DE69928889T2

DE69928889T2 - System zur Verfolgung eines Objektes

Info

Publication number: DE69928889T2
Application number: DE69928889T
Authority: DE
Inventors: Daniel Haifa Osadchy; Assaf Kiriat Haim Govari
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: CA2285842A1; AU753607B2; IL132141A; DE69928889D1; US6147480A; AU5267899A; JP2000116790A; CA2285842C; ES2255230T3; JP4585637B2; IL132141A0; EP0993804A1; EP0993804B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Geräte zur Erzeugung und zum Nachweis von elektromagnetischen Feldern und im besonderen kontaktlose, elektromagnetische Vorrichtungen zur Verfolgung der Position und Ausrichtung eines Objekts, und assoziierte offenbarte Verfahren, die nicht Teil der Erfindung sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kontaktlose elektromagnetische Verfolgungssysteme sind dem Fachmann hinreichend bekannt und besitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Das US-Patent 4,054,881 zum Beispiel beschreibt ein Verfolgungssystem, das drei Spulen zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern in der Umgebung eines verfolgten Objekts verwendet. Die von diesen drei Spulen erzeugten Felder werden voneinander unterschieden durch Open-Loop-Multiplexing von Zeit, Frequenz oder Phase. Die in drei orthogonalen Sensorspulen fließenden Signalströme werden verwendet, um auf der Grundlage eines iterativen Berechnungsverfahrens die Position des Objekts zu bestimmen.
Das US-Patent 5,391,199, eingereicht am 20. Juli 1993, beschreibt ein System zur Erzeugung dreidimensionaler Lageinformationen bezüglich einer medizinischen Sonde oder eines Katheters. Eine Sensorspule wird in dem Katheter plaziert und erzeugt Signale in Reaktion auf von außen angelegte Magnetfelder. Die Magnetfelder werden von drei Radiatorspulen erzeugt, die an einem äußeren Bezugssystem an bekannten, zueinander beabstandeten Stellen angebracht sind. Die Amplituden der reagierend auf jedes der Radiatorspulenfelder erzeugten Signale werden nachgewiesen und verwendet, um die Lage der Sensorspule zu berechnen. Jede Radiatorspule wird vorzugsweise durch Steuerschaltungstechik gesteuert, um ein Feld bei einer bekannten Frequenz zu erzeugen, unterschiedlich zu der anderer Radiatorspulen, so daß die von der Sensorspule erzeugten Signale nach Frequenz entsprechend den unterschiedlichen Radiatorspulen in Komponenten getrennt werden können.
Die PTC-Patentveröffentlichung WO/96/05768, eingereicht am 24. Januar 1995, beschreibt ein System, das sechsdimensionale Positions- und Ausrichtungsinformationen bezüglich der Spitze eines Katheters erzeugt, und offenbart ein Objektverfolgungssystem des im Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 dargelegten Typs. Dieses System verwendet eine Vielzahl von Sensorspulen benachbart zu einer lokalisierbaren Stelle in dem Katheter, zum Beispiel in der Nähe seines distalen Endes, und eine Vielzahl von Radiatorspulen, die in einem äußeren Bezugssystem befestigt sind. Diese Spulen erzeugen Signale in Reaktion auf von den Radiatorspulen erzeugte Magnetfelder, wobei diese Signale die Berechnung von sechs Lage- und Ausrichtungskoordinaten erlauben. Wie im Fall der oben beschriebenen Patentanmeldung '539 arbeiten die Radiatorspulen vorzugsweise simultan bei unterschiedlichen Frequenzen, zum Beispiel bei 1000, 2000 bzw. 3000 Hz.
Die obengenannten Verfolgungssysteme beruhen auf Trennung von auf die Position ansprechenden Signalen in Komponenten, am typischsten Frequenzkomponenten, wobei davon ausgegangen wird, daß jede derartige Komponente einer einzigen Radiatorspule, in einer bekannten Position, eindeutig entspricht und ein Magnetfeld ausstrahlt, das eine gleichmäßige, klar definierte räumliche Verteilung aufweist. Wenn jedoch in der Praxis ein Metall oder ein anderer auf Magnete ansprechender Gegenstand in die Umgebung des Katheters oder des verfolgten Objekts eingebracht wird, werden die in dieser Umgebung von den Radiatorspulen erzeugten Magnetfelder verzerrt. Zum Beispiel kann das Magnetfeld der Radiatorspule in einem derartigen Gegenstand Wirbelströme erzeugen, woraufhin die Wirbelströme die Ausstrahlung eines parasitären Magnetfelds hervorrufen werden. Derartige parasitäre Felder und andere Arten von Verzerrung können zu Fehlern bei der Bestimmung der Position des verfolgten Objekts führen.
