WO2009033552A2 - Verfahren und system zur bestimmung der position und/oder orientierung eines objektes - Google Patents

Verfahren und system zur bestimmung der position und/oder orientierung eines objektes Download PDF

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WO2009033552A2
WO2009033552A2 PCT/EP2008/006830 EP2008006830W WO2009033552A2 WO 2009033552 A2 WO2009033552 A2 WO 2009033552A2 EP 2008006830 W EP2008006830 W EP 2008006830W WO 2009033552 A2 WO2009033552 A2 WO 2009033552A2
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field
orientation
reference object
measured
electromagnetic field
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Inventor
Robert Elfring
Matias De La Fuente Klein
Klaus Radermacher
Original Assignee
Rheinisch-Westfälisch-Technische Hochschule Aachen
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position and / or orientation of an object in which the electromagnetic field generated by at least one emitter is measured by means of at least one field sensor and the object position and / or object orientation are generated from the measured value / measured values and electromagnetic field is determined.
  • Emitters of this type are also referred to as transmitters.
  • the invention further relates to a system for determining the position and / or orientation of an object, comprising an object having at least one field sensor, at least one emitter for generating an electromagnetic field and a measuring device, with which the position and / or orientation of the object by measuring the Electromagnetic field by means of at least one field sensor can be determined.
  • Essential for such a method or a system for carrying out such a method is that by means of at least one emitter
  • Electromagnetic field in particular a spatially extended electromagnetic field is generated, the field strength and / or field direction is known as a function of the spatial coordinates, so that there is the possibility of using a field sensor to determine the local field strength and / or field direction at the location of the field sensor and thus to deduce from the measured value or the measured values determined to the position of the field sensor within the generated electromagnetic field.
  • a field sensor for example by means of a field sensor successively measured the field of several emitter coils and from this the position in space can be determined.
  • At least one field sensor is arranged on an object or also in an object, then the position of the object within the electromagnetic field generated by the at least one emitter can be determined hereby.
  • a tracking can be performed with which not only the current position or orientation of the object, but also the time course of a movement can be determined.
  • At least one emitter if appropriate also a plurality of emitters, is provided for generating various overlapping fields, as is an object having at least one field sensor and a measuring device for acquiring the measured values of the field at least in the amount and / or in the direction measured electromagnetic field, wherein preferably the measuring device is set up, in addition to the detection of the measured values and a corresponding evaluation and perform a position determination from the evaluation.
  • the measuring principle can be carried out both with static electromagnetic fields and with temporally varying electromagnetic fields.
  • different sensors are used.
  • coils it is preferred to use coils as field sensors in which, based on the induced currents, it is possible to deduce the magnitude and / or the direction of the measured electromagnetic field at the location of the coil.
  • Hall sensors can be used. It is essential in all the known methods mentioned at the outset that the local dependence of the generated static or time-variable electromagnetic field is at least theoretically known in order to be able to draw conclusions about the position from the measured values at the respective location of an object to be observed.
  • External influences can be given, for example, by other electromagnetic fields which are constant in time or, in particular, also temporally variable, as well as by metallic objects in the vicinity of the generated electromagnetic field or also within the generated electromagnetic field.
  • the object of the invention is to provide a method and a system of the aforementioned generic type, with which given the opportunity is to make an exact, in particular of any disturbances independent positioning of at least one object within a generated and thus at least theoretically known electromagnetic field.
  • this object is achieved by means of a generic method mentioned at the outset, which is characterized in that a reference object with at least two field sensors is arranged to compensate for disturbances in the generated electromagnetic field, in particular in the surroundings of the object, the relative spatial desired positions of which are known to one another,
  • the electromagnetic field is measured by means of the field sensors of the reference object and actual values of the field sensors of the reference object are determined from the measured value / measurements and a correction is determined by means of the deviations between the actual and desired positions by means of which the measured object position and / or object orientation is corrected.
  • the object is achieved by a system of the aforementioned generic type, which is characterized in that for compensation of disturbances in the electromagnetic field generated a reference object having at least two field sensors whose relative spatial target position known to each other, in particular fixed and known, wherein the field sensors of the reference object and the measuring device of the electromagnetic field measurable and the measured value / the measured values faulty actual positions of the field sensors of the reference object can be determined, wherein the measuring device is further set up based on the deviations between actual and desired position of the reference object to determine a correction by means of which the measured object position and / or object orientation can be corrected.
  • the essential core idea of the invention is that, in particular in real time, a possibly present disturbance of the generated electromagnetic field can be evaluated and a correction is determined from such a valuation, by means of which a faulty position and / or orientation of one in the position or in the orientation to be determined object can be corrected.
  • the invention makes use of the fact that at least two field sensors are arranged in a reference object, preferably even more field sensors than two are arranged whose spatial positions are fixed and known and are referred to as target positions in the context of this invention description.
