專利名稱：導(dǎo)管的導(dǎo)引控制及成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種引導(dǎo)、操縱和送進(jìn)諸如導(dǎo)管及導(dǎo)管類器件等侵害性醫(yī)療器件所用的系統(tǒng)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
一般地說，導(dǎo)管插入術(shù)乃是通過切口或身體上的孔口將侵害性器件插入體內(nèi)。諸如導(dǎo)向線、氣囊等二次工具通常沿著主導(dǎo)管送進(jìn)到待實(shí)施醫(yī)療程序的區(qū)域里。導(dǎo)管插入術(shù)依靠手工推、拉、旋轉(zhuǎn)或操縱留在體外的近端部分，以送進(jìn)這種侵害性器件。插入過程中，通用的方法是采用實(shí)時(shí)X射線成像來確定所述侵害性器件的遠(yuǎn)端的位置。在該器件的遠(yuǎn)端到達(dá)待進(jìn)行診斷或治療的目標(biāo)區(qū)域之前，操作者要不斷的進(jìn)行上述操作。這項(xiàng)技術(shù)要求操作者具有很高的技藝，操作者只有在經(jīng)過較長時(shí)期的訓(xùn)練及廣泛的實(shí)踐后才能夠達(dá)到這樣的水平。這項(xiàng)技術(shù)還要求操作者具有靈巧的手工操作能力。
例如，血管成形術(shù)包括將一氣囊導(dǎo)管順著一條預(yù)先放置的導(dǎo)向線送進(jìn)到動(dòng)脈狹窄段中。一旦該導(dǎo)管到達(dá)狹窄動(dòng)脈段內(nèi)的合適位置上，便可使氣囊膨脹，從而使該段血管擴(kuò)張。血管成形術(shù)遇到了和血管造影術(shù)相似的技術(shù)困難。如果待處理的動(dòng)脈帶有劇烈的扭曲，就可能難以將導(dǎo)向線送進(jìn)到狹窄部位上。如果動(dòng)脈嚴(yán)重狹窄或是完全堵塞，這就更難或是根本不可能將導(dǎo)向線定位到合適的位置上。另一方面，不管導(dǎo)向線是否成功地定位到抱緊的硬斑位置上，直徑必須大于導(dǎo)向線的氣囊導(dǎo)管可能會(huì)遇到足夠大的阻力而使得被導(dǎo)引的導(dǎo)管和孔口分離，使其得不到使氣囊順利送進(jìn)所需要的支承。這樣的技術(shù)困難可能會(huì)使醫(yī)療程序進(jìn)行不下去。
由于難以將導(dǎo)管插入到體內(nèi)的要求位置上，許多診斷、治療程序使用一種導(dǎo)向線。首先，將導(dǎo)向線送進(jìn)到心臟或動(dòng)脈內(nèi)作為一條軌道來導(dǎo)引特定的導(dǎo)管。這種技術(shù)通常用來將一條導(dǎo)管送進(jìn)到左心室內(nèi)，這對主動(dòng)脈狹窄的研究是特別重要的。對于操作者來說，如何通過狹窄的瓣膜口是一個(gè)挑戰(zhàn)。同樣，經(jīng)常要操縱一個(gè)導(dǎo)向線進(jìn)入阻塞的冠狀動(dòng)脈以及穿過有阻礙的斑塊。一種比如帶有氣囊、激光器、支架等治療手段的治療導(dǎo)管要在該導(dǎo)向線上推進(jìn)并布置到斑塊位點(diǎn)上。然后通過氣囊的膨脹、激光束的作用，或者支架的支承來打開狹窄位點(diǎn)。有時(shí)，動(dòng)脈是彎曲的并嚴(yán)重狹窄的，并且斑塊是不規(guī)則的，而且已經(jīng)鈣化，或者甚至使動(dòng)脈完全閉塞。這種情況下，如何將導(dǎo)向線穿過狹窄位點(diǎn)便是非常困難而會(huì)經(jīng)常失敗的事情。
在有些醫(yī)療程序中，會(huì)用一條導(dǎo)管來割穿房中隔，以制作一條旁路(大血管錯(cuò)位)來處理左房室瓣(左房室瓣膜形成術(shù))，或是用來直接監(jiān)護(hù)左心房的壓強(qiáng)。
為了使心臟節(jié)律或傳導(dǎo)紊亂的患者得以存活，經(jīng)常必須植入心臟起搏器。這個(gè)醫(yī)療程序是將一個(gè)小型電極植入患者的心腔(心室或心房)壁內(nèi)。電極的另一端與一個(gè)被植入在胸部皮膚下的電子器件相連，該電子器件發(fā)出刺激脈沖刺激心臟的節(jié)律。同樣，當(dāng)電極(例如可植入的自動(dòng)心臟去纖顫器(AICD))檢測到患者發(fā)生威脅生命的電紊亂時(shí)，可以以相似的電器件對患者施加電沖擊。這些電極都可通過靜脈在X射線照射下手工操作推入。許多情況下，由于解剖學(xué)上的差異，手工操作難以將電極安放到合適位置上，結(jié)果達(dá)不到最佳效果。
電生理學(xué)研究中，要測量并記錄心肌(心臟肌肉)內(nèi)發(fā)生的電信號(hào)，測量時(shí)，要將一個(gè)帶有電極的導(dǎo)管送進(jìn)到心臟中，在電極觸及感興趣的心內(nèi)膜區(qū)域之前一直要手工操縱著該導(dǎo)管。這是一件繁重而費(fèi)時(shí)的工作，因?yàn)?，為了完成一?xiàng)全面的研究常常需要進(jìn)行許多這樣的測量。另外，用手工操縱的方法使電極準(zhǔn)確定位也是一個(gè)困難的過程。
在先前的電生理學(xué)研究中，曾經(jīng)在心肌內(nèi)發(fā)現(xiàn)過一些錯(cuò)誤的電路徑，這種錯(cuò)誤路徑會(huì)導(dǎo)致可能威脅生命的異常心律。為了消除心律困擾，為了消除這種可能威脅生命的異常心律，就要使這種錯(cuò)誤的電路徑消融。為了消融這種電路徑，主要的方法是采用一種攜帶能量的導(dǎo)管向預(yù)定的特定區(qū)域輸送熱能或微波能量。這樣的導(dǎo)管要和選定的心內(nèi)膜區(qū)域良好接觸，否則將不會(huì)發(fā)生消融作用。另外，為了不破壞正常的電路徑，該導(dǎo)管必須準(zhǔn)確定位。面臨這樣精確的要求，手工操縱的不準(zhǔn)確性使得這種操作程序變得特別困難而費(fèi)時(shí)。
左房室瓣膜形成術(shù)可以用來治療左房室瓣狹窄，這種技術(shù)采用一個(gè)氣囊來使狹窄的瓣膜擴(kuò)大?，F(xiàn)有的方法包括通過靜脈腔道將一導(dǎo)管送進(jìn)到右心房中，并在房中隔上制作一個(gè)切口，并使導(dǎo)管強(qiáng)制穿過該切口進(jìn)入左心房中。然后將一個(gè)氣囊通過導(dǎo)管送入左房室瓣中，并使氣囊膨脹以撐破狹窄組織。這種醫(yī)療程序的成功率不高，但瓣膜重新狹窄的可能性卻不低，已知的難點(diǎn)是房中隔刺穿會(huì)導(dǎo)致中隔缺陷。盡管這種程序的侵害性大大小于外科手術(shù)，但與一般的導(dǎo)管插入術(shù)相比，這種程序的困難更大，時(shí)間更長，并要求操作者有特別熟練的技藝。
有些人考慮過用從主動(dòng)脈直接進(jìn)入左心房的左房室瓣膜形成術(shù)來替代從靜脈腔道進(jìn)入心臟的左房室瓣膜形成術(shù)，因?yàn)檫@種方法可以避免刺破房中隔，從而免除了可能存在的中隔缺陷。與現(xiàn)有的左房室瓣膜形成術(shù)不同的是，這種方法的導(dǎo)管是從主動(dòng)脈送進(jìn)到左心房及主動(dòng)脈瓣而被定位在左心室中的。氣囊通過導(dǎo)管送進(jìn)到左房室瓣中，并膨脹而撐破狹窄組織。由于需要用相對較為剛硬的氣囊來撐破導(dǎo)致左房室瓣狹窄的組織，因此，幾乎不可能使氣囊合適地對準(zhǔn)主動(dòng)脈和左心室，這是因?yàn)橹鲃?dòng)脈通道和要求的進(jìn)入左房室瓣的路徑之間呈一個(gè)尖銳的夾角。
心肌血管再建術(shù)是一種治療程序，該程序通過在心肌中誘發(fā)形成新的小血管的途徑來增加通向心肌的血液供應(yīng)。該外科手術(shù)包括打開胸腔壁，并用激光器在心臟外表(心外膜)上“鉆”上許多小通道。
經(jīng)皮的心肌血管再建術(shù)是一種利用導(dǎo)管實(shí)施的治療程序，用來促進(jìn)血管新生。這種血管再建術(shù)包括將一個(gè)激光器導(dǎo)管送進(jìn)到心臟內(nèi)，并從心臟內(nèi)表面(心臟內(nèi)膜)一側(cè)形成通道。這種治療程序特別適合于那些構(gòu)成高度外科手術(shù)危險(xiǎn)因素的患者，以及不能經(jīng)受常規(guī)的導(dǎo)管治療的患者。由于這種程序在進(jìn)行激光器導(dǎo)管的定位及固定時(shí)所要求的準(zhǔn)確度，因此難以利用現(xiàn)有的導(dǎo)管技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。
上述各項(xiàng)醫(yī)療程序存在不少缺點(diǎn)和局限性。為了操縱導(dǎo)管使其合適地進(jìn)入要求位置，通常要求操作者具有非常高的技藝水平。為了達(dá)到這種技藝水平，就要求對操作者進(jìn)行廣泛的培訓(xùn)。許多醫(yī)療程序是冗長而費(fèi)時(shí)的，這使得患者和工作人員反復(fù)且長期地暴露在不利的X射線作用下。冗長的程序還使得患者需要蒙受由于接受更多的影像對比度增強(qiáng)劑(contrastmaterial)所帶來的危險(xiǎn)。通常，要求導(dǎo)管遠(yuǎn)端(亦稱導(dǎo)管頂端)高精度定位的醫(yī)療程序都是難以實(shí)現(xiàn)，而且是不現(xiàn)實(shí)的。在二次工具的插入、取出以及其它操作過程中，導(dǎo)引導(dǎo)管的頂端經(jīng)常會(huì)被迫偏離要求位置，從而需要費(fèi)不少時(shí)間來重新進(jìn)行操作，以對頂端進(jìn)行重新定位。冠狀動(dòng)脈有時(shí)扭曲而帶有劇烈的彎曲或阻塞，這使得導(dǎo)向線或氣囊前進(jìn)困難或甚至不可能前進(jìn)。導(dǎo)管頂端的位置信息主要依靠X射線成像系統(tǒng)，這將帶來不利的副作用。
針對上述缺點(diǎn)和局限性，本發(fā)明提供一種引導(dǎo)、操縱及送進(jìn)侵害性的醫(yī)療器件并準(zhǔn)確地控制其位置所用的設(shè)備及方法；該設(shè)備及方法可以提供三維圖像；該設(shè)備及方法可以使X射線或其它電離型的輻射使用降至最少。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種磁性導(dǎo)管的導(dǎo)引及控制設(shè)備，以解決上述問題和其它問題。與先前的技術(shù)系統(tǒng)相比，本發(fā)明提供的設(shè)備需要更少的人員培訓(xùn)及更低的人員技藝水平要求。所述磁性導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)可以使導(dǎo)管快速地被送進(jìn)并定位，因此，可以將X射線及影像對比度增強(qiáng)劑的使用劑量降至最低。另外，所述磁性導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)中所用的磁性系統(tǒng)也可以探測出導(dǎo)管頂端的位置，并將該位置信息提供給操作者，并控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的一種實(shí)施例包括一個(gè)導(dǎo)管和一個(gè)導(dǎo)引及控制設(shè)備，所述導(dǎo)引及控制設(shè)備使外科醫(yī)生/操作者能夠準(zhǔn)確并且較容易地將導(dǎo)管頂端布置在患者體內(nèi)的適當(dāng)位置處。所述導(dǎo)引及控制設(shè)備還能夠?qū)?dǎo)管頂端保持在正確位置上。本發(fā)明的一種實(shí)施例包括一個(gè)導(dǎo)管及導(dǎo)引控制設(shè)備，所述導(dǎo)管及導(dǎo)引控制設(shè)備能夠操縱一個(gè)導(dǎo)向線或氣囊穿過動(dòng)脈，并有力地將其推進(jìn)穿過斑塊或其它阻礙物。本發(fā)明的一種實(shí)施例包括一個(gè)導(dǎo)管導(dǎo)引控制設(shè)備，所述設(shè)備可以顯示導(dǎo)管頂端的現(xiàn)有位置，同時(shí)又使患者和工作人員的X射線的輻照量降至最小。本發(fā)明的一種實(shí)施例包括一個(gè)導(dǎo)管導(dǎo)引控制設(shè)備，所述設(shè)備的使用更加直觀而簡單，該設(shè)備以三維的方式顯示導(dǎo)管頂端的位置，該設(shè)備對導(dǎo)管頂端施加力，以按照要求拉、推、旋轉(zhuǎn)或固定該導(dǎo)管頂端，該設(shè)備還能夠使導(dǎo)管頂端產(chǎn)生頻率及振幅都可調(diào)的振動(dòng)及脈動(dòng)，以幫助將導(dǎo)管頂端送過斑塊或其它阻礙物。本發(fā)明的一種實(shí)施例包括一個(gè)操作者控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)還向操作者提供反映導(dǎo)管頂端所遇到的阻礙的觸覺反饋。
按照一種實(shí)施例，一個(gè)導(dǎo)管導(dǎo)引控制及成像(GCI)裝置使外科醫(yī)生能夠?qū)σ粋€(gè)導(dǎo)管進(jìn)行送進(jìn)、定位及固定，并能夠通過顯示器上疊加的X射線圖像觀察該導(dǎo)管的三維位置。按照一種實(shí)施例，所述裝置包括一個(gè)被稱為“虛擬頂端”的操作者控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)除了存在一個(gè)代表實(shí)際導(dǎo)管頂端在患者體內(nèi)位置的模型以外，還具有一個(gè)相對于導(dǎo)管頂端的位置關(guān)系。
所述虛擬頂端包括一個(gè)有些象電腦游戲桿那樣的可供外科醫(yī)生操縱的實(shí)體組件。把這種組件設(shè)計(jì)成當(dāng)實(shí)際的導(dǎo)管頂端遇到阻礙就會(huì)向操作者發(fā)出合適方向的觸覺反饋。換句話說，該虛擬頂端包括一個(gè)游戲桿形式的器件，該器件使外科醫(yī)生得以導(dǎo)引實(shí)際導(dǎo)管頂端穿入患者的身體。當(dāng)實(shí)際導(dǎo)管頂端遇到阻礙物時(shí)，該虛擬頂端便向外科醫(yī)生發(fā)出表明遇到阻礙的觸覺力反饋。
按照一種實(shí)施例，所述實(shí)際導(dǎo)管頂端(亦即導(dǎo)管的遠(yuǎn)端)包括一個(gè)永久磁體，該永久磁體對外界作用在患者身上的磁場作出響應(yīng)。外磁場將該頂端推、拉旋轉(zhuǎn)并固定到要求的位置上。本專業(yè)的技術(shù)人員都知道可以用一個(gè)電磁體來替代或增強(qiáng)這種永久磁鐵。
操作者控制機(jī)構(gòu)向侍服系統(tǒng)發(fā)出位置及取向指令，該侍服系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用在患者身上的外界磁性力，以控制實(shí)際頂端的位置及取向。該實(shí)施例包括一個(gè)二次裝置，所述二次裝置包括磁場傳感器及溫度傳感器，該二次裝置測量實(shí)際頂端的位置及取向，并將測量結(jié)果反饋給侍服系統(tǒng)及操作者界面。按照一種實(shí)施例，所述侍服系統(tǒng)包括一個(gè)修正量輸入，該修正量對于比如心臟等身體部分或者器官的動(dòng)態(tài)位置作出補(bǔ)償，從而對實(shí)際頂端的響應(yīng)進(jìn)行修正，使得實(shí)際頂端的運(yùn)動(dòng)和搏動(dòng)中的心臟協(xié)調(diào)一致。
本發(fā)明導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)的工作過程如下1)操作者調(diào)整虛擬導(dǎo)管頂端的實(shí)體位置；2)所述虛擬頂端的位置變化經(jīng)編碼而成為輸入數(shù)據(jù)，被輸送給控制系統(tǒng)；3)所述控制系統(tǒng)生成指令，并發(fā)送給侍服系統(tǒng)控制裝置；4)所述侍服系統(tǒng)控制裝置操縱侍服機(jī)械，對外界磁體的電磁場進(jìn)行調(diào)整；5)所述外界電磁場的改變使得實(shí)際導(dǎo)管的磁性頂端在患者體內(nèi)的位置發(fā)生變化；6)實(shí)際導(dǎo)管頂端的新位置被磁場傳感器及溫度傳感器陣列感知；7)該傳感器陣列將感知的新位置信息反饋給侍服系統(tǒng)控制裝置及操作者界面中的監(jiān)視系統(tǒng)，從而對所顯示的圖像中實(shí)際導(dǎo)管頂端相對于所疊加的X射線圖像中的患者的相對位置進(jìn)行更新。
于是，操作者可以進(jìn)一步調(diào)整所述虛擬導(dǎo)管頂端位置，并且可以平滑而連續(xù)地重復(fù)步驟2)至7)。此外，整個(gè)過程中，每當(dāng)實(shí)際導(dǎo)管頂端在其路徑中遇到阻礙或阻力時(shí)，來自侍服系統(tǒng)控制裝置的反饋便會(huì)生成指令邏輯，這種指令邏輯被用于控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)和所述虛擬導(dǎo)管頂端實(shí)體相連。所述步進(jìn)電機(jī)使得虛擬導(dǎo)管頂端產(chǎn)生一個(gè)適宜方向的阻力，這種阻力能被操作者所感知，從而成為發(fā)送給操作者的觸覺反饋。
以下將參照進(jìn)一步的描述、權(quán)利要求和附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各種特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)所述特點(diǎn)的方法。各附圖中以相同的標(biāo)號(hào)表示相應(yīng)參照項(xiàng)目。
圖1A是一個(gè)外科程序系統(tǒng)的高級(jí)系統(tǒng)方塊程序圖，其中包括操作者界面、導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)、外科設(shè)備(如待導(dǎo)引之導(dǎo)管)及患者；圖1B是圖1所示導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)一種實(shí)施例的方塊程序圖；圖1C是圖1B所示導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)的方塊圖，示出圖1B未予表示的一些附加細(xì)節(jié)；圖2是圖1B所示裝置中使用的接地故障斷路器、不間斷電源、直流電源及監(jiān)管單元的示意圖；圖3是圖1B所示裝置中使用的系統(tǒng)控制器示意圖；圖4是圖1B所示裝置中使用的虛擬頂端及校準(zhǔn)附件控制器的示意圖；圖5是圖1B所示裝置中使用的虛擬頂端的電路方框圖；圖6是與圖5所示電路方塊圖相連的虛擬頂端的透視圖；圖7是圖1B所示裝置中使用的X軸控制器及放大器的示意圖；
圖8是圖1B所示裝置中使用的Y軸控制器及放大器的示意圖；圖9是圖1B所示裝置中使用的Z軸控制器及放大器的示意圖；圖10是圖1B所示裝置中使用的通信控制器的示意圖；圖11是圖1B所示裝置中使用的校準(zhǔn)附件示意圖；圖12是圖11校準(zhǔn)附件(機(jī)械)的透視圖。
