JP4684590B2 - 磁気トラッキング装置における金属妨害の検出 - Google Patents

Description

（関連出願に関する相互参照）
本出願は、２０００年７月２０日に出願された米国特許出願第０９／６２１，３２２号；２００２年１１月２２日に出願された米国特許第１０／３０２，１１２号；２００３年５月２９日に出願された米国特許出願第１０／４４８，２８９号；及び２００３年５月２９日に出願された米国特許出願第１０／４４８，２９１号に関連する。これらの関連出願は全て、本特許出願の譲受人に譲渡されており、また、それら関連出願の開示内容は、言及することによって、本明細書に組み入れる。
（発明の分野）
本発明は、概して、磁場を用いた、目標物の非接触トラッキング（non-contact tracking）に関し；とりわけ、磁場における強制磁場（intruding field）応答性物品の影響を検出することに関する。

（発明の背景）
非接触式電磁トラッキング装置は、当該技術では周知であり、広範囲に渡って利用されている。
特許文献１は、医療用のプローブ又はカテーテルに関する、３次元位置の情報を作り出すための装置を記述する（その米国特許明細書の開示内容は、言及することによって、本明細書に組み入れる）。そのカテーテルにセンサーコイルを入れて、外部から加えた諸磁場に応答して信号を発生させる。それら磁場は、相互に一定間隔を置いて配置されている既知の位置において外部基準座標系に固定されている、３個のラジエーターコイルによって発生する。ラジエーターコイルの諸磁場の各々に応答して発生した諸信号の振幅は、検出されて、該センサーコイルの位置を計算するのに使用される。各々のラジエーターコイルは典型的には、駆動装置用回路によって駆動して、他のラジエーターコイルの周波数と異なる既知周波数の磁場を発生させ、その結果、該センサーコイルによって発生する諸信号は、周波数によって、それら異なるラジエーターコイルに対応する諸成分に分離することができる。

特許文献２は、カテーテルの先端に関する、６次元の位置と方向との情報を創り出す装置を記述する（その米国特許出願公開明細書の開示内容は、言及することによって、本明細書に組み入れる）。この装置は、カテーテル内の配置可能な部位に隣接する（例えば、それの遠位端付近の）複数のセンサーコイルと、外部基準座標系に固定されている複数のラジエーターコイルとを使用している。これらのコイルは、ラジエーターコイルによって発生する磁場に応答して諸信号を発生する。それら異なるラジエーターコイルの各々に起因して、それらセンサーコイルで発生する諸信号の強度は、カテーテルの位置と方向との６個の座標を計算するための、数的近似によって解かれる非線形代数方程式の系に入力される。

カテーテルに取り付けられる位置センサーを使用する、他の位置決めデバイスは、例えば、特許文献３；特許文献４；特許文献５；特許文献６；特許文献７；特許文献８；特許文献９；特許文献１０；及び特許文献１１に記述されている（これら特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。体内部のプローブの位置を検出するとに基づく、市販の電気生理学的及び物理的マッピング装置（mapping systems）は、現在入手することができる。とりわけ、バイオセンス・ウェブスター社（Biosense Webster, Inc.）（カリフォルニア州ダイヤモンドバー）によって開発され市販されているカルト（CARTO）（登録商標）は、カテーテルの位置に関連する局部的電気活性を自動的に関連付けてマッピングを行なう装置である。
米国特許第５，３９１，１９９号明細書 米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００６５４５５Ａ１号明細書 米国特許第６，２３９，７２４号明細書 米国特許第５，４２５，３８２号明細書 米国特許第５，５５８，０９１号明細書 米国特許第４，１７３，２２８号明細書 米国特許第５，０９９，８４５号明細書 米国特許第５，３２５，８７３号明細書 米国特許第５，９１３，８２０号明細書 米国特許第４，９０５，６９８号明細書 米国特許第５，４２５，３６７号明細書

上述の諸トラッキング装置は一般に、位置応答性の諸信号を諸成分（最も典型的には、諸周波数成分）に分離することに頼っている。そのような成分はそれぞれ、既知の位置に置かれている単一のラジエーターコイルであって、明確な標準的空間分布を有する磁場を発生している該ラジエーターコイルに独特に応答するものと推定される。しかし、実際に、金属又は他の磁気応答性物品が、カテーテル又は他のトラッキングされている目標物の近辺に持ち込まれる場合、この近辺の諸磁場は歪んでいる（distorted）。例えば、外科手術環境には、普通の補助装置（手術台、カート（carts）、可動式ランプ、等）だけでなく、侵襲的（invasive）外科装置（外科用メス、カテーテル、はさみ、等）をも包含する、かなりの量の導電性且つ透磁性の材料が存在することがある。ラジエーターコイルの諸磁場は、そのような物品内で諸渦電流を発生することがあり、そのとき、それら渦電流は、寄生（parasitic）磁場を放出する。そのような寄生磁場、及び他のタイプの歪み（distortion）は、トラッキングされている目標物の位置を決定する場合の誤差を引き起こすことがある。

当該技術では、磁気トラッキング装置の磁場において磁気応答性物品の存在を検出して補正するための種々の方法が知られている。例えば、オサドチー（Osadchy）等の米国特許第６，１４７，４８０号明細書は、複数のエネルギー場に応答する物品を導入することに起因する干渉（interference）の存在下で、それらエネルギー場を用いて目標物をトラッキングする方法を記述する（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。諸エネルギー場は、目標物の近辺に作り出され、また、物品の導入に起因して誘発される複数の寄生エネルギー場の特性（例えば、位相のずれ）が決定される。その場合、この特性は、目標物の空間座標を決定するために、目標物の異なる位置でのエネルギー場に応答して発生する諸信号を処理するときに使用される。

