專利名稱：自適應(yīng)反饋控制下的磁場定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過檢測磁場來確定物體空間位置和/或方向的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
迄今已經(jīng)有各種采用磁場或電磁場來檢測物體位置和/或方向的系統(tǒng)問世。這些系統(tǒng)一般采用放置在固定參考系已知位置上的場發(fā)射機(jī)(例如電磁鐵線圈)和安裝在待定位的物體上的傳感器(例如線圈或其它換能器)。每臺發(fā)射機(jī)在固定參考系發(fā)射隨空間變化的場。每臺發(fā)射機(jī)的空間變化模式互不相同。例如發(fā)射機(jī)可以一模一樣但是放置的位置或方向不同。由此使發(fā)射機(jī)的場模式相對另一臺發(fā)射機(jī)和相對固定的參考系位移或旋轉(zhuǎn)。物體上的傳感器檢測物體所在位置上的場參量，例如物體所在位置上場的大小和/或方向或者物體所在位置上的場在一個或多個預(yù)選方向上單個分量的大小。發(fā)射機(jī)可以以預(yù)選的時序啟動從而在任意時刻都只有一臺發(fā)射機(jī)處于激活狀態(tài)，因此物體所在位置上的場等于一臺發(fā)射機(jī)形成的場加上地磁場或者其它環(huán)境場源引起的背景場。另外發(fā)射機(jī)也可以受不同的頻率驅(qū)動，從而使來自傳感器的隨不同頻率而變的信號分量代表不同發(fā)射機(jī)對物體所在位置上場的貢獻(xiàn)。根據(jù)檢測到的單臺發(fā)射機(jī)的場參量和已知的每臺發(fā)射機(jī)場變化模式，計算機(jī)系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)的固定參考系計算出傳感器的位置和方向，由此確定放置傳感器的物體所在的位置。這種系統(tǒng)的變例是物體攜帶一臺或多臺發(fā)射機(jī)，而將多個傳感器放置在在固定參考系中不同的位置或方向上。物體的位置和/或方向從代表各個傳感器所在位置處場參量的信號中推導(dǎo)出來。
在美國專利No.4,849,692、4,642,786、4,710,708、4,613,866和4,945,305中揭示了這種普通類型的系統(tǒng)。這種通用設(shè)計系統(tǒng)可以用于向計算機(jī)提供三維空間輸入。在公開號為WO94/04938的國際申請中揭示了這種類型的另一系統(tǒng)。在該國際申請中，待定位物體可以是醫(yī)用內(nèi)診鏡。這種系統(tǒng)可以包括安裝在內(nèi)診鏡頂端的傳感器，這樣當(dāng)傳感器放入病人體內(nèi)時可以確定出內(nèi)診鏡頂端的位置和/或方向。這使得醫(yī)生在監(jiān)視內(nèi)診鏡診斷過程中無需借助熒光檢測或其它電離輻射技術(shù)來確定儀器的位置。在該國際申請的其中一個實施例(第26-27頁)中，對于多個發(fā)射線圈同時啟動以“操縱”最終磁場的方向并由此使磁場隨傳感器排列的設(shè)計方案進(jìn)行了仔細(xì)考察。該國際申請表征這種設(shè)計方案是不合需要的。在美國專利No.5,042,486、5,099,845、5,211,165、5,251,635、5,253,647、5,255,680、5,265,610和5,391,199中揭示了其它根據(jù)發(fā)射場定位醫(yī)學(xué)儀器(例如內(nèi)診鏡和導(dǎo)尿管)的其他系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)的場強(qiáng)度一般以發(fā)射機(jī)距離的三次方或者更高的冪次變化。因此場強(qiáng)在不同位置之間的變化非常大。在醫(yī)學(xué)設(shè)備定位系統(tǒng)中，為了能滿足在0.5-1.0米尺度感測空間內(nèi)確定傳感器位置的需要，場強(qiáng)從感測空間一端到另一端要經(jīng)歷多個數(shù)量級的變化。當(dāng)傳感器和待定位物體恰好靠近某一發(fā)射機(jī)時，它們將接受到異常大的場強(qiáng)，而當(dāng)傳感器和物體位于遠(yuǎn)離某一發(fā)射機(jī)的感測空間另一端時，它們從發(fā)射機(jī)接受的只是非常微弱的場強(qiáng)。這要求傳感器具備極寬的動態(tài)范圍，能夠精確地監(jiān)視極強(qiáng)和極弱的場強(qiáng)。由此對傳感器設(shè)計提出了苛刻的要求并需要更大的傳感器。而且監(jiān)視極弱場強(qiáng)時的信噪比較差，因此系統(tǒng)精度不及優(yōu)化狀態(tài)下的精度。在醫(yī)用系統(tǒng)中，傳感器必須小到能夠放入醫(yī)學(xué)設(shè)備(例如內(nèi)診鏡和導(dǎo)尿管)的內(nèi)部，因此上面兩點(diǎn)是非常重要的考慮因素。雖然這樣的系統(tǒng)可以提供有用的結(jié)果，但是還需作進(jìn)一步的改進(jìn)。對于待定位物體上的線圈或其它發(fā)射機(jī)以及在固定參考系中多個傳感器的系統(tǒng)來說，也會出現(xiàn)同樣的問題。就特定的傳感器而言，其所受非常強(qiáng)的或非常弱的場強(qiáng)輻射同樣也取決于發(fā)射機(jī)與傳感器之間的距離。
以普通方式轉(zhuǎn)讓的共同待批的美國專利08/132,479揭示了一種解決這些問題的方案。按照該申請的某些較佳實施例包括可以用來產(chǎn)生多個不同磁場的電磁鐵。在感測空間內(nèi)，每個磁場至少在一個特定方向上具有恒定或隨距離線性或接近線性變化的非零分量。與場強(qiáng)呈距離的三次方或更高冪次變化的技術(shù)方案相比，這種技術(shù)方案使得整個感測空間內(nèi)的場強(qiáng)變化較小。因此在準(zhǔn)線性磁場的情形下，給定感測空間內(nèi)最小與最大場強(qiáng)之差大大減小。這在很大程度上緩解了上述問題。但是對于采用線圈來提供這種準(zhǔn)線性變化磁場的技術(shù)方案來說，并不一定方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供一種包括產(chǎn)生多個磁場的場發(fā)生裝置的定位裝置。場發(fā)生裝置被設(shè)計成所產(chǎn)生磁場的參量(例如場強(qiáng)和/或磁場方向)根據(jù)已知的變化模式在感測空間內(nèi)隨位置而改變。每個磁場的變化模式互不相同。例如，場發(fā)生裝置包括多個發(fā)射線圈，線圈位于感測空間不同的位置和/或方向上。按照本發(fā)明這個方面的裝置還包括至少一個傳感器，所述傳感器適于檢測位于感測空間內(nèi)未知位置上的傳感器的一個或多個場參量并提供代表這些檢測參量的一個或多個傳感器信號。例如傳感器可以包括一個傳感器主體和多個放置在傳感器主體上的分量傳感器，每個分量傳感器用來測量在相對于傳感器主體的預(yù)選局部方向上的磁場分量大小以提供代表傳感器所在位置上特定場分量的分量傳感器信號。裝置進(jìn)一步包括根據(jù)傳感器信號和未知的場變化模式計算傳感器位置和方向的計算裝置。裝置還包括用來為響應(yīng)傳感器信號或傳感器計算位置或二者而調(diào)節(jié)場發(fā)生裝置以改變至少一個已知的場變化模式的反饋控制裝置，由此在預(yù)選定的范圍內(nèi)維持變化場的檢測參量不變。例如，場發(fā)生裝置包括多個靠近感測空間放置的發(fā)射機(jī)，反饋控制裝置可以設(shè)計成在傳感器遠(yuǎn)離該發(fā)射機(jī)時提高發(fā)生場強(qiáng)，而在傳感器靠近發(fā)射機(jī)時降低發(fā)射場強(qiáng)。這樣在傳感器位置上檢測得到的場參量總是落在相對較窄的數(shù)值范圍內(nèi)。由于被發(fā)射場的改變方式是已知的，所以簡單地將改變的場作為計算基礎(chǔ)仍然可以計算出傳感器的位置和/或方向。例如，反饋控制裝置增加流至電磁線圈的電流，由此相應(yīng)調(diào)整了代表特定線圈發(fā)射場強(qiáng)的計算參量。
