CN101103919A - 用于金属失真评估的探针 - Google Patents

Abstract

用于评估场失真的装置包括探针和处理器。所述探针包括：放置在待测试位置处的机械固定装置以及一个或更多场发生器，所述一个或更多场发生器附着至所述机械固定装置并被布置成用于产生相应磁场。探针进一步包括一个或更多场传感器，所述一个或更多场传感器在相对于一个或更多场传感器的已知位置处附着至机械固定装置，并被布置成用于感测由一个或更多场发生器产生的磁场和响应于所感测的磁场输出信号。所述处理器被布置成用于处理所述信号，以对场传感器在所测试位置感测的磁场失真进行评估。

Description

用于金属失真评估的探针

技术领域

本发明通常涉及磁方位跟踪系统，尤其涉及用于评估影响方位跟踪测量的磁场失真。

背景技术

在本领域中，已经公知用于跟踪医疗过程中所涉及的对象坐标的各种方法和系统。这些系统中有一些使用了磁场测量。例如，美国专利5391199和5443489描述了使用一个或更多场换能器来确定体内探针坐标的系统，其公开内容包含在此以供参考。使用这样的系统用来产生与医疗探针或者导管相关的位置信息。诸如线圈的传感器放置在探针内部，并响应于外部施加的磁场产生信号。通过诸如辐射线圈的磁场换能器产生磁场，所述磁场换能器固定至已知公共空间位置中的外部参考架(reference frame)。

例如，在PCT专利公开WO 96/05768、美国专利6690963、6239724、6618612和6332089以及美国专利申请公开2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，还描述了涉及磁方位跟踪的另外的方法和系统，其公开内容全部包含在此，以供参考。这些公开描述了跟踪体内对象方位的方法和系统，所述体内对象诸如是心脏导管、整形外科植入物以及在不同医疗过程中使用的医疗器具。

在本领域已经公知的是，磁方位跟踪系统的磁场中存在金属、顺磁或铁磁对象通常使得系统的测量失真。该失真有时是由涡流以及其它影响而导致的，所述涡流是由系统的磁场在这种对象内部感应产生的。

在本领域中，已经描述了用于检测场失真和用于在存在这种失真的情况下执行方位跟踪的各种方法和系统。例如，美国专利6147480就描述了这样一种方法，在该方法中，首先在不存在导致寄生信号分量的任何物品的情况下检测所跟踪对象内感应产生的信号，其公开内容包含在此，以供参考。确定该信号的基线相位。当产生寄生磁场的物品被引入至所跟踪对象的附近时，检测因寄生分量而引起的感生信号的相移。测得的相移用于指示对象的方位可能不准确。还可以使用相移来分析信号，以去除至少部分寄生信号分量。

作为另一实例，美国专利5767669公开了一种利用脉冲磁场来确定遥感器的方位和定向的系统，其公开内容包含在此，以供参考。脉冲磁场根据限定源坐标架的多个空间独立分量顺序产生。该磁场由具有多个无源磁场感测元件的遥感器来感测。单独感测涡流失真并由系统减除。该系统对环境中出现的金属对象的影响进行测量，并相应地动态调整所测得的值。在没有涡流失真的情况下，使用所感测的磁场来计算远程对象的方位和定向。

发明内容

本发明的实施例提供了用于评估由引起场失真的对象所导致的场失真等级的方法和系统，预期该方法和系统对磁方位跟踪系统的测量起到作用。

使用探针来评估失真，所述探针包括一个或更多场发生器、在已知方位附着至公共机械固定装置的一个或更多场传感器。探针被定位在测试位置处，以对该位置处的失真等级进行评估。场发生器产生磁场，所述磁场由场传感器进行感测。传感器响应于感测的场而产生信号。处理器对场传感器产生的信号进行处理，以评估测试位置处的场失真等级。

