DE602004008843T2

DE602004008843T2 - Metallstörungserkennung in einem magnetischen Verfolgungssystem

Info

Publication number: DE602004008843T2
Application number: DE602004008843T
Authority: DE
Inventors: Assaf Haifa Govari; Vitzo Govari
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2024-07-31
Also published as: IL163234A; EP1502544A1; DK1502544T3; AU2004203488A1; EP1502544B1; PL1502544T3; US20050024043A1; US7321228B2; AU2004203488B2; HK1070545A1; ES2293172T3; SI1502544T1; PT1502544E; ATE372721T1; CA2475918C; CY1107076T1; KR20050014759A; JP4684590B2; CA2475918A1; DE602004008843D1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die berührungsfreie Verfolgung von Objekten unter Verwendung von Magnetfeldern, und insbesondere die Detektion des Effekts eines intrudierenden auf ein Feld ansprechenden Gegenstands in dem Feld.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Berührungsfreie elektromagnetische Verfolgungssysteme sind im Stand der Technik mit einem weiten Feld von Anwendungen bekannt.
Das US-Patent Nr. 5,391,199 von Ben-Haim beschreibt ein System zum Erzeugen von dreidimensionaler Ortsinformation mit Bezug auf eine medizinische Sonde oder einen Katheter. Eine Sensorspule ist in dem Katheter angeordnet und erzeugt Signale in Antwort auf extern angelegte Magnetfelder. Die Magnetfelder werden durch drei Strahlerspulen erzeugt, die an bekannten, untereinander beabstandeten Orten an einem externen Bezugssystem befestigt sind. Die Amplituden der Signale, die in Antwort auf ein jedes der Strahlerspulenfelder erzeugt werden, werden detektiert und verwendet, um den Ort der Sensorspule zu berechnen. Eine jede Strahlerspule wird typischerweise durch eine Treiberschaltung angetrieben, um ein Feld mit einer bekannten Frequenz zu erzeugen, die unterschiedlich von derjenigen der anderen Strahlerspulen ist, so daß die von der Sensorspule erzeugten Signale nach ihrer Frequenz in Komponenten zerlegt werden können, die den unterschiedlichen Strahlerspulen entsprechen.
Die Offenlegungsschrift der US-Patentanmeldung A1 von Ben-Haim et al. beschreibt ein System, das sechsdimensionale Positions- und Orientierungsinformation bezüglich der Spitze eines Katheters erzeugt. Dieses System verwendet eine Mehrzahl von Sensorspulen, die einer lokalisierbaren Stelle in dem Katheter benachbart sind, beispielsweise in der Nähe dessen distalen Endes, und eine Mehrzahl von Strahlerspulen, die in einem externen Bezugssystem befestigt sind. Die Stärken der Signale, die in den Sensorspulen aufgrund von einer jeden der unterschiedlichen Strahlerspulen erzeugt werden, werden in ein System nicht linearer algebraischer Gleichungen eingegeben, die durch numerische Approximation gelöst werden, um sechs Orts- und Orientierungskoordinaten des Katheter zu berechnen.
Andere Lokalisierungsvorrichtungen, die einen Positionssensor verwenden, der an einem Katheter befestigt ist, sind beispielsweise in den US-Patenten 6,239,724 von Doron et al., 5,425,382 von Golden et al., 5,558,091 von Acker et al., 4,173,228 von Van Steenwyk et al., 5,099,845 von Besz et al., 5,325,873 von Hirschi et al., 5,913,820 von Bladen et al., 4,905,698 von Strohl, Jr. et al., und 5,425,367 von Shapiro et al. beschrieben. Kommerzielle elektrophysiologische und physikalische Abbildungssysteme, die auf der Detektion der Position einer Sonde innerhalb des Körpers basieren, sind gegenwärtig erhältlich. Unter diesen ist CARTO^TM, welches von Biosense Webster, Inc. (Diamond Bar, California) entwickelt und vermarktet wird, ein System, mit dem lokale elektrische Aktivitäten mit einem Katheterort assoziiert und abgebildet werden.
Die oben beschriebenen Verfolgungssysteme beruhen im allgemeinen auf der Trennung von positionsempfindlichen Signalen in Komponenten, typischerweise in Frequenzkomponenten. Es wird angenommen, daß eine jede dieser Komponenten eindeutig einer einzigen Strahlerspule entspricht, die sich in einer bekannte Position befindet und ein magnetisches Feld abstrahlt, welches eine reguläre, wohl definierte räumliche Verteilung aufweist. Wenn jedoch in der Praxis ein Gegenstand aus Metall oder einem anderen magnetempfindlichen Material in die Nähe des Katheters oder eines anderen verfolgten Objekts gebracht wird, werden die Magnetfelder in dieser nahen Umgebung verzerrt. In einer chirurgischen Umgebung kann beispielsweise eine erhebliche Menge von leitfähigem und permeablem Material vorhanden sein, darunter Standardausrüstungen und Hilfsausrüstungen (Operationstische, Wägen, bewegliche Lampen etc.), ebenso wie Geräte zur invasiven Chirurgie (Katheter, Skalpelle, Scheren etc.). Die Magnetfelder der Strahlerspulen können Wirbelströme in solchen Gegenständen erzeugen, und die Wirbelströme verursachen dann, daß ein parasitäres Magnetfeld ausgestrahlt wird. Solche parasitären Felder und andere Arten von Verzerrung können zu Fehlern bei der Ermittlung der Position des verfolgten Objekts führen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Detektieren und Kompensieren der Anwesenheit von magnetempfindlichen Gegenständen in dem Gebiet magnetischer Verfolgungssysteme bekannt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 6,147,480 von Osadchy et al. ein Verfahren zum Verfolgen eines Objekts unter Verwendung von Energiefeldern in Anwesenheit von Interferenz in Folge einer Induktion eines Gegenstandes, welcher auf die Felder anspricht. Energiefelder werden in der Nähe des Objekts erzeugt, und es wird eine Eigenschaft der durch das Einführen des Gegenstandes induzierten parasitären Energiefelder, wie beispielsweise eine Phasenverschiebung, ermittelt. Diese Eigenschaft wird dann beim Verarbeiten der Signale, die in Antwort auf das Energiefeld an verschiedenen Orten des Objekts erzeugt werden, verwendet, um die Raumkoordinaten des Objekts zu bestimmen.
