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CN109310365A - 磁定位系统中的磁场畸变检测和校正 - Google Patents

磁定位系统中的磁场畸变检测和校正 Download PDF

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CN109310365A
CN109310365A CN201780036481.3A CN201780036481A CN109310365A CN 109310365 A CN109310365 A CN 109310365A CN 201780036481 A CN201780036481 A CN 201780036481A CN 109310365 A CN109310365 A CN 109310365A
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magnetic
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Abstract

本公开的各种实施方式识别和校正磁场中的磁场畸变以用于医疗设备在患者内的定位。这种磁场畸变，其通常与金属物体侵入磁场内相关联，可能导致不可接受的定位误差水平，本公开的各方面将对其校正。

Description

磁定位系统中的磁场畸变检测和校正
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月3日提交的美国临时申请no.62,331,338的权益，其通过引用包含于此，如同在本文中完全阐述一样。
技术领域
本公开总体上涉及医疗器械在患者内的磁定位。更具体地，本公开涉及检测并校正用于磁定位的磁场内的磁场畸变。
背景技术
电生理(EP)导管已被用于越来越多的手术。仅举几例，例如，导管已被用于诊断、治疗、标测和消融手术。通常，导管被操纵通过患者的脉管系统至期望部位，例如患者心脏内的部位，并且携带一个或多个电极，其可用于诊断、标测、消融或其它治疗。导管的精确定位和临床医生对患者体内精确位置的了解被期望用于改善手术疗效。
为了将导管定位在体内的期望部位，必须使用一些类型的导航，诸如使用合并在导管内的(和/或导引器鞘内)的机械转向特征。为了确定导管相对于患者解剖结构的相对位置，已经开发了磁定位系统，其提供导管在人工创建的磁场内的位置。外部生成的磁场包括在场内每个位置处特有的精确磁梯度(场线)。导管在位于磁场内时感测其所在位置处的特有磁场(例如，通过诸如线圈的元件)。由导管检测到的磁场然后使用算法处理以确定导管在磁场内并进而在患者体内的位置。一旦导管如所期望地被定位在患者体内，临床医生可操作导管例如以消融组织，从而中断潜在的致病性心律。
然而，磁定位系统易受由例如外来的含铁或金属物体侵入磁场引起的磁场内的磁畸变所引起的误差的影响。引入这种畸变可能会导致系统呈现导管在患者体内的不准确的位置。这种不准确的导管位置数据可限制医疗手术的疗效。
前面讨论仅旨在作为本领域的示例性说明，并不旨在限制权利要求的范围。
发明内容
本公开的各种实施方式识别和校正磁场内的磁场畸变以用于医疗设备在患者内的定位。磁场畸变，其通常与金属物体侵入磁场内相关联，可能导致在患者内定位医疗设备时不可接受的误差水平。特别地，本公开涉及用于这种磁畸变的检测和校正的各种系统、装置、和计算机程序，其允许医疗设备在患者内的精确定位而不管磁场内的磁畸变。
在本公开的一个实施方式中，公开了一种用于检测和校正磁场中的磁畸变以用于定位位于磁场内的患者内的医疗设备的系统。该系统包括磁场发射器，其具有系统内已知位置和方向处的一个或多个发射器线圈。每个发射器线圈发射相对于磁场发射器内其他发射线圈来说特有的磁场。该系统还包括一个或多个医疗设备传感器线圈，其感测它附近的磁场，并输出指示医疗设备处所感测磁场的第一电信号。磁畸变传感器的阵列定位在系统内的已知位置和方向处。每个磁畸变传感器感测它附近的磁场，并输出指示磁畸变传感器处所感测磁场的第二电信号。处理器电路，其通信地耦合至磁畸变传感器和医疗设备传感器线圈中的每一个，接收第一和第二电信号，并基于第一和第二电信号以及磁畸变传感器的已知位置和方向来确定医疗设备在系统内的磁畸变校正位置。
在其他更具体的实施方式中，处理器电路通过基于每个磁畸变传感器处所感测磁场确定阵列中每个磁畸变传感器的感知位置来确定医疗设备的磁畸变校正位置。然后确定每个磁畸变传感器的感知位置和已知位置之间的定位误差。基于定位误差的确定，计算针对每个磁畸变传感器将感知位置转换为已知位置的变换。通过使用所计算的变换，确定了医疗设备在系统内的校正位置，这补偿了医疗设备附近的磁畸变。
在另一实施方式中，公开了一种用于检测磁场内的磁畸变的传感器阵列装置。传感器阵列装置包括多个传感器线圈，每个传感器线圈采集指示传感器线圈处磁场强度和方向的能量。非铁框架耦合至多个传感器线圈中的每一个，并且将传感器线圈中的每一个关于彼此和磁场发射器定位和定向。处理电路，其电气地耦合至多个传感器线圈，从每个传感器线圈接收信号并调节和处理所接收的信号。例如，调节和处理可包括下述中的一个或多个：前置放大、模数转换、噪声滤波、和信号隔离。所处理的信号可指示由于含铁物体侵入磁场中引起的磁场内磁畸变的存在。
在又一实施方式中，公开了一种用于校正磁场中的磁畸变以用于医疗设备在患者内的定位的计算机程序。计算机程序包括基于传感器线圈处指示传感器线圈附近的磁场的所接收信号来计算传感器阵列中多个传感器线圈中的每一个的感知位置的步骤。基于传感器线圈的已知位置和传感器线圈的感知位置之间的偏差，确定针对多个传感器线圈中的每一个的位置误差。位置误差指示传感器线圈处磁场的磁畸变。基于每个传感器线圈的已知和感知位置之间的偏差，计算针对多个传感器线圈中的每一个将感知位置转换为已知位置的变换。基于医疗设备处指示医疗设备附近的磁场的所接收信号，计算医疗设备的感知位置。通过将医疗设备的感知位置输入到所计算的变换中来确定医疗设备的实际位置。
上面论述/发明内容并非旨在描述本公开的每个实施方式或每个实现方式。下面的附图和详细描述同样示例各个实施方式。
附图说明
考虑下面结合附图的详细描述可以更完全地理解各个示例实施方式。
图1A是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图1B是与本公开的各个方面一致的图1A的磁畸变检测和校正系统的侧视图，其具有用于荧光透视成像和磁场发射的C形臂。
图2是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的示意图。
图3是示出与本公开的各个方面一致的确定已知端点之间的磁畸变(变形)的影响的各种方法的结果的曲线图。
图4是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图5是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图6是与本公开的各个方面一致的各种手术室套件配置的图，其包括医疗设备定位系统和针对每种配置的示例性定位结果。
图7A是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图7B是与本公开的各个方面一致的图7A的磁畸变检测和校正系统的侧视图，其具有用于荧光透视成像和磁场发射的C形臂。
图8A是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图8B是图8A的磁畸变检测和校正系统的扩展等距视图。
图9是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图10A是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
图10B是图10A的磁畸变检测和校正系统的扩展等距视图。
图11是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统的等距视图。
