使用由内向外跟踪的电磁场畸变校正的制作方法

1.本公开涉及跟踪磁场中的一个或多个对象，具体地涉及一种用于使用电磁(em)信号跟踪手术器械的系统。


背景技术：

2.电磁跟踪(emt)系统用于辅助在医疗程序中了解器械和解剖的位置。这样的系统可以基于发射的磁场的测量到的场线来确定接收机的定位。


技术实现要素：

3.电磁跟踪(emt)系统(也称为磁跟踪系统)可以用于跟踪用于多个应用(例如，用于在内窥镜手术或其他类型的手术期间使用的医疗应用)的设备。emt系统(也称为磁跟踪系统)包括至少一个发射机和至少一个接收机。例如，发射机发射磁信号，并且接收机接收磁信号并测量该磁信号。测量到的磁信号提供磁跟踪系统用来确定发射机相对于接收机的相对位置的信息(反之亦然)。如果发射机或接收机附接到另一设备(例如，被跟踪设备)，则磁跟踪系统可以确定被跟踪设备在磁跟踪系统的环境中的相对位置。在一些实现方式中，磁跟踪系统可以检测由于环境中的金属对象而引起的磁信号中的畸变。用于跟踪对象的许多附加应用是已知的。
4.该文档中描述的磁跟踪系统包括磁跟踪设备，该磁跟踪设备包括磁信号接收机和非磁信号接收机。非磁跟踪设备可以包括视觉跟踪设备，例如，相机。非磁跟踪设备被配置为测量除了由磁跟踪设备测量的磁信号之外的附加数据。磁跟踪系统被配置为使用附加数据(例如，视觉数据)来确定磁信号在磁跟踪系统的环境中如何畸变。更具体地，磁跟踪系统被配置为使用这些位置处的附加数据作为地面真值(ground truth)信号来将这些畸变映射到环境中的位置。
5.通常，磁跟踪系统被配置为例如通过检测由发射机组装件发射的磁信号来确定一个或多个被跟踪对象相对于发射机组装件的位置。通常，磁跟踪系统的环境中的对象会引起由发射机发射的磁场在环境的一个或多个区域中畸变。这些畸变可以引起在估计被跟踪对象的定位时出现错误。确定磁跟踪系统的环境中的尽可能多的位置处的这些失真是什么，并且在跟踪被跟踪物体期间对失真进行补偿是有用的。
6.为了确定畸变，磁跟踪系统执行校准过程。磁跟踪系统映射由接收机在环境中的不同位置处测量到的磁信号，并且将测量到的磁信号与这些位置的期望的未畸变的信号进行比较。测量到的磁信号的确切位置由一种或多种非磁技术(例如，通过视觉技术、超声波信号、无线电信号等)确定。一旦接收机测量磁信号的位置已知，磁跟踪系统就可以确定每个位置的磁信号的畸变。
7.通常，磁跟踪系统可以使用被放置在环境周围的视觉图标来确定接收机在各个位置处的位置。在一些实现方式中，发射机可以耦合到相机并且接收机位置是固定的。视觉图标可以被放置在环境中的已知位置处，并且耦合到磁接收机的相机被配置为当接收机在环
境周围移动时查看图标。视觉跟踪系统为接收机提供位置估计。磁跟踪系统确定在估计位置处测量到的磁信号与在该位置处的期望的磁信号(就好像发射机的磁信号未畸变一样)之间的差异。对于环境中的接收机的任何位置，这种未畸变的期望的磁信号可以是已知的。在一些实现方式中，可以基于接收指示磁信号的发射机在环境中的位置的输入来确定期望的磁信号。
8.本文描述的技术包括以下优点中的一个或多个。磁跟踪系统被配置为通过补偿磁信号中的畸变来更准确地确定被跟踪设备的定位。在磁跟踪系统的环境周围放置视觉标记以建立视觉参考系是补偿磁畸变的相对低成本的解决方案。
9.在一般方面中，磁跟踪系统被配置用于确定在磁跟踪系统的环境中的被跟踪对象的对象姿态。磁跟踪系统包括被配置为测量环境中的非磁信号的非磁信号检测器。磁跟踪系统包括被配置为测量环境中的磁信号的磁信号检测器，该磁信号检测器耦合到非磁信号检测器。磁跟踪系统包括被配置为执行以下操作的计算设备。磁跟踪系统的计算设备接收针对环境中的磁跟踪设备的位置的非磁信号的测量和磁信号的对应测量。该计算设备基于非磁信号的测量来针对该位置估计在环境中的磁跟踪设备的非磁姿态。该计算设备基于磁信号的测量来针对该位置估计在环境中的磁跟踪设备的磁姿态。该计算设备确定针对该位置的磁姿态估计与非磁姿态估计之间的差异。该计算设备基于该差异来确定针对该位置的磁畸变校正值。该计算设备生成包括畸变值的畸变校正模型。该计算设备输出畸变校正模型的表示。
10.在一些实现方式中，非磁信号是使用视觉标记生成的。在一些实现方式中，非磁信号检测器包括相机。在一些实现方式中，标记包括发射机组装件的外形，该外形不同于环境中的多个标记中的其他标记的其他外形。在一些实现方式中，标记包括粘合剂，该粘合剂被配置为将标记可移除地附接到环境中的另一表面。在一些实现方式中，标记包括红外回射器，并且其中，非磁信号检测器包括红外源。
11.在一些实现方式中，非磁信号包括aruco图案、charuco图案、光源、超声波源、无线电信号源或发射机组装件的外形中的一个。在一些实现方式中，磁信号由发射机组装件生成，该发射机组装件包括：存储器，其被配置为存储与发射机组装件相关的校准数据；处理设备，其被配置为控制磁信号从发射机组装件的发射；通信接口，其用于发送数据和从计算设备接收数据；以及电源，其被配置为向存储器、处理设备和通信接口提供电功率。
12.在一些实现方式中，磁跟踪系统被配置用于通过执行包括以下各项的操作来跟踪被跟踪对象：接收在环境中的特定位置处的磁信号的测量；从与计算设备通信的存储器中取回畸变校正模型；确定针对被跟踪对象的特定姿态估计；基于与特定位置相对应的畸变校正模型的值来校正特定姿态估计；以及输出经校正的特定姿态估计的表示。
13.在一些实现方式中，被跟踪对象包括导管、内窥镜或手术器械中的一个。
14.在一些实现方式中，磁跟踪系统被配置用于进行以下操作：接收与环境的已知平面表面相对应的磁信号的多个测量，该平面表面与定位在环境中的已知位置处的支架相关联；对于磁信号的多个测量中的每个测量，取回与环境中的测量的位置相关联的预定校正值；确定针对每个测量的畸变校正值；以及将针对每个测量的畸变校正值包括在畸变校正模型中。
15.在一般方面中，一种用于确定在磁跟踪系统的环境中的被跟踪对象的对象姿态的
