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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Ortung eines Objekts in einem mit einem Referenzmagnetfeld beaufschlagten Messvolumen, wobei sowohl die Position des Objekts - durch drei Raumkoordinaten - als auch die Orientierung des Objekts - durch drei Winkel, z.B. Euler-Winkel - aus Magnetfeldmesswerten am Objekt geschätzt werden. Die vorgenannten sechs Freiheitsgrade des Objekts werden im Folgenden zusammengefasst als die Pose des Objekts bezeichnet. Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Posenschätzung eines magnetfeldmessenden Objekts.
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Bei dem Objekt kann es sich um ein beliebiges Werkzeug oder Hilfsmittel zur Durchführung einer Tätigkeit durch einen Operateur handeln, wobei das Werkzeug oder Hilfsmittel während dieser Tätigkeit in aller Regel frei innerhalb eines Arbeitsbereichs bewegt wird. Der Arbeitsbereich wiederum liegt innerhalb des Messvolumens, in dem die magnetische Posenschätzung erfolgen kann. Das Objekt soll neben seiner Hauptfunktion - z.B. als Messgerät für beliebige Größen - auch zur Magnetfeldmessung ertüchtigt sein, indem wenigstens ein Magnetfeldsensor in starrer Verbindung am Objekt angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor soll dabei zur simultanen Messung von drei linear unabhängigen Magnetfeldkomponenten ausgebildet sein.
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Durch repetierende Magnetfeldmessung und daraus ermittelte repetierende Posenbestimmung des Objekts während der Tätigkeit des Operateurs kann die sechsdimensionale Trajektorie des Objekts vollautomatisch als Funktion der Zeit erfasst und elektronisch protokolliert werden.
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Die magnetische Posenschätzung ist besonders geeignet zur Verwendung in der medizinischen Diagnose und Therapie. Der lebende Patientenkörper ist für Magnetfelder praktisch transparent, so dass das Objekt auch bei Einführen in den Patientenkörper genauso verfolgt werden kann wie außerhalb. Bekannte alternative Tracking-Verfahren basierend auf Kamerabild-Analysen können dies nicht leisten und sind überdies auch noch anfällig gegen anderweitige Bildverdeckung z.B. durch den Operateur. Zudem sind vielen Patienten Kameras bei einer medizinischen Untersuchung generell unangenehm.
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Die magnetische Ortung für medizinische Arbeitsräume ist Gegenstand beispielsweise der Druckschriften
US 2006 / 025 668 A1 und
US 2011 / 224 537 A1 . Besonders in der
US 2011 / 224 537 A1 kommt der genauen Kenntnis und Kontrolle des Referenzmagnetfeldes eine wichtige Rolle für die Posenschätzung zu. Dort wird das Referenzmagnetfeld über eine Vielzahl von Erzeugerspulen generiert und ist somit stets nach dem Biot-Savart-Gesetz vorbestimmt. Die Sensoren sind entweder Spulen oder andere bekannte Feldaufnehmer wie Flux Gates oder SQUIDs. Sowohl die Form des Feldes bzw. der geometrische Feldverlauf als auch das Zeitverhalten des Feldes werden durch die Auswahl der Bestromung der Erzeugerspulen festgelegt, um das am Objekt gemessene Magnetfeld den Erzeugerspulen mit vorbekannten Posen zuzuordnen und hieraus auf die Pose des Objekts zu schließen.
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Die Zuordnung der Anteile des elektrischen Ausgangssignals des Magnetfeldsensors auf die vorbestimmten elektrischen Eingangssignale der vorbestimmt positionierten Erzeuger des Referenzmagnetfeldes ist das Schlüsselkonzept der magnetischen Posenschätzung. Die Bestimmung von Signalanteilen aus einem erfassten Summensignal ist dabei ein klassisches inverses Problem, das für ein vollständig lineares Übertragungssystem grundsätzlich gut lösbar ist.
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In der praktischen Umsetzung sind allerdings einige technische Schwierigkeiten zu berücksichtigen:
- - Wenn das Referenzmagnetfeld sich über einen Arbeitsraum erstrecken soll, der zur Aufnahme eines menschlichen Patienten dimensioniert ist, dann muss man ein Volumen von ca. 2 m × 1 m × 0,5 m = 1 m3 als mögliches Messvolumen in Betracht ziehen.