  • the specific positions of the sensors used in the reference object will not coincide with the known spatial target positions in a disturbance of the electromagnetic field, as in a fault the field leads to distortions and thus to deviations in the local dependence of the amount and / or the orientation of the generated electromagnetic field.
  • the objectively known desired position of each field sensor is different from the actually measured and thus faulty actual position of the field sensor, it is possible to evaluate the detected deviations and to determine therefrom a correction that can be used to position or the To correct the orientation of the object to be observed and thus to obtain the actually correct position or orientation of this object in the disturbed magnetic field.
  • the correction can be formed, for example, such that it is suitable for converting the measured faulty actual positions of the field sensors of the reference object into the actual known spatial desired positions of the field sensors of the reference object. If such a correction is formed from the known deviations, then the same correction is also suitable for correcting the objectively faulty object position and / or object orientation into the respectively actually present quantities.
  • an interpolation and / or extrapolation function is formed from the measured actual positions of the field sensors of the reference object and the known setpoint positions, by means of which a field-distorted object position and / or object orientation is corrected by applying the function to this position / orientation.
  • the corrected position / orientation results analytically as F (faulty position / orientation).
  • the measuring device used for determining the magnitude and / or the orientation of the measured electromagnetic field is also set up using the deviations between the desired and actual positions of the reference object such a correction, in particular to determine such a function and then apply this determined function to determine the position and / or orientation of the object to be measured within the electromagnetic field.
  • a function mentioned above can be nourished, for example, by a polynomial, wherein the approximation can be optimized by a polynomial of the nth degree with the highest possible value for n.
  • a theoretical electromagnetic Compensation field is calculated, which is used to correct the real disturbed electromagnetic field.
  • this real disturbed electromagnetic field can be used to calculate the position and / or orientation of the object, for which purpose the corresponding information can be stored, for example, within the measuring device.
  • a simulated, real disturbed electromagnetic field is calculated by computer-based superimposition of the compensation field with the electromagnetic field assumed to be undisturbed, which can then be used as the basis for determining the position and / or orientation of the object. It can be assumed that the more field sensors are used within the reference object, the more accurate the determination of the compensation field.
  • field sensors for example coils are used in a preferred embodiment, wherein it can be provided that at least two coils of the reference object to each other have a different orientation.
  • the field sensors are designed as coils, wherein at least one coil is arranged outside a plane in which two further coils are located. Such an arrangement accordingly has at least three field sensors, which leads to a further increase in accuracy in the correction.
  • the measured values of a plurality of field sensors are detected by means of temporal multiplexing via a measuring line of a measuring device.
  • the measured values of a multiplicity of field sensors can be detected by means of such a device, although the device provided for this purpose does not have a correspondingly high number of measuring lines or input channels for acquiring the measured values.
  • an external device may be provided, which is connected upstream of an input channel of a measuring device or the measuring device itself may already internally provide a corresponding electronics for multiplexing.
  • the measurement of the measured values for the determination of the object position or the object orientation takes place at a higher frequency than the acquisition of the measured values of the field sensors of the reference object. This is based on the fact that the reference object is preferably moved stationary or only with a low or lower speed than the object to be measured within the electromagnetic field. Thus, it is sufficient to detect the position of the field sensors of the reference object with a lower sampling rate than the position of the object, since the underlying correction thus changes with a larger time constant than the position of the object.
  • an object whose position and / or orientation is to be determined by a medical Instrument is formed.
  • an object can be, for example, a needle or a catheter, so that the current position or the movement trajectory of such a medical instrument can be accurately tracked with the method according to the invention, even if, for example, metallic objects are within the influence of the generated electromagnetic field , such as other instruments or even an operating table.
  • a reference object is arranged in the vicinity of an intervention area or else around an intervention area on a patient.
  • such an area may be a puncture site to which a needle or a catheter is to be applied.
  • a reference object is frame-shaped, in particular ring-shaped and within the frame / ring, the at least two field sensors are arranged.
  • a ring can surround the intervention area, in particular the puncture site, so that the object determining the position or orientation, such as, for example, the needle or a catheter, is passed through the frame / ring and thus a particularly accurate position determination becomes possible the disturbance of the electromagnetic field is determined directly in the environment of the object to be observed.
  • at least two field sensors in particular also at different levels, may be arranged in such a frame and possibly also have different orientations.
  • the position of the reference object is detected relative to a patient or is determined by a radiological detection of the reference object together with a patient.
  • a reference object has radiopaque markings or also other markings which can be detected radiologically so that it is possible to localize the position of the reference object in an X-ray image, for example an image of a computer tomograph or also a magnetic resonance tomograph.
  • the possibility can be opened up in this way to display the detected position of the object in a simultaneously recorded radiological image of the patient and thus to detect the track of the movement or the location of the movement in a time-dependent manner.
  • Figure 1 shows the image of an annular reference object with four
  • FIG. 3 shows a flowchart of the method according to the invention
  • FIG. 1 shows an overview representation of a reference object 1 shown here in a ring, in which a total of four field sensors 2 are arranged within the ring.
