跟踪系统和要由跟踪系统跟踪的标记设备的制作方法

1.本发明涉及用于附接到医学设备的标记设备的跟踪系统、相应的标记设备、对应的医学设备、用于跟踪标记设备的跟踪方法和跟踪计算机程序。


背景技术：

2.有创的并且特别是微创的医学程序是正确评估和/或处置患者中的血管内状况的常用工具。
3.已知的是电磁地跟踪用于此类程序的医学设备，尤其是在微创医学程序中。然而，这种电磁跟踪具有以下缺点：为了不仅确定医学设备的位置，而且确定医学设备的取向，医学设备需要配备有若干电磁标记设备，其中每个标记设备适用于例如三自由度(dof)或五自由度(dof)定位。
4.此外，通常已知的电磁标记设备显著大于1mm。例如，由b.maxwell等人的文章“validation of the calypso surface beacon transponder”，journal of applied clinical medical physics,第17卷,第223-234页(2016年)中公开的由跟踪系统使用的电磁标记设备具有8mm的尺寸。
5.作为进一步的问题，电磁标记设备通常不能从例如大于30cm的相对大的距离读出。例如，由b.maxwell等人在上面提到的文章中公开的系统允许从约16cm的距离读出标记设备。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供用于跟踪标记设备的改进的跟踪系统和改进的标记设备、相应的医学设备、跟踪方法和计算机程序。更具体地，本发明的目的是提供一种尺寸小并且能够准确地指示在人类(特别是对其执行微创程序的患者)的手术期间使用的医学设备的位置的标记设备。本发明的另一个目的是提供一种能够准确地跟踪这样的标记设备的跟踪系统。
7.根据本发明的第一方面，提供了一种用于跟踪标记设备的跟踪系统，所述标记设备被附接到医学设备，并且所述跟踪系统用于在外科手术中使用。所述标记设备包括感测单元，所述感测单元包括提供永久磁矩的磁性物体，其中所述感测单元被配置为将外部磁激励场或电磁激励场转换为所述磁性物体的机械振荡。所述跟踪系统包括：场发生器，其用于生成预定的磁激励场或电磁激励场，所述预定的磁激励场或电磁激励场用于引起所述磁性物体的机械振荡；换能器，其用于将由引起的所述磁性物体的机械振荡生成的磁场或电磁场转换成一个或多个电响应信号；位置确定单元，其用于基于所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的位置。
8.因此，提供了一种可以用于使用附接到医学设备的相应标记设备来跟踪医学设备的位置和/或取向的跟踪系统。该跟踪系统可以特别地用于在手术期间(甚至更特别地在微创手术期间)跟踪医学设备的位置和/或取向，以便允许使用相当小尺寸的标记设备对医学
设备进行准确的位置和/或取向确定。
9.为此目的，跟踪系统使用包括具有永久磁矩的磁性物体的感测单元的标记设备。如果标记设备的感测单元然后经受预定的外部磁激励场或电磁激励场，则磁性物体响应于激励场而开始振荡。磁性物体的机械振荡生成磁或电磁(响应)场，所述磁或电磁(响应)场然后由相应的换能器转换成一个或多个电响应信号。然后这些响应信号被用于导出标记设备的位置。更具体地，所述磁性物体的机械振荡通常可以生成位置相关的磁场变化，所述位置相关的磁场变化可以用所述响应信号来表示并且由所述位置确定单元用于确定所述标记设备的位置，并且因此确定所述标记设备被附接到的所述医学设备的位置。
10.在此背景下，术语医学设备可以特别地指代用于医疗程序的设备。在一些实施例中，医学设备可以特别地对应于在手术(特别是微创手术)期间使用的设备。在一些实施例中，医学设备可以指代用于对人类(特别是患者)执行的介入程序的介入工具。
11.一般来说，如本文中所提出的使用跟踪系统和标记设备的位置确定方法可以用于执行位置确定/定位对其有益的任何医学设备。因此，在一些实施例中，术语医学设备也可以用于定位可能有用的任何其他医学设备。作为示例，应当提及绷带或贴片。对于这些情况，出于安全原因，例如在手术之后，跟踪这些类型的绷带或贴片的位置和/或取向可能是重要的，以便确保所有物品都已经被适当地放置或移除(在需要的情况下)。
12.术语标记设备可以特定地用于指代能够指示标记设备所附接到的物体的位置和/或取向的任何设备。具体地，术语标记设备可以指代包括磁敏感测单元的设备，即包括通过执行相应的机械振荡(特别是旋转振荡)来对磁激励场或电磁激励场作出响应的磁性物体的感测单元。跟踪系统使用这些机械振荡来生成用于导出标记设备的位置(和取向)的电响应信号。
13.术语场发生器可以特定地指代磁激励场或电磁激励场的发生器。在一些实施例中，场发生器可以包括磁场生成阵列，所述磁场生成阵列包括多个生成单元。在一些实施例中，这些生成单元可以特别地对应于以线圈阵列的方式布置的相应线圈。在一些实施例中，所述线圈中的每个线圈可以被独立地控制。在一些实施例中，这样的独立控制可以用于提供非均匀的磁激励场或电磁激励场，理想地在场的工作空间内具有恒定的场梯度。
14.通常，本概念基于以下事实：磁性物体对磁激励场或电磁激励场的响应(根据机械振荡测量)可以提供关于包括感测单元的标记设备的位置和/或取向的信息，所述感测单元包括磁性物体。这种情况是因为磁激励场或电磁激励场可以根据磁性物体与磁激励场或电磁激励场之间的相对位置而不同地影响磁性物体。
15.可以使用不同的可能方法来基于机械振荡器对磁激励场或电磁激励场的响应来确定标记设备并且由此标记设备被附接到的医学设备的位置，即执行其定位。在此背景下，可以使用两种特定的位置确定方法，也称为定位方法。一种方法将是基于线圈阵列中的不同线圈的线圈灵敏度来执行位置确定。该方法基于以下事实：场发生器的线圈阵列中的每个线圈基于其在跟踪系统中的位置和取向而具有不同的空间灵敏度分布b
s,i
(r)。在该情况下，感测单元的磁性物体将对每个线圈的特征机械振荡反应，特别是对通过机械物体相对于b
s,i
(r)的动态偶极矩确定的特征幅值反应。
16.另一种方法将基于梯度场编码。该方法利用以下事实：标记设备的频率可以被操纵为给出独立位置信息。为此目的，可以例如通过将低频电流应用到线圈阵列中的线圈中
的选定线圈来生成理想地在工作空间内具有恒定场梯度的非均匀磁场。这种非均匀场可以例如通过提供上面提到的对线圈的独立控制来实现。
17.该附加场改变作用在感测单元的磁性物体上的恢复场b
rest
，并且因此改变振荡的频率。由于磁场或电磁场的非均匀性质，所述频率变化将取决于标记设备的位置和取向。
18.在下文中将进一步讨论这些定位方法的细节。在一些实施例中，一种这样的方法可能是足够的，而在其他实施例中，两种方法的组合可以用于提高准确性或识别可能导致两种方法之间的矛盾结果的系统误差(例如，工作空间中的强铁磁体)。
19.在一些实施例中，所述位置确定单元可以适于基于所述一个或更多个电响应信号来确定针对所述标记设备相对于由所述跟踪系统提供的坐标系的至少五个自由度，所述至少五个自由度包括所述标记设备相对于所述跟踪设备的位置和至少两个取向角度。
20.在一些实施例中，跟踪系统可以定义或被提供有坐标系，并且标记设备可以相对于所述坐标系被定位。出于此目的，所述位置确定单元可以适于基于所述一个或多个响应信号来确定所述标记设备的至少五个自由度(dof)。这五个自由度可以允许确定标记设备相对于跟踪系统的坐标系的位置以及取向(就两个取向角度而言)。因此，借助于该布置，变得能够仅使用一个标记设备来确定标记设备的位置和取向，并且因此确定标记设备被附接到的医学设备的位置和取向。
21.根据一些实施例，所述跟踪系统可以适于确定多个标记设备的位置，所述多个标记设备中的每个包括相应的感测单元。所述相应的感测单元的所述磁性物体可以以不同的谐振频率可振荡，特别是可旋转地振荡，以便生成不同磁场或电磁场，以被转换为特定于所述相应标记设备的相应的一个或多个电响应信号。所述位置确定单元然后可以被提供用于基于所述相应的一个或多个电响应信号来确定所述多个标记设备中的一个或多个标记设备的所述位置。
22.优选地，所述跟踪系统适于确定若干标记设备的位置，其中，所述若干标记设备的磁性物体可以不同谐振频率可振荡，优选地可旋转振荡，使得不同标记设备的感应信号具有不同频率，其中，所述位置确定单元适于基于具有所述不同频率的所生成的感应信号来确定所述标记设备的位置。所述位置确定单元优选地还适于基于所生成的具有不同频率的感应信号来确定所述标记设备的取向。通过使用具有不同谐振频率的不同标记设备，可以在不同标记设备之间进行区分，并且可以针对每个标记设备确定相应的位置并且优选地还确定相应的取向。
23.所述若干标记设备可以被附接到单个医学设备，其中所述位置确定单元可以适于基于所述若干标记设备的所确定的位置来确定所述医学设备的形状和/或位置和/或取向。此外，所述位置确定单元可以适于基于针对所述若干标记设备确定的取向来确定所述医学设备的形状和/或位置和/或取向。虽然标记设备可移特定地用于确定医学设备的形状和/或位置和/或取向，但应理解，标记设备还可以用于确定多个标记设备附接到其上的其他元件(例如身体组织等)的形状和/或位置和/或取向。在一些实施例中，所述多个标记设备还可以分布于用于治疗组织的医学设备与相应组织之间以收集关于两个元件和/或两个元件彼此的关系的信息。
24.在实施例中，所述位置确定单元适于相对于另一标记设备的位置确定一个特定标记设备的位置。而且，可以相对于另一标记设备的取向来确定所述标记设备的取向。然而，
也可以相对于另一参考来确定位置以及任选地还有取向。为此，跟踪系统还可以被提供有用于输出标记设备的所确定的位置和/或取向的相应输出单元。
25.在一些实施例中，所述跟踪系统位置确定单元可以被配置为补偿所述一个或多个电信号对温度的依赖性。在一些实施例中，所述位置确定单元可以被配置为应用补偿算法，以便执行这样的补偿。
26.在优选的实施例中，跟踪系统并且特别是位置确定单元可以被配置为补偿一个或多个电信号对温度的依赖性。为此目的，优选地通过实验或通过相应的计算来确定磁性物体的温度依赖性行为，即其谐振频率的温度依赖性。
27.在一些实施例中，跟踪系统然后可以被提供有温度传感器和/或用于输入温度的输入器件。然后可以提供一种考虑输入温度并将它与磁性物体的谐振频率的已知相关性相关联以便补偿温度相关性的算法。这允许从电信号中去除温度影响，从而得到更准确的位置确定/定位方法。也就是说，在一些实施例中，温度补偿可以借助于补偿算法来执行，即以程序代码的方式被实施。
28.替代地或额外地，还可以通过不同的手段(诸如物理补偿元件)获得温度补偿。也就是说，在一些实施例中，标记设备本身(并且更特别地感测单元)可以能够补偿磁性物体的机械振荡的谐振频率对温度的依赖性。为此目的，感测单元可以包括补偿元件，所述补偿元件适于根据温度变化在第一频率方向上修改谐振频率，所述第一频率方向与第二频率方向相反，在补偿元件不是感测单元的一部分的情况下，感测单元的谐振频率将根据温度变化在所述第二频率方向上被修改。这种布置允许减少或甚至消除温度引起的谐振频率的偏移。因此，分别地，第一频率方向可以特别地对应于朝向更高或更低频率的方向，并且相反的第二频率方向可以对应于朝向更低或更高频率的方向。
29.优选地，补偿元件包括磁性材料，所述磁性材料随温度改变其磁化强度并且由此改变谐振频率，其中磁性材料被选择并布置在感测单元内，特别是被布置在感测单元的壳体内，使得谐振频率的修改的方向是第一频率方向。补偿磁性材料优选地被布置为与所述磁性物体相邻和/或与另外的磁性物体相邻，如下文所述。这允许设计标记设备，使得可以用技术上相对简单的方式显著减少或甚至消除不想要的温度依赖性，并且不需要壳体内的太多空间。
30.在一些实施例中，所述位置确定单元可以被配置为应用补偿算法以便补偿以下中的一个或多个：静态背景场、以及动态背景场。
31.在一些实施例中，所述位置确定单元还可以应用补偿算法以补偿静态和/或动态背景场。静态背景场添加到固定的磁性物体的场，并且因此调制由振荡磁性物体看到的恢复场b
rest
。因此，所得到的谐振频率被改变，这可能是使用振荡磁性物体的频率变化来执行位置确定的误差源。
32.在一些实施例中，补偿可以由被实施在跟踪系统中的相应算法执行，并且特别地由位置确定单元应用。为此目的，跟踪系统可以被提供有适于测量静态背景场的幅值和取向的一个或多个绝对场传感器。基于标记设备的取向，可以计算频率或场修正以达到正确的位置和/或取向值。
33.为了感测静态背景场，可以使用可以集成在跟踪系统中的具有足够灵敏度和占用面积的任何磁场传感器。作为示例，应当提及3轴霍尔传感器。替代地或额外地，可以使用具
有明确定义的零场频率的温度补偿微机器人的3轴阵列。根据到其相应频率的变化，可以确定背景场的幅值和取向。理想地，其谐振频率被选择为使得它们不干扰感测单元的频率。
