CN102599911B - 根据互感测量值来检测金属干扰的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供根据互感测量值来检测金属干扰的系统和方法。本发明涉及在医疗手术期间检测金属干扰的设备和方法，所述设备包括探针，所述探针具有插入管、接头以及用于感测所述插入管的位置的接头传感器。所述接头传感器包括具有线圈的第一和第二子组件。处理器用于使用所述接头传感器测量力，并且其中存储有预设定的基线值。所述处理器通过向一个线圈施加电流来检测所述插入管的位置变化，并且测量所述其他线圈中的其余线圈输出的信号。所述线圈中的其余线圈输出的所述信号限定拾波值，其中所述处理器比较所述拾波值与所述预设定的基线值，当所述拾波值不在所述预设定的基线值范围内时，识别出金属的存在。

Description

根据互感测量值来检测金属干扰的系统和方法
技术领域
本发明整体涉及能够感测探针中接头位移的侵入性医疗装置，诸如施加到患者身体的导管，更具体地讲涉及使用此类能够检测在导管附近任何位置处所存在金属物体的导管，以及针对此类金属物体存在而进行测算和/或校准操作的系统和方法。
背景技术
在一些诊断和治疗技术中，导管被插入心室中并与心脏内壁接触。在此类手术中，通常很重要的一点是导管远端头以足够的压力接合心内膜以确保良好的接触。然而，压力过大可能会对心脏组织造成不希望的损伤，甚至造成心壁穿孔。
例如，在心内射频(RF)消融的情况下，在远端头处具有电极的导管经由病人的血管系统插入心室。电极会与心内膜上的一个(或多个)位点接触，RF能量经导管施加到电极，以消融位点处的心脏组织。为了在对组织没有过度损伤的情况下达到所需的治疗效果，消融期间电极与心内膜之间必须有合适的接触。
许多专利出版物描述了具有用于感测组织接触的一体化压力传感器的导管。作为一个例子，美国专利申请公开2007/0100332描述了用于评价组织消融的电极组织接触的系统和方法，其公开内容以引用方式并入本文中。导管轴内的机电式传感器产生对应于导管轴远端部分内电极移动量的电信号。输出装置接收用于评价电极与组织之间接触水平的电信号。
迄今为止，现有技术系统和方法还无法做到既能够确定用于患者身体内的医疗装置的准确位置信息和力测量值，同时又能够检测来自位于装置附近金属物体的金属干涉引起的场畸变，进而能够测算和校准其力读数/测量值和/或其位置信息。
发明内容
本发明涉及在医疗手术期间检测金属干扰的设备，该设备包括探针，该探针包括插入管和远端头，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触。将远端头连接到插入管远端的接头用于与内置于探针中的接头传感器相连，以便感测远端头相对于插入管远端的位置。该接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器。
设备还包括使用接头传感器确定力测量值并且其中存储有阈场值的处理器，连接处理器来向第一和第二子组件中的一个施加电流，从而使子组件中的一个产生至少一个磁场。连接处理器来接收并且处理由第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，以检测远端头相对于插入管远端的位置变化，其中第一和第二子组件中的另一个输出的一个或多个信号限定了感测场值。
处理器比较感测场值与阈场值，当感测场值低于阈场值时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，感测场值是基于轴向的场而得出的。
本发明还涉及在患者身体上进行的医疗手术期间检测金属干扰的方法，该方法包括以下步骤：提供探针，该探针包括插入管、远端头、接头和接头传感器，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触，接头将远端头连接到插入管远端，接头传感器内置于探针中，用于感测远端头相对于插入管远端的位置。该接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器。
处理器用于使用接头传感器确定力测量值，并且其中存储有阈场值。将电流施加到第一和第二子组件中的一个，从而使子组件中的一个产生至少一个磁场，其中至少一个磁场在第一和第二子组件中的另一个处接收，并且由第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，其中由第一和第二子组件中的另一个输出的一个或多个信号限定感测场值。
检测远端头相对于插入管远端的位置变化，并且处理器比较感测场值与阈场值，当感测场值低于阈场值时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，感测场值是基于轴向的场而得出的。
在另一个实施例中，本发明涉及在医疗手术期间检测金属干扰的设备，该设备包括探针，该探针包括插入管和远端头，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触。探针也具有接头和接头传感器，该接头将远端头连接到插入管远端；该接头传感器内置于探针中，用于感测远端头相对于插入管远端的位置。该接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器。
处理器用于使用接头传感器确定力测量值，并且其中存储有预设定的基线值，连接处理器来向第一和第二子组件中的一个施加电流，从而使子组件中的一个产生至少一个磁场。
连接处理器来接收并且处理由第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，以检测远端头相对于插入管远端的位置变化。
