用来确定旋转对称装置的纵向位置和角位置的设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用来当在元件周围（１２０）内导向旋转对称设备（３）时确定其纵向位置和角位置的设备。该设备包括与所述设备保持运动传递接触的小球（１００），并且包括通过比较小球的外表面（１０１）的连续图像（４１、４２）而测量所述小球的运动的成像光学导航传感器（２）。在优选实施例中，小球由顺磁材料制成，并且设备还包括用来把磁力施加到小球上以保证其与设备（３）的接触的装置（１２３）。设备的辅助特征用来辨别设备在装置中的插入和退出，因为它们引起小球的位移，因此允许设备的绝对位置的确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用来确定在模拟或现实医疗干预，特别是经皮干预，期间使用的旋转对称设备的纵向位置和角位置的设备，和特别是一种使用光学导航传感器来测量旋转对称设备的运动的设备。更具体地说，本专利技术涉及一种光学导航传感器，当经过围绕它的静态元件，例如一个插入护套时，该光学导航传感器用来间接地跟踪仪器的表面的运动。本专利技术还涉及允许插入仪器的辨别或其绝对位置的确定的技术，并且涉及诸如小直径金属丝之类的具体仪器的跟踪。
技术介绍
外科模拟器、以及计算机辅助外科系统和其它用途，要求由用户操纵的仪器的位置的确定，或者从该确定得益。在微小创伤或经皮过程中，在仪器通常穿过诸如套针或护套之类的插入端口的场合，测量相对于这样的周围结构的运动可提供由计算机需要的全部或部分信息，以或者把用户姿势的效果施加到模拟模型上，或者指导、帮助或控制正在进行的诊断或治疗过程。其它系统可能依赖于相同跟踪装置，以否则处理来自操纵跟踪仪器的用户的输入，或者分析仪器的运动。仪器跟踪可基于绝对位置测量，或基于从已知基准位置开始的连续运动测量。在后一种情况下，建立仪器的绝对位置的装置必须初始、和最终以规则间隔补偿测量误差的累积。可建立绝对位置测量。这样一种初始基准位置可通过要求用户把系统放置在限定状态下、通过探测仪器的插入、或通过探测在其表面上的绝对位置标记而建立(如由本申请人在WO 02071369 A中公开的那样)。现有技术公开了使用机械系统来跟踪仪器、导管、或其它细长仪-->器的相对运动的装置，该机械系统与运动仪器相接触。一些系统使用由附加到运动仪器上的缆索或齿轮直接驱动的跟踪轮或类似机构。这允许仪器的运动的可靠测量，但典型地要求运动仪器附加到跟踪装置上，防止用户从装置容易和完全地退出仪器。在US 3304434中和在US 6038488中，公开了一种装置，其中球形物体或球与被跟踪表面直接接触。由摩擦力驱动，球滚动到位，以跟随下面的表面的运动。球本身的运动然后由两个线性运动编码器测量，该编码器由与球切线啮合的、处于力传递接触中的一对轴驱动。每根轴然后驱动编码轮，该编码轮报告沿轴线的运动，提供每个运动轴线的跟踪。这种手段的缺陷包括在被跟踪仪器上强加的摩擦力和机构的惯性，这两者都可由操纵被跟踪仪器的用户感觉到。而且，由仪器的运动到球形物体的不可靠传递所引起的滑移问题可降低系统的精度。基于弹簧的机构典型地用来把小球保持到位，并且进一步增加摩擦力。其它导管跟踪装置，如在EP 0970714 A中描述的那样，依赖于用来把导管保持在一对相对夹紧轮之间的运载组件。运载组件转动，以使所述导管绕其纵向轴线转动，并且夹紧轮转动，以使物体轴向平移。然而，这种机构的惯性明显干扰导管的自由运动。在US 6267599中公开的另一个专利技术中，包括转动传感器的构架组件安装在平行导轨上。机动系统保证这种组件跟随插入仪器的末端的运动。伺服马达和力传感器用来补偿系统的摩擦力和惯性。同样，这样的系统未能消除可感觉的和干扰触觉的人为产物。US 6323837公开了另一种用来跟踪在外科手术的模拟中使用的杆或导管的角位置的测量方法。