專利名稱：增益系數(shù)和位置確定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用磁場(chǎng)確定物體的位置和方位以及系統(tǒng)的增益系數(shù) 的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域已知的，系統(tǒng)可以使用磁場(chǎng)測(cè)量間接地確定物體的位置 和方位。這些系統(tǒng)例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是有用的，因?yàn)樗鼈兡軌蛑焕脤?duì) 身體的最小的侵入精確地定位在病人體內(nèi)的物體。所述侵入涉及在要 被定位的物體附近放置一個(gè)小的探針。然后從探針的位置和方位對(duì)磁 場(chǎng)測(cè)量的影響確定探針的三維位置和方位。探針可以是磁場(chǎng)源或者是磁場(chǎng)檢測(cè)器。如果探針是源，則在身體 外部的檢測(cè)器測(cè)量由探針產(chǎn)生的磁場(chǎng)。如果探針是檢測(cè)器，則身體外 部的磁場(chǎng)源產(chǎn)生,皮測(cè)量的磁場(chǎng)。由磁場(chǎng)測(cè)量確定探針的位置和方位不是簡(jiǎn)單的，因?yàn)闇y(cè)量的磁場(chǎng) 是位置和方位的非線性函數(shù)。為了由測(cè)量的磁場(chǎng)值確定探針的位置和 方位，探針的位置和方位首先被假定或者被"猜測(cè)"在一個(gè)預(yù)測(cè)的位置 和方位。使用迭代處理比較在猜測(cè)的探針位置和方位的磁場(chǎng)的值和測(cè) 量的磁場(chǎng)值。如果在猜測(cè)位置和方位的磁場(chǎng)值接近測(cè)量值，則認(rèn)為猜 測(cè)的位置和方位精確地代表探針的實(shí)際位置和方位。迭代處理使用探針環(huán)境的物理模型。所述物理模型規(guī)定每個(gè)磁場(chǎng)源 的位置和方位。由規(guī)定的位置和方位，利用電動(dòng)力學(xué)定律確定磁場(chǎng)值。因?yàn)樘结樇捌涠ㄎ幌到y(tǒng)是物理系統(tǒng)，它們易于受到影響系統(tǒng)增益 的各種外部影響(例如雜散磁場(chǎng)，位于磁場(chǎng)發(fā)生器與/或檢測(cè)器附近的 磁場(chǎng)失真材料等)。此外，這些物理裝置具有也影響整個(gè)系統(tǒng)增益的 各種工程允差(例如電纜電阻、探針增益、輸入阻抗等)。因而，每 當(dāng)系統(tǒng)的元件被替換時(shí)，系統(tǒng)必須被手動(dòng)地重新校準(zhǔn)。 發(fā)明內(nèi)容按照本發(fā)明的一個(gè)方面，用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益 系數(shù)的系統(tǒng)包括磁場(chǎng)源和至少 一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器，使得磁場(chǎng)檢測(cè)器和磁 場(chǎng)源的組合產(chǎn)生一個(gè)唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。所述系統(tǒng)還包括探針，其 位置和方位影響所述唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。 一個(gè)處理器，其被連接用 于接收這些唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值，迭代地處理測(cè)量的磁場(chǎng)值，用于確 定表示探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示探針的位置和方位的位置系 數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值的數(shù)量必須至少等于計(jì)算的系數(shù) 的數(shù)量的和。還可以包括一個(gè)或幾個(gè)下面所述的特征。所述迭代處理被配置用 于確定測(cè)量的磁場(chǎng)值和一組預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的一個(gè)函數(shù)。所述 處理器包括一個(gè)計(jì)算的位置處理，用于計(jì)算預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值，其中計(jì)算 的位置處理猜測(cè)探針的一個(gè)初始增益、位置和方位，然后根據(jù)一個(gè)物 理模型和初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值。所述初始位置和 方位可以是預(yù)定的或者隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。所述處理器包括一個(gè)優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示在測(cè)量的磁場(chǎng)值和 預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的極值。所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。所 述處理器包括一個(gè)重新定位處理，用于響應(yīng)處于一個(gè)不能接受的值的 預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)探針的初始增益、位置和方位，所述不能接 受的值的預(yù)定范圍表示在測(cè)量的磁場(chǎng)值和一組預(yù)測(cè)的> 茲場(chǎng)值之間的差 的不能接受的程度。所述位置系數(shù)可以包括空間的、球面的與/或旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)。按照本發(fā)明的另一個(gè)方面， 一種用于確定一個(gè)三維物體的位置、 方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的方法包括在所述三維物體附近放置一組磁場(chǎng) 源，并和所述三維物體呈固定的空間關(guān)系設(shè)置至少一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器。 一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器和一個(gè)磁場(chǎng)源的組合產(chǎn)生一個(gè)唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。 此外，所述三維物體的位置和方位影響這些唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。所 述方法確定表示所述三維物體的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)，以及表示所述 三維物體的位置和方位的一組位置系數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測(cè)量的磁 場(chǎng)值的數(shù)量必須至少等于所述計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量的和。還可以包括一個(gè)或幾個(gè)下面所述的特征。所述確定系統(tǒng)增益系數(shù)和 一組位置系數(shù)的步驟包括確定測(cè)量的磁場(chǎng)值和一 組預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的 差的一個(gè)函數(shù)。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括猜 測(cè)所述三維物體的一個(gè)初始增益、位置和方位，并根據(jù)一個(gè)物理模型和 初始增益、位置和方位計(jì)算預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和 一組位置系數(shù)的步驟包括確定表示在測(cè)量的磁場(chǎng)值和預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間 的差的極值。所述確定系統(tǒng)的增益系數(shù)和一組位置系數(shù)的步驟包括響應(yīng) 處于一個(gè)不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的極值，調(diào)節(jié)所述三維物體的初始 增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示在測(cè)量的磁場(chǎng)值 和一組預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的不能接受的程度。雖然上述的系統(tǒng)和方法包括一組磁場(chǎng)源和至少一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器，但 所述系統(tǒng)也可以包括一組磁場(chǎng)檢測(cè)器和至少一個(gè)磁場(chǎng)源.此外，雖然上 述的系統(tǒng)和方法包括一個(gè)探針，所述探針實(shí)際上可以是任何三維物體， 例如一個(gè)空心的管子(例如取活體用的針)。本發(fā)明的上述方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)所述系統(tǒng)自動(dòng)地計(jì)算所用的探 針或三維物體的系統(tǒng)增益系數(shù)時(shí)，可以使裝置的增益校準(zhǔn)自動(dòng)化。因此， 可以取消麻煩的和費(fèi)時(shí)的手動(dòng)的增益校準(zhǔn)。此外，當(dāng)所述增益校準(zhǔn)被自 動(dòng)化時(shí)，系統(tǒng)的元件(例如探針、檢測(cè)器、引線等)可被快速且容易地 交換，并且不用手動(dòng)的增益校準(zhǔn)便可重新配置系統(tǒng)。這又使得所述的重 新配置的處理以流水線的方式簡(jiǎn)單地進(jìn)行。此外，當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)地、連續(xù) 地確定系統(tǒng)的增益系數(shù)時(shí)，所述的系統(tǒng)可以在物理上被移動(dòng)而不用擔(dān)心 要求手動(dòng)增益重新調(diào)整的外部影響。下面結(jié)合


本發(fā)明的一個(gè)或幾個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其 它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)從本說明書和附圖以及權(quán)利要求中可以明顯地看出.

