專利名稱：利用頻率外推的抗失真位置跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及磁定位跟蹤系統(tǒng)，尤其涉及用于在使場失真的物體 存在的條件下進行精確位置測量的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域中已知各種方法和系統(tǒng)用于跟蹤醫(yī)學(xué)過程中所涉及的物體的坐標(biāo)。這些系統(tǒng)的一些利用》茲場測量。例如，美國專利5391199和 5443489描述了利用 一個或多個場換能器確定體內(nèi)探針的坐標(biāo)的系統(tǒng)， 它們的公開內(nèi)容在此引入作為參考。這種系統(tǒng)用于產(chǎn)生關(guān)于醫(yī)學(xué)探針或 導(dǎo)管的位置信息。在探針中放入諸如線圏的傳感器，該傳感器響應(yīng)于外 部施加的磁場產(chǎn)生信號。該磁場由磁場換能器產(chǎn)生，例如散熱器蛇形 管，該磁場換能器以已知的彼此隔開的位置中固定在外部參考標(biāo)架。例如，在PCT專利公開文本W(wǎng)0 96/05768,美國專利6690963、 62 39724、 6618612和6 332 089以及美國專利申請/>開文本2 002/0065455 Al、 2003/0120150 Al和2004/0068178 Al中也描述了其他涉及石茲定位 跟蹤的方法和系統(tǒng)，它們的公開內(nèi)容在此全部引入作為參考。這些公開 內(nèi)容描述了跟蹤諸如心導(dǎo)管、整形外科植入物和用在不同醫(yī)學(xué)過程中的 醫(yī)療工具的體內(nèi)物體的位置的方法和系統(tǒng)。在本領(lǐng)域中眾所周知的是在磁定位跟蹤系統(tǒng)的磁場內(nèi)部存在金 屬、順磁或鐵磁物體經(jīng)常會使得系統(tǒng)的測量失真。該失真有時是由系統(tǒng) 的磁場以及其他影響在這些物體中引起的渦流造成的。蹤的方法和系統(tǒng)。例如，美國專利6147480描述了這樣的方法，該專利 的公開內(nèi)容在此引入作為參考，其中首先在不存在任何可能造成寄生信 號分量的物品的條件下檢測在被跟蹤的物體中所引起的信號。確定該信 號的基線相位。當(dāng)產(chǎn)生寄生磁場的物品被引入到被跟蹤的物體的附近 時，檢測由寄生分量引起的所引入信號的相移。測量的相移用于指示物 體的位置可能不準(zhǔn)確。相移也用于分析信號，以便消除至少一部分寄生 信號分量。
在一些應(yīng)用中，通過使用幾種磁場頻率進行測量來測量和/或補償磁場的失真。例如，美國專利4829250描述了一種用于確定固定的參考 標(biāo)架與不受限制的物體之間的相對方位的磁系統(tǒng)，該專利的公開內(nèi)容在 此引入作為參考。三個由多頻源驅(qū)動的正交排列的發(fā)送線圈與三個正交 的接收線圏之間的相互耦合產(chǎn)生了多組模擬電壓。使用快速傅立葉變換 (FFT)裝置對該模擬電壓進行采樣、數(shù)字化和處理，以產(chǎn)生用于確定 俯仰角和偏航角的方向分量。通過使用多頻源驅(qū)動發(fā)送線圏以及通過導(dǎo) 出至少兩個離散頻率上的坐標(biāo)分量測量，可以補償結(jié)果中由周圍的導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)中的渦流引起的誤差。作為另一例子，美國專利6373240描述了一種用于跟蹤物體的方 法，該專利的公開內(nèi)容在此引入作為參考。該方法包括在物體的附近生 成在多個預(yù)定頻率處的無擾能量場，并且確定由于在該物體的附近引入 物品而響應(yīng)于此在無擾場引起的干擾能量場的特征。該方法還包括接收 響應(yīng)于在引入該物品后在該物體的位置產(chǎn)生的無擾和干擾能量場而得 到的多個所得信號，在響應(yīng)于所得信號的參數(shù)的該多個預(yù)定頻率中為該 無擾能量場確定最佳頻率，并且確定在最佳頻率處響應(yīng)于所得信號的該 物體的空間坐標(biāo)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例提供了用于在金屬、順磁和/或鐵磁物體(統(tǒng)稱為 使場失真的物體)存在條件下利用頻率外推進行磁定位跟蹤測量的改進 方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個或多個在被跟蹤物體附近產(chǎn)生磁場的場發(fā)生器。