DE69733341T2

DE69733341T2 - Ortungsverfahren mit feldbestätigungssequenzen

Info

Publication number: DE69733341T2
Application number: DE69733341T
Authority: DE
Inventors: E. David ACKER
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: EP0886757A4; AU704129B2; DE69733341D1; CA2247441C; JP2000506264A; IL125909A0; EP0886757B1; AU2051997A; EP0886757A1; US6211666B1; JP4141500B2; CA2247441A1; ES2242213T3; WO1997032179A1

Description

Stand der Technik
Für das Erfassen der Position und/oder der Ausrichtung eines Objekts mittels magnetischen oder elektromagnetischen Feldern sind unterschiedliche Systeme vorgeschlagen worden. Diese Systeme verwenden typischerweise Feld-Sender bzw. Feld-Übermittler, beispielsweise elektromagnetische Spulen, welche an einem bekannten Ort in einem festen Bezugsrahmen angeordnet sind und einen Sensor, beispielsweise eine Spule oder andere Aufnehmer bzw. Wandler, welche an dem zu ortenden Objekt angeordnet sind. Jeder Sender projiziert ein sich im Raum veränderndes Feld in einem festen Bezugsrahmen. Das Muster der Veränderung im Raum ist für jeden Sender anders als das Muster für jeden anderen Sender. Beispielsweise können die Sender zueinander identisch sein, aber an unterschiedlichen Orten oder mit unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sein. Die Feldmuster der Sender sind daher zueinander und relativ zum festen Bezugsrahmen versetzt oder verdreht. Der Sensor auf dem Objekt umfaßt ein oder mehrere Sensorelemente zum Erfassen der Parameter des am Ort des Objekts vorherrschenden Feldes, wie beispielsweise die Größe und/oder Richtung des Feldes am Objekt oder den Betrag individueller Komponenten des Feldes am Objekt in einer oder mehreren im Bezug auf den Sensor definierten, vorher ausgewählten lokalen Richtungen. Die Sensoren können in einer vorbestimmten Sequenz betätigt werden, so daß zu jeder Zeit nur ein Sender aktiv ist und daher das am Objekt vorherrschende Feld nur das von einem Sender beigetragene Feld plus einem Hintergrundfeld aufgrund des Erdmagnetfeldes und anderen umgebungsbedingten Quellen ist. Basierend auf die erfaßten Parameter des Feldes von den einzelnen Sendern und auf die bekannten Muster der Veränderung des Feldes von jedem Sender, errechnet ein Computersystem die Position und Ausrichtung des Sensors, und somit die Position des den Sensor tragenden Objekts, im festen Bezugsrahmen des Senders. In einer Variante des Systems trägt das zu ortende Objekt den Sender oder die Sender, wobei mehrere Sensorelemente an verschiedenen Orten oder mit verschiedenen Ausrichtungen im festen Bezugsrahmen angeordnet sind. Der Ort und/oder die Ausrichtung des Objekts wird von den Signalen abgeleitet, welche die Parameter des an den unterschiedlichen Sensoren vorherrschenden Feldes darstellen.
Systeme allgemeiner Art sind in den US-Patenten US 4,849,692 ; US 4,642,786 ; US 4,710,708 ; US 4,613,866 und US 4,945,305 offenbart. Systeme gemäß diesem allgemeinen Aufbau können benutzt werden, um für einen Computer eine Fähigkeit zur dreidimensionalen räumlichen Eingabe vorzusehen. Ein anderes System dieser Art ist in der internationalen Patentveröffentlichung WO 94/04938 offenbart. In der WO 94/04938 kann das zu ortende Objekt ein medizinischer Endoskop sein. Ein derartiges System kann einen Sensor umfassen, welcher auf der Spitze eines Endoskops angeordnet ist, so daß der Ort und/oder die Ausrichtung der Endoskopspitze ermittelt werden kann, während der Sensor im Körper eines Patienten angeordnet ist. Andere Systeme zur Ortung medizinischer Instrumente, wie beispielsweise Endoskope und Katheter, basierend auf gesendeten Feldern sind in den US-Patenten US 5,042,486 ; US 5,099,845 ; US 5,211,165 ; US 5,251,635 ; US 5,253,647 ; US 5,255,680 ; US 2,265,610 und US 5,391,199 offenbart.
US-Patent 4,560,930 offenbart ein Abstand messendes System, welches auch orthogonale, Magnetfelder erzeugende Spulen verwendet. Die erzeugten Magnetfelder werden mittels Sensorspulen erfaßt, deren Ausgaben mit einem veränderbaren Verstärkungsfaktor verstärkt werden, welcher von den Ausgaben des Sensors abhängt.
Typische Sensorelemente haben begrenzte Betriebsbereiche. Beispielsweise bietet ein Sensorelement, wie beispielsweise ein magneto-resistives Gerät oder ein Hall-Effekt-Gerät, welches angepaßt ist, um ein den Betrag einer magnetischen Feldkomponente in einer bestimmten Richtung darstellendes elektrisches Signal zur Verfügung zu stellen, typischerweise die genauesten Signale, wenn die Größe der Feldkomponente in einem relativ schmalen Bereich liegt. Wie in den Parallelanmeldungen US 08/476,380 und PCT/LTS96/08411 mit dem Titel „MAGNETIC LOCATION SYSTEM WITH ADAPTIVE FEEDBACK CONTROL" beschrieben, deren Inhalte hiermit mit einbezogen werden, kann ein magnetisches Ortungssystem mit einer Rückkopplungssteuerung versehen werden, um den Betrieb des auf die Signale von den Aufnahmeelementen reagierenden Feld Sendern einzustellen. Beispielsweise kann ein ortendes System mehrere Mehrfachelement-Sensoren umfassen, bei denen jeder von ihnen mehrere unterschiedliche Meßfühler zum Erfassen von Feldkomponenten in mehreren unterschiedlichen Richtungen umfaßt. Jeder Sensor kann auf einem anderen Objekt angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Sensor an einem medizinischen Instrument angeordnet sein, während ein anderer Sensor am Körper des Patienten angeordnet ist, so daß das System die Orte des Instruments und des Körpers gleichzeitig verfolgen kann. Wenn der erste Sensor nahe einer ersten feldsendenden Spule und entlang von einer zweiten feldsendenden Spule angeordnet wird und beide Spule auf gleicher Weise betrieben werden, um Felder gleichen Betrages zu erzeugen, werden die vom Aufnahmeelement erfaßten Beträge aller magnetischen Feldkomponenten während des Betriebs der ersten Spule größer sein als während des Betriebs der zweiten Spule. Für einen gleichartigen zweiten Sensor, welcher benachbart zur zweiten Spule und entfernt von der ersten Spule angeordnet ist, werden die Signale während des Betriebs der zweiten Spule größer sein.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen in US 08/476,380 wird die Betätigung der Spulen als Reaktion auf die Signale von den Aufnahmeelementen gesteuert, um die Feldkomponenten am Meßfühler im gewünschten Bereichen zu halten. Manche in US 08/476,380 offenbarte Systeme arbeiten zyklisch. Während jedes Betriebszyklusses wird jede Spule während mehrerer getrennter Meßintervalle betätigt. Während jedes Meßintervalls wird ein Sensor betrieben und die anderen Sensoren sind inaktiv. Beispielsweise kann bei einem ein System, welches zwei Sensoren 1 und 2 und drei Spulen A, B und C umfaßt, der Zyklus ein erstes Aufnahmeintervall A1 umfassen, in welchem die Spule A aktiviert wird und der Sensor 1 betrieben wird, um ein Signal zu erfassen, gefolgt durch einen zweiten Meßintervall in A2, in welchem die Spule A aktiviert wird und der Sensor 1 betrieben wird und so weiter, so daß der Gesamtzyklus die Intervalle A1, A2, B1, B2, C1, C2 umfaßt. Während jedes Intervalls wird das vom Sensor 1 im vorherigen Zyklus erfaßte Signal dazu benutzt, die an den unterschiedlichen Spulen in den Intervallen A1, B1 und C1 angewendeten Ströme einzustellen, wohingegen das von Sensor 2 im vorherigen Zyklus erfaßte Signal benutzt wird, um die in den Intervallen A2, B2, C2 angewendeten Ströme einzustellen. Auf diese Weise wird der Betrag des auf den Sensor 1 während der Intervalle A1, B1, C1 auftreffende magnetische Feld im Betriebsbereich des Sensors 1 gehalten, während der Betrag des auf den Sensor 2 während der Intervalle A2, B2, C2 auftreffende magnetische Feld im Betriebsbereich des Sensors 2 gehalten wird. Ein Steuerungscomputer-System verfolgt die während jedes Zyklusses verwendeten Ströme und somit die Beträge der mittels jeder Spule angewendeten magnetischen Felder. Diese Information wird in den Gleichungen berücksichtigt, welche verwendet werden, um die Positions- und Ausrichtungsinformationen für jeden Sensor aus den Auslesungen der Aufnahmeelemente abzuleiten. Der tatsächliche, an jeder Spule während jedes Aufnahmeintervalls angewendete Strom wird sich mit der Position des zu einem solchen Intervall gehörenden Sensors verändern.
Wenn weitere Sensoren verwendet werden, werden weitere Aufnahmeintervalle zu dem Zyklus hinzugefügt. Die Anzahl der Aufnahmeintervalle im gesamten Zyklus kann gleich dem Produkt der Anzahl der Sensoren mit der Anzahl der Spulen sein. Außerdem können in einem System gemäß einer weiteren Ausführungsform in US 08/476,380 getrennte Aufnahmeintervalle und getrennte Spulenstrom-Einstellungen für jedes Aufnahmeelement in einem Mehrfachelement-Sensor vorgesehen sein. Somit wird jede Spule der zur Verfügung gestellten magnetischen Feldstärke für jedes Aufnahmeelement getrennt eingestellt, so daß die Feldkomponente in der zu einem bestimmten Aufnahmesensor gehörenden Richtung in einem gewünschten Bereich des Fühlers liegt. In einem derartigen System kann die Anzahl der Aufnahmeintervalle gleich der Anzahl der einzelnen Aufnahmeelemente mal der Anzahl der Spulen sein.