Das US-Patent 6,373,240 von Govari beschreibt ein Objekt-Verfolgungssystem, welches eine oder mehrere Sensorspulen umfaßt, die an einen lokalisierbaren Punkt eines verfolgten Objekts angrenzt bzw. angrenzen, und eine oder mehrere Strahlerspulen umfaßt, die magnetische Wechselfelder in der Nähe des Objekts erzeugen, wenn sie durch zugehörige elektrische Wechselströme angetrieben werden. Die Frequenzen werden durch eine Mehrzahl von Werten durchgefahren, so daß bei einer jeden gegebenen Zeit eine jede der Strahlerspulen mit einer Frequenz strahlt, die verschieden von den Frequenzen ist, mit denen die anderen Strahlerspulen strahlen. Die Sensorspulen erzeugen elektrische Signale, die auf die Magnetfelder ansprechen, die durch parasitäre Feldkomponenten infolge der auf Felder ansprechenden Gegenstände in der Nähe des Objekts gestört werden. Die Signale werden analysiert, um eine optimale Frequenz zu finden, bei der der störende Effekt der parasitären Komponenten minimiert wird. Die optimale Frequenz wird bei der Detektion der Raumkoordinaten des Objekts verwendet.
Das US-Patent 6,172,499 von Ashe beschreibt ein Gerät zum Messen des Ortes und der Orientierung einer Empfangsantenne bezüglich Sendeantennen unter Verwendung von magnetischen Wechselfeldsignalen mit mehreren Frequenzen. Die Senderkomponente besteht aus zwei oder mehr sendenden Antennen mit bekanntem Ort und Orientierung in bezug aufeinander. Die Senderantennen werden gleichzeitig durch Wechselstromanregung angetrieben, wobei eine jede Antenne eine oder mehrere eindeutige Positionen in dem Frequenzspektrum besetzt. Die Empfangsantennen messen das gesendete magnetische Wechselfeld plus die Verzerrungen, die durch leitende Metalle verursacht werden. Ein Computer extrahiert dann die Verzerrungskomponente und entfernt sie aus den empfangenen Signalen, wodurch die korrekte Ausgabe der Position und der Orientierung erreicht wird.
Das US-Patent 5,767,669 von Hansen et al. beschreibt ein Verfahren zum Subtrahieren von Wirbelstromverzerrungen, die in einem magnetischen Verfolgungssystem erzeugt werden. Das System verwendet gepulste magnetische Felder von einer Mehrzahl von Generatoren. Das Vorhandensein von Wirbelströmen wird detektiert, indem die Raten der Änderung von Strömen, welche in den für die Verfolgung benutzten Sensorspulen erzeugt werden, gemessen werden. Die Wirbelströme werden kompensiert, indem die Dauer der Magnetpulse angepaßt wird.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 964 261 A2 von Dumoulin beschreibt Systeme zur Kompensation von Wirbelströmen in einem Verfolgungssystem unter Verwendung von Generatoren für magnetische Wechselfelder. In einem ersten System werden die Wirbelströme kompensiert, indem das System zuerst kalibriert wird, wenn es frei von Wirbelströmen ist, und dann die erzeugten Felder modifiziert werden, wenn die Wirbelströme detektiert werden. In einem zweiten System werden die Wirbelströme ausgelöscht, indem ein oder mehrere Abschirmspulen in der Nähe der Generatoren angeordnet werden.
Das US-Patent 6,369,564 von Khalfin et al. beschreibt ein elektromagnetisches Verfolgungssystem, welches mindestens eine Quelle für ein elektromagnetisches Wechselfeld, mindestens einen „Zeugen-Sensor" („witness sensor"), der Komponenten des elektromagnetischen Induktionsvektors an bekannten räumlichen Punkten in der Nähe oder innerhalb des interessierenden Volumens mißt, und mindestens einen drahtlosen Sondensensor umfaßt, der an dem verfolgten Objekt angeordnet ist. Das von dem Zeugen-Sensor erzeugte Signal wird verwendet, um Verzerrungssignale aus der Umgebung von dem Sondensensorsignal zu trennen, indem die Phase des Signals vom Sondensensor unterschieden wird.
US-A-6,073,043 offenbart ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des anhängenden Anspruchs 1 beschrieben ist, und eine Vorrichtung, wie sie im Oberbegriff des anhängenden Anspruchs 11 beschrieben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Verfahren zum Steigern der Genauigkeit eines elektromagnetischen Verfolgungssystems bereit, indem die Anwesenheit und der Effekt von Gegenständen, die auf Felder ansprechen, wie beispielsweise Metallwerkzeuge, in der Nähe des verfolgten Objekts detektiert werden. Solche Systeme umfassen typischerweise eine oder mehrere Strahlerspulen, die Energiefelder in der Nähe des Objekts erzeugen. Eine oder mehrere Sensorspulen erzeugen Signale, die indikativ für Raumkoordinaten des Objekts sind. Eine Systemsteuerung analysiert die Signale, um die Objektkoordinaten zu berechnen, indem die Signalamplituden an ein mathematisches Modell der Energiefelder, welche von den Strahlerspulen erzeugt werden, gefittet werden.
