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INANSPRUCHNAHME DER PRIORITÄT
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Diese Anmeldung beansprucht gemäß 35 USC § 119(e) die Priorität der
US-Patentanmeldung Nummer 63/321,434 , eingereicht am 18. März 2022, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung bezieht sich auf die Verwendung von Magnetfeldern zur Bestimmung des Standorts und der Ausrichtung eines Objekts.
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HINTERGRUND
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Magnetische Ortungssysteme nutzen Magnetfelder, um den Standort und die Ausrichtung eines Objekts in einem bestimmten Bereich zu bestimmen. Ein Sensor wird auf dem Objekt (z. B. einem Gerät oder einem menschlichen Körper) positioniert, um Magnetfelder innerhalb des gegebenen Bereichs zu erfassen. Aus den erfassten Feldinformationen kann ein Computersystem den Ort und die Ausrichtung des Objekts in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem berechnen. Diese Systeme sind z. B. im medizinischen Bereich nützlich, um Instrumente im Zusammenhang mit medizinischen Verfahren zu verfolgen und so fortschrittliche Methoden in der Chirurgie und Diagnostik zu erleichtern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Durch die Ausrichtung von Magnetfeldgeneratoren in verschiedenen Winkeln lassen sich unterschiedliche Magnetfelder erzeugen. Einige daraus resultierende Magnetfelder können für die Verfolgung eines Objekts innerhalb eines bestimmten Bereichs von Vorteil sein. Parallele Magnetfelder in der Nähe einer Feldgeneratoranordnung verursachen beispielsweise Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Position und der Ausrichtung eines Sensors. Bei parallelen Magnetfeldern liefern im Nahbereich weniger Feldgeneratoren nützliche Informationen über die Position und die Ausrichtung des Sensors. Unparallele Magnetfelder haben den Vorteil, dass der Sensor aus jedem Magnetfeld eindeutige Messwerte ermitteln kann, selbst bei geringen Abständen. Beispielsweise führt die Verwendung dünner, flacher Feldgeneratoren mit unterschiedlichen Winkelausrichtungen zu einer verbesserten Verfolgung.
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In einem Aspekt umfasst ein magnetisches Verfolgungssystem eine Feldgeneratorbaugruppe zum Erzeugen einer Vielzahl von Magnetfeldern, wobei jedes Magnetfeld durch einen jeweiligen Magnetfeldgenerator der Feldgeneratorbaugruppe erzeugt wird, wobei mindestens einer der Magnetfeldgeneratoren eine erste Winkelausrichtung und mindestens ein anderer der Magnetfeldgeneratoren eine zweite Winkelausrichtung aufweist, die sich von der ersten Winkelausrichtung unterscheidet. Die erste Winkelausrichtung liegt zwischen einem und fünfzehn Grad und die zweite Winkelausrichtung liegt zwischen einem und fünfzehn Grad. Das magnetische Verfolgungssystem umfasst auch einen Magnetsensor zur Messung der Vielzahl von Magnetfeldern und eine Rechenvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Position und Ausrichtung des Magnetsensors innerhalb der vom Sensor gemessenen Magnetfelder berechnet.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldgenerator mindestens eine gewickelte elektromagnetische Spule, eine quadratische elektromagnetische Spule oder eine planare Spirale.
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In einigen Ausführungsformen sind die Magnetfeldgeneratoren so auf der Feldgeneratorbaugruppe verteilt, dass mindestens zwei der Magnetfeldgeneratoren in ihrer Position versetzt sind.
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In einigen Implementierungen ist die Rechenvorrichtung so konfiguriert, dass sie die erste Winkelausrichtung und die zweite Winkelausrichtung bestimmt.
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In einigen Ausführungsformen enthält das magnetische Verfolgungssystem eine leitende Platte unter der Feldgeneratorbaugruppe, und die leitende Platte enthält ein permeables Material.
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In einigen Ausführungen haben die Magnetfeldgeneratoren einen gleichen Elevationswinkel und unterschiedliche Azimutwinkel.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Magnetverfolgungssystem einen dritten Magnetfeldgenerator mit einer dritten Winkelausrichtung, die sich von der ersten und zweiten Winkelausrichtung unterscheidet.
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In einigen Ausführungsformen ist die erste Winkelausrichtung in einer entgegengesetzten Richtung zur zweiten Winkelausrichtung.
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In einigen Ausführungsformen ist die erste Winkelausrichtung ein erster Erhebungswinkel und die zweite Winkelausrichtung ein zweiter Erhebungswinkel, wobei sich der zweite Erhebungswinkel von dem ersten Erhebungswinkel unterscheidet.
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In einem Aspekt umfasst eine Vorrichtung eine strukturelle Oberfläche zum Tragen eines Teils eines Patienten während eines medizinischen Verfahrens und eine Oberfläche, die eine Vielzahl von Magnetfeldgeneratoren einer Feldgeneratorbaugruppe zum Erzeugen von Magnetfeldern umfasst, um ein Messvolumen zu bilden; wobei sich mindestens ein Magnetfeldgenerator in einer Winkelausrichtung relativ zu der Oberfläche befindet, und wobei die Winkelausrichtung des mindestens einen Magnetfeldgenerators zwischen einem und fünfzehn Grad relativ zu der Oberfläche beträgt.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Gerät eine leitende Platte unter der Oberfläche.
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In einigen Ausführungen befinden sich mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in unterschiedlichen Winkelausrichtungen relativ zur Oberfläche.
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In einigen Ausführungsformen sind mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in unterschiedlichen Winkeln zueinander ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in entgegengesetzten Winkeln zueinander angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in einem Winkel zwischen einem und 15 Grad zur Oberfläche ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in einem Winkel von mehr als 15 Grad zur Oberfläche ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in Winkeln, die zur Mitte der Oberfläche zeigen, ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in Winkeln angeordnet, die von der Mitte der Oberfläche wegzeigen.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in einem gleichen Winkel zur Oberfläche ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen sind die mindestens zwei Magnetfeldgeneratoren in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche ausgerichtet.
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In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Magnetfeldgeneratoren so auf der Feldgeneratorbaugruppe verteilt, dass mindestens zwei der Magnetfeldgeneratoren versetzt angeordnet sind.
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Die vorgenannten und andere Vorteile und Merkmale ergeben sich zum Teil aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen, die zusammen mit den Zeichnungen betrachtet werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines magnetischen Verfolgungssystems.
- 2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel einer Feldgeneratorbaugruppe.
- 3 ist ein Diagramm zweier Feldgeneratoren mit gleicher Winkelausrichtung.
- 4 ist ein Diagramm von zwei Feldgeneratoren mit unterschiedlichen Winkelausrichtungen.
- 5 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Feldgeneratorbaugruppe.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Magnetfeldgenerators.
- 7 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für Magnetfelder zeigt, die von Magnetfeldgeneratoren erzeugt werden.
