专利名称：用于表征和可视化电磁跟踪误差的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及用于临床流程的电磁跟踪系统。本发明具体地涉及对电磁场中的电磁跟踪误差的表征和可视化。
背景技术：
电磁跟踪系统经常被用于影像引导治疗(“IGT”)系统中手术工具的实时引导。然而，电磁跟踪系统对电磁场畸变非常敏感。由于铁磁介入装置或其它金属医疗仪器的存在，在临床环境中引起这些畸变。在场畸变存在的情况下，电磁跟踪测量得到了不均匀的、复合的误差分布，该误差分布影响了医师准确和精确地引导手术工具以用于治疗输送的能力。在将关于能否有信心地靶向期望的处置位置的信息提供给医生的方面，将介入工 作空间中的任何潜在误差进行快速表征和映射的能力起到了重要作用。因此，已经尝试基于流程前校准技术来表征和校正电磁跟踪误差。例如，可以产生整个电磁场的操作前静态映射来用作查找表以校正在每个电磁传感器的任何给定位置/方向处的电磁跟踪误差。通过进一步的示例，可以排他性地使用光学标记或将光学标记与电磁传感器结合使用。然而，临床环境在流程期间动态变化，使流程前校准测量难以在流程中应用。
发明内容
本发明通过将电磁场内的流程前的绝对误差和相对误差进行映射，来检测和表征电磁跟踪误差。为了该目的，校准工具或手术工具包括已知几何构造的两个或更多个电磁传感器的电磁传感器阵列。该方法与其它校准工具设计的区别在于误差表征仅仅来自电磁传感器的测量，而不是通过使用来自光学标记或其它感应技术的基准测量。相对误差被测量作为已知几何体与实时电磁感应到的几何体之间的差别。在临床中作为日常质量控制检查的一部分，或在患者入院之前，或在体内(in vivo)，通过使用统计映射，测量期望的绝对误差场空间。得到的被显示给医师的误差场提供了关于电磁跟踪时绝对误差的定位估计的测量置信度或可靠性的清晰可视反馈。本发明的一种形式是电磁误差跟踪方法，该方法具有校准阶段、操作前阶段和操作中阶段。为本发明的目的，如本文使用的词语“校准”被广泛定义为描述发生或涉及电磁传感器阵列校准的任何行为，如本文使用的词语“操作前”被广泛定义为描述为了生成如本文进一步描述的误差映射的目的而发生或涉及电磁传感器的校准数据的应用的任何行为，并且如本文使用的词语“操作中”被广泛定义为描述为了生成如本文进一步描述的绝对误差场的目的而发生或涉及操作前误差映射的应用的任何行为。校准阶段包括设计校准/手术工具，校准/手术工具具有两(2)个或更多个电磁传感器(例如线圈)的电磁传感器阵列的已知几何构造。电磁传感器阵列被布置在校准电磁场内，并且根据校准电磁场内的电磁传感器阵列的感应来测量一个或多个电磁传感器对之间的校准距离。为了本发明的目的，词语“电磁传感器对”在本文被广泛定义为电磁传感器阵列中被指定为一对的任意两(2)个电磁传感器，以为了校准电磁传感器阵列的目的和用于计算如本文进一步描述的相对误差。操作前阶段包括电磁传感器阵列在操作前电磁场内在众多测量位置之间的受控移动。对于每个电磁传感器，在电磁传感器的每个测量位置，测量电磁传感器的操作前绝对误差，而电磁传感器的每个操作前绝对误差是在操作前电磁场内电磁传感器的测量位置与感应位置之间的绝对差别。另外，对于每个电磁传感器对，在每个测量位置测量操作前相对误差，而每个操作前相对误差是电磁传感器对间的校准距离与操作前电磁场内的电磁传感器对间的感应距离之间的绝对差别。根据操作前绝对误差与操作前相对误差之间的统计关系来产生操作前误差映射。操作中阶段包括电磁传感器阵列在操作中电磁场内在众多估计位置之间的受控移动。对于每个电磁传感器对，在每个估计位置测量操作中相对误差，而每个操作中相对误差是电磁传感器对间的校准距离与操作中电磁场内的电磁传感器对间的感应距离之间的绝对差别。对于每个估计位置，通过将相应的操作中相对误差标绘(plotting)在操作前绝对误差与操作前相对误差的操作前误差映射内，来估计操作中绝对误差。操作中阶段还可以包括表示所估计的操作中绝对误差的反馈(例如视觉的、听觉的和/或触觉的)。在一个实 施例中，操作中电磁场内的对象(例如身体的解剖区域)的图像可以与操作中绝对误差场的视觉反馈相结合，操作中绝对误差场具有一个或多个可靠区和/或一个或多个不可靠区，可靠区表示操作中电磁场内的一个或多个无畸变区域，不可靠区表示操作中电磁场内的一个或多个畸变区域。可以通过将所估计的操作中绝对误差与可靠性阈值进行比较来得到操作中绝对误差场。本发明的第二种形式是本发明的电磁跟踪系统，该电磁跟踪系统采用的工具(例如校准或手术的)包括用于执行校准阶段、操作前阶段和操作中阶段中的一个或多个阶段的电磁传感器阵列和数据处理器。
