KR20080017275A - 주파수 외삽을 사용하는 왜곡-면역 위치 추적 - Google Patents

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Abstract

객체(object)의 위치를 추적하기 위한 방법은 적어도 하나의 필드 발생기를 사용하여 객체 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하는 단계를 포함한다. AC 자기장들은 상기 객체에 연계된 필드 센서를 사용하여 감지된다. 필드 센서에서의 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향의 표식인, 대응하는 AC 데이터 포인트들이 산출되고, 감지된 AC 자기장들의 적어도 일부는 왜곡된다. 상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서, 상기 AC 데이터 포인트들의 상기 AC 자기장들의 주파수들에 대한 의존도는 목표 주파수에 외삽된다. 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들은 상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여 산출된다.
필드 발생기, 필드 센서, 데이터 포인트, 자기장, 프로세서

Description

주파수 외삽을 사용하는 왜곡-면역 위치 추적{DISTORTION-IMMUNE POSITION TRACKING USING FREQUENCY EXTRAPOLATION}
본 발명은 일반적으로 자기(magnetic) 위치 추적 시스템에 관한 것이며, 특히 필드 왜곡 객체(field-distorting object)들의 존재시 정밀 위치 측정을 수행하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
의료적 행위에 수반된 객체들의 좌표들을 추적하기 위해서, 당업계에는 다양한 방법과 시스템들이 공지되어 있다. 이러한 시스템들 중 일부는 자기장 측정을 사용한다. 예를 들어, 그 공개내용이 본원에 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 5,391,199 및 5,443,489는 신체내 프로브(probe)의 좌표들이 하나 이상의 필드 변환기들을 사용하여 결정되는 시스템들을 기술한다. 이러한 시스템들은 의료용 프로브 또는 카테터(catheter)에 관한 소재 정보를 생성하기 위해 사용된다. 코일과 같은 센서는 프로브내에 배치되고, 외부에 인가되는 자기장들에 응답하여 신호들을 생성한다. 이 자기장들은 라디에이터 코일(radiator coil)들과 같은, 상호 이격된 위치들에서 알려진 외부 기준 프레임(reference frame)에 고정된 자기장 변환기들에 의해 생성된다.
또한 자기 위치 추적과 관련된 추가 방법과 시스템들은 예를 들어, 그 공개내용이 본원에 참조로서 통합되어 있는 PCT 특허 공개공보 WO 96/05768, 미국 특허 6,690,963, 6,239,724, 6,618,612, 및 6,332,089와 미국 특허 출원 공개공보 2002/0065455 A1, 2003/0120150 A1 및 2004/0068178 A1에 기술되어 있다. 이러한 공개 공보들은 상이한 의료 행위에 사용되는 심장내 카테터들, 정형외과적 삽입물들과 의료용 도구와 같은 신체내 객체들의 위치를 추적하는 방법과 시스템들을 기술한다.
자기 위치 추적 시스템의 자기장내의 금속, 상자성 또는 강자성 객체들의 존재는 종종 시스템의 측정을 종종 왜곡시키는 것으로 당업계에 주지되어 있다. 이 왜곡은 간혹 시스템의 자기장 및 다른 영향들에 의해 이러한 객체들에 유도된 와전류들에 의해 유발된다.
다양한 방법과 시스템들이 이러한 간섭의 존재시 위치 추적을 수행하기 위해 당업계에 기술되어 있다. 예컨대, 그 공개 내용이 본원에 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 6,147,480은 추적된 객체내에 유도된 신호들이 기생 신호 성분들을 유발할 수 있는 임의의 물품의 부재시에 최초로 검출되는 방법을 기술한다. 상기 신호들의 베이스라인 위상들이 결정된다. 기생 자기장들을 생성하는 물품이 상기 추적된 객체 부근내로 도입되는 경우, 기생 성분으로 인한 유도된 신호들의 위상 변위가 검출된다. 상기 측정된 위상 변위들은 객체의 위치가 부정확할 수 있음을 나타내기 위해 사용된다. 또한, 위상 변위들은 기생 신호 성분들의 적어도 일 부분을 제거하기 위해 상기 신호들의 분석용으로 사용될 수 있다.
일부 응용예들에서, 자기장의 왜곡은 수개의 자기장 주파수들을 사용하여 측정을 실시함으로써 측정 및/또는 보상된다. 예를 들어, 그 공개 내용이 본원에 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 4,829,250은 고정된 기준 프레임과 비구속된 객체 사이의 상대 배향을 결정하기 위한 자기 시스템을 기술한다. 다중 주파수 소스(multi-frequency source)와 3개의 직교 수신 코일들에 의해 구동되는 3개의 직교 배치형 전송 코일들 사이의 상호 결합은 아날로그 전압(analog voltages)의 세트들을 생산한다. 상기 아날로그 전압들은 피치(pitch) 각도와 요우(yaw) 각도를 결정하기 위한 지향성 성분들을 산출하기 위해 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier Transform ; FFT) 장치를 사용하여 시험되고, 계수화되고, 그리고 처리된다. 상기 전송 코일들을 구동하기 위해 상기 다중 주파수 소스를 사용하고 좌표 성분 측정을 적어도 2개의 개별 주파수들에 추출함으로써, 도전성 구조물을 감싸고 있는 와전류로 인한 결과적인 에러들이 보상될 수 있다.