該 磁場被與物體相關(guān)的位置傳感器檢測并被轉(zhuǎn)成用于計算物體位置(定位 和取向)坐標(biāo)的位置信號。場發(fā)生器在幾個頻率產(chǎn)生交流(AC)磁場。 擬合測量的場強與頻率的關(guān)系并將其外推到目標(biāo)頻率，以便減小金屬干 擾的影響。例如，測量可以外推到零頻率，以產(chǎn)生等效的直流(DC)場強。與 AC測量不同，直流(DC)磁場通常不造成渦流和其他與AC相關(guān)的失真。 該等效的DC場強基本上不受這種失真的影響，然后用于計算被跟蹤的 物體相對于場發(fā)生器的位置。在可選實施例中，為了消除金屬失真影 響，將場強和/或坐標(biāo)外推到無窮頻率或任意其他目標(biāo)頻率。 因此根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了 一種用于跟蹤物體位置的方法，其包括使用至少一個場發(fā)生器，在物體的附近產(chǎn)生兩個或更多頻率的交流(AC)磁場；使用與物體相關(guān)的場傳感器感測該AC場，并產(chǎn)生相應(yīng)的AC數(shù)據(jù) 點，各數(shù)據(jù)點表明在場傳感器處的AC場的幅度和方向，其中至少一些 所感測的AC場受到失真；將AC數(shù)據(jù)點對AC場頻率的依賴關(guān)系外推到目標(biāo)頻率，以便在減小 的失真水平的情況下確定AC場的幅度和方向；以及響應(yīng)于外推的數(shù)據(jù)點計算該物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位 置坐標(biāo)。在一些實施例中，該方法包括將物體插入到病人的器官中，并且計 算物體的位置坐標(biāo)包括跟蹤器官內(nèi)部的物體的位置。在一實施例中，該 至少一個場發(fā)生器與物體相關(guān)，并且場發(fā)生器位于器官的外部。在另一實施例中，失真是由至少一些AC場作用下的使場失真的物 體造成的，該物體包括選自金屬、順磁和鐵磁材料的材料。在再一個實施例中，目標(biāo)頻率包括零頻率。在另外一個實施例中， 目標(biāo)頻率包括無窮頻率。外推依賴關(guān)系可以包括對AC數(shù)據(jù)點和AC場的 各頻率擬合一函數(shù)，并確定目標(biāo)頻率處的該函數(shù)的值。在一實施例中，該函數(shù)選自多項式函數(shù)和有理函數(shù)，擬合該函數(shù)包 括對函數(shù)的系數(shù)賦值。另外或者可選地，外推依賴關(guān)系包括基于先前獲 得的場的測量來定義函數(shù)。定義函數(shù)可以包括采用主分量分析(PCA) 方法以產(chǎn)生基于先前獲得的場的測量的PCA基函數(shù)，并且使用該PCA基 函數(shù)來定義函數(shù)。另外根據(jù)本發(fā)明的實施例還提供了 一種用于跟蹤物體位置的系統(tǒng)，其包括至少一個場發(fā)生器，其被配置為在物體的附近產(chǎn)生兩個或更多頻率 的交流(AC)磁場；與物體相關(guān)的場傳感器，其被配置為感測AC場并且產(chǎn)生相應(yīng)的AC 數(shù)據(jù)點，各AC數(shù)據(jù)點表明在場傳感器處的AC場的幅度和方向，其中至 少一些所感測的AC場受到失真；以及處理器，其被配置為將AC數(shù)據(jù)點對AC場頻率的依賴關(guān)系外推到目 標(biāo)頻率，以便在減小的失真水平下確定AC場的幅度和方向，并且響應(yīng)于外推數(shù)據(jù)點計算物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位置坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的實施例還提供了 一種用在跟蹤物體位置的系統(tǒng)中的 計算機軟件產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括計算機可讀介質(zhì)，其中存儲有程序指令， 當(dāng)計算機讀取該指令時，使得計算機控制至少一個場發(fā)生器以在物體附近產(chǎn)生兩個或更多頻率的交流(AC)磁場，從與物體相關(guān)的場傳感器接 收AC數(shù)據(jù)點，該AC數(shù)據(jù)點表明場發(fā)生器感測的各個AC場的幅度和方 向，其中至少一些所感測的AC場遭受失真，將AC數(shù)據(jù)點對AC場頻率 的依賴關(guān)系外推到目標(biāo)頻率以在減小的失真水平下確定AC場的幅度和 方向，并且響應(yīng)于外推數(shù)據(jù)點計算物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位 置坐標(biāo)。從以下實施例的詳細說明并結(jié)合附圖將更全面地理解本發(fā)明，附圖中


