CN1951325B - 逆磁系统中的金属抗扰性 - Google Patents

Abstract

一种用于跟踪物体的方法，包括将用于发射位置指示磁场的发射器固定到物体上，以及提供由该物体引起的该位置指示磁场的失真的映射。该物体发射的失真磁场被探测。该失真磁场包括受到该物体所引起的失真影响的该位置指示磁场。基于该探测的失真磁场确定该物体的估计坐标。该估计坐标和该映射被用于计算该物体的校正坐标。

Description

逆磁系统中的金属抗扰性

技术领域

本发明一般涉及使用磁场探测物体的位置，尤其涉及在医疗过程中跟踪磁响应物体。

背景技术

磁场探测已经成为一种用于在医疗过程中跟踪物体的坐标的非常确定的方法。固定到被跟踪物体上的位置传感器典型地被用于测量外部产生磁场的相对强度。这些磁场测量然后被用于获得物体的坐标。例如在授予Ben-Haim的美国专利5391199、5443489和6788967中，授予Ben-Haim等人的美国专利6690963中，授予Acker等人的美国专利5558091中，和授予Govari的美国专利6177792中，公开了以这种方式工作的系统，这里通过引用而结合所有这些公开的内容。

在用于磁跟踪的可选系统中，被跟踪物体放射出被外部接收器探测的磁场。例如，授予Besz等人的美国专利5099845中描述了一种定位设备，其具有被插入到物体(例如人体)中的构成该设备一部分的放射元件，这里通过引用而结合其公开的内容。该元件放射出被至少一个接收元件检测的信号。该接收的信号能量水平被用于测量该放射元件到该接收元件的距离，然后指示操作员以便对物体内的该设备进行定位。

授予Polvani的美国专利5762064中描述了一种用于确定磁探头在身体内的位置的医疗磁定位系统和方法，这里通过引用而结合其公开的内容。至少两个分离的磁力计被固定到身体外部接近于该探头在身体内的预期位置的区域。该探头的三维磁场在该磁力计中被检测，并且根据该检测的三维场的位置来确定该探头的位置。

授予Acker等人的美国专利6453190中描述了一种系统，其中能够检测或生成磁场的场发射器被固定到一个设备上的相对于该设备特征的任意位置上，这里通过引用而结合其公开的内容。该设备特征与该场之间的关系被校准以便可以基于该场来确定该设备特征的位置。

当磁响应物体例如金属工具进入该磁场空间时，会妨碍准确的磁场位置探测。在该金属物体中感应的涡电流生成会导致位置测量误差的寄生场。现有技术已经给出了用于校正或避免这些误差的方法。例如，授予Blood的美国专利4849692和4945305中描述了一种通过使用脉冲DC磁场而克服涡电流问题的跟踪系统，这里通过引用而结合其公开的内容。在该系统中使用了能够检测DC场的传感器，并且通过利用它们的衰减特性和幅度来检测涡电流。

授予Dumoulin的美国专利6201987中描述了使用交替磁场生成器来补偿涡电流的系统，这里通过引用而结合其公开的内容。在第一系统中，通过首先校准没有涡电流的该系统，然后当检测到涡电流时修改所生成的磁场，从而提供对于涡电流的补偿。在第二系统中，通过使用设置在该生成器附近的一个或多个屏蔽线圈来使该涡电流无效。

授予Hansen等人的美国专利5767669中描述了一种用于检测位置测量中的涡电流失真的方法，这里通过引用而结合其公开的内容。该方法使用脉冲磁场来进行位置探测。所探测场的变化速率被测量以检测涡电流。对于该涡电流失真的补偿通过调节该磁脉冲的持续时间来提供。

授予Govari的美国专利6373240中提供了一种用于检测寄生场的方法，这里通过引用而结合其公开的内容。由驱动信号生成的寄生场被相对于其进行相移。一个计算机过程在一个频率范围上生成驱动信号。在每个频率，测量包括该驱动信号和寄生场的组合位置信号中的相移。该计算机过程确定产生最小相移的频率，并且从而获得该寄生场的最小效应。该频率被用于计算该物体的位置。可选地，在多个频率上测量该组合信号。该获得的值被用于求解包括该位置信号作为方程中一个未知量的多个联立方程。

