专利名称：对象身体内的放射性源定位的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如在对象身体内电离辐射源的定位和跟踪。
背景技术：
体内跟踪的现有技术包括使用腹腔镜的直接视频成像、荧光检查(在持续或定期X射线成像下执行过程)、电磁跟踪、光学跟踪、计算机层析成像(CT)跟踪及超声图像辅助跟踪。这些技术中的一些技术明确避免电离辐射。如荧光检查和CT等采用电离辐射的那些技术需要足够多的电离辐射，以致对象和医疗人员的辐射照射受到关注。
对于诸如心导管插入术等需要体内跟踪的一些应用，由于正在导航被跟踪医疗装置所通过的组织移动频繁，因而需要同时采集的图像。对于诸如颅内过程等需要体内跟踪的其它应用，由于相关组织相对不动，因此，更适合使用预采集的图像。
发明概述本发明一些实施例的一个方面涉及使用来自源的电离辐射以便探测其任选地在对象身体中或附近的位置而不产生图像。任选地，源与医疗装置形成整体或连接到医疗装置。医疗装置包括但不限于工具、植入物、导航仪器和管状物。
在本发明的一个示范实施例中，源的位置通过非成像数据采集而确定。对此说明书和所附权利要求书而言，短语“非成像”指独立于图像采集过程而采集的数据，该过程在同一图像中包括源和解剖或其它非源特性。
任选地，使用传感器来确定位置，该传感器具有角灵敏度，从而根据来自源的辐射的有效入射角，产生由辐射探测引起的可探测的输出变化。有效入射角的灵敏度越大，位置确定在速度和精确度方面的效率就越大。公开的实施例带有不到±100毫弧度、任选地不到±50毫弧度的角范围。在本发明的一个示范实施例中，通过移动辐射探测器和/或屏蔽，可实现更大的对有效入射角的灵敏度。
任选地，电离辐射源具有在0.01mCi到0.5mCi的范围内的放射性。任选地，电离辐射源具有不到0.1mCi的放射性。任选地，电离辐射源具有大约0.05mCi的放射性。在本发明的一个示范实施例中，可采用不会严重危及患者(即，短期照射)和/或医疗人员(即，长期照射)健康的辐射源。
任选地，位置数据的刷新率确保位置信息在时间上与被跟踪对象(例如，医疗装置)的实际位置良好地相关。建议的刷新率根据被跟踪对象移动的速度和根据被跟踪对象移动所处的环境而不同。在本发明的一个示范实施例中，对于通过例如脑或消化道等更不活动的身体部分的医疗装置的跟踪，例如每秒10次这样的更低刷新率可能是适当的。在用于跟踪通过诸如心脏等活动频繁的身体部分的医疗装置的实施例中，可能需要例如每秒20次这样的更高刷新率。任选地，可实施ECG输出选通，以致标绘选定心动周期阶段的位置。
任选地，电离辐射源的已计算位置的RMS误差小于10毫米、任选地小于5毫米、任选地小于2毫米、任选地小于1毫米、任选地在0.5毫米到0.8毫米之间或更佳。
可影响已确定位置的精确度的不定因素包括以DPM为单位的源的放射性、用于探测的辐射传感器的精确度和/或响应时间及植入医疗装置的速度。一个或多个这些不定因素的改进可补偿一个或多个其它不定因素。任选地，降低被跟踪医疗装置的速度可用于补偿其它不定因素。任选地，位置信息在解剖成像数据环境中显示。任选地，相关解剖特性突出显示以便于医疗人员对医疗装置的导航。任选地，已确定位置可显示在单独采集的图像环境中。
任选地，可同时跟踪两个或更多个源。任选地，使用多源跟踪来确定非对称医疗装置的定向。任选地，使用多源跟踪为医疗过程协调两个或更多个装置的活动。
本发明一些实施例的一个方面涉及使用具有角灵敏度的传感器来探测朝向电离辐射源的方向。任选地，可同时或连续确定两个或三个或更多个方向，以便可通过计算方向的相交而确定位置。如果采用三个或更多个方向，则可将位置表示为三维位置。任选地，使用方向来确定源所处的平面。
任选地，通过将用于探测来自源的辐射的传感器的至少一部分绕轴转过旋转角，传感器可实现所需的角灵敏度。例如，可旋转探测器或辐射屏蔽。传感器或者或另外可通过平移运动实现所需的角灵敏度。
本发明一些实施例的一个方面涉及具有角灵敏度的传感器，它使来自至少一个辐射探测器的输出信号响应探测器与源之间的有效入射角而变化。输出信号的目标值在指示朝向源的方向的角度上实现。该方向任选地用于确定源所处的平面。
任选地，传感器可包括不止一个辐射探测器，每个辐射探测器具有单独的输出信号。任选地，一个或多个辐射屏蔽可用于屏蔽或遮蔽至少一个辐射探测器的至少一部分，使其无入射辐射。屏蔽程度在出现偏离指示朝向源的方向的角度偏差时变化，并且输出信号根据屏蔽程度而不同。
任选地，一起采用多个辐射屏蔽以形成准直仪。辐射屏蔽可以相互平行或向内偏斜。任选地，可旋转多个平行或偏斜的辐射屏蔽。
任选地，偏离目标输出的偏差为每毫弧度的偏离指示朝向源的方向的角度的角位移1％的输出范围。任选地，输出偏差指示偏差方向及偏差量。根据本发明的各种实施例，辐射探测器和/或辐射屏蔽可产生位移以传达角灵敏度。此位移可以是旋转和/或平移。
本发明一些实施例的一个方面涉及用于通过使用传感器模块的角灵敏度来确定方向而定位任选地在对象身体内的医疗装置的计算机化系统。传感器模块测量在一个或多个辐射探测器上的入射辐射。入射辐射产生输出信号，输出信号由系统转换成方向信息。
本发明一些实施例的一个方面涉及电离辐射源与医疗装置的关联，以便于任选地在医疗过程期间在对象身体内或附近导航装置时确定装置的位置。任选地，电离辐射源具有在0.01mCi到0.5mCi的范围内的放射性。任选地，电离辐射源具有不到0.1mCi的放射性。任选地，电离辐射源具有大约0.05mCi的放射性。关联包括将源和装置形成整体为单个单元。关联还包括将源连接到装置。任选地，源在最大尺寸小于10毫米、任选地小于5毫米、任选地小于2.5毫米、任选地小于1毫米的区域中集中。
本发明一些实施例的一个方面涉及使用具有0.1mCi或更少放射性的电离辐射源作为任选地在医学环境中非成像定位或跟踪的目标。电离辐射源选择为降低在患者和/或医疗人员上的生物效应。此选择涉及考虑辐射强度、辐射类型和/或照射时间量(例如，在经受过程的患者身体中的时间)。或者或另外可采用由生物相容性材料构成和/或涂有生物相容性涂层的辐射源。
在本发明的一个示范实施例中，提供了一种用于跟踪和定位电离辐射源的计算机化系统。该系统包括
(a)至少一个包括至少一个辐射探测器的非成像传感器模块，该至少一个辐射探测器能够从辐射源接收电离辐射并产生输出信号；以及(b)设计和配置为接收输出信号并将输出信号转换成方向信息的CPU。
任选地，辐射源与医疗装置形成整体或连接到医疗装置。
任选地，该至少一个传感器模块包括至少两个传感器模块。
任选地，该至少两个传感器模块包括至少三个传感器模块。
任选地，该至少一个传感器模块中至少一个还包括移动装置，该移动装置能够将平移运动传给传感器模块以致传感器模块移到新位置。
任选地，移动装置可根据来自CPU的平移运动信号操作。
任选地，该系统另外包括成像模块，该成像模块能够将图像信号提供到CPU，CPU能够将图像信号转换成部分对象身体的图像。
任选地，该系统还包括显示装置。
任选地，显示装置能够显示部分对象身体的图像，并且医疗装置的已确定位置叠加在部分对象身体的图像上。
任选地，CPU接收输出信号中的至少两个，并基于输出信号计算辐射源的位置。
任选地，CPU接收输出信号中的至少三个，并基于该至少三个输出信号计算辐射源的位置。
任选地，其中，CPU间或重复计算位置，以便可标绘随时间变化的辐射源的位置。
