專利名稱：磁跟蹤系統(tǒng)、設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及應(yīng)用磁場來確定物體(object)的位置和方位(orientation)。
背景技術(shù)：
磁跟蹤系統(tǒng)使用磁場確定給定區(qū)域內(nèi)的物體的位置及方位。在物體(例如一件設(shè)備或一個人體)上設(shè)置有傳感器以檢測呈現(xiàn)在所述給定區(qū)域內(nèi)的磁場。根據(jù)所檢測的磁場信息，計算機系統(tǒng)可以計算出物體相對于參照坐標(biāo)系的位置和方位。例如在醫(yī)療領(lǐng)域，這些系統(tǒng)有利于跟蹤與醫(yī)療程序相關(guān)聯(lián)的器具從而有助于手術(shù)及診斷中的方法改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了形成期望的磁場形狀以精確跟蹤物體(object)的位置和方位，在一個方面， 一種磁跟蹤系統(tǒng)包括第一組磁場發(fā)生器(或稱為場發(fā)生器)，被配置為在三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第一形狀的第一磁場；以及至少一個第二組磁場發(fā)生器，被配置為在所述三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第二形狀的第二磁場。該系統(tǒng)還包括計算裝置，被配置為基于由傳感器檢測的第一磁場及第二磁場計算所述三維區(qū)域內(nèi)的所述傳感器的位置。
在另一方面，一種磁跟蹤系統(tǒng)包括場發(fā)生器組件，產(chǎn)生多個磁場，其中每個磁場由一組的至少兩個磁場發(fā)生器生成。該系統(tǒng)還包括磁傳感器，測量所述多個磁場；以及計算裝置，被配置為計算在由所述傳感器測量的磁場內(nèi)所述磁傳感器的位置和方位。
在再一方面，一種設(shè)備，包括結(jié)構(gòu)表面，用于在醫(yī)療程序中支撐病人的一部分。該設(shè)備還包括含有多個同時激活的磁場發(fā)生器組的面，所述多個同時激活的磁場發(fā)生器組用于產(chǎn)生磁場以形成測量體積(measurementvolume)。
在又一方面，一種方法包括以下步驟激活第一組磁場發(fā)生器以在三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第一形狀的第一磁場；以及激活第二組磁場發(fā)生器以在所述三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第二形狀的第二磁場。該方法還包括基于傳感器對所述第一磁場和第二磁場的檢測來確定在所述三維區(qū)域內(nèi)的所述傳感器的位置。
實施例可以包括以下一種或多種。來自所述第一組的磁場發(fā)生器可以被同時激發(fā)以產(chǎn)生所述第一磁場。來自所述第二組的場發(fā)生器也可以被同時激發(fā)以產(chǎn)生所述第二磁場。該系統(tǒng)可以額外包括多組磁場發(fā)生器。例如，可以配置至少一個第三組的兩個或更多個磁場發(fā)生器一起操作，來形成在所述三維區(qū)域內(nèi)具有第三形狀的第三磁場。類似地，可以配置第四組和第五組(每組包括兩個或更多個磁場發(fā)生器)一起操作，來分別形成所述三維區(qū)域內(nèi)的第四磁場和第五磁場。所述計算裝置可以基于所述傳感器對所述第三、第四及第五磁場中的一個或多個的檢測來計算所述傳感器的位置。
所述第一組、第二組和第三組中的每一組可以包括兩個或更多個磁場發(fā)生器。所述第一組磁場發(fā)生器可以在第一時段期間激活，而所述第二組磁場發(fā)生器可以在不同于所述第一時段的第二時段期間激活。所述第一組和第二組磁場發(fā)生器也可以在第一時段期間激活。所述第一組磁場發(fā)生器可以以第一頻率操作，所述第二組磁場發(fā)生器可以以不同于所述第一頻率的第二頻率操作。由一組中的磁場發(fā)生器引發(fā)的磁場可以平行于或逆平行于由同一組中的至少另一個磁場發(fā)生器生成的磁場。
所述磁場發(fā)生器可以包括電磁線圈。所述磁場發(fā)生器可以設(shè)置在平面上。由磁場組件生成的一部分磁場的方向可以平行。由磁場組件生成的一部分磁場具有不同量值的磁通量。渦流可以作為至少兩個磁場發(fā)生器之一的源。至少兩個磁場發(fā)生器之一可以包括磁性材料。所述設(shè)備可以包括導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層位于所述含有多個同時激活的磁場發(fā)生器組的面的下方。
本發(fā)明通過設(shè)置多組磁場發(fā)生器形成期望的磁場來實現(xiàn)對三維區(qū)域內(nèi)的具有多自由度的物體的精確跟蹤，并通過調(diào)節(jié)和改變所述多個磁場發(fā)生器的設(shè)置參數(shù)來改變磁場的形狀。
附圖及后面的描述中給出了本發(fā)明一個或多個實施例的細(xì)節(jié)。依據(jù)說明書、附圖及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他特征、目的及優(yōu)點將顯而易見。


圖1為磁跟蹤系統(tǒng)的示意圖； 圖2A為一個場發(fā)生器組件實例的示意性俯視圖； 圖2B為示出場發(fā)生器組件中的磁場發(fā)生器的分組實例的示意圖； 圖2C和圖2D分別為磁場發(fā)生器的實例的側(cè)視圖和俯視圖； 圖3A示出激發(fā)不同組磁場發(fā)生器的時分多路復(fù)用方案的實例； 圖;3B示出激發(fā)不同組磁場發(fā)生器的頻分多路復(fù)用方案的實例； 圖4A、圖4B和圖4C為示出由多組磁場發(fā)生器引發(fā)的磁場的實例的示意圖； 圖5為示出有屏蔽物存在時由磁場發(fā)生器引發(fā)的磁場的實例的示意圖； 圖6為示例性操作順序的流程圖，所述示例性操作順序用來控制磁場產(chǎn)生和測量物體位置。
各圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
具體實施例方式參考圖1，示出并描述了磁跟蹤系統(tǒng)100的示意圖。概要述之，系統(tǒng)100包括磁場發(fā)生組件101，被配置為在給定體積或三維區(qū)域102內(nèi)產(chǎn)生磁場。設(shè)置在給定體積102內(nèi)的物體105(例如解剖刀)上的傳感器組件103檢測和/或測量磁場，并且在該特定實例中， 傳感器組件103通過通信鏈路104(例如有線連接或無線連接)將測量值傳送至計算裝置 106?；趥鞲衅鹘M件103的測量值，計算裝置106能夠計算傳感器組件103(由此乃至物體105)相對于坐標(biāo)系116的位置。這種位置計算有助于在區(qū)域102內(nèi)對傳感器組件103 進(jìn)行移動跟蹤。這對改進(jìn)外科手術(shù)是有利的，其中傳感器組件103可以安裝在諸如解剖刀等物體105上，從而在醫(yī)療程序進(jìn)行時跟蹤物體的移動(例如，跟蹤解剖刀相對于諸如固定裝配至病人身體的第二傳感器等參照物的運動)。
在一些實施例中，場發(fā)生組件101在尺寸(例如高度)上相對較薄，并且可以安裝在諸如手術(shù)臺114等平坦表面上。這樣的場發(fā)生組件可以稱之為扁平場發(fā)生器。雖然圖1 示出場發(fā)生組件101被安裝在手術(shù)臺114上，但在一些實施例中，如果可能，通過將場發(fā)生組件101嵌入手術(shù)臺114內(nèi)，場發(fā)生組件101也可以被整合在手術(shù)臺114中。在這種特定設(shè)置中，場發(fā)生組件101包括多個場發(fā)生器108，每個場發(fā)生器108可以包括一個或多個電磁線圈，所述線圈局部地引發(fā)磁場(例如，通過使電流通過每個線圈)。通常，電磁線圈是通過繞磁性材料或非磁性材料(例如空氣)的芯子纏繞諸如電線等導(dǎo)體而形成。當(dāng)電流通過線圈的繞組(winding)時，形成的磁場沿芯子的縱軸延伸穿過芯子的中心并繞線環(huán)(loop) 或線圈的外側(cè)環(huán)繞而回。環(huán)繞電線的每個線環(huán)或每個繞組的磁場與來自其他線環(huán)的磁場聯(lián)合產(chǎn)生沿線圈中心向下的集中磁場。可以通過控制導(dǎo)入的電流、線圈的環(huán)數(shù)或繞組數(shù)、以及其他與線圈關(guān)聯(lián)的參數(shù)和特征來控制線圈的磁場強度。
在一些實施例中，可以通過同時激發(fā)一個或多個磁場發(fā)生器108來控制所引發(fā)磁場的形狀。例如，在激活單個線圈或場發(fā)生器108時，在體積102中引發(fā)出偶極磁場(dipole magnetic field)。在一些實施例中，可以通過同時激發(fā)多個場發(fā)生器108而引發(fā)多極磁場 (multi-pole magnetic field)。一般來說，所引發(fā)的磁場的形狀可以基于不同的參數(shù)而變化。在一些實施例中，所引發(fā)磁場的形狀可以基于同時激活的場發(fā)生器的個數(shù)而變化。例如，可以同時激活或激發(fā)兩個、三個、四個或更多個場發(fā)生器來控制所引發(fā)磁場的形狀。
同時激活的場發(fā)生器108的相對空間分布也可以影響所引發(fā)磁場的成形。例如， 當(dāng)同時激活三個場發(fā)生器108時，這三個場發(fā)生器108在成一條直線時所引發(fā)的磁場相對于例如將它們設(shè)置在三角形頂點時所引發(fā)的磁場通常是不同的。在圖1所示的實例中，示出發(fā)生器108實質(zhì)上被設(shè)置在同一平面上。然而，發(fā)生器108也可以基于三維空間內(nèi)的其他空間分布設(shè)置而不脫離本申請的保護(hù)范圍。例如，在一些實施例中，一組發(fā)生器108可以分布在病人下方(如圖所示)，而另一組發(fā)生器可以分布在病人上方。在一些實施例中，可以使得場發(fā)生器108的位置是可調(diào)的。例如，可以使得場發(fā)生器108沿預(yù)設(shè)的通道或軌道是可移動的，由此可以調(diào)節(jié)它們在場發(fā)生組件101內(nèi)的絕對和/或相對位置以操控所引發(fā)磁場的形狀。在一些實施例中，還可以使得場發(fā)生器108相對于場發(fā)生器108之上或之外的一點是可旋轉(zhuǎn)的。例如，場發(fā)生器108可以以這樣的方式布置在場發(fā)生器組件101中，其中水平面與單個場發(fā)生器的頂面之間的夾角是逐個可調(diào)的。一個或多個模塊化設(shè)計可以用于場發(fā)生器的設(shè)置，例如，可以以模塊化方式添加、移除或交換發(fā)生器來形成圖案，以從對應(yīng)產(chǎn)生的磁場生成一個或多個測量區(qū)域。
在一些實施例中，還可以通過控制流經(jīng)場發(fā)生器108的電流方向來控制磁場的形狀。例如，可以以兩個發(fā)生器電流方向相同的方式同時激活一對發(fā)生器108，由此它們分別引發(fā)的磁場可以認(rèn)為是彼此平行的。或者，一對同時激活的場發(fā)生器中得電流方向可以彼此相反，由此引發(fā)的磁場可以認(rèn)為是逆平行的(anti-parallel)。因此在同時激活兩個以上的發(fā)生器時，可以通過使用由單個發(fā)生器所引發(fā)的平行和逆平行磁場的不同組合來產(chǎn)生形狀的變化。在此對同時激活的發(fā)生器108(連同單個發(fā)生器)中可以改變其他參數(shù)來控制所引發(fā)磁場的形狀。例如，流經(jīng)單個發(fā)生器的電流電平、單個發(fā)生器中的繞組個數(shù)、發(fā)生器的物理尺寸、構(gòu)成發(fā)生器所用的材料以及其他用于形狀控制的類似參數(shù)。在一些實施例中， 可以使用帶有可調(diào)抽頭(tap)的線圈來控制場發(fā)生器108中的繞組個數(shù)。
