KR100830853B1 - 금속 면역 시스템 - Google Patents

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KR100830853B1
KR100830853B1 KR1020010067515A KR20010067515A KR100830853B1 KR 100830853 B1 KR100830853 B1 KR 100830853B1 KR 1020010067515 A KR1020010067515 A KR 1020010067515A KR 20010067515 A KR20010067515 A KR 20010067515A KR 100830853 B1 KR100830853 B1 KR 100830853B1
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Abstract

본 발명은, 물체 근처에, 교란되지 않은 에너지장을 복수의 미리 결정된 주파수들에서 생성하는 단계와, 물체 근처에 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 물품의 도입으로 인해, 교란되지 않은 에너지장에 응답하여 유도된 교란하는 에너지장의 특성을 결정하는 단계를 포함하는 물체 추적 방법을 개시한다. 본 방법은, 물품의 도입후에 물체의 위치에서 발생된 교란되지 않은 및 교란하는 에너지장들에 응답하여 복수의 결과적인 신호들을 수신하는 단계, 결과적인 신호들의 파라미터에 응답하여 복수의 미리 결정된 주파수들 중에서 교란되지 않은 에너지장에 대한 최적 주파수를 결정하는 단계 및, 최적 주파수에서 결과적인 신호에 응답하여 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계를 또한 포함한다.
Figure R1020010067515
교란, 에너지장, 물체 추적 방법

Description

금속 면역 시스템{Metal immune system}
도 1은 당업계에 공지된 바와 같이, 자기장 내의 강자성 물질의 투자율(μ) 대 자기장이 발생되는 주파수(f)의 관계를 나타내는 그래프도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 의료용 카테터 등의 프로브를 추적하기 위한 시스템을 개략적으로 예시하는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 2의 시스템에서 발생된 신호의 위치와 기생 부품들 간의 관계를 예시하는 벡터도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 2의 시스템의 프로브를 추적하는 주파수들을 선택하는 방법을 나타내는 개략적인 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 시스템 20: 프로브
22, 24, 26: 방사기 코일 27, 28, 29: 센서 코일
30, 32, 33: 가변 주파수 구동기 회로 34: 신호 처리 회로
36: 컴퓨터 40: 금속 기구
본 출원은, 본 명세서에는 참조로서 통합된, 1998년 10월 15일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제 09/173,763 호의 일부 계속 출원(continuation-in-part)이 있다.
본 발명은 일반적으로 자기장을 이용하여 물체들을 비접촉 추적하는 것에 관한 것이며, 보다 상세하게는 자기장에 자기장 응답성 물품을 밀어넣은 것의 효과를 거스르는 것에 관한 것이다.
비접촉 전자기 추적 시스템은 광범위한 용도에 걸쳐 당업계에 잘 공지되어 있다.
본 출원의 양수인에게 양도되고, 그 개시 내용이 본 명세서에 참조문헌으로서 인용된, 벤-하임(Ben-Haim)의 미합중국 특허 제5,391,199호는 의료용 프로브 (probe) 또는 카테터(catheter)에 관한 3차원 위치 정보를 발생시키는 시스템을 개시하고 있다. 센서 코일은 카테터 내에 배치되어 외부에서 인가된 자기장들에 응답하여 신호들을 발생시킨다. 자기장들은, 상호 이격된 위치들에서, 공지된 외부 기준 프레임에 고정된, 3개의 방사기(radiator) 코일들에 의해 발생된다. 방사기 코일 자기장들 각각에 응답하여 발생된 신호들의 진폭들이 검출되고, 센서 코일의 위치를 계산하기 위해 이용된다. 각각의 방사기(radiator) 코일은 공지된 주파수에서 다른 방사기 코일들의 자기장과 구별되는 자기장을 발생시키기 위해 구동기 (driver) 회로에 의해 바람직하게 구동되어, 센서 코일에 의해 발생된 신호들은 주파수에 의해 서로 다른 방사기 코일들에 대응하는 구성요소들로 분리될 수 있다.
1995년 1월 24일자로 출원되어 본 출원인의 양수인에게 양도된 PCT 특허 공개 제WO/96/05768호는 카테터의 팁에 관한 6차원 위치 및 배향 정보를 발생시키는 시스템을 개시하고 있으며, 그의 개시 내용을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다. 이 시스템은 카테터 내의 위치 가능한 사이트, 예를 들면 그의 말단부 근처에 인접한 복수의 센서 코일들, 및 외부 기준 프레임 내에 고정된 복수의 방사기 코일들을 사용한다. 이들 코일은 방사기 코일들에 의해 발생되는 자기장에 응답하는 신호들을 발생시키고, 그의 신호들은 6개의 위치 및 배향 좌표의 연산을 위해 허용된다. 상기 제'539 특허 출원의 경우와 마찬가지로, 방사기 코일들은 상이한 주파수들, 예를 들면 1000, 2000 및 3000Hz에서 동시에 작동되는 것이 바람직하다.
상기 추적 시스템들은 위치-응답성 신호들을 성분들, 가장 전형적으로는 주파수 성분들로의 분리에 의존하고, 여기서 그러한 성분 각각은 규칙적이고 잘 정의된 공간 분포를 갖는 자기장을 방출하는 공지된 위치의 단일 방사기 코일에 유일하게 대응하는 것으로 가정된다. 그러나, 실제로는, 금속 또는 기타 자기 응답성 물품이 카테터 또는 추적되고 있는 기타 물품 근처에 놓일 때, 방사기 코일들에 의해 그 근처에 발생된 자기장들은 왜곡된다. 예를 들면, 방사기 코일의 자기장은 그러한 물품 내에서 와전류를 발생시킬 수 있고, 이어서, 와전류는 기생 자기장이 방사되게 할 것이다. 그러한 기생 자기장 및 기타 유형의 왜곡(distortion)은 추적되고 있는 물체의 위치를 결정하는 데 있어서 오류를 유발할 수 있다.
