CN116113381A - 用于监视医疗设备的朝向的系统 - Google Patents

用于监视医疗设备的朝向的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116113381A
CN116113381A CN202180062787.2A CN202180062787A CN116113381A CN 116113381 A CN116113381 A CN 116113381A CN 202180062787 A CN202180062787 A CN 202180062787A CN 116113381 A CN116113381 A CN 116113381A
Authority
CN
China
Prior art keywords
medical device
calibration
medical
orientation
needle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180062787.2A
Other languages
English (en)
Inventor
P·高隆博什
D·B·豪瓦希
J·库蒂
P·桑托
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Grayscale Laboratory Co ltd
Original Assignee
Grayscale Laboratory Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grayscale Laboratory Co ltd filed Critical Grayscale Laboratory Co ltd
Publication of CN116113381A publication Critical patent/CN116113381A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/08—Accessories or related features not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00681—Aspects not otherwise provided for
    • A61B2017/00725—Calibration or performance testing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2048—Tracking techniques using an accelerometer or inertia sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/08—Accessories or related features not otherwise provided for
    • A61B2090/0807—Indication means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/374—NMR or MRI
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/376—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/376—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy
    • A61B2090/3762—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy using computed tomography systems [CT]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/378—Surgical systems with images on a monitor during operation using ultrasound

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

用于监视医疗设备(1)的朝向的系统，包含医疗设备(1)、测量设备(4)、校准设备(5)和与测量设备(4)通信的外部设备，外部设备包含通信模块、控制单元、程序、电源和显示器，其中测量设备(4)连接到医疗设备(1)，测量设备(4)包含感测系统、电源、通信模块和控制单元，感测系统优选地是陀螺仪和加速度计，并且校准设备(5)具有适于校准医疗设备(1)的至少一个位置。

