SE531789C2 - Metod och system för att spåra en position hos en positioneringsanordning samt metod för kalibrering av system - Google Patents

Description

25 531 789 implanterbara positioneringsanordningen vid en förutbestämd position inuti en fantom som har samma elektriska egenskaper som den mänskliga kropp- ens vävnader vid den specifika frekvensen, och att anordna fantomen ovan- för mottagaren. De valda parametrarna hos den mottagna signalen vid varje mottagarelement mäts upp och jämförs med de förväntade parametrarna för den förutbestämda positionen. Om ingen avvikelse finns har funktions- veriñering erhållits, och om det finns en avvikelse för ett eller flera mottagar- element krävs justering av mottagarelementen för att eliminera avvikelsen.

Justeringen är ganska grov, och sålunda är noggrannheten hos positionssystemet begränsad. Dessutom är funktionsverifieringsprocessen tidskrävande och en komplex process som kommer att ockupera radio- terapiutrustningen vid regelbundna intervall, vilket i sin tur kommer att reducera antalet patienter som kunde ha blivit behandlade.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett positions- system som mer exakt kan bestämma positionen och orienteringen hos en positíoneringsanordning när den är anordnad inuti en kropp.

En lösning till detta syfte åstadkoms genom ett modellbaserat positions- systern som innefattar en positioneringsanordning som har åtminstone en sändare konfigurerad att föras in i en kropp, en mottagare som har ett flertal mottagarelement anordnade utanför kroppen, en styrenhet som är konfigurerad att mäta amplitud- och /eller fasinformation hos en signal som sänds ut från nämnda åtminstone en sändare och som mottas vid varje mottagarelement. Styrenheten är även konfigurerad att uppskatta positionen hos positioneringsanordningen genom att jämföra modellen för varje mottagarelement med den uppmätta mottagna signalen för varje mottagarelement.

Den lagrade modellen för varje mottagarelement skapas genom att använda det modellbaserade positionssystemet med positioneríngsanordningen 10 15 20 25 531 789 anordnad på multipla kända positioner inuti en fantom som har samma elektriska egenskaper som den mänskliga kroppens vävnader. Dessutom är styrenheten konfigurerad att bygga en modell som innefattar åtminstone ett av nämnda flertal mottagarelement baserad på uppmätt amplitud- och/ eller fasinfonnation för varje känd position.

Syftet åstadkoms även genom en metod för spårning av en positionerings- anordning inuti en kropp och en metod för kalibrering av systemet som används för spårning av en position hos en positioneringsanordning.

En fördel med föreliggande uppfinning är att en snabb och korrekt position hos en positioneringsanordning kan erhållas jämfört med kända system.

En fördel med en föredragen utföringsforrn är att en kontinuerlig funktions- verifikatíon kan åstadkommas genom att tillhandahålla en referenssândare anordnad vid ett förutbestämt avstånd från varje mottagarelement. En refer- enssändarsignal sänds ut från referenssändaren och en mottagarsignal mäts upp vid varje mottagarelement, varvid den uppmätta mottagarsignalen viktas till att sammanfalla med en tidigare erhållen referensmodell.

Ytterligare syften och fördelar kommer att vara uppenbara för en fackrnan från den följande detaljerade beskrivningen.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Figur la visar en första utföringsforrn enligt uppfinningen under kalibrering.

Figur lb visar en första utföringsform enligt uppfinningen under spårning.

Figur 2 visar en styrenhet konfigurerad att användas i systemet enligt uppñnningen.

Figur 3 visar en implanterbar positioneringsanordning som används i systemet enligt uppñnningen.

Figur 4 visar en uppställning för kalibreringsmoden. lO 15 20 25 534 739 Figur 5 visar ett flödesschema för kalibrering av systemet enligt uppfinningen.

Figur 6 visar ett flödesschema för spårning av en positioneringsanordning i ett system enligt uppfinningen.

Figur 7 visar ett detaljerat flödesscherna för att uppskatta positionen hos positioneringsanordningen.

Figur 8 visar ett flödesschema för övervakning av funktionen hos mottagarelementen under drift.

Figur 9 visar en graf som illustrerar nårfältseffekten hos elektromagnetiska signaler.

Figur 10 visar den iterativa processen för att bestämma positionen hos en positioneringsanordning.

Figur 11 visar en andra utföringsform av ett system enligt uppfinningen vid verifiering.

Detaljerad beskrivning av föredragna utfóringsformer Den detaljerade beskrivningen kommer att beskriva ett modellbaserat positionssystem som arbetar i två olika moder. I en första mod, kalibreringsmod, byggs en modell upp som avspeglar påverkan på varje mottagarelement när en positioneringsanordning placeras i en godtycklig position, och en andra mod, spårningsmod, där den uppbyggda modellen används för att uppskatta positionen hos positioneringsanordningen.

En teoretisk modell skulle kunna byggas upp för att tillåta direkt beräkning av positioneringsanordningens position från indata. Denna modell kommer emellertid att vara mycket komplex för att kunna överväga alla andra ordningens effekter. Vidare krävs det att alla andra ordningens effekter och störningar är både kända och modellerade. Exempel på andra ordningens effekter är: omgivningar (metallobjekt i närheten), ömsesidig koppling mßllafl 10 15 20 25 53'l 'F89 antennelementen, reflektioner hos sändarsignalen vid vävnad/ luft-gräns- snittet, flerlagers multireflektioner (på grund av flera vävnader med olika elektriska egenskaper), felupplinjering av mottagarantennen, utbrednings- effekter i närfältet och interferens/ brus.