In der WO 97/29679 ist ein Endoskop gezeigt, mit Sensoren, die Signale reagierend auf ein magnetisches Feld erzeugen, um Position und/oder Ausrichtung des Endoskops zu bestimmen. Die Sensoren sind fern von Interferenzen verursachenden Strukturen in dem Endoskop angeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe einiger Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, ein Objektverfolgungssystem bereitzustellen, das in der Lage ist, ein offenbartes Verfahren durchzuführen, das nicht Teil der Erfindung ist, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch ein kontaktloses Objektverfolgungssystem zu verbessern.
In einer Ausgestaltung des offenbarten Verfahrens wird die Positionsbestimmung korrigiert, um Störungen eines bei der Verfolgung des Objekts verwendeten Energiefelds auf Grund von Metall oder anderen auf Felder ansprechenden Gegenständen in der Umgebung des verfolgten Objekts zu berücksichtigen.
In einer anderen Ausgestaltung des offenbarten Verfahrens werden derartige Störungen festgestellt, um einen Anwender des Systems zu warnen, daß die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinträchtigt sein könnte.
Vorzugsweise umfaßt das Energiefeld ein Magnetfeld, das die Erzeugung von auf die Position ansprechenden elektrischen Signalen in einer oder mehreren Spulen hervorruft, die mit dem verfolgten Objekt, zum Beispiel einem Katheter oder einer anderen medizinischen Sonde, assoziiert sind.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß parasitäre Magnetfelder, erzeugt durch Metall oder andere auf das Feld ansprechende Gegenstände, die Energie von einem Radiatorspulenmagnetfeld empfangen und wieder ausstrahlen, typischerweise dieselbe Frequenz aufweisen wie das Radiatorspulenfeld, jedoch mit einer relativen Phasenverschiebung zu diesem. Die Phasenverschiebung und die Amplituden der parasitären Felder sind im allgemeinen abhängig von Eigenschaften des Gegenstands, einschließlich Dielektrizitätskonstante, magnetischer Durchlässigkeit und geometrischer Form.
Weiterhin werden, wenn der in das Magnetfeld eingebrachte Gegenstand im wesentlichen magnetisierbar ist, d. h., wenn seine Durchlässigkeit sich wesentlich von der Durchlässigkeit von Luft unterscheidet, die Magnetfeldlinien in der Umgebung des Gegenstands im allgemeinen verzerrt. Verzerrung dieser Art beeinflußt die Phase des Magnetfelds jedoch nicht wesentlich.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Objektverfolgungssystem eine oder mehrere Sensorspulen, benachbart zu einem lokalisierbaren Punkt auf einem verfolgten Objekt, sowie eine oder mehrere Radiatorspulen, die Magnetfelder erzeugen, wenn sie durch elektrische Ströme bei jeweiligen Steuerfrequenzen in einer Umgebung des Objekts gesteuert werden. Vorzugsweise weist jede der Radiatorspulen ihre eigene Frequenz auf, die sich von den Frequenzen aller übrigen Radiatorspulen unterscheidet. Alternativ können sich jedoch zwei oder mehr der Radiatorspulen eine gemeinsame Frequenz teilen und zeitgemultiplext sein, so daß nur eine der zwei oder mehr Spulen gesteuert wird, um zu einer gegebenen Zeit ein Magnetfeld zu erzeugen.
Die Sensorspulen erzeugen elektrische Signale reagierend auf die Magnetfelder, wobei diese Signale von einer signalverarbeitenden Schaltung empfangen und von einem Computer oder anderen Prozessor analysiert werden. Wenn sich ein Metall oder ein anderer auf das Feld ansprechender Gegenstand in der Umgebung des Objekts befindet, enthalten die Signale typischerweise Positionssignalkomponenten reagierend auf die von den Radiatorspulen bei ihren jeweiligen Steuerfrequenzen erzeugten Magnetfelder sowie parasitäre Signalkomponenten reagierend auf durch den Gegenstand erzeugte parasitäre Magnetfelder. Der Computer verarbeitet die Signale, um die parasitären Komponenten zu identifizieren, vorzugsweise unter Verwendung eines phasenempfindlichen Verfahrens, wie unten beschrieben, und verwendet die Positionssignalkomponenten, um die Position des Objekts zu bestimmen.
In einigen derartigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Signale auf Grund des von jeder der Radiatorspulen erzeugten Magnetfelds zuerst in Abwesenheit von Gegenständen nachgewiesen, welche die Erzeugung von parasitären Signalkomponenten hervorrufen könnten. Basislinienphasen der Signale bei jeder der Radiatorspulenfrequenzen, die im wesentlichen unabhängig von der Position des Objekts relativ zu den Radiatorspulen sind, werden dann relativ zu der Phase des Stroms bestimmt, der die jeweilige Radiatorspule steuert. Wenn ein Gegenstand, der parasitäre Magnetfelder erzeugt, in die Umgebung des Objekts eingebracht wird, werden zumindest einige von den Sensorspulen in Reaktion auf die parasitären Felder erzeugten Signalkomponenten im allgemeinen relativ zu der vorbestimmten Basislinienphase phasenverschoben sein. Die Phasenverschiebung der Signale auf Grund der parasitären Signalkomponenten wird nachgewiesen und kann verwendet werden, um anzuzeigen, daß die von dem Computer bestimmte Position des Objekts auf Grund der Anwesenheit des Gegenstands in der Umgebung des Objekts ungenau sein kann.
