CN115037579B

CN115037579B - 减少干扰的磁性位置测量系统

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Publication number: CN115037579B
Application number: CN202210201365.5A
Authority: CN
Inventors: W·S·阿舍; W·彼得罗
Original assignee: Ascension Technology Corp
Current assignee: Northern Digital Inc
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: CA3149712A1; CN115037579A; DE102022104960A1; US20220280060A1

Abstract

电磁跟踪(EMT)系统被配置为使用多个发射器线圈中的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率。EMT系统配置时分复用的(TDM)控制信号，该控制信号配置为使发射器线圈以该频率发射磁场信号的突发。EMT系统配置用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器，该滤波器被配置为对每个突发进行整形以减少或消除突发的谐波伪影。EMT系统使发射器线圈生成磁场信号的整形的突发。EMT系统从传感器接收与磁场信号相对应的传感器信号，该传感器包括指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。

Description

减少干扰的磁性位置测量系统

优先权要求

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求的于2021年3月4日提交的序号为63/156,695的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及电磁跟踪系统。更具体地，本公开涉及在跟踪环境中减少对附近仪表装置(nearby instrumentation)的干扰。

背景技术

电磁跟踪(Electromagnetic Tracking，EMT)系统用于帮助定位医疗程序中的仪器和解剖结构。这些系统利用靠近磁传感器的磁发射器。传感器可以在空间上相对于发射器定位。

发明内容

电磁跟踪(EMT)系统可用于跟踪传感器相对于发射器的位置和/或朝向(例如姿态)。EMT系统被配置为发射包括时分复用的(TDM)交流(alternating current，AC)信号的跟踪信号。这包括通过使每个发射器循环开启(ON)和关闭(OFF)来从多个发射线圈中的每一个发射正弦脉冲或突发(burst)。EMT系统包括配置为接收正弦脉冲或突发的接收器。接收器中的线圈响应于接收到发射的信号而产生信号。由接收器产生的信号与发射器之一相关联。基于代表每个发射信号的接收器信号，EMT系统可以确定被跟踪对象在接收器位置处的近似姿态。

为了传输TDM-AC信号，EMT系统将整形信号(shaping signal)与正弦突发信号相乘。整形信号用于使每个发射器在ON状态和OFF状态之间交替。EMT系统形成整形信号以创建正弦突发的信号包络。EMT系统被配置为产生这样的整形信号，该整形信号从OFF斜升到完全ON并从完全ON斜降到OFF(而不是方波整形信号)。EMT可以通过对整形信号应用一个或多个滤波器来形成整形信号。整形信号使发射器能够在一段时间内发射具有最大信号幅度的正弦突发，同时还减少因在特定频率下在OFF和ON状态之间循环而产生的发射的谐波信号。整形信号的精确形状被调谐以降低谐波信号幅度，同时还保留正弦突发幅度，使得正弦突发足够强以在接收器处生成信号。

EMT系统包括具有磁芯设计的传感器线圈。相对于线性的空气芯(air-core)，这些芯可以更小，同时仍然产生适用于跟踪目的(例如用于医用导管)的相对强的信号。具有带磁芯的线圈的接收器的相对较小的尺寸使得接收器能够比使用具有空气芯的线圈的接收器小，这产生线性响应但通常需要相对更强的发射信号。

EMT系统使用TDM-AC传输的信号，这些信号如前所述地被整形，以使得能够在接收器中使用更小的非线性接收器线圈。这种特征组合提供了以下优点中的一个或多个。EMT系统不会在接收器的线圈中造成互调失真(IMD)。这是因为，EMT系统不是使用基于分频复用的(FDM)传输来以多个频率发射EM信号，而是使用基于TDM-AC的传输来发射EM信号。

IMD会导致EMT系统中的跟踪误差。TDM-AC信号的使用允许在接收线圈中使用磁芯(其提供比空气芯更强的响应)。EMT系统使用整形后的TDM-AC信号减少或消除谐波信号(例如，与正弦突发频率不同频率的发射信号，正弦突发频率也称为中心频率或选定频率)。如前所述，谐波频率是使发射器在OFF状态和ON状态之间循环以执行TDM-AC传输的伪影。

整形信号使发射器“斜升”和“斜降”相应的TDM-AC信号的传输。整形信号降低了发射的谐波频率的强度，同时保留了所选中心频率的信号强度。发射的谐波信号强度的降低减少了可能对附近电子仪表装置的操作产生的干扰，例如通常对低于1KHz的信号敏感的心电图仪(EKG)，或通常易受10KHz以上的噪声影响的其他生物医学仪表装置(例如医疗阻抗定位设备)。

此外，由于TDM-AC波形的谐波(即正弦脉冲或突发)，整形后的信号防止EMT铁氧体芯传感器中的感应IMD。这保留了EMT系统性能。整形后的发射器信号通过减少EMT铁氧体芯传感器输入中IMD的影响，有利于整体EMT系统性能(例如系统噪声)。