- - Will man die Erzeugerspulen für ein Messvolumen der Größenordnung Kubikmeter nicht prohibitiv teuer bestromen, dann muss man mit einer Referenzmagnetflussdichte der Größenordnung Nanotesla oder weniger im Arbeitsraum auskommen können.
- - Entsprechend empfindliche Magnetfeldsensoren sind zwar bekannt, diese müssen aber zugleich miniaturisierbar - vorzugsweise in das Objekt integrierbar - und wartungsarm, kostengünstig sowie gegen das sehr viel stärkere Erdmagnetfeld abgeschirmt sein.
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Die zuletzt genannten Anforderungen werden von magnetoelektrischen Biegebalkensensoren, oder auch kurz: ME-Sensoren, erfüllt. Solche Sensoren umfassen grundsätzlich wenigstens zwei mechanisch starr gekoppelte, üblich miteinander direkt verbundene Materialphasen, nämlich eine aus einem magnetostriktiven (MS) Material und eine aus einem piezoelektrischen (PE) Material. Im einfachsten Fall sind die Materialphasen als Schichten auf einem gemeinsamen Substrat (z.B. Wafer) angeordnet, beispielsweise unmittelbar miteinander kontaktiert oder je eine auf Vorder- und Rückseite des Substrats. Für ME-Sensoren sind die Substrate gewöhnlich streifen- oder balkenförmig ausgebildet bzw. sie werden in diese Formen vereinzelt. Die PE Materialschicht wird elektrisch kontaktiert und üblich mittels Elektroden entlang der Längsachse des Balkens gepolt. Die MS Materialschicht wird entlang derselben Längsachse derart vormagnetisiert, dass ein möglichst großer piezomagnetischer Koeffizient eingerichtet ist, d.h. wenn eine Magnetfeldkomponente entlang dieser Längsachse auf die MS Materialschicht einwirkt, dann hat dies eine möglichst große Längenänderung der MS Schicht zur Folge. Die Längenänderung überträgt sich durch die mechanische Kopplung auf die gepolte PE Materialschicht und erzeugt durch den PE Effekt eine elektrische Spannung, die über die Elektroden abgegriffen werden kann.
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Ein zeitlich konstantes Magnetfeld kann somit eine Verbiegung des ME-Sensorbalkens hervorrufen, aber kein persistentes elektrisches Ausgangssignal. ME-Sensoren antworten nur auf zeitlich veränderliche Magnetfelder mit einem elektrischen Spannungssignal im Zuge einer repetierenden Bewegung, mithin als Oszillatoren. Sie sind intrinsisch unempfindlich u.a. gegen das Erdmagnetfeld. Eine besonders große Empfindlichkeit besteht indes für Magnetfelder, die eine Frequenz nahe der mechanischen Resonanzfrequenz des oszillierenden Biegebalkens aufweisen. Bei Erregung in der Resonanz werden die Schwingungsamplitude und das elektrische Ausgangssignal des ME-Sensors um mehrere Größenordnungen überhöht, so dass selbst sehr kleine Magnetfeldamplituden der Größenordnung Nanotesla deutlich messbare Spannungssignale generieren. Die mechanische Resonanzfrequenz von ME-Biegebalken hängt hauptsächlich von ihrer Größe ab und ist weitgehend frei einrichtbar, z.B. zwischen 10 Hz und 1 MHz, wobei miniaturisierte ME-Sensoren mit Balkenlängen im Millimeterbereich oft Resonanzen im niedrigen bis mittleren Kilohertzbereich aufweisen. Solche Mini-ME-Sensoren sind leicht als passive Komponenten in beliebige Objekte integrierbar, und ihre Herstellung - beispielsweise in etablierter Dünnschichttechnik - ist grundsätzlich einfach und kostengünstig. Dabei ist es auch bekannt, wenigstens drei Biegebalken entlang wenigstens dreier linear unabhängiger (z.B. orthogonaler) Raumachsen anzuordnen und drei Ausgangsignale simultan zu erfassen, um das komplette Magnetfeld zu bestimmen.
