DE69721985T2

DE69721985T2 - Gegeninduktionskorrektur

Info

Publication number: DE69721985T2
Application number: DE69721985T
Authority: DE
Inventors: Assaf Govari; Daniel Osadchy; Maier Fenster
Original assignee: Biosense Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: IL126286A0; CA2249982A1; EP0892908B1; DE69721985D1; EP0892908A1; JP4141502B2; ES2200161T3; JP2000508067A; WO1997036143A1; AU715167B2; AU2041497A; CA2249982C; EP0892908A4; IL126286A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur Erzeugung und zum Detektieren von elektromagnetischen Feldern, und speziell kontaktlose, elektromagnetische Verfahren und Vorrichtungen zur Spurverfolgung der Position und Ausrichtung eines Objekts.
Hintergrund der Erfindung
Kontaktlose, elektromagnetische Spurverfolgungssysteme sind gut im Stand der Technik bekannt, mit einem breiten Bereich von Anwendungen.
Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4,054,881 ein Spurverfolgungssystem, das drei Spulen verwendet, um elektromagnetische Felder in der Umgebung des Objekts zu erzeugen. Die Felder, die durch diese drei Spulen erzeugt werden, werden voneinander durch offenes Regelkreismultiplexing der Zeit. Frequenz oder Phase unterschieden. Die Signalströme, die in drei orthogonalen Sensorspulen fließen, werden verwendet, um die Position des Objekts zu bestimmen, basierend auf einem iterativen Berechnungsverfahren.
Das US Patent Nr. 5,391,199, angemeldet am 20. Juli 1993, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, beschreibt ein System zur Erzeugung dreidimensionaler Ortsinformationen betreffend eine medizinische Sonde oder Katheter. Eine Sensorspule wird in dem Katheter plaziert und erzeugt Signale in Reaktion auf extern angelegte magnetische Felder. Die magnetischen Felder werden durch drei Strahlungsspulen, die an einem externen Referenzrahmen in bekannten, gegenseitig voneinander beabstandeten Orten angebracht sind, erzeugt. Die Amplituden der Signale, die in Reaktion auf die Strahlungsspulenfelder erzeugt werden, werden detektiert und verwendet, um den Ort der Sensorspule zu berechnen. Jede Strahlungsspule wird bevorzugt durch eine Treiberschaltung zur Erzeugung eines Feldes bei einer bekannten Frequenz, die sich von denen anderer Strahlungsspulen unterscheidet, gesteuert, so daß die Signale, die durch die Sensorspule erzeugt werden, mittels der Frequenz in Komponenten bezüglich der verschiedenen Strahlungsspulen getrennt werden können.
Die PCT-Patentanmeldung Nr. WO 96/05768, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, beschreibt ein System, das sechs-dimensionale Positions- und Ausrichtungsinformationen bezüglich der Spitze eines Katheters erzeugt. Dieses System verwendet eine Vielzahl von nicht konzentrischen Sensorspulen, benachbart zu einer festgelegten Stelle in dem Katheter, z. B. nahe seinem distalen Ende, und eine Vielzahl von Strahlungsspulen, die an einem externen Referenzrahmen angebracht sind. Diese Spulen erzeugen Signale in Reaktion auf magnetische Felder, die durch die Strahlungsspulen erzeugt werden, wobei diese Signale die Berechnung von sechs Orts- und Ausrichtungskoordinaten ermöglichen. Wie in dem Fall der '539 Patentanmeldung, die zuvor beschrieben wurde, arbeiten die Strahlungsspulen gleichzeitig jeweils bei verschiedenen Frequenzen, z. B. bei 1000, 2000 und 3000 Hz.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0339723 beschreibt eine magnetische Resonanzvorrichtung, die ein Magnetsystem zur Erzeugung eines konstanten Magnetfelds und ein HF-Spulensystem zur Erzeugung von Gradientenfeldern aufweist. In dem HF-Spulensystem kann jede Spule im Bezug auf eine gegebene Frequenz einer anderen Spule verstimmt werden. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung vermieden.
