技术领域
本发明通常涉及磁性位置跟踪系统，并且具体涉及在存在场失真(field distorting)对象的情况下用于执行精确位置测量的方法和系统。
背景技术
在本领域内已知用于跟踪有关医疗过程中对象坐标的多种方法和系统。其中一些上述系统使用磁场测量。例如，美国专利5,391,199和5,443,489描述了其中使用一个或多个场变换器来确定体内探针坐标的系统，在此并入其公开作为参考。这种系统用于产生有关医疗探针或导管的位置信息。诸如线圈的传感器放置在探针内并产生响应于外部施加磁场的信号。磁场由诸如辐射体线圈的磁场变换器产生，上述变换器以已知的互相间隔的位置固定到外部参照系中。
例如在下述专利中还描述了有关磁性位置跟踪的另外的方法和系统：PCT专利公开物WO96/05768，美国专利6,690,963、6,239,724、6,618,612和6,332,089，以及美国专利申请公开物2002/0065455A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1，其公开内容全部结合在此作为参考。这些公开物描述了跟踪体内对象位置的方法和系统，所述对象诸如心脏导管、矫形植入物和在不同医疗过程中使用的医疗工具。
在本领域内众所周知的是在磁性位置跟踪系统的磁场中的金属、顺磁或铁磁对象的存在通常使得系统测量失真。该失真有时由系统磁场引入到上述对象中的涡电流以及其他影响引起。
本领域内描述了用于在存在上述干涉的情况下执行位置跟踪的多种方法和系统。例如美国专利6,147,480描述了一种方法，其中在被跟踪对象内感应的信号首先在没有会导致寄生信号分量的任何物品的情况下被检测，在此并入其公开作为参考。确定信号的基线相。当产生寄生磁场的物品引入到被跟踪对象的附近时，检测到由于寄生分量导致的感应的信号的相位偏移。所测量的相位偏移用于指示对象的位置可能是不精确的。相位偏移还用于对信号进行分析，以便去除至少一部分寄生信号分量。
发明内容
本发明的实施例提供在存在金属、顺磁和/或铁磁对象(统称为场失真对象)的情况下利用冗余测量执行磁性位置跟踪测量的改进的方法和系统。
该系统包括在被跟踪对象的附近产生磁场的两个或更多个场发生器。由与对象相关联的位置传感器感测磁场，并将所述磁场转化成用来计算对象位置(定位和取向)坐标的位置信号。该系统执行冗余场强测量并利用冗余信息来降低由场失真对象的存在导致的测量误差。
冗余测量包括由不同场发生器产生并由位置传感器中的场传感器感测的磁场的场强测量。在描述于此的示范性实施例中，使用九个场发生器和三个场感测线圈来获得27个不同的场强测量。所述27个测量用来计算被跟踪对象的六个定位和取向坐标，从而包括大量的冗余信息。
在一些实施例中，将旋转不变的(rotation-invariant)坐标校正函数应用于所测量的场强，以产生被跟踪对象的失真校正的定位坐标。如下述所示，坐标校正函数利用冗余定位信息，以便在已校正定位坐标中降低失真水平。
坐标校正函数可被看作响应于在每一个所测量的场强中存在的相应失真水平来调整所测量的场强对已校正定位坐标的相对贡献。通过限定适于不同定位的不同坐标校正函数，所公开的聚类(clustering)过程进一步改善了坐标校正函数的精确性。
在一些实施例中，被跟踪对象的取向坐标在定位计算之后进行计算。其他公开的方法在存在失真的情况下改善了取向计算的精确度，并且补偿位置传感器的场传感器的不同心性。
在一些实施例中，冗余场强测量用于鉴别一个或多个系统元件，诸如场发生器和/或位置传感器的场感测元件，其导致明显的失真。当执行位置计算时，忽略与这些系统元件相关的场测量。在一些实施例中，可停用导致失真的元件。
因此，根据本发明的实施例，提供用于跟踪对象位置的方法，包括：
使用与对象相关联的场传感器来测量由两个或更多个场发生器所产生的磁场的场强，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；
响应于所测量的场强来计算对象的旋转不变的定位坐标；以及
通过将坐标校正函数应用于旋转不变的定位坐标来确定对象的已校正定位坐标，以便响应于所测量的场强中的失真来调整每一个所测量的场强对已校正定位坐标的相对贡献。
在一些实施例中，该方法包括将对象插入到患者器官中，并且确定对象的已校正定位坐标包括跟踪该对象在该器官内的位置。
在一个实施例中，该失真是由经受所述磁场中的至少一些的场失真对象引起的，其中该对象包括选自于由金属、顺磁和铁磁材料构成的组的至少一种材料。
在公开的实施例中，该方法包括对处于相对于两个或更多个场发生器的相应已知坐标下的磁场执行校准测量，并且响应于所述校准测量导出坐标校正函数。在另一实施例中，该失真由可移动的场失真对象导致，并且执行校准测量包括在场失真对象的不同定位处进行测量。另外或可替换的，导出坐标校正函数包括将拟合过程应用于校准测量与已知坐标的关系式。