圖13是表示電磁體及相應(yīng)磁場傳感器極性配置的正視圖；圖13A是表示作為由一C形臂形成磁路的一簇電磁體的可能極性配置；圖13B表示螺線管、臂和臺(tái)面的幾何布局；圖13C是表示電磁螺線管簇的電子學(xué)布置的方框圖；圖13D是矢量的矩陣表示；圖13E表示特征矩陣；圖13F表示逆特征矩陣；圖13G表示特征矩陣和其逆矩陣的乘積；圖13H是圖13G的邏輯流程圖；圖14是表示圖1B裝置中使用的各種磁場傳感器和溫度傳感器對；圖15和圖15A是圖1B裝置中使用的導(dǎo)管組件和導(dǎo)向線組件的分解透視圖；圖15B表示一個(gè)帶有磁性頂端及兩個(gè)壓電環(huán)的導(dǎo)管；圖16表示圖1B的裝置與一個(gè)雙平面X射線環(huán)的結(jié)合；圖16A表示圖1B裝置的俯視圖；圖16B表示圖1B裝置的端部視圖；圖16C表示圖1B裝置的側(cè)視圖；圖17表示圖1B所示裝置與電影血管造影設(shè)備一起使用的情況；圖17A表示與X射線熒光圖像同步的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記；圖17B表示在作起搏器電極植入(implementation)過程中使用基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記的情況；圖18是表示圖13的電磁體加給的合力矢量的大小和方向的向量圖；圖18A表示導(dǎo)管的磁性頂端相對于坐標(biāo)系統(tǒng)虛擬原點(diǎn)的極性；圖18B表示由圖20和圖20A所示磁場傳感器測得的合成矢量；
圖18C表示圖18B所示合成矢量的三維角度；圖19表示圖1B裝置中使用的兩個(gè)對置電磁體之間的距離；圖19A表示圖19中鄰近的電磁場傳感器之間的距離。
圖20是表示由圖19A的磁場傳感器數(shù)據(jù)推演圖18A所示頂端位置的過程；圖20A表示由圖19A的磁場傳感器信號(hào)進(jìn)一步計(jì)算的結(jié)果；圖21是表示圖18A所示磁性頂端在Z軸方向上的旋轉(zhuǎn)(θ)。
圖22是表示圖18A所示磁性頂端在Z軸方向上的平移(ΔZ)。
圖23是圖1B裝置的控制器形成部件的邏輯流程圖，用以確定圖18A的實(shí)際頂端響應(yīng)新運(yùn)動(dòng)指令所處的位置。
具體實(shí)施例方式圖1A、1B及1C表示系統(tǒng)700，它包括一個(gè)導(dǎo)引、控制、成像(GCI)裝置501。該系統(tǒng)700還包括一個(gè)操作者界面部分500和外科醫(yī)療設(shè)備502。圖1A所示為GCI裝置501的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例包括各種功能單元。圖1A還表明這些功能單元以及操作者界面部分500、手術(shù)室中的輔助設(shè)備502以及患者390之間的總體關(guān)系。圖1B所示為這些功能單元及它們中一些部件之間的內(nèi)部關(guān)系。
圖1C所示為GCI裝置501、外科醫(yī)療設(shè)備502、操作者界面設(shè)備500以及患者390之間的關(guān)系。有關(guān)GCI裝置501及諸如手術(shù)室中的外科醫(yī)療設(shè)備502等其它輔助設(shè)備的詳細(xì)情況將在下面結(jié)合圖16、16A、16B和16C予以描述。所述系統(tǒng)700被構(gòu)造成用以將導(dǎo)管或類似器件的遠(yuǎn)端(本文亦稱頂端)導(dǎo)引進(jìn)入患者體內(nèi)。
圖2所示為GCI裝置501的第一功能單元，即電源及控制器單元的方塊圖。該功能單元包括接地故障斷路器1、不間斷電源300、直流電源16、17、18和19，以及圖1B所示系統(tǒng)700用的監(jiān)管單元301。
GCI裝置501的另一功能單元是如圖3所示的系統(tǒng)控制器(SC)302。GCI裝置501還包括一個(gè)功能單元，即圖4所示的虛擬頂端及校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303。GCI裝置501還包括一個(gè)功能單元，即圖5和圖6所示的虛擬頂端組件304。GCI裝置501的其它功能單元包括X軸控制器及放大器(XCA)305、Y軸控制器及放大器(YCA)310，以及Z軸控制器及放大器(ZCA)315。這些功能單元將通過圖7、8和9所示的功能方塊圖逐項(xiàng)予以詳細(xì)描述。GCI裝置501的其它功能單元還包括通信控制器(CC)320(詳見圖10)、校準(zhǔn)附件(CF)321(詳見圖11、12)、磁場傳感器(MFS)和溫度傳感器(TS)對374(見圖14)。圖1B所示的系統(tǒng)700中采用不同種類的磁場傳感器和溫度傳感器對374。一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器可以是霍爾效應(yīng)傳感器、超導(dǎo)傳感器或其它傳感器，只要該傳感器能夠感受，比如由導(dǎo)管頂端的磁體(或電磁體)引起的磁場。在一個(gè)實(shí)施例中，這種磁場傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。溫度傳感器可以是熱敏電阻或其它能夠?qū)囟让舾械膫鞲衅鳌１疚闹悦枋鰷囟葌鞲衅魇怯捎诒热缁魻栃?yīng)傳感器等許多磁場傳感器都是溫度依賴型的傳感器。然而，溫度傳感器是備選的器件。當(dāng)溫度傳感器對精度的貢獻(xiàn)并非必要時(shí)，或者無需考慮磁場傳感器的溫度依賴性時(shí)，可以省略所述溫度傳感器。
參照圖1B，電源及控制系統(tǒng)392包括接地故障斷路器(GFI)1；不間斷電源(UPS)300；監(jiān)管單元(SU)301；分別向X軸控制器和放大器(XCA)、Y軸控制器和放大器(YCA)、Z軸控制器和放大器(ZCA)單獨(dú)供電的直流電源(XPS)16、(YPS)17及(ZPS)18；以及向GCI裝置501的數(shù)字電路及模擬電路供給直流電的直流系統(tǒng)電源(SPS)19。圖2對這些部件及它們之間的功能關(guān)系作了詳細(xì)表述。
參照圖2，接地故障斷路器(GFI)1的作用是作為安全器件，用以監(jiān)控相線和中性線內(nèi)的交流輸入電流。如果測得二者電流不平衡，便可以設(shè)想為對地之間存在一個(gè)雜散導(dǎo)電路徑(操作者或患者具有觸電危險(xiǎn))，這個(gè)檢測器便會(huì)使載荷從饋線上脫開。
不間斷電源(UPS)300包括電池9、充電系統(tǒng)5、變流器13和電源開關(guān)回路。在電源發(fā)生故障期間，UPS 300自動(dòng)地向系統(tǒng)700提供全部所需電能，直至電池耗盡。如果電源故障的持續(xù)時(shí)間超出電池容量以外，則監(jiān)管單元(SU)301及系統(tǒng)控制器(SC)302便會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)700適時(shí)地關(guān)掉。
再參照圖2，放大器3及其變流器的作用是監(jiān)測交流線路的電流。隔離放大器4的用途為監(jiān)測接地故障斷路器(GFI)1的交流電壓輸出。充電器5的用途是產(chǎn)生所需直流電能，給不間斷電源300中的電池9充電。放大器8的用途是檢測分流線路兩端的電壓降，以測定電池9的充電電流。放大器10的用途為監(jiān)測電池9的輸出電壓。放大器12的用途是監(jiān)測分流線路11兩端的電壓降，以測定電池9的負(fù)載電流。換流器13的用途為向GCI裝置501的各個(gè)部件供給交流電能。隔離放大器14的用途為檢測換流器13的交流輸出電壓。放大器15及其變流器的用途為監(jiān)測換流器13的輸出電流。
監(jiān)管單元(SU)301監(jiān)測來自下列部件的信號(hào)交流饋線、接地故障斷路器(GFI)1的輸出端、不間斷電源(UPS)300，以及直流電源16、17、18、19。監(jiān)管單元(SU)301向系統(tǒng)控制器(SC)302報(bào)告下列情況交流供電故障、接地故障斷路器(GFI)脫落、不間斷電源(UPS)故障或是直流電源16、17、18、19故障。
如圖2所示，監(jiān)管單元(SU)301包括模擬多路轉(zhuǎn)換器20，該轉(zhuǎn)換器20將待監(jiān)測的給定信號(hào)連接到可編程增益放大器21上。解碼邏輯單元26和地址鎖存器24相連，從而使微控制器30能夠設(shè)置所述模擬多路轉(zhuǎn)換器20的輸入通道。微控制器30執(zhí)行存在于只讀存儲(chǔ)器28中的編碼。解碼邏輯單元26和地址鎖存器25相連，這又使得微控制器30能夠設(shè)定可編程增益放大器21的增益。于是，微控制器30通過解碼邏輯單元26選通采樣/保持電路22。因而，采樣/保持電路22的輸出便是待測量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。
模數(shù)變換器23接受微控制器30經(jīng)解碼邏輯單元26發(fā)來的變換指令。完成變換時(shí)，模數(shù)變換器23通過解碼邏輯單元26遮斷微控制器30，而通過微控制器30輸出代表待測量信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器29的用途為在SU 301工作過程中儲(chǔ)存采樣數(shù)據(jù)。非易失性存儲(chǔ)器27的用途為在供電終止時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。監(jiān)管單元301通過這樣的方式監(jiān)測各種電壓及電流。微控制器30通過緩沖器31與系統(tǒng)控制器302溝通。控制邏輯單元32使得系統(tǒng)控制器302能夠根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)來配位“供電-掉電”數(shù)列。
參照圖1C和3可見，系統(tǒng)控制器(SC)302以排序的方式控制供電-掉電次序，并通過通信控制器(CC)320、計(jì)算機(jī)324及監(jiān)視器325提醒操作者注意系統(tǒng)狀態(tài)，并采取任何所需的糾正措施。此外，系統(tǒng)控制器(SC)302還對X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310及Z軸控制器和放大器(ZCA)315的工作進(jìn)行配位，還經(jīng)系統(tǒng)總線328與虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)321及通信控制器(CC)320溝通。
如圖1C所示，侍服電源(XPS)16向X軸控制器和放大器(XCA)305供給直流電。X軸控制器和放大器(XCA)305向位于患者體外的電磁體132X及138X供電。X軸控制器和放大器(XCA)305還對溫度傳感器(TS)陣列306、309和磁場傳感器陣列307、308以及電磁體(EM)132X、138X進(jìn)行監(jiān)測。磁場傳感器陣列307、308測量X軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)306、309測量磁場傳感器陣列307、308的溫度，因此，X軸控制器和放大器(XCA)305能夠通過溫度補(bǔ)償系數(shù)對磁場傳感器的輸出進(jìn)行修正。
這些傳感器陣列306、307、308、309測得的實(shí)際導(dǎo)管頂端377在X軸方向上的位置作為反饋被輸出給X軸控制器放大器(XCA)305。通過下面的敘述可以看到兩個(gè)電磁體132X及138X對實(shí)際導(dǎo)管頂端377在患者身體390內(nèi)的X方向位置的影響。
侍服電源(YPS)17向Y軸控制器和放大器(YCA)310供給直流功率。Y軸控制器和放大器(YCA)310向位于患者體外的電磁體(EM)132Y及138Y供電。Y軸控制器和放大器(YCA)310還對溫度傳感器(TS)陣列311、314和磁場傳感器陣列312、313進(jìn)行監(jiān)測。磁場傳感器陣列312、313測量Y軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)311、314測量磁場傳感器陣列312、313的溫度，因此，所述Y軸控制器和放大器(YCA)310能夠通過溫度補(bǔ)償系數(shù)對磁場傳感器的輸出進(jìn)行修正。這些傳感器陣列311、312、313、314測得的實(shí)際導(dǎo)管頂端377在Y軸方向上的位置作為反饋，輸出給所述Y軸控制器和放大器(YCA)310。通過下面的敘述，將可看到這兩個(gè)電磁體132Y及138Y對實(shí)際導(dǎo)管頂端377在患者身體390內(nèi)的Y方向上位置的影響。
Z軸電源(ZPS)18向Z軸控制器和放大器(ZCA)315供給直流功率。Z軸控制器和放大器(ZCA)315向位于患者體外的電磁體(EM)132Z及138Z供電。Z軸控制器和放大器(ZCA)315還對溫度傳感器(TS)陣列316、318和磁場傳感器陣列317、319進(jìn)行監(jiān)測。磁場傳感器陣列317、319測量Z軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)316、318測量磁場傳感器陣列317、319的溫度，因此，所述Z軸控制器和放大器(ZCA)315能夠通過溫度補(bǔ)償系數(shù)對磁場傳感器的輸出進(jìn)行修正。這些傳感器陣列316、317、318、319所測量到的實(shí)際導(dǎo)管頂端377在Z軸方向上的位置作為反饋，輸出給Z軸控制器和放大器(ZCA)315。通過下面的敘述，將可看到這兩個(gè)電磁體132Z及138Z對實(shí)際導(dǎo)管頂端377在患者身體390內(nèi)的Z方向上的位置的影響。
通信控制器(CC)320將主機(jī)系統(tǒng)323、輔助設(shè)備322及計(jì)算機(jī)324連接到系統(tǒng)總線328上。外科及醫(yī)療設(shè)備502可以包括比如主機(jī)系統(tǒng)323及輔助設(shè)備322。所述主機(jī)系統(tǒng)323中含有關(guān)于患者和現(xiàn)行醫(yī)療程序的資料，還包含GCI裝置501產(chǎn)生的檔案資料。所述輔助設(shè)備322可以包括X射線成像系統(tǒng)及其它患者檢測設(shè)備。
操作者界面500包括，如計(jì)算機(jī)324、監(jiān)視器325、鍵盤326及鼠標(biāo)327。計(jì)算機(jī)324使操作者能夠調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，并執(zhí)行校準(zhǔn)及診斷等例行程序。監(jiān)視器325顯示實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置資料和重疊顯示X射線圖像，以及對操作者的提示。鍵盤326和鼠標(biāo)327用于操作者錄入數(shù)據(jù)。
虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303接受來自虛擬頂端組件304的編碼器位置、限止開關(guān)以及操作者開關(guān)等輸入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是XCA395、YCA 310及ZCA 315在對電磁體132X、138X、132Y、138Y、132Z、138Z進(jìn)行控制時(shí)需要使用的。所述虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303還將觸覺反饋(TF)響應(yīng)及發(fā)光二極管(LED)數(shù)據(jù)輸出給虛擬頂端(VT)304，這兩項(xiàng)輸出將由操作者作為實(shí)際導(dǎo)管頂端377遇到的阻礙或阻力被感知的。
圖3所示為系統(tǒng)控制器(SC)302的一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)部件。后面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述這些部件的功能。SC 302的特征在于它有不同的工作模式1)供電/掉電模式、2)侍服系統(tǒng)控制器模式、3)觸覺反饋響應(yīng)模式，以及4)校準(zhǔn)模式。
在供電/掉電模式時(shí)，所述SC 302對GCI裝置501的各個(gè)部件的供電/掉電次序進(jìn)行配位，實(shí)施內(nèi)置的系統(tǒng)診斷功能，還將診斷過程中測得的任何差錯(cuò)資料發(fā)送到通信控制器(CC)320，并儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器41中。通過微控制器33完成這些任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)正在工作時(shí)，這些差錯(cuò)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)41中，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，這些數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)39中。微控制器33通過系統(tǒng)總線328和其它系統(tǒng)部件進(jìn)行通信。通信時(shí)可以向解碼邏輯單元38設(shè)置適宜的地址及控制碼位，以啟動(dòng)地址緩沖器34及數(shù)據(jù)緩沖器35。類似地，經(jīng)控制邏輯單元32，所述數(shù)據(jù)鎖存器36及數(shù)據(jù)緩沖器37使微控制器33與不間斷電源(UPS)300及監(jiān)管單元(SU)301相連接。
在侍服系統(tǒng)控制器模式下，有如下面還要結(jié)合圖23詳細(xì)描述的那樣，系統(tǒng)控制器(SC)302計(jì)算實(shí)際頂端(AT)的位置。然后，根據(jù)來自虛擬頂端(VT)405的數(shù)據(jù)確定現(xiàn)存的位置誤差，也就是實(shí)際頂端的位置和虛擬頂端指示位置，即操作者要求的頂端位置之間的差異。該位置誤差值將會(huì)通過系統(tǒng)總線328被發(fā)送給X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310，以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315。
在觸覺反饋響應(yīng)模式下，所述系統(tǒng)控制器(SC)302經(jīng)系統(tǒng)總線328向虛擬頂端(VT)304提供反饋數(shù)據(jù)，以引發(fā)觸覺反饋響應(yīng)。下面還將結(jié)合圖23進(jìn)行詳細(xì)描述。
