專利名稱：磁定位或磁定向中的誤差檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用磁場來確定物體方位的系統(tǒng)。
探頭可以是磁場源或磁傳感器。如果探頭是源，則利用體外傳感器測量探頭產(chǎn)生的場。如果探頭是傳感器，就利用體外磁源產(chǎn)生被測場。
利用磁場測量確定探頭方位的系統(tǒng)的共有特征是測量磁場是方位的非線性函數(shù)。由于該非線性，就要利用迭代法由測得的磁場值確定探頭的方位。迭代法將推斷出的探頭方位的磁場值與測量值比較。如果被推斷的方位處的磁場值接近測量值，那么推斷出的探頭方位與實際探頭方位也很接近。
該迭代法利用了探頭環(huán)境的物理模型，物理模型規(guī)定了每個場源的方位，電動力學(xué)定律利用規(guī)定的方位確定場值。
發(fā)明概述在第一方面中，本發(fā)明的特征在于檢測探頭方位測定失真的方法。該方法包括測量多個磁場值，由最優(yōu)化函數(shù)極值確定探頭位置和探頭方向之一。該測量值由探頭的方位決定；最優(yōu)化函數(shù)由場測量值和場測量值的模型決定。該方法還包括指示響應(yīng)于屬于預(yù)選集合的極值而指示存在測定失真。
在第二方面中，本發(fā)明的特征在于對探頭進行磁定位的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個磁場傳感器或源、探頭以及配合接收測量值的處理器。探頭的方位影響磁場測量值。處理器由最優(yōu)化函數(shù)值檢測系統(tǒng)故障或場失真。優(yōu)化函數(shù)取決于場測量值與由物理模型預(yù)測的場值之差。
在第三方面中，本發(fā)明的特征在于一種校正方法。該方法包括由磁場測量值建立改變確定探頭方位的失真、確定實際探頭方位并測量取決于該方位的磁場值的條件。該方法還包括找出最優(yōu)化函數(shù)極值并將該極值標記為條件指示值。最優(yōu)化函數(shù)取決于場測量值與從推斷的探頭方位計算出的磁場值之差。
在第四方面中，本發(fā)明的特征在于一種方法。該方法包括測量多個磁場值；評估探頭的方位；為所評估的方位計算磁場值。場測量值是探頭方位的函數(shù)。該方法還包括確定誤差函數(shù)值，所述誤差函數(shù)值取決于場測量值與場計算值之差，并由誤差函數(shù)值判斷是否已經(jīng)發(fā)生了測量值的失真。
在第五方面中，本發(fā)明的特征在于一種存儲計算機可執(zhí)行的用以執(zhí)行上述方法之一的指令程序的程序存儲裝置。
由說明書、附圖和權(quán)利要求將使本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點更加清楚。
詳細描述磁定位測量系統(tǒng)

圖1是利用磁場測量尋找可移動探頭12的方位的系統(tǒng)10的示意圖?？梢苿犹筋^12被定位于一容積14內(nèi)，例如內(nèi)科病人的體內(nèi)。系統(tǒng)10還包括多個場源15-20，例如很小的感應(yīng)線圈，這些場源位于容積14的外部。在其它實施例中還可將場源15-20設(shè)置在容積14周圍，而在容積14內(nèi)設(shè)置探頭12。場源15-20由磁場發(fā)生模塊22驅(qū)動，這些模塊例如交流電源或直流電源。
圖2是系統(tǒng)10的側(cè)視圖，以三維方式表示場源15-20和探頭12的方位。每個場源15-20位于正四面體24一邊的中心。將場源15-20的方位確定為使其內(nèi)部磁矩“m”與四面體24的邊平行。探頭12位于四面體24外部，其方向由測量局部磁場值的傳感器13的法線方向“n”限定。傳感器13可包括單個線圈、多個線圈、霍爾傳感器或磁通選通傳感器，它們能測量磁場通量或磁場差異。
每個源15-20還包括單個或多個磁場線圈。對于具有單個線圈的源15-20，容積14內(nèi)的磁場是偶極場。對于具有多個線圈的源15-20，容積14中的磁場為極數(shù)更高的多極磁場。在一個實施例中，每個源15-20使用兩個法向矢量反向平行的同樣的線圈。該源在容積14內(nèi)產(chǎn)生四極磁場。四極場的空間變量大于偶極場空間變量，因此對于定位探頭12來說四極場更方便。
其它實施例可以使用主要產(chǎn)生極數(shù)更高的多極磁場的場源15-20。
其它實施例可以使用不同數(shù)量的場源15-20，或者有差別地對場源15-20定位和取向。
參照圖1和圖2，來自源15-20的磁場在探頭的內(nèi)部傳感器線圈13內(nèi)感應(yīng)電動勢(EMF)。用與探頭12相連的電子模塊26測量該EMF。通過測量EMF，電子模塊26測量出探頭方位12處的局部磁場值。電子模塊26還能識別產(chǎn)生每個測量EMF的各個源15-20。
在一個實施例中，利用測量計時信息識別產(chǎn)生測量場的源15-20。該實施例中，場發(fā)生模塊22瞬時將能量多路傳輸給不同的場源15-20，并向電子模塊26傳達計時信息。
在另一實施例中，場發(fā)生模塊22以不同頻率驅(qū)動每個場源15-20。為了識別測量場的具體源15-20，電子模塊26或計算機28將探頭線圈13的測量EMF分解成頻率成分，測量場的頻率成分與各個場源15-20是相匹配的。