在另一实施例中，应用坐标校正函数包括应用多项式函数，该函数具有包括所述旋转不变的定位坐标中的至少一些的指数的系数。
在另一实施例中，应用坐标校正函数包括响应于所测量的场强来鉴别导致失真的元件，并且生成坐标校正函数，以便忽略与导致失真的元件相关联的所测量的场强。
在一些实施例中，场传感器包括一个或多个场感测元件，并且鉴别导致失真的元件包括确定一个或多个场感测元件和场发生器导致所述失真。
在一个实施例中，该方法包括计算对象的角取向坐标。
在另一个实施例中，在与该两个或更多个场发生器相关联的工作体积(volume)内使用场传感器，并且确定已校正定位坐标包括：
将所述工作体积分为两个或更多个类(cluster)；
为该两个或更多个类中的每一个限定相应的两个或更多个类坐标校正函数；以及
响应于其中落入旋转不变的定位坐标的类将类坐标校正函数之一应用于每一个旋转不变的定位坐标。
应用类坐标校正函数可包括应用加权函数，以便平滑相邻类之间的过渡。
在另一实施例中，该方法包括使用具有不同心定位的两个或更多个场传感器来测量场强，并补偿由已校正定位坐标中的不同心定位导致的不准确性。
根据本发明的实施例，还提供用于跟踪对象位置的方法，包括：
使用与对象相关联的场传感器来测量由两个或更多个场发生器所产生的磁场的场强，以便提供冗余定位信息，其中所述场强测量中的至少一些经受失真；以及
通过将利用冗余定位信息的坐标校正函数应用于所述测量，确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的定位坐标，以便降低失真对定位坐标的影响。
根据本发明的实施例，还提供用于跟踪对象位置的方法，包括：
使用包括与对象相关联的一个或多个场感测元件的场传感器来测量由两个或更多个场发生器产生的磁场的场强，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；
响应于所测量的场强，鉴别至少一个导致失真的系统元件，其选自于由该一个或多个场感测元件和该两个或更多个场发生器构成的组；以及
响应于所测量的场强确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的位置，同时忽略与导致失真的系统元件相关联的场测量。
在一个实施例中，该方法包括将对象插入到患者的器官中，并且确定对象的位置包括跟踪该对象在该器官内的位置。在另一实施例中，该两个或更多个场发生器与该对象相关联，并且场传感器定位在器官的外部。在另一实施例中，鉴别导致失真的系统元件包括接受推理的指示，该指示选自于由失真的特征方向和导致失真的系统元件的同一性(identity)构成的组。
在另一实施例中，鉴别导致失真的系统元件包括感测在与该导致失真的系统元件相关的场测量中失真的存在。在一个实施例中，导致失真的系统元件包括场感测元件之一和场发生器之一构成的对。在另一实施例中，忽略与导致失真的系统元件相关的场测量包括停用导致失真的系统元件。
根据本发明的实施例，还提供用于跟踪对象位置的系统，包括：
两个或更多个场发生器，其被设置成在对象的附近生成相应的磁场；
与对象相关联的场传感器，其被设置成测量磁场的场强，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；以及
处理器，其被设置成响应于所测量的场强来计算对象的旋转不变的定位坐标，以及通过将坐标校正函数应用于旋转不变的定位坐标来确定对象的已校正定位坐标，以便响应于所测量的场强中的失真来调整每一个所测量的场强对已校正定位坐标的相对贡献。
根据本发明的实施例，还提供用于跟踪对象位置的系统，包括：
两个或更多个场发生器，其被设置成在对象的附近生成相应的磁场；
与对象相关联的场传感器，其被设置成执行对磁场场强的测量，以便提供冗余定位信息，其中所述场强测量中的至少一些经受失真；以及
处理器，其被设置成通过将利用冗余定位信息的坐标校正函数应用于所述测量来确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的定位坐标，以便减少失真对定位坐标的影响。
根据本发明的实施例，还提供用于跟踪对象位置的系统，包括：
两个或更多个场发生器，其被设置成在对象的附近生成相应的磁场；
场传感器，其与对象相关联并且包括一个或多个场感测元件，其被设置成测量磁场的场强，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；以及
处理器，其被设置成响应于所测量的场强来鉴别导致失真的系统元件，其选自于由该一个或多个场感测元件和该两个或更多个场发生器构成的组，并且设置成确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的位置同时忽略与导致失真的系统元件相关联的场测量。
