CN101248996B - 用于电磁跟踪方法和系统的线圈排列 - Google Patents

Abstract

一种电磁跟踪线圈排列(10)，包括三个共面电磁传感器(14)和与所述三个共面传感器不共面的第四电磁传感器(12)，其中所述三个共面电磁传感器(14)和第四电磁传感器(12)中的每一个均放置在四面体的顶点上。

Description

用于电磁跟踪方法和系统的线圈排列

技术领域

[0001]本发明通常涉及一种使用磁场确定目标位置和方位的跟踪系统，诸如在外科手术和其它医疗处置过程中用作跟踪仪器和装置的系统。更具体而言，本申请涉及一种使用紧凑型线圈排列(arrangement)的电磁跟踪系统和方法。

背景技术

[0002]跟踪系统已经在各种产业和应用中得到使用，用于提供和目标有关的位置信息。例如，电磁跟踪在航空应用、运动检测应用和医疗应用中十分有用。在医疗应用中，跟踪系统已经用于向操作人员(例如，医生)提供信息，以便准确、快速地定位位于患者体内或附近的医疗装置。通常，图像被显示在显示器上，用于向操作人员提供定位信息。图像可以包括患者解剖结构的可视化显示，图标位于表示上述装置的图像上。当装置相对于患者身体被定位时，更新显示图像以反映正确的装置坐标。患者解剖结构的基本图像在医疗处置之前或医疗处置期间产生。例如，任何合适的医学成像技术，诸如X线、计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层成像(PET)和超声，均可以用于提供在跟踪期间显示的基本图像。基本图像和跟踪装置表示的组合提供了允许医学从业者将装置操纵到期望位置的定位信息和/或被聚集到准确位置的相关信息。

[0003]为了确定装置的位置，跟踪系统可以使用电磁(EM)场发生和检测方法。使用这种方法，至少一个磁场从一个或多个EM传感器(例如，EM场发生器或发射器)中产生，并且磁场被一个或多个补偿(complementary)EM传感器(例如，EM接收器)检测。在这种系统中，可以通过测量EM传感器和补偿EM传感器之间的互感，检测EM场。测量值被处理用于分析EM传感器彼此之间的位置和/或方位。例如，电磁跟踪系统可以包括安装在装置操作端的EM传感器和固定在已知位置上的补偿EM传感器。当EM传感器产生磁场时，互感的电压指示可以通过补偿EM传感器被感应。信号可以被检测并传递给处理器用于处理。然后，处理可以使用测量到的互感的电压信号指示，用于确定EM传感器彼此之间的位置和方位(例如，X、Y和Z坐标以及倾侧角、俯仰角和偏航角)。

[0004]常见电磁跟踪系统包括多个EM传感器，上述多个EM传感器由一个或多个EM场发生器阵列和一个或多个EM接收器阵列构成。为了提供更为准确的装置跟踪，已经使用位于跟踪区域四周的EM传感器的各种排列。例如，四个EM传感器可以放置在矩形区域的角上。在这种配置中，一个EM传感器可以作为产生磁场的EM场发生器，而上述磁场由作为EM接收器的补偿EM传感器检测。然后，处理器可以接收被检测磁场的信号指示，对EM传感器的位置和/或方位进行三角测量。

[0005]尽管上述方法可以提供足够的准确度，但是仍然存在位于一个平面的区域四周的传感器不能提供位置和/或方位充分估计的情形。例如，当四个EM接收器放置在一个平面上(例如，外科手术台上)时，处理不能准确跟踪位于平面上方或下方的EM场发生器的距离。此外，即使距离可以确定，处理也很难(并非不可能)确定EM场发生器位于平面的哪一侧。例如，对于平面上方指定位置(x，y，z)处的EM场发生器和平面下方指定位置(x，y，-z)处的EM场发生器，可能出现相同的互感测量。这是因为在这两个位置上，EM场发生器到EM接收器的距离是相同的，因此互感测量和它们在三角测量中的比例是相同的。因此，处理不能决定EM场发生器究竟位于平面的哪一侧。

[0006]此外，一些跟踪系统应用需要紧凑EM传感器。一些包含多个线圈的EM传感器可能相当大。由于工业标准线圈结构(ISCA)EM传感器组件小，因此它们便于应用到上述应用中。但是，ISCA发射器和接收器均包括三个大致同心和大致正交的线圈。而且，ISCA线圈必须被单独表征。当ISCA发射器或接收器需要安装到外科器械的末端时，由于空间有限，从而使得利用三线圈装置变得困难。