过程包括：通过非磁信号检测器测量环境中的非磁信号。该过程包括通过磁信号检测器测量环境中的磁信号，其中，磁信号检测器耦合到非磁信号检测器。该过程包括接收针对环境中的磁跟踪设备的位置的非磁信号的测量和磁信号的对应测量。该过程包括基于非磁信号的测量来针对该位置估计在环境中的磁跟踪设备的非磁姿态。该过程包括基于磁信号的测量来针对该位置估计在环境中的磁跟踪设备的磁姿态。该过程包括确定针对该位置的磁姿态估计与非磁姿态估计之间的差异。该过程包括基于该差异来确定针对该位置的磁畸变校正值。该过程包括生成包括畸变值的畸变校正模型。该过程包括输出畸变校正的表示，例如，畸变图。
16.在一些实现方式中，非磁信号是使用视觉标记生成的。在一些实现方式中，非磁信号检测器包括相机。在一些实现方式中，标记包括发射机组装件的外形，该外形不同于环境中的多个标记中的其他标记的其他外形。在一些实现方式中，标记包括粘合剂，该粘合剂被配置为将标记可移除地附接到环境中的另一表面。在一些实现方式中，标记包括红外回射器，并且其中，非磁信号检测器包括红外源。
17.在一些实现方式中，非磁信号包括aruco图案、charuco图案、光源、超声波源、无线电信号源或发射机组装件的外形中的一个。在一些实现方式中，磁信号由发射机组装件生成，该发射机组装件包括：存储器，其被配置为存储与发射机组装件相关的校准数据；处理设备，其被配置为控制磁信号从发射机组装件的发射；通信接口，其用于发送数据和从计算设备接收数据；以及电源，其被配置为向存储器、处理设备和通信接口提供电功率。
18.在一些实现方式中，磁跟踪系统被配置用于通过执行包括以下各项的操作来跟踪被跟踪对象：接收在环境中的特定位置处的磁信号的测量；从与计算设备通信的存储器中取回畸变校正模型(例如，畸变补偿的计算)；确定针对被跟踪对象的特定姿态估计；基于与特定位置相对应的畸变校正模型的值来校正特定姿态估计；以及输出经校正的特定姿态估计的表示。
19.在一些实现方式中，被跟踪对象包括导管、内窥镜或手术器械中的一个。
20.在一些实现方式中，磁跟踪系统被配置用于进行以下操作：接收与环境的已知平面表面相对应的磁信号的多个测量，该平面表面与定位在环境中的已知位置处的支架相关联；对于磁信号的多个测量中的每个测量，取回与环境中的测量的位置相关联的预定校正值；确定针对每个测量的畸变校正值；以及将针对每个测量的畸变校正值包括在畸变校正模型中。
21.本文描述的主题的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中阐明。本主题的其他特征、目的和优点将根据描述和附图以及权利要求书是显而易见的。
附图说明
22.图1a示出了包括用于校准磁跟踪系统的磁跟踪系统的示例的环境的图。
23.图1b示出了包括用于跟踪被跟踪对象的磁跟踪系统的示例的环境的图。
24.图2示出了图1的示例磁跟踪系统的框图。
25.图3示出了包括磁跟踪系统的示例的环境的图。
26.图4a、图4b和图5示出了用于校准图1
‑
3的磁跟踪系统的示例支架。
27.图6a
‑
6c是用于利用图1
‑
5的磁跟踪系统执行磁跟踪的过程的流程图。
28.图7是示例计算机系统的框图。
29.各个附图中相同的附图标记指示相同的元素。
具体实施方式
30.电磁跟踪(emt)系统(也称为磁跟踪系统)可以在各种环境(例如，医疗环境)中使用以跟踪对象(例如，被跟踪对象)。例如，在手术环境中，emt系统可以用于出于一个或多个目的(例如，内窥镜手术)跟踪医疗设备(例如，手术工具)，从而允许医疗专业人员(例如，外科医生)在医疗过程期间了解对象的三维定位(例如，位置)和定向。通常，磁跟踪系统被配置为跟踪身体内部的对象以帮助医疗专业人员进行由医疗专业人员执行的操作。
31.图1a示出了包括用于使用校准设备140校准磁跟踪系统的磁跟踪系统100的示例的环境的图。图1b示出了包括用于跟踪被跟踪对象142的磁跟踪系统100的示例的环境的图。磁跟踪系统100包括耦合到校准设备140中的非磁信号检测器110(例如，相机)的磁信号检测器130(也称为接收机130)。磁跟踪系统100被配置为确定图1b中示出的一个或多个对象142(也称为被跟踪对象)的位置。该位置是相对于发射机组装件112的位置，该发射机组装机112被配置为在磁跟踪系统的环境中发射磁信号132。
32.通常，校准设备140被配置为检测由发射机组装件112发射的磁信号132并确定校准设备140在环境中的定位和定向(称为姿态)。基于校准设备140在环境中的定位和定向，磁信号中的畸变可以被映射到环境中以用于被跟踪对象142的后续跟踪。校准设备140使用非磁信号来确定在校准设备的环境中的位置，并且确定针对该位置的由发射机112生成的磁信号的畸变。基于在环境中的一组位置处测量到的畸变来生成畸变图。
33.通常，环境中的磁信号可能会由于环境中的除了被跟踪对象之外的对象(称为非跟踪对象120)而畸变。非跟踪对象120可以包括诸如操作台、椅子、架子或环境中的任何其他金属或磁响应对象之类的对象。通常，对磁跟踪系统100进行校准以基于已知的由非跟踪对象120引起的磁信号132的畸变来更新校准设备140的确定的姿态。可以在磁跟踪系统100的操作之前执行校准以跟踪被跟踪对象142。校准生成畸变校正模型，该畸变校正模型指示对于环境中的任何位置，由非跟踪对象120引起的磁信号132的畸变。
34.为了校正由非跟踪对象120引起的磁信号132中的畸变，磁跟踪系统100使用作为校准设备140的一部分的非磁信号。磁跟踪系统100使用非磁信号(例如，视觉信号)来确定校准设备140在环境中的位置。磁跟踪系统100使用在磁跟踪系统100的校准期间生成的畸变校正模型来确定在校准设备140的位置处由非跟踪对象120引起的磁信号132中的畸变。磁跟踪系统100执行畸变校正以移除由非跟踪对象120引起的畸变以生成表示经校正的磁信号的数据。磁跟踪系统100使用经校正的磁信号来确定被跟踪对象142的定位。
