DE60120051T2

DE60120051T2 - Kalibriersystem für Magnetfelder

Info

Publication number: DE60120051T2
Application number: DE60120051T
Authority: DE
Inventors: Assaf Govari
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: AU775725B2; DE60120051D1; IL144272A; IL144272A0; CA2353212A1; JP5031152B2; JP2002122409A; KR100862170B1; ES2265396T3; CA2353212C; KR20020008762A; US6484118B1; AU5444301A; EP1174082A1; EP1174082B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Objektverfolgungssysteme, und insbesondere kontaktlose elektromagnetische medizinische Systeme und Verfahren zum Verfolgen der Position und der Ausrichtung eines Objekts. Die vorliegende Erfindung ist besonders auf ein neuartiges Kalibrierungssystem und -verfahren für medizinische Verfolgungssysteme auf elektromagnetischer Basis gerichtet, die die Auswirkungen der Interferenz von sich nicht bewegenden metallischen Objekten berücksichtigen können.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kontaktlose Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts auf Basis der Erzeugung eines magnetischen Felds und der Messung seiner Stärke sind in der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel beschreiben die US-Patentschrift Nr. 5,391,199 und die PCT-Patentanmeldung Nr. WO 96/05768 derartige Systeme zur Bestimmung der Koordinaten einer medizinischen Sonde oder eines Katheters im Inneren des Körpers. Diese Systeme weisen typischerweise eine oder mehrere Spulen in der Sonde auf, die sich im allgemeinen neben ihrem distalen Ende befinden und durch Drähte mit einem Signalverarbeitungsschaltungsaufbau verbunden sind, der mit dem proximalen Ende der Sonde gekoppelt ist.
Die US-Patentschrift Nr. 4,710,708 beschreibt ein Standortbestimmungssystem, das ein Einachsen-Solenoid mit einem ferromagnetischen Kern als abstrahlende Spule verwendet. Es sind mehrere Magnetspulenempfänger vorhanden. Die Position des Solenoids wird unter der Annahme bestimmt, daß es als Dipol abstrahlt.
Die PCT-Patentamneldung Nr. WO 94/04938 beschreibt ein Positionsfindesystem, das eine einzelne Abtastspule und eine Anordnung von drei Drei-Spulen-Abstrahlern verwendet. Die Abstrahlerspulen sind auf nichtferromagnetische Formen gewickelt. Die Position der Abtastspule wird auf Basis einer Dipol-Annäherung an die magnetischen Felder der Spulen bestimmt, wobei zuerst eine Schätzung der Ausrichtung der Sensorspule benutzt wird, um die Position der Sensorspule in jener Reihenfolge zu bestimmen. Zusätzlich werden die Abstrahlerspulen jeder Anordnung unter Verwendung des Ansatzes eines Zeitmultiplexbetriebs der Reihe nach angeregt. Es ist interessant, daß dieser Literaturverweis, obwohl er offenbart, daß ein Frequenzmulti plexbetrieb verwendet werden kann, um die Betriebsgeschwindigkeit des Positionssystems bedeutend zu erhöhen, deutlich angibt, daß aufgrund seiner Komplexität für diese Art von Ansatz Nachteile bestehen. Es ist auch wichtig, zu bemerken, daß sich dieser Literaturverweis, obwohl er ein Einachsen-Sensorpositions- und -ausrichtungsverfolgungssystem lehrt, mit keinerlei bestimmtem Verfahren zur Kalibrierung des Systems befaßt.
Demgemäß gibt es bis heute kein bekanntes System oder Verfahren, das ein elektromagnetisches Positionssensor-Einachsen-System und -Verfahren bereitstellt, welches in der Lage ist, unter Verwendung einer neuartigen genauen Lösungstechnik und eines neuartigen Kalibrierungsverfahrens gleichzeitig durch einen Frequenzmultiplexbetrieb angetrieben zu werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Kalibrierungssystem bereitgestellt, das folgendes umfaßt:
mehrere Feldabstrahler, wobei jeder Feldabstrahler mehrere Abstrahlelemente aufweist und jedes Abstrahlelement ein magnetisches Feld erzeugt, die bei gleichzeitigem Anregen der Abstrahlelemente zueinander unterschiedlich sind;
einen Signalprozessor, der betriebswirksam mit den Feldabstrahlern verbunden ist;
einen Prüfpositionssensor mit drei Sensorspulen; und
eine Positionierungseinrichtung;
wobei der Prüfpositionssensor betriebswirksam mit dem Signalprozessor und mit der Positionierungseinrichtung verbunden ist;
die Positionierungseinrichtung betriebswirksam mit dem Signalprozessor verbunden ist;
der Signalprozessor mit mehreren Prüfpositionen innerhalb eines Koordinatensystems vorprogrammiert ist, das ein Abbildungsvolumen definiert, das im wesentlichen zu einem Betriebsvolumen ausgerichtet ist, das von den Abstrahlern erzeugt wird, wenn diese angeregt werden;
der Signalprozessor dafür eingerichtet ist, den Prüfpositionssensor mittels der Positionierungseinrichtung zu jeder der Prüfpositionen zu führen; und
wobei der Signalprozessor dafür eingerichtet ist, ein Abtastsignal von dem Sensor zu empfangen, welches das an dem Sensor abgetastete magnetische Feld angibt, wobei das Abtastsignal ein gemessenes magnetisches Feld an dem Sensor definiert, und der Signalprozessor außerdem dafür eingerichtet ist, eine bekannte theoretische magnetische Feldstärke für jede Prüfposition mit dem tatsächlich gemessenen Feld zu korrelieren und die Korrelationsergebnisse zum Korrigieren der theoretischen magnetischen Felder zu speichern.
Vorzugsweise umfaßt die Positionierungseinrichtung einen Roboterarm. Und vorzugsweise sind die Sensorspulen gegenseitig orthogonal zueinander.
Nach der Erfindung wird ferner ein Kalibrierungsverfahren zum Gebrauch mit einem System nach den oben aufgezeigten Systemen, welches in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen mehrer Felderzeuger, wobei jeder mehrere Abstrahlelemente aufweist und jedes Abstrahlelement dafür eingerichtet ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen, die bei gleichzeitigem Anregen der Abstrahlelemente zueinander unterschiedlich sind;
Bereitstellen eines Signalprozessors, der betriebswirksam mit den Feldabstrahlern verbunden ist;
Bereitstellen eines Prüfpositionssensors mit drei zueinander orthogonalen Sensorspulen; und
Bereitstellen einer Positionierungseinrichtung, wobei der Prüfpositionssensor betriebswirksam mit dem Signalprozessor und mit der Positionierungseinrichtung verbunden ist und die Positionierungseinrichtung betriebswirksam mit dem Signalprozessor verbunden ist;
Vorprogrammieren des Signalprozessors mit mehreren Prüfpositionen innerhalb eines Koordinatensystems, das ein Abbildungsvolumen definiert, das im wesentlichen zu dem Betriebsvolumen ausgerichtet ist, das von den Abstrahlern erzeugt wird, wenn diese angeregt werden;
Einrichten des Prüfpositionssensors auf eine spezifizierte Prüfposition;
Vornehmen einer Messung des magnetischen Felds der Z-Komponente unter Verwendung der Z-Spule des Prüfpositionssensors;
schrittweises Betreiben der Positionierungseinrichtung, so daß die Y-Spule des Prüfpositionssensors an einen Punkt gelangt, der zuvor von der Z-Spule eingenommen wurde;
Vornehmen einer Messung des magnetischen Felds der Y-Komponente unter Verwendung der Y-Spule des Prüfpositionssensors;
schrittweises Betreiben der Positionierungseinrichtung, so daß die X-Spule des Prüfpositionssensors an den gleichen Punkt gelangt, der vorher während der ersten Messung durch die Z-Spule und während der zweiten Messung durch die Y-Spule eingenommen wurde;
Vornehmen einer Messung des magnetischen Felds der X-Komponente unter Verwendung der X-Spule des Prüfpositionssensors;
Korrelieren bekannter theoretischer Magnetfeldstärken mit den tatsächlich gemessenen Feldern; und
Speichern der Korrelationsergebnisse zum Korrigieren der theoretischen magnetischen Felder.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren ferner die Schritte des Bewegens des Prüfpositionssensors zu einer nächsten vorbestimmten Prüfposition; und des Wiederholens der Schritte des Vornehmens der Messungen und des schrittweisen Betreibens der Positionierungseinrichtung.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch ein neuartiges Kalibrierungsverfahren zum Gebrauch bei einem System nach den oben aufgezeigten Systemen, welches in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, wobei das Verfahren die Auswirkungen von statischen metallischen Objekten, welche sich im Abbildungsvolumen befinden, wenn das medizinische Positions- und Ausrichtungssystem in Gebrauch steht, berücksichtigt. Das neuartige Kalibrierungsverfahren wird für jedes beliebige medizinische System verwendet, welches in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer medizinischen Einrichtung zu erzeugen. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

(a) Definieren eines Abbildungsvolumens innerhalb des erzeugten magnetischen Felds;
(b) Plazieren eines metallischen Objekts innerhalb des Abbildungsvolumens;
(c) Ausrichten eines Sensors an einem ersten Punkt innerhalb des Abbildungsvolumens und Messen des magnetischen Felds an dem ersten Punkt mit dem Sensor, um eine erste Koordinatenposition (X_i, Y_i, Z_i) festzulegen;
(d) Bewegen des Sensors entlang einer Koordinatenachse durch eine hinzugefügte Abstandskomponente (dx, dy, dz) an einen nächsten Punkt (X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz) und Messen des magnetischen Felds an dem nächsten Punkt, um eine nächste Koordinatenposition festzulegen;
(e) Interpolieren des magnetischen Felds an einem Zwischenpunkt zwischen der ersten Position und der nächsten Koordinatenposition, um eine interpolierte Zwischenkoordinatenposition festzulegen;
(f) Bestimmen des Positionsabstandes zwischen der interpolierten Zwischenkoordinatenposition und der tatsächlichen Zwischenkoordinatenposition;
(g) Vergleichen des Positionsabstandes mit einer Fehlergrenze;
(h) Setzen von (X_i, Y_i, Z_i) des nächsten Punkts als (X_i = X_i + dx, Y_i = Y_i + dy, Z_i = Z_i + dz), falls der Positionsabstand innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang einer anderen Koordinatenachse; und
(i) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) durch Verringern des Wertes der hinzugefügten Abstandskomponente, falls der Positionsabstand nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Wiederholen der Schritte (d) – (g) entlang der gleichen Koordinatenachse.

Das Verfahren beinhaltet auch das Vervollständigen des Kalibrierungsverfahrens für das gesamte Abbildungsvolumen nach den oben aufgezeigten Schritten. Obwohl die Fehlergrenze jede beliebige vernünftige Fehlergrenze sein kann, ist bevorzugt, daß die Fehlergrenze für die größten Genauigkeitsauswirkungen ≤ 1 mm ist. Zusätzlich wird der Sensor um einen Abstand schrittweise betrieben oder bewegt, der in einem Bereich von etwa 2 cm und etwa 3 cm liegt. Überdies sollte der bewegte Abstand hinsichtlich des schrittweisen Betreibens des Sensors konstant bleiben, um eine Veränderlichkeit in der Kalibrierung zu beseitigen. Außerdem wird Schritt (i) durch Verringern des Werts der hinzugefügten Abstandskomponente durch eine Division durch einen Faktor von Zwei (X_i + dx/2, Y_i + dy/2, Z_i + dz/2) vollbracht.
Eine zweite Ausführungsform des Kalibrierungsverfahrens zum Gebrauch bei einem System nach den oben aufgezeigten Systemen, welches in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, wobei das Verfahren statische metallische Objekte berücksichtigt, umfaßt die folgenden Schritte:

(a) Definieren eines Abbildungsvolumens innerhalb des erzeugten magnetischen Felds;
(b) Plazieren eines metallischen Objekts innerhalb des Abbildungsvolumens;
(c) Ausrichten eines Sensors an einem ersten Punkt innerhalb des Abbildungsvolumens und Messen des magnetischen Felds an dem ersten Punkt mit dem Sensor, um eine erste Koordinatenposition (X_i, Y_i, Z_i) festzulegen;
(d) Extrapolieren des magnetischen Felds eines nächsten Punkts (X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz) entlang einer Koordinatenachse durch eine hinzugefügte Abstandskomponente (dx, dy, dz);
(e) Berechnen der Koordinatenposition an dem extrapolierten nächsten Punkt aufgrund des extrapolierten magnetischen Feldes, um eine extrapolierte Koordinatenposition festzulegen;
(f) Bestimmen des Positionsabstandes zwischen der extrapolierten Koordinatenposition und der tatsächlichen Koordinatenposition des nächsten Punkts;
(g) Vergleichen des Positionsabstandes mit einer Fehlergrenze;
(h) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) gemäß einem vorbestimmten Abstand, falls der Positionsabstand innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Ausrichten des Sensors auf einen neuen Punkt innerhalb des Abbildungsvolumens entlang einer anderen Koordinatenachse und Messen des magnetischen Felds an dem neuen Punkt mit dem Sensor, um eine Koordinatenposition des neuen Punktes festzulegen, und Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang der anderen Koordinatenachse; und
(i) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) durch Verringern des Wertes der hinzugefügten Abstandskomponente, falls der Positionsabstand nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Festlegen eines Zwischenpunktes durch Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang der gleichen Koordinatenachse.