Description

用于监视医疗设备的朝向的系统
技术领域
本发明的目的涉及一种使用加速度计和陀螺仪(MEMS IMU传感器)监视医疗设备的朝向的系统，使得通过在测量前执行校准，在世界坐标系统中确定测量的幅度与医疗设备的方向之间的关系。
背景技术
在成像设备的帮助下使用医疗设备执行的微创医疗手术(minimally invasivemedical procedure)是极其广泛且频繁执行的手术。
通常，在成像引导的侵入性手术过程中，成像设备用于绘制身体、皮肤上医疗设备穿刺皮肤的点、穿刺角度以及执行组织采样、消融或积液引流所需的穿刺深度。在此之后，通过连续使用成像设备或定期开启成像设备以进行监视来进行手术，通过该成像设备可以监视医疗设备的位置。这是必需的，因为与计划的穿刺角度的偏差通常在穿刺皮肤后即刻是不明显的，并且只有在随后必须进行校正的更深的深度处才变得明显。如果需要校正，那么如果角度偏差的程度使得无法在身体内进行角度校正，那么可能需要从身体取出医疗设备并再次执行穿刺。
例如，当医疗设备被插入到肿瘤组织以便通过医疗设备发射的微波或无线电波、通过使用医疗设备冷冻或通过从医疗设备注射化学试剂来破坏肿瘤细胞时，这样的医疗手术是消融。
其它此类医疗手术包括引流，在这种情况下，流体通过医疗设备打开的通道从身体中吸出或释放。
另一种此类医疗手术是活检，在该过程中从人或动物的身体中取得组织的样本，以便随后在显微镜下或使用另一种方法检查取出的样本。
在无法用肉眼看到上述医疗手术中的目标的情况下，需要通过某种方式监视医疗设备的路径。
由于上述监视，医疗手术可能与各种成像方法相结合。例如，在超声引导手术的情况下，使用超声成像设备不断地观察医疗设备的移动。这样做的好处是可以实时跟踪医疗设备的移动，但是无法用超声波看到更深的组织和颅骨和胸部内的器官。
在使用断层扫描程序(CT和MRI)监视医疗设备在身体内移动的情况下，身体会以一定的间隔受到照射，或者被放置在设备发射的辐射路径上，以便监视医疗设备的进展。这样做的原因是使用CT扫描仪涉及X射线辐射，这可能对患者和操作人员造成伤害。此外，在MRI引导的手术的情况下，当在MRI扫描仪中进行成像时，医生无法接触到患者；此外，MRI扫描仪产生的强磁场限制了可以使用的设备的范围。
在断层扫描过程中，优选地尽量减少介入(intervention)的持续时间，以减少X射线负荷(在CT扫描的情况下)、设备使用的能量、它的折旧，以及减轻操作人员的负担，等等。
值得使用一种设备或系统来监视医疗设备的朝向，使得断层扫描成像设备的使用仅在开始手术之前需要来识别目标，并且可选地，在手术结束时使用来检查医疗设备是否到达目标组织。这样，断层扫描成像设备的使用可以在手术期间被限制到最低限度。使用这样的设备可以缩短介入的持续时间，在某些断层扫描成像过程的情况下可以减少照射的持续时间并且也可以减少角度校正的次数。通过这种方式，整个介入的持续时间更短，并且由于角度校正次数降低，并发症发生的机会也可能减少。
自然地，这种系统的使用在诸如超声和X射线成像的成像过程的情况下也可能是有用的。
对此可能的解决方案是监视医疗设备的位置和方向。典型的设备包括配备有加速度计的设备，诸如在Wilkmann，C.、Ito，N.、Penzkofer，T.等人，在Int J CARS(2015)10:629的文章中介绍的设备。这里使用了配备有加速度计的器械，其可以用于CT引导的活检情况。配备有加速度计的MEMS IMU传感器放置在医疗设备上。这用于确定医疗设备的朝向。这是一种简单且廉价的方法，但无法处理医疗设备绕其自身轴线的旋转。这个缺点使该设备不适合在日常医疗过程中使用。
美国专利公开文献号US20180110569A1提出了一种更复杂的设备，它使用加速度计、陀螺仪和磁力计。根据该公开文献，磁力计检测地球磁场的位置，并相对于地球磁场的位置确定至少一个方向，从而无需校准。这种方法的问题在于，相对于地球磁场的位置确定方向会受到诸如钢筋混凝土元素和某些医疗装置之类的附近物体的铁含量的干扰，此外，使用这种方法的手术不会为平面提供精确校准，换句话说，这种方法在实践中可能无法高效使用。
此外，该设备无法考虑绕其自身轴线的旋转；因此，设备绕其自身轴线的旋转会干扰传感器的测量数据。除此之外，使用三个不同的传感器会使手术更加昂贵。
美国专利公开文献号US 6122538A提出了一种适用于确定移动医学成像设备的位置和朝向的设备。这里有两种不同类型的传感器位于设备上。一种类型的传感器测量设备的角度方向，而另一种类型的传感器测量设备相对于外部参考点的至少一个平移位置。这种系统的一个严重缺点是它们需要活动外部参考点，一部分传感器可以将其用作确定设备的位置或方向的参考。
同样，其它系统使用活动外部参考点，例如，Tiesenhausen等人的出版物“A newmobile and light-weight navigation system for interventional radiology”，International Congress and Exhibition“Computer Assisted Radiology andSurgery”(CARS)，International Congress Series 1281，第412-417页(2005年)提出了一种系统，其中导航相机和跟踪器在连接到便携式计算机时使用，便携式计算机还用作显示器和医疗设备的定位所需的导航系统。该系统的缺点是导航相机和跟踪器必须始终处于彼此的清晰的视线内，这极大地限制了人员的移动和房间内装备的可能布置。
