JP4141500B2 - 位置決め装置およびその動作方法 - Google Patents

Description

発明の技術分野
これまで、磁場または電磁場を用いる目的物の位置および／または方向を検出するための種々のシステムが提案されてきた。これらのシステムは主に、固定の基準座標空間に配置された電磁コイルのようなフィールドトランスミッターと位置決めすべき目的物に取り付けたコイル等のトランスデューサのようなセンサーを用いている。各トランスミッターは固定の基準座標空間において空間的に変化する場を発する。各トランスミッターに対応する空間的変化のパタンは他のトランスミッターに対応するパタンと異なる。例えば、各トランスミッターは互いに同一とすることができるが、異なる位置または異なる方向に配置されている。従って、これらのトランスミッターの場のパタンは互いに、また、上記固定の基準座標空間に対して変位あるいは回転している。目的物上のセンサーは、例えば、当該センサーについて決定される１個以上の所定の局所的方向に基づく目的物における場の強度および／または方向あるいは目的物における場の各成分強度のような当該目的物の位置において広がる場のパラメータを検出するための１個以上の感知素子を備えている。これらのトランスミッターは所定のシーケンスで動作して、いつでも１個のみのトランスミッターが起動しており、目的物において伝播する場が当該１個のトランスミッターによる場と地球磁場および他の環境の影響によるバックグラウンドの場のみとなる。個々のトランスミッターから検出される場のパラメータと各トランスミッターからの場の既知の変化パタンに基づいて、コンピュータシステムはセンサーの位置および方向を計算し、さらに、これらトランスミッターの固定の基準座標空間における当該センサーを担持する目的物の位置を算出する。このようなシステムの一変形例において、位置決めすべき目的物が１個または複数のトランスミッターを担持しており、複数の感知素子が上記固定の基準座標空間内の種々の位置および方向に配置されている。このような配置構成により、目的物の位置および／または方向が当該種々のセンサーにおいて伝播する場のパラメータを表現する信号から算出できる。
このような基本的趣旨に基づくシステムが米国特許第４，８４９，６９２号、同第４，６４２，７８６号、同第４，７１０，７０８号、同第４，６１３，８６６号および同第４，９４５，３０５号に開示されている。この基本構成によるシステムはコンピュータに適用可能な三次元的空間入力情報を供給できる。この趣旨に基づく別のシステムが国際公開第ＷＯ ９４／０４９３８号に開示されている。この国際公開第ＷＯ ９４／０４９３８号特許公開公報において、位置決めすべき目的物は医療用内視鏡とすることができる。すなわち、当該システムは内視鏡の先端部に取り付けたセンサーを備えており、センサーを医療患者の体内に配置して内視鏡の先端部の位置および／または方向を決定できるようにしている。さらに、発信された場に基づいて内視鏡およびカテーテルのような医療器具を位置決めするための他のシステムが米国特許第５，０４２，４８６号、同第５，０９９，８４５号、同第５，２１１，１６５号、同第５，２５１，６３５号、同第５，２５３，６４７号、同第５，２５５，６８０号、同第５，２６５，６１０号および同第５，３９１，１９９号に開示されている。
一般的な感知素子は操作範囲に制限がある。例えば、一定方向における磁場成分の大きさを表現する電気信号を供給するように構成された磁気抵抗またはホール（Hall）効果装置はその場の成分の大きさが比較的狭い範囲にあるときに限って正確な信号を提供できる。本明細書に参考文献として含まれる同時係属で共同出願の米国特許出願第０８／４７６，３８０号および「適応可能なフィードバック制御を用いる磁気位置決めシステム」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９６／０８４１１号に記載されているように、磁気位置決めシステムはフィードバック制御装置を備えており、感知素子からの信号に応じてフィールドトランスミッターの操作が調節できる。例えば、位置決めシステムが幾つかの他要素センサーを備えていて、各センサーが幾つかの異なる方向における場の成分を検出するための幾つかの異なる感知素子を備えている。さらに、各センサーは異なる目的物に取り付けられる。例えば、１個のセンサーを医療器具に取り付け、他の１個のセンサーを患者の体に取り付けて、システムが器具と体の位置を同時に追跡できるようにしている。この場合、第１のセンサーが第１のフィールドトランスミッター用コイルに近く、第２のフィールドトランスミッター用コイルから離れており、当該両方のコイルが同じに駆動されてすべての強度について同等の場を生じる時、上記感知素子により検出される磁場の成分のすべのの大きさは第１のコイルの動作時の方が第２コイルの動作時に比して大きくなる。また、同様の第２のセンサーを第２のコイルの近くに置き第１のコイルから離した場合は、第２コイルの動作時の方が信号強度が大きくなる。
上記米国特許出願第０８／４７６，３８０号の好ましい実施形態によれば、各コイルの動作を感知素子からの信号に応じて制御することにより、各感知素子における場の成分を所望の範囲内に保持することができる。また、当該米国特許出願第０８／４７６，３８０号において開示されるシステムの幾つかは周期的に動作する。各動作周期において、各コイルは複数の分離する感知工程において動作する。さらに、各感知工程において、１個のセンサーが動作し、他のセンサーは不作動となる。例えば、システムが２個のセンサー１および２と３個のコイルＡ，ＢおよびＣを備えている場合、動作周期はコイルＡが駆動し、センサー１が動作して信号を得る第１の感知工程Ａ１、次にコイルＡが駆動し、センサー２が動作して信号を得る第２の感知工程Ａ２を備え、全ての周期において工程Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２が含まれる。各動作周期において、前の周期においてセンサー１により得た信号が周期Ａ１，Ｂ１およびＣ１において各コイルに供給される電流を調節するために使用され、また、前の周期においてセンサー２により得た信号が周期Ａ２，Ｂ２およびＣ２において各コイルに供給される電流を調節するために使用される。このようにして、工程Ａ１，Ｂ１およびＣ１においてセンサー１に伝達する磁場の強度が当該センサー１の動作範囲内に維持され、工程Ａ２，Ｂ２およびＣ２においてセンサー２に伝達する磁場の強度が当該センサー２の動作範囲内に維持される。制御コンピュータシステムが各周期において使用される電流値を追跡して、各コイルにより供給される磁場の強度を記録する。さらに、この情報を計算式に入力して、上記感知素子の読み取り値から各センサーに対応する位置および方向の情報を算出する。なお、各感知工程における各コイルに供給される実際の電流値は当該工程におけるセンサーの位置の移動により変化する。
さらに多数のセンサーを使用する場合は、さらに多くの感知工程を当該周期に加えることができる。全周期における感知工程の数はセンサーの数とコイルの数の積に等しい。また、上記米国特許出願第０８／４７６，３８０号において教示されるさらに改善された例によれば、分離した感知工程、分離したコイル電流設定が多要素センサーにおける各感知素子に対して供与される。従って、各コイルにより供給される磁場の強度は各感知素子に対して別々に調節されて、特定の感知素子に付随する方向における場の成分が当該素子の所望の範囲内になる。このようなシステムにおいては、感知工程の数が個々の感知工程とコイルとの積に等しい。
上記米国特許出願第０８／４７６，３８０号の実施形態によるフィードバック制御の使用により、制度が実質的に改善され、動作範囲に制限があるが小型化等の利点を有するセンサーの使用が可能になる。しかしながら、各感知工程の開始時において各コイルにおける電流を所望の電流値に増加するための時間が必要となる。この電流を増加するために必要とされる時間を一般に「上昇時間（rise time）」と称する。コイルにより供給される磁場の強度が減少または増加すると、渦電流が当該システム内または近傍の導電性材料に生じる。この結果、この渦電流は感知される場に擬似的な磁場を重ね合わせることになる。それゆえ、当該制御システムは、特定の感知工程においてコイルにおける電流が所望の値に到達した後に、感知素子から信号を得るまでに相当な遅延時間がかかる。この遅延を一般に「設定」時間と称し、上記渦電流が消散するに要する時間である。このように、米国特許出願第０８／４７６，３８０号において教示される時分割多重送信型の実施形態においては各感知工程に上昇時間および設定時間が加わるので、各周期に要する時間が各コイルの一動作のみの動作周期に要する時間に比して相当に長くなる。従って、このような長い周期時間によって、システムの迅速に変化するセンサーの場所の追跡能力が低下する。
従って、一周期間に複数の場の強度に対して各トランスミッターを作動することが可能であり、かつ、上昇時間および設定時間により生じる遅延を軽減することのできる改善された位置決め方法および装置の提供が望まれている。
発明の開示
本発明は上記の要望に応えるべく成されたものである。
本発明の一態様は磁気位置決め装置のような位置決めシステムを動作する方法を提供するものであり、当該システムは少なくとも１個のトランスミッターと、当該トランスミッターから生じる場を検出するように構成された複数の感知装置を備えている。換言すれば、電磁コイルのような特定のトランスミッターが３個の異なる感知工程において３個の異なる値を供給するうことが必要である場合に、このコイルは最初の感知工程後にオフにならず、むしろ、そのようなコイルまたはトランスミッターにより供給される磁場の強度は、一定の調節工程を経て、次の感知工程において必要とされる値に段階的に変化する。
各複数値の動作シーケンスの感知工程において供給される場の強度の感知は順番に進行し、最も好ましくは、最低値から最高値に進行する。従って、各動作周期において、各トランスミッターまたはコイルは特定周期において当該トランスミッターにより供給できる最低の磁場強度でまず駆動され、次いで、次に高い磁場強度で駆動され、その後、その特定周期において当該トランスミッターにより供給できる最高の磁場強度に到達するまで動作周期が段階的に進行する。このような構成においては、感知工程間の遷移区間において生じる場の強度変化は、完全にオフまたはゼロの場の強度状態から次の場の強度状態に電磁石を変更させるのに要する変化よりも常に小さい。ところが、場の強度変化に付随する上昇時間および設定時間はその変化の大きさに直接関係するので、トランスミッターが各工程間でオフになるる場合に生じるものに比して、その上昇時間および設定時間を相当に減少できる。
米国特許第０８／４７６，３８０号のフィードバック制御法を採用する上述のようなシステムにおいては、特定の感知装置の動作時に必要とされる場の強度がシステムの動作中に変更可能である。従って、特定のセンサーが特定のトランスミッターから離れると、その特定センサーの動作中にそのトランスミッターに必要な場の強度が一般に増加する。そのような変化に適応するために、上記方法は各感知工程に必要とされる場の強度の変化に応じて異なる感知装置に付随する感知工程を自動的に順序付けし直す工程を備えている。従って、各複数値動作シーケンスにおける種々の感知工程中に供給される場の強度が所望の順位になるように各感知装置の動作順序が変化する。
さらに、この方法は特定の動作周期において特定のトランスミッターによる分離した感知工程中に動作する感知装置が他の動作周期において同一のトランスミッターによる単一の感知工程中に動作できるように、動作中において当該装置を自動的に編成または再編成する工程を備えている。すなわち、上記のセンサーは、特定の感知装置に対してトランスミッターから必要とされる場の強度に応じて各動作周期における各トランスミッターによる動作に対応して編成または再編成される。従って、特定周期における２個以上の感知素子またはセンサーの最適動作に必要とされる各場の強度間の差が所定の閾値よりも小ければ、これらの感知素子またはセンサーが、それらの最適な場の強度に近い単一の場の強度により、単一の感知工程中に再編成されて動作することが可能になる。しかしながら、異なる動作周期中の同一のセンサーまたは感知素子に対して特定のトランスミッターから必要とされる場の強度が互いに著しく異なっている場合は、そのトランスミッターは上述のような複数値のシーケンスにおいて動作して各センサーまたは感知素子に対する異なる場の強度による異なる感知処理工程を提供する。このような動作モードによって、必要とされる感知工程の数が減少でき、かつ、動作周期時間が短縮できる。