Der vorbestimmte Abstand kann konstant bleiben und beträgt vorzugsweise etwa 3 cm. Der vorbestimmte Abstand oder der Schrittabstand kann jedoch auch durch den Benutzer verändert werden. Zusätzlich kann die hinzugefügte Abstandskomponente so um einen Faktor von Zwei verringert werden, daß der Zwischenpunkt oder die Zwischenposition als (X_i + dx/2, Y_i + dy/2, Z_i + dz/2) definiert ist.
Bei beiden Kalibrierungsverfahren, die die Auswirkungen von stationären metallischen Objekten berücksichtigen, wird der Sensor gemäß den Eckpunkten eines Kubus bewegt und umfaßt das gesamte Abbildungsvolumen mehrere Kuben. Jeder Kubus ist durch Messungen definiert, die von zumindest vier unterschiedlichen Eckpunkten erlangt wurden. Im Allgemeinen wird das Kalibrierungsverfahren für ein Abbildungsvolumen vollbracht, das ungefähr 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³ beträgt. Für eine gesteuerte Genauigkeit bei der Kalibrierung wird der Sensor durch den Arm eines Roboters bewegt.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend bekannt gemachten ausführlichen Beschreibung, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird, leicht verstanden werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Positionsabtastsystems;
2 ist eine schematische Darstellung der Positionsabtastkomponenten von 1;
3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das ein offenbartes Verfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, welches verwendet wird, um Positions- und Ausrichtungskoordinaten zu finden;
4A bis 4F sind graphische Darstellungen des Verfahrens von 3;
5 ist eine schematische Darstellung eines Kalibrierungssystems nach der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das ein Verfahren des Kalibrierungssystems von 5 zeigt;
7 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform für eine Abstrahleranordnung, die Abstrallerspulen aufweist, welche nicht gemeinsam angeordnet sind, sondern gegenseitig orthogonal zueinander sind;
8 ist eine schematische Darstellung einer anderen alternativen Ausführungsform für eine Abstrahleranordnung, die Abstrahlerspulen aufweist, welche nicht gemeinsam angeordnet sind und nicht gegenseitig orthogonal zueinander sind;
9 ist eine schematische Darstellung einer anderen alternativen Ausführungsform für eine Abstrahleranordnung, die Abstrahlerspulen aufweist, welche gemeinsam angeordnet sind, aber nicht gegenseitig orthogonal zueinander sind;
10 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das ein anderes offenbartes Verfahren nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform zeigt, welches verwendet wird, um mit den Abstrahleranordnungen von 7 bis 9 Positions- und Ausrichtungskoordinaten zu finden;
11 ist eine schematische Darstellung eines Kalibrierungskubus, der bei einem neuartigen Kalibrierungsverfahren für das Kalibrierungssystem von 5 verwendet wird;
12 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines neuartigen Kalibrierungsverfahrens zur Berücksichtigung der Auswirkungen von sich nicht bewegenden metallischen Objekten unter Verwendung des Kalibrierungssystems von 5 veranschaulicht; und
13 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine zweite Ausführungsform eines neuartigen Kalibrierungsverfahrens zur Berücksichtigung der Auswirkungen von sich nicht bewegenden metallischen Objekten unter Verwendung des Kalibrierungssystems von 5 veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGFORMEN
Hierin wird ein medizinisches Verfolgungssystem und -verfahren zur Bestimmung der Position und der Ausrichtung eines Objekts wie etwa einer Sonde oder eines Katheters unter Verwendung eines Einachsen-Positionssensors und eines Positions- und Ausrichtungsbestimmungsverfahrens offenbart. Das System wird auch mit einem neuartigen Kalibrierungssystem und -verfahren verwendet, die die vorliegende Erfindung umfassen.
Eine Ausführungsform eines offenbarten Positions- und Ausrichtungssystems 20 ist in 1 gezeigt. Das System 20 umfaßt eine Konsole 21, die dem Benutzer ermöglicht, die Funktionen einer peripheren medizinischen Einrichtung wie etwa einer Sonde oder eines Katheters 22 zu beobachten und zu regulieren. Der Katheter 22 ist durch ein Kabel 28 mit der Konsole 21 an einem Signalprozessor 25 (Computer) verbunden. Der Katheter 22 weist einen einzelnen Positionssensor 26 auf, der in der Nähe des distalen Endes des Katheters 22 entlang der Längsachse des Katheters 22 fixiert ist, wobei der Positionssensor 26 durch das Kabel 28 betriebsfähig mit dem Signalprozessor 25 verbunden ist. Die Konsole 21 umfaßt vorzugsweise, daß der Signalprozessor (Computer) 25 Signalverarbeitungskreise enthält, die im Inneren des Computers 25 typischerweise unabhängig sind. Eine Anzeige 27 und eine Tastatur 29 sind betriebswirksam mit dem Signalprozessor 25 verbunden, wobei die Tastatur 29 durch ein Kabel 29a angeschlossen ist. Die Anzeige 27 gestattet eine Echtzeit-Anzeige der Position und der Ausrichtung des Katheters 22 am Positionssensor 26. Die Anzeige 27 ist besonders nützlich, um Positions- und Ausrichtungsbilder und Informationen des Positionssensors 26 zusammen mit einem Bild oder einem Modell einer besonderen Anatomie wie etwa eines Organs anzuzeigen. Eine besondere Verwendung des Systems 20 ist, ein Herz abzubilden, wodurch eine dreidimensionale anatomische Abbildung des Herzens erzeugt wird. Der Positionssensor 26 wird zusammen mit einem physiologischen Sensor wie etwa einer Elektrode zur Abbildung eines physiologischen Zustands, z.B. LAT, verwendet.
Der Signalprozessor 25 empfängt, verstärkt, filtert und digitalisiert typischerweise Signale vom Katheter 22, einschließlich von Signalen, die durch den Positionssensor 26 erzeugt werden, wonach diese digitalisierten Signale durch den Signalprozessor 25 empfangen und verwendet werden, um die Position und die Ausrichtung des Katheters 22 am Positionssensor 26 zu berechnen.
Das System 20 kann auch eine Bezugseinrichtung 30 enthalten, die ebenfalls einen Positionssensor (nicht gezeigt) verwendet, um einen Bezugsrahmen für das System 20 zu erstellen. Die Bezugseinrichtung 30 ist ein externer Patch, der abnehmbar an die Außenfläche eines Patienten geklebt werden kann und durch ein Kabel 31 betriebswirksam mit dem Signalprozessor 25 verbunden ist. Es ist wichtig, zu bemerken, daß die Bezugseinrichtung aus anderen alternativen Formen wie etwa einem zweiten Katheter oder einer zweiten Sonde mit einem Positionssensor zur inneren Anordnung in einem Patienten bestehen kann.
Nun wird auf 2 Bezug genommen, die die Komponenten des Positionsabtastsystems 20, die für das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Katheters 22 am Positionssensor 26 verantwortlich sind, schematisch veranschaulicht. Wie gezeigt ist der Positionssensor 26 in der Form einer Spule oder eines hohlen Zylinders ausgeführt. Es sind hierin jedoch auch andere Formen für den Positionssensor 26 wie etwa eine Trommelform, eine elliptische Form (was asymmetrische Formen beinhalten soll) usw. ins Auge gefaßt. Es ist auch ins Auge gefaßt, daß die Sensorspule 26 optional einen Flußkonzentrator als Kern enthalten kann. Zusätzlich kann der Sensor 26 in anderen Formen als einer Spule ausgeführt sein, wie zum Beispiel in Form eines Magnetwiderstands(MR)-Sensors oder eines Luftspalt- oder Hall-Effekt-Sensors.
Wie veranschaulicht und oben erwähnt ist der Positionssensor 26 in der Form einer Abtastspule ausgeführt und so in der Nähe des distalen Endes des Katheters 22 positioniert, daß die Abtastspule 26 vorzugsweise gleichachsig oder entlang der Längsachse des Katheters 22 verläuft. Wie hierin definiert kann der Positionssensor 26 optional als ein Positionssensor, ein Standortsensor, ein Positions- und Ausrichtungssensor, eine Sensorspule, eine Abtastspule, eine Spule oder durch eine ähnliche Terminologie bezeichnet werden. Vorzugsweise weist der Katheter 22 ein Lumen 24 auf, das sich die Länge des Katheters 22 entlang erstreckt. Vorzugsweise weist die Sensorspule 26 einen hohlen Kern auf und ist so im Katheter 22 positioniert, daß die Achse der Sensorspule 26 im Lumen 24 und entlang der oder parallel zur Achse des Katheters 22 liegt. Dieser Aufbau stellt einen Zugang vom proximalen Ende des Katheters 22 durch den hohlen Kern der Sensorspule 26 zu seinem distalen Ende bereit, wodurch gestattet wird, daß der Katheter 22 als Verabreichungseinrichtung für die Verabreichung jeder beliebigen Art von Therapeutik durch die Sensorspule 26 verwendet wird. Die Sensorspule 26 und das Lumen 24 gestatten, daß der Katheter 22 als Verabreichungseinrichtung für die Verabreichung jedes beliebigen therapeutischen oder diagnostischen Mittels oder jeder beliebigen derartigen Modalität oder implantierbaren Einrichtung verwendet wird. Zum Beispiel sind Therapeutika wie etwa pharmazeutische oder biologische Mittel, Faktoren, Proteine und Zellen, Gewebereparatur- oder -behandlungspolymere wie etwa Leime und Klebstoffe; Energiemodalitäten wie etwa Lichtwellenleiter zur Lieferung von Laserenergie, Ultraschallwellenleiter zur Lieferung von therapeutischem Ultraschall, Mikrowellenantennen und Hochfrequenz(HF)leiter nur einige der Beispiele für Therapeutika, die aufgrund seiner einzigartigen Anordnung der Sensorspule 26 und des Lumen 24 zur Verabreichung durch den Katheter 22 ins Auge gefaßt sind. In der gleichen Weise umfassen Beispiele für geeignete Diagnostika zur Lieferung durch den Katheter 22, ohne Beschränkung darauf, Kontrastmittel, Farbstoffe, Markierungsfluida oder -stoffe. Überdies sind mit dieser Anordnung auch implantierbare Einrichtungen wie etwa Miniaturelektronik, einpflanzbare Sensoren einschließlich biologischer Diagnostikchips, Schrittmachervorrichtungen, Prothesen usw. geeignet.
Das System 20 umfaßt ferner Abstrahlelemente oder Spulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 (auch als Erzeugerspulen bekannt). In einer Ausführungsform sind die Spulen in Sätze von drei orthogonalen und konzentrischen Spulen gewickelt, die jeweils Abstrahler 56, 58, und 60 bilden. Vorzugsweise sind die Spulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 jeweils um ein Halteelement wie etwa einen Spulenkörper gewickelt. In dieser ersten Ausführungsform weist jeder Abstrahler 56, 58 und 60 drei Spulen auf, die gemeinsam angeordnet sind. Demgemäß sind die Spulen jedes Abstrahlers miteinander konzentrisch und gegenseitig orthogonal zueinander. Die konzentrische Anordnung wird vollbracht, indem jede Spule in einem besonderen Abstrahler so geformt ist, daß die Spulen mit ihrem jeweiligen Halteelement jeweils einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Zum Beispiel bringt die Spule 36 beispielhaft unter Bezugnahme auf den Abstrahler 56 die Spulen 32 und 32 unter und nimmt sie diese Spulen auf, und bringt die Spule 34 die Spule 32 unter und nimmt sie diese Spule auf. Daher weist die Spule 36 (mit ihrem Halteelement) einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser der Spule 34 (mit ihrem Halteelement) ist, wobei der Durchmesser der Spule 34 größer als der Durchmesser der Spule 32 (mit ihrem Halteelement) ist. Diese konzentrische Anordnung wird in der gleichen Weise auf alle Abstrahler 56, 58 und 60 angewendet.
