CN1593335A

CN1593335A - 用于确定跟踪系统中使用的柔性器具的位置的系统及方法

Info

Publication number: CN1593335A
Application number: CNA2004100785338A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·H·彼得森
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2005-03-16
Also published as: FR2859621A1; US20050059883A1; FR2859621B1; DE102004044285A1; US8064985B2

Abstract

一种用于视导手术系统的医疗器具(10)，包括：支撑部件(12)，与柔性结合部件(14)可操作地连接，以及应变仪(16)或(18)，安装于柔性结合部件(14)的一部分上。应变仪(16)或(18)构造为探测柔性结合部件(14)的偏转。

Description

用于确定跟踪系统中使用的柔性器具的位置的系统及方法

技术领域

本发明一般地涉及用于诸如视导手术(image guided surgery)的视导应用的诸如针、探针、导管、刮匙等柔性器具。具体而言，本发明涉及一种用于在视导应用期间确定柔性器具位置的系统及方法。

背景技术

多种医疗处置中涉及诸如钻、导管、手术刀、窥镜、支架或其它工具的器具。在某些情况下，医学成像或视频系统可用于提供该些器具的定位信息，以及患者体内的显影。然而，在进行医疗处置时，医学工作者经常无法使用医学成像系统。通常，医学成像系统过于缓慢，以至于无法产生用于医疗处置中的器具跟踪的可用实时图像。用于器具跟踪的医学成像系统的使用还受到例如健康和安全原因(例如，放射剂量的关系)、财务限制、物理上的空间约束、及其它关系的限制。

在进行诸如视导手术或检查的医疗处置时，诸如医生、外科医生、及其它医学专业人员的医学工作者经常依赖于技术。跟踪系统可以提供医疗器相对于例如患者或参照坐标系的位置信息。当医疗器具不在工作者视线内时，医学工作者可参照跟踪系统确定器具的位置。跟踪系统还可以帮助术前计划。

跟踪或导航系统允许医学工作者观察患者的解剖结构，以及跟踪器具的位置和取向。医学工作者可使用跟踪系统确定何时器具处于期望位置。医学工作者可定位期望的或受伤的区域并在其上操作，同时避开其它结构。通过便于改善对患者具有更少影响的较小器具的控制，提高在患者内定位医疗器具的精度可以提供更小侵害的医疗处理。对较小的、更加精密的器具的控制和精度的改善还可以降低与诸如开放式手术的更侵入性处置相关的风险。

例如，跟踪系统可以是超声、惯性定位、光学或电磁跟踪系统。授予Ferre等人，名为“Position Tracking and Imaging System for Use in MedicalApplication”的美国专利No.5,803,089(以下称作“’089专利”)，以及授予Seeley等人，名为“Fluoroscopic Tracking and Visualization System”的美国专利No.6,484,049(以下称作“’049专利”)都介绍了手术用跟踪及导航系统。’089专利和’049专利在此作为参考全文引入。为监视医疗器具相对于参照单元的位置已经提出了使用光学探测(视频照相机和/或CCD(电荷耦合装置))的跟踪系统，如授予Guthrie等人，名为“Operating Pointer withInteractive Computergraphics”的美国专利No.5,230,623(以下称作“’623专利”)中所述。另外，使用超声探测的跟踪系统也在’623专利中公开。

电磁跟踪系统可采用线圈作为接收器和发送器。通常，电磁跟踪系统构造为工业标准线圈体系(ISCA)。ISCA使用三个colocated正交准偶极发送器线圈和三个colocated准偶极接收器线圈。其它系统可使用三个较大的非偶极非colocated发送器线圈、以及三个colocated准偶极接收器线圈。另一种跟踪系统体系使用六个或更多个展开在空间中的发送器线圈的阵列、以及一个或更多个准偶极接收器线圈。或者，可使用单个准偶极发送器线圈和六个或更多个展开在空间中的接收器的阵列。

ISCA跟踪器体系使用三轴偶极线圈发送器和三轴偶极线圈接收器。每个三轴发送器或接收器形成为使得三个线圈表现出相同的有效区域、彼此正交取向、且以相同的点为中心。若线圈小到足以与发送器和接收器之间的距离相比，则线圈可以表现出偶极行为。由三重发送器线圈产生的电磁场可以由三重接收器线圈探测。例如，使用三个近似同心定位的发送器线圈和三个近似同心定位的接收器线圈，可以获得九个测量参数。由这九个测量参数和已知的位置或取向参数，位置及取向计算可以确定每个发送器线圈相对于三重接收器线圈三个自由度的位置和取向信息。

