用于监视医疗设备的朝向的系统的制作方法

本发明的目的涉及一种使用加速度计和陀螺仪(mems imu传感器)监视医疗设备的朝向的系统，使得通过在测量前执行校准，在世界坐标系统中确定测量的幅度与医疗设备的方向之间的关系。

背景技术：

1、在成像设备的帮助下使用医疗设备执行的微创医疗手术(minimally invasivemedical procedure)是极其广泛且频繁执行的手术。

2、通常，在成像引导的侵入性手术过程中，成像设备用于绘制身体、皮肤上医疗设备穿刺皮肤的点、穿刺角度以及执行组织采样、消融或积液引流所需的穿刺深度。在此之后，通过连续使用成像设备或定期开启成像设备以进行监视来进行手术，通过该成像设备可以监视医疗设备的位置。这是必需的，因为与计划的穿刺角度的偏差通常在穿刺皮肤后即刻是不明显的，并且只有在随后必须进行校正的更深的深度处才变得明显。如果需要校正，那么如果角度偏差的程度使得无法在身体内进行角度校正，那么可能需要从身体取出医疗设备并再次执行穿刺。

3、例如，当医疗设备被插入到肿瘤组织以便通过医疗设备发射的微波或无线电波、通过使用医疗设备冷冻或通过从医疗设备注射化学试剂来破坏肿瘤细胞时，这样的医疗手术是消融。

4、其它此类医疗手术包括引流，在这种情况下，流体通过医疗设备打开的通道从身体中吸出或释放。

5、另一种此类医疗手术是活检，在该过程中从人或动物的身体中取得组织的样本，以便随后在显微镜下或使用另一种方法检查取出的样本。

6、在无法用肉眼看到上述医疗手术中的目标的情况下，需要通过某种方式监视医疗设备的路径。

7、由于上述监视，医疗手术可能与各种成像方法相结合。例如，在超声引导手术的情况下，使用超声成像设备不断地观察医疗设备的移动。这样做的好处是可以实时跟踪医疗设备的移动，但是无法用超声波看到更深的组织和颅骨和胸部内的器官。

8、在使用断层扫描程序(ct和mri)监视医疗设备在身体内移动的情况下，身体会以一定的间隔受到照射，或者被放置在设备发射的辐射路径上，以便监视医疗设备的进展。这样做的原因是使用ct扫描仪涉及x射线辐射，这可能对患者和操作人员造成伤害。此外，在mri引导的手术的情况下，当在mri扫描仪中进行成像时，医生无法接触到患者；此外，mri扫描仪产生的强磁场限制了可以使用的设备的范围。

9、在断层扫描过程中，优选地尽量减少介入(intervention)的持续时间，以减少x射线负荷(在ct扫描的情况下)、设备使用的能量、它的折旧，以及减轻操作人员的负担，等等。

10、值得使用一种设备或系统来监视医疗设备的朝向，使得断层扫描成像设备的使用仅在开始手术之前需要来识别目标，并且可选地，在手术结束时使用来检查医疗设备是否到达目标组织。这样，断层扫描成像设备的使用可以在手术期间被限制到最低限度。使用这样的设备可以缩短介入的持续时间，在某些断层扫描成像过程的情况下可以减少照射的持续时间并且也可以减少角度校正的次数。通过这种方式，整个介入的持续时间更短，并且由于角度校正次数降低，并发症发生的机会也可能减少。

11、自然地，这种系统的使用在诸如超声和x射线成像的成像过程的情况下也可能是有用的。

12、对此可能的解决方案是监视医疗设备的位置和方向。典型的设备包括配备有加速度计的设备，诸如在wilkmann，c.、ito，n.、penzkofer，t.等人，在int j cars(2015)10:629的文章中介绍的设备。这里使用了配备有加速度计的器械，其可以用于ct引导的活检情况。配备有加速度计的mems imu传感器放置在医疗设备上。这用于确定医疗设备的朝向。这是一种简单且廉价的方法，但无法处理医疗设备绕其自身轴线的旋转。这个缺点使该设备不适合在日常医疗过程中使用。