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Aufgrund ihres Funktionsprinzips messen ME-Sensoren nicht linear, sondern generieren bei der simultanen Erregung durch Magnetfelder mit leicht unterschiedlichen Frequenzen Spannungssignale, die neben den direkten Antworten auch Mischfrequenzbeiträge enthalten. Dieses Phänomen kann sogar vorteilhaft zur Frequenzumsetzung ausgenutzt werden, beispielsweise zur Bestimmung von Magnetfeldkomponenten mit Frequenzen um wenige Hz unter Verwendung eines ME-Biegebalkens mit Resonanzfrequenz bei einigen 100 Hz, wie etwa der Druckschrift
WO 2012/ 097 796 A2 zu entnehmen ist. Bei der magnetischen Ortung ist das nicht-lineare Antwortverhalten weniger wünschenswert, weil es die Zuordnung der Messsignale auf verschiedene Magnetfelderzeuger jedenfalls nicht vereinfacht.
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Die Druckschrift Bald, C.; Schmidt, G., „Processing Chain for Localization of Magnetoelectric Sensors in Real Time", Sensors 2021, 21, 5675. https://doi.org/10.3390/s21165675, verwendet ME-Sensoren und das Konzept ihrer resonanten Erregung zur Demonstration der Machbarkeit einer echtzeitfähigen Ortung. In diesem Paper wird ein ebener Arbeitsraum mit sechs Spulen als Referenzmagnetfelderzeuger umgeben, wobei die Spulen mit - nahe der ME-Resonanzfrequenz bei ca. 7,7 kHz - bandbegrenzten Eingangssignalen bestromt werden. Das konkrete Beispiel dient jedoch der Erläuterung eines an sich universellen Konzepts:
- Zum Ausgleich unterschiedlicher Konvertierungsfaktoren (Verhältnis von Magnetflussdichte zu Stromstärke) der einzelnen Erzeugerspulen kann eine einmalige Anpassung der Strompegel vor der Ortungsmessung erfolgen („Equalizing“). Die Eingangssignale werden orthogonal eingerichtet, so dass das am Sensor erfasste Magnetfeld nach orthogonal erzeugten Feldanteilen zerlegt und auf die einzelnen Erzeuger zurückgeführt werden kann. Dabei werden die Amplituden der Feldanteile bestimmt und vermöge des bekannten 1/r3 Abfalls des magnetischen Dipolfeldes in Abstandsschätzungen zu den Erzeugerspulen umgerechnet; aus den Verhältnissen der Magnetfeldkomponenten zueinander lässt sich hiernach im Prinzip auch auf die Orientierung des Magnetfeldsensors zu jeder der Erzeugerspulen schließen.
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Die Posenschätzung kann nun echtzeitfähig gestaltet werden durch eine iterative Suche nach der besten Hypothese zur Erklärung der Magnetfeldmesswerte zu einem Messzeitpunkt. Zur effizienten Durchführung einer Schätzung eines „position-orientation pair“ (hier: einer Pose) ist der Arbeitsraum in Zellen diskretisiert. Jene Zelle, die den wahrscheinlichsten Schätzwert für den aktuellen Ort des Sensors darstellt, kann in weiteren Iterationsschritten jeweils weiter in Subzellen diskretisiert und erneut bewertet werden, bis eine Hypothese gewonnen worden ist, die einem vorbestimmten Genauigkeitskriterium entspricht. Diese letzte Hypothese wird dann mit dem Schätzwert der Pose des Magnetfeldsensors zum Messzeitpunkt identifiziert.
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Die zu überprüfenden Hypothesen sind mit den Zellen und Subzellen verknüpft - i. F. auch: indiziert - und in der Form von signalangepassten Filtern in elektronisch gespeicherter Form in einer Auswerteeinheit hinterlegt. Die Filter sind dabei über mehrere Messzyklen gemittelte, zeitinvertierte Messsignale eines Sensors, die aus der Vorgabe vorbestimmter, zeitbegrenzter elektrischer Eingangssignale in die einzelnen Magnetfelderzeuger entstehen. Sie lassen sich bekanntlich als Optimalfilter ausgestalten, mit denen das Signal-Rausch-Verhältnis für die Wiedererkennung verrauschter Eingangssignale maximiert wird. Nachfolgend werden solche Optimalfilter als optimierte „Matched Filter“ oder verkürzt als „Matched Filter“ oder ganz kurz als MF bezeichnet. Unter der Indizierung der Matched Filter mit Zellen und Subzellen ist zu verstehen, dass ein Sensor das Feld eines einzelnen Magnetfelderzeugers in Kenntnis eines vorab bekannten Sensor-Magnetfelderzeuger-Posenpaares detektiert und hiernach aus dem Messsignal ein entsprechend indiziertes Matched Filter gebildet wird. Die MFs können als Komponenten von Hypothesenvektoren aufgefasst werden, wobei die Vektorlänge die Anzahl der Sensoren multipliziert mit der Anzahl der Felderzeuger beträgt. Die Bereitstellung einer großen Anzahl von MF-Hypothesenvektoren kann im Zuge einer einmaligen, der Posenschätzung vorangehenden Kalibrationsprozedur erfolgen.