按照本發(fā)明這方面的裝置即使在場強(qiáng)以大于距離一次方的關(guān)系變化時(例如場強(qiáng)隨線圈距離的三次方變化)，也可以使較窄范圍內(nèi)的傳感器位置上檢測到的場參量(例如該位置上的場強(qiáng))保持不變。因此即使傳感器很小，系統(tǒng)也能提供高信噪比。而且無需對線圈進(jìn)行特殊設(shè)計以形成線性或準(zhǔn)線性場。例如，在某一醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，可以將多個線圈放置在病床下面或者一側(cè)的各種位置上。
雖然按照本發(fā)明這方面的裝置可以采用任何類型的傳感器，但是采用磁阻傳感器或者其它在強(qiáng)磁場下精度會下降的傳感器具有額外的優(yōu)點(diǎn)。由于磁場保持在較窄范圍內(nèi)，所以，傳感器的不會處于其受到影響的磁場中。在經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)的本發(fā)明實例中，啟動反饋控制系統(tǒng)以保持每個傳感器所在位置的場參量在可達(dá)的最窄范圍內(nèi)。這樣反饋控制使得傳感器處的場參量基本上為恒定值。這里發(fā)射場的改變方式也是已知的，并且采用改變的場作為計算基礎(chǔ)仍然可以計算出傳感器的位置。
本發(fā)明進(jìn)一步方面提供的裝置包括至少一個適于安裝在待定位物體上的發(fā)射機(jī)和靠近感測空間放置的多個傳感器。按照本發(fā)明這方面的裝置包括根據(jù)傳感器信號和發(fā)射機(jī)的已知場變化模式確定計算的發(fā)射機(jī)位置的計算裝置。提供的反饋控制裝置用來為響應(yīng)傳感器信號或發(fā)射機(jī)計算位置或二者而調(diào)節(jié)場發(fā)生裝置以改變至少一個發(fā)射機(jī)的已知場變化模式，由此在預(yù)選定的范圍內(nèi)的每個傳感器位置上維持至少一個發(fā)射機(jī)的場參量。除了發(fā)射機(jī)或發(fā)射機(jī)組放置在待定位物體上而傳感器位于感測空間的固定參考系內(nèi)以外，這種技術(shù)方案于上述的相似。這里，當(dāng)發(fā)射機(jī)靠近傳感器時，或者發(fā)射機(jī)與傳感器的取向造成發(fā)射場與傳感器之間的強(qiáng)耦合時，場強(qiáng)又得以減小。如果發(fā)射機(jī)離傳感器較遠(yuǎn)，或者取向不適宜，則控制裝置提高發(fā)射場強(qiáng)。這種技術(shù)方案具有與上述類似的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的進(jìn)一步方面提供了檢測物體在參考系內(nèi)方位(位置、方向或者二者)的裝置。按照本發(fā)明這方面的裝置包括發(fā)射機(jī)裝置，它包含至少一個提供磁場的發(fā)射機(jī)；以及傳感器裝置，它包括至少一個檢測其位置上的一個或多個場參量并提供一個或多個指示這種參量的傳感器信號的傳感器。發(fā)射機(jī)裝置和所述傳感器裝置協(xié)同定義了多個發(fā)射機(jī)-傳感器對，每對包括作為組成單元的一個發(fā)射機(jī)和一個傳感器，每個這樣的對中其中一個單元被放置在物體上而對中另一個單元被放置在所述參考系中的已知方位上。典型的情況是，每個發(fā)射機(jī)-傳感器對至少有一個單元放置在與其它對的相應(yīng)單元不同的位置和方向上。裝置還進(jìn)一步包括根據(jù)所述傳感器信號確定所述物體方位的計算裝置和響應(yīng)所述傳感器信號對所述發(fā)射裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)以使所述至少一個傳感器信號保持在預(yù)先選定范圍內(nèi)的反饋控制裝置。
本發(fā)明的進(jìn)一步方面提供了確定位置和/或方向的方法，其中根據(jù)傳感器的信號或者計算得到的傳感器和發(fā)射機(jī)位置通過反饋控制來改變場發(fā)生裝置的操作，以保持每個傳感器要檢測的場參量保持在預(yù)選選定的范圍內(nèi)。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的描述，可以更容易地理解本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡要說明

圖1為按照本發(fā)明一個實施例的裝置部分的視圖；
圖2為圖1所示裝置某一部分的分解視圖；圖3為圖1和圖2所示裝置部分的功能框圖；圖4為按照本發(fā)明的方法的某些步驟的示意框圖；圖5和圖6為按照本發(fā)明進(jìn)一步實施例的裝置部分的分解視圖。
實施發(fā)明的較佳方式按照本發(fā)明一個實施例的裝置包括三個共面放置的普通螺旋發(fā)射機(jī)線圈10。線圈10放置在病床12參考系中的固定位置上。如圖1所示，參考系用直角坐標(biāo)系X，Y和Z表示。病人P躺在病床上。線圈的軸11互相平行。病床12正好延伸到線圈10平面的上方。裝置進(jìn)一步包括物體或探頭14。探頭適于插入諸如導(dǎo)尿管16之類的醫(yī)學(xué)儀器中并定位在導(dǎo)尿管中所需位置上，例如導(dǎo)尿管的遠(yuǎn)端或者沿導(dǎo)尿管長度方向上的另一位置上。探頭14安裝在傳感器18上。傳感器18包括三個分量傳感器20、22和24，它們適于檢測互為正交的局部方向X’，Y’和Z’上的磁場分量。即，分量傳感器20對方向X’上的磁場敏感，但是對Y’和Z’方向上的磁場很不敏感，而分量傳感器22和24分別對方向Y’和Z’上的磁場敏感。這些傳感器適于提供代表分離的分量傳感器信號。傳感器18可以是在上述國際申請WO95/09562中所述的固態(tài)傳感器，該申請作為參考文獻(xiàn)包含在這里。如上所述，每個分量傳感器可包括普通的平面型磁敏薄膜，例如磁阻薄膜或者霍爾效應(yīng)傳感薄膜。這種薄膜對垂直于薄膜平面方向上的磁場敏感。傳感器18也可以包括小型線圈列陣，線圈的軸互為正交。雖然這些都是較好的傳感器，但是其它磁敏器件基本上也是可以采用的，例如磁光傳感器和磁通量閘磁強(qiáng)計。
分量傳感器20、22和24經(jīng)電纜28，利用每個傳感器的分離引線連接至指令單元28。指令單元28(圖3)包括輸入放大和模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換部分30，它適于接受來自傳感器18的分量傳感器20、22和24的單獨(dú)信號，將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。放大和A/D轉(zhuǎn)換單元30還可以包括其它的普通信號處理裝置，例如模擬或數(shù)字帶通濾波和噪聲去除裝置以及信號平均器。指令單元28進(jìn)一步包括計算單元32。計算單元32可以用通用編程計算機(jī)實現(xiàn)。如下所述，位置計算單元被設(shè)計成從傳感器信號中計算傳感器18的方位，由此計算出導(dǎo)尿管頭上的物體或探頭的方位。與前面一樣，單元的“方位”指的是單元的位置、方向或者二者兼而有之。因此計算單元被設(shè)計成計算傳感器18的位置、方位或者比較好的是同時計算位置與方位。命令單元28可以連接至顯示器裝置(未畫出)，它將探頭或物體14的位置以人們能夠理解的形式表示。這種形式可以是表示物體14在X，Y和Z坐標(biāo)系中的位置和方向的數(shù)值信息，比較好的是疊加在病人圖像上的物體和導(dǎo)尿管的圖像。
