CN108495585B - 磁定位系统中的磁场变形检测和校正 - Google Patents

磁定位系统中的磁场变形检测和校正 Download PDF

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Abstract

本公开的各方面涉及用于检测和校正用于医疗磁定位系统的磁场内的磁场变形的系统、装置和方法。

Description

磁定位系统中的磁场变形检测和校正
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月26日提交的美国临时申请no.62/287,383的权益，其通过引用包含于此，如同在本文中完全阐述一样。
本申请要求于2016年5月3日提交的美国临时申请no.62/331,294的权益，其通过引用包含于此，如同在本文中完全阐述一样。
本申请要求于2016年5月3日提交的美国临时申请no.62/331,338的权益，其通过引用包含于此，如同在本文中完全阐述一样。
技术领域
本公开总地涉及医疗器械在人体内的磁定位。更具体地，本公开涉及检测用于这种磁定位系统的磁场内的磁场变形。
背景技术
电生理(EP)导管已被用于越来越多的手术。仅举几例，例如，导管已被用于诊断、治疗、标测和消融手术。通常，导管被操纵通过患者的脉管系统至预期部位，例如患者心脏内的部位，并且携带一个或多个电极，其可用于诊断、标测、消融或其它治疗。导管的准确定位和临床医生对患者体内精确位置的了解被期望用于改善手术成功率。
为了将导管定位在体内的期望部位，必须使用一些类型的定位。为了确定导管相对于患者解剖结构的相对位置，已经开发了磁定位系统，其提供导管在众所周知和受控的磁场内的位置。外部生成的磁场包括由位于磁场内的导管(例如，通过诸如线圈的元件)感测的精确的磁梯度(场线)。由传感器中的磁场感应的电流使用算法过程进行分析并且用于确定导管在患者体内的位置。根据需要，一旦导管被定位在患者体内，临床医生可操作导管例如以消融组织，从而中断潜在的致病性心律。
然而，磁定位系统易受由例如外来的含铁或金属物体侵入磁场引起的磁场内的磁变形所引起的误差的影响。引入这种变形可能会导致系统在患者体内呈现不准确的导管位置。这种不准确的导管位置数据可限制医疗手术的功效。
前面的讨论仅旨在作为本领域的示例性说明，并不旨在限制权利要求的范围。
发明内容
本公开的各种实施例识别和校正与金属物体在用于医疗设备的定位的磁场中的侵入相关联的磁场变形。
本公开的各种实施例涉及用于检测用于定位患者体内的导管的磁场中的磁变形的系统。在一个示例性实施例中，该系统包括一个或多个金属变形夹具和处理器电路。金属变形夹具包括相对于彼此以固定的距离和方向定位的多于一个传感器线圈。传感器线圈中的每一个感测与传感器的方向对准的磁场并输出指示所感测的磁场的电信号。处理器电路可通信地耦合到金属变形夹具，并且接收来自传感器线圈中的每一个传感器线圈的电信号，计算接收信号中的每一个接收信号的时间相关的磁场幅度值，以及检测磁变形。在另外更具体的实施例中，通过比较两个幅度值并且确定幅度值随时间推移的变化，处理器电路计算在第一时间的第一幅度值与在晚于第一时间的第二时间的第二幅度值之间的磁场中的磁偏移。然后将计算出的偏移与指示将会妨碍患者体内的导管定位的功效的变形的阈值偏移量进行比较。
本公开的各种实施例涉及用于检测指示用于导管在患者体内的定位的磁场中的磁变形的电信号的装置。在一个示例性实施例中，该装置包括第一传感器线圈，与第一传感器线圈正交地定向并且相对于第一传感器线圈固定地定位的第二传感器线圈，以及与第一和第二传感器线圈正交地定向并且相对于第一和第二传感器线圈固定地定位的第三传感器线圈。第一、第二和第三传感器线圈接收指示与接收传感器线圈基本上同轴的磁场强度和磁场方向的能量。在另外更具体的实施例中，线圈中的每一个将来自磁场的能量转换为电信号，并且传感器线圈的电信号输出随时间推移的变化可以指示与含铁物体引入磁场相关联的磁场中的变化。
本公开的各种实施例涉及用于检测磁场中的磁变形以用于导管在患者体内的定位的方法。在一个示例性实施例中，该方法包括：从金属变形传感器接收指示由金属变形传感器内的传感器线圈中的每一个在第一时间感测的磁场的第一组一个或多个信号。基于第一组信号，确定指示第一时间的磁场的组合信号的第一幅度值。在一段时间之后，从金属变形传感器接收第二组一个或多个信号，该第二组一个或多个信号指示在第二时间由传感器线圈中的每一个感测的磁场，并且确定指示另一磁场在第二时间的组合信号的第二幅度值。基于第一和第二幅度值，确定磁偏移并与指示磁场中的磁变形的阈值偏移量进行比较，该阈值偏移量导致导管在患者内的感知位置与在给定的时间患者体内的实际位置之间的实质性变化。
考虑到详细描述和附图，本公开的另外的特征、优点和实施例可以被阐明或显而易见。此外，应该理解的是，前面的简要概述和下面的详细描述、附图和附件是示例性的，并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
被包括以提供对本公开的进一步理解的附图被合并在本说明书中并构成本说明书的一部分，示出本公开的实施例并且与详细描述一起用于解释本公开的原理。
图1是与本公开的各个方面一致的磁定位系统的示意图。
图2A是与本公开的各个方面一致的包括被配置用于定位在磁定位系统和导引器中的导管的导管组件的局部等距视图。
图2B是与本公开的各个方面一致的图2A的导管的远侧尖端组件的放大的局部侧视图。
图3A是与本公开的各个方面一致的磁检测传感器的顶视图，其中传感器壳体的部分被拆掉以显露出内部特征。
图3B是与本公开的各个方面一致的图3A的磁检测传感器的等距视图。
图3C是与本公开的各个方面一致的从例如图3A和图3B的磁检测传感器拆出的传感器线圈阵列配置的实施例的放大顶视图。
图4是与本公开的各个方面一致的医疗手术期间磁检测传感器在患者身上的示例性放置的侧视图。
图5是与本公开的各个方面一致的患者模拟物上的磁变形检测胸部夹具的等距视图。