在一些实施例中，在自由空间对探针进行预校准，以得到基准的无失真的场测量。处理器计算所测试位置处的场测量距相应基准测量的偏差。如果偏差超过预定阈值，则警告用户。

下文中描述了几个探针结构，诸如具有多个发生器-传感器距离(distance)的线性结构以及具有多个发生器-传感器轴定向的平面结构。

将磁方位跟踪系统安装在特定位置时或者在涉及磁方位跟踪的医疗过程期间，可以使用此处描述的方法和系统。

因此根据本发明的实施例，提供了用于评估场失真的装置，包括：

探针，所述探针包括：

放置在待测试位置处的机械固定装置；

一个或更多场发生器，所述一个或更多场发生器附着至所述机械固定装置，并被布置成用于产生相应磁场；和

一个或更多场传感器，所述一个或更多场传感器在相对于一个或更多场传感器的已知方位附着至所述机械固定装置，并被布置成用于感测由所述一个或更多场发生器产生的磁场和响应于所感测的磁场来输出信号；和

处理器，所述处理器被布置成用于处理所述信号，以对磁场传感器在测试位置处感测的磁场的失真进行评估。

在一个实施例中，所述处理器被布置成通过比较所述信号与不存在失真时确定的基准值来评估失真。所述探针可以包括存储器，所述存储器被布置成用于保持基准值。在另一个实施例中，所述处理器被布置成当信号距基准值的偏差超过预定阈值时，则警告用户。

在又一实施例中，所述一个或更多场发生器和一个或更多场传感器沿着公共轴布置。

在再一实施例中，所述场发生器和场传感器被布置成至少两个发生器-传感器对，所述对中每对包括以相应距离隔开的一个场传感器和一个场发生器，所述对中至少两对具有彼此不同的距离。

在一个实施例中，场发生器和场传感器被布置成至少两个发生器-传感器对，所述对中每对包括沿着相应轴布置的一个场发生器和一个场传感器，所述对中至少两对具有相对于彼此以不同方向定向的轴。

在一些实施例中，一个场发生器被布置成用于产生具有第一频率的第一磁场，另一场发生器被布置成用于产生具有第二频率的第二磁场，所述第二频率与所述第一频率不同，并且至少一个场传感器被布置成用于同时感测第一和第二磁场。

在另一实施例中，处理器被布置成用于估计失真对磁方位跟踪系统在测试位置处进行的方位测量的影响。

在又一实施例中，磁方位跟踪系统使用通常以第一距离隔开的场发生器和场传感器来执行方位测量，探针的至少一个场发生器和一个场传感器以第二距离隔开，选择所述第二距离以接近于第一距离。

在再一实施例中，处理器被布置成响应于评估的失真来确定将施加给方位测量的校正因子。

在一个实施例中，至少一个场发生器和场传感器包括相对于彼此以不同的角定向布置的两个或更多线圈。

在另一实施例中，至少一个场发生器包括至少第一和第二场发生线圈，所述至少第一和第二场发生线圈以分别不同的第一和第二角定向来定向，并被布置成分别产生具有不同的第一和第二频率的第一和第二磁场，并且至少一个场传感器被布置成同时感测第一和第二磁场。

根据本发明的实施例，另外还提供了用于评估场失真的方法，所述方法包括：

在待测试位置处定位探针，所述探针包括以固定的相对空间关系布置的一个或更多场传感器和一个或更多场发生器；

在将探针定位在所述位置的同时，启动一个或更多场发生器来产生相应的磁场，并使用一个或更多场传感器来感测磁场，从而响应于所感测的磁场来产生相应的信号；和

对所述信号进行处理，以对场传感器在测试位置处感测的磁场的失真进行评估。

从下面参考附图对本实施例的详细描述中，可以更加全面地理解本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例在外科手术中使用的磁方位跟踪系统的示意示图；

图2示出了根据本发明实施例的磁方位跟踪系统的安装过程示意示图；

图3(A-B)示意性示出了根据本发明实施例用于评估磁场失真的探针的视图；

图4示意性示出了根据本发明实施例用于评估磁场失真的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例在外科手术中使用的磁方位跟踪系统20的示意示图。外科医师22利用医疗器具24对病人23实施医疗过程。在外科部位将植入物26引入病人体内，在该实例中，该外科部位位于病人的腿部30。跟踪系统通过测量并呈现植入物26和器具24的方位来引导外科医师执行该过程，在该实例中，所述过程是膝关节手术。该系统测量了包括外科部位的整个工作容积中的位置和定向坐标。

