专利名称：补偿由荧光检查仪产生的磁干扰的制作方法
补偿由荧光检查仪产生的磁干扰技术领域
本发明总体涉及感测设置在活体内的物体的位置，具体地讲，涉及补偿对位置传感器造成影响的磁干扰。
背景技术：
宽泛的医疗手术范围涉及在体内设置诸如传感器、管、导管、分配设备和植入物等物体。实时成像方法常常用来辅助医师在手术过程中观察物体及其周边环境。一些方法通过使用磁场的物体来跟踪物体。然而，磁场方面的干扰可能导致跟踪出错。
美国专利6，714，008描述了测定大物体磁场的梯度测量方法该专利被授予 Holmes等人，其公开内容以引用方式并入本文。
美国专利申请2004/0034515描述了在电磁系统中估计位置和取向测量值的方法，该专利申请授予Bar Tal等人，其公开内容以引用方式并入本文。该方法包括使介于测量用模型与一个或多个测量值之间的差值最小化。
W. I. P. 0 (世界知识产权组织)专利公布W0/2004/006770描述了用于校准医学成像系统的方法，该专利公布授予Sati等人，其公开内容以引用方式并入本文。据说，针对 C形臂成像装置的多个取向中的每一个取向，该方法都能够测定成像源的位置和(如果适用)磁场畸变。
美国专利申请2005/0107687描述了用于减少电磁跟踪器中磁场畸变的系统，该专利申请授予Anderson，其公开内容以引用方式并入本文。据说，该系统的某些实施例包括跟踪分析单元，其用于分析仪器的跟踪行为；和跟踪修正单元，其用于补偿仪器的跟踪行为。
美国专利申请2007/0055125描述了电磁跟踪系统，该系统包括场发生器和场传感器，其被布置用于分别产生和检测电磁场，该专利申请授予Anderson等人，其公开内容以引用方式并入本文。
美国专利申请2008/0183064描述了用于检测电磁(EM)场畸变的方法，该专利申请授予Chandonnet等人，其公开内容以引用方式并入本文。该方法包括对设置在所关注体积内的传感器组件进行采样，以获得所关注体积内的电磁场的测量值；以及监测所述测量值，以检测所关注体积内的电磁场畸变。
美国专利6，147，480描述了用于跟踪物体的方法由于响应能量场而引入的物品产生了干涉作用，在存在干涉作用的情况下，该方法在物体附近使用能量场，该专利被授予 Osadchy等人，其公开内容以引用方式并入本文。
美国专利5，767，669描述了用于使用从固定位置产生的脉冲磁场来测定远程传感器的位置和取向的系统，该专利被授予Hansen等人，其公开内容以引用方式并入本文。 由该系统单独感测和消减涡流畸变。
美国专利7，657，075描述了用于确定三维术前图像数据集的变换的方法，以获得三维图像数据与X射线成像系统的配准，该专利被授予Viswanathan，其公开内容以引用方式并入本文。美国专利7，689，019描述了用于将物体的二维投影图像相对于同一物体的三维图像数据记录配准的方法和装置，该专利被授予Boese等人，其公开内容以引用方式并入本文。物体中包含的三维特征(其也可在三维图像中识别出)用符号重建。美国专利申请2009/0010540描述了用于进行图像配准的方法，该专利申请授予 Mullick等人，其公开内容以引用方式并入本文。该方法包括获得基准图像数据集和目标图像数据集，以及在基准图像数据集中限定用于所关注的区域的图像掩码。美国专利申请2002/01723 描述了用于将仪器的空间坐标转换成其对应的X射线投影图像的方法，该专利申请授予Dekel，其公开内容以引用方式并入本文。据说，该方法的根据是通过同时记录校准工具的空间坐标和X射线投影图像，将X射线束成像系统的坐标系与定位装置配准。
发明内容
本发明的实施例提供方法，该方法包括使用多个磁发射器在某一区域中产生磁场；将场扰动元件引入该区域中；表征每一个磁发射器在场扰动元件中的多幅图像；根据表征的图像计算该区域中的反应磁场；将探针定位在该区域中以及测量在该探针处的被扰动的磁场；以及针对测量的被扰动的磁场和计算的反应磁场来测定探针的位置。产生磁场的步骤通常包括在不存在场扰动元件的情况下测量磁场，以及在该区域中存在场扰动元件的情况下测量磁场。在本发明所公开的实施例中，将场扰动元件引入该区域中的步骤包括测量场扰动元件相对于磁发射器限定的轴线的位置和取向。测量场扰动元件的位置和取向的步骤可包括针对反应磁场适应地计算位置和取向。在本发明所公开的另一个实施例中，表征多幅图像的步骤包括假定多幅图像相对于彼此处于预定构型。预定构型可包括矩形，并且多幅图像可包括位于矩形的拐角和中心处的五幅图像。在本发明所公开的又一个实施例中，计算反应磁场的步骤包括根据球谐函数展开来计算场。计算反应磁场的步骤可包括进行高达3阶的球谐函数展开。作为另外一种选择或除此之外，根据球谐函数展开来计算场的步骤可包括将该展开配置成空间转移矩阵，该方法还可包括测定作为反应场矩阵的场扰动元件的性质，并且计算反应磁场的步骤可响应于空间转移矩阵与反应场矩阵的乘积。通常，定位探针的步骤包括将探针定位在患者体内。在一个实施例中，场扰动元件包括荧光检查仪的至少一部分。该方法可包括将荧光检查仪的荧光检查仪轴线与发射器所限定的轴线配准。配准荧光检查仪轴线的步骤可包括用固定地连接到发射器的摄像头来形成附接到荧光检查仪的基准标记的图像。引入场扰动元件的步骤可包括针对图像来测量场扰动元件的位置和取向。根据本发明的实施例，还提供了设备，该设备包括
