專利名稱：用來確定旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的縱向位置和角位置的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來確定在模擬或現(xiàn)實醫(yī)療干預(yù)，特別是經(jīng)皮干預(yù)，期間使用的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的縱向位置和角位置的設(shè)備，和特別是一種使用光學(xué)導(dǎo)航傳感器來測量旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的運(yùn)動的設(shè)備。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種光學(xué)導(dǎo)航傳感器，當(dāng)經(jīng)過圍繞它的靜態(tài)元件，例如一個插入護(hù)套時，該光學(xué)導(dǎo)航傳感器用來間接地跟蹤儀器的表面的運(yùn)動。本發(fā)明還涉及允許插入儀器的辨別或其絕對位置的確定的技術(shù)，并且涉及諸如小直徑金屬絲之類的具體儀器的跟蹤。
背景技術(shù)：
外科模擬器、以及計算機(jī)輔助外科系統(tǒng)和其它用途，要求由用戶操縱的儀器的位置的確定，或者從該確定得益。在微小創(chuàng)傷或經(jīng)皮過程中，在儀器通常穿過諸如套針或護(hù)套之類的插入端口的場合，測量相對于這樣的周圍結(jié)構(gòu)的運(yùn)動可提供由計算機(jī)需要的全部或部分信息，以或者把用戶姿勢的效果施加到模擬模型上，或者指導(dǎo)、幫助或控制正在進(jìn)行的診斷或治療過程。其它系統(tǒng)可能依賴于相同跟蹤裝置，以否則處理來自操縱跟蹤儀器的用戶的輸入，或者分析儀器的運(yùn)動。
儀器跟蹤可基于絕對位置測量，或基于從已知基準(zhǔn)位置開始的連續(xù)運(yùn)動測量。在后一種情況下，建立儀器的絕對位置的裝置必須初始、和最終以規(guī)則間隔補(bǔ)償測量誤差的累積?？山⒔^對位置測量。這樣一種初始基準(zhǔn)位置可通過要求用戶把系統(tǒng)放置在限定狀態(tài)下、通過探測儀器的插入、或通過探測在其表面上的絕對位置標(biāo)記而建立(如由本申請人在WO 02071369 A中公開的那樣)。
現(xiàn)有技術(shù)公開了使用機(jī)械系統(tǒng)來跟蹤儀器、導(dǎo)管、或其它細(xì)長儀器的相對運(yùn)動的裝置，該機(jī)械系統(tǒng)與運(yùn)動儀器相接觸。
一些系統(tǒng)使用由附加到運(yùn)動儀器上的纜索或齒輪直接驅(qū)動的跟蹤輪或類似機(jī)構(gòu)。這允許儀器的運(yùn)動的可靠測量，但典型地要求運(yùn)動儀器附加到跟蹤裝置上，防止用戶從裝置容易和完全地退出儀器。
在US 3304434中和在US 6038488中，公開了一種裝置，其中球形物體或球與被跟蹤表面直接接觸。由摩擦力驅(qū)動，球滾動到位，以跟隨下面的表面的運(yùn)動。球本身的運(yùn)動然后由兩個線性運(yùn)動編碼器測量，該編碼器由與球切線嚙合的、處于力傳遞接觸中的一對軸驅(qū)動。每根軸然后驅(qū)動編碼輪，該編碼輪報告沿軸線的運(yùn)動，提供每個運(yùn)動軸線的跟蹤。
這種手段的缺陷包括在被跟蹤儀器上強(qiáng)加的摩擦力和機(jī)構(gòu)的慣性，這兩者都可由操縱被跟蹤儀器的用戶感覺到。而且，由儀器的運(yùn)動到球形物體的不可靠傳遞所引起的滑移問題可降低系統(tǒng)的精度?；趶椈傻臋C(jī)構(gòu)典型地用來把小球保持到位，并且進(jìn)一步增加摩擦力。
其它導(dǎo)管跟蹤裝置，如在EP 0970714 A中描述的那樣，依賴于用來把導(dǎo)管保持在一對相對夾緊輪之間的運(yùn)載組件。運(yùn)載組件轉(zhuǎn)動，以使所述導(dǎo)管繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動，并且夾緊輪轉(zhuǎn)動，以使物體軸向平移。然而，這種機(jī)構(gòu)的慣性明顯干擾導(dǎo)管的自由運(yùn)動。
在US 6267599中公開的另一個發(fā)明中，包括轉(zhuǎn)動傳感器的構(gòu)架組件安裝在平行導(dǎo)軌上。機(jī)動系統(tǒng)保證這種組件跟隨插入儀器的末端的運(yùn)動。伺服馬達(dá)和力傳感器用來補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力和慣性。同樣，這樣的系統(tǒng)未能消除可感覺的和干擾觸覺的人為產(chǎn)物。
