專利名稱：使用單線圈發(fā)射器的電磁跟蹤系統(tǒng)與方法
技術領域：
一般地，本發(fā)明涉及一種電磁跟蹤系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明設計一種使用單線圈有線或無線發(fā)射器的電磁跟蹤系統(tǒng)。
背景技術：
許多醫(yī)療過程涉及醫(yī)療設備，諸如鉆、導管、手術刀、觀察儀器、斯滕特固定模或其他工具。在有些情況下，可以使用醫(yī)療成像或視頻系統(tǒng)來提供設備的定位信息，以及患者體內(nèi)的可視化處理。然而，在進行醫(yī)療過程時，醫(yī)療人員經(jīng)常不使用醫(yī)療成像系統(tǒng)。一般地，醫(yī)療成像系統(tǒng)太慢，不能為醫(yī)療過程中的設備跟蹤產(chǎn)生可用的實時圖像。為設備跟蹤使用醫(yī)療成像系統(tǒng)也可能由于健康與安全(例如對輻射量的考慮)、財務限制、物理空間限制以及其他考慮等原因而受限制。
諸如醫(yī)生、手術大夫以及其他醫(yī)學專業(yè)人士等醫(yī)療人員在進行醫(yī)療過程(例如圖像制導的手術或檢查)時經(jīng)常依賴技術。跟蹤系統(tǒng)可以提供相對于患者或者參照坐標系統(tǒng)等的醫(yī)療設備的定位信息。當設備不在醫(yī)療人員視線之內(nèi)時，醫(yī)療人員可以參照跟蹤系統(tǒng)以確定醫(yī)療設備的位置。跟蹤系統(tǒng)也可以在手術前的計劃中提供幫助。
跟蹤或導航系統(tǒng)使醫(yī)療人員能夠將患者的身體結構可視化，并跟蹤設備的位置與方向。醫(yī)療人員可以使用跟蹤系統(tǒng)來確定設備何時位于所希望的位置。醫(yī)療人員可以定位并在所希望的或受傷的區(qū)域上進行手術，同時避免其他組織。通過促進對于更少影響患者的更小設備的改進的控制，更精確地定位患者體內(nèi)的醫(yī)療設備可以提供更少破壞的醫(yī)療過程。對于更小的更精細的設備的改進的控制與精度也可以降低與諸如開放式手術(open surgery)等更具破壞性過程相關聯(lián)的風險。
在許多應用中，跟蹤系統(tǒng)也可以用來跟蹤不同于醫(yī)療設備的物體的位置。即跟蹤系統(tǒng)可以在其他場合下使用，其中通過視覺觀察不能精確地確定在物體之內(nèi)或在一定環(huán)境下的設備的位置。例如，跟蹤技術可以用于法醫(yī)或安全應用中。零售商店可以使用跟蹤技術來防止對商品的盜竊。在這些情況下，可以在商品上安放無源應答器。在零售設施之內(nèi)可以有策略地安裝發(fā)射器。發(fā)射器在被設計來產(chǎn)生來自應答器的響應的頻率上發(fā)射激勵信號。當具備應答器的商品位于發(fā)射器的發(fā)射范圍之內(nèi)時，應答器產(chǎn)生響應信號，該響應信號由接收器檢測。然后，接收器根據(jù)響應信號的特點來確定應答器的位置。
跟蹤系統(tǒng)也經(jīng)常用于虛擬顯示系統(tǒng)或模擬器。跟蹤系統(tǒng)可以用來監(jiān)控模擬環(huán)境中人員的位置?？梢栽谌藛T或物體上安裝應答器或多個應答器。發(fā)射器發(fā)射激勵信號并且應答器產(chǎn)生響應信號。響應信號由接收器檢測。然后，由應答器發(fā)射的信號可以用來監(jiān)控模擬環(huán)境中人員或物體的位置。
跟蹤系統(tǒng)可以是超聲波、慣性位置(inertial position)或者電磁跟蹤系統(tǒng)等等。電磁跟蹤系統(tǒng)可以使用線圈作為接收器與發(fā)射器。一般地，電磁跟蹤系統(tǒng)配置為工業(yè)標準線圈結構(ISCA)。ISCA使用三個并放正交準偶極發(fā)射線圈(colocated orthogonal quasi-dipole transmitter coil)以及三個并放準偶極接收線圈(colocated quasi-dipole receiver coil)。其他系統(tǒng)可以使用具有三個并放準偶極接收線圈的三個大型非偶極非并放發(fā)射線圈。另一跟蹤系統(tǒng)結構使用在空間上展開的六個或更多發(fā)射線圈陣列，以及一個或多個準偶極接收線圈?？商鎿Q地，對于在空間上展開的六個或更多個準偶極接收線圈，可以使用單一的準偶極發(fā)射線圈。