34.代替在评估中修正频移，还可以使用多线圈跟踪系统的线圈来生成小偏移场以平衡背景场和/或甚至地球磁场。如果由于铁磁材料的存在而在视场中存在不均匀场，则可以采用若干组3轴磁场传感器来表征空间场变化。基于从这些测量导出的内插背景场图，可以计算针对在已知位置和取向处的感测单元的修正，或可以应用相应的修正偏移场，或者使用两种修正方法的混合。
35.根据一些实施例，还可以减轻标记设备侧上的静态和/或动态背景场效应。在这种情况下，标记设备的感测单元可以被设计为例如采用具有相同磁偶极矩和惯性矩(或两个量的合适比率)的两个悬置球体。由于反向振荡发生在单个频率下，因此消除了静态偏置场(如地球磁场)的一阶效应。
36.在一些实施例中，所述位置确定单元可以被配置为应用补偿算法，以便补偿由所述机械振荡的不同振荡幅值引起的非线性。
37.位置确定单元可以被配置为补偿可能由感测单元的磁性物体的机械振荡的不同振荡幅值引起的系统中的非线性。在一些实施例中，这可以特别地包括另外的任选的数据处理步骤，在所述数据处理步骤中，应用逆非线性滤波器以减少跟踪系统的非线性。由此，测量跟踪系统的非线性，并且计算滤波器被构造为逆转非线性的影响。如果使用低成本部件，这是特别有用的，因为它们倾向于具有更多的非线性行为。
38.替代地，非线性滤波可以用作第一处理步骤。如果使用多于一个信号，则存在另外的信号处理步骤。如果至少一个接收信道没有检测到来自标记设备的感测单元的响应并且因此提供对背景信号的测量，则该信号(以及所有其他这样的信号)与接收到的信号相关，并且从信号承载信道中减去相关的分量。该减法可以在时域或频域或两者的混合中进行。如果不存在没有任何传感器信号的信道，则可以使用有时称为“虚拟梯度计”的数据处理策略。这将为物理信道的线性组合的虚拟信道中的多个信道分解，以最小化不是由感测生成的响应信号的干扰。可以通过将不包括一个或多个感测单元的信号频带的信道的信号相关联来找到线性组合的因子。
39.在一些实施例中，所述场发生器可以包括磁场生成阵列，所述磁场生成阵列包括以预定空间布置的方式布置的多个生成单元。这里，所述一个或多个电响应信号可以指示由所述多个生成单元中的每个引起的所述感测单元的所述磁性物体的特征机械振荡，其中，所述位置确定单元适于至少部分地基于指示所述特征机械振荡的所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的所述位置。在一些实施例中，所述位置确定单元适于根据所述一个或多个电响应信号来确定所述多个生成单元中的每个生成单元的所述磁性物体的所述特征机械振荡的幅值。
40.在一些实施例中，所述场发生器可以包括在空间上以磁场生成阵列的方式布置的多个生成单元。在一些实施例中，这种空间布置可以是二维的。然而，也可以设想三维空间布置。在一些实施例中，磁场生成阵列可以对应于线圈阵列，并且生成单元可以对应于一个或多个线圈。在这种情况下，可以至少部分地基于线圈阵列中的个体线圈的线圈灵敏度来执行位置估计/定位。该方法将在下面进一步详细描述。
41.在一些实施例中，所述跟踪系统还可以包括控制单元，并且所述场发生器包括磁
场生成阵列或所述磁场生成阵列，所述磁场生成阵列包括以预定空间布置的方式布置的多个生成单元，其中所述多个生成单元中的每个生成单元适于由所述控制单元独立于所述多个生成单元中的其余生成单元来控制，所述控制单元适于控制所述生成单元中的至少一些生成单元，使得所述磁激励场或电磁激励场的至少一个空间激励场分量可通过所述控制来修改，其中，所述位置确定单元适于至少部分地基于指示所述至少一个空间激励场分量的所述修改的所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的所述位置。在一些实施例中，所述场发生器适于顺序地生成在空间和/或时间上变化的一组不同的额外磁编码场或电磁编码场，其中所述位置确定单元适于至少部分地基于由所述换能器基于磁场或电磁场而转换的所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的所述位置，所述磁场或电磁场由引起的所述磁性物体的机械振荡响应于所述一组不同的额外磁编码场或电磁编码场中的每个而生成。
42.还可以基于梯度场编码来执行定位。当线圈灵敏度定位基于由线圈阵列拾取的幅值分布时，可以操纵标记的频率以给出独立的位置信息。为此，例如通过将低频电流应用到线圈阵列的选定线圈来生成在工作空间内理想地具有恒定场梯度的非均匀磁场。
43.该附加场改变作用在振荡磁性物体上的恢复场b
rest
并因此改变其频率。由于场的非均匀性质，频率变化将取决于标记的位置和取向。通过顺序地应用若干编码场(例如，在6个不同取向上应用的场梯度)，可以确定标记的所有三个位置并且确定三个取向参数中的两个。其余角度可以根据传感器对外部磁场的高阶响应来延迟，然而，以生成足够的高阶贡献所需的更高场强为代价。基本编码思想涉及mri中的梯度编码；因此，可以进行频率编码和相位编码两者。
44.对于频率编码，在信号读出期间应用非均匀场以产生期望的频移。对于期望的空间分辨率，应用的编码场强必须适合于标记设备的频率灵敏度和跟踪系统传递的频率分辨率。
45.对于相位编码，在信号读出之前应用非均匀编码场，即位置相关频移仅在短的窗口被应用，在该短窗口期间，位置相关信号相位偏移累积。在相位分辨率针对精确的位置确定/定位不足够的情况下，可以在顺序激励中改变相位编码脉冲的持续时间和/或幅值，使得可以辨别相位增量(大于2pi)的模糊度。因此，在几次读出的过程中获得完整的空间信息。
46.利用一个非均匀场图案的相位编码(例如，对一个空间轴进行编码)可以与利用另一非均匀场图案的频率编码(例如，对正交空间轴进行编码)组合以便进行有效定位。如果根据灵敏度编码方法(其由于其并行性质而更快)已经知道粗略的标记位置，则仅使用提供缺失的高分辨率(高空间频率)分量而不是完整的空间信息的几个相位编码步骤就足够了。
47.如该描述中所描述的，对利用梯度编码与灵敏度编码获得的定位结果的比较可以用于识别例如由背景场引起的系统误差。此外，应当注意，可以抑制对采用例如两个悬浮磁性球体作为磁性物体的感测单元的低频外部场的线性响应；在这种情况下，频率的高阶响应不仅可以用于定位，而且可以用于健全性检查。然而，这些振荡器的场灵敏度低得多，使得将需要更高的梯度场用于梯度场编码。
48.在另一个方面中，提供了一种用于被附接到医学设备的标记设备。所述标记设备包括壳体和感测单元，所述感测单元包括提供永久磁矩的磁性物体。所述感测单元被配置
为将外部磁激励场或电磁激励场转换成所述磁性物体的机械振荡，其中，引起的机械振荡独立于所述感测单元经受的外部压力。在一些实施例中，所述壳体特别地可以是硬壳体。在一些实施例中，所述标记设备可以具有细长形状，所述细长形状具有小于或等于5mm的最大尺寸和小于或等于1mm的最小尺寸。在一些实施例中，所述磁性物体可以被布置在所述壳体内，以便在所述外部磁激励场或电磁激励场作用在所述磁性物体上的情况下，所述磁性物体可旋转离开平衡取向。这里，所述感测单元还可以包括恢复转矩单元，所述恢复转矩单元用于在所述外部磁激励场或电磁激励场已经使所述磁性物体旋转离开所述平衡取向以便允许所述磁性物体以谐振频率进行机械振荡的情况下提供恢复转矩以使所述磁性物体返回到所述平衡取向。
49.根据另一方面，提供了一种标记设备，其允许确定所述标记设备可以被附接到的医学设备的位置和/或取向。感测单元允许将由场发生器生成的外部磁激励场或电磁激励场转换成被提供在感测单元中并具有永久磁矩的磁性物体的机械振荡，优选地旋转振荡。
50.包括磁性物体的感测单元可以特别地包括壳体或被提供在壳体内部。具体地，磁性物体可以被布置在壳体内。这里，磁性物体可以特别地布置在壳体内，使得它可以通过作用在磁性物体上的外部磁转矩而旋转离开平衡取向。外部磁转矩可以是作用在磁性物体上的外部磁场或电磁场的结果。也就是说，在一些实施例中，磁性物体通过外部磁场或电磁场旋转离开其平衡位置。
51.感测单元还可以包括用于在外部磁场或电磁场已经使磁性物体旋转离开平衡取向的情况下提供重新恢复转矩以迫使磁性物体回到平衡取向的恢复转矩单元。这导致由来自外部磁场或电磁场的外部磁转矩激励的磁性物体的旋转振荡。旋转振荡由此由磁性物体以相应的谐振频率执行，所述谐振频率取决于感测单元(并且因此标记设备)在外部磁场或电磁场中的空间位置和取向。然后可以将由磁性物体的机械旋转振荡生成的所得磁场或电磁场转换成相应的一个或多个响应信号。由此，这些响应信号取决于振荡的谐振频率。
52.在一些实施例中，旋转振荡可以特别地最终导致相应的感应信号，其中，这些感应信号取决于标记设备在外部磁场或电磁场中的空间位置和取向。这些感应信号可以特别地在跟踪系统的激励和感应信号单元中生成。特别地，激励和感应信号单元可以包括i)第一线圈，其适于生成提供磁场，所述磁场用于使跟踪设备的磁性物体旋转离开其平衡取向的磁转矩，并且从而激励磁性物体的旋转振荡，以及ii)第二线圈，其适于生成取决于标记设备的空间位置和取向的感应信号。这允许确定标记设备的位置和取向，即六个自由度，使得可以通过仅使用单个标记设备来确定配备有该标记设备的医学设备的位置和取向。
53.另外，该布置允许跟踪系统基于标记设备从例如大于30cm的相对大的距离执行跟踪。此外，标记设备可以是相对小的，例如小于1mm。为此目的，在一些实施例中，标记设备的壳体可以是圆柱形的，并且圆柱的外径小于1mm，进一步优选地小于0.5mm，并且更进一步优选地小于0.3mm。
54.优选地，磁性物体可围绕中心地穿过磁性物体的虚拟旋转轴线旋转，其中，磁性物体相对于虚拟旋转轴线旋转对称。特别地，磁性物体可以是磁性球体或磁性圆柱体。此外，恢复扭矩单元可以包括用于提供恢复扭矩的扭转弹簧机构。额外地地或替代地，所述恢复扭矩单元还可以包括用于提供恢复扭矩的另一磁性物体。
55.在实施例中，所述磁性物体被附接到附接部分(诸如细丝)的一端，其中，所述附接
部分的另一端被附接到壳体。附接部分可以适于防止磁性物体由于其磁性吸引而触碰实现恢复扭矩单元的另一磁性物体，并且允许磁性物体旋转振荡。另一磁性物体优选地静止地或固定地附接到壳体。然而，另一磁性物体也可以被布置在壳体内，使得它可相对于壳体旋转振荡。特别地，另一磁性物体也可以附接到另一附接部分(诸如细丝)的一端，其中，附接部分的另一端可以附接到壳体。
56.在优选的实施例中，所述另一磁性物体可围绕中心地穿过所述另一磁性物体的虚拟旋转轴线旋转，其中，所述另一磁性物体关于所述虚拟旋转轴线旋转对称。所述另一磁性物体也可以是磁性球体或磁性圆柱体。此外，所述磁性物体与所述另一磁性物体的虚拟轴优选地彼此对齐。
57.这些技术允许提供恢复扭矩并因此提供磁性物体的旋转振荡，使得整个标记设备可以是相对小的，标记设备的谐振频率可以根据需要提供，并且标记设备的构造仍然可以是相对简单的。
58.现在，为了执行位置确定，磁性物体的所得机械旋转振荡必须独立于感测单元所经受的任何外部压力。作为示例，如果标记设备用于跟踪在有创程序中使用的医学设备，则标记设备内部的磁性物体的振荡不应当受从外部作用在医学仪器上的任何压力(诸如血压或循环压力等)影响。
59.为此目的，标记设备被提供有壳体，感测单元位于所述壳体中，其中，该壳体可以具有一个或多个硬壁，并且特别地可以是硬壳体，即具有在外部压力作用在其上的情况下不改变其形状的壁的壳体。这意味着，由于壁不响应于外部压力而弯曲，因此磁性物体在壳体内部的定位在很大程度上保持不受外部压力影响。这继而导致磁性物体与也被提供在壳体中的恢复扭矩单元之间的距离保持相同，独立于从外部作用在感测单元上的压力。因此，作用在磁性物体和恢复扭矩单元之间的磁力不会由于壳体的任何壁的压力引起的弯曲引起的距离变化而变化，并且因此，独立于作用在感测单元上的任何外部压力。因此，由作用在磁性物体上的外部磁场或电磁场引起的旋转振荡的谐振频率也不受任何距离变化影响。这意味着任何谐振频率变化主要受感测单元并且因此标记设备在外部磁场或电磁场中的位置和取向影响。因此，感测单元可以用于标记设备并且因此标记设备附接到的任何医学设备的位置确定/定位。
60.借助于位于(硬)壳体中的这种磁性物体，可以提供小的标记设备，其可以具有甚至低于1mm的相当小的尺寸。这使得标记设备特别适合于在用于在微创手术期间跟踪医学设备的跟踪系统中使用。
61.根据又一方面，提供了一种用于在手术期间使用的医学设备，所述医学设备具有附接到其上的如先前描述的标记设备。所述标记设备将由如先前描述的跟踪系统跟踪。在一些实施例中，所述医学设备包括端部，所述端部诸如适于使所述标记设备附接到其上。在一些实施例中，所述医学设备可以包括介入设备或植入物中的一种或多种，特别是电植入物和/或矫形植入物。在一些实施例中，所述医学设备可以特别地包括以下中的一种或多种：手术仪器、成像探头、内窥镜、支气管镜或可摄取药丸。替代地或额外地，所述医学设备可以包括以下中的一种或多种导管、线(特别是导丝)、支架、一个或多个动脉瘤线圈、一个或多个腔静脉过滤器、心脏瓣膜、分流器、针、线、管、管心针或放射性种子。在一些实施例中，所述医学设备可以具有纵向形状。所述医学设备可以适于具有附接到其上的如本文描
