CN102188246B - 磁跟踪系统、设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种磁跟踪系统、设备及方法，该磁跟踪系统包括：第一组磁场发生器，被配置为在三维区域内产生具有第一形状的第一磁场；以及至少一个第二组磁场发生器，被配置为在所述三维区域内产生具有第二形状的第二磁场。该系统还包括计算装置，被配置为基于传感器对所述第一磁场和第二磁场的检测来计算所述三维空间内的所述传感器的位置。本发明通过设置多组磁场发生器形成期望的磁场来实现对三维区域内的具有多自由度的物体的精确跟踪，并通过调节和改变所述多个磁场发生器的设置参数来改变磁场的形状。

Description

磁跟踪系统、设备及方法

相关申请

本申请要求享有在2010年3月10日递交的美国临时申请第61/312,577号的优先权，该申请的全部内容通过参考合并于此。

此外，本申请与以下美国专利申请相关：2000年4月7日递交的第09/544,539号申请，即2003年4月22日公布的美国专利6,553,326；2001年6月26日递交的第09/892,153号申请，即2003年9月23日公布的美国专利6,625,563；2003年4月14日递交的第10/333,828号申请，即2004年12月28日公布的美国专利6,836,745；以及2004年4月15日递交的第10/824,846号申请，即2010年8月24日公布的美国专利7,783,441；所有这些申请的全部公开内容通过参考合并于此。

技术领域

本申请涉及应用磁场来确定物体(object)的位置和方位(orientation)。

背景技术

磁跟踪系统使用磁场确定给定区域内的物体的位置及方位。在物体(例如一件设备或一个人体)上设置有传感器以检测呈现在所述给定区域内的磁场。根据所检测的磁场信息，计算机系统可以计算出物体相对于参照坐标系的位置和方位。例如在医疗领域，这些系统有利于跟踪与医疗程序相关联的器具从而有助于手术及诊断中的方法改进。

发明内容

为了形成期望的磁场形状以精确跟踪物体(object)的位置和方位，在一个方面，一种磁跟踪系统包括：第一组磁场发生器(或称为场发生器)，被配置为在三维区域内产生具有第一形状的第一磁场；以及至少一个第二组磁场发生器，被配置为在所述三维区域内产生具有第二形状的第二磁场。该系统还包括计算装置，被配置为基于由传感器检测的第一磁场及第二磁场计算所述三维区域内的所述传感器的位置。

在另一方面，一种磁跟踪系统包括：场发生器组件，产生多个磁场，其中每个磁场由一组的至少两个磁场发生器生成。该系统还包括：磁传感器，测量所述多个磁场；以及计算装置，被配置为计算在由所述传感器测量的磁场内所述磁传感器的位置和方位。

在再一方面，一种设备，包括：结构表面，用于在医疗程序中支撑病人的一部分。该设备还包括含有多个同时激活的磁场发生器组的面，所述多个同时激活的磁场发生器组用于产生磁场以形成测量体积(measurementvolume)。

在又一方面，一种方法包括以下步骤：激活第一组磁场发生器以在三维区域内产生具有第一形状的第一磁场；以及激活第二组磁场发生器以在所述三维区域内产生具有第二形状的第二磁场。该方法还包括基于传感器对所述第一磁场和第二磁场的检测来确定在所述三维区域内的所述传感器的位置。

实施例可以包括以下一种或多种。来自所述第一组的磁场发生器可以被同时激发以产生所述第一磁场。来自所述第二组的场发生器也可以被同时激发以产生所述第二磁场。该系统可以额外包括多组磁场发生器。例如，可以配置至少一个第三组的两个或更多个磁场发生器一起操作，来形成在所述三维区域内具有第三形状的第三磁场。类似地，可以配置第四组和第五组(每组包括两个或更多个磁场发生器)一起操作，来分别形成所述三维区域内的第四磁场和第五磁场。所述计算装置可以基于所述传感器对所述第三、第四及第五磁场中的一个或多个的检测来计算所述传感器的位置。

所述第一组、第二组和第三组中的每一组可以包括两个或更多个磁场发生器。所述第一组磁场发生器可以在第一时段期间激活，而所述第二组磁场发生器可以在不同于所述第一时段的第二时段期间激活。所述第一组和第二组磁场发生器也可以在第一时段期间激活。所述第一组磁场发生器可以以第一频率操作，所述第二组磁场发生器可以以不同于所述第一频率的第二频率操作。由一组中的磁场发生器引发的磁场可以平行于或逆平行于由同一组中的至少另一个磁场发生器生成的磁场。

