[发明专利]单轴传感器的位置与定向的算法

说明书

技术领域

本发明一般涉及导管导航，并且具体地涉及用于定位导管的位置和定向的方法和系统。

背景技术

众多医疗手术涉及体内导管的定位和跟踪。以引用方式并入本文的美国专利申请2007/0167722描述了通过产生传感器处可检测到的磁场来定位传感器的位置(优选三维)的方法和设备。磁场在多个位置产生，并且在本发明的一个实施例中使得单线圈传感器的定向和位置都能确定。因此本发明可应用于许多不适合使用包括两个或更多个互相垂直线圈的现有技术传感器的领域。

以引用的方式并入本文的美国专利申请2010/0210939描述了跟踪涉及患者的器械的外科导航系统。所述系统能跟踪患者一部分、器械、和/或两者相对于图像数据、坐标系、图谱、变形图谱或它们的组合。所述系统可包括在所述器械上用以提供所述器械位置相关的六自由度信息的跟踪装置。

以引用的方式并入本文的美国专利7,277,834描述了一种调整电磁(EM)场模型参数的方法，所述方法包括将测量用模型与一个或多个测量之间差异最小化的步骤。所述最小化可通过估算模型参数以及至少位置和/或定向来完成。所述模型还可包括系统模型参数，其中系统可包括一个或多个传感器和一个或多个散热器。

以引用的方式并入本文的美国专利6,335,617描述了一种校准磁场发生器的方法，所述方法包括将一个或多个磁场传感器以已知位置和定向固定到探头上，以及在磁场发生器附近选择一个或多个已知位置。驱动所述磁场发生器以产生磁场。所述探头以预定的已知定向移动到一个或多个位置的每个处，并且在一个或多个位置的每个处接收来自一个或多个传感器的信号。处理信号以测量一个或多个传感器各自位置处的磁场振幅和方向，并确定与磁场发生器附近磁场的振幅和方向相关的校准系数。

以引用的方式并入本文的美国专利5,307,072描述了一种用于确定远程对象相对于参考坐标系的位置和定向的方法和设备，所述设备包括具有多个用于产生电磁场的场发生元件的源、用于将产生多个彼此可分辨的电磁场的信号施加给发生器元件的驱动器、具有多个用于感应源产生的磁场的场传感元件的远程传感器、以及用于将传感元件的输出处理为远程对象相对于源参考坐标系的位置和定向的处理器。处理器根据场发生元件偏离共同中心的位移、或场感应元件偏离共同中心的位移、或两者，补偿位置和定向值。本发明公开了这样的技术，其用于补偿小尺度不同心度以克服绕在共同核心上的正交线圈组(每个组限定所述源或传感器)缺陷。本发明还公开了这样的技术，其用于补偿大尺度不同心度以使限定源或传感器的线圈组物理分离至可能对于特定应用更可取的分散位置。

发明内容

本发明的实施例提供了一种方法，所述方法包括在预定体积内产生磁场。定义了参考模型，所述参考模型使用球谐函数对所述体积中多点处的磁场进行建模。通过磁场检测器测量磁场，所述磁场检测器耦合到插入位于所述体积中的活体的器官内的体内探头。通过比较所述体积内所测量的磁场和磁场参考模型来定义代价函数。通过计算代价函数的导数的偶极项将代价函数最小化，以找到与所测量的磁场匹配的位置和定向。找到的位置和定向输出为器官内的探头的位置和定向。

在一些实施例中，定义参考模型包括使用在预定体积内扫描的磁场取样检测器测量磁场，以及将磁场取样检测器得出的磁场测量与参考模型拟合。在其它实施例中，通过磁场检测器测量磁场包括测量从所述体积中靠近导管远侧末端的单轴传感器接收到的信号。在其它实施例中，定义代价函数包括在参考模型中利用至多四阶项的球谐函数。

在一些实施例中，将代价函数最小化包括利用高斯-牛顿法的莱文贝格-马夸特变型。在其它实施例中，将代价函数最小化包括将定向矢量约束为单位矢量，以及从刚性旋转矢量集的六个单位矢量之一选择定向矢量。在其它实施例中，通过计算代价函数的导数的偶极项将代价函数最小化包括用偶极场项替换雅可比矩阵中导数的高阶项。

在一些实施例中，通过计算代价函数的导数的偶极项使代价函数最小化包括截断雅可比矩阵中球谐函数导数的高阶项。在其它实施例中，将代价函数最小化包括从刚性旋转矢量集的六个单位矢量中选择初始定向，以及随后在迭代循环中改变位置和定向。

在一些实施例中，输出找到的位置和定向包括计算连续的迭代循环周期之间位置和定向各自微分变化的大小，以及在发现大小小于预定阈值时，报告探头的位置和定向。