RU2771799C2

RU2771799C2 - Calibration of rigid otolaryngological instrument

Info

Publication number: RU2771799C2
Application number: RU2018139654A
Authority: RU
Inventors: Йоав ПИНСКИ; Акрам ЗОАБИ; Итамар БУСТАН; Михаль Алрой ЛЕВИ
Original assignee: Байосенс Вебстер (Изрэйл) Лтд.
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2022-05-12

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: device includes a magnetic field generator, the first magnetic field sensor designed to be attached to the proximal end of a surgical instrument designed to be inserted into the body, and a calibration device that includes the second magnetic field sensor and an approach sensor. Field sensors generate corresponding location signals reacting to the magnetic field created by the generator and passing through field sensors. The device includes a control unit that receives signals from all sensors, determines corresponding location and orientation coordinates of field sensors based on signals, calculates a conversion rule of coordinates of the first sensor and the distal end of the instrument that is brought into a contact with the calibration device, and afterwards uses the conversion rule together with coordinates of the first sensor, when visually indicating the location of the distal end inside the body.

EFFECT: obtaining an otolaryngological instrument.

20 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

[0001] Настоящее изобретение по существу относится к медицинской визуализации и, в частности, к калибровке датчика магнитного поля, прикрепленного к жесткому хирургическому инструменту.[0001] The present invention relates essentially to medical imaging and, in particular, to the calibration of a magnetic field sensor attached to a rigid surgical instrument.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] При выполнении множества медицинских процедур требуется размещение в организме определенных объектов, таких как датчики, трубки, катетеры, дозирующие устройства и имплантаты. Чтобы помочь врачам визуализировать объект и его окружение во время этих процедур, часто используют способы визуализации в режиме реального времени. Тем не менее, в большинстве случаев трехмерная визуализация в режиме реального времени является невозможной или нежелательной. Вместо этого часто используют системы для получения пространственных координат внутреннего объекта в режиме реального времени.[0002] Many medical procedures require the placement of certain objects in the body, such as sensors, tubes, catheters, dosing devices, and implants. To help clinicians visualize the object and its environment during these procedures, real-time imaging techniques are often used. However, real-time 3D rendering is not possible or desirable in most cases. Instead, systems are often used to obtain the spatial coordinates of an internal object in real time.

[0003] В патенте США № 8,190,389 (Kim и др.) описаны устройства и способы отслеживания местоположения медицинского устройства внутри организма человека или животного. Медицинское устройство включает в себя жесткий калибровочный корпус, имеющий принимающую канавку, первый калибровочный наконечник и второй калибровочный наконечник. Для отслеживания медицинского устройства первый калибровочный наконечник выполнен с возможностью размещения в известном положении относительно электромагнитного передатчика при получении по меньшей мере одного показания с использованием хирургической системы с визуализационным контролем, второй калибровочный наконечник выполнен с возможностью размещения в известном положении относительно электромагнитного передатчика при получении по меньшей мере одного дополнительного показания с использованием хирургической системы с визуализационным контролем, и хирургическая система с визуализационным контролем выполнена с возможностью калибрования до по существу жесткой формы медицинского устройства на основании полученных показаний.[0003] US Pat. No. 8,190,389 (Kim et al.) describes devices and methods for tracking the location of a medical device within a human or animal body. The medical device includes a rigid calibration body having a receiving groove, a first calibration tip, and a second calibration tip. To track the medical device, the first calibration tip is configured to be placed in a known position relative to the electromagnetic transmitter when receiving at least one reading using an image-guided surgical system, the second calibration tip is configured to be placed in a known position relative to the electromagnetic transmitter when receiving at least one additional indication using an image-guided surgical system, and the image-guided surgical system is configured to calibrate to a substantially rigid shape of the medical device based on the indications received.

[0004] В патенте США № 7,720,521 (Chang и др.) описаны устройства, системы и способы выполнения интервенционных и хирургических вмешательств под визуализационным контролем. Система включает в себя рабочее устройство, которое выполнено с возможностью введения в организм пациента и содержит один датчик, принимающий сигналы по меньшей мере от трех передатчиков. Впоследствии компьютер может анализировать принятые сигналы для вычисления (например, при помощи триангуляции) трехмерного положения датчика внутри организма.[0004] US Pat. No. 7,720,521 (Chang et al.) describes devices, systems, and methods for performing image-guided interventional and surgical procedures. The system includes a working device, which is made with the possibility of introduction into the patient's body and contains one sensor that receives signals from at least three transmitters. Subsequently, the computer may analyze the received signals to calculate (eg, by triangulation) the three-dimensional position of the sensor within the body.

[0005] В патенте США № 7,876,942 (Gilboa и др.) описаны система и способ оптического измерения положения жесткого или полужесткого инструмента и его наведения на цель. Система включает в себя камеру, прикрепленную к инструменту, и систему обработки, которая обрабатывает изображения с камеры для определения местоположения инструмента. В некоторых вариантах осуществления система может помогать пользователю наводить инструмент на цель путем оптического определения опорных контрольных точек, определенных на внешней поверхности организма, получения плоскости, содержащей цель, и представления пользователю местоположения наконечника инструмента и цели на плоскости.[0005] US Pat. No. 7,876,942 (Gilboa et al.) describes a system and method for optically measuring the position of a rigid or semi-rigid instrument and aiming it at a target. The system includes a camera attached to the tool and a processing system that processes images from the camera to locate the tool. In some embodiments, the system may assist the user in aiming the instrument at a target by optically determining reference points defined on the outer surface of the body, obtaining a plane containing the target, and presenting to the user the location of the instrument tip and the target on the plane.