命令單元28進(jìn)一步包括控制單元34?？刂茊卧?4通過輸出線路36、38和40連接至三個分離的線圈驅(qū)動器42、44和46上。每個線圈連接至其中一個分離的發(fā)射機(jī)線圈10上。每個線圈適于通過相連的發(fā)射線圈提供直流。每個線圈驅(qū)動器被設(shè)計成控制這種電流的幅度并閉合或關(guān)斷電流以響應(yīng)從控制單元34接收的信號?？刂茊卧辉O(shè)計成將信號傳遞給線圈驅(qū)動器以按照交替的序列向發(fā)射線圈提供電流，從而在線圈10b和10c處于非激活狀態(tài)時線圈10a接收電流；在線圈10a和10c處于非激活狀態(tài)時線圈10b接收電流并且在線圈10b和10a處于非激活狀態(tài)時線圈10c接收電流?？刂茊卧獜姆糯蠛娃D(zhuǎn)換部分30接收數(shù)據(jù)并如下所述啟動線圈驅(qū)動器以改變流至每個線圈的電流幅度?？刂茊卧梢园ㄆ胀ǖ慕涌谘b置，例如數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器或者總線接口單元，從而使控制單元的輸出與每個線圈驅(qū)動器的控制輸入相一致。雖然這里示出的控制單元與命令單元28的其它邏輯單元是分開的，但是應(yīng)該注意的是控制單元也可以與命令單元和其它單元共為一體。例如如果命令單元包括通用計算機(jī)，則計算機(jī)的處理器可同時服務(wù)于位置計算單元和控制單元，不同時刻執(zhí)行的功能與不同的單元對應(yīng)。
在按照本發(fā)明一個方面的方法中，導(dǎo)尿管16進(jìn)入病人P的體內(nèi)。帶傳感器18的探頭14放置在導(dǎo)尿管頭。導(dǎo)尿管頭位于線圈10平面上方的某個未知位置?？刂茊卧?4依次啟動線圈驅(qū)動器，采用初始或者缺省值作為提供給每個線圈10的電流的幅度。在電流開始流經(jīng)每個線圈時，放大和轉(zhuǎn)換單元30以預(yù)定的時序從每個分量傳感器20、22和24的信號中采樣。例如，在電流開始流經(jīng)發(fā)射線圈10a后，單元30以預(yù)定的時刻采樣來自每個分量傳感器20、22和24的信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。命令單元28隨后根據(jù)這些單獨(dú)的信號計算總的場強(qiáng)。總場強(qiáng)為|B10a|=(k20S20)2+(k22S22)2+(k24S24)2]]>這里B10a為線圈10a啟動時傳感器18處磁場矢量的大?。?
K20為傳感器20的信號強(qiáng)度相對X’軸的磁場分量的靈敏度因子；S20為啟動期間傳感器20的信號強(qiáng)度；以及K22、S22和K24與S24為其它傳感器22和24類似的靈敏度常數(shù)和信號強(qiáng)度。
同樣，系統(tǒng)依次啟動線圈10b和10c，采用缺省的電流強(qiáng)度。系統(tǒng)計算線圈10b啟動期間傳感器處總的場矢量大小并獨(dú)立計算線圈10c啟動期間傳感器處總的場矢量大小。
如圖4所示，在檢測分量信號并計算每個線圈啟動期間傳感器處總的場強(qiáng)大小之后，控制單元確定所有的場強(qiáng)是否落在預(yù)定范圍之內(nèi)。該預(yù)定范圍選在傳感器18的優(yōu)化操作范圍內(nèi)。因此選擇最小的場強(qiáng)使之遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的噪聲閾值和傳感器的最小靈敏度級，而選擇最大的場強(qiáng)使之遠(yuǎn)小于傳感器最大線性度極限和保證精度前提下最大的場強(qiáng)水平。對于典型的磁阻傳感器而言，當(dāng)場強(qiáng)小于4高斯時精度和重復(fù)性最好，所以預(yù)選選定的場強(qiáng)范圍大約為1.0-2.5高斯。對于典型的霍爾效應(yīng)傳感器而言，當(dāng)場強(qiáng)大于30高斯時精度最好，所以預(yù)選選定的場強(qiáng)范圍將大于30高斯。如果在三個單元10a，10b和10c啟動期間三個場矢量大小都落在預(yù)選選定范圍內(nèi)，則系統(tǒng)將采用普通的位置尋找算法計算傳感器18的位置和方向，由此計算出探頭14和導(dǎo)尿管頭16的位置和方向。例如，可以采用在美國專利4,710,708中揭示的一種數(shù)學(xué)方法，該方法通過利用發(fā)射或接收站以及多軸傳感器來定位。所述的該專利作為參考文獻(xiàn)包含在這里。簡而言之，每個分量傳感器20、22和24的分量傳感器信號所代表的局部或傳感器方向X’，Y’和Z’上的場強(qiáng)是線圈總場強(qiáng)(也稱為線圈的磁偶極矩)、某一線圈到傳感器的距離和機(jī)車傳感器旋轉(zhuǎn)角(即局部方向X’，Y’和Z和參考方向X，Y和Z上的線圈系統(tǒng)’之間的角度)的函數(shù)。當(dāng)在三個分立線圈啟動期間收集三個分量傳感器的讀數(shù)并且使分量大小(它們表示為到某一線圈的場坐標(biāo)的函數(shù))相等時，它們構(gòu)成6個未知量的9方程系統(tǒng)(傳感器的X，Y和Z坐標(biāo)和三個轉(zhuǎn)角)。這些方程的推導(dǎo)參見附錄A?？梢圆捎玫椒?例如Marquardt方法)或者Broyden方法(用于非線性方程的過確定系統(tǒng)的最小二乘方解法)來求解該方程系。命令單元隨后提供指示傳感器位置和方向因此也是探頭和導(dǎo)尿管頭的位置和方向的輸出。
如果有一個或多個場強(qiáng)超出預(yù)定范圍，則系統(tǒng)不會計算位置和方向?？刂茊卧?4改變線圈的場強(qiáng)或者場強(qiáng)超出范圍的線圈。例如如果探頭14和傳感器18比較靠近線圈10a，則線圈10a啟動時檢測到的總場強(qiáng)將超出預(yù)定范圍。控制單元34因此將命令線圈驅(qū)動器42在下一啟動循環(huán)期間降低流至線圈10a的電流。相反，如果探頭和傳感器離線圈10c較遠(yuǎn)，則在線圈10c啟動期間缺省電流值下檢測到的場強(qiáng)將小于預(yù)定范圍。因此控制單元將命令線圈驅(qū)動器46在下一循環(huán)期間增加流至線圈10c的電流。線圈驅(qū)動器可以設(shè)計為通過逐步改變電流來逐步改變每個線圈的總場強(qiáng)或者偶極矩。由控制單元所命令的每一次增量或每一次減量可以是一個步驟?？刂茊卧部梢杂嬎阏扔陬A(yù)定范圍內(nèi)偏離目標(biāo)值的總場強(qiáng)的增量或減量。這樣當(dāng)場強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出范圍時可以作較大的改變，而當(dāng)場強(qiáng)接近范圍或落在范圍內(nèi)時作較小的改變。校正過程一直持續(xù)下去直到所有的場強(qiáng)都落在預(yù)定范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)計算位置和方向。在系統(tǒng)找到所尋找場強(qiáng)落在預(yù)定范圍內(nèi)的線圈電流值后，下一啟動循環(huán)就采用這些電流。在操作期間，當(dāng)醫(yī)生用的是導(dǎo)尿管16時，可以改變導(dǎo)尿管頭的位置和探頭14以及傳感器18的位置。任何這樣的改變都可能導(dǎo)致一個或多個場強(qiáng)超出預(yù)定范圍，因此系統(tǒng)將重新調(diào)節(jié)流至線圈的電流。
