技术领域
本发明涉及一种磁性干扰器(或者干扰元件)的检测方法，特别是在至少三轴磁场的发射器所发射的磁场中一种磁性干扰器(或者干扰元件)的检测方法。本发明还涉及一种物体的定位方法和系统以及实施这些方法的信息的记录介质。
背景技术
本文中磁性干扰器被定义为邻接区域中将发射的磁场的场线退化或变形的任何物体。例如，干扰器可以是导电部件。这种情况下，导电部件中出现的电涡流则导致磁场线的退化。导电部件例如为金属部件。干扰器还可以为磁性部件，例如为顺磁性(paramagnetic)或铁磁性(ferromagnetic)部件。
三轴磁场发射器沿三个发射轴发射磁场，其中三个发射轴相互非同向。例如，这种发射器由分别位于此发射器的每一发射轴上若干排列的单轴磁场源形成。
单轴磁场源是仅仅优先沿一条轴线发射磁场的源。例如，线圈的匝数围绕相同的轴线缠绕，这种线圈则为单轴磁场源，以及优先发射轴与匝数的缠绕轴一致。
类似地，至少三轴发射器则为沿超过三个非同向轴发射磁场的发射器。
三轴磁场传感器也被定义为能够测量磁场方向的传感器。通常意思是，这些传感器测量三个相互非同向轴线上磁场的投影幅度。因此，通常这些传感器可用于测量磁场的方向以及这种磁场的幅度。
先前技术中磁性干扰器的检测方法包含透过不同已知位置处放置的至少两个三轴传感器测量这种发射器所发射的磁场。
磁性干扰器的检测方法尤其被用于借助磁性系统定位物体的方法中。当然，如果用于定位物体的已测磁场被干扰，那么物体的定位将出现错误。当这 种定位方法用于医学以定位人体内的探针或导管时，尤其会导致有害后果。的确，对于这种应用来说，探针的定位应该可靠，这点非常重要。目前，在医学中，很多磁性干扰器都容易导致定位出错。例如，磁性干扰器可以是手术台、外科医生的手术刀、病人附近放置的另一种设备的金属框架等等。
目前已经提出检测干扰器的若干种方法(请参考欧洲专利EP 1502544或欧洲专利EP 0993804的例子)。这些方法中使用了复杂的计算。
发明内容
本发明简单地检测发射磁场中干扰器的出现，从而克服这种问题。
因此，本发明的目的在于提供一种发射磁场中检测干扰器的方法，这种方法包含以下步骤：
-对于每一传感器来说，一条轴线通过发射器的几何中心与传感器的几何中心，根据传感器所测量的磁场判断与此轴线共线的方向矢量的坐标，发射器的几何中心为放置一磁场点状源与传感器的点并且构成传感器的几何中心，磁场点状源为发射器建立模型，传感器能够透过一点状换能器被建立模型，测量此点状换能器所处点的磁场；
-验证各自与方向矢量其中之一共线的轴线之间的最小距离小于预定限值；以及
-如果不是这种情况，则报告出现磁性干扰器，在相反的情况下，则不会出现这种报告。
以上方法基于以下事实，当没有干扰器时，理想情况下与方向矢量共线的轴线必须在点E处交叉，其中点E对应发射器的位置。磁性干扰器的出现则修改了一或多个方向矢量的方向。因此，与这些方向矢量共线的轴线至少其一不再与其他轴线交叉。这种情况下，这些轴线中至少其二之间的最小距离d非零。这意味着如果距离d超出预定限值，那么则出现干扰器。
这种方法容易实施，因为方向矢量的计算仅仅需要一些乘法和加法。因此，即使传感器和发射器彼此相对快速移动，也可迅速执行并且可“实时”应用。此外，这种方法特别灵敏。当然，方向矢量其中之一的方向的轻微扰动可导致最小距离d的改变较大。
最后，这种方法不需要校准或者实际上无论如何不需要校准。仅仅事先需 要知道传感器相对彼此的位置。
本方法实施例包含以下特征其一或更多：
至少对第一和第二方向矢量u1和u2完成验证步骤，并且包含以下步骤：
-两个传感器用于判断方向矢量u1和u2，一轴线D通过这两个传感器的几何中心，计算方向矢量u1和轴线D的法线第一矢量n1的坐标；
-计算方向矢量u2和轴线D的法线第二矢量n2的坐标；
-计算矢量u1和u2之间的角度；以及
