此的朝向或者相对于身体坐标的朝向并没有特殊的要求，但是如果所述贴片被间隔开而不是聚集在一个位置则可以获得更高的精度。并不要求把所述贴片沿固定轴放置。因此，可以把贴片放置确定为对正在执行的医疗程序的干扰尽可能地小。所述控制单元28基于在导管22与贴片32、34、36之间测量的阻抗来确定导管22在心脏24内的位置坐标。该控制单元28驱动显示器40，该显示器显示所述导管在体内的位置。所述导管22可以用于产生心脏的标测图42，例如电标测图，其中在所述导管上的各电极被交替地用于位置感测和测量心脏组织中产生的电势。所述导管位置可以被叠加在该标测图上或者被叠加在另一幅心脏图像上。
现在参照图2，该图是所述导管22(图1)的详细示意图，该导管是根据本发明的一个公开实施例来构造和操作的。图中示出了设置在该导管22上的电极44、46、48与所述贴片32、34、36之间的交互。所述电极44、46、48可以具有任何适当形状和尺寸，并且可以被用于其他目的，比如用于电生理学感测或摘除。在所示出的实施例中，每一个电极44、46、48与贴片32、34、36的其中一个通信。所述控制单元28在每一个导管电极与相应的身体表面电极之间驱动电流，并且使用该电流来测量在这两个电极之间的阻抗。基于所测量的阻抗，该控制单元28确定该导管相对于各身体表面电极的位置。备选地，还可以使用数目更多或更少的电极。例如，该控制单元28可以被设置成对一个导管电极与多个身体表面电极之间的电流进行复用。作为另一个例子，可以使用多于三个身体表面电极以便提高精度。
在上面提到的申请No.11/030,934中更加详细地公开了所述系统20。虽然这里参照该基于电流的测量系统描述了本发明的各实施例，但是本发明的原理同样适用于现有技术中已知的其他类型的基于阻抗的位置感测系统以及其他类型的位置感测系统。
现在参照图3，该图示出了心脏50的示意剖面图，该心脏具有左心室52、心肌层54以及心内表面56。图3示出了根据本发明的一个公开实施例定位在左心室52内的导管58。在所述系统20(图1)中实施的位置感测技术的一个已知的难点在于，阻抗可能会发生突然的改变，这例如是由于探头电极与内部身体组织发生接触而引起的。当这种突然波动发生时，所述显示器40(图1)上的探头的实时图像可能看起来具有与实际不符的形状或位置。在图3的例子中，在图3的左侧示出了导管58的真实位置。导管尖端60与左心室52的心内表面56相接触。在图3的右侧示出了导管58的视在位置，其中示出该尖端60处于在心肌层54的不可能的深度内。导管58的远端部分的构造还包括急转角度62，这在正常的实践中将是预期之外的。提供本发明以稳定导管58的图像，从而防止在患者监视器上出现与实际不符的形状或位置。
控制单元
现在参照图4，该图示出了根据本发明的一个公开实施例的控制单元28(图1)的详细方框图。该控制单元28包括用于驱动电流以及测量阻抗的电路64。多个电路当中的每一个在一个闭环内驱动通过所述导管20(图1)的电流，该闭环由导管电极和身体表面电极构成，这在上面提到的申请No.11/030,934中进行了完整描述。阻抗读数被传递到处理单元66，该处理单元使用所述读数来计算所述导管相对于所述各身体表面电极的位置坐标。基于这些位置坐标，该处理单元66随后产生实时信息。该处理单元66随后把该信息与编码在探头模型68中的预测信息进行比较。基于所述比较，在必要时对所述信息进行校正，以便与所述模型的预测和约束相符合。备选地，可以认为所述信息是错误的，从而必须完全忽视该信息。在第一种替换方案中，所述信息被用于产生出现在所述显示器40上的图像。
实施例1
继续参照图4，提供了几种方法以用于对探头图像进行稳定化。根据本发明的一方面，所述探头模型68包括合理的探头形状的目录。一般来说，诸如导管尖端的探头是柔软的，并且因此可以采用一定范围的弯曲形状。通过维持一个实际的拓扑范围的模型，可以使用一种匹配算法来根据所述模型拓扑强制所述探头图像采用实际的形状。如果对于其中一个电极所确定的阻抗读数不能与所述探头模型68中的其中一种可能性匹配，则丢弃所述读数或者对其进行校正。因此，在图3的例子中，在一种替换方案中，在该图右侧的图像将不被显示。备选地，基于所述探头模型68施加校正，随后经过校正的图像出现在显示器40上，如图3的左侧所示。
实施例2
