根據正交場分量來檢測金屬幹擾的系統和方法

2023-11-11 09:57:27

專利名稱：根據正交場分量來檢測金屬幹擾的系統和方法
技術領域：
本發明整體涉及能夠感測探針中接頭位移的侵入性醫療裝置，諸如施加到患者身體的導管，更具體地講涉及使用此類能夠檢測在導管附近任何位置處所存在金屬物體的導管，以及針對此類金屬物體存在而進行測算和/或校準操作的系統和方法。
背景技術：
在一些診斷和治療技術中，導管被插入心室中並與心臟內壁接觸。在此類手術中， 通常很重要的一點是導管遠端頭以足夠的壓力接合心內膜以確保良好的接觸。然而，壓力過大可能會對心臟組織造成不希望的損傷，甚至造成心壁穿孔。例如，在心內射頻(RF)消融的情況下，在遠端頭處具有電極的導管經由病人的血管系統插入心室。電極會與心內膜上的一個(或多個)位點接觸，RF能量經導管施加到電極，以消融位點處的心臟組織。為了在對組織沒有過度損傷的情況下達到所需的治療效果， 消融期間電極與心內膜之間必須有合適的接觸。許多專利出版物描述了具有用於感測組織接觸的一體化壓力傳感器的導管。作為一個例子，美國專利申請公開2007/0100332描述了用於評價組織消融的電極組織接觸的系統和方法，其公開內容以引用方式併入本文中。導管軸內的機電式傳感器產生對應於導管軸遠端部分內電極移動量的電信號。輸出裝置接收用於評價電極與組織之間接觸水平的電信號。迄今為止，現有技術系統和方法還無法做到既能夠確定用於患者身體內的醫療裝置的準確位置信息和力測量值，同時又能夠檢測來自位於裝置附近金屬物體的金屬幹涉引起的場畸變，進而能夠測算和校準其力讀數/測量值和/或其位置信息。

發明內容
本發明涉及在醫療手術期間檢測金屬幹擾的設備，該設備包括探針，該探針包括插入管和遠端頭，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸。將遠端頭連接到插入管遠端的接頭用於與內置於探針中的接頭傳感器相連，以便感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。該接頭傳感器包括第一和第二子組件， 該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器。設備還包括使用接頭傳感器確定力測量值並且其中存儲有閾場值的處理器，連接處理器來向第一和第二子組件中的一個施加電流，從而使子組件中的一個產生至少一個磁場。連接處理器來接收並且處理由第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出的一個或多個信號，以檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化，其中第一和第二子組件中的另一個輸出的一個或多個信號限定了感測場值。處理器比較感測場值與閾場值，當感測場值低於閾場值時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。在很多情況中，感測場值是基於軸向的場而得出的。
本發明還涉及在患者身體上進行的醫療手術期間檢測金屬幹擾的方法，該方法包括以下步驟提供探針，該探針包括插入管、遠端頭、接頭和接頭傳感器，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸，接頭將遠端頭連接到插入管遠端，接頭傳感器內置於探針中，用於感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。 該接頭傳感器包括第一和第二子組件，該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器。處理器用於使用接頭傳感器確定力測量值，並且其中存儲有閾場值。將電流施加到第一和第二子組件中的一個，從而使子組件中的一個產生至少一個磁場，其中至少一個磁場在第一和第二子組件中的另一個處接收，並且由第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出一個或多個信號，其中由第一和第二子組件中的另一個輸出的一個或多個信號限定感測場值。檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化，並且處理器比較感測場值與閾場值， 當感測場值低於閾場值時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。在很多情況中，感測場值是基於軸向的場而得出的。在另一個實施例中，本發明涉及在醫療手術期間檢測金屬幹擾的設備，該設備包括探針，該探針包括插入管和遠端頭，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸。探針也具有接頭和接頭傳感器，該接頭將遠端頭連接到插入管遠端；該接頭傳感器內置於探針中，用於感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。該接頭傳感器包括第一和第二子組件，該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器。處理器用於使用接頭傳感器確定力測量值，並且其中存儲有預設定的基線值，連接處理器來向第一和第二子組件中的一個施加電流，從而使子組件中的一個產生至少一個磁場。連接處理器來接收並且處理由第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出的一個或多個信號，以檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化。