In dieser ersten Ausführungsform sind die Abstrahler 56, 58 und 60 fest angebracht, um eine Ebene oder einen Anordnungsblock 61 zu definieren. Die Abstrahler 56, 58 und 60 können in jeder gewünschten festen Anordnung wie etwa in einer Anordnung von jeweiligen Eckpunkten eines im wesentlichen gleichseitigen Dreiecks, das Seiten bis 1 Meter Länge aufweist, angeordnet werden. Die Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 sind durch Drähte 62 mit einem Abstrahlerantrieb 64 verbunden.
Im allgemeinen regt der Abstrahlerantrieb 64 durch einen Frequenzmultiplexbetrieb gleichzeitig jede der Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 an. Jede dieser Spulen erzeugt ein jeweiliges magnetisches Feld (ein quasi-stationäres Feld), das in der Abtastspule 26 eine Spannung induziert, die als ein Abtastsignal verwendet wird. Da jede Abstrahlerspule 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 ein unterschiedliches magnetisches Feld erzeugt, besteht das Abtastsignal, das an der Abtastspule 26 erzeugt wird, demgemäß aus Beiträgen von jeder der Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48. Das Abtastsignal wird dann zum Prozessor 25 zurückgeführt. Der Prozessor berechnet dann aus den neun Werten der Abtastsignale die drei Positions- (x-, y-, z-Richtung) und die zwei Ausrichtungskoordinaten (Neigung und Gierung) (5 Grade der Freiheit oder 5 GDF) der Sensorspule 26. Das Verfahren zur Berechnung ist weiter unten ausführlich beschrieben. In Fällen, in denen die Abtastspule 26 eine asymmetrische Form aufweist, werden 6 GDF berechnet, damit die Rollausrichtung beinhaltet ist.
Zusätzlich gibt es andere alternative Abstrahleranordnungsausführungsformen, die mit der vorliegenden Erfindung besonders nützlich sind. Wie in 7 gezeigt umfaßt eine zweite Abstrahleranordnung Abstrahler 56a, 58a und 60a, die Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 4G bzw. 48 (die gleichen Spulen wie oben erwähnt) aufweisen. Die Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 sind innerhalb ihres jeweiligen Abstrahlers 56a, 58a und 60a gegenseitig orthogonal zueinander. Doch diese Abstrahlerspulen sind nicht konzentrisch und nicht gemeinsam angeordnet. Vielmehr umfassen die Abstrahler 56a, 58a und 60a eine beabstandete oder nicht gemeinsam angeordnete "Drillingsgruppe", in der der Abstand zwischen den Spulen jeder nicht gemeinsam angeordneten Drillingsgruppierung nicht mehr als das Drei- bis Vierfache der Größe des Abstrahlerspulendurchmessers beträgt.
Eine dritte Abstrahleranordnungsausführungsform ist in 8 gezeigt. In dieser Ausführungsform weisen Abstrahler 56b, 58b und 60b Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 bzw. 48 auf, die nicht gemeinsam angeordnet, nicht konzentrisch und nicht gegenseitig orthogonal zueinander sind. Die Ausrichtung jeder Spule ist willkürlich, wobei die einzige Beschränkung ist, daß eine Spule nicht mit einer anderen Spule der gleichen Drillingsgruppierung 56b, 58b und 60b parallel ist.
9 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform einer Abstrahleranordnung. In dieser Ausführungsform umfassen Abstrahler 56c, 58c und 60c eine gemeinsam angeordnete Anordnung für die Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 4G bzw. 48, wobei die Spulen jedes Abstrahlers ähnlich wie bei der Ausführungsform von 2 in Bezug zueinander konzentrisch sind. Doch die Spulen jedes Abstrahlers 56c, 58c und 60c sind nicht orthogonal zueinander. Erneut ist die einzige Beschränkung für die Spulenausrichtungen, daß eine Spule in einer bestimmten Abstrahleranordnung 56c, 58c und 60c nicht parallel zu einer anderen Spule ist.
Das Positions- und Ausrichtungsverfahren
3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das ein Verfahren und zugehörige algorithmische Komponenten zur Bestimmung der Koordinaten der Abtastspule 26 nach einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht. Die allgemeinen Verfahrensschritte werden nachstehend beschrieben werden, und die besonderen Schritte des Algorithmus werden später in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben werden. Der Signalprozessor 25 (1 und 2) bestimmt durch das hierin beschriebene Verfahren drei Positions- (X, Y, und Z) und zwei Ausrichtungskoordinaten (Neigung und Gierung) der Abtastspule 26. Vor dem Beginnen eines jeglichen medizinischen Vorgangs wurde das System 20 durch den Signalprozessor 25 mit einem gewünschten Grad an Genauigkeit vorprogrammiert, der durch Kalibrierung erreicht wurde. Dies ist ein gewünschter Genauigkeitsbereich, der gewöhnlich ≤ 0,1 cm (die Genauigkeit des Systems) ist. Doch die Zunahmeschritte oder Wiederholungen werden angehalten, sobald die Veränderung von einem vorhergehenden Schritt weniger als 0,001 cm beträgt. Dieses letztere ist nötig, um eine Genauigkeit von 1 mm zu erhalten. Zusätzlich werden die Erzeuger 56, 58 und 60 für jedes System 20, das hergestellt wird, durch ihre Erzeugerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 bzw. 48 durch ein neuartiges Kalibrierungssystem und -verfahren, die die vorliegende Erfindung umfassen und später in dieser Offenbarung ausführlicher beschrieben werden, einzigartig kalibriert.
Das System 20 wie etwa die in 1 veranschaulichte Ausführungsform befindet sich an einem klinischen Schauplatz wie etwa einem Operationssaal, und der Anordnungsblock 61 ist an einer gewünschten Stelle angeordnet. Eine bevorzugte Stelle ist, den Anordnungsblock 61 in der Nähe des Patienten, zum Beispiel unter einem nichtmetallischen Operationstisch (nicht gezeigt), anzuordnen. Das System 20 wird aktiviert und die Erzeugerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 der Abstrahler 56, 80 und 60 gleichzeitig angeregt, wobei alle Spulen unterschiedliche magnetische Felder abstrahlen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen. Demgemäß werden neun gesonderte (quasi-stationäre) Felder erzeugt. Infolge der vorfixierten Anordnung des Anordnungsblocks 61 wird ein vorhersagbares magnetisches Feldvolumen (Betriebsvolumen), das ungefähr ein Volumen von 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³ abdeckt (auf Basis der Konfiguration der Abstrahler 56, 58 und 60 im Anordnungsblock 61 in einer dreieckigen Anordnung, die Seiten von 40 cm × 40 cm × 37 cm aufweist), zum Patienten projiziert, was die Bereiche, die für das Einsetzen und Verfolgen des Katheters 22 gewünscht sind, mehr als abdeckt. Es ist wichtig, zu bemerken, daß diese Abmessungen nur eines der veranschaulichten Beispiele der ins Auge gefaßten Größe sind. Kleinere und größere Volumen sind deutlich ins Auge gefaßt.
Der Katheter 22 wird dann im Patienten angeordnet und in das Betriebsvolumen gebracht, und die Sensorspule 26 erzeugt Sensorsignale, die die Größe des magnetischen Felds an der Sensorspule 26 anzeigen. Diese Sensorsignale werden dem Prozessor 25 durch das Kabel 28 bereitgestellt, wo die Größe des magnetischen Felds (des gemessenen Felds) bestimmt und im Prozessor 25 gespeichert wird.
Wie am besten in 3 gezeigt verwendet der Signalprozessor 25 an diesem Punkt einen willkürlichen Anfangspunkt (der sowohl die Position als auch die Ausrichtung widerspiegelt) und verwendet er vorzugsweise eine Dipol-Annäherung (einen optionalen Schritt) für eine Wiederholung, um von diesem willkürlichen Punkt zu einer Anfangsposition für den steilsten Abfall zu gelangen. Der willkürliche Punkt ist ein vorprogrammierter Anfangspunkt im Prozes sor 25, zum Beispiel gewöhnlich ein Punkt, der in der Mitte des Abbildungsvolumens gewählt ist. Dann bewegt sich das Programm im Signalprozessor 25 ohne Annäherungen direkt in die Berechnung. Die Konvergenz kann jedoch durch Verwenden der Dipol-Annäherung als einen ersten Schritt beschleunigt werden (die Berechnungszeit verkürzt werden), wodurch die Lösung näher an die tatsächliche Position gebracht wird. Von dort wird das volle magnetische Feld ohne Annäherungen verwendet. Somit wird der willkürliche Anfangspunkt auch für die Dipol-Annäherung verwendet.
Sobald die anfängliche Positions- und Ausrichtungsschätzung mit dem Dipol-Annäherer 72 vorgenommen ist, berechnet der Prozessor 25 das magnetische Feld an der geschätzten Position und Ausrichtung unter Verwendung eines Magnetfeldrechners 74. Nach dieser Berechnung wird der steilste Abfall vom berechneten magnetischen Feld der geschätzten Sensorposition und – ausrichtung zum gemessenen magnetischen Feld der Sensorspule 26 unter Verwendung eines Rechners 76 für den steilsten Abfall, der die Jacobi-Technik verwendet, berechnet. Es ist wichtig zu bemerken, daß die Jacobi-Matrix durch den Rechner 76 für den steilsten Abfall für alle neun Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 bzw. 48 berechnet wird. Der Magnetfeldschätzer 74 und der Rechner 76 für den steilsten Abfall verwenden genaue theoretische Magnetfeldausdrücke wie auch vorgespeicherte Kalibrierungsdaten.
Auf Basis dieser Berechnung wird eine sich ergebende Berechnung vorgenommen, die tatsächlich eine Veränderung (ΔX) widerspiegelt, welche die steilste Veränderung im Wert zwischen der neuen geschätzten Position und Ausrichtung und der vorhergehenden Position und Ausrichtung (die tatsächliche Position und Ausrichtung ist bis zum Ende der Berechnung nicht bekannt) angibt. Dieses Ergebnis Δx -, wird zur vorhergehenden Schätzung der Sensorposition und – ausrichtung hinzugefügt um zu einer neuen Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung zu gelangen. Zusätzlich werden auch Kalibrierungsinformationen verwendet, die gemäß einem neuartigen Kalibrierungssystem und -verfahren der vorliegenden Erfindung im Signalprozessor 25 vorgespeichert wurden (nähere Einzelheiten werden unten bereitgestellt). Demgemäß wird ein vorbestimmter Kalibrierungsfaktor verwendet, um die Jacobi-Matrix und die Felder zu regulieren.
An diesem Punkt wird die neue Schätzung der Position und der Ausrichtung der Sensorspule 26 mit dem vorbestimmten gewünschten Genauigkeitsbereich verglichen. Wenn die neue Schätzung der Position und der Ausrichtung der Sensorspule 26 nicht innerhalb dieses Bereichs liegt, werden die Schritte beginnend mit der Berechnung des magnetischen Felds an der neuen geschätzten Position und Ausrichtung wiederholt.
Zusätzlich wird für die alternativen Abstrahleranordnungsausführungsformen, die in 7 bis 9 veranschaulicht sind, eine globale Kovergenztechnik durch einen globalen Konvergierer 77 (siehe 10) angewendet, um zu einer neuen Schätzung der Position und der Ausrichtung zu gelangen, die innerhalb des vorbestimmten Genauigkeitsbereichs liegt. Der bestimmte Algorithmus wird weiter unten ausführlich besprochen.
Der Positions- und Ausrichtungsalgorithmus
Um das oben beschriebene Verfahren besser zu verstehen, wird der Algorithmus, der durch dieses Verfahren verwendet wird, nun speziell gemäß jedem Verfahrensschritt angesprochen werden. Für Darstellungszwecke werden der Standort und die Ausrichtung der Sensorspule 26 am besten unter Bezugnahme auf 4A bis 4C beschrieben. Wie in 4A gezeigt ist die Mitte der Sensorspule 26 am Punkt P positioniert. Die Achse der Sensorspule 26, die ihre Ausrichtung definiert, ist in 4A als gestrichelte Linie A gezeigt.
Die Position und die Ausrichtung des Sensors x - können wie folgt definiert werden: x - = {l -, n -} (1),wobei l - den x-, y- und z-Koordinaten des wie in 4B gezeigten Positionsvektors OP gleich ist. Der Vektor n -, ein Maß der Sensorausrichtung, entspricht den x-, y- und z-Koordinaten n_x, n_y bzw. n_z von A' (siehe 4C), einem Ausrichtungsvektor, der eine parallele Verschiebung zum Ursprung des Sensorachsenausrichtungsvektors A ist.
