專利名稱：增益系數(shù)和位置確定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用磁場確定物體的位置和方位以及系統(tǒng)的增益系數(shù)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域已知的，系統(tǒng)可以使用磁場測量間接地確定物體的位置和方位。這些系統(tǒng)例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是有用的，因?yàn)樗鼈兡軌蛑焕脤ι眢w的最小的侵入精確地定位在病人體內(nèi)的物體。所述侵入涉及在要被定位的物體附近放置一個小的探針。然后從探針的位置和方位對磁場測量的影響確定探針的三維位置和方位。
探針可以是磁場源或者是磁場檢測器。如果探針是源，則在身體外部的檢測器測量由探針產(chǎn)生的磁場。如果探針是檢測器，則身體外部的磁場源產(chǎn)生被測量的磁場。
由磁場測量確定探針的位置和方位不是簡單的，因?yàn)闇y量的磁場是位置和方位的非線性函數(shù)。為了由測量的磁場值確定探針的位置和方位，探針的位置和方位首先被假定或者被“猜測”在一個預(yù)測的位置和方位。使用迭代處理比較在猜測的探針位置和方位的磁場的值和測量的磁場值。如果在猜測位置和方位的磁場值接近測量值，則認(rèn)為猜測的位置和方位精確地代表探針的實(shí)際位置和方位。
迭代處理使用探針環(huán)境的物理模型。所述物理模型規(guī)定每個磁場源的位置和方位。由規(guī)定的位置和方位，利用電動力學(xué)定律確定磁場值。
因?yàn)樘结樇捌涠ㄎ幌到y(tǒng)是物理系統(tǒng)，它們易于受到影響系統(tǒng)增益的各種外部影響(例如雜散磁場，位于磁場發(fā)生器與/或檢測器附近的磁場失真材料等)。此外，這些物理裝置具有也影響整個系統(tǒng)增益的各種工程允差(例如電纜電阻、探針增益、輸入阻抗等)。因而，每當(dāng)系統(tǒng)的元件被替換時，系統(tǒng)必須被手動地重新校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個方面，用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)包括磁場源和至少一個磁場檢測器，使得磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值。所述系統(tǒng)還包括探針，其位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值。一個處理器，其被連接用于接收這些唯一的測量的磁場值，迭代地處理測量的磁場值，用于確定表示探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示探針的位置和方位的位置系數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量必須至少等于計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量的和。
還可以包括一個或幾個下面所述的特征。所述迭代處理被配置用于確定測量的磁場值和一組預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。所述處理器包括一個計(jì)算的位置處理，用于計(jì)算預(yù)測的磁場值，其中計(jì)算的位置處理猜測探針的一個初始增益、位置和方位，然后根據(jù)一個物理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測的磁場值。所述初始位置和方位可以是預(yù)定的或者隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。
所述處理器包括一個優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。所述處理器包括一個重新定位處理，用于響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)探針的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和一組預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。所述位置系數(shù)可以包括空間的、球面的與/或旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
按照本發(fā)明的另一個方面，一種用于確定一個三維物體的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法包括在所述三維物體附近放置一組磁場源，并和所述三維物體呈固定的空間關(guān)系設(shè)置至少一個磁場檢測器。一個磁場檢測器和一個磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值。此外，所述三維物體的位置和方位影響這些唯一的測量的磁場值。所述方法確定表示所述三維物體的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)，以及表示所述三維物體的位置和方位的一組位置系數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量必須至少等于所述計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量的和。
還可以包括一個或幾個下面所述的特征。所述確定系統(tǒng)增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括確定測量的磁場值和一組預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括猜測所述三維物體的一個初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個物理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測的磁場值。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)所述三維物體的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和一組預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。
雖然上述的系統(tǒng)和方法包括一組磁場源和至少一個磁場檢測器，但所述系統(tǒng)也可以包括一組磁場檢測器和至少一個磁場源。此外，雖然上述的系統(tǒng)和方法包括一個探針，所述探針實(shí)際上可以是任何三維物體，例如一個空心的管子(例如取活體用的針)。