多个磁发射器,其被配置用于在某一区域中产生磁场；
场扰动元件，其被引入所述区域中；和
处理器，其被配置用于
表征每一个磁发射器在场扰动元件中的多幅图像，
根据表征的图像计算该区域中的反应磁场，
测量设置在该区域中的探针处的被扰动的磁场，以及
针对测量的被扰动的磁场和计算的反应磁场来测定探针的位置。
根据本发明的实施例，还提供了方法，该方法包括
在定位垫上安装磁发射器，所述磁发射器被配置用于在患者体内产生磁场；
将定位垫摄像头以相应的固定取向附接到定位垫；
将可旋转摄像头连接到定位垫；
将基准标记附接到被配置用于使患者成像的荧光检查仪；
将荧光检查仪定位到不同位置中；以及
对每一个位置都执行如下操作
将可旋转摄像头取向为已知取向，用可旋转摄像头和定位垫摄像头形成相应的基准标记的图像，以及
分析相应的图像，以将荧光检查仪的位置和取向与定位垫的轴线配准。
该方法可包括从定位垫移除可旋转摄像头，以及仅使用由定位垫摄像头形成的基准标记的图像来确定荧光检查仪相对于定位垫轴线的位置和取向。在一个实施例中，将定位垫摄像头附接到定位垫的步骤包括将可拆卸夹具附接到定位垫，以及通过用摄像头使夹具成像而将定位垫摄像头与相应的固定取向对齐。
根据本发明的实施例，还提供了设备，该设备包括
定位垫；
磁发射器，其被配置用于在患者体内产生磁场，并且被安装在定位垫上；
定位垫摄像头，其以相应的固定取向被附接到定位垫；
可旋转摄像头，其被连接到定位垫；
荧光检查仪，其被配置用于使患者成像；
基准标记，其被附接到荧光检查仪；和
处理器，其被配置用于
将荧光检查仪定位到不同位置中，并对每一个位置都执行如下操作
将可旋转摄像头取向为已知取向，用可旋转摄像头和定位垫摄像头形成相应的基准标记的图像，以及
分析相应的图像，以将荧光检查仪的位置和取向与定位垫的轴线配准。
通过以下与附图结合在一起的本发明实施例的详细说明，将更全面地理解本发明。
图I为根据本发明实施例的位置感测系统的示意性立体图2为示出根据本发明实施例的探针的远端的示意性详细视图3为根据本发明实施例的位置感测系统中使用的元件的示意图；图4为根据本发明实施例测定探针远端的位置的工序的流程图；图5为根据本发明实施例的可选位置感测系统的示意性立体图；图6A和图6B为根据本发明实施例的可选位置感测系统的部分的示意图和系统校准中使用的元件的示意图；图7为根据本发明实施例由控制单元在操作可选位置感测系统中执行的步骤的流程图；以及图8A-8G示出了根据本发明实施例的矩阵元素。
具体实施例方式鍵本发明的实施例提供了用于对某区域中的磁场中产生的扰动进行补偿的方法。将扰动元件(通常为金属元件)引入到磁发射器所产生的场中会引起扰动。为了对扰动元件的存在进行补偿，本发明的实施例中使用的反应场模型假定每以个磁发射器都在元件中产生多幅发射器图像。该模型假定每一幅图像都产生相应的反应场，这些反应场总体起到扰动由发射器产生的场的作用。每一幅图像通常都可表征为多极(S卩，双极、四极和/或更高阶的极)的组合。每一幅图像的特征还特别都取决于产生图像的发射器场。该模型通常通过假定场可由球谐函数展开表示，并根据图像的特征来计算来自多极图像中的每一幅的反应场。通常，通过在存在扰动元件以及在不存在扰动元件的情况下测量发射器发射的场来有效测定图像特征，这些特征可用空间转移矩阵和反应场矩阵的方式表示。—旦图像被表征，设置在该区域中的探针就测量被扰动的磁场。然后，可针对测量的磁场和如上所述计算的反应场来计算探针在该区域中的位置。系统说明现在参见图1、图2和图3，图1为根据本发明实施例的位置感测系统20的示意性立体图，该系统被配置用于感测导管探针22的远端21的位置，图2为示出根据本发明实施例的远端21的示意性详细视图，图3为根据本发明实施例的系统20中使用的元件的示意图。通常由医务人员在系统20的操作阶段将探针22插入患者体腔或器官中，而在系统的校准阶段不提供探针22。为清楚起见，探针22在图1中用虚线表示。在医务人员(其可以操作位置感测系统20)施行手术过程中，患者通常平躺在手术台M上。为简单明了起见， 患者和医务人员均未在图1中示出。以举例的方式，在下文的描述中，假定探针22用于患者心室内进行的侵入式手术。将患者置于处于磁场中的手术台M上，该磁场是通过在患者下方设置定位垫沈而产生的，该定位垫包含大致类似的交变磁场发射器线圈32A、32B、的构造观，这些线圈在本文也统称为磁场发射器线圈32。线圈32在区域30中产生其交变磁场，该区域在图1中以椭圆形示意性示出。图3示出了线圈32的示例性构造。通常情况下以及如图3所示，构造观包括发射器线圈32，该发射器线圈成形为三组三轴线圈34、36和38，每一组三轴线圈都包括彼此正交的三个线圈。然而，除了构造28 以外，磁场发射器线圈32的其他构造也是可行的，并且此类构造对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。授予Govari的美国专利6，484，118描述了与构造28类似的线圈构造以及可用于系统20中的线圈32的其他构造，该专利被授予Govari，其公开内容以引用方式并入本文。