还可以使用电磁辐射定位活检针，诸如Kim等人的出版物“CT-guided liverbiopsy with electromagnetic tracking：results from a single-center prospectiverandomized controlled trial”，American Journal of Roentgenology，第203卷，No.6，第W715-W723页(2014年)中提出的解决方案。这是在CT引导活检的情况下使用电磁跟踪的系统。该系统的缺点是搭建复杂，并且占用大量空间，尤其是电磁信号发生器和屏蔽装置。此外，它可能会干扰附近操作的其它医疗设备。
由于上述原因，需要一种系统，使用该系统可以监视和预测医疗设备的方向，以便在使用期间允许医疗设备绕其自身的轴线旋转，并且在这种情况下，设备的校准简单。
发明内容
本发明基于这样的认识，即在使用感测系统的情况下，如果将医疗设备放置在几种适当选择的已知朝向上，那么可以在活检过程和类似的医疗手术中监视医疗设备的朝向。使用这些朝向，医疗设备作为参考被校准为诊断成像设备(例如，CT扫描仪)的坐标系，并且相对于测量设备的朝向(在下文中称为有效方向)确定针(即，穿刺)的方向。以这种方式，不需要附加的外部活动设备就能够监视医疗器械的朝向和有效方向。
根据上述内容，本发明涉及一种包含医疗设备、测量设备、校准设备和与测量设备通信的外部设备的系统，其中外部设备包含通信模块、控制单元、程序、电源和显示器，并且系统的特征是测量设备连接到医疗设备，该测量设备包含感测系统(优选地是陀螺仪和加速度计)、电源、通信模块和控制单元，并且校准设备具有适于校准医疗设备的至少一个位置。
依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备具有适于校准医疗设备的至少两个位置。
依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备具有适于校准医疗设备的至少三个位置。
依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备使用至少一个旋转矩阵。
依据根据本发明的系统的优选实施例，所述系统包含用于监视医疗设备在身体内的位置的成像装置。
依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的活检针。
依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的消融针。
依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的引流针。
依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备还具有连接元件。
本发明还涉及用于监视医疗设备的朝向的系统的用途。
附图说明
图1示出了根据本发明具有测量设备的医疗设备的优选实施例的前视图；
图2a示出了根据本发明医疗设备放置在校准设备的第一位置上的前视图；
图2b示出了根据本发明医疗设备放置在校准设备的第二位置上的前视图；
图2c示出了根据本发明医疗设备放置在校准设备的第三位置上的前视图；
图3示出了根据本发明的系统的软件的框图；
图4示出了世界坐标系与校准设备的坐标系之间的关系。
具体实施方式
根据本发明的系统的实质在于医疗设备包含测量设备，该测量设备是至少包含一个陀螺仪和一个加速度计的MEMS IMU传感器，并且在校准期间它被放置在适当选择的世界坐标系中已知朝向的位置上。
本发明提供了一种系统，利用该系统可以在人或动物体内进行活检和类似的医疗手术。
在本发明的上下文中，MEMS IMU传感器被理解为表示包含加速度计和/或陀螺仪的那些微机电系统(MEMS)，此外，可选地它们还可以包含磁力计和其它传感器。
在本发明的上下文中，朝向被理解为表示几何朝向。
在本发明的上下文中，有效方向被理解为表示医疗设备的方向，并且因此，表示为相对于测量设备的朝向的穿刺方向。
在本发明的上下文中，皮肤点被理解为表示医疗设备穿刺到患者身体中以到达目标的位置。取决于所使用的成像设备的分辨率和临床方面，皮肤点通常位于半径为1毫米的球体内。
在本发明的范围内，目标被理解为表示位于人体或动物体内的空间的一部分，其可以用医疗设备将被带到的3D空间中的坐标来描述。典型地，该目标是损伤，其是受伤的组织或已经发生异常变化的组织。这种病变可能发生在人类和动物身上。目标也可以是要检查的组织的给定部分。
在本发明的上下文中，目标区域被理解为表示由球形表面界定的空间部分，其部分或全部包含医生希望从中取样或医生希望从中消融或排出流体的组织结构。目标区域的特征是目标区域的中心点坐标和球体的半径。目标区域的识别是相对于皮肤点进行的。
图1中描绘的整体用附图标记1标记的医疗设备包括针2和连接元件3，测量设备4通过连接元件3连接到医疗设备1。
该系统还包含校准设备5(图2a)，该校准设备5用于将医疗设备1固定在给定(已知)位置。通过使用校准设备，医疗设备1可以在校准期间固定在CT台(未描绘)上或相对于CT台具有已知朝向的另一个固体物体上。
校准设备5的结构使得它可以用螺钉、夹具、橡胶或其它永久或临时固定设备固定到平坦表面。此外，它具有各种位置(图2a、2b、2c)，甚至可以使用夹子将医疗设备1放置和固定在这些位置，或者这种设计的位置使得可以通过施加足够的力将医疗设备1卡入在这些位置中，并且从校准设备5移除也需要施加力。当可以将长医疗设备1推入到校准设备5的给定开口中以使其紧密配合校准设备5的材料并在医疗设备1和校准设备5的材料之间产生足够的粘附摩擦力，使得它们尽管出现弱力(诸如平坦表面的小移动、人员经过设备附近、装置产生的风)但保持不动时，不排除这些可能性。
系统的附加元件是外部设备，其与测量设备4处于数据传输连接中，并且在手术期间执行必要的计算并以图形、易于理解的形式显示结果。
换句话说，在系统使用期间，通过使用校准设备5校准的医疗设备1经由测量设备4连续向外部设备发送关于其朝向的信号，该外部设备根据初始参数、校准期间获得的数据，以及在医疗设备1的移动期间由测量设备4发送的数据计算医疗设备1的有效方向。外部设备优选地以图形形式显示医疗设备1的给定有效方向及其与目标的偏差，更优选地显示在成像装置显示的组织环境中，以这种方式可以容易地校正任何角度误差。