在校準(zhǔn)模式下，所述系統(tǒng)控制器(SC)302經(jīng)虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303對校準(zhǔn)附件(CF)312產(chǎn)生影響，并將來自X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310及Z軸控制器和放大器(ZCA)315的位置數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)附件(CF)321、編碼器64C、66C、68C、70C及72C相關(guān)。
圖4表示虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303。當(dāng)系統(tǒng)正在工作時(shí)，數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)50中；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，這些數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)48中。微控制器42經(jīng)系統(tǒng)總線328與系統(tǒng)控制器(SC)302(見圖3)進(jìn)行通信聯(lián)系。通信聯(lián)系時(shí)，可以向解碼邏輯單元47設(shè)置適宜的地址及控制碼位，以啟動(dòng)地址緩沖器43及數(shù)據(jù)緩沖器44。如下所述，類似地，數(shù)據(jù)鎖存器45及數(shù)據(jù)緩沖器46使微控制器42與虛擬頂端(VT)405或校準(zhǔn)附件(CF)321相連。
虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303接受來自VT 304或CF 321的有關(guān)編碼器位置，限止“開關(guān)”關(guān)閉，并且操作者輸入開關(guān)位置等數(shù)據(jù)輸入。虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303還向虛擬頂端(VT)304輸出數(shù)據(jù)，使其產(chǎn)生觸覺反饋并亮起發(fā)光二極管指示器，以向操作者提示各種系統(tǒng)狀況。
參照圖5，VT組件304的電子電路功能如下。解碼邏輯單元101響應(yīng)來自虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303(圖3)的地址及控制碼位啟動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖器51，并設(shè)定它對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。?dāng)解碼邏輯單元101選通步進(jìn)鎖存器52、53時(shí)，所述鎖存器52、53儲(chǔ)存來自VT/CFC 303并且是待提供給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器54、56、58、60和62的數(shù)據(jù)。所述步進(jìn)電機(jī)55、57、59、61和63響應(yīng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的輸出，向操作者發(fā)出觸覺反饋。所述步進(jìn)電機(jī)55、57、59、61和63按如下配位產(chǎn)生適宜方向或角度的阻力步進(jìn)電機(jī)55沿著X軸方向；步進(jìn)電機(jī)57沿著Y軸方向；步進(jìn)電機(jī)59沿著Z軸方向；步進(jìn)電機(jī)61沿著角度θ方向；步進(jìn)電機(jī)63沿著角度EL方向。
再參照圖5，絕對編碼器64、66、68、70和72與相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)55、57、59、61和63機(jī)械地耦接，并當(dāng)存在觸覺反饋(TF)時(shí)向VT/CFC 303提供位置反饋信息，而當(dāng)操作者對VT 405進(jìn)行手工調(diào)整時(shí)向VT/CFC 303提供虛擬頂端(VT)的位置信息。編碼器的輸出受到緩沖器65、67、69、71和73緩沖，以暫時(shí)儲(chǔ)存并將軸向及角向位置信息傳輸給VC/CFC 303。限止“開關(guān)”74、75、76、77、78和79給三個(gè)軸線作上終端標(biāo)記，以限止虛擬頂端405的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并可使虛擬頂端組件304的機(jī)械部分與圖5的電子儀器同步工作。當(dāng)角度θ及EL為0時(shí)，“開關(guān)”80及81發(fā)出指示，使虛擬頂端組件304的機(jī)械部分與圖5的電子儀器同步工作。當(dāng)被解碼邏輯101選通時(shí)，鎖存器82便儲(chǔ)存這些給位置邊界下定義的數(shù)據(jù)。由于操作者開關(guān)83、84、85、86、87、88、89和90都是瞬時(shí)性的開關(guān)(亦即瞬時(shí)接觸而非穩(wěn)定接觸的開關(guān))，鎖存器91讀取并鎖存這些開關(guān)，以儲(chǔ)存它們的指令。由LED鎖存器100驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管92、93、94、95、96、97、98和99。
圖7表示X軸控制器和放大器(XCA)305。XCA 305接受來自X軸磁場傳感器陣列307、308及溫度傳感器陣列306、309測得的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對其進(jìn)行放大。微控制器102X根據(jù)這些測得的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個(gè)程序，以產(chǎn)生位置反饋信號(hào)，該位置反饋信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)總線328被輸送給VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件。微控制器102X還通過系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成指令，該指令控制外電磁體132X、138X的勵(lì)磁，對實(shí)際導(dǎo)管頂端在X軸方向上的位置產(chǎn)生影響。XCA305還生成誤差信號(hào)及修正信號(hào)，這些信號(hào)將用在校準(zhǔn)過程和系統(tǒng)正常工作過程中。下面對這些功能進(jìn)行描述。
首先說明XCA 305對來自MFS陣列307、308及溫度傳感器陣列306、309測得的數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法。磁場傳感器陣列307包括傳感器113X、114X、115X、116X。磁場傳感器陣列308包括傳感器117X、118X、119X、120X。溫度傳感器陣列306包括傳感器122X、123X、124X、125X。溫度傳感器陣列309包括傳感器126X、127X、128X、129X。圖13示出這些傳感器的實(shí)體位置以及相互的位置關(guān)系。可以結(jié)合圖18、18A、18B和18C描述微控制器102X執(zhí)行的數(shù)學(xué)程序，該數(shù)學(xué)程序根據(jù)來自傳感器陣列307及308的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算輸出的位置數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，這種輸入及輸出數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)103X中。諸如溫度補(bǔ)償系數(shù)等數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105X，該補(bǔ)償系數(shù)和溫度傳感器陣列306、309測得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對來自磁場傳感器113X、114X、115X、116X、117X、118X、119X、120X的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正。
由解碼邏輯單元106X連同地址鎖存器111X觸發(fā)檢測數(shù)據(jù)的收集，該鎖存器111X使微控制器102X能夠設(shè)置模擬多路轉(zhuǎn)換器112X的輸入通道。同樣，解碼邏輯單元106X連同地址鎖存器109X使微控制器102X能夠設(shè)置可編程放大器110X的增益，以補(bǔ)償來自傳感器陣列307、308、306和309信號(hào)的強(qiáng)度變化。微控制器102X通過解碼邏輯單元106X選通采樣/保持電路108X，因此，所述微控制器能夠在執(zhí)行其它功能的同時(shí)，周期性地采集暫存在采樣/保持電路108X中的數(shù)據(jù)。因此，采樣/保持電路108X的輸出便是待測量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。
微控制器102X通過解碼邏輯單元106X向模數(shù)變換器(ADC)107X發(fā)出“變換”指令，將來自位置傳感器307、308的模擬信號(hào)變換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，使數(shù)碼系統(tǒng)能夠判讀該信號(hào)。完成變換時(shí)，模數(shù)變換器107X通過解碼邏輯單元106X阻斷微控制器102X，而由微控制器102X輸入測量信號(hào)的數(shù)碼表示。本發(fā)明就是用這樣的方法對磁場傳感器113X、114X、115X、116X、117X、118X、119X和120X以及溫度傳感器122X、123X、124X、125X、126X、127X、128X和129X進(jìn)行監(jiān)測的。與此相似，還對分流線路131X、137X兩端的電壓降進(jìn)行測量，以確定通過電磁體132X、138X的電流。
再參照圖7，電流源121X的用途是提供控制電流，以偏置磁場傳感器113X、114X、115X、116X、117X、118X、119X和120X。這是因?yàn)檫@些傳感器最好在恒定電流模式下工作，因此，要求電流穩(wěn)定，以可靠地工作。溫度傳感器的偏置電源130X的用途是向溫度傳感器122X、123X、124X、125X、126X、127X、128X和129X提供偏置電壓。
以下說明XCA 305生成指令以控制實(shí)際導(dǎo)管頂端277在X軸方向上運(yùn)動(dòng)的方法。微控制器102X經(jīng)系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成控制實(shí)際導(dǎo)管頂端277在X軸方向上運(yùn)動(dòng)的指令。微控制器102X連同解碼邏輯單元106X控制調(diào)制器144X及146X產(chǎn)生適宜的運(yùn)動(dòng)信號(hào)及指令。前置放大器143X及145X將調(diào)制器的輸出放大，并驅(qū)動(dòng)末級(jí)放大器135X、136X、141X和142X。二極管133X、134X、139X和140X的用途為保護(hù)末級(jí)放大器免受反電動(dòng)勢浪涌的沖擊，該反電動(dòng)勢浪涌是由電磁體線圈132X、138X的電感特性所引起的。
電磁線圈132X、138X產(chǎn)生磁場，對實(shí)際導(dǎo)管頂端在X軸方向上的位置產(chǎn)生影響。
微控制器102X經(jīng)系統(tǒng)總線328與VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件進(jìn)行通信聯(lián)系的方式是微控制器102X對解碼邏輯單元106X設(shè)置適宜的地址及控制碼位，所述解碼邏輯單元106X啟動(dòng)地址緩沖器148X及數(shù)據(jù)緩沖器147X。
非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105X也儲(chǔ)存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用在校準(zhǔn)附件321連同VT/CFC 303一起進(jìn)行的校準(zhǔn)操作中。后面還將結(jié)合圖23描述校準(zhǔn)操作和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。另外，非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105X還儲(chǔ)存錯(cuò)誤編碼，該錯(cuò)誤編碼用在由系統(tǒng)控制器(SC)302控制的掉電操作中。
圖8表示Y軸控制器和放大器(YCA)310，它以與圖7中XCA 305相同的方式工作。YCA 310接受來自Y軸磁場傳感器陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314測得的數(shù)據(jù)信號(hào)并對其進(jìn)行放大。微控制器102Y根據(jù)這些測得的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個(gè)程序，以產(chǎn)生位置反饋，所述位置反饋經(jīng)系統(tǒng)總線328被輸送給VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件。微控制器102Y還經(jīng)系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成指令，所述指令控制外電磁體132Y、138Y的勵(lì)磁，以對實(shí)際導(dǎo)管頂端在Y軸方向上的位置產(chǎn)生影響。YCA 310還生成誤差信號(hào)及修正信號(hào)，這些信號(hào)將用在校準(zhǔn)過程和系統(tǒng)正常工作過程中。下面對這些功能進(jìn)行描述。
首先說明YCA 310對來自MFS陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314的測量數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法。磁場傳感器陣列312包括傳感器113Y、114Y、115Y、116Y。磁場傳感器陣列313包括傳感器117Y、118Y、119Y、120Y。溫度傳感器陣列311包括傳感器122Y、123Y、124Y、125Y。溫度傳感器陣列314包括傳感器126Y、127Y、128Y、129Y。圖13示出這些傳感器的實(shí)體位置以及相互的位置關(guān)系。
微控制器102Y所執(zhí)行的數(shù)學(xué)程序可以結(jié)合圖18、18A、18B和18C予以描述。所述數(shù)學(xué)程序根據(jù)來自傳感器陣列312及313的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算輸出的位置數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，該輸入及輸出數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)103Y中。諸如溫度補(bǔ)償系數(shù)等數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Y。該補(bǔ)償系數(shù)于溫度傳感器陣列311、314測得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對來自磁場傳感器113Y、114Y、115Y、116Y、117Y、118Y、119Y、120Y的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正。
由解碼邏輯106Y連同地址鎖存器111Y觸發(fā)所述測量數(shù)據(jù)的收集，所述鎖存器111Y使微控制器102Y能夠設(shè)置模擬多路轉(zhuǎn)換器112Y的輸入通道。同樣，解碼邏輯106Y連同地址鎖存器109Y使微控制器102Y能夠設(shè)置可編程放大器110Y的增益，以補(bǔ)償來自傳感器陣列311、312、313和314的信號(hào)的強(qiáng)度變化。微控制器102Y通過解碼邏輯單元106Y選通采樣/保持電路108Y，因此微控制器能夠在執(zhí)行其它功能的同時(shí)周期性地采集暫存在采樣/保持電路108Y中的數(shù)據(jù)。因此，采樣/保持電路108Y的輸出便是待測量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。
微控制器102Y通過解碼邏輯單元106Y向模數(shù)變換器(ADC)107Y發(fā)出變換指令，將來自位置傳感器312、313的模擬信號(hào)變換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，使數(shù)碼系統(tǒng)能夠判讀該信號(hào)。完成變換時(shí)，模數(shù)變換器107Y通過解碼邏輯單元106Y阻斷微控制器102Y，而由微控制器102Y輸入測量信號(hào)的數(shù)碼表示。本發(fā)明就是以這樣的方式對磁場傳感器113Y、114Y、115Y、116Y、117Y、118Y、119Y和120Y以及溫度傳感器122Y、123Y、124Y、125Y、126Y、127Y、128Y和129Y進(jìn)行監(jiān)測的。與此相似，還測量分流線路131Y、137Y兩端的電壓降，以確定通過電磁體132Y、138Y的電流。
再參照圖8，電流電源121Y用于提供控制電流，以偏置磁場傳感器113Y、114Y、115Y、116Y、117Y、118Y、119Y和120Y。這是因?yàn)檫@些傳感器在恒定電流模式下工作情況最好，因此要求電流穩(wěn)定以可靠地工作。溫度傳感器的偏置電源130Y用于向溫度傳感器122Y、123Y、124Y、125Y、126Y、127Y、128Y和129Y提供偏置電壓。
