專利名稱：利用冗余測量的抗失真位置跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及磁性位置跟蹤系統(tǒng)，并且具體涉及在存在場失真(field distorting)對象的情況下用于執(zhí)行精確位置測量的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域內(nèi)已知用于跟蹤有關(guān)醫(yī)療過程中對象坐標的多種方法和系統(tǒng)。其中一些上述系統(tǒng)使用磁場測量。例如，美國專利5，391，199和5，443，489描述了其中使用一個或多個場變換器來確定體內(nèi)探針坐標的系統(tǒng)，在此并入其公開作為參考。這種系統(tǒng)用于產(chǎn)生有關(guān)醫(yī)療探針或?qū)Ч艿奈恢眯畔ⅰＶT如線圈的傳感器放置在探針內(nèi)并產(chǎn)生響應(yīng)于外部施加磁場的信號。磁場由諸如輻射體線圈的磁場變換器產(chǎn)生，上述變換器以已知的互相間隔的位置固定到外部參照系中。例如在下述專利中還描述了有關(guān)磁性位置跟蹤的另外的方法和系統(tǒng)PCT專利公開物 W096/05768，美國專利 6，690，963,6, 239，724,6, 618，612 和 6，332，089，以及美國專利中請公開物2002/006Μ55Α1、2003/0120150Α1和2004/0068178A1，其公開內(nèi)容全部結(jié)合在此作為參考。這些公開物描述了跟蹤體內(nèi)對象位置的方法和系統(tǒng)，所述對象諸如心臟導(dǎo)管、 矯形植入物和在不同醫(yī)療過程中使用的醫(yī)療工具。在本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的是在磁性位置跟蹤系統(tǒng)的磁場中的金屬、順磁或鐵磁對象的存在通常使得系統(tǒng)測量失真。該失真有時由系統(tǒng)磁場引入到上述對象中的渦電流以及其他影響引起。本領(lǐng)域內(nèi)描述了用于在存在上述干涉的情況下執(zhí)行位置跟蹤的多種方法和系統(tǒng)。 例如美國專利6，147，480描述了一種方法，其中在被跟蹤對象內(nèi)感應(yīng)的信號首先在沒有會導(dǎo)致寄生信號分量的任何物品的情況下被檢測，在此并入其公開作為參考。確定信號的基線相。當產(chǎn)生寄生磁場的物品引入到被跟蹤對象的附近時，檢測到由于寄生分量導(dǎo)致的感應(yīng)的信號的相位偏移。所測量的相位偏移用于指示對象的位置可能是不精確的。相位偏移還用于對信號進行分析，以便去除至少一部分寄生信號分量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供在存在金屬、順磁和/或鐵磁對象(統(tǒng)稱為場失真對象)的情況下利用冗余測量執(zhí)行磁性位置跟蹤測量的改進的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在被跟蹤對象的附近產(chǎn)生磁場的兩個或更多個場發(fā)生器。由與對象相關(guān)聯(lián)的位置傳感器感測磁場，并將所述磁場轉(zhuǎn)化成用來計算對象位置(定位和取向)坐標的位置信號。該系統(tǒng)執(zhí)行冗余場強測量并利用冗余信息來降低由場失真對象的存在導(dǎo)致的測量誤差。冗余測量包括由不同場發(fā)生器產(chǎn)生并由位置傳感器中的場傳感器感測的磁場的場強測量。在描述于此的示范性實施例中，使用九個場發(fā)生器和三個場感測線圈來獲得27 個不同的場強測量。所述27個測量用來計算被跟蹤對象的六個定位和取向坐標，從而包括大量的冗余信息。在一些實施例中，將旋轉(zhuǎn)不變的(rotation-invariant)坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所測量的場強，以產(chǎn)生被跟蹤對象的失真校正的定位坐標。如下述所示，坐標校正函數(shù)利用冗余定位信息，以便在已校正定位坐標中降低失真水平。坐標校正函數(shù)可被看作響應(yīng)于在每一個所測量的場強中存在的相應(yīng)失真水平來調(diào)整所測量的場強對已校正定位坐標的相對貢獻。通過限定適于不同定位的不同坐標校正函數(shù)，所公開的聚類(clustering)過程進一步改善了坐標校正函數(shù)的精確性。在一些實施例中，被跟蹤對象的取向坐標在定位計算之后進行計算。其他公開的方法在存在失真的情況下改善了取向計算的精確度，并且補償位置傳感器的場傳感器的不同心性。在一些實施例中，冗余場強測量用于鑒別一個或多個系統(tǒng)元件，諸如場發(fā)生器和/ 或位置傳感器的場感測元件，其導(dǎo)致明顯的失真。當執(zhí)行位置計算時，忽略與這些系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量。在一些實施例中，可停用導(dǎo)致失真的元件。