相对于固定在病人身体上的场发生器来确定器具24和植入物26的坐标，所述场发生器诸如是定位垫(location pad)34。可以理解的是，场发生器具有浮动坐标，即可以不将定位垫固定在空间中。在图1示出的实例中，所述垫放置在接近植入物26的病人小腿和大腿处。控制台38产生驱动信号，用于驱动在定位垫34中的通常包括场发生线圈的场发生器。场发生器在整个工作容积中产生磁场。控制台38使用电缆39连接至定位垫34。

植入物26和器具24通常包含微型无线传感器单元。每个传感器单元包括设计用于感测其附近磁场的场传感器。定位垫34产生的磁场在安装至器具24和植入物26的感测器单元的场传感器中通过感应产生电流。响应于感生电流，每个传感器单元中的信号处理及传送器电路产生并传送指示植入物或者器具的位置和方向的方位信号。

该方位信号由无线控制单元40接收，所述无线控制单元40耦合至计算机41。计算机41用作系统20的主系统控制器。计算机对所接收的信号进行处理以计算植入物26和/或器具24的相对位置和定向坐标。通常在显示器42上为外科医师呈现结果。

病人23躺在手术台44上，该手术台通常是金属的或者具有相当大的金属含量。如上所述，在系统20的工作容积中或者附近存在金属或者其它引起场失真的对象通常使得系统产生的磁场发生失真。结果，可能使系统执行的方位测量发生失真。因此期望使这种引起场失真的对象尽可能实际可行地远离工作容积。

例如，在系统20的某些安装设备中，可以在病人23和手术台44之间放置台垫48。对手术台进行衬垫除了使病人感到舒适之外，台垫48还可以增加手术台和系统20的工作容积之间的隔离。较厚的台垫使得可以距金属手术台更远来定位定位垫34、器具24和植入物26，这样就可以降低场失真的等级。

尽管图1的实例实施例中参考了整形外科的应用，但是此处描述的方法和系统可以用于评估任何其它磁方位跟踪应用中的场失真等级，诸如心脏导管插入过程。通常，此处描述的方法和系统可以用于评估因任何对象而导致的失真，而与其是否涉及方位跟踪系统无关。

图2示出了根据本发明实施例的系统20的安装过程示意示图。诸如现场服务技师52的安装人员将系统20安装在特定的手术室。作为系统安装的一部分，技师52验证金属对象在系统的工作容积中引起的场失真等级是可接收的。

技师52使用失真评估探针56来测量并评估在随后医疗过程中有可能影响系统20的方位测量的失真等级。下文中将详细描述探针56的结构及其功能。原理上讲，探针56包括在已知相对方位附着至机械固定装置的一个或更多场传感器以及一个或更多场发生器。探针通过电缆58连接至控制台38。

在自由空间中对探针56进行预校准，即在不存在引起场失真的元件的情况下进行预校准。在校准过程中，驱动每个探针的场发生器来产生磁场。每个场发生器的磁场由每个探针的场传感器感测。将每个发生器-传感器对的场测量作为基准测量值进行存储。

探针56的预校准通常作为探针制造的一部分来执行，而不是在安装现场来执行。基准场测量值与探针相关联，而不是与系统20的任何特定安装相关联。因此，可以将基准测量值存储在附着至探针并可由计算机41进行读取的非易失性存储器中。备选地，可以将基准测量值提供给探针，并将其存储在系统20中，例如存储在计算机41的存储器中。

为了对特定测试位置处的预期失真进行评估，技师52在该位置保持探针56。控制台38使用驱动信号来驱动探针56中的场发生器，所述场发生器产生相应的磁场。探针中的场传感器感测产生的磁场，并产生相应的方位信号。方位信号通过电缆58被发送至控制台38。计算机41对方位信号进行分析，并评估测试位置处场失真的等级。