本發(fā)明的上述方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)所述系統(tǒng)自動地計(jì)算所用的探針或三維物體的系統(tǒng)增益系數(shù)時，可以使裝置的增益校準(zhǔn)自動化。因此，可以取消麻煩的和費(fèi)時的手動的增益校準(zhǔn)。此外，當(dāng)所述增益校準(zhǔn)被自動化時，系統(tǒng)的元件(例如探針、檢測器、引線等)可被快速且容易地交換，并且不用手動的增益校準(zhǔn)便可重新配置系統(tǒng)。這又使得所述的重新配置的處理以流水線的方式簡單地進(jìn)行。此外，當(dāng)系統(tǒng)自動地、連續(xù)地確定系統(tǒng)的增益系數(shù)時，所述的系統(tǒng)可以在物理上被移動而不用擔(dān)心要求手動增益重新調(diào)整的外部影響。
下面結(jié)合


本發(fā)明的一個或幾個實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)從本說明書和附圖以及權(quán)利要求中可以明顯地看出。

圖1是使用磁場測量確定探針的系統(tǒng)增益系數(shù)、位置和方位的系統(tǒng)的原理圖；圖2是圖1的系統(tǒng)的透視圖；圖3是使用磁場測量確定探針的增益、位置和方位的另一個系統(tǒng)的側(cè)視圖；
圖4是由測量的磁場值迭代地猜測探針的增益、位置和方位的處理的流程圖；圖5是用于確定探針的增益、位置和方位的最好的猜測是否可靠的處理的流程圖；圖6是用于以全局或局部極值估算誤差或優(yōu)化函數(shù)的處理的流程圖；圖7是用于確定相應(yīng)于失真的存在的誤差或優(yōu)化函數(shù)的極值的處理的流程圖；以及圖8表示用于由磁場的測量求取探針的增益、位置和方位的計(jì)算機(jī)。
在所有附圖中相同的標(biāo)號表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
參看圖1和圖2，圖中示意地表示用于利用磁場測量確定可移動的探針12的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)10?？梢苿拥奶结?2位于病人的身體14內(nèi)(例如病人的體內(nèi))。系統(tǒng)10還包括多個磁場源161-n(例如小的感應(yīng)線圈)，它們位于體積14的外部。磁場源161-n被磁場產(chǎn)生模塊22(例如交流或直流電流源)驅(qū)動。注意雖然示出了7個磁場源，這只是為了進(jìn)行說明而已，并不作為對本發(fā)明的限制。
圖2是系統(tǒng)10的側(cè)視圖，表示磁場源161-n和探針12的三維方位和位置。每個磁場源161-n是位于規(guī)則的四面體24的表面18上的表面安裝磁場源17，或者是位于規(guī)則的四面體24的邊沿20上的邊沿安裝磁場源19。這些磁場源161-n一般被這樣定向，使得其內(nèi)部磁矩m垂至于四面體24的表面18或者平行于四面體24的邊沿20。探針12位于四面體24的外部，并具有由和檢測器13垂直的方位n限定的方位，檢測器13測量局部磁場值。檢測器13可以包括一個線圈，幾個線圈，霍爾檢測器，或磁通門檢測器，并且可以測量磁場的磁通或磁場的差值。注意雖然所示系統(tǒng)10包括1個四面體24，具有最多的4個表面安裝磁場源17和6個邊沿安裝磁場源19，這只是為了進(jìn)行說明而已，并不用于限制本發(fā)明，因?yàn)檫@些磁場源161-n的位置可被調(diào)節(jié)和重新配置，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的那樣。例如，可以利用只利用邊沿安裝磁場源19的一對四面體24。這種配置使得能夠最多設(shè)置12個不同的磁場源。
每個磁場源161-n可以包括一個或幾個磁場線圈。對于具有一個線圈的磁場源161-n，在體積14內(nèi)的磁場可以由偶極子磁場近似。對于具有幾個線圈的磁場源161-n，在體積14內(nèi)的磁場可以是一個較高的多極磁場。在一個實(shí)施例中，每個磁場源161-n使用兩個相同的線圈，其法向矢量反向平行。這種磁場源在體積14內(nèi)產(chǎn)生四極磁場。四極磁場比偶極磁場具有較大的空間變化，可以更方便地定位探針12。
其它的實(shí)施例可以使用主要產(chǎn)生較高的多極磁場的磁場源161-n。此外，其它實(shí)施例可以使用不同數(shù)量的磁場源161-n，或者不同地定位和定向磁場源161-n。
參見圖1和圖2，來自磁場源161-n的磁場在探針12的內(nèi)部檢測器線圈13內(nèi)感應(yīng)電動勢(EMF)。和探針12相連的電子模塊26測量所產(chǎn)生的EMF。測量的EMF代表在空間14內(nèi)在探針的位置和方位測量的磁場的局部值。電子模塊26還可以識別產(chǎn)生每個測量的EMF的各個磁場源161-n。
在一個實(shí)施例中，使用測量定時信息識別產(chǎn)生測量的磁場的磁場源161-n。在這個實(shí)施例中，磁場產(chǎn)生模塊22按照時間順序?qū)Σ煌拇艌鲈?61-n多路傳輸功率，并把定時信息轉(zhuǎn)發(fā)給電子模塊26。
在另一個實(shí)施例中，磁場產(chǎn)生模塊22以不同的頻率驅(qū)動每個磁場源161-n。為了識別測量的磁場的特定的磁場源161-n，電子模塊26或計(jì)算機(jī)28把來自探針線圈13的測量的EMF分解成多個頻率分量。然后使這些測量的磁場的頻率分量和各個磁場源161-n匹配。
在任何一個實(shí)施例中，電子模塊26輸出幾個相應(yīng)于進(jìn)行的各個磁場測量的測量的磁場B1-nmeasured。重要的是注意到，具有可以產(chǎn)生這些磁場測量的幾種硬件配置。例如，如果需要8個不同的磁場測量，則可以這樣配置系統(tǒng)10，使得8個磁場源161-n和包括一個檢測線圈13的探針12結(jié)合使用。在這種配置中，檢測器線圈13將測量由8個磁場源161-n的每一個產(chǎn)生的磁場，從而得到8個不同的磁場測量。
另一種方案是，探針12被這樣構(gòu)成，使得包括多個檢測器線圈13。例如，如果構(gòu)成探針12使其包括兩個檢測器線圈13(未示出)，則這種配置使得可由該探針(使用相同數(shù)量的磁場源161-n)實(shí)現(xiàn)的各個磁場測量的數(shù)量加倍。具體地說，如果探針12包括兩個檢測器線圈13，每個線圈可以獨(dú)立地測量由一個磁場源產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度。因此，如果(如上所述)需要8個不同的磁場測量，并利用包括兩個檢測器線圈13的探針12，則只需要4個磁場源161-n，因?yàn)槊總€線圈13可以獨(dú)立地測量由4個磁場源的每一個產(chǎn)生的磁場，因而得到8個不同的磁場測量。
這些測量的磁場值B1-nmeasured取決于探針12的系統(tǒng)增益系數(shù)和探針線圈13的三維位置和方位。請注意，使用下標(biāo)字母n表示測量的磁場的數(shù)量(除去在各圖中表示法向矢量之外)。