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Während der Posenschätzung erfolgt sodann ein numerischer Vergleich des zeitaktuell gemessenen Ausgangssignalvektors mit einer Auswahl von MF-Hypothesenvektoren im Wege der Berechnung eines Skalarproduktes. Das Skalarprodukt kann auch als Überlappung des Ausgangssignalvektors mit den vorbestimmten MF-Hypothesenvektoren bezeichnet werden. Orthogonale Eingangssignale an den Magnetfelderzeugern bewirken entsprechende orthogonale Anteile des Referenzmagnetfeldes und führen auf überwiegend verschwindende Skalarprodukte außer für jene indizierten MF-Hypothesenvektoren, die mit dem gemessenen Ausgangssignalvektor überlappen. Bei Vorliegen einer großen Überlappung mit einem MF-Hypothesenvektor signalisiert dies einen Treffer bzw. eine Übereinstimmung, d.h. die zugehörige Hypothese für die Posenschätzung wird bestätigt. Zur weiteren Präzisierung wird dann auf die oben genannte Subzellen-Iteration zurückgegriffen, d.h. die vorab gespeicherten MF-Hypothesenvektoren sind hierarchisch organisiert, und es werden nicht alle MF-Hypothesenvektoren in jedem Messzyklus verwendet.
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Es ist festzuhalten, dass Bald und Schmidt ganz universell vorschlagen, orthogonale Eingangssignale an den Magnetfelderzeugern sowie Matched Filter zur Analyse des Magnetfeldsensor-Ausgangssignals zu verwenden, wobei die Matched Filter im Sinne eines Pulskompressionsverfahrens zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses dienen. Überdies sind die MFs mit Zellen und Subzellen verknüpft, so dass eine iterative Suche des Magnetfeldsensors im Arbeitsraum in Echtzeit, d.h. binnen einer durch die Länge des Messzyklus begrenzten Zeitspanne und durchaus mehrere Male pro Sekunde, erfolgen kann.
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In der konkreten Beispielausgestaltung der genannten Arbeit wird das Magnetfeld durch einen ME-Sensor gemessen, der über eine sehr bandbegrenzte Sensitivität verfügt. Die Autoren wählen daher ein Zeitmultiplexing zur Orthogonalisierung der Eingangssignale, d.h. zu jedem Zeitpunkt ist nur einer der Magnetfelderzeuger aktiv. Auch das Mischen von Magnetfeldern verschiedener Erzeugerspulen durch den nicht-linearen ME-Sensor wird dadurch verhindert.
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In der Publikation C. Bald et al., „Automatic Localization of an Ultrasound Probe with the Help of Magnetic Sensors", Current Directions in Biomedical Engineering 2022;8(2): 317-320, https://doi.org/10.1515/cdbme-2022-1081 wird die Anwendung der magnetischen Posenschätzung zur Verbesserung der Ultraschall-Bildgebung mit einem beweglichen Messkopf vorgestellt. Die Autoren des Papers nutzen einen Flux Gate Sensor zur Messung des Referenzmagnetfeldes und ein Frequenzmultiplexing zur Orthogonalisierung der Eingangssignale der Erzeugerspulen. Im Übrigen wird aber auch dort der echtzeitfähige Prozess des vorgenannten Papers von Bald und Schmidt umgesetzt.