[0007]因此，需要提出一种EM跟踪系统，其中EM传感器包括至少一个紧凑线圈阵列。

发明内容

[0008]根据本发明的一个方面，提供一种电磁线圈排列，包括：三个共面电磁传感器；和与上述三个共面传感器不共面的第四电磁传感器，其中上述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器中的每一个电磁传感器被放置在四面体的顶点上。

[0009]根据本发明的另一个方面，提供一种电磁跟踪系统，包括电磁传感器排列，上述电磁传感器排列包括三个共面电磁传感器和与上述三个共面传感器不共面的第四电磁传感器以及至少一个补偿电磁传感器，其中上述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器均被放置在四面体的顶点上，。

[0010]根据本发明的另一个方面，提供一种电磁跟踪方法，该方法包括提供用于产生至少一个磁场的至少一个电磁场发生器，提供用于检测至少一个磁场的至少一个特征的电磁接收器阵列，并将至少一个磁场的至少一个特征的至少一个信号指示发送给处理器，其中上述电磁接收器阵列包括三个共面电磁接收器和与上述三个共面接收器不共面的第四电磁接收器，并且其中上述三个共面电磁接收器和第四电磁接收器均被放置在四面体的顶点上。

[0011]根据本发明的另一个方面，提供一种电磁线圈排列，包括布置在体积区域中的多个电磁传感器，其中多个电磁传感器中的每一个电磁传感器彼此间隔一段距离，并且其中多个电磁传感器不是都位于同一个平面中。

附图说明

[0012]结合附图阅读下面的详细描述，将更容易理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中相同的附图标记表示相同特征，其中：

[0013]图1显示了根据本发明的一个方面实现的典型EM跟踪系统；

[0014]图2显示了根据本发明的一个方面的典型传感器排列；

[0015]图3显示了根据本发明的一个方面的另一种典型传感器排列；

[0016]图4显示了根据本发明的一个方面，图2所示的典型传感器排列布置在患者周围；

[0017]图5显示了根据本发明的一个方面，图2所示的典型传感器排列布置在操作台周围；

[0018]图6所示流程图描述了根据本发明一个方面的处理方法。

具体实施方式

[0019]现在参考图1，说明了根据本发明一个实施例的跟踪系统10。跟踪系统10通常包括多个跟踪部件。如同描述的那样，跟踪部件可以包括具有多个EM传感器14的电磁(EM)线圈排列20、至少一个补偿EM传感器12、处理器16和用户接口18。如图4所示，上述至少一个补偿EM传感器12可以耦合到至少一个仪器或装置26。

[0020]在上述实施例中，EM线圈排列20包括由多个EM传感器14阵列，上述EM传感器14排列在体积区域22的四周。EM传感器14阵列可以由磁偶极子(例如，线圈、电流环或电磁体)形成，当跨越上述磁偶极子施加或感应电流时，上述磁偶极子能够产生偶极磁场。在一些实施例中，EM传感器14可以使用工业标准线圈结构(ISCA)类型线圈、单偶极子线圈、平面线圈或三者的组合。ISCA类型线圈被限定为3个大致位于同一位置、大致正交和大致偶极子线圈。EM传感器14阵列可以被配置成具有多个线圈，这些线圈能够提供具有变化幅度和方向的多个偶极磁场。例如，EM传感器14阵列可以被实现，其中每一个EM传感器14均包括三个同心且正交的偶极子线圈(三线圈组)，从而在3个平面内(即，x、y和z平面)产生偶极磁场。

[0021]同样，上述至少一个补偿EM传感器12可以由磁偶极子(例如，线圈、电流环或电磁体)形成，当跨越上述磁偶极子施加或感应电流时，上述磁偶极子能够产生偶极磁场。在一些实施例中，至少一个补偿EM传感器12可以使用工业标准线圈结构(ISCA)类型线圈、单偶极子线圈、平面线圈或三者的组合。ISCA类型线圈被限定为3个大致位于同一位置、大致正交和大致偶极子线圈。至少一个补偿EM传感器12可以被配置成具有单线圈，上述单线圈用于产生单偶极磁场。

[0022]至少一个补偿EM传感器12可以被配置成用于产生磁场的EM场发生器或发射器，并且EM传感器14阵列可以被配置成EM接收器阵列，用于检测由至少一个补偿EM传感器12产生的磁场。