图6是与本公开的各个方面一致的包括基于磁性的定位系统的各种手术室套件配置和用于每个配置的示例定位结果的图。
图7是与本公开的各个方面一致的患者模拟物上的磁变形检测胸部夹具的等距视图。
虽然本文讨论的各种实施例可适合进行修改和替代形式，但其方面已经通过示例在附图中示出并且将进一步详细描述。然而，应该理解的是，本发明的意图不是将本公开限制于所描述的特定实施例。相反，意图是覆盖落入包括权利要求中限定的方面的本公开的范围内的所有修改、等同和替代。
具体实施方式
心脏定位系统能够在心腔的重叠模型或图像内显示传统电生理导管的三维(3D)位置。这些定位系统还可以显示心脏电活动作为波形轨迹并且作为心腔模型上的动态3D等势图。这些三维模型的轮廓表面基于患者自身心腔的解剖结构。这些定位系统可以使用基于阻抗和/或基于磁性的定位技术来呈现导管位置和模型创建。
当使用磁定位时，从局部源生成的磁场固有地易受由金属或含铁物体侵入所生成的磁场或放置在所生成的磁场附近引起的变形。这种变形可导致所计算或确定的医疗设备位置以及相关的解剖模型和其它表示中的不准确性。
嵌入在心内导管内的磁传感器用于确定导管相对于一个或多个已知参考位置的位置和方向。该磁位置和方向信息可用于导航导管，并且也可用于优化基于阻抗的导管定位。当在磁空间中导航导管时，尽管在导管的物理位置中没有实际变化(或最小的实际变化)，但在下面的磁场被改变/变形时，导管的显示或以其它方式报告的位置可显著偏移(例如，在显示导管位置的表示的屏幕上视觉偏移)。可以理解的是，该偏移可导致使用报告的导管位置创建的模型的不准确性。来自导管的磁位置和方向数据也可以与基于阻抗的定位技术结合使用，并用于优化/缩放非线性阻抗场。如下面参考附图更详细描述的，本公开的实施例识别磁场内的这种变形的存在。
图1示出用于在进行医疗手术时导航患者11的人体解剖结构(图1中为了简化起见，描绘为椭圆)的磁定位系统8的示意图。例如，如图1中所示，系统8可用于标测患者的心脏10并导航心脏导管通过心脏的腔室。磁定位系统8确定通常在三维空间内的物体(例如，诊断或消融导管的一部分，诸如图2A和图2B中描绘的电极组件112)的位置(以及在一些实施例中，方向)，并且将这些位置表达为相对于至少一个参考确定的位置信息。具体地，磁定位系统8可用于确定心脏导管在磁场内的位置，然后将该磁场覆盖在例如心脏10的图像或模型上。在其它实施例中，除其它参考数据外，磁共振成像数据可以被覆盖到三维空间上以向临床医生提供虚拟工作环境，在该虚拟工作环境中，参考心脏导管相对于患者心脏10的实时位置。
磁定位系统8可以包括各种可视化、定位、标测和导航部件。例如，定位系统8可以包括基于磁场的系统，诸如可从Biosense Webster商购获得并且通常参考美国专利No.6,498,944；6,788,967；和6,690,963中的一个或多个的CARTOTM系统，其公开内容通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述一样。在另一个示例性实施例中，定位系统8可以包括基于磁场的系统，诸如可以从St.Jude Medical,Inc.获得并且通常参考以下的一个或多个示出的MEDIGUIDETM技术系统：美国专利No.6,233,476；7,197,354；7,386,339；2014年3月13日提交的标题为“Medical Device Navigation System”的美国专利申请No.14/208,120，2013年6月12日提交的标题为“Medical Device Navigation System”的美国临时专利申请No.61/834,223，以及2014年3月13日提交的标题为“Medical Device Navigation System”的国际申请No.PCT/IB2014/059709，其公开内容通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述一样。在又一个实施例中，定位系统8可以包括基于混合电场和基于磁场的系统，诸如例如但不限于在以下中描述的系统：2011年9月13日提交的标题为“CatheterNavigation Using Impedance and Magnetic Field Measurements”的未决美国专利申请No.13/231,284，以及2011年4月14日提交的标题为“System and Method forRegistration of Multiple Navigation Systems to a Common Coordinate Frame”的美国专利申请No.13/087,203，该申请中的每一个通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述的那样，或者可从Biosense Webster商购的CARTOTM3系统。在其它示例性实施例中，定位系统8可以包括或结合其它常用系统使用，诸如例如但不限于基于荧光透视、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)的系统。仅为了清楚和说明的目的，定位系统8将在下文中被描述为包括基于磁性的定位系统。
本公开的各种实施例可包括本领域已知的各种可视化、标测和导航部件，包括例如可从圣犹达医疗公司商购获得或如通常参考美国专利No.7,263,397('397专利)或美国专利公开No.2007/0060833 A1、2005年9月15日提交的美国专利申请No.11/227,580('580申请)可见的EnSiteTMNavXTM电解剖标测系统。'397专利和'580申请二者均通过引用包含于此，如同在本文中完全阐述那样。
图1可以进一步例示包括两个定位系统的混合定位系统：基于阻抗的定位系统和基于磁性的定位系统。
