用于將多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種將利用單獨(dú)坐標(biāo)系A(chǔ)和B的兩個(gè)或多個(gè)定位系統(tǒng)8配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的方法，包括在每個(gè)坐標(biāo)系中針對(duì)一個(gè)或多個(gè)參考位置r測量位置信息（Ar和Br）。對(duì)于每個(gè)參考位置，從各個(gè)位置測量（Ar,Br）中建立基準(zhǔn)組。基準(zhǔn)組用于生成映射函數(shù)f，其將相對(duì)于第二坐標(biāo)系B表示的位置測量轉(zhuǎn)換至第一坐標(biāo)系A(chǔ)。映射函數(shù)f被限定為使得對(duì)于每個(gè)參考位置r，f(Br)和Ar之間的距離約為零。每個(gè)定位系統(tǒng)8還可測量各個(gè)固定的參考定位元件的位置信息。共用坐標(biāo)系中這些固定的參考定位元件之間的偏離可用于監(jiān)測、告知和校正諸如偏離和漂移的異常。
【專利說明】用于將多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年4月14日提交的美國專利申請(qǐng)n0.13/087, 203的優(yōu)先權(quán)，其與2007年3月9日提交的美國申請(qǐng)n0.11/715,923 (現(xiàn)在未決)相關(guān)，二者都通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣。
【背景技術(shù)】
[0003]a.摶術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及定位系統(tǒng)，例如那些用于心臟診斷和治療手術(shù)的定位系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及用于將多個(gè)這種系統(tǒng)(例如，基于磁場的系統(tǒng)和基于阻抗的系統(tǒng))的坐標(biāo)系配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的系統(tǒng)和方法。
[0005] b.【背景技術(shù)】
[0006]通常利用定位系統(tǒng)(有時(shí)也稱作“映射系統(tǒng)”、“導(dǎo)航系統(tǒng)”、或“位置反饋系統(tǒng)”)來追蹤患者體內(nèi)移動(dòng)的導(dǎo)管或其它醫(yī)療設(shè)備的三維坐標(biāo)。這些設(shè)備通常利用磁、電、超聲、和其它放射源來確定這些設(shè)備的坐標(biāo)。例如，基于阻抗的定位系統(tǒng)通過將由該醫(yī)療設(shè)備測量的電壓解釋為電場內(nèi)的位置來確定醫(yī)療設(shè)備的坐標(biāo)。
[0007]每個(gè)不同類型的定位系統(tǒng)提供了特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，基于阻抗的定位系統(tǒng)提供了同時(shí)追蹤多個(gè)定位元件的能力，但容易受電場中不均勻性和由于改變阻抗區(qū)域和其它外部因素導(dǎo)致的“漂移”的影響。正如本文所使用的，術(shù)語“漂移”指的是靜態(tài)定位元件，其例如由于患者移動(dòng)、呼吸、電子噪聲、阻抗變化和其它外部因素而表現(xiàn)出移動(dòng)。針對(duì)與不均勻電場和漂移相關(guān)的這些缺點(diǎn)的某些解決方案在2005年9月15日提交的美國申請(qǐng)n0.11/227，580、2007年3月9曰提交的美國申請(qǐng)n0.11/715，919和2011年I月7日提交的美國申請(qǐng)n0.12/986, 409中描述，所有這些申請(qǐng)通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣。
[0008]同樣，基于磁場的系統(tǒng)提供了相比基于阻抗的系統(tǒng)改善的均勻度和更少漂移的優(yōu)勢(shì)。然而，這種系統(tǒng)需要使用特定的傳感器作為定位元件，并且正因如此，其相對(duì)限制了能夠同時(shí)追蹤的定位元件的數(shù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，有益的是開發(fā)一種混合定位系統(tǒng)，其提升了幾個(gè)定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而使其缺點(diǎn)最小化。例如，一種混合的基于磁場和阻抗的定位系統(tǒng)能夠利用基于阻抗的系統(tǒng)同時(shí)追蹤大量定位元件，同時(shí)通過使用基于磁場的系統(tǒng)而使不均勻性和漂移的影響最小化。
[0010]由于每個(gè)定位系統(tǒng)測量各個(gè)定位元件在其各自的定位場內(nèi)相對(duì)于單獨(dú)坐標(biāo)系的位置，然而，如果通過這樣一種混合定位系統(tǒng)在顯示設(shè)備上顯示，同時(shí)出現(xiàn)在真實(shí)空間內(nèi)的定位元件(即，它們基本上占據(jù)相同的物理位置)就不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。因此，還有益的是提供一種精確地將針對(duì)不同定位元件的位置測量轉(zhuǎn)換至共用坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。