當(dāng)反饋控制單元重新調(diào)整流至線圈的電流時，改變的電流值被轉(zhuǎn)換為新的單個線圈場強(qiáng)數(shù)值，該數(shù)值被用于前述位置確定方程。系統(tǒng)以這種方式確保傳感器無論放置在線圈10平面上方延伸至預(yù)定區(qū)域的感測空間內(nèi)何處，其都暴露在位于預(yù)定范圍內(nèi)的場強(qiáng)下。感測空間50的精確大小取決于預(yù)定場強(qiáng)大小范圍和線圈驅(qū)動器42、44和46的動態(tài)范圍，即線圈驅(qū)動器的電流改變幅度的廣度。傳感器將從線圈接收預(yù)定場強(qiáng)范圍內(nèi)的磁場，相應(yīng)的感測空間50大小還取決于線圈的位置。但是，對于三個線圈放置在40厘米長等邊三角形頂點(diǎn)的系統(tǒng)來說，感測空間包括從線圈平面向上延伸60厘米左右的區(qū)域。在線圈平面上，感測空間超出線圈圍成的等邊三角形之外20厘米。
在上述描述中，只采用一個傳感器來確定一個物體的位置和方向。但是也可以采用多個物體和多個傳感器。如同在國際申請WO95/09562中所述，可以采用多個基準(zhǔn)標(biāo)記。每個基準(zhǔn)標(biāo)記可以包括傳感器主體52、標(biāo)記53和與傳感器18類型相同并松散地連接至傳感器主體52的傳感器54。放大和轉(zhuǎn)換單元30按照與傳感器18同樣的方式連接至每個附加的傳感器上。每個傳感器的標(biāo)記附著在病人身上，并且可以采用成像方法來獲取病人圖像，這些成像方法(例如磁共振成像、X射線、CAT掃描等)示出了所需的病人身體結(jié)構(gòu)和標(biāo)記53。由此根據(jù)所需的圖像方法選擇便于成像的標(biāo)記。如果是X射線成像，則可以采用輻射不透明物質(zhì)作標(biāo)記；如果是磁共振成像，則標(biāo)記可以是容易引起磁共振并且能與人體組織區(qū)分開來的材料。一般情況下在采用上述導(dǎo)尿管或探頭之前獲取圖像。傳感器54一般不會在成像過程中出現(xiàn)。在成像過程之后，傳感器主體54和基準(zhǔn)標(biāo)記用傳感器附著在標(biāo)記位置的人體上。當(dāng)采用導(dǎo)尿管時，導(dǎo)尿管內(nèi)探頭上的傳感器18的信號與基準(zhǔn)標(biāo)記上傳感器52的信號同時獲得。系統(tǒng)按照確定傳感器18和探頭14相同的方式，利用線圈10的磁場確定傳感器54的位置和方向，因此確定基準(zhǔn)標(biāo)記的位置和方向。獲取的基準(zhǔn)標(biāo)記52的位置和方向可以用來以傳感器18和探頭14的位置和方向數(shù)據(jù)標(biāo)記前面獲取的病人圖像。例如，如果傳感器18和探頭14的位置和方向作為導(dǎo)尿管頭16的圖像顯示在熒光屏上，則也可以顯示出由磁場定位方法確定的基準(zhǔn)標(biāo)記的位置和方向。前面獲取的圖像數(shù)據(jù)可以顯示為病人人體結(jié)構(gòu)圖像，該圖像包括標(biāo)記53的畫面。前面獲取的標(biāo)記53的圖像與通過將一幅或其它圖像進(jìn)行變換的磁場定位方法得到的基準(zhǔn)標(biāo)記一起登記直到前面獲取圖像中的標(biāo)記圖像疊合獲取圖像中的基準(zhǔn)標(biāo)記。這種登記可以通過在視覺匹配顯示圖像時手動調(diào)整圖像顯示系統(tǒng)的輸入來完成，例如上述國際申請所揭示的那樣，或者通過自動完成圖像登記所需的參數(shù)變換和旋轉(zhuǎn)計算完成。這類參數(shù)可以通過使磁定位參考系內(nèi)的三個或多個基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器的位置(圖1的X，Y，Z坐標(biāo))與未知的旋轉(zhuǎn)矩陣(即未知的變換矩陣)修正的圖像參考系內(nèi)標(biāo)記53的位置相等完成計算過程。如附錄B所述，最終的矩陣方程產(chǎn)生非線性方程的過確定系統(tǒng)，該方程包括旋轉(zhuǎn)角和變換距離。當(dāng)圖像經(jīng)過正確的登記之后，導(dǎo)尿管頭的位置就被準(zhǔn)確地顯示在病人體內(nèi)某一位置和方向上。同樣，可以定位更多的基準(zhǔn)標(biāo)記或者更多的醫(yī)學(xué)儀器。
在采用多傳感器(例如傳感器18和54)的系統(tǒng)中，線圈可以在獨(dú)立的循環(huán)內(nèi)工作從而向每個傳感器提供在適于傳感器的場強(qiáng)預(yù)選范圍內(nèi)的磁場。例如控制單元34可以啟動線圈驅(qū)動器42、44和46，由此使線圈10在第一、第二、第三和第四循環(huán)內(nèi)發(fā)射磁場。在第一循環(huán)內(nèi)，獲取的是傳感器18的信號而基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器54的信號被忽略。在第一循環(huán)期間，調(diào)整線圈以在傳感器8處產(chǎn)生位于上述預(yù)選范圍內(nèi)的場強(qiáng)。在第二循環(huán)期間，獲取的是第一基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器54a的信號，傳感器18和其它基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器54b，54c的信號被忽略并且調(diào)整線圈電流以在傳感器54a處提供位于預(yù)選范圍內(nèi)的場強(qiáng)。在第三循環(huán)期間，獲取的是傳感器54b的信號而忽略其它信號；在第四循環(huán)期間，獲取的是傳感器54c的信號而忽略其它信號。循環(huán)可以順序進(jìn)行，整個第一循環(huán)完成之后再開始整個第二循環(huán)。循環(huán)也可以交叉進(jìn)行。例如可以首先啟動線圈驅(qū)動器42以提供適于在第一傳感器18處產(chǎn)生合適的場的電流并依次啟動基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器54a，54b和54c以提供合適的場，隨后以多重啟動方式啟動其它線圈。同樣，如果采用更多的傳感器，則可以采用與傳感器數(shù)量相等的循環(huán)。如果已知某些傳感器互為靠近，或者某些傳感器的數(shù)據(jù)與其它傳感器的數(shù)據(jù)無大的差別，則循環(huán)數(shù)可以小于傳感器數(shù)。由此可以調(diào)整給定循環(huán)內(nèi)所用的電流以提供屬于傳感器預(yù)選范圍內(nèi)的磁場。雖然對于其它傳感器來說場強(qiáng)可能超出了其預(yù)選范圍，但是在該循環(huán)期間還是可以獲取其它傳感器的信號。在某些情況下，一些循環(huán)期間內(nèi)的線圈電流是固定的而其它循環(huán)期間內(nèi)的電流是可以調(diào)節(jié)的。例如如果采用許多基準(zhǔn)標(biāo)記，則當(dāng)從基準(zhǔn)標(biāo)記獲取數(shù)據(jù)時可以利用固定的線圈電流產(chǎn)生磁場來達(dá)到可以接收的登記精度，而當(dāng)數(shù)據(jù)從有源裝置或?qū)蚬艿膫鞲衅鳙@取時，線圈電流可以按照上述方式調(diào)整。