圖1是使用磁場(chǎng)測(cè)量確定探針的系統(tǒng)增益系數(shù)、位置和方位的系統(tǒng)的原理圖；圖2是圖1的系統(tǒng)的透視圖；圖3是使用磁場(chǎng)測(cè)量確定探針的增益、位置和方位的另一個(gè)系統(tǒng)的 側(cè)視圖4是由測(cè)量的磁場(chǎng)值迭代地猜測(cè)探針的增益、位置和方位的處理的流程圖；圖5是用于確定探針的增益、位置和方位的最妤的猜測(cè)是否可靠的 處理的流程圖；圖6是用于以全局或局部極值估算誤差或優(yōu)化函數(shù)的處理的流程圖； 圖7是用于確定相應(yīng)于失真的存在的誤差或優(yōu)化函數(shù)的極值的處理 的流程圖；以及圖8表示用于由磁場(chǎng)的測(cè)量求取探針的增益、位置和方位的計(jì)算機(jī)。在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件.具體實(shí)施方式
參看圖l和圖2,圖中示意地表示用于利用磁場(chǎng)測(cè)量確定可移動(dòng)的探 針12的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)IO.可移動(dòng)的探針12位于病 人的身體14內(nèi)(例如病人的體內(nèi)).系統(tǒng)10還包括多個(gè)磁場(chǎng)源16"(例 如小的感應(yīng)線圈)，它們位于體積14的外部.磁場(chǎng)源16^被磁場(chǎng)產(chǎn)生模 塊22 (例如交流或直流電流源)驅(qū)動(dòng)。注意雖然示出了 7個(gè)磁場(chǎng)源，這 只是為了進(jìn)行說明而已，并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。圖2是系統(tǒng)10的側(cè)視圖，表示磁場(chǎng)源16^和探針12的三維方位和 位置。每個(gè)磁場(chǎng)源16^是位于規(guī)則的四面體24的表面18上的表面安裝 磁場(chǎng)源17，或者是位于規(guī)則的四面體24的邊沿20上的邊沿安裝磁場(chǎng)源 19.這些磁場(chǎng)源16^—般被這樣定向，使得其內(nèi)部磁矩m垂至于四面體 24的表面18或者平行于四面體24的邊沿20。探針12位于四面體24的 外部，并具有由和檢測(cè)器13垂直的方位n限定的方位，檢測(cè)器13測(cè)量 局部磁場(chǎng)值.檢測(cè)器13可以包括一個(gè)線圈，幾個(gè)線圈，霍爾檢測(cè)器，或 磁通門檢測(cè)器，并且可以測(cè)量磁場(chǎng)的磁通或磁場(chǎng)的差值.注意雖然所示 系統(tǒng)10包括1個(gè)四面體24,具有最多的4個(gè)表面安裝磁場(chǎng)源17和6個(gè) 邊沿安裝磁場(chǎng)源19，這只是為了進(jìn)行說明而已，并不用于限制本發(fā)明， 因?yàn)檫@些磁場(chǎng)源16"的位置可被調(diào)節(jié)和重新配置，如M域的技術(shù)人員 熟知的那樣.例如，可以利用只利用邊沿安裝磁場(chǎng)源19的一對(duì)四面體24. 這種配置使得能夠最多設(shè)置12個(gè)不同的磁場(chǎng)源.
每個(gè)磁場(chǎng)源16^可以包括一個(gè)或幾個(gè)磁場(chǎng)線團(tuán)。對(duì)于具有一個(gè)線圈 的磁場(chǎng)源16y，在體積14內(nèi)的磁場(chǎng)可以由偶極子磁場(chǎng)近似。對(duì)于具有幾個(gè)線團(tuán)的磁場(chǎng)源16^，在體積14內(nèi)的磁場(chǎng)可以是一個(gè)較高的多極磁場(chǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)磁場(chǎng)源16^使用兩個(gè)相同的線圈，其法向矢量反 向平行。這種磁場(chǎng)源在體積14內(nèi)產(chǎn)生四極磁場(chǎng)。四極磁場(chǎng)比偶極磁場(chǎng)具 有較大的空間變化，可以更方便地定位探針12。其它的實(shí)施例可以使用主要產(chǎn)生較高的多極磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源Hn。此夕卜，其它實(shí)施例可以使用不同數(shù)量的磁場(chǎng)源16^，或者不同地定位和定向磁場(chǎng)源16^。參見圖1和圖2，來自磁場(chǎng)源16^的磁場(chǎng)在探針12的內(nèi)部檢測(cè)器線 圈13內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(EMF)。和探針12相連的電子模塊26測(cè)量所產(chǎn)生的 EMF.測(cè)量的EMF代表在空間14內(nèi)在探針的位置和方位測(cè)量的磁場(chǎng)的 局部值。電子模塊26還可以識(shí)別產(chǎn)生每個(gè)測(cè)量的EMF的各個(gè)磁場(chǎng)源在一個(gè)實(shí)施例中，使用測(cè)量定時(shí)信息識(shí)別產(chǎn)生測(cè)量的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源16^。在這個(gè)實(shí)施例中，磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊22按照時(shí)間順序?qū)Σ煌拇艌?chǎng)源 16^多路傳輸功率，并把定時(shí)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電子模塊26。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊22以不同的頻率驅(qū)動(dòng)每個(gè)磁場(chǎng)源 16lM1。為了識(shí)別測(cè)量的磁場(chǎng)的特定的磁場(chǎng)源16lM1，電子模塊26或計(jì)算機(jī) 28把來自探針線圈13的測(cè)量的EMF分解成多個(gè)頻率分量。然后使這些 測(cè)量的磁場(chǎng)的頻率分量和各個(gè)磁場(chǎng)源16l。匹配。在任何一個(gè)實(shí)施例中，電子模塊26輸出幾個(gè)相應(yīng)于進(jìn)行的各個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量的測(cè)量的磁場(chǎng)B^me咖red.重要的是注意到，具有可以產(chǎn)生這些磁場(chǎng) 測(cè)量的幾種硬件配置。例如，如果需要8個(gè)不同的磁場(chǎng)測(cè)量，則可以這樣配置系統(tǒng)10,使得8個(gè)磁場(chǎng)源16^和包括一個(gè)檢測(cè)線圈13的探針12結(jié)合使用。在這種配置中，檢測(cè)器線團(tuán)13將測(cè)量由8個(gè)磁場(chǎng)源16^的每一個(gè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而得到8個(gè)不同的磁場(chǎng)測(cè)量.另一種方案是，探針12被這樣構(gòu)成，使得包括多個(gè)檢測(cè)器線圈13. 例如，如果構(gòu)成探針12使其包括兩個(gè)檢測(cè)器線閨13 (未示出)，則這種配置使得可由該探針(使用相同數(shù)量的磁場(chǎng)源16")實(shí)現(xiàn)的各個(gè)磁場(chǎng)測(cè) 量的數(shù)量加倍。具體地說，如果探針12包括兩個(gè)檢測(cè)器線圏13，每個(gè)線 圈可以獨(dú)立地測(cè)量由一個(gè)磁場(chǎng)源產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度.因此，如果(如上 所述)需要8個(gè)不同的磁場(chǎng)測(cè)量，并利用包括兩個(gè)檢測(cè)器線團(tuán)13的探針 12,則只需要4個(gè)磁場(chǎng)源16k，因?yàn)槊總€(gè)線圈13可以獨(dú)立地測(cè)量由4個(gè) 磁場(chǎng)源的每一個(gè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因而得到8個(gè)不同的磁場(chǎng)測(cè)量.