[0011]本文披露的是一種將利用單獨(dú)坐標(biāo)系的兩個(gè)或多個(gè)定位系統(tǒng)配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的方法。該方法包括以下步驟:利用具有第一坐標(biāo)系A(chǔ)的第一定位系統(tǒng)測量針對(duì)第一參考位置的位置信息，所測得位置信息為A1 ;利用具有第二坐標(biāo)系B的第二定位系統(tǒng)測量針對(duì)第一參考位置的位置信息，所測得位置信息為B1 ;將分別通過第一和第二定位系統(tǒng)所測得的針對(duì)第一參考位置的位置信息結(jié)合，作為第一基準(zhǔn)組(A1, B1);利用第一定位系統(tǒng)測量針對(duì)第二參考位置的位置信息，所測得位置信息為A2 ;利用第二定位系統(tǒng)測量針對(duì)第二參考位置的位置信息，所測得位置信息為B2 ;將分別通過第一和第二定位系統(tǒng)所測得的針對(duì)第二參考位置的位置信息結(jié)合，作為第二基準(zhǔn)組(A2，B2);利用至少第一基準(zhǔn)組(A1, B1)和第二基準(zhǔn)組(A2，B2)生成映射函數(shù)f，其將利用第二定位系統(tǒng)所作出的相對(duì)于第二坐標(biāo)系B的位置測量轉(zhuǎn)換至第一坐標(biāo)系A(chǔ)，其中映射函數(shù)f定義為使得針對(duì)任一參考位置r，利用第一和第二定位系統(tǒng)測得的位置信息分別作為I和B” f(Br)與4之間的距離約為O。優(yōu)選地，f(Br)與4之間的距離小于約2mm。第一和第二定位系統(tǒng)能夠分別為基于磁場和基于阻抗的定位系統(tǒng)。
[0012]在一些方面，映射函數(shù)f采用非線性配準(zhǔn)算法。合適的非線性配準(zhǔn)算法包括薄板樣條函數(shù)算法和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法。
[0013]本文還公開了一種測量針對(duì)患者體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的位置信息的方法，包括以下步驟:利用具有第一坐標(biāo)系A(chǔ)的第一定位系統(tǒng)建立第一定位場；利用具有第二坐標(biāo)系B的第二定位系統(tǒng)建立第二定位場；分別利用第一定位系統(tǒng)和第二定位系統(tǒng)測量多個(gè)參考位置r相對(duì)于第一和第二坐標(biāo)系的位置信息；將針對(duì)多個(gè)參考位置中的每個(gè)位置r測得的位置信息結(jié)合作為多個(gè)基準(zhǔn)組，其中每個(gè)基準(zhǔn)組包括分別利用第一定位系統(tǒng)和第二定位系統(tǒng)測得的針對(duì)單個(gè)參考點(diǎn)r的位置信息，作為(^，;以及利用多個(gè)基準(zhǔn)組生成映射函數(shù)f，以使得針對(duì)每個(gè)參考位置r，f (BJ約等于該方法可選地包括:利用第二定位系統(tǒng)隨著醫(yī)療設(shè)備穿過患者身體的移動(dòng)來測量醫(yī)療設(shè)備相對(duì)于第二坐標(biāo)系的位置信息；以及利用映射函數(shù)f將隨著醫(yī)療設(shè)備穿過患者身體移動(dòng)而測得的醫(yī)療設(shè)備的位置信息轉(zhuǎn)換至第一坐標(biāo)系中。
[0014]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了監(jiān)測、告知、和調(diào)節(jié)或減輕固定參考定位元件的諸如偏離或漂移的各種異常的`方法。因而，該方法可選地包括以下步驟:限定針對(duì)第一定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)第一定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)測得的位置Ra;限定針對(duì)第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有相對(duì)于坐標(biāo)系B測得的位置Rb ;計(jì)算f (Rb);計(jì)算f (Rb)和Ra之間的偏離；以及如果f (Rb)和Ra之間的偏離超過偏離閾值，則告知異常。針對(duì)第一和第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件在真實(shí)空間內(nèi)基本一致(即，它們?cè)谖锢砩弦恢禄蚪咏恢??？梢酝ㄟ^計(jì)算偏移向量和/或生成新的映射函數(shù)f’來減輕異常。
[0015]另一種監(jiān)測異常的方法包括以下步驟:限定第一參考定位元件；限定第二參考定位元件；限定第三參考定位元件；關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測量第一定位元件和第二定位元件的位置信息；關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)和坐標(biāo)系B測量第三參考定位元件的位置信息；利用映射函數(shù)f將關(guān)于坐標(biāo)系B測得的第三參考定位元件的位置信息轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系A(chǔ) ;計(jì)算關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測得的第一參考定位元件的位置信息與以下中至少一個(gè)之間的偏離:關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測得的第二參考定位元件的位置信息、關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測得的第三參考定位元件的位置信息、和轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系A(chǔ)后的第三參考定位元件的位置信息；以及如果所計(jì)算出的偏離中的一個(gè)或多個(gè)超過偏離閾值，則告知異常。[0016]本發(fā)明還提供了一種混合定位系統(tǒng)，包括:基于磁場的定位系統(tǒng)，其關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測量定位元件的位置；基于阻抗的定位系統(tǒng)，其關(guān)于坐標(biāo)系B測量定位元件的位置；醫(yī)療設(shè)備，包括多個(gè)定位元件，多個(gè)定位元件包括能由基于阻抗的定位系統(tǒng)檢測的至少一個(gè)定位元件和能由基于磁場的定位系統(tǒng)檢測的至少一個(gè)定位元件；至少一個(gè)處理器，其被配置為在坐標(biāo)系A(chǔ)中通過應(yīng)用非線性映射函數(shù)f來表示由基于阻抗的定位系統(tǒng)關(guān)于坐標(biāo)系B測得的定位元件的位置。可選地，該混合定位系統(tǒng)還包括:針對(duì)基于磁場的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)基于磁場的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測得的位置Ra ;針對(duì)基于阻抗的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)基于阻抗的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有關(guān)于坐標(biāo)系B測得的位置Rb ；以及至少一個(gè)處理器，其被配置為監(jiān)測Ra與f (Rb)之間的偏離，并且當(dāng)該偏離超過偏離閾值時(shí)告知異常。