所述磁场发生器可以包括电磁线圈。所述磁场发生器可以设置在平面上。由磁场组件生成的一部分磁场的方向可以平行。由磁场组件生成的一部分磁场具有不同量值的磁通量。涡流可以作为至少两个磁场发生器之一的源。至少两个磁场发生器之一可以包括磁性材料。所述设备可以包括导电层，所述导电层位于所述含有多个同时激活的磁场发生器组的面的下方。

本发明通过设置多组磁场发生器形成期望的磁场来实现对三维区域内的具有多自由度的物体的精确跟踪，并通过调节和改变所述多个磁场发生器的设置参数来改变磁场的形状。

附图及后面的描述中给出了本发明一个或多个实施例的细节。依据说明书、附图及权利要求书，本发明的其他特征、目的及优点将显而易见。

附图说明

图1为磁跟踪系统的示意图；

图2A为一个场发生器组件实例的示意性俯视图；

图2B为示出场发生器组件中的磁场发生器的分组实例的示意图；

图2C和图2D分别为磁场发生器的实例的侧视图和俯视图；

图3A示出激发不同组磁场发生器的时分多路复用方案的实例；

图3B示出激发不同组磁场发生器的频分多路复用方案的实例；

图4A、图4B和图4C为示出由多组磁场发生器引发的磁场的实例的示意图；

图5为示出有屏蔽物存在时由磁场发生器引发的磁场的实例的示意图；

图6为示例性操作顺序的流程图，所述示例性操作顺序用来控制磁场产生和测量物体位置。

各图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

参考图1，示出并描述了磁跟踪系统100的示意图。概要述之，系统100包括：磁场发生组件101，被配置为在给定体积或三维区域102内产生磁场。设置在给定体积102内的物体105(例如解剖刀)上的传感器组件103检测和/或测量磁场，并且在该特定实例中，传感器组件103通过通信链路104(例如有线连接或无线连接)将测量值传送至计算装置106。基于传感器组件103的测量值，计算装置106能够计算传感器组件103(由此乃至物体105)相对于坐标系116的位置。这种位置计算有助于在区域102内对传感器组件103进行移动跟踪。这对改进外科手术是有利的，其中传感器组件103可以安装在诸如解剖刀等物体105上，从而在医疗程序进行时跟踪物体的移动(例如，跟踪解剖刀相对于诸如固定装配至病人身体的第二传感器等参照物的运动)。

在一些实施例中，场发生组件101在尺寸(例如高度)上相对较薄，并且可以安装在诸如手术台114等平坦表面上。这样的场发生组件可以称之为扁平场发生器。虽然图1示出场发生组件101被安装在手术台114上，但在一些实施例中，如果可能，通过将场发生组件101嵌入手术台114内，场发生组件101也可以被整合在手术台114中。在这种特定设置中，场发生组件101包括多个场发生器108，每个场发生器108可以包括一个或多个电磁线圈，所述线圈局部地引发磁场(例如，通过使电流通过每个线圈)。通常，电磁线圈是通过绕磁性材料或非磁性材料(例如空气)的芯子缠绕诸如电线等导体而形成。当电流通过线圈的绕组(winding)时，形成的磁场沿芯子的纵轴延伸穿过芯子的中心并绕线环(loop)或线圈的外侧环绕而回。环绕电线的每个线环或每个绕组的磁场与来自其他线环的磁场联合产生沿线圈中心向下的集中磁场。可以通过控制导入的电流、线圈的环数或绕组数、以及其他与线圈关联的参数和特征来控制线圈的磁场强度。

在一些实施例中，可以通过同时激发一个或多个磁场发生器108来控制所引发磁场的形状。例如，在激活单个线圈或场发生器108时，在体积102中引发出偶极磁场(dipole magnetic field)。在一些实施例中，可以通过同时激发多个场发生器108而引发多极磁场(multi-pole magnetic field)。一般来说，所引发的磁场的形状可以基于不同的参数而变化。在一些实施例中，所引发磁场的形状可以基于同时激活的场发生器的个数而变化。例如，可以同时激活或激发两个、三个、四个或更多个场发生器来控制所引发磁场的形状。

同时激活的场发生器108的相对空间分布也可以影响所引发磁场的成形。例如，当同时激活三个场发生器108时，这三个场发生器108在成一条直线时所引发的磁场相对于例如将它们设置在三角形顶点时所引发的磁场通常是不同的。在图1所示的实例中，示出发生器108实质上被设置在同一平面上。然而，发生器108也可以基于三维空间内的其他空间分布设置而不脱离本申请的保护范围。例如，在一些实施例中，一组发生器108可以分布在病人下方(如图所示)，而另一组发生器可以分布在病人上方。在一些实施例中，可以使得场发生器108的位置是可调的。例如，可以使得场发生器108沿预设的通道或轨道是可移动的，由此可以调节它们在场发生组件101内的绝对和/或相对位置以操控所引发磁场的形状。在一些实施例中，还可以使得场发生器108相对于场发生器108之上或之外的一点是可旋转的。例如，场发生器108可以以这样的方式布置在场发生器组件101中，其中水平面与单个场发生器的顶面之间的夹角是逐个可调的。一个或多个模块化设计可以用于场发生器的设置，例如，可以以模块化方式添加、移除或交换发生器来形成图案，以从对应产生的磁场生成一个或多个测量区域。

