專利名稱：補償由熒光檢查儀產生的磁干擾的制作方法
補償由熒光檢查儀產生的磁干擾技術領域
本發明總體涉及感測設置在活體內的物體的位置，具體地講，涉及補償對位置傳感器造成影響的磁干擾。
背景技術：
寬泛的醫療手術范圍涉及在體內設置諸如傳感器、管、導管、分配設備和植入物等物體。實時成像方法常常用來輔助醫師在手術過程中觀察物體及其周邊環境。一些方法通過使用磁場的物體來跟蹤物體。然而，磁場方面的干擾可能導致跟蹤出錯。
美國專利6，714，008描述了測定大物體磁場的梯度測量方法該專利被授予 Holmes等人，其公開內容以引用方式并入本文。
美國專利申請2004/0034515描述了在電磁系統中估計位置和取向測量值的方法，該專利申請授予Bar Tal等人，其公開內容以引用方式并入本文。該方法包括使介于測量用模型與一個或多個測量值之間的差值最小化。
W. I. P. 0 (世界知識產權組織)專利公布W0/2004/006770描述了用于校準醫學成像系統的方法，該專利公布授予Sati等人，其公開內容以引用方式并入本文。據說，針對 C形臂成像裝置的多個取向中的每一個取向，該方法都能夠測定成像源的位置和(如果適用)磁場畸變。
美國專利申請2005/0107687描述了用于減少電磁跟蹤器中磁場畸變的系統，該專利申請授予Anderson，其公開內容以引用方式并入本文。據說，該系統的某些實施例包括跟蹤分析單元，其用于分析儀器的跟蹤行為；和跟蹤修正單元，其用于補償儀器的跟蹤行為。
美國專利申請2007/0055125描述了電磁跟蹤系統，該系統包括場發生器和場傳感器，其被布置用于分別產生和檢測電磁場，該專利申請授予Anderson等人，其公開內容以引用方式并入本文。
美國專利申請2008/0183064描述了用于檢測電磁(EM)場畸變的方法，該專利申請授予Chandonnet等人，其公開內容以引用方式并入本文。該方法包括對設置在所關注體積內的傳感器組件進行采樣，以獲得所關注體積內的電磁場的測量值；以及監測所述測量值，以檢測所關注體積內的電磁場畸變。
美國專利6，147，480描述了用于跟蹤物體的方法由于響應能量場而引入的物品產生了干涉作用，在存在干涉作用的情況下，該方法在物體附近使用能量場，該專利被授予 Osadchy等人，其公開內容以引用方式并入本文。
美國專利5，767，669描述了用于使用從固定位置產生的脈沖磁場來測定遠程傳感器的位置和取向的系統，該專利被授予Hansen等人，其公開內容以引用方式并入本文。 由該系統單獨感測和消減渦流畸變。
美國專利7，657，075描述了用于確定三維術前圖像數據集的變換的方法，以獲得三維圖像數據與X射線成像系統的配準，該專利被授予Viswanathan，其公開內容以引用方式并入本文。美國專利7，689，019描述了用于將物體的二維投影圖像相對于同一物體的三維圖像數據記錄配準的方法和裝置，該專利被授予Boese等人，其公開內容以引用方式并入本文。物體中包含的三維特征(其也可在三維圖像中識別出)用符號重建。美國專利申請2009/0010540描述了用于進行圖像配準的方法，該專利申請授予 Mullick等人，其公開內容以引用方式并入本文。該方法包括獲得基準圖像數據集和目標圖像數據集，以及在基準圖像數據集中限定用于所關注的區域的圖像掩碼。美國專利申請2002/01723 描述了用于將儀器的空間坐標轉換成其對應的X射線投影圖像的方法，該專利申請授予Dekel，其公開內容以引用方式并入本文。據說，該方法的根據是通過同時記錄校準工具的空間坐標和X射線投影圖像，將X射線束成像系統的坐標系與定位裝置配準。
發明內容
本發明的實施例提供方法，該方法包括使用多個磁發射器在某一區域中產生磁場；將場擾動元件引入該區域中；表征每一個磁發射器在場擾動元件中的多幅圖像；根據表征的圖像計算該區域中的反應磁場；將探針定位在該區域中以及測量在該探針處的被擾動的磁場；以及針對測量的被擾動的磁場和計算的反應磁場來測定探針的位置。產生磁場的步驟通常包括在不存在場擾動元件的情況下測量磁場，以及在該區域中存在場擾動元件的情況下測量磁場。在本發明所公開的實施例中，將場擾動元件引入該區域中的步驟包括測量場擾動元件相對于磁發射器限定的軸線的位置和取向。測量場擾動元件的位置和取向的步驟可包括針對反應磁場適應地計算位置和取向。在本發明所公開的另一個實施例中，表征多幅圖像的步驟包括假定多幅圖像相對于彼此處于預定構型。預定構型可包括矩形，并且多幅圖像可包括位于矩形的拐角和中心處的五幅圖像。在本發明所公開的又一個實施例中，計算反應磁場的步驟包括根據球諧函數展開來計算場。計算反應磁場的步驟可包括進行高達3階的球諧函數展開。作為另外一種選擇或除此之外，根據球諧函數展開來計算場的步驟可包括將該展開配置成空間轉移矩陣，該方法還可包括測定作為反應場矩陣的場擾動元件的性質，并且計算反應磁場的步驟可響應于空間轉移矩陣與反應場矩陣的乘積。通常，定位探針的步驟包括將探針定位在患者體內。在一個實施例中，場擾動元件包括熒光檢查儀的至少一部分。該方法可包括將熒光檢查儀的熒光檢查儀軸線與發射器所限定的軸線配準。配準熒光檢查儀軸線的步驟可包括用固定地連接到發射器的攝像頭來形成附接到熒光檢查儀的基準標記的圖像。引入場擾動元件的步驟可包括針對圖像來測量場擾動元件的位置和取向。根據本發明的實施例，還提供了設備，該設備包括