Die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung gemäß der Ausführungsformen in US 08/476,380 bieten wesentliche Verbesserungen in der Genauigkeit und erlauben die Verwendung von Sensoren, welche einen begrenzten Betriebsbereich aufweisen aber andere wesentliche Vorteile, beispielsweise Kompaktheit, haben. Es bedarf jedoch einer merklichen Zeitdauer, den Strom in jeder Spule zu Beginn jedes Aufnahmeintervalls auf den gewünschten Stromwert zu erhöhen. Die benötige Zeitdauer zum Erhöhen des Stromes wird im allgemeinen mit „Anstiegszeit" bezeichnet. Auch werden in elektrisch leitfähigen Materialien in oder in der Nähe des Systems Wirbelströme induziert, wenn die mittels einer Spule angewendete magnetische Feldstärke erhöht oder vermindert wird. Die Wirbelströme überlagern störende magnetische Felder auf die zu messenden Felder. Daher kann das Steuerungssystem das Einholen der Signale von den Aufnahmeelementen für eine merkliche Zeitdauer, nachdem der Strom in einer Spule den gewünschten Wert für ein bestimmtes Aufnahmeintervall erreicht hat, verzögern. Diese, im allgemeinen als „Einstell"-Zeit bezeichnete Verzögerungszeit gewährt Zeit zum Abbauen der Wirbelströme. Da Anstiegs- und Einstellzeit zu jedem Aufnahmeintervall in den zeitmultiplexten Ausführungsformen in US 08/476,380 hinzugefügt wurden, war die für jeden Zyklus benötigte Zeit merklich länger, als die für einen vergleichbaren Zyklus mit nur einer Betätigung jeder Spule benötigte Zeit. Längere Zykluszeiten vermindern die Fähigkeit des Systems, sich schnell ändernde Sensor-Orte zu verfolgen.
Dementsprechend ist es wünschenswert, ein verbessertes Ortungsverfahren und ein verbessertes Ortungsgerät bereit zu stellen, welche ein Betätigen jedes Senders bis zu mehrfachen Feldstärken während eines Zyklusses erlauben, aber die aufgrund der Anstiegszeit und der Einstellzeit hervorgerufenen Verzögerungen zu vermindern.
Die Erfindung
Diese Erfordernisse werden von der Erfindung erfüllt. Es ist möglich, ein Verfahren zum Bedienen eines Ortungssystems, beispielsweise eines magnetischen Ortungssystems mit wenigstens einem Sender und mehreren für das Erfassen eines Feldes von einem derartigen Sender oder derartigen Sendern angepaßte Aufnahmeeinheiten vorzusehen. Anders ausgedrückt, wenn ein bestimmter Sender, beispielsweise eine elektronmagnetische Spule, drei unterschiedliche Werte während dreier unterschiedlicher Aufnahmeintervalle zur Verfügung stellen muß, wird die Spule nicht nach dem ersten Aufnahmeintervall abgeschaltet. Vielmehr wird die mittels eines solchen Senders oder einer solchen Spule zur Verfügung gestellte magnetische Feldstärke bis zu dem für das nächste Aufnahmeintervall, welches nach dem Einstellungsintervall folgt, fortschreitend geändert.
Die während der Aufnahmeintervalle jeder Mehrfachwert-Betätigungsfolge angewendeten Aufnahme-Feldstärken sind in fortschreitender Weise geordnet, vorzugsweise von einem niedrigsten Wert zu einem höchsten Wert. Während jedes Betriebszyklusses wird jeder Sender oder jede Spule zuerst mit der Feldstärke niedrigsten Betrages angetrieben, welche mittels dieses Senders während dieses bestimmten Zyklusses angewendet wird; anschließend mit der nächst höheren Feldstärke usw., bis die höchste in dem Zyklus mittels des Senders in dem bestimmten Zyklus anzuwendende Feldstärke erreicht ist. In dieser Ausbildung ist die Änderung der Feldstärke, die während jedes Übergangsintervalls zwischen Aufnahmeintervallen erreicht werden muß, immer kleiner, als die Änderung, welche notwendig wäre, den Elektromagneten von einem vollkommenen Aus-Zustand oder Zustand einer Feldstärke von Null zur nächsten benötigten Feldstärke zu überführen. Da die benötigte Anstiegszeit und die benötigte Einstellzeit für eine Änderung der Feldstärke mit dem Betrag der Änderung direkt im Zusammenhang stehen, werden die benötigte Anstiegszeit und die benötigte Einstellzeit wesentlich kleiner sein, als was benötigt wäre, wenn der Sender zwischen den Aufnahmeintervallen ausgeschaltet wäre.
In den Systemen, welche die Rückkopplungssteuerung aus US 08/476,380 verwenden, kann sich die für die Anwendung während des Betriebs einer bestimmten Aufnahmeeinheit benötigte Feldstärke während des Betriebs des System verändern. Sobald sich ein bestimmter Sensor vom einem bestimmten Sender entfernt, erhöht sich im allgemeinen die für einen derartigen Sender während des Betriebs dieses bestimmten Sensors benötigte Feldstärke. Um sol chen Änderungen Rechnung zu tragen, umfaßt das gewünschte Verfahren den Schritt eines automatischen Neuordnen der Aufnahmeintervalle, welche den unterschiedlichen Aufnahmeeinheiten zugeordnet sind, während sich die für derartige Aufnahmeintervalle benötigten Feldstärken ändern. Somit wird die Reihenfolge des Betriebs der Aufnahmeeinheiten geändert, so daß die während der verschiedenen Aufnahmeintervalle jeder Mehrfachwert-Betätigungssequenz angewendeten Feldstärken in der gewünschten fortschreitenden Reihenfolge bleiben.
Das Verfahren kann zusätzlich den Schritt eines dynamischen Gruppierens oder eines Auflösens einer Gruppierung von Einheiten während des Betriebs umfassen, so daß Aufnahmeeinheiten, welche während getrennter Aufnahmeintervalle mit einem bestimmten Sender während einiger Zyklen betrieben werden, während eines einzigen Aufnahmeintervalls mit dem selben Sender während anderer Zyklen betrieben werden können. Die Sensoren werden zum Betrieb mit jedem Sender in jedem Zyklus, in Abhängigkeit von der vom Sender für die bestimmte Aufnahmeeinheit benötigte Feldstärke, gruppiert oder die Gruppierung wird aufgelöst. Wenn die Differenz zwischen den Feldstärken, welche für einen optimalen Betrieb von zwei oder mehr Aufnahmeelementen oder Sensoren während eines bestimmten Zyklusses benötigt werden, kleiner ist, als ein vorab gewählter Schwellwert, können somit beide Sensoren oder Aufnahmeelemente zusammen gruppiert werden und während eines einzelnen Aufnahmeintervalls mit einer einzelnen Feldstärke nahe der beiden optimalen Feldstärken betrieben werden. Wenn sich jedoch, die von einem bestimmten Sender für den gleichen Sensor oder für das gleiche Aufnahmeelemente benötigten Feldstärken während eines unterschiedlichen Zyklusses merklich voneinander unterscheiden, kann der Sender wie vorangehend beschrieben in einer mehrfach-wertigen Sequenz betätigt werden, um für die unterschiedlichen Aufnahmeintervalle unterschiedliche Feldstärken für jeden Sensor oder für jedes Aufnahmeelement vorzusehen. Dieser Betriebsmodus vermindert die Anzahl der benötigten Aufnahmeintervalle und verkürzt somit die Zykluszeiten.
In Abhängigkeit von den Orten und den Ausrichtungen der Sensoren oder der Aufnahmeelemente können einige oder alle Elektromagnete oder andere Sender während eines bestimmten Zyklusses mit nur einer einzigen Feldstärke und somit in einer Einzelwert-Betätigungssequenz betrieben werden, um ein einziges Aufnahmeintervall vorzusehen. Somit kann in Abhängigkeit von den Positionen und Ausrichtungen der Sensoren ein bestimmter Zyklus Mehrfachwert-Betätigungssequenzen für alle Sender, Mehrfachwert- Betätigungssequenzen für einige Sender und Einfachwert-Sequenzen für die anderen oder für alle Einfachwert-Sequenzen umfassen.
Die Erfindung umfaßt ein Ortungsgerät, beispielsweise ein magnetisches Ortungsgerät. Das erfindungsgemäße Ortungsgerät umfaßt mindestens einen Sender, beispielsweise einen Elektromagneten, zum Aussenden eines Feldes und mehrere Aufnahmeeinheiten, welche betreibbar sind, um Merkmale eines auftreffenden Feldes zu erfassen. Das Gerät umfaßt auch ein Betätigungsmittel, welches betreibbar ist, um die Sender zyklisch zu betätigen, so daß während jedes Betätigungszyklusses jedes Senders in einer vorher ausgewählten Betätigungssequenz betätigt wird und daß zumindest ein Sender während wenigstens eines Zyklusses in einer Mehrfachwert-Betätigungssequenz wie vorangehend beschrieben betätigt wird, um während einer Sequenz von mehreren Aufnahmeintervallen unterschiedliche Magnetfeldstärken in einer vorher ausgewählten Richtung zur Verfügung zu stellen und eine sich fortschreitend ändernde magnetische Feldstärke während mittlerer Übergangsintervalle zwischen den Aufnahmeintervallen vorzusehen. Die sich fortschreitend ändernde Feldstärke ist zu jeder Zeit während jedes mittleren Übergangsintervalls größer als null. Das Gerät gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann ähnliche Vorteile bieten, wie sie vorangehend in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben wurden. Vorzugsweise umfaßt das Gerät einen Steuerungscomputer und einen oder mehrere Betätigungsmittel, welches/welche mit dem Sender oder den Sendern verbunden ist/sind. Das Betätigungsmittel ist ansprechbar auf Signale, welche vom Steuercomputer erhalten werden, um wie vom Steuercomputer bestimmt elektrische Ströme durch jeden Sender anzuwenden. Wünschenswerter Weise ist der Steuercomputer mit den Aufnahmeeinheiten verbunden und angepaßt, um jede Aufnahmeeinheit zu bedienen, um während des angemessenen Aufnahmeintervalls jeder Betätigungssequenz ein Feldmerkmal zu erfassen. Der Steuercomputer ist Vorzugweise ausgestattet, um die mittels der verschiedenen Sender während jedes Zyklusses angewendeten magnetischen Feldstärken in Abhängigkeit von den mittels der Aufnahmeelement oder der Sensoren während eines oder mehrerer vorhergehender Zyklen erfaßten magnetischen Feldmerkmale zu verändern. Der Steuercomputer kann auch angepaßt sein, um Sensoren oder Aufnahmeelement wie vorangehend beschrieben zu gruppieren und ihre Gruppierung aufzulösen sowie um Aufnahmeintervalle wie vorangehend beschrieben neu zu ordnen, so daß jeder Sender während der Aufnahmeintervalle jeder Mehrfachwert-Betätigungssequenz mit einer geordneten Folge von Feldstärken betätigt wird.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Geräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht auf einen Abschnitt des in 1 dargestellten Geräts.