在一些实施例中，还可以通过控制流经场发生器108的电流方向来控制磁场的形状。例如，可以以两个发生器电流方向相同的方式同时激活一对发生器108，由此它们分别引发的磁场可以认为是彼此平行的。或者，一对同时激活的场发生器中得电流方向可以彼此相反，由此引发的磁场可以认为是逆平行的(anti-parallel)。因此在同时激活两个以上的发生器时，可以通过使用由单个发生器所引发的平行和逆平行磁场的不同组合来产生形状的变化。在此对同时激活的发生器108(连同单个发生器)中可以改变其他参数来控制所引发磁场的形状。例如，流经单个发生器的电流电平、单个发生器中的绕组个数、发生器的物理尺寸、构成发生器所用的材料以及其他用于形状控制的类似参数。在一些实施例中，可以使用带有可调抽头(tap)的线圈来控制场发生器108中的绕组个数。

在一些实施例中，所引发磁场附近存在的特定类型的材料(例如导体材料)可以导致磁场的形状的扭曲或改变。甚至因为导磁材料(permeablematerial)的存在，场的形状也会弯曲或改变。一般来说，导电性或导磁性物体的随机出现产生寄生性(parasitic)涡流场，因而扭曲所引发磁场的形状。虽然通常不希望随机出现这些导电性或导磁性材料，但在一些实施例中，这些物体可以用来控制所引发磁场的形状。例如，导电板112可以用于屏蔽或使所引发的磁场成形。在所示的实例中，不希望在场发生器组件101的平面下方有引发的磁场。在这种情况下，导电板或屏蔽物112显著地削弱了位于场发生器组件101下方的磁场，由此使系统不受位于场发生器组件101下方的物体(例如金属或导磁物体)影响。

在一些实施例中，场发生器组件101还包括：覆盖层110，其实质上包住场发生器108。覆盖层110在疗程中为病人(例如坐下或躺着)提供接触面。覆盖层110可以由不同类型的材料或材料组合构成，例如可以将非导电性或非导磁性材料(诸如塑料等)整合在覆盖层110中。在一些实施例中，覆盖层110可以被配置为给场发生器108提供机械支撑。例如，场发生器108可以嵌入到固体覆盖层110内。在一些实施例中，层110可以简单地覆盖场发生器108。在一些实施例中，场发生器108是可移动的，覆盖层110可以被构建为适用于场发生器的可能的移动(例如平移、转动等等)或模块组合。例如，可以在覆盖层110中限定可移动场发生器的通道或轨道。

传感器组件103用于检测区域102中引发的磁场。在一些实施例中，传感器组件103可以包括整合了一种或多种类型的传感技术的一个或多个传感器(例如传感器阵列)。例如，传感器组件103可以包括单线圈(simple coil)、数个线圈、一个或多个霍尔传感器、磁通门传感器或能够测量电磁场特性(例如磁场通量、磁场差等)的其他类型传感器。在一些实施例中，由一个或多个场发生器108产生的磁场在传感器组件103中引发电动势(EMF’s)。测得的电动势表示在三维空间(其限定区域102)中的传感器组件103的位置和方位处磁场的局部测量值。在一些实施例中，传感器组件103包括多个传感器，例如两个不同的传感器线圈，由此潜在地加倍了传感器组件103所能实现的单个磁场测量值的个数。在一些实施例中，传感器组件103可以包括额外构件(例如电路、电子器件等)以将测量信号传送至计算装置106。例如，传感器组件103可以包括收发器，该收发器被配置为与计算装置106通信(例如通过通信链路104，其可以包括简单的有线或无线连接，或可以利用有线或无线网络)。

通常，传感器组件103输出表示多个被测量磁场的信号，所述被测量磁场对应于通过激活不同组(例如多对)的场发生器108引发的单个磁场。测量区域102内所引发的多个磁场使得能够以多个自由度跟踪传感器组件103。例如，可以使用至少五个不同的磁场确定传感器相对于参照物的五个自由度(x，y，z，φ，θ)，其中坐标(x，y，z)及角度(φ，θ)分别指定了传感器的三维位置和方位。在一些实施例中，更多数目的磁场可以提高传感器组件103的位置的计算精度。例如，场发生器组件101可以被配置为用8组不同的场发生器108引发不同磁场。在这一配置中，传感器组件103将测量由8组场发生器108的每一组分别引发的磁场，得到8个不同的磁场测量值。