[0023]由至少一个补偿EM传感器12产生的磁场取决于通过至少一个补偿EM传感器12的线圈所提供的电流。如图1所示，在一个实施例中，为了提供通过线圈的电流，处理器16可以通过电缆13向至少一个补偿EM传感器12提供驱动电流。应当认识到，至少一个补偿EM传感器12也可以在无线方式下工作，在无线方式中至少一个补偿EM传感器12和处理器16之间不需要电缆连接。随着电流在至少一个补偿EM传感器12的线圈中流动，至少一个补偿EM传感器12可以产生至少一个具有指定幅度和方向的偶极磁场。磁场的特征(例如，幅度、方向、相位或频率)可以通过操纵电流而变化。

[0024]产生的磁场可以在EM传感器14阵列的线圈中感应电流。EM传感器14阵列检测磁场，并将数据发送给处理器16。由EM传感器14阵列采集的数据可以被处理以确定各种参数。例如，在图1所示实施例中，由EM传感器14阵列检测的磁场可以通过电缆15被输出到处理器16。应当认识到，EM传感器14阵列也可以在无线方式下工作，在无线方式中EM传感器14阵列和处理器16之间不需要电缆连接。通过识别各自的相位和频率，处理器16可以区分不同的磁场。应当认识到，多个自由度可以被处理器16分析，这取决于所产生和所接收的磁场数目。例如，对于EM传感器14阵列和至少一个补偿EM传感器12均包括三线圈组的情形，可以确定包括3个位置值和3个方位值的六个自由度(例如，x、y、z和倾侧、俯仰、偏航)。

[0025]在跟踪系统10中，至少一个补偿EM传感器12可以包括至少一个导电线圈，当电流通过上述导电线圈时，上述导电线圈产生电磁场。在某些实施例中，至少一个补偿EM传感器12可以包括单偶极子线圈。当跨越单偶极子线圈施加或感应电流时，可以产生沿着单偶极子线圈的“轴”具有幅度力矩矢量(magnitude moment vector)的单磁场。对于线圈，根据右手法则，线圈轴的方向和线圈平面垂直。本领域技术人员应当认识到可以使用多个发射线圈，用于产生多个磁场。例如，至少一个补偿EM传感器12可以由三个位于同一位置的正交的准偶极子线圈(即，三线圈组)构成。当三线圈组被激励时，每一个线圈均可以产生磁场。从而，可以产生具有幅度矢量(magnitude vector)的三个磁场，所述幅度矢量位于同一位置并且彼此正交。

[0026]EM传感器14阵列被配置成“接收”(也就是，检测)由至少一个EM传感器12所产生的磁场。例如，当电流被施加到至少一个EM传感器12时，由至少一个EM传感器12的线圈产生的磁场可以在EM传感器14阵列的线圈中感应电压。感应的电压可以用产生磁场的至少一个EM传感器12的线圈和检测磁场的EM传感器14阵列的线圈之间的互感表示。因此，跨越EM传感器14阵列的线圈所感应的电压可以被检测和被处理，以确定至少一个EM传感器12的线圈和EM传感器14阵列的线圈之间的互感。

[0027]在系统10中相对于EM传感器14阵列，至少一个补偿EM传感器12的位置和功能可以被颠倒。例如，在一个实施例中，至少一个补偿EM传感器12可以被配置成EM接收器用于检测磁场，而EM传感器14可以被配置成EM场发生器或发射器用于产生磁场。但是，为了简单起见，这里讨论的其他部分涉及作为产生磁场的EM场发生器或发射器的至少一个EM传感器12和作为检测磁场的EM接收器的EM传感器14。

[0028]与至少一个EM传感器12类似，EM传感器14阵列可以使用单偶极子线圈或多个线圈(例如，三线圈组)。例如，跟踪系统可以包括工业标准线圈结构(ISCA)类型线圈。ISCA类型线圈配置有至少一个三轴偶极子线圈发射器和至少一个三轴偶极子线圈接收器。ISCA类型线圈被限定为3个大致位于同一位置、大致正交和大致偶极子线圈。在上述结构中，至少一个EM传感器12的线圈和EM传感器14阵列的线圈被配置，使得3个线圈表现出相同的有效区域，三个线圈被彼此正交地定向并且在同一个点上被居中。使用上述结构，可以获得9个参数测量值(也就是，每一个发射线圈和每一个接收线圈之间的测量值)。从上述9个参数测量值中，处理可以确定至少一个EM传感器12中的每一个线圈相对于EM传感器14阵列中的每一个线圈的位置和方位信息。如果至少一个EM传感器12或EM传感器14阵列中的任何一个的位置已知，那么处理就可以决定相对于已知位置的位置和方位。