35.磁跟踪系统100使用非磁设备来确定校准设备140在环境中的姿态。非磁设备(例如，非磁信号检测器110)用于通过生成如先前描述的畸变校正模型来校准磁跟踪系统100。非磁信号检测器110接收非磁信号(例如，视觉信号)。校准设备140从发射机112接收针对与视觉信号在环境中相同的位置的磁信号132。计算设备102基于针对该位置的视觉信号(例如，包括标记108的表示)和对应的磁信号132来估计校准设备140的姿态。磁跟踪系统100使用来自非磁信号(例如，相机110可检测到的视觉信号)的第一姿态估计和来自磁信号132的第二姿态估计生成针对磁跟踪设备140的最终姿态估计。当实时执行这些操作时，可以将该
最终姿态估计称为融合姿态估计，因为磁跟踪系统100组合了来自磁信号和非磁信号的姿态估计。这些操作将典型地使用基于kalman滤波器的同时定位和映射(slam)过程来完成以执行融合。这些操作的示例可以在于2019年2月8日提交的美国专利申请公开号第2019/0242952号中找到，并且该美国专利申请以其整体通过引用并入本文档中。
36.另一种方法是收集：1)来自非磁信号(例如，来自相机110的视觉信号)的姿态估计和来自接收到的磁信号132的第二姿态估计；或者2)来自非磁信号(例如，来自相机110)的姿态估计和由非跟踪对象120引起的磁信号132中的畸变。当收集了针对非磁信号和磁信号两者的姿态时，可以执行将畸变的磁姿态校正为非磁姿态信息的补偿方法。该校正是离线计算的，但实时应用于磁姿态估计以执行改进的em跟踪。当收集了非磁姿态和磁信号时，将非磁姿态转换为虚拟磁信号，并且使用这些虚拟磁信号与磁信号之间的差异来将畸变的磁信号映射到虚拟非磁信号。该映射是离线计算的，但实时应用于磁信号以执行改进的em跟踪。
37.为了获取非磁信号，非磁信号检测器110在环境200周围移动到各个位置。在图1a中，非磁信号检测器110的示例是相机。然而，可以使用其他非磁信号来确定校准设备140在环境中的地面真值位置。将关于图2更详细地描述相机(和磁跟踪系统100的其他组件)。非磁信号检测器110的其他示例可以包括被配置为接收信号并使用接收到的非磁信号定位非磁信号检测器110的超声波设备、无线电设备、红外设备、声学设备等。
38.非磁信号检测器110可以包括相机。相机可以被配置为查看定位在环境中的标记106a
‑
e(其统称为标记106)和标记阵列108，以便确定校准设备140(其包括相机)在环境中的姿态。标记106和标记阵列108可以是光学标记。随着磁跟踪系统100(和相机)在环境周围移动，相机的视场144穿过标记106a
‑
e和/或标记阵列108。标记相对于彼此的定向以及相对于相机的定向提供有关相机在环境中位置的信息。例如，标记106a、106b、106c和106d、106e中的每一个以及标记的阵列108在环境中的位置是已知的。当相机视场144在图像或视频中记录标记106a
‑
e中的一个或标记阵列108时，标记相对于相机的定位和定向可从由相机捕获的图像或视频中辨别。可以使用关于标记106a
‑
e中的每一个或标记阵列108在环境中的定位和相机相对于标记的相对姿态的数据来辨别相机的绝对姿态。
39.在一些实现方式中，标记阵列108被放置在磁跟踪系统100的操作期间被跟踪对象将位于的位置处或附近。例如，标记阵列可以被放置在操作台、操作椅、被跟踪对象142下方的地板、被跟踪对象142上方的天花板等等上。在一些实现方式中，可以将标记阵列108中的标记以图1a中示出的规则图案放置。在一些实现方式中，阵列108中的标记可以以不规则图案布置，当只有阵列的一部分可见时，该不规则图案可以指示相机正在查看阵列中的哪个位置。在一些实现方式中，阵列108中的标记各自在一个或多个方面(例如，图案、形状、大小)是独特的，或在另一方面是独特的。
40.磁跟踪系统100可以使用各种定位过程来确定相机相对于标记106a
‑
e和/或标记阵列108的姿态。例如，磁跟踪系统100可以使用同时定位和映射(slam)过程。slam过程可以使用标记106a
‑
e和标记阵列108作为关键点。在一些实现方式中，标记106a
‑
e和标记阵列108中的标记中的每一个都是独特的，使得每个标记都可以与其他标记区分开来。
41.一旦磁跟踪系统100具有使用非磁信号的姿态估计，磁信号接收机130可以用于在校准设备140的针对其生成了姿态估计的相同姿态处测量磁信号132。磁跟踪系统100使用
磁信号132生成另一姿态估计。使用来自非磁信号的姿态估计来校正根据磁信号132生成的姿态估计。当校准设备140在环境周围移动时，可以重复该过程。
42.如图1a和图1b中示出的，标记106a
‑
e和标记阵列108可以以一定图案被放置在环境中的被跟踪对象142要被跟踪的位置附近。校准设备140可以查看标记106a
‑
e和/或标记阵列108。在一些实现方式中，标记106a
‑
d可以被放置在环境中的非跟踪对象120上和非跟踪对象120周围。在一些实现方式中，一个或多个标记(例如，标记106e)可以定位在发射机112上。校准设备140可以通过查看发射机组装件112上的(多个)标记106e来确定相对于发射机112的相对姿态。
43.在一些实现方式中，校准设备140可以包括发射机(例如，发射机112)，并且接收机130可以在校准设备140在环境周围移动时固定在环境中的位置。这也使校准设备140能够通过磁单元确定其在环境中的定位和定向。
44.在一些实现方式中，磁信号132可以直接变换为姿态数据，根据该姿态数据来执行姿态补偿(例如，畸变补偿)。将来自磁信号134的姿态数据与校准设备140的光学确定的姿态进行比较，以生成环境的畸变校正图。
45.为简单起见，贯穿本公开，详细描述了包括相机的示例非磁信号检测器110作为示例实施例。然而，其他非磁信号检测器110配置也是可能的。例如，非磁信号检测器110可以包括无线电信号接收机。无线电信标(或其他无线电信号发射机)可以被放置在环境周围以发射可以用于定位环境中的非磁信号检测器110的信号。电磁频谱中的其他频率也是可能的。
