带锁骨位置传感器的引导系统的制作方法

1.本披露内容的实施方案涉及一种用于引导管定位的设备、系统和方法，具体地，涉及一种用于基于使用受试者的上躯干上的传感器位置对电磁场变化的感测来引导管定位的设备、系统和方法。


背景技术：

2.肠内喂养通常用作无法以其他方式喂养的患者的营养支持。尽管早期开始肠内喂养有很多益处，但饲管错位是相对常见的，并且会导致患者的不适和并发症。在已经插管后才确认管的位置，会延迟喂养并延迟水合或药物治疗的开始。可以使用用于引导放置鼻/肠饲管的床边电磁(em)系统，并且医务人员在手术期间利用该床边电磁系统来避免饲管错位。
3.因此，需要基于电磁的可靠实时跟踪系统，其在医疗过程期间为关键工具定位提供增强的准确度。


技术实现要素：

4.使用电磁定位引导系统插入饲管时经常遇到的问题之一是，难以在通常是动态的患者环境中获得可靠性。当患者移动、出汗和/或当护理人员需要严格遵循特定指示时，这个问题进一步加剧。
5.根据一些实施方案，提供了一种管定位设备，该管定位设备包括：处理电路系统，该处理电路系统被配置为基于在患者身体上生成的电磁场的变化(这些变化是由定位在管上的电磁传感器引起的)来跟踪插入管(例如，饲管)的插入。该管定位设备包括一对参考传感器，该对参考传感器用于定位在受试者的躯干上，例如在患者的锁骨处或附近。
6.有利地，使用配准传感器对躯干一侧进行标记消除了如在先前披露的系统中那样对定位在受试者的躯干一侧的参考传感器的需要，该参考传感器往往会由于患者移动、出汗等而移动。
7.此外，本文披露的管定位设备在标记剑突时不需要将该设备的配准传感器保持在严格的直立位置(与受试者的躯干成90度)，因此在标记解剖位置期间更不容易出现不准确。
8.因此，本文披露的设备可以有利地提供对插入患者体内的可靠且高效的引导，同时需要对用户进行最少的培训并且不太容易出现不准确。
9.根据一些实施方案，提供了一种肠管定位引导系统，该肠管定位引导系统包括：电磁场发生器，该电磁场发生器被配置为生成覆盖治疗区域的电磁场；其中，所述电磁场发生器在患者体外；至少两个有线或无线连接的参考传感器，这些参考传感器被配置为定位在受试者的上躯干上的位置，其中，该至少两个参考传感器被配置为感测由该场发生器生成的电磁场；配准传感器，该配准传感器被配置为感测该电磁场并且传输指示其位置和/或取向的信息，其中，该配准传感器用于标记至少剑突以及该受试者的躯干一侧的位置；以及处
理电路系统。根据一些实施方案，对至少剑突和/或受试者的躯干一侧的位置的标记可以是自动的。
10.根据一些实施方案，该处理电路系统被配置为基于由该配准传感器标记的该剑突和该受试者的躯干一侧的位置，计算该受试者的躯干的宽度；确定由该至少两个参考传感器、以及由该配准传感器标记的剑突限定的平面；计算垂直于该平面的向量n；生成该受试者的上半身的图，该图指示该受试者的剑突和胸骨上切迹的位置，其中，该图考虑了所计算的该受试者的躯干的宽度以及该向量n。
11.根据一些实施方案，计算该宽度包括计算该受试者的躯干一侧的点(由该配准传感器标记的和/或由处理器使用一种或多种算法自动标记的)与该剑突(由该配准传感器标记的)同该胸骨上切迹(由该配准传感器标记的或者如下文进一步详述那样确定的)之间的线之间的距离。
12.根据一些实施方案，该处理电路系统被配置为通过由该电磁传感器感测的该电磁场强度的变化来实时确定该肠管的端头相对于该对参考传感器中的一个或两个参考传感器的位置、方向和/或路径，并且将该位置、方向和/或路径投影到该图上，使用向量n来确定投影方向。
13.根据一些实施方案，该肠管可以是胃肠管。根据一些实施方案，该肠管可以是鼻肠管。根据一些实施方案，该肠管可以是口肠管。根据一些实施方案，该肠管可以是饲管。
14.根据一些实施方案，该受试者的上躯干上这些参考传感器所定位于的位置在该受试者的锁骨处或附近。
15.根据一些实施方案，该图示出了该受试者的躯干的正面俯视图、该受试者的躯干的侧视图和/或该受试者的躯干的轴向视图以及如通过跟踪端头传感器的位置而计算出的每个视图中该管的插入路径。
16.根据一些实施方案，该系统进一步包括被配置为显示该图的监视器。根据一些实施方案，该图可以显示在移动设备上。根据一些实施方案，该图可以显示在另一医疗设备的监视器上，比如但不限于心率监视器或二氧化碳分析仪的监视器。
17.根据一些实施方案，该配准传感器结合到被配置为手动操作的触针的端头中。
18.根据一些实施方案，该配准传感器进一步被配置为标记该胸骨上切迹。替代地，该处理电路系统可以被配置为基于从该至少两个参考传感器获得的信号来计算该胸骨上切迹的位置。