通常，诸如上述的传统跟踪系统用于跟踪刚性医疗器具，诸如吸气装置、手术钻、切割器具等。然而，各种各样的医疗应用设备使用柔性器具，诸如刮匙、针、导管、内诊镜、金属线等，这些器具在导入患者体内的手术空间中操作时可能偏转。传统的跟踪系统一般无法跟踪这些柔性器具的偏转尖端。另外，这些系统通常仅能精确地跟踪未偏转的器具的近端。因此，该系统可不太精确地显示医疗器具的位置。外科医生和内科医生可能会基于这些不准确的信息移动器具，损伤患者的内部组织。

因此，需要一种能够精确跟踪包括其工作远端在内的医疗器具位置的系统和方法。

发明内容

本发明的特定实施例提供了一种用于视导手术系统的医疗器具。该医疗器具包括支撑部件，与柔性结合部件有效连接，以及安装于柔性结合部件的一部分上的应变仪。应变仪构造为探测柔性结合部件的偏转。应变仪的测得电阻在柔性结合部件偏转时变化。应变仪是诸如惠斯通电桥的电路内的电阻，其中应变仪的电阻变化时该电路内产生电势差。该医疗器具可用于视导手术系统，该系统包括与包括应变仪的偏转跟踪系统独立并区别开的跟踪系统。该额外的跟踪系统可以是用于跟踪医疗器具的电磁、光学、惯性位置、以及超声跟踪系统。

柔性结合部件可以为针、导管、刮匙、内窥镜或K线。该医疗器具可包括安装于柔性结合部件的至少一个额外的应变仪。该应变仪安装于柔性部件接近支撑部件的部分上。

本发明的特定实施例还提供了一种引导视导手术中使用的具有柔性结合部件的医疗器具的方法。该方法包括利用跟踪医疗器具近端的第一位置跟踪法跟踪医疗器具；以及利用第二跟踪法跟踪位于医疗器具远端的医疗器具的工作部件的偏转。该方法还包括结合通过所接收的数据，并基于结合的数据显示医疗器具的位置。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的医疗器具；

图2示出了根据本发明实施例的应变仪的简化图；

图3示出了根据本发明实施例的应变仪的顶视图；

图4示出了根据本发明实施例的惠斯通电桥的电路图；

图5示出了根据本发明另一实施例的柔性接合部件的截面轴向图；

图6示出了根据本发明实施例的电磁跟踪系统；以及

图7示出了在视导手术期间精确跟踪医疗器具位置的方法的流程图。

结合附图阅读，将使上述内容和下述对本发明特定实施例进行的详细描述得到更好的理解。为说明本发明，在附图中示出了特定的实施例。然而，应理解本发明不限于附图中所示的设置和手段。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的医疗器具10。医疗器具10包括诸如手柄、容纳电子设备等的主体、或安装组件的刚性支撑部件12、以及柔性尖端或接合部件14。柔性接合部件14包括近端15(位于支撑部件附近)和远处的工作端17。柔性接合部件14为医疗器具10的工作端。柔性接合部件可以是柔性探针、针、刮匙、K线、导管、或其它各种易出现偏转、弯曲或其它此类运动的装置。

应变仪16和18位于柔性接合部件14上，靠近支撑部件12的远端20。应变仪16和18构造的用于探测柔性接合部件14的偏转，如下所述。应变仪16和18可以位于柔性接合部件14的任何部分之上。然而，应变仪16和18优选地位于当向柔性接合部件14施加力时，柔性接合部件14充分弯曲或偏转的部分之上。例如，应变仪16和18可位于该医疗器具的支撑部件12的附近。

图2示出了根据本发明实施例的应变仪系统22的简化结构图。系统22包括刚性支架24、由刚性支架垂直延伸出来的柔性部件26、以及贴附在柔性部件12上的上部应变仪28和下部应变仪30。刚性支架24类似于支撑部件12的远端，而柔性部件26类似于图1所示的柔性接合部件14。

图3示出了应变仪28和30的顶视图。应变仪28和30中的每一个包括与柔性塑料衬34结合的一段引线32。连接导线36将引线的端部38、40电性连接至电路内的另一元件(未示出)。

再参照图2，沿F方向向柔性部件26施加力，由此而沿着F’方向关于轴点27按弓形路径移动柔性部件26时，上部应变仪28的长度增大且其截面积减小。随着上部应变仪28的长度增大和其截面减小，上部应变仪28的电阻增大，如等式(1)所示：

R＝ρL/A (1)