  • the field sensors may have different orientations and / or planes and be formed, for example, as coils, the orientation resulting from the longitudinal orientation of the coil axis.
  • the coils 2d and 2c have a different orientation than the two coils 2a and 2b, which are the same orientation.
  • At the medical instrument 3 shown here as a needle at least at one point, eg at a lower end, preferably at several points not shown field sensor arranged to determine the position of the needle 3 in the electromagnetic, not shown here field by means of this field sensor.
  • the ring 1 shown here so on an intervention area, e.g. Position the puncture area on a patient such that this area remains accessible through the interior of the ring.
  • the measured position of the needle 3 in an optionally disturbed electromagnetic field can accordingly be corrected as described above on the basis of the measured values of the individual coils 2a-2d recorded by the reference object.
  • FIG. 2 shows an overview of the procedure. It can be seen here on the right in the figure that, assuming a disturbance of the generated electromagnetic field, the positions of the four field coils are determined as actual position V1, V2, V3 and V4, as well as two positions P1 'and P2' of the needle 3 with reference to FIG the illustration in Figure 1, wherein here two field sensors are assumed at the needle.
  • the respectively mechanically defined position 01, 02, 03 and 04 of the field coils 2a-2d according to the left-hand representation in FIG. 2 is known, eg coordinate system defined relative to radiopaque markers M1, M2 and M3.
  • a correction for example, computationally within a correspondingly arranged measuring device to the distorted measured positions V1, V2, V3 and V4 in to transfer the respective correct positions O1, 02, 03 and 04, eg by a coordinate transformation based on a function.
  • the same correction is then also suitable for converting the measured distorted positions of the needle PV and P2 'into the undistorted actual positions P1 and P2.
  • the measured positions can thus be converted into the distortion-free coordinate system.
  • FIG. 3 shows the schematic sequence of the method according to the invention.
  • both the measured values of the reference object and the known positions of the field sensors of the reference object are based on a calculation that can be implemented, for example, in the measuring device.
  • a calculation can be used to determine a compensation field or also a function which is suitable for correcting an equally performed position measurement of the object to be measured.
  • the faulty position is first determined and then the correction determined from the calculation is applied to the faulty position, resulting in an error-free position of the medical instrument.
  • the thus determined interference-free position can therefore be based on medical intervention in a particularly preferred application.
  • Other applications are also given in virtual reality position determinations.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, bei dem mittels wenigstens eines Feldsensors am/im Objekt das durch wenigstens einen Emitter erzeugte elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten die Objektposition und/oder Objektorientierung im erzeugten elektromagnetischen Feld ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld, insbesondere in der Umgebung des Objektes ein Referenzobjekt (1 ) mit wenigstens zwei Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet wird, deren relative räumliche Soll- Positionen (01, 02, 03, 04) zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjekts (1) das elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert / den Messwerten fehlerbehaftete Ist-Position (V1, V2, V3, V4) der Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjektes (1 ) ermittelt werden und anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Positionen eine Korrektur ermittelt wird, mittels der die gemessene Objektposition (P1', P2') und/oder Objektorientierung insbesondere in Echtzeit korrigiert wird.

Description

Verfahren und System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, bei dem mittels wenigstens eines Feldsensors am/im Objekt das durch wenigstens einen Emitter erzeugte elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten die Objektposition und/oder Objektorientierung im erzeugten und elektromagnetischen Feld ermittelt wird. Emitter dieser Art werden auch als Transmitter bezeichnet.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, umfassend ein Objekt mit wenigstens einem Feldsensor, wenigstens einen Emitter zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes und eine Messvorrichtung, mit welcher die Position und/oder Orientierung des Objektes durch Messung des elektromagnetischen Feldes mittels des wenigstens einen Feldsensors bestimmbar ist.
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass die Position eines im Wesentlichen beliebigen Objektes im Raum beispielsweise mittels eines erzeugten elektromagnetischen Feldes überwacht werden kann. Das Prinzip dieser Art der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines Objektes ist unter der Bezeichnung des sogenannten elektromagnetischen Tracking im Stand der Technik bekannt.
Wesentlich für ein solches Verfahren bzw. ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist es, dass mittels wenigstens einen Emitters ein
BESTATIGUNGSKOPIE elektromagnetisches Feld, insbesondere ein räumlich ausgedehntes elektromagnetisches Feld, erzeugt wird, dessen Feldstärke und/oder Feldrichtung in Abhängigkeit von den Raumkoordinaten bekannt ist, so dass die Möglichkeit besteht, mittels eines Feldsensors die lokale Feldstärke und/oder Feldrichtung am Ort des Feldsensors zu bestimmen und somit aus dem Messwert bzw. den ermittelten Messwerten auf die Position des Feldsensors innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Feldes zurückzuschließen. Dabei kann z.B. mittels eines Feldsensors zeitlich nacheinander das Feld mehrerer Emitterspulen gemessen und daraus die Position im Raum bestimmt werden.