虽然本文讨论的各种实施方式可适合进行修改和可替代形式，但其各方面已经通过示例在附图中示出并且将详细描述。然而，应该理解的是，本发明的意图不是将范围限制于所描述的特定实施方式。相反，意图是覆盖落入包括权利要求中限定的方面的本公开的范围内的所有修改、等同和替代。另外，贯穿该申请所使用的术语“示例”仅是以示意方式，而不是限制方式。
具体实施方式
本公开的各种实施方式识别和校正磁场中的磁场畸变以用于医疗设备在患者内的定位。这种磁场畸变，其通常与金属物体侵入磁场内相关联，可能导致医疗设备在患者内的定位的不可接受的误差水平。本公开的各个实施方式的细节在下文中将特别参照附图进行描述。
心脏标测系统能够在心腔的重叠模型或图像内显示传统电生理导管的三维(3D)位置。这些标测系统还可以显示心脏电活动作为波形轨迹并且作为心腔模型上的动态3D等电位标测图。这些三维模型的轮廓表面基于患者自身心腔的解剖结构。这些标测系统可使用基于磁性的定位技术来呈现导管位置和辅助模型创建。
当使用磁定位时，从定位源生成的磁场固有地易受由金属或含铁物体侵入所生成的磁场或放置在所生成的磁场附近引起的畸变影响。这种畸变可导致所计算或确定的导管位置以及相关的解剖模型和其它表示中的不准确性。
嵌入在EP导管内的磁传感器用于确定导管相对于一个或多个已知参考位置的位置和方向。该磁位置和方向信息也可用于在例如重叠在心腔模型上时导航导管。当在磁空间中导航导管时，尽管在导管的物理位置中没有实际变化(或最小的实际变化)，但在基础磁场改变/畸变时，导管的所显示或以其它方式报告的位置可显著偏移(例如，在示出导管相对于心腔位置的表示的标测系统显示器上的视觉偏移)。这种类型的磁畸变还可以引起使用报告的导管位置创建的模型的不准确性。如在下文中将参照附图更加详细地描述的，本公开的各实施方式识别磁场内的该磁畸变并在确定导管在患者体内的位置时校正这些畸变。
图1A示出用于在进行医疗手术时导航患者101的人体解剖结构的磁定位系统100的等距视图。例如，该系统可用于标测患者的心脏102并导航心脏导管105(如图1B中)通过心脏的腔室。磁定位系统100确定通常在三维空间内的物体(例如，诊断或消融导管的一部分，诸如心脏导管的尖端)的位置(以及在一些实施例中，方向)，并且将这些位置表达为相对于至少一个参考确定的位置信息。具体地，磁定位系统100可用于确定心脏导管105在磁场内的位置，然后将该位置重叠在例如心脏102的图像或模型上。在更特别的实施方式中，除其它参考数据外，磁共振成像数据可以被重叠到三维空间上以向临床医生提供虚拟工作环境，在该虚拟工作环境中来参考心脏导管相对于患者心脏的实时位置。
磁定位系统100可以包括各种可视化、标测和导航部件。例如，定位系统100可包括基于磁场的系统，诸如可从Biosense Webster商购获得并且通常参考美国专利No.6,498,944、6,788,967、和6,690,963中的一个或多个示出的CARTOTM系统，其公开内容通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述一样。在另一个示例性实施例中，定位系统100可以包括基于磁场的系统，诸如可以从St.Jude Medical,Inc.获得并且通常参考以下的一个或多个示出的MEDIGUIDETM技术系统：美国专利No.6,233,476、7,197,354、7,386,339；以及2014年3月13日提交的标题为“Medical Device Navigation System”的美国专利申请No.14/208,120；2013年6月12日提交的标题为“Medical Device Navigation System”的美国临时专利申请No.61/834,223；以及2014年3月13日提交的标题为“Medical Device NavigationSystem”的国际申请No.PCT/IB2014/059709，其公开内容通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述一样。在又一个实施方式中，定位系统100可以包括基于混合电场和基于磁场的系统，诸如例如但不限于在以下中描述的系统：2011年9月13日提交的标题为“CatheterNavigation Using Impedance and Magnetic Field Measurements”的未决美国专利申请No.13/231,284，以及2011年4月14日提交的标题为“Catheter Navigation UsingImpedance and Magnetic Field Measurements”的美国专利申请No.13/087,203，所述申请中的每一个通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述的那样；或者可从BiosenseWebster商购的CARTOTM 3系统。在其它示例性实施方式中，定位系统100可以包括或结合其它常用系统使用，诸如例如但不限于基于荧光透视、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)的系统。
一次性导管组件104(如图1B)可包括位于远端部的导管尖端组件105(或电极组件或远侧尖端组件)。导管尖端组件可操作地适于在临床医生控制下进行诊断或治疗手术。导管105的近端部分可包括转向手柄或其它机构(未示出)。在本实施方式中，导管105是标测导管。导管105包括在近端部分和导管尖端组件之间延伸的柔性轴杆。导管组件还包括电连接器(未示出)，该电连接器被配置为建立导管尖端组件与外部电气装置(未示出)之间的电连接，以执行例如定位、标测、消融和/或起搏手术。导管尖端组件可包括多个传感器线圈，诸如在美国专利No.6,690,963中的那些(参见例如图2和图3中所示的传感器30、32、34)，其通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述一样。
如图1B中所示，磁定位系统100包括位于磁场发射器壳体120内的多个磁场发射器121a-f。在本公开的各个实施方式中，磁场发射器可合并至荧光透视成像系统(在这里称为磁场发射器壳体120)，诸如C形臂；该组合提供了许多好处，其主要包括：荧光透视成像和定位数据关联至相同坐标系。磁场发射器中的每一个发射跨越患者身体101的磁场。磁场限定三个大致正交的轴，例如，x轴、y轴和z轴。磁场发射器电耦合到磁场发生器。磁场发生器生成一个或多个磁场，该磁场可以经由磁场发射器同时地、时分复用地和/或频分复用地发送。不存在任何磁畸变时，磁场内的每个位置与包括磁场梯度和强度的特有磁场特征关联。
通过示例，针对心脏消融手术，传感器线圈阵列110环绕患者心脏102定位，并且定位在磁场发射器壳体120下方和从其发射的磁场内。在本实施方式中，传感器线圈阵列固定至手术台103，其提供了每个磁畸变传感器线圈111a-d相对于磁场发射器壳体的固定(且已知)定位。每个磁畸变传感器线圈感测靠近传感器线圈阵列中的传感器线圈并基本上与其方向共面的磁场，以及输出指示该固定位置处所感测磁场的电信号。如上所述，由于该所接收的磁场在磁场内每个位置处是特有的，磁畸变传感器线圈的所输出电信号指示磁场内传感器线圈的感知位置。然而，磁场内的磁畸变会引起固定传感器线圈阵列的传感器线圈的实际位置和通过磁定位系统100的传感器线圈的感知位置之间的偏差。
导管105的头部包括一个或多个传感器线圈，其感测靠近该传感器线圈并基本与其方向共面的磁场。每个导管传感器线圈输出指示其位置处所感测磁场的电信号；所感测磁场对于导管在磁场内的特定位置来说是特有的。
磁畸变传感器线圈111a-d和导管105的输出被传输至处理电路并被处理电路采样。处理电路基于传感器线圈的输出执行计算以确定例如心脏导管在心脏内的感知位置。心脏导管的感知位置可用于在手术期间供临床医生参考，并在显示器上关于已知参照点(例如、心腔、动脉等)呈现给临床医生。然而，实际导管位置会由于其他含铁/金属物体引起的磁场内的磁畸变而不明确。这些磁畸变与导管的感知位置与导管的实际位置相比的误差率相关联。
