專利名稱：使用離散數(shù)值域模型的電磁跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁跟蹤領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及用于電磁跟蹤的方法。
背景技術(shù)：
電磁跟蹤器對于導(dǎo)體和鐵磁體是敏感的。在電磁發(fā)射器(Tx)或者接收器(Rx)附近的金屬目標(biāo)的存在可能使發(fā)射信號失真，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的位置和方向(P&O)的測量。
按照慣例，有很多不同的方法可以用來恢復(fù)對于應(yīng)用的失真信號(或傳感器P&O)，使得傳感器位置可以和周圍的金屬保持相對固定。的確，下面的參考文獻展示了很多常規(guī)的方法V.V.Kindratenko的“A survey of electromagneticposition tracker calibration techniques(電磁定位跟蹤器校準(zhǔn)技術(shù)綜述)”，VirtualRealityResearch，Development，and Applications，第169-182頁，第5卷，第3期，2000年。最常用的是稱為“P&O繪圖(mapping)”的方法。通過P&O繪圖，失真可以通過函數(shù)擬合而得到修正，該函數(shù)擬合將失真P&O測量擬合至基于建立在理想跟蹤空間的查找表格的非失真對應(yīng)部分。
常規(guī)的P&O繪圖方法在很多應(yīng)用中已經(jīng)證明是一種可靠的解決方法，包括透視跟蹤(fluoro-tracking)應(yīng)用。然而，在信號明顯失真的情況下(比如，由于傳感器附近的導(dǎo)體罩)，電磁跟蹤器可能無法完成對失真信號的處理，并且對失真繪圖也會產(chǎn)生無效的P&O。這大大地降低了跟蹤器的性能和可靠性。
跟蹤器在處理明顯的場失真的失敗主要歸因于常規(guī)的跟蹤算法的不穩(wěn)定性。在常規(guī)的方法中，通過使用擬合算法將信號測量最佳擬合到分析的偶極子模型上，直接計算的P&O得到最佳化。按照慣例，在處理大大偏離了模型預(yù)測的測量時，擬合器(fitter)趨向于非常不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
這里描述的是一個或多個用于對位置和方向進行電磁跟蹤的實現(xiàn)，其利用了離散數(shù)值域模型，而不是傳統(tǒng)的分析偶極子模型。
該部分的描述本身沒有打算限制本專利及其所附權(quán)利要求的范圍。并且，本專利的標(biāo)題不打算限制本專利的范圍。為了更好的對本發(fā)明進行理解，請結(jié)合附圖閱讀下面的詳細說明和所附權(quán)利要求。本發(fā)明的范圍在所附權(quán)利要求中被指出。


在所有附圖中使用相同的數(shù)字來標(biāo)示相似的元素和特征。
圖1示出了根據(jù)一個或多個此處描述的實現(xiàn)的電磁跟蹤系統(tǒng)。
圖2示出了根據(jù)一個或多個此處描述的實現(xiàn)的方法實現(xiàn)。
圖3示出了根據(jù)一個或多個此處描述的實現(xiàn)的方法實現(xiàn)。
圖4示出了根據(jù)一個或多個此處描述的實現(xiàn)的方法實現(xiàn)。
具體實施例方式
這里描述的一個或多個實現(xiàn)是用于位置和方向的電磁(EM)跟蹤，其利用離散數(shù)值域模型來補償EM場失真。傳統(tǒng)的失真補償方法采用傳統(tǒng)的分析偶極子模型，且一般稱為位置和方向(P&O)繪圖。所描述的實現(xiàn)克服了在處理明顯的場失真時P&O繪圖經(jīng)常存在的不穩(wěn)定性的問題。所描述的實現(xiàn)也簡化了傳統(tǒng)的復(fù)雜的場失真建模。
所描述的實現(xiàn)工作在對于位于電磁發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)之間的互感進行測量和建模的信號域中。數(shù)值域模型可以是預(yù)定的多種方法，比如用于透視圖像導(dǎo)航(fluoro-navigation)應(yīng)用的機器人數(shù)據(jù)采集處理，或者通過二重積分計算，其中可以足夠精確地得知目前片斷。
所描述的實現(xiàn)也包括種子的尋找和參數(shù)擬合部分，尋找和參數(shù)擬合部分均是在對數(shù)的互感平方的預(yù)定圖上進行的。