先前描述的一个或多个优点和/或特征可以通过以下实施例中的一个或多个来实现。

在一个方面，一种系统包括发射器，该发射器包括多个线圈。发射器被配置为生成生磁场信号。该系统包括传感器，该传感器包括接收器线圈。传感器被配置为提供与由发射器生成的磁场信号相对应的传感器信号。传感器信号被配置为基于由发射器生成的磁场信号产生指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。该系统包括与发射器和传感器通信的计算设备。计算设备被配置为使用多个发射器线圈中的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率。计算设备被配置为配置时分复用的(TDM)控制信号，以用于控制来自发射器线圈的磁场信号的传输，TDM控制信号被配置为使发射器线圈以所述频率发射磁场信号的突发。计算设备被配置为配置用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器，该滤波器被配置为对每个突发进行整形以减少或消除突发的谐波伪影。计算设备被配置为使发射器线圈生成磁场信号的整形的突发。计算设备被配置为从传感器接收与磁场信号相对应的传感器信号，传感器信号包括指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。

在一些实施方式中，滤波器包括对阶跃函数(step function)进行滤波的低通滤波器，并且其中，计算设备还被配置为将磁场信号与阶跃函数相乘以对突发进行整形。

在一些实施方式中，磁场信号包括TDM交流(TDM-AC)信号。

在一些实施方式中，接收器线圈包括具有大于1的相对磁导率值的芯。在一些实施方式中，芯包括铁氧体材料或坡莫合金材料中的一种。

在一些实施方式中，发射器中的多个线圈中的每个线圈被配置成以与多个线圈中的其他线圈不同的相应频率值生成相应的磁场信号。在一些实施方式中，每个线圈的相应磁场信号由滤波器信号整形以防止每个线圈的相应磁场信号对多个线圈中的其他线圈的相邻测量形态的干扰。

在一些实施方式中，传感器信号包括基于传感器与由发射器生成的磁场信号之间的相互作用(interaction)而生成的电压。在一些实施方式中，电压值指示传感器相对于发射器的朝向和位置中的至少一个。

在一些实施方式中，滤波器被配置为将在环境中的另一个电子设备处接收到的谐波伪影减少到低于针对另一个电子设备指定的阈值水平。

在一些实施方式中，传感器选自包括以下各项的组：霍尔效应传感器、磁阻传感器、磁光传感器和磁通门磁力计。

在一般方面，一种用于减少由磁跟踪系统引起的干扰的方法包括：确定用于使用多个发射器线圈中的发射器线圈生成磁场信号的至少一部分的频率。该方法包括配置时分复用的(TDM)控制信号以用于控制来自发射器线圈的磁场信号的传输，TDM控制信号被配置为使发射器线圈以该频率发射磁场信号的突发。该方法包括获得表示磁跟踪系统环境中的一个或多个设备的阈值干扰水平的阈值数据。该方法包括配置用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器，该滤波器被配置为对每个突发进行整形以将突发的谐波伪影降低到阈值数据的阈值干扰水平以下。该方法包括使发射器线圈生成磁场信号的整形的突发。该方法包括从传感器接收与磁场信号相对应的传感器信号，传感器包括指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。

在一些实施方式中，阈值数据是在磁跟踪系统的操作期间从一个或多个其他设备获得的，并且其中，滤波器被配置为响应于获得阈值数据而对每个突发进行整形以用于下一次传输。

在一般方面，一种方法包括使用磁跟踪系统的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率。该方法包括配置时分复用的(TDM)控制信号，以用于控制来自发射器线圈的磁场信号的发射，TDM控制信号被配置为使发射器线圈以该频率发射磁场信号的突发。该方法包括配置用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器。滤波器被配置为对每个突发进行整形以减少或消除突发的谐波伪影。该方法包括使发射器线圈生成磁场信号的整形的突发。该方法包括从磁跟踪系统的传感器接收与磁场信号相对应的传感器信号，传感器信号包括指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。

在一些实施方式中，滤波器包括对阶跃函数进行滤波的低通滤波器。该方法还包括将磁场信号与阶跃函数相乘以对突发进行整形。

在一些实施方式中，磁场信号包括TDM交流(TDM-AC)信号。在一些实施方式中，传感器的接收器线圈包括具有大于1的相对磁导率值的芯。在一些实施方式中，芯包括铁氧体材料或坡莫合金材料中的一种。

在附图和以下描述中阐述了本文描述的主题的一个或多个实施例的细节。从描述和附图以及从权利要求中，主题的其他特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是包括传感器和发射器的EMT系统的图示。

图2示出了图1的EMT系统的框图。

图3-4示出了示例滤波器。

图5示出了整形后的传输的磁场信号的示例。

图6-7示出了心电图(EKG)响应的示例。

图8示出了表示图1-2的EMT系统的传感器的IMD减小的曲线图。

图9-10是示出用于在EMT系统中减少干扰的过程的流程图。

图11是示例计算系统。

具体实施方式

EMT系统包括被配置为跟踪环境中对象的位置的系统。例如，EMT系统可以在手术环境中用于跟踪一件医疗设备、机械臂等，从而允许其相应的三维(3D)位置和朝向被医疗专业人员(例如，外科医生)在医疗程序中得知。这种电磁跟踪可以用于图像引导程序中的引导目的，并且在某些情况下可以允许减少对其他成像形态(modality)的依赖，例如荧光镜检查，这些成像形态会使患者暴露于电离辐射的健康风险中。