[0029]进一步，EM传感器14阵列可以包括不同于线圈的结构。例如，EM传感器14阵列可以使用包括霍尔效应、磁阻效应和磁通门装置(fluxgate device)在内的其他技术。为了简单起见，这种讨论的其他部分集中在至少一个EM传感器12的线圈和EM传感器14阵列的线圈的使用。

[0030]如上所述，产生磁场需要有电流从至少一个EM传感器12的线圈中通过。在一个实施例中，处理器16可以提供驱动电流用于激励至少一个EM传感器12的线圈，从而产生被EM传感器14阵列检测的磁场。例如，处理器16通过电缆连接向至少一个EM传感器12传送驱动电流。应当理解，驱动电流源也可以和处理器16无关。例如，在另一个实施例中，至少一个EM传感器12可以包括振荡器，该振荡器产生用于形成磁场的驱动电流。应当理解，在包括使用至少一个EM传感器12中的多个发生线圈的跟踪方案中，驱动电流可以包括变化相位和频率的多个波形，用于产生变化相位和频率的多个磁场，以便在处理中这些磁场能够被区分。

[0031]除了提供驱动电流之外，处理器16可以处理接收信号用于跟踪仪器或装置的位置和方位。例如，EM传感器14阵列将产生与至少一个EM传感器12和EM传感器14阵列之间的互感成正比的输出信号。处理器16可以使用互感测量值的各个比值，对至少一个EM传感器12相对于EM传感器14阵列的位置进行三角测量。

[0032]通常，处理器16在跟踪系统10中可以执行若干功能。例如，处理器16可以包括提供驱动信号的电路，接收检测信号的电路以及调节驱动信号和检测信号的电路。另外，处理器16可以包括协调系统10的多个功能、实现导航和可视化算法的处理，上述导航和可视化算法适于在显示器上跟踪和显示仪器或装置的位置和方位。处理器16可以包括数字信号处理器、存储器、中央处理器(CPU)或类似部件，用于处理已采集的信号。应当理解，处理可以包括使用处理器16中的一个或多个计算机。增加独立CPU可以提供额外的功能，这些功能包括但不限于跟踪、接收数据的信号处理以及向用户接口18发送数据，其中用户接口18包括显示器。在一个实施例中，CPU可以被限制在处理器16中，然而在另一个实施例中，CPU可以包括和处理器16分离的独立装置。

[0033]如上所述，系统10还可以包括用户接口18。例如，系统10可以包括监视器，用于显示被跟踪目标的被确定位置和方位。应当理解，用户接口18可以包括额外的装置，用于帮助系统10和用户之间的数据交换。例如，用户接口18可以包括键盘、鼠标、指示器或其他外设。尽管处理器16和用户接口18可以是相互独立的装置，但是在一些实施例中，处理器16和用户接口18可以被提供在一个单元中。

[0034]现在讨论对接收数据的处理，处理器16可以使用迭代方法达到至少一个EM传感器12、EM传感器14阵列或其他被跟踪目标的被确定位置和方位。例如，可以提供位置和方位的初始“种子”近似值，或是通过系统10和处理器16的初始测量值决定。处理器16然后可以在后续算法中使用上述近似位置和方位预测磁场特征，并确定新的位置估计。处理器16接着可以比较测量值和计算值，并考虑是否需要计算新的磁场特征估计。估计和比较的迭代可以一直持续下去，直到估计值足够接近实际检测的位置和方位。

[0035]因此，希望系统10被配置成能够确保位置和方位的确定被有效和准确地完成。例如，为了增加电磁场测量值和种子近似值的准确性，EM传感器14阵列可以在指定排列中被定向。一种排列可以包括EM传感器14阵列，EM传感器14按照四边形结构围绕一个区域被放置在一个平面中(例如，四个传感器被放置在桌子的各个角上)。在许多情况下，这种结构可以提供足够的准确度，用于确定至少一个EM传感器12相对于EM传感器14阵列的位置和方位。例如，在医学跟踪系统中，已知至少一个EM传感器12位于包含EM传感器14阵列的平面的上方，因此已知z是正值，并且处理只需要决定x和y位置以及z距离，其中在上述医学跟踪系统中装置在位于工作台上的患者体内被跟踪。但是，如果不知道至少一个EM传感器12是位于包含EM传感器14阵列的平面的上方还是下方，则处理还必须决定z方向。EM传感器阵列位于一个平面内的结构不可能完成上述处理。例如，位于平面上方指定位置(x，y，z)处的至少一个EM传感器12和位于平面下方指定位置(x，y，-z)处的至少一个EM传感器12可以表现出相同的互感测量值。在两个位置((x，y，z)和(x，y，-z))中，至少一个EM传感器12到EM传感器14相应阵列中的每一个EM传感器14距离相同。因此，互感测量值以及在处理中使用的它们的比值是相同的。因此，处理不能决定至少一个EM传感器12(例如，被跟踪装置)究竟位于平面的哪一侧。