多個磁發射器,其被配置用于在某一區域中產生磁場；
場擾動元件，其被引入所述區域中；和
處理器，其被配置用于
表征每一個磁發射器在場擾動元件中的多幅圖像，
根據表征的圖像計算該區域中的反應磁場，
測量設置在該區域中的探針處的被擾動的磁場，以及
針對測量的被擾動的磁場和計算的反應磁場來測定探針的位置。
根據本發明的實施例，還提供了方法，該方法包括
在定位墊上安裝磁發射器，所述磁發射器被配置用于在患者體內產生磁場；
將定位墊攝像頭以相應的固定取向附接到定位墊；
將可旋轉攝像頭連接到定位墊；
將基準標記附接到被配置用于使患者成像的熒光檢查儀；
將熒光檢查儀定位到不同位置中；以及
對每一個位置都執行如下操作
將可旋轉攝像頭取向為已知取向，用可旋轉攝像頭和定位墊攝像頭形成相應的基準標記的圖像，以及
分析相應的圖像，以將熒光檢查儀的位置和取向與定位墊的軸線配準。
該方法可包括從定位墊移除可旋轉攝像頭，以及僅使用由定位墊攝像頭形成的基準標記的圖像來確定熒光檢查儀相對于定位墊軸線的位置和取向。在一個實施例中，將定位墊攝像頭附接到定位墊的步驟包括將可拆卸夾具附接到定位墊，以及通過用攝像頭使夾具成像而將定位墊攝像頭與相應的固定取向對齊。
根據本發明的實施例，還提供了設備，該設備包括
定位墊；
磁發射器，其被配置用于在患者體內產生磁場，并且被安裝在定位墊上；
定位墊攝像頭，其以相應的固定取向被附接到定位墊；
可旋轉攝像頭，其被連接到定位墊；
熒光檢查儀，其被配置用于使患者成像；
基準標記，其被附接到熒光檢查儀；和
處理器，其被配置用于
將熒光檢查儀定位到不同位置中，并對每一個位置都執行如下操作
將可旋轉攝像頭取向為已知取向，用可旋轉攝像頭和定位墊攝像頭形成相應的基準標記的圖像，以及
分析相應的圖像，以將熒光檢查儀的位置和取向與定位墊的軸線配準。
通過以下與附圖結合在一起的本發明實施例的詳細說明，將更全面地理解本發明。
圖I為根據本發明實施例的位置感測系統的示意性立體圖2為示出根據本發明實施例的探針的遠端的示意性詳細視圖3為根據本發明實施例的位置感測系統中使用的元件的示意圖；圖4為根據本發明實施例測定探針遠端的位置的工序的流程圖；圖5為根據本發明實施例的可選位置感測系統的示意性立體圖；圖6A和圖6B為根據本發明實施例的可選位置感測系統的部分的示意圖和系統校準中使用的元件的示意圖；圖7為根據本發明實施例由控制單元在操作可選位置感測系統中執行的步驟的流程圖；以及圖8A-8G示出了根據本發明實施例的矩陣元素。
具體實施例方式鍵本發明的實施例提供了用于對某區域中的磁場中產生的擾動進行補償的方法。將擾動元件(通常為金屬元件)引入到磁發射器所產生的場中會引起擾動。為了對擾動元件的存在進行補償，本發明的實施例中使用的反應場模型假定每以個磁發射器都在元件中產生多幅發射器圖像。該模型假定每一幅圖像都產生相應的反應場，這些反應場總體起到擾動由發射器產生的場的作用。每一幅圖像通常都可表征為多極(S卩，雙極、四極和/或更高階的極)的組合。每一幅圖像的特征還特別都取決于產生圖像的發射器場。該模型通常通過假定場可由球諧函數展開表示，并根據圖像的特征來計算來自多極圖像中的每一幅的反應場。通常，通過在存在擾動元件以及在不存在擾動元件的情況下測量發射器發射的場來有效測定圖像特征，這些特征可用空間轉移矩陣和反應場矩陣的方式表示。—旦圖像被表征，設置在該區域中的探針就測量被擾動的磁場。然后，可針對測量的磁場和如上所述計算的反應場來計算探針在該區域中的位置。系統說明現在參見圖1、圖2和圖3，圖1為根據本發明實施例的位置感測系統20的示意性立體圖，該系統被配置用于感測導管探針22的遠端21的位置，圖2為示出根據本發明實施例的遠端21的示意性詳細視圖，圖3為根據本發明實施例的系統20中使用的元件的示意圖。通常由醫務人員在系統20的操作階段將探針22插入患者體腔或器官中，而在系統的校準階段不提供探針22。為清楚起見，探針22在圖1中用虛線表示。在醫務人員(其可以操作位置感測系統20)施行手術過程中，患者通常平躺在手術臺M上。為簡單明了起見， 患者和醫務人員均未在圖1中示出。以舉例的方式，在下文的描述中，假定探針22用于患者心室內進行的侵入式手術。將患者置于處于磁場中的手術臺M上，該磁場是通過在患者下方設置定位墊沈而產生的，該定位墊包含大致類似的交變磁場發射器線圈32A、32B、的構造觀，這些線圈在本文也統稱為磁場發射器線圈32。線圈32在區域30中產生其交變磁場，該區域在圖1中以橢圓形示意性示出。圖3示出了線圈32的示例性構造。通常情況下以及如圖3所示，構造觀包括發射器線圈32，該發射器線圈成形為三組三軸線圈34、36和38，每一組三軸線圈都包括彼此正交的三個線圈。然而，除了構造28 以外，磁場發射器線圈32的其他構造也是可行的，并且此類構造對于本領域普通技術人員而言是顯而易見的。授予Govari的美國專利6，484，118描述了與構造28類似的線圈構造以及可用于系統20中的線圈32的其他構造，該專利被授予Govari，其公開內容以引用方式并入本文。