TW200804854A - System for local error compensation in electromagnetic tracking systems - Google Patents

Description

200804854 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示案係關於一用於醫療步¥ 商黡衷置中之電磁追蹤系統 (EMTS)，更明確地，係關於全屬 ^ ^ 至屬失真錯誤補償系統，及 在一醫療環境中準確追蹤之方法。 【先前技術】

/小限度的侵人性醫療程序之結果可經由使用電.磁追縱 糸統_TS)追蹤醫療儀器之位置並於醫療影像上顯示此 資訊來改進，從而幫助引導醫療儀器至解剖中之一目標位 置。贿S通常使用-電磁場產生器以於進行程序的地點 及-包含適當的感應器線圈之醫療儀器或裝置處產生一區 域電磁場。電流在感應器線圈中感生，其為感應器線圈相 對於電磁場產生器之位置及方位函數。EMTS以感生的電 流為基礎來計算感應器線圈之位置，並因而計算醫療儀器 之位置。EMTS之一特別的優點為不需用視線決定/監控儀 器之位置或移動’從而使其特別適於追蹤解剖内部之針頭 或導管。 在醫療環境中使用EMTS的主要問題之一是鄰近電磁場 之金屬導電或鐵磁物體之存在。這些物體引起失真或人為 金屬產物，其在醫療儀器之位置及方位追蹤中產生錯誤。 能夠承受一醫療程序的床台（tabk)或平台（pl atf〇rm)常為金 屬失真之主要來源。然而，其他物體（例如：電騰斷層掃 瞄構臺（CT gantry)、X光或C型手臂）亦可引起及/或提供失 真。在臨床醫生對儀器方位的評估/ 了解中，這類的失真 118161.doc 200804854 及相關的錯誤可直接並負面地影響使用EMTS之醫療程序 的結果。當前，因為EMTS之位置及方位的準確性在金屬 失真存在時無法保證，EMTS之臨床效用因而受限。

Khalfm等人之美國專利第6,4〇〇，139號揭示具失真補償 功能之電磁位置及方位追蹤方法/設備。更明確地說， Khaifin的139專利揭示使用至少一稱為「見證感應器」之 固定式感應器之方法/設備，該感應器具有一接近或在容 積内部之固定的位置及方位以說明電磁失真。一或多個探 針感應器被放置在容積内部欲追蹤的物體之上，且各見證 感應器的輪出用於計算一非真正有效的電磁來源之參數。 有效來源之參數用作如同由各探針感應器所測量之位置及 方位計算之輸入，猶如物體位於由一或多個有效來源產生 之無失真的電磁場中。 儘管努力迄今，對有效補償金屬失真之系統及方法之需 求仍然存在’並由此改進一醫療/臨床環境中之的準 確性及7或可靠度。此外，對改進EMTS效能以使心臟及血 官應用中之導管追蹤、腫瘤學應用（例如：針刺切片檢 查、射頻腫瘤燒灼法（RFA)、冷凍治療法（Cryoablati〇n)、 攝羞腺癌療法等）能有效並可靠地達成之系統/方法之需求 、、子在這些及其他需求由此處揭不的糸統及方法來滿 足。 【發明内容】 本揭不案針對用於應付在例如··醫療及/或外科程序中 使用一電磁追蹤系統（EMTS)而存在及/或遭遇到的金屬失 118161.doc 200804854 真之錯誤補償系統及設備。根摅一 -μ 很蘇不範的具體實施例，所 揭示的EMTS包括一適於產生_雷 冤磁場之電磁場產生器。 電磁場產生器通常適於放置在_醫療/外科m床環境°中， 以使由此產生的電磁場可用於追蹤來自電磁感應器及適合 的電磁感應器線圈之感應器資料。 • 1才所揭不的感應器線圈典 型地肷入於一醫療裝置或其他欲 . — 5丨入至臨床裱境之結構/ 元件中’從而允許位置及方你咨 万位貝枓在醫療裝置或其他結構 • 整個放在或部分放在一解剖内時進行追蹤。-錯誤補償函 數由與所揭示的系統/方法相關之錯誤補償工具產生，而 由此產生的錯誤補償則應用至鱼嫛 兴酉療褒置或其他結構相關 之位置及方位資料以準確的追縱 ^ 錯块補償資訊可顯示於 -成像系統上、儲存於電腦記憶體中及/或列印出來。 根據本揭示案之-示範的具體實施例，所揭示的錯誤校 正工具包括複數個固定於一已知/預定的幾何配置中之電 磁感應器。較佳地，錯誤妨$ 、 筇々杈正工具是位於或方位於圍繞關