다른 예시로서, 그 공개 내용이 본원에 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 6,373,240은 객체 추적 방법을 기술한다. 상기 방법은 객체 부근의 복수의 예정 주파수들에서 비교란 에너지장(unperturbed energy field)을 생산하는 단계와, 객체 부근내로 물품의 도입으로 인한 상기 비교란 에너지장에 응답하여 유도된 교란 에너지장의 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 물품의 도입 이후, 상기 객체의 소재에서 생성된 비교란 및 교란 에너지장에 응답하여 복수의 결과 신호들을 수신하는 단계와, 결과 신호들의 변수에 응답하여 복수의 예정 주파수들 중에서 비교란 에너지장을 위한 최적 주파수를 결정하는 단계와, 상기 최적 주 파수에서 상기 결과 신호에 응답하여 객체의 공간 좌표들을 결정하는 단계를 부가로 포함한다.
많은 경우에, 필드 왜곡 객체들의 의해 유발된 왜곡은 추적 필드의 주파수에 의존한다. 일부 시나리오에서, 왜곡이 최소인 최적 주파수가 존재한다. 상술된 바와 같은 일부 방법과 시스템들은 예를 들어, 상기에서 언급된 미국 특허 6,373,240에서 추적 필드의 주파수 범위를 스캔하며 이러한 최적 주파수를 탐색한다. 그러나, 외부 자성체(36)의 존재와 같은 중대한 금속 방해물이 존재시, 심각한 왜곡이 시스템에 의해 사용되는 전체 주파수 범위에 유발될 수 있다. 게다가, 카테터를 조향할 때 자성체(36)가 물리적으로 이동되기 때문에, 공지된 선험적인(a-priori) 왜곡 교정 및 상쇄 방법이 종종 적용될 수 없다.
종래 기술의 이러한 결점들을 극복하기 위해, 본 발명의 실시예들은 필드 왜곡 객체들에 의해서 유발된 추적 필드의 왜곡을 평가하고 상쇄하기 위한 방법과 시스템들을 제공한다.
시스템은 추적된 객체 부근에 자기장들을 생성하는 2 이상의 필드 발생기들을 포함한다. 자기장들은 객체와 연계된 위치 센서에 의해 감지되고, 객체의 위치(소재 및 배향) 좌표들을 산출하기 사용되는 위치 신호들로 전환된다. 필드 발생기는 수개의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성한다. 금속 방해물의 효과 를 감소시키기 위해, 측정된 자기장 강도들의 주파수 의존도는 목표 주파수에 정합되고 외삽된다.
예를 들어, 측정은 동등한 직류(DC) 자기장 강도를 산출하기 위해서 제로 주파수에 외삽될 수 있다. AC 측정과 달리, 직류 자기장들은 일반적으로 와전류들과 다른 AC 관련 왜곡을 유발하지 않는다. 이러한 왜곡이 실질적으로 없는 동등한 DC 자기장 강도는 이후에 필드 발생기들에 대한 추적된 객체의 위치를 산출하기 위해 사용된다. 대안 실시예들에서, 자기장 강도들 및/또는 좌표들은 금속 왜곡 효과들을 상쇄하기 위해 무한 주파수 또는 임의의 목표 주파수에 외삽된다.
그러므로 본 발명의 실시예에 따른 객체의 위치 추적 방법이 제공되며, 이 방법은 ;
객체(object) 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하는, 적어도 하나의 필드 발생기(field generator)를 사용하는 단계;
상기 AC 자기장들을 감지하며 상기 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되고, 필드 센서에서 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향의 표식인 대응 AC 데이터 포인트들을 산출하는, 상기 객체와 연계된 필드 센서를 사용하는 단계;
상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서, 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주파수에 외삽하는 단계; 및
상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여, 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은 환자의 기관내로 상기 객체를 삽입하는 단계와, 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하는 단계는 상기 기관 내부의 상기 객체의 위치를 추적하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 상기 적어도 하나의 필드 발생기는 상기 객체와 연계되고, 상기 필드 센서는 상기 기관 외부에 위치된다.