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供用于跟蹤對象位置的方法，包括使用與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；響應(yīng)于所測量的場強來計算對象的旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標；以及通過將坐標校正函數(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標來確定對象的已校正定位坐標， 以便響應(yīng)于所測量的場強中的失真來調(diào)整每一個所測量的場強對已校正定位坐標的相對貝獻。在一些實施例中，該方法包括將對象插入到患者器官中，并且確定對象的已校正定位坐標包括跟蹤該對象在該器官內(nèi)的位置。在一個實施例中，該失真是由經(jīng)受所述磁場中的至少一些的場失真對象引起的， 其中該對象包括選自于由金屬、順磁和鐵磁材料構(gòu)成的組的至少一種材料。在公開的實施例中，該方法包括對處于相對于兩個或更多個場發(fā)生器的相應(yīng)已知坐標下的磁場執(zhí)行校準測量，并且響應(yīng)于所述校準測量導(dǎo)出坐標校正函數(shù)。在另一實施例中，該失真由可移動的場失真對象導(dǎo)致，并且執(zhí)行校準測量包括在場失真對象的不同定位處進行測量。另外或可替換的，導(dǎo)出坐標校正函數(shù)包括將擬合過程應(yīng)用于校準測量與已知坐標的關(guān)系式。在另一實施例中，應(yīng)用坐標校正函數(shù)包括應(yīng)用多項式函數(shù)，該函數(shù)具有包括所述旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標中的至少一些的指數(shù)的系數(shù)。在另一實施例中，應(yīng)用坐標校正函數(shù)包括響應(yīng)于所測量的場強來鑒別導(dǎo)致失真的元件，并且生成坐標校正函數(shù)，以便忽略與導(dǎo)致失真的元件相關(guān)聯(lián)的所測量的場強。在一些實施例中，場傳感器包括一個或多個場感測元件，并且鑒別導(dǎo)致失真的元件包括確定一個或多個場感測元件和場發(fā)生器導(dǎo)致所述失真。在一個實施例中，該方法包括計算對象的角取向坐標。在另一個實施例中，在與該兩個或更多個場發(fā)生器相關(guān)聯(lián)的工作體積(volume) 內(nèi)使用場傳感器，并且確定已校正定位坐標包括將所述工作體積分為兩個或更多個類(cluster)；
為該兩個或更多個類中的每一個限定相應(yīng)的兩個或更多個類坐標校正函數(shù)；以及響應(yīng)于其中落入旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標的類將類坐標校正函數(shù)之一應(yīng)用于每一個旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標。應(yīng)用類坐標校正函數(shù)可包括應(yīng)用加權(quán)函數(shù)，以便平滑相鄰類之間的過渡。在另一實施例中，該方法包括使用具有不同心定位的兩個或更多個場傳感器來測量場強，并補償由已校正定位坐標中的不同心定位導(dǎo)致的不準確性。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供用于跟蹤對象位置的方法，包括使用與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場的場強，以便提供冗余定位信息，其中所述場強測量中的至少一些經(jīng)受失真；以及通過將利用冗余定位信息的坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所述測量，確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的定位坐標，以便降低失真對定位坐標的影響。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供用于跟蹤對象位置的方法，包括使用包括與對象相關(guān)聯(lián)的一個或多個場感測元件的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；響應(yīng)于所測量的場強，鑒別至少一個導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件，其選自于由該一個或多個場感測元件和該兩個或更多個場發(fā)生器構(gòu)成的組；以及響應(yīng)于所測量的場強確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的位置，同時忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)的場測量。在一個實施例中，該方法包括將對象插入到患者的器官中，并且確定對象的位置包括跟蹤該對象在該器官內(nèi)的位置。在另一實施例中，該兩個或更多個場發(fā)生器與該對象相關(guān)聯(lián)，并且場傳感器定位在器官的外部。在另一實施例中，鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括接受推理的指示，該指示選自于由失真的特征方向和導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件的同一性 (identity)構(gòu)成的組。