某些傳感器在超過預(yù)定最大值的磁場輻照下會損失精度。例如如果受到超過4高斯的磁場輻照，某些磁阻傳感器會暫時丟失精度。如果在多傳感器系統(tǒng)中采用這種傳感器，則可以采用合適的措施使傳感器避免受到磁場的過度輻照。例如如果傳感器54a靠近線圈10b放置，而傳感器18遠(yuǎn)離線圈10b放置，則在系統(tǒng)調(diào)整線圈10b電流以使其在傳感器18處產(chǎn)生合適的磁場時，傳感器54a可能會受到極高的磁場輻照。為了避免出現(xiàn)這種情況，在要獲取所有循環(huán)期間內(nèi)所有傳感器的數(shù)據(jù)，并且控制單元34可以設(shè)計成當(dāng)需要增加電流時以漸進(jìn)方式在幾個循環(huán)期間內(nèi)增加線圈電流。在特定循環(huán)內(nèi)未用于位置監(jiān)視的傳感器數(shù)據(jù)可以用來在場強(qiáng)達(dá)到不必要的危險水平時禁止電流的進(jìn)一步增加。因此如果系統(tǒng)組件逐步增加線圈10b內(nèi)的線圈電流以在傳感器18處提供合適的磁場，則當(dāng)與第一傳感器18有關(guān)的讀取循環(huán)期間第二傳感器54a處的場強(qiáng)達(dá)到第二傳感器最大水平時，系統(tǒng)停止這樣的電流增加。如果發(fā)生這樣的情況而第一傳感器處的場強(qiáng)仍然低于預(yù)定范圍，則系統(tǒng)可以顯示出錯信息或者試圖根據(jù)超出范圍的傳感器信號計算位置或方向，或者同時采取這兩種措施。如果可以使傳感器恢復(fù)原來的精度，則可以采用名義上無用的傳感器的數(shù)據(jù)來初始化恢復(fù)過程。例如某些磁阻傳感器采用偏置磁場。如果這種傳感器受到過強(qiáng)的磁場輻照，則在過強(qiáng)磁場消失之后，通過調(diào)整傳感器上的偏置磁場可以重設(shè)和恢復(fù)傳感器的精度。命令單元可以設(shè)計成如果傳感器在與另一個傳感器有關(guān)的循環(huán)期間受到過強(qiáng)磁場輻照則啟動該傳感器的重設(shè)過程。
在前述討論中，線圈以時間復(fù)用方式交替驅(qū)動。頻域復(fù)用也是可以采用的。因此每個線圈可以在不同載波頻率的驅(qū)動電流下啟動，并且可以持續(xù)進(jìn)行這樣的啟動。傳感器18的信號將包括以不同載波頻率變化的分量，它可以用模擬或數(shù)字濾波方式濾波加以分開。因此以線圈10a的載波頻率變化的分量傳感器20、22和24的信號可以用來計算線圈10a對總場強(qiáng)的貢獻(xiàn)。其值依次用于觸發(fā)器反饋控制單元34以調(diào)整線圈10a的電流。其它線圈內(nèi)的電流也可以采用隨各載波頻率變化的分量，以相同的方式調(diào)整。頻分復(fù)用方法可以擴(kuò)大到多個傳感器。例如每個線圈可以受多個載波頻率驅(qū)動，載波頻率的數(shù)量等于傳感器的數(shù)量，每個線圈的載波頻率互不相同?？梢詸z測得到以各自的第一載波頻率變化的第一傳感器信號中的分量并由此調(diào)整各第一載波頻率下的線圈電流強(qiáng)度，從而使傳感器18處第一載波頻率下的磁場強(qiáng)度落在所需的范圍內(nèi)。在這一階段，以其它載波頻率變化的分量忽略不計。對于基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器54a來說過程是相反的。這種方法可以推廣到更多數(shù)量的傳感器。而且可以將頻率復(fù)用和時間復(fù)用方法結(jié)合起來。因此每個線圈可以只在一個載波頻率下驅(qū)動。在第一循環(huán)期間，啟動第一傳感器18并監(jiān)視隨所有載波頻率變化的分量。由此調(diào)整線圈電流以使每個載波頻率下的磁場落在所需范圍內(nèi)。在第二循環(huán)期間，采用第二傳感器54a(第一基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器)并且以同樣方式調(diào)整線圈電流，對于其它的基準(zhǔn)標(biāo)記傳感器依此類推。
在進(jìn)一步的變例中，線圈電流以及每個發(fā)射機(jī)的場強(qiáng)可以調(diào)整為使每個分量傳感器檢測得到的場分量落在預(yù)選范圍內(nèi)。在這種系統(tǒng)中，每個線圈分別相對每個分量傳感器進(jìn)行調(diào)整。在第一循環(huán)期間，調(diào)整流向發(fā)射線圈10a的電流使得分量傳感器20的傳感器信號(表示局部X’方向上的場分量大小)落在預(yù)選范圍內(nèi)。在該循環(huán)期間，可不顧其它分量傳感器22和24的信號。在下一循環(huán)期間，重新調(diào)整線圈10a使主要方向上的場分量落在預(yù)選范圍內(nèi)并使Y方向的分量傳感器22的信號落在優(yōu)化范圍內(nèi)。隨后同一線圈10a使局部方向Z’上的場分量落在預(yù)選范圍內(nèi)，并監(jiān)視主要方向分量傳感器24的信號。對于每個其它發(fā)射線圈重復(fù)同樣的操作序列。這種方法可以推廣到多個傳感器，其中的每個傳感器包含多個分量傳感器。系統(tǒng)再次通過每個分量傳感器跟蹤產(chǎn)生磁場的線圈電流的大小。線圈電流在聯(lián)立方程的線圈偶極矩(總場強(qiáng))項中得到了反映。
如果與某一分量傳感器相關(guān)的局部方向是正交或近似正交于某一線圈在傳感器處產(chǎn)生的磁場方向，則不可能使局部方向上的分量落在預(yù)選范圍內(nèi)而不超出線圈驅(qū)動器的電流容量或者產(chǎn)生強(qiáng)度損壞其它傳感器的磁場。但是在本例中，至少有一個其它的分量傳感器將接收屬于預(yù)選范圍內(nèi)的分量。在該變例中，可以在與某一分量傳感器相關(guān)的循環(huán)內(nèi)監(jiān)視所有分量傳感器的信號。線圈上的最大電流是限制在不能使其它不用的分量傳感器在其檢測方向上受過強(qiáng)磁場輻照的水平。
在這種方法的又一個變例中，任何特定方向上場分量的預(yù)選范圍都控制在只包括一個預(yù)選的數(shù)值，比較好的是在某一分量傳感器的精度優(yōu)化范圍內(nèi)。反饋控制系統(tǒng)由此調(diào)整線圈電流直到場分量大小為這樣的一個數(shù)值。位置和方向的計算按照上述方式進(jìn)行。這種變例的優(yōu)點(diǎn)是分量傳感器響應(yīng)的非線性不會影響系統(tǒng)的精度。假定傳感器的某一讀數(shù)對應(yīng)于場分量大小的預(yù)選值，則分量大小與分量大小的其它值的傳感器讀數(shù)之間的線性關(guān)系的偏離不會影響系統(tǒng)的精度。
某些場傳感器具有所謂“離軸敏感性”的性質(zhì)。即當(dāng)存在與軸正交的強(qiáng)的場分量時，變換函數(shù)或者沿著某一分量傳感器的靈敏軸的場分量大小與分量傳感器的讀數(shù)之間的線性關(guān)系將發(fā)生變化。通過利用兩個分量傳感器的讀數(shù)來評估垂直于第三分量傳感器靈敏軸的場強(qiáng)和利用該場強(qiáng)來確定對第三分量傳感器讀數(shù)的校正因子可以校正這種離軸靈敏度。
在上述系統(tǒng)中，當(dāng)線圈受直流驅(qū)動時，放大和轉(zhuǎn)換單元30在電流產(chǎn)生之后以預(yù)選的延遲時間從每個分量傳感器采樣。在該系統(tǒng)的改進(jìn)型中，命令單元根據(jù)某一啟動中施加的電流大小調(diào)整電流產(chǎn)生到采樣之間的時間延遲。在電流產(chǎn)生之后，電流逐漸升高至穩(wěn)態(tài)值，并且總場強(qiáng)或偶極矩等也同樣逐漸增大。改變的磁場在存在于感測空間內(nèi)或附近的導(dǎo)電材料中渦流電流。這些電流感應(yīng)出可能產(chǎn)生錯誤的傳感器讀數(shù)的附加磁場。當(dāng)電磁變化速率隨著磁場達(dá)到穩(wěn)態(tài)值而減小時，渦流電流逐漸消失。延遲時間應(yīng)該足以保證電流升高到接近穩(wěn)態(tài)值和渦流電流耗散掉，從而不會引起可觀的誤差。場強(qiáng)越小，所需的延遲時間也越小。
