JP2020096840A - 磁気的位置特定システムにおける磁場歪み検出および補正 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、本明細書に完全に記載されているかのように参照により本明細書に組み込まれる、2016年5月3日に出願された米国仮出願第62,331,338号の利益を主張する。
磁気歪みを補正する1つの方法は、局所的な反りを許容する記録変換を使用することである。実際、そのような変換は、基準点(磁気歪みセンサコイルの知られている/固定された位置)において正確な対応を強制する曲げを組み込む。したがって、次のマッピングが所望される。
f:R3⇒R3 (1)
ここで基準点のペアSi≡(xi,yi)ごとに、誤差は以下のように規定され、
ei≡|f(xi)−yi| (2)
この誤差が、基準点ごとにゼロ(0)に駆動される。
薄板スプライン(TPS)は、基準のセットの間を補間する方法である。TPSは、3次元空間内のサーフェスを決定するために制御点のセットが必要とされる場合に適用することができ、(x、y)が入力値であり、zが出力値である。ここでは、ベクトルxが入力値であり、ベクトルyが出力値である4次元空間内のサーフェスのセットを決定する必要がある。TPS解は、各制御点を中心とする重み付けされた基底関数の集合の和であり、基底関数は典型的には:
f:R2⇒R1 (3)の場合、r2logr
および、
f:R3⇒R3 (3)の場合、r
であり、上式で、rは特定の基底関数中心からの入力点の半径方向の距離である。
平均値座標(MVC)は、3次元の閉じた三角サーフェスである「制御メッシュ」に対して3次元の個々の点を変換するアルゴリズムである。このメッシュが変形されると、アルゴリズムは、頂点と三角形を(厳密に)変形し、メッシュから遠い領域では大幅に外挿することはない3次元空間全体にわたって滑らかな補間関数を計算することができる。(x,y,z)座標の基準点ペアは、制御メッシュの頂点を備え、位置特定システムの座標を実際の物理座標系をより正確に表す座標系に変形する。頂点は、累積重心を中心とする球面に頂点を投影し、その凸包を計算する(2次元のドローネ三角分割法を介して)ことによって接続される。次いで、平均値アルゴリズムは、1つの座標空間から別の空間に任意の座標を効率的かつ滑らかに変換するために、制御および変形されたメッシュを使用する。その操作数は、制御メッシュの頂点と三角形の数に線形に比例する。基準点の数と品質が十分であれば、平均値座標は、2つの座標空間のグローバルな回転とスケーリングの違いの両方、ならびに不均質性による局所的な反りを考慮に入れることができる。
放射基底関数ネットワーク(RBFN)は、様々な場所に中心を置く基底(または、カーネル)関数のネットワークの総和を通じて関数回帰を実行するための方法である。1つの例示的なRBFNでは、
以下の項目は、国際出願時の請求の範囲に記載の要素である。
(項目1)
磁場内に配置された医療デバイスを位置特定するために前記磁場内の磁気歪みを検出し、補正するシステムであって、
前記システム内の知られている位置および向きにある1つまたは複数のエミッタコイルを含み、前記エミッタコイルの各々が磁場を放出するように構成および配置された、磁場エミッタと、
前記磁場を各々が感知し、前記医療デバイスにおいて感知された前記磁場を示す第1の電気信号を出力するように構成および配置された、1つまたは複数のセンサコイルと、
前記システム内の知られている位置および向きにある磁気歪みセンサの配置であって、前記配置内の前記磁気歪みセンサの各々が、前記磁場を感知し、前記磁気歪みセンサにおいて感知された前記磁場を示す第2の電気信号を出力するように構成および配置された、磁気歪みセンサの配置と、
前記磁気歪みセンサおよび前記センサコイルの各々に通信可能に結合され、前記第1の電気信号および前記第2の電気信号を受信し、前記第1の電気信号および前記第2の電気信号と前記磁気歪みセンサの前記知られている位置および向きとに基づいて、前記システム内の前記医療デバイスの磁気歪みの補正位置を決定するように構成および配置されたプロセッサ回路と