通常，具有一个或多个线圈的发射器被配置为产生交流(AC)EM场。具有靠近所产生的EM场的一个或多个线圈的传感器被配置为测量所产生的EM场的特性。测量基于传感器相对于发射器的位置和朝向。例如，当传感器位于特定位置和朝向时，该特定位置处的EM场可能具有特定特性。传感器可以测量EM场的特性，并以传感器信号的形式将这些测量结果提供给计算设备。使用与生成的EM场和从传感器接收的传感器信号相关的信息，计算设备可以确定传感器的位置和/或朝向(以及，例如，传感器所并入的医疗设备的位置和/或朝向)。

通常，多个发射器线圈被包括在EMT系统的发射器中以增加跟踪自由度(DoF)，如参考图1进一步描述的。EMT系统被配置为避免失真，例如在频分复用的(FDM)操作期间以多个频率发射引起的接收器线圈中的模间失真(inter-modular distortion，IMD)。为了避免在基于FDM的系统中可能发生的失真(例如IMD失真)，EMT系统被配置为使用时分复用的交流(TDM-AC)传输进行操作。

为了接收TDM-AC传输，EMT传感器线圈可以包括磁芯。与用于传感器线圈的空气芯相比，线圈的磁性(例如，铁氧体、坡莫合金等)芯增加了接收器线圈的灵敏度。由传感器线圈产生的响应信号包括由接收器线圈响应于从发射器线圈接收到磁信号而产生的信号。线性响应包括基于输入信号的线性函数的输出信号。非线性响应包括作为输入信号的非线性函数的输出信号。

包括空气芯设计的传感器线圈相对大(例如，与包括金属芯的传感器线圈相比)。包括带有空气芯的线圈的相对较大尺寸的传感器对于某些用途是不切实际的，例如与各种医用导管一起使用。相比之下，EMT系统的传感器可以相对较小，其使用非线性芯，例如磁芯(例如，相对磁导率值显著高于1的金属)。非线性芯可以包括铁氧体芯、坡莫合金芯以及作为芯材料的类似磁性材料(similarly magnetic material)。

非线性芯可以在传感器的接收器线圈中提供相对较强的感应响应，从而使传感器对传输的TDM-AC信号更加敏感。当使用TDM-AC传输进行操作时，TDM-AC传输的频率的谐波信号可能可被附近的电子仪表装置检测为不期望的噪声。对于TDM-AC传输，谐波信号可能是发射器在ON状态和OFF状态之间循环的伪影。信号谐波可能会干扰附近电子仪表装置的操作。例如，通常对低于1千赫(KHz)的信号敏感的诸如心电图仪(EKG)之类的设备可能会受到干扰。在另一个示例中，通常易受10KHz以上噪声的影响的生物医学仪表设备(例如医疗阻抗定位设备)可能会受到干扰。

为了减少或消除谐波信号伪影，EMT系统应用整形(或调制)激励信号来限制(例如，在频谱上)EM发射器的发射的磁信号。调制或整形的激励信号通过限制谐波信号的信号强度来最小化或消除跟踪环境中对其他生物医学仪表装置的干扰。整形信号使得正弦脉冲的幅度在每个TDM周期期间斜升和斜降，而不是方波激励信号的近乎瞬时的OFF/ON切换。整形信号的确切形状取决于接收器灵敏度和正在被执行的跟踪的特定应用。

图1呈现了EMT系统100的示例性实施例，其可用于对患者102执行的图像引导医疗程序。EMT系统100可包括自由移动的医疗仪器，其是由EMT系统跟踪的对象104。被跟踪对象104可以包括用于医疗治疗中的任何方式的手术工具和设备。EMT系统100允许出于可视化、诊断、介入目的等，以解剖学上的器官、结构或血管为目标。用于EMT系统100的仪器通常包括包含一个或多个线圈的一个或多个磁性传感器。传感器106可以嵌入通道中或固定到被跟踪对象104的尖端。由EMT系统100采用的特定传感器106可以由程序类型和/或测量性能要求来确定。在所示示例中，传感器106经由无线连接连接到电子单元或计算设备，例如处理设备108。在用于激励磁场的电路装置的控制下，传感器106测量其在三维空间中相对于发射器110的瞬时位置(x、y、z)和朝向角(方位角、高度、翻滚角)，并将测量信号发送到处理设备108以用于分析。

通常，传感器106可以包括用于接收器线圈122的磁芯。磁芯包括相对于周围空气的高磁导率，因此在线圈处产生更强的感应响应。这使得接收器线圈122能够在较低能量环境中操作或减小尺寸以产生对磁跟踪有用的响应信号。例如，可以在传感器106中使用铁氧体磁芯(或其他金属)以减小传感器的接收线圈的尺寸(相对于用于接收线圈的空气芯)。减小的尺寸对于将较小的传感器106包括在可以是被跟踪对象104的一些医疗仪器中是有用的。例如，铁氧体芯接收器用于传感器106中以在患者内部或附近使用，例如用于导管、内窥镜，或其他此类医疗仪器。