在一些实施例中，传感器组件103包括两个传感器线圈，每个线圈可以独立测量由单组场发生器产生的磁场的强度。因此，如果要得到8个不同的磁场测量值而传感器组件103包括两个传感器线圈，只需要4组场发生器108即可，因为每个线圈会独立地测量由4组场发生器108的每一组所产生的磁场，因而得到8个不同的磁场测量值。

在其他实施例中，传感器组件103包括两个或更多个传感器线圈，这些线圈可以视为一组。这样一组(线圈)使得传感器线圈能够被定位和导向以优化磁场的测量值。

在一些实施例中，所测量的磁场值取决于一个或多个系统相关参数(例如传感器组件103的增益因子)以及传感器线圈的三维位置和方位。场发生器108的组数和传感器组件103中传感器线圈的个数可根据包括特定测量应用(例如手术室中的测量)的因子的个数而变化。在该特定布置中，计算装置106确定传感器组件103的增益因子以及传感器组件103的位置和方位。由于传感器组件103的位置和方位是通过指定多个自由度(例如，多达6个自由度，包括x轴位置、y轴位置、z轴位置、旋转(roll)、倾斜(pitch)和偏离(yaw))来描述，所以计算装置106可以计算出对应数目(例如6个)的位置因子。同样，计算装置106产生表示位置和增益的组合个数的因子(例如7个)。在一些实施例中，期望确定这些因子的不同磁场测量值的个数比要确定的因子的个数多一个。相应地，如果计算装置106确定系统增益因子和6个位置因子(亦即自由度)，即共7个计算因素，可能需要共8个不同的磁场测量值。如上所述，这可以采用传感器组件103中的单个传感器线圈以及8组场发生器108来实现。可选地，也可以采用具有两个传感器线圈的传感器组件以及4组场发生器108、或其他类似的改型。类似地，如果计算装置106确定系统增益因子再加上5个位置因子(亦即5个自由度)，则需要确定共6个计算因子。同样，如上所述，这可以采用场发生器组和传感器线圈的变化配置来实现。

当不同组的场发生器108是在分散时段(separate time instance)期间激发时，计算装置106可能需要知道引发所检测磁场的场发生器的细节。在一个布置中，计算装置106可以基于从场发生器组件101传送至计算装置106的信息识别引发由传感器组件103检测的磁场的那组场发生器108。在其他实施例中，场发生器和传感器组件的定时(timing)从同步信号获得，该同步信号由计算装置、场发生器组件或传感器组件之一获得。在一些实施例中，与所引发磁场相关的定时信息用于识别产生被测量磁场的那组场发生器108。例如，场发生器组件101可以将功率与时间有关地(temporally)多路复用(multiplex)到不同场发生器108，并提供定时信息用于确定传感器组件103的位置(例如，该信息通过传感器组件103和通信链路104提供给计算装置106)。这一时分多路复用方案的实例如图3A所示。在该实例中，交流电305的短脉冲用于在指定时段激发发生器108中包括的一对发生器(图例中表示为第1对)。该脉冲的持续时间可以相对较短(例如为毫秒级)，并且一旦完成，即用基本类似的脉冲310激发另一对发生器(图例中表示为第2对)。按照在给定时段期间不会激发多于一个组的发生器(例如一对)的方式对其他的发生器对重复所述过程。可以(例如向计算装置106)提供表示发生器组的定时和激活的信息，所述信息例如包括：电流脉冲的起点、电流脉冲的持续时间、电流脉冲的终点、由电流脉冲所激发的发生器组的次序和标识，等等。

在一些布置中，场发生组件101可以以不同频率驱动每组场发生器108。为了识别造就了所测量磁场的特定的那组场发生器，计算装置106可以将由传感器组件103测量的电动势分解成多个频率成分(frequency component)。随后将所测量磁场的这些频率成分与各组场发生器进行匹配。这一频分多路复用方案的实例如图3B所示。在该实例中，给定组的发生器(例如在图例上表示为第1对)由第一频率的交流电315激发。另一组发生器(例如第4对)同时由具有不同于第一频率的第二频率的另一交流电320激发。类似地，其他组发生器可以使用以其他频率操作的交流电来激发。

传感器组件103将测量的磁场值发送给计算装置106，后者使用该测量的磁场值确定传感器组件103的位置/方位。在一些实施例中，这种确定是通过将测量的磁场值与来自物理模型的磁场值相比较而执行的。