I föreliggande patentansökan har en annan väg tagits som innefattar en datamappningsprocedur som använder kalibrexingsmätningar som jämförs med mätningar som tas under spårning av en positioneringsanordning.

Detta kräver en korrekt uppsättning kalibreringsmätningar snarare än en teoretisk modell. Dessa kalibreringsmätningar lagras företrädesvis i en databas.

Fördelarna är flera eftersom den automatiskt tar hänsyn till samtliga effekter, såsom felupplinjering av mottagarantennen, utbredningseffekter i nårfältet, etc. Den är mycket flexibel och hanterar enkelt system som förändras eftersom modellen skapas från uppmätta data snarare än teoretisk analys.

Kalibreringsmoden åstadkoms genom att anordna positioneringsanord- ningen i multipla kända positioner, som tillhör ett mätområde, inuti en fantom som har samma elektriska egenskaper som mänskliga kropps- vävnader när en elektromagnetisk signal sänds ut från åtminstone en sändare inom positioneringsanordningen vid en specifik frekvens, t.ex. ISM- frekvens - 13,56 Ml-lz. Modellen byggs för varje mottagarelement baserad på uppmätning av parametervärden, såsom amplitud- och/ eller fasinformation, vid de multipla kända positionerna.

Spårningsmoden ästadkoms genom att föra in positioneringsanordningen i en kropp, och signalerna som tas emot av mottagarelementen jämförs med varje modell med speciella sökalgoritmer och en position uppskattas.

Mätområdet är åtminstone CS-climensionellt inuti fantomen, och väljs före- trädesvis att vara större än området inom vilket den implanterbara lO 15 20 25 30 531 789 positioneringsanordningen kommer att vara anordnad under spärnings- moden. Detta illustreras i figurerna i figurerna la och lb.

Figur la visar en första utföringsform hos ett system 10 enligt uppfinningen under kalibreringsmoden. En positioneringsanordning 11 införs i en fantom 12, vilken har egenskaperna som diskuterats ovan, och placeras i en första kalibreringsposition CP, vilken är känt för systemet, inom ett mätområde l6 som illustreras med de streckade linjerna. En mottagare 13 är anordnad utanför fantomen 12, där nämnda mottagare i detta exempel innefattar åtta mottagarelement 14 vilka är anslutna till en styrenhet 18. En minnesenhet 15 är även ansluten till styrenheten 18. En elektromagnetisk signal genereras i styrenheten l8, vilken elektromagnetisk signal överförs till positioneringsanordningen ll inuti fantomen 12, och den elektromagnetiska signalen sänds ut från en eller flera sändare (inte visade) i positíonerings- anordningen 11 vid den första kalibreringspositíonen CP. Varje mottagar- element 14 tar emot en signal vilken överförs till styrenheten 18 och para- metervärden, såsom amplitud- och/ eller fasinformation, för den mottagna signalen vid varje mottagarelement mäts sålunda upp. Data som innehåller parametervärden för varje mottagarelement 14 lagras därefter tillsammans med information avseende den första kalibreringspositionen CP som en databas i minnesenheten 15.

Positioneringsanordningen ll flyttas därefter till en annan kalibrerings- position inuti mätområdet 16 och processen återupprepas, såsom illustreras genom flödesschemat i figur 5. En modell för varje mottagarelement 14 byggs baserad på lagrade data i databasen hos minnesenheten 15. Samtliga kalibreringspositioner (CP:er) är kända för systemet och är företrädesvis jämnt fördelade i hela rnätområdet 16, och databasen skapas företrädesvis genom att använda systemet 10 med en mekanisk uppställning (inte visad) som korrekt kan flytta positioneringsanordningen i position, och eventuellt orientering såsom diskuteras i anslutning med figurerna 3 och 4, genom datorstyrning. Styrenheten 18 kommer att skicka en styrsignal till datorn för att flytta positioneringsanordningen 11 till nästa kända kalibreringsposition lO 15 20 25 30 531 789 när data frän den tidigare kalibreringspositionen har lagrats. Det är natur- ligtvis möjligt att flytta positioneringsanordning för hand, när styrenheten indikerar så, eller en positioneringsanordning kan vara placerad vid varje kalibreringsposition inom mätomrädet 16 och styrenheten växlar mellan positioneringsanordníngarna vid de olika kalibreringspositionerna.

Systemet 10 kan vara försett med en eventuell referenssändare 17 ansluten till styrenheten 18, såsom indikeras med den prickade linjen. Syftet med referenssändaren 17, vilken sändare kan vara en integrerad del av mottagaren 13 eller inte, är att övervaka slitage hos mottagarelementen 14 pä grund av exponering för strålning under radioterapi, och för att anpassa mottagaren till en ny omgivning där andra elektromagnetiska fält kan påverka funktionen hos mottagarelementen, eller för att justera mottagarna för tillfälliga störningar, såsom närvaron av en metallplåt. Referenssändaren har ett förutbestämt avstånd till varje mottagarelernent 14 som inte kommer att förändras över tiden.

För att uppnå detta syfte måste en referensmodell etableras, företrädesvis samtidigt som modellen för varje mottagarelement 14 byggs. En referens- sändarsignal skapas i styrenheten 18 och överförs till referenssändaren 17, varifrån en elektromagnetisk referenssignal sänds ut och tas emot av varje mottagarelement 14. Referensmodellen, vilken företrädesvis innefattar amplitud~ och / eller fasinformation som uppmätts av varje mottagarelement 14, lagras i minnesenheten. Det är naturligtvis möjligt att använda fler än en referenssändare för att ytterligare förbättra noggrannheten hos referens- modellen.

