專(zhuān)利名稱(chēng)：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(lèi)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(shuō)，導(dǎo)管插入術(shù)乃是通過(guò)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(guò)程中，通用的方法是采用實(shí)時(shí)X射線成像來(lái)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(guò)較長(zhǎng)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(lái)導(dǎo)引特定的導(dǎo)管。這種技術(shù)通常用來(lái)將一條導(dǎo)管送進(jìn)到左心室內(nèi)，這對(duì)主動(dòng)脈狹窄的研究是特別重要的。對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)，如何通過(guò)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(guò)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(guò)氣囊的膨脹、激光束的作用，或者支架的支承來(lái)打開(kāi)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(guò)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(lái)割穿房中隔，以制作一條旁路(大血管錯(cuò)位)來(lái)處理左房室瓣(左房室瓣膜形成術(shù))，或是用來(lái)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(cè)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(duì)患者施加電沖擊。這些電極都可通過(guò)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(cè)量并記錄心肌(心臟肌肉)內(nèi)發(fā)生的電信號(hào)，測(cè)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)椋瑸榱送瓿梢豁?xiàng)全面的研究常常需要進(jìn)行許多這樣的測(cè)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(guò)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(guò)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(lái)治療左房室瓣狹窄，這種技術(shù)采用一個(gè)氣囊來(lái)使狹窄的瓣膜擴(kuò)大?，F(xiàn)有的方法包括通過(guò)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(guò)該切口進(jìn)入左心房中。然后將一個(gè)氣囊通過(guò)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(zhǎng)，并要求操作者有特別熟練的技藝。
有些人考慮過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)較為剛硬的氣囊來(lái)?yè)纹茖?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(duì)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(guò)在心肌中誘發(fā)形成新的小血管的途徑來(lái)增加通向心肌的血液供應(yīng)。該外科手術(shù)包括打開(kāi)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(lái)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(duì)操作者進(jìn)行廣泛的培訓(xùn)。許多醫(yī)療程序是冗長(zhǎng)而費(fèi)時(shí)的，這使得患者和工作人員反復(fù)且長(zhǎng)期地暴露在不利的X射線作用下。冗長(zhǎng)的程序還使得患者需要蒙受由于接受更多的影像對(duì)比度增強(qiáng)劑(contrastmaterial)所帶來(lái)的危險(xiǎn)。通常，要求導(dǎo)管遠(yuǎn)端(亦稱(chēng)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(guò)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(lái)重新進(jìn)行操作，以對(duì)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(lái)不利的副作用。
針對(duì)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(guò)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(wèn)題和其它問(wèn)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(duì)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(cè)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(guò)動(dòng)脈，并有力地將其推進(jìn)穿過(guò)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(jiǎn)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(duì)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(guò)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(jué)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(guò)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(chēng)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(duì)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(jué)反饋。換句話說(shuō)，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(jué)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(duì)外界作用在患者身上的磁場(chǎng)作出響應(yīng)。外磁場(chǎng)將該頂端推、拉旋轉(zhuǎn)并固定到要求的位置上。本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員都知道可以用一個(gè)電磁體來(lái)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(chǎng)傳感器及溫度傳感器，該二次裝置測(cè)量實(shí)際頂端的位置及取向，并將測(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)外界磁體的電磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整；5)所述外界電磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)所顯示的圖像中實(shí)際導(dǎo)管頂端相對(duì)于所疊加的X射線圖像中的患者的相對(duì)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(guò)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(lái)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(jué)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(chǎng)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(chǎng)傳感器和溫度傳感器對(duì)； 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(guò)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(duì)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(chǎng)傳感器測(cè)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(duì)置電磁體之間的距離； 圖19A表示圖19中鄰近的電磁場(chǎng)傳感器之間的距離。