磁換能器包括線圈，並且其中第一子組件包括具有平行於插入管的縱向軸線的第一線圈軸線的第一線圈，並且其中第二子組件包括在與第一子組件軸向間隔開的探針部分中的不同各自徑向位置中的兩個或更多個其他線圈。處理器將電流施加到第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的一個線圈，並且測量第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈輸出的信號。第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈輸出的信號限定拾波值，其中處理器比較拾波值與預設定的基線值，當拾波值不在預設定的基線值的範圍內時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。 在很多情況中，拾波值基於從第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈測量的互感。本發明還涉及在患者身體上進行的醫療手術期間檢測金屬幹擾的方法，該方法包括以下步驟提供探針，該探針包括插入管、遠端頭、接頭和接頭傳感器，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸，接頭將遠端頭連接到插入管遠端，接頭傳感器內置於探針中，用於感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。接頭傳感器包括第一和第二子組件，該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器，以及使用接頭傳感器確定力測量值的處理器。處理器其中存儲有預設定的基線值，連接處理器來向第一和第二子組件中的一個施加電流，從而使子組件中的一個產生至少一個磁場，並且連接處理器來接收並處理由第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出的一個或多個信號，從而檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化。磁換能器包括線圈，並且其中第一子組件包括具有平行於插入管的縱向軸線的第一線圈軸線的第一線圈，並且其中第二子組件包括在與第一子組件軸向間隔開的探針部分中的不同各自徑向位置中的兩個或更多個其他線圈。然後將電流施加至第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的一個線圈，由第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈測量信號輸出，其中第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈輸出的信號限定拾波值。然後將拾波值與預設定的基線值比較， 當拾波值不在預設定的基線值範圍內時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。在很多情況中，從第二子組件的兩個或更多個其他線圈中的其餘線圈測量互感以確定拾波值。在另一個根據本發明的實施例中，本發明涉及在醫療手術期間檢測金屬幹擾的設備，該設備包括探針，該探針包括插入管和遠端頭，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸。探針也包括接頭和接頭傳感器，該接頭將遠端頭連接到插入管遠端；該接頭傳感器內置於探針中，用於感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。該接頭傳感器包括第一和第二子組件，該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器。處理器用於使用接頭傳感器確定力測量值，並且其中存儲有閾場值。連接處理器來向第一和第二子組件中的一個施加電流，從而使子組件中的一個產生至少一個磁場，並且連接處理器來接收並處理由第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出的一個或多個信號，從而檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化，其中由第一和第二子組件中的另一個輸出的一個或多個信號限定感測場值。處理器比較感測場值與閾場值，當感測場值大於閾場值時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。在很多情況中，感測場值是基於徑向或正交方向的場而得出的。本發明還涉及在患者身體上進行的醫療手術期間檢測金屬幹擾的方法，該方法包括以下步驟提供探針，該探針包括插入管、遠端頭、接頭和接頭傳感器，插入管具有縱向軸線並且具有遠端，遠端頭設置在插入管的遠端並且構造成與身體組織接觸，接頭將遠端頭連接到插入管遠端，接頭傳感器內置於探針中，用於感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。該接頭傳感器包括第一和第二子組件，該第一和第二子組件設置在探針內，位於接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器。處理器用於使用接頭傳感器確定力測量值，並且其中存儲有閾場值。然後將電流施加到第一和第二子組件中的一個，從而使得子組件中的一個產生至少一個磁場。至少一個磁場在第一和第二子組件中的另一個處接收，並且第一和第二子組件中的另一個響應至少一個磁場輸出一個或多個信號，其中第一和第二子組件中的另一個輸出的一個或多個信號限定了感測場值。檢測遠端頭相對於插入管遠端的位置變化，並且比較感測場值與閾場值，當感測場值大於閾場值時，識別出探針遠端附近金屬物體的存在。在很多情況中，感測場值是基於徑向或正交方向的場而得出的。通過對以下結合附圖的實施例的詳細說明，將更全面地理解本發明


