CN102119871B - 基于致动器的压敏导管校正系统 - Google Patents
基于致动器的压敏导管校正系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种校正设备，所述校正设备包括耦合以固定医用探针远端的固定装置。致动器被配置为压在所述探针的所述远端顶端上，并向所述远端顶端施加具有各自大小和相对于所述远端的各自角度的多个力向量，从而使所述远端顶端相对于所述远端变形。感测装置被配置为测量所述致动器施加的所述力向量的大小。校正处理器被配置为从所述探针接收指示所述远端顶端在所述力向量作用下的所述变形的第一测量值，从所述感测装置接收指示所述力向量大小的第二测量值，并根据所述角度、所述第一测量值和所述第二测量值计算用于评估由所述第一测量值决定的所述力向量的校正系数。
Description
技术领域
本发明整体涉及侵入式探针，具体涉及对侵入式探针内的压力传感器进行校正。
背景技术
大量医疗操作涉及将物体(例如传感器、管、导管、分配装置和植入物)设置在体内。目前已为跟踪此类物体开发出了位置感测系统。磁性位置感测是本领域已知的一种方法。在磁性位置感测中，通常将磁场发生器置于患者体外的已知位置处。探针远端内的磁场传感器在这些磁场作用下产生电信号，然后再对电信号进行处理，以确定探针远端的位置坐标。这些方法和系统在美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT国际专利公布WO 1996/005768、以及美国专利申请公布2002/0065455A1、2003/0120150A1和2004/0068178A1中有所描述，这些专利的公开内容以引用方式全文并入本文中。
当把探针置于体内时，期望可让探针远端顶端直接接触身体组织。通过(例如)测量远端顶端和身体组织之间的接触压力，可以证实这种接触。其公开内容以引用方式并入本文中的美国专利申请公布2007/0100332、2009/0093806和2009/0138007描述了使用埋入导管内的力传感器感测导管远端顶端与体腔内的组织之间的接触压力的方法。导管远端顶端通过有回弹力的构件(例如弹簧)耦合到导管插入管远端，有回弹力的构件在施压于心内组织时会在施加到远端顶端的力作用下变形。导管内的磁性位置传感器感测远端顶端相对于插入管远端的偏转(位置和取向)。远端顶端相对于插入管的移动指示有回弹力的构件的变形，从而指示压力。
发明内容
本发明的一个实施例提供了校正设备，该校正设备包括固定装置、致动器、感测装置和校正处理器。固定装置耦合以固定医用探针的远端。致动器被配置为压在探针的远端顶端上，并向远端顶端施加具有各自大小和相对于探针远端的各自角度的多个力向量，从而使远端顶端相对于远端变形。感测装置被配置为测量致动器施加的力向量大小。校正处理器被配置为从探针接收指示远端顶端在力向量作用下的变形的第一测量值，从感测装置接收指示力向量大小的第二测量值，并根据角度、第一测量值和第二测量值计算用于评估由第一测量值决定的力向量的校正系数。
在一些实施例中，该设备包括耦合到致动器并被配置为压在探针远端顶端上的平表面。在本发明所公开的实施例中，探针远端包括产生磁场的磁场发生器，远端顶端包括感测磁场并在感测到的磁场作用下产生第一测量值的磁场传感器。在另一个实施例中，该设备包括多个磁场发生器，这些磁场发生器位于探针外部，并可操作产生各自的磁场，探针的远端和远端顶端包括感测磁场以产生第一测量值的各自的第一磁场传感器和第二磁场传感器。
在另一个实施例中，该设备包括夹具，夹具固定致动器并受校正处理器控制，以施加各自大小和角度的力向量。在另一个实施例中，固定装置被配置为允许探针相对于探针纵向轴线旋转，并且校正处理器被配置为通过处理从旋转探针接收到的第一测量值来检测远端顶端变形中的轴向不对称性。在一个实施例中，校正处理器被配置为将校正系数保存在耦合到探针的存储器中。存储器可包括电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)。
根据本发明的一个实施例，还提供了校正的方法，该方法包括：将具有远端顶端的医用探针远端固定在固定装置内；将致动器压在远端顶端上，以向远端顶端施加具有各自大小和相对于探针远端的各自角度的多个力向量，并使远端顶端相对于远端变形；从探针接收指示远端顶端在力向量作用下的变形的第一测量值；从耦合到致动器的感测装置接收指示力向量大小的第二测量值；并根据角度、第一测量值和第二测量值计算用于评估由第一测量值决定的力向量的校正系数。