3 ein funktionelles Blockdiagramm, welches weitere Abschnitte des in den 1 und 2 dargestellten Geräts darstellen;
4 einen Graph, welcher Feldstärken in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
5 einen Graph ähnlich zu dem in 4 dargestellten, der jedoch zu einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren gehört.
Das Gerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt im Allgemeines drei Spiralförmige Senderspulen 10, welche in einer gemeinsamen Fläche angeordnet sind. Die Spulen 10 sind in einer festen Position in einem Bezugsrahmen eines Patienten aufnehmenden Betts 12 angeordnet. Der Bezugsrahmen, wie in 1 dargestellt, wird mittels eines kartesischen Koordinatensystems X, Y, Z gekennzeichnet. Ein Patient P kann auf einem Patienten aufnehmenden Bett angeordnet werden. Die Achsen 11 der Spulen sind parallel zueinander. Ein Patient aufnehmendes Bett 12 erstreckt sich gerade oberhalb der Ebene der Spulen 10. Das Gerät umfaßt weiterhin ein Objekt oder eine Probe 14. Die Probe ist angepaßt, um in ein medizinisches Instrument, beispielsweise einen Katheter 16, eingeführt und an einem gewünschten Ort im Katheter angeordnet zu werden, beispielsweise an der Distalenspitze des Katheters oder an einem anderen Ort entlang der Länge des Katheters. An der Probe 14 ist ein Sensor 18 eingeordnet. Das System umfaßt auch einen weiteren Sensor 19 derselben Art wie der Sensor 18, der auf einem weiteren Objekt oder einer weiteren Probe 21, beispielsweise auf einem Katheter, einem Endoskop oder einem anderen zu ortenden medizinischen Instrument, angeordnet ist. Weitere Sensoren 54a, 54b und 54c sind an Bezugs-Markiermitteln angeordnet. Wie in WO95/09562 beschrieben, können mehrere Bezugs-Markiermittel verwendet werden, um den Ort des Körpers des Patienten im Bezugsrahmen des Patienten aufnehmenden Betts zu ermitteln und um eine Korrelation zwischen dem Bezugsrahmen des magnetischen Or tungssystems und dem Bezugsrahmen der vorausgehend aufgenommenen Bildinformation zur Verfügung zu stellen. Jedes Bezugs-Markiermittel kann einen Sensorkörper 52, ein Etikett bzw. einen Aufkleber 53 und einen Sensor 54 der gleichen Art wie der Sensor 18, der lösbar mit dem Sensorkörper verbunden ist, umfassen.
Da alle Sensoren 18, 19, 54a, 54b und 54c in ihrer Struktur und Funktion identisch sind, wird im folgenden nur Sensor 18 genauer beschrieben. Die Beschreibung des Sensors 18 ist jedoch für jeden der anderen Sensoren anwendbar. Der Sensor 18 umfaßt drei einzelne Aufnahmeelemente oder Komponentensensoren 20, 22 und 24, welche angepaßt sind, um Komponenten des magnetischen Felds in zueinander senkrechten lokalen Richtungen X', Y' und Z' aufzunehmen. Das bedeutet, der Komponentensensor 20 ist empfindlich gegenüber in X'-Richtung gerichteten magnetischen Feldern aber weitgehend unempfindlich gegenüber Feldern in X'- und Z'-Richtungen, wohingegen der Komponentensensor 22 nur gegenüber Feldern in Y'-Richtung empfindlich ist und der Komponentensensor 24 gegenüber Feldern im Z'-Richtungen empfindlich ist. Diese Komponentensensoren sind angepaßt, um getrennte, die getrennten Komponenten darstellende Sensorsignale zur Verfügung zu stellen. Der Sensor 18 kann ein Festkörpersensor der in WO95/09562 beschriebenen Art sein, deren Offenbarung hiermit miteinbezogen wird. Wie dort weiterhin beschrieben, kann jedes der Aufnahmeelemente oder jedes der Komponentensensoren einen im allgemeinen ebenen magnetisch empfindlichen Film, beispielsweise einen magnetoresistiven Film oder einen Hall-Effekt-Aufnahmefilm, umfassen. Jeder derartige Film kann gegenüber Feldern empfindlich sein, welche in Bezug auf den Film in eine vorher ausgewählte Richtung gerichtet sind. Wahlweise kann der Sensor 18 ein Feld von Miniaturspulen umfassen, wobei die Achsen der Spulen zueinander senkrecht ausgerichtet sind. Obwohl diese die bevorzugten Sensoren darstellen, kann im wesentlichen jedes magnetisch empfindliche Gerät verwendet werden, beispielsweise ein magnetooptischer Sensor und/oder ein Fluxgate-Magnetometer.
Die Komponentensensoren 20, 22 und 24 sind über ein Kabel 26 mit getrennten Leitungen für jeden Sensor, mit einer Befehlseinheit 28 verbunden. Die Befehlseinheit 28 (3) umfaßt einen Eingangsverstärker und eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit (A/D-Umwandlungsabschnitt) 30, welcher angepaßt ist, von den Komponentensensoren 20, 22 und 24 des Sensors 18 einzelne Signale zu empfangen, diese zu verstärken und sie in eine digitale Form umzuwandeln. Die Verstärkungs- und A/D-Umwandlungseinheit 30 kann weitere herkömmliche Signalverarbeitungsgeräte, beispielsweise analoge oder digitale Bandpaßfiltrier- und Rauschunterdrückungsgeräte und Signal-Durchschnittswertbilder, umfassen. Jeder der anderen Sensoren 19, 54a, 54b und 54c ist mit dem Eingangsverstärkungs- und Analog-Digital-Umwandlungseinheit 30 in gleicher Weise, über zusätzliche getrennte Leitungen (nicht dargestellt), welche die einzelnen Aufnahmeelemente oder Komponentensensoren der anderen Sensoren mit der Einheit 30 verbinden, verbunden. Die Einheit 30 ist ausgebildet, um an einem Zeitpunkt Signale von jeweilseinem Sensor einzuholen.
Die Befehlseinheit 28 kann weiterhin eine Berechnungseinheit 32 umfassen. Die Berechnungseinheit kann als ein programmierter Mehrzweck-Computer ausgebildet sein. Die Positions-Berechnungseinheit ist ausgebildet, um die Aufstellung jedes Sensors 18, 19, 54a, 54b und 54c aus den von dem jeweiligen Sensor erhaltenen Sensorsignale zu errechnen. Die Aufstellung des Sensors zeigt auch die Aufstellung des mit dem in Frage kommenden Sensor verbundenen Objekts an. Beispielsweise zeigt die Aufstellung des Sensors 18 die Aufstellung des Objekts oder der Probe 14 an der Katheterspitze mittels der Sensorsignale an. Der Ausdruck „Aufstellung" eines Elements, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Position des Elements und/oder auf die Ausrichtung des Elements. Die Berechnungseinheit ist somit ausgebildet, um die Position jedes Sensors, die Ausrichtung des Sensors oder vorzugsweise sowohl die Position als auch die Ausrichtung zu berechnen. Die Befehlseinheit 28 kann mit einem Anzeigegerät (nicht dargestellt) verbunden sein, um einem Menschen eine verständliche Darstellung der Position der Probe oder des Objekts 14 zur Verfügung zu stellen. Derartige, für den Menschen verständliche Darstellungen können entweder als numerische Informationen, welche die Position und/oder die Ausrichtung des Objekts 14 in dem Koordinatensystem X, Y, Z darstellen oder vorzugsweise als eine bildliche Darstellung des Objekts und des entsprechenden auf eine bildliche Darstellung des Patienten überlagerten Katheters zur Verfügung gestellt werden.