为了测量仪器的运动，它使用两个独立和正交的界面，包括驱动编码轮的运动的驱动轮-该编码轮优选地是具有作为换能器的光学编码器的黑编码轮以检测其转动。这种手段的问题是，用来驱动每个界面的相同摩擦力产生对于仪器在另一个、正交方向上的运动的阻力。另一种手段是使用仪器的表面紧密栅格状或加条纹标记，如在-->WO 9810387中描述的那样。其中公开的装置允许仪器运动的无接触读取，但只能跟踪专门指定的表面。被跟踪表面必须覆盖有紧密加条纹或栅格状图案，以允许运动探测。这增加制造成本，并且限制仪器的类型和可跟踪的表面。表面涂层也常常是脆弱的：污点或划痕可能干扰跟踪。此外，也限制借助于这样一种系统可得到的分辨率。因此，仍然需要一种能够进行仪器的纵向位置和旋转或角位置的精确测量而不通过过大摩擦力或惯性干扰仪器的操纵的紧凑装置。基于图像捕获和分析的光学跟踪装置，称作光学导航传感器，最近已经介绍。它们主要被开发成改进计算机鼠标的可靠性和性能(US5578813、US 5644139、US 6256016、US 6281882)。不像要求下面的表面的特殊处理或构造的以前技术(US 4409479)，这些光学导航传感器捕获运动表面的连续图像，并且把每个新获得的图像与以前图像的平移拷贝相匹配。这允许传感器分析和精确地测量附近表面的运动而不要求任何物理接触，因而允许跟踪几乎任何类型的表面。这些传感器具体地用来测量在平坦平面中沿两个正交线性轴线的装置的位移，如在计算机鼠标中发生的那样。也已经公开了不同构造的这些传感器的使用，例如跟踪用户手指沿两个正交轴线的运动(US 6057540)、作为表面图像扫描装置的部分(US 5994710)、或者在条码读取仪器中(US 6585158)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种由光学跟踪装置来可靠地探测旋转对称设备的运动的设备。按照本专利技术，借助于按照权利要求1中描述的一种设备，使用间接跟踪旋转对称仪器的纵向运动和绕其纵向轴线的转动的光学导航传感器，满足设置的目的。更具体地说，根据本专利技术的、在跟踪与设备牢固地保持运动传递接触的小和轻重量球形物体的表面时包括的特征，允许使用间接测量的低摩擦和低惯性位置确定。-->与直接跟踪仪器表面的设备相比，这种设备可有效地跟踪变化范围更大的表面材料，包括暗的、发光的、或透明的表面；以及非常小直径的仪器。与测量与仪器保持运动传递接触的球形物体的转动的其它设备相比，本专利技术依赖于通过使用跟踪和使用无接触手段靠压仪器的小球形物体而使摩擦力和惯性最小的手段。根据本专利技术的设备的另外优选实施例公开在从属权利要求中。一种借助于计算机用来对接旋转对称设备的运动的设备包括允许两个自由度的支撑、和光学导航传感器。当轴与支撑啮合时，它在保持与运动传递小球相接触的同时，能以两个自由度运动，其中光学导航传感器通过小球检测每个自由度。光学导航传感器提供设备的组合纵向和旋转位移的同时跟踪。与设备或仪器处于运动传递接触的中间球，插入在被跟踪物体与光学导航传感器之间以减轻后者的限制，即当仪器相对于由传感器捕获的图像的尺寸过小时，或当仪器的表面性质(如过大亮度或高度光吸收)与足够质量的图像捕获不可比时。本专利技术增强运动过周围结构-该周围结构可以是诸如套针或护套之类的专用插入端口、或用作用于位置测量的基准的另一个周围件，的旋转对称仪器的跟踪。尽管不是完全没有接触，但这样一种设备产生非常低的摩擦力和惯性。此后，通过球形物体进入或退出光学导航传感器的图像聚焦区域的位移，可探测插入仪器的存在或不存在。本公开的另一个目的是，描述从由光学导航传感器捕获的图像的处理得到的信息如何可用作建立仪器的绝对纵向和旋转位置的设备：通过探测在跟踪装置内仪器的存在或不存在、或根据本专利技术的另外实施例通过探测在仪器的表面上的光学标记。另外，表面标记的探测可用来辨别仪器。