授予Ashe的美国专利6172499中提供了一种用于测量接收天线的位置和方向的方法，这里通过引用而结合其公开的内容。通过AC激励驱动已知位置和方向的彼此相关的两个或更多发射天线。该接收天线测量该发射的AC磁场以及由金属物体引起的失真。信号处理装置被用于确定该场的相位分离成分的相对值以基本消除由涡电流失真引起的位置误差。

授予Govari的美国专利2004/0254453和2004/0239314中提供了一种包括检测寄生场的谐波频率的位置探测方法，这里通过引用而结合其公开的内容。由磁响应元件生成的寄生场通过指示该元件的谐波频率模式来检测。该检测的频率模式被从该探头接收的位置信号中去除，并且所得到的干净信号被用于计算该探头位置。

授予Govari的美国专利2004/0102696中提供了用于补偿寄生场的另一种方法，这里通过引用而结合其公开的内容。设置在探头附近的已知位置上的参考元件接收指示测量的参考位置的位置信号。由于寄生场的干扰，该测量的参考位置与该已知的参考位置不同。该测量的和已知的位置之间的差别提供了一个校正因子，其用于校正该探头的测量位置。

目前可用的基于磁的位置探测系统包括，例如由Biosense-Webster(Diamond Bar，CA)生产的CARTO^TM的EP导航和切除系统(Navigation and Ablation System)以及LASSO^TM的圆形映射导液管(Circular Mapping Catheter)。

发明内容

在本发明的实施例中，在医疗过程中跟踪一个磁响应物体例如金属工具。通过将微型磁场发射器固定到被跟踪物体上而执行跟踪。该发射器放射出位置指示磁场，其被该患者身体附近的场传感器检测。

由该发射器生成的磁场导致了该被跟踪物体中的涡电流。该涡电流相应地生成寄生磁场，其使得该位置指示场失真。然而，因为该发射器被固定到被跟踪物体上，所以该寄生场的物理特性(幅度和方向)一般相对于该物体是常数，并且可以预先映射。因而可以基于预先校准的寄生场映射，通过从该探测的失真场中减去该寄生场的估计而确定该被跟踪物体的真实位置。

典型地，固定到该物体的发射器较小，其生成的位置指示场相对较弱，并且随着离开该发射器的距离而大大减弱。因此，该场仅在该过程中可能存在的其他磁响应物体中引起很小的涡电流。因而，其他工具例如可以被引入到该医疗过程附近而不影响该跟踪系统的准确性。也可以同时跟踪一个或多个其他物体而不影响系统准确性。

在本发明的一些实施例中，在该医疗过程之前进行校准过程来测量该寄生场的映射。该校准过程包括三个步骤：第一步，当该发射器被操作并且没有固定到工具上时测量由该发射器生成的无失真磁场；第二步，将该发射器固定到工具上，并且测量包括该无失真磁场和由该工具导致的寄生场的组合的失真磁场；以及第三步，通过从第二步中测量的失真磁场中减去第一步中测量的无失真磁场而获得该寄生场的映射。

在校准之后，该寄生场映射可以被存储在处理该失真场的控制单元中或者该发射器中包含的微控制器中。

在校准之后，用于确定该工具真实位置的重复过程包括步骤：第一，基于该接收的磁场估计该工具的初始位置；第二，根据该估计的位置和该寄生场的映射获得关于该接收磁场中所包含的失真的估计；第三，从该接收的磁场中去除该估计失真以获得关于该场的较少失真的表示；和第四，根据该获得的场的表示得到对于该工具位置的新估计。该新的位置估计然后被用于改进该失真的估计，并且该过程可以重复直到随后的位置估计之间的差小于预定阈值为止。