在另一實施例中，鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括感測在與該導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量中失真的存在。在一個實施例中，導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括場感測元件之一和場發(fā)生器之一構(gòu)成的對。在另一實施例中，忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量包括停用導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供用于跟蹤對象位置的系統(tǒng)，包括兩個或更多個場發(fā)生器，其被設(shè)置成在對象的附近生成相應(yīng)的磁場；與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器，其被設(shè)置成測量磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；以及處理器，其被設(shè)置成響應(yīng)于所測量的場強來計算對象的旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標，以及通過將坐標校正函數(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標來確定對象的已校正定位坐標，以便響應(yīng)于所測量的場強中的失真來調(diào)整每一個所測量的場強對已校正定位坐標的相對貢獻。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供用于跟蹤對象位置的系統(tǒng)，包括兩個或更多個場發(fā)生器，其被設(shè)置成在對象的附近生成相應(yīng)的磁場；與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器，其被設(shè)置成執(zhí)行對磁場場強的測量，以便提供冗余定位信息，其中所述場強測量中的至少一些經(jīng)受失真；以及處理器，其被設(shè)置成通過將利用冗余定位信息的坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所述測量來確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的定位坐標，以便減少失真對定位坐標的影響。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供用于跟蹤對象位置的系統(tǒng)，包括兩個或更多個場發(fā)生器，其被設(shè)置成在對象的附近生成相應(yīng)的磁場；場傳感器，其與對象相關(guān)聯(lián)并且包括一個或多個場感測元件，其被設(shè)置成測量磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；以及處理器，其被設(shè)置成響應(yīng)于所測量的場強來鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件，其選自于由該一個或多個場感測元件和該兩個或更多個場發(fā)生器構(gòu)成的組，并且設(shè)置成確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的位置同時忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)的場測量。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供在跟蹤對象位置的系統(tǒng)中使用的計算機軟件產(chǎn)品， 該產(chǎn)品包括其中儲存程序指令的計算機可讀介質(zhì)，當由計算機讀取時，所述指令使得計算機來控制兩個或更多個場發(fā)生器以便在對象的附近生成磁場；接受由與該對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器執(zhí)行的磁場場強測量，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；響應(yīng)于所測量的場強來計算對象的旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標；以及通過將坐標校正函數(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標來確定對象的已校正定位坐標，以便響應(yīng)于所測量的場強中的失真來調(diào)整每一個所測量的場強對已校正定位坐標的相對貢獻。