Wird demnach wenigstens ein Feldsensor an einem Objekt oder auch in einem Objekt angeordnet, so kann hiermit die Position des Objektes innerhalb des elektromagnetischen, durch den wenigstens einen Emitter erzeugten Feldes bestimmt werden. Durch zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmung der Position kann demnach ein Tracking durchgeführt werden, mit dem nicht nur die aktuelle Position oder Orientierung des Objektes, sondern auch der zeitliche Verlauf einer Bewegung bestimmt werden kann.
Im Stand der Technik ist es bei Systemen zur Durchführung eines solchen Verfahrens demnach vorgesehen, dass wenigstens ein Emitter, gegebenenfalls auch mehrere Emitter zur Erzeugung verschiedener sich überlagernder Felder vorgesehen ist, ebenso wie ein Objekt mit wenigstens einem Feldsensor und einer Messvorrichtung zur Erfassung der Messwerte des zumindest im Betrag und/oder in der Richtung gemessenen elektromagnetischen Feldes, wobei bevorzugterweise die Messvorrichtung eingerichtet ist, neben der Erfassung der Messwerte auch eine entsprechende Auswertung und aus der Auswertung eine Positionsbestimmung durchzuführen.
Hierbei kann das Messprinzip sowohl mit statischen elektromagnetischen Feldern durchgeführt werden als auch mit zeitlich variierenden elektromagnetischen Feldern. Je nach Art des ausgewählten elektromagnetischen Feldes können dabei unterschiedliche Sensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden bevorzugt bei zeitlich variablen elektromagnetischen Feldern als Feldsensoren Spulen zum Einsatz kommen, in denen anhand der induzierten Ströme auf den Betrag und/oder die Richtung des gemessenen elektromagnetischen Feldes am Ort der Spule zurückgeschlossen werden kann.
Bei statischen elektromagnetischen Feldern können beispielsweise auch Hallsensoren zum Einsatz kommen. Wesentlich bei allen bekannten eingangs genannten Verfahren ist es, dass die örtliche Abhängigkeit des erzeugten statischen oder auch zeitlich variablen elektromagnetischen Feldes zumindest theoretisch bekannt ist, um aus den Messwerten am jeweiligen Ort eines zu betrachtenden Objektes so auf die Position rückschließen zu können.
Dabei ist es im Stand der Technik als ein Nachteil eines solchen Verfahrens bekannt, dass das erzeugte elektromagnetische Feld gestört werden kann durch z.B. äußere Einflüsse. Äußere Einflüsse können beispielsweise gegeben sein durch andere, zeitlich konstant oder insbesondere auch zeitlich variable elektromagnetische Felder sowie auch durch metallische Objekte in der Umgebung des erzeugten elektromagnetischen Feldes oder auch innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Feldes.
Hierdurch können Feldverzerrungen entstehen, wodurch das zumindest theoretisch bekannte erzeugte elektromagnetische Feld nicht mehr exakt übereinstimmend ist mit dem praktisch vorliegenden erzeugten elektromagnetischen Feld, so dass aufgrund der erhaltenen Messwerte zwar eine Position des zu betrachtenden Objektes ermittelt werden kann, diese jedoch aufgrund der Störung durch eine der eingangs genannten Möglichkeiten fehlerbehaftet ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten gattungsgemäßen Art bereitzustellen, mit dem die Möglichkeit gegeben wird, eine exakte, insbesondere von eventuellen Störungen unabhängige Positionsbestimmung wenigstens eines Objektes innerhalb eines erzeugten und somit zumindest theoretisch bekannten elektromagnetischen Feldes vorzunehmen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines eingangs genannten gattungsgemäßen Verfahrens gelöst, dass dadurch weitergebildet ist, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld, insbesondere in der Umgebung des Objektes, ein Referenzobjekt mit wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet wird, deren relative räumliche Sollpositionen zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren des Referenzobjektes das elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten fehlerbehaftete Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes ermittelt werden und anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Sollposition eine Korrektur ermittelt wird, mittels der die gemessene Objektposition und/oder Objektorientierung korrigiert wird.
Weiterhin gelöst wird die Aufgabe durch ein System der eingangs genannten gattungsgemäßen Art, welches sich dadurch erfindungsgemäß auszeichnet, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld ein Referenzobjekt mit wenigstens zwei Feldsensoren aufweist, deren relative räumliche Sollposition zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren des Referenzobjektes und der Messvorrichtung des elektromagnetischen Feldes messbar und aus dem Messwert/den Messwerten fehlerbehaftete Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes ermittelbar sind, wobei die Messvorrichtung weiterhin eingerichtet ist anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Sollposition des Referenzobjektes eine Korrektur zu ermitteln, mittels der die gemessene Objektposition und/oder Objektorientierung korrigierbar ist. Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung ist es, dass insbesondere in Echtzeit eine eventuell vorliegende Störung des erzeugten elektromagnetischen Feldes bewertet werden kann und aus einer derartigen Bewertung eine Korrektur ermittelt wird, mittels der eine fehlerbehaftete Position und/oder Orientierung eines in der Position oder in der Orientierung zu bestimmenden Objektes korrigiert werden kann.