与传感器106类似，EMT系统100所采用的特定发射器可以由程序类型、测量性能要求等确定。在示例中，发射器110可以是包括三个发射器线圈的三轴磁发射器——用于产生EM场的X分量的X线圈、用于产生EM场的Y分量的Y线圈和用于产生EM场的Z分量的Z线圈。也就是说，每个发射器线圈114a-n被配置为提供EM场的一部分。在一些实施方式中，发射器线圈形成为同心的、并置的发射器线圈组114a-n。

添加额外的发射器线圈114a-n以增加跟踪被跟踪对象104的自由度。例如，可以添加第四线圈和第五线圈以检测被跟踪对象104的俯仰和偏航(pitch and yaw)。为了实现增加的跟踪精度，可以包括超过五个发射器线圈114a-n。例如，可以使用六个、七个、八个或多达十二个或更多个发射器线圈114a-n。额外的发射器线圈114a-n可以增加EMT系统100的精度。

发射器110通常在空间中固定在患者旁边、上方或下方的或医疗设备(其中它充当由传感器106提供的测量的参考系)上。在一些实施方式中，发射器110可被设计为最小化和/或取消其表面下的失真(distorter)效果，例如程序表和/或设备。由传感器106和发射器110提供的测量提供足够的信息以在患者102体外或体内导航仪器104(出于诊断和介入目的)，在一些情况下同时提供视觉反馈。

在一些实施方式中，处理设备108是被配置为向EMT系统100提供成像能力的成像计算机。在所示示例中与传感器106和发射器110无线通信的成像处理设备108被配置为将患者102的预先获取的或术中的图像存储在图像数据库中。然后可以将此类图像输入到成像软件(出于配准(registration)和可视化目的)。在医疗程序期间，仪器104的三维位置可以相对于患者102的解剖结构和预先获取的或术中的图像被跟踪，并在处理设备108的显示器上实时显示。当仪器104向患者102身体内的感兴趣目标前进时，发射器110可以被激活和激励(energize)，从而在传感器106中产生可测量的信号(例如，电压信号)。这些信号被处理并且针对传输到处理设备108来计算三维位置。在一些实施方式中，处理设备108包括被配置为处理电压以便提供三维位置的引导电子单元。

在一些实施方式中，在程序开始之前，实施一个或多个协议。一种协议可以初始化仪器104和传感器106以准备由处理设备108进行跟踪。配置数据(例如仪器类型、部件号、仪器中的传感器位置、校准数据等)可以存储在处理设备108的存储器中。从这一点开始，EMT系统100可以自动向成像软件提供所附接的仪器104的特定配置。在这种实施方式中，可能不需要医生手动输入任何医疗仪器数据。另一个协议可以将仪器104、成像形态和患者参考框架相关联，使得医生可以通过遵循三维可视化提示直观地在患者102内引导仪器。一旦已经完成了这些协议，处理设备108就可以在患者102处连续接收仪器引导数据，并将数据与处理设备108的显示器上的位置对齐。以这种方式，随着医生将被跟踪对象104(例如，医疗仪器)移动到患者102身体内的目标时，医生还会在图标的显示器上看到图标，该图标对应于相对于患者102的目标图像的仪器104。引导数据的控制和与扫描的图像的集成可以根据可在处理设备108上操作的三维软件。

通常，发射器110所产生的EM场具有可由传感器106的接收线圈测量的特性。例如，当传感器106改变靠近发射器110的位置时，x线圈、y线圈和z线圈均可以测量EM场的X分量、Y分量和Z分量的特性，总共提供传感器信号的九个分量。传感器信号的矩阵表示有时被称为S矩阵(例如，3x3矩阵)，其中列表示发射器110的X线圈、Y线圈和Z线圈，而行表示传感器106的x线圈、y线圈和z线圈。

如前所述，传感器106的接收器线圈122具有非线性响应，因为线圈具有磁化的芯(例如，铁氧体芯或其他磁化的金属芯)。例如，材料可以包括铁氧体材料、坡莫合金或其他类似材料。通常，相对长且窄的磁化的材料(例如，具有大于1的长宽比)可用于传感器106的接收器线圈122的芯。在另一个示例中，具有其他形状(例如，立方体)的非线性芯材料可用于接收器线圈的芯。EMT系统100使用时域复用来控制从发射器110的每个发射器线圈114a-n发射的EM信号。例如，发射器110可以包括在载波频率A下工作的X线圈、在载波频率B下工作的Y线圈以及可以在载波频率C下工作的Z线圈。

在一些实施方式中，传感器106包括其他类型的非线性传感元件，其被配置为测量所发射信号的磁场强度/磁通密度以确定传感器相对于发射器110的位置。例如，传感器106可以包括霍尔效应传感器。在另一个示例中，传感器106包括磁阻传感器，其被配置为测量材料在磁场影响下的变化电阻。在另一个示例中，传感器106包括磁光传感器。在另一个示例中，传感器包括磁通门磁力计。这些设备中的每一个都可以对传输的磁信号具有非线性响应。

每个线圈被配置用于发射TDM-AC信号。这些信号中的每一个都可以包括正弦脉冲或突发。EMT系统100将带宽限制窗函数应用于每个EM发射器信号突发或正弦脉冲。窗函数减少了从传输的中心频率的频谱扩展。如前所述，窗函数被配置为消除信号谐波并因此减少或消除对其他医疗设备和/或装置的干扰。

