專利名稱：器具的校準器及跟蹤器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及一種用于醫(yī)用器具跟蹤系統(tǒng)的器具校準器。
背景技術：
大腦、脊髓和身體其它部位的三維空間診斷圖像可以由例如CT掃描儀、磁共振成像儀、三維熒光檢查器和類似儀器的診斷成像設備產(chǎn)生出來。這些成像形式通常提供具有毫米或更高分辨率的結構細節(jié)。圖像導向的介入系統(tǒng)發(fā)展到與內科、外科或其它形式介入處理的計劃步驟相結合以便利用這些數(shù)據(jù)來輔助醫(yī)生、外科醫(yī)生或其它?？漆t(yī)師，并且在該介入處理期間精確定位患者體內的重要區(qū)域。
在介入操作期間，圖像導向的介入系統(tǒng)還可以用于顯示醫(yī)用器具相對于患者圖像的位置和取向。在醫(yī)療或醫(yī)療處理期間，患者圖像數(shù)據(jù)的多個視圖通常在監(jiān)視器上顯示出來，這對于操作器具的人來說是可見的。這些視圖可以包含患者的軸向、徑向和冠狀視圖。有時顯示第四個傾斜視圖，以展現(xiàn)正交于器具頂端的平面中的圖像數(shù)據(jù)。器具頂端的位置、器具的軌跡、以及器具頭部的直徑在這些圖像中的一個或多個中顯示出來。在器具的頂端和所希望位置之間的數(shù)學距離也可以在監(jiān)視器上數(shù)字地顯示出來。
對于圖像導向處理的給定種類，能夠具有較高精確度地跟蹤器具頂端的位置、器具的軌跡、以及器具頭部的直徑是必需的，通常需要校準到小于毫米級的精確度。器具的位置和取向是通過使用跟蹤系統(tǒng)來跟蹤的。跟蹤系統(tǒng)通過檢測三個或更多標示器的位置來跟蹤器具，標示器彼此之間以及相對于器具具有已知的幾何位置關系。跟蹤系統(tǒng)可以使用任何形式的跟蹤技術，例如光學的、磁的、射頻的、以及纖維光學的，僅舉這幾個例子。依賴于系統(tǒng)的形式，標示器可以是無源的或是有源的。跟蹤系統(tǒng)的一個公知的例子是使用反射紅外線能量的球狀標示器。跟蹤系統(tǒng)使得該球設置在紅外射線中。多個空間分離的照相機用于檢測該球的相對位置關系。
位置指示元件或標示器以獨特的方式定位在每一個器具上，以允許跟蹤系統(tǒng)能夠相互區(qū)別每一個器具。換句話說，獨特的方式可以是用來表示器具的特征。跟蹤系統(tǒng)使用關于每一個器具相對于器具的位置指示元件的頂端位置和軌跡的信息以及有關器具頭部直徑的信息來預編程序。例如，關于具有三個紅外線發(fā)射器的跟蹤探測器，跟蹤系統(tǒng)保持有關探測器頂端位置與在由三個紅外線發(fā)射器確定的平面上的選擇點的相關位置關系的信息。在這些信息的基礎上，頂端的精確位置可以在一個監(jiān)視器上計算和顯示出來。
在例如鉆、探測器、內診鏡等的多種醫(yī)用器具中，對于醫(yī)生、外科醫(yī)生或其它個人來說對器具做出修改通常是有利的，這可以影響頂端的定位以及器具頭部的直徑。例如，在醫(yī)療用的鉆上，對外科醫(yī)生來說能夠改變鉆頭的尺寸和長度以實現(xiàn)不同的醫(yī)療操作通常是有幫助的。此外，關于探測器，通常希望在探測器手柄上替換不同長度和直徑的軸，以接觸到患者體內的不同區(qū)域。
不利的是，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中由于每一個器具頂端相對于器具的位置指示元件的位置以及器具頭部直徑是預編程序設置的，這將不能容易地做出影響器具的頂端位置和器具頭部直徑的修改。如果做出修改，操作者需要測量器具頂端和器具的位置指示元件之間新的位置關系，并且將這些信息輸入到計算機中。此外，還需要輸入有關新的器具頭部直徑的信息。這些過程需要消耗時間并且是繁瑣的。如果不將新的信息輸入到跟蹤系統(tǒng)中，將不能在監(jiān)視器上正確地跟蹤和顯示器具的頂端。