[0017]通過閱讀以下說明書和權(quán)利要求書，以及查看附圖，本發(fā)明的前述以及其它方面、特征、細(xì)節(jié)、用途、和優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是例如可用于電生理研究的混合定位系統(tǒng)的示意圖。
[0019]圖2示出了用于電生理研究的示例性導(dǎo)管。
[0020]圖3示出了三個(gè)參考點(diǎn)(例如基準(zhǔn)點(diǎn))相對(duì)于兩個(gè)不同的坐標(biāo)系所測得的位置信息，以及存在于坐標(biāo)系之一中的不均勻性。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明提供 了一種用于將不同的坐標(biāo)系配準(zhǔn)至單個(gè)、共用坐標(biāo)系的混合定位系統(tǒng)和方法。為了示意性的目的，本發(fā)明將在混合定位系統(tǒng)的情境下進(jìn)行詳細(xì)描述，其包括基于磁場的定位系統(tǒng)和基于阻抗的定位系統(tǒng)。
[0022]下面所述的用于混合定位系統(tǒng)的每個(gè)定位系統(tǒng)(例如，基于磁場的定位系統(tǒng)和基于阻抗的定位系統(tǒng))將具有單獨(dú)的坐標(biāo)系，在其中它表達(dá)位置信息。為了示意性的目的，基于磁場的系統(tǒng)的坐標(biāo)系將稱為坐標(biāo)系A(chǔ)，而基于阻抗的系統(tǒng)的坐標(biāo)系將稱為坐標(biāo)系B。通常，這些坐標(biāo)系將位置信息表達(dá)為笛卡爾坐標(biāo)，然而諸如極坐標(biāo)、球面坐標(biāo)、柱坐標(biāo)的其它坐標(biāo)系也是可以預(yù)期的，也可使用多個(gè)坐標(biāo)系(例如，笛卡爾坐標(biāo)和極坐標(biāo))。
[0023]雖然本發(fā)明將結(jié)合心臟手術(shù)進(jìn)行描述，并且更具體地結(jié)合在心腔內(nèi)執(zhí)行的手術(shù)，但能夠預(yù)期的是，本發(fā)明可在其他情境下實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，例如追蹤患者腦中用于神經(jīng)刺激傳導(dǎo)定位的設(shè)備。此外，雖然本發(fā)明將通常以三維且關(guān)于兩個(gè)定位系統(tǒng)來描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解如何將本文披露的原理應(yīng)用于任意數(shù)量的維度以及用于任意數(shù)量的定位系統(tǒng)。因而，此處用于描述本發(fā)明的示意性實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)理解為非限制性的。
[0024]圖1示出了用于通過在患者11的心臟10 (為簡單起見，示為一個(gè)橢圓)中導(dǎo)航心臟導(dǎo)管和測量所發(fā)生的電活動(dòng)以及三維映射電活動(dòng)和/或與這樣測量的電活動(dòng)相關(guān)或代表這樣測量的電活動(dòng)的信息來實(shí)施心臟電生理研究的混合定位系統(tǒng)8的示意圖。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到的，混合定位系統(tǒng)8通常在三維空間內(nèi)確定目標(biāo)位置(在某些方面，還有方向)，并將這些位置表達(dá)為相對(duì)于至少一個(gè)參考確定的位置信息。系統(tǒng)8還能夠用于在沿心臟表面的多個(gè)點(diǎn)上測量電生理數(shù)據(jù)，并且針對(duì)進(jìn)行電生理數(shù)據(jù)測量的每個(gè)測量點(diǎn)，存儲(chǔ)與位置信息相關(guān)聯(lián)的測量數(shù)據(jù)，例如用于創(chuàng)建患者心臟10的診斷數(shù)據(jù)圖。
[0025]混合定位系統(tǒng)8包括兩個(gè)定位系統(tǒng):基于阻抗的定位系統(tǒng)和基于磁場的定位系統(tǒng)。普通技術(shù)人員將很容易地理解這種定位系統(tǒng)的基本操作。因而，這里將僅僅解釋到理解本發(fā)明所必須的程度。
[0026]一般而言并如圖1所示，諸如基于阻抗或基于磁場的定位系統(tǒng)的定位系統(tǒng)包括多個(gè)定位場發(fā)生器(例如，12、14、16、18、19和22)，其分別產(chǎn)生橫穿患者身體的電場或磁場。這些定位場發(fā)生器可施加至患者(內(nèi)部和/或外部)或固定至外部設(shè)備，其限定了三個(gè)基本正交軸,此處稱為X軸、y軸和z軸。
[0027]圖1示出了耦接至電流源和磁源的定位場發(fā)生器12、14、16、18、19和22。應(yīng)當(dāng)理解的是，這一表達(dá)是為了簡單示意。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠理解，每個(gè)定位場發(fā)生器將僅耦接至適于作為一部分的部件定位系統(tǒng)的源(例如，基于阻抗的定位場發(fā)生器將耦接至電流源，而基于磁場的定位場發(fā)生器將耦接至磁源)。