磁换能器包括线圈，并且其中第一子组件包括具有平行于插入管的纵向轴线的第一线圈轴线的第一线圈，并且其中第二子组件包括在探针的与第一子组件轴向间隔开的部分中的不同各自径向位置中的两个或更多个其他线圈。
处理器将电流施加到第二子组件的两个或更多个其他线圈中的一个线圈，并且测量第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的信号。第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的信号限定拾波值，其中处理器比较拾波值与预设定的基线值，当拾波值不在预设定的基线值的范围内时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，拾波值基于从第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈测量的互感。
本发明还涉及在患者身体上进行的医疗手术期间检测金属干扰的方法，该方法包括以下步骤：提供探针，该探针包括插入管、远端头、接头和接头传感器，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触，接头将远端头连接到插入管远端，接头传感器内置于探针中，用于感测远端头相对于插入管远端的位置。
接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器，以及使用接头传感器确定力测量值的处理器。处理器其中存储有预设定的基线值，连接处理器来向第一和第二子组件中的一个施加电流，从而使子组件中的一个产生至少一个磁场，并且连接处理器来接收并处理由第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，从而检测远端头相对于插入管远端的位置变化。
磁换能器包括线圈，并且其中第一子组件包括具有平行于插入管的纵向轴线的第一线圈轴线的第一线圈，并且其中第二子组件包括在探针的与第一子组件轴向间隔开的部分中的不同各自径向位置中的两个或更多个其他线圈。
然后将电流施加至第二子组件的两个或更多个其他线圈中的一个线圈，由第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈测量信号输出，其中第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的信号限定拾波值。然后将拾波值与预设定的基线值比较，当拾波值不在预设定的基线值范围内时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，从第二子组件的两个或更多个其他线圈中的其余线圈测量互感以确定拾波值。
在另一个根据本发明的实施例中，本发明涉及在医疗手术期间检测金属干扰的设备，该设备包括探针，该探针包括插入管和远端头，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触。探针也包括接头和接头传感器，该接头将远端头连接到插入管远端；该接头传感器内置于探针中，用于感测远端头相对于插入管远端的位置。该接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器。
处理器用于使用接头传感器确定力测量值，并且其中存储有阈场值。连接处理器来向第一和第二子组件中的一个施加电流，从而使子组件中的一个产生至少一个磁场，并且连接处理器来接收并处理由第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，从而检测远端头相对于插入管远端的位置变化，其中由第一和第二子组件中的另一个输出的一个或多个信号限定感测场值。处理器比较感测场值与阈场值，当感测场值大于阈场值时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，感测场值是基于径向或正交方向的场而得出的。
本发明还涉及在患者身体上进行的医疗手术期间检测金属干扰的方法，该方法包括以下步骤：提供探针，该探针包括插入管、远端头、接头和接头传感器，插入管具有纵向轴线并且具有远端，远端头设置在插入管的远端并且构造成与身体组织接触，接头将远端头连接到插入管远端，接头传感器内置于探针中，用于感测远端头相对于插入管远端的位置。
该接头传感器包括第一和第二子组件，该第一和第二子组件设置在探针内，位于接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器。处理器用于使用接头传感器确定力测量值，并且其中存储有阈场值。
然后将电流施加到第一和第二子组件中的一个，从而使得子组件中的一个产生至少一个磁场。至少一个磁场在第一和第二子组件中的另一个处接收，并且第一和第二子组件中的另一个响应至少一个磁场输出的一个或多个信号，其中第一和第二子组件中的另一个输出的一个或多个信号限定了感测场值。
检测远端头相对于插入管远端的位置变化，并且比较感测场值与阈场值，当感测场值大于阈场值时，识别出探针远端附近金属物体的存在。在很多情况中，感测场值是基于径向或正交方向的场而得出的。
通过对以下结合附图的实施例的详细说明，将更全面地理解本发明：
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于导管的医疗系统的示意性图解；
图2为显示根据本发明实施例的接触心内组织的导管远端头的示意性细部视图；