在一些實施例中，所引發(fā)磁場附近存在的特定類型的材料(例如導(dǎo)體材料)可以導(dǎo)致磁場的形狀的扭曲或改變。甚至因為導(dǎo)磁材料(permeablematerial)的存在，場的形狀也會彎曲或改變。一般來說，導(dǎo)電性或?qū)Т判晕矬w的隨機出現(xiàn)產(chǎn)生寄生性(parasitic) 渦流場，因而扭曲所引發(fā)磁場的形狀。雖然通常不希望隨機出現(xiàn)這些導(dǎo)電性或?qū)Т判圆牧希?但在一些實施例中，這些物體可以用來控制所引發(fā)磁場的形狀。例如，導(dǎo)電板112可以用于屏蔽或使所引發(fā)的磁場成形。在所示的實例中，不希望在場發(fā)生器組件101的平面下方有引發(fā)的磁場。在這種情況下，導(dǎo)電板或屏蔽物112顯著地削弱了位于場發(fā)生器組件101下方的磁場，由此使系統(tǒng)不受位于場發(fā)生器組件101下方的物體(例如金屬或?qū)Т盼矬w)影響。
在一些實施例中，場發(fā)生器組件101還包括覆蓋層110，其實質(zhì)上包住場發(fā)生器 108。覆蓋層110在療程中為病人(例如坐下或躺著)提供接觸面。覆蓋層110可以由不同類型的材料或材料組合構(gòu)成，例如可以將非導(dǎo)電性或非導(dǎo)磁性材料(諸如塑料等)整合在覆蓋層110中。在一些實施例中，覆蓋層Iio可以被配置為給場發(fā)生器108提供機械支撐。例如，場發(fā)生器108可以嵌入到固體覆蓋層110內(nèi)。在一些實施例中，層110可以簡單地覆蓋場發(fā)生器108。在一些實施例中，場發(fā)生器108是可移動的，覆蓋層110可以被構(gòu)建為適用于場發(fā)生器的可能的移動(例如平移、轉(zhuǎn)動等等)或模塊組合。例如，可以在覆蓋層 110中限定可移動場發(fā)生器的通道或軌道。
傳感器組件103用于檢測區(qū)域102中引發(fā)的磁場。在一些實施例中，傳感器組件 103可以包括整合了一種或多種類型的傳感技術(shù)的一個或多個傳感器(例如傳感器陣列)。 例如，傳感器組件103可以包括單線圈(simple coil)、數(shù)個線圈、一個或多個霍爾傳感器、 磁通門傳感器或能夠測量電磁場特性(例如磁場通量、磁場差等)的其他類型傳感器。在一些實施例中，由一個或多個場發(fā)生器108產(chǎn)生的磁場在傳感器組件103中引發(fā)電動勢 (EMF’s)。測得的電動勢表示在三維空間(其限定區(qū)域102)中的傳感器組件103的位置和方位處磁場的局部測量值。在一些實施例中，傳感器組件103包括多個傳感器，例如兩個不同的傳感器線圈，由此潛在地加倍了傳感器組件103所能實現(xiàn)的單個磁場測量值的個數(shù)。 在一些實施例中，傳感器組件103可以包括額外構(gòu)件(例如電路、電子器件等)以將測量信號傳送至計算裝置106。例如，傳感器組件103可以包括收發(fā)器，該收發(fā)器被配置為與計算裝置106通信(例如通過通信鏈路104，其可以包括簡單的有線或無線連接，或可以利用有線或無線網(wǎng)絡(luò))。
通常，傳感器組件103輸出表示多個被測量磁場的信號，所述被測量磁場對應(yīng)于通過激活不同組(例如多對)的場發(fā)生器108引發(fā)的單個磁場。測量區(qū)域102內(nèi)所引發(fā)的多個磁場使得能夠以多個自由度跟蹤傳感器組件103。例如，可以使用至少五個不同的磁場確定傳感器相對于參照物的五個自由度(X，y, ζ, Φ，Θ)，其中坐標(biāo)(X，y，ζ)及角度(Φ， θ)分別指定了傳感器的三維位置和方位。在一些實施例中，更多數(shù)目的磁場可以提高傳感器組件103的位置的計算精度。例如，場發(fā)生器組件101可以被配置為用8組不同的場發(fā)生器108引發(fā)不同磁場。在這一配置中，傳感器組件103將測量由8組場發(fā)生器108的每一組分別引發(fā)的磁場，得到8個不同的磁場測量值。
在一些實施例中，傳感器組件103包括兩個傳感器線圈，每個線圈可以獨立測量由單組場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場的強度。因此，如果要得到8個不同的磁場測量值而傳感器組件103包括兩個傳感器線圈，只需要4組場發(fā)生器108即可，因為每個線圈會獨立地測量由 4組場發(fā)生器108的每一組所產(chǎn)生的磁場，因而得到8個不同的磁場測量值。
在其他實施例中，傳感器組件103包括兩個或更多個傳感器線圈，這些線圈可以視為一組。這樣一組(線圈)使得傳感器線圈能夠被定位和導(dǎo)向以優(yōu)化磁場的測量值。