[0036]基于上述教导，需要一种在整个三维空间中能够准确跟踪目标位置的系统。本发明提供一种包括EM线圈排列的系统，该EM线圈排列用于在包括沿z轴相对位置的三维(也就是，x、y和z维)空间中跟踪目标。

[0037]现在参考图2，图2描述了根据本发明一个典型实施例的EM线圈排列20。在一个实施例中，多个EM传感器14被排列在体积区域22的顶点上。EM传感器14阵列可以这样排列：EM传感器14中的至少一个EM传感器与其它传感器不在同一平面。例如，如图2所示，4个EM传感器14阵列可以被放置在四面体的顶点上。4个EM传感器14彼此间隔开，并且没有全部位于同一个平面上。应当理解，四面体是包括4个三角形面的多面体，其中三个面在每一个顶点处相交。也应当理解，空间中的三个点构成一个平面。因此，如图2所示，EM线圈排列20包括EM传感器14中位于一个平面上(共平面)的3个传感器，EM传感器14中的第四传感器没有位于同一个平面中。

[0038]本领域技术人员应当理解，四面体的形状可以采用多种形式。在一个实施例中，四面体可以包括“正”四面体。例如，图2说明了放置在正四面体各个顶点上的EM传感器14阵列。进一步，与图2一致的一个实施例可以包括以大约4cm到大约6cm的相等距离间隔分布以形成正四面体各个顶点的4个EM传感器14。本领域技术人员应当理解，在“正”四面体结构中，4个EM传感器14可以被等间距设置，因此EM传感器阵列可以按照任意指定的距离进行配置以满足应用的需求。

[0039]在另一个实施例中，四面体可以不是“正”四面体。换句话说，4个EM传感器14阵列可以不必是共面的，并且可以间隔不同的距离。例如，如图3所示，四面体的底面可以由EM传感器14中位于平面区域24的3个角上的3个传感器限定，EM传感器14的第四传感器位于区域24的第四角的上方。本领域技术人员应当理解，四面体的顶点可以被设置在空间中任意4个不共面的点上。

[0040]为了形成被放置在四面体顶点上的EM传感器14阵列，可以使用各种EM传感器结构。例如，EM传感器可以包括单个线圈或多个线圈。在一个实施例中，EM传感器14中的每一个传感器可以包括(如上所述的)三线圈组。因此，4个EM传感器14阵列可以包括总共12个线圈。例如，EM线圈排列20可以包括4个一立方厘米三线圈组(例如，3组线圈围绕在一个立方厘米线轴四周)，上述4个一立方厘米三线圈组以大约4cm到大约6cm的相同距离被间隔分布。在这些结构中，三线圈组和它们的空间关系可以被准确表征以参与处理。例如，在使用线圈结构20接收磁场之前，每一个线圈和它们的组合可以被校准。

[0041]在另一个实施例中，EM传感器14阵列可以使用其他类型的磁场传感器。例如，EM传感器14阵列可以包括霍尔效应、磁阻效应和磁通门装置。本领域技术人员应当理解，EM传感器14阵列可以包括能够向处理器16提供用于处理的磁场指示信号(例如，互感)的任何合适装置。

[0042]至于至少一个EM传感器12的结构，应当注意到应用自身决定了EM传感器的类型。例如，在医疗应用中，通常希望EM传感器被插入到患者体内。因此，相对于具有较大外形的多线圈EM传感器，被跟踪的目标可以使用外形小的单偶极子线圈EM传感器。用作EM场发生器或发射器的单线圈EM传感器需要没有特异性和容易安装在仪器或装置尖端的内部。应当理解，这种限制源自特定的应用，并且不是绝对的。例如，对于被跟踪装置中可以容纳较大EM传感器的应用，可以使用三线圈组或其他传感器。

