估計物體的位置和取向的系統和方法

2023-11-02 01:37:27 3

估計物體的位置和取向的系統和方法
【專利摘要】本發明提供一種用於估計患者的內部的物體的位置和取向的跟蹤系統，該系統包括生成用於導航物體（包括旋轉和平移物體）的磁場的電磁體，所述磁場用於跟蹤物體的位置。物體的位置跟蹤與導航物體同時；或與導航物體交錯。使用相同的電磁體導航和跟蹤保證導航系統和位置跟蹤系統之間的坐標系統配準。附連到物體的跟蹤傳感器至少包括響應由電磁體生成的時變跟蹤磁場生成信號的單線圈。迭代算法用於從傳感器的信號估計位置和取向。通過將計算的電壓波形應用到電磁體線圈產生跟蹤電磁體中的線性時變電流。
【專利說明】估計物體的位置和取向的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及確定位於活體的身體內部或外部的物體、例如醫療裝置的位置和取向的方法和裝置。更具體地，本發明能夠通過在具有作為線圈的至少一個感測元件的傳感器中測量由時變磁場感生的電勢估計各種醫療裝置(例如，導管、手術器械、內窺鏡、非系留膠囊等)的位置和取向。本發明還改善了確定物體的位置和取向所需的磁場的生成。
【背景技術】
[0002]各公司(例如Stereotaxis公司；Magnetecs公司)所採用的遠程磁導航系統(RMNS)是用於導管插入、內窺鏡檢查、內窺鏡膠囊(「藥丸式攝影機(video pill)」)和其它微創程序中的新興技術。
[0003]具有磁性尖端的導管可以在患者內被操縱而不需要電生理學家手動地操作導管。不同於其它機器人導航技術，通過用磁場操縱遠側尖端來控制導管。該技術已被證明減少醫生和患者暴露於輻射和程序的時間，並且能夠以增加的安全性和效率更精確地導航血管系統[Pappone C and Santenelli V, Safety and efficacy of remote magnetic ablationfor atrial fibrillation, J Am Coll Cardiol.2008 年 4 月 22 日；51 (16): 1614-5]。另外，遠程磁導航增加導管穩定性，同時減小成功地執行消融所需的溫度[Davis DR, Tang AS等,Remote magnetic navigation-assisted catheter ablation enhances catheterstability and ablation success with lower catheter temperatures, Pacing ClinElectrophysiol.2008 年 3 月；31(7):893-8]。
[0004]醫院中的傳統導管室依賴於由醫生手動地放置和操縱導管。在介入性心臟病學中，使用導管以繪圖心血管系統並且通過包括消融的各種方法矯正心律不齊和心房纖顫，以及其它心臟相關問題。患者被置於螢光透視系統、例如C形臂之下以給予電生理學家關於導管的定位的實時反饋。在手動程序中，醫生由於輻射暴露而必須穿戴鉛圍裙，而使用RMNS，操作者可以在屏蔽室中或在另一位置處經由網絡連接進行該程序。然後使用消融導管燒灼心臟組織中的疤痕以矯正不規則心律。除了消融以外，心臟病學家使用導絲(guidewire)和導管將支架和其它裝置放置在解剖結構中。遠程磁導航通過使用鄰近患者放置的大電磁體來操作，並且由電磁體產生的磁場的變化將患者內的導管的尖端偏轉到期望方向。導管自身由諸如操縱杆的遠程控制器而不是醫生的手推進。
[0005]截止2009年I月，根據Stereotaxis網站總共18，000個臨床病例由磁導航執行，併發症發生率小於0.1%,佔使用手動和其它機器人導航系統出現的併發症的很小比例。
[0006]另一系統由Magnetecs公司提出。該機器人導管引導控制和成像(CGCI)系統的特徵在於由處於空間配置的八個靜止電磁體組成的電磁陣列，其能夠導航帶磁性尖端的導管。CGCI系統的益處包括由於快速導管操作能力、用於醫生的實時3D和視覺反饋引起的總程序時間的顯著減小以及與自動導管控制相組合的系統的綜合實時多媒體成像。CGCI結構內的磁場不需要在手術室中增加昂貴的磁屏蔽。對X射線的暴露對患者來說得以減小並且對醫生來說得以消除。CGCI系統具有兩個標準控制模式:手動磁模式和自動磁控制模式。操縱杆控制手動磁模式提供圍繞室引導導管尖端的響應方式。自動磁模式給予操作者圖位置的點擊靶向。在自動磁模式下，CGCI邏輯例程計劃到達靶向位置的路徑，確定最佳接觸方向，並且引導導管尖端直到它進行緊密和連續組織接觸。CGCI系統使用靜態圖幾何學計劃引導路徑，當其經過被選擇圖位置時所述引導路徑將使導管尖端與移動組織接觸。(可以在 Magentecs 網站 http://magnetecs.com 中找到附加信息)。
[0007]這些磁導航系統使用輔助跟蹤系統，該輔助跟蹤系統跟蹤物體以便允許物體位置和取向的磁控制。因此Stereotaxis Niobe 磁導航系統與Biosense CARTO RMT系統的整合允許磁操縱導管的閉環導航。CARTO RMT系統實時地跟蹤導管的位置並且與Niobe系統共享該信息，允許醫生從控制室導航導管。(可以在http://www.biosensewebster.com/products/navigation/cartormt.aspx中找到附加信息)。CARTO跟蹤系統具有若干限制一它使用具有三個正交線圈的固體傳感器，其不能與內腔導管或很小導絲一起使用；它使用電磁線圈生成用於跟蹤的磁場，這可能會干擾磁導航系統的磁線圈；由於磁導航系統和跟蹤系統使用不同磁場執行它們的任務，因此需要配準兩個坐標系統(即，定義兩個系統之間的坐標變換)。
[0008]用於MRI的EndoScout跟蹤系統(Robin Medical公司)使用掃描器的梯度場作為用於跟蹤的參考場，並且因此與掃描器沒有電磁幹涉並且不需要配準跟蹤系統和MRI掃描器(可以在www.robinmedical.com中找到附加信息)。類似於CARTO跟蹤傳感器,EndoScout跟蹤傳感器是包含至少3個正交微線圈的固體傳感器，其不能在導絲中和內腔導管中使用。
[0009]如授予Nevo的美國專利第6，516，213號中所述，MRI掃描器中的梯度線圈的激勵提供估計具有至少3個正交線圈的傳感器的位置和取向所需的數據。估計過程是基於測量和預測傳感器信號之間的差值的最小化。這可以通過各種最小化方法完成，例如測量和預測傳感器信號之間的差值的 平方和的最小化(最小二乘法)。每個傳感器線圈中的測量信號分別與通過每個線圈的磁通量的時間導數線性相關(法拉第感應定律)。因此測量信號可以與參考信號比較，所述參考信號從掃描器中的梯度場的已知分布、梯度激勵的已知模式和跟蹤傳感器的已知幾何形狀計算。
[0010]如Roth和Nevo的專利申請WO 2009/087601A2中進一步所述，用於跟蹤的附加梯度激勵可以在有或沒有用於成像的梯度激勵的情況下被使用以改善跟蹤系統的性能並且以更快的更新速率獲得更精確的跟蹤。