ゴーバリ（Govari）の米国特許第６，３７３，２４０号明細書は、トラッキングされている目標物の上の配置可能な地点に隣接する１個以上のセンサーコイルと；１個以上のラジエーターコイルであって、それらラジエーターコイルが各々の交流によって駆動するとき、該目標物の近辺で諸交番磁場を発生する該ラジエーターコイルと；を備えている目標物トラッキング装置を記述している（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。それら周波数は、それらラジエーターコイルの各々が、いつでも、他の諸ラジエーターコイルが発している諸周波数と異なる周波数で発するようなやり方で、複数の値によって走査される。それらセンサーコイルは、それら磁場に応答する諸電気信号であって、該目標物の近辺にある磁場応答性物品に起因して、諸寄生磁場成分により摂動を起こされている該電気信号を発生する。それら電気信号は解析されて、それら寄生成分による摂動の影響が最小限に抑えられる最適周波数が見出だされる。その最適周波数は、該目標物の空間座標を検出するのに使用される。

アッシュ（Ashe）の米国特許第６，１７２，４９９号明細書は、複数の周波数の交流磁気信号を用いたで送信アンテナに関連して、受信アンテナの位置と方向とを測定する装置を記述している（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。送信成分は、既知の位置及び方向に関する２基以上の送信アンテナであって、互いに関連している該送信アンテナから成っている。それら送信アンテナは、交流励起によって同時に駆動し、また、各々のアンテナは、周波数スペクトルにおいて１つ以上の特有の位置を占める。受信アンテナは、送信済み交流磁場と、導電性金属によって生じる歪みとを測定する。次いで、コンピュータが、歪み成分を引き出して、諸受信信号から歪み成分を取り除いて、正確な位置及び方向を出力する。
ハンセン（Hansen）等の米国特許第５，７６７，６６９号明細書は、磁気トラッキング装置で生じた渦電流の歪みを減じる方法を記述している（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。この装置は、複数の発生器（generators）からのパルス磁場を使用する。諸渦電流の存在は、トラッキングを行うために使用される諸センサーコイルに発生する諸電流の変化速度を測定することによって検出される。それら渦電流は、磁気パルスの継続時間を調整することによって補正される。

デュモリン（Dumoulin）の欧州特許出願ＥＰ０９６４２６１Ａ２号明細書は、複数の交番磁場発生器を用いるトラッキング装置における諸渦電流を補正するための複数の装置を記述している（この欧州特許出願明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。第１の装置において、それら渦電流は、該装置が渦電流から開放されている時、該装置を先ず基準化し；次いで、渦電流が検出された時に生じる磁場を修正する；ことによって補正される。第２の装置において、それら渦電流は、諸発生器の近くに配置されている１個以上のシールドコイル（shielding coils）を使用することによって消去される。
カルフィン（Khalfin）等の米国特許第６，３６９，５６４号明細書は、交流電磁場の少なくとも１つの源と；関心の的の体積の近くか又は該体積の内部の、既知の空間地点における電磁誘導ベクトルの諸成分を測定する少なくとも１つの目撃センサー（witness sensor）と；トラッキングされている目標物の上に配置されている少なくとも１つの無線プローブと；を備えている電磁場トラッキング装置を記述している（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって本明細書に組み入れる）。複数の目撃センサーによって発生する信号は、プローブセンサーからの信号の相を区別することによって、該プローブセンサーの信号から、諸環境歪み信号（environmental distortion signals）を分離するのに使用される。

（発明の概要）
本発明の諸具体例は、トラッキングされている目標物の近辺にある場応答性（field-responsive）物品（例えば、金属器具）の存在及び影響を検出することによって、電磁トラッキング装置の精度を高める諸方法を提供する。そのような装置は典型的には、目標物の近辺に複数のエネルギー場を生じる１個以上のラジエーターコイルを備えている。１個以上のセンサーコイルは、該目標物の複数の空間座標を表示する複数の信号を発生する。それらラジエーターコイルによって発生する複数のエネルギー場の数式モデルに、信号の諸振幅を合致させることによって、該目標物の複数の座標を計算するために、装置コントローラーは、それら信号を解析する。

それらエネルギー場が、検出体積（detection volume）中の物品によって、摂動が起こされている場合、該数式モデルはもはや正確には修正せず、従って、それら座標の計算は収束することができないことがある。しかし、物品によるそれらエネルギー場の摂動（perturbation）は典型的には、それらエネルギー場の複数の周波数に左右される。従って、摂動を起こされるにもかかわらず、座標の計算は、幾つかの周波数では依然として収束するかも知れない（また、不正確な結果を生じるかも知れない）。この問題に取り組むために、本発明の諸具体例では、複数個のラジエーターコイルの各々を駆動して、複数の異なる周波数を発生させ、それら異なる周波数の各々について目的物の諸座標の計算を繰り返す。これらの計算のいずれもが収束することができない場合、装置コントローラーは、それらエネルギー場が、検出体積中の場応答性物品によって摂動を起こされていたと判断する。該コントローラーは、次いで、計算済み諸座標を修正するか；又は、少なくとも、座標の精度の見込まれる損失について、該装置の使用者に警告する；段階を取ることができる。