本文的描述假定遠端21包括三個作為位于遠端的電磁(EM)傳感器46的部件的大致正交的線圈40、42和44。(遠端通常包括其他元件，諸如圖2所示的電極48。)線圈 32產生的磁場在傳感器46的線圈中根據線圈感測的場產生電信號。將來自傳感器46線圈的電信號傳送到控制單元50，該控制單元對這些信號進行分析，以便測定探針22的位置和取向的坐標。假定坐標參照一組正交的xyz軸線(如圖3所示)，這些軸線相對于定位墊 26固定。遠端21中用于檢測探針22位置和取向的線圈的其他構造在本領域是已知的。一種此類構造采用一個線圈，該線圈測量磁場的投影。本領域的普通技術人員在加以必要的變通后將能夠對本描述進行修改，以闡釋與線圈40、42和44例示的構造不同的線圈構造。控制單元50包括處理器52，通常為具有適當信號處理電路的計算機。處理器使用存儲器54，該存儲器通常包括其內存儲操作系統20的數據的易失性和非易失性數據存儲器件。連接處理器以驅動控制臺，該控制臺可提供探針22的位置的視覺顯示器56。系統20包括熒光檢查儀60，該熒光檢查儀由熒光檢查儀控制器61操作，并且能夠產生手術臺M上的患者的熒光透視圖像。假定熒光檢查儀控制器61為控制單元50的子單元。熒光檢查儀60具有多個部分，包括準直X射線源62 (在本文也稱為準直器6 和檢測器64。準直器和檢測器通過另一部分即“C形臂” 66連接在一起，“C形臂” 66允許它們圍繞兩條軸線旋轉，所述兩條軸線即水平軸線68和垂直于紙面經過軸線68的軸線。C形臂也允許準直器和檢測器在空間中平移，諸如沿平行于水平軸線的方向平移。在熒光檢查儀圍繞軸線68旋轉的過程中，C形臂66使準直器和檢測器保持彼此固定地對齊，并且保持彼此之間恒定的距離。通常，熒光檢查儀60形成的圖像可以用圍繞軸線68旋轉至任何取向的熒光檢查儀形成，所述取向根據患者的需要和專業操作系統20的要求而選擇。通常，熒光檢查儀60基本上在采用探針22的同一時間進行操作，以產生其成像。 然而，熒光檢查儀中靠近區域30的金屬元件改變線圈32在該區域中產生的磁場。如果不補償這些變化，則會造成測量的探針22的位置不準確。如本文所述，本發明的實施例在不論熒光檢查儀相對于手術臺M處于何種取向或位置的情況下，對熒光檢查儀60引起的磁場變化進行了補償，從而防止了測量的探針位置出現任何不準確。通常，系統20包括其他元件，出于簡潔起見，這些元件未在圖中示出，并且下列描述會視需要提及。例如，系統20可以包括ECG監視器，該ECG監護儀被連接以接收來自一個或多個身體表面電極的信號，以便向控制單元50提供ECG同步信號。圖1的配置為示例性配置，僅僅是出于概念明晰目的而選擇。在可供選擇的實施例中，也可以使用任何其他合適的配置。處理器52通常在軟件內編程，以執行本文所述功能。例如，該軟件可以電子形式通過網絡下載到處理器，或者作為另外一種選擇或除此之夕卜，該軟件可以被提供和/或存儲在非臨時性有形介質(諸如磁性、光學或電子存儲器) 上。系統20還包括能夠標繪線圈32在區域30中產生的磁場的設備。在本發明的一個實施例中，標測器70用于標繪磁場，該標測器包括磁場檢測器72的陣列，這些磁場檢測器固定地安裝在固體基部(諸如塑料板)的已知位置中。標測器70被配置用于使得其可以相對于定位墊26的已知預定位置和取向而設置在手術臺M上。在一個實施例中，標測器70包括50個檢測器。通常，檢測器在標測器中被配置用于使得磁場和所有其不可忽略的梯度為可測量。在可供選擇的實施例中，標測器具有78個分布在矩形框中的檢測器，該矩形框的近似尺寸(高X寬X長)為等于150mmX250mmX250mm。通常可使用來自檢測器72的磁測量值，將標測器相對于上下左右大致居中地設置。雖然在有關系統20操作的下列描述中假定標測器70用于標繪磁場，但應當理解標測器是用于測量區域30中的磁場的示例性系統，并且可以使用任何其他合適的系統，諸如可移動到已知位置中的一個或多個場檢測器。此類可供選擇的磁場標繪系統對于本領域內的普通技術人員而言將顯而易見，并應認為涵蓋于本發明的范圍內。檢測器72可包括用于測量磁場大小和方向的任何便捷傳感器，諸如大致類似于傳感器46的霍爾探針或霍爾傳感器。通常通過電纜74將來自檢測器的讀數傳輸到控制單元50，但也可使用任何其他方便的傳輸方法，諸如無線傳輸。如下文更詳細描述的，標測器70用于系統20的校準階段，從而標測器及其連接電纜在圖1中用虛線表示。在系統20處于其操作階段時移除標測器及其電纜。在一些實施例中，系統20包括一個或多個與傳感器46大致類似的參考傳感器76。 如下文所述，傳感器76控制單元50提供信號，以使該單元能夠確定熒光檢查儀60的位置和取向。通常，傳感器76相對于手術臺M固定，并便利地定位在手術臺下方。作為另外一種選擇，參考傳感器76可固定到熒光檢查儀60。現在參見圖4，該圖為根據本發明實施例測定探針22遠端21的位置的工序的流程圖100。流程圖100包括第一校準階段102，然后是第二操作階段104。該流程圖的下列描述還涉及下列標題為“反應場模型”章節中的部分。在校準階段的第一標測步驟106中，將可擾動線圈32所產生的磁場的所有物體 (本文稱為場擾動器或場擾動元件)從區域30及其附近移除。