为了补偿磁定位系统100中的磁畸变，传感器线圈阵列110提供了固定的参考系，并可定义系统坐标系的原点。基于传感器线圈阵列中每个磁畸变传感器111a-d的实际位置和感知位置之间的偏差，整个磁场中的磁畸变的影响可由将磁畸变传感器线圈中的每一个磁畸变传感器线圈的感知位置恢复回到相应的实际位置的变换来计算并且表示。类似地，可以将该变换应用于磁场内的导管的感知位置以确定考虑到磁畸变的导管的校正(实际)位置。
如图1A和1B中所进一步示出的，磁畸变传感器111a-d被定位在圆弧中(如传感器线圈阵列110所限定)，该圆弧具有通常围绕正在被手术的患者的解剖部分定位的圆弧中心点。传感器线圈阵列的配置可采取多种形式，包括圆弧、椎体、立方体等。传感器线圈阵列可围绕患者的胸部/胸腔以提供磁场的全局视图。在本公开的一些实施方式中，传感器线圈阵列的腿在每个维度上可以更长或更短以使得它们能够适应不同尺寸的患者。传感器线圈阵列的腿还可以围绕患者手臂外侧，或在替代例中，适配在患者手臂和身体之间。重要地，期望的是传感器线圈阵列能够是足够地刚性以防止磁畸变传感器相对于磁场发射器的移动。在各个实施方式中，其中有利的是具有位于患者下方的磁畸变传感器，磁畸变传感器可设计在置于患者和手术台103之间的夹具或垫中。为了最大化磁定位系统100的功效，建议的是磁畸变传感器线圈被布置为使得它们跨越不同的笛卡尔坐标轴。然而，磁畸变传感器线圈的布置，诸如置于患者下方的平垫，仍可识别和校正磁畸变。
用于磁畸变传感器线圈阵列的布置的多个另外实施方式是可能的。例如，该阵列可置于患者身体上(或其他位置)并通过独立定位系统来追踪，诸如从Northern Digital(NDI)获得的PolarisTM系统或其他基于视觉地3D定位系统。独立定位追踪系统提供了针对每个磁畸变传感器线圈的定位数据，取代了将它们固定至刚性已知框架。
在诸如图1A和1B所呈现的实施方式中，传感器线圈阵列大致地围绕通过导管105接受治疗的患者心脏102。传感器线圈阵列期望地定位在磁场发射器壳体120中的磁场发射器121a-e与患者心脏之间，从而使得影响导管105的磁畸变由传感器线圈阵列110中的一个或多个磁畸变传感器111a-d感测到。例如，在手术期间，临床医生可能需要使用一个或多个手术器械，其中的一些本质上是金属的或含铁的。在手术器械进入由一个或多个磁场发射器发射的磁场中时，手术器械附近的磁场会畸变。手术器械对磁场梯度和强度的影响取决于器械的铁金属含量和密度。然而，即使磁场中的很小畸变也会极大地影响导管在患者心脏内的感知位置。
导管105包括其尖端区域中的线圈，其感测导管尖端区域附近的磁场强度和梯度。如上文所述，磁场内导管尖端位置处所感测的磁场针对磁场内的位置来说是特有的。基于导管尖端处所感测的磁场，处理电路可确定线圈在磁场内的位置。该信息结合坐标系内其他已知位置(例如，心腔、瓣膜、和动脉)允许临床医生能够使用由磁定位系统100提供的(接近)实时位置数据来在患者心脏内导航导管。
为了防止磁定位系统100的不精确性，该系统利用一个或多个磁畸变传感器111a-d来确定实际位置(基于系统内的磁畸变传感器的已知/固定位置)和感知位置(基于磁畸变传感器处的所接收磁场和后处理确定的位置)之间的偏差。所确定的偏差指示由于含铁/金属物体侵入磁场而在整个磁场中的磁畸变。基于磁畸变传感器位置中的每一个磁畸变传感器位置处的偏差，可以计算变换以校正磁场内所有位置处的畸变。在该系统中，可以识别磁畸变并参照导管的感知位置来校正。用于确定并校正磁场内磁畸变的存在的特定算法在下文呈现。
图2是与本公开的各个方面一致的利用磁畸变检测和校正的磁定位系统200的示意图。如图2中所示，处理电路230使得磁场发生器225能够产生并发射电信号至每个磁场发射器221a-g。当来自磁场发生器的电信号由相应的磁场发射器接收时，发射器产生从其发出的磁场。在本公开的特定实施方式中，磁场发生器可独立地以特有电信号驱动每个磁场发射器。这些特有信号可同时生成、时分复用、频分复用、或它们的组合。因此，磁场内每个位置处的感知磁场是特有的并且因此基于该位置处感测的磁场是可识别的。
在一个特定实施方式中，磁场发射器221a-g通常由多个线圈组成，它们的位置和方向使得能够产生多个特有磁场。通过驱动电流进入线圈生成磁场，线圈根据毕奥-萨伐尔定律创建磁场：
为了能够创建多个磁场，该系统被设计为多路复用生成的磁场。磁畸变传感器111a-d也是线圈(它们可以在尺寸上小于2mm*10mm)。磁场在磁畸变传感器中强加电流，其与该位置处磁场强度以及感测线圈相对于磁场的方向成正比。由于置于磁场中的磁畸变传感器会产生针对各个位置的相同输出，则不可能通过单个施加的磁场来确定它的位置和方向。通过提供多个磁场，如前面所提及的，在所发射磁场内的给定位置处的每个所感测电流的组合可以是特有的。然而，已经发现该磁定位系统在计算磁场内物体的感知位置时，当含铁/金属物体进入并畸变由磁场发射器221a-g发射的磁场时，容易产生误差。
本公开的各个方面检测并校正磁定位系统200内的磁畸变。在一个示例性系统设置中，患者201定位在由磁场发射器221a-g所发射的磁场内。理想地，将正在手术的患者身体的解剖结构居中地定位于磁场内。在本示例中，患者心脏202居中地位于磁场内并且导管204在心脏内延伸用于医疗程序。例如，导管用于诊断、治疗、标测、消融程序等。多个磁畸变传感器211a-d靠近患者身体布置。在理想配置中，磁畸变传感器将等间隔地在患者心脏202(或更一般地身体201)附近。磁畸变传感器相对于患者心脏的该布置允许心脏周围的磁畸变的一致检测。
然而，在一些磁定位系统中，可能难以通过磁畸变传感器211a-d完全环绕患者，例如由于阻挡结构(例如，手术台)或必需的间隙(例如，C形臂荧光透视系统，其需要间隙来围绕手术台旋转)。C形臂荧光透视系统的X射线检测器和发射器通常围绕大量的金属移动并且由大量的金属组成。移动C形臂会导致磁场内的显著磁畸变并导致正被追踪的导管的错误位置信息。
没有引入含铁物体(含铁物体也可以称作为外来、含铁物体，其示例可包括：C形臂荧光透视系统，以及可以包括含铁材料的其他固定设备)并且C形臂停止在默认位置(例如，前-后)时，磁场可基本是均匀的。随着C形臂移动或随着金属被引入到磁场中，磁场可能变形。通过连续地计算将磁畸变传感器的位置恢复至它们已知位置的变换，可以校正磁畸变以使得每个磁畸变传感器的感知和实际位置之间的偏差达到零。坐标系中的其他点，诸如导管的位置，也将被恢复。所得到的变换将有效地执行磁畸变传感器位置之间的插值以使得可以最小化残留误差。增加系统内的磁畸变传感器的数量将通常改进结果。
在许多实施方式中，期望的是在磁场发射器221a-g和期望定位于患者心脏202内的导管尖端205之间保持尽可能多的磁畸变传感器；这在一部分上是因为相对于导管尖端和磁场发射器之间的区域之外的磁畸变的效果来说，磁场发射器附近的磁畸变对导管尖端在磁场内的定位的增强效果。
在操作中，磁定位系统200将每个磁畸变传感器211a-d和导管尖端205处所采样的磁场转换为电信号；其指示所采样位置处的磁场梯度和强度。如上所述，针对每个磁畸变传感器211a-d和导管尖端205的所接收信号相对于磁场内的接收位置是特有的。采样器/开关电路240以期望频率从磁畸变传感器211a-d和导管尖端205采样电信号。
在特定实施方式中，该系统可以与由心电图或其他类似感测手段确定的心跳的各个阶段切分(syncopation)地采样这些电信号。类似地，结合磁定位系统200使用的C形臂荧光透视系统(或其他类似的荧光透视成像系统)可以在心跳的相同阶段期间对心脏202成像。该图像然后可循环为视频，其在手术期间显示至临床医生。在心跳的这些各个阶段期间导管尖端205的位置可重叠在荧光透视图像上以产生视频，其显现为模拟导管尖端在心脏内的实时荧光透视成像和定位。然而，重要地是，该实施方式极大地减少了操作期间对患者和临床医生的X射线辐射暴露，这是因为C形臂荧光透视系统不需要获取图像以用于供临床医生确定导管在心脏内的位置。
从每个磁畸变传感器211a-d和导管尖端205接收的电信号被转发到信号调节电路245用于下述中的一个或多个：前置放大、模数转换、噪声滤波、和信号隔离。利用诸如信号隔离和噪声滤波的信号调节来最小化基于所接收的电信号进行后期位置确定中的误差。当处理电路230是数字系统时进行模数转换。在许多实施方式中，信号调节对于最小化磁畸变传感器和导管尖端的最终定位误差率来说是必不可少的。