ISCA跟蹤器結構使用三軸偶極線圈發(fā)射器與三軸偶極線圈接收器。每個三軸發(fā)射器或接收器的構造使得三個線圈表現(xiàn)相同的有效區(qū)域，并且相互正交地排放，并且以同一點為中心。圖4中顯示了在X、Y、Z方向上圍繞中心點近似等同間隔的偶極線圈三元組的例子。如果與發(fā)射器與接收器之間的距離相比，這些線圈足夠小，則線圈可以呈現(xiàn)偶極行為。由發(fā)射線圈三元組所生成的磁場可以由接收線圈三元組檢測。例如，使用三個近似同心放置的發(fā)射線圈以及三個近似同心放置的接收線圈，可以取得九個參數(shù)測度。從這九個參數(shù)測度以及已知的位置或方向參數(shù)，通過位置與方向計算可以確定三個自由度的每個發(fā)射線圈相對于接收線圈三元組的位置與方向信息。
一些現(xiàn)有的電磁跟蹤系統(tǒng)包括有線連接到公共設備或盒體的發(fā)射器與接收器。在具有有線連接到公共設備的系統(tǒng)中，被跟蹤的對象有線連接到同一設備，作為進行跟蹤的組件。由此，被跟蹤對象的運動范圍受到限制。
無線電磁跟蹤系統(tǒng)允許被跟蹤的對象自由地移動，而不被與發(fā)射器或接收器的連接所限制。為了減少與將電池或其他電源附加到應答器相關聯(lián)的體積，無源應答器可以使用線圈作為其他設備耦合以及從其他設備接收功率的方法。
一般地，應答器安裝在設備之上或之內(nèi)，以跟蹤該設備的運動。為了確定應答器的位置，發(fā)射器生成入射到應答器的激勵信號。在應答器上入射激勵信號使應答器發(fā)射響應信號。一般地，響應信號以與激勵信號相同的頻率發(fā)射。
由應答器發(fā)射的響應信號以及由發(fā)射器發(fā)射的激勵信號入射到接收線圈上。一般地，在使用無源應答器的跟蹤系統(tǒng)中，當在接收器處接收激勵信號與響應信號兩者時，激勵信號遠遠大于響應信號。因為應答信號以與激勵信號相同的頻率發(fā)射并且響應信號遠遠小于激勵信號，所以不容易準確地分離并測量響應信號。
諸如導管或柔性的耳、鼻、喉設備等許多設備需要跟蹤單一的小線圈。當前的ISCA結構用接收線圈三元組跟蹤發(fā)射線圈三元組。因此，存在一種需求，需要一種使用單線圈跟蹤設備的電磁跟蹤系統(tǒng)。
另外，在許多外科設備中的金屬物干擾用于跟蹤的典型的ISCA計算。由此，對于金屬外科設備，由于磁場的干擾，跟蹤經(jīng)常是不準確的。由此，人們非常希望有一種具有改進的準確的跟蹤的系統(tǒng)，以用于金屬設備的跟蹤。
另外，接收器可能需要校準，以幫助確保發(fā)射器的準確跟蹤。可以向接收器套件增加校準線圈。然而，校準線圈增加了接收器套件的厚度。由此，在校準與接收線圈之間單獨地測量每個套件。由此，人們非常希望有一種不增加跟蹤系統(tǒng)的大小與復雜度的校準線圈。
由此，需要一種使用單線圈有線或無線發(fā)射器的改進的電磁跟蹤系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特定實施方式提供了一種使用單線圈發(fā)射器的電磁跟蹤系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)包括發(fā)射信號的單線圈發(fā)射器，接收來自單線圈發(fā)射器的信號的接收器，以及用來處理由接收器接收的信號的電子裝置。電子裝置確定單線圈發(fā)射器的位置。
發(fā)射器可以是無線或有線連接的發(fā)射器。發(fā)射器的單線圈可以是偶極子。發(fā)射器可以是電池供電的。另外，可以用連續(xù)波信號驅動發(fā)射器。
接收器可以是印刷電路板。另外，接收器可以是12接收器陣列。在一種實施方式中，接收器可以是12接收器印刷電路板。四個電路板可以包括單螺旋線圈。八個電路可包括螺旋線圈對。
電子裝置可以確定發(fā)射器的位置、方向和/或增益。電子裝置可以確定在發(fā)射器與接收器之間的互感比率，以確定發(fā)射器的位置。電子裝置也可以確定在發(fā)射器上產(chǎn)生的電流和/或磁場的比例，以確定發(fā)射器的位置。
特定實施方式提供了一種改進的設備跟蹤系統(tǒng)，包括單線圈無線發(fā)射器；包括多個線圈與線圈對的印刷電路板接收器陣列；以及用來分析在所述發(fā)射器與所述接收器陣列的線圈和線圈對之間的參數(shù)以確定相對于所述接收器陣列的所述發(fā)射器的位置的跟蹤器電子裝置。所述參數(shù)可以包括互感和/或磁場。在一種實施方式中，互易性允許將接收器陣列的線圈當作發(fā)射線圈對待。該系統(tǒng)也可以包括用于校準接收陣列的校準線圈。
