專利名稱：確定外科手術(shù)探針的位置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定物體位置、特別是(雖然不僅僅是)確定人體或動(dòng)物體內(nèi)的物體位置的器械和方法，并涉及一種物體。
在醫(yī)學(xué)各科中，特別是在通道外科手術(shù)(keyhole surgery)中，要將器械引入生命體中，且需要了解所述器械在體內(nèi)的位置。已知可用X-射線來定位這種器械。但用這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。制造某些引入人體器械的材料，例如塑料，對(duì)X射線的吸收非常低，使器械的位置很難用X射線來確定，而且生命體長時(shí)間暴露在X射線下也是不好的。
本發(fā)明試圖解決這些問題。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于確定物體在空間中位置的器械，它包括發(fā)射磁場的裝置和檢測所發(fā)射的磁場的裝置，這兩種裝置之一可以與物體相關(guān)聯(lián)；以及處理裝置，它用來計(jì)算發(fā)射裝置和檢測磁場的裝置的相對(duì)位置、從而確定物體的位置。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種確定物體在空間中位置的方法，所述方法包括以下步驟提供發(fā)射磁場的裝置和檢測所發(fā)射的磁場的裝置；或者將發(fā)射磁場的裝置或者將檢測磁場的裝置與物體相關(guān)聯(lián)，并而把發(fā)射磁場的裝置和檢測磁場的裝置中的另一裝置設(shè)置在離開所述物體一定間隔的位置；使發(fā)射磁場的裝置發(fā)射磁場并用檢測磁場的裝置來檢測磁場，從而確定物體的位置。
所述方法和器械使得能夠確定物體位置。通過將引入人體或動(dòng)物體的器械與發(fā)射磁場的裝置或檢測磁場的裝置相關(guān)聯(lián)，就有可能在器械引入體內(nèi)時(shí)確定其位置。
所述物體可以包括外科器具、針、導(dǎo)管、假體等。
所述方法和器械最好用于確定物體在三維空間的位置。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射磁場的裝置適合于與物體相關(guān)聯(lián)并且可以包括永久磁鐵或能夠被外加場感應(yīng)而發(fā)射磁場的某種材料。最好把所述發(fā)射磁場的裝置組合在所述物體之內(nèi)。
檢測磁場的裝置最好包括一個(gè)或多個(gè)電磁器件，例如霍爾效應(yīng)器件。為了能確定物體在多維空間中的位置，檢測磁場的裝置最好可以在多個(gè)不同方向上檢測磁場，最好在至少兩個(gè)、更好是在三個(gè)基本上相互正交的方向上檢測磁場。在一種配置中，檢測磁場的裝置包括三個(gè)單獨(dú)的檢測器，例如電磁器件，每個(gè)安裝成圍繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，最好為每個(gè)檢測器提供驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置可以使檢測器繞它的軸擺動(dòng)。所有檢測器的軸可基本上平行并且圍繞圓周基本上均勻地隔開?；蛘?，檢測器的軸可以不平行。檢測器可沿其各自的軸移動(dòng)。最好提供用于確定每個(gè)檢測器方向的裝置，這可以采用能使檢測器按照預(yù)定方向取向的驅(qū)動(dòng)裝置、例如步進(jìn)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。處理裝置最好可以監(jiān)測每個(gè)檢測器在繞其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)檢測到的磁場的強(qiáng)度及其方向、從而確定所述檢測器檢測到的磁場的方向。處理裝置最好還可以通過比較每個(gè)檢測器檢測到的磁場方向來確定檢測器檢測到的磁場的源點(diǎn)的方向。由于已知每個(gè)檢測器的位置，用三角測量法就可以確定檢測到的磁場的源點(diǎn)因而可以確定磁場發(fā)射體的位置。
在另一實(shí)施例中，檢測磁場的裝置適合于與物體相關(guān)聯(lián)并且可以包括一個(gè)或多個(gè)電磁器件、最好是霍爾效應(yīng)器件。檢測磁場的裝置最好組合到所述物體中。
發(fā)射磁場的裝置最好可以向許多不同的方向發(fā)射磁場，最好向至少兩個(gè)相互正交的方向、更好是向三個(gè)相互正交的方向發(fā)射磁場。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射磁場的裝置最好包括一個(gè)或多個(gè)電磁鐵。所述電磁鐵或每個(gè)電磁鐵最好包括具有線圈軸的線圈，每個(gè)線圈最好包括一定長度的高導(dǎo)磁率材料，以便將所產(chǎn)生的磁場集中在沿線圈軸的方向上。