以下描述YCA 310生成指令以控制實(shí)際導(dǎo)管頂端沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的方法。微控制器102Y經(jīng)系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成控制實(shí)際導(dǎo)管頂端沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的指令。微控制器102Y連同解碼邏輯106Y控制調(diào)制器144Y及146Y，產(chǎn)生適宜的運(yùn)動(dòng)信號(hào)及指令。前置放大器143Y及145Y放大調(diào)制器的輸出，并驅(qū)動(dòng)末級(jí)放大器135Y、136Y、141Y和142Y。二極管133Y、134Y、139Y和140Y的用途為保護(hù)末級(jí)放大器免受反向電動(dòng)勢浪涌的沖擊。所述電動(dòng)勢浪涌是由電磁體線圈132Y、138Y的電感特性引起的。電磁體線圈132Y、138Y產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場對實(shí)際導(dǎo)管頂端377在Y軸方向上的位置產(chǎn)生影響。
微控制器102Y經(jīng)系統(tǒng)總線328和VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件進(jìn)行通信聯(lián)系的方式在于微控制器102Y對解碼邏輯106Y設(shè)置適宜的地址及控制碼位，所述解碼邏輯106Y啟動(dòng)地址緩沖器148Y及數(shù)據(jù)緩沖器147Y。
非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Y還儲(chǔ)存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用在校準(zhǔn)附件321連同VT/CFC 303一起進(jìn)行的校準(zhǔn)操作中。后面還將結(jié)合圖23描述校準(zhǔn)操作和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。另外，非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Y還儲(chǔ)存錯(cuò)誤編碼，所述錯(cuò)誤編碼用在由系統(tǒng)控制器(SC)302控制的掉電操作中。
圖9示出Z軸控制器和放大器(ZCA)315，該控制器和放大器(ZCA)315按與圖7的XCA 305相似的方式工作。ZCA 315接受來自Z軸磁場傳感器陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314的測得的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對其進(jìn)行放大。微控制器102Z根據(jù)這些測得的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個(gè)程序，產(chǎn)生位置反饋，這一位置反饋經(jīng)系統(tǒng)總線328被輸送給VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件。微控制器102X還經(jīng)系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成指令，控制對外電磁體132Z、138Z的勵(lì)磁，以對實(shí)際導(dǎo)管頂端337在Z軸方向上的位置產(chǎn)生影響。所述ZCA 315還生成誤差信號(hào)及修正信號(hào)，這些信號(hào)將用在校準(zhǔn)過程和系統(tǒng)正常工作過程中。下面對這些功能進(jìn)行描述。
首先說明ZCA 315對來自MFS陣列317、318及溫度傳感器陣列316、319測得的數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法。磁場傳感器陣列317包括傳感器113Z、114Z、115Z、116Z。磁場傳感器陣列318包括傳感器117Z、118Z、119Z、120Z。溫度傳感器陣列316包括傳感器122Z、123Z、124Z、125X。溫度傳感器陣列319包括傳感器126Z、127Z、128Z、129Z。圖13中示出這些傳感器的實(shí)體位置以及相互位置關(guān)系。
可以結(jié)合圖18、18A、18B和18C描述微控制器102Z所執(zhí)行的數(shù)學(xué)程序。所述數(shù)學(xué)程序根據(jù)來自傳感器陣列317及318的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算輸出的位置數(shù)據(jù)。在所述系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，該輸入及輸出數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)103Z中。諸如溫度補(bǔ)償系數(shù)等數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Z，該補(bǔ)償系數(shù)和溫度傳感器陣列316、319測得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對來自磁場傳感器113Z、114Z、115Z、116Z、117Z、118Z、119Z、120Z的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正。
由解碼邏輯106Z連同地址鎖存器111Z觸發(fā)檢測數(shù)據(jù)的收集，該鎖存器111Z使微控制器102Z能夠設(shè)置模擬多路轉(zhuǎn)換器112Z的輸入通道。同樣，解碼邏輯106Z連同地址鎖存器109Z使微控制器102Z能夠設(shè)置可編程放大器110Z的增益，以補(bǔ)償來自傳感器陣列317、318、316和319信號(hào)強(qiáng)度的變化。
微控制器102Z通過解碼邏輯106Z選通采樣/保持電路108Z，因此，微控制器能夠在執(zhí)行其它功能的同時(shí)周期性地采集暫存在采樣/保持電路108Z中的數(shù)據(jù)。因而，采樣/保持電路108Z的輸出便是待測量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。微控制器102Z通過解碼邏輯單元106Z向模數(shù)變換器(ADC)107Z發(fā)出變換指令，將來自位置傳感器317、318的模擬信號(hào)變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，使數(shù)碼系統(tǒng)能夠判讀該信號(hào)。完成變換時(shí)，模數(shù)變換器107Z經(jīng)解碼邏輯單元106Z阻斷微控制器102Z，而由微控制器102Z輸入測量信號(hào)的數(shù)碼表示。本發(fā)明就是按這樣的方式監(jiān)測磁場傳感器113Z、114Z、115Z、116Z、117Z、118Z、119Z和120Z以及溫度傳感器122Z、123Z、124Z、125Z、126Z、127Z、128Z和129Z的。與此相似，還對分流線路131Z、137Z兩端的電壓降進(jìn)行測量，以確定通過電磁體132Z、138Z的電流。
參照圖9，電流源121Z的用途是提供控制電流，以偏置磁場傳感器113Z、114Z、115Z、116Z、117Z、118Z、119Z和120Z。這是因?yàn)檫@些傳感器在恒定電流模式下工作情況最好，因此要求電流穩(wěn)定以可靠地工作。溫度傳感器的偏置電源130Z的用途是向溫度傳感器112Z、123Z、124Z、125Z、126Z、127Z、128Z和129Z提供偏置電壓。
以下描述ZCA 315生成指令以控制實(shí)際導(dǎo)管頂端沿Z軸方向的運(yùn)動(dòng)的方法。微控制器102Z經(jīng)系統(tǒng)總線328接受來自VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成控制實(shí)際導(dǎo)管頂端沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)的指令。微控制器102Z連同解碼邏輯106Z控制調(diào)制器144Z及146Z，產(chǎn)生適宜的運(yùn)動(dòng)信號(hào)及指令。前置放大器143Z及145Z放大調(diào)制器的輸出，并驅(qū)動(dòng)末級(jí)放大器135Z、136Z、141Z和142Z。二極管133Z、134Z、139Z和140Z的用途為保護(hù)末級(jí)放大器免受反向電動(dòng)勢浪涌的沖擊，所述電動(dòng)勢浪涌是由電磁體線圈132Z、138Z的電感特性引起的。電磁體線圈132Z、138Z產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場對實(shí)際導(dǎo)管頂端在Z軸方向上的位置產(chǎn)生影響。
微控制器102Z經(jīng)系統(tǒng)總線328和VT/CFC 303及其它系統(tǒng)部件進(jìn)行通信聯(lián)系的方式在于微控制器102Z對解碼邏輯單元106Z設(shè)置適宜的地址及控制碼位，該解碼邏輯單元106Z啟動(dòng)地址緩沖器148Z及數(shù)據(jù)緩沖器147Z。
非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Z還儲(chǔ)存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用在校準(zhǔn)附件321連同VT/CFC 303一起進(jìn)行的校準(zhǔn)操作中。后面還將結(jié)合圖23描述校準(zhǔn)操作和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。另外，非易失性存儲(chǔ)器(NVM)105Z也儲(chǔ)存錯(cuò)誤編碼，該錯(cuò)誤編碼用在由系統(tǒng)控制器(SC)302控制的掉電操作中。
圖10示出通信控制器(CC)320，其主要功能為通過系統(tǒng)總線328與系統(tǒng)的其它部件通信聯(lián)系。為了保持實(shí)際導(dǎo)管頂端在患者體內(nèi)的位置，當(dāng)系統(tǒng)正在工作時(shí)，將來自XCA 305、YCA 310及ZCA 315的位置數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)156中；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，將這些位置數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)154中。微控制器149經(jīng)系統(tǒng)總線328和其它系統(tǒng)部件進(jìn)行通信聯(lián)系。通信聯(lián)系時(shí)可以向解碼邏輯單元153設(shè)置適宜的地址及控制碼位，以啟動(dòng)地址緩沖器150及數(shù)據(jù)緩沖器151。與此相似，微控制器149通過通信I/O接口152和PC324、輔助設(shè)備322及主機(jī)系統(tǒng)323進(jìn)行通信聯(lián)系。通信聯(lián)系時(shí)可以向解碼邏輯153設(shè)置適宜的地址及控制碼位，或響應(yīng)來自接口152的阻斷信號(hào)。這樣做有許多原因，比如需要將實(shí)際過程及手術(shù)程序顯示在CRT顯示器上。
圖11表示校準(zhǔn)附件(CF)321的電路圖。圖12表示校準(zhǔn)附件(CF)321的機(jī)械部分。所述CF 321的用途是確定虛擬頂端405沿各個(gè)可能方向的運(yùn)動(dòng)步驟及界限。將這種運(yùn)動(dòng)步驟及界限信息傳輸給VT/CFC 303，用以在GCI裝置501正常工作期間使電路和實(shí)體操作能夠同步地工作。
可以沿著5個(gè)可能的軸線操縱校準(zhǔn)磁體411，這些軸線定義為X軸406、Y軸407、Z軸408、θ軸409及EL軸410。這些軸準(zhǔn)確地對應(yīng)于虛擬頂端405的5個(gè)可能運(yùn)動(dòng)方向，這也是實(shí)際頂端377的可能自由度的最大值。由如圖11所示校準(zhǔn)附件321的電路實(shí)現(xiàn)對校準(zhǔn)磁體411的操縱。
圖11所示電路的工作情況如下解碼邏輯單元101C響應(yīng)來自VT/CFC303的地址及控制碼位，啟動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖器51C并設(shè)定它的方向。在被解碼邏輯101C選通時(shí)，步進(jìn)鎖存器52C、53C儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器54C、56C、58C、60C和62C。步進(jìn)電機(jī)55C、57C、59C、61C和63C響應(yīng)該步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的輸出，并在5個(gè)軸線上驅(qū)動(dòng)磁性校準(zhǔn)頂端。絕對編碼器64C、66C、68C、70C和72C與相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)機(jī)械地相耦接，并向VT/CFC 303提供位置反饋信息。編碼器64C、66C、68C、70C和72C的輸出受到數(shù)據(jù)緩沖器65C、67C、69C、71C和73C的緩沖，以暫時(shí)儲(chǔ)存并傳輸這些數(shù)據(jù)。限止“開關(guān)”74C、75C、76C、77C、78C和79C給三個(gè)軸線X、Y及Z作上終端標(biāo)記。當(dāng)角度θ及EL為0時(shí)，“開關(guān)”80C及81C發(fā)出指示。當(dāng)被解碼邏輯101C選通時(shí)，鎖存器82C便儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)。
圖13示出電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z、磁場傳感器和溫度傳感器對350、351、352、353、354、355、356、357、358、359、360、361、362、363、364、365、366、367、368、369、370、371、372及373的極性配置結(jié)構(gòu)374。電磁體132X、132Y、132Z排列在三個(gè)取向軸X、Y、Z上，或者如圖13A、13B所示。
圖13A及圖13B表示成簇構(gòu)造的磁性體，其中，近似地示出工作臺(tái)389和電磁體901、902、903及904、905、906的相對關(guān)系，并示出將這些部件安裝在C形臂結(jié)構(gòu)的支承組件391上，構(gòu)成封閉磁路，并且互相讓開的情況。還可以將極性配置結(jié)構(gòu)374表達(dá)為一個(gè)非對稱的極性分布，其中電磁體901和它的相對置的電磁體903轉(zhuǎn)過一定角度，形成呈瓣形的電磁場。這樣的排列方式進(jìn)一步優(yōu)化了磁路，并使醫(yī)生和患者得以自由的接近，同時(shí)Z軸的電磁體905及906也不會(huì)妨礙有效接近空間，如圖13及圖16所近似地表示的那樣。另外，可以用圖16及圖16A、16B、16C所示的雙平面環(huán)構(gòu)造替代圖13及圖13A、13B中的互相讓開的構(gòu)造。對于諸如X射線、Cat-Scan、Pet-Scan、超聲等各種不同成像程式來說，這兩種構(gòu)造代表能夠適應(yīng)這些成像程式的可能途徑，盡管圖16在雙平面構(gòu)造上向GCI裝置501設(shè)置了用于熒光成像的固有進(jìn)入通道。如圖13、13A及13B的幾何關(guān)系具有一個(gè)約25英寸的空間，可使該空間與一個(gè)計(jì)算機(jī)層斷裝置和/或上面所述的各種成像程式相結(jié)合。更多的利用這種幾何布局的實(shí)施例展示在圖13A、13B中，并在下面對圖13C、13D、13E、13F、13G及13H的描述中予以解釋。圖16、16A、16B、16C和圖13A、13B所示的兩種互相競爭的結(jié)構(gòu)形式在安裝操作界面設(shè)備500、外科醫(yī)療設(shè)備502及GCI裝置501方面各有其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。圖13A及13B還示出一個(gè)關(guān)于螺旋線圈在C形臂及工作臺(tái)389上安裝的替代構(gòu)造。按照這種構(gòu)造，線圈901至906被集束成簇。這種幾何布局是從線圈的一種直觀的正交構(gòu)造演變來的，這種線圈構(gòu)造被普遍應(yīng)用在以電磁線圈來生成矢量或矢量梯度的場合下。圖13B中的6個(gè)線圈901至906排列成花瓣形或是排列成一束。其中三個(gè)線圈被安裝在C形臂的頂部，另外三個(gè)被安裝在底部。頂部的三個(gè)線圈和底部的三個(gè)線圈同樣都是相互夾120°角。另外，頂部的三個(gè)線圈稍稍向下傾斜約15°到20°角，而底部的三個(gè)線圈稍稍向上傾斜約15°到20°度角，如圖13B所示那樣。另外，頂部的三個(gè)線圈相對于底部的三個(gè)線圈偏轉(zhuǎn)60°角。
圖13B中位于C形臂391頂部的三個(gè)線圈的標(biāo)號(hào)按順時(shí)針次序?yàn)?01、902、903；而位于底部的線圈標(biāo)號(hào)按逆時(shí)針次序?yàn)?04、905、906。線圈901及903成對工作，被稱為X軸線圈對，線圈902和904是另兩個(gè)成對工作的線圈，被稱為Y軸線圈對，而線圈905、906是第三對成對工作的線圈，被稱為Z軸線圈對。