根据本发明的实施例，还提供在跟踪对象位置的系统中使用的计算机软件产品，该产品包括其中储存程序指令的计算机可读介质，当由计算机读取时，所述指令使得计算机来控制两个或更多个场发生器以便在对象的附近生成磁场；接受由与该对象相关联的场传感器执行的磁场场强测量，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；响应于所测量的场强来计算对象的旋转不变的定位坐标；以及通过将坐标校正函数应用于旋转不变的定位坐标来确定对象的已校正定位坐标，以便响应于所测量的场强中的失真来调整每一个所测量的场强对已校正定位坐标的相对贡献。
根据本发明的实施例，还提供在跟踪对象位置的系统中使用的计算机软件产品，该产品包括其中储存程序指令的计算机可读介质，当由计算机读取时，所述指令使得计算机来控制两个或更多个场发生器以便在对象的附近生成磁场；接受由与该对象相关联的场传感器执行的磁场场强测量，所述测量包括冗余定位信息，其中所述测量中的至少一些经受失真；以及通过将利用冗余定位信息的坐标校正函数应用于所述测量来确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的定位坐标，以便减少失真对定位坐标的影响。
根据本发明的实施例，还提供在跟踪对象位置的系统中使用的计算机软件产品，该产品包括其中储存程序指令的计算机可读介质，当由计算机读取时，所述指令使得计算机来控制两个或更多个场发生器以便在对象的附近生成磁场；接受由与该对象相关联并包括一个或多个场感测元件的场传感器执行的磁场场强测量，其中所述场强中的至少一个的测量经受失真；响应于所测量的场强来鉴别导致失真的系统元件，所述系统元件选自于由该两个或更多个场发生器和该一个或多个场感测元件构成的组；以及确定该对象相对于该两个或更多个场发生器的位置同时忽略与导致失真的系统元件相关联的场测量。
附图说明
通过参照附图对本发明实施例进行的以下详细描述可以更全面地理解本发明，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的用于对体内对象进行位置跟踪和操纵的系统的示意图；
图2是示出根据本发明的实施例的定位垫的示意图；
图3是示出根据本发明的实施例的导管的示意图；
图4是示意性地示出根据本发明的实施例的用于在存在场失真的情况下进行位置跟踪的方法的流程图；以及
图5是示意性地示出根据本发明的实施例的用于在存在场失真的情况下进行位置跟踪的方法的流程图。
具体实施方式
系统描述
图1是示出根据本发明的实施例的用于对体内对象进行位置跟踪和操纵的系统20的示意图。系统20跟踪和操纵体内对象，诸如心脏导管24，其插入到诸如患者心脏28的器官内。系统20还测量、跟踪和显示导管24的位置(也就是定位和取向)。在一些实施例中，导管位置与心脏的三维模型或其部分对齐(register)。导管相对于心脏的位置在显示器30上显示给医生。医生在医疗过程中使用操作员控制台31来操纵导管和观察其位置。
系统20可用于执行多种心脏内手术和诊断过程，其中导管的导航和操纵由系统自动或半自动地执行，而不是由医生手动进行。系统20的导管操纵功能可例如通过使用由Stereotaxis，Inc.(St.Louis，Missouri)生产的Niobe磁性导航系统来实现。有关该系统的细节可在www.stereotaxis.com得到。用于磁性导管导航的方法还例如在美国专利5,654,864和6,755,816中有所描述，在此并入其公开作为参考。
系统20通过将在此称为操纵场的磁场应用于包括导管的工作体积内来定位、定向和操纵导管24。将内部磁体装配到导管24的远端(distal tip)。(在以下的图3中详细示出导管24)。操纵场操纵(也就是，旋转和移动)内部磁体，从而操纵导管24的远端。
操纵场由通常定位在患者的任一侧的一对外部磁体36来产生。在一些实施例中，磁体36包括响应于由控制台31产生的合适操纵控制信号来产生操纵场的电磁体。在一些实施例中，操纵场通过物理移动(例如，旋转)的外部磁体36或其部分被旋转或另外控制。下文将讨论由于具有其位置随时间可能非常接近于工作体积的大金属对象例如磁体36而引起的难题。
在医疗过程中系统20测量和跟踪导管24的定位和取向。为了该目的，该系统包括定位垫40。
图2是示出根据本发明的实施例的定位垫40的示意图。定位垫40包括诸如场发生线圈44的场发生器。线圈44以固定的已知定位和取向设置在工作体积附近。在图1和图2的示范性构造中，定位垫40水平放置在其上躺有患者的床下。该例子中的垫40具有三角形形状并包括三个三线圈(tri-coil)42。每个三线圈42包括三个场发生线圈44。这样在本例子中，定位垫40包括总共九个场发生线圈。在每个三线圈42中的三个线圈44在互相正交的平面内取向。在替换的实施例中，定位垫40可包括设置成任何适当的几何构造的任何数目的场发生器。