這些測(cè)量的磁場(chǎng)值B^measured取決于探針12的系統(tǒng)增益系數(shù)和探針線圈13的三維位置和方位。請(qǐng)注意，使用下標(biāo)字母n表示測(cè)量的磁場(chǎng)的數(shù)量(除去在各圖中表示法向矢量之外)。如上所述，在系統(tǒng)10內(nèi)包括的并由系統(tǒng)10利用的磁場(chǎng)源16^和檢 測(cè)器線圈13的數(shù)量根據(jù)要由系統(tǒng)確定的系數(shù)的數(shù)量而定。具體地說，系 統(tǒng)10將確定探針12的系統(tǒng)增益系數(shù).此外，系統(tǒng)10還確定探針12的 位置和方位.因?yàn)樘结?2的系統(tǒng)位置和方位通過規(guī)定探針12的多達(dá)6 個(gè)自由度(即x、 y、 z軸的位置，滾動(dòng)、傾斜和偏轉(zhuǎn))，系統(tǒng)10要計(jì)算 的位置系數(shù)是6個(gè)。因此，系統(tǒng)10計(jì)算的系數(shù)的最大數(shù)量(位置和增益) 是7個(gè)。因而，用于確定這些系數(shù)所需的不同的磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)量是一個(gè) 大于要被確定的系數(shù)的數(shù)量的數(shù)量.因而，如果系統(tǒng)10要確定系統(tǒng)增益 系數(shù)加上6個(gè)位置系數(shù)(即自由度)，則共需要確定7個(gè)被計(jì)算的系數(shù). 這將需要8個(gè)不同的磁場(chǎng)測(cè)量。如上所述，這可以利用包括一個(gè)檢測(cè)器 線團(tuán)13的探針12和8個(gè)磁場(chǎng)源16^來實(shí)現(xiàn).另一種方案是，這可以利 用包括8個(gè)檢測(cè)器線圈(如果在物理上可能)的探針12和一個(gè)磁場(chǎng)源16^ 來實(shí)現(xiàn).因而，重要的問題是進(jìn)行的不同的磁場(chǎng)的測(cè)量的數(shù)量，而不是 使用的磁場(chǎng)源16h或檢測(cè)線圈13的數(shù)量.類似地，如果系統(tǒng)10要確定系統(tǒng)增益系數(shù)加上5個(gè)位置系數(shù)(即5 個(gè)自由度)，則需要共確定6個(gè)計(jì)算的系數(shù).同樣，如上所述，這可以利 用不同的配置來實(shí)現(xiàn)。如在下面將要詳細(xì)說明的，使用大于被計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量的不同的 磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)量使得能夠在確定在迭代處理期間使用的猜測(cè)的質(zhì)量.如 果不需要(或者希望)這個(gè)質(zhì)量確定，則所需的不同磁場(chǎng)測(cè)量的特定數(shù)
量可以等于被計(jì)算的系數(shù)的數(shù)量。此外，當(dāng)使用多個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器時(shí)，重要的是認(rèn)識(shí)到，具有和每個(gè)檢測(cè)器相關(guān)的增益系數(shù)。因而，對(duì)于上述的關(guān)于確定6個(gè)自由度的例子， 因?yàn)樾枰辽賰蓚€(gè)非同軸的檢測(cè)器線圈用于確定6個(gè)自由度，至少具有 兩個(gè)系統(tǒng)增益系數(shù)(每個(gè)檢測(cè)器線國(guó)一個(gè)).因此，當(dāng)需要計(jì)算利用兩個(gè) 非同軸的檢測(cè)器線團(tuán)的探針的6個(gè)自由度和系統(tǒng)增益系數(shù)時(shí)，系統(tǒng)增益 系數(shù)實(shí)際上由兩個(gè)部分構(gòu)成，即探針內(nèi)的每個(gè)檢測(cè)器的增益系數(shù)。因而， 被計(jì)算的系數(shù)的總數(shù)是8個(gè)(6個(gè)位置系數(shù)，第一磁場(chǎng)檢測(cè)器的增益系數(shù) 和第二磁場(chǎng)檢測(cè)器的增益系數(shù))，因此，所需的不同磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)量是9 個(gè)(如果需要或希望質(zhì)量確定)。電子模塊26把測(cè)量的磁場(chǎng)值發(fā)送到計(jì)算機(jī)28。計(jì)算機(jī)28使用測(cè)量 的磁場(chǎng)值，借助于比較測(cè)量的磁場(chǎng)值和來自物理模型的磁場(chǎng)值，如下將 要詳細(xì)說明的，確定探針的系統(tǒng)增益系數(shù)和位置/方位。物理模型是一組物理公式，其作為若干個(gè)參數(shù)的函數(shù)確定由探針12 測(cè)量的磁通的值。所述參數(shù)包括磁場(chǎng)源16^的位置、方位、以及磁矩； 探針12的位置、方位和靈敏度；以及電子模塊26的特性 矢量(x，y，z) 和一對(duì)角度((J)，e)規(guī)定探針12的檢測(cè)線團(tuán)13的三維位置和方位。如果探 針12具有多個(gè)非共線的線團(tuán)，則這些參數(shù)可以包括附加的用于限定探針12的轉(zhuǎn)動(dòng)狀況的角度參數(shù)(v)。注意這個(gè)系數(shù)(即第六個(gè)自由度)可以 只利用具有在不同軸(非共線)上的第二線團(tuán)的探針進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)閲?繞同一軸的多個(gè)線團(tuán)將使得系統(tǒng)10不能檢測(cè)探針圍繞所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，物理模型可以把每個(gè)磁場(chǎng)源描述為多磁極 的磁場(chǎng)源，使得由檢測(cè)器線團(tuán)13測(cè)量的磁場(chǎng)是相關(guān)的多極磁場(chǎng)(例如偶 極或四極)。多極磁場(chǎng)值取決于系統(tǒng)增益和每個(gè)磁場(chǎng)源16^的位置、方位 和磁矩m。磁通量的測(cè)量值取決于檢測(cè)線圈13相對(duì)于磁場(chǎng)源16"的位 置、尺寸、方位和增益。物理模型還基于下面的關(guān)于體積14附近的環(huán)境的假定。例如，所述 模型假定每個(gè)磁場(chǎng)源16h的位置和方位的預(yù)設(shè)值，并假定沒有其它的磁 場(chǎng)源或磁場(chǎng)失真物體。磁場(chǎng)失真物體30， 32 (例如導(dǎo)體或新的磁場(chǎng)源)
的存在可以使模型預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值無效。不過，當(dāng)檢測(cè)線圉13只測(cè)量時(shí)變 磁場(chǎng)時(shí)，可以消除恒定的背景磁場(chǎng)的不利影響。另外，如果需要靜態(tài)磁 場(chǎng)測(cè)量，可以利用磁通門檢測(cè)器或霍爾效應(yīng)檢測(cè)器(如本領(lǐng)域熟知的那 樣)，因?yàn)樗鼈兡軌驕y(cè)量靜態(tài)的(或恒定的)磁場(chǎng)。閨3表示使用磁測(cè)量結(jié)果確定可移動(dòng)的探針42的系統(tǒng)增益系數(shù)和位 置/方位的另一個(gè)系統(tǒng)40。在系統(tǒng)40中，磁場(chǎng)檢測(cè)器和磁場(chǎng)源的角色互 換。位于一個(gè)被觀察的體積44內(nèi)的可移動(dòng)的探針42是磁場(chǎng)源，外部磁 場(chǎng)檢測(cè)器46^測(cè)量由探針42產(chǎn)生的磁場(chǎng)。探針42和磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊51 相連(例如電壓源)。如上所述，這些位于四面體41的邊沿或表面上的 磁場(chǎng)檢測(cè)器46^通過感應(yīng)的EMF測(cè)量磁場(chǎng)或磁場(chǎng)梯度。每個(gè)檢測(cè)器46lM1 可以具有一個(gè)或幾個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器，它們的方位^吏得沿不同方向測(cè)量磁場(chǎng)。