任选地，其中，辐射源采用半衰期在6到18个月的范围内的同位素。
任选地，该系统还另外包括能够提供辐射的辐射源。
任选地，在源具有在0.01mCi到0.5mCi的范围内的放射性时产生方向信息。
在本发明的一个示范实施例中，提供了一种用于在方向上定位电离辐射源的传感器。该传感器包括(a)至少一个功能组件；以及(b)通过移动该至少一个功能组件而将角灵敏度传给传感器的位移机件。
任选地，该至少一个功能组件包括至少一个辐射探测器，该至少一个辐射探测器能够从辐射源接收辐射并产生输出信号；其中，该位移机件能够将该至少一个辐射探测器转过旋转角，以致输出信号随旋转角而变化。
任选地，该至少一个辐射探测器包括至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器，并且输出信号包括至少一个来自该至少一个第一辐射探测器的第一输出信号和至少一个来自该至少一个第二辐射探测器的第二输出信号。
任选地，该传感器包括至少一个在相对于该至少一个第一辐射探测器和该至少一个第二辐射探测器的固定角度安装的辐射屏蔽，以致来自该至少一个第一辐射探测器的第一输出信号的幅度和来自该第二辐射探测器的第二输出信号的幅度随旋转角而变化。
任选地，该传感器包括(a)至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器，该至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器中的每个均能够从辐射源接收辐射，并从该至少一个第一辐射探测器产生至少一个第一输出信号和从该至少一个第二辐射探测器产生至少一个第二输出信号；(b)至少一个辐射屏蔽，该辐射屏蔽可绕屏蔽旋转轴转过屏蔽旋转角，以致来自该至少一个第一辐射探测器的第一输出信号的幅度和来自该第二辐射探测器的第二输出信号的幅度均随屏蔽旋转角而变化。
任选地，该至少一个辐射屏蔽包括
(i)位于该至少一个第一辐射探测器与该至少一个第二辐射探测器之间的主辐射屏蔽；(ii)至少一个部署为干扰指向该至少一个第一辐射探测器的入射辐射的第一附加辐射屏蔽；以及(iii)至少一个部署为干扰指向该至少一个第二辐射探测器的入射辐射的第二附加辐射屏蔽。
任选地，其中，该至少一个第一附加辐射屏蔽和该至少一个第二附加辐射屏蔽均向主辐射屏蔽倾斜。
任选地，其中，该至少一个第一辐射探测器和该至少一个第二辐射探测器成对组织，每对具有第一成员和第二成员，并且主辐射屏蔽和附加辐射屏蔽中的每个辐射屏蔽位于这些对中一对的第一成员之一和第二成员之一之间，以致输出信号随旋转角而变化。
任选地，该传感器另外能够将该至少一个功能组件绕转动轴转过转动角。
在本发明的一个示范实施例中，提供了一种确定装置位置的方法。该方法包括(a)提供具有与其相关联的辐射源的装置；(b)确定朝向辐射源的方向；(c)还确定朝向辐射源的至少第二方向；(d)通过计算第一方向与至少第二方向的相交而定位装置。
任选地，还确定朝向辐射源的至少第二方向包括确定朝向辐射源的至少第三方向，并另外包括(e)计算第一方向、第二方向和至少第三方向的交点。
在本发明的一个示范实施例中，提供了一种制造可跟踪医疗装置的方法。该方法包括将可探测量的放射性同位素并入或固定连接到医疗装置。
任选地，可探测量在0.01mCi到0.5mCi的范围内。
任选地，可探测量为0.1mCi或更少。
任选地，可探测量为0.05mCi或更少。
任选地，同位素为铱192。
本发明一些实施例的一个方面涉及使用具有0.1mCi或更少放射性的电离辐射源作为非成像定位或跟踪的目标。
附图简述在图中，在不止一幅图中出现的相同结构、要素或部分一般在它们出现的所有图中标记有相同的标号。图中所示的组件和特性的尺寸选择是为了陈述方便和清晰，不必按比例示出。这些图如下所列。
图1是根据本发明一个示范实施例的传感器模块的一个实施例的侧视图；图2是根据本发明一个示范实施例的计算机化跟踪系统的图示；图3是根据本发明一个示范实施例的传感器模块的附加实施例的例视图，示出模块的信号接收；图4是根据本发明一个示范实施例的计算机化跟踪系统的透视图，示出传感器模块相对于患者的一个可能布置；图5是根据本发明一个示范实施例的传感器模块的另一附加实施例的侧视图；图6A和6B是根据本发明示范实施例的传感器模块的其它附加实施例的侧视图；图7A和7B是使用根据本发明一个示范实施例的系统分别标绘为随每个光子冲击的传感器旋转变化的仿真响应时间图和仿真rms位置误差图；图8A和8B是使用根据本发明一个示范实施例的系统分别标绘为随抽样时间变化的仿真响应时间图和仿真rms位置误差图；图9A和9B是使用根据本发明一个示范实施例的系统分别标绘为随放射性信号源的特定放射性变化的仿真响应时间图和仿真rms位置误差图；图10A是随时间变化的位置图。从根据本发明一个示范实施例的系统输出的仿真位置重叠在用于仿真的实际输入位置曲线上；图10B是基于图10A的两条曲线标绘为随时间变化的rms位置误差图；图11是根据本发明示范实施例的方法的简化流程图；以及图12是随旋转角变化的传感器输出图。
实施例详细说明根据本发明的一个实施例(图2和4)，计算机化系统40定位和/或跟踪装置。在图4所示的实施例中，该装置是医疗装置。医疗装置包括但不限于工具、植入物、导航仪器和管状物。工具包括但不限于导管、套管、套针、切割器械、抓握器械和定位器械。植入物包括但不限于近距治疗粒子、斯腾特固定模和缓释药剂袋。导航仪器包括但不限于导丝。管状物包括但不限于管(例如，食道导管和气管插管)。在本发明的示范实施例中，跟踪了一个或多个移动工具。
在本发明的一个示范实施例中，源的位置通过非成像数据采集而确定。对于此说明书和所附权利要求书而言，短语“非成像”指并非作为图像采集过程的一部分而采集的数据，该过程在同一图像中包括源和解剖或其它非源特性。任选地，采用不适用且未连接到成像电路的传感器。成像依赖有关许多点的信息，包括至少一个关注点，并且信息的图像分析确定关注点的特征，例如相对于对象的位置。在本发明的一个示范实施例中，位置传感提供只与源有关的信息。这可提高可探测性和/或精确度。
任选地，在确定医疗装置位置的至少部分路径期间，医疗装置至少部分在对象54的身体内。在图4中，示出了一个示范实施例，其中，系统40配置为在颅内医疗过程期间跟踪通过对象54的头部的装置。此图只是用于说明，而不应被视为对本发明范围的限制。
图2示出系统40的一个实施例，包括三个传感器模块20，这些模块依赖一起作用以确定放射性源38的位置的角探测。在图示实施例中，每个传感器20确定指示朝向源38的方向的旋转角32。此旋转角32(图1)定义源38所处且与辐射探测器22相交的平面。旋转角32被提供为输出信号34，该信号被传送到计算机化处理单元(CPU)42。CPU 42确定这三个方向(平面)的相交，这表示为点。
根据本发明的一些实施例，当将传感器模块20的辐射探测器22转过一系列旋转角32时，位于传感器20的探测边界24(图1)内的源38可由系统40精确定位。位于边界24外的源38将不被精确定位。为此，在一些实施例中，希望部署每个传感器20，使得源38的预测路径在边界24内。根据本发明的一些实施例，传感器20可移动以使源38保持在边界24内。边界24的大小和形状根据传感器20的配置而不同。