示范的EM跟蹤系統(tǒng)圖1說明根據(jù)此處描述的一個或多個實施方案的使用的示范電磁跟蹤系統(tǒng)(“跟蹤器”)100。該跟蹤器100包括發(fā)射器110，接收器120，以及跟蹤器電子裝置130。跟蹤器電子裝置130可以是計算機或者某個其它計算裝置。在此處所描述的多種方法和過程由跟蹤器電子裝置130來實現(xiàn)。
跟蹤器電子裝置130至少包括一存儲器132，該存儲器可以是由跟蹤器電子裝置130能夠存取的任何可利用的處理器可讀介質(zhì)。該存儲器132可以是易失的也可以是非易失的介質(zhì)。另外，它可以是可移動的也可以是不可移動的介質(zhì)。
發(fā)射器110發(fā)射發(fā)射器信號。接收器120探測發(fā)射器信號。跟蹤器電子裝置130分析接收器120接收到的信號，且確定接收器120的位置。
利用傳統(tǒng)的分析偶極子模型的失真補償跟蹤器100一般采用ISCA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)線圈結(jié)構(gòu))6-DOF(6自由度)跟蹤技術(shù)。ISCA 6-DOF跟蹤一般包括一組確定坐標(biāo)系的三軸發(fā)射線圈(用txX，txY和txZ表示)，和在發(fā)射器參考系統(tǒng)中被跟蹤的一組三軸接收器線圈(rxX，rxY和rxZ)。一般地，每個發(fā)射器線圈通過單獨的正弦電流Itx(角頻率為ω)激勵來產(chǎn)生隨時間變化的磁場Btx。該接收器線圈拾取發(fā)送信號，該發(fā)送信號產(chǎn)生被Btx場感應(yīng)的可測量的電壓。
根據(jù)法拉第定律，在接收器線圈中的感應(yīng)電壓Vrx是和通過接收器線圈回路的磁通量φ的變化率成比例的，其中磁通量φ通過對于穿過線圈回路的Btx場的法向分量進行積分而被給出。
Vrx=-dΦdt=-∫∫jωBtx‾·dA‾]]>方程式1ISCA接收器線圈與Tx-Rx分隔距離相比足夠小。感應(yīng)電壓Vrx能夠近似為Btx場和線圈有效面積矢量Aeffrx的點乘，或者是Btx場的法向分量Btx⊥rx和Aeffrx(Aeffrx的幅度)的內(nèi)積。
Vrx=jωBtx‾·Aeffrx‾=jωBtx⊥rx·Aeffrx]]>方程式2通過測量Vrx和Aeffrx，我們能夠得到每個接收器線圈的法向Btx場分量。
Btx⊥rx=VrxjωAeffrx]]>方程式3在ISCA跟蹤器內(nèi)的所有三個接收器線圈設(shè)計(或數(shù)學(xué)地校準(zhǔn))為集中于相同的一點，而且彼此正交，Btx場的三個法向分量的測量，Btx⊥rxX、Btx⊥rxY和Btx⊥rxZ基本上可用來組成場向量。
Btx‾=Btx⊥rxX·A→^+Btx⊥rxY·B→^+Btx⊥rxZ·C→^]]>方程式4 和 分別是AeffrxX、AeffrxY和AeffrxZ的方向的單位矢量，定義接收器線圈相對于發(fā)射器線圈的旋轉(zhuǎn)。
AeffrxX‾=Aeffrx·A→^]]>AeffrxY‾=Aeffrx·B→^]]>AeffrxZ‾=Aeffrx·C→^]]>方程式5考慮到所有的三個磁場，分別由發(fā)射器線圈txX、txY和txZ產(chǎn)生的BtxX、BtxY和BtxZ，我們通過三個接收器線圈獲得相應(yīng)的測量，表示為BtxX‾=BtxX⊥rxX·A→^+BtxX⊥rxY·B→^+BtxX⊥rxZ·C→^]]>BtxY‾=BtxY⊥rxX·A→^+BtxY⊥rxY·B→^+BtxY⊥rxZ·C→^]]>BtxZ‾=BtxZ⊥rxX·A→^+BtxZ⊥rxY·B→^+BtxZ⊥rxZ·C→^]]>方程式6注意三個磁場BtxX、BtxY和BtxZ僅僅是與接收線圈的存在無關(guān)的位置的函數(shù)。在傳統(tǒng)的ISCA跟蹤器中，通過合并線圈中引入的信號的測量，一個相對簡易的偶極子模型用來表征場的分配和跟蹤接收器P&O。這稱之為“分析偶極子模型”。
利用離散數(shù)值域模型的失真補償然而，對于失真補償來說，示范的跟蹤器100不采用常規(guī)的分析偶極子模型。而是該示范的跟蹤器100采用“離散數(shù)值域模型”。該離散數(shù)值域模型是通過有限的一系列數(shù)值域值，對空間連續(xù)EM場的表示。
一般地，數(shù)值模型為具體的應(yīng)用(例如，接收器剛性附加于透視C型臂(C-arm)系統(tǒng))被預(yù)定。一旦離散數(shù)值域模型建立在期望的跟蹤空間內(nèi)，則該模型將在具體的應(yīng)用中精確地描繪出磁場分布。使用這種模型可以提高失真校正的穩(wěn)定性。最終，傳感器的P&O能夠通過使用直接從任何應(yīng)用中獲得的測量而被精確地跟蹤。