在任一實施例中，電子模塊26輸出幾個與各場源15-20對應(yīng)的測量磁場B1measured到B6medsured。測得的磁場值B1medsured到B6measured取決于探頭線圈13的三維方位。
電子模塊26將場測量值發(fā)送給計算機28。計算機28利用場測量值通過將其與來自下面要描述的物理模型的磁場值作比較米確定探頭的方位。
物理模型是一組物理方程，它作為幾個參量的函數(shù)能確定探頭12測得的磁通量。所述參數(shù)包括場源15-20的位置、方向以及磁矩；探頭12的位置、方向和靈敏度；以及電子模塊26的特性。矢量(x，y，z)和一對角度(，θ)規(guī)定探頭12的傳感器線圈13的三維方位。如果探頭12具有多個非共線線圈，那么參數(shù)可以包括限定探頭12的旋轉(zhuǎn)方面的另一角度參數(shù)ψ。
模型可以將每個源描述為多磁極的，由此傳感器線圈13測量的場是相關(guān)的多磁極場，例如偶極或四極場。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知曉描述偶極磁場或四極磁場的物理模型。多極場值取決于每個源15-20的位置、方向和磁矩“m”。磁通量的測量值取決于傳感器線圈13相對場源15-20的位置、尺寸和方向。
物理模型還基于下面有關(guān)容積14周圍附近的假設(shè)。例如，模型為每個場源15-20的方位假定了預(yù)選值，并且沒有其它源或場失真物體。例如沒有其他源或場失真物體。場失真物體30、32例如倒替或新場源的出現(xiàn)會使場值的模型預(yù)測失效。當(dāng)然，因為傳感線圈13測量時間變化磁場，因此能夠消除恒背景場效應(yīng)。
圖3表示利用磁性測量值尋找可移動探頭42的方位的另一系統(tǒng)40。在該系統(tǒng)40中，場傳感器和源的角色互換。位于觀察容積44內(nèi)的可移動探頭42是磁場源，例如它是時間相關(guān)或時間多元場，外部場傳感器45-50測量探頭42產(chǎn)生的磁場。探頭42與場發(fā)生模塊51例如電壓源相連。場傳感器45-50位于四面體41的棱上，通過感應(yīng)EMF測量磁場或磁場梯度。每個傳感器45-50具有一個或多個被定位成能從不同方向測量場的磁場傳感器。每個傳感器45-50具有被它的一個和多個內(nèi)部磁場傳感器方向固定的方向“p”。
在另一傳感器中，傳感器45-50的位置、方向和數(shù)量可以不同。
電子模塊52監(jiān)視各場傳感器45-50的EMF。電子模塊52測量感應(yīng)EMF以尋找磁場值。場測量值被發(fā)送給計算機54，計算機利用磁場測量值計算探頭42的方位。
參照圖1-3，系統(tǒng)10和40都測量一組磁通量來獲得一組磁場測量值{Bimeasured}。該組場測量值{Bimeasured}帶有標志“i”，用于區(qū)分與探頭方位相關(guān)的不同場測量值。對于系統(tǒng)10和40來說，標志“i”有六個值，但其它實施例可以測量不同數(shù)量的磁場值。
從測量磁通量獲得的該組場測量值{Bimeasured}還具有對探頭的三維方位的非線性相關(guān)性。探頭的方位分別由矢量(x，y，z)和一對方位和極化角(，θ)限定。用“測得”的場相關(guān)性的物理模型，系統(tǒng)10、40能通過迭代法由相關(guān)組的場測量值{Bimeasured}確定探頭方位。
物理模型描述了場傳感器[s]范圍內(nèi)、例如圖1和3中示出的容積14和44內(nèi)的預(yù)選的磁環(huán)境。預(yù)選的磁性環(huán)境可以包括或不包括附近導(dǎo)體即物體30和32的作用。如果預(yù)選環(huán)境與實際環(huán)境不同，模型將預(yù)測出不正確的磁場值。實際環(huán)境由于存在場失真物體30、32而有所不同。場失真物體30、32包括支持渦流的導(dǎo)體，例如手術(shù)鉗、鐵磁材料、有源磁場源。這些物體的存在能使探頭方位的磁測定無效。
由于模塊22、26、51、52或計算機28、54中的硬件或軟件故障，迭代法也會產(chǎn)生不正確的探頭方位。
失真條件的存在對于系統(tǒng)10、40的使用者來說并不明顯。用戶可能對磁性定位系統(tǒng)的物理原理不熟悉，例如用戶是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)生。為了避免技術(shù)不熟悉的用戶出錯，每個系統(tǒng)10、40要檢測有關(guān)潛在測量失真條件的出現(xiàn)，并例如通過利用視頻監(jiān)視器閃爍信息或通過聲音報警信號將上述信息警告給用戶。
圖4表示用于確定探頭方位的迭代法60的流程圖。該方法60利用磁場測量值{Bimeasured}針對探頭方位的確定。方法60由磁場測量值確定圖1-2的探頭12或圖3的探頭42中任何一個的方位。
方法60接收對探頭方位的原始推斷(步驟62)，原始推斷是定義探頭方位的(x，y，z；，θ)參數(shù)空間的預(yù)選點，該原始推斷是探頭方位的第一接受推斷，該方法由最后接受的推斷作出對探頭方位的新推斷(步驟64)。