在结合附图阅读本发明各实施例的下列详细描述之后，本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各个特征和优点将变得更加清楚。本发明的详细描述和附图仅是本发明的举例说明而非限制由所附权利要求及其等同限定的本发明的范围。图I举例说明了根据本发明，电磁场中跟踪的电磁误差的表征和可视化的示例性实施例。图2A和图3A举例说明了两(2)个电磁传感器沿着本领域已知的X轴的示例性平移。图2B和图3B举例说明了图2A和2B所示的如本领域已知的两(2)个电磁传感器的示例性畸变电磁跟踪。图4举例说明了根据本发明的电磁跟踪方法的框图的示例性实施例。图5举例说明了根据本发明的校准工具的示意图的示例性实施例。图6举例说明了根据本发明的绝对误差的示例性相关图。图7举例说明了根据本发明的图5所示校准工具的示例性校准。图8和图9分别举例说明了根据本发明的示例性操作前绝对误差/相对误差测量和操作前误差映射的正视图和侧视图。
图10举例说明了根据本发明的示例性操作前误差映射。图11举例说明了根据本发明的示例性2D直方图。图12和图13分别举例说明了根据本发明的示例性操作中绝对误差估计和操作中绝对误差场生成的俯视图和侧视图。图14A-14D举例说明了根据本发明的示例性操作中绝对误差场。图15-18举例说明了根据本发明的电磁跟踪导管的示例性实施例。图19举例说明了根据本发明的电磁跟踪系统的框图的示例性实施例。
具体实施方式
用于本领域的电磁传感器的绝对误差的一种定义是电磁传感器的跟踪与基准导航系统(例如自动控制装置(robot)或光学跟踪系统)之间的配准误差。本发明是以具有相关绝对误差的两(2)个电磁传感器之间的相对误差的测量为前提的。图1-3举例说明了相对误差的示例性测量，以便于理解根据本发明的相对误差的概念。具体地，图I示出了包围无畸变校准电磁场(为了清楚的目的，未示出)的空间体积
20、包围如由电磁波22a和电磁波22b证明的畸变的操作前电磁场(为了清楚的目的，未示出)的空间体积21、以及包围如由电磁波24证明的畸变的操作中电磁场(为了清楚的目的，未示出)的空间体积23。对于空间体积20，具有已知几何构造的电磁传感器阵列30(例如线圈)被布置在产生于洁净室中的校准电磁场中。线圈的感应有利于电磁传感器对之间的校准距离的测量。例如，图2A举例说明了电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)的对之间的Imm的校准距离CD。如在此将进一步描述的，产生针对所有测量的校准距离的校准测量的数据集40，来用于计算相对误差。实际上，优选针对每个不同的电磁传感器对(例如，对于六(6)个电磁传感器，存在二十八(28)对)，来测量校准距离。再次参考图1，对于空间体积21，电磁传感器阵列30被布置在产生于临床环境中的操作前电磁场中，该临床环境具有铁磁介入仪器或其它金属医学仪器(例如计算机体层摄影系统)。对于每个电磁传感器，当电磁传感器阵列30在操作前电磁场内移动时，测量操作前绝对误差。另外，针对每个电磁传感器对，来测量操作前相对误差。例如，图2A举例说明了两个电磁传感器30 (I)和30 (2)，两个电磁传感器30 (I)和30 (2)在操作前电磁场21外的各自参考位置RPl和RP2具有Imm的校准距离，并且具有沿着X轴从各自参考位置RPl和RP2到操作前电磁场内的各自测量位置MPla和MP2a的两(2) mm的受控移动50。由于操作前电磁场21内的畸变22a和畸变22b，当电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)正移动到如图2B所示的各自感应位置SPla和SP2a时，电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)被跟踪。电磁传感器30 (I)的操作前绝对误差AEla是测量位置MPla与感应位置SPla之间的绝对差别，其为O. 25mm。电磁传感器30 (2)的操作前绝对误差AE2a是测量位置MP2a和感应位置SP2a之间的绝对差别，其为O. 50mm。因此，操作前相对误差REl是操作前绝对误差AEla与操作前绝对误差AElb之间的绝对差别，其为O. 25mm。更特别地，操作前相对误差REl是电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)的I. OOmm的校准距离⑶与电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)间的I. 25mm的感应距离之间的绝对差别，其为O. 25mm。