[0006] Документы, включенные в настоящую заявку на патент путем ссылки, следует считать неотъемлемой частью заявки за исключением того, что, если определение терминов в этих включенных документах противоречит определениям, сделанным явным или неявным образом в настоящем описании, следует учитывать только определения настоящего описания.[0006] Documents incorporated in this patent application by reference are to be considered an integral part of the application except that if the definition of terms in these incorporated documents conflicts with definitions made explicitly or implicitly in the present description, only the definitions of this description should be taken into account. .

[0007] Вышеприведенное описание представлено в качестве общего обзора уровня техники в данной области, и его не следует воспринимать, как признание того, что любая содержащаяся в нем информация составляет предшествующий уровень техники, противопоставляемый настоящей заявке на патент.[0007] The foregoing description is provided as a general overview of the state of the art in the art and should not be taken as an admission that any information contained therein constitutes prior art as opposed to this patent application.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0008] В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечен аппарат, включающий в себя генератор магнитного поля, первый датчик магнитного поля, калибровочное устройство и блок управления. Первый датчик магнитного поля предназначен для крепления к проксимальному концу жесткого хирургического инструмента, предназначенного для введения в живой организм, а калибровочное устройство включает в себя второй датчик магнитного поля и датчик приближения, причем первый и второй датчики поля генерируют соответствующие сигналы местоположения, реагирующие на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через датчики. Датчик приближения генерирует сигнал приближения, указывающий на контакт с калибровочным устройством. Блок управления принимает сигналы от всех датчиков, определяет соответствующие координаты местоположения и ориентации датчиков магнитного поля на основании сигналов, вычисляет правило преобразования координат первого датчика магнитного поля и дистального конца инструмента, который приводят в контакт с калибровочным устройством, и затем применяет правило преобразования вместе с координатами первого датчика магнитного поля при обеспечении визуальной индикации местоположения дистального конца инструмента внутри организма.[0008] In accordance with an embodiment of the present invention, an apparatus is provided, including a magnetic field generator, a first magnetic field sensor, a calibration device, and a control unit. The first magnetic field sensor is designed to be attached to the proximal end of a rigid surgical instrument intended for insertion into a living organism, and the calibration device includes a second magnetic field sensor and a proximity sensor, the first and second field sensors generating corresponding location signals responsive to the magnetic field. generated by the magnetic field generator and passing through the sensors. The proximity sensor generates a proximity signal indicating contact with the calibration device. The control unit receives signals from all sensors, determines the corresponding coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals, calculates a transformation rule for the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool that is brought into contact with the calibration device, and then applies the transformation rule along with the coordinates a first magnetic field sensor while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument within the body.

[0009] В некоторых вариантах осуществления жесткий хирургический инструмент включает в себя жесткий эндоскоп. В дополнительных вариантах осуществления датчик приближения включает в себя индикатор контакта. В еще дополнительных вариантах осуществления датчик приближения выполнен с возможностью выбора из группы, состоящей из датчика усилия, оптического датчика и электрического датчика.[0009] In some embodiments, the rigid surgical instrument includes a rigid endoscope. In further embodiments, the proximity sensor includes a contact indicator. In still further embodiments, the proximity sensor is selectable from the group consisting of a force sensor, an optical sensor, and an electrical sensor.

[0010] В одном варианте осуществления первый датчик магнитного поля выполнен с возможностью разъемного прикрепления к проксимальному концу жесткого хирургического инструмента. В другом варианте осуществления калибровочное устройство выполнено с возможностью размещения на контрольном объекте. В дополнительных вариантах осуществления контрольный объект включает в себя поверхность живого организма.[0010] In one embodiment, the first magnetic field sensor is releasably attachable to the proximal end of a rigid surgical instrument. In another embodiment, the calibration device is configured to be placed on the test object. In additional embodiments, the control object includes the surface of a living organism.

[0011] В некоторых вариантах осуществления аппарат включает в себя дисплей, выполненный с возможностью представления визуальной индикации местоположения дистального конца инструмента внутри организма. В дополнительных вариантах осуществления аппарат включает в себя запоминающее устройство, при этом процессор выполнен с возможностью сохранения в запоминающем устройстве вычисленного правила преобразования и считывания с запоминающего устройства правила преобразования. В еще дополнительных вариантах осуществления правило преобразования включает в себя ориентацию и расстояние между местоположением первого датчика магнитного поля и местоположением дистального конца.[0011] In some embodiments, the apparatus includes a display configured to present a visual indication of the location of the distal end of the instrument within the body. In additional embodiments, the apparatus includes a memory, wherein the processor is configured to store the computed transformation rule in the memory and read the transformation rule from the memory. In still further embodiments, the translation rule includes the orientation and distance between the location of the first magnetic field sensor and the location of the distal end.