图3为显示根据本发明实施例的导管远端细部的示意性剖视图；
图4为显示金属物体存在时，根据本发明的另一个实施例的导管远端细部的示意性剖视图；
图5为使用根据本发明的实施例的、图1的基于导管的医疗系统及图2、3和4的导管来检测图4的金属物体存在的方法的示意性流程图；
图6为使用根据本发明的可供选择的实施例的、图1的基于导管的医疗系统及图2、3和4的导管来检测图4的金属物体存在的方法的可供选择的实施例的示意性流程图；以及
图7为使用根据本发明的另一个可供选择的实施例的、图1的基于导管的医疗系统及图2、3和4的导管来检测图4的金属物体存在的方法的另一个可供选择的实施例的示意性流程图。
具体实施方式
本专利申请使用2007年10月8日提交的共用拥有的待审美国专利申请No.11/868,733和2008年12月3日提交的美国专利申请No.12/327,226的技术公开，这些专利申请被转让给本专利申请的受让人，并且这两个参考文献的公开内容以引用方式并入本文中。相应地，使用与美国专利申请No.12/327,226相同的附图标记标识类似或相似结构。
上述美国专利申请No.11/868,733描述了其远端头通过弹簧支承的接头连接到导管插入管远端的导管，当导管远端头接合组织时，弹簧支撑的接头会变形以响应施加在远端头上的压力。位于探针内的磁性位置感测组件包括位于接头相对侧的线圈，磁性位置感测组件感测远端头相对于插入管远端的位置。该相对位置的变化表征弹簧的变形，从而给出压力指示。
在本文下面描述的本发明的实施例利用美国专利申请No.12/327,226的感测组件的新型设计，该设计有利于更精确地测量端头运动，并且最终有利于位于导管附近的金属物体的检测。在该设计中，线圈的结构可以精确感测将导管端头连接至插入管的接头的非常小的变形和压缩。因此，可提高端头上压力的测量精度，从而可以在导管中使用相对较硬的弹簧，这使得导管更可靠并且更易于在人体内操纵。此外，导管上的这些线圈的运行可实现位于导管附近任何位置的金属物体的检测。
如本公开随后进一步详细描述的，根据本发明的优选实施例涉及使用此类能够检测在导管附近任何位置处所存在金属物体的导管，以及针对此类金属物体存在而进行测算和/或校准操作的系统和方法。
图1为根据本发明实施例的用于心导管插入术系统20的示意性图解。系统20可以基于例如由BiosenseWebsterInc.(DiamondBar，California)制造的CARTOTM系统。该系统包括导管28形式的侵入性探针和控制台34。如本领域所已知，在下文描述的实施例中，假设导管28用于消融心内组织。或者，加以必要的变通，可以将导管用于心脏或其他身体器官中的其他治疗和/或诊断用途。
操作者26(诸如心脏病学家)将导管28穿过患者24的血管系统插入，以使得导管的远端30进入患者心脏22的心室。操作者推入导管，以使得导管远端头在所需一个或多个位置处接合心内膜组织。导管28通常由在其近端处的合适的连接器连接到控制台34。控制台可包括射频(RF)发生器，其由导管提供高频电能来消融远端头接合位置处的心脏中的组织。作为另外一种选择或除此之外，可将导管和系统构造成用于实施本领域已知的其他治疗和诊断过程。
控制台34利用磁性定位感测确定心脏22内导管28的远端30的位置坐标。出于此目的，控制台34中的驱动电路38驱动磁场发生器32在患者24身体的附近产生磁场。通常，磁场发生器包括线圈，线圈在患者体外的已知位置处被置于患者躯干下方。这些线圈以包含心脏22的预定义工作体积在身体内产生磁场。导管28的远端30内的磁场传感器(如图3所示)响应这些磁场而产生电信号。信号处理器36处理这些信号，以确定远端的位置坐标，通常包括位置和取向坐标。该位置感测方法在上述CARTO系统中实施并在美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089中、在PCT专利公布WO96/05768中以及在美国专利申请公布2002/0065455A1、2003/0120150A1和2004/0068178A1中有详细描述，它们的公开内容全部以引用方式并入本文。
处理器36通常包括通用计算机，其具有合适的前端和接口电路，用于从导管28接收信号，并控制控制台34的其他组件。处理器可以在软件内编程，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控制台34中，或者可将软件设置在有形介质上，例如设置在光学、磁或电子存储介质上。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36的一些或全部功能。根据从导管和系统20的其他部件接收的信号，处理器36驱动显示器42给操作者26提供关于远端30在患者体内的位置和关于导管远端头位移的视觉反馈，以及提供关于进行中的手术的状态信息和指导。
作为另外一种选择或除此之外，系统20可以包括用于在患者24体内操纵和操作导管28的自动化机构。此类机构通常能够控制导管的纵向运动(前进/后退)和导管的远端的横向运动(偏转/转向)。例如，该类型的一些机构将直流磁场用于此目的。在此类实施例中，处理器36根据导管中磁场传感器所提供的信号产生控制输入，用于控制导管的运动。如下文进一步所述，这些信号表征导管远端的位置和施加到远端上的力。
图2为根据本发明实施例的心脏22的心室的示意性剖视图，显示了心脏中导管28的远端30。该导管包括插入管50，所述插入管50通常经皮通过血管，例如上腔静脉或主动脉，插入心脏。导管的远端头52上的电极56接合心内组织58。由远端头对心内膜施加的压力使心内组织局部变形，使得电极56在相对大的范围内接触该组织。在图示的示例中，电极以一定角度而不是径直接合心内膜。因此，远端头52相对于导管插入管50的远端在弹性接头54处弯曲。该弯曲有利于电极与心内组织之间的最佳接触。