圖20是表示由圖19A的磁場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)推演圖18A所示頂端位置的過(guò)程； 圖20A表示由圖19A的磁場(chǎng)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(lèi)似器件的遠(yuǎn)端(本文亦稱(chēng)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(guò)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(jiàn)圖10)、校準(zhǔn)附件(CF)321(詳見(jiàn)圖11、12)、磁場(chǎng)傳感器(MFS)和溫度傳感器(TS)對(duì)374(見(jiàn)圖14)。圖1B所示的系統(tǒng)700中采用不同種類(lèi)的磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器對(duì)374。一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)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(chǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，這種磁場(chǎng)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?。本文之所以描述溫度傳感器是由于比如霍爾效?yīng)傳感器等許多磁場(chǎng)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(duì)精度的貢獻(xiàn)并非必要時(shí)，或者無(wú)需考慮磁場(chǎng)傳感器的溫度依賴性時(shí)，可以省略所述溫度傳感器。
參照?qǐng)D1B，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(duì)這些部件及它們之間的功能關(guān)系作了詳細(xì)表述。
參照?qǐng)D2，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(cè)得二者電流不平衡，便可以設(shè)想為對(duì)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(cè)器便會(huì)使載荷從饋線上脫開(kāi)。
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(kāi)關(guān)回路。在電源發(fā)生故障期間，UP S300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?qǐng)D2，放大器3及其變流器的作用是監(jiān)測(cè)交流線路的電流。隔離放大器4的用途為監(jiān)測(cè)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(cè)分流線路兩端的電壓降，以測(cè)定電池9的充電電流。放大器10的用途為監(jiān)測(cè)電池9的輸出電壓。放大器12的用途是監(jiān)測(cè)分流線路11兩端的電壓降，以測(cè)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(cè)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(cè)換流器13的輸出電流。
監(jiān)管單元(SU)301監(jiān)測(cè)來(lái)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(cè)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(guò)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(cè)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(lái)的變換指令。完成變換時(shí)，模數(shù)變換器23通過(guò)解碼邏輯單元26遮斷微控制器30，而通過(guò)微控制器30輸出代表待測(cè)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SU301工作過(guò)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(guò)這樣的方式監(jiān)測(cè)各種電壓及電流。微控制器30通過(guò)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(lái)配位“供電-掉電”數(shù)列。
參照?qǐng)D1C和3可見(jiàn)，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(guò)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(duì)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(duì)溫度傳感器(TS)陣列306、309和磁場(chǎng)傳感器陣列307、308以及電磁體(EM)132X、138X進(jìn)行監(jiān)測(cè)。磁場(chǎng)傳感器陣列307、308測(cè)量X軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)306、309測(cè)量磁場(chǎng)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(guò)溫度補(bǔ)償系數(shù)對(duì)磁場(chǎng)傳感器的輸出進(jìn)行修正。
這些傳感器陣列306、307、308、309測(cè)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(guò)下面的敘述可以看到兩個(gè)電磁體132X及138X對(duì)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(duì)溫度傳感器(TS)陣列311、314和磁場(chǎng)傳感器陣列312、313進(jìn)行監(jiān)測(cè)。磁場(chǎng)傳感器陣列312、313測(cè)量Y軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)311、314測(cè)量磁場(chǎng)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(guò)溫度補(bǔ)償系數(shù)對(duì)磁場(chǎng)傳感器的輸出進(jìn)行修正。這些傳感器陣列311、312、313、314測(cè)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(guò)下面的敘述，將可看到這兩個(gè)電磁體132Y及138Y對(duì)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(duì)溫度傳感器(TS)陣列316、318和磁場(chǎng)傳感器陣列317、319進(jìn)行監(jiān)測(cè)。磁場(chǎng)傳感器陣列317、319測(cè)量Z軸方向的磁通量。溫度傳感器(TS)316、318測(cè)量磁場(chǎng)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(guò)溫度補(bǔ)償系數(shù)對(duì)磁場(chǎng)傳感器的輸出進(jìn)行修正。