上記センサーまたは感知素子の位置および方向によって、電磁石等のトランスミッターの一部が特定の動作周期中に単一の場の強度により動作することが可能になり、これによって、単一値の動作シーケンスにおいて動作して単一の感知処理工程を提供できる。従って、各センサーの位置および方向に応じて、特定の動作周期は、全てのトランスミッターに対応する複数値の動作シーケンスと部分的なトランスミッターに対応する複数値の動作シーケンスとその他の全ての単一トランスミッターに対応する単一値シーケンスを備えることが可能である。
本発明のさらに別の態様は磁気位置決め装置のような位置決め装置を提供する。本発明のこの態様による装置は、電磁石のような少なくとも１個のトランスミッターと、伝達する場の特性を検出するように作用する１個以上の感知装置を備えている。また、この装置は駆動装置を備えており、当該駆動装置は、各動作周期において各トランスミッターが所定動作シーケンスにおいて動作し、かつ、少なくとも１個のトランスミッターが上述のような複数値動作シーケンスにおける少なくとも部分的な動作周期中に動作するように上記トランスミッターを周期的に駆動して、複数の感知工程のシーケンス中に異なる磁場強度を提供すると共に当該感知工程間の調節工程中に磁場強度を段階的に変化するように作用する。なお、本発明のこの態様に従う装置は上述の装置および方法と同等の利点を提供できる。好ましくは、当該装置は制御コンピュータと上記１個以上のトランスミッターに接続する１個以上のアクチュエータを備えている。このアクチュエータは制御コンピュータから受け取った信号に応じて当該制御コンピュータにより特定される電流を各トランスミッターに供給する。好ましくは、制御コンピュータは上記感知装置に連結して、各感知装置に各動作シーケンスの適当な感知工程における場の特性を検出させるように構成されている。この制御コンピュータは１個以上の前の動作周期中に感知素子またはセンサーにより検出された磁場強度に応じて各動作周期中に種々のトランスミッターにより供給される磁場強度を変更するように動作するのが好ましい。また、この制御コンピュータは上述のようにセンサーまたは感知素子を編成または再編成し、かつ、上述のように感知工程の順序を更新して、各トランスミッターが各複数値動作シーケンスの感知工程中に更新された順序の場の強度により動作するように作用する。
本発明の上記およびその他の目的、特徴および利点は以下の添付図面に基づく好ましい実施形態の詳細な説明によりさらに明瞭となるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施形態に従う装置の部分を示す概略的斜視図である。
図２は図１に示す装置の一部分を示す概略的斜視図である。
図３は図１および図２に示す装置の他の部分を示す機能的ブロック図である。
図４は本発明の一実施形態に従う方法における場の強度を示すグラフ図である。
図５は図４と類似のグラフであるが、本発明によらない方法を示す図である。
発明を実施するための最良の態様
本発明の一実施形態に従う装置は同一平面内に配置される３個の概ねらせん状のトランスミッター用コイル１０を備えている。これらのコイル１０は患者のベッド１２における基準座標空間内に固定して配置されている。この基準座標空間は図１に示すようなデカルト座標系Ｘ，Ｙ，Ｚにより示されている。患者Ｐは患者用ベッド上に存在していてもよい。コイル１１の軸は互いに平行である。患者用ベッド１２はコイル１０の平面とほぼ同一の平面内に延在している。この装置はさらに目的物またはプローブ１４を備えている。このプローブはカテーテル１６のような医療器具の中に挿入してそのカテーテルの先端部またはその長さに沿う別の位置等の所望の位置に配置することができる。プローブ１４にはセンサー１８が取り付けられている。このシステムはまた、カテーテル、内視鏡等の位置決めすべき医療器具のような、さらに別の目的物またはプローブ２１に取り付けたセンサー１８と同様の別のセンサー１９を備えている。さらに、別のセンサー５４ａ，５４ｂおよび５４ｃが基準標識上に取り付けられている。国際公開第ＷＯ ９５／０９５６２号に記載されるように、複数の基準標識が患者用ベッドの基準座標空間における患者の体の位置を決定するために使われて磁気位置決めシステムの基準座標空間と既知の画像情報の基準座標空間との間の相関関係を提供する。各基準標識はセンサー本体５２とタグ５３およびセンサー本体に取り外し可能に接続するセンサー１８と同種のセンサー５４を備えている。
これらのセンサー１８，１９，５４ａ，５４ｂおよび５４ｃは構造および機能の点で同一であるので、センサー１８のみを詳細に説明する。この場合、センサー１８についての説明は当然ながら他のセンサーのそれぞれに適用できる。センサー１８は相互に直交する局所的方向Ｘ’，Ｙ’およびＺ’における磁場の成分を感知するように構成された3個の別々の感知素子または成分センサー２０，２２および２４を備えている。すなわち、成分センサー２０は方向Ｘ’に沿う磁場に感応するが方向Ｙ’およびＺ’における場には感応せず、成分センサー２２は方向Ｙ’における場に対してのみ感応し、さらに、成分センサー２４は方向Ｚ’における場に対して感応する。さらに、これらの成分センサーは別々の成分を表現する別々のセンサー信号を供給するように構成されている。このセンサー１８は本明細書に参考文献として含まれる上述の国際公開第ＷＯ ９５／０９５６２号に記載される種類の個体センサーとすることができる。さらに、同文献に記載されるように、各感知素子または成分センサーは磁気抵抗フィルムまたはホール効果感応フィルムのような概ね平面状の磁気感応フィルムを備えていてもよい。このようなフィルムは各フィルムに対して所定方向の場に対してそれぞれ感応する。また、センサー１８は小型コイルのアレイを備えていてもよく、それらのコイルの軸は互いに直交している。上記のセンサーは好ましい形態のものを示したが、例えば、磁気−光センサーおよび磁束ゲート磁気メータのような他の磁気感応装置も基本的に使用することができる。
成分センサー２０，２２および２４はケーブル２６を介して各センサーに対応する別々のリード線により命令装置２８に接続している。この命令装置２８（図3）は、センサー１８の成分センサー２０，２２および２４からそれぞれ信号を受け取って当該信号を増幅かつデジタル様式に変換するための入力増幅およびアナログ−デジタル（「Ａ／Ｄ」）変換装置３０を備えている。この増幅およびＡ／Ｄ変換装置３０はアナログまたはデジタル帯域幅フィルタおよびノイズ防御装置および信号平均化装置のような他の従来の信号処理装置を備えていてもよい。その他のセンサー１９，５４ａ，５４ｂおよび５４ｃはこれらのセンサーの個々の感知素子または成分センサーを入力増幅およびアナログ−デジタル変換装置３０に接続する付加的な別々のリード線（図示せず）を介して当該装置３０に同様に連結している。さらに、装置３０は１回に１個のセンサーから信号を受け取るように構成されている。
命令装置２８はさらに計算装置３２を備えている。この計算装置３２はプログラム処理された一般用途のコンピュータとして備えられてもよい。以下にさらに詳細に説明するように、この位置計算装置はセンサーから得たセンサー信号により各センサー１８，１９，５４ａ，５４ｂおよび５４ｃの配置を計算するように構成されている。このセンサーの配置情報は当該センサーに取り付けられた目的物の配置を示す。例えば、センサー１８の配置情報は当該センサー信号からカテーテル先端部における目的物またはプローブ１４の配置を示す。この開示において使用される用語「配置（disposition）」は各素子の位置または方向あるいはそれらの両方を言う。従って、上記計算装置は各センサーの位置または各センサーの方向あるいは、好ましくは、それらの両方を計算するように構成されている。さらに、命令装置１８はプローブまたは目的物１４の位置を知覚可能な表現する表示装置（図示せず）に連結されている。この知覚可能な表示はＸ，Ｙ，Ｚ座標系において目的物１４の位置および／または方向を示す数字情報として供給することができ、また、好ましくは、患者の画像上に重ねた目的物および付属カテーテルの画像として供給できる。
命令装置２８はさらに制御装置３４を備えている。この制御装置３４は出力線３６，３８および４０を介して３個の別々のコイル駆動装置４２，４４および４６に連結されている。さらに、各コイル駆動装置は送信コイル１０の各々に連結している。すなわち、各コイル駆動装置は付属の送信コイル１０に直流電流を供給するように構成されている。さらに、各コイル駆動装置はその電流の大きさを制御して制御装置３４から受け取った制御信号に応じてこの電流をオンまたはオフにするように構成されている。この制御装置は以下に詳述するように当該制御装置３４から受け取った制御信号により特定されるシーケンスにおいてそれぞれの送信コイルに電流を供給するためにコイル駆動装置に信号供給するように構成されており、これによって、コイル１０ｂおよび１０ｃの不作動中にコイル１０ａが電流を受け取り、コイル１０ａおよび１０ｃの不作動中にコイル１０ｂが電流を受け取り、さらに、コイル１０ａおよび１０ｂの不作動中にコイル１０ｃが電流を受け取ることが可能になる。さらに、この制御装置は計算装置２８からの信号に応じて以下に説明するように各コイルに送られる電流の大きさを変更するようにコイル駆動装置を駆動する。加えて、当該制御装置３４はデジタル−アナログ変換装置やバスインターフェース装置のような従来のインターフェース装置を備えることにより、当該制御装置の出力を各駆動装置の制御入力情報として使用できる。なお、上記制御装置は命令装置２８の他の論理的装置とは別に図示されているが、当該制御装置が命令装置の物理的構成要素および他の要素と併せて構成してもよいことが当然に理解できる。例えば、命令装置が一般用途のコンピュータを含む場合、当該コンピュータの処理装置が位置計算装置の構成要素および制御装置の構成要素の両方として作用して異なる時間に異なる装置に適する機能を実行できる。
本発明の一態様に従う方法においては、カテーテル１６が患者Ｐの体内に進入する。センサー１８を備えるプローブ１４がカテーテルの先端部に配置されている。このカテーテル先端部はコイル１０の平面上の未知の場所に配置されている。同様に、装置２１のセンサー１９は異なる未知の場所に配置されており、センサー５４ａ，５４ｂおよび５４ｃはさらに別の未知の場所に配置されている。
制御装置３４はコイル駆動装置を周期的に駆動する。各周期は無効期間を備えており、当該無効期間において、制御装置はコイル駆動装置４２，４４，４６に全てのコイルにゼロ電流を供給するように命令する。この無効期間において、上記増幅および変換装置３０は各成分センサー２０，２２および２４から無効信号サンプルを受け取る。これらの無効信号サンプルは当該システム近傍におけるバックグラウンドの磁場を示す。各周期はまた設定シーケンスを備えている。この設定シーケンスにおいては、制御装置がコイル駆動装置に命令して各コイル１０に供給される電流の大きさに対応する初期値またはデフォールト（default）値を用いて各コイルを順番に駆動させる。増幅および変換装置３０はセンサー１８の感知素子または成分センサー２０，２２および２４の各々から、さらに、各コイルへの電流供給開始後の所定時間に他のセンサー１９，５４ａ，５４ｂおよび５４ｃの各々における感知素子の各々から信号を受け取る。例えば、送信コイル１０ａに電流供給開始後の所定時間に、装置３０は成分センサー２０，２２および２４の各々から信号サンプルを受け取ってそのサンプルをデジタル様式に変換する。その後、命令装置２８はそれぞれの信号に基づいてセンサー１８に対応する総合の場の強度を計算する。この総合の場の強度は以下の式で表わせる。