每個(gè)檢測(cè)器46^n具有由其一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)部磁場(chǎng)檢測(cè)器的方位確定的方位P。請(qǐng)注意，如上所述，每個(gè)檢測(cè)器的位置和方位以及使用的檢測(cè)器46^ 的數(shù)量可以根據(jù)特定的應(yīng)用和要被確定的系數(shù)的數(shù)量(即位置/方位以及 系統(tǒng)增益)而不同。電子模塊52監(jiān)視來自各個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器46^的EMF，以便確定各個(gè) 磁場(chǎng)值。然后，把這些測(cè)量的磁場(chǎng)值發(fā)送到計(jì)算機(jī)54,其由這些測(cè)量的 磁場(chǎng)值計(jì)算探針42的系統(tǒng)增益系數(shù)和位置/方位。參看圖1-3，兩個(gè)系統(tǒng)IO, 40測(cè)量一組磁通，從而獲得一組測(cè)量的磁場(chǎng)值B^咖as肌d，其中的n大于要被計(jì)算的系數(shù)(即位置和系統(tǒng)增益)的數(shù)量。由測(cè)量的磁通獲得的這一組測(cè)量的磁場(chǎng)值B^咖as肌d也具有和探針 的三維位置/方位的非線性相關(guān)性以及和系統(tǒng)增益系數(shù)的線性相關(guān)性.如上所述，探針的位置和方位分別由矢量(x,y,z)和至少一對(duì)方位角和極角 (cp，e)確定。此外，探針12的系統(tǒng)增益系數(shù)由增益系數(shù)(g)確定。借 助于使用關(guān)于"測(cè)量的，，磁場(chǎng)相關(guān)性的物理模型，系統(tǒng)10和40可以由相關(guān)的一組測(cè)量的磁場(chǎng)值BLreasured迭代地確定探針的增益系數(shù)、位置和方 位。 物理模型描述在磁場(chǎng)檢測(cè)器的區(qū)域(例如圖1和圖3的體積14、 44) 內(nèi)的預(yù)選的磁環(huán)境。預(yù)選的磁環(huán)境可以包括或不包括來自附近的導(dǎo)電物 體(即物體30和32)的貢獻(xiàn)。如果預(yù)選的環(huán)境和實(shí)際的環(huán)境不同，則模 型便預(yù)測(cè)不正確的磁場(chǎng)值；否則，預(yù)測(cè)便是正確的。由于磁場(chǎng)失真物體 30、 32的存在，實(shí)際的環(huán)境可能不同。磁場(chǎng)失真物體30、 32包括支持渦 流電流的導(dǎo)電的物體(例如一對(duì)外科手術(shù)剪刀，鐵磁材料以及磁場(chǎng)的放 射源)。這些物體的存在可以使探針的增益、位置和方位的磁確定無效。因?yàn)樵谀K22， 26, 51, 52或計(jì)算機(jī)28， 54中的硬件或軟件故障， 迭代處理也可以產(chǎn)生不正確的探針增益、位置和方位。失真條件的存在對(duì)系統(tǒng)IO, 40的用戶可能是不明顯的。用戶可能對(duì) 于磁定位系統(tǒng)的物理依據(jù)不熟悉(例如使用者可能是臨床醫(yī)生).為避免 由不熟悉的使用者導(dǎo)致的誤差，每個(gè)系統(tǒng)IO, 40檢測(cè)并警告使用者關(guān)于 可能存在的測(cè)量失真條件(例如通過使在視頻監(jiān)視器上顯示的信息閃爍， 或者通過聲音報(bào)警信號(hào))。請(qǐng)注意，雖然探針12, 42所示為探針，這僅僅為了容易說明本發(fā)明 并且只用于說明的目的。探針12可以是本領(lǐng)域中公知的各種其它的裝置 (例如導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡、活體針、體內(nèi)安裝的位置檢測(cè)器等)。圖4表示用于進(jìn)行迭代處理60的流程圖，其使用測(cè)量的磁場(chǎng)值B^mea隨d確定圖1- 2的探針12或者閨3的探針42的增益、位置和方位。處理60在62接收探針的系統(tǒng)增益系數(shù)、位置和方位的初始猜測(cè)。 這個(gè)初始猜測(cè)可以在處理中被預(yù)先規(guī)定，可以是用戶規(guī)定的或者是隨機(jī) 選擇的。初始猜測(cè)是一個(gè)(x，y，z, (p，e)參數(shù)空間的預(yù)先選擇的點(diǎn)，該點(diǎn)限 定探針的位置和方位和預(yù)定的系統(tǒng)增益系數(shù)(g)。初始猜測(cè)是第一個(gè)接受 的關(guān)于探針的增益、位置和方位的猜測(cè)。由最后接受的猜測(cè)，處理在64 進(jìn)行探針的位置、方位和增益的新的猜測(cè).自然地，雖然所示的初始預(yù) 選點(diǎn)(x，y，z,cp,e)包括5個(gè)自由度，這只是為了說明的目的，并不用于限制 本發(fā)明。具體地說，如果需要較多或較少的自由度，預(yù)選點(diǎn)(x，y，z， (p，9) 將分別具有較多或較少的變量。借助于包括Levenberg-Marquardt處理、對(duì)數(shù)-似然函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)、模擬退火算法、基因算法、單工處理或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它 處理的各種程序的任何程序，可以從最近接受的猜測(cè)求得探針的增益、 位置和方位的每個(gè)新的猜測(cè)。Levenberg-Marquardt處理是用于求取在一組測(cè)量和由預(yù)選的非線 性模型方程獲得的一組值之間的最好的匹配的迭代處理。這種處理在 Numerical Recipes in C:the Art of Scientific Conumting,by W.H.Press et al.，Cambridge University Press 1992中描述了，該文被包括在此作為參考。在Levenberg-Marquardt處理中，模型方程是一組物理方程Bi nPredkted( x，y，z， q，e，g),其根據(jù)根據(jù)探針的位置、方位和增益(x，y，z， 9，e，g)確定磁場(chǎng)值B^Predi"ed。這些模型方程來自電動(dòng)力學(xué)的物理定律。在一個(gè) 實(shí)施例中，模型方程可以作為磁偶極子或四極磁場(chǎng)描述每個(gè)磁場(chǎng)源的磁 場(chǎng)。Levenberg-Marquardt處理迭代地嘗試求得在測(cè)量的磁場(chǎng)值Bi n鵬，d和由物理模型方程預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值Bl /redkted之間的最好的匹配。使為進(jìn)行匹配第N次接受的猜測(cè)和探針的增益、位置和方位坐標(biāo)(xjs，yjv，zjv， q)N，erv，gN)相關(guān)聯(lián)。由這些坐標(biāo)和物理模型方程，Levenberg-Marquardt 處理產(chǎn)生第(N+l)次猜測(cè)，其確定探針的相關(guān)的增益、位置和方位坐標(biāo) (XN+i，yN+i，zN+i，<pN+i， 0N+i，gN+i)。對(duì)于第(N+1)次猜測(cè)，Levenberg-Marquardt處理利用以第N次接受的猜測(cè)的值估算的磁場(chǎng)B^Predi"ed的值和磁場(chǎng)BmPmHrted的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行匹配。Levenberg-Marquardt處理提供一個(gè)新的猜測(cè)，其快速地產(chǎn)生在測(cè)量的磁場(chǎng)值B^""easu"d和從非線性模型方程獲得的 預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值B^Predi"ed之間的最好的匹配。請(qǐng)注意，使用小寫字母II表 示測(cè)量的磁場(chǎng)的數(shù)量(例如B^鵬咖red )，使用大寫字母N表示由Levenberg-Marquardt處理進(jìn)行處理的特定的猜測(cè)(例如第(N+l)次)。處理60估算探針增益、位置和方位的每個(gè)新的猜測(cè)的質(zhì)量。為了確 定這些猜測(cè)的質(zhì)量，對(duì)于第(N+1)次猜測(cè)，處理60在66計(jì)算相應(yīng)于探 針增益、位置和方位的新的猜測(cè)的新的磁場(chǎng)值(即Bl_npredkted(new) -cted(XN"，yN"，ZN+i，物"，e^，gN + 0。使用計(jì)算的(即8^^^ )和
