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CN200710126625.2 小轮廓定位垫

技术领域


本发明通常涉及方位跟踪系统,特别涉及用于磁方位跟踪的定位垫。


背景技术


跟踪医学过程中的物体坐标的各种方法和系统在本领域中是公知的。这些系统中的一些使用磁场测量法。例如美国专利5391199和5443489描述了利用一个或多个场换能器确定体内探针坐标的系统,其内容在此引入作为参考。这种系统用于生成有关医疗探针(例如导管)的位置信息。方位传感器(例如线圈)放置于探针内并响应外部施加磁场产生信号。磁场由磁场换能器(例如辐射线圈)产生,磁场换能器在已知的相互间隔开的位置固定于外部坐标系。例如由Biosense Webster公司(Diamond Bar,California)生产的CARTO系统以这种方式工作。


例如在PCT专利WO96/05768、美国专利6690963、6484118、6239724、6618612和6332089,以及美国专利申请2002/0065455A1,2003/0120150A1和2004/0068178A1,也对与磁方位跟踪相关的其它方法和系统进行了描述,其内容在此全部引入作为参考。这些出版物描述了跟踪在不同医学过程中使用的体内物体(例如心脏导管、矫形移植物和医疗器械)的位置的方法和系统。


在上面引用的一些参考文献中,产生磁场的场换能器包括共面三角形设置的场发生线圈。另一种平面设置在美国专利6615155中描述,其内容在此引入作为参考。该专利描述了一种利用一组非重叠平面环天线跟踪移动物体的系统,该移动物体具有单个场传感器。


发明内容


本发明的一些实施例提供了定位垫,包括多个具有小轮廓(low profile)(即减小的高度尺寸)的场发生器。这种设置在大量医学方位跟踪应用中是有利的。例如,场发生器的薄水平阵列可方便地放置在手术台或导管插入台上,直接位于患者身体中感兴趣区域的下方。医疗探针(例如导管)中的方位传感器,或体内的其它物体感应由场发生器产生的场并输出信号,处理这些信号以确定探针或其它物体的坐标。


在一些实施例中,定位垫包括在公共平面内设置的两个或多个场发生器。这些场发生器被定向成产生各自的垂直于该平面的磁场。在备选实施例中,这些场发生器相对于彼此以已知的角度定向,而不超出该定位垫的整个小轮廓尺寸。


但是在一些情况下,场发生器接近被跟踪的方位传感器会降低位置测量精度。例如,当场发生器为了减小其高度而包括在水平面上缠绕的线圈时,邻近该平面的方位传感器的垂直位移的测量可能是不精确的。


为了克服这种缺陷,在本发明的一些实施例中,定位垫包括辅助场发生器,位于定位垫的内部或外部,将其定向成在定位垫平面的多个位置产生辅助磁场,该辅助磁场具有平行于该平面的分量。通过使方位传感器感测所述两个或更多个磁场以及该辅助磁场,即使当方位跟踪系统邻近定位垫平面,它也能精确地测量方位传感器的方位。


在一些实施例中,方位跟踪系统辅助医生执行心脏导管插入过程。在这些实施例中,小轮廓定位垫放置于患者躯干下方的导管插入台顶上。方位传感器装配在插入患者心脏的导管中。另一参考方位传感器可附着于患者身体,通常是患者背部。这两个传感器,尤其是参考传感器邻近定位垫的平面。利用这里所述的方法和系统,方位跟踪系统可精确地跟踪导管和参考传感器的方位。


在本发明的备选实施例中,微型磁场发生器附着于导管(或体内的其它物体),定位垫中的线圈或其它天线用于感测磁场,从而用于确定导管(或其它物体)的坐标。定位垫设计的新原理同样应用于这些实施例,其中定位垫象其产生磁场的实施例中一样用作接收器。


因此根据本发明的实施例,提供一种磁方位跟踪系统,用于对位于工作台上表面上的患者执行医学过程,该系统包括:


定位垫,位于患者下方的工作台上表面上,其包括一个或多个场发生器,用于产生各自的磁场并且设置成使定位垫的厚度不大于3厘米;以及


方位传感器,固定于插入患者身体的侵入式医疗器械,并设置成感测磁场以便测量医疗器械在体内的方位。


在一个实施例中,该一个或多个场发生器包括位于公共平面内的两个或更多个场发生器,定向成使得各自的磁场垂直于该平面,该系统包括辅助场发生器,其定向成在该公共平面内的多个位置产生具有平行于该平面的分量的辅助磁场。在另一实施例中,定位垫包含不超出该厚度尺寸的辅助场发生器。


在又一个实施例中,所述两个或更多个场发生器包括平行于公共平面缠绕的场发生线圈,辅助场发生器包括不平行于公共平面缠绕的场发生线圈。


在又一个实施例中,该系统包括参考方位传感器,该传感器在邻近公共平面的参考位置附着于患者身体,并用于感测辅助磁场和由所述两个或更多个场发生器产生的磁场,以便测量参考位置的方位。参考方位传感器可基于所感测的辅助磁场,精确测量参考位置的垂直位移。


在一个实施例中,该系统包括处理器,用于基于磁场测量计算侵入式医疗器械相对于身体的方位,而不管患者的运动,该磁场测量由固定于侵入式医疗器械的方位传感器以及参考方位传感器提供。


在另一个实施例中,所述一个或多个场发生器包括相对于彼此以已知角度定位的两个或多个场发生器。


根据本发明的实施例,提供了一种磁方位跟踪系统,用于对位于工作台上表面上的患者执行医学过程,该系统包括:


场发生器,固定于插入患者体内的侵入式医疗器械,用于产生磁场;以及定位垫,位于患者下方的工作台上表面上,其包括一个或多个方位传感器,用于感测磁场,以便测量医疗器械在体内的方位,并且设置成使定位垫的厚度尺寸不大于3厘米。


根据本发明的实施例,还提供了一种用于磁方位跟踪系统的定位垫,包括:


一个或多个主要场发生器,其设置在公共平面中并被定向成产生垂直于该平面的各自的主要磁场;以及


辅助场发生器,定向成在该平面内的多个位置产生辅助磁场,该辅助磁场具有平行于该平面的分量,


其中主要和辅助场发生器设置为使定位垫的厚度尺寸不大于3厘米。


根据本发明的实施例,另外还提供了一种对位于工作台上表面上的患者执行医学过程的方法,该方法包括:


在患者下方的工作台的上表面上放置定位垫,该定位垫包括一个或多个场发生器,用于产生各自的磁场并设置成使定位垫的厚度尺寸不大于3厘米;以及


通过固定于插入患者体内的侵入式医疗器械的方位传感器感测磁场,以便测量医疗器械在体内的方位。


根据本发明的实施例,还提供了一种对位于工作台上表面的患者执行医学过程的方法,该方法包括:


通过固定于插入患者体内的侵入式医疗器械的场发生器产生磁场;以及


在患者下方的工作台的上表面上放置定位垫,该定位垫包括一个或多个方位传感器,用于感测磁场以便测量医疗器械在体内的方位,并且设置成使定位垫的厚度尺寸不大于3厘米。


根据本发明的实施例,另外还提供了一种方位跟踪方法,包括;


在公共平面内定位并定向一个或多个主要场发生器,以便产生垂直于该平面的各自的主要磁场;以及


定位并定向辅助场发生器,从而在该平面内的多个位置产生具有平行于该平面的分量的辅助磁场,


其中主要和辅助场发生器设置为使定位垫的厚度尺寸不大于3厘米。


通过本发明其实施例的如下详细描述并结合附图,将更加充分地理解本发明,其中;


附图说明


图1是根据本发明的实施例,磁方位跟踪系统的示意性图形表示;


图2A和图2B是示意性地表示根据本发明实施例的小轮廓定位垫的图;