한센(Hansen) 등의 미합중국 특허 제5,767,669호는 자기 추적 시스템에서 생성된 와전류 왜곡을 감하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 그의 개시 내용을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다. 이 시스템은 복수의 발전기들로부터 펄스된 자기장들을 이용하고, 와전류의 존재는 추적을 위해 사용된 센서 코일들에서 발생된 전류들의 변화율을 측정함으로써 검출된다. 와전류는 자기 펄스들의 기간을 조절함으로써 보상된다.
블러드(Blood)의 미합중국 특허 제4,945,305호는 펄스된 DC 자기장을 사용함으로써 와전류의 문제점들을 피하는 추적 시스템을 개시하고 있으며, 그의 개시 내용을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다. DC 자기장을 검출할 수 있는 센서들이 시스템에 사용되고, 와전류는 와전류의 쇠퇴 특성 및 진폭을 이용함으로써 검출되고 조절된다.
듀몰린(Dumoulin)의 유럽 특허 출원 EP 제 0964261A2호는 교류 자기장 발전기를 사용하는 추적 시스템에서 와전류를 보상하기 위한 시스템을 개시하고 있으며, 그의 개시 내용을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다. 제1 시스템에서, 와전류는 먼저 와전류로부터 자유로운 시스템을 검정하고, 이어서 와전류가 검출될 때 발생된 자기장을 변경시킴으로써 보상된다. 제2 시스템에서, 와전류는 발전기들 근처에 배치된 하나 이상의 차폐 코일을 사용함으로써 무효로 된다.
도 1은 당업계에 공지된 바와 같이, 자기장 내의 강자성 물질의 투자율(permeability; μ) 대 자기장이 발생되는 주파수(f)의 관계를 나타내는 그래프도이다. 투자율(μ)은 자기장에 의해 발생된 위상 시프트 인자이다. 이 그래프는 와전류가 형성되는 경우 물품에 대해 발생되는 강자성 물질의 투자율(μ)의 변화에 적용된다. 그 변화는 물품에 의해 유발되는 센서 내 위상 시프트 대 주파수(F)를 반영한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 위상 시프트에 영향을 미치는 추가의 인자들은 물품의 형태 및 물질의 도전성이다. 그래프는 주파수의 작은 변화에 대해 투자율의 실질적인 선형 변화를 보여준다.
본 발명의 일부 특징의 일 목적은 자기장과 간섭하는 물품의 존재하에 에너지장내의 물체의 비접촉 추적을 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일부 특징의 다른 목적은 물체의 비접촉 추적을 위해 이용된 에너지장과 간섭하는 물품의 효과를 최소화시키는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 물체 추적 시스템은 추적중인 물체 상의 배치 가능한 지점에 인접한 하나 이상의 센서 코일, 각각의 교류 전류에 의해 구동될 때 물체 근처에 자기장들을 포함하는 교류 에너지장들을 발생시키는 하나 이상의 방사기 코일을 포함한다. 각각의 방사기 코일에 대해, 그의 교류 전류의 주파수는 복수의 값들을 통해 스캐닝됨으로써, 임의의 특정 시점에서, 방사기 코일들 각각은 다른 방사기 코일들이 방사되는 주파수들과 상이한 주파수에서 방사된다.
센서 코일들은 자기장들에 응답하는 전기 신호들을 발생시키고, 그 신호들은 신호 처리 회로에 의해 수신되고, 컴퓨터 또는 기타 프로세서에 의해 분석된다. 금속 또는 기타 자기장 응답성 물품이 물체 근처에 있을 때, 그 신호들은 전형적으로 그들 각각의 순간 구동 주파수에서 방사기 코일들에 의해 발생된 자기장에 응답하는 위치 신호 성분들 및 물품으로 인해 발생된 기생 자기장에 응답하는 기생 신호 성분들을 포함한다. 기생 성분들은 전형적으로 주파수에 있어서 구동 주파수의 순간 주파수와 동일하고, 위상에 있어서 시프트됨으로써, 각각의 센서 코일에서 효과는 어떠한 에너지장 응답성 물품도 존재하지 않을 때의 신호에 상대적으로 시프트되는 위상 및 진폭을 갖는 결합된 신호를 생성하는 것이다. 위상-시프트는 구동 주파수의 함수이고, 각각의 구동 주파수가 스캐닝됨에 따라 마찬가지로 변화될 것이다. 컴퓨터는 어떤 주파수가 최소 위상-시프트 및 그에 따른 기생 성분들의 최소 효과를 생성하는지를 발견하기 위해 결합된 신호를 처리하고, 이러한 주파수는 물체의 위치를 산출하기 위해 사용된다. 위상 시프트가 최소로 될 때까지 구동 주파수를 변화시키는 것은 당업계에 공지되지 않은 것으로 신호에 대한 에너지장 응답성 물품의 효과를 감소시키는 효과적인 방법이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 대안의 방법은 위치 신호, 즉 에너지장 응답성 물품의 간섭 효과 없이 생성된 신호의 값을 발견하기 위해서 역시 사용된다. 결합된 신호 값의 측정은 복수의 주파수들에서 이루어진다. 얻어진 값들은 식들에서 공지되지 않은 것들 중의 하나로서 위치 신호를 포함하는 복수의 연립방정식을 풀기 위해 사용된다. 따라서, 구동 주파수를 변화시킴으로써 위치 신호가 에너지장 응답성 물품으로부터 간섭 신호들의 존재하에 결정되게 한다.