46.磁信号132和非磁信号的处理可以由计算设备102执行。计算设备102可以包括一个或多个处理器，如随后关于图7所描述的。例如，计算设备102被配置为接收表示磁信号132和非磁信号的数据，并且执行畸变校正处理以确定校准设备140和被跟踪对象142的姿态。
47.用户接口104被配置为与计算设备102通信。用户接口104被配置为呈现校准设备140、被跟踪对象142等的姿态的表示。用户接口104可以被配置为显示环境中的校准设备140和被跟踪设备142的三维表示。校准设备140和被跟踪对象142以及磁跟踪系统100的其他组件的其他这种表示是可能的。例如，用户接口104可以根据坐标系(例如，笛卡尔坐标系、极坐标系等)显示环境中的校准设备140或其他对象的姿态的文本表示。
48.用户接口104可以被配置为呈现由计算设备102针对环境确定的畸变校正模型的表示。例如，热图叠加可以显示环境中的哪些区域具有更大的畸变(例如，具有更大的热图值)。
49.用户接口104可以包括用于向磁跟踪系统100的用户报告被跟踪对象的定位和定向的显示器。向用户报告的定位和定向可以用于在一个或多个应用中帮助用户，例如，执行医疗操作。例如，用户接口可以报告相对于磁跟踪系统100的一部分的定位和定向作为被跟踪对象的视觉表示、报告被跟踪对象的坐标、将被跟踪对象叠加在由相机110捕获的图像中，等等。
50.用户接口104可以被配置为控制发射机组装件112的操作。用户接口104可以包括一个或多个控件(软件控件、硬件控件等)。控件可以被配置为使用户能够关闭或开启发射机组装件112、改变发射机组装件中的一个或多个的操作频率、使发射机组装件上传校准数
据等等。
51.在一些实现方式中，计算设备102被配置为向一个或多个其他设备发送或传输畸变校正数据。例如，在医疗环境中，计算设备102可以被配置为将畸变校正数据传输到一个或多个其他手术器械、磁跟踪设备、可视化生成设备等。
52.转到图1b，示出了在跟踪被跟踪对象142期间的磁跟踪系统100。被跟踪对象142在磁跟踪系统100的环境中移动。计算设备102基于由校准设备140测量到的数据来映射畸变。被跟踪对象142相对于发射机112的位置是通过移除来自非被跟踪对象120的畸变影响来确定的，以改进确定被跟踪对象142在环境中的位置的准确度。被跟踪对象142包括诸如在环境中被跟踪的手术工具或工具尖端之类的物品。通常，在跟踪被跟踪对象142期间，校准设备140不需要存在。虽然标记108仍然可以存在于环境中，但是已经由校准设备140映射了畸变。如果标记干扰了在跟踪期间由磁跟踪系统100执行的一个或多个任务，则如有必要，可以从环境中移除标记，例如，远离手术台或操作区。
53.转到图2，示出了磁跟踪系统200的示例。在一些实现方式中，磁跟踪系统200可以类似于图1a和图1b的磁跟踪系统100。如先前描述的，磁跟踪系统200包括计算设备202(其可以类似于图1a和图1b的计算设备102)、用户接口204(类似于用户接口104)、相机设备210(类似于相机设备110)和发射机组装件212(类似于发射机112)。磁跟踪系统200还包括放大器232a
‑
b和磁接收机230(也称为接收机组装件230或接收机230)。现在描述磁跟踪系统200的组件的各种实施例。
54.磁跟踪系统200被配置为跟踪在磁跟踪系统200的环境中的一个或多个被跟踪对象(未示出)的(多个)定位和(多个)定向。在医学上下文中，被跟踪对象通常包括医疗设备或医疗设备的一部分。例如，磁跟踪系统200可以用于跟踪诸如手术器械、探针、内窥镜、导管等之类的物品(当它们在人体内时)。在一些实现方式中，磁跟踪设备240(类似于图1a的校准设备140)是被跟踪对象。在一些实现方式中，被跟踪对象是另一对象，并且磁跟踪设备240仅用于畸变校正。磁跟踪设备240包括接收机130，该接收机130感测来自发射机组装件212的磁信号132。磁跟踪系统200可以基于这些信号来确定被跟踪对象的接收机230的定位，如随后更详细地描述的。
55.磁跟踪系统200被配置为从发射机组装件212发射磁信号(例如，磁场)。接收机230被配置为测量磁场并将测量到的信号发送到计算设备102。在一些实现方式中，包括放大器232以放大由接收机230测量到的信号。放大器232通常具有正增益，该放大器232被配置为放大从接收机230接收到的任何模拟信号，使得计算设备202可以接收放大后的信号作为输入。接收机230可以包括用于测量由发射机组装件212发射的磁信号的一个或多个元件，例如，磁力计、线圈等。为了执行对被跟踪对象的跟踪，通过计算设备202使用来自发射机组装件212的场的测量来计算接收机230的定位和定向。发射机组装件212的定位和定向是通过利用相机210a
‑
b或等效的非磁传感器观察发射机组装件212而获知的。
56.发射机组装件212包括被配置为生成磁信号的发射元件，例如，发射机线圈。在一些实现方式中，可以使用多个不同的发射机组装件。发射机组装件可能与其他发射机组装件中的一个或多个略微不同(甚至是独特的)。例如，发射机组装件212可以被配置为使用不同的调制频率来发射磁信号。在一些实现方式中，每个线圈具有略微不同的磁属性。计算设备202可以存储表征发射机组装件212用于校准目的的磁属性的信息。在一些实现方式中，
发射机组装件212包括标记226(类似于标记206)，其可以用于光学地确定发射机组装件相对于相机210或跟踪设备240的位置。
57.在磁跟踪系统200的操作期间，发射机组装件212被配置为发射可以由接收机230测量到的磁信号。
58.在一些实现方式中，发射机组装件212被配置为可被非磁单元标识以确定发射机组装件相对于磁跟踪设备240的定位和定向。非磁单元可以包括光学单元、超声波单元、无线电单元、声学单元、红外线单元等等中的一个或多个。通常，诸如光学标记或基准标记之类的标记206a
‑
b(其可以类似于标记106a
‑
e和/或标记阵列108)中的一个或多个可以被包括在发射机组装件212上或发射机组装件212附近。计算设备202被配置为识别标记、将标记与其他标记区分开来、并且根据标记的图像确定标记的定位和定向(并因此确定发射机组装件的定位和定向)。虽然标记206a和206b在图2中表现为标记的组，但是每个标记206a和206b可以是单独的标记。