[0043]为了提供跟踪医疗仪器或装置，至少一个EM传感器12或EM传感器14阵列可以被耦合到仪器26上。在医疗跟踪应用中，被跟踪目标可以包括在医疗处置期间使用的仪器或装置26。例如，至少一个EM传感器12可以被耦合到插入患者28体内的仪器或装置26上，并且被EM传感器14阵列跟踪(参见图4)。本领域技术人员应当理解，本技术可以用于跟踪在医疗处置期间使用的各种仪器和装置26。例如，仪器或装置26可以包括钻孔器、导线、内窥镜、腹腔镜、活检针、消融装置或其他类似装置。

[0044]本技术可以包括多种实现形式。在一个实施例中，EM线圈排列20可以贴近患者28和被跟踪仪器或装置26放置。例如，如图4所示，EM线圈排列20可以被容纳在刚性支架30中，上述刚性支架30被牢固固定在患者28的头部和鼻子四周。因此，EM线圈排列20可以允许检测EM传感器14阵列和至少一个EM传感器12之间的磁场(例如，互感)，上述至少一个EM传感器12附着在仪器或装置26上，并且上述仪器或装置26贴近患者28或位于患者28体内。例如，在医疗应用中，可能需要远距离插入仪器或装置26以便在患者28体内执行操作，并且超出了操作医生的视线范围。本领域技术人员应当理解，本技术可以用在各种跟踪应用中。

[0045]使用类似EM线圈排列20，本技术的另一种实现可以包括将EM传感器14阵列固定到表面上。在一个实施例中，所述表面可以包括外科手术台32。例如，如图5所示，3个EM传感器14可以被放置在手术台32的表面上，第四EM传感器14被放置在该表面上方(也就是，不共面)。在这种结构中，EM线圈排列20可以具有在“z”方向上提供更准确的跟踪以及使用装置进行处理以决定仪器位置位于手术台32表面上方或下方的优点。本领域技术人员应当理解，EM线圈排列20可以包括将EM传感器14固定到任何合适的非共面形状上。例如，3个EM传感器14可以被放置在手术台32的平面上，第四EM传感器14被放置在手术台32表面的下方。

[0046]图6以流程图的形式描述了使用了跟踪系统10的方法。如上所述，跟踪系统10可以包括至少一个EM传感器12和EM线圈排列20。在一个实施例中，至少一个EM传感器12可以包括固定到仪器或装置26上的单偶极子线圈，并且EM线圈排列20可以包括放置在体积区域22的顶点上的EM传感器14阵列。在上述实施例中，EM线圈排列20可以被固定成邻近预期的跟踪区域。类似地，至少一个EM传感器12可以被放置在邻近EM线圈排列20的跟踪区域中，以跟踪仪器或装置26。因此，图6在方框34中描述了提供EM线圈排列20的步骤，并且在方框36中描述了将至少一个EM传感器12附着到至少一个仪器或装置26上。在一个实施例中，至少一个EM传感器12可以包括一个固定到仪器或装置26上的单偶极子线圈，并且EM线圈排列20可以包括放置在体积区域22(诸如，四面体)的顶点上的4个EM传感器14。如上所述，提供EM传感器14阵列可以包括提供线圈、三线圈组、霍尔效应、磁阻效应、磁通门装置或能够向处理器16提供用于处理的磁场指示信号(例如，互感)的任何合适装置。应当注意到，当系统被配置成跟踪静止EM传感器12和运动EM传感器12时，确定至少一个EM传感器12的位置可以包括提供作为跟踪系统动态参照的静止EM传感器12以及附着到仪器或装置26上的运动EM传感器12。

[0047]如图6中的方框38所示，方法进一步包括向至少一个EM传感器12提供电流，以产生至少一个磁场。方法的多个实施例包括至少一个EM传感器12，上述EM传感器12被跨越线圈电流驱动以产生具有给定幅度、相位和频率的至少一个磁场。例如，如上所述，至少一个EM传感器12可以包括单偶极子线圈，上述单偶极子线圈通过处理器16被提供驱动电流并产生可以被EM传感器14阵列检测的相应磁场。

[0048]因此，图6中的方框40包括提供EM传感器14阵列用于检测至少一个磁场的补偿步骤。例如，一个实施例可以包括EM线圈排列20中的EM传感器14阵列的每一个线圈，上述EM线圈排列20检测表示跨越每一个线圈的互感的磁场，并将信号发送给处理器16。因此，例如在一个实施例中，处理器16可以接收12个信号，这些信号用于指示跨越每一个线圈的互感，其中EM传感器14阵列中的每一个EM传感器包括三线圈组。