19.根据一些实施方案，提供了一种用于引导将肠管插入受试者体内的方法，该方法包括：利用外部电磁场发生器来施加覆盖受试者的躯干的至少一部分的电磁场；将至少两个有线或无线连接的参考传感器定位在该受试者的上躯干上的某个位置；利用配准传感器标记至少剑突以及该受试者的一侧的位置；基于由该配准传感器标记的该剑突和该躯干的一侧的位置，计算该受试者的躯干的宽度；确定由从该至少两个参考传感器获得的信号、以及由该配准传感器标记的剑突限定的平面；计算垂直于该平面的向量n；以及产生该受试者的上半身的图、该图指示该受试者的剑突和胸骨上切迹的位置，将包括电磁传感器的肠管插入该受试者体内；以及通过由该电磁传感器感测的该电磁场强度的变化来实时确定该肠管的端头相对于该对参考传感器中的一个或两个参考传感器的位置和方向，并且将该肠管的插入路径投影到该图上，使用向量n来确定投影方向。
20.根据一些实施方案，所产生的图考虑了所计算的该受试者的躯干的宽度。
21.根据一些实施方案，该方法还可以包括标记该胸骨上切迹并基于此确定该受试者的取向。替代地，可以基于该至少两个参考传感器的位置来计算该胸骨上切迹的位置。
22.根据一些实施方案，该方法进一步包括在监视器或比如移动电话、平板计算机等另一显示设备上显示该图。
23.根据一些实施方案，该图示出了该受试者的躯干的正面俯视图、该受试者的躯干的侧视图和/或该受试者的躯干的轴向视图。
24.根据一些实施方案，该对参考传感器在该受试者的上躯干上的位置在该受试者的锁骨处或附近。
25.根据一些实施方案，提供了一种处理电路系统，该处理电路系统被配置为：从定位在受试者的上躯干上的某个位置处且暴露于电磁场的至少两个有线或无线连接的参考传感器接收信号；接收对由配准传感器标记的至少剑突以及该受试者的躯干一侧(例如，腋下)的位置的指示，该配准传感器被配置为当暴露于电磁场时发送和接收电磁信号；基于由该配准传感器标记的该剑突和及该受试者的躯干一侧的位置，计算该受试者的躯干的宽度；确定由该至少两个参考传感器、以及由该配准传感器标记的剑突限定的平面；并且计算垂直于该平面的向量n；产生该受试者的上半身的图，该图指示该受试者的剑突和胸骨上切迹的位置。
26.根据一些实施方案，该处理电路系统进一步被配置为：从包括电磁端头传感器的肠管接收信号；并且基于由该电磁传感器感测的该电磁场强度的变化来实时确定该肠管的端头相对于该对参考传感器中的一个或两个参考传感器的位置、方向和/或路径，并且将该肠管的插入路径投影到该图上，使用向量n来确定投影方向。
27.根据一些实施方案，该处理电路系统进一步被配置为指示/显示该肠管的端头相对于该图的位置和/或方向。根据一些实施方案，该处理电路系统进一步被配置为生成插入路径。根据一些实施方案，该处理电路系统进一步被配置为生成确定和/或示出该肠管的端头的方向。由此，使得能够预测该肠管的前进方向。
28.根据一些实施方案，该处理电路系统进一步用于接收对由该配准传感器标记的胸骨上切迹的位置的指示。替代地，该处理电路系统可以被配置为基于从该至少两个参考传感器获得的信号来计算该胸骨上切迹的位置。
29.根据一些实施方案，该图示出了该受试者的躯干的正面俯视图、该受试者的躯干的侧视图和/或该受试者的躯干的轴向视图。
30.根据一些实施方案，该受试者的上躯干上的位置在该受试者的锁骨处或附近。
31.本披露内容的某些实施方案可以包括上述优点中的一些、全部、或不包括以上优点。根据本文所包括的附图、说明书和权利要求，一个或多个技术优点对于本领域技术人员而言会是明显的。此外，虽然以上已经列举了具体优点，但是各种实施方案可以包括所列举的优点中的全部、一些、或不包括所列举的优点。
附图说明
32.本文参考附图描述了本披露内容的一些实施方案。说明书与附图一起使本领域普通技术人员清楚如何可以实践本披露内容的一些实施方案。附图是出于说明性讨论的目
的，并且不试图比对于本披露内容的教导的基本理解所必需的更详细地示出实施方案的细节。
33.图1是根据一些实施方案的插入设备定位引导系统的框图；
34.图2是根据一些实施方案的用于引导将插入管插入患者体内的方法的流程图；
35.图3a至图3e展示了根据一些实施方案的传感器设置和配准过程。
具体实施方式
36.在以下描述中，将描述本披露内容的各个方面。出于解释的目的，阐述了具体配置和细节以便提供对本披露内容的不同方面的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说将清楚的是，可以在不呈现本文具体细节的情况下实践本披露内容。另外，可以省略或简化公知的特征，以免模糊本披露内容。
37.根据一些实施方案，提供了一种肠管定位引导系统，该肠管定位引导系统包括：电磁场发生器，该电磁场发生器被配置为生成覆盖治疗区域的电磁场；其中，所述电磁场发生器在患者体外；至少两个有线或无线连接的参考传感器，这些参考传感器被配置为定位在受试者的上躯干上的位置，其中，该至少两个参考传感器被配置为感测由该场发生器生成的电磁场；配准传感器，该配准传感器被配置为感测该电磁场并且传输指示其位置的信息，其中，该配准传感器用于标记至少剑突以及该受试者的躯干一侧的位置；以及处理电路系统。