通常，并且如图1中所示，定位系统8包括穿过患者身体11发射磁场的多个磁场发射器(例如，12、14、16、18、19和21)。可以放置在或附接/应用于患者上或者固定到外部装置的这些磁场发射器限定三个大致正交的轴线，例如，x轴、y轴和z轴。磁场发射器电耦合到磁场发生器。磁场发生器生成一个或多个磁场，该磁场可以经由磁场发射器同时发送、时分复用和/或频分复用。开关13对从一个或多个接收器17、22和31(例如，导管、患者参考传感器、内部参考传感器、金属变形传感器等)接收到的信号进行采样。然后将来自接收器的指示从一个或多个发射器穿过患者身体11的磁场的接收信号从模拟信号转换成数字信号以供计算机系统进一步处理。计算机系统对从接收器接收到的数据执行计算，以确定例如心脏导管在患者心脏内的位置。然而，实际的导管位置可能被其它含铁/金属体引起的磁场内的磁变形所掩盖。与导管的实际位置相比，这些磁变形与导管的感知位置的错误率相关联。
为了供临床医生在手术期间参考，可以在显示器上相对于已知的参考点(例如心腔、动脉等)呈现导管在磁场内的感知位置。
为了本公开的目的，示例性医疗设备(诸如导管)可延伸到患者心脏10的左心室中。导管包括沿其长度间隔开的多个传感器线圈。如本文所使用的，术语“传感器线圈”一般指代其在磁场内的位置可以由该系统(例如，磁传感器)测量的任何元件。因为每个传感器线圈位于磁场内，所以可以针对每个传感器线圈同时收集定位数据。
基于磁性的定位系统8可以包括固定参考22以限定基于磁性的定位系统的坐标系的原点。该固定参考提供了测量导管上的传感器线圈的位置的相对位置。这种固定参考可以同样位于固定的内部或外部位置中。同样地，多个参考可用于相同或不同的目的(例如，以校正呼吸、患者移位、系统漂移等)。
可以包括传统的通用计算机、专用计算机、分布式计算机或任何其它类型的计算机并且可以包括诸如单个中央处理单元(CPU)或多个处理单元(通常称为并行处理环境)的一个或多个处理器的计算机系统可以控制磁定位系统8和/或执行指令以实践本文描述的实施例的各个方面。
图2A是一次性导管组件100的简化等距视图，该导管组件100包括导管106，该导管106包括位于远端部分处并且可操作地适于在临床医生控制下进行诊断或治疗手术的导管尖端组件(或电极组件或远侧尖端组件)112。导管106的近端部分104可以包括转向手柄或其它机构(未示出)。在本实施例中，导管106是标测导管。导管106包括在近端部分104和导管尖端组件112之间延伸的柔性轴杆102。导管组件100进一步包括电连接器(未示出)，该电连接器被配置为建立导管尖端组件112与外部电部件(未示出)之间的电连接，以执行例如定位、标测、消融和/或起搏手术。图1进一步示出包括导管组件100的一部分的导引器114。导管尖端组件112可以包括多个传感器线圈(或定位线圈或传感器)，诸如例如在本申请的图3A、图3B和图3C中示意性示出的那些；或者美国专利No.6,690,963中所示的传感器(参见例如图2和图3中所示的传感器30、32、34)，其通过引用包含于此。这些定位线圈可以位于例如图2B中虚线框122所示的区域中。
图2B是更详细地示出尖端组件112的放大侧视图。尖端组件112包括尖端电极124(在图2B中示意性地示出)；多个环形电极128R-2、128R-3和128R-4；以及多个电导体120(例如，电连接到三个环形电极中的每一个环形电极的一个导体，以及电连接到尖端电极124的单独导体)。如果定位线圈位于例如由虚线框122勾勒的区域中，则附加的电连接器可以从尖端组件112向近侧延伸。
图3A和图3B是包括分别电耦合到第一传感器线圈315、第二传感器线圈320和第三传感器线圈325的电路板310的金属变形传感器300的视图。传感器线圈中的每一个相对于金属变形传感器壳体305和电路板310固定，其中至少在该实施例中，传感器线圈相对于彼此在正交方向上固定。在操作期间，金属变形传感器300被放置在所生成的磁场内，并且相应传感器线圈中的每一个接收指示磁场的强度和方向的能量。在一个具体实施例中，计算所接收能量的矢量和以确定传感器线圈相对于彼此的位置的感知变化。感知到的变化指示在金属变形传感器附近的磁场中的磁变形。在医疗磁定位应用中(如上面更详细讨论的)，这种磁变形影响系统精确定位例如导管在患者体内的位置的能力。
在将分别从第一传感器线圈315、第二传感器线圈320和第三传感器线圈325接收到的信号发送到用于处理和确定磁场中的变形量的计算电路之前，电路板310内的电路可以进行各种信号处理功能，包括例如模数转换、预放大和信号噪声滤波。在信号处理之后，所接收的信号经由电缆330发送到磁定位系统处理器电路，该电缆330经由接合焊盘335耦合到电路板310。在另外的实施例中，金属变形传感器可以使用本领域技术人员已知的无线数据传输协议将从传感器中的每一个传感器接收到的信号无线地发送到磁定位系统的处理器电路。
图3C示出从壳体305、电路板310以及图3A和图3B中示出的其它部件分解开的示例性传感器线圈阵列370(分别包括第一传感器线圈315、第二传感器线圈320和第三传感器线圈325)。如图3C中所示，传感器线圈彼此正交地定向并且以彼此相距精确的距离固定。在金属变形传感器在磁场中的操作期间，传感器线圈阵列的输出用于计算与传感器线圈相对于彼此的机械位置和方向相关联的幅度位置和方向。在一个具体实施例中，例如，在三个传感器线圈的纵轴的中心之间计算距离的矢量和。响应于磁场的变形，这些传感器线圈中的一个(或多个)的感知位置可以从其已知/固定位置相对于其它传感器线圈移位。结果，相应的矢量和将相应地受到影响。从初始指数值起，在确定的阈值以上的矢量和的变化指示对于不可靠的所生成磁场的变形。在确定初始指数值(其中磁场没有变形)之后，随后的幅度位置和方向可以在时间上相关。由于磁场内的局部磁变形，这些较晚的幅度值可能与初始指数值不同，导致传感器线圈相对于彼此的位置和方向的感知到的倾斜(即使传感器线圈的方向和位置彼此固定)。可以将初始指数值与随后的指数值进行比较以确定何时超过医疗手术期间可接受的磁场变形水平。该增量值(初始指数值与随后的指数值之间的值变化)与导管定位中变形有关的漂移相关联。