图3A举例说明了电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)沿着X轴从各自测量位置MPla和MP2a到操作前电磁场21内的各自测量位置MPlb和MP2b的额外(2) mm受控移动52。同样，由于操作前电磁场内的畸变22a和畸变22b，当电磁传感器30(1)和电磁传感器30 (2)正移动到如图3B所示的各自感应位置SPIb和SP2b时，电磁传感器30 (I)和电磁传感器30 (2)被跟踪。电磁传感器30 (I)的操作前绝对误差AElb是测量位置MPlb与感应位置SPlb之间的绝对差别，其为O. 50mm。电磁传感器30 (2)的操作前绝对误差AE2b是测量位置MP2b与感应位置SP2b之间的绝对差别，其为1.00mm。因此，操作前相对误差RE2是操作前绝对误差AE2a与操作前绝对误差AE2b之间的绝对差别，其为O. 50mm。更特别地，操作前相对误差RE2是电磁传感器30 (I)和30 (2)的Imm的校准距离⑶与电磁传感器30 (I)和30 (2)间的I. 50mm的感应距离之间的绝对差别，其为O. 50mm。再次参考图1，包括所测量的操作前绝对误差和所测量的操作前相对误差的数据集41被用于生成操作前误差映射42，从将在本文进一步介绍的操作前误差之间的统计关系得到该操作前误差映射42。
对于空间体积23,电磁传感器阵列30被布置在产生于临床环境中的操作中电磁场内，该临床环境具有铁磁介入仪器或其它金属医学仪器(例如X光系统)。对于每个电磁传感器对，当电磁传感器阵列30被移动到众多估计位置时，测量操作中相对误差，而每个操作中相对误差是电磁传感器对的校准距离与操作中电磁场内的电磁传感器对间的感应距离之间的绝对差别。对于每个估计位置，通过将相应的操作中相对误差标绘在操作前误差映射42中，来估计操作中绝对误差。例如，参照图2A和图2B，电磁传感器30 (I)和30 (2)在操作中电磁场21外的各自参考位置RPl和RP2具有Imm的校准距离，当沿着X轴将电磁传感器30 (I)和30 (2)从各自参考位置RPl和RP2移动2mm到操作前电磁场内的各自测量位置MPla和MP2a时，电磁传感器30 (I)和30 (2)可能经历O. 25mm的操作中相对误差。在操作前误差映射42中标绘O. 25mm的操作中相对误差(例如图2B中所示的相对误差REl)导致根据映射42中的误差统计关系将操作中绝对误差估计为O. 25mm和O. 50mm的函数(例如图2B中的绝对误差 AEl 和 AE2)。通过进一步的例子，如图3A所示，当沿着X轴将电磁传感器30 (I)和30 (2)从各自测量位置MPla和MP2a进一步移动到操作中电磁场内的各自测量位置MPlb和MP2b时，电磁传感器30 (I)和30 (2)可能经历O. 50mm的操作中相对误差。在操作前误差映射42中标绘O. 50mm的操作中相对误差(例如图3B中所示的相对误差RE2)导致根据映射42中的误差统计关系将操作中绝对误差估计为O. 5_和I. Omm的函数(例如图3B中的绝对误差AEl 和 AE2)。估计的操作中绝对误差的数据集44被用于生成表示所估计的操作中绝对误差的反馈(例如视觉、听觉和/或触觉的)。如图I所示，该反馈可以采取操作中绝对误差场24的形式，操作中绝对误差场24具有表示操作中电磁场中的无畸变区域的可靠区24 (S卩，空间体积23区域中不存在畸变)以及表示操作中电磁场中的畸变区域的不可靠区24b (BP,空间体积23区域中存在畸变24)。该反馈，尤其是操作中绝对误差场24，可以通过将估计的操作中绝对误差与可靠性阈值45进行比较来获得。在此将结合图4-19描述本发明的各个实施例。