다른 실시예에서, 상기 왜곡은 상기 적어도 AC 자기장들 중 일부에 영향을 받는 필드 왜곡 객체에 의해서 유발되고, 상기 객체는 금속, 상자성 및 강자성 재료들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 목표 주파수는 제로 주파수를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 목표 주파수는 무한 주파수를 포함한다. 상기 의존도를 외삽하는 단계는 함수를 상기 AC 데이터 포인트들 및 상기 AC 자기장들의 주파수들에 정합하는 단계와, 상기 목표 주파수에서 상기 함수의 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 함수는 다항식 함수와 유리 함수로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 상기 함수를 정합하는 단계는 값들을 상기 함수의 계수들에 할당하는 단계를 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 의존도를 외삽하는 단계는 사전 취득된 필드 측정에 기초하여 상기 함수를 한정하는 단계를 포함한다. 상기 함수를 한정하는 단계는 상기 사전 취득된 필드 측정에 기초한 PCA 기본 함수들을 산출하기 위해 주성분 분석(Principal Components Analysis ; PCA)법을 적용하는 단계와, 상기 PCA 기본 함수들을 사용하여 상기 함수를 한정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 객체의 위치 추적 시스템이 추가로 제공된다. 이 시스템은;
객체 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하기 위해 배치되는 적어도 하나의 필드 발생기;
상기 AC 자기장들을 감지하며 상기 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되고, 필드 센서에서 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향의 표식인 대응 AC 데이터 포인트들을 산출하기 위해 배치되는, 상기 객체와 연계된 필드 센서; 및
상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주파수에 외삽하고, 상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하도록 배치된 프로세서를 포함한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 객체의 위치 추적 시스템에서 사용되는 컴퓨터 소프트웨어 제품이 추가로 제공된다. 상기 제품은, 컴퓨터에 의해 판독될 때 상기 컴퓨터로 하여금, 객체 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하기 위해 적어도 하나의 필드 발생기를 제어하고, 필드 센서에 의해 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되는, 상기 각각의 AC 자기장들의 크기 및 방향의 AC 데이터 포인트들 표식을 상기 객체와 연계된 필드 센서로부터 수용하고, 상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주 파수에 외삽하고, 상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하게 만드는 프로그램 명령어들이 저장된 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다.
본 발명은 도면과 함께 취해진, 하기 실시예들의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
본 발명의 실시예들은 금속, 상자성 및/또는 강자성 객체(총체적으로 필드 왜곡 객체들로 언급됨)들의 존재시 주파수 외삽을 사용하여 자기 위치 추적 측정을 수행하기 위한 개선된 방법과 시스템들을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 신체내 객체들의 조향 및 위치 추적용 시스템의 개략적이며 회화적인 도면이다. 시스템(20)은 환자의 심장(28)과 같은 기관내에 삽입되는 심장 카테터(24 ; catheter)와 같은 신체내 객체를 조향하고 추적한다. 또한 시스템(20)은 카테터(24)의 위치(즉, 소재 및 배향)를 측정, 추적 그리고 표시한다. 일부 실시예들에서, 카테터 위치는 심장 또는 그 부분들의 3차원 모델로 기록된다. 심장에 관한 카테터 위치는 디스플레이(30)상에서 의사에게 표시된다. 의사는 의료적 행위 동안 카테터를 조향하고 그 위치를 보기 위해 오퍼레이터 콘솔(31 ; operator console)을 사용한다.
의사의 수동이 아닌 시스템에 의한 자동 또는 반자동적으로 카테터의 조향 및 운행이 수행되는, 다양한 심장내 수술 및 진단 행위를 수행하기 위해서 시스 템(20)이 사용될 수 있다. 시스템(20)의 카테터 조향 기능들은 예를 들어 Stereotaxis, Inc.(St. Louis, Missouri) 사의 Niobe® 마그네틱 네비게이션 시스템을 사용하여 실행될 수 있다. 이 시스템에 관한 상세들은 www.stereotaxis.com 에서 이용할 수 있다. 또한 자기 카테터 운행 방법도 예컨대, 그 공개내용들이 본원에 참조로써 통합되어 있는 미국 특허 5,654,864 및 6,755,816에 기술되어 있다.
시스템(20)은 카테터를 포함하는 작동 볼륨(working volume)에서, 본원에서 조향 필드(steering field)로 언급된 자기장을 인가함으로써 카테터(24)를 위치설정, 배향 그리고 조향한다. 내부 자성체는 카테터(24)의 원위 팁내에 정합된다(카테터(24)는 도 3에 상세히 도시됨). 조향 필드는 내부 자성체를 조향하여(즉, 회전 및 이동), 카테터(24)의 원위 팁을 조향한다.
조향 필드는 한 쌍의 외부 자성체(36)에 의해 생성되고, 일반적으로 환자의 한 측부에 위치설정된다. 일부 실시예들에서, 자성체(36)는 콘솔(31)에 의해서 생성된 적절한 조향 제어 신호들에 응답하여 조향 필드를 생성하는 전자석(electro-magnet)들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 조향 필드는 회전되거나, 또는 달리 외부 자성체들(36) 또는 그 부품들을 물리적으로 이동시켜(즉, 회전시켜서) 제어된다. 작동 볼륨 부근 가까이에서, 자성체(36)와 같이 그 위치가 시간에 걸쳐 변화될 수 있는 대형 금속 객체들을 가짐으로써 발생하는 난점들이 이하에서 논의될 것이다.
시스템(20)은 의료적 행위 동안 카테터(24)의 소재 및 배향을 측정하고 추적한다. 이를 위해, 상기 시스템은 소재 패드(40 ; location pad)를 포함한다. 소 재 패드(40)는 필드 발생 코일들(44)과 같은 필드 발생기들을 포함한다. 코일들(44)은 작동 볼륨 부근의 고정되고, 공지된 소재들과 배향들에서 위치설정된다. 도 1의 예시적인 형태에서, 소재 패드(40)는 환자가 누워있는 침대 아래에 수평하게 배치된다. 이러한 예시에서, 패드(40)는 삼각형이며 3개의 코일들(44)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 소재 패드(40)는 임의의 적절한 기하학적 형태로 배열된 많은 수량의 필드 발생기들을 포함할 수 있다.