如上所述，在系統(tǒng)10內(nèi)包括的并由系統(tǒng)10利用的磁場源161-n和檢測器線圈13的數(shù)量根據(jù)要由系統(tǒng)確定的系數(shù)的數(shù)量而定。具體地說，系統(tǒng)10將確定探針12的系統(tǒng)增益系數(shù)。此外，系統(tǒng)10還確定探針12的位置和方位。因?yàn)樘结?2的系統(tǒng)位置和方位通過規(guī)定探針12的多達(dá)6個自由度(即x、y、z軸的位置，滾動、傾斜和偏轉(zhuǎn))，系統(tǒng)10要計(jì)算的位置系數(shù)是6個。因此，系統(tǒng)10計(jì)算的系數(shù)的最大數(shù)量(位置和增益)是7個。因而，用于確定這些系數(shù)所需的不同的磁場測量的數(shù)量是一個大于要被確定的系數(shù)的數(shù)量的數(shù)量。因而，如果系統(tǒng)10要確定系統(tǒng)增益系數(shù)加上6個位置系數(shù)(即自由度)，則共需要確定7個被計(jì)算的系數(shù)。這將需要8個不同的磁場測量。如上所述，這可以利用包括一個檢測器線圈13的探針12和8個磁場源161-n來實(shí)現(xiàn)。另一種方案是，這可以利用包括8個檢測器線圈(如果在物理上可能)的探針12和一個磁場源161-n來實(shí)現(xiàn)。因而，重要的問題是進(jìn)行的不同的磁場的測量的數(shù)量，而不是使用的磁場源161-n或檢測線圈13的數(shù)量。
類似地，如果系統(tǒng)10要確定系統(tǒng)增益系數(shù)加上5個位置系數(shù)(即5個自由度)，則需要共確定6個計(jì)算的系數(shù)。同樣，如上所述，這可以利用不同的配置來實(shí)現(xiàn)。
如在下面將要詳細(xì)說明的，使用大于被計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量的不同的磁場測量的數(shù)量使得能夠在確定在迭代處理期間使用的猜測的質(zhì)量。如果不需要(或者希望)這個質(zhì)量確定，則所需的不同磁場測量的特定數(shù)量可以等于被計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量。
此外，當(dāng)使用多個磁場檢測器時，重要的是認(rèn)識到，具有和每個檢測器相關(guān)的增益系數(shù)。因而，對于上述的關(guān)于確定6個自由度的例子，因?yàn)樾枰辽賰蓚€非同軸的檢測器線圈用于確定6個自由度，至少具有兩個系統(tǒng)增益系數(shù)(每個檢測器線圈一個)。因此，當(dāng)需要計(jì)算利用兩個非同軸的檢測器線圈的探針的6個自由度和系統(tǒng)增益系數(shù)時，系統(tǒng)增益系數(shù)實(shí)際上由兩個部分構(gòu)成，即探針內(nèi)的每個檢測器的增益系數(shù)。因而，被計(jì)算的系數(shù)的總數(shù)是8個(6個位置系數(shù)，第一磁場檢測器的增益系數(shù)和第二磁場檢測器的增益系數(shù))，因此，所需的不同磁場測量的數(shù)量是9個(如果需要或希望質(zhì)量確定)。
電子模塊26把測量的磁場值發(fā)送到計(jì)算機(jī)28。計(jì)算機(jī)28使用測量的磁場值，借助于比較測量的磁場值和來自物理模型的磁場值，如下將要詳細(xì)說明的，確定探針的系統(tǒng)增益系數(shù)和位置/方位。
物理模型是一組物理公式，其作為若干個參數(shù)的函數(shù)確定由探針12測量的磁通的值。所述參數(shù)包括磁場源161-n的位置、方位、以及磁矩；探針12的位置、方位和靈敏度；以及電子模塊26的特性。矢量(x，y，z)和一對角度(φ，θ)規(guī)定探針12的檢測線圈13的三維位置和方位。如果探針12具有多個非共線的線圈，則這些參數(shù)可以包括附加的用于限定探針12的轉(zhuǎn)動狀況的角度參數(shù)(ψ)。注意這個系數(shù)(即第六個自由度)可以只利用具有在不同軸(非共線)上的第二線圈的探針進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)閲@同一軸的多個線圈將使得系統(tǒng)10不能檢測探針圍繞所述軸的轉(zhuǎn)動。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，物理模型可以把每個磁場源描述為多磁極的磁場源，使得由檢測器線圈13測量的磁場是相關(guān)的多極磁場(例如偶極或四極)。多極磁場值取決于系統(tǒng)增益和每個磁場源161-n的位置、方位和磁矩m。磁通量的測量值取決于檢測線圈13相對于磁場源161-n的位置、尺寸、方位和增益。
物理模型還基于下面的關(guān)于體積14附近的環(huán)境的假定。例如，所述模型假定每個磁場源161-n的位置和方位的預(yù)設(shè)值，并假定沒有其它的磁場源或磁場失真物體。磁場失真物體30，32(例如導(dǎo)體或新的磁場源)的存在可以使模型預(yù)測的磁場值無效。不過，當(dāng)檢測線圈13只測量時變磁場時，可以消除恒定的背景磁場的不利影響。另外，如果需要靜態(tài)磁場測量，可以利用磁通門檢測器或霍爾效應(yīng)檢測器(如本領(lǐng)域熟知的那樣)，因?yàn)樗鼈兡軌驕y量靜態(tài)的(或恒定的)磁場。
圖3表示使用磁測量結(jié)果確定可移動的探針42的系統(tǒng)增益系數(shù)和位置/方位的另一個系統(tǒng)40。在系統(tǒng)40中，磁場檢測器和磁場源的角色互換。位于一個被觀察的體積44內(nèi)的可移動的探針42是磁場源，外部磁場檢測器461-n測量由探針42產(chǎn)生的磁場。探針42和磁場產(chǎn)生模塊51相連(例如電壓源)。如上所述，這些位于四面體41的邊沿或表面上的磁場檢測器461-n通過感應(yīng)的EMF測量磁場或磁場梯度。每個檢測器461-n可以具有一個或幾個磁場檢測器，它們的方位使得沿不同方向測量磁場。每個檢測器461-n具有由其一個或幾個內(nèi)部磁場檢測器的方位確定的方位p。
請注意，如上所述，每個檢測器的位置和方位以及使用的檢測器461-n的數(shù)量可以根據(jù)特定的應(yīng)用和要被確定的系數(shù)的數(shù)量(即位置/方位以及系統(tǒng)增益)而不同。
電子模塊52監(jiān)視來自各個磁場檢測器461-n的EMF，以便確定各個磁場值。然后，把這些測量的磁場值發(fā)送到計(jì)算機(jī)54，其由這些測量的磁場值計(jì)算探針42的系統(tǒng)增益系數(shù)和位置/方位。
參看圖1-3，兩個系統(tǒng)10，40測量一組磁通，從而獲得一組測量的磁場值B1-nmeasured，其中的n大于要被計(jì)算的系數(shù)(即位置和系統(tǒng)增益)的數(shù)量。