计算机41将测试位置处的场强度测量值与在校准过程中得到的基准测量值进行比较。测试位置处的场测量值距基准测量值的偏差指示了测试位置处的预期失真等级。通常该偏差被定义为测试位置处测得的场与相应的基准测量值之间的矢量差，因此同时考虑了场强度和相位差。可以对每对场发生器和场传感器独立地计算偏差。备选地，可以使用综合偏差值，诸如所有发生器-传感器对的偏差和。

备选地，计算机41可以计算探针的场传感器相对于其场发生器的位置坐标。可以将这些坐标与基于自由空间测量的基准位置坐标进行比较。

在一些实施例中，如果偏差超过预定阈值，则诸如通过在显示器42上显示消息或者使用任何其它适当的方式来警告技师。

技师可以在多个测试位置扫描探针，以在手术台附近对预期的失真等级进行勘测(map)。尤其是，技师可以使用探针56来确定台垫48的厚度是否足够。如果台垫之上的失真等级不能接受，则可以使用更厚的台垫。

附加地或者备选地，可以基于评估的失真来实施其它测量。例如，计算机41可以使用偏差来计算校正因子，该校正因子将施加给由方位跟踪系统在测试位置处随后执行的方位测量。由于校正因子值易于随着位置而显著改变，因此当诸如使用勘测工作容积的自动机得知准确的探针坐标位置时，应当执行校正因子的确定。

图3A示意性示出了根据本发明实施例的探针56的实例结构的视图。在图3A的结构中，探针56包括沿着公共轴在已知位置处附着至机械固定装置70的两个场发生器62A和62B以及两个场传感器66A和66B。场发生器62A和62B通常与装配至定位垫34中的场发生器类似，且场传感器66A和66B通常与装配至器具24和植入物26中的场传感器类似。场发生器和场传感器通过电缆72连接至控制台38。

在一些实施例中，每个场发生器可以包括多个场发生线圈，所述多个场发生线圈以不同的平面定向，从而产生具有不同定向的磁场。例如，每个场发生器可以包括三个相互正交的场发生器线圈。同样，场传感器还可以包括具有不同定向的多个场感应线圈，以同时感测多个磁场分量。使用这样的结构，该探针可以同时对与具有不同定向的磁场相关联的场失真进行评估。

在一些实施例中，探针56包括诸如可编程只读存储器(PROM)或者闪存装置的非易失性存储装置71，其中在自由空间校准过程之后将基准测量值存储在所述存储装置中。计算机41可以通过电缆72读取存储器71的内容。

在许多实际情况下，特定测量时的场失真等级取决于场发生器和场传感器之间的距离。因此，以不同发生器-传感器距离执行场测量提供了与失真相关的附加信息，改善了失真评估的可靠性。

为了以多种发生器-传感器距离提供测量，沿着公共轴以不均匀的距离布置探针56的场发生器和场传感器。由于探针56包括两个场发生器和两个场传感器，因此存在四个可能的发生器-传感器对74。正如可以从附图中所看出的，在本实例中，所有的四个距离彼此不同。

在一些实例中，准确地或者近似地知道医疗过程中系统20所使用的发生器-传感器距离。例如，当如图1所示实施膝关节手术时，定位垫34和植入物26之间的距离已知是先验值(a-priori)。在这种情况下，可以选择探针56中的发生器-传感器距离，以与随后将在医疗过程自身中使用的距离相匹配。(备选地，给定特定探针，则可以放置定位垫34使得它们距离植入物的距离与探针的发生器-传感器距离匹配。)在失真评估和医疗过程中使用近似的发生器-传感器距离增加了评估的准确性。

在一些实施例中，通过给探针的场发生器分配不同的频率，可以减少在每个测试位置处的测量时间。在这些实施例中，场传感器可以同时感测由不同的场发生器产生的磁场。由于使用了不同的频率，计算机41可以对结果得到的方位信号进行滤波，并对每个单独的场发生器起到的作用进行分解。当使用包括多个场发生线圈的场发生器时，通常为每个线圈分配不同的频率。