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Auf der Suche nach einer energieeffizienten Erzeugung zeitveränderlicher Magnetfelder zum Zweck der Signalübertragung kann man sich beispielsweise der Arbeit von Junran Xu et al., „A Low Frequency Mechanical Transmitter Based on Magnetoelectric Heterostructures Operated at Their Resonance Frequency", Sensors 2019, 19, 853; doi:10.3390/s19040853, zuwenden. Darin werden magnetoelektrische Transmitter, i. F. ME-Transmitter, vorgestellt, die gewissermaßen invers zu einem ME-Sensor arbeiten. ME-Transmitter weisen ebenfalls eine MS- und eine PE-Materialphase in mechanisch starrer Kopplung auf, wobei das PE Material elektrisch kontaktiert und gepolt sein muss. Die Materialphasen können dabei auch mehrlagig ausgebildet sein, es können z.B. zwei MS Lagen auf einer PE Lage angeordnet sein („trilayer sandwich“), und diese können auch zu Stapeln laminiert sein. Durch Anlegen eines vorbestimmbaren Eingangsspannungssignals wird die Länge des PE Materials gezielt variiert, wobei sich die Längenänderung auf das MS Material überträgt. Das MS Material kann eine zufällige magnetische Ordnung in einem Grundzustand - z.B. ohne Eingangssignal - aufweisen und durch die erzwungene Längenänderung in einen Zustand mit hohem Magnetisierungsgrad überführt werden. Entsprechend variiert das extern messbare Magnetfeld, das hier durch die materialimmanente Ordnung magnetischer Domänen und nicht nach dem Biot-Savart-Gesetz erzeugt wird, zwischen annähernd null und einem aufbaubedingten Maximalwert im Takt des Eingangssignals. Junran Xu et al. stellen in ihrer Arbeit fest, dass sich die gemessene magnetische Flussdichte eines resonant erregten ME-Transmitters mit wachsendem Abstand zum Transmitter qualitativ in etwa wie das Dipolfeld einer bestromten Leiterschleife verhält, dabei aber bei gleicher Signaleingangsleistung bis zu zwei Größenordnungen größer ist als ein rein elektrisch erzeugtes Magnetfeld einer Leiterschleife. Konkret fällt die Flussdichte ihres Versuchstransmitters bei 500 mW Eingangsleistung auf ungefähr 1 nT bei 1 Meter Abstand, auf 1 pT bei 10 Meter Abstand und auf 1 fT bei (extrapoliert) 200 m Abstand ab (vgl. 7 der Quelle). Damit sind ME-Transmitter Kandidaten für Sendeantennen in der „very low frequency“ (VLF) Kommunikation, bei der begrenzte Reichweiten und die Übertragbarkeit durch elektromagnetisch absorbierende Medien wie etwa Meerwasser wichtige Charakteristika sind.
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Für Ortungszwecke werden ME-Transmitter trotz ihres kostengünstigen Aufbaus und ihrer Energieeffizienz bislang nicht verwendet, denn
- • ME-Transmitter arbeiten nicht-linear und generieren Magnetfelder, deren Zeitverhalten nicht genau dem der Eingangssignale entspricht;
- • die Magnetfeldamplituden sind herstellungsbedingt eingebaut und nicht im Nachhinein beliebig anpassbar;
- • auch nominal baugleiche Sensoren zeigen untereinander geringe Unterschiede hinsichtlich Resonanz, Amplituden und nicht-linearer Signalverzerrung.
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So entfallen die für die magnetische Ortung bzw. Posenschätzung üblich gewünschte genaue Kenntnis des Referenzmagnetfeldes und seine einfache Anpassbarkeit z.B. durch Equalizing.
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Die Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Posenschätzung eines magnetfeldmessenden Objekts vorzuschlagen, die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur magnetischen Posenschätzung eines Objekts in einem mit einem Referenzmagnetfeld beaufschlagten Messvolumen umfassend wenigstens vier elektrisch ansteuerbare Magnetfelderzeuger mit verschieden vorbestimmten Posen im Randbereich des Messvolumens, wenigstens einen Magnetfeldsensor in starrer Verbindung mit dem Objekt, eine Steuerungseinheit zur vorbestimmbaren elektrischen Ansteuerung der Magnetfelderzeuger und eine Auswerteeinheit ausgebildet zur Annahme und Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des wenigstens einen Magnetfeldsensors, dadurch gekennzeichnet, dass
- a. der wenigstens eine Magnetfeldsensor als magnetoelektrischer Biegebalkensensor mit einer vorbekannten mechanischen Resonanzfrequenz zur simultanen Messung von drei linear unabhängigen Komponenten des Referenzmagnetfeldes ausgebildet ist und
- b. die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die elektrische Ansteuerung der Magnetfelderzeuger bandbegrenzt nahe der mechanischen Resonanzfrequenz des Magnetfeldsensors vorzunehmen und
- c. die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand vorbestimmter und tabellierter Matched Filter aus dem Ausgangssignal des wenigstens einen Magnetfeldsensors die Pose des Objekts im Messvolumen zu schätzen, wobei
- d. wenigsten vier der Magnetfelderzeuger als magnetoelektrische Transmitter ausgebildet sind.