Figur lb visar en första utföringsform av ett system 10 enligt uppfinningen under spärningsmod. Positioneringsanordningen 11 har anordnats i förhållande till ett målområde 19, t.ex. cancer, inuti en kropp 1, tex. en patient som ska exponeras för strålning under radioterapibehandling.

Positioneringsanordningen 11 är positionerad vid en okänd position P, vilken ska bestämmas. 10 15 20 25 ï531 785 Styrenheten 18 skapar en elektromagnetisk signal, vilken är identisk med signalen som användes vid kalibrering och överförs till sändaren/ sändarna inuti positioneringsanordningen 1 1. Signalen som utsänds från positioneringsanordningen 1 1 mäts upp vid varje mottagarelernent 14 och samma parametervärden hos de mottagna signalerna, såsom uppmättes vid kalibrering, lagras i minnesenheten 15, eller i ett internminne (inte visat) hos styrenheten 18. Styrenheten hämtar modellen för varje mottagarelement 14, som erhålls såsom beskrivits ovan, och uppskattar positionen P hos positioneringsanordningen ll genom att jämföra de hämtade modellerna med den uppmätta mottagna signalen för varje mottagarelement 14. Denna process beskrivs i närmare detalj i anslutning med flödesscheman i figurerna 6 och 7.

Om en referenssändare 17 är närvarande kan en kontinuerlig övervaknings- process utföras, såsom beskrivs i närmare detalj i anslutning med flödes- schemat i ñgur 8.

Den elektromagnetiska signalen som genereras i styrenheten 18 är anpassad att utbreda sig med en våglängd i fantomen 12 / kroppen l och, i ett första exempel, detekteras en fasskillnad hos den elektromagnetiska signalen av mottagarelementen 14 anordnade utanför fantomen 12 / kroppen 1. Våg- längden väljs så att ett avstånd frän sändaren/ sändarna i positionerings- anordningen 11 till varje rnottagarelement 14 är inom samma heltal våglängder hos den elektromagnetiska signalen på ett sådant sätt att de arbetar i en närfältregion. Ett system enligt känd teknik beskrivs i en internationell patentansökan PCT/ SEO5/ 00646, överlåten till Micropos Medical AB, varvid en sändare som är anordnad i förhållande till ett målområde inuti en kropp sänder ut en signal med en frekvens inom området 5-350 MHz, och en fasskillnad från den utsända signalen detekteras av en mottagare vid tre, eller fler, positioner för att spåra variationer i sändarens position. 10 15 20 25 531 ?89 Det beskrivna systemet enligt känd teknik definierar en sändare och ett flertal mottagarantenner som arbetar i en närfältsregion. Uppförandet hos en elektromagnetisk signal i närfältsregionen är känd för en fackman och ~ beskrivs i en publikation med titeln “Near field Phase Behavior", av Hans Gregory Schantz, IEEE APS Conference July 2005. I denna publikation presenterar författaren ett nytryck av en graf som publicerades i “Electric Waves”, av Heinrich Hertz, London, Macmillian Ba Co. 1893, sida 152 och en graf, som visas i figur 9, publicerades av Q-track 2004.

Grafen beskriver fasuppförandet hos det magnetiska fältet (H-fältet) och det elektrostatiska fältet (E-fältet) under en våglängd av en elektromagnetisk signal. I antennens närfältsregion divergerar det magnetiska fältet och det elektrostatiska fältet radikalt, och i en fiärrfältsregion, många våglängder bort från en sändarantenn, rör sig det magnetiska och elektrostatiska fältet med perfekt synkroniserad fas. Figur 9 illustrerar effekten hos närfälts- regionen, och fasavvíkelsen mellan det magnetiska fältet och elektrostatiska fältet vid noll Ä är 90 grader, vilken minskar till en fasskillnad pä 0 grader vid ett Å. separationen av det magnetiska fältet och det elektrostatiska fältet i när- fâltsregionen öppnar upp ett antal möjligheter att konstruera förbättrade system. Formen på vågfronten hos den elektromagnetiska signalen kan användas för att bestämma avståndet mellan sändaren och mottagaren. Det är även fördelaktigt att öka känsligheten hos mätsystemet genom att introducera elektrostatískt skärmade antennen, vilket är möjligt eftersom det magnetiska fältet och elektrostatiska fältet är separata i närfältsregionen, varigenom det magnetiska fältet används för att bestämma variationer hos sändarens position.

En mer detaljerad beskrivning av ett detekteringssystem kan återfinnas i den internationella patentansökan med ansökningsnumrner PCT/ SE05/ 000646, vilken härmed införlivas genom hänvisning. 10 15 20 25 30 531 789 10 I ett andra exempel detekteras amplitudskíllnaden hos den elektro- magnetiska signalen istället för fasskillnaden såsom beskrivits ovan. En sändare som är anordnad i förhållande till ett målområde inuti en kropp sänder ut en signal med en frekvens inom området 1 kHz-SSD MHz och en amplitudskillnad hos den utsända signalen detekteras av en mottagare vid tre, eller fler, positioner för att spåra variationer i sändarens position.

Amplituden hos det magnetiska fältet uppmäts företrädesvis vid arbete i närfältet, till exempel genom att mäta absolutvärdet eller medelvärdet hos den magnetiska signalen.

Det är naturligtvis möjligt att kombinera ovan beskrivna exempel och använda både fas- och amplitudskillnad för att bestämma variationer hos sändarens position i positioneringsanordningen 11.