图4示出了校准阶段60、操作前阶段70和操作中阶段80。校准阶段60包括传感器阵列设计器61，传感器阵列设计器61用于限定校准工具或手术工具的电磁传感器的几何构造。实际上，该几何构造可以具有适于跟踪临床和临床环境中的电磁传感器的阵列中的每个合适电磁传感器的任何定位和取向。在如图5所不的一个示例性实施例中，校准工具90包括非磁性立方体91 (例如塑料的)，非磁性立方体91具有在6个轴向通道92中的6个电磁传感器93的几何构造。手柄(未示出)可以耦合到立方体91的一侧，由此，工具90可以作为棒(wand)操作。在棒侧，与耦合到手柄的该体81的该侧相关联的电磁传感器可以被省略。为了建立如在此将进一步描述的相对误差与绝对误差之间的统计关系，来自电磁传感器对93 (I)和93 (2)的电磁测量例如可以被认为是两个随机变量。因此，电磁传感器对93 (I)和93 (2)之间的相对误差是两个随机变量AESl和AES2之间的差别，该两个随机变量AESl和AES2是世界坐标中的误差，其被分别称为电磁传感器93 (I)处的绝对误差和电磁传感器93 (2)处的绝对误差。假设绝对误差AESl和AES2的概率密度函数被同样地根据下列等式以零平均值进行分布·E [RE] = μ ee=E [AEs J -E [AEs2] =0。另夕卜，方差 =頌狀-/I—ΜΤ2] = 2σ；, (I — p(AEsl ,AEs2)),其中 σΜη 和P (AES1, AEs2)分别是AESl的标准偏差和AESl与AES2之间的相关因子。不论何时传感器93 (I)和93 (2)在物理上彼此靠近，它们都在正方向上高度线性相关，由此将相对误差RE中的可变性σ ΚΕ降为零,并且使相对误差RE是均质(homogenous)的。对于本发明，相对误差RE的较小可变性被用于估计绝对跟踪AE的值。为了使变化的程度最小化，上述等式[I]强加了两个条件。第一，两个传感器93 (I)和93 (2)应该彼此不远离，以及第二，传感器93 (I)和93 (2)与电磁场发生器(未示出)的距离应当不大。如果违反了第一条件，则相关系数将不接近一(I )，从而增加了连续相对误差RE测量中的变化。如果违反了第二条件，则将是高的，转而增大了相对误差RE的方差。这三个变量、P和σ ^之间的关系在图6的关系图100中不出。校准阶段60还包括传感器阵列校准器62，传感器阵列校准器62用于测量电磁传感器对之间的校准距离⑶。例如，如图7所示，电磁场发生器111被用于洁净室1000 (例如零电磁畸变)中，从而由发生器111产生的电磁场有助于检测每个电磁传感器93的位置和取向，并且测量电磁传感器93对之间的校准距离(例如，图6的电磁传感器93 (I)与剩下五(5)个电磁传感器93中的一个或多个之间的校准距离等)。操作前阶段70采用绝对误差测量器71，绝对误差测量器71用于如之前对应图1-4描述的那样测量操作前绝对误差并且计算操作前相对误差。在一个示例性实施例中，校准/手术工具以受控方式在操作前电磁场内被移动到众多测量位置。在每个测量位置处，绝对误差测量器71测量每个电磁传感器的绝对误差，每个电磁传感器的绝对误差是电磁传感器的测量位置与感应位置之间的绝对差别。另外，在每个测量位置处，绝对误差测量器71计算电磁传感器对的操作前相对误差，每个操作前相对误差是电磁传感器对的绝对误差之间的绝对差别，或者更特别地，是电磁传感器对间的校准距离与感应距离之间的绝对差别。操作前阶段70进一步采用误差映射器72，用于映射每个位置的操作前绝对误差和操作前相对误差。误差的映射可以从操作前绝对误差和操作前相对误差之间的统计关系获得。在一个示例性实施例中，每个相对误差RE可以被映射到给定测量位置处的可能的绝对误差观测AE。给定相对误差RE的特定值，绝对误差AE的最小均方误差估计量是条
件概率的期望值，I =，其中f是给定相对误差RE时的 绝对误差AE的条件概率密度函数。因此，如果依照经验地估计绝对误差AE和相对误差RE的联合概率函数，则可以使用相对误差RE来估计绝对误差AE的统计值。这可以通过收集大样本的数据并且观察绝对误差与相对误差之间的关系来完成。在估计联合概率时，重要的是确保在不同类型的期望/现实电磁畸变环境下做出测量。在一个实施例中，从临近X射线台架或CT扫描仪的高畸变环境和最小畸变环境收集数据。收集了六(6)组数据，每个数据组包括多于13000点。在每个数据组中，测量绝对误差。六(6)个数据组的并集被归一化，以得到绝对误差AE相比相对误差RE的概率映射。图10举例说明了畸变电磁环境中的映射130。图10示出了对于一个传感器测量的绝对误差AE与相对误差RE之间的映射130。遍及数据的线性拟合示出了两个变量之间的必要线性相关性。