-检查这个角度低于该预定限值所对应的阈值，超出此预定限值则启动磁性干扰器的报告。
至少对第一和第二方向矢量u1和u2完成验证，并且包含以下步骤：
-计算联合乘积的数值，所述联合乘积由以下关系式定义：D□u1□u2，其中□和′·′分别为矢量积和数量积运算，所述两个传感器用于判断方向矢量u1 和u2，轴线D通过所述两个传感器的几何中心，矢量D为与轴线D共线的矢量；以及
-检查联合乘积的数值低于该预定限值所对应的阈值，超出此预定限值则启动磁性干扰器的报告。
在相同的参考系统中这些传感器的位置固定。
此外，这些检测方法的实施例具有以下优点：
-计算矢量n1和n2之间的角度，增加了磁性干扰器的检测准确度。
本发明的目的还在于一种物体的定位方法，借助至少一个磁场发射器和至少两个三轴传感器在参考系统中定位物体，其中磁场发射器至少为三轴，每一传感器固定结合此参考系统且每一发射器固定连接此物体，或者反之亦然，该方法包括以下步骤：
-发射器发射一个磁场，这些传感器测量磁场；
-根据这些传感器的测量结果在参考系统中定位物体；
-透过使用定位步骤中曾经使用的相同传感器以及实施以上检测方法，以检测发射器所发射的磁场中的干扰器。
本发明的目的还在于一种信息记录介质，包含指令，当电脑执行这些指令时，执行以上方法其中之一。
本发明的目的还在于一种磁性干扰器的检测器，这种磁性干扰器处于至少 三轴的磁场发射器所发射的磁场中，该检测器包含：
-至少两个三轴传感器，能够测量发射器所发射的磁场，这些传感器被放置于不同的已知位置；以及
-一个处理单元，连接这些传感器以处理发射器的磁场的测量结果，处理单元能够：
-对于每一传感器来说，一条轴线通过该发射器的几何中心与传感器的几何中心，根据传感器所测量的磁场判断与轴线共线的一方向矢量的坐标，发射器的几何中心为放置磁场点状源与传感器的点并且构成传感器的几何中心，磁场点状源为发射器建立模型，传感器能够透过点状换能器被建立模型，其中测量点状换能器所处点的磁场；
-验证各自与方向矢量其中之一共线的轴线之间的最小距离小于预定限值；以及
-如果不是这种情况，则报告出现磁性干扰器，在相反的情况下，则不报告磁性干扰器的出现。
最后，本发明的目的还在于一种物体定位系统，在参考系统中定位物体，该系统包含：
-至少一个磁场发射器，发射器至少三轴，
-至少两个三轴传感器，用以测量发射器所发射的磁场，这些传感器在参考系统中被固定且发射器或者这些发射器固定连接物体，反之亦然，
-发射器发射磁场，这些传感器测量磁场，
-定位模块，能够根据所述这些传感器的测量结果在参考系统中定位物体，
-发射器所发射磁场中干扰器的上述检测器，检测器的这些传感器与定位模块中使用的传感器通用
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为装备有磁场干扰器检测器以用于定位物体的系统；
图2为借助图1所示系统以用于检测磁场干扰器以及定位物体的方法流程图；
图3为借助图1所示系统以用于检测磁场干扰器以及定位物体的方法的另一实施方式的流程图。
其中，附图标记
2系统
4物体
6参考系统
10发射器
14、15、16轴
18、19、20辐射源
22软线环
24处理单元
26、28传感器
30、31、32轴
34、35、36换能器
40模块
42模块
43检测器
44人工/机器界面
46存储器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本文以下的描述中，将不会详细描述那些本领域技术人员众所周知的特征和功能。
图1表示系统2，用于在参考系统6中定位物体4。例如，物体4为引入人体的一根探针或导管。例如，物体4相对参考系统6移动。
参考系统6为具有三个正交轴X、Y和Z的固定参考系统。