Figur 2 visar styrenheten 18, vilken är konfigurerad att användas i systemet 10 enligt uppfinningen. Styrenheten 18 innefattar en mikroprocessor pP, ett internminne M och en parametervärdedetektor 26 i vilken en eller flera önskade parametrar, såsom amplitud- och /eller fasinformation, hos varje mottagen signal extraheras från mottagarsignalerna. Mínnesenheten 15 är ansluten till mikroprocessorn pP genom en dubbelriktad kommunikations- port 21, och signalerna som tas emot av mottagarelementen 14 hos mottagaren 13 är anslutna till parametervärdesdetektorn 26 via en ingångs- port 22. Parametervärden överförs därefter till mikroprocessorn och lagras i minnesenheten 15.

En sändarsignal för varje sändare som finns i positioneringsanordningen ll genereras i styrenheten 18 genom att använda en elektromagnetisk signal- källa 27, vilken styrs av mikroprocessorn u? och överförs till positionerings- anordningen 11 via en utgångsport 23. Internminnet M är anslutet till mikroprocessorn pP och mjukvara som styr mikroprocessorn lagras där, och minnet kan även användas för att lagra tillfällig data under bearbetning.

Styrenheten 18 är även försedd med eventuella utgångsportar. En referenssändarsignal, som är avsedd att sändas ut från den eventuella 10 15 20 25 53 'i 789. ll referenssändaren 17, genereras i styrenheten 18 genom att använda den elektromagnetiska signalkällan 27 som styrs av mikroprocessorn uP och överförs till referenssändaren 17 via en första eventuell utgångsport 24. Om styrenheten 18 är anpassad att styra en mekanisk uppställning för att säkerställa att positioneringsanordningen flyttas mellan kända kalibrerings- positioner CP under kalibreringsproceduren tillhandahålls en styrsignal till den mekaniska uppställningen genom en eventuell andra utgångsport 25.

Sändaren/ sändarna utsänder företrädesvis kontinuerligt en sinusvågssignal.

Mätningarna tas från alla mottagarelement i form av amplitud och möjligtvis fasinformation. Dessa mätningar används som inmatning till systern- processen såsom beskrivs nedan.

Figur 3 visar ett exempel på en implanterbar positioneringsanordning 31 som kan användas i systemet 10 enligt uppfinningen. I detta exempel tillhandahålls inte ett separat ytterhölje, såsom en kateter. En sändare 32 tillhandahålls, tillsammans med en valfri sändare 33, i en biokompatibel kapsel 30, och transmissionsledningarna 34 som förbinder sändarna 32, 33 med en extern styrenhet (inte visad) innesluts inom en biokornpatibel ledning 36. I detta exempel är fastsättningsorganen implernenterade som ett flertal kloliknande element 35, i detta exempel fyra element, anordnade på utsidan av ledningen 36. Ytterligare exempel på kloliknande element kan hittas i den publicerade US-ansökan US 206/ 01292 18, överlåten på Medtronic, Inc.

Uppgiften hos systemet som beskrivs ovan är att tillhandahålla en vektor av mätvärden med ursprung från radiotransmissioner och att producera en uppskattad position i kartesiska koordinater. Denna position är i tre dimensioner (x,y,z) såsom illustreras i anslutning med ñgur 4, men i verkligheten kommer positioneringsanordningen även att rotera i tre ytterligare dimensioner. För att garantera positionsnoggrannhet, även när positioneringsanordning roteras, måste rotationer tas med under 10 15 20 25 12 kalibreringsmoden, även om rotationen kanske inte presenteras för användaren av systemet eller inkluderas i feluppskattningarna.

Normalt roteras positioneringsímplantatet symmetriskt utefter en axel, se pil 37, och därför behövs normal bara två rotationer tas med under kalibreringsprocessen, pil 38 indikerar en elevationsvinkel och pil 39 en azimutvinkel.

Därmed inkluderar varje kalibreringsposition en 5 (eller möjligtvis 6) dimensionell utrnatning (en tredimensionell rymdposition och 2-3 rotationer) från radiotransmissionsmätningar.

Figur 4 visar en kalibreringsuppställning-som definierar ett mätornråde 16 med kalibreringspositioner CPçrop-CPggg, jämnt utspridda inom mätomrädet 16. För illustrationen visas kalibreringspositioner med y=O med kryss, y=l visas med punkter och y=2 visas med cirklar.

I den enklaste kalibreringsprocessen används endast kartesiska positioner, varigenom endast 27 (33) kända positioner används för att täcka hela mätområdet. I en föredragen utföringsform inkluderas åtminstone två rotationer för varje kartesisk koordinat, Lex. genom att lägga till tre olika vinkelpositioner i både elevation och azimut, såsom indikeras av pilarna 38 och 39 i figur 3. Införandet av två rotationer kommer att öka antalet kalibreringspositioner till 243 (35), och genom att även addera axelrotation vid tre olika vinkelpositioner, såsom indikeras av pil 37 i figur 3 kommer antalet att öka till 7 29 (36) kända kalibreringspositioner.

De lagrade parametervärdena i minnesenheten 15 innefattar företrädesvis mätpunkter på lika avstånd i hela mätområdet, och en databas skapas genom att använda det beskrivna systemet företrädesvis med en mekanisk uppställning som kan noggrant flytta positioneringsanordningen i position (kartesiska koordinater) och orientering (rotationer) genom datorstyrning.

Detta kan utföras i luft eller vatten (företrädesvis med specifik koncentration av saltlösning för att nära efterlikna den mänskliga kroppen avseende 10 15 20 25 30 531 'H35 13 elektriska egenskaper). Vanligtvis väljs sex mätpunkter utefter varje axel, vilket resulterar i 7776 kalibreringspositioner (65) för en S-dimensionell utmatning (tre kartesiska koordinater och två rotationer). Alla mätningarna som görs vid varje kalibreringsposition utgör databasen. Varje inmatning i databasen består av kalibreringspositionen (5-dimensionell position / orien- tering) och en radiotransrnissionsrnätvektor (l-2 värden per mottagarelement 14).