従って、本発明の１つの具体例によると、目標物をトラッキングする方法において、
前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させる段階と；
それらエネルギー場に応答して、それら異なる周波数で、前記目標物の位置で発生する複数の信号を受信する段階と；
それら異なる周波数で受信されたそれら信号に基づいて、前記目標物の複数の空間座標の多重計算を行なう段階と；
前記多重計算の収束性を考査することによって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていたか否かを確認する段階と；
を包含する、上記トラッキング方法が提供される。

開示する１つの具体例において、複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の磁場を発生させる段階を包含し、しかも、複数の信号を受信する段階は、前記複数の磁場に応答して発生する複数の電気信号を受信する段階を包含する。複数の磁場を発生させる段階は典型的には、複数の異なる周波数の複数の電流で、複数個のラジエーターコイルを駆動させて、該複数の磁場を発生させる段階を包含し、しかも、複数個のラジエーターコイルを駆動させる段階は、それらコイルの各々を駆動させて、独特な各々の組の複数の周波数で、複数の磁場を発生させる段階を包含する。追加的又は代替的に、複数の電気信号を受信する段階は、目標物に固定されている１個以上のセンサーコイルからの複数の電気信号を受信する段階を包含する。

１つの具体例において、複数のエネルギー場を発生させる段階は、所定のシーケンスの複数の周波数によって、順次、走査する段階を包含する。もう１つの具体例において、複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の異なる周波数で、同時に複数のエネルギー場を発生させる段階を包含する。
多重計算を行なう段階は典型的には、受信された複数の信号を、目標物の空間座標に関連付ける１組の連立方程式を解く段階を包含する。追加的又は代替的に、多重計算を行なう段階は、反復近似法を適用して複数の空間座標を決定する段階を包含し、しかも、収束性を考査する段階は、前記反復近似法の収束基準を評価する段階を包含する。収束性を考査する段階は、複数の異なる周波数で計算された複数の空間座標の間の差異を検出する段階を包含する。
任意的に、この方法は、複数のエネルギー場が摂動を起こされていることを確認した直後、目標物の近辺に物品が存在することに対して補正する計算を修正する段階を包含する。

本発明の１つの具体例によると、目標物をトラッキングするための装置において、
前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させるのに適合している少なくとも１台のラジエーターと、
それら異なる周波数でのそれらエネルギー場に応答して複数の信号を発生するのに適合している、前記目標物に固定されている少なくとも１台のセンサーと、
それら異なる周波数で発生したそれら信号に基づいて、前記目標物の諸空間座標の多重計算を行なうのに適合しており；しかも、前記計算の収束性を考査することによって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされているどうかを確認するのに適合している；装置コントローラーと、
を備えている、上記トラッキング装置が更に提供される。
本発明は、諸図面と併せて、これから説明する本発明の諸具体例の詳細な記述から、いっそう十分に理解されるであろう。

収束チェック段階５４において、コンピュータ３６は、計算が満足のいく解答に収束したかどうかを考査する。該計算が収束する限り、該コンピュータは、それらラジエーターの場が、いずれの干渉性物品によっても有意には摂動を起こされなかったということを仮に結論付ける。そのような場合、該コンピュータは、段階５０に戻って、異なる組の諸周波数を選定し、次いで、段階５２及び５４を繰り返す。各々のパススルー（pass through）段階５４において、該コンピュータは、収束性をチェックして、
・ 現行の組の諸ラジエーター周波数での、プローブの諸座標の計算が、それ自体収束してしまうこと、即ち、いずれかの適切な方法によって、何回かの繰返し（iterations；反復）を利用した後、繰返し毎に計算される諸座標の変動が、所定の誤差範囲内にあること；及び
・ 現行の組の諸ラジエーター周波数で計算されるプローブの諸座標が、異なる周波数の組を用いながら、先のパススルー段階５０〜５４で計算された諸座標の、所定の誤差範囲（典型的には、３ｍｍ）内にあること；
の両者を確かめる。
ループスルー（loop through）段階５０〜５４は、Ｎ回繰り返す；ここに、Ｎは、例えば、５又は１０に等しい。コンピュータ３６は、完了チェック段階５６において、Ｎ回繰返しの全てが完了したかどうかをチェックする。Ｎ回の全てで収束が生じた場合、該コンピュータは、負の決定（negative determination）段階５８において、金属器具４０（又は、他の、場に摂動を起こさせる物品）に起因する、有意な場の摂動は存在しないことを決定する。

他方、繰返しスルー（iterations through）段階５４のいずれかにおいて、上記に規定する基準に基づき、座標の計算は収束することができないことが決定された場合、コンピュータ３６は、正の決定（positive determination）段階６０において、場妨害物品が存在していると判断する。そのような物品が存在することは、それら方程式が収束しないことに対する、（機械的又は電気的な故障とは違って）合理的に予想される唯一の理由であるため、この決定を行うことができる。一旦この決定が行なわれてしまうと、該コンピュータは、補正段階６２において、補正技術を適用して、該干渉性物品によって引き起こされる摂動に対する座標計算を補正することができる。例えば、上述の米国特許第６，１４７，４８０号及び同第６，３７３，２４０号明細書に記述されている諸技術は、当該技術で知られている他の諸技術と同様に、この目的のために使用することができる。追加的又は代替的に、コンピュータ３６は、プローブ２０の現行座標が疑わしい状況にあり、例えば、該プローブの近辺から器具４０が除去されてしまうまで慎重に使用すべきであることを、装置１０の使用者に知らせる。補正技術によって、非収束の問題が解消されない場合、コンピュータ３６は、装置が機能停止していることを使用者に知らせることができる。

