专利名称：确定外科手术探针的位置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定物体位置、特别是(虽然不仅仅是)确定人体或动物体内的物体位置的器械和方法，并涉及一种物体。
在医学各科中，特别是在通道外科手术(keyhole surgery)中，要将器械引入生命体中，且需要了解所述器械在体内的位置。已知可用X-射线来定位这种器械。但用这种方法有两个缺点。制造某些引入人体器械的材料，例如塑料，对X射线的吸收非常低，使器械的位置很难用X射线来确定，而且生命体长时间暴露在X射线下也是不好的。
本发明试图解决这些问题。
根据本发明的第一方面，提供一种用于确定物体在空间中位置的器械，它包括发射磁场的装置和检测所发射的磁场的装置，这两种装置之一可以与物体相关联；以及处理装置，它用来计算发射装置和检测磁场的装置的相对位置、从而确定物体的位置。
根据本发明的第二方面，提供一种确定物体在空间中位置的方法，所述方法包括以下步骤提供发射磁场的装置和检测所发射的磁场的装置；或者将发射磁场的装置或者将检测磁场的装置与物体相关联，并而把发射磁场的装置和检测磁场的装置中的另一装置设置在离开所述物体一定间隔的位置；使发射磁场的装置发射磁场并用检测磁场的装置来检测磁场，从而确定物体的位置。
所述方法和器械使得能够确定物体位置。通过将引入人体或动物体的器械与发射磁场的装置或检测磁场的装置相关联，就有可能在器械引入体内时确定其位置。
所述物体可以包括外科器具、针、导管、假体等。
所述方法和器械最好用于确定物体在三维空间的位置。
在一个实施例中，发射磁场的装置适合于与物体相关联并且可以包括永久磁铁或能够被外加场感应而发射磁场的某种材料。最好把所述发射磁场的装置组合在所述物体之内。
检测磁场的装置最好包括一个或多个电磁器件，例如霍尔效应器件。为了能确定物体在多维空间中的位置，检测磁场的装置最好可以在多个不同方向上检测磁场，最好在至少两个、更好是在三个基本上相互正交的方向上检测磁场。在一种配置中，检测磁场的装置包括三个单独的检测器，例如电磁器件，每个安装成围绕各自的轴旋转，最好为每个检测器提供驱动装置，驱动装置可以使检测器绕它的轴摆动。所有检测器的轴可基本上平行并且围绕圆周基本上均匀地隔开。或者，检测器的轴可以不平行。检测器可沿其各自的轴移动。最好提供用于确定每个检测器方向的装置，这可以采用能使检测器按照预定方向取向的驱动装置、例如步进马达来实现。处理装置最好可以监测每个检测器在绕其轴旋转时检测到的磁场的强度及其方向、从而确定所述检测器检测到的磁场的方向。处理装置最好还可以通过比较每个检测器检测到的磁场方向来确定检测器检测到的磁场的源点的方向。由于已知每个检测器的位置，用三角测量法就可以确定检测到的磁场的源点因而可以确定磁场发射体的位置。
在另一实施例中，检测磁场的装置适合于与物体相关联并且可以包括一个或多个电磁器件、最好是霍尔效应器件。检测磁场的装置最好组合到所述物体中。
发射磁场的装置最好可以向许多不同的方向发射磁场，最好向至少两个相互正交的方向、更好是向三个相互正交的方向发射磁场。在一个实施例中，发射磁场的装置最好包括一个或多个电磁铁。所述电磁铁或每个电磁铁最好包括具有线圈轴的线圈，每个线圈最好包括一定长度的高导磁率材料，以便将所产生的磁场集中在沿线圈轴的方向上。
所述线圈或每个线圈最好安装成围绕基本上与线圈轴垂直的轴旋转，更好是围绕两个基本上垂直的轴旋转，这两个轴中的每一个轴基本上都与线圈轴垂直。最好为所述线圈或每个线圈提供驱动装置，所述驱动装置可以使线圈围绕轴摆动或围绕其旋转轴摆动。
最好提供一种装置来激励所述线圈或每个线圈，其中有不止一个线圈依次激励每个线圈。最好提供一种装置来确定每个线圈的方向，这可以通过采用可以使检测器按照预定方向取向的驱动装置、例如步进马达来实现。处理装置最好可以监测在依次激励和旋转的所述线圈或每个线圈检测到的磁场的强度、从而确定用于检测磁场的装置相对于发射磁场的装置的方向。