測(cè)量的(即Bbn咖as肌d )磁場(chǎng)值，處理60在68估算一個(gè)優(yōu)化函數(shù)，這個(gè) 優(yōu)化函數(shù)也稱為誤差函數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)化函數(shù)對(duì)于測(cè)量的(即BLn""eas肌d ) 和計(jì)算的(即Bjredi"ed )磁場(chǎng)值之間的差值是敏感的。優(yōu)化函數(shù)的全局 極值確定探針的位置和方位的"最好的"猜測(cè).一個(gè)實(shí)施例使用最小平方和(即x"作為優(yōu)化函數(shù). 一般地說，具有最小極值和最大極值.不過，我們感興趣的最小平方和的極值是最小極 值.對(duì)于和第N次猜測(cè)相關(guān)的磁場(chǎng)，最小平方和^(N)的值具有以下的形 式X2(N)=》-n [B"n,ured - B"。predic'ed (xN， yN， 2N,暢eN, gN)]2/cn .在對(duì)于一個(gè)探針位置和方位獲得的一組測(cè)量的磁場(chǎng)值(即B^meas肌d ) 中，所述的和越過了"l - n"個(gè)'項(xiàng)CJ,-n表示和B^咖asured的測(cè)量結(jié)果相關(guān) 的不確定性.處理60在70確定新的猜測(cè)的優(yōu)化函數(shù)的值是否比最近接受的猜測(cè) 的值更接近一個(gè)極值。對(duì)于最小平方和，因?yàn)樗詷O值是最小值，如果 (N+1)〈^(N)，則新的值接近一個(gè)最小值.如果新的猜測(cè)的優(yōu)化函數(shù)的值 更接近一個(gè)極值，則處理60在72接受探針的增益、位置和方位的新的 猜測(cè)。如果新的猜測(cè)的優(yōu)化函數(shù)的值更遠(yuǎn)離一個(gè)極值(例如^(N+1)〉 X2(N))，則處理60在74拒絕新的猜測(cè)。在72接受一個(gè)新的猜測(cè)之后， 處理60在75確定是否舊的猜測(cè)和新的猜測(cè)的優(yōu)化函數(shù)之間的差小于一 個(gè)可接受的門限(例如0.01 )。如果小于這個(gè)門限，則在77報(bào)告探針的 增益、位置和方位.如果在74拒絕新的猜測(cè)，或者如果舊的和新的猜測(cè) 的優(yōu)化函數(shù)之間的差不小于一個(gè)可接受的門限，則處理60在76增加用 于計(jì)數(shù)迭代次數(shù)的計(jì)數(shù)器的值，然后，處理60在79檢查增量計(jì)數(shù)器是 否大于規(guī)定的最大迭代次數(shù).如果是，處理60則在77報(bào)告探針的增益、 位置和方位。如果進(jìn)行的迭代次數(shù)不大于規(guī)定的最大迭代次數(shù)，則處理 60在78返回，以便求取探針的增益，位置和方位的新的和更好的猜測(cè).處理60輸出探針的增益、位置和方位的最近接受的猜測(cè)和規(guī)定進(jìn)行 的迭代次數(shù)的計(jì)數(shù)值。在一些實(shí)施例中，處理60進(jìn)行預(yù)選數(shù)量的迭代循環(huán)78,以便在報(bào)告探針的增益、位置和方位的接受的猜測(cè)之前求得更好 的猜測(cè).這產(chǎn)生一個(gè)更接近和優(yōu)化函數(shù)的極值相關(guān)的值的報(bào)告的猜測(cè).圖5是使用磁場(chǎng)測(cè)量確定探針的增益、位置和方位的處理80的流程 圖.處理80在82提供探針的增益、位置和方位的一個(gè)初始猜測(cè).探針 的增益、位置和方位(x，y，z，q)，e，g)的初始猜測(cè)可以包括一個(gè)在(x，y，z， (p,6)空 間內(nèi)預(yù)選的固定點(diǎn)或者隨機(jī)選擇的點(diǎn)。對(duì)于選擇的初始猜測(cè)，處理80在 84進(jìn)行(圖4的)迭代處理60，以便獲得探針的增益、位置和方位的更 好的猜測(cè)。所述更好的猜測(cè)基于選擇的初始猜測(cè)和測(cè)量的磁場(chǎng)值。處理 80可以進(jìn)行處理60的若干個(gè)迭代循環(huán)，以便獲得更好的猜測(cè)，其更接近 在處理60使用的優(yōu)化函數(shù)的極值。優(yōu)化處理60對(duì)優(yōu)化函數(shù)(例如x2函 數(shù))提供一個(gè)值和循環(huán)計(jì)數(shù)(其表示為獲得更好的猜測(cè)進(jìn)行的迭代的次 數(shù)).優(yōu)化函數(shù)的值提供表示探針的增益、位置和方位的更好的猜測(cè)的可 靠性的數(shù)據(jù).隨機(jī)的測(cè)量誤差使優(yōu)化函數(shù)的值落在概率分布函數(shù)上，所 述概率分布函數(shù)的形式獨(dú)立于用于磁場(chǎng)測(cè)量的物理模型.對(duì)于最小平方 和，概率分布函數(shù)被稱為x2-分布。系統(tǒng)測(cè)量誤差也影響優(yōu)化函數(shù)的值.優(yōu)化函數(shù)的極值可以是最大值或者最小值，并可以被分成幾類，極 值可以是局部極值或全局極值。局部和全局極值由優(yōu)化函數(shù)的相關(guān)的值 區(qū)分。對(duì)于最小平方和，在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于在局部最小 值的優(yōu)化函數(shù)的值.因而，全局和局部最小值分別和最小平方和的低值 以及高值相關(guān)。極值也可以相應(yīng)于其中磁場(chǎng)的測(cè)量具有失真或沒有失真的情況.對(duì) 于最小平方和，對(duì)于無失真的測(cè)量，在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于 有失真的測(cè)量的在全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值.此外，有失真的測(cè)量在 全局最小值的優(yōu)化函數(shù)的值小于在局部最小值的優(yōu)化函數(shù)的值.因而，在極值上的優(yōu)化函數(shù)的值攜帶通過處理60獲得的探針的增益、 位置和方位的估算的質(zhì)量的信息。所述信息使得能夠確定是存在隨機(jī)誤 差還是存在系統(tǒng)誤差.在極值上的最小平方和的值一般是有序的.最低 的值相應(yīng)于磁場(chǎng)測(cè)量沒有失真情況下的全局最小值.中間的值相應(yīng)于在
磁場(chǎng)測(cè)量具有失真時(shí)的全局最小值，最高的值相應(yīng)于假的或局部最小值, 對(duì)于這個(gè)最小值，探針的增益、位置和方位的估算是不可靠的，失真可以在磁場(chǎng)產(chǎn)生、磁場(chǎng)測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果獲取或者磁場(chǎng)測(cè)量的處理期間發(fā)生。由于磁場(chǎng)源16^、探針42或者磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊22或51 的故障，在產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)可能發(fā)生失真.磁場(chǎng)測(cè)量的失真可以由于在被監(jiān) 視的空間內(nèi)存在導(dǎo)體或鐵磁材料，其使時(shí)變磁場(chǎng)失真.在磁場(chǎng)的獲取或 處理期間的失真可以源自硬件或軟件的故障(例如在電子模塊26, 52或 在計(jì)算機(jī)28， 54中) 在進(jìn)行處理80之前，要進(jìn)行校準(zhǔn)，以便對(duì)優(yōu)化函數(shù)的極值分類.所 述校準(zhǔn)把優(yōu)化函數(shù)的極值分成3個(gè)或更多的組(Si)。 一組(Sc-m))相應(yīng)于 優(yōu)化函數(shù)的真的全局極值，對(duì)于該值磁場(chǎng)測(cè)量和磁場(chǎng)測(cè)量處理不失真。 