上述の諸具体例は実施例として列挙されており、しかも、本発明は上文に具体的に示し記述してきたものに限定されないと解釈する。それどころか、本発明の範囲には、上記の種々の特徴のコンビネーションとサブコンビネーションの両者だけでなく；それらの変形及び部分的に修正したものであって、当業者が前記の記述を読み取る時に思い浮かぶと思われ、しかも、従来技術に開示されていないもの；が包含される。

（諸具体例の詳細な記述）
次に、図１に言及する。図１は、本発明の具体例に基づく、プローブ２０（例えば、医療用途のカテーテル）をトラッキングする装置１０を概略的に説明する。類似の諸装置は、上述の米国特許第５，３１９，１９９号；同第６，１４７，４８０号；及び同第６，３７３，２４０号明細書、並びに米国特許公開ＵＳ２００２／００６５４５５Ａ１号明細書に記述されている。記述されている諸構成要素は、明瞭且つ完全性のために本明細書において繰り返す。

装置１０は、既知の位置及び方向で配置されている複数個のラジエーターコイル（２２，２４及び２６）を備えている。それらラジエーターコイルは、可変周波数の駆動回路（driver circuits）（３０，３２及び３３）によって駆動して、プローブ２０の近辺に、各々の組（sets）の周波数｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝で、各々の磁場Ｈ_１，Ｈ_２及びＨ_３を生じる。諸組｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝は典型的には、約１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲の周波数を有する。とは言え、いっそう大きい周波数及びいっそう小さい周波数を使用することもある。それらコイルが発する諸組の周波数｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝は、コンピュータ３６によって設定される。コンピュータ３６は、装置１０のための装置コントローラーとして役立つ。諸組の周波数｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝は全て、同一の周波数又は異なる周波数を有することがある。いずれにせよ、コンピュータ３６は、いずれの時点でも、わずか１個のラジエーターコイルがいずれか任意の周波数で発していることを与える既知の多重化パターン（multiplexing pattern）に従って、回路（３０，３２及び３３）を制御する。各々の駆動回路は典型的には、時間が経てば、各々の組の諸周波数の全体に渡って、周期的に走査するように制御される。もう１つの方法として、各々の駆動回路は、各々のコイル（２２，２４又は２６）を駆動させて、同時に複数種の周波数を発することができる。

装置１０のために、諸ラジエーターコイル（２２，２４及び２６）は、それらラジエーターコイルが基準座標系（reference frame）に固定される限り；しかも、それらラジエーターコイルが重なり合わない限り、即ち、完全に同一の配置（即ち、位置及び方向）を有する２個のラジエーターコイルが存在しない限り；いずれかの都合の良い位置及び方向で配置することができる。それらラジエーターコイルの配置だけでなく、それらラジエーターコイルの大きさ及び形状は、本発明の用途に応じて変化する。医療用途のために、それらラジエーターコイルは典型的には、外径（Ｏ．Ｄ．）が約２〜２０ｃｍであり、厚さが約０．５〜２ｃｍの環状の巻きコイルであって、同一平面上の千鳥形配列をしており、それらコイルの諸中心が約２〜３０ｃｍ離れている該巻きコイルを備えている。そのような医療用途のためには、棒形状の送信機、又は三角形若しくは四角形のコイルでさえも有用であるかも知れない。腹臥体位の患者が本発明を包含する処置の被験者となる場合、それらラジエーターコイルは、該患者が静止している表面部分（例えば、手術台）の中、又は該表面部分の下；処置が行なわれる患者の体の部分の下；に配置することができる。他の諸用途において、それらラジエーターコイルは、患者の皮膚の近辺に又は該皮膚と接触して存在することがある。

プローブ２０は、それらラジエーターコイルによって生じる諸磁場に応答して諸電気信号を発生する諸センサーコイル（２７，２８及び２９）を備えている。それらセンサーコイルは、空芯（air cores）又は材料の芯に巻かれていることがある。図１に示す具体例において、諸センサーコイルは、相互に直交する軸であって、それら軸の１つがプローブ２０の長軸と一線上に都合良くそろっている該直交軸を有している。従来技術の（他の用途に使用される）諸位置センサーであって、同心に配置されている３個のコイルを備えているか；又は、少なくともそれらの諸軸が交差している；該位置センサーと異なり、この具体例における諸コイルは、プローブの長軸に沿って密接しており、その結果、該プローブの直径が減少し、且つ、他の諸構成要素［例えば、動作チャネル（working channel）（図示せず）］のために一定間隔が取られている。

如何なる時点でも、諸センサーコイル（２７，２８及び２９）によって生じる諸信号は、諸ラジエーターコイルによって生じている諸組｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝の特定の諸周波数の諸成分を有する。これら信号の各々の大きさ（amplitudes）は、それらラジエーターコイルの位置及び方向に関連する、プローブ２０の位置及び方向によって左右される。諸センサーコイル（２７，２８及び２９）によって生じる諸信号は、リード線３３を経由してプローブの近位端まで伝えられて、信号処理回路３４によって処理される。リード線３３は典型的には、ピックアップ（pick-up）を低減するために、撚り線対（twisted pairs）を有しており、また、電気的に更に保護することができる。それら処理済みセンサー信号は、次いで、プローブ２０の位置及び方向の座標を計算するために、諸ラジエーターコイル（２２，２４及び２６）を駆動するのに使用される諸信号の表示と一緒に、コンピュータ３６によって使用される。