用一個程序從最后接受的推斷中找到對探頭方位的每個新推斷。該程序可以使用Levenberg-Marquardt法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬熟練法法、遺傳運算法或者單向法。
Levenberg-Marquardt法作為一種迭代法用于尋找一組測量值與從預(yù)選非線性模型方程獲得的一組值之間的最佳配合對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是公知的。W.H.Press等人在Cambridge University Press1992的“Numerical Recipes in Cthe Art of Scientific Computing”中描述了Levenberg Marquardt法。
在此，模型方程是一組物理方程Bi＝Bi(x，y，z；，θ)，以探頭方位坐標(x，y，z；，θ)的形式定義磁場值Bi。模型方程源于電動力學(xué)物理定律。在一個實施例中，模型方程將每個場源的磁場描述成偶磁極或四磁極。
Levenberg-Marquardt程序通過迭代設(shè)法尋找磁場測量值B1measured與由物理模型方程預(yù)測的磁場值Bi之間的最佳配合。第N次被接受的匹配推斷與探頭方位坐標(xN，yN，zN；N，θN)相關(guān)。Levenberg-Marquardt法利用這些坐標和物理模型方程產(chǎn)生第(N+1)次匹配推斷Bi以及相關(guān)的方位坐標(xN+1，yN+1，zN+1；N+1，θN+1)。該第(N+1)次推斷的Levenberg-Marquardt方程包括場Bi的值和根據(jù)第N次被接受的匹配推斷估算的場Bi的推導(dǎo)。Levenberg-Marquard法提供迅速產(chǎn)生場測量值Bimeasured和從非線性模型方程獲得的場值Bi之間的最佳匹配的新推斷。
方法60評估探頭方位的每個新推斷的品質(zhì)。為了確定品質(zhì)，方法60計算與探頭方位的新推斷相對應(yīng)的新磁場值，即第(N+1)次推斷的Binew＝Bi(xN+1，yN+1，zN+1；N+1，θN+1)(步驟66)。方法60利用磁場計算值和磁場測量值評估最優(yōu)化函數(shù)(步驟68)。因為最優(yōu)化函數(shù)對場測量值和場計算值之差很靈敏，因此它還被稱為誤差函數(shù)。最優(yōu)化函數(shù)的全局極值為探頭的方位定義出“最佳”推斷。
一個實施例利用最小平方和即x2作為最優(yōu)化函數(shù)，最小平方和的極值是最小值。與第N次推斷有關(guān)的磁場最小平方和x2(N)的值為以下形式x2(N)＝∑i〔Bimeasured-Bi(xN，yN，zN；N，θN)〕2/σi2總和加到所獲得的單個探頭方位的場測量值集合Bimeasured中的“i”項。σi是與測量值Bimeasured有關(guān)的誤差。
方法60判斷新推斷的最優(yōu)化函數(shù)值是否比最后被接受的推斷值更接近極值處的函數(shù)值(步驟70)。對于最小平方和來說，極值是最小值，如果x2(N+1)＜x2(N)，新值就更接近最小值。如果新推斷的優(yōu)化函數(shù)值接近極值，方法60就接受對探頭方位的新推斷(步驟72)。如果新推斷的最優(yōu)化函數(shù)值離極值更遠，例如x2(N+1)＞x2(N)，方法60就拒絕新推斷(步驟74)。在接受或拒絕了對探頭方位的新推斷后，方法60為執(zhí)行迭代的次數(shù)增加一個計數(shù)(步驟76)。然后，方法60循環(huán)返回78尋找探頭方位的更好的新推斷。
方法60輸出最后接受的探頭方位推斷和已執(zhí)行過的迭代次數(shù)計數(shù)。某些實施例中，方法60在報告被接受的探頭方位之前執(zhí)行預(yù)選次數(shù)的迭代循環(huán)尋找更好的推斷。這產(chǎn)生了更接近最優(yōu)化函數(shù)極值的相關(guān)值的報告推斷。
圖5是利用磁場測量確定探頭方位的方法80的流程圖。方法80為探頭的方位提供初始推斷(步驟82)。初始推斷可以是預(yù)選的固定值或在探頭方位的(x，y，z；，θ)空間內(nèi)隨機選取的點。對于選定的初始點，方法80執(zhí)行圖4的迭代法60以獲得對探頭方位的“更好”推斷(步驟84)?！案谩蓖茢嘁赃x定的初始推斷和磁場測量值為基礎(chǔ)。方法80執(zhí)行若干次方法60的迭代循環(huán)，從而獲得“更好”推斷，該推斷更接近方法60中使用的最優(yōu)化函數(shù)的極值。最優(yōu)化法60提供了最優(yōu)化函數(shù)值例如x2函數(shù)值和循環(huán)計數(shù)，所述循環(huán)計數(shù)表示為獲得“更好”推斷而執(zhí)行的迭代次數(shù)。
最優(yōu)化函數(shù)值提供了有關(guān)對探頭方位的更好推斷的可靠性的數(shù)據(jù)。隨機測量誤差使最優(yōu)化函數(shù)值落到某一概率分布函數(shù)上，所述概率分布函數(shù)的形式與磁場測量的物理方程無關(guān)。對于最小平方和來說，概率分布函數(shù)是公知的x2分布。系統(tǒng)測量誤差也會影響最優(yōu)化函數(shù)值。