圖I為根據本發明實施例的基於導管的醫療系統的示意性圖解；圖2為顯示根據本發明實施例的接觸心內組織的導管遠端頭的示意性細部視圖；圖3為顯示根據本發明實施例的導管遠端細部的示意性剖視圖；圖4為顯示金屬物體存在時，根據本發明的另一個實施例的導管遠端細部的示意性首lJ視圖;圖5為使用根據本發明的實施例的、圖I的基於導管的醫療系統及圖2、3和4的導管來檢測圖4的金屬物體存在的方法的示意性流程圖；圖6為使用根據本發明的可供選擇的實施例的、圖I的基於導管的醫療系統及圖
2、3和4的導管來檢測圖4的金屬物體存在的方法的可供選擇的實施例的示意性流程圖； 以及圖7為使用根據本發明的另一個可供選擇的實施例的、圖I的基於導管的醫療系統及圖2、3和4的導管來檢測圖4的金屬物體存在的方法的另一個可供選擇的實施例的示意性流程圖。
具體實施例方式本專利申請使用2007年10月8日提交的共用擁有的待審美國專利申請 No. 11/868，733和2008年12月3日提交的美國專利申請No. 12/327，226的技術公開，這些專利申請被轉讓給本專利申請的受讓人，並且這兩個參考文獻的公開內容以引用方式併入本文中。相應地，使用與美國專利中請No. 12/327，226相同的附圖標記標識類似或相似結構。上述美國專利申請No. 11/868，733描述了其遠端頭通過彈簧支承的接頭連接到導管插入管遠端的導管，當導管遠端頭接合組織時，彈簧支撐的接頭會變形以響應施加在遠端頭上的壓力。位於探針內的磁性位置感測組件包括位於接頭相對側的線圈，磁性位置感測組件感測遠端頭相對於插入管遠端的位置。該相對位置的變化表徵彈簧的變形，從而給出壓力指示。在本文下面描述的本發明的實施例利用美國專利申請No. 12/327，226的感測組件的新型設計，該設計有利於更精確地測量端頭運動，並且最終有利於位於導管附近的金屬物體的檢測。在該設計中，線圈的結構可以精確感測將導管端頭連接至插入管的接頭的非常小的變形和壓縮。因此，可提高端頭上壓力的測量精度，從而可以在導管中使用相對較硬的彈簧，這使得導管更可靠並且更易於在人體內操縱。此外，導管上的這些線圈的運行可實現位於導管附近任何位置的金屬物體的檢測。如本公開隨後進一步詳細描述的，根據本發明的優選實施例涉及使用此類能夠檢測在導管附近任何位置處所存在金屬物體的導管，以及針對此類金屬物體存在而進行測算和/或校準操作的系統和方法。圖I為根據本發明實施例的用於心導管插入術系統20的示意性圖解。系統20可以基於例如由 Biosense Webster Inc. (Diamond Bar, California)製造的 CARTO 系統。 該系統包括導管28形式的侵入性探針和控制臺34。如本領域所已知，在下文描述的實施例中，假設導管28用於消融心內組織。或者，加以必要的變通，可以將導管用於心臟或其他身體器官中的其他治療和/或診斷用途。操作者26 (諸如心臟病學家)將導管28穿過患者24的血管系統插入，以使得導管的遠端30進入患者心臟22的心室。操作者推入導管，以使得導管遠端頭在所需一個或多個位置處接合心內膜組織。導管28通常由在其近端處的合適的連接器連接到控制臺34。 控制臺可包括射頻(RF)發生器，其由導管提供高頻電能來消融遠端頭接合位置處的心臟中的組織。作為另外一種選擇或除此之外，可將導管和系統構造成用於實施本領域已知的其他治療和診斷過程。控制臺34利用磁性定位感測確定心臟22內導管28的遠端30的位置坐標。出於此目的，控制臺34中的驅動電路38驅動磁場發生器32在患者24身體的附近產生磁場。 通常，磁場發生器包括線圈，線圈在患者體外的已知位置處被置於患者軀幹下方。這些線圈以包含心臟22的預定義工作體積在身體內產生磁場。導管28的遠端30內的磁場傳感器(如圖3所示)響應這些磁場而產生電信號。信號處理器36處理這些信號，以確定遠端的位置坐標，通常包括位置和取向坐標。該位置感測方法在上述CARTO系統中實施並在美國專利 5，391，199,6, 690，963,6, 484，118,6, 239，724,6, 618，612 和 6，332，089 中、在 PCT 專利公布WO 96/05768中以及在美國專利申請公布2002/0065455Α1、2003/0120150Α1和 2004/0068178A1中有詳細描述，它們的公開內容全部以引用方式併入本文。處理器36通常包括通用計算機，其具有合適的前端和接口電路，用於從導管28接收信號，並控制控制臺34的其他組件。處理器可以在軟體內編程，以執行本文所述功能。例如，可經網絡將軟體以電子形式下載到控制臺34中，或者可將軟體設置在有形介質上，例如設置在光學、磁或電子存儲介質上。作為另外一種選擇，可通過專用或可編程數字硬體部件執行處理器36的一些或全部功能。根據從導管和系統20的其他部件接收的信號，處理器36驅動顯示器42給操作者26提供關於遠端30在患者體內的位置和關於導管遠端頭位移的視覺反饋，以及提供關於進行中的手術的狀態信息和指導。作為另外一種選擇或除此之外，系統20可以包括用於在患者24體內操縱和操作導管28的自動化機構。此類機構通常能夠控制導管的縱向運動(前進/後退)和導管的遠端的橫向運動(偏轉/轉向)。例如，該類型的一些機構將直流磁場用於此目的。在此類實施例中，處理器36根據導管中磁場傳感器所提供的信號產生控制輸入，用於控制導管的運動。如下文進一步所述，這些信號表徵導管遠端的位置和施加到遠端上的力。圖2為根據本發明實施例的心臟22的心室的示意性剖視圖，顯示了心臟中導管28 的遠端30。