在一个示例性实施例中，可由临床医生(例如，软阈值)和/或处理器电路(例如，硬阈值)确定用于磁变形的可接受增量值。在这种实施例中，磁定位系统可以指示在超过软阈值时变形影响患者体内导管的感知位置，但继续在显示器上显示导管的感知位置。在指数值的增量值超过硬阈值的情况下，由于感知的位置信息的不准确性，磁定位系统可能不再用新计算的导管的感知位置更新显示器。一旦计算出的指数值回落到硬阈值以下，磁定位系统将用导管在患者体内的感知位置恢复更新显示器。
如图3C中所示，呈现了传感器线圈阵列370的具体实验/详细配置。第一传感器线圈315被定向为正交于第二传感器线圈320和第三传感器线圈325。因此，传感器线圈中的每一个对于三维轴中的一个轴被定向成平面，并且接收与传感器线圈基本上同轴的磁场能量。第一线圈的中心点距第二传感器线圈的中心点5.596毫米(mm)，并且第一传感器线圈和第二传感器线圈与第三传感器线圈和第二传感器线圈之间的中心点距离为3.006mm，其中第二传感器线圈和第三传感器线圈相对于第一传感器线圈的角度偏移为22度，并且第一传感器线圈和第三传感器线圈相对于第二传感器线圈的角度偏移也为22度。应该理解，也可以利用传感器线圈阵列的各种其它相对位置和方向。
在利用传感器线圈阵列370(如图3C中所示)的磁定位系统的操作期间，感测到的磁场的所计算的幅度值依赖于传感器线圈的固定间距，以确定磁场中的磁变形何时导致过度偏斜的导管位置数据。
图4示出在利用患者体内的医疗设备的磁定位的医疗手术(例如心脏消融手术)期间两个金属变形传感器410和420相对于患者450的示例性放置。在本实施例中，第一金属变形传感器410放置在患者450的前面(例如，在患者的胸部上)，而第二金属变形传感器420放置在患者的后面(例如，在患者的背部和手术台455之间)。在许多示例性实施例中，第一和第二金属变形传感器理想地位于正在进行手术的患者的解剖结构附近(并且彼此相对)。如图4中所示，第一和第二金属变形传感器相对于正在借助于导管430接受治疗的心脏451彼此相对，该导管430延伸到心脏中。围绕患者的磁场发射器发射用于确定导管位置的磁场。具体地，包括位于其尖端区域中的线圈的导管感测线圈附近的磁场。处理电路然后可以基于在导管尖端处感测到的磁场来确定线圈位于磁场中的位置，并且因此确定导管的尖端的位置。然而，其它含铁物体侵入磁场会在场内产生影响导管在场内的定位的磁变形。因此，第一金属变形传感器410检测患者前面(例如，医疗器械和设备)附近的磁变形，并且第二金属变形传感器420检测患者后面附近的磁变形(例如，与手术室桌台相关联的含铁物体，或下面磁场中的其它物体)。在这种配置中，可以识别磁变形并且可以确定导管上的磁变形的影响(例如，导管附近的磁场是否受到磁变形的过度影响)。
图5示出包括位于手术台555上的患者550上的磁变形检测胸部夹具510的医疗手术套件配置500的等距视图。如在至少一个实施例中所示，磁变形检测夹具510可以包括三个金属变形传感器515、520和525。在本实施例中，胸部夹具510是刚性的，以保持金属变形传感器中的每一个金属变形传感器之间的恒定距离(包括位置和方向)。三个金属变形传感器515、520和525中的每一个可以包括传感器线圈的阵列。传感器线圈中的每一个可以在相对于彼此正交的方向上被固定。在至少一个实施例中，金属变形传感器515、520和525中的每一个可以包括三个正交定向并固定的传感器线圈的阵列，类似于上面结合金属变形传感器300所描述和示出的(参见，例如图3A和图3B)。
在医疗手术期间，包括多个传感器线圈的胸部夹具510被放置在磁场内。在相应的金属变形传感器515、520和525中的每一个金属变形传感器中的相应的传感器线圈中的每一个传感器线圈接收指示磁场的强度和方向的能量。在一个具体实施例中，计算所接收到的能量的矢量和以确定传感器线圈相对于彼此的位置的感知变化(和/或金属变形传感器相对于彼此的位置的感知变化)。感知变化指示在胸部夹具510附近的磁场中的磁变形。
在金属变形传感器515、520和525在磁场中的操作期间，每个磁变形传感器的输出可以用于计算与磁变形传感器相对于彼此的机械位置和方向相关联的幅度位置和方向。在一个具体实施例中，例如，在磁变形传感器之间计算距离的矢量和。响应于磁场中的变形，磁变形传感器中的一个(或多个)磁变形传感器的感知位置可以从相对于其它磁变形传感器的其已知/固定位置移位。结果，相应的矢量和将相应地受到影响。从初始指数值起，确定的阈值以上的矢量和的变化指示所生成的磁场的变形。在确定初始指数值(其中磁场没有变形)之后，随后的幅度位置和方向可以在时间上相关。由于磁场内的局部磁变形，这些较晚的幅度值可能与初始指数值不同，导致磁变形传感器相对于彼此的位置和方向的错误报告(即使磁变形传感器的方向和位置相对于彼此是固定的)。可以将初始指数值与随后的指数值进行比较以确定何时超过医疗手术期间可接受的磁场变形水平。增量值(初始指数值和随后的指数值之间的值的变化)与导管定位中的变形相关的漂移相关联。
在本公开的各种实施例中，为了防止磁定位系统中的不准确性，磁定位系统可以利用胸部夹具510中的一个或多个磁变形传感器(例如，515、520和525)来确定实际位置(基于系统内磁变形传感器的已知/固定位置)和感知位置(基于磁变形传感器处接收的磁场和后处理确定的位置)之间的差异。所确定的差异指示由于含铁/金属物体流入磁场而在整个磁场中的磁变形。基于磁变形传感器位置中的每一个磁变形传感器位置处的差异，可以计算变换以校正磁场内所有位置处的变形，包括由磁定位的医疗设备所经历的磁变形。
在根据本公开的磁变形检测和校正胸部夹具的各种实施例中，胸部夹具可以采取各种形状，包括例如“T”形、“X”形，以及其它形状。通过金属变形传感器相对于彼此(以及用于定位其中的医疗设备的磁场内)的精确位置处的理想定位来控制胸部夹具的形状。胸部夹具可以包括不同数量的传感器，包括两个或更多个金属变形传感器。在许多实施例中，金属变形传感器至少部分地环绕医疗设备以改善对医疗设备附近的磁变形的检测。此外，在需要荧光透视或其它X射线类型成像的实施例中(在医疗手术期间)，胸部夹具可以包括对X射线成像透明和/或成形为防止干扰这种成像的材料。