例如，在参考系统6中定位物体4由查找其x、y、z位置和其θx、θy、θz 定向组成。角度θx、θy、θz分别表示物体4关于x、y和z轴的定向(orientation)。
为了在参考系统6中定位物体4，这种物体例如装备有若干磁场发射器。为了简化图1，图中仅仅表示一个发射器10。
发射器10是一个三轴发射器，沿三个非同向轴14、15和16发射磁场。本文中，这些发射轴14、15和16相互正交。这些轴与物体4构成整体。为此，发射器10包含分别与磁矩M1、M2和M3对应的三个单轴辐射源18、19和20。这些辐射源各自仅仅具有一个发射方向，沿这个发射方向发射磁场的基本部分。本文中，辐射源18、19和20的发射方向分别与轴14、15和16一致，磁矩M1、M2和M3排列在轴14、15和16上。
这些辐射源18、19和20各自可借助磁场点状源被建立模型。更可取地，排列这些辐射源18、19和20，这样各自的点状源则在参考系统6中精确地占据相同的位置。这个位置用点E来识别。点E位于轴14、15和16的交点。与辐射源18、19和20对应的这些点状源在这点处叠加，这点构成了发射器10的几何中心。本文中，这个几何中心与辐射源18、19和20的重心或质量中心一致。
例如，每一辐射源18、19和20由分别围绕轴14、15和16缠绕的单个线圈组成。本文中，这些线圈各自被分为两个相同的组，沿着缠绕轴在点E的任意侧平均分配匝数。每组匝数沿着缠绕轴以相同方式缠绕。
借助与处理单元24连接的软线环(flexible wire link)22为发射器10供电以及控制发射器10。
单元24还连接若干个三轴磁场传感器。为了简化图1，图中仅仅表示两个传感器26和28。这些传感器各自能够测量发射器10所发射的磁场的方向和幅度。
传感器26和28彼此相对间隔的距离为距离a。
在参考系统6中传感器26固定。传感器26沿三个正交轴30、31和32测量磁场的投影。本文中，这些轴30、31和32分别与正交参考系统R1的轴X1、Y1和Z1共线，正交参考系统R1的中心01则以传感器26为中心。
本文中的传感器26由三个单轴换能器(transducers)34、35和36形成。换能器34、35和36各自测量轴30、31和32上分别发射的磁场投影。
例如，这些换能器34、35和36各自由分别围绕轴30、31和32缠绕的单 个线圈组成。至于在发射器10的例子中，这些线圈各自分为两个相同的组，沿着缠绕轴在点O1的任意侧上对称分配匝数。每组匝数沿着缠绕轴依照相同方式缠绕。因此，这些换能器34、35和36各自可透过点状换能器建立模型，在点状换能器处测量这些测量轴上的磁场投影。本文中，三个点状换能器被置于O1处。不同的点状换能器在这点叠加，这点为传感器的几何中心。本文中，这个几何中心与这些换能器的重心或质量中心一致。
这种传感器26测量点O1处发射的磁场方向。
例如，除了线圈分别围绕正交参考系统R2的三个轴X2、Y2和Z2缠绕以外，传感器28与传感器26相同，正交参考系统R2的原点O2与传感器28的几何中心一致。
为了简化计算，轴X2、Y2和Z2分别与轴X1、Y1和Z1平行。
距离a比传感器其中之一的最大尺寸至少大两倍或三倍较佳。例如，本文中传感器26的最大尺寸为换能器34、35和36其中之一的最大长度。
传感器26和28与发射器10的距离至少等于传感器26或28的最大尺寸的2或3倍。因此，发射器10可依照磁场点状源以点E为中心的方式建立模型。
单元24包含模块40，用于根据传感器26和28的测量结果在参考系统6中定位发射器10的位置。例如，透过解方程系统，模块40判断物体4的位置与定向。不考虑磁性干扰器的出现，为单轴源与换能器之间的磁相互作用交点建立模型，从而获得这个方程系统。在这个方程系统中，物体4的位置x、y和z与定向θx、θy和θz为未知量，而从传感器26和28的测量结果中获得其他参数的数值。例如在欧洲申请EP 1502544中可找到这种方程系统的更多信息。