所述線圈或每個(gè)線圈最好安裝成圍繞基本上與線圈軸垂直的軸旋轉(zhuǎn)，更好是圍繞兩個(gè)基本上垂直的軸旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)軸中的每一個(gè)軸基本上都與線圈軸垂直。最好為所述線圈或每個(gè)線圈提供驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置可以使線圈圍繞軸擺動(dòng)或圍繞其旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)。
最好提供一種裝置來激勵(lì)所述線圈或每個(gè)線圈，其中有不止一個(gè)線圈依次激勵(lì)每個(gè)線圈。最好提供一種裝置來確定每個(gè)線圈的方向，這可以通過采用可以使檢測器按照預(yù)定方向取向的驅(qū)動(dòng)裝置、例如步進(jìn)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。處理裝置最好可以監(jiān)測在依次激勵(lì)和旋轉(zhuǎn)的所述線圈或每個(gè)線圈檢測到的磁場的強(qiáng)度、從而確定用于檢測磁場的裝置相對(duì)于發(fā)射磁場的裝置的方向。
通過確定用于檢測磁場的裝置相對(duì)于不同線圈和/或按照不同方向取向的線圈的方向，就可以確定用于檢測磁場的裝置相對(duì)于用于發(fā)射磁場的裝置的位置。
此外，在這兩個(gè)實(shí)施例中，所述裝置最好包括可以用來顯示所確定的物體位置的顯示器。顯示器可以包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。顯示器最好可以顯示出諸如人頭的對(duì)象的二維或三維圖像，并且在顯示所述對(duì)象的同時(shí)顯示一個(gè)物體(例如外科器械的端頭)與所述對(duì)象的相對(duì)位置。這樣用戶就能很容易看到所述物體相對(duì)于所述對(duì)象的位置，此位置視情況而定可能在所述對(duì)象體內(nèi)。
處理裝置可包括計(jì)算機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種使在生命體中使用的器械發(fā)射磁場的方法，所述方法包括以下步驟將可磁化材料插入所述器械中；以及將器械暴露在磁場中、從而使器械中的可磁化材料磁化。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種在生命體中使用的器械，它包括磁鐵和/或可磁化材料。
所述器械可包括醫(yī)療或外科器具、針、導(dǎo)管、假體等。磁鐵和/或可磁化材料可包括粉末材料，例如稀土材料。磁鐵和/或可磁化材料可以設(shè)置在所述器械的一部分，所述部分的位置必須是已知的，例如導(dǎo)管的端頭。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種用于生命體中的器械，所述器械包括檢測磁場的裝置。
所述器械可包括醫(yī)療或外科器具、針、導(dǎo)管、假體等。用于檢測磁場的裝置可包括一個(gè)或多個(gè)電磁器件，例如霍爾效應(yīng)器件。所述檢測裝置最好設(shè)置在所述器械的一部分，所述部分的位置必須是已知的，例如導(dǎo)管的端頭。
為了能更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)參考附圖用實(shí)例來說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的器械實(shí)施例的示意圖；圖2是在使用時(shí)圖1器械中霍爾器件的配置；圖3a到3c，各自顯示貫穿根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)管的剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的器械的另一實(shí)施例的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的器械的另一實(shí)施例的示意圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的另一導(dǎo)管；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明的另一導(dǎo)管。