述的多个标记设备，其中所述多个标记设备可以沿着所述医学设备的纵向轴线布置。
62.根据另一方面，提供了一种用于跟踪如先前描述的标记设备的跟踪方法，所述标记设备使用如所描述的跟踪系统而被附接到如上文所描述的医学设备。所述跟踪系统可以特别地在手术期间使用。所述跟踪方法包括：生成用于引起感测单元的磁性物体的机械振荡的磁激励场或电磁激励场，将由感测单元的磁性物体的感应机械振荡生成的磁场或电磁场转换成一个或多个电响应信号，基于所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的位置。在又一方面中，一种包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在控制如先前指定的跟踪系统的计算机上运行时，所述程序代码模块用于使所述跟踪系统执行上述跟踪方法的步骤。
附图说明
63.在以下附图中：
64.图1示意性地且示例性地示出了根据第一实施例的标记设备的实施例，
65.图2示意性地且示例性地示出了附接到医学仪器的标记设备，
66.图3显示了根据图2的标记设备和医学设备的不同透视图；
67.图4示意性地且示例性地示出了用于跟踪医学设备的跟踪系统中的标记设备的另一实施方式，
68.图5a和5b示意性地且示例性地示出了标记设备在用于跟踪医学设备的跟踪系统中的标记设备的另一实施方式，
69.图6示意性地且示例性地示出了用于确定肿瘤位置的标记设备和跟踪系统的实施方式，
70.图7示意性地且示例性地示出了用于确定患者组织中的感兴趣区域的位置和/或取向和/或形状的多个标记设备和跟踪系统的实施方式，
71.图8示意性地且示例性地示出了与标记设备被附接到的用于处置脑动脉瘤的线相对应的医学设备的实施例，
72.图9示意性地且示例性地示出了与标记设备被附接到的肝分流设备相对应的医学设备的实施例，所述肝分流设备，
73.图10示意性地且示例性地示出了具有温度补偿的标记设备的实施例，
74.图11和12示意性地且示例性地示出了根据本发明实施例的用于跟踪标记设备的跟踪系统，
75.图13示意性地且示例性地示出了激励脉冲和生成的感应电压，
76.图14示意性地且示例性地示出了集成在成像系统的病床的床垫中的多线圈阵列，
77.图15示意性地且示例性地示出了用于检测由机械振荡引起的磁场或电磁场变化的跟踪系统的接收线圈，
78.图16示出了用于确定谐振频率的频谱，
79.图17示意性地且示例性地示出了模拟接收滤波器，
80.图18示例性地图示了chebyshev ii型带通频率响应，
81.图19示出了不同谐波中的信号幅值对传感器相对于单个发射-接收线圈的取向的测量的依赖性，并且
82.图20示意性地且示例性地示出了标记设备的另一实施例。
具体实施方式
83.图1示意性地且示例性地示出了标记设备501的实施例，所述标记设备501用于被附接到医学设备以用于由在手术(特别是对人(特别是患者)的微创手术)期间使用的跟踪系统而被跟踪。标记设备501包括具有两个磁性物体507、508的感测单元。
84.磁性物体508悬置在诸如细丝的附接部分506上，并且因此可以自由地执行围绕感测单元的主轴线的旋转运动。在该实施例中，另一磁性物体507是固定的。然而，在另一个实施例中，另一磁性元件也可以悬置在诸如细丝的附接部分上，并且因此可以自由地执行围绕感测单元的主轴线的旋转运动。
85.在平衡时，磁性物体507、508分别以它们的磁化的反平行取向对齐。外部磁场脉冲可以用于启动谐振旋转振荡。吸引力决定了振荡的谐振频率，对于球形悬浮磁体，所述频率由下式给出：
[0086][0087]
其中，ms是磁性材料的饱和磁化强度，ρ是其密度，r是球体直径，并且b是由固定磁性物体生成的磁场。它可以近似为偶极场：
[0088][0089]
其中，m是磁性物体的磁矩。
[0090]
由振荡磁性物体508生成的磁场变化可以经由在换能器的一个或若干个检测线圈中的感应电压来检测，所述换能器被配置为将由感测单元的磁性物体508的机械振荡生成的磁场或电磁场单元转换成电响应信号。可以对检测到的信号的时间迹线进行傅里叶变换以获得使得能够确定谐振频率的频谱。
[0091]
由于几khz的低谐振频率，磁场不受金属屏蔽，并且因此所有非铁磁性金属都可以用作结构或涂层材料。类似地，只要金属厚度不明显超过趋肤深度，标记设备可以被放置在非铁磁性金属物体中而不影响其操作。在这些频率下，对于像铜这样的非常好的导体，趋肤深度约为1毫米，而对于镍钛诺，趋肤深度约为10毫米。
[0092]
感测单元501因此包含两个磁性物体507、508，其中，在平衡时，磁性物体507、508以反平行的磁化对齐。由相应的场发生器提供的外部场脉冲可以用于启动悬浮磁性物体508(在图1的实施例中，其对应于磁性球体)围绕感测单元的主轴线的旋转振荡，其中，另一个磁性物体507(在该特定实施例中，也实施为磁性球体)是固定的。如果在另一实施例中，另一个磁性物体507也悬置在自由空间中并且可以执行旋转振荡，则两个磁性物体507、508都可以执行谐振反向振荡。
[0093]
使用磁机械振荡器来确定标记设备相对于跟踪系统的位置和/或取向是已知的。此外，使用lc振荡器来执行这样的位置估计的是已知的。例如在b.maxwell等人的文章“validation of the calypso surface beacon transponder”journal of applied clinical medical physics,第17卷,第223-234页(2016年)中示出了包括感测单元的标记设备。然而，其中所示的标记设备通常具有8mm的尺寸。提供更小尺寸的标记设备将是有益的。遗憾的是，随着标记设备的尺寸减小，测量的准确性也降低。因此，使用上述标记设备的
位置确定测量是不理想的，特别是对于小尺寸标记设备。
[0094]
也就是说，随着尺寸的减小，在振荡器处可以生成的功率水平和由功率减弱生成的动态偶极矩减小。这可以从以下公式中看出。谐振器的品质因子不能高于线圈的品质因子。线圈的品质因子的近似值可以写为：
[0095][0096]
其中ω是频率，μo是真空磁导率，ρ是电阻率，τ是由包括导体的半径的分数，并且r是线圈的半径。线圈被假设为是圆柱形的，具有与高度相匹配的直径。对于1mm直径的铜线圈，在100khz下，实现约为1的品质因子。因此，通常，在机械谐振中可实现的最大可能品质因子对于有效操作来说太低了。存在可以在振荡中提供高品质因子的一些材料，如熔融石英。这些材料通常非常坚硬，并且不允许针对足够高的振荡幅值(足够高的角度)是有效率的，即生成足够大的场变化。这可能导致需要相当高的信噪比，这进而导致需要大量的磁性材料，其使得传感器变大。
[0097]
上述公式高估了实际可实现的q值，因为它假设所有体积都填充有传导材料并且忽略邻近效应和趋肤效应以及电容器中的损耗。尽管如此，这些值导致工作的系统。由于例如lc振荡器的动态偶极矩是q乘以外部磁场乘以体积，信号与r5成比例，而在机械振荡器(能量以弹性的方式储存)的情况下，信号与r3成比例，并且在所描述的实施例的情况下，例如参考图1(磁机械振荡器，能量储存在磁场中)，信号与r2成比例，因为频率与线性尺寸成反比。因此，这里提出的建议非常适合传感器小型化。
[0098]
因此，通过例如图1中提出的设计避免了上述问题。由于能量主要存储在磁场中，因此获得高品质因子是相对容易的。高振荡幅值也是容易可能的。通常，感测单元也可以采用不经受强烈磨损的附接部分，诸如薄细丝。因此，可以通过磁体相对于彼此的机械移动来改变磁场而容易地改变谐振。然后可以使用该变化来确定感测单元相对于由跟踪系统提供的坐标系的位置，如下面进一步讨论的。
[0099]
在具有固定球体的实施例中，固定球体可以具有620μm的直径，而振荡球体108可以具有500μm的直径。振荡球体108的磁矩可以为m≈70μa m2，基频可以为f0≈2khz，并且品质因子可以约为q≈500。snr取决于a)用于读出谐振频率的线圈与b)感测设备之间的距离以及线圈参数。对于具有直径10cm、200个绕组和10ohm的电阻的手持式线圈，在约30cm的距离和0.1s的采样持续时间下理论上可实现的snr约为4000。然而，如果几乎没有实施用于背景信号抑制的措施，则具有固定球体的展示器的典型snr值可以在10和100之间。因此，噪声主要由主电源谐波的波动决定。对于一半的球体直径，即，例如250μm的振荡球体，磁矩可以为m≈9μam2，基频可以为f0≈4khz，品质因子可以保持不变，并且理论信噪比可以下降到约1000。
[0100]
存在如何将附接部分附接到可旋转磁性物体508的若干种方式。
[0101]
例如，可以使用通孔附接。在这种情况下，通过重心并大致垂直于磁化方向钻孔。尽管磁体材料又硬又脆，但存在若干种钻孔方法，如脉冲激光或放电加工(edm)。线行进通过孔并且被胶合在适当的位置。最好使用真空抽吸过程完成行进。可以使用若干种胶合剂类型。经济的是光固化胶。它们应当具有低粘度，以便仅通过毛细力与线一起填充孔。额外地或替代地，附接部分可以通过机械手段(例如通过在线中具有结或线中具有某些其他厚的部分(如胶滴或热生成(熔化)珠体))被固定到磁性物体508。后者特别容易用uhmwpe纤维
制成。这种附接方法仅将磁偶极矩减少了一小部分，并且因此保持了良好的信号。磁性物体的形状没有太大改变，这在球体的情况下会是重要的。
[0102]
也可以使用夹持附接。在这种情况下，磁性物体被分成至少两个部件。优选地，生成与磁化正交且平行于线附接方向的分割平面。线(即细丝)放置在该平面上。精确对齐不是必要的。第二磁性部分被放置在顶部上。磁性部件通常通过磁力保持在一起。最后，应用胶合剂来将所有物体固定在适当位置。优选的胶合剂类型与通孔附接工艺中的相同。此外，可以在磁性物体中的一者或两者中研磨凹槽以减小磁性物体之间的整体间隙。该方法产生几乎与通孔方法一样好的结果，但不需要特殊的制造设备。通常，磁性子物体不是通过分割单个完整的磁性物体而是通过研磨两个(相同的)磁性物体来制作。不利的一面是，由于使用了两个初始物体，因此该过程更加浪费，并且它还可能有些更加劳动密集。
[0103]
最便宜的方法是使用合适的胶合剂将线直接附接到磁性物体508的顶部。磁性物体508在某种工具中被保持和对齐。两种功能都可以通过合适的磁场来实现。该工具可以是漏斗形状的，具有行进通过该漏斗的线，并且磁性物体通过磁力而被附接到该漏斗开口。胶合剂被应用于漏斗中并且被固化。然后从工具中取出组件并切割线的多余部分。这种方法可以是非常便宜的，并且使用磁性物体来充分扩展。缺点是添加了大量材料，降低了振荡频率，并且在完成的设备中需要空间。
[0104]
在进一步的实施例中，可以使用附接并且附加胶合的结构。可以通过首先将线附接到非磁性物体并且然后将非磁性物体胶合到磁性物体来将线附接到磁性物体508。非磁性物体可以通过注塑成型或等效的廉价工艺制造。非磁性物体的形状应当允许简单的线附接，即它可以具有孔或夹持机构，甚至可以像凹口一样简单。然后将非磁性物体胶粘到磁性物体。替代地，它可以被夹持或旋拧到磁性物体。该方法是简单且便宜的，但对于某些应用来说可能需要太多的额外空间。
[0105]
原则上，针对线-磁性物体附接所讨论的所有方法都以相同的方式应用于线-壳体连接。然而，由于壳体材料通常更易于操作，因此槽孔法可能是不错的选择。夹持也是好的选项。这可能更便宜，但可能更难以最终密封。
[0106]
在根据图1的实施例中，至少标记设备的壳体502的壁515是硬壁，例如对外部压力不敏感。这避免了由于外部压力影响引起磁性物体508的机械振荡的变化，因为磁性物体508和关于磁性物体507的恢复扭矩单元之间的距离维持恒定，并且因此，在这两个磁性物体之间相互作用的磁力不会由于(压力引起的)球体间距离变化而发生变化。因此，谐振频率也不受任何球体间距离变化的影响。这意味着由外部磁激励场或电磁激励场与磁性物体507的恢复扭矩场的相互作用引起的磁性物体的机械振荡主要取决于标记设备相对于激励场的位置和/或取向，并且因此，允许转移到由跟踪设备提供的坐标系中。
[0107]
上述标记设备可以被采用以被附接到在医学程序期间应当被跟踪的任何种类的医学设备。为此目的，图2和图3示意性地图示了附接到医学设备510的标记设备501。在图2和图3的特定实施例，医学设备510对应于导丝。然而，应当理解，所述医学设备也可以是任何其他种类的医学设备，特别是任何其他种类的医学仪器，甚至更具体地是用于执行进行跟踪可以是有益的(微创)手术的任何种类的医学仪器。在一些实施例中，标记设备还可以用于跟踪不同的元素，诸如组织、绷带等。要跟踪的其他设备和/或元素的示例在图4至6中提供，并且在下面进一步讨论。
[0108]