Die Befehlseinheit 28 umfaßt weiterhin eine Steuereinheit 34. Die Steuereinheit 34 wird mittels Ausgangsbahnen 36, 38 und 40 mit drei getrennten Spulentreibern 42, 44 und 46 verbunden. Jeder Spulentreiber ist mit einem der Senderspulen 10 verbunden. Jeder Spulentreiber ist angepaßt, um einen Gleichstrom durch die zugehörige Senderspule 10 zu leiten. Jeder Spulentreiber ist ausgebildet, um als Reaktion auf die von der Steuereinheit 34 erhaltenen Steuersignale die Amplitude eines solchen Stromes zu steuern und den Strom ein- oder auszuschalten. Die Steuereinheit ist ausgebildet, um den Spulentreibern zu signalisieren, zugehörigen Senderspulen in einer durch die von der Steuereinheit 34 empfangenen Steuersignale bestimmte Sequenz-Ströme zur Verfügung zu stellen, so daß die Spule 10a Strom empfängt, während die Spulen 10b und 10c inaktiv sind, die Spule 10b Strom empfängt, während die Spulen 10a und 10c inaktiv sind und die Spule 10c Strom empfängt, während die Spulen 10a und 10b inaktiv sind. Die Steuereinheit betätigt auch die Spulentreiber, um als Reaktion auf die Signale von der Berechnungseinheit 28 die Amplitude des Stromes an jede Spule zu verändern. Die Steuereinheit 34 kann herkömmliche Schnittstellengeräte umfassen, beispielsweise Digital-Analog-Wandler oder Busschnittstelleneinheiten, so daß die Ausgabe der Steuereinheit mit der Steuereingabe jedes Spulentreibers kompatibel ist. Obwohl die Steuereinheit von den anderen logischen Einheiten der Befehlseinheit 28 getrennt dargestellt ist, kann die Steuereinheit physikalische Elemente der Befehlseinheit und anderer Elemente gemeinsam nutzen. Wenn beispielsweise die Befehlseinheit einen Mehrzweck-Computer umfaßt, kann der Prozessor des Computers sowohl als ein Element der Positions-Berechnungseinheit als auch als ein Element der Steuereinheit dienen und Funktionen ausführen, welche den unterschiedlichen Einheiten zu unterschiedlichen Zeiten dienlich sind.
Ein Katheter 16 wird in den Körper eines Patienten P eingeführt. Die Probe 14 mit dem Sensor 18 hierauf ist an der Spitze des Katheters angeordnet. Die Katheterspitze ist an einem unbekannten Ort irgendwo oberhalb der Ebene der Spulen 10 angeordnet. Ebenso ist der Sensor 19 auf dem Gerät 21 an einem anderen unbekannten Ort angeordnet und die Sensoren 54a, 54b und 54c sind an weiteren unbekannten Orten angeordnet.
Die Steuereinheit 34 betätigt die Spulentreiber in einem zyklischen Betrieb. Jeder Zyklus umfaßt eine Nullperiode, während welcher die Steuereinheit den Spulentreibern 42, 44, 46 befiehlt, allen Spulen Null-Strom zur Verfügung zu stellen. Während dieser Nullperiode erhält die Verstärkungs- und Wandlungseinheit 30 Nullsignal-Abtastwerte von jedem Komponentensensor 20, 22 und 24. Diese Nullsignal-Abtastwerte stellen magnetische Hintergrundfelder in der Nähe des Systems dar. Jeder Zyklus umfaßt eine Einstellsequenz. In der Einstellsequenz befiehlt die Steuereinheit den Spulentreibern, jede Spule der Reihe nach mittels eines Anfangswerts oder eines voreingestellten Werts für die jeder Spule 10 zur Verfügung zu stellenden Stromamplitude zu betätigen. Die Verstärkungs- und Wandlungseinheit 30 tastet die Signale von jedem der Aufnahmeelemente oder Komponentensensoren 20, 22 und 24 des Sensors 18 und von jedem der Aufnahmeelemente in jedem der anderen Sensoren 19, 54a, 54b und 54c zu einer vorher ausgewählten Zeit nach dem Anfang des Stromflusses durch jede Spule ab. Beispielsweise nimmt die Einheit 30 zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Anfang des Stromflusses durch die Senderspule 10a einen Abtastwert vom Signal aus jedem der Komponentensensoren 20, 22 und 24 und wandelt ihn in eine digitale Form um. Die Befehlseinheit 28 berechnet dann einen Gesamtfeldbetrag für den Sensor 18 basierend auf den einzelnen Signalen. Der Gesamtfeldbetrag beträgt:
Hierbei bezeichnen:

B_18–10a: den Betrag des Magnetfeldvektors am Sensor 18 zu der Zeit, in welcher die Spule 10a betätigt wird;
K₂₀: einen Empfindlichkeitsfaktor, welcher die Signalstärke vom Sensor 20 zur Magnetfeldkomponente entlang der Achse X' in Beziehung setzt;
S₂₀: die Signalstärke vom Sensor 20 während der Betätigung; und
K₂₂, S₂₂ und K₂₄ und S₂₄: ähnliche Empfindlichkeitskonstanten und Signalstärken für die anderen Sensoren 22 und 24.

Auf gleiche Weise berechnet das System einen Gesamtfeldbetrag für jeden der Sensoren 19, 54a, 54b und 54c während der Betätigung der Spule 10a. Das System betätigt auf ähnliche Weise die Spulen 10b und 10c in einer Reihenfolge unter Verwendung der vorgegebenen Stromstärke. Auch hier berechnet das System den Betrag des an jedem Sensor während der Betätigung der Spule 10b vorherrschenden Gesamtfeldvektors und es berechnet unabhängig den Betrag des während der Betätigung der Spule 10c an jedem Sensor vorherrschenden Gesamtfeldvektors.
Nach dem Erfassen der Komponentensignale und dem Berechnen des an jedem Sensor während der Betätigung jeder Spule vorherrschenden Gesamtfeldbetrags während der Einstellsequenz, ermittelt die Steuereinheit die Spulenströme oder Feldstärken, welche während der später im Zyklus folgenden Meßsequenzen angewendet werden. Diese Spulenströme oder Feldstärken werden berechnet, um an jedem Sensor Feldbeträge vorzusehen, welche in einem vorher ausgewählten Bereich von Beträgen liegen. Dieser vorher ausgewählte Bereich wird in einem optimalen Betriebsbereich des Sensors liegend ausgewählt. Somit wird der minimale Feldbetrag so gewählt, daß der weit oberhalb des Rausch-Schwellwerts des Systems und o berhalb des minimalen Empfindlichkeitswerts des Sensors liegt, wobei der maximale Feldwert ausgewählt ist, um weit unterhalb des maximalen Grenzwerts der Linearität des Sensors und weit unterhalb des maximalen Feldes zu liegen, welches der Sensor ohne einen Verlust an Genauigkeit tolerieren kann. Für einen typischen magnetoresistiven Sensor amorpher Art, der am genauesten und reproduzierbarsten ist, wenn er mit Feldern von weniger als 4 Gauss benutzt wird, kann der vorher ausgewählte Bereich an Feldbeträgen von etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gauss betragen. Bei typischen Hall-Effekt-Sensoren, welche für die Benutzung von Feldern über etwa 30 Gauss am genauesten sind, liegt der vorher ausgewählte Bereich bei über etwa 30 Gauss. Wenn beispielsweise die Sonde 14 und der Sensor 18 relativ nah bei der Spule 10a sind, wird der am Sensor 18 erfaßte Gesamtfeldbetrag, wenn die Spule 10a in der Einstellsequenz betätigt wurde, oberhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegen. Die Steuereinheit 34 wird daher dem Spulentreiber 42 befehlen, die Spule 10a während der später im Zyklus folgenden Meßsequenz mit einem niedrigeren Strom, und somit einer niedrigeren Feldstärke, zu betreiben. Wenn andererseits der Sensor 19 relativ fern von der Spule 10a ist, wird der während des Betätigens der Spule 10a mit dem vorgegebenen Stromwert in der Einstellsequenz mittels des Sensors 19 erfaßte Feldbetrag unterhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegen. Die Steuereinheit 34 wird daher den Spulentreiber 42 anweisen, die Spule 10a während eines anderen Aufnahmeintervalls in der später im Zyklus folgenden Meßsequenz mit einem höheren Strom, und somit einer höheren Feldstärke, zu betätigen. Die Einstellung kann proportional vorgenommen werden. Wenn beispielsweise der mittels des Sensors 19 im Einstellintervall unter Verwendung des vorgegebenen Stromes in der Spule 10a erfaßte Feldbetrag 0,1 Mal dem Minimum des vorher ausgewählten Bereichs beträgt, kann das System den Spulentreiber 10a mit einem Strom betätigen, welcher 10 Mal dem vorgegebenen Strom während des Aufnahmeintervalls der Meßsequenz ist.
In gleicher Weise stellt das System die Feldstärke, welche an jeder Spule während der Meßsequenz angewendet werden soll, in einem Meßintervall ein, welches jedem Sensor basierend auf die von dem jeweiligen Sensor während der Betätigung der Spule in der Einstellsequenz des Zyklusses beobachteten Signale zugeordnet ist. Anders ausgedrückt, führt das System eine Liste für jede Spule. Jede Liste umfaßt einen getrennten, jedem Sensor zugeordneten, Feldstärkenwert, welcher während des später im Zyklus folgenden Meßintervalls an der Spule angewendet wird. Die Listen bilden eine Matrix von Feldstärkenwerten, mit einem Eintrag für jede Kombination aus einer Spule und einem Sensor. Die Feldstärkenwerte werden nach der Einstellsequenz jedes Zyklusses kontinuierlich aktualisiert. Da die von einer Spule erzeugte Feldstärke direkt proportional zu dem Strom durch eine solche Spule ist, bilden die Feldstärkenwerte auch Werte für an jeder Spule anzuwendenden Ströme.