Die zuvor beschriebenen Spurverfolgungssysteme beruhen auf der Trennung von auf eine Position reagierenden Signalen in Frequenzkomponenten, wobei davon ausgegangen wird, daß jede dieser Komponenten einzig zu einer einzelnen Strahlungsspule, die sich in einer bekannten Position befindet und in einem schmalen, genau definierten Frequenzband ausstrahlt, korrespondiert. In der Realität erzeugen die Strahlungsspulen jedoch auch magnetische Felder bei den Frequenzen außerhalb der gewünschten Bänder, z. B. aufgrund von gegenseitigen Induktivitätseffekten. Diese gegenseitig induzierten Felder führen zu Fehlern in der Bestimmung der Position des Objekts, dessen Spur verfolgt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbesserte elektromagnetische Stralungsspulen und Treiberschaltungen für diese zur Benutzung im Zusammenhang mit Ob jektspurverfolgungssystemen derartig bereitzustellen, um die Genauigkeit der Objektspurverfolgung zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, magnetische Felderzeugungsspulen und dazugehörige Treiberschaltungstechnik bereitzustellen, die Felder erzeugen, die schmale Bandbreiten in dem Frequenzbereich aufweisen.
In der vorliegenden Erfindung wird eine schmalere Feldbandbreite durch Eliminierung von gegenseitigen Induktivitätseffekten zwischen einer Vielzahl von Spulen, die magnetische Felder bei verschiedenen Frequenzen erzeugen, erreicht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Spurverfolgung eines Objekts durch Erzeugung von magnetischen Felder bereit, umfassend eine Vielzahl von Strahlungsspulen; eine damit verbundene Treiberschaltung, die die Spulen ansteuert, um magnetische Felder bei einer Vielzahl von Steuerfrequenzen zu erzeugen; wobei jede der Vielzahl von Strahlungsspulen ein Feld bei im Wesentlichen einer einzelnen, jeweiligen Steuerfrequenz erzeugt; dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mit zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen verknüpft ist, wobei die Schaltung magnetische Felder zur im wesentlichen Eliminierung von magnetischen Feldern, die durch zumindest eine Spule in Reaktion auf Felder, die durch die andern Spulen erzeugt werden, erzeugt.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind eine oder mehrere zusätzliche Trimmspulen benachbart zu jeder der Strahlungsspulen vorhanden. Vorzugsweise sind die Trimmspulen mit Windungen der Strahlungsspulen verzwirnt. Die Trimmspulen von jeder Strahlungsspule werden durch Treiberschaltungen derartig gesteuert, um magnetische Felder zu erzeugen, die im Wesentlichen gleich in ihrer Amplitude und Frequenz und in entgegengesetzter Richtung zu magnetischen Feldkomponenten, die entlang der Achse dieser Strahlungsspule durch andere Strahlungsspulen induziert werden, sind.
In anderen, bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Treiberschaltung jeder der Spulen zugeordnet und erzeugt elektrische Steuerströme in diesen, wobei der Strom für jede Spule eine Hauptkomponente bei der jeweiligen Spulensteuerfrequenz und geringere Komponenten bei anderen Frequenzen umfaßt. Die geringeren Komponenten sind im Wesentlichen gleich in ihrer Amplitude und Frequenz und 180° phasenverschoben zu den Strömen, die in der Spule aufgrund der magnetischen Felder, die durch andere Strah lungsspulen erzeugt werden, ist, um im wesentlichen den Effekt der induzierten Ströme aufzuheben.
In einer dieser bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Treiberschaltung eine Sensiervorrichtung, die die Amplitude, Frequenz und Phase der in einer Spule induzierten Ströme mißt. Die Treiberschaltung enthält ferner eine anpassungsfähige Stromversorgung, die die Amplituden-, Frequenz- und Phasendaten, die durch die Sensiervorrichtung gemessen werden, empfängt, und erzeugt die phasenverschobenen, geringeren Stromkomponenten, um im Wesentlichen den Effekt der induzierten Ströme aufzuheben.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Treiberschaltung ideale Stromquellen, die derart arbeiten, um einen konstanten Strom in jeder der Spulen bei ihrer festgelegten, jeweiligen Steuerfrequenz aufrecht zu erhalten.