Hierfür macht sich die Erfindung zunutze, dass in einem Referenzobjekt wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet sind, bevorzugt noch mehr Feldsensoren als zwei angeordnet sind, deren räumliche Positionen fest und bekannt sind und im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung als Sollpositionen bezeichnet werden.
Werden diese an sich bekannten Positionen der Feldsensoren des Referenzobjektes mittels des eingangs genannten Verfahrens bestimmt, so werden die konkret bestimmten Positionen der im Referenzobjekt zum Einsatz kommenden Sensoren bei einer Störung des elektromagnetischen Feldes nicht übereinstimmend sein mit den bekannten räumlichen Sollpositionen, da es bei einer Störung des Feldes zu Verzerrungen und somit zu Abweichungen in der örtlichen Abhängigkeit des Betrages und/oder der Orientierung des erzeugten elektromagnetischen Feldes kommt.
Aufgrund der Tatsache, dass sodann die objektiv bekannte Sollposition eines jeden Feldsensors abweichend ist von der tatsächlich gemessenen und somit fehlerbehafteten Istposition des Feldsensors besteht die Möglichkeit, die ermittelten Abweichungen auszuwerten und hieraus eine Korrektur zu ermitteln, die eingesetzt werden kann, um die Position oder die Orientierung des zu beobachteten Objektes zu korrigieren und somit die tatsächlich richtige Position oder Orientierung dieses Objektes in dem gestörten Magnetfeld zu erhalten. Die Korrektur kann dabei beispielsweise derart gebildet werden, dass sie geeignet ist, die gemessenen fehlerbehafteten Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes zu überführen in die tatsächlichen bekannten räumlichen Sollpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes. Wird eine derartige Korrektur aus den bekannten Abweichungen gebildet, so ist dieselbe Korrektur auch geeignet, um die objektiv fehlerbehaftete Objektposition und/oder Objektorientierung zu korrigieren in die jeweils tatsächlich vorliegenden Größen.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass aus den gemessenen Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes sowie den bekannten Sollpositionen eine Interpolations- und/oder Extrapolationsfunktion gebildet wird, mittels der eine feldgestörte Objektposition und/oder Objektorientierung durch Anwendung der Funktion auf diese Position/Orientierung korrigiert wird. So ergibt sich demnach abstrakt gesprochen die korrigierte Position/Orientierung analytisch als F (fehlerbehaftete Position/Orientierung).
Bevorzugt ist es demnach vorgesehen, dass die zum Einsatz kommende Messvorrichtung zur Bestimmung des Betrages und/oder der Ausrichtung des gemessenen elektromagnetischen Feldes weiterhin auch eingerichtet ist anhand der Abweichungen zwischen den Soll- und Istpositionen des Referenzobjektes eine solche Korrektur, insbesondere eine solche Funktion zu ermitteln und diese ermittelte Funktion sodann anzuwenden für die Bestimmung der Position und/oder Orientierung des zu vermessenen Objektes innerhalb des elektromagnetischen Feldes. Eine solche eingangs genannte Funktion kann dabei beispielsweise durch ein Polynom genährt werden, wobei die Näherung optimiert werden kann durch ein Polynom n-ten Grades mit einem möglichst hohen Wert für n.
In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass aus den gemessenen Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes sowie den bekannten Sollpositionen ein theoretisches elektromagnetisches Kompensationsfeld berechnet wird, welches zur Korrektur des real gestörten elektromagnetischen Feldes verwendet wird.
So ist es, wie eingangs genannt notwendig, dass die Ortsabhängigkeit des Betrages und/oder der Orientierung des erzeugten elektromagnetischen Feldes bekannt ist, um anhand der gemessenen Messwerte auf die Position eines Objektes schließen zu können. Besteht somit erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass real gestörte elektromagnetische Feld zu ermitteln, so kann dieses real gestörte elektromagnetische Feld der Berechnung der Position und/oder Orientierung des Objektes zugrunde gelegt werden, wofür die entsprechenden Informationen beispielsweise innerhalb der Messvorrichtung gespeichert werden können.
Beispielsweise kann es demnach vorgesehen sein, dass durch rechnergestützte Überlagerung des Kompensationsfeldes mit dem als ungestört angenommenen erzeugten elektromagnetischen Feld ein simuliertes, real gestörtes elektromagnetisches Feld berechnet wird, welches sodann der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung des Objektes zugrunde gelegt werden kann. Hierbei ist davon auszugehen, dass die Ermittlung des Kompensationsfeldes umso genauer ist, je mehr Feldsensoren innerhalb des Referenzobjektes zum Einsatz kommen.