附图说明
本文参照附图，仅以举例说明的方式描述本发明，在附图中：
图1为根据本发明的实施例的用于压敏导管的校正系统的示意性图示说明；
图2为示意性地示出根据本发明的实施例的校正压敏导管的方法的流程图；
图3为根据本发明的可供选择的实施例的用于压敏导管的校正系统的示意性图示说明；以及
图4为显示根据本发明实施例的接触心内组织的压敏导管远端顶端的示意性细部视图。
具体实施方式
一些侵入式探针包括用于测量探针和体内组织之间的接触压力的压力传感器。例如，心导管的远端顶端可包括压力传感器，该传感器在心内组织上的远端顶端施加的压力的作用下变形。导管内的位置传感器测量远端顶端的偏转，从而提供对接触压力的指示。然而在许多实际情况中，实际接触压力与位置传感器读取之间的关系因导管而异。
为了确保准确的压力测量，本发明的实施例提供了用于校正配有压力传感器的探针(如导管)的方法和系统。在一些实施例中，校正设备包括用于安装导管的固定装置、具有用于压在导管远端顶端上的平表面的致动器、以及耦合到致动器用于测量致动器施加到远端顶端的力的压力计。致动器可以自动设置和取向，以通过多个角度接触导管顶端，从而可以纵向和倾斜地向远端顶端施加机械力(以模拟导管和身体组织之间的正面接触和斜向接触)。在一些实施例中，导管可以在固定装置内旋转，以检测导管在压力作用下的轴向不对称性。
作为校正程序的一部分，该校正设备可以配置为从多个角度向导管远端顶端施加所需范围内的力。当致动器向远端顶端施加已知力时，校正设备记录来自导管内的位置传感器的信号，以确定校正参数。
当致动器向导管施加具有各自角度和大小的多个力向量时，远端顶端在这些力向量的作用下变形，并且导管内的压力传感器产生其远端顶端的变形(即偏转)测量值。校正处理器接受来自导管的变形测量值和来自致动器压力计的压力测量值。根据变形测量值和已知的力向量，校正处理器计算用于评估由顶端变形值决定的力向量的校正系数。因此，可以在组织接触条件的整个预期范围内校正压力感测导管。另外，校正处理器可以在校正过程中检测和补偿不同导管的压力响应变化。
在一些实施例中，致动器受校正处理器控制。要校正给定导管，校正处理器可以命令致动器向导管顶端施加一组所需的力向量(即在多个角度下的多个力)。此外或作为另外一种选择，操作者可以将致动器手动设置为紧贴导管顶端，以产生变形。
在一些实施例中，校正系数作为校正矩阵保存在耦合到导管的非易失性存储器中。当随后在医疗系统中使用导管时，可使用矩阵内保存的校正系数以较高精度由偏转测量值导出导管远端顶端施加到身体组织上的实际压力。
图1为根据本发明的实施例的用于压敏导管的校正系统20的图示。系统20包括耦合到校正单元24的校正设备22。在下文所述实施例中，使用系统20校正探针，在本例中校正在心脏或其他身体器官内使用的用于治疗和/或诊断目的的导管26。
导管26包括远端28，以及通过接头32连接到远端的远端顶端30。当向远端顶端30施加足够压力时(或相反地，当远端顶端向身体组织之类表面施加足够压力时)，导管26会在接头32处弯曲，从而使远端顶端30相对于远端28偏转。
导管的远端28和远端顶端30均由柔韧的绝缘材料34覆盖。同样，接头32的区域也由柔韧的绝缘材料覆盖，该绝缘材料可与材料34相同，或可尤其适于允许接头无阻碍地弯曲或压缩。(图1中将该材料切掉以露出导管的内部结构。)相比远端28，远端顶端30通常具有相对刚性。
远端顶端30通过有回弹力的构件36连接到远端28。在图1中，有回弹力的构件具有卷簧的形式，但作为另外一种选择，其他类型的有回弹力元件也可以用作此目的。有回弹力的构件36允许在施加到远端顶端的力的作用下在顶端30和远端28之间做有限范围的相对移动。
远端顶端30容纳有磁性位置传感器38。传感器38可包括一个或多个微型线圈，并且通常包括多个沿不同轴取向的线圈。远端28包括靠近有回弹力的构件36的微型的内部磁场发生器40。通常，磁场发生器40包括线圈，线圈由校正单元24发出的经导管传输的电流驱动。
作为另外一种选择，位置传感器38可包括另一类型的磁性传感器、充当位置传感器的电极或其他类型的位置传感器，例如基于阻抗的位置传感器或超声位置传感器。虽然图1示出了具有单个位置传感器的探针，但下文所述本发明的另外的实施例可以采用具有不止一个位置传感器的探针。