本文的描述假定远端21包括三个作为位于远端的电磁(EM)传感器46的部件的大致正交的线圈40、42和44。(远端通常包括其他元件，诸如图2所示的电极48。)线圈 32产生的磁场在传感器46的线圈中根据线圈感测的场产生电信号。将来自传感器46线圈的电信号传送到控制单元50，该控制单元对这些信号进行分析，以便测定探针22的位置和取向的坐标。假定坐标参照一组正交的xyz轴线(如图3所示)，这些轴线相对于定位垫 26固定。远端21中用于检测探针22位置和取向的线圈的其他构造在本领域是已知的。一种此类构造采用一个线圈，该线圈测量磁场的投影。本领域的普通技术人员在加以必要的变通后将能够对本描述进行修改，以阐释与线圈40、42和44例示的构造不同的线圈构造。控制单元50包括处理器52，通常为具有适当信号处理电路的计算机。处理器使用存储器54，该存储器通常包括其内存储操作系统20的数据的易失性和非易失性数据存储器件。连接处理器以驱动控制台，该控制台可提供探针22的位置的视觉显示器56。系统20包括荧光检查仪60，该荧光检查仪由荧光检查仪控制器61操作，并且能够产生手术台M上的患者的荧光透视图像。假定荧光检查仪控制器61为控制单元50的子单元。荧光检查仪60具有多个部分，包括准直X射线源62 (在本文也称为准直器6 和检测器64。准直器和检测器通过另一部分即“C形臂” 66连接在一起，“C形臂” 66允许它们围绕两条轴线旋转，所述两条轴线即水平轴线68和垂直于纸面经过轴线68的轴线。C形臂也允许准直器和检测器在空间中平移，诸如沿平行于水平轴线的方向平移。在荧光检查仪围绕轴线68旋转的过程中，C形臂66使准直器和检测器保持彼此固定地对齐，并且保持彼此之间恒定的距离。通常，荧光检查仪60形成的图像可以用围绕轴线68旋转至任何取向的荧光检查仪形成，所述取向根据患者的需要和专业操作系统20的要求而选择。通常，荧光检查仪60基本上在采用探针22的同一时间进行操作，以产生其成像。 然而，荧光检查仪中靠近区域30的金属元件改变线圈32在该区域中产生的磁场。如果不补偿这些变化，则会造成测量的探针22的位置不准确。如本文所述，本发明的实施例在不论荧光检查仪相对于手术台M处于何种取向或位置的情况下，对荧光检查仪60引起的磁场变化进行了补偿，从而防止了测量的探针位置出现任何不准确。通常，系统20包括其他元件，出于简洁起见，这些元件未在图中示出，并且下列描述会视需要提及。例如，系统20可以包括ECG监视器，该ECG监护仪被连接以接收来自一个或多个身体表面电极的信号，以便向控制单元50提供ECG同步信号。图1的配置为示例性配置，仅仅是出于概念明晰目的而选择。在可供选择的实施例中，也可以使用任何其他合适的配置。处理器52通常在软件内编程，以执行本文所述功能。例如，该软件可以电子形式通过网络下载到处理器，或者作为另外一种选择或除此之夕卜，该软件可以被提供和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁性、光学或电子存储器) 上。系统20还包括能够标绘线圈32在区域30中产生的磁场的设备。在本发明的一个实施例中，标测器70用于标绘磁场，该标测器包括磁场检测器72的阵列，这些磁场检测器固定地安装在固体基部(诸如塑料板)的已知位置中。标测器70被配置用于使得其可以相对于定位垫26的已知预定位置和取向而设置在手术台M上。在一个实施例中，标测器70包括50个检测器。通常，检测器在标测器中被配置用于使得磁场和所有其不可忽略的梯度为可测量。在可供选择的实施例中，标测器具有78个分布在矩形框中的检测器，该矩形框的近似尺寸(高X宽X长)为等于150mmX250mmX250mm。通常可使用来自检测器72的磁测量值，将标测器相对于上下左右大致居中地设置。虽然在有关系统20操作的下列描述中假定标测器70用于标绘磁场，但应当理解标测器是用于测量区域30中的磁场的示例性系统，并且可以使用任何其他合适的系统，诸如可移动到已知位置中的一个或多个场检测器。此类可供选择的磁场标绘系统对于本领域内的普通技术人员而言将显而易见，并应认为涵盖于本发明的范围内。检测器72可包括用于测量磁场大小和方向的任何便捷传感器，诸如大致类似于传感器46的霍尔探针或霍尔传感器。通常通过电缆74将来自检测器的读数传输到控制单元50，但也可使用任何其他方便的传输方法，诸如无线传输。如下文更详细描述的，标测器70用于系统20的校准阶段，从而标测器及其连接电缆在图1中用虚线表示。在系统20处于其操作阶段时移除标测器及其电缆。在一些实施例中，系统20包括一个或多个与传感器46大致类似的参考传感器76。 如下文所述，传感器76控制单元50提供信号，以使该单元能够确定荧光检查仪60的位置和取向。通常，传感器76相对于手术台M固定，并便利地定位在手术台下方。作为另外一种选择，参考传感器76可固定到荧光检查仪60。现在参见图4，该图为根据本发明实施例测定探针22远端21的位置的工序的流程图100。流程图100包括第一校准阶段102，然后是第二操作阶段104。该流程图的下列描述还涉及下列标题为“反应场模型”章节中的部分。在校准阶段的第一标测步骤106中，将可扰动线圈32所产生的磁场的所有物体 (本文称为场扰动器或场扰动元件)从区域30及其附近移除。