Als Feldsensoren werden in bevorzugter Ausführung beispielsweise Spulen eingesetzt, wobei es vorgesehen sein kann, dass wenigstens zwei Spulen des Referenzobjektes zueinander eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.
In einer weiteren Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Feldsensoren als Spulen ausgebildet sind, wobei wenigstens eine Spule außerhalb einer Ebene angeordnet ist, in der zwei weitere Spulen liegen. Eine derartige Anordnung weist demnach wenigstens drei Feldsensoren auf, was zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit bei der Korrektur führt. Beim Einsatz des Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Systems zur Durchführung des Verfahrens kann es in einer bevorzugten Variante vorgesehen sein, dass die Messwerte mehrerer Feldsensoren mittels eines zeitlichen Multiplexing über eine Messleitung eines Messgerätes erfasst werden.
Dies erschließt die Möglichkeit, gegebenenfalls bereits vorhandene Messgeräte zur Durchführung des im Stand der Technik bekannten Verfahrens auch für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. So können die Messwerte einer Vielzahl von Feldsensoren mittels einer solchen Vorrichtung erfasst werden, obwohl die hierfür vorgesehene Vorrichtung nicht über eine entsprechend hohe Anzahl von Messleitungen bzw. Eingangskanälen zur Erfassung der Messwerte verfügt. Um das zeitliche Multiplexing vorzunehmen, kann beispielsweise eine externe Vorrichtung vorgesehen sein, die einem Eingangskanal eines Messgerätes vorgeschaltet ist oder das Messgerät selbst kann bereits intern eine entsprechende Elektronik zum Multiplexing vorsehen.
Insgesamt wird es hierbei vorgesehen sein, dass die Messung der Messwerte für die Bestimmung der Objektposition bzw. der Objektorientierung mit einer höheren Frequenz erfolgt als die Erfassung der Messwerte der Feldsensoren des Referenzobjektes. Dem liegt zugrunde, dass das Referenzobjekt bevorzugt ortsfest oder nur mit einer geringen bzw. geringeren Geschwindigkeit als das zu vermessende Objekt innerhalb des elektromagnetischen Feldes bewegt ist. So reicht es aus, die Position der Feldsensoren des Referenzobjektes mit einer geringeren Abtastrate zu erfassen als die Position des Objektes, da sich somit die zugrunde zu legende Korrektur mit einer größeren Zeitkonstante ändert als die Position des Objektes.
In einer besonders bevorzugten Anwendung des Verfahrens oder auch des erfindungsgemäßen Systems kann es vorgesehen sein, dass ein Objekt, dessen Position und/oder Orientierung zu bestimmen ist, durch ein medizinisches Instrument gebildet wird. Bei einem solchen Objekt kann es sich z.B. um eine Nadel oder einen Katheter handeln, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktuelle Position bzw. die Bewegungstrajektorie eines solchen medizinischen Instrumentes genauestens verfolgt werden kann, selbst wenn z.B. metallische Gegenstände im Einflussbereich des erzeugten elektromagnetischen Feldes liegen, wie z.B. andere Instrumente oder auch ein OP-Tisch.
Die hierdurch hervorgerufenen Störungen, wie beispielsweise Feldverzerrungen, können anhand des Referenzobjektes ermittelt und hieraus eine Korrektur gebildet werden, um somit die Position und Orientierung des Objektes genau zu bestimmen. Für eine solche medizinische Anwendung kann es dabei vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt in der Umgebung eines Interventionsareals oder aber um ein Interventionsareal herum an einem Patienten angeordnet wird.
Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Areal um eine Punktionsstelle handeln, an der eine Nadel oder ein Katheter appliziert werden soll. Gerade für eine solche Anwendung kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt rahmenförmig, insbesondere ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Rahmens / Ringes die wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet sind. So kann ein solcher Ring das Interventionsareal, insbesondere die Punktionsstelle, umgeben, so dass das in der Position oder Orientierung bestimmende Objekt, wie beispielsweise die Nadel oder ein Katheter, durch den Rahmen / Ring hindurchgeführt wird und somit eine besonders genaue Positionsbestimmung möglich wird, da die Störung des elektromagnetischen Feldes unmittelbar in der Umgebung des zu betrachtenden Objektes ermittelt wird. Dabei können in einem solchen Rahmen wenigstens zwei Feldseπsoren, insbesondere auch auf verschiedenen Ebenen angeordnet sein und ggfs. auch unterschiedliche Orientierungen aufweisen.
Bei einer solchen Anwendung kann es beispielsweise weiterhin vorgesehen sein, dass die Position des Referenzobjektes relativ zu einem Patienten erfasst bzw. ermittelt wird durch eine radiologische Erfassung des Referenzobjektes zusammen mit einem Patienten. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt röntgendichte Markierungen aufweist oder auch sonstige Markierungen, die radiologisch erfassbar sind, so dass die Möglichkeit besteht, die Position des Referenzobjektes in einem Röntgenbild, z.B. einem Bild eines Computertomografen oder auch einem Kernspintomografen zu lokalisieren.