在一種實施方式中，印刷電路板接收器陣列產(chǎn)生如下的磁場指向X方向的大部分均勻場；指向X方向的大部分隨X變化的場；指向X方向的大部分隨Y變化的場；指向X方向的大部分隨Z變化的場；指向Y方向的大部分均勻場；指向Y方向的大部分隨X變化的場；指向Y方向的大部分隨Y變化的場；指向Y方向的大部分隨Z變化的場；指向Z方向的大部分均勻場；指向Z方向的大部分隨X變化的場；指向Z方向的大部分隨Y變化的場；指向Z方向的大部分隨Z變化的場。
特定實施方式提供了一種用于改進的設備跟蹤的方法。所述方法包括以特定頻率驅動發(fā)射線圈以發(fā)射信號，并在接收器線圈陣列上接收信號。該方法還包括確定發(fā)射線圈的增益，并測量發(fā)射線圈與接收線圈陣列之間的互感。選擇發(fā)射線圈的位置的初始估計。根據(jù)互感，使用誤差最小化例程來調(diào)整初始估計。所述初始估計可以是線圈的計算結果。
該方法還包括校準接收線圈陣列。另外，該方法可以包括消除發(fā)射線圈增益的符號歧義。從在接收線圈上接收的信號也可以確定發(fā)射器電流。
在特定實施方式中，提供了一種用于電磁跟蹤的方法，包括在不同頻率上驅動線圈陣列，測量由不同頻率所產(chǎn)生的電流的比例，以及計算線圈陣列與遠離所述線圈陣列放置的單線圈之間的互感比率。該方法還包括估計單線圈的位置、增益以及方向中至少一個的初始值，以及根據(jù)初始值以及互感比率，確定單線圈的位置、增益以及方向中至少一個的最佳擬合值。該方法還包括校準線圈陣列。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式使用的無線跟蹤器；圖2顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式使用的印刷電路板；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施方式使用的確定位置、方向以及增益的方法的流程圖；圖4圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式使用的偶極線圈三元組(dipole coiltrio)。
結合附圖可以更好地理解以上本發(fā)明內(nèi)容，本發(fā)明的特定實施方式的詳細說明。出于描述本發(fā)明的目的，在附圖中顯示了特定實施方式。然而應該理解本發(fā)明不限于附圖中所示的結構與安排。
具體實施例方式
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式使用的無線跟蹤器100。無線跟蹤器100包括無線發(fā)射器110、有線連接的接收器120以及跟蹤器電子裝置130。無線發(fā)射器110發(fā)射信號。有線連接的接收器120檢測該信號。跟蹤器電子裝置130分析所接收的信號以及發(fā)射器110與接收器120之間的關系，從而確定發(fā)射器110的位置。
在一種實施方式中，無線發(fā)射器110為單線圈無線發(fā)射器。無線發(fā)射器110可以是電池供電的無線發(fā)射器?？商鎿Q地，可以在無線發(fā)射器110之外或者替換地使用單線圈有線連接的發(fā)射器。在一種實施方式中，有線連接的接收器120為具有12線圈的有線連接的發(fā)射器。與無線接收器不同，電池供電的無線發(fā)射器120不需要附加的無線信道來與接收器120以及跟蹤器電子裝置130進行通信。由發(fā)射器110所發(fā)射的磁場既允許對位置的測量，也允許與接收器120以及跟蹤器電子裝置130的通信。
諸如導管以及柔性耳、鼻、喉(ENT)設備之類的設備，可以用單一小線圈跟蹤。在一種實施方式中，可以用位置信息而不用滾動信息(rollinformation)來跟蹤設備。
在一種實施方式中，無線發(fā)射器110的線圈由連續(xù)波(CW)之正弦波(例如20kHz正弦波)驅動。發(fā)射線圈的驅動器由(例如)3伏特鋰電池供電。該驅動器可以使用(例如)短電纜(諸如0.1米同軸電纜)連接到發(fā)射線圈。在一種實施方式中，發(fā)射線圈為8毫米長，直徑1.7毫米。發(fā)射線圈為(例如)圍繞8毫米長，直徑0.5毫米的鐵磁芯纏繞的7700圈美國線規(guī)(AmericanWire Gauge，AWG)54號線而成。
該芯近似地按照以下因子增加線圈的有效區(qū)域 例如，有效線圈區(qū)域因子為(8mm/1.7mm)2＝22。線圈可以是(例如)由MaineScientific或其他制造商制造的線圈。