本专利技术的另一个目的因此是，提供容易识别模拟仪器的存在和/或确定存在模拟仪器的种类和/或其在跟踪装置内的绝对/基准位置的可能性。-->本专利技术的又一个目的是，提供一种能够传送关于位于外部导管内的内部导管或柔性元件或仪器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来确定在周围元件（１２０）内被导向的旋转对称设备（３）的纵向（１１０）和角（１１２）位置的设备，包括：至少一个光源（３１），用来发射光在所述周围元件内；和至少一个光探测和处理系统（２），用来产生代表所述纵向和角位置的信号，其中，它还包括布置在所述周围元件（１２０）内并且与所述旋转对称设备（３）处于运动传递接触的球形物体（１００），其中，所述发射的光被引向所述球形物体（１００）的外表面（１０１）上，通过该外表面（１０１）所述发射的光被反射，所述光探测和处理系统（２）被布置成探测至少部分所述反射光，其中，所述球形物体（１００）至少部分地由顺磁材料制成，及其中，所述设备包括辅助装置（１２３），该辅助装置（１２３）用来至少在所述球形物体（１００）的区域中产生磁场，以保证在所述球形物体与所述旋转对称设备（３）之间的所述运动传递接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2004-3-12 04405147.21.一种用来确定在周围元件(120)内被导向的旋转对称设备(3)的纵向(110)和角(112)位置的设备，包括：至少一个光源(31)，用来发射光在所述周围元件内；和至少一个光探测和处理系统(2)，用来产生代表所述纵向和角位置的信号，其中，它还包括布置在所述周围元件(120)内并且与所述旋转对称设备(3)处于运动传递接触的球形物体(100)，其中，所述发射的光被引向所述球形物体(100)的外表面(101)上，通过该外表面(101)所述发射的光被反射，所述光探测和处理系统(2)被布置成探测至少部分所述反射光，其中，所述球形物体(100)至少部分地由顺磁材料制成，及其中，所述设备包括辅助装置(123)，该辅助装置(123)用来至少在所述球形物体(100)的区域中产生磁场，以保证在所述球形物体与所述旋转对称设备(3)之间的所述运动传递接触。2.一种用来确定在周围元件(120)内被导向的旋转对称设备(3)的纵向(110)和角(112)位置的设备，包括：至少一个光源(31)，用来发射光在所述周围元件内；和至少一个光探测和处理系统(2)，用来产生代表所述纵向和角位置的信号，其中，它还包括布置在所述周围元件(120)内并且与所述旋转对称设备(3)处于运动传递接触的球形物体(100)，其中，所述发射的光被引向所述球形物体(100)的外表面(101)上，通过该外表面(101)所述发射的光被反射，所述光探测和处理系统(2)被布置成探测至少部分所述反射光，其中，所述设备还包括限定用于所述光探测和处理系统(2)的图像捕获体积(125)的聚焦光学元件(12)，大体上当在所述设备(3)与所述球形物体(100)之间实现所述接触时，所述外表面(101)能够转移到该图像捕获体积(125)中，所述光探测和处理系统(2)还布置成能够探测在与在所述图像捕获体积(125)内没有所述外表面(101)相对应的第一图像(43)、与在所述图像捕获体积(125)内存在所述外表面(101)相对应的第二图像(44)之间的差别。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括限定用于所述光探测和处理系统的图像捕获体积(125)的聚焦光学元件(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊万韦切里纳，斯戴芬贝特里塞，尤里杰佐豪特，
申请(专利权)人：希塔克特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]