图6是包括医疗设备定位系统的各种手术室套件配置和用于每种配置的示例性定位结果的图600。套件配置671示出位于标称位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件距离(通过患者台603)由磁场发射器(场发生器)677发射的磁场679足够远，从而磁场679不被这些含铁部件干扰。结果，运动框672(医疗设备的定位可发生的区域)内的物体的定位是准确的，如示出患者的心肌内的物体的适当位置的示例性显示图像674所示。
套件配置672示出位于不期望的位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件位于从磁场发射器(场发生器)677发射的磁场679内，经由涡流680使运动框678周围的磁场变形。结果，运动框672内的物体的定位不准确。如示例性显示图像675所示，即使局部化物体位于患者的心肌内，来自磁场内的磁性部件的磁变形也会引起心肌外部的物体的错误定位。
套件配置673示出位于不期望的位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件位于从磁场发射器(场发生器)677发射的磁场679内，经由涡流680使运动框678内和周围的磁场变形。结果，运动框672内的物体的定位是不准确的。然而，围绕运动框678的外周放置的磁变形传感器681中的每一个检测其已知位置处的磁场是否变形。响应于变形，可以基于磁变形传感器提供并被应用于运动框内的物体的数据来计算变换。如示例性显示图像676所示，即使局部化物体位于变形的磁场内，变换也会校正物体的感知位置并将其正确地定位在患者的心肌内。
图7示出包括位于手术台755上的患者750上的磁变形检测胸部夹具710的医疗手术套件配置700的等距视图。磁变形检测夹具710包括三个金属变形传感器715、720和725。胸部夹具710是刚性的以在金属变形传感器中的每一个金属变形传感器之间保持恒定的距离(包括位置和方向)。三个金属变形传感器715、720和725中的每一个可以包括传感器线圈的阵列。传感器线圈中的每一个可以在相对于彼此的正交方向上固定。在本实施例中，金属变形传感器715、720和725中的每一个可以包括三个正交定向和固定的传感器线圈的阵列，类似于以上结合金属变形传感器300所描述和示出的(参见例如图3A和图3B)。
在医疗手术期间，包括多个传感器线圈的胸部夹具710被放置在由混合定位系统产生的磁场内，用于检测患者750内的医疗设备附近的磁变形的目的。混合定位系统利用基于阻抗和基于磁场的定位方法来更准确地确定医疗设备的位置。相应金属变形传感器715、720和725中的每一个金属变形传感器中的相应传感器线圈中的每一个接收指示磁场的强度和方向的能量。所接收到的能量随时间推移的感知变化指示在胸部夹具710附近的磁场中的磁变形。
在图7中，磁变形检测胸部夹具710用混合定位系统实现，诸如可从圣犹达医疗公司商购获得的EnSiteTM NavXTM电解剖标测系统。EnSiteTM NavXTM标测系统可利用基于阻抗和基于磁场的定位方法(例如混合系统)。阻抗测量贴片752A-B被电耦合到患者。在EnSiteTMNavXTM标测系统的一些实施方式中，阻抗测量贴片752A-B被放置在患者胸部上(例如752B)，患者胸部的任一侧上(例如752A)，以及患者腿部中的至少一个腿部上。基于由阻抗测量贴片752A-B检测到的变化的阻抗值，可以确定医疗设备的基于阻抗的位置。
在图7的实施例中，胸部夹具710通过指示由于磁变形而导致由基于磁场的定位系统提供的医疗设备的位置何时不准确，从而实现系统内的改进的准确度。作为响应，标测系统可以忽略来自系统的基于磁场的部分的位置数据，或者使用本文公开的一种或多种方法校正变形。例如，来自胸部夹具710中的一个或多个磁变形传感器(例如，715、720和725)的数据可以用于确定实际位置(基于系统内的磁变形传感器的已知/固定位置)和感知位置(基于磁变形传感器处的接收磁场和后处理确定的位置)之间的差异。所确定的差异指示由于含铁/金属物体流入磁场而在整个磁场中的磁变形。基于磁变形传感器位置中的每一个磁变形传感器位置处的差异，可以计算变换以校正磁场内所有位置处的变形，包括由磁定位的医疗设备所经历的磁变形。
在本公开的进一步更具体的实施例中，并且与所有上述实施例一致，还可以利用磁变形传感器(以及其中的传感器线圈)来补偿感测到的磁变形。为了补偿磁定位系统中的磁变形，磁变形传感器的固定位置提供了固定的参考系。基于实际位置(已知位置或在校准期间检测到的位置)与基于感测的磁场的磁变形传感器中的每一个磁变形传感器的感知位置之间的差异，整个磁场中的磁变形的影响可被计算并且由将磁变形传感器中的每一个磁变形传感器的感知位置恢复回到相应的实际位置的变换表示。类似地，可以将变换应用于磁场内的医疗设备的感知位置以确定医疗设备的校正(实际)位置。
在参考系中的磁变形传感器的实际位置未知的情况下(诸如夹具固定于患者的情况)，磁变形传感器对于另一磁变形传感器的相对位置(其中两个磁变形传感器之间的距离是固定的)也可以被依赖来校正磁定位系统中的磁变形。这种实施例中的变换基于磁变形传感器之间的实际距离与基于在磁变形传感器中的每一个磁变形传感器处感测到的磁场的磁变形传感器之间的感知距离之间的差异。然后可以使用计算出的变换来校正医疗设备的感知位置。
在诸如图5中呈现的实施例的实施例中，磁变形传感器515、520和525通常以患者身体的发生医疗设备定位的部分为中心。例如，在心脏相关手术中，磁变形传感器理想地位于患者心脏的附近，以改善影响其中的医疗设备的磁变形的检测。
鉴于本公开，可以容易地设想用于在医疗手术期间使用的磁定位系统内的磁变形检测和校正的胸部夹具的各种其它配置。例如，在一个实施例中，胸部夹具定位在患者模拟物上以复制对患者进行心内手术的胸部夹具和其它引线/垫(例如，心电图(“ECG”)垫、基于阻抗的定位系统垫等))的定位。胸部夹具通常可以位于要发生磁定位的患者区域(例如，目标区域)附近的患者胸部上。在更具体的实施例中，在胸部夹具的每个端部处的磁变形传感器环绕目标区域以最大化磁变形检测，该磁变形检测可以从手术室内的多个位置发出。