该物理模型可以是根据多个参数确定传感器组件103测量的磁通量值的一组物理方程。同样地，该物理模型可以描述由已知源在已知位置(诸如场发生器组)引发的磁场在测量体积(例如区域102)内的不同点处可以预期的磁通量值。因此可以通过与物理模型对比而从实际测量值中计算所述参数。所述参数可以包括但不限于：特定组的场发生器108的位置、方位和磁矩；以及传感器组件103的位置、方位和灵敏度。向量(x，y，z)及一对角度(φ，θ)可以指定传感器组件103中(多个)传感器线圈的三维位置和方位。如果传感器组件103具有多个线圈，所述参数可以包括额外的角度参数(Ψ)，其限定传感器组件103中的线圈的相对方位。可以通过采用在不同轴上(因为操作在相同轴上的多个线圈不允许感测探头绕该轴旋转)具有第二线圈的传感器组件103来计算这一参数(例如，第6自由度)。所述物理模型可以将每组场发生器108描述为磁性多极，使得由传感器组件103测量的磁场是相关联的多极(例如偶极或四极)磁场。多极磁场的值可以取决于系统增益以及每个单个场发生器108的位置、空间和磁矩“m”。所测量的磁通量值可以取决于传感器组件相对于场发生器108的位置、尺寸、方位和增益。

在一些实施例中，物理模型还可以基于与区域102附近环境相关的一个或多个基本假设。例如，模型可以假设每组场发生器108的位置和方位的预选值以及假设不存在其他源或场扭曲物体。为了模型能正确地预测磁场值，场扭曲物体(例如导体、其他磁场源)的存在可能需要额外的参数。在一些实施例中，传感器组件103可以测量随时间变化的磁场。可选地，如果需要静态的磁场测量值，可以在传感器组件103中采用磁通门传感器、霍尔效应传感器或类似的传感器来提供静态(或恒定)磁场的测量值。在一些实施例中，传感器组件103一旦测量出磁场值，该磁场值便被提供给计算装置106，计算装置106计算适当的系统增益因子和传感器组件103的位置/方位。在一些实施例中，传感器组件103测量一组磁通量以得到一组测量的磁场值B1-Bn，其中“n”大于或等于所计算因子(即位置和系统增益)的个数。

在一些布置中，该组测量的场值B1-Bn可能具有与传感器组件103的三维位置/方位的非线性关联以及与系统增益因子的线性关联。传感器组件103的位置和方位可以分别由矢量(x，y，z)及至少一对方位角和极角(φ，θ)限定。能够相对于具有已知原点的坐标系116来指定矢量(x，y，z)。虽然图1示出了笛卡尔坐标系116，但也可以使用诸如极坐标系等其他类型的坐标系。进而，传感器组件103的系统增益因子可以由增益系数(g)来限定。通过使用针对“被测量”场关联属性(field dependencies)的物理模型，计算装置106能够根据相关组的测量的磁场值B1-Bn确定传感器组件103的增益因子、位置及方位。在一些实施例中，可以由计算装置106通过重复过程计算增益因子、位置及方位。这种重复过程在2001年6月26日递交的共同拥有(commonly-owned)的美国专利申请第09/892,153号中已有描述，其全部内容通过参考合并于此。

物理模型可以描述在传感器组件103的区域(例如区域102)中预选的磁环境。预选的磁环境可以包括或不包括来自附近物体的影响。例如，实际环境可能由于存在承载涡流的场扭曲物体(例如手术剪刀、铁磁物质以及磁场活动性源)而不同。如果预选的环境不同于实际环境，为了预测正确的磁场值，该模型可能需要加入额外的参数。在一些实施例中，计算装置106可以被配置为检测潜在的测量扭曲条件的存在，并(例如通过视频监视器上的闪动消息或通过音频报警信号)提醒使用者注意。在一些例子中，可以通过将涡流源视为额外的发生器来减小承载这些涡流的场扭曲物体的影响。虽然图1中示出物体105为解剖刀，但这仅作示例说明之用。物体105也可以是其他装置或工具，例如导管、内窥镜、活检针、身体上安装的位置传感器等等。

计算装置106可以是任意计算机，诸如笔记本电脑或台式电脑，被配置为执行此处描述的功能。在一些实施例中，计算装置106为诸如智能手机、个人数字助理或手持计算单元等移动计算单元。在一些实施例中，计算装置为专门为了控制磁场产生及根据测量信号计算传感器线圈的位置和方位的目的而设计的专用计算装置。计算装置106被配置为运行切实地(tangibly)嵌入信息载体(例如可机读存储装置)中的计算机程序产品，好让可编程处理器来执行；其特性可以通过可编程处理器来实现，该可编程处理器执行关于多条指令的程序，并通过操作输入数据和生成输出来实现所描述的实施例的功能。在一些实施例中，传感器组件103及计算装置106被配置为通过诸如通用串行总线(USB)、蓝牙、无线USB等通信链路彼此通信。所述特性可以在一个或多个于可编程系统上可执行的计算机程序中得以实现，其中所述可编程系统包括：与数据存储系统耦接以从中接收数据和指令、并向其传送数据和指令的至少一个可编程处理器，至少一个输入装置，以及至少一个输出装置。计算机程序包括一组可直接或间接用于计算机中来执行特定动作或产生特定结果的指令。计算机程序可以用任意形式的编程语言(包括编译型或解释型语言)写成，并且计算机程序可以配置成任意形式，包括作为适于在计算环境中使用的单机程序，或作为模块、组件、子程序或其他单元。

举例来说，用来执行关于多条指令的程序的适宜的处理器包括通用微处理器和专用微处理器这两者。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令及数据。计算装置106可以包括用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器。

计算装置106可以通过通信链路104与传感器组件103通信。在一些实施例中，通信链路104可以包括传感器组件103与计算装置106之间的直接有线或无线连接。这类连接可以包括USB、蓝牙、无线USB、火线(firewire)等等。在其他情况下，通信链路104可以包括诸如局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN，例如因特网)等有线或无线网络。

参照图2A，示意示出场发生器组件200实例的俯视图，该场发生器组件200包括分布在层210上的多个单个场发生器202(与图1所示的场发生器108类似)。虽然图2A示出了以特定方式分布的16个场发生器202，但其仅作示例说明之用，而不应认为其有限定性。场发生器组件200中可以以各种其他分布来放置更多或更少数目的场发生器202，这些其他分布包括在多个平面(例如垂直分布的平面)中的分布。层210可以用与之前参照图1所述的覆盖层110实质上相同的材料制成。在一些实施例中，层210可以是导电板或屏蔽物(例如图1中所示的导电板112)的顶面。一个或多个场发生器202通过布线(未示出)彼此连接并连接至主电源。所述连接可以按照计划要同时激活的发生器来配置。场发生器组件200还可以包括电路板215。在一些实施例中，电路板容置有控制场发生器202组件激发或启动(firing)的电子模块。电路板215还可以包括与计算装置通信的存储器，该存储器存储与场发生器组件200相关的配置数据。电路板215还可以用作给场发生器组件200供电的电源的接口。在一些实施例中，计算装置106可以实现为电路板215的一部分。

参照图2B，示意示出场发生器组件(例如组件200)中的磁场发生器的分组实例。在该实例中，场发生器用实线或虚线圆圈表示，以示出电流的方向(由此乃至所引发磁场的方向)。在该实例中，将发生器成对地分组以同时激活。例如，发生器对212a和212b被一起激发，而发生器对214a和214b、216a和216b、…、以及226a和226b相应地被一起激发。一起激发的发生器对可以提供相同流向的电流，由此产生平行磁场。可选地，发生器对也可以提供相反流向的电流，由此产生逆平行磁场。在图2B所示的实例中，具有同方向电流的线圈以实线表示的圆圈示出，而具有反方向电流的线圈用虚线示出。例如，发生器212a和212b产生逆平行磁场而发生器对222a和222b产生平行磁场。在一些实施例中，在一起激发的组中可以包括两个以上的发生器。例如，在一些实施例中，一组可包括发生器212a、216a和214b而另一组可包括发生器212a、218b、224a和226b，一组中所包括的不同发生器的位置和磁场方位可以取决于由被激发的发生器对将要提供的预期磁场的形状。还可以变更与一组中的发生器相关的其他参数来操控由该组引发的磁场的形状。这些参数的实例包括发生器线圈之间的距离、发生器的方位、发生器的磁通量(其可以根据绕组数或匝数、线圈的截面、芯子的性质或通过发生器线圈的电流而变化)以及该组中发生器的数目。

参照图2C及图2D，分别示出场发生器227的实例的侧视图及俯视图。场发生器227可以设计成如这些图中所示的扁平线圈。这种相对较薄的发生器227可以用来实现图2A所示的扁平场发生器组件200。可以使这种扁平场发生器的规格(form factor)非常薄。例如，场发生器227可以包括两个板228，将线圈229容置其间。板228及线圈229可以具有共同的芯子230。该板228的直径231例如可以是60mm。可以使板228的厚度234非常薄，例如是大约1.5mm，扁平线圈的厚度则例如可以是大约7mm。在这种情况下，扁平场发生器的总厚度238可以是大约10mm。发生器227可以在至少一个板228中包括孔(orifice)240以容许与线圈229的连接。孔240的直径242例如可以是3mm，共用芯子的直径244可以是8mm。

