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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Vorrichtungen zum
Erzeugen und Detektieren elektromagnetischer Felder und im besonderen
berührungslose,
elektromagnetische Verfahren und Vorrichtungen zur Verfolgung der
Position und Orientierung eines Objektes.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Berührungslose
elektromagnetische Verfolgungssysteme sind auf dem Fachgebiet bei
einer breiten Palette von Anwendungen wohlbekannt.
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Beispielsweise
beschreibt US-Patentschrift 4.054.881 ein Verfolgungssystem, das
drei Spulen verwendet, um elektromagnetische Felder in der Nähe des Objektes
zu erzeugen. Die Felder, die durch diese drei Spulen erzeugt sind,
werden voneinander durch Open-Loop-Multiplexen der Zeit, Frequenz
oder Phase unterschieden. Die Signalströme, die in drei senkrechten
Sensorspulen fließen,
werden verwendet, um die Position des Objektes basierend auf einem
iterativen Berechnungsverfahren zu bestimmten.
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Andere
elektromagnetische Verfolgungssysteme sind in den US-Patentschriften
3,644,825, 3,868,565, 4,017,858 und 4,849,692 beschrieben.
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Die
Ben-Haim erteilte US-Patentschrift 5,391,199 beschreibt ein System
zum Erzeugen dreidimensionaler Ortsinformationen bezüglich einer
medizinischen Sonde oder eines Katheters. Eine Sensorspule ist im Katheter
plaziert und erzeugt in Reaktion auf extern angelegte Magnetfelder
Signale. Die Magnetfelder sind durch drei Abstrahl-Spulen erzeugt,
die an einem externen Bezugsrahmen bzw. Bezugssystem an bekannten, in
einem Abstand zueinander angeordneten Stellen befestigt sind. Die
Amplituden der Signale, die in Reaktion auf ein jedes der Abstrahl-Spulen-Felder
erzeugt werden, werden detektiert und verwendet, um die Stelle der Sensorspule
zu berechnen. Eine jede Abstrahl-Spule wird vorzugsweise durch Ansteuerschaltungen
angesteuert, um ein Feld bei einer bekannten Frequenz zu erzeugen,
die von jener anderer Abstrahl-Spulen verschieden ist, so daß die Signale,
die durch die Sensorspule erzeugt werden, nach der Frequenz in Komponenten
separiert werden können,
die den unterschiedlichen Abstrahl-Spulen entsprechen.
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PCT-Offenlegungsschrift
Nummer WO96/05768 beschreibt ein System, das sechsdimensionale Positions-
und Orientierungsinformationen bezüglich der Spitze eines Katheters
erzeugt. Dieses System verwendet eine Mehrzahl nichtkonzentrischer
Sensorspulen, die einem lokalisierbaren Ort im Katheter benachbart
sind, beispielsweise nahe seinem distalen Ende, und eine Mehrzahl
von Abstrahl-Spulen, die in einem externen Bezugsrahmen befestigt
sind. Die Sensorspulen erzeugen Signale in Reaktion auf Magnetfelder,
die durch die Abstrahl-Spulen erzeugt werden, wobei die Signale
die Berechnung von sechs Orts- und Orientierungskoordinaten ermöglichen.
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Abstrahl-Spulen
mit Kernen sind in Positionsbestimmungssystemen bekannt. Die Kerne
erhöhen
die Feldabgabe der Spulen, neigen aber dazu, die Felder zu verzerren,
und verringern daher die Genauigkeit der Positionsdetektion. Die
Theorie von Magnetfeldern, die durch Abstrahl-Spulen mit Kernen
erzeugt werden, ist auf dem Fachgebiet bekannt, wie beispielsweise
von John David Jackson in Classical Electrodynamics, zweite Auflage
(1975), Seiten 168–208,
beschrieben ist. In der Praxis ist es jedoch schwierig, ein theoretisches
Modell herzuleiten, das das Magnetfeld genau vorhersagt, das durch
eine Spule mit einem Kern erzeugt wird.
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Ferritkerne
sind vorteilhaft, weil sie sowohl eine hohe magnetische Permeabilität (μ) als auch
einen hohen spezifischen Widerstand (ρ) aufweisen. Infolge des hohen
spezifischen Widerstandes können
die Kerne mit einem magnetischen Wechselfeld (Wechselstrom-Magnetfeld)
verwendet werden, ohne in den Kernen Wirbelströme zu induzieren, die das Magnetfeld
weiter verzerren und verkomplizieren. Das Polhemus-Positionsbestimmungssystem,
wie es beispielsweise in US-Patentschrift 4.017.858 beschrieben
ist, verwendet derartige Ferritkerne in seinen (Wechselstrom-)Abstrahlern.
Ferritwerkstoffe sind jedoch relativ teuer und zerbrechlich, was
sie für
die Verwendung in Größen über etwa
5 cm Durchmesser unpraktisch und unwirtschaftlich macht.
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Weicheisenkerne
sind ebenfalls zur Erhöhung
der Magnetfeldabgabe einer Spule wirksam, aber sie verursachen eine
schwere Verzerrung von Wechselstrom-Magnetfeldern infolge von Wirbelströmen, die
durch die Spule im Kern erzeugt werden. Das Ascension-Positionsbestimmungssystem,
welches in US-Patentschrift 4,849,692 beschrieben ist, basiert auf einem
Gleichstrom-Magnetfeld und kann daher Weicheisenkerne in seinen
Gleichstrom-Abstrahl-Spulen
verwenden, da durch das Gleichstromfeld keine Wirbelströme erzeugt
werden.