在一些实施例中，用于磁定位系统内的磁变形检测和校正的胸部夹具可以由诸如塑料的刚性材料形成。如上面所讨论，为了检测和校正磁变形，胸部夹具中的磁变形传感器之间的固定位置最小化与磁变形传感器之间的间隙间距的变化相关联的误差。然而，本公开的方面也可以实现磁变形传感器的半固定布置。
在用于磁变形检测和校正的胸部夹具的各种实施方式中，当应用需要使用荧光透视或其它X射线类型成像时，胸部夹具可以包括(尽可能地)X射线半透明材料以限制所得图像中的胸部夹具暴露。
应当容易理解，如本文所公开的，胸部夹具可以采取各种不同的形状和尺寸，并且包括一个或多个磁变形传感器。例如在图5和图7中公开的配置旨在示出具有磁变形传感器的阵列的这种胸部夹具的一个示例实施例，并且根本不旨在限制这种胸部夹具可以采用的各种形状和尺寸。
以下呈现与用于确定磁场内的磁变形的存在的金属变形传感器和处理电路结合使用的算法以及磁变形对导管430在磁场内的磁定位的影响。基于下面公开的具体/实验金属变形检测算法，本领域技术人员能够很容易地推导出许多检测算法变型。
具体/实验金属变形检测算法
在第一具体/实验金属变形检测算法中，传感器线圈阵列被分配与各个传感器之间的矢量距离相关的幅度值。随后的值和/或来自指数值的变化用于确定系统是否在可接受的磁场变形/干扰水平内运行。为了本公开的目的，该值被描述为金属变形传感器(“MDS”)值。在本具体/实验实施例中，传感器线圈阵列包括三个传感器线圈；然而，鉴于本公开，可以容易地实现利用具有一个或多个传感器线圈的传感器线圈阵列的各种其它实施例。
通过观察导管位置数据中看到的偏移量并将其与MDS中看到的偏移量相关来实现金属变形检测。MDS值根据MDS组件的三个5自由度(A、B和C)传感器计算出，并由下面的方程计算出。鉴于以下情况，本领域技术人员将能够容易地为使用多于一个金属变形传感器的应用制造出算法。
MDS1＝AB+BC+CA
Figure BDA0001740385600000151
Figure BDA0001740385600000152
Figure BDA0001740385600000153
根据欧几里得距离方程来计算2个点之间的偏移：
Figure BDA0001740385600000154
其中x1、y1、z1是来自基线位置的P&O数据，以及x2、y2、z2是来自测量数据点的P&O数据。MDS Delta＝|在给定偏移处的MDS测量值-MDS基线值|
通过典型应用环境中的特征化，可以将MDS值的变化量(MDS Delta)与由于磁场变形导致的心内导管的感知位置的偏移相关。上面定义的值仅使用5个自由度中的3个(Tx，Ty，Tz)来计算。
在第二具体/实验金属变形检测算法中，利用金属变形传感器的三个传感器线圈(A、B和C)的全部5个自由度。具体地，该算法考虑了Tx、Ty、Tz、Dx、Dy、Dz，其中(Dx，Dy，Dz)表示传感器线圈(A、B或C)指向的单位矢量。该算法定义测量基线位置与稍后数据点之间的金属变形传感器的机械性质变化的指数，并且然后对这些指数使用加权来返回用于确定可接受的磁场变形/干扰水平和/或磁场变化的值(MDS2)。
在第二具体/实验金属变形检测算法中，P&O_ref是在参考事件处测量的数据，并且P&O_dp是在稍后的数据点事件处测量的数据。具体地，
Figure BDA0001740385600000161
以及
Figure BDA0001740385600000162
使用下式计算指数k1、k2、k3、k4、k5、k6：
Figure BDA0001740385600000163
f2[Ddp,Dref]＝{<ADdp,BDdp>-<ADref,BDref>,<ADdp,CDdp>-<ADref,CDref>,<BDdp,CDdp>-<BDref,CDref>}
Figure BDA0001740385600000164
g1[x,y,z]＝(x2+y2+z2)1/2
g2[x,y,z]＝Abs[xy+xz+yz]
g3[x,y,z]＝Abs[xyz]
g4[x,m,n]＝(1+(Abs[x])1/m)-n
A1＝f1[Tdp,Tref],A2＝f2[Tdp,Tref],
b12＝g2[A1],b13＝g3[A1],b22＝g2[A2]
k1＝g4[b13,2,2],k2＝g4[b22,2,2],k3＝g4[b12,2,2],
k4＝g1[A2],k5＝f3[Ddp,Dref,2,2],k6＝f3[Ddp,Dref,4,4]
然后使用特定于系统设置的系统校准权重(例如，患者对金属变形传感器的相对位置，传感器对磁场源的相对位置等)w1、w2、w3、w4、w5和w6来计算MDS2：
MDS2＝Abs[w1*k1+w2*k2+w3*k3+w4*k4+w5*k5+w6*k6]
应该注意的是，附图中示出的特征不一定按比例绘制，并且如本领域技术人员将认识到的，一个实施例的特征可以与其它实施例一起使用，即使本文没有明确说明。公知部件和处理技术的描述可以被省略，以免不必要地模糊本公开的实施例。本文使用的示例仅旨在便于理解本公开可以被实践的方式，并且进一步使得本领域技术人员能够实践本公开的实施例。因此，本文的示例和实施例不应被解释为限制本公开的范围。
在本公开中使用的术语“包括”、“包含”及其变型，除非另有明确说明，否则表示“包括但不限于”。
在本公开中使用的术语“一”、“一个”和“该”意味着“一个或多个”，除非另有明确说明。
虽然过程步骤、方法步骤、算法等可以按顺序描述，但是这种过程、方法和算法可以被配置为以替代顺序工作。换句话说，可能描述的步骤的任何序列或顺序不一定指示要求以该顺序执行这些步骤。本文描述的过程、方法或算法的步骤可以以任何实际的顺序执行。此外，一些步骤可以同时执行。
当本文描述单个设备或物品时，显而易见的是，可以使用多于一个设备或物品来代替单个设备或物品。类似地，在本文描述了多于一个设备或物品的情况下，显而易见的是，可以使用单个设备或物品来代替多于一个设备或物品。设备的功能或特征可以可替代地由未明确描述为具有这种功能或特征的一个或多个其它设备来体现。