最優(yōu)化函數(shù)的極值可以是最大或最小，并能分成若干類。極值可以是局部極值和全局極值。可通過最優(yōu)化函數(shù)的關(guān)聯(lián)值分辯局部極值與全局極值。對于最小平方和，全局最小值處的最優(yōu)化函數(shù)值小于局部最小值處的函數(shù)值。由此，全局最小值和局部最小值與相應(yīng)的最小平方和低值和高值相關(guān)。
極值還對應(yīng)于磁場測量是失真或不失真的情況。對于最小平方和，不失真測量時全局最小值處的最優(yōu)化函數(shù)值小于失真測量時全局最小值處的最優(yōu)化函數(shù)值。另外，失真測量時全局最小值處的最優(yōu)化函數(shù)值小于局部最小值處的最優(yōu)化函數(shù)值。
于是，極值處的最優(yōu)化函數(shù)值帶有有關(guān)用方法60獲得的探頭方位評估的信息，該信息能夠判斷是否存在隨機誤差或系統(tǒng)誤差。極值處最小平方和的值通常是有規(guī)律的，最小值對應(yīng)于場測量沒有失真情況下的全局最小值，中間值對應(yīng)于場測量存在失真情況下的全局最小值。最高值對應(yīng)于錯誤和局部最小，此時對探頭方位的評估不可信。
在磁場發(fā)生、磁場測量、磁場測量采集或場測量處理時會出現(xiàn)失真。磁場發(fā)生時的失真是由于例如源15-50或探頭42的場源故障或例如模塊22或51的場發(fā)生模塊故障產(chǎn)生的。磁場測量失真是由于在測量系統(tǒng)附近出現(xiàn)能使時間變化的磁場產(chǎn)生失真的導(dǎo)體或鐵磁體所致。磁場測量采集或處理時的失真是由于例如圖1和3中所示的電子模塊26、53或計算機28、54中的硬件或軟件出現(xiàn)故障所致。
在執(zhí)行方法80以前，要進行校正以便對最優(yōu)化函數(shù)的極值進行歸類。校正將最優(yōu)化函數(shù)的極值分成三個或更多集合Sio一個集合SG-XD對應(yīng)于場測量和場測量處理不失真時的最優(yōu)化函數(shù)的真全局極值。另一集合SL對應(yīng)于錯誤或最優(yōu)化函數(shù)的局部極值。第三集合SG-D對應(yīng)于場測量和場測量處理失真時的最優(yōu)化函數(shù)的真全局極值。
可由集合SG-ND、SL和SG-D通過集交叉和結(jié)合操作形成新的集合。一個集合SND包括僅與場測量和場測量處理不失真時的最優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的函數(shù)值。該集合是SND＝SG-ND-(SL∪SG-D)。另一集合SD包括僅與場測量或場測量處理失真時的最優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的函數(shù)值。該集合用SD＝SG-D(SL∪SG-ND)定義。另一集合SL0包括僅與錯誤或最優(yōu)化函數(shù)局部極值相關(guān)的函數(shù)值。該集合用SLO＝SL-(SG-ND∪SG-0)定義。最后，集合SN-D包括僅與最優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的最優(yōu)化函數(shù)值。對于SND-D中的值，場測量或場測量處理可以失真或不失真。該集合用SND-D＝SG-ND∪G-D定義。
在各個實施例中，上述某些集合Si可以是空集。
再次參照圖5，方法80用最優(yōu)化函數(shù)值的校正分類對用迭代法60找到的極值進行分類。方法80判斷每個極值處的最優(yōu)化函數(shù)值是否僅對應(yīng)于不失真的全局最小值(步驟86)，即值是否屬于SND-D。如果值屬于SND-D，方法80就將對探頭方位的相關(guān)“更好”推斷登記為探頭方位(步驟88)。例如，可在計算機顯示屏上顯示出坐標(x，y，z；，θ)的“更好”推斷，以作為對探頭方位的最后評估供用戶觀察。
方法80判斷“更好”推斷的最優(yōu)化函數(shù)值是否對應(yīng)于出現(xiàn)失真時的全局極值(步驟90)，即該值是否屬于集合SG-D。如果該值屬于SG-D，方法80就向用戶提出警告(步驟92)，另外還登記探頭方位的新推斷以供觀察者觀察(步驟88)。例如，警告可以是供用戶聽或看的聲音信號或計算機顯示器上的閃爍信號。
方法80還判斷最優(yōu)化函數(shù)值是否對應(yīng)于局部極值，即該值是否屬于集合SL(步驟94)。如果值屬于SND-D，方法80就判斷循環(huán)計數(shù)(LC)是否大于預(yù)選的超時值(LCmax)(步驟96)。如果LC＞LCmax，方法80就產(chǎn)生超時警告(步驟98)。如果LC＜＝LC最大，方法80就循環(huán)返回99，產(chǎn)生對探頭方位的更好新推斷，即忽略當(dāng)前的新推斷。在循環(huán)返回99時，方法80例如通過在探頭的(x，y，z；，θ)坐標空間內(nèi)隨機選擇新點為探頭方位選擇新的初始值。選擇新初始推斷以便使方法60接著產(chǎn)生“全局”極值的更好推斷的其它方法對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是公知的。