圖5和6所示的系統(tǒng)與上述討論的除了發(fā)射機(jī)與傳感器的角色互逆以外其它都相似。即在待跟蹤的探頭或物體114上配備包括三個沿互相正交軸放置的小型線圈120、122和124的發(fā)射機(jī)118。這些連接到與圖3所屬相似的控制系統(tǒng)和線圈驅(qū)動器上(未畫出)。固定參考系統(tǒng)具有三個無方向傳感器110a，110b和110c，它們相對病床112固定。傳感器安裝在公共平面內(nèi)。傳感器的公共平面一般在病床的一側(cè)垂直延伸。感測空間150從病床上方分傳感器公共平面向外延伸。
該系統(tǒng)的運(yùn)行方式基本上與上述系統(tǒng)的相似。流倒每個線圈的電流和與線圈相關(guān)的發(fā)射場的偶極矩經(jīng)過調(diào)整使得每個傳感器處傳感器檢測方向上的場分量大小落在預(yù)選范圍內(nèi)。
在不偏離本發(fā)明實質(zhì)的前提下可以對上述特征進(jìn)行各種組合和改進(jìn)。在實例的方式中，圖1的發(fā)射線圈可以如圖5中傳感器所示放置在垂直平面內(nèi)。而且發(fā)射機(jī)和傳感器的數(shù)量可以改變。例如如同在國際申請WO94/04938中所揭示的那樣，系統(tǒng)可以包括一個包含三個互相正交軸的傳感器和在固定參考系內(nèi)具有公共中心的一組三個的正交發(fā)射線圈。系統(tǒng)也可以包括位于待定位物體上的單軸發(fā)射線圈和固定參考系上的三組傳感器，每個這樣的傳感器組包括適于檢測正交方向上磁場的接收線圈或分量傳感器。反過來，采用三組正交發(fā)射線圈和待定位物體上的單軸傳感器的設(shè)計也是可以的。傳感器和發(fā)射機(jī)一般應(yīng)該定義多個發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對，每對包括一個位于物體上的單元和位于固定參考系上的單元。
在進(jìn)一步的改進(jìn)型中，系統(tǒng)調(diào)整發(fā)射機(jī)的輸出以響應(yīng)計算得到的跟蹤物體的位置，而不是直接響應(yīng)分量信號或總場強(qiáng)。這樣系統(tǒng)可以在缺省的電流值下開始運(yùn)行；得出物體位置和方向的初始讀數(shù)并利用這樣開始得到的位置和方向來計算每個線圈所需達(dá)到的設(shè)定值以在傳感器處獲得所需的場強(qiáng)。選擇這種所需的設(shè)定以產(chǎn)生場強(qiáng)在預(yù)選范圍內(nèi)的磁場，這里假定物體的位置和方向可以從初始讀數(shù)中獲得。在下一循環(huán)中，利用所謂的計算得到的線圈電流并重復(fù)該過程。在該方法的改進(jìn)型中，系統(tǒng)可以存儲一張列出物體位置與方向各種組合下合適的線圈電流的查詢表。利用這種初始確定的位置和方向，系統(tǒng)在下一循環(huán)中從所用查詢表檢索出合適的線圈電流值。
在上述實施例中，傳感器與導(dǎo)尿管相連。同樣的系統(tǒng)也可以用于其他醫(yī)療儀器，例如內(nèi)診鏡和手術(shù)器具。系統(tǒng)還可以用來確定除了醫(yī)學(xué)儀器以外的物體的方位。例如可以用來跟蹤計算機(jī)的輸入設(shè)備。
本發(fā)明可以在不偏離其實質(zhì)的前提下作各種改進(jìn)，因此本發(fā)明由后面所附權(quán)利要求限定。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可以用于醫(yī)學(xué)和外科領(lǐng)域以及保健行業(yè)。
附錄A位置和方向的計算假定我們已知操作期間位置固定的場發(fā)生器(發(fā)射機(jī))的物理結(jié)構(gòu)，則傳感器檢測得到的磁場是傳感器位置和方向的函數(shù)。在我們的系統(tǒng)中，場發(fā)生器順序激勵。傳感器(每個探頭3個分量傳感器)所檢測到的場可以用位置X，Y，Z和方向α，β，γ(分別為橫擺角，縱擺角和偏向角)表示為B[傳感器][線圈]＝f[傳感器][線圈](X，Y，Z，α，β，γ)這里[傳感器]表示某一傳感器而[線圈]表示某一發(fā)射機(jī)線圈。
如果線圈起作用時傳感器測量的實際的場為B’[傳感器][線圈]，則理論上B’[傳感器][線圈]＝B[傳感器][線圈]，即B’[傳感器][線圈]-f[傳感器][線圈](X，Y，Z，α，β，γ)＝0.0由于我們有3個傳感器和3個線圈，所以總的方程數(shù)為9而未知量為6(X，Y，Z為探頭的空間位置而α，β，γ為方向)。利用非線性最小二乘方方法，我們可以求出探頭的唯一解X，Y，Z，α，β，γ。
上面所示為算法的總體思路。具體為假定正交X，Y，Z參考坐標(biāo)系(磁場位置的笛卡爾坐標(biāo))用矩陣表示為eI=el11el13el13el21el22el23el31el32el33]]>則探頭的正交系為ep=ep11ep12ep13ep21ep22ep23ep31ep32ep33]]>并且由于探頭上的這三個傳感器可能互相不正交，所以它們的非正交軸表示為en=en11en12en13en21en22en23en31en32en33]]>
后面計算用的變換矩陣T[i][j]可以從下面獲得T[i][j]＝en[i]·ep[j]i，j∈{1，2，3}另外也可以采用的矩陣ortho_ov[i][j]定義為ortho_OV[i][j]＝el[i]·er[j]i，j∈{1，2，3}由于我們用橫擺角(α)，縱擺角(β)，偏向角(γ)定義探頭方向，所以ortho_ov[i][j]可描述為ortho_ov[1][1]＝cos(α)cos(γ)-sin(α)sin(β)sin(γ)ortho_ov[1][2]＝cos(α)sin(γ)-sin(α)sin(β)cos(γ)ortho_ov[1][3]＝-sin(α)cos(β)ortho_ov[2][1]＝-cos(β)sin(γ)ortho_ov[2][2]＝ cos(β)cos(γ)ortho_ov[2][3]＝sin(β)ortho_ov[3][1]＝sin(α) cos(γ)+cos(α)sin(β)sin(γ)ortho_ov[3][2]＝sin(α)sin(γ)-cos(α)sin(β)cos(γ)ortho_ov[3][3]＝cos(α)cos(β)因此通過前面定義的矩陣T與ortho_ov的矩陣乘法可以計算出正交矢量矩陣ov＝T*ortho_OV正交系在傳感器位置產(chǎn)生的沿eT[i]方向的理論磁場可以表示為