在圖像導向的介入系統(tǒng)中允許使用標準外科器具是所希望的。這個特征將有助于降低圖像導向的外科器械的成本。在美國專利第5987960號中公開了這樣一種器具校準器，這里將引入作為參考。器具校準器包含形成滑動接合并且將器具固定在所希望的位置上的兩個可移動塊。器具通過在兩個可移動塊的每一個上的一系列交錯的V形槽固定，可移動塊相對器具頭部的直徑具有已知的幾何位置關系。器具校準器進一步包含至少一個用于連通器具校準器在操作間或其它區(qū)域中位置的位置指示元件。器具頂端的位置和取向是通過對比固定在器具校準器上的器具位置和兩個可移動塊中的每一個的位置來確定的。此外，在兩個可移動塊中每一個的位置的基礎上，可以計算出器具頭部的直徑。器具校準器能夠立刻校準器具頂端的位置、頂端所指向的方向、以及器具頭部的直徑。器具頂端所指向的方向是通過對比連接于固定器具的兩個可移動塊的每一個上的位置指示元件和連接于器具上的位置指示元件之間的位置關系而確定的。器具頂端的位置是通過對比連接于器具校準器上的位置指示元件的位置和連接于器具上的位置指示元件的位置而確定的。器具的直徑是借助兩個可移動塊的V形槽和器具頭部的直徑之間的已知幾何位置關系而確定的。

發(fā)明內容為了使得用于在圖像導向的介入系統(tǒng)中校準標準醫(yī)用或外科器具的處理簡化和/或更精確，標準醫(yī)用或外科器具的軸線是這樣定位的，即通過將多個具有已知幾何位置關系的位置指示元件或標示器連接到器具上，并且將器具設置在器具校準器上進行所述定位，該器具校準器這樣的方式支承該器具，即，允許不同直徑的器具旋轉，同時保持器具軸線沿固定的或穩(wěn)定的方向。當器具旋轉時，標示器定位系統(tǒng)跟蹤標示器在器具上的位置，而后推斷或確定旋轉軸線相對于夾緊到器具上的標示器的位置。器具校準器還可以包含彼此之間以及相對于止動件具有固定幾何或空間位置關系的第二組位置指示元件或標示器，器具的端部或頂端設置成抵靠在該止動件上。標示器定位或跟蹤系統(tǒng)確定器具頂端相對于連接到器具上的標示器的取向和位置。因此，可以以相當簡單的方式精確地校準標準醫(yī)用器具的位置范圍，從而避免需要使用專用結構的器具。
在一個實施例中，構形成用于支撐外科或醫(yī)用器具或用具的器具校準器的框架，以使得其沿其軸線在至少兩個分離的位置接觸器具，從而允許支撐具有在一確定范圍內直徑的任何器具，并使其軸線在穩(wěn)定的或固定的位置旋轉。器具校準器還可以與當器具旋轉時相對框架夾持器具的元件合并在一起。
在另一個實施例中，用于圖像導向的介入系統(tǒng)的器具校準器形成支撐框架，當器具旋轉時，其使用形成在表面上的槽來接收器具，并且保持器具的軸線處于固定位置，該槽優(yōu)選地為“V”形的或類似的形狀。器具校準器進一步包含當器具旋轉時可操作地將器具保持在槽中的器具夾持器，以及可操作地將器具的頂端相對校準器保持在固定位置上的器具止動件。器具校準器具有彼此之間以及相對于器具止動件成固定空間位置關系的多個位置指示元件。


圖1是操作間具有代表性實例的透視圖，其中可以配置有器具校準器和醫(yī)用或外科儀器跟蹤系統(tǒng)。
圖2是器具跟蹤器實例的透視圖。
圖3是器具跟蹤器的正視圖。
圖4是器具校準器的典型實施例的透視圖。
圖5是器具跟蹤器和器具校準器的透視圖。
具體實施方式圖1是操作間10的透視圖，其中配置有器具的校準器及跟蹤器系統(tǒng)12，并且與圖像導向的外科系統(tǒng)14一起使用。器具的校準器及跟蹤器系統(tǒng)12包含器具校準器16和器具跟蹤器18。器具跟蹤器18接附在例如醫(yī)用的探針、鉆或內診鏡的器具20上。器具20可操作地安裝在器具校準器16中，以將器具與圖像導向系統(tǒng)進行對準。定位系統(tǒng)22安裝在相對于其上支撐患者的工作臺的公知位置上。定位系統(tǒng)22可以在操作間10中以另一種方式相對于另一個適合的公知位置來安裝。