Wenn die Felder durch einen Gegenstand in dem Detektionsvolumen gestört werden, ist das mathematische Modell nicht mehr ganz korrekt, und es kann sein, daß die Berechnung der Koordinaten daher nicht konvergiert. Die Störung der Felder durch den Gegenstand ist jedoch typischerweise abhängig von den Frequenzen der Felder. Dementsprechend kann die Koordinatenberechnung bei manchen Frequenzen trotz der Störung immer noch konvergieren (und sie könnte zu einem unrichtigen Ergebnis führen). Um diesem Problem gerecht zu werden, wird bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine jede der Strahlerspulen so angetrieben, daß sie bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen strahlt, und die Berechnung der Koordinaten des Objekts wird für eine jede der unterschiedlichen Frequenzen wiederholt. Wenn irgendeine dieser Berechnungen nicht konvergiert, kann die Steuerung schließen, daß die Felder durch einen auf ein Feld ansprechenden Gegenstand im Detektionsvolumen gestört wurden. Die Steuerung kann dann Schritte unternehmen, um die berechneten Koordinaten zu korrigieren, oder um den Nutzer des Systems zumindest zu warnen, daß die Genauigkeit der Koordinaten möglicherweise verlorengegangen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zum Verfolgen eines Objekts angegeben, welches folgendes umfaßt:
Produzieren von Energiefeldern bei einer Mehrzahl von verschiedenen Frequenzen in der Nähe des Objekts;
Empfangen von Signalen, die an einem Ort des Objekts bei den unterschiedlichen Frequenzen in Antwort auf die Energiefelder erzeugt werden;
Durchführen von mehreren Berechnungen der Raumkoordinaten des Objekts basierend auf den Signalen, die bei den unterschiedlichen Frequenzen empfangen wurden; und
Ermitteln, ob die Energiefelder durch einen Gegenstand in der Nähe des Objekts gestört wurden, indem die Konvergenz der Berechnungen getestet wird. Das Testen der Konvergenz umfaßt das Detektieren einer Diskrepanz zwischen den Raumkoordinaten, die bei den unterschiedlichen Frequenzen berechnet wurden.
In einer offenbarten Ausführungsform umfaßt das Produzieren der Energiefelder das Produzieren magnetischer Felder, und das Empfangen der Signale umfaßt das Empfangen von elektrischen Signalen, die in Antwort auf die Magnetfelder erzeugt werden. Typischerweise umfaßt das Produzieren der Magnetfelder das Antreiben von mehreren Strahlerspulen mit elektrischen Strömen bei den verschiedenen Frequenzen, um die Magnetfelder zu erzeugen, wobei das Antreiben der mehreren Strahlerspulen es umfaßt, eine jede der Spulen so anzutreiben, daß sie die magnetischen Felder mit einem eindeutigen jeweiligen Satz von Frequenzen erzeugt. Zusätzlich oder alternativ umfaßt das Empfangen der elektrischen Signale das Empfangen der elektrischen Signale von einer oder mehreren Sensorspulen, die an dem Objekt befestigt sind.
In einer Ausführungsform umfaßt das Produzieren der Energiefelder das sequentielle Durchlaufen einer vorbestimmten Abfolge der Frequenzen. In einer anderen Ausführungsform umfaßt das Produzieren der Energiefelder das Erzeugen der Felder gleichzeitig bei den unterschiedlichen Frequenzen.
Typischerweise umfaßt das Durchführen von mehreren Berechnungen das Lösen eines Satzes von simultanen Gleichungen, die die empfangenen Signale mit den Raumkoordinaten des Objekts in Beziehung setzen. Zusätzlich oder alternativ umfaßt das Durchführen der mehreren Rechnungen das Anwenden eines iterativen Näherungsverfahrens, um die Raumkoordinaten zu bestimmten, und das Testen der Konvergenz umfaßt das Auswerten eines Konvergenzkriteriums des iterativen Verfahrens. Optional umfaßt das Verfahren die Korrektur der Berechnungen, nachdem ermittelt wurde, daß die Energiefelder gestört wurden, um die Anwesenheit des Gegenstands in der Nähe des Objekts zu kompensieren.
Außerdem wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Verfolgen eines Objekts angegeben, die folgendes umfaßt:
Mindestens einen Strahler, der geeignet ist, Energiefelder bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen in der Nähe des Objekts zu produzieren;
mindestens einen an dem Objekt befestigten Sensor, der geeignet ist, Signale in Antwort auf die Energiefelder bei den unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen; und
eine Systemsteuerung, die geeignet ist, eine Mehrzahl von Berechnungen der Raumkoordinaten des Objekts basierend auf den bei den unterschiedlichen Frequenzen erzeugten Signalen durchzuführen, und festzustellen, ob die Energiefelder durch einen Gegenstand in der Nähe des Objekts gestört wurden, indem eine Konvergenz der Berechnungen getestet wird. Die Systemsteuerung ist geeignet, die Konvergenz zu testen, indem eine Diskrepanz zwischen den Raumkoordinaten, die bei den unterschiedlichen Frequenzen berechnet wurden, detektiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer Ausführungsformen verständlicher, wenn sie zusammen mit den Zeichnungen betrachtet wird, bei denen
1 eine schematische bildliche Darstellung ist, die ein System zum Verfolgen von Koordinaten einer Sonde zeigt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Flußdiagramm ist, welches schematisch ein Verfahren zum Detektieren der Anwesenheit eines ein Feld störenden Gegenstandes in einem Objekt-Verfolgungssystem illustriert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf 1 Bezug genommen, die schematisch ein System 10 zum Verfolgen einer Sonde 20, wie beispielsweise eines Katheters zur medizinischen Anwendung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ähnliche Systeme sind in den oben genannten US-Patenten 5,319,199 , 6,147,480 und 6,373,240 und der Offenlegungs schrift US 2002/0065455 A1 beschrieben. Elemente der Beschreibung werden hier zum Zwecke der Klarheit und Vollständigkeit wiederholt.