[0028]為了本發(fā)明的目的，諸如導(dǎo)管13的一種示例性醫(yī)療設(shè)備示于圖2中。在圖2中，導(dǎo)管13示為延伸進(jìn)入患者心臟10的左心室50。導(dǎo)管13包括沿其長度間隔開的多個(gè)定位元件(例如，17、52、54和56)。正如本文所使用的，術(shù)語“定位元件”通常指的是能夠通過該系統(tǒng)測量它們?cè)诙ㄎ粓鰞?nèi)位置的任意元件(例如，用于基于阻抗的系統(tǒng)的電極和用于基于磁場的系統(tǒng)的磁傳感器)。
[0029]由于每個(gè)定位元件位于定位場內(nèi)，可針對(duì)每個(gè)定位元件同時(shí)采集位置數(shù)據(jù)。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠理解，基于阻抗的定位系統(tǒng)能夠同時(shí)采集的定位元件的數(shù)量比基于磁場的定位系統(tǒng)要多得多。
[0030]對(duì)于基于阻抗的定位系統(tǒng)，參考電極21 (例如，“腹部貼片”)能夠用作參考電極和/或接地電極。可替換地，固定心內(nèi)電極31可用作參考電極。該可選的固定參考電極31在圖1中示為承載在第二導(dǎo)管29上，其能`夠附接至心臟10的壁或錨固在冠狀靜脈竇內(nèi)，以使得它是靜態(tài)的或者布置為與定位元件為固定空間關(guān)系。因而，參考電極31可以被描述為“導(dǎo)航參考”、“定位參考”、或“固定參考”。事實(shí)上，在很多情況下，固定參考電極31限定了基于阻抗的定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系(例如，坐標(biāo)系B)的原點(diǎn)。
[0031]基于磁場的定位系統(tǒng)通常包括類似于固定參考電極31的元件，以限定基于磁場的定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系(例如，坐標(biāo)系A(chǔ))的原點(diǎn)。也就是說，基于磁場的定位系統(tǒng)通常包括其自己的固定參考，定位元件17、52、54和56的位置相對(duì)于該固定參考來測量。這樣的參考同樣可以處于固定的內(nèi)部或外部位置。同樣地，多個(gè)參考可用于相同或不同的目的(例如，用于校正呼吸、患者移位、或系統(tǒng)移位等等)。當(dāng)然，基于阻抗和/或基于磁場的定位系統(tǒng)也可包括其它固定參考。
[0032]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，混合定位系統(tǒng)8中基于阻抗的部件是St.JudeMedical, Atrial Fibrillation Division 公司的 EnSite NavX? 導(dǎo)航和可視化系統(tǒng)。合適的基于磁場的定位系統(tǒng)包括St.Jude Medical, Atrial Fibrillation Division公司的MediGuide醫(yī)療定位系統(tǒng)(mGPS?)、Biosense Webster公司的CARTO導(dǎo)航和定位系統(tǒng)以及Northern Digital 公司的 AU RORA⑧系統(tǒng)。
[0033]計(jì)算機(jī)可以控制混合定位系統(tǒng)8和/或執(zhí)行指令以實(shí)現(xiàn)此處描述的本發(fā)明的各個(gè)方面，其可包括常規(guī)通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、分布式計(jì)算機(jī)、或其它任何類型的計(jì)算機(jī)，并且其可包括一個(gè)或多個(gè)處理器，例如單個(gè)中央處理單元(CPU)、或多個(gè)處理單元，通常稱為并行處理環(huán)境。
[0034]正如本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的，由混合定位系統(tǒng)8的各部件所測量的位置信息對(duì)于該定位系統(tǒng)而言是針對(duì)特定環(huán)境的。換句話說，利用混合定位系統(tǒng)8的基于磁場的定位部件所進(jìn)行的測量關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)來表達(dá)，而利用混合定位系統(tǒng)8的基于阻抗的定位部件所進(jìn)行的測量則關(guān)于坐標(biāo)系B來表達(dá)。
[0035]這在圖3中(以二維)示出。圖3示出了針對(duì)坐標(biāo)系A(chǔ)的坐標(biāo)軸Xa和Ya (與基于磁場的定位系統(tǒng)相關(guān)聯(lián))以及針對(duì)坐標(biāo)系B的坐標(biāo)軸Xb和Yb (與基于阻抗的定位系統(tǒng)相關(guān)聯(lián))。坐標(biāo)系A(chǔ)和B的原點(diǎn)仏和Ob彼此偏離。此外，坐標(biāo)系A(chǔ)和B的標(biāo)度不同。坐標(biāo)系A(chǔ)和B也相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)。
[0036]三個(gè)參考位置(如下面進(jìn)一步描述)關(guān)于每個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其在坐標(biāo)系A(chǔ)中為Al、A2和A3，而在坐標(biāo)系B中為B1、B2和B3。如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣，本發(fā)明使坐標(biāo)系B變形以使得這些參考定位的位置一致(B卩，以使得B1、B2和B3的坐標(biāo)在數(shù)字上與Al、A2和A3的坐標(biāo)匹配或接近匹配)。
[0037]當(dāng)然，期望的是由混合定位系統(tǒng)8所進(jìn)行的所有位置測量都相對(duì)于單個(gè)、共用坐標(biāo)系來表達(dá)。這指的是將混合定位系統(tǒng)8的各組件“配準(zhǔn)”至共用坐標(biāo)系。為了解釋的目的，基于磁場的定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系(例如，坐標(biāo)系A(chǔ))將被視為該共用坐標(biāo)系(即，混合定位系統(tǒng)8中的所有其它定位系統(tǒng)將配準(zhǔn)至該共用坐標(biāo)系)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，任何坐標(biāo)系都可用作該共用坐標(biāo)系。