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于體內(nèi)物體的定位跟蹤和導(dǎo)引的系 統(tǒng)的示意性圖示說明；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的導(dǎo)管的示意性圖示說明；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示意性地說明測量的場強數(shù)據(jù)的頻率 外推的曲線圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示意性地說明在場失真存在下用于定 位跟蹤的方法的流程圖。
具體實施方式
系統(tǒng)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于體內(nèi)物體的定位跟蹤和導(dǎo)引的系 統(tǒng)20的示意性圖示說明。系統(tǒng)20跟蹤導(dǎo)引諸如心臟導(dǎo)管24的體內(nèi)物 體，該物體插入到器官中，例如插入到病人的心臟28。系統(tǒng)20還測量、 跟蹤和顯示導(dǎo)管24的位置(即定位和取向)。在一些實施例中，利用 心臟或其一些部分的三維模型來記錄導(dǎo)管位置。導(dǎo)管對于心臟的位置在 顯示器30上顯示給醫(yī)生。醫(yī)生使用操作人員控制臺31導(dǎo)引導(dǎo)管并在醫(yī) 學(xué)過程期間觀察其位置。
系統(tǒng)20可用于執(zhí)行多種心臟內(nèi)的手術(shù)和診斷過程，其中導(dǎo)管的導(dǎo)4元和導(dǎo)引由系統(tǒng)自動或半自動地完成，而不是由醫(yī)生手動完成。例如，可以通過使用Stereotaxis, Inc. ( St. Louis, Missouri )生產(chǎn)的Niobe 磁導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)20的導(dǎo)管導(dǎo)引功能。關(guān)于這種系統(tǒng)的細節(jié)可以 在www. stereotaxis, com得到。例如，在美國專利5654864和6755816 中也描述了用于磁導(dǎo)管導(dǎo)航的方法，它們的公開內(nèi)容在此引入作為參考。系統(tǒng)2 0通過在包含導(dǎo)管的工作容積內(nèi)施加此處稱為導(dǎo)向場的磁場 來對導(dǎo)管24進行定位、取向和導(dǎo)引。內(nèi)部磁鐵被固體在導(dǎo)管24的末梢 端內(nèi)。(圖3的下面詳細示出了導(dǎo)管24)。導(dǎo)向場導(dǎo)引(即旋轉(zhuǎn)和移動) 內(nèi)部磁鐵，因而導(dǎo)引導(dǎo)管24的末梢端。導(dǎo)向場由通常定位在病人任一側(cè)上的一對外部磁鐵36產(chǎn)生。在一 些實施例中，磁鐵36包括電磁鐵，其響應(yīng)于操作臺31產(chǎn)生的合適的轉(zhuǎn) 向控制信號(steering control signal)產(chǎn)生導(dǎo)向場。在一些實施例 中，導(dǎo)向場被旋轉(zhuǎn)或者通過物理移動(例如旋轉(zhuǎn))外部磁鐵36或其部 分來另外控制導(dǎo)向場。在工作容積的附近具有其位置可能隨時間變化的 諸如磁鐵36的大的金屬物體所引起的困難將在以下討論。系統(tǒng)20在醫(yī)學(xué)過程期間測量和跟蹤導(dǎo)管24的定位和取向。為此目 的，系統(tǒng)包括定位墊40。定位墊40包括場發(fā)生器，例如場發(fā)生線圈44。 線圏44以固定的已知定位和取向放置在工作容積附近。在圖1的示范 性配置中，定位墊40水平放置在病人所躺的床的下面。在這個例子中 定位墊40具有三角形的形狀且包括三個線圈44。在可選實施例中，定 位墊4 0可以包括任意數(shù)量的以任意合適的幾何構(gòu)型排列的場發(fā)生器。