본 발명은, 방사기 코일 자기장으로부터 에너지를 수용하고 재방사하는 금속 또는 기타 에너지장 응답성 물품에 의해 발생된 기생 자기장들이 전형적으로 방사기 코일 자기장과 동일한 주파수이지만, 그에 상대적인 위상으로 시프트된다는 사실에 의존한다. 기생 자기장의 위상 시프트 및 진폭은 유전 상수, 자기 투자율 및 기하학적 형상을 포함하는 물품의 특성에 일반적으로 의존한다. 그러나, 기생 자기장의 위상 시프트 및 진폭 모두는 기생 자기장을 발생시키는 주파수 값에 선형 종속될 것으로 가정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라,
물체 근처에, 교란되지 않은 에너지장(unperturbed energy field)을 복수의 미리 결정된 주파수들에서 생성하는 단계;
교란되지 않은 에너지장에 응답하는 물품의 물체 근처로의 도입으로 인해, 교란되지 않은 에너지장에 응답하여 유도된 교란하는 에너지장(perturbing energy field)의 특성을 결정하는 단계;
물품의 도입후에 물체의 위치에서 발생된 교란하는 및 교란되지 않은 에너지장들에 응답하여 복수의 결과적인 신호들을 수신하는 단계;
결과적인 신호들의 파라미터에 응답하여 복수의 미리 결정된 주파수들 중에서 교란되지 않은 에너지장에 대한 최적 주파수를 결정하는 단계; 및
최적 주파수에서 결과적인 신호에 응답하여 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계를 포함하는 물체의 추적 방법이 제공된다.
바람직하게는, 복수의 미리 결정된 주파수들에서 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계는 주파수들을 순차적으로 스캐닝하는 단계를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 복수의 미리 결정된 주파수들에서 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계는 주파수들중 적어도 몇몇을 다중화하는(multiplexing) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 복수의 생성된 신호들을 수신하는 단계는:
물품의 도입전에 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 복수의 결과적인 신호들 각각의 기준선(baseline) 위상값
Figure 112006079511621-pat00013
을 측정하는 단계; 및
물품의 도입후 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 위상 시프트
Figure 112006079511621-pat00014
를 측정하여, 파라미터가 복수의 미리 결정된 주파수들 각각에 대한 항
Figure 112006079511621-pat00015
을 포함하도록 하는, 상기 위상 시프트 측정 단계를 포함하고;
최적 주파수를 결정하는 단계는
Figure 112001028287776-pat00016
가 최소로 되는 주파수 ω를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계는 주파수 ω에서 신호의 진폭
Figure 112001028287776-pat00017
에 응답하여 공간 좌표들을 결정하는 단계를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계는 주파수 ω에서 신호 Mω의 위상에 응답하여 공간 좌표를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 에너지장을 생성하는 단계는 자기장들을 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 신호들을 수신하는 단계는 자기장들에 응답하여 발생된 전기 신호들을 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라,
물체의 근처에 복수의 미리 결정된 주파수들을 포함하는 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계;
교란되지 않은 에너지장에 응답하는 물품의 물체 근처로의 도입에 의해 교란하는 에너지장을 생성하는 단계;
물품의 도입후에 물체의 위치에서 발생된 교란되지 않은 및 교란하는 에너지장들에 응답하여 각각의 복수의 신호들을 수신하는 단계; 및
복수의 신호들 및 각각의 주파수들에 응답하는 물체의 공간 좌표들에 따라 하나 이상의 인자들을 결정하는 단계를 포함하는, 물체의 추적 방법이 추가로 제공된다.
바람직하게는, 하나 이상의 인자들을 결정하는 단계는,
에너지장들을 발생시키는 복수의 미리 결정된 전류들에 정비례하도록, 교란하는 에너지장에 응답하는 신호의 페이저
Figure 112006079511621-pat00018
와, 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 신호의 페이저(phasor)
Figure 112006079511621-pat00019
를 가정하는 단계; 및
복수의 미리 결정된 주파수들에 선형으로 의존하도록, 교란하는 에너지장에 응답하는 신호의 위상
Figure 112006079511621-pat00020
와, 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 신호의 위상
Figure 112006079511621-pat00021
을 가정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 복수의 주파수들은 적어도 4개의 주파수들을 포함하고, 하나 이상의 인자들은 물체의 공간 좌표들을 포함한다.
바람직하게는, 복수의 신호들을 수신하는 단계는 적어도 4개의 주파수들에서 신호 Mi의 적어도 4개의 값들을 수신하는 단계를 포함하고,
하나 이상의 인자들을 결정하는 단계는,
신호 Mi의 각각의 값들을 식
Figure 112006079511621-pat00022
으로 치환하여, 교란되지 않은 에너지장에 응답하여 발생된, 위치 신호 진폭 A0의 값을 결정하는 단계로서, 여기서,
Figure 112006079511621-pat00023
는 측정된 에너지장을 나타내는 페이저이고,
Figure 112006079511621-pat00024
는 교란되지 않은 에너지장을 나타내는 페이저이며, ai'는 교란하는 에너지장의 진폭을 나타내고,
Figure 112006079511621-pat00025
는 교란하는 에너지장의 위상을 나타내며, i는 적어도 4개의 주파수들에 각각 대응하는 적어도 4개의 숫자들을 나타내어, 적어도 4개의 식들을 발생시키는, 상기 위치 신호 진폭 A0의 값을 결정하는 단계와,
위치 신호 진폭 A0에 대한 적어도 4개의 식을 푸는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라,
물체의 근처에, 에너지장을 복수의 미리 결정된 주파수들에서 발생시키는 방사기 (radiator);
물체에 고정되고, 에너지장에 응답하는 간섭 물품(interfering article) 및 에너지장에 응답하여 복수의 신호들을 발생시키는 센서; 및
센서로부터 복수의 신호들을 수신하고, 신호들의 파라미터에 응답하여 복수의 미리 결정된 주파수들 중에서 에너지장에 대한 최적 주파수를 결정하며, 최적 주파수에서 신호에 응답하는 물체의 위치 좌표들을 결정하는 신호 처리 회로를 포함하는, 물체 추적 장치가 제공된다.