[0011]Roth和Nevo的、名稱為「在磁共振成像期間估計物體的位置和取向的方法和裝置(method and apparatus to estimate location and orientation of objects duringmagnetic resonance imaging)」的美國申請20100280353A1公開一種用於估計醫療裝置、例如導管的位置和取向的方法，該方法包括基於命令參數處理由梯度線圈的激勵生成的磁場的瞬時值以用於物體跟蹤。基於磁共振成像(MRI)掃描器的梯度場的跟蹤基於跟蹤系統的被動操作而沒有掃描器的硬體或操作模式的任何變化。為了獲得更好的跟蹤性能，公開一種產生定製MRI脈衝序列的技術。通過該技術掃描器的任何標準脈衝序列可以被修改以包括專門設計用於跟蹤的梯度激勵。以不影響原序列的圖像質量的方式加入這些跟蹤梯度激勵。由於附加梯度激勵，掃描時間可以保持與原序列相同或更長。跟蹤系統自身可以使用所有梯度激勵(用於成像的梯度激勵和用於跟蹤的梯度激勵)或消除一些梯度並且鎖定於加入到定製脈衝序列的特定梯度激勵上。
[0012]Shachar等人的、名稱為「診斷和治療磁推進膠囊及其使用方法(diagnostic andtherapeutic magnetic propulsion capsule and method for using the same)，，的美國專利申請20110301497公開一種由外部AC/DC磁梯度葉發生器和包含在膠囊內的一組唯一磁化鐵導電元件之間的強電磁相互作用驅動的導向醫療推進膠囊。在磁引導場發生器在人體的外部的情況下，該膠囊無線地被導航通過人體的內腔或腔體而沒有任何物理接觸以用於醫療診斷、藥物輸送或其它程序。該膠囊配備有至少兩組磁環、盤和/或板，每組具有各向異性磁性質。外部磁梯度場提供根據操作者的命令使膠囊在身體內腔和腔體中移動、傾斜和旋轉所需的作用於內部導電和磁元件上的梯度力和旋轉扭矩。

【發明內容】

[0013]需要一種磁導航和位置跟蹤整合系統，其消除了系統配準的需求並且因此增加系統的精度。
[0014]也需要一種系統和方法，其能夠提供單線圈的定位和定向從而能夠將跟蹤傳感器整合在導絲和內腔導管的外表面上並且消除了坐標系統配準的需求。
[0015]本發明的一個目的是提供一種用於確定移動通過三維空間的物體的瞬時位置和取向的方法和裝置，所述方法和裝置在一個或多個以上方面中有優勢。
[0016]在本申請中，公開新跟蹤方法和裝置。所公開的方法和系統可以用於估計在RMNS的操作場的內部的物體的位置和取向。
[0017]在本發明中，生成用於導航物體(包括旋轉和平移物體)的磁場的電磁體用於跟蹤物體的位置。位置跟蹤物體可以與導航物體同時進行；或者跟蹤物體可以與導航物體交錯。通過使用相同的電磁體導航 和跟蹤物體，不需要導航系統和位置跟蹤系統之間的坐標系統配準。
[0018]根據本發明的示例性實施例，用於測量瞬時磁場的傳感器可以包括線圈組件，所述線圈組件包括具有相對於傳感器的已知取向的軸的一個或多個線圈。
[0019]根據本發明的示例性實施例，傳感器可以包括在已知取向上定向的多個傳感器線圈，並且數據處理可以包括將主機系統中的每個電磁體的參考磁場圖存儲在存儲器中，並且同時通過與電磁體的已知參考磁場圖和傳感器線圈的已知相對取向一起處理由跟蹤模式磁場激勵生成的磁場的被測量瞬時值，來估計傳感器的位置和取向。
[0020]根據本發明的示例性實施例，傳感器可以包括具有一個線圈的線圈組件。在一些實施例中，傳感器中的單線圈可以是平面的，在其它實施例中它可以是非平面線圈。在一些實施例中，每個傳感器包括一對傳感器線圈，其中這一對中的第一傳感器線圈與這一對中的第二傳感器線圈平行、但側向間隔開。在一些實施例中，每個傳感器包括兩個或更多個傳感器線圈，其中所有線圈以已知取向和位置定位在傳感器中。傳感器可以是有源傳感器(例如霍爾效應傳感器)、無源傳感器(例如線圈傳感器)或任何其它合適的傳感器。在一些實施例中，物體可以是為了醫學診斷或治療目的在人的身體中移動的醫療器械。例子包括與在身體的外部的接收器無線通信的導管、內窺鏡和膠囊。
[0021]根據本發明的另外的附加示例性實施例，系統還可以包括用於觸發跟蹤模式電磁體激勵信號的觸發機構。在一些實施例中，跟蹤模式電磁體激勵信號是雙模信號。[0022]在一些實施例中，物體是具有用於跟蹤傳感器和信號調節和信號處理源的有限空間的可攝入膠囊。優選激勵波形中的一種是三角電流信號。具體地，電流的線性變化可以是優選的。應當注意激勵電流的三角波形僅僅是一個優選的可選波形。三角激勵波形的優點是在傳感器線圈中感生的信號的所導致的平的平穩階段。該坪可以減小例如由導航系統的外部磁體引起的各種偽影和噪聲。
[0023]因此，本發明還提供通過將特定波形輸入電壓信號施加到大線圈生成基於線圈的磁場發生器的內部的磁場的線性時間變化的可選方法。從以下參數計算電壓信號:線圈中的峰值(最小和最大)電流；這些峰值之間的時間間隔，線圈的電阻和線圈的電感。
[0024]根據本發明的示例性實施例，提供一種用於跟蹤身體內的物體的位置的方法，所述方法包括將磁傳感器附連到物體；將所述物體定位在身體內的三維空間內；使用跟蹤電磁體在所述三維空間內生成至少五個時變跟蹤磁場，所述至少五個磁場包括:三維空間內的至少兩個大致空間均勻場；以及三維空間內的至少三個空間梯度場；為所述生成的時變磁場的每一個產生磁場圖，所述圖繪製所述三維空間中的各位置處的相應磁場向量；測量所述磁傳感器對所述至少五個時變磁場的響應；使用所述磁場圖和所述磁傳感器對所述至少五個時變磁場的所述被測量的響應來估計所述物體在所述三維空間內的三維位置和至少二維取向。
[0025]在一些實施例中，估計所述物體的位置和取向包括使用迭代估計算法。
[0026]在一些實施例中，估計位置和取向包括最小化所述磁傳感器的所述被測量響應和使用所述磁場圖計算的預期響應之間的差異。
[0027]在一些實施例中，所述磁傳感器包括至少一個磁檢測器。
[0028]在一些實施例中，所述傳感器包括彼此空間地移位的至少兩個磁檢測器。
[0029]在一些實施例中，所述磁傳感器包括具有相對於彼此不同的取向的至少兩個磁檢測器。
[0030]在一些實施例中，估計所述物體的位置和取向包括估計所述至少兩個磁檢測器的每一個的位置。
[0031]在一些實施例中，所述物體是非剛性的，使得當所述物體改變其形狀時所述至少兩個磁檢測器改變以下的至少一個:它們的相對取向和它們的相對位置。
[0032]在一些實施例中，估計所述非剛性物體的位置和取向還包括估計限定所述非剛性物體的形狀的變化的至少一個參數。
[0033]在一些實施例中，所述非剛性物體是撓性導管；所述至少兩個磁檢測器沿著所述導管位於已知距離處；限定所述非剛性物體的形狀的變化的所述至少一個參數包括所述導管的撓曲。
[0034]在一些實施例中，所述磁檢測器中的至少一個是霍爾效應探頭。
[0035]在一些實施例中，所述磁檢測器中的至少一個是線圈。
[0036]在一些實施例中，測量所述磁檢測器的響應包括測量響應所述時變磁場在至少一個線圈中感生的電壓。
[0037]在一些實施例中，所述方法還包括:由導航電磁體生成導航磁場；以及通過在所述物體上施加由所述導航磁場引起的力在所述三維空間內導航所述物體。
[0038]在一些實施例中，所述導航磁場中的至少一個和所述跟蹤磁場中的至少一個由相同的電磁體生成。
[0039]在一些實施例中，所述導航磁場和所述跟蹤磁場由相同的一組電磁體生成。
[0040]在一些實施例中，所述電磁體包括至少一對亥姆霍茲(Helmholtz)線圈。