示范的跟蹤器100對于發(fā)射器和接收器線圈之間的互感進行測量和建模。因此完全能夠理解，下文將示出互感系數(shù)的測量實際上與上面討論的方程式1-6中的Btx場的法向分量是相同的。
互感Lm是通過在發(fā)射器線圈Itx中的電流的變化率和接收器線圈中的感應(yīng)電壓Vrx的比而被給出的Lm=VrxjωItx]]>方程式7如果我們將方程式3和方程式7合并起來，它就跟發(fā)射場緊密相關(guān)(Itx和Aeffrx是用于特定的發(fā)射器和接收器合并的已知常量)Lm=AeffrxItx·Btx⊥rx]]>方程式8與方程式6中的發(fā)射Btx場的表述相似，我們將Lm測量安排為3×3矩陣格式，矩陣中的每個元素分別表示在三個發(fā)射器線圈(txX，txY，和txZ)和三個接收器線圈(rxX，rxY，和rxZ)之間的信號耦合Lm=Lm[txX,rxX]Lm[txX,rxY]Lm[txX,rxZ]Lm[txY,rxX]Lm[txY,rxY]Lm[txY,rxZ]Lm[txZ,rxX]Lm[txZ,rxY]Lm[txZ,rxZ]]]>方程式9示范的跟蹤器100集中于通過測量或者計算(如果分析解是可用的)取樣空間上的互感矩陣，創(chuàng)建數(shù)值Lm模型。更明確地，對于給定的金屬失真問題，機器人手臂用來移動發(fā)射器至預(yù)先指定的取樣?xùn)鸥竦牟煌?jié)點，用來記錄有關(guān)于接收器的失真的Lmmapi數(shù)據(jù)，該接收器剛性附加于透視成像增強器。應(yīng)當(dāng)注意的是，根據(jù)互易定理，電磁發(fā)射器和接收器是可以交換的。
自此以后，Lm矩陣和所有相關(guān)的計算在由接收器定義的坐標(biāo)系統(tǒng)中得到處理。對應(yīng)的無失真的發(fā)射器P&O也在接收器坐標(biāo)中為每一個機器人位置I被獲得，這是通過從接收器裝置的附近移除比如C型臂和電磁罩的畸變器(distorter)來實現(xiàn)的。可替換地，發(fā)射器位置能夠僅僅通過運用較少的跟蹤器測量來推導(dǎo)跟蹤器和機器人坐標(biāo)之間的平移和旋轉(zhuǎn)系數(shù)且隨后在失真數(shù)據(jù)采集過程中將機器人位置記錄到跟蹤器坐標(biāo)中來得到。
用于獲得離散數(shù)值域模型的方法實現(xiàn)圖2示出了一采集測量的方法200，該測量用于為特定的失真源構(gòu)造離散數(shù)值域模型。該方法200由機器人使能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理的一個或者多個不同組件來執(zhí)行。此外，所述方法200可以通過軟件、硬件、或者兩者合并來執(zhí)行。為了更加容易理解，此方法在圖2中描述為以獨立的模塊存在的單獨的步驟；然而，這些單獨描述的步驟不能解釋為在它們運行時必須依賴順序。此外，出于討論目的，特定的組件被指示為執(zhí)行特定的功能；然而，其他的組件(或者組件的結(jié)合)也可以執(zhí)行所述特定的功能。
在圖2中的202中，接收器被附加于一相對于機器人坐標(biāo)系統(tǒng)而固定的參考壁(reference wall)上。
在204中，機器人位置和與相對于接收器的無失真發(fā)射器P&O被記錄下來。
在206中，失真源被附加于機器人/接收器裝備。失真源是要被測量和計算的失真的源。失真源可以是，比如，透視C型臂。在其它的實現(xiàn)中，失真源可以是不同于C型臂的東西，比如可以是手術(shù)桌或顯微鏡等。
在208中，利用適當(dāng)位置上的要被測量的失真(比如是C型臂)，機器人位置和失真互感信號Lm能夠得到記錄。
在210中，查找表被建立。該查找表使無失真?zhèn)鞲衅鱌&O和失真Lm和Lm^2相互參照。根據(jù)方程式9結(jié)合利用附圖2的方法采集的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以計算從每個發(fā)射器線圈耦合到所有三個接收器線圈的失真信號，表達為互感的平方Lm[rxX]^2＝Lm[txX，rxX]^2+Lm[txY，rxX]^2+Lm[txZ，rxX]^2Lm[rxY]^2＝Lm[txX，rxY]^2+Lm[txY，rxY]^2+Lm[txZ，rxY]^2Lm[rxZ]^2＝Lm[txX，rxZ]^2+Lm[txY，rxZ]^2+Lm[txZ，rxZ]^2方程式10類似于磁場，Lm^2獨立于發(fā)射器的方向，并且僅僅是發(fā)射器位置的函數(shù)。結(jié)果，我們可以進一步將脫離機器人柵格的任何發(fā)射器位置P(xk，yk，zk)的互感(用對數(shù)形式來減少動態(tài)范圍)表達為跟蹤器位置的局部多項式插值