在某些實施例中，方法80在產(chǎn)生存在失真的警告后設(shè)法獲得對探頭方位的更好推斷。例如，如果場測量的次數(shù)大于參數(shù)數(shù)加1，方法80就通過放棄一個場測量值Bimeasured并重復(fù)方法80來產(chǎn)生更好的推斷。如果失真僅影響到放棄的場值，則放棄該失真值將產(chǎn)生通過方法80對探頭方位的更好評估。由于在一個場傳感器附近出現(xiàn)導(dǎo)體或由于一個傳感器中的硬件故障，就會使一個場測量失真。
方法80的一些實施例以不同方式處理屬于集合SG-ND、SL和SG-D中的一個以上集合的重復(fù)極值。對于既在SL中又在SG-D中的極值，該方法給出警告(步驟90)，指示所推斷的探頭方位(步驟88)，并通過為探頭方位的新初始推斷重復(fù)步驟82和84來設(shè)法尋找不重復(fù)的極值。對于屬于SL-SLO的極值，該方法產(chǎn)生將該極值確定為重復(fù)的警告，然后重新為探頭方位選擇初始推斷，并重新執(zhí)行方法60，以試圖找到不屬于SL-SLO的值。當(dāng)然，諸如SL-SLO的重復(fù)子集也可以是空集。
磁定位系統(tǒng)的校正圖6是找出極值處的最優(yōu)化函數(shù)值以確定集合SG-ND與SL的從屬關(guān)系的校正方法100的流程圖。如果圖4的迭代法產(chǎn)生了真全局極值，通過方法60找到的探頭方位就會與探頭的實際方位緊密相符。如果圖4的迭代法產(chǎn)生錯誤或最優(yōu)化函數(shù)的局部極值，那么方法60找到的探頭方位就不能與探頭的實際方位緊密相符。
為了實施校正，方法100將探頭定位于選定方位(步驟102)。在校正過程中，探頭安裝在能進行移動以便將已選定了方位的探頭定位的機械定位架(未示出)上。機械定位架由不會使磁場失真的材料制成，并提供對選定的探頭實際位置和方向分開的測量。分開測量可以是光學(xué)測量或機械測量。方法100測量對應(yīng)于選定探頭方位的一組磁場值(步驟104)。
方法100為最優(yōu)化方法60選擇探頭方位的初始推斷(步驟106)。方法100由場測量值和初始推斷執(zhí)行圖4的迭代優(yōu)化程序60，以獲得探頭方位的更好推斷值(步驟108)。最優(yōu)化程序60還提供與探頭方位的更好推斷相對應(yīng)并且是極值處的最優(yōu)化函數(shù)值的最優(yōu)化函數(shù)值。
方法100將探頭方位的更好推斷與其實際坐標進行比較，以判斷這兩個坐標是否都對應(yīng)于接近點(步驟110)。如果探頭坐標的更好推斷(xN，yN，zN；N，θN)與實際值(x，y，z；，θ)彼此分量對分量地落在預(yù)選范圍內(nèi)，則這些值是接近的。如果更好推斷與實際坐標接近，方法100就將最優(yōu)化函數(shù)的對應(yīng)值標記為屬于SG-ND的值(步驟112)。如果更好推斷與實際探頭坐標不接近，方法100就將最優(yōu)化函數(shù)的對應(yīng)值標記為屬于SL的值(步驟114)。
為了對每個極值處的最優(yōu)化函數(shù)值進行分類，方法100返回116并對探頭方位的其它初始推斷重復(fù)步驟106-114。例如，通過在(x，y，z；，θ)空間內(nèi)隨機選取點，這些不同初始推斷的重復(fù)操作均勻地覆蓋了可能的探頭坐標的整個(x，y，z；，θ)空間。
方法100還為其它實際探頭方位的選擇重復(fù)極值處最優(yōu)化函數(shù)值的分類。例如，這些對其它實際探頭方位的重復(fù)操作利用隨機選取的點均勻地覆蓋了參數(shù)空間(x，y，z；，θ)的代表性部分。該代表性部分可以是通過對稱旋轉(zhuǎn)與一部分空間相關(guān)的整個空間(x，y，z；，θ)的另一部分。
這些重復(fù)可以產(chǎn)生屬于SG-ND和/或SL的最優(yōu)化函數(shù)值的不同極值。對于最小平方和，最優(yōu)化函數(shù)在全局最小值即有或沒有測量失真處的值小于局部最小處的值。
圖7是用于找出屬于SG-D的最優(yōu)化函數(shù)值的校正方法120的流程圖。SG-D的值對應(yīng)于失真影響到圖4的方法60時產(chǎn)生的最優(yōu)化函數(shù)極值。對于影響磁場測量或磁場測量處理的每種失真，可以分開執(zhí)行方法120。失真可由附近導(dǎo)體或鐵磁物體、附近場源、傳感器硬件故障、場源硬件/軟件故障和/或軟件測量處理故障引起。
方法120以物理方式為系統(tǒng)10或40創(chuàng)設(shè)選定的失真類型(步驟122)。例如，失真創(chuàng)設(shè)包括如圖1所示將一對導(dǎo)電剪置于容積14內(nèi)或使電子模塊16內(nèi)的硬件發(fā)生故障。在建立了失真條件后，方法120利用機械定位架將探頭定位，同時接收探頭的實際方位值(步驟124)。該方法還測量磁場值Bi’，這些磁場值取決于探頭的實際方位(步驟126)。方法120還為探頭的方位選擇初始推斷(步驟128)。
方法120利用圖4的迭代法由場測量值和所選擇的初始推斷獲得對探頭方位的更好推斷(步驟130)。迭代法60返回與每個更好推斷對應(yīng)的最優(yōu)化函數(shù)的相關(guān)極值。方法120判斷新值是否優(yōu)于其它的最優(yōu)化函數(shù)極值(步驟132)，這些極值是由對探頭方位的不同初始推斷產(chǎn)生的。對于最小平方和來說，最佳極值是最小值。