[0038]配準(zhǔn)過程利用參考位置，針對(duì)各個(gè)參考位置利用混合定位系統(tǒng)8的兩個(gè)部件來測量位置信息。例如，操作者可以將導(dǎo)管13導(dǎo)航進(jìn)入心臟10內(nèi)的一系列位置，并且在每個(gè)這樣的參考位置(這里表示為r)，基于磁場的定位系統(tǒng)可以用于測量相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)的位置信息(表示為4)，并且基于阻抗的定位系統(tǒng)可以用于測量相對(duì)于坐標(biāo)系B的位置信息(表示為 Br)。
[0039]參考位置r可以是預(yù)選的(例如，指定的解剖標(biāo)記，例如冠狀靜脈竇或肺靜脈口)或任意的(例如，心臟表面上任一點(diǎn)、患者身體上任一點(diǎn)、患者手術(shù)臺(tái)上任一點(diǎn)、或者與定位場發(fā)生器具有固定或已知關(guān)系的任一點(diǎn))。類似地，它們可由使用者手動(dòng)識(shí)別(例如，使用者在需要時(shí)“點(diǎn)擊”從而捕獲針對(duì)參考位置的位置信息)或自動(dòng)收集(例如，混合定位系統(tǒng)8周期性或偶爾地捕獲針對(duì)參考位置的位置信息，例如當(dāng)混合定位系統(tǒng)8的各部件的配準(zhǔn)位置以高于預(yù)設(shè)公差偏離時(shí))。
[0040]對(duì)于每個(gè)參考位置r，將關(guān)于混合定位系統(tǒng)8的每個(gè)部件所測量的位置信息結(jié)合為基準(zhǔn)組(A"BJ。優(yōu)選地，至少兩個(gè)這樣的基準(zhǔn)組(例如，(A1, B1)和(A2，B2))用于生成針對(duì)共用坐標(biāo)系的映射函數(shù)，表示為f。然而，可以預(yù)期的是，單個(gè)基準(zhǔn)組可用于進(jìn)行初始配準(zhǔn)，特別是當(dāng)坐標(biāo)系A(chǔ)和B不相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)(例如，如圖3中所示)。映射函數(shù)f定義為使得將利用基于阻抗的定位系統(tǒng)測量的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至共用坐標(biāo)系。
[0041]當(dāng)然，根據(jù)設(shè)計(jì)或者根據(jù)需求，不同定位元件(例如，用于基于阻抗的定位系統(tǒng)的電極和用于基于磁場的定位系統(tǒng)的磁傳感器)可以不共同位于導(dǎo)管13上。期望的是當(dāng)生成基準(zhǔn)組(A" Br)時(shí)考慮這種偏離。
[0042]考慮這種偏離的一種方法是加入由相鄰定位元件所測量的位置信息。例如，考慮導(dǎo)管13構(gòu)造為使得磁傳感器位于相鄰電極之間的情形，反之亦然(即，定位元件沿導(dǎo)管13的長度交替)。在圖2的情況下，假設(shè)定位元件17和54是電極，而定位元件52和56是磁傳感器。
[0043]為了對(duì)定位元件之間的偏離進(jìn)行調(diào)整，一系列“虛擬電極”可定位在相鄰電極(例如，17和54)之間，以與插入磁傳感器(例如52)的位置一致。該虛擬電極的位置可基于導(dǎo)管13的已知幾何形狀以及電極17和54的測量位置而插入?？梢栽O(shè)想，能夠使用B樣條函數(shù)。基準(zhǔn)組可隨后通過將虛擬電極位置信息和磁傳感器位置信息相結(jié)合而生成。
[0044]優(yōu)選地,映射函數(shù)f定義為使得參考點(diǎn)r從坐標(biāo)系B到坐標(biāo)系A(chǔ)的映射與參考點(diǎn)r在坐標(biāo)系A(chǔ)中實(shí)際測得的位置(例如) 一致或接近一致。從數(shù)學(xué)上來表達(dá)，映射函數(shù)f被定義為使得對(duì)于所有的參考點(diǎn)r，f (Br)-Ar ≈ O。臨床上可接受的誤差(例如，映射函數(shù)中與O的偏差)為約2mm。
[0045]對(duì)于線性和均勻的定位系統(tǒng)，仿射變換(例如平移、旋轉(zhuǎn)和縮放)是合適的，例如其可源于最小均方差擬合(例如，Procrustes公式)的應(yīng)用。這樣的仿射變換需要三個(gè)或更少的基準(zhǔn)組。
[0046]然而，由于許多定位系統(tǒng)一包括基于阻抗的定位系統(tǒng)一都是非線性和不均勻的，仿射變換對(duì)于本發(fā)明并不是所期望的。因此，優(yōu)選地，映射函數(shù)f采用非線性配準(zhǔn)算法在每個(gè)參考位置r處使基于阻抗的定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系局部變形以實(shí)現(xiàn)與基于磁場的定位系統(tǒng)的精確或接近精確的匹配。這樣的非線性配準(zhǔn)算法需要四個(gè)或更多個(gè)基準(zhǔn)組。
[0047]有很多合適的非線性配準(zhǔn)算法用于生成映射函數(shù)f。一種優(yōu)選的算法是薄板樣條函數(shù)算法，其公知地用于將圖像從一種模式(例如，MRI或CT)融合到定位系統(tǒng)(例如，EnSiteNavX?系統(tǒng))中，例如在美國申請(qǐng)n0.11/715,923中有所披露。一般而言，薄板樣條函數(shù)算法包括將固定數(shù)量的加權(quán)基函 數(shù)求和。通常，加權(quán)基函數(shù)的數(shù)量將等于基準(zhǔn)組的數(shù)量。下面的文章進(jìn)一步詳細(xì)描述了薄板樣條函數(shù)算法，其通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣:
[0048]Bookstein，F(xiàn)L Principal Warps:Thin Plate Splines and the Decompositionof Deformations.1EEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence.1989.11:567-585。