另一組(SO相應(yīng)于優(yōu)化函數(shù)的假極值或局部極值.第三組(S(^d)相應(yīng)于優(yōu) 化函數(shù)的真的全局極值，對(duì)于該值，磁場(chǎng)測(cè)量或磁場(chǎng)測(cè)量處理都失真.借助于組的交叉與合并操作，可以從組(Sg-鼎，Sl,和Sg_d)形成新組。一組(SM))包括只和優(yōu)化函數(shù)的極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值，對(duì)于該值，磁 場(chǎng)測(cè)量和磁場(chǎng)測(cè)量處理失真.這一組(SND)被定義為SG-ND- (StVS(m)). 另一組(SD)包括只和優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值，對(duì)于該值，磁場(chǎng)測(cè)量或磁場(chǎng)測(cè)量處理失真.這一組(Su)被定義為SG-ND-(S!VSG_ND)。另一組(S^)包括只和優(yōu)化函數(shù)的假的或局部極值相關(guān)的優(yōu) 化函數(shù)的值.這一組(SLO)被定義為SL- ( SG.NDuSG-D )。最后， 一組(S脅d)包括只和優(yōu)化函數(shù)的全局極值相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的值。對(duì)于在SM)-d中的值，磁場(chǎng)測(cè)量或磁場(chǎng)測(cè)量處理可能失真或者不失真.SND.D被定義為 SG-NDuSG_D。在各個(gè)實(shí)施例中， 一些上述的組(Si)可以是空的'再次參看圖5,處理80利用優(yōu)化函數(shù)的值的計(jì)算的分類來對(duì)由迭代 處理60得到的極值進(jìn)行分類.處理80在86確定在每個(gè)極值的優(yōu)化函數(shù) 值是否只對(duì)應(yīng)于無失真的一個(gè)全局最小值(即該值是否屬于SG-ND)。如 果該值屬于組SG-ND，處理80在88登記探針增益、位置和方法的相關(guān)"更 好"猜測(cè)作為探針的增益、位置和方位。例如，對(duì)于位置/方位坐標(biāo)和增 益的叉好"猜測(cè)(x， y, z， <p, 0， g)可以被顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上以 便用戶察看作為探針的最后的增益、位置和方位估算.而且，處理80在 87確定是否系統(tǒng)增益系數(shù)在一個(gè)可接受的范圍內(nèi).如果是，處理80結(jié)束, 如果否，處理80在93向用戶警告系統(tǒng)增益超出范圍，從而，探針的工 作環(huán)境發(fā)生變化.另外，處理80在卯確定優(yōu)化函數(shù)對(duì)于l好"猜測(cè)的值是否對(duì)應(yīng) 于有失真的一個(gè)全局?jǐn)?shù)值(即是否該值屬于Sg-d)。如果該值屬于Sg-d， 處理80在92向用戶提供警告，并在88登記探針增益、位置和方位的新 的猜測(cè)，以便觀看者觀看。例如，該警告可以是音頻信號(hào)或一個(gè)在計(jì)算 機(jī)顯示屏上的閃亮信號(hào)以使用戶聽到或看到，而且，處理80還在94確定優(yōu)化函數(shù)的值是否相應(yīng)于局部極值(即 所述的但是否屬于Sl)。如果所迷的值屬于SL,則處理80在96確定循 環(huán)計(jì)數(shù)(LC)是否大于預(yù)選的時(shí)間已過值(LCn^)。如果LC>LCmax，則處 理80在98產(chǎn)生時(shí)間已過警告.如果LCSLCmax,則處理80在99返回， 以便產(chǎn)生探針的增益、位置和方位的更好的新的猜測(cè)(即處理80忽略當(dāng) 前的新的猜測(cè))。在循環(huán)返回99中，處理80選擇探針的增益、位置和方 位的新的初始猜測(cè)(例如通過探針的坐標(biāo)空間內(nèi)隨機(jī)地選擇新的增益(g) 和新的點(diǎn)(x，y，z，cp，0).其它的用于選擇新的初始猜測(cè)使得處理60隨后產(chǎn) 生對(duì)于"全局"極值的更好的猜測(cè)的處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的.在一些實(shí)施例中，在產(chǎn)生存在失真的警告之后，處理80仍嘗試獲得 關(guān)于探針的增益、位置和方位的更好的猜測(cè)。例如，如果磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù) 量大于參數(shù)的數(shù)量加一，處理80則可以借助于丟棄一個(gè)測(cè)量的磁場(chǎng)值& ,ea皿ed并重復(fù)處理洲來產(chǎn)生更妤的猜測(cè)。如果失真只影響丟棄的值，則丟棄失真的值將產(chǎn)生探針的增益、位置和方位的更好的估算. 一個(gè)磁 場(chǎng)測(cè)量可以被丟棄，這是因?yàn)樵谝粋€(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器附近存在導(dǎo)體，或者因 為在一個(gè)檢測(cè)器內(nèi)發(fā)生硬件故障.處理80的一些實(shí)施例處理重疊的極值，這些極值分別屬于一個(gè)以上 的Sl，Sg-冊(cè)，和SG.D的組.對(duì)于在Sl和SG-D中的極值，處理80可以在92 提供警告，在88指示猜測(cè)的探針的位置和方位，并借助于對(duì)于探針的增 益、位置和方位的新的初始猜測(cè)重復(fù)步82和84，嘗試求得非重疊的極值。 對(duì)于屬于組SrSu)的極值，處理可以產(chǎn)生一個(gè)把極值識(shí)別為重疊的極值 的警告，然后重新選擇探針的增益、位置和方位的初始猜測(cè)，并重新執(zhí) 行處理60,嘗試求得不屬于St-Su)的值。當(dāng)然，重疊的子組例如SrSu^ 也可以是空的。重要的是注意到系統(tǒng)的增益系數(shù)也可以用作用于檢測(cè)測(cè)量失真的手 段。其根據(jù)是假定系統(tǒng)的增益系數(shù)應(yīng)當(dāng)基本上保持恒定并處于一個(gè)確定 的范圍內(nèi)(一般在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間被確定)。偏離這個(gè)范圍則表示探針的環(huán) 境或系統(tǒng)本身的改變。該系統(tǒng)的增益系數(shù)范圍(SGFR)必須這樣選擇，使 得其在整個(gè)操作空間內(nèi)可以適應(yīng)不同的探針位置和方位的正常的系統(tǒng)增 益系數(shù)的改變。這個(gè)范閨也可以把由制造允差和環(huán)境因素(例如溫度改 變、存在導(dǎo)電物體等)引起的增益改變考慮進(jìn)去。如果由于在操作空間內(nèi)存在導(dǎo)電物體而發(fā)生磁場(chǎng)的均勻的衰減(由 磁場(chǎng)檢測(cè)器檢測(cè)到的)，當(dāng)確定系統(tǒng)增益系數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)自動(dòng)地補(bǔ)償這個(gè)均 勻的衰減。此外，進(jìn)行這種補(bǔ)償不會(huì)引起系統(tǒng)的位置與/或方位的精度的 任何損失。因而，這種自動(dòng)的均勻衰減的補(bǔ)償使得能夠在金屬管內(nèi)(例如在其 探針內(nèi)具有磁場(chǎng)檢測(cè)器的活組織檢查針)確定探針的位置/方位。當(dāng)活組 織檢查針通過人體行進(jìn)時(shí)，這使得能夠跟蹤它的尖端。這是一個(gè)重要優(yōu) 點(diǎn)，因?yàn)榛罱M織檢查針當(dāng)通過人體時(shí)容易彎曲與/或伸縮，因而，尖端的 位置不能被精確地插入。這些優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展到其它的金屬管物體，例如內(nèi)窺 鏡，短距離治療涂藥器等。借助于這樣限定SGFR,使得對(duì)于在金屬管內(nèi)的檢測(cè)器系統(tǒng)的增益 系數(shù)值不被包括在這個(gè)范閨內(nèi)，系統(tǒng)可以確定探針是否位于金屬管內(nèi)。 圖6是一個(gè)校準(zhǔn)處理100的流程圖，該處理求取在極值的優(yōu)化函數(shù)的值， 以便確定組Sg-nd和St的隸屬關(guān)系。如果迭代處理60 (圖4)產(chǎn)生一個(gè) 真的全局極值，則由處理60求得的探針的增益、位置和方位接近地和探 針的實(shí)際增益、位置和方位相關(guān)。如果迭代處理60產(chǎn)生優(yōu)化函數(shù)的一個(gè) 假的或局部極值，則由處理60求得的探針的增益、位置和方位不接近地