参照图1，控制台31包括信号发生器46，其产生驱动线圈44的驱动信号。在图1和图2所示的实施例中，产生九个驱动信号。每个线圈44响应于驱动其的相应驱动信号产生在此称为跟踪场的磁场。跟踪场包括交流(AC)场。通常由信号发生器46产生的驱动信号的频率(以及由此的相应跟踪场的频率)在几百Hz到几KHz的范围内，但是也可使用其它的频率范围。
装配到导管24的远端内的位置传感器感测由线圈44产生的跟踪场并产生相应的位置信号，其指示该传感器相对于场发生线圈的定位和取向。位置信号通常沿通过导管24延伸到控制台的电缆被发送到控制台31。控制台31包括跟踪处理器48，其响应于位置信号计算导管24的定位和取向。处理器48使用显示器30将导管的通常表示为六维坐标的定位和取向显示给医生。
处理器48还控制和管理信号发生器46的操作。在一些实施例中，场发生线圈44由具有不同频率的驱动信号驱动，以便在它们的磁场之间进行区分。可替换的，场发生线圈可以被顺序驱动，以便位置传感器在任何给定的时间测量源自单个线圈44的跟踪场。在这些实施例中，处理器48交替进行每个线圈44的操作，并将从导管接收到的位置信号与合适的场发生线圈相关联。
通常，跟踪处理器48使用通用的计算机来实现，其用软件来编程以执行在此描述的功能。所述软件例如可经由网络以电子形式下载到计算机，或者可替换的，其可借助诸如CD-ROM的有形介质提供给计算机。跟踪处理器可以与控制台31的其它计算功能集成。
图3是示出根据本发明的实施例的导管24的远端的示意图。如上所述，导管24包括内部磁体32和位置传感器52。导管24还可包括一个或多个电极56，例如消融电极和用于感测局部电势的电极。位置传感器52包括诸如场感测线圈60的场感测元件。在一些实施例中，位置传感器52包括在三个互相正交的平面内取向的三个场感测线圈60。每个线圈60感测AC跟踪场的三个正交分量之一，并响应于所感测的分量产生相应的位置信号。传感器52和电极56一般通过延伸穿过导管的电缆64连接到控制台31。
在本领域内众所周知的是，放置在AC磁场中的金属、顺磁和铁磁对象(在此统称为场失真对象)导致在其附近场的失真。例如，当金属对象经受AC磁场时，在该对象内引起涡电流，其又产生使AC磁场失真的寄生磁场。铁磁对象通过吸引和改变场线的密度和取向而使磁场失真。
在磁性位置跟踪系统的情况下，当场失真对象存在于位置传感器52的附近时，由传感器52感测的跟踪场失真，导致错误的位置测量。失真的严重性通常依赖于存在的场失真材料的量、其与位置传感器以及场发生线圈的接近程度、和/或其中跟踪场撞击到场失真对象上的角度。在图1的系统中，例如，外部磁体36通常包含大量的场失真材料并且被设置成非常接近工作体积。因此，外部磁体36可能导致通过位置传感器感测的跟踪场的明显失真。
下述的方法和系统主要涉及在存在跟踪磁场的严重失真的情况下执行精确的位置跟踪测量。图1的导管操纵系统仅仅是作为示例性应用来描述的，其中位于位置跟踪系统的工作体积内或附近的对象导致跟踪场的严重的、随时间变化的失真。但是，本发明的实施例决不限于磁性操纵应用。在此描述的方法和系统可用于任何其它合适的位置跟踪应用中，用于降低这种失真影响。例如，在此描述的方法和系统可用来降低由诸如C形臂荧光镜和磁共振成像(MRI)设备的对象所导致的场失真影响。
在替换的实施例中，系统20可用来跟踪多种类型的体内对象，诸如导管、内窥镜和矫形植入物，以及用于耦接到医疗和手术工具和器械的跟踪位置传感器。
使用冗余测量信息来降低失真的方法
如上所述，系统20包括产生九个相应跟踪场的九个场发生线圈44。这些场的每一个由三个场感测线圈60来感测。这样系统执行总共27个场投影测量，以便计算导管24的六个定位和取向坐标。很明显，这27个测量包含大量的冗余信息。该冗余信息可用于改善系统的抗失真性，所述失真由诸如外部磁体36的场失真对象导致。
可将这27个场测量看作27维矢量空间中的矢量。该矢量空间的每个维度对应于一对{场发生线圈44，场感测线圈60}。由于测量中的冗余性，通常可确定该矢量空间的较低维度的子空间，其相对于场失真是不变的或几乎不变。在下面图4中描述的位置跟踪方法使用在场测量中存在的冗余信息来改善在存在这种场失真的情况下的位置测量的精确度。
原则上，该方法首先计算分别相对于三个三线圈42限定位置传感器52的定位的三个定位矢量。这些定位矢量相对于位置传感器的角取向是不变的，并被称为旋转不变量。定位矢量是取向不变的，因为如下所示，它们是基于所测量的场强度计算的，而不是基于场强在场感测线圈上的投影计算的。
通过坐标校正函数来校正定位矢量(旋转不变量)，其利用冗余测量信息来改进抗场失真性。接下来计算位置传感器的取向坐标以完成该传感器的六维定位和取向坐标。在一些实施例中，图4的方法还包括校准和聚类步骤，以及用于补偿位置传感器52的线圈60的不同心性的过程。
虽然下面图4的方法涉及定位垫和包括三个互相正交的场感测线圈的位置传感器，所述定位垫包括以三线圈42设置成三个互相正交的组的九个场发生线圈，但是该构造只是为了概念清楚的目的所选择的示范性构造。在替换的实施例中，定位垫40和位置传感器52可包含设置成任何合适的几何构造的任何数目的线圈44和线圈60。