參考圖1和圖2，圖中示出用于檢測磁場發(fā)射體在三維空間中的位置的器械。三個(gè)基本上扁平的平面霍爾效應(yīng)器件1各自安裝成繞其各自的縱軸旋轉(zhuǎn)，所述三個(gè)軸在圓周上基本上均勻地隔開。每個(gè)霍爾效應(yīng)器件1安裝在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2上，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2可以使所述霍爾效應(yīng)器件圍繞各自的縱軸擺動(dòng)。所有三個(gè)霍爾效應(yīng)器件1和關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2都安裝在縱向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)3上，縱向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)3可以使霍爾效應(yīng)器件在平行于三個(gè)縱軸的方向上移動(dòng)。詞語“縱向”僅僅用于說明的目的，霍爾效應(yīng)器件的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可以沿著任何適當(dāng)?shù)姆较蜓由臁?br> 每個(gè)霍爾效應(yīng)器件1具有關(guān)聯(lián)的電流源4和差分放大器5，所述差分放大器可以放大由霍爾效應(yīng)器件1產(chǎn)生的、表示檢測到磁場的任何霍爾電壓。來自每個(gè)差分放大器5的輸出信號(hào)通過單一的復(fù)用器6饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器7，模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的數(shù)字輸出通過微控制器8饋送、供信號(hào)處理然后饋送到具有顯示器10的個(gè)人計(jì)算機(jī)9。
使用時(shí)，借助于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2使三個(gè)霍爾效應(yīng)器件1圍繞其各自的軸旋轉(zhuǎn)(詞語“旋轉(zhuǎn)”包括擺動(dòng))。與此同時(shí)，監(jiān)測在每個(gè)霍爾效應(yīng)器件1兩端產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)霍爾效應(yīng)器件1暴露在靜止磁場中時(shí)，其霍爾電壓在磁場垂直于器件1的平面時(shí)的最大值和磁場平行于器件1的平面時(shí)的最小值之間變化。監(jiān)測在每個(gè)霍爾器件1兩端產(chǎn)生的變化的霍爾電壓，結(jié)合其旋轉(zhuǎn)方向，微控制器8和個(gè)人計(jì)算機(jī)9就可以確定每個(gè)霍爾效應(yīng)器件1檢測到的磁場的方向，然后，根據(jù)已知三個(gè)霍爾效應(yīng)器件1的相對(duì)位置，用三角測量法計(jì)算磁場源點(diǎn)的位置以及發(fā)射磁場的物體的位置。
每個(gè)霍爾效應(yīng)器件1的旋轉(zhuǎn)方向受微控制器8和個(gè)人計(jì)算機(jī)9的控制，因此在任何給定的時(shí)刻都已知的。
如果磁場源點(diǎn)基本上不在布置霍爾效應(yīng)器件1的圓周的平面內(nèi)，最好使霍爾效應(yīng)器件1這樣沿其旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)、使得磁場源點(diǎn)位于布置霍爾效應(yīng)器件1的圓周的平面內(nèi)，以便提高待測量的磁場的強(qiáng)度。
個(gè)人計(jì)算機(jī)9也可以在顯示器10上產(chǎn)生圖像，表示在適當(dāng)?shù)谋尘跋卤粰z測的對(duì)象的位置。例如，所述器械的具體應(yīng)用是確定在腦外科手術(shù)中所用的醫(yī)療器械相對(duì)于患者大腦11的位置。所述器械需要包括發(fā)射磁場的裝置，例如永久磁鐵。對(duì)于此應(yīng)用，使個(gè)人計(jì)算機(jī)8顯示人的頭部和大腦的圖像以及表示外科醫(yī)生在大腦中正在操作的器械的位置的適當(dāng)符號(hào)。這使外科醫(yī)生在手術(shù)期間能夠看見器械相對(duì)于患者頭部的位置的實(shí)時(shí)圖像。
所述器械同樣可使用于其它應(yīng)用中，包括非醫(yī)療應(yīng)用。圖2所示的大腦11僅僅用于說明的目的。
參考圖3a和3b，為了能夠利用圖1和圖2的器械來確定塑料導(dǎo)管12的位置，將一定量的可磁化粉末13，例如稀土粉末，在制造期間裝入導(dǎo)管12的末端。然后將導(dǎo)管12的末端插入電線圈14，使直流電流通過線圈14，以便將粉末13磁化。如果在制造期間將已經(jīng)磁化好的粉末13引入形成導(dǎo)管12的材料中，則由于磁化好的粉末易于結(jié)塊，很難使其分布均勻。
圖3c示出導(dǎo)管的另一個(gè)實(shí)施例，它包括環(huán)形的可磁化磁體15。