바람직하게는, 방사기는 주파수들을 순차적으로 스캐닝함으로써 복수의 미리 결정된 주파수들에서 에너지장을 발생시킨다.
더욱 바람직하게는, 방사기는 주파수들의 적어도 몇몇을 다중화시킴으로써 복수의 미리 결정된 주파수들에서 에너지장을 발생시킨다.
바람직하게는, 파라미터는 위상 시프트를 포함하고, 최적 주파수는 위상 시프트가 최소인 경우의 주파수를 포함한다.
바람직하게는, 신호 처리 회로는 위상 시프트가 최소인 주파수에서 복수의 신호들중 한 신호의 진폭에 응답하여 물체의 위치 좌표들을 결정한다.
바람직하게는, 에너지장은 자기장을 포함한다.
바람직하게는, 복수의 신호들은 자기장에 응답하여 발생된 복수의 전기 신호들을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라,
물체의 근처에 복수의 미리 결정된 주파수들을 포함하는 에너지장을 발생시키는, 방사기;
물체에 고정되고, 에너지장에 응답하는 간섭 물품 및 에너지장에 응답하여 각각의 복수의 신호들을 발생시키는 센서; 및
센서로부터 복수의 신호들을 수신하고, 신호들 및 그에 대응하는 주파수들에 응답하는 물체의 공간 좌표들에 따라 하나 이상의 인자들을 결정하는 신호 처리 회로를 포함하는, 물체 추적 장치가 추가로 제공된다.
바람직하게는, 상기 복수의 주파수들은 적어도 4개의 주파수들을 포함하고, 하나 이상의 인자들은 물체의 공간 좌표들을 포함한다.
본 발명은 도면과 더불어 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 의료용 카테터 등의 프로브(20)를 추적하기 위한 시스템(10)을 개략적으로 예시하는 도 2를 참조하자. 시스템(10)과 일반적으로 유사한 시스템들의 동작은 미합중국 특허 출원 제09/173,763호, 미합중국 특허 제5,391,199호 및 PCT 특허 출원 제WO/96/05768호에 상세히 기재되어 있고, 그의 개시 내용은 본 발명의 양수인에게 양도되었고, 이들을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다. 시스템(10)은 복수의 방사기 코일(22, 24 및 26)을 포함한다. 이들 코일은 프로브(20) 근처에, 각각의 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}에서 각각의 자기장
Figure 112008006383631-pat00083
,
Figure 112008006383631-pat00084
및
Figure 112008006383631-pat00085
을 발생시킨다. 각각의 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}은 복수의 개개의 주파수를 포함한다. 가장 바람직하게는, 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}에서 주파수들 각각(fi)은 공통 주파수(f0)에 의해 간단히 분할된다. 즉, fi=k1f0이고, 여기서, k1은 정수이다. 이러한 경우에, 방사된 신호들(이 신호들은 이후 보다 상세히 설명됨)을 수신하는 샘플링 기간 ΔT 회로는 바람직하게는 하기 수식 (1)로 제공된다.
Figure 112001028287776-pat00029
여기서, k2는 정수를 나타낸다.
주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}에서 전형적인 주파수(fi) 값들은 100Hz 내지 20 kHz 범위의 주파수들을 포함한다.
시스템(10)은 각각의 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}에서 코일들(22, 24 및 26)을 구동하는 방사기 코일들 각각에 결합된 실질적으로 유사한 가변 주파수 구동기 회로(30, 32 및 33)를 추가로 포함한다. 가장 바람직하게는, 코일들이 방사되는 각각의 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}는 컴퓨터(36)에 의해 설정된다. 또한, 가장 바람직하게는, 각각의 구동기 회로의 주파수들의 적어도 일부는 함께 다중화되고, 획득 후 결과 신호들은 아래 보다 상세히 기재되는 바와 같이, 신호 처리 회로(34)에서 분석된다. 대안으로, 각각의 구동기 회로의 주파수는 시간이 경과함에 따라 주기적으로 주파수들을 스캐닝하는 등의 당업계에 공지된 일부 기타 방법에 따라서 및(또는) 시간 다중화의 하나 이상의 다른 방법들을 사용함으로써 변화된다. 주파수를 변화시키기 위해 어떤 방법이 사용되든지 간에, 임의의 순간에 특정 코일에 의해 방사된 주파수는 모든 다른 코일들에 의해 방사된 주파수 또는 주파수들과 상이하도록 설정된다.
프로브는 자기장에 응답하여 전기적 전류 신호를 발생시키는 센서 코일들(27, 28 및 29)을 포함한다. 임의의 순간에, 이들 신호들은 발생되고 있는 특정 주파수들 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}의 성분을 포함하고, 그들의 각각의 진폭은 프로브(20)의 위치 및 배향에 의존한다. 센서 코일들(27, 28 및 29)에 의해 발생된 신호들은 바람직하게는 신호 처리 회로(34)에 의해 수신되어 처리되고, 이어서 프 로브(20)의 위치 및 배향 좌표를 산출하기 위해 컴퓨터(36)에 의해 사용된다.
도 2는 프로브(20) 내의 3개의 방사기 코일들(22, 24 및 26) 및 3개의 센서 코일들(27, 28 및 29)을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 1개, 2개, 4개 또는 그 이상의 방사기 코일 및 1개, 2개 이상의 센서 코일을 포함하는 추적 시스템들에 동등하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 1개의 센서 코일을 포함하는 단일축 시스템에 적용되고, 그 경우에, 시스템은 9개의 방사기 코일을 포함하는 것이 가장 바람직하다.