单元24还包含模块42，模块42用于检测发射器10所发射的磁场中干扰器的出现。以下将结合图2和图3详细描述模块42的运作。
传感器26和28以及模块42的组合形成了检测器43，检测器43用于检测发射器10所发射的磁场中的干扰器。
单元24还连接人工/机器界面44，例如用于通知操作人员已经检测到磁性干扰器或者指示物体4的位置。
单元24由可编程电脑形成，能够执行信息记录介质中所记录的这些指令。 为此，单元24连接存储器46，存储器46包含执行图2或图3的方法所需要的指令。
现在结合图2的方法更详细地描述系统2的运作。
在步骤50处，例如发射器10顺序地沿每一轴14、15和16发射磁场。
同时，在步骤52处，每一传感器26和28测量发射器10所发射的磁场。
然后，在步骤54处，检测模块42判断方向矢量u1和u2，分别从点O1向点E的方向或者与此相反以及从点O2向点E的方向或者与此相反。在图1中，这些矢量表示为均朝向点E的方向。
在上述的操作条件中，发射器10发射与偶极场(dipolar field)接近的场。因此，单轴源i所发射的和三轴传感器26所测量的磁场具有以下关系：
其中：
-下标i为单轴辐射源18、19和20其中之一的标识符，
-Mi为与发射器10的单轴源i的磁矩有关的列矩阵(column matrix)，
-“I”为单位矩阵(identity matrix)，
-u1为列矩阵，包含参考系统R1中所表示的方向矢量u1的坐标，
-R为发射器10与传感器26之间的距离，以及
-Hi为列矩阵，包含沿传感器26的三个轴30、31和32测量的磁场坐标，
-符号“T”表示转置运算(transposed operation)。
在本文以下描述中，H1、H2和H3表示列矩阵，包含沿单轴辐射源18、19和20所分别发射的磁场的轴30、31和32的测量结果。根据这些标记，使用以下关系式获得参考系统R1中的矢量u1的坐标：
类似地，在步骤54处，模块52还判断从点O2指向点E的方向矢量u2的坐标。
本文中，术语L1和L2表示与方向矢量u1和u2共线的轴。
因为当没有干扰时，传感器26和28测量相同发射器发射的磁场，轴L1和L2一定在点E处交叉。然而在实践中，由于测量中的干扰和计算误差，轴 L1和L2不交叉，但是在点E处彼此接近。因此，轴L1和L2之间的最小距离d很小。相反地，如果出现磁性干扰器，则明显地修改矢量u1或u2的方向，这样最小距离d则变大。
因此，在步骤56处，确定轴L1和L2之间的距离d低于预定限值。
例如，为此在运算58中，模块42计算参考系统R1中的矢量 和矢量 的法线矢量 的坐标。矢量D为通过点O1和O2与轴D共线的矢量。因为本文中传感器26和28的位置固定，从参考系统6中点O1和O2的坐标可以容易地判断参考系统R1中这个矢量D的坐标。
例如，借助以下关系式计算矢量 的坐标：
n1＝D□u1
其中：
- 为矢量乘法运算。
类似地，在运算58处，计算矢量u2和矢量D的法线矢量n2的坐标。例如，在参考系统R1中表示矢量n2的坐标。
然后，在运算60中，计算矢量n1和n2之间的角度θ。本文给定参考系统R1和R2的轴平行，根据以下关系式可直接计算角度θ：
其中：
-“acos”表示反余弦运算，
-符号“·”表示数量积(scalar product)，
-符号“*”表示两个数值之间的乘法，
-“||...||”表示矢量的欧几里德范数(Euclidian norm)。
根据矢量u1和u2的方向，当不存在磁性干扰器时，角度θ一定接近0°或接近180°。本文假定矢量u1和u2的方向，当不存在磁性干扰器时，角度θ一定接近0°。
然后，在运算62中，角度θ与阈值S1比较，以确定距离d低于预定限值。