[0012] Кроме того, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечен способ, включающий в себя прием от первого датчика магнитного поля, прикрепленного к проксимальному концу жесткого хирургического инструмента, сигналов первого местоположения, реагирующих на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через первый датчик магнитного поля, прием от второго датчика магнитного в калибровочном устройстве сигналов второго местоположения, реагирующих на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через второй датчик магнитного поля, прием от датчика приближения в калибровочном устройстве сигнала приближения, указывающего на контакт с калибровочным устройством, определение с помощью процессора соответствующих координат местоположения и ориентации датчиков магнитного поля на основании сигналов, вычисление правила преобразования координат первого датчика магнитного поля и дистального конца инструмента, приводимого в контакт с калибровочным устройством, и последующее применение правила преобразования вместе с координатами первого датчика магнитного поля при обеспечении визуальной индикации местоположения дистального конца инструмента, введенного в живой организм.[0012] In addition, in accordance with an embodiment of the present invention, a method is provided, including receiving, from a first magnetic field sensor attached to the proximal end of a rigid surgical instrument, first location signals responsive to a magnetic field generated by a magnetic field generator and passing through the first magnetic field sensor, receiving from the second magnetic sensor in the calibration device signals of the second location responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the second magnetic field sensor, receiving from the proximity sensor in the calibration device a proximity signal indicating contact with the calibration device , determining with the help of the processor the corresponding coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals, calculating the rule for transforming the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool ct with a calibration device, and the subsequent application of the transformation rule along with the coordinates of the first magnetic field sensor, while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument introduced into a living organism.

[0013] В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения дополнительно обеспечен компьютерный программный продукт, используемый совместно с жестким хирургическим инструментом, имеющим первый датчик магнитного поля, прикрепленный к проксимальному концу жесткого хирургического инструмента, при этом продукт включает в себя энергонезависимый машиночитаемый носитель, на котором хранятся программные команды, при этом команды при их считывании компьютером инициируют прием компьютером от первого датчика магнитного поля сигналов первого местоположения, реагирующих на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через первый датчик магнитного поля, прием от второго датчика магнитного в калибровочном устройстве сигналов второго местоположения, реагирующих на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через второй датчик магнитного поля, прием от датчика приближения в калибровочном устройстве сигнала приближения, указывающего на контакт с калибровочным устройством, определение соответствующих координат местоположения и ориентации датчиков магнитного поля на основании сигналов, вычисление правила преобразования координат первого датчика магнитного поля и дистального конца инструмента, приводимого в контакт с калибровочным устройством, и последующее применение правила преобразования вместе с координатами первого датчика магнитного поля при обеспечении визуальной индикации местоположения дистального конца инструмента, введенного в живой организм.[0013] In accordance with an embodiment of the present invention, a computer program product is further provided for use in conjunction with a rigid surgical instrument having a first magnetic field sensor attached to the proximal end of the rigid surgical instrument, the product including a non-volatile computer-readable medium on which are stored program commands, while the commands, when read by the computer, initiate the computer from the first magnetic field sensor receiving the first location signals that respond to the magnetic field created by the magnetic field generator and passing through the first magnetic field sensor, receiving the second location signals from the second magnetic sensor in the calibration device , responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the second magnetic field sensor, receiving from the proximity sensor in the calibration device a proximity signal indicating the contact CT with a calibration device, determining the appropriate coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals, calculating the transformation rule for the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool brought into contact with the calibration device, and then applying the transformation rule along with the coordinates of the first magnetic field sensor while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument introduced into a living organism.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS

[0014] Настоящее изобретение описано в данном документе на основе примера осуществления со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:[0014] The present invention is described herein based on an embodiment with reference to the accompanying drawings, where:

[0015] на Фиг. 1 представлено схематическое наглядное изображение медицинской системы, содержащей жесткий хирургический инструмент, имеющий разъемно прикрепленный датчик магнитного поля, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;[0015] in FIG. 1 is a schematic pictorial representation of a medical system comprising a rigid surgical instrument having a releasably attached magnetic field sensor, in accordance with an embodiment of the present invention;

[0016] на Фиг. 2 представлена блок-схема, которая схематично иллюстрирует способ вычисления калибровочного вектора для жесткого хирургического инструмента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;[0016] in FIG. 2 is a flowchart that schematically illustrates a method for calculating a calibration vector for a rigid surgical instrument, in accordance with an embodiment of the present invention;

[0017] на Фиг. 3 представлена блок-схема, которая схематично иллюстрирует способ использования калибровочного вектора для определения местоположения дистального конца жесткого хирургического инструмента, введенного в полость организма пациента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;[0017] in FIG. 3 is a block diagram that schematically illustrates a method for using a calibration vector to locate the distal end of a rigid surgical instrument inserted into a patient's body cavity, in accordance with an embodiment of the present invention;

[0018] на Фиг. 4 представлено схематическое наглядное изображение использования медицинской системы для выполнения процедуры в полости организма пациента в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и[0018] in FIG. 4 is a schematic pictorial representation of the use of a medical system to perform a procedure in a patient's body cavity, in accordance with an embodiment of the present invention; and

[0019] на Фиг. 5 представлено схематическое наглядное изображение дистального конца жесткого хирургического инструмента, введенного в полость организма пациента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.[0019] in FIG. 5 is a schematic pictorial representation of the distal end of a rigid surgical instrument inserted into a patient's body cavity, in accordance with an embodiment of the present invention.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0020] Во время отоларингологической процедуры с использованием жесткого хирургического инструмента, такого как жесткий эндоскоп, важно следить за дистальным концом инструмента, который может быть недоступен для прямого обзора во время процедуры. Одним из способов выполнения такого слежения является внедрение датчика магнитного поля в дистальный конец инструмента. Тем не менее существует множество инструментов, которые не имеют таких датчиков на дистальных концах, и при этом модернизация такого датчика является непрактичной.[0020] During an ENT procedure using a rigid surgical instrument, such as a rigid endoscope, it is important to monitor the distal end of the instrument, which may not be directly visible during the procedure. One way to accomplish this tracking is to embed a magnetic field sensor into the distal end of the instrument. However, there are many instruments that do not have such sensors at their distal ends, and upgrading such a sensor is impractical.

