本發明整體涉及工具的跟蹤，并具體地涉及改進外科手術中使用的剛性工具的跟蹤。
背景技術：
在外科手術規程中，在該規程中使用的剛性工具的遠側端部，諸如內窺鏡的遠側端部，可通過在工具中固定地結合位置傳感器而被跟蹤。使用這種工具的典型外科手術規程包括調查性ent(耳、鼻和喉)規程。所結合的傳感器可位于工具的遠側端部；另選地，所結合的傳感器可位于遠離遠側端部、朝向該工具的近側端部處。在后一種情況下，由于所結合的傳感器處于固定位置，所以可將對傳感器從遠側端部的位移的補償施加到傳感器的測量位置。
技術實現要素：
本發明的實施方案提供設備，包括：
剛性夾持器，該剛性夾持器被配置成緊固在圓柱形物體周圍；
一對導體，該一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形物體周圍，該位置響應于該圓柱形物體的直徑而變化；和
感測電路，該感測電路被配置成測量電流通過該一對導體的阻抗并響應于該阻抗生成直徑的指示。
在一個公開的實施方案中，剛性夾持器包括一對鉗口，該一對鉗口圍繞公共鉸鏈旋轉以便緊固在圓柱形物體周圍，并且該導體中的每個導體附接到相應的鉗口。
在另一個公開的實施方案中，該設備包括傳感器，該傳感器固定地附接到剛性夾持器，被配置成生成指示夾持器的位置的傳感器信號。
在又一個公開的實施方案中，剛性夾持器包括楔形物，該楔形物被配置成滑動到開放的矩形框架中以便緊固在圓柱形物體周圍，并且該一對導體包括附接到該框架的第一導體和附接到該楔形物的第二導體。通常，第二導體包括一對平行的傳導線，并且第一導體連接該平行的傳導線。
根據本發明的實施方案，還提供了設備，包括：
剛性圓柱形探頭，該剛性圓柱形探頭具有遠側端部；
剛性夾持器，該剛性夾持器被配置成緊固在圓柱形探頭周圍；
傳感器，該傳感器固定地附接到剛性夾持器，被配置成生成指示夾持器的位置的傳感器信號；
一對導體，該一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形探頭周圍，該位置響應于圓柱形內窺鏡的直徑而變化；和
處理器，該處理器被配置成：
測量電流通過該一對導體的阻抗，
響應于該阻抗生成直徑的指示，以及
響應于該直徑的指示和傳感器信號來計算遠側端部的位置的度量。
處理器可被配置成響應于阻抗生成傳感器到探頭的位移的指示，以及響應于該位移的指示來計算遠側端部的位置的度量。
根據本發明的實施方案，還提供了一種方法，包括：
接收對患者的計算機化斷層攝影掃描；
利用被配置成跟蹤接近患者的傳感器的磁跟蹤系統來配準從掃描得到的患者的圖像；
將傳感器固定到剛性夾持器，該剛性夾持器被配置成緊固在具有遠側端部的圓柱形探頭周圍；
將一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時該夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形探頭周圍，該位置響應于該圓柱形探頭的直徑而變化；
測量電流通過該一對導體的阻抗并響應于該阻抗生成直徑的指示；
將遠側端部定位成與患者接觸；
當遠側端部與患者接觸時，響應于直徑的指示，確定表示從傳感器到遠側端部的平移的矢量；以及
當利用磁跟蹤系統跟蹤傳感器時，將該矢量添加到傳感器的位置以確定遠側端部的位置。
在另選的實施方案中，該方法包括響應于阻抗確定從傳感器到圓柱形探頭的位移，以及響應于該位移確定矢量。
在又一個另選的實施方案中，該方法包括確定從遠側端部與患者的接觸點沿著圓柱形探頭的軸線到軸線上接近傳感器的區域的位移，以及響應于該位移確定矢量。
根據本發明的實施方案，還提供了一種方法，包括：
將剛性夾持器緊固在圓柱形物體周圍；