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供在跟蹤對象位置的系統(tǒng)中使用的計算機軟件產(chǎn)品， 該產(chǎn)品包括其中儲存程序指令的計算機可讀介質(zhì)，當由計算機讀取時，所述指令使得計算機來控制兩個或更多個場發(fā)生器以便在對象的附近生成磁場；接受由與該對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器執(zhí)行的磁場場強測量，所述測量包括冗余定位信息，其中所述測量中的至少一些經(jīng)受失真；以及通過將利用冗余定位信息的坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所述測量來確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的定位坐標，以便減少失真對定位坐標的影響。根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供在跟蹤對象位置的系統(tǒng)中使用的計算機軟件產(chǎn)品， 該產(chǎn)品包括其中儲存程序指令的計算機可讀介質(zhì)，當由計算機讀取時，所述指令使得計算機來控制兩個或更多個場發(fā)生器以便在對象的附近生成磁場；接受由與該對象相關(guān)聯(lián)并包括一個或多個場感測元件的場傳感器執(zhí)行的磁場場強測量，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；響應(yīng)于所測量的場強來鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件，所述系統(tǒng)元件選自于由該兩個或更多個場發(fā)生器和該一個或多個場感測元件構(gòu)成的組；以及確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的位置同時忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)的場測量。


通過參照附圖對本發(fā)明實施例進行的以下詳細描述可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于對體內(nèi)對象進行位置跟蹤和操縱的系統(tǒng)的示意圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的定位墊的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的導(dǎo)管的示意圖；圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在存在場失真的情況下進行位置跟蹤的方法的流程圖；以及
圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在存在場失真的情況下進行位置跟蹤的方法的流程圖。
具體實施例方式系統(tǒng)描述圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于對體內(nèi)對象進行位置跟蹤和操縱的系統(tǒng) 20的示意圖。系統(tǒng)20跟蹤和操縱體內(nèi)對象，諸如心臟導(dǎo)管M，其插入到諸如患者心臟觀的器官內(nèi)。系統(tǒng)20還測量、跟蹤和顯示導(dǎo)管M的位置(也就是定位和取向)。在一些實施例中，導(dǎo)管位置與心臟的三維模型或其部分對齊(register)。導(dǎo)管相對于心臟的位置在顯示器30上顯示給醫(yī)生。醫(yī)生在醫(yī)療過程中使用操作員控制臺31來操縱導(dǎo)管和觀察其位置。系統(tǒng)20可用于執(zhí)行多種心臟內(nèi)手術(shù)和診斷過程，其中導(dǎo)管的導(dǎo)航和操縱由系統(tǒng)自動或半自動地執(zhí)行，而不是由醫(yī)生手動進行。系統(tǒng)20的導(dǎo)管操縱功能可例如通過使用由 Stereotaxis, Inc. (St. Louis, Missouri)生產(chǎn)的Niobe 磁性導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn)。有關(guān)該系統(tǒng)的細節(jié)可在www. stereotaxis, com得到。用于磁性導(dǎo)管導(dǎo)航的方法還例如在美國專利 5，654，864和6，755，816中有所描述，在此并入其公開作為參考。系統(tǒng)20通過將在此稱為操縱場的磁場應(yīng)用于包括導(dǎo)管的工作體積內(nèi)來定位、定向和操縱導(dǎo)管對。將內(nèi)部磁體裝配到導(dǎo)管M的遠端(distal tip)。(在以下的圖3中詳細示出導(dǎo)管M)。操縱場操縱(也就是，旋轉(zhuǎn)和移動)內(nèi)部磁體，從而操縱導(dǎo)管M的遠端。操縱場由通常定位在患者的任一側(cè)的一對外部磁體36來產(chǎn)生。在一些實施例中， 磁體36包括響應(yīng)于由控制臺31產(chǎn)生的合適操縱控制信號來產(chǎn)生操縱場的電磁體。在一些實施例中，操縱場通過物理移動(例如，旋轉(zhuǎn))的外部磁體36或其部分被旋轉(zhuǎn)或另外控制。 下文將討論由于具有其位置隨時間可能非常接近于工作體積的大金屬對象例如磁體36而引起的難題。在醫(yī)療過程中系統(tǒng)20測量和跟蹤導(dǎo)管M的定位和取向。