如果新值優(yōu)于與早期接受的推斷相關(guān)的值，方法120就將該新值標記為全局極值處的最優(yōu)化函數(shù)值，即標記為SG-D的元素(步驟134)。屬于SG-D的最優(yōu)化函數(shù)值指示出現(xiàn)失真。如果新值不能優(yōu)于與早期被接受的推斷相關(guān)的最優(yōu)化函數(shù)值，方法120就忽略新值，將其作為與錯誤或與局部極值對應(yīng)的值(步驟136)。在完成了極值分類后，方法120返回138、140，通過為探頭方位選擇不同的初始推斷，重復(fù)尋找其它極值處的最優(yōu)化函數(shù)值。探頭方位的各種初始推斷的最佳極值提供SG-D中的值。
另外該方法還重復(fù)尋找SG-D中不同的探頭實際方位的最優(yōu)化函數(shù)值。對于每個實際方向和位置，都可產(chǎn)生SG-D中的最優(yōu)化函數(shù)極值。類似地，失真物體例如圖1的物體30、32的不同位置產(chǎn)生不同的最優(yōu)化函數(shù)極值，這些值都屬于SG-D。
在某些實施例中，不同類型失真的最優(yōu)化函數(shù)極值也是可以分辨的。這些可分辨的極值落在不同范圍內(nèi)。在這些實施例中，對于不同類型的失真要分開執(zhí)行校正方法120，以獲得每種單獨失真類型的最優(yōu)化函數(shù)極值范圍。圖5的方法80利用極值對失真類型進行分類，例如硬件故障、軟件故障或附近導(dǎo)體。
圖8表示由磁場測量確定探頭方位并指示測定出現(xiàn)失真的計算機142。計算機142可以是圖1的計算機28或圖3的計算機54的實施例。
計算機142從與電子模塊146的輸出相連的線路144接收有關(guān)磁場測量值的數(shù)據(jù)。模塊146分別是圖1和圖3的模塊26或模塊52。計算機142根據(jù)圖4和5的方法60和80處理數(shù)據(jù)，確定探頭方位，并確定測定有無失真。計算機142將測定結(jié)果顯示在顯示屏148上。
計算機142具有用于存儲可執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)的有源存儲媒體150和用于從存儲媒體154例如磁盤或光盤讀取可執(zhí)行程序的驅(qū)動器152。媒體150、152能夠存儲方法60和80的供計算機142執(zhí)行的指令程序。
其它實施例都在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測探頭方位測定中的失真的方法，其包括測量多個磁場值，該測量值取決于探頭位置和探頭方向；由最優(yōu)化函數(shù)極值確定探頭位置和探頭方向之一，所述函數(shù)取決于場測量值與來自模型的場值之差；以及響應(yīng)于屬于與出現(xiàn)失真相關(guān)的預(yù)選值范圍的極值而指示存在測定失真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括響應(yīng)屬于另一預(yù)選值范圍的極值而為探頭位置和探頭方向之一提供預(yù)測值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，響應(yīng)于極值與函數(shù)的全局極值不對應(yīng)而重新進行確定以尋找另一極值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于預(yù)選值范圍對應(yīng)于函數(shù)的全局極值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定過程包括推斷探頭的方位；由模型計算與推斷的方位相關(guān)的磁場值；以及由計算值和測量值評估新的最優(yōu)化函數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進一步包括響應(yīng)新值比早期的函數(shù)計算值離函數(shù)極值更遠而拒絕所推斷的方位。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于最優(yōu)化函數(shù)是場測量值和場計算值的最小平方和。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于另一預(yù)選范圍對應(yīng)于最優(yōu)化函數(shù)的全局最小值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于預(yù)選范圍包括與最小平方函數(shù)的全局最小值對應(yīng)的值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于指示行為響應(yīng)于由于附近導(dǎo)體導(dǎo)致測量磁場出現(xiàn)無源失真。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于指示行為響應(yīng)于由于附近場源導(dǎo)致測量磁場出現(xiàn)有源失真。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于指示行為響應(yīng)于用于處理來自場傳感器的數(shù)據(jù)的硬件和軟件之一出現(xiàn)故障。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于指示行為響應(yīng)于控制場源的硬件和軟件之一出現(xiàn)故障。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括放棄一個場測量值；以及響應(yīng)于發(fā)現(xiàn)存在失真而由剩余的場測量值重新確定探頭位置和探頭方向之一。