图4是示意性地示出根据本发明的实施例的用于在存在场失真的情况下进行位置跟踪的方法的流程图。该方法开始于在校准步骤100处对由定位垫40产生的跟踪场进行映射和校准。
通常，步骤100的校准过程在制作定位垫40的过程中执行，并且所述校准结果存储于耦接到定位垫的合适的存储装置中。例如在美国专利6,335,617中描述了可以用于该目的的校准装置和一些相关的校准程序，在此并入其公开作为参考。
在校准过程中，类似于位置传感器52的校准传感器通过垫40周围的在三维工作体积内的多个定位被扫描。在校准传感器的每个定位处，垫40中的九个场发生线圈44中的每一个被驱动以产生相应的跟踪场，并且校准传感器的三个场感测线圈60测量该跟踪场。记录与每个定位相关的所感测的场强。
在一些实施例中，校准过程包括在校准传感器的每个定位处执行多个场测量。通常，这些测量中的一些包括自由空间测量(也就是，当工作体积和其附近没有场失真对象时进行的测量)。其它测量是在存在场失真对象的情况下在系统操作过程中希望它们所处的相同位置中进行的。例如，当场失真对象包括物理移动到操纵导管24的外部磁体36时，在磁体移动经过它们的整个预期运动范围的同时执行场测量。在校准中可包括的其它场失真对象包括例如用于照射患者的荧光镜，以及患者躺在其上的床。
所述校准装置执行场测量，并记录测量结果以及校准传感器的相关的已知定位。在一些实施例中，所述校准程序由机器人或其它自动校准装置来执行，所述校准装置在垫40周围跨越工作体积移动校准传感器。
在一些实施例中，所制作的每个垫40使用在此描述的校准程序进行校准。可替换的，诸如当垫40的制作过程充分可重复时，整个校准程序可只对单个定位垫或垫的样品进行，并且结果用于校准剩余的垫。另外，可替换的，垫的样品可经受整个校准程序。对于剩余的垫来说，只记录指示自由空间测量和失真测量之间的场强差异的不同结果。
在一些情况下，材料构成、机械结构和/或场失真对象的定位是已知的。在这些情况下，由这些对象导致的干涉可被制作成模型，并且该模型用作校准测量的一部分。在一些情况下，当存在多个场失真对象时，可分别对每个对象进行校准测量。然后将各个校准测量结合起来。另外或可替换的，可使用任何其它合适的获得校准测量组的方法。
利用该多个场投影测量来导出三个旋转不变的坐标校正函数，每个场投影测量与校准传感器的已知定位相关。随后将在正常系统操作期间应用所述校正函数。所述函数接受由位置传感器52测量的一组原始场测量作为输入。这些原始测量可能由于存在场失真对象而失真。这三个函数产生位置传感器52相对于定位垫40的三个相应的已校正定位坐标。在一些实施例中，所述校正函数补偿由场失真对象导致的失真，以及补偿由于由线圈44产生的跟踪场偏离了理想的偶极子场的事实导致的误差。然而，将跟踪场模拟为偶极子场并不是强制性的。
在一些实施例中，使用拟合过程来确定坐标校正函数。所述拟合过程确定这样的函数：所述函数将在上面的校准步骤100期间测量的定位坐标与校准传感器的已知定位坐标最佳地拟合。在本领域内已知的任何合适的拟合方法都可用于该目的，例如多项式回归方法。
这样，拟合过程有效地使坐标校正函数响应于在原始测量中所包含的失真水平来调整每个原始定位坐标对已校正定位坐标的相对贡献。具有低失真含量的原始定位坐标通过拟合过程可能被强调或被给定更多加权。具有高失真含量的原始定位坐标可能被给定较少的加权或甚至被忽略。
这样，坐标校正函数可被看作将原始场测量变换成对失真来说尽可能不变的子空间。由于拟合过程考虑了大量的校准测量，因此该子空间对不同的场失真对象几何形状导致的失真来说是不变的。
在一些实施例中，坐标校正函数可忽略与给计算带来明显失真的一个或多个导致失真的系统元件相关的场测量。导致失真的元件可包括场发生线圈44，场感测线圈60和/或{线圈44，线圈60}的对。在这些实施例中，例如通过将坐标校正函数的合适系数设定为零或另外对所述函数进行整形以对这些元件不敏感，所述函数可忽略有关导致失真的元件的测量。在一些实施例中，导致失真的元件可被关断或者被停用。
原始定位坐标表示为由rtc表示的三个矢量，其中tc＝1…3，表示在测量中使用的三线圈42的下标。矢量rtc包括三个定位坐标{xtc，ytc，ztc}，其表示如响应于由三线圈tc产生的跟踪场计算的位置传感器的定位坐标。按照惯例，rtc是相对于定位垫40的参照系来表示的。假设为理想的偶极子场，用于基于所测量的场强计算rtc的示范性数学过程在下面的步骤102中进一步给出。