在本公开的优选实施方式中，信号调节电路245耦合至磁畸变传感器阵列来在所接收的电信号发送至处理电路230时最小化噪声的衰减。同样，在传输至处理电路之前，此时的放大有利于增加信号增益。
如图2中所示，处理电路230基于从每个磁畸变传感器和导管尖端接收的电信号、每个磁畸变传感器相对于磁场发射器221a-g的已知/固定位置以及将所感测磁场与磁场内的已知位置相关联的查找表来计算磁畸变传感器211a-d和导管尖端205的感知位置。已知位置可以是对于磁畸变传感器相对于磁场发射器坐标系的位置来说相对确定的位置。在一个示例性实施方式中，处理电路230通过比较磁畸变传感器的已知/固定位置和该传感器的感知位置来确定针对每个磁畸变传感器211a-d的实际和感知位置之间的偏差。通过采样由磁畸变传感器接收的电信号并(经由查找表)将所采样信号与感知位置关联来确定感知位置。磁畸变传感器的实际和感知位置之间的偏差指示磁场内的磁畸变。一旦确定了针对每个磁畸变传感器的偏差，计算校正每个磁畸变传感器的感知和实际位置之间的偏差的变换。然后将该变换应用至导管尖端205的感知位置来确定考虑到磁场内的磁畸变的导管尖端的实际位置。
图3是示出与本公开的各个方面一致的实验结果的曲线图。该曲线图示出了两个传感器线圈的实际/固定位置，第一传感器线圈350处于位置(0,0)，以及第二传感器线圈351位于位置(100,100)；以及第一传感器线圈356的感知位置处于位置(0,10)，和第二传感器线圈357的感知位置处于位置(95,100)。呈现了将磁变形拟合至已知/固定端点的各种方法。线352表示没有补偿二维坐标系中感测的磁变形的第一和第二传感器线圈之间的拟合。线355示出实际基础磁变形。线353示出仅基于第一和第二传感器线圈的感知和实际位置的线性变形计算。线354表示利用第一和第二传感器线圈的感知和实际位置以及它们之间的斜率的非线性变形计算(贝塞尔样条拟合)。通过利用第一和第二传感器线圈的位置之间的斜率，并使用样条拟合，允许各磁畸变传感器线圈的固定位置之间未知变形的改进内部拟合。
在某些特定实施方式中，磁畸变传感器线圈的感知位置可以配对/分组，以使得变形的梯度/斜率的估算可以在传感器线圈之间的中点处确定。各种回归法(如下文更加详细公开的)用作样条平滑器，在外部上另外密集间隔点(经由配对/分组)的引入改进了内部上的插值精度。通过在已知/固定磁畸变传感器线圈组处设置位置来实现这种配对/分组，而密集间隔的配对/分组设置斜率/梯度；这种组合允许变换被“操纵”至包括正被手术的患者解剖结构的磁场区域中。因此，导管在患者体内的实际位置的插值更加精确。
在另一实施方式中，磁定位系统可将磁畸变传感器线圈的位置从给定时间点而不是从已知/固定位置恢复至感知位置。例如，该系统可以确定时间t0处磁畸变传感器线圈的感知位置。对于将来的时间tn，该系统将基于时间t0和tn处每个磁畸变传感器线圈感知位置之间的偏差计算变换。该实施方式使得医疗程序期间上磁定位系统的坐标系稳定，进而减少或消除了可能由C形臂荧光透视系统的运动引起的、或进入系统的发射磁场内的其他介入金属物体引起的磁漂移(随时间)。
图4示出用于在进行医疗手术时导航患者401的人体解剖结构(定位在手术台403上)的磁定位系统400的等距视图。例如，该系统可用于标测患者的心脏402并导航心脏导管404通过心脏的腔室。磁定位系统400可以确定诸如心脏导管404的尖端405的物体的位置和方向。具体地，磁定位系统400可用于确定心脏导管404的尖端405在磁场内的位置，然后可以将该位置重叠在例如心脏402的图像或模型上。心脏的图像可以例如通过包括成对的X射线发射器和接收器462的荧光透视系统420来采集。X射线接收器462在图4示出为在患者上方。相应的X射线发射器将与X射线接收器462相反地定位，处于患者401下方。
磁定位系统400包括多个磁场发射器，示例的磁场发射器421A-B安装在手术台403下方。在又一些其他实施方式中，可利用另外的磁场发射器来扩展磁场区域。在一个特定示例中，四个磁场发射器421可以以方形配置来部署，其中方形的中心定位在将被进行磁定位的患者区域处。
每个磁场发射器421发射跨越患者身体401的磁场，并由磁场发生器来供电。磁场发生器生成一个或多个磁场，其可由磁场发射器同时、时分复用、和/或频分复用地发射。不存在任何磁畸变时，磁场内的每个位置与包括场梯度和强度的特有磁场特征关联。在医疗设备404的尖端405处的线圈感测到其附近的磁场时，所感测的相对磁场可以被后处理来确定尖端405的位置和其方向。
对于心脏消融手术，作为示例，传感器线圈阵列410直接定位在患者心脏402上方，与多个磁场发射器421相对，并处于从磁场发射器421发射的磁场内。在本实施方式中，传感器线圈阵列410经由支架461固定至手术台403并处于手术台403上方，从而提供了每个磁畸变传感器线圈411A-C相对于磁场发射器421的固定(且已知)定位。每个磁畸变传感器线圈411A-C感测靠近传感器线圈阵列410中的传感器线圈并基本与其方向共面的磁场，以及输出指示该固定位置处所感测磁场的电信号。磁畸变传感器线圈的所输出电信号指示磁场内传感器线圈的感知位置。然而，磁场内的磁畸变可能引起固定传感器线圈阵列的传感器线圈的实际位置和通过磁定位系统400的传感器线圈的感知位置之间的偏差。
导管405的尖端包括一个或多个传感器线圈，其感测靠近该传感器线圈并基本与其方向共面的磁场。每个导管传感器线圈输出指示其位置处所感测磁场的电信号；所感测磁场对于导管在磁场内的特定位置来说是特有的。
磁畸变传感器线圈411A-C和导管尖端405内传感器线圈的输出被传输至处理电路并被处理电路采样。处理电路基于传感器线圈的输出执行计算以确定例如心脏导管在心脏内的感知位置。
为了补偿磁定位系统400中的磁畸变，传感器线圈阵列410提供了固定参考框架。该参考框架包括非含铁材料，或包括微量的含铁材料以使得在磁场上具有有限/已知效果。基于传感器线圈阵列中每个磁畸变传感器411A-C的实际位置和感知位置之间的偏差，整个磁场中的磁畸变的影响可被计算并且由将磁畸变传感器中的每一个磁畸变传感器的畸变感知位置恢复回到相应的实际位置的变换表示。类似地，可以将该变换应用于磁场内的导管尖端405的畸变感知位置以确定无磁畸变的导管404的校正(实际)位置。
在诸如图4所呈现的实施方式中，传感器线圈阵列410大致地围绕通过导管尖端405接受治疗的患者心脏402。传感器线圈阵列410期望地定位在患者心脏附近，从而使得影响导管尖端405的磁畸变由传感器线圈阵列410中的一个或多个磁畸变传感器411A-C感测到。
为了防止磁定位系统400的不精确性，磁定位系统400利用一个或多个磁畸变传感器411A-C来确定实际位置(基于系统内的磁畸变传感器的已知/固定位置)和感知位置(基于磁畸变传感器处的所接收磁场和后处理确定的位置)之间的偏差。所确定的偏差指示由于含铁/金属物体侵入磁场而在整个磁场中的磁畸变。基于磁畸变传感器位置中的每一个磁畸变传感器位置处的偏差，可以计算变换以校正磁场内所有位置处的畸变。在该系统中，可以识别磁畸变并参照导管尖端405的感知位置来校正。用于确定并校正磁场内的磁畸变存在的特定算法在下文呈现。
图5是磁畸变检测和校正系统500的等距视图。患者501定位在手术室台503上、磁场发射器521A-D上方。磁场发射器521D(未示出)相对于手术台503与磁场发射器521A相对定位。一旦患者501稳定在手术台503上，传感器线圈阵列510可经由可调节臂561定位在正被进行手术的患者区域附近的位置，并且在由磁场发射器521A-D创建的磁场内。图5的实施方式的一些特定好处是允许临床医生更容易接近患者的减少足迹、缩减的拆卸/安装时间、以及增加的可调节性而无需在手术台503上物理地移动患者。同样，随着传感器线圈阵列510横向地偏离患者的靶标区域(例如，心脏)，传感器线圈阵列将不会干扰荧光透视成像。