這些傳感器陣列316、317、318、319所測(cè)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(guò)下面的敘述，將可看到這兩個(gè)電磁體132Z及138Z對(duì)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(cè)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(pán)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(duì)操作者的提示。鍵盤(pán)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(lái)自虛擬頂端組件304的編碼器位置、限止開(kāi)關(guān)以及操作者開(kāi)關(guān)等輸入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是XCA395、YCA 310及ZCA315在對(duì)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(jué)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(jué)反饋?lái)憫?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(duì)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(guò)程中測(cè)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(guò)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(guò)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(lèi)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(lái)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(guò)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(jué)反饋?lái)憫?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(jué)反饋?lái)憫?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(duì)校準(zhǔn)附件(CF)312產(chǎn)生影響，并將來(lái)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(jiàn)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(lèi)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(lái)自VT304或CF 321的有關(guān)編碼器位置，限止“開(kāi)關(guān)”關(guān)閉，并且操作者輸入開(kāi)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(jué)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?qǐng)D5，VT組件304的電子電路功能如下。解碼邏輯單元101響應(yīng)來(lái)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(duì)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(lái)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(jué)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?qǐng)D5，絕對(duì)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(jué)反饋(TF)時(shí)向VT/CFC 303提供位置反饋信息，而當(dāng)操作者對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)83、84、85、86、87、88、89和90都是瞬時(shí)性的開(kāi)關(guān)(亦即瞬時(shí)接觸而非穩(wěn)定接觸的開(kāi)關(guān))，鎖存器91讀取并鎖存這些開(kāi)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(lái)自X軸磁場(chǎng)傳感器陣列307、308及溫度傳感器陣列306、309測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。微控制器102X根據(jù)這些測(cè)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(guò)系統(tǒng)總線328接受來(lái)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(duì)實(shí)際導(dǎo)管頂端在X軸方向上的位置產(chǎn)生影響。XCA 305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(guò)程和系統(tǒng)正常工作過(guò)程中。下面對(duì)這些功能進(jìn)行描述。
首先說(shuō)明XCA 305對(duì)來(lái)自MFS陣列307、308及溫度傳感器陣列306、309測(cè)得的數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)方法。磁場(chǎng)傳感器陣列307包括傳感器113X、114X、115X、116X。磁場(chǎng)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?？梢越Y(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(lái)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(guò)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(cè)得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對(duì)來(lái)自磁場(chǎng)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(cè)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(lái)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(guò)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(cè)量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。
微控制器102X通過(guò)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(lái)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(guò)解碼邏輯單元106X阻斷微控制器102X，而由微控制器102X輸入測(cè)量信號(hào)的數(shù)碼表示。本發(fā)明就是用這樣的方法對(duì)磁場(chǎng)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(cè)的。與此相似，還對(duì)分流線路131X、137X兩端的電壓降進(jìn)行測(cè)量，以確定通過(guò)電磁體132X、138X的電流。
再參照?qǐng)D7，電流源121X的用途是提供控制電流，以偏置磁場(chǎng)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(shuō)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(lái)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(shì)浪涌的沖擊，該反電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)，對(duì)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(duì)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(lái)自Y軸磁場(chǎng)傳感器陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大。微控制器102Y根據(jù)這些測(cè)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(lái)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(duì)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(guò)程和系統(tǒng)正常工作過(guò)程中。下面對(duì)這些功能進(jìn)行描述。
