1282接收和感測。如在先前的實施例中，可采用系統(tǒng)控制臺1120的處理器1122來接收 光電檢測器1282的感測數(shù)據(jù)并且計算針1200的位置和/或取向。如前所述，針1200的長 度和/或反射表面相對于針1200遠(yuǎn)端的位置被輸入系統(tǒng)1110中或由系統(tǒng)1110以其他方 式可檢測或已知。需注意，反射表面可包括在針上的其他位置處。
[0177] 根據(jù)以上所述，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的實施例中，針1200的可檢測特性包括反射 表面1286的反射性，與先前實施例的磁元件1210的磁場特性形成對比，并且傳感器包括光 電檢測器1282,與先前實施例的磁性傳感器1192形成對比。應(yīng)當(dāng)理解，在一個實施例中，上 述配置可調(diào)換，其中光源與針或醫(yī)療部件一起被包括。在這種情況下，光從針發(fā)射并且由與 探頭1140 -起被包括的光電檢測器1282檢測，從而實現(xiàn)對針的定位和跟蹤。電源（例如 手表電池或類似物）可與針一起被包括，以便為針的光源供電。
[0178] 更一般地說，應(yīng)當(dāng)理解，針或醫(yī)療部件可包括這些可檢測特性或其他可檢測特性 中的一者或多者，使得針能夠被跟蹤并且朝向患者體內(nèi)的目標(biāo)引導(dǎo)。其他可檢測特性形式 的非限制性實例包括電磁或射頻（"RF"）（參見，例如下文的圖29-30)和放射性。關(guān)于RF 形式，應(yīng)當(dāng)理解，一個或更多個同步或異步脈沖頻率源可與針一起被包括，以由合適的傳感 器對其進(jìn)行檢測。或者，射頻的第一源可與被動磁體耦接作為第二源。
[0179] 圖29和圖30根據(jù)一個實施例示出引導(dǎo)系統(tǒng)的部件，其中采用探頭1140和針1200 之間的電磁信號相互作用來實現(xiàn)對針的跟蹤和引導(dǎo)。具體地講，在圖29中，針1200包括設(shè) 置在其中的通管針1298。通管針1298包括通過拴系件1292可操作地連接到探頭1140的 電磁線圈1290。以此方式，電磁線圈1290可由包括在探頭1140或系統(tǒng)控制臺1120中的合 適部件驅(qū)動，使得電磁線圈在操作期間發(fā)射電磁信號。
[0180] 適用于檢測由通管針1298的電磁線圈1290發(fā)出的電磁信號的傳感器1294,包括 在探頭1140中。雖然也可采用其他線圈和傳感器構(gòu)造，但是在本發(fā)明的實施例中，傳感器 1294是三軸傳感器，用于檢測電磁信號的對應(yīng)正交分量。如此配置，針1200的位置和取向 可通過電磁信號三角測量或其他合適的過程來確定，并且由該系統(tǒng)以類似于上文已描述方 式的方式來顯示。在先前的實施例中，可采用系統(tǒng)控制臺1120的處理器1122(圖18)來接 收電磁傳感器1294的感測數(shù)據(jù)并且計算針1200的位置和/或取向。如前所述，針1200的 長度和/或電磁線圈1290相對于針1200遠(yuǎn)端的位置被輸入該系統(tǒng)中或由該系統(tǒng)以其他方 式可檢測或已知。
[0181] 圖30顯示圖29的電磁配置的變型，其中電磁部件的相應(yīng)的位置調(diào)換：電磁線圈 1290包括在探頭1140中并且電磁傳感器1294與設(shè)置在針1200中的通管針1298 -起被包 括。需注意，在圖29和圖30的實施例中，電磁線圈1290和電磁傳感器1294之間通過拴系 件1292的可操作連接，使得設(shè)置在通管針1298中的部件能夠由系統(tǒng)1110驅(qū)動。這還使得 能夠?qū)?yīng)由電磁線圈1290發(fā)射并且由電磁傳感器1294檢測的特定的一種頻率/多種電磁 頻率。在一個實施例中，圖29所示的配置可有所變化，其中無拴系件可操作地連接電磁線 圈和電磁傳感器；而通管針的電磁線圈作為與探頭和其電磁傳感器分離的部件操作，并且 由獨立電源（例如電池）供電。在這種情況下，探頭/系統(tǒng)包括被構(gòu)造為合適的信號處理 部件，用于檢測由電磁線圈發(fā)出的電磁信號并且在必要時處理該信號，以便定位針。
[0182] 需注意，電磁線圈和電磁傳感器可包括在除本文中所示出位置以外的其他位置 處。例如，電磁線圈可包括在針自身上，或包括在可附接到針的近端的連接器上。