此類物體包括熒光檢查儀 60。將標測器70以其相對于定位墊沈的預定位置和取向設置在手術臺M上，并啟動發射器線圈32。控制單元50操控磁場檢測器72，以便標測在區域30中未受擾動的磁場。在第二標測步驟108中，在標測器70保持就位的情況下，將熒光檢查儀60設置在區域30附近的相對于定位墊軸線的具體位置和取向(LO)。控制單元50可使用熒光檢查儀控制器61測定具體位置和取向。作為另外一種選擇，在包括參考傳感器76的實施例中，控制單元50可使用來自傳感器的信號測定位置和取向，如下文在標題為“熒光檢查儀的適應定位”章節中所述。下文結合圖5、圖6A、圖6B和圖7描述了用于確定熒光檢查儀已知位置和取向的另一可供選擇的光學方法。如下文所述，假定熒光檢查儀60具有兩個擾動元件準直器62和檢測器64。為了使下文針對步驟110描述的表征有效，選擇了不同的位置和取向，以使得它們分成兩組 第一組中準直器62遠離區域30，以使得僅檢測器64為擾動元件；第二組中檢測器64遠離區域30，以使得僅準直器62為擾動元件。對于每一個已知位置和取向而言，控制單元50都操控磁場檢測器72，以便標測區域30中的被擾動的磁場。
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在多極表征步驟110中，控制單元假定由熒光檢查儀60的每一個擾動元件引起的擾動都歸因于相應的元件中磁圖像源產生的反應場。在下文標題為“反應場模型”的章節中更詳細描述了在步驟110中進行的分析。磁性源可視為發射器線圈32在擾動元件(即在兩種元件中準直器62和檢測器64)中產生的圖像。如果熒光檢查儀60具有不同數量的元件，或者對于其他場擾動器而言，本領域內的普通技術人員將能夠對該描述進行調整。理論上，如果場擾動器為理想導體球并且發射器為力矩朝向球體中心的雙極，那么球體產生的發射器圖像為單個雙極。為了容許存在與此類理論模型的差異(尤其包括 發射器不是理想雙極，并且擾動器也不是理想導體球)，本發明實施例假定在熒光檢查儀的每一個擾動元件內，單個發射器線圈32都產生線圈的兩幅或更多幅多極磁性源圖像。假定每一個多極都產生相應的反應場，并且多極可包括雙極、四極和/或更高階的極。考慮到反應場的圖像源可能具有除雙極之外的元件，控制單元50并非使用分立的極來分析數據，而是使用球諧函數分析。如章節“反應場模型”所闡釋的，并且以舉例的方式， 本文假定每一個線圈32在準直器62中都產生五幅多極圖像，并在檢測器64中產生五幅多極圖像。圖像位置充當假定描述反應場的球諧函數的展開點。本領域內的普通技術人員將能夠對本描述作出調整，以適于準直器和/或檢測器中的其他數量的圖像。在步驟110結束時，通常為校準階段結束時，控制單元已表征了每一個擾動元件所有的多個圖像源。對于每一個擾動元件，該表征都包括定位圖像源在擾動器中的位置，以及測定每一個擾動元件的圖像源所產生的反應場矩陣[T&s]的元素。對于此處考慮的示例性實施例(其中準直器62和檢測器64為擾動元件)，測定了相應的矩陣[TasJittss和檢測器。在一個實施例中，檢測器具有尺寸為38cmX48cm的外部矩形框架。假定用于檢測器的五個圖像源位于距離矩形拐角大約IOcm和位于矩形中心處，以及位于檢測器表面下方大約IOcm的位置。準直器的外部具有相似的矩形尺寸，并且準直器的五個圖像源按照與檢測器的那些圖像源相似的方式設置。在操作階段，控制單元使用矩陣[Tas]準直器和[T&應]檢測器來計算圖像源產生的反應場。在第一操作階段的步驟112中，如果發射器線圈32在步驟110后已停用，則控制單元會啟動發射器線圈32。在擾動步驟114中，熒光檢查儀60移動到已知位置和取向，即檢測器位于區域30 附近的已知位置和取向并且準直器也位于區域30附近的已知位置和取向，并且控制單元 50配準已知位置和取向。可通過以上針對校準過程所述方法之一將已知位置和取向提供給控制單元50。在初始位置測定步驟118中，控制單元測量從探針22遠端21中的傳感器產生的信號。作為第一逼近程度，控制單元假定由這些信號測定的場為未受擾動的場。控制單元使用得自第一標測步驟106的結果來測定遠端的大致位置。在場校正步驟120中，控制單元50使用方程(7)計算在前述步驟中測定的位置處的反應場。控制單元從測量的場中減去反應場，以得出在該位置處未受擾動的場的改進估值。在改進的位置測定步驟122中，控制單元使用未受擾動的場的值和步驟120中測定的磁場的值，對遠端位置作出改進的測定。在可選的比較步驟124中，控制單元檢查介于步驟122中測定的最后位置與倒數第二位置之間的差值是否小于預設值，預設值通常為大約0. 1mm。如果差值大于或等于預設值，則控制單元返回到步驟122。如果差值小于預設值，則控制單元繼續到最終步驟126。應當理解，步驟120-1M描述了一種可選的迭代循環，其中控制單元對遠端位置執行逐漸精準的測定，同時還對該位置的未受擾動的場執行逐漸精準的測定。在一些實施例中，對時序測量值執行大致類似于步驟120和124(但不包括步驟 122)限定的循環。在這種情況下，可按時對每一個傳感器的下一個測量值都實施反應場校正。