如所讨论的，在图1和图2中所示的具体实施例中，标记设备501被附接到医学设备510，其中，医学设备510对应于导丝。导丝510的部分511和512可以用于使标记设备501的壳体502具有作为恢复扭矩单元的固定磁性球体507和作为附接到导丝的磁性物体的可旋转磁性球体508，所述可旋转磁性球体508经由附接部分506附接到硬壁515。
[0109]
图2和图3所示的尺寸仅是示例性的。尺寸也可以不同。然而，所示的尺寸非常适合在人类患者的介入程序期间执行跟踪。将比例定律应用于观察到的示范snr表明所指示的尺寸将给予足够的snr和精度，以便在足够大到完全穿透患者的距离处进行远程操作。因此，标记设备501可以附接到导丝，从而允许在介入程序期间跟踪导丝。
[0110]
将标记设备也用于其他医学设备和/或其他元件可以是有用的，如在图4至图10所示。
[0111]
为此目的，图4示出了至少一个标记设备501，其被附接到超声探头610以在对患者100进行超声测量期间跟踪所述超声探头610的位置。
[0112]
图5a图示了如上所述的标记设备501被附接到用于被引入患者组织中的管心针710。在图5a的实施例中，附接到管心针710的第一端部分711的单个标记设备用于在管心针引入患者组织中时跟踪管心针。替代地，如图5b所示，多个标记设备501、501'、501
″
可以沿着管心针710从第一端部分711到第二端部分712的长度附接到管心针710。该多个标记设备501、501'、501
″
可以允许跟踪管心针710相对于由跟踪系统提供的坐标系的位置，而且还可以允许确定管心针710的取向和/或形状。
[0113]
图6示意性地图示了使用标记设备501用于跟踪组织。更具体地，在图6的示例性实施例中，标记设备510用于确定肿瘤810的位置和/或取向。然后使用跟踪系统的位置确定单元900来确定标记设备并且因此确定肿瘤810相对于由跟踪系统(未示出)提供的坐标系的位置。这可以允许更准确地定位肿瘤810以便随后移除。为了用于肿瘤定位的标记设备501的尺寸的图示性目的，图6进一步与人类手指101相关地示出了标记设备501。如从该图示性表示可以理解的，标记设备501具有极小的尺寸，而同时提供准确的定位。
[0114]
图7示意性地示出了用于采用一个或多个标记设备501、501’、501”、501
”’
用于在对患者执行的医学处置期间执行位置确定以及用于治疗控制的另一图示性实施例。在这种情况下，由附接到患者的前列腺102的标记设备501、501’、501”和501
”’
提供的信息与来自诸如压力传感器、温度传感器、辐射传感器等的附加传感器的信息相组合。这种组合允许确定前列腺102相对于由跟踪系统提供的坐标系的位置和/或取向，并且使用上述传感器进一步测量诸如温度、压力或辐射等的参数，其中，这些测量可以是与特定位置相关。这允许获得这些测量参数的空间映射。这样的空间映射可以允许控制和/或监测处置流程的过程。
[0115]
具体地，图7示出了患者的前列腺102。在根据图7的特定实施例中，应当对前列腺组织执行消融流程。为此目的，在前列腺102的若干位置处提供了多个标记设备501、501’、501”和501
”’
。此外，在前列腺的不同位置处(优选地靠近应当执行消融处置的感兴趣区域)提供一个或多个温度传感器(未示出)。这允许在消融处置期间提供温度进展的空间映射，并且可以帮助在消融流程期间避免对健康组织的温度引起的损害和/或过度处置。
[0116]
图8示意性地且示例性地示出了用于处置脑动脉瘤的线的实施例。根据所描述的实施例，线910包括一个或多个标记设备501、501’、501”。特别地，线910的第一末端部分911处的第一标记设备501在该第一末端部分911的一侧。此外，另一标记设备501’可以附接到
线910的第二末端部分912，并且另一标记设备501”可以被安装在线910的中间区段内，其中线910可以包括布置标记设备501”的内腔。
[0117]
图9示意性地且示例性地示出了包括线结构1103的肝分流设备1100的实施例。在该实施例中，线结构1103具有被内衬材料包围的第一部分1101和裸露的第二部分1102。在该实施例中，第一部分1101通过使用ptfe(聚四氟乙烯)来进行内衬。此外，在该实施例中，线结构的第一部分1101具有单独的线，而在线结构1103的第二部分1102中，线是交织的。肝分流设备1100(也可以简称为肝分流器)包括若干标记设备501、501’、501”、501
”’
。例如，第一标记设备501被布置在ptfe管内的线结构1103的第一部分1101的相应线的旁边。第二标记设备501’在ptfe管内被布置在“线内”，即标记设备501’布置在线结构1103的相应线的两端之间。此外，第三和第四标记设备501”、501
”’
布置在分流设备的第二部分1102处。通过沿着分流设备的长度布置标记设备，可以确定其位置和/或取向。此外，可以确定分流设备1100的形状。
[0118]
应当注意的是，在图4至图9中，标记设备的布置仅是示例性的，即更多或更少的标记设备也可以布置在相应医学设备和/或元件处或内的相同或其他位置处。也可能的是，相应的设备仅包括单个标记设备。附接到相应医学设备和/或元件的一个或若干标记设备是根据所描述的实施例中的至少一个的标记设备。
[0119]
在下文中，假设标记设备的长度总是约为直径的两倍。具有0.3mm或更大的直径的所有设备都将使得能够在大于30cm的距离处以高精度进行实时跟踪(多于每秒10个读数)。
[0120]
标记设备可以被附接到导丝，例如，如上面参考图2和图3所解释的，并且用于跟踪这样的导丝。此外，标记设备可以用于跟踪导管。标记设备也可以被放置在支架上。为了最小化支架植入期间由于标记设备的干扰，标记设备应当尽可能小，并且不应当超过支架线直径。典型的支架线直径在0.2和0.5mm之间。因此，这将是标记设备直径的有用范围。用注射器注射标记设备也是可能的，其中标记设备可以插入肺或肝区域中的较小血管中，而不会对患者造成风险。典型的注射直径将是在0.3到1.0mm之间。
[0121]
所描述的标记设备优选地被配置为补偿谐振频率对温度的依赖性。在下文中将参考图10描述用于补偿谐振频率的基于温度的偏移的一种可能。
[0122]
同样在图10中，标记设备3001包括壳体3002和磁性物体3004，磁性物体3004被布置在壳体3002内，使得在外部磁扭矩作用在磁性物体3004上的情况下，它可旋转离开平衡取向。标记设备3001还包括恢复扭矩单元3003，恢复扭矩单元3003适于在外部磁场或电磁场已将磁性物体3004旋转离开平衡取向的情况下提供恢复扭矩以迫使磁性物体3004回到平衡取向，以便允许由外部磁场或电磁场激励的磁性物体3004的旋转振荡，从而导致相应的磁扭矩。在该实施例中，壳体3002是圆柱形的，并且磁性物体3004可围绕中心地穿过磁性物体3004的虚拟旋转轴旋转，其中磁性物体3004相对于虚拟旋转轴旋转对称。特别地，在该实施例中，磁性物体3004是磁性球体。
[0123]
恢复扭矩单元3003包括用于提供恢复扭矩的另一磁性物体3003。特别地，磁性物体3004被附接到附接部分(诸如细丝)3007的一端，其中，附接部分3007的另一端被附接到壳体3002。附接部分3007适于防止磁性物体3004由于其磁性吸引而触碰另一磁性物体3003并且允许磁性物体3004旋转振荡。在该实施例中，另一磁性物体3003通过使用胶合剂3009固定地附接到壳体3002。
[0124]
磁性物体3004形成第一磁偶极，另一磁性物体3003形成第二磁偶极，并且磁性物体3004和另一磁性物体3003被布置为使得：在平衡取向中，第一和第二偶极指向相反的方向。第一磁性物体3004和第二磁性物体3003是永磁体，其中，在平衡取向中，磁性物体3004的北极面对另一磁性物体3003的南极，并且反之亦然。
[0125]
壳体3002是圆柱形的，其中，圆柱形壳体3002包括两个端表面3030、3031，并且其中，所述另一磁性物体3003被固定地附接到第一端表面3030并且细丝3007的与附接到磁性物体3004的端部相对的端部被附接到圆柱形壳体3002的第二端表面3031。
[0126]
在该实施例中，壳体3002的第二端表面3031由壳体3002的硬壁3008形成，其中，磁性物体3004经由附接部3007而被附接到硬壁3008，使得外部压力影响不传递到壳体3002的内部。
[0127]
标记设备3001还包括被布置为与另一磁性物体3003相邻的磁性材料3005、3006。该磁性材料3005、3006影响由所述另一磁性物体3003生成的磁场，其中，磁性材料3005、3006的影响取决于温度从而改变磁性物体3004位置处的磁场的强度，并且因此以便在温度改变的情况下改变谐振频率。磁性材料3005、3006适于使得其磁化强度随着温度升高而降低。此外，磁性材料3006适于使得其磁化方向与另一磁性物体3003的磁化方向相反，并且磁性材料3005适于使得其磁化方向与另一磁性物体3003的磁化方向相同。为软磁性材料的磁性材料3005、3006因此在相反的频率方向上根据温度影响谐振频率，即这些磁性材料中的一种导致根据温度的增加而朝向更高频率的变化，并且这些中的另一种导致随着温度的增加而朝向更低频率的变化。
[0128]
因此，标记设备3001优选地被配置为使得谐振频率不依赖于温度。为了补偿任何不希望的温度相关的频移，磁性材料3005、3006可以被定制为使得它们根据温度变化在相反的频率方向上提供相同的频移。特别地，磁性材料3005、3006可以被选择并布置为使得消除标记设备3001的谐振频率的任何温度依赖性。也可能的是，磁性材料中的仅一种(即仅随温度增加而降低谐振频率的磁性材料或仅随温度增加而增加谐振频率的材料)被用于降低或甚至消除标记设备3001的谐振频率的温度依赖性。磁性材料3005、3006中的一者或两者可以被视为用于补偿谐振频率的温度引起的偏移的补偿元件。
[0129]
图11示意性地且示例性地示出了用于跟踪如前所述的标记设备的跟踪系统1501，即，用于基于指示感测单元中的磁性物体的振荡的响应频率的一个或多个电响应信号而无线地确定附接到医学设备的标记设备的位置和/或取向的跟踪系统。图12示例性地示出了跟踪系统1501的原型。跟踪系统1501基本上包括磁场的至少一个场发生器和至少一个磁场传感器，即用于将由引起的感测单元的磁性物体的振荡生成的磁场或电磁场转换成电响应信号的换能器。
[0130]
操作频带在低khz范围内，并且必须足够宽以覆盖在不同频率下并行操作的若干传感器的响应并且可能还覆盖传感器谐振频率的高阶谐波，例如以改善信噪比。发射场幅值最大为几毫特斯拉，而要被检测的场幅值在1/10nt与几nt之间。许多不同的磁场发生器(振荡永磁体、有芯/无芯线圈、磁致伸缩场调制器
…
)以及许多不同的磁力计(霍尔效应、各种磁阻传感器、磁谐振传感器、squids等)可以工作。技术上最简单的系统是用于发送和接收磁场的无芯导体回路。对于传感器应用，线圈通常足够好。用于生成磁场的线圈也可以用于接收磁场。但是，可以为这些任务采用不同的线圈，这会带来一些优势。
[0131]
在图11中，跟踪系统1501包括发射线圈1503，发射线圈1503经由数模转换器1506(dac)和音频放大器1502而被连接到微控制器1507，用于为可以如前所述的那样实施的标记设备1520生成外部磁激励场或电磁激励场。接收线圈1504也经由低噪声放大器1505和用于读出谐振频率的模数转换器1508(adc)被连接到微控制器1507。微控制器1507连接到显示计算机1509。微控制器1507被配置用于例如信号生成和接收、频率评估和控制。在图12中还示出了一个发射/接收去耦合器。
[0132]
微控制器1507生成发射脉冲(参考图13中的上迹线1350)，所述发射脉冲使用音频放大器1502被放大，并且然后被传递到也可以称为激励线圈的发射线圈1503。在该实施方式中，采用了单独的接收线圈1504，其使用两个额外的去耦合线圈1510从发射线圈1503去耦合，为了清楚的原因，在图11中未示出两个额外的去耦合线圈1510。接收信号被馈送到低噪声放大器1505并被传递到微控制器1507的adc 1508，其中以约20ks/s的速率对典型地1/20秒的时间迹线进行采样。除了也可以称为激励脉冲的发射脉冲1350之外，图13还示出了由于传感器中的球体振荡并且因此由于传感器响应而引起的接收线圈1504中的感应电压1351。激励脉冲1350的间距可以由微控制器1507连续地调整。
[0133]
在本文描述的实施例中，跟踪系统可以特别地对应于多线圈系统。若干线圈的使用通过确定振荡磁偶极在空间中的位置和取向而实现了对标记设备的位置确定。接收信号的不同幅值以及已知的线圈元件灵敏度可以与用于确定位置和取向参数的偶极模型相匹配。在图14中示出了用于实施在枕头或床垫中的多线圈系统的示例。在许多接收线圈和信道可用的情况下，附加信息也可以用于改善背景信号抑制，如下面进一步描述的。