Gerade für medizinische Anwendungen kann auf diese Art und Weise auch die Möglichkeit erschlossen werden, die festgestellte Position des Objektes in einer simultan erfassten radiologischen Abbildung des Patienten einzublenden und so die Spur der Bewegung bzw. den Ort der Bewegung zeitabhängig zu erfassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 die Abbildung eines ringförmigen Referenzobjektes mit vier
Feldsensoren sowie eine Nadel, deren Position zu bestimmen ist Figur 2 eine schematische Darstellung des Messprinzips
Figur 3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die Figur 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung ein hier ringförmig dargestelltes Referenzobjekt 1 , bei dem innerhalb des Ringes hier insgesamt vier Feldsensoren 2 angeordnet sind. Hierbei können die Feldsensoren unterschiedliche Orientierungen und/oder Ebenen aufweisen und beispielsweise als Spulen ausgebildet sein, wobei sich die Orientierung durch die Längsausrichtung der Spulenachse ergibt. In dieser Darstellung ist es ersichtlich, dass die Spulen 2d und 2c eine andere Orientierung aufweisen wie die beiden Spulen 2a und 2b, die gleich orientiert sind.
An dem hier als Nadel dargestellten medizinischen Instrument 3 ist wenigstens an einer Stelle, z.B. an einem unteren Ende, bevorzugt an mehreren Stellen ein hier nicht dargestellter Feldsensor angeordnet, um mittels dieses Feldsensors die Position der Nadel 3 im elektromagnetischen, hier nicht dargestellten Feld ermitteln zu können.
Gemäß der Erfindung ist es in einer medizinischen Anwendung vorgesehen, den hier dargestellten Ring 1 so auf einen Interventionsbereich, z.B. Punktionsbereich an einem Patienten zu positionieren, dass dieser Bereich durch das Innere des Ringes zugänglich bleibt bzw. ist.
Die gemessene Position der Nadel 3 in einem gegebenenfalls gestörten elektromagnetischen Feld kann dementsprechend wie eingangs beschrieben anhand der durch das Referenzobjekt aufgenommenen Messwerte der einzelnen Spulen 2a - 2d korrigiert werden.
Die Figur 2 zeigt dabei in der Übersicht das Vorgehen. Erkennbar ist hier rechtsseitig in der Figur, dass bei einer angenommenen Störung des erzeugten elektromagnetischen Feldes die Positionen der insgesamt vier Feldspulen als Istposition V1 , V2, V3 und V4 ermittelt werden, ebenso wie zwei Positionen P1' und P2' der Nadel 3 mit Bezug auf die Darstellung in der Figur 1, wobei hier an der Nadel zwei Feldsensoren angenommen sind.
Die so jeweils ermittelten Positionen sowohl der Nadel als auch des Referenzobjektes sind verzerrt bzw. fehlerbehaftet, da das zugrunde gelegte elektromagnetische Feld eine entsprechende Störung aufweist.
Bekannt ist hier jedoch die jeweils mechanisch definierte Position 01 , 02, 03 und 04 der Feldspulen 2a - 2d gemäß der linksseitigen Darstellung in der Figur 2, z.B. relativ zu röntgensichtbaren Markern M1 , M2 und M3 definierten Koordinatensystem. Es besteht somit die Möglichkeit, eine Korrektur zu ermitteln, beispielsweise rechentechnisch innerhalb einer entsprechend dafür eingerichteten Messvorrichtung, um die verzerrten gemessenen Positionen V1 , V2, V3 und V4 in die jeweils korrekten Positionen O1 , 02, 03 und 04 zu überführen, z.B. durch eine Koordinatentransformation anhand einer Funktion.
Dieselbe Korrektur ist sodann auch geeignet, um die gemessenen verzerrten Positionen der Nadel PV und P2' in die unverzerrten tatsächlichen Positionen P1 und P2 zu überführen. Die gemessenen Positionen können somit in das verzerrungsfreie Koordinatensystem überführt werden.
Die Figur 3 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier ist es vorgesehen, dass sowohl die gemessenen Werte des Referenzobjektes als auch die bekannten Positionen der Feldsensoren des Referenzobjektes einer Berechnung zugrunde gelegt werden, die beispielsweise in der Messvorrichtung realisiert sein kann. Beispielsweise kann durch eine derartige Berechnung ein Kompensationsfeld oder auch eine Funktion ermittelt werden, die geeignet ist, um eine ebenso durchgeführte Positionsmessung des zu messenden Objektes zu korrigieren. Hierfür wird zunächst die fehlerbehaftete Position ermittelt und sodann die aus der Berechnung ermittelte Korrektur auf die fehlerbehaftete Position angewandet, wodurch sich eine fehlerfreie Position des medizinischen Instrumentes ergibt.