磁场发生器40产生的磁场使得传感器38内的线圈产生具有磁场发生器的驱动频率的电信号。这些信号的振幅会根据远端顶端30相对于远端28的位置和取向而变化。校正单元24内的校正处理器42对这些信号进行处理，以确定远端顶端30相对于远端28的轴向位移和角偏转大小。(由于线圈产生的磁场具有轴向对称性，只有偏转的大小能通过使用磁场发生器40内的单个线圈检测到，而不能检测到偏转的方向。任选地，磁场发生器40可包括两个或更多个线圈，在这种情况下，还可以确定偏转的方向)。位移大小和偏转大小可通过向量加法来组合，以得到远端顶端30相对于远端28的移动的总大小。
远端顶端30相对于远端28的相对移动提供了衡量有回弹力的构件36的变形的尺度。因此，磁场发生器40与传感器38的组合充当压力感测系统。由于位移和偏转的结合感测，因此不管压力是从正面还是成一个角度地施加到远端顶端30，该压力感测系统均可正确地读取压力。此类探针和位置传感器的更多细节在上文引用的美国专利申请公布2007/0100332、2009/0093806和2009/0138007中有所描述。
在一些实施例中，导管26还包括非易失性存储器44(例如，电可擦除可编程只读存储器(E2PROM))，用来存储校正过程中计算出的校正系数。如上所述，当随后在医疗系统中使用导管时，可使用存储器44内保存的校正系数以较高精度由偏转测量值导出导管远端顶端施加到身体组织上的实际压力。
校正设备22包括被配置为固定导管26远端的固定装置46、具有平表面50的致动器48、以及感测装置52，例如耦合到致动器的压力计。如上所述，导管26可以在固定装置46内旋转，以检测导管在压力作用下的轴向不对称性。在一些实施例中，校正单元24可以控制导管26在固定装置46内的旋转。作为另外一种选择，操作者(未示出)可以手动让导管在固定装置内旋转。
对于致动器48的给定位置，致动器将平表面50压在远端顶端30上，从而以给定角度向远端顶端施加给定的力。压力计52测量致动器48施加到远端顶端30上的力的大小。校正单元24同时从位置传感器38接收指示远端顶端偏转的信号。校正单元内的校正处理器42计算校正系数，该系数将测量的顶端偏转标测到致动器施加的已知力向量。
致动器48和探针26通过合适的接口(如电缆和连接器)连接到校正单元24。校正单元24包括校正处理器42和存储器54。处理器42通常包括通用计算机，其具有合适的前端和接口电路，用于从位置传感器38和压力计50接收信号，并用于控制致动器48施加的力向量。处理器42可以在软件内编程，以执行本文所述功能。例如，可经网络将软件以电子形式下载到处理器42中，或者可将软件提供在有形介质上，例如光学、磁或电子存储介质。作为另外一种选择，可通过专用或可编程数字硬件部件执行处理器42的一些或全部功能。
在一些实施例中，致动器48安装在机器人夹具(图中未示出)内，机器人夹具将致动器设置在所需位置，并与导管26远端成所需角度。机器人夹具可包括用于定位和取向致动器48的任何合适的机械和电气组件，例如电动马达。通常，机器人夹具由校正处理器42控制，从而使致动器向导管顶端施加所需的力向量。
图2为示意性地示出根据本发明的实施例的校正压敏导管的方法的流程图。为了校正导管26，操作者将导管安装在固定装置44内(步骤60)。致动器48将平表面50以一定角度压在远端顶端30上(步骤62)。将平表面50压在远端顶端30上使得导管26在接头32处弯曲，从而使远端顶端偏转。位置传感器38在远端顶端30输出指示远端顶端相对于远端28的偏转的信号。
校正单元24接受来自位置传感器38的偏转测量值和来自压力计52的力测量值(步骤64)。
处理器42接着根据力测量值、接合角度和偏转测量值计算用于校正探针26的偏转测量值的校正系数(步骤66)。通过将偏转测量值标测到来自压力计52的给定接合角度的力向量，校正系数根据偏转测量值确定了远端顶端30上的力。换句话讲，给定校正系数将顶端30的偏转测量值转化成给定接合角度的实际压力读数。
如果需要更多校正点(步骤68)，则该方法返回上述步骤62，在该步骤中，校正处理器42可以命令致动器48向远端顶端30施加不同的力向量。利用具有一系列不同大小和方向(即角度)的多个力向量，系统20能够测试导管对各种作业几何形状的弯曲响应。返回步骤68，如果不需要更多校正点，则处理器42将校正系数的校正矩阵保存到探针上的存储器44中(步骤70)，该方法结束。