测量设备4包含传感器系统。传感器系统的任务是测量医疗设备1的朝向。这可以使用各种视觉里程计设备或优选地通过使用陀螺仪和加速度计的组合来进行。但是，不排除能够在不使用外部活动参考的情况下独立地或组合地测量医疗设备1的朝向的一个或多个设备。
在视觉里程计期间使用内部相机，其调查环境并根据图像的变化定期确定医疗设备1的移动。
加速度计是基于牛顿第二运动定律测量施加在质量上的力的传感器。通常这是通过从电容测量中得出力来执行的。
陀螺仪是可以测量角速度的传感器。根据经典原理操作的陀螺仪包含由轴承支撑的平衡质量块，该质量块可以高速旋转，并且它由使其能够自由移动的框架包围。以这种方式，在框架移动的情况下，陀螺仪保持其原来的旋转平面，并且角度的变化可以根据框架的移动来计算。MEMS陀螺仪的工作原理类似，只是使用谐波振动移动代替旋转移动，因此角速度是根据取决于移动方向及其速度的变化科里奥利力计算的(C.Acar和A.Shkel，MEMSVibratory Gyroscopes：Structural Approaches to Improve Robustness.SpringerScience&Business Media，2008年；S.Beeby，MEMS Mechanical Sensors。Artech House，2004年)。优选地在本发明的过程中使用的陀螺仪根据电容原理操作并且由其检测的幅度与角速度成比例。
测量设备4还包含处理器、电源和通信模块。
控制单元执行测量设备4提供的数据的读取和处理。此外，控制单元存储测量所需的程序、执行必要的计算，并经由通信模块将数据转发给外部单元。在本发明的上下文中，控制单元被理解为表示微控制器或片上系统(SoC)，此外还有在信息技术系统中执行计算、存储数据和控制外围设备(诸如通信模块)的所有类似设备。
电源为测量设备4供电。这基本上理解为表示内置于测量设备4中的电源，其可以是可充电的和/或可更换的，但不排除使用一次性电源，或者测量设备4连接到外接电源，诸如外接电池(便携式电源)，或者市电(mains electricity supply)用作电源。
通信模块实现与外部单元的通信，或者它们之间的数据流，这以无线和/或有线方式执行。
测量设备4经由通信模块与外部设备通信，并将测量设备4的控制单元处理的数据发送给外部设备的控制单元。除此之外，外部设备还有显示器和显示在其上的程序，并且显示器可以用来在这个程序中监视基于测量设备4的数据创建的虚拟医疗设备1相对于目标方向的有效方向。
在其操作期间，可以在外部设备的显示器上监视配备有校准测量设备4和目标的医疗设备1的有效方向。如果医疗设备1没有对准目标的方向，那么可以基于显示来校正角度偏差。该显示优选地以图形方式描绘虚拟医疗设备1的位置以及朝向它的目标的进展。不排除外部设备仅提供关于医疗设备1的方向是否正确的文本信息的可能性，如果不正确，那么它提供关于为了达到目标所需的校正的方向和幅度的信息。自然地，图形和文本/数字显示模式的组合也是可预期的。
校准设备5如图2中所示，它被固定在CT台上，并且医疗设备1经由其连接元件3固定在校准设备5的固定夹之间。医疗设备1的这个连接元件3不是本发明的必要部分，它仅有助于将医疗设备1定位到校准设备5中并且在某些类型的医疗设备1的情况下将其固定在那里。
操作系统的软件的算法如图3中绘出的框图所示。作为第一步骤，测量设备4经由通信模块连接到外部设备。在下一步骤中，为了执行校准的目的，将配备有测量设备4的医疗设备1放置在校准设备5中。为了使在外部设备上运行的程序易于使用和用户友好，可以优选地提供检查步骤以确定医疗设备1是否已经被放置在校准设备5中用于校准。
校准的目的是确定测量设备4在与预定世界坐标系对应的坐标系统中的参考坐标系(世界坐标系优选地被理解为表示诸如CT扫描仪之类的成像设备的坐标系)，即，为了将两个坐标系相互关联所需的数学实体。数学实体被理解为表示四元数、欧拉向量等，优选地是旋转矩阵。与数学实体相关的计算在以下引文中给出：L.M.Surhone、M.T.Timpledon和S.F.Marseken，Rotation Representation(mathematics)：Rotation Matrix，Axis Angle，Euler Angles，Quaternions and Spatial Rotation.Betascript Publishing，2010年。此外，针2的方向的确定也是测量设备4的坐标系中的目标。校准设备5被放置在CT台上或确定世界坐标系的另一个装置上。
取决于所用技术的特征，可能需要进行各种复杂的校准。
如果校准设备5的坐标系与测量设备4的坐标系的垂直轴线重合，那么配备有测量设备4的医疗设备1以世界坐标系中已知的方向(非垂直)放置在校准设备5中。在相反的情况下，医疗设备1被一个接一个地放置在沿着两个不同方向定向的固定座中。
如果不知道针2在测量设备4坐标系中的精确方向，那么通过围绕校准设备5中的针2的轴线旋转医疗设备1将其固定在进一步的位置。
在已经执行校准之后，可以使用从校准获得的数据将在测量设备4执行的测量期间产生的测量数据放置在世界坐标系中，并且可以监视医疗设备1的有效方向的改变。
测量设备4在医疗设备1移动时提供关于测量设备4在医疗设备1的每个新朝向的朝向的测量数据。此外，在执行误差计算之后，程序将测量设备4的方向与目标在世界坐标系中的位置进行比较。以这种方式，在图形界面上，容易描绘出如果医疗设备1没有朝目标进展，那么如何改变它的方向。