此类物体包括荧光检查仪 60。将标测器70以其相对于定位垫沈的预定位置和取向设置在手术台M上，并启动发射器线圈32。控制单元50操控磁场检测器72，以便标测在区域30中未受扰动的磁场。在第二标测步骤108中，在标测器70保持就位的情况下，将荧光检查仪60设置在区域30附近的相对于定位垫轴线的具体位置和取向(LO)。控制单元50可使用荧光检查仪控制器61测定具体位置和取向。作为另外一种选择，在包括参考传感器76的实施例中，控制单元50可使用来自传感器的信号测定位置和取向，如下文在标题为“荧光检查仪的适应定位”章节中所述。下文结合图5、图6A、图6B和图7描述了用于确定荧光检查仪已知位置和取向的另一可供选择的光学方法。如下文所述，假定荧光检查仪60具有两个扰动元件准直器62和检测器64。为了使下文针对步骤110描述的表征有效，选择了不同的位置和取向，以使得它们分成两组 第一组中准直器62远离区域30，以使得仅检测器64为扰动元件；第二组中检测器64远离区域30，以使得仅准直器62为扰动元件。对于每一个已知位置和取向而言，控制单元50都操控磁场检测器72，以便标测区域30中的被扰动的磁场。
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在多极表征步骤110中，控制单元假定由荧光检查仪60的每一个扰动元件引起的扰动都归因于相应的元件中磁图像源产生的反应场。在下文标题为“反应场模型”的章节中更详细描述了在步骤110中进行的分析。磁性源可视为发射器线圈32在扰动元件(即在两种元件中准直器62和检测器64)中产生的图像。如果荧光检查仪60具有不同数量的元件，或者对于其他场扰动器而言，本领域内的普通技术人员将能够对该描述进行调整。理论上，如果场扰动器为理想导体球并且发射器为力矩朝向球体中心的双极，那么球体产生的发射器图像为单个双极。为了容许存在与此类理论模型的差异(尤其包括 发射器不是理想双极，并且扰动器也不是理想导体球)，本发明实施例假定在荧光检查仪的每一个扰动元件内，单个发射器线圈32都产生线圈的两幅或更多幅多极磁性源图像。假定每一个多极都产生相应的反应场，并且多极可包括双极、四极和/或更高阶的极。考虑到反应场的图像源可能具有除双极之外的元件，控制单元50并非使用分立的极来分析数据，而是使用球谐函数分析。如章节“反应场模型”所阐释的，并且以举例的方式， 本文假定每一个线圈32在准直器62中都产生五幅多极图像，并在检测器64中产生五幅多极图像。图像位置充当假定描述反应场的球谐函数的展开点。本领域内的普通技术人员将能够对本描述作出调整，以适于准直器和/或检测器中的其他数量的图像。在步骤110结束时，通常为校准阶段结束时，控制单元已表征了每一个扰动元件所有的多个图像源。对于每一个扰动元件，该表征都包括定位图像源在扰动器中的位置，以及测定每一个扰动元件的图像源所产生的反应场矩阵[T&s]的元素。对于此处考虑的示例性实施例(其中准直器62和检测器64为扰动元件)，测定了相应的矩阵[TasJittss和检测器。在一个实施例中，检测器具有尺寸为38cmX48cm的外部矩形框架。假定用于检测器的五个图像源位于距离矩形拐角大约IOcm和位于矩形中心处，以及位于检测器表面下方大约IOcm的位置。准直器的外部具有相似的矩形尺寸，并且准直器的五个图像源按照与检测器的那些图像源相似的方式设置。在操作阶段，控制单元使用矩阵[Tas]准直器和[T&应]检测器来计算图像源产生的反应场。在第一操作阶段的步骤112中，如果发射器线圈32在步骤110后已停用，则控制单元会启动发射器线圈32。在扰动步骤114中，荧光检查仪60移动到已知位置和取向，即检测器位于区域30 附近的已知位置和取向并且准直器也位于区域30附近的已知位置和取向，并且控制单元 50配准已知位置和取向。可通过以上针对校准过程所述方法之一将已知位置和取向提供给控制单元50。在初始位置测定步骤118中，控制单元测量从探针22远端21中的传感器产生的信号。作为第一逼近程度，控制单元假定由这些信号测定的场为未受扰动的场。控制单元使用得自第一标测步骤106的结果来测定远端的大致位置。在场校正步骤120中，控制单元50使用方程(7)计算在前述步骤中测定的位置处的反应场。控制单元从测量的场中减去反应场，以得出在该位置处未受扰动的场的改进估值。在改进的位置测定步骤122中，控制单元使用未受扰动的场的值和步骤120中测定的磁场的值，对远端位置作出改进的测定。在可选的比较步骤124中，控制单元检查介于步骤122中测定的最后位置与倒数第二位置之间的差值是否小于预设值，预设值通常为大约0. 1mm。如果差值大于或等于预设值，则控制单元返回到步骤122。如果差值小于预设值，则控制单元继续到最终步骤126。应当理解，步骤120-1M描述了一种可选的迭代循环，其中控制单元对远端位置执行逐渐精准的测定，同时还对该位置的未受扰动的场执行逐渐精准的测定。在一些实施例中，对时序测量值执行大致类似于步骤120和124(但不包括步骤 122)限定的循环。在这种情况下，可按时对每一个传感器的下一个测量值都实施反应场校正。在每16ms对测量值进行计算的一个此类实施例中，本发明人已经发现，对于固定传感器而言，需要进行三次或更少次迭代，从而得到传感器位置的真值。