Das System 10 umfaßt eine Mehrzahl von Strahlerspulen 22, 24 und 26, die an bekannten Positionen und in bekannten Orientierungen angeordnet sind. Die Strahlerspulen werden durch Treiberschaltungen 30, 32 und 33 mit variabler Frequenz angetrieben, um zugehörige magnetische Felder H →₁, H →₂, und H →₃ bei den zugehörigen Frequenzsätzen {ω₁}, {ω₂} und {ω₃} in der Nähe der Sonde 20 zu erzeugen. Typischerweise umfassen die Sätze {ω₁}, {ω₂} und {ω₃} Frequenzen in dem ungefähren Bereich von 1 Hz bis 20 kHz, obwohl höhere und tiefere Frequenzen auch verwendet werden können. Die Sätze von Frequenzen {ω₁}, {ω₂} und {ω₃}, bei denen die Spulen strahlen, werden durch einen Computer 36 vorgegeben, der als Systemsteuerung für das System 10 dient. Die Sätze von Frequenzen {ω₁}, {ω₂} und {ω₃} können dieselben Frequenzen oder unterschiedliche Frequenzen beinhalten. In jedem Fall steuert der Computer 36 die Schaltungen 30, 32 und 33 gemäß einem bekannten Multiplexmuster, welches dafür sorgt, daß zu einem jeden Zeitpunkt niemals mehr als eine der Strahlerspulen bei einer jeden gegebenen Frequenz strahlt. Typischerweise wird eine jede Treiberschaltung so gesteuert, daß sie zyklisch in der Zeit die Frequenzen in dem zugehörigen Satz durchlauft. Alternativ kann eine jede Treiberschaltung die zugehörige Spule 22, 24 oder 26 so antreiben, daß sie bei mehreren Frequenzen gleichzeitig strahlt.
Für die Zwecke des Systems 10 können die Strahlerspulen 22, 24 und 26 in irgendeiner praktischen Position und Orientierung angeordnet sein, solange sie in bezug auf ein Bezugssystem fest sind, und solange sie nicht überlappen, d. h., solange keine zwei Strahlerspulen vorliegen, die den exakt gleichen Ort, d. h., Position und Orientierung, haben. Es versteht sich, daß die Anordnung der Strahlerspulen, sowie deren Größe und Form entsprechend der Anwendung der Erfindung variieren wird. Für eine medizinische Anwendung umfassen die Strahlerspulen typischerweise gewickelte ringförmige Spulen mit einem Außendurchmesser von ungefähr 2 bis 20 cm, die ungefähr 0,5 bis 2 cm dick sind, in einer koplanaren dreieckigen Anordnung, wobei die Zentren der Spulen ungefähr 2 bis 30 cm voneinander entfernt sind. Stabförmige Sender oder sogar dreieckige oder quadratische Spulen können für solche medizinischen Anwendungen ebenfalls nützlich sein. Wenn ein Patient einer Prozedur unterzogen wird, die die vorliegende Erfindung beinhaltet, können die Strahlerspulen in oder unterhalb der Fläche angeordnet sein, auf der der Patient ruht (z. B. in oder unter einem OP-Tisch), unterhalb des Teils des Körpers des Patienten, in dem die Prozedur durchzuführen ist. In anderen Anwen dungen können die Strahlerspulen nahe bei der Haut des Patienten liegen oder mit dieser in Kontakt sein.
Die Sonde 20 umfaßt Sensorspulen 27, 28 und 29, die in Antwort auf die von den Strahlerspulen produzierten Magnetfelder elektrische Stromsignale erzeugen. Die Sensorspulen können entweder auf Luftkerne oder einen Kern aus einem Material gewickelt sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform haben die Sensorspulen paarweise zueinander orthogonale Achsen, von denen eine praktischerweise mit der langen Langsachse der Sonde 20 ausgerichtet ist. Anders als bei Positionssensoren aus dem Stand der Technik (die für andere Anwendungen verwendet wurden), die drei Spulen enthalten, die konzentrisch angeordnet sind, oder deren Achsen sich zumindest schneiden, sind die Spulen in dieser Ausführungsform entlang der Längsachse der Sonde unter geringem Abstand angeordnet, um den Durchmesser der Sonde zu verringern und Platz für andere Elemente, wie beispielsweise einen Arbeitskanal (nicht gezeigt), zu lassen.