通过确定用于检测磁场的装置相对于不同线圈和/或按照不同方向取向的线圈的方向，就可以确定用于检测磁场的装置相对于用于发射磁场的装置的位置。
此外，在这两个实施例中，所述装置最好包括可以用来显示所确定的物体位置的显示器。显示器可以包括计算机监视器。显示器最好可以显示出诸如人头的对象的二维或三维图像，并且在显示所述对象的同时显示一个物体(例如外科器械的端头)与所述对象的相对位置。这样用户就能很容易看到所述物体相对于所述对象的位置，此位置视情况而定可能在所述对象体内。
处理装置可包括计算机。
根据本发明的第三方面，提供一种使在生命体中使用的器械发射磁场的方法，所述方法包括以下步骤将可磁化材料插入所述器械中；以及将器械暴露在磁场中、从而使器械中的可磁化材料磁化。
根据本发明的第四方面，提供一种在生命体中使用的器械，它包括磁铁和/或可磁化材料。
所述器械可包括医疗或外科器具、针、导管、假体等。磁铁和/或可磁化材料可包括粉末材料，例如稀土材料。磁铁和/或可磁化材料可以设置在所述器械的一部分，所述部分的位置必须是已知的，例如导管的端头。
根据本发明的第五方面，提供一种用于生命体中的器械，所述器械包括检测磁场的装置。
所述器械可包括医疗或外科器具、针、导管、假体等。用于检测磁场的装置可包括一个或多个电磁器件，例如霍尔效应器件。所述检测装置最好设置在所述器械的一部分，所述部分的位置必须是已知的，例如导管的端头。
为了能更清楚地理解本发明，现参考附图用实例来说明本发明的实施例，附图中
图1是根据本发明的器械实施例的示意图；图2是在使用时图1器械中霍尔器件的配置；图3a到3c，各自显示贯穿根据本发明的导管的剖面图；图4是根据本发明的器械的另一实施例的示意图；图5是根据本发明的器械的另一实施例的示意图；图6示出根据本发明的另一导管；以及图7示出根据本发明的另一导管。
参考图1和图2，图中示出用于检测磁场发射体在三维空间中的位置的器械。三个基本上扁平的平面霍尔效应器件1各自安装成绕其各自的纵轴旋转，所述三个轴在圆周上基本上均匀地隔开。每个霍尔效应器件1安装在驱动马达2上，驱动马达2可以使所述霍尔效应器件围绕各自的纵轴摆动。所有三个霍尔效应器件1和关联的驱动马达2都安装在纵向驱动马达3上，纵向驱动马达3可以使霍尔效应器件在平行于三个纵轴的方向上移动。词语“纵向”仅仅用于说明的目的，霍尔效应器件的三个旋转轴可以沿着任何适当的方向延伸。
每个霍尔效应器件1具有关联的电流源4和差分放大器5，所述差分放大器可以放大由霍尔效应器件1产生的、表示检测到磁场的任何霍尔电压。来自每个差分放大器5的输出信号通过单一的复用器6馈送到模数转换器7，模数转换器7的数字输出通过微控制器8馈送、供信号处理然后馈送到具有显示器10的个人计算机9。
使用时，借助于驱动马达2使三个霍尔效应器件1围绕其各自的轴旋转(词语“旋转”包括摆动)。与此同时，监测在每个霍尔效应器件1两端产生的霍尔电压。当霍尔效应器件1暴露在静止磁场中时，其霍尔电压在磁场垂直于器件1的平面时的最大值和磁场平行于器件1的平面时的最小值之间变化。监测在每个霍尔器件1两端产生的变化的霍尔电压，结合其旋转方向，微控制器8和个人计算机9就可以确定每个霍尔效应器件1检测到的磁场的方向，然后，根据已知三个霍尔效应器件1的相对位置，用三角测量法计算磁场源点的位置以及发射磁场的物体的位置。
每个霍尔效应器件1的旋转方向受微控制器8和个人计算机9的控制，因此在任何给定的时刻都已知的。
如果磁场源点基本上不在布置霍尔效应器件1的圆周的平面内，最好使霍尔效应器件1这样沿其旋转轴移动、使得磁场源点位于布置霍尔效应器件1的圆周的平面内，以便提高待测量的磁场的强度。