In 4D ist eine teilweise schematische Zeichnung des Systems 20 der Erfindung dargestellt, wobei Q₁, Q₂ und Q₃ die drei Abstrahler 56, 58 bzw. 60 sind. Jeder dieser Abstrahler 56, 58 und 60 umfaßt drei Spulen (32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 bzw. 48). Zur einfacheren Darstellung umfaßt der Abstrahler Q₁ die Abstrahlerspulen Eins, Zwei und Drei (32, 34 und 36); umfaßt der Abstrahler Q₂ die Spulen Vier, Fünf und Sechs (38, 40 und 42); und umfaßt der Abstrahler Q₃ die Spulen Sieben, Acht und Neun (44, 46 und 48).
Mit dieser Anordnung werden dem Prozessor 25 durch die Sensorspule 26 Messungen der Felder an der Sensorspule 2G infolge jeder Abstrahlerspule 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 zur Verwendung mit den nachstehend ausführlich besprochenen Schritten bereitgestellt.
Schritt (a): Bestimme die anfängliche Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung unter Verwendung des Schätzers 70 der anfänglichen Position und Ausrichtung.
Für die anfängliche Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung nehmen wir wie folgt eine willkürliche Position der Sensorspule 26 an: x -0 = {l -0, n -0} (2)
Zur Bequemlichkeit kann x -₀ willkürlich so gewählt werden, daß es sich ungefähr in der Mitte des Systemstandortvolumens befindet. Zum Beispiel können die drei Abstrahler Q₁, Q₂ und Q₃ als an den Eckpunkten eines Dreiecks (4E) angeordnet betrachtet werden. Die Seiten des Dreiecks können durch Mittellinien M₁, M₂ und M₃ zweigeteilt werden. Die anfängliche Schätzung der dreidimensionalen Sensorposition l -₀ kann so gewählt werden, daß sie sich am Schnittpunkt der Mittellinien der Abstrahler in einem Abstand, zum Beispiel 20 cm, über der durch die Abstrahler gebildeten Ebene befindet. In der gleichen Weise kann n -₀ als ein positiver Einheitsvektor parallel zur z-Achse gewählt werden.
Optionaler Schritt (b): Verfeinerung der geschätzten Sensorposition und -ausrichtung auf Basis der Dipol-Annäherung unter Verwendung des Dipol-Annäherers 72.
Die anfängliche Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung kann wie nachstehend beschrieben unter Verwendung des Dipol-Annäherers 72 auf Basis der Dipol-Annäherung verfeinert werden.
Wie in 4D gezeigt können wir die Vektoren R -₁, R -₂ und R -₃ als die Positionsvektoren vom Ursprung zu den Abstrahlermitten für die jeweiligen Abstrahler Q₁, Q₂ und Q₃ definieren. S definiert die Koordinate der Sensorspule 26. Für jeden der Abstrahler können wir wie folgt eine Beziehung a_j(j = 1 bis 3) definieren: P -_i = R -_i – X -₀, wobei X -₀ eine anfängliche Position ist:
Wir können f_i für i = 1 bis 9 als die gemessenen Feldstärken am Sensor S der Felder, die den Spulen Nummer Eins (1) bis Neun (9) zugeschrieben werden, definieren. Die magnetischen Feldstärken für jede Spule werden nach den bekannten Techniken, wie sie in der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 96/05768 umrissen sind, gemessen.
Wie können auch m_j für j = 1 bis 3 als die Summe der Quadrate der gemessenen Felder am Sensor aufgrund der Spulen, die jeden der Abstrahler umfassen, definieren. Somit haben wir für das in 2 und 4D gezeigte System wie folgt drei Gleichungen in m: m1 = f1 2 + f2 2 +f3 2 m2 = f4 2 + f5 2 + f6 2, und m3 = f7 2 + f8 2 + f9 2.
Ein Sensor an Punkten, die weit von den Abstrahlerspulen entfernt sind (Abstand vom Punkt zum Abstrahler > Abstrahlerspulenradius) wird magnetische Felder erfahren, von denen es heißt, daß sie von dipolarer Natur sind (siehe zum Beispiel J. D. Jackson in Classical Electrodynamics, zweite Ausgabe, John Wiley & Sons, New York, 1975, Seite 178). Wie in der US-Patentschrift Nr. 5,913,820 für den Fall von drei Abstrahlern Q₁, Q₂ und Q₃, wobei jeder Abstrahler aus drei konzentrischen und orthogonalen Abstrahlerspulen gebildet ist, gezeigt ist unter diesen Bedingungen durch die folgenden Gleichungen eine Annäherung des Abstands vom Sensor zu jedem der Abstrahler von den oben definierten und berechneten Werten von a und m her möglich:
wobei r₁, r₂ und r₃ die Abstände vom Sensor zur Mitte der Abstrahler Q₁, Q₂ bzw. Q₃ sind. Wir können die drei Abstände r₁, r₂ und r₃ verwenden, um zu einem ungefähren Sensorstandort l -(x,y,z) zu triangulieren. Jeder dieser drei Abstände r₁, r₂ und r₃ kann als Radius von Kugeln um jeden der Abstrahler angesehen werden. Der Triangulationsvorgang löst für den Schnittpunkt dieser drei Kugeln, was zu einem durch l -(x,y,z) beschriebenen ungefähren Sensorstandort führt (siehe 4B und 4F).
Da wir die Eigenschaften jeder der Abstrahlerspulen (Anzahl der Wicklungen, Spulendurchmesser, usw.) und den Strom, der durch diese Spulen verläuft, kennen, können wir H -(l -) berechnen, eine [9, 3]-Matrix, die das theoretische Feld in jeder der Richtungen x, y und z, welches jedem der neun Abstrahlerspulen am ungefähren Sensorstandort, der durch den Vektor 1 definiert ist, zugeschrieben wird, beschreibt.
4F zeigt eine einschleifige Abstrahlerspule, die bei Q zentriert ist und einen Einheitsausrichtungsvektor O -_i aufweist. Die Spule ist in einem Abstand R -_i vom Ursprung des dreidimensionalen Bezugsrahmen zentriert. Der Vektor l - verbindet den Ursprung mit Punkt M, dem ungefähren Sensorstandort aus der wie oben besprochenen Triangulation. Das theoretische Feld bei M aufgrund der Abstrahlerspule i kann wie folgt gefunden werden:
Wir können den Vektor cor - so definieren, daß cor - = l - – R -_i ist.
Der Vektor cor - ist von einer Größe, die dem Abstand zwischen der Spulenmitte, dem Punkt Q und dem Punkt M entspricht.
Wir können auch die skalare Größe z als das Punktprodukt von O -_i, einem Vektor, der die Abstrahlerspulenachse beschreibt, und dem Vektor cor - beschreiben: z = O -_i·cor -.
Die Größe z ist wie in 4F gezeigt der Projektion von cor - auf O -_i gleich.
Wir können die skalare Größe absr als den absoluten Wert des Vektors cor - definieren: absr = ∥cor -∥.
Der skalare Wert absr ist dem Abstand zwischen der Spulenmitte und dem Punkt M gleich.
Wir können B_r und B_θ, Vektorkomponenten der magnetischen Flußdichte am Punkt M, finden, die entlang von Achsen gelöst sind, welche parallel bzw. senkrecht zur Linie verlaufen, die den Punkt M und die Spule verbindet, wie in der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 96/05768 umrissen ist.
Wir können auch die Größen xvec - und xnor wie folgt definieren: xvec - = cor - – (z·O -i) xnor = ||xvec -||.
Aus diesen Beziehungen folgt dann wie in 4F veranschaulicht, daß
ist.
Wir können das magnetische Feld an der Stelle M im Bezugsrahmen der Abstrahlerspule (xvec - und O -_i) durch Lösen der folgenden Rotationsmatrix bestimmen:
Das Feld F -₀ an Punkt M im Bezugsrahmen des x-, y-, z-Koordinatensystems von 4F aufgrund einer Abstrahlerspule, die eine einzelne Windung aufweist, ist nun durch die folgende Gleichung gegeben:
Das berechnete magnetische Feld F -_i an M aufgrund der Spule i, die mehr als eine Windung aufweist, ist durch die folgende Gleichung gegeben: F -i = F -0·(wirksame Anzahl der Windungen der Spule)
Die wirksame Anzahl der Windungen einer Spule kann aufgrund von Inhomogenitäten in der Spule, die zum Beispiel durch Windungen mit unterschiedlichen Radien oder durch nichtparallele Windungen verursacht werden, nicht der tatsächlichen Anzahl der Windungen gleich sein. Die wirksame Anzahl der Windungen der Spule kann durch Kalibrierung der Spule, zum Beispiel durch das in der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 97/42517 offenbarte Verfahren, bestimmt werden.
Die obige Berechnung stellt die Größe des magnetischen Felds an M aufgrund der Spule i in jeder der Richtungen x, y und z bereit. Diese Berechnung wird für jede der Spulen wiederholt, um die Daten für die wie oben definierte Matrix H -(l -) bereitzustellen.
Wir können nun eine Größe h -(x -), das berechnete Feld eines Sensors an M, das hinsichtlich der Sensorausrichtung n - korrigiert ist, wie folgt definieren: h -(x -) ≡ H -(l -)·n -.
Unter Vornahme der Annäherung, daß sich der Sensor tatsächlich am Standortwert, der durch den Vektor l - gegeben ist, befindet, liefert f -, der tatsächlich gemessene Wert der Felder am Sensor für h -(x -), in der obigen Gleichung f - ≈ H -·n -.
Die Neuanordnung dieser Gleichung liefert die folgende Gleichung, die wie folgt eine erste annähernde Berechnung des Sensorausrichtungsvektors n - bereitstellt: n - = H -·f -.
Schritt (c): Berechne das magnetische Feld an der geschätzten Sensorposition und -ausrichtung unter Verwendung des Magnetfeldrechners 74.
Wir erinnern uns aus der obigen Gleichung, daß h -(x -) ≡ H -(l -)·n -.ist.
Nachdem wir vorher H -(l -) am ungefähren Sensorstandort M, der durch den Vektor 1 bezeichnet ist, berechnet haben, und wir eine ungefähre Sensorausrichtung n - berechnet haben, können wir nun unter Verwendung der obigen Gleichung h -(x -), das berechnete Feld bei der Position und der Ausrichtung x - = {l -, nn -}, berechnen. Der Vektor h -(x -) ist das ausrichtungskorrigierte magnetische Feld aufgrund einer jeden der neun Abstrahlerspulen an einem Sensor an der ungefähren Position und Ausrichtung x - = {l -, nn -}, und ist für das oben beschriebene System in der Form einer [9, 1 ]-Matrix.
Schritt (d): Berechne den steilsten Abfall (die Jacobi-Matrix) vom berechneten magnetischen Feld an der geschätzten Sensorposition und -ausrichtung zum gemessenen magnetischen Feld am Sensor unter Verwendung des Rechners 76 für den steilsten Abfall.
Wir können die Jacobi-Matrix an x - = {l -, nn -} wie folgt berechnen:
Die Jacobi-Matrix, J_ij, ist die Veränderung im berechneten Feld h -(x -) am berechneten Standort und der Ausrichtung x - = {l -, nn -} für jede der neun Abstrahlerspulen (i = 1 bis 9) in bezug auf jede der sechs Positions- und Ausrichtungsvariablen (j = 1 bis 6). Die Jacobi-Matrix ist eine 9-mal-6-Matrix, die neun Reihen und 6 Spalten aufweist. Jedes Element in der Jacobi-Matrix wird durch Berechnen des Felds aufgrund jeder Spule i an der Position x - berechnet. Wir erhöhen dann jede der sechs Positionsvariablen um ein Δ und berechnen dann das Feld erneut. Die Veränderung im Feld aufgrund der Spule i in bezug auf jede der sechs Positionsvariablen stellt die sechs Einträge in die Jacobi-Matrix für die Spule i dar. Der Vorgang wird für jede der neun Spulen wiederholt.
In der Praxis ist es rechnerisch ziemlich erschöpfend, alle diese Berechnungen vorzunehmen. Alternativ und vorzugsweise können Werte für jeden der Einträge in die Jacobi-Matrix ein Mal berechnet werden und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Einzelne Einträge können dann durch Interpolation zwischen den Nachschlagetabellenwerten erhalten werden, wobei die Erhöhungen in x - in der Nachschlagetabelle vorbestimmt sind.