該導管包括插入管50，所述插入管50通常經皮通過血管，例如上腔靜脈或主動脈，插入心臟。導管的遠端頭52上的電極56接合心內組織58。由遠端頭對心內膜施加的壓力使心內組織局部變形，使得電極56在相對大的範圍內接觸該組織。在圖示的示例中， 電極以一定角度而不是徑直接合心內膜。因此，遠端頭52相對於導管插入管50的遠端在彈性接頭54處彎曲。該彎曲有利於電極與心內組織之間的最佳接觸。由於接頭54的彈性特性，接頭的彎曲角度和軸向位移與組織58施加在遠端頭52 上的壓力(或換句話講，遠端頭施加在組織上的壓力)成正比。因此，彎曲角度和軸向位移的測量可給出該壓力指示。可由導管20的操作者使用的該壓力指示確保遠端頭足夠穩固地擠壓心內膜，從而得到所需的治療或診斷結果，但同時又不會用力過度造成不希望的組織損傷。圖3為導管28的遠端30的示意性剖視圖，顯示了根據本發明實施例的導管的結構細部。如上所述，插入管50通過接頭54連接到遠端頭52。插入管由柔韌的絕緣材料62 覆蓋，所述絕緣材料62例如為Celcon 、Teflon 或耐熱聚氨酯。同樣，接頭54的區域也由柔韌的絕緣材料覆蓋，該絕緣材料可與材料62相同，或可尤其適於允許接頭無阻礙地彎曲或壓縮。(圖3中將該材料切掉以露出導管的內部結構。)遠端頭52可至少部分地由電極 56覆蓋，所述電極56通常由導電材料，例如鉬/銥合金製造。作為另外一種選擇，也可使用其他合適的材料，這對本領域的技術人員而言將是顯而易見的。或者，對於一些應用而言， 遠端頭可製造成無覆蓋電極。與柔韌的插入管相比較，遠端頭通常相對剛硬。接頭54包括彈性連接構件60。在該實施例中，連接構件具有彈性材料的管件形式，沿其長度部分具有螺旋切割。例如，連接構件可由超彈性合金，例如鎳鈦合金(Nitinol， 鎳鈦諾)構成。螺旋切割使得該管件響應施加到遠端頭52上的力表現出類似於彈簧的行為。關於此類連接構件的製造和特性的進一步的詳細描述見於2008年6月6日提交的美國專利申請12/134，592,該專利申請被轉讓給本專利申請的受讓人,並且其公開內容以引用方式併入本文中。作為另外一種選擇，所述連接構件可包括卷簧或具有所需柔韌性和強度特性的任何其他合適類型的彈性部件。連接構件60的硬度決定響應施加到遠端頭上的力在端頭52和插入管50之間產生的相對移動的範圍。此力會在消融術期間將遠端頭擠壓心內膜時產生。在消融過程中， 實現遠端頭與心內膜良好電接觸所需的壓力為約20-30克。連接構件構造成允許遠端頭的軸向位移(即沿著導管28的軸線作橫向移動)和角偏轉，所述軸向位移和角偏轉與所述端頭上所受的力成比例。通過處理器36測量位移和偏轉可得出壓力指示，從而有助於確保在消融期間施加正確的壓力。在導管28內，包括線圈64、66、68和70的接頭感測組件提供遠端頭52相對於插入管50遠端的準確位置讀數，該讀數包括軸向位移和角偏轉。這些線圈為可用於本發明實施例中的一種磁換能器。在本專利申請的上下文中以及在權利要求中，「磁換能器」是指響應施加的電流而產生磁場和/或響應施加的磁場而輸出電信號的裝置。雖然本文所述的實施例使用線圈作為磁換能器，但是在替代實施例中也可使用其他類型的磁換能器，這對本領域的技術人員而言將是顯而易見的。導管28中的線圈在接頭54的相對側上的兩個子組件之間分開一個子組件包括線圈64，該線圈由來自控制臺34的電纜74提供的電流驅動，從而產生磁場。該磁場由包括線圈66、68和70的第二子組件接收，這些線圈位於導管的與線圈64沿軸向間隔開的部分中。(本專利申請的上下文中和權利要求中所用的術語「軸向」是指導管28的遠端30的縱向軸線方向，在圖3中以Z-方向表示。軸向平面為垂直於該縱向軸線的平面，軸向部分為兩個軸向平面之間所包含的導管的一部分。)線圈66、68和70響應線圈64產生的磁場而發出電信號。這些信號通過電纜74傳輸至處理器36，處理器處理信號以測量接頭54的軸向位移和角偏轉。將線圈66、68和70以不同的徑向位置固定在導管28中。(術語「徑向」是指相對於導管軸線的坐標，即圖3中X-Y平面中的坐標。)具體地講，在該實施例中，線圈66、68和 70均圍繞導管軸線以不同的方位角位於同一軸向平面中。例如，可將三個線圈距軸線相同的徑向距離以120°的方位角間隔開。線圈64、66、68和70的軸平行於導管軸線(並因此只要接頭54不偏轉，線圈軸均彼此平行)。因此，線圈66、68和70將響應線圈64產生的磁場而輸出強烈的信號，並且該信號將隨著線圈66、68和70與線圈64的距離而強烈地變化。(作為另外一種選擇，只要線圈軸線具有足夠的平行分量以產生強信號，線圈64和/或線圈66、68和70的軸線可相對於導管軸線成一定角度。)根據偏轉的方向和幅度，端頭52的角偏轉將引起線圈66、68和 70輸出的信號的不同的變化，因為這些線圈中的一個或兩個將移動到相對更靠近線圈64。 端頭的壓縮位移將引起來自所有線圈66、68和70的信號的增強。處理器36分析線圈66、68和70輸出的信號，以測量接頭54的偏轉和位移。信號的變化的總和可得出壓縮的測量值，而變化的差值可得出偏轉。差值的矢量方向給出彎曲方向的指示。合適的校正程序可用於測量關於接頭偏轉和位移的信號的精確相關性。除了上面所示和所述的結構外，還可在感測子組件中使用多種其他線圈結構。例如，子組件的位置可以對調，以使得磁場發生器線圈位於接頭54的近側，而傳感器線圈則位於遠端頭中。作為另外一種選擇，線圈66、68和70可作為場發生器來驅動(使用時分多路復用和/或頻分多路復用以區分場)，而線圈64則用作傳感器。圖3中線圈的尺寸和數量僅以舉例的方式示出，只要子組件中的一個在不同的徑向位置中包括至少兩個線圈，則同樣地可在各種不同位置中使用更多或更少的線圈來實現接頭偏轉的差值測量。處理器36可使用端頭52上的壓力與接頭54的移動兩者間關係的先前校正，從而將線圈信號轉化成壓力項。