由于接头54的弹性特性，接头的弯曲角度和轴向位移与组织58施加在远端头52上的压力(或换句话讲，远端头施加在组织上的压力)成正比。因此，弯曲角度和轴向位移的测量可给出该压力指示。可由导管20的操作者使用的该压力指示确保远端头足够稳固地挤压心内膜，从而得到所需的治疗或诊断结果，但同时又不会用力过度造成不希望的组织损伤。
图3为导管28的远端30的示意性剖视图，显示了根据本发明实施例的导管的结构细部。如上所述，插入管50通过接头54连接到远端头52。插入管由柔韧的绝缘材料62覆盖，所述绝缘材料62例如为 或耐热聚氨酯。同样，接头54的区域也由柔韧的绝缘材料覆盖，该绝缘材料可与材料62相同，或可尤其适于允许接头无阻碍地弯曲或压缩。(图3中将该材料切掉以露出导管的内部结构。)远端头52可至少部分地由电极56覆盖，所述电极56通常由导电材料，例如铂/铱合金制造。作为另外一种选择，也可使用其他合适的材料，这对本领域的技术人员而言将是显而易见的。或者，对于一些应用而言，远端头可制造成无覆盖电极。与柔韧的插入管相比较，远端头通常相对刚硬。
接头54包括弹性连接构件60。在该实施例中，连接构件具有弹性材料的管件形式，沿其长度部分具有螺旋切割。例如，连接构件可由超弹性合金，例如镍钛合金(Nitinol，镍钛诺)构成。螺旋切割使得该管件响应施加到远端头52上的力表现出类似于弹簧的行为。关于此类连接构件的制造和特性的进一步的详细描述见于2008年6月6日提交的美国专利申请12/134,592，该专利申请被转让给本专利申请的受让人，并且其公开内容以引用方式并入本文中。作为另外一种选择，所述连接构件可包括卷簧或具有所需柔韧性和强度特性的任何其他合适类型的弹性部件。
连接构件60的硬度决定响应施加到远端头上的力在端头52和插入管50之间产生的相对移动的范围。此力会在消融术期间将远端头挤压心内膜时产生。在消融过程中，实现远端头与心内膜良好电接触所需的压力为约20-30克。连接构件构造成允许远端头的轴向位移(即沿着导管28的轴线作横向移动)和角偏转，所述轴向位移和角偏转与所述端头上所受的力成比例。通过处理器36测量位移和偏转可得出压力指示，从而有助于确保在消融期间施加正确的压力。
在导管28内，包括线圈64、66、68和70的接头感测组件提供远端头52相对于插入管50远端的准确位置读数，该读数包括轴向位移和角偏转。这些线圈为可用于本发明实施例中的一种磁换能器。在本专利申请的上下文中以及在权利要求中，“磁换能器”是指响应施加的电流而产生磁场和/或响应施加的磁场而输出电信号的装置。虽然本文所述的实施例使用线圈作为磁换能器，但是在替代实施例中也可使用其他类型的磁换能器，这对本领域的技术人员而言将是显而易见的。
导管28中的线圈在接头54的相对侧上的两个子组件之间分开：一个子组件包括线圈64，该线圈由来自控制台34的电缆74提供的电流驱动，从而产生磁场。该磁场由包括线圈66、68和70的第二子组件接收，这些线圈位于导管的与线圈64沿轴向间隔开的部分中。(本专利申请的上下文中和权利要求中所用的术语“轴向”是指导管28的远端30的纵向轴线方向，在图3中以Z-方向表示。轴向平面为垂直于该纵向轴线的平面，轴向部分为两个轴向平面之间所包含的导管的一部分。)线圈66、68和70响应线圈64产生的磁场而发出电信号。这些信号通过电缆74传输至处理器36，处理器处理信号以测量接头54的轴向位移和角偏转。
将线圈66、68和70以不同的径向位置固定在导管28中。(术语“径向”是指相对于导管轴线的坐标，即图3中X-Y平面中的坐标。)具体地讲，在该实施例中，线圈66、68和70均围绕导管轴线以不同的方位角位于同一轴向平面中。例如，可将三个线圈距轴线相同的径向距离以120°的方位角间隔开。
线圈64、66、68和70的轴平行于导管轴线(并因此只要接头54不偏转，线圈轴均彼此平行)。因此，线圈66、68和70将响应线圈64产生的磁场而输出强烈的信号，并且该信号将随着线圈66、68和70与线圈64的距离而强烈地变化。(作为另外一种选择，只要线圈轴线具有足够的平行分量以产生强信号，线圈64和/或线圈66、68和70的轴线可相对于导管轴线成一定角度。)根据偏转的方向和幅度，端头52的角偏转将引起线圈66、68和70输出的信号的不同的变化，因为这些线圈中的一个或两个将移动到相对更靠近线圈64。端头的压缩位移将引起来自所有线圈66、68和70的信号的增强。
处理器36分析线圈66、68和70输出的信号，以测量接头54的偏转和位移。信号的变化的总和可得出压缩的测量值，而变化的差值可得出偏转。差值的矢量方向给出弯曲方向的指示。合适的校正程序可用于测量关于接头偏转和位移的信号的精确相关性。
除了上面所示和所述的结构外，还可在感测子组件中使用多种其他线圈结构。例如，子组件的位置可以对调，以使得磁场发生器线圈位于接头54的近侧，而传感器线圈则位于远端头中。作为另外一种选择，线圈66、68和70可作为场发生器来驱动(使用时分多路复用和/或频分多路复用以区分场)，而线圈64则用作传感器。图3中线圈的尺寸和数量仅以举例的方式示出，只要子组件中的一个在不同的径向位置中包括至少两个线圈，则同样地可在各种不同位置中使用更多或更少的线圈来实现接头偏转的差值测量。