US 6323837公開了另一種用來跟蹤在外科手術(shù)的模擬中使用的桿或?qū)Ч艿慕俏恢玫臏y量方法。為了測量儀器的運(yùn)動，它使用兩個獨(dú)立和正交的界面，包括驅(qū)動編碼輪的運(yùn)動的驅(qū)動輪-該編碼輪優(yōu)選地是具有作為換能器的光學(xué)編碼器的黑編碼輪以檢測其轉(zhuǎn)動。這種手段的問題是，用來驅(qū)動每個界面的相同摩擦力產(chǎn)生對于儀器在另一個、正交方向上的運(yùn)動的阻力。
另一種手段是使用儀器的表面緊密柵格狀或加條紋標(biāo)記，如在WO 9810387中描述的那樣。其中公開的裝置允許儀器運(yùn)動的無接觸讀取，但只能跟蹤專門指定的表面。被跟蹤表面必須覆蓋有緊密加條紋或柵格狀圖案，以允許運(yùn)動探測。這增加制造成本，并且限制儀器的類型和可跟蹤的表面。表面涂層也常常是脆弱的污點(diǎn)或劃痕可能干擾跟蹤。此外，也限制借助于這樣一種系統(tǒng)可得到的分辨率。
因此，仍然需要一種能夠進(jìn)行儀器的縱向位置和旋轉(zhuǎn)或角位置的精確測量而不通過過大摩擦力或慣性干擾儀器的操縱的緊湊裝置。
基于圖像捕獲和分析的光學(xué)跟蹤裝置，稱作光學(xué)導(dǎo)航傳感器，最近已經(jīng)介紹。它們主要被開發(fā)成改進(jìn)計算機(jī)鼠標(biāo)的可靠性和性能(US5578813、US 5644139、US 6256016、US 6281882)。不像要求下面的表面的特殊處理或構(gòu)造的以前技術(shù)(US 4409479)，這些光學(xué)導(dǎo)航傳感器捕獲運(yùn)動表面的連續(xù)圖像，并且把每個新獲得的圖像與以前圖像的平移拷貝相匹配。這允許傳感器分析和精確地測量附近表面的運(yùn)動而不要求任何物理接觸，因而允許跟蹤幾乎任何類型的表面。
這些傳感器具體地用來測量在平坦平面中沿兩個正交線性軸線的裝置的位移，如在計算機(jī)鼠標(biāo)中發(fā)生的那樣。也已經(jīng)公開了不同構(gòu)造的這些傳感器的使用，例如跟蹤用戶手指沿兩個正交軸線的運(yùn)動(US 6057540)、作為表面圖像掃描裝置的部分(US 5994710)、或者在條碼讀取儀器中(US 6585158)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種由光學(xué)跟蹤裝置來可靠地探測旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的運(yùn)動的設(shè)備。
按照本發(fā)明，借助于按照權(quán)利要求1中描述的一種設(shè)備，使用間接跟蹤旋轉(zhuǎn)對稱儀器的縱向運(yùn)動和繞其縱向軸線的轉(zhuǎn)動的光學(xué)導(dǎo)航傳感器，滿足設(shè)置的目的。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的、在跟蹤與設(shè)備牢固地保持運(yùn)動傳遞接觸的小和輕重量球形物體的表面時包括的特征，允許使用間接測量的低摩擦和低慣性位置確定。
與直接跟蹤儀器表面的設(shè)備相比，這種設(shè)備可有效地跟蹤變化范圍更大的表面材料，包括暗的、發(fā)光的、或透明的表面；以及非常小直徑的儀器。與測量與儀器保持運(yùn)動傳遞接觸的球形物體的轉(zhuǎn)動的其它設(shè)備相比，本發(fā)明依賴于通過使用跟蹤和使用無接觸手段靠壓儀器的小球形物體而使摩擦力和慣性最小的手段。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另外優(yōu)選實施例公開在從屬權(quán)利要求中。
一種借助于計算機(jī)用來對接旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的運(yùn)動的設(shè)備包括允許兩個自由度的支撐、和光學(xué)導(dǎo)航傳感器。當(dāng)軸與支撐嚙合時，它在保持與運(yùn)動傳遞小球相接觸的同時，能以兩個自由度運(yùn)動，其中光學(xué)導(dǎo)航傳感器通過小球檢測每個自由度。光學(xué)導(dǎo)航傳感器提供設(shè)備的組合縱向和旋轉(zhuǎn)位移的同時跟蹤。
與設(shè)備或儀器處于運(yùn)動傳遞接觸的中間球，插入在被跟蹤物體與光學(xué)導(dǎo)航傳感器之間以減輕后者的限制，即當(dāng)儀器相對于由傳感器捕獲的圖像的尺寸過小時，或當(dāng)儀器的表面性質(zhì)(如過大亮度或高度光吸收)與足夠質(zhì)量的圖像捕獲不可比時。
本發(fā)明增強(qiáng)運(yùn)動過周圍結(jié)構(gòu)-該周圍結(jié)構(gòu)可以是諸如套針或護(hù)套之類的專用插入端口、或用作用于位置測量的基準(zhǔn)的另一個周圍件，的旋轉(zhuǎn)對稱儀器的跟蹤。
盡管不是完全沒有接觸，但這樣一種設(shè)備產(chǎn)生非常低的摩擦力和慣性。
此后，通過球形物體進(jìn)入或退出光學(xué)導(dǎo)航傳感器的圖像聚焦區(qū)域的位移，可探測插入儀器的存在或不存在。