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Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.
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Zum Hauptziel der Erfindung zählt die energetisch günstigere Erzeugung des Referenzmagnetfeldes, die auch eine Anwendung der magnetischen Posenschätzung in größeren Messvolumina und Arbeitsräumen ermöglicht als bisher technisch durchführbar. Ein Kernbaustein ist dabei die Abstimmung der wenigstens vier ME-Transmitter und des wenigstens einen ME-Sensors auf dieselbe Resonanzfrequenz, was bereits bei der Herstellung dieser Komponenten zu berücksichtigen ist.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke ist die Erkenntnis, dass die vorgenannten Nachteile von ME-Transmittern für die magnetische Ortung auf dem Vorurteil des Fachmanns beruhen, dass er genaue Kenntnis über das Referenzmagnetfeld haben müsse, um aus Magnetfeldmessungen auf Sensorposen schließen zu können. Dies trifft aber gar nicht zu.
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Die vorgenannte Arbeit von Bald und Schmidt unterstellt auch noch die Notwendigkeit der Bereitstellung eines „wohldefinierten“ Referenzmagnetfeldes, wie man etwa an den Verfahrensschritten zum Equalizing ablesen kann. Es wird dort noch nicht erkannt, dass die Verwendung der durch Zellen und Subzellen indizierten Matched Filter bereits die Gelegenheit bietet, auch mit systemisch vorhandenen, nicht genau quantifizierbaren „Qualitätsmängeln“ des Referenzmagnetfeldes umzugehen.
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Tatsächlich entsteht bei der von Bald und Schmidt vorgeschlagenen Methode zur Echtzeit-Posenschätzung durch Unterteilung des Arbeitsraumes in Zellen und Subzellen ein nicht unerheblicher Kalibrationsaufwand zur Vorabbestimmung der indizierten MFs, die die Autoren in ihrer Arbeit aber noch gar nicht voll ausnutzen. Bei der Erzeugung der MFs können nämlich auch etwaige „Mängel“ des Referenzmagnetfeldes durchaus miterfasst werden, ohne dass dies einer expliziten Identifizierung solcher Mängel bedürfte. Die MFs dienen allein dem Vergleich von vorab gemessenen (gemittelten) Signalen mit aktuellen Messsignalen des ME-Sensors; wie diese genau entstehen, spielt aber keine Rolle mehr, wenn die Posenschätzung ohnehin über die vorbestimmte Indizierung der MFs erfolgt.
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Als eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird angesehen, dass wenigstens zwei Magnetfeldsensoren an verschiedenen Stellen des Objekts starr verbunden angeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren simultan anzunehmen und zu verarbeiten. Dies ist technisch leicht zu bewerkstelligen, wenn das Objekt üblich ein mehrere Zentimeter großes, handgehaltenes Werkzeug und die Mini-ME-Sensoren nur einige Millimeter groß sind, vorzugsweise durch Integration in das Gehäuse des Werkzeugs. Viele Werkzeuge weisen ohnehin Zuleitungen zur Bestromung und/oder zum Datentransfer auf, so dass auch die Signalableitungen der ME-Sensoren darin angeordnet werden können.
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Mit zwei ME-Sensoren und wenigstens vier ME-Transmittern kann eine Posenschätzung des Objekts mit durchaus hoher Genauigkeit erfolgen. In einem solchen Ausführungsbeispiel sind bei Anwendung des Verfahrens von Bald und Schmidt die beiden Sensoren vorzugsweise bereits bei der Kalibrierprozedur im Objekt eingebaut, d.h. die MF-Hypothesenvektoren und der aktuelle Ausgangssignalvektor umfassen jeweils wenigstens acht Komponenten; eine große Überlappung bedeutet eine hohe Übereinstimmung in allen Komponenten und somit auch eine starke Bestätigung für eine Hypothese zur Posenschätzung. Die feste relative Pose der beiden Sensoren zueinander wird hierdurch bevorzugt implizit verwendet. Ihre explizite Verwendung bei der numerischen Auswertung der Ausgangssignalvektoren kann zusätzlich noch berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, die vorbekannte relative Pose der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren zueinander zur Präzisierung der Posenschätzung des Objekts zu nutzen.