Figur 5 visar ett flödessehema för kalibrering av systemet 10 enligt upp- ñnningen. Flödet startar vid steg 40, och antalet kända positioner K matas in i systemet i steg 41. I detta exempel som illustreras i anslutning till figur 4, K=243 för en S-dimensionell utmatning. En räknare för kalibrerings- positionen (CP) sätts till ett i steg 42, CP=1. Positioneringsanordningen placeras därefter i den första kalibreringspositionen (CP=l) i steg 43. Detta steg utförs företrädesvis av en dator som styrs av styrenheten, såsom beskrivs i anslutning med ñgur 2.

En elektromagnetisk signal sänds därefter till sändaren som är placerad inom positioneringsanordningen i steg 44. Om fler än en sändare är närvarande, skickar varje sändare ut en unik elektromagnetisk signal.

Parametervärden, såsom amplitud- och / eller fasinformation, mäts därefter vid varje mottagarelernent i steg 45. Antalet mottagarelement är företrädesvis 8-12, såsom beskrivits ovan. Parametervärdena lagras i minnesenheten i steg 46, och i steg 47 jämförs kalibreringspositionen CP med K. Om CP i* K, då àterkopplas flödet till steg 43 via steg 48, varvid värdet på CP ökas med 1, i.e. CP=CP+1. Stegen 43-47 äterupprepas tills CP = K in step 47, och åtmin- stone en modell byggs som innehåller informationen från varje mottagar- element i steg 49. En separat modell för varje mottagarelement föredras. Steg 49 förklaras i närmare detalj nedan. Modellen / modellerna lagras i minnesenheten 15, eller i internminnet M hos styrenheten 18 i steg 50.

Om ingen referenssändare 17 är närvarande kommer flödet att avslutas i steg 52 och kalibreringsprocessen är färdig. Om en annan kalibrerings- 10 15 20 25 531 789 14 process behöver utföras, t.ex. under verifiering eller service på systemet, startar flödet vid steg 40.

Om en referenssändare 17 är närvarande presenteras i steg 51 en möjlighet att uppdatera referensmodellen. Om ingen uppdatering önskas avslutas flödet vid steg 52, och när en uppdatering av referensmodellen väljs fortsätter flödet till steg 52. En referenssändarsignal skapas i styrenheten och sänds frän referenssändaren i steg 52. Parametervärden mäts vid alla mottagarelement 14 i steg 53 och värdena lagras i minnesenheten 15, elleri internminnet M, som en referensmodell, i steg 54. Flödet avslutas i steg 52.

Databasen som innefattar lagrade parametervârden för varje mottagar- element vid varje kalibreringsposition kan användas som en modell för varje mottagarelement 14, men för att snabba upp skattningsprocessen, såsom beskrivs i anslutning med figur 6 och 7, och tillhandahålla någon nivå av datafiltrering konverteras databasen till en modell. Denna modell baseras på matematiska begrepp som enkelt kan användas för att beräkna varje mätning av kalibreringstransmission från kalibreringspositionsdata 8, tex.

S-dimensionell position/orienteringsdata. Polynom används företrädesvis, varvid ett polynom för varje transmissionsvektor beräknas.

I en utföringsform har polynomen en 5-dimensionell inmatning och är typiskt av en fjärde ordning, och sålunda har 3125 koefñcienter. Det har visats att polynom ganska noggrant överensstämmer med mätningarna i databasen, och ökning av ordningen förbättrar inte väsentligen prestandan.

En fördel med att använda polynom av fjärde ordningen är att data- filtreringen kan utföras, eftersom det vanligtvis finns fler mätningar (7776 kalibreringspositioner) att använda än koefñcienter (3125) att lösa. Att använda en ordning som är ett mindre än antalet punkter tagna utefter varje axel när databasen skapas kommer att ge en exakt lösning vid databas- punkterna (kalibreringspositionerna), och polynomiterationerna mellan databaspunkterna. Valet att använda en ordning mindre tillhandahåller en 10 15 20 25 30 531 ?8'3 15 möjlighet att utföra databrusñltrering och minskar beräkningsbördan väsentligt.

Matematiken för att extrahera modellen (polynomkoefñcienterna) från data- basen är okomplicerad. Förhållandet mellan mätningarna på ena sidan och polynomkoefflcienterna och position/ orientering på andra sidan bildar ett linjärt ekvationssystem. Detta linjära ekvationssystem kan lösa med redan tillgängliga metoder för att lösa ut polynomkoefficienterna. En minsta- kvadrat, eller Monte Carlo, metod kan användas för att optimera datapass- ningen när det linjära systemet är överbestämt som i det beskrivna fallet.

Denna process tillhandahåller databrusfiltrering såsom nämns ovan. Som ett praktiskt tillvägagångssätt kan processen för att bygga modellerna implementeras i Matlab-mjukvara, och ”backslasW-operatorn används för att enkelt lösa det linjära ekvationssystemet.

När en modell har byggts för varje mottagarelement 14 i mottagaren 13 är systemet redo att användas för att uppskatta en okänd position hos en positioneringsanordning anordnad i en omgivning med liknande elektriska egenskaper som i mätområdet 16 under kalibrering, t.ex. inuti en fantom 12.