在各个实施方式中，除了其他调节促进元件之外，可调节臂561可包括旋转元件、滑动元件。例如，如图5中所示，可调节臂561可通过沿平行于手术台的侧边安装的轨道滑动可调节臂来纵向地调节(相对于患者501的高度)。为促进横向调节，以及传感器线圈阵列510相对于患者501的靶标区域的角度，可调节臂可以包括多个枢轴点。臂的可调节方面帮助促进要进行磁定位的靶标区域附近的传感器线圈阵列的精确定位，而同时适应各种尺寸的患者。在更特定的实施方式中，可调节臂561和相关组件还可包括防止传感器线圈阵列510意外定位到由磁场发射器521A-D发射的磁场外侧的调节界限，在磁场外侧，传感器线圈阵列将不能检测磁畸变。
在与图5一致的各个实施方式中，磁畸变检测和校正系统500可包括正被手术的患者区域附近(经由可调节臂561)定位并且处于由磁场发射器521A-D创建的磁场内的两个或更多个传感器线圈阵列510。各个传感器线圈阵列510可(相对于患者)彼此纵向地和横向地偏离。因此，与本公开一致的各个实施方式可包括安装在患者的同一侧上的一个或多个传感器线圈阵列，和/或安装在患者的相反侧上的一个或多个传感器线圈阵列。在各个实施方式中，这多个传感器线圈阵列位于患者的靶标区域附近以用于磁定位。通过定位多个传感器线圈阵列以使得能够基本围绕靶标区域，传感器线圈阵列可以检测并校正从磁场和靶标区域附近的各种含铁物体发出的磁畸变。
如图4和5的实施方式中所示，磁畸变传感器以单一固定位置配置。下文更加详细公开的算法可以实现通过该单一固定位置的平移和旋转校正；然而，如果翘曲校正要最小化外推，则翘曲校正可能需要另外的磁畸变传感器。因此，本公开的各个实施方式可包括两个或更多个畸变传感器来最小化用于翘曲校正的外推。
在本公开的各个特定/实验实施方式中，磁定位系统可利用视觉追踪基准点(置于成像系统的视场内)以提供参考点，其可用于将第一坐标系中由定位系统检测的医疗设备的位置在与第二坐标系中来自成像系统(例如，荧光透视、其他X射线型成像等)的生成图像融合。
图6是包括医疗设备定位系统的各种手术室套件配置和用于每种配置的示例性定位结果的图600。套件配置671示出位于标称位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件距离(通过患者台603)由磁场发射器677发射的磁场679足够远，从而不使磁场畸变。由此，运动框678(医疗设备的定位可发生的区域)内的物体的定位是准确的，如示出患者的心肌内的物体的适当位置的示例性显示图像674所示。
套件配置672示出位于不期望的位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件位于从磁场发射器677(也称作场发生器)发射的磁场679内，经由涡流680使运动框678周围的磁场变形。由此，运动框678内的物体的定位不准确。如示例性显示图像675所示，即使定位的物体位于患者的心肌内，来自磁场内的磁性部件的磁畸变也会引起心肌外部的物体的错误定位。
套件配置673示出位于不期望的位置处的X射线检测器662和X射线管663，其中X射线检测器和X射线管的磁性部件位于从磁场发射器677发射的磁场679内，经由涡流680使运动框678周围的磁场畸变。由此，运动框678内的物体的定位是不准确的。围绕运动框678的外周放置的磁畸变传感器681中的每一个检测其已知位置处的磁场是否畸变。响应于畸变，可以基于由磁畸变传感器提供并被应用于运动框内的物体的数据来计算变换。如示例性显示图像676所示，即使定位的物体位于畸变的磁场内，变换校正物体的感知位置并将其校正地定位在患者的心肌内。
图7A示出用于在进行医疗手术时导航患者701的人体解剖结构的磁定位系统700的等距视图。例如，该系统可用于标测患者的心脏702并导航心脏导管705通过心脏的腔室。磁定位系统700确定通常在三维空间内的物体(例如，诊断或消融导管的一部分，诸如心脏导管的尖端)的位置(以及在一些实施方式中，方向)，并且将这些位置表达为相对于至少一个参考确定的位置信息。具体地，磁定位系统700可用于确定心脏导管705在磁场内的位置，然后将该位置重叠在例如心脏702的图像或模型上。在更特别的实施方式中，除其它参考数据外，磁共振成像数据可以被重叠到三维空间上以向临床医生提供虚拟工作环境，在该虚拟工作环境中来参考心脏导管相对于患者心脏的实时位置。
磁定位系统700可以包括各种可视化、标测和导航部件。例如，定位系统700可包括基于磁场的系统，诸如可从Biosense Webster商购获得的CARTOTM系统、从St.JudeMedical,Inc.获得的MEDIGUIDETM技术系统、基于混合电场和基于磁场的系统或从BiosenseWebster商购的CARTOTM 3系统。在其它示例性实施方式中，定位系统700可以包括或结合其它常用成像系统使用，诸如例如但不限于基于荧光透视、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)的系统。
一次性导管组件704，如图7B中所示，可包括位于远端的导管尖端组件705(也成为电极组件或远侧尖端组件)。导管尖端组件可操作地适于在临床医生控制下进行诊断或治疗手术。导管尖端组件可执行例如定位、标测、消融和/或起搏手术。为利于定位，导管尖端组件可包括多个定位传感器线圈(例如磁场传感器)。
如图7B中所示，磁定位系统700包括位于磁场发射器壳体720内的多个磁场发射器721a-f。在本公开的各个实施方式中，磁场发射器可结合至荧光透视成像系统(在这里称为磁场发射器壳体720)，诸如C形臂。每个磁场发射器发射跨越患者身体701的磁场。不存在磁畸变时，磁场内的每个位置与特有磁场特征(例如包括特有的场梯度和强度)关联。
在心内手术期间，作为示例，梭外壳710至少部分地环绕患者心脏702定位。在一些实施方式中，梭外壳710可定位在磁场发射器壳体720(在从其发射的磁场内)和导管704的远侧尖端705内的一个或多个磁传感器之间。在本实施方式中，梭外壳710固定至手术台703，从而提供了梭外壳710内的梭轨道710’的已知位置。在图7A-B中，梭轨道710’是延伸穿过梭外壳710的腔。梭710”可延伸穿过梭轨道710’，并进而沿着患者701上的圆弧。随着梭710”被牵拉穿过梭轨道710’，梭710”的精确位置与梭710”上或内的一个或多个磁畸变传感器线圈所测量的磁场强度和梯度相关联。在一些特定实施方式中，梭710”上的每个磁畸变传感器线圈感测靠近传感器线圈阵列中的传感器线圈并基本与其方向共面的磁场，以及输出指示梭710”在特定时刻的已知位置处所感测磁场的电信号。磁畸变传感器线圈的电信号输出指示磁场内传感器线圈的感知位置；然而，磁场内的磁畸变可能引起梭外壳710内传感器线圈的已知位置和通过磁定位系统700的传感器线圈的感知位置之间的偏差。
来自磁畸变传感器线圈711a-d和导管704的远侧尖端705内的磁传感器的输出信号被传输至处理电路并被处理电路采样。处理电路基于传感器线圈的输出执行计算以确定例如心脏导管在心脏内的感知位置。心脏导管的感知位置可用于在手术期间供临床医生参考，并在显示器上关于已知参考点(例如、心腔、动脉等)呈现给临床医生。然而，实际导管位置可能由于磁定位系统700附近的其他含铁/金属物体引起磁场内的磁畸变而不明确。这些磁畸变关联于导管的感知位置与导管的实际位置相比的误差率。
为了补偿磁定位系统700中的磁畸变，梭外壳710结合梭710”提供了已知的参考系，并且可以限定系统坐标系的原点。基于梭710”内的每个磁畸变传感器的实际位置和感知位置之间的偏差，整个磁场中的磁畸变的影响可被计算并且由将梭710”的每个磁畸变传感器线圈的感知位置恢复回到相应的实际位置的变换表示。类似地，可以将该变换应用于磁场内的导管704的远侧尖端705的感知位置以确定考虑到磁畸变的导管尖端的校正(实际)位置。
导管704可包括其尖端区域705中的一个或多个磁传感器线圈，其感测导管尖端区域附近的磁场强度和梯度。如上文所述，磁场内导管尖端705的位置处所感测的磁场针对磁场内的位置来说是特有的。基于导管尖端处所感测的磁场，处理电路可确定线圈在磁场内的位置并校正磁场内的磁畸变。该信息结合坐标系内的其他已知位置(例如，心腔、瓣膜、和动脉)允许临床医生使用由磁定位系统700提供的(接近)实时位置数据来在患者心脏内导航导管。