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Ein
Verfahren zum Erzeugen von Feldamplituden-Kalibrationsfaktoren eines
Magnetfeldes in der Nähe
eines Magnetfeldgenerators ist aus WO 95/09562 bekannt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Genauigkeit und Wirksamkeit elektromagnetischer Verfolgungssysteme,
wie beispielsweise der oben zitierten, ist im allgemeinen von einer
präzisen
Kenntnis der Verteilung der Magnetfelder anhängig, die durch die Abstrahl-Spulen
erzeugt werden. Obgleich diese Felder basierend auf der Geometrie
der Spulen theoretisch berechnet werden können, unterscheiden sich die
tatsächlichen
Magnetfelder typischerweise von den theoretischen Modellen. Beispielsweise
können
sich die Felder von den Modellen infolge kleiner Abweichungen bei
der Herstellung der Spulen unterscheiden. In dem Fall, daß die Spulen
einen ferromagnetischen Kern aufweisen, müssen auch die Geometrie und
die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Kerns berücksichtigt
werden. Typischerweise gibt es größere Abweichungen von den theoretischen
Modellen beispielsweise infolge von Nicht-Linearitäten, Hysterese
und Wirbelströmen
im Kern und von einer unpräzisen
Lage des Kerns relativ zu den Spulen. Diese Abweichungen können zu
Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Position und Orientierung
des verfolgten Objektes führen.
Er wäre
deshalb wünschenswert,
die Abstrahl-Spulen durch präzise
Messung der Richtung und der Amplitude des Magnetfeldes in der Nähe des zu
verfolgenden Objektes zu kalibrieren.
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Somit
ist es eine Aufgabe einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zum Kalibrieren eines Magnetfeldgenerators bereitzustellen.
Das Verfahren der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
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In
einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung werden die Feldgleichungen
einer elektromagnetischen Abstrahl-Spule verwendet, um ein parametrisches,
theoretisches Modell des Feldes herzuleiten, das mit Kalibrationsmessungen
des Feldes verglichen wird, um genaue Werte der Parameter zu bestimmen.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung berücksichtigt das theoretische
Modell Störungen
des Feldes infolge der Wirkung eines ferromagnetischen Kerns in
der Abstrahl-Spule.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Abstrahl-Spulen
als Teil eines Objektverfolgungssystems verwendet, wie beispielsweise
eines Systems zur Verwendung bei der Bestimmung der Position und
Orientierung einer Sonde innerhalb des Körpers eines Subjektes während einer
internistischen oder chirurgischen Behandlung.
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In
bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen Vorrichtungen
zum Kalibrieren eines Magnetfeldgenerators mindestens zwei Sensorspulen,
die in einer bekannten geometrischen Beziehung an einer Positionierungsvorrichtung
befestigt sind. Die Positionierungsvorrichtung, die von jedwedem
geeigneten Typ sein kann, der auf dem Fachgebiet bekannt ist, ist
ausgelegt, die mindestens zwei Sensorspulen an einer oder mehreren
bekannten Positionen in der Nähe
des Feldgenerators zu positionieren, der kalibriert wird. Die mindestens
zwei Sensorspulen erzeugen in Anwesenheit eines magnetischen Wechselfeldes
elektrische Signale, wobei die Signale analysiert werden, um die
Richtung und die Amplitude des Magnetfeldes an der Position der
Spulen zu bestimmen.
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In
einigen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen die mindestens zwei Sensorspulen
eine Mehrzahl von Sensorspulen, die vorzugsweise drei nichtkonzentrische
Spulen beinhalten, die zueinander im wesentlichen senkrecht sind
und in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand befestigt sind.
Nichtkonzentrische Spulen sind insofern vorteilhaft, als sie einfacher
in kleinem Volumen gewickelt werden können, von vorzugsweise 1 mm3 oder weniger, wie es zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung wünschenswert
ist.
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In
einigen dieser bevorzugten Ausführungsformen
sind die Spulen in einer im wesentlichen linearen Anordnung befestigt.
Vorzugsweise positioniert die Positionierungsvorrichtung die Spulen
nacheinander an einer Mehrzahl von Positionen entlang einer Achse,
die durch die Anordnung der Spulen definiert ist. In einer derartigen
bevorzugten Ausführungsform
sind die drei nichtkonzentrischen Spulen in einer Sonde im wesentlichen
so befestigt, wie in der PCT-Anmeldung
Nummer PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A) beschrieben.
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In
anderen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind die Spulen an jeweiligen Flächen eines
Würfels
befestigt. In einer derartigen bevorzugten Ausführungsform sind sechs Spulen
jeweils derart auf den sechs Flächen
des Würfels
befestigt, daß die
Achse einer jeden der Spulen senkrecht zur jeweiligen Fläche ist,
an der sie befestigt ist. Vorzugsweise positioniert die Positionierungsvorrichtung
den Würfel an
einer Mehrzahl von Positionen auf einem Raster, das durch die Anordnung
der Spulen auf dem Würfel
definiert ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist,
umfaßt
das Verfahren zum Kalibrieren eines Magnetfeldgenerators das Plazieren
mindestens einer Sensorspule in einer oder mehreren bekannten Positionen
und Orientierungen in der Nähe
des Feldgenerators, Betreiben des Feldgenerators, um ein magnetisches
Wechselfeld zu erzeugen, und Messen der elektrischen Signale, die durch
die mindestens eine Sensorspule erzeugt werden, um so die Richtung
und die Amplitude des Magnetfeldes an der einen oder den mehreren
bekannten Positionen zu bestimmen. Die Spule kann einen Luftkern oder,
vorzugsweise, einen ferromagnetischen Kern aufweisen.
