成像探头以及获得位置和/或方向信息的方法
【专利说明】成像探头以及获得位置和/或方向信息的方法
[0001]本申请是申请日为2011年9月6日，申请号为201180073282.2 (国际申请号为PCT/EP2011/065420)，发明名称为“成像探头以及获得位置和/或方向信息的方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及获得关于磁性部件相对于磁性检测器的位置和/或方向(定向)的信息的方法。本发明还涉及用于对患者组织的至少一部分进行成像的成像探头和用于检测磁性部件相对于磁力检测器的位置和/或方向的磁性检测器的系统。本发明还涉及一种医疗装置，其至少一部分可插入到患者组织中，所述医疗装置包括磁性部件，还涉及一种获得关于医疗装置的至少一部分的位置和/或方向信息的方法。最后，本发明涉及一种用于磁化细长医疗装置的设备。
【背景技术】
[0003]在包括将医疗装置插入到患者组织中的许多医疗过程(例如最小侵害过程和局部麻醉)中，对医生非常有利的可能是，被告知医疗装置在患者组织中的精确位置。例如，为了引入局部麻醉，包括用于手术麻醉或手术后止痛的外周神经阻滞，可在超声成像的帮助下将针引导到感兴趣的区域。然而已经证明，在超声图像中精确地检测针的端点具有挑战性。
[0004]加拿大安大略州的Northern Digital公司(www.ndigital.com)提供了一种商品名为“Aurora”的电磁检测系统。该系统包括用于产生电磁场的场发生器和对发生器所产生的场进行反应的各种类型的传感器线圈。一个或多个传感器线圈可嵌入到医疗器械中，诸如活检针、导管或柔性内窥镜，用于实时测量器械尖端的位置，或者如果多个线圈被嵌入，则可实时测量器械的形状。可用的各种类型的传感器线圈的形状和尺寸不同，并且可以检测它们在三维空间中相对于发生器的电磁场的位置和它们的二维或三维定向。导线将传感器线圈与传感器接口单元连接，该传感器接口单元将线圈的数据发送到系统控制单元。该系统控制单元收集从传感器线圈获得的信息并计算它们的位置和方向。
[0005]在 Hummel 等人的 “Evaluat1n of a miniature electromagnetic posit1ntracker (微型电磁位置跟踪器的评价)” (Mat.Phys.(2002)，29 (1)，2205ff)中，研究了超声扫描头的存在对“Aurora”电磁跟踪系统测量结果的精度的影响。
[0006]Placidi, G.等人在“Review of Patents about Magnetic Localizat1nSystems for in vivo Catheterizat1ns (关于用于活体插管术的磁性定位系统的专利一览)” (Rec.Pat.B1med.Eng.(2009),2, 58ff)对两种系统进行了区分，在一种系统中，磁场位于患者体外(如“Aurora”系统中的“体外产生的磁场”)，在另一种系统中，磁场由位于患者体内的永磁体(“体内永磁体”)产生。讨论一种系统，该系统可以检测永久地固定到体内医疗装置的永磁体在三维空间中的位置和在两维空间中的方向。每种测量涉及至少两个空间分开的三轴磁性传感器，以便在至少两个空间位置测量永磁体所产生的磁场的X、y和Z分量。六个磁性传感器以圆形围绕患者布置，以便确保患者身体的每一部分被至少两个传感器覆盖。在使用之前，考虑到地球磁场而校准系统。在校准步骤中，在没有永磁体的情况下，测量地球磁场，然后从每个后续测量中减去地球磁场。从剩下部分中，计算磁体的位置。被认为是该系统的缺点是，在被校准后，不能再移动该系统。
[0007]然而，专利US 6 263 230 B1 (其在Placidi等人的以上文章中引用)，US 6 263230 B1描述了一种“连续自动重新校准”方案，利用该方案，检测器可以在初始校准之后移动，即使不与磁体同时移动。磁性检测器系统以已知空间关系附接于透视头，以检测留置医疗装置的永磁体的位置，并且磁场被近似为偶极子场。为了补偿地球磁场以及与该场相关联的局部扰动，在将磁体引入患者体内之前，进行初始校准。对于检测器系统的每个磁性传感器，确定一偏移值。之后，当磁体已被引入患者体内时，从磁性传感器的读数中减去该偏移值，从而补偿地球磁场及其局部扰动。此外，即使检测器系统移动，“连续自动重新校准”方案也允许补偿地球磁场的局部扰动。根据该方案，检测器移动，同时磁体保持静止在其从先前的测量中已知的位置。检测器的精确位置变化通过数字化臂跟踪，并且由此，计算由于磁体而引起的检测器新位置处的磁场。从检测器实际测量的场中减去该结果，并且剩下部分被认为是对于新位置处的地球磁场的贡献。当检测器移动到另一个位置时，可重复该过程。
[0008]US 6 216 029 B1公开了一种用于针的超声非手动(free-hand)引导的设备。超声探头和针或针引导件都设有方向传感器，用于感测探头和针相对于参考物的位置。每个方向传感器可包括三角形排列的三个应答器。所述应答器优选地是利用红外或可见光进行操作的光电传感器。替换地，所述系统包括附接于超声探头和针或针引导件的磁性发射器和磁性接收器。在显示屏幕上，示出了目标区域的超声图像。而且，该针以明显的带色线条显示，即使该针位于超声图像外。另外或替换地，显示了针的轨迹。