Figur 6 visar ett flödesschema för att spåra en positioneringsanordning i en levande kropp genom att använda ett system enligt uppfinningen. Flödet startar i steg 60 och en positioneringsanordning förs in i den levande kroppen i steg 61. Det bör noteras att proceduren att föra in positionerings- anordningen i den levande kroppen kan utföras av vilken person som helst, till och med av patienten själv, genom en naturlig öppning, såsom urinröret.

En elektromagnetisk signal sänds ut från varje närvarande sändare i positioneringsanordningen i steg 62 och parametervärden, såsom amplitud- och /eller fasinformation mäts upp vid varje mottagarelement i steg 63.

Dessa steg är identiska till steg 44 och 45 i figur 5. I steg 64 hämtas modellerna för mottagarelementen från mínnesenheten 15, eller från internminnet M i styrenheten 18. Positionen hos positioneringsanordningen uppskattas i steg 65, vilket steg beskrivs i närmare detalj nedan. Om en lO 15 20 25 30 531 ?89 16 kontinuerlig spårning av positioneringsanordningen önskas återkopplas flödet till steg 62 via steg 66, annars avslutas flödet i steg 67.

Varje hämtad modell tillhandahåller en snabb och enkel väg att beräkna en transmissionsmätvektor från position/ orienteringsdata, men när en posi- tionsuppskattning utförs är processen omvänd, dvs. från en transmissions- mätvektor till en position/ orienteringsuppskattning. Detta utförs genom att genomföra en sökning i måtområdet för att hitta en position som är till- räckligt nära. Denna sökning utförs i två steg, en global och en lokal sökning, såsom illustreras i figur 7.

Figur 7 visar ett detaljerat flödesschema för att uppskatta positionen hos positioneringsanordningen. Flödet från steg 64 fortsätter till steg 68, där en global sökning utförs. Den globala sökningen testar ett antal av jämnt fördelade punkter (kalibreringspositioner) i hela mätområdet (S-dimensionell position/ orientering). Denna sökning finner det korrekta området i mätområdet och skapar en bra utgångspunkt SP för den lokala sökningen som följer. Målet med sökproceduren år att minimera skillnaden mellan den uppmätta transmissionsmåtvektorn och motsvarande vektor som beräknas genom att använda varje modell från nuvarande startpunkt.

Den lokala sökningen utförs i steg 69, och använder resultatet från den globala sökningen som en startpunkt SP. För varje iteration förflyttar den sig ett litet steg utefter varje riktning hos varje axel i syfte att minimera mätvektorskillnaden. Den lokala sökningen behåller förflyttningen som verkligen minskar denna skillnad. För varje iteration minskas steglängden till kortare och kortare steg. Sökningen avslutas när steglängden är tillräckligt liten jämfört med systemets krav på upplösning.

Denna process beskrivs i anslutning med figur 10. Ett antal kända positioner KPi-KPS illusteras med kryss. En av de kända positionerna har bestämts vara startpunkten ”SP” såsom beskrivs ovan i steg 68. Den itera- tiva processen att minimera skillnaden i steg 69 illustreras med pilarna 7 l- 7 4. Längden på pilarna indikerar stegets storlek, vilken reduceras mellan 10 15 20 25 53 'I 'F89 17 varje iteration. Den slutliga punkten ”P” bestäms vara positioneringsanord- ningens position när steglängden är kortare än kravet på upplösning.

Figur 8 visar ett flödesschema för att övervaka funktionen hos mottagar- elementen 14 under drift. Om systemet år försett med en referenssändare, antingen integrerat i mottagaren 13 eller som en separat enhet, kan systemet utföra en systemkontroll som kommer att säkerställa att mottagar- elementen är funktionsdugliga. Denna procedur kan utföras parallellt med spärningen av positioneringsanordningen såsom beskrivits i anslutning till ñgur 6 och 7.

Flödet startar i steg 80 och en referenssändarsignal (identisk med referens- sänclarsignalen som användes för att bugga upp referensmodellen såsom beskrivits i anslutning med figur 5) sänds ut från referenssändaren i steg 81. parametervärden mäts upp vid varje mottagarelement 14 i steg 82 och värdena jämförs med referensrnodellen som finns lagrad i minnesenheten 15, eller i internminnet M, i steg 83.

Om parametervärdena överensstämmer, steg 84, tas inga ytterligare åtgärder och flödet fortsätter till steg 86. Emellertid, om de inte överensstämmer i steg 84 fortsätter flödet till steg 85, vari utmatningen från mottagarelementen 14 viktas för att få dem att överensstämma. Viktningen lagras i internminnet M och flödet fortsätter till steg 86. Om övervakningen av mottagarelementen ska fortsätta äterkopplas flödet till steg 81 och stegen 82 till 86 återupp- repas, annars avslutas flödet i steg 87.

Fler än en referenssändare är naturligtvis möjlig, varvid en redundans i övervakningen av mottagarelementen uppnås.

Figur ll visar en andra utföringsform av ett system 90 enligt uppfinningen under verifiering. Veriñeringssändare är installerade i en verifieringsutrust- ning 91 på förutbestämda veriñeringspositioner VPi-VPS såsom illustreras i figur 1 l. När en sändarsignal sänds ut från veriñeringssändarna i verifie- ringsutrustningen 91 mäts parametervärden upp vid mottagarelementen 14 10 15 20 25 53'l F89 18 och jämförs med tidigare lagrade värden. Om dessa är inom ett förutbeståmt måtintervall år system ok och patienten kan kopplas till systemet.