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In
einigen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei denen der Feldgenerator im wesentlichen
rotationssymmetrisch um eine Achse desselben ist, beinhaltet das
Verfahren zum Kalibrieren des Feldgenerators das Definieren einer
Kalibrationsebene, die eine erste Achse, die durch eine Achse der Rotationssymmetrie
des Feldgenerators definiert ist, und eine zweite Achse aufweist,
die so gewählt
ist, daß sie
senkrecht zur ersten Achse ist. Vorzugsweise liegt die zweite Achse
in einer Ebene, die durch den Feldgenerator definiert ist. Dann
ist mindestens eine Sensorspule in einer oder mehreren bekannten
Positionen plaziert, die im wesentlichen innerhalb eines Quadranten
dieser Ebene liegen, der durch die erste und die zweite Achse definiert
ist, und die Richtungen und Amplituden der Magnetfelder werden in
diesem Quadranten bestimmt. Infolge der wesentlichen Symmetrie des
Feldgenerators sind die Richtungen und Amplituden des Magnetfeldes,
die in diesem Quadranten bestimmt werden, ausreichend, um die Richtungen
und Amplituden des Magnetfeldes in irgendeinem anderen Quadranten
zu bestimmen, der durch Wählen
einer anderen zweiten Achse senkrecht zur ersten Achse definiert
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren zum Kalibrieren
eines Feldgenerators das Befestigen dreier Sensorspulen an einer
Positionierungsvorrichtung in bekannten, zueinander im wesentlichen
senkrechten Orientierungen und in bekannten Positionen in einer
nichtkonzentrischen, im wesentlichen linearen Anordnung. Die Positionierungsvorrichtung
wird verwendet, um die Spulen nacheinander in einer Mehrzahl von
bekannten Positionen entlang einer ersten Achse zu plazieren, die durch
die Anordnung der Spulen definiert ist. Das elektrische Signal,
das durch eine jede der drei Sensorspulen an einer jeden der Mehrzahl
von Positionen entlang dieser ersten Achse erzeugt wird, wird verwendet,
um die Amplitude der Komponente des Magnetfeldes zu bestimmen, die
entlang der Richtung der Orientierung der jeweiligen Sensorspule
projiziert ist. Drei derartige Komponenten-Amplituden werden so
an einer jeden der Mehrzahl von Positionen bestimmt, so daß das Magnetfeld
entlang der ersten Achse vollständig
bestimmt ist. Die Positionierungsvorrichtung wird dann zu einer
oder mehreren weiteren Achsen parallel und mit bekannter Verschiebung
relativ zur ersten Achse verschoben, und die oben beschriebenen
Schritte werden wiederholt, um so die Magnetfelder entlang dieser
weiteren Achsen zu bestimmen.
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Alternativ
umfaßt
in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Befestigen der drei Sensorspulen das Befestigen einer
Positionsbestimmungsvorrichtung, die drei Sensorspulen beinhaltet,
im wesentlichen so, wie in der obenerwähnten PCT-Anmeldung Nummer
PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A) beschrieben ist. Positionssignale,
die von der Vorrichtung an einer jeden der Mehrzahl bekannter Positionen
in der Nähe
des Feldgenerators empfangen werden, werden mit den tatsächlichen,
bekannten Positionskoordinaten verglichen, um so eine Kalibrationsfunktion
zu erzeugen.
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In
anderen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Sensorspule verwendet,
um weitere Messungen sowohl in der Kalibrationsebene, wie oben beschrieben,
als auch in einer oder mehreren weiteren Ebenen vorzunehmen, die
vorzugsweise dieselbe erste Achse wie die Kalibrationsebene aufweisen,
aber unterschiedliche jeweilige zweite Achsen aufweisen. Derartige
weitere Messungen sind nützlich
beim Kalibrieren des Feldgenerators, wenn das Feld von der Rotationssymmetrie
beispielsweise infolge von Asymmetrie und/oder Exzentrizität eines
ferromagnetischen Kerns innerhalb des Abstrahlers abweichen kann.
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In
noch anderen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Sensorspule verwendet,
um Messungen der Richtung und der Amplitude des Magnetfeldes an
einem Raster von Punkten in der Nähe des Feldgenerators vorzunehmen.
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Daher
ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Magnetfeldgenerators bereitgestellt,
das folgendes beinhaltet:
Befestigen von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren
an einer Sonde in bekannten Positionen und Orientierungen;
Auswählen einer
Mehrzahl von bekannten Stellen in der Nähe des Magnetfeldgenerators;
Betreiben
des Magnetfeldgenerators, um ein Magnetfeld zu erzeugen;
Bewegen
der Sonde in einer vorbestimmten, bekannten Orientierung zu einer
jeden der Mehrzahl von bekannten Stellen,
Empfangen von Signalen
von den zwei oder mehr Sensoren an jeder der Mehrzahl von bekannten
Stellen;
Verarbeiten der Signale, um die Amplitude und die
Richtung des Magnetfeldes an den jeweiligen Positionen der zwei
oder mehr Sensoren zu messen; und
Bestimmen von Kalibrationsfaktoren,
die sich auf die Amplitude und die Richtung des Magnetfeldes in
der Nähe
des Magnetfeldgenerators beziehen.
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Vorzugsweise
beinhaltet das Befestigen von zwei oder mehr Magnetsensoren an einer
Sonde das Befestigen von Sensorspulen an der Sonde. Zwei oder mehr
Sensorspulen sind vorzugsweise an der Sonde in derartigen Orientierungen
befestigt, daß die
jeweiligen Achsen der Spulen zueinander im wesentlichen senkrecht
sind.
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Vorzugsweise
beinhaltet das Befestigen von zwei oder mehr Magnetsensoren an einer
Sonde das Befestigen von drei Sensoren an der Sonde, so daß die Positionen
der Sensoren an der Sonde im wesentlichen kolinear sind.
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Alternativ
beinhaltet das Befestigen von zwei oder mehr Magnetsensoren an der
Sonde das Befestigen von Sensoren an einem Würfel.