确定目标旋转角32的精确度影响系统40确定的源38的位置的精确度。对传感器模块20的各种修改可提高对旋转角32的小差别的灵敏度，这些修改在图3、5、6A和6B中作为示范实施例示出，并在下文更详细地说明。
图4提供示范系统40的透视图，该系统采用角探测，并包括分散在圆58的圆周上的三个传感器模块20。在图示实施例中，模块20具有辐射屏蔽36。在图示实施例中，每个模块20绕与圆58正切的轴旋转。如下文更详细说明的一样，此旋转允许跟踪医疗装置。根据本发明的各种实施例，旋转运动或平移运动可用于方便所需的角探测。根据图4所示的实施例，传感器模块20位于对象54的头部下方，使得在传感器模块20的平面与头部内的关注区域之间的垂直距离大约等于圆58的半径。此布置确保每个传感器20在部署后，源38的预测路径在边界24内。通过提供在圆58的圆心配有凸起的头枕的板上安装的三个传感器20，此布置可重复和轻松地实现。这任选地允许轻松地放置躺椅或可调检查台，使得对象54位于相对于传感器20的正确位置，而无需扩大测量过程。
系统40的定位量(positioning volume)是可确定源38的位置的空间坐标集合。系统40的定位量具有取决于传感器20的位置、其设计和/或其性能特征的大小和/或形状。任选地，系统40的定位量可表示为传感器20的探测边界24的相交。任选地，可通过使用多组传感器20来创建两个或更多个定位量。任选地，这些定位量可重叠。
假设每个模块20的位置和旋转轴已知，辐射源38的质心的3维位置由CPU 42根据每个传感器模块20测量的角32计算得出。根据本发明的一些实施例，源38将是长度为1到10毫米的一段线。此长度范围反映了作为具有有用直径的线提供并能够提供足够数量的DPM以允许系统40有效操作的当前可用固体同位素源38。系统40确定此段线38中间的位置，并将已确定位置解析为单个点，任选地指示误差界限。
传感器模块20包括至少一个辐射探测器22。辐射探测器22能够从连接到医疗装置的辐射源38接收辐射，并产生输出信号34。辐射探测器22可采用将入射辐射转换成可传送到CPU 42的信号的任一技术。如果源38是伽马辐射源，则辐射探测器22例如可能为电离室、盖格-弥勒计数器、闪烁探测器、半导体二极管探测器、比例计数器或基于微通道板的探测器。市场上可购买到各种类型的辐射探测器22，例如以下公司生产的探测器Evproducts(SaxonburgPA，USA)、Hammatsu Photonics(Hamamatsu City，Shizuoaka，日本)、Constellation Technology(Largo，Fl，USA)、Soltec Corporation(SanFernando CA，USA)、Thermo Electron Corporation(Waltham MA，USA)、Bruker-biosciences(Billerica MA，USA)、Saint Gobain crystals(Newbury OH，USA)及Silicon Sensor GMBH(德国)。市场上可购买到的合适的辐射探测器22可作为传感器20的一部分并入系统40的环境中。本发明的实施例将提高传感器模块20的性能，这些实施例依赖产生少量DPM的源38和S类型的探测器22，这些探测器提供良好的灵敏度(即CPM与DPM之间的高比率)。在传感器20与源38之间的距离增大时，此考虑事项变得更为相关。依赖具有更大DPM输出的源38的本发明实施例可允许使用不太灵敏的辐射探测器22。
下文更详细地描述了各种类型的传感器模块20。
系统40还包括辐射源38，该辐射源能够以不会对医疗装置正在执行的过程造成不利影响的速率为定位和/或跟踪提供足够量的辐射。对于大多数医疗过程，每秒10个位置足以允许系统40的操作员舒适地将医疗装置导航到所需的位置。基于下文更详细所述的计算机化模拟的结果，满足这些标准的辐射量可调得足够低，使得当源38在患者体内时，该辐射量不会对正在经受持续几小时的过程的患者造成大的危险。如下文所述，辐射量或者或另外可调得足够低，使得系统40的操作员不会由于一段时间的辐射照射而有大的危险。
例如，使用铱192将辐射源38的放射性从0.01mCi增大到0.5mCi使精确度只提高了2倍(图9B)。然而，低于0.1mCi的放射性级别对响应时间有不利的影响(图9A)。大于0.1mCi的放射性不会对响应时间有太大的改进。如下文更详细所述的一样，0.05mCi的放射性提供了等待时间与精确度之间可接受的折衷，并提供了性能与辐射剂量之间良好的兼顾。
0.05mCi的源38使系统40可实现适当的速度和精确度，并且产生的辐射量如此低以致可无需手套安全地处理。0.05mCi的源38对患者的辐射照射只是在美国的平均吸收的背景辐射的八倍。为与以前可用的替代选择进行比较，0.05mCi的源38使患者受到每小时0.0022mSv的有效剂量当量(EDE)。典型的荧光检查引导过程每个过程具有1-35mSV的EDE，并且典型的核医学过程具有5mSv的EDE。因此，本发明的一些实施例可用于大大降低患者的辐射照射。
医疗人员任选地受到甚至更少辐射的照射，照射级别与中间距离的平方成比例降低。例如，在距离0.05mCi的源38一米处，每年52周，每周5天，每天6小时执行过程的医生会每年合计积累0.22mSv的EDE。这大约是一般实施照射监控的辐射照射级别的5％。此级别的照射相当于每小时1.4e-4mSV，这是小于与荧光检查过程的典型剂量相关联的每小时1-12mSv的数量级。
铱192已用作示例，这是因为它已被批准在医疗应用中使用，并一般认为将它引入对象身体内是安全的。然而，此同位素只是合适的源38的说明性示例，而不应被视为是对系统40的限制。选择在系统40的环境中使用的同位素时，可考虑放射性(DPM)、辐射类型和/或半衰期。放射性已在上面论述。另外，通常希望在例如20-50厘米的相关距离可以适当的效率检测到衰变事件。长的半衰期由于使库存控制更容易，并通过减少浪费而减少了长期运转的总成本，因而可能是首选的。然而，短的半衰期可减少对放射性材料的担心，和/或可允许使用更小的源。
根据本发明的一些实施例，源38是正电子发射源。根据这些实施例，传感器20确定由于正电子/电子碰撞而释放的光子的起源方向。此差别任选地不会对已确定位置的精确度有太大的影响，这是因为正电子在其碰到电子前离开源38而经过的距离一般非常小。使用源38中的正电子可有效地放大可用于探测的总电离辐射发射。任选地，使用多个探测器可使成对正电子湮没事件探测被探测到。源类型的其它示例包括伽马源、阿尔法源、电子源和中子源。
无论同位素是什么，源38可并入要跟踪的医疗装置(例如，导丝或导管)中。并入例如可以在导丝端或附近和/或在导管或植入物中的不同位置。电离辐射源可与导丝的一部分或医疗装置的一部分形成整体，或连接到导丝的一部分或医疗装置的一部分。连接例如可通过胶合、焊接或将源插入装置上的专用插孔而实现。连接还可通过将源提供为适用于医疗装置的粘合标签(例如，断裂脱落粘补剂(crack and peel sticker))、涂剂或粘胶而实现。任选地，电离辐射源被提供为固体，例如，包括放射性同位素的一段线。含有所需同位素的一小段线可附加到导丝或医疗装置上。这使医疗装置和辐射源共处。附加可例如通过在导丝制造期间将固态源与导丝共同挤压在一起而实现。电离辐射源或者或另外可被提供为可涂在医疗装置和/或导丝上的放射性涂剂。无论提供电离辐射源或将电离辐射源附加到导丝或医疗装置的确切形式如何，在医疗过程结束时从身体内取出时不应在对象身体内留下太多的放射性残余物。