在系统的使用过程中，在达到目标之后，使用成像装置(未绘出)检查医疗设备1是否实际处于正确位置。如果是，那么可以采集样本或可以执行其它类型的期望介入。自然地，不排除在没有用成像装置执行检查的情况下使用系统的可能性。此外，基于由成像装置提供的图像，甚至可以在到达目标之前的时段内监视通向目标的医疗设备1的路径。
在外部设备和测量设备4之间的通信期间，测量设备4将朝向数据发送到外部设备，然后外部设备使用这些数据执行校准、几何变换和视觉显示，此外，它向测量设备4发送控制信号，通过该信号它可以使测量设备4重新启动、停止和启动等。
在使用由其它成像装置(超声、MRI、X射线)引导的靶向的手术的情况下，以及在其它介入(例如，骨科、神经外科和机器人手术介入)的情况下，根据本发明的系统可以用于使用CT引导的靶向(活检、抽吸、引流、消融)的手术。
根据本发明的医疗设备1被理解为表示在必须通过其到达肉眼无法看到的目标的这些手术的情况下使用的设备(活检针、消融针、引流针等)。
示例
示例1：单步校准
右手直角坐标系用于CT台上的计算，校准也在该CT台上执行；这将是世界坐标系。X-Z轴线被放置在水平平面上使得放置在校准设备5中的医疗设备1指向世界坐标系的Z轴的方向。
世界坐标系与校准设备5的坐标系之间的偏差可以在图4中看出，其用角αC标记。角度αC取决于校准设备5的位置，并且如果本领域技术人员不知道，那么可以通过简单的方法测量其值。属于校准设备5的坐标系和世界坐标系的旋转矩阵的值可以在已知αC的情况下基于以下公式来确定。
Figure BDA0004123165390000111
在单步校准的情况下，配备有测量设备4的医疗设备1在平行于CT台顶部的位置固定在校准设备5中。在其固定位置中，针2相对于测量设备4的方向是已知的，因为传感器在测量设备4中的位置是精确已知的。此外，校准设备5与测量设备4的垂直轴线基准重合，因此在水平方向上进行校准就足够。
在校准之后，校准设备5相对于测量设备4的参考系的轴线方向将是已知的，因此由这些形成的旋转矩阵的逆将提供矩阵Rref2的值。因此，测量设备4相对于世界坐标系的朝向可以按以下方式计算：
R(t)＝RrefRmeasured(t)，
其中Rref＝Rref1Rref2，
并且由此可以以R(t)＊i的形式计算针2的方向。
示例2：三步校准
根据示例1的单步校准以相同的方式执行，不同之处在于针2的方向未知，并且校准设备5的坐标系和测量设备4的参考坐标系的垂直轴线不重合。这发生在放置在测量设备4中的各种传感器的精确朝向和医疗设备1的相对朝向不是精确已知的情况下。因此，在第一校准步骤之后，还需要确定针2的方向，为此，通过围绕针2的轴线旋转医疗设备1，将其固定在校准设备5中的第二校准位置。针2的方向可以基于旋转轴线的旋转差
Figure BDA0004123165390000121
与标称方向的更接近解释来计算。
另外，必须设置第三校准位置以确定垂直轴线的差异，其中针2的方向在水平平面中，或在先前位置和垂直方向之间的平面中。可以由此计算相对于测量设备4的参考值的垂直方向。从这一点开始，使用根据示例1的方式从校准步骤获得的旋转矩阵Rref2继续计算。
示例3：在活检期间使用系统
根据本发明的设备通过以下步骤用于CT引导的肺活检的情况：
-医生将参考X射线吸收网格放在躺着的患者的胸部上。
-此后，当患者躺在CT台上时，使用Siemens Definition Edge CT装置对检查区域(肺)进行低剂量扫描。
-理想的针路径和为此所需的皮肤点和角度对在外部单元中基于轴图像、多方向(甚至任何可选方向)重建和参考网格确定，外部单元是计算机。
-医生在患者皮肤上标记皮肤点。
-助手从无菌包中取出校准设备5并将其放置在CT台上，CT台本质上是固定座，用于将医疗设备1固定在示例2中详述的各个位置。
-助手从包中取出用于活检的医疗设备1，这是同轴活检针，并将测量设备安装到它上面。在此之后，助手打开测量设备4并将医疗设备1放入校准设备5中并对其进行校准。
-在测量设备4中，有MEMS IMU 9250传感器，其配备有加速度计和陀螺仪、电源、使用蓝牙标准的通信单元和微控制器。
-助手在皮肤点对患者的皮肤进行消毒和麻醉。此后，助手在计算机上运行的程序中设置测量的角度对。
-在接下来的步骤中，医生将医疗设备1连同测量设备4一起从校准设备5移除并将其放置在皮肤点上。此外，医生设置医疗设备1的位置，使其位于图形界面中期望的初始位置(换句话说，指示医疗设备1的方向的十字准线与活检的目标肿瘤相互重叠)和使针路径误差最小。
-维持外部单元指示的角度，医生将医疗设备1插入到患者体内，直至取决于情况的深度。深度的确定属于本领域技术人员的强制性知识，除其它方面外，还取决于患者的敏感性、给定身体部位的特性以及患者身体上脂肪层的厚度。
-此后，医生离开装有CT装置的房间并对患者进行扫描，以检查医疗设备1的位置和方向。
-在接下来的步骤中，医生检查图像以确定医疗设备1的方向是否正确以及医疗设备1仍需移动多少距离才能到达肿瘤。
-了解此信息后，医生再次进入CT房间并将患者体内的医疗设备1推到肿瘤处。
-然后医生离开CT房间，并且使用CT装置检查医疗设备1是否穿刺肿瘤。
-如果是，那么医生从医疗设备1取下测量设备4并拔出内部针，从而留下通道，医生通过该通道引入半自动活检枪并从肿瘤中取样。
-如果样本良好，那么移除通道并包扎伤口，然后为了检查并发症而执行低剂量对照胸部扫描。
本发明的一个优点是不需要使用活动外部参考来使用该系统，仅需要初步校准。
本发明的另一个优点是系统的使用速度快，建筑环境和金属物体不会干扰测量的精度。
本发明的另一个优点是测量设备4只需要具有加速度计和陀螺仪；使用它不需要附加的测量器械。
本发明的另一个优点是测量器械的小尺寸和质量不会对介入的性能产生负面影响。
本发明的另一个优点是它补充了医疗实践中使用的现有设备，因此不需要引入完整的新设备来使用本发明。
本发明的另一个优点是它的使用不需要使用多个参数的复杂软件系统的操作，因为外部设备只需要调整医生否则会在介入期间考虑的那些参数。