[0041]在一些實施例中,所述電磁體包括具有鐵磁芯的至少一對電磁體。
[0042]在一些實施例中，所述電磁體包括在所述身體的外部的至少三個對置電磁體對，所述三個對置電磁體對的每一對配置成在所述三維空間內生成一組磁場，其中所述組的每一個能夠生成均勻場和梯度場。
[0043]在一些實施例中,通過針對一對對置電磁體的每個電磁體在相同方向上流動的電流激勵所述對對置電磁體，來生成所述均勻場。
[0044]在一些實施例中,通過針對一對對置電磁體的每個電磁體在相反方向上流動的電流激勵所述對對置電磁體，來生成所述梯度場。
[0045]在一些實施例中，所述方法還包括用不同電流激勵所述對置電磁體對中的至少一對對置電磁體。
[0046]在一些實施例中，所述至少三個電磁體對相對於其它對的每一對大致正交地定位。
[0047]在一些實施例中，實時地執行迭代優化過程以確定所述物體的瞬時位置和取向。
[0048]在一些實施例中，生成所述時變跟蹤磁場包括順序地生成所述時變磁場。
`[0049]在一些實施例中，所述順序生成的所述時變磁場中的至少一個包括所述場隨著時間線性地變化的至少一個持續時間；並且所述磁檢測器中的至少一個是線圈，使得在所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間期間所述磁檢測器對所述時變磁場的響應是大致恆定的電壓。
[0050]在一些實施例中，所述物體是在體腔內的非系留物體。
[0051]在一些實施例中，所述物體是可攝入藥丸。
[0052]在一些實施例中，所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間與用於導航所述物體的大致恆定場重疊。
[0053]在一些實施例中，所述時變磁場包括所述場隨著時間線性地變化的多個持續時間。
[0054]在一些實施例中，所述時變磁場包括三角波形。
[0055]在一些實施例中，隨著時間線性地變化的場如下產生，即；通過用由受控電壓源產生的隨著時間線性地變化的電流來激勵至少一個電磁體，所述受控電壓源在所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間期間在所述磁檢測器的所述線圈中產生隨著時間線性地變化的電壓。
[0056]在一些實施例中，所述受控電壓源配置成產生Vin(t) = {R.(il_i0)/(tl-tO)}.t+{L.(il-1O) / (tl-tO) +R.[iO]的電壓波形；t0〈t〈tl,其中:Vin (t)是電壓時變波形是時間變量；t0和tl分別是所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間的起點和終點；R是所述電磁體電路迴路的總電阻山是所述電磁體電路迴路的總電感；i0是在時間t0處的電流；以及il是在時間tl處的電流。
[0057]除非以另外方式限定，在本文中使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。儘管與本文中所述的類似或等效的方法和材料可以用於實施或測試本發明，但是下面描述合適的方法和材料。在矛盾的情況下，包括定義的專利說明書將主導。另外，材料、方法和例子僅僅是示例性的並且不旨在限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0058]在本文中參考附圖僅僅通過例子描述本發明的一些實施例。現在詳細地具體參考附圖，應當強調的是所示的細節僅僅作為例子並且僅僅為了舉例說明本發明的優選實施例，並且被呈現是為了提供被認為是本發明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述的內容。在這方面，未試圖比基本理解本發明更為詳細地顯示本發明的結構細節，結合附圖進行的描述使本領域的技術人員可以理解到如何可以在實踐中實施本發明的若干形式。
[0059]在附圖中:[0060]圖1示意性描繪根據本發明的實施例的遠程磁導航系統(RMNS)的方塊圖。
[0061]圖2A示意地顯示僅僅用於跟蹤的RMNS電磁體的激勵模式。
[0062]圖2B示意性地描繪用於導航和跟蹤的RMNS電磁體的激勵模式。
[0063]圖3A示意性地描繪具有單線圈的傳感器。
[0064]圖3B示意性地描繪具有兩個傳感器線圈的傳感器。
[0065]圖3C示意性地描繪具有兩個傳感器線圈的撓性導管。
[0066]圖3D示意性地描繪具有四個傳感器線圈的撓性導管。
[0067]圖3E示意性地描繪具有單個、非平面傳感器線圈的傳感器。
[0068]圖3F示意性地描繪具有兩個非平行傳感器線圈的傳感器。
[0069]圖3G示意性地描繪具有成三對布置的六個傳感器線圈的傳感器的分解3D視圖，其中每一對中的線圈大致沿著相同軸線定向並且沿著所述軸線彼此移位，並且所述對被定向成使得它們的軸線大致彼此正交。
[0070]圖4A示意性地描繪跟蹤和導航系統中的電磁體對的可能配置。
[0071]圖4B(i)示意性地描繪跟蹤和導航系統中的六電磁體對的可能配置的前視圖。
[0072]圖4B(ii)示意性地描繪在圖4b(i)中看到的跟蹤和導航系統中的六電磁體對的配置的側視圖。
[0073]圖5示意性地描繪電磁體激勵電路的等效圖。
[0074]圖6A示意性地描繪顯示作為時間的函數的示例性三角電磁體激勵電流的曲線。
[0075]圖6B示意性地描繪顯示激發在圖6A中看到的電流所需的作為時間的函數的示例性三角電磁體激勵電壓的曲線。
[0076]圖7A示意性地描繪顯示作為時間的函數的示例性非對稱電磁體激勵電流的曲線。
[0077]圖7B示意性地描繪顯示激發在圖7A中看到的電流所需的作為時間的函數的示例性非對稱電磁體激勵電壓的曲線。
【具體實施方式】
[0078]在詳細地解釋本發明的至少一個實施例之前，應當理解本發明不必在其應用上被限制到在以下描述中闡述或由例子例示的細節。本發明能夠具有其它實施例或者以各種方式實施或實現。[0079]術語「包括」、「包含」和「具有」以及它們的同源詞表示「包括但不限於」。
[0080]術語「由...組成」具有與「包括並且限於」相同的含義。
[0081]術語「基本上由...組成」表示組成、方法或結構可以包括附加成分、步驟和/或部分，但前提是附加成分、步驟和/或部分不實質上改變所述組成、方法或結構的基本和新穎特性。
[0082]當在本文中使用時，單數形式「一」和「所述」包括多個引用項，除非上下文清楚地另外指示。例如，術語「化合物」或「至少一種化合物」可以包括多種化合物，包括它們的混合物。
[0083]在整個本申請中，本發明的各實施例可以以範圍格式呈現。應當理解以範圍格式進行描述僅僅是為了方便和簡潔並且不應當被理解為對本發明的範圍的固定限制。因此，範圍的描述應當被認為具體地公開所有可能的子範圍以及在該範圍內的單獨數值。
[0084]應當領會為了清楚起見在分開的實施例的上下文中描述的本發明的某些特徵也可以在單個實施例中組合地被提供。相反地，為了簡潔起見在單個實施例的上下文中描述的本發明的各特徵也可以獨立地或在任何合適的子組合中或視情況在本發明的任何其它所述實施例中被提供。在各實施例的上下文中所述的某些特徵不應當被認為是那些實施例的基本特徵，除非在沒有那些元件的情況下實施例無效。