虽然源38为清晰起见示为单个物体，但系统40可同时跟踪两个或更多个源38。系统40可通过多种方式识别多个源38，包括但不限于离散位置或路径、辐射频率、辐射能量或辐射类型。根据本发明的一些实施例，使用两个或更多个可分辨源38提供有关被跟踪物体的定向信息。换而言之，这些实施例不但允许确定由坐标X、Y和Z定义的3维位置，而且允许确定有关在定义位置被跟踪对象的定向的信息。此特性在采用非对称工具时的医疗环境中是适当的。
系统40可包括能够在一个或多个传感器模块20与计算机化处理单元(CPU)42之间输送数据信号的通信信道48。通信信道可以是有线的或无线的或其组合。有线通信信道包括但不限于直接电缆连接、经公共交换电话网(PSTN)的电话连接、光纤连接及作为外部无明显线的集成物理单元的系统40的结构。无线通信信道包括但不限于红外传输、射频传输、蜂窝电话传输及以卫星为媒介的通信。只要信号传输允许所需的刷新率，通信信道48的确切本质对系统40的操作并不重要。通信信道48可任选地允许系统40在远程医疗环境中操作。通信信道48或者或另外可用于增大源38与医疗人员之间的距离作为一种将医疗人员的辐射照射降到所需程度的方式。
CPU 42设计和配置为经通信信道48接收输出信号34，并将输出信号34转换成与辐射源38有关的方向信息。此方向信息例如可表示为辐射源38所处的平面。输出信号34至少包括旋转角32。任选地，输出信号34还可包括指示从源38接收信号的信号强度指示分量。从源38接收信号可指示为二进制信号(是/否)或信号幅度(例如，每分钟计数)。根据本发明的各种实施例，输出信号34可以为数字或模拟信号。模拟信号到数字信号的转换可由传感器模块20或CPU42执行。一些情况下，在单个平面中定位辐射源38是足够的。然而，在本发明的大多数实施例中，希望CPU 42接收其中两个输出信号34并计算相交。如果输出信号34表示为平面，则这产生了两个平面的线性相交44。这将辐射源38定位在线性相交44上。任选地，如下文更详细描述的一样，此计算的结果44显示在显示装置43上。在本发明的附加实施例中，CPU 42接收至少其中三个输出信号34并计算其相交。如果输出信号34表示为平面，并且传感器30放置在圆58的圆周上，则这产生至少三个平面的交点44，由此将辐射源38定位在计算得出的交点44。
由于系统40最常用于在医疗过程期间跟踪医疗仪器，因此，CPU42经常用于按预定间隔重复计算交点，以便可标绘随时间变化的辐射源38的位置(参见图10a)。每个标绘位置的精确度和曲线整体的精确度会受源38的放射性、传感器20的精确度和响应时间及植入医疗装置在对象54中移动的速度影响。由于医疗过程一般倾向于精度而不是速度，因此，通过降低用于过程的医疗装置的移动速率，系统40的操作员可补偿源38中的缺陷或者传感器20的精确度或响应时间。图10B示出跟踪精确度在±2毫米范围的仿真系统40的输出。如下文详细所述，CPU 42还可任选地采用通信信道48将各种信号发送到传感器模块20。CPU 42或者或另外还可任选地采用通信信道48将各种信号发送到医疗装置。根据本发明的各种实施例，系统40可在包括但不限于血管成形术(例如，球囊血管成形术)、部署过程(例如，近距离治疗的放射性粒子植入或斯腾特固定模放置)、活组织检查过程、切除过程和摘除过程等过程的环境中采用。
虽然CPU 42示为单个物理单元，但在本发明的一些实施例中，可能实际上采用更大数量的物理上不同的CPU。例如，归于CPU 42的一些功能或功能的各部分可由安装在传感器模块20中的处理器执行。对此说明书和随附权利要求书而言，如本文所述一起作用以定位源38的多个处理器应一起视为CPU 42。
根据本发明的一些实施例，系统40同时采用三个或更多个传感器模块20以便同时接收三个或更多个输出信号34，并计算三个或更多个指示信号源38的方向。如果方向表示为平面，则这三个或更多个平面在单个点相交。然而，系统40包括采用两个或甚至一个传感器模块20来将源38定位到单个点的替代实施例。这可以如下文所述的几个不同方式实现。
根据系统40的一些实施例，至少一个传感器模块20能够将至少一个辐射探测器22转过一系列位置。每个位置由旋转角32定义，以致在探测器22上从源38接收辐射随旋转角32而变化。此旋转可以多种方式实现。例如，可根据以接收辐射量作为变量的规则，通过来自辐射探测器22来自28的反馈来操作旋转机件26。或者，可根据包括接收辐射量和/或时间为变量的规则，通过CPU 42的信号来操作旋转机件26。或者，旋转机件26可根据固定安排使辐射探测器22进行旋转，而不考虑以任一特定旋转角32射到辐射探测器22上的辐射量。旋转机件26可采用多种不同的机件实现旋转角32。这些机件包括但不限于机械机件、液压机件、气动机件、电机件、电子机件和压电机件。任选地，可采用独立的测角元件30以更精确地断定实际旋转角32。虽然测角元件30在图1、2和3中示为物理上不同的组件，但它可在物理上集成到旋转机件26中而对系统40的性能无太大的影响。无论确切的操作细节如何，目的是探测传感器模块20径直指向源38的旋转角32。此角将称为目标旋转角32。
根据系统40的一些实施例，辐射探测器22(图3、5、6A和6B)包括至少一个第一辐射探测器22A和至少一个第二辐射探测器22B。系统40的这些实施例依赖针对每个旋转角32的辐射探测器22A和22B的输出信号34的比较。从具有已知关系的辐射探测器22A和22B产生输出信号34的目标旋转角32指示辐射探测器22A和22B均在同一度数朝向源38。在辐射探测器22A和22B具有相同的接收区时，该已知关系为相等。此目标旋转角32用于确定源38所处的平面。
为提高系统40对辐射探测器22A与22B的输出信号34之间小差别的灵敏度，可能的是引入在相对于辐射探测器22A和22B的固定角度的一个或多个辐射屏蔽36。辐射屏蔽36使第一辐射探测器22A的输出信号34的分量的幅度和第二辐射探测器22B的输出信号34的分量的幅度均随旋转角32而变化(参见图3)。辐射屏蔽36根据入射角39与41之间的关系，有差别地遮蔽辐射探测器22A或22B。在某一旋转角32，辐射探测器22A或22B将均不被辐射屏蔽36遮蔽。此旋转角32用于确定源38所处的平面。此配置确保偏离此目标旋转角32的小变化由于遮蔽效应而使辐射探测器22A和22B的输出信号34产生较大的差异。因此，在传感器模块20中使用辐射屏蔽36提高了系统40的灵敏度。此提高的灵敏度使传感器模块20能够甚至在数量少的可探测放射性计数情况下有效地发挥作用。
图6A示出传感器模块20的附加实施例，其中，辐射屏蔽包括位于第一辐射探测器22A与第二辐射探测器22B之间的主辐射屏蔽36。图示实施例还包括一系列第一附加辐射屏蔽(36A1、36A2和36A3)，这些辐射屏蔽将第一辐射探测器22A分成一系列第一辐射探测器，并影响朝向第一辐射探测器22A的入射辐射。图示实施例还包括一系列第二附加辐射屏蔽(36B1、36B2和36B3)，这些辐射屏蔽将第二辐射探测器22B分成一系列第二辐射探测器，并影响朝向第二辐射探测器22B的入射辐射。此配置通过与附加辐射屏蔽(图示实施例中的36A1、36A2、36A3、36B1、36B2及36B3)的数量成比例增大遮蔽效应，可确保偏离目标旋转角32的甚至更小的变化会使辐射探测器22A和22B的输出信号34产生较大的差异。因此，在传感器模块20中使用附加辐射屏蔽(例如，36A1、36A2、36A3、36B1、36B2及36B3)可用于实现另外提高系统40的灵敏度。任选地，辅助辐射屏蔽(图示实施例中的36A1、36A2、36A3、36B1、36B2及36B3)向主辐射屏蔽36倾斜。辅助辐射屏蔽36A1、36A2、36A3、36B1、36B2及36B3朝向主屏蔽36的角度可以更改，例如，通过使用马达改进焦点和/或定义成像容积进行更改。