在一些实施例中，这三个坐标校正函数包括多项式函数。在下述的说明中，每个函数包括不包含任何截项的定位坐标的三阶多项式(也就是，该多项式可以包含x，x2，x3，y，y2，y3，z，z2和z3项，但是不包含例如xy2，xyz或y2z项)。这样，坐标校正函数的输入可表达为用In表示的28维矢量，其被定义为In＝{1，r1，r2，r3，r12，r22，r32，r13，r23，r33}＝{1，x1，y1，z1，x2，y2，z2，x3，y3，z3，x12，y12，z12，x22，y22，z22，x32，y32，z32，x13，y13，z13，x23，y23，z23，x33，y33，z33}，其中第一“1”项用作偏差(offset)。这三个坐标校正函数具有下述形式：
xcor=Σi=128αiIni]]>
[1]---ycor=Σi=128βiIni]]>
zcor=Σi=128γiIni]]>
其中xcor，ycor和zcor分别表示位置传感器52相对于定位垫40的失真校正的定位坐标x，y和z。系数α1…α28，β1…β28和γ1…γ28表示多项式函数的系数。在该例子中，上述的拟合过程包括拟合多项式系数的值。
这三组系数可设置成用Lcoeff表示的系数矩阵，其被定义为：
[2]---Lcoeff=α1β1γ1α2β2γ2.........α28β28γ28]]>
利用该表达式，位置传感器的已校正定位坐标被给定为：
[3]rcor＝{xcor，ycor，zcor}＝In·Lcoeff
为了进一步阐明坐标校正函数的有效性，考虑校准传感器的特定定位。在步骤100的校准过程中，在该特定定位处在自由空间和在存在由不同场失真对象导致的失真的情况下进行多次场强测量，正如在系统正常操作期间希望发生的那样。坐标校正函数用单个校正值代替这些多次测量，该值最佳地拟合校准传感器的已知定位坐标。
坐标校正函数有效地利用包含在27个原始位置测量中的冗余信息来改善抗失真性。例如，由于磁场的强度随距离快速衰减(与1/r3成比例)，因此使用离场失真对象更远的三线圈42执行的测量通常将产生包含较少失真的测量。在这些情况下，当计算坐标校正函数的系数αi，βi和γi时，拟合过程通常将给与该较低失真的三线圈相关联的测量提供较高的加权。
作为另一例子，在一些情况下，场失真对其中磁场撞击到场失真对象上的角度非常敏感。由于在每个三线圈42中的三个场发生线圈44互相正交，因此通常会存在其跟踪场产生较少或不产生失真的至少一个线圈44。再一次地，用来计算系数αi，βi和γi的拟合过程通常将给与该较低失真的线圈44相关联的测量提供较高的加权。
总而言之，校准步骤100包括映射定位垫40周围的工作体积，其后导出坐标校正函数，所述函数随后将所测量的原始定位坐标转换成位置传感器52的失真校正的定位坐标。
下面的步骤102-110在系统20的正常操作过程中由跟踪处理器48来执行，只要需要位置跟踪测量。在不变量计算步骤102，处理器48计算旋转不变的定位坐标rtc(也称为原始定位坐标)。如上所述，随后的计算假设由线圈44产生的跟踪场为理想的偶极子场。
对于具有下标tc＝1…3的每个三线圈42来说，处理器48计算用MtM表示的场强度矩阵，其被定义为：
[4]MtM＝(Utc·Mtc)t·(Utc·Mtc)
其中Utc为包含由三线圈tc的三个场发生线圈44产生的跟踪场的场强的3×3矩阵，所述场强是通过位置传感器52的三个场感测线圈60测量的。每个矩阵元素(Utc)ij表示由在三线圈tc中的第j个场发生线圈44产生的场强，其被传感器52的第i个场感测线圈60感测。矩阵Mtc是包括三线圈tc的磁矩矩阵的逆的3×3矩阵。算符()t表示矩阵转置。
现在处理器48计算|r|，其代表定位矢量rtc的矢径或大小。|r|被给定为：||r||=Trace(MtM/66.]]>
矢量rtc的方向由矩阵MtM的对应于最大特征值的特征矢量的方向来逼近。为了确定该特征矢量，处理器48将对矩阵MtM施加如本领域中已知的奇异值分解(SVD)过程：
[5][u，w，ut]＝SVD(MtM)
其中u代表特征矢量，且w代表矩阵MtM的特征值。
让u(1)代表对应于最大特征值的特征矢量。为了解决不确定性(ambiguity)，如果必要的话，通过选择矢量u(1)的镜像，将u(1)的z轴分量(按照惯例，特征矢量的第三分量)定为正值。换句话说，如果u(1).{0，0，1}＜0，那么u(1)＝-u(1)。最后，原始定位坐标矢量rtc推定为：
[6]rtc＝‖r‖·u(1)+ctc
其中Ctc代表定位垫40的坐标系中的三线圈tc的定位坐标矢量。
对于垫40的所有三线圈42来说，跟踪处理器48通常重复步骤102的过程。步骤102的输出为三矢量rtc，tc＝1…3，给定位置传感器52相对于三线圈42的原始定位坐标。如上所述，原始定位坐标是未校正的，并且可能包含由场失真对象导致的失真。
现在处理器48在校正坐标计算步骤104计算传感器52的失真校正的定位坐标。为了该目的，处理器48使用在上面的校准步骤100计算的坐标校正函数。在上述示范性的实施例中，其中所述函数包括三阶多项式，所述三个坐标校正函数用矩阵Lcoeff来表达，其在上面的等式[2]中被定义。在该实施例中，代表传感器52的失真校正的定位坐标的矢量rcor被给定为：