콘솔(31)은 신호 발생기(46)를 포함하며, 이 신호 발생기는 코일들(44)을 구동하는 구동 신호들을 생성한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 3개의 구동 신호들이 생성된다. 각각의 코일(44)은 코일을 구동하는 구동 신호 각각에 응답하여, 본원에서 추적 필드로 언급되는 교류(AC) 자기장을 생성한다.
신호 발생기(46)는 가변-주파수 신호 발생기를 포함하며, 이 가변-주파수 신호 발생기는 예정 범위내 주파수들을 갖는 구동 신호들을 생성하도록 설정될 수 있다. 시스템(20)은 추적 필드내로 도입되는 왜곡 효과들을 상쇄하기 위해서 수개의 주파수들에서 필드 측정을 수행하며, 이는 하기에서 설명된다. 다른 주파수 범위들이 또한 사용될 수 있으나, 전형적으로 신호 발생기(46)에 생성된 구동 신호들의 주파수들은(그리고 결과적으로 각각의 추적 필드들의 주파수들) 수백 ㎐ 내지 수천 ㎐ 의 범위가 된다.
카테터(24)의 원위 팁 내로 정합된 위치 센서는 코일들(44)에 의해 생성된 추적 필드들을 감지하며 각각의 위치 신호들을 생산해내고, 이 신호들은 코일들을 생성하는 필드에 대한 센서의 소재 및 배향의 표식이다. 일반적으로 카테터(24)를 통해 콘솔까지 연장하는 케이블을 따라서, 위치 신호들은 콘솔(31)로 보내진다. 콘솔(31)은 추적 프로세서(48)를 포함하고, 이는 상기 위치 신호들에 응답하여 카테터(24)의 소재 및 배향을 산출한다. 프로세서(48)는 카테터의 소재 및 배향을 표시하고, 일반적으로 디스플레이(30)를 사용하는 의사에게 6차원 좌표로서 표현된다.
프로세서(48)는 또한 신호 발생기(46)의 작동을 제어하고 관리한다. 특히, 프로세서(48)는 상이한 구동 신호들을 생성하기 위한 적절한 주파수들을 설정한다. 일부 실시예들에서, 위치 센서가 임의의 주어진 시간에서 단일 코일(44)로부터 시발하는 추적 필드를 측정하도록, 필드 발생 코일들(44)은 연속적으로 작동된다. 이러한 실시예들에서, 프로세서(48)는 코일(44) 각각의 작동을 교번하고, 적절한 필드 발생 코일을 구비한 카테터로부터 수신된 위치 신호들을 연계한다.
전형적으로, 추적 프로세서(48)는 범용 컴퓨터(general-purpose computer)를 사용하여 실행되고, 이 컴퓨터는 본원에 기술된 기능들을 실행하도록 소프트웨어에 프로그래밍된다. 상기 소프트웨어는 예를 들어 네트워크에 걸친 전자 폼(form)으로 상기 컴퓨터에 다운로드될 수 있거나, 또는 대신에 CD-ROM과 같은 유형의 매체에서 상기 컴퓨터에 공급될 수 있다. 추적 프로세서는 콘솔(31)의 다른 연산 기능들과 통합될 수 있다.
대안 실시예에서, 필드 발생기들은 카테터(24)의 원위 팁내로 정합된다. 상기 필드 발생기들에 의해 생성된 자기장들은 소재 패드(40)와 같은 환자의 신체 외측의 알려진 위치들에 배치된 위치 센서들에 의해서 감지된다. 이 감지된 자기장 들은 카테터(24)의 위치를 결정하기 위해 사용된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카테터(24)의 원위 팁의 개략적이며 회화적인 도면이다. 카테터(24)는 상술한 바와 같이 내부 자성체(32)와 위치 센서(52)를 포함한다. 또한, 카테터(24)는 하나 이상의 절제 전극들과 같은 전극(56)들과 국소 전기 포텐셜을 감지하기 위한 전극들을 포함할 수 있다. 위치 센서(52)는 필드 감지 코일(60)들과 같은 필드 감지 요소들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 위치 센서(52)는 3개의 상호 직교 평면들에서 배향된 3개의 필드 감지 코일(60)들을 포함한다. 각각의 코일(60)은 AC 추적 필드의 3개의 직교 구성부품들 중 하나를 감지하고, 상기 감지된 구성부품에 응답하여 각각의 위치 신호를 생산한다. 센서(52) 및 전극들(56)은 일반적으로 카테터를 통해 연장하는 케이블을 경유하여 콘솔(31)에 연결된다.
AC 자기장내에 배치된 금속, 상자성 및 강자성 객체들(총체적으로 본원에서 필드 왜곡 객체들로 언급됨)은 그 부근에서 필드의 왜곡을 유발하는 것으로 당업계에 주지되어 있다. 예컨대, 금속 객체가 AC 자기장에 영향을 받는 경우, 와전류들이 상기 객체내에 유도되고, 이는 교대로 AC 자기장을 왜곡하는 기생 자기장들을 생산한다. 강자성 객체들은 자기력선의 밀도와 배향을 끌어당기고 변화시킴으로써 자기장을 왜곡한다.