- 8 ist ein Beispiel für ein Frequenzmultiplexverfahren zur Anregung verschiedener Magnetfeldgeneratoren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Durch die Ausrichtung von Magnetfeldgeneratoren in verschiedenen Winkeln lassen sich unterschiedliche Magnetfelder erzeugen. Einige daraus resultierende Magnetfelder können für die Verfolgung eines Objekts innerhalb eines bestimmten Bereichs von Vorteil sein. In 1 ist eine schematische Darstellung eines magnetischen Verfolgungssystems 100 dargestellt und beschrieben. In einer kurzen Übersicht umfasst das System 100 eine Magnetfelderzeugungsbaugruppe 102, die so konfiguriert ist, dass sie Magnetfelder in einem bestimmten dreidimensionalen Bereich, z. B. einem Volumen 104, erzeugt. Eine Sensoranordnung 106, die auf einem Objekt 108 (z. B. einem Skalpell) innerhalb des gegebenen Volumens 104 platziert ist, erfasst und/oder misst die Magnetfelder und übermittelt die Messungen an ein Computergerät (Rechenvorrichtung) 110, z. B. über eine Kommunikationsverbindung 112 (z. B. verdrahtete oder drahtlose Verbindungen). Auf der Grundlage der Messungen durch die Sensoranordnung 106 kann die Rechenvorrichtung 110 eine Position der Sensoranordnung 106 (und damit des Objekts 108) in Bezug auf ein Koordinatensystem 114 berechnen. Eine solche Positionsberechnung erleichtert die Bewegungsverfolgung der Sensoranordnung 106 innerhalb des Bereichs 104. Dies ist bei fortgeschrittenen chirurgischen Verfahren nützlich, bei denen die Sensoranordnung 106 an Objekten wie einem Skalpell angebracht werden kann, um die Bewegung der Objekte zu verfolgen, während ein medizinisches Verfahren durchgeführt wird (z. B. Verfolgung der Bewegungen des Skalpells in Bezug auf eine Referenz wie eine zweite Sensoranordnung, die am Körper eines Patienten befestigt ist).
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In einigen Ausführungen ist die felderzeugende Baugruppe 102 relativ dünn in ihren Abmessungen (z. B. Höhe) und kann auf einer flachen Oberfläche wie einem Operationstisch 116 montiert werden. Eine solche felderzeugende Baugruppe kann als flacher Feldgenerator bezeichnet werden. Obwohl in 1 die felderzeugende Baugruppe 102 als auf dem Operationstisch 116 montiert dargestellt ist, kann die felderzeugende Baugruppe 102 in einigen Ausführungsformen in den Operationstisch 116 integriertsein, indem die felderzeugende Baugruppe 102 möglicherweise in den Operationstisch 116 eingebettet ist. In dieser speziellen Anordnung umfasst die felderzeugende Baugruppe 102 eine Vielzahl von Feldgeneratoren 118 (z. B. einen oder mehrere Feldgeneratoren), die jeweils eine oder mehrere elektromagnetische Spulen umfassen können, die ein Magnetfeld erzeugen (z. B. durch Durchleiten von Strom durch jede Spule). Eine elektromagnetische Spule kann z. B. durch Wickeln eines Leiters, z. B. eines elektrischen Drahts, um einen Kern aus magnetischem Material oder nichtmagnetischem Material (z. B. Luft) gebildet werden. Wenn ein Strom durch die Wicklungen einer Spule fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das sich durch die Mitte der Spule entlang ihrer Längsachse erstreckt und um die Außenseite der Schleife oder Spule zurückkreist. Das Magnetfeld, das jede Schleife oder Wicklung des Drahtes umkreist, verbindet sich mit den Feldern der anderen Schleifen und erzeugt ein konzentriertes Feld in der Mitte der Spule. Die Stärke des Magnetfelds einer Spule kann durch die Steuerung des Stroms, der Anzahl der Schleifen oder Wicklungen der Spule und anderer Parameter und Eigenschaften der Spulen kontrolliert werden.
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Andere Parameter können variiert werden, um die Form der induzierten Felder zu steuern. Zum Beispiel die Höhe des Stroms, der durch die einzelnen Generatoren fließt, die Anzahl der Windungen in den einzelnen Generatoren, die physischen Abmessungen der Generatoren, die für den Bau der Generatoren verwendeten Materialien und andere ähnliche Parameter, die für die Formsteuerung verwendet werden (auch die Generatorgeometrie). In einigen Ausführungsformen können Spulen mit einstellbaren Anzapfungen verwendet werden, um die Anzahl der Windungen eines Feldgenerators 118 zu steuern.
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In einigen Ausführungsformen kann das Vorhandensein bestimmter Arten von Materialien (z. B. leitende Materialien) in der Nähe der induzierten Magnetfelder dazu beitragen, die Form der Felder zu verzerren oder zu verändern. Auch durch das Vorhandensein permeabler Materialien kann sich die Form der Felder verbiegen oder verändern. Im Allgemeinen erzeugt das zufällige Vorhandensein von leitfähigen und/oder permeablen Objekten parasitäre Wirbelstromfelder und verzerrt dadurch die Form der induzierten Felder. Obwohl das zufällige Vorhandensein solcher leitenden und/oder permeablen Materialien in der Regel nicht erwünscht ist, können solche Objekte in einigen Implementierungen zur Steuerung der Form der induzierten Magnetfelder verwendet werden. So kann beispielsweise eine leitende Platte 120 zur Abschirmung oder Formung der induzierten Magnetfelder verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können mehrere Platten verwendet werden. So können beispielsweise mehrere leitende Platten um das Magnetfeld herum, über dem Magnetfeld, unter dem Magnetfeld usw. verwendet werden. In einigen Ausführungen sind alle Platten leitfähig, was jedoch nicht immer der Fall ist. So können beispielsweise nur einige Platten leitfähig sein. Im dargestellten Beispiel ist es nicht wünschenswert, dass die induzierten Magnetfelder unterhalb der Ebene der Feldgeneratoranordnung 102 liegen. In solchen Fällen schwächt die leitfähige Platte oder Abschirmung 120 das Magnetfeld unterhalb der Feldgeneratorbaugruppe 102 erheblich ab, wodurch das System unempfindlich gegenüber Objekten (z. B. metallischen oder permeablen Objekten) wird, die sich unterhalb der Feldgeneratorbaugruppe 102 befinden. In einigen Ausführungsformen kann die leitende Platte 120 ein permeables (z. B. ferromagnetisches) Material enthalten, um das Magnetfeld unterhalb der Feldgeneratorbaugruppe 102 weiter abzuschwächen, z. B. um das System zusätzlich unempfindlich gegenüber Objekten zu machen.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Feldgeneratorbaugruppe 102 auch eine Deckschicht 122, die die Feldgeneratoren 118 im Wesentlichen umschließt. Die Deckschicht 122 bietet eine Oberfläche für den Patienten (z. B. zum Sitzen oder Liegen) während eines Verfahrens. Die Deckschicht 122 kann aus verschiedenen Materialien oder Materialkombinationen bestehen, z. B. kann ein nichtleitendes oder nichtmagnetisches Material wie Kunststoff in die Deckschicht 122 eingearbeitet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht 122 so gestaltet sein, dass sie die Feldgeneratoren 118 mechanisch stützt. Beispielsweise können die Feldgeneratoren 118 in eine feste Deckschicht 122 eingebettet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Schicht 122 die Feldgeneratoren 118 einfach abdecken. In einigen Ausführungsformen, in denen die Feldgeneratoren 118 beweglich sind, kann die Deckschicht 122 so konstruiert sein, dass sie die möglichen Bewegungen (z. B. Translation, Rotation usw.) oder Modulkombinationen der Feldgeneratoren aufnehmen kann. So können beispielsweise die Kanäle oder Pfade für die beweglichen Feldgeneratoren in der Deckschicht 122 definiert werden.