Zusätzlich oder alternativ wird das Objekt vorzugsweise stillgehalten, während ein Metall oder ein anderer auf das Feld ansprechender Gegenstand in die Umgebung des Objekts eingebracht wird. Veränderungen der Amplitude und Phase der von den Sensorspulen empfangenen Signale sind dann bekanntermaßen mit Verzerrungen des Magnetfelds auf Grund des Gegenstands zu assoziieren. Diese Veränderungen werden festgestellt und bei der Bewertung der Auswirkung der Verzerrungen auf die Bestimmung der Positionskoordinaten des Objekts verwendet.
Insbesondere können die festgestellten Veränderungen verwendet werden, um die Phasenverschiebungen der parasitären Felder relativ zu den Radiatorspulenfeldern zu messen. In einigen Fällen werden diese Phasenverschiebungen im allgemeinen konstant sein, unabhängig von der Position und Ausrichtung des auf das Feld ansprechenden Gegenstands, zum Beispiel, wenn der Gegenstand im wesentlichen symmetrisch ist. Ebenso wird, wenn der Gegenstand gut leitendes Material mit einem vernachlässigbaren Widerstand umfaßt, die Phasenverschiebung der parasitären Felder nahe 90° sein, im allgemeinen unabhängig von der Position und Ausrichtung des Gegenstands. Obwohl nicht alle Gegenstände derartige im allgemeinen konstante Phasenverschiebungen aufweisen werden, kann die Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Position und Ausrichtung in jedem Fall empirisch bestimmt werden.
In anderen bevorzugten Ausgestaltungen des offenbarten Verfahrens ist ein Merkmal des Gegenstands, wie beispielsweise die durch den Gegenstand induzierte Verzerrung des Magnetfelds oder die Auswirkung des Gegenstands auf die Bestimmung der Koordinaten des Objekts bekannt, zum Beispiel auf Grund vorheriger Messungen. Das bekannte Merkmal kann verwendet werden, um die Bestimmung der Koordinaten zu korrigieren, wie unten beschrieben.
In einigen bevorzugten Ausgestaltungen des offenbarten Verfahrens werden die von den Sensorspulen erzeugten Signale unter Verwendung eines harmonischen Nachweisverfahrens nachgewiesen, noch bevorzugter mit der mit den Frequenzen der Radiatorspulen synchronisierten Nachweisfrequenz. Signalkomponenten, die in bezug auf die Basislinienphase phasenverschoben sind, werden aus dem abgetasteten Signal eliminiert, zum Beispiel unter Verwendung einer phasenempfindlichen Signalkorrelation oder anderer dem Fachmann bekannter Verfahren, wodurch zumindest einige der parasitären Signalkomponenten im wesentlichen entfernt werden und die Genauigkeit der Positionsbestimmung in Anwesenheit des Metalls oder anderen auf das Feld ansprechenden Gegenstands verbessert wird.
Wenn die Phasenverschiebungen der parasitären Felder bekannt sind, nachdem sie zum Beispiel wie oben beschrieben gemessen wurden, können die bekannten Phasenverschiebungen vorzugsweise bei der Analyse der Signale verwendet werden, um zumindest einen Teil der parasitären Signale aus diesen zu entfernen.
Beispielhafterweise kann ein Verfahren zur Verfolgung eines Objekts unter Verwendung eines Energiefelds bei Vorhandensein von Interferenz auf Grund der Einbringung eines auf das Feld ansprechenden Gegenstands in der Umgebung des Objekts folgendes umfassen:
Verursachen eines ersten Energiefelds in der Umgebung des Objekts;
Bestimmung eines Merkmals eines zweiten Energiefelds, das reagierend auf das erste Feld durch das Einbringen des Gegenstands induziert wird;
Empfang von Signalen reagierend auf das erste und das zweite Energiefeld, die nach dem Einbringen des Gegenstands an einer Vielzahl von Stellen des Objekts erzeugt werden; und Bestimmung räumlicher Koordinaten des Objekts reagierend auf die erzeugten Signale und das bestimmte Merkmal.
Die Bestimmung der Merkmale umfaßt die Bestimmung einer Phasenverschiebung der Signale reagierend auf das zweite Energiefeld in bezug auf die Signale reagierend auf das erste Energiefeld. Vorzugsweise wird das Merkmal nicht aus an der Stelle durchgeführten Messungen bestimmt.
Die Bestimmung räumlicher Koordinaten umfaßt die Bestimmung einer Amplitude der an einer Stelle des Objekts erzeugten Signale; die Verarbeitung der Amplitude, um unter Verwendung des bestimmten Merkmals eine korrigierte Amplitude zu ermitteln; und die Berechnung der Koordinaten auf der Grundlage der korrigierten Amplitude.