を備える、システム。
(項目2)
前記プロセッサ回路が、
各磁気歪みセンサにおいて感知された前記磁場に基づいて前記配置内の前記磁気歪みセンサの各々の知覚される位置を決定することと、
前記磁気歪みセンサの各々の前記知覚される位置と前記知られている位置との間で位置特定された誤差を決定することと、
前記位置特定された誤差の決定に基づいて、前記磁気歪みセンサの各々についての前記知覚される位置を前記知られている位置に変える変換を計算することと、
計算された前記変換を使用して、前記磁気歪みを補償する前記システム内の前記医療デバイスの前記補正位置を決定することによって、前記医療デバイスの前記磁気歪みの前記補正位置を決定するようにさらに構成および配置された、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記プロセッサ回路が、
前記磁気歪みセンサの前記知覚される位置をグループ化し、前記グループの変形の勾配を決定することと、
前記グループについての前記位置特定された誤差と前記決定された変形の勾配とに基づいて、スプライン平滑化を用いて拡張変換を計算することと、
前記拡張変換を使用して、改善された補間精度で前記システム内の前記医療デバイスの前記補正された位置を決定することと
を行うようにさらに構成および配置された、項目2に記載のシステム。
(項目4)
前記拡張変換が、前記グループの変形の前記決定された勾配に少なくとも部分的に基づいて、前記グループの前記知られている位置間の非線形変形を補償する、項目3に記載のシステム。
(項目5)
前記変換が、薄板スプライン、平均値座標、および放射基底関数ネットワーク、のアルゴリズムのうちの1つを使用して計算される、項目2に記載のシステム。
(項目6)
前記位置特定された誤差がしきい値量を超えることに応答して、前記プロセッサ回路が、前記位置特定された誤差がしきい値を上回る間に計算された、知覚された医療デバイスの位置を無視するように構成および配置された、項目2に記載のシステム。
(項目7)
前記位置特定された誤差がしきい値量を超えることに応答して、前記プロセッサ回路が、前記磁気歪みの感覚表示を臨床医に出力する、項目2に記載のシステム。
(項目8)
磁気歪みセンサの前記配置が、円弧、ピラミッド、および立方体のうちの1つの構成で配置される、項目1に記載のシステム。
(項目9)
磁気歪みセンサの前記配置が、実質的に患者の胸腔の周りに配置される、項目1に記載のシステム。
(項目10)
前記配置の磁気歪みセンサごとの前記知覚される位置と前記知られている位置との間の前記位置特定された誤差が、前記システム内の前記医療デバイスの前記知覚される位置の誤差を示す、項目2に記載のシステム。
(項目11)
第1の磁気歪みセンサの前記知られている位置が、時間T0における前記第1の磁気歪みセンサの知覚される位置であり、前記位置特定された誤差が、T0における前記第1の磁気歪みセンサの前記知られている位置と、前記時間T0とは異なる時間T1における前記第1の磁気歪みセンサの前記知覚される位置T1との間で決定される、項目1に記載のシステム。
(項目12)
時間多重、周波数多重、またはそれらの組合せを使用することによって、前記1つまたは複数のエミッタコイルの各々から複数の固有の磁場を発生させるように構成および配置された、項目1に記載のシステム。
(項目13)
磁場内の磁気歪みを検出するためのセンサ配置装置であって、
複数のセンサコイルであって、各々がそのセンサコイルにおける前記磁場の強度および向きを示すエネルギーを収集するように構成および配置された、複数のセンサコイルと、
前記複数のセンサコイルの各々に結合され、前記センサコイルの各々を他のセンサコイルに対して固定的に配置して配向させるように配置されたフレームと、
前記複数のセンサコイルに電気的に結合されている処理回路であって、
前記センサコイルの前記固定された位置における前記磁場の強度および向きを示す信号を、前記センサコイルの各々から受信することと、
前記受信された信号を処理することと
を行うように構成および配置された処理回路と