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Die Sensoranordnung 106 dient zur Erfassung der in der Region 104 induzierten Magnetfelder. In einigen Ausführungsformen kann die Sensoranordnung 106 einen oder mehrere Sensoren (z. B. ein Sensorarray) enthalten, die eine oder mehrere Arten von Sensortechnologie einsetzen. Beispielsweise kann die Sensoranordnung 106 eine einfache Spule, mehrere Spulen, einen oder mehrere Hall-Sensoren, einen Flux-Gate-Sensor oder andere Arten von Sensoren umfassen, die in der Lage sind, Eigenschaften eines elektromagnetischen Feldes zu messen (z. B. Magnetfeldfluss, Magnetfelddifferenz usw.). In einigen Ausführungsformen induzieren die von einem oder mehreren Feldgeneratoren 118 erzeugten Magnetfelder elektromotorische Kräfte (EMK) in der Sensoranordnung 106. Die gemessenen EMK stellen die gemessenen lokalen Werte der Magnetfelder am Ort und in der Ausrichtung der Sensoranordnung 106 in einem dreidimensionalen Raum dar, der die Region 104 definiert. In einigen Ausführungsformen umfasst die Sensoranordnung 106 mehrere Sensoren, z. B. zwei verschiedene Sensorspulen, wodurch sich die Anzahl der von der Sensoranordnung 106 durchführbaren individuellen Feldmessungen potenziell verdoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die Sensoranordnung 106 zusätzliche Komponenten (z. B. Schaltkreise, elektronische Geräte usw.) zur Übermittlung der gemessenen Signale an ein Computergerät 110 enthalten. Beispielsweise kann die Sensoranordnung 106 einen Transceiver enthalten, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Computergerät 110 kommunizieren kann (z. B. über die Kommunikationsverbindung 112, die einfache drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen umfassen oder ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk nutzen kann).
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Die Sensoranordnung 106 gibt Signale aus, die mehrere gemessene Magnetfelder repräsentieren, die den einzelnen Feldern entsprechen, die durch die Aktivierung eines oder mehrerer Feldgeneratoren 118 (z. B. verschiedene Sätze von Generatoren wie Generatorpaare) erzeugt werden. Die Messung mehrerer in der Region 104 induzierter Felder ermöglicht die Verfolgung der Sensoranordnung 106 mit mehreren Freiheitsgraden. Beispielsweise können mindestens fünf verschiedene Magnetfelder verwendet werden, um fünf Freiheitsgrade (x, y, z, φ, θ) zu bestimmen, wobei die Koordinaten (x, y, z) und Winkel (φ, θ) die dreidimensionale Position bzw. Ausrichtung des Sensors in Bezug auf eine Referenz angeben. In einigen Ausführungsformen kann eine höhere Anzahl von Feldern die Genauigkeit bei der Berechnung des Standorts der Sensoranordnung 106 verbessern. Beispielsweise kann die Feldgeneratorbaugruppe 102 so konfiguriert werden, dass acht oder zwölf verschiedene Feldgeneratoren 118 für die Erzeugung der unterschiedlichen Magnetfelder verwendet werden. In dieser Konfiguration würde die Sensoranordnung 106 die jeweiligen Felder messen, die von jedem der acht oder zwölf Feldgeneratoren 118 erzeugt werden, was zu acht verschiedenen Feldmessungen führt.
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In einigen Ausführungsformen, in denen die Sensoranordnung 106 zwei Sensorspulen umfasst, könnte jede Spule unabhängig die Stärke des von einem einzigen Satz von Feldgeneratoren erzeugten Magnetfelds messen. Wenn also acht verschiedene Feldmessungen gewünscht werden und die Sensoranordnung 106 zwei Sensorspulen umfasst, würden nur vier Sätze von Feldgeneratoren 118 benötigt, da jede Spule unabhängig das von jedem der vier Sätze von Feldgeneratoren 118 erzeugte Feld messen würde, was zu acht verschiedenen Feldmessungen führt. In anderen Ausführungsformen, in denen die Sensoreinheit 106 zwei oder mehr Sensorspulen umfasst, könnten die Spulen als ein Satz behandelt werden. Ein solcher Satz würde es ermöglichen, die Sensorspulen so zu positionieren und auszurichten, dass die Messung des Magnetfelds optimiert wird.
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In einigen Implementierungen hängen die gemessenen Magnetfeldwerte von einem oder mehreren systembezogenen Parametern (z. B. einem Verstärkungsfaktor der Sensoranordnung 106) und der dreidimensionalen Position und Ausrichtung der Sensorspule ab. Die Anzahl der Feldgeneratoren 118 und die Anzahl der Sensorspulen in der Sensoreinheit 106 können in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren variieren, einschließlich der jeweiligen Messanwendung (z. B. Messungen in einem Operationssaal). In dieser speziellen Anordnung bestimmt die Rechenvorrichtung 110 den Verstärkungsfaktor der Sensoranordnung 106 zusammen mit der Position und Ausrichtung der Sensoranordnung 106. Da die Position und Ausrichtung der Sensoranordnung 106 durch die Angabe mehrerer Freiheitsgrade beschrieben wird (z. B. bis zu sechs Freiheitsgrade, die die Position der x-Achse, der y-Achse, der z-Achse, des Rollens, des Nickens und des Gierens umfassen), kann eine passende Anzahl von Positionsfaktoren (z. B. sechs) von der Rechenvorrichtung 110 berechnet werden. Als solches erzeugt die Rechenvorrichtung 110 eine kombinierte Anzahl von Faktoren (z. B. sieben) zur Darstellung der Position und der Verstärkung. In einigen Implementierungen ist die Anzahl der verschiedenen Feldmessungen, die zur Bestimmung dieser Faktoren erforderlich sind, um eins größer als die Anzahl der zu bestimmenden Faktoren. Wenn die Rechenvorrichtung 110 den Systemverstärkungsfaktor und sechs Positionsfaktoren (d. h. Freiheitsgrade), also insgesamt sieben berechnete Faktoren, bestimmt, können insgesamt acht verschiedene Feldmessungen erforderlich sein. Wie bereits erwähnt, kann dies durch die Verwendung einer einzigen Sensorspule in der Sensoreinheit 106 und acht Feldgeneratoren 118 erreicht werden. Alternativ kann auch eine Sensoranordnung mit zwei Sensorspulen und vier Feldgeneratoren 118 oder eine ähnliche Variante verwendet werden. Wenn die Rechenvorrichtung 110 den Systemverstärkungsfaktor plus fünf Positionsfaktoren (d. h. fünf Freiheitsgrade) bestimmt, müssen insgesamt sechs berechnete Faktoren ermittelt werden. Wie oben beschrieben, kann dies mit einer Vielzahl von Konfigurationen der Feldgeneratorsätze und Sensorspulen erreicht werden.