기생 효과들의 부재하에, 임의의 주파수 {ω1}에서 센서 코일들(27, 28 및 29)에 의해 발생된 신호들은 센서 코일들의 각각의 축들을 따라 프로브(20)에서 자기장
Figure 112006079511621-pat00086
의 투사(projection)의 시간 미분계수(derivative)의 진폭에 비례한다. 임의의 주파수 {ω2} 및 {ω3}에서 발생된 신호들은 마찬가지로
Figure 112006079511621-pat00087
및
Figure 112006079511621-pat00088
의 투사들에 비례한다. 방사기 코일들 중에서 상호 유도로 인해 발생할 수 있는 기생 효과들은 예를 들면 1997년 3월 18일자로 출원되어 본 특허 출원의 양수인에게 양도된 PCT 특허 출원 제PCT/IL/00100호에 개시된 바와 같이 실질적으로 제거되는 것이 바람직하고, 그의 개시 내용을 본 명세서에 참고 문헌으로서 인용한다.
방사기 코일들(22, 24 및 26) 중의 임의의 것으로 인한 자기장의 방향 및 진폭은 당업계에 공지된 방법을 사용하여 용이하게 산출될 수 있고, 각각의 방사기 코일 자기장으로 인한 센서 코일 신호들은 방사기 코일에 상대적인 배향 및 그로부터 센서 코일의 거리에 직접적으로 관련될 수 있다. 기생 자기장의 부재 하에, 아래 기재하게 되는 바와 같이, {ω1}, {ω2} 및 {ω3}에 포함된 각각의 특정 주파수에서 신호의 위상은 방사기 코일들(22, 24 및 26)에 의해 발생된 자기장의 위상에 상대적으로 실질적으로 일정하고, 센서 코일들(27, 28 및 29)의 위치 및 배향에 좌우될 것임을 역시 인식해야 할 것이다.
그러나, 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속 또는 자기장-응답성 물품, 예를 들면 수술용 기구(40)는 프로브(20) 근처에 도입되고, 이 물품은 교란되지 않은 자기장
Figure 112008006383631-pat00089
,
Figure 112008006383631-pat00090
및
Figure 112008006383631-pat00091
으로부터 에너지를 일반적으로 수용할 것이고, 발생되고 있는 주파수 세트 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}로부터 특정 주파수들에서 교란되는 기생 자기장
Figure 112008006383631-pat00112
',
Figure 112008006383631-pat00113
및
Figure 112008006383631-pat00114
을 재방사할 것이다. 일반적으로, 기생 자기장들의 위상들은 위상각들
Figure 112008006383631-pat00039
,
Figure 112008006383631-pat00040
및
Figure 112008006383631-pat00041
각각에 의해 방사기 코일 자기장들에 상대적으로 시프트될 것이다. 기생 자기장의 위상들 및 진폭들은 그의 유전 상수, 자기 투자율, 기하학적 형상 및 방사기 코일들에 대해 상대적인 배향을 포함하는 기구(40)의 특성에 의해 일반적으로 좌우된다. 기생 자기장의 위상들 및 진폭들은 또한 발생중인 특정 주파수들의 함수이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서 코일(27)에서 방사기 코일(22)로부터 방사를 위한 위치 성분과 기생 신호 성분 간의 관계를 예시하는 벡터도이다. 센서 코일(27)은 방사기 코일들(22, 24 및 26)에 의해 발생된 주파수에 응답하여, 신호 처리 회로(34)로 전송되는 주파수 세트를 발생시킨다. 신호 처리 회로(34)는 수신된 신호를 구성 주파수들로 분리하고, 각각의 주파수의 진폭 및 위상을 회복시키고, 도 3에 관련하여 아래 기재되는 바와 같이 사용된다. 간결함을 위해, 달리 지적하지 않는 한, 다음 설명은 센서 코일(27)에 관한 것이고, 센서 코일들(28 및 29)은 코일(27)로서 실질적으로 작용함을 인식해야 할 것이다.
진폭 ┃M{ω}┃ 및 위상 φ{ω} total을 갖는 신호 벡터(50)는 주파수 세트 {ω}에서 센서 코일(27)로부터 수신된 신호 M{ω}를 나타낸다. 벡터(50)는 위치 신호 성분 벡터(52)와 기생 신호 성분 벡터(54)의 벡터 합이다. 벡터들(50, 52, 54)은 코일(27)에서 전류 I{ω}에 대한 위상의 기준이다. 위치 신호 성분(52)은 주파수 {ω}에서 진폭 A{ω} 및 실질적으로 일정한 기준선 위상 φ{ω}을 갖는다. 주파수 {ω}에서, 기생 신호 성분(54)은 φ{ω}'의 기준선 및 진폭 A{ω}'로부터 위상 시프트를 갖는다. 달리 지적하지 않는 한, 하기 식은 하나의 특정 주파수(여기서는 ω로 정의됨)를 고려하고, 그 설명은 코일(27)에서 발생된 모든 주파수에 적용될 수 있음을 인식해야할 것이다.
위치 신호 성분 및 기생 신호 성분 모두를 포함하여, 센서 코일(27)로부터 수신된 전체 결합 신호(total combined signal) Mω는 일반적으로 하기 식으로 표현될 수 있음으로써:
Figure 112001028287776-pat00042
진폭
Figure 112001028287776-pat00043
은 하기 식으로 주어진다.