处理器36可使用端头52上的压力与接头54的移动两者间关系的先前校正，从而将线圈信号转化成压力项。由于位移和偏转的结合感测，因此不管电极是从正面还是成一角度接合心内膜，该压力感测系统均可正确地读取压力。不同于例如压电传感器，该压力读数对温度的变化不敏感并且不会漂移。由于图3中所示的线圈64、66、68和70的布置提供了对接头运动的高灵敏度响应，因此处理器36可以高精度测量小位移和偏转。因此，连接构件60可制造成相对较硬的，并且处理器36仍能够准确地感测和测量端头52上的压力。连接构件的硬度使操作者更容易操纵和控制导管。
线圈64、66、68和70中的一个或多个还可用于响应磁场发生器32产生的磁场而输出信号，并因此用作位置感测线圈。处理器36处理这些信号以确定远端30在由磁场发生器所限定的外部参照系中的坐标(位置和取向)。除此之外或作为另外一种选择，如图4中充分示出的，一个或多个另外的线圈72和73(或其他磁传感器)可出于此目的而布置于导管的远端。在导管28远端30中的位置感测线圈使控制台34能够同时输出导管在体内的位置和取向及端头52的位移和偏转，以及端头上的压力。
虽然上面是在基于导管的消融术背景下描述了磁性位置感测组件的操作及其在感测压力中的使用，但是可同样将本发明的原理应用于需要准确感测接头移动的其他应用中，特别是将侵入性探针用于心脏和身体其他器官中的治疗和诊断应用中。作为一个示例，加以必要的变通，可将在系统20中所实施的位置和压力感测装置和技术用于引导和控制导管插入套管的使用。如果套管的位置没有适当控制，并且在其插入过程中用力过猛，所述套管可能刺穿心壁或血管组织。这种可能性可通过感测套管远端头的位置和其上的压力来避免。就这一点而言，本文所用的术语“远端头”应理解为包括位于探针远端处、可相对于探针的主体发生弯曲和/或位移的任何结构类型。
如图4中充分示出的，上述技术的一个缺点是在导管28的远端和线圈64、66、68、70、72附近存在铁磁材料(金属材料)80。此类材料可使得磁场畸变，从而可改变力读数。该磁场畸变不能仅观察力的原始数据来识别，因为该数据是有效的并且充当合理的力读数，即接头54中的接触力传感器(线圈)的任何三个读数(甚至是失真的)直接映射到相关力。如图4所示，当另一个含金属装置80接近远端头52和接头54时，干涉是显著的。
该现象称为轴接近干涉(shaftproximityinterference，SPI)。本发明涉及提供能够区分合理力读数和SPI引起的力读数的机构的新型设备和方法。
如图4中充分示出的，线圈64、66、68、70、72和73在导管端头52中的布置能够灵敏地测量导管弯曲角度和导管端头52经受的接触力。该布置用作接头感测组件，其包括提供远端头52相对于插入管50远端的定位/位置(以在X、Y和Z轴方向以及横倾、纵倾和横摆取向的定位和取向坐标信息的形式)准确读数的线圈64、66、68、70、72和73。发射线圈64由来自控制台34的电缆74提供的电流驱动，从而在轴向(根据图3和4的Z-轴)产生磁场。该磁场通过线圈66、68和70接收，这些线圈固定在不同的径向位置，使得这些线圈响应线圈64产生的磁场而发出电信号。信号通过电缆74传输至处理器36(图1)，处理器使用它们来测量接头54的轴向位移和角偏转。
上述线圈的一个或多个，以及以X和Y方向取向的附加线圈(诸如线圈72和73)通常也用于响应外部磁场发生器产生的磁场而输出信号，从而用作导管端头的位置感测线圈。
使用该类型的磁场位置和力测量系统20时，重要的是检测位于磁场内的金属物体，尤其是导管30远端附近的那些金属物体引起的磁场畸变，以避免线圈66、68、70、72和73输出错误信号，这些错误信号最终会导致错误的力信息测量值/读数或SPI。该SPI问题通过整个公开中详述的本发明所有实施例，例如图4、图5、图6和图7的那些实施例得到了解决。
于是，当金属物体80接近远端头52时，它将使发射线圈64产生的磁场畸变，因此可能将错误引入位移和偏转的测量值。该SPI情况在图4中示出，其中金属物体80(在该例子中为另一个导管80)接近端头52。重要的是检测磁场畸变以避免输出错误的力读数。
端头52附近的金属物体80的寄生效应会引起线圈66、68和70感测的轴向磁场急剧减小。该减小强烈依赖于金属物体和端头的距离。当金属物体非常接近端头时，从线圈66、68和70接收的信号将是“负力”的表征，即它们将小于从接头54的静止位置的线圈接收的信号，就好像端头52拉离了插入管50一样。该情况在实际中不可能遇到。因此，能够准确预测导管30端头52附近金属物体80的存在。
因此，如图5中示意性地示出，根据本发明的方法是如上所述当导管30处于其静止位置(在其远端52和接头54处无轴向位移或角偏转)时，根据线圈66、68和70输出的强信号来设定系统20的阈场值(图1)。阈场值或强度如步骤100所设定。该阈场值步骤100作为系统20校正的部分进行，即先进行该步骤再在患者24上使用导管30，其中阈场值100存储在系统20的处理器36的软件中。
一旦设定阈场值100，系统20即可使用，并且在步骤105中，通过如上所述的磁场发生器线圈64(图3和4)产生磁场。该产生的磁场105由线圈66、68和70感测，其中每个相应的线圈在步骤110中基于来自线圈64的磁场强度提供信号输出。
在步骤115中，处理器36(图1)将线圈66、68和70感测的磁场105与阈场值100进行比较(基于线圈66、68和70输出的信号)。处理器36软件中的逻辑程序将感测磁场值110与阈场值100进行比较。如果感测磁场值110与阈场值100相比等于或高于阈场值100，系统20继续在正常操作条件下运行，从而继续正常操作循环，继续在磁场发生器线圈64处产生磁场105，并且所有步骤105、110、115反复循环。
然而，根据本发明，在步骤115中，如果感测磁场值110低于阈场值100，由于线圈66、68和70提供低于预设定阈场值100的输出信号，在步骤120中处理器36识别出SPI，即识别出力测量值受到金属80(图4)存在的影响。