在最终步骤126中，控制单元使用步骤122中得到的最终位置测定值作为远端的位置。图5为根据本发明实施例的可选位置感测系统150的示意性立体图。图6A和图 6B为根据本发明实施例的系统150的一部分的示意图和系统校准中使用的元件的示意图； 除了下文所述的差异外，系统150的操作大致类似于系统20 (图1-4)的操作，并且在系统 20和150两者中用相同附图标号指示的元件通常在构造和操作方面大致类似。为简单明了起见，系统150的一些元件(存在于系统20中并在图1中示出)未在图5中示出。在系统150中，一个或多个基准标记152固定到荧光检查仪60的元件。本文以举例的方式假定两个标记152附接到准直器62。此外，两个或更多个摄像头154固定地附接到定位垫26。摄像头IM受控制单元50的控制，以使得处理器52能够接收并处理由摄像头生成的图像。摄像头固定到具有位置和取向的定位垫26，以使得由摄像头形成的图像包括基准标记152的图像。如下文结合图7的流程图所详述，控制单元50使用基准标记152的摄像头图像来确定荧光检查仪60 (包括其准直器62和检测器64)相对于定位垫沈的位置和取向。为执行此测定操作，使摄像头的位置相对于定位垫配准。摄像头与定位垫的配准，以及基准标记的图像与荧光检查仪的位置和取向的关系的测定，均根据图7的流程图由控制单元50实现。可使用装入定位垫中的已知位置中的可拆卸的预制校准夹具156来完成配准操作。在一些实施例中，夹具156可伸缩地铰接在铰链158和160处。通过使夹具156可伸缩，现场工程师可以简单有效地改进现有位置感测系统20中定位垫沈中的夹具，如图6B 所示。来自夹具156的元件的图像用于在定位垫中对准摄像头154，并用于校正可能由摄像头引起的任何光学误差。控制单元50可使用荧光校准系统(FCQ 162来确定基准标记的图像与荧光检查仪的位置和取向的关系，如图5和图6A所示。FCS 162包括第二对摄像头164，该对摄像头可以将其图像传输至控制单元。摄像头安装在支撑件166上，并且每一个摄像头都能够根据从控制单元50接收的命令独立地全景拍摄和倾斜。图7为根据本发明实施例由操作系统150中控制单元50执行的步骤的流程图 200。流程图200分为校准阶段202和操作阶段204。在校准阶段的第一步骤206中，将基准标记152固定到荧光检查仪60。基准标记被布置为使得在如下文所述将摄像头连接到定位垫26时位于摄像头IM的视野之内。通常， 对将标记固定到其上的荧光检查仪的元件加以选择，以使得对于荧光检查仪的基本上所有的操作位置和取向，标记都位于摄像头154中的至少一个的视野之内。本文以举例的方式假定基准标记固定到准直器。在一些实施例中，在系统150中使用不止两个摄像头154，以使得对于荧光检查仪的所有位置和取向，基准标记152都位于摄像头中的至少一个的视野之内。在摄像头安装步骤208中，摄像头IM固定地附接到定位垫26，以使得摄像头位于已知的位置中并具有已知的取向。在一些实施例中，在附接之后，使用充当摄像头的校准物体的夹具156，将摄像头对齐到其已知位置和取向。由摄像头中的每一个形成的夹具的图像都可以使摄像头能够精确对准，以及提供使控制单元50能够校正摄像头成像中的缺陷的数据。作为另外一种选择，可采用用于将摄像头1 相对于定位垫固定到已知位置和取向， 以及用于校正摄像头的图像中的缺陷的任何其他简便方法。在设置步骤210中，FCS 162相对于定位垫沈固定地设置在已知位置中。FCS 162 的定位可通过将FCS的支撑件166附接到手术台24 (如图5所示)，或附接到任何其他方便的物体(诸如定位垫26自身)来进行。设置FCS 162，使得安装在支撑件166上的摄像头 164能够由控制单元旋转，以使得它们始终能够使基准标记152成像。在数据测量步骤212中，使用荧光检查仪控制器61将荧光检查仪60移入多个不同位置中，即多个不同位置和取向。在每一个不同位置中，控制单元50都将信号传输至摄像头164，以使得摄像头位于已知全景拍摄和倾斜角度。控制单元50使摄像头全景拍摄和 /或倾斜，以使得每一个摄像头164都使基准标记152成像。控制单元50记录每一个摄像头的全景拍摄和倾斜角度(由于控制单元发送全景拍摄和倾斜信号，因此它可感知每一个摄像头164的取向)以及由每一个摄像头形成的基准标记的图像。此外，在荧光检查仪的每一个不同位置处，控制单元50都记录由每一个摄像头 154生成的基准标记的图像。在相关性步骤214中，控制单元50生成介于摄像头164的基准标记的图像和摄像头154的基准标记的图像之间的相关性。所述相关性允许控制单元配准两个系统的轴线， 即荧光检查仪的轴线和定位垫的轴线。在校准阶段的最后一个步骤216中，一旦进行了配准，FCS 162(包括其摄像头 164)就被移除。在操作阶段的操作步骤218中，启动摄像头154。在本实例中，在基准标记附接到准直器位置处，控制单元从摄像头接收基准标记的图像，并使用步骤214中确定的相关性对图像进行分析，以确定准直器相对于定位垫的位置和取向。由于荧光检查仪60的准直器和检测器彼此处于固定的物理关系，因此，控制单元可通过准直器的位置和取向确定检测器的位置和取向，具体由它们之间的距离而定。通常使用优化技术来确定该缺失值，该技术类似于下文所述的“荧光检查仪的适应定位”法。已结合确定荧光检查仪相对于定位垫的位置和取向对流程图200进行了描述。应当理解，加以必要的修改后，也可以实施流程图中的各个步骤，来确定另一物体的位置和取向，所述物体通常为定位在定位垫附近并进行移动的、可能会干扰定位垫的发射器的物体。 所有这类具体实施都被认为在本发明的范围内。