在圖示實施例中，定位系統(tǒng)包含無源的紅外線光學系統(tǒng)，其在紅外線輻射源上包含兩個照相機24，輻射源使用紅外輻射來照射照相機的觀察區(qū)域。這樣的系統(tǒng)是公知的。然而，雖然圖示實施例可更有利地使用無源的紅外線跟蹤系統(tǒng)，但在通常情況下，本發(fā)明可以使用任何形式的跟蹤系統(tǒng)，其包含光學系統(tǒng)、RF(射頻)的、磁性的、聲學的或超聲波的、以及纖維光學的系統(tǒng)的其它形式。此外，可以使用例如發(fā)光二極管的有源的位置指示元件或標示器來代替在圖示實施例中示出的無源元件。用于這樣元件的能量可以是超聲波、RF(射頻)、或磁性。
如下面更詳細的描述，器具跟蹤器18和器具校準器16均包含多個由定位系統(tǒng)22可檢測出的位置指示元件，其用于向圖像導向的外科系統(tǒng)14提供器具20的定位和定向信息。
參照圖2和圖3，分別是本發(fā)明器具跟蹤器18的更詳細透視圖和正視圖。器具跟蹤器18提供了可拆卸器具的參考系，其通過圖像導向的外科系統(tǒng)14的定位系統(tǒng)定位在空間中。器具跟蹤器18包含以固定的和公知的相對關系支撐至少三個位置指示元件的框架。如圖所示具有“Y”形結構的框架將減少該框架阻擋定位系統(tǒng)22的位置指示元件的全視角觀察的可能。器具跟蹤器的框架以通常Y形的結構包含至少兩個連接到中心件32上的叉形件30和31。叉形件30和31在長度上可以是彼此不同的，并且在形狀和長度上它們從手柄件32的軸線分別延伸的角度可以有所不同。在圖2所示的實施例中，叉形件30比叉形件31長。通常連接到叉形件30和31的末端上的分別是彼此間隔設置的位置指示元件34和35。至少另一個位置指示元件36連接到手柄件32上，其與位置指示元件34和35間隔設置，并且和裝置34和35位于同一平面內。在圖示實施例中的位置指示元件34和35是無源反射器，但是可以被由定位系統(tǒng)22檢測到的另一種形式的標示器或位置指示元件(例如有源紅外線或聲學傳感器)來代替。
醫(yī)用器具通過例如夾具可松釋地緊固在器具跟蹤器18上。夾具具有這樣的優(yōu)點，即，不用對必需緊固到器具跟蹤器上的醫(yī)用器具進行改變。在圖示實施例中，夾具38將典型的醫(yī)用器具20緊固到器具跟蹤器18上?？梢允褂美缏葆?0和41的緊固件將夾具38連接到手柄件32上。夾具38優(yōu)選地為具有兩個相同部件43和44的C形夾具，它們可以通過例如指旋螺釘42的裝置圍繞醫(yī)用器具20緊固。C型夾具38的相同部件43和44包含兩個相對的夾爪46和47，當緊固該相同部件43和44時，夾爪稍微地彼此靠近，以確保器具20相對于器具跟蹤器18緊固并固定到公知的位置。如圖3所示，器具20由夾爪46和47向著夾具38的后表面推進，并且與夾具38的相同部件43和44兩者的拐角處接合。這確保了器具跟蹤器18和器具20之間可靠的四點接觸。
圖4是本發(fā)明的器具校準器16的更詳細透視圖。器具校準器16包含基座50和上表面51。上表面51位于相對于由基座50形成的平面成一銳角α的平面內。傾斜的上表面使得使用者在校準期間更好地使器具呈現(xiàn)在照相機24中以改善檢測。多個位置指示元件54-57彼此以已知的且間隔開的關系固定在上表面51上。位置指示元件54-57可以是無源的或有源的，并且可由定位系統(tǒng)22的照相機24檢測到，以向圖像導向的醫(yī)療系統(tǒng)14提供定位和定向信息。V形的槽或通道60形成在上表面51上，基本上貫穿器具校準器16的整個長度。止動件62形成在公知的和固定的位置上，以允許器具的頂端(該圖中未示出)插入到V形槽60中，以便抵靠在止動件62上。更寬和更深的擴展槽64形成在槽60中，緊靠在器具止動件62的前面。槽64可以容納比器具主體具有較大的直徑、或具有不規(guī)則形狀的器具的頂端，以便仍然允許器具緊密地抵靠在V形槽60中。