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Wenn verschiedene Feldgeneratoren 118 zu unterschiedlichen Zeitpunkten erregt werden, muss die Rechenvorrichtung 110 möglicherweise Einzelheiten über die Feldgeneratoren kennen, die die erfassten Magnetfelder erzeugen. In einer Anordnung kann die Rechenvorrichtung 110 die Feldgeneratoren 118, die das von der Sensoranordnung 106 erfasste Magnetfeld erzeugen, anhand von Informationen identifizieren, die der Rechenvorrichtung 110 von der Feldgeneratoranordnung 102 übermittelt werden. In anderen Implementierungen wird das Timing der Feldgeneratoren und der Sensoranordnung von einem Synchronisationssignal abgeleitet, das von einem der folgenden Elemente stammt: der Rechenvorrichtung, der Feldgeneratoranordnung oder der Sensoranordnung. In einigen Implementierungen werden Zeitinformationen zu den induzierten Feldern verwendet, um die Feldgeneratoren 118 zu identifizieren, die ein gemessenes Feld erzeugen. Beispielsweise kann die Feldgeneratorbaugruppe 102 die Leistung für die verschiedenen Feldgeneratoren 118 zeitlich bündeln und die Zeitinformationen zur Bestimmung des Standorts der Sensorbaugruppe 106 bereitstellen (z. B. werden die Informationen über die Sensorbaugruppe 106 und die Kommunikationsverbindung 112 an das Rechengerät 110 übermittelt).
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In einigen Ausführungsformen können die Feldgeneratoren 118 in der Feldgeneratorbaugruppe so verteilt sein, dass mindestens zwei der Feldgeneratoren 118 in ihrer Position versetzt sind, z. B. in Bezug auf die übrigen Feldgeneratoren 118. Die Feldgeneratoren 118 können in einem beliebigen Muster verteilt werden, um die gewünschte Magnetfeldform zu erreichen, wie z. B. in 5 weiter unten beschrieben. Darüber hinaus können einer oder mehrere der Feldgeneratoren 118 eine winklige Ausrichtung haben, z. B. in einem Höhen- oder Azimutwinkel oder einer Kombination davon, relativ zur Feldgeneratoranordnung 102. In einigen Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 110 die Winkelausrichtungen der Feldgeneratoren 118 auf der Grundlage von Messungen der entsprechenden Magnetfelder, die von den Feldgeneratoren 118 erzeugt werden, bestimmen.
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In einigen Anordnungen kann die Feldgeneratorbaugruppe 102 jeden Feldgenerator 118 mit unterschiedlichen Frequenzen betreiben. Um den jeweiligen Feldgenerator zu identifizieren, der für ein gemessenes Feld verantwortlich ist, kann die Recheneinrichtung 110 die gemessenen EMK der Sensoranordnung 106 in Frequenzkomponenten zerlegen. Diese Frequenzkomponenten der gemessenen Felder werden dann den einzelnen Feldgeneratoren zugeordnet.
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Die Sensoreinheit 106 sendet die gemessenen Feldwerte an die Rechenvorrichtung 110, die die gemessenen Magnetfeldwerte zur Bestimmung des Standorts/der Ausrichtung der Sensoreinheit 106 verwendet. In einigen Implementierungen werden solche Bestimmungen durch den Vergleich der gemessenen Magnetfeldwerte mit Magnetfeldwerten aus einem physikalischen Modell durchgeführt.
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Bei dem physikalischen Modell kann es sich um eine Reihe physikalischer Gleichungen handeln, die die Werte der von der Sensoreinheit 106 gemessenen magnetischen Flüsse als Funktion mehrerer Parameter bestimmen. Als solches kann das physikalische Modell die Werte der magnetischen Flüsse beschreiben, die an verschiedenen Punkten innerhalb eines Messvolumens (z. B. der Region/das Volumen 104) aufgrund von Magnetfeldern zu erwarten sind, die von bekannten Quellen an bekannten Orten (z. B. Feldgeneratoren) induziert werden. Die Parameter können daher aus einer tatsächlichen Messung durch Vergleich mit dem physikalischen Modell berechnet werden. Zu den Parametern können unter anderem gehören: die Position, die Ausrichtung und die magnetischen Momente der Feldgeneratoren 118 sowie der Ort, die Ausrichtung und die Empfindlichkeit der Sensoranordnung 106. Ein Vektor (x, y, z) und ein Winkelpaar (φ, θ) können die dreidimensionale Lage und Ausrichtung der Sensorspule(n) in der Sensoranordnung 106 angeben. Wenn die Sensoranordnung 106 mehrere Spulen hat, können die Parameter einen zusätzlichen Winkelparameter (T) enthalten, der die relativen Ausrichtungen der Spulen in der Sensoranordnung 106 definiert. Ein solcher Parameter (z. B. ein sechster Freiheitsgrad) kann durch Verwendung einer Sensoranordnung 106 mit einer zweiten Spule auf einer anderen Achse berechnet werden (da mehrere Spulen, die auf gleichen Achsen arbeiten, möglicherweise keine Drehung der Messsonde um diese Achse ermöglichen). Das physikalische Modell kann jeden Feldgenerator 118 als magnetischen Multipol beschreiben, so dass die von der Sensoreinheit 106 gemessenen Felder die zugehörigen Multipolfelder sind (z. B. Dipol oder Quadrupol). Die Werte der Multipolfelder können von der Systemverstärkung und dem Ort, der Ausrichtung und dem magnetischen Moment „m“ jedes einzelnen Feldgenerators 118 abhängen. Die gemessenen Werte des magnetischen Flusses können von der Lage, Größe, Ausrichtung und Verstärkung der Sensoreinheit in Bezug auf die Feldgeneratoren 118 abhängen.
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In einigen Ausführungsformen kann das physikalische Modell auch auf einer oder mehreren zugrunde liegenden Annahmen bezüglich der Umgebung in der Nähe des Volumens 104 beruhen. So kann ein Modell beispielsweise vorausgewählte Werte für die Lage und Ausrichtung der einzelnen Feldgeneratoren 118 und das Fehlen anderer Quellen oder feldverzerrender Objekte annehmen. Das Vorhandensein von feldverzerrenden Objekten (z. B. Leiter, andere Feldquellen) kann zusätzliche Parameter erfordern, damit das Modell die Feldwerte korrekt vorhersagen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Sensoreinheit 106 zeitlich veränderliche Magnetfelder messen. Wenn statische Feldmessungen erwünscht sind, kann alternativ ein Flux-Gate-Sensor, Hall-Effekt-Sensor oder ein ähnlicher Sensortyp in der Sensoranordnung 106 verwendet werden, um die Messung statischer (oder konstanter) Magnetfelder zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen werden die von der Sensoranordnung 106 gemessenen Magnetfeldwerte an die Recheneinheit 110 weitergeleitet, die den entsprechenden Systemverstärkungsfaktor und die Position/Ausrichtung der Sensoranordnung 106 berechnet. In einigen Ausführungsformen misst die Sensoranordnung 106 einen Satz magnetischer Flüsse, um einen Satz gemessener Magnetfeldwerte B1-Bn zu erhalten, wobei „n“ größer oder gleich der Anzahl der zu berechnenden Faktoren (d. h. Position und Systemverstärkung) ist.