圖13C、13D、13E、13F、13G和13H示出GCI裝置501的一種可供選擇的替代構(gòu)造，從而，使圖16、16A、16B及16C所示的極性配置結(jié)構(gòu)被選擇為適應(yīng)圖13A及13B所示的電磁線路的集束構(gòu)造。圖13C表示該系統(tǒng)各個(gè)部件的簡單方塊圖。該系統(tǒng)包括電源910、游戲桿(joystick)900、三個(gè)送進(jìn)通道X、Y、Z。本文所取三個(gè)信號(hào)一起組成矩陣V 923。圖13D中表示，所述矩陣V 923包含元素Vjx、Vjy、Vjz。這種構(gòu)造在圖13D、13E、13F、13G及13H中另有描述。在圖13C中，X軸通道包括運(yùn)算放大器(Op-Amp)911、電流放大器910、一對線圈901、903；Y軸通道包括運(yùn)算放大器(Op-Amp)913、電流放大器912、一對線圈902、904；Z軸通道包括運(yùn)算放大器(Op-Amp)915、電流放大器914、一對線圈905、906。由圖可見，每一對線圈都串聯(lián)連接后再分別連到X、Y、Z軸的功率放大器910、912及914的輸出端。圖13C所示的用來替代圖1的構(gòu)造接受來自游戲桿900的輸入指令信號(hào)。當(dāng)操作者通過游戲桿900發(fā)出沿著一個(gè)或多個(gè)軸線運(yùn)動(dòng)的指令時(shí)，游戲桿900便將該信號(hào)發(fā)送到分別對應(yīng)于X、Y、Z軸的運(yùn)算放大器911、913、915陣列。運(yùn)算放大器911、913、915將來自游戲桿900的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對該三個(gè)軸的三個(gè)信號(hào)的矩陣實(shí)行逆運(yùn)算。運(yùn)算放大器陣列932將以矢量V 923表示的來自游戲桿900的信號(hào)乘上另一個(gè)矩陣M-inverse，該矩陣M在圖13F及13G中的標(biāo)號(hào)為927。這樣，運(yùn)算放大器陣列932的輸出是M-inverse乘V，這里M是6個(gè)線圈901至906的成簇構(gòu)造的特征矩陣925。于是，得到包括運(yùn)算放大器911、913、915的運(yùn)算放大器陣列932的輸出。將該輸出發(fā)送到功率放大器910、912、914，以驅(qū)動(dòng)6個(gè)線圈901至906，結(jié)果，產(chǎn)生所需方向的運(yùn)動(dòng)。這樣，GCI裝置501便能夠?qū)⒉僮髡呋蚴桥R床醫(yī)生對于導(dǎo)管頂端377運(yùn)動(dòng)的要求轉(zhuǎn)換成該導(dǎo)管頂端377在患者390體腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。圖13D、13E、13F及13G所示的示意圖可使圖13H被進(jìn)一步簡化，這里，將來自游戲桿900的輸入信號(hào)V 931發(fā)送給一個(gè)Mchar-inverse的運(yùn)算放大器陣列932。陣列932的最終輸出是Mchar-inverse乘矢量V的矩陣乘積。將該輸出信號(hào)發(fā)送到電流放大器928，以矢量B 933表示該放大器的輸出信號(hào)，代表分別輸送給各個(gè)線圈901至906的電流。這樣，該裝置便將臨床醫(yī)生的手的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成適宜的信號(hào)，并使導(dǎo)管頂端運(yùn)動(dòng)到所需的位置。
總的來說，上述替可供選擇的結(jié)構(gòu)向GCI裝置501提供一種方法，其中采用一種備選構(gòu)造可以替代圖1所示的構(gòu)造，這里，通過使用圖13H所示原理，使各線圈的非對稱布置線性化，從而產(chǎn)生所需的結(jié)果。圖13E中示出這一點(diǎn)。
圖14表示傳感器陣列306、307、308、309、311、312、313、314、316、317、318和319中的磁場傳感器和溫度傳感器對的排列情況。每個(gè)正交軸上同軸地布置了第一、第二兩個(gè)電磁體，從而被分成兩個(gè)磁極。例如，電磁體132X和138X同軸，電磁體132Y和138Y同軸，電磁體132Z和138Z同軸。由于由θ和EL定義的虛擬頂端405的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別發(fā)生在X-Y和X-Z平面上，如圖6所示，因此沿著X、Y、Z三個(gè)軸的各個(gè)電磁體的磁極足以促使實(shí)際導(dǎo)管頂端377準(zhǔn)確地在相應(yīng)的5個(gè)軸方向上運(yùn)動(dòng)。這5個(gè)軸便是前面結(jié)合圖6所述的虛擬頂端405運(yùn)動(dòng)的5個(gè)軸。
在一個(gè)實(shí)施例中，MFS陣列307、308、312、313、317和319中包含的每一個(gè)磁場傳感器都和溫度傳感器陣列306、309、311、314、316和318中的每一個(gè)溫度傳感器(TS)配成對。這些配對結(jié)合在圖14及下面的表格中都有詳細(xì)描述。這些磁場傳感器-溫度傳感器對(MFS/TS)排列在電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z的極面上的各象限內(nèi)。
如圖13所示，MFS/TS對350、351、352和353排列在電磁體132X極面上的各象限內(nèi)。磁場傳感器和溫度傳感器(TS)對354、355、356和357排列在電磁體138X極面上的各象限內(nèi)。磁場傳感器和溫度傳感器(TS)對358、359、360和361排列在電磁體132Y極面上的各象限內(nèi)。磁場傳感器和溫度傳感器(TS)對362、363、364和365排列在電磁體138Y極面上的過象限內(nèi)。磁場傳感器和溫度傳感器(TS)對366、367、368和369排列在電磁體132Z極面上的過象限內(nèi)。磁場傳感器和溫度傳感器(TS)對370、371、372和373排列在電磁體138Z極面上的過象限內(nèi)。
圖14所示為如圖13那樣安裝的磁場傳感器及溫度傳感器的配對情況。圖中，磁場傳感器和溫度傳感器都被安排為等溫的對，各個(gè)對互相聯(lián)合發(fā)揮作用。磁場傳感器的功能是測量實(shí)際頂端377在選定測量時(shí)段中的位置。該選定測量時(shí)段分別由XCA 305、YCA 310、ZCA 315中的微控制器102X、102Y、102Z來控制。在該選定時(shí)段中，電磁體132X、132Y、132Z和138X、138Y、138Z都沒有勵(lì)磁。之所以選定這樣的時(shí)段來進(jìn)行測量，是為了使電磁場傳感器陣列307、308、312、313、317、318能夠進(jìn)行準(zhǔn)確而靈敏的測量。反之，如果測量時(shí)段選在進(jìn)行勵(lì)磁的時(shí)候，這些傳感器將被電磁體的磁通量所飽和。溫度傳感器陣列306、309、311、314、316和319的功能是對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，以探測出可能使患者不舒適和可能損害周圍組織的溫升，并且給出根據(jù)磁場傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行位置計(jì)算所用的修正數(shù)據(jù)。這些等溫對如下磁場傳感器113X和溫度傳感器(TS)122X構(gòu)成對350。磁場傳感器114X和溫度傳感器(TS)123X構(gòu)成對351。磁場傳感器115X和溫度傳感器(TS)124X構(gòu)成對352。磁場傳感器116X和溫度傳感器(TS)125X構(gòu)成對353。磁場傳感器117X和溫度傳感器(TS)126X構(gòu)成對354。磁場傳感器118X和溫度傳感器(TS)127X構(gòu)成對355。磁場傳感器119X和溫度傳感器(TS)128X構(gòu)成對356。磁場傳感器120X和溫度傳感器(TS)129X構(gòu)成對357。磁場傳感器113Y和溫度傳感器(TS)122Y構(gòu)成對358。磁場傳感器114Y和溫度傳感器(TS)123Y構(gòu)成對359。磁場傳感器115Y和溫度傳感器(TS)124Y構(gòu)成對360。磁場傳感器116Y和溫度傳感器(TS)125Y構(gòu)成對361。磁場傳感器117Y和溫度傳感器(TS)126Y構(gòu)成對362。磁場傳感器118Y和溫度傳感器(TS)127Y構(gòu)成對363。磁場傳感器119Y和溫度傳感器(TS)128Y構(gòu)成對364。磁場傳感器120Y和溫度傳感器(TS)129Y構(gòu)成對365。磁場傳感器113Z和溫度傳感器(TS)122Z構(gòu)成對366。磁場傳感器114Z和溫度傳感器(TS)123Z構(gòu)成對367。磁場傳感器115Z和溫度傳感器(TS)124Z構(gòu)成對368。磁場傳感器116Z和溫度傳感器(TS)125Z構(gòu)成對369。磁場傳感器117Z和溫度傳感器126Z構(gòu)成對370。磁場傳感器118Z和溫度傳感器(TS)127Z構(gòu)成對371。磁場傳感器119Z和溫度傳感器(TS)128Z構(gòu)成對372。磁場傳感器120ZX和溫度傳感器(TS)129Z構(gòu)成對373。
圖15及15A表示一種與GCI裝置501一起使用的改進(jìn)型導(dǎo)管組件375及導(dǎo)向線組件379。導(dǎo)管組件375是一管形工具，該導(dǎo)管組件375包括導(dǎo)管體376，導(dǎo)管體376延伸到一個(gè)柔軟段378，該柔軟段378具有較大的柔性，使得具有較大剛性，并且能夠響應(yīng)外界控制的頂端377得以準(zhǔn)確地被引導(dǎo)通過曲折的路徑。
該磁性的導(dǎo)管組件375和GCI裝置501結(jié)合在一起能夠減少甚至免除診斷或治療程序通常需要的過多形狀的導(dǎo)管工具。這是由于在傳統(tǒng)的插管程序中，因?yàn)檎麄€(gè)過程都是手工操作的并主要依賴手工技巧來操縱導(dǎo)管通過諸如心血管系統(tǒng)那樣的曲折路徑，因此，外科醫(yī)生經(jīng)常難以將常規(guī)的導(dǎo)管導(dǎo)引到所需位置上。由于一個(gè)患者體內(nèi)或不同患者之間的解剖學(xué)構(gòu)造的多樣性，因此在不同的情況下需要用許多不同的彎管來應(yīng)付，于是，便制造出過多的各種各樣尺寸及形狀的導(dǎo)管提供給外科醫(yī)生，以幫助他們。
通過使用GCI裝置501，由于是在一套機(jī)電系統(tǒng)的幫助下完成插管過程的，于是，對于大多數(shù)患者，如果不是所有患者的話，只需要單獨(dú)一個(gè)導(dǎo)管。所述機(jī)電系統(tǒng)使外科醫(yī)生能夠通過對一個(gè)虛擬頂端405的操作，來操縱導(dǎo)引磁性導(dǎo)管及導(dǎo)向線組件375、379進(jìn)入到患者390體內(nèi)的所需位置，而不需要醫(yī)生盲目地將導(dǎo)管推入患者體內(nèi)。由于醫(yī)生在通過手工將實(shí)際導(dǎo)管頂端377推進(jìn)通過患者體腔過程中所可能遇到的困難中的大多數(shù)困難都可以借助于GCI裝置501來克服(即該磁性頂端能夠被電磁體132X、132Y、132Z吸引或排斥)，因此說，磁性導(dǎo)管和導(dǎo)向線組件375、379具有很大的適應(yīng)性來通過各種曲折路徑。
導(dǎo)向線組件379是一種包括導(dǎo)向線本體380及一個(gè)柔性段382的工具，該柔性段382具有足夠的柔性，使得剛性相對較大地響應(yīng)頂端381，得以準(zhǔn)確地繞過劇烈彎曲段而被導(dǎo)引通過曲折的路徑。所述響應(yīng)頂端377、381分別屬于導(dǎo)管組件375和導(dǎo)向線組件379，這兩個(gè)頂端377、381都包括一個(gè)諸如永久磁體那樣的磁性元件，該永久磁體響應(yīng)電磁體132X、132Y、132Z以及138X、138Y、138Z所產(chǎn)生的外部磁通量。
導(dǎo)管組件375的響應(yīng)頂端377是管形的，而導(dǎo)向線組件379的響應(yīng)頂端381則是實(shí)心的圓柱體。導(dǎo)管組件375的響應(yīng)頂端377是一個(gè)二極磁體，由縱向取向的磁性元件的兩端形成。導(dǎo)向線組件379響應(yīng)頂端381是一個(gè)由縱向取向的磁性元件的兩端所形成的的二極磁體。由于電磁體132X、132Y、132Z以及138X、138Y、138Z所產(chǎn)生的磁通量將會(huì)作用在該頂端377、381上，并在操作者的操縱下將它們均勻地“拖”到所需位置處，因此，這兩個(gè)縱向二極磁體377及381使得GCI裝置501能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行操縱。
圖15B所示為另一個(gè)用以與GCI裝置501一起使用的改進(jìn)型導(dǎo)管組件375及導(dǎo)向線組件379。其中導(dǎo)管組件950上附著了一個(gè)另加的如圖所示位置的壓電環(huán)951及952。超聲檢測器可以和GCI裝置501一起作為這種導(dǎo)管頂端的另一種檢測方式。該檢測方式通過發(fā)射一種超聲信號(hào)刺激兩個(gè)壓電環(huán)，以測量導(dǎo)管頂端相對于磁體377的北極軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。在計(jì)算機(jī)324的幫助下，GCI裝置501便能夠確定頂端377的轉(zhuǎn)動(dòng)角。根據(jù)本專業(yè)公知的更為復(fù)雜的電路，如圖17及17A所示，壓電環(huán)951、952能夠提供更多的位置信息，以確定導(dǎo)管頂端377相對于立體框架的位置、取向和轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
圖16所示為一種與圖1所示裝置結(jié)合的雙平面X射線環(huán)。圖16A、16B及16C是比圖16更精細(xì)的圖，圖中示出圖16所不能顯示的更多細(xì)節(jié)及元件，或者為了清楚起見，而省略了一些圖16中已經(jīng)顯示的內(nèi)容。圖16A、16B和16C分別是相對于電磁體及成像組件391及支承組件385的俯視圖、端向視圖和側(cè)視圖。
圖16進(jìn)一步示出工作臺(tái)389、患者390、T-軸編碼器394、耳軸388、支承組件385、極面支承391、G-軸編碼器393、X射線源383、圖像增強(qiáng)器384、電磁體132X、132Y、132Z；電磁體138X、138Y、138Z、電源及控制系統(tǒng)392、輔助設(shè)備322、主機(jī)系統(tǒng)323、PC機(jī)324、虛擬頂端組件304、校準(zhǔn)附件321、鼠標(biāo)327、鍵盤326、監(jiān)視器325之間的總體關(guān)系。其中電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z的總體排列如極性配置結(jié)構(gòu)374。為了便于觀看，這些部件在圖中的位置是近似的。這些部件的功能，凡是至今尚未描述的，將在下面的篇幅中結(jié)合圖16、16A、16B和16C解釋。
T-軸編碼器394及G-軸編碼器393向系統(tǒng)提供龍門架的位置信息，用來在電磁體勵(lì)磁之前計(jì)算要求的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角。耳軸388的作用是作為支承組件385的一個(gè)支托。極面支承391繞著支承組件385的G-軸旋轉(zhuǎn)。極面組件391支托著X射線源383及X射線圖像增強(qiáng)器384，這兩個(gè)部件產(chǎn)生的圖像將和實(shí)際導(dǎo)管位置疊加在一起顯示在操作者界面500的監(jiān)視器325上。極面支承391作為一個(gè)安裝面用來將電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z保持在如圖13所示的合適的同軸排列位置上。
耳軸388和圖16A中的T-軸重合。圖中的T-軸編碼器394和耳軸388機(jī)械相連以對位于T-軸上的支承組件385的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖16A中的萬向軸(G-軸)和T-軸387在極面支承391的中心點(diǎn)處相交。該中心點(diǎn)準(zhǔn)確地和X射線視野的中心點(diǎn)重合。圖中的G-軸編碼器393和沿著G-軸386轉(zhuǎn)動(dòng)的支承組件385機(jī)械相連。這些部件的功能將在下面篇幅中加以描述。
圖16所示的X射線支承組件385和391被設(shè)計(jì)成在前后投射方向上有20°的尾部成角(caudal angulation-AP尾)。圖17所示為GCI裝置501和電影血管造影設(shè)備502的總的連接情況。電影血管造影設(shè)備502通過操作者界面500和GCI裝置501相連。視頻監(jiān)視器325上顯示的是一個(gè)樹枝狀動(dòng)脈的電影血管造影圖像和所疊加的顯示導(dǎo)管頂端377位置的X射線圖像。這兩個(gè)圖像由GCI裝置501通過通信控制器320來使其同步地顯示在操作者界面500的監(jiān)視器325上。
圖17A中示出一個(gè)立體的框架，以定義導(dǎo)管頂端相對于該框架的位置。這種方法利用一個(gè)近似的立方體來形成基準(zhǔn)標(biāo)記。
下面提供的方法用來截獲X射線裝置和/或超聲成像技術(shù)生成的透視圖像，以產(chǎn)生參考標(biāo)記，這種參考標(biāo)記用于對GCI裝置生成的導(dǎo)管頂端或?qū)蚓€的圖像進(jìn)行同步。所述方法將所截獲的圖像重疊并動(dòng)態(tài)鏈接到一個(gè)以數(shù)字代表的基準(zhǔn)標(biāo)記上，產(chǎn)生一個(gè)和體內(nèi)所感興趣部位一致運(yùn)動(dòng)的圖像。例如，搏動(dòng)的心臟及其心電圖輸出、肺的膨脹及收縮、或患者的抽搐等都可以動(dòng)態(tài)地截獲并與其鏈接起來以使導(dǎo)管的頂端和體內(nèi)所討論的器官一致運(yùn)動(dòng)。
圖17A還示出所述圖像截獲技術(shù)。這種技術(shù)將如圖17所示生成的基準(zhǔn)標(biāo)記700A1、700A2、700A3、700A4、700B1、700B2、700B3及700B4疊加到X射線/超聲透視圖像上。所提出的方法使操作者可以參照X射線/超聲圖像識(shí)別導(dǎo)管頂端377的動(dòng)態(tài)位置?？梢杂苫鶞?zhǔn)標(biāo)記700Ax形成的參考框解釋導(dǎo)管頂端相對立體框架的位置。另外，通過使用一種幾何投影技術(shù)，該方法提供了和導(dǎo)管頂端377同步的圖像截獲技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)射線/超聲圖像和基準(zhǔn)標(biāo)記及導(dǎo)管頂端三者動(dòng)態(tài)地疊加在一起，從而可以以一個(gè)參考框架來定義位置。