[0021] В вариантах осуществления настоящего изобретения обеспечены системы и способы калибровки датчика магнитного поля, который выполнен с возможностью разъемного прикрепления к жесткому хирургическому инструменту. Как описано ниже в настоящем документе, система включает в себя генератор магнитного поля, первый датчик магнитного поля, калибровочное устройство и блок управления, Первый датчик магнитного поля предназначен для крепления к проксимальному концу жесткого хирургического инструмента, выполненного с возможностью введения в живой организм, а калибровочное устройство включает в себя второй датчик магнитного поля и датчик приближения, причем первый и второй датчики поля генерируют соответствующие сигналы местоположения, реагирующие на магнитное поле, создаваемое генератором магнитного поля и проходящее через датчики. Датчик приближения генерирует сигнал приближения, указывающий на контакт с калибровочным устройством.[0021] Embodiments of the present invention provide systems and methods for calibrating a magnetic field sensor that is releasably attachable to a rigid surgical instrument. As described hereinafter, the system includes a magnetic field generator, a first magnetic field sensor, a calibration device, and a control unit. the device includes a second magnetic field sensor and a proximity sensor, wherein the first and second field sensors generate respective location signals responsive to a magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the sensors. The proximity sensor generates a proximity signal indicating contact with the calibration device.

[0022] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, блок управления принимает сигналы от всех датчиков, определяет соответствующие координаты местоположения и ориентации датчиков магнитного поля на основании сигналов, вычисляет правило преобразования координат первого датчика магнитного поля и дистального конца инструмента, который приводят в контакт с калибровочным устройством, и затем применяет правило преобразования вместе с координатами первого датчика магнитного поля при обеспечении визуальной индикации местоположения дистального конца инструмента внутри организма.[0022] In the embodiments described herein, the control unit receives signals from all sensors, determines the appropriate coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals, calculates a rule for transforming the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool that is brought into contact with the calibration device, and then applies the transformation rule along with the coordinates of the first magnetic field sensor while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument within the body.

ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫSYSTEM DESCRIPTION

[0023] На Фиг. 1 представлено схематичное наглядное изображение медицинской системы 20, содержащей жесткий хирургический инструмент 22, калибровочное устройство 24 и пульт 26 управления, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, предполагается, что жесткий хирургический инструмент 22 используют для диагностического или терапевтического лечения, такого как малоинвазивная хирургия пазух пациента (не показан) на основе катетера. В альтернативном варианте осуществления жесткий хирургический инструмент 22 могут использовать mutatis mutandis для других терапевтических и/или диагностических целей.[0023] In FIG. 1 is a schematic pictorial representation of a medical system 20 comprising a rigid surgical instrument 22, a calibration device 24, and a control panel 26, in accordance with an embodiment of the present invention. In the embodiments described herein, it is contemplated that the rigid surgical instrument 22 is used for diagnostic or therapeutic treatment, such as minimally invasive catheter-based sinus surgery on a patient (not shown). In an alternative embodiment, the rigid surgical instrument 22 may be used mutatis mutandis for other therapeutic and/or diagnostic purposes.

[0024] Жесткий хирургический инструмент 22 содержит жесткую вводимую трубку 28, прикрепленную к рукоятке 30, которая выполнена с возможностью удерживания и манипулирования медицинским специалистом 32, чтобы вводить дистальный конец 34 вводимой трубки в полость, такую как носовая полость или околоносовая пазуха пациента (не показан). Жесткий хирургический инструмент 22 также содержит первый датчик 36 магнитного поля, прикрепленный к проксимальному концу 38 хирургического инструмента. В некоторых вариантах осуществления первый датчик 36 магнитного поля выполнен с возможностью разъемного прикрепления к проксимальному концу 38. В конфигурации, показанной на Фиг. 1, первый датчик 36 магнитного поля размещен внутри съемного фиксатора 40, который соединяют с рукояткой 30 и вводимой трубкой 28.[0024] The rigid surgical instrument 22 includes a rigid insertion tube 28 attached to a handle 30 that is capable of being held and manipulated by a healthcare professional 32 to insert the distal end 34 of the insertion tube into a cavity such as the nasal cavity or paranasal sinus of a patient (not shown). ). The rigid surgical instrument 22 also includes a first magnetic field sensor 36 attached to the proximal end 38 of the surgical instrument. In some embodiments, the first magnetic field sensor 36 is releasably attachable to the proximal end 38. In the configuration shown in FIG. 1, a first magnetic field sensor 36 is housed within a removable retainer 40 that is connected to the handle 30 and the insertion tube 28.