[0134]
在图14中，若干线圈1652形成集成在成像系统1650(如c型臂系统)的病床的床垫1651中的多线圈阵列。线圈1652优选地是具有小于10％的x射线吸收的铝线圈。因此，在使用线圈1652的情况下不需要增加患者剂量。
[0135]
在下文中将更详细地示例性地描述跟踪系统的基于线圈的发射系统。基于线圈的发送系统包括发送放大器和发送线圈。任选地，还包括匹配电路和“静音”电路。由于发送信号的形状在传感器应用中不是非常关键的，因此许多放大器都适用于该任务(采用晶体管、真空管、晶闸管、以及更多的部件的a类、b类、ab类、d类等)。由于信号质量不是关键的，因此可以选择具有最低损耗的放大器拓扑，其是采用具有低导通电阻的开关的半桥或全桥放大器。优选的开关是mosfet或igbt。在最简单的情况下，匹配电路是与电感器串联的简单电容器。假设放大器在足够的电源电压的情况下操作，则这样的匹配电容器可以被省略，或电容可以被选择为高至使得具有电容器的线圈的谐振频率远低于操作频率。由于另一原因，匹配电路是感兴趣的。医学装备应当始终以安全的方式操作，并且降低电压是重要的。通过将电容器放置在线圈的中间，使得电流流过一个线圈区段，然后流过匹配电容器，并且此后再流到第二线圈区段，可以降低峰值电压差。如果线圈被分成均与适当电容器连接的更多区段，则更是如此。这使得线圈和匹配电路成为一个组合单元。场幅值通过脉冲宽度调制而被方便地控制，即放大器仅在周期的一部分内增加/减少通过线圈的电流，或在电流的增加/减少之间快速地交替。由于精确的信号形状对于感测应用是较不相关的，因此最好通过在半波内仅改变状态2次(或在脉冲长度与半波长相同的全功率情况下改变状态1次)来实现。理想地，放大器不仅具增加或减少电流的可能性，而且保持电流差不多恒定或在匹配电路规定的水平。这通过半桥或全桥中的晶体管的适当切换顺序来实现。通常，放大器的电源电
压应当是相当低的，并且在50v以下的范围内。此外，匹配电路应当在任何两点处不超过该50v限制的方式进行设置。在两种情况下，甚至最好不要超过24v。这意味着绕组的数量应当保持低。然而，峰值操作电流应当超过10a，100a更好。
[0136]
在下文中将描述发送/接收隔离。必要的是，当发送系统不处于发送模式(即不生成激励场)时，没有来自发送系统(即来自场发生器)的太多噪声被耦合到接收系统中，即耦合到用于将由引起的感测单元的磁性物体的机械振荡生成的磁场或电磁场转换成电响应信号的换能器中。此外，发送放大器不应当使接收信号短路或甚至部分地减小它。存在实现此的若干可能性。如果具有不同的发送和接收线圈，两个线圈可以在几何上去耦合(参考图15)。
[0137]
图15示出了用于抑制接收路径中的发射和背景信号的梯度测量接收线圈设计的实施方式。这里已经选择了大线圈1452，这使得能够跟踪标记设备直到上线圈上方约30cm的距离。梯度测量设计使用几何去耦合方法：发射线圈回路1451被连接以产生平行场，而接收线圈回路1450被连接以接收场梯度并抑制均匀场。这种发射和接收系统通过使用平行发射回路和反并行接收回路来提供固有的几何去耦合，其中，这可以被称为梯度计配置。这导致了固有的几何耦合。具有空气线圈的该系统是高度线性的。图15还示出了dc阻断1455以及音频放大器1454和低通发射滤波器1453。图15的下部图示了接收线圈1450的外绕组和发射线圈1451的内绕组。
[0138]
特别地，在图15中，左下图像是上线圈组件的中间部分的特写。在左下图像中，在底部向外窥视，实际上仅可以看到发射线圈1451的1匝。其余部分被用细得多的线缠绕的接收线圈遮住。dc阻挡电路1455只是音频放大器前面的信号调节，因为用于音频放大器的信号可以由简单的pwm输出端生成。低通滤波器1553是在音频放大器1454的输出端与发射线圈1451之间的滤波器。它具有两个目的。第一是避免高频噪声的引入，第二是将音频放大器的两个输出信道组合成一个。
[0139]
几何去耦合并不总是可能的，尤其是在使用发送器和接收器阵列的情况下。在这种情况下，可以引入变压器，其中端子被连接到发送电路以及接收电路。该变压器提供发送和接收系统的去耦合。即使使用组合的发送/接收线圈，也可以使用这种变压器解决方案。变压器可以由具有组合和单独的发送/接收线圈的电容(甚至电阻)去耦合网络代替。补偿方法的缺点是它们需要相当多的空间，增加噪声，并且在电容去耦合的情况下缩小跟踪系统的频率操作范围。更鲁棒且更便宜的解决方案是添加在接收时间期间使发送放大器完全静音的电路。为此，可以将交叉二极管添加到放大器的输出端。尤其在零电压下具有低电容的二极管(如pin二极管)是有用的。如果没有电流流动，这提供高阻抗。为了进一步增强这一点，可以将电子开关放置在放大器的输出端处，在接收时将所有残余噪声信号短路。二极管仍然提供期望的高阻抗。也可能的是，构建在不操作时完全无噪声并且提供高阻抗的特殊放大器。在半桥和全桥设计的情况下，这可以通过在接收期间在任何部件中绝对没有切换操作、低输出电容晶体管的使用、通过在接收模式下在(一个或多个)输出端提供约一半的电源电压、没有来自输入连接器(光学绝缘体)的噪声、并且具有高度滤波的电源电压(在接收操作期间进行重滤波或没有电源切换)来实现。
[0140]
在下文中将讨论跟踪系统的基于线圈的接收系统。接收放大器应当是低噪声类型的。但是，要求并不如此高以至于需要使用不常见的接收晶体管。标准的低噪声双极或jfet
硅晶体管通常是足够好的。唯一的特殊特征是放大器需要经受住发送脉冲并在发送脉冲后不久开始运行。存在实现该目标的若干种方式。在去耦合的发送/接收系统(包括具有去耦合网络的组合发送/接收线圈)的情况下，接收放大器不需要特殊特征来实现该目标。如果不存在去耦合，则可以将放大器硬化到发送脉冲。这可以通过将合适的电容器添加到放大器的输入端并将交叉二极管添加到第二端子来完成。这在发送情况下提供了合适的高阻抗，并将所有太高电压短路到放大器的无害水平。当然，添加的电容器需要额定为最大发送电压。电容值需要是如此高的，以至于放大器处的信号在接收情况下不会降低太多。对于基于jfet的放大器，这通常不是关键问题。交叉二极管可以通过合适的电子开关(如具有mosfet输出端的光耦合器)来增强或代替。这具有进一步降低输入电压的优点。如果适当地进行，接收放大器将不会饱和，并且在发送信号已经充分下降后立即工作。
[0141]
在下文中将更详细地讨论到数字系统的接口，其中，首先描述数字信号输出和处理。虽然模拟定时器系统可以生成输出信号，但通常会使用数字系统，如dsp或fpga。根据输出放大器的类型，可以使用不同的输出。对于模拟放大器，可以使用某种类型的adc。由于输出信号质量不是非常关键的，因此简单的pwm类型的模拟输出可能就足够了。数字放大器最好使用数字输出线来接口连接。但是，针对它们使用模拟输出并在放大器上实施开关模式发生器也是可能的。在最佳匹配放大器的情况下，半桥或全桥最适合于直接在数字系统上产生切换模式。此外，用于接收放大器输入保护和发送放大器输出去噪的切换模式也可以由数字系统直接生成。所有输出选项的共同特征是，它们需要足够快，以准确地保持单个标记设备的不同激励内或不同标记设备之间的相位。因此，输出需要具有在比完整周期时间的十分之一更精细(更好地比完整周期时间的100分之一更精细)的光栅上切换更新的可能性。对于比如说2khz的感测设备，这意味着在比220khz、甚至更好地200khz更精细的光栅上进行更新。这并不意味着每当在光栅点处切换状态改变时都需要是可能的。因此，例如，具有将新的切换状态传输到放大器的针对每个放大器的串行接口和在特定时间通过同一串行接口执行该改变的协议是可能的。这对于在接收阶段固有地进行静音的放大器类型是特别有用的。为此，可以实施仅需要放大器上的光耦合器的1位串行接口。这使得从数字发送侧实现抗噪性变得容易，因为单个光耦合器中的杂散电容可以是非常低的。
[0142]
在下文中将讨论模数接口。模数转换是相当标准的。由于信号是低带宽的，至少如果仅使用单个标记设备，则可以将信号混合到近dc并对该信号进行采样。然而，来自标记设备的信号具有相当低的频率，通常低于10khz。今天，存在直接对此进行采样的很多合适的adc芯片。特别地，由于数字信号处理与模拟滤波器相比是糟糕的，因此最好在adc中使用大量过采样。标记设备的频率应当使用至少10次，但是100或1000次也是有效的选择。高的过采样使得adc输入滤波器的设计简单且便宜，因为只有传感器信号频率需要通过，而在奈奎斯特频率以上则没有信号可以通过。然而，低于传感器频率的滤波也有助于避免那里的通常高的背景信号。高的背景信号可以减少adc之前的可能放大，从而增加adc噪声贡献。adc噪声(有效位的数量)和样本应与所需的动态范围和噪声预期相匹配。这意味着，当存在最大预期信号和所有噪声分量时，adc不应当处于饱和状态。同时，adc的量化噪声应当如此低以至于不会增加整体噪声。这里的噪声是指记录信号中的源于真实噪声源的所有多于分量，如线圈电阻或接收放大器行为。它还包括不能通过合适的滤波和背景信号减法消除的干扰分量。通常，对于现代adc芯片，该要求可以意味着例如利用2ms/s 18位adc来满足。为
了节省成本，采用更低规格的adc可以是有用的，但是增加增益控制以仍然实现良好的整体性能。
[0143]
在下文中将讨论数据处理。在数据评估之前，必须处理原始adc数据。由于期望大量过采样，因此第一个处理步骤可以是抽取步骤。这具有减少数据大小并且因此用于其他步骤的所需计算能力的主要优势。任选地，抽取步骤可以包括其他滤波器，即预期信号频率附近的带通。这可以简化其他处理步骤并减小信号的动态范围，这进而可以节省计算能力(具有更少位的变量)。另一可选数据处理步骤是应用逆非线性滤波器来降低接收系统的非线性。这意味着，测量整个接收系统的非线性，并构造一个计算滤波器来逆转非线性的影响。这在使用低成本部件的情况下尤其有用，因为它们倾向于具有更非线性行为。
[0144]
该非线性滤波器可以替代地用作第一处理步骤。如果使用多于一个接收信号，则存在其他信号处理步骤。如果至少一个接收信道未检测到来自感测单元的信号并因此提供对背景信号的测量，则此(和所有其他此类信号)与接收信号相关，并且从信号承载信道中减去相关分量。该减法可以在时域或频域或两者的混合中完成。如果不存在没有来自感测单元的信号的信道，则可以使用有时称为“虚拟梯度计”的数据处理策略。这将多个信道分解成为物理信道的线性组合的虚拟信道，以最大限度地减少未由传感器生成的信号的干扰。线性组合的因子可以通过将除(一个或多个)感测单元的信号频带之外的信道的信号相关来找到。
[0145]
此外，在下文中将解释数据评估。频率是从感测单元信号采集的信号提取的主要参数。由于谐振器的高品质因子(时间常数可达秒)，后续的激励脉冲通常在振荡已经完全衰减之前结束(参考图13)，并且因此需要具有放大现有振荡的正确相位和时序。这需要后续激励之间实时提取频率。可以使用最小化测量信号和预先计算的跨越一系列频率的时间迹线之间的相位差的比较算法或通过傅里叶分析(其是优选的方法)来提取频率。高分辨率频率信息可以通过时域填充零或频域插值以及随后使用寻峰或曲线拟合流程在频谱中定位谐振峰来获得。为了进一步改善频率确定的准确性和可靠性，可以例如使用基于若干谐波的加权频率估计或通过检查若干谐波之间的频率确定的一致性而将检测到的谐振信号的高阶谐波纳入评估(参考图16右上角的频谱)。
[0146]
在图16参考的示例中，二阶谐波的信号比基频信号小一个数量级。因此需要更好的滤波。可以使用各种滤波器级来优化谐振频率及其高阶谐波的信号，如模拟激励滤波器(如dc阻断和低通)、模拟接收滤波器(如带通滤波器)和数字接收滤波器(如用于实时处理的iir响应滤波器)(六阶chebyshev ii型)。在图16中，f0谐振峰的中心位置根据滤波频谱中的最大峰确定。根据f0，计算下一个同相励磁脉冲的时序。系统的重复频率在5到30hz之间，提供频率响应的实时跟踪。
[0147]
在图16中，显示了具有和没有数字带通滤波的信号频谱(1051与1050)。虚线点在被选择用于评估的范围内。不同的点符号表示实际上没有示出差异并且因此可以被忽略的不同滤波器类型。在图17中，带通附接到商用低噪声音频范围放大器，其中类型是femto messtechnik gmbh的dlpva-100-bun-s。在图18中，数字滤波器的实际40db抑制谱与所选择的带的范围进行比较。两种实施方式没有示出明显的差异。显示的滤波器被应用于图16所示的数据，导致1050和1051之间的差异。
[0148]
根据确定的频率和接收信号的已知时间戳，可以计算出下一块激励脉冲的正确时
序。激励脉冲的数量和宽度适于生成具有足够高幅值的振荡，从而在接收线圈中产生足够的信号。
[0149]