[0049]本领域技术人员应当理解，在方框34中提供EM线圈排列、在方框36中将至少一个EM传感器附着到至少一个仪器或装置上、在方框38中向至少一个EM传感器提供电流以产生至少一个磁场，以及在方框40中提供EM传感器40阵列以检测至少一个磁场的讨论可以按照各种合适的顺序被实现。进一步，本领域技术人员应当理解，由于互易性，在方框38中产生磁场和在方框40中检测磁场的步骤并不局限于上述实施例所描述的内容。例如，一个实施例可以包括被配置用于产生至少一个磁场的EM传感器14阵列和被配置用于检测至少一个磁场的至少一个EM传感器12。

[0050]应当理解，处理磁场指示信号可以被执行以决定预期参数。例如，如方框42所述，图6所示方法的实施例可以包括处理指示由EM传感器阵列检测的至少一个磁场的至少一个信号以确定至少一个仪器或装置26的位置和/或方位。处理可以包括处理器16接收数据以及执行若干功能以获得经分析得到的位置和/或方位，其中上述数据包括指示被检测磁场的信号(例如，互感)。在EM跟踪系统10中，处理可以采用多种不同的形式，包括与先前记录数据或分析解或两者的组合相关的形式。

[0051]在一个实施例中，处理可能与先前已记录的数据相关。例如，合适的方法可以包括使用通过测量跟踪体积中每一个感兴趣点的磁场特性而导出的查找表(LUT)。在这种处理形式中，磁场的被测值从EM传感器14阵列被发送到处理器16，然后处理器16搜索类似测量值的预存储数据集的数据库。接着，处理可以将当前测量值和与给定位置和/或方位有关的类似预存储数据集进行匹配。这样，处理器16可以在后续处理中使用位置和方位数据或者将数据输出到用户接口18。应当理解，本技术需要大容量的存储器和强大的处理能力，因此可能并不是对所有的系统均适用。

[0052]处理的其它形式可以包括分析法。在一个实施例中，处理可以包括根据至少一个EM传感器12的线圈和EM传感器14阵列的多个线圈之间检测到的互感比例对位置进行三角测量。例如，表示互感的适当方程包括：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\×A_{\mathrm{effc}}\×A_{\mathrm{effe}}}{R^3}\×C_1---\left(1\right)$

其中：L＝以亨为单位的互感值；

μ₀＝自由空间磁导率＝∏×4×10^-7亨/米；

R＝传感器之间的距离；

A_effc＝单偶极子线圈的有效面积；

A_effe＝三线圈组的有效面积；和

C₁＝在1和2之间的系数，其根据发生传感器的方位确定。

其中C₁等于2的平方根，求解方程1获得距离R：

$R=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{\μ}}_0\×A_{\mathrm{effc}}\×A_{\mathrm{effe}}\×\sqrt{2}}{L}}---\left(2\right)$

使用方程2和从每个相应EM传感器14检测到的互感，EM传感器14的每一个线圈和至少一个EM传感器12的线圈之间的距离可以被确定。通过对多个距离进行三角测量，可以确定至少一个EM传感器12的相对位置和方位。

[0053]本领域技术人员应当理解，任何合适的处理算法或方法均可以用于将EM传感器检测信号与位置和/或方位关联起来。例如，处理的可选方法包括考虑磁场梯度。在上述典型实施例中，EM传感器14阵列的每一个线圈均可以将信号发送给处理器16，该信号指示每一个对应线圈处的互感。然后，处理器16可以使用这些互感测量值用于决定互感，并对互感求平均，所述互感表示位于四方体中心点的互感。接着，处理可以使用在每一个EM传感器14处计算的互感和平均“中心点”，以确定位于“中心点”处的磁场梯度。使用被估计的中心点梯度，任何合适的算法均可以用于确定中心点和至少一个EM传感器12之间的位置向量。例如，在r处产生的磁通密度可以表示成：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3(p\·n)n-p}{r^3}---\left(3\right)$