Claims (10)

1.一种用于监视医疗设备(1)的朝向的系统，包含医疗设备(1)、测量设备(4)、校准设备(5)和与测量设备(4)通信的外部设备，外部设备包含通信模块、控制单元、程序、电源和显示器，其特征在于测量设备(4)连接到医疗设备(1)，测量设备(4)包含感测系统、电源、通信模块和控制单元，感测系统优选地为陀螺仪和加速度计，并且校准设备(5)具有适于校准医疗设备(1)的至少一个位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，校准设备(5)具有适于校准医疗设备(1)的至少两个位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，校准设备(5)具有适于校准医疗设备(1)的至少三个位置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其特征在于，校准设备(5)使用至少一个旋转矩阵。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含用于监视医疗设备(1)在身体内的位置的成像装置。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，医疗设备(1)是具有针(2)的活检针。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，医疗设备(1)是具有针(2)的消融针。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，医疗设备(1)是具有针(2)的引流针。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其特征在于，医疗设备(1)还具有连接元件(3)。
10.根据权利要求1至9所述的用于监视医疗设备(1)的朝向的系统的用途。
CN202180062787.2A 2020-08-19 2021-08-09 用于监视医疗设备的朝向的系统 Pending CN116113381A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HUP2000276 2020-08-19
HU2000276A HUP2000276A1 (hu) 2020-08-19 2020-08-19 Orvosi eszköz orientációjának követésére szolgáló rendszer
PCT/HU2021/050048 WO2022038388A1 (en) 2020-08-19 2021-08-09 System for monitoring the orientation of medical devices