然后在步骤125中，处理器36确定确实存在SPI，以及力测量值读数无效(由于对来自发生器线圈64的磁场造成了干扰)。当由于SPI而检测到此类磁场干扰时，处理器36在显示器42上将位置坐标信息标记为可疑。步骤125可任选地包括实时在电解剖图上，例如在显示器42上绘制的视觉指示或标记，以及给操作者26的音响警告或警报和/或显著的触觉反馈，并且步骤105、110、115反复循环。
如上所述，该阈场值通常选择为对应于导管端头52上无受力的情况(在步骤100中设定为校正和/或启动程序的部分)，以使得步骤115中的亚阈值读数对应于负力，并且自动识别出由于端头52附近金属80存在而引起的金属干涉。
此外，虽然线圈64通常只在近场中产生轴向场分量(沿着Z-轴)，但在远端和/或端头52附近的金属物体80(图4)的寄生效应通常将在线圈64的驱动频率下产生径向(X和/或Y轴)分量。这些寄生正交场分量的振幅(在该例子中为X-轴和Y-轴分量)强烈依赖于金属物体80和导管30远端的距离。因此，当金属物体接近远端时，在线圈64的驱动频率下从线圈72、73接收的信号将增强而产生SPI。
因此，如图6中充分示出的，当金属物体80存在于导管30的远端附近时，本发明的另一个可供选择的实施例也用于检测金属物体80的存在，并且测算SPI和校准力读数和测量值，由于SPI的原因力读数和测量值可能出现偏差或错误。
如图4和图6中充分示出的，根据本发明的另一个实施例，为了区分真实力测量值和由于SPI而导致的失真力测量值，本发明利用了X和Y线圈(在图4中分别为线圈72和73)。虽然X和Y线圈(72和73)用于磁定位/位置信息确定，但它们也接收力信号，尽管灵敏度不如线圈66、68和70(出于以下算法和计算的目的，也称为线圈S1、S2和S3)。
所有五个测量值(来自线圈S1-S2-S3和X-Y)与力矢量线性相关。因此，分别来自线圈66-68-70和线圈72-73的S1-S2-S3和X-Y读数之间存在线性关系。由于X-Y线圈(72、73)和S1-S2-S3线圈(66、68、70)之间的不同取向，铁磁材料80引起的磁场畸变使X-Y线圈(72、73)中呈现的畸变与S1-S2-S3线圈(66、68、70)有所不同，因此S1-S2-S3和X-Y信号读数之间的关系以可量度的方式发生改变。该效应使本发明能够区分有效力测量值和失真力测量值。
S1-S2-S3读数(来自线圈66、68、70)与X-Y读数(72、73)之间的正相关性与有效力有关，可用以下线性关系式表示：
根据本发明的算法，SPI-力失真测量参数基于预期的X-Y测量值与实测的X-Y之间的差值：
如图6中充分示出的，根据本发明该可供选择的实施例的解决SPI方法是如上所述当导管30在其静止位置(在其远端(包括端头52和接头54)无轴向位移或角偏转)时，根据线圈66、68和70输出的强信号(以及来自线圈72、73的基线信号)设定系统20(图1)的阈场值100a。系统20的阈场值或强度在步骤100a中设定。该阈场值步骤100a作为系统20校正的部分进行，即先进行该步骤再在患者24上使用导管30，其中阈场值100a存储在系统20的处理器36的软件中。
一旦设定阈场值100a，系统20即可使用，并且在步骤105中，通过如上所述磁场发生器线圈64(图3和4)产生磁场。该产生的磁场105由线圈66、68和70以及线圈72、73感测，其中每个相应的线圈在步骤110中基于来自发射线圈64的磁场强度提供信号输出。
在步骤115a中，处理器36(图1)将线圈66、68和70感测的磁场105与阈场值100a进行比较(基于线圈66、68和70输出的信号)。处理器36软件中的逻辑程序使用以上提出的算法将感测磁场值110与阈场值100a进行比较。如果感测磁场值110等于或低于阈场值100a，系统20继续在正常操作条件下运行，从而继续正常操作循环，继续在磁场发生器线圈64处产生磁场105，并且所有步骤105、110、115a反复循环。
然而，在步骤115a中，当线圈72或线圈73，即对应Y-方向的线圈和/或X-方向的线圈，在线圈64的驱动频率下的输出高于(即大于)给定的阈值100a时，处理器36确定并识别出存在磁干扰，该干扰可能由另一个具有金属部件的装置诸如位于导管30远端附近的装置80(图4)引起。
由于线圈64在近场通常只产生沿着Z-轴的轴向场分量，在导管30远端附近的金属物体80的寄生效应通常在线圈64的驱动频率下将产生沿着X-轴和/或Y-轴的径向场分量。这些寄生正交或径向场分量的振幅强烈依赖于金属物体80和导管30远端的距离。因此，当金属物体80接近导管30时，在发射线圈64的驱动频率下从X-轴线圈和Y-轴线圈(例如线圈68和70以及线圈72，在该例子中指定为位置感测线圈)以及线圈72和73接收的信号以非一致方式增加(相对于从校正过程接收的预期变化)。
因此，根据本发明，在步骤115a中，如果感测磁场值110大于阈场值100a，由于线圈66、68、70和72、73提供高于预设定阈场值100a的输出信号，在步骤120中，处理器36自动识别出存在金属80，以及在步骤125中识别出当前位置信息(根据从线圈接收的位置信号而确定的六维位置和取向坐标信息，所述线圈指定为磁位置传感器，例如在该例子中为线圈72)为受到金属80(图4)存在的影响的位置坐标。
在该情况下，在步骤125中处理器36确定当前力读数是无效的(由于对来自发生器线圈64的磁场造成了干扰)。当检测到此类磁场干扰时，处理器36可任选地使位置坐标读数/信息失效(或至少在显示器42上标记位置坐标信息为可疑)。步骤125可任选地包括实时在电解剖图上，例如在显示器42上绘制的视觉指示或标记，以及给操作者26的音响警告或警报和/或显著的触觉反馈，并且步骤105、110、115a反复循环，直到金属物体从磁场清除或通过对力测量值读数进行平差计算来测算。