上式において、Ｂ_18-10aはコイル１０ａの動作時におけるセンサー１８における磁場ベクトルの大きさであり、
Ｋ₂₀はセンサー２０からの信号強度と軸Ｘ’に沿う磁場成分との感度係数であり、
Ｓ₂₀は動作時のセンサー２０からの信号強度であり、
Ｋ₂₂，Ｓ₂₂およびＫ₂₄，Ｓ₂₄はそれぞれ別のセンサー２２および２４に対応する同様の感度係数および信号強度である。
同様に、上記システムはコイル１０ａの動作時におけるセンサー１９，５４ａ，５４ｂおよび５４ｃに対応する総合の場の強度を計算する。このシステムはデフォールト電流強度を用いてコイル１０ｂおよび１０ｃを順番に駆動する。この場合も、当該システムはコイル１０ｂの動作時における各センサーにおいて伝播する場のベクトルの総合の強度を計算し、さらに、コイル１０ｃの動作時における各センサーにおいて伝播する場のベクトルの総合の強度を計算する。
設定シーケンスにおける各コイルの動作時において成分信号を検出し、総合の場の強度を計算した後、制御装置はその動作周期において後に続く計測シーケンスにおいて供給するコイル電流と場の強度を決定する。これらのコイル電流と場の強度は各センサーにおける場の強度を所定の強度範囲にするために計算される。このような所定の範囲はセンサーの最適動作範囲にあるように選択される。従って、最小の場の強度は、場の最大強度がセンサー感度の線形部分における上限よりも十分低く、かつ、センサーが精度低下することなく動作できる程度に場の最大強度よりも十分低く設定されている場合に、当該システムのノイズ閾値よりも十分高く、かつ、センサー最低感度レベルよりも高く選択される。約４ガウス以下の場で使用される場合に最も精度よく再現性のある典型的な非晶質型の磁気抵抗センサーの場合において、上記所定の場の強度範囲は約１．０ガウスないし約２．５ガウスとすることができる。一方、約３０ガウス以上の場で使用する場合に最も精度のよい典型的なホール効果型センサーの場合は、上記所定の範囲は約３０ガウス以上となる。例えば、プローブ１４とセンサー１８がコイル１０ａに比較的近接している場合は、設定シーケンスにおいてコイル１０ａが動作している時にセンサー１８において検出される場の強度の総合は上記の所定範囲を超える値になる。それゆえ、制御装置３４はコイル駆動装置４２に命令して、当該動作周期において後に続く計測シーケンスの間に、コイル１０ａがより小さな電流、すなわち、より小さな場の強度で動作するようにする。逆に、センサー１９がコイル１０ａから比較的離れている場合は、設定シーケンスにおいてデフォールト電流値によるコイル電流１０ａの動作中にセンサー１９により感知される場の強度は上記所定範囲以下になる。それゆえ、制御装置３４はコイル駆動装置４２に命令して、その動作周期において後に続く計測シーケンスにおける異なる感知工程の間に、コイル１０ａがより大きな電流、すなわち、より大きな場の強度で動作するようにする。この調節は比例的に行われる。例えば、コイル１０ａにおけるデフォールト電流を用いて設定シーケンスのセンサー１９により感知される場の強度が上記所定範囲の最小値の０．１倍である時、当該システムは計測シーケンスの感知工程中にデフォールト電流の１０倍の電流でコイル１０ａを駆動する。
同様にして、上記システムは各センサーに付随する感知工程における計測シーケンス中に各コイルにより供給される場の強度を動作周期の設定シーケンスにおける当該コイルの動作時に観測できる特定センサーによる信号に基づいて調節する。換言すれば、当該システムは各コイルのリストを保持している。各リストはその動作周期において後に続く計測工程中に当該コイルにより供給される各センサーに付随する別々の場の強度値を備えている。すなわち、これらのリストは場の強度値のマトリクス（行列）により構成され、１個の値が１個のコイルと１個のセンサーの各組み合わせに対応している。なお、この場の強度値は各動作周期の設定シーケンスの後で継続的に更新される。コイルにより生じる場の強度は当該コイルを流れる電流に正比例するので、その場の強度値もまた各コイルに供給される電流の値により構成される。
各動作周期における計測工程の前に、命令装置は各コイルに供給される更新された場の強度値または電流値のリストを増加する順に分類して、分類したリストに適合するように付随するセンサーに対応する感知工程を再配列する。このシステムはまた場の強度値または電流値を検査して２個以上の場の強度値がそれぞれの所定の閾値内にあるか否かを決定する。もしも閾値内にあれば、当該システムはそれらの値を使用する感知工程を組み合わせ、さらに、当該組み合わせた感知工程において使用する単一の値を選択して、組み合わせた感知工程に対応する全ての値についての所定範囲にその単一の値があるようにする。而して、組み合わされる工程に対応する全ての場の強度値の平均が当該組み合わされた工程に対応する単一の場の強度値として使用される。例えば、コイル１０ａにより供給される場の強度値（電流値により示されている）のリストは以下のようになる。