15.一種磁定位探頭的系統(tǒng)，包括多個磁場傳感器和多個磁場源之一；其方位影響磁場測量值的探頭；以及配合接收磁場測量值和通過評估最優(yōu)化函數(shù)檢測系統(tǒng)故障和場失真之一的處理器；所述最優(yōu)化函數(shù)取決于場測量值與由物理模型預(yù)測的場值之差。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于處理器由場測量值確定探頭位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于處理器尋找最優(yōu)化函數(shù)的極值。
18.一種校正方法，包括建立由測量場確定探頭方位的失真的條件；確定實際的探頭方位；測量取決于方位的磁場值；尋找最優(yōu)化函數(shù)的極值，所述最優(yōu)化函數(shù)取決于場測量值與根據(jù)模型和推斷的探頭方位計算出的場值之差；以及將極值標記為條件表示值。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括響應(yīng)極值是局部極值而拒絕該極值。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于尋找包括選擇探頭方位的初始推斷；由模型計算出與初始推斷相關(guān)的磁場值；以及由磁場計算值和磁場測量值評估最優(yōu)化函數(shù)新值。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于條件是電子模塊和軟件之一出現(xiàn)故障，所述軟件處理有關(guān)從一個或多個場傳感器接收的磁場值的數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于條件是出現(xiàn)了非來自模型的磁場源。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于條件是出現(xiàn)了導(dǎo)體和鐵磁體之一。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括對第二種類型的條件重復(fù)建立條件、確定、測量、尋找和標記的行為。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于標記行為區(qū)分有關(guān)極值的至少兩種條件。
26.一種存儲計算機可執(zhí)行指令的程序存儲媒體，所述指令讓計算機接收代表取決于探頭方位的磁場測量值的數(shù)據(jù)；由最優(yōu)化函數(shù)的極值確定探頭位置和探頭方向之一，所述函數(shù)取決于場測量值與來自模型的場值之差；以及響應(yīng)極值屬于與存在失真相關(guān)的預(yù)選范圍而指示出現(xiàn)測定失真。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的媒體，指令還讓計算機響應(yīng)極值屬于另一預(yù)選值范圍而為探頭位置和探頭方向之一提供預(yù)測值。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的媒體，指令進一步讓計算機響應(yīng)在先找到的極值與最優(yōu)化函數(shù)全局極值不對應(yīng)而尋找函數(shù)的另一極值。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的媒體，其特征在于預(yù)選集合的值對應(yīng)于函數(shù)的全局極值。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的媒體，其特征在于確定指令讓計算機推斷探頭的方位；由模型計算與推斷方位相關(guān)的磁場值；以及由計算值和測量值計算最優(yōu)化函數(shù)的新值。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的媒體，指令進一步讓計算機響應(yīng)新值比早期的函數(shù)計算值離函數(shù)極值更遠而拒絕推斷的方位。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的媒體，其特征在于最優(yōu)化函數(shù)是場測量值與場計算值的最小平方和。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的媒體，其特征在于另一預(yù)選范圍對應(yīng)于最小平方函數(shù)的全局最小值。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的媒體，其特征在于預(yù)選范圍包括與最優(yōu)化函數(shù)的全局極值對應(yīng)的值。