• 注的區域範圍，亦即，骚底 L ^療、外科及/或診斷程序欲發生 的臨床/解剖部位。在—較佳的具體實施例中，—光學追 縱感應器附加在錯誤校正工具以獲得更高的準確性。光學 $蹤感應器通常不受金屬失真的影響，且其位置及方位對 至/ _在錯决权正工具上之電磁感應器是固定且已知 的。 在本揭示案之另一示範的具體實施例中，先前技術的 EMTS相關問題經由產生考慮到產生器及/或床台之自由移 動之失真對映來克服。此具體實施例利用一適於追縱來自 US161.doc 200804854 -罝在電磁％屋生器及用於醫療/外科程序中之床△上之 光學感應器的位置資料之光學追縱系統。一方位系統用於 移動-EMTS感應器至不同位置以幫助失真資料之對映。 此產生對彼此相對的床台及場產生器之不同位置之數種可 能的失真對映。如此，-單_的綜合對映因而獲得，且根 據本揭示案’床台及/或場產生器在程序期間及/或在程序 及程序間之隨後的移動不會負面地影響所揭示的贿以 可罪度及/或準確性。更確切地，根據本揭示案之一示範 ，實施例’提供一成像系統，其適於顯示有利地由失 真對映加以補償之醫療裝置或其他結構之追縱資訊。 關於所揭示的系統及方法之額外的特性、功能及優點將 文之敘述而可更加明白，尤其當與相關之附加圖式丘 讀時。 /、 【實施方式】 本揭示案提供用於醫療裝置及其他結構之 =系統⑽叫。所揭示的系統/方法提供金屬失真錯誤補 而幫助準確追縱-醫療/外科環境中的這類裝置/結 一二:由有效地補償金屬失真’所揭示的系統及方法改進 商^臨床環境中之EMTS的準確性及/或可靠度。舉例來 及血L^EMTS效能被提供’以致使有效及可靠的心臟 ,應用中之導管追縱、腫瘤學應用(例如：針刺切片 ::二=瘤燒灼法⑽A)、冷珠治療法、攝護腺癌療 及其類似物等）。 最初参照圖1 ’所說明的是具有電磁場產生器η之電磁 118161.doc 200804854 錢系統（EMTS)1G。在—第-具體實施例中，產生器η產 生一能夠追縱來自電磁感應器13及醫療装置14之感應器資 枓之區域電磁場。在一醫療/外科程序進行期間’裝置14 ’、尘地牙入皮膚下方之解剖物15至一目標位置。一電磁感

