带有铁磁部件的耳鼻喉（ent）可导航剃刀的制作方法

带有铁磁部件的耳鼻喉(ent)可导航剃刀
技术领域
1.本发明整体涉及侵入式医疗探头，并且具体地涉及用于跟踪患者身体中的医疗探头的方法和系统。


背景技术：

2.先前在专利文献中已提出用于跟踪患者器官的腔体内部的医疗探头的技术。例如，美国专利申请公布2018/0280049描述了一种医疗装置，该医疗装置包括一次性耳鼻喉(ent)工具、可重复使用的手柄和处理器。ent工具被配置成在患者ent器官中执行医疗规程。可重复使用的手柄被配置成保持和控制一次性ent工具，并且包括位置传感器，该位置传感器被配置成产生指示可重复使用的手柄的第一位置的一个或多个位置信号。处理器被配置成从位置传感器接收位置信号，以及基于位置信号来估计一次性ent工具在患者ent器官中的第二位置。
3.又如，美国专利6,272,371描述了一种侵入式探头设备，该侵入式探头设备包括柔性细长探头，该柔性细长探头具有与其远侧端部相邻的远侧部分，用于插入到受检者的身体中。当向远侧部分施加力时，远侧部分呈现预定曲线形式。第一传感器和第二传感器在已知位置中相对于远侧端部固定到探头的远侧部分，这些传感器响应于探头的弯曲来生成信号。信号处理电路接收弯曲响应信号，并且处理该信号以找到至少第一传感器的位置和取向坐标并沿探头的远侧部分的长度确定多个点的位置。


技术实现要素：

4.本发明的一个实施方案提供了一种系统，该系统包括医疗探头和位置跟踪系统。医疗探头包括远侧端部和耦合到远侧端部的一个或多个远侧磁性位置传感器。医疗探头还包括近侧端部组件和耦合到近侧端部组件的一个或多个近侧磁性位置传感器。位置跟踪系统包括存储器，该存储器被配置成保存指示远侧磁性位置传感器与近侧磁性位置传感器之间的已知相对位置的值。位置跟踪系统包括处理器，该处理器被配置成接收如由位置跟踪系统测量的指示近侧磁性位置传感器的和远侧磁性位置传感器的估计位置的一个或多个信号，以及响应于检测到已知相对位置与估计位置之间的差异来启动响应动作。
5.在一些实施方案中，远侧端部包括引起跨远侧端部的磁场的变化的部件。在一些实施方案中，引起磁场的变化的部件包含铁磁材料。
6.在一些实施方案中，远侧位置传感器被耦合到医疗探头的轴，并且其中近侧磁性位置传感器被耦合到医疗探头的手柄。
7.在一个实施方案中，轴是旋转的，并且处理器被配置成基于由一个或多个旋转的远侧磁性位置传感器生成的值来检测差异。
8.在另一个实施方案中，处理器被配置成基于指示已知相对位置的值来校正所检测到的差异。
9.在一些实施方案中，处理器被配置成将所检测到的差异警示给用户。
10.在一些实施方案中，处理器被配置成在指示已知相对位置的值与估计位置的值之间进行比较以便检测差异。
11.在一个实施方案中，医疗探头包括耳鼻喉(ent)工具。
12.根据本发明的一个实施方案，另外提供一种方法，该方法包括将医疗探头插入到患者的器官中，该医疗探头包括(a)远侧端部，(b)耦合到远侧端部的一个或多个远侧磁性位置传感器，(c)近侧端部组件，以及(d)耦合到近侧端部组件的一个或多个近侧磁性位置传感器。使用位置跟踪系统通过以下方式跟踪远侧端部：(i)保存指示远侧磁性位置传感器与近侧磁性位置传感器之间的已知相对位置的值，(ii)接收如由位置跟踪系统测量的指示近侧磁性位置传感器的和远侧磁性位置传感器的估计位置的一个或多个信号，以及(iii)响应于检测到已知相对位置与估计位置之间的差异来启动响应动作。
13.根据本发明的一个实施方案，还提供了一种医疗探头，该医疗探头包括远侧端部、一个或多个远侧磁性位置传感器、近侧端部组件和一个或多个近侧磁性位置传感器。一个或多个远侧磁性位置传感器被耦合到远侧端部。一个或多个近侧磁性位置传感器被耦合到近侧端部组件。
14.结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
15.图1是根据本发明的一个实施方案使用包括可导航剃刀的ent模块的耳鼻喉(ent)规程的示意性图解；
16.图2是根据本发明的一个实施方案的图1的ent规程中所应用的ent模块的示意性图解；并且
17.图3是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的用于跟踪患者头部中图2的ent模块的远侧端部的方法和算法的流程图。
具体实施方式
18.概述
19.一些医疗规程需要在患者器官的腔体内部导航医疗探头的远侧端部。例如，耳鼻喉(ent)规程可能需要导航插入到患者头部的鼻窦中的ent可导航剃刀。
20.原则上，可通过将磁性位置跟踪系统的多个位置传感器耦合到远侧端部来在患者身体内部跟踪探头的远侧端部。可通过使用磁性位置跟踪系统施加预定义磁场来校准位置测量，并且基于在医疗规程期间获取的位置信号，处理器可估计位置传感器的位置。