V形槽60和止動件62相對于位置指示元件54-57的位置提供到或存儲在在校準過程中使用的圖像導向的外科系統(tǒng)14中。自促發(fā)的器具夾持器66位于V形槽60的上面，以將器具固定地夾持在槽中。自促發(fā)的器具夾持器66可以是彈簧偏壓的球夾具，其通過杠桿作用以允許器具在球彈簧68下面滑動通過球彈簧68，而不需要使用者用第二只手調節(jié)或打開夾具。球彈簧68典型地由具有光滑表面的球軸承構造成，并且由容納在自調節(jié)的器具夾持器66中的圓柱腔中的彈簧偏壓。優(yōu)選地，自促發(fā)的器具夾持器66基本上位于止動件62和V形槽60的端部之間的中點位置，從而球彈簧的力可操作地固定地將該器具保持就位。為了減輕器具校準器16的重量，在器具校準器的體上形成多個切去部或空腔68和70，而不影響器具校準器的整體完整性。
圖5是與器具校準器16對準的、保持該器具20的器具跟蹤器18的透視圖。器具20由器具跟蹤器18的夾具38夾持，以將器具20沿著V形槽60插入到器具校準器16中，直到該器具的頂端到達止動件62以抵靠該止動件62。自促發(fā)的器具夾持器66抵靠V形槽60的側部對該器具20進行導向和夾持。
為了對準該器具20的軸線，使用者設置了器具校準器16、器具跟蹤器18和器具20，以使得所有位置指示元件34-36和54-57可由照相機24(圖1)檢測到。然后使用者將一個預先確定的命令輸入到圖像導向的外科系統(tǒng)14中以啟動校準操作。此后使用者首先沿一個方向然后沿另一個方向旋轉該器具跟蹤器18和器具20。在一個實施例中，器具跟蹤器18和器具20首先沿一個方向旋轉至少60度，而后沿另一個方向旋轉120度。當其旋轉時球彈簧68允許器具20在其位置上光滑地滾動同時旋轉以便減小潛在的對準誤差。當器具朝向圖像導向的外科系統(tǒng)14旋轉時，器具的旋轉使得照相機24捕獲和轉送該位置指示元件34-36的位置。器具20在空間中的縱向軸線可以從位置信息中進行三角測量并確定。此外，由于位置指示元件54-57位置的捕獲和轉送使得器具20的頂端的位置成為已知的，從而也可以確定器具頂端相對于器具跟蹤器位置指示元件34-36的空間位置關系。在校準之后，器具20可以從器具校準器16上取下來，但通過圖像導向系統(tǒng)14的跟蹤系統(tǒng)來捕獲該器具跟蹤器位置指示元件34-36的位置和取向，從而可以連續(xù)地跟蹤器具20的位置和取向。其結果是，通過跟蹤該元件34-36的位置，對于圖像導向的系統(tǒng)來說，器具軸線和器具頂端的位置是已知的。
本發(fā)明的器具跟蹤器和器具校準器系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，其可以使用通用尺寸的任何器具，而不受特定尺寸的限制。C形夾具38、自促發(fā)的夾持器66和擴展槽64的使用可以接受具有較廣不同尺寸和幾何形狀的器具。本發(fā)明不需要使用具有內置的位置標示器的特定醫(yī)用器具。由于器具對準過程不象傳統(tǒng)系統(tǒng)中依賴于確定實際器具的直徑，通?？梢允褂镁哂袑ΨQ幾何形狀的任何器具。本發(fā)明的另一個優(yōu)越性是，外科醫(yī)生或助手可以在器具校準器16中定位器具，而不使用第二只手以抓住校準器，或操作任何夾具以在校準器中夾持住器具。設置器具只需要用一只手抓住器具和器具跟蹤器即可。器具校準器的傾斜上表面進一步提供呈現(xiàn)到照相機上有較寬視線的優(yōu)越性，以捕捉和對準在器具校準器上的位置指示元件的位置和取向。如這里所述，器具跟蹤器和器具校準器具有簡單的形狀和簡單的結構，這使得它們更容易和更經(jīng)濟地制造出來。
如在附加權利要求中列出的，在沒有超出本發(fā)明范圍的情況下，對前面的實例在形式和細節(jié)上可以做出各種改變、改造、修改、變化和派生，這對于本領域的技術人員來說是可以理解的。