Калибровочное устройство 24 содержит второй датчик 42 магнитного поля и датчик 44 приближения. В некоторых вариантах осуществления датчик 44 приближения содержит индикатор контакта, который генерирует сигналы приближения, которые могут обеспечивать индикацию при касании датчика приближения. Например, датчик 44 приближения может содержать датчик усилия, который указывает на контакт за счет изменения усилия, оптический датчик, который указывает на контакт за счет изменения интенсивности света, или электрический датчик, который указывает на контакт за счет изменения электрического параметра, такого как ток.The calibration device 24 includes a second magnetic field sensor 42 and a proximity sensor 44 . In some embodiments, the proximity sensor 44 includes a contact indicator that generates proximity signals that can provide an indication when the proximity sensor is touched. For example, proximity sensor 44 may include a force sensor that indicates contact by changing force, an optical sensor that indicates contact by changing light intensity, or an electrical sensor that indicates contact by changing an electrical parameter such as current.

[0025] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, в медицинской системе 20 используется определение местоположения посредством магнитных полей для определения координат местоположения дистального конца 34 хирургического инструмента 22. Для применения определения местоположения посредством магнитных полей пульт 26 управления содержит цепь 46 привода, которая приводит в действие генераторы 48 поля (также собирательно именуемые в настоящем документе генератором магнитного поля) для создания магнитных полей в трехмерном (3D) объеме над столом 50, при этом 3D объем включает в себя калибровочное устройство 24. Как правило, генераторы 48 поля содержат катушки, которые расположены ниже калибровочного устройства 24 в известных местоположениях снаружи относительно калибровочного устройства.[0025] In the embodiments described herein, the medical system 20 uses magnetic field location to determine the location coordinates of the distal end 34 of surgical instrument 22. To apply magnetic field location, control console 26 includes a drive circuit 46 that drives field generators 48 (also collectively referred to herein as a magnetic field generator) are operated to generate magnetic fields in a three-dimensional (3D) volume above table 50, the 3D volume including a calibration device 24. Typically, field generators 48 comprise coils, which are located below the calibration device 24 at known locations external to the calibration device.

[0026] В дополнение к цепи 46 привода пульт 26 управления содержит процессор 52, коммуникационный интерфейс 54 ввода/вывода (I/O) и запоминающее устройство 56. Запоминающее устройство 56 может содержать любое приемлемое энергозависимое и/или энергонезависимое запоминающее устройство, такое как оперативное запоминающее устройство, жесткий диск или твердотельный диск. Коммуникационный интерфейс 54 I/O позволяет пульту управления передавать сигналы от датчиков 36 и 42 магнитного поля и датчика 44 приближения или на них. Датчики 36 и 42 магнитного поля, датчик 44 приближения и процессор 52 - все соединены с коммуникационным интерфейсом 54 I/O посредством проводных и/или беспроводных соединений.[0026] In addition to the drive circuit 46, the controller 26 includes a processor 52, an input/output (I/O) communication interface 54, and a storage device 56. The storage device 56 may comprise any suitable volatile and/or non-volatile storage device, such as random access memory. storage device, hard drive or solid state drive. Communication interface 54 I/O allows the control panel to transmit signals from the sensors 36 and 42 of the magnetic field and the proximity sensor 44 or to them. The magnetic field sensors 36 and 42, the proximity sensor 44 and the processor 52 are all connected to the I/O communication interface 54 via wired and/or wireless connections.

[0027] В некоторых вариантах осуществления каждый из датчиков магнитного поля содержит комплект из трех ортогональных сенсорных катушек, а генераторы 48 поля содержат три ортогонально ориентированных генераторных катушки. Генераторные катушки обеспечивают передачу изменяющихся магнитных полей в область в 3D объеме, при этом изменяющиеся магнитные поля проходят через датчики магнитного поля и индуцируют в них сигналы, при этом процессор 52 может анализировать эти сигналы для определения местоположения и ориентации датчиков магнитного поля (например, относительно катушек в генераторе 48 поля) в координатной системе 58, содержащей ось 60 X, ось 62 Y и ось 64 Z. Способы отслеживания местоположения посредством магнитных полей описаны, например, в патентах США 5,391,199, 6,690,963, 5,443,489, 6,788,967, 5,558,091, 6,172,499 и 6,177,792, содержание которых включено в настоящий документ путем ссылки.[0027] In some embodiments, each of the magnetic field sensors comprises a set of three orthogonal sensor coils, and the field generators 48 comprise three orthogonally oriented generator coils. The generator coils provide the transmission of changing magnetic fields to a region in a 3D volume, while changing magnetic fields pass through the magnetic field sensors and induce signals in them, while the processor 52 can analyze these signals to determine the location and orientation of the magnetic field sensors (for example, relative to the coils in a field generator 48) in a coordinate system 58 comprising an x-axis 60, a y-axis 62, and a z-axis 64. Methods for tracking location by means of magnetic fields are described, for example, in US Pat. the contents of which are incorporated herein by reference.

[0028] В вариантах осуществления настоящего изобретения процессор 52 обеспечивает калибровку жесткого хирургического инструмента 22 путем вычисления оправила преобразования координат первого датчика магнитного поля и дистального конца 34. В некоторых вариантах осуществления процессор 52 может сохранять в запоминающем устройстве 56 правило преобразования в виде калибровочного вектора 66, соответствующего смещению между первым датчиком магнитного поля и дистальным концом 34. Во время калибровки процессор 52 приводит в действие дисплей 68 (например, светодиодный монитор) для представления информации 70 о местоположении для датчиков магнитного поля и правила преобразования.[0028] In embodiments of the present invention, processor 52 calibrates rigid surgical instrument 22 by computing a transformation rule for the coordinates of the first magnetic field sensor and distal end 34. In some embodiments, processor 52 may store the transformation rule in memory 56 as a calibration vector 66, corresponding to the offset between the first magnetic field sensor and the distal end 34. During calibration, the processor 52 drives a display 68 (eg, an LED monitor) to present position information 70 for the magnetic field sensors and a conversion rule.