21.在2018年1月2日提交的名称为“tracking a rigid tool in a patient body”的美国专利申请15/859,969中描述了一种设备，该设备包括ent探头以及被耦合到ent探头的远侧端部的磁性位置跟踪系统的多个位置传感器，该专利申请被转让给本专利申请的受让人并且其公开内容以引用方式并入本文。
22.然而，在一些情况下，器官的腔体内部的磁场可通过一些机制失真，例如通过探头本身的远侧端部的铁磁部件。如果不考虑磁场造成的失真，则该失真可降低在患者器官中跟踪医疗探头的准确性。此外，在存在旋转远侧端部的情况下，远侧位置传感器可以自身
(例如，经由旋转电场)旋转或进一步旋转到任何铁磁部件，从而使它们生成的位置信号失真。
23.下文描述的本发明的实施方案提供了用于跟踪医疗探头的改进技术，诸如包括在患者器官内部引起跨远侧端部的磁场的变化(例如，失真)的部件的ent工具。在一些实施方案中，本发明所公开的医疗探头的近侧端部(例如，手柄)包括一个或多个近侧位置传感器，并且医疗探头的远侧端部包括一个或多个远侧位置传感器。
24.一个或多个近侧位置传感器附接到探头的不太受远侧端部的铁磁部件影响的部件，从而给出远侧端部的位置和取向的指示。装配到远侧端部的一个或多个远侧位置传感器生成可能失真的位置信号，这妨碍了远侧端部的准确位置跟踪。
25.由于医疗探头是刚性的，因此在规程期间远侧位置传感器中的每一个远侧位置传感器相对于近侧位置传感器保持固定的已知位置。在一些实施方案中，使用多个位置传感器之间的几何已知相对位置(即，远侧传感器与近侧传感器之间的物理关系)以及来自近侧传感器的指示，处理器检测、约束并校正远侧传感器的失真测量，以推导远侧端部的位置和取向的改进指示。
26.在一个实施方案中，一个或多个远侧位置传感器的位置相对于一个或多个近侧位置传感器的位置存储在由处理器访问的存储器中。
27.在一些实施方案中，处理器被配置成通过将各种传感器的所得估计相对位置与传感器的几何已知相对位置进行比较，由位置跟踪系统来校正失真的远侧位置测量。
28.在一些实施方案中，处理器被配置成响应于检测到远侧位置传感器相对于近侧位置传感器的已知位置与估计位置之间的差异来启动合适的响应动作，诸如警示医师。
29.通常，处理器被编程在包含特定算法的软件中，该特定算法使得处理器能够执行上述处理器相关步骤和功能中的每一个。
30.本发明所公开的技术通过允许包括铁磁部件的医疗探头的磁性位置跟踪来改善微创医疗规程的质量，而不损害跟踪所涉及探头的位置的准确性。
31.系统描述
32.图1是根据本发明的一个实施方案使用包括可导航剃刀的ent模块28的耳鼻喉(ent)规程的示意性图解。在一些实施方案中，包括ent模块28的ent系统20被配置成执行ent规程，诸如处理来自患者22的一个或多个鼻窦48的感染。
33.在一些实施方案中，ent模块28包括在其远侧端部处包括剃刀工具(剃刀工具未示出)的ent远侧端部38，医师24将该ent远侧端部插入到患者22的鼻部26中。模块28还包括手持式近侧端部组件30，该手持式近侧端部组件耦合到远侧端部38的近侧端部并且被配置成帮助医师24在患者22的头部41中导航远侧端部38。
34.在一个实施方案中，系统20还包括磁性位置跟踪系统，该磁性位置跟踪系统被配置成在头部41中或在头部附近跟踪多个位置传感器的位置。磁性位置跟踪系统包括磁场发生器44和下文图2中所示的多个位置传感器。位置传感器响应于感测到由场发生器44生成的外部磁场来生成位置信号，从而允许处理器34估计每个传感器的位置，如将在下文所述。
35.该位置感测方法在各种医疗应用中实现，例如在由biosense webster inc.(irvine,ca)生产的carto
tm
系统中实现，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、pct专利公布wo 96/05768，以及美国
专利申请公布2002/0065455a1、2003/0120150a1和2004/0068178a1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。
36.系统20还包括定位垫40，该定位垫包括固定在框架46上的场发生器44。在图1所示的示例性配置中，垫40包括五个场发生器44，但可另选地包括任何其他合适数量的发生器44。垫40还包括放置在患者22的头部41下方的枕头(未示出)，使得发生器44定位在头部41外部的已知位置处。
37.在一些实施方案中，系统20包括控制台33，该控制台包括存储器49和驱动器电路42，该驱动器电路被配置成经由缆线37利用合适的信号驱动场发生器44，以便在围绕头部41的空间中在预定义工作体积中生成磁场。