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116113381A true CN116113381A (zh) 2023-05-12

Family

ID=89993178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180062787.2A Pending CN116113381A (zh) 2020-08-19 2021-08-09 用于监视医疗设备的朝向的系统

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240008949A1 (zh)
EP (1) EP4199851A1 (zh)
CN (1) CN116113381A (zh)
HU (1) HUP2000276A1 (zh)
WO (1) WO2022038388A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006032127B4 (de) * 2006-07-05 2008-04-30 Aesculap Ag & Co. Kg Kalibrierverfahren und Kalibriervorrichtung für eine chirurgische Referenzierungseinheit
US9706948B2 (en) * 2010-05-06 2017-07-18 Sachin Bhandari Inertial sensor based surgical navigation system for knee replacement surgery
EP2882368A4 (en) * 2012-08-08 2016-03-16 Ortoma Ab METHOD AND SYSTEM FOR COMPUTER-ASSISTED SURGERY
US20200197099A1 (en) * 2017-05-16 2020-06-25 Sheng Xu Systems, method and devices for assisting or performing guiding interventional procedures using inertial measurement units and magnetometer sensors

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022038388A1 (en) 2022-02-24
US20240008949A1 (en) 2024-01-11
EP4199851A1 (en) 2023-06-28
HUP2000276A1 (hu) 2022-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108135572B (zh) 经会阴的针引导
US6785572B2 (en) Tactile feedback and display in a CT image guided robotic system for interventional procedures
EP1545365B1 (en) Medical device positioning system
EP2233099B1 (en) Computer-assisted system for guiding a surgical instrument during percutaneous diagnostic or therapeutic operations
EP1638466B1 (en) Remotely held needle guide for ct fluoroscopy
US6678546B2 (en) Medical instrument guidance using stereo radiolocation
US10918413B2 (en) Bedside stereotactic ultrasound guidance device, system and method
US20080221520A1 (en) Positioning System for Percutaneous Interventions
US20050228270A1 (en) Method and system for geometric distortion free tracking of 3-dimensional objects from 2-dimensional measurements
US20050222793A1 (en) Method and system for calibrating deformed instruments
US20240036126A1 (en) System and method for guiding an invasive device
US10682126B2 (en) Phantom to determine positional and angular navigation system error
US5792215A (en) Laser integrated targeting and entry system and method
US20200197099A1 (en) Systems, method and devices for assisting or performing guiding interventional procedures using inertial measurement units and magnetometer sensors
WO2009157007A1 (en) Needle positioning apparatus and method
US8067726B2 (en) Universal instrument calibration system and method of use
WO2017031340A1 (en) Integrated fixation device comprising an emission and recovery source with the purpose of target localization and locking relative to the fixation point in order to facilitate intervention to said target
US20240008949A1 (en) System for monitoring the orientation of medical devices
US9008756B2 (en) Mapping system and method for mapping a target containing tissue
EA045885B1 (ru) Система мониторинга ориентации медицинских устройств
WO2020081725A1 (en) Biopsy navigation system and method
Newman et al. External referencing systems
CN117084786A (zh) 一种穿刺导航系统、定位托和定位穿刺针
Sarkarian Image Guided Surgery: Navigation and Surgical Technologies

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination