CN111465877A

CN111465877A - 磁定位器的校准方法

Info

Publication number: CN111465877A
Application number: CN201880057952.3A
Authority: CN
Inventors: 米卡埃尔·查夫; 洛伊克·胡格尔; 桑德拉·卢梭
Original assignee: Mini Max Medical
Current assignee: Mini Max Medical
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-07-28
Also published as: EP3649492B1; FR3068790A1; EP3649492A1; JP2020527242A; US11397100B2; FR3068790B1; US20200182662A1; WO2019008284A1

Abstract

本发明涉及一种用于校准磁定位器的方法，所述磁定位器至少包括发射器和接收器，并且校准方法涉及由收发器构成的第三传感器，所述方法包括：发射器发射第一磁场，并接收由所述磁场在接收器中产生的第一信号(S1)；发射器发射第二磁场，并接收由所述磁场在收发器中产生的第二信号(S2)；收发器发射第三磁场，并接收由所述磁场在接收器中产生的第三信号(S3)，该校准方法包括根据第一信号、第二信号和第三信号确定(S4)发射器的至少一个磁矩和接收器的磁矩。

Description

磁定位器的校准方法

技术领域

本发明涉及磁定位器。更准确地说，本发明涉及一种校准用于磁定位的发射器和接收器的方法。

背景技术

磁定位器通常包括由一个或多个彼此刚性连接的发射线圈构成的发射设备(指定发射器)和由一个或多个彼此刚性连接的接收线圈构成的接收设备(指定接收器)。对由发射线圈发射的磁场和接收线圈测量的场的联合分析，使得确定接收设备相对于发射设备的位置和/或定向成为可能。

在这种系统中，定位系统的最终精度尤其取决于对发射设备发射的磁场和接收设备特性的精确知识。所发射(或所测量)的磁场的特性除了别的之外还取决于发射(或接收)线圈的磁矩以及构成发射器(或接收器)的不同线圈的定向和相对位置。

发射器和接收器特性的这种知识可以从其组成元件中先验地确定。然而，它涉及理论知识，这就需要对发射器和接收器进行非常精确的构造，并且就其组成元件的特性而言，需要很高的精度。这种方法是昂贵的，并且当希望系统不是非常贵，诸如例如在一次性使用接收器的情况下时，这种方法是不合适的。

另一种方法是通过校准来后验地确定发射器和接收器的特性。用于校准磁定位系统的发射器和接收器的一种简单且不十分昂贵的方法是使它们进行预先确定的相对运动，或将它们放置在已知的精确相对位置，使发射器发射磁场，找回由接收器测量的量，然后搜索不同的校准参数，这使得所接收的理论场的模型与实际测量的数据相一致成为可能。

实现定位所需知识的特性之一是磁矩。然而，利用上述方法，用于发射器和接收器校准的磁矩是相关的。更准确地说，不是以独立的方式确定发射器的磁矩M_e和接收器的磁矩M_r，而是该方法仅使得确定这些磁矩的乘积M_eM_r成为可能。知道发射器和接收器的磁矩乘积足以实现使用这种发射器-接收器对(couple)的定位方法。然而，发射器不能与另一个接收器(以及接收器与另一个发射器)一起使用，而必须再次校准。因此，当期望接收器是一次性使用时，这种方法不合适。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种用于校准磁定位器的发射器和接收器的方法来解决至少一个上述缺点，该方法易于实现，不是很昂贵，并且能够使发射器和接收器的磁矩去相关。

为此，提出了一种用于校准磁定位器的方法，所述磁定位器包括至少两个传感器：

-包括至少一个发射线圈的发射器，

-包括至少一个接收线圈的接收器，

该方法涉及由收发器构成的第三传感器，

所述方法以任何顺序包括：

-发射器发射第一磁场，并接收所述磁场在接收器中产生的第一信号，

-发射器发射第二磁场，并接收所述磁场在收发器中产生的第二信号，

-收发器发射第三磁场，并接收所述磁场在接收器中产生的第三信号，

该校准方法包括：根据第一信号、第二信号和第三信号确定发射器的至少一个磁矩以及根据第一信号、第二信号和第三信号确定接收器的磁矩。

该方法通过以下特性，单独或根据其任何可能的技术组合来有利地完成：

-确定发射器的磁矩和接收器的磁矩中的至少一个包括：

-根据第一信号确定相关磁矩的第一矩阵，

-根据第二信号确定相关磁矩的第二矩阵，

-根据第三信号确定相关磁矩的第三矩阵，

发射器的磁矩根据相关磁矩的第一矩阵、第二相关磁矩和第三相关磁矩确定，并且接收器的磁矩根据第一相关磁矩、第二相关磁矩和第三相关磁矩确定；

-发射器的磁矩和接收器的磁矩通过最小化从以下两者之间的差异导出的标准来确定：

-相关矩的第一矩阵，与发射器的磁矩和接收器的磁矩的乘积，

-相关矩的第二矩阵，与发射器的磁矩和收发器的磁矩的乘积，

-相关矩的第三矩阵，与收发器的磁矩和接收器的磁矩的乘积；

-在传感器发射磁场和另一个传感器接收信号期间，所述传感器位于几个不同的相对空间配置中；

-至少一个传感器被布置在围绕旋转轴转动的板上，使得围绕传感器线圈的轴与板的旋转轴不共线，并且传感器的空间配置通过板在几个预先确定位置之间的旋转而改变；

-传感器的相对空间配置由传感器在成像仪获取的图像上的位置来确定；

-发射器和收发器刚性连接，使得它们的相对空间配置不变；

-以下步骤同时进行

发射器发射第一磁场和接收所述磁场在接收器中产生的第一信号(S1)，和

收发器发射第三磁场和接收所述磁场在接收器中产生的第三信号(S3)。

本发明还涉及一种计算机产品程序，包括记录在有形计算机可读载体上的程序代码指令，用于在根据本发明的方法的实施期间，当所述程序在计算机上运行时，根据第一信号、第二信号和第三信号确定发射器的至少一个磁矩以及根据第一信号、第二信号和第三信号确定接收器的磁矩。

附图说明

由于下文的描述，将更好地理解本发明，该描述涉及作为非限制性示例给出并参考附图1进行解释的根据本发明的实施例和替代方案，附图1示意性地示出了根据本发明的可能实施例的方法的步骤。

具体实施方式

磁定位系统由至少两个传感器组成：

-包括至少一个发射线圈的发射器，

-包括至少一个接收线圈的接收器。

通常，发射器包括数量为N_e(Ne>＝1)个彼此刚性连接并沿不同轴定向的发射线圈Br_i。作为一个示例，这里考虑其中发射器由沿三个不同轴(例如沿正交标架的三个轴)定向的三个发射线圈构成的系统的情况。在绕组垂直于绕组轴的情况下，线圈的相应磁矩的这三个轴可以与线圈的绕组轴合并。然而，如果绕组没有处于90°，例如处于45°，它们可能会不同。当在发射线圈的端子上施加电压时，电流在发射线圈中循环，然后发射线圈产生与通过它的电流成比例的磁场，磁场的形式取决于线圈的特性(定向、磁矩、形式等)。电压源可以例如用于在发射线圈的端子施加电压，导致电流的产生。例如，该电压可以是正弦的。N_e个发射线圈可能承受不同频率的电压。

类似地，接收器通常包括数量为N_r个彼此刚性连接并沿不同轴定向的接收线圈Be_i。作为一个示例，这里考虑其中接收器由沿三个不同轴(例如沿正交标架的三个轴)定向的三个接收线圈构成的系统的情况。

在可变磁场存在的情况下，在接收线圈中会出现与磁场通量变化成比例的电压。通过使用电压表或其他类似装置测量接收线圈的端子处的电压，或者通过借助于电流表或其他类似装置测量穿过接收线圈的电流，只要接收线圈的特性(尤其包括接收线圈的磁矩)是已知的，就有可能确定接收线圈所经受的磁场。

发射器和接收器连接到处理设备，包括例如微处理器，其一方面连接到发射设备的发生器，另一方面连接到接收设备的读取设备。处理设备被配置为处理所发射和接收的信号，从而使得从后者中找到接收器相对于发射器的位置和定向成为可能。处理设备接收关于施加到发射线圈的激励信号的特性的信息以及关于通过接收线圈的信号的特性的信息(代表由接收线圈接收到的场)。根据接收线圈捕获的场强度，处理设备确定接收线圈组相对于发射线圈组的位置和/或定向。

更具体地，处理设备确定分别对应于接收线圈Br1从发射线圈Be1接收到的场、接收线圈Br2从发射线圈Be2接收到的场等的(Ne x Nr)场值。根据这些场值，处理单元使用最小化算法，例如Levenberg-Marquardt型最小化算法，计算接收线圈组相对于发射线圈的定向和位置的空间坐标，使得根据发射器和接收器的先验知识使测量场和建模理论场之间的误差最小化成为可能。

如前所述，在磁定位系统的使用阶段期间，处理设备使用传感器特性和接收器接收到的场特性的先验知识来找到传感器的相对位置。在校准方法期间，利用逆方法，也就是说，利用系统的相对位置和接收器接收到的场的特性的知识来找到传感器的特性。

在建议的校准方法中，发射器和接收器被精确地放置在已知的相对位置，或者精确地执行已知的相对位移。在传感器所占据的每个位置，系统都会记录发射器发射时接收器接收到的场。接下来，处理设备用于通过以下来搜索线圈的不同特性：使用最小化算法，例如Levenberg-Marquardt型最小化算法，来使测量场与使用线圈模型并根据线圈相对位置的知识而产生的理论场之间的误差最小化。

典型地，当磁矩Me的发射线圈B_e发射时，穿过磁矩Mr的接收线圈B_r的通量可以根据偶极模型建模如下：

其中

表示接收线圈B_r和发射线圈B_e的中心之间的相对位置矢量，μ₀表示真空的磁导率，

表示发射线圈轴方向的单位矢量，

表示接收线圈轴方向的单位矢量。这给出了

其中O_Be表示发射线圈B_e的中心，以及O_Br表示接收线圈B_r的中心。因此，这给出了

在校准方法的情况下，

(发射器中心和接收器中心的相对位置)因此是已知的，并且寻求确定

(所考虑的发射线圈与发射器中心的相对位置)、

(所考虑的接收线圈中心与接收器中心的相对位置)、

Me和Mr。

在所提出的方法中，寻求以下特性：

-线圈中心的位置：3个分量，

-线圈轴的定向：2个分量，

-线圈磁矩：1个分量。

因此，对于发射器或接收器的每个线圈，寻求6个分量。因此，有必要找回至少6个独立的测量结果，从而将发射器和接收器置于至少6个不同的空间配置中。应该注意的是，这不是限制性的，可以为线圈寻求其他特性，诸如导线的厚度、绕组的厚度、绕组的长度等。

此外，为了能够进行良好的校准，优选的是，测试的不同位置能够代表足够多的空间。为了确保这一点，例如可以使用随旋转而变化的位置。

在下文的示例中，通过板在几个预先确定位置之间的旋转，围绕旋转轴转动的至少一个板被用于修改至少一个传感器的位置，并从而修改传感器的相对空间配置。这种解决方案可以确保位移后的传感器的精确位置和定向，并从而提高校准的精度。此外，不需要精确地确定传感器的位置，只要在空间配置变化期间读取板上的位置和板的旋转角度就足够了。转动板可以例如采取6或12个不同的角度位置。

为了能够获得足够多的位置和定向，优选的是确保发射器和接收器的所有线圈在校准方法中至少已经改变了一次位置和方向。为此，优选地，传感器以如下这种方式放置在板上：使得所述传感器的任何线圈的传输轴都不与板的旋转轴共线或接近(典型地，轴之间的角度大于5°)。可替换地，通过在每次转动时将传感器放置在不同的定向和位置，可以使板转动多次。

因此，原理是被放置在不同的位置(因此具有发射器中心和接收器中心的不同相对位置

)，并且以这样的方式寻找不同的特性，使得穿过接收线圈的理论通量H_e→r和根据接收线圈上的测量所确定的通量H_mes之间的误差最小化。然而，所测量的场然后直接取决于矩的乘积M_rM_e。因此，不可能精确地找到M_r和M_e，而只能找到其乘积的值。因此，测量结果给出了矩乘积的矩阵：

本发明提出使用由收发器构成的第三传感器，以便能够单独确定发射线圈的磁矩和接收线圈的磁矩。当第三传感器的收发器用于发射磁场时，其作为发射器工作；当其用于确定它所经受的磁场时，它作为接收器工作。收发器使用相同的线圈来实现这一点，因此该线圈是收发器线圈。

第一对由发射器和接收器构成。发射器和接收器各自被布置在围绕旋转轴转动的板上。因此，存在承载发射器的转动板和承载接收器的转动板。这两块板以距彼此一确定距离来放置。然后，由发射器发射第一磁场(步骤S1)，其随后在接收器中产生第一信号，该第一信号被读取。至少一个转动板转动确定的角度以改变空间配置，并且其他第一信号被读取。根据需要重复该操作多次，以获得不同空间配置下的测量结果。

接下来，接收器被收发器代替。然后，由发射器发射第二磁场(步骤S2)，其随后在收发器中产生第二信号，该第二信号被读取。如前所述，根据需要重复操作多次，以获得不同空间配置下的测量结果。

接下来，发射器被接收器代替。然后，由收发器发射第三磁场(步骤S3)，其随后在接收器中产生第三信号，该第三信号被读取。如前所述，根据需要重复操作多次，以获得不同空间配置下的测量结果。

对于每个序列，可以组合不同空间配置下的测量结果，以更精确地确定传感器的特性，同时避免因特定空间配置而导致的潜在偏差。

根据一种替代方案，发射器和收发器可以刚性连接，使得它们的相对空间配置不变。例如，发射器可以固定在刚性支撑件的一部分上，收发器可以固定在同一刚性支撑件的另一部分上。然后发射器和收发器的相对空间配置(位置、定向)可以是已知的。应当注意，发射器的发射线圈和收发器的收发器线圈保持不同。

在这种情况下，为了争取时间，可以同时执行以下步骤：

-发射器发射第一磁场和接收所述磁场在接收器中产生的第一信号(S1)，以及

-收发器发射第三磁场并接收所述磁场在接收器中产生的第三信号(S3)。因此，刚性连接的发射器和收发器与接收器同时位于转动板上(或能够知道不同相对空间配置的其它设备)。

