CN116772819A - 用于平面磁场生成组件中的磁追踪的磁场生成器定向 - Google Patents

Abstract

一种磁追踪系统，包括用于产生多个磁场的场发生器组件，其中每个磁场由场发生器组件的相应的磁场发生器产生，磁场发生器中的至少一个具有第一角度定向，磁场发生器中的至少另一个具有与第一角度定向不同的第二角度定向。磁追踪系统包括用于测量该多个磁场的磁传感器，以及被配置为计算在被传感器测量的磁场内的磁传感器的位置和定向的计算装置。第一角度定向在一到十五度之间，第二角度定向在一到十五度之间。

Description

用于平面磁场生成组件中的磁追踪的磁场生成器定向

优先权要求

本申请根据35USC§119(e)要求对2022年3月18日提交的美国专利申请63/321434享有优先权，该美国专利申请的全部内容以引用的方式结合在本文中。

技术领域

本公开涉及使用磁场来确定物体的位置和定向。

背景技术

磁追踪系统使用磁场来确定物体在给定区域内的位置和定向。传感器被定位在物体(例如一件设备或人的身体)上，以检测给定区域内存在的磁场。根据检测到的磁场信息，计算机系统可以计算出该物体相对于参考坐标系的位置和定向。这些系统例如在医疗领域是有用的，用于追踪与医疗过程有关的仪器，从而促进手术和诊断中的先进方法。

发明内容

通过将磁场发生器定向到不同的角度定向，可以产生不同的磁场。一些产生的磁场可以对于追踪给定区域内的物体是有利的。靠近场发生器组件的平行磁场例如对确定传感器的位置和定向造成困难。当磁场是平行的时，在近距离内，较少的场发生器能提供关于传感器的位置和定向的有用信息。不平行的磁场是有利的，因为传感器可以从每个磁场中确定独特的测量值，甚至在很近的距离。使用具有不同角度定向的薄而平的场发生器例如会导致改善追踪。

在一个方面中，磁追踪系统包括用于产生多个磁场的场发生器组件，其中每个磁场由场发生器组件的相应的磁场发生器产生，磁场发生器中的至少一个具有第一角度定向，磁场发生器中的至少另一个具有与第一角度定向不同的第二角度定向。第一角度定向在一到十五度之间，第二角度定向在一到十五度之间。磁追踪系统还包括用于测量该多个磁场的磁传感器，以及被配置为计算在被传感器测量的磁场内的磁传感器的位置和定向的计算装置。

在一些实施方案中，磁场发生器包括缠绕式电磁线圈、四元电磁线圈或平面螺旋中的至少一种。

在一些实施方案中，磁场发生器分布在场发生器组件上，使得磁场发生器中的至少两个在位置上是偏移的。

在一些实施方案中，计算装置被配置为确定第一角度定向和第二角度定向。

在一些实施方案中，磁追踪系统包括在场发生器组件下方的导电板，导电板包括可渗透材料。

在一些实施方案中，磁场发生器具有相同的仰角和不同的方位角。

在一些实施方案中，磁追踪系统包括具有与第一角度定向和第二角度定向不同的第三角度定向的第三磁场发生器。

在一些实施方案中，第一角度定向处于相对于第二角度定向相反的方向。

在一些实施方案中，第一角度定向是第一仰角，而第二角度定向是第二仰角，第二仰角与第一仰角不同。

在一个方面中，一种设备包括用于在医疗过程中支撑患者的一部分的结构表面，以及包括场发生器组件的多个磁场发生器的表面，用于产生磁场以形成测量体积；其中至少一个磁场发生器处于相对于该表面的角度定向，并且其中该至少一个磁场发生器的角度定向相对于该表面在一到十五度之间。

在一些实施方案中，该设备包括在该表面下方的导电板。

在一些实施方案中，至少两个磁场发生器处于相对于该表面不同的角度定向。

在一些实施方案中，至少两个磁场发生器处于相对于彼此不同的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于彼此相反的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于距该表面一到十五度之间的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于距该表面的距离大于15度的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于指向该表面的中心的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于指向背离该表面的中心的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于相对于该表面有相同角度的角度定向。