Die so ermittelte störungsfreie Position kann demnach in besonders bevorzugter Anwendung einem medizinischen Eingriff zugrunde gelegt werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind dabei auch bei Virtual reality- Positionsbestimmungen gegeben.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, bei dem mittels wenigstens eines Feldsensors am/im Objekt das durch wenigstens einen Emitter erzeugte elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten die Objektposition und/oder Objektorientierung im erzeugten elektromagnetischen Feld ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld, insbesondere in der Umgebung des Objektes ein Referenzobjekt (1) mit wenigstens zwei Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet wird, deren relative räumliche Soll-Positionen (O1 , 02, 03, 04) zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjekts (1) das elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert / den Messwerten fehlerbehaftete Ist-Position (V1 , V2, V3, V4) der Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjektes (1) ermittelt werden und anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Positionen eine Korrektur ermittelt wird, mittels der die gemessene Objektposition (PV, P2') und/oder Objektorientierung insbesondere in Echtzeit korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) als Spulen ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Spulen des Referenzobjektes (1) zueinander eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) als Spulen ausgebildet sind, wobei wenigstens eine Spule ausserhalb einer Ebene angeordnet ist, in der wenigstens zwei weitere Spulen liegen.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte mehrerer Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) mittels eines zeitlichen Multiplexing über eine Messleitung eines Messgerätes erfasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Ist-Positionen (V1 , V2, V3, V4) der Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjekts (1) sowie den bekannten Soll-Positionen (01 , 02, 03, 04) eine Interpolations- und/oder Extrapolationsfunktion gebildet wird, mittels der eine feldgestörte Objektposition (PV, P2') und/oder Objektorientierung durch Anwendung der Funktion auf diese Position/Orientierung korrigiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion durch ein Polynom genähert wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Ist-Positionen (V1 , V2, V3, V4) der Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjekts (1) sowie den bekannten Soll-Positionen (01 , 02, 03, 04) ein theoretisches elektromagnetisches Kompensationsfeld berechnet wird, welches zur Korrektur des real gestörten elektromagnetischen Feldes verwendet wird, insbesondere durch rechnergestützte Überlagerung des Kompensationsfeldes mit dem als ungestört angenommenen erzeugten elektromagnetischen Feld, wodurch sich ein simuliertes real gestörtes elektromagnetische Feld ergibt, das der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung des Objekts zugrunde gelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objekt, dessen Position und/oder Orientierung zu bestimmen ist, durch ein medizinisches Instrument (3), insbesondere Nadel oder Katheter gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzobjekt (1) in der räumlichen Umgebung eines Interventionsareals, insbesondere um ein Interventionsareal herum an einem Patienten angeordnet wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (01 , 02, O3, 04) eines Referenzobjektes (1) relativ zu einem Patienten erfasst ermittelt wird durch radiologische Erfassung des Referenzobjektes (1) zusammen mit einem Patienten, insbesondere wofür ein Referenzobjekt röntgendichte Markierungen (M 1 , M2, M3) aufweist.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition (01 , 02, 03, 04) des wenigstens einen Feldsensors (2a, 2b, 2c, 2d) bekannt ist aufgrund einer mechanisch festen Verbindung des Referenzobjektes (1) zu einem Feldgenerator.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt mehrere Teile umfasst, welche jeweils mindestens einen Marker und mindestens einen Feldsensor umfassen, wobei die räumliche Zuordnung der mehreren Teile durch eine bildgebende, insbesondere radiologische Erfassung erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrteilige Referenzobjekt mehrere röntgensichtbare Kugeln umfasst, in deren Zentrum jeweils wenigstens eine Spule positioniert ist, wobei die Position der Kugel und somit auch der wenigstens einen Spule als SOLL- Position durch die bildgebende Erfassung bestimmt wird.
14. System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes umfassend ein Objekt mit wenigstens einem Feldsensor, wenigstens einen Emitter zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes und eine Meßvorrichtung mit welcher die Position und/oder Orientierung des Objektes durch Messung des elektromagnetischen Feldes mittels des wenigstens einem Feldsensors bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld ein Referenzobjekt (1) mit wenigstens zwei Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist, deren relative räumliche Soll- Positionen (01, O2, 03, 04) zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjekts (1) und der Meßvorrichtung das elektromagnetische Feld messbar und aus dem Messwert / den Messwerten fehlerbehaftete Ist- Position (V1 , V2, V3, V4) der Feldsensoren (2a, 2b, 2c, 2d) des Referenzobjektes (1) ermittelbar sind, wobei die Meßvorrichtung weiterhin eingerichtet ist, anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Soll- Positionen des Referenzobjektes (1) eine Korrektur zu ermitteln, mittels der die gemessene Objektposition (P1 ', P2') und/oder Objektorientierung korrigierbar ist.
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