如上所述，该阈场值100a通常选择为对应于导管端头52上无受力的情况(在步骤100a中设定为校正和/或启动程序的部分)，以使得在步骤115a中从X-轴方向和Y-轴方向的轴向分量信号得出的高出阈值的读数自动识别为由于导管30远端附近金属80存在而引起的金属干涉。
作为另外一种选择或除此之外，当金属80存在而致的干涉不是太极端，即信号输出稍微高于阈值100a时，处理器36会设法校准力读数，以补偿金属干涉(SPI)。
在根据本发明的另一个可供选择的实施例的解决SPI的另一个方法中，导管30远端附近，例如端头52附近的金属物体80的寄生效应会引起磁场发生位置跟踪系统20中线圈66、68和70(图1-4)之间互感的变化。该互感变化强烈依赖于金属物体80和导管30远端的距离。
因此，如图7中充分示出的，在本发明的该可供选择的实施例中，系统20(图1)提供了方法(图7)，其中在导管30的线圈66、68和70之间检测到的互感的初始基线值在制造时或用于患者24之前便已预确定或预设定，并且存储在处理器36的逻辑程序中。当直接对线圈66、68和70中的一个线圈施加电流，而导管30附近不存在任何金属时，该互感基线值为在线圈66、68和70之间测得的感应的预期范围(包括可接受的偏差因子+/-)。因此，这是确定在不存在任何金属物体时线圈66、68和70的互感基线值的校正步骤200。
互感线圈66、68和70通过例如这样的方式测定：对这些线圈之一，例如线圈66施加或注入特定、已知频率的电流，并且测量在其他剩余的线圈，例如邻近的线圈68和70中由此感应的信号。在正常环境下，即在校正阶段200中，这些拾波信号应保持不变。这些拾波信号的变化表明互感发生了变化，大概是由于金属物体80位于导管30远端附近。
因此，在本发明的该实施例中，在步骤205中预定频率的电流周期性地施加或注入线圈66、68和70中的一个或多个线圈，并且在步骤210中测量在其他剩余的线圈中，即非注入线圈所得的拾波信号。如上所述，在步骤200中基线拾波值在无金属干涉的条件下测量，并且预存储在处理器36中，从而允许处理器36在步骤215中将拾波值(基于来自非注入线圈的测量拾波信号)与基线值范围(包括预期在金属不存在的环境中可接受的偏差因子)比较，并且如果拾波信号值随后偏离基线值超过允许的量(可接受的范围)，在步骤220中处理器36作出判定并识别出SPI，即磁场受到了附近的金属物体80干扰。
当检测到此类磁场干扰时，在步骤225中处理器36通常使线圈66、68和70得出的力测量值失效(或至少标记为可疑)。然后使用者26可选择找出并移除金属物体干涉源和/或采取规避措施测算此类金属物体80的存在。
在该情况下，处理器36在步骤225中确定当前力测量值读数是无效的(由于互感测量值越界，即不在基线值200范围内)，并且当检测到此类磁场干扰时，处理器36使力读数/信息失效。步骤225可任选地包括实时在电解剖图上，例如在显示器42上绘制的视觉指示或标记，以及给操作者26的音响警告或警报和/或显著的触觉反馈，并且步骤205、210、215反复循环，直到金属物体从磁场清除或通过对力测量值读数进行平差计算来测算。
在步骤215中，如果拾波信号值在设定的基线值200之内，处理继续循环，即步骤205、210和215反复循环，并且磁场位置感测系统继续这样运行，提供准确的六维位置和取向坐标信息，以及导管30的准确力测量能力，从而消除SPI引起的效应。
因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式引用，并且本发明不限于上文所具体示出和描述的内容。更确切地说，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合、以及本领域技术人员在阅读上述说明书时可能想到的并且现有技术中未公开的变型形式和修改形式。

Claims (24)

1.一种在医疗手术期间检测金属干扰的设备，包括：
探针，所述探针包括：具有纵向轴线并且具有远端的插入管；
远端头，所述远端头设置在所述插入管的所述远端，并且构造成与身体组织接触；
接头，所述接头将所述远端头连接至所述插入管的所述远端；以及
接头传感器，所述接头传感器内置于所述探针中，用于感测所述远端头相对于所述插入管的所述远端的位置，所述接头传感器包括第一子组件和第二子组件，所述第一子组件和所述第二子组件设置在所述探针内，位于所述接头的相对各自侧，并且每一个包括一个或多个磁换能器；以及
处理器，所述处理器用于使用所述接头传感器确定力测量值，并且其中存储有预设定的基线值，连接所述处理器来向所述第一子组件和所述第二子组件中的一个施加电流，从而使所述第一子组件和所述第二子组件中的所述一个产生至少一个磁场，并且连接所述处理器来接收并处理由所述第一子组件和所述第二子组件中的另一个响应所述至少一个磁场输出的一个或多个信号，从而检测所述远端头相对于所述插入管的所述远端的位置变化，其中所述磁换能器包括线圈，并且其中所述第一子组件包括具有平行于所述插入管的所述纵向轴线的第一线圈轴线的第一线圈，并且其中所述第二子组件包括在所述探针的与所述第一子组件轴向间隔开的部分中的不同各自径向位置中的两个或更多个其他线圈，所述处理器向所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的一个线圈施加电流，并且测量所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的信号，所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的所述信号限定拾波值，所述处理器比较所述拾波值与所述预设定的基线值，当所述拾波值不在所述预设定的基线值范围内时，识别出所述探针远端附近存在金属物体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述拾波值基于从所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的其余线圈测得的互感。