log(LmkrxX^2)=c0X+c1Xxk+c2Xyk+c3Xzk+c4Xxk2+c5Xyk2+c6Xzk2+c7Xxkyk+···]]>log(LmkrxY^2)=c0Y+c1Yxk+c2Yyk+c3Yzk+c4Yxk2+c5Yyk2+c6Yzk2+c7Yxkyk+···]]>log(LmkrxZ^2)=c0Z+c1Zxk+c2Zyk+c3Zzk+c4Zxk2+c5Zyk2+c6Zzk2+c7Zxkyk+···]]>方程式11這里，c0X，c1X，...是多項式的系數(shù)，該多項式是從Lmmap^2和無失真發(fā)射器位置對應(yīng)部分計算得到的，該對應(yīng)部分在圍繞發(fā)射器位置P(xk，yk，zk)的取樣節(jié)點的子集上。我們可以應(yīng)用不同的多項式——線性的、二次的或者用于擬合的三次的。通常，多項式的階數(shù)越高，就需要越大的Lmmap測量子集來對系數(shù)進行估計。
對于感興趣的全部空間，一旦我們有完整的Lmmodel^2的表示，就可以替代常規(guī)的分析模型，以便在接收器基準(zhǔn)系統(tǒng)中來跟蹤失真發(fā)射器P&O。
使用離散數(shù)值域模型的方法實現(xiàn)圖3示出了一利用針對特定失真源的離散數(shù)值域模型的EMP&O跟蹤的方法300。該方法300可以通過在圖1中描述的多種組件中的一個或多個來執(zhí)行。此外，此方法300可以通過軟件、硬件或其合并來實現(xiàn)。為了更加容易理解，此方法在圖3中被描繪為以各個模塊來表示的獨立步驟；然而，這些單獨描述的步驟不能解釋為在它們運行時必須依賴順序。此外，出于討論目的，方法300結(jié)合圖1進行描述。也出于討論目的，特定的組件被指示為執(zhí)行特定的功能；然而，其他的組件(或者組件的結(jié)合)也可以執(zhí)行所述特定的功能。
在附圖3中的301，采集與特定失真源相關(guān)的離散數(shù)值域模型。這一般是預(yù)定的。所述離散數(shù)值域模型可以為預(yù)定的多種方式，比如通過機器人數(shù)字采集過程應(yīng)用于透視導(dǎo)航(fluoroscopy-navigation)應(yīng)用。方法200是通過采集和計算與特定失真源相關(guān)的數(shù)據(jù)，獲得用于該特定失真源的離散數(shù)值域模型的一種方式的例子。
在302中，被跟蹤傳感器(例如附加于病人人體(patient anatomy)的發(fā)射器)的種子位置在有與獲得的離散數(shù)值域模型相關(guān)聯(lián)的相同特定失真源的情況下被估計。假定我們有在發(fā)射器(要被跟蹤的)和接收器(永久附加于透視系統(tǒng))之間的互感測量Lmtracking。我們可以計算Lmtracking^2和監(jiān)視從Lmtracking^2到Lmmap^2的每一個節(jié)點的差值。種子位置是在圖上有最小的Lm^2的差值的節(jié)點。
Δ=||Lmtracking^2-Lmimap^2||]]>方程式12其中i是圖節(jié)點的索引。
在圖3中的304，被跟蹤傳感器的位置估計值得到改進(refine)。這可以通過使用迭代擬合的方法來實現(xiàn)，該方法用來創(chuàng)建測量的互感Lmtracking^2到估計的互感Lmmodel^2的最佳擬合。
∂[log(Lmmodel^2)∂P·ΔP=[log(Lmmodel^2)-log(Lmtracking^2)]]]>方程式13方程式的RHS(右側(cè))的偏導(dǎo)數(shù)或者靈敏度矩陣可以由方程式11數(shù)值地確定。傳感器位置在每一次迭代中得到動態(tài)的調(diào)整，直到測量的數(shù)據(jù)和建模的數(shù)據(jù)之間的差值(或者所謂的GOF，即適合度)在一個確定的允許誤差內(nèi)。
Pj+1＝Pj+ΔP方程式14其中j是迭代索引。
擬合器的魯棒性主要是由初始種子的品質(zhì)來決定的。對于ISCA跟蹤器，如果任何一個跟蹤器坐標(biāo)值接近于零，則擬合器也趨向于落入(trap within)局部最小值。一種方法是數(shù)學(xué)地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)來移動位置(在方程式9中表述的)，使其遠離坐標(biāo)軸，并且在旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系統(tǒng)中計算跟蹤器位置，且解旋(de-rotate)結(jié)果回到原始坐標(biāo)。