反应场樽型本发明实施例的反应场模型假定由设置在源磁场中的磁场扰动元件所导致的磁反应场是通过所述元件中的多个点源生成的。源磁场可由任何数量的场发射器生成。点源可视为场发射器的扰动元件中的图像。为简单起见，对与本发明实施例有关的模型的描述进行了以下假设 扰动元件。荧光检查仪60包括通过C形臂66连接的准直器62和检测器64。 本发明人已经发现，如果假定仅检测器和准直器为扰动元件，则会获得由荧光检查仪生成的反应场的良好结果，因此，下面的分析中假定仅有两个此类元件。然而，也可对其他扰动元件采用相同类型的分析，以使得本发明的范围包括任何数量的此类元件。 发射器的数量和类型。为与构造观的三个三轴线圈相对应，假定有九个磁场发射器。发射器中的每一个都为近似的双极。然而，通常对场发射器的数量或构造没有任何限制。 每一个扰动元件中的点源。以举例的方式，假定给定发射器在每一个扰动元件中成像时都生成五个点源，本文也称为展开点(因为下文提及的球谐函数是通过这些点展开的)。在其他实施例中，可以假定每个发射器的其他图像点源数量，并且用于不同扰动元件的源数量不必相等。在本发明的实施例中，假定与不同发射器对应的五个点源彼此全等。 此外，假定该五个点源还位于矩形的中心处和拐角处。 球谐函数。可将每一个点源都视为由双极、四极和/或更高阶的极组成。模型不是分析单独的分量，而是假定来自每一个点源的场都可通过球谐函数展开来表示。本发明人已经发现，展开至3阶会得到良好的结果，但应当理解，本发明的范围包括展开至更低阶或更高阶。 位置测量。为简单起见，假定相对于单组轴线测量所有位置。以举例的方式，假定该单组轴线基于检测器64，其原点位于检测器的中心图像点源处，其中χ轴和y轴由检测器中的点源的矩形的边限定。一个发射器首先考虑一个发射器以及由发射器在扰动元件(除非另外指明，否则在本文中假定为检测器64)中形成的一个展开点。为简单起见，假定所述一个展开点位于基于检测器的(x，y，z)坐标组的原点(0，0，0)处，那么离开原点的位置(x，y，z)处的磁反应场的表达式(表示为3元素列向量)为
'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)为表示为列向量的反应场，
Bz{x,y,z)[C0]为基于1-3阶球谐函数项、围绕原点展开(下文将给出[C]展开形式的表达式)的15元素列向量，并且[Tsfal (x, y，ζ)]为得自[C0]的球谐函数项的3X15空间转移矩阵。图8A-8G示出了根据本发明实施例的[T(x，y，ζ)]的元素中的每一个。
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对于五个展开点(0,0,0)、(X1, Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)而言，
方程⑴变为
By (X1 y, ζ) = [Γ空间(χ, y, ζ) (5)]. [C5](2)
Bz(,x,y, ζ)其中[TSfa](x，y，z)(5)]为3X75空间转移矩阵，并且[C5]为75元素列向量。[Tsra (x,y,z) (5)]通过将四个[Tsra]矩阵(每一个矩阵距离原点的偏移量都为其相应位移的坐标)与[Tsra (x, y，ζ)]连接在一起而形成。艮口，[Tsfi (x, y, z) (5)]=[Τ 空间(x，y，ζ) .··!"空间(χ_χ4，y~y4, ζ~ζ4) ](3)[C5]通过将5个列向量叠加在一起而形成，每一个列向量都基于围绕相应展开点展开的球谐函数项。艮口，
！
qIc5I = C2(4)
‘来自一个发射器的场来自区域30中任意点处的任何给定发射器的场都可通过定位垫制造过程期间执行的校准步骤进行计算。为了表征发射器，考虑检测器64的区域中的多个点。本发明人已经发现，17个点已足够，但也可采用任何其他适合的数字。在17个点处的场可通过未受扰动的场的51元素列向量[Bis]来表示，其中
Γ引Ξ ·『(5)
玛7 均7 M根据以下方程，假定[C5]随[Bm]而变化[C5] = [Τ 反应]· [B 卫星](6)其中[Tas]为75X51反应矩阵，其中的元素表示检测器的反应特性。一般情况可通过上述推导，将用于在点(X，y, ζ)处的检测器反应磁场的表达式写为下面的方程(7)。该表达式假定检测器中有九个发射器和五个展开点。^反应“，又，幻！二^空间“，又，幻⑶^^反应^^卫星⑶](7)其中[B反应(X，y，ζ)]为3X9反应场矩阵，该矩阵有9列，每一列都类似于方程 (1)的反应场向量的列，5》^嘱‘
〔0158〕0)1为未受扰动的场的51X9矩阵，该矩阵具有类似于向量〔8皿〕(方程
⑶)的列， 〔0159〕
01,101,9
匕X匕X三
^17,1 ^17,9