本公開的另一個目的是，描述從由光學(xué)導(dǎo)航傳感器捕獲的圖像的處理得到的信息如何可用作建立儀器的絕對縱向和旋轉(zhuǎn)位置的設(shè)備通過探測在跟蹤裝置內(nèi)儀器的存在或不存在、或根據(jù)本發(fā)明的另外實施例通過探測在儀器的表面上的光學(xué)標(biāo)記。另外，表面標(biāo)記的探測可用來辨別儀器。本發(fā)明的另一個目的因此是，提供容易識別模擬儀器的存在和/或確定存在模擬儀器的種類和/或其在跟蹤裝置內(nèi)的絕對/基準(zhǔn)位置的可能性。
本發(fā)明的又一個目的是，提供一種能夠傳送關(guān)于位于外部導(dǎo)管內(nèi)的內(nèi)部導(dǎo)管或柔性元件或儀器的運(yùn)動的信息。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)傳感器的實際布置和在待跟蹤的表面上方的球形物體(“小球”)；圖2表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的、用來改進(jìn)從被跟蹤表面到中間小球的運(yùn)動傳遞的磁鐵的放置；圖3表示小球的位移如何可用來探測插入設(shè)備的存在或不存在，該設(shè)備的表面被跟蹤；圖4表示允許變化直徑的儀器由根據(jù)圖1實施例的設(shè)備跟蹤的機(jī)構(gòu)；圖5表示由用于運(yùn)動跟蹤的光學(xué)導(dǎo)航傳感器捕獲的圖像的例子；及圖6表示呈現(xiàn)沿儀器的表面可見的一系列著色段的儀器的示意圖。
具體實施例方式
圖1表示使用光學(xué)導(dǎo)航傳感器2和球形物體100(下文“小球”)的設(shè)備的示意圖，該球形物體100用來傳送關(guān)于下面的表面點(diǎn)103的運(yùn)動的信息。
儀器保持設(shè)備(未表示)包括用于小球100的軸承(未表示)和開口或透明區(qū)域，通過該開口或透明區(qū)域，諸如光學(xué)導(dǎo)航傳感器2之類的光探測和處理系統(tǒng)可跟蹤在圖像捕獲體積125內(nèi)看到的小球100的中間下面的表面101。
在儀器保持設(shè)備內(nèi)的開口或透明區(qū)域至少與由虛線102定界的成像光學(xué)導(dǎo)航傳感器2的最大視場一樣大。
小球100為了繞所有軸線的自由轉(zhuǎn)動被安裝它借助于微小摩擦力保持到位，從而它本身不能移動，或者可以只允許遠(yuǎn)離光學(xué)傳感器2的運(yùn)動，允許小球100離開中間圖像捕獲區(qū)125。
圖像捕獲體積125在縱向上由光學(xué)元件12所定義的景深和換能器32的相對位置定界。比圖像捕獲體積更靠近傳感器2或離其更遠(yuǎn)的表面將不被照射和適當(dāng)?shù)爻上?。在橫向上，圖像捕獲體積125由在景深內(nèi)的區(qū)域定界，該區(qū)域是由光學(xué)元件12投影到換能器32的光敏區(qū)域上。
儀器保持設(shè)備與光學(xué)導(dǎo)航傳感器2的折射光學(xué)元件12以這樣一種方式相連接，使定位在傳感器下方并且處于與儀器3運(yùn)動傳遞接觸的小球100保持在光學(xué)導(dǎo)航傳感器2的適當(dāng)距離處，從而小球100的表面101保持在用于儀器跟蹤的圖像捕獲的焦點(diǎn)中。
在小球100與待跟蹤的表面之間的運(yùn)動傳遞接觸的點(diǎn)103沿直徑與由光學(xué)傳感器2跟蹤的小球區(qū)域相對。因此，跟蹤表面點(diǎn)103沿軸線110和112的運(yùn)動通過直接接觸傳遞到小球100，并且由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2測量，分別作為沿軸線111和118的相同數(shù)值的位移。
通過使用小球100捕獲下面的物體3的運(yùn)動并且把該運(yùn)動傳遞到光學(xué)傳感器2，測量單元可減輕光學(xué)導(dǎo)航傳感器和光學(xué)元件12的限制。具體地說-導(dǎo)航傳感器可能未能捕獲某些過分光滑、過分發(fā)光、或過分暗(光吸收)表面的有用圖像。小球的表面和織造可選擇成，保證適當(dāng)跟蹤、和來自儀器的表面的適當(dāng)運(yùn)動傳遞，而與該表面的光學(xué)性質(zhì)無關(guān)；-被跟蹤儀器可能具有過分小的直徑，從而它不是大得足以由傳感器適當(dāng)?shù)爻上?，或者它太小而未覆蓋后者的圖像捕獲體積125。有可能的是，通過開發(fā)專門適應(yīng)的光學(xué)元件12、或通過在光學(xué)元件12與下面的表面之間插入一個或多個透鏡，校正這個問題。然而，更成本有效的可能是，使用適當(dāng)直徑的中間小球來捕獲儀器的運(yùn)動并把該運(yùn)動傳送到光學(xué)導(dǎo)航傳感器。
下文將公開本發(fā)明的這個實施例的具體實施和特征。