和探針的實(shí)際增益、位置和方位相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這種校準(zhǔn)，處理100在102把探針定位在一個(gè)選擇的位置 和方位。此外，為探針選擇一個(gè)初始增益。所述初始增益基于使探針正 確搡作的一個(gè)被接受的增益值的范圍。在校準(zhǔn)期間，探針被安裝在一個(gè) 機(jī)械定位框架(未示出)上，定位框架把探針固定在選擇的位置和方位。 機(jī)械定位框架由不會(huì)使磁場(chǎng)失真的材料制成，并提供探針的選擇的實(shí)際 位置和方位的單獨(dú)的測(cè)量。所述單獨(dú)的測(cè)量可以是光學(xué)測(cè)量或者是機(jī)械 測(cè)量。處理100在104測(cè)量相應(yīng)于選擇的探針的位置和方位的磁場(chǎng)值。處理100在106選擇用于優(yōu)化處理60的探針的增益、位置和方位的 初始猜測(cè)。由測(cè)量的磁場(chǎng)值和初始猜測(cè)，處理100在108執(zhí)行迭代的優(yōu) 化程序60,以便獲得探針的增益、位置和方位的更好的猜測(cè)值。優(yōu)化程 序60還提供用于優(yōu)化函數(shù)的一個(gè)值，其相應(yīng)于探針增益、位置和方位的 更好的猜測(cè)，并且是在極值下的優(yōu)化函數(shù)的值。處理100在110比較探針的增益、位置和方位的更好的猜測(cè)和實(shí)際 坐標(biāo)，確定兩個(gè)坐標(biāo)是否相互接近。如果這些值以逐個(gè)分量的方式處于 一個(gè)相互的預(yù)選的范圍內(nèi)，則探針坐標(biāo)的更好的猜測(cè)(XN，yjs,Z!s， cpN， eN，g) 和實(shí)際的值(x，y，z， cp，e，g)是接近的。如果更好的猜測(cè)和實(shí)際的坐標(biāo)接近， 則處理100在112標(biāo)示優(yōu)化函數(shù)的相應(yīng)的值為屬于SG.ND的值。如果更好 的猜測(cè)和實(shí)際的探針坐標(biāo)不接近，則處理100在114把優(yōu)化函數(shù)的相應(yīng) 的值標(biāo)示為屬于Sj^的值。為了分類在每個(gè)極值下的優(yōu)化函數(shù)的值，處理100在116返回，并 對(duì)于探針的增益、位置和方位的其它的初始猜測(cè)重復(fù)步106-114。這些 對(duì)于不同的初始猜測(cè)的重復(fù)有代表性地(例如通過在(x，y，z, (p，e，g)空間中 隨機(jī)地選擇一些點(diǎn))覆蓋可能的探針坐標(biāo)的整個(gè)空間(x,y，z， cp，e，g)。處理100還對(duì)于實(shí)際的探針增益、位置和方位的其它選擇重復(fù)在極 值下的優(yōu)化函數(shù)的值的分類。對(duì)于其它的實(shí)際的探針增益、位置和方位 的重復(fù)有代表性地覆蓋參數(shù)空間(x,y，z， (p，e,g)的一個(gè)有代表性的部分(例 如隨機(jī)選擇的點(diǎn))。所述有代表性的部分可以是整個(gè)空間(x，y，z，cp，e，g)的一 部分，其借助于對(duì)稱旋轉(zhuǎn)和空間的其它部分相關(guān)。
這些重復(fù)可以產(chǎn)生屬于Sg-M)與/或SL的優(yōu)化函數(shù)的不同的極值。對(duì)于最小平方和，優(yōu)化函數(shù)在全局最小值(即在存在或不存在測(cè)量失真時(shí)) 下具有比在局部最小值下較小的值。圖7是用于求取屬于Sg_d的優(yōu)化函數(shù)的值的校準(zhǔn)處理120的流程圖， Sc^的值相應(yīng)于當(dāng)失真影響迭代處理60 (圖4)時(shí)發(fā)生的優(yōu)化函數(shù)的極 值。處理120可以對(duì)于可以影響磁場(chǎng)測(cè)量或者磁場(chǎng)測(cè)量的處理的每類失 真單獨(dú)地進(jìn)行。這些失真可以由附近的導(dǎo)電物體或鐵磁物體、附近的磁 場(chǎng)源、檢測(cè)器硬件故障、磁場(chǎng)源硬件/軟件故障、與/或軟件的測(cè)量處理故 障引起。處理120在122對(duì)系統(tǒng)建立一個(gè)選擇的類型的失真。例如，失真的 建立可以包括在監(jiān)視的體積內(nèi)放置導(dǎo)電的剪刀，或者使電子模塊中的硬 件發(fā)生故障。在建立失真條件之后，處理120在124利用機(jī)械定位框架 固定探針，并接收探針的實(shí)際的位置和方位值。此外，選擇探針的初始 增益。所述初始增益基于使探針正確工作的增益值的一個(gè)被接受的范圍。 所述處理還在126測(cè)量取決于探針的實(shí)際增益、位置和方位的磁場(chǎng)值。 處理120在128選擇探針的增益、位置和方位的初始猜測(cè)。由測(cè)量的磁場(chǎng)值和選擇的初始猜測(cè)，處理120在130利用迭代處理 60，以便獲得探針的增益、位置和方位的更好的猜測(cè)。迭代處理60獲得 一個(gè)相應(yīng)于每個(gè)更好的猜測(cè)的優(yōu)化函數(shù)的相關(guān)的極值。處理120在132 確定新的值是否比優(yōu)化函數(shù)的其它極值更好，所迷其它的極值是從探針 的增益、位置和方位的不同的初始猜測(cè)產(chǎn)生的。對(duì)于最小平方和，最好 的極值是最小值。如果新的值比和以前接受的猜測(cè)相關(guān)的值更好，則處理120在134 標(biāo)記新的值作為在全局極值下的優(yōu)化函數(shù)的值(即作為Sc^的成員)。屬 于S(M)的優(yōu)化函數(shù)的值表示存在失真，如果新的值比和被接受的猜測(cè)相 關(guān)的優(yōu)化函數(shù)的先前的值不好，則處理120在136標(biāo)記新的值為相應(yīng)于 假的或局部極值的值。在對(duì)極值分類之后，處理120返回138， 140，借 助于選擇探針的增益、位置和方位的不同的初始猜測(cè)，重復(fù)搜索在其它 極值下的優(yōu)化函數(shù)的值。對(duì)于探針的增益、位置和方位的各個(gè)初始猜測(cè)d內(nèi)的值.處理還對(duì)于探針的不同的實(shí)際增益、位置和方位反覆搜索在Sg_D內(nèi)的優(yōu)化函數(shù)的值。對(duì)于每個(gè)實(shí)際的增益、位置和方位，可以產(chǎn)生在Sg_d 內(nèi)的優(yōu)化函數(shù)的極值。類似地，引起失真的物體(例如圖1的物體30、 32)的不同的位置可以產(chǎn)生優(yōu)化函數(shù)的不同的極值，這些極值屬于Sc.d。在一些實(shí)施例中，對(duì)于不同類型的失真的優(yōu)化函數(shù)的極值是可以區(qū) 別的?？梢詤^(qū)別的極值落在不同的范圍內(nèi)。在這種實(shí)施例中，校準(zhǔn)處理 120對(duì)于不同類型的失真被單獨(dú)地進(jìn)行，以便獲得每類不同類型的失真的 優(yōu)化函數(shù)的極值的范圍。處理80 (圖5)使用這些極值分類失真的類型， 例如硬件故障、軟件故障或附近存在導(dǎo)電物體。圖8表示一個(gè)計(jì)算機(jī)142,其由磁場(chǎng)的測(cè)量確定探針的增益、位置和 方位，并對(duì)所述確定指示失真的存在。計(jì)算機(jī)142可以是用作圖1的計(jì) 算機(jī)28或用作圖3的計(jì)算機(jī)54的一個(gè)實(shí)施例。計(jì)算機(jī)142從和電子模塊146的輸出相連的線路144接收關(guān)于測(cè)量 的磁場(chǎng)值的數(shù)據(jù)。模塊146可以是圖1的模塊26或者是圖3的模塊52。 計(jì)算機(jī)142按照?qǐng)D4的處理60和圖5的處理80處理數(shù)據(jù)，以便確定探 針的增益、位置和方位，以及是否存在失真。計(jì)算機(jī)142在顯示屏148 上顯示確定的結(jié)果。