應裔線圈嵌入^g 1 d L ☆Μ 14之上。-電流在感應器線圈中感 生，其為感應器線圈相對於電磁場產生器u之位置及方位 函數。感應器線圈由產生器_生之區域電磁場來積測。 來自感應器線圈之感應器資料顯示於成像系統16之上。成 像系統16可包括，但不限於，典型在一醫療環境中之一具 有電腦的營幕。此資料由感應器線圈之位置及方位組成， 如此則醫療裝置14之位置及方位可因而決定。醫療裝置可 為針頭、一導官、或任何移動穿過一解剖物之裝置。 具有電磁感應器13之錯誤校正工具12放在受關切之地點 周圍’典型位於進行醫療程序之位置上方。經由監控校正 工具12上之感應器π之位置讀數，得出一校正函數並將之 應用至感應器線圈之位置及方位資料。校正工具因此達成 對存在於環境中之金屬失真之區域錯誤補償。這些失真常 見於電腦斷層掃瞄（CT)、X光、及超音波環境中。 錯誤校正工具12典型地具有多個排列於一固定且已知的 t何配置中之電磁感應器。舉例來說’圖】顯示四個排列 為-正方形配置之感應器。在一示範的具體實施例中，電 磁感應器可排列於一 10公分χ1〇公分的正方形中。在一替 代之示範的配置中，只有三個感應器排列於一已知尺寸之 一角形中。在一較佳的具體實施例中，感應器彼此相對的 118161.doc -30 - 200804854 確切位置必須I兔 ..σί . —^ 、要為已矣。特別有用的是將感應器以程序進 灯中又關切地點周圍能夠被感應器圍繞之方式來排列。 揭示的系統及方法之示範的具體實施例，當工具 12放置在產生1 11之視域中時，位置讀數由感應器13取 、 得。如果金屬失真存在(且如所揭示般缺少校正功能），一 k ^個感應器之位置將是不正確的，而EMTS 10將無法正 確，硪別/轉譯幾何排列。不過，根據本揭示案，由於感 _ 應叩13之相對位置是固定且已知的，所揭示的系統及方法 幫助EMTS讀|x / + B . 认^ 數之杈正（亦即，無失真），從而產生正確的 幾何形狀。此校正接著可應用至醫療裝置14之位置讀數， 以此方式，工具之區域場將補償由金屬失真導致的錯誤。 雖然其可只使用電磁感應器執行錯誤校正，錯誤仍可因 為EMTS讀到的感應器之絕對位置在金屬失真存在時非為 已知而存在。在本揭示案之一較佳的具體實施例中，識別 至少一個感應器之絕對位置之方法致能所有感應器以之絕 _ S位置為已知/已決定。圖2說日月一示範的具體實施例，其 中光予追娘感應态2 6附加於錯誤校正工具2 2之上。光與 追蹤感應器26通常位於相對至少一個電磁感應器23之一固 疋且已知的位置。光學追蹤間隔及電磁追蹤間隔可註記至 成像系統27，從而對錯誤工具22提供一絕對位置參考。成 像系統27可包括，但不限於，一具有電腦/中央處理單元 之螢幕，如同已知用於醫療/外科環境中者。在此較佳的 具體實施例中，電磁感應器23之絕對位置產生錯誤工具之 一更準確的區域失真校正函數。 11816I.doc -11 - 200804854 置24之上。一電流在感應器線圈中感±，其為感應器線圈 相對於電磁場產生器21之位置及方位函數。感應器線圈由 產生器21產生之區域電磁場偵測。來自感應器線圈之感應 根據圖2，EMTS 20圖解說明並包括電磁場產生器2ι。 在此示範的具體實施例中’產生器21產生一區域電磁場， 其能夠追蹤來自電磁感應器23及醫療裝置24之感應器資 料。在一醫療/外科程序期間，裝置24典型地穿入皮膚^ 方之解剖物25至一目標位置。一電磁感應器線圈嵌入於裝