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述预设定的基线值在位于所述探针的所述远端附近无金属物体时确定。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括用于在身体附近产生另一个磁场的磁场发生器，以及在所述探针中用于响应所述另一个磁场产生位置信号的位置传感器，其中连接所述处理器来接收并处理所述位置信号，从而计算所述探针相对于与所述探针分开的参照系的位置坐标。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述位置传感器在所述第一子组件和所述第二子组件的一个中包括至少一个所述磁换能器。
6.根据权利要求5所述的设备，其中在识别出所述探针远端附近存在金属物体时，所述处理器使所述探针的所述力测量值失效。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括显示器，并且其中所述处理器通过所述显示器上提供的标记识别出所述探针远端附近存在金属物体。
8.根据权利要求7所述的设备，其中在识别出所述探针远端附近存在金属物体时，所述处理器启动音响警报。
9.根据权利要求6所述的设备，其中在识别出所述探针远端附近存在金属物体时，所述处理器启动音响警报。
10.根据权利要求4所述的设备，其中由所述处理器检测的所述远端头的所述位置变化包括所述远端头的轴向位移和所述远端头相对于所述插入管的所述远端的偏转。
11.根据权利要求4所述的设备，其中所述接头包括弹性构件，所述弹性构件构造成响应施加在所述远端头上的压力而发生变形。
12.一种处理器，与如权利要求1所述的设备一起使用，所述处理器配置成使用所述接头传感器确定力测量值并且其中存储有预设定的基线值，
连接所述处理器来向所述第一子组件和所述第二子组件中的一个施加电流，从而使所述第一子组件和所述第二子组件中的所述一个产生至少一个磁场；并且
连接所述处理器来接收并处理由所述第一子组件和所述第二子组件中的另一个响应所述至少一个磁场输出的一个或多个信号，从而检测所述远端头相对于所述插入管的所述远端的位置变化，其中所述磁换能器包括线圈，并且其中所述第一子组件包括具有平行于所述插入管的所述纵向轴线的第一线圈轴线的第一线圈，并且其中所述第二子组件包括在所述探针的与所述第一子组件轴向间隔开的部分中的不同各自径向位置中的两个或更多个其他线圈；
所述处理器包括：
用于向所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的一个线圈施加电流的部件；
用于测量所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的信号的部件，所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的其余线圈输出的所述信号限定拾波值；
用于比较所述拾波值与所述预设定的基线值的部件；
用于当所述拾波值不在所述预设定的基线值范围内时识别出所述探针远端附近存在金属物体的部件。
13.根据权利要求12所述的处理器，进一步包括用于从所述第二子组件的所述两个或更多个其他线圈中的所述其余线圈测量互感以用于确定所述拾波值的部件。
14.根据权利要求13所述的处理器，进一步包括用于在所述探针的所述远端附近无金属物体时确定所述预设定的基线值的部件。
15.根据权利要求14所述的处理器，进一步包括用于在身体附近产生另一个磁场的部件，以及用于由所述探针中的位置传感器响应所述另一个磁场产生位置信号以及计算所述探针相对于与所述探针分开的参照系的位置坐标的部件。
16.根据权利要求15所述的处理器，其中所述位置传感器在所述第一子组件和所述第二子组件的一个中包括至少一个所述磁换能器。
17.根据权利要求15所述的处理器，进一步包括用于在识别出所述探针远端附近存在金属物体时使所述探针的所述力测量值失效的部件。
18.根据权利要求17所述的处理器，进一步包括用于通过显示器上提供的标记指示所述探针远端附近存在金属物体的部件。
19.根据权利要求18所述的处理器，进一步包括用于在识别出所述探针远端附近存在金属物体时启动音响警报的部件。
20.根据权利要求17所述的处理器，进一步包括用于在识别出所述探针远端附近存在金属物体时启动音响警报的部件。
21.根据权利要求16所述的处理器，进一步包括用于基于位置坐标确定所述远端头相对于所述插入管的所述远端的所述位置的部件。
22.根据权利要求20所述的处理器，其中检测所述远端头的所述位置变化包括所述远端头的轴向位移和所述远端头相对于所述插入管的所述远端的偏转。
23.根据权利要求21所述的处理器，其中所述接头包括弹性构件，并且构造成响应施加在所述远端头上的压力而发生变形。
24.根据权利要求22所述的处理器，其中所述位置坐标包括X、Y和Z方向以及纵倾、横倾和横摆取向。
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