现在描述由EMT系统100执行的激励信号的整形。为了操作发射器110，滤波器被放置在发射器的每个线圈驱动器上。该滤波器对发射器的TDM-AC传输期间的每个正弦脉冲或突发进行整形。EMT系统100的控制器使方波(例如，ON/OFF)控制信号被发送到发射器线圈114a-n以控制发射器110的线圈如何发射载波信号。方波控制信号由滤波器整形，以使信号从OFF斜升到ON以及从ON斜降到OFF。整形后信号降低了激励信号在信号的OFF部分和ON部分之间的变化率。减小的变化使得TDM-AC传输的谐波伪影幅度减小或消除。这减少了跟踪被跟踪对象104时的失真，因为传感器106没有接收到可能干扰跟踪的谐波伪影(或接收到幅度减小的伪影)。

因此，发射器110的线圈均发射由几个元素组成的波形。以所期望频率(有时称为中心频率)传输信号。在示例中，频率可以是大约3200Hz，但EMT系统100可以将频率调整到其他值。信号由控制信号(或激励信号)通过乘以信号来整形。EMT系统100对原本为方波的控制信号应用滤波器。滤波器控制正弦波幅度在每个周期中斜升和斜降的快慢程度。发射器在每个周期中完全打开和关闭的速度越快，所期望频率处的均方根(RMS)信号强度值就越高。更强的信号更容易由传感器106的接收器线圈与噪声区分开来。发射器110的每个线圈因此在由滤波的控制信号整形后的“信号包络”内发射信号。随后将参考图2-4来描述这些整形后信号的示例。

整形后信号减少了传输的TDM-AC信号的谐波伪影。ETM系统100的接收器线圈(由于其磁芯而具有增加的灵敏度)可以接收TDM-AC信号并将所期望频率与环境噪声和谐波伪影区分开来，谐波伪影现在幅度减小。如果在EMT系统100中使用了FDM方法，则这种配置绕过了将在接收器线圈中引起的IMD问题。

用于对来自相应发射器线圈114a-n的发射的信号进行整形的滤波器可以基于传感器106的接收器线圈122的非线性芯的参数来配置。在一些实施方式中，EMT系统100基于谐波伪影的允许的信号强度来调整包络的大小。EMT系统100可以通过减少从OFF状态切换到ON状态所需的时间量来增加发射线圈114a-n所发射的RMS信号电平，反之亦然。这也增加了谐波伪影的强度。如果谐波伪影的幅度低于接收器线圈122的阈值，则可以增加RMS信号电平，这使得能够在正弦突发的选定频率下进行更强的信号传输。可以执行该调谐以确保发射的信号足够强以在特定环境中用于EMT系统100的操作，并确保在给定的接收器线圈122中不超过谐波伪影阈值。例如，EMT系统100可以增加信号强度，以用于在发射器110和传感器之间的更大范围的操作。在一些实施方式中，可以增加信号强度以用于在信号存在其他失真的情况下的操作。在特定示例中，EMT系统100被配置为与EMT系统的环境中的一个或多个其他系统通信。一个或多个其他系统或设备可以发送描述它们相应操作的干扰阈值的信息。该信息表示在其他系统或设备因干扰而性能下降之前在与谐波信号相对应的一个或多个频率下的最大可容忍信号强度。作为响应，EMT系统100被配置为调整包络以将干扰减少到低于接收阈值水平，同时仍然最大化信号强度。在一些实施方式中，EMT系统100基于获得的阈值信息来实时或接近实时地调整信号包络(例如，针对后续传输周期进行调整)。在一些实施方式中，EMT系统100存储一个或多个其他设备的阈值信息并取回该信息以供稍后时间(例如，后续操作)在包络构造期间使用。

EMT系统100使发射器110的每个发射器线圈114a-n发射被配置为避免干扰相邻测量形态的整形后信号。传感器106被配置为接收来自发射器110的相应发射器线圈114a-n的信号，而没有谐波伪影或具有不会导致跟踪误差或与跟踪环境中的其他系统的干扰的最小化的谐波伪影。例如，对于十二个发射器线圈系统，传感器106被配置为以十二个相应频率接收十二个信号。这些传输中的每一个都经过整形，使得谐波伪影避免与其他传输的干扰。如果在发射器110中包括更多线圈，则可以减小每次传输的每个整形后的包络的大小以避免与相邻形态的干扰，同时为选定频率保持足够的信号强度。

转到图2，示出了EMT系统200的框图。EMT系统200可以基本上类似于参考图1描述的EMT系统100。EMT系统200的处理设备208可以包括跟踪逻辑引擎218、TDM引擎212和信号处理引擎216。跟踪逻辑引擎218被配置为基于从传感器206接收的信号来确定被跟踪对象204的大致位置和朝向。如前所述，从发射器210的每个发射器线圈214a-n接收的信号被发射到传感器206。传感器206利用接收器线圈222接收发射的信号，接收器线圈222是大致非线性的。传感器206被配置成通常通过无线通信链路将测量的信号发送到处理设备208。处理设备208在信号处理引擎216处接收来自传感器206的测量的信号。信号处理引擎216被配置为接收来自传感器的信号并将信号的数字表示发送到跟踪逻辑引擎218。跟踪逻辑引擎218基于EMT系统的参数来确定被跟踪对象204在EMT系统200的环境中的位置和朝向，例如哪个发射器线圈214a-n与接收到的信号相关联、系统的硬件校准参数、已知的环境失真(如果有的话)，等等。