首先說(shuō)明YCA 310對(duì)來(lái)自MFS陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314的測(cè)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)方法。磁場(chǎng)傳感器陣列312包括傳感器113Y、114Y、115Y、116Y。磁場(chǎng)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(lái)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(guò)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(cè)得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對(duì)來(lái)自磁場(chǎng)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(cè)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(lái)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(guò)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(cè)量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。
微控制器102Y通過(guò)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(lái)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(guò)解碼邏輯單元106Y阻斷微控制器102Y，而由微控制器102Y輸入測(cè)量信號(hào)的數(shù)碼表示。本發(fā)明就是以這樣的方式對(duì)磁場(chǎng)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(cè)的。與此相似，還測(cè)量分流線路131Y、137Y兩端的電壓降，以確定通過(guò)電磁體132Y、138Y的電流。
再參照?qǐng)D8，電流電源121Y用于提供控制電流，以偏置磁場(chǎng)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(lái)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(shì)浪涌的沖擊。所述電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)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(duì)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(lái)自Z軸磁場(chǎng)傳感器陣列312、313及溫度傳感器陣列311、314的測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。微控制器102Z根據(jù)這些測(cè)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(lái)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(duì)外電磁體132Z、138Z的勵(lì)磁，以對(duì)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(guò)程和系統(tǒng)正常工作過(guò)程中。下面對(duì)這些功能進(jìn)行描述。
首先說(shuō)明ZCA 315對(duì)來(lái)自MFS陣列317、318及溫度傳感器陣列316、319測(cè)得的數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)方法。磁場(chǎng)傳感器陣列317包括傳感器113Z、114Z、115Z、116Z。磁場(chǎng)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(lái)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(guò)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(cè)得的溫度數(shù)據(jù)一起用于對(duì)來(lái)自磁場(chǎng)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(cè)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(lái)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(guò)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(cè)量信號(hào)的一個(gè)“瞬象”。微控制器102Z通過(guò)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(lái)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(cè)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(cè)磁場(chǎng)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(duì)分流線路131Z、137Z兩端的電壓降進(jìn)行測(cè)量，以確定通過(guò)電磁體132Z、138Z的電流。
參照?qǐng)D9，電流源121Z的用途是提供控制電流，以偏置磁場(chǎng)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(lái)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(shì)浪涌的沖擊，所述電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)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(duì)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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CF321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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)傳感器和溫度傳感器對(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)稱(chēng)的極性分布，其中電磁體901和它的相對(duì)置的電磁體903轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，形成呈瓣形的電磁場(chǎng)。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(kāi)的構(gòu)造。對(duì)于諸如X射線、Cat-Scan、Pet-Scan、超聲等各種不同成像程式來(lái)說(shuō)，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(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(lái)的，這種線圈構(gòu)造被普遍應(yīng)用在以電磁線圈來(lái)生成矢量或矢量梯度的場(chǎng)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(duì)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(duì)工作，被稱(chēng)為X軸線圈對(duì)，線圈902和904是另兩個(gè)成對(duì)工作的線圈，被稱(chēng)為Y軸線圈對(duì)，而線圈905、906是第三對(duì)成對(duì)工作的線圈，被稱(chēng)為Z軸線圈對(duì)。