將一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形物體周圍，該位置響應于圓柱形物體的直徑而變化；以及
測量電流通過該一對導體的阻抗以及響應于該阻抗生成直徑的指示。
根據本發明的實施方案，還提供了一種方法，包括：
提供具有遠側端部的剛性圓柱形探頭；
將剛性夾持器緊固在圓柱形探頭周圍；
將傳感器固定地附接到該剛性夾持器，其中該傳感器被配置成生成指示夾持器的位置的傳感器信號；
將一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形探頭周圍，該位置響應于圓柱形內窺鏡的直徑而變化；
測量電流通過該一對導體的阻抗；
響應于該阻抗生成直徑的指示；以及
響應于直徑的指示和傳感器信號來計算遠側端部的位置的度量。
根據本發明的實施方案，還提供了設備，包括：
圓柱形探頭，該圓柱形探頭具有遠側端部；
剛性夾持器，該剛性夾持器被配置成緊固在該圓柱形探頭周圍；
傳感器，該傳感器固定到剛性夾持器，并被配置成通過磁跟蹤系統進行跟蹤；
一對導體，該一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形探頭周圍，該位置響應于圓柱形探頭的直徑而變化；和
處理器，該處理器被配置成：
接收對患者的計算機化斷層攝影掃描，
利用磁跟蹤系統來配準從掃描得到的患者的圖像，
測量電流通過該一對導體的阻抗并響應于該阻抗生成直徑的指示，
當遠側端部與患者接觸時，響應于直徑的指示，確定表示從傳感器到遠側端部的平移的矢量，以及
當利用磁跟蹤系統跟蹤傳感器時，將該矢量添加到傳感器的位置以確定遠側端部的位置。
結合附圖，通過以下對本發明實施方案的詳細說明，將更全面地理解本公開，在附圖中：
附圖說明
圖1為根據本發明的實施方案的鼻竇外科手術系統的示意圖；
圖2為根據本發明的實施方案的該外科手術系統中所使用的磁場輻射組件的示意圖；
圖3a-圖3e為根據本發明的實施方案的該系統中所使用的夾持器的不同視圖；
圖4a-圖4c為根據本發明的另選的實施方案的該系統中所使用的夾持器的不同視圖；
圖5為根據本發明的實施方案的示出與圖3a-圖3e的夾持器相關聯的矢量的示意圖；
圖6為根據本發明的實施方案的在該系統的操作中實施的步驟的流程圖；并且
圖7為根據本發明的實施方案的在該流程圖的實施期間的屏幕的示意圖。
具體實施方式
概述
在外科手術中使用的許多剛性工具不具有固定地結合到工具中的位置傳感器，雖然可通過其他手段諸如熒光透視來跟蹤此類工具，但是這種類型的跟蹤與使用工具上的位置傳感器的跟蹤相比通常較為不便。
本發明的實施方案通過在工具上任何方便的位置處提供附接到工具的傳感器來克服與不具有結合在工具中的傳感器的工具相關聯的問題。傳感器一旦被附接，就自動測量所附接的傳感器從工具的遠側端部的位移，并將該位移結合到所附接的傳感器的讀數中。
在一個實施方案中，將剛性夾持器緊固在圓柱形物體，例如假設為外科手術工具周圍，并且將一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時將夾持器緊固在該工具周圍。接觸是在沿著導體的長度的位置處，該位置響應于工具的直徑而變化。
感測電路測量電流通過該一對導體的阻抗并響應于該阻抗生成直徑的指示。可將位置傳感器附接到夾持器，并且在已知工具的直徑的情況下，可評估傳感器相對于工具的位移并且可在跟蹤該工具的過程中使用該位移。
在另選的實施方案中，接收對患者的計算機化斷層攝影掃描，并且利用被配置成跟蹤接近患者的傳感器的磁跟蹤系統來配準從掃描得到的患者的圖像。