在一些实施方案中，该至少两个磁场发生器处于相对于该表面有不同角度的角度定向。

在一些实施方案中，该多个磁场发生器分布在场发生器组件上，使得磁场发生器中的至少两个在位置上偏移。

上述及其他优点和特征将部分出现在下面的详细描述和权利要求中，与附图一起来看。

附图说明

图1是磁追踪系统的示意图。

图2是场发生器组件的示例的示意性俯视图。

图3是带有相同角度定向的两个场发生器的示意图。

图4是带有不同角度定向的两个场发生器的示意图。

图5是场发生器组件的示例的示意图。

图6是磁场发生器的示例的透视图。

图7是示出由磁场发生器产生的磁场的示例的示意图。

图8是激励不同磁场发生器的频分复用方案的示例。

具体实施方式

通过将磁场发生器定向在不同的角度定向，可以产生不同的磁场。一些所产生的磁场对于追踪给定区域内的物体是有利的。参照图1，示出和描述了磁追踪系统100的示意图。简而言之，系统100包括磁场发生组件102，该磁场发生组件被配置为在给定的三维区域(例如，体积104)内产生磁场。被放置在给定的体积104内的物体108(如手术刀)上的传感器组件106检测和/或测量磁场，并将测量结果传达给计算装置110，例如，通过通信链路112(例如，有线或无线连接)的方式。基于传感器组件106的测量结果，计算装置110可以计算出传感器组件106(以及因此物体108)相对于坐标系114的位置。这种位置计算有助于在区域104内对传感器组件106进行运动追踪。这在先进的外科手术中很有用，其中传感器组件106可以被安装在诸如手术刀等物体上，以便在医疗过程被执行时追踪物体的运动(例如，追踪手术刀相对于诸如固定在患者的身体上的第二传感器组件的运动)。

在一些实施方案中，场发生组件102在尺寸上(例如高度)相对较薄，可以被安装在扁平的表面(如手术台116)上。这样的场发生组件可以被称为扁平场发生器。尽管图1将场发生组件102描绘为被安装在手术台116上，但在一些实施方案中，场发生组件102可以通过可能将场发生组件102嵌入手术台116内而被集成到手术台116中。在这种特定的安排中，场发生组件102包括多个场发生器118(例如，一个或多个场发生器)，每个场发生器可以包括一个或多个电磁线圈，该一个或多个电磁线圈产生磁场(例如，通过使电流经过每个线圈)。例如，电磁线圈可以通过将导体(如电线)绕在磁性材料或非磁性材料(如空气)的芯部上来形成。当电流经过线圈的绕组时，就会产生磁场，该磁场沿线圈的纵向轴线延伸通过该线圈的中心，并绕着环或线圈的外侧旋回。围绕每个环或绕组的磁场与来自其他环的场结合，以在线圈的中心产生集中的磁场。线圈的磁场强度可以通过控制电流、线圈的环数或绕组数以及与线圈相关联的其他参数和特性来控制。

其他参数可以改变，以控制感应出的场的形状。例如，流经单个发生器的电流的水平，单个发生器中的绕组的数量，发生器的物理尺寸，用于建造发生器的材料，以及用于形状控制的其他类似参数(也称为发生器几何形状)。在一些实施方案中，带有可调节抽头(taps)的线圈可以用于控制场发生器118的绕组的数量。

在一些实施方案中，在感应出的磁场附近存在特定类型的材料(例如导电材料)可能有助于扭曲或改变场的形状。甚至由于可渗透材料的存在，场的形状也可能弯曲或改变。一般来说，导电和/或可渗透物体的随机存在会产生寄生涡电流场，从而扭曲感应出的场的形状。尽管这种导电和/或可渗透材料的随机存在通常是不期望的，但在一些实施方案中，这种物体可以用于控制感应出的磁场的形状。例如，导电板120可以用来屏蔽或塑造感应出的磁场。在一些实施方案中，可以使用多个板。例如，可以在磁场周围、磁场上方、磁场下方等使用多个导电板。在一些实施方案中，所有的板都是导电的；然而，这并不总是如此。例如，只有一些板块可以是导电的。在所展示的示例中，不期望感应出的磁场低于场发生器组件102的平面。在这种情况下，导电板或屏蔽层120大大衰减了位于场发生器组件102下方的磁场，从而使该系统对被定位在场发生器组件102下方的物体(例如金属或可渗透物体)不敏感。在一些实施方案中，导电板120可以包括可渗透(例如铁磁)材料，以进一步衰减位于场发生器组件102下方的磁场，例如为该系统提供额外的对物体的不敏感性。