图3是示意性地表示根据本发明实施例的磁方位跟踪方法的流程图。


具体实施方式


图1是根据本发明的实施例,用于心脏导管插入术的磁方位跟踪系统20的示意性图形表示。患者24躺在导管插入台28上。医生32将导管36插入患者的心室40。系统20确定并显示导管36在心脏内的位置和方向坐标。


系统20包括定位垫44,定位垫44包括一个或多个场发生器,例如场发生线圈。在图1的示例性结构中,垫44包括四个场发生线圈48A-48D。定位垫放置于患者躯干下方的导管插入台的顶上,以便线圈48A-48D位于患者外的固定的已知位置。场发生线圈在心脏40周围预定的工作体积中产生磁场。


系统20的操作类似于上述CARTO系统的操作,只是CARTO使用场发生器线圈的大体积设置,其必须专门安装于导管插入台下方。将薄的定位垫放置在工作台上,避免了专门安装的需求,并允许定位垫从一个工作台到另一个工作台自由移动。将定位垫放置在工作台顶上还可增加执行可精确方位测量的体积,有时候还可减小方位传感器的大小。另外,当放置在工作台顶上时,定位垫通常进一步远离可降低方位测量精确度的干扰物体,例如C-臂荧光镜。


安装在导管36末端的方位传感器50感测其附近的磁场。该方位传感器响应于所感测到的场产生并向控制台52发送方位信号。该控制台包括跟踪处理器56,它基于方位传感器50发送的方位信号,计算导管36相对于线圈48A-48D的位置和方向。通常,该控制台还驱动线圈48A-48D产生合适的磁场。使用显示器60将导管36的位置和方向坐标显示给医生。


在一些实施例中,参考方位传感器64附着于患者背部,并用于校准。通过跟踪参考传感器64的方位,系统20可测量患者相对于定位垫44的运动,从而将这些运动与患者体内的导管36的移动分离。换句话说,无论患者如何运动,例如由于患者身体的运动或呼吸,通过测量传感器50相对于参考传感器64的相对方位,系统20可精确地确定心脏中导管的方位。传感器64和定位垫44通过合适的电缆68连接于控制台52。


为了使定位垫44能够方便地放置在患者和导管插入台之间,产生具有小轮廓的定位垫。该垫的厚度不超过3cm,通常小于2cm。


然而在某些情况下,定位垫的小轮廓可能降低该系统的测量精确度。例如,为了使定位垫44的厚度最小,表示为48A-48C的三个场发生线圈包括小轮廓线圈,为了减小其高度尺寸而缠绕在水平面中。这样,线圈48A-48C产生垂直于水平面的磁场。场的这种设置会产生使邻近包含这些场发生线圈的水平面放置的方位传感器产生不精确的方位测量。特别地,很难精确测量这种传感器的垂直位移。如图中所见,参考方位传感器64位于一水平面略微上方的位置,该水平面包含场发生线圈48A-48C(称为定位垫平面)。这样,当测量仅基于场发生线圈48A-48C产生的场时,传感器64对垂直位移会具有较差的灵敏度。


为了改善系统20的测量精确度,特别是参考方位传感器64的垂直位移测量,将称为辅助线圈的场发生线圈48D添加于定位垫44。线圈48A-48C称为主要场发生器,其产生的场称为主要磁场。辅助线圈48D在垂直于定位垫平面的平面,即包含垂直轴的平面中缠绕。这样,由线圈48D产生的辅助场平行于定位垫的平面。由于线圈48D产生的场而由参考方位传感器64产生的方位信号,因此将对传感器64的垂直位移给出精确指示,即使传感器64邻近定位垫44的平面。如下所示,线圈48D的缠绕符合定位垫的小轮廓。