由傳感器記錄的表面運(yùn)動和儀器的運(yùn)動的對應(yīng)性用箭頭110、112、111、118表示。由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2報告的、標(biāo)有箭頭111和118的表面運(yùn)動軸線分別測量小球的縱向平移和軸向轉(zhuǎn)動。
光學(xué)導(dǎo)航傳感器2包括光源31和光探測和圖像捕獲換能器(transducer)32。光源31能是LED或另一種適當(dāng)?shù)陌l(fā)光元件。換能器32能是光電探測器的適當(dāng)陣列，或例如CCD裝置。光學(xué)導(dǎo)航傳感器2通過把在圖像捕獲體積125中可見的各種特定光學(xué)特征直接成像為象素陣列，光學(xué)地探測運(yùn)動。來自光源31從表面101反射的光聚焦到在光學(xué)導(dǎo)航傳感器2內(nèi)的換能器32上。各個光電探測器或CCD裝置的響應(yīng)被數(shù)字化成適當(dāng)分辨率，并且作為幀存儲到在存儲器陣列內(nèi)的對應(yīng)位置中。圖像捕獲換能器32嵌在芯片內(nèi)，該芯片也包括處理連續(xù)幀和連續(xù)地測量它們的相對位移的處理器。
具有集成圖像處理的二維光學(xué)導(dǎo)航傳感器2可包括幾種現(xiàn)有裝置的一種，如由Agilent Technologies制造的ADNS-2001、ADNS-2030或ADNS-2051?；谝幌盗胁东@圖像的處理的這種傳感器安裝在折射和透鏡系統(tǒng)12后面，該系統(tǒng)12把圖像捕獲柵格聚焦到離傳感器本身一定距離。發(fā)光二極管31布置在附近，以保證在傳感器下面的表面的足夠照明。
圖5表示由用于表面運(yùn)動跟蹤的光學(xué)導(dǎo)航傳感器捕獲的圖像的例子，以表明如何從由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2捕獲的圖像得到信息。
圖像41和42表示由用來跟蹤小球表面的光學(xué)導(dǎo)航傳感器2捕獲的兩個連續(xù)圖像。初始圖像41(左邊)和隨后圖像42(右邊)的比較和匹配允許確定圖像位移的數(shù)值和方向，該圖像位移與被跟蹤表面的位移成比例。
當(dāng)傳感器集成在諸如在本發(fā)明中描述的那些之類的設(shè)備中時，這種運(yùn)動信息可轉(zhuǎn)換成儀器3的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖像位移分離成與儀器3的軸線相平行的縱向分量111、和與前面軸線相正交的橫向分量118，兩者都根據(jù)圖像分辨率和其定標(biāo)而定標(biāo)?？v向分量通過跟蹤裝置直接測量儀器的縱向運(yùn)動；儀器表面的橫向位移通過把它除以儀器的半徑，轉(zhuǎn)換成相對于跟蹤裝置的儀器轉(zhuǎn)動的度量。
圖像43和44表示，當(dāng)在圖像捕獲體積125中表面不可見時取得的圖像43(左邊)、與當(dāng)小球表面已經(jīng)進(jìn)入圖像捕獲體積125視界中時取得的圖像44(右邊)之間可以典型發(fā)現(xiàn)的差別。在圖像的區(qū)域之間的對比度，以可探測的方式增大。在受控和恒定照明下，圖像的光度也典型地增大。圖2和3表明儀器的插入如何可把小球移入和移出圖像捕獲體積125。當(dāng)傳感器依次報告首先與圖像43(＝圖3小球移出，沒有儀器插入)和然后與圖像44(＝圖4小球移入，儀器存在)相似的圖像時，可探測小球的這種位移。
在使用ADNS-2051光學(xué)導(dǎo)航傳感器的本發(fā)明的實施例中，使用由光學(xué)導(dǎo)航傳感器捕獲的圖像的如下性質(zhì)1.由表面散反射的光的強(qiáng)度的測量，a.k.a.圖像的亮度(B)；2.在捕獲圖像不同區(qū)域上的光度的可變性，該光度有些與圖像的對比度(C)相關(guān)。在ADNS-2051上，對比度(C)的測量作為表面質(zhì)量測量是可得到的(SQUAL寄存器)，并且通過把平均象素值除以快門曝光時間(Average_Pixel/Shutter_Lower或Shutter_Upper)，可估計整體圖像亮度(B)。這兩個值的增大指示在圖像44和圖4(儀器插入)中描繪的情形，而減小反映在圖像43和圖3(沒有儀器插入)中描繪的情形。
在這兩種狀態(tài)之間的過渡因此允許在設(shè)備中儀器末端的通過的探測，該末端在進(jìn)入時升起小球，并且在退出時讓它遠(yuǎn)離。當(dāng)這種過渡發(fā)生時，儀器末端的絕對位置是已知的-并且可用作以后由ADNS-2051處理器所報告的位移測量而確定儀器的絕對位置的基準(zhǔn)。