Die Schaltung zur Eliminierung von magnetischen Feldern umfaßt bevorzugt eine oder mehrere Trimmspulen, die vorzugsweise zumindest mit der einen der Vielzahl von Spannungsspulen verzwirnt ist. Darüber hinaus steuert die Treiberschaltung vorzugsweise eine der einen oder mehreren Trimmspulen, die zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen zugeordnet ist, bei der jeweiligen Steuerfrequenz einer weiteren der Vielzahl von Strahlungsspulen.
Vorzugsweise enthält die Schaltung zur Eliminierung eine anpassungsfähige Stromversorgung, die elektrische Ströme in zumindest einer der Vielzahl von Strahlungspulen bei der jeweiligen Steuerfrequenz einer anderen der Vielzahl von Strahlungsspulen erzeugt.
Vorzugsweise enthält die Schaltung zur Eliminierung ferner einen Stromanalysator, der mit der anpassungsfähigen Stromversorgung verbunden ist, wobei der Stromanalysator parasitären elektrischen Strom mißt, der zumindest in einer der Vielzahl von Strahlungsspulen bei der jeweiligen Steuerfrequenz einer anderen der Vielzahl von Strahlungsspulen fließt, und bewirkt, daß die anpassungsfähige Stromversorgung den erzeugten Strom anpaßt, um den parasitären elektrischen Strom zu minimieren.
Vorzugsweise ist die Steuerschaltung geeignet, einen konstanten Strom in jeder der Vielzahl von Strahlungsspulen bei der einzelnen, jeweiligen Steuerfrequenz derselben beizubehalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird noch besser aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben, zusammengenommen mit den Zeichnungen, verständlich, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Objektspurverfolgungssystems, das in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirksam ist, ist;
2 eine schematische Darstellung einer Strahlungsspule in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung einer Spulentreiberschaltung in Übereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
4 ein Flußdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Objektspurverfolgung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird nun Bezug genommen auf 1, die schematisch ein System zur Spurverfolgung einer Sonde 20, wie einem Katheter zur medizinischen Verwendung, das in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirksam ist, darstellt. Wie im US-Patent Nr. 5,391,199 von Ben-Haim, und mit der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 96/05768, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, umfaßt das System eine Vielzahl von Strahlungsspulen 22, 24 und 26. Diese Spulen erzeugen jeweils magnetische Felder H₁, H₂ und H₃ bei jeweiligen Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ in der Umgebung der Sonde 20. Die Sonde enthält ferner Sensorspulen 27, 28 und 29, die elektrische Stromsignale in Reaktion auf die magnetischen Felder erzeugen, wobei die Signale Komponenten bei Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃, deren jeweilige Amplituden von der Position und der Ausrichtung der Sonde 20 abhängen, umfaßt.
Das System umfaßt ferner Treiberschaltungen 30, 32 und 33, die mit jeder der Strahlungsspulen verbunden sind und die Spulen 22, 24 und 26 bei jeweiligen Steuerfrequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ steuern. Die Signale, die durch die Sensorspulen 27, 28 und 29 erzeugt werden, werden bevorzugt mittels einer Signalverarbeitungsschaltung 34 verarbeitet und dann mittels eines Computers 36 verwendet, um Positions- und Ausrichtungskoordinaten der Sonde 20 zu berechnen.
Zum Zwecke der Deutlichkeit zeigt 1 drei Strahlungsspulen 23, 24 und 26 und drei Sensorspulen 27, 28 und 29 in einer Sonde 20. Es wird jedoch verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf Spurverfolgungssysteme, die zwei, vier oder mehr Strahlungsspulen und eine, zwei oder mehr Sensorspulen umfassen. Die vorliegende Erfindung kann auch zur Spurverfolgung anderer Arten von Objekten verwendet werden.