在备选实施例中,只要线圈48D不平行于定位垫平面,线圈48D的绕组可相对于该平面以其它角度定向。换句话说,在定位垫平面内的多个位置由线圈48D产生的场应该具有至少平行于该平面的分量。该分量应该足够允许在系统20的特定分辨率范围内精确地确定传感器64的垂直位移。进一步的选择是,只要场发生线圈不超过该垫的小轮廓,则这些场发生线圈可以是倾斜的或相对于该水平面以已知的角度不同地定向。


在图1的实例中,定位垫44包括总共四个场发生线圈,其中一个线圈包括辅助线圈。在备选实施例中,垫44可包括以任意合适配置设置的任意数量的主要和辅助场发生线圈。进一步的选择是,垫44可包括单个场发生线圈,导管36包括以已知的相对偏移量和/或方向定位的多个方位传感器,以便能够跟踪导管位置。


在某些实施例中,辅助线圈48D可位于定位垫44外部,例如与患者的脚相邻。在这些实施例中,对辅助线圈的机械尺寸没有严格的要求。辅助线圈仍然定位并定向成使得其产生的场具有平行于定位垫的平面的分量。


尽管图1表示用于心脏导管插入的系统,小轮廓定位垫44可用于任意其它的方位跟踪应用,例如用于跟踪矫形植入物和医疗器械,如上面引用的背景技术所述。在图1的实例中,定位垫水平放置并具有减小的高度或垂直尺寸。这里描述的方法和装置可用于减小定位垫的任何期望的尺寸,这对于特定应用是合适的。


图2A和图2B是示意性地表示根据本发明实施例的小轮廓定位垫44的图。


图2A是垫44的俯视图,表示以共面的三角形结构设置的主要线圈48A-48C。这些线圈通常包括空气芯(air-wound)线圈,没有实心芯或绕线轴的缠绕,以便使其厚度最小。另一选择是,也可使用具有不明显增大该垫厚度的芯的线圈。线圈之间的距离通常为几厘米至几十厘米,但也可使用其它距离。在本实例中,辅助线圈48D的轴平行于定位垫平面。线圈48D示出在定位垫的中间,但也可选择安装在任意其它方便的位置。


图2B是垫44的侧视图,表示符合该垫的整个小轮廓的线圈48A-48D。特别地,线圈48D显示为通过长且窄的卷绕物进行缠绕,以便不突出超过主要线圈48A-48C的厚度。这四个线圈可通过基板、框架或任意其它的合适的固定物固定于其各自的位置。


图4是示意性地表示根据本发明实施例的、导管插入过程中磁方位跟踪方法的流程图。该方法在垫定位步骤80,将定位垫44放置在患者下导管插入台上。在参考定位步骤82,医生将参考方位传感器64附着于患者背部。


在跟踪步骤84,在导管插入手术的过程中,系统20跟踪导管36中的方位传感器50,以及参考方位传感器64。四个场发生线圈48A-48D产生由方位传感器50和64感测的各自的磁场。跟踪处理器56接收由传感器50和64响应于这些场产生的方位信号,并计算这两个传感器的方位(位置和方向)坐标。特别地,在参考跟踪步骤86,处理器56精确地跟踪参考方位传感器64的方位。使用由辅助线圈48D产生的场,即使传感器64邻近定位垫平面,处理器56也能够精确地确定传感器64的方位。


尽管上述实施例涉及在患者体外产生磁场并通过体内的方位传感器感测所述磁场的系统,在备选实施例中,方位传感器可由导管36中的微型场发生器代替,并且可使用线圈48A-48D感测由导管中的场发生器(以及可能由代替传感器64的参考场发生器)产生的场。此外,尽管这些实施例主要涉及在磁方位跟踪系统中使用的小轮廓定位垫,本发明的原理也可用于其它的应用,例如无线输电应用,其中电能被传输到小轮廓天线垫。


可以理解上述实施例通过实例进行引证,本发明不限于上面的特定表示和描述。而且,本发明的范围包括上述各种特征的组合和再组合,以及其变化和修改,本领域技术人员阅读上述描述之后,能够想到这些未在现有技术中公开的变化和修改。

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