参照图4A，示出由一对发生器400a和400b所引发的平行磁场的实例。电流在两个发生器400a和400b中以同方向流动。因此，发生器400a和400b的磁轴平行并且所引发的磁场线410a和410b大体上是垂直的。参照图4B，示出由一对发生器400c和400d所引发的逆平行磁场的实例。在该实例中，在一个发生器400c中的电流方向与其在另一个发生器400d中的方向相反。因此，发生器400c和400d的磁轴逆平行且所引发的磁场线410c和410d在图中大体上是水平的。对于这种逆平行磁场，起源自一个发生器400c的磁场线可以穿过另一个发生器400d。可以调节诸如发生器400a和400b中的电流、绕组数和芯子性质、以及发生器400a和400b的相对距离和相对方位等参数来产生具有预期形状的磁场。在一些实施例中，产生平行磁场的发生器和产生逆平行磁场的发生器可以包括在一组之中以产生磁场的预期形状。

参照图4C，其为磁场示意图，示出不同组的发生器是如何彼此协作并产生不同形状的磁场的。在该实例中，一组发生器包括同时激活的发生器400a和400b。场发生器对400a和400b一起产生平行磁场450。在这一磁场中放置的传感器组件(例如传感器组件103)可以检测该磁场并将信息传输给计算装置(例如计算装置106)。在一个时段(例如为毫秒级)之后，发生器400a和400b被取消激活(deactivate)，而包括发生器400c和400d的组件被激活。这对发生器400c和400d一起产生逆平行磁场460，也可以通过传感器组件检测该逆平行磁场460并传输给计算装置。继而，多组发生器可以用于产生形状及方位有变化的磁场。在一些实施例中，传感器组件检测这些不同磁场并将信息传输给计算装置。在一些实施例中，计算装置将从传感器组件接收的信息与关于磁场发生源的信息(诸如关于激活时刻及持续时间、电流电平、绕组个数、发生器个数及它们的相对位置等的信息)相结合以计算传感器组件的位置。

参照图5，示出使用屏蔽物500的磁场成形的实例。在一些实施例中，屏蔽物500可以实质上类似于参照图1所述的屏蔽物112。主磁场是由其中电流以给定方向流动的发生器502所引发。所引发的电磁场在屏蔽物500中引发流向与发生器520中的电流方向相反的涡流。屏蔽物500因此而充当第二发生器，其涡流引发与由发生器502所引发的磁场相反的磁场。相反磁场的交互作用减小了屏蔽物500附近的发生器520所引发的场强。在一些实施例中，屏蔽物可以被配置为将其邻近的磁场减小至几乎为零的强度。其它像金属丝圈(wire loop)或短路线圈的导电体也可以用于与屏蔽500结合(或单独使用)来使由一组发生器502产生的磁场成形。例如，当屏蔽物500被用于减小场发生组件的平面下方的场强时，可以在测量体积(类似于图1中所示的区域102)中放置一个或多个导电体，以改变所产生磁场的形状。不同类型的材料和材料成型也可以用来制作屏蔽物500。例如，通过整合一个或多个吸收层或频率选择性层，屏蔽物500可以是频率选择性的。

虽然上述系统利用传感器阵列跟踪工具并利用场发生器组件产生磁场，但显然这一配置的逆向配置也同样是可行的，亦即所有磁传感器可以用发生器代替，所有发生器可以用传感器代替。

参照图6，流程图600示出用来控制磁场产生和测量物体位置的操作顺序的实例。所述操作包括激活第一组磁场发生器以产生第一磁场(如步骤610)以及激活第二组磁场发生器以产生第二磁场(如步骤620)。所述操作还包括基于对所述第一和第二磁场的检测来确定物体的位置(如步骤630)。

在一些实施例中，激活第一组磁场发生器(如步骤610)包括同时激活两个或更多单个磁场发生器。由第一组磁场发生器产生的第一磁场通常是由于第一组中多个发生器产生的单个磁场的叠加而形成的合成磁场。第一组中一些发生器可以具有实质上彼此平行的磁场，而第一组中一些发生器可以具有实质上彼此逆平行的磁场。可以调节单个场发生器的各种参数以控制合成磁场的形状。这些参数例如包括通过给定的发生器的电流幅值、通过给定的发生器的电流方向、两个或多个发生器的相对位置等等。

所述操作还包括激活第二组磁场发生器以产生第二磁场(如步骤620)。激活第二组发生器可以实质上类似于激活第一组发生器。例如，也可以通过调节第二组的各参数(包括发生器个数、每个发生器中电流的幅值和/或方向、发生器的相对位置等)来控制第二磁场。在一些实施例中，第二组发生器可以在第一组发生器未被激活的时段期间被激活。可选地，第一组和第二组可以使用例如相应的不同频率的激活电流同时激活。