Vorzugsweise umfaßt die Bestimmung des Merkmals der induzierten Energiefelder den Empfang eines ersten Signals reagierend auf das Energiefeld in Abwesenheit des auf das Feld ansprechenden Gegenstands; das Einbringen des Gegenstands in die Umgebung des Objekts; den Empfang eines zweiten Signals reagierend auf das Energiefeld in Anwesenheit des Gegenstands; und die Verarbeitung des ersten und des zweiten Signals, um das Merkmal zu bestimmen.
Vorzugsweise umfaßt die Verarbeitung des ersten und des zweiten Signals die Ermittlung einer ersten Amplitude und einer ersten Phase des ersten Signals; die Ermittlung einer zweiten Amplitude und einer zweiten Phase des zweiten Signals; und auf der Grundlage der ersten und der zweiten Amplitude und der ersten und der zweiten Phase die Bestimmung einer mit dem induzierten Feld assoziierten Phasenverschiebung.
Weiterhin kann die Bestimmung räumlicher Koordinaten in beispielhafter Weise das Messen einer unkorrigierten Amplitude und einer unkorrigierten Phase der Signale umfassen, die an einer der Vielzahl von Stellen des Objekts empfangen werden; das Ermitteln einer korrigierten Amplitude unter Verwendung der mit dem induzierten Feld assoziierten Phasenverschiebung; und die Berechnung der Koordinaten auf der Grundlage der korrigierten Amplitude.
Das offenbarte Verfahren, das nicht Teil der Erfindung ist, umfaßt das Feststellen einer Störung in einem System zur Verfolgung des Objekts, indem eine Veränderlichkeit in einer oder mehrerer der ersten und der zweiten Phase ermittelt wird.
Weiterhin ist ein Verfahren offenbart, das den Nachweis des zweiten Energiefelds und die Benachrichtigung eines Anwenders über das erfolgte Einbringen des Gegenstands umfaßt. Zusätzlich oder alternativ umfaßt die Bestimmung der räumlichen Koordinaten des Objekts die Abschätzung einer Fehlerschranke der Koordinaten auf Grund der Anwesenheit des Gegenstands.
Typischerweise umfaßt das Verursachen der Energiefelder das Verursachen von Magnetfeldern, und der Empfang der Signale umfaßt den Empfang elektrischer Signale, die reagierend auf das Magnetfeld erzeugt werden.
Weiterhin wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Objektverfolgungssystem bereitgestellt, umfassend:
einen Radiator, der eingerichtet ist, um ein erstes Energiefeld in der Umgebung des Objekts zu erzeugen;
einen an dem Objekt angebrachten Sensor, der eingerichtet ist, um Signale reagierend auf das erste Energiefeld zu erzeugen; und
eine signalverarbeitende Schaltung, die eingerichtet ist, um die Signale von dem Sensor zu empfangen und eingerichtet ist, um reagierend darauf Positionskoordinaten des Objekts zu bestimmen. Die signalverarbeitende Schaltung ist eingerichtet, um ein Merkmal eines zweiten Energiefelds zu bestimmen, das reagierend auf das erste Feld durch das Einbringen eines auf das erste Feld ansprechenden Gegenstands induziert wird, in der Umgebung des Objekts, eingerichtet, um Signale reagierend auf das erste und das zweite Energiefeld zu empfangen, die nach dem Einbringen des Gegenstands an einer Vielzahl von Stellen des Objekts erzeugt werden, und eingerichtet, um räumliche Koordinaten des Objekts reagierend auf die erzeugten Signale und das bestimmte Merkmal zu bestimmen. Die signalverarbeitende Schaltung ist eingerichtet, um das Merkmal zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um eine Phasenverschiebung von Signalen reagierend auf das zweite Energiefeld in bezug auf die Signale reagierend auf das erste Energiefeld zu bestimmen. Die signalverarbeitende Schaltung ist eingerichtet, um räumliche Koordinaten zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um eine Amplitude der an einer Stelle des Objekts erzeugten Signale zu bestimmen, die Amplitude zu verarbeiten, um unter Verwendung des bestimmten Merkmals eine korrigierte Amplitude zu ermitteln und Koordinaten auf der Grundlage der korrigierten Amplitude zu berechnen.
Es ist die Schaltung offenbart, die eine Störung in dem System durch Ermittlung einer Veränderlichkeit in der Phasenverschiebung feststellt.
Weiterhin ist die Schaltung offenbart, die einen Anwender des Systems auf der Grundlage der festgestellten Interferenz über das erfolgte Einbringen des Gegenstands benachrichtigt.
Zusätzlich oder alternativ bestimmt die Schaltung auf der Grundlage der festgestellten Interferenz eine Fehlerschranke der Koordinaten.
Typischerweise umfaßt das Energiefeld ein Magnetfeld, und die Signale umfassen elektrische Ströme, die reagierend auf das Magnetfeld erzeugt werden.