線圈驅動器可能不產(chǎn)生驅動發(fā)射線圈的精確電流。另外，線圈的有效區(qū)域可能不是被精確地知道或者被精確地測量。如下所述，可以計算線圈中的實際電流。
在一種實施方式中，發(fā)射線圈足夠小，使得該線圈為跟蹤的目的表現(xiàn)得足夠像偶極子。偶極子可以由位置、方向以及增益(或強度)來描述。線圈的位置、方向以及強度可以如下所述地確定。因此，不用描述特性就可以確定跟蹤器電子裝置130以及無線發(fā)射線圈的位置、方向和增益。
在一種實施方式中，接收器120為單一0.48米乘0.52米印刷電路板(PCB)。該PCB可以包括(例如)由該PCB中的銅線形成的20個線圈。這些線圈(例如)可以以串聯(lián)對連接和/或單獨使用。在一種實施方式中，在該PCB上可以存在12個分離的導電通路(稱為ANT-009 PCB)。PCB線圈可以低成本地精確制造。例如，ANT-009 PCB可以用作發(fā)射器陣列或接收器陣列。
在一種實施方式中，PCB中的接收線圈展開或分布在PCB上。分布式線圈易受靜電干擾影響?？梢允褂梅ɡ谄帘我愿艚^對PCB的靜電干擾，而不影響接收器120所接收的電磁信號。
可以在電磁跟蹤系統(tǒng)中使用互感來確定該系統(tǒng)中組件的位置?；ジ惺乖撛撓到y(tǒng)可以被分為兩部分線圈以及電子裝置130。確定互感涉及對于線圈以及線圈之間幾何關系的物理設計，而不涉及用來測量互感的電子裝置130的細節(jié)。另外，互感不依賴于哪個線圈接收所施加的電流。
除用來測量互感的電子裝置130之外，包括一個發(fā)射線圈與一個接收線圈的系統(tǒng)形成了四終端兩端口網(wǎng)絡(four-terminal two-port network)。注入一個線圈的變化的電流在另一個線圈中感生電壓。該感應電壓V正比于所施加電流I的變化速度V＝Lm(dI/dt)(2)，其中Lm表示互感比率。Lm基于線圈(閉合電路)的幾何形狀。Lm為與所施加電流波形或頻率無關的比例。由此，Lm為可以合理精度測量的定義完備的特性。
發(fā)射器110的位置、方向以及增益(POG)可以相對接收器120的坐標系統(tǒng)計算。POG的確定使用互易性以生成將PCB接收線圈當作發(fā)射線圈對待的磁場模型?；ヒ仔燥@示一對線圈的互感比率與驅動哪個線圈無關。通過使用PCB上串聯(lián)的線圈對，在XYZ方向上并具有XYZ梯度的磁場相對于PCB在“最佳場所”(sweet spot)中形成。例如，在PCB中心之上0.1-0.2米形成場。在一種實施方式中，PCB包括12個不同的單線圈與線圈對。有各種磁場增強POG計算的數(shù)值穩(wěn)定性。
在一種實施方式中，單一發(fā)射線圈的增益可用6或更多個接收線圈確定。在一種實施方式中，互感模型提供從發(fā)射線圈到每個接收線圈的12個互感比率，作為POG的函數(shù)。首先，可以選擇POG的初始估計。例如，來自上一次測量以及計算周期的POG結果可以作為POG計算的初始估計或者起始數(shù)(seed)。然后，可以使用誤差最小化例程來調(diào)整POG估計。調(diào)整POG估計以最小化測定與模擬的互感比率之間的差異。
如果使用正弦波發(fā)射器驅動，并且將接收器120鎖相到發(fā)射器驅動，則可能不確定發(fā)射線圈增益的符號。發(fā)射器110增益的未知符號會產(chǎn)生POG的歧義。例如，將發(fā)射器線圈首尾對調(diào)不影響POG。在一種實施方式中，跟蹤可以用處在近似確定的POG的發(fā)射線圈開始。然后，可以逐周期地跟蹤POG。在可替換實施方式中，可以消除發(fā)射器增益的符號歧義。發(fā)射器110正弦波的相位或符號可以不用記憶地(例如沒有先前計算)直接確定。可以在沒有鎖相環(huán)路的情況下確定相位。
復數(shù)發(fā)射器電流(tx_current)可以表示為兩個因子的積tx_current＝tx_current_magnitude*tx_current_phase(3)，其中tx_current_magnitude為發(fā)射器110電流的幅度，tx_current_phase為發(fā)射器110電流的相位。在一種實施方式中，發(fā)射器110電流的幅度為實、正，并且緩慢變化。發(fā)射器電流的幅度正比于POG的增益。由此，發(fā)射器電流幅度可由POG計算來確定。發(fā)射器電流相位為復、單位幅度值。從每個周期的最新的接收器120信號數(shù)據(jù)重新計算相位。對于每個周期的數(shù)據(jù)，發(fā)射器電流相位可能不同。