可將傳感器固定到剛性夾持器，該剛性夾持器被配置成緊固在具有遠側端部的圓柱形探頭周圍。可將一對導體附接到夾持器以便彼此接觸，同時該夾持器在沿著該導體的長度的位置處緊固在圓柱形探頭周圍，該位置響應于圓柱形探頭的直徑而變化。
可測量電流通過該一對導體的阻抗并可響應于該阻抗生成直徑的指示。
可將遠側端部定位成與患者接觸，并且當這樣定位時，可響應于直徑確定表示從傳感器到遠側端部的平移的矢量。
當利用磁跟蹤系統跟蹤傳感器時，可將該矢量添加到傳感器的位置以確定遠側端部的位置。
系統描述
根據本發明的實施方案，現在參考圖1，圖1是鼻竇外科手術系統20的示意圖，并且參考圖2，圖2是該系統中所使用的磁場輻射組件24的示意圖。系統20通常在對患者22的鼻竇進行侵入性和/或調查性規程期間使用。
對于該規程，可將組件24定位在患者的頭部下方，例如通過將組件固定到患者所躺的床25，并且可夾緊患者的頭部使得其不能相對于組件移動。組件24包括五個磁場輻射器26，磁場輻射器26，例如固定在馬蹄形框架中，該框架定位在患者下方使得輻射器圍繞患者22的頭部。輻射器26被配置成將交變磁場輻射到接近組件24并且包括患者22的頭部的區域30中。交變磁場誘發傳感器32(通常為一組三個正交線圈)中的信號，并且可對該信號進行分析以導出傳感器相對于組件24的位置和取向。應當理解，基本上可針對傳感器在區域30內的任何定位來確定傳感器32的位置和取向。
如下文所詳述，傳感器32附連到剛性傳感器保持器36，剛性傳感器保持器36緊固在剛性圓柱形探頭28周圍，使得保持器夾持探頭。傳感器保持器36在本文中也被稱為剛性夾持器36，或者僅稱為夾持器36。確定傳感器的位置和取向，使得能夠跟蹤可插入到患者的鼻竇中的探頭的遠側端部34的位置和取向。夾持器36被配置成連接到具有不同直徑的剛性探頭28，并且必要時，在本文的描述中通過在識別數字28上附加字母來區分具有不同直徑的探頭。
使用磁場輻射器諸如輻射器26的用于跟蹤插入到患者的實體的系統在govari等人的美國專利申請14/792,823中進行描述，該專利申請以引用方式并入本文。此外，由biosensewebster,diamondbar,ca生產的
系統20的元件，包括輻射器26，可由系統處理器40控制，系統處理器40包括與一個或多個存儲器通信的處理單元。通常，元件可通過電纜連接到處理器，例如，輻射器26可通過電纜58連接到處理器40。另選地或除此之外，元件可無線地耦合到處理器。處理器40可安裝在控制臺50中，控制臺50包括操作控制件51，操作控制件51通常包括小鍵盤和/或指向裝置，諸如鼠標或軌跡球。控制臺50還連接到系統20的其他元件，諸如探頭28的近側端部52。醫師54利用操作控制件來與處理器交互，同時執行程序，并且處理器可將系統20產生的結果呈現在屏幕56上。
為清楚起見，從夾持器36通常到探頭28的近側端部52的傳導引線在圖1中未示出，但在其它圖中示出。感測電路53可結合到控制臺50中，該電路耦合到夾持器36的傳導引線并被配置成測量引線之間的阻抗。電路53的功能性的更多細節在下文提供。在一些實施方案中，電路53不位于控制臺50中，而是結合到夾持器36中。這種結合使得夾持器能夠作為獨立的單元起作用。
處理器40使用存儲在處理器的存儲器中的軟件來操作系統20。例如，該軟件可以電子形式通過網絡下載到處理器40，或者另選地或除此之外，該軟件可被提供和/或存儲在非臨時性有形介質，諸如磁存儲器、光學存儲器、或電子存儲器上。
根據本發明的實施方案，圖3a是夾持器36的示意性透視圖，圖3b是緊固在剛性探頭28a的一部分周圍的夾持器的示意性透視圖，圖3c是緊固在剛性探頭28b的一部分周圍的夾持器的示意性透視圖，并且圖3d和3e是夾持器的示意性分解圖。如圖3a、圖3d和圖3e所示，夾持器36包括通過桿61連接的彎曲的雙鉗口區段60，區段60的鉗口中的一個具有平面的傳導表面62，該平面的傳導表面62具有連接到該表面的引線63。夾持器36還包括彎曲的單鉗口區段64，該區段64具有平面的傳導表面66，該平面的傳導表面66具有連接到該表面的引線67。