可選擇地，小區(qū)域光學(xué)反射傳感器，如由Agilent Technologies制造的HEDS-1100，可以添加到設(shè)備上，以便以高精度測量在儀器本身的表面上的單點(diǎn)的光度。這樣一種光學(xué)反射傳感器是在一個殼體中包含LED發(fā)射器和匹配IC光電探測器的完全集成模塊。分叉非球形透鏡用來把發(fā)射器和探測器的活性區(qū)域成像到一個單斑點(diǎn)。這種設(shè)備可用來探測在儀器表面上的光學(xué)標(biāo)記，如不同顏色的著色段。
圖6表示由一系列著色的、加陰影或不同織造的段制成的儀器3的示意圖，這些段也可以涂膝或雕刻。當(dāng)測量儀器的運(yùn)動時，分離小區(qū)域光學(xué)反射傳感器可查詢它正在檢測的表面的光度。相異加陰影區(qū)域因此當(dāng)它們在成像光學(xué)導(dǎo)航傳感器2下面通過時被探測，并且每段的長度可在儀器的縱向(在標(biāo)有X軸線的方向21上)運(yùn)動期間被測量。段顏色和長度(例如，黑色-S1、白色-S2、灰色-S3、黑色-S4、白色-S5、灰色-S6及黑色-S7)的結(jié)果圖案可用來編碼信息。這種信息可用作用于每個儀器的獨(dú)特特征，因而當(dāng)它插入時提供自動儀器辨別，或者沿儀器的長度辨別特定區(qū)域。
具體地說，這種信息可用來建立在設(shè)備內(nèi)的被跟蹤儀器的絕對位置，作為在獨(dú)特地由它們的陰影或長度辨別的兩個著色段之間的過渡，被探測。這個絕對位置可用作以后由ADNS-2051所報告的位移測量而確定儀器的絕對位置的基準(zhǔn)。為了實施這樣一種光學(xué)反射傳感器或其方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以考慮于2003年9月22日以本申請人名義提交的EP申請No 03405694(與于2004年9月22日提交的美國申請No 10/946.684相對應(yīng))，并且該申請的教導(dǎo)通過參考包括在這里。
在圖1中，小球100可具有1cm以下的直徑，而插入儀器3的截面可以具有任何直徑，小到零點(diǎn)幾毫米。例如，在醫(yī)學(xué)過程中使用的某些導(dǎo)向絲具有0.3mm的直徑，這比由光學(xué)導(dǎo)航傳感器和通常在市場上找到的光學(xué)元件所成像的區(qū)域小。
因為小球100具有小尺寸和質(zhì)量，所以其慣性保持得非常低，并且傳遞到運(yùn)動設(shè)備上的摩擦力可保持感覺不到。
一個或多個光學(xué)導(dǎo)航傳感器2可用來跟蹤小球100的運(yùn)動，并且可選擇其它傳感器位置，但在與其中小球100與被跟蹤表面相接觸的地方徑向相對的位置中跟蹤小球運(yùn)動對于光學(xué)導(dǎo)航傳感器是最佳的，并且簡化計算。下面的物體3的縱向運(yùn)動(箭頭110表示)轉(zhuǎn)化成小球100的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動111。下面的物體3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(箭頭112表示)轉(zhuǎn)化成小球100的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動118。
圖2表示應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)對稱、小直徑設(shè)備3，如在現(xiàn)實或模擬醫(yī)學(xué)干預(yù)中使用的導(dǎo)管或?qū)蚪z，的跟蹤的、根據(jù)本發(fā)明的圖1的實施例的細(xì)節(jié)。
設(shè)備(在這個視圖中已經(jīng)除去其前半部)的本體120由管狀空腔橫過，通過該管狀空腔，儀器3可插入和自由地運(yùn)動。小球100布置在鉆削在本體內(nèi)、與引導(dǎo)設(shè)備3的所述空腔相垂直的圓柱形井121內(nèi)。顯然，井可以具有適于打算目的的不同形狀，如棱柱形或錐形。
附加到井121的頂部上的光學(xué)導(dǎo)航傳感器2測量小球100的轉(zhuǎn)動。當(dāng)儀器的運(yùn)動驅(qū)動小球100的轉(zhuǎn)動時，由光學(xué)傳感器2測量的表面位移直接與在與小球100的接觸點(diǎn)103處的儀器表面的位移相對應(yīng)(相同數(shù)值，但方向相反)-如在圖1中描述的那樣。
對于可靠跟隨儀器運(yùn)動的小球100，在接觸點(diǎn)103處在小球100與儀器之間的摩擦力要求比在小球100與井121的壁之間的接觸區(qū)122處的摩擦更大。如果設(shè)備被定向成小球100豎直地在導(dǎo)管上方，則重力可單獨(dú)保證小球100隨儀器運(yùn)動。
然而，因為小球100的小質(zhì)量和尺寸，力優(yōu)選地施加在小球100上，以在小球100與運(yùn)動儀器3之間可靠地產(chǎn)生適當(dāng)接觸壓力。在優(yōu)選實施例中，小球100至少部分地由順磁材料制成，并且永久磁鐵或電磁鐵123用來分別被動地、主動地把小球100拉向儀器3。這保證，小球100可靠地跟隨插入儀器3的運(yùn)動，并且設(shè)備可在任何方位起作用，獨(dú)立于重力、并且在小球上沒有任何輔助接觸或摩擦。