[0085]在下文所述的各圖的論述中，相似的附圖標記表示相似的部分。附圖通常不按比例繪製。為了清楚起見，從一些附圖省略非必要元件。
[0086]本發明公開了在遠程磁導航系統(RMNS)中跟蹤具有至少一個線圈的傳感器的位置的裝置、方法和系統，所述遠程磁導航系統具有電磁體，該電磁體可以被激勵以操縱活體的身體的內部的物體的位`置和/或取向。所公開的系統、方法和裝置能夠通過使用磁傳感器、例如一組附連到物體的一個或多個小型線圈估計物體的位置和取向。
[0087]示例性實施例僅僅使用組中的一個線圈。然而更複雜的線圈組、例如兩個或更多個線圈的組可以改善跟蹤的精度。下面公開單線圈傳感器和具有一個以上線圈的跟蹤傳感器。
[0088]附連到物體的位置傳感器的完整(6個自由度)跟蹤需要確定傳感器的取向和位置。單傳感器線圈的取向可以由至少兩個大致空間均勻、時變、磁場確定，所述磁場在大致不同方向，取決於線圈和磁場的每一個之間的相對取向，在線圈中感生電勢。在一些實施例中空間均勻、時變、磁場大致彼此相互正交。取向的確定不需要事先知道線圈的位置，原因是假設磁場是空間均勻的。一旦線圈的取向被確定，它的位置可以由梯度場的連續激勵確定。在梯度場中，場幅度在空間中變化。當沿著坐標系統的三個軸變化的三個梯度場被激勵時，線圈中的感生電壓可以用於確定它的位置。因此，單線圈的位置和取向可以由3個正交梯度場和至少兩個正交均勻場的連續施加來確定。不能確定平面線圈的軸向旋轉，原因是通過平面線圈的感應不會隨著線圈的軸向旋轉而變化，因此跟蹤提供傳感器的5個自由度(DOF) (3個位置坐標和2個取向坐標)位置。
[0089]如果需要傳感器的所有6個D0F，則可以使用非平面單線圈，或可以使用至少兩個線圈。為了獲得非平面單線圈的6個未知位置參數，需要至少6個場激勵，例如在大致不同方向的3個梯度場和在大致不同方向的3個均勻場。在一些實施例中梯度磁場大致彼此相互正交。在一些實施例中空間均勻、時變、磁場大致彼此相互正交。如果使用配備有兩個線圈的傳感器，則需要至少3個場激勵以確定6個未知位置參數。然而，可以使用更多的場激勵以便提供比未知參數更多的測量，其可以由諸如線性最小二乘(或本領域中已知的其它優化算法)的用於超定數據集的方法解決。
[0090]本發明也提供使用主機RMNS的磁場(其主要用於導航物體，即，移動它或旋轉它)進行位置跟蹤的方法。因此，不需要與其它跟蹤/導航系統中一樣進行導航和跟蹤系統之間的坐標系統配準。在本領域中已知的系統中，具有獨立坐標系統的獨立發射器可能需要配準到主機的坐標系統。在本發明中，使用相同電磁體生成主機系統和跟蹤系統的場提供在精度上的明顯改善，原因是配準中的小誤差可能導致明顯的跟蹤誤差。另外，本發明不需要用於位置跟蹤的附加場發生器，並且消除跟蹤系統和導航系統之間的可能電磁幹擾。附加場發生器的消除可以減小系統成本和/或複雜性。替代地，生成用於跟蹤的磁場的獨立電磁體可以被使用並且與主機RMNS的磁體機械地整合以保證跟蹤系統和RMNS的坐標系統的固定配準。
[0091]系統和磁場配置
[0092]現在參考圖1，該圖是根據本發明的實施例的遠程磁導航系統(RMNS) 100的示意和方塊圖。RMNS100包括激勵系統40、跟蹤模塊10和物體16。物體16可以是醫療裝置，例如導管、手術器械、內窺鏡、非系留膠囊或可以插入活體的身體中的任何其它裝置。激勵系統40包括激勵單元41、激勵控制器48、激勵處理器44和顯示器46。激勵單元41包括大致彼此相對定位的一組電磁體42。活體的身體(為了圖清楚起見在該圖中不可見)可以置於該組電磁體42內，並且物體16可以定位在身體上或之中，並且由跟蹤模塊10跟蹤。激勵控制器48控制電磁體42，並且用於激勵電磁體42的參數變化。例如，幅度和/或方向可以通過激勵控制器48變化。激勵處理器44可以接收來自跟蹤模塊10的數據20，可以將數據50發送到跟蹤模塊10，並且可以將被接收數據發送到激勵控制器48以便基於被接收數據改變激勵參數。附加地或替代地，激勵處理器44可以將被接收數據發送到顯示器46以能夠經由操作者的視覺反饋控制導航。跟蹤模塊10包括跟蹤處理器12、整合或附連到物體16的傳感器14、在傳感器14和跟蹤處理器12之間的電子接口單元18以及跟蹤輸出20。來自傳感器14的數據經由電子接口單元18發送到跟蹤處理器12。這些數據然後可以發送50到激勵處理器44並且隨後進行處理並且用於激勵電磁體42。替代地，這些數據可以被發送到激勵處理器44並且然後用於經由顯示器46顯示傳感器14的位置和/或取向。
[0093]在本發明的示例性實施例中，激勵系統40的電磁體42可以順序地操作以生成用於磁導航(導航模式激勵)的磁場和用於跟蹤物體16 (跟蹤模式激勵)的磁場，或者激勵模式可以設計成能夠導航和位置跟蹤。
[0094]如果電磁體42以對置對定位，則它們可以在兩個不同模式下操作以產生兩個不同類型的場:
[0095]在第一模式下，每一對的兩個電磁體由在相同方向上流動的電流激勵，這導致電磁體對之間的大均勻場；以及
[0096]在第二模式下，兩個電磁體由在相反方向上流動的電流激勵，這導致具有每一對中的兩個電磁體之間的磁場幅度的逐漸變化的梯度場。
[0097]這兩個場(均勻場和梯度場)被認為是用於每一對對置電磁體的一組場。電磁體激勵的更一般模式可以 包括由具有不同幅度並且在相同或相反方向上的電流激勵兩個電磁體，導致兩個電磁體之間的磁場分布的各種圖案。
[0098]如果單個、可移動對的電磁體由RMNS使用(例如與Stereotaxis公司的Niobe系統中一樣)以能夠跟蹤位置傳感器，則該對可以相對於正在治療的人以不同取向定位以便生成至少三組磁場，其中每組磁場具有與其它組的場相互正交的分量。
[0099]如果若干對對置磁體由RMNS使用(與Magnetecs公司的CGCI系統中一樣)，則不同的電磁體對可以順序地被激勵以便生成至少三組磁場，其中每組磁場具有與其它組的場相互正交的分量。替代實施例包括使用獨立電磁體進行導航和位置跟蹤，其中不同電磁體被機械地整合以提供兩組電磁體之間的固定幾何關係並且因此保證兩組之間的坐標系統配準。
[0100]儘管連續地需要物體16的位置跟蹤以能夠導航，但是激勵用於導航的電磁體可能長時期不需要，或者可以在較長時間期間使用恆定電流(穩態激勵)以導航物體16。為了適應導航和連續跟蹤的需要，電磁體可以被控制以在兩個模式下操作:導航模式激勵和跟蹤模式激勵。導航模式激勵可以能夠進行位置跟蹤，例如如果通過脈動場激勵進行導航的話(例如使用脈衝寬度調製(PWM))。然而，如果電磁體被激勵持續較長時期以便將物體從一個位置移動到另一位置或旋轉它，則快速、雙模激勵可以被疊加以能夠進行位置跟蹤。
[0101]在本發明的一些實施例中，系統100還包括導航處理器和用戶輸入(在該圖中不可見)。可選地，用戶可以使用用戶輸入將物體16引導到期望位置和/或取向。可選地導航處理器中的閉合反饋迴路比較由系統100估計的物體16的實際位置和/或取向和由用戶輸入的期望參數並且當需要時通過相應地激勵電磁體發出矯正動作。
[0102]圖2A顯示僅僅用於跟蹤的RMNS電磁體的激勵模式。