跟踪逻辑引擎218包括信号整形逻辑220。信号整形逻辑220被配置为对来自每个发射器线圈的传输进行整形以减少或消除谐波伪影，如前所述。信号整形逻辑控制使用什么滤波器参数来驱动来自每个发射器线圈214a-n的发射的信号。

TDM引擎212被配置为将整形信号与由每个发射器线圈生成的正弦信号相乘。如前所述，TDM引擎212使每个发射线圈发射整形的正弦突发，这些整形的正弦突发被整形为减少或消除谐波伪影。TDM引擎212控制发射器线圈，使得每个发射器线圈依次操作。TDM引擎循环通过发射器线圈，使得每个发射器线圈214a-n为每个发射周期发射整形的突发以由接收器线圈222接收。

如前所述，发射器线圈214a-n均发射包括具有特定频率的正弦脉冲的整形的信号。发射器线圈214a-n的数量可以取决于跟踪被跟踪对象204所需的精度而变化。发射器线圈214a-n的数量可以包括5、6、8、12或更多。

如前所述，传感器206的接收器线圈222是大致非线性的。传感器206的非线性接收器线圈222可以小于具有相似响应灵敏度的线性线圈。接收器线圈222可以包括磁芯，如先前关于图1所描述的。

转到图3，示例曲线图300示出了用于对由发射器线圈114a-n发射的信号进行整形的滤波器特性。在此示例中，使用69抽头(tap)Dolph-Chebychev滤波器对发射器正弦突发进行加窗，以限制关于每个发射器线圈的选定传输频率的带宽。曲线图300示出了滤波器的模拟频率特性。

图4示出了说明包络重构设备(例如，滤波器)的频率响应的示例曲线图400。包络重构设备包括被配置为恢复载波包络信号并执行滤波功能以重构信号的电路装置。这里，该设备可以包括用于恢复载波包络信号的解调器。这可以包括同步或正弦解调。在一些实施方式中，该设备被配置为用于外差操作的解调。在另一个示例中，该设备包括二极管整流器。滤波函数应用于解调的信号。在示例中，包络重构滤波器可以是图2的信号处理引擎216的一部分。滤波器可以是低通滤波器，其用于重构在传感器(例如图1-2的传感器106、206)处接收的解调的信号包络。EMT系统100使用该滤波器来模拟EMT系统100的信号处理的一部分的解调稳态响应。在该示例中，解调器低通输出滤波器在大约1KHz处具有3dB截止频率。该滤波器对超过2KHz的频率具有-60dB响应。图4示出了滤波器的模拟的99抽头滤波器频率响应。

图5示出了使用EMT系统100的处理设备108的发射器信号推导的示例。曲线图500示出了发射的整形后信号的模拟(附加于解调信号)。对于曲线图500，在模拟中使用了中心频率为2194.2851Hz的八周期正弦突发来进行生成。示出了整形之前的单个发射器脉冲信号502。这也称为无窗的正弦脉冲。相同的脉冲在被加窗滤波器504阶跃响应(例如，图3的Dolph-Chebychev滤波器)整形之后显示为信号508。示出了发射器加窗正弦突发信号506。还示出了低通滤波的解调信号510。对于单位幅度的正弦波，解调的稳态响应具有发射信号的0.5幅度。曲线图500示出了发射器114a-n的信号可以如何被整形并且还被解调以减少或消除发射的信号的谐波伪影。

应用滤波器的结果表明，信号幅度变化在每个周期的基础上都减少了。不是从OFF状态到ON状态的方波控制，而是根据低通滤波器参数对磁信号的幅度进行“斜升”和“斜降”，使得从一个周期到下一个周期不会出现信号幅度的突然变化。如前所述，以这种方式控制信号幅度变化降低谐波伪影的幅度。

图6-7示出相应的曲线图600、700，每个曲线图说明示例心电图(EKG)滤波器响应。如前所述，EMT系统100被配置为减少或消除对EMT系统100环境中的生物医学仪表装置的干扰。EKG示例说明了使用EMT发射器加窗的(“整形的”)正弦突发来减少对生物医学仪表装置的干扰。对加窗的发射器信号的EKG输入滤波器响应在时域中的曲线图600中示出。图7示出了表示频域中的EKG响应的曲线图700。对于该仿真，曲线图400中示出的相同低通滤波器特性被用于对曲线图600和700的EKG滤波器响应进行建模。所得时域纹波(ripple)低于-40dB。该信号示出了八个周期，其中中心频率为2194.2851Hz。最大纹波值为-42dB。图7的曲线图700示出了发射器加窗的正弦突发702的快速傅里叶变换(FFT)。曲线图700还示出了EKG滤波器响应704。频域幅度主要在1,500Hz范围以上衰减。