EINE KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist besser verständlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen, zusammen mit den Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines Objektverfolgungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Ablaufdiagramm ist, das ein offenbartes Verfahren zur Verfolgung eines Objekts veranschaulicht, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist; und
3 ein Vektordiagramm ist, das für das Verstehen von Arbeitsweisen der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird auf 1 Bezug genommen, die ein System 10 zur Verfolgung einer Sonde 20, wie beispielsweise einen Katheter für die medizinische Verwendung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf schematische Weise veranschaulicht. Wie in dem oben angegebenen US-Patent 5,391,199 und der PCT-Patentveröffentlichung WO/96/05768 beschrieben, umfaßt System 10 eine Vielzahl von Radiatorspulen 22, 24 und 26. Diese Spulen erzeugen jeweilige Magnetfelder H ⇀₁, H ⇀₂ und H ⇀₃ bei entsprechenden Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ in der Umgebung von Sonde 20. Die Sonde umfaßt Sensorspulen 27, 28 und 29, die reagierend auf die Magnetfelder elektrische Signale erzeugen. Diese Signale umfassen Komponenten bei Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃, deren jeweilige Amplituden von der Position und Ausrichtung von Sonde 20 abhängen.
System 10 umfaßt weiterhin Steuerschaltungen 30, 32 und 33, gekoppelt an jede der Radiatorspulen, die Spulen 22, 24 und 26 bei den entsprechenden Steuerfrequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ steuert. Die von Sensorspulen 27, 28 und 29 erzeugten Signale werden vorzugsweise empfangen und verarbeitet von signalverarbeitender Schaltung 34 und dann von Computer 36 verwendet, um Positions- und Ausrichtungskoordinaten von Sonde 20 zu berechnen.
1 zeigt drei Radiatorspulen 22, 24 und 26 und drei Sensorspulen 27, 28 und 29 in einer Sonde 20. Es ist jedoch ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf Objektverfolgungssysteme, die eine zwei, vier oder mehr Radiatorspulen und eine, zwei, vier oder mehr Sensorspulen umfassen. Für eine sechsdimensionale Verfolgung von Sonde 20 (drei Translationsgrade und drei Rotationsgrade) umfaßt System 10 jedoch vorzugsweise insgesamt sechs Spulen, wobei sowohl die Radiator- als auch Sensorspulen gezählt werden. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier unter Bezugnahme auf Frequenzmultiplexing der Radiatorspulen beschrieben werden, können die Prinzipien der Erfindung weiterhin ebenso angewendet werden auf Spulen, die zeitgemultiplext sind oder unter Verwendung anderer dem Fachmann bekannter Verfahren gesteuert werden, um ihre jeweiligen Magnetfelder voneinander zu unterscheiden. Die vorliegende Erfindung kann auch zur Verfolgung anderer Objektarten verwendet werden.
In Abwesenheit von parasitären Effekten sind die von Sensorspulen 27, 28 und 29 bei Frequenz ω₁ erzeugten Signale proportional zu der Amplitude der Zeitableitung der Projektion von Feld H ⇀₁, bei Sonde 20 entlang der jeweiligen Achsen der Sensorspulen. Die bei Frequenzen ω₂ und ω₃ erzeugten Signale sind ebenso proportional zu den Projektionen von H ⇀₂ und H ⇀₃. Parasitäre Effekte, die auf Grund gegenseitiger Induktion zwischen den Radiatorspulen auftreten können, werden vorzugsweise im wesentlichen eliminiert, wie zum Beispiel offenbart in der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/IL/00100, eingereicht am 18. März 1997.
Da die Richtung und Amplitude des Magnetfelds auf Grund einer der Radiatorspulen 22, 24 und 26 leicht unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren berechnet werden können, können die Sensorspulensignale auf Grund des jeweiligen Radiatorspulenfelds direkt im Verhältnis zu dem Abstand der Sensorspule von und der Ausrichtung relativ zu der Radiatorspule stehen. Es ist auch ersichtlich, daß in Abwesenheit von parasitären Magnetfeldern, wie sie unten beschrieben sind, die Phasen der Signale bei Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ relativ zu den Phasen der von Radiatorspulen 22, 24 und 26 erzeugten Magnetfelder im wesentlichen konstant sind, unabhängig von der Position und Ausrichtung von Sensorspulen 27, 28 und 29.
Wie jedoch in 1 gezeigt, empfängt der Gegenstand bei Einbringen eines Metalls oder auf das Magnetfeld ansprechenden Gegenstands, zum Beispiel einem chirurgischen Instrument 40, in die Umgebung von Sonde 20 im allgemeinen Energie von Feldern H ⇀₁, H ⇀₂ und H ⇀₃ und strahlt parasitäre Magnetfelder H ⇀'₁, H ⇀'₂ und H ⇀'₃ bei Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ wieder aus. Im allgemeinen werden die Phasen der parasitären Felder relativ zu den Radiatorspulenfeldern jeweils um Phasenwinkel ϕ₁', ϕ₂' bzw. ϕ₃' verschoben. Die Phasen und Amplituden der parasitären Felder hängen im allgemeinen von Eigenschaften von Instrument 40 ab, einschließlich dessen Dielektrizitätskonstante, magnetischer Durchlässigkeit, geometrischer Form und Ausrichtung relativ zu den Radiatorspulen. Obwohl die Phasen der parasitären Felder im allgemeinen in Abhängigkeit von der Position und Ausrichtung des Instruments variieren können, werden die Phasen in bestimmten Fällen im wesentlichen konstant sein, zum Beispiel, wenn Instrument 40 eine geeignete Symmetrie in bezug auf die von Spulen 22, 24 und 26 erzeugten Felder aufweist oder wenn das Instrument Material mit vernachlässigbarem Widerstand aufweist.