由測量的磁通獲得的這一組測量的磁場值B1-nmeasured也具有和探針的三維位置/方位的非線性相關(guān)性以及和系統(tǒng)增益系數(shù)的線性相關(guān)性。如上所述，探針的位置和方位分別由矢量(x，y，z)和至少一對方位角和極角(，θ)確定。此外，探針12的系統(tǒng)增益系數(shù)由增益系數(shù)(g)確定。借助于使用關(guān)于“測量的”磁場相關(guān)性的物理模型，系統(tǒng)10和40可以由相關(guān)的一組測量的磁場值B1-nmeasured迭代地確定探針的增益系數(shù)、位置和方位。
物理模型描述在磁場檢測器的區(qū)域(例如圖1和圖3的體積14、44)內(nèi)的預(yù)選的磁環(huán)境。預(yù)選的磁環(huán)境可以包括或不包括來自附近的導(dǎo)電物體(即物體30和32)的貢獻(xiàn)。如果預(yù)選的環(huán)境和實(shí)際的環(huán)境不同，則模型便預(yù)測不正確的磁場值；否則，預(yù)測便是正確的。由于磁場失真物體30、32的存在，實(shí)際的環(huán)境可能不同。磁場失真物體30、32包括支持渦流電流的導(dǎo)電的物體(例如一對外科手術(shù)剪刀，鐵磁材料以及磁場的放射源)。這些物體的存在可以使探針的增益、位置和方位的磁確定無效。
因?yàn)樵谀K22，26，51，52或計(jì)算機(jī)28，54中的硬件或軟件故障，迭代處理也可以產(chǎn)生不正確的探針增益、位置和方位。
失真條件的存在對系統(tǒng)10，40的用戶可能是不明顯的。用戶可能對于磁定位系統(tǒng)的物理依據(jù)不熟悉(例如使用者可能是臨床醫(yī)生)。為避免由不熟悉的使用者導(dǎo)致的誤差，每個系統(tǒng)10，40檢測并警告使用者關(guān)于可能存在的測量失真條件(例如通過使在視頻監(jiān)視器上顯示的信息閃爍，或者通過聲音報(bào)警信號)。
請注意，雖然探針12，42所示為探針，這僅僅為了容易說明本發(fā)明并且只用于說明的目的。探針12可以是本領(lǐng)域中公知的各種其它的裝置(例如導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡、活體針、體內(nèi)安裝的位置檢測器等)。
圖4表示用于進(jìn)行迭代處理60的流程圖，其使用測量的磁場值B1-nmeasured確定圖1-2的探針12或者圖3的探針42的增益、位置和方位。
處理60在62接收探針的系統(tǒng)增益系數(shù)、位置和方位的初始猜測。這個初始猜測可以在處理中被預(yù)先規(guī)定，可以是用戶規(guī)定的或者是隨機(jī)選擇的。初始猜測是一個(x，y，z，，θ)參數(shù)空間的預(yù)先選擇的點(diǎn)，該點(diǎn)限定探針的位置和方位和預(yù)定的系統(tǒng)增益系數(shù)(g)。初始猜測是第一個接受的關(guān)于探針的增益、位置和方位的猜測。由最后接受的猜測，處理在64進(jìn)行探針的位置、方位和增益的新的猜測。自然地，雖然所示的初始預(yù)選點(diǎn)(x，y，z，，θ)包括5個自由度，這只是為了說明的目的，并不用于限制本發(fā)明。具體地說，如果需要較多或較少的自由度，預(yù)選點(diǎn)(x，y，z，，θ)將分別具有較多或較少的變量。
借助于包括Levenberg-Marquardt處理、對數(shù)-似然函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火算法、基因算法、單工處理或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它處理的各種程序的任何程序，可以從最近接受的猜測求得探針的增益、位置和方位的每個新的猜測。
Levenberg-Marquardt處理是用于求取在一組測量和由預(yù)選的非線性模型方程獲得的一組值之間的最好的匹配的迭代處理。這種處理在Numerical Recipes in Cthe Art of Scientific Computing，by W.H.Press etal.，Cambridge University Press 1992中描述了，該文被包括在此作為參考。
在Levenberg-Marquardt處理中，模型方程是一組物理方程B1-npredicted(x，y，z，，θ，g)，其根據(jù)根據(jù)探針的位置、方位和增益(x，y，z，，θ，g)確定磁場值B1-npredicted。這些模型方程來自電動力學(xué)的物理定律。在一個實(shí)施例中，模型方程可以作為磁偶極子或四極磁場描述每個磁場源的磁場。
Levenberg-Marquardt處理迭代地嘗試求得在測量的磁場值B1-nmeasured和由物理模型方程預(yù)測的磁場值B1-npredicted之間的最好的匹配。使為進(jìn)行匹配第N次接受的猜測和探針的增益、位置和方位坐標(biāo)(xN，yN，zN，N，θN，gN)相關(guān)聯(lián)。由這些坐標(biāo)和物理模型方程，Levenberg-Marquardt處理產(chǎn)生第(N+1)次猜測，其確定探針的相關(guān)的增益、位置和方位坐標(biāo)(xN+1，yN+1，zN+1，N+1，θN+1，gN+1)。對于第(N+1)次猜測，Levenberg-Marquardt處理利用以第N次接受的猜測的值估算的磁場B1-npredicted的值和磁場B1-npredicted的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行匹配。Levenberg-Marquardt處理提供一個新的猜測，其快速地產(chǎn)生在測量的磁場值B1-nmeasured和從非線性模型方程獲得的預(yù)測的磁場值B1-npredicted之間的最好的匹配。請注意，使用小寫字母n表示測量的磁場的數(shù)量(例如B1-nmeasured)，使用大寫字母N表示由Levenberg-Marquardt處理進(jìn)行處理的特定的猜測(例如第(N+1)次)。
處理60估算探針增益、位置和方位的每個新的猜測的質(zhì)量。為了確定這些猜測的質(zhì)量，對于第(N+1)次猜測，處理60在66計(jì)算相應(yīng)于探針增益、位置和方位的新的猜測的新的磁場值(即B1-npredicted(new)＝B1-npredicted(xN+1，yN+1，zN+1，N+1，θN+1，gN+1)。使用計(jì)算的(即B1-npredicted)和測量的(即B1-nmasured)磁場值，處理60在68估算一個優(yōu)化函數(shù)。這個優(yōu)化函數(shù)也稱為誤差函數(shù)，因?yàn)檫@個優(yōu)化函數(shù)對于測量的(即B1-nmeasured)和計(jì)算的(即B1-npredicted)磁場值之間的差值是敏感的。優(yōu)化函數(shù)的全局極值確定探針的位置和方位的“最好的”猜測。
一個實(shí)施例使用最小平方和(即χ2)作為優(yōu)化函數(shù)。一般地說，具有最小極值和最大極值。不過，我們感興趣的最小平方和的極值是最小極值。對于和第N次猜測相關(guān)的磁場，最小平方和χ2(N)的值具有以下的形式χ2(N)＝∑1-n[B1-nmeasured-B1-npredicted(xN，yN，zN，N，θN，gN)]2/σ1-n2.