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In einigen Anordnungen können die gemessenen Feldwerte B1-Bn eine nichtlineare Abhängigkeit von der dreidimensionalen Lage/Ausrichtung der Sensoranordnung 106 und eine lineare Abhängigkeit vom Systemverstärkungsfaktor aufweisen. Der Ort und die Ausrichtung der Sensoranordnung 106 können durch einen Vektor (x, y, z) und mindestens ein Paar von Azimutal- und Polarwinkeln (θ, φ) definiert werden. Der Vektor (x, y, z) kann in Bezug auf ein Koordinatensystem 114 mit einem bekannten Ursprung angegeben werden. Während in
1 ein kartesisches Koordinatensystem 114 dargestellt ist, können auch andere Arten von Koordinatensystemen, wie z. B. ein polares Koordinatensystem, verwendet werden. Ferner kann der Systemverstärkungsfaktor der Sensoranordnung 106 durch einen Verstärkungskoeffizienten (g) definiert werden. Unter Verwendung eines physikalischen Modells für die „gemessenen“ Feldabhängigkeiten kann die Rechenvorrichtung 110 den Verstärkungsfaktor, den Ort und die Ausrichtung der Sensoranordnung 106 aus den zugehörigen gemessenen Feldwerten B1-Bn bestimmen. In einigen Implementierungen können der Verstärkungsfaktor, der Ort und die Ausrichtung von der Rechenvorrichtung 110 über einen iterativen Prozess berechnet werden. Ein solcher iterativer Prozess wird in der
US-Anmeldung Nummer 09/892,153 (ausgestellt als
US-Patent Nummer 6,625,563 ) beschrieben, die am 26. Juni 2001 eingereicht wurde und hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
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Das physikalische Modell kann eine vorgewählte magnetische Umgebung in der Region der Sensoranordnung 106 (z. B. das Volumen 104) beschreiben. Die vorgewählte magnetische Umgebung kann Beiträge von nahe gelegenen Objekten enthalten oder nicht. Beispielsweise kann die tatsächliche Umgebung aufgrund des Vorhandenseins von feldverzerrenden Objekten, die Wirbelströme unterstützen (z. B. eine chirurgische Schere, ferromagnetische Materialien und aktive Magnetfeldquellen), anders sein. Wenn die vorgewählte Umgebung von der tatsächlichen Umgebung abweicht, kann das Modell die Einbeziehung zusätzlicher Parameter erfordern, um korrekte Magnetfeldwerte vorherzusagen. In einigen Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 110 so konfiguriert werden, dass sie das Vorhandensein von potenziell messungsstörenden Bedingungen erkennt und den Benutzer darauf hinweist (z. B. durch blinkende Meldungen auf einem Videomonitor oder durch akustische Warnsignale). In einigen Fällen können die Auswirkungen von feldverzerrenden Objekten, die Wirbelströme unterstützen, reduziert werden, indem diese Wirbelstromquellen als zusätzliche Generatoren behandelt werden. In 1 ist das Objekt 108 als Skalpell dargestellt, was jedoch nur der Veranschaulichung dient. Das Objekt 108 kann auch ein anderes Gerät oder Werkzeug sein, z. B. ein Katheter, ein Endoskop, Biopsienadeln, am Körper befestigte Positionssensoren usw.
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Das Rechenvorrichtung 110 kann ein beliebiger Computer sein, z. B. ein Laptop oder ein Desktop-Computer, der so konfiguriert ist, dass er die hier beschriebenen Funktionen ausführen kann. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Recheneinheit 110 um eine mobile Rechenvorrichtung, wie z. B. ein Smartphone, einen persönlichen digitalen Assistenten oder eine Handheld-Recheneinheit. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Rechenvorrichtung um eine spezialisierte Rechenvorrichtung, die speziell für die Zwecke der Steuerung der Magnetfelderzeugung und der Berechnung der Position und Ausrichtung der Sensorspule aus den gemessenen Signalen entwickelt wurde. Die Rechenvorrichtung 110 ist so konfiguriert, dass sie Computerprogrammprodukte ausführt, die in einem Informationsträger, z. B. in einer maschinenlesbaren Speichervorrichtung, zur Ausführung durch einen programmierbaren Prozessor verkörpert sind; und Merkmale können von einem programmierbaren Prozessor ausgeführt werden, der ein Programm von Anweisungen ausführt, um Funktionen der beschriebenen Implementierungen auszuführen, indem er auf Eingabedaten einwirkt und Ausgaben erzeugt. In einigen Implementierungen sind die Sensoranordnung 106 und die Rechenvorrichtung 110 so konfiguriert, dass sie über Kommunikationsverbindungen wie Universal Serial Bus (USB), Bluetooth, Wireless USB usw. miteinander kommunizieren. Die beschriebenen Merkmale können in einem oder mehreren Computerprogrammen implementiert werden, die auf einem programmierbaren System ausgeführt werden können, das mindestens einen programmierbaren Prozessor enthält, der so gekoppelt ist, dass er Daten und Anweisungen von einem Datenspeichersystem, mindestens einem Eingabegerät und mindestens einem Ausgabegerät empfängt und Daten und Anweisungen an dieses überträgt. Ein Computerprogramm umfasst eine Reihe von Anweisungen, die direkt oder indirekt in einem Computer verwendet werden können, um eine bestimmte Tätigkeit auszuführen oder ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Ein Computerprogramm kann in jeder Form von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, und es kann in jeder Form eingesetzt werden, einschließlich als eigenständiges Programm oder als Modul, Komponente, Unterprogramm oder andere Einheit, die zur Verwendung in einer Computerumgebung geeignet ist.
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Geeignete Prozessoren für die Ausführung eines Befehlsprogramms sind z. B. allgemeine und spezielle Mikroprozessoren. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten aus einem Festwertspeicher oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder aus beiden. Die Rechenvorrichtung 110 kann einen Prozessor zur Ausführung von Befehlen und einen oder mehrere Speicher zum Speichern von Befehlen und Daten umfassen.
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Die Rechenvorrichtung 110 kann mit der Sensoranordnung 106 über die Kommunikationsverbindung 112 kommunizieren. In einigen Implementierungen kann die Kommunikationsverbindung 112 direkte drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen zwischen der Sensoranordnung 106 und der Rechenvorrichtung 110 umfassen. Solche Verbindungen können USB, Bluetooth, drahtloses USB usw. umfassen. In anderen Fällen kann die Kommunikationsverbindung 112 ein verdrahtetes oder drahtloses Netzwerk wie ein lokales Netzwerk (LAN), ein Metropolitan Area Network (MAN) oder ein Wide Area Network (WAN) wie das Internet umfassen.