這種磁性系統(tǒng)允許盡可能地使跟蹤裝置的摩擦和慣性低。
與圖2相比較的圖3表明設(shè)備如何可探測導(dǎo)管的插入。當(dāng)沒有儀器插入時，如圖3中所示，小球100安置得離光學(xué)傳感器較遠(yuǎn)，由用來把小球100向儀器插入空腔吸引的磁鐵123拉離。
小球100重疊儀器插入空腔124，并且超越嵌在光學(xué)導(dǎo)航傳感器2中的圖像捕獲系統(tǒng)的圖像捕獲體積和焦距125。
圖2表示在儀器3的插入之后的小球的位置插入儀器3已經(jīng)升高小球100，該小球100現(xiàn)在在焦點(diǎn)上以便足夠由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2成像和跟蹤。
再參照圖5，圖像43和44反映分別在圖3中和在圖2中表明的情形下由成像傳感器捕獲的畫面。
如對于圖1和5的實施例解釋的那樣，光學(xué)導(dǎo)航傳感器提供反映由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2捕獲的圖像的清晰度和質(zhì)量的輸出信號。由儀器3的插入(圖2)或退出(圖3)觸發(fā)的小球100的位移，因此可由跟蹤裝置探測和報告。
圖4表示允許各種直徑的儀器3插入在跟蹤裝置內(nèi)的本發(fā)明的實施例。
跟蹤系統(tǒng)呈現(xiàn)在圖2和3中描述的相同元件，但在這個實施例中，儀器插入空腔126包括允許較寬范圍儀器直徑的跟蹤的機(jī)構(gòu)127。空腔126的底部包括活動對中裝置127，該活動對中裝置127借助于比小球100施加在插入儀器3上的壓力稍大的力，把插入儀器3推向光學(xué)傳感器2。在與儀器3的軸線橫交(transverse)的截面上空腔底部126的凹入形狀保證，插入導(dǎo)管除相對于跟蹤小球100升起之外被適當(dāng)?shù)貙χ小?br> 為了允許儀器3的插入，僅當(dāng)系統(tǒng)通過分離裝置(像例如以前所提到的光學(xué)傳感器)探測到已經(jīng)插入儀器3時，對中裝置127可以由主動機(jī)構(gòu)升起?？蛇x擇地，對中裝置127可以由基于彈簧128的機(jī)構(gòu)被動地升起。
通過測量對中裝置127的位置，可確定插入儀器3的直徑。這個直徑值在由光學(xué)設(shè)備測量的橫向位移計算儀器的轉(zhuǎn)動角度時使用。
根據(jù)圖1至4的設(shè)備表示，把與運(yùn)動傳遞小球100的使用相結(jié)合的光學(xué)導(dǎo)航傳感器2應(yīng)用于通過周圍靜態(tài)元件120的儀器運(yùn)動的分析。這個設(shè)備可跟蹤各種剛性或柔性儀器3，包括導(dǎo)管和導(dǎo)向絲，如對于醫(yī)學(xué)干預(yù)、以及在用于訓(xùn)練的模擬過程期間使用的那些。
根據(jù)圖1至4的設(shè)備的關(guān)鍵好處是其跟蹤旋轉(zhuǎn)對稱儀器3的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的能力，該旋轉(zhuǎn)對稱儀器3具有任意直徑、和任意表面質(zhì)量，包括不能由光學(xué)導(dǎo)航傳感器2直接跟蹤的非常細(xì)金屬導(dǎo)向絲。這在保持系統(tǒng)的摩擦和慣性非常低的同時實現(xiàn)，使它們對于操縱插入儀器的用戶幾乎感覺不到。也已經(jīng)證明，通過小球的位移也可確定插入儀器的存在或不存在。
在圖中未表示的、并且提供關(guān)于例如外部導(dǎo)管和在外部導(dǎo)管中提供的內(nèi)部導(dǎo)管的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的信息的另一個實施例，基于這種用途的講授。所述旋轉(zhuǎn)對稱儀器3是透明的第一旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備3。透明度提供在可以通過、跟隨導(dǎo)管3的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、在光學(xué)導(dǎo)航傳感器的附近的所有部分中。在所述第一設(shè)備3內(nèi)是從第一設(shè)備3外側(cè)可看到的第二內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備。因此，提供第二光源和第二圖像捕獲和處理裝置，其中由所述第二光源發(fā)射的光被直接導(dǎo)向在第二旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的外表面上。等效于表面101的表面在這種情況下在內(nèi)部導(dǎo)管上。來自所述表面的反射光由所述第二光探測器探測，以產(chǎn)生表示在縱向方向上和在圓周方向上的局部變化分布的位置信號，以能夠?qū)崿F(xiàn)用于內(nèi)部導(dǎo)管的相對位置和角測量，這樣一種方法與在由本申請人在以前提到的專利申請(EP 03405694)中公開的那些相類似。這個實施例使內(nèi)部導(dǎo)管的較大直徑是必需的，所以所述第二光源的圖像表面具有允許測量的足夠尺寸，即使透明外部設(shè)備也是如此。在這個實施例中，小球100不僅用來允許圖像的放大，而且也提供反射表面，外部導(dǎo)管本身的表面是透明的。