因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种用于跟踪物体的方法，包括：

将用于发射位置指示磁场的发射器固定到物体上；

提供由该物体引起的该位置指示磁场的失真的映射，与该物体的参考帧有关；

探测该物体发射的失真磁场，该失真磁场包括受到该物体所引起的失真影响的该位置指示磁场；

基于该探测的失真磁场确定该物体的估计坐标；和

响应于该估计坐标和映射而计算该物体的校正坐标。

典型地，计算该校正坐标包括用该校正坐标替换该估计坐标，和执行重复计算以确定该校正坐标的精确值。

在一些实施例中，提供该失真映射包括应用校准过程以映射与该物体相关的失真。典型地，该校准过程包括：

将该物体设置在夹具(jig)中和测量该失真场；

将不具有该物体的发射器放置在该夹具中，并且测量无失真场；和

从该无失真场中减去该失真场以获得该失真映射。

可选地，提供该失真映射包括提供描述该失真的数学模型的参数表。

典型地，探测该失真磁场包括测量该场的幅度和方向以确定该物体的位置和方向坐标。

在一些实施例中，该方法包括生成表示该物体的位置的图形输出。

典型地，该物体适应于插入到患者体内，并且计算该校正坐标包括在体内跟踪该物体。

还提供了用于跟踪物体的设备，包括：

适应于固定到该物体的发射器，其包括：

可操作以发射位置指示磁场的发射天线；和

适应于驱动该发射天线的微控制器；

场传感器，适应于探测包括受到该物体所引起的失真影响的位置指示磁场的失真磁场；和

处理器，适应于基于该探测的失真磁场而估计该物体的坐标，以及响应于该估计坐标和该物体所引起的失真的映射而计算该物体的校正坐标。

典型地，该处理器适应于用该校正坐标替换该估计坐标，和执行重复计算以确定该校正坐标的精确值。

在一些实施例中，该失真映射是表示在给定空间坐标的失真的数据点的表。

可选地，该失真映射是描述该失真的数学模型的参数表。

典型地，该微控制器和处理器之一适应于存储该失真映射。

典型地，该场传感器适应于通过测量该场的幅度和方向来探测该失真磁场，以确定该物体的位置和方向坐标。

在一些实施例中，该处理器适应于生成表示该物体位置的图形输出。

在一些实施例中，该物体是一个金属工具。

附图说明

根据以下对于其实施例的详细说明并结合附图，本发明将会更容易理解，其中：

图1是根据本发明的实施例的用于位置探测的系统的示意图；

图2是显示根据本发明的实施例的磁场发射器的细节的示意图；

图3a和3b是显示根据本发明的实施例的校准设备的结构的示意图；

图4是示意性显示出根据本发明的实施例的用于校准寄生映射的方法的流程图；

图5是示意性显示出根据本发明的实施例的用于跟踪磁响应物体的方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的用于外科的磁跟踪系统20的示意图。外科医生22使用金属工具24例如锤子、凿子或镊子对患者23执行医疗过程。植入物26也可以在外科手术位置处被引入到患者体内，在本例中其被设置在患者的腿30中。该跟踪系统通过测量和给出工具24和植入物26的位置而指导医生进行该过程，在本例中为膝关节手术。该系统在包括该手术位置的整个工作范围中测量位置和方向坐标。

工具24包含微型无线磁场发射器，其将在以下进行详细说明。植入物26可以包含类似的发射器。工具24中的该位置发射器包括被驱动以生成位置指示磁场的一个或多个发射天线，下面将进一步进行说明。工具24的坐标被相对于场传感器进行确定，例如位置板(locationpad)34，其被固定到患者身体上并且探测由该位置发射器生成的磁场。在图1所示的例子中，该板被放置在患者的小腿和大腿上，与植入物26邻近。该位置板包括探测天线例如线圈。可选地或额外地，该场传感器可以被固定到手术台或者患者23附近的其他结构上。