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Während das oben beschriebene System ein Sensorarray zur Verfolgung des Werkzeugs und die Feldgeneratorbaugruppe zur Erzeugung der Magnetfelder verwendet, sollte es auch offensichtlich sein, dass die Umkehrung dieser Konfiguration ebenso machbar ist, d.h. alle Magnetsensoren könnten durch Generatoren und alle Generatoren durch Sensoren ersetzt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine beispielhafte Feldgeneratorbaugruppe 200, die eine Vielzahl von einzelnen Feldgeneratoren 202 (ähnlich den in 1 gezeigten Feldgeneratoren 118) umfasst, die auf einer Schicht 204 verteilt sind. Auch wenn in 2 sechzehn Feldgeneratoren 202 auf eine bestimmte Weise verteilt sind, dient dies nur der Veranschaulichung und ist nicht als einschränkend anzusehen. In der Feldgeneratorbaugruppe 200 können mehr oder weniger Feldgeneratoren 202 in verschiedenen anderen Verteilungen angeordnet sein, einschließlich Verteilungen in mehreren Ebenen (z. B. vertikal verteilte Ebenen). Die Schicht 204 kann im Wesentlichen aus demselben Material bestehen wie die oben mit Bezug auf 1 beschriebene Deckschicht 122. In einigen Ausführungsformen kann die Schicht 204 die Oberseite einer leitenden Platte oder Abschirmung sein (z. B. die in 1 dargestellte leitende Platte 120). Ein oder mehrere Feldgeneratoren 202 sind untereinander und mit einer Hauptstromversorgung durch Drähte (nicht dargestellt) verbunden. Die Verbindungen können in Abhängigkeit davon konfiguriert werden, welche Generatoren gleichzeitig aktiviert werden sollen. Die Feldgeneratorbaugruppe 200 kann auch eine Leiterplatte 206 enthalten. In einigen Ausführungsformen enthält die Leiterplatte ein elektronisches Modul, das die Erregung oder Zündung der Feldgeneratoren 202 steuert. Die Leiterplatte 206 kann auch einen Speicher enthalten, der in Kommunikation mit der Rechenvorrichtung 106 Konfigurationsdaten speichert, die mit der Feldgeneratorbaugruppe 200 verbunden sind. Die Leiterplatte 206 kann auch als Schnittstelle zu einer Stromversorgung dienen, die die Feldgeneratorbaugruppe 200 mit Strom versorgt. In einigen Ausführungsformen kann die Rechenvorrichtung 106 als Teil der Leiterplatte 206 implementiert werden.
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Durch die Ausrichtung von Magnetfeldgeneratoren in verschiedenen Winkeln lassen sich unterschiedliche Magnetfelder erzeugen. Einige daraus resultierende Magnetfelder können für die Verfolgung eines Objekts innerhalb eines bestimmten Bereichs von Vorteil sein. So können beispielsweise parallele Magnetfelder in der Nähe der Feldgeneratorbaugruppe Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Position und der Ausrichtung eines Sensors verursachen. Im Allgemeinen besteht die natürliche Anordnung von Spulen in Feldgeneratoren darin, dass sie so flach wie möglich sind, d. h. alle in der gleichen Ebene liegen. In der Nähe des Feldgenerators führt dies jedoch dazu, dass alle Magnetfelder in der gleichen Richtung erzeugt werden. Wenn die Magnetfelder in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, liefern im Nahbereich weniger Feldgeneratoren nützliche Informationen über die Position und die Ausrichtung des Sensors. Magnetfelder, die nicht in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, haben den Vorteil, dass der Sensor auch bei geringem Abstand aus jedem Magnetfeld eindeutige Messwerte ermitteln kann. Selbst bei geringen Abständen liefern die Magnetfelder dem Sensor unterschiedliche Informationen.
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3 zeigt eine Ansicht eines Teils der Generatorbaugruppe 300, die zwei Magnetfeldgeneratoren 302, 304 umfasst, die die gleiche Winkelausrichtung haben. Der Magnetfeldgenerator 302 ist mit einer Längsachse 306 dargestellt (die z. B. durch die Mitte des Generators verläuft), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 302 veranschaulicht. Der Magnetfeldgenerator 304 ist mit einer Längsachse 308 dargestellt (die sich z. B. durch die Mitte dieses Generators erstreckt), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 304 veranschaulicht. Beide Magnetfeldgeneratoren 302, 304 sind in einer Ebene 310 ausgerichtet. Die Ebene 310 kann z. B. einen Ausschnitt eines Tisches, einer Wand usw. darstellen. Im dargestellten Beispiel steht die Längsachse 306 senkrecht zur Ebene 310. Die Längsachse 308 steht ebenfalls senkrecht auf der Ebene 310. Die Ebene 310 ist auch mit einer Achse 312 dargestellt, um die winklige Ausrichtung der Ebene 310 zu verdeutlichen. Die Unterseite jedes Generators 302, 304 liegt unterhalb der Ebene 310, so dass die untere Hälfte jedes Magnetfeldgenerators 302, 304 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Achse 312 steht senkrecht zur Ebene 310. Da jede Längsachse 306, 308 die gleiche Winkelausrichtung wie die Achse 312 der Ebene 310 hat (z. B. relativ zu einem Koordinatensystem 314), haben beide Magnetfeldgeneratoren die gleiche Winkelausrichtung zur Ebene 310 und zueinander. Die resultierenden Magnetfelder haben die gleiche Ausrichtung, weil die Magnetfeldgeneratoren 302, 304 die gleiche Winkelausrichtung haben. Wie bereits erwähnt, tragen bei gleichgerichteten Magnetfeldern im Nahbereich weniger Feldgeneratoren zu nützlichen Informationen über die Position und die Ausrichtung des Sensors bei.
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Magnetfelder, die nicht in dieselbe Richtung weisen, sind vorteilhaft, weil der Sensor auf der Grundlage der einzelnen Magnetfelder auch bei geringem Abstand eindeutige Messungen vornehmen kann. Zum Beispiel liefern die Magnetfelder selbst bei geringen Abständen unterschiedliche Informationen für den Sensor. 4 zeigt einen Teil einer Generatorbaugruppe 400 mit zwei Magnetfeldgeneratoren 402, 404, die unterschiedliche Winkelausrichtungen haben. Der Magnetfeldgenerator 402 ist mit einer Längsachse 406 dargestellt (die z. B. durch die Mitte des Generators verläuft), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 402 veranschaulicht. Der Magnetfeldgenerator 404 ist mit einer Längsachse 408 dargestellt (die sich z. B. durch die Mitte dieses Generators erstreckt), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 404 veranschaulicht. Beide Magnetfeldgeneratoren 402, 404 sind in einer Ebene 410 ausgerichtet. Die Ebene 410 kann z. B. einen Ausschnitt eines Tisches, einer Wand usw. darstellen. In der Figur geht die Ebene 410 durch die Mittelpunkte der Magnetfeldgeneratoren 402, 404. Die untere Hälfte jedes Magnetfeldgenerators 402, 404 befindet sich unterhalb der Ebene 410 und ist mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Im dargestellten Beispiel hat jede Längsachse 406, 408 eine andere Winkelausrichtung relativ zur Ebene 410. Um zu veranschaulichen, wie die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 eine unterschiedliche Winkelausrichtung relativ zur Ebene 410 haben, ist die Ebene 410 auch mit einer Achse 412 dargestellt, um die Winkelausrichtung der Ebene 410 zu veranschaulichen. Die Achse 412 steht senkrecht zur Ebene 410. Eine weitere Achse 422 steht senkrecht zur Ebene 410 und verläuft durch die Mitte des Magnetfeldgenerators 402. Die Längsachse 406 des Generators 402 ist um einen Winkel 414 gegenüber der Achse 422 geneigt. Magnetfelder, die nicht in dieselbe Richtung ausgerichtet (d. h. geneigt) sind, sind vorteilhaft, weil der Sensor auf der Grundlage jedes Magnetfelds eindeutige Messungen ermitteln kann, selbst bei geringen Abständen.