區段60和64均能夠圍繞桿68旋轉，桿68充當用于該區段的鉸鏈，并且桿68在其遠側端部具有固定到桿的傳感器32，并且在其近側端部被配置成接收鎖緊螺釘70。擰緊鎖緊螺釘將傳感器32固定到夾持器36。此外，當區段60和64朝向彼此旋轉時，傳導表面62和66以流電方式彼此接觸。如上所述，引線63和67可耦合到感測電路53，從而使處理器40能夠記錄兩個接觸表面之間的阻抗。
圖3b示出了在已被配置成緊固在剛性探頭28a的一部分周圍(即，通過旋轉區段60和64以夾持探頭，之后可擰緊鎖緊螺釘70以保持夾持器剛性地附接到探頭)之后的夾持器36。在這種情況下，由于探頭28a的相對大的直徑，在表面62和66之間存在相對小的接觸面積，使得所測量的兩個表面之間的阻抗較大。
圖3c示出了在已被配置成緊固在剛性探頭28b的一部分周圍之后的夾持器36，剛性探頭28b具有比探頭28a更小的直徑。由于探頭28b的直徑較小，一旦夾持器已被擰緊到探頭上的適當位置，在表面62和66之間就存在相對大的接觸面積，使得所測量的兩個表面之間的阻抗較小。
通常，剛性探頭的對稱軸線到傳感器32的距離a取決于探頭的直徑d。在一些實施方案中，區段60和64的鉗口成形為使得在它們夾持探頭28之后，針對探頭的不同直徑d，距離a是基本上相同的。對稱軸線、直徑d和距離a在圖5中示出。
在本發明的實施方案中，處理器40使用感測電路53來執行測量接觸表面62和64的阻抗z以及產生直徑d、距離a和阻抗z之間的對應關系的校準。在一些實施方案中，通過使低頻或dc電流通過接觸表面62和64來測量阻抗z，使得所測量的阻抗實際上是接觸表面的歐姆電阻。
通常，夾持器36能夠接收具有在1mm-10mm范圍內的直徑的剛性探頭28，但在一些實施方案中，保持器36也可接收具有在此范圍之外的直徑的剛性探頭。
根據本發明的另選的實施方案，圖4a是緊固在剛性探頭28a的部分周圍的傳感器保持器136的示意性透視圖，圖4b是緊固在剛性探頭28b的部分周圍的傳感器保持器136的示意性透視圖，并且圖4c是從圖4a和圖4b的視角之外的另選視角來看的保持器的示意性透視圖。
雖然傳感器保持器136在物理上與傳感器保持器36不同，但是它執行類似的功能，例如，緊固在不同直徑的圓柱形探頭周圍，同時固定地夾持傳感器32。因此，在本發明的實施方案中，可使用傳感器保持器136來代替傳感器保持器36，使得對傳感器36(圖3a-圖3e)的操作的描述加以必要的變更適用于傳感器保持器136的操作。傳感器保持器136在本文中也被稱為夾持器136。
夾持器136包括楔形物138，楔形物138通過滑動到框架140中與開放的、大致矩形的框架140配合。楔形物138具有v形上表面142，上表面142的尺寸被設計為接收具有通常在1mm-10mm范圍內的直徑的剛性探頭28，并且傳感器32被固定到該區段的遠側面144中。楔形物138具有與上表面142不平行的下表面146，上表面和下表面從而形成楔形物138。兩條傳導線148、150結合到下表面146中，并且存在來自傳導線148、150的相應傳導引線152、154。
矩形框架140具有與v形表面142平行的上表面160和與下表面146平行的下表面162。如圖4c所示，下表面162還包括導體164，當楔形物138滑動到矩形框架中以夾持剛性探頭時，導體164連接傳導線148和150。