图11中示出了以相对误差RE为X轴并且以绝对误差AE为γ轴的对应2D直方图131。最终的2D直方图是来自不同环境的所有这样的直方图的并集，该不同环境具有工作空间中变化的电磁畸变程度。可以周期性地执行最终的2D直方图的产生，来作为介入性设置中的介入工作空间的跟踪误差表征/校准。实际上，操作前阶段70可以在具有电磁畸变的任意临床环境中运行。例如，如图8和图9所示，由定位系统122 (例如自动控制装置(robot)或光学跟踪器)以受控方式移动校准工具90，相对于CT台架120和CT台121穿过由电磁发生器111产生的电磁场(未示出)。CT台架120使电磁场畸变，引起校准工具90的绝对误差。绝对误差测量器71测量每个电磁传感器的绝对误差，每个电磁传感器的绝对误差是电磁传感器的测量位置与感应位置之间的绝对差别。而且在每个位置处，绝对误差测量器71计算电磁传感器对的操作前相对误差，操作前相对误差是电磁传感器对的绝对误差之间的绝对差别，或者更多或更特别地，是电磁传感器对间的校准距离与感应距离之间的绝对差别。响应于来自绝对误差测量器71的操作前误差数据组42，误差映射器72针对每个位置来映射操作前绝对误差和操作前相对误差。再次参考图4，操作中阶段80采用实时误差测量器81，实时误差测量器81用于测量每个估计位置处的电磁传感器对的操作中相对误差43，而且绝对误差估计器82估计每个估计位置处的每个电磁传感器的操作中绝对误差44。操作中绝对误差的估计是从操作中相对误差在操作前误差映射42中的标绘获得。操作中阶段60进一步采用可靠性阈值发生器83和绝对误差场发生器84，用于产生反馈(例如视觉、听觉和/或触觉)，该反馈是以从估计的绝对误差44与可靠性阈值45 (例如2mm)的比较获得操作中绝对误差场47的形式。特别地，可靠性阈值45之下的任何操作中绝对误差被视作可靠用于准确跟踪，不论操作中电磁场的相应区域中的任何畸变。相反，可靠性阈值45之上的任何操作中绝对误差被视作非可靠用于操作中电磁场的相应区域内的准确跟踪。在一个示例性实施例中，可以通过在工作空间的N个不同位置进行相对误差RE测量，来测量该工作空间的绝对误差AE的估计值。对于每个位置，可以通过执行下列步骤使用2D直方图来测量绝对误差AE的估计值。第一步骤包括通过沿着2D直方图的行来求和并且归一化，以测量P (RE)的边际pdf。第二步骤，对于相对误差RE的每次测量，包括考虑直方图的对应列，并且将该列的概率值加权1/P (RE)，从而得到概率分布P (AEI RE)。第三步骤包括通过计算该条件概率分布的平均值来测量E (AE I RE)。第四步骤包括针对相对误差RE的N次不同测量来重复前面三个步骤，并且计算平均值(E (AElRE)0该平均值反映给定N次不同RE测量的AE的估计值。第五步骤包括测量来自相对误差RE的N次测量的标准偏差σΑΕ/ΚΕ，从而得到在绝对误差AE的估计中置信度的估计值。对于每组的N次测量，来自第四步骤的结果可以用于创建操作中绝对误差场，作为本发明的一部分，操作中绝对误差场被显示给医师，从而提供关于测量置信度的清晰的视觉反馈。另外，来自第五步骤的结果提供了误差估计的置信度。实际上，操作中阶段80可以在具有电磁畸变的任意临床环境中运行。例如，如图12和图13所示，由定位系统(未示出)或医疗专业人员(未示出)以受控方式移动校准工具90，相对于成像模态(未示出)(例如使电磁场畸变、产生校准工具90的绝对误差的X射线仪器)穿过由电磁场发生器111产生的电磁场(未示出)。如所示出的患者140可以存在或 可以不存在。相对误差测量器81计算在每个估计位置处的电磁传感器的操作中相对误差，并且绝对误差估计器82估计操作中绝对误差，该操作中绝对误差是从操作中相对误差在操作前误差映射42中的标绘获得。响应于估计的操作中绝对误差44与可靠性阈值45的比较，绝对误差场发生器84产生以绝对误差场46的形式的视觉反馈，该绝对误差场46具有一个或多个可靠区和/或一个或多个不可靠区。图14A-14D举例说明了另外的示例性绝对误差场。特别地，图14Α举例说明了具有并列的可靠区24c和不可靠区24d的示例性误差场。图14B示出了具有不可靠区24f下方的可靠区域24e的示例性误差场。图14C举例说明了具有潜入不可靠区24g内部的可靠区24h的示例性误差场。图14D举例说明了具有潜入不可靠区24i内部的可靠区24j和24k的示例性误差场。