本文描述了各种装置、系统和/或方法的各种实施例。阐述了许多具体细节以提供对在说明书中描述并在附图中示出的实施例的整体结构、功能、制造和用途的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些实施例。在其它情况下，公知的操作、部件和元件未被详细描述，以免模糊说明书中描述的实施例。本领域的普通技术人员将理解，本文描述和示出的实施例是非限制性示例，并且因此可以理解的是，本文公开的具体结构和功能细节可以是代表性的，并且不一定限制实施例的范围，其范围仅由所附权利要求限定。
整个说明书中对“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。因此，结合一个实施例示出或描述的特定特征、结构或特性可以没有限制地整体或部分地与一个或多个其它实施例的特征、结构或特性组合，假定这种组合并非不合逻辑或不起作用。
应该理解，术语“近侧”和“远侧”可以在整个说明书中参考操纵用于治疗患者的器械的一端的临床医生来使用。术语“近侧”是指器械最靠近临床医生的部分，并且术语“远侧”是指位于离临床医生最远的部分。将进一步理解的是，为了简明和清楚，可以在此关于所示实施例使用诸如“垂直”、“水平”、“上”和“下”的空间术语。然而，手术器械可以以许多方向和位置使用，并且这些术语并非意在限制和绝对。

Claims (24)

1.一种用于检测磁场中的磁变形以用于导管在患者体内的定位的系统，所述系统包括：
一个或多个金属变形夹具，所述夹具中的每一个包括多于一个传感器线圈，所述传感器线圈以相对于彼此固定的距离和方向定位，所述传感器线圈中的每一个被配置和布置为感测与所述传感器线圈的方向对准的磁场，以及输出指示所感测的磁场的电信号；
处理器电路，其通信地耦合到所述金属变形夹具，并且被配置和布置为
接收来自所述传感器线圈中的每一个传感器线圈的电信号，
计算所接收信号中的每一个接收信号的时间相关的磁场幅度值，以及
检测磁变形，其中所述多于一个传感器线圈包括正交地定向的三个传感器线圈，并且所述幅度值指示所述三个传感器线圈之间的感知矢量距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器电路进一步被配置和布置为
通过比较两个幅度值并且确定幅度值随时间推移的变化，来计算在第一时间的第一幅度值与在晚于所述第一时间的第二时间的第二幅度值之间的所述磁场中的磁偏移，
确定所述第一幅度值和所述第二幅度值之间的所述磁偏移是否大于指示将会妨碍所述患者体内的所述导管定位的功效的变形的阈值偏移量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中响应于所述磁偏移超过所述阈值偏移量，所述处理器电路被配置和布置为忽略在以上阈值偏移条件期间计算的导管位置坐标。
4.根据权利要求2所述的系统，其中响应于所述磁偏移超过所述阈值偏移量，所述处理器电路向临床医生输出所述磁变形的感官指示。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述金属变形夹具的位置固定在所述磁场内，并且所述磁偏移大于阈值偏移量，所述磁偏移指示所述磁场内的含铁物体。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括被配置和布置为位于所述患者胸腔前面的另一金属变形夹具，并且其中所述金属变形夹具被配置和布置为位于所述患者胸腔后面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述金属变形夹具进一步被配置和布置为响应于指示所述磁场内的含铁物体的所述磁场的偏移而改变到所述处理器电路的输出。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述幅度值与所述金属变形夹具方向无关，并且指示所述导管在所述患者体内的所计算位置的误差。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述多于一个传感器线圈包括第一传感器线圈、第二传感器线圈和第三传感器线圈，并且所述传感器线圈的幅度值由以下方程确定：
MDS1＝AB+BC+CA
Figure FDA0002988425180000021
Figure FDA0002988425180000022
Figure FDA0002988425180000023
其中MDS1是所述幅度值，A、B、C分别表示第一传感器线圈、第二传感器线圈和第三传感器线圈，AB是所述第一传感器线圈和所述第二传感器线圈之间的矢量距离，BC是所述第二传感器线圈和所述第三传感器线圈之间的矢量距离，CA是所述第一传感器线圈和所述第三传感器线圈之间的矢量距离，以及Tx、Ty、Tz是三个传感器线圈中的一个传感器线圈的三个自由度。
10.根据权利要求2所述的系统，其中随时间推移的所述磁偏移由以下方程确定：
Figure FDA0002988425180000024
其中x1、y1、z1是第一时间帧内所述传感器线圈的位置和方向数据，以及x2、y2、z2是第二时间帧内所述传感器线圈的位置和方向数据，并且所述磁偏移与由于所述磁偏移而导致的所述患者体内的磁导管位置的所感知变化直接相关。
11.根据权利要求1所述的系统，其中使用从所述多于一个传感器线圈接收的指示所述磁变形传感器的五个自由度的数据来计算所述传感器线圈的幅度值。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述多于一个传感器线圈包括第一传感器线圈、第二传感器线圈和第三传感器线圈，并且所述传感器线圈的幅度值由以下方程确定：
Figure FDA0002988425180000031
以及
Figure FDA0002988425180000032
使用下式计算指数k1、k2、k3、k4、k5、k6：