59.虽然标记206a
‑
b可以被放置在发射机本身上，但是标记也可以被放置环境的各处。标记206a
‑
b中的一个或多个可以包括独特的图案，使得每个标记不同于环境中的其他标记。通常，标记206a
‑
b被这样定位：使得在用于畸变校正的任何给定姿态下，相机210a
‑
b的视场都包括至少一个标记。磁跟踪系统200被配置为光学地确定磁跟踪设备240(其包括相机210、计算设备202和接收机230)的姿态。如先前描述的，光学确定的姿态用于确定由接收机接收到的磁信号132中存在的畸变。例如，在医学上下文中，相机210被放置在患者的上方，并且标记206a
‑
b(例如，包括106a
‑
e和/或标记阵列108)被放置在患者手术将要进行的位置(例如，正在映射的畸变的区域)周围。相机110被配置为捕获标记206a
‑
b(例如，包括标记106a
‑
e和/或标记阵列108)的图像以测量针对磁跟踪设备240的每个姿态的对应的磁信号132。该测量到的磁信号132可以与将在没有畸变的情况下存在的理想磁信号进行比较。可以使用磁信号的差异来生成针对区域中的每个姿态的畸变值。确定针对区域中的每个姿态的畸变值，其分辨率对于正在执行的应用(例如，手术)是可接受的。例如，磁跟踪设备240可以在测量之间移动一英寸、两英寸、五英寸等。例如，磁跟踪设备240可以根据需要在测量之间旋转1度、2度、5度等。
60.在一些实现方式中，相机210被移除(或不被包括)以在磁跟踪设备240的操作期间执行磁跟踪。例如，在手术期间，相机210可能与磁跟踪设备240断开连接。
61.在一些实现方式中，相机210可以是立体相机，其包括彼此移位的两个相机，例如，相机210a和相机210b。相机210a、210b被配置为从相对于标记206a
‑
b的不同的角度捕获图像。来自立体相机210a、210b的图像不仅可以用于确定磁跟踪设备240的平面“x，y”定位数据和偏摆，还可以用于确定磁跟踪设备240的深度“z”定位以及磁跟踪设备相对于标记206a
‑
b的侧倾和俯仰。在一些实现方式中，单个相机用于使用同一对象上的多个标记206(例如，彼此间隔已知距离的多个标记)来确定深度数据。
62.计算设备202使用表示磁跟踪设备240的相对定位和定向的数据来确定如何解释从接收机230接收到的磁信号。磁信号指示被跟踪设备相对于发射机组装件212的定位和定向。为了确定被跟踪设备的绝对定位和定向，确定标记的定位和定向。通常，标记中的每一个具有相对于发射机组装件212的已知的定位和定向。由这些标记建立的坐标系是全局坐标系(例如，图1a和图1b中示出的笛卡尔坐标轴)。
63.接收机230被配置为测量由发射机组装件212发射的磁信号以确定被跟踪对象相对于发射机组装件的定位和定向。可以相对于任何全局参考点(例如，发射机组装件212)来测量被跟踪对象的定位。计算设备202被配置为将测量到的磁信号转换为定位和定向数据。在一些实现方式中，定位数据可以表示为定位坐标(例如，x、y、z坐标)的定位向量。在该示例中，接收机230使用笛卡尔坐标系(具有x、y和z坐标)来表示空间中的位置；然而，也可以利用其他类型的坐标系(例如，圆柱、球面等)。
64.被跟踪对象的定向指代被跟踪设备相对于全局参考点(例如，发射机组装件212)所面向的方向，并且可以通过使用坐标系类似地表示，并且例如被表示为定向坐标的向量(例如，方位角(ψ)、高度角(θ)和侧倾角)。磁跟踪系统200作为高达六自由度(6dof)的测量系统操作，其被配置为允许测量与前/后定位、上/下定位、左/右定位、方位、高度和侧倾有关的定位和定向信息。例如，如果接收机230包括单个接收线圈，则一组最少至少五个发射机组装件212可以提供五个自由度(例如，没有侧倾)。在一个示例中，如果接收机230包括至少两个接收线圈，则最少至少六个发射机组装件212可以提供足够的数据来确定所有六个自由度。可以添加附加的发射机组装件或接收线圈以增加跟踪准确度或允许更大的跟踪体积。
65.计算设备202包括一个或多个处理器，并且被配置为接收表示磁信号132和非磁信号的数据，以估计环境中的磁信号的畸变。计算设备202从接收机230接收磁信号并将磁信号转换为磁跟踪设备240的定位数据和定向数据。计算设备202可以包括用于发送和接收模拟数据和数字数据两者的输入端口和输出端口。计算设备202可以包括用于驱动发射机组装件212的波形发生器(未示出)。关于图7进一步描述了计算设备102的方面和示例。
66.计算设备202可以包括用于驱动发射机组装件212并控制发射机组装件212的操作的电路。例如，计算设备202可以包括被配置为控制发射机组装件212的控制器。发射机组装件212可以被配置为在测量周期中以不同时间或频率发射磁信号。例如，计算设备202可以被配置为控制发射机组装件212在测量周期中以特定时间发射磁信号、以特定序列发射磁信号等等。接收机230测量磁信号中的每一个。如果使用定时机制，则计算设备202可以基于计算设备202从接收机230接收到磁信号的时间来将接收到的磁信号与特定的发射机组装件进行关联。控制器可以使用时间切片复用、频率复用等来控制发射机组装件212。
67.发射机组装件212可以被单独校准。在一些实现方式中，发射机组装件212具有一个或多个不同的物理属性。例如，可以利用建模参数、来自磁信号的磁场的映射、球谐函数、闭合形式解等来对发射机组装件212进行校准。校准数据可以由计算设备202存储。针对发射机组装件的校准数据可以与该相应的发射机组装件一起本地存储在本地存储装置上。在一方面，校准数据可以被(例如，有线或无线地)发送到计算设备202以帮助计算设备202确定发射机组装件的定位和定向。如先前陈述的，发射机组装件212可以被配置为在彼此不同的频率上操作、在不同时间开启等等。