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Winkelausrichtungen und Neigungen können auf verschiedene Weise dargestellt werden. Zum Beispiel können Winkelausrichtungen in einem kartesischen Koordinatensystem dargestellt werden. Ein Koordinatensystem 420 umfasst eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse. Eine Linie 426 veranschaulicht einen Azimutwinkel (d. h. θ) im Koordinatensystem 420. Der Azimutwinkel der Linie 426 veranschaulicht die Drehung von der x-Achse zur y-Achse (d. h. um die z-Achse). Eine weitere Linie 428 veranschaulicht einen Elevationswinkel (d. h. φ) im Koordinatensystem 420. Die Linie 428 veranschaulicht die Abweichung von der z-Achse. Jeder Punkt im Koordinatensystem 420 kann daher mit einem Azimutwinkel und einem Elevationswinkel definiert werden. Winkelausrichtungen können ebenfalls mit einem Azimutwinkel und einem Elevationswinkel definiert werden. Der Winkel 414, der die Längsachse 406 von der Achse 422 trennt, kann durch einen Azimutwinkel und einen Elevationswinkel definiert werden. Die Längsachse 408 hat ebenfalls eine andere Winkelausrichtung als die Ebene 410. Die Achse 424 steht senkrecht zur Ebene 410 und verläuft durch die Mitte des Magnetfeldgenerators 404. Die Längsachse 408 des Generators 404 ist um einen Winkel 416 gegenüber der Achse 424 geneigt. Der Winkel 414, der die Längsachse 406 von der Achse 422 trennt, kann durch einen Azimutwinkel und einen Elevationswinkel (z. B. relativ zum Koordinatensystem 420) definiert werden.
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Außerdem ist der Magnetfeldgenerator 402 in einem anderen Winkel als der Magnetfeldgenerator 404 ausgerichtet. Die Längsachse 406 des Magnetfeldgenerators 402 ist gegenüber der Achse 422 nach links geneigt. Beispielsweise hat die Längsachse 406 einen Azimutwinkel, der der linken Seite der Achse 422 entspricht. Dagegen ist die Längsachse 408 des Magnetfeldgenerators 404 nach rechts zur Achse 424 geneigt. Die Längsachse 408 hat einen Azimutwinkel, der dem rechten Winkel der Achse 424 entspricht. Die unterschiedlichen Azimutwinkel bewirken, dass die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 in unterschiedliche Richtungen gekippt werden. Die resultierenden Magnetfelder sind nicht parallel, da die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 unterschiedliche Winkelausrichtungen haben.
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Die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 haben Winkelausrichtungen, die einander entgegengesetzt sind. Beispielsweise weisen die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 Azimutwinkel auf, die bewirken, dass die Magnetfeldgeneratoren voneinander weg gerichtet sind. In einigen Ausführungsformen sind die Magnetfeldgeneratoren 402, 404 jedoch winklig zueinander ausgerichtet. Beispielsweise kann der Magnetfeldgenerator 402 einen Azimutwinkel aufweisen, der der rechten Seite der Achse 422 entspricht. Der Magnetfeldgenerator 404 kann dagegen einen Azimutwinkel aufweisen, der der linken Seite der Achse 424 entspricht. Diese beispielhaften Azimutwinkel würden dazu führen, dass die Magnetfeldgeneratoren zueinander gerichtet sind. In anderen Ausführungsformen sind die Magnetfeldgeneratoren in Richtungen geneigt, die nicht aufeinander zu oder voneinander weg weisen (z. B. können die Magnetfeldgeneratoren eine Vielzahl von Azimutwinkeln aufweisen). Die Magnetfeldgeneratoren können in jede beliebige Winkelausrichtung in jeder Richtung eingestellt werden. Außerdem können die Magnetfeldgeneratoren eine Reihe von Elevationswinkeln aufweisen. In einigen Fällen können die Magnetfeldgeneratoren unterschiedliche Elevationswinkel und unterschiedliche Azimutwinkel aufweisen. In anderen Ausführungen können die Magnetfeldgeneratoren denselben Azimutwinkel, aber unterschiedliche Elevationswinkel haben.
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Im dargestellten Beispiel kann der Winkel 414 ein relativ kleiner Winkel sein (z. B. ein Grad bis 15 Grad). In einigen Ausführungsformen kann ein kleiner Elevationswinkel vorteilhaft sein, weil der Magnetfeldgenerator besser mit der Oberfläche der Ebene übereinstimmt. Ein großer Winkel 414 führt zum Beispiel dazu, dass der Magnetfeldgenerator weiter von der Ebene 410 abweicht. Magnetfeldgeneratoren, die besser mit der Oberfläche der Ebene übereinstimmen, sind vorteilhaft für dünne magnetische Baugruppen. Magnetfeldgeneratoren mit großen Winkeln 414 weichen weiter von der Ebene ab, wodurch sich die Dicke einer magnetischen Baugruppe erhöht. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel 414 ein größerer Winkel sein (z. B. größer als 15 Grad).
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5 zeigt eine Feldgeneratorbaugruppe 500. Die Feldgeneratorbaugruppe 500 kann in einem magnetischen Verfolgungssystem verwendet werden (z. B. ähnlich dem magnetischen Verfolgungssystem 100 von 1). Die Feldgeneratorbaugruppe 500 umfasst ein Gehäuse 502, das so geformt ist, dass es Feldgeneratoren 504 (z. B. die Feldgeneratoren in 4) aufnehmen kann. Das Gehäuse 502 ist im Allgemeinen flach, so dass die Generatoren in einer Ebene liegen. Zur Herstellung des Gehäuses 502 können verschiedene Materialien verwendet werden, z. B. nichtmetallische Materialien (z. B. Kunststoff), metallische Materialien (z. B. Stahl), Materialkombinationen usw. Auch verschiedene Geometrien, Formen, Abmessungen usw. können verwendet werden.
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Außerdem ist jeder Generator in einer eigenen Vertiefung (z. B. Aussparung) 506 angeordnet. In anderen Ausführungsformen können für jede Vertiefung unterschiedliche Geometrien verwendet werden (z. B. dreieckig, sechseckig, achteckig usw). In der dargestellten Ausführungsform haben alle einzelnen Vertiefungen die gleiche Geometrie. In anderen Ausführungsformen können jedoch verschiedene Vertiefungen unterschiedliche Geometrien aufweisen. Darüber hinaus befindet sich in der dargestellten Ausführungsform jeder Generator in einer einzelnen Vertiefung 506. In anderen Ausführungsformen können jedoch auch mehrere Generatoren in einer Vertiefung angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die Vertiefungen in bestimmten Mustern angeordnet sein (z. B. ein Array, konzentrische Kreise usw.). In anderen Ausführungsformen können die Vertiefungen nicht in einem Muster angeordnet sein. Parameter wie die Geometrien, die Anzahl der Vertiefungen und die Anzahl der Generatoren in jeder Vertiefung sowie der relative Abstand und die Ausrichtung der Vertiefungen können angepasst werden, um ein Feld mit einer gewünschten Form zu erzeugen.