由於位移和偏轉的結合感測，因此不管電極是從正面還是成一角度接合心內膜，該壓力感測系統均可正確地讀取壓力。不同於例如壓電傳感器，該壓力讀數對溫度的變化不敏感並且不會漂移。由於圖3中所示的線圈64、66、68和70的布置提供了對接頭運動的高靈敏度響應，因此處理器36可以高精度測量小位移和偏轉。因此，連接構件60可製造成相對較硬的，並且處理器36仍能夠準確地感測和測量端頭52上的壓力。 連接構件的硬度使操作者更容易操縱和控制導管。線圈64、66、68和70中的一個或多個還可用於響應磁場發生器32產生的磁場而輸出信號，並因此用作位置感測線圈。處理器36處理這些信號以確定遠端30在由磁場發生器所限定的外部參照系中的坐標(位置和取向)。除此之外或作為另外一種選擇，如圖4 中充分示出的，一個或多個另外的線圈72和73 (或其他磁傳感器)可出於此目的而布置於導管的遠端。在導管28遠端30中的位置感測線圈使控制臺34能夠同時輸出導管在體內的位置和取向及端頭52的位移和偏轉，以及端頭上的壓力。雖然上面是在基於導管的消融術背景下描述了磁性位置感測組件的操作及其在感測壓力中的使用，但是可同樣將本發明的原理應用於需要準確感測接頭移動的其他應用中，特別是將侵入性探針用於心臟和身體其他器官中的治療和診斷應用中。作為一個示例， 加以必要的變通，可將在系統20中所實施的位置和壓力感測裝置和技術用於引導和控制導管插入套管的使用。如果套管的位置沒有適當控制，並且在其插入過程中用力過猛，所述套管可能刺穿心壁或血管組織。這種可能性可通過感測套管遠端頭的位置和其上的壓力來避免。就這一點而言，本文所用的術語「遠端頭」應理解為包括位於探針遠端處、可相對於探針的主體發生彎曲和/或位移的任何結構類型。如圖4中充分不出的,上述技術的一個缺點是在導管28的遠端和線圈64、66、68、 70、72附近存在鐵磁材料(金屬材料)80。此類材料可使得磁場畸變，從而可改變力讀數。 該磁場畸變不能僅觀察力的原始數據來識別，因為該數據是有效的並且充當合理的力讀數，即接頭54中的接觸力傳感器(線圈)的任何三個讀數(甚至是失真的)直接映射到相關力。如圖4所示，當另一個含金屬裝置80接近遠端頭52和接頭54時，幹涉是顯著的。該現象稱為軸接近幹涉(shaft proximity interference, SPI)。本發明涉及提供能夠區分合理力讀數和SPI引起的力讀數的機構的新型設備和方法。如圖4中充分示出的，線圈64、66、68、70、72和73在導管端頭52中的布置能夠靈敏地測量導管彎曲角度和導管端頭52經受的接觸力。該布置用作接頭感測組件，其包括提供遠端頭52相對於插入管50遠端的定位/位置(以在X、Y和Z軸方向以及橫傾、縱傾和橫擺取向的定位和取向坐標信息的形式)準確讀數的線圈64、66、68、70、72和73。發射線圈64由來自控制臺34的電纜74提供的電流驅動，從而在軸向(根據圖3和4的Z-軸) 產生磁場。該磁場通過線圈66、68和70接收，這些線圈固定在不同的徑向位置，使得這些線圈響應線圈64產生的磁場而發出電信號。信號通過電纜74傳輸至處理器36 (圖I)，處理器使用它們來測量接頭54的軸向位移和角偏轉。上述線圈的一個或多個，以及以X和Y方向取向的附加線圈(諸如線圈72和73) 通常也用於響應外部磁場發生器產生的磁場而輸出信號，從而用作導管端頭的位置感測線圈。使用該類型的磁場位置和力測量系統20時，重要的是檢測位於磁場內的金屬物體，尤其是導管30遠端附近的那些金屬物體引起的磁場畸變，以避免線圈66、68、70、72和 73輸出錯誤信號，這些錯誤信號最終會導致錯誤的力信息測量值/讀數或SPI。該SPI問題通過整個公開中詳述的本發明所有實施例，例如圖4、圖5、圖6和圖7的那些實施例得到了解決。於是，當金屬物體80接近遠端頭52時，它將使發射線圈64產生的磁場畸變，因此可能將錯誤引入位移和偏轉的測量值。該SPI情況在圖4中示出，其中金屬物體80(在該例子中為另一個導管80)接近端頭52。重要的是檢測磁場畸變以避免輸出錯誤的力讀數。端頭52附近的金屬物體80的寄生效應會引起線圈66、68和70感測的軸向磁場急劇減小。該減小強烈依賴於金屬物體和端頭的距離。當金屬物體非常接近端頭時，從線圈66、68和70接收的信號將是「負力」的表徵，即它們將小於從接頭54的靜止位置的線圈接收的信號，就好像端頭52拉離了插入管50—樣。該情況在實際中不可能遇到。因此，能夠準確預測導管30端頭52附近金屬物體80的存在。因此，如圖5中示意性地示出，根據本發明的方法是如上所述當導管30處於其靜止位置(在其遠端52和接頭54處無軸向位移或角偏轉)時，根據線圈66、68和70輸出的強信號來設定系統20的閾場值(圖I)。閾場值或強度如步驟100所設定。該閾場值步驟 100作為系統20校正的部分進行，即先進行該步驟再在患者24上使用導管30，其中閾場值 100存儲在系統20的處理器36的軟體中。一旦設定閾場值100，系統20即可使用，並且在步驟105中，通過如上所述的磁場發生器線圈64(圖3和4)產生磁場。該產生的磁場105由線圈66、68和70感測，其中每個相應的線圈在步驟110中基於來自線圈64的磁場強度提供信號輸出。在步驟115中，處理器36 (圖I)將線圈66、68和70感測的磁場105與閾場值100 進行比較(基於線圈66、68和70輸出的信號)。處理器36軟體中的邏輯程序將感測磁場值110與閾場值100進行比較。如果感測磁場值110與閾場值100相比等於或高於閾場值 100，系統20繼續在正常操作條件下運行，從而繼續正常操作循環，繼續在磁場發生器線圈 64處產生磁場105，並且所有步驟105、110、115反覆循環。然而，根據本發明，在步驟115中，如果感測磁場值110低於閾場值100，由於線圈 66,68和70提供低於預設定閾場值100的輸出信號，在步驟120中處理器36識別出SPI， 即識別出力測量值受到金屬80(圖4)存在的影響。