38.根据一些实施方案，该处理电路系统被配置为基于由该配准传感器标记的该剑突和该受试者的躯干一侧的位置，计算该受试者的躯干的宽度；确定由该至少两个参考传感器、以及由该配准传感器标记的剑突限定的平面；计算垂直于该平面的向量n；显示该受试者的上半身的图，该图指示/确定该受试者的剑突和胸骨上切迹的位置，其中，该图考虑了所计算的该受试者的躯干的宽度。
39.根据一些实施方案，指示/确定受试者的胸骨上切迹的位置是基于如由配准传感器标记的胸骨上切迹的位置来进行的。另外地或替代地，可以基于从参考传感器获得的信号来确定/计算胸骨上切迹的位置。
40.根据一些实施方案，可以基于所计算的向量n以及由肠管的电磁传感器感测到的电磁场强度的变化来确定包括电磁传感器的肠管在插入期间相对于受试者的胸骨上切迹和剑突的位置、方向和/或路径。
41.在将管放入受试者体内的过程的整个持续时间内，电磁场发生器可以是静态的。在这种情况下，在将管放入受试者体内的过程的整个持续时间内，电磁场所覆盖的区是静态的/恒定的。有利地，静态电磁场可以有助于显示的准确度。
42.适合用作上述电磁跟踪系统(包括电磁场发生器以及一个或多个传感器)的硬件的一个示例是加拿大安大略省的北方数字公司(northern digital inc.)的系统。
43.在整个以下描述中，设备的不同实施方案中的类似元件由相差100的整数倍的元件编号表示。例如，图1的电磁场发生器由编号102表示，而图2中与图1的电磁场发生器102相对应的电磁场发生器由编号202表示。
44.现在参考图1，其是插入设备定位引导系统100的框图。系统100包括：电磁场发生
器102，该电磁场发生器被配置为生成至少覆盖感兴趣区103b(例如，治疗区域，比如患者的躯干)的电磁场103a；多个电磁传感器，比如传感器104和106。系统100进一步包括处理器110，该处理器被配置为操作所述场发生器、读取从参考传感器104和106获得的信号、并生成代表受试者的躯干的解剖图。处理器110被配置为便于端头传感器在解剖图上的位置、方向和/或路径的在该图上的可视化，而不受受试者的移动的影响并且不受场发生器102的位置和/或取向的偏差的影响。系统100进一步包括监视器112，该监视器操作性地连接到处理器110并且被配置为在解剖图上显示包括电磁传感器的插入设备端头在其插入期间的位置、方向和/或路径。在一些实施方案中，监视器112可以与处理器110集成，比如在一体化计算机或智能电话的情况下。因此可以确定成功的医疗过程(例如，将饲管插入胃而不是肺)。
45.传感器104和106被配置为定义代表受试者的躯干相对于场发生器102的位置和取向的参考坐标系。可选地，传感器104和106可以是6-dof电磁传感器，这些传感器能够确定其相对于由场发生器102生成的电磁场103a的位置(xyz轴)和角度/取向(滚转、偏航和俯仰)的6条轴线。
46.引导系统还包括配准传感器(未示出)，该配准传感器被配置为在受试者的身体上标记至少一个解剖(胸部)位置，比如受试者的躯干一侧、剑突以及可选地还有胸骨上切迹。可以根据所使用的手术类型、插入医疗设备的类型等来标记不同的解剖位置。对解剖位置的标记可以是物理的，比如附接一标记/基准点(比如贴纸)。替代地，对解剖位置的标记可以是虚拟的，比如配准一虚拟标记/基准点。根据实施方案，标记可以便于识别或指定受试者的身体内或身体上的解剖位置，比如，在非限制性示例中，解剖位置是受试者的胸骨上切迹和/或受试者的剑突。
47.可选地，配准传感器107是在其远侧端头具有3dof传感器的触针传感器，该触针可以被配置为手动操作以在如由触针的操作者识别的受试者的躯干上标记解剖位置。仅作为示例，一旦触针传感器106定位在患者的躯干上的期望点上/处，就可以通过向软件指示(例如，但不限于，通过按下gui按钮或语音激活)来进行标记。该标记(marking)可以被传送到处理器110并由其配准。
48.系统100被配置为与插入医疗设备(未示出)(比如饲管)一起工作。插入医疗设备可以包括一个或多个传感器，以允许其在感兴趣区103b内进行跟踪。优选地，传感器位于插入医疗设备的端头。在这种情况下，处理器110和监视器112被配置为计算和显示插入医疗设备的端头在通向插入部位/目标区域的指定解剖位置之间的位置、方向和/或行进/路径。
49.根据一些实施方案，该系统可以包括非暂态计算机可读存储介质，或者换言之，存储器模块。根据一些实施方案，存储器模块可以在其上存储有一个或多个程序代码，该一个或多个程序代码被配置为操作处理器和/或操作以下中的任一者或多者：场发生器102、参考传感器104和106中的任何一个或多个、监视器112和/或系统100的其他元件。