圖17B所示系將一帶有電極的心臟起搏器801植入到相對于S.A.節(jié)點(diǎn)802、A.V.節(jié)點(diǎn)803和房室束804區(qū)域的情況。從該圖還可以見到左、右束支805。植入起搏器是使心臟節(jié)律或傳導(dǎo)紊亂的患者得以存活的重要手段。這個(gè)醫(yī)療程序是將一個(gè)小型電極植入患者的心腔(心室或心房)壁內(nèi)。電極的另一端和植入在胸部皮膚下的一個(gè)電子器件相連，該電子器件發(fā)出刺激脈沖來刺激心臟的節(jié)律。同樣，當(dāng)電極(例如一個(gè)可植入的自動(dòng)心臟去纖顫器(AICD))檢測到患者發(fā)生威脅生命的電紊亂時(shí)，可以相似的電器件對患者施加電沖擊。這些電極都可通過靜脈在X射線照射下手工操作推入。使用本發(fā)明所建議的GCI裝置501及附有磁性頂端381的導(dǎo)向線379，可以通過本發(fā)明描述的方法及裝置將起搏器801的電極送進(jìn)并放置到合適的位置上。通過基準(zhǔn)標(biāo)記700A1、700A2、700A3、700A4、700B1、700B2、700B3及700B4，醫(yī)生可以將導(dǎo)向線379導(dǎo)引通過心臟內(nèi)腔，同時(shí)伴隨有一個(gè)如圖17及17A所示的連續(xù)而動(dòng)態(tài)地識(shí)別導(dǎo)向線頂端381位置的參考框。許多情況下，由于解剖學(xué)上的差異，手工操作難以將電極安放到合適位置上，結(jié)果達(dá)不到最佳效果。本發(fā)明的GCI裝置501能夠簡單地實(shí)施如此復(fù)雜的操作，并使醫(yī)生能夠?qū)⑵鸩?01的電極送進(jìn)、并放置到準(zhǔn)確的解剖學(xué)位置上，而不會(huì)由于導(dǎo)航、導(dǎo)引、控制及對導(dǎo)向線及起搏器電極的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確成像等方面的困難而被迫采取退讓措施。
前面已經(jīng)描述了GCI裝置501的各個(gè)部件?，F(xiàn)在將結(jié)合圖18至23描述實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置控制、虛擬頂端405的位置調(diào)整，以及實(shí)際導(dǎo)管頂端377的新位置的計(jì)算這三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系及GCI裝置501的總的工作過程。
電源接通后，裝在監(jiān)管單元(SU)301、系統(tǒng)控制器(SC)302、X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310、Z軸控制器和放大器(ZCA)315、通信控制器(CC)320、計(jì)算機(jī)324，以及虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303內(nèi)的機(jī)內(nèi)測試程序執(zhí)行一系列自我診斷測試。另外，一些測試項(xiàng)目將在背景里連續(xù)進(jìn)行，所述背景測試項(xiàng)目比如包括直流電源的電壓及電流監(jiān)測，交流電壓及電流監(jiān)測，以及通信聯(lián)系測試。這些背景測試以對于操作者透明的方式和系統(tǒng)的正常功能交叉進(jìn)行。
測試程序的執(zhí)行結(jié)果報(bào)告給系統(tǒng)控制器(SC)302。系統(tǒng)控制器(SC)302將這些結(jié)果與儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器(NVM)39(圖3)中的相應(yīng)期望值進(jìn)行比較。當(dāng)測試到存在故障或任何不正常現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)控制器(SC)302對情況的嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。如果存在不可糾正的狀況，系統(tǒng)控制器(SC)302便以合適的方式來斷開電源。如果所存在的問題有可能得到緩和或消除，系統(tǒng)控制器(SC)302便指令計(jì)算機(jī)324發(fā)出報(bào)警聲音信號(hào)并指令監(jiān)視器325顯示出差錯(cuò)提示符。任何檢測到的故障還作為一個(gè)故障編碼儲(chǔ)存到非易失性存儲(chǔ)器(NVM)39中以供日后回顧及故障檢修用。
在一個(gè)實(shí)施例中，虛擬頂端405及校準(zhǔn)附件(CF)321(圖5、6、11和12)在X、Y、Z軸方向上各有8英寸的沖程。這相當(dāng)于極性配置圖374(圖13)上的8英寸×8英寸×8英寸控制區(qū)域。虛擬頂端405和校準(zhǔn)附件321還在θ軸和仰角(EL)軸上可以旋轉(zhuǎn)360°。
一旦校準(zhǔn)附件(CF)321及虛擬頂端405在X、Y、或Z軸上作8英寸的偏移，步進(jìn)電機(jī)55C、57C、59C、61C和63C和所帶的編碼器64C、66C、68C、70C和72C便旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)55C、57C、59C、61C和63C的分辨率比如為約，每轉(zhuǎn)400個(gè)半步，相當(dāng)于位置分辨率0.022英寸(≈0.56毫米)。另外，編碼器的分辨率可以為約每轉(zhuǎn)512比特，這相當(dāng)于測量分辨率0.015625英寸(≈0.397毫米)。在θ及EL軸上，步進(jìn)電機(jī)的分辨率可以為約0.9°而編碼器的分辨率可以為約0.703125°。
校準(zhǔn)過程中，將校準(zhǔn)附件(CF)321置于極性配置結(jié)構(gòu)374，并與虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303相連。然后，虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303發(fā)出編碼，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)55C、57C、59C、61C和63C，帶動(dòng)校準(zhǔn)附件(CF)321。然后，校準(zhǔn)附件(CF)321讀取編碼器64C、66C、68C、70C和72C，確定磁體411的現(xiàn)有位置及取向。然后將自編碼器讀取的位置數(shù)據(jù)以及從磁場傳感器307、308、312、313、317和318(圖1、7、8、9)推導(dǎo)所得的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這時(shí)，磁場傳感器307、308、312、313、317和318的響應(yīng)所代表的是磁體411，也是磁性導(dǎo)管頂端377的滿行程位置及滿行程取向。
正常工作期間，虛擬頂端405和虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303相連。操縱虛擬頂端405時(shí)，虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303讀取編碼器64、66、68、70和72。所讀得的位置數(shù)據(jù)被系統(tǒng)控制器302用來當(dāng)作實(shí)際頂端(AT)的要求位置(DP)，并按圖23所述定義，控制實(shí)際頂端(AT)的運(yùn)動(dòng)。
圖13中的電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z將在實(shí)際導(dǎo)管頂端377及導(dǎo)向線組件頂端381(圖15及15A)上產(chǎn)生一個(gè)合力。可以用給定大小及方向的矢量B 600表示該合力。圖18所示為該合力矢量B及其各個(gè)組成矢量。矢量B是當(dāng)XCA305、YCA310、ZCA315發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令時(shí)的6個(gè)電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z所發(fā)出的力的矢量的合力矢量。矢量Bx 601是矢量B600在X軸上的投影，矢量By 602是矢量B600在Y軸上的投影，矢量Bz 603是矢量B600在Z軸上的投影。而α角604、β角605、δ角606則分別是矢量B600和矢量Bx 601、矢量B600和矢量By 602和矢量B600和矢量Bz 603之間的夾角。
如前面所述，圖18中電磁場產(chǎn)生的合力矢量B600的大小為B=Bx2+By2+Bz2]]>它的方向由下述三個(gè)角度給出α＝cos-1Bx，β＝cos-1By，δ＝cos-1Bz合力矢量B是通過系統(tǒng)控制器102根據(jù)下列因素發(fā)出指令而產(chǎn)生的1)來自磁場傳感器陣列307、308、312、313、317和318并且經(jīng)過XCA301、YCA310、ZCA315處理的關(guān)于實(shí)際導(dǎo)管頂端37在患者390體內(nèi)的位置的輸入?yún)?shù)；以及2)由虛擬頂端405的位置表示的實(shí)際導(dǎo)管頂端377的所需位置，這個(gè)所需的位置來自VT/CFC303的輸出。微控制器33對一個(gè)儲(chǔ)存在系統(tǒng)控制器302的ROM 40(圖3)中的編碼進(jìn)行處理，產(chǎn)生矢量B 600的各個(gè)組成矢量Bx 601、By 602和Bz 603。各個(gè)組成矢量的大小都將轉(zhuǎn)發(fā)給合適的XCA 305、YCA310和ZCA315，以改變調(diào)制器的輸出，并轉(zhuǎn)而改變電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z產(chǎn)生的電磁場。這樣，便分別由X軸、Y軸及Z軸方向上的磁通量來實(shí)現(xiàn)所述組成矢量Bx、By和Bz，并且，由此而在實(shí)際導(dǎo)管頂端377上產(chǎn)生一個(gè)合力B 600，這個(gè)合力B 600有效地將實(shí)際導(dǎo)管頂端377拉曳到所需的位置處。
然后，確定實(shí)際導(dǎo)管頂端377的新位置，以證實(shí)該頂端377是否確實(shí)位于所需的位置上，或是是否需要作進(jìn)一步的調(diào)整，或是該頂端377遇到了阻礙。下面結(jié)合圖18A至圖22說明系統(tǒng)控制器302來確定實(shí)際導(dǎo)管頂端377新位置的方法。
圖18A、19和19A以及下面的討論中，各個(gè)變量將以下列記號(hào)表示，其中aN——實(shí)際導(dǎo)管頂端的磁性元件的遠(yuǎn)端，圖18A中表示為北極(North dipole)。
aS——實(shí)際導(dǎo)管頂端的磁性元件377的近端，圖18A中表示為南極(sorth dipole)。
aD——實(shí)際導(dǎo)管頂端磁體377的長度，等于aS和aN之間的距離(見圖18A)。
XD——同軸的相對兩極沿著X軸方向的距離，亦即電磁體132X及138X的極面之間的距離(參見圖19中的標(biāo)號(hào)616)。
-x1、-x2、-x3、-x4——分別表示MFS和TS對354、355、356、357(見圖13及19A)。
d——各個(gè)相鄰MFS/TS對之間的距離，亦即MFS/TS對354和MFS/TS對355之間的距離，以及MFS/TS對355和MFS/TS對356之間的距離等(參見圖19A)。。
x1、x2、x3、x4——分別表示MFS和TS對350、351、352、353(參見圖13及19A)。
ROT——X-Y平面上的旋轉(zhuǎn)角θ(圖21中的參考標(biāo)號(hào)625)。
ELEV——X-Z平面上的仰角EL(圖22中的參考標(biāo)號(hào)626)。
由圖13中的電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z所引起的電磁場在實(shí)際導(dǎo)管頂端377及導(dǎo)向線頂端381上產(chǎn)生一個(gè)合力?？梢杂靡粋€(gè)給定大小和方向的力矢量表示該合力，并和它的組成矢量一起被示于圖18中。矢量B 600是當(dāng)XCA301、YCA310、ZCA315發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令時(shí)6個(gè)電磁體132X、132Y、132Z、138X、138Y、138Z一起發(fā)出的力矢量的合成矢量。矢量Bx 601是矢量B 600在Z軸上的投影，矢量By 602是矢量B 600在Y軸上的投影，矢量Bz 603是矢量B 600在Z軸上的投影。角度α604、β605和δ606相應(yīng)為矢量B和Bx、B和By、B和Bz之間的夾角。
圖18A表示磁性導(dǎo)管頂端607的一個(gè)實(shí)施例。該磁性頂端607相當(dāng)于導(dǎo)管組件375的響應(yīng)頂端377和導(dǎo)向線組件379的響應(yīng)頂端381的組合(圖15及15A)。由與一個(gè)虛擬環(huán)608相連的兩個(gè)磁極aN607A及as607B表示磁性頂端607。由虛擬頂端(VT)405在X軸400、Y軸401及Z軸402(圖6)上的行程中心點(diǎn)確定虛擬環(huán)608。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，虛擬環(huán)608也和校準(zhǔn)磁體411在X軸406、Y軸407及Z軸408(圖12)上的行程中心點(diǎn)重合。假定所述虛擬環(huán)608位于X射線視野的中心，磁場傳感器(MFS)檢測電磁體(EM)控制體積(control volume)的體積及中心。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，所述虛擬環(huán)608也和校準(zhǔn)附件(CF)在X軸、Y軸及Z軸上的行程的中心點(diǎn)重合。
圖18B表示定義導(dǎo)管頂端607的位置的合成位置矢量An 609，由磁場傳感器307、308、312、313、317、318檢測并由XCA 305、YCA 310、ZCA 315的微控制器102x、102y、102z計(jì)算得到該位置矢量An 609。組成矢量Xn、Yn、Zn分別是位置矢量An 609在X軸、Y軸、Z軸上的投影。角度α609A、β609B和δ609C相應(yīng)為矢量An 609在X軸、Y軸、Z軸上的投影角。這樣的正交表示方法相應(yīng)于圖16那樣的極性配置374。
圖18C所示為導(dǎo)管頂端607的合成位置矢量的三維角度表示。在圖18C中，圖18B中的位置矢量An 609確定北極aN607A的位置，這是磁性頂端607的兩個(gè)磁極中的一個(gè)極在X-Y平面上的投影。投影矢量θxy615可以按它相對于X軸的角度θx613及其相對于Y軸的角度θy614得以被確定。為了簡單起見，圖中未予表示該位置矢量An在X-Z及Y-Z平面上的投影，因此，也未示出該矢量An和Z軸612之間的角度關(guān)系。位置矢量An的這些角度關(guān)系，例如θx613及θy614，可以在計(jì)算中用來根據(jù)磁場傳感器陣列307、308、312、313、317、318的檢測數(shù)據(jù)確定實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置aN。下面將說明這種計(jì)算。
圖19表示電磁體的相對兩個(gè)磁極和極面間的距離XD 616。在系統(tǒng)工作過程中，可將這個(gè)距離XD用于所作的計(jì)算中。下面將說明這樣的計(jì)算。
圖19A表示兩個(gè)鄰近的X軸磁場傳感器之間，亦就是磁場傳感器-X1618和-X2 619之間的距離d 617。圖中還示出兩個(gè)另外的磁場傳感器-X3及-X4。磁場傳感器-X1、-X2、-X3及-X4分別對應(yīng)于MFS和溫度傳感器對354、355、356和357，而磁場傳感器X1、X2、X3及X4分別對應(yīng)于MFS和溫度傳感器對350、351、352和353。
圖20表示所述系統(tǒng)根據(jù)磁場傳感器X1、X2、X3及X4測得的數(shù)據(jù)推得磁性頂端607實(shí)際位置所用的幾何學(xué)過程。合成矢量A 620被系統(tǒng)進(jìn)一步的變換，生成頂端607的位置坐標(biāo)621及622，從而求出實(shí)際頂端377的位置。在下面的討論中，這種幾何學(xué)過程將顯得更為清楚。
圖20A進(jìn)一步示出根據(jù)來自磁場傳感器X1、X2、X3及X4的信號(hào)，用另外的數(shù)學(xué)變換及計(jì)算，所得出的位置矢量622、621的各個(gè)分量。由位置坐標(biāo)621及622確定所述實(shí)際頂端377的位置。圖中的位置623是由磁場傳感器X1、X2、X3及X4測定實(shí)際導(dǎo)管頂端377的測量位置，而位置624是系統(tǒng)控制器302確定的計(jì)算位置。在理想情況下，位置623和位置624是互相相等的。
圖21表示頂端607繞著Z軸(θ)的旋轉(zhuǎn)625。這一旋轉(zhuǎn)實(shí)際上是發(fā)生在X-Y平面上的一種弧形運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)。圖22所示為頂端607在Z軸上的平移626。
系統(tǒng)控制器(SC)302根據(jù)磁場傳感器陣列307、308、312、313、317、318所生成的信號(hào)推得實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置。下面說明這種推得的過程。
圖18A、19和19A中，各個(gè)變量將以下列記號(hào)表示，其中aN——北極方向。
aS——南極方向。
aD——頂端磁體的長度。
XD——相對兩極132X及138X之間的距離。
-x1、-x2、-x3、-x4——分別表示MFS和TS對354、355、356、357。
d——磁場傳感器和溫度傳感器354和355等之間的距離。
x1、x2、x3、x4——分別表示MFS和TS對350、351、352、353。
ROT——θ軸。
ELEV——E軸。
根據(jù)圖18A、28B和18C，可由正交矢量aN、AN和as、As確定實(shí)際頂端377的位置。這些正交矢量是它們的組成分量x、y和z的合成矢量AN＝(Xn，Yn，Zn)，
其中，Xn，Yn，Zn是正交矢量AN在X，Y，Z軸上的投影(參見圖18B)，而As＝(Xs，Ys，Zs)，其中，Xs，Ys，Zs分別是正交矢量As在X，Y，Z軸上的投影。
可由下列角度確定正交矢量AN及AS的方向(參見圖18B)α是關(guān)于X軸的角度；β是關(guān)于Y軸的角度；γ是關(guān)于Z軸的角度。
同樣，圖18中還示出矢量B，可由三個(gè)角度α、β、γ確定該矢量B。
矢量AN的大小，亦即虛擬坐標(biāo)原點(diǎn)到點(diǎn)a607A(見圖18C)的距離可以下式計(jì)算aN=Xn2+Yn2+Zn2,]]>而且，確定矢量AN方向的各個(gè)角度則由下式計(jì)算α=cos-1[XnAn]=cos-1[XnXn2+Yn2+Zn2]]]>β=cos-1[YnAn]=cos-1[YnXn2+Yn2+Zn2]]]>γ=cos-1[ZnAn]=cos-1[ZnXn2+Yn2+Zn2]]]>位置矢量AN投影在如圖18C所示的三個(gè)正交平面X-Y、X-Z、Y-Z上產(chǎn)生的各個(gè)平面上的組成矢量及其對應(yīng)的角度如下在X-Y平面上，所投影的矢量θxy關(guān)于X軸和Y軸之間的角度(參見圖18C)可表示為θx=arctan(XnYn),]]>和θy=arctan(YnXn),]]>其中，投影矢量θxy在X-Y平面上的大小為