其中，R＝电阻，L＝应变仪的长度，A＝应变仪的截面积，而ρ＝应变仪的电阻率。

另外，当柔性部件26沿F’方向移动时，下部应变仪30的长度减小，且其截面积增大，由此导致下部应变仪30的电阻减小，电阻的变化可通过图4所示的惠斯通电桥电路检测。

图4为根据本发明实施例的惠斯通电桥42的电路图。惠斯通电桥42包括电阻R₁、R₂，应变仪28和30(表示为电阻)、以及电动势源(emf)44。将应变仪28和30用于惠斯通电桥42。选择电阻R₁和R₂使得在未向图2的应变仪系统22的柔性部件26施加力时，惠斯通电桥42平衡。当惠斯通电桥42平衡时，点a与b之间不存在电势差。然而，当向柔性部件26施加力时，应变仪28和30每一个的电阻都变化，且惠斯通电桥42不再平衡。因此，在点a与b之间出现电势差，电势差与施加于柔性部件26上的力的大小成比例。

再参照图2，应变仪系统22构造为输出直接与沿F方向施加的力的量成比例的电阻变化。例如，若向柔性部件26施加大小为F₁的力，则在惠斯通电桥的点a与b之间出现电势差。另外，作为施加力F₁的结果，柔性部件将在路径F’上移动特定距离。由此，电势差V₁直接与路径F’上的偏转距离成比例。在偏转量和电势差之间存在着直接线性关系。柔性部件偏转距离产生特定的电势差V_EX。结果，从具有应变仪28和30的电路输出的各种电势差允许人们知道柔性部件26的偏转量。等式(2)显示了拉/压变与电势差之间的关系：

V_S/V_G＝(G(e))/2 (2)

其中，V_S＝施加的电压，V_G＝由于拉/压变产生的电势差，G＝测量参数，而e＝拉/压变量。

诸如应变仪28和30的应变仪的拉/压产生了电势差V_G。电势差可以与拉/压相关。即，电势差的测量允许人们确定应变仪28和30的拉/压变量。另外，拉/压变量允许人们了解柔性部件26的偏转量。每个测得的电势差允许人们确定应变仪28和30上的拉/压变量，由此提供了表示柔性部件26的偏转量的信息。由此，每个具体的电势差可以与柔性部件26的偏转量相关。电势差V_G的测量允许人们测量柔性部件26的偏转量。

再参照图1，上述原理可以应用于医疗器具10。应变仪16和18安装在柔性结合部件14上下。由此，随着柔性结合部件14偏转，应变仪16和18被拉伸或压缩。随着应变仪16和18被拉伸或压缩，如上所述，应变仪的长度和截面积变化。例如，随着应变仪16或18受拉，其长度增大，其截面积减小，由此其电阻增大。另外，若应变仪16或18被压缩，其长度减小而其截面积增大，由此其电阻减小。因为应变仪包括在惠斯通电桥42内，如图4所示，惠斯通电桥电路电势差升高，升高与柔性结合部件14的偏转距离成比例。每个测得的电势差直接对应于柔性结合部件14的偏转量。

图5示出了根据本发明实施例的柔性结合部件14的轴向截面图。柔性结合部件14包括上部应变仪16和下部应变仪18。柔性部件14还可以具有安装于其上的横向应变仪46，用于提供关于柔性结合部件14的横向偏转的额外信息。或者，应变仪16、18和46可以是固态应变仪。

图6示出了根据本发明实施例的电磁跟踪系统100。系统100包括安装于患者114上的头罩、医疗器具10、控制系统118、以及显示器120。与医疗器具10、头罩112和显示器120电性连通的控制系统118包括位置检测单元122、记录单元124、以及图像存储单元126。图像存储单元126存储诸如CAT、MRI、或PET扫描图像的预记录图像组。每组图像可以例如沿着冠状线、径向、或轴向方向截取。

系统100还包括位于头罩112上的接收器组件，该接收器组件包括磁感应器。接收器组件构造为检测磁场。发送器组件位于医疗器具116上。构造发送器组件从而产生由接收器组件探测的磁场。或者，接收器组件可位于医疗器具16上，而发送器组件可位于头罩12上。或者，医疗器具10可与各种其它跟踪系统一同使用，诸如超声、惯性位置和光学跟踪系统。

系统100工作从而通过已知的现有技术的各种方法相对于头罩12跟踪医疗器具10。控制系统118通过电子跟踪并通过应变仪16和18跟踪医疗器具。由于医疗器具10插入患者14体内，随着其在患者体内遇到解剖学结构，柔性结合部件14可能偏转，如上所述。