在下文中，详细描述了用于通过跟踪系统确定标记设备的位置并因此用于定位标记设备被附接到的医学设备的过程。对于这样的定位，频率效应是不相关的(灵敏度编码，在下面进一步讨论)或可忽略的(梯度场编码，也在下面进一步讨论)。对于使用同样作用于传感器频率的梯度场方法的定位，这些补偿不是必需的，因为只需要评估亚秒级时间段内的频率变化。这种变化不太依赖于振荡幅值。
[0150]
磁机振荡器的信号通过线圈i中感应的电压ui(t)而被检测，其是由于悬浮磁性球体在位置r0处的磁矩m(t)的振荡运动的磁场变化的结果：
[0151][0152]
其中b
s,i
(r)是检测线圈i在位置r处的线圈灵敏度，其随时间是基本恒定的。在最后一步中，磁矩已经使用下式来代替
[0153][0154]
其中，是描述磁化的空间取向的单位向量，m
sat
是所使用的材料的饱和磁化强度(对于ndfeb，通常在1.30和1.45t/μ0之间)，并且v
球体
是磁性物体的体积。
[0155]
从(4)可以看出，希望大的动态磁矩来在接收线圈中感应出高电压。由于标记设备的尺寸并且因此可分别用作磁性物体和恢复扭矩单元的磁性球体的体积在大多数应用中必须很小，因此可以通过使用大的振荡幅值来增加信号，导致大的然而，在由固定球体提供的恢复场b
rest
和振荡球体的磁化强度m之间，恢复扭矩不随着角度(即振荡的幅值)线性增加：
[0156][0157]
考虑到由于具有阻尼系数c的摩擦的扭矩和具有质量ms和半径rs的球体角加速度所需的扭矩可以建立方程运动：
[0158][0159]
小角度近似并且替换m＝m
satvsphere
得到
[0160][0161]
系统的高品质因子允许进一步的近似c≈0并且使得能够将角谐振频率计算为“[0162][0163]
由于微振荡器通常被驱动到远大于10
°
的幅值，因此这种近似在一般情况下是无效的。对于大角度，恢复扭矩更小，并且因此发生频率的降低，导致幅值相关的频率其中，振荡期间的恢复扭矩的变化此外在传感器响应中引入了表现为频谱中存在基频的高阶谐波的非线性。
[0164]
除了非线性恢复扭矩外，两个磁性球体之间的力还取决于其磁化的相互取向：
[0165][0166]
对于给定的传感器设计，力始终沿着两个磁性球体的连接矢量指向，然而，其幅值在90
°
的振荡幅值处变为零，并且甚至在更高的角度处从吸引变为排斥。
[0167]
如果由发射线圈生成的激励场具有恒定幅值，则振荡幅值将随着线圈与传感器之间距离的增加(激励场的减小)而减小，并且因此频率将降低。幅值还取决于如图10所示的线圈与传感器之间的相对取向。
[0168]
对于跟踪系统，需要确定如上所述的标记设备的取向和3d位置。两种独立的位置确定方法可以用于定位。在一些情况下，只有一种方法可能就足够了，在其他情况下，两种方法的组合可能有助于增加准确性或识别导致两种方法之间的矛盾结果的系统误差。
[0169]
第一种方法可以是基于线圈灵敏度的位置确定/定位。这种方法利用了线圈阵列中的每个线圈i具有基于其位置和取向的不同空间灵敏度分布b
s,i
(r)的事实。
[0170]
根据公式(3)，单个磁振荡器(即单个磁性物体)具有特征机械振荡，所述特征机械振荡然后生成针对每个线圈的具有特性幅值的响应，所述特性幅值由磁性物体的动态偶极矩相对于b
s,i
(r)的相应取向决定。对于传感器位置和取向的重建，需要确定如由公式(4)给出的一组前向函数。
[0171]
最后，期望在标记设备在由跟踪系统提供的坐标系中的6个位置和取向坐标与所有接收信道的基频或高阶谐波的电压幅值之间的映射。以下公式描述了如何摆脱公式(4)中的时间依赖性，使得只需要考虑幅值。我们通过包括所有自变量(即位置向量r＝(x,y,z)
t
和取向向量开始：
[0172][0173]
所需的线圈灵敏度曲线可以根据已知的线圈几何结棍计算，在定义的位置处进行测量并且然后进行插值，或在两者的混合(即可以利用适当的拟合参数拟合到实验结果的模型)中确定。对于磁化的振荡，标记的帧中的振荡频率ω和幅值α0的明确描述将是
[0174][0175]
其中，主项指示局部标记帧，并且已经使用了针对低振荡幅值α0的三角函数的展开。那么时间变化将是：
[0176][0177]
其中，第一项表征基频响应，并且第二项表征二阶谐波频率响应。使用旋扭矩阵可以计算空间中一般取向的磁化强度，即因此，从(11)开始，基频和二阶谐波频率的电压幅值可以分别被确定为：
[0178][0179]
并且
[0180][0181]
因此，线圈i的总电压将是
[0182][0183]
从该组前向函数(14)和(15)以及测量的响应幅值，可以通过使用为标准数学方法的非线性求解器求解方程组来计算标记设备位置和标记设备方向。解的准确性将随着接收线圈的数量以及随着其相应的线圈灵敏度之间的正交性(即差异的幅值)而改善。通过在最小二乘的意义上求解方程组，可以考虑6个未知数和更多(或更少)数量的接收信道之间的不匹配。
[0184]
位置确定/定位也可以基于梯度场编码来执行。虽然线圈灵敏度定位基于线圈阵列拾取的幅值分布，但可以操纵一个或多个标记设备的频率以给出独立的位置信息。为此目的，跟踪系统可以被提供有控制单元，所述控制单元能够独立地控制线圈阵列中的每个线圈以便生成在工作空间内理想地具有恒定场梯度的不均匀磁激励场或电磁激励场。这可以例如通过向线圈阵列中的选定线圈施加低频电流来实现。该附加场改变了作用在振荡磁性物体上的恢复场b
rest
并且因此改变了其频率(公式9)。
[0185]
由于激励场的非均匀性质，频率变化将取决于标记的位置和取向。通过顺序执行控制以便应用若干编码场(例如在6个不同取向上应用的场梯度)，可以确定标记的所有三个位置并且确定三个取向参数中的两个。剩余的角度可以根据标记设备的感测单元对外部磁激励场或电磁激励场的高阶响应延迟，然而，以生成足够高阶贡献所需的更高场强为代价。基本编码想法与mri中的梯度编码有关；因此，频率编码和相位编码两者都可以进行。
[0186]
对于频率编码，在信号读出期间应用非均匀场以产生期望的频移。对于期望的空间分辨率，应用的编码场强必须适合于标记设备的频率灵敏度和系统递送的频率分辨率。假设具有0.5mm的球径的磁性球体作为磁性物体的ndfeb标记设备的频率灵敏度为对于δr＝1mm的空间分辨率和δf＝10mhz的假设频率分辨率，大致为
[0187][0188]
的场梯度将是必需的。该梯度强度低于典型mri系统的梯度约100倍。因此，不需要专用的水冷梯度线圈，但是发射-接收阵列的线圈可以用于场生成。
[0189]
对于相位编码，在信号读出之前应用非均匀编码场，即位置相关频移仅在短窗口中被应用，在该短窗口期间，位置相关信号相位偏移累积。在相位分辨率不足以用于精确定位的情况下，可以在顺序激励中改变相位编码脉冲的持续时间和/或幅值，使得可以辨别相位增量(大于2pi)的模糊度。因此，在若干次读出的过程中获得完整的空间信息。具有一个非均匀场图案的相位编码(例如，对一个空间轴进行编码)可以与具有另一个非均匀场图案的频率编码(例如，对正交空间轴进行编码)组合以便进行有效定位。如果根据灵敏度编码
方法(其由于其并行性质而更快)已经知道粗略的标记设备位置，则仅使用提供缺失的高分辨率(高空间频率)分量而不是完整的空间信息的几个相位编码步骤就足够了。
[0190]
如下文中所描述，利用对梯度编码与灵敏度编码获得的定位结果的比较可以用于识别例如由背景场引起的系统误差。此外，应当注意，可以抑制对采用两个悬浮球体的传感器的低频外部场的线性响应；在这种情况下，可以使用频率的高阶响应用于定位或用于健全性检查。然而，这些振荡器的场灵敏度低得多，使得将需要更高的梯度场用于梯度场编码。
[0191]
在下文中，将针对紧密耦合的传感器描述参数确定和位置确定。
[0192]
如果仅使用几个线圈，则确定位置(意味着3个位置和3个取向参数)并测量附加参数(诸如压力或温度)是特别困难的。然而，由于空间限制，仅使用几个线圈是成本有效的，并且在一些应用中也是优选的。因此，期望以仅利用几个线圈工作的方式来修改检测过程和硬件。这样做的一种方式是以耦合方式使用若干标记设备和/或传感器。这里，耦合意味着在组件中以固定的相对取向组合均以不同的已知频率操作的若干传感器/标记设备。通常，传感器被附接到刚性框架，但在技术上仅需要在评估时间点处知道传感器/标记设备的相对位置。
[0193]
利用足够的传感器，可以仅利用两个线圈来确定位置。当与传统电磁导航系统相比时，这可以是最容易看到的。这些通常包括若干(通常多于6个)发射线圈和一个接收线圈，所述接收线圈被定位并且其取向被评估。然而，由于线圈的旋转对称性，不能检测到线圈围绕其轴线(动态偶极矩的轴线)的旋转。
[0194]
在该比较中，刚性耦合的传感器的集合可以被视为发送阵列，并且单个发射-接收线圈可以被视为标记。因此，可以将传感器/标记设备阵列定位在围绕发送线圈的动态偶极轴线的环处的某处。注意，如果线圈不是圆形的，则环在空间中不是完美的圆，但这不会改变自变量。因此，不能利用一个线圈来确定位置，但是利用两个线圈(具有非平行动态偶极矩)，对称性被破坏，并且可以确定传感器/标记阵列的位置和取向。
[0195]
对不同传感器信号的评估利用下面进一步描述的完整模型方法最好地完成。简而言之，生成阵列中的每个传感器/标记设备的模型，即，以微分方程的形式。该模型预测感测单元对于给定激励场的响应。与发送/接收系统模型(包括放大器、滤波器和线圈)一起，可以预测阵列的总响应。知道过去的激励脉冲(通常仅需要知道几个衰减时间的脉冲)，可以计算标记设备位置和参数值的预期接收信号。
[0196]
还可以将预先知识并入到该过程中。仅允许传感器相对于线圈的最大位移速度。这里，与先前描述的方法的唯一区别在于，所述过程不是针对一个传感器进行的，而是针对阵列中的耦合的传感器的集合或针对若干阵列同时进行的。对于传感器阵列，还存在可用的预先知识的集合，即阵列中的传感器/标记的相对位置和取向。采用全参数方法或至少零幅值频率外推方法是特别有用的，因为难以使所有许多传感器同时以期望的幅值操作。然而，全模型方法在某种程度上是计算密集的。为了减少所需的算力，可能有益的是，首先单独使用已经解释的单个传感器/标记评估方法并使用它们的结果作为最终的基于全模型的位置和值重建的起始值。
[0197]
在下文中，将解释一些校准方面，其中首先涉及的是在存在导电且软铁磁材料的情况下的校准。
[0198]
导电并且特别是软铁磁材料的存在可能通过使由标记或传感器的振荡磁体生成的场失真和/或通过使由(一个或多个)发送线圈生成的(一个或多个)场失真而干扰定位。在更小的程度上，也可能改变传感器读数，特别是因为幅值效应的补偿可能在精度上降低。因此，针对场的校准过程是期望的。此外，具有识别此时可能发生场干扰的措施也是优选的。因此，首先讨论了检测干扰问题的方法。
[0199]
通常，如本文描述的跟踪系统使用发送/接收线圈阵列。线圈可以是单独的仅发送和仅接收线圈，或针对两种功能使用相同的线圈。无论如何，在这种配置中，一个线圈可以发送并且所有其他线圈直接接收发送信号。将接收信号与存储的参考值进行比较。如果实际接收信号偏离存储值太多，则触发一些动作，如对于不准确性的警告、触发自校准过程或建议涉及用户交互的校准过程或这些事情的组合。也可以同时利用几个线圈发送。发送脉冲应当包含多个频率。这可以通过生成脉冲或通过使用频率扫描或一些中间体来实现，这在文献中是众所周知的。频率分析是重要的，因为在导电结构上行进的涡电流高度依赖于频率。因此，显著的变化可以是在两个不同频率下的接收信号的比率超过某个限制。如果至少一个频谱分量改变了定义的值，它也可以是显著的。然而，整个频谱中的均匀变化可以归因于例如接收放大器中的增益变化。因此，如果例如接收放大器以可能进行增益变化的方式构造，则该效果可以用于在软件中设置新的增益值以补偿该增益变化。如果预期在发送放大器中而不是在接收路径中发生增益变化，则该自变量以类似的方式成立。这里，作为修正，在计算模型中改变发送幅值(导致传感器的振荡幅值的变化等)。理论上也可以测量单个线圈的阻抗，并将其变化用作用于涡电流环境的变化的指示。然而，测量阻抗的能力并不自然地与电子设备一起出现，并且需要特殊的设备。不仅线圈的耦合可以用于检测涡电流的环境变化，而且操作范围内的传感器/标记设备的已知特性也可以。
[0200]
特别地，可以将传感器结合在发送/接收线圈阵列本身中。甚至单个传感器/标记也是有用的。例如，如果在相对于(一个或多个)线圈的固定位置处将单个标记结合到系统中，则标记的响应的变化是改变的涡电流环境的指示。甚至更有利的是结合对低频磁场敏感但对可能快速变化的其他物理性质不敏感或仅很少敏感的传感器/标记设备。该标记设备不仅是静态磁场的指示，而且是铁磁材料的存在的指示。为了检测铁磁材料，线圈将不仅被馈送有在传感器/标记设备振荡的频率下的电流，而且还被馈送有在低得多的频率下的电流。电流馈送可以逐线圈或使用若干线圈来完成。如果测量的传感器响应(即，由于应用的低频磁场的频率变化)与存储的预期不同，则可能的是，铁磁材料使场失真。如果足够的线圈存在于系统中，则甚至不必使场相关的传感器/标记在已知位置处。在足够的线圈的情况下，可以使用在传感器/标记设备振荡频率下的线圈的灵敏度并且独立地通过使用传感器/标记设备对近dc磁场的灵敏度(梯度场编码)来确定标记设备位置。