자기 위치 추적 시스템과 관련하여, 필드 왜곡 객체가 위치 센서(52) 부근에 존재시에, 잘못된 위치 측정을 유발하면서, 센서(52)에 의해 감지된 추적 필드는 왜곡된다. 왜곡의 심각성은 일반적으로 위치 센서의 부근 및 필드 발생 코일들, 및/또는 추적 필드가 필드 왜곡 객체상에 영향을 미치는 각도에 주어진 필드 왜곡 재료의 양에 의존한다. 예를 들어 도 1의 시스템에서, 외부 자성체(36)는 일반적으로 대형 필드 왜곡 재료 덩어리를 포함하며 작동 볼륨 부근 가까이에 위치된다. 이와 같이, 외부 자성체(36)는 위치 센서에 의해 감지된 추적 필드의 중대한 왜곡을 유발할 수 있다.
하기에서 상술된 방법과 시스템들은 주로 추적 자기장의 심각한 왜곡이 존재시에 정밀 위치 추적 측정을 수행과 관계된다. 도 1의 카테터 조향 시스템은 단지 예시적인 응용예로서 기술되고, 여기에서 위치 추적 시스템의 작동 볼륨 부근에 또는 그 내부에 위치된 객체들은 추적 필드의 심각한 왜곡을 유발한다.
그러나, 본 발명의 실시예들은 자기 조향 응용예들로 제한되는 것이 아니다. 본원에 기술된 방법과 시스템들은 이러한 왜곡 효과들을 감소시키기 위한 다른 임의의 적절한 위치 추적 응용예에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 방법과 시스템들은 C-아암 투시기 및 자기 공명 장치와 같은 객체에 의해 유발된 필드 왜곡 효과들을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
대안 실시예들에서, 시스템(20)은 내시경과 정형외과적 삽입물들과 같은 다양한 타입의 신체내 객체들을 추적하기 위해 사용될 수 있고, 의료적 그리고 외과수술용 도구들과 기구들에 결합된 위치 센서들 추적용으로 사용될 수 있다.
하기의 도 3 및 도 4에 기술된 방법은 AC 자기장과 다른 직류(DC) 자기장이 금속 객체들에서 와전류들을 유도하지 않고, 따라서 이러한 객체들의 존재로 인하여 왜곡되지 않는 장점이 있다. 다른 한편으로는, DC 자기장 또한 위치 센서(52) 의 필드 감지 코일(60)들내에 전류를 유도하지 않으며, 따라서 위치 센서에 의해 감지 및 측정될 수 없다.
하기의 도 4의 방법은 AC 자기장 측정 수를 제로(zero) 주파수(DC)로 하향 외삽하고 맞춤으로써, 동등한 DC 자기장 강도를 평가한다. 실질적으로 왜곡이 없는 동등한 DC 자기장 강도는 이후에 카테터의 위치 좌표를 산출하기 위해서 사용된다. 하기에 추가로 기술되는 다른 실시예에서, 필드 측정은 강자성 객체들의 존재시 왜곡 없는 필드 강도를 평가하도록 무한 주파수에 외삽된다. 다른 대안으로, 필드 강도 측정의 주파수 의존도는 임의의 소정 목표 주파수에 외삽될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정된 필드 강도 데이터의 주파수 외삽을 개략적으로 도시하는 도표이다. 데이터 포인트(68)들은 개별 필드 발생 코일(44)에 의해 생성된 AC 추적 필드를 감지시에 개별 필드 감지 코일(60)을 사용하여 수행된 필드 강도 측정의 수에 일치한다. 이처럼, 데이터 포인트(68)들은 위치 센서 부근에서의 추적 필드들의 방향과 크기의 표식이다. 도 3의 예시에서, 6개의 측정들이 F1 내지 F6으로 표시된 각각의 6개 추적 필드 주파수들에서 취해진다.
곡선(72)은 데이터 포인트들(68)에 대해 정합된다(fitted). 곡선(72)은 X(f)로 표시된 함수의 도식적인 표현이며, 이는 필드 강도 X를 주파수 f의 함수로서 기술한다. 함수 X(f)를 결정하는 방법은 하기에서 상세히 기술된다. 곡선(72)은 절편 포인트, 또는 X(0)에서 수직 축(제로 주파수 또는 DC와 대응)을 구분한다. 절편 포인트 또는 X(0)에서의 필드 강도 값은 동등한 DC 자기장 강도 추정이며, 이 는 와전류 왜곡과 같은 AC 자기장에 관한 임의의 왜곡이 없다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 필드 왜곡이 존재하는 경우 위치 추적을 위한 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 아래의 80 내지 86단계들에서, 시스템(20)은 예정 주파수 범위로부터 선택된 다중 주파수들을 사용하여 카테터(24)에서의 다중 필드 강도 측정을 수행한다. 주파수 범위를 한정하는 임의의 다른 적절한 방법도 또한 사용될 수 있으나, 주파수 범위는 종종 주파수들의 예정 목록을 포함한다.