可以假定身体内的探头的移动速度不会快于特定的速度。如果阻抗波动导致视在移动超出该最大速度，则可以把所述探头图像约束到由该最大速度所限制的位置。现在参考图5，该图示意性地示出了根据本发明的一个公开实施例定位的导管的运动。假设该导管被定位在中空的身体器官内，正使用上面描述的阻抗方法对其进行检测，并且正在患者监视器上观看。如箭头70所示，该导管正在向下的方向上位移。在时刻t0，该导管被显示为处在位置72处，该位置对应于y轴上的y0。随后，在时刻t1，用虚线表示出通过所述阻抗技术检测到的该导管的视在位置74。在该实施例中，所述探头模型68包括所述导管的可能移动，并且从该模型可以推断出该导管不可能前进了超过对应于y1的位置76。于是把该导管的位置调节到具有坐标y1，该坐标将实际上被显示在监视器上。
可以组合在前面的各实施例中描述的模型以便同时获得速度和形态校正的优点。
操作
现在参照图6，该图是用于根据本发明的一个公开实施例校正活体内的探头的位置测量的方法流程图。在初始步骤78中，对探头进行配置，并且通常将其插入到身体的操作区域内，比如心脏的左心室。如上面解释的那样，选择一个描述所述探头的可能构造和移动限制的适当模型并且将其加载到处理单元内。
接下来，迭代地执行一个循环，其中实际的迭代速率与显示器的刷新速率和所述处理单元的速度相关。在步骤80中，评估由所述系统所测量的视在探头位置。
所述控制现在进行到判定步骤82，在该步骤中确定在步骤80中所确定的探头的当前位置是否遵守编码在所述模型中的运动速率限制，其中该模型是在初始步骤78中引入的。这是指下面的情况：在对当前探头位置与先前探头位置的评估之间所经过的时间间隔期间，该探头距离先前确定的位置的位移是否未超出所允许的限制。如果在判定步骤82中的确定是肯定的，那么所述控制进行到下面描述的判定步骤84。
如果在判定步骤82中的确定是否定的，则所述控制进行到步骤86。由所述处理单元实施对探头位置的调节，并且相应地进行显示。所述调节通常是在相反的移动方向上进行的，从而使得该探头距离其先前确定的位置的位移不超出所述模型的限制。
在执行了步骤86之后，或者如果在判定步骤82中的确定是肯定的，则所述控制进行到判定步骤84，在该步骤中确定所述探头的当前构造是否对应于编码在所述模型中的其中一种可能性。
如果在判定步骤84中的确定是肯定的，则所述控制进行到下面描述的判定步骤88。
如果在判定步骤84中的确定是否定的，则所述控制进行到步骤90。一般来说，当所述探头不能匹配所述模型中的其中一种构造时，则在一个或多个阻抗读数中出现了突然的改变，这常常是该探头与正被检查的内脏壁(例如心内膜)之间接触的结果。基于所述模型，由所述处理单元实施对所述探头的位置调节和构造调节，并且为了操作人员方便而显示出所述位置调节和构造调节，从而操作人员绝不会看到与阻抗相关的伪像。这是通过一种算法实现的，该算法测量在所述探头的视在构造与编码在所述模型中的各种可能性之间的拓扑距离。展现出最小距离的可能性被选择作为所述探头的最有可能的真实构造。与所述可能性相关联的是该探头的实际位置的可能误差，其被用于补偿该探头在显示器上的位置以及调节其形状。例如，如果在显示器上将出现伪像曲率，则该伪像曲率将被所述处理单元校正，从而该探头在操作人员看来将是直的。同样也将显示适当的位置调节。一般来说，通过适当的指示来向操作人员做出告警，该指示表明已经由所述处理单元进行了自动调节。在某些实施例中，可以采用Kalman滤波器来预测所述探头的真实构造和位置。
例如，可以构造一个几何或拓扑模型，该模型将包括导管的形状以及该导管的所有部分和特征相对于参考点的距离。随后对所观测到的数据点应用已知的曲线拟合程序(例如最小平方、最邻近算法)。使用所述模型，通过模型预测来补充弱数据点或者有噪声的数据点。直接显示可靠的数据点(其也将符合所述模型)。
在执行了步骤90之后，或者如果在判定步骤84中的确定是肯定的，则所述控制进行到判定步骤88，在该步骤中确定所述医疗程序是否完成。如果在判定步骤88中的确定是否定的，则所述控制返回到步骤80，并且开始所述循环的另一次迭代。
如果在判定步骤88中的确定是肯定的，则所述控制进行到最终步骤92。撤回所述探头，并且所述程序终止。
前面为了清楚起见，在图6中按照特定的顺序示出了各处理步骤。但是应当理解，其中的某些步骤可以按照不同的顺序执行。例如，可能希望在评估运动位移之前评估所允许的探头构造的模型之间的匹配。
本领域技术人员应当认识到，本发明不限于上文中特别示出及描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读了前面的描述之后将想到的现有技术中所没有的所述特征的变型和修改。