工具24中的位置发射器所生成的位置指示磁场会在其中引起涡电流。该涡电流相应地生成使该位置指示场失真的寄生磁场。位置板34检测该失真场并且向控制单元例如信号处理控制台38发射相应的位置信号。控制台38通过确定该失真场中存在的寄生场和从该失真场中减去该寄生场以提供该位置指示场的更准确表示，从而获取该工具的真实位置。该寄生场的确定是借助于在以下所述的校准过程(图4)中获得的寄生场映射来实现的。

跟踪系统计算机41(其也可以执行控制台38的功能)在显示器42上向医生以图形方式提供位置信息。例如，当医生22在外科手术过程中控制该工具时，该显示器可以显示工具24相对于植入物26的位置和方向。

虽然为了说明起见，在整形外科手术的环境中示出了系统20的使用，但是本发明的原理也可以类似地应用于其他无线位置探测系统和应用中。例如，这里所述类型的发射器可以被结合在用作医疗植入物和工具的其他磁响应物体中，例如用于心血管应用的导管，并且可以类似地用于非医疗应用中。

图2是根据本发明实施例的包含在工具24中的位置发射器50的示意图。可选地，发射器50可以被包含在或者固定到其他类型的工具、植入物和其他侵入式设备中。本示例性实施例中的发射器50包括一个或多个发射天线52，其典型地包括缠绕在磁芯上的线圈线。发射器50还包括一个或多个功率线圈62和无线通信线圈60。该线圈被安装在适当的基板56上，例如柔性印刷电路板(PCB)，并且耦合到被类似地安装在该基板上的微控制器58和外围电路元件59。发射器50典型地被固定在工具24中的空腔中。可选地，该发射器可以被固定到该工具的外部。

微控制器58驱动发射器线圈52以生成位置指示磁场。该微控制器由功率线圈62所接收的射频(RF)能量供电，并且被通信线圈60所接收的控制信号控制。典型地，该RF能量和控制信号由位置板34发射，在该位置板用于探测由发射器线圈52所生成的磁场之外。RF能量和控制信号可以通过例如2005年7月14日提交的美国专利申请第11/181256号“WIRELESS POSITION TRANSDUCER WITH DIGITALSIGNALING(具有数字信令的无线位置转换器)”中描述的方法和协议来发射，这里通过引用结合其公开内容。

进一步可选地或附加地，发射器50可以包括用于对微控制器供电的电池(未示出)。作为另一个选择，电路元件59可以包括存储器，并且该微控制器可以基于在该发射器中的存储器中存储的微代码独立工作，而不需要任何通信输入。

附加地或可选地，发射器50中的存储器可以包含包括该寄生场映射的校准数据，如下面将要说明的。可选地，该校准数据可以存储在控制台38的存储器中并且将控制信号传输到该发射器。

尽管为了简单起见，图2在每个发射器和功率线圈组件中仅显示了单个线圈，但是实际上，每个组件典型地包括多个线圈，例如三个发射线圈和三个功率线圈。该发射线圈可以以相互正交的方向一起缠绕在一个芯上，而功率线圈以相互正交的方向一起缠绕在另一个芯上。可选地，该发射和功率线圈可以重叠在同一个芯上，例如2004年1月9日提交的美国专利申请10/754751中所述，这里通过引用结合其公开的内容。

图3a和3b是显示根据本发明实施例的用于在校准过程期间获取寄生场映射的校准系统60的示意图。校准系统60包括非金属夹具62例如图中所示的测量台，以及一个或多个磁场校准传感器64。校准传感器64被设置在已知位置，并且可以在校准过程期间被人工或自动移动到其他位置。校准计算机66被耦合以从校准传感器64接收指示该探测的磁场的信号。校准计算机66处理该信号以生成包括该寄生场映射的校准数据。跟踪系统计算机41还可以执行校准计算机66的功能，但是跟踪系统20和校准系统60典型地是不同的，并且该校准数据通常是在该外科手术过程之前提供。

图3a是用于当发射器50独立工作而没有工具24时校准无失真磁场的校准系统60的示意图。发射器50可以通过非金属夹子68而设置在夹具62上，从而确保在一个范围内没有金属物产生寄生场。根据下面描述的校准过程(图4)，由发射器50生成的磁场被校准传感器64检测并且被计算机66用于生成无失真场的映射。