在一些實施例中，所測量的磁場值取決于一個或多個系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(例如傳感器組件103的增益因子)以及傳感器線圈的三維位置和方位。場發(fā)生器108的組數(shù)和傳感器組件103中傳感器線圈的個數(shù)可根據(jù)包括特定測量應(yīng)用(例如手術(shù)室中的測量)的因子的個數(shù)而變化。在該特定布置中，計算裝置106確定傳感器組件103的增益因子以及傳感器組件103的位置和方位。由于傳感器組件103的位置和方位是通過指定多個自由度(例如，多達(dá)6個自由度，包括χ軸位置、y軸位置、ζ軸位置、旋轉(zhuǎn)(roll)、傾斜(pitch)和偏離 (yaw))來描述，所以計算裝置106可以計算出對應(yīng)數(shù)目(例如6個)的位置因子。同樣，計算裝置106產(chǎn)生表示位置和增益的組合個數(shù)的因子(例如7個)。在一些實施例中，期望確定這些因子的不同磁場測量值的個數(shù)比要確定的因子的個數(shù)多一個。相應(yīng)地，如果計算裝置106確定系統(tǒng)增益因子和6個位置因子(亦即自由度)，即共7個計算因素，可能需要共 8個不同的磁場測量值。如上所述，這可以采用傳感器組件103中的單個傳感器線圈以及8 組場發(fā)生器108來實現(xiàn)?？蛇x地，也可以采用具有兩個傳感器線圈的傳感器組件以及4組場發(fā)生器108、或其他類似的改型。類似地，如果計算裝置106確定系統(tǒng)增益因子再加上5 個位置因子(亦即5個自由度)，則需要確定共6個計算因子。同樣，如上所述，這可以采用場發(fā)生器組和傳感器線圈的變化配置來實現(xiàn)。
當(dāng)不同組的場發(fā)生器108是在分散時段(s印arate time instance)期間激發(fā)時，計算裝置106可能需要知道引發(fā)所檢測磁場的場發(fā)生器的細(xì)節(jié)。在一個布置中，計算裝置106可以基于從場發(fā)生器組件101傳送至計算裝置106的信息識別引發(fā)由傳感器組件103檢測的磁場的那組場發(fā)生器108。在其他實施例中，場發(fā)生器和傳感器組件的定時(timing)從同步信號獲得，該同步信號由計算裝置、場發(fā)生器組件或傳感器組件之一獲得。在一些實施例中，與所引發(fā)磁場相關(guān)的定時信息用于識別產(chǎn)生被測量磁場的那組場發(fā)生器108。例如，場發(fā)生器組件101可以將功率與時間有關(guān)地(temporally)多路復(fù)用 (multiplex)到不同場發(fā)生器108，并提供定時信息用于確定傳感器組件103的位置(例如，該信息通過傳感器組件103和通信鏈路104提供給計算裝置106)。這一時分多路復(fù)用方案的實例如圖3A所示。在該實例中，交流電305的短脈沖用于在指定時段激發(fā)發(fā)生器 108中包括的一對發(fā)生器(圖例中表示為第1對)。該脈沖的持續(xù)時間可以相對較短(例如為毫秒級)，并且一旦完成，即用基本類似的脈沖310激發(fā)另一對發(fā)生器(圖例中表示為第2對)。按照在給定時段期間不會激發(fā)多于一個組的發(fā)生器(例如一對)的方式對其他的發(fā)生器對重復(fù)所述過程?？梢?例如向計算裝置106)提供表示發(fā)生器組的定時和激活的信息，所述信息例如包括電流脈沖的起點、電流脈沖的持續(xù)時間、電流脈沖的終點、由電流脈沖所激發(fā)的發(fā)生器組的次序和標(biāo)識，等等。
在一些布置中，場發(fā)生組件101可以以不同頻率驅(qū)動每組場發(fā)生器108。為了識別造就了所測量磁場的特定的那組場發(fā)生器，計算裝置106可以將由傳感器組件103測量的電動勢分解成多個頻率成分(frequency component)。隨后將所測量磁場的這些頻率成分與各組場發(fā)生器進(jìn)行匹配。這一頻分多路復(fù)用方案的實例如圖3B所示。在該實例中，給定組的發(fā)生器(例如在圖例上表示為第1對)由第一頻率的交流電315激發(fā)。另一組發(fā)生器 (例如第4對)同時由具有不同于第一頻率的第二頻率的另一交流電320激發(fā)。類似地，其他組發(fā)生器可以使用以其他頻率操作的交流電來激發(fā)。
傳感器組件103將測量的磁場值發(fā)送給計算裝置106，后者使用該測量的磁場值確定傳感器組件103的位置/方位。在一些實施例中，這種確定是通過將測量的磁場值與來自物理模型的磁場值相比較而執(zhí)行的。
該物理模型可以是根據(jù)多個參數(shù)確定傳感器組件103測量的磁通量值的一組物理方程。同樣地，該物理模型可以描述由已知源在已知位置(諸如場發(fā)生器組)引發(fā)的磁場在測量體積(例如區(qū)域10 內(nèi)的不同點處可以預(yù)期的磁通量值。因此可以通過與物理模型對比而從實際測量值中計算所述參數(shù)。所述參數(shù)可以包括但不限于特定組的場發(fā)生器108的位置、方位和磁矩；以及傳感器組件103的位置、方位和靈敏度。向量(x，y，z)及一對角度(Φ，θ )可以指定傳感器組件103中(多個)傳感器線圈的三維位置和方位。如果傳感器組件103具有多個線圈，所述參數(shù)可以包括額外的角度參數(shù)(Ψ)，其限定傳感器組件103中的線圈的相對方位?？梢酝ㄟ^采用在不同軸上(因為操作在相同軸上的多個線圈不允許感測探頭繞該軸旋轉(zhuǎn))具有第二線圈的傳感器組件103來計算這一參數(shù)(例如， 第6自由度)。所述物理模型可以將每組場發(fā)生器108描述為磁性多極，使得由傳感器組件 103測量的磁場是相關(guān)聯(lián)的多極(例如偶極或四極)磁場。多極磁場的值可以取決于系統(tǒng)增益以及每個單個場發(fā)生器108的位置、空間和磁矩“m”。所測量的磁通量值可以取決于傳感器組件相對于場發(fā)生器108的位置、尺寸、方位和增益。
在一些實施例中，物理模型還可以基于與區(qū)域102附近環(huán)境相關(guān)的一個或多個基本假設(shè)。例如，模型可以假設(shè)每組場發(fā)生器108的位置和方位的預(yù)選值以及假設(shè)不存在其他源或場扭曲物體。為了模型能正確地預(yù)測磁場值，場扭曲物體(例如導(dǎo)體、其他磁場源) 的存在可能需要額外的參數(shù)。在一些實施例中，傳感器組件103可以測量隨時間變化的磁場?？蛇x地，如果需要靜態(tài)的磁場測量值，可以在傳感器組件103中采用磁通門傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器或類似的傳感器來提供靜態(tài)(或恒定)磁場的測量值。在一些實施例中，傳感器組件103 —旦測量出磁場值，該磁場值便被提供給計算裝置106，計算裝置106計算適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)增益因子和傳感器組件103的位置/方位。在一些實施例中，傳感器組件103測量一組磁通量以得到一組測量的磁場值Bl-Bn，其中“η”大于或等于所計算因子(即位置和系統(tǒng)增益)的個數(shù)。