[0049]Bookstein，F(xiàn)L Thin-Plate Splines and the Atlas Problem for BiomedicalImages.Proceedings of thel2th International Conference on InformationProcessing in Medical Imaging.July, 1991.[0050]另一種合適的非線性配準(zhǔn)算法是均值坐標(biāo)算法。均值坐標(biāo)算法通常將三維中的單獨(dú)的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為三維中的閉合的三角形表面，稱為“控制網(wǎng)格”。當(dāng)控制網(wǎng)格變形時(shí)，該算法可以計(jì)算通過三維空間的平滑插值函數(shù)，其使最高點(diǎn)和三角形精確變形而不亂推測遠(yuǎn)離控制網(wǎng)格的區(qū)域。下面的文章進(jìn)一步詳細(xì)地描述了均值坐標(biāo)算法:Ju T, Schaefer S，WarrenJ，Mean Value Coordinates for Closed Triangular Meshes.ACM Transactions onGraphics.July2005.24(3):561-66，其通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣。
[0051]而另一種合適的非線性配準(zhǔn)算法是徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法，其在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中是眾所周知的。下面的參考文獻(xiàn)進(jìn)一步詳細(xì)描述了徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法，并且其通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣:[0052]J.Moody 和 C.J.Darken，F(xiàn)ast Learning in Networks of Locally TunedProcessing Units.Neural Computation.1989.1，281—294。
[0053]J.Park 和 1.W.Sandberg，Universal Approximation UsingRadial-Basis-Function Networks.Neural Computation，1991.3(2):246-257。
[0054]A.G.Bors 和 1.Pitas，Median Radial Basis Function Neural Network, IEEETrans.0n Neural Networks.1996 年 11 月，7 (6): 1351-1364。
[0055]Martin D.Buhmann 和 M.J.Ablowitz，Radial Basis Functions:Theory andImplementations.2003。
[0056]Paul V.Yee 和 Simon Haykinj Regularized Radial Basis FunctionsNetworks: Theory and Implementations.2001。
[0057]一旦生成映射函數(shù)f，混合定位系統(tǒng)8就可以利用基于阻抗的定位系統(tǒng)(例如，關(guān)于坐標(biāo)系B來測量)的較高帶寬追蹤導(dǎo)管13在患者體內(nèi)的位置，同時(shí)利用基于磁場的定位系統(tǒng)的更為均勻的坐標(biāo)系A(chǔ)通過應(yīng)用映射函數(shù)f來表達(dá)位置。這允許混合定位系統(tǒng)8利用其構(gòu)成部件的優(yōu)勢(shì)，而同時(shí)使其構(gòu)成部件劣勢(shì)最小化。
[0058]混合定位系統(tǒng)8還可以監(jiān)測和告知各種異常，例如在基于磁場和/或基于阻抗的定位系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)中的偏離或漂移。也就是說，混合定位系統(tǒng)8可以保持追蹤映射函數(shù)f是否保持有效，并且根據(jù)需要校正任何異?；蛴?jì)算新的映射函數(shù)f。
[0059]例如，在本發(fā)明的一個(gè)方面，針對(duì)基于磁場的定位系統(tǒng)和基于阻抗的定位系統(tǒng)中的每一個(gè)限定至少一個(gè)固定參考定位元件。為了示意性的目的，這些參考定位元件的位置將分別表示為1^和&。混合定位系統(tǒng)8可以連續(xù)地、周期性地、或偶爾地計(jì)算f (Rb)并將計(jì)算結(jié)果與Ra比較。`
[0060]假設(shè)沒有異常(例如，固定參考定位元件中的一個(gè)或多個(gè)沒有漂移和/或沒有偏離)，f(RB)和Ra之間的偏離應(yīng)當(dāng)保持相對(duì)恒定。通常，固定參考定位元件在真實(shí)空間內(nèi)一致，以使得假設(shè)沒有異常則基本上恒定的偏離約為O。然而，可以預(yù)期的是，存在分隔開的固定參考定位元件，其間偏離為非零，但這是公知的。
[0061]另一方面，如果偏離超過偏離閾值，應(yīng)當(dāng)考慮指示異常(例如，基于阻抗的定位系統(tǒng)中的漂移和/或一個(gè)或多個(gè)固定參考定位元件的偏離)。操作者可以被警告該異常，例如通過混合定位系統(tǒng)8發(fā)出的聲音和/或可視警報(bào)。此外，可采取步驟來減輕異常。例如，當(dāng)異常是一個(gè)或多個(gè)固定參考定位元件的偏離時(shí)，可以計(jì)算偏移向量來考慮該偏離。(用于校正導(dǎo)航參考點(diǎn)偏離的偏移向量在2010年12月17日提交的美國申請(qǐng)n0.12/972，253和2006年12月29日提交的n0.11/647，277中描述，二者都通過引用包含于此，就如同在此全部陳述一樣。)可替換地，減輕異?？刹捎糜?jì)算新映射函數(shù)f的形式，利用新的基準(zhǔn)組或先前保存的基準(zhǔn)組來重新實(shí)現(xiàn)上述配準(zhǔn)。