在一些实施方案中，场发生器组件102还包括基本上包裹场发生器118的覆盖层122。覆盖层122在过程期间为患者提供接口表面(例如坐或躺在上面)。覆盖层122可由各种类型的材料或材料组合构成，例如非导电或非磁性材料(如塑料)可以被结合到覆盖层122中。在一些实施方案中，覆盖层122可以被配置为向场发生器118提供机械支持。例如，场发生器118可以被嵌入在固体覆盖层122内。在一些实施方案中，覆盖层122可以简单地覆盖场发生器118。在一些实施方案中，如果场发生器118是可移动的，则覆盖层122可以被构造成适应场发生器的可能运动(例如平移、旋转等)或模块组合。例如，可移动的场发生器的通道或路径可以被限定在覆盖层122中。

传感器组件106用于检测在区域104中感应出的磁场。在一些实施方案中，传感器组件106可以包括一个或多个传感器(例如传感器阵列)，该一个或多个传感器结合一种或多种类型的传感技术。例如，传感器组件106可以包括简单线圈、几个线圈、一个或多个霍尔传感器、磁通门传感器或能够用于测量电磁场的特征(例如磁场通量、磁场差等)的其他类型的传感器。在一些实施方案中，由一个或多个场发生器118产生的磁场在传感器组件106中感应出电动势(EMF)。测得的EMF代表在限定区域104的三维空间中，在传感器组件106的位置和定向处测得的磁场的局部值。在一些实施方案中，传感器组件106包括多个传感器，如两个不同的传感器线圈，从而有可能使可由传感器组件106实现的单个磁场测量结果的数量增加一倍。在一些实施方案中，传感器组件106可以包括用于将测得的信号传达给计算装置110的额外的部件(例如电路、电子装置等)。例如，传感器组件106可以包括被配置为与计算装置110通信(例如通过通信链路112的方式，该通信链路可以包括简单的有线或无线连接，或者可以利用有线或无线网络)的收发器。

传感器组件106输出的代表几个测得的磁场的信号，该磁场对应于通过激活一个或多个场发生器118(例如不同的发生器组，如发生器对)来感应的单个场。测量在区域104内感应出的几个场，允许以多个自由度追踪传感器组件106。例如，至少五个不同的磁场可以用于确定五个自由度其中坐标(x、y、z)和角度/>分别指定传感器相对于参考的三维位置和定向。在一些实施方案中，更多的场数可以改善计算传感器组件106的位置的准确性。例如，场发生器组件102可以被配置成使得八个或十二个不同的场发生器118用于感应不同的磁场。在这种配置中，传感器组件106将测量由该八个或十二个场发生器118中的每个产生的相应的场，导致八个不同的场测量结果。

在一些实施方案中，如果传感器组件106包括两个传感器线圈，则每个线圈可以独立测量由单一组场发生器产生的磁场的强度。因此，如果需要八个不同的磁场测量结果，并且传感器组件106包括两个传感器线圈，则只需要四组场发生器118，因为每个线圈将独立地测量由四组场发生器118中的每个产生的磁场，从而导致八个不同的磁场测量结果。在其他实施方案中，如果传感器组件106包括两个或更多的传感器线圈，则线圈可以被视为一组。这样的一组将允许传感器线圈被定位和定向以优化磁场的测量结果。

在一些实施方案中，测得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106的增益因子)和传感器线圈的三维位置和定向。场发生器118的数量和传感器组件106中的传感器线圈的数量可以取决于一些因素而变化，这些因素包括特定的测量应用(例如在手术室中的测量结果)。在这个特定的安排中，计算装置110确定传感器组件106的增益因子，以及传感器组件106的位置和定向。由于传感器组件106的位置和定向通过指定多个自由度(例如最多六个自由度，包括X轴位置、Y轴位置、Z轴位置、滚动、俯仰和偏航)来描述，因此位置因子的匹配数量(例如，六个)可以由计算装置110计算出。因此，计算装置110产生用于表示位置和增益的因子的组合数量(例如七个)。在一些实施方案中，为确定这些因子所需的不同场测量结果的数量比被确定的因子的数量多一个。因此，如果计算装置110确定系统增益因子和六个位置因子(即自由度)，即总共七个计算因子，则可能需要总共八个不同的场测量结果。如上所述，这可以利用传感器组件106中的单一传感器线圈和八个场发生器118来实现。另外，也可以利用带有两个传感器线圈和四个场发生器118的传感器组件，或其他类似的变化。同样，如果计算装置110确定系统增益因子加上五个位置因子(即五个自由度)，则需要确定总共六个计算出的因子。同样，如上所述，这可以利用场发生器组和传感器线圈的各种配置来完成。