상기 방법은 주파수-설정 단계(80)에서 추적 필드들을 생성하기 위해 사용되는 주파수를 설정하는 프로세서(48)로 시작한다. 프로세서(48)는 상기 범위에서 주파수를 선택하고, 이 주파수를 갖는 구동 신호들을 생성하는 신호 발생기(46)를 설정한다.
신호 발생기(46)는 필드 생성 단계(82)에서 상기 구동 신호들을 생성하고, 코일(44)들은 각각의 AC 추적 필드들을 생성한다. 카테터(24)의 위치 센서(52)내 필드 감지 코일(60)들은 측정 단계(84)에서 코일(44)들에 의해 생성된 추적 필드들을 감지한다. 코일(60)들은 상기 감지된 필드들에 응답하여 위치 신호들을 생산하고, 상기 위치 신호들은 케이블(64)들을 경유하여 콘솔(31)로 전달된다. 프로세서(48)는 상기 위치 신호들을 수신하고, 상기 측정된 필드 강도들을 사용된 추적 필드 주파수와 연계된 데이터 포인트들로서 기록한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서 코일(44)들은 단계(82)에서 연속적으로 작동된다. 이러한 실시예들에서, 단계(84)의 출력은 코일(44) 각각에 의해 생성된 추적 필드의 필드 강도들을 지시하는, 특정 주파수에서 각각의 코일(60)에 의해 측정된 복수의 데이터 포인트들이다. 예를 들어, 상기 도 1의 시스템 배열에서, 단계(84)의 출력은 총 3 ×3 = 9 데이터 포인트들을 포함한다.
프로세서(48)는 범위-체크(range-checking) 단계(86)에서 주파수 범위내 모든 주파수들이 측정 여부를 검사한다. 측정될 잔류 주파수들이 존재하는 경우, 상기 방법은 상기 단계(80)로 되돌린다(loop back).
달리, 프로세서(48)는 측정된 데이터 포인트들의 정합과 외삽을 수행한다. 이 단계에서, 프로세서(48)는 상기 도 3에 도시된 세트와 같은 수개의 데이터 포인트들의 세트들을 유지한다. 데이터 포인트들 각각의 세트는 {필드 발생 코일(44), 필드 감지 코일(60)} 한 쌍과 대응한다. 각각의 세트는 특정 코일(44)에 의해 생성된 필드 강도들을 포함하고, 이는 상기 단계들(80 내지 86)에서 스캔닝된 주파수들에 걸쳐서 특정 코일(60)에 의해 측정된다.
데이터 포인트들 각각의 세트를 위해(즉, 각각 {코일(44), 코일(60)}의 한 쌍을 위해), 프로세서(48)는 외삽 단계(88)에서 상기 도 3의 상술과 유사하게 상기 측정된 데이터를 정합하고 외삽한다. 일부 실시예들에서, 프로세서(48)는 함수 X(f)에 의해 한정된 곡선을 데이터 포인트들에 정합한다(예컨대, 상기 도 3에서 데이터 포인트들에 정합된 곡선(72)을 참조). 이후, 프로세서(48)는 제로 주파수 즉, X(0)에서 이 함수의 외삽 값을 평가한다.
일부 실시예들에서, X(f)는
Figure 112007060215038-PAT00001
형태를 갖는 다항식 함수를 포함 하고, m은 다항식 X(f)의 랭크(rank)를 지시하고, a0,...,am은 m＋1 다항식 계수(coefficient)들이며, 이 계수들은 데이터 포인트들(68)에 응답하여 프로세서(48)에 의해 정합된다. 프로세서(48)는 계수들 a0,...,am의 값들을 결정하기 위해 최소 제곱법(LS)과 같은 당업계에 공지된 임의의 다항식 결합법을 사용할 수 있다.
그러나 일부 경우에서, 다항식 결합법을 사용하는 X(0)평가는 충분한 정확도를 제공하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(48)는 (1)
Figure 112007060215038-PAT00002
형태를 갖는 유리 함수(즉, 2개의 다항식을 갖는 비례)로 데이터 포인트(68)들을 정합하고: X(f)의 분자와 분모는 m, n 랭크들과 a0,...,am 및 b0,...,bn계수들을 각각 갖는 2개의 다항식 함수들을 포함한다. 프로세서(48)는 a0,...,am 및 b0,...,bn계수들을 결정하기 위해 당업계에 공지된 임의의 적절한 방법을 적용한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세서(48)는 주지된 Pade 근사법을 적용할 수 있다. X(f)가 충분히 매끄러운것으로 가정하여, X(0)의 양호한 근사치에 상대적으로 낮은 랭크 다항식(즉, m과 n의 작은 값들)으로 도달하는 것이 종종 가능하다. 일반성(generality)의 손실 없이, 분자 및 분모의 동등한 비례에 의해서 b0 = 1 설정이 가능하다. b0 = 1 설정 이후에, 동등한 DC 자기장 강도 값은 X(0) = a0으로 주어진다.