操作臺31包括信號發(fā)生器46，其產(chǎn)生驅(qū)動線圈44的驅(qū)動信號。在 圖1的示范性實施例中，產(chǎn)生了三個驅(qū)動信號。每個線圏44響應(yīng)于驅(qū) 動它的相應(yīng)的驅(qū)動信號產(chǎn)生交流(AC)磁場，此處稱之為跟蹤場。信號發(fā)生器46包括變頻信號發(fā)生器，其可被設(shè)置成產(chǎn)生具有預(yù)定 范圍內(nèi)的頻率的驅(qū)動信號。系統(tǒng)20在幾個頻率進行場測量，以消除引 入到跟蹤場的失真影響，如下所述。通常，信號發(fā)生器46產(chǎn)生的驅(qū)動 信號的頻率(以及因此相應(yīng)的跟蹤場的頻率)范圍為幾百Hz到幾千Hz, 雖然其他頻率范圍也可以使用。裝入導(dǎo)管24的末梢端中的位置傳感器感測線圏44產(chǎn)生的跟蹤場，
并且生成相應(yīng)的位置信號，該位置信號表明傳感器相對于場發(fā)生線圏的定位和取向。通常沿著連通導(dǎo)管24到操作臺的電纜將該位置信號送到 操作臺31。操作臺31包括跟蹤處理器48，其響應(yīng)于位置信號計算導(dǎo)管 24的定位和取向。處理器48使用顯示器30給醫(yī)生顯示導(dǎo)管的定位和取 向，該定位和取向通常表達為六維坐標(biāo)。處理器48還控制和管理信號發(fā)生器46的操作。詳細地，處理器48 設(shè)定合適的頻率用于產(chǎn)生不同的驅(qū)動信號。在一些實施例中，場發(fā)生線 圏44順序工作，以便位置傳感器在任意給定的時間都能測量產(chǎn)生于單 個線圈44的跟蹤場。在這些實施例中，處理器48交替操作每個線圈44 并把從導(dǎo)管接收到的位置信號與合適的場發(fā)生線圈相關(guān)聯(lián)。通常，使用通用計算機來實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)48，在軟件中對該計算機編 程以執(zhí)行此處所述的功能。例如，該軟件可以通過網(wǎng)絡(luò)以電子方式下載 到計算機，或者作為選擇，可以在諸如CD-ROM的有形介質(zhì)上提供給計 算機。跟蹤處理器還可以與操作臺31的其他計算功能集成。在可替換實施例中，場發(fā)生器被裝入導(dǎo)管24的末梢端內(nèi)。場發(fā)生 器產(chǎn)生的磁場被位于病人身體外部的已知位置(例如定位墊40的位置) 位置傳感器所感測。所感測的場用來確定導(dǎo)管24的位置。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的導(dǎo)管24的末梢端的示意性圖示說 明。導(dǎo)管24包括內(nèi)部磁鐵32和位置傳感器52,如上所述。導(dǎo)管24還 可以包括一個或多個電極56,諸如消融電極和用于檢測局部電勢的電 極。位置傳感器52包括場感測元件，例如場感測線圈60。在一些實施 例中，位置傳感器52包括三個位于三個相互正交平面內(nèi)的場感測線圏 60。每個線圈60感測AC跟蹤場的三個正交分量中的一個，并響應(yīng)于感 測到的分量產(chǎn)生相應(yīng)的位置信號。傳感器52和電極56通常通過穿過導(dǎo) 管的電纜64連接到操作臺31。本領(lǐng)域中眾所周知的是位于AC磁場內(nèi)的金屬、順磁和鐵磁物體(此 處統(tǒng)稱為使場失真的物體)會在其附近造成場失真。例如，當(dāng)金屬物體 受到AC磁場的影響時，在該物體中引起渴流，該渦流又反過來產(chǎn)生失 真AC磁場的寄生磁場。鐵磁物體通過吸引和改變場力線的密度和取向 而使》茲場失真。在磁定位跟蹤系統(tǒng)的環(huán)境中，當(dāng)在位置傳感器52的附近存在使場 失真的物體時，會造成傳感器52感測到的跟蹤場失真，造成錯誤的位 置測量。失真的嚴(yán)重程度通常取決于存在的使場失真的材料的數(shù)量，其 與位置傳感器和場產(chǎn)生線圈的接近程度，和/或跟蹤場接觸使場失真的 物體的角度。例如，在圖1的系統(tǒng)中，外部磁鐵36通常包含大量的使場失真的材料并且位于工作容積的附近。象這樣，外部磁鐵36可以造 成由位置傳感器感測到的跟蹤磁場的嚴(yán)重失真。以下描述的方法和系統(tǒng)主要是關(guān)于在跟蹤磁場存在嚴(yán)重失真的情 況下進行精確位置跟蹤測量。圖1的導(dǎo)管導(dǎo)引系統(tǒng)僅作為示范性應(yīng)用來 描述的，其中位于定位跟蹤系統(tǒng)的工作容積中或附近的物體會造成跟蹤 場的嚴(yán)重失真。