当不同的场发生器118在各自的时间段内被激发时，计算装置110可能需要知道关于感应检测到的磁场的场发生器的细节。在一个安排中，计算装置110可以基于从场发生器组件102传达给计算装置110的信息来识别感应由传感器组件106检测的磁场的场发生器118。在其他实施方案中，场发生器和传感器组件的定时从同步信号推导出，该同步信号从以下中的一个推导出：计算装置、场发生器组件或传感器组件。在一些实施方案中，与感应出的场有关的定时信息被用来识别产生测得的场的场发生器118。例如，场发生器组件102可以对不同的场发生器118进行时间上的多路供电，并提供用于确定传感器组件106位置的定时信息(例如，该信息经由传感器组件106和通信链路112被提供给计算装置110)。

在一些实施方案中，场发生器118可以分布在场发生器组件中，使得场发生器118中的至少两个例如相对于其余的场发生器118在位置上是偏移的。场发生器118可以以任何图案分布，以实现所需的磁场形状，例如参照下面的图5进一步描述。此外，一个或多个场发生器118可以具有角度定向，例如相对于场发生器组件102以仰角、方位角或其中的一些组合的角度定向。在一些实施方案中，计算装置110可以基于由场发生器118产生的对应的磁场的测量结果来确定场发生器118的角度定向。

在一些安排中，场发生组件102可以以不同的频率驱动每个场发生器118。为了识别负责测得的场的特定的场发生器，计算装置110可以将来自传感器组件106的测得的电磁场分解为频率分量。这些测得的场的频率分量然后被匹配给单个场发生器。

传感器组件106将测得的磁场值发送给计算装置110，该计算装置使用测地的磁场值来确定传感器组件106的位置/定向。在一些实施方案中，这种确定是通过将测得的磁场值与来自物理模型的磁场值相比较来执行的。

物理模型可以是一组物理方程，该组物理方程确定由传感器组件106测得的磁通量的值作为几个参数的函数。因此，物理模型可以描述由于已知地点处的已知源(如场发生器)感应的磁场而可以被预期处于测量体积(如区域104)内的不同点处的磁通量值。因此，这些参数可以通过与物理模型的比较而从实际测量结果中计算出来。这些参数可以包括但不限于：场发生器118的位置、定向和磁矩；以及传感器组件106的位置、定向和灵敏度。矢量(x，y，z)和一对角度可以指定传感器组件106中的传感器线圈的三维位置和定向。如果传感器组件106具有多个线圈，则参数可以包括限定传感器组件106中的线圈的相对定向的额外的角参数(Ψ)。这样的参数(例如第六个自由度)可以通过利用具有在不同轴线上的第二线圈的传感器组件106来计算(因为在等同轴线上操作的多个线圈可能不允许感应围绕该轴线的探头旋转)。物理模型可以将每个场发生器118描述为磁力多极，使得由传感器组件106测得的场就是相关联的多极场(例如偶极或四极)。多极场值可以取决于系统增益和每个单个场发生器118的位置、定向和磁矩“m”。磁通量的测得的值可能取决于传感器组件相对于场发生器118的位置、大小、定向和增益。

在一些实施方案中，物理模型也可以基于关于区域104附近的环境的一个或多个基本假设。模型例如可以假设每个场发生器118的位置和定向的预先选定的值以及没有其他源或场扭曲物体。场扭曲物体(例如导体、其他场源)的存在可能需要额外的参数，以使模型正确预测场值。在一些实施方案中，传感器组件106可以测量时间变化的磁场。另外，如果需要测量静态磁场，可以在传感器组件106中使用磁通门传感器、霍尔效应传感器或类似类型的传感器来提供静态(或恒定)磁场的测量结果。在一些实施方案中，一旦被传感器组件106测量，则磁场值就被提供给计算装置110，该计算装置计算适当的系统增益因子和传感器组件106的位置/定向。在一些实施方案中，传感器组件106测量一组磁通量以获得一组测得的磁场值B1-Bn，其中“n”大于或等于正在被计算的因子(即位置和系统增益)的数量。

在一些安排中，测得的场值B1-Bn可能对传感器组件106的三维位置/定向有非线性依赖，对系统增益因子有线性依赖。传感器组件106的位置和定向可以由矢量(x，y，z)和至少一对方位角和极地角分别限定。矢量(x，y，z)可以相对于带有已知原点的坐标系114而指定。虽然图1展示笛卡尔坐标系114，但也可以使用其他类型的坐标系，如极坐标系。此外，传感器组件106的系统增益因子可以由增益系数(g)限定。通过使用“测得的”场依存关系的物理模型，计算装置110可以从相关联的测得的场值B1-Bn确定传感器组件106的增益因子、位置和定向。在一些实施方案中，增益因子、位置和定向可以由计算装置110经由迭代过程计算。这种迭代过程在2001年6月26日提交的美国申请09/892153(作为美国专利6625563发布)中有所描述，该美国申请以其整体通过引用结合到本文中。