Zu jedem Zeitpunkt umfassen die Signale, die von den Sensorspulen 27, 28 und 29 erzeugt werden, Komponenten der spezifischen Frequenzen in den Sätzen {ω₁}, {ω₂} und {ω₃}, die durch die Strahlerspulen erzeugt werden. Die jeweiligen Amplituden dieser Signale hängen von der Position und der Orientierung der Sonde 20 in bezug auf die Positionen und die Orientierungen der Stahlerspulen ab. Die von den Sensorspulen 27, 28 und 29 erzeugten Signale werden über Leitungen 33 zum proximalen Ende der Sonde zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungsschaltung 34 übertragen. Die Leitungen 33 umfassen typischerweise Twisted Pairs, um den Pick-up zu verringern, und sie können weiter elektrisch abgeschirmt sein. Die verarbeiteten Sensorsignale werden dann vom Computer 36 verwendet, zusammen mit einer Repräsentation der Signale, die zum Antreiben der Strahlerspulen 22, 24 und 26 verwendet werden, um die Positions- und Orientierungskoordinaten der Sonde 20 zu berechnen.
In einer Ausführungsform der Erfindung haben die Sensorspulen 27, 28, 29 einen Innendurchmesser von ungefähr 0,5 mm und 800 Wicklungen eines Drahtes mit einem Durchmesser von 16 μm, um einen Gesamt-Spulendurchmesser von 1 bis 1,2 mm zu ergeben. Die effektive Erfassungsfläche der Spule beträgt dann ungefähr 400 mm². Es versteht sich, daß diese Abmessungen über einen erheblichen Bereich variieren können und nur repräsentativ für einen beispielhaften Bereich von Abmessungen sind. Insbesondere kann die Größe der Sensorspulen auch nur 0,3 mm betragen (mit etwas Verlust bei der Empfindlichkeit), oder sogar 2 mm oder mehr betragen. Die Größe des Drahtes der Sensorspulen kann in einem Bereich von 10 μm bis 31 μm variieren, und die Anzahl von Wicklungen kann zwischen 300 und 2600 betragen, in Abhängigkeit von der maximalen erlaubten Größe und des Drahtdurchmessers. Die effektive Erfassungsfläche der Sensorspulen wird typischerweise so groß gemacht, wie möglich ist, jedoch verträglich mit den Anforderungen an die Gesamtgröße. Obwohl die Spulen 27, 28 und 29 zylindrisch dargestellt sind, können auch andere Formen verwendet werden. Beispielsweise können in Abhängigkeit von der Geometrie der Sonde 20 tonnenförmige, quadratische oder anders geformte Spulen nützlich sein.
Obwohl in 1 das System 10 mit drei Strahlerspulen und drei Sensorspulen gezeigt ist, können in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Anzahlen, Arten und Konfigurationen von Strahlern und Sensoren verwendet werden. Beispielsweise kann ein festes Bezugssystem hergestellt werden, indem nur zwei nicht-überlappende Strahlerspulen verwendet werden, um unterscheidbare magnetische Felder zu erzeugen. Zwei nicht-parallele Sensorspulen können verwendet werden, um den magnetischen Feldfluß aufgrund der Strahlerspulen zu messen, um sechs Positions- und Orientierungskoordinaten (X-, Y-, Z-Richtungen und Nick-, Gier- und Rollorientierungen) des distalen Endes der Sonde 20 zu ermitteln. Die Verwendung von drei Strahlerspulen und drei Sensorspulen neigt jedoch dazu, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Fusionsmessung zu erhöhen.
Wenn alternativ nur eine einzige Sensorspule verwendet wird, kann der Computer 36 immer noch fünf Positions- und Orientierungskoordinaten (X-, Y-, Z-Richtungen und Nick- und Gierorientierungen) ermitteln. Spezifische Merkmale und Funktionen eines Systems mit einer einzigen Spule (auch als Einzel-Achsensystem bezeichnet) sind im US-Patent 6,484,118 beschrieben.
Um die Koordinaten der Sonde 20 zu bestimmen, fittet der Computer die Sondensignale an ein mathematisches Modell der Magnetfelder, die von den Strahlerspulen 20, 24 und 26 erzeugt werden. Diese Berechnung wird mehrere Male an einem jeden Ort der Probe durchgeführt, wie unten beschrieben wird, unter Verwendung einer Gruppe von Strahlerfrequenzen {ω₁, ω₂ und ω₃} bei einer jeden Berechnung. Die Form der Berechnung für die drei Strahlerspulen und die drei Sensorspulen, wie sie in 1 gezeigt sind, ist in der oben genannten Offenlegungsschrift US 2002/0065455 A1 als System von neun nicht-linearen algebraischen Gleichungen gegeben:
Hierbei repräsentieren B_S.C.(ω_C) das tatsächliche Signal, das von der Sensorspule s an den unbekannten Orts- und Orientierungskoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) infolge des Feldes der Strahlerspule c empfangen wird, wobei die Strahlerspule bei einer Frequenz von ω_C in einem Satz {ω_C} angetrieben wurde. F_S,C(x, y, z, ∊, ξ, ζ) repräsentiert das Signal, das von den Sensorspulen bei diesen Koordinaten empfangen würde, wenn ein bekanntes Modell der von den Strahlerspulen erzeugten Magnetfelder gegeben ist. Dieses Modell hängt von den spezifischen Orten und der Geometrie der Strahlerspulen 22, 24 und 26 ab, wie im Fachgebiet bekannt ist.