图3为根据本发明的可供选择的实施例的用于压敏导管的校正系统78的图示。在系统78中，导管26的远端28包括第二位置传感器80，用于找到远端的位置和取向坐标。位置传感器80与外部磁场发生器82结合使用，磁场发生器通常安装在底座84上，例如由Biosense Webster Inc.(DiamondBar，California)制造的CARTOTM定位垫。CARTOTM定位垫以及位置传感器38和80可用来确定远端28的位置和远端顶端30的偏转。
磁场发生器82产生的磁场与磁场发生器40产生的磁场的时间和/或频率有区别。例如，通往磁场发生器40的电流可以在约16kHz和25kHz之间的范围内的所选频率产生，而磁场发生器82则以不同的频率被驱动。此外或作为另外一种选择，发生器40和82的操作可通过时分多路复用方式进行。
驱动电路(例如在校正单元24内)驱动磁场发生器82(通常包括线圈)，以产生磁场。位置传感器38和80在这些磁场作用下产生电信号。校正单元24内的处理器42对接收自位置传感器38和80的信号进行处理，以确定这两个位置传感器的位置和取向坐标，从而确定远端顶端30和远端28的位置和取向坐标。利用上述CARTOTM定位垫进行的位置跟踪的其他方面在上文引用的美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT国际专利公布WO 1996/005768、以及美国专利申请公布2002/0065455A1、2003/0120150A1和2004/0068178A1有详细描述。
返回图2的步骤64，在包括CARTOTM定位垫(或任何其他合适构型的磁场发生器)的实施例中，位置传感器38和80输出分别指示远端顶端30和远端28的位置的信号。同样在步骤66中，处理器42可使用位置传感器38和80产生的信号计算远端顶端30相对于远端28的偏转。
另外，处理器42可以比较位置传感器38和80的输出，以检测导管26不可取的弯曲。例如，当在纵向(即沿导管轴)向远端顶端30施加力时，有回弹力的构件36可以压缩，以使得远端顶端向靠近远端28方向纵向移动，但不弯曲。如果来自位置传感器38和80的输出指示远端顶端30已经弯曲或皱缩，处理器42可以将该行为识别为被校正或在校正过程中的导管内的故障征兆。处理器可以触发报警或以其他方式指示疑似故障。
图4为显示根据本发明实施例的接触心脏92的心内组织90的远端顶端30的示意性细部视图。在本例中，顶端30包括电极94。在一些电生理诊断和治疗方法(例如心内电标测)中，电极94和组织90之间保持适当水平的力很重要。当医疗人员(未示出)将远端顶端30压到心内组织90上时，导管26在接头32处弯曲。需要足够的力来确保远端顶端和组织之间有良好的电极接触。电接触不良会导致读数不准确。另一方面，过大的力会使组织变形，从而使图失真。
当顶端30压到组织90上时，位置传感器38产生指示顶端30相对于远端28的偏转的测量值。医疗成像系统(如标测系统-未示出)使用保存在探针的存储器44内的校正系数(即校正矩阵)将这些测量值转化成准确的压力读数。因此，使用本发明的实施例进行的侵入式探针校正确保医疗人员可以准确控制探针施加到组织上的力。
下面权利要求书中的相应结构、材料、行动和所有方法或步骤加上功能单元的等同形式旨在包括用于与具体要求权利保护的其他受权利要求保护的元件相结合执行功能的任何结构、材料或行动。已提供了对本发明的描述以用于举例说明和描述的目的，但无意于穷举或限制本发明所公开的形式。许多修改形式和变型形式对本领域普通技术人员来说将是显而易见的，而不脱离本发明的范围和精神。选择并描述了实施例以便更好地解释本发明的原理和实际应用，以及使得本领域其他普通技术人员能理解本发明的适于所考虑的具体应用的具有各种修改形式的各种实施例。
所附权利要求书旨在涵盖在本发明精神和范围内的本发明的所有这种特征和优点。因为本领域技术人员将容易进行许多修改和改变，所以无意于将本发明限制于本文所述的有限数目的实施例。因此，应当理解，落入本发明精神和范围内的所有合适的变型形式、修改形式和等同形式都可以使用。
Claims (16)
1.一种校正设备，包括：
固定装置，所述固定装置被配置为固定医用探针的远端；
致动器，所述致动器被配置为压在所述探针的所述远端顶端上，并向所述远端顶端施加具有各自大小和相对于所述远端的各自角度的多个力向量，从而使所述远端顶端相对于所述远端变形；
感测装置，所述感测装置被配置为测量所述致动器施加的所述力向量的大小；以及