医疗专业人员可以使用误差场的视觉化来操纵患者在临床环境中的定位和/或取向，以某种程度便于手术工具的准确跟踪。图15-18举例说明了具有用于执行图4所示的各种阶段的目的的电磁传感器阵列的已知几何构造的手术工具。更特别地，已知几何构造的电磁传感器阵列可以被并入手术工具中(例如导管或针)，以用于检测感兴趣的解剖结构中的操作可靠区，例如直接在感兴趣的组织中的活体部署。可以“实时”执行EM跟踪误差的表征，而不需要紧接在如利用校准工具的患者准备之前的单独步骤，这显著地简化手术流程的过程。图15A举例说明了具有在近端的手柄161和从手柄161延伸到远端的护套163的导管160，手柄161具有旋钮162，护套163具有末端执行器164。如在图15B中最佳地示出，相邻的末端执行器164是具有多个线圈165的电磁传感器阵列。线圈165在电子基板上以已知的几何构造形成图案，该电子基板粘接到护套163并且覆盖有屏蔽涂层(未示出)。图16举例说明了采用电磁传感器阵列的针/细探针(mandrin) 170，该电磁传感器阵列具有多个线圈172，线圈172在电子基板上以已知的几何构造形成图案，该电子基板粘接到通道171的内表面并且覆盖有屏蔽涂层(未示出)。图17A举例说明了具有在近端的手柄181和从手柄181延伸到远端的护套183的导管180，手柄181具有旋钮182，护套183具有末端执行器184。在图17B中最佳地示出，相邻的末端执行器184是采用电磁传感器阵列的可挠曲气囊185，该电磁传感器阵列具有多个线圈186。线圈186在电子基板上以已知的几何构造形成图案，电子基板粘接到护套183并且覆盖有屏蔽涂层(未示出)。图18举例说明了导管190的远端，导管190具有从护套191延伸出的网套(mesh)192。导管190采用具有多个线圈193的电磁传感器阵列，线圈193在电子基板上以已知的几何构造形成图案，电子基板粘接到网套192并且覆盖有屏蔽涂层(未示出)。图19举例说明了采用电磁传感器阵列201的电子跟踪系统200，其包含校准/手术工具、电磁场发生器202、成像设备203和数据处理器210。数据处理器210操作用于实施图4所示的校准阶段60的包括传感器阵列设计器211和传感器阵列校准器212的模块。数据处理器220操作用于实施图4所示的操作前阶段70和操作中阶段80的包括绝对误差测量器221、相对误差测量器222、误差映射器223、绝对误差估计器224、可靠阈值发生器225和绝对误差场发生器226的模块。在校准阶段60期间，电磁传感器阵列201被连接到数据处理器210，并且之后在操作前阶段70和操作中阶段80期间被连接到数据处理器220，由数据处理器210产生的校准数据40被传输(例如上传或下载)到数据处理器220。模块包括软件、硬件和/或固件，用于执行根据本发明的对电磁跟踪误差进行表征和可视化的各个过程。为此，数据处理器210包括一个或多个任意已知类型的处理器和一个或多个任意已知类型的存储器，以便操作模块。实际上，模块可以是如所示的各个数据处理器中的个体模块，或者可以在各自数据处理器中集成一个或多个模块。另外，数据处理器210和220可以是如所示的个体数据处理器或被集成到一个仪器中。可替换地，操作中模块224-226可以安装在不同于数据处理器220的数据处理器中，使校准数据40和误差映射42 (图4)被传输(例如上传或下载)到该数据处理器。实际上，电磁传感器阵列201在操作前阶段70的每个测量位置和/或操作中阶段80的每个估计位置可以是旋转和/或在枢轴上转动的，以进一步增强根据本发明将电磁跟踪误差进行表征和可视化。尽管已经举例说明和描述本发明的各个实施例，但是相关技术领域人员应当理解的是，如本文描述的本发明的实施例是例示性的，并且可以作出各种变型和修改，并且等同物可以替代相应的部件，而不脱离本发明的真实范围。另外，可以作众多变型以调整本发明的教导，而不脱离其中心范围。因此，目的是，本发明不限于所公开的用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，但是本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。权利要求