權利要求
1.一種用于校準醫(yī)用器具或外科器具的軸線取向和頂端位置以便確定固定在器具上的定位元件的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用于確定一器具的標志的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一器具校準器，其包括用于接收醫(yī)用器具或外科器具的一支撐件，以便當該器具在該支撐件上旋轉時，該器具的縱向軸線保持固定；在操作上保持該器具的頂端的一器具止動件；以及多個位置指示元件，該位置指示元件彼此之間以及相對于該器具止動件具有固定的和已知的空間位置關系。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括當器具夾持器旋轉時，可操作地將該器具保持在該支撐件上的一器具夾持器。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具夾持器包含一夾具。
4.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具夾持器包括一自促發(fā)的球彈簧夾具。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該多個位置指示元件包括至少三個固定在該器具校準器上的能量反射器。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括具有多個彼此間成固定空間位置關系的位置指示元件的一器具位置跟蹤器，該器具跟蹤器可操作的固定在該器具上。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該支撐件包括在一限定在表面內的溝槽。
8.一種用于使醫(yī)用器具或外科器具對準圖像跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)，其包括一器具校準器，其包括一用于接收該器具的槽，以使得當該器具在該槽內旋轉時，該器具的縱向軸線和頂端保持固定；以及多個第一位置指示元件，該位置指示元件彼此之間以及相對于該槽具有固定的空間位置關系；以及一器具跟蹤器，其包括多個第二位置指示元件，該位置指示元件彼此之間具有固定的空間位置關系，該器具跟蹤器可操作地固定于該器具上。
9.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該槽具有相對于該器具校準器的基座成銳角設置的軸線。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具校準器還包括可操作地將該器具保持在該槽中的一器具夾持器。
11.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具校準器包括一器具止動件，其可操作地將器具的頂端相對于多個第一位置指示元件保持在固定的和可獲知的位置上。
12.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具夾持器包括一夾具。
13.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具夾持器包括一自促發(fā)的球彈簧夾具。
14.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該槽形成在上表面中。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，該器具校準器還包括鄰接于該器具止動件形成的一擴展槽，其可操作地接收一擴大的器具頂端或不規(guī)則形狀的器具頂端。