68.发射机线圈(未示出)被配置为产生由接收机230接收到的磁信号。线圈可以发射对特定发射机组装件212而言独特的信号(例如，磁场)。例如，发射机组装件212可以利用特定频率调制磁信号。线圈可以是单匝线圈或多匝线圈。线圈可以包括在提供电流时能够生成磁场的任何几何形状。线圈可以是发射机组装件212的电路的一部分(例如，印刷电路板(pcb))，或者线圈可以单独地附接到发射机组装件。
69.发射机组装件212可以不包括有源电路。线圈可以从远程源(例如，计算设备202的波形发生器)驱动。发射机组装件212可以被配置为插入计算设备102(或另一设备)中以驱动磁信号。在一些实现方式中，发射机组装件212可以被配置为例如以菊花链形式连接到一个或多个其他发射机组装件。在另一示例中，发射机组装件212可以与一个或多个其他发射机组装件并联连接。
70.计算设备202可以被配置为以各种方式确定被跟踪对象的定位和定向。例如，可以使用最小二乘法来确定接收机230相对于发射机组装件212的定位和定向。在另一示例中，可以使用kalman滤波器或一个或多个其他数值方法来确定接收机230相对于发射机组装件212的定位和定向。
71.计算设备202、发射机组装件212、相机210和用户接口204可以通过有线或无线连接彼此通信。例如，发射机组装件212可以有线连接到计算设备202的端口中。在这样的配置中，计算设备202可以提供功率信号来驱动发射机组装件212，并且发射机组装件可以各自包括无源电子设备。在另一示例中，发射机组装件212可以配备有数据收发机，该数据收发机被配置为将数据(例如，校准信息)无线地传输到计算设备并且从计算设备202接收数据(例如，控制信号)。
72.可以在针对磁跟踪系统200的畸变校正期间重新布置标记206a
‑
b，并且可以由计算设备202使用相机210数据来确定标记中的每一个的新的定位和定向。例如，标记206a
‑
b(例如，包括图1a的106a
‑
e和/或标记阵列108)可以在校准期间四处移动以确保标记中的一个或多个在被跟踪对象(例如，导管)在环境周围(例如，患者体内)移动时位于被跟踪对象将处的位置的几英寸范围内。一旦标记206a
‑
b在环境中的位置中，校准设备140就在环境周围移动以校准针对该区域的畸变校正模型。
73.在一些实现方式中，标记206a
‑
b各自包括可以附接到磁跟踪系统200的环境的一个或多个表面的粘合贴片。例如，标记206a
‑
b可以附接到医疗操作的受试者(例如，患者)。
74.接收机230和发射机212的组合可以是针对环境的畸变指示器或畸变校正系统。磁跟踪系统200可以使用组装件中的每一个组装件的光学姿态的光学确定与姿态的em确定之间的确定的差异作为环境中存在的畸变的指示。磁跟踪系统200因此可以执行畸变补偿。例如，由接收机组装件230收集的数据(包括磁场测量和姿态、畸变的数据、光学数据(真实)和梯度数据(随着传感器移动，通过场的差异估计出的))可以用于针对畸变进行校正。可以使用物理模型对畸变进行建模。这些模型可以包括曲线拟合(例如，用于磁信号和姿态解决方案)、样条、三角测量、径向基函数和使用机器学习方法。
75.转到图3，示出了用于磁信号132的畸变校正的环境300的示例。标记306a
‑
g(统称为标记306)被放置在环境300的各处。可以取决于环境300中正在执行畸变校正的位置来布置或重新布置标记306，类似于先前描述的标记106和206。通常，标记306被这样放置：使得在磁跟踪设备的任何姿态下，至少一个标记对磁跟踪设备340(类似于磁跟踪设备140和/或240)的相机310(其可以类似于图1a的相机110和/或图2的相机210)可见。
76.在一方面，一个或多个标记306可以包括用于将标记彼此区分开来的任何视觉机制。标记306各自不同于彼此，使得计算设备302(其可以类似于先前描述的计算设备102和202)可以在视觉上确定磁跟踪设备340的姿态时区分标记。标记306相对于彼此的定位向计算设备302指示发射机组装件312相对于相机310、接收机330(例如，类似于先前描述的接收
机130和/或接收机230)或磁跟踪系统300的其他部分的定位和定向如何。例如，如果标记306b出现在相对于图标306c沿x轴的正方向，则计算系统可以确定发射机组装件300以特定偏摆值旋转(例如，相对于相机310的平面旋转)。可替代地，如本领域已知的，可以使用计算机视觉或机器学习方法来跟踪发射机组装件300。可以从图标库中选择标记306中的每一个，计算设备302被配置为识别该图标库并将其指派到环境300中的不同位置。计算设备302将接收到的磁信号与基于哪个标记306被看到以及它的定向是什么而被确定的定位进行关联。这有助于定位和定向计算。换言之，计算设备302使用标记306来知道哪个磁姿态与哪个视觉姿态相关联。然后，计算设备302可以确定在地面真值位置处的理想磁信号是什么并且确定磁畸变值。
77.在一方面，相机设备310可以包括向计算设备302提供距离信息的立体相机。计算设备302可以使用距离信息(无论是在相机设备310处确定的还是在计算设备302处计算的)来确定发射机组装件300的三维定位。相机设备310可以包括单个相机，其可以基于多个标记306a
‑
h的使用及其已知几何形状来确定距离。
78.如先前陈述的，标记306a
‑
h通常被配置为被识别用于计算机视觉识别(类似于标记106和206以及标记阵列108)。标记可以包括任何图像，例如，条形码、qr码、符号、图标等。在磁跟踪系统300的示例中，标记306a
‑
h是像素化符号。虽然对于每个标记306，在该示例中包括少于8个符号，但是可以添加附加的符号来确定姿态。除了作为符号之外，标记还可以包括被配置用于红外激发的回射器或可被非磁单元检测到的另一种类型的关键点。
79.在一些实现方式中，标记306a
‑
h可以是变化的，只要配置能够为磁跟踪系统300提供足够的信息以生成视觉姿态的估计即可。例如，标记可以包括aruco或charuco图案。例如，标记可以包括无源回射器，其响应来自相机孔径110a和110b附近的红外(ir)源的ir激发。标记306a
‑