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Das
Bewegen der Sonde beinhaltet das Bewegen der Sonde entlang einer
Achse, die durch die Positionen der Sensoren an der Sonde definiert
ist und durch zwei oder mehr der Mehrzahl von Stellen verläuft, in Schritten
von im wesentlichen gleicher Länge,
so daß der
Abstand zwischen jeweils zwei der Sensoren im wesentlichen ein ganzzahliges
Vielfaches der Länge
der Schritte ist.
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Vorzugsweise
beinhaltet zum Kalibrieren eines Magnetfeldgenerators, der im wesentlichen
rotationssymmetrisch ist, das Auswählen der Mehrzahl von bekannten
Stellen das Auswählen
der Mehrzahl von bekannten Stellen in einem Quadranten, welcher
durch die Achse der Rotationssymmetrie des Magnetfeldgenerators
und durch eine zweite Achse in einer Ebene definiert ist, welche
durch den Magnetfeldgenerator definiert ist und zur Achse der Rotationssymmetrie
normal ist, und das Bewegen der Sonde beinhaltet das Orientieren der
Sonde so, daß die
zwei oder mehr Sensoren in der Ebene angeordnet sind.
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Die
Bestimmung von Kalibrationsfaktoren beinhaltet vorzugsweise das
Berechnen theoretischer Werte der Amplitude und der Richtung des
Magnetfeldes, welches von dem Magnetfeldgenerator an der Mehrzahl bekannter
Stellen erzeugt wird; Vergleichen der theoretischen Werte mit der
Amplitude und der Richtung des an den genannten Stellen gemessenen
Magnetfeldes; und Berechnen von arithmetischen Faktoren, die der Differenz
zwischen den theoretischen Werten und der gemessenen Amplitude und
Richtung des Magnetfeldes an einer jeden derartigen Stelle entsprechen.
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Vorzugsweise
beinhaltet die Berechnung der arithmetischen Faktoren das Fitten
der theoretischen Werte an die gemessene Amplitude und Richtung
des Feldes.
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Vorzugsweise
beinhaltet die Berechnung theoretischer Werte das Herleiten eines
theoretischen Modells des Magnetfeldes in Anwesenheit eines Luftkerns
innerhalb des Magnetfeldgenerators und Modifizieren des Modells,
um die Anwesenheit eines ferromagnetischen Kerns innerhalb des Magnetfeldgenerators
zu berücksichtigen.
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Alternativ
oder zusätzlich
beinhaltet die Modifizierung des Modells das Bestimmen einer Störung des Feldes
infolge des Kerns, vorzugsweise durch Bestimmen einer Störung infolge
einer Nicht-Linearität
des Kerns oder ferner alternativ oder zusätzlich durch Bestimmen einer
Störung
infolge von Wirbelströmen
im Kern.
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In
einer bevorzugten Ausführugsform
beinhaltet das oben beschriebene Verfahren ferner das Befestigen
einer auf ein Magnetfeld ansprechenden Positionsbestimmungsvorrichtung
an einem Objekt; Plazieren des Objektes in der Nähe des Magnetfeldgenerators;
Empfangen von Signalen von der Positionsbestimmungsvorrichtung;
Verarbeiten der Signale, um die Position oder Orientierung des Objekts
zu berechnen; und Verwenden der Kalibrationsfaktoren, um die Genauigkeit
der Berechnung der Position oder Orientierung zu verbessern.
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Vorzugsweise
beinhaltet das Kalibrieren des Magnetfeldes das Speichern der Kalibrationsfaktoren
in einem Speicher, der mit der Abstrahl-Spule assoziiert ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben zusammen
mit den Zeichnungen, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Kalibrieren eines
Magnetfeldgenerators ist;
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2A eine
schematische Schnittansicht einer Magnetfeldgenerator-Spule mit
einem Luftkern zu Zwecken der Veranschaulichung der Kalibration
der Spule ist;
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2B eine
schematische Schnittansicht einer Magnetfeldgenerator-Spule mit
einem ferromagnetischen Kern zu Zwecken der Veranschaulichung der
Kalibration der Spule ist;
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3 eine
schematische isometrische Darstellung einer Magnetfeldgenerator-Spule
mit einem ferromagnetischen Kern ist, die ein Koordinatensystem
zeigt, das beim Herleiten eines parametrischen Modells der Magnetfeldes
infolge der Spule verwendet wird; und
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4 ein
Graph ist, der ein theoretisches Modell eines Magnetfeldes darstellt,
das durch die Spule nach 3 erzeugt ist;
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5 eine
schematische isometrische Darstellung einer Vorrichtung zum Kalibrieren
eines Magnetfeldgenerators ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Jetzt
wird Bezug auf 1 genommen, die drei Sensorspulen 20, 22, 24 zum
Kalibrieren eines (in 1 nicht gezeigten) Magnetfeldgenerators
zeigt. Die Spulen 20, 22 und 24 sind
vorzugsweise von kleiner Größe, wobei
eine jede Spule ein Volumen von näherungsweise 1 mm3 aufweist.
Die Spulen sind in einer im wesentlichen linearen Anordnung an Sonde 26 befestigt,
die wiederum an Positionierungsvorrichtung 30 befestigt
ist. Die Sonde 26 und assoziierte Teile sind vorzugsweise
aus hartem Kunststoff oder einer anderen nichtleitenden Substanz
hergestellt, um so die Feldlinien des Magnetfeldes nicht zu verzerren.