を備え、
前記処理された信号が、前記磁場中への外部の鉄の物体の侵入に起因する前記磁場内の磁気歪みを示す、センサ配置装置。
(項目14)
前記複数のセンサコイルの各々が、医療処置中に患者に近接する磁場の前記強度および向きを示すエネルギーを受信するように構成および配置され、前記複数のセンサコイルのうちの1つまたは複数によって受信された前記磁場の前記強度および向きの経時変化が、前記患者に近接する鉄の物体によって引き起こされる磁気歪みを示す、項目13に記載のセンサ配置装置。
(項目15)
非鉄製の前記フレームが、ピラミッド形状、立方体形状、および円弧のうちの1つの構成で前記センサコイルを固定的に位置決めするように構成および配置された、項目13に記載のセンサ配置装置。
(項目16)
患者の体内の医療デバイスを位置特定するための磁場内の磁気歪みを補正するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムが非一時的コンピュータ可読媒体上に具現化され、
センサコイルに近接する磁場を示す前記センサコイルにおける受信信号に基づいて、センサ配置内の複数のセンサコイルの各々の知覚される位置を計算するステップと、
前記センサコイルの知られている位置と前記センサコイルの前記知覚される位置との間の不一致に基づいて、前記センサコイルの前記磁場内の磁気歪みを示す前記複数のセンサコイルの各々の位置誤差を決定するステップと、
前記センサコイルの各々の前記知られている位置と前記知覚される位置との間の前記不一致に基づいて、前記複数のセンサコイルごとに前記知覚される位置を前記知られている位置に変える変換を計算するステップと、
前記医療デバイスに近接する前記磁場を示す前記医療デバイスにおける受信信号に基づいて、前記医療デバイスの知覚される位置を計算するステップと、
前記医療デバイスの前記知覚される位置を計算された前記変換に入力することによって、前記医療デバイスの実際の位置を決定するステップと、
を備える、コンピュータプログラム。
(項目17)
前記センサコイルの前記知覚される位置をグループ化することによって、前記磁場における変形の勾配を決定するステップをさらに含み、
前記決定された変形の勾配が、前記計算された変換においてスプラインスムーザとして働く、項目16に記載のコンピュータプログラム。
(項目18)
前記変換が、第1の時間T0における前記複数のセンサコイルの各々の知覚される位置と、前記センサの各々の知られている位置とに基づく、項目16に記載のコンピュータプログラム。
(項目19)
時間T1における磁場を示す前記センサコイルにおける受信信号に基づいて、第2の時間T1における複数のセンサコイルの各々の知覚される位置を計算するステップと、
前記時間T1における前記複数のセンサコイルの各々の前記知覚される位置を、T0における前記センサコイルの知覚される位置に変える第2の変換を計算するステップと、
時間T1における前記磁場を示す前記医療デバイスにおける受信信号に基づいて、時間T1における前記医療デバイスの知覚される位置を計算するステップと、
計算された前記第2の変換を介して、時間T1における前記医療デバイスの前記知覚される位置を入力することによって、時間T1における前記医療デバイスの前記実際の位置を決定するステップと、
をさらに含む、項目18に記載のコンピュータプログラム。
(項目20)
薄板スプライン、平均値座標、および放射基底関数ネットワークのうちの1つまたは複数を使用して、前記変換が計算される、項目16に記載のコンピュータプログラム。
Claims (20)
- 磁場内に配置された医療デバイスを位置特定するために前記磁場内の磁気歪みを検出し、補正するシステムであって、
前記システム内の知られている位置および向きにある1つまたは複数のエミッタコイルを含み、前記エミッタコイルの各々が磁場を放出するように構成および配置された、磁場エミッタと、
前記磁場を各々が感知し、前記医療デバイスにおいて感知された前記磁場を示す第1の電気信号を出力するように構成および配置された、1つまたは複数のセンサコイルと、