[0062]在另一方面，混合定位系統(tǒng)8利用三個(gè)參考定位元件來檢測異常，標(biāo)示為第一、第二、和第三定位元件。優(yōu)選地，第一參考定位元件與基于磁場的定位系統(tǒng)的定位場發(fā)生器剛性關(guān)聯(lián)，例如通過將它固定至承載定位場發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，第二參考定位元件布置在患者上，而第三參考定位元件布置在患者內(nèi)。
[0063]通過基于磁場的定位系統(tǒng)測量第一和第二參考定位元件關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)的位置信息。利用基于磁場的定位系統(tǒng)(例如，關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ))和基于阻抗的定位系統(tǒng)(例如，關(guān)于坐標(biāo)系B)測量第三參考定位元件的位置信息，通過應(yīng)用映射函數(shù)f將后者轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系A(chǔ)。
[0064]之后,通過混合定位系統(tǒng)8對(duì)坐標(biāo)系A(chǔ)中的三個(gè)分量相對(duì)于各個(gè)偏離閾值進(jìn)行分析，以確定是否發(fā)生異常:
[0065](A)針對(duì)第二參考定位元件測得的位置信息與針對(duì)第一參考定位元件測得的位置信息之間的偏離；
[0066](B)針對(duì)第三參考定位元件測得的位置信息與針對(duì)第一參考定位元件測得的位置信息之間的偏離；以及
[0067](C)針對(duì)第三參考定位元件轉(zhuǎn)換的位置信息與針對(duì)第一參考定位元件測得的位置信息之間的偏離。
[0068]這三個(gè)分量產(chǎn)生8種情形，如表1中所示(“N”表示分量未超過各自的偏離閾值，而“Y”表示分量超過各自的偏離閾值):
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種將利用單獨(dú)坐標(biāo)系的兩個(gè)或多個(gè)定位系統(tǒng)配準(zhǔn)至共用坐標(biāo)系的方法，包括: 利用具有第一坐標(biāo)系A(chǔ)的第一定位系統(tǒng)測量第一參考位置的位置信息，所測得的位置信息為A1 ； 利用具有第二坐標(biāo)系B的第二定位系統(tǒng)測量所述第一參考位置的位置信息，所測得的位置信息為B1 ； 將分別由所述第一定位系統(tǒng)和所述第二定位系統(tǒng)測得的第一參考位置的位置信息結(jié)合，作為第一基準(zhǔn)組(A1, B1)； 利用所述第一定位系統(tǒng)測量第二參考位置的位置信息，所測得的位置信息為A2 ； 利用所述第二定位系統(tǒng)測量所述第二參考位置的位置信息，所測得的位置信息為B2 ；將分別由所述第一定位系統(tǒng)和所述第二定位系統(tǒng)測得的第二參考位置的位置信息結(jié)合，作為第二基準(zhǔn)組(A2，B2);以及 利用至少所述第一基準(zhǔn)組(A1, B1)和所述第二基準(zhǔn)組(A2, B2)生成映射函數(shù)f，所述映射函數(shù)f將利用所述第二定位系統(tǒng)相對(duì)于所述第二坐標(biāo)系B所進(jìn)行的位置測量轉(zhuǎn)換至所述第一坐標(biāo)系A(chǔ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述映射函數(shù)f被定義為使得對(duì)于任意參考位置r，利用所述第一定位系統(tǒng)和所述第二定位系統(tǒng)測量的位置信息分別為\和f(Br)和4之間的距離約為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中f(BJ和之間的距離小于約2_。
4.根據(jù)權(quán)利要求1`所述的方法，其中所述第一定位系統(tǒng)為基于磁場的定位系統(tǒng)，以及所述第二定位系統(tǒng)為基于阻抗的定位系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述映射函數(shù)f采用非線性配準(zhǔn)算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述非線性配準(zhǔn)算法包括薄板樣條函數(shù)算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述非線性配準(zhǔn)算法包括徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法。
8.一種測量患者體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備的位置信息的方法，包括: 利用具有第一坐標(biāo)系A(chǔ)的第一定位系統(tǒng)建立第一定位場； 利用具有第二坐標(biāo)系B的第二定位系統(tǒng)建立第二定位場； 分別利用所述第一定位系統(tǒng)和所述第二定位系統(tǒng)測量多個(gè)參考位置r相對(duì)于所述第一坐標(biāo)系和所述第二坐標(biāo)系的位置信息； 將針對(duì)所述多個(gè)參考位置r中的每一個(gè)測得的位置信息結(jié)合，作為多個(gè)基準(zhǔn)組，其中每個(gè)基準(zhǔn)組包括分別利用所述第一定位系統(tǒng)和所述第二定位系統(tǒng)測得的針對(duì)單個(gè)參考點(diǎn)r的位置信息，為(Ar, Br);以及 利用所述多個(gè)基準(zhǔn)組生成映射函數(shù)f，以使得對(duì)于每個(gè)參考位置r，f(Br)約等于K。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 當(dāng)所述醫(yī)療設(shè)備穿過患者身體移動(dòng)時(shí)，利用所述第二定位系統(tǒng)測量所述醫(yī)療設(shè)備相對(duì)于所述第二坐標(biāo)系的位置信息；以及 利用所述映射函數(shù)f在所述醫(yī)療設(shè)備移動(dòng)穿過患者身體時(shí)將測得的所述醫(yī)療設(shè)備的位置信息轉(zhuǎn)換至所述第一坐標(biāo)系。