[0103]頂部曲線210示意性地描繪電磁體中的電流，和因此由電磁體生成的生成磁通量。不同類型的線(點線211、短劃線212和實線213)描繪順序地激勵的三個不同電磁體的激勵電流。應當注意不同電磁體的激勵不需要在幅度、斜率和重複率(重複時間255的倒數)上相同。不同電磁體的激勵可能不是相鄰的。在示例性實施例中不同電磁體的激勵不重疊以避免幹擾。也可以使用非對稱波函數。
[0104]底部曲線230示意地描繪在傳感器線圈處測量的電壓信號。不同類型的線(點線231、短劃線232和實線233)描繪響應順序地被激勵的相應三個不同電磁體的激勵在傳感器處的信號。
[0105]應當注意在傳感器線圈處生成的信號與穿過線圈的磁通量的變化率成比例。因此，信號與電磁體激勵的時間導數大致成比例。傳感器的信號的幅度取決於電磁體激勵的幅度、線圈尺寸和匝數以及其它變量，例如相對於電磁體的線圈位置和取向。因此，一般而言，響應於每個電磁體的激勵而生成的信號是不同的。應當注意圖形的刻度(時間和幅度)僅僅用於示例目的。
[0106]圖2B示意性地描繪用於導航和跟蹤二者的RMNS電磁體的激勵模式。
[0107]然而，如果物體將不移動並且電磁體未被激勵以用於導航，當需要導航動作時，可以使用用於跟蹤的快速雙模激勵。為了圖清楚起見，在該圖中僅僅描繪一個電磁體的激勵(和傳感器響應)。
[0108]頂部曲線240示意性地描繪電磁體中的電流，和因此由電磁體生成的生成磁通量。[0109]在所示的例子中，低幅度跟蹤激勵241的快速重複(僅僅標示四個)疊加在高幅度、較慢重複的導航激勵242上。一般而言，儘管只有當物體16將移動時才使用導航激勵，但是每當物體將被跟蹤時使用跟蹤激勵。
[0110]底部曲線260示意性地描繪在傳感器線圈處測量的電壓信號。
[0111]線圈的信號中的平部分(例如261a和261b)由電磁激勵中的恆定斜率(271a和271b)導致。每當導航和跟蹤激勵的斜率重合272時產生複雜的線圈的信號圖案(例如262)。
[0112]在以下描述中，用於跟蹤的電磁體可以是用於物體導航的相同電磁體，或與RMNS的電磁體機械地整合的單獨的電磁體。
[0113]在優選實施例中，位置跟蹤傳感器包括具有很多圈導線的至少一個線圈。替代磁傳感器、例如霍爾效應傳感器可以用於監測生成的磁場。
[0114]當一對對置電磁體42被激勵時,生成時變、空間磁場g(t, X，y, z),其中x, y, z是沿著RMNS坐標系統的三個軸X，Y, Z的坐標，並且t是時間變量。
[0115]由電磁體生成的磁場可以從場圖被計算，所述場圖通過模擬生成或者通過在電磁體的激勵期間測量多個位置的磁場幅度和方向而在RMNS的操作場內的不同位置測得。這些圖可以以各種格式存儲，例如作為三個自變量(位置X，y，z)的函數的三個因變量(在磁場向量S的X，Y, Z方向上的磁場分量)的陣列。特定電磁體中的電流表示由該電磁體生成的磁場的時間變化，因此 作為時間和位置的函數的磁場&(t，x，y，z)可以通過磁場圖值乘以電流時變信號來表不。
[0116]為了正確操作，優選的是激勵處理器44和跟蹤模塊10將被同步。也就是說每個場激勵的定時優選地已知，使得信號231-233的測量可以在適當定時執行，並且可以正確地被解釋，以產生物體的位置和/或取向。在一些實施例中，在對應於跟蹤電磁體激勵中的恆定線性變化271a的信號的平坦部分261a期間執行測量。該同步可以使用在圖1中看到的數據交換線20和/或50實現。替代地，來自傳感器線圈(或多個線圈)的信號可以被監視並且從這些信號提取定時信息。例如同步可以使用本領域中已知的鎖相迴路(PLL)電路實現。在這些實施例中，跟蹤模塊10可以獨立於激勵系統40，並且在這些情況下跟蹤模塊10還可以包括顯示器和其它用戶的輸入和輸出裝置。
[0117]在一些實施例中，例如其中物體是可攝入膠囊，同步可以無線地進行，例如經由優選地在患者的外部的跟蹤處理器12和(至少在某種程度上)在可攝入膠囊的內部的電子接口單元18之間的RF連結。在可攝入膠囊中，從傳感器的信號導出的同步僅僅需要膠囊中的發射器發射被檢測信息，而不是用於同步和被測量數據的雙向通信。
[0118]應當注意激勵電流的三角波形僅僅是一個優選的可選波形。應當注意可以使用其它波形，例如(但不限於)三角、正弦等。三角激勵波形的優點是在傳感器線圈中感生的信號的所導致的平穩階段261。該平穩階段可以減小例如由導航系統的外部磁體引起的各種偽影和噪聲。
[0119]在一些實施例中，例如其中物體是可攝入膠囊，其具有很有限的空間用於線圈和信號調節和信號處理源，減小噪聲和幹擾可能更重要。
[0120]圖3A示意性地描繪具有單線圈142的傳感器14。
[0121]在一個實施例中，如圖3A中所示，傳感器14包括一個感測線圈142。時變磁場B(t, x, y, z)在感測線圈142中感生電勢，並且感生電勢V的幅度與通過線圈的磁通量O的時間導數相關，所述磁通量由法拉第感應定律給出:
[0122](I) V=-d Θ /dt
[0123]通過感測線圈142的磁通量由在線圈的位置處由B(t，X，y, z)表示的磁場幅度、線圈面積(A)以及磁場向量方向和由垂直於線圈的平面的單位方向向量η所表不的線圈的取向之間的角確定:
[0124](2) Θ (t, X, y, z) =B(t, x, y, ζ).n A
[0125]其中.表示向量點積。典型的感測線圈142具有多個線匝以增加它的感應性，因此面積A表示線圈的總感應面積。
[0126]通過使用方程1-2，可以預測由時變磁場在線圈中感生的電勢Vp:
[0127](3) Vp=-d[B(t, x, y, ζ).n A]/dt
[0128]磁場g(t，x，y, ζ)由RMNS的外部電磁體的重複激勵生成。可以使用各種激勵模式。例如，對於單線圈傳感器優選地激勵至少5個不同的場以便估計5個未知位置參數(3個坐標和方向向量)。附加激勵可以用於通過求解超定估計問題(即，數據點的數量大於未知量的數量)改善跟蹤精度。
[0129]例如，在如美國專利申請US 2011/0301497中公開的RMNS系統中6個不同的電磁體可以連續地被激勵以生成用於跟蹤的6個不同的磁場。在該情況下，2匕17，2)場可以由這6個磁場表不:
[0130](4) B(t, X，y, z)=Bl (t, x, y, z)+B2(t, x, y, z)+B3(t, x, y, z)+B4(t, x, y, z)+B5(t,x, y, z)+B6(t, x, y, z)
[0131]其中BI，B2,...B6是當所有其它電磁體未被激勵時由每個電磁體的激勵生成的場。
[0132]替代方法是激勵成三對的電磁體，其中一對具有兩個平行電磁體。這能夠生成在幅度上具有高水平空間變化的場(梯度場)或在幅度上具有低水平空間變化的場(均勻場，典型地被稱為亥姆霍茲場)。這些特定場是感興趣的，原因是它們由RMNS使用-梯度場用於平移物體，而均勻場用於旋轉物體。在該情況下S(t，x，y，z)場可以由以下表示:
[0133](5) B (t, X，y, z) =Gl (t, x, y, z) +G2 (t, χ, y, ζ) +G3 (t, χ, y, ζ) +Hl (t, χ, y, ζ) +Η2 (t,χ, y, z)+H3(t, χ , y, ζ)
[0134]其中G1，G2 和 G3 是由電磁體對{421,424} {422,425} {423,426}(如圖 4 中所見)生成的梯度場。並且Hl，H2, H3是由相同對生成的均勻場。