數(shù)學(xué)地，坐標(biāo)系統(tǒng)被旋轉(zhuǎn)，以便將位置估計和用來計算Lmmodel的Lmmap子集移動到一個區(qū)域中，在該區(qū)域中，數(shù)值坐標(biāo)基本上是非零的(non-vanishing)，而且靈敏度矩陣也能夠很好地形成。對每次擬合迭代，大多數(shù)的旋轉(zhuǎn)可以通過四元數(shù)(quaternion)來執(zhí)行。旋轉(zhuǎn)四元數(shù)可以從更新的傳感器位置來估計?？蓪崿F(xiàn)它的一種方式被描述在編號為No.6,774,624的美國專利中。
方程式11到方程式14在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中被處理。朝著每次擬合迭代的結(jié)束，更新的傳感器位置也將被解旋回到原始的坐標(biāo)。
在306中，被跟蹤傳感器的方向的估計值得到確定。這里，我們需要首先從跟蹤互感系數(shù)Lmtracking至模型互感Lmmodel中找到旋轉(zhuǎn)矩陣Rdistort
Rdistort＝inverse(Lmmod el)·Lmtracking方程式15旋轉(zhuǎn)矩陣Rdistort還能夠表示成旋轉(zhuǎn)四元數(shù)Qdistort，使用Hom的文章中描述的方法用于余下的方向計算。由于在繪圖數(shù)據(jù)的收集中，發(fā)射器方向始終保持在相對于接收器的機器人手臂上，因此Lmmod el能夠僅通過跟蹤器位置的多項式插值來獲得。
Lmkm=c0m+c1mxk+c2myk+c3mzk+c4mxk2+c5myk2+c6mzk2+c7mxkyk+···]]>方程式16其中m是Lmk矩陣的第m個分量。c0m，C1m...通過Lmmap和在估計位置周圍的采樣節(jié)點子集上的發(fā)射器位置對應(yīng)部分來計算得到。
為了恢復(fù)非失真的傳感器方向，希望得知用于互感繪圖的發(fā)射器姿態(tài)(pose)。發(fā)射器方向可以由非失真的P&O繪圖而很容易地得到。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于發(fā)射器剛性附加于機器人手臂，對于所有的圖節(jié)點來說，當(dāng)它圍繞不同的機器人位置移動的時候它的方向?qū)⒈３窒嗤?表示為Omap)。因此，我們就有對非失真方向的估計Oundistort＝Omap·Qdistort方程式17如果位置和方向的估計無法達到足夠的精度，那么這些估計會通過模塊308的動作來進一步改進。
在圖3中的308中，通過使用數(shù)值擬合器，將測量的互感Lmtracking最佳擬合至估計的互感Lmmodal·Rdiatort，位置和方向的估計可以同時得到改進。因為發(fā)射器方向根據(jù)不同的應(yīng)用來改變，所以Lmmod el模型應(yīng)當(dāng)在最小平方擬合之前與Lmtracking是對準(zhǔn)的(通過乘以Qdistort)。
ΔPΔO=[Lmmodel·Rdistort-Lmtracking]]]>方程式18在方程式右側(cè)的偏導(dǎo)數(shù)是通過方程式11和方程式15而數(shù)值確定的。對所有迭代，傳感器位置和方向都在方程式19中被動態(tài)調(diào)整，直到測量的和建模的數(shù)據(jù)之間的差值在一個確定的允許誤差內(nèi)。
Pj+1＝Pj+ΔPOj+1＝ΔO·Oj方程式19其中j是迭代索引。
種子估計利用這里公開的實現(xiàn)，沒有對初始的跟蹤器P&O估計的分析解。并且，由于對離散域測量的局部插值被用于創(chuàng)建完整的數(shù)值域模型，所以低品質(zhì)的初始種子可能導(dǎo)致從模型估計到測量信號的一個大的偏差。擬合器可能通過多次迭代找到解，也可能完全失敗而沒有找到誤差的全局最小值。因此，希望有魯棒的種子搜索方法。
這里揭示的種子搜索方法不需要任何關(guān)于病人人體上的發(fā)射器裝置姿態(tài)的知識，從而顯示出對不同導(dǎo)航應(yīng)用的良好的靈活性。揭示的種子搜索方法在透視成像系統(tǒng)中的電磁導(dǎo)航的上下文中被描述，其中，位置傳感器被剛性附加到系統(tǒng)的金屬部分，且發(fā)射器在病人人體上。然而，它也可以被應(yīng)用于比如無線跟蹤器的其他的應(yīng)用中。