為了該目的，該系統(tǒng)包括定位墊40。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的定位墊40的示意圖。定位墊40包括諸如場發(fā)生線圈44的場發(fā)生器。線圈44以固定的已知定位和取向設(shè)置在工作體積附近。在圖1和圖2的示范性構(gòu)造中，定位墊40水平放置在其上躺有患者的床下。該例子中的墊40具有三角形形狀并包括三個三線圈(tri-Coil)42。每個三線圈42包括三個場發(fā)生線圈44。這樣在本例子中，定位墊40包括總共九個場發(fā)生線圈。在每個三線圈42中的三個線圈44在互相正交的平面內(nèi)取向。在替換的實施例中，定位墊40可包括設(shè)置成任何適當?shù)膸缀螛?gòu)造的任何數(shù)目的場發(fā)生器。參照圖1，控制臺31包括信號發(fā)生器46，其產(chǎn)生驅(qū)動線圈44的驅(qū)動信號。在圖1 和圖2所示的實施例中，產(chǎn)生九個驅(qū)動信號。每個線圈44響應(yīng)于驅(qū)動其的相應(yīng)驅(qū)動信號產(chǎn)生在此稱為跟蹤場的磁場。跟蹤場包括交流(AC)場。通常由信號發(fā)生器46產(chǎn)生的驅(qū)動信號的頻率(以及由此的相應(yīng)跟蹤場的頻率)在幾百Hz到幾KHz的范圍內(nèi)，但是也可使用其它的頻率范圍。裝配到導(dǎo)管M的遠端內(nèi)的位置傳感器感測由線圈44產(chǎn)生的跟蹤場并產(chǎn)生相應(yīng)的
8位置信號，其指示該傳感器相對于場發(fā)生線圈的定位和取向。位置信號通常沿通過導(dǎo)管M 延伸到控制臺的電纜被發(fā)送到控制臺31?？刂婆_31包括跟蹤處理器48，其響應(yīng)于位置信號計算導(dǎo)管M的定位和取向。處理器48使用顯示器30將導(dǎo)管的通常表示為六維坐標的定位和取向顯示給醫(yī)生。處理器48還控制和管理信號發(fā)生器46的操作。在一些實施例中，場發(fā)生線圈44 由具有不同頻率的驅(qū)動信號驅(qū)動，以便在它們的磁場之間進行區(qū)分?？商鎿Q的，場發(fā)生線圈可以被順序驅(qū)動，以便位置傳感器在任何給定的時間測量源自單個線圈44的跟蹤場。在這些實施例中，處理器48交替進行每個線圈44的操作，并將從導(dǎo)管接收到的位置信號與合適的場發(fā)生線圈相關(guān)聯(lián)。通常，跟蹤處理器48使用通用的計算機來實現(xiàn)，其用軟件來編程以執(zhí)行在此描述的功能。所述軟件例如可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)以電子形式下載到計算機，或者可替換的，其可借助諸如 CD-ROM的有形介質(zhì)提供給計算機。跟蹤處理器可以與控制臺31的其它計算功能集成。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的導(dǎo)管M的遠端的示意圖。如上所述，導(dǎo)管M 包括內(nèi)部磁體32和位置傳感器52。導(dǎo)管M還可包括一個或多個電極56，例如消融電極和用于感測局部電勢的電極。位置傳感器52包括諸如場感測線圈60的場感測元件。在一些實施例中，位置傳感器52包括在三個互相正交的平面內(nèi)取向的三個場感測線圈60。每個線圈60感測AC跟蹤場的三個正交分量之一，并響應(yīng)于所感測的分量產(chǎn)生相應(yīng)的位置信號。 傳感器52和電極56 —般通過延伸穿過導(dǎo)管的電纜64連接到控制臺31。在本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的是，放置在AC磁場中的金屬、順磁和鐵磁對象(在此統(tǒng)稱為場失真對象)導(dǎo)致在其附近場的失真。例如，當金屬對象經(jīng)受AC磁場時，在該對象內(nèi)引起渦電流，其又產(chǎn)生使AC磁場失真的寄生磁場。鐵磁對象通過吸引和改變場線的密度和取向而使磁場失真。在磁性位置跟蹤系統(tǒng)的情況下，當場失真對象存在于位置傳感器52的附近時，由傳感器52感測的跟蹤場失真，導(dǎo)致錯誤的位置測量。失真的嚴重性通常依賴于存在的場失真材料的量、其與位置傳感器以及場發(fā)生線圈的接近程度、和/或其中跟蹤場撞擊到場失真對象上的角度。在圖1的系統(tǒng)中，例如，外部磁體36通常包含大量的場失真材料并且被設(shè)置成非常接近工作體積。因此，外部磁體36可能導(dǎo)致通過位置傳感器感測的跟蹤場的明顯失真。下述的方法和系統(tǒng)主要涉及在存在跟蹤磁場的嚴重失真的情況下執(zhí)行精確的位置跟蹤測量。圖1的導(dǎo)管操縱系統(tǒng)僅僅是作為示例性應(yīng)用來描述的，其中位于位置跟蹤系統(tǒng)的工作體積內(nèi)或附近的對象導(dǎo)致跟蹤場的嚴重的、隨時間變化的失真。但是，本發(fā)明的實施例決不限于磁性操縱應(yīng)用。在此描述的方法和系統(tǒng)可用于任何其它合適的位置跟蹤應(yīng)用中，用于降低這種失真影響。例如，在此描述的方法和系統(tǒng)可用來降低由諸如C形臂熒光鏡和磁共振成像(MRI)設(shè)備的對象所導(dǎo)致的場失真影響。