[0029] Процессор 52, как правило, содержит компьютер общего назначения с приемлемыми цепями входного каскада и интерфейса для приема сигналов от жесткого хирургического инструмента 22, калибровочного устройства 24 и управления другими компонентами пульта 26 управления. Для выполнения описанных в настоящем документе функций на процессоре 52 может быть установлено программное обеспечение. Программное обеспечение может быть загружено в пульт 26 управления в электронной форме, например по сети, или оно может быть предоставлено на энергонезависимом материальном носителе, таком как оптический, магнитный или электронный носитель информации. В альтернативном варианте осуществления некоторые или все функции процессора 52 могут осуществляться специализированными или программируемыми компонентами цифровых аппаратных средств.[0029] The processor 52 typically includes a general purpose computer with suitable front end and interface circuits for receiving signals from the rigid surgical instrument 22, calibration device 24, and controlling other components of the control console 26. Software may be installed on the processor 52 to perform the functions described herein. The software may be downloaded to the control panel 26 in electronic form, such as over a network, or it may be provided on a non-volatile tangible medium such as an optical, magnetic or electronic storage medium. In an alternative embodiment, some or all of the functions of processor 52 may be performed by dedicated or programmable digital hardware components.

КАЛИБРОВКА ЖЕСТКОГО ХИРУРГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТАRIGID SURGICAL INSTRUMENT CALIBRATION

[0030] На Фиг. 2 представлена блок-схема, которая схематично иллюстрирует способ калибровки жесткого хирургического инструмента 22 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На стадии 80 размещения медицинский специалист 32 помещает калибровочное устройство 24 на стол 50, и на стадии 82 прикрепления медицинский специалист прикрепляет первый датчик 36 магнитного поля к проксимальному концу 38 жесткого хирургического инструмента 22. В примере, показанном на Фиг. 1, медицинский специалист 32 прикрепляет датчик магнитного поля посредством прикрепления одного конца съемного фиксатора 40 к рукоятке 30 и прикрепления другого конца съемного фиксатора к вводимой трубке 28.[0030] In FIG. 2 is a flow diagram that schematically illustrates a method for calibrating a rigid surgical instrument 22 in accordance with an embodiment of the present invention. In the placement step 80, the medical professional 32 places the calibration device 24 on the table 50, and in the attachment step 82, the medical professional attaches the first magnetic field sensor 36 to the proximal end 38 of the rigid surgical instrument 22. In the example shown in FIG. 1, the medical professional 32 attaches the magnetic field sensor by attaching one end of the detachable fixture 40 to the handle 30 and attaching the other end of the detachable fixture to the insertion tube 28.

[0031] После размещения калибровочного устройства 24 на столе 50 и прикрепления первого датчика 36 магнитного поля к проксимальному концу 38 медицинский специалист манипулирует рукояткой 30 таким образом, чтобы дистальный конец 34 вводимой трубки 28 перемещался по направлению к калибровочному устройству. На первой стадии 84 приема процессор 52 принимает сигнал первого местоположения от первого датчика 36 магнитного поля, и на второй стадии 86 приема процессор принимает сигнал контакта от датчика 44 приближения и сигнал второго местоположения от второго датчика 42 магнитного поля.[0031] After placing the calibration device 24 on the table 50 and attaching the first magnetic field sensor 36 to the proximal end 38, the medical professional manipulates the handle 30 so that the distal end 34 of the insertion tube 28 moves towards the calibration device. In a first receive stage 84, processor 52 receives a first location signal from first magnetic field sensor 36, and in a second receive stage 86, processor receives a contact signal from proximity sensor 44 and a second location signal from second magnetic field sensor 42.

[0032] На стадии 88 сравнения, если сигнал контакта не указывает на контакт (например, посредством дистального конца 34) с калибровочным устройством 24, способ возвращают к стадии 84. Однако если сигнал контакта указывает на контакт с калибровочным устройством 24, то на стадии 90 определения процессор 52 определяет на основании сигналов местоположения координаты местоположения и ориентации для датчиков 36 и 42 магнитного поля. На стадии 92 вычисления процессор 52 вычисляет на основании установленной длины вводимой трубки 28 правило преобразования координат местоположения и ориентации для датчика 36 магнитного поля и дистального конца 34. В некоторых вариантах осуществления правило преобразования содержит ориентацию и расстояние между местоположениями первого датчика 36 магнитного поля и дистального конца 34 в координатной системе 58.[0032] At step 88, if the contact signal does not indicate contact (for example, via the distal end 34) with the calibration device 24, the method returns to step 84. However, if the contact signal indicates contact with the calibration device 24, then at step 90 the determination processor 52 determines, based on the location signals, the location and orientation coordinates for the magnetic field sensors 36 and 42. In calculation step 92, the processor 52 calculates, based on the length of the insertion tube 28, a location and orientation coordinate transformation rule for the magnetic field sensor 36 and the distal end 34. In some embodiments, the transformation rule comprises the orientation and distance between the locations of the first magnetic field sensor 36 and the distal end 34 in the 58 coordinate system.