器資料顯示於成像系統27之上。此資料由感應器線圈之位 置及方位組成，如此則醫療裝置24之位置及方位可因而決 疋。醫療裝置可為一針頭、一導管、或任何移動穿過一解 剖物之裝置。 包括電磁感應器23之錯誤校正工具22放在受關切地點周 圍’典型地位於進行醫療程序之位置上方。經由監控校正 具上之感應器23之位置Ί買數，得出一校正函數並將之 應用至感應器線圈之位置及方位資料，從而達成對存在於 環境中之金屬失真之區域錯誤補償。這些失真常見於電腦 斷層掃瞄構臺、X光、及超音波環境中。 錯誤校正工具22典型地具有多個排列於一固定且已知的 幾何配置中之電磁感應器。舉例來說，圖2顯示四個排列 為一正方形配置之感應器。如參照圖1之具體實施例所提 到般’感應器可排列於一 10公分X 1 0公分的正方形中。在 一替代的具體實施例中，只有三個感應器排列於一已知尺 寸之三角形中。在一較佳的具體實施例中，感應器彼此相 118l6l.doc -12· 200804854 對㈣切位置為已知。特別有用的是將感應器以程序進行 中受關切地點周圍能夠由感應器圍繞之方式來排列。 冨工具22放置在產生琴21夕：^目4^+士 為21之視域中時，位置讀數由感應 益23取得。如果金屬失真存在，-或多個感應器之位置將 是不正確的，而EMTS 20將無法正確地轉譯幾何排列。由 於感應器23之相對位晉县15! h n 1 1 τ伹罝疋固疋且已知的，其可為無失直祐 f正贿S之讀數’從而產生正確的幾何形狀。此校：接 者可應用至醫療裝置24之位置讀數，以此方式，工具之區 域場將補償由金屬失真導致之錯誤。 ，圖3說明本揭示案之—第三示範的具體實施例，其中， =场產生$ 34具有至少—第—光學追縱感應器W。產 裔34產生一區域電磁場，其能夠追蹤來自嵌入於一醫療 虞置或其他結構/元件上 ' 千上之電磁感應裔線圈之感應器資 科。一電流在感應器線圈中减 、 ^ ^ T 4玍電流為感應器線圈相對 於電磁場產生器34之位置及方 ,^ w双不自感應器線圈之 感應杰…貝料顯示於成像系統36 ,e ^ ^ 上成像糸統36可包括， 仁不:於…具m的電腦/中央處理單元之登幕， 如在醫療/外科環境中典型所 之位置及方位組成，其轉譯為醫療二“4由感應器線圈 療裝置可為一針頭、二=置之位置及方位。醫 裝置。 、&任何移動穿過一解剖物之 科，：步參：圖3:示範的床台33可為—典型用於醫療/外 王之平台形式，其包括但不限於— △、Y亦念a ^ Έ h斷層知瞄床 °床口、或超音波床台。如先前所提到，包括床台 118161.doc -13- 200804854 33之酉療私序j衣^見典型地產生改變一習用的之準確 ί生之至屬失真。這些失真根據圖3之示範的具體實施例已 有利地克服。 士圖3之圖式所描繪’至少一第二光學追蹤感應器有利 地附加至床口 33。電磁對映透過使用具有舰丁§感應器η 之方位系統30來達成。在圖3之示範的具體實施例中，方 位系統30在一要求的空間容積内部移動至不同的位置，其 中電磁感應器31、第一光學感應器35&、及第二光學感 應=5b互相通信。對所有的三個彼此相對之感應器收集 方位資料，從而允許及/或幫助對映任何由區域環境相對 於方位系統之不同的已知位置、電磁場產生器及床台導致 之區域失真。 根據本揭示案之示範的實施例，有用且可實施的失直補 償經由移動至少一個感應器31至_想要的空間容積内部之 具有商準確性的已知位置而㈣卜對電 :床台33之許多不同的位置及方位來說，多重對映可加： 饤。先學追蹤感應器仏㈣可為一典型的免於金屬失 ::六個自由度的光學感應器。因此，對不同的產生器及 —二置來說’綜合對映及補償是為可得。此程序只須進 :療;Γ:而提高使用所揭示的EMTS系統(例如，用於-外科環境中）之容易度…旦完成，產^及床台這 2可在-實際的醫轉科料_四 對映將仍為有效。 補1貝 根據本揭示案之一示範的且 八版只知例，光學追蹤系統35 H8161.doc -14- 200804854 監控光學追縱感應器35a及35b之位置，如此它們的位置在 對映紅序期間—直都為已知。方位系統辦常準確地方位 腿T S感應器3】於空間中的已知位置。㈣的位置及方位 資料記錄於贿S之上。場產生器接著移動至相對於床台 :不同位置’且程序重複。場產生器及床台不須移動至許 夕不同位置’幾個位置就足以得到可補償產生器及床台之 系列位置之對映。在醫療應用中使用時，床台為 孟屬失真之主要來源，不過’在一典型的醫療環境中之其 他:體’例如：電腦斷層掃瞒構臺、χ光或C型手臂，亦 可導致失真。此方法可應用至其他預期的失真來源。 經由提供錯誤補償，EMTS2使用更加實際可實施，轉 而允許許夕將醫療成像與醫療裝置追蹤整合之機會。該技 術一般可應用至多數的任何醫生需要引導醫療裝置至一解 剖物内部之位置的情況。 θ雖然本揭示案參照本系統及方法之示範的具體實施例來 提供，本揭不案並不限於這類示範的實施例。更確切地 說，本揭示案之系統及方法可經過修改、變化及/或增加 不偏離其精神或範圍，同樣地，以此處之敘述為基礎， j本技術中具有普通技能者將更容易明白。本揭示案在其 範圍内明確地包含這類修改、變化及增加。 【圖式簡單說明】 么為了要幫助那些具有普通技能者製造並使用所揭示的系 統及方法，可參照附加的圖式，其中·· 圖1為說明本揭示案之一第一示範的具體實施例之圖； n8I61.doc -15- 200804854 圖2為說明本揭示案之一第二示範的具體實施例之圖；及 圖3為說明本揭示案之一第三示範的具體實施例之圖。 【主要元件符號說明】 參 10 電磁追蹤系統（EM.TS) 11 電磁場產生器 12 錯誤校正工具 13 電磁感應器 14 醫療裝置 15 解剖系統 16 成像系統 20 電磁追蹤系統（EMTS) 21 電磁場產生器 22 錯誤校正工具 23 電磁感應器 24 醫療裝置 25 解剖系統 26 光學感應器 27 成像系統 30 方位系統 31 EMTS感應器 32 取樣間隔 33 床台 34 電磁場產生器 35 光學追蹤系統 118161.doc -16- 200804854 35a 35b 36 光學追蹤感應器 光學追蹤感應器 成像系統 11816I.doc -17-