图8A示出用于在进行医疗手术时导航患者801的解剖结构(定位于手术台803上)的磁定位系统800的等距视图。例如，该系统可用于标测患者的心脏802并导航心脏导管804通过心脏的腔室。磁定位系统800可以确定诸如心脏导管804的尖端805的物体的位置和方向。具体地，磁定位系统800可用于确定心脏导管804的尖端805在磁场内的位置，然后可以将该位置重叠在例如心脏802的图像或模型上。心脏的图像可以例如通过包括成对的X射线发射器和接收器862的荧光透视系统820来采集。X射线接收器862在图8A示出为在患者上方。相应的X射线发射器将在患者801下方与X射线接收器852相对地定位。
磁定位系统800包括多个磁场发射器，示例性磁场发射器821A-B安装在手术台803下方。在又一些其他实施方式中，可利用另外的磁场发射器来扩展磁场区域。在一个特定示例中，四个磁场发射器821A-B可以以方形配置来部署，其中方形的中心定位在将被进行磁定位的患者区域处。当导管804的远侧尖端805处的线圈感测到其附近的磁场时，可以由控制电路来后处理所感测的相对磁场来确定尖端805的位置和其方向。
对于心脏消融手术，作为示例，一个或多个梭外壳810可以靠近患者心脏802定位，与多个磁场发射器821A-B相对，并处于从磁场发射器821发射的磁场内。在本实施方式中，梭外壳810经由支架861固定至手术台803并处于手术台803上方，从而经由梭轨道810”提供每个梭810’相对于磁场发射器821的已知位置。一个或多个梭810’中的每一个可沿相应梭轨道810”操纵，每个梭810’可包括一个或多个磁畸变传感器线圈，其感测梭810’的已知位置处的磁场，并输出指示梭810’的已知位置处的所感测磁场的电信号。梭810’可沿梭轨道810”操纵，处理电路将已知位置与该位置处感测的磁场关联。由磁畸变传感器线圈输出的电信号指示该时刻磁场内的传感器线圈的感知位置。然而，磁场内的磁畸变可能导致传感器线圈的已知位置和通过磁定位系统800的传感器线圈的感知位置之间的偏差。
来自梭810’内的磁畸变传感器线圈和导管尖端805内的传感器线圈的信号被传输至处理电路并被处理电路采样。处理电路基于从传感器线圈接收的信号执行计算以确定例如心脏导管在心脏内的感知位置。
为了补偿磁定位系统800中的磁畸变，梭810’提供了固定的参考系(这是因为轨道810”上的梭810’的位置始终是已知的)。基于一个或多个梭810’内/上的每个磁磁畸变传感器的已知位置和感知位置之间的偏差，整个磁场中的磁畸变的影响可被计算并且由将每个磁畸变传感器的畸变感知位置恢复回到相应的实际位置的变换表示。然后可将该变换应用于磁场内的导管尖端805的畸变感知位置以确定没有磁畸变的导管尖端805的校正(实际)位置。
图8B是图8A的磁畸变检测和校正系统的扩展等距视图。梭外壳810包括一个或多个梭轨道810”(例如腔)，其延伸梭外壳810的长度。一个或多个梭810’可延伸穿过梭轨道810”以使得能够随着梭810’延伸穿过梭外壳而精确感测梭810’的位置。在一些特定实施方式中，梭可以精确方式经由牵引丝沿梭轨道810”牵拉、沿轨道推、沿轨道驱动、致动、或以其他方式移动。在多个实施方式中，仅需要知道梭810’已经沿轨道810”行进的距离，并且查找表可将该距离与磁定位系统的笛卡尔坐标系内的已知位置关联。
图9是磁畸变检测和校正系统900的等距视图。患者901定位在磁场发射器921A-C上方的手术室台903上。一旦患者901准确地定位在手术台903上，传感器线圈阵列910可经由可调节臂961定位在正被进行手术的患者区域附近的位置，并且在由磁场发射器921A-C创建的磁场内。图9的实施方式的一些特定好处是允许临床医生更容易接近患者的减少足迹、缩减的拆卸/安装时间、以及增加的可调节性而无需在手术台903上物理地移动患者。同样，随着传感器线圈阵列910横向地偏离患者的靶标区域(例如，心脏)，传感器线圈阵列将不会干扰荧光透视成像。
在各个实施方式中，除了其他调节促进元件之外，可调节臂961可包括旋转元件、滑动元件。例如，如图9中所示，可调节臂961可经由致动器924纵向地调节(相对于患者901的高度)，致动器924沿平行于手术台903的侧边安装的轨道922滑动可调节臂961。为促进横向调节，以及传感器线圈阵列910相对于患者901的靶标区域的安装角，可调节臂961因此还可以包括另外的致动器。为校正患者附近的磁畸变(其可能会妨碍磁定位系统的精度)，传感器线圈阵列910可纵向地、横向地、和/或相对于可调节臂961和患者901之间的安装角来致动。传感器线圈阵列910在致动期间的已知位置和该位置处所感测的磁场然后例如在查找表中彼此关联。可外推出各感测位置之间的位置处的磁场。基于传感器线圈阵列910的致动范围上的所感测磁场，可确定针对每个位置的误差并计算变换以校正所检测的磁畸变。在一些特定实施方式中，一个或多个致动器924可经由可调节臂961以三角形或方形模式在患者901上的平面内移动传感器线圈阵列910。在又一些其他实施方式中，患者上的三维路径可提供改进的误差变换——例如，沿着患者901上的假想立方体的边。
如图8A-B和9的实施方式中所示，磁畸变传感器被配置为沿在整个移动期间传感器位置已知的一个或多个路径移动并与该特定位置处所感测的磁场相关联。部分地由于可以通过这些实施方式采集的无穷个数据点，可以极大地最小化用于翘曲校正的外推(也称为变换)。
图10A是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统1000的等距视图。如图10A中所示，梭外壳1010在患者1001的靶标区域1002(例如心肌)上螺旋延伸。梭外壳1010可耦合至手术台1003，或以另外方式定位以使得梭在梭外壳1010内的各个位置相对于定位系统的坐标系来说是已知的。因此，由梭外壳1010内的梭感测到的磁场可与梭的已知位置关联并添加至查找表。查找表然后可用于确定校正磁场内磁畸变的影响的变换。通过应用变换至例如磁场内导管的感知位置，可以确定导管的校正/实际位置。
图10B是图10A的磁畸变检测和校正系统1000的扩展等距视图。螺旋形梭外壳1010还包括梭轨道1010’，其促进梭1011(包括一个或多个磁传感器)穿过梭外壳1010的行进。致动器可用于精确地控制梭1011穿过梭外壳1010的移动——进而允许确定梭1011相对于定位系统的坐标系的位置。在更具体的实施方式中，梭外壳1010可包括螺旋形，其沿着在患者1001的靶标区域上延伸的圆弧。
图11是与本公开的各个方面一致的磁畸变检测和校正系统1100的等距视图。在图11中，患者1101定位在手术台1103上。患者1101的靶标区域1102(例如心肌)靠近机器臂1105定位。为了检查可能妨碍用于确定医疗设备在(例如)患者内的位置的磁定位系统的精度的磁场内的磁畸变，机器臂1105可被编程以沿着一个或多个预编程路径。机器臂1105的末端执行器1110可包括一个或多个磁传感器线圈，其测量末端执行器1110处的磁场的强度和梯度。一旦已经进行了机器臂1105路径的各个已知位置处的磁测量，则磁测量可与各测量的已知位置关联——进而利于用于校正磁场内的场畸变的变换计算。
在更具体的实施方式中，机器臂1110可沿着基于感测磁场和该位置处定位精度的实时计算而变化的探索路径。例如，在感测到大的磁畸变时，机器臂1110可沿着促进对经受大的磁畸变的区域进一步调查的路径。该区域中的其他磁测量可促进改进的变换算法和更加精确的定位系统。类似地，在实时定位精度处于可接受阈值的区域中，机器臂1110可减少该区域中采集的测量数量，和/或以其他方式调节探索路径以聚焦在已经检测到大的磁畸变的区域上。
在磁传感器由包括传导材料的致动器和/或机器臂操纵的实施方式中，非传导延伸器可从致动器和/或机器臂延伸出，其中磁传感器耦合至延伸器的远端。该配置将消除或至少极大地减少与致动器和/或机器臂相关的磁场的磁畸变。可替代地，可使用无任意传导材料的致动器和/或机器臂。
基于下文所公开的特定/实验磁畸变检测算法，本领域技术人员能够容易地导出多个其他检测和校正算法。
特定/实验磁畸变校正算法
校正磁畸变的一种方式是使用配准变换，其允许局部翘曲。实际上，该变换结合了弯曲，其驱使了基准点(磁畸变传感器线圈的已知/固定位置)处的精确对应。因此，下述映射是期望的：