Axy=Xn2+Yn2.]]>同樣，投影矢量θxy關(guān)于X軸和Z軸之間的角度可表示為θx=arctan(XnZn),]]>和θz=arctan(ZnXn),]]>并且，投影矢量θxy在X-Z平面上的大小為Axz=Xn2+Zn2.]]>同樣，投影矢量θxy關(guān)于Y軸和Z軸之間的角度可表示為θy=arctan(YnZn),]]>和θz=arctan(ZnYn),]]>并且，投影矢量θyz在Y-Z平面上的大小為Ayz=Yn2+Zn2.]]>應(yīng)予指出，解出AN＝(Xn，Yn，Zn)的數(shù)學(xué)解之后，再解出As＝(Xs，Ys，Zs)的數(shù)學(xué)解。
如圖18A所示，如果aN和as之間的距離D 607已知，那么D=(Xn-Xs)2+(Yn-Ys)2+(Yn-Ys)2]]>為了說明系統(tǒng)控制器302如何確定實(shí)際導(dǎo)管頂端的位置，現(xiàn)在描述XCA 305的微處理器102x所用關(guān)于X軸及虛擬原點(diǎn)608的計(jì)算。應(yīng)予指出，YCA 310及ZCA 315的對應(yīng)微處理器102y及102z將對生成的關(guān)于X軸及Y軸各個(gè)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似的計(jì)算。
從校準(zhǔn)程序(fx1，fx2，fx3，fx4)可以知道，共面磁場傳感器(x1，x2，x3，x4)的傳遞函數(shù)，有如圖20所示者，它們是-X1＝-(V-x1(f-x1)) +X1＝-(V-x1(f-x1))-X2＝-(V-x2(f-x2)) +X2＝-(V-x2(f-x2))-X3＝-(V-x3(f-x3)) +X3＝-(V-x3(f-x3))-X4＝-(V-x4(f-x4)) +X4＝-(V-x4(f-x4))
按裝在電磁體138X極面上的各MFS/TS對354、355、356、357都將給XCA 305的處理器102X提供位置數(shù)據(jù)。從比如MFS/TS對354到aN607A的測量距離將稱為(-x1)；MFS/TS對355的測量距離將稱為(-x2)；MFS/TS對356的測量距離將稱為(-x3)；MFS/TS對357的測量距離將稱為(-x4)。
同樣，按裝在電磁體132X極面上的各個(gè)MFS/TS對350、351、352、353都將給XCA 305的處理器102X提供位置數(shù)據(jù)。從MFS/TS對350到aN607A的測量距離將稱為(+x1)；MFS/TS對351的測量距離將稱為(+x2)；MFS/TS對352的測量距離將稱為(+x3)；MFS/TS對353的測量距離將稱為(+x4)。
由于MFS/TS對圍繞著X軸線均勻地排列在一個(gè)象限內(nèi)，MFS/TS中每個(gè)傳感器單獨(dú)測量到的距離可以經(jīng)過數(shù)學(xué)綜合用來確定aN607A到X軸本身的距離。該數(shù)學(xué)綜合方法是確定位置矢量Ax1x2，Ax2x3，Ax3x4，Ax1x4。由圖20可見，比如，位置矢量Ax2x3可由下式給出Ax2x3=x2x3Sin(θx2x3)d]]>位置矢量Ax1x2，Ax3x4及Ax1x4的大小可按同樣方式算出。
另外，如圖20A所示，角度θx1x2，它是比如Ax1x2和x1以及Ax1x2和x2之間夾角之和。因此可以給出Ax1x2的方向如下θx1x2=cos-1(d2-x12-x222x1x2)]]>圖示于圖20A中的數(shù)字解可用下面所述的正則形式得出。應(yīng)當(dāng)指出，這個(gè)數(shù)字解僅是作為例子在XCA 305的微處理器102x的背景模式下實(shí)施的；對于Y軸和Z軸也是相似的。
hx1x2=x1x2Sin(θx1x2)d]]>Bx1x2=x12-hx1x22]]>θx2x3=cos-1(d2-x22-x322x2x3)]]>Ax2x3=x2x3Sin(θx2x3)d]]>
Bx2x3=x22-hx2x3]]>PBx1=x1Bx22+xB2x32]]>Ax1x2=x12-PBx12]]>以同樣的方式計(jì)算角度θx2x3，θx3x4和θx1x4。
根據(jù)從極面138x到點(diǎn)aN的距離Ax1x2，Ax2x3，Ax3x4，Ax1x4，可以確定平均距離(-xn)如下-x=((-x1-x2A)+(-x2-x3A)+(-x3-x4A)+(-x4-x1A)4).]]>同樣，從極面132x到點(diǎn)aN的距離可確定如下+x=(x1x2A+x2x3A+x3x4A+x4x1A4).]]>按照一種實(shí)施例，進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，采用更多的精確的傳感器作加權(quán)平均，以得到更好的結(jié)果，從而得到加權(quán)平均值。
由于虛擬原點(diǎn)608是VT組件304和校準(zhǔn)附件(CF)321之間的公共參考點(diǎn)，因此，可以確定aN和虛擬原點(diǎn)608之間的距離。由下面一組公式給出三個(gè)軸的這些距離，這里的XD616是兩個(gè)同軸電磁體132x及138x(見圖19)之間的距離，YD是兩個(gè)同軸電磁體132y及138y之間的距離，ZD是兩個(gè)同軸電磁體132z及138z之間的距離XD2+(-X)]]>XD2+(+X)]]>其中(XD2+(-X))+(XD2+(-X))=XD]]>可對y軸及z軸的位置做同樣的計(jì)算。已知這三個(gè)軸的位置后，即可得出絕對位置。所以，相對于虛擬原點(diǎn)有
Xn=XD2-(-Xn)(+Xn)-XD2,Xs=XD2-(-Xs)(+Xs)-XD2]]>Yn=YD2-(-Yn)(+Yn)-XD2,Ys=YD2-(-Ys)(+Ys)-XD2]]>Zn=ZD2-(-Zn)(+Zn)-XD2,Xs=ZD2-(-Zs)(+Zs)-ZD2]]>系統(tǒng)控制器302進(jìn)行下列計(jì)算，以推得確定實(shí)際導(dǎo)管頂端的磁性元件的中心點(diǎn)Xc=Xn-Xs2]]>Yc=Yn-Ys2]]>Zc=Zn-Zs2]]>于是，GCI裝置501如下驅(qū)動(dòng)實(shí)施X-Y平面中的旋轉(zhuǎn)RotC=tan-1(Yn-YsXn-Xs)]]>以及如下驅(qū)動(dòng)實(shí)施X-Z平面中的旋轉(zhuǎn)elevC=tan-1(Zn-ZsXn-Xs)]]>利用這些結(jié)果，系統(tǒng)控制器302可以將實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置和要求的頂端位置進(jìn)行比較。圖23所示為系統(tǒng)控制器(SC)302為了確定實(shí)際頂端377的位置利用下列數(shù)學(xué)關(guān)系所作的邏輯計(jì)算
1.系統(tǒng)控制器(SC)302阻斷X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310和Z軸控制器和放大器(ZCA)315的調(diào)制器輸出。
2.X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315讀取磁場傳感器陣列307、308、312、313、317、318的輸出。
3.X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315讀取溫度傳感器(TS)陣列306、309、311、314、316和319的輸出。
4.X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315通過修正數(shù)據(jù)(通常存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器105x、105y和105z中)，對磁場傳感器陣列307、308、312、313、317、318的輸出進(jìn)行數(shù)字溫度補(bǔ)償。
5.系統(tǒng)控制器(SC)302接受來自X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315的經(jīng)過修正的磁場傳感器數(shù)據(jù)輸入，并插入來自實(shí)際頂端生成的磁場的三個(gè)正交分量(Bx、By、Bz)的5軸數(shù)據(jù)集。并按下兩個(gè)式子計(jì)算實(shí)際頂端的位置，其中a)力矢量B 600的大小由下式給出B=Bx2+By2+Bz2;]]>和b)力矢量B的方向則由下面三個(gè)角度給出α=cos-1BxB,β=cos-1ByB,δ=cos-1BxB]]>6.系統(tǒng)控制器(SC)302通過通信控制器(CC)320輸入心臟位置數(shù)據(jù)，該心臟位置(CP)數(shù)據(jù)來自輔助設(shè)備(X射線設(shè)備、超聲設(shè)備等)。由于心臟的搏動(dòng)，該心臟位置(CP)數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。
7.系統(tǒng)控制器根據(jù)心臟位置(CP)以及HP數(shù)據(jù)集計(jì)算出實(shí)際位置(AP)。
8.系統(tǒng)控制器(SC)302輸入來自虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303的虛擬頂端405位置數(shù)據(jù)。
9.系統(tǒng)控制器(SC)302將心臟位置(CP)數(shù)據(jù)和虛擬頂端(VT)位置結(jié)合在一起并計(jì)算出所需位置DP。
10.系統(tǒng)控制器(SC)302比較DP和AP，并確定位置誤差(PE)。
11.如果位置誤差PE小于誤差閾值，系統(tǒng)控制器(SC)302使得X軸控制器和放大器(XCA)305、Y軸控制器和放大器(YCA)310以及Z軸控制器和放大器(ZCA)315繼續(xù)以相同的調(diào)制參數(shù)及極性工作。
12.如果位置誤差PE超出誤差閾值，系統(tǒng)控制器(SC)302改變工作循環(huán)和/或改變輸入給相應(yīng)XCA305、YCA310、ZCA315的調(diào)制參數(shù)及極性。
如果任何軸上的位置誤差(PE)在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間內(nèi)超過預(yù)定值，系統(tǒng)控制器(SC)302便通過虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器(VT/CFC)303，以控制步進(jìn)電機(jī)55、57、59、61和63，產(chǎn)生觸覺反饋，以此提醒操作者導(dǎo)管頂端遇到了一個(gè)阻礙。這是因?yàn)槿缦碌募僭O(shè)，如果在GCI裝置501正常工作條件下經(jīng)過預(yù)期一段時(shí)間或是經(jīng)過包括上述步驟1至12的預(yù)期個(gè)數(shù)的循環(huán)的矯正仍不能消除該位置誤差，那么，實(shí)際導(dǎo)管頂端可能是遇到了一個(gè)阻礙。這個(gè)能夠被操作者感覺到的觸覺反饋是由于步進(jìn)電機(jī)55、57、59、61和63產(chǎn)生了作用在虛擬頂端405上的阻力造成的。
對于操作者或外科醫(yī)生來說，虛擬頂端405的操作是相對較為簡單且直觀的。外科醫(yī)生只要在要求方向上推、拉，或者轉(zhuǎn)動(dòng)虛擬頂端405，便可使實(shí)際導(dǎo)管頂端377在體內(nèi)作相對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。如果實(shí)際導(dǎo)管頂端377遇到了阻礙，虛擬頂端405就會(huì)在適宜的軸線方向上對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，對操作者發(fā)出觸覺反饋。于是，外科醫(yī)生在送進(jìn)實(shí)際頂端時(shí)便能感覺到阻力。當(dāng)操作者的手從虛擬頂端405上松開時(shí)，實(shí)際導(dǎo)管頂端377便可靠地保持在現(xiàn)時(shí)位置上。系統(tǒng)控制器(SC)302使實(shí)際頂端位置AT和CP數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，所述的CP數(shù)據(jù)來自輔助設(shè)備322并通過CC 320傳送給PC 324，以與復(fù)合的頂端圖像及X射線/超聲圖像一起顯示在監(jiān)視器325上。根據(jù)HP數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行連續(xù)更新所述AT位置的三維顯示圖像。所述CP數(shù)據(jù)顯示上疊加了幀數(shù)相對比較少X射線圖像。之所以能夠?qū)T數(shù)據(jù)和CP數(shù)據(jù)相關(guān)，是因?yàn)閄射線圖像和MFS陣列具有公共參考點(diǎn)(亦即二者相對于搏動(dòng)中的心臟是穩(wěn)態(tài)的)。本發(fā)明的設(shè)備及方法不但提供一種對心臟和導(dǎo)管頂端377的優(yōu)越的觀測方法，同時(shí)還顯著地減小了X射線對患者和工作人員的輻照量。
因此，可以見到，本發(fā)明的導(dǎo)管導(dǎo)引控制設(shè)備及方法給出一種裝置，這種裝置比較容易有效使用；對使用者需要最少的訓(xùn)練；能夠快速地將導(dǎo)管頂端送進(jìn)到準(zhǔn)確的位置；需要更少種類的導(dǎo)管；能夠有力地將導(dǎo)管頂端固定在要求位置上；能夠操縱導(dǎo)向線通過曲折的路徑；能夠使導(dǎo)向線或氣囊有力地穿過硬斑部位；能夠三維地顯示導(dǎo)管頂端的位置；顯著降低患者的影像對比度增強(qiáng)劑使用劑量；顯著降低X射線對患者和醫(yī)療人員的輻照量；使用直觀；而且，當(dāng)導(dǎo)管頂端遇到阻礙時(shí)，能夠?qū)Σ僮髡甙l(fā)出觸覺反饋。
盡管上面已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的幾種實(shí)施例，但這些內(nèi)容不構(gòu)成本發(fā)明的范圍，而是僅僅用以說明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以作出許多其它的變型或修改。例如，對電磁體的調(diào)制可以控制為使其能夠使頂端產(chǎn)生一種振動(dòng)或脈沖運(yùn)動(dòng)，以幫助它通過硬斑部位；響應(yīng)頂端可以是電磁體而不是永久磁體；可由一個(gè)或多個(gè)永久磁體生成作用在患者身上的磁場；可以通過對產(chǎn)生磁場的器件進(jìn)行手工調(diào)整完成外磁場的控制；可以通過在頂端上纏繞一個(gè)或多個(gè)線圈的方式，使該頂端可以響應(yīng)所施加的時(shí)變磁場，從而使得該裝置能夠利用交流感應(yīng)磁體產(chǎn)生作用磁場；居里溫度處于體溫以下幾度的材料可以用作為磁通量開關(guān)，通過以合適溫度的流體對該開關(guān)進(jìn)行激發(fā)的方式，實(shí)施對頂端的可選擇性控制；靜電現(xiàn)象可以用來增強(qiáng)磁效；人工智能可以用來替代操作者發(fā)出操作指令；專家系統(tǒng)也可以用來替代或幫助操作者進(jìn)行操作；本裝置也可以用來孕育(incubate)心臟以外的各種體腔及器官；本裝置也可用在人類及動(dòng)物的比如卵子獲取及胚胎植入等程序中；也可以將響應(yīng)頂端附著在一個(gè)密合的光學(xué)纖維束上，以觀看內(nèi)部構(gòu)造并使該光學(xué)纖維束具有前所未有的靈活性；可以用導(dǎo)引導(dǎo)管將一個(gè)集裝的放射源直接遞送到腫瘤上，以準(zhǔn)確地實(shí)施內(nèi)部放射性同位素治療；可以用本裝置進(jìn)行內(nèi)部組織取樣，而不必作大的外科手術(shù)；可將本發(fā)明的響應(yīng)頂端附著在光纖/光導(dǎo)裝置上，以將激光準(zhǔn)確地照射到體內(nèi)的特定位置，而不必進(jìn)行大的外科手術(shù)；先前困難的脂肪吸除及其它的皮下外科醫(yī)療程序都可以用本發(fā)明裝置來準(zhǔn)確地實(shí)施，如此等等。于是，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求書來界定。
權(quán)利要求