대안적인 실시예들에서, 프로세서(48)는 필드 왜곡 객체들의 존재시 사전에 취득된 필드 측정들에 기초한 함수 X(f)를 구성할 수 있다. 일반적으로, 상기 사전에 취득된 필드 측정들은 목표 주파수를 포함하며, 데이터 포인트들이 외삽되는 상이한 주파수들에서의 측정들을 포함한다. 많은 경우에, 사전에 취득된 필드 측정들을 사용하여 측정된 데이터를 외삽하는 것은 다항식들 또는 유리 함수들을 사용하는 것과 비교시 더욱 높은 정밀도의 외삽 결과들을 종종 산출한다.
상기 프로세서는 상기 사전에 취득된 필드 측정들에 의해 전해진 정보에 기초하여 측정된 데이터 포인트들을 목표 주파수에 외삽하기 위해서 상이한 트레이닝 방법을 사용한다. 예컨대, 프로세서(48)는 이를 위해 신경망에 기초한 방법을 사용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세서(48)는 기본 함수들의 세트를 한정하기 위해 사전 취득된 측정들을 사용한다. 이후 상기 프로세서는 함수 X(f)를 산출하고, 이 함수는 상기 기본 함수들에 의해 스팬(spanned)되고, 측정된 데이터를 최적 정합한다. 예를 들어, 프로세서(48)는 주성분 분석(Principal Components Analysis ; PCA)법을 사용하는 기본 함수들을 산출할 수 있다. PCA는 주지된 통계 분석 기술로서, 예를 들어 본원에 참조로서 통합되어 있는 Smith에 의한 "A Tutorial on Principal Components Analysis" Cornell University, Ithaca, New York, 2002년 2월 26일에 기술되어 있다. PCA를 사용하는 경우, 프로세서(48)는 직교 PCA 기본 함수들의 세트를 산출하며 함수 X(f)를 정합하고, 이 함수는 PCA 기본 함수들에 의해 스팬되고 측정된 데이터를 최적 정합한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 프로세서(48)는 모든 {코일(44), 코일(60)} 쌍을 위한 단계(88)의 정합 및 외삽 과정을 수행한다. 단계(88)의 출력은 복수의 동등한 DC 자기장 강도 값들(즉, X(0) 값들)이며, 이는 실질적으로 왜곡이 없다.
대안적인 실시예들에서, 프로세서(48)는 3개의 필드 감지 코일(60)들의 모든 필드 측정을 조합할 수 있으며, 이들을 함께 정합하고 외삽할 수 있다. 이러한 접근은 예를 들어 코일(60)들 중 하나의 필드 측정의 신호 대비 잡음 비율이 형편없을 경우에, 완벽할 수 있다.
이제 프로세서(48)는 위치 산출 단계(90)에서 위치 센서(52)의 위치(소재 및 배향) 좌표를 산출한다. 센서(52)의 소재 및 배향 좌표들을 산출하고, 그 결과로서 카테터(24)의 원위 팁의 소재 및 배향 좌표들을 산출하기 위해, 프로세서(48)는 수정된 위치 신호들로서 동등한 DC 평가를 사용한다.
일부 시나리오에서, 추적 필드를 왜곡하는 필드 왜곡 객체는 높은 강자성 재료 함유물을 포함한다. 효과들과 관련된 와전류와 달리, 강자성 재료 효과들은 제로 주파수에서 지속된다. 한편, 위치 측정에서의 강자성 재료들의 효과는 일반적으로 특정 차단 주파수 이상의 주파수들에서 줄어든다. 그러므로, 강자성 객체들이 시스템의 위치 측정에서 왜곡의 중대한 근원이 될 때, 프로세서(48)는 제로 주파수보다는 무한 주파수에 함수 X(f)를 외삽할 수 있다. 이후, 무한대에서의 X(f)의 점근적 값은 수정된 왜곡 값으로서 사용된다.
추가 대안으로, 필드 강도 측정들의 주파수 의존도는 임의의 다른 적절한 목표 주파수에 본원에 기술된 방법을 사용하여 외삽되거나 삽입될 수 있다.
본원에 기술된 실시예들이 주로 의료용 위치 추적 및 조향 시스템들의 왜곡 면역성 개선을 언급하고 있으나, 이러한 방법과 시스템들은 작동실 테이블, 투시 장비, MRI 장비 및/또는 임의의 다른 필드 왜곡 객체에 의해 유발된 왜곡을 감소시키기 위한 것과 같은 추가적인 응용예에 사용될 수 있다.
따라서, 상기에서 기술된 실시예들은 예시에 의해서 언급되고 있으며, 본 발명은 상기에서 개별적으로 도시되고 기술된 내용에 한정되지 않는 것으로 고려될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 상기에서 기술된 다양한 특징부들의 결합과 종속-결합 모두를 포함하고, 전술된 상세한 설명을 읽으면 당업자에게 생각날 수 있으며 종래 기술에 개시되지 않은 그 변형예와 수정예도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 신체내 객체들의 조향 및 위치 추적용 시스템의 개략적이며 회화적인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 카테터의 개략적이며 회화적인 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 측정된 필드 강도 데이터의 주파수 외삽을 개략적으로 도시하는 도표.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 필드 왜곡 존재시에 위치 추적을 위한 방법을 개략적으로 도시한 흐름도.