医疗器具10的大体位置可通过电磁跟踪跟踪。即，电磁跟踪系统可准确跟踪柔性结合部件14的近端15，即最接近支撑部件12的端部。柔性结合部件14的远端17的偏转通过包括应变仪16和18的偏转跟踪系统探测。与控制系统118电性连通的应变仪16和18将偏转数据信号传递给控制系统118。控制系统118随后处理来自电子跟踪部件(即，接收器组件和发送器组件)和应变仪16和18的信号。控制系统118将来自应变仪的接收数据与柔性结合部件14的偏转量相关联。随后，控制系统118将电磁跟踪信号与偏转数据相结合，并在显示器120上在预先获得的患者图像上显示医疗器具10的位置，包括柔性结合部件14的位置。

图7示出了在视导手术期间，准确跟踪医疗器具10的位置的方法的流程图。在50处，使用传统的视导手术跟踪法跟踪医疗器具10。例如，医疗器具10可以通过电磁、光学、或惯性位置跟踪系统跟踪。传统的跟踪系统准确跟踪医疗器具10的总体位置。传统跟踪系统准确跟踪医疗器具14的支撑部件12和近端15。

在通过传统跟踪系统跟踪医疗器具10的同时，在52处，利用包括应变仪的偏转跟踪系统跟踪医疗器具。偏转跟踪系统如上所述地跟踪医疗器具的柔性部件14的偏转。在54处，诸如微处理器的控制系统处理并组合由传统跟踪系统和偏转跟踪系统接收的数据。随后，在56处，处理器在监视器上显示组合的数据，从而示出医疗器具10的位置，包括柔性结合部件14的远近端15、17在内。

本发明的实施例提供了一种系统及方法，其中可通过传统跟踪系统使用已知的现有技术方法跟踪医疗器具。跟踪系统提供了关于医疗器具总体位置的信息。使用医疗器具上的应变仪提供了一种偏转跟踪系统，该系统提供了关于医疗器具10顶端(即，柔性结合部件14)位置的更加具体的信息。使用由传统跟踪系统提供的信息和由偏转跟踪系统提供的信息，提供了关于该医疗器具位置的准确信息。

虽然已经参照特定实施例介绍了本发明，本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明范围的基础上进行各种改动或进行等效替换。另外，可在不脱离本发明范围的基础上对本发明教导的内容进行各种调整从而适应特定的环境或材料。因此，本发明不应限于所公开的特定实施例，而是应包括属于所附权利要求范围的所有实施方式。

Claims

1.一种用于视导手术系统的医疗器具(10)，包括：

支撑部件(12)，与柔性结合部件(14)有效连接；以及

应变仪(16)或(18)，安装于所述柔性结合部件(14)的一部分上，

其中所述应变仪(16)或(18)构造为探测所述柔性结合部件(14)的偏转。

2.如权利要求1所述的医疗器具(10)，其中所述应变仪(16)和(18)的电阻在所述柔性结合部件(14)偏转时变化。

3.如权利要求2所述的医疗器具(10)，其中所述应变仪(16)和(18)位于所述应变仪(16)和(18)的电阻变化时其中产生电势差的电路内。

4.如权利要求1所述的医疗器具(10)，其中所述柔性结合部件(14)为针、导管、刮匙、以及K线中之一。

5.一种视导手术系统，包括：

医疗器具(10)，其具有与支撑部件(12)可操作地连接的柔性结合部件(14)；

电磁、光学、惯性位置、以及超声跟踪系统中的至少一种，构造的用于跟踪所述医疗器具(10)；以及

偏转跟踪系统，构造的跟踪所述医疗器具(10)的所述柔性结合部件(14)，所述偏转跟踪系统包括安装于所述柔性结合部件(14)的一部分上的应变仪(16)或(18)中的至少一个。

6.如权利要求5所述的视导手术系统，还包括用于显示所述医疗器具(10)在患者的手术区域内的位置的显示器。

7.如权利要求5所述的视导手术系统，其中所述柔性结合部件(14)为针、导管、刮匙、以及K线中之一。

8.一种引导视导手术中使用的具有柔性结合部件(14)的医疗器具(10)的方法，包括：

利用跟踪医疗器具(10)近端的第一位置跟踪法跟踪医疗器具(10)；以及

利用第二跟踪法跟踪位于医疗器具(10)远端的医疗器具(10)的工作部件的偏转。

9.如权利要求8所述的方法，还包括结合通过所述跟踪接收的数据，并基于结合的数据使用和显示医疗器具(10)的位置。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一跟踪法包括电磁、光学、惯性位置、以及超声跟踪法中之一。