〔0160〕 并且对于方程⑵和㈤而言，[！ “小力⑶]和〔I反应]具有相同的量纲，而 且元素符合方程(了)的要求。
劝61] 应当理解，乘积[了勃旬(乂，又，2) ^5)1 ‘ [了反应]能有效地表征在检测器中形成的五幅 图像。
〔0162〕 方程⑴在系统20的校准阶段和操作阶段中均可使用，如下所述。 〔0163〕 在一些实施例中，通过用〔8反应“，口)]和[下空间“，口)⑶]除以|…&，又， | |来改写方程(了)，而不是按原样使用方程^，其中^&，”幻为来自在“[幻处的 发射器的未受扰动的场。本发明人已经发现，此类改写可为发射器场较弱的位置赋予更大 的权重，并可以补偿该场的测量误差。
〔0164〕 为简单起见，本文的具体实施方式
假定按原样使用方程(了)，并且本领域的普通 技术人员加以必要的变通后将能够更改所述具体实施方式
，以用于实施例实现对上述方程 ⑵的改写。 〔0165〕 校准阶段
〔0166〕 在校准阶段中，方程⑵用于获得[、一的值。
〔0167〕 对于具体位置(^？口)，〔8反应(^？^)]的元素可通过如下方式取得当检测器 64位于对磁场有扰动的位置时和检测器被设定为不会扰动磁场时，获得这两个场之间的差值。
〔0168〕 [！巧)的元素可通过图8中所示的方程取得，假定在适用时在所述方
程中使用展开点(结合方程^提及)的位置。
〔0169〕 因此，在方程⑵中，除[、一之外的所有项都是已知的。
〔0170〕 可使用将为本领域的普通技术人员所熟知的方法，通过处理方程⑴取得[！ ^^。
一种用于取得[！^」的此类方法是使〔8反应〈X，1，2)1和[！^贞]向量化，并应用克罗内
克积0生成换算的方程
〔01川
”605反应(；^ 乂‘力]^
〔0172〕7" 0『空间⑶江；^)]“反应]‘(⑴)
〔0173〕 其中上标I表示转置。
劝74] 卯。[了反应]通过将方程⑶)的两边都乘以〔旧卫星⑶卩0 [『空间⑶江叉2)])"^㈨III
』
权利要求
1.一种方法，包括使用多个磁发射器在某一区域中产生磁场；将场扰动元件引入所述区域中；表征每一个磁发射器在所述场扰动元件中的多幅图像；根据所表征的图像计算所述区域中的反应磁场；将探针定位在所述区域中，并且测量在所述探针处的被扰动的磁场；以及针对所测量的被扰动的磁场和所计算的反应磁场来确定所述探针的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述磁场的步骤包括在不存在所述场扰动元件的情况下测量所述磁场，以及在所述区域中存在所述场扰动元件的情况下测量所述磁场。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述场扰动元件引入所述区域中的步骤包括测量所述场扰动元件相对于由所述磁发射器限定的轴线的位置和取向。
4.根据权利要求3所述的方法，其中测量所述场扰动元件的所述位置和所述取向的步骤包括针对所述反应磁场适应地计算所述位置和所述取向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中表征所述多幅图像的步骤包括假定所述多幅图像相对于彼此处于预定构型。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定构型包括矩形，并且其中所述多幅图像包括五幅图像，所述五幅图像位于所述矩形的拐角和中心处。
7.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述反应磁场的步骤包括根据球谐函数展开来计算所述反应磁场。
8.根据权利要求7所述的方法，其中计算所述反应磁场的步骤包括进行高达3阶的所述球谐函数展开。
9.根据权利要求7所述的方法，其中根据所述球谐函数展开来计算所述反应磁场的步骤包括将所述球谐函数展开配置成空间转移矩阵，所述方法还包括确定作为反应场矩阵的所述场扰动元件的性质，并且其中计算所述反应磁场的步骤响应于所述空间转移矩阵与所述反应场矩阵的乘积。
10.根据权利要求1所述的方法，其中定位所述探针的步骤包括将所述探针定位在患者体内。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述场扰动元件包括荧光检查仪的至少一部分。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述荧光检查仪的荧光检查仪轴线与由所述发射器限定的轴线配准。
13.根据权利要求12所述的方法，其中配准所述荧光检查仪轴线的步骤包括用固定地连接到所述发射器的摄像头来形成附接到所述荧光检查仪的基准标记的图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中引入所述场扰动元件的步骤包括针对所述图像来测量所述场扰动元件的位置和取向。