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(jiǎn)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V923。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(duì)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(duì)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(duì)線圈905、906。由圖可見(jiàn)，每一對(duì)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(lái)替代圖1的構(gòu)造接受來(lái)自游戲桿900的輸入指令信號(hào)。當(dāng)操作者通過(guò)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(duì)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(lái)自游戲桿900的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對(duì)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V923表示的來(lái)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(duì)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(jiǎn)化，這里，將來(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)使用圖13H所示原理，使各線圈的非對(duì)稱(chēng)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(chǎng)傳感器和溫度傳感器對(duì)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(chǎng)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(duì)。這些配對(duì)結(jié)合在圖14及下面的表格中都有詳細(xì)描述。這些磁場(chǎng)傳感器-溫度傳感器對(duì)(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(duì)350、351、352和353排列在電磁體132X極面上的各象限內(nèi)。磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器(TS)對(duì)354、355、356和357排列在電磁體138X極面上的各象限內(nèi)。磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器(TS)對(duì)358、359、360和361排列在電磁體132Y極面上的各象限內(nèi)。磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器(TS)對(duì)362、363、364和365排列在電磁體138Y極面上的過(guò)象限內(nèi)。磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器(TS)對(duì)366、367、368和369排列在電磁體132Z極面上的過(guò)象限內(nèi)。磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器(TS)對(duì)370、371、372和373排列在電磁體138Z極面上的過(guò)象限內(nèi)。
圖14所示為如圖13那樣安裝的磁場(chǎng)傳感器及溫度傳感器的配對(duì)情況。圖中，磁場(chǎng)傳感器和溫度傳感器都被安排為等溫的對(duì)，各個(gè)對(duì)互相聯(lián)合發(fā)揮作用。磁場(chǎng)傳感器的功能是測(cè)量實(shí)際頂端377在選定測(cè)量時(shí)段中的位置。該選定測(cè)量時(shí)段分別由XCA 305、YCA 310、ZCA 315中的微控制器102X、102Y、102Z來(lái)控制。在該選定時(shí)段中，電磁體132X、132Y、132Z和138X、138Y、138Z都沒(méi)有勵(lì)磁。之所以選定這樣的時(shí)段來(lái)進(jìn)行測(cè)量，是為了使電磁場(chǎng)傳感器陣列307、308、312、313、317、318能夠進(jìn)行準(zhǔn)確而靈敏的測(cè)量。反之，如果測(cè)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(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以探測(cè)出可能使患者不舒適和可能損害周?chē)M織的溫升，并且給出根據(jù)磁場(chǎng)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(duì)如下 磁場(chǎng)傳感器113X和溫度傳感器(TS)122X構(gòu)成對(duì)350。磁場(chǎng)傳感器114X和溫度傳感器(TS)123X構(gòu)成對(duì)351。磁場(chǎng)傳感器115X和溫度傳感器(TS)124X構(gòu)成對(duì)352。磁場(chǎng)傳感器116X和溫度傳感器(TS)125X構(gòu)成對(duì)353。磁場(chǎng)傳感器117X和溫度傳感器(TS)126X構(gòu)成對(duì)354。磁場(chǎng)傳感器118X和溫度傳感器(TS)127X構(gòu)成對(duì)355。磁場(chǎng)傳感器119X和溫度傳感器(TS)128X構(gòu)成對(duì)356。磁場(chǎng)傳感器120X和溫度傳感器(TS)129X構(gòu)成對(duì)357。磁場(chǎng)傳感器113Y和溫度傳感器(TS)122Y構(gòu)成對(duì)358。磁場(chǎng)傳感器114Y和溫度傳感器(TS)123Y構(gòu)成對(duì)359。磁場(chǎng)傳感器115Y和溫度傳感器(TS)124Y構(gòu)成對(duì)360。磁場(chǎng)傳感器116Y和溫度傳感器(TS)125Y構(gòu)成對(duì)361。磁場(chǎng)傳感器117Y和溫度傳感器(TS)126Y構(gòu)成對(duì)362。磁場(chǎng)傳感器118Y和溫度傳感器(TS)127Y構(gòu)成對(duì)363。磁場(chǎng)傳感器119Y和溫度傳感器(TS)128Y構(gòu)成對(duì)364。磁場(chǎng)傳感器120Y和溫度傳感器(TS)129Y構(gòu)成對(duì)365。磁場(chǎng)傳感器113Z和溫度傳感器(TS)122Z構(gòu)成對(duì)366。磁場(chǎng)傳感器114Z和溫度傳感器(TS)123Z構(gòu)成對(duì)367。磁場(chǎng)傳感器115Z和溫度傳感器(TS)124Z構(gòu)成對(duì)368。磁場(chǎng)傳感器116Z和溫度傳感器(TS)125Z構(gòu)成對(duì)369。磁場(chǎng)傳感器117Z和溫度傳感器126Z構(gòu)成對(duì)370。磁場(chǎng)傳感器118Z和溫度傳感器(TS)127Z構(gòu)成對(duì)371。磁場(chǎng)傳感器119Z和溫度傳感器(TS)128Z構(gòu)成對(duì)372。