Figure 112001028287776-pat00044
여기서,
Figure 112001028287776-pat00045
와
Figure 112001028287776-pat00046
는 주파수 ω에서 위치 신호 성분 및 기생 신호 성분 각각의 페이저이다.
식(2b) 및 도 3으로부터 신호 주파수 성분들
Figure 112001028287776-pat00047
각각에 대해, 기생 신호 성분의 중첩은 하기 식으로 제공되는 바와 같이, 금속 기구(40)의 부재하에 신호 위상에 상대적으로 전체적으로 검출된 신호에서 위상 시프트를 유발할 것이다:
Figure 112001028287776-pat00048

본 발명의 바람직한 실시예에서, 신호 처리 회로(34) 및 컴퓨터(36)는 센서 코일들(27, 28 및 29)로부터 수신된 모든 상이한 주파수들에 대해서 또는 프로브(20) 근처의 임의의 금속 또는 기타 간섭하는 자기장 응답성 물체의 부재하에 단일축 시스템 등의 상기 다른 시스템들에 대해 기준선 위상
Figure 112001028287776-pat00049
를 검출하고 기록한다. 대안으로, 위치 신호 성분들의 교란되지 않은 위상들은 시스템(10)에 대해 미리 결정되어 있을 수 있거나 또는 시스템의 오퍼레이션에 기초하여 공지된다. 금속 기구(40)가 프로브(20) 근처로 도입될 때, 신호들 중에서 그에 따라 발생된 기생 성분들로 인한 위상 시프트는 각각 별개의 주파수에서 측정된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 프로브(20)를 추적하는 주파수들을 선택하는 방법을 나타내는 개략적인 흐름도이다. 간단히 하기 위해, 다음 설명은 단지 방사기 코일(22) 및 센서 코일(27)만을 나타내지만, 도 4에 나타낸 방법이 시스템(10) 내의 방사기 코일 및 센서 코일의 임의의 결합에 적용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 초기화 위상에서, 기준선 위상값
Figure 112006079511621-pat00050
은 코일(27)에서 유도된 전압 및 전류로부터 회로(34)에 의해 측정된다. 기준선 위상 값
Figure 112006079511621-pat00051
은 {ω1}의 주파수들 각각에서 측정되고, 각각의 값은 컴퓨터(36)에 기록된다. 오퍼레이션 기간 동안,
Figure 112006079511621-pat00052
및 그 차이의 절대값
Figure 112006079511621-pat00053
은 {ω1}의 각각의 주파수에 대해 측정되고 기록된다. 절대 차이가 0이 아니라는 사실에서, 기구(40)로 인한 기생 신호 성분이 존재함을 나타냄으로써, 컴퓨터(36)는 가장 작은 절대 차이를 갖는 주파수를 선택한다. 이러한 주파수는 식(2b)에서
Figure 112006079511621-pat00054
를 평가할 때 사용된다. 상기 방법을 시스템(10) 내의 방사기 코일들 및 센서 코일들의 모든 결합에 적용함으로써 프로브(20)의 위치 및 배향의 완전한 결정을 가능케 할 수 있음을 인식해야 할 것이다.
상기한 바와 같이, 식(2a) 및 (2b)은 센서 코일(27)에 인가된 주파수 ω에 대해 적용된다. 주파수 ω가 변화함에 따라, Aω,
Figure 112006079511621-pat00055
, Aω' 및
Figure 112006079511621-pat00056
값들이 변화한다. 당업계에 공지된 바와 같이, Aω 및 Aω'는 여기서 자기장을 발생시키는 방사기 코일(22)인 것으로 가정되는 특정 방사기 코일이 구동되고 센서 코일(27)이 검출되는 전류에 정비례한다. 따라서, Aω= βA0이고, Aω'= βA0'이며, 여기서 β는 상수이고, ω0는 {ω1}에서의 임의의 주파수이며, A0와 A0'는 주파수 ω0에서의 위치 및 기생 신호 성분들의 진폭들이다. 또한, 주파수 ω의 작은 변화들에 대해,
Figure 112006079511621-pat00057
는 주파수 ω에 선형적으로 종속됨으로써, 다음과 같다.
Figure 112001028287776-pat00058
여기서, Δω= ω- ω0이고,
γ는 도함수
Figure 112001028287776-pat00059
의 값에 대응하는 상수이며,
Figure 112001028287776-pat00060
는 기생 위상이고
Figure 112001028287776-pat00061
는 위치 위상이다.
특정 주파수 ωi에서, 식(2a)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
Figure 112001028287776-pat00062
여기서,
Figure 112001028287776-pat00063
는 ωi에서 측정된 자기장을 나타내는 페이저이고,
Figure 112001028287776-pat00064
는 교란 되지 않은 자기장을 나타내는 페이저이며,
Figure 112001028287776-pat00065
는 기구(40)로 인한 교란하는 자기장을 나타내는 페이저이다.
식 (5a)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112001028287776-pat00066
여기서, ai' 및
Figure 112001028287776-pat00067
는 ωi에서의 교란하는 진폭 및 위상이다.
식(5b)은 역시 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112001028287776-pat00068
여기서, a0' 및
Figure 112001028287776-pat00069
는 교란하는 진폭 및 위상이고, A0은 ω0에서 교란되지 않은 진폭이고,
Figure 112001028287776-pat00070
는 ωi에서의 교란되지 않은 위상 시프트이며,
Figure 112001028287776-pat00071
이다.