如果阈值S1被超出，那么这意味着出现磁性干扰器。然后，执行步骤64，其中报告磁性干扰器的出现。例如，借助人工/机器界面44报告磁性干扰器的出现。因此，这种报告可简单地由以下操作组成，在单元24所执行的处理操 作中考虑这条信息，而无需通知用户。
否则，如果角度θ低于阈值S1，那么这意味着不存在磁性干扰器。然后，操作转向步骤66，期间例如模块40根据传感器26和28的测量结果在参考系统6中判断发射器10的定位。
在步骤50、64和66的结束处，此方法返回步骤50和52。
除步骤56被步骤70代替以外，图3的方法与图2的方法相同。在步骤70开始时，在运算72期间，依照以下关系式计算矢量u1和u2之间的联合乘积(combined product)P：
P＝D□u1□u2
其中：
-P为矢量u1和u2的联合乘积。
然后，此操作进行步骤74，以比较联合乘积P的数值与阈值S2，从而确定距离d低于预定限值。当不存在干扰器时，联合乘积的数值一定接近零。相反地，干扰器的出现导致此联合乘积P的数值较高。
因此，如果联合乘积P的数值低于预定阈值S2，那么操作转向步骤66。若非如此，则转向步骤64。
还可能存在很多其他的实施例。例如，发射器可包含超过三个发射轴。这种情况下，补充轴上的磁场发射超出三个，这样传感器所测量的信息中存在冗余。此后，这个冗余可用于克服例如物体4的位置相对传感器定位的应用中磁性干扰器所带来的干扰。
发射器10可在其每一轴上顺序或同时发射磁场。在后者的情况下，在每一轴上以不同频率发射磁场较佳，这样传感器一侧可彼此区分它们。
本文上述方法以外的其他方法也可用于计算方向矢量的坐标。尤其方向矢量可源自发射器的几何中心并且指向各自的传感器。
参考系统R1和R2的轴线并非必须平行。这种情况下，在方向矢量u1或u2其中之一的坐标上改变参考系统，这样在计算矢量n1和n2或联合乘积P以前，在相同的参考系统中表示这两个矢量的坐标。
磁性干扰器检测器可具有超过两个的三轴传感器。
透过本文以上描述的方法以外的其他方法也可得到以下验证，轴L1和L2之间的最小距离d小于预定限值。例如，在比较此距离与预定限值以前，可在 相同的参考系统中判断这些轴线的方程，然后根据这些方程计算这两个轴线之间的最小距离d。
本文在发射器移动和传感器固定的特定情况下描述系统2。然而，本文的描述可应用到相反的情况，其中在参考系统6中发射器固定且传感器移动。
在参考系统6中传感器并非必须固定。相反地，必要的是，传感器其中之一执行其测量的时间点与另一传感器执行其测量的时间点之间，发射器相对这些传感器的相对位置不应该变化。例如，即使传感器在参考系统中移动，假设传感器同时测量，则也满足这个条件。
如果传感器的位置不固定，则执行上述方法其中之一以前，必须知道一个传感器的与另一传感器的相对位置。术语“知道”位置表示至少知道矢量D的方向或范数(norm)，知道其方向或者还知道其方向与范数更好。知道一个传感器相对另一传感器的相对位置的方法很多。例如，可使用卡尔曼(Kalman)滤波器。更特别地，电磁方程联系发射的磁场与测量的磁场，根据电磁方程建立这种卡尔曼滤波器。这些方程中，未知的是传感器的位置以及也可能是发射器的位置。
在一个变型中，仅仅知道矢量D的方向，不知道其范数。在这种变型中，选择矢量D的范数等于任意值，例如等于1。然后，实施学习阶段以调整阈值S1或S2的评估，超出时则检测到干扰器的出现。例如，除仅仅知道矢量D的方向以外，此变型与图2的方法相同。例如如果使用的全部矢量被归一化，则阈值S1或S2数值可独立于矢量D的范数。
为了简化传感器26和28，他们各自可由单个匝数形成。
除医学领域以外，本文上述的方法和系统可用于很多其他不同的应用领域。例如，此系统可用于在房间中定位真空吸尘器或者将人定位例如定位携带磁发射器的小孩。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。