[0183] 圖31A-圖31D給出根據(jù)一個實施例配置的針1200的更多細(xì)節(jié)，其中針包括轂 1304,套管1202從轂1304延伸。限定孔1312的磁元件1310包括在外殼1314的腔體1314A 中。外殼1314包括螺紋，從而以螺紋方式接合針轂1304或者針或醫(yī)療部件的其他合適部 件。以此方式，磁元件1310可通過外殼1314以可移除方式附接到針1200。因此，磁元件 1310無需永久地附連到針1200或與針1200 -起被包括，而是可以在不再需要基于磁性的 針引導(dǎo)時從針1200上移除。另外，這使得磁元件能夠附接到許多不同類型和尺寸的針。需 注意，在本發(fā)明的實施例中，針1200還包括可向遠(yuǎn)側(cè)滑動的針安全部件1320,在將針從患 者移除時其用于安全隔離針的遠(yuǎn)側(cè)末端。還需注意，除本文中明示和描述的可移除磁元件 以外，還可采用其他可移除磁元件。
[0184] 圖32-33B給出包括磁元件的針1200的更多示例。在圖32中，兩個條狀磁元件 1340被設(shè)置成從針1200的轂1334以正交方式延伸，從而說明磁元件無需平行于針的縱向 軸線取向。在圖33A-33B中，四個磁元件1350包括在針轂1344中，從而顯示不止一個磁元 件可與針一起被包括。這種配置可以例如用于這樣的情形，其中空間受限而不允許使用一 個磁元件。需注意，此處的磁元件的數(shù)量、形狀和放置僅是許多可能配置的一個示例。
[0185] 圖34A-圖34G給出磁元件1360的各種示例性配置，其限定用于通過其接納針套 管的孔。示出了磁元件1360的各種形狀的構(gòu)型，包括正方形（圖34A)、六角形（圖34B)、三 角形（圖34C)、矩形（圖34D)、橢圓形（圖34E)、八角形（圖34F)和四棱錐形（圖34G)。 這些附圖中所示的磁元件僅是可用于限定磁元件的眾多數(shù)量的幾何形狀和其他形狀的示 例；事實上，本發(fā)明還考慮到了文中未明示的其他形狀。
[0186] 圖35和圖36示出另一個實施例，其中包括通管針1390,用于以可移除方式插入到 針1200的空心套管1202中。多個永久磁體1392(例如彼此端對端堆疊的實心圓柱形鐵磁 體）包括在通管針1390的遠(yuǎn)端處。如圖36所示，在針1200插入到患者身體期間，通管針 1390被接納在針套管1202內(nèi)。傳感器環(huán)1396或其他合適的磁性傳感器可與探頭1140 - 起被包括或在探頭1140附近，以實現(xiàn)對磁體1392的磁場的檢測，因此使得該引導(dǎo)系統(tǒng)能夠 檢測針1200的位置和取向，并且以類似于結(jié)合圖5A-7所述的方式將其圖像疊加在由探頭 1140產(chǎn)生的超聲波圖像上面。
[0187] 因此，圖35和圖36示出磁元件可以多種方式中的任何一種方式進(jìn)行配置。例如， 在一個實施例中，這些磁元件可沿通管針長度以更靠近的方式設(shè)置。在另一個實施例中，通 管針自身可被磁化或由磁性材料構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)理解，通管針可按許多不同方式中的一種方式 進(jìn)行配置，可在標(biāo)題為"Medical Instrument Location Means"（醫(yī)療器械定位裝置）的美 國專利No. 5, 099,845和 2006年8月 23 日提交的標(biāo)題為"Stylet Apparatuses and Methods of Manufacture"（通管針設(shè)備和制造方法）的美國專利申請公開案No. 2007/0049846中 找到其類似實例，這兩個美國專利全文以引用方式并入本文。因此，本發(fā)明考慮到這些變型 和其他變型。
[0188] 本文中應(yīng)當(dāng)理解，如本文中所使用的"通管針"可包括被構(gòu)造成用于可移除地放置 在針的內(nèi)腔內(nèi)以有助于將針置入患者體內(nèi)的多種裝置中的任何一種（包括導(dǎo)絲）。在一個 實施例中，通管針可包括尖銳端部，該尖銳端部向遠(yuǎn)側(cè)延伸通過針套管的鈍遠(yuǎn)端，從而使得 鈍針能夠插入到患者體內(nèi)。需注意，在一個實施例中，通管針使針變硬，從而在插入期間實 現(xiàn)針的非有意彎曲的最小化。