閾値の場の強度値の差が２０ミリアンペアであるとすると、上記シーケンスにおけるセンサー５４ａおよび１８に対応する感知工程に付随するそれぞれの値３００および３１０は上記閾値差よりも小さい値で互いに異なっている。その後、センサー５４ａおよび１８に付随する感知工程を分類し組み合わせた後において上記リストは以下のようになる。

この分類され、かつ組み合わされたリストはコイル１０ａに対応する複数値の動作シーケンス、すなわち、その動作周期の計測シーケンスにおける一連の感知工程中に当該コイルに供給される一連の異なる場の強度値と、当該感知工程の各々において動作する１個以上のセンサーを設定する。上記駆動シーケンスに組み込まれる感知工程は当該感知工程において供給される場の強度値に従って配列される。同様に、上記命令装置は他の各コイルに対応する動作シーケンスに到達する。この結果、各コイルに割り当てられる動作シーケンスにおける感知工程の数は互いに組み合わされる感知工程の数によって決まる。例えば、特定コイルに対応する全ての感知工程が互いに組み合わされると、当該特定コイルに対応する動作シーケンスは単一値の動作シーケンスになり、１個の場の強度値のみを含む。
各感知工程の存続期間は予め決められており、好ましくは、センサーが安定な磁場内に配置されセンサー自体が安定状態に設定されている場合において、上記増幅および変換装置３０が当該１個以上のセンサーからデータを受け取るのに要する最短の時間に相当する。さらに、本システムは各動作シーケンスに最初の感知工程に先立つ開始遷移工程と、当該シーケンスにおける最後の感知工程の後の終端遷移工程を備えている。さらに、このシステムは各複数値動作シーケンスにおいて連続する感知工程の各対の間に中間遷移工程を備えている。上記開始遷移工程の存続時間はコイルを流れる電流がゼロから最初の感知工程において必要な電流値まで増加するのに、また、コイルによる磁場における変化により生じる渦電流が消散するのに、さらに、センサーが安定するのに十分な時間を与えるように選択される。換言すれば、開始遷移工程の存続時間はコイル駆動装置が場の強度をゼロから最初の場の強度値まで変化するように命令される時間から当該最初の場の強度値においてコイルの連続動作中にセンサーが得る値の所定の誤差範囲内にセンサーの読み取り値が入る時間までの時間遅延を意味する。同様に、各中間遷移工程はコイル駆動装置が前の感知工程において使用される場の強度から次に続く感知工程において使用される場の強度まで当該場の強度値を増加するように命令された後にセンサー読み取り値の設定に必要な時間を意味する。さらに、終端遷移工程は動作シーケンスにおける最後の感知工程において使用される場の強度値から当該強度値をゼロに減少する場合にセンサー読み取り値の設定に要する時間を意味する。上記の各遷移工程に要する時間は感知工程の前後の場の強度値における差の大きさに直接関係する。すなわち、当該所要時間は以下の式によって概算できる。
ｔ＝Ａｌｎ｜Ｆ_after−Ｆ_before｜
上式においてｔは遷移時間であり、
Ａは比例定数、
Ｆ_afterは遷移工程後の場の強度または電流、
Ｆ_beforeは遷移工程前の場の強度または電流である。
フィードバック制御装置３４は種々のコイルの動作シーケンスをそれぞれ配列しなおして、その動作周期の計測シーケンスに対応する完全な時間割（schedule）を提供すると共に、コイル駆動装置４２，４４，４６を動作して当該時間割に従ってコイルを駆動する。図４に概略的に示す典型的な時間割において、シーケンス７０はコイル１０ａに対応しており、４個の感知工程７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ、開始遷移工程７４、各感知工程間の中間遷移工程７６ａ，７６ｂ，７６ｃおよび最後の感知工程に続く終端遷移工程７８を含む。コイル１０ｂに対応するシーケンス８０は３個の感知工程８２、初期遷移工程８４および終端遷移工程８８を含む。さらに、コイル１０ｃに対応するシーケンス９０は同様の感知工程９２、開始遷移工程９４、中間遷移工程９６および終端遷移工程９８を含む。
各動作シーケンスにおいて、場の強度は開始遷移工程から最後の感知工程までほぼ単調に増加している。電流または場の強度は各感知工程後にゼロに減少することはなく、むしろ、次の感知工程に必要な値に段階的に増加する。それゆえ、各中間遷移工程は連続する感知工程間における電流または場の強度の変化を比較的小さくするような長さにすることが必要である。この構成による時間減縮効果はシーケンス７０と図５のシーケンス７０’を比較すれば明らかである。このシーケンス７０’はシーケンス７０と同じ電流または場の強度を使用しているが、場の強度が連続する感知工程の間でゼロに低下している。従って、シーケンス７０’は連続する感知工程の間で相当に長い工程７６’を必要とする。
計測シーケンスの感知工程間において得たセンサー信号と各感知工程においてコイルにより供給される場の強度の既知の値に基づいて、システムは従来の位置検出アルゴリズムを用いてセンサーの位置と方向を計算する。例えば、多重送受信ステーションおよび多軸センサーを用いる位置検出のための米国特許第４，７１０，７０８号に開示される数学的方法が採用できる。なお、この米国特許第４，７１０，７０８号の開示は本明細書において参考文献として含まれる。要するに、成分センサー２０，２２および２４の各々からの成分センサー信号により表現される局所的方向またはセンサー方向Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’の各々における場の強度は、コイルによる場の全体的強度（コイルの磁気的双極モーメントとも称する）、特定のコイルからセンサーまでの距離およびセンサーの回転角度、すなわち、局所的方向Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’とコイルの基準座標空間の方向Ｘ，Ｙ，Ｚとの間の角度の関数である。３個の別々のコイルの動作時に３個のセンサー読み取り値が得られ、１個の特定コイルによる場に対応する位置の関数として表現される成分強度に等しくされると、それらの値は６個の未知数（センサーのＸ，Ｙ，Ｚの位置および３個の回転角度）を含む９個の等式からなる座標系を形成する。これらの等式の由来は追加部Ａに記載する。当該等式から成る行列は非線形方程式の重複決定座標系における最小二乗法のためのMarquardtの方法またはBroydenの方法のような反復法により解くことができる。この時、命令装置はコイルのＸ−Ｙ−Ｚデカルト座標系におけるセンサーの位置および方向、すなわち、各センサーに接続する目的物の位置および方向を示す出力を供給する。
上述の動作周期が繰り返される。医者が当該システムの使用中に１個以上のセンサーの位置が変化する場合がある。このような変化によって、次の動作周期の設定シーケンスにおいて検出される場の強度に変化が生じて、システムはその新しい動作周期の計測シーケンス中にコイルにより使用される電流を再調節することになる。すなわち、システムはその新しい動作周期の計測シーケンス中に適用される動作シーケンスを再計算する。フィードバック制御装置が場の強度を再調節すると、変更された電流の値が上述の位置決定方程式に使用されるそれぞれのコイルによる場の強度に対応する新しい値に変換される。このようにして、当該システムは、各動作周期の計測シーケンス中に、センサーがコイル１０の平面上の所定領域に延在する感知空間５０内に置かれている時はいつでも、当該センサーが常に所定範囲内の強度を有する場に曝されていることを確認している。この感知空間５０の実際の大きさは所定の場の強度範囲とコイル駆動装置４２，４４および４６の動作範囲すなわち当該コイル駆動装置が電流を変化できる程度によって決まる。さらに、センサーが全てのコイルから所定の強度範囲内の場を受けることのできる感知空間５０の大きさは各コイルの位置によって決まる。しかしながら、各辺が約４０センチの正三角形の各頂点に置かれた３個のコイルを有する典型的なシステムの場合、上記感知空間は当該コイルの平面から約６０センチ上方に延出する領域を含む。さらに、コイルの平面においては、この感知空間は当該コイルにより区切られる正三角形から約２０センチ延出する範囲に及ぶ。