不過，本發(fā)明的實施例絕不限于磁導(dǎo)引應(yīng)用。此處所述的方法和系 統(tǒng)可以用在任何其他的用于減小這種失真效應(yīng)的合適的位置跟蹤應(yīng)用 中。例如，此處所述的方法和系統(tǒng)可以用以減小由諸如C型臂熒光鏡和 磁共振成像(MRI)設(shè)備的裝置造成的場失真效應(yīng)。在可選實施例中，系統(tǒng)20可以用來跟蹤諸如內(nèi)窺鏡和整形外科植 入物的各種類型的體內(nèi)物體，以及用于跟蹤耦合到醫(yī)學(xué)和外科工具和器 械的位置傳感器。使用頻率外推的失真減小在許多情況中，由使場失真的物體造成的失真依賴于跟蹤場的頻 率。在一些情況中，存在最佳頻率，在該頻率下失真最小。例如，如在 上述引用的美國專利6373240中所述的一些方法和系統(tǒng)對跟蹤場的頻率 范圍進行掃描并尋找這個最佳頻率。然而，當(dāng)存在嚴(yán)重的金屬干擾時， 例如在外部磁鐵36存在的條件下，可能在系統(tǒng)使用的整個頻率范圍上 都造成嚴(yán)重的失真。此外，當(dāng)導(dǎo)引導(dǎo)管時物理移動了磁鐵36,已知的先 驗失真校準(zhǔn)和消除方法通常不能被采用。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的這些缺點，本發(fā)明的實施例提供了用于估計和 消除由使場失真的物體造成的跟蹤場失真的方法和系統(tǒng)。以下圖3和4中描述的方法利用了這樣的事實，即直流(DC)磁場， 不像AC場，不會在金屬物體中引起渦流，因此不會因這種物體的存在 造成失真。另一方面，DC磁場也不會在位置傳感器52的場感測線圈60 中引起電流，因此不會被位置傳感器感測和測量。下面圖 4的方法通過將許多AC場的測量擬合和向下外推到零頻率 (DC)來估計等效DC磁場強度?；旧喜话l(fā)生失真的等效DC場強度然
后被用于計算導(dǎo)管的位置坐標(biāo)。在更下面描述的可選實施例中，將場的 測量外推到無窮頻率，以估計在鐵磁物體存在下的不發(fā)生失真的場強。 更可選地，場強測量的頻率依賴關(guān)系可以外推到任意想要的目標(biāo)頻率。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示意性地示出了測量的場強數(shù)據(jù)的頻率外推的曲線圖。數(shù)據(jù)點68對應(yīng)于多個場強測量，該測量是在感測由 特定的場發(fā)生線圈44產(chǎn)生的AC跟蹤場時使用特定的場感測線圏60完 成的。照此，數(shù)據(jù)點68表明在位置傳感器附近的跟蹤場的幅度和方向。 在圖3的例子中，在六個標(biāo)記為F,， ...F6的相應(yīng)的跟蹤場頻率處進行了 六次測量。曲線72對數(shù)據(jù)點68進行了擬合。曲線72是標(biāo)記為X ( f )的函數(shù) 的圖形表示，其描述了場強X作為頻率f的函數(shù)。以下詳細描述了確定 函數(shù)X (f )的方法。曲線72截縱軸(相當(dāng)于零頻率或DC)于交點76。 在交點處的場強值，或X(O)，是等效DC場強的估計，其基本上不受 與AC場相關(guān)的任何失真的影響，如渦流失真的影響。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示意性地示出了在場失真存在下用于 位置跟蹤的方法的流程圖。在以下的步驟80-86中，系統(tǒng)20使用選自 預(yù)定頻率范圍的多個頻率在導(dǎo)管24處進行多次場強測量。頻率范圍通 常包括預(yù)定的頻率列表，雖然任何其他的定義頻率范圍的合適方法也可 以使用。該方法開始于處理器48在頻率設(shè)定步驟80設(shè)定用于產(chǎn)生跟蹤場的 頻率。處理器48從范圍中選擇頻率并且設(shè)定信號發(fā)生器46以產(chǎn)生具有 該頻率的驅(qū)動信號。在場生成步驟82，信號發(fā)生器46產(chǎn)生驅(qū)動信號，線圏44產(chǎn)生相應(yīng) 的AC跟蹤場。導(dǎo)管24的位置傳感器52中的場感測線圈60在測量步驟 84感測線圏44產(chǎn)生的跟蹤場。線圏60響應(yīng)于感測到的場生成位置信 號，并將位置信號通過電纜64傳輸?shù)讲僮髋_31。處理器48接收位置信 號并將測量的場強作為與使用的跟蹤場頻率相關(guān)的數(shù)據(jù)點記錄下來。如上所述，在一些實施例中，線圏44在步驟82順序工作。在這些 實施例中，步驟84的輸出是多個測量的數(shù)據(jù)點，其表示由每個線圏44 產(chǎn)生的跟蹤場的場強，如每個線圏60在特定頻率處所測量的。例如， 在上面圖1的系統(tǒng)配置中，步驟84的輸出總共包括3x 3 = 9個數(shù)據(jù)點。處理器48在范圍檢查步驟86檢查是否已經(jīng)測量了頻率范圍內(nèi)的所