在每16ms對測量值進行計算的一個此類實施例中，本發明人已經發現，對于固定傳感器而言，需要進行三次或更少次迭代，從而得到傳感器位置的真值。在最終步驟126中，控制單元使用步驟122中得到的最終位置測定值作為遠端的位置。圖5為根據本發明實施例的可選位置感測系統150的示意性立體圖。圖6A和圖 6B為根據本發明實施例的系統150的一部分的示意圖和系統校準中使用的元件的示意圖； 除了下文所述的差異外，系統150的操作大致類似于系統20 (圖1-4)的操作，并且在系統 20和150兩者中用相同附圖標號指示的元件通常在構造和操作方面大致類似。為簡單明了起見，系統150的一些元件(存在于系統20中并在圖1中示出)未在圖5中示出。在系統150中，一個或多個基準標記152固定到熒光檢查儀60的元件。本文以舉例的方式假定兩個標記152附接到準直器62。此外，兩個或更多個攝像頭154固定地附接到定位墊26。攝像頭IM受控制單元50的控制，以使得處理器52能夠接收并處理由攝像頭生成的圖像。攝像頭固定到具有位置和取向的定位墊26，以使得由攝像頭形成的圖像包括基準標記152的圖像。如下文結合圖7的流程圖所詳述，控制單元50使用基準標記152的攝像頭圖像來確定熒光檢查儀60 (包括其準直器62和檢測器64)相對于定位墊沈的位置和取向。為執行此測定操作，使攝像頭的位置相對于定位墊配準。攝像頭與定位墊的配準，以及基準標記的圖像與熒光檢查儀的位置和取向的關系的測定，均根據圖7的流程圖由控制單元50實現。可使用裝入定位墊中的已知位置中的可拆卸的預制校準夾具156來完成配準操作。在一些實施例中，夾具156可伸縮地鉸接在鉸鏈158和160處。通過使夾具156可伸縮，現場工程師可以簡單有效地改進現有位置感測系統20中定位墊沈中的夾具，如圖6B 所示。來自夾具156的元件的圖像用于在定位墊中對準攝像頭154，并用于校正可能由攝像頭引起的任何光學誤差。控制單元50可使用熒光校準系統(FCQ 162來確定基準標記的圖像與熒光檢查儀的位置和取向的關系，如圖5和圖6A所示。FCS 162包括第二對攝像頭164，該對攝像頭可以將其圖像傳輸至控制單元。攝像頭安裝在支撐件166上，并且每一個攝像頭都能夠根據從控制單元50接收的命令獨立地全景拍攝和傾斜。圖7為根據本發明實施例由操作系統150中控制單元50執行的步驟的流程圖 200。流程圖200分為校準階段202和操作階段204。在校準階段的第一步驟206中，將基準標記152固定到熒光檢查儀60。基準標記被布置為使得在如下文所述將攝像頭連接到定位墊26時位于攝像頭IM的視野之內。通常， 對將標記固定到其上的熒光檢查儀的元件加以選擇，以使得對于熒光檢查儀的基本上所有的操作位置和取向，標記都位于攝像頭154中的至少一個的視野之內。本文以舉例的方式假定基準標記固定到準直器。在一些實施例中，在系統150中使用不止兩個攝像頭154，以使得對于熒光檢查儀的所有位置和取向，基準標記152都位于攝像頭中的至少一個的視野之內。在攝像頭安裝步驟208中，攝像頭IM固定地附接到定位墊26，以使得攝像頭位于已知的位置中并具有已知的取向。在一些實施例中，在附接之后，使用充當攝像頭的校準物體的夾具156，將攝像頭對齊到其已知位置和取向。由攝像頭中的每一個形成的夾具的圖像都可以使攝像頭能夠精確對準，以及提供使控制單元50能夠校正攝像頭成像中的缺陷的數據。作為另外一種選擇，可采用用于將攝像頭1 相對于定位墊固定到已知位置和取向， 以及用于校正攝像頭的圖像中的缺陷的任何其他簡便方法。在設置步驟210中，FCS 162相對于定位墊沈固定地設置在已知位置中。FCS 162 的定位可通過將FCS的支撐件166附接到手術臺24 (如圖5所示)，或附接到任何其他方便的物體(諸如定位墊26自身)來進行。設置FCS 162，使得安裝在支撐件166上的攝像頭 164能夠由控制單元旋轉，以使得它們始終能夠使基準標記152成像。在數據測量步驟212中，使用熒光檢查儀控制器61將熒光檢查儀60移入多個不同位置中，即多個不同位置和取向。在每一個不同位置中，控制單元50都將信號傳輸至攝像頭164，以使得攝像頭位于已知全景拍攝和傾斜角度。控制單元50使攝像頭全景拍攝和 /或傾斜，以使得每一個攝像頭164都使基準標記152成像。控制單元50記錄每一個攝像頭的全景拍攝和傾斜角度(由于控制單元發送全景拍攝和傾斜信號，因此它可感知每一個攝像頭164的取向)以及由每一個攝像頭形成的基準標記的圖像。此外，在熒光檢查儀的每一個不同位置處，控制單元50都記錄由每一個攝像頭 154生成的基準標記的圖像。在相關性步驟214中，控制單元50生成介于攝像頭164的基準標記的圖像和攝像頭154的基準標記的圖像之間的相關性。所述相關性允許控制單元配準兩個系統的軸線， 即熒光檢查儀的軸線和定位墊的軸線。在校準階段的最后一個步驟216中，一旦進行了配準，FCS 162(包括其攝像頭 164)就被移除。在操作階段的操作步驟218中，啟動攝像頭154。在本實例中，在基準標記附接到準直器位置處，控制單元從攝像頭接收基準標記的圖像，并使用步驟214中確定的相關性對圖像進行分析，以確定準直器相對于定位墊的位置和取向。由于熒光檢查儀60的準直器和檢測器彼此處于固定的物理關系，因此，控制單元可通過準直器的位置和取向確定檢測器的位置和取向，具體由它們之間的距離而定。通常使用優化技術來確定該缺失值，該技術類似于下文所述的“熒光檢查儀的適應定位”法。已結合確定熒光檢查儀相對于定位墊的位置和取向對流程圖200進行了描述。應當理解，加以必要的修改后，也可以實施流程圖中的各個步驟，來確定另一物體的位置和取向，所述物體通常為定位在定位墊附近并進行移動的、可能會干擾定位墊的發射器的物體。 所有這類具體實施都被認為在本發明的范圍內。