このシステムは各動作周期において２個以上の無効期間を実行する。任意の動作周期において種々のコイルに適用される動作シーケンスに要する総計の時間が一定の閾値存続時間を超える場合、コンピュータは自動的にシステムを駆動して、当該システムが付加的な無効期間を実行して単一動作周期の動作シーケンスの間に新しい無効信号を得るようにする。このことによって、上記無効信号がバックグラウンドの磁場を迅速に変化するための補正に適応できるように頻繁に更新される。上記システムのさらに別の変形例においては、当該システムは前の動作周期における計測シーケンスの感知工程において各センサーから得られる信号に基づいて次の動作周期の計測シーケンスにおいて各コイルにより供給される場の強度を計算する。この変形例においては、システムは最初の動作周期後の設定シーケンスを実行しない代わりに、その計測シーケンスにおいて各センサーにより観測される場の強度を追跡する。この時、特定のセンサーに対応する１個以上の磁場強度が所定範囲から外れていれば、システムはそのセンサーに対応する位置および方向を計算しない代わりに、制御装置３４が各センサーに対応する範囲外の場の強度に付随する１個以上のコイルの場の強度を変更する。例えば、プローブ１４およびセンサー１８がコイル１０ａに比較的近接していると、コイル１０ａの動作時にセンサー１８において検出される総合の場の強度は所定の範囲を超える。それゆえ、制御装置３４はコイル駆動装置４２に命令して、当該装置４２がコイル１０ａを、次の動作周期の計測シーケンス内の感知工程において、より小さな電流、即ちより小さな場の強度で動作するようにし、かつ、増幅および変換装置３０に命令して、当該装置３０がその特定の感知工程におけるセンサー１８からデータを得るようにする。逆に、センサー１９がコイル１０ａから比較的離れている場合、デフォールト電流値によるコイル１０ａの動作時にセンサー１９により感知される場の強度が所定範囲より低くなる。それゆえ、制御装置３４はコイル駆動装置４２に命令して、当該装置４２がコイル１０ａを、次の動作周期の計測シーケンス内の別の感知工程において、より大きな電流、即ちより大きな場の強度で動作するようする。さらに、当該制御装置は増幅および変換装置３０を駆動して、この装置３０が、コイル１０ａの低強度動作に付随する感知工程時におけるセンサー１９からのデータとセンサー１８からの取得データを無視して、当該感知工程中のセンサー１９からデータを得るようにする。この調節処理は次の動作周期において継続する。さらに、２番目の動作周期におけるセンサー１９に付随する感知工程中にコイル１０ａにより供給される上記のより大きな強度がセンサー１９により感知される場の強度として依然として上記所定範囲よりも低ければ、当該システムはその次の動作周期中にセンサー１９に付随する感知工程においてコイル１０ａにより供給されるより大きな場の強度値を設定する。さらに、この調節処理はセンサー１９からの信号が、コイル１０ａの動作中に、場の強度が所定範囲内であると示すまで継続する。この時、コイル駆動装置は、電流値を段階的に変えるように、各コイルの総合の場の強度、即ち双極モーメントを段階的に変更するように構成されている。なお、制御装置３４により命令される増減処理の各々は１工程で行われる。また、制御装置は総合の場の強度が所定範囲における目的の値からのずれの程度に比例して増減を計算できる。従って、場の強度が所定範囲から大きく外れていれば比較的大きな変更が行われ、場の強度がその範囲に近いまたはその中にある時はより小さな変更が行われる。動作シーケンスの計算時間を十分にするために、システムは、１個のコイルによる前の動作周期の動作シーケンスを実行しながら、後の動作周期における別のコイルに対応する動作シーケンスの設定に要する計算を実行できる。例えば、次の動作周期におけるコイル１０ａに対応する動作シーケンスが、現在の動作周期においてコイル１０ａに対応する動作シーケンスが完了した後ならば、いつでも計算することが可能である。さらに、このシステムが現在の動作周期においてコイル１０ａに対応する動作シーケンスを実行している時に、現在の動作周期におけるコイル１０ｂおよび１０ｃに対応する動作シーケンスも計算できる。
前記の米国特許出願第０８／４７６，３８０号において記載されるように、所定の最大値を超える磁場に曝露されると、センサーによって精度を損なうものがある。例えば、磁気抵抗センサーは４ガウスを超える磁場に曝されると精度を一時的に損なうものがある。このようなセンサーを多数センサーシステムにおいて使用する場合は、当該システムは過剰の場にセンサーを曝露することを回避するための適当な設備を備える必要がある。全てのセンサーからのデータが全ての動作シーケンスの間に得られ、制御装置３４は、増加処理が必要であれば、幾つかの動作周期にわたって段階的にコイル電流を増加するように構成されている。特定の動作シーケンスにおいて使用されないセンサーからのデータは、当該名目上不使用のセンサーにおける場が危険なレベルに近づいている時に、更なる増加処理を防止するために使用できる。従って、システムがセンサー１８における適当な場のレベルを供給するためにコイル１０ｂにおけるコイル電流を段階的に増加する処理を行っており、さらに、当該第１のセンサー１８に付随する読み取り動作周期中に第２のセンサー５４ａにおける場の強度がこの第２のセンサーにおいて許容されるレベルに到達すると、当該システムはそのような増加処理を終了することができる。第１のセンサー１８における場の強度が所定範囲よりもまだ低い場合にこの状態が生じると、システムはエラーメッセージの表示、または、範囲外センサー信号に基づく位置および方向の計算、あるいは、それらの両方を行うことができる。また、センサーの精度が回復できれば、名目上不使用のセンサーからのデータが当該回復処理を開始するために用いられる。例えば、磁気抵抗センサーの一部はバイアス状の磁場を使用する。すなわち、過剰の場に曝されると、このようなセンサーは当該センサーに供給されるバイアス磁場を調節することによって、過剰の場を取り除いた後の精度をリセットおよび回復できる。さらに、命令装置は、１個のセンサーが別のセンサーに付随する動作周期内に過剰の場に曝されると上記リセット処理を開始するように構成されている。
さらに別の変形例においては、コイル電流すなわち個々のトランスミッターからの場の強度を調節して、各成分センサーにより検出される場の成分を所定範囲内にすることができる。このようなシステムにおいては、各コイルが各感知素子または成分センサーについて別々に調節される。従って、成分センサー２０に付随する感知工程中にコイル１０ａを送信させるための電流を数回の動作周期にわたって調節して、局所的Ｘ’方向における場の成分強度を示す成分センサー２０からの個々のセンサー信号を所定の範囲内にする。この調節において、同一のセンサー上の多の成分センサー２２および２４からの信号および多のセンサーからの信号が無視される。この動作シーケンスは、センサー１８上の他の感知素子および他のセンサー上のすべての感知素子についてコイル１０ａを用いて繰り返され、全ての処理が他のコイルについて繰り返される。このような調節の後に、各コイルに対応する動作シーケンスは各感知素子に付随する別々の感知工程を備える。しかしながら、複数の感知素子に要する場の強度はそれぞれの閾値の場の強度差内にある場合、当該複数の感知素子に付随する感知工程は互いに合体することが可能であり、これによって、特定コイルの動作シーケンスがより少ない数の感知工程を含み、１個のみの感知工程を含むことも可能である。従って、システムはセンサー全体または分離装置としての感知素子のいずれも処理することができ、いずれの種類の装置に対しても分離した感知工程を設定できる。また、完全なセンサーの幾つかを装置として、また、他のセンサーのそれぞれの感知素子を装置として処理することも可能であり、これによって、幾つかの感知工程が完全なセンサーに付随し、他の感知工程が当該それぞれの感知素子に付随する。なお、本明細書の開示において用いる用語「感知装置（sensing unit）」はセンサーとそれぞれの感知素子の両方を言う。
特定の成分センサーに付随する局所的方向がそのセンサーにおける特定コイルによって生じた場の方向に対して直交またはほぼ直交している場合、コイル駆動装置の電流容量を超えることなく、また、他のセンサーの１個を損傷し得る程度に大きな総合の場の強度を生じることなく局所的方向における成分を所定範囲内にすることは不可能と考えられる。しかしながら、この場合、上記他の成分センサーの少なくとも１個が所定範囲内の場の強度を有する成分を受け入れることができる。この変形例においては、全ての成分センサーからの信号が特定の成分センサーに付随する動作周期中にモニターできる。これによって、コイルに供給される最大電流が制限でき、他の未使用の成分センサーがその感知方向内にある過剰の場の成分に曝露されることを回避できる。