校正处理器，所述校正处理器被配置为从所述探针接收指示所述远端顶端在所述力向量作用下的变形的第一测量值，从所述感测装置接收指示所述力向量大小的第二测量值，并根据所述角度、所述第一测量值和所述第二测量值计算用于评估由所述第一测量值决定的所述力向量的校正系数。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括耦合到所述致动器并被配置为压在所述探针的所述远端顶端上的平表面。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述探针的所述远端包括产生磁场的磁场发生器，并且其中所述远端顶端包括磁场传感器，所述磁场传感器感测所述磁场并在感测到的磁场作用下产生所述第一测量值。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括多个磁场发生器，所述多个磁场发生器位于所述探针的外部，并可操作产生各自的磁场，并且其中所述探针的所述远端和所述远端顶端包括感测所述磁场以产生所述第一测量值的各自的第一磁场传感器和第二磁场传感器。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括夹具，所述夹具固定所述致动器并被所述校正处理器控制，使得所述致动器施加所述各自大小和角度的所述力向量。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述固定装置被配置为允许所述探针相对于所述探针的纵向轴线旋转，并且其中所述校正处理器被配置为通过处理从所述旋转的探针接收到的所述第一测量值来检测所述远端顶端的所述变形中的轴向不对称性。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述校正处理器被配置为将所述校正系数保存在耦合到所述探针的存储器内。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述存储器包括电可擦除可编程只读存储器。
9.一种校正方法，包括：
将具有远端顶端的医用探针的远端固定在固定装置内；
将致动器压在所述远端顶端上，从而向所述远端顶端施加具有各自大小和相对于所述探针的所述远端的各自角度的多个力向量，并使所述远端顶端相对于所述远端变形；
从所述探针接收指示所述远端顶端在所述力向量作用下的所述变形的第一测量值；
从耦合到所述致动器的感测装置接收指示所述力向量大小的第二测量值；以及
根据角度、所述第一测量值和所述第二测量值计算用于评估由所述第一测量值决定的所述力向量的校正系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中压所述致动器包括将耦合到所述致动器的平表面压在所述探针的所述远端顶端上。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述探针的所述远端包括产生磁场的磁场发生器，并且其中接收所述第一测量值包括从所述远端顶端内的磁场传感器接受所述第一测量值，所述磁场传感器感测所述磁场，并在感测到的磁场作用下产生所述第一测量值。
12.根据权利要求9所述的方法，其中接收所述第一测量值包括从第一磁场传感器和第二磁场传感器接受所述第一测量值，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器分别装配在所述探针的所述远端和所述远端顶端内，感测所述探针的外部的多个磁场发生器产生的磁场，并且产生所述第一测量值。
13.根据权利要求9所述的方法，其中压所述致动器包括操作固定所述致动器的夹具，从而以各自的大小和角度施加所述力向量。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述探针在所述固定装置内相对于所述探针的纵向轴线旋转，以及通过处理从所述旋转的探针接收的所述第一测量值检测所述远端顶端的所述变形中的轴向不对称性。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述校正系数保存在耦合到所述探针的存储器内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述存储器包括电可擦除可编程只读存储器。
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