在一些布置中，該組測量的場值Bl-Bn可能具有與傳感器組件103的三維位置/ 方位的非線性關(guān)聯(lián)以及與系統(tǒng)增益因子的線性關(guān)聯(lián)。傳感器組件103的位置和方位可以分別由矢量(x，y，z)及至少一對方位角和極角(Φ，Θ)限定。能夠相對于具有已知原點的坐標(biāo)系116來指定矢量(x，y，z)。雖然圖1示出了笛卡爾坐標(biāo)系116，但也可以使用諸如極坐標(biāo)系等其他類型的坐標(biāo)系。進(jìn)而，傳感器組件103的系統(tǒng)增益因子可以由增益系數(shù)(g)來限定。通過使用針對“被測量”場關(guān)聯(lián)屬性(field dependencies)的物理模型，計算裝置106 能夠根據(jù)相關(guān)組的測量的磁場值B1-&1確定傳感器組件103的增益因子、位置及方位。在一些實施例中，可以由計算裝置106通過重復(fù)過程計算增益因子、位置及方位。這種重復(fù)過程在2001年6月沈日遞交的共同擁有(commonly-owned)的美國專利申請第09/892，153 號中已有描述，其全部內(nèi)容通過參考合并于此。
物理模型可以描述在傳感器組件103的區(qū)域(例如區(qū)域10 中預(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物體的影響。例如，實際環(huán)境可能由于存在承載渦流的場扭曲物體(例如手術(shù)剪刀、鐵磁物質(zhì)以及磁場活動性源)而不同。如果預(yù)選的環(huán)境不同于實際環(huán)境，為了預(yù)測正確的磁場值，該模型可能需要加入額外的參數(shù)。在一些實施例中，計算裝置106可以被配置為檢測潛在的測量扭曲條件的存在，并(例如通過視頻監(jiān)視器上的閃動消息或通過音頻報警信號)提醒使用者注意。在一些例子中，可以通過將渦流源視為額外的發(fā)生器來減小承載這些渦流的場扭曲物體的影響。雖然圖1中示出物體105為解剖刀，但這僅作示例說明之用。物體105也可以是其他裝置或工具，例如導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡、活檢針、身體上安裝的位置傳感器等等。
計算裝置106可以是任意計算機，諸如筆記本電腦或臺式電腦，被配置為執(zhí)行此處描述的功能。在一些實施例中，計算裝置106為諸如智能手機、個人數(shù)字助理或手持計算單元等移動計算單元。在一些實施例中，計算裝置為專門為了控制磁場產(chǎn)生及根據(jù)測量信號計算傳感器線圈的位置和方位的目的而設(shè)計的專用計算裝置。計算裝置106被配置為運行切實地(tangibly)嵌入信息載體(例如可機讀存儲裝置)中的計算機程序產(chǎn)品，好讓可編程處理器來執(zhí)行；其特性可以通過可編程處理器來實現(xiàn)，該可編程處理器執(zhí)行關(guān)于多條指令的程序，并通過操作輸入數(shù)據(jù)和生成輸出來實現(xiàn)所描述的實施例的功能。在一些實施例中，傳感器組件103及計算裝置106被配置為通過諸如通用串行總線(USB)、藍(lán)牙、無線 USB等通信鏈路彼此通信。所述特性可以在一個或多個于可編程系統(tǒng)上可執(zhí)行的計算機程序中得以實現(xiàn)，其中所述可編程系統(tǒng)包括與數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)耦接以從中接收數(shù)據(jù)和指令、并向其傳送數(shù)據(jù)和指令的至少一個可編程處理器，至少一個輸入裝置，以及至少一個輸出裝置。計算機程序包括一組可直接或間接用于計算機中來執(zhí)行特定動作或產(chǎn)生特定結(jié)果的指令。計算機程序可以用任意形式的編程語言(包括編譯型或解釋型語言)寫成，并且計算機程序可以配置成任意形式，包括作為適于在計算環(huán)境中使用的單機程序，或作為模塊、組件、子程序或其他單元。
舉例來說，用來執(zhí)行關(guān)于多條指令的程序的適宜的處理器包括通用微處理器和專用微處理器這兩者。一般來說，處理器將從只讀存儲器或隨機存取存儲器或這兩者接收指令及數(shù)據(jù)。計算裝置106可以包括用于執(zhí)行指令的處理器以及用于存儲指令和數(shù)據(jù)的一個或多個存儲器。
計算裝置106可以通過通信鏈路104與傳感器組件103通信。在一些實施例中， 通信鏈路104可以包括傳感器組件103與計算裝置106之間的直接有線或無線連接。這類連接可以包括USB、藍(lán)牙、無線USB、火線(firewire)等等。在其他情況下，通信鏈路104可以包括諸如局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)或廣域網(wǎng)(WAN，例如因特網(wǎng))等有線或無線網(wǎng)絡(luò)。