在對于一個探針位置和方位獲得的一組測量的磁場值(即B1-nmeasured)中，所述的和越過了“1-n”個。項(xiàng)σ1-n表示和B1-nmeasured的測量結(jié)果相關(guān)的不確定性。
處理60在70確定新的猜測的優(yōu)化函數(shù)的值是否比最近接受的猜測的值更接近一個極值。對于最小平方和，因?yàn)樗鰳O值是最小值，如果χ2(N+1)＜χ2(N)，則新的值接近一個最小值。如果新的猜測的優(yōu)化函數(shù)的值更接近一個極值，則處理60在72接受探針的增益、位置和方位的新的猜測。如果新的猜測的優(yōu)化函數(shù)的值更遠(yuǎn)離一個極值(例如χ2(N+1)＞χ2(N))，則處理60在74拒絕新的猜測。在72接受一個新的猜測之后，處理60在75確定是否舊的猜測和新的猜測的優(yōu)化函數(shù)之間的差小于一個可接受的門限(例如0.01)。如果小于這個門限，則在77報(bào)告探針的增益、位置和方位。如果在74拒絕新的猜測，或者如果舊的和新的猜測的優(yōu)化函數(shù)之間的差不小于一個可接受的門限，則處理60在76增加用于計(jì)數(shù)迭代次數(shù)的計(jì)數(shù)器的值。然后，處理60在79檢查增量計(jì)數(shù)器是否大于規(guī)定的最大迭代次數(shù)。如果是，處理60則在77報(bào)告探針的增益、位置和方位。如果進(jìn)行的迭代次數(shù)不大于規(guī)定的最大迭代次數(shù)，則處理60在78返回，以便求取探針的增益，位置和方位的新的和更好的猜測。
處理60輸出探針的增益、位置和方位的最近接受的猜測和規(guī)定進(jìn)行的迭代次數(shù)的計(jì)數(shù)值。在一些實(shí)施例中，處理60進(jìn)行預(yù)選數(shù)量的迭代循環(huán)78，以便在報(bào)告探針的增益、位置和方位的接受的猜測之前求得更好的猜測。這產(chǎn)生一個更接近和優(yōu)化函數(shù)的極值相關(guān)的值的報(bào)告的猜測。
圖5是使用磁場測量確定探針的增益、位置和方位的處理80的流程圖。處理80在82提供探針的增益、位置和方位的一個初始猜測。探針的增益、位置和方位(x，y，z，，θ，g)的初始猜測可以包括一個在(x，y，z，，θ)空間內(nèi)預(yù)選的固定點(diǎn)或者隨機(jī)選擇的點(diǎn)。對于選擇的初始猜測，處理80在84進(jìn)行(圖4的)迭代處理60，以便獲得探針的增益、位置和方位的更好的猜測。所述更好的猜測基于選擇的初始猜測和測量的磁場值。處理80可以進(jìn)行處理60的若干個迭代循環(huán)，以便獲得更好的猜測，其更接近在處理60使用的優(yōu)化函數(shù)的極值。優(yōu)化處理60對優(yōu)化函數(shù)(例如χ2函數(shù))提供一個值和循環(huán)計(jì)數(shù)(其表示為獲得更好的猜測進(jìn)行的迭代的次數(shù))。
優(yōu)化函數(shù)的值提供表示探針的增益、位置和方位的更好的猜測的可靠性的數(shù)據(jù)。隨機(jī)的測量誤差使優(yōu)化函數(shù)的值落在概率分布函數(shù)上，所述概率分布函數(shù)的形式獨(dú)立于用于磁場測量的物理模型。對于最小平方和，概率分布函數(shù)被稱為χ2-分布。系統(tǒng)測量誤差也影響優(yōu)化函數(shù)的值。
優(yōu)化函數(shù)的極值可以是最大值或者最小值，并可以被分成幾類。極值可以是局部極值或全局極值。局部和全局極值由優(yōu)化函數(shù)的相關(guān)的值區(qū)分。對于最小平方和，在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于在局部最小值的優(yōu)化函數(shù)的值。因而，全局和局部最小值分別和最小平方和的低值以及高值相關(guān)。
極值也可以相應(yīng)于其中磁場的測量具有失真或沒有失真的情況。對于最小平方和，對于無失真的測量，在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于有失真的測量的在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值。此外，有失真的測量在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于在局部最小值的優(yōu)化函數(shù)的值。
因而，在極值上的優(yōu)化函數(shù)的值攜帶通過處理60獲得的探針的增益、位置和方位的估算的質(zhì)量的信息。所述信息使得能夠確定是存在隨機(jī)誤差還是存在系統(tǒng)誤差。在極值上的最小平方和的值一般是有序的。最低的值相應(yīng)于磁場測量沒有失真情況下的全局最小值。中間的值相應(yīng)于在磁場測量具有失真時的全局最小值。最高的值相應(yīng)于假的或局部最小值，對于這個最小值，探針的增益、位置和方位的估算是不可靠的。
失真可以在磁場產(chǎn)生、磁場測量、磁場測量結(jié)果獲取或者磁場測量的處理期間發(fā)生。由于磁場源161-n、探針42或者磁場產(chǎn)生模塊22或51的故障，在產(chǎn)生磁場時可能發(fā)生失真。磁場測量的失真可以由于在被監(jiān)視的空間內(nèi)存在導(dǎo)體或鐵磁材料，其使時變磁場失真。在磁場的獲取或處理期間的失真可以源自硬件或軟件的故障(例如在電子模塊26，52或在計(jì)算機(jī)28，54中)。
在進(jìn)行處理80之前，要進(jìn)行校準(zhǔn)，以便對優(yōu)化函數(shù)的極值分類。所述校準(zhǔn)把優(yōu)化函數(shù)的極值分成3個或更多的組(Si)。一組(SG-ND)相應(yīng)于優(yōu)化函數(shù)的真的全局極值，對于該值磁場測量和磁場測量處理不失真。另一組(SL)相應(yīng)于優(yōu)化函數(shù)的假極值或局部極值。第三組(SG-D)相應(yīng)于優(yōu)化函數(shù)的真的全局極值，對于該值，磁場測量或磁場測量處理都失真。
借助于組的交叉與合并操作，可以從組(SG-ND，SL，和SG-D)形成新組。一組(SND)包括只和優(yōu)化函數(shù)的極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值，對于該值，磁場測量和磁場測量處理失真。這一組(SND)被定義為SG-ND-(SL∪SG-D)。另一組(SD)包括只和優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值，對于該值，磁場測量或磁場測量處理失真。這一組(SD)被定義為SG-ND-(SL∪SG-ND)。另一組(SL0)包括只和優(yōu)化函數(shù)的假的或局部極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值。這一組(SL0)被定義為SL-(SG-ND∪SG-D)。最后，一組(SND-D)包括只和優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值。對于在SND-D中的值，磁場測量或磁場測量處理可能失真或者不失真。SND-D被定義為SG-ND∪SG-D。在各個實(shí)施例中，一些上述的組(Si)可以是空的。
再次參看圖5，處理80利用優(yōu)化函數(shù)的值的計(jì)算的分類來對由迭代處理60得到的極值進(jìn)行分類。處理80在86確定在每個極值的優(yōu)化函數(shù)值是否只對應(yīng)于無失真的一個全局最小值(即該值是否屬于SG-ND)。如果該值屬于組SG-ND，處理80在88登記探針增益、位置和方法的相關(guān)“更好”猜測作為探針的增益、位置和方位。例如，對于位置/方位坐標(biāo)和增益的“更好”猜測(x，y，z，，θ，g)可以被顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上以便用戶察看作為探針的最后的增益、位置和方位估算。而且，處理80在87確定是否系統(tǒng)增益系數(shù)在一個可接受的范圍內(nèi)。如果是，處理80結(jié)束。如果否，處理80在93向用戶警告系統(tǒng)增益超出范圍，從而，探針的工作環(huán)境發(fā)生變化。
另外，處理80在90確定優(yōu)化函數(shù)對于“更好”猜測的值是否對應(yīng)于有失真的一個全局?jǐn)?shù)值(即是否該值屬于SG-D)。如果該值屬于SG-D，處理80在92向用戶提供警告，并在88登記探針增益、位置和方位的新的猜測，以便觀看者觀看。例如，該警告可以是音頻信號或一個在計(jì)算機(jī)顯示屏上的閃亮信號以使用戶聽到或看到。
而且，處理80還在94確定優(yōu)化函數(shù)的值是否相應(yīng)于局部極值(即所述的值是否屬于SL)。如果所述的值屬于SL，則處理80在96確定循環(huán)計(jì)數(shù)(LC)是否大于預(yù)選的時間已過值(LCmax)。如果LC＞LCmax，則處理80在98產(chǎn)生時間已過警告。如果LC≤LCmax，則處理80在99返回，以便產(chǎn)生探針的增益、位置和方位的更好的新的猜測(即處理80忽略當(dāng)前的新的猜測)。在循環(huán)返回99中，處理80選擇探針的增益、位置和方位的新的初始猜測(例如通過探針的坐標(biāo)空間內(nèi)隨機(jī)地選擇新的增益(g)和新的點(diǎn)(x，y，z，，θ)。其它的用于選擇新的初始猜測使得處理60隨后產(chǎn)生對于“全局”極值的更好的猜測的處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。