根据由此读取的信号，可以确定相关矩的矩阵(步骤S4)。如果采用只有一个线圈的发射器和接收器的简化情况，则给出：

·来自第一信号的第一相关磁矩A，其等于发射器的磁矩M_e和接收器的磁矩M_r的乘积：

A＝M_e×M_r

·来自第二信号的第二相关磁矩B，其等于发射器的磁矩M_e和收发器的磁矩M_er的乘积：

B＝M_e×M_C

·来自第三信号的第三相关磁矩C，其等于收发器的磁矩M_c和接收器的磁矩M_r的乘积：

C＝M_C×M_r

根据这三个相关磁矩A、B和C，可以确定发射器的磁矩Me和接收器的磁矩Mr(步骤S5)。

更准确地说，发射器的磁矩M_e根据第一相关磁矩A、第二相关磁矩B和第三相关磁矩C来确定。发射器的磁矩M_e实际上对应于：

接收器的磁矩根据第一相关磁矩A、第二相关磁矩B和第三相关磁矩C来确定。接收器的磁矩M_r对应于：

还可以确定收发器M_C的磁矩，其对应于：

因此可以找到不同传感器的磁矩，而无需它们之间的相关性。

在更一般的情况下(例如具有3个线圈的传感器)，如果引入传感器磁矩的矩阵符号：

则可以确定每对传感器的相关磁矩的矩阵：

·来自第一信号的相关矩A的第一矩阵，其等于发射器线圈的磁矩M_ei和接收器线圈的磁矩M_ri的乘积：

·来自第一信号的相关矩B的第二矩阵，其等于发射器线圈的磁矩M_ei和收发器线圈的磁矩M_ci的乘积：

·来自第三信号的相关矩C的第三矩阵，其等于收发器线圈的磁矩M_ci和接收器线圈的磁矩M_ri的乘积：

如前所示，然后可以使用最小化算法从这三个矩阵中找到发射器、接收器和收发器的不同的不相关磁矩。更准确地说，磁矩可以通过最小化从以下两者之间的差导出的标准来确定：

-相关矩的第三矩阵，与收发器的磁矩和接收器的磁矩的乘积。

显然可以使用例如Levenberg-Marquardt类型的最小化算法。然后，根据相关矩A、B和C的矩阵，寻求估计矩阵Me、Mr和Mc，以便在最小二乘意义上最小化由误差矩阵J的平方的分量之和定义的标准G，方差矩阵J由下式定义：

本发明不限于附图中描述和表示的实施例。尤其从各种技术特征的构成的观点或通过等效技术的替换来看，修改仍然是可能的，而所有这些修改不超出本发明的保护范围。

Claims

1.用于校准磁定位器的方法，所述磁定位器包括至少两个传感器：

-包括至少一个发射线圈的发射器，

-包括至少一个接收线圈的接收器，

其特征在于，所述方法涉及由收发器构成的第三传感器，

所述方法以任意顺序包括：

-所述发射器发射第一磁场，以及接收所述磁场在所述接收器中产生的第一信号(S1)，

-所述发射器发射第二磁场，以及接收所述磁场在所述收发器中产生的第二信号(S2)，

-所述收发器发射第三磁场，以及接收所述磁场在所述接收器中产生的第三信号(S3)，

校准方法包括：根据所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定所述发射器的至少一个磁矩以及根据所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定所述接收器的磁矩(S5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述发射器的至少一个磁矩和确定所述接收器的磁矩包括(S4)：

-根据所述第一信号确定相关磁矩的第一矩阵，

-根据所述第二信号确定相关磁矩的第二矩阵，

-根据所述第三信号确定相关磁矩的第三矩阵，

所述发射器的磁矩根据所述相关磁矩的第一矩阵、第二相关磁矩和第三相关磁矩确定，并且所述接收器的磁矩根据所述第一相关磁矩、所述第二相关磁矩和所述第三相关磁矩确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发射器的磁矩和所述接收器的磁矩通过最小化从以下两者之间的差导出的标准来确定：

相关矩的第一矩阵，与发射器的磁矩和接收器的磁矩的乘积，

相关矩的第二矩阵，与发射器的磁矩和收发器的磁矩的乘积，

相关矩的第三矩阵，与收发器的磁矩和接收器的磁矩的乘积。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在通过传感器发射磁场和通过另一传感器接收信号期间，所述传感器以多个不同的相对空间配置来定位。

5.根据前一项权利要求所述的方法，其中，至少一个传感器被布置在围绕旋转轴转动的板上，使得缠绕所述传感器的线圈所围绕的轴与所述板的旋转轴不共线，并且通过所述板在多个预先确定位置之间旋转来修改所述传感器的空间配置。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述传感器的相对空间配置由所述传感器在成像仪所获取的图像上的位置来确定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述发射器和所述收发器被刚性连接，使得它们的相对空间配置不变。

8.根据前一项权利要求所述的方法，其中，以下步骤被同时执行：

所述发射器发射第一磁场，以及接收由所述磁场在所述接收器中产生的第一信号(S1)，以及

所述收发器发射第三磁场，以及接收所述磁场在所述接收器中产生的第三信号(S3)。

9.计算机程序产品，包括被记录在有形计算机可读载体上的程序代码指令，用于当所述程序在计算机上运行时，在根据前述权利要求中任一项所述的方法的实施过程中，根据所述第一信号、第二信号和第三信号确定发射器的至少一个磁矩和根据所述第一信号、第二信号和第三信号确定接收器的磁矩。