この方法のさらに別の変形例においては、任意の特定方向における場の成分に対応する強度の所定範囲が狭められて、好ましくは特定の成分センサーの最適精度範囲内の、単一の所定値を含むようにできる。従って、フィードバック制御システムは場の成分強度がそのような単一値になるまでコイル電流を調節するように動作する。この場合、その位置および方向は上述と同様に計算される。この変形例は成分センサー応答における非線形性がシステム精度に影響しない点が有利である。すなわち、センサーによる特定の読み取り値が場の成分強度の所定値に相当することが知られている場合、成分強度と当該成分強度の他の値におけるセンサー読み取り値との間の線形関係からのずれはシステム精度を損なわない。
フィールドセンサーにおいてはいわゆる「軸ずれ（off-axis）感度」を呈するものがある。すなわち、特定の成分センサーの感応軸に沿う場の成分強度とその成分センサーの読み取り値との間の転写機能または関係はこの軸に直交する強力な場の成分が存在すると変化する。軸ずれ感度は、第３の成分センサーの感応軸に垂直な場の大きさを評価するために２個の成分センサーからの読み取り値を用いること、および、当該第３の成分センサーからの読み取り値に適用するための補正係数を決定するために上記場の大きさを用いることによって補正できる。
上記のシステムはコイル式の電磁石を用いているが、他の形態の電磁石も使用可能である。事実、同一原理を電磁石以外のフィールドトランスミッターおよび磁気センサー以外のセンサーを利用するシステムに適用できる。しかしながら、動作時間の短縮の問題が、電磁石による場合と同様に、使用するトランスミッターおよびセンサーが上昇時間および／または設定時間を必要とする場合に、最も重要になる。例えば、高周波（ＲＦ）の場のような交流の場を使用するシステムは種々のＲＦトランスミッターを連続して動作する。センサーは１個以上の受信アンテナを備えており、各アンテナは当該アンテナにより受信されたＲＦ信号の振幅に相当する信号を供給するように構成された受信機に接続されている。このようなシステムにおいては、送信されたＲＦ信号の振幅変化のためのトランスミッターの駆動後に、各トランスミッターと受信機の対を安定化させるために相当な上昇時間および設定時間が必要となる。ＲＦシステムのような交流場システムについては、交流場の振幅に基づくような場の強度についての基準を考慮する必要がある。上述のシステムにおいては、各コイルまたはトランスミッターは動作周期間でゼロ安定状態の場の強度に維持されるが、ゼロ以外の安定状態の場の強度も使用可能である。米国特許出願第０８／４７６，３８０号において開示されるように、トランスミッターとセンサーの役割を逆にすることもできる。すなわち、プローブまたは目的物に電磁石またはトランスミッターを備えて、固定の基準座標系にセンサーを備えてもよい。
さらに、本発明から逸脱しない範囲で上述の特徴の多数の他の組み合わせおよび変形を利用することが可能である。例えば、物理的位置やトランスミッターまたは電磁石の数を変えることができる。一般に、センサーおよびトランスミッターによって複数のトランスミッター−受信機の対が決まることになり、その各々が目的物上に追跡される１個の素子と、固定の基準座標空間に１個の素子を備えている。
さらに別の変形例において、システムは成分信号または総合の場の強度信号に直接応じるというよりは、むしろ、追跡する目的物の計算された配置に応じてトランスミッターの出力を調節する。従って、システムは電流のデフォールト値によって初期的に動作し、目的物の位置および方向の初期的読み取り値を導き出し、その初期的に決定した位置および方向を用いて各コイルに対応する所望の設定を計算することによりセンサーにおける所望の場のレベルを設定する。このような所望の設定は、上記初期の読み取り値において決定された位置と方向を目的物が有するという条件下に、目的物における所望の強度範囲内の場を生じるように選択される。次の動作周期において、上述のように計算されたコイル電流が用いられ、この処理が繰り返される。この方法の変形例においては、当該システムは目的物の位置および方向の種々の組み合わせに対応する適当なコイル電流を表にしたルックアップテーブルを記憶することができる。すなわち、初期的に決定した位置および方向を用いて、システムは次の動作周期に用いるための適当なコイル電流値をそのルックアップテーブルから読み出す。
上述の各実施形態において、センサーはカテーテルに付属している。同様のシステムは例えば内視鏡等の外科手術器具のような他の医療器具を伴って使用できる。さらに、このシステムは医療器具以外の目的物の配置を決定するために適用できる。例えば、コンピュータ用の入力装置の追跡に用いることができる。
出願に関連するクロスレファレンス
本出願は本明細書において参考文献として含まれる１９９６年２月２７日出願の米国特許暫定出願第６０／０１２，３２６号に基づく恩典を主張する。
以下はバイオセンス社（Biosense, Inc.）を出願人とするＰＣＴ出願であって、これらもまた本明細書において参考文献として含まれる。
1997年２月14日またはその頃にイスラエル受理官庁に出願の「カテーテル使用式手術法」（Catheter Based Surgery）、
1997年２月14日またはその頃にイスラエル受理官庁に出願の「体内エネルギー集中法」（Intrabody Energy Focusing）、
1997年２月14日またはその頃にイスラエル受理官庁に出願の「位置決め可能な生検針」（Locatable Biopsy Needle）、
1997年２月14日またはその頃にイスラエル受理官庁に出願の「カテーテル調整法および使用モニター法」（Catheter Calibration and Usage Monitoring）、
1997年２月14日またはその頃にイスラエル受理官庁に出願の「内視鏡の高精度位置決定法」（Precise Position Determination of Endoscopes）、
1997年２月14日に米国受理官庁に出願の「フィールドトランスデューサを備える医療プローブ」（Medical Probes with Field Transducers）、
1997年２月14日に米国受理官庁に出願の「穴を有するカテーテル」（Catheter with Lumen）、
1997年２月14日に米国受理官庁に出願の「位置決めシステム用の可動送受信コイル」（Movable Transmit or Receive Coils for Location System）、
1997年２月14日に米国受理官庁に出願の「体内プローブを用いる医療方法および装置」（Medical Procedures and Apparatus Using Intrabody Probes）
1997年２月14日に米国受理官庁に出願の「位置決めシステム用の独立に位置決め可能なトランスデューサ」（Independently Positionable Transducers for Location System）。
本明細書において参考文献として含まれるVictor Spivakを出願人とする1996年２月14日にイスラエル受理官庁に出願の「他要素エネルギー集中法」（Multi-Element Energy Focusing）と題するＰＣＴ出願。
上記および他の変形および上述の特徴の組み合わせが本発明を逸脱することなく利用できる。上述の好ましい実施形態の記載は例示的なものであり、以下の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲を示すものではない。
産業上の利用分野
本発明は医療およびこれに関連する諸手法において使用できる。
追加部Ａ：位置および方向の計算
動作時において固定されている場の発生装置（トランスミッター）の物理的形態が既知であるという条件下で、センサーにより検出される磁場はセンサーの位置および方向の関数となる。本発明のシステムにおいて、場の発生装置であるコイルは連続的に励起される。センサー（１プローブ当たり３成分センサー）により感知される場はｘ，ｙ，ｚにおける位置とα，β，γ（回転、傾斜および揺動）による方向によって表現できる。すなわち、