1.一种电磁跟踪系统(200),包括 电磁传感器阵列(30)，其包括以已知几何构造布置的至少两个电磁传感器；以及数据处理器(220)，其与所述电磁传感器阵列(30)电通信，以接收表示由所述电磁传感器感应的电磁场的信号， 其中，所述数据处理器(220)能够操作用于响应于所述电磁传感器阵列(30)到操作中电磁场内的众多估计位置的移动来计算操作中相对误差(43)， 其中，每个操作中相对误差(43)是电磁传感器对的校准距离(40)与所述操作中电磁场内的所述电磁传感器对间的感应距离之间的绝对差别， 其中，所述数据处理器(220 )还能够操作用于响应于所述操作中相对误差(43 )在操作前误差映射(42)中的标绘，来估计操作中绝对误差(44)，所述操作前误差映射(42)表示操作前绝对误差(41)和操作前相对误差(41)之间的统计关系，从所述电磁传感器阵列(30)到操作前电磁场内的众多测量位置的移动来获得所述操作前绝对误差(41)和操作前相对误差(41)之间的统计关系， 其中，每个操作中绝对误差(44)是在所述操作中电磁场内电磁传感器的估计位置与感应位置之间的绝对差别， 其中，每个操作前绝对误差(41)是在所述操作前电磁场内电磁传感器的测量位置与感应位置之间的绝对差别，以及 其中，每个操作前相对误差(41)是所述操作前电磁场内的电磁传感器对间的感应距离与校准距离(40)之间的绝对差别。
2.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述数据处理器(220)能够操作用于提供表示对所述操作中绝对误差(44)的估计的反馈，并且 其中所述反馈包括视觉反馈、听觉反馈和触觉反馈中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 成像系统(203)，其与所述数据处理器(220)电通信，以视觉地显示所述视觉反馈。
4.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述数据处理器(220)还能够操作用于响应于对所述操作中绝对误差(44)的估计，产生操作中绝对误差场(46 )， 其中，所述操作中绝对误差场(46)包括可靠区(24a)和不可靠区(24b)中的至少一个， 其中，所述可靠区(24a)表示所述操作中电磁场的无畸变区域，并且 其中，所述不可靠区(24b)表示所述操作中电磁场的畸变区域。
5.根据权利要求4所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 成像系统(203)，其与所述数据处理器(220)电通信，以将所述操作中绝对误差场(46)与所述操作中电磁场内的对象的图像结合在一起。
6.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述数据处理器(220)还能够操作用于响应于可靠性阈值(45)与所述操作中绝对误差(44)的估计值的比较，产生操作中绝对误差场(46)， 其中，所述操作中绝对误差场(46)包括可靠区(24a)和不可靠区(24b)中的至少一个， 其中，所述可靠区(24a)表示所述操作中电磁场的无畸变区域，并且其中，所述不可靠区(24b)表示所述操作中电磁场的畸变区域。
7.根据权利要求5所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 成像系统(203)，其与所述数据处理器(220)电通信，以视觉地显示所述操作中绝对误差场(46 )与所述操作中电磁场内的对象的图像的结合。
8.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 校准工具(90 )，其中，所述电磁传感器阵列(30 )被并入所述校准工具(90 )。
9.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 手术工具，其中，所述电磁传感器阵列(30 )被并入所述手术工具。
10.根据权利要求9所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述手术工具(160)包括护套(163);并且 其中，所述电磁传感器阵列(30)在电子基板上形成图案，所述电子基板被粘接到所述护套(163)的表面并且覆盖有屏蔽涂层。
11.根据权利要求9所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述手术工具包括细探针(170);并且 其中，所述电磁传感器阵列在电子基板上形成图案，所述电子基板粘接到所述细探针(170)的表面并且覆盖有屏蔽涂层。