然後在步驟125中，處理器36確定確實存在SPI，以及力測量值讀數無效(由於對來自發生器線圈64的磁場造成了幹擾)。當由於SPI而檢測到此類磁場幹擾時，處理器36 在顯示器42上將位置坐標信息標記為可疑。步驟125可任選地包括實時在電解剖圖上，例如在顯示器42上繪製的視覺指示或標記，以及給操作者26的音響警告或警報和/或顯著的觸覺反饋，並且步驟105、110、115反覆循環。如上所述，該閾場值通常選擇為對應於導管端頭52上無受力的情況(在步驟100 中設定為校正和/或啟動程序的部分)，以使得步驟115中的亞閾值讀數對應於負力，並且自動識別出由於端頭52附近金屬80存在而引起的金屬幹涉。此外，雖然線圈64通常只在近場中產生軸向場分量(沿著Z-軸)，但在遠端和/ 或端頭52附近的金屬物體80 (圖4)的寄生效應通常將在線圈64的驅動頻率下產生徑向 (X和/或Y軸)分量。這些寄生正交場分量的振幅(在該例子中為X-軸和Y-軸分量)強烈依賴於金屬物體80和導管30遠端的距離。因此，當金屬物體接近遠端時，在線圈64的驅動頻率下從線圈72、73接收的信號將增強而產生SPI。因此，如圖6中充分示出的，當金屬物體80存在於導管30的遠端附近時，本發明的另一個可供選擇的實施例也用於檢測金屬物體80的存在，並且測算SPI和校準力讀數和測量值，由於SPI的原因力讀數和測量值可能出現偏差或錯誤。如圖4和圖6中充分示出的，根據本發明的另一個實施例，為了區分真實力測量值和由於SPI而導致的失真力測量值，本發明利用了 X和Y線圈(在圖4中分別為線圈72和 73)。雖然X和Y線圈(72和73)用於磁定位/位置信息確定，但它們也接收力信號，儘管靈敏度不如線圈66、68和70 (出於以下算法和計算的目的，也稱為線圈SI、S2和S3)。所有五個測量值(來自線圈S1-S2-S3和X-Y)與力矢量線性相關。因此，分別來自線圈66-68-70和線圈72-73的S1-S2-S3和X-Y讀數之間存在線性關係。由於X-Y線圈 (72,73)和S1-S2-S3線圈(66、68、70)之間的不同取向，鐵磁材料80引起的磁場畸變使X-Y 線圈(72、73)中呈現的畸變與S1-S2-S3線圈(66、68、70)有所不同，因此S1-S2-S3和X-Y 信號讀數之間的關係以可量度的方式發生改變。該效應使本發明能夠區分有效力測量值和失真力測量值。S1-S2-S3讀數(來自線圈66、68、70)與X-Y讀數(72、73)之間的正相關性與有效
力有關，可用以下線性關係式表示Γ Λ '5,'尤力 V=、陣·Λ.根據本發明的算法，SPI-力失真測量參數基於預期的X-Y測量值與實測的X-Y之間的差值
SPI = ^(xA-xJ+(fA-YaJ如圖6中充分示出的，根據本發明該可供選擇的實施例的解決SPI方法是如上所述當導管30在其靜止位置(在其遠端(包括端頭52和接頭54)無軸向位移或角偏轉)時， 根據線圈66、68和70輸出的強信號(以及來自線圈72、73的基線信號)設定系統20 (圖 I)的閾場值100a。系統20的閾場值或強度在步驟IOOa中設定。該閾場值步驟IOOa作為系統20校正的部分進行，即先進行該步驟再在患者24上使用導管30，其中閾場值IOOa存儲在系統20的處理器36的軟體中。一旦設定閾場值100a，系統20即可使用，並且在步驟105中，通過如上所述磁場發生器線圈64(圖3和4)產生磁場。該產生的磁場105由線圈66、68和70以及線圈72、73 感測，其中每個相應的線圈在步驟110中基於來自發射線圈64的磁場強度提供信號輸出。在步驟115a中，處理器36(圖I)將線圈66、68和70感測的磁場105與閾場值 IOOa進行比較(基於線圈66、68和70輸出的信號)。處理器36軟體中的邏輯程序使用以上提出的算法將感測磁場值110與閾場值IOOa進行比較。如果感測磁場值110等於或低於閾場值100a，系統20繼續在正常操作條件下運行，從而繼續正常操作循環，繼續在磁場發生器線圈64處產生磁場105，並且所有步驟105、110、115a反覆循環。然而，在步驟115a中，當線圈72或線圈73，即對應Y-方向的線圈和/或X-方向的線圈，在線圈64的驅動頻率下的輸出高於(即大於)給定的閾值IOOa時,處理器36確定並識別出存在磁幹擾，該幹擾可能由另一個具有金屬部件的裝置諸如位於導管30遠端附近的裝置80 (圖4)引起。由於線圈64在近場通常只產生沿著Z-軸的軸向場分量，在導管30遠端附近的金屬物體80的寄生效應通常在線圈64的驅動頻率下將產生沿著X-軸和/或Y-軸的徑向場分量。這些寄生正交或徑向場分量的振幅強烈依賴於金屬物體80和導管30遠端的距離。 因此，當金屬物體80接近導管30時，在發射線圈64的驅動頻率下從X-軸線圈和Y-軸線圈(例如線圈68和70以及線圈72，在該例子中指定為位置感測線圈)以及線圈72和73 接收的信號以非一致方式增加(相對於從校正過程接收的預期變化)。因此，根據本發明，在步驟115a中，如果感測磁場值110大於閾場值100a，由於線圈66、68、70和72、73提供高於預設定閾場值IOOa的輸出信號，在步驟120中，處理器36 自動識別出存在金屬80，以及在步驟125中識別出當前位置信息(根據從線圈接收的位置信號而確定的六維位置和取向坐標信息，所述線圈指定為磁位置傳感器，例如在該例子中為線圈72)為受到金屬80(圖4)存在的影響的位置坐標。在該情況下，在步驟125中處理器36確定當前力讀數是無效的(由於對來自發生器線圈64的磁場造成了幹擾)。當檢測到此類磁場幹擾時，處理器36可任選地使位置坐標讀數/信息失效(或至少在顯示器42上標記位置坐標信息為可疑)。