本発明の１つの具体例において、諸センサーコイル（２７，２８，２９）は、約０．５ｍｍの内径を有しており；また、１〜１．２ｍｍの全コイル直径を与えるために、直径１６μｍのワイヤの８００回巻きを有している。そのとき、該コイルの有効な受波実効面積（capture area）は、約４００ｍｍ^２となる。これらの寸法は、かなりの範囲に渡って変わることがあり、例示的な寸法範囲の単なる典型であるものと解釈することができる。それらセンサーコイルの寸法は、とりわけ、（感度は幾らか損失するが）０．３ｍｍほどの小ささであることもあり、或いは２ｍｍ以上ほどの大きさであることもある。それらセンサーコイルのワイヤ寸法は、１０〜３１μｍの範囲に及ぶことがあり、また、巻き数は、最大許容寸法とワイヤの直径とによって決まるが、３００〜２６００の範囲に及ぶことがある。それらセンサーコイルの有効な受波実効面積は典型的には、実現可能であり、外形寸法の必要条件に一致するほど大きくする。諸コイル（２７，２８及び２９）は、円筒状であるように示されているが、他の諸形状も使用することができる。例えば、たる形コイル、角形コイル、又は他の形状のコイルが有用であることもあり、プローブ２０の構造（geometry；幾何学的配列）によって決まる。

図１の装置１０は、３個のラジエーターコイルと３個のセンサーコイルとを備えているように示されているが、本発明の他の諸具体例では、異なる数、異なるタイプ及び異なる配列のラジエーターとセンサーとを使用することができる。例えば、区別することのできる複数の磁場を発生させる２個の非重複ラジエーターコイルのみを使用して、固定された基準系（frame of reference）を定めることができる。プローブ２０の遠位端の、位置及び方向の６個の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚの方向、並びにピッチ方向、偏方向及びロール方向）を決定するために、２個の非平行センサーコイルを使用して、それらラジエーターコイルに起因する磁場フラックスを測定することができる。しかし、３個のラジエーターコイル及び３個のセンサーコイルを使用することは、位置測定の精度と信頼性とを改善するのに役立つ。
もう１つの方法として、単一のセンサーコイルのみを使用するならば、コンピュータ３６は、依然として、位置及び方向の５個の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚの方向、並びにピッチ方向、偏方向及びロール方向）を決定することができる。単一コイル装置（単一軸装置とも呼ばれる）の特定の特徴及び機能は、米国特許第６，４８４，１１８号明細書に記述されている（この米国特許明細書の開示内容は、言及することによって、本明細書に組み入れる）。

プローブ２０の諸座標を決定するために、コンピュータは、プローブの諸信号を、複数個のラジエーターコイル（２２，２４及び２６）によって生じる諸磁場の数式モデルに適合させる。この計算は、以下に記述されるように、各々の計算に、異なる群のラジエーター周波数｛ω_１，ω_２，ω_３｝を用いながら、各々のプローブ位置で複数回実行する。図１に示される３個のラジエーターコイル及び３個のセンサーコイルのための計算形態は、９個の非線形代数方程式の系：

［式中、Ｂ_Ｓ，Ｃ（ω_Ｃ）は、ラジエーターコイル（ｃ）の磁場に起因して、未知の位置及び方向の座標（ｘ，ｙ，ｚ，ε，ξ，ζ）のセンサーコイル（ｓ）から受信される実際の信号を表し、また、該ラジエーターコイルは、組｛ω_Ｃ｝の周波数ω_Ｃで駆動された］として、上述の特許公開ＵＳ２００２／００６５４５５Ａ１号明細書に与えられている。Ｆ_Ｓ，Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ，ε，ξ，ζ）は、それらラジエーターコイルによって生じている諸磁場の既知モデルを仮定すれば、これらの座標でそれらセンサーコイルから受信されていると思われる信号を表す。このモデルは、当該技術で知られている、諸ラジエーターコイル（２２，２４及び２６）の特定の位置及び構造によって決まる。

プローブ２０の近辺の物品であって、それらラジエーターコイルによって生じている諸磁場に有意に摂動を起こさせている該物品が全く存在していないと仮定すれば、いずれか任意の位置でのＦ_Ｓ，Ｃは、比類なく、それらラジエーターコイルの駆動電流と既知の位置及び方向：

［式中、Ａ_Ｃ及びφ_Ｃは、周波数ω_Ｃでの位置信号成分の振幅（amplitude）及び位相（phase）である］とによって決定される。座標（ｘ，ｙ，ｚ，ε，ξ，ζ）を決定するために、方程式（１）及び（２）によって表される方程式系は典型的には、当該技術で知られている数値近似法［例えば、ニュートン−ラフソン法（Newton-Raphson method）又は多次元割線法（multidimensional secant methods）］を用いて解く。その計算は、比類なく、使用するラジエーターコイルの周波数ω_Ｃとは関係なく、正確な座標値に収束するものと期待される。