图3b是用于当发射器50被固定到金属工具24时校准失真磁场的校准系统60的示意图。工具24可以通过非金属夹子68而设置在夹具62上。由发射器50所生成的磁场在工具24中形成涡电流，其相应地生成使得该位置指示磁场失真的寄生场。该失真磁场被校准传感器64检测并且被计算机66用于生成该失真磁场的映射。随后，计算机66通过从该无失真场中减去该失真场而获取该寄生场的映射。

图4是示意性示出了根据本发明实施例的校准过程70的流程图。校准过程70典型地由仪器制造商使用校准系统60来执行，尽管也可以由最终用户来执行。包括寄生场映射的校准数据由校准过程70确定，并且随后被提供以用于跟踪过程80(图5)。如上所述，该校准数据可以存储在发射器50的存储器中或控制台38的存储器中。

在校准过程70的第一步72，发射器50被设置在夹具62中相对于一个或多个校准传感器64的已知的空间坐标。发射器50被操作以生成位置指示磁场，并且校准传感器64探测该没有由寄生场导致的失真的场。校准计算机66从该校准传感器获得指示该无失真探测场的信号，并且处理该信号以生成该无失真场相对于发射器50的位置和方向坐标的映射。该映射包括数据点，每个数据点是相对于发射器50的空间点和在该点探测的场之间的对应。可以通过将校准传感器64移动到相对于发射器50的附加空间坐标而将附加数据点添加到该映射中，或者反之亦然，在该附加的空间坐标探测该无失真场。

在第二步74，包含发射器50的工具24被设置在夹具62中，并且发射器50被操作以生成位置指示场。因为该发射器被固定到工具24，其中产生涡电流，并且生成寄生场。校准传感器64被操作以探测包括该位置指示场和寄生场的失真场。计算机66从校准传感器64获得指示该失真场的信号，并且处理该信号以生成该失真场相对于工具24的位置和方向坐标的映射。可以通过将校准传感器64移动到相对于工具24的附加空间坐标并在该附加空间坐标探测该场而将附加数据点添加到该映射中。典型地，在步骤74映射的该相对空间坐标将与在步骤72映射的相同。可选地，可以映射不同的坐标，并且可以使用插值过程来获得相应的坐标。

随后，在步骤76，计算机66通过将在该失真场映射中的每个坐标处测量的场从该无失真场的映射中的相应测量值中减去而获得该寄生场的映射。该映射在工具24的参考帧中形成，即该映射坐标是指该工具的几何形状而不是一些外部参考帧。如上所述，通过将该寄生场的映射存储在发射器50的存储器中或控制台38的存储器中而使得该映射对于系统20可用。典型地，该映射包括将该工具的参考帧中的三维空间坐标与表示在相对于该工具的给定空间坐标处的寄生场的三维值相关的数据点的表。可选地或附加地，在步骤76，校准计算机66可以以描述该寄生场的数学模型的参数的形式来计算该映射。例如，前述映射的数据点可用于生成描述该场的多项式方程。然后以这些模型参数的形式将该映射提供到系统20。

图5是示意性示出根据本发明实施例的跟踪过程80的流程图。

典型地，跟踪过程80结合医疗过程而执行，例如图1所示的整形外科手术。在跟踪过程80的场探测步骤82，固定到工具24的发射器50开始发射位置指示磁场。如上所述，该场被该工具所生成的寄生场失真。位置板34探测该失真场并且向控制台38发送指示该场的信号。

在步骤84，控制台38处理该信号并基于该接收的场估计该工具的位置(包括位置和方向坐标)，而不补偿寄生场效应。该工具位置的估计由磁位置探测方法进行，例如前述授予Ben-Haim的美国专利5391199、5443489和6788967中所述的那些内容。