En dossensor 92 tillhandahålls även nåra varje rnottagarelement 14 i mottagaren 13. Den uppmätta dosen vid varje dossensor 92 mäts och lagras i en dator 93, vilken även är konfigurerad att hantera uppgifterna som utförs av styrenheten 18 såsom beskrivits ovan. Mottagarsignaler från mottagar- elementen 14 mäts sålunda och parametervärden lagras i ett internt datorrninne eller i en extern databas, såsom beskrivits ovan. Sändarsignalen till veriñeringssändarna (såväl som sändarsignaler som används vid kalíbreringmod och spårningsmod) styrs av datorn 93. Dossensorerna 92 kan användas till att övervaka stråldosen som varje mottagarelement 14 utsätts för. Strålningen emitteras från en strålkälla 94 vid radioterapí- behandling av en patient. Syftet med dossensorn är sålunda att kunna förutsäga när ett mottagarelement behöver bytas ut efter det utsatts för mer än en förutbestämd stråldos, t.ex. 3 Gray.

Dessutom tillhandahålls en referenssändare 95 i närheten av strålkällan 94.

Genom att undvika att referenssändaren utsätts för strålning påverkas inte referenssändaren av strålningen på samma sätt som mottagarelement 14 görs. Positionen hos strålkällan 94 i förhållande till mottagaren 13 kan styras av datorn för att säkerställa att referenssåndaren 95 placeras på i en förutbestämd position när referenssändaren är aktiv.

Ett fundamentalt kriterium för att kunna utföra föreliggande uppfinning är att samma typ av positioneringsanordning används både för kalibreringsmod och för spårningsmod. Om flera typer av positioneringsanordningar används i samma system måste modeller för varje typ av positioneringsanordning lagras i minnesenheten (eller internminnet) och systemet behöver informeras om vilken typ av positioneringsanordning som används under spårningsmod för att kunna fungera korrekt. Denna information kan naturligtvis inkluderas i ett minne inuti positioneringsanordningen, såsom har beskrivits 531 1785 19 i den internationella patentansökan PCT/ 2006/ 001242, överlåten till Micropos Medical AB, vilken införlivas genom hänvisning.

Samma verifieringsutrustning behövs användas varje gång när verifiering av systemets driftsstatus krävs. Om någøn del av verifieríngsutrustningen byts ut/ ersätts behöver en ny basverifiering utföras.

Claims (19)

10 15 20 25 30 531 789 2 O Krav

1. En metod för kalibrering av ett system (10) som används för att spåra en position (P) hos en positioneringsanordning (1 1; 31), där nämnda metod innefattar stegen: a) att placera positioneringsanordningen (11; 31) vid en känd position (CP) i en kalibreringsomgivning med förutbestämda elektriska egenskaper, där nämnda positioneringsanordning innefatta: åtminstone en sändare (32, 33), b) att sända ut en elektromagnetisk sändarsignal vid en specifik frekvens från varje sändare (32, 33), c) att tillhandahålla en mottagare (13) som innefattar ett flertal elektrostatiskt skärmade mottagarelement (14) anordnade utanför kalibreringsomgivningen, och att mäta upp en mottagarsignal vid varje mottagarelement (14), där nämnda sändare (32, 33) och mottagare (13) arbetar i ett närfältsområde, och d) att lagra data avseende den kända positionen (CP) hos positioneringsanordningen, och amplitud- och/ eller fasínforrnation för varje uppmätt mottagarsignal i en minnesenhet (15), k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda metod ytterligare innefattar stegen: - att återupprepa stegen a) - d) för multipla kända positioner i kalibreringsomgivningen, där nämnda kända positioner tillhör ett mätområde (16), - att bygga en separat modell för varje mottagarelement (14) baserad på lagrad data för varje känd position i steg d).

2. Metoden enligt patentkravet 1, varvid steg a) innefattar att placera positioneringsanordningen vid en känd position (CP) i en fantom (12) som har nämnda kalibreringsomgivning, varvid nämnda elektrostatiskt skärmade mottagarelement (14) i steg c) är anordnade utanför fantomen (12), där nämnda fantorn (12) väljs att ha liknande elektriska egenskaper som en kropp (1) vid den specifika frekvensen hos nämnda sändarsignal. 10 15 20 25 531 789 21

3. Metoden enligt patentkravet 1 eller 2, varvid positioneringsanordningen innefattar åtminstone två sändare (32, 33), och varje sändare sänder ut en sändarsignal vid separata frekvenser.

4. Metoden enligt något av patentkraven 1-3, varvid nämnda steg att bygga en modell innefattar steget att bestämma en amplitud- och /eller fasdistribution för varje mottagarelement (14).

5. Metoden enligt patentkravet 4, varvid nämnda modell väljs att vara ett polynom.

6. Metoden enligt patentkravet 5, varvid data filtrering tillhandahålls för att ytterligare optimera datapassning vid bestämning av polynornen.

7. Metoden enligt något av patentkraven 1-6, varvid nämnda kända position (NP) innefattar tredimensionella koordinater (x, y, z) och åtminstone två rotationer (37, 38, 39) av positioneringsanordningen (14), vilket resulterar i åtminstone femdimensionella data för varje mottagarsignal.

8. Metoden enligt något av patentkraven 1-7, varvid positioneringsanordningen (1 1; 31) i steg a) placeras i en fantom (12).

9. Metoden enligt patentkravet 8, varvid kalibreringsomgivningen som skapas av fantomen väljs att efterlikna de elektriska egenskaperna hos en spårningsomgivning i vilken positioneringsanordningen placeras vid spårning av positionen (P).

10. Metoden enligt något av patentkraven 8 eller 9, varvid kalibreringsomgivningen väljs att ha liknande elektriska egenskaper som en kropp (1).