反應場樽型本發明實施例的反應場模型假定由設置在源磁場中的磁場擾動元件所導致的磁反應場是通過所述元件中的多個點源生成的。源磁場可由任何數量的場發射器生成。點源可視為場發射器的擾動元件中的圖像。為簡單起見，對與本發明實施例有關的模型的描述進行了以下假設 擾動元件。熒光檢查儀60包括通過C形臂66連接的準直器62和檢測器64。 本發明人已經發現，如果假定僅檢測器和準直器為擾動元件，則會獲得由熒光檢查儀生成的反應場的良好結果，因此，下面的分析中假定僅有兩個此類元件。然而，也可對其他擾動元件采用相同類型的分析，以使得本發明的范圍包括任何數量的此類元件。 發射器的數量和類型。為與構造觀的三個三軸線圈相對應，假定有九個磁場發射器。發射器中的每一個都為近似的雙極。然而，通常對場發射器的數量或構造沒有任何限制。 每一個擾動元件中的點源。以舉例的方式，假定給定發射器在每一個擾動元件中成像時都生成五個點源，本文也稱為展開點(因為下文提及的球諧函數是通過這些點展開的)。在其他實施例中，可以假定每個發射器的其他圖像點源數量，并且用于不同擾動元件的源數量不必相等。在本發明的實施例中，假定與不同發射器對應的五個點源彼此全等。 此外，假定該五個點源還位于矩形的中心處和拐角處。 球諧函數。可將每一個點源都視為由雙極、四極和/或更高階的極組成。模型不是分析單獨的分量，而是假定來自每一個點源的場都可通過球諧函數展開來表示。本發明人已經發現，展開至3階會得到良好的結果，但應當理解，本發明的范圍包括展開至更低階或更高階。 位置測量。為簡單起見，假定相對于單組軸線測量所有位置。以舉例的方式，假定該單組軸線基于檢測器64，其原點位于檢測器的中心圖像點源處，其中χ軸和y軸由檢測器中的點源的矩形的邊限定。一個發射器首先考慮一個發射器以及由發射器在擾動元件(除非另外指明，否則在本文中假定為檢測器64)中形成的一個展開點。為簡單起見，假定所述一個展開點位于基于檢測器的(x，y，z)坐標組的原點(0，0，0)處，那么離開原點的位置(x，y，z)處的磁反應場的表達式(表示為3元素列向量)為
'Bx(x,y, z)l
By{x,y,z) = [T^ix,y,z)} · [C0](1)
Bz(_x,y, ζ)
'Bx{x,y,z)其中By(XyfZ)為表示為列向量的反應場，
Bz{x,y,z)[C0]為基于1-3階球諧函數項、圍繞原點展開(下文將給出[C]展開形式的表達式)的15元素列向量，并且[Tsfal (x, y，ζ)]為得自[C0]的球諧函數項的3X15空間轉移矩陣。圖8A-8G示出了根據本發明實施例的[T(x，y，ζ)]的元素中的每一個。
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對于五個展開點(0,0,0)、(X1, Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)而言，
方程⑴變為
By (X1 y, ζ) = [Γ空間(χ, y, ζ) (5)]. [C5](2)
Bz(,x,y, ζ)其中[TSfa](x，y，z)(5)]為3X75空間轉移矩陣，并且[C5]為75元素列向量。[Tsra (x,y,z) (5)]通過將四個[Tsra]矩陣(每一個矩陣距離原點的偏移量都為其相應位移的坐標)與[Tsra (x, y，ζ)]連接在一起而形成。艮口，[Tsfi (x, y, z) (5)]=[Τ 空間(x，y，ζ) .··!"空間(χ_χ4，y~y4, ζ~ζ4) ](3)[C5]通過將5個列向量疊加在一起而形成，每一個列向量都基于圍繞相應展開點展開的球諧函數項。艮口，
！
qIc5I = C2(4)
‘來自一個發射器的場來自區域30中任意點處的任何給定發射器的場都可通過定位墊制造過程期間執行的校準步驟進行計算。為了表征發射器，考慮檢測器64的區域中的多個點。本發明人已經發現，17個點已足夠，但也可采用任何其他適合的數字。在17個點處的場可通過未受擾動的場的51元素列向量[Bis]來表示，其中
Γ引Ξ ·『(5)
瑪7 均7 M根據以下方程，假定[C5]隨[Bm]而變化[C5] = [Τ 反應]· [B 衛星](6)其中[Tas]為75X51反應矩陣，其中的元素表示檢測器的反應特性。一般情況可通過上述推導，將用于在點(X，y, ζ)處的檢測器反應磁場的表達式寫為下面的方程(7)。該表達式假定檢測器中有九個發射器和五個展開點。^反應“，又，幻！二^空間“，又，幻⑶^^反應^^衛星⑶](7)其中[B反應(X，y，ζ)]為3X9反應場矩陣，該矩陣有9列，每一列都類似于方程 (1)的反應場向量的列，5》^囑‘