f可以包括发射光信号、射频数据、超声波信号或其他姿态信息的有源信标。在一些实现方式中，标记306a本身的形状可以用于姿态确定。
80.在一方面，每个标记306a
‑
f可以包括施加到一侧的粘合层。粘合层被配置为将标记306粘着到另一表面，例如，墙壁、天花板、非跟踪对象等等。不要求表面是平坦或规则的。粘合层可以包括粘合凝胶、胶水、吸盘或其他粘合表面。粘合层通常被配置为可移除的并且重复地重新施加到表面上。粘合层不会遮蔽标记306的包括符号的一侧。
81.转到图4a
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4b，示出了具有支架400的校准环境。支架允许磁跟踪设备440(例如，类似于磁跟踪设备140、240和/或340)相对于标记406(类似于标记106、206和306，如先前描述的)在环境的已知区域中移动。例如，支架400允许磁跟踪设备440相对于标记406的平面运动。可以在支架400中提供多个平面p1、p2、p3、p4、p5(等等)。在每个平面处，可以定位磁跟踪设备440并且测量磁信号132。由于支架400的固定性质，磁跟踪设备440的姿态以高精度已知。可以添加或移除搁架(或其他支撑装置)以允许磁跟踪设备440相对于标记406移动。可以在平面中的每个平面处进行磁信号132的各种测量。然后，可以如先前描述地生成畸变校正模型。例如，在图4a中，磁跟踪设备440位于定位p1处。在图4b中，磁跟踪设备440位于定位p2处。平面可以被定位为靠在一起以根据需要增加畸变校正模型的分辨率。磁跟踪设备440可以在平面周围移动以在平面处捕获大量磁信号测量。
82.转到图5，示出了具有支架500的校准环境。支架包括可堆叠的层504，其可以例如在手术台上的患者身上快速地建成或拆解。支架500是便携式的并且允许磁跟踪设备502
(例如，类似于磁跟踪设备200、300)相对于发射机112在环境的已知区域中移动。例如，支架500允许磁跟踪设备502在环境中的平面运动。支架除了包括标记之外，可以以精确的尺寸形成支架，使得磁跟踪设备502沿纵向方向的绝对定位是已知的。编码器(例如，基于激光的编码器)可以用于跟踪磁跟踪设备502在平面周围移动的位置。例如，耦合到接收机(类似于接收机130、230和/或330)的计算机鼠标可以用于测量在平面上每个位置处的磁信号132。对于每个平面，磁跟踪设备502可以迭代地定位在平面上的各个点上，并且在每个点处测量磁信号132。由于支架500的固定性质，磁跟踪设备502的姿态以高精度已知。可以添加或移除搁架(或其他支撑装置)以允许磁跟踪设备502在附加维度上移动。然后，可以如先前描述地生成畸变校正模型。磁跟踪设备502可以在平面周围移动以在平面处捕获大量磁信号测量。
83.转到图6a，示出了用于利用图1
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5的磁跟踪系统和发射机组装件执行磁跟踪的过程600的流程图。过程600表示磁跟踪系统(例如，图1
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5的磁跟踪系统)如何被配置用于确定磁跟踪系统的环境中的被跟踪对象的对象姿态。
84.计算系统被配置为从磁跟踪设备接收(602)非磁信号的测量和磁信号的对应测量。非磁信号可以包括视觉信号，例如，图像或视频。计算系统基于非磁信号的测量来针对该位置估计(604)在环境中的磁跟踪设备的非磁姿态。该计算系统被配置为基于磁信号的测量来针对环境中的相同位置估计(606)在环境中的磁跟踪设备的磁姿态。在一些实现方式中，并行估计磁姿态和视觉姿态。在一些实现方式中，估计的姿态可以被保存到缓冲器以使畸变校正模型的生成流水线化。例如，计算系统确定(608)磁姿态估计与非磁姿态估计之间的差异以产生误差值。当差异被确定时，计算系统可以被配置为测量磁信号和非磁信号的下一次迭代，以估计第二磁姿态和第二非磁姿态。
85.计算系统被配置为基于姿态值的所确定的差异来确定(610)用于与环境中的特定位置进行关联的磁畸变校正值。一旦针对多个位置计算了畸变值，计算系统就可以建立或生成(612)畸变校正模型并且输出畸变校正模型的表示，该畸变校正模型可以由畸变模型、球谐函数、数学函数等形成，并且可以使用预先计算的校正来执行或者在实时评估模型时执行，该畸变校正模型包括畸变值。畸变校正模型可以存储在存储器中，使得在磁跟踪系统在环境周围移动时，可以取回畸变校正以校正由磁跟踪系统确定的磁姿态。换言之，因为针对环境中的给定位置的畸变值是已知的，所以一旦执行对象跟踪，磁跟踪系统就可以改进被跟踪对象的磁姿态估计。在跟踪期间，计算设备被配置为将被跟踪对象姿态的表示例如输出到用户接口。
86.在一些实现方式中，标记包括aruco图案、charuco图案、红外回射器、光源、超声波源、无线电信号源和发射机组装件的外形中的一个。
87.图6b示出了使用由内向外跟踪对电磁场进行畸变校正的过程620。过程620示出了函数拟合过程，其中非磁信号是磁信号的函数。例如，磁信号的x定位可以通过由磁信号的幂组成的多项式来补偿，使得其等于非磁信号。这些函数采用多种形式，例如，多项式、径向基函数、球谐函数、kriging、神经网络、样条等。函数拟合过程典型地在捕获所有信号数据后离线执行。磁信号可以在测量域(磁场)和/或跟踪(解或姿态)域中。
88.计算设备(例如，图1
‑
3的计算设备102、202或302)被配置为接收(622)非磁信号的测量和磁信号的对应测量。计算设备被配置为生成(624)将磁信号与对应的非磁信号相关
的映射函数。计算设备被配置为存储(626)在磁跟踪期间使用的映射函数。
89.图6c示出了使用由内向外跟踪对电磁场进行畸变校正的过程630。过程630示出了在仅em跟踪期间使用由过程620生成的函数的过程。接收到磁信号，并且该信号在函数中使用以生成经校正的磁信号。经校正的磁信号可以在测量域(磁场)和/或跟踪(例如，解或姿态)域中。如果经校正的磁信号在测量域中，则经校正的磁信号通过标准跟踪算法运行以生成姿态数据。