前記システム内の知られている位置および向きにある磁気歪みセンサの配置であって、前記配置内の前記磁気歪みセンサの各々が、前記磁場を感知し、前記磁気歪みセンサにおいて感知された前記磁場を示す第2の電気信号を出力するように構成および配置された、磁気歪みセンサの配置と、
前記磁気歪みセンサおよび前記センサコイルの各々に通信可能に結合され、前記第1の電気信号および前記第2の電気信号を受信し、前記第1の電気信号および前記第2の電気信号と前記磁気歪みセンサの前記知られている位置および向きとに基づいて、前記システム内の前記医療デバイスの磁気歪みの補正位置を決定するように構成および配置されたプロセッサ回路と
を備える、システム。 - 前記プロセッサ回路が、
各磁気歪みセンサにおいて感知された前記磁場に基づいて前記配置内の前記磁気歪みセンサの各々の知覚される位置を決定することと、
前記磁気歪みセンサの各々の前記知覚される位置と前記知られている位置との間で位置特定された誤差を決定することと、
前記位置特定された誤差の決定に基づいて、前記磁気歪みセンサの各々についての前記知覚される位置を前記知られている位置に変える変換を計算することと、
計算された前記変換を使用して、前記磁気歪みを補償する前記システム内の前記医療デバイスの前記補正位置を決定することによって、前記医療デバイスの前記磁気歪みの前記補正位置を決定するようにさらに構成および配置された、請求項1に記載のシステム。 - 前記プロセッサ回路が、
前記磁気歪みセンサの前記知覚される位置をグループ化し、前記グループの変形の勾配を決定することと、
前記グループについての前記位置特定された誤差と前記決定された変形の勾配とに基づいて、スプライン平滑化を用いて拡張変換を計算することと、
前記拡張変換を使用して、改善された補間精度で前記システム内の前記医療デバイスの前記補正された位置を決定することと
を行うようにさらに構成および配置された、請求項2に記載のシステム。 - 前記拡張変換が、前記グループの変形の前記決定された勾配に少なくとも部分的に基づいて、前記グループの前記知られている位置間の非線形変形を補償する、請求項3に記載のシステム。
- 前記変換が、薄板スプライン、平均値座標、および放射基底関数ネットワーク、のアルゴリズムのうちの1つを使用して計算される、請求項2に記載のシステム。
- 前記位置特定された誤差がしきい値量を超えることに応答して、前記プロセッサ回路が、前記位置特定された誤差がしきい値を上回る間に計算された、知覚された医療デバイスの位置を無視するように構成および配置された、請求項2に記載のシステム。
- 前記位置特定された誤差がしきい値量を超えることに応答して、前記プロセッサ回路が、前記磁気歪みの感覚表示を臨床医に出力する、請求項2に記載のシステム。
- 磁気歪みセンサの前記配置が、円弧、ピラミッド、および立方体のうちの1つの構成で配置される、請求項1に記載のシステム。
- 磁気歪みセンサの前記配置が、実質的に患者の胸腔の周りに配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記配置の磁気歪みセンサごとの前記知覚される位置と前記知られている位置との間の前記位置特定された誤差が、前記システム内の前記医療デバイスの前記知覚される位置の誤差を示す、請求項2に記載のシステム。
- 第1の磁気歪みセンサの前記知られている位置が、時間T0における前記第1の磁気歪みセンサの知覚される位置であり、前記位置特定された誤差が、T0における前記第1の磁気歪みセンサの前記知られている位置と、前記時間T0とは異なる時間T1における前記第1の磁気歪みセンサの前記知覚される位置T1との間で決定される、請求項1に記載のシステム。
- 時間多重、周波数多重、またはそれらの組合せを使用することによって、前記1つまたは複数のエミッタコイルの各々から複数の固有の磁場を発生させるように構成および配置された、請求項1に記載のシステム。
- 磁場内の磁気歪みを検出するためのセンサ配置装置であって、
複数のセンサコイルであって、各々がそのセンサコイルにおける前記磁場の強度および向きを示すエネルギーを収集するように構成および配置された、複数のセンサコイルと、