[0189] 圖37示出另一個可能的實施例，其中針1200包括設(shè)置在針套管1202的近端 1202A的遠(yuǎn)側(cè)的環(huán)形或圓環(huán)形磁體1400。需注意，在其他實施例中，磁體1400可沿套管1202 的長度定位在數(shù)個位置中的一個位置處。磁體1400相對更接近于遠(yuǎn)側(cè)針末端的定位，可以 減小針的非有意彎曲對確定和顯示針的位置的影響。在另一個實施例中，針自身可被磁化。 還需注意，該系統(tǒng)的傳感器和源（例如，磁體）的相對位置可調(diào)換。本發(fā)明還考慮到了這些 配置和其他配置。此外，需注意，本文中的論述可應(yīng)用于除超聲波以外的其他成像形式，包 括MRI、X射線和CT掃描等。
[0190] 圖38示出包括在通管針（例如，例如圖35和圖36中所示的通管針1390)上的應(yīng) 變儀1410。應(yīng)變儀1410可通過導(dǎo)電路徑1414可操作地連接到探頭1140、控制臺1120(圖 18)或系統(tǒng)1110的其他部件。例如，導(dǎo)電路徑1414的一個示例包括設(shè)置在通管針1390中 或沿通管針1390設(shè)置的一條或更多條導(dǎo)電線。如此連接，應(yīng)變儀1410充當(dāng)變換器，可提供 與在針插入程序期間其中設(shè)置有通管針1390的針的彎曲有關(guān)的數(shù)據(jù)（考慮到針1200的彎 曲將導(dǎo)致類似彎曲發(fā)生在通管針1390中）。
[0191] 通過應(yīng)變儀1410的彎曲感測的這些數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)發(fā)到處理器1122并由其作出解釋 (圖18)或轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)1110的其他合適的部件，從而在計算針1200的位置的過程中包括此 類彎曲以及探頭傳感器1192對磁元件的檢測（圖20)，尤其是其遠(yuǎn)側(cè)末端。這導(dǎo)致針遠(yuǎn)側(cè) 末端位置定位和示出的更高準(zhǔn)確度。事實上，圖39A顯示如由通管針1390的彎曲導(dǎo)致的應(yīng) 變儀1410沿一個方向的撓曲，其中圖39B顯示應(yīng)變儀沿另一方向的撓曲。這樣的通管針彎 曲于是由應(yīng)變儀1410檢測（在一個實施例中，通過應(yīng)變儀內(nèi)電阻的改變進(jìn)行檢測）并且轉(zhuǎn) 發(fā)到系統(tǒng)1110,用于計算針的位置。需注意，可任選地使用其他合適的傳感器和儀表來測量 針/通管針彎曲，包括撓曲傳感器1420 (例如如圖40所示）以及基于電容和光纖的應(yīng)變儀 /傳感器。此外，在一個實施例中，傳感器/應(yīng)變儀可直接放置到針/醫(yī)療部件上。
[0192] 圖41-圖59示出通常涉及將磁元件（例如永久磁體）包括在針、與針相關(guān)的部件 或其他醫(yī)療器械中的各種實施例。具體地講，本發(fā)明所公開的實施例用于提供具有磁元件 的針組件，該磁元件的磁性軸線與針套管的縱向軸線同軸對準(zhǔn)。這種設(shè)有磁元件的針組件 可由合適的基于磁性的針插入引導(dǎo)跟蹤系統(tǒng)在空間上跟蹤，以（例如）為將針插入患者體 內(nèi)作準(zhǔn)備，如上已描述。
[0193] 圖41A-圖41C顯示根據(jù)一個實施例的針組件1610有關(guān)的各種細(xì)節(jié)，針組件1610 充當(dāng)可由上述引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)的醫(yī)療器械或部件的一個示例。如圖所示，針組件1610包括空 心套管1612和設(shè)置在該套管的近端處的安全罐1616。針安全部件的滑架1618和連結(jié)元 件1620被示出為設(shè)置在安全罐1616內(nèi)。頂蓋1622覆蓋安全罐1616的近端，并且該安全 罐的尺寸被設(shè)計成適于將罐插入并固定在針轂1626內(nèi)。