13、美国专利公开文献号us20180110569a1提出了一种更复杂的设备，它使用加速度计、陀螺仪和磁力计。根据该公开文献，磁力计检测地球磁场的位置，并相对于地球磁场的位置确定至少一个方向，从而无需校准。这种方法的问题在于，相对于地球磁场的位置确定方向会受到诸如钢筋混凝土元素和某些医疗装置之类的附近物体的铁含量的干扰，此外，使用这种方法的手术不会为平面提供精确校准，换句话说，这种方法在实践中可能无法高效使用。

14、此外，该设备无法考虑绕其自身轴线的旋转；因此，设备绕其自身轴线的旋转会干扰传感器的测量数据。除此之外，使用三个不同的传感器会使手术更加昂贵。

15、美国专利公开文献号us 6122538a提出了一种适用于确定移动医学成像设备的位置和朝向的设备。这里有两种不同类型的传感器位于设备上。一种类型的传感器测量设备的角度方向，而另一种类型的传感器测量设备相对于外部参考点的至少一个平移位置。这种系统的一个严重缺点是它们需要活动外部参考点，一部分传感器可以将其用作确定设备的位置或方向的参考。

16、同样，其它系统使用活动外部参考点，例如，tiesenhausen等人的出版物“a newmobile and light-weight navigation system for interventional radiology”，international congress and exhibition“computer assisted radiology andsurgery”(cars)，international congress series 1281，第412-417页(2005年)提出了一种系统，其中导航相机和跟踪器在连接到便携式计算机时使用，便携式计算机还用作显示器和医疗设备的定位所需的导航系统。该系统的缺点是导航相机和跟踪器必须始终处于彼此的清晰的视线内，这极大地限制了人员的移动和房间内装备的可能布置。

17、还可以使用电磁辐射定位活检针，诸如kim等人的出版物“ct-guided liverbiopsy with electromagnetic tracking：results from a single-center prospectiverandomized controlled trial”，american journal of roentgenology，第203卷，no.6，第w715-w723页(2014年)中提出的解决方案。这是在ct引导活检的情况下使用电磁跟踪的系统。该系统的缺点是搭建复杂，并且占用大量空间，尤其是电磁信号发生器和屏蔽装置。此外，它可能会干扰附近操作的其它医疗设备。

18、由于上述原因，需要一种系统，使用该系统可以监视和预测医疗设备的方向，以便在使用期间允许医疗设备绕其自身的轴线旋转，并且在这种情况下，设备的校准简单。

技术实现思路

1、本发明基于这样的认识，即在使用感测系统的情况下，如果将医疗设备放置在几种适当选择的已知朝向上，那么可以在活检过程和类似的医疗手术中监视医疗设备的朝向。使用这些朝向，医疗设备作为参考被校准为诊断成像设备(例如，ct扫描仪)的坐标系，并且相对于测量设备的朝向(在下文中称为有效方向)确定针(即，穿刺)的方向。以这种方式，不需要附加的外部活动设备就能够监视医疗器械的朝向和有效方向。

2、根据上述内容，本发明涉及一种包含医疗设备、测量设备、校准设备和与测量设备通信的外部设备的系统，其中外部设备包含通信模块、控制单元、程序、电源和显示器，并且系统的特征是测量设备连接到医疗设备，该测量设备包含感测系统(优选地是陀螺仪和加速度计)、电源、通信模块和控制单元，并且校准设备具有适于校准医疗设备的至少一个位置。

3、依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备具有适于校准医疗设备的至少两个位置。

4、依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备具有适于校准医疗设备的至少三个位置。

5、依据根据本发明的系统的优选实施例，校准设备使用至少一个旋转矩阵。

6、依据根据本发明的系统的优选实施例，所述系统包含用于监视医疗设备在身体内的位置的成像装置。

7、依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的活检针。

8、依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的消融针。

9、依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备是具有针的引流针。

10、依据根据本发明的系统的优选实施例，医疗设备还具有连接元件。

11、本发明还涉及用于监视医疗设备的朝向的系统的用途。