[0135]圖4A示意性地描繪跟蹤和導航系統400中的電磁體對的可能配置。
[0136]患者410定位在擔架411上使得它的身體在由電磁體421-426圍繞的孔腔412內，所述電磁體布置成三個對置對:{421，424} ; {422，425};和{423，426}。
[0137]可選地,一對線圈430a和430b (在該圖中只能看到前線圈430a)定位在所述孔腔的相對兩側上，它們的軸線平行於患者410定位所穿過的孔腔432，從而在沿著患者的長度的方向上提供磁場。
[0138]在圖4B中可以看到類似配置。
[0139]圖4B(i)示意性地描繪跟蹤和導航系統450中的六個電磁體對的可能配置的前視圖。[0140]圖4B(ii)示意性地描繪在圖4b⑴中看到的跟蹤和導航系統450中的六個電磁體對的配置的側視圖。
[0141]圖4B⑴和4B(ii)的六線圈配置包括:
[0142]〇包括前線圈430a和後線圈430b的縱向線圈對；
[0143]〇包括頂部線圈434a和底部線圈434b的豎直線圈對；以及
[0144]〇包括右線圈436a和左線圈436b的水平線圈對；以及
[0145]顯而易見磁學領域的技術人員可以在本發明的一般範圍內設計其它電磁體配置。
[0146]位置和取向的迭代估計
[0147]位置和取向的迭代估計基於被測量感生電勢和預測由時變磁場的操作而感生的電勢之間的差值的最小化。為了預測傳感器線圈142中的感生電勢，應當給出傳感器14的位置和取向。因此，當估計過程開始時，傳感器的位置和取向初始猜測值由三個位置變量(例如在RMNS的笛卡爾坐標系統中的傳感器坐標x0，Y。, z0)和表不傳感器方向(垂直於線圈面積)的單位向量η。給出。一旦線圈在RMNS的坐標系統中的位置和取向被確定，線圈上的預測電勢可以由方程3計算並且與被測量電勢比較(在單線圈傳感器的該描述中我們將傳感器坐標限定為線圈的中心):
[0148]Vp(t)=-d[B(t, x0, y0, z0).n0 A] /dt
[0149]在線圈中感生的實際電勢可以由信號調節系統放大，因此適當校準應用於被測量信號以產生被測量電勢Vm的水平。
[0150]在電磁體的激勵期間，傳感器線圈142上的被測量和預測電勢之間的差值用於計算用於迭代解的最小化算法的價值函數(CF)(例如但不限於被測量和預測值之間的差值的平方和):
[0151](7) CF= Σ (Vm1-Vpi)2
[0152]其中次標i指示時間區間，其中特定磁場i由RMNS的電磁體生成並且測量值Vmi被收集。
[0153]可以通過使用搜索最小化價值函數的位置和取向的標準最小化程序(例如但不限於Levenberg-Marquardt搜索算法)計算傳感器位置和取向的新值。
[0154]在以上描述中價值函數基於至少五個不同的測量(在至少五個不同的磁場的激勵期間的一個傳感器線圈)並且可以用於估計五個未知位置和取向參數。由於測量中的噪聲，與未知量的數量比較的少量測量值會導致不精確跟蹤。為了改善性能，可以通過使用相對於第一線圈以已知取向和已知距離定位的第二線圈採集附加測量值(例如，在傳感器中的兩個平行線圈142、144，如圖3B中所見)。
[0155]多線圈傳感器配置
[0156]圖3B示意性地描繪具有兩個傳感器線圈142和144的傳感器14'。
[0157]線圈142和144處於相對於彼此的固定的已知位置並且每個線圈的信號例如可以通過分別用兩個獨立電纜342和344將線圈142和144連接到電子接口單元18獨立地進行測量。應當注意線圈142和144不需要相同，並且它們的取向可以不彼此平行。
[0158]由於參考第一線圈的第二線圈的相對位置是已知的，因此未知量的數量保持相同(五個)，而測量的數量增加到10。測量的該冗餘總體上增加估計的精度。
[0159]圖3C示意性地描繪具有兩個傳感器線圈142和144的撓性導管316。[0160]線圈142和144處於相對於彼此的固定已知距離並且每個線圈的信號例如可以通過分別用兩個獨立電纜342和344將線圈142和144連接到電子接口單元18獨立地進行測量。
[0161]替代配置允許兩個線圈之間的約束運動，例如兩個線圈142、144放置在導管316的撓性部分上，使得沿著導管的兩個線圈之間的距離是固定的和已知的，但是第二線圈相對於第一線圈的取向可以由於導管彎曲而變化。在該情況下，第二線圈的取向可以被認為是將由跟蹤算法確定的附加變量，因此將兩個取向參數加入未知量的列表(總共七個未知量)，而第二線圈的位置可以從第一線圈的位置、兩個線圈的取向以及表示導管的彎曲模式的幾何模型被計算。
[0162]與圖3A的單線圈配置相比，未知量的數量為七，而測量的數量增加到10。測量的該冗餘總體上增加估計的精度。
[0163]圖3D示意性地描繪具有四個傳感器線圈142、144、146和148的撓性導管399。
[0164]線圈142、144、146和148處於相對於彼此的固定已知距離並且每個線圈的信號例如可以通過分別用獨立電纜342、344、346和348將線圈142、144、146和148連接到電子接口單元18獨立地進行測量。
[0165]應當注意線圈的數量可以小於或大於四，線圈不需要相同，並且它們相對於導管399的長軸和相對於彼此的取向可以不同。
[0166]附加線圈146、148可以沿著物體399被加入，以提供關於操作期間物體的形狀的信息，如圖3D中所示。這可以特別用於心臟導管消融中，其中消融的形狀被控制以獲得所需的治療效果。也應當注意加入相對於彼此一些空間關係已知(約束)的傳感器線圈可以增加比附加自由度的增加更多的測量的數量。具體地，對於剛性物體來說，未知量的數量保持相同。對於半剛性或撓性物體，針對每個附加線圈，自由度的數量可以僅僅增加二或三(由於導管偏轉，由未知取向限定，但是位置和在一些情況下旋轉由導管的機械結構約束)，而測量的數量增加五(或如果不同於五，增加在測量中使用的不同激勵的數量)。
[0167]圖3E示意性地描繪具有單個、非平面和非對稱傳感器線圈381的傳感器380。
[0168]線圈的該特定形狀能夠跟蹤圍繞線圈的軸線的旋轉，這用簡單的平面線圈是不可能的。應當注意非平面傳感器線圈381可以具有任意3D形狀並且所示形狀僅僅為了例示。
[0169]圖3F示意性地描繪具有兩個非平面傳感器線圈381和382的傳感器370。
[0170]線圈381和382處於相對於彼此的固定已知位置並且每個線圈的信號例如可以通過分別用兩個獨立電纜383和384將線圈381和382連接到電子接口單元18獨立地進行測量。應當注意線圈381和382不需要相同，並且它們的取向可以不相對於彼此成直角。
[0171]圖3G示意性地描繪具有六個傳感器線圈361-366的傳感器360的分解3D視圖，所述傳感器線圈布置成三對:{361，362} ; {363,364};和{365，366}，其中每一對中的線圈大致沿著相同軸線定向並且沿著所述軸線彼此移位，並且所述對定向成使得它們的軸線大致彼此正交。
[0172]傳感器360包括將線圈361-366支撐在彼此固定已知相對位置處的主體367。優選地每個線圈的信號例如可以通過用獨立導線(為了圖清楚起見，在該圖中僅僅標示線圈366的導線368a和368b)將每 個線圈獨立地連接到電子接口單元18獨立地進行測量。應當注意線圈不需要相同，一些可以缺失，並且它們可以串聯地或並聯地連接以減小電纜連接到電子接口單元的數量。