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 限定針對(duì)所述第一定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)第一定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有相對(duì)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測得的位置Ra ； 限定針對(duì)所述第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有相對(duì)于所述坐標(biāo)系B測得的位置Rb ； 計(jì)算f (Rb)； 計(jì)算f (Rb)與Ra之間的偏離；以及 如果f (Rb)與Ra之間的偏離超過偏離閾值，則告知異常。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中針對(duì)所述第一定位系統(tǒng)的固定參考定位元件和針對(duì)所述第二定位系統(tǒng)的固定參考定位元件在真實(shí)空間內(nèi)基本一致。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中告知異常的步驟包括告知至少一個(gè)固定參考定位元件已發(fā)生偏離。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中告知異常的步驟包括告知至少一個(gè)定位系統(tǒng)出現(xiàn)漂移。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括減輕異常。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中減輕步驟包括計(jì)算偏移向量以考慮異常。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中減輕步驟包括生成新的映射函數(shù)f’。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 限定第一參考定位元件； 限定第二參考定位元件； 限定第三參考定位元件； 關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測量所述第一定位元件和所述第二定位元件的位置信息； 關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)和所述坐標(biāo)系B測量所述第三參考定位元件的位置信息； 利用所述映射函數(shù)f將關(guān)于所述坐標(biāo)系B測得的所述第三參考定位元件的位置信息轉(zhuǎn)換至所述坐標(biāo)系A(chǔ) ； 計(jì)算關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測得的所述第一參考定位元件的位置信息與以下中至少一個(gè)之間的偏離: 關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測得的所述第二參考定位元件的位置信息； 關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測得的所述第三參考定位元件的位置信息；和 轉(zhuǎn)換至所述坐標(biāo)系A(chǔ)后的所述第三參考定位元件的位置信息；以及 如果所計(jì)算出的偏離中的一個(gè)或多個(gè)超過偏離閾值，則告知異常。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中所述第一定位系統(tǒng)包括基于磁場的定位系統(tǒng)，以及所述第二定位系統(tǒng)包括基于阻抗的定位系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述映射函數(shù)包括所述坐標(biāo)系B至所述坐標(biāo)系A(chǔ)的非線性配準(zhǔn)。
20.—種混合定位系統(tǒng),包括: 基于磁場的定位系統(tǒng)，其關(guān)于坐標(biāo)系A(chǔ)測量定位元件的位置； 基于阻抗的定位系統(tǒng)，其關(guān)于坐標(biāo)系B測量定位元件的位置； 醫(yī)療設(shè)備，包括多個(gè)定位元件，所述多個(gè)定位元件包括能由所述基于阻抗的定位系統(tǒng)檢測的至少一個(gè)定位元件和能由所述基于磁場的定位系統(tǒng)檢測的至少一個(gè)定位元件； 至少一個(gè)處理器，其被配置為在所述坐標(biāo)系A(chǔ)中通過應(yīng)用非線性映射函數(shù)f來表示由所述基于阻抗的定位系統(tǒng)關(guān)于所述坐標(biāo)系B測得的定位元件的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的混合定位系統(tǒng)，還包括: 針對(duì)所述基于磁場的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)基于磁場的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有關(guān)于所述坐標(biāo)系A(chǔ)測得的位置Ra ； 針對(duì)所述基于阻抗的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件，該針對(duì)基于阻抗的定位系統(tǒng)的固定參考定位元件具有關(guān)于所述坐標(biāo)系B測得的位置Rb ;以及 至少一個(gè)處理器，其被配置為監(jiān)測^與f (Rb)之間的偏離，并且當(dāng)該偏離超過偏離閾值時(shí)告知異常。`
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK103687533SQ201280017987
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月14日
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