Die von Instrument 40 verursachten parasitären Felder rufen die Erzeugung entsprechender parasitärer Signalkomponenten in Sensorspulen 27, 28 und 29 hervor, so daß das von einer der Sensorspulen empfangene Gesamtsignal I(t), einschließlich sowohl der Positions- als auch parasitären Signalkomponenten, im allgemeinen ausgedrückt werden kann als:
wobei A_i, ϕ_i, A_i' und ϕ_i' die Amplitude und Phase der Positionssignalkomponente bzw. der parasitären Signalkomponente bei Frequenz ω_i sind.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß für jede der Signalfrequenzkomponenten I_i die Überlagerung der parasitären Signalkomponente in dem nachgewiesenen Gesamtsignal eine Phasenverschiebung relativ zu der Signalphase in Abwesenheit von Metallinstrument 40 hervorruft, gegeben durch:
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen signalverarbeitende Schaltung 34 und Computer 36 eine Basislinienphase der Signale nach, die von Sensorspulen 27, 28 und 29 in Abwesenheit eines Metalls oder anderen störenden auf das Magnetfeld ansprechenden Objekts in der Umgebung von Sonde 20 empfangen werden und zeichnen diese auf. Alternativ können ungestörte Phasen der Positionssignalkomponenten im Voraus für System 10 bestimmt worden sein, oder sie sind auf Grund des Betriebs des Systems bekannt. Wenn Metallinstrument 40 in die Umgebung von Sonde 20 eingeführt wird, wird die Phasenverschiebung auf Grund der parasitären Komponenten, dadurch in den Signalen erzeugt werden, nachgewiesen, und Computer 36 kann einem Bediener der Sonde eine Meldung vorlegen, die anzeigt, daß die Bestimmung der Position der Sonde ungenau sein kann. Vorzugsweise werden die Amplituden A_i' der parasitären Signalkomponenten gemessen, zum Beispiel wie unten beschrieben, und anschließend verwendet, um eine Fehlerschranke der von Computer 36 bestimmten Positionskoordinaten abzuschätzen und dem Bediener zu melden.
Im allgemeinen wird die Basislinienphase der von Sensorspulen 27, 28 und 29 empfangenen Signale in Abwesenheit von störenden Objekten wie beispielsweise Instrument 40 im wesentlichen konstant sein. Wenn Schaltung 34 ein Signal mit einer veränderlichen Phase empfängt, insbesondere eine zufällig veränderliche Phase, deutet ein derartiges Signal typischerweise auf eine Störung in System 10 hin, zum Beispiel eine lose Verbindung zwischen einer der Sensorspulen und der Schaltung. In einem derartigen Fall sollte Sonde 20 entfernt und repariert werden.
2 veranschaulicht auf schematische Weise ein Verfahren zum Nachweis von Interferenzen auf Grund von Instrument 40 oder auf Grund eines anderen auf das Magnetfeld ansprechenden Gegenstands sowie zur Bestimmung der korrekten Position von Sonde 20 in Anwesenheit einer derartigen Interferenz, gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise werden normalisierte Basisliniensignale zuerst von Computer 36 bei jeder der Frequenzen ω_i in Abwesenheit von Instrument 40 oder einem anderen störenden Gegenstand erfaßt. Anschließend, nachdem das Instrument in die Umgebung der Sonde 20 eingebracht wurde, werden diese Basisliniensignale mit von Sensorspulen 27, 28 und 29 empfangenen Signalen verglichen, zum Beispiel unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren zur Signalkonelation, um die Phasenverschiebungen ϕ_i' zu messen. Vorzugsweise werden die Phasenverschiebungen für unterschiedliche Positionen und Ausrichtungen des Instruments gemessen, um den Umfang festzustellen, in dem die Phasenverschiebungen ϕ_i' je nach Instrumentenposition und -ausrichtung variieren. Wenn sich die gemessenen Phasenverschiebungen als im allgemeinen konstant erweisen (oder auf Grund vorheriger Messungen als im allgemeinen konstant bekannt sind), können sie zum Beispiel verwendet werden, um korrigierte Werte von A_i auf der Grundlage von Formel (1) zu berechnen. Die Position von Sonde 20 wird dann auch in Anwesenheit von parasitären Magnetfeldern auf Grund von Instrument 40 mit ausreichender Genauigkeit ermittelt.