16.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，該多個位置指示元件包括至少三個固定于該器具校準器的該上表面上的無源的能量反射器。
17.一種使器具對準圖像導向的系統(tǒng)的方法，其包括將彼此之間具有預定空間位置關系的多個第一位置指示元件連接到該器具上；將該器具設置在器具校準器的支撐件上，以便可操作地允許該器具相對于已知軸線旋轉，該器具校準器具有固定于其上的多個第二位置指示元件；在支撐件上旋轉該器具，導向系統(tǒng)通過使用一跟蹤系統(tǒng)來檢測多個第二位置指示元件的位置，以便當該器具旋轉時檢測多個第一和第二位置指示元件；以及使該器具頂端和器具縱向軸線空間位置相對于多個第一和第二位置指示元件的檢測位置對準。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，插入該器具的步驟包括沿著該槽以及在自促發(fā)的球彈簧夾具作用下滑動該器具，該自促發(fā)的球彈簧夾具可操作地將該器具緊密地保持在該槽中。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于，插入該器具的步驟包括沿著該槽滑動該器具，直到該器具頂端到達止動件并抵靠止動件。
20.一種相對于跟蹤系統(tǒng)校準醫(yī)用器具或外科器具的系統(tǒng)，其包括將彼此之間具有預定空間位置關系的多個位置指示元件連接到該器具上；將該器具設置在器具校準器的支撐框架上，該支撐框架適于允許該器具圍繞軸線的旋轉運動；當該器具旋轉時，通過使用跟蹤系統(tǒng)檢測該多個位置指示元件的位置；以及當該器具旋轉時，基于檢測該多個位置指示元件位置，確定該軸線相對于多個位置指示元件的位置。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，該支撐件包括一器具止動件，其中將器具設置到支撐件框架上的步驟包括將器具頂端設置到鄰接該器具止動件的位置上，并且該方法還包括，基于該器具止動件的已知位置，確定該器具頂端相對于該多個位置指示元件的位置。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，該器具止動件的已知位置是通過使用跟蹤系統(tǒng)來確定相對于該器具止動件具有已知空間位置關系的所述多個第二位置指示元件的位置而獲得的。
23.如權利要求20所述的方法，其特征在于，該支撐框架包括形成在器具校準器的表面上的一槽。
24.如權利要求20所述的方法，其特征在于，該槽基本上是“V”形的。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，將器具設置到支撐件框架上的步驟包括沿著該槽并且在自促發(fā)的球彈簧夾具作用下滑動該器具，該自促發(fā)的球彈簧夾具可操作地將該器具緊密地保持在該槽中。
26.如權利要求20所述的方法，其特征在于，該器具首先沿一個方向旋轉，隨后沿相反的方向旋轉。
全文摘要
一種標準醫(yī)用器具或外科器具的軸線是通過將器具(20)連接到具有已知幾何關系的多個位置指示元件或標示器上而定位的，并且將器具設置在器具校準器(16)上，校準器以允許不同直徑的器具旋轉的方式來支撐器具，同時器具的軸線保持在固定的或穩(wěn)定的方向上。當器具旋轉時，標示器定位系統(tǒng)跟蹤標示器在器具上的位置，隨后相對于夾緊在器具上的標示器推斷或確定旋轉的軸線。器具校準器具有第二組位置指示元件或標示器，它們彼此之間以及相對于止動件具有固定幾何或空間位置關系，而器具的端部或頂端相對于止動件設置。
文檔編號A61B17/00GK1511249SQ02807775
公開日2004年7月7日 申請日期2002年1月30日 優(yōu)先權日2001年1月30日
發(fā)明者R·潘迪, L·阿拉塔, B·拉羅奎, R 潘迪, 蘅 申請人:Z-凱特公司