參照圖2A，示意示出場發(fā)生器組件200實例的俯視圖，該場發(fā)生器組件200包括分布在層210上的多個單個場發(fā)生器202 (與圖1所示的場發(fā)生器108類似)。雖然圖2A示出了以特定方式分布的16個場發(fā)生器202，但其僅作示例說明之用，而不應(yīng)認(rèn)為其有限定性。場發(fā)生器組件200中可以以各種其他分布來放置更多或更少數(shù)目的場發(fā)生器202，這些其他分布包括在多個平面(例如垂直分布的平面)中的分布。層210可以用與之前參照圖1所述的覆蓋層110實質(zhì)上相同的材料制成。在一些實施例中，層210可以是導(dǎo)電板或屏蔽物(例如圖1中所示的導(dǎo)電板112)的頂面。一個或多個場發(fā)生器202通過布線(未示出)彼此連接并連接至主電源。所述連接可以按照計劃要同時激活的發(fā)生器來配置。場發(fā)生器組件200還可以包括電路板215。在一些實施例中，電路板容置有控制場發(fā)生器202 組件激發(fā)或啟動(firing)的電子模塊。電路板215還可以包括與計算裝置通信的存儲器， 該存儲器存儲與場發(fā)生器組件200相關(guān)的配置數(shù)據(jù)。電路板215還可以用作給場發(fā)生器組件200供電的電源的接口。在一些實施例中，計算裝置106可以實現(xiàn)為電路板215的一部分。
參照圖2B，示意示出場發(fā)生器組件(例如組件200)中的磁場發(fā)生器的分組實例。 在該實例中，場發(fā)生器用實線或虛線圓圈表示，以示出電流的方向(由此乃至所引發(fā)磁場的方向)。在該實例中，將發(fā)生器成對地分組以同時激活。例如，發(fā)生器對21 和212b被一起激發(fā)，而發(fā)生器對214a和214b,216a和216b、…、以及226a和226b相應(yīng)地被一起激發(fā)。一起激發(fā)的發(fā)生器對可以提供相同流向的電流，由此產(chǎn)生平行磁場?？蛇x地，發(fā)生器對也可以提供相反流向的電流，由此產(chǎn)生逆平行磁場。在圖2B所示的實例中，具有同方向電流的線圈以實線表示的圓圈示出，而具有反方向電流的線圈用虛線示出。例如，發(fā)生器21 和212b產(chǎn)生逆平行磁場而發(fā)生器對22 和222b產(chǎn)生平行磁場。在一些實施例中，在一起激發(fā)的組中可以包括兩個以上的發(fā)生器。例如，在一些實施例中，一組可包括發(fā)生器212a、 216a和214b而另一組可包括發(fā)生器21h、218b、22^和226b，一組中所包括的不同發(fā)生器的位置和磁場方位可以取決于由被激發(fā)的發(fā)生器對將要提供的預(yù)期磁場的形狀。還可以變更與一組中的發(fā)生器相關(guān)的其他參數(shù)來操控由該組引發(fā)的磁場的形狀。這些參數(shù)的實例包括發(fā)生器線圈之間的距離、發(fā)生器的方位、發(fā)生器的磁通量(其可以根據(jù)繞組數(shù)或匝數(shù)、線圈的截面、芯子的性質(zhì)或通過發(fā)生器線圈的電流而變化)以及該組中發(fā)生器的數(shù)目。
參照圖2C及圖2D，分別示出場發(fā)生器227的實例的側(cè)視圖及俯視圖。場發(fā)生器 227可以設(shè)計成如這些圖中所示的扁平線圈。這種相對較薄的發(fā)生器227可以用來實現(xiàn)圖2A所示的扁平場發(fā)生器組件200?？梢允惯@種扁平場發(fā)生器的規(guī)格(form factor)非常薄。例如，場發(fā)生器227可以包括兩個板228，將線圈2 容置其間。板2 及線圈2 可以具有共同的芯子230。該板228的直徑231例如可以是60mm。可以使板228的厚度 234非常薄，例如是大約1. 5mm，扁平線圈的厚度則例如可以是大約7mm。在這種情況下，扁平場發(fā)生器的總厚度238可以是大約10mm。發(fā)生器227可以在至少一個板228中包括孔 (orifice) 240以容許與線圈229的連接?？譓O的直徑242例如可以是3mm，共用芯子的直徑244可以是8mm。
參照圖4A，示出由一對發(fā)生器400a和400b所引發(fā)的平行磁場的實例。電流在兩個發(fā)生器400a和400b中以同方向流動。因此，發(fā)生器400a和400b的磁軸平行并且所引發(fā)的磁場線410a和410b大體上是垂直的。參照圖4B，示出由一對發(fā)生器400c和400d所引發(fā)的逆平行磁場的實例。在該實例中，在一個發(fā)生器400c中的電流方向與其在另一個發(fā)生器400d中的方向相反。因此，發(fā)生器400c和400d的磁軸逆平行且所引發(fā)的磁場線410c 和410d在圖中大體上是水平的。對于這種逆平行磁場，起源自一個發(fā)生器400c的磁場線可以穿過另一個發(fā)生器400d?？梢哉{(diào)節(jié)諸如發(fā)生器400a和400b中的電流、繞組數(shù)和芯子性質(zhì)、以及發(fā)生器400a和400b的相對距離和相對方位等參數(shù)來產(chǎn)生具有預(yù)期形狀的磁場。 在一些實施例中，產(chǎn)生平行磁場的發(fā)生器和產(chǎn)生逆平行磁場的發(fā)生器可以包括在一組之中以產(chǎn)生磁場的預(yù)期形狀。
參照圖4C，其為磁場示意圖，示出不同組的發(fā)生器是如何彼此協(xié)作并產(chǎn)生不同形狀的磁場的。在該實例中，一組發(fā)生器包括同時激活的發(fā)生器400a和400b。場發(fā)生器對 400a和400b—起產(chǎn)生平行磁場450。在這一磁場中放置的傳感器組件(例如傳感器組件 103)可以檢測該磁場并將信息傳輸給計算裝置(例如計算裝置106)。在一個時段(例如為毫秒級)之后，發(fā)生器400a和400b被取消激活(deactivate)，而包括發(fā)生器400c和400d 的組件被激活。這對發(fā)生器400c和400d —起產(chǎn)生逆平行磁場460，也可以通過傳感器組件檢測該逆平行磁場460并傳輸給計算裝置。繼而，多組發(fā)生器可以用于產(chǎn)生形狀及方位有變化的磁場。在一些實施例中，傳感器組件檢測這些不同磁場并將信息傳輸給計算裝置。 在一些實施例中，計算裝置將從傳感器組件接收的信息與關(guān)于磁場發(fā)生源的信息(諸如關(guān)于激活時刻及持續(xù)時間、電流電平、繞組個數(shù)、發(fā)生器個數(shù)及它們的相對位置等的信息)相結(jié)合以計算傳感器組件的位置。