所述操作还包括基于对第一和第二磁场的检测来确定物体的位置(如步骤630)。在一些实施例中，物体可以包括用于检测第一和第二磁场的各个参数的一个或多个传感器线圈。例如，传感器可以被配置为检测在一体积内的给定磁场的幅度和/或方位。在一些实施例中，所检测的参数可以经由物理模型和方程而与物体的位置相关。如之前参照图1所述，这样的物理模型和方程可以用来确定该体积内物体的位置。在一些实施例中，用于检测磁场的传感器可以在贴近该物体的位置处。

该书面描述给出了本发明的最佳实施方式并提供了描述本发明的实例，其使本领域普通技术人员得以实现和使用本发明。该书面描述并不将本发明局限于给出的精确术语。因而，虽然已参考之前给出的实例对本发明进行了详细说明，但本领域普通技术人员可以对这些实例作出改动、修改和变化而不脱离由所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种磁跟踪系统，包括：

第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器，被配置为在三维区域内产生具有第一形状的第一多极磁场；

第二组的两个或更多个空间分离的磁场发生器，被配置为在所述三维区域内产生具有第二形状的第二多极磁场；以及

计算装置，被配置为基于传感器对所述第一多极磁场和第二多极磁场的检测来计算所述三维空间内的所述传感器的位置，其中

由所述第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器中包括的第一磁场发生器所引发的磁场是实质上平行于和实质上逆平行于由所述第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器中包括的至少一第二磁场发生器所生成的磁场的磁场之一，其中在第一组磁场发生器中包括的所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器的每一个被配置为以第一频率操作。

2.如权利要求1所述的系统，其中来自所述第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器被同时激发以产生所述第一磁场。

3.如权利要求2所述的系统，其中来自所述第二组的两个或更多个空间分离的磁场发生器被同时激发以产生所述第二磁场。

4.如权利要求1所述的系统，至少还包括：第三组的两个或更多个磁场发生器，所述第三组的两个或更多个磁场发生器被配置为一起操作以在所述三维区域内形成具有第三形状的第三磁场，其中所述计算装置基于所述传感器对所述第三磁场的检测计算所述传感器的位置。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一组磁场发生器和第二组磁场发生器被设置在同一平面上。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一组磁场发生器在第一时段期间被激活，而所述第二组磁场发生器在不同于所述第一时段的第二时段期间被激活。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一组磁场发生器和第二组磁场发生器在第一时段期间被激活。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一组磁场发生器以第一频率操作，所述第二组磁场发生器以不同于所述第一频率的第二频率操作。

9.一种磁跟踪系统，包括：

场发生器组件，用于生成多个磁场，其中每个磁场是由一组的至少两个空间分离的磁场发生器产生的多极磁场；

磁传感器，测量所述多个磁场；以及

计算装置，被配置为计算在由所述传感器测量的磁场内的所述磁传感器的位置和方位，其中

由所述一组中包括的第一磁场发生器所引发的第一磁场是实质上平行于和实质上逆平行于由所述一组中包括的至少一第二磁场发生器所生成的第二磁场的磁场之一，以及其中在该组中包括的所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器的每一个被配置为以第一频率操作。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述磁场发生器包括电磁线圈。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述磁场发生器被设置在一平面上。

12.如权利要求9所述的系统，其中一部分由所述场发生器组件生成的磁场具有不同的磁通量。

13.如权利要求9所述的系统，其中涡流是所述至少两个磁场发生器之一的源。

14.如权利要求9所述的系统，其中所述至少两个磁场发生器之一包括磁性材料。

15.一种磁跟踪设备，包括：

结构面，用于在医疗程序期间支撑病人的一部分；以及

包括多个同时激活的磁场发生器组的面，所述多个同时激活的磁场发生器组用于产生多极磁场以形成测量体积，其中

每个磁场发生器组包括两个或更多个磁场发生器，而由给定组中的第一磁场发生器所引发的磁场是实质上平行于和实质上逆平行于由所述给定组中包括的至少一第二磁场发生器所生成的磁场的磁场之一，其中在给定组中包括的所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器的每一个被配置为以第一频率操作。

16.如权利要求15所述的设备，还包括：

导电层，被设置在所述包括多个同时激活的磁场发生器组的面的下方。

17.一种磁跟踪方法，包括：

激活第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器以在三维区域内产生具有第一形状的第一多极磁场；

激活第二组的两个或更多个空间分离的磁场发生器以在所述三维区域内产生具有第二形状的第二多极磁场；以及

基于传感器对所述第一多极磁场和第二多极磁场的检测确定所述三维区域内的所述传感器的位置，其中

由所述第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器中包括的第一磁场发生器所引发的磁场是实质上平行于和实质上逆平行于由所述第一组的两个或更多个空间分离的磁场发生器中包括的至少一第二磁场发生器所生成的磁场的磁场之一，以及其中在第一组中包括的所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器的每一个被配置为以第一频率操作。