Bei Abwesenheit von gegenseitigen Induktivitätseffekten sind die Signale, die durch die Sensorspulen 27, 28 und 29 bei einer Frequenz ω₁ erzeugt werden, proportional zu der Amplitude der Zeitableitung der Projektion des magnetischen Flusses aufgrund des Feld H, bei der Sonde 20 entlang jeder der jeweiligen Achsen der Sensorspulen. Die Signale, die bei Frequenzen ω₂ und ω₃ erzeugt werden, sind auf ähnliche Weise proportional zu den Projektionen von H₂ und H₃. Da die Richtung und Amplitude des magnetischen Feldes aufgrund einer einzelnen solchen Strahlungsspule leicht unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren berechnet werden kann, können die Sensorspulensignale aufgrund einer einzelnen Strahlungsspule direkt von dem Abstand der Sensorspule von der Strahlungsspule und einer Ausrichtung relativ zu der Strahlungsspule abhängig sein.
In der Praxis ist jedoch das magnetische Feld H₁, das durch die Strahlungsspule 22 erzeugt wird, nicht in seiner Ausdehnung auf die direkte Umgebung der Sonde 20 beschränkt, sondern weist auch eine von 0 verschiedene Amplitude in der Umgebung der Spulen 24 und 26 auf. Wie es sehr gut aus dem Stand der Technik bekannt ist (siehe z. B. Lorrain und Corson, „Electromagnetic Fields and Waves", zweite Ausgabe, 1970, Seiten 343 bis 345), kann der magnetische Fluß Φ₂ durch die Spule 24 aufgrund des Stroms I₁, der in der Spule 22 fließt, ausgedrückt werden als: Φ2 = M12I1, (1) wobei M₁₂ die gegenseitige Induktivität der Spulen 22 und 24 ist, und die Spannung, die in der Spule 24 induziert wird, wird
sein. Angenommen, daß die Spule 24 eine Induktivität L und einen Widerstand von 0 hat, wird die gesamte Spannung in der Spule
sein.
Da die Treiberschaltungen 30 und 32 vorzugsweise die Spulen 22 und 24 mit sinusförmigen elektrischen Strömungen bei den jeweiligen Frequenzen ω₁ und ω₂ der Spulen steuern und zusätzlich der Strom I₁₂ bei der Frequenz ω₁ in der Spule 24 fließen wird, ist die vorliegende Amplitude gegeben durch:
Der Strom I₁₂, der in der Strahlungsspule 24 fließt, wird bewirken, daß ein parasitäres magnetisches Feld H₁₂ bei der Frequenz ω₁ erzeugt wird, dessen Amplitude ungefähr proportional zum Verhältnis M₁₂/L sein wird, wenn ω₁ ≈ ω₂ ist. M₁₂ hängt von geometrischen Faktoren und der Anzahl von Windungen in jeder der Spulen ab. Es kann gezeigt werden (siehe z. B. J. D. Jackson „,Classical Elextrodynamics", zweite Ausgabe, Seite 263), daß für zwei koplanare Stromschleifen mit einem Radius a, die gegenseitig um einen Abstand R beabstandet sind, gilt:
Für Spulen 22 und 24, die jeweils n₁ und n₂ Windungen pro Längeneinheit umfassen und im wesentlichen identische Längen 1, innere Radien r₁ und äußere Radien r₂ aufweisen, und angenommen, daß das magnetische Feld H₁ im Wesentlichen gleichmäßig über alle Windungen der Spule 24 ist, können wir die Gleichung (5) integrieren, um die gegenseitige Induktivität der Spulen zu finden:
Daher wird z. B. in einem Spurverfolgungssystem, wie in demjenigen, das im US-Patent Nr. 5,391,199 und in der PCT-Anmeldung Nr. WO 96/05768 beschrieben ist, bei denen Spulen 22 und 24 innere Radien von 25 mm und äußere Radien von ungefähr 60 mm aufweisen und voneinander 39 cm entfernt sind, beobachtet, daß I₁₂= 0,0025 (ω₁/ω₂)I₁ ist, was zu einem Fehler von 0,5% führen kann, wenn ω₁ = 2ω₂ ist. Daher werden die Signale, die durch die Sensorspulen 27, 28 und 29 bei einer Frequenz ω₁ erzeugt werden, sowohl eine Positionssignalkomponente aufgrund von H₁ und eine parasitäre Signalkomponete aufgrund von H₁ ₂ enthalten, die Fehler von bis zu einem 1% in die Bestimmung der Position der Sonde 20 einführen können. Zusätzliche parasitäre Signalkomponenten bei Frequenz ω₁ werden durch gegenseitige Induktivität in die Spule 26 und jede andere Strahlungsspule eingeführt. Ähnlich werden auch die Sensorspulensignale bei Frequenzen ω₁ und ω₂ ebenfalls parasitäre Komponenten enthalten