Wir können die Matrix L, eine 9-mal-6-Matrix, wie folgt definieren:
Die Matrix L ist eine Umkehrung der mittleren kleinsten Quadrate der Jacobi-Matrix.
Wir können b -, den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Feld am Sensor und dem berechneten Feld an der berechneten Sensorposition und -ausrichtung, wie folgt berechnen: b - = f - – h -.
Wir rufen uns die Gleichung h -(x -) ≡ H -(l -)·n -ins Gedächtnis zurück.
Am tatsächlichen Sensorstandort würde das tatsächlich gemessene Feld dem berechneten Feld gleich sein, was die folgende Gleichung hervorruft: h -(x -) ≡ f -(x -).
An einem ungefähren Sensorstandort kann das Feld am ungefähren Standort, ,H -(x -) wie folgt mit dem gemessenen Feld am tatsächlichen Sensorstandort f in Beziehung gebracht werden:
Erinnern wir uns, daß b - = f - – h -(x -n-1) ist.
Da L -J = I,
Daher möchten wir eine Veränderung (Δx) in der sechsdimensionalen Positions- und Ausrichtungsvariablen x - berechnen, die verursachen wird, daß sich das gemessene Feld annähern wird, und letztlich dem berechneten Feld an der berechneten Position und Ausrichtung des Sensors gleich sein wird. Aus den oben definierten Parametern und Gleichungen ist jener Wert von Δx, der das berechnete Feld an der berechneten Position und Ausrichtung am steilsten in der Richtung des gemessenen Felds verändert, wie folgt gegeben: ∆x - = LL -·b -.
Der Vektor Δx - stellt den Wert dar, der jeder der sechs Positions- und Ausrichtungskoordinaten des geschätzten Sensorstandorts und der geschätzten -ausrichtung hinzugefügt wird, um zu einer neuen Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung zu gelangen, für die das berechnete Feld näher am gemessenen Feld liegt.
Schritt (e): Berechne die neue Schätzung für die Sensorposition und die -ausrichtung unter Verwendung des Schätzers 78 für die neue Position und Ausrichtung.
Nun, wo wir einen Wert von Δx - berechnet haben, können wir diesen Wert von Δx - zur vorherigen Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung hinzufügen, um wie folgt zu einer neuen Schätzung der Sensorposition und -ausrichtung zu gelangen: x -n = x -n-1 + ΔΔxx -.
Zusätzlich werden am Magnetfeldrechner 76 vorgespeicherte Kalibrierungsinformationen (ein Kalibrierungsfaktor) gemäß mehreren Punkten innerhalb des Betriebsvolumens eingebracht, um am Rechner 78 für die neue Schätzung zum neuen Wert/zur neuen Schätzung der Position und Ausrichtung des Sensors zu gelangen. Demgemäß werden die Kalibrierungsdaten mit dem oben angeführten Vorgang verwendet, da sie mit der Berechnung der magnetischen Felder an der Sensorspule 76 und der Jacobi-Matrix in Zusammenhang stehen. Dieses Kalibrierungsverfahren wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Schritt (f): Bestimme, ob die neue Schätzung der Position und Ausrichtung innerhalb der gewünschten Meßgenauigkeit, z.B. ≤ 0,1 cm (der Genauigkeit des Systems) liegt. Die Zu nahmeschritte des Algorithmus werden jedoch angehalten, sobald die Veränderung von einem vorherigen Schritt wie oben beschrieben geringer als 0,001 cm ist, was nötig ist, um für das System eine Genauigkeit zu erhalten, die besser als 1 mm ist.
Ein oder mehr Kriterien können bestimmt werden, um die benötigte Genauigkeit der neu geschätzten Werte der Sensorposition und -ausrichtung herzustellen. Ein Kriterium untersucht den absoluten Wert von Δx -, der Positions- und Ausrichtungskorrektur. Wenn |Δx -| geringer als ein bestimmter Schwellenwert ist, kann angenommen werden, daß die Position und die Ausrichtung bis zur gewünschten Genauigkeit berechnet wurden. Zum Beispiel wird angenommen, daß ein Wert von |Δx| ≤ 10^-4 cm (der zu einer Genauigkeit von mehr als 1 mm führt) die benötigten Genauigkeitskriterien für Sensoren, die in den meisten biomedizinischen Anwendungen verwendet werden, erfüllt.
Das oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Sensorposition und -ausrichtung umfaßt Berechnungen des Felds h (x -) an der geschätzten Sensorposition und -stelle x - = {l -, n -}. Wir können die Größe Δ f wie folgt definieren:
Der Wert von Δ f ist ein anderes Kriterium, das verwendet werden kann, um zu bestimmen, ob die Sensorposition und -ausrichtung mit der gewünschten Genauigkeit gefunden wurde. Zum Beispiel wurde herausgefunden, daß ein Wert von Δf ≤ 10^-4 (der zu einer Genauigkeit von mehr als 1 mm führt) für die meisten biomedizinischen Anwendungen ausreichend genau ist.
Vorzugsweise werden beide Kriterien verwendet, um zu bestimmen, daß die Werte der Position und der Ausrichtung mit der benötigten Genauigkeit bestimmt wurden.
Schritt (g): Wiederhole die Feldberechnungen (Schritte (c) bis (e)) an der neu geschätzten Sensorposition und -ausrichtung, um die Positions- und Ausrichtungsschätzung zu verfeinern.
Der oben in Schritt (c) bis (e) beschriebene Vorgang wird wiederholt, wenn die geschätzten Werte der Position und der Ausrichtung eines oder beide der benötigten Genauigkeitskriterien nicht erfüllen. Im Besonderen werden die neu geschätzten Werte der Sensorposition und – ausrichtung von Schritt (e) in Schritt (c) verwendet, um ein magnetisches Feld an der neu geschätzten Sensorposition und -ausrichtung neu zu berechnen. Die so berechnete Feldstärke wird in Schritt (d) verwendet, um die Berechnung des steilsten Abfalls zu verfeinern. Der verfeinerte steilste Abfall wird verwendet, um eine neue Schätzung für die Sensorposition und – ausrichtung zu bestimmen. Ein Absicherungsmechanismus, der durch die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist, die Wiederholungsanzahl auf eine Höchstanzahl, zum Beispiel auf zehn (10) Wiederholungen, zu beschränken, damit das System 20 nicht in eine Endlosschleife eintreten würde, wenn der Algorithmus aus irgendeinem Grund nicht konvergiert, zum Beispiel, da sich die Sensorspule 26 außerhalb des Bereichs befindet, oder aufgrund eines Hardwareproblems. Die Höchstwiederholungsanzahl oder Wiederholungsanzahlgrenze ist ebenfalls im Signalprozessor 25 gespeichert.
Eine Abwandlung am oben beschriebenen Algorithmus wird für die in 7 bis 9 veranschaulichten alternativen Abstrahleranordnungen eingesetzt. Dieser abgewandelte Algorithmus beruht auf einem wie in "Numerical Recipes" (ISBN 052143108, Seite 383) umrissenen "globalen Konvergenz" verfahren. Durch Verwenden einer globalen Konvergenztechnik (wie sie in 10 gezeigt ist) wird eine leistungsfähigere Konvergenz des willkürlichen Anfangspunkts zur tatsächlichen Sensorposition und -ausrichtung erzielt. Demgemäß stellt die offenbarte Technik eine neue Korrektur der gegenwärtigen Position ΔX (als einen Ersatz für den Schritt der Jacobi-Matrix, der durch den Rechner 76 für den steilsten Abfall von 3 durchgeführt wird) bereit. Dieses globale Konvergenzverfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Bestimme als erstes die Richtung von ΔX durch die Formel ΔX/|ΔX|
Finde als zweites den Mindestwert der Veränderung im Feld ΔF (ΔF min.) entlang dieser Richtung. Diese Position wird durch ΔX' = C·ΔX (wobei 0 < C < 1 ist)bestimmt.
Aktualisiere als drittes die Sensorposition gemäß X=X + ΔX'.
Es ist wichtig, zu bemerken, daß die ΔX-Korrektur die Funktion ΔF möglicherweise nicht minimiert, wenn die geschätzte Sensorposition zu weit vom tatsächlichen Positionswert entfernt ist. Doch bei diesem Schritt ist der gewünschte Blickpunkt die Richtung von ΔX. Demgemäß wird dieser Wert irgendwo zwischen 0 und ΔX liegen.
Wenn der globale Konvergenzalgorithmus (innerhalb einer vorbestimmten Anzahl von Wiederholungen) von einem bestimmen Anfangspunkt nicht konvergiert, kann ein anderer Anfangspunkt gewählt werden. Zum Beispiel kann im obigen globalen Konvergenzalgorithmus ein Punkt neben dem anfänglichen Anfangspunkt verwendet werden, bis Konvergenz vorhanden ist.
Eine hilfreiche Technik ist, das Betriebsvolumen oder den Arbeitsraum in Subvolumen von 5 cm × 5 cm × 5 cm oder (5 cm)³ zu teilen, so daß es eine Gesamtheit von vierundsechzig Versuchen gibt, um in jedem Fall Konvergenz sicherzustellen. Demgemäß kann dieser Vorgang möglicherweise, nur einmal durchgeführt werden. Daher wird nach dem Finden des ersten Punkts das Ergebnis der Konvergenztechnik als eine Annäherung für den Algorithmus verwendet.
Zusammenfassend besteht das offenbarte Verfahren aus den folgenden Schritten:
Schritt (a): Schätze eine anfängliche Sensorposition und -ausrichtung;
Optionaler Schritt (b): Verfeinere die geschätzte Sensorposition und -ausrichtung auf Basis der Dipol-Annäherung;
Schritt (c): Berechne das magnetische Feld an der geschätzten Sensorposition und -ausrichtung;
Schritt (d): Berechne den steilsten Abfall vom berechneten Feld an der geschätzten Sensorposition und -ausrichtung zum gemessenen Feld am Sensor;
Schritt (e): Berechne eine neue Schätzung für die Sensorposition und -ausrichtung, die das Verwenden vorbestimmter und gespeicherter Kalibrierungsinformationen, die im Signalprozessor 25 gespeichert sind, in Verbindung mit Schritt (c) und (d) beinhaltet;
Schritt (f): Bestimme, ob die neu geschätzte Position und Ausrichtung innerhalb der gewünschten Genauigkeit der Messung liegen; und
Schritt (g): Wiederhole die Berechnungen (Schritte (c) bis (e)) an der neu geschätzten Position und Ausrichtung bis zur vorgespeicherten Höchstwiederholungsanzahl, d.h., der Wiederholungsanzahlgrenze, um die Positions- und Ausrichtungsschätzung bis zur benötigten Genauigkeit (ebenfalls vorbestimmt und im Signalprozessor 25 gespeichert) zu verfeinern.
Alternativ wird der obige Schritt (d) durch die oben (10) beschriebene globale Konvergenztechnik ersetzt (für die in 7 bis 9 gezeigten Abstrahleranordnungen).
In der Praxis wird das offenbarte Verfahren auf die aufeinanderfolgende Berechnung einer mehrfachen Zahl von Sensorpositionen und -ausrichtungen an mehreren Punkten im Raum angewendet. Für die Berechung aufeinanderfolgender Punkte, die zeitlich dicht aneinander liegen, kann angenommen werden, daß sich der Sensor seit den vorher bestimmten Werten nicht bedeutend bewegt hat. Demgemäß werden die Werte, die an der (n-1)-ten Position und Ausrichtung bestimmt wurden, ein guter Wert für die anfängliche Schätzung der Position und Ausrichtung für die n-te Position und Ausrichtung sein.
Das Kalibrierungssystem
Ein Kalibrierungssystem 90 nach der vorliegenden Erfindung ist betriebswirksam mit dem Positions- und Ausrichtungsabtastsystem 20 (1 und 2) verbunden. Das Kalibrierungssystem 90 richtet sich auf die Bereitstellung von Kalibrierungsdaten, die im Signalprozessor 25 vorgespeichert sind, und die bei der Durchführung einer genauen Bestimmung der Position und der Ausrichtung der Sensorspule 26 (2) verwendet werden, wenn sie in das Betriebsvolumen eingebracht werden. Wie in 5 gezeigt umfaßt das Kalibrierungssystem 90 primäre Komponenten des Positions- und Ausrichtungssystems 20 einschließlich des Signalprozessors 25, des Abstrahlerantriebs 64, des Anordnungsblocks 61 und der Abstrahler- oder Erzeugerspu len 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48, die um Spulenkörper gewickelt sind, wodurch Abstrahler oder Erzeuger 56, 58 bzw. 60 gebildet sind, zusammen mit den jeweiligen Drähten 62.