Um Phasenverschiebungen ϕ_i' zu messen, wird Sonde 20 vorzugsweise stillgehalten, während Instrument 40 in ihre Umgebung eingebracht wird. Veränderungen der Amplituden und Phasen der von Sensorspulen 27, 28 und 29 empfangenen Signale sind dann bekanntermaßen mit Verzerrungen des Magnetfelds auf Grund des Gegenstands zu assoziieren. Diese Veränderungen werden nachgewiesen und verwendet zur Messung der Auswirkung der Verzerrungen auf die Bestimmung der Positionskoordinaten der Sonde.
Insbesondere können die nachgewiesenen Veränderungen verwendet werden, um die Phasenverschiebungen ϕ_i' der parasitären Felder relativ zu den Radiatorspulenfeldern zu messen. Wenn Instrument 40 ausreichend symmetrisch ist und/oder Material mit vernachlässigbarem Widerstand umfaßt, werden bei niedrigen RF-Frequenzen, zum Beispiel bis zu 10 kHz, die Phasenverschiebungen ϕ_i' der wieder ausgestrahlten Felder sich mit Bewegen des Instruments nicht wesentlich verändern. Daher kann eine Messung von ϕ_i', die durchgeführt wird, während Sonde 20 in einer gewünschten Position gehalten wird und sich Instrument 40 in einer anderen geeigneten Position in einer Umgebung der Sonde befindet, ausreichen, um in bezug auf die Auswirkung der wieder ausgestrahlten Felder im wesentlichen korrigierte Werte von A_i an allen anderen Positionen von Sonde 20 und Instrument 40, die von Interesse sind, zu berechnen.
In der vorstehenden bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, daß die wieder ausgestrahlten Felder die vorherrschende Quelle von Magnetfeldverzerrungen auf Grund von Instrument 40 sind. Verzerrung der Magnetfeldlinien auf Grund der magnetischen Durchlässigkeit von Instrument 40 führt zu parasitären Magnetfeldkomponenten, die im allgemeinen in Phase mit Feldern H ⇀'₁,H ⇀'₂ und H ⇀'₃ sind und daher schwieriger zu quantifizieren und korrigieren sind.
3 ist ein Vektordiagramm, welches das oben beschriebene Verfahren zur Trennung der Positions- und parasitären Signalkomponenten beschreibt. Signalvektor 50 mit Amplitude (|I_i|) und Phase ϕ_i ^total stellt das Signal dar, das von einer der Sensorspulen bei Frequenz ω_i empfangen wird. Vektor 50 ist die Vektorsumme von Positionssignalkomponenten-Vektor 52 und parasitärem Signalkomponentenvektor 54. Positionssignalkomponente 52 weist Amplitude A_i auf und bekannte, im wesentlichen konstante Phase ϕ_i, der willkürlich der Wert Null zugewiesen wird, ohne dabei an Allgemeingültigkeit zu verlieren. Wenn die Phase ϕ_i' (für die oben beschriebenen Fälle, in denen ϕ_i' als im wesentlichen konstant betrachtet werden kann) von parasitärer Signalkomponente 54 ebenfalls bekannt ist, zum Beispiel durch Messung wie oben beschrieben, dann wird ein Dreieck, definiert von Vektoren 50, 52 und 54 vollständig bestimmt, da alle seine Winkel (ϕ_i, ϕ_i' und ϕ_i ^total) und eine seiner Seiten (|I_i|) bekannt sind. Jeweilige Amplituden A_i und A_i' werden somit eindeutig bestimmt, und die Koordinaten von Sonde 20 können genau ermittelt werden auf der Grundlage der Werte von A_i, bestimmt nach der trigonometrischen Formel:
Das durch 3 veranschaulichte Verfahren geht davon aus, daß die Phasen der parasitären Signalkomponenten relativ zu den Positionssignalkomponenten verschoben werden. Wenn jedoch Instrument 40 oder ein anderer auf das Magnetfeld ansprechender Gegenstand in der Umgebung von Sonde 20 eine magnetische Durchlässigkeit, μ, aufweist, die sich wesentlich von der von Luft unterscheidet, können die Magnetfeldlinien im wesentlichen verzerrt sein, ohne signifikante Phasenverschiebung. In diesem Fall werden Veränderungen der Amplituden der Signale von Sensorspulen 27, 28 und 29 vorzugsweise nachgewiesen, während Instrument 40 in die Umgebung von Sonde 20 eingebracht wird, und verwendet, um eine Fehlerschranke der von Computer 36 in Anwesenheit des Instruments berechneten Positionskoordinaten abzuschätzen. Im allgemeinen wird der Fehler am größten sein, wenn Sonde 20 eng benachbart zu Sonde 40 ist, und mit zunehmendem Abstand zwischen beiden abnehmen.
Es ist ersichtlich, daß, während die oben genannten Verfahren unter Bezugnahme auf ein System beschrieben wurden, das drei Radiatorspulen und drei Sensorspulen umfaßt, diese gleichermaßen auf andere elektromagnetische Objektverfolgungssysteme angewendet werden können, bei denen eine höhere oder geringere Anzahl von Spulen oder Antennen verwendet wird.
Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenso auf Objektverfolgungssysteme angewendet werden können, die auf anderen Arten von elektromagnetischen RF-Feldern beruhen, wobei ein mit dem Objekt assoziierter Sensor Signale erzeugt, deren Amplitude und Phase von der Amplitude und Phase der Strahlungsfelder abhängen.
Darüber hinaus ist erkennbar, daß die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen als Beispiel angeführt wurden und der volle Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche begrenzt wird.

Claims

Objektverfolgungssystem (10), umfassend: einen Radiator (22; 24; 26), der eingerichtet ist, um ein erstes Energiefeld (H₁; H₂; H₃) in der Umgebung des Objekts (20) zu erzeugen; einen an dem Objekt (20) angebrachten Sensor (27; 28; 29), der eingerichtet ist, um Signale (A_i, Φ_i) reagierend auf das erste Energiefeld zu erzeugen; und eine signalverarbeitende Schaltung (34), die eingerichtet ist, um die Signale von dem Sensor (27; 28; 29) zu empfangen und eingerichtet ist, um reagierend darauf Positionskoordinaten des Objekts (20) zu bestimmen, wobei die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um: ein Merkmal eines zweiten Energiefelds (H₁; H₂; H₃) zu bestimmen, das reagierend auf das erste Feld (H₁; H₂; H₃) durch das Einbringen eines auf das erste Feld ansprechenden Gegenstands (40) induziert wird, in der Umgebung des Objekts (20); Signale (I(t)) reagierend auf das erste und das zweite Energiefeld zu empfangen, die nach dem Einbringen des Gegenstands (40) an einer Vielzahl von Stellen des Objekts (20) erzeugt werden; und dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitende Schaltung dazu eingerichtet ist, um: räumliche Koordinaten des Objekts (20) reagierend auf die erzeugten Signale und das bestimmte Merkmal zu bestimmen, wobei die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um das Merkmal zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um eine Phasenverschiebung (A_i, Φ_i) von Signalen reagierend auf das zweite Energiefeld in Bezug auf die Signale reagierend auf das erste Energiefeld zu bestimmen, und wobei die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um räumliche Koordinaten zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um: eine Amplitude (|I_i|) der an einer Stelle des Objekts (20) erzeugten Signale zu bestimmen; die Amplitude zu verarbeiten, um unter Verwendung des bestimmten Merkmals (Φ_i') eine korrigierte Amplitude (A₁) zu ermitteln; und Koordinaten auf der Grundlage der korrigierten Amplitude zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um das Merkmal (Φ_i') des induzierten Energiefelds (H'₁; H'₂; H'₃) zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um: ein erstes Signal (A_i, Φ_i) reagierend auf das Energiefeld (H₁; H₂; H₃) in Abwesenheit des auf das Feld ansprechenden Gegenstands (40) zu empfangen; ein zweites Signal (|I_i|, Φ_i ^total) reagierend auf das Energiefeld zu empfangen, wobei der Gegenstand (40) in die Umgebung des Objekts (20) eingebracht wurde, und das erste und das zweite Signal zu verarbeiten, um das Merkmal (Φ_i') zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um das erste und das zweite Signal zu verarbeiten, indem sie eingerichtet ist, um: eine erste Amplitude (A_i) und eine erste Phase (Φ_i) des ersten Signals zu ermitteln; eine zweite Amplitude (|I_i|) und eine zweite Phase (Φ_i ^total) des zweiten Signals zu ermitteln; und auf der Grundlage der ersten und der zweiten Amplitude (A_i,|I_i|) und der ersten und der zweiten Phase (Φ_i, Φ_i ^total) eine mit dem induzierten Feld (H'₁; H'₂; H'₃) assoziierte Phasenverschiebung (Φ_i') zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitende Schaltung (34) eingerichtet ist, um die Phasenverschiebung (Φ_i') zu ermitteln, indem sie eingerichtet ist, um Werte von (Φ_i') und von einer dritten Amplitude (A_i'), die mit dem induzierten Feld (H'₁; H'₂; H'₃) assoziiert ist, zu ermitteln, im Wesentlichen gegeben durch:
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitende Schaltung eingerichtet ist, um räumliche Koordinaten zu bestimmen, indem sie eingerichtet ist, um: eine unkorrigierte Amplitude (|I_i|) und eine unkorrigierte Phase (Φ_i) der Signale, die an einer der Vielzahl von Stellen des Objekts (20) empfangen werden, zu messen; unter Verwendung der Phasenverschiebung (Φ_i') eine korrigierte Amplitude (A_i) zu ermitteln; und auf der Grundlage der korrigierten Amplitude die Koordinaten zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die korrigierte Amplitude im Wesentlichen gegeben ist durch:
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eingerichtet ist, um eine Störung in einem System (10) zur Verfolgung des Objekts (20) festzustellen, indem sie eingerichtet ist, um eine Veränderlichkeit in einer oder mehrerer der ersten und der zweiten Phasen (Φ_i, Φ_i ^total) zu ermitteln.