[0173]如果需要所有6個位置和取向參數，則可以使用具有單個非平面線圈的傳感器(如圖3E中所見)。
[0174]替代地，如果需要所有6個位置和取向參數，可以使用具有處於不同取向的至少兩個線圈(371和372)的傳感器(如圖3F中所見)。
[0175]對於單個非平面線圈，需要磁場的至少6個不同激勵，以能夠估計6個位置未知量。當使用具有兩個線圈的傳感器時，需要磁場的至少3個不同激勵，但是用更多的激勵或用更多的線圈可以獲得更好的跟蹤性能(例如如圖3G中所見)。
[0176]當迭代過程獲得傳感器的正確位置和取向時，被測量和預測電勢之間的差值將變小並且價值函數將達到它的最小水平(由於各種不精確性，例如被測量信號中的噪聲、磁場圖的不精確性、信號調節系統的校準的不精確性、計算的有限數值精度等，它可能未達到零水平)。當價值函數獲得足夠小的值時、或者當價值函數的減小水平變得太小時、或者在預設數量的迭代之後 停止迭代過程，並且坐標的最終集合作為跟蹤傳感器的更新位置從跟蹤系統傳送到RMNS系統。
[0177]改善的電磁體激勵
[0178]在圖2A和2B中提到，優選激勵波形之一是三角電流信號，例如211_213、241。具體地，電流271a的線性變化可能是優選的。因此，本發明還提供通過將特定波形輸入電壓信號應用到大場產生線圈而在基於線圈的磁場發生器的內部生成線性時變磁場的可選方法。
[0179]圖5示意性地描繪電磁體激勵電路的等效圖500，其中:Vin(t)502是時變電壓源；電感L504表示電磁體線圈(或多個線圈)的總電感；並且電阻R506表示迴路中的總電阻，例如電源、電磁體線圈、電源和線圈之間的電纜以及最好有意插入電路中的電阻器(例如用於抑制瞬變和振動)的電阻。
[0180]圖6A示意性地描繪曲線600，該曲線600顯示作為時間的函數的示例性三角電磁體激勵電流i (t)602。該例子中的最小電流為在時間t=0和t=T處的i0=0，並且在時間a -T處達到它的最大值il，其中「a」是非對稱因數0〈a〈l，使得對稱波形是當a=0.5時。電流波形可以可選地重複，如點線示意性地所示。
[0181 ] 在下面的圖中時間電流和電壓刻度是任意單位。
[0182]三角激勵波形的優點是在傳感器線圈中感生的信號的所導致的平的平穩階段。該平穩階段可以減小例如由導航系統的外部磁體引起的各種偽影和噪聲。應當注意激勵電流的三角波形僅僅是一種優選的可選波形。
[0183]在例如圖5中所見的RL電路中，場產生線圈504中的電流不直接遵循源502處的電壓。受控電流源常常比受控電壓源更複雜和昂貴並且可能需要電流反饋迴路。與之相比，受控電壓源在商業上容易獲得並且可以被編程以產生簡單或複雜的期望輸出電壓波形。能夠產生簡單和複雜的電壓波形的可編程電壓源是可獲得的。
[0184]因此，本發明還提供一種通過將特定波形輸入電壓信號施加到大線圈而在基於線圈的磁場發生器的內部生成線性時變磁場的可選方法。電壓信號從以下參數被計算:
[0185]〇分別在線圈iO和il中的電流峰值(或者改為，電流信號在其間線性地變化的最小電流和最大電流);[0186]O這些峰值之間的時間間隔T ；
[0187]〇非對稱因數a
[0188]〇場產生線圈的電阻R ;以及
[0189]〇場產生線圈的電感L。
[0190]圖6B示意性地描繪曲線700，該曲線700顯示了激發電磁體504中的電流i (t) 602所需的作為時間的函數的示例性三角電磁體激勵電壓Vin (t) 702。電壓波形可以可選地重複，如點線示意性地所示。
[0191]根據示例性實施例，產生電流波形602所需的電壓波形702由以下函數給出:
[0192]〇在時間t=0處的電壓VO開始並且線性地增加到時間t=a.T處的Vl ；
[0193]〇將t=a.T處的電壓快速地減小到V2 ；以及
[0194]〇將電壓從t=a.T處的V2線性地減小到t=T處的V3 ；
[0195]其中:
[0196]VO= (i I.L)/(a.T)
[0197]Vl=il.R+(il.L)/(a.T)
[0198]V2=il.R_(il.L)/((l-a).T)
[0199]V3=_(il.L)/((l_a).T)
[0200]圖7A示意性地描繪了曲線800，該曲線800顯示作為時間的函數的示例性非對稱電磁體激勵電流i (t) 802。
[0201]在該示例性波形中:
[0202]〇在t=0處的初始電流ia=_2 ；
[0203]〇在t=2處的最大電流ib=3 ；
[0204]〇在t=3處的最小電流ic=_4 ；以及
[0205]〇在t=3.5處的最終電流id=0。
[0206]圖7B示意性地描繪了曲線900，該曲線900顯示了激發電磁體504中的電流i (t)802所需的作為時間的函數的相應激勵電壓Vin (t) 902。
[0207]根據示例性實施例，L=0.5 [H]，R=0.3 [Ohm]並且產生電流波形802所需的電壓波形902由以下函數給出:
[0208]〇在時間t=0處的電壓Va=0.65開始並且線性地增加到時間t=2處的Vb=2.15 ；
[0209]〇將t=2處的電壓快速地減小到Vc=_2.6 ；
[0210]〇將電壓從時間t=2處的Vc=_2.6線性地減小到時間t=3處的Vd=_4.7 ；
[0211]〇將t=3處的電壓快速地增加到Ve=2.8 ;以及
[0212]將電壓從時間t=3處的Ve=2.8線性地增加到時間t=3.5處的Vf=4。
[0213]這些和其它輸入電壓波形可以由以下方程導出:
[0214]供應電壓V(in)由以下給出:
[0215]Vin(t)=VL(t)+VE(t),
[0216]其中線圈上的電壓Vlj(t)由VL(t)=L.di/dt給出；並且
[0217]VE(t)=i(t).R ;其中di/dt是電流i(t)的時間導數。
[0218]在場產生線圈中產生的磁場與電流成比例並且由以下給出:
[0219]B(t)=i(t).L/ (N.A);其中N是線圈中的匝數並且A是線圈的面積。[0220]在電流波形的線性部分的每一個中，電流i (t)可以由線性形式表達:
[0221]i (t) =K0.t+Kl ;其中KO是斜率並且Kl是在t=0處的電流的值；
[0222]因此所需的電壓可以由以下表達:
[0223]Vin (t) =L.K0+R.(K0.t+Kl) = (R.K0).t+ (L.K0+R.Kl)
[0224]顯然看出源電壓Vin(t)也遵循線性形式。
[0225]因此，以一般方式，對於在時間t=t0處開始於電流i (t)=i0並且在時間t=tl處終止於電流i(t)=il的電流波形i(t)中的線性部分，i(t)可以表達為:i (t) =K0.t+Kl ;其中
[0226]K0=(il-10)/(tl-t0);並且
[0227]Kl=i0-K0.t0=i0-t0.(il_i0)/(tl_t0)。
[0228]並且因此電壓可以由線性形式表達:
[0229]Vin (t) = (R.K0).t+ (L.K0+R.Kl)
[0230]= {R.(il-1O)/(tl~tO)}.t+{L.(il_iO)/(tl_tO)+R.[iO] ;tO〈t〈tl