Das Kalibrierungssystem 90 umfaßt ferner einen Prüfpositionssensor 100, der drei Sensorspulen 102, 104 und 106 aufweist, die wie dargestellt in der X-, der Y- bzw. der Z-Koordinatenebene (Koordinatenachse) ausgerichtet sind. Die Schrittabstände zwischen den Spulen im Sensor 100 betragen 1 bis 0,02 cm. Der Prüfpositionssensor 100 ist zur Verarbeitung von Sensorsignalen, die durch den Prüfpositionssensor 100 bereitgestellt werden, durch ein Kabel 28 betriebswirksam mit dem Signalprozessor 25 verbunden. Zusätzlich ist der Prüfpositionssensor 100 durch ein Kabel 112 betriebswirksam mit einer Positionierungseinrichtung wie etwa einem Roboterarm 110 verbunden. Der Roboterarm 110 ist durch ein Kabel 114 betriebswirksam mit dem Signalprozessor 25 verbunden. Der Prozessor 25 weist vorbestimmte Prüfpositionen nach dem Drei-Koordinaten-System, z.B. der X-, der Y- und der Z-Koordinatenachse, auf. Vorzugsweise sind etwa einhundertfünfzig (150) Prüfpositionen vorbestimmt und im Prozessor 25 gespeichert. Diese Prüfpositionen richten sich eng mit dem Betriebsvolumen aus, das durch die Erzeuger 56, 58 und 60 erzeugt wird, wenn diese angeregt werden. Da der Prozessor 25 mit jeder dieser Prüfpositionen programmiert ist, kann der Roboterarm 110 genau an jede Prüfposition geführt und an dieser positioniert werden. Dieses Verfahren wird viel klarer werden, wenn es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Das Kalibrierungsverfahren einschließlich des Algorithmus
Im allgemeinen werden die theoretischen Felder des Anordnungsblocks 61 (5) beim Kalibrierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung an das gemessene Feld eines bestimmten Positions- und Ausrichtungssystems 20 angepaßt. Demgemäß ist jedes System 20 mit seinen eigenen Kalibrierungsdaten maßgeschneidert, die während der Standortberechnungen verwendet werden, wenn die Position und die Ausrichtung einer Sensorspule 26 (1 und 2) wie oben erwähnt und im schematischen Ablaufdiagramm von 3 dargestellt bestimmt wird. Die anhängige US-Patentanmeldung Nr. 09/180,224 mit dem Titel "Radiator Calibration", die nun als US 6,335,617 veröffentlicht wurde, befaßt sich ebenfalls mit Techniken zur Kalibrierung von Magnetfelderzeugern oder Abstrahlerspulen.
6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm für das Kalibrierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung. Demgemäß sind die vorbestimmten Prüfpositionen für das Be triebsvolumen bei diesem Kalibrierungsverfahren im Prozessor 25 gespeichert. Obwohl vorzugsweise einhundertfünfzig (150) Prüfpositionen benutzt werden, kann abhängig von der Größe des gewünschten Betriebsvolumens und dem als notwendig bestimmten Genauigkeitsgrad jede beliebige Anzahl von Prüfpositionen benutzt werden. Wie oben erwähnt stimmen diese Prüfpositionen (X_i, Y_i, Z_i) im wesentlichen mit dem Betriebsvolumen, zum Beispiel 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³, überein. Wie hierin definiert sind die Ausdrücke "Abbildungsvolumen", "Abtastvolumen" und "Abbildungsbereich" analoge Ausdrücke für das "Betriebsvolumen" und werden sie über diese Offenbarung hinweg austauschbar verwendet.
Zuerst werden die Abstrahlerspulen der Abstrahler oder Erzeuger 56, 58 und 60 des Positionssystems 20 durch gleichzeitiges Anregen unter Verwendung einer Frequenzmultiplexbetriebstechnik aktiviert, um neun unterschiedliche magnetische Felder (quasi-stationäre magnetische Felder) zu erzeugen und das Betriebsvolumen herzustellen. Dann wird der Roboterarm 110 geführt und genau an jeder jeweiligen Prüfposition (X_i, Y_i, Z_i) positioniert, und wird die X-, die Y- und die Z-Komponente des magnetischen Felds am Prüfpositionssensor 100 gemessen. Nach jeder Messung prüft der Prozessor 25 die Abtastung dieser Prüfpositionen, um zu bestimmen, ob ein erforderliches Abtastvolumen erzielt wurde. Das Abtastvolumen entspricht dem Betriebsvolumen der Feldabstrahler 56, 58 und 60. Sobald das gewünschte Abtastvolumen vervollständigt wurde, korreliert der Prozessor 25 die bekannten theoretischen magnetischen Felder an jeder Prüfposition (X_i, Y_i, Z_i) mit dem tatsächlich gemessenen Feld an jeder Prüfposition (X_i, Y_i, Z_i). Diese Korrelation ist eine mathematische Umwandlung, die die theoretischen magnetischen Felder an den erlangten Punkten zu den gemessenen Feldern an diesen Prüfpunkten (X_i, Y_i, Z_i) abbildet. Somit ist diese Korrelation eine Abbildungsberechnung, und die Ergebnisse für jede Position (X_i, Y_i, Z_i) werden im Prozessor 25 gespeichert und während eines Positions- und Ausrichtungsvorgangs wie etwa zum Beispiel dem vorher beschriebenen mit dem in 1 dargestellten System 20 abgerufen. Die Kalibrierungsdaten aus diesen gespeicherten Kalibrierungsdateien werden verwendet, um die theoretischen magnetischen Felder zu korrigieren.
Ein Beispiel des Kalibrierungsverfahrens, das das Kalibrierungssystem 90 (5) einsetzt, ist nachstehend umrissen. Wie gezeigt wird unter Verwendung des Kalibrierungssystems 90 die X-, die Y- und die Z-Komponente des magnetischen Felds gemessen, wobei der Dreiachsen-Prüfpositionssensor 100 verwendet wird, der drei orthogonale Sensorspulen 102, 104 und 106 umfaßt, die dem Prozessor 25 des Positionssystems 20 Sensorsignalinformationen bereitstellen.
Um die Abbildung zwischen den Anordnungsblockfeldern und den theoretischen Feldern zu berechnen, muß man die genauen Koordinaten der Messung in Bezug auf jede der Spulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 bzw. 48 des Anordnungsblocks 61 kennen. Zu diesem Zweck wird der Roboterarm 110 unter Verwendung der vordefinierten Prüfpositionen (X_i, Y_i, Z_i) mit dem Anordnungsblockkoordinatensystem, z.B. dem Abtastvolumen, ausgerichtet. Eine annehmbare Abfolge lautet wie folgt:

a) Bringe den Roboterarm 110 an eine bestimmte Prüfposition X₀, Y₀, Z₀, die eine Prüfposition zur Messung in Bezug auf die Z-Spule 106 des Prüfpositionssensors 100 ist.
b) Nimm unter Verwendung der Z-Spule 106 des Prüfpositionssensors 100 eine Messung des magnetischen Felds der Z-Komponente vor.
c) Betreibe den Robotorarm 110 so schrittweise, daß der Prüfpositionssensor 100 1 cm vorwärts bewegt wird (dies ordnet die Y-Spule 104 am gleichen Punkt an, der vorher von der Z-Spule 106 eingenommen wurde) und miß das magnetische Feld der Y-Komponente unter Verwendung der Y-Spule 104 des Prüfpositionssensors.
d) Betreibe den Roboterarm 110 so schrittweise, daß der Prüfpositionssensor 100 erneut 1 cm vorwärts bewegt wird (dies ordnet die X-Spule 102 am Punkt an, der vorher während der ersten Messung durch die Z-Spule 106 eingenommen wurde, und während der zweiten Messung durch die Y-Spule 104 eingenommen wurde) und miß das magnetische Feld der X-Komponente unter Verwendung der X-Spule 102 des Prüfpositionssensors 100.

Wie oben erwähnt wird ein typischer Kalibrierungsvorgang in einem Abtastvolumen von 20 cm × 20 cm × 20 cm um die Mitte und über dem Anordnungsblock 61 durchgeführt, was dem Betriebsvolumen entspricht, wenn das System 20 (1 und 2) für medizinische Zwecke verwendet wird. Zusätzlich betragen die Schritte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten/Positionen 2 bis 3 cm in jeder Richtung, obwohl die Schritte nicht über das gesamte Abtastvolumen hinweg konstant sein müssen. Typischerweise werden im gesamten Abtastvolumen einhundertfünfzig (150) Punkte abgetastet. Somit verfügen wir am Ende des Kalibrierungsverfahrens über {Bi j |j = 1...9, i = 1... ≈ 150}, wobei der Index i der Index der Anzahl der Punkte ist, und j der Index der Frequenz für jede Erzeugerspule bei unterschiedlichen Frequenzen ist. Somit bezieht sich der Index i auf die gemessenen Felder für alle der Prüfpositionen, z.B. 150.
Die mathematische Umwandlung ist nachstehend umrissen. Wir nehmen an, daß in jedem beliebigen gegebenen Bereich des Raums eine Rotationsumwandlung zwischen den gemessenen Feldern und den theoretischen Feldern vorhanden ist. Somit können wir uns auf die Gleichung OBTh = BM (6)verlassen, wobei O eine 3×3-Rotationsmatrix ist, die durch die Gleichung O = BMBth -1 (7)gegeben ist.
Es ist wichtig, zu bemerken, daß sowohl B_M als auch B_th [3×150]-Matrizes sind und die mathematische Umwandlung B_M und B_th im Sinn des mittleren kleinsten Quadrats so nah als möglich abbildet. Es ist auch zu bemerken, daß wir in der Gleichung (7) angenommen haben, daß die gleiche Umwandlung auf das gesamte Raumvolumen angewendet wird. Tatsächlich können wir zu jedem Subvolumen unseres Abbildungsraums eine gesonderte Rotationsmatrix haben. Zum Beispiel kann man das Abbildungsvolumen in Subkuben teilen, die ein Subvolumen von 5 cm × 5 cm × 5 cm aufweisen, z.B. jeder Subkubus (5 cm)³ umfaßt, und die Rotationsmatrix berechnen, die für jeden der Subkuben erheblich ist. Diese Rotationsmatrix wird dann mit der Kalibrierungsinformation hinsichtlich ihrer Position im Raum im Signalprozessor 25 gespeichert. Dieser Vorgang wird für jede Abstrahlerspule 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 durchgeführt. Typischerweise kann man für jede Spule 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 ungefähr zwanzig (20) bis dreißig (30) 3×3-Matrizes erlangen.
Demgemäß kann, wenn man an einem Anfangspunkt x - beginnen würde, das theoretische Feld am Punkt B -_th(x -) dann durch den Algorithmus der vorliegenden Erfindung berechnet werden. Dann ist das "neue" theoretische Feld durch den Ausdruck: O(x -)B(x -)gegeben,
wobei O(x) die erhebliche Umwandlung am Punkt x ist. Und was die berechnete theoretische Jacobi-Matrix, die J(x) ist, betrifft, ist die "neu" kalibrierte Jacobi-Matrix durch die Gleichung O(x)J(x)gegeben.
Demgemäß werden im Algorithmus der vorliegenden Erfindung sowohl das kalibrierte B (magnetisches Feld) als auch das J (die Jacobi-Matrix) in der gleichen Weise verwendet, in der nichtkalibrierte Versionen verwendet werden. Doch mit den hinzugefügten Kalibrierungsinformationen (dem kalibrierten B) weist das System 20 eine größere Positionsgenauigkeit auf, was bei medizinischen Vorgängen besonders nützlich ist.
Das Kalibrierungsverfahren mit Ausgleich für statisches Metall
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein neuartiges Kalibrierungsverfahren für die Abstrahler 56, 58 und 60 des Positions- und Ausrichtungssystems 20 (1), das fähig ist, die Auswirkungen von Störungen auszugleichen, die durch sich nicht bewegende oder statische metallische Objekte verursacht werden, welche im Abbildungs- oder Betriebsvolumen angeordnet sind. Das Kalibrierungsverfahren wird in Verbindung mit dem in 5 gezeigten Kalibrierungssystem 90 einschließlich des Roboterarms 110 zur Sicherstellung von Genauigkeit verwendet. Überdies ist dieses Kalibrierungsverfahren für verschiedenste Anordnungen der Abstrahler 56, 58 und 60 einschließlich der in 5, 7, 8 und 9 gezeigten Abstrahleranordnungen nützlich.