參照圖5，示出使用屏蔽物500的磁場成形的實例。在一些實施例中，屏蔽物500 可以實質(zhì)上類似于參照圖1所述的屏蔽物112。主磁場是由其中電流以給定方向流動的發(fā)生器502所引發(fā)。所引發(fā)的電磁場在屏蔽物500中引發(fā)流向與發(fā)生器520中的電流方向相反的渦流。屏蔽物500因此而充當(dāng)?shù)诙l(fā)生器，其渦流引發(fā)與由發(fā)生器502所引發(fā)的磁場相反的磁場。相反磁場的交互作用減小了屏蔽物500附近的發(fā)生器520所引發(fā)的場強。在一些實施例中，屏蔽物可以被配置為將其鄰近的磁場減小至幾乎為零的強度。其它像金屬絲圈(wire loop)或短路線圈的導(dǎo)電體也可以用于與屏蔽500結(jié)合(或單獨使用)來使由一組發(fā)生器502產(chǎn)生的磁場成形。例如，當(dāng)屏蔽物500被用于減小場發(fā)生組件的平面下方的場強時，可以在測量體積(類似于圖1中所示的區(qū)域102)中放置一個或多個導(dǎo)電體，以改變所產(chǎn)生磁場的形狀。不同類型的材料和材料成型也可以用來制作屏蔽物500。例如，通過整合一個或多個吸收層或頻率選擇性層，屏蔽物500可以是頻率選擇性的。
雖然上述系統(tǒng)利用傳感器陣列跟蹤工具并利用場發(fā)生器組件產(chǎn)生磁場，但顯然這一配置的逆向配置也同樣是可行的，亦即所有磁傳感器可以用發(fā)生器代替，所有發(fā)生器可以用傳感器代替。
參照圖6，流程圖600示出用來控制磁場產(chǎn)生和測量物體位置的操作順序的實例。 所述操作包括激活第一組磁場發(fā)生器以產(chǎn)生第一磁場(如步驟610)以及激活第二組磁場發(fā)生器以產(chǎn)生第二磁場(如步驟620)。所述操作還包括基于對所述第一和第二磁場的檢測來確定物體的位置(如步驟630)。
在一些實施例中，激活第一組磁場發(fā)生器(如步驟610)包括同時激活兩個或更多單個磁場發(fā)生器。由第一組磁場發(fā)生器產(chǎn)生的第一磁場通常是由于第一組中多個發(fā)生器產(chǎn)生的單個磁場的疊加而形成的合成磁場。第一組中一些發(fā)生器可以具有實質(zhì)上彼此平行的磁場，而第一組中一些發(fā)生器可以具有實質(zhì)上彼此逆平行的磁場?？梢哉{(diào)節(jié)單個場發(fā)生器的各種參數(shù)以控制合成磁場的形狀。這些參數(shù)例如包括通過給定的發(fā)生器的電流幅值、通過給定的發(fā)生器的電流方向、兩個或多個發(fā)生器的相對位置等等。
所述操作還包括激活第二組磁場發(fā)生器以產(chǎn)生第二磁場(如步驟620)。激活第二組發(fā)生器可以實質(zhì)上類似于激活第一組發(fā)生器。例如，也可以通過調(diào)節(jié)第二組的各參數(shù) (包括發(fā)生器個數(shù)、每個發(fā)生器中電流的幅值和/或方向、發(fā)生器的相對位置等)來控制第二磁場。在一些實施例中，第二組發(fā)生器可以在第一組發(fā)生器未被激活的時段期間被激活。 可選地，第一組和第二組可以使用例如相應(yīng)的不同頻率的激活電流同時激活。
所述操作還包括基于對第一和第二磁場的檢測來確定物體的位置(如步驟630)。 在一些實施例中，物體可以包括用于檢測第一和第二磁場的各個參數(shù)的一個或多個傳感器線圈。例如，傳感器可以被配置為檢測在一體積內(nèi)的給定磁場的幅度和/或方位。在一些實施例中，所檢測的參數(shù)可以經(jīng)由物理模型和方程而與物體的位置相關(guān)。如之前參照圖1 所述，這樣的物理模型和方程可以用來確定該體積內(nèi)物體的位置。在一些實施例中，用于檢測磁場的傳感器可以在貼近該物體的位置處。
該書面描述給出了本發(fā)明的最佳實施方式并提供了描述本發(fā)明的實例，其使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員得以實現(xiàn)和使用本發(fā)明。該書面描述并不將本發(fā)明局限于給出的精確術(shù)語。因而，雖然已參考之前給出的實例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對這些實例作出改動、修改和變化而不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁跟蹤系統(tǒng)，包括第一組磁場發(fā)生器，被配置為在三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第一形狀的第一磁場； 第二組磁場發(fā)生器，被配置為在所述三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第二形狀的第二磁場；以及計算裝置，被配置為基于傳感器對所述第一磁場和第二磁場的檢測來計算所述三維空間內(nèi)的所述傳感器的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中來自所述第一組的磁場發(fā)生器被同時激發(fā)以產(chǎn)生所述第一磁場。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中來自所述第二組的磁場發(fā)生器被同時激發(fā)以產(chǎn)生所述第二磁場。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，至少還包括第三組的兩個或更多個磁場發(fā)生器，所述兩個或更多個磁場發(fā)生器被配置為一起操作以在所述三維區(qū)域內(nèi)形成具有第三形狀的第三磁場，其中所述計算裝置基于所述傳感器對所述第三磁場的檢測計算所述傳感器的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組磁場發(fā)生器包括兩個或更多個磁場發(fā)生ο