也有可能在設(shè)備的不同縱向位置處提供根據(jù)圖1的兩個或多個設(shè)備。那么優(yōu)選的是，使用連接到兩個傳感器的輸出上的控制單元。以這種方式，可探測和校正在一個導(dǎo)航傳感器處發(fā)生的偶然滑移。比如，系統(tǒng)可依賴于報告最大運(yùn)動的傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用來確定在周圍元件(120)內(nèi)被導(dǎo)向的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的縱向(110)和角(112)位置的設(shè)備，包括至少一個光源(31)，用來發(fā)射光在所述周圍元件內(nèi)；和至少一個光探測和處理系統(tǒng)(2)，用來產(chǎn)生代表所述縱向和角位置的信號，其中，它還包括布置在所述周圍元件(120)內(nèi)并且與所述旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)處于運(yùn)動傳遞接觸的球形物體(100)，其中，所述發(fā)射的光被引向所述球形物體(100)的外表面(101)上，通過該外表面(101)所述發(fā)射的光被反射，所述光探測和處理系統(tǒng)(2)被布置成探測至少部分所述反射光，其中，所述球形物體(100)至少部分地由順磁材料制成，及其中，所述設(shè)備包括輔助裝置(123)，該輔助裝置(123)用來至少在所述球形物體(100)的區(qū)域中產(chǎn)生磁場，以保證在所述球形物體與所述旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)之間的所述運(yùn)動傳遞接觸。
2.一種用來確定在周圍元件(120)內(nèi)被導(dǎo)向的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的縱向(110)和角(112)位置的設(shè)備，包括至少一個光源(31)，用來發(fā)射光在所述周圍元件內(nèi)；和至少一個光探測和處理系統(tǒng)(2)，用來產(chǎn)生代表所述縱向和角位置的信號，其中，它還包括布置在所述周圍元件(120)內(nèi)并且與所述旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)處于運(yùn)動傳遞接觸的球形物體(100)，其中，所述發(fā)射的光被引向所述球形物體(100)的外表面(101)上，通過該外表面(101)所述發(fā)射的光被反射，所述光探測和處理系統(tǒng)(2)被布置成探測至少部分所述反射光，其中，所述設(shè)備還包括限定用于所述光探測和處理系統(tǒng)(2)的圖像捕獲體積(125)的聚焦光學(xué)元件(12)，大體上當(dāng)在所述設(shè)備(3)與所述球形物體(100)之間實現(xiàn)所述接觸時，所述外表面(101)能夠轉(zhuǎn)移到該圖像捕獲體積(125)中，所述光探測和處理系統(tǒng)(2)還布置成能夠探測在與在所述圖像捕獲體積(125)內(nèi)沒有所述外表面(101)相對應(yīng)的第一圖像(43)、與在所述圖像捕獲體積(125)內(nèi)存在所述外表面(101)相對應(yīng)的第二圖像(44)之間的差別。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備還包括限定用于所述光探測和處理系統(tǒng)的圖像捕獲體積(125)的聚焦光學(xué)元件(12)，大體上當(dāng)在所述設(shè)備(3)與所述球形物體(100)之間實現(xiàn)所述接觸時，所述外表面(101)能夠轉(zhuǎn)移到該圖像捕獲體積(125)中，所述光探測和處理系統(tǒng)(2)還布置成能夠探測在與在所述圖像捕獲體積(125)內(nèi)沒有所述外表面(101)相對應(yīng)的第一圖像(43)、與在所述圖像捕獲體積(125)內(nèi)存在所述外表面(101)相對應(yīng)的第二圖像(44)之間的差別。