Aus diesem Grund befinden sich in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt ist, eine oder mehrere Trimmspulen 40 benachbart zu der Strahlungsspule 24 und sind vorzugsweise mit dieser verzwirnt. Die Treiberschaltung 32 steuert die Spule 24 mit einem Strom I₂, bei der Steuerfrequenz ω₂ der Spule. Die Schaltung 32 steuert ferner eine Trimmspule 40 mit einem Strom I₂ ⁽¹⁾ bei einer Frequenz ω₁, wobei dieser Strom bewirkt, daß ein magnetisches Feld H₂ ⁽¹⁾ entlang der Achse der Spule 24 erzeugt wird, das gleich in der Amplitude und 180° phasenverschoben zu dem magnetischen Feld H₁₂ ist. Folglich wird der gegenseitig induzierte Strom I₁₂ im Wesentlichen aufgehoben durch einen gleichen und entgegengesetzten Strom, der aufgrund des Feldes H₂ ⁽¹⁾ induziert wird.
Obwohl sich zum Zwecke der Deutlichkeit 2 und die vorangehende Erklärung nur auf eine einzelne Trimmspule, die bei einer einzelnen Frequenz angesteuert wird, bezieht, wird es verstanden werden, daß in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jede der Spulen 22, 24 und 26 mit zumindest einer Trimmspule, die mit geeigneten Strömen und Frequenzen angesteuert wird, um im wesentlichen gegenseitig induzierte Ströme aufgrund aller anderen Spulen aufzuheben, verzwirnt ist.
3 stellt schematisch eine alternative, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Treiberschaltung 32 geeignet ist, um die Spule 24 anzusteuern, so daß im wesentlichen gegenseitig induzierte Ströme aufgehoben werden, dar. Die Schaltung 32 umfaßt eine Systemstromversorgung 50, die eine Spule 24 bei ihrer Steuerfrequenz ω₂ ansteuert und eine anpassungsfähige Stromversorgung 52, die einen Strom zur Ansteuerung der Spule 24 bei den jeweiligen Frequenzen der Spulen 22 und 26, ω₁ und ω₃, mit deren Amplituden und Phasen, bestimmt durch einen Stromanalysator 54, erzeugt. Der Stromanalysator prüft den Strom in der Spule 24, unter Verwendung von Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, und teilt den geprüften Strom in Frequenzkomponenten auf. Der Analysator 54 bewirkt, daß die anpassungsfähige Versorgung 52 die Amplituden und Phasen der erzeugten ω₁- und ω₃- Ströme anpasst, um die Komponenten, die bei Frequenzen ω₁ und ω₃ in dem geprüften Strom der Spule 24 sensiert werden, zu minimieren. Typischerweise sind die erzeugten ω₁- und ω₃- Ströme im wesentlichen gleich in ihrer Amplitude mit den gegenseitig induzierten Ströme I₁₂ und I₃₂ und 180° phasenverschoben zu diesen. Es wird verstanden werden, daß die Spulen 22 und 26 durch ähnliche adaptive Treiberschaltungen angesteuert werden.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung arbeiten die Signalverarbeitungsschaltung 34 und der Computer 36, um die Amplituden und Phasen der parasitären Signalkomponenten, die durch die Sensorspulen 27, 28 und 29 aufgrund der gegenseitigen Induktion zwischen den Strahlungsspulen erzeugt werden, zu bestimmen und korrigieren die Bestimmung der Position der Sonde 20, um die parasitären Komponenten zu berücksichtigen.