磁場(chǎng)傳感器120ZX和溫度傳感器(TS)129Z構(gòu)成對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程都是手工操作的并主要依賴手工技巧來(lái)操縱導(dǎo)管通過(guò)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(lái)應(yīng)付，于是，便制造出過(guò)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(guò)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(guò)程的，于是，對(duì)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(guò)對(duì)一個(gè)虛擬頂端405的操作，來(lái)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(guò)手工將實(shí)際導(dǎo)管頂端377推進(jìn)通過(guò)患者體腔過(guò)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(lái)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(shuō)，磁性導(dǎo)管和導(dǎo)向線組件375、379具有很大的適應(yīng)性來(lái)通過(guò)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(duì)較大地響應(yīng)頂端381，得以準(zhǔn)確地繞過(guò)劇烈彎曲段而被導(dǎo)引通過(guò)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(cè)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(cè)方式。該檢測(cè)方式通過(guò)發(fā)射一種超聲信號(hào)刺激兩個(gè)壓電環(huán)，以測(cè)量導(dǎo)管頂端相對(duì)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(zhuān)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(duì)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(jiàn)，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(duì)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(pán)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(mén)架的位置信息，用來(lái)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(lái)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(duì)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(wàn)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(guò)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(shù)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(guò)通信控制器320來(lái)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(duì)于該框架的位置。這種方法利用一個(gè)近似的立方體來(lái)形成基準(zhǔn)標(biāo)記。
下面提供的方法用來(lái)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(duì)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(lái)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(duì)立體框架的位置。另外，通過(guò)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(lái)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(duì)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(jiàn)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(lái)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(cè)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(duì)患者施加電沖擊。這些電極都可通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(guò)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(cè)試程序執(zhí)行一系列自我診斷測(cè)試。另外，一些測(cè)試項(xiàng)目將在背景里連續(xù)進(jìn)行，所述背景測(cè)試項(xiàng)目比如包括直流電源的電壓及電流監(jiān)測(cè)，交流電壓及電流監(jiān)測(cè)，以及通信聯(lián)系測(cè)試。這些背景測(cè)試以對(duì)于操作者透明的方式和系統(tǒng)的正常功能交叉進(jìn)行。
測(cè)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(cè)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(duì)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(lái)斷開(kāi)電源。如果所存在的問(wèn)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(cè)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(cè)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)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?？梢杂媒o定大小及方向的矢量B600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Bx601是矢量B600在X軸上的投影，矢量By602是矢量B600在Y軸上的投影，矢量Bz603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(chǎng)產(chǎn)生的合力矢量B600的大小為 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(guò)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(lái)自磁場(chǎng)傳感器陣列307、308、312、313、317和318并且經(jīng)過(guò)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(lái)自VT/CFC303的輸出。微控制器33對(duì)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(chǎng)。這樣，便分別由X軸、Y軸及Z軸方向上的磁通量來(lái)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(shuō)明系統(tǒng)控制器302來(lái)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(zhǎng)度，等于aS和aN之間的距離(見(jiàn)圖18A)。
XD——同軸的相對(duì)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(jiàn)圖19中的標(biāo)號(hào)616)。
-x1、-x2、-x3、-x4——分別表示MFS和TS對(duì)354、355、356、357(見(jiàn)圖13及19A)。
d——各個(gè)相鄰MFS/TS對(duì)之間的距離，亦即MFS/TS對(duì)354和MFS/TS對(duì)355之間的距離，以及MFS/TS對(duì)355和MFS/TS對(duì)356之間的距離等(參見(jiàn)圖19A)。。