38.在一些实施方案中，控制台33包括通常为通用计算机的处理器34，该处理器具有合适的前端和接口电路，用于经由缆线32从其上耦合有多个磁性传感器的ent模块28(下文图2中示出)接收信号，并且用于控制本文所述的系统20的其他部件。
39.在一些实施方案中，处理器34被配置成估计每个位置传感器的位置。基于传感器的估计位置，处理器34被配置成在磁性位置跟踪系统的坐标系中推导远侧端部38的位置和取向。
40.在一些实施方案中，处理器34被配置成经由接口(未示出)接收一个或多个解剖图像，诸如使用外部计算机断层摄影(ct)系统(未示出)获得的描绘了头部41的相应分段二维(2d)切片的ct图像。术语“分段”是指通过在ct系统中测量组织的相应衰减来显示每个切片中标识的各种类型的组织。
41.控制台33还包括输入装置39和用户显示器36，该输入装置用于控制控制台的操作，该用户显示器被配置成显示从处理器34接收的数据(例如，图像)以及/或者显示使用输入装置39(例如，由医师24)由用户插入的输入。
42.在一些实施方案中，处理器34被配置成从ct图像中选择一个或多个切片，诸如图像35，并且在用户显示器36上显示所选择的切片。在图1的示例中，图像35描绘了患者22的一个或多个鼻窦48的剖视前视图。
43.为简单和清晰起见，图1仅示出了与本发明所公开的技术有关的元件。系统20通常包括附加模块和元件，该附加模块和元件与本发明所公开的技术不直接相关，并且因此被有意地从图1和对应的描述中省略。
44.处理器34可用软件编程以执行由系统使用的功能，并且将数据存储在待由软件处理或以其它方式使用的存储器49中。例如，可通过网络将软件以电子形式下载到处理器，或者可将软件提供在非临时性有形介质上，诸如，光学、磁性或电子存储介质。另选地，可通过专用或可编程数字硬件部件来执行处理器34的功能中的一些或全部功能。具体地，处理器34运行如本文所公开的在图3中包括的专用算法，该专用算法使得处理器34能够执行本发明所公开的步骤，如下文进一步所述。
45.带有铁磁部件的ent可导航剃刀
46.图2是根据本发明的一个实施方案的图1的ent规程中所应用的ent模块28的示意性图解。
47.在一些实施方案中，ent模块28包括一个或多个近侧磁性位置传感器，在本示例中，两个传感器表示为50和52，它们耦合在手持式近侧端部组件30上方的已知位置处。远侧
端部38包括一个或多个远侧磁性位置传感器，在本示例中，三个传感器表示为51、53和55，它们例如沿轴58的纵向轴线56耦合在远侧端部38上方的已知位置处。在所示的实施方案中，导航剃刀的轴58包含铁磁材料。
48.在本公开的上下文中，术语“已知位置”是指传感器50和52相对于系统20的预定义坐标系的实际位置。
49.在一个实施方案中，远侧端部38可具有直的形式，例如如图2所示。远侧位置传感器51、53、55相对于传感器50和52的几何已知位置可由一组矢量70限定，在图2中示出了传感器55与50之间的一个矢量。
50.在其他实施方案中，可应用任何其他合适的定义和测量来获得已知相对位置。例如，在远侧端部具有弯曲或不规则形状的情况下，远侧传感器沿弯曲形状的相对位置可用于更好地估计远侧位置。
51.在一些实施方案中，远侧位置传感器51、53和55相对于近侧传感器50和52的已知相对位置存储在系统20的存储器49中。已知相对位置可例如由ent模块制造商提供。
52.在一些实施方案中，在ent规程期间，磁场发生器44施加磁场线62所示的磁场60。基于从位置传感器51、53和55接收的信号，处理器34估计磁性位置跟踪系统的坐标系中的远侧位置传感器51、53和55中的每一者的位置。
53.然而，由于轴58中的铁磁材料，轴附近的磁场线62(图2中以虚线示出)局部失真变为弯曲磁场线72。近侧位置传感器50和52不受失真磁场线72的影响，并且因此其位置通过系统20准确地测量。
54.在一些实施方案中，处理器34被配置成基于估计远侧位置来计算传感器51、53和55相对于传感器50和52的测量位置的相应估计位置。可将估计相对位置定义为例如从ent模块28的几何形状得知的矢量70。
55.在一些实施方案中，处理器34(在存储器49中或在处理器34的存储器中)存储用于确定给定已知矢量(诸如矢量70)与对应估计矢量(诸如矢量70')之间是否存在差异的阈值，因为由于失真线72而将传感器55的位置错误地估计为55'，所以该对应估计矢量是错误的。阈值的示例可以是范数，诸如等于范数||70-71'||的距离71，和/或角度。确定差异的阈值在已知矢量中的至少两个已知矢量之间可以是不同的，或者另选地对于所有已知矢量可以是类似的。