前記複数のセンサコイルの各々に結合され、前記センサコイルの各々を他のセンサコイルに対して固定的に配置して配向させるように配置されたフレームと、
前記複数のセンサコイルに電気的に結合されている処理回路であって、
前記センサコイルの前記固定された位置における前記磁場の強度および向きを示す信号を、前記センサコイルの各々から受信することと、
前記受信された信号を処理することと
を行うように構成および配置された処理回路と
を備え、
前記処理された信号が、前記磁場中への外部の鉄の物体の侵入に起因する前記磁場内の磁気歪みを示す、センサ配置装置。 - 前記複数のセンサコイルの各々が、医療処置中に患者に近接する磁場の前記強度および向きを示すエネルギーを受信するように構成および配置され、前記複数のセンサコイルのうちの1つまたは複数によって受信された前記磁場の前記強度および向きの経時変化が、前記患者に近接する鉄の物体によって引き起こされる磁気歪みを示す、請求項13に記載のセンサ配置装置。
- 非鉄製の前記フレームが、ピラミッド形状、立方体形状、および円弧のうちの1つの構成で前記センサコイルを固定的に位置決めするように構成および配置された、請求項13に記載のセンサ配置装置。
- 患者の体内の医療デバイスを位置特定するための磁場内の磁気歪みを補正するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムが非一時的コンピュータ可読媒体上に具現化され、
センサコイルに近接する磁場を示す前記センサコイルにおける受信信号に基づいて、センサ配置内の複数のセンサコイルの各々の知覚される位置を計算するステップと、
前記センサコイルの知られている位置と前記センサコイルの前記知覚される位置との間の不一致に基づいて、前記センサコイルの前記磁場内の磁気歪みを示す前記複数のセンサコイルの各々の位置誤差を決定するステップと、
前記センサコイルの各々の前記知られている位置と前記知覚される位置との間の前記不一致に基づいて、前記複数のセンサコイルごとに前記知覚される位置を前記知られている位置に変える変換を計算するステップと、
前記医療デバイスに近接する前記磁場を示す前記医療デバイスにおける受信信号に基づいて、前記医療デバイスの知覚される位置を計算するステップと、
前記医療デバイスの前記知覚される位置を計算された前記変換に入力することによって、前記医療デバイスの実際の位置を決定するステップと、
を備える、コンピュータプログラム。 - 前記センサコイルの前記知覚される位置をグループ化することによって、前記磁場における変形の勾配を決定するステップをさらに含み、
前記決定された変形の勾配が、前記計算された変換においてスプラインスムーザとして働く、請求項16に記載のコンピュータプログラム。 - 前記変換が、第1の時間T0における前記複数のセンサコイルの各々の知覚される位置と、前記センサの各々の知られている位置とに基づく、請求項16に記載のコンピュータプログラム。
- 時間T1における磁場を示す前記センサコイルにおける受信信号に基づいて、第2の時間T1における複数のセンサコイルの各々の知覚される位置を計算するステップと、
前記時間T1における前記複数のセンサコイルの各々の前記知覚される位置を、T0における前記センサコイルの知覚される位置に変える第2の変換を計算するステップと、
時間T1における前記磁場を示す前記医療デバイスにおける受信信号に基づいて、時間T1における前記医療デバイスの知覚される位置を計算するステップと、
計算された前記第2の変換を介して、時間T1における前記医療デバイスの前記知覚される位置を入力することによって、時間T1における前記医療デバイスの前記実際の位置を決定するステップと、
をさらに含む、請求項18に記載のコンピュータプログラム。 - 薄板スプライン、平均値座標、および放射基底関数ネットワークのうちの1つまたは複数を使用して、前記変換が計算される、請求項16に記載のコンピュータプログラム。
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