接下来，在步骤86，控制台38使用该工具的估计位置来估计在该接收场中存在的寄生场成分。控制台38使用在校准过程70的步骤76中确定的用于工具24的寄生场映射作为参考。该控制台在空间中转换和定向该映射以使得该映射的原点和方向对应于在步骤84估计的位置和方向坐标。由于该场传感器相对于该工具的估计位置可能不精确对应于该映射提供的坐标点，所以可能会需要该寄生场映射的坐标之间的插值。

在本发明的可选实施例中，控制台38可以以前述寄生场的数学模型的形式使用映射来估计该寄生场成分。

在随后的步骤88，该寄生场的估计成分被从步骤82测量的失真场中减去，从而提供表示较少失真场的数据。该较少失真场数据被用作步骤90的输入，其以与步骤84所用类似的方式直接根据该场数据估计该工具的位置。

在判定步骤92，将在步骤90获得的新位置估计与先前的位置估计相比较以确定该估计是否充分收敛到可以认为精确的程度。可以通过将该新的和先前的估计之间的差与预设的阈值相比较而确定收敛，其可以由该估计的百分比或绝对空间距离例如0.5mm来表示。如果收敛充分，那么在步骤94将步骤92获得的最后估计位置输出到跟踪计算机41以便在显示器42上以图形形式提供给医生。如果在步骤92确定收敛不充分，那么在步骤92之后继续在步骤86进行处理，并且重复步骤86至92直到得到充分收敛。在另一实施例中，该跟踪计算机还可以被编程以确定进一步的收敛是否可能，并输出最佳估计或误差指示。

在步骤94之后，跟踪过程继续到步骤82，并且只要需要跟踪就重复该包括步骤82-94的跟踪过程。

跟踪过程80的原理还可以加以必要的修改以跟踪多个金属物体。用于差分位置指示信号的各种装置(例如在不同频率的传输)可以被用于识别多个物体各自的位置指示场和相关的寄生场。

由于发射器50所生成的磁场是较弱和短程的，所以可以将其他的非跟踪金属物引入到该医疗过程的附近而不会显著影响该跟踪系统的准确性。在这些其他物体中产生的涡电流一般都很小以致于由该物体放射的寄生场可以忽略不计。从而本发明提供了一种当在基于磁的跟踪系统中使用多个金属物体时确保金属抗扰性的简单装置。

而且，上述实施例的原理可以结合现有技术已知的其他位置探测方法来实施。例如，该寄生场的校准可以结合如授予Acker等人的美国专利6453190中所述跟踪工具的特征的校准来进行。两种校准都可以由控制台38使用以在跟踪过程中确定该被跟踪工具的位置。

从而可以认识到，上述实施例仅仅是以示例的方式引用，并且本发明并不限于上面具体显示和描述的。相反，本发明的范围包括上面所述各种特征以及其变体和修改的组合和子组合，该变体和修改是本领域普通技术人员基于阅读上述说明可以作出并且没有在现有技术中公开的。

Claims (7)

1.一种用于跟踪金属工具的设备，包括：

适应于固定到该金属工具的发射器，其包括：

可操作以发射位置指示磁场的发射天线；和

适应于驱动该发射天线的微控制器；

场传感器，其适应于检测包括受到由该金属工具所引起的失真影响的位置指示磁场的失真磁场；和

处理器，其适应于基于该检测的失真磁场而估计该金属工具的坐标，以及响应于所述估计坐标和由该金属工具所引起的失真的映射而计算该金属工具的校正坐标。

2.如权利要求1所述的设备，其中该处理器适应于用所述校正坐标替换所述估计坐标，和执行重复计算以确定所述校正坐标的精确值。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述失真的映射是表示在给定空间坐标的失真的数据点的表。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述失真的映射是描述该失真的数学模型的参数表。

5.如权利要求1所述的设备，其中该微控制器和处理器之一适应于存储所述失真的映射。

6.如权利要求1所述的设备，其中该场传感器适应于通过测量场的幅度和方向来检测该失真磁场，以确定该金属工具的位置和方向坐标。

7.如权利要求1所述的设备，其中该处理器适应于生成表示该金属工具的位置的图形输出。

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