56.在一些实施方案中，通常在执行规程之前相对于一个或多个预定义磁场校准工具38，以便最小化初始差异水平。
57.在一些实施方案中，处理器34可在检测到估计距离与已知距离之间的差异时启动响应动作，诸如当范数||70-71'||具有高于给定阈值的值时。
58.在一个实施方案中，在施加响应动作时，处理器34可例如在显示器36上将警示消息显示给医师24，以延迟ent规程。
59.在一些实施方案中，在校正远侧传感器51、53和55的失真位置测量之后，处理器34例如在用户显示器36上显示指示失真位置测量已成功校正的消息，使得医师24可继续执行ent规程。
60.为了概念清楚起见，以举例的方式描绘了系统ent模块28的配置。在其他实施方案中，可使用任何另选的配置，例如远侧位置传感器和近侧位置传感器的数量以及每对位置
传感器之间的距离和方向可变化，以便符合各种要求，诸如医疗、法规或技术要求。
61.图3是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的用于跟踪患者头部41中图2的ent模块28的远侧端部38的方法和算法的流程图。该方法开始于物理测量步骤100，在该步骤中，例如，技术人员通过ent模块28几何地测量远侧位置传感器51、53和53相对于近侧位置传感器50和52的位置的位置，诸如上文图2中所描绘的矢量70，之后执行ent规程。在一些实施方案中，技术人员或另一用户将矢量70存储在控制台33的存储器49中。
62.在工具导航步骤102处，医师24将装配在ent远侧端部38上的导航剃刀插入到患者头部41中，并且基于通过位置跟踪系统测量的信号来接收来自处理器34的传感器51、53和55的估计位置。
63.在比较步骤104处，处理器34使用专用公开的算法来比较计算矢量70'和测量矢量70(即，相对于近侧位置比较远侧位置)，以便检测是否存在与远侧传感器相对于近侧传感器的位置相关的差异(例如，高于一个或多个预定义阈值)。
64.在其他实施方案中，处理器34可使用任何其他合适的技术比较传感器51、53和55的测量远侧位置和估计相对位置，而不是在已知矢量与估计矢量之间进行比较。
65.在差异检测步骤106处，处理器34检查存储在存储器49中的测量(即，已知)相对位置值中的任一个测量相对位置值与基于通过位置跟踪系统测量的传感器51、53和55的位置而获得的估计相对位置值之间的差异。
66.在没有检测到差异的情况下，该方法继续进行至导航完成步骤108，在该步骤中，处理器34或医师24检查ent远侧端部38是否定位在头部41中的目标位置处，使得医师24可应用可导航剃刀来执行ent规程。
67.如果检测到差异，该方法被引导至响应动作步骤112，在该步骤中，处理器34将所检测到的差异通知给医师24，并且任选地执行一个或多个校正动作，诸如校正由传感器51执行的失真位置测量，如上文图2中所述。
68.在其他实施方案中，处理器34可通过显示合适的消息向用户建议动作，并且/或者医师24可决定终止规程并使ent远侧端部38回缩离开患者22的身体，这是步骤112中执行的响应动作的一部分。
69.如果处理器34校正由传感器51、53和55执行的失真位置测量，则该方法返回到检测步骤106，在该步骤中，处理器34检查步骤106中检测到的所有差异是否已被校正，例如现在低于预定义阈值。
70.在校正了所有差异的情况下，该方法被引导至导航完成步骤108，以便检查ent远侧端部38是否定位在目标位置处或者该方法是否返回到导航步骤102。
71.如果完成导航，则该方法被引导至ent规程步骤110，该步骤将终止该方法。在步骤110处，可导航剃刀定位在头部41中的目标位置(例如，鼻窦48)处，并且医师24可执行ent规程，诸如应用ent导航剃刀来移除鼻窦48的感染部分。
72.尽管本文描述的实施方案主要涉及ent规程，但本文所描述的方法和系统也可用于需要磁性跟踪包含铁磁材料的医疗装置的位置和/或取向的其他应用中，诸如用于耳鼻喉学、心脏病学或神经学中。
73.因此应当理解，上面描述的实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文特定示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合
以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到该变型和修改，并且该变型和修改并未在现有技术中公开。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本技术的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。