35.根據(jù)權(quán)利要求26所述的媒體，其特征在于讓計算機指示響應(yīng)出現(xiàn)了由附近導(dǎo)體引起的測量磁場失真。
36.根據(jù)權(quán)利要求26所述的媒體，其特征在于讓計算機指示響應(yīng)處理來自場傳感器的數(shù)據(jù)的硬件和軟件之一出現(xiàn)故障。
37.一種方法，其包括測量多個磁場值，這些磁場值是探頭方位的函數(shù)；評估探頭的方位；計算被評估的方位的磁場值；計算誤差函數(shù)值，該函數(shù)值取決于場測量值與場計算值之差；以及由誤差函數(shù)值確定是否已經(jīng)發(fā)生測量值失真。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于誤差函數(shù)值與誤差函數(shù)的極值相關(guān)聯(lián)。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，進一步包括響應(yīng)誤差函數(shù)值與全局極值對應(yīng)而指示所評估的位置是探頭位置。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于誤差函數(shù)是最小平方和。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于確定行為響應(yīng)于由導(dǎo)體與鐵磁體之一引起場失真。
42.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于確定行為響應(yīng)于場源、場傳感器、以及處理來自傳感器的數(shù)據(jù)的裝置發(fā)生故障。
43.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，進一步包括放棄一個場測量值；以及響應(yīng)于判定出現(xiàn)了失真而由剩余的場測量值重新確定探頭位置和探頭方向之一。
44.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，進一步包括對評估、計算磁場值以及計算誤差函數(shù)值進行迭代，以找到更接近誤差函數(shù)極值的函數(shù)值；以及其中確定是否已經(jīng)發(fā)生測量值失真基于誤差函數(shù)的確定值更接近于極值。
45.一種存儲計算機可執(zhí)行指令的程序存儲媒體，所述指令讓計算機評估探頭的方位；計算被評估的方位的磁場值；計算誤差函數(shù)值，該函數(shù)取決于場計算值與場測量值之差，場測量值取決于探頭的方位；以及由誤差函數(shù)值確定是否已經(jīng)發(fā)生場測量值失真。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的媒體，其特征在于誤差函數(shù)值與誤差函數(shù)的極值相關(guān)。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的媒體，其特征在于指令進一步讓計算機響應(yīng)于全局極值而指示所評估的位置就是對應(yīng)于誤差函數(shù)值的探頭位置。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的媒體，其特征在于誤差函數(shù)是最小平方和。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的媒體，其特征在于確定指令響應(yīng)于由導(dǎo)體和鐵磁體引起場失真。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的媒體，其特征在于確定指令響應(yīng)于源場、場傳感器和傳感器數(shù)據(jù)的處理單元之一出現(xiàn)故障。
51.根據(jù)權(quán)利要求37所述的媒體，指令還讓計算機對評估、計算磁場值以及計算誤差函數(shù)值進行迭代，以尋找更接近誤差函數(shù)極值的函數(shù)值；以及其中確定是否已經(jīng)發(fā)生測量值失真的指令基于確定誤差函數(shù)的確定值更接近極值。
全文摘要
一種檢測磁位置或方向測定中的失真的方法。該方法包括測量多個磁場值，由最優(yōu)化函數(shù)的極值確定探頭位置(12)和探頭方向之一。測量值取決于探頭位置(12)和方向。最優(yōu)化函數(shù)取決于場測量值和由模型計算的場值。該方法還包括指示響應(yīng)于屬于預(yù)選范圍的極值而存在測定失真。
文檔編號G01R33/00GK1427955SQ01808978
公開日2003年7月2日 申請日期2001年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月7日
發(fā)明者斯特凡·R·基爾希, 克里斯蒂安·J·席林 申請人:北方數(shù)字化技術(shù)公司