1.一種用于控制待插入患者體內(nèi)之導(dǎo)管狀工具運(yùn)動(dòng)的裝置，它包括用于生成體外磁場的磁場源；一個(gè)工具，該工具具有一個(gè)遠(yuǎn)端，該遠(yuǎn)端對所述磁場作出響應(yīng)；一個(gè)或多個(gè)磁傳感器，所述磁傳感器用于檢測所述遠(yuǎn)端產(chǎn)生的磁場；以及系統(tǒng)控制器，該控制器用于控制所述磁場源，以提供位置數(shù)據(jù)和指令輸入，控制所述工具遠(yuǎn)端的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器包括一個(gè)閉環(huán)反饋侍服系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器和一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器，以對所述系統(tǒng)控制器提供檢測數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括操作者界面裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述侍服系統(tǒng)包括一個(gè)修正輸入，該修正輸入用以補(bǔ)償器官的動(dòng)態(tài)位置，從而對所述遠(yuǎn)端對所述磁場的響應(yīng)作出修正，使該遠(yuǎn)端得以與所述器官的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上一致。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，由一輔助器件生成所述修正輸入，所述器件提供關(guān)于所述器官的動(dòng)態(tài)位置修正數(shù)據(jù)；所述修正數(shù)據(jù)與由所述傳感器提供的測量數(shù)據(jù)相復(fù)合，以對所述侍服系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行修正，使所述遠(yuǎn)端的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上與所述器官一致。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述輔助器件為X射線器件、超聲器件、雷達(dá)器件中的至少一種。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器包括可由操作者控制輸入的虛擬頂端控制器件。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括虛擬頂端及校準(zhǔn)附件控制器；以及虛擬頂端組件。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括X軸控制器和放大器；Y軸控制器和放大器；以及Z軸控制器和放大器。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括通信控制器；校準(zhǔn)附件；以及一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述溫度傳感器與所述磁場傳感器配成對。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器使X軸控制器、Y軸控制器、Z軸控制器的工作一致；并且，所述系統(tǒng)控制器根據(jù)來自虛擬頂端的輸入數(shù)據(jù)工作。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述虛擬頂端向操作者提供觸覺反饋。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述虛擬頂端根據(jù)所述遠(yuǎn)端的實(shí)際位置和所述遠(yuǎn)端的所需位置之間的位置誤差，向操作者提供觸覺反饋。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器使所述遠(yuǎn)端跟隨所述虛擬頂端的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，還包括一個(gè)虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器，該控制器接受來自所述虛擬頂端的編碼器位置、限止開關(guān)、以及操作者開關(guān)數(shù)據(jù)；并且，所述虛擬頂端/校準(zhǔn)附件控制器向所述虛擬頂端輸出觸覺反饋響應(yīng)控制信號(hào)。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器被構(gòu)造成根據(jù)來自所述磁場傳感器的至少一部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算出所述遠(yuǎn)端的位置誤差，并控制所述磁場源，以修正所述位置誤差。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器通過向操作者控制器提供反饋數(shù)據(jù)，生成觸覺反饋響應(yīng)。
21.一種用于控制具有待插入體內(nèi)之遠(yuǎn)端的工具運(yùn)動(dòng)的方法，包括如下步驟通過生成外磁場對所述遠(yuǎn)端施加作用力；調(diào)節(jié)所述作用力，使所述遠(yuǎn)端按所需方向運(yùn)動(dòng)；以及通過測量所述遠(yuǎn)端的磁場確定所述遠(yuǎn)端的位置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，還包括隨著所述遠(yuǎn)端移過人體，實(shí)質(zhì)上實(shí)時(shí)地更改所述遠(yuǎn)端的影像資料的步驟。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，還包括控制一個(gè)或多個(gè)電磁體以生成所述外磁場的步驟。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，還包括測量一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器的溫度的步驟，所述磁場傳感器測量所述遠(yuǎn)端的磁場。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，還包括確定所述遠(yuǎn)端的現(xiàn)有位置，并與所需位置比較的步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述確定遠(yuǎn)端現(xiàn)有位置的步驟包括阻斷系統(tǒng)控制器的調(diào)制器輸出；通過通信控制器輸入心臟的動(dòng)態(tài)位置；以及計(jì)算所述遠(yuǎn)端的現(xiàn)有位置，該位置是所述心臟位置的函數(shù)。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，還包括計(jì)算所述遠(yuǎn)端位置誤差的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，還包括步驟當(dāng)所述位置誤差大于一定的最小值時(shí)，改變輸入給所述X軸控制器、Y軸控制器、Z軸控制器中至少一個(gè)的調(diào)制工作周期及調(diào)制極性中的至少一項(xiàng)。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，還包括一旦沿至少一個(gè)軸的位置誤差超過預(yù)定值便產(chǎn)生觸覺反饋的步驟。
30.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述系統(tǒng)控制器使所述工具的遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)到與來自虛擬頂端的位置數(shù)據(jù)相應(yīng)的位置。
31.一種用于控制具有待插入患者體內(nèi)之遠(yuǎn)端的工具的運(yùn)動(dòng)的裝置，它包括在C形臂上被布置成簇狀的磁場源，所述C形臂形成閉合磁路，并產(chǎn)生磁場；一個(gè)工具，它具有對所述磁場作出響應(yīng)的遠(yuǎn)端；一個(gè)或多個(gè)被置于所述遠(yuǎn)端附近的壓電環(huán)；以及系統(tǒng)控制器，用以調(diào)節(jié)所述磁場，以提供位置及指令輸入信號(hào)，以控制所述工具的遠(yuǎn)端位置。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中，還包括閉環(huán)侍服系統(tǒng)，它接受自所述系統(tǒng)控制器輸入的所述位置和指令，以調(diào)節(jié)磁力。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器和一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述控制系統(tǒng)被構(gòu)造成計(jì)算所述磁場源內(nèi)的轉(zhuǎn)矩及相關(guān)電流，使所述磁場推動(dòng)所述遠(yuǎn)端進(jìn)入所需位置。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中，所述閉環(huán)侍服電路包括一個(gè)修正數(shù)據(jù)輸入，該數(shù)據(jù)輸入用于補(bǔ)償患者器官的動(dòng)態(tài)位置及所述工具的取向，從而對所述遠(yuǎn)端關(guān)于所述磁場的響應(yīng)作出修正，使所述遠(yuǎn)端得以與所述器官的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上一致。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中，由一個(gè)輔助器件生成所述修正數(shù)據(jù)輸入，該輔助器件提供對應(yīng)于所述器官的動(dòng)態(tài)位置修正數(shù)據(jù)；所述修正數(shù)據(jù)與形成所述立體框架的一套基準(zhǔn)標(biāo)記以及來自檢測裝置測定的位置數(shù)據(jù)相復(fù)合，以修正所述侍服系統(tǒng)的響應(yīng)，從而使所述遠(yuǎn)端的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上與所述器官一致。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中，所述輔助器件為X射線、超聲、雷達(dá)設(shè)備中的任何一種或多種；所述設(shè)備形成與用于表示參考位置數(shù)據(jù)結(jié)合的立體框架，該立體框架與諸如心臟輸出、心電圖和肺的膨脹收縮等身體器官動(dòng)態(tài)地一致運(yùn)動(dòng)。
38.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中，所述系統(tǒng)控制器包括一個(gè)虛擬頂端，至少一部分所述虛擬頂端的運(yùn)動(dòng)使該系統(tǒng)控制器對電磁體進(jìn)行控制，以使所述遠(yuǎn)端相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)。
39.一種用于控制待插入患者體內(nèi)之導(dǎo)管狀工具的裝置，它包括可控的磁場源，該磁場源具有第一極簇和第二極簇，所述第一極簇實(shí)際上與所述第二極簇相對；一個(gè)工具，它具有遠(yuǎn)端，該遠(yuǎn)端對所述磁場作出響應(yīng)；以及一個(gè)或多個(gè)磁傳感器，該磁傳感器用于檢測所述遠(yuǎn)端產(chǎn)生的磁場。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器和一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器，該磁場傳感器用于向系統(tǒng)控制器提供檢測數(shù)據(jù)。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括操作者界面部分。
43.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述第一極簇以磁性材料與所述第二極簇相連。
44.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括一個(gè)可由操作者控制輸入的虛擬頂端控制器件。
45.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括一個(gè)虛擬頂端及修正附件控制器；以及一個(gè)虛擬頂端組件。
46.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括通信控制器；校準(zhǔn)附件；以及一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
47.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述溫度傳感器與所述磁場傳感器配成對。
48.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括一個(gè)向操作者提供觸覺反饋的虛擬頂端。
49.如權(quán)利要求48所述的裝置，其中，所述虛擬頂端根據(jù)所述遠(yuǎn)端的實(shí)際位置和所述遠(yuǎn)端的所需位置之間的位置誤差，向操作者提供觸覺反饋。
50.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，還包括系統(tǒng)控制器，它控制由所述三維磁場源產(chǎn)生的磁場，使所述遠(yuǎn)端跟隨虛擬頂端的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。
51.一種產(chǎn)生磁場的裝置，它包括第一電磁極的第一極簇，該第一極簇包含大量磁性材料；第一電磁線圈簇，它被設(shè)置于所述第一電磁極簇上，該第一電磁線圈簇可由一個(gè)實(shí)質(zhì)獨(dú)立的裝置來控制；第二電磁極的第二極簇，該第二極簇也包括大量磁性材料，使所述第二電磁極的第二極簇實(shí)質(zhì)上與第一電磁極的第一極簇相對，所述大量磁性材料實(shí)現(xiàn)由所述第一極簇和所述第二極簇形成的磁路；以及第二電磁線圈簇，它被設(shè)置于所述第二電磁極簇上，該第二電磁線圈簇可由一個(gè)實(shí)質(zhì)獨(dú)立的裝置來控制，使所述第一極簇與第二極簇之間區(qū)域內(nèi)的磁場取向是多維可控的。
52.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，所述第一電磁極的第一極簇包括三個(gè)電磁極。
53.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，所述第一電磁極的極面實(shí)質(zhì)上為球面。
54.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，所述第一電磁極的極面實(shí)質(zhì)上為球面，而所述第二電磁極的極面實(shí)質(zhì)上位于所述球面上。
55.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，還包括系統(tǒng)控制器，它控制所述第一電磁線圈簇和第二電磁線圈簇中的電流，以控制所述電磁場的取向。
56.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，還包括一個(gè)具有遠(yuǎn)端的工具，該遠(yuǎn)端響應(yīng)所述磁場的取向；以及一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器，該磁場傳感器用于檢測所述遠(yuǎn)端產(chǎn)生的磁場。
57.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)端包括一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器和一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。
58.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中，還包括一個(gè)可由操作者控制輸入的虛擬頂端控制器件。
59.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中，還包括一個(gè)向操作者提供觸覺反饋的虛擬頂端。
60.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中，所述虛擬頂端根據(jù)所述遠(yuǎn)端的實(shí)際位置和所述遠(yuǎn)端的所需位置之間的位置誤差向操作者提供觸覺反饋。
61.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中，還包括系統(tǒng)控制器，它控制所述第一電磁線圈簇和第二電磁線圈簇中的電流，以控制所述電磁場的取向，從而對所述遠(yuǎn)端施加磁力。
62.一種導(dǎo)管頂端組件，它包括永久磁體，以及一個(gè)或多個(gè)壓電環(huán)。
63.一種控制具有待插入體內(nèi)之遠(yuǎn)端的工具的運(yùn)動(dòng)的方法，包括如下步驟計(jì)算所述遠(yuǎn)端所需的運(yùn)動(dòng)方向；計(jì)算產(chǎn)生所述運(yùn)動(dòng)所需的磁場；控制多個(gè)電磁線圈中的電流，產(chǎn)生所述磁場；以及測量所述遠(yuǎn)端的磁場，以定位所述遠(yuǎn)端。
64.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述計(jì)算磁場的步驟包括確定所述遠(yuǎn)端關(guān)于一個(gè)或多個(gè)磁極的現(xiàn)有位置；以及利用查表，找出產(chǎn)生所述運(yùn)動(dòng)所需的磁場。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其中，還包括控制一個(gè)或多個(gè)電磁體產(chǎn)生所述外磁場的步驟。
66.如權(quán)利要求63所述的方法，其中，還包括測量一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器的溫度的步驟，所述傳感器用于測量所述遠(yuǎn)端的磁場。
全文摘要
一種系統(tǒng)，用于探測、顯示和導(dǎo)引帶磁性頂端之外科工具的位置，以快速、準(zhǔn)確、簡單而直觀地實(shí)施診斷及治療程序。所述外科工具包括導(dǎo)管、導(dǎo)向線，以及諸如激光器、氣囊等二次工具及活組織檢查針、內(nèi)窺鏡等類似器件。磁性頂端令使用者無需借助X射線只需分析磁場便可確定該頂端的位置及取向。磁性頂端還令使用者可通過在患者體外加給適宜磁場的方式推、拉、旋轉(zhuǎn)該工具頂端，并將其可靠地固定在所需位置。一個(gè)“虛擬頂端”用為操作者控制手段?；颊唧w內(nèi)的磁性頂端運(yùn)動(dòng)情況與虛擬頂端的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)。若磁性頂端遇到阻礙，該控制手段向操作者的手發(fā)出適宜方向的觸覺反饋。侍服系統(tǒng)根據(jù)該控制手段的輸出連同感受到的磁性頂端位置及取向數(shù)據(jù)，以調(diào)制定位電磁體脈沖寬度的方式控制外磁場。根據(jù)如搏動(dòng)之心臟等體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官的動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)等，以適宜的方式修正侍服系統(tǒng)，使磁性頂端，因而使二次工具與該體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官一致地運(yùn)動(dòng)。根據(jù)頂端的位置、取向信息及體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官的動(dòng)態(tài)位置信息顯示反映磁性頂端相對體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官的相對位置、方向的三維視像。
文檔編號(hào)A61B19/00GK1681448SQ03821597
公開日2005年10月12日 申請日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
發(fā)明者耶霍舒亞·沙哈爾 申請人:麥格耐泰克斯公司