參考圖4，圖中示出用于確定物體位置的器械的另一實(shí)施例的空間配置的示意圖。所述器械包括三個(gè)平面線圈16。每個(gè)線圈具有軸17和基本上平行于軸17穿過每個(gè)線圈的鐵氧體磁棒18。三個(gè)線圈16均勻布置在圓周上，軸17一般指向圓心。每個(gè)線圈16安裝在一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置上(未示出)，所述驅(qū)動(dòng)裝置可以使線圈16以繞兩個(gè)基本上垂直的軸中的每個(gè)軸以大約60°擺動(dòng)，在圖中所示位置每個(gè)軸基本上與線圈軸17垂直。
又向每個(gè)線圈16提供直流或脈沖電流，使線圈16產(chǎn)生磁場，所述磁場一般沿線圈軸17延伸。
所述器械能夠確定布置在線圈16所包圍的區(qū)域中的用于檢測磁場的裝置的位置。
通過測量檢測到的磁場的強(qiáng)度，在知道在任何給定時(shí)間哪一個(gè)線圈16被激勵(lì)以及其方向，并且通過順序地激勵(lì)所述各線圈，就有可能確定用于檢測磁場裝置相對(duì)于所述線圈的位置和取向，因?yàn)闄z測到的磁場的大小取決于用于檢測磁場的裝置和被勵(lì)磁的線圈的相對(duì)距離和取向。
可以由微處理器、最好是個(gè)人計(jì)算機(jī)計(jì)算用于檢測磁場的裝置的位置和取向。
所述器械的一個(gè)實(shí)例應(yīng)用是確定心臟手術(shù)中所用的醫(yī)療器具相對(duì)患者心臟的位置。所述器械包括用于檢測磁場的裝置，此裝置連接到處理器上，線圈16的驅(qū)動(dòng)裝置也連接在所述處理器上。然后可以確定用于檢測磁場的裝置和線圈的相對(duì)位置。由于線圈16的位置已知，用于檢測磁場的裝置的位置以及醫(yī)療器具的位置就可確定。
這可以很方便地由計(jì)算機(jī)監(jiān)控器顯示，使計(jì)算機(jī)監(jiān)控器顯示患者的心臟圖像并顯示適當(dāng)?shù)姆?hào)來表示醫(yī)療器具在心臟中的位置即可。
圖5示出類似于圖4的一種配置，但只具有單個(gè)線圈16。單個(gè)線圈16就已足以確定用于檢測磁場裝置的位置。
圖6和圖7示出導(dǎo)管19，導(dǎo)管19包括其中裝有一個(gè)或多個(gè)霍爾效應(yīng)器件20的塑料管。用于提供驅(qū)動(dòng)電流并且使得能夠測量霍爾電壓的引線21從埋置在導(dǎo)管壁中的霍爾效應(yīng)器件穿過導(dǎo)管壁的外側(cè)引出到遠(yuǎn)離霍爾效應(yīng)器件的地點(diǎn)。這些導(dǎo)管用來與圖4或圖5的器械一起使用以便能夠確定導(dǎo)管尖端相對(duì)于線圈的位置。
上述實(shí)施例僅僅作為實(shí)例加以說明。不背離本發(fā)明的許多改動(dòng)是可能的。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物體在空間中的位置的器械，它包括用于發(fā)射磁場的裝置和用于檢測所述發(fā)射的磁場的裝置，這兩種裝置之一可以與所述物體相關(guān)聯(lián)；以及處理裝置，它可以計(jì)算所述發(fā)射磁場裝置和所述檢測磁場裝置的相對(duì)位置，從而確定所述物體的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的器械，其特征在于所述用于檢測磁場的裝置包括一個(gè)或多個(gè)電磁器件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的器械，其特征在于所述用于檢測磁場的裝置可以在多個(gè)不同方向上檢測磁場。
4.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的器械，其特征在于所述用于檢測磁場的裝置包括三個(gè)單獨(dú)的檢測器，每一個(gè)檢測器安裝成圍繞相應(yīng)的軸旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的器械，其特征在于將驅(qū)動(dòng)裝置與每一個(gè)檢測器相關(guān)聯(lián)，所述驅(qū)動(dòng)器可以使所述檢測器繞其各自的軸擺動(dòng)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的器械，其特征在于提供一種用于確定每個(gè)所述檢測器的方向的裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的器械，其特征在于所述處理裝置可以監(jiān)視由每個(gè)所述檢測器在繞其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所檢測到的磁場強(qiáng)度及其方向，從而確定由所述檢測器檢測到的磁場的方向。
8.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的器械，其特征在于所述用于發(fā)射磁場的裝置組合到待確定其位置的所述物體中。