[0231]儘管已結合其具體實施例描述了本發明，但是顯然本領域的技術人員將顯而易見許多替代、修改和變化。因此，它旨在包含屬於附帶的權利要求的精神和寬範圍內的所有這樣的替代、修改和變化。在該說明書中提到的所有出版物、專利和專利申請通過引用到說明書中完整地被合併於本文中，如同每個單獨的出版物、專利或專利申請具體地和單獨地被指示通過引用合併於本文中`。另外，在本申請中引證或確定任何參考文獻不應當被理解為承認這樣的參考文獻作為本發明的現有技術可獲得。
【權利要求】
1.一種用於跟蹤身體內的物體的位置的方法，所述方法包括:將磁傳感器附連到物體；將所述物體定位在身體內的三維空間內；使用跟蹤電磁體在所述三維空間內生成至少五個時變跟蹤磁場，所述至少五個磁場包括:三維空間內的至少兩個大致空間均勻場；以及三維空間內的至少三個空間梯度場；產生用於所述生成的時變磁場的每一個的磁場圖，所述圖繪製所述三維空間中的各位置處的相應磁場向量；測量所述磁傳感器對所述至少五個時變磁場的響應；使用所述磁場圖和所述磁傳感器對所述至少五個時變磁場的所述被測量響應來估計所述物體在所述三維空間內的三維位置和至少二維取向。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述估計所述物體的位置和取向包括使用迭代估計算法。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述估計位置和取向包括最小化所述磁傳感器的所述被測量響應和使用所述磁場圖計算的預期響應之間的差。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述磁傳感器包括至少一個磁檢測器。`
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述傳感器包括彼此空間地移位的至少兩個磁檢測器。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述磁傳感器包括具有相對於彼此不同的取向的至少兩個磁檢測器。
7.根據權利要求5所述的方法，其中所述估計所述物體的位置和取向包括估計所述至少兩個磁檢測器的每一個的位置。
8.根據權利要求5-7所述的方法，其中所述物體是非剛性的，使得當所述物體改變其形狀時所述至少兩個磁檢測器改變以下的至少一個:它們的相對取向，和它們的相對位置。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述估計所述非剛性物體的位置和取向還包括估計限定所述非剛性物體的形狀的變化的至少一個參數。
10.根據權利要求9所述的方法，其中:所述非剛性物體是撓性導管；所述至少兩個磁檢測器沿著所述導管位於已知距離處；限定所述非剛性物體的形狀的變化的所述至少一個參數包括所述導管的撓曲。
11.根據權利要求1-10所述的方法，其中所述磁檢測器中的至少一個是霍爾效應探頭。
12.根據權利要求1-10所述的方法，其中所述磁檢測器中的至少一個是線圈。
13.根據權利要求12所述的方法，其中測量所述磁檢測器的響應包括測量響應於所述時變磁場在至少一個線圈中感生的電壓。
14.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括:由導航電磁體生成導航磁場；以及通過在所述物體上施加由所述導航磁場引起的力在所述三維空間內導航所述物體。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述導航磁場中的至少一個和所述跟蹤磁場中的至少一個由相同的電磁體生成。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述導航磁場和所述跟蹤磁場由相同組電磁體生成。
17.根據權利要求1或15所述的方法，其中所述電磁體包括至少一對亥姆霍茲線圈。
18.根據權利要求1或15所述的方法，其中所述電磁體包括具有鐵磁芯的至少一對電磁體。
19.根據權利要求1或15所述的方法，其中所述電磁體包括在所述身體的外部的至少三個對置電磁體對，所述三個對置電磁體對的每一對配置成在所述三維空間內生成一組磁場，其中所述組的每一個能夠生成均勻場和梯度場。
20.根據權利要求19所述的方法，其中通過用針對一對對置電磁體的每個電磁體在相同方向上流動的電流激勵所述對對置電磁體，生成所述均勻場。
21.根據權利要求19所述的方法，其中通過用針對一對對置電磁體的每個電磁體在相反方向上流動的電流激勵所述對對置電磁體，生成所述梯度場。
22.根據權利要求19所述的方法，所述方法還包括用不同電流激勵所述對置電磁體對中的至少一對的電磁體。
23.根據權利要求19所述的方法，其中所述至少三個電磁體對相對於其它對的每一對大致正交地定位。
24.根據權利要求2所述的方法，其中實時地執行迭代優化過程以確定所述物體的瞬時位置和取向。
25.根據權利要求1所述的方法，其中所述生成所述時變跟蹤磁場包括順序地生成所述時變磁場。
26.根據權利要求25所述的方法，其中:所述順序生成的所述時變磁場中的至少一個包括所述場隨著時間線性地變化的至少一個持續時間；並且所述磁檢測器中的至少一個是線圈，使得在所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間期間，所述磁檢測器對所述時變磁場的響應是大致恆定電壓。
27.根據權利要求26所述的方法，其中所述物體是在體腔內的非系留物體。
28.根據權利要求17所述的方法，其中所述物體是可攝入藥丸。
29.根據權利要求26所述的方法，其中所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間與用於導航所述物體的大致恆定場重疊。
30.根據權利要求26所述的方法，其中所述時變磁場包括所述場隨著時間線性地變化的多個持續時間。
31.根據權利要求30所述的方法，其中所述時變磁場包括三角波形。
32.根據權利要求26所述的方法，其中所述隨著時間線性地變化的場通過用由受控電壓源產生的隨著時間線性地變化的電流激勵至少一個電磁體生成，所述受控電壓源在所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間期間在所述磁檢測器的所述線圈中產生隨著時間線性地變化的電壓。
33.根據權利要求32所述的方法，其中所述受控電壓源配置成產生Vin(t) = {R.(il-1O) / (tl-tO)}.t+{L.(il-1O) / (tl-tO) +R.[iO]的電壓波形；tO〈t〈tl,其中:Vin (t)是電壓時變波形；t是時間變量；to和tl分別是所述場隨著時間線性地變化的所述持續時間的起點和終點；R是所述電磁體電路迴路的總電阻；L是所述電磁體電路迴路的總電感；iO是在時間tO處的電流；以及il是在時間tl處的電流。`
【文檔編號】A61B5/05GK103607946SQ201280013619
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年1月19日 優先權日:2011年1月20日
【發明者】埃雷茲·內沃, 亞伯拉罕·羅特 申請人:埃納威醫療有限公司