在一些實(shí)施例中，在產(chǎn)生存在失真的警告之后，處理80仍嘗試獲得關(guān)于探針的增益、位置和方位的更好的猜測。例如，如果磁場測量的數(shù)量大于參數(shù)的數(shù)量加一，處理80則可以借助于丟棄一個測量的磁場值B1-nmeasured并重復(fù)處理80來產(chǎn)生更好的猜測。如果失真只影響丟棄的值，則丟棄失真的值將產(chǎn)生探針的增益、位置和方位的更好的估算。一個磁場測量可以被丟棄，這是因?yàn)樵谝粋€磁場檢測器附近存在導(dǎo)體，或者因?yàn)樵谝粋€檢測器內(nèi)發(fā)生硬件故障。
處理80的一些實(shí)施例處理重疊的極值，這些極值分別屬于一個以上的SL，SG-ND，和SG-D的組。對于在SL和SG-D中的極值，處理80可以在92提供警告，在88指示猜測的探針的位置和方位，并借助于對于探針的增益、位置和方位的新的初始猜測重復(fù)步82和84，嘗試求得非重疊的極值。對于屬于組SL-SL0的極值，處理可以產(chǎn)生一個把極值識別為重疊的極值的警告，然后重新選擇探針的增益、位置和方位的初始猜測，并重新執(zhí)行處理60，嘗試求得不屬于SL-SL0的值。當(dāng)然，重疊的子組例如SL-SL0也可以是空的。
重要的是注意到系統(tǒng)的增益系數(shù)也可以用作用于檢測測量失真的手段。其根據(jù)是假定系統(tǒng)的增益系數(shù)應(yīng)當(dāng)基本上保持恒定并處于一個確定的范圍內(nèi)(一般在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間被確定)。偏離這個范圍則表示探針的環(huán)境或系統(tǒng)本身的改變。該系統(tǒng)的增益系數(shù)范圍(SGFR)必須這樣選擇，使得其在整個操作空間內(nèi)可以適應(yīng)不同的探針位置和方位的正常的系統(tǒng)增益系數(shù)的改變。這個范圍也可以把由制造允差和環(huán)境因素(例如溫度改變、存在導(dǎo)電物體等)引起的增益改變考慮進(jìn)去。
如果由于在操作空間內(nèi)存在導(dǎo)電物體而發(fā)生磁場的均勻的衰減(由磁場檢測器檢測到的)，當(dāng)確定系統(tǒng)增益系數(shù)時，應(yīng)當(dāng)自動地補(bǔ)償這個均勻的衰減。此外，進(jìn)行這種補(bǔ)償不會引起系統(tǒng)的位置與/或方位的精度的任何損失。
因而，這種自動的均勻衰減的補(bǔ)償使得能夠在金屬管內(nèi)(例如在其探針內(nèi)具有磁場檢測器的活組織檢查針)確定探針的位置/方位。當(dāng)活組織檢查針通過人體行進(jìn)時，這使得能夠跟蹤它的尖端。這是一個重要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榛罱M織檢查針當(dāng)通過人體時容易彎曲與/或伸縮，因而，尖端的位置不能被精確地插入。這些優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展到其它的金屬管物體，例如內(nèi)窺鏡，短距離治療涂藥器等。
借助于這樣限定SGFR，使得對于在金屬管內(nèi)的檢測器系統(tǒng)的增益系數(shù)值不被包括在這個范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以確定探針是否位于金屬管內(nèi)。圖6是一個校準(zhǔn)處理100的流程圖，該處理求取在極值的優(yōu)化函數(shù)的值，以便確定組SG-ND和SL的隸屬關(guān)系。如果迭代處理60(圖4)產(chǎn)生一個真的全局極值，則由處理60求得的探針的增益、位置和方位接近地和探針的實(shí)際增益、位置和方位相關(guān)。如果迭代處理60產(chǎn)生優(yōu)化函數(shù)的一個假的或局部極值，則由處理60求得的探針的增益、位置和方位不接近地和探針的實(shí)際增益、位置和方位相關(guān)。
為了實(shí)現(xiàn)這種校準(zhǔn)，處理100在102把探針定位在一個選擇的位置和方位。此外，為探針選擇一個初始增益。所述初始增益基于使探針正確操作的一個被接受的增益值的范圍。在校準(zhǔn)期間，探針被安裝在一個機(jī)械定位框架(未示出)上，定位框架把探針固定在選擇的位置和方位。機(jī)械定位框架由不會使磁場失真的材料制成，并提供探針的選擇的實(shí)際位置和方位的單獨(dú)的測量。所述單獨(dú)的測量可以是光學(xué)測量或者是機(jī)械測量。處理100在104測量相應(yīng)于選擇的探針的位置和方位的磁場值。
處理100在106選擇用于優(yōu)化處理60的探針的增益、位置和方位的初始猜測。由測量的磁場值和初始猜測，處理100在108執(zhí)行迭代的優(yōu)化程序60，以便獲得探針的增益、位置和方位的更好的猜測值。優(yōu)化程序60還提供用于優(yōu)化函數(shù)的一個值，其相應(yīng)于探針增益、位置和方位的更好的猜測，并且是在極值下的優(yōu)化函數(shù)的值。
處理100在110比較探針的增益、位置和方位的更好的猜測和實(shí)際坐標(biāo)，確定兩個坐標(biāo)是否相互接近。如果這些值以逐個分量的方式處于一個相互的預(yù)選的范圍內(nèi)，則探針坐標(biāo)的更好的猜測(xN，yN，zN，N，θN，g)和實(shí)際的值(x，y，z，，θ，g)是接近的。如果更好的猜測和實(shí)際的坐標(biāo)接近，則處理100在112標(biāo)示優(yōu)化函數(shù)的相應(yīng)的值為屬于SG-ND的值。如果更好的猜測和實(shí)際的探針坐標(biāo)不接近，則處理100在114把優(yōu)化函數(shù)的相應(yīng)的值標(biāo)示為屬于SL的值。
為了分類在每個極值下的優(yōu)化函數(shù)的值，處理100在116返回，并對于探針的增益、位置和方位的其它的初始猜測重復(fù)步106-114。這些對于不同的初始猜測的重復(fù)有代表性地(例如通過在(x，y，z，，θ，g)空間中隨機(jī)地選擇一些點(diǎn))覆蓋可能的探針坐標(biāo)的整個空間(x，y，z，，θ，g)。
處理100還對于實(shí)際的探針增益、位置和方位的其它選擇重復(fù)在極值下的優(yōu)化函數(shù)的值的分類。對于其它的實(shí)際的探針增益、位置和方位的重復(fù)有代表性地覆蓋參數(shù)空間(x，y，z，，θ，g)的一個有代表性的部分(例如隨機(jī)選擇的點(diǎn))。所述有代表性的部分可以是整個空間(x，y，z，，θ，g)的一部分，其借助于對稱旋轉(zhuǎn)和空間的其它部分相關(guān)。
這些重復(fù)可以產(chǎn)生屬于SG-ND與/或SL的優(yōu)化函數(shù)的不同的極值。對于最小平方和，優(yōu)化函數(shù)在全局最小值(即在存在或不存在測量失真時)下具有比在局部最小值下較小的值。
圖7是用于求取屬于SG-D的優(yōu)化函數(shù)的值的校準(zhǔn)處理120的流程圖。SG-D的值相應(yīng)于當(dāng)失真影響迭代處理60(圖4)時發(fā)生的優(yōu)化函數(shù)的極值。處理120可以對于可以影響磁場測量或者磁場測量的處理的每類失真單獨(dú)地進(jìn)行。這些失真可以由附近的導(dǎo)電物體或鐵磁物體、附近的磁場源、檢測器硬件故障、磁場源硬件/軟件故障、與/或軟件的測量處理故障引起。
處理120在122對系統(tǒng)建立一個選擇的類型的失真。例如，失真的建立可以包括在監(jiān)視的體積內(nèi)放置導(dǎo)電的剪刀，或者使電子模塊中的硬件發(fā)生故障。在建立失真條件之后，處理120在124利用機(jī)械定位框架固定探針，并接收探針的實(shí)際的位置和方位值。此外，選擇探針的初始增益。所述初始增益基于使探針正確工作的增益值的一個被接受的范圍。所述處理還在126測量取決于探針的實(shí)際增益、位置和方位的磁場值。處理120在128選擇探針的增益、位置和方位的初始猜測。
由測量的磁場值和選擇的初始猜測，處理120在130利用迭代處理60，以便獲得探針的增益、位置和方位的更好的猜測。迭代處理60獲得一個相應(yīng)于每個更好的猜測的優(yōu)化函數(shù)的相關(guān)的極值。處理120在132確定新的值是否比優(yōu)化函數(shù)的其它極值更好，所述其它的極值是從探針的增益、位置和方位的不同的初始猜測產(chǎn)生的。對于最小平方和，最好的極值是最小值。
如果新的值比和以前接受的猜測相關(guān)的值更好，則處理120在134標(biāo)記新的值作為在全局極值下的優(yōu)化函數(shù)的值(即作為SG-D的成員)。屬于SG-D的優(yōu)化函數(shù)的值表示存在失真。如果新的值比和被接受的猜測相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的先前的值不好，則處理120在136標(biāo)記新的值為相應(yīng)于假的或局部極值的值。在對極值分類之后，處理120返回138，140，借助于選擇探針的增益、位置和方位的不同的初始猜測，重復(fù)搜索在其它極值下的優(yōu)化函數(shù)的值。對于探針的增益、位置和方位的各個初始猜測的最好的極值提供在SG-D內(nèi)的值。
處理還對于探針的不同的實(shí)際增益、位置和方位反覆搜索在SG-D內(nèi)的優(yōu)化函數(shù)的值。對于每個實(shí)際的增益、位置和方位，可以產(chǎn)生在SG-D內(nèi)的優(yōu)化函數(shù)的極值。類似地，引起失真的物體(例如圖1的物體30、32)的不同的位置可以產(chǎn)生優(yōu)化函數(shù)的不同的極值，這些極值屬于SG-D。