ここで、[sensor]は特定のセンサーを示しており、[coil]は特定のトランスミッターコイルを示している。
仮に、[coil]がオンのときにセンサーが計測する実際の場がB’［sensor][coil]であれば、理論的に

となる。
すなわち、

である。
従って、３個のセンサーと３個のコイルの場合、６個の未知数（プローブ空間の位置に対応するｘ，ｙ，ｚとその回転に対応するα，β，γ）による９個の等式が得られる。そこで、非線形最小二乗法を適用することによって、当該プローブに対応する特異的なｘ，ｙ，ｚ，α，β，γが得られる。
上記はアルゴリズムの一般的イデアルを示している。詳しくは、
直交のＸ，Ｙ，Ｚ基準座標系（磁気位置デカルト座標）を行列により記載する場合、

となり、プローブの直交座標系は、

となる。プローブ上の３個のセンサーは互いに直交していない場合があるので、これらの非直交軸は以下のように表せる。

計算において後に使うことになる転写行列T[i][j]は、

となる。さらに、後に使う他の行列ortho_OV[i][j]は以下のように求められる。

ここで、プローブの方向を決めるために回転（α）、傾斜（β）、揺動（γ）を用いると、上記のortho_OV[i][j]は以下のように示される。

従って、直交ベクトル行列が既に得た行列Ｔとortho_OVの行列の積により計算できる。

この結果、^el[i]方向を向くセンサーの位置において生じる直交座標系に対応する理論的な磁場は以下のように表現できる。

ここで、

は既知の関数であり、特定コイルにおける電流に比例する大きさを有する双極モーメントの項を含む。
非直交性の補正（センサーが互いに直交していない場合がある）の後、磁場のセンサー計測値は、