其中：μ₀＝自由空间磁导率＝∏×4×10^-7亨/米；

r＝传感器之间的距离；

p＝磁矩；和

n＝(|r|/r)的单位向量。

并且，位于两个点的磁场变化可以表示成：

$B-B^{\′}=-\frac{3}{r}\mathrm{Bdr}---\left(4\right)$

并且，磁场梯度可以表示成：

$B-B^{\′}={\left(\begin{array}{ccc}{\∂}_x{B}_x& {\∂}_y{B}_x& {\∂}_z{B}_x\\ {\∂}_x{B}_y& {\∂}_y{B}_y& {\∂}_z{B}_y\\ {\∂}_x{B}_z& {\∂}_y{B}_z& {\∂}_z{B}_z\end{array}\right)}^{-1}\mathrm{ndr}---\left(5\right)$

那么，从至少一个EM传感器到四方体中心点的位置向量(r)可以表示成：

$r={-3\left(\begin{array}{ccc}{\∂}_x{B}_x& {\∂}_y{B}_x& {\∂}_z{B}_x\\ {\∂}_x{B}_y& {\∂}_y{B}_y& {\∂}_z{B}_y\\ {\∂}_x{B}_z& {\∂}_y{B}_z& {\∂}_z{B}_z\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)---\left(6\right)$

因此，处理可以决定相对于EM线圈排列20中EM传感器14阵列的位置，至少一个EM传感器12的位置。本领域技术人员应当理解，任何合适的处理方法均可以用于决定近似位置。

[0054]如上所述，处理器16可以实现上述技术，用于确定正被系统10跟踪的至少一个EM传感器12的近似位置。上述初始位置估计(通常称为“种子猜测”)可以用作被确定位置或是用在更准确确定至少一个EM传感器12的位置和/或方位的后续算法中。例如，在“种子猜测”被确定后，可以执行合适的“拟合优度”计算，以确定位置和/或方位是否位于可接受的范围内。拟合优度(G_f)可以包括模型化(modeled)互感L_model(它们是位置估计R_model和方位估计O_model的函数)和被测互感L_meas(针对一个发射器线圈和12个接收器线圈)之间差异的无量纲(dimensionless)测量：

$D_f=\frac{\underset{r=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{(L_{\mathrm{mode}l}-L_{\mathrm{meas}})}_r^2}{\underset{r=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{\left(L_{\mathrm{meas}}\right)}_r^2}---\left(7\right)$

当G_f小时，剩余误差可以是小的，因此在R_model和O_model中的误差是小的。如果G_f大，那么系统的近似特征是不正确的。因此，“良好拟合”可以表示处理已经输出可接受的准确的位置和/或方位，其可以被输出到用户接口18或用在后续处理中。

[0055]尽管这里仅描述了本发明的部分特征，但是多种修改和变换对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，应当理解，后附权利要求用于涵盖落入本发明精神范围内的所有修改和变换。

Claims (6)

1.一种跟踪系统，包括：

检测磁场的至少一个特征的电磁接收器阵列，所述电磁接收器阵列包括三个共面电磁传感器和与所述三个共面电磁传感器不共面的第四电磁传感器，其中所述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器各自位于四面体的顶点，并且所述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器各自包括工业标准线圈结构(ISCA)类型线圈；以及

处理器，从所述电磁接收器阵列接收表示所述至少一个特征的至少一个信号并且处理该至少一个信号以便分析生成磁场的电磁场发生器相对所述电磁接收器阵列的位置，其中处理所述至少一个信号包括确定在所述电磁接收器阵列中心的平均磁场梯度，并且其中所述平均磁场梯度被处理以分析所述电磁场发生器相对所述电磁接收器阵列的位置。

2.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器以相等的距离间隔被放置。

3.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述三个共面电磁传感器和第四电磁传感器具有不完全相等的距离间隔。

4.一种使用跟踪系统的电磁跟踪方法，其中所述跟踪系统包括配置成产生至少一个磁场的至少一个电磁场发生器和配置成检测所述至少一个磁场的至少一个特征的电磁接收器阵列，其中所述电磁接收器阵列包括三个共面电磁接收器和与所述三个共面电磁接收器不共面的第四电磁接收器，并且其中所述三个共面电磁接收器和第四电磁接收器各自位于四面体的顶点，所述方法包括：

将表示所述至少一个磁场的至少一个特征的至少一个信号发送给处理器；并且

处理所述至少一个信号以分析生成磁场的所述至少一个电磁场发生器相对所述电磁接收器阵列的位置，其中处理所述至少一个信号包括确定在所述电磁接收器阵列中心的平均磁场梯度，并且其中所述平均磁场梯度被处理以分析所述电磁场发生器相对所述电磁接收器阵列的位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述电磁接收器阵列耦合到刚性支撑框架。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述电磁接收器阵列耦合到外科工作台。

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