식(5c)에서, A0, a0' 및
Figure 112006079511621-pat00072
는 공지되어 있지 않고,
Figure 112006079511621-pat00073
, βi, γ, ω0 및 ωi는 공지되어 있거나 또는 γ의 경우에 주파수에 대한 투자율을 나타내는 도 1의 그래프를 사용함으로써 ω0 및 ωi로부터 분리된 서로 다른 주파수로부터 발견될 수 있다. 대안으로, γ는 공지되지 않은 것으로 가정될 수 있다. 따라서,
Figure 112006079511621-pat00074
가 4개의 공지된 별개의 주파수들에서 측정되는 경우, 식(5c)은 A0, 즉 위치 신호 성분에 대해 풀 수 있다. 가장 바람직하게는, 시스템(10)에서 주파수들 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}은 4개 이상의 별개의 주파수들을 포함함으로써, 복수의 A0 값이 결정될 수 있고, A0의 최종 값은 당업계에 공지된 평균화 프로세스들 중의 하나에 의해 산출된다. 대안으로 또는 추가로, 시스템(10)에서 주파수들 {ω1}, {ω2} 및 {ω3}이 4개 이상의 별개의 주파수들을 포함할 때, 식(5c)은 적어도 일부 A0, a0' 및
Figure 112006079511621-pat00075
를 기재하는 다른 파라미터들을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, A0, a0'의 값은 선형 또는 비선형 방식으로 주파수 ω에 좌우되는 것으로 가정될 수 있고, 적절한 상수들은 당업계에 공지된 바와 같이, 식(5c)에 포함될 수 있다.
따라서, 각각의 방사기 코일의 여기 주파수를 변화시키고, 이들 주파수에서 각각의 센서 코일에서 발생된 전체 신호를 측정함으로써, 신호의 위치 성분은 기생 성분들의 존재와 무관하게 결정될 수 있음을 인식하게 될 것이다. 또한, 복수의 주파수들에 의해 각각의 방사기 코일의 여기 주파수를 변화시키는 것은 여기서 복수는 4개 이하이고, 간섭하는 물품들의 존재하에 추적하는 물체과 연관된 인자들에 관한 유용한 정보를 제공할 것임을 역시 인식하게 될 것이다.
또한, 상기 바람직한 실시예들은 실시예로서 인용한 것이고, 본 발명은 상기 특별히 나타내고 기재한 것들로만 제한되지 않음을 인식하게 될 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 상기 여러 가지 특징의 결합 및 부분 결합 모두 뿐만 아니라 상기 설명을 읽는 당업계의 숙련자들에게 발생할 수 있고, 선행 기술에 개시되지 않은 변화 및 그의 변형들을 포함한다.
자기장과 간섭하는 물품의 존재하에 에너지장내의 물체의 비접촉 추적을 위한 방법 및 그 장치가 제공되고, 물체의 비접촉 추적을 위해 이용된 에너지장과 간섭하는 물품의 효과를 최소화시키는 방법 및 장치가 제공된다.

Claims (21)

  1. 물체를 추적하는 방법에 있어서:
    상기 물체 근처에, 교란되지 않은 에너지장(unperturbed energy field)을 복수의 미리 결정된 주파수들에서 생성하는 단계;
    물품(article)의 도입 전에 상기 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 복수의 결과적인 신호들 각각의 기준선(baseline) 위상값
    Figure 112008006383631-pat00095
    을 측정하는 단계;
    상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 물품의 상기 물체 근처로의 도입으로 인해, 상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하여 유도된 교란하는 에너지장(perturbing energy field)의 특성을 결정하는 단계;
    상기 물품의 도입 후에 상기 물체의 위치에서 생성된 상기 교란하는 및 교란되지 않은 에너지장들에 응답하여 복수의 결과적인 신호들을 수신하는 단계;
    상기 물품의 도입 후에 상기 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 위상 시프트
    Figure 112008006383631-pat00096
    를 측정하여, 상기 결과적인 신호들의 파라미터가 상기 복수의 미리 결정된 주파수들 각각에 대한 항
    Figure 112008006383631-pat00097
    을 포함하도록 하는, 상기 위상 시프트 측정 단계;
    상기
    Figure 112008006383631-pat00098
    가 최소가 되는 주파수 ω를 결정함으로써 상기 결과적인 신호들의 파라미터에 응답하여 상기 복수의 미리 결정된 주파수들 중에서 상기 교란되지 않은 에너지장에 대한 최적 주파수를 결정하는 단계; 및
    상기 최적 주파수에서 상기 결과적인 신호에 응답하여 상기 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 미리 결정된 주파수들에서 상기 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계는 상기 주파수들을 순차적으로 스캐닝하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 미리 결정된 주파수들에서 상기 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계는 상기 주파수들 중 적어도 일부를 다중화하는(multiplexing) 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계는 상기 주파수 ω에서 신호의 진폭
    Figure 112006079511621-pat00099
    에 응답하여 공간 좌표들을 결정하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체의 공간 좌표들을 결정하는 단계는 상기 주파수 ω에서 신호 Mω의 위상에 응답하여 공간 좌표들을 결정하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지장들을 생성하는 단계는 자기장들을 생성하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호들을 수신하는 단계는 상기 자기장들에 응답하여 생성된 전기 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  8. 물체를 추적하는 방법에 있어서:
    상기 물체 근처에 복수의 미리 결정된 주파수들을 포함하는 교란되지 않은 에너지장을 생성하는 단계;
    상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 물품의 상기 물체의 근처로의 도입에 의해 교란하는 에너지장을 생성하는 단계;
    상기 물품의 도입 후에 상기 물체의 위치에서 생성된 상기 교란되지 않은 및 교란하는 에너지장들에 응답하여 각각의 복수의 결과적인 신호들을 수신하는 단계; 및
    상기 에너지장들을 생성하는 복수의 미리 결정된 전류들에 정비례하도록, 상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 신호의 페이저(phasor)