しかし、図１に例示されるように、金属又は他の磁場応答性物品（例えば、外科用器具）がプローブ２０の近辺に導入されているとき、この期待は実現されないかも知れない。器具４０は通常、摂動を起こされていない場Ｈ_１，Ｈ_２及びＨ_３からエネルギーを受け；次いで、諸ラジエーターコイルによって発生している諸組｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝からの特定の諸周波数で、摂動を起させる諸寄生磁場Ｈ’_１，Ｈ’_２及びＨ’_３を再び生じさせる。それら寄生磁場の位相及び振幅は通常、器具４０の特性に左右される。該特性には、それらラジエーターコイルに関連するそれの誘電率、透磁率、幾何学的形状及び方向が包含される。それら寄生磁場の位相及び振幅は、諸場Ｈ’_１，Ｈ’_２及びＨ’_３の特定の諸周波数の関数でもある。従って、諸ラジエーターコイル（２２，２４及び２６）によって生じる、摂動を起こされていない諸磁場のモデルは、諸センサーコイル（２７，２８及び２９）によって遭遇すると思われる実際の諸場とは、もはや、一致しない。それどころか、今や、それらセンサーコイルによって発生する諸信号は、寄生成分：

（式中、Ａ’_Ｃ及びφ’_Ｃは、周波数ω_Ｃでの寄生信号成分の振幅及び位相である）を包含する。

これらの寄生効果（parasitic effects）の結果として、方程式（１）が解かれるとき、その方程式は、ラジエーターからの諸周波数の種々の選択に対して種々の結果を与えることができる。更に、ある周波数での摂動（perturbation）が厳しいとき、諸方程式の系を解くのに用いる近似法は、全く収束することができないかも知れない。

装置１０は、３個のラジエーターコイルと３個のセンサーコイルとを備えているように示されているが、異なるタイプのアンテナを、場の発生及び受信のために使用する場合だけでなく、いっそう大きい数又はいっそう小さい数の場発生器を使用する場合でも、場の摂動という類似の諸問題は起こる。例えば、外部コイル（２２，２４及び２６）が諸受信器として使用される場合、プローブ２０の中の諸コイル（２７，２８及び２９）は、諸場発生器として使用することができる。もう１つの例として、上記に示されるように、トラッキング装置は、単一のセンサーコイル及び複数個のラジエーターコイルのみを備えているか；又は、単一のラジエーターコイル及び複数個のセンサーコイルのみを備える；ことができる。複数個のラジエーターコイルと共に単一のセンサーコイルを使用することは、例えば、上述の米国特許出願第０９／６２１，３２２号明細書及び米国特許第６，４８４，１１８号明細書に記述されている。この出願明細書は、単一のセンサーコイルを有しているプローブの諸座標を決定するための数多くの評価方法を詳述している。これら評価方法には、最急降下法（steepest-descent technique）及び包括的推定法（global estimation technique）が包含されている。方法の選択とは関係なく、単一センサー装置における場応答性物品による場の摂動によって、同様に、種々の周波数での座標の諸計算が、異なる値に収束するか、又は全く収束することができないことがある。

図２は、本発明の１つの具体例に基づく、プローブ２０の近辺における場妨害性（field-disturbing）物品（例えば、器具４０）の存在を検出するための、コンピュータ３６によって実施される方法を概略的に例示する流れ図である。上記に示すように、この方法は、装置１０に関連して具体的に記述されているが、該方法は、他の諸タイプ及び諸配列の磁気トラッキング装置に対して同様に適用することができる。この方法を開始するために、制御装置は、周波数選定段階５０で、複数個のラジエーターコイル（２２，２４及び２６）のための、第１の組の１種以上の周波数を選定する。それらラジエーターコイルの全てが、［例えば、異なるラジエーターコイルによって生じる複数の場を区別するために、時間領域多重化（time-domain multiplexing）を用いながら］同一の周波数で作動する場合、この段階で選定した周波数の組は、単一の周波数のみを有している。もう１つの方法として、複数個のラジエーターコイルによって各々の場が異なる周波数を有している装置において、この段階で選定した周波数の組は、組｛ω_１｝，｛ω_２｝及び｛ω_３｝の各々のから選定される周波数を包含している。更に、それらラジエーターコイルの各々は、複数の周波数で同時に駆動することができる。

複数個のラジエーターコイル（２２，２４及び２６）は、選定済み周波数又は各々の諸周波数で諸磁場を発生させ、また、それら磁場に応答して、複数個のセンサーコイル（２７，２８及び２９）は複数の位置信号を発する。そのとき、コンピュータ３６は、位置決定段階５２で、入力Ｂ_Ｓ，Ｃ（ω_Ｃ）としての位置信号の振幅を用いながら、方程式（１）及び（２）によって表される組の連立方程式を解くことによって、プローブ２０の位置及び方向を決定しようと試みる。それらラジエーターコイルの１個以上が、複数の異なる周波数で同時に複数の場を発生する場合、コンピュータ３６は典型的には、それら連立方程式を解く前、時間領域又は周波数領域フィルタリング法（time- or frequency-domain filtering techniques）を使用して、異なるラジエーター周波数での複数の信号成分を分離する。それら連立方程式を解くためには、いずれかの適切な方法（例えば、上述の諸方法、又は当該技術で知られている他の諸方法）を用いることができる。