个人计算机9也可以在显示器10上产生图像，表示在适当的背景下被检测的对象的位置。例如，所述器械的具体应用是确定在脑外科手术中所用的医疗器械相对于患者大脑11的位置。所述器械需要包括发射磁场的装置，例如永久磁铁。对于此应用，使个人计算机8显示人的头部和大脑的图像以及表示外科医生在大脑中正在操作的器械的位置的适当符号。这使外科医生在手术期间能够看见器械相对于患者头部的位置的实时图像。
所述器械同样可使用于其它应用中，包括非医疗应用。图2所示的大脑11仅仅用于说明的目的。
参考图3a和3b，为了能够利用图1和图2的器械来确定塑料导管12的位置，将一定量的可磁化粉末13，例如稀土粉末，在制造期间装入导管12的末端。然后将导管12的末端插入电线圈14，使直流电流通过线圈14，以便将粉末13磁化。如果在制造期间将已经磁化好的粉末13引入形成导管12的材料中，则由于磁化好的粉末易于结块，很难使其分布均匀。
图3c示出导管的另一个实施例，它包括环形的可磁化磁体15。
参考图4，图中示出用于确定物体位置的器械的另一实施例的空间配置的示意图。所述器械包括三个平面线圈16。每个线圈具有轴17和基本上平行于轴17穿过每个线圈的铁氧体磁棒18。三个线圈16均匀布置在圆周上，轴17一般指向圆心。每个线圈16安装在一个驱动装置上(未示出)，所述驱动装置可以使线圈16以绕两个基本上垂直的轴中的每个轴以大约60°摆动，在图中所示位置每个轴基本上与线圈轴17垂直。
又向每个线圈16提供直流或脉冲电流，使线圈16产生磁场，所述磁场一般沿线圈轴17延伸。
所述器械能够确定布置在线圈16所包围的区域中的用于检测磁场的装置的位置。
通过测量检测到的磁场的强度，在知道在任何给定时间哪一个线圈16被激励以及其方向，并且通过顺序地激励所述各线圈，就有可能确定用于检测磁场装置相对于所述线圈的位置和取向，因为检测到的磁场的大小取决于用于检测磁场的装置和被励磁的线圈的相对距离和取向。
可以由微处理器、最好是个人计算机计算用于检测磁场的装置的位置和取向。
所述器械的一个实例应用是确定心脏手术中所用的医疗器具相对患者心脏的位置。所述器械包括用于检测磁场的装置，此装置连接到处理器上，线圈16的驱动装置也连接在所述处理器上。然后可以确定用于检测磁场的装置和线圈的相对位置。由于线圈16的位置已知，用于检测磁场的装置的位置以及医疗器具的位置就可确定。
这可以很方便地由计算机监控器显示，使计算机监控器显示患者的心脏图像并显示适当的符号来表示医疗器具在心脏中的位置即可。
图5示出类似于图4的一种配置，但只具有单个线圈16。单个线圈16就已足以确定用于检测磁场装置的位置。
图6和图7示出导管19，导管19包括其中装有一个或多个霍尔效应器件20的塑料管。用于提供驱动电流并且使得能够测量霍尔电压的引线21从埋置在导管壁中的霍尔效应器件穿过导管壁的外侧引出到远离霍尔效应器件的地点。这些导管用来与图4或图5的器械一起使用以便能够确定导管尖端相对于线圈的位置。
上述实施例仅仅作为实例加以说明。不背离本发明的许多改动是可能的。
权利要求
1.一种用于确定物体在空间中的位置的器械，它包括用于发射磁场的装置和用于检测所述发射的磁场的装置，这两种装置之一可以与所述物体相关联；以及处理装置，它可以计算所述发射磁场装置和所述检测磁场装置的相对位置，从而确定所述物体的位置。
2.如权利要求1所述的器械，其特征在于所述用于检测磁场的装置包括一个或多个电磁器件。
3.如权利要求1或2所述的器械，其特征在于所述用于检测磁场的装置可以在多个不同方向上检测磁场。
4.如上述任一项权利要求所述的器械，其特征在于所述用于检测磁场的装置包括三个单独的检测器，每一个检测器安装成围绕相应的轴旋转。
5.如权利要求4所述的器械，其特征在于将驱动装置与每一个检测器相关联，所述驱动器可以使所述检测器绕其各自的轴摆动。
6.如权利要求4或5所述的器械，其特征在于提供一种用于确定每个所述检测器的方向的装置。