Vor dem Meßintervall jedes Zyklusses sortiert die Befehlseinheit die Liste der an jeder Spule anzuwendenden aktualisierten Feldstärkewerte oder Ströme in aufsteigender Reihenfolge und ordnet die Aufnahmeintervalle für die zugehörigen Sensoren neu, um sie der sortierten Liste anzupassen. Das System testet auch die Feldstärkenwerte oder Ströme, um zu ermitteln, ob zwei oder mehr Feldstärkenwerte in einer vorher ausgewählten Schwellwert-Entfernung voneinander liegen. Wenn dem so ist, verbindet das System die Aufnahmeintervalle, welche diese Werte verwenden, und wählt einen einzigen Wert zur Verwendung in dem kombinierten Aufnahmeintervall, so daß der einzige Wert auch in einem vorher ausgewählten Bereich in Bezug auf alle Werte für die kombinierten Aufnahmeintervalle liegt. Somit können die Durchschnitte aller Feldstärkenwerte für die kombinierten Intervalle als ein einzelner Feldstärkenwert für das kombinierte Intervall verwendet werden. Beispielsweise kann die Liste der Feldstärken (in Stromwerten ausgedrückt), welche mittels der Spule 10a angewendet werden müssen, wie folgt sein:
Wenn angenommen wird, daß die Differenz der Schwell-Feldstärken 20 ma beträgt, unterscheiden sich die zu den Aufnahmeintervallen für die Sensoren 54a und 18 gehörenden Werte von 300 und 310 in der obigen Sequenz um weniger als die Schwelldifferenz voneinander. Nachdem Sortieren und Kombinieren der zu den Sensoren 54a und 18 gehörenden Aufnahmeintervallen ist die Liste wie folgt:
Die sortierte und kombinierte Liste legt eine Mehrfachwert-Betätigungssequenz für die Spule 10a dar, d. h. eine Folge unterschiedlicher Feldstärken, welche während einer Folge von Aufnahmeintervallen in der Meßsequenz des Zyklusses an der Spule anzuwenden ist, sowie den Sensor oder die Sensoren, welche während eines solchen Aufnahmeintervalls betätigt werden müssen. Die von der Betätigungssequenz umfaßten Aufnahmeintervalle werden gemäß den während eines solchen Aufnahmeintervalls anzuwendenden Feldstärken geordnet. In gleicher Weise erhält die Befehlseinheit für jede der anderen Spulen eine Betätigungssequenz. Die Anzahl der Aufnahmeintervalle in der jeder Spule zugeordneten Betätigungssequenz hängt von der Anzahl der miteinander kombinierten Aufnahmeintervalle ab. Wenn alle Aufnahmeintervalle für eine bestimmte Spule miteinander kombiniert wurden, ist die Betätigungssequenz für diese bestimmte Spule eine Einfachwert-Betätigungssequenz mit nur einem Feldstärkenwert.
Die Dauer jedes Aufnahmeintervalls wird vorher eingestellt und entspricht vorzugsweise der minimalen Zeit, welche die Verstärkungs- und Umwandlungseinheit 30 zum Erhalten der Daten von dem Sensor oder den Sensoren benötigt, vorausgesetzt der Sensor ist in einem stabilen Magnetfeld angeordnet und der Sensor befindet sich in einem stationären Zustand. Das System ergänzt jede Betätigungssequenz mit einem dem ersten Aufnahmeintervall vorausgehenden Anfangs-Übergangsintervall und einem auf den letzten Aufnahmeintervall in der Sequenz folgenden Abschluß-Übergangsintervall. Das System ergänzt außerdem jede Mehrfachwert-Betätigungssequenz mit einem Zwischen-Übergangsintervall zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Aufnahmeintervallen. Die Dauer des Anfangs-Übergangsintervalls wird gewählt, um genügend Zeit vorzusehen, damit der Strom durch die Spule von Null auf ungefähr den für das erste Aufnahmeintervall benötigten Strom anwachsen kann, damit mittels der Änderung des magnetischen Feldes induzierte Wirbelströme in der Spule abgebaut werden und der Sensor sich stabilisiert. Anders ausgedrückt stellt die Dauer des Anfangsintervalls die Zeitverzögerung von dem Zeitpunkt, in welchem dem Spulentreiber befohlen wird, die Feldstärke von Null auf die erste Feldstärke zu ändern, bis zu dem Zeitpunkt dar, an dem sich der Sensor-Auslesewert in einer vorher ausgewählten Fehlerspanne um den Wert eingestellt hat, welchen er während kontinuierlicher Betätigung der Spule auf dem ersten Feldstärkewert angenommen hätte. Gleichermaßen stellt jedes Zwischen-Übergangsintervall die Zeit dar, welche für das sich Einstellen des Sensor-Auslesewertes benötigt wird, nachdem dem Spulentreiber befohlen wurde, die Feldstärke von der im vorangehenden Aufnahmeintervall verwendeten Feldstärke zu der im nachfolgenden Aufnahmeintervall verwendeten Feldstärke zu erhöhen. Das Abschluß-Übergangsintervall stellt die Zeit dar, welche für das sich Einstellen des Sensor-Auslesewertes benötigt wird, wenn die Feldstärke von der für das letzte Aufnahmeintervall in der Betätigungssequenz verwendeten Feldstärke auf Null vermindert wird. Die für jedes Übergangsintervall benötigte Zeit hängt direkt von dem Betrag der Differenz der Feldstärken vor und nach dem Aufnahmeintervall ab. Die benötigte Zeit kann durch die folgende Formel angenähert werden:
Hierbei bezeichnen:

t: die Übergangszeit;
A: eine Proportionalitätskonstante
F_after: die Feldstärke oder den Strom nach dem Übergangsintervall; und
F_before: die Feldstärke oder den Strom vor dem Übergangsintervall.

Die Rückkopplungssteuereinheit 34 ordnet die Betätigungssequenzen für die unterschiedlichen Spulen aufeinander folgend an, um einen vollständigen Zeitplan für die Meßsequenz des Zyklusses vorzusehen, und betreibt die Spulentreiber 42, 44, 46, um die Spulen gemäß dem Zeitplan zu betätigen. Ein typischer, in 4 dargestellter, Zeitplan umfaßt eine Betätigungssequenz 70 für die Spule 10a mit vier Aufnahmeintervallen 72a, 72b, 72c, 72d, einem Anfangs-Übergangsintervall 74, Zwischen-Übergangsintervallen 76a, 76b, 76c zwischen den Aufnahmeintervallen und einem auf das letzte Aufnahmeintervall folgenden Abschluß-Übergangsintervall 78. Die Sequenz 80 für die Spule 10b umfaßt drei Aufnahmeintervalle 82, ein Anfangs-Übergangsintervall 84 und ein Abschluß-Übergangsintervall 88, während die Sequenz 90 für die Spule 10c ähnliche Aufnahmeintervalle 92, ein Start-Übergangsintervall 94, Zwischen-Übergangsintervalle 96 und ein Abschluß-Übergangsintervall 98 umfaßt.
Innerhalb jeder Betätigungssequenz steigt die Feldstärke im wesentlichen monoton vom Beginn des beginnenden Übergangsintervalls zum letzten Aufnahmeintervall an. Der Strom oder die Feldstärke werden nicht nach jedem Aufnahmeintervall auf Null herabgesetzt, sondern statt dessen fortschreitend bis zu dem für das nächste Aufnahmeintervall benötigten Wert angehoben. Daher braucht jedes Zwischen-Übergangsintervall nur lang genug sein, um die relativ kleine Änderung in dem Strom oder der Feldstärke zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmeintervallen unterzubringen. Die mittels dieser Anordnung erreichte Zeiteinsparung wird mittels eines Vergleichs der Sequenz 70 mit einer vergleichbaren Sequenz 70', wie in 5 dargestellt, sichtbar. Die Sequenz 70' umfaßt die gleichen Ströme oder Feldstärken wie in der Sequenz 70 verwendet, erlaubt es jedoch der Feldstärke, zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmeintervallen auf Null zurückzufallen. Dementsprechend benötigt die Sequenz 70' wesentlich längere Intervalle 76' zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmeintervallen.
Basierend auf die während der Aufnahmeintervalle der Meßsequenz erhaltenen Sensorsignale und den bekannten Werten der mittels der Spulen während jedes Aufnahmeintervalls angewendeten Feldstärken berechnet das System die Position und die Ausrichtung des Sensors unter Verwendung herkömmlicher Positionsfindungs-Algorithmen. Beispielsweise können die in US 4,710,708 offenbarten mathematischen Verfahren zum Finden von Positionen mittels mehrerer Sende- oder Empfangsstationen und einem Mehrfach-Achsen-Sensor verwendet werden. Der Inhalt von US 4,710,708 wird hiermit mit einbezogen. Die Beträge der Felder in jeder der lokalen Richtungen oder Sensorrichtungen X', Y', Z', welche durch jede der Komponentensensor-Signale von jedem der Komponentensensoren 20, 22 und 24 dargestellt werden, ist eine Funktion der Gesamtstärke des Feldes von der Spule (auch als magnetisches Dipolmoment der Spule bezeichnet), des Abstandes von der jeweiligen Spule zu dem Sensor und des Sensor-Drehwinkels, d. h. des Winkels zwischen den lokalen Richtungen X', Y' und Z' und den Richtungen X, Y und Z des Bezugsrahmens der Spule. Wenn die drei Komponentensensor-Auslesungen während der Betätigung der drei getrennten Spulen gesammelt und mit den als Funktion von Orten für die Felder von einer bestimmten Spule ausgedrückten Komponentenstärken gleichgesetzt werden, bilden sie ein System von neun Gleichungen mit sechs Unbekannten (dem X-, Y-, Z-Orten des Sensors und den drei Drehwinkeln). Die Herleitung dieser Gleichungen ist im Anhang A dargelegt. Das Gleichungssystem kann mittels iterativer Verfahren, wie beispielsweise dem Verfahren von Marquardt oder dem Verfahren von Broyden, zum Lösen eines überbestimmten Systems nichtlinearer Gleichungen mittels kleinster Quadrate gelöst werden. Die Befehlseinheit stellt dann eine Ausgabe zur Verfügung, wel che die Position und die Ausrichtung des Sensors und somit die Position und Ausrichtung des mit jedem Sensor verbundenen Objekts in dem kartesischen Koordinatensystem X-Y-Z der Spulen anzeigt.