步驟125可任選地包括實時在電解剖圖上，例如在顯示器42上繪製的視覺指示或標記，以及給操作者26的音響警告或警報和/或顯著的觸覺反饋，並且步驟105、110、115a反覆循環，直到金屬物體從磁場清除或通過對力測量值讀數進行平差計算來測算。如上所述，該閾場值IOOa通常選擇為對應於導管端頭52上無受力的情況(在步驟IOOa中設定為校正和/或啟動程序的部分)，以使得在步驟115a中從X-軸方向和Y-軸方向的軸向分量信號得出的高出閾值的讀數自動識別為由於導管30遠端附近金屬80存在而引起的金屬幹涉。作為另外一種選擇或除此之外，當金屬80存在而致的幹涉不是太極端，即信號輸出稍微高於閾值IOOa時，處理器36會設法校準力讀數，以補償金屬幹涉(SPI)。在根據本發明的另一個可供選擇的實施例的解決SPI的另一個方法中，導管30遠端附近，例如端頭52附近的金屬物體80的寄生效應會引起磁場發生位置跟蹤系統20中線圈66、68和70(圖1-4)之間互感的變化。該互感變化強烈依賴於金屬物體80和導管30 遠端的距離。因此，如圖7中充分示出的，在本發明的該可供選擇的實施例中，系統20(圖I)提供了方法(圖7)，其中在導管30的線圈66、68和70之間檢測到的互感的初始基線值在製造時或用於患者24之前便已預確定或預設定，並且存儲在處理器36的邏輯程序中。當直接對線圈66、68和70中的一個線圈施加電流，而導管30附近不存在任何金屬時，該互感基線值為在線圈66、68和70之間測得的感應的預期範圍(包括可接受的偏差因子+/_)。因此，這是確定在不存在任何金屬物體時線圈66、68和70的互感基線值的校正步驟200。互感線圈66、68和70通過例如這樣的方式測定對這些線圈之一，例如線圈66施加或注入特定、已知頻率的電流，並且測量在其他剩餘的線圈，例如鄰近的線圈68和70中由此感應的信號。在正常環境下，即在校正階段200中，這些拾波信號應保持不變。這些拾波信號的變化表明互感發生了變化，大概是由於金屬物體80位於導管30遠端附近。因此，在本發明的該實施例中，在步驟205中預定頻率的電流周期性地施加或注入線圈66、68和70中的一個或多個線圈，並且在步驟210中測量在其他剩餘的線圈中，即非注入線圈所得的拾波信號。如上所述，在步驟200中基線拾波值在無金屬幹涉的條件下測量，並且預存儲在處理器36中，從而允許處理器36在步驟215中將拾波值(基於來自非注入線圈的測量拾波信號)與基線值範圍(包括預期在金屬不存在的環境中可接受的偏差因子)比較，並且如果拾波信號值隨後偏離基線值超過允許的量(可接受的範圍)，在步驟 220中處理器36作出判定並識別出SPI，即磁場受到了附近的金屬物體80幹擾。當檢測到此類磁場幹擾時，在步驟225中處理器36通常使線圈66、68和70得出的力測量值失效(或至少標記為可疑)。然後使用者26可選擇找出並移除金屬物體幹涉源和/或採取規避措施測算此類金屬物體80的存在。在該情況下，處理器36在步驟225中確定當前力測量值讀數是無效的(由於互感測量值越界，即不在基線值200範圍內)，並且當檢測到此類磁場幹擾時，處理器36使力讀數/信息失效。步驟225可任選地包括實時在電解剖圖上，例如在顯示器42上繪製的視覺指示或標記，以及給操作者26的音響警告或警報和/或顯著的觸覺反饋，並且步驟205、 210、215反覆循環，直到金屬物體從磁場清除或通過對力測量值讀數進行平差計算來測算。在步驟215中，如果拾波信號值在設定的基線值200之內，處理繼續循環，即步驟205、210和215反覆循環，並且磁場位置感測系統繼續這樣運行，提供準確的六維位置和取向坐標信息，以及導管30的準確力測量能力，從而消除SPI引起的效應。因此，應當理解，上述實施例是以舉例的方式引用，並且本發明不限於上文所具體示出和描述的內容。更確切地說，本發明的範圍包括上述各種特徵的組合和子組合、以及本領域技術人員在閱讀上述說明書時可能想到的並且現有技術中未公開的變型形式和修改形式。
權利要求
1.一種在醫療手術期間檢測金屬幹擾的設備，包括探針，所述探針包括具有縱向軸線並且具有遠端的插入管；遠端頭，所述遠端頭設置在所述插入管的所述遠端，並且構造成用於與身體的組織接觸；接頭，所述接頭將所述遠端頭連接到所述插入管的所述遠端；以及接頭傳感器，所述接頭傳感器內置於所述探針中，用於感測所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的位置， 所述接頭傳感器包括第一子組件和第二子組件，所述第一子組件和所述第二子組件設置在所述探針內，位於所述接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器；以及處理器，所述處理器用於使用所述接頭傳感器確定力測量值，所述處理器中存儲有閾場值，並且所述處理器被連接以向所述第一子組件和所述第二子組件中的一個施加電流， 從而使所述第一子組件和所述第二子組件中的所述一個產生至少一個磁場，並且連接所述處理器來接收並處理由所述第一子組件和所述第二子組件中的另一個響應所述至少一個磁場輸出的一個或多個信號，從而檢測所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的位置變化，其中由所述第一子組件和所述第二子組件中的所述另一個輸出的所述一個或多個信號限定感測場值，所述處理器比較所述感測場值與所述閾場值，當所述感測場值大於所述閾場值時，識別出所述探針遠端附近金屬物體的存在。
2.根據權利要求I所述的設備，其中所述感測場值是基於徑向或正交方向的場而得出的。