50.根据一些实施方案，程序代码或者该一种或多种算法可以由处理器执行，以从参考传感器104和106中的任何一个或多个接收信号。根据一些实施方案，程序代码或者该一种或多种算法可以由处理器执行，以从配准传感器接收信号。根据一些实施方案，该一种或多种算法可以包括一种或多种预处理方法。根据一些实施方案，该一种或多种算法可以被配置为将一种或多种预处理方法应用于从参考传感器104和106中的任何一个或多个接收到的一个或多个信号。根据一些实施方案，该一种或多种算法可以被配置为将一种或多种
预处理方法应用于从配准传感器接收到的一个或多个信号。根据一些实施方案，该一种或多种预处理方法可以包括对信号进行归一化、降噪等中的任何一种或多种。
51.根据一些实施方案，该一种或多种算法可以包括被配置为识别剑突的一种或多种机器学习算法。根据一些实施方案，该一种或多种算法可以包括被配置为识别胸骨上切迹的一种或多种机器学习算法。根据一些实施方案，机器学习算法可以被配置为实时识别患者的上躯干的预定位置。
52.根据一些实施方案，机器学习算法可以包括有监督的机器学习算法。根据一些实施方案，机器学习算法可以包括无监督机器学习算法。根据一些实施方案，用于训练机器学习算法的训练集可以包括与患者的上躯干相关联的图像的数据集，如例如x射线、mri和/或超声图像。根据一些实施方案，用于训练机器学习算法的训练集可以包括从配准传感器和/或参考传感器接收到的信号的数据集。根据一些实施方案，训练集可以包括指示患者的上躯干的指定位置(如例如剑突和/或胸骨上切迹)的位置的标号。
53.现在参考图2到图3a至图3e，其描绘了根据一些实施方案的引导肠管的插入的步骤。本领域普通技术人员应当理解，虽然一些步骤是按顺序进行的，但其他步骤可以同时执行或以可互换的顺序执行，并且这些选择在本披露内容的范围内。
54.步骤210包括向治疗区域施加电磁场。可选地，电磁场发生器被定位成使得电磁场覆盖治疗区域。将一对参考传感器定位在患者的上躯干上，例如在患者的每个锁骨处或附近，如图3a所示。根据一些实施方案，参考传感器定义代表受试者的躯干相对于场发生器的位置和/或取向的参考坐标系(步骤220)。在步骤230中，利用配准传感器(例如，采用手动操作的触针的形式)来标记剑突以及可选地还有胸骨上切迹，如图3b所示。替代地，可以基于位于受试者的锁骨处或附近的该对参考传感器来计算胸骨上切迹的位置。(选项未示出)。
55.然后可以基于从该对参考传感器获得的信号以及基于受试者的宽度(该宽度是基于由配准传感器对受试者的躯干一(或两)侧进行标记而确定的)来产生代表受试者的躯干的图(步骤240)，如图3c所示。
56.然后可以生成/显示将剑突和这两个参考传感器互连的平面(三角形)(步骤250)，如图3d所示。
57.然后可以计算平面的法线n(n在设置期间指向与配准传感器相同的大体方向)，如图3e所示。然后，使用法线n来计算(位于肠管端头上的)端头传感器的位置、方向和/或路径(步骤260)，假设剑突与胸骨上切迹之间的角度固定，即大约15度。
58.有利地，通过传感器之间距离的快速变化，可以容易地检测到该对参考传感器中的一个或多个参考传感器的移动。
59.本发明可以是一种系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括一个或多个计算机可读存储介质，这些计算机可读存储介质上具有用于使处理器执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
60.计算机可读存储介质可以是有形设备，该有形设备可以保留和存储指令以供指令执行设备使用。计算机可读存储介质可以是例如但不限于：电子存储设备、磁存储设备、光学存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述各项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表包括以下各项：便携式计算机软磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存
储器(sram)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能磁盘(dvd)、记忆棒、软盘、其上记录有指令的机械编码设备、以及前述各项的任何合适的组合。如本文所使用的，计算机可读存储介质不应被解释为本身是瞬时信号，比如，无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，穿过光纤电缆的光脉冲)、或通过电线传输的电信号。而是，计算机可读存储介质是非暂态(即，非易失性)介质。
61.本文所述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络(例如互联网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到外部计算机或外部存储设备。该网络可以包括铜传输电缆、光学传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应的计算/处理设备内的计算机可读存储介质内。