有頻率。如果還有要測量的剩余頻率，則該方法返回上面的步驟80。否則，處理器48對測量的數(shù)據(jù)點進行擬合和外推。在這個步驟， 處理器48持有幾組數(shù)據(jù)點，例如上面圖3所述的組。每組數(shù)據(jù)點對應(yīng) 于一對{場發(fā)生線圈44、場感測線圈60}。每組包括在上述步驟80-86 掃描的頻率上如特定線圏60測量的由特定線圏44產(chǎn)生的場強。對于每組數(shù)據(jù)點(即對于每一對(線圏44、線圈60}),處理器48 在外推步驟88對測量的數(shù)據(jù)進行擬合和外推，與上面圖3的描述相似。 在一些實施例中，處理器用函數(shù)X(f )定義的曲線擬合數(shù)據(jù)點。(例如， 參考上面圖3的曲線72擬合數(shù)據(jù)點68)。然后，處理器"估計這個函 數(shù)在零頻率處的外推值即X ( 0)。在一些實施例中，X(f)包括形式為<formula>formula see original document page 12</formula>的多項式函數(shù)，其中m表示多項式X ( f)的階數(shù)，a。，…，am是m+l個 多項式系數(shù)，其由處理器48響應(yīng)于數(shù)據(jù)點68進行擬合。處理器48可 以使用本領(lǐng)域中已知的任何多項式擬合方法，以確定系數(shù)a。，…，am的 值，例如使用最小二乘方(LS)方法。然而，在一些情況中，使用多項式擬合估計X ( 0)可能不能提供足 夠的精度。在一些實施例中，處理器48用具有如下形式的有理函數(shù)(即 兩個多項式的比值)來擬合數(shù)據(jù)點68:頂<formula>formula see original document page 12</formula>其中X ( O的分子和分母包含兩個多項式函數(shù)，它們的階分別為m和n, 系數(shù)分別為a。，…am和b。， ...， bn。處理器48可以使用本領(lǐng)域中已知的 任何合適的方法來確定系數(shù)a。，…am和b。， ...， bn。例如，在一些實施 例中，處理器48可以使用著名的帕德近似。假設(shè)X(f)足夠光滑，通 ?？赡苡孟鄬^低階的多項式(即m和n的值較小)達到X ( 0 )的較好
的近似。不失一般性，通過分子和分母的等價比例縮放，可以令1)。=1。在令1)。=1后，等效DC場強值由X ( 0) =&。給出。在可選實施例中，處理器48可以基于先前獲得的在使場失真的物 體存在下的場測量來構(gòu)造函數(shù)X (f )。典型地，先前測量包括不同頻率 處的測量，所述不同頻率包括要將數(shù)據(jù)點外推到的目標(biāo)頻率。在許多情 況中，使用先前獲得的場測量來外推所測量的數(shù)據(jù)相比于使用多項式或 有理函數(shù)經(jīng)常會產(chǎn)生更高精度的外推結(jié)果。處理器可以使用不同的訓(xùn)練方法，以便基于先前獲得的場測量所承 載的信息將所測量的數(shù)據(jù)點外推到目標(biāo)頻率。例如，處理器48為此可 以使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。在一些實施例中，處理器48使用先前獲得的測量定義一組基函數(shù)(base function)。然后處理器計算函數(shù)X (f)，該函數(shù)由基函數(shù)覆 蓋且最好地擬合了測量的數(shù)據(jù)。例如，處理器48可以使用主分量分析(PCA)的方法計算各基函數(shù)。PCA是眾所周知的統(tǒng)計分析技術(shù)，例如， 其在Smi th的"A Tutor ial on Principal Components Analys i s，， Cornel 1 University, Ithaca, New York, 2月26日，2002年中有所描述，此 處引入以供參考。