Claims (21)

  1. 객체(object) 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하는, 적어도 하나의 필드 발생기(field generator)를 사용하는 단계;
    상기 AC 자기장들을 감지하며 상기 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되고, 필드 센서에서 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향의 표식인 대응 AC 데이터 포인트들을 산출하는, 상기 객체와 연계된 필드 센서를 사용하는 단계;
    상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서, 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주파수에 외삽하는 단계; 및
    상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여, 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    환자의 기관내로 상기 객체를 삽입하는 단계를 포함하고,
    상기 객체의 위치 좌표들을 산출하는 단계는 상기 기관 내부의 상기 객체의 위치를 추적하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 필드 발생기는 상기 객체와 연계되고,
    상기 필드 센서는 상기 기관 외부에 위치되는 객체의 위치 추적 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 왜곡은 상기 적어도 AC 자기장들 중 일부에 영향을 받는 필드 왜곡 객체에 의해서 유발되고,
    상기 객체는 금속, 상자성 및 강자성 재료들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 주파수는 제로(zero) 주파수를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 주파수는 무한(infinite) 주파수를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 의존도를 외삽하는 단계는 함수를 상기 AC 데이터 포인트들 및 상기 AC 자기장들의 주파수들에 정합하는 단계와,
    상기 목표 주파수에서 상기 함수의 값을 결정하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 함수는 다항식 함수와 유리 함수로 구성되는 그룹으로부터 선택되고,
    상기 함수를 정합하는 단계는 값들을 상기 함수의 계수들에 할당하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 의존도를 외삽하는 단계는 사전 취득된 필드 측정에 기초하여 상기 함수를 한정하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 함수를 한정하는 단계는 상기 사전 취득된 필드 측정에 기초한 PCA 기본 함수들을 산출하기 위해 주성분 분석(Principal Components Analysis ; PCA)법을 적용하는 단계와,
    상기 PCA 기본 함수들을 사용하여 상기 함수를 한정하는 단계를 포함하는 객체의 위치 추적 방법.
  11. 객체 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하기 위해 배치되는 적어도 하나의 필드 발생기;
    상기 AC 자기장들을 감지하며 상기 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되고, 필드 센서에서 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향의 표식인 대응 AC 데이터 포인트들을 산출하기 위해 배치되는, 상기 객체와 연계된 필드 센서; 및
    상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주파수에 외삽하고, 상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하도록 배치된 프로세서(processor)를 포함하는 객체의 위치 추적 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 객체는 환자의 기관내로 삽입되도록 적합하게 구성되고,
    상기 프로세서는 상기 기관 내부에서 상기 객체의 위치를 추적하도록 배치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 필드 발생기는 상기 객체와 연계되고,
    상기 필드 센서는 상기 기관 외부에 위치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 왜곡은 적어도 일부 AC 자기장들에 영향을 받는 필드 왜곡 객체에 의해 서 유발되고,
    상기 객체는 금속, 상자성 및 강자성 재료들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 객체의 위치 추적 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 목표 주파수는 제로 주파수를 포함하는 객체의 위치 추적 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 목표 주파수는 무한 주파수를 포함하는 객체의 위치 추적 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는 함수를 상기 AC 데이터 포인트들과 상기 AC 자기장들의 주파수들에 정합하고, 상기 목표 주파수에서 상기 함수의 값을 결정하도록 배치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 함수는 다항식 함수와 유리 함수로 구성되는 그룹으로부터 선택되고,
    상기 프로세서는 값들을 상기 함수의 계수들에 할당함으로 상기 함수를 정합하도록 배치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세서는 사전 취득된 필드 측정에 기초한 상기 함수를 한정하기 위해 배치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 사전 취득된 필드 측정에 기초한 PCA 기본 함수들을 산출하기 위해 주성분 분석(PCA)법을 적용하고, 상기 PCA 기본 함수들을 사용하여 상기 함수를 한정하기 위해 배치되는 객체의 위치 추적 시스템.
  21. 컴퓨터에 의해 판독될 때 상기 컴퓨터로 하여금,
    객체 부근의 2 이상의 주파수들에서 교류(AC) 자기장들을 생성하기 위해 적어도 하나의 필드 발생기를 제어하고,
    필드 센서에 의해 감지된 AC 자기장들 중 적어도 일부는 왜곡되는, 상기 각각의 AC 자기장들의 크기 및 방향의 AC 데이터 포인트들 표식을 상기 객체와 연계된 필드 센서로부터 수용하고,
    상기 왜곡의 감소된 레벨로 상기 AC 자기장들의 크기 및 방향을 결정하기 위해서, 상기 AC 자기장들의 상기 주파수들에 대한 상기 AC 데이터 포인트들의 의존도를 목표 주파수에 외삽하고,
    상기 외삽된 데이터 포인트들에 응답하여 상기 적어도 하나의 필드 발생기에 대한 상기 객체의 위치 좌표들을 산출하게 만드는 프로그램 명령어들이 저장된 컴 퓨터 판독가능 매체를 포함하는, 객체의 위치 추적 시스템에 사용되는 컴퓨터 소프트웨어 제품.
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