物理模型可以描述传感器组件106的区域(例如区域104)中的预先选定的磁环境。预先选定的磁环境可以包括也可以不包括来自附近物体的贡献。实际环境例如可能会由于存在支持涡电流(Eddy currents)的场扭曲物体(例如一把手术剪刀、铁磁材料和主动磁场源)而有所不同。如果预先选定的环境与实际环境不同，则该模型可能需要纳入额外的参数，以预测正确的磁场值。在一些实施方案中，计算装置110可以被配置为检测和提醒用户关于潜在测量扭曲条件的存在(例如通过在视频监视器上闪烁信息或通过音频警报信号)。在某些情况下，支持涡电流的场扭曲物体的影响可以通过将这些涡电流源作为额外的发生器来减少。虽然物体108在图1中被示出为手术刀，但这只是为了展示目的。物体108可以是其他装置或工具，例如导管、内窥镜、活检针、身体安装的位置传感器等。

计算装置110可以是被配置为执行本文所述的功能的任何计算机，如笔记本电脑或台式计算机。在一些实施方案中，计算装置110是移动计算单元，如智能手机、个人数字助理或手持计算单元。在一些实施方案中，计算装置是专门为控制磁场产生和从测得的信号中计算传感器线圈的位置和定向的目的而设计的专门计算装置。计算装置110被配置为运行有形地体现在信息载体中(例如在机器可读存储设备中)的计算机程序制品，以由可编程处理器执行；并且特征可以通过可编程处理器执行指令的程序来进行，以通过操作输入数据并产生输出来执行所述实施方案的功能。在一些实施方案中，传感器组件106和计算装置110被配置为经由通信链路(如通用串行总线(USB)、蓝牙、无线USB等)彼此通信。所述特征可以在一个或多个计算机程序中实施，该一个或多个计算机程序可在可编程系统上执行，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该至少一个可编程处理器被耦合成从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，并向该数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置传送数据和指令。计算机程序包括一组指令，该组指令可以直接或间接地在计算机中使用，以进行某种活动或带来某种结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括已编译或已解释的语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立的程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。

举例来说，用于执行指令的程序的适当的处理器包括普通和特殊用途的微处理器。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算装置110可以包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。

计算装置110可以在通信链路112上与传感器组件106通信。在一些实施方案中，通信链路112可以包括传感器组件106和计算装置110之间的直接有线或无线连接。这种连接可以包括USB、蓝牙、无线USB等。在其他情况下，通信链路112可以包括有线或无线网络，如局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)，如互联网。

虽然上述系统利用传感器阵列来追踪工具，并利用场发生器组件来产生磁场，但同样明显的是，这种配置的逆转也同样可行，即所有的磁传感器可以被发生器替代，所有的发生器可以被传感器替代。

参照图2，示意图描绘示例的场发生器组件200的俯视图，该场发生器组件包括分布在一层204上的多个单个场发生器202(类似于图1所示的场发生器118)。尽管图2示出以特定方式分布的16个场发生器202，但这只是为了说明目的，不应视为限制性的。更多或更少的场发生器202可以以各种其他的分布方式放置在场发生器组件200中，包括分布在多个平面(例如垂直分布的平面)中。该层204可以由与上述关于图1的覆盖层122基本相同的材料制成。在一些实施方案中，该层204可以是导电板或屏蔽层(例如图1中所示的导电板120)的顶面。一个或多个场发生器202彼此连接并通过导线(未显示)连接到主电源。这些连接可以按照哪些发生器被安排为同时启动而配置。场发生器组件200还可以包括电路板206。在一些实施方案中，电路板容纳控制场发生器202的激励或点火的电子模块。电路板206还可以包括与计算装置106通信的存储器，该存储器存储与场发生器组件200相关联的配置数据。电路板206还可以作为向场发生器组件200供电的电源的接口。在一些实施方案中，计算装置106可以作为电路板206的一部分来实施。

通过将磁场发生器定向在不同的角度定向，可以产生不同的磁场。一些所产生的磁场对于追踪给定的区域内的物体是有利的。靠近场发生器组件的平行磁场例如会对确定传感器的位置和定向造成困难。一般来说，场发生器中的线圈的自然放置是让它们尽可能的扁平，例如都置于同一平面中。然而，在靠近场发生器的地方，这导致所有的磁场都在同一方向上产生。当磁场被定向在相同的方向上时，在近距离内，较少的场发生器会贡献关于传感器的位置和定向的有用信息。不定向在相同的方向上的磁场是有利的，因为传感器可以基于每个磁场确定独特的测量结果，即使在近距离也是如此。即使在近距离，磁场也会向传感器提供不同的信息。