Die Spulen 20, 22 und 24 sind in vorbestimmten,
bekannten Orientierungen orientiert, die zueinander im wesentlichen
senkrecht sind. In Anwesenheit eines magnetischen Wechselfeldes
werden elektrische Ströme
in den Spulen induziert, die im wesentlichen zu den Amplituden der
Komponenten des Magnetfeldes entlang der jeweiligen Achsen der Spulen
an ihren jeweiligen Positionen proportional sind. Diese Signale
werden durch Leitungen 32 zu Signalverarbeitungsvorrichtung 34 transportiert,
welche die Signale verarbeitet, um die Richtung und die Amplitude
des Magnetfeldes zu bestimmen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt
ist, ist die Positionierungsvorrichtung 30 ein X-Y-Linearversteller,
der von jedwedem geeigneten Typ sein kann, der auf dem Fachgebiet
bekannt ist. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung kann die Positionierungsvorrichtung 30 eine X-Y-Z-Translationsvorrichtung
sein, oder sie kann auch ein oder mehrere Drehelemente beinhalten.
Vorrichtung 30 kann von Hand betätigt, motorgetrieben oder unter
Verwendung anderer Mittel und Verfahren betätigt sein, die auf dem Fachgebiet
bekannt sind, beispielsweise durch einen Roboter.
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Die
Positionen von Spulen 20, 22 und 24 auf
Sonde 26 definieren eine Achse der Bewegung 36,
die parallel zur Y-Richtung ist, wie in 1 dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Positionierungsvorrichtung 30 ausgelegt,
um Sonde 26 entlang Achse 36 zu bewegen. Vorrichtung 30 bewegt
Sonde 26 in Schritten konstanter Größe, so daß der Abstand zwischen jedwedem
Paar von Spulen 20, 22 und 24 eine ganzzahlige
Anzahl der Schritte ist. Auf diese Weise wird wiederum eine jede
der Spulen 20, 22 und 24 an einem jeden
Punkt entlang der Achse positioniert, beispielsweise Punkt 38,
so daß drei
im wesentlichen senkrechte Komponenten des Magnetfeldes an einem
jeden derartigen Punkt bestimmt werden.
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Nachdem
Magnetfelder an allen gewünschten
Punkten entlang Achse 36 gemessen worden sind, verschiebt
die Positionierungsvorrichtung 30 die Sonde 26 um
eine vorbestimmte, bekannte Entfernung in der X-Richtung, und dann
werden die Messungen durch Bewegen der Sonde entlang der Y-Richtung
wiederholt, wie oben beschrieben.
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In
einer anderen (nicht in den Figuren gezeigten) bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die drei nichtkonzentrischen Spulen 20, 22 und 24 in
einer Sonde im wesentlichen so befestigt, wie in der obenerwähnten PCT-Anmeldung
Nummer PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A) beschrieben ist. Diese Sonde
ist an einer Positionierungsvorrichtung befestigt und wird statt
Sonde 26 und Spulen 20, 22 und 24 beim
Kalibrieren einer Abstrahl-Spule verwendet, wie oben beschrieben.
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In
noch anderen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
zwei, vier oder mehr Spulen in jedweder geeigneten geometrischen
Konfiguration verwendet werden, um einen Magnetfeldgenerator zu
kalibrieren. Die Spulen können
konzentrisch oder nichtkonzentrisch sein.
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2A ist
eine Schnittansicht einer Abstrahl-Spule 40, die einen
Luftkern 43 aufweist und beim Erzeugen von Magnetfeldern
verwendet wird. Abstrahl-Spule 40 ist rotationssymmetrisch
um Symmetrieachse 42. Eine zweite Achse 46 ist
so gewählt,
daß sie
senkrecht zu Symmetrieachse 42 ist, wobei sich die zweite Achse 46 vorzugsweise
in einer Ebene 48 befindet, die durch Spule 40 definiert
ist. Die Achsen 42 und 46 definieren einen Quadranten 44 einer
Ebene normal zu Ebene 48. Der Fachmann wird verstehen,
daß die
Magnetfelder, die durch Abstrahl-Spule 40 erzeugt werden,
ebenfalls rotationssymmetrisch um Achse 42 sind. Somit
sind die Richtungen und die Amplituden eines Magnetfeldes, das durch
Spule 40 erzeugt wird, bestimmt in Relation zu einem Quadranten 44,
im wesentlichen unabhängig
von der Wahl der zweiten Achse 46.
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Daher
wird in bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Abstrahl-Spule 40 durch
Messen der Richtung und der Amplitude des Magnetfeldes an einem
oder mehreren Punkten in Quadrant 44 kalibriert, der durch
Achsen 42 und 46 definiert ist. Die gemessenen
Werte von Richtung und Amplitude an dem einen oder den mehreren
Punkten in diesem Quadranten werden dann mit theoretisch berechneten
Werten verglichen, und jedwede wesentlichen Differenzen zwischen
gemessenen und theoretischen Werten werden aufgezeichnet und verwendet,
um Kalibrationskorrekturfaktoren zu bestimmen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Kalibrationskorrekturfaktoren
elektronisch in einem Speicher 47 gespeichert, der vorzugsweise
einen EPROM oder eine andere programmierbare Mikroschaltung umfaßt, der
bzw. die mit der Abstrahl-Spule assoziiert ist. Die Korrekturfaktoren,
die in Relation zum Quadranten 44 bestimmt sind, werden
danach verwendet, um das Magnetfeld in allen Quadranten oberhalb von
Ebene 48 der Spule zu kalibrieren.
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Man
wird verstehen, daß das
oben beschriebene Verfahren gleicherweise angewandt werden kann, um
Kalibrationskorrekturfaktoren in Relation zu Quadranten unterhalb
von Ebene 48 von Spule 40 zu bestimmen. Außerdem sind,
wenn die Spule zusätzlich
bezüglich
der Ebene 48 spiegelsymmetrisch ist, die Korrekturfaktoren,
die in Relation zu Quadrant 44 bestimmt sind, selbst ausreichend,
um Kalibrationskorrekturfaktoren in Relation zu Quadranten unterhalb
der Ebene zu bestimmen.