图8示出了曲线图800，其中示出谐波伪影被减少以用于在传感器(例如，图1的传感器106或图2的传感器206)处被接收。曲线图800示出了磁场发生器发射TDM-AC波形的干扰的减少，以最小化非线性EMT传感器中的IMD。在曲线图800中，示出了未加窗的正弦突发信号802。曲线图800示出了对加窗的(例如，通过前面描述的Dolph-Chebychev阶跃响应滤波器)正弦突发响应806的响应。曲线图800示出了EKG滤波的未加窗正弦突发响应804。曲线图800示出了EKG滤波的加窗的正弦突发响应808。这里，在2194.2851Hz的中心频率下，在八个周期内接收到信号。比较未加窗的正弦突发信号802与加窗的正弦突发信号806的频率响应，曲线图800示出了对于信号906，EMT场发生器输出的频谱被最小化以减少接收器线圈中的IMD效应。

图9示出了流程图，该流程图示出了用于磁跟踪系统(例如先前描述的EMT系统100和/或EMT系统200)的干扰减少的过程900。过程900包括使用多个线圈中的发射器线圈来确定(902)用于产生磁场信号的至少一部分的频率。发射器包括多个线圈，并且发射器被配置为产生磁场信号。过程900包括配置(904)来自发射器的EM信号的TDM传输。该过程包括配置(906)滤波器，以用于基于TDM对磁场信号的一部分进行滤波。滤波器被配置为对磁场信号进行整形以衰减TDM信号的谐波伪影。过程900包括使(908)发射器线圈产生由滤波器整形的磁场信号。过程900包括从传感器接收(910)对应于磁场信号的传感器信号。传感器被配置为生成指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。传感器包括接收器并且被配置为提供与由发射器产生的磁场信号相对应的传感器信号。传感器信号被配置为基于由发射器产生的磁场信号来产生指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。

图10示出了用于基于接收或获得的数据(其描述EMT系统100的环境中的一个或多个其他设备或系统的干扰阈值)来控制包络的形状的过程1000。过程1000包括获得(1002)表示磁跟踪系统的环境中的一个或多个设备的阈值干扰水平的阈值数据。过程1000包括配置(1004)用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器，该滤波器被配置为对每个突发进行整形以将突发的谐波伪影降低到阈值数据的阈值干扰水平以下。过程1000可以包括使发射器线圈产生磁场信号的整形的突发。过程1000可以包括从传感器接收对应于磁场信号的传感器信号，传感器包括指示传感器相对于发射器的位置的输出响应。在一些实施方式中，阈值数据是在磁跟踪系统的操作期间从一个或多个其他设备获得的。滤波器被配置为响应于获得阈值数据而对每个突发进行整形以用于下一次传输。因此，这可以是对信号包络的整形的实时或近实时调整，以在EMT系统100的操作期间将一个或多个其他系统中的干扰降低到指定阈值以下。

上述EMT系统100可以使用被包括在计算机可读介质上以在计算机(例如，图1的处理设备108)上执行的软件来实现。例如，该软件可以在一个或多个计算机程序中形成程序，这些程序在一个或多个编程或可编程计算机系统(其可以是各种架构的)上执行，每个编程或可编程计算机系统包括至少一个处理器、至少一个数据存储系统(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备或端口、以及至少一个输出设备或端口。

图11是示例计算机系统1100的框图。例如，导管跟踪系统可以采用EMT系统110或EMT系统200的处理系统118。在一些实施方式中，计算机系统1100可以提供关于被跟踪对象的尖端的相对位置和朝向的视觉信息。计算机系统1100包括处理器1110、存储器1120、存储设备1130和输入/输出设备1140。组件1110、1120、1130和1140中的每一个可以例如使用系统总线1150互连。处理器1110能够处理用于在系统1100内执行的指令。在一些实施方式中，处理器1110是单线程处理器。在一些实施方式中，处理器1110是多线程处理器。在一些实施方式中，处理器1110是量子计算机。处理器1110能够处理存储在存储器1120中或存储设备1130上的指令。

存储器1120在系统1100内存储信息。在一些实施方式中，存储器1120是计算机可读介质。在一些实施方式中，存储器1120是易失性存储器单元。在一些实施方式中，存储器1120是非易失性存储器单元。

存储设备1130能够为系统1100提供大容量存储。在一些实施方式中，存储设备1130是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储设备1130可以包括例如硬盘设备、光盘设备、固态驱动器、闪存驱动器、磁带或某种其他大容量存储设备。输入/输出设备1140为系统1100提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出设备1140可以包括以下各项中的一个或多个：网络接口设备，例如以太网卡；串行通信设备，例如RS-232端口；和/或无线接口设备，例如802.11卡、3G无线调制解调器、4G无线调制解调器、5G无线调制解调器或其他类型的接口。网络接口设备允许系统1100进行通信，例如，通过网络发送和接收数据。在一些实施方式中，输入/输出设备可以包括被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如键盘、打印机和显示设备1160)的驱动设备。在一些实施方式中，可以使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。例如，导管跟踪系统可以使用计算机接口来允许操作者输入计划的程序和导管放置的指示。计算机接口可以是输入/输出设备1160的示例。导管跟踪系统还可以在输入/输出设备1160上显示关于导管的相对位置和朝向的视觉信息。