类似的效果可通过将辐射探测器22A和22B保持在固定角度并使辐射屏蔽36(图6B)进行角位移而实现。因此，系统40还包括具有以下情况的实施例辐射探测器22包括至少一个第一辐射探测器22A和至少一个第二辐射探测器22B，并且输出信号34包括探测器22A和22B的离散分量，至少一个辐射屏蔽36可绕屏蔽旋转轴转过屏蔽旋转角32，使得探测器22A和22B的输出信号34的离散分量的幅度均随屏蔽旋转角32而变化。
现在参照图5，系统40的传感器模块20的替代实施例配置为使得辐射探测器22包括多个辐射探测器22和散布在多个辐射探测器22之间的多个突出辐射屏蔽36。根据这些实施例，多个辐射探测器22成对组织，每对具有第一成员21和第二成员23，并且多个突出辐射屏蔽中的每个突出辐射屏蔽36位于一对辐射探测器22的第一成员21与第二成员23之间。根据此实施例，传感器模块20能够将辐射探测器22转过一系列旋转角32，使得在探测器22上从辐射源38接收辐射随旋转角32而变化。每个辐射探测器产生输出信号34。CPU 42将所有第一成员21的输出信号34相加以产生第一和，并将所有第二成员23的输出信号相加以产生第二和。假设所有辐射探测器22相同，在传感器径直指向源38的质心(目标旋转角32)时，第一和与第二和相等。此实施例确保在任一方向上旋转角32即使有极轻微的更改，整个模块20的总输出也会快速增大。整个模块20的总输出符号或者或另外指示到达整个模块20的总输出的所需旋转角32要求的旋转方向。因此，此配置用于提高系统40的整体精确度和操作速度。此类型的传感器模块20可(例如)通过实施第一算法而操作，该算法将源38在某个时期的伽马射线冲击相加，并允许CPU 32基于整个模块20的总输出符号判定为达到所需的旋转角32而旋转辐射探测器22的方向和度数。或者，CPU 42可(例如)实施第二算法，该算法响应每个探测到的计数将辐射探测器22旋转极小的量。本文所示的性能数据是基于第二算法的仿真，但第一算法相信同样有用。
根据系统40的附加实施例，单个传感器模块20可用于确定源38所处的两个相交平面。这例如可通过旋转传感器模块20或者通过将传感器模块20移到新位置而实现。
根据本发明的一些实施例，传感器模块20可另外能够将辐射探测器22绕转动轴25转过转动角29。转动由转动机件27产生，该机件可以如上为旋转机件26所述的多种方式运行。根据本发明的这些实施例，转动角29作为传感器模块20的定向的分量包括在内，并包括在输出信号34中。转动可在上文和下文所述的任一或所有传感器模块20配置的环境中采用。例如，可响应从CPU 42经通信信道48发送到传感器模块20的转动信号46而进行转动。
根据本发明的附加实施例，传感器模块20包括移动装置31，该装置能够将平移运动33传给模块20从而更改模块20的位置。例如，可响应从CPU 42经通信信道48发送到传感器模块20的平移运动信号46而启动移动。根据本发明的各种实施例，移动可用于允许单个传感器模块20从多个位置操作，或者为传感器模块20提供角灵敏度。换而言之，平移运动可用作角位移的替换，特别是在采用至少一个辐射屏蔽36的实施例中。在采用平移运动的实施例中，在第一维的单个传感器20的平移允许采集第一组方向信息。例如，在图4示出的系统40的实施例中，传感器20A的连续垂直位移可用于确定源38所处的第一平面。传感器20B的连续水平位移可用于确定源38所处的第二平面。单个传感器20或者或另外可进行垂直和水平位移。连续的垂直和水平位移允许单个传感器20确定源38所处的两个非平行平面。沿单条线同时进行垂直和水平位移允许单个传感器20确定源38所处的单个平面。2个或3个或更多个平面相交的确定与如上所述确定的一样。任选地，移动和转动可在本发明的同一实施例中采用。
任选地，系统40还包括成像模块50，该模块包括能够向CPU 42提供图像信号52的图像捕获装置56。成像模块50任选地包括接口以便于与CPU 42通信。CPU 42能够将图像信号52转换成对象54的身体的一部分的图像。根据本发明的各种实施例，成像模块50可依赖荧光检查、MRI、CT或2D或多平面或3D血管造影。对于颅内过程，成像一般无需与该过程同时进行。这是因为脑在脑壳内不会有大的移动。可采用过程前一天或更早或过程前几小时或正好在过程前捕获的图像。根据本发明的替代实施例，图像数据单独(即，在系统40外)采集，并提供到CPU 42调整(alignment)。
在Jolesz(1997)Radiology.204(3)601-12中可查看调整方法和用于解剖图像显示和跟踪信息重叠的算法。该Jolesz文章与其中所引用的参考文献一起使技术人员能够实现图像数据和跟踪数据的同时显示和调整。该Jolesz文章与其中所引用的参考文献一起通过相同程度地引用完全结合于本文中，就好像每个参考文献已分别引用并通过引用结合了一样。
在本发明的一个示范实施例中，相对于图像来登记由系统40确定的位置。这例如可通过将系统40和/或传感器20登记到图像捕获装置56而实现。
无论采用何种类型的传感器模块20，系统40可包括与CPU 42通信的显示装置43。显示装置43可显示部分对象身体的图像，而医疗装置的已确定位置(对应于源38的位置)叠加在部分对象身体的图像上。叠加的已确定位置任选地在显示屏幕43上表示为点。任选地，该点被CPU 42确定的所需置信区间的指示符包围。置信区间例如可显示为圆、两条或更多条相交线或一对或多对括号。显示装置43或者或另外可显示医疗装置的已确定位置的位置坐标(例如，对应于在导丝端的源38的位置)。
可向显示装置43提供在过程期间或过程前成像的来自CT、MRI或3D血管造影的3维血管造影数据集。适当的软件可用于从血管造影数据集提取脉管系统的3D模型，并使用3D模型可视化的标准模式显示此模型。导丝或导管的3维图示可集成到脉管系统的3D模型中，并基于系统40提供的位置信息以最短的时间延迟更新以指示脉管系统内导丝或导管的位置。包括脉管系统和导管的整个3D模型可在过程执行期间由用户缩放、旋转和以其它方式交互操控以便提供最佳可能的可视化。
任选地，系统40可还包括一个或多个用户输入装置45(例如，键盘、鼠标、触摸屏、跟踪板、跟踪球、麦克风、操纵杆或输入笔)。输入装置45可用于如上文所述调节在显示装置43上的图像和/或将命令信号发放到系统40的各种组件，如旋转机件26、转动机件27、移动装置31或图像捕获装置56。
本发明任选地包括如图3所示和上文所述用于确定辐射源所处平面的传感器20。简言之，传感器20包括至少一个辐射探测器22，该至少一个辐射探测器能够从辐射源38接收辐射并产生输出信号34。传感器20能够将辐射探测器22转过一系列位置，每个位置由旋转角32定义，以致在辐射探测器22上从辐射源38接收辐射随旋转角32而变化。任选地如上文所述来实现旋转。产生最大输出信号的旋转角32指示辐射源38所处的平面。