90.计算设备(例如，图1
‑
3的计算设备102、202或302)被配置为接收(632)在跟踪过程期间的磁信号的测量。计算设备被配置为将从图6b的校准过程生成的映射函数应用(634)于接收到的信号。计算设备被配置为输出(636)指示被跟踪设备的真实定位和定向的经校正的磁信号。
91.图7是示例计算机系统700的框图。图1a
‑
1b的计算设备102可以是这里描述的计算机系统700的示例。系统700可以包括处理器710、存储器720、存储设备730和输入/输出设备740。组件710、720、730和740中的每一个可以例如使用系统总线750互连。处理器710能够处理用于在系统700内执行的指令。处理器710可以是单线程处理器、多线程处理器或量子计算机。处理器710能够处理存储在存储器720或存储设备730上的指令。处理器710可以执行诸如使emt系统100确定被跟踪设备102的定位和/或定向之类的操作。
92.存储器720在系统700内存储信息。在一些实现方式中，存储器720是计算机可读介质。存储器720例如可以是易失性存储器单元或非易失性存储器单元。
93.存储设备730能够为系统700提供大容量存储。一方面，存储设备730是非暂时性计算机可读介质。存储设备730可以包括例如硬盘设备、光盘设备、固态驱动器、闪存驱动器、磁带或某种其他大容量存储设备。存储设备730可以可替代地是云存储设备，例如，包括分布在网络上并使用网络访问的多个物理存储设备的逻辑存储设备。在一些实现方式中，存储在存储器720上的信息也可以或替代地存储在存储设备730上。
94.输入/输出设备740为系统700提供输入/输出操作。在一些示例中，输入/输出设备740包括网络接口设备(例如，以太网卡)、串行通信设备(例如，rs
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232 10端口)和/或无线接口设备(例如，短距离无线通信设备、602.11卡、3g无线调制解调器或4g无线调制解调器)中的一个或多个。通常，输入/输出设备740包括被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如，键盘、打印机和显示设备)的驱动器设备。在一些实现方式中，使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。
95.系统700可以包括微控制器。微控制器是一种在单个电子封装中包含计算机系统的多个元素的设备。例如，单个电子封装可以包含处理器710、存储器720、存储设备730和输入/输出设备740。
96.尽管在图7中已经描述了示例计算机系统，但是上面描述的主题和功能操作的实现方式可以在其他类型的数字电子电路中实现，或在计算机软件、固件或硬件(包括本说明书中公开的结构及其结构等效物)中实现，或以它们中的一个或多个的组合实现。本说明书中描述的主题的实现方式可以被实现为一个或多个计算机程序产品，即，编码在有形程序载体(例如，计算机可读介质)上的计算机程序指令的一个或多个模块，以由处理系统执行或控制处理系统的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质组合物，或者它们中的一个或多个的组合。
97.术语“计算机系统”可以涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，通过示例的方式，其包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，处理系统还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。
98.计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本、可执行逻辑或代码)可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释语言，或者声明性或过程性语言)编写，并且可以以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于计算环境的其他单元)部署。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)中、存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或存储在多个协调文件(例如、存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一台计算机上执行，或者在位于一个站点或跨多个站点分布并通过通信网络互连的多台计算机上执行。
99.适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性或易失性存储器、介质和存储器设备，通过示例的方式，其包括半导体存储器设备，例如，eprom、eeprom和闪速存储器设备；磁盘，例如，内部硬盘或可移除磁盘或磁带；磁光盘；以及cd
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rom和dvd
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rom磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。系统的组件可以通过任何形式的数字数据通信的介质(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“lan”)和广域网(“wan”)，例如，互联网。
100.已经描述了多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。其他这样的实施例在以下权利要求书的范围内。