在一種實施方式中，在12接收器陣列中的最大幅度接收信號為接收器0至11陣列中的0、5以及11之一。這三個接收線圈板0、5以及11具有大致正交的指向性響應(orthogonal directional response)。即，如果總信號為合理大小，在接收板0、5以及11中的至少一個接收不為小的信號。對于接收器信號組，可以測試接收器信號0、5以及11以確定哪個接收器信號幅度最大。具有最大幅度的信號標記為receiver_signal[r]。
然后可以如下地計算反向規(guī)格化的(denormalized)發(fā)射器電流相位tx_current_phase_denormalized=signreceiver_signal[r]i2π---(4),]]>其中sign為+1或-1。然后可以規(guī)格化(normalize)電流相位并修正signtx_current_phase=tx_current_phase_denormalized|tx_current_phase_denormalized|---(5).]]>然后可以確定發(fā)射器110復數(shù)電流tx_current＝tx_current_mag*tx_current_phase(6)。
在沒有第二諧波信號測量的情況下，可以為每個周期選擇符號(sign)，以維持一定時間上recever_signal[n]元素的一致符號。在一種實施方式中，對發(fā)射器110的跟蹤從所選擇的開始，諸如校準位置，以進行初始符號選擇(+或-)?？梢杂冒ㄅ即沃C波與CW基波的非對稱波形來生成發(fā)射線圈的第二諧波電流。例如，發(fā)射線圈驅動器可以輸出非對稱方波電壓(例如，1/3、2/3工作周期)，以用調(diào)諧電容器驅動串聯(lián)的線圈?？商鎿Q地，可以將二極管(或例如二極管與電阻器的串聯(lián)組合)與線圈并聯(lián)，以生成偶次諧波。
可以使用諧波來確定基波的符號?？梢杂玫退倌M或數(shù)字數(shù)據(jù)來幅度調(diào)制諧波，而不影響跟蹤功能。該數(shù)據(jù)可以是(例如)特征數(shù)據(jù)、來自安裝在發(fā)射器上的傳感器的數(shù)據(jù)，或者其他數(shù)據(jù)。
在一種實施方式中，可以使用低成本電池供電的發(fā)射器驅動器與線圈。通過不特性化(not characterize)發(fā)射器110的單線圈，可以降低成本。例如，低成本驅動器與單線圈可以用于一次性應用中。
如果發(fā)射器單元110是密封的，諸如在醫(yī)療應用中，則啟動或“開關”單元可能有困難。在一種實施方式中，發(fā)射器驅動器包括CMOS硅芯片，具有開關觸發(fā)器或鎖存電路與光電池。短暫的閃光設置觸發(fā)器并啟動驅動器。一旦設置后，觸發(fā)器保持設置，而不管是否照明，直到特定電磁脈沖重置觸發(fā)器并關閉驅動器。在制造與測試之后，可以將驅動器線圈組件封裝在密封的無光容器中，諸如用于照相膠卷的容器。通過施加電磁脈沖來關閉所封裝的驅動器。當用戶打開包裝時，環(huán)境光打開驅動器。驅動器運行直到受到電磁脈沖或者直到驅動器電池中的能量耗盡。
例如，發(fā)射器110可以由直流電流驅動的震蕩器驅動。在一種實施方式中，有線連接的發(fā)射器驅動器可以從3伏特電源以毫安直流供電。例如，由環(huán)境光供能的光電池可以為驅動器供電。可替換地，可以整流射頻能量以為驅動器供電。
在一種實施方式中，單一發(fā)射線圈位于導管的尖端。通過線圈連接著小型硅光電池。用幅度調(diào)制的光照亮光電池。光電池為發(fā)射線圈的驅動器供電。可替換地，通過發(fā)射線圈可以反并聯(lián)連接兩個光電池。通過交替地照亮每個光電池，可以在線圈中生成交流電。
可以使用兩個光纖(每個光電池一個)來達到交替照明。例如，也可以使用一個光纖通過不同極性或不同顏色的光纖照亮光電池來達到照明。在另一實施方式中，兩個光電池可以集成在相互之間的頂上。每個光電池可以對不同波長的光敏感。
光供能的線圈比電供能的線圈具有優(yōu)勢。例如，光纖可能小于電線。另外，例如具有光供能線圈的導管在該導管的大部分長度上沒有電能量。電供能的線圈可能在導管中導致一些電能量。