當(dāng)使用PCA時，處理器48計算一組正交的PCA基函 數(shù)并且擬合函數(shù)X ( f )，該函數(shù)由PCA基函數(shù)覆蓋且最好地擬合了所測 量的數(shù)據(jù)。如上所述，處理器48對每對{線圏44，線圈60}都執(zhí)行步驟88的 擬合和外推過程。步驟88的輸出是多個等效DC場強值(即X ( 0 )值)， 其基本上不受失真的影響。在可替換實施例中，處理器48可以將所有三個場感測線圈60的場 測量組合起來，并同時對它們進行擬合和外推。例如，當(dāng)線圏60的之 一的場測量具有較低的信噪比時，該方法是優(yōu)選的。在位置計算步驟90，處理器48現(xiàn)在計算位置傳感器52的位置(定 位和取向)坐標(biāo)。處理器48使用等效DC估計作為校正的位置信號，以 計算傳感器52的定位和取向坐標(biāo)，并因此計算導(dǎo)管24的末梢端的定位 和取向坐才示。在一些情況中，造成跟蹤場失真的使場失真的物體包括高鐵磁材料 物品。不像與渦流相關(guān)的影響，鐵磁材料影響在零頻處依然存在。另一 方面，鐵磁材料對位置測量的影響通常在高于某個截斷頻率的頻率就會
減弱。因此，當(dāng)鐵磁物體是系統(tǒng)中位置測量的重要失真源時，處理器48可以將函數(shù)X (f)外推到無窮頻率而不是零頻率。然后使用X (f)在無窮處的漸進值作為校正過失真的值。更可選地，可以使用此處描述的方法將頻率對場強測量的依賴關(guān)系 外推或內(nèi)插到任意其他合適的目標(biāo)頻率。雖然這里所述的實施例主要涉及提高醫(yī)學(xué)位置跟蹤和導(dǎo)引系統(tǒng)的 失真免疫力，這些方法和系統(tǒng)可以用在其他應(yīng)用中，如用于減小由手術(shù)臺、熒光鏡設(shè)備、MRI設(shè)備和/或任何其他的使場失真的物體造成的失真。因此將要理解的是上述實施例是以例子的方式敘述的，本發(fā)明并不 限于上面特定顯示的和描述的內(nèi)容。相反地，本發(fā)明的范圍包括上述各 種特征的組合和子組合，以及對其的變型和修改，這些變型和修改并沒 有在現(xiàn)有技術(shù)中公開過，在閱讀了上述說明之后本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會 容易想到這些變型和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于跟蹤物體位置的方法，包括使用至少一個場發(fā)生器，在物體的附近產(chǎn)生兩個或更多頻率的交流(AC)磁場；使用與物體相關(guān)的場傳感器，感測AC場且產(chǎn)生對應(yīng)的AC數(shù)據(jù)點，各數(shù)據(jù)點表示在場傳感器處的AC場的幅度和方向，其中至少一些所感測的AC場遭受失真；將AC數(shù)據(jù)點對AC場的頻率的依賴關(guān)系外推到目標(biāo)頻率，以便在減小的失真水平下確定AC場的幅度和方向；以及響應(yīng)于外推的數(shù)據(jù)點計算物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位置坐標(biāo)。
2. 權(quán)利要求1的方法，包括將物體插入病人的器官中，其中計算 物體的位置坐標(biāo)包括跟蹤物體在器官內(nèi)的位置。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中該至少一個場發(fā)生器與該物體相關(guān)， 并且其中場傳感器位于器官的外部。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中該失真是由受至少一些AC場影響的使 場失真的物體造成的，并且其中物體包括選自金屬、順磁和鐵磁材料的 材料。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中目標(biāo)頻率包括零頻率。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中目標(biāo)頻率包括無窮頻率。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中外推依賴關(guān)系包括對AC數(shù)據(jù)點和AC 場的頻率擬合一 函數(shù)，并且確定該函數(shù)在目標(biāo)頻率處的值。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中該函數(shù)選自多項式函數(shù)和有理函數(shù)， 且其中擬合該函數(shù)包括對該函數(shù)的系數(shù)賦值。