x1、x2、x3、x4——分別表示MFS和TS對(duì)350、351、352、353(參見(jiàn)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(chǎng)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B600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α 604、β 605和δ 606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(chǎng)傳感器(MFS)檢測(cè)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(chǎng)傳感器307、308、312、313、317、318檢測(cè)并由XCA 305、YCA 310、ZCA315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、β 609B和δ 609C相應(yīng)為矢量An609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(duì)于X軸的角度θx613及其相對(duì)于Y軸的角度θy614得以被確定。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(lái)根據(jù)磁場(chǎng)傳感器陣列307、308、312、313、317、318的檢測(cè)數(shù)據(jù)確定實(shí)際導(dǎo)管頂端377的位置aN。下面將說(shuō)明這種計(jì)算。
圖19表示電磁體的相對(duì)兩個(gè)磁極和極面間的距離XD 616。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，可將這個(gè)距離XD用于所作的計(jì)算中。下面將說(shuō)明這樣的計(jì)算。
圖19A表示兩個(gè)鄰近的X軸磁場(chǎng)傳感器之間，亦就是磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器-X3及-X4。磁場(chǎng)傳感器-X1、-X2、-X3及-X4分別對(duì)應(yīng)于MFS和溫度傳感器對(duì)354、355、356和357，而磁場(chǎng)傳感器X1、X2、X3及X4分別對(duì)應(yīng)于MFS和溫度傳感器對(duì)350、351、352和353。
圖20表示所述系統(tǒng)根據(jù)磁場(chǎng)傳感器X1、X2、X3及X4測(cè)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(guò)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(guò)程將顯得更為清楚。
圖20A進(jìn)一步示出根據(jù)來(lái)自磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器X1、X2、X3及X4測(cè)定實(shí)際導(dǎo)管頂端377的測(cè)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(chǎng)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(shuō)明這種推得的過(guò)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(zhǎng)度。
XD——相對(duì)兩極132X及138X之間的距離。
-x1、-x2、-x3、-x4——分別表示MFS和TS對(duì)354、355、356、357。
d——磁場(chǎng)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(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖18C)的距離可以下式計(jì)算 而且，確定矢量AN方向的各個(gè)角度則由下式計(jì)算 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(duì)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(jiàn)圖18C)可表示為 和 其中，投影矢量θxy在X-Y平面上的大小為 同樣，投影矢量θxy關(guān)于X軸和Z軸之間的角度可表示為 和 并且，投影矢量θxy在X-Z平面上的大小為 同樣，投影矢量θxy關(guān)于Y軸和Z軸之間的角度可表示為 和 并且，投影矢量θyz在Y-Z平面上的大小為 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 為了說(shuō)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XCA305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，YCA310及ZCA 315的對(duì)應(yīng)微處理器102y及102z將對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)354到aN607A的測(cè)量距離將稱(chēng)為(-x1)；MFS/TS對(duì)355的測(cè)量距離將稱(chēng)為(-x2)；MFS/TS對(duì)356的測(cè)量距離將稱(chēng)為(-x3)；MFS/TS對(duì)357的測(cè)量距離將稱(chēng)為(-x4)。
同樣，按裝在電磁體132X極面上的各個(gè)MFS/TS對(duì)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(duì)350到aN607A的測(cè)量距離將稱(chēng)為(+x1)；MFS/TS對(duì)351的測(cè)量距離將稱(chēng)為(+x2)；MFS/TS對(duì)352的測(cè)量距離將稱(chēng)為(+x3)；MFS/TS對(duì)353的測(cè)量距離將稱(chēng)為(+x4)。
由于MFS/TS對(duì)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(cè)量到的距離可以經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)綜合用來(lái)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(jiàn)，比如，位置矢量Ax2x3可由下式給出 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 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(duì)于Y軸和Z軸也是相似的。
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 同樣，從極面132x到點(diǎn)aN的距離可確定如下 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(jiàn)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 其中 可對(duì)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(duì)位置。所以，相對(duì)于虛擬原點(diǎn)有 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) 于是，GCI裝置501如下驅(qū)動(dòng)實(shí)施X-Y平面中的旋轉(zhuǎn) 以及如下驅(qū)動(dòng)實(shí)施X-Z平面中的旋轉(zhuǎn) 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(chǎng)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(guò)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(duì)磁場(chǎng)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(lái)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(guò)修正的磁場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)輸入，并插入來(lái)自實(shí)際頂端生成的磁場(chǎng)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B600的大小由下式給出 和 b)力矢量B的方向則由下面三個(gè)角度給出 6.系統(tǒng)控制器(SC)302通過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)預(yù)定值，系統(tǒng)控制器(SC)302便通過(guò)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(jué)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(guò)預(yù)期一段時(shí)間或是經(jīng)過(guò)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(jué)到的觸覺(jué)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(duì)于操作者或外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，虛擬頂端405的操作是相對(duì)較為簡(jiǎn)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，對(duì)操作者發(fā)出觸覺(jué)反饋。于是，外科醫(yī)生在送進(jìn)實(shí)際頂端時(shí)便能感覺(jué)到阻力。當(dāng)操作者的手從虛擬頂端405上松開(kāi)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(lái)自輔助設(shè)備322并通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)心臟和導(dǎo)管頂端377的優(yōu)越的觀測(cè)方法，同時(shí)還顯著地減小了X射線對(duì)患者和工作人員的輻照量。