在另一實施方式中，接收器120可能包括三軸偶極線纏繞線圈三元組的(多個)陣列。由于線圈繞組的不精確性，在用于跟蹤之前，接收器120被特性化。由于給定體積的纏繞線圈中更大體積的銅的緣故，線纏繞型接收線圈結構可能比PCB線圈具有更好的信噪比。另外，對于被特性化的接收線圈，可以使用POG初始數(shù)算法。
在可替換實施方式中，電池供電的無線發(fā)射器驅動器通過磁、射頻、超聲波或其他信號生成器接收來自跟蹤器電子裝置的時鐘信號。時鐘信號可以消除鎖相以及發(fā)射器增益信號的歧義。
在另一實施方式中，無線發(fā)射器110可以與各種無線射頻標識(RFID)方案組合。RFID技術允許標識和/或數(shù)據(jù)傳送，而沒有發(fā)射器110與接收器120之間的接觸。RFID技術可以用于無線發(fā)射器110，以發(fā)送數(shù)據(jù)給接收器120與跟蹤器電子裝置130。
如上所述，PCB可以用于電磁跟蹤系統(tǒng)(諸如無線跟蹤器100)之中。以下的討論更詳細地描述PCB的實施方式。PCB可以被配置為發(fā)射線圈陣列并且用來相對于(例如)12個發(fā)射線圈跟蹤單一接收線圈。在跟蹤單線圈發(fā)射器110的無線跟蹤器100中，PCB可以用做接收器120?；ヒ仔栽试S將接收線圈陣列中線圈當作發(fā)射線圈處理。
在一種實施方式中，精確地制造PCB，從而可以足夠的準確度確定PCB的磁場模型，而不用特性化。單線圈發(fā)射器足夠小，可以用足夠的準確度模擬為偶極子，該偶極子具有通過不用特性化而跟蹤確定的位置、方向以及增益。在一種實施方式中，PCB不包括彎曲軌跡。用直線段可以更精確地計算磁場。
諸如以上所述并在圖2中所示的ANT-009線圈板之類的PCB板有利于圍繞位于PCB中心之上的小體積“最佳場所”的跟蹤。在一種實施方式中，該板提供在該最佳場所中的磁場近似如下1、指向X方向的大部分均勻場；2、指向X方向的大部分隨X變化的場；3、指向X方向的大部分隨Y變化的場；4、指向X方向的大部分隨Z變化的場；5、指向Y方向的大部分均勻場；6、指向Y方向的大部分隨X變化的場；7、指向Y方向的大部分隨Y變化的場；8、指向Y方向的大部分隨Z變化的場；9、指向Z方向的大部分均勻場；10、指向Z方向的大部分隨X變化的場；11、指向Z方向的大部分隨Y變化的場；12、指向Z方向的大部分隨Z變化的場。
X與Y方向在PCB平面內(nèi)。Z方向垂直于PCB平面。
在一種實施方式中，ANT-009線圈PCB包括12個分離的電路。這些電路的四個包括單螺旋線圈。這些電路的八個包括螺旋型線圈對。單線圈生成非均勻場。由單線圈生成的非均勻場大部分生成在最佳場所處的Z方向上。螺旋型線圈對中的兩個線圈并列放置。這些線圈串聯(lián)連接。串聯(lián)連接的相對線圈產(chǎn)生在最佳場所處的大部分指向X與Y方向的非均勻場。單一大線圈生成大部分均勻的Z場。PCB對邊上的一對窄長螺旋生成大部分均勻的X場。在PCB另一對邊上的另一對窄長螺旋生成大部分均勻的Y場。
PCB使用近似性質的“大部分均勻”的場，以產(chǎn)生所希望的“大部分變化”的場的效果?！按蟛糠志鶆颉钡膱隹梢跃哂刑荻取＠?，考慮Z方向場。一個大線圈生成“大部分均勻”的Z場。三個小線圈可以放在PCB的原點附近，并且沿大約0度、120度以及240度從原點偏移。這三個小線圈生成較小的“大部分均勻”的Z場，該Z場偏離由所述大線圈所生成的主要的“大部分均勻”的Z場。通過求上述四個場的和與差，可以產(chǎn)生“大部分變化”的場的效果。類似地可以生成X與Y方向的場。然而，不用單線圈，可以使用串聯(lián)相對線圈連接對來生成X與Y方向的場。例如，可以使用直線段場模型來計算上述場。
在一種實施方式中，跟蹤器電子裝置130包括12個接收線圈驅動器。例如，這12個線圈驅動器運行于12個不同的CW頻率。這12個線圈驅動器驅動接收器PCB上的12個接收線圈電路。測量這12個接收線圈電路是的電流。在一種實施方式中，電流值被近似地確定。然后，確定電流的比率。
線圈中的電流使接收線圈電路發(fā)射磁場。這些磁場在12個驅動器頻率上在單一發(fā)射線圈中感生電壓。跟蹤器電子裝置130在12個頻率上測量信號。
計算在每個接收器電路與發(fā)射線圈之間的互感。確定發(fā)射器110與接收器120之間的互感比率。在一種實施方式中，近似地確定互感。然后，確定12個互感比率。在所選擇的配置中展開的六個或更多個接收線圈以及對到發(fā)射線圈的互感比率的比例的測量可以用來計算發(fā)射線圈的位置、發(fā)射線圈的方向(排除滾動)以及發(fā)射線圈的增益(POG確定)。發(fā)射線圈的增益表示將互感比率轉換為互感值(例如以亨為單位)的比例因子。