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2B ist
eine Schnittansicht einer Abstrahl-Spule 60, die beim Erzeugen
von Magnetfeldern verwendet wird. Spule 60 ist im wesentlichen
Spule 40 ähnlich,
wie sie oben beschrieben wurde, außer daß Spule 60 einen ferromagnetischen
Kern 62 enthält.
Im allgemeinen ist der ferromagnetische Kern 62 aus einem
nicht leitfähigen
Werkstoff wie beispielsweise einem Ferrit oder einem leitfähigen Werkstoff
wie beispielsweise Weicheisen gebildet. Der ferromagnetische Kern 62 ist
rotationssymmetrisch bezüglich
der Symmetrieachse 42. Man wird somit verstehen, daß die Magnetfelder,
die durch die Abstrahl-Spule 60 und den ferromagnetischen
Kern 62 erzeugt werden, ebenfalls rotationssymmetrisch
bezüglich
der Achse 42 sind. Somit sind die Richtungen und die Amplituden
eines Magnetfeldes, das durch die Spule 60 mit Kern 62 erzeugt
wird, bestimmt in Relation zu einem Quadranten 44, im wesentlichen
unabhängig
von der Wahl der zweiten Achse 46, die wie oben definiert
ist, solange die Symmetrie beibehalten wird.
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Die
Anwesenheit des ferromagnetischen Kerns 62 in Spule 60 erhöht die Amplitude
des Magnetfeldes, das an einer gegebenen Position erzeugt wird,
erheblich verglichen mit dem Feld, das erzeugt wird, wenn kein Kern
vorliegt. Die Erhöhung
der Amplitude des Feldes vergrößert den
als Abbildungsvolumen bekannten Bereich, in dem Sensorspulen, beispielsweise
wie in der oben erwähnten
US-Patentschrift 5,391,199 beschrieben, ein ausreichend starkes
Signal geben, um das Vornehmen genauer Positionsmessungen zu ermöglichen.
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Obgleich
der ferromagnetische Kern 62 das Abbildungsvolumen relativ
zum Strom, der an die Spule 60 angelegt wird, erhöht, wird
die einfache Situation, die oben bezüglich der Form des Magnetfeldes
und der Kalibration der Spule im Luftkern-Fall beschrieben ist,
komplizierter, wenn ein ferromagnetischer Kern vorhanden ist. Die
Anwesenheit des ferromagnetischen Kerns 62 kann verursachen,
daß das
Feld infolge von Kernparametern wie beispielsweise Permeabilität, spezifischer
Widerstand und Hysterese erheblich von theoretischen Modellen abweicht.
Wenn beispielsweise der ferromagnetische Kern 62 einen
in allgemeinen endlichen spezifischen Widerstand aufweist, wie im
Falle eines Weicheisenkerns, führen
zeitabhängige
Magnetfelder Wirbelströme
in den Kern ein, die das Feld erheblich stören. Außerdem weicht das Magnetfeld
weiter vom theoretischen Modell ab, wenn der Kern nicht präzise symmetrisch
ist oder nicht präzise
in der Spule 60 zentriert ist.
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Somit
werden in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Parameter wie beispielsweise Permeabilität, spezifischer
Widerstand, Hysterese, Position, Gestalt und Maße des ferromagnetischen Kerns 62 beim
Herleiten eines theoretischen Modells verwendet, gegen das das Feld
von Spule 60 kalibriert wird. Das Modell beinhaltet vorzugsweise
ferner Parameter wie beispielsweise die Anzahl Wicklungen, den Stromfluß und die
Querschnittsfläche
der Abstrahl-Spule 60.
Es versteht sich, daß die
obigen Parameter der Spule und des Kerns hier als Beispiel aufgezählt sind
und andere relevante Parameter in ähnlicher Weise beinhaltet sein
können.
Das Modell wird verwendet, um theoretische Werte eines Vektormagnetfeldes
B (das Komponenten Br, Bθ,
BΦ umfaßt) zu erzeugen,
das durch die Abstrahl-Spule 60 und den ferromagnetischen Kern 62 produziert
wird.
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Um
die Spule 60 zu kalibrieren, werden Magnetfelder an einer
Mehrzahl von Punkten, vorzugsweise etwa 300 Punkten, vorzugsweise
wie oben beschrieben gemessen, und die erlangten gemessenen Magnetfeldwerte
werden mit den theoretischen Werten verglichen. Mit Hilfe von Fit-Verfahren
mit mehreren Variablen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, werden
die gemessenen Daten verwendet, um korrigierte, effektive Werte
von Parametern wie beispielsweise Permeabilität und zum Beispiel eine effektive
Anzahl von Wicklungen der Spule zu berechnen. Diese effektiven Parameterwerte
können
dann im theoretischen Modell verwendet werden, um das Magnetfeld überall im
Abbildungsvolumen genau zu berechnen.
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3 ist
eine isometrische Ansicht von Spule
60, wie sie in
2B gezeigt
ist, die ein Koordinatensystem darstellt, das beim Herleiten der
theoretischen Werte der Magnetfeldes verwendet wird. Es sei angenommen,
daß die
Abstrahl-Spule
60 n Wicklungen von Draht umfaßt, die
einen Radius a aufweisen und mit einem Strom I, der im Draht fließt. Ferner
sei angenommen, daß der
ferromagnetische Kern
62 eine Kugel ist, die einen Radius
b und eine Permeabilität μ hat. Wie
im oben erwähnten
Text von Jackson beschrieben ist, ist das theoretische Feld, das
der Abstrahl-Spule
60 an Punkt
64 durch die Anwesenheit
des Kernes
62 hinzugefügt
wird, im allgemeinen gegeben durch:
Bϕ =
0 (3)wobei
P
l(cosθ)
und P
l'(cosθ) Legendre-Polynome
bzw. deren Ableitungen sind und
Bl =
0ist, wenn 1 gerade ist,
wobei
das magnetische Dipolmoment m der Spule gegeben ist durch:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit
ist und
und
(2l + 1)!! ≡ (2l
+ 1)(2l – 1)(2l – 3) ... × 5 × 3 × 1.