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組磁場發(fā)生器和第二組磁場發(fā)生器被設(shè)置在同一平面上。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組磁場發(fā)生器在第一時段期間被激活，而所述第二組磁場發(fā)生器在不同于所述第一時段的第二時段期間被激活。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組磁場發(fā)生器和第二組磁場發(fā)生器在第一時段期間被激活。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組磁場發(fā)生器以第一頻率操作，所述第二組磁場發(fā)生器以不同于所述第一頻率的第二頻率操作。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中由所述第一組磁場發(fā)生器中包括的第一磁場發(fā)生器所引發(fā)的磁場平行于由所述第一組磁場發(fā)生器中包括的至少一第二磁場發(fā)生器所生成的磁場。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中由所述第一組磁場發(fā)生器中包括的第一磁場發(fā)生器所引發(fā)的磁場逆平行于由所述第一組磁場發(fā)生器中包括的至少一第二磁場發(fā)生器所生成的磁場。
12.一種磁跟蹤系統(tǒng)，包括場發(fā)生器組件，用于生成多個磁場，其中每個磁場是由一組的至少兩個磁場發(fā)生器產(chǎn)生的；磁傳感器，測量所述多個磁場；以及計算裝置，被配置為計算在由所述傳感器測量的磁場內(nèi)的所述磁傳感器的位置和方位。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述磁場發(fā)生器包括電磁線圈。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述磁場發(fā)生器被設(shè)置在一平面上。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中一部分由所述磁場組件生成的磁場的方向平行。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中一部分由所述磁場組件生成的磁場具有不同的磁通量。
17.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中渦流是所述至少兩個磁場發(fā)生器之一的源。
18.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個磁場發(fā)生器之一包括磁性材料。
19.一種設(shè)備，包括結(jié)構(gòu)面，用于在醫(yī)療程序期間支撐病人的一部分；以及包括多個同時激活的磁場發(fā)生器組的面，所述多個同時激活的磁場發(fā)生器組用于產(chǎn)生磁場以形成測量體積。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，還包括導(dǎo)電層，被設(shè)置在所述包括多個同時激活的磁場發(fā)生器組的面的下方。
21.一種方法，包括激活第一組磁場發(fā)生器以在三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第一形狀的第一磁場； 激活第二組磁場發(fā)生器以在所述三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第二形狀的第二磁場；以及基于傳感器對所述第一磁場和第二磁場的檢測確定所述三維區(qū)域內(nèi)的所述傳感器的位置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第一組磁場發(fā)生器和第二組磁場發(fā)生器的每一組都包括兩個或更多個磁場發(fā)生器。
全文摘要
一種磁跟蹤系統(tǒng)、設(shè)備及方法，該磁跟蹤系統(tǒng)包括第一組磁場發(fā)生器，被配置為在三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第一形狀的第一磁場；以及至少一個第二組磁場發(fā)生器，被配置為在所述三維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有第二形狀的第二磁場。該系統(tǒng)還包括計算裝置，被配置為基于傳感器對所述第一磁場和第二磁場的檢測來計算所述三維空間內(nèi)的所述傳感器的位置。本發(fā)明通過設(shè)置多組磁場發(fā)生器形成期望的磁場來實現(xiàn)對三維區(qū)域內(nèi)的具有多自由度的物體的精確跟蹤，并通過調(diào)節(jié)和改變所述多個磁場發(fā)生器的設(shè)置參數(shù)來改變磁場的形狀。
文檔編號G01V3/10GK102188246SQ20111006395
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者喬治·布倫納 申請人:北方數(shù)字化技術(shù)公司