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Wie bereits bei Bald und Schmidt vorgeschlagen, wird es als besonders vorteilhaft betrachtet, dass die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die wenigstens vier magnetoelektrischen Transmitter zeitlich versetzt so anzusteuern, dass diese nur einzeln das Referenzmagnetfeld variieren. Dies entspricht der Orthogonalisierung der Eingangssignale in die Magnetfelderzeuger mittels Zeitmultiplexing und führt auch hier immer noch zu orthogonalen Anteilen des Referenzmagnetfeldes bezogen auf die einzelnen ME-Transmitter. Dies vereinfacht die Zuordnung des Ausgangssignals auf die Quellen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Vorabkalibrierung derart, dass hiernach die Auswerteeinheit nicht-flüchtig gespeicherte, tabellierte Matched Filter als Komponenten von Hypothesenvektoren umfasst, wobei die einzelnen Matched-Filter-Hypothesenvektoren mit unterschiedlichen vorbestimmten Posen eines Magnetfeldsensors indiziert sind. Als Auswerteeinheit kann ein herkömmlicher programmierbarer Mikroprozessor verwendet werden.
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Diese Kalibrierung läuft genauso wie bei Bald und Schmidt erläutert ab, wobei nun aber nicht von einem wohldefinierten Referenzmagnetfeld ausgegangen werden kann. Vielmehr kann es vermehrt zu Situationen kommen, in denen bei der Auswertung des Sensorsignals während der Posenschätzung mehrere indizierte MF-Hypothesenvektoren eine nicht verschwindend kleine Überlappung mit dem Sensorsignalvektor zeigen. Wenn dies eintritt, dann ist es eine bevorzugte Ausgestaltung, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Überlappungen nach ihrer Größe zu selektieren und eine Pose des Magnetfeldsensors aus einem gemessenen Ausgangssignal durch Interpolation der Indizierungen der Matched-Filter-Hypothesenvektoren mit größter Überlappung zum Ausgangssignalvektor zu schätzen. Insbesondere in diesen Fällen kann auch die explizite Verwendung der relativen Pose eines ME-Sensorpaares sehr hilfreich sein.
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Um die Echtzeit-Fähigkeit der Posenschätzung zu gewährleisten, soll in Analogie zu Bald und Schmidt ebenfalls eine hierarchische Diskretisierung des Messvolumens in Zellen und Subzellen erfolgen, die eine iterative Suche ermöglicht. Hierfür ist es bevorzugt, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, auf Basis der vorangegangenen Posenschätzung eine Auswahl der anzuwendenden Matched Filter für die nachfolgende Posenschätzung vorzunehmen. Die Auswahl soll dabei beispielsweise die hierarchische Ordnung der Zellen und der darin definierten Subzellen berücksichtigen, um die Analyse des magnetischen Messsignals zu präzisieren. Eine andere Auswahl kann darauf ausgerichtet sein, Bewegungsmuster in der Führung des Objekts durch den Nutzer zu analysieren und daraus den zeitaktuell wahrscheinlichen Aufenthaltsort des Objekts, d.h. die Zelle, zu folgern. Dies kann der Beschleunigung der Posenschätzung bei gleichförmigen oder langsamen Bewegungen des Objekts dienlich sein.
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Es ist möglich und vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Posenschätzung des Objekts wenigstens mit 5 Hz, bevorzugt wenigstens mit 10 Hz, besonders bevorzugt wenigstens mit 20 Hz durchzuführen. Dies bedeutet, dass ein Messzyklus, der mit der Ausgabe einer Posenschätzung endet, nicht mehr als 200 ms, bevorzugt weniger als 100 ms, besonders bevorzugt weniger als 50 ms Zeit benötigt. Die Posenschätzung kann dann entsprechend häufig wiederholt werden, um über vom Nutzer wählbare Zeitintervalle 6D-Trajektorien des im Arbeitsraum bewegten Objekts zu erfassen und zu protokollieren. Dem Protokoll kann vorzugsweise ein Zeitindex einer internen Uhr der Auswerteeinheit hinzugefügt werden, so dass in einer Nachbearbeitung eine Zuordnung zu anderen - insbes. mit dem Objekt erfassten - Messdaten mit Zeitindex möglich ist.