[0201]
如果通过两种方法获得的位置发散，则涡电流(或铁磁)环境已经改变。然而，如果不只是一个这样的标记设备被结合到系统中而是许多这样的标记设备被结合到系统中，则甚至更好。使它们在已知位置处比在未知位置处也是更好的。但是，仅知道位置的一些属性而不是没有位置信息也是有用的。部分知识的现实方式是将传感器/标记设备放置在刚性结构上，所述刚性结构确保相对于彼此的已知且时间稳定的位置和取向。具有传感器/标记设备的这种校准“框架”可以永久地或不时地放置在跟踪系统的操作体积中。如果跟踪系统发现偏离预期的相对位置和取向，则系统受涡电流或铁磁材料干扰。
[0202]
此外，如果传感器/标记设备也对近dc磁场敏感并且线圈阵列具有足够的线圈，则可以在仅铁磁材料对场有干扰的非常低的频率下并且在铁磁性和涡电流两者都导致场失真的传感器/标记共振频率下独立地确定传感器/标记的相对位置。因此，例如如果铁磁材料对干扰有贡献，则可以生成关于干扰物体的性质的信息。
[0203]
此外，检测干扰的最佳方法是发送/接收放大器、线圈和(一个或多个)标记设备/(一个或多个)传感器的全数学模型。该模型还包括已知的位置和取向，绝对和相对两种情况。在第一步骤中，以使误差最小化的方式优化所有位置/取向和物理参数。该步骤包括例如关于附接到线圈阵列的固定位置标记和潜在框架中的相对位置的预先知识。作为附带说明，“框架”不需要是仅为了校准而引入的东西，而是由许多振荡器组成的标记设备本身可以充当框架。在第二步骤中，计算预期信号与递送信号之间的总加权误差。如果误差超过特定阈值，则断定一些材料对场有干扰。根据误差的性质(即，如果它发生在ac敏感部件或dc敏感部件上)，可以推断出干扰材料的性质。
[0204]
在下文中，解释了不同谐波中的信号幅值对相对于单个线圈的传感器取向的依赖性。具体地，图19图示了不同谐波中的信号幅值对相对于单个发射-接收线圈的传感器取向的测量依赖性。如果激励场平行于磁偶极取向对齐，则不发生激励，并且信号为零。对于场和偶极的正交对齐，实现最高振荡幅值。注意，偶数阶谐波的空间图案正交于奇数阶谐波对齐。这可以通过与基信号(一阶谐波)和三阶谐波中的最大值相对应的取向处的二阶谐波幅值的零点看出。幅值比率图(中心曲线图)突出显示了取向依赖性的这种差异：二阶谐波对一阶谐波从零变为最大值(或奇点)，而三阶谐波对一阶谐波是平坦的。偶数阶谐波处的动态响应正交于奇数阶谐波的动态响应取向的知识可以用于确定感测单元的第三取向角。
[0205]
可以通过灵敏度编码或通过梯度编码来获得标记设备的位置和/或取向，并且因此获得具有附接到其的标记设备的医学设备的位置和/或取向。在一些实施例中，可以采用两者的组合。
[0206]
在下文中，将描述可以如何通过使用基频的谐波的幅值来确定振荡幅值。
[0207]
确定振荡幅值的一种方法是评估线圈中的感应信号的谐波。作为非线性振荡器，磁-机械振荡器在动态偶极矩中生成谐振频率的谐波。这些谐波在(一个或多个)接收线圈中被拾取。优选地，在采样和滤波步骤中注意不抑制基频的这些倍数。谐波的频谱取决于传感器的细节。可以存在主要生成奇数阶谐波(在3ω0,5ω0,
…
处)的传感器和生成偶数阶和奇数阶谐波(在2ω0,3ω0,4ω0,
…
处)的传感器。然而，可以构造混合类型。奇数阶谐波的动态偶极矩倾向于与基频的动态偶极矩对齐，而偶数阶谐波倾向于垂直于基频动态偶极矩并且垂直于旋转轴线对齐。因此，奇数阶谐波在概念上是最容易使用的，因为例如三阶谐波的动态偶极矩与基频的偶极矩的比率被反映为单个线圈中的记录电压的对应比率，例如被评估为频谱峰值幅值。然而，由于接收系统中的放大可以是频率相关的，因此优选地应用校正以保持三阶谐波动态偶极矩和基频动态偶极矩的真实比率。可以在预定积分周期内测量该比率。对于每个传感器，可以提供该比率对振荡幅值或直接频移的校准，并且因此应用校正。在偶数阶谐波的情况下，情况是稍微更复杂的，因为动态偶极矩的方向不与基频动态偶极矩对齐。因此，这里通常需要采用多于一个线圈，或者需要通过其他手段确定线圈相对于传感器的取向。
[0208]
尽管在大的线圈集合(例如》＝6)的情况下可以重建传感器位置和取向两者，但是
几个线圈(例如3-5个)应当至少允许使用与下面进一步详细描述的定位确定方法类似的方法来重建传感器相对于线圈的取向。然后，可以使用线圈灵敏度来确定偶数阶谐波的动态偶极矩的真实比率。可以省略取向确定的中间步骤，并且可以使用线性代数方法来建立线圈中的基频幅值和谐波幅值的比的直接映射图。应当理解，这里在频域中描述的方法可以映射到其他基础(如时域)中的方法。在时域中，频率分析被映射到振荡形状分析。这些映射方法在数学文献中是众所周知的。
[0209]
在下文中，将描述基于时域包络函数的对振荡幅值的确定。
[0210]
确定振荡幅值的另一种方式是利用信号的非线性衰减行为。传感器的阻尼通常是非线性的。非线性衰减意味着在双倍的存储能量下，传感器的平均耗散功率不是双倍的，而是以略高于2的因子增加。其原因可能是由于上述力调节导致的细丝的拉伸。公式(9)示出了在低振荡幅值下，磁性物体之间的吸引力在很大程度上是恒定的，但是在更高幅值下，它们不再是恒定的。该力变化在第一近似中取决于振荡幅值的平方，对应于通过抛物线对余弦函数的近似。这种平方相关性是耗散中的非线性的原因。磁性物体之间的变化的力使(一个或多个)细丝周期性地拉伸，这导致耗散贡献。其他效应也可能导致非线性行为。总之，这些效应导致给衰减曲线在定时间内的包络形状取决于初始幅值的情况。因此，如果标记设备的感测单元具有恒定的初始振荡幅值并且标记设备的感测单元的距离和/或取向相对于(一个或多个)接收线圈改变，则找到初始衰减包络的缩放版本。然而，如果感测单元的激励幅值改变，则不仅衰减曲线的总幅值变化，而且其形状也变化。这意味着可以消除幅值效应和距离/取向效应，并且因此可以使用例如预先记录的衰减曲线的查找表来重建初始振荡幅值。
[0211]
这再次导致确定零幅值频率的可能性或如上所述的受控恒定幅值激励。该方法仅需要单个线圈来工作。然而，它在记录期间对感测单元的移动是有些敏感的，因为这也改变了包络的形状。因此，将可能的感测单元移动的模型结合到评估中是有益的。例如，如果已知标记设备的感测单元将不执行快速加速，则利用持续运动的假设来校正衰减曲线包络是有用的。
[0212]
在下文中，将解释基于对激励场的变化的信号幅值响应来确定振荡幅值。
[0213]
确定振荡幅值的又一种方法是分析传感器信号对磁激励场或电磁激励场的不同强度的反应。在这种情况下，电流脉冲被系统地变化，并且评估(一个或多个)传感器对不同激励脉冲的响应。可以改变发送脉冲电流、持续时间和相位或其组合。例如，假设存在两个激励脉冲。如果距离高并且局部场幅值低，则两个脉冲被设计为生成单个脉冲将产生的幅值的两倍。然而，如果距离低并且传感器处的局部场高，则所述幅值将小于幅值的两倍。这导致接收电压相对于为二的预期因子的特征降低。因此，传感器针对给定激励模式的接收信号(傅里叶)幅值的(一个或多个)比率是激励幅值的度量，并且可以再次用于外推到零幅值频率和/或用于具有恒定的激励幅值。除此之外，也可以评估其他量，如频率和衰减时间。这些量的比率也是振荡幅值的特征，并且可以用于外推到零幅值频率。
[0214]
在下文中，将描述基于所有贡献因素的全模型来确定正确参数。
[0215]
上述所有方法仅仅是评估方法，其中一些方法需要发射场脉冲的改变。不需要对系统的硬件改变来进行这些评估。因此，实施它们的全部是合乎逻辑的。这可以通过简单地并行地运行评估并以最小化噪声(即根据相对噪声进行加权平均)的方式组合结果来完成。
虽然这是相对直接和容易实施的，但是通过使用将在下面概述的真实积分的数学方法可以预期更好的结果。反过来说，数学上复杂的方法相当更难以实施，并且可能需要太多的计算资源来在成本有效的计算机硬件上运行。正确数学方法的基础是针对感测单元的数学模型。该模型预测感测单元对磁激励场或电磁激励场的响应以及电流感测单元状态。感测单元状态可以是与磁性物体对应的悬浮球体的当前偏转角度和旋转速度。
[0216]
在一些实施例中，还必须生成包括滤波器和放大器特性的发射线圈和接收线圈的模型。这可以以微分方程来表示，但是这里，傅里叶参数表示也并不罕见，只要发射和接收系统在性质上是足够线性的。
[0217]
最后，需要提供针对线圈发射和接收灵敏度的模型。这可以简单地是具有附加灵敏度的空间点的集合和点之间的插值算法。它还可以基于对线圈的模拟，所述模拟基于biot-savart定律。该模型现在可以利用激励脉冲和外部参数的给定历史来预测传感器在任何给定位置和取向处的电压响应。因此，所述程序是在模拟中以记录的信号和模拟结果以最佳可能的方式匹配的方式改变传感器位置和取向以及影响传感器的物理参数。可以使用许多众所周知的优化方法，诸如梯度下降或随机游走。匹配可以被定义为测量样本点和模拟样本点的差之和的均方根。如果该量最低，则匹配是最佳的。可以引入附加约束来改变最佳拟合，例如通过预期相对位置和取向的模型或得通过对最大预期传感器加速度的约束和/或测量量的模型(其例如给出对这些量的最大变化率的约束)。也可以使用附加的传感器输入，如手持线圈系统上的加速度计用于距离和取向变化的至少一个独立输入。由于基于全模型的评估过程是计算密集的，因此它们可以与先前方法中的一种或多种进行组合以给出用于进一步优化的良好起点。
[0218]
处理器还可以被配置为补偿重力效应，如将在下文中解释的。
[0219]
处理器并且更特别地位置确定单元还被配置为补偿地球磁场及其他静态场效应。
[0220]
静态背景场添加到固定磁性物体的场，并且因此调制通过振荡磁体看到的恢复场b
rest
。这根据公式(8)改变谐振频率，并且因此是经由振荡器的频率变化进行感测的误差源。对于具有1.3t/μ0的饱和磁化强度的ndfeb制成的直径0.5mm的磁球，由固定球体在振荡球体中心处生成的场对于0.75mm和1.0mm的中心到中心距离分别为16.1mt和6.8mt。地球磁场在25至65μt之间。对于0.75mm和1.0mm的上述距离，静态场分量与65μt的最大地球磁场的平行和反平行对齐之间的频率差将分别产生约5hz和9hz的频率差。在下文中介绍对此的不同减轻策略。
[0221]
标记设备侧的减轻是使用采用具有相同磁偶极矩和惯性矩(或两个量的合适比)的两个悬浮球体作为磁性物体而不是先前已经被描述为磁性物体的单个球体的设计。由于反向振荡在单个频率下发生，因此消除了静态偏置场(如地球磁场)的一阶效应。
[0222]
另一种减轻策略是使用系统中的绝对场传感器来测量静态背景场的幅值和取向。基于使用先前讨论的方法确定的传感器取向，可以计算频率或场修正以实现改善的位置确定。为了感测静态背景场，可以使用可以集成在跟踪系统中的具有足够灵敏度和占用面积的任何磁场传感器。一种成本有效的选择可以是3轴霍尔传感器。备选方案将是具有明确定义的零场频率的温度补偿微机器人的3轴阵列。
[0223]
根据其相应频率的变化，可以确定背景场的幅值和取向。理想地，其谐振频率被选择为使得它们不干扰感兴趣的感测单元的频率。代替在评估中校正频移，还可以使用多线
圈跟踪系统的线圈来生成小偏移场以平衡地球磁场和其他背景场。如果由于铁磁材料的存在而在视场中存在不均匀场，则可以采用若干组3轴磁场传感器来表征空间场变化。
[0224]
标记设备应当具有高品质因子，并且需要具有大频率扫描以在特定应用所需的范围内对所测量的量敏感。高品质因子在生成最高信号情况的高振荡幅值下是尤其重要的。由于两个磁性物体具有强吸引力，并且力随着距离的收缩(距离的四次幂，参见公式(9))而强烈增加，因此两种性质都可能恶化。强力导致保持至少一个磁性物体的至少一根细丝中的相对强的张力。该张力本身不会导致耗散路径。然而，特别是在大的振荡幅值下，磁性物体之间的力减小，并且因此附接部分上的张力周期性地减小。这导致附接部分的周期性延长和缩短，其通常可能导致热生成。因此，从振荡器提取功率。力还强烈地取决于磁性物体的距离，并且如果物体彼此靠近，则力变得非常大。
[0225]
为了解决这个问题，描述了一种减小力和力的变化的方法。它仅由在另一个磁性物体旁边的相反方向上磁化的磁性材料的一部分组成，如图20所示。
[0226]
在图20中，感测单元4001包括磁性物体4008，所述磁性物体4008是经由附接部分4006(诸如优选为高强度线的细丝)悬置在壳体4002的硬壁4010上的永磁体。硬壁4010优选地由对外部压力影响不敏感的金属或聚合物制成。此外，壳体4002的其余部分也可以由金属或聚合物制成。壳体4002可以填充有气体，或它可以提供真空空间。另一磁性物体4007经由胶合剂4011而被固定到壳体4002的内端表面。两个磁性物体4007、4008通常在相反的方向上被磁化。然而，固定磁性物体4007还包括具有反向磁化取向的部分4012。