圖4a和圖4b分別示出了緊固在剛性探頭28a的一部分周圍和剛性探頭28b的一部分周圍的夾持器136。在兩種情況下，剛性探頭由矩形框架的上表面160和楔形物的v形表面夾持。一旦剛性探頭已被夾持，就可擰緊鎖緊螺釘168以保持保持器剛性地附接到探頭。
如上所述，導體164連接傳導線148和150。從圖4a和圖4b中可明顯看出，當夾持器136緊固在探頭28a周圍時，所連接的傳導線的總長度大于當夾持器緊固在探頭28b周圍時所連接的線的總體長度。因此，當夾持探頭28a時，由傳導引線152、154之間的感測電路53測量的所連接傳導線的阻抗大于夾持探頭28b時的阻抗。
在本發明的實施方案中，處理器40使用感測電路53來執行校準，該校準生成所連接的傳導線148、150的阻抗z、剛性探頭的直徑d以及剛性探頭的對稱軸線到傳感器32的距離a之間的對應關系。
圖5為根據本發明的實施方案的示出當夾持器36緊固在剛性探頭28a周圍時與夾持器36相關聯的矢量的示意圖。如上所述，一旦夾持器36被緊固以夾持探頭28a，傳感器32就被固定到夾持器。來自傳感器的、響應于來自與傳感器相互作用的輻射器26的磁場而產生的信號用于確定傳感器相對于由輻射器限定的參照系的位置和取向。傳送來自傳感器的信號的導線可連接到探頭28a的近側端部52，并從那里連接到控制臺50。導線在圖5中未示出。
假設傳感器具有傳感器方向200，通常但并不一定是傳感器的內部對稱軸線的方向，并且本文中涉及的取向測量傳感器方向相對于由輻射器26限定的參照系的取向。假設探頭28a具有對稱軸線202。
傳感器32的傳感器方向200在圖5中以箭頭示意性地示出。此外，由于被固定到夾持器36，傳感器32相對于傳感器方向70具有為90°的已知取向θ，即與對稱軸線202正交。因此，存在已知的位移矢量(a,θ)，在本文中也稱為矢量v，對應于從傳感器32到軸線202上的點p的平移，如圖5所示。
如上所述，從傳感器32到對稱軸線的距離a通常取決于探頭28a的直徑d。一旦已經執行了上文提到的在接觸表面62、64的阻抗z、直徑d和距離a之間的校準，處理器40就能夠從所測量的接觸表面的阻抗z計算探頭28a的直徑d和距離a。
假設沿著對稱軸線202所測量的從點p到遠側端部34(也被稱為點q)的距離為距離b。雖然相對于矢量v成90°并且沿著軸線202的q的方向是已知的，但是不同于距離a，當夾持器36被緊固到探頭28a時，距離b(pq)是未知的。然而，如下所述，在系統20的操作中，處理器40能夠計算距離b。
根據本發明的實施方案，圖6為在系統20的操作中實施的步驟的流程圖，并且圖7為在該流程圖的實施期間的屏幕56的示意圖。為清楚起見，在假設夾持器36(圖3a-圖3e)緊固在剛性探頭28a周圍的情況下描述該流程圖，其中夾持器的鉗口未成形為使得對于不同直徑的夾持探頭距離a是相同的。本領域的普通技術人員將能夠加以必要的變更，使本說明書適應鉗口成形為使得距離a相同的實施方案，并且還適應使用夾持器136代替夾持器36的實施方案。
在初始步驟300中，通過計算機化斷層攝影(ct)掃描患者22的頭部，在本文中例如假設為熒光ct，并且由處理器40獲取來自掃描的ct數據。患者22的ct掃描可獨立于流程圖的對應于鼻竇外科手術程序的其余步驟的實施來執行。
另外，處理器40對傳感器保持器36執行上述校準，該校準生成直徑d、距離a和阻抗z之間的對應關系。
通常，步驟300可在規程的下列外科手術步驟之前的數天執行。
在第一規程步驟302中，將輻射組件24安裝在患者22的頭部下方。然后操作輻射器26，并且在配準步驟304中，將輻射器的參照系與受試者頭部的參照系配準。該配準通常是通過本領域中已知的任何方式，例如，通過將磁場傳感器線圈或此類線圈的分組放置在相對于患者的外部特征以及保持輻射器的框架的一個或多個已知的位置和取向中。