f[coil][i](x，y，z，α，β，γ)這里f為已知的函數(shù)，并且包括大小正比于某一線圈內(nèi)電流的偶極矩項。在非正交校正(傳感器不再互相垂直)后，磁場傳感器測量應(yīng)該是B[sensor][coil]=Σl=13f[coil][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor]]]>假定當(dāng)線圈起作用時傳感器檢測得到的實際磁場為B’[傳感器][線圈]，則B’[傳感器][線圈]-B[傳感器][線圈]≈0.0因此待求解的X，Y，Z，α，β，γ的9個方程為B′[sensor1][coil1]-Σl=13f[coil1][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[sensor1]=0.0]]>B′[sensor1][coil2]-Σl=13f[coil2][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor]=0.0]]>B′[sensor1][coil3]-Σl=13f[coil3][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor1]=0.0]]>B′[sensor2][coil1]-Σl=13f[coil1][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor2]=0.0]]>B′[sensor2][coil2]-Σl=13f[coil2][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor2]=0.0]]>B′[sensor2][coil3]-Σl=13f[coil3][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor2]=0.0]]>B′[sensor3][coil1]-Σl=13f[coil1][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor3]=0.0]]>B′[sensor3][coil2]-Σl=13f[coil2][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[i][sensor3]=0.0]]>B′[sensor3][coil3]-Σl=13f[coil3][i](x,y,z,α,β,γ)×ov-1[sensor3]=0.0]]>可以采用眾所周知的非線性最小二乘方方程解法求解上述方程并求出探頭位置x，y，z和方向α，β，γ。
附錄B基準(zhǔn)標(biāo)記的登記假定我們已知圖像數(shù)據(jù)(MR等)坐標(biāo)系中三個基點(diǎn)的坐標(biāo)(圖像坐標(biāo)){(Mx1，My1，Mz1)，(Mx2，My2，Mz2)，(Mx3，My3，Mz3)}并且磁場定位裝置固定參考系X，Y，Z坐標(biāo)系內(nèi)相同的三個基點(diǎn)的坐標(biāo)為{(Px1，Py1，Pz1)，(Px2，Py2，Pz2)，(Px3，Py3，Pz3)}基點(diǎn){(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)}可以通過對{(a1，b1，c1)，(a2，b2，c2)，(a3，b3，c3)}的旋轉(zhuǎn)R和平移T形成。旋轉(zhuǎn)矩陣R為R=RxxRyxRzxRxyRyyRzyRxzRyzRzz]]>這里Rxx＝cos(α)×cos(γ)-sin(α)×sin(β)×sin(γ)Rxy＝cos(α)×sin(γ)+sin(α)×sin(β)cos(γ)Rxz＝-sin(α)×cos(β)Ryr＝-cos(β)×sin(γ)Ryy＝cos(β)×cos(γ)Ryz＝sin(β)Rzx＝sin(α)×cos(γ)+cos(α)×sin(β)×sin(γ)Rzy＝sin(α)×sin(γ)-cos(α)×sin(β)×cos(γ)Rzz＝cos(α)×cos(β)平移矩陣T為T=xyzxyzxyz]]>
圖像位置與磁場定位裝置參考系位置之間的關(guān)系為Mx1My1Mz1Mx2My2Mz2Mx3My3Mz3R+T=Px1Py1Pz1Px2Py2Pz2Px3Py3Pz3]]>或Mx1My1Mz1Mx2My2Mz2Mx3My3Mz3R+T-Px1Py1Pz1Px2Py2Pz2Px3Py3Pz3=000000000]]>這構(gòu)成了9個單一的方程Mx1×Rxx+My1×Rxy+Mz1×Rxz+x-Px1＝0Mx1×Ryx+My1×Ryy+Mz1×Ryz+y-Py1＝0Mx1×Rzx+My1×Rzy+Mz1×Rzz+z-Pz1＝0Mx2×Rxx+My2×Rxy+Mz2×Rxz+x-Px2＝0Mx2×Ryx+My2×Ryy+Mz2×Ryz+y-Py2＝0Mx2×Rzx+My2×Rzy+Mz2×Rzz+z-Pz2＝0Mx3×Rx3+My3×Rxy+Mz3×Rxz+x-Px3＝0Mx3×Ryx+My3×Ryy+Mz3×Ryz+y-Py3＝0Mx3×Rx3+My3×Rzy+Mz3×Rzz+z-Pz3＝06個未知量α，β，γ為旋轉(zhuǎn)角，x，y，z為空間平移量。
登記程序用來通過求解上面9個方程得到旋轉(zhuǎn)角度α，β，γ和空間平移量x，y，z。
登記程序的偽編碼為
登記(){初始化數(shù)據(jù)緩沖器；將基準(zhǔn)參考點(diǎn)分配給圖像數(shù)據(jù)(通常是3個點(diǎn))；初始化磁場定位系統(tǒng)；測量所選基點(diǎn)的1ab位置；采用方程求解方法(非線性最小二乘方)來求解方程(*)，并且尋找旋轉(zhuǎn)角度α，β，γ和空間平移量x，y，z；從α，β，γ形成旋轉(zhuǎn)矩陣并從空間平移量x，y，z形成平移矩陣T；}旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T可以用于下一獲得的位置，包括與導(dǎo)尿管相連的傳感器的位置。
權(quán)利要求
1.一種定位裝置，其特征在于包括(a)場發(fā)生裝置(10)，用來產(chǎn)生多個磁場，每個所述磁場具有根據(jù)已知的變化模式在感測空間內(nèi)(50)隨位置變化的參量，每個所述磁場的所述變化模式互不相同；(b)至少一個傳感器(18)，所述傳感器適于檢測位于所述感測空間內(nèi)未知位置上的傳感器的一個或多個所述參量以提供代表一個或多個所述參量的一個或多個傳感器信號；(c)計算裝置(32)，用來根據(jù)所述傳感器信號和所述已知的場變化模式計算傳感器方位的計算裝置；以及(d)反饋控制裝置(34)，用來為響應(yīng)所述傳感器信號、所述計算位置或者二者而調(diào)節(jié)所述場發(fā)生裝置以改變至少所述場的所述已知場變化模式，由此維持所述傳感器處每個所述變化的場的所述參量在預(yù)選范圍內(nèi)。
2.一種定位裝置，其特征在于包括(a)多個傳感器(110)，適于檢測位于每個傳感器處一個或多個磁場參量以提供代表一個或多個所述參量的一個或多個傳感器信號，所述傳感器位于靠近感測空間(150)的不同位置、方向或者二者都不同的方位；(b)包括至少一個磁場發(fā)射機(jī)(118)的場發(fā)生裝置，所述磁場發(fā)射機(jī)可以在所述感測空間內(nèi)相對未知的位置運(yùn)動并且適于在所述感測空間內(nèi)至少提供一個磁場，從而使每個發(fā)射機(jī)的磁場根據(jù)已知的變化模式隨相對發(fā)射機(jī)的位置變化，由此使所述傳感器信號表示所述至少一個發(fā)射機(jī)的磁場的一個或多個參量；(c)計算裝置(32)，用來根據(jù)所述傳感器信號和所述已知的場變化模式確定至少一個所述發(fā)射機(jī)的計算裝置；以及(d)反饋控制裝置(34)，用來為響應(yīng)所述傳感器信號、所述計算位置或者二者而調(diào)節(jié)所述場發(fā)生裝置以改變至少一個所述場的所述已知場變化模式，由此維持每個所述變化的場的所述參量在預(yù)選范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置在所述感測空間內(nèi)提供直流磁場。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置包括多個線圈(10，120，122，124)和用直流間斷啟動每個所述線圈的裝置(34，42，44，46)，所述反饋控制裝置包括改變每個所述直流大小的裝置，并且所述計算裝置包括在經(jīng)過每個間斷開始啟動之后的延遲時間從傳感器采樣的裝置，所述反饋控制裝置進(jìn)一步包括根據(jù)啟動時施加的電流大小改變每次啟動延遲時間的裝置，從而在所用電流較小時減小延遲時間而在所用電流較大時增加延遲時間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置在所述感測空間內(nèi)提供交流磁場。