在可替換實施方式中，可以使用單一接收線圈版本的PCB來特性化ISCA接收器或發(fā)射器線圈三元組中的三個線圈。特性化過程包括分離地跟蹤這三個ISCA線圈等到位置、方向以及增益。然后，例如，將跟蹤數(shù)據(jù)組合為ISCA跟蹤器所使用的特性化格式。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施方式所使用的POG確定方法300的流程圖。首先，在步驟310，在不同的頻率上驅動接收線圈。驅動器在接收線圈中產(chǎn)生電流。然后，在步驟320，確定在接收線圈中所產(chǎn)生的電流的比例。接收線圈生成在發(fā)射線圈中感應不同頻率的電壓的磁場。在步驟330，測量在接收線圈中所感應的信號。
電壓與電流產(chǎn)生在發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感。在步驟340，計算接收器與發(fā)射器之間的互感比率。
接著，在步驟350，取得發(fā)射器位置、方向以及增益的初始估計或初始數(shù)。例如，可以從對發(fā)射器POG的先驗機械知識中、從先前跟蹤周期的最終POG估計中或從來自互感測量的直接計算中生成估計。
然后，在步驟360，可以計算對于互感比率測量的POG的最佳擬合估計。例如，可以使用發(fā)射器到接收器互感的模型以及初始數(shù)POG值來該最佳擬合估計。例如，最佳擬合計算可以是幾種公知的擬合算法中任何一種，諸如最小二乘法、鮑威爾(Powell)法以及Levenberg-Marquardt法。
以上計算也可以用配置為12個發(fā)射線圈板的PCB以及單一接收線圈來進行。另外，該PCB可以配置有不同數(shù)目的線圈，以作為發(fā)射器和/或接收器。
在一種實施方式中，例如，電磁跟蹤系統(tǒng)校準接收器電子裝置，以幫助確保精確的位置測量。校準線圈可以與接收線圈組件對角地放置，以提供從校準線圈到每個接收線圈的近似相等的互感。在制造過程中互感可以是獨立測量的。例如，在制造過程中所測定的互感可以存儲器在特性化存儲器中。所測定的互感可以在跟蹤過程中使用，以校準接收器電子裝置。
PCB可以包括校準線圈。校準線圈提高了作為接收器120的PCB的有用性。在一種實施方式中，校準線圈建于印刷電路組件的一個或多個內(nèi)層上。校準線圈可以部分地覆蓋該組件中的現(xiàn)有線圈，以生成對于接收線圈互感的所希望的校準線圈。在一種實施方式中，使用近似覆蓋PCB的一個角象限(corner quadrant)的矩形內(nèi)的單匝校準線圈。
在一種實施方式中，校準線圈為單一PCB的部分，而不是獨立制造的附加物。由此，校準線圈近似位于與接收線圈同樣的平面內(nèi)。例如，在制造過程中，可以固定在校準線圈與接收線圈之間的互感，并且在不測量分離的板的情況下可以計算該互感。可替換地，可以添加分離的校準模塊以測量分離于線圈組件的小量互感或互阻抗。
例如，可以確定發(fā)射器110電流對校準線圈中的基準電流的比例。校準線圈可以具有相對于每個接收線圈的限定互感?；ジ信c所測定的電流比例相結合允許從所測定的比例確定發(fā)射器到接收器的互感。如果使用無線發(fā)射器，則可以不測量電流比例。對于無線發(fā)射器，可以使用諸如磁場比例之類的另一種測度。
由此，PCB的特定實施方式提供不需要精確特性化的發(fā)射器與接收器線圈。特定的實施方式使用串聯(lián)的線圈對來生成與PCB平面平行的磁場，同時減少了所使用的分離的線圈驅動器的數(shù)目。對于ANT-009線圈板，使用12個驅動器。分離線圈版本的ANT-009可以使用20個驅動器。另外，PCB的直線段由于直線電流段而允許使用磁場的分析模型。另外，可以使用兩個直線電流段之間互感的表達式。PCB的特定實施方式也允許對于接收器與跟蹤器電子裝置的校準。
本發(fā)明的特定實施方式提供了一種包括具有單線圈有線連接或無線發(fā)射器的電磁跟蹤系統(tǒng)。在一種實施方式中，一個接收線圈組件，不管是PCB還是線纏繞的，可以用來同時在不同頻率上跟蹤多個無線的和/或有線連接的發(fā)射器。