11. Metoden enligt något av patentkraven 1-10, innefattande det ytterligare steget att skapa en referensrnodell för rnottagarelementen (14) genom: 10 15 20 25 30 531 789 22 - att sända ut en referenssändarsignal från åtminstone en referenssändare (17) som är anordnade på ett förutbestämt avstånd från varje mottagarelement ( 14), att mäta upp en referensmottagarsignal vid varje mottagarelement (14), och - att lagra data avseende amplitud- och/ eller fasinformation för varje uppmätt referensmottagarsignal som referensmodellen i minnesenheten (15).

12. Metoden enligt patentkravet 11, varvid referenssändaren (17) väljs att vara anordnad i nämnda mottagare (13).

13. En metod för att spåra en position hos en positioneringsanordning (11; 31), där nämnda metod innefattar stegen: - att ordna positioneringsanordningen (11; 31) i förhållande till ett målområde (19) i en spårningsomgivning, där nämnda positioneringsanordning (1 1; 31) innefattar åtminstone en sändare (32, 33), - att sända ut en elektromagnetisk sändarsignal vid en specifik frekvens från varje sändare (32, 33), och - att tillhandahålla en mottagare (13) som innefattar ett flertal elektrostatiskt skärmade mottagarelement (14) anordnade utanför spårningsomgivníngen, och att mäta upp en mottagarsignal vid varje mottagarelement, där nämnda sändare (32, 33) och mottagare (13) arbetar i ett närfältsområde, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda metod ytterligare innefattar stegen: - att hämta en separat modell för varje mottagarelement (14), som erhålls av en kalibreringsmetod enligt något av patentkraven 1-7, från en minnesenhet (15), - att uppskatta positionen (P) hos positioneringsanordningen (11; 31) genom att jämföra den hämtade modellen för varje mottagarelement (14) med den uppmätta mottagarsignalen för varje rnottagarelement (14). 10 15 20 25 30 531 ?B9 23

14. Metoden enligt patentkravet 13, varvid modellen baseras på kända positioner (KP) i ett mätområde (16) och nämnda steg att uppskatta positionen (P) innefattar en tvåstegs sökningsprocedur, där ett första steg innefattar att pröva ett antal positioner med lika avstånd i mätområdet för att etablera en startpunkt (SP) i modellen för varje mottagarelement (14), och ett andra steg innefattande att minimera skillnaden mellan en vektor som motsvarar de uppmätta mottagarsignalerna och en beräknad vektor som motsvarar startpunkten (SP) genom att använda en iterativ sökprocess.

15. Metoden enligt något av patentkraven 13 eller 14, innefattande de ytterligare stegen: - att sända ut en referenssändarsignal från åtminstone en referenssändare (17) som är anordnad på ett förutbestämt avstånd från varje mottagarelement (14), - att mäta upp en referensmottagarsignal vid varje mottagarelement (14), och - att vikta den uppmätta mottagarsignalen från varje mottagarelement (14) för att överensstämma med en referensmodell erhällen enligt något av patentkraven 8 eller 9, för att erhålla en automatisk anpassning av mottagarelementen (14) under drift.

16. Metoden enligt något av patentkraven 13- 15, varvid spårnings- omgivningen väljs vara inuti en kropp (1).

17. Ett system (10) för att spåra en position (P) hos sett målområde (19) i en spärningsomgivning, där nämnda system innefattar: - en posítioneringsanordning (1 1; 31) konfigurerad att vara anordnad i förhållande till nämnda målområde (19), där nämnda positionerings~ anordning (11; 31) innefattar åtminstone en sändare (32, 33), - en mottagare (13) konfigurerad att vara anordnad utanför nämnda spårningsområde, där nämnda mottagare (13) innefattar ett flertal elektrostatiskt skärmade mottagarelement (14), där varje är placerad vid olika positioner i nämnda mottagare (13), och 10 15 20 25 531 759 24 - en styrenhet (18) som kommunicerar med nämnda positionerings- anordning (11; 31) för att initiera sändning av en sändarsignal från nämnda sändare 32, 33), där nämnda styrenhet (18) är ansluten till nämnda mottagare (13) för att erhålla en mottagarsignal från varje mottagarelement (14), k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda system ytterligare innefattar: - en minnesenhet (15) ansluten till nämnda styrenhet (18), där nämnda minnesenhet (15) innefattar en lagrad separat modell, erhällen av en kalibreringsmetod enligt något av patentkraven 1- 10, för varje mottagar~ element (14), och - nämnda styrenhet (15) ytterligare innefattar en beräkningsenhet (uP) anpassad att uppskatta positionen (P) hos nämnda positioneringsenhet (11; 31) genom att jämföra den lagrade separata modellen och den erhållna mottagarsignalen för varje mottagarelement (14).

18. Systemet enligt patentkravet 17, varvid nämnda system ytterligare innefattar åtminstone en referenssändare (17; 95) ansluten till nämnda styrenhet (18; 93), där varje referenssändare (17 ; 95) är konfigurerad att sända ut en referenssändarsígnal, och en referensmottagarsignal mäts upp vid varje mottagarelement (14), där styr-enheten (18; 93) tar emot den uppmätta mottagarsignalen från varje mottagarelement (14), och beräkningsenheten är konfigurerad att vikta de uppmätta mottagarsignalerna att sammanfalla med en referensrnodell erhållen enligt patentkravet 11 eller 12, för att erhålla en automatisk anpassning av mottagarelementen (14) under drift.

19. Systemet enligt något av patentkraven 17 eller 18, varvid åtminstone en dossensor (92) tillhandahålls nära varje mottagarelement (14), varvid mängden strålning som emitteras från en strälkälla (94) övervakas.