    Figure 112008006383631-pat00100
    와, 상기 교란하는 에너지장에 응답하는 신호의 페이저
    Figure 112008006383631-pat00101
    를 가정함으로써 상기 복수의 결과적인 신호들 및 상기 각각의 주파수들에 응답하는 상기 물체의 공간 좌표들에 따른 하나 이상의 인자들을 결정하는 단계;
    상기 복수의 미리 결정된 주파수들에 선형으로 의존하도록, 상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 상기 신호의 위상
    Figure 112008006383631-pat00102
    와, 상기 교란하는 에너지장에 응답하는 상기 신호의 위상
    Figure 112008006383631-pat00103
    을 가정하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 주파수들은 적어도 4개의 주파수들을 포함하고, 상기 하나 이상의 인자들은 상기 물체의 공간 좌표들을 포함하는, 물체 추적 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 신호들을 수신하는 단계는 상기 적어도 4개의 주파수들에서 신호 Mi의 적어도 4개의 값들을 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 인자들을 결정하는 단계는:
    상기 신호 Mi의 각각의 값들을 식
    Figure 112008006383631-pat00010
    으로 치환함으로써, 상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하여 생성된 위치 신호 진폭 A0 의 값을 결정하는 단계로서,
    Figure 112008006383631-pat00011
    는 측정된 에너지장을 나타내는 페이저이고,
    Figure 112008006383631-pat00012
    는 상기 교란되지 않은 에너지장을 나타내는 페이저이며, ai'은 상기 교란하는 에너지장의 진폭을 나타내고,
    Figure 112008006383631-pat00078
    는 상기 교란하는 에너지장의 위상을 나타내며, i는 적어도 4개의 식들을 생성하도록 상기 적어도 4개의 주파수들에 각각 대응하는 적어도 4개의 숫자들을 나타내는, 상기 위치 신호 진폭 A0의 값 결정 단계; 및
    상기 위치 신호 진폭 A0에 대한 상기 적어도 4개의 식들을 푸는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
  11. 물체 추적 장치에 있어서:
    상기 물체 근처에 에너지장을 복수의 미리 결정된 주파수들에서 생성하는 방사기(radiator);
    상기 물체에 고정되고, 상기 에너지장에 응답하는 간섭 물품(interfering article)과 상기 에너지장에 응답하여 복수의 신호들을 생성하는 센서;
    신호 처리 회로로서, 상기 센서로부터 상기 복수의 신호들을 수신하고, 상기 물품의 도입 전에 상기 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 복수의 결과적인 신호들 각각의 기준선 위상값
    Figure 112008006383631-pat00104
    을 측정하고, 상기 물품의 도입 후에 상기 각각의 복수의 미리 결정된 주파수들에서 위상 시프트
    Figure 112008006383631-pat00105
    를 측정하여, 상기 신호들의 파라미터가 상기 복수의 미리 결정된 주파수들 각각에 대한 항
    Figure 112008006383631-pat00106
    을 포함하도록 함으로써, 상기 파라미터에 응답하여 상기 복수의 미리 결정된 주파수들 중에서 상기 에너지장에 대한 최적 주파수를 결정하고, 항
    Figure 112008006383631-pat00107
    가 최소가 되는 주파수 ω를 결정함으로써 상기 최적 주파수에서 상기 신호에 응답하는 상기 물체의 위치 좌표들을 결정하는, 상기 신호 처리 회로를 포함하는, 물체 추적 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 방사기는 상기 주파수들을 순차로 스캐닝함으로써 상기 복수의 미리 결정된 주파수들에서 상기 에너지장을 생성하는, 물체 추적 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 방사기는 상기 주파수들 중 적어도 일부를 다중화함으로써 상기 복수의 미리 결정된 주파수들에서 상기 에너지장을 생성하는, 물체 추적 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 파라미터는 위상 시프트를 포함하고, 상기 최적 주파수는 상기 위상 시프트가 최소인 주파수를 포함하는, 물체 추적 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 신호 처리 회로는, 상기 위상 시프트가 최소인 주파수에서 상기 복수의 신호들 중 하나의 진폭에 응답하여 상기 물체의 위치 좌표들을 결정하는, 물체 추적 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 에너지장은 자기장을 포함하는, 물체 추적 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 신호들은 상기 자기장에 응답하여 생성된 복수의 전기 신호들을 포함하는, 물체 추적 장치.
  18. 물체 추적 장치에 있어서:
    상기 물체 근처에서 복수의 미리 결정된 주파수들을 포함하는 에너지장을 생성하는 방사기;
    상기 물체에 고정되고, 상기 에너지장에 응답하는 간섭 물품과 상기 에너지장에 응답하여 각각의 복수의 신호들을 생성하는 센서;
    신호 처리 회로로서, 상기 센서로부터 상기 복수의 신호들을 수신하고, 상기 에너지장들을 생성하는 복수의 미리 결정된 전류들에 정비례하도록, 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 신호의 페이저
    Figure 112008006383631-pat00108
    와, 교란하는 에너지장에 응답하는 신호의 페이저
    Figure 112008006383631-pat00109
    를 가정함으로써 상기 신호들 및 그에 대응하는 주파수들에 응답하는 상기 물체의 공간 좌표들에 따라 하나 이상의 인자들을 결정하고, 상기 복수의 미리 결정된 주파수들에 선형으로 의존하도록, 상기 교란되지 않은 에너지장에 응답하는 상기 신호의 위상
    Figure 112008006383631-pat00110
    과, 상기 교란하는 에너지장에 응답하는 상기 신호의 위상
    Figure 112008006383631-pat00111
    을 가정하는, 상기 신호 처리 회로를 포함하는, 물체 추적 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 주파수들은 적어도 4개의 주파수들을 포함하고, 상기 하나 이상의 인자들은 상기 물체의 공간 좌표들을 포함하는, 물체 추적 장치.
  20. 삭제
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