在备选的实施例中，可以使用包括一个或更多场发生器以及一个或更多场传感器的任何其它适合探针结构。

图3B示意性示出了根据本发明另一实施例用于评估磁场失真的备选探针73的视图。在一些实际情况中，失真等级随着连接场发生器和场传感器的轴定向而发生改变。在这样的情况下，为了得到充分的失真勘测，将不得不在每个测试位置处通过多个定向来旋转上述图3A的探针56，这种做法使得评估过程变得复杂，并且增加了测量时间。

为了得到多个定向和位置处的场测量值，探针73包括通常以不均匀方位定位的三个场发生器和三个场传感器，所述三个场发生器由62C、62D和62E表示，所述三个场传感器由66C、66D和66E表示。所述场发生器和场传感器以三角结构布置并且附着至机械固定装置75。在本发明的实例中，探针73包括沿着彼此不同的多个轴布置的九种可能的发生器-传感器对。当放置在特定的测试位置处时，通过使用不同的发生器-传感器对，探针73同时在多个定向处产生场测量值。

探针73的三角结构是一种实例结构，选择该结构纯粹是为了使概念清晰。可以使用包括至少两个不同的发生器-传感器轴的任何其它适合探针结构。这样的结构可以是平面(即，两维)结构或者是三维结构。还可以使用同时具有多个发生器-传感器距离和多个发生器-传感器轴的混合结构。

图4示意性示出了根据本发明实施例用于评估磁场失真的方法的流程图。在预校准步骤80，该方法从在自由空间中对失真评估探针进行校准开始。如上面所提到的，通常在探针制造期间执行基准场测量，且将基准测量值提供至计算机41。

在定位步骤82，当对系统20的特定安装位置进行估计时，技师将探针定位在特定的测试位置。在测量步骤84，系统20对探针的不同发生器-传感器对的磁场进行测量。在比较步骤86，计算机41将测试位置处测量的磁场与相应的基准测量值进行比较。计算机41计算测试位置处的场测量值距基准值的偏差。

当在检验步骤88中检验时，如果偏差超过预定阈值，则计算机41在警告步骤90警告技师。相反，则认为测试位置具有容许的失真等级。然后该方法循环回到上述的定位步骤82，并且技师继续评估其它测试位置。

尽管此处描述的实施例主要针对因金属手术台而引起的失真，但是此处描述的方法和系统可以用于评估因系统20附近中的其它引起场失真的对象而导致的失真，诸如因各种金属的医疗和外科器具及仪器而导致的失真。附加地或者备选地，此处描述的方法和系统可以在医疗过程之前由执行该过程的医师或者其它人员来实施。例如，为了随着时间监视该位置处的失真等级，失真评估探针可以安装在工作容积的固定位置处。通常推荐的做法是在外科医师前执行失真评估，从而使得不用必须对探针进行消毒。

因此，应当理解的是，通过实例的方式列举了上述描述的实施例，而本发明并不限于上文中特别示出和描述的实施例。相反，本发明的范围包括上文中描述的各种特征的组合和子组合，并包括阅读了前面的描述之后本领域技术人员能够想到以及未在现有技术中公开的各种变型和修改。

Claims (24)

1.一种用于评估场失真的装置，包括：

探针，所述探针包括：

放置在待测试位置处的机械固定装置；

一个或更多场发生器，所述一个或更多场发生器附着至所述机械固定装置，并被布置成用于产生相应磁场；和

一个或更多场传感器，所述一个或更多场传感器在相对于一个或更多场传感器的已知方位附着至所述机械固定装置，并被布置成用于感测由所述一个或更多场发生器产生的磁场和响应于所感测的磁场来输出信号；和

处理器，所述处理器被布置成用于处理所述信号，以对磁场传感器在测试位置处感测的磁场的失真进行评估。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器被布置成通过比较所述信号与不存在失真时确定的基准值来评估失真。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述探针包括存储器，所述存储器被布置成用于保持基准值。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述处理器被布置成当信号距基准值的偏差超过预定阈值时，警告用户。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或更多场发生器以及所述一个或更多场传感器沿着公共轴布置。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述场发生器和场传感器被布置成至少两个发生器-传感器对，所述对中每对包括以相应距离隔开的一个场传感器和一个场发生器，并且其中所述对中至少两对具有彼此不同的距离。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述场发生器和场传感器布置成至少两个发生器-传感器对，所述对中每对包括沿着相应轴布置的一个场传感器和一个场发生器，并且其中所述对中至少两对具有相对于彼此以不同方向定向的轴。