7.如权利要求6所述的器械，其特征在于所述处理装置可以监视由每个所述检测器在绕其轴旋转时所检测到的磁场强度及其方向，从而确定由所述检测器检测到的磁场的方向。
8.如上述任一项权利要求所述的器械，其特征在于所述用于发射磁场的装置组合到待确定其位置的所述物体中。
9.如权利要求1或2所述的器械，其特征在于所述用于发射磁场的装置可以沿多个不同的方向发射磁场。
10.如权利要求9所述的器械，其特征在于所述用于发射磁场的装置包括一个或多个线圈，每个所述线圈具有其线圈轴。
11.如权利要求10所述的器械，其特征在于所述线圈或每个线圈安装成围绕基本上与其线圈轴垂直的轴旋转。
12.如权利要求11所述的器械，其特征在于所述线圈或每个线圈安装成围绕两个基本上垂直的轴旋转，所述两个轴中的每一个轴都基本上与所述线圈轴垂直。
13.如权利要求11或12所述的器械，其特征在于为所述线圈或每个线圈提供驱动装置，所述驱动装置可以使所述线圈或每个线圈绕其旋转轴摆动。
14.如权利要求10到13中任一项所述的器械，其特征在于包括用于激励所述线圈或每个线圈的装置，在存在不止一个线圈的情况下所述装置可以顺序地激励所述各线圈。
15.如权利要求10到14中任一项所述的器械，其特征在于包括用于确定所述线圈或每个线圈的方向的装置。
16.如权利要求10到15中任一项所述的器械，其特征在于所述处理装置可以监视在所述线圈或每个线圈被激励和旋转时所检测到的磁场强度，从而确定用于检测所述磁场的装置相对于用于发射所述磁场的装置的方向。
17.如上述任一项权利要求所述的器械，其特征在于包括用于显示所述确定的物体位置的显示器。
18.一种确定物体在空间中位置的方法，所述方法包括以下步骤提供用于发射磁场的装置和用于检测所述发射的磁场的装置；或者将所述用于发射磁场的装置或者将所述用于检测磁场的装置与所述物体相关联并将所述用于发射磁场的装置和所述用于检测磁场的装置中的另一个设置在离开所述物体有一定间隔的位置；使所述用于发射磁场的装置发射磁场并用所述用于检测磁场的装置来检测所述磁场，从而确定所述物体的位置。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于利用权利要求1到17中任一项所述的器械来执行所述方法。
20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于所述物体设置在人体或动物体内。
21.一种使在生命体内使用的器械发射磁场的方法，所述方法包括以下步骤将可磁化材料装入所述器械中；以及将所述器械暴露在磁场中，从而使所述器械中的所述可磁化材料磁化。
22.一种用于生命体中的器械，它包括磁体和/或可磁化材料。
23.一种用于生命体中的器械，它包括用于检测磁场的装置。
24.如权利要求22或23所述的方法，其特征在于所述器械是医疗或外科器具、针、导管、假体等。
25.如权利要求22或从属于权利要求22的权利要求24所述的方法，其特征在于所述磁体和/或可磁化材料包括粉末材料。
26.如权利要求23或从属于权利要求23的权利要求24所述的方法，其特征在于所述检测装置包括一个或多个电磁器件。
全文摘要
一种用于确定物体在空间中位置的器械，它包括用于发射磁场的装置(13，15，16)和用于检测所述发射的磁场的装置(1，20)。用于发射的装置或用于检测的装置之一与物体相关联，并提供一个处理装置，所述处理装置可以计算发射装置和检测装置的相对位置，从而确定物体的位置。所述器械特别适用于医疗应用并可用来探测医疗器具在生命体中的位置。
文档编号A61B5/06GK1525833SQ02809797
公开日2004年9月1日 申请日期2002年3月13日 优先权日2001年3月14日
发明者E·科亨, J·福勒, E 科亨 申请人:霍尔有效技术有限公司