12.根据权利要求9所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述手术工具(90)包括针(170);并且 其中，所述电磁传感器阵列(30)在电子基板上形成图案，所述电子基板粘接到所述针(170)的表面并且覆盖有屏蔽涂层。
13.根据权利要求9的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述手术工具包括可挠曲气囊(185);并且 其中，所述电磁传感器阵列在电子基板上形成图案，所述电子基板粘接到所述可挠曲气囊(185)的表面并且覆盖有屏蔽涂层。
14.根据权利要求9所述的电磁跟踪系统(200)， 其中，所述手术工具包括网套(192);并且 其中，所述电磁传感器阵列(30)在电子基板上形成图案，所述电子基板粘接到所述网套(192)的表面并且覆盖有屏蔽涂层。
15.根据权利要求I所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 电磁场发生器(202)，其能够操作用于产生所述操作前电磁场和所述操作中电磁场中的至少一个。
16.—种用于工具(90)的电磁跟踪方法,所述工具(90)包括具有两个或更多个电磁传感器的电磁传感器阵列(30)的已知几何构造，所述方法包括 响应于位于校准电磁场内的所述电磁传感器阵列(30),测量至少一个电磁传感器对之间的校准距离(40)， 将所述电磁传感器阵列(30)在操作前电磁场内受控地移动到各个测量位置， 对于每个电磁传感器，测量所述电磁传感器的每个测量位置处的操作前绝对误差(41)，其中，每个操作前绝对误差(41)是所述操作前电磁场内的所述电磁传感器的测量位置与感应位置之间的绝对差别；以及对于电磁传感器的每个配对，测量每个测量位置处的操作前相对误差(41 )，其中，每个操作前相对误差(41)是电磁传感器配对的校准距离(40)与所述操作前电磁场内的所述电磁传感器对的感应距离之间的绝对差别。
17.根据权利要求16所述的电磁跟踪方法，还包括 产生操作前误差映射(42)，所述操作前误差映射(42)是从所述操作前绝对误差(41)与所述操作前相对误差(41)之间的统计关系得到的。
18.根据权利要求17所述的电磁跟踪方法，还包括 将所述电磁传感器阵列(30)在操作中电磁场内受控地移动到各个估计位置； 对于每个电磁传感器对，测量每个估计位置处的操作中相对误差(43)，其中，每个操作中相对误差(43)是电磁传感器对的校准距离(40)与所述操作中电磁场内的所述电磁传感器对的感应距离之间的绝对差别；以及 对于每个估计位置，估计操作中绝对误差(44)，所述操作中绝对误差(44)从所述操作中相对误差(43)在所述操作前误差映射(42)内的标绘得到。
19.根据权利要求18所述的电磁跟踪方法，还包括 产生表示所述操作中绝对误差(44 )的估计的反馈,其中,所述反馈包括视觉反馈、听觉反馈和触觉反馈中的至少一个。
20.根据权利要求18所述的电磁跟踪系统(200)，还包括 响应于所述操作中绝对误差(44)的估计，产生操作中绝对误差场(46)， 其中，所述操作中绝对误差场(46)包括可靠区(24a)和不可靠区(24b)中的至少一个， 其中，所述可靠区(24a)表示所述操作中电磁场的无畸变电磁区域，并且， 其中，所述不可靠区(24b)表示所述操作中电磁场的畸变电磁区域。
全文摘要
一种校准/手术工具(90、160)包括已知几何构造的两个或更多个电磁传感器的电磁传感器阵列(30)。基于校准的校准/手术工具(90、160)穿过操作前电磁场的移动，通过操作前绝对误差和操作前相对误差的映射将电磁跟踪误差进行表征。在临床中作为日常质量控制检验的部分，或在患者进来之前或在体地，通过使用统计映射，测量期望的绝对误差场(46)。得到的误差场(46)可以被显示给医生，以提供关于电磁跟踪中绝对误差的定位估计的测量置信度或可靠性的清晰的视觉反馈。
文档编号G06F19/00GK102792305SQ201180013413
公开日2012年11月21日 申请日期2011年2月21日 优先权日2010年3月11日
发明者A·K·贾殷, D·A·斯坦顿, M·B·马丁法尔, R·陈, V·帕尔特阿萨尔蒂 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司