62.用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编程序指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，该一种或多种编程语言包括面向对象的编程语言(比如java、smalltalk、c 等)、以及常规程序化编程语言(比如
″c″
编程语言或类似的编程语言)。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为独立软件包执行、部分地在用户计算机上执行并部分地在远程计算机上执行、或完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过包括局域网(lan)或广域网(wan)的任何类型网络连接到用户计算机，或者可以进行与外部计算机的连接(例如，使用互联网服务提供商通过互联网)。在一些实施方案中，包括例如可编程逻辑电路系统、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)的电子电路系统可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息将电子电路系统个性化来执行计算机可读程序指令，以便执行本发明的各个方面。
63.本发明的各方面在本文参考根据本发明的实施方案的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述。应当理解的是，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机可读程序指令来实施。
64.可以将这些计算机可读程序指令提供给通用计算机、专用计算机的处理器，或其他可编程数据处理装置以产生机器，从而使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置来执行的指令创建用于实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的手段。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读介质可以指导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以用特殊的方式发挥功能，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括具有指令的制品，这些指令实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各个方面。
65.计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以引起在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实施的过程，从而使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实施在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。
66.附图中的流程图和框图展示了根据本发明各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框都可以代
表模块、片段、或一部分指令，该模块、片段、或一部分指令包括用于实施(多个)特定逻辑功能的一条或多条可执行指令。在一些替代性实施方式中，在框中指出的功能可以不按照附图中指出的顺序进行。例如，取决于所涉及的功能，可以实际上基本同时执行相继示出的两个框，或有时候可以按相反的顺序执行这两个框。还将指出的是，可以通过基于专用硬件的系统来实施框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合，这些基于专用硬件的系统执行特定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合。
67.本发明的各种实施方案的描述是出于说明的目的而呈现的、但是不旨在是详尽的或限于所披露的实施方案。在不脱离所描述的实施方案的范围和精神的情况下，很多修改和变化对本领域普通技术人员都将是明显的。本文使用的术语的选择是为了最好地解释实施方案的原理、实际应用或对于市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解本文所披露的实施方案。