Figure FDA0002988425180000033
f2[Ddp，Dref]＝{<ADdp，BDdp>-<ADref，BDref>，<ADdp，CDdp>-<ADref，CDref>，<BDdp，CDdp>-<BDref，CDref>}
Figure FDA0002988425180000034
g1[x，y，z]＝(x2+y2+z2)1/2
g2[x，y，z]＝Abs[xy+xz+yz]
g3[x，y，z]＝Abs[xyz]
g4[x，m，n]＝(1+(Abs[x])1/m)-n
A1＝f1[Tdp，Tref]，A2＝f2[Tdp，Tref]，
b12＝g2[A1]，b13＝g3[A1]，b22＝g2[A2]
k1＝g4[b13，2，2]，k2＝g4[b22，2，2]，k3＝g4[b12，2，2]，
k4＝g1[A2]，k5＝f3[Ddp，Dref，2，2]，k6＝f3[Ddp，Dref，4，4]
MDS2＝Abs[w1*k1+w2*k2+w3*k3+w4*k4+w5*k5+w6*k6]
其中下标ref表示第一时间测量的数据，下标dp表示第二时间测量的数据，P&O是传感器线圈的位置和方向数据，A、B、C分别表示第一传感器线圈、第二传感器线圈和第三传感器线圈，MDS2是所述幅度值，AB是所述第一传感器线圈和所述第二传感器线圈之间的矢量距离，BC是所述第二传感器线圈和所述第三传感器线圈之间的矢量距离，CA是所述第一传感器线圈和所述第三传感器线圈之间的矢量距离，Tx、Ty、Tz、Dx、Dy、Dz是所述三个传感器线圈中的一个传感器线圈的五个自由度，(Dx，Dy，Dz)表示所述三个传感器线圈中的一个传感器线圈指向的单位矢量，并且w1、w2、w3、w4、w5和w6是特定于所述系统的系统校准权重。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述MDS2方程的所述指数测量所述第一时间与所述第二时间之间的所述金属变形夹具的机械性质的变化。
14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括存储器电路，所述存储器电路被配置和布置为从所述处理器电路接收指示所述时间相关的磁场幅度值的数据，并将所述数据存储在查找表中以用于随后访问。
15.根据权利要求1所述的系统，进一步包括磁场发生器，所述磁场发生器被配置和布置为生成用于导管在患者体内的定位的磁场，并且其中所述金属变形夹具中的至少一个相对于所述磁场发生器固定地定位。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述处理器电路进一步被配置为响应于检测到的磁变形来校正所述导管在所述患者体内的定位。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述定位的所述校正利用基础模型函数，所述基础模型函数对于所述导管的感知位置和方向的每个输入生成所述导管的校正位置和方向，至少部分依赖于在所述金属变形夹具中的至少一个金属变形夹具和所述磁场发生器之间的固定位置以及所述传感器线圈相对于彼此的固定距离和方向。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述定位的所述校正利用基础模型函数，所述基础模型函数对于所述导管的感知位置和方向的每个输入生成所述导管的校正位置和方向，并且所述模型函数满足所述传感器线圈对其它时间相关的测量的时间相关的相对固定距离和方向。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器电路进一步被配置为校正所述导管在所述患者体内的定位。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述定位校正利用基础模型函数，所述基础模型函数对于所述导管的感知位置和方向的每个输入生成所述导管的校正位置和方向，至少部分依赖于在所述金属变形夹具中的至少一个金属变形夹具和所述磁场发生器之间的固定位置以及所述传感器线圈相对于彼此的固定距离和方向。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述定位的所述校正利用基础模型函数，所述基础模型函数对于所述导管的感知位置和方向的每个输入生成所述导管的校正位置和方向，并且所述模型函数满足所述传感器线圈对其它时间相关的测量的时间相关的相对固定距离和方向。
22.一种用于检测磁场中的磁变形以用于导管在患者体内的定位的方法，所述方法包括由处理器电路执行的步骤，所述处理器电路被配置和布置为：
从金属变形夹具接收第一组一个或多个信号，所述第一组一个或多个信号指示在第一时间由所述金属变形夹具内的传感器线圈中的每一个传感器线圈感测的磁场,所述传感器线圈相对于彼此正交地定向，
确定指示所述第一时间的磁场的组合信号的第一幅度值，
从所述金属变形夹具接收第二组一个或多个信号，所述第二组一个或多个信号指示在第二时间由所述传感器线圈中的每一个传感器线圈感测的磁场，
确定指示在所述第二时间的另一磁场的所述组合信号的第二幅度值，
确定所述第一幅度值和所述第二幅度值之间的所述磁场中的磁偏移，以及
将所述磁偏移与指示所述磁场中的磁变形的阈值偏移量进行比较，所述阈值偏移量导致所述导管在所述患者体内的所感知位置和实际位置的实质性变化。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：响应于确定为所述磁偏移大于指示所述磁场中的磁变形的所述阈值偏移量，忽略在以上阈值偏移条件期间计算的导管位置坐标。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括响应于确定为所述磁偏移大于指示所述磁场中的磁变形的所述阈值偏移量，向临床医生输出所述磁变形的感官指示。
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