Demgemäß wird ein metallisches Objekt (nicht gezeigt) wie etwa der C-Arm einer fluoroskopischen Einrichtung im beabsichtigten Abbildungsvolumen, das durch die Abstrahler 56, 58 und 60 erzeugt wird, angeordnet. Der Zweck dieses Schritts ist, Kalibrierungsdaten zur Speicherung im Signalprozessor 25 herzustellen, die die Störungsauswirkungen berücksichtigen, welche durch das metallische Objekt in bezug auf die Größe und die Richtung der magnetischen Felder bereitgestellt werden, die durch die Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 der Abstrahler 56, 58 bzw. 60 erzeugt werden.
Wie oben erwähnt ist das magnetische Feld im Inneren eines Bereichs von etwa 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³ ein bevorzugtes Abbildungsvolumen. Das Kalibrierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung berücksichtigt das magnetische Feld, das durch ein jegliches metallisches Objekt erzeugt wird, welches sich im Abbildungsvolumen befindet. Sobald das magnetische Feld nach dem nachstehend ausführlicher beschriebenen Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Beispiel unter Verwendung des Einachsen-Sensoralgorithmus, der mit dem System 20 (1) verbunden ist, abgebildet wurde, kann man das System 20 selbst in Gegenwart eines oder mehrerer metallischer Objekte so verwenden, als ob es sich um eine völlig ungestörte Magnetfeldsituation, d.h., eine Situation ohne Vorhandensein einer Störung durch metallische Objekte, handeln würde.
Eine Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist im schematischen Ablaufdiagramm von 12 am besten veranschaulicht. Zuerst wird ein beabsichtigtes Abbildungsvolumen definiert und wird ein oder werden mehrere statische metallische Objekte im beabsichtigten Abbildungsvolumen angeordnet. Erneut würden diese metallischen Objekte jene Objekte sein, die sich im sterilen Feld des Patienten und im Abbildungsvolumen befinden. Ein Beispiel eines typischen, sich nicht bewegenden (nichtbewegend bedeutet, nur relativ zum Anordnungsblock) metallischen Objekts ist der C-Arm einer fluoroskopischen Einrichtung. Demgemäß wird der C-Arm im Abbildungsvolumen angeordnet.
Unter Hinwendung auf 5 und 11 bewegt der Roboterarm 110 den Positionssensor 100 zu einem Anfangspunkt, um durch Erzeugen eines Abbildungskalibrierungskubus 200a einen Abbildungs- und Kalibrierungsvorgang zu beginnen. Der Anfangspunkt ist zum Beispiel eine Position oder ein Punkt, der am Eckpunkt eines Kubus beginnt, welcher ein Volumen von (3 cm)³ aufweist. Ein passender erster Punkt oder eine passende Anfangsposition ist zum Beispiel der Punkt 210 des in 11 gezeigten Kubus 200a.
Der Sensor wird am ersten Punkt oder an der Koordinatenposition 210, die gemäß dreidimensionalen Koordinaten (X_i, Y_i, Z_i) im Abbildungskalibrierungskubus 200a (im Abbildungsvolumen) dargestellt ist, ausgerichtet und das magnetische Feld der Abstrahlerspulen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 am ersten Punkt durch den Signalprozessor 25 mit dem Sensor 100 gelesen und gemessen, um die erste Koordinatenposition 210 zu erstellen. Der Sensor 100 wird dann durch den Roboterarm 110 schrittweise zu einem nächsten oder zweiten Punkt 220 (X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz) betrieben oder bewegt, der durch die erste Position und eine hinzugefügte Abstandskomponente (dx, dy, dz) definiert ist. Das magnetische Feld am zweiten Punkt 220 wird dann durch den Signalprozessor 25 gelesen und gemessen, um eine nächste oder zweite Koordinatenposition zu erstellen.
Der Signalprozessor ist mit den Kalibrierungspositionen des Kalibrierungskubus 200a, die die Eckpunkte (210, 220, 230, 240, 250, usw.) eines Kubus mit einem Volumen von (3 cm)³ sind, vorprogrammiert. Der Roboterarm 110 betreibt den Sensor 100 schrittweise in zunehmenden vorbestimmten Abständen in einem Bereich 2 bis 3 cm (vorzugsweise beträgt der schrittweise betriebene Abstand 3 cm). Der genaue Schrittabstand ist vorbestimmt und bleibt über diesen Kalibrierungsabbildungsvorgang hinweg konstant, außer wenn an einer bestimmten Position metallische Störungsauswirkungen berücksichtigt werden. Diese Abwandlung des Schrittabstandes wird nachstehend spezifisch angesprochen.
Zum Beispiel ist der Schrittabstand für den Vorgang, der in 11 schematisch veranschaulicht ist, für jeden Eckpunkt oder für jede Position 210, 220, 230, 240 und 250 3 cm (entlang einer der Koordinatenachsen X, Y oder Z). Zusätzlich betreibt der Roboterarm 110 den Sensor 110 schrittweise gemäß der Richtung der Pfeile entlang der Ränder des Kubus 200a (entlang jeder Koordinatenachse).
Sobald das magnetische Feld am ersten Punkt 210, zum Beispiel der ersten Koordinatenposition (X_i, Y_i, Z_i) und am nächsten oder zweiten Punkt 220, z.B. der nächsten oder zweiten Koordinatenposition (X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz), die die hinzugefügte Abstandskomponente dx, dy, dz widerspiegelt, wobei dx = 3 cm ist (auch als Schritt oder schrittweiser Abstand bezeichnet), gemessen wurde und die Position bestimmt wurde, wird durch den Signalprozessor 25 das magnetische Feld an einem Zwischenpunkt 220a zwischen der ersten Position 210 und der zweiten Position 220 interpoliert und die Positionskoordinate des Zwischenpunkts 220a berechnet. Es ist wichtig, zu bemerken, daß der Zwischenpunkt 220a entlang der Koordinatenachse des schrittweisen Abstandes liegen wird, zum Beispiel innerhalb eines Abstandes von 3 cm entlang der X-Koordinatenachse zwischen den Eckpunkten 210 und 220.
Nach der Interpolation des magnetischen Felds des Zwischenpunkts 220a und der Berechnung der Position des Zwischenpunkts (der berechneten Zwischenposition unter Verwendung des Positions- und Ausrichtungsalgorithmus) nimmt der Signalprozessor 25 den Unterschied zwischen der berechneten Zwischenposition und der tatsächlichen Zwischenposition. Der Zwischenpositionsunterschied (ε) wird dann mit einer Fehlergrenze verglichen, die ebenfalls im Signalprozessor 25 gespeichert ist. Obwohl die Fehlergrenze jeder beliebige Wert sein kann, wurde eine Fehlergrenze ≤ 1 mm als vernünftig und als eine annehmbare Fehlergrenze festgestellt.
Der nächste oder zweite Punkt (X_i, Y_i,, Z_i) wird dann durch den Signalprozessor 25 als (X_i = X_i + dx, Y_i = Y_i + dy, Z_i = Z_i + dz) gesetzt, wenn der Positionsunterschied (ε) innerhalb der Fehlergrenze (≤ 1 mm) liegt, und der Roboterarm 110 betreibt den Sensor 100 schrittweise zu einem anderen Punkt 230, z.B. einem dritten oder anderen nächsten Punkt (einer dritten Koordinatenposition entlang einer anderen Koordinatenachse, z.B. der Y-Achse (dritter Eckpunkt des Kubus 200a entlang des Schrittabstandes dy = 3 cm)).
Wenn der Zwischenpositionsunterschied (ε) nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt, z.B. ε nicht ≤ 1 mm ist, verringert der Signalprozessor 25 den Wert der hinzugefügten Abstandskomponente und setzt er z.B. dx, dy, dz als dx = dx/2, dy = dy/2, dz = dz/2. Zum Beispiel wird die hinzugefügte Abstandskomponente dx auf 1,5 cm (3 cm ÷ 2 cm, und wobei dy = dz = 0 ist) verringert, und wiederholt der Roboterarm 110 den Schritt zu einem neuen zweiten Punkt 220b entlang der gleichen Koordinatenachse, z.B. der X-Achse. Demgemäß wird der Sensor 100 schrittweise um eine hinzugefügte Abstandskomponente von dx = 1,5 cm zum neuen zweiten Punkt/Eckpunkt 220b betrieben, wobei das magnetische Feld am Punkt 220b gelesen wird und seine Position bestimmt wird (neue zweite Koordinatenposition). Das magnetische Feld wird dann für einen neuen Zwischenpunkt 220c, z.B. einen Punkt/eine Position zwischen der neuen zweiten Position 220b und der ersten Position 210 interpoliert und die Position des Zwischenpunkts 2520c unter Verwendung des Positions- und Ausrichtungsalgorithmus berechnet (neue Zwischenposition). Und genauso wie vorher wird die neue berechnete Zwischenposition mit der tatsächlichen Position des Zwischenpunkts 220c verglichen, um zu bestimmen, ob dieser Unterschied (ε) innerhalb der Fehlergrenze (≤ 1 mm) liegt. Wenn der Positionsunterschied (ε) innerhalb der Fehlergrenze liegt, betreibt der Roboterarm den Sensor 100 schrittweise um die hinzugefügte Abstandskomponente dy = 3 cm entlang einer anderen Koordinatenachse, z.B. der Y-Achse, zu noch einem anderen Punkteckpunkt 230a (Positionseckpunkt) des Kubus 200a und wiederholt er die oben umrissenen Schritte für jeden Eckpunkt des Kubus 200a.
Wie oben erwähnt wird die hinzugefügte Abstandskomponente des Zwischenpunkts durch Verringern des Werts der hinzugefügten Abstandskomponente gesetzt, wenn die Position nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt. Die Verfahrensschritte werden nach Vornahme der verringernden Regulierung an der hinzugefügten Abstandskomponente wiederholt.
Dieser Kalibrierungsabbildungsvorgang für den Ausgleich von statischem Metall wird, beginnend mit der Abbildung eines zweiten angrenzenden Kubus 200b, gemäß einer Reihe von oder mehreren erzeugten Abbildungskalibrierungskuben fortgesetzt, bis das vollständige Abbildungsvolumen von 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³ unter Berücksichtigung vorhandener metallischer Objekte im Abbildungsvolumen vollständig abgebildet und kalibriert ist. Es ist wichtig, zu bemerken, daß jeder der Abbildungskalibrierungskuben 200a, 200b usw. sehr wohl ein Kubus sein kann, der aufgrund der Auswirkungen eines metallischen Objekts, dem man während der Abbildung eines bestimmten Kubus begegnet, Seiten aufweist, die nicht von gleicher Länge sind.
Eine zweite Ausführungsform des Kalibrierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung verwendet die Extrapolation des magnetischen Felds am nächsten Punkt. Wie in 13 gezeigt wird im Besonderen zuerst das metallische Objekt im beabsichtigten Abbildungsvolumen angeordnet. Erneut positioniert der Roboterarm 110 den Sensor 100 am ersten Punkt 210 (an der Anfangs- oder ersten Position X_i, Y_i, Z_i), und wird das magnetische Feld an diesem ersten Punkt durch den Signalprozessor 25 gelesen und gemessen, um die erste Koordinatenposition zu bestimmen. Als nächstes extrapoliert der Signalprozessor 25 das magnetische Feld am nächsten oder zweiten Punkt 220, z.B. der nächsten oder zweiten Koordinatenposition (dem nächsten Eckpunkt des Abbildungskubus 200a, der der extrapolierte Punkt ist), die als X_i = X_i + dx, Y_i = Y_i + dy, Z_i = Z_i + dz) festgesetzt ist und die hinzugefügte Abstandskomponente dx, dy, dz wie passend beinhaltet. In diesem Fall ist die hinzugefügte Abstandskomponente (dx) ein Abstand von 3 cm entlang der X-Koordinatenachse.