在替換的實施例中，系統(tǒng)20可用來跟蹤多種類型的體內(nèi)對象，諸如導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡和矯形植入物，以及用于耦接到醫(yī)療和手術(shù)工具和器械的跟蹤位置傳感器。使用冗余測量信息來降低失真的方法如上所述，系統(tǒng)20包括產(chǎn)生九個相應(yīng)跟蹤場的九個場發(fā)生線圈44。這些場的每一個由三個場感測線圈60來感測。這樣系統(tǒng)執(zhí)行總共27個場投影測量，以便計算導(dǎo)管M的六個定位和取向坐標。很明顯，這27個測量包含大量的冗余信息。該冗余信息可用于改善系統(tǒng)的抗失真性，所述失真由諸如外部磁體36的場失真對象導(dǎo)致?？蓪⑦@27個場測量看作27維矢量空間中的矢量。該矢量空間的每個維度對應(yīng)于一對{場發(fā)生線圈44，場感測線圈60}。由于測量中的冗余性，通?？纱_定該矢量空間的較低維度的子空間，其相對于場失真是不變的或幾乎不變。在下面圖4中描述的位置跟蹤方法使用在場測量中存在的冗余信息來改善在存在這種場失真的情況下的位置測量的精確度。原則上，該方法首先計算分別相對于三個三線圈42限定位置傳感器52的定位的三個定位矢量。這些定位矢量相對于位置傳感器的角取向是不變的，并被稱為旋轉(zhuǎn)不變量。 定位矢量是取向不變的，因為如下所示，它們是基于所測量的場強度計算的，而不是基于場強在場感測線圈上的投影計算的。通過坐標校正函數(shù)來校正定位矢量(旋轉(zhuǎn)不變量)，其利用冗余測量信息來改進抗場失真性。接下來計算位置傳感器的取向坐標以完成該傳感器的六維定位和取向坐標。 在一些實施例中，圖4的方法還包括校準和聚類步驟，以及用于補償位置傳感器52的線圈 60的不同心性的過程。雖然下面圖4的方法涉及定位墊和包括三個互相正交的場感測線圈的位置傳感器，所述定位墊包括以三線圈42設(shè)置成三個互相正交的組的九個場發(fā)生線圈，但是該構(gòu)造只是為了概念清楚的目的所選擇的示范性構(gòu)造。在替換的實施例中，定位墊40和位置傳感器52可包含設(shè)置成任何合適的幾何構(gòu)造的任何數(shù)目的線圈44和線圈60。圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在存在場失真的情況下進行位置跟蹤的方法的流程圖。該方法開始于在校準步驟100處對由定位墊40產(chǎn)生的跟蹤場進行映射和校準。通常，步驟100的校準過程在制作定位墊40的過程中執(zhí)行，并且所述校準結(jié)果存儲于耦接到定位墊的合適的存儲裝置中。例如在美國專利6，335，617中描述了可以用于該目的的校準裝置和一些相關(guān)的校準程序，在此并入其公開作為參考。在校準過程中，類似于位置傳感器52的校準傳感器通過墊40周圍的在三維工作體積內(nèi)的多個定位被掃描。在校準傳感器的每個定位處，墊40中的九個場發(fā)生線圈44中的每一個被驅(qū)動以產(chǎn)生相應(yīng)的跟蹤場，并且校準傳感器的三個場感測線圈60測量該跟蹤場。 記錄與每個定位相關(guān)的所感測的場強。在一些實施例中，校準過程包括在校準傳感器的每個定位處執(zhí)行多個場測量。通常，這些測量中的一些包括自由空間測量(也就是，當工作體積和其附近沒有場失真對象時進行的測量)。其它測量是在存在場失真對象的情況下在系統(tǒng)操作過程中希望它們所處的相同位置中進行的。例如，當場失真對象包括物理移動到操縱導(dǎo)管M的外部磁體36時， 在磁體移動經(jīng)過它們的整個預(yù)期運動范圍的同時執(zhí)行場測量。在校準中可包括的其它場失真對象包括例如用于照射患者的熒光鏡，以及患者躺在其上的床。所述校準裝置執(zhí)行場測量，并記錄測量結(jié)果以及校準傳感器的相關(guān)的已知定位。 在一些實施例中，所述校準程序由機器人或其它自動校準裝置來執(zhí)行，所述校準裝置在墊 40周圍跨越工作體積移動校準傳感器。在一些實施例中，所制作的每個墊40使用在此描述的校準程序進行校準?？商鎿Q的，諸如當墊40的制作過程充分可重復(fù)時，整個校準程序可只對單個定位墊或墊的樣品進行，并且結(jié)果用于校準剩余的墊。另外，可替換的，墊的樣品可經(jīng)受整個校準程序。對于剩余的墊來說，只記錄指示自由空間測量和失真測量之間的場強差異的不同結(jié)果。在一些情況下，材料構(gòu)成、機械結(jié)構(gòu)和/或場失真對象的定位是已知的。在這些情況下，由這些對象導(dǎo)致的干涉可被制作成模型，并且該模型用作校準測量的一部分。在一些情況下，當存在多個場失真對象時，可分別對每個對象進行校準測量。然后將各個校準測量結(jié)合起來。另外或可替換的，可使用任何其它合適的獲得校準測量組的方法。利用該多個場投影測量來導(dǎo)出三個旋轉(zhuǎn)不變的坐標校正函數(shù)，每個場投影測量與校準傳感器的已知定位相關(guān)。隨后將在正常系統(tǒng)操作期間應(yīng)用所述校正函數(shù)。所述函數(shù)接受由位置傳感器52測量的一組原始場測量作為輸入。這些原始測量可能由于存在場失真對象而失真。這三個函數(shù)產(chǎn)生位置傳感器52相對于定位墊40的三個相應(yīng)的已校正定位坐標。