9.如權(quán)利要求1或2所述的器械，其特征在于所述用于發(fā)射磁場的裝置可以沿多個(gè)不同的方向發(fā)射磁場。
10.如權(quán)利要求9所述的器械，其特征在于所述用于發(fā)射磁場的裝置包括一個(gè)或多個(gè)線圈，每個(gè)所述線圈具有其線圈軸。
11.如權(quán)利要求10所述的器械，其特征在于所述線圈或每個(gè)線圈安裝成圍繞基本上與其線圈軸垂直的軸旋轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求11所述的器械，其特征在于所述線圈或每個(gè)線圈安裝成圍繞兩個(gè)基本上垂直的軸旋轉(zhuǎn)，所述兩個(gè)軸中的每一個(gè)軸都基本上與所述線圈軸垂直。
13.如權(quán)利要求11或12所述的器械，其特征在于為所述線圈或每個(gè)線圈提供驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置可以使所述線圈或每個(gè)線圈繞其旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)。
14.如權(quán)利要求10到13中任一項(xiàng)所述的器械，其特征在于包括用于激勵(lì)所述線圈或每個(gè)線圈的裝置，在存在不止一個(gè)線圈的情況下所述裝置可以順序地激勵(lì)所述各線圈。
15.如權(quán)利要求10到14中任一項(xiàng)所述的器械，其特征在于包括用于確定所述線圈或每個(gè)線圈的方向的裝置。
16.如權(quán)利要求10到15中任一項(xiàng)所述的器械，其特征在于所述處理裝置可以監(jiān)視在所述線圈或每個(gè)線圈被激勵(lì)和旋轉(zhuǎn)時(shí)所檢測到的磁場強(qiáng)度，從而確定用于檢測所述磁場的裝置相對(duì)于用于發(fā)射所述磁場的裝置的方向。
17.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的器械，其特征在于包括用于顯示所述確定的物體位置的顯示器。
18.一種確定物體在空間中位置的方法，所述方法包括以下步驟提供用于發(fā)射磁場的裝置和用于檢測所述發(fā)射的磁場的裝置；或者將所述用于發(fā)射磁場的裝置或者將所述用于檢測磁場的裝置與所述物體相關(guān)聯(lián)并將所述用于發(fā)射磁場的裝置和所述用于檢測磁場的裝置中的另一個(gè)設(shè)置在離開所述物體有一定間隔的位置；使所述用于發(fā)射磁場的裝置發(fā)射磁場并用所述用于檢測磁場的裝置來檢測所述磁場，從而確定所述物體的位置。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于利用權(quán)利要求1到17中任一項(xiàng)所述的器械來執(zhí)行所述方法。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于所述物體設(shè)置在人體或動(dòng)物體內(nèi)。
21.一種使在生命體內(nèi)使用的器械發(fā)射磁場的方法，所述方法包括以下步驟將可磁化材料裝入所述器械中；以及將所述器械暴露在磁場中，從而使所述器械中的所述可磁化材料磁化。
22.一種用于生命體中的器械，它包括磁體和/或可磁化材料。
23.一種用于生命體中的器械，它包括用于檢測磁場的裝置。
24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其特征在于所述器械是醫(yī)療或外科器具、針、導(dǎo)管、假體等。
25.如權(quán)利要求22或從屬于權(quán)利要求22的權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述磁體和/或可磁化材料包括粉末材料。
26.如權(quán)利要求23或從屬于權(quán)利要求23的權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述檢測裝置包括一個(gè)或多個(gè)電磁器件。
全文摘要
一種用于確定物體在空間中位置的器械，它包括用于發(fā)射磁場的裝置(13，15，16)和用于檢測所述發(fā)射的磁場的裝置(1，20)。用于發(fā)射的裝置或用于檢測的裝置之一與物體相關(guān)聯(lián)，并提供一個(gè)處理裝置，所述處理裝置可以計(jì)算發(fā)射裝置和檢測裝置的相對(duì)位置，從而確定物體的位置。所述器械特別適用于醫(yī)療應(yīng)用并可用來探測醫(yī)療器具在生命體中的位置。
文檔編號(hào)A61B5/06GK1525833SQ02809797
公開日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月14日
發(fā)明者E·科亨, J·福勒, E 科亨 申請(qǐng)人:霍爾有效技術(shù)有限公司