[7]rcor＝In·Lcoeff
其中In代表原始定位坐标和其指数的输入矢量，如上所述。在替换的实施例中，通过将坐标校正函数应用于所测量的原始定位坐标来计算矢量rcor。
在一些实施例中，跟踪处理器48在聚类步骤106将聚类过程应用于位置测量。坐标校正函数的精确性通常可通过将工作体积分为两个或更多个称为类的子空间并限定适于每个类的不同坐标校正函数来改善。
让N代表类的数目。在其中坐标校正函数用矩阵Lcoeff来表达的实施例中，例如，处理器48在上面的校准步骤100为每个类c(c＝1…N)计算表示为Lcoeff-c的类系数矩阵。在上面的步骤104，处理器48确定每个原始定位坐标测量所属的类，并且应用合适的类系数矩阵来产生失真校正的定位坐标。
在一些实施例中，邻近类之间的过渡使用加权函数来平滑。在这些实施例中，为每个类c限定表示为Pc的原型坐标，通常定位于该类的中心。处理器48通过对利用每个类的坐标校正函数计算的已校正定位坐标求和来计算表示为rw的加权校正的坐标，其被利用原始坐标r距离类的原型坐标Pc的距离加权：
[8]---rw=Σi=1Nf(r-pc)·In·Lcoeff-c]]>
加权函数f(r-Pc)被定义为：
[9]---f(r-pc)=11+(r-pca)2t]]>
其中a和t是用于对加权函数进行适当定形的常数。
在一些实施例中，处理器48验证经处理的原始定位坐标确实位于在上面的步骤100映射的工作体积内。该有效性检查有时是需要的，以便确保使用的坐标校正函数确实对于所讨论的坐标有效。在一些实施例中，如果发现原始定位坐标处于映射的工作体积之外，则处理器48通知该位置的医生，诸如通过使用不同颜色或图标来显示该坐标，或通过呈现警报消息。在一些实施例中，原始坐标在不应用校正的情况下被显示。可替换的，所述测量可被忽略。
例如，在一些实施例中，处理器48在校准步骤100期间产生用V表示的有效性矩阵。矩阵V包括三维位矩阵，其中每个位对应于在工作体积内具有用d表示的分辨率的三维体素(也就是，单位体积，像素的三维等同物)。如果相应的体素坐标处于映射的工作体积内，则设定矩阵V的每个位，否则重新设置该位。
为了保存存储空间，矩阵V可表示为32位字的二维阵列。该阵列的两个下标对应于体素的x和y坐标，并且在标记的32位字中的每个位对应于体素的z轴坐标。下面的伪码示出用于标记矩阵V的示范性方法，以便验证坐标{x，y，z}是否位于有效的工作体积内：
{xInx，yInx，zInx}＝round[({x，y，z}-{x0，y0，z0})/d]；
xInx＝Max[MinX，Min[MaxX，xInx]；
yInx＝Max[MinY，Min [MaxY，xIny]；
zInx＝Max[MinZ，Min[MaxZ，xInz]；
valid＝bitSet[V(xInx，yInx)，zInx]；
其中round[x]代表最接近x的整数，以及{x0，y0，z0}代表映射的工作体积的角坐标。{xInx，yInx，zInx}代表矩阵V的下标。MinX，MaxX，MinY，MaxY，MinZ，MaxZ分别代表x，y和z坐标的范围限制。如果设定开方(extract)的有效位，则处理器48推断坐标{x，y，z}位于映射的工作体积内，并且反之亦然。
在一些实施例中，可限定两个或更多个有效性矩阵。例如，可单独映射并且使用第二有效性矩阵限定工作体积的边界或外边。
在该阶段，处理器48计算位置传感器52的失真校正的定位坐标，通常表示为三维坐标。为了获得位置传感器的完整的六维坐标，现在处理器48在取向计算步骤108计算位置传感器的角取向坐标。
在一些实施例中，使用下述关系式来计算取向坐标：
Mtc＝R·Btc
其中Mtc代表上述的逆矩矩阵，R表示代表传感器52相对于定位垫40的坐标系的角取向的旋转矩阵，并且Btc代表传感器52的线圈60处所测量的磁场。
矩阵R可根据下式来估算：
[10]R＝M·Bt·(B·Bt)-1
其中M=M1M2M3]]>且B=B1B2B3.]]>
Btc的测量可包含来自场失真对象的失真，其又会影响矩阵R的估算精确性。通过将对称的分解过程应用于R可改善估算精确性。例如，让R2＝Rt·R。处理器48将SVD过程应用于R2：
[11]---V·u12000u22000u32·Vt=SVD[R2]]]>
其中u12，u22和u32代表R2的特征值。
将S定义为：
[12]---S=(-R2+(u1·(u1+u2)+u2·(u2+u3)]]>
+u3·(u3+u1))·R2]]>
+u1·u2·u3·(u1+u2+u3)100010001]]>
处理器48计算用表示的改善精确性的旋转矩阵，被给定为：
[13]---R~=R·S-1]]>
计算完失真校正的定位和取向坐标后，现在处理器48具有位置传感器52的完整的六维坐标。