Die vorangehend beschriebenen Zyklen werden wiederholt. Während des Betriebs können sich die Positionen eines oder mehrerer Sensoren ändern, während der Arzt das System verwendet. Jede derartige Positionsänderung kann bewirken, daß die während der Einstellsequenz eines nachfolgenden Zyklusses erfaßten Feldbeträge sich ändern, woraufhin das System die von den Spulen während der Meßsequenz des neuen Zyklusses zu verwendenden Ströme neu einstellt. Das System berechnet die während der Meßsequenz des neuen Zyklusses anzuwendende Betätigungssequenz neu. Während die Rückkopplungssteuereinheit die Feldstärken neu einstellt, werden die geänderten Werte des Stroms in neuen Werten für Stromstärken aus den individuellen Spulen übersetzt, die in den vorangehend beschriebenen positionsbestimmenden Gleichungen verwendet werden. Auf diese Weise stellt das System sicher, daß während der Meßsequenz jedes Zyklusses der Sensor immer einem Feld mit einem Betrag ausgesetzt wird, welcher in einem vorher ausgewählten Bereich liegt, wo auch immer der Sensor in einem sich über einen vorher ausgewählten Abschnitt oberhalb der Ebene der Spulen 10 erstreckenden Aufnahmevolumen 50 angeordnet ist. Die genaue Größe des Aufnahmevolumens 50 wird von der Breite des vorher ausgewählten Bereichs des Feldbetrages und des dynamischen Bereichs der Spulentreiber 42, 44 und 46, d. h. dem Grad, bis zu welchem die Spulentreiber die Ströme verändern können, abhängen. Die Größe des Aufnahmevolumens 50 innerhalb welcher der Sensor Felder in dem vorher ausgewählten Bereich an Feldbeträgen von allen Spulen empfangen wird, wird auch von den Positionen der Spulen abhängen. Für ein typisches System mit drei beabstandeten, an den Eckpunkten bzw. Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks mit Seiten von etwa 40 cm Länge angeordneten Spulen umfaßt das Aufnahmevolumen jedoch einen Bereich, welcher sich oberhalb etwa 60 cm von der Ebene der Spulen erstreckt. In der Ebene der Spulen erstreckt sich das Aufnahmevolumen etwa 20 cm von dem durch die Spulen begrenzten gleichseitigen Dreieck.
Das System kann ausgebildet sein, um mehr als eine Nullperiode während jedes Betätigungszyklusses auszuführen. Dort, wo die für die an den verschiedenen Spulen während eines gegebenen Zyklusses anzuwendenden Betätigungssequenzen benötigte Gesamtzeit eine Schwell-Dauer übersteigt, kann der Computer das System automatisch betätigen, um eine zusätzliche Nullperiode auszuführen und neue Nullsignale zwischen Betätigungssequenzen eines einzelnen Zyklusses einzuholen. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Nullsignale regelmäßig erneuert werden, wie dies für ein Kompensieren für sich schnell ändernde Hintergrund-Magnetfelder benötigt wird. In einer weiteren Variante des vorangehend beschriebenen Systems kann das System die mittels jeder Spule während der Meßsequenz des nächsten Zyklusses anzuwendenden Feldstärken basierend auf Signalen, welche von jedem Sensor während der Aufnahmeintervalle der Meßsequenz in dem vorangehenden Zyklus erhalten wurden, errechnen. In dieser Variante führt das System nicht eine Einstellsequenz nach dem ersten Zyklus aus. Statt dessen verfolgt das System die an jedem Sensor während der Meßsequenzen beobachteten Feldbeträge. Wenn der eine Feldbetrag oder die mehreren Feldbeträge eines bestimmten Sensors außerhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegt (liegen), berechnet das System nicht die Position und die Ausrichtung für den Sensor. Statt dessen verändert die Steuereinheit 34 die Feldstärke der Spule oder der Spulen, die dem außerhalb-des-Bereichs-Feldbetrag für jeden Sensor zugeordnet ist. Beispielsweise liegt dort, wo die Sonde 14 und der Sensor 18 relativ nahe bei der Spule 10a sind, der Gesamtfeldbetrag, welcher am Sensor 18 erfaßt wird, wenn die Spule 10a betätigt wurde, oberhalb des vorher ausgewählten Bereichs. Die Steuereinheit 34 wird daher dem Spulentreiber 42 befehlen, die Spule 10a während eines Aufnahmeintervalls in einer Meßsequenz des nächsten Betätigungszyklusses mit einem niedrigeren Strom, und somit mit einer niedrigeren Feldstärke zu betreiben, und der Verstärkungs- und Umwandlungseinheit 30 befehlen, während dieses bestimmten Aufnahmeintervalls, Daten vom Sensor 18 einzuholen. Andererseits, wenn der Sensor 19 relativ fern von der Spule 10a ist, wird die mittels des Sensors 19 während der Betätigung der Spule 10a mit dem voreingestellten Stromwert erfaßte Feldbetrag unterhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegen. Daher wird die Steuereinheit 34 dem Spulentreiber 42 befehlen, die Spule 10a während eines anderen Aufnahmeintervalls in der Meßsequenz des nächsten Betätigungszyklusses mit einem höheren Strom, und somit mit höherer Feldstärke, zu betätigen. Die Steuereinheit betätigt die Verstärkungs- und Umwandlungseinheit 30, um während des Aufnahmeintervalls Daten vom Sensor 19 einzuholen, während die Daten vom Sensor 19 während des dem Betätigen der Spule 10a mit niedriger Stärke und dem Einholen von Daten vom Sensor 18 zugeordneten Aufnahmeintervalls ignoriert wird. Der Einstellprozeß wird während der folgenden Zyklen fortgesetzt. Wenn die mittels der Spule 10a während des dem Sensor 19 zugeordneten Aufnahmeintervalls im zweiten Zyklus angewendete höhere Feldstärke immer noch einen mittels des Sensors 19 erfaßten Feldbetrag ergibt, welcher unterhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegt, wird deshalb das System einen höheren Feldstärken-Wert vorsehen, welcher mittels der Spule 10a in dem zu dem Sensor 19 gehörenden Aufnahmeintervall während des nächsten Zyklusses anzuwenden ist, und der Einstellprozeß wird fortgesetzt bis die Signale vom Sensor 19 während der Aktivierung der Spule 10a eine Feldstärke im vorher ausgewählten Bereich anzeigen. Die Spulentreiber können ausgebildet sein, um die Gesamtfeldstärke oder das Dipolmoment jeder Spule stufenweise, mittels stufenweisen Ändern des Stromes, zu ändern. Jedes von der Steuereinheit 34 befohlene Erhöhen oder Vermindern kann ein Schritt sein. Wahlweise kann die Steuereinheit eine Erhöhung oder Verminderung berechnen, welche proportional zu dem Grad ist, zu welchem der Feldbetrag von einem Zielwert im vorher ausgewählten Bereich abweicht. Eine relativ große Änderung kann somit vorgenommen werden, wenn der Feldbetrag weit außerhalb des Bereichs liegt, während eine kleinere Änderung verwendet werden kann, wenn der Feldbetrag nahe dem Bereich oder in dem Bereich liegt. Um ausreichend Zeit für die Berechnung der Betätigungssequenz zu erlauben, kann das System die für das Setzen der Betätigungssequenz für eine Spule benötigten Berechnungen in einem späterem Zyklus durchführen, während noch die Betätigungssequenzen für einen früheren Zyklus mit einer anderen Spule ausgeführt werden. Beispielsweise können die Betätigungssequenzen für die Spule 10a im nächsten Zyklus zu jeder Zeit berechnet werden, nachdem die Betätigungssequenz für die Spule 10a im gegenwärtigen Zyklus vollendet worden ist. Während das System die Betätigungssequenz für die Spule 10a im gegenwärtigen Zyklus ausführt, kann es die Betätigungssequenzen für die Spulen 10b und 10c im gegenwärtigen Zyklus berechnen.
Wie in US 08/476,380 offenbart, neigen bestimmte Sensoren dazu, Genauigkeit einzubüßen, wenn sie magnetischen Feldern oberhalb eines vorher bestimmten Maximums ausgesetzt sind. Beispielsweise büßen bestimmte magnetoresistive Sensoren vorübergehend Genauigkeit ein, wenn sie magnetischen Felder oberhalb von etwa 4 Gauss ausgesetzt sind. Wenn derartige Sensoren in einem Mehrfachsensor-System verwendet werden, sollte das System angemessene Vorkehrungen aufweisen, um ein Aussetzen der Sensoren an übermäßigen Feldern zu vermeiden. Die Daten von allen Sensoren können während aller Betätigungssequenzen eingeholt werden und die Steuereinheit 34 kann ausgebildet sein, um die Spulenströme auf eine fortschreitende Weise über mehrere Zyklen zu erhöhen, wenn eine Erhöhung notwendig ist. Die Daten von Sensoren, die während einer bestimmten Betätigungssequenz nicht verwendet werden, können zum Unterdrücken weiterer Erhöhungen verwendet werden, wenn sich das Feld am nominell verwendeten Sensor gefährlichen Pegeln nähert. Wenn also das System dabei ist, den Spulenstrom in der Spule 10d fortschreitend zu erhöhen, um einen angemessenen Feldpegel am Sensor 18 vorzusehen, kann das System derartige Erhöhungen beenden, wenn der Feldbetrag am zweiten Sensor 54a während des zu dem ersten Sensor 18 gehörenden Auslesezyklusses den am zweiten Sensor erlaubten Maximalpegel erreicht. Wenn dieser Zustand auftritt, während der Feldpegel am ersten Sensor 18 noch unterhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegt, kann das System eine Fehlermeldung anzeigen und/oder versuchen, die Position und die Ausrichtung basierend auf ein Sensorsignal außerhalb des Bereichs zu berechnen. Wahlweise können die Daten von den nominell verwendeten Sensoren verwendet werden, um eine Wiederherstellung zu veranlassen, wenn die Genauigkeit des Sensors wiederhergestellt werden kann. Beispielsweise verwenden bestimmte magnetoresistive Sensoren ein vormagnetisierendes Magnetfeld. Derartige Sensoren können, wenn sie übermäßigen Feldern ausgesetzt wurden, zurückgesetzt und in ihrer Genauigkeit wiederhergestellt werden, nachdem das übermäßige Feld entfernt wurde, indem ein im Sensor angewendetes vormagnetisierendes Magnetfeld eingestellt wird. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um den Rücksetzprozeß für einen Sensor auszulösen, wenn der Sensor während eines zu einem anderen Sensor gehörenden Zyklusses einem übermäßigen Feld ausgesetzt wurde.