根据传感器20的一些实施例，辐射探测器22包括至少一个第一辐射探测器22A和至少一个第二辐射探测器22B，并且输出信号34包括来自第一辐射探测器22A的第一输出信号和来自辐射探测器22B的第二输出信号。
根据传感器20的一些实施例，还在相对于探测器22A和22B的固定角度安装了至少一个辐射屏蔽36。因此，如上所述，来自该至少一个第一辐射探测器的第一输出信号34的幅度和来自辐射探测器22B的第二输出信号34的幅度均随旋转角32而变化。
如上文详细所述(图6B)，用于确定辐射源所处平面并且其特征在于至少一个可绕屏蔽旋转轴转过屏蔽旋转角32的辐射屏蔽36的传感器20是本发明的附加实施例。
如图5所示和上文所述，用于确定辐射源所处平面的传感器20是本发明的附加实施例。
根据本发明的替代实施例，提供了一种确定对象身体内医疗装置位置的方法400(图11)。方法400包括将放射性信号源38与医疗装置共置一处401。共处例如可通过提供具有与其相关联的辐射源的装置或者将辐射源与装置相关联而实现。
方法400还包括确定402全向信号发生器所处的第一平面，还确定403全向信号发生器所处的第二平面，计算404第一平面与第二平面的线性相交作为确定医疗装置所处线的方式。
方法400任选地包括还确定405源38所处的至少一个附加平面。
方法400任选地包括计算406第一平面、第二平面和该至少一个附加平面的交点作为确定医疗装置位置的方式。
任选地，连续迭代408方法400，从而生成一系列位置以跟踪运动中的植入医疗装置。需要时，计算得出的位置可结合解剖成像数据一起显示410。
上文详细所述的系统40和/或传感器20的各种方面和特性可用于实现或增强方法400的性能。
系统40和方法400可采用各种数学算法来计算源38的位置。适合在本发明一些实施例的环境中使用的一个算法示例根据三个传感器的传感器输出信号34、传感器位置和传感器定向(即旋转角32)按如下方式计算源38的位置1)使用以下形式的方程计算每个传感器模块20定义的平面Ax+By+Cz＝D2)按如下方式计算系数A、B、C和Da.在传感器20的内部参考系内定义三个非共线点。
b.这三个点随后根据传感器20的位置移位并根据传感器定向旋转。这定义了在输出信号34为零时源38位于的平面。
c.这三个点随后按输出信号34指示的旋转角32，绕传感器20的旋转角32的轴旋转。这定义了如某个传感器20测量的源38位于的平面。
d.在以下方程中使用这三个点的x、y、z坐标x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3，A、B、C和D计算如下i.A＝y1(z2-z3)+y2(z3-z1)+y3(z1-z2)ii.B＝z1(x2-x3)+z2(x3-x1)+z3(x1-x2)iii.C＝x1(y2-y3)+x2(y3-y1)+x3(y1-y2)iv.D＝x1(y2*z3-y3*z2)+x2(y3*z1-y1*z3)+x3(y1*z2-y2*z1)3)为三个传感器20中的每个传感器计算A、B、C和D产生了由三个方程组成的有三个未知数的组A1B1C1A2B2C2A3B3C3xyz=D1D2D3]]>此方程组可解出以提供(x，y，z)(或部分向量)、这三个平面的交点的精确解，这是源38的位置。
使用附加传感器20通过平均各个传感器中的误差而提高精确度，并且还可提供一种通过指示传感器相互一致的程度而估计位置测量精确度的方式。
在使用4个或更多个传感器时，算法如下上述步骤1和步骤2保持相同-计算出每个传感器指示的平面方程。步骤3修改如下3)一旦为每个传感器计算出了A、B、C和D，则得出由不止三个方程组成的有三个未知数的超定组A1B1C1A2B2C2A3B3C3·········xyz=D1D2D3···]]>此超定组可通过使用本领域技术人员熟悉的方法，在最小二乘方的意义上求解，以便获得(x，y，z)的最佳解，这极可能是被跟踪元件的位置。通常由于传感器输出中的误差而不存在精确解，可能不存在所有平面均通过的单个点。
为使最小二乘解可基于每个平面与(x，y，z)的解之间的欧几里得距离定义的误差，必需通过每个平面相应的法向量(法向量是根据(A，B，C)定义的向量)的长度换算定义每个平面的所有系数。这通过在执行最小二乘方求解前将A、B、C和D除以(A^2+B^2+C^2)的平方根而完成。
4)每个平面与计算得出的位置之间的欧几里得距离可用作位置测量精确度的度量。一旦已通过法向量的长度换算了系数，便可为每个传感器将此距离计算为Ax+By+Cz-D。从每个平面到计算得出的位置的距离的均值提供了所有传感器在计算得出的位置方面的一致程度的度量。
超定方程组可使用最小二乘方求解算法求解。适合的最小二乘方算法可作为可通过商业途径提供的数学软件包组件提供。
任选地，使用本领域已知的其它求解方程组的方法。任选地，使用其它计算方法而不是方程组，例如，神经网络、基于规则的方法及查表方法，在查表方法中，来自传感器的信号用于查找或估计结果位置。在传感器以线性方式移动的系统中，可使用其它求解方法，例如，将传感器的线性位置转换成源的空间坐标。
为提高系统40与方法400的精确度和性能，可任选地执行高级校准。每个传感器模块20的位置和定向可进行校准而不是依赖基于系统机械制造的值。校准过程涉及使用系统40在多个定义为高精度的已知位置测量源38的3维位置。由于源38的位置已知，因此，一般用于计算位置(如上所述)的方程现在可与作为未知数的传感器位置和定向一起使用以便为这些值求解。各种最小化过程在本领域为人所知。执行此类校准需要的测量数量可取决于系统40中传感器模块20的数量，这是因为进行足够的测量以提供比未知数更多的方程是有用的。此校准过程还定义参考原点和参考系(系统40相对于其测量源的位置)，并因此可提供跟踪系统与跟踪系统永久性连接到的诸如荧光检查系统或其它成像系统等另一系统之间的调整。
在本发明的一个示范实施例中，一旦源位置已知，传感器便可保持对准源并且不更改其定向。任选地，在例如根据检测到的辐射变化大(例如，30％、50％、70％、90％的下降或更大或居中的下降)而确定源移动时，移动传感器以扫描预期源所处的角度范围。任选地，例如如下所述，传感器生成指示源位于传感器的哪一侧的信号。任选地，扫描范围取决于预期的源的角速度，例如，基于过程，基于历史记录和/或基于用户阈值。如果在范围内的扫描失败，则任选地增大范围。
任选地，如果提供多个目标源(例如，具有不同计数率和/或不同发射能量的源)，则传感器在目标角之间跳转。任选地，在包含这两个(或更多个)源的角度范围之间提供稳定扫描。任选地，通过传感器或其部分的超声或声音振动而提供扫描，例如，包括每秒1次、5次、10次、20次、50次或更多次的角度范围。任选地，振动幅度确定角度范围。任选地，传感器或传感器部分与一个或多个振动频率谐振。
任选地，即使在传感器锁定在目标源上时，也提供至少在如小于10度或小于5度或小于1度等小角度范围内的传感器扫描。
如上文所述使用铱192作为源38的系统40的跟踪精确度只通过计算机仿真进行了评估。仿真是由模型头内源38发射并由图5所示类型的复合差动传感器单元20中光子灵敏元件22吸收的伽马光子的随机分布模型。根据仿真，传感器模块20的辐射探测器22进行旋转，以致每次探测器22吸收光子时定义新的旋转角32。如果光子被正辐射探测器21吸收，则传感器模块20的辐射探测器22正向旋转，并且如果它被负传感器23吸收，则传感器模块20的辐射探测器22反向旋转。传感器模块20的总输出信号34是其在抽样时间期间的平均定向。