Unter der Annahme, daß keine Gegenstände in der Nähe der Sonde 20 vorliegen, die die von den Strahlerspulen erzeugten Felder signifikant stören, ist F_S.C. bei einem jeden gegebenen Ort eindeutig durch die Antriebsströme und die bekannten Orte und Orientierungen der Strahlerspulen bestimmt:
Hierbei ist A_C und Φ_C die Amplitude bzw. Phase der Positionssignalkomponente bei der Frequenz ω_C. Das System von Gleichungen, welches durch die Gleichungen (1) und (2) repräsentiert wird, wird typischerweise unter Verwendung von numerischen Näherungsverfahren gelöst, die im Fachgebiet bekannt sind, wie beispielsweise dem Newton-Raphson-Verfahren oder multidimensionalen Sekantenverfahren, um die Koordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) zu ermitteln. Es wird erwartet, daß die Berechnung eindeutig auf die korrekten Koordinatenwerte konvergiert, unabhängig von den verwendeten Frequenzen ω_C der Strahlerspulen.
Wie in 1 gezeigt ist, kann es jedoch sein, daß diese Erwartung nicht erfüllt wird, wenn ein Metallgegenstand oder ein anderer auf das Magnetfeld ansprechender Gegenstand, wie beispielsweise ein chirurgisches Instrument 40 in die Nähe der Sonde 20 gebracht wird. Das Instrument oder Werkzeug 40 empfängt im allgemeinen Energie von den ungestörten Feldern H →₁, H →₂, und H →₃ und es strahlt seinerseits störende parasitäre Magnetfelder H →₁, H →₂, und H →₃ bei den spezifischen Frequenzen aus den Sätzen {ω₁}, {ω₂} und {ω₃} aus, welche von den Strahlerspulen erzeugt werden. Die Phasen und Amplituden der parasitären Felder hängen allgemein von den Eigenschaften des Werkzeugs 40 ab, zu denen die dielektrische Konstante, die magnetische Permeabilität, die geometrische Form und die Orientierung in bezug auf die Strahlerspulen gehören. Die Phasen und Amplituden der parasitären Felder sind auch eine Funktion der spezifischen Frequenzen der Felder H →₁, H →₂, und H →₃. Daher entspricht das Modell der ungestörten Magnetfelder, die von den Strahlerspulen 22, 24 und 26 erzeugt werden, nicht mehr präzise den tatsächlichen Feldern, die von den Sensorspulen 27, 28 und 29 wahrgenommen werden. Statt dessen enthalten die Signale, die von den Sensorspulen erzeugt werden, nun ein parasitäre Komponente:
wobei A_C und Φ_C die Amplitude bzw. Phase der parasitären Signalkomponente bei der Frequenz ω_C sind.
Als Resultat dieser parasitären Effekte kann die Gleichung (1), wenn sie gelöst wird, unterschiedliche Resultate für unterschiedliche Wahlen der Strahlerfrequenzen ergeben. Wenn die Störung bei bestimmten Frequenzen erheblich ist, kann es ferner sein, daß das Näherungsverfahren, das verwendet wird, um das System von Gleichungen zu lösen, überhaupt nicht mehr konvergiert.
Obwohl das System 10 mit drei Strahlerspulen und drei Sensorspulen gezeigt ist, treten ähnliche Probleme der Feldstörung auf, wenn andere Arten von Antennen für die Felderzeugung und den Feldempfang verwendet werden, und auch, wenn eine größere oder geringere Anzahl von Feldgeneratoren und -empfängern verwendet wird. Beispielsweise können die Spulen 27, 28 und 29 in der Sonde 20 als Felderzeuger verwendet werden, während die externen Spulen 20, 24 und 26 als Empfänger verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel, das oben bereits erwähnt wurde, kann das Verfolgungssystem auch nur eine einzige Sensorspule und eine Mehrzahl von Strahlerspulen umfassen, oder eine einzige Strahlerspule und eine Mehrzahl von Sensorspulen. Die Verwendung einer einzigen Sensorspule mit mehreren Strahlerspulen ist beispielsweise in der oben bereits erwähnten europäischen Patentanmeldung Nr. 1 184 684 und im US-Patent 6,484,118 beschrieben. Diese Anwendung gibt eine Reihe von Abschätzverfahren zum Bestimmen der Koordinaten einer Sonde, die eine einzige Sensorspule enthält, an, darunter das Gradientenverfahren (Steepest-Descent-Technik) und eine globale Abschätz-Technik. Unabhängig von der Wahl des Verfahrens kann eine Feldstörung durch auf Felder ansprechende Gegenstände in dem Einzelsensorsystem auf gleiche Weise bewirken, daß Koordinatenberechnungen bei verschiedenen Frequenzen bei unterschiedlichen Werten konvergieren oder überhaupt nicht konvergieren.
2 ist ein Flußdiagramm, das schematisch ein Verfahren illustriert, das von dem Computer 36 ausgeführt wird, um die Anwesenheit eines das Feld störenden Gegenstands zu detektieren, wie beispielsweise das Werkzeug 40 in der Nähe der Sonde 20, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl dieses Verfahren wie oben erwähnt wurde mit spezifischer Bezugnahme auf das System 10 beschrieben wird, ist es auf ähnliche Weise auf magnetische Verfolgungssysteme anderer Arten und mit anderen Konfigurationen anwendbar. Um das Verfahren zu beginnen, wählt die Steuerungseinheit einen ersten Satz aus einer oder mehreren Frequenzen für die Strahlerspulen 22, 24 und 26 bei einem Frequenz-Auswahlschritt 50 aus. Wenn sämtliche der Strahlerspulen bei derselben Frequenz arbeiten (beispielsweise unter Verwendung von Zeit-Multiplexing, um die von den unterschiedlichen Strahlerspulen erzeugten Felder zu unterscheiden), umfaßt der Satz von Frequenzen, der in diesem Schritt ausgewählt wird, nur eine einzige Frequenz. In Systemen, bei denen alternativ die jeweiligen von den Strahlerspulen erzeugten Felder unterschiedliche Frequenzen aufweisen, umfaßt der Satz von Frequenzen, der in diesem Schritt ausgewählt wird, typischerweise eine Frequenz, die aus einem jeden der Sätze {ω₁}, {ω₂} und {ω₃} ausgewählt ist. Ferner kann eine jede der Strahlerspulen gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Frequenzen angetrieben werden.