以使得针对每个基准点对si≡(xi,yi)，定义为ei≡|f(xi)-yi| (2)的误差针对每个基准点被驱动至零(0)。
期望另外的约束来确保磁畸变映射在基准点之间是连续和平滑的。在知道基准点对可能包含一些错误识别的误差的情形中，映射还可包括增加的正则化来平滑变换(从而不会过拟合数据)。
确定映射f的配准方法例如包括：薄板样条；均值坐标；以及径向基函数网络。下面将更加详细地描述这些方法中的每一个。
薄板样条
薄板样条(TPS)是一组基准点之间的内插方法。TPS可应用在需要一组控制点来确定三维空间中的表面时，其中(x,y)是输入值以及z是输出值。在我们的情形中，我们需要确定四维空间中的一组表面，其中向量x是输入值以及向量y是输出值。TPS方案是在每个控制点处为中心的一组加权基函数的和，其中基函数通常是：
r2logr，对于的情形；
以及r，对于的情形
其中r是输入点距特定基函数中心的半径距离。
基函数的数量等于控制点的数量，以及针对每个基函数的权重通过求解一组线性代数方程组来确定。正则化参数λ可以被引入到该计算中以平滑该解决方案。
薄板样条方法在“Bookstein,F.L.,Principal Warps:Thin Plate Splines andthe Decomposition of Deformations,IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.11,567-585,1989”中进一步公开，其通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述那样。
均值坐标
均值坐标(MVC)是相对于“控制网格”(三维中的封闭、三角化曲面)变换三维中各个点的算法。当该网格变形时，该算法可以计算整个三维空间的平滑插值函数，其(精确地)使顶点和三角形变形并且不会在远离该网格的区域中极度地外推。(x,y,z)坐标的基准点对包括控制网格的顶点，其将定位系统的坐标变形至更加精确地表示实际物理坐标系的坐标系。各顶点通过顶点在以累积重心为中心的球体上的投影来连接并计算其凸包(通过二维狄洛尼三角剖分)。均值算法然后使用控制和变形网格来有效且平滑地将任意坐标从一个坐标空间变换至另一空间。它的操作计数与控制网格中顶点和三角形的数量成线性比例。通过足够数量和质量的基准点，均值坐标可以考虑两个坐标空间之间的全局旋转和标度差异以及由于不均匀性引起的局部翘曲。
MVC方法在“Ju T,Schaefer S,Warren J,Mean value coordinates for closedtriangular meshes,ACM Transactions on Graphics,July 2005,24(3):561-566”中进一步公开，其通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述那样。
径向基函数网络
径向基函数网络(RBFN)是用于通过以各个位置为中心的基(或核)函数网络的总和来执行函数回归的方法。在一个示例性RBFN中：
其中κ是基函数，其通常具有高斯形状：hi是针对每个基函数的高度或加权；wi是基函数的宽度；以及ci是基函数的中心。这些参数中的每一个必须通过所提供的样本来确定。存在各种方法用于从一组样本中学习这些参数。一种常用方法是使用通过神经网络激发的技术，诸如梯度下降法。
如上文呈现的方法在于2011年4月14日提交的标题为“System and Method forRegistration of Multiple Navigation Systems to a Common Coordinate Frame”的美国专利申请No.13/087,203中进一步公开，该申请通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述那样。
于2017年1月26日提交的标题为“System,Apparatus,and Method of MagneticField Distortion Detection in a Magnetic Medical Mapping System”的PCT申请No.PCT/IB2017/050419的整个公开通过引用整体包含于此，如同在本文中完全阐述那样。
尽管上文以一定程度的特殊性描述了多个实施方式以利于对可以实施本公开的至少一些方式的理解，但本领域技术人员可以在不偏离本公开和所附权利要求书的范围的情况下对所公开实施方式做出许多改变。目的是包含在上面描述或附图中所示的所有主题应该被解释为仅示意性的而非限制性的。因此，本文中示例和实施方式不应该解释为限制本公开的范围。可以在不偏离本教导的情况下做出细节或结构的改变。前面描述和下面权利要求书旨在覆盖所有这些修改和变形。
本文针对各个装置、系统、和方法描述了各个实施方式。阐明了许多具体细节以提供说明书中所描述的以及附图中所示出的各实施方式的整体结构、功能、制造、及使用的透彻理解。然而，本领域技术人员应该理解的是，各实施方式可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情形中，公知的操作、部件、和元件可以没有详细地描述，以便不会晦涩说明书中所描述的各实施方式。本领域普通技术人员将理解的是本文所描述和示出的各实施方式是非限制性的实例，并且因此可以认识到的是本文所公开的具体结构和功能细节可以是代表性的并且不会必然地限制各实施方式的范围，各实施方式的范围仅由所附权利要求书限定。
如该公开中使用的术语“包括”、“由…组成”及其变形意指“包括但不限于”，除非另有规定。如该公开中使用的术语“一”、“一个”、“该”指代“一个或多个”，除非另有明确规定。
整个说明书中针对“各个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”、或“实施方式”等的引用意指结合所述实施方式所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施方式中。因此，短语“在各个实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”、或“在实施方式中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施方式。此外，特定特征、结构、或性质可以以任何合适方式在一个或多个实施方式中组合。因此，结合一个实施方式中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施方式的特征、结构、或性质无限制地组合。
尽管过程步骤、方法步骤、或算法等可以顺序地描述，但这些过程、方法、和算法可以被配置为以可替代顺序工作。换言之，所描述的步骤的任意序列或顺序并非必须指示要求这些步骤以该顺序执行。本文中所述的过程、方法、和算法的步骤可以任意实际顺序执行。此外，一些步骤可同时执行。
当单个设备或物品在本文中描述时，将显而易见的是可使用多于一个设备或物品来替代单个设备或物品。类似地，在多于一个设备或物品在本文中描述时，将显而易见的是可使用单个设备或物品来替代该多于一个设备或物品。一个设备的功能或特征可以可替代地由未明确描述为具有该功能或特征的一个或多个其他设备来体现。
应该理解的是，术语“近侧”和“远侧”可以在整个说明书中关于操纵用于治疗患者的器械的一端的临床医生来使用。术语“近侧”指代最靠近临床医生的器械部分以及术语“远侧”指代最远离临床医生的部分。然而，医疗器械可以许多方向和位置来使用，并且这些术语不旨在为限制性且绝对的。所有其他方向或空间参考(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上面、下面、垂直、水平、顺时针、以及逆时针)仅用于标识目的以帮助读者理解本发明，并且特别地对本公开的位置、方向、或用途并不产生限制。结合参考(例如，附接、耦合、连接、等)应该广义地解释并且可以包括元件的连接之间的中间构件和元件之间的相对移动。这样，结合参考并非必然指的是两种元件直接地连接并处于彼此固定的关系。