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Jeder Feldgenerator 504 befindet sich in einer Winkelausrichtung, die relativ zum Gehäuse und relativ zueinander leicht unterschiedlich ist (z. B. um einen kleinen Winkel relativ zum Gehäuse 502 und relativ zueinander versetzt). So kann beispielsweise jeder Feldgenerator 504 einen anderen Azimutwinkel und einen anderen Elevationswinkel aufweisen. Zum Beispiel kann ein erster Feldgenerator eine erste Winkelausrichtung relativ zum Koordinatensystem 508 haben, ein zweiter Feldgenerator kann eine zweite Winkelausrichtung relativ zum Koordinatensystem 508 haben, ein dritter Feldgenerator kann eine dritte Winkelausrichtung relativ zum Koordinatensystem 508 haben, usw. In einigen Ausführungsformen kann jeder Feldgenerator 504 eine Winkelausrichtung haben, die zur Mitte der Baugruppe 500 zeigt (z. B. kann jeder Feldgenerator 504 einen Azimutwinkel haben, um den Feldgenerator zur Mitte der Baugruppe zu neigen). In anderen Ausführungsformen kann jeder Feldgenerator 504 eine Winkelausrichtung haben, die von der Mitte der Baugruppe 500 weg zeigt (z. B. kann jeder Feldgenerator 504 einen Azimutwinkel haben, um den Feldgenerator von der Mitte der Baugruppe weg zu neigen). In einigen Implementierungen können einige Feldgeneratoren eine Winkelausrichtung haben, die zur Mitte der Baugruppe 500 zeigt, und andere Feldgeneratoren können eine Winkelausrichtung haben, die von der Mitte der Baugruppe weg zeigt. Beispielsweise können Feldgeneratoren, die sich in unmittelbarer Nähe der Mitte der Baugruppe 500 befinden, zur Mitte der Baugruppe 500 zeigen, und Feldgeneratoren, die sich näher an einer Kante der Baugruppe 500 befinden, können eine Winkelausrichtung aufweisen, die von der Mitte der Baugruppe weg (d. h. zur Kante der Baugruppe) zeigt. In einigen Ausführungsformen hat ein Teil (z. B. ein Generator, zwei Generatoren, drei Generatoren usw.) der Feldgeneratoren 504 unterschiedliche Winkelausrichtungen, und andere Feldgeneratoren 504 haben die gleiche Winkelausrichtung. In anderen Ausführungsformen hat jeder Feldgenerator 504 eine andere Winkelausrichtung. Die Feldgeneratoren 504 haben unterschiedliche Winkelausrichtungen, um Magnetfelder in verschiedenen Richtungen zu erzeugen. Jeder Feldgenerator 504 hat einen Verbindungsdraht 510, der zu einem externen Anschluss 512 führt. Der externe Anschluss 512 kann den Feldgenerator 504 beispielsweise mit einer Stromquelle verbinden.
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In 6 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel eines individuellen Feldgenerators 600 dargestellt. Der Feldgenerator 600 kann als flache Spule mit einer Öffnung in der Mitte der Spule 600 ausgeführt werden. Ein dünner Generator 600 kann verwendet werden, um eine flache Feldgeneratoranordnung 200 zu realisieren, wie in 2 gezeigt. Flachfeldgeneratoren können sehr dünn sein. Der Feldgenerator 600 umfasst beispielsweise eine Spule, und die Dicke der flachen Spule kann beispielsweise etwa 2 mm bis etwa 3 mm betragen. Der Außendurchmesser 602 der Spule 600 kann z. B. etwa 84 mm betragen. Der Innendurchmesser 604 der Spule 600 kann z. B. etwa 51 mm betragen. In einigen Ausführungsformen kann ein Feldgenerator andere Formen haben. Zum Beispiel kann der Feldgenerator ein quadratischer Feldgenerator sein (z. B. hat der Feldgenerator die Form einer Parabel). In einem anderen Beispiel ist der Feldgenerator eine ebene Spirale (z. B. ist der Feldgenerator eine spiralförmige Spule ohne Platten).
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In 7 ist ein Beispiel für Felder dargestellt, die durch ein Paar Generatoren 702, 704 induziert werden. In diesem speziellen Beispiel fließt der Strom, der an jeden der Generatoren 702, 704 angelegt wird, in die gleiche Richtung und erzeugt Linien des magnetischen Flusses (grafisch dargestellt mit den jeweiligen Linien 706, 708). Die Generatoren 702, 704 haben auch unterschiedliche Winkelausrichtungen relativ zueinander. Der Magnetfeldgenerator 702 ist mit einer Längsachse 710 dargestellt (die z. B. durch die Mitte dieses Generators verläuft), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 702 veranschaulicht. Der Magnetfeldgenerator 704 ist mit einer Längsachse 712 dargestellt (die sich z. B. durch die Mitte dieses Generators erstreckt), die die Winkelausrichtung des Magnetfeldgenerators 704 veranschaulicht. Parallele Achsen 714, 722 veranschaulichen, wie die Magnetfeldgeneratoren 702, 704 unterschiedliche Winkelausrichtungen haben. Die Achse 714 steht senkrecht zu einer Ebene, die die Mittelpunkte der Magnetfeldgeneratoren 702, 704 miteinander verbindet. Die Längsachse 710 ist um einen Winkel 716 gegenüber der Achse 714 geneigt (z. B. relativ zum Koordinatensystem 720). Der Winkel 716 kann durch einen Azimutwinkel und einen Elevationswinkel definiert werden. Die Längsachse 710 ist nach links von der Achse 714 geneigt. Auch die Längsachse 712 ist um einen Winkel 718 gegenüber der Achse 722 geneigt. Die Längsachse 712 ist nach rechts von der Achse 722 geneigt. Daher sind die Achsen der Generatoren 702, 704 nicht parallel, und die resultierenden Magnetfeldlinien 706, 708 sind nicht parallel. Nicht parallele Magnetfelder haben den Vorteil, dass ein Sensor unabhängig von der Position für jedes Magnetfeld 706, 708 einen eigenen Messwert ermitteln kann. Selbst an Positionen in unmittelbarer Nähe der Generatoren 702, 704 sind die Magnetfelder nicht parallel, da die Generatoren 702, 704 geneigt sind. Dadurch kann der Sensor jedes Feld 706, 708 und jeden entsprechenden Generator 702, 704 unterscheiden.
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In einigen Anordnungen kann eine felderzeugende Baugruppe jeden Feldgenerator mit unterschiedlichen Frequenzen ansteuern. Um den jeweiligen Feldgenerator zu identifizieren, der für ein gemessenes Feld verantwortlich ist, kann die Recheneinrichtung die gemessenen EMK der Sensoranordnung in Frequenzkomponenten zerlegen. Diese Frequenzkomponenten der gemessenen Felder werden dann den einzelnen Feldgeneratoren zugeordnet. Ein Beispiel für ein solches Frequenzmultiplex-Erregungsschema ist in 8 dargestellt. In diesem Beispiel wird ein bestimmter Generator (z. B. Feldgenerator 1, wie in der Legende dargestellt) durch einen Wechselstrom 802 mit einer ersten Frequenz angeregt. Ein anderer Feldgenerator (z. B. das Paar 4) wird gleichzeitig durch einen anderen Wechselstrom 804 erregt, der eine zweite Frequenz hat, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet. In ähnlicher Weise können die anderen Generatoren mit Wechselströmen erregt werden, die mit anderen Frequenzen arbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 63321434 [0001]
- US 09892153 [0042]
- US 6625563 [0042]