本発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（実施態様Ａ）
目標物をトラッキングする方法において、
前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させる段階と；
それらエネルギー場に応答して、それら異なる周波数で、前記目標物の位置で発生する複数の信号を受信する段階と；
それら異なる周波数で受信されたそれら信号に基づいて、前記目標物の複数の空間座標の多重計算を行なう段階と；
前記多重計算の収束性を考査する段階によって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていたか否かを確認する段階と；
を包含する、上記トラッキング方法。
（１）複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の磁場を発生させる段階を包含し；しかも、複数の信号を受信する段階は、前記複数の磁場に応答して発生する複数の電気信号を受信する段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。
（２）複数の磁場を発生させる段階は、複数の異なる周波数の複数の電流で、複数個のラジエーターコイルを駆動させて、該複数の磁場を発生させる段階を包含する、上記実施態様（１）に記載の方法。
（３）複数個のラジエーターコイルを駆動させる段階は、それらコイルの各々を駆動させて、複数の周波数の独特な各々のセットで、複数の磁場を発生させる段階を包含する、上記実施態様（２）に記載の方法。
（４）複数の電気信号を受信する段階は、目標物に固定されている１個以上のセンサーコイルからの複数の電気信号を受信する段階を包含する、上記実施態様（２）に記載の方法。
（５）複数のエネルギー場を発生させる段階は、所定のシーケンスの複数の周波数によって、順次、走査する段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。

（６）複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の異なる周波数で、同時に複数のエネルギー場を発生させる段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。
（７）多重計算を行なう段階は、受信された複数の信号を、目標物の空間座標に関連付ける１組の連立方程式を解く段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。
（８）多重計算を行なう段階は、反復近似法を適用して複数の空間座標を決定する段階を包含し、しかも、収束性を考査する段階は、前記反復近似法の収束基準を評価する段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。
（９）収束性を考査する段階は、複数の異なる周波数で計算された複数の空間座標の間の差異を検出する段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。
（１０）複数のエネルギー場が摂動を起こされていることを確認した直後、目標物の近辺に物品が存在することに対して補正する計算を修正する段階を包含する、実施態様Ａに記載の方法。

（実施態様Ｂ）
目標物をトラッキングするための装置において、
前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させるのに適合している少なくとも１台のラジエーターと、
それら異なる周波数でのそれらエネルギー場に応答して複数の信号を発生するのに適合している、前記目標物に固定されている少なくとも１台のセンサーと、
それら異なる周波数で発生したそれら信号に基づいて、前記目標物の諸空間座標の多重計算を行なうのに適合しており；しかも、前記計算の収束性を考査することによって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされているどうかを確認するのに適合している；装置コントローラーと、
を備えている、上記トラッキング装置。
（１１）複数のエネルギー場が複数の磁場であり；しかも、複数の信号が、それら磁場に応答する少なくとも１個のセンサーによって発生される複数の電気信号を包含している、実施態様Ｂに記載の装置。
（１２）少なくとも１台のラジエーターが、複数個のラジエーターコイルと、複数の異なる周波数の電流でそれらラジエーターコイルを駆動して複数の磁場を発生するのに適合している駆動回路とを備えている、上記実施態様（１１）に記載の装置。
（１３）駆動回路が、複数個のラジエーターコイルの各々を駆動して、複数の周波数の特有の各々のシーケンスで複数の磁場を発生するのに適合している、上記実施態様（１２）に記載の装置。
（１４）少なくとも１台のセンサーが、１個以上のセンサーコイルを有している、上記実施態様（１２）に記載の装置。
（１５）少なくとも１台のラジエーターが、複数の周波数の所定のシーケンスで順次、複数のエネルギー場を発生するのに適合している、実施態様Ｂに記載の装置。

（１６）少なくとも１台のラジエーターが、複数の異なる周波数で同時に、複数のエネルギー場を発生するのに適合している、実施態様Ｂに記載の装置。
（１７）装置コントローラーが、複数の受信信号を目標物の複数の空間座標に関連付ける１組の連立方程式を解くことによって、それら空間座標を計算するのに適合している、実施態様Ｂに記載の装置。
（１８）装置コントローラーが、繰返し近似法を適用することによって、複数の空間座標を計算し；且つ、前記繰返し近似法の収束基準を評価するとによって、その計算の収束性を考査する；のに適合している、実施態様Ｂに記載の装置。
（１９）装置コントローラーが、複数の異なる周波数で計算される複数の空間座標の間の差異を検出することによって、収束性を考査するのに適合している、実施態様Ｂに記載の装置。
（２０）複数のエネルギー場が摂動を起こされていたことを確認した直後、計算を修正して目標物の近辺に物品が存在することに対して補正を行なうことに、装置コントローラーが適合している、実施態様Ｂに記載の装置。

本発明の１つの具体例に基づく、プローブの座標をトラッキングするための装置を示す概略的見取り説明図である。 本発明の１つの具体例に基づく、場妨害物品（field-disturbing article）の存在を目標物トラッキング装置で検出する方法を概略的に説明する流れ図である。

Claims (22)