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Diese
Gleichungen werden vorzugsweise mit Hilfe mathematischer Verfahren
modifiziert, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, beispielsweise
der Störungstheorie,
um solche Effekte wie Veränderungen
in der Permeabilität,
Wirbelströme,
Hysterese und andere Abweichungen der Spule 60 und des
Kerns 62 vom theoretischen Verhalten zu berücksichtigen,
wie oben beschrieben wurde. Die modifizierten Gleichungen können die
Form analytischer Lösungen, ähnlich den
Gleichungen (1) bis (4) und Gleichungen (6) und (7) oben, mit geeigneten Änderungen
haben. Alternativ können
sie die Form einer numerischen Lösung
annehmen, berechnet durch einen Computer, mit Ergebnissen, die von
den veränderlichen
Werten der Spulen- und Kernparametern abhängig sind.
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4 ist
ein Graph, der einen Querschnitt des theoretischen Feldes, das durch
den ferromagnetischen Kern 62 hinzugefügt ist, in einem Abstand von
25 cm vom Mittelpunkt des Kerns in der Spule 60 zeigt, wie
in 2B gezeigt. Das Feld ist mit Hilfe der obigen
Gleichungen (1) bis (7) durch Einsetzen typischer Werte für die Parameter
berechnet: μ =
1000, a = 5 cm und b = 4,5 cm. Die vertikale Achse 70 repräsentiert
die anteilige Zunahme im Magnetfeldbetrag |B| verglichen mit dem
Feld mit einem Luftkern, und die horizontale Achse 72 repräsentiert
den Winkel θ,
gemessen im Bogenmaß.
Man wird verstehen, daß Änderungen
in den Werten der in den Gleichungen verwendeten Parameter in Änderungen
in der Gestalt der Kurve in 4 resultieren.
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Um
die Spule 60 zu kalibrieren, werden Magnetfelder an einer
Mehrzahl von Punkten beispielsweise mit Hilfe des in 2A gezeigten
Systems gemessen. Mit Hilfe der oben beschriebenen Fit-Verfahren
werden Parameter einschließlich
einer effektive Anzahl von Wicklungen und einer effektiven Permeabilität hergeleitet, um
ein optimales Fitten der in 4 gezeigten
Kurve an die gemessenen Werte zu erreichen. Diese Parameter werden
in den obigen Gleichungen verwendet, um das Magnetfeld überall im
Abbildungsvolumen zu berechnen. Alternativ können die Parameter zu diesem
Zweck in ein numerisches Modell eingesetzt werden.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird die Kalibration von Spule 40 mit Luftkern 43 oder
Spule 60 mit ferromagnetischem Kern 62 mit Hilfe
der in 1 gezeigten Vorrichtung vorgenommen, wobei die
Spulen 20, 22 und 24 auf der Sonde 26 durch die
Positionierungsvorrichtung 30 mechanisch durch einen oder
mehrere Punkte im Quadranten 44 geführt werden, wie oben beschrieben
wurde.
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In
einem alternativen Verfahren, das nicht in den Figuren gezeigt ist,
wird eine zweidimensionale Anordnung von Sensorspulen in vorbestimmten,
bekannten Positionen und Orientierungen verwendet, um einen Magnetfeldgenerator
zu kalibrieren. Zum Kalibrieren eines rotationssymmetrischen Feldgenerators,
wie beispielsweise der Spule 40 mit Luftkern 43,
die in 2A gezeigt ist, oder der Spule 60 mit
ferromagnetischem Kern 62, die in 2B gezeigt
ist, wird die Anordnung vorzugsweise so positioniert, daß sich alle
Sensorspulen in der Anordnung in Quadrant 44 befinden.
Somit können
Kalibrationskorrekturfaktoren für
einen wesentlichen Bereich von Interesse in der Nähe der Spule
im wesentlichen gleichzeitig bestimmt werden.
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5 zeigt
noch eine andere Alternative zur Verwendung beim Kalibrieren eines
(in 5 nicht gezeigten) Magnetfeldgenerators, die einen
Würfel 92 umfaßt, in dem
sechs Sensorspulen 80, 82, 84, 86, 88, 90 befestigt
sind. Die Spulen weisen vorzugsweise einen Durchmesser von näherungsweise
1 mm und eine Höhe von
näherungsweise
mehreren Millimetern auf, sie sind aber in 5 zur Verdeutlichung
vergrößert. Die
Spulen sind vorzugsweise an den Seiten eines Würfels 92 so befestigt,
daß: die
Achsen von Spulen 80, 86 im wesentlichen kolinear
sind und im allgemeinen parallel zur in 5 gezeigten
X-Richtung liegen; die Achsen von Spulen 82, 88 im
wesentlichen kolinear sind und im allgemeinen parallel zur Z-Richtung
liegen und die Achsen von Spulen 84, 90 im wesentlichen
kolinear sind und im allgemeinen parallel zur Y-Richtung liegen.
Die drei vorgenannten Achsen sind im wesentlichen senkrecht, und
die Spulen sind so an den Seiten des Würfels befestigt, daß sich die
drei Achsen im allgemeinen in der Mitte des Würfels schneiden.