となる。
ここで、[coil]がオンのときにセンサーが計測する実際の場がB’[sensor][coil]であれば、

となり、上記ｘ，ｙ，ｚ，α，β，γについて解くべき９個の式は、

となる。
この結果、周知の非線形最小二乗法による方程式の解法を上式に適用してプローブの位置ｘ，ｙ，ｚおよび方向α，β，γが求められる。

Claims (30)

1. 少なくとも１個のトランスミッターと複数の感知装置を備える位置決めシステムを動作させる方法において、
   前記トランスミッターを周期的に作動させ、各トランスミッターを各作動周期において所定の作動シーケンスで作動させる工程と、
   前記感知装置を作動させ、各感知装置が前記作動シーケンス中に当該感知装置に到達する磁場の特性を検出する工程と、
   を備え、
   前記トランスミッターの少なくとも１個が複数値作動シーケンスの少なくとも何周期かの間作動され、複数の感知期間のシーケンスの間において異なる場の強度を有し、かつ、当該感知期間の間の中間遷移期間において段階的に変化する強度を有する、磁場を供給し、
   前記段階的に変化する強度は、各中間遷移期間中において常にゼロよりも大きい、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記段階的に変化する強度は、前記各中間遷移期間において概ね単調に変化する、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記各複数値作動シーケンスの前記感知期間中に供給される前記強度は、段階的に順序付けられている、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   前記各複数値作動シーケンスの前記感知期間中に供給される前記強度は、最小強度から最大強度まで段階的に順序付けられている、方法。
5. 請求項３に記載の方法において、
   前記各複数値作動シーケンスの前記感知期間中に供給される前記強度は、最大強度から最小強度まで段階的に順序付けられている、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記作動周期の少なくともいくつかにおいて、前記トランスミッターの少なくとも１個が単一値作動周期で作動され単一の感知期間中に磁場の単一感知強度を供給する、方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   各作動周期における少なくとも１個の無効期間中に前記各トランスミッターを安定状態の磁場の強度に維持し、かつ、前記各無効期間中の前記各感知装置からの無効信号を検出する工程をさらに備える、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記各トランスミッターの前記安定状態の強度がゼロである、方法。
9. 請求項７に記載の方法において、
   一作動周期における作動シーケンスの間に少なくとも１個の付加的な無効期間を自動的に設定して、当該作動周期の全存続時間が閾値存続時間を超える時はいつでも、前記感知装置から付加的な無効信号を得る工程をさらに備える、方法。
10. 請求項１に記載の方法において、
    前記１個以上のトランスミッターを周期的に作動させる工程は、各作動周期における設定シーケンス中に磁場の所定の強度で当該各トランスミッターを作動させる工程を含み、
    当該方法は、前記各設定シーケンス中に各感知装置により検出される前記磁場の１個以上の特性を検出して、その作動周期の設定シーケンス中に前記感知装置により検出される前記磁場の特性に基づいて各作動周期における作動シーケンス中に前記各トランスミッターにより供給される磁場の強度を調節する工程をさらに備える、方法。
11. 請求項１に記載の方法において、
    前の作動周期中に前記感知装置により検出された磁場の特性に応じて後の作動周期中に前記トランスミッターにより供給される磁場の強度を調節する工程から成る、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    複数の感知工程中にトランスミッターにより供給される磁場の強度の差が、磁場の所定の強度差の閾値よりも小さい時はいつでも、そのトランスミッターに対応する作動シーケンスに異なるセンサーの感知期間を自動的に組み合わせる工程をさらに備える、方法。
13. 請求項６に記載の方法において、
    前記各トランスミッターが電磁石を含み、前記各感知装置が１個以上の磁気感知素子を含む、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記各電磁石により供給される場の強度が当該電磁石を流れる電流の大きさの変化により各作動周期中に変化する、方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、
    前記感知装置をさせる工程は、各感知装置を作動させ前記各作動シーケンスにおける一定の感知期間中に磁場の特性を検出する工程を含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記各感知装置が複数の磁気成分センサーを含む多要素センサーであり、各感知期間が１個以上の多要素センサーに付随する、方法。
17. 請求項１３に記載の方法において、
    前記各感知装置が複数の磁気成分センサーを含む多要素センサーであり、各感知期間が１個以上の個々の成分センサーに付随する、方法。
18. 請求項１に記載の方法において、
    前記感知装置を作動させる工程は、異なる感知装置を作動させて各複数値作動シーケンスの異なる感知期間中に磁場の特性を検出する、方法。
19. 位置決め装置において、
    （ａ）磁場を送信するための少なくとも１個のトランスミッターと、
    （ｂ）到達する磁場の特性を検出するための複数の感知装置と、
    （ｃ）前記トランスミッターを周期的に作動させるアクチュエータであって、各作動周期において、前記各トランスミッターが所定作動シーケンスで作動され、かつ、少なくとも１個のトランスミッターが複数値作動シーケンスにおける少なくともいくつかの作動周期において作動されることにより、複数の感知期間の一シーケンス中に異なる感知用の磁場の強度で、かつ、各感知期間の間の中間遷移期間中に段階的に変化する強度で、所定方向に磁場を供給し、前記段階的に変化する強度は前記各中間遷移期間中において常にゼロよりも大きい、アクチュエータと、
    を具備する装置。
20. 請求項１９に記載の装置において、
    前記アクチュエータは、前記各中間遷移期間中に磁場の強度を概ね単調に変化させるように動作する、装置。
21. 請求項２０に記載の装置において、
    前記アクチュエータは、前記各複数値作動シーケンスの感知期間中に印加される磁場の強度が段階的に順序付けられるように、前記トランスミッターを作動させる、装置。
22. 請求項２１に記載の装置において、
    前記アクチュエータは、前記各複数値作動シーケンスの感知期間中に印加される磁場の強度が最小強度から最大強度まで順序付けられるように、前記トランスミッターを作動させる、装置。
23. 請求項２２に記載の装置において、
    前記アクチュエータは、前記各トランスミッターが各作動周期における少なくとも１個の無効期間中に安定状態の磁場の強度において維持されるように、前記トランスミッターを作動させる、装置。
24. 請求項２２に記載の装置において、
    制御コンピュータをさらに具備し、
    前記アクチュエータは、当該コンピュータから制御信号を受け取れるように当該制御コンピュータに接続され、前記アクチュエータは当該制御コンピュータに応じて当該制御コンピュータの命令に従って前記各トランスミッターを作動させる、装置。
25. 請求項２４に記載の装置において、
    前記制御コンピュータが前記感知装置に連結されており、当該制御コンピュータは、各感知装置が前記各作動シーケンスの感知期間中に磁場の特性を検出するように、前記感知装置を作動させる装置。
26. 請求項２５に記載の装置において、
    前記制御コンピュータは、１個以上の前の作動周期中に前記感知装置により検出された磁場の特性に従って各作動周期中に前記各トランスミッターにより印加される磁場の強度を変更するように動作する、装置。
27. 請求項２５に記載の装置において、
    前記制御コンピュータは、各複数値作動シーケンスの異なる感知期間中に磁場の特性を検出するために異なる感知装置を作動させるように構成されている、装置。
28. 請求項１９に記載の装置において、
    前記各トランスミッターが電磁石を含む、装置。
29. 請求項１９に記載の装置において、
    前記少なくとも１個のトランスミッターが複数のトランスミッターを含み、当該装置は、前記複数のトランスミッターを感知空間に近接する複数の場所に取り付けるための手段をさらに具備する、装置。
30. 請求項２９に記載の装置において、
    前記少なくとも１個のセンサーは、互いに近接配置される複数の前記感知素子を有する多要素センサーを含み、当該多要素センサーにおける前記各感知素子が当該センサーに対して異なる局所的方向における磁場の成分強度を検出するように動作する、装置。

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