[0009]类似地，US 6 733 468 B1公开了一种医疗诊断超声系统，其中，超声探头和侵入式医疗装置(例如套管)都具有附接于它们的位置传感器，用于感测它们的位置和/或方向。从针和探头的位置，确定针相对于探头的成像平面的位置。由此，计算侵入式医疗装置的投影和实际轨迹并叠加在超声图像上。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的问题
[0011]本发明的目的是，提供获得关于磁性部件相对于磁力检测器的位置和/或方向的信息的改进方法。本发明进一步的目标是，提供用于对患者组织的至少一部分成像的成像探头和用于检测磁性部件相对于磁力检测器的位置和/或方向的磁力检测器的改进系统。本发明还寻求提供一种改进医疗装置，其至少一部分可插入到患者组织中，该医疗装置包括磁性部件，并且提供一种获得关于医疗装置的至少一部分的位置和/或方向信息的改进方法。最后，本发明的目的是，提供一种用于磁化细长医疗装置的新型设备。
[0012]根据本发明的方案
[0013]下面，参考权利要求来描述本发明。注意，所有权利要求中的附图标记不具有限制作用，而仅用于改善可读性的目的。
[0014]获得位置和/或方向信息的方法
[0015]根据本发明的一个方面，该问题是通过提供具有权利要求1的特征的方法解决的。因此，根据本发明，磁性部件相对于磁力检测器位置和/或方向是直接获得的。有利地，由于次级磁场的影响通过组合至少两个同时测量结果来计算消除，所以不再需要初始校准步骤，该初始校准步骤例如用于US 6 263 230 B1中所描述的方法，以获得用于补偿地球磁场的偏移值。而且，可避免这里公开的“连续自动重新校准”过程，该过程依赖于数字化臂来测量检测器的位置变化，而且还需要在检测器移动的同时磁性部件保持静止。相反，即使磁力检测器和磁性部件同时移动，也可以得到磁性部件的位置和/或方向。这是相当有益的，特别是当磁力检测器附接于手持探头(诸如超声探头)时，用于超声辅助医疗过程以跟踪医疗装置相对于患者组织的探头所产生的图像的位置。在这些情况下，对医生来说，几乎不可能在医疗装置移动的同时保持探头静止。此外，由于可以省去US 6 263 230 B1的数字化臂，有利地，根据本发明，用于检测磁性部件的位置和/或方向的装置不需要物理地接触参考物。事实上，可实现的是，为了提供关于磁性部件的位置和/或方向的所需信息，除了磁性部件以外，不需要作为参考物的装置。这不仅与US 6 263 230 B1的教导相反，而且与例如US 6 216 029 B1和US 6 733 468 B1的教导相反。由于直接获得感兴趣的量，即磁性部件相对于探头的位置和/或方向，所以与依赖于探头位置和磁性部件位置的单独估计的估计方法(例如US 6 216 029 B1和US 6 733 468 B1中公开的方法)相比，这里的估计不太容易出错。
[0016]同样有利地，通过组合基本上同时进行的两个测量结果以获得磁性部件的位置和/或方向，可以省去依赖于磁性部件的振荡磁场的过程，例如在Placidi等人的以上文章中所公开的涉及体外产生磁场的方法，以便补偿该地球磁场。
[0017]在本发明的上下文中，“磁力检测器”是这样一种装置，其可以获得关于其所暴露的磁场的定量信息，诸如，磁场的绝对值、方向和/或梯度。磁力检测器可以包含一个或多个磁力计。表述与进行测量的位置和磁力检测器相关的“空间相关”，意味着这些位置与检测器同步移动(并因此是相互的)，从而可从这些位置的布置和方向导出检测器的布置和方向。
[0018]“次级磁场”通常包括地球磁场。另外，它可能包括地球磁场或其它磁场中的失真，例如，磁力检测器附近的装置所产生的。优选地，使用时，次级磁场在磁力检测器移动所在的空间内基本上是均匀的。
[0019]“磁性部件”是创建其自己的磁场的实体。由于其磁性性能，磁性部件可以向磁力检测器提供关于其位置和/或方向的信息。
[0020]磁性部件的“关于位置的信息”是指在至少一个空间维度的位置，更优选地，两维、更优选地三维空间。类似地，磁性部件的“关于方向的信息”是指在至少一个空间维度的方向，更优选地，两维、更优选地三维空间。所获得的信息优选地是磁性部件在一定分辨率内的位置和/或方向。然而，仅仅关于磁性部件是否在成像探头的成像平面内的信息已经构成了本发明范围内的位置信息。此外，磁性部件是处于成像平面的前方或后方的信息也构成位置信息。
[0021]根据本发明的问题还通过提供具有权利要求3的特征的方法得以解决。根据权利要求3的方法能够有利地利用以下事实:从惯性测量单元的测量结果，可导出磁力检测器的方向或甚至方向和位置两者。从这些结果，可分别导出次级磁场(优选地，地球磁场)相对于检测器的方向，或者方向和强度。为此目的，优选地，在初始校准步骤中，在不存在磁性部件的情况下，测量次级磁场相对于磁力检测器的方向，或者强度和方向。通过跟踪磁力装置的方向变化，从初始校准位置，可计算次级磁场的在空间和时间上的大致稳定的各分量。
[0022]在本发明的上下文中，“惯性测量单元”是包括陀螺仪和/或加速计(优选地包括两者)的单元。类似于权利要求1的解决方案，有利地，为了提供关于磁性部件的位置和/或定向的所需信息，除了磁性部件以外，无需作为参考物的装置。
[0023]成像探头和磁力检测器的系统
[0024]根据本发明的另一方