6.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于每個所述傳感器在預(yù)選優(yōu)化范圍內(nèi)對于每個所述參量具有最大的精度并且每個所述參量的所述預(yù)選范圍基本上與所述優(yōu)化運(yùn)行范圍對應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于每個所述參量的所述預(yù)選范圍由單個數(shù)值組成，并且所述反饋控制裝置使每個傳感器處的磁場的每個所述參量基本保持在所述單個數(shù)值上。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置包括放置在所述感測空間附近的多個發(fā)射機(jī)(10)。
9.如權(quán)利要求2或8所述的裝置，其特征在于所述發(fā)射機(jī)發(fā)射的磁場強(qiáng)度以rn的幅度減小，r為離發(fā)射機(jī)的距離而n是大于1的數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于每個所述發(fā)射機(jī)輻射的磁場強(qiáng)度基本上等于k/r3的幅度變化，k為實數(shù)，并且所述反饋控制裝置對k進(jìn)行調(diào)整。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括傳感器主體(18)，所述至少一個傳感器包括多個放置在所述傳感器主體上的分量傳感器(20，22，24)，每個所述分量傳感器測量相對傳感器主體的預(yù)選局部方向上的磁場分量大小。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置包括多個靠近所述感測空間的隔開的位置上的發(fā)射機(jī)(10)，所述反饋控制裝置調(diào)整每個所述發(fā)射機(jī)發(fā)射多個磁場從而使每個磁場沿所述分量傳感器局部方向的分量的大小落在預(yù)選范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于每個所述分量傳感器為霍爾效應(yīng)傳感器、磁阻傳感器、磁光傳感器或磁通量閘磁強(qiáng)計。
14.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于每個所述傳感器包括一個線圈而所述場發(fā)生裝置被設(shè)計成在所述感測空間內(nèi)提供交流磁場。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述場發(fā)生裝置包括多個位于參考平面一側(cè)的隔開的位置上的發(fā)射機(jī)并且所述感測空間延伸到所述參考平面的另一側(cè)。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述發(fā)射機(jī)基本上位于共平面內(nèi)。
17.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述多個傳感器位于參考平面一側(cè)隔開的位置上的并且所述感測空間延伸到所述參考平面的另一側(cè)。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述傳感器基本上位于共平面內(nèi)。
19.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述至少一個傳感器包括多個傳感器，并且所述多個傳感器可能受到分量超過預(yù)定閾值的磁場輻照而損壞，所述反饋控制裝置包括控制所述場發(fā)生裝置的裝置以確保傳感器不受分量超過閾值的磁場的輻照。
20.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述至少一個傳感器包括多個傳感器，并且所述多個傳感器可能受到分量超過預(yù)定閾值的磁場輻照而損壞，但是在輻照后經(jīng)過重設(shè)例行程序可以恢復(fù)，所述反饋控制裝置包括輻照后初始化重設(shè)例行程序的裝置。
21.一種檢測參考系內(nèi)物體方位的裝置，其特征在于(a)包括至少一個提供磁場的發(fā)射機(jī)的發(fā)射機(jī)裝置(10)；(b)傳感器裝置(18)，它包括至少一個檢測其位置上的一個或多個場參量并提供一個或多個指示這種參量的傳感器信號的傳感器。所述發(fā)射機(jī)裝置和所述傳感器裝置協(xié)同定義了多個發(fā)射機(jī)-傳感器對，每對包括作為組成單元的一個發(fā)射機(jī)和一個傳感器，每個這樣的對中其中一個單元被放置在物體上而對中另一個單元被放置在所述參考系的已知方位上；(c)根據(jù)所述傳感器信號計算所述物體在所述參考系內(nèi)方位的計算裝置(32)；以及(d)響應(yīng)所述傳感器信號對所述發(fā)射裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)以使所述至少一個傳感器信號保持在預(yù)先選定方位內(nèi)的反饋控制裝置(34)。
22.一種確定物體在參考系內(nèi)方位的方法，其特征在于包括以下步驟(a)提供一個或多個具有相對所述參考系的已知變化模式的磁場；(b)檢測所述物體處所述一個或多個磁場的一個或多個參量以提供指示所述一個或多個參量的一個或多個傳感器信號；(c)根據(jù)所述傳感器信號和所述已知變化模式計算所述物體在所述參考系內(nèi)的方位；(d)響應(yīng)所述傳感器信號、計算得到的方位或者二者而改變所述一個或多個磁場中至少一個的所述已知變化模式以使所述物體處每個這樣改變的所述場參量保持在預(yù)選選定的范圍內(nèi)。
23.一種確定物體在參考系內(nèi)方位的方法，其特征在于包括以下步驟(a)提供一個或多個具有在相對物體的空間內(nèi)的已知變化模式的磁場；(b)檢測在所述參考系內(nèi)方位已知的一個或多個傳感器處的所述一個或多個磁場的一個或多個參量以提供指示所述一個或多個參量的一個或多個傳感器信號；(c)根據(jù)所述傳感器信號和所述一個或多個磁場的所述已知變化模式計算所述物體在所述參考系內(nèi)的方位；(d)響應(yīng)所述傳感器信號、計算得到的方位或者二者而改變所述一個或多個磁場中至少一個的所述已知變化模式以使所述傳感器中至少一個的每個這樣改變的所述場參量保持在預(yù)選選定的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種定位系統(tǒng),它根據(jù)固定參考系內(nèi)的線圈向物體上的傳感器(20,22,24)發(fā)射磁場來確定諸如病人(P)體內(nèi)醫(yī)學(xué)儀器(16)之類的物體的方位。線圈內(nèi)的電流經(jīng)過調(diào)整以確保傳感器接收的場強(qiáng)在預(yù)選范圍內(nèi)而不論物體在空間的位置如何。這保證了傳感器工作在優(yōu)化范圍內(nèi),并且采用小型發(fā)射機(jī)和傳感器。
文檔編號A61B5/06GK1186549SQ96194456
公開日1998年7月1日 申請日期1996年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者D·E·艾克 申請人:巴依奧桑斯股份有限公司