〔0158〕0)1為未受擾動的場的51X9矩陣，該矩陣具有類似于向量〔8皿〕(方程
⑶)的列， 〔0159〕
01,101,9
匕X匕X三
^17,1 ^17,9
〔0160〕 并且對于方程⑵和㈤而言，[！ “小力⑶]和〔I反應]具有相同的量綱，而 且元素符合方程(了)的要求。
勸61] 應當理解，乘積[了勃旬(乂，又，2) ^5)1 ‘ [了反應]能有效地表征在檢測器中形成的五幅 圖像。
〔0162〕 方程⑴在系統20的校準階段和操作階段中均可使用，如下所述。 〔0163〕 在一些實施例中，通過用〔8反應“，口)]和[下空間“，口)⑶]除以|…&，又， | |來改寫方程(了)，而不是按原樣使用方程^，其中^&，”幻為來自在“[幻處的 發射器的未受擾動的場。本發明人已經發現，此類改寫可為發射器場較弱的位置賦予更大 的權重，并可以補償該場的測量誤差。
〔0164〕 為簡單起見，本文的具體實施方式
假定按原樣使用方程(了)，并且本領域的普通 技術人員加以必要的變通后將能夠更改所述具體實施方式
，以用于實施例實現對上述方程 ⑵的改寫。 〔0165〕 校準階段
〔0166〕 在校準階段中，方程⑵用于獲得[、一的值。
〔0167〕 對于具體位置(^？口)，〔8反應(^？^)]的元素可通過如下方式取得當檢測器 64位于對磁場有擾動的位置時和檢測器被設定為不會擾動磁場時，獲得這兩個場之間的差值。
〔0168〕 [！巧)的元素可通過圖8中所示的方程取得，假定在適用時在所述方
程中使用展開點(結合方程^提及)的位置。
〔0169〕 因此，在方程⑵中，除[、一之外的所有項都是已知的。
〔0170〕 可使用將為本領域的普通技術人員所熟知的方法，通過處理方程⑴取得[！ ^^。
一種用于取得[！^」的此類方法是使〔8反應〈X，1，2)1和[！^貞]向量化，并應用克羅內
克積0生成換算的方程
〔01川
”605反應(；^ 乂‘力]^
〔0172〕7" 0『空間⑶江；^)]“反應]‘(⑴)
〔0173〕 其中上標I表示轉置。
勸74] 卯。[了反應]通過將方程⑶)的兩邊都乘以〔舊衛星⑶卩0 [『空間⑶江叉2)])"^㈨III
』
權利要求
1.一種方法，包括使用多個磁發射器在某一區域中產生磁場；將場擾動元件引入所述區域中；表征每一個磁發射器在所述場擾動元件中的多幅圖像；根據所表征的圖像計算所述區域中的反應磁場；將探針定位在所述區域中，并且測量在所述探針處的被擾動的磁場；以及針對所測量的被擾動的磁場和所計算的反應磁場來確定所述探針的位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中產生所述磁場的步驟包括在不存在所述場擾動元件的情況下測量所述磁場，以及在所述區域中存在所述場擾動元件的情況下測量所述磁場。
3.根據權利要求1所述的方法，其中將所述場擾動元件引入所述區域中的步驟包括測量所述場擾動元件相對于由所述磁發射器限定的軸線的位置和取向。
4.根據權利要求3所述的方法，其中測量所述場擾動元件的所述位置和所述取向的步驟包括針對所述反應磁場適應地計算所述位置和所述取向。
5.根據權利要求1所述的方法，其中表征所述多幅圖像的步驟包括假定所述多幅圖像相對于彼此處于預定構型。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述預定構型包括矩形，并且其中所述多幅圖像包括五幅圖像，所述五幅圖像位于所述矩形的拐角和中心處。
7.根據權利要求1所述的方法，其中計算所述反應磁場的步驟包括根據球諧函數展開來計算所述反應磁場。
8.根據權利要求7所述的方法，其中計算所述反應磁場的步驟包括進行高達3階的所述球諧函數展開。
9.根據權利要求7所述的方法，其中根據所述球諧函數展開來計算所述反應磁場的步驟包括將所述球諧函數展開配置成空間轉移矩陣，所述方法還包括確定作為反應場矩陣的所述場擾動元件的性質，并且其中計算所述反應磁場的步驟響應于所述空間轉移矩陣與所述反應場矩陣的乘積。
10.根據權利要求1所述的方法，其中定位所述探針的步驟包括將所述探針定位在患者體內。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述場擾動元件包括熒光檢查儀的至少一部分。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括將所述熒光檢查儀的熒光檢查儀軸線與由所述發射器限定的軸線配準。
13.根據權利要求12所述的方法，其中配準所述熒光檢查儀軸線的步驟包括用固定地連接到所述發射器的攝像頭來形成附接到所述熒光檢查儀的基準標記的圖像。
14.根據權利要求13所述的方法，其中引入所述場擾動元件的步驟包括針對所述圖像來測量所述場擾動元件的位置和取向。