[0227]
因此，如果涉及两个磁性球体，则在该示例中，至少一个球体获得在相反方向上磁化的帽。帽位于另一磁性球体旁边。如果一个球体是固定的而另一个是振荡的，则最好在固定的球体上具有帽。以这种方式，传感器的动态偶极矩不会减小。只有振荡频率略低。然而，也可以颠倒球体的角色。反向磁化部分如此之小以至于在所有操作距离处，磁性物体之间的净力仍然是吸引性的。如果反向磁化部分足够小，则可以恰到磁性物体接触时满足吸引条件。
[0228]
存在制作反向磁化的帽的若干种方式。一种是仅在至少一个磁性物体的顶部添加一些磁性材料。磁性材料可以是软磁性或硬磁性的。它可以是实心连续磁性物体或磁性涂料或其之间的东西。磁性材料倾向于以自身形成相反磁化的方式对齐。此外，它还倾向于粘附到磁性物体上。然而，所述附加材料应当胶合到磁性物体上，特别是如果两个主磁性物体可能偶尔彼此触碰。为了保持最初期望的形状，可以从待改变的磁性物体移除一些材料，例如通过研磨。
[0229]
存在形成反向磁化区域的替代方式。它可以仅通过反向磁化磁性物体的期望区域来创建。这可以通过穿过磁性物体附近的导体的强电流脉冲来实现。然而，由于过度加热，这不是非常实用的。其可以通过仅将磁性物体的受影响部分加热到接近或高于居里温度来更容易地实现。这将导致磁化的反向。该效果可以通过在相反方向上应用脉冲或恒定磁场来增强。通过在待影响的区域附近使用一些硬磁或软磁材料，场还可以包含强的梯度。由于加热必须是相当局部化的，因此温度增加需要是非常快的，使得沉积到磁性物体中的总能量是低的，并且不会使其整体上接近居里温度。合适的加热源可以是激光器。电阻或感应加热方法也可以起作用。
[0230]
此外，确定场干扰的存在的一些方法也可以是用于补偿场干扰的影响的方法的良
好起点。当假设存在引起涡电流的导电材料而不是铁磁材料时，可以最容易地说明这种示例性方法。当应用上述模型时，可以从近dc相关信号(梯度场编码)的评估中获得正确的位置，但是在传感器频率及其谐波(线圈灵敏度编码)处获得错误的位置和局部场幅值。因此，可以以匹配预期的方式使更高频率场失真。在应用失真之后，所有位置和感测单元读出将得到改善。不仅仅依赖于基于近dc磁场的位置评估是有益的，因为ac灵敏度编码快得多。
[0231]
该补偿方法的最关键部分是确定ac场失真的正确模型。简单的解决方案是例如使用简单的3d多项式来参数化场移位函数。这意味着不使用实际位置的场值，而是使用由3d多项式变换的位置的场值。这在计算上是高效的，但是可能缺乏物理洞察，并且例如如何将线圈耦合的测量结果结合到该框架中是不明显的。因此，最好使用更接近物理现实的模型。例如，最好使用线圈系统附近的导电板的场模型来引起期望的场失真。
[0232]
因此，一些虚拟板的位置、角度厚度和尺寸基本上是变化的，直到模型预期和测量的数据匹配。如何建模这种导电板在电磁模拟文献中是众所周知的。这种类型的建模具有额外的优点：并入可能在特定环境中出现的物体的形状是容易的。因此，如果使特殊设备(例如，x射线c型臂)靠近视场，则该设备是已知的并且可以在之前建模，使得只有精确的取向和位置必须由系统软件优化。另一个优点是假设的干扰物体位置可以由系统显示，或数据被传输到进行显示任务的第二系统。以这种方式，用户可以被具体地指向干扰测量的物体，并且用户可能想要移动或移除它们。在该过程期间，线圈的耦合数据基本上充当金属探测器阵列。铁磁材料的并入在概念上与生成涡电流的导电材料相同。然而，铁磁材料模拟在计算上稍微更密集，并且因为可能缺乏由专用标记设备定义的明确参考位置，所以它可能不会得到确切位置。但是同样，最好对一组铁磁材料(如片材和棒材)进行建模，并在模拟中围绕线圈阵列放置它们并使它们变形。这里，如果提供可能的铁磁物体的数据库，则对于模型是非常有益的。此外，可以通过测量线圈环境中的谐波生成来增强互耦测量的过程。谐波的存在是软铁磁材料的强指示，并且测量的信号给予针对物体的尺寸和位置的有价值输入。
[0233]
在下文中，将描述激励脉冲生成。
[0234]
跟踪系统并任选地场发生器优选地包括生成激励脉冲的时序和形状的软件。该激励脉冲发生器优选地知晓硬件的能力。可能存在不同类型的放大器和滤波。一种类型的放大器能够生成紧密遵循非常任意的路径的电流波形。这些在这里被称为“模拟放大器”。
[0235]
另一个仅能够以预定的速率增加电流，以类似的速率减小电流，以及使其差不多恒定。实质上，这些放大器在线圈处应用具有正号或负号的电压或充当短路。这些在这里被称为“数字放大器”。数字放大器可以具有不同的切换速度，即每单位时间允许的状态改变次数。如果切换速度比振荡速度高得多，则数字放大器再次像模拟放大器一样起作用。因此，这种类型的放大器可以在概念上被视为模拟放大器。
[0236]
如果切换速度仅与标记设备振荡频率大致相同，则处置必须略有不同。然而，这是更困难的情况，因此所有讨论都将集中于此。这种类型的放大器具有优于模拟放大器的一些益处。主要优点是该放大器的效率通常非常高，并且容易实现98％的效率。另一个优点是与计算系统的接口连接非常容易。在放大器与线圈之间，可以存在匹配电路。最简单的匹配电路仅仅是与线圈串联的电容器。使用匹配电路，在给定放大器电源电压下通过线圈的最大电流增加。然而，这种匹配电路具有阻挡低频电流的缺点。
[0237]
一些序列可能需要低频电流。对这个问题的解决方案可能是双重的。首先，可以提供在高频和低频下透明的匹配电路。这种电路的一个示例是与第一匹配电容器并联的线圈或线圈电容器串联电路。另一种方式是具有对匹配电路进行旁路的开关，并且当需要近dc电流时，开关闭合。在旁路路径中，如果谐振频率足够低，则也可以集成电容器。以相同的方式，可以使用多个开关和电容器来提供整个系列的不同匹配频率。而且，注意，即使电路被调谐到近dc，在标记设备频率下的一些电流仍然可用。应当注意，在读出期间不一定可能使用dc电流。提供这种能力有两个主要要素。首先，不允许dc电流干扰读取。如果发送线圈和接收线圈被组合，则总是存在问题。dc源可以提供到信号的短路路径。这必须被避免，并且适当的匹配电路避免了它。
[0238]
匹配电路必须在线圈和dc源之间引入足够高的阻抗。这可以通过与在发送/接收线圈电感的量级上的电感串联的附加线圈来实现。如果不需要，则电感可以具有并联开关以将其短路。存在许多其他可用的解决方案。第二条件是dc源不引入太多噪声，即电流源噪声不妨碍标记设备的准确测量。这可以在dc发送情况下通过合适的模拟滤波器来实现。
[0239]
该滤波器可以在ac发送脉冲期间由合适的开关(例如mosfet光耦合器)旁路。在信号接收期间完全避免dc源中的切换动作并且仅使用线圈中的缓慢衰减的电流也是可行的。在接收时仅进行几个切换动作并且在接收到的数据被破坏时就丢弃接收到的数据也是可行的。dc场源也可以是完全分开的线圈，或场发生器可以是(移动的)永磁体。这避免了大多数问题。在信号接收期间存在dc电流的另一个问题是线圈可能为传感器提供不同的环境。这意味着，例如一些线圈可以针对ac电流被缩短，并且ac场不再穿透线圈，从而改变附近线圈中的场值。在计算位置和/或取向时必须考虑这种效应。两个主要的场元件与标记设备相互作用。一个是电流的接近dc幅值，即在大约0.1秒(约0.01秒至约1秒)的时间内平均的电流值。另一个是在传感器/标记的谐振频率下的傅里叶幅值(作为复数值，因为相位是重要的)。因此，第一个任务是将两个值映射到序列的生成。
[0240]
在下文中，将根据需要描述傅里叶幅值和电流到特定时域脉冲模式的映射。
[0241]
生成进行这种精确类型的映射的软件子系统(即获得期望的近dc电流和期望的傅里叶幅值(和频率)作为输入并生成时域脉冲序列)也是有用的。还希望该软件返回在由硬件应用的限制内是否可以达到期望值的信息，如线圈的最大电流或最大加热或监管限制，例如患者加热或外周神经刺激。代替简单的是/否信息，可以提供关于不期望的副作用的严重性的信息。每个个体发送信道(每个发送线圈)可以提供该信息。另一返回值可以是实际最佳拟合输出dc电流和(一个或多个)傅里叶幅值。输入不仅可以是一个频率和傅里叶幅值组合，而且可以是不同频率下的各种傅里叶幅值。脉冲序列的最大长度也可以是为该函数的输入的参数。内部工作如下：在模拟放大器的情况下，可以简单地通过在期望的发送时间内对期望的傅里叶幅值(和dc值)进行傅里叶逆变换来生成第一结果。如果该过程导致由于一些限制而不能实现的波形，则这被报告回来，并且可以安排生成缩放版本。通过适当的卷积考虑可能的滤波器特性。如果存在若干切换滤波器状态，则可以测试所有切换滤波器状态，并且可以选择对放大器具有最低需求的切换滤波器状态。注意，存在若干可用的试探法，使得对于大多数情况，并非必须评估所有滤波器状态。例如，如果更好的滤波器可用，则可以省略具有远离谐振频率的滤波器。对于数字放大器，逆傅里叶变换(包括滤波器效果)为优化提供了良好的起点。在该第一近似步骤中，通过两个(或最多几个)斜坡和其之间的
平坦区域来近似时间谱中的所得峰值。因此，例如，以零开始并以零结束的正弦波的半周期首先由平坦(零)部分、然后斜升、然后平坦部分、然后斜降、最后平坦(零)区域来近似。不同部分的时序以达到大致相同区域的方式布置。在该第一近似之后是第二步骤，其中斜坡和平坦部分开始的位置被移位以达到与期望的傅里叶值的最佳拟合。最佳拟合可以是期望的和实现的傅里叶分量的差(复数)值的最小平方和。可以使用所有常用的优化算法，如梯度下降。
[0242]
在下文中，将描述标记设备处的期望傅里叶值到线圈中的电流的映射。
[0243]
脉冲发生程序的下一个更高的抽象级是要求在特定位置处的特定场傅立叶值和方向作为输入并将它们转换为对线圈中的电流的要求的软件项。评估算法通常提供传感器/标记的位置和取向的一定度量。该位置不是并且也不需要是3d空间中的位置。然而，3d位置是理想的情况。例如，如果仅存在一个线圈，则可能仅可以确定传感器处的在敏感方向上的场值。然而，这也转换为3d空间中的一些虚拟位置和取向。因此，这些情况不需要软件中的特殊处理。然后，到线圈电流需求的转换是优化过程的结果。存在从线圈中的电流计算特定空间位置处的傅里叶场分量的模型。这是优化的基础，其中线圈电流傅里叶分量以生成期望的场分量的方式被优化。通常不存在由线圈电流形成期望的场的明确方式。也可能是期望电流与硬件系统中的限制不兼容的情况。更低级的软件返回描述负面影响的值，并且软件使用该信息来优化电流。优化的目标是在标记设备处实现的场傅里叶分量与负面影响之间具有良好的折衷。这意味着与期望场的偏差和副作用被组合成一个数值，并且对于该数值，使用标准优化算法找到最大值或最小值。数值的组合可以是加权平方和。当然，对于该实体，可以找到大量的工作数学组合。最后，程序的这一部分向调用程序(更高级)返回在所述位置处实现的场和用于其进行其优化的质量值。
[0244]
在下文中，将描述针对标记/传感器的期望场傅里叶值的生成。
[0245]
在这个抽象水平上，软件系统实际上处理需要进行的测量。因此，所述程序的输入是什么事情应当如何准确和多快地测量的当前需求。这些要求取决于使用传感器/标记的实际应用，并且因此不是本文件的一部分。要求可能非常不同。例如，如果仅涉及单个传感器，则要求将是例如每0.1秒尽可能准确地测量单个量。如果应用是具有多个耦合的标记的跟踪解决方案，则期望的结果可以是每0.1秒对整个标记组件进行位置更新，而不管其中的哪个标记/传感器对信号有贡献(基于线圈灵敏度)，并且每1秒需要用梯度方法进行独立的位置检查。该程序还可以访问传感器/标记的当前状态(位置/振荡参数等)和本文件中其他地方描述的模拟模型。根据此，可以计算包括针对每个标记设备的方向的最优激励场傅里叶值。这些参数可以被传递到先前描述的更低软件级(在将来某处具有期望的执行)以最终生成电流。在单个传感器的情况下，这将立即工作，并且可以将计划写入硬件输出缓冲器。然而，对于例如标记设备组件的跟踪，可能不存在完美地激励所有个体标记设备的脉冲形状。特别地，相位将不适合于所有个体标记设备。因此，软件可能必须尝试仅将最佳激励集中到存在的标记设备的子集，并且尝试找到给出工作的脉冲序列的解决方案。这是该软件优化的一般工作原理。它试图改变各种传感器的期望激励，并聚焦于一些传感器，以仍然获得期望的结果。概念上最简单的方法是遍历标记设备的所有可能子集并检查哪个激励子集给出关于期望参数的最佳信息。由于存在许多可能的子集，因此程序需要添加一些启发式方法来降低复杂性。例如，如果给定的标记设备被激励则可以首先观察什么其他标记设备
也被激励并且这些标记设备可以总是被分组在一起。如果找到合适的解，则可以将其写入输出缓冲器。包括近dc磁场可能需要附加逻辑，这取决于硬件实现。如果硬件能够在记录信号的同时应用dc磁场，则除了在读出期间应用一个或几个梯度之外，软件不必做非常特殊的事情。然而，如果