1. 目標物をトラッキングする方法において、
   前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させる段階と；
   それらエネルギー場に応答して、それら異なる周波数で、前記目標物の位置で発生する複数の信号を受信する段階と；
   それら異なる周波数で受信されたそれら信号に基づいて、前記目標物の複数の空間座標の多重計算を行なう段階と；
   前記多重計算の収束性を考査する段階によって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていたか否かを確認する段階と；
   を包含し、
   前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていたか否かを確認する段階によって、エネルギー場が前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていないと確認された場合、更に少なくとも１回、前記複数のエネルギー場を発生させる段階、前記目標物の位置で発生する複数の信号を受信する段階、前記目標物の複数の空間座標の多重計算を行なう段階、及び、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていたか否かを確認する段階を繰り返し、この場合、前記複数のエネルギー場を発生させる段階において、前記複数の異なる周波数とは相違する複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させる、上記トラッキング方法。
2. 複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の磁場を発生させる段階を包含し；しかも、複数の信号を受信する段階は、前記複数の磁場に応答して発生する複数の電気信号を受信する段階を包含する、請求項１に記載の方法。
3. 複数の磁場を発生させる段階は、複数の異なる周波数の複数の電流で、複数個のラジエーターコイルを駆動させて、該複数の磁場を発生させる段階を包含する、請求項２に記載の方法。
4. 複数個のラジエーターコイルを駆動させる段階は、それらコイルの各々を駆動させて、複数の周波数の独特な各々のセットで、複数の磁場を発生させる段階を包含する、請求項３に記載の方法。
5. 複数の電気信号を受信する段階は、目標物に固定されている１個以上のセンサーコイルからの複数の電気信号を受信する段階を包含する、請求項３に記載の方法。
6. 複数のエネルギー場を発生させる段階は、所定のシーケンスの複数の周波数によって、順次、走査する段階を包含する、請求項１に記載の方法。
7. 複数のエネルギー場を発生させる段階は、複数の異なる周波数で、同時に複数のエネルギー場を発生させる段階を包含する、請求項１に記載の方法。
8. 多重計算を行なう段階は、受信された複数の信号を、目標物の空間座標に関連付ける１組の連立方程式を解く段階を包含する、請求項１に記載の方法。
9. 多重計算を行なう段階は、反復近似法を適用して複数の空間座標を決定する段階を包含し、しかも、収束性を考査する段階は、前記反復近似法の収束基準を評価する段階を包含する、請求項１に記載の方法。
10. 収束性を考査する段階は、複数の異なる周波数で計算された複数の空間座標の間の差異を検出する段階を包含する、請求項１に記載の方法。
11. 複数のエネルギー場が摂動を起こされていることを確認した直後、計算を修正して目標物の近辺に物品が存在することに対して補正する段階を包含する、請求項１に記載の方法。
12. 目標物をトラッキングするための装置において、
    前記目標物の近辺に、複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させるのに適合している少なくとも１台のラジエーターと、
    それら異なる周波数でのそれらエネルギー場に応答して複数の信号を発生するのに適合している、前記目標物に固定されている少なくとも１台のセンサーと、
    それら異なる周波数で発生したそれら信号に基づいて、前記目標物の諸空間座標の多重計算を行なうのに適合しており；しかも、前記計算の収束性を考査することによって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされているどうかを確認するのに適合している；装置コントローラーと、
    を備えており、
    前記装置コントローラーが、エネルギー場が前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされていない、と確認した場合、前記ラジエーターは、前記目標物の近辺に、前記複数の異なる周波数とは相違する複数の異なる周波数で複数のエネルギー場を発生させ、前記センサーは、それら異なる周波数でのそれらエネルギー場に応答して複数の信号を発生し、前記装置コントローラーは、それら異なる周波数で発生したそれら信号に基づいて、前記目標物の諸空間座標の多重計算を行ない、しかも、前記計算の収束性を考査することによって、それらエネルギー場が、前記目標物の近辺の物品によって摂動を起こされているどうかを確認する、上記トラッキング装置。
13. 複数のエネルギー場が複数の磁場であり；しかも、複数の信号が、それら磁場に応答する少なくとも１個のセンサーによって発生される複数の電気信号を包含している、請求項１２に記載の装置。
14. 少なくとも１台のラジエーターが、複数個のラジエーターコイルと、複数の異なる周波数の電流でそれらラジエーターコイルを駆動して複数の磁場を発生するのに適合している駆動回路とを備えている、請求項１３に記載の装置。
15. 駆動回路が、複数個のラジエーターコイルの各々を駆動して、複数の周波数の特有の各々のシーケンスで複数の磁場を発生するのに適合している、請求項１４に記載の装置。
16. 少なくとも１台のセンサーが、１個以上のセンサーコイルを有している、請求項１４に記載の装置。
17. 少なくとも１台のラジエーターが、複数の周波数の所定のシーケンスで順次、複数のエネルギー場を発生するのに適合している、請求項１２に記載の装置。
18. 少なくとも１台のラジエーターが、複数の異なる周波数で同時に、複数のエネルギー場を発生するのに適合している、請求項１２に記載の装置。
19. 装置コントローラーが、複数の受信信号を目標物の複数の空間座標に関連付ける１組の連立方程式を解くことによって、それら空間座標を計算するのに適合している、請求項１２に記載の装置。
20. 装置コントローラーが、繰返し近似法を適用することによって、複数の空間座標を計算し；且つ、前記繰返し近似法の収束基準を評価するとによって、その計算の収束性を考査する；のに適合している、請求項１２に記載の装置。
21. 装置コントローラーが、複数の異なる周波数で計算される複数の空間座標の間の差異を検出することによって、収束性を考査するのに適合している、請求項１２に記載の装置。
22. 複数のエネルギー場が摂動を起こされていたことを確認した直後、計算を修正して目標物の近辺に物品が存在することに対して補正を行なうことに、装置コントローラーが適合している、請求項１２に記載の装置。

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