[0194] 還包括磁元件1630 (例如永久磁體），其尺寸被設(shè)計成使得套管1612可穿過其中 限定的孔1632,并且使得磁元件被可靠設(shè)置在限定于安全罐1616中的凹部內(nèi)。如此配置， 在本發(fā)明的實施例中，磁元件1630為圓柱形，其中孔1632被限定為沿著磁元件1630的中 心軸線。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例并且如在圖41C中最佳可見，磁元件1630在安全罐1616 的凹部內(nèi)取向，使得其磁性軸線（該磁性軸線可不與其中心軸線對準(zhǔn)）與套管12的縱向軸 線同軸對準(zhǔn)。例如，在圖41A-圖41C中示為充當(dāng)磁元件1630的永久磁體，在圖41C中顯示 為相對于針組件套管1612傾斜，使得其磁性軸線與套管的縱向軸線基本上同軸對準(zhǔn)。這種 對準(zhǔn)使得上文進(jìn)一步描述的針插入引導(dǎo)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤遠(yuǎn)側(cè)針末端。
[0195] 需注意，雖然已結(jié)合圖41A-圖41C和其他附圖中所示的針組件明確描述，但關(guān)于 磁元件對準(zhǔn)的本發(fā)明的實施例可應(yīng)用到具有各種配置、設(shè)計等的針組件/醫(yī)療器械。如此， 以下論述不應(yīng)以任何方式視為具有限制性。具體地講，雖然本文中描述為設(shè)置在針組件轂 的安全罐中，但磁元件也可以其他方式加以設(shè)置/安置。此外，如本文中所使用的"安全罐" 可理解為指的是轂、外殼或者其中可設(shè)置磁元件或磁元件可與其設(shè)置在一起的任何其他物 件。
[0196] 在一個實施例中，套管1612包括具有低磁導(dǎo)率的材料。具體來說，在一個實施例 中，套管1612包括奧氏體合金（包括鎳和鉻），例如由美國紐約新哈特福德的特殊金屬公 司（Special Metals Corporation, New Hartford, New York, U.S.A)出售的名為INCONEL* 625的材料。這種材料在成為暫時磁化并被磁材料吸引上表現(xiàn)出降低趨勢，從而保持磁場的 完整性，導(dǎo)致在使用基于磁性的引導(dǎo)系統(tǒng)對針進(jìn)行跟蹤時可獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。其他可 能的材料包括低磁導(dǎo)率不銹鋼、不銹鋼的其他變型等。
[0197] 在一個實施例中，磁元件1630是包括釹鐵硼的永久磁體。在一個實施例中，這種 永久磁體可以還包含鏑和其他稀土元素。在一個實施例中，該永久磁體由粉末形成：首先 通過施加的磁場對粉末取向，然后在高壓下壓縮，之后放到爐中燒結(jié)。應(yīng)當(dāng)理解，永久磁體 可由其他材料（包括釤鈷）構(gòu)成，并且可以通過加壓和燒結(jié)粉末以外的其他方式制造。如 此，應(yīng)當(dāng)理解，本文中給出的磁元件的實例并不視為具有限制性。在另一個實施例中，采用 N52MG0e稀土釹合金磁體。
[0198] 需注意，在一個實施例中，將由本文中所提及的基于磁性的引導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤的針10 或其他醫(yī)療器械包括RFID芯片，該RFID芯片可由與該引導(dǎo)系統(tǒng)的探頭或其他部件一起被 包括的RFID讀取器讀取。針的RFID芯片可包括關(guān)于針的信息，包括針名稱、類型、從針的 磁元件到針遠(yuǎn)側(cè)末端的距離、磁元件的強度和/或尺寸，以及其他有用的信息。此類信息可 被該引導(dǎo)系統(tǒng)用于調(diào)整其操作參數(shù)，以與被使用的針型匹配。在另一個實施例中，關(guān)于針的 信息以手動方式輸入到引導(dǎo)系統(tǒng)。在另一個實施例中，條形碼可包括在針上或與針包括在 一起，使得該引導(dǎo)系統(tǒng)能夠確定關(guān)于針的相關(guān)信息。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括存儲器位 置，用于存儲可與該引導(dǎo)系統(tǒng)一起使用的針的特性的數(shù)據(jù)庫。
[0199] 圖42將永久磁體顯示為磁元件1630,其包括孔1632,類似于圖41A-圖41C所示 的磁元件。如圖所示，磁元件1630包括物理軸線（由P. A.指示），其延伸穿過磁元件的主 體。由于磁元件1630限定為圓柱體，因此物理軸線P. A.與圓柱形磁元件的中心軸線相對 應(yīng)。還示出了磁性軸線（由M.A.指示），其相對于物理軸線P.A.以某一角度延伸穿過磁元 件1630的圓柱形主體，因此不與物理軸線同軸。