Claims (1)

1. 200804854 、申請專利範圍 1. :二:含追:嶋一金屬失真之一 由至少-個電磁場產生器產生一電磁場; 監控~且右石✓丨、 剖物之醫療裝置厂個電磁感應11線圈之移動穿過—解 讀=:一能夠監控金屬失真之錯誤校正工具之位置 ’4錯誤校正卫具位於該醫療裝置之鄰近内 =”匕含至少三個以一已知且固定的配置排列之電 感應器； X电磁 侍到來自該位置讀數及電磁感應器之校正函數； 真應用該校正函數至該醫療裝置監控以補償該金屬失 、求員1之方法’其中該錯誤校正工具具有至少四個 電磁感應器。 3·如请求項1之方法，其中該錯誤校正工具包括至少一個 光子追蹤感應器，其於一相對於至少_個該電磁感應器 之固定且已知的位置附加至該工具。 心…。 4. :請求項3之方法’其中該電磁感應器、光學追蹤感應 為、及醫療裝置之該位置監控顯示於一成像系統上。 5. 如請求们之方法，其中一電流於該醫療裝置之該感應 益線圈中感生，其中該電流為該感應器線圈相對於該電 磁場產生器之位置及方位函數。 X 6. —種準確地追蹤一穿過一解剖物之醫療裝置之emts， 118161.doc 200804854 具包含： 一電磁場產生器，其產生一電磁場； . 個西療褒置’其具有—與該電磁場通信之電磁 感應器線圈產生—位置讀數； 署诗f6M交正工具’其產生一應用至該醫療裝置之該位 貝文之錯誤校正函數，其中該錯誤校正工具包含·· 〆一個電磁感應器，以一已知的配置排列。

   7.如請求項6之EMTS，其中至少—個光學追蹤感應器在一 對於至少—個電磁感應器之—固定且已知的位置附加 於该錯誤校正工具。 項7^EMTS’其中該光學追^從感應器及電磁感應 态达δ己至—提供該錯誤校正工具之位置參考之 源。 9. 如請求項7之EMTS，纟中該錯誤校正工具具有至少四個 電磁感應器。 10. =請求項7之EMTS，其中—電流在該醫療裝置之該感應 線圈中感生，s亥電流為該感應器線圈相對於該電磁場 產生器之位置及方位函數。 H. 一種在使用一EMTS追蹤醫療裝置中之金屬失真之區域 錯誤補償方法，其包含： 由至^個具有至少一第一光學感應器之電磁場產生 器產生一電磁場； 一旎夠承受醫療程序之第一平台，其具有至少一第二 光學感應器； 118161.doc -2- 200804854 方位糸統’其包含： 至）個電磁追蹤系統（EMTS)感應器； 執行補仏對映，其包含下列㈣： 移動該方位备β ：r 糸、、先至一想要的空間容積内部之不同位 置； 由該電磁場產生器及該第—平台相對於該方位系統 ' 之已知方位產生—校正函數； φ 其中β亥第一光學感應器、該第二光學感應器、及該 EMTS感應器互相通信。 12·如明求項1〗之方法，其中至少一個具有至少一個電磁感 應器線圈之醫療裝置用來執行一醫療程序。 13·如晴求項12之方法，其中一電流在該醫療裝置之該感應 器線圈中感生，該電流為該感應器線圈相對於該電磁場 產生器之位置及方位函數。 14·如請求項13之方法，其中該校正函數應用至該感應器線 φ 圈之該位置及方位監控以補償金屬失真。 15·如請求項14之方法，其中補償金屬失真之該感應器線圈 之该位置及方位之該監控顯示於一提供一位置參考之成 •像來源上。 16.如請求項11之方法，其中該第一光學感應器為一六個自 由度的光學追蹤感應器。 1 7·如請求項11之方法，其中該第二光學感應器為一六個自 由度的光學追蹤感應器。 118161.doc