In einer solchen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Amplitude und Phase des magnetischen Feldes aufgrund jeder der Spulen unter Verwendung eines Oberschwingungserkennungsverfahrens aufgefunden. In Übereinstimmung mit diesem Verfahren werden die Signale geprüft, so daß eine ganzzahlige Anzahl von Perioden von jedem der Signale gemessen wird, d. h. 2πf_s/ω = N, wobei f_s die Prüffrequenz und N die Anzahl von Prüfpunkten ist. Auf diese Weise wird die Signalprüfung daher mit den magnetischen Feldfrequenzen synchronisiert. Wenn N eine kleine Zahl ist, dann wird die Prüfung vorzugsweise mit dem magnetischen Feld synchronisiert und kann vorzugsweise synchronisiert werden, um am Höchstwert des periodischen, magnetischen Feldes stattzufinden. Die Signale, die so bei einer Frequenz ω erhalten werden, können ausgedrückt werden als:
In der Anwesenheit von gegenseitigen Induktivitäten enthalten die Signale, die durch die j-te Sensorspule erzeugt werden, Frequenzkomponenten, deren jeweilige Amplituden Uij und Vij bei einer Strahlungsspulenfrequenz ω₁, die wie folgt ausgedrückt werden können:
In den Gleichungen (8) und (9) repräsentieren Aij und Φi jeweils die Amplitude und Phase der Positionssignalkomponenten, die von der Sensorspule 28 (hier identifiziert als die j-te Sensorspule) bei einer Frequenz ω_i aufgrund des magnetischen Felds der i-te Strahlungsspule empfangen werden, unter Mißachtung von gegenseitigen Induktivitätseffekten. Aijk^m und Φik^m sind die jeweiligen Amplituden und Phasen der parasitären Signalkomponenten, die durch die j-te Sensorspule bei einer Frequenz ω_i aufgrund der gegenseitigen Induktivität zwischen der i-ten und k-ten Strahlungsspule erzeugt werden.
Um korrekt die Position der Sensorspulen 27, 28 und 29 und der Sonde 20 zu bestimmen, werden die Signale, die von der Spule empfangen werden, vorzugsweise unter Verwendung eines Verfahrens, das in 4 dargestellt ist, verarbeitet. Zuerst (60) werden die Signale in Komponenten Uij und Vij bei Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ unter Verwendung von Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wie eine Oberschwingungserkennung, getrennt. Die Amplituden dieser Signale Aij werden dann bestimmt (62), unter der Annahme, daß die gegenseitigen Induktivitätseffekte unbeachtlich sind, d. h. alle Aijk^m sind null. Die Phasen Φi und Φik^m, die nur von den Strahlungsspulen abhängen, werden durch Messung der jeweiligen Strahlungsspulenphasen (64) abgeleitet. Die Amplituden Aij werden dann verwendet, um die Position und Ausrichtung der Spulen 27, 28 und 29 (66) abzuschätzen, wie z. B. in der PCT-Anmeldung Nr. WO 96/05768 beschrieben ist.
Die theoretischen Werte der Aijk^m werden dann berechnet, um die Position der Sensorspulen (68) abzuschätzen. Um diese Berechnung auszuführen, werden die parasitären magnetischen Felder, die aufgrund der gegenseitigen Induktivität zwischen den Strahlungsspulen erzeugt werden, Hik, an der abgeschätzten Position der Sensorspulen bestimmt. Diese parasitären Felder werden aus dem Koordinatennetzrahmen der Strahlungsspulen in den der Sensorspulen, basierend auf den Projektionen der parasitären Felder entlang der jeweiligen Achsen der Sensorspulen, übertragen. Die Feldprojektionen werden verwendet, um theoretische Amplituden der parasitären Signalkomponenten, die durch die Sensorspulen erzeugt werden, unter Verwendung der Beziehung
berechnet, wobei die drei Werte von A ^m _ipk die theoretischen Signalamplituden in dem Referenzrahmen der Strahlungsspulen sind und Mjp die Elemente der Ausrichtungsmatrix sind.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die Amplituden und Richtungen der parasitären magnetischen Felder Hik bei den Positionen der Sensorspulen zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die gegenseitigen Induktivitäten zwischen den Spulen und die resultierenden magnetischen Felder theoretisch aus geometrischen Überlegungen, unter Verwendung von Verfahren, die sehr gut aus dem Stand der Technik bekannt sind, berechnet. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform wird die gegenseitige Induktivität eines Paares von Radiatorspulen durch Aktivierung der Treiberschaltung von einer der Spulen bestimmt, um ein magnetisches Feld bei seiner Steuerfrequenz zu erzeugen, und dann dann Messen des elektrischen Stroms, der in den anderen Spulen bei dieser Frequenz fließt. Diese gemessenen, gegenseitigen Induktivitäten werden dann verwendet, um die resultierenden, parasitären magnetischen Felder, wie zuvor erläutert, zu berechnen.