在一些實(shí)施例中，對于不同類型的失真的優(yōu)化函數(shù)的極值是可以區(qū)別的?？梢詤^(qū)別的極值落在不同的范圍內(nèi)。在這種實(shí)施例中，校準(zhǔn)處理120對于不同類型的失真被單獨(dú)地進(jìn)行，以便獲得每類不同類型的失真的優(yōu)化函數(shù)的極值的范圍。處理80(圖5)使用這些極值分類失真的類型，例如硬件故障、軟件故障或附近存在導(dǎo)電物體。
圖8表示一個計(jì)算機(jī)142，其由磁場的測量確定探針的增益、位置和方位，并對所述確定指示失真的存在。計(jì)算機(jī)142可以是用作圖1的計(jì)算機(jī)28或用作圖3的計(jì)算機(jī)54的一個實(shí)施例。
計(jì)算機(jī)142從和電子模塊146的輸出相連的線路144接收關(guān)于測量的磁場值的數(shù)據(jù)。模塊146可以是圖1的模塊26或者是圖3的模塊52。計(jì)算機(jī)142按照圖4的處理60和圖5的處理80處理數(shù)據(jù)，以便確定探針的增益、位置和方位，以及是否存在失真。計(jì)算機(jī)142在顯示屏148上顯示確定的結(jié)果。計(jì)算機(jī)142具有數(shù)據(jù)存儲驅(qū)動器154(例如硬盤或光驅(qū))，用于存儲上述的可執(zhí)行程序/處理以及由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
已經(jīng)說明了本發(fā)明的幾個實(shí)施例。不過，應(yīng)當(dāng)理解，不脫離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，可以作出多種改變。因而，其它的實(shí)施例也都落在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場源；至少一個磁場檢測器，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，探針，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值；以及一個處理器，其被配置為用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，用于確定表示所述探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
2.如權(quán)利要求1所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述迭代處理被配置用于確定所述測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個計(jì)算的位置處理，用于計(jì)算所述預(yù)測的磁場值，其中所述計(jì)算的位置處理猜測所述探針的一個初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個物理模型和所述初始增益、位置和方位計(jì)算所述預(yù)測的磁場值。
4.如權(quán)利要求3所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是一個預(yù)定的固定點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求3所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求3所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述處理器包括一個優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。
7.如權(quán)利要求6所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。
8.如權(quán)利要求6所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個重新定位處理，用于響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)探針的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和所述多個預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。
9.如權(quán)利要求1所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括空間坐標(biāo)。
10.如權(quán)利要求1所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括球面坐標(biāo)。
11.如權(quán)利要求1所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
12.一種用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場檢測器；至少一個磁場源，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，探針，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值；以及一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，用于確定表示所述探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
13.如權(quán)利要求12所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述迭代處理被配置用于確定所述測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個計(jì)算的位置處理，用于計(jì)算所述預(yù)測的磁場值，其中計(jì)算的位置處理猜測所述探針的一個初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個物理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測的磁場值。
15.如權(quán)利要求14所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是預(yù)定的固定點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求14所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。
17.如權(quán)利要求14所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述處理器包括一個優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。
18.如權(quán)利要求17所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。
19.如權(quán)利要求17所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個重新定位處理，用于響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)探針的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。
20.如權(quán)利要求12所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括空間坐標(biāo)。
21.如權(quán)利要求12所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括球面坐標(biāo)。
22.如權(quán)利要求12所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
23.一種用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場檢測器和多個磁場源之一；其余的磁場檢測器和磁場源中的至少一個，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，探針，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值；以及一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，以便確定表示所述探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
24.如權(quán)利要求23所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述迭代處理被配置用于確定所述測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個計(jì)算的位置處理，用于計(jì)算所述預(yù)測的磁場值，其中計(jì)算的位置處理猜測所述探針的一個初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個物理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測的磁場值。