图3展示发生器组件300的一部分的视图，该发生器组件包括具有相同的角度定向的两个磁场发生器302、304。磁场发生器302被示出为带有纵向轴线306(例如延伸通过发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器302的角度定向。磁场发生器304被显示为带有纵向轴线308(例如延伸通过该发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器304的角度定向。两个磁场发生器302、304都在平面310中对齐。平面310例如可以代表桌子、墙壁等的区段。在所展示的示例中，纵向轴线306垂直于平面310。纵向轴线308也垂直于平面310。平面310也被展示为带有轴线312，以展示平面310的角度定向。每个发生器302、304的底部在平面310下方，所以每个磁场发生器302、304的下半部分用虚线展示。轴线312垂直于平面310。因为每个纵向轴线306、308具有与平面310的轴线312相同的角度定向(例如相对于坐标系314)，所以两个磁场发生器具有与平面310相同且彼此相同的角度定向。所产生的磁场具有相同的定向，因为磁场发生器302、304具有相同的角度定向。如上所述，当磁场定向在相同的方向上时，在近距离内，较少的场发生器会贡献关于传感器的位置和定向的有用信息。

不定向在同一方向上的磁场是有利的，因为传感器可以基于每个磁场确定独特的测量结果，即使在近距离也是如此。即使在近距离，磁场例如也会向传感器提供不同的信息。图4展示发生器组件400的一部分的视图，该发生器组件包括具有不同的角度定向的两个磁场发生器402、404。磁场发生器402被示出为带有纵向轴线406(例如延伸通过发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器402的角度定向。磁场发生器404被示出为带有纵向轴线408(例如延伸通过该发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器404的角度定向。两个磁场发生器402、404都在平面410中对齐。平面410例如可以代表桌子、墙壁等的区段。在图中，平面410延伸通过磁场发生器402、404的中心。每个磁场发生器402、404的下半部分被定位在平面410的下方，用虚线展示。

在所展示的示例中，每个纵向轴线406、408具有相对于平面410不同的角度定向。为了展示磁场发生器402、404如何具有相对于平面410不同的角度定向，平面410也被展示为带有轴线412，以展示平面410的角度定向。轴线412垂直于平面410。另一个轴线422垂直于平面410，并延伸通过磁场发生器402的中心。发生器402的纵向轴线406从轴线422倾斜了角度414。不定向在同一方向上(即倾斜的)的磁场是有利的，因为传感器可以基于每个磁场确定独特的测量结果，即使在近距离也是如此。

角度定向和倾斜可以用各种方式表示。角度定向例如可以用笛卡尔坐标系来表示。坐标系420包括X轴，Y轴和Z轴。线条426展示坐标系420中的方位角(即θ)。线条426的方位角展示从x轴到y轴的旋转(即围绕z轴)。另一个线条428展示坐标系420中的仰角(即)。线条428展示与z轴的偏差。因此，坐标系420中的任何一点都可以用方位角和仰角来限定。角度定向同样可以用方位角和仰角来限定。将纵向轴线406与轴线422分开的角度414可以用方位角和仰角来限定。纵向轴线408也具有与平面410不同的角度定向。轴线424垂直于平面410，并延伸通过磁场发生器404的中心。发生器404的纵向轴线408从轴线424倾斜了角度416。将纵向轴线406与轴线422分开的角度414可以由方位角和仰角限定(例如相对于坐标系420)。

另外，磁场发生器402处于与磁场发生器404不同的角度定向。磁场发生器402的纵向轴线406是向轴线422的左边倾斜的。纵向轴线406例如具有对应于轴线422的左边的方位角。同时，磁场发生器404的纵向轴线408向轴线424的右边倾斜。纵向轴线408具有对应于轴线424的右边的方位角。不同的方位角导致磁场发生器402、404向不同方向倾斜。所产生的磁场是不平行的，因为磁场发生器402、404具有不同的角度定向。