計(jì)算機(jī)142具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器154 (例如硬盤或光 驅(qū))，用于存儲(chǔ)上述的可執(zhí)行程序/處理以及由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。已經(jīng)說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。不過，應(yīng)當(dāng)理解，不脫離本發(fā)明 的范圍和構(gòu)思，可以作出多種改變。因而，其它的實(shí)施例也都落在下面 的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于確定探針(12)的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個(gè)磁場(chǎng)源(13)；至少一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器(16)，其中磁場(chǎng)檢測(cè)器(16)和磁場(chǎng)源(13)的組合產(chǎn)生唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值，探針(12)，其增益、位置和方位影響所述唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值；以及處理器(28)，其被配置為用于接收和迭代處理(60)所述唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值，以確定表示所述探針(12)的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針(12)的位置和方位的多個(gè)位置系數(shù)，其中所述迭代處理(60)被配置用于確定所述測(cè)量的磁場(chǎng)值和多個(gè)預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的函數(shù)。
2. —種用于確定探針(42)的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)， 包括多個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器(46)和多個(gè)磁場(chǎng)源之一；其余的磁場(chǎng)檢測(cè)器(46)和磁場(chǎng)源中的至少一個(gè)，其中磁場(chǎng)檢測(cè) 器(46)和磁場(chǎng)源的組合產(chǎn)生唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值，探針(42),其增益、位置和方位影響所述唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值；以及處理器(28)，其被配置為用于接收和迭代處理(60)所述唯一 的測(cè)量的磁場(chǎng)值，以確定表示所述探針(42)的增益的系統(tǒng)增益系數(shù) 和表示所述探針(42)的位置和方位的多個(gè)位置系數(shù)；其中所述迭代處理(60)被配置用于確定所述測(cè)量的磁場(chǎng)值和多 個(gè)預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù) 的系統(tǒng)，其中所產(chǎn)生的唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值的數(shù)量至少等于所計(jì)算的 增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述處理器(28)包括計(jì)算位置處理(80)，用于計(jì)算所述 預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值，其中所述計(jì)算位置處理(80)猜測(cè)所述探針的初始增 益、位置和方位，并根據(jù)物理模型和所述初始增益、位置和方位計(jì)算 所述預(yù)測(cè)的》茲場(chǎng)值。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是預(yù)定的固定點(diǎn)。
6. 如權(quán)利要求4所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述初始位置和方位是隨機(jī)選擇的固定點(diǎn)。
7. 如權(quán)利要求4所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述處理器包括優(yōu)化函數(shù)，用于確定表示所述測(cè)量的磁場(chǎng)值 和所述預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的所述的差的極值。
8. 如權(quán)利要求7所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述優(yōu)化函數(shù)是最小平方和函數(shù)。
9. 如權(quán)利要求7所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系 統(tǒng)，其中所述處理器(28)包括重新定位處理(120)，用于響應(yīng)處于 不能接受的值的預(yù)定范圍內(nèi)的所述極值，調(diào)節(jié)所述探針(12, 42)的 所述初始增益、位置和方位，所述不能接受的值的預(yù)定范圍表示所述 測(cè)量的磁場(chǎng)值和所述多個(gè)預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)值之間的差的不能接受的程度。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系 數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括空間坐標(biāo)。
11. 如權(quán)利要求1或2所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系 數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括球面坐標(biāo)。
12. 如權(quán)利要求1或2所述的用于確定位置、方位和系統(tǒng)增益系 數(shù)的系統(tǒng)，其中所述位置系數(shù)包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
全文摘要
一種用于確定探針的位置、方位和系統(tǒng)增益系數(shù)的系統(tǒng)，包括多個(gè)磁場(chǎng)源和至少一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)器，使得磁場(chǎng)檢測(cè)器和磁場(chǎng)源的組合產(chǎn)生一個(gè)唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。所述系統(tǒng)包括一個(gè)探針，其增益、位置和方位影響這些唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值。一個(gè)處理器，其被配置用于接收和迭代地處理所述唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值，以便確定表示所述探針的增益的系統(tǒng)增益系數(shù)和表示所述探針的位置和方位的多個(gè)位置系數(shù)。所述產(chǎn)生的唯一的測(cè)量的磁場(chǎng)值的數(shù)量至少等于計(jì)算的增益和位置系數(shù)的數(shù)量的和。
文檔編號(hào)G01B7/00GK101149440SQ20071018023
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者克里斯蒂·J·希林, 斯蒂芬·R·基爾希, 漢斯·R·希爾德 申請(qǐng)人:北方數(shù)字公司