8.根据权利要求1所述的装置，其中一个场发生器被布置成用于产生具有第一频率的第一磁场，其中另一磁场发生器被布置成用于产生具有第二频率的第二磁场，所述第二频率与所述第一频率不同，并且其中至少一个场传感器布置成用于同时感测第一和第二磁场。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器被布置成用于估计失真对磁方位跟踪系统在测试位置处进行的方位测量的影响。

10.根据权利要求9所述的装置，其中磁方位跟踪系统使用通常以第一距离隔开的场发生器和场传感器来执行方位测量，并且其中探针的至少一个场发生器和至少一个场传感器以第二距离隔开，选择所述第二距离以接近于第一距离。

11.根据权利要求9所述的装置，其中处理器被布置成用于响应于评估的失真来确定将施加给方位测量的校正因子。

12.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个场发生器包括至少第一和第二场发生线圈，所述第一和第二场发生线圈以分别不同的第一和第二角定向来定向，并被布置成分别产生具有不同的第一和第二频率的第一和第二磁场，并且其中至少一个场传感器被布置成同时感测第一和第二磁场。

13.一种用于评估场失真的方法，包括：

在待测试位置处定位探针，所述探针包括以固定的相对空间关系布置的一个或更多场传感器和一个或更多场发生器；

在将探针定位在所述位置的同时，启动一个或更多场发生器来产生相应的磁场，并使用一个或更多场传感器来感测磁场，从而响应于所感测的磁场来产生相应的信号；和

对所述信号进行处理，以对场传感器在测试位置处感测的磁场的失真进行评估。

14.根据权利要求13所述的方法，其中对所述信号进行处理包括将所述信号与不存在失真时确定的基准值进行比较。

15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述基准值存储在探针的存储器中，并且其中将所述信号与基准值进行比较包括从存储器中读取基准值。

16.根据权利要求14所述的方法，其中对所述信号进行处理包括当所述信号距基准值的偏差超过预定阈值时警告用户。

17.根据权利要求13所述的方法，其中沿着公共轴布置一个或更多场发生器和一个或更多场传感器。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述场发生器和场传感器布置成至少两个发生器-传感器对，每对包括以相应距离隔开的一个场传感器和一个场发生器，并且其中所述对中至少两对具有彼此不同的距离。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述场发生器和场传感器布置成至少两个发生器-传感器对，每对包括沿着相应轴布置的一个场传感器和一个场发生器，并且其中所述对中至少两对具有相对于彼此以不同方向定向的轴。

20.根据权利要求13所述的方法，其中启动一个或更多场发生器包括从一个场发生器产生具有第一频率的第一磁场，通过另一场发生器产生具有第二频率的第二磁场，所述第二频率不同于第一频率，并且其中感测磁场包括由至少一个场传感器来同时感测第一和第二磁场。

21.根据权利要求13所述的方法，其中对所述信号进行处理包括估计失真对磁方位跟踪系统在测试位置处进行的方位测量的影响。

22.根据权利要求21所述的方法，其中磁方位跟踪系统使用通常以第一距离隔开的场发生器和场传感器来执行方位测量，并且其中探针的至少一个场发生器和一个场传感器以第二距离隔开，选择所述第二距离以接近于第一距离。

23.根据权利要求21所述的方法，其中对所述信号进行处理包括响应于评估的失真确定将施加给方位测量的校正因子。

24.根据权利要求13所述的方法，其中启动一个或更多场发生器包括从一个场发生器产生至少第一和第二磁场，所述至少第一和第二磁场具有分别不同的第一和第二角定向以及分别不同的第一和第二频率，并且其中感测磁场包括由至少一个场传感器同时感测第一和第二磁场。

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