尽管已经描述了示例处理系统，但上述主题和功能操作的实施方式可以在其他类型的数字电子电路或计算机软件、固件或硬件中实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或其中一种或多种的组合。本说明书中描述的主题的实施方式可以实现为一个或多个计算机程序产品，即编码在有形程序载体(例如计算机可读介质)上的一个或多个计算机程序指令模块，用于由处理系统执行或控制处理系统的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质组合物，或者它们中的一个或多个的组合。

术语“系统”可以涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，处理系统还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中一个或更多个的组合的代码。

适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性或易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘或磁带；磁光盘；和CD-ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路装置补充或结合在专用逻辑电路装置中。有时，服务器是通用计算机，并且有时是定制的专用电子设备，并且有时是这些事物的组合。

上面在分开的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的特征可以在多个实施方式中单独或在任何子组合中实现。

可以改变如上所述执行操作的顺序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。上述实施方式中系统组件的分离不应被理解为需要这种分离。

本文未具体描述的其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种系统，包括：

发射器，其包括多个线圈，所述发射器被配置为生成磁场信号；

传感器，其包括接收器线圈，所述传感器被配置为提供与由所述发射器生成的所述磁场信号相对应的传感器信号，其中，所述传感器信号被配置为基于由所述发射器生成的所述磁场信号来产生指示所述传感器相对于所述发射器的位置的输出响应；以及

与所述发射器和所述传感器通信的计算设备，所述计算设备被配置为：

使用所述多个线圈中的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率；

配置用于控制来自所述发射器线圈的所述磁场信号的传输的时分复用的(TDM)控制信号，所述TDM控制信号被配置为使所述发射器线圈以所述频率发射所述磁场信号的突发；

配置用于对所述TDM控制信号进行滤波的滤波器，所述滤波器被配置为对每个突发进行整形以减少或消除所述突发的谐波伪影；

使所述发射器线圈生成所述磁场信号的整形的突发；以及

从所述传感器接收与所述磁场信号相对应的传感器信号，所述传感器信号包括指示所述传感器相对于所述发射器的位置的输出响应。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述滤波器包括对阶跃函数进行滤波的低通滤波器，并且其中，所述计算设备还被配置为：

将所述磁场信号与所述阶跃函数相乘以对所述突发进行整形。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述磁场信号包括TDM交流(TDM-AC)信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收器线圈包括具有大于1的相对磁导率值的芯。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述芯包括以下各项中的一种：铁氧体材料或坡莫合金材料。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发射器中的所述多个线圈中的每个线圈被配置为以与所述多个线圈中的其他线圈不同的相应频率值生成相应磁场信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，每个突发由滤波器信号整形，以防止线圈的磁场信号干扰所述多个线圈中的其他线圈的相邻测量形态。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器信号包括基于所述传感器与由所述发射器生成的所述磁场信号之间的相互作用而生成的电压。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电压的值指示以下各项中的至少一个：所述传感器相对于所述发射器的朝向和位置。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述滤波器被配置为将在环境中的另一电子设备处接收到的谐波伪影减少到针对所述电子设备指定的阈值水平以下。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器选自包括以下各项的组：霍尔效应传感器、磁阻传感器、磁光传感器和磁通门磁力计。

12.一种用于减少由磁跟踪系统引起的干扰的方法，所述方法包括：

使用多个发射器线圈中的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率；

获得阈值数据，所述阈值数据表示所述磁跟踪系统的环境中一个或多个设备的阈值干扰水平；

配置用于对所述TDM控制信号进行滤波的滤波器，所述滤波器被配置为对每个突发进行整形以将所述突发的谐波伪影降低到所述阈值数据的所述阈值干扰水平以下；

使所述发射器线圈生成所述磁场信号的整形的突发；以及

从传感器接收与所述磁场信号相对应的传感器信号，所述传感器包括指示所述传感器相对于所述发射器的位置的输出响应。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述阈值数据是在所述磁跟踪系统的操作期间从一个或多个其他设备获得的，并且其中，所述滤波器被配置为响应于获得所述阈值数据而针对下一次传输对每个突发进行整形。

14.一种方法，包括：

使用磁跟踪系统的发射器线圈来确定用于生成磁场信号的至少一部分的频率；

配置用于对TDM控制信号进行滤波的滤波器，所述滤波器被配置为对每个突发进行整形以减少或消除所述突发的谐波伪影；

使所述发射器线圈生成所述磁场信号的整形的突发；以及

从所述磁跟踪系统的传感器接收与所述磁场信号相对应的传感器信号，所述传感器信号包括指示所述传感器相对于所述发射器的位置的输出响应。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述滤波器包括对阶跃函数进行滤波的低通滤波器，并且其中，所述方法还包括将所述磁场信号与所述阶跃函数相乘以对所述突发进行整形。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述磁场信号包括TDM交流(TDM-AC)信号。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器的接收器线圈包括具有大于1的相对磁导率值的芯。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述芯包括以下各项中的一种：铁氧体材料或坡莫合金材料。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述滤波器被配置为将在环境中的另一电子设备处接收到的谐波伪影减少到低于针对所述电子设备指定的阈值水平。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器选自包括以下各项的组：霍尔效应传感器、磁阻传感器、磁光传感器和磁通门磁力计。