Sobald das magnetische Feld für den zweiten Punkt (den nächsten Punkt) extrapoliert wurde, wird die Standortkoordinate dieses Punkts 220 (der berechneten zweiten Position) unter Verwendung des Positions- und Ausrichtungsalgorithmus berechnet und mit der tatsächlichen Positionskoordinate des zweiten Punkts 220 verglichen, um den Positionsunterschied (ε) zu bestimmen. Wenn der Positionsunterschied (ε) innerhalb der vorbestimmten Fehlergrenze liegt, die im Signalprozessor 25 gespeichert ist, bewegt der Roboterarm 110 den Sensor 100 entlang einer anderen Koordinatenachse, z.B. der Y-Achse, zu einem neuen Punkt 230 (einem nächsten Eckpunkt), und werden die obigen Schritte entlang der Y-Koordinatenachse wiederholt, usw. Wenn der Positionsunterschied (ε) nicht innerhalb der Fehlergrenze von 1 mm liegt, wird das magnetische Feld für einen Zwischenpunkt 220b, z.B. eine Zwischenpositionskoordinate (X_i + dx/2, Y_i + dy/2, Z_i + dz/2) zwischen dem zweiten Punkt 220, z.B. der zweiten Koordinatenposition, und dem ersten Punkt 210, z.B. der ersten Koordinatenposition (nach wie vor entlang der gleichen Koordinatenachse), extrapoliert. Obwohl die hinzugefügte Abstandskomponente dx in diesem Beispiel um einen Faktor von Zwei (2) verringert wird, wird jeder ausreichende Faktor zur Verringerung der hinzugefügten Abstandskomponente genügen. Dann wird am Zwischenpunkt 220b eine Messung des magnetischen Felds mit dem Sensor 100 und dem Signalprozessor 25 vorgenommen, um unter Verwendung des Positions- und Ausrichtungsalgorithmus die Zwischenpunktkoordinate zu bestimmen. Von der Zwischenposition 220b (die tatsächlich ein neuer zweiter öder nächster Punkt ist) wird der Reihe nach dem Rest der Schritte gefolgt, was das Bestimmen des Positionsunterschieds (ε) des Zwischenpunkts 220b (des neuen zweiten Punkts) und das Bestimmen, ob ε ≤ 1 mm ist, beinhaltet.
Der Abbildungskalibrierungsvorgang wird nach den in 13 gezeigten Verfahrensschritten fortgesetzt, wodurch neue Abbildungskuben 200b usw. erzeugt werden, bis das gesamte Abbildungsvolumen vervollständigt ist (etwa 20 cm × 20 cm × 20 cm oder (20 cm)³.
Durch die vorliegende Erfindung ist deutlich ins Auge gefaßt, daß die Schritte der Verfahren und Algorithmen, die über diese Offenbarung hinweg umrissen wurden, anders als die oben beschriebenen Abfolgen, die nur Beispielszwecken dienten, in der Abfolge angeordnet werden können. Es ist deutlich ins Auge gefaßt, daß die Anordnung der Abfolge dieser Schritte vertauscht und, in manchen Fällen, optional gestrichen werden kann und dennoch die neuartigen Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt.
Man wird verstehen, daß die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft angeführt sind und der gesamte Umfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt wird.

Claims

Kalibrierungssystem (90), das folgendes umfaßt: mehrere Feldabstrahler (56, 58, 60), wobei jeder Feldabstrahler mehrere Abstrahlelemente (32–48) aufweist und jedes Abstrahlelement ein magnetisches Feld erzeugt, die bei gleichzeitigem Anregen der Abstrahlelemente (32–48) zueinander unterschiedlich sind; einen Signalprozessor (25), der betriebswirksam mit den Feldabstrahlern (56, 58, 60) verbunden ist; einen Prüfpositionssensor (100) mit drei Sensorspulen (102, 104, 106); und eine Positionierungseinrichtung (110); wobei der Prüfpositionssensor (100) betriebswirksam mit dem Signalprozessor (25) und mit der Positionierungseinrichtung (110) verbunden ist; die Positionierungseinrichtung (110) betriebswirksam mit dem Signalprozessor (25) verbunden ist; der Signalprozessor (25) mit mehreren Prüfpositionen innerhalb eines Koordinatensystems vorprogrammiert ist, das ein Abbildungsvolumen definiert, das im wesentlichen zu einem Betriebsvolumen ausgerichtet ist, das von den Abstrahlern (56, 58, 60) erzeugt wird, wenn diese angeregt werden; der Signalprozessor (25) dafür eingerichtet ist, den Prüfpositionssensor (100) zu jeder der Prüfpositionen mittels der Positionierungseinrichtung (110) zu führen; und wobei der Signalprozessor (25) dafür eingerichtet ist, ein Abtastsignal von dem Sensor (100) zu empfangen, welches das an dem Sensor abgetastete magnetische Feld angibt, wobei das Abtastsignal ein gemessenes magnetisches Feld an dem Sensor definiert, und der Signalprozessor außerdem dafür eingerichtet ist, eine bekannte theoretische magnetische Feldstärke für jede Prüfposition mit dem tatsächlich gemessenen Feld zu korrelieren und die Korrelationsergebnisse zum Korrigieren der theoretischen magnetischen Felder zu speichern.
System nach Anspruch 1, bei dem die Positionierungseinrichtung einen Roboterarm (110) aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sensorspulen (102, 104, 106) gegenseitig orthogonal zueinander sind.
Kalibrierungsverfahren zum Gebrauch bei einem System (90) nach Anspruch 1, das in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen mehrer Felderzeuger (56, 58, 60), wobei jeder mehrere Abstrahlelemente (32–48) aufweist und jedes Abstrahlelement dafür eingerichtet ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen, die bei gleichzeitigem Anregen der Abstrahlelemente zueinander unterschiedlich sind; Bereitstellen eines Signalprozessors (25), der betriebswirksam mit den Feldabstrahlern (56, 58, 60) verbunden ist; Bereitstellen eines Prüfpositionssensor (100) mit drei zueinander orthogonalen Sensorspulen (102, 104, 106); und Bereitstellen einer Positionierungseinrichtung (110), wobei der Prüfpositionssensor (100) betriebswirksam mit dem Signalprozessor (25) und mit der Positionierungseinrichtung (110) verbunden ist und die Positionierungseinrichtung (110) betriebswirksam mit dem Signalprozessor (25) verbunden ist; Vorprogrammieren des Signalprozessors (25) mit mehreren Prüfpositionen innerhalb eines Koordinatensystems, das ein Abbildungsvolumen definiert, das im wesentlichen zu dem Betriebsvolumen ausgerichtet ist, das von den Abstrahlern (56, 58, 60) erzeugt wird, wenn diese angeregt werden; Einrichten des Prüfpositionssensors (100) auf eine spezifizierte Prüfposition (X₀, Y₀, Z₀); Aufnehmen einer Messung des magnetischen Felds der Z-Komponente unter Verwendung der Z-Spule (106) des Prüfpositionssensors (100); schrittweises Betreiben der Positionierungseinrichtung (110), so daß die Y-Spule (104) des Prüfpositionssensors (100) an einen Punkt gelangt, der zuvor von der Z-Spule (106) eingenommen wurde; Aufnehmen einer Messung des magnetischen Felds der Y-Komponente unter Verwendung der Y-Spule (104) des Prüfpositionssensors (100); schrittweises Betreiben der Positionierungseinrichtung (110), so daß die X-Spule (102) des Prüfpositionssensors (100) an den gleichen Punkt gelangt, der vorher durch die Z- Spule (106) während der ersten Messung und durch die Y-Spule (104) während der zweiten Messung eingenommen wurde; Aufnehmnen einer Messung des magnetischen Felds der X-Komponente unter Verwendung der X-Spule (102) des Prüfpositionssensors (100); Korrelieren bekannter theoretischer Magnetfeldstärken mit den tatsächlich gemessenen Feldern; und Speichern der Korrelationsergebnisse zum Korrigieren der theoretischen magnetischen Felder.
Verfahren nach Anspruch 4, das weiterhin die Schritte zum Bewegen des Prüfpositionssensors (100) zu einer nächsten vorbestimmten Prüfposition aufweist und Wiederholen der Schritte des Aufnehmens der Messungen und des schrittweisen Betreibens der Positionierungseinrichtung (110).
Kalibrierungsverfahren zum Gebrauch bei einem System (90) nach Anspruch 1, das in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, wobei das Verfahren statische metallische Objekte berücksichtigt und folgende Schritte aufweist: (a) Definieren eines Abbildungsvolumens (200a) innerhalb des erzeugten magnetischen Felds; (b) Plazieren eines metallischen Objekts innerhalb des Abbildungsvolumens; (c) Ausrichten eines Sensors (100) an einem ersten Punkt (110) innerhalb des Abbildungsvolumens und Messen des magnetischen Felds an dem ersten Punkt mit dem Sensor, um eine erste Koordinatenposition (X_i, Y_i, Z_i) festzulegen; (d) Bewegen des Sensors an einen nächsten Punkt (220; X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz) entlang einer Koordinatenachse (210, 220, 230, 240, 250) durch eine hinzugefügte Abstandskomponente (dx, dy, dz) und Messen des magnetischen Felds an dem nächsten Punkt, um eine nächste Koordinatenposition festzulegen; (e) Interpolieren des magnetischen Felds an einem Zwischenpunkt (220a) zwischen der ersten Position (210) und der nächsten Koordinatenposition (220), um eine interpolierte Zwischenkoordinatenposition festzulegen; (f) Bestimmen des Positionsabstandes zwischen der interpolierten Zwischenkoordinatenposition (220a) und der tatsächlichen Zwischenkoordinatenposition; (g) Vergleichen des Positionsabstandes mit einer Fehlergrenze; (h) Setzen (X_i, Y_i, Z_i) des nächsten Punkts als (X_i = X_i + dx, Y_i = Y_i + dy, Z_i = Z_i + dz), falls der Positionsabstand innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Wiederholen der Schritte (d) – (g) entlang einer anderen Koordinatenachse (210, 220, 230,0 240, 250); und (i) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) durch Verringern des Wertes der hinzugefügten Abstandskomponente, falls der Positionsabstand nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang der gleichen Koordinatenachse.
Kalibrierungsverfahren zum Gebrauch bei einem System (90) nach Anspruch 1, das in der Lage ist, ein magnetisches Feld zum Verfolgen einer Position einer Einrichtung zu erzeugen, wobei das Verfahren statische metallische Objekte berücksichtigt und folgende Schritte aufweist: (a) Definieren eines Abbildungsvolumens (200a) innerhalb des erzeugten magnetischen Felds; (b) Plazieren eines metallischen Objekts innerhalb des Abbildungsvolumens; (c) Ausrichten eines Sensors (100) an einem ersten Punkt (110) innerhalb des Abbildungsvolumens und Messen des magnetischen Felds an dem ersten Punkt mit dem Sensor, um eine erste Koordinatenposition (X_i, Y_i, Z_i) festzulegen; (d) Extrapolieren des magnetischen Felds eines nächsten Punkts (220; X_i + dx, Y_i + dy, Z_i + dz) entlang einer Koordinatenachse (210, 220, 230, 240, 250) durch eine hinzugefügte Abstandskomponente (dx, dy, dz); (e) Berechnen der Koordinatenposition an dem extrapolierten nächsten Punkt (220) aufgrund des extrapolierten magnetischen Feldes, um eine extrapolierte Koordinatenposition festzulegen; (f) Bestimmen des Positionsabstandes zwischen der extrapolierten Koordinatenposition (220) und der tatsächlichen Koordinatenposition des nächsten Punkts; (g) Vergleichen des Positionsabstandes mit einer Fehlergrenze; (h) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) gemäß einem vorbestimmten Abstand, falls der Positionsabstand innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Ausrichten des Sensors (100) auf einen neuen Punkt (230) innerhalb des Abbildungsvolumens entlang einer anderen Koordinatenachse (210, 220, 230, 240, 250) und Messen des magnetischen Felds an dem neuen Punkt mit dem Sensor, um eine Koordinatenposition des neuen Punktes festzulegen, und Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang der anderen Koordinatenachse; und (i) Setzen der hinzugefügten Abstandskomponente (dx, dy, dz) durch Verringern des Wertes der hinzugefügten Abstandskomponente, falls der Positionsabstand nicht innerhalb der Fehlergrenze liegt, und Festlegen eines Zwischenpunktes (220b) durch Wiederholen der Schritte (d)–(g) entlang der gleichen Koordinatenachse.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Kalibrierungsverfahren für das gesamte Abbildungsvolumen vervollständigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Abbildungsvolumen etwa 20 cm × 20 cm × 20 cm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Fehlergrenze ≤ 1 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem der Sensor (100) um einen Abstand bewegt wird, der im Bereich zwischen etwa 2 cm und etwa 3 cm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem jedesmal, wenn der Sensor (100) bewegt wird, dies um einen konstanten Abstand erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem die hinzugefügte Abstandskomponente durch Division um einen Faktor Zwei (X_i + dx/2, Y_i + dy/2, Z_i + dz/2) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, bei dem der Sensor (100) gemäß den Eckpunkten (210, 220, 230, 240, 250) eines Kubus (200a, 200b) bewegt wird und das gesamte Abbildungsvolumen mehrere Kuben umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, bei dem der Sensor (100) von einem Roboterarm (110) bewegt wird.