9. 權(quán)利要求7的方法，其中外推依賴關(guān)系包括基于先前獲得的場 的測量定義該函數(shù)。
10. 權(quán)利要求9的方法，其中定義該函數(shù)包括使用主分量分析(PCA) 方法基于先前獲得的場測量生成PCA基函數(shù)，以及利用PCA基函數(shù)定義 該函數(shù)。
11. 一種用于跟蹤物體位置的系統(tǒng)，包括至少一個場發(fā)生器，其被配置為在物體的附近產(chǎn)生兩個或更多頻率 的交流(AC)磁場； 與物體相關(guān)的場傳感器，其被配置為感測AC場并產(chǎn)生對應(yīng)的AC數(shù) 據(jù)點，各AC數(shù)據(jù)點表示在場傳感器處的AC場的幅度和方向，其中至少 一些所感測的AC場受到失真；以及處理器，其被配置為將AC數(shù)據(jù)點對AC場的頻率的依賴關(guān)系外推到 目標(biāo)頻率，以便在減小的失真水平下確定AC場的幅度和方向，并且響 應(yīng)于外推的數(shù)據(jù)點計算物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位置坐標(biāo)。
12. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中物體適于插入到病人的器官中，并 且其中處理器被配置為跟蹤器官內(nèi)物體的位置。
13. 權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該至少一個場發(fā)生器與物體相關(guān)， 并且其中場傳感器位于器官的外部。
14. 權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中失真是由受至少一些AC場影響的使 場失真的物體造成的，并且其中該物體包括選自金屬、順磁材料和鐵磁 材料的材料。
15. 權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中目標(biāo)頻率包括零頻率。
16. 權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中目標(biāo)頻率包括無窮頻率。
17. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中處理器被配置為對AC數(shù)據(jù)點和AC 場的頻率擬合一函數(shù)，且確定該函數(shù)在目標(biāo)頻率處的值。
18. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該函數(shù)選自多項式函數(shù)和有理函數(shù)， 且其中處理器被配置為通過對函數(shù)的系數(shù)賦值來擬合該函數(shù)。
19. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中處理器被配置為基于先前獲得的場 測量定義函^:。
20. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中處理器被配置為使用主分量分析 (PCA)方法基于先前獲得的場測量生成PCA基函數(shù)，以及利用PCA基函數(shù)定義該函數(shù)。
全文摘要
一種用于跟蹤物體位置的方法包括使用至少一個場發(fā)生器在物體的附近產(chǎn)生兩個或更多頻率的交流(AC)磁場。使用與物體相關(guān)的場傳感器感測AC場。生成對應(yīng)的AC數(shù)據(jù)點，各AC數(shù)據(jù)點表示在場傳感器處的AC場的幅度和方向，其中至少一些所感測的AC場遭受失真。將AC數(shù)據(jù)點對AC場頻率的依賴關(guān)系外推到目標(biāo)頻率，以便在減小的失真水平下確定AC場的幅度和方向。響應(yīng)于外推的數(shù)據(jù)點計算物體相對于該至少一個場發(fā)生器的位置坐標(biāo)。
文檔編號A61N1/06GK101129264SQ20071014173
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月21日
發(fā)明者A·戈爾丁, A·戈瓦里, M·巴-塔爾 申請人:韋伯斯特生物官能公司