根据仿真，性能由两个参数定义，但在实际系统中可使用其它参数1)目标固定时的均方根(RMS)误差。
2)在源38的实际位置发生10毫米变化后指示已计算位置发生9毫米变化的时间。
以下参数值在仿真中是固定的1)从源到传感器的距离＝25厘米(最差情况的距离)2)传感器在几何上已为其优化的源距离＝25厘米3)每个子传感器中光子灵敏表面的宽度＝2毫米(图5中的18)4)传感器长度＝10厘米(图5中的14)5)传感器之间分隔壁的高度＝5厘米(图5中的35)6)其基底上分隔壁的宽度＝4毫米(图5中的37)7)由复合传感器中的壁定义的子传感器数量＝7(图5中的36)8)传感器灵敏度(检测到的输入伽马射线分数)＝0.3仿真相对于对性能的影响评估和优化了以下参数1)每个吸收的光子的旋转量(图7a和7b)2)抽样时间(图8A和8B)3)每秒光子数(源放射性级别)(图9A和9B)4)整体跟踪精确度(图10a和10b)仿真确定在每个光子冲击的旋转增大时，响应时间缩短(图7a)。然而，在每个光子冲击的旋转增大时，RMS位置误差也增大(图7b)。很明显，在等待时间与精确度之间存在折衷。此参数可实时修改以便如下所述使用运动探测算法来优化折衷。
仿真确定抽样时间对等待时间或精确度无重大影响(图8A和8B)。这是因为对于每个冲击的旋转的小值，每个样本的冲击数对精确度有极小的影响，并且只确定等待时间(每个样本的旋转总量)。然而，如果由于抽样时间减少而降低了每个样本的冲击数，则抽样时间的减少正好补偿每个样本延缓的响应，使等待时间保持不变。
放射性(每秒发射的光子数)对精确度有极小的影响，在放射性从0.01mCi增加到0.5mCi(图9B)时精确度只提高了2倍。在只是无足够光子引发快速旋转的低放射性级别(图9A)，它对响应时间有极大的影响，然而在高于0.1mCi的放射性级别，随着放射性级别的增大，改进极小。等待时间和精确度之间的这种折衷优化(参阅下述内容)在0.05mCi实现。此特定放射性在性能与辐射剂量之间提供了很好的兼顾，提供了适合典型医疗应用的性能，而不会对患者或医生带来安全危险。
为优化精确度与等待时间之间的折衷，采用了运动探测算法以在被跟踪源38运动期间增大每个光子的旋转。这降低了等待时间并提高了精确度。在仿真中，击中被归类为正21的接收元件22的光子与击中被归类为负23的那些相比的百分比用作被跟踪源38运动的指示。在百分比更远离50％时，每个光子的旋转增大，从而减少了等待时间，但降低了运动期间的精确度。换而言之，系统40开始以大的步长向估计的目标旋转角32移动。在接近估计的目标旋转角32时，步长的大小降低。如果超过目标旋转角32，则在反方向上采用小的补偿步长。图10a和10b中以图形方式汇总了结果。简而言之，跟踪移动源38的系统40的RMS误差平均为0.71毫米。系统40确定的固定源38的位置产生0.62毫米的rms误差。
总之，仿真结果指示在使用0.05mCi的192Ir的放射性、图5所示类型的复合差动传感器及在等待时间与精确度之间折衷的运动探测算法时，系统40可实现大约1毫米RMS的整体精确度。
图12中示出了传感器模块20对旋转角32变化的仿真灵敏度，该图是相对于图5所示类型的传感器的目标旋转角32，输出信号34随旋转变化的曲线。该图使用以下公式产生总输出34＝A/(A+B)其中，A为所有右侧传感器21之和；以及B为所有左侧传感器23和B之和传感器20的输出34(Y轴)的总范围任意定义为在0到1的范围中。在X轴上，0表示指示源38的方向的旋转角32。传感器20的总旋转范围为偏离此目标旋转角32的±32毫弧度。偏离目标旋转角32超过32毫弧度的偏差产生0或1的输出34，指示返回目标旋转角32的旋转方向，但未指示到达目标旋转角32的旋转量。输出34为0或1时，有关偏离目标旋转角32的偏差可作出的唯一结论是它在所示方向上大于32毫弧度。
图12的图将目标旋转角32的输出34示为动态范围的中部(0.5)。因此，如果输出34为0.6，则指示在正方向上10毫弧度的校正旋转可实现目标旋转角32。0.6的输出34指示具有相同量(10毫弧度)但在反方向上的校正旋转。另一种示出相同信息的方式会是在Y轴指示+0.5到-0.5的总动态范围。此范围的中间可能为零，一个方向为正向而另一方向为反向，或者它可以为任意数字，一个方向数字更大而另一方向数字更小。
如图12所示，在目标角32，传感器20对旋转的仿真灵敏度为大约每旋转毫弧度1％的动态范围。
使用具有高度35为5厘米、分散在辐射探测器22之间并与具有0.05mCi放射性的源38相距25厘米的屏蔽36的5厘米×10厘米的传感器模块20，此每毫弧度1％的灵敏度足以提供所需的精确度(1毫米rms)。调节精确度参数、增大探测器22的大小、减少传感器20与源38之间的距离以及增大源38的放射性均可用于减少传感器20所需的方向灵敏度级别。
使用图6A所示类型的传感器20的仿真结果(未示出)类似于上述结果。
系统40和/或传感器20依赖各种命令的执行和各种数据输入的分析和转换。根据各种替代实施例，这些命令中的任一命令、分析或转换可由软件、硬件或固件完成。在本发明的一个示范实施例中，机器可读介质包含用于任选地根据方法400将一个或多个传感器模块20的输出信号34转换成源38的位置坐标的指令。在本发明的一个示范实施例中，CPU 42执行用于任选地根据方法400将一个或多个传感器模块20的输出信号34转换成源38的位置坐标的指令。
根据本发明的一个示范实施例，通过将可探测量的放射性同位素并入或固定连接到医疗装置，制造出可跟踪医疗装置。根据各种实施例，放射性同位素可具有或不具有医疗功能。任选地，同位素的放射性不具有医疗功能。任选地，可选择放射性同位素，使得它可在身体中使用而无需保护性涂层，但不会对组织造成不良反应。在本发明的一个示范实施例中，可探测量的同位素是在0.5mCi到0.001mCi的范围中。对放射性在此范围较低部分的同位素源38的使用可取决于装置较低的速度、探测器22的灵敏度、离传感器20的距离。任选地，并入的放射性同位素产生每秒至少1个、任选地至少5个、任选地至少10个、任选地至少100个可探测计数。
在本申请的说明书和权利要求书中，每个动词“包括”和“具有”及其任何变化用于指示动词宾语不一定是动词主语的成员、组件、元件或部分的完整清单。