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的設(shè)備，其中，通過在所述圖像捕獲體積(125)內(nèi)捕獲的至少兩個連續(xù)圖像(41、42)的比較，實現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的縱向位置和角位置的所述確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的設(shè)備，其中，它適于確定在實際的或模擬的醫(yī)學(xué)干預(yù)中使用的設(shè)備(3)的縱向位置和角位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的設(shè)備，其中，它還包括直接跟蹤所述設(shè)備(3)的小區(qū)域的至少一個輔助光學(xué)傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，它包括基于所述小區(qū)域跟蹤辨別所述設(shè)備(3)的性質(zhì)的計算裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，它包括與隨著時間所述縱向和角位置的所述確定的結(jié)果相結(jié)合、基于所述小區(qū)域跟蹤來辨別所述設(shè)備(3)的性質(zhì)的計算裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的設(shè)備，其中，它包括井(121)，所述球形物體(100)布置在該井(121)內(nèi)，并且在所述球形物體(100)與所述設(shè)備(3)之間實現(xiàn)所述接觸時能夠轉(zhuǎn)移。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的設(shè)備，其中，它還包括容納不同的直徑的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的裝置、探測插入在所述周圍元件(120)內(nèi)的給定旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的直徑的裝置(126、127、128)、及與確定所述旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的角位置的所述光探測和處理系統(tǒng)(2)的信號相聯(lián)系來計算所述直徑的計算裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述、用來確定第一透明旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)的縱向位置和角位置的設(shè)備，其中，它包括輔助光源，該輔助光源用來發(fā)射光在所述周圍元件(120)內(nèi)并在第二內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備的方向上，該發(fā)射的光由該第二內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備反射，所述第二內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備能夠在所述第一透明旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)內(nèi)并且相對于其縱向和角運(yùn)動，該設(shè)備包括輔助光探測和處理系統(tǒng)，以探測所述反射光并且基于所述探測計算所述第二內(nèi)部設(shè)備的縱向位置和角位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來當(dāng)在元件周圍(120)內(nèi)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)備(3)時確定其縱向位置和角位置的設(shè)備。該設(shè)備包括與所述設(shè)備保持運(yùn)動傳遞接觸的小球(100)，并且包括通過比較小球的外表面(101)的連續(xù)圖像(41、42)而測量所述小球的運(yùn)動的成像光學(xué)導(dǎo)航傳感器(2)。在優(yōu)選實施例中，小球由順磁材料制成，并且設(shè)備還包括用來把磁力施加到小球上以保證其與設(shè)備(3)的接觸的裝置(123)。設(shè)備的輔助特征用來辨別設(shè)備在裝置中的插入和退出，因為它們引起小球的位移，因此允許設(shè)備的絕對位置的確定。
文檔編號A61B19/00GK1973183SQ200580013133
公開日2007年5月30日 申請日期2005年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者伊萬·韋切里納, 斯戴芬·貝特里塞, 尤里杰·佐豪特 申請人:希塔克特股份有限公司