单轴传感器的位置与定向的算法制造技术

本公开涉及单轴传感器的位置与定向的算法。本发明专利技术公开了一种方法，所述方法包括在预定体积中产生磁场。定义参考模型，所述参考模型使用球谐函数对所述体积中多点处的所述磁场进行建模。通过磁场检测器测量所述磁场，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所述磁场参考模型来定义代价函数。通过计算所述代价函数的导数的偶极项将所述代价函数最小化，以找到与所述测量磁场匹配的位置和定向。将所找到的位置和定向输出为所述器官内的所述探头的所述位置和定向。

Location and orientation algorithms for single axis sensors

The present disclosure relates to an algorithm for position and orientation of single axis sensors. A method is disclosed that includes generating a magnetic field in a predetermined volume. Defining the reference model, the reference model uses spherical harmonics to model the magnetic field at multiple points in the volume. The magnetic field is measured by a magnetic field detector coupled to an in vivo probe inserted into an organ in a living body in the volume. The cost function is defined by comparing the measured magnetic field and the reference model of the magnetic field. The cost function is minimized by calculating the dipole term of the derivative of the cost function to find a position and orientation matching the measurement magnetic field. The position and orientation to be located are output to the position and orientation of the probe in the organ.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及导管导航，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。
技术介绍
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，并且在本专利技术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。因此本专利技术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。本专利技术公开了这样的技术，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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术的实施例，还提供了包括磁场检测器和处理器的设备。磁场检测器耦合到插入位于预定体积中的活体的器官内的体内探头，并且被配置成测量所述体积中产生的磁场。处理器被配置成定义参考模型，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，并且处理器被配置成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从而找到与所测量的磁场匹配的位置和定向，以及将找到的位置和定向输出为器官内探头的位置和定向。结合附图，通过以下对实施例的详细说明，将更全面地理解本专利技术，其中:【附图说明】图1为图表，示出了根据本专利技术的实施例用于在位置与定向(P&0)跟踪系统中校准磁源发出的磁场的跟踪体积；图2为图表，示出了根据本专利技术的实施例的位置与定向(P&0)跟踪系统；图3为图表，示出了根据本专利技术的实施例的位置与定向(P&0)跟踪系统中所用的体内探头远侦彳末端的六个预定定向矢量的集合；以及图4为流程图，示意性地示出了根据本专利技术的实施例的跟踪单轴传感器的方法。【具体实施方式】鐘述本专利技术实施例提供了定位人体器官内体内探头的方法。在治疗医疗手术例如心脏组织的RF消融过程中，将体内探头(通常是导管)经由皮肤插入体内，然后导航穿过身体到达所需器官。导管远侧末端的磁场检测器或传感器对身体所处区域附近的源发出的外加磁场作出响应而产生信号。随后执行位置与定向(P&0)算法，通过比较传感器内测量的信号和磁场参考模型，计算导管内的传感器(包括单轴传感器)的位置和定向。所述定向为穿过导管的轴向矢量，用于计算导管尖端在体内移动时的轨线，这将在后文描述。在以上所述的实施例中，首先通过如下方式定义磁场参考模型:使用球谐函数表示法描述由体积附近的一个或多个磁场源引起的体积中的磁场。接下来，定义代价函数，其包含在导管远侧末端处接收到的磁场和基于球谐函数的磁场参考模型之间的差异。然后使用优化方法将代价函数最小化，所述优化方法通过选择任意初始位置矢量但与预定矢量集合相区分的初始定向矢量来寻找人体器官内导管的位置。位置和定向矢量之后继续在迭代循环中变化。优化方法还包括计算导管位置和定向参数的代价函数的雅可比矩阵(或导数)，以及用偶极场项估算雅可比矩阵中的导数项。本文所述的该总体P&0跟踪法提高了识别导管位置和定向的计算效率和速度，增大了磁场模型准确的体积，并消除了三轴正交磁源的需要。系统说明图1为图表，示出了根据本专利技术的实施例用于在位置与定向(P&0)跟踪系统10中校准磁源发出的磁场的跟踪体积15。由于磁场源20作用而在体积15中产生磁场。磁场20A、20B和20C也被称为定位垫(LP)或源20。系统10识别导管25在插入活体的器官内时的位置和定向，导管25在导管远侧末端35包括检测器30。导管通常用于治疗性医疗手术中。当导管25位于源20产生的磁场内时，远侧末端35处的检测器3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：在预定体积中产生磁场；定义参考模型，所述参考模型使用球谐函数对所述体积中多点处的所述磁场进行建模；通过磁场检测器测量所述磁场，所述磁场检测器耦合到体内探头，所述体内探头插入位于所述体积中的活体的器官内；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；通过计算所述代价函数的导数的偶极项将所述代价函数最小化，以找到与所测量的磁场匹配的位置和定向；以及将所找到的位置和定向输出为所述器官内的所述探头的位置和定向。

【技术特征摘要】
2012.07.12 US 13/547,3021.一种方法，包括: 在预定体积中产生磁场； 定义参考模型，所述参考模型使用球谐函数对所述体积中多点处的所述磁场进行建模； 通过磁场检测器测量所述磁场，所述磁场检测器耦合到体内探头，所述体内探头插入位于所述体积中的活体的器官内； 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； 通过计算所述代价函数的导数的偶极项将所述代价函数最小化，以找到与所测量的磁场匹配的位置和定向；以及 将所找到的位置和定向输出为所述器官内的所述探头的位置和定向。2.根据权利要求1所述的方法，其中定义所述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所述磁场，以及将来自所述磁场取样检测器的磁场测量与所述参考模型拟合。3.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述磁场检测器测量所述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。4.根据权利要求1所述的方法，其中定义所述代价函数包括在所述参考模型中利用至多四阶项的球谐函数。5.根据权利要求1所述 的方法，其中将所述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。6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述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所述定向矢量。7.根据权利要求1所述的方法，其中通过计算所述代价函数的导数的偶极项将所述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。8.根据权利要求1所述的方法，其中通过计算所述代价函数的导数的偶极项将所述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。9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述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所述位置和定向。10.根据权利要求1所述的方法，其中输出所找到的位置和定向包括计算连续的迭代循环周期之间所述位置和定向各自微分变化的大小，以及在发现所述大小小于预定阈值时，报告所述探头的所述位置和定向。11.一种设备，包括: 磁场检测器，所述磁场检测器耦合到体内探头，所述体内探头插入位于预定体...

【专利技术属性】
技术研发人员：AD蒙塔格，
申请(专利权)人：韦伯斯特生物官能以色列有限公司，
类型：发明
国别省市：