Schließlich werden die theoretischen Aijk^m Koeffizienten in die Gleichungen 8 und 9 zurückgetauscht, um korrekte Werte der neuen Aij-Elemente (70) zu bestimmen und diese Werte werden dann verwendet, um die Positions- und Ausrichtungskoordinaten der Sonde zu korrigieren (72). Die Schritte (68), (70) und (72) werden vorzugsweise iterativ wiederholt, bis die Positions- und Ausrichtungskoordinaten der Sonde konvergieren.
Es wird verstanden werden, daß obwohl das obige Verfahren in Bezug auf ein System beschrieben wurde, das drei Strahlungsspulen und drei Sensorspulen umfaßt, das Verfahren äquivalent auf andere elektromagnetische Objektspurverfolgungssysteme angewendet werden kann, die eine größere oder eine geringere Anzahl von Spulen oder Antennen verwenden.

Claims

Vorrichtung zur Spurverfolgung eines Objekts durch Erzeugung von magnetischen Feldern, umfassend: eine Vielzahl von Strahlungsspulen (22, 24, 26); eine damit verbundene Treiberschaltung (30, 32, 33), die die Spulen (22, 24, 26) ansteuert, um magnetische Felder bei einer Vielzahl von Steuerfrequenzen zu erzeugen; wobei jede der Vielzahl von Strahlungsspulen (22, 24, 26) ein Feld bei im Wesentlichen einer einzelnen, jeweiligen Steuerfrequenz erzeugt; dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (32) mit zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen (24) verknüpft ist, wobei die Schaltung (32) magnetische Felder zur im Wesentlichen Eliminierung von magnetischen Feldern, die durch zumindest eine Spule (24) in Reaktion auf Felder, die durch die anderen Spulen (22, 26) erzeugt werden, erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Eliminierung eine oder mehrere Trimmspulen (40) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Trimmspulen (40) mit zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen (24) verzwirnt ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (32) ferner eine der einen oder mehreren Trimmspulen (40), die mit zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen (24) bei der jeweiligen Frequenz von einer anderen der Vielzahl von Strahlungsspulen (22) verknüpft ist, ansteuert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (32) zur Eliminierung eine anpassungsfähige Stromversorgung (52) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anpassungsfähige Stromversorgung (52) elektrische Ströme in zumindest einer der Vielzahl von Strahlungsspulen (24) bei der jeweiligen Steuerfrequenz einer anderen der Vielzahl von Strahlungsspulen (22) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (32) zur Eliminierung ferner einen Stromanalysator (54) enthält, der mit der anpassungsfähigen Stromversorgung (52) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromanalysator (54) parasitären elektrischen Strom mißt, der zumindest in einer der Vielzahl von Strahlungsspulen (24) bei der jeweiligen Steuerfrequenz einer anderen der Vielzahl von Strahlungsspulen (22) fließt, und bewirkt, daß die anpassungsfähige Stromversorgung (52) den erzeugten Strom anpaßt, um den parasitären elektrischen Strom zu minimieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerschaltung einen konstanten Strom in jeder der Vielzahl von Strahlungsspulen (22, 24, 26) bei der einzelnen, jeweiligen Steuerfrequenz derselben beibehält.