因此，可以見(jiàn)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(duì)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(lèi)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(guò)曲折的路徑；能夠使導(dǎo)向線或氣囊有力地穿過(guò)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(duì)比度增強(qiáng)劑使用劑量；顯著降低X射線對(duì)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(jué)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(shuō)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(duì)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(guò)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(chǎng)；可以通過(guò)對(duì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的器件進(jìn)行手工調(diào)整完成外磁場(chǎng)的控制；可以通過(guò)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(chǎng)，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(chǎng)；居里溫度處于體溫以下幾度的材料可以用作為磁通量開(kāi)關(guān)，通過(guò)以合適溫度的流體對(duì)該開(kāi)關(guān)進(jìn)行激發(fā)的方式，實(shí)施對(duì)頂端的可選擇性控制；靜電現(xiàn)象可以用來(lái)增強(qiáng)磁效；人工智能可以用來(lái)替代操作者發(fā)出操作指令；專(zhuān)家系統(tǒng)也可以用來(lái)替代或幫助操作者進(jìn)行操作；本裝置也可以用來(lái)孕育(incubate)心臟以外的各種體腔及器官；本裝置也可用在人類(lèi)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(lái)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(shū)來(lái)界定。
權(quán)利要求
1.一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(guò)生成外磁場(chǎng)對(duì)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(guò)測(cè)量所述遠(yuǎn)端的磁場(chǎng)確定所述遠(yuǎn)端的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，還包括隨著所述遠(yuǎn)端移過(guò)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。
3.如權(quán)利要求1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(chǎng)的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，還包括測(cè)量一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器的溫度的步驟，所述磁場(chǎng)傳感器測(cè)量所述遠(yuǎn)端的磁場(chǎng)。
5.如權(quán)利要求1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。
6.如權(quán)利要求5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(guò)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)。
7.如權(quán)利要求1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。
8.如權(quán)利要求7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)。
9.如權(quán)利要求7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(guò)預(yù)定值便產(chǎn)生觸覺(jué)反饋的步驟。
10.如權(quán)利要求1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(lái)自虛擬頂端的位置數(shù)據(jù)相應(yīng)的位置。
11.一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(chǎng)；
控制多個(gè)電磁線圈中的電流，產(chǎn)生所述磁場(chǎng)；以及
測(cè)量所述遠(yuǎn)端的磁場(chǎng)，以定位所述遠(yuǎn)端。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計(jì)算磁場(chǎng)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(chǎng)。
13.如權(quán)利要求11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(chǎng)的步驟。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，還包括測(cè)量一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器的溫度的步驟，所述傳感器用于測(cè)量所述遠(yuǎn)端的磁場(chǎng)。
全文摘要
一種系統(tǒng)，用于探測(cè)、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(jiǎn)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(lèi)似器件。磁性頂端令使用者無(wú)需借助X射線只需分析磁場(chǎng)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(guò)在患者體外加給適宜磁場(chǎng)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(jué)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(chǎng)。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(duì)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官的相對(duì)位置、方向的三維視像。
文檔編號(hào)A61B17/22GK101444424SQ200810174879
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:麥格耐泰克斯公司