In einer weiteren Variante können die Spulenströme, und somit die Stärken der Felder von den einzelnen Sendern, eingestellt werden, um die mittels jedes einzelnen Komponentensensors erfaßten Feldkomponenten in einen vorher ausgewählten Bereich zu bringen. In einem derartigen System wird jede Spule in Bezug auf jedes Aufnahmeelement oder jeden Komponentensensor getrennt eingestellt. Somit wird der Strom zur Sendespule 10a während eines zum Komponentensensor 20 gehörenden Aufnahmeintervalls über mehrere Zyklen eingestellt, um das individuelle Sensorsignal vom Komponentensensor 20, der den Feldkomponenten-Betrag in der lokalen X'-Richtung beschreibt, in einem vorher ausgewählten Bereich zu bringen. Bei dieser Einstellung werden die Signale von den anderen Komponentensensoren 22 und 24 am gleichen Sensor sowie die Signale von den anderen Sensoren außer acht gelassen. Diese Sequenz an Arbeitsgängen wird mit der Spule 10a für jedes der anderen Aufnahmeelemente auf dem Sensor 18 und für alle Aufnahmeelemente auf den anderen Sensoren nochmals wiederholt und der gesamte Prozeß wird nochmals für die anderen Spulen wiederholt. Nach einer derartigen Einstellung wird die Betätigungssequenz für jede Spule ein jedem Aufnahmeelement zugeordnetes getrenntes Aufnahmeintervall aufweisen. Dort, jedoch, wo die für die mehreren Aufnahmeelemente benötigten Feldstärken innerhalb der Schwell-Feldstärken-Differenz zueinander liegen, können die den mehreren Aufnahmeelementen zugeordneten Aufnahmeintervalle zusammengefaßt werden, so daß die Betätigungssequenz für eine bestimmte Spule eine kleinere Anzahl an Aufnahmeintervallen aufweisen kann und nur ein Aufnahmeintervall aufweisen könnte. Somit kann das System entweder einen vollständigen Sensor oder ein einzelnes Aufnahmeelement als eine getrennte Einheit behandeln und kann getrennte Aufnahmeintervalle für eine der beiden Arten an Einheiten bilden. Es ist auch möglich, einige vollständige Sensoren als Einheiten zu behandeln, während einzelne Aufnahmeelemente anderer Sensoren als Einheiten behandelt werden, so daß einige Aufnahmeintervalle vollständigen Sensoren zugeordnet sind, während andere Aufnahmeintervalle einzelnen Aufnahmeelementen zugeordnet sind. Der hier benutzte Ausdruck „Aufnahmeeinheit" bezieht sich sowohl auf Sensoren als auch auf einzelne Aufnahmeelemente.
Dort, wo die einem bestimmten Komponentensensor zugeordnete lokale Richtung orthogonal oder annähernd orthogonal zur Richtung des mittels einer bestimmten Spule am Sensor erzeugten Feldes ist, kann es möglich sein, die Komponente in dieser lokalen Richtungen in einem vorher ausgewählten Bereich zu bringen, ohne entweder die Strombelastbarkeit des Spulentreibers zu überschreiten oder ein Gesamtfeld zu erzeugen, welches so stark ist, daß einer der anderen Sensoren beeinträchtigt wird. In diesem Fall empfängt jedoch mindestens einer der anderen Komponentensensoren eine Komponente mit einem Betrag, welcher im vorher ausgewählten Bereich von Beträgen liegt. In dieser Variante können die Signale von allen Komponentensensoren während eines einem bestimmten Komponentensensor zugeordneten Zyklusses beobachtet werden. Der an der Spule angewendete maximale Strom kann beschränkt sein, um zu vermeiden, daß irgendein anderer unbenutzter Komponentensensor einer übermäßigen Feldkomponente in seiner Aufnahmerichtung ausgesetzt wird.
In einer weiteren Variante wird der vorher ausgewählte Bereich an Beträgen für die Feldkomponente in irgendeiner bestimmten Richtung eingeschränkt, um nur einen einzigen vorher bestimmten Wert zu umfassen, welcher vorzugsweise im optimalen Genauigkeitsbereich des bestimmten Komponentensensors liegt. Das Rückkopplungs-Steuersystem ist somit ausgebildet, die Spulenströme einzustellen, bis der Betrag der Feldkomponente bei einem derartigen einzelnen Wert liegt. Die Position und die Ausrichtung werden in der gleichen Weise berechnet wie vorangehend beschrieben. Diese Variante hat den Vorteil, daß Nichtlinearitäten im Ansprechverhalten des Komponentensensors die Genauigkeit des Systems nicht beeinflussen können. Vorausgesetzt, es ist bekannt, daß eine bestimmte Auslesung vom Sensor dem vorher ausgewählten Wert des Betrages der Feldkomponente entspricht, wird das Abweichen von einer linearen Abhängigkeit zwischen Komponenten-Betrag und Sensorauslesung an anderen Werten des Komponenten-Betrags die Genauigkeit des Systems nicht beeinträchtigen.
Bestimmte Feldsensoren weisen eine sogenannte „außer axialen Empfindlichkeit" auf. Das bedeutet, die Übertragungsfunktion oder Abhängigkeit zwischen dem Betrag der Feldkomponente entlang der Empfindlichkeitsachse eines bestimmten Komponentensensors und der Auslesung aus diesem Komponentensensor verändert sich, wenn eine starke Feldkomponente orthogonal zu einer derartigen Achse vorhanden ist. Die außer axiale Empfindlichkeit kann korrigiert werden, indem die Auslesungen von zwei Komponentensensoren verwendet werden, um den Betrag des Feldes senkrecht zur Empfindlichkeitsachse des dritten Komponentensensors auszuwerten, und indem dieser Betrag verwendet wird, um einen Korrekturfaktor zu ermitteln, welcher an der Auslesung vom dritten Komponentensensor angewendet wird.
Obwohl das vorangehend beschriebene System spulenartige Elektromagnete verwendet, können andere Arten von Elektromagneten verwendet werden. Die gleichen Prinzipien können für Systeme angewendet werden, welche Feld-Sender, welche Nichtelektromagnete sind, und Sensoren, welche nicht magnetische Sensoren sind, verwenden. Die Einsparungen an Betätigungszeit sind am wesentlichsten, wenn die verwendeten Feld-Sender und Sensoren eine wesentliche Anstiegszeit und/oder Einstellzeit benötigen, wie dies bei Elektromagneten der Fall ist. Beispielsweise können in Systemen, welche Wechselfelder, beispielsweise Hochfrequenzfelder (RF-radionfrequency), verwenden, verschiedene RF-Sender in einer Sequenz betätigt werden. Der Sensor kann eine oder mehrere Empfangsantennen umfassen, wobei jede derartige Antenne mit einem Empfänger verbunden ist, welcher angepaßt ist, einen der Amplitude des mittels der Antenne empfangenen RF-Signals entsprechenden Signal zur Verfügung zu stellen. In einem derartigen System kann eine merkliche Anstiegszeit oder Einstellzeit für jedes Sender-Empfänger-Paar benötigt sein, um nach der Betätigung des Senders zur Änderung der Amplitude des gesendeten RF ein Stabilisieren vorzunehmen. In Bezug auf ein Wechselfeld-System, beispielsweise ein RF-System, sollten Bezugnahmen auf die Feldstärke als bezugnehmend auf die Amplitude des Wechselfeldes verstanden werden. In den vorangehend beschriebenen Systemen wird jede Spule oder jeder Sender zwischen den Betätigungszyklen auf einer stationären Feldstärke von Null gehalten. Von Null abweichende stationäre Feldstärkenwerte können auch verwendet werden. Wie in US 08/476,380 offenbart, sind die Rollen des Senders und der Sensoren vertauscht. Das bedeutet, eine Sonde oder ein Objekt kann mit Elektromagneten oder Sendern ausgestattet sein, während das System mit dem festen Bezugsrahmen Sensoren umfassen kann.
Zahlreiche andere Kombinationen und Variationen der vorangehend beschriebenen Merkmale können verwendet werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können der physikalische Ort und die Anzahl der Sender oder der Elektromagneten verändert werden. Im allgemeinen sollten die Sensoren und die Sender mehrere Sender-Empfänger-Paare bilden, wobei jedes der Sender-Empfänger-Paare ein Element auf einem zu verfolgenden Objekt und ein anderes Element auf einem festen Bezugsrahmen umfaßt.
In einer weiteren Ausführungsform stellt das System die Ausgabe der Sender als Reaktion zur berechneten Anordnung des zu verfolgenden Objekts ein, anstelle sie direkt als Reaktion auf die Komponentensignale oder auf das Gesamtfeldbetrags-Signal einzustellen. Das System kann somit anfänglich mit der Voreinstellung von Stromwerten arbeiten, eine anfängliche Auslesung der Position und der Orientierung des Objekts ableiten und dann diese anfänglich bestimmte Position und Ausrichtung verwenden, um die gewünschte Einstellung für jede Spule zum Erreichen des gewünschten Feldpegels am Sensor zu berechnen. Eine derartige gewünschte Einstellung wird gewählt, um ein Feld in dem gewünschten Betragsbereich am Objekt zu erhaltne, vorausgesetzt, das Objekt hat die in der anfänglichen Auslesung ermittelten Position und Ausrichtung. Im nächsten Zyklus werden die so berechneten Spulenströme verwendet und der Prozeß wird wiederholt. In einer Variante dieses Ansatzes kann das System eine Nachschlagetabelle speichern, welche die angemessenen Spulenströme für verschiedene Kombinationen von Objektposition und -ausrichtung auflistet. Mittels der anfänglich bestimmten Position und Ausrichtung ruft das System angemessene Spulenstrom-Werte aus der Nachschlagetabelle zur Verwendung im nächsten Zyklus ab.
In der vorangehenden beschriebenen Ausführungsform ist der Sensor einem Katheter zugeordnet. Das gleiche System kann mit anderen medizinischen Instrumenten, beispielsweise Endoskopen und/oder chirurgischen Instrumenten, verwendet werden. Das System kann auch angewendet werden, um die Position von Objekten, welche keine medizinischen Instrumente sind, zu ermitteln. Beispielsweise kann das System verwendet werden, um Eingabegeräte für einen Computer zu verfolgen.
Verweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung baut auf die am 27. Februar 1996 eingereichte vorläufige US-Anmeldung (provisional patent application) US 60/012,326 auf.
Die folgenden PCT-Anmeldungen, mit dem Anmelder Biosense, Inc., werden ebenfalls angeführt. „Catheter Based Surgery", am oder um den 14. Februar 1997 im israelischen Empfangsbüro eingereicht; „Intrabody Energy Focusing", am oder um den 14. Februar 1997 im israelischen Empfangsbüro eingereicht; „Locatable Biopsy Needle", am oder um den 14. Februar 1997 im israelischen Empfangsbüro eingereicht; „Catheter Calibration and Usage Monitoring", am oder um den 14. Februar 1997 im israelischen Empfangsbüro eingereicht; „Precise Position Determination of Endoscopes", am oder um den 14. Februar 1997 im israelischen Empfangsbüro eingereicht; „Medical Probes with Field Transducers", am 14. Februar 1997 im US-Empfangsbüro eingereicht; „Catheter with Lumen", am 14. Februar 1997 im US-Empfangsbüro eingereicht; „Moveable Transmit or Receive Coils for Location System", am 14. Februar 1997 im US-Empfangsbüro eingereicht; „Medical Procedures and Apparatus Using Intrabody Probes", am 14. Februar 1997 im US-Empfangsbüro eingereicht; und „Independently Positionable Transducers for Location System", am 14. Februar 1997 im US-Empfangsbüro eingereicht. Die am 14. Februar 1996 im israelischen Empfangsbüro eingereichte PCT-Anmeldung mit dem Titel „Multi-Element Energy Focusing", mit dem Anmelder Victor Spivak, wird ebenfalls angeführt.
Da diese und andere Variationen und Kombinationen der vorangehend beschriebenen Merkmale verwendet werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, ist die vorangehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen als zur Darstellung bestimmt zu erachten, und nicht als eine Beschränkung der Erfindung, welche mittels der Ansprüche bestimmt ist.
Anhang A: Berechnung von Position und Ausrichtung
Unter der Voraussetzung, daß die physikalische Konfiguration des Felderzeugers (Senders), die während des Betriebs in einer festen Position ist, bekannt ist, ist das mittels eines Sensors erfaßte magnetische Feld eine Funktion der Position und der Ausrichtung des Sensors. Im vorliegenden System werden Felderzeugungsspulen aufeinanderfolgend angeregt. Das mittels eines Sensors (drei Komponentensensoren pro Sonde) erfaßte Feld kann in Abhängigkeit von der Position im x, y, z und der Ausrichtung α, β, γ (Rollwinkel, Nickwinkel bzw. Gierwinkel) ausgedrückt werden, d. h.: B[Sensor][Spule] = f[Sensor][Spule](x, y, z, α, β, γ)
Hierbei bestimmen [Sensor] einen bestimmten Sensor und [Spule] eine bestimmte Senderspule.
Wenn das reale Feld, welches der Sensor mißt, wenn [Spule] an ist, B'[Sensor][Spule] beträgt, dann ist theoretisch B'[Sensor][Spule] = B[Sensor][Spule]d. h. B'[Sensor][Spule] – f[Sensor][Spule](x, y, z, α, β, γ) = 0,0
Da drei Sensoren und drei Spulen vorhanden sind, gibt es neun Gleichungen mit sechs Unbekannten (x, y, z für den Ort der Sonde im Raum und α, β, γ für ihre Ausrichtung). Mittels Anwendung eines nichtlinearen Verfahrens kleinster Quadrate können eindeutige x, y, z, α, β, γ für die Sonde gefunden werden.
Vorangehend wurde der allgemeine Gedanke des Algorithmus aufgezeigt. Im einzelnen gilt:
Vorausgesetzt, das orthogonale Bezugskoordinatensystem X, Y, Z (kartesische Koordinaten für magnetische Ortung) wird durch die folgende Matrix beschrieben
dann ist das orthogonale System der Sonde:
und, da die drei Sensoren auf der Sonde nicht-orthogonal zueinander angeordnet sein können, können ihre nicht-orthogonalen Achsen wie folgt beschrieben werden:
und eine in späteren Berechnungen zu verwendende Übertragungsmatrix T[i][j] kann aus der folgenden Formel erhalten werden: T[i][j] = en[i]·ep[j] ∀i,jϵ{1,2,3}
Eine weitere Matrix ortho_OV[i][j], welche zu benutzen ist, kann wie folgt definiert werden: ortho_OV[i][j] = el[i]·el[j] ∀i,jϵ{1,2,3}
Da Roll (α), Nick (β), Gier (γ) zur Beschreibung der Ausrichtung der Sonde verwendet werden, kann ortho_OV[i][j] wie folgt beschrieben werden: 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] = cos(α)cos(γ) – cos(α)sin(β)cos(γ) ortho_OV[3][3] = cos(α)cos(β).
Eine orthogonale Vektor-Matrix kann daher mittels Matrix-Multiplikation der vorangehend definierten Matrix T und ortho_OV berechnet werden: oν = T·ortho_OV.
Das an der Sensorposition erzeugte, in die e_l[i]-Richtung zeigende theoretische Magnetfeld für ein orthogonales System kann wie folgt ausgedrückt werden: f[coil][i](x, y, z, α, β, γ)
(Einzelheiten abgekürzt), wobei f eine bekannte Funktion ist und einen Dipolmoment-Ausdruck mit einem zum Stromfluß in der jeweiligen Spule proportionalen Betrag umfaßt.
Nach einer nicht_Orthogonalität-Korrektur (die Sensoren können zueinander nicht-senkrecht sein), sollte das vom Sensor gemessene Magnetfeld wie folgt sein:
Angenommen, das vom Sensor erfaßte reale Feld, wenn die Spule an ist, ist B'[Sensor][Spule], dann gilt: B'[Sensor][Spule] – B[Sensor][Spule] ≈ 0,0daher lauten die zu lösenden neun Gleichungen für x, y, z, α, β, γ:
Ein wohlbekannter nicht-linearer Gleichungslöser nach dem Verfahren kleinster Quadrate kann angewendet werden, um die vorangehenden Gleichungen zu lösen und die Position x, y, z und die Ausrichtung α, β, γ der Sonde zu finden.

Claims

Ortungsgerät, mit: (a) mindestens einem Sender (10) zum Aussenden eines Feldes; (b) mehreren Aufnahmeeinheiten (18, 19, 54a, 54b, 54c), welche betreibbar sind, um Merkmale eines auf sie auftreffenden Feldes zu erfassen; (c) einem Betätigungsmittel (42, 44, 46), welches betreibbar ist, um die Sender (10a, 10b, 10c) zyklisch zu betätigen, so daß während jedes Betätigungszyklus jeder der Sender (10a, 10b, 10c) in einer vorher ausgewählten Betätigungssequenz betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Sender (10a, 10b, 10c) während wenigstens einiger Zyklen in einer Mehrfachwert-Betätigungssequenz betätigt wird, um ein magnetisches Feld mit einer vorher ausgewählten Richtung zu liefern, welches unterschiedliche Aufnahmefeldstärken während einer Sequenz mehrerer Aufnahmeintervalle und eine sich fortschreitend ändernde Stärke während mittlerer Übergangsintervalle zwischen Aufnahmeintervallen aufweist, wobei die sich fortschreitend ändernden Stärken zu jeder Zeit während jedes mittleren Übergangsintervalls größer als Null sind.
Ortungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (42, 44, 46) ausgestattet ist, um während jedes der mittleren Übergangsintervalle die Feldstärke im Wesentlichen monoton zu ändern.
Ortungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (42, 44, 46) ausgestattet ist, um die Sender (10a, 10b, 10c) so zu betätigen, daß die während des Aufnahmeintervalls jeder der Mehrfachwert-Betätigungssequenzen angewendeten Feldstärken fortschreitend sortiert sind.
Ortungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (42, 44, 46) ausgestattet ist, um die Sender (10a, 10b, 10c) so zu betätigen, daß die während des Aufnahmeintervalls jeder der Mehrfachwert-Betätigungssequenzen angewendeten Feldstärken fortschreitend von einer niedrigsten Stärke zu einer höchsten Stärke sortiert sind.
Ortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (42, 44, 46) ausgestattet ist, um die Sender (10a, 10b, 10c) so zu betätigen, daß jeder der Sender (10a, 10b, 10c) während mindestens einer Nullperiode jedes Betätigungszyklus auf einer stationären Feldstärke gehalten wird.
Ortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Steuercomputer (34), wobei das Betätigungsmittel (42, 44, 46) mit dem Steuercomputer (34) verbunden ist, um davon Steuersignale zu erhalten, wobei das Betätigungsmittel auf den Steuercomputer (34) reagiert, um jeden Sender (10a, 10b, 10c) wie bestimmt mittels des Steuercomputers (34) anzutreiben.
Ortungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (34) mit den Aufnahmeeinheiten (18, 19, 54a, 54b, 54c) verbunden ist und sie so bedient, daß jede Aufnahmeeinheit (18, 19, 54a, 54b, 54c) während eines Aufnahmeintervalls jeder der Betätigungssequenzen ein Feldmerkmal erfaßt.
Ortungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (34) ausgestattet ist, um die mittels jedes der Sender (10a, 10b, 10c) angewendeten Feldstärken während jedes Zyklus in Abhängigkeit von den mittels der Aufnahmeeinheiten (18, 19, 54a, 54b, 54c) während eines oder mehrerer Zyklen erfaßten Feldmerkmalen zu verändern.
Ortungsgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (34) ausgestattet ist, um unterschiedliche Aufnahmeeinheiten (18, 19, 54a, 54b, 54c) zu bedienen, um während unterschiedlichen Aufnahmeintervallen jeder Mehrfachwert-Betätigungssequenz Feldmerkmale zu erfassen.
Ortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sender (10a, 10b, 10c) einen Elektromagneten umfaßt.