磁场发生器402、404处于彼此方向相反的角度定向。磁场发生器402、404例如具有导致磁场发生器指向背离彼此的方位角。然而，在一些实施方案中，磁场发生器402、404处于指向彼此的角度定向。磁场发生器402例如可以具有对应于轴线422的右边的方位角。同时，磁场发生器404可以具有对应于轴线424的左边的方位角。这些示例性的方位角将导致磁场发生器指向彼此。在其他实施方案中，磁场发生器在不是朝向彼此或背离彼此的方向上倾斜(例如磁场发生器可以具有各种方位角)。磁场发生器可以设置在任何方向上的任何角度定向。此外，磁场发生器可以具有仰角的范围。在一些实施方案中，磁场发生器可以具有不同的仰角和不同的方位角。在其他实施方案中，磁场发生器可以具有相同的方位角和不同的仰角。

在所展示的示例中，角度414可以是相对较小的角度(例如1度到15度)。在一些实施方案中，小的仰角可以是有利的，因为磁场发生器与平面的表面更一致。大的角度414例如将导致磁场发生器距平面410进一步改变。与平面的表面更一致的磁场发生器对于薄的磁性组件是有利的。带有大角度414的磁场发生器距平面进一步改变，这增加了磁性组件的厚度。在一些实施方案中，角度414可以是较大的角度(例如大于15度)。

图5展示场发生器组件500。场发生器组件500可以用于磁追踪系统(例如类似于图1的磁追踪系统100)。场发生器组件500包括外壳502，该外壳的形状可以适应场发生器504(例如如图4的场发生器)。壳体502一般是扁平的，所以发生器铺在平面上。可以采用各种类型的材料来生产外壳502；例如可以利用非金属材料(例如塑料)、金属材料(例如钢)、材料的组合等。也可以利用不同的几何形状、形状、尺寸等。

此外，每个发生器被定位在单个井(例如凹槽)506中。在其他实施方式中，每个井可以使用不同的几何形状(例如三角形、六角形、八角形等)。在所展示的实施方案中，所有单个井具有相同的几何形状。然而，在其他实施方式中，不同的井可以具有不同的几何形状。此外，在所展示的实施方式中，每个发生器处于单个井506中。然而，在其他实施方式中，多个发生器可以被定位在一个井中。在一些实施方案中，井可以以特定的图案(例如阵列、同心圆等)定位。在其他实施方式中，井可以不按图案定位。诸如几何形状、井的数量、每个井中的发生器的数量以及井的相对距离和定向等参数可以被调节，以产生带有所需形状的场。

每个场发生器504处于相对于壳体和相对于彼此略有不同(例如相对于壳体502和相对于彼此偏移一个小角度)的角度定向。每个场发生器504例如可以包括不同的方位角和不同的仰角。第一场发生器例如可以具有相对于坐标系508的第一角度定向，第二场发生器可以具有相对于坐标系508的第二角度定向，第三场发生器可以具有相对于坐标系508的第三角度定向等。在一些实施方案中，每个场发生器504可以具有指向组件500的中心的角度定向(例如每个场发生器504可以具有使场发生器朝向组件的中心倾斜的方位角)。在其他实施方案中，每个场发生器504可以具有指向背离组件500的中心的角度定向(例如每个场发生器504可以具有使场发生器远离组件的中心倾斜的方位角)。在一些实施方案中，一些场发生器可以具有指向组件500的中心的角度定向，而其他场发生器可以具有指向背离组件的中心的角度定向。紧邻组件500的中心的场发生器例如可以指向组件500的中心，而较靠近组件500的边缘的场发生器可以具有指向背离组件的中心(即指向组件的边缘)的角度定向。在一些实施方案中，场发生器504的一部分(例如一个发生器、两个发生器、三个发生器等)具有不同的角度定向，而其他场发生器504具有相同的角度定向。在其他实施方案中，每个场发生器504都有不同的角度定向。场发生器504具有不同的角度定向，以产生不同方向的磁场。每个场发生器504具有通向外部连接器512的连接线510。外部连接器512例如可以将场发生器504连接到电源。

参照图6，示出单个场发生器600的示例的俯视图。场发生器600可以被设计成扁平的线圈，该线圈在线圈600的中心处带有孔口。如图2所示，薄的发生器600可以用来实现扁平的场发生器组件200。扁平的场发生器可以非常薄。场发生器600例如包括线圈，扁平的线圈的厚度可以是例如约2毫米至约3毫米。线圈600的外径602可以是例如约84毫米。线圈600的内径604可以是，例如约51毫米。在一些实施方案中，场发生器可以是其他形状。场发生器例如可以是四元场发生器(例如场发生器的形状是抛物线)。在另一个示例中，场发生器是平面螺旋形的(例如场发生器是没有板的螺旋形线圈)。