[0033] И, наконец, на стадии 94 сохранения процессор 52 сохраняет в запоминающем устройстве 56 правило преобразования, и способ завершается. В некоторых вариантах осуществления процессор может сохранять в запоминающем устройстве 56 правило преобразования в виде калибровочного вектора 66.[0033] Finally, in the save step 94, the processor 52 stores the transform rule in the memory 56 and the method ends. In some embodiments, the processor may store the transformation rule in memory 56 as a calibration vector 66.

[0034] На Фиг. 3 представлена блок-схема, которая схематически изображает способ отображения дистального конца 34 жесткого хирургического инструмента на дисплее 68; на Фиг. 4 представлено схематическое наглядное изображение медицинского специалиста 32, использующего медицинскую систему 20 для выполнения процедуры на пациенте 120 (также именуемом в настоящем документе живым организмом); и на Фиг. 5 представлено схематическое наглядное изображение дистального конца 34 жесткого хирургического инструмента внутри головы 130 пациента в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления калибровочное устройство 24 выполнено с возможностью размещения на пациенте 120, как правило, перед процедурой или во время ее проведения. Следует понимать, что калибровочное устройство 24 выполнено с возможностью размещения на любом контрольном объекте, таком как стол 50 или пациент 120, при условии, что сигналы от датчика 42 магнитного поля, генерируемые в ответ на поля, создаваемые генераторами 48, позволяют процессору 52 измерять местоположение и ориентацию калибровочного устройства.[0034] In FIG. 3 is a block diagram that schematically depicts a method for displaying the distal end 34 of a rigid surgical instrument on a display 68; in FIG. 4 is a schematic pictorial representation of a medical professional 32 using a medical system 20 to perform a procedure on a patient 120 (also referred to herein as a living organism); and in FIG. 5 is a schematic pictorial representation of the distal end 34 of a rigid surgical instrument within a patient's head 130 in accordance with an embodiment of the present invention. In some embodiments, calibration device 24 is configured to be placed on patient 120, typically prior to or during a procedure. It should be understood that the calibration device 24 is configured to be placed on any test object, such as table 50 or patient 120, provided that the signals from the magnetic field sensor 42 generated in response to the fields generated by the generators 48 allow the processor 52 to measure the location and orientation of the calibration device.

[0035] Во время процедуры генераторы 48 магнитного поля передают изменяющиеся магнитные поля в заранее определенный рабочий объем, который содержит полость, такую как околоносовая пазуха пациента 120, при этом изменяющиеся магнитные поля индуцируют сигналы в первом датчике 36 магнитного поля, а процессор 52 анализирует эти сигналы для определения местоположения и ориентации первого датчика магнитного поля относительно генератора магнитного поля. Кроме того, во время процедуры процессор 52 может отображать на дисплее 68 информацию о процедуре, такую как изображение 122, которое показывает текущее местоположение дистального конца 34 внутри пациента 120. В некоторых вариантах осуществления пульт 26 управления может содержать одно или более устройств 124 ввода, которые медицинский специалист может использовать во время процедуры, чтобы манипулировать изображением.[0035] During the procedure, the magnetic field generators 48 transmit changing magnetic fields into a predetermined working volume that contains a cavity, such as the paranasal sinus of the patient 120, while the changing magnetic fields induce signals in the first magnetic field sensor 36, and the processor 52 analyzes these signals for determining the location and orientation of the first magnetic field sensor relative to the magnetic field generator. In addition, during the procedure, the processor 52 may display on the display 68 information about the procedure, such as an image 122 that shows the current location of the distal end 34 within the patient 120. In some embodiments, the control console 26 may include one or more input devices 124 that the medical professional can use during the procedure to manipulate the image.

[0036] На стадии 100 считывания процессор 52 считывает калибровочный вектор 66 из запоминающего устройства 56, и на стадии 102 введения медицинский специалист 32 вводит дистальный конец вводимой трубки 28 в полость организма пациента 120. В примере, показанном на Фиг. 5, полость организма содержит полость 132 пазухи в голове 130.[0036] In read step 100, processor 52 reads calibration vector 66 from memory 56, and in insertion step 102, medical professional 32 inserts the distal end of insertion tube 28 into the body cavity of patient 120. In the example shown in FIG. 5, the body cavity contains a sinus cavity 132 in the head 130.

[0037] На стадии 104 приема процессор 52 принимает сигнал местоположения от первого датчика 36 магнитного поля, и на стадии 106 определения процессор определяет на основании полученного сигнала местоположения с использованием описанных выше вариантов осуществления координаты местоположения и ориентации в координатной системе 58 для первого датчика магнитного поля. На стадии 108 вычисления процессор 52 использует определенные координаты местоположения и ориентации и правило преобразования калибровочного вектора 66 для вычисления координат местоположения и ориентации для дистального конца 34. Наконец, на стадии 110 визуализации процессор 52 использует вычисленные координаты местоположения и ориентации для обеспечения на изображении 122 визуальной индикации дистального конца 34 в пациенте 122, и способ завершается.[0037] In the receive step 104, the processor 52 receives the location signal from the first magnetic field sensor 36, and in the determine step 106, the processor determines, based on the received location signal using the embodiments described above, the location and orientation coordinates in the coordinate system 58 for the first magnetic field sensor . In calculation step 108, processor 52 uses the determined location and orientation coordinates and the transformation rule of calibration vector 66 to calculate location and orientation coordinates for distal end 34. Finally, in rendering step 110, processor 52 uses the computed location and orientation coordinates to provide a visual indication on image 122 distal end 34 in patient 122 and the method is completed.