Die Strahlerspulen 22, 24 und 26 erzeugen Magnetfelder bei der ausgewählten Frequenz oder den jeweiligen Frequenzen, und in Antwort auf die Felder erzeugen die Sensorspulen 27, 28 und 29 Positionssignale. Der Computer 36 versucht dann, die Position und Orientierung der Sonde 20 zu ermitteln, indem er das Gleichungssystem, welches durch die Gleichungen (1) und (2) repräsentiert wird, unter Verwendung der Positionssignalamplituden als Eingaben B_S.C.(ω_C) in einem Positions-Ermittlungsschritt 52 löst. Wenn eine oder mehrere der Strahlerspulen Felder bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig erzeugen, verwendet der Computer 36 typischerweise Filtertechniken im Zeit- oder Frequenzbereich, um die Si gnalkomponenten bei den unterschiedlichen Strahlerfrequenzen zu trennen, bevor die simultanen Gleichungen gelöst werden. Es kann ein jedes geeignetes Verfahren verwendet werden, um die Gleichungen zu lösen, wie beispielsweise die Verfahren, die oben beschrieben wurden, oder andere im Fachgebiet bekannte Verfahren.
Der Computer 36 testet im Konvergenztestschritt 54, ob die Rechnung bei einer zufriedenstellenden Lösung konvergiert ist. Solange die Berechnung konvergiert, schließt der Computer daraus, daß die Strahlerfelder nicht durch irgendeinen störenden Gegenstand wesentlich gestört wurden. In solch einem Fall kehrt der Computer zum Schritt 50 zurück, wählt einen anderen Satz von Frequenzen aus und wiederholt dann die Schritte 52 und 54. Jedesmal, wenn der Schritt 54 durchlaufen wird, überprüft der Computer die Konvergenz, um festzustellen, daß:

• sowohl die Berechnung der Sondenkoordinaten bei dem aktuellen Satz von Strahlerfrequenzen selbst konvergiert ist, d. h., daß nach einer gewissen Anzahl von Iterationen durch das jeweils verwendete Fitverfahren die Variation der berechneten Koordinaten von Iteration zu Iteration innerhalb einer vorbestimmten Fehlerschranke liegt; als auch
• die bei dem aktuellen Satz von Strahlerfrequenzen berechneten Koordinaten innerhalb einer vorbestimmten Fehlerschranke liegen, typischerweise ungefähr 3 mm, in bezug auf die Koordinaten, die in vorhergehenden Durchläufen der Schritte 50 bis 54 unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzsätze berechnet wurden.

Die Schleife durch die Schritte 50 bis 54 wird N mal wiederholt, wobei N beispielsweise 5 oder 10 betragen kann. Der Computer 36 prüft bei einem Beendigungs-Prüfschritt 56, ob die N Wiederholungen beendet sind. Wenn bei allen N Malen die Konvergenz auftritt, ermittelt der Computer in einem negativen Ermittlungsschritt 58, daß keine signifikante Feldstörung aufgrund eines Metallwerkzeugs 40 (oder irgendeines anderen das Feld störenden Gegenstands) vorliegt.
Wenn andererseits in irgendeiner der Iterationen durch Schritt 54 festgestellt wird, daß die Koordinatenberechnung nicht konvergiert ist, schließt der Computer 36 in einem positiven Ermittlungsschritt 60, daß ein das Feld störender Gegenstand vorliegt. Diese Ermittlung kann vorgenommen werden, weil die Anwesenheit solch eines Gegenstandes der einzige vernünfti gerweise zu erwartende Grund (außer einem mechanischen oder elektrischen Versagen) ist, daß die Gleichungen nicht konvergieren. Nachdem die Ermittlung vorgenommen wurde, kann der Computer in einem Kompensationsschritt 62 Kompensationstechniken anwenden, um die Koordinatenberechnung im Hinblick auf die Störung zu korrigieren, die durch den störenden Gegenstand hervorgerufen wird. Beispielsweise können die Techniken, die in den oben erwähnten US-Patenten 6,147,480 und 6,373,240 beschrieben werden, für diesen Zweck verwendet werden, ebenso wie viele andere im Fachgebiet bekannte Techniken. Zusätzlich oder alternativ kann der Computer 36 den Nutzer des Systems benachrichtigen, daß die aktuellen Koordinaten der Sonde 20 zweifelhaft und mit Vorsicht zu verwenden sind, bis beispielsweise das Werkzeug 40 aus der Umgebung der Sonde entfernt wurde. Wenn die Kompensationstechniken das Problem der Nicht-Konvergenz nicht lösen, kann der Computer 36 den Nutzer über ein Versagen des Systems benachrichtigen.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nur als Beispiele angeführt wurden, und daß die vorliegende Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was speziell oben beschrieben und gezeigt wurde. Statt dessen ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zum Verfolgen eines Objekts (20), das folgendes umfaßt: Produzieren von Energiefeldern(H →₁, H →₂, und H →₃) bei einer Mehrzahl von verschiedenen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) in der Nähe des Objekts; Empfangen von Signalen, die an einem Ort des Objekts bei den unterschiedlichen Frequenzen in Antwort auf die Energiefelder erzeugt werden; Durchführen (52) von mehreren Berechnungen von Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) des Objekts basierend auf den Signalen, die bei den unterschiedlichen Frequenzen empfangen werden; und Ermitteln, ob die Energiefelder durch einen Gegenstand (40) in der Nähe des Objekts gestört wurden, indem eine Konvergenz der Berechnungen getestet wird (54); dadurch gekennzeichnet, daß das Testen (54) der Konvergenz das Ermitteln (60) einer Diskrepanz zwischen den Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) umfaßt, welche bei den verschiedenen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) berechnet wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Produzieren der Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) das Produzieren von Magnetfeldern umfaßt, und wobei