参照图7，示出由一对发生器702、704感应的场的示例。在这个特定的示例中，应用于发生器702、704中的每一个的电流在同一方向流动，并产生磁通线(用相应的线706、708作图展示)。发生器702、704也具有相对于彼此的不同角度定向。磁场发生器702被示出带有纵向轴线710(例如延伸通过该发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器702的角度定向。磁场发生器704被示出带有纵向轴线712(例如延伸通过该发生器的中心)，该纵向轴线展示磁场发生器704的角度定向。平行的轴线714、722展示磁场发生器702、704如何具有不同的角度定向。轴线714垂直于连接磁场发生器702、704的中心的平面。纵向轴线710与轴线714倾斜了角度716(例如相对于坐标系720)。角度716可以由方位角和仰角限定。纵向轴线710向轴线714的左边倾斜。另外，纵向轴线712与轴线722倾斜了角度718。纵向轴线712向轴线722的右边倾斜。因此，发生器702、704的轴线是不平行的，所产生的磁场线706、708是不平行的。不平行的磁场是有利的；传感器例如将确定来自每个磁场706、708的独特测量结果，而不考虑位置。即使在非常接近发生器702、704的位置，磁场也不平行，因为发生器702、704是倾斜的。这允许传感器区分每个磁场706、708和每个相应的发生器702、704。

在一些安排中，场发生组件可以以不同的频率驱动每个场发生器。为了识别负责测得场的特定的场发生器，计算装置可以将来自传感器组件的测得EMF分解为频率分量。测得场的这些频率分量然后被匹配到单个场发生器。这种频分复用激励方案的示例在图8中示出。在这个示例中，给定的发生器(例如图例上表示的场发生器1)被处于第一频率的交流电802激励。另一个场发生器(例如对4)也同时被具有与第一频率不同的第二频率的另一个交流电804激励。同样地，其他发生器也可以使用以其他频率操作的交流电来激励。

Claims (20)

1.一种磁追踪系统，包括：

用于产生多个磁场的场发生器组件，其中，每个磁场由场发生器组件的相应的磁场发生器产生，磁场发生器中的至少一个具有第一角度定向，磁场发生器中的至少另一个具有与第一角度定向不同的第二角度定向；

用于测量所述多个磁场的磁传感器；以及

计算装置，其被配置为计算在被传感器测量的磁场内的磁传感器的位置和定向；以及

其中，第一角度定向在一到十五度之间，第二角度定向在一到十五度之间。

2.根据权利要求1所述的磁追踪系统，其中，磁场发生器包括以下的至少一种：(i)缠绕式电磁线圈，(ii)四元电磁线圈，或(iii)平面螺旋。

3.根据权利要求1所述的磁追踪系统，其中，磁场发生器分布在场发生器组件上，使得磁场发生器中的至少两个在位置上偏移。

4.根据权利要求1所述的磁追踪系统，其中，计算装置被配置为确定第一角度定向和第二角度定向。

5.根据权利要求1所述的磁追踪系统，进一步包括场发生器组件下方的导电板，其中，导电板包括可渗透的材料。

6.根据权利要求1的磁追踪系统，其中，磁场发生器具有相同的仰角和不同的方位角。

7.根据权利要求1所述的磁追踪系统，进一步包括具有与第一角度定向和第二角度定向不同的第三角度定向的第三磁场发生器。

8.根据权利要求1所述的磁追踪系统，其中，第一角度定向处于相对于第二角度定向相反的方向。

9.根据权利要求1所述的磁追踪系统，其中，第一角度定向是第一仰角，第二角度定向是第二仰角，其中，第二仰角与第一仰角不同。

10.一种设备，包括：

结构表面，用于在医疗过程中支撑患者的一部分；以及

表面，其包括场发生器组件的多个磁场发生器，用于产生磁场以形成测量体积；

其中，至少一个磁场发生器处于相对于所述表面的角度定向；以及

其中，所述至少一个磁场发生器的角度定向相对于所述表面在一到十五度之间。

11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括在所述表面下方的导电板。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，至少两个磁场发生器处于相对于所述表面不同的角度定向。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，至少两个磁场发生器处于相对于彼此不同的角度定向。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于彼此相反的角度定向。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于距所述表面的角度大于15度的角度定向。

16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于指向所述表面的中心的角度定向。

17.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于指向背离所述表面的中心的角度定向。

18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于相对于所述表面有相同角度的角度定向。

19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少两个磁场发生器处于相对于所述表面有不同角度的角度定向。

20.根据权利要求10所述的设备，其中，所述多个磁场发生器分布在场发生器组件上，使得磁场发生器中的至少两个在位置上偏移。