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Als eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird angesehen, dass die Vorrichtung eine Patientenliege mit Patientenaufnahmefläche umfasst, wobei das Messvolumen sich entlang der Patientenliege über die Höhe der Patientenaufnahmefläche hinaus um mehrere 10 Zentimeter erstreckt, wobei die wenigstens vier magnetoelektrischen Transmitter in je einem Standbein der Patientenliege angeordnet sind. Eine derart ausgebildete Vorrichtung ist geeignet zur Umsetzung des in C. Bald et al., „Automatic Localization of an Ultrasound Probe with the Help of Magnetic Sensors", Current Directions in Biomedical Engineering 2022;8(2): 317-320, https://doi.org/10.1515/cdbme-2022-1081, geschilderten Konzepts zur automatisierten Ultraschallmessung an Patienten. Bekanntlich kann ein bildgebendes Ultraschall-System mit einem beweglichen Messkopf dazu benutzt werden, einen lebenden Patienten nicht-invasiv zu untersuchen, wobei die Pose des Messkopfes vom Arzt in aller Regel anhand des in Echtzeit gewonnenen Ultraschallbildes gewählt und variiert wird, um die medizinisch relevanten Strukturen zu sehen. Mittels der Erfindung ist es nun vorteilhaft möglich, dass der wenigstens eine Magnetfeldsensor in einem handführbaren Messkopf eines bildgebenden Ultraschall-Messgerätes integriert ist und dass die Auswerteeinheit zur Daten austauschenden Kommunikation mit dem Ultraschallmessgerät ausgebildet ist und eine zeitlich Schritt haltende Zuordnung der Posenschätzung des Messkopfes zu den erfassten Ultraschallbildern erfolgt. Das Gesamtmesssystem kann dadurch Messdaten bereitstellen, die beispielsweise auch zur automatischen Erzeugung einer dreidimensionalen Ansicht des untersuchten Bereichs des Patienten herangezogen werden können.
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Grundsätzlich ist ein Posenschätzungssystem basierend auf ME-Sensoren und ME-Transmitter mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz (= Referenzmagnetfeldfrequenz) im niedrigen bis mittleren Kilohertzbereich, d.h. einige kHz bis wenige 100 kHz, für ein medizintechnisches Umfeld wie einen ärztlichen Untersuchungsraum recht geeignet. Denn zahlreiche Stromzuleitungen zu ebendort benutztem Equipment produzieren magnetische Störfelder mit 50 Hz und höheren Harmonischen, die aber ab etwa 1 kHz gut zu vernachlässigen sind. Digitale Schaltkreise und Prozessoren operieren demgegenüber heute üblich mit hohen MHz- bis GHz-Frequenzen, so dass Störfelder von dort ebenfalls von Mini-ME-Sensoren nicht detektiert werden. Die ME-Transmitter wiederum erzeugen - im aktivierten Betrieb - selbst nur sehr geringe Feldmagnituden, was die umstehende Elektronik nicht stören kann.
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Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, dass das Zeitmultiplexing der Eingangssignale für Magnetfelderzeuger zwar zur Messung von Magnetfeldern mit ME-Sensoren und zur Unterscheidung der Erzeuger besonders einfach und daher bevorzugt ist, aber nicht die einzige Möglichkeit darstellt. Gemeinhin weisen magnetoelektrische Biegebalken eine Mehrzahl von Eigenschwingungsmoden auf, beispielsweise Biegemoden mit wenigstens einer Knotenlinie senkrecht zur Längsachse des Balkens oder auch Torsionsmoden. Diese Moden unterscheiden sich in aller Regel in ihren Eigenfrequenzen und lassen sich insofern auch mit verschiedenen Magnetfeldfrequenzen gezielt resonant anregen. Hierin liegt eine zusätzliche Option zur Verbesserung der Posenschätzung, sei es durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Referenzmagnetfelderzeugern oder alternativ durch die Verkürzung der Messzyklen und Steigerung der zeitlichen Dichte der 6D-Trajektorien.