das Empfangen der Signale das Empfangen elektrischer Signale umfaßt, welche in Antwort auf die Magnetfelder erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Produzieren der Magnetfelder (H →₁, H →₂, und H →₃) das Betreiben einer Mehrzahl von Strahlerspulen (22, 24, 26) mit elektrischen Strömen bei den unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) umfaßt, um die Magnetfelder zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Betreiben der Mehrzahl von Strahlerspulen das Betreiben einer jeden der Spulen (22, 24, 26) derart umfaßt, daß die Magnetfelder bei einem eindeutigen zugehörigen Satz der Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Empfangen der elektrischen Signale das Empfangen der elektrischen Signale von einer oder mehreren Sensorspulen (27, 28, 29) umfaßt, welche an dem Objekt (20) befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Produzieren der Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) das sequentielle Durchlaufen einer vorbestimmten Abfolge der Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erzeugen der Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) das Erzeugen der Felder gleichzeitig bei den unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Durchführen (52) der Mehrzahl von Berechnungen das Lösen eines Satzes simultaner Gleichungen umfaßt, welche eine Beziehung zwischen den empfangenen Signalen und den Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) des Objekts herstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Durchführen (52) der Mehrzahl von Berechnungen das Anwenden eines iterativen Näherungsverfahrens umfaßt, um die Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) zu ermitteln, und wobei das Testen der Konvergenz das Auswerten eines Konvergenzkriteriums des iterativen Verfahrens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem, wenn ermittelt wird, daß die Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) gestört wurden, die Berechnungen korrigiert werden (62), um die Anwesenheit des Gegenstands (40) in der Nähe des Objekts (20) zu kompensieren.
Vorrichtung (10) zum Verfolgen eines Objekts (20), die folgendes umfaßt: mindestens einen Strahler (22, 30; 24, 32; 26, 33), der geeignet ist, Energiefelder (H →₁,H →₃ H →₂, und H →₃) bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) in der Nähe eines Objekts zu produzieren; mindestens einen Sensor (27, 28, 29), der an dem Objekt befestigt ist und geeignet ist, Signale in Antwort auf die Energiefelder bei den unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen; und eine Systemsteuerung (36), die geeignet ist, eine Mehrzahl von Berechnungen von Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) des Objekts basierend auf den Signalen durchzuführen, welche bei den verschiedenen Frequenzen erzeugt wurden, und zu ermitteln, ob die Energiefelder durch einen Gegenstand (40) in der Nähe des Objekts gestört wurden, indem eine Konvergenz der Berechnungen getestet wird; dadurch gekennzeichnet, daß die Systemsteuerung (36) geeignet ist, die Konvergenz durch eine Diskrepanz zwischen den Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) zu detektieren, welche bei den unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) berechnet wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) Magnetfelder umfassen, und bei der die Signale elektrische Signale umfassen, welche durch den mindestens einen Sensor (27, 28, 29) in Antwort auf die Magnetfelder erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der mindestens eine Strahler mehrere Strahlerspulen (22, 24, 26) und eine Treiberschaltung (30, 32, 33) umfaßt, die geeignet ist, die Strahlerspulen mit elektrischen Strömen bei den unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) zu betreiben, um die Magnetfelder (H →₁, H →₂, und H →₃) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Treiberschaltung geeignet ist, eine jede der Spulen (22, 24, 26) so zu betreiben, daß die Magnetfelder (H →₁, H →₂, und H →₃) bei einer eindeutigen zugehörigen Abfolge der Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der mindestens eine Sensor eine oder mehrere Sensorspulen (27, 28, 29) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der mindestens eine Strahler (22, 30; 24, 32; 26, 33) geeignet ist, die Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) sequentiell mit einer vorbestimmten Abfolge der Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der mindestens eine Strahler (22, 30; 24, 32; 26, 33) geeignet ist, die Felder (H →₁, H →₂, und H →₃) gleichzeitig bei den unterschiedlichen Frequenzen ({ω₁}, {ω₂} und {ω₃}) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Systemsteuerung (36) geeignet ist, die Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) zu berechnen, indem ein Satz von simultanen Gleichungen gelöst wird, welche eine Beziehung zwischen den empfangenen Signalen und den Raumkoordinaten des Objekts (20) herstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Systemsteuerung (36) geeignet ist, die Raumkoordinaten (x, y, z, ∊, ξ, ζ) zu berechnen, indem ein iteratives Näherungsverfahren angewendet wird, und die Konvergenz der Berechnung zu testen, indem ein Konvergenzkriterium des Iterationsverfahrens ausgewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Systemsteuerung (36) geeignet ist, wenn festgestellt wird, daß die Energiefelder (H →₁, H →₂, und H →₃) gestört wurden, die Berechnungen zu korrigieren, um die Anwesenheit des Artikels (40) in der Nähe des Objekts (20) zu kompensieren.