直接種子搜索正如我們?nèi)缟纤镜模ジ?表示為Lm)測量與磁場Btx的法向分量在實際上是相同的。所以，數(shù)值Lm模型可以通過測量或者計算(如果分析解是可用的)采樣空間上的互感矩陣而被建立。Lm測量能夠通過3×3矩陣格式來表示，其中，每個元素均表示三個發(fā)射器線圈(txX，txY和txZ)和三個接收器線圈(rxX，rxY和rxZ)之間的信號耦合，分別在方程式9中表示出來。
為了去除Lm測量對發(fā)射器或者接收器線圈的依賴性，測得的Lm被歸一化為理想化的Lm(比如完全同軸的，具有一平方米有效區(qū)域的正交偶極子)。這可以通過使用編號為No.6,774,624的美國專利中描述的方法而被實現(xiàn)，即通過用接收器增益矩陣的逆左乘Lm，再右乘發(fā)射器增益矩陣的逆來完成。
在給定的金屬失真問題中，機器人手臂用來移動發(fā)射器至預(yù)先指定的采樣?xùn)鸥竦牟煌?jié)點，以便記錄相對于剛性附加于透視圖像增強器的接收器的失真Lmmapi數(shù)據(jù)。相應(yīng)的非失真發(fā)射器P&O也可以通過從接收器裝置的鄰近處來移除畸變器，比如C型臂和電磁罩，而在用于每個機器人位置i的接收器坐標(biāo)中被獲得。
從方程式9中，我們能夠以方程式10中所示的互感平方的表達式來計算從每一個發(fā)射器線圈耦合至所有三個接收器線圈的失真信號。
與磁場類似，Lm^2是獨立于發(fā)射器方向的，而且也只是發(fā)射器位置的函數(shù)。因此，種子問題是將Lm^2繪制(mapp)到接收器坐標(biāo)中的發(fā)射器位置。
由于偶極子場的對稱，Lm^2測量基本上和在接收器坐標(biāo)的四象限內(nèi)的圖像位置是相同的。由于接收器是永久地附加于透視系統(tǒng)，因此只允許用于放置于病人人體上的發(fā)射器的指定的臨床空間(比如正好位于圖像增強器下面的空間)。種子估計的第一步是決定好預(yù)期跟蹤體(tracking volume)的半球(hemisphere)。這可以通過分析在機器人繪圖過程中采集的非失真P&O數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。非失真P&O數(shù)據(jù)通過使用常規(guī)的ISCA跟蹤算法而被處理。一個這樣的算法在編號為No.6,774,624的美國專利中有記載。半球不確定性(ambiguity)從跟蹤器輸出中被完全清除。
接下來，在預(yù)定的跟蹤器半球中的三個Lm^2分量的符號得到恢復(fù)。這里我們假設(shè)臨床體總是在接收器坐標(biāo)中的+Z半球，這意味著Lm^2總是正的。Lm[rxX]^2和Lm[rxY]^2的符號可以使用互感的點乘的極性而分別完成。
Lm[rxZ]‾·Lm[rxX]‾=Lm[txX,rxZ]·Lm[txX,rxX]+Lm[txY,rxZ]·Lm[txY,rxX]+Lm[txZ,rxZ]·Lm[txZ,rxX]]]>Lm[rxY]‾·Lm[rxZ]‾=Lm[txX,rxY]·Lm[txX,rxZ]+Lm[txY,rxY]·Lm[txY,rxZ]+Lm[txZ,rxY]·Lm[txZ,rxZ]]]>方程式20因此，Lm±[rxX]^2=sign(Lm[rxZ]·Lm[rxX])·Lm[rxX]^2]]>Lm±[rxY]^2=sign(Lm[rxY]·Lm[rxZ])·Lm[rxY]^2]]>Lm±[rxZ]^2=+Lm[rxZ]^2]]>方程式21假定在病人掃描過程中，我們在發(fā)射器(要被跟蹤的)和接收器(永久附加于透視系統(tǒng))之間具有互感測量Lmtracking。我們能計算出Lm±tracking^2和監(jiān)視Lm±tracking^2到Lm±m(xù)api^2的每個節(jié)點之間的差值。在理論上，種子位置是在圖上具有最小Lm±^2差值的節(jié)點。
Δ=||Lm±tracking^2‾-Lm±mapi^2‾||]]>方程式22如i是圖節(jié)點的索引。
然而，對于ISCA跟蹤器，如果任何一個跟蹤器坐標(biāo)值接近于零，則直接的種子搜索方法可能會遭遇數(shù)值的不穩(wěn)定的問題?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系而將位置移動至遠離坐標(biāo)軸，并計算在旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)系中的跟蹤器位置，然后再數(shù)學(xué)地解旋結(jié)果回到原始坐標(biāo)，從而能夠避免上述問題。