15.一種設備，包括多個磁發射器，所述多個磁發射器被配置用于在某一區域中產生磁場； 場擾動元件，所述場擾動元件被引入所述區域中；和處理器，所述處理器被配置用于表征每一個磁發射器在所述場擾動元件中的多幅圖像，根據所表征的圖像計算所述區域中的反應磁場，測量設置在所述區域中的探針處的被擾動的磁場，以及針對所測量的被擾動的磁場和所計算的反應磁場來確定所述探針的位置。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述處理器被配置用于在不存在所述場擾動元件的情況下測量所述磁場，以及在所述區域中存在所述場擾動元件的情況下測量所述磁場。
17.根據權利要求15所述的設備，其中所述處理器被配置用于測量所述場擾動元件相對于由所述磁發射器限定的軸線的位置和取向。
18.根據權利要求17所述的設備，其中測量所述場擾動元件的所述位置和所述取向的步驟包括針對所述反應磁場適應地計算所述位置和所述取向。
19.根據權利要求15所述的設備，其中表征所述多幅圖像的步驟包括假定所述多幅圖像相對于彼此處于預定構型。
20.根據權利要求19所述的設備，其中所述預定構型包括矩形，并且其中所述多幅圖像包括五幅圖像，所述五幅圖像位于所述矩形的拐角和中心處。
21.根據權利要求15所述的設備，其中計算所述反應磁場的步驟包括根據球諧函數展開來計算所述反應磁場。
22.根據權利要求21所述的設備，其中計算所述反應磁場的步驟包括進行高達3階的所述球諧函數展開。
23.根據權利要求21所述的設備，其中根據所述球諧函數展開來計算所述反應磁場的步驟包括將所述球諧函數展開配置成空間轉移矩陣，其中所述處理器被配置用于確定作為反應場矩陣的所述場擾動元件的性質，并且針對所述空間轉移矩陣與所述反應場矩陣的乘積來計算所述反應磁場。
24.根據權利要求15所述的設備，其中所述探針定位在患者體內。
25.根據權利要求15所述的設備，其中所述場擾動元件包括熒光檢查儀的至少一部分。
26.根據權利要求25所述的設備，還包括將所述熒光檢查儀的熒光檢查儀軸線與由所述發射器限定的軸線配準。
27.根據權利要求26所述的設備，其中配準所述熒光檢查儀軸線的步驟包括用固定地連接到所述發射器的攝像頭來形成附接到所述熒光檢查儀的基準標記的圖像。
28.根據權利要求27所述的設備，其中所述處理器被配置用于針對所述圖像來測量所述場擾動元件的位置和取向。
29.—種方法,包括在定位墊上安裝磁發射器，所述磁發射器被配置用于在患者體內產生磁場；將定位墊攝像頭以相應的固定取向附接到所述定位墊；將可旋轉攝像頭連接到所述定位墊；將基準標記附接到熒光檢查儀，所述熒光檢查儀被配置用于使所述患者成像；將所述熒光檢查儀定位到不同位置中；以及對每一個位置都執行如下操作將所述可旋轉攝像頭取向為已知取向，用所述可旋轉攝像頭和所述定位墊攝像頭形成所述基準標記的相應的圖像，并且分析所述相應的圖像，以將所述熒光檢查儀的位置和取向與所述定位墊的軸線配準。
30.根據權利要求四所述的方法，還包括從所述定位墊移除所述可旋轉攝像頭，以及僅使用由所述定位墊攝像頭形成的所述基準標記的圖像來確定所述熒光檢查儀相對于所述定位墊軸線的所述位置和所述取向。
31.根據權利要求四所述的方法，其中將所述定位墊攝像頭附接到所述定位墊的步驟包括將可拆卸夾具附接到所述定位墊，以及通過用所述攝像頭使所述夾具成像而將所述定位墊攝像頭與所述相應的固定取向對齊。
32.—種設備，包括 定位墊；磁發射器，所述磁發射器安裝在所述定位墊上，并且被配置用于在患者體內產生磁場；定位墊攝像頭，所述定位墊攝像頭以相應的固定取向附接到所述定位墊； 可旋轉攝像頭，所述可旋轉攝像頭連接到所述定位墊； 熒光檢查儀，所述熒光檢查儀被配置用于使所述患者成像； 基準標記，所述基準標記附接到所述熒光檢查儀；和處理器，所述處理器被配置用于將所述熒光檢查儀定位到不同位置中，并對每一個位置都執行如下操作 將所述可旋轉攝像頭取向為已知取向，用所述可旋轉攝像頭和所述定位墊攝像頭形成所述基準標記的相應的圖像，以及分析所述相應的圖像，以將所述熒光檢查儀的位置和取向與所述定位墊的軸線配準。
33.根據權利要求32所述的設備，其中所述處理器被配置用于當所述可旋轉攝像頭從所述定位墊移除時，僅使用所述定位墊攝像頭形成的所述基準標記的圖像來確定所述熒光檢查儀相對于所述定位墊軸線的所述位置和所述取向。
34.根據權利要求32所述的設備，還包括可拆卸夾具，所述可拆卸夾具被配置用于附接到所述定位墊，并且其中所述定位墊攝像頭被配置用于通過用所述攝像頭使所述夾具成像而與所述相應的固定取向對齊。
全文摘要
本發明涉及補償由熒光檢查儀產生的磁干擾。本發明公開了一種方法，所述方法包括使用多個磁發射器在某一區域中產生磁場，以及將場擾動元件引入所述區域中。所述方法包括表征每一個磁發射器在所述場擾動元件中的多幅圖像，以及根據所述表征的圖像計算所述區域中的反應磁場。所述方法還包括將探針定位在所述區域中，測量在所述探針處的被擾動的磁場，以及針對所測量的被擾動的磁場和所計算的反應磁場來確定所述探針的位置。
文檔編號A61B5/05GK102525471SQ20111046155
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者A·D·蒙塔格, M·巴-塔爾, T·H·巴-安 申請人:韋伯斯特生物官能(以色列)有限公司