直到现在为止假定位置传感器52的场感测线圈60为同心的，也就是，具有相同的定位坐标。但是在一些情况下，构建传感器52使得线圈60不是同心的。该不同心性将附加的不精确性引入到失真校正的坐标中。在一些实施例中，跟踪处理器48在不同心性补偿步骤110补偿由场感测线圈的不同心性导致的不精确性。
例如，处理器48可应用迭代的补偿过程来补偿这些不精确性。考虑用MEtc，co表示的跟踪场，其由三线圈tc的线圈co产生并由不同心的位置传感器52测量。让矢量表示传感器的线圈60之一相对于三线圈tc的用作参考坐标的定位坐标。让和表示限定另两个场感测线圈相对于第一(参考)线圈的位置偏移的两个矢量。在传感器52中由三线圈tc的线圈co产生的跟踪场被给定为：
[14]---MEtc,co=R~·Btc,co(r→+Rt·r→c1)(1)Btc,co(r→)(2)Btc,co(r→+Rt·r→c2)(3)]]>
其中场矢量的第二行对应于参考线圈。表示由上面等式[13]定义的改善精确性的旋转矩阵。
处理器48通过迭代地重复上面的步骤104-108来改善MEtc，co的估算。在每个迭代步骤i+1，所测量的场被给定为：
[15]---MEtc,coi+1=MEtc,co+R~i]]>
·Btc,coi(r→+(Rt)i·r→c1)(1)-Btc,coi(r→)(1)0Btc,coi(r→+(Rt)i·r→c2)(3)-Btc,coi(r→)(3)]]>
在一些实施例中，处理器48执行预定数目的迭代步骤。可替换的，限定收敛阈值th，并且重复该迭代过程直到满足下式为止：
[16]]]>
(Btc,coi(r→+(Rt)i·r→c1)(1)-Btc,coi(r→)(1))2]]>
+(Btc,coi(r→+(Rt)i·r→c2)(3)-Btc,coi(r→)(3))2]]>
<th]]>
利用方向选择降低失真的方法
如上所述，在一些情况下，引入到特定场强测量中的失真高度依赖于所使用的场生成线圈、所使用的场感测线圈和导致失真的场失真对象的相互定位和/或取向。因此当使用具有不同定位和取向的多个场生成线圈44和场感测线圈60来执行冗余场测量时，通常可以鉴别作为失真的主要贡献者的一个或多个线圈44和/或线圈60。忽略与这些导致失真的系统元件相关的测量可明显降低在位置计算中的总失真量。
图5是示意性地示出根据本发明的实施例的用于在存在场失真的情况下基于识别和除去导致失真的元件进行位置跟踪的方法的流程图。图5的方法涉及在患者体内的导管24的单一位置处的单一位置跟踪计算。当然该方法可在贯穿位置跟踪系统的整个工作体积分布的多个位置处应用。
该方法开始于在测量步骤120系统20执行冗余场测量。通常使用不同对的{场生成线圈44，场感测线圈60}进行多次场强测量。如上所述，图1和图2的示范性系统构造包括总共27个线圈对，导致最大数目的27个冗余场测量。
现在跟踪处理器48在鉴别步骤122从冗余场测量中鉴别一个或多个导致失真的测量。导致失真的测量由高水平的失真来表征。在一些实施例中，处理器48可自动探测和量化冗余场测量中的失真水平。为了该目的可使用任何合适的方法，诸如在上面引用的美国专利6,147,480中描述的方法。利用导致失真的测量，处理器48鉴别一个或多个导致失真的系统元件，其可包括与导致失真的测量相关的场发生线圈44、场感测线圈60和/或{线圈44，线圈60}对。
附加的或可替换的，失真的特征方向可被推理地指示给处理器48。在一些情况下，失真的已知方向向处理器指示线圈44和/或线圈60中的哪一个特别容易受失真的影响，并且因此有可能包括导致失真的元件。此外可替换的，产生(或可能产生)导致失真的测量的特定线圈44、线圈60和/或对{线圈44，线圈60}的同一性可被推理地指示给处理器。
跟踪处理器48在位置计算步骤24计算位置传感器52(以及导管24)的位置坐标，同时忽略与导致失真的元件相关的测量。在一些实施例中，与导致失真的元件相关的测量从位置计算中忽视或忽略。可替换的，特定的导致失真的元件可被关断或停用。
结合图5中的方法、诸如上述图4的方法、以及在上面引用的一些公开物中描述的方法，处理器48可使用任何合适的位置跟踪方法来计算传感器52(以及导管24)的位置。
在一些实施例中，上面图5中所示的方法可类似地用于其中跟踪场由导管24产生并由外部定位的位置传感器感测的系统构造中。在这些实施例中，信号发生器46产生驱动信号，所述驱动信号驱动导管24中的场发生器来产生跟踪场。外部的位置传感器感测所述跟踪场。然后根据合适的方法利用所感测的场来确定导管24的没有失真的位置。
虽然在此描述的实施例主要涉及改善医疗位置跟踪和操纵系统的抗失真性，但是这些方法和系统可用于另外的应用，诸如用于降低由操作间的桌子、荧光镜设备、MRI设备和/或任何其它场失真对象导致的失真。
因此应该意识到所述的实施例只是通过例子的方式进行引证，但是本发明并不限于上文已经特别示出的和描述的。而且，本发明的范围包括上述各种特征以及在阅读前述说明之后本领域技术人员可对其进行的在现有技术中未公开的变型和修改的组合和子组合。