15.一种设备，包括多个磁发射器，所述多个磁发射器被配置用于在某一区域中产生磁场； 场扰动元件，所述场扰动元件被引入所述区域中；和处理器，所述处理器被配置用于表征每一个磁发射器在所述场扰动元件中的多幅图像，根据所表征的图像计算所述区域中的反应磁场，测量设置在所述区域中的探针处的被扰动的磁场，以及针对所测量的被扰动的磁场和所计算的反应磁场来确定所述探针的位置。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器被配置用于在不存在所述场扰动元件的情况下测量所述磁场，以及在所述区域中存在所述场扰动元件的情况下测量所述磁场。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器被配置用于测量所述场扰动元件相对于由所述磁发射器限定的轴线的位置和取向。
18.根据权利要求17所述的设备，其中测量所述场扰动元件的所述位置和所述取向的步骤包括针对所述反应磁场适应地计算所述位置和所述取向。
19.根据权利要求15所述的设备，其中表征所述多幅图像的步骤包括假定所述多幅图像相对于彼此处于预定构型。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述预定构型包括矩形，并且其中所述多幅图像包括五幅图像，所述五幅图像位于所述矩形的拐角和中心处。
21.根据权利要求15所述的设备，其中计算所述反应磁场的步骤包括根据球谐函数展开来计算所述反应磁场。
22.根据权利要求21所述的设备，其中计算所述反应磁场的步骤包括进行高达3阶的所述球谐函数展开。
23.根据权利要求21所述的设备，其中根据所述球谐函数展开来计算所述反应磁场的步骤包括将所述球谐函数展开配置成空间转移矩阵，其中所述处理器被配置用于确定作为反应场矩阵的所述场扰动元件的性质，并且针对所述空间转移矩阵与所述反应场矩阵的乘积来计算所述反应磁场。
24.根据权利要求15所述的设备，其中所述探针定位在患者体内。
25.根据权利要求15所述的设备，其中所述场扰动元件包括荧光检查仪的至少一部分。
26.根据权利要求25所述的设备，还包括将所述荧光检查仪的荧光检查仪轴线与由所述发射器限定的轴线配准。
27.根据权利要求26所述的设备，其中配准所述荧光检查仪轴线的步骤包括用固定地连接到所述发射器的摄像头来形成附接到所述荧光检查仪的基准标记的图像。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述处理器被配置用于针对所述图像来测量所述场扰动元件的位置和取向。
29.—种方法,包括在定位垫上安装磁发射器，所述磁发射器被配置用于在患者体内产生磁场；将定位垫摄像头以相应的固定取向附接到所述定位垫；将可旋转摄像头连接到所述定位垫；将基准标记附接到荧光检查仪，所述荧光检查仪被配置用于使所述患者成像；将所述荧光检查仪定位到不同位置中；以及对每一个位置都执行如下操作将所述可旋转摄像头取向为已知取向，用所述可旋转摄像头和所述定位垫摄像头形成所述基准标记的相应的图像，并且分析所述相应的图像，以将所述荧光检查仪的位置和取向与所述定位垫的轴线配准。
30.根据权利要求四所述的方法，还包括从所述定位垫移除所述可旋转摄像头，以及仅使用由所述定位垫摄像头形成的所述基准标记的图像来确定所述荧光检查仪相对于所述定位垫轴线的所述位置和所述取向。
31.根据权利要求四所述的方法，其中将所述定位垫摄像头附接到所述定位垫的步骤包括将可拆卸夹具附接到所述定位垫，以及通过用所述摄像头使所述夹具成像而将所述定位垫摄像头与所述相应的固定取向对齐。
32.—种设备，包括 定位垫；磁发射器，所述磁发射器安装在所述定位垫上，并且被配置用于在患者体内产生磁场；定位垫摄像头，所述定位垫摄像头以相应的固定取向附接到所述定位垫； 可旋转摄像头，所述可旋转摄像头连接到所述定位垫； 荧光检查仪，所述荧光检查仪被配置用于使所述患者成像； 基准标记，所述基准标记附接到所述荧光检查仪；和处理器，所述处理器被配置用于将所述荧光检查仪定位到不同位置中，并对每一个位置都执行如下操作 将所述可旋转摄像头取向为已知取向，用所述可旋转摄像头和所述定位垫摄像头形成所述基准标记的相应的图像，以及分析所述相应的图像，以将所述荧光检查仪的位置和取向与所述定位垫的轴线配准。
33.根据权利要求32所述的设备，其中所述处理器被配置用于当所述可旋转摄像头从所述定位垫移除时，仅使用所述定位垫摄像头形成的所述基准标记的图像来确定所述荧光检查仪相对于所述定位垫轴线的所述位置和所述取向。
34.根据权利要求32所述的设备，还包括可拆卸夹具，所述可拆卸夹具被配置用于附接到所述定位垫，并且其中所述定位垫摄像头被配置用于通过用所述摄像头使所述夹具成像而与所述相应的固定取向对齐。
全文摘要
本发明涉及补偿由荧光检查仪产生的磁干扰。本发明公开了一种方法，所述方法包括使用多个磁发射器在某一区域中产生磁场，以及将场扰动元件引入所述区域中。所述方法包括表征每一个磁发射器在所述场扰动元件中的多幅图像，以及根据所述表征的图像计算所述区域中的反应磁场。所述方法还包括将探针定位在所述区域中，测量在所述探针处的被扰动的磁场，以及针对所测量的被扰动的磁场和所计算的反应磁场来确定所述探针的位置。
文档编号A61B5/05GK102525471SQ20111046155
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者A·D·蒙塔格, M·巴-塔尔, T·H·巴-安 申请人:韦伯斯特生物官能(以色列)有限公司