在一些實施例中，所述校正函數(shù)補償由場失真對象導(dǎo)致的失真，以及補償由于由線圈44 產(chǎn)生的跟蹤場偏離了理想的偶極子場的事實導(dǎo)致的誤差。然而，將跟蹤場模擬為偶極子場并不是強制性的。在一些實施例中，使用擬合過程來確定坐標校正函數(shù)。所述擬合過程確定這樣的函數(shù)所述函數(shù)將在上面的校準步驟100期間測量的定位坐標與校準傳感器的已知定位坐標最佳地擬合。在本領(lǐng)域內(nèi)已知的任何合適的擬合方法都可用于該目的，例如多項式回歸方法。這樣，擬合過程有效地使坐標校正函數(shù)響應(yīng)于在原始測量中所包含的失真水平來調(diào)整每個原始定位坐標對已校正定位坐標的相對貢獻。具有低失真含量的原始定位坐標通過擬合過程可能被強調(diào)或被給定更多加權(quán)。具有高失真含量的原始定位坐標可能被給定較少的加權(quán)或甚至被忽略。這樣，坐標校正函數(shù)可被看作將原始場測量變換成對失真來說盡可能不變的子空間。由于擬合過程考慮了大量的校準測量，因此該子空間對不同的場失真對象幾何形狀導(dǎo)致的失真來說是不變的。在一些實施例中，坐標校正函數(shù)可忽略與給計算帶來明顯失真的一個或多個導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量。導(dǎo)致失真的元件可包括場發(fā)生線圈44，場感測線圈60和/ 或{線圈44，線圈60}的對。在這些實施例中，例如通過將坐標校正函數(shù)的合適系數(shù)設(shè)定為零或另外對所述函數(shù)進行整形以對這些元件不敏感，所述函數(shù)可忽略有關(guān)導(dǎo)致失真的元件的測量。在一些實施例中，導(dǎo)致失真的元件可被關(guān)斷或者被停用。原始定位坐標表示為由rt。表示的三個矢量，其中tc = L··· 3，表示在測量中使用的三線圈42的下標。矢量rt。包括三個定位坐標{xt。，ytc, zt。}，其表示如響應(yīng)于由三線圈 tc產(chǎn)生的跟蹤場計算的位置傳感器的定位坐標。按照慣例，rtc是相對于定位墊40的參照系來表示的。假設(shè)為理想的偶極子場，用于基于所測量的場強計算rt。的示范性數(shù)學(xué)過程在下面的步驟102中進一步給出。在一些實施例中，這三個坐標校正函數(shù)包括多項式函數(shù)。在下述的說明中，每個函數(shù)包括不包含任何截項的定位坐標的三階多項式(也就是，該多項式可以包含X，X2, X3, y， y2，y3，ζ, ζ2和ζ3項，但是不包含例如xy2, xyz或y2z項)。這樣，坐標校正函數(shù)的輸入可表達為用h表示的沘維矢量，其被定義為h= {l，ri，r2，r3，ri2，r22，r32，ri3，r23，r33} = {1，222222222333333 xI ‘ Yl ‘ zI ‘ X2' ^2 ‘ Z2' X3'又3' Z3' X1 ‘ Yl ‘ Z1 ‘ X2 ‘ 5^2 ‘ Z2 ‘ X3 ‘ 5^3 ‘ Z3 ‘ X1 ‘ 5^1 ‘ Z1 ‘ X2 ‘ 5^2 ‘ Z2 ‘
知3，733，233}，其中第一“1”項用作偏差(offset)。這三個坐標校正函數(shù)具有下述形式 28
權(quán)利要求
1.用于跟蹤對象位置的方法，包括使用與該對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場的場強，以便提供冗余定位信息，其中所述場強測量中的至少一些經(jīng)受失真；以及通過將利用冗余定位信息的坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所述測量，確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的定位坐標，以便降低失真對定位坐標的影響。
2.用于跟蹤對象位置的方法，包括使用包括與該對象相關(guān)聯(lián)的一個或多個場感測元件的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；響應(yīng)于所測量的場強，鑒別至少一個導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件，其選自于由該一個或多個場感測元件和該兩個或更多個場發(fā)生器構(gòu)成的組；以及響應(yīng)于所測量的場強確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的位置，同時忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)的場測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，并且包括將該對象插入到患者的器官中，其中確定對象的位置包括跟蹤該對象在該器官內(nèi)的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該兩個或更多個場發(fā)生器與該對象相關(guān)聯(lián)，并且其中該場傳感器定位在所述器官的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括接受推理的指示， 該指示選自于由所述失真的特征方向和導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件的同一性構(gòu)成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括感測在與該導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量中失真的存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括場感測元件之一和場發(fā)生器之一構(gòu)成的對。