26.如權(quán)利要求25所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是預(yù)定的固定點(diǎn)。
27.如權(quán)利要求25所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。
28.如權(quán)利要求25所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述處理器包括一個優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。
29.如權(quán)利要求28所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。
30.如權(quán)利要求28所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，所述處理器包括一個重新定位處理，用于響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)探針的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。
31.如權(quán)利要求23所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括空間坐標(biāo)。
32.如權(quán)利要求23所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括球面坐標(biāo)。
33.如權(quán)利要求23所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
34.一種用于確定三維物體的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場檢測器和多個磁場源之一；其余的磁場檢測器和磁場源中的至少一個，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，三維物體，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值；以及一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，用于確定表示所述三維物體的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述三維物體的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
35.一種用于確定一個三維物體的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，包括在所述三維物體附近放置多個磁場源；和所述三維物體呈固定的空間關(guān)系設(shè)置至少一個磁場檢測器，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，并且，所述三維物體的增益、位置和方位影響唯一的測量的磁場值；以及確定表示所述三維物體的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)，以及表示所述三維探針的位置和方位的多個位置系數(shù)，其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于所述計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
36.如權(quán)利要求35所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，其中所述確定系統(tǒng)增益系數(shù)和多個位置系數(shù)的步驟包括確定測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的一個函數(shù)。
37.如權(quán)利要求36所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，其中所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和多個位置系數(shù)的步驟包括猜測所述三維物體的一個初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個物理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測的磁場值。
38.如權(quán)利要求37所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，其中所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和多個位置系數(shù)的步驟包括確定表示在測量的磁場值和預(yù)測的磁場值之間的差的極值。
39.如權(quán)利要求38所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，其中所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和多個位置系數(shù)的步驟包括響應(yīng)處于一個不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)所述三維物體的初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測量的磁場值和多個預(yù)測的磁場值之間的差的不能接受的程度。
40.一種用于確定一個三維物體的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法，包括在所述三維物體附近放置多個磁場檢測器；和所述三維物體呈固定的空間關(guān)系設(shè)置至少一個磁場源，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，并且，所述三維物體的增益、位置和方位影響唯一的測量的磁場值；以及確定表示所述三維物體的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)，以及表示所述三維探針的位置和方位的多個位置系數(shù)，其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于所述計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
41.一種用于確定一個空心管的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場源；至少一個磁場檢測器，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，空心管，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值，其中所述至少一個磁場檢測器位于所述空心管內(nèi)；以及一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，用于確定表示所述空心管的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述空心管的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
42.一種用于確定一個空心管的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場檢測器；至少一個磁場源，其中磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值，空心管，其增益、位置和方位影響所述唯一的測量的磁場值，其中所述至少一個磁場源位于所述空心管內(nèi)；以及一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，以便確定表示所述空心管的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述空心管的位置和方位的多個位置系數(shù)；其中所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
全文摘要
一種用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個磁場源和至少一個磁場檢測器，使得磁場檢測器和磁場源的組合產(chǎn)生一個唯一的測量的磁場值。所述系統(tǒng)包括一個探針，其增益、位置和方位影響這些唯一的測量的磁場值。一個處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測量的磁場值，以便確定表示所述探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針的位置和方位的多個位置系數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測量的磁場值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
文檔編號A61B5/07GK1545628SQ02816255
公開日2004年11月10日 申請日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者斯蒂芬·R·基爾希, 漢斯·R·希爾德, 克里斯蒂·J·希林, R 希爾德, 斯蒂芬 R 基爾希, 蒂 J 希林 申請人:北方數(shù)字公司