在初始顯示步驟306中，處理器40使用在步驟300中接收的ct數據生成患者的外部特征的表示350，在本文中也稱為圖像350。ct數據呈具有hounsfield單位(hu)的體素的形式，并且應當理解，可從體素值和它們的hu值生成患者22的外部特征的圖像350。處理器40將圖像350顯示在屏幕56上，并且圖7示意性地示出屏幕上顯示的圖像。
在操作步驟308中，醫師54將夾持器36緊固到探頭28a，并將夾持器鎖定到適當位置。處理器40使用感測電路53來讀取由一對接觸的傳導表面62和66產生的阻抗。處理器使用在步驟300中獲取的校準并從阻抗的測量值來計算探頭28a的直徑d的值和距離a的值。
一旦夾持器被鎖定在適當位置，在繼續的操作步驟310中，醫師使探頭的遠側端部34與患者的外部特征的選定區域例如在患者鼻子的側面的區域接觸。
必要的遠側端部的定位使夾持器36和其封裝的傳感器32進入區域30(圖1和圖2)中，使得處理器40能夠計算傳感器的位置和取向。一旦處理器已經執行了該計算，處理器通常在屏幕56上接近圖像350的位置處引入表示傳感器方向70的圖標352。根據從傳感器信號確定的傳感器32在圖像350和輻射器26的公共參照系內的位置和取向，圖標352位于并定向在屏幕56上。
由于醫師握持探頭28的事實，醫師知道傳感器32的實際位置和取向。圖標352的位置和取向與傳感器32的實際位置和取向的比較向醫師提供正確操作系統20的確認。
在探頭校準步驟312中，醫師通常通過使用控制器51通知處理器40探頭的遠側端部與患者的外部特征接觸。在接收到通知時，處理器對傳感器32的已知位置執行兩個平移。第一平移對應于矢量v(a,θ)(圖5)，使得處理器將傳感器的位置沿著由θ限定的方向朝向軸線202上的點p(圖5)平移值a。在圖7中繪制出對應于點p的點p'以示出第一平移的終止位置。通常，點p'并不繪制在屏幕56上。
處理器在沿軸線202的方向上從點p執行第二平移。處理器使用圖像350的數據通過以下方式確定第二平移的實際長度：從圖像數據確定沿著軸線202移動的點p與患者22的外表面的會合位置。當圖像數據的hounsfield單位的值有變化時，發生與外表面的會合，并且假設該會合為在軸線202上的點q處。現在已知q距點p為距離b，并且因此第二平移對應于圖5所示出的位移矢量w(b,90)。
應當理解，即使點q的位置的計算使用ct圖像數據，但由于圖像與患者22的實際外部特征配準，點q與患者的實際外部點相對應。
在校準步驟結束時，處理器從屏幕56刪除圖標352，并且將圖標354定位在圖像350的對應于點q的位置處。圖標354的位置和取向與遠側端部34的實際位置和取向的比較向醫師提供了正確完成校準步驟的確認。通常，處理器40根據在步驟308中確定的直徑d來設定圖標354的尺寸。
校準步驟的兩個平移的和v+w是由處理器40存儲的矢量。
在繼續的跟蹤步驟314中，處理器將在步驟312中存儲的矢量添加到傳感器的位置，以便確定遠側端部34的位置。遠側端部的取向對應于軸線202的方向，軸線202的方向也由處理器在跟蹤傳感器的過程中確定。因此，處理器能夠通過確定傳感器32的位置和取向來計算遠側端部34的位置和取向的度量。處理器可將對應于遠側端部的位置和取向的圖標定位在屏幕56上。在一些實施方案中，如果遠側端部在患者22體內，則可使圖標模糊的圖像350的外部特征被呈現為至少部分透明的。
應當理解，上述實施方案以舉例的方式引用，并且本發明并不限于上文已經具體示出并描述的內容。相反，本發明的范圍包括上述各種特征的組合和子組合以及它們的變型和修改，本領域的技術人員在閱讀上述說明時將會想到所述變型和修改，并且所述變型和修改并未在現有技術中公開。