種子估計的方法實現(xiàn)圖4示出了估計初始種子的方法300。方法400是對圖3中在302采取的行動的具體細節(jié)。該方法400通過在圖1中描述的多種部件中的一個或多個來執(zhí)行。此外，方法400可以通過軟件、硬件或其兩者的合并來實現(xiàn)。為了更容易理解，此方法在圖4中描述為以獨應(yīng)的模塊存在的單獨的步驟；然而，這些單獨描述的步驟不能解釋為在它們運行時必須依賴順序。此外，出于討論目的，方法400參考圖1被描述。還處于討論的目的，特定的組件被指示為執(zhí)行特定的功能；然而，其他的組件(或者組件的結(jié)合)也可以執(zhí)行所述特定的功能。
在圖4中的402，一快速的篩選通過如上描述的“直接種子搜索方法”來實現(xiàn)。
在404，搜索結(jié)果得到改進。通過做這些，我們基于方程式5的輸出，根據(jù)經(jīng)驗選擇Lm±m(xù)ap^2圖的子集(10到20個數(shù)據(jù)點)，其具有到Lm±tracking^2的最小的距離。然后，我們從由機器人系統(tǒng)采集的繪圖數(shù)據(jù)集中提取對應(yīng)的非失真跟蹤器位置Pj和互感測量Lmjmap，其中j＝1，2，...，20表示在子集中的數(shù)據(jù)點的索引。對每一數(shù)據(jù)位置Pj，能計算位于與Pj相同的象限但在三個軸上具有同樣標(biāo)量分量的單位矢量。
V→^j=sign(P‾j)3]]>方程式23然后計算代表從單位向量 到 的旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)矢量Qrotj。接下來的步驟是數(shù)學(xué)地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來移動Lmjmap和Lmtracking至一區(qū)域，該區(qū)域中數(shù)值坐標(biāo)基本上是非零的，且靈敏度矩陣能夠很好地被形成。為此，我們將相同的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)Qrotj應(yīng)用至Lmjmap和Lmtracking以及旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系中Lmrotjmap和Lmrottracking之間的差值的重新估計。
Δrot=||Lmrot±tracking^2‾-Lmrot±mapj^2‾||]]>方程式24旋轉(zhuǎn)不應(yīng)當(dāng)改變位于同一坐標(biāo)系中任何兩個矢量之間的實際距離。然而，對于位于軸上(on-axis)的Lm測量，Lmjmap和Lmtracking距離在數(shù)值“友好”的坐標(biāo)中的重新估計能夠顯著地提高用于精確種子估計的方法的穩(wěn)定性。
其它應(yīng)用、實現(xiàn)和細節(jié)這里的討論集中于醫(yī)學(xué)跟蹤或者導(dǎo)航系統(tǒng)的詳細說明上，特別是用來跟蹤關(guān)于病理人體中的醫(yī)學(xué)儀器上。然而，這些所描述的詳細說明的細節(jié)僅僅是示范性的。所描述的實現(xiàn)對實時的和加強的EM場計算是特別有用的。
所描述的用于透視系統(tǒng)的電磁導(dǎo)航的實現(xiàn)的至少其中之一的焦點是在病人人體上，其中接收器剛性附加于系統(tǒng)的金屬部分和發(fā)射器。然而，其它的實現(xiàn)也可以應(yīng)用于其他的應(yīng)用，比如無線跟蹤器。
所描述的實現(xiàn)的功能能夠而且可以在多種應(yīng)用中使用，其中在多種應(yīng)用中希望精確跟蹤除醫(yī)學(xué)儀器之外的物品的位置。就是說，跟蹤系統(tǒng)可以用于其他的設(shè)置，其中儀器在對象或者環(huán)境中的位置難以通過視覺檢測來精確地決定。
由于互易性，回想起兩個線圈的互感是相同的，其中任意一個線圈是發(fā)射器而一個是接收器。因此，除非上下文中指出，否則，讀者應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)發(fā)射器和接收器在這里討論的時候，接收器和發(fā)射器的相對位置和功能可以被交換。由于互感，交換的接收器和發(fā)射器的實現(xiàn)的功能性和沒有交換時接收器和發(fā)射器的實現(xiàn)是相同的。
此外，這里描述的技術(shù)可以采取很多方法來實現(xiàn)，包括(但并不限定于)醫(yī)療裝置、醫(yī)療系統(tǒng)、程序模塊、通用和專用的計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和設(shè)備、專用的電子器件和硬件，和一個或多個計算機網(wǎng)絡(luò)的其中一部分。