[0038] Следует понимать, что описанные выше варианты осуществления приведены лишь для примера, и что настоящее изобретение не ограничено вариантами, показанными и подробно описанными в настоящем документе выше. Напротив, объем настоящего изобретения включает в себя и комбинации, и подкомбинации различных элементов, описанных в настоящем документе выше, а также их варианты и модификации, которые могут быть предложены специалистами в данной области после прочтения приведенного выше описания и которые не были описаны на предшествующем уровне техники.[0038] It should be understood that the embodiments described above are by way of example only, and that the present invention is not limited to the embodiments shown and described in detail herein above. On the contrary, the scope of the present invention includes both combinations and subcombinations of the various elements described herein above, as well as variations and modifications thereof, which may be suggested by those skilled in the art upon reading the above description and which have not been described in the prior art. technology.

Claims

1. An apparatus for calibrating a magnetic field sensor attached to a rigid surgical instrument, comprising:

magnetic field generator;

a first magnetic field sensor attached to a proximal end of a rigid surgical instrument capable of being inserted into a living body;

a calibration device including a second magnetic field sensor and a proximity sensor, wherein the first and second field sensors generate respective location signals responsive to a magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the sensors, wherein the proximity sensor generates a proximity signal indicative of contact with the calibration device; and

the control unit, which receives signals from all sensors, determines the corresponding coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals, calculates a transformation rule for the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool that is brought into contact with the calibration device, and then applies the transformation rule together with the coordinates of the first magnetic field sensor while providing a visual indication of the location of the distal end of the tool inside the body.

2. The apparatus of claim 1, wherein the rigid surgical instrument comprises a rigid endoscope.

3. The apparatus of claim 1, wherein the proximity sensor includes a contact indicator.

4. The apparatus of claim 3, wherein the proximity sensor is selected from the group consisting of a force sensor, an optical sensor, and an electrical sensor.

5. The apparatus of claim 1, wherein the first magnetic field sensor is releasably attachable to the proximal end of the rigid surgical instrument.

6. Apparatus according to claim 1, in which the calibration device is configured to be placed on the control object.

7. Apparatus according to claim 6, wherein the test object comprises the surface of a living organism.

8. The apparatus of claim 1, comprising a display capable of presenting a visual indication of the location of the distal end of the instrument within the body.

9. The apparatus of claim 1, comprising a storage device, wherein the processor is configured to store the computed transformation rule in the storage device and read the transformation rule from the storage device.

10. The apparatus of claim 1, wherein the translation rule includes an orientation and a distance between the location of the first magnetic field sensor and the location of the distal end.

11. A method for calibrating a magnetic field sensor attached to a rigid surgical instrument, comprising the steps of:

receive from the first magnetic field sensor attached to the proximal end of the rigid surgical instrument, the first location signals responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the first magnetic field sensor;

receive from the second magnetic field sensor in the calibration device signals of the second location, responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the second magnetic field sensor;

receiving from a proximity sensor in the calibration device a proximity signal indicating contact with the calibration device;

determine by the processor the appropriate coordinates of the location and orientation of the magnetic field sensors based on the signals;

calculate the rule for transforming the coordinates of the first magnetic field sensor and the distal end of the tool brought into contact with the calibration device; and

subsequently applying the transformation rule along with the coordinates of the first magnetic field sensor while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument introduced into the living organism.

12. The method of claim 11 wherein the rigid surgical instrument comprises a rigid endoscope.

13. The method of claim 11 wherein the proximity sensor includes a contact indicator.

14. The method of claim 13, wherein the proximity sensor is selected from the group consisting of a force sensor, an optical sensor, and an electrical sensor.

15. The method of claim 11 wherein the first magnetic field sensor is releasably attached to the proximal end of the rigid surgical instrument.

16. The method of claim 11, wherein the calibration device is placed on the test object.

17. The method of claim 11 wherein presenting the visual indication includes presenting on a display the location of the distal end of the instrument within the body.

18. The method of claim 11, comprising storing the computed transformation rule in a memory and subsequently reading the transformation rule from the memory.

19. The method of claim 11, wherein the transformation rule comprises an orientation and distance between the location of the first magnetic field sensor and the location of the distal end.

20. A non-volatile computer-readable medium that stores program instructions of a computer software product used in conjunction with a rigid surgical instrument having a first magnetic field sensor attached to the proximal end of the rigid surgical instrument, wherein the commands, when read by a computer, initiate:

receiving by the computer from the first magnetic field sensor the first location signals responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the first magnetic field sensor;

receiving from the second magnetic field sensor in the calibration device second location signals responsive to the magnetic field generated by the magnetic field generator and passing through the second magnetic field sensor;

receiving from a proximity sensor in the calibration device a proximity signal indicative of contact with the calibration device;

determining appropriate location and orientation coordinates of the magnetic field sensors based on the signals;

calculating a coordinate transformation rule for the first magnetic field sensor and the distal end of the tool brought into contact with the calibration device; and

then applying the transformation rule along with the coordinates of the first magnetic field sensor, while providing a visual indication of the location of the distal end of the instrument introduced into the living organism.