雖然針對特定實施方式描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應該理解在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下可以進行各種修改。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以進行許多改進以適合于具體情況或材料，而不脫離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明并不限于所公開的具體實施方式
，而是本發(fā)明包括落入權利要求范圍的所有實施方式。
權利要求
1.一種電磁跟蹤系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)(100)包括發(fā)射信號的單線圈發(fā)射器(110)；接收來自所述單線圈發(fā)射器(110)的信號的接收器(120)；以及用來處理由所述接收器(120)接收的信號的電子裝置(130)，所述電子裝置(130)確定所述單線圈發(fā)射器(110)的位置。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中所述電子裝置(130)還確定所述發(fā)射器(110)的位置、方向以及增益中的至少一個。
3.一種改進的設備跟蹤系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)(100)包括單線圈無線發(fā)射器(110)；包括多個線圈與線圈對的印刷電路板接收器陣列；用來分析在所述發(fā)射器(110)與所述接收器陣列的線圈和線圈對之間的至少一個參數(shù)以確定所述發(fā)射器(110)相對于所述接收器陣列的位置的跟蹤器電子裝置(130)。
4.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)(100)，其中所述參數(shù)包括互感與磁場中的至少一個。
5.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)(100)，其中所述跟蹤器電子裝置(130)確定所述發(fā)射器(11)的方向以及增益中的至少一個。
6.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)(100)，還包括用于校準所述接收器陣列的校準線圈。
7.一種用于改進的設備跟蹤的方法(300)，所述方法(300)包括在特定頻率上驅動發(fā)射線圈以發(fā)射信號(310)；在接收器線圈陣列中接收信號(320)；確定發(fā)射線圈的增益；測量發(fā)射線圈與接收線圈陣列之間的互感(340)；選擇發(fā)射線圈的位置的初始估計(350)；根據(jù)互感，使用誤差最小化例程來調(diào)整初始估計(360)。
8.根據(jù)權利要求7的方法(300)，其中所述初始估計包括先前結果。
9.一種用于電磁跟蹤的方法(300)，所述方法(300)包括以不同頻率驅動線圈陣列(310)；確定由不同頻率所產(chǎn)生的電流比率(320)測量以不同頻率所生成的電壓(330)；計算線圈陣列與遠離所述線圈陣列放置的單線圈之間的互感比率(340)；估計單線圈的位置、增益以及方向中至少一個的初始值(350)；以及根據(jù)初始值以及互感比率，確定單線圈的位置、增益以及方向中至少一個的最佳擬合值(360)。
10.根據(jù)權利要求9的方法，還包括校準所述線圈陣列。
全文摘要
本發(fā)明的特定實施方式提供了一種使用單線圈發(fā)射器(110)的電磁跟蹤系統(tǒng)(100)與方法(300)。該系統(tǒng)(100)包括發(fā)射信號的單線圈發(fā)射器(110)；接收來自單線圈發(fā)射器(110)的信號的接收器(120)；以及用來處理由接收器(120)接收的信號的電子裝置(130)。電子裝置(130)確定單線圈發(fā)射器(110)的位置。發(fā)射器(110)可以是無線的或有線連接的發(fā)射器。接收器(120)可以是印刷電路板。在一種實施方式中，接收器(120)可以是12個包括單線圈和/或線圈對的接收器印刷電路板。電子裝置(130)可以確定發(fā)射器(110)的位置、方向和/或增益。
文檔編號A61B5/07GK1576883SQ200410061948
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月29日 優(yōu)先權日2003年7月1日
發(fā)明者彼得·T·安德森 申請人:Ge醫(yī)藥系統(tǒng)環(huán)球科技公司