雖然一個或多個如上所述的實現(xiàn)已經(jīng)通過特定于結(jié)構(gòu)特征和/或方法步驟的文字被描述，但是應(yīng)當(dāng)理解沒有所描述的特定特征或步驟的其他實現(xiàn)也可以被實施。而是詳細的特征和步驟以一個或多個實現(xiàn)的優(yōu)選形式被公開。
權(quán)利要求
1.一種用于電磁跟蹤的方法(300)，該方法包括確定(200，301)與特定失真源相關(guān)聯(lián)的離散數(shù)值域模型；獲得(302)電磁傳感器和特定失真源之間的互感信號，所述傳感器剛性附加于被跟蹤的對象；估計(302)被跟蹤對象在有特定失真源的情況下的初始位置；改進(304)被跟蹤對象的估計位置；估計(306)被跟蹤對象的方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括同時改進(308)位置和方向兩者的估計值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中改進(304)被迭代執(zhí)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中估計(302)初始位置包括直接種子搜索(402)和改進(404)直接種子搜索的結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中估計(302)初始位置包括直接種子搜索(402)和改進(404)直接種子搜索的結(jié)果，其中所述直接種子搜索包括基于獲得的與特定失真源相關(guān)聯(lián)的互感測量，生成與方向無關(guān)的互感平方矢量圖(“繪制的Lm^2”)；測量獲得的電磁傳感器和特定失真源之間的互感信號；計算被跟蹤對象的互感平方矢量Lm^2；確定哪個半球包含被跟蹤對象的Lm^2的位置(“x，y和z”)分量；計算從Lm^2到繪制的Lm^2的每個節(jié)點的差值；使用在繪制的Lm^2中具有最小Lm^2差值的節(jié)點位置作為直接種子。
6.一種用于電磁跟蹤的方法(300)，該方法包括確定(200，301)與特定失真源相關(guān)聯(lián)的離散數(shù)值域模型；獲得(302)電磁傳感器和特定失真源之間的互感信號，所述傳感器剛性附加于被跟蹤對象；測量(302)在有特定失真源的情況下電磁傳感器之間的“失真”的互感；通過調(diào)整測量的被跟蹤對象的“失真的”位置和方向，補償(302，304，306)由特定的失真源引起的失真，其中所述補償基于獲得的離散數(shù)值域模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述補償包括估計(302)在有特定失真源的情況下被跟蹤對象的初始位置；改進(304)被跟蹤對象的估計位置；估計(306)被跟蹤對象的方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中獲得(302)進一步包括產(chǎn)生與特定失真源相關(guān)聯(lián)的離散數(shù)值域模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中估計(302)初始位置包括直接種子搜索(402)和改進(404)直接種子搜索的結(jié)果，其中所述直接種子搜索包括基于獲得的與特定失真源相關(guān)聯(lián)的互感測量，生成與方向無關(guān)的互感平方矢量圖(“繪制的Lm^2”)；測量獲得的電磁傳感器和特定失真源之間的互感信號；計算被跟蹤對象的互感平方矢量Lm^2；確定哪個半球包含被跟蹤對象的Lm^2的位置(“x，y和z”)分量；計算從Lm^2到繪制的Lm^2的每個節(jié)點的差值；使用在繪制的Lm^2中具有最小Lm^2差值的節(jié)點位置作為直接種子。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中特定的失真源包括透視C型臂、外科手術(shù)桌、手術(shù)設(shè)備或者其它的手術(shù)器械。
全文摘要
這里描述了一個或多個用于位置和方向的電磁跟蹤(300)的實現(xiàn)，其采用離散數(shù)值域模型，而不是采用常規(guī)的分析偶極子模型。
文檔編號G01S13/72GK101078768SQ20071010534
公開日2007年11月28日 申請日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月17日
發(fā)明者D·A·李, P·T·安德森, G·L·博勒加德 申請人:通用電氣公司