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Der
Würfel 92 weist
eine Kantenlänge
von näherungsweise
3 cm auf, und der Abstand von Mitte zu Mitte kolinearer Spulen beträgt im allgemeinen
2 cm. Der Würfel 92 und
assoziierte Teile sind vorzugsweise aus hartem Kunststoff oder einem
anderen nichtleitenden Werkstoff hergestellt, um so das Magnetfeld
nicht zu verzerren. In Anwesenheit von magnetischen Wechselfeldern
werden Signale von den Spulen durch Leitungen 96 zu einer
(in 5 nicht gezeigten) Signalverarbeitungseinrichtung 34 transportiert.
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Die
Mitten der Spulen 84 und 90 auf dem Würfel 92 definieren
eine Achse 98; die Mitten der Spulen 80 und 86 auf
dem Würfel 92 definieren
eine Achse 104 und die Mitten der Spulen 82 und 88 auf
dem Würfel 92 definieren
eine Achse 102. Der Würfel 92 ist
so in die Positionierungsvorrichtung 30 gesetzt, daß die Kanten des
Würfels
im allgemeinen parallel zu den X-, Y- und Z-Richtungen sind, und
die Positionierungsvorrichtung 30 bewegt den Würfel 92 entlang
der Achse 98. Vorzugsweise bewegt die Vorrichtung 30 den
Würfel 92 in Schritten
konstanter Größe, wie
beispielsweise 3 cm.
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Nachdem
Magnetfelder an allen gewünschten
Punkten auf der Achse 98 gemessen worden sind, verschiebt
die Positionierungsvorrichtung 30 den Würfel 92 um eine vorbestimmte,
bekannte Entfernung, wie beispielsweise 1 cm, entlang Achse 102,
und dann werden die Messungen durch Bewegen der Sonde parallel zur Y-Richtung
wiederholt, wie oben beschrieben wurde. Nachdem Magnetfelder an
allen gewünschten
Punkten in der Ebene gemessen worden sind, die durch Achsen 98 und 102 definiert
ist, verschiebt die Positionierungsvorrichtung 30 den Würfel 92 um
eine vorbestimmte, bekannte Entfernung, wie beispielsweise 1 cm,
entlang Achse 104, und dann werden die Messungen durch
Bewegen der Sonde parallel zur Y-Richtung wiederholt, wie oben beschrieben.
Auf diese Weise werden Spulen 80 oder 86 und Spulen 82 oder 88 und
Spulen 84 oder 90 wiederum an einem jeden Punkt
positioniert, beispielsweise Punkt 100, so daß drei im
wesentlichen senkrechte Komponenten des Magnetfeldes an einem jeden
derartigen Punkt bestimmt werden.
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Abstrahl-Spule 40 mit
Luftkern 43 oder Abstrahl-Spule 60 mit ferromagnetischem
Kern 62 wird in einem System zur Verfolgung der Position
und/oder Orientierung eines (in den Figuren nicht gezeigten) Objektes in
der Nähe
der Spule verwendet. Vorzugsweise werden Positionbestimmungsspulen
auf dem Objekt oder diesem benachbart plaziert, und sie erzeugen
elektrische Signale in Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch die Spule 40 oder 60 erzeugt
wird. Die Kalibrationskorrekturfaktoren, die gemäß dem obigen Verfahren bestimmt worden
sind, werden dann auf die elektrischen Signale angewandt, die von
den Positionbestimmungsspulen empfangen werden, um so die Position
und Orientierung des Objektes mit größerer Genauigkeit zu verfolgen.
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Das
verfolgte Objekt ist beispielsweise ein Katheter, wie in der obenerwähnten PCT-Anmeldung
Nummer PCT/US 95/501103 (WO 96/05768 A) oder in US-Patentschrift
5,391,199 beschrieben. Vorzugsweise sind Sensorspulen 20, 22 und 24,
die verwendet werden, um die Abstrahl-Spule 40 oder 60 zu
kalibrieren, im wesentlichen Positionbestimmungsspulen ähnlich,
die dem distalen Ende des Katheters benachbart sind.
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Signale,
die von diesen Positionbestimmungsspulen empfangen werden, werden
verwendet, um unkorrigierte Positionskoordinaten des Objektes basierend
auf theoretischen Werten der Amplitude und der Richtung des Magnetfeldes
zu bestimmen, das durch Spule 40 oder 60 erzeugt
wird. Kalibrationskorrekturfaktoren, die für die Position bestimmt sind,
die durch diese unkorrigierten Koordinaten angezeigt wird, werden
verwendet, um so korrigierte Werte der Magnetfeldamplitude und der
-richtung in der Nähe
des Objektes zu berechnen. Die korrigierte Magnetfeldamplitude und
-richtung werden dann verwendet, um korrigierte Positionskoordinaten
des Objektes zu finden.
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Die
Kalibrationskorrekturfaktoren, die gemäß bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bestimmt worden sind, werden vorzugsweise
in der Form einer Nachschlagtabelle gespeichert, die additive oder
multiplikative Faktoren umfaßt,
die beim Berechnen korrigierter Werte der Magnetfeldamplitude und -richtung
und/oder korrigierter Positionskoordinaten des Objektes verwendet
werden. Korrekturfaktoren für
alle Punkte innerhalb eines Bereiches in der Nähe eines Feldgenerators, wobei
die Richtung und die Amplitude des Feldes an einer Mehrzahl derartiger
Punkte gemessen worden sind, können
durch Verfahren der Interpolation und des Kurven-Fittens bestimmt
werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind.
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Man
wird verstehen, daß die
oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen als Beispiel angeführt sind
und der volle Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche begrenzt
ist.
wobei das magnetische Dipolmoment m der Spule gegeben ist durch:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und
und