各种模块或其他电路可以被实施来执行本文中所述的和/或附图中所示的一个或多个操作和活动。在这些情境中，“模块”是执行这些或相关操作/活动中的一个或多个的电路(例如，处理电路、磁场发生器电路、以及信号调节电路)。例如，在上述实施方式的某些中，一个或多个模块是离散逻辑电路或可编程逻辑电路，其被配置并布置用于实施这些操作/活动。在某些实施方式中，这种可编程电路是一个或多个计算机电路，其被编程以执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)。指令(和/或配置数据)可以是以存储在存储器(电路)中并从存储器(电路)可读取的固件形式和/或软件形式。作为示例，第一和第二模块包括基于CPU硬件的电路和以固件形式的指令集的组合，其中第一模块包括具有一组指令的第一CPU硬件电路，以及第二模块包括具有另一组指令的第二CPU硬件电路。
某些实施方式涉及计算机程序产品(例如，非瞬态存储设备)，其包括机器或计算机可读介质，具有存储在其上的可由计算机(或其他电子设备)执行以进行这些操作/活动的指令。
被描述为通过引用整体或部分包含于此的任何专利、公开、或其他公开材料仅以所包含材料不与本公开所阐明的现有定义、声明、或其他公开材料冲突的程度包含到本文中。这样，以及至所需程度，本文中所明确阐明的公开内容替代本文通过引用包含的任意冲突的材料。被描述为通过引用包含于此，但与本文所阐明的现有定义、声明、或其他公开材料冲突的任意材料或其部分仅以所包含材料与现有公开材料之间不发生冲突的程度被包含。

Claims (20)

1.一种用于检测和校正磁场中的磁畸变以定位位于该磁场内的医疗设备的系统，所述系统包括：
磁场发射器，其包括处于系统内已知位置和方向处的一个或多个发射器线圈，每个发射器线圈被配置和布置以发射磁场；
一个或多个传感器线圈，每个传感器线圈被配置和布置以感测所述磁场，并输出指示所述医疗设备处所感测磁场的第一电信号；
磁畸变传感器阵列，其定位在所述系统内的已知位置和方向处，所述阵列中的每个磁畸变传感器被配置和布置以感测所述磁场，并输出指示所述磁畸变传感器处所感测磁场的第二电信号；以及
处理器电路，其通信地耦合至所述磁畸变传感器和所述传感器线圈中的每一个，并被配置和布置以接收所述第一和第二电信号，并基于所述第一和第二电信号以及所述磁畸变传感器的已知位置和方向来确定所述医疗设备在所述系统内的磁畸变校正位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器电路还被配置和布置以通过以下来确定所述医疗设备的磁畸变校正位置：
基于每个磁畸变传感器处所感测磁场确定阵列中每个磁畸变传感器的感知位置；
确定每个磁畸变传感器的感知位置和已知位置之间的定位误差；
基于定位误差确定来计算变换，所述变换针对每个磁畸变传感器将所述感知位置转换为所述已知位置；以及
使用所计算的变换来确定所述医疗设备在所述系统中补偿了所述磁畸变的校正位置。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理器电路还被配置和布置为：
对所述磁畸变传感器的感知位置进行分组并确定针对所述分组的变形梯度；
基于针对所述组的定位误差和确定的变形梯度，计算具有样条平滑的增强变换；以及
使用所述增强变换来确定所述医疗设备在所述系统中具有改进插值精度的校正位置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述增强变换至少部分地基于针对所述分组的所确定变形梯度来补偿所述分组的已知位置之间的非线性变形。
5.根据权利要求2所述的系统，其中使用下述算法中的一个来计算所述变换：薄板样条、均值坐标、以及径向基函数网络。
6.根据权利要求2所述的系统，其中响应于超出阈值量的定位误差，所述处理器电路被配置和布置以丢弃上述阈值定位误差条件期间计算的感知医疗设备位置。
7.根据权利要求2所述的系统，其中响应于超出阈值量的定位误差，所述处理器电路对临床医生输出所述磁畸变的感知指示。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁畸变传感器的阵列以下述配置中的一种布置：圆弧、椎体、以及立方体。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁畸变传感器的阵列基本环绕所述患者的胸腔定位。
10.根据权利要求2所述的系统，其中针对所述阵列中每个磁畸变传感器的感知位置和已知位置之间的定位误差指示所述医疗设备在所述系统内的感知位置的误差。
11.根据权利要求1所述的系统，其中第一磁畸变传感器的已知位置是所述第一磁畸变传感器在时间T0时的感知位置，以及确定所述第一磁畸变传感器在T0时的已知位置和所述第一磁畸变传感器在不同于所述时间T0的时间T1时的感知位置之间的定位误差。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁场发射器被配置和布置为使用时分复用、频分复用、或它们的组合从所述一个或多个发射器线圈中的每一个生成多个特有磁场。
13.一种用于检测磁场内的磁畸变的传感器阵列装置，所述装置包括：
多个传感器线圈，每个传感器线圈被配置和布置为采集指示所述传感器线圈处的磁场强度和方向的能量；
框架，其耦合至所述多个传感器线圈中的每一个，并且被布置为将所述传感器线圈中的每一个相对于其他传感器线圈固定地定位和定向；
处理电路，其电气地耦合至所述多个传感器线圈，并且被配置和布置为：
从每个传感器线圈接收指示所述传感器线圈的固定位置处的磁场强度和方向的信号，以及
处理所接收的信号；以及
其中所处理的信号指示由于外来的含铁物体侵入所述磁场中引起的所述磁场内的磁畸变。
14.根据权利要求13所述的传感器阵列装置，其中所述多个传感器线圈中的每一个被配置和布置为接收指示医疗手术期间患者附近的磁场强度和方向的能量，并且由所述多个传感器线圈中的一个或多个接收的磁场的强度和方向随时间的变化指示由靠近所述患者的含铁物体引起的磁畸变。
15.根据权利要求13所述的传感器阵列装置，其中非铁框架被配置和布置为固定地定位以下配置中的一个的传感器线圈：椎体形状、立方体形状、和圆弧形。
16.一种用于校正磁场中的磁畸变以用于医疗设备在患者内的定位的计算机程序，所述计算机程序在非瞬态计算机可读介质中实现并包括：
基于传感器线圈处指示所述传感器线圈附近的磁场的所接收信号来计算传感器阵列中多个传感器线圈中的每一个的感知位置；
基于所述传感器线圈的已知位置和所述传感器线圈的感知位置之间的偏差，确定所述多个传感器线圈中的每一个的位置误差，所述位置误差指示所述传感器线圈处的磁场的磁畸变；
基于每个传感器线圈的已知和感知位置之间的偏差，计算针对所述多个传感器线圈中的每一个将所述感知位置转换为所述已知位置的变换；
基于所述医疗设备处指示所述医疗设备附近的磁场的所接收信号，计算所述医疗设备的感知位置；以及
通过将所述医疗设备的感知位置输入到所计算的变换中来确定所述医疗设备的实际位置。
17.根据权利要求16所述的计算机程序，还包括：
通过对所述传感器线圈的感知位置进行分组来确定磁场中的变形梯度；以及
其中所确定的变形梯度用作所计算变换中的样条平滑器。
18.根据权利要求16所述的计算机程序，其中所述变换基于所述多个传感器线圈中的每一个在第一时间T0的感知位置和所述传感器的相应已知位置。
19.根据权利要求18所述的计算机程序，还包括：
基于所述传感器线圈处指示时间T1时的磁场的所接收信号来计算所述多个传感器线圈中的每一个在第二时间T1的感知位置；
计算第二变换以将所述时间T1时的所述多个传感器线圈中的每一个的感知位置转换为T0处的传感器线圈感知位置；
基于所述医疗设备处指示时间T1时的磁场的所接收信号来计算所述医疗设备在时间T1时的感知位置；以及
通过输入所述医疗设备在时间T1时的感知位置通过第二计算变换来确定所述医疗设备在时间T1时的实际位置。
20.根据权利要求16所述的计算机程序，其中使用以下中的一个或多个来计算所述变换：薄板样条、均值坐标、和径向基函数网络。
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