3.根據權利要求2所述的設備，其包括用於在所述身體附近產生另一個磁場的磁場發生器，和所述探針內用於響應所述另一個磁場而產生位置信號的位置傳感器，其中連接所述處理器以接收並處理所述位置信號，從而計算所述探針相對於與所述探針分開的參照系的位置坐標。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述位置傳感器在所述第一子組件和所述第二子組件的一個中包括至少一個所述磁換能器。
5.根據權利要求4所述的設備，其中在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，所述處理器使所述探針的力測量值失效。
6.根據權利要求3所述的設備，還包括顯示器，並且其中所述處理器通過所述顯示器上提供的標記識別出所述探針遠端附近存在金屬物體。
7.根據權利要求6所述的設備，其中在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，所述處理器啟動音響警報。
8.根據權利要求5所述的設備，其中在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，所述處理器啟動音響警報。
9.根據權利要求4所述的設備，其中所述磁換能器包括線圈，並且其中所述第一子組件包括具有平行於所述插入管的所述縱向軸線的第一線圈軸線的第一線圈，並且其中所述第二子組件包括在所述探針的與所述第一子組件軸向間隔開的部分中的不同各自徑向位置中的兩個或更多個第二線圈。
10.根據權利要求I所述的設備，其中由所述處理器檢測的所述遠端頭的所述位置變化包括所述遠端頭的軸向位移和所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的偏轉。
11.根據權利要求I所述的設備，其中所述接頭包括彈性構件，所述彈性構件構造成響應施加在所述遠端頭上的壓力而發生變形。
12.一種在患者身體上進行的醫療手術期間檢測金屬幹擾的方法，包括以下步驟提供探針，所述探針包括插入管、遠端頭、接頭、接頭傳感器和處理器，所述插入管具有縱向軸線並且具有遠端，所述遠端頭設置在所述插入管的所述遠端並且構造成與身體組織接觸，所述接頭將所述遠端頭連接到所述插入管的所述遠端，所述接頭傳感器內置於所述探針中，用於感測所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的位置，所述接頭傳感器包括第一子組件和第二子組件，所述第一子組件和所述第二子組件設置在所述探針內，位於所述接頭的相對各自側，並且每一個包括一個或多個磁換能器，所述處理器用於使用所述接頭傳感器確定力測量值並且其中存儲有閾場值；向所述第一子組件和所述第二子組件中的一個施加電流，從而使所述第一子組件和所述第二子組件中的所述一個產生至少一個磁場；在所述第一子組件和所述第二子組件中的另一個處接收所述至少一個磁場，並且由所述第一子組件和所述第二子組件中的所述另一個響應所述至少一個磁場輸出一個或多個信號，其中由所述第一子組件和所述第二子組件中的所述另一個輸出的所述一個或多個信號限定感測場值；檢測所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的位置變化；將所述感測場值與所述閾場值進行比較；以及當所述感測場值大於所述閾場值時，識別出所述探針遠端附近存在金屬物體。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括限定基於徑向或正交方向的場的所述感測場值。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，使所述探針的所述力測量值失效。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，在顯示器上顯示標記。
16.根據權利要求13所述的方法，還包括在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，啟動音響警報。
17.根據權利要求15所述的方法，還包括在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，啟動音響警報。
18.根據權利要求12所述的方法，還包括基於位置坐標確定所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的所述位置。
19.根據權利要求16所述的方法，其中檢測所述遠端頭的所述位置變化包括所述遠端頭的軸向位移和所述遠端頭相對於所述插入管的所述遠端的偏轉。
20.根據權利要求17所述的方法，其中所述接頭包括彈性構件，並且構造成響應施加在所述遠端頭上的壓力而發生變形。
21.根據權利要求18所述的方法，其中所述位置坐標包括X、Y和Z方向以及縱傾、橫傾和橫擺取向。
22.根據權利要求19所述的方法，還包括在識別出所述探針遠端附近存在金屬物體時，使所述探針的所述力測量值失效。
全文摘要
本發明提供了根據正交場分量來檢測金屬幹擾的系統和方法。本發明涉及在醫療手術期間檢測金屬幹擾的設備和方法，所述設備包括探針，所述探針具有插入管、接頭以及容納在所述探針中用於感測所述插入管的位置的接頭傳感器。所述接頭傳感器具有第一子組件和第二子組件，所述第一子組件和第二子組件為磁換能器。處理器用於使用所述接頭傳感器來測量力，並且其中存儲有閾場值。所述處理器將感測場值與所述閾場值進行比較，當所述感測場值大於所述閾場值時，識別出存在金屬。
文檔編號A61B18/12GK102599912SQ201110429188
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月9日 優先權日2010年12月10日
發明者B·平科維奇, D·M·路德溫, D·利維, D·奧薩基, M·巴-塔爾, Y·邦亞克 申請人:韋伯斯特生物官能(以色列)有限公司