已通过对本发明实施例的详细说明来描述本发明，这些实施例以示例方式提供，并不是要限制本发明的范围。所述实施例包括不同特性，但并非在本发明的所有实施例中都需要所有这些特性。本发明的一些实施例只利用一些特性或特性的可能组合。所述的本发明实施例和包括所述实施例中指出的特性的不同组合的本发明实施例的变化可以所有可能的组合方式组合，包括但不限于在一个实施例环境中所述的特性在任一其它实施例环境中使用。本发明的范围只受随附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种用于跟踪和定位电离辐射源的计算机化系统，所述系统包括(a)至少一个包括至少一个辐射探测器的非成像传感器模块，所述至少一个辐射探测器能够从所述辐射源接收电离辐射并产生输出信号；以及(b)设计和配置为接收所述输出信号并将所述输出信号转换成方向信息的CPU。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述辐射源与医疗装置形成整体或连接到医疗装置。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器模块包括至少两个传感器模块。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述至少两个传感器模块包括至少三个传感器模块。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器模块中至少一个还包括移动装置，所述移动装置能够将平移运动传给所述传感器模块以致所述传感器模块移到新位置。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述移动装置可根据来自所述CPU的平移运动信号操作。
7.如权利要求1所述的系统，另外包括(c)成像模块，所述成像模块能够将图像信号提供到所述CPU，所述CPU能够将所述图像信号转换成部分对象身体的图像。
8.如权利要求1所述的系统，还包括显示装置。
9.如权利要求7所述的系统，还包括显示装置。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述显示装置能够显示所述部分对象身体的所述图像，所述医疗装置的已确定位置叠加在所述部分对象身体的所述图像上。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述CPU接收所述输出信号中的至少两个，并基于所述输出信号计算所述辐射源的位置。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述CPU接收所述输出信号中的至少三个，并基于所述至少三个输出信号计算所述辐射源的位置。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述CPU间或重复计算所述位置，以便可标绘随时间变化的所述辐射源的位置。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述辐射源采用半衰期在6到18个月的范围内的同位素。
15.如权利要求1所述的系统，另外包括能够提供所述辐射的所述辐射源。
16.如权利要求1所述的系统，其中，在所述源具有在0.01mCi到0.5mCi的范围内的放射性时产生所述方向信息。
17.一种用于在方向上定位电离辐射源的传感器，所述传感器包括(a)至少一个功能组件；以及(b)通过移动所述至少一个功能组件而将角灵敏度传给所述传感器的位移机件。
18.如权利要求17所述的传感器，其中，所述至少一个功能组件包括至少一个辐射探测器，所述至少一个辐射探测器能够从所述辐射源接收辐射并产生输出信号；其中，所述位移机件能够将所述至少一个辐射探测器转过旋转角，以致所述输出信号随所述旋转角而变化。
19.如权利要求18所述的传感器，其中，所述至少一个辐射探测器包括至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器，并且所述输出信号包括至少一个来自所述至少一个第一辐射探测器的第一输出信号和至少一个来自所述至少一个第二辐射探测器的第二输出信号。
20.如权利要求19所述的传感器，另外包括至少一个在相对于所述至少一个第一辐射探测器和所述至少一个第二辐射探测器的固定角度安装的辐射屏蔽，以致来自所述至少一个第一辐射探测器的所述第一输出信号的幅度和来自所述第二辐射探测器的所述第二输出信号的幅度随所述旋转角而变化。
21.如权利要求17所述的传感器，包括(a)至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器，所述至少一个第一辐射探测器和至少一个第二辐射探测器中的每个均能够从所述辐射源接收辐射，并且能够从所述至少一个第一辐射探测器产生至少一个第一输出信号和从所述至少一个第二辐射探测器产生至少一个第二输出信号；以及(b)至少一个辐射屏蔽，所述辐射屏蔽可绕屏蔽旋转轴转过屏蔽旋转角，以致来自所述至少一个第一辐射探测器的所述第一输出信号的幅度和来自所述第二辐射探测器的所述第二输出信号的幅度均随所述屏蔽旋转角而变化。
22.如权利要求20所述的传感器，其中，所述至少一个辐射屏蔽包括(i)位于所述至少一个第一辐射探测器与所述至少一个第二辐射探测器之间的主辐射屏蔽；(ii)至少一个部署为干扰指向所述至少一个第一辐射探测器的入射辐射的第一附加辐射屏蔽；以及(iii)至少一个部署为干扰指向所述至少一个第二辐射探测器的入射辐射的第二附加辐射屏蔽。
23.如权利要求22所述的传感器，其中，所述至少一个第一附加辐射屏蔽和所述至少一个第二附加辐射屏蔽均向所述主辐射屏蔽倾斜。
24.如权利要求22所述的传感器，其中，所述至少一个第一辐射探测器和所述至少一个第二辐射探测器成对组织，每对具有第一成员和第二成员，并且所述主辐射屏蔽和附加辐射屏蔽中的每个辐射屏蔽位于所述对中一对的所述第一成员之一和所述第二成员之一之间，以致所述输出信号随所述旋转角而变化。
25.如权利要求17所述的传感器，另外能够将所述至少一个功能组件绕转动轴转过转动角。
26.一种确定装置位置的方法，所述方法包括(a)提供具有与其相关联的辐射源的装置；(b)确定朝向所述辐射源的方向；(c)还确定朝向所述辐射源的至少第二方向；(d)通过计算所述第一方向与所述至少第二方向的相交而定位所述装置。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述还确定朝向所述辐射源的至少第二方向包括确定朝向所述辐射源的至少第三方向，并另外包括(e)计算所述第一方向、所述第二方向和所述至少第三方向的交点。
28.一种制造可跟踪医疗装置的方法，所述方法包括将可探测量的放射性同位素并入或固定连接到所述医疗装置。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述可探测量在0.01mCi到0.5mCi的范围内。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述可探测量为0.1mCi或更少。
31.如权利要求28所述的方法，其中，所述可探测量为0.05mCi或更少。
32.如权利要求28所述的方法，其中，所述同位素为铱192。
33.使用具有0.1mCi或更少放射性的电离辐射源作为非成像定位或跟踪的目标。
全文摘要
本发明公开了一种用于定位装置的计算机化系统40。系统40包括传感器模块20和CPU 42。与装置相关联的放射性源38产生放射性衰变形式的信号。模块20包括能够从连接到装置的源38接收信号的辐射探测器22。模块20产生输出信号34。CPU 42接收输出信号34，并将输出34转换成与源38的位置有关的方向信息。
文档编号G01N23/20GK101069091SQ200580034274
公开日2007年11月7日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月12日
发明者G·科恩布劳, S·本-阿里 申请人:纳沃特克医药有限公司