[0200] 由于許多永久磁體包括非同軸、成角度偏離的物理軸線和磁性軸線，如剛才所述， 因此希望在此類情況下將磁體定位在針組件中，以用于與上述針插入引導(dǎo)系統(tǒng)一起使用， 使得其磁性軸線與針組件套管的縱向軸線基本上同軸對準(zhǔn)（其物理軸線未必），以便該針 插入引導(dǎo)系統(tǒng)可準(zhǔn)確指示針遠(yuǎn)側(cè)末端的位置，考慮到其對正確取向磁體的檢測。當(dāng)此操作 完成時，在磁元件通過磁元件中限定的孔接納套管的情況下，磁元件可相對于針套管以某 一角度以物理方式取向。圖43示出了這種情況，其中磁元件1630顯示為：針組件套管1612 設(shè)置穿過磁元件孔1632,并且磁元件有角度地歪斜，使得磁元件的磁性軸線與套管的縱向 軸線基本上同軸對準(zhǔn)。需注意，孔1632具有足夠大的直徑，以使磁元件1630能夠在套管 1612上這樣取向。可進(jìn)行合適的測量，以確定磁性軸線的角度偏移（如果存在），從而確定 每一磁元件所需的歪斜/傾斜量。
[0201] 圖44和圖45顯示根據(jù)一個實施例的磁元件1630相對于針組件的一部分的取向。 具體地講，圖44顯示夾具1640,其包括從平行線P以角度Θ成角度地偏移的腔體1642,如 圖所示。偏移角度Θ的大小與磁元件的磁性軸線與其物理軸線的偏離相對應(yīng)。針組件轂 1626 (包括凹部1626A)設(shè)置在成角度腔體1642中。然后，磁元件1630沿平行于P的方向 插入到轂凹部1626A中，使磁元件1630以傾斜取向位于轂凹部內(nèi)。磁元件1630沿此取向附 著在轂凹部1626A內(nèi)。之后，當(dāng)套管的近端接納到轂凹部1626A和磁元件1630的孔中時， 其縱向軸線將根據(jù)需要與磁元件的磁性軸線基本上同軸對準(zhǔn)。
[0202] 圖45中夾具1640的配置與圖44中的不同之處在于，腔體1642平行于P，而磁元 件1630以對應(yīng)于磁性軸線從其物理軸線偏離的角度的偏移角度Θ，插入到轂凹部1626A 中。磁性軸線1630可沿此取向附著在轂凹部1626A內(nèi)。需注意，雖然在圖44和圖45中顯 示為插入到直接限定在針組件轂中的凹部中，但是磁元件也可以此方式插入到安全罐，或 者針組件或合適的醫(yī)療器械的其他部件中。
[0203] 圖46用幾何圖形方式顯示套管通過磁元件孔1632接納時，磁元件1630和針套管 1612之間的可能的角度偏離的程度。具體示出了套管1612和磁元件1630之間的偏離的偏 移角度Θ，以及孔1632的直徑d。還示出了針套管直徑nd。形成直角三角形，包括偏移角 度Θ、鄰邊長度X、直角三角形的斜邊h以及對邊d-y，其中y橫跨套管1612以一角度來測 量，如圖所示。
[0204] 可使用以下三角函數(shù)來找到在仍允許通過其合適地接納尺寸確定的針套管的同 時，具有給定尺寸的磁元件可偏離的最大偏移角度：
[0205] Sin Θ = d-y/h (1)
[0206] Cos θ = nd/y (2)
[0207] Tan θ = Sin Θ /Cos θ = d-y/x (3)
[0208] h = x~2+[(d-y)~2]~l/2 (4)
[0209] θ = cos~_l*nd/y (5)
[0210] 在一個實施例中，可使用d、nd和x的已知值來求解y，然后把y代回到這些方程 式來確定偏移角度Θ。關(guān)于具有給定尺寸的磁元件的最大偏移角度Θ的知識使磁元件的 技術(shù)規(guī)范得以制定，該技術(shù)規(guī)范詳述磁元件的物理軸線和磁性軸線之間可能的最大差異。
[0211] 圖47A和圖47B顯示根據(jù)一個實施例的磁元件插入夾具1650的細(xì)節(jié)，其用于將磁 元件插入到安全罐1616(圖41A-圖41C)中。夾具1650包括基座1652,基座1652具有通 過兩個滑動支柱1656以可滑動方式附接到基座1652的滑動部分1654。在基座1652中限 定了兩個腔體1658。每一腔體1658中都包括支柱1660,腔體1658的尺寸被設(shè)計成可在其 上接納安全罐1616。引導(dǎo)銷1662從每一支柱1660向上延伸。
[0212] 滑動部分1654包括兩個向下延伸的傾斜插柱1664,它們各自被構(gòu)造成以可脫開 方式保持磁