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量包括停用導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件。
9.用于跟蹤對象位置的系統(tǒng)，包括兩個或更多個場發(fā)生器，其被設(shè)置成在對象的附近生成相應(yīng)的磁場； 與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器，其被設(shè)置成執(zhí)行對磁場場強的測量，以便提供冗余定位信息，其中所述場強測量中的至少一些經(jīng)受失真；以及處理器，其被設(shè)置成通過將利用冗余定位信息的坐標校正函數(shù)應(yīng)用于所述測量來確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的定位坐標，以便減少失真對定位坐標的影響。
10.用于跟蹤對象位置的系統(tǒng)，包括兩個或更多個場發(fā)生器，其被設(shè)置成在對象的附近生成相應(yīng)的磁場； 場傳感器，其與對象相關(guān)聯(lián)并且包括一個或多個場感測元件，其被設(shè)置成測量磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真；以及處理器，其被設(shè)置成響應(yīng)于所測量的場強來鑒別導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件，其選自于由該一個或多個場感測元件和該兩個或更多個場發(fā)生器構(gòu)成的組，并且被設(shè)置成確定該對象相對于該兩個或更多個場發(fā)生器的位置同時忽略與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)的場測量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該對象適于插入到患者的器官中，并且其中該處理器被設(shè)置成跟蹤該對象在該器官內(nèi)的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該兩個或更多個場發(fā)生器與該對象相關(guān)聯(lián)，并且其中該場傳感器定位在所述器官的外部。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該處理器被設(shè)置成接受推理的指示，該指示選自于由所述失真的特征方向和導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件的同一性構(gòu)成的組。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該處理器被設(shè)置成通過感測在與導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件相關(guān)的場測量中失真的存在來鑒別該導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件包括場感測元件之一和場發(fā)生器之一構(gòu)成的對。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該處理器被設(shè)置成停用導(dǎo)致失真的系統(tǒng)元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用冗余測量的抗失真位置跟蹤。用于跟蹤對象位置的方法，包括使用與對象相關(guān)聯(lián)的場傳感器來測量由兩個或更多個場發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場的場強，其中所述場強中的至少一個的測量經(jīng)受失真。響應(yīng)于所測量的場強來計算對象的旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標。通過將坐標校正函數(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)不變的定位坐標來確定對象的已校正定位坐標，以便響應(yīng)于所測量的場強中的失真來調(diào)整每一個所測量的場強對已校正定位坐標的相對貢獻。
文檔編號A61B19/00GK102210611SQ20111012579
公開日2011年10月12日 申請日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者A·戈瓦里, M·巴-塔爾 申請人:韋伯斯特生物官能公司