Claims (18)

1、一种确定已经被插入待测对象体内的探头的位置的方法，该方法包括以下步骤：
确定所述探头在所述身体内的视在位置；
证实所述视在位置与所述探头在已知时刻下的先前位置之间的第一位移对应于第一运动速率，该第一运动速率超出预定极限；
把所述视在位置调节到新的位置，从而使得在所述新位置与所述先前位置之间的第二位移对应于第二运动速率，该第二运动速率低于所述预定极限；以及
显示所述新位置。
2、根据权利要求1的方法，其中，通过测量所述探头与远离所述探头的多个位置之间的阻抗来确定所述视在位置。
3、根据权利要求2的方法，其中，测量所述阻抗包括执行以下步骤：
令电流在设置在所述探头上的至少一个电极与所述多个位置之间穿过身体；以及
测量穿过所述多个位置的对应的电流特性。
4、根据权利要求1的方法，其中，利用Kalman滤波器执行调节所述视在位置的所述步骤。
5、一种确定已经被插入待测对象体内的探头的位置的方法，该方法包括以下步骤：
维持拓扑模型，该模型包括可以由所述探头所采用的形状范围；
确定所述探头在身体内的视在构造；
证实所述视在构造在所述范围之外；
参考所述模型来确定所述探头的真实构造；
把所述视在构造调节到所述真实构造；以及
显示所述真实构造。
6、根据权利要求5的方法，还包括：响应于参考所述模型的所述步骤，把所述探头的视在位置调节到真实位置。
7、根据权利要求6的方法，其中，通过测量所述探头与远离所述探头的多个位置之间的阻抗来确定所述视在位置。
8、根据权利要求7的方法，其中，测量所述阻抗包括执行以下步骤：
令电流在设置在所述探头上的至少一个电极与所述多个位置之间穿过身体；以及
测量穿过所述多个位置的对应的电流特性。
9、根据权利要求5的方法，其中，利用Kalman滤波器执行调节所述视在构造的所述步骤。
10、一种用于位置感测的设备，包括：
包括至少一个探头电极的探头，所述探头适于插入到待测对象体内；
多个身体表面电极，所述各身体表面电极适于固定到所述身体表面的对应位置处；
显示器；以及
控制器，该控制器适于耦合到所述探头以及所述各身体表面电极，以便令电流在所述探头电极与所述各身体表面电极之间穿过所述身体，并且通过测量穿过所述各身体表面电极的对应的所述电流特性来确定所述探头的位置坐标，所述控制器适于执行以下操作：
确定所述探头在身体内的视在位置；
证实所述视在位置与所述探头在已知时刻下的先前位置之间的第一位移对应于第一运动速率，该第一运动速率超出预定极限；
把所述视在位置调节到新的位置，从而使得所述新位置与所述先前位置之间的第二位移对应于第二运动速率，该第二运动速率低于所述预定极限；以及
在所述显示器上显示所述新位置。
11、根据权利要求10的设备，其中，通过测量所述探头与所述各位置之间的阻抗来确定所述视在位置。
12、根据权利要求11的设备，其中，测量所述阻抗包括：测量穿过所述各位置的所述对应的电流特性。
13、根据权利要求10的设备，其中，所述控制器还包括Kalman滤波器。
14、一种用于位置感测的设备，包括：
包括多个探头电极的探头，所述探头适于插入到待测对象体内；
多个身体表面电极，所述各身体表面电极适于固定到所述身体表面的对应位置处；
显示器；以及
控制器，该控制器适于耦合到所述探头以及所述各身体表面电极，以便令电流在所述各探头电极与所述各身体表面电极之间穿过所述身体，并且通过测量穿过所述各身体表面电极的对应的所述电流特性来确定所述探头的位置坐标，所述控制器适于执行以下操作：
维持拓扑模型，该模型包括可以由所述探头所采用的形状范围；
确定所述探头在身体内的视在构造；
证实所述视在构造在所述范围之外；
参考所述模型来确定所述探头的真实构造；
把所述视在构造调节到所述真实构造；以及
显示所述真实构造。
15、根据权利要求14的设备，还包括：响应于参考所述模型的所述步骤，把所述探头的视在位置调节到真实位置。
16、根据权利要求15的设备，其中，通过测量所述探头与所述各位置之间的阻抗来确定所述视在位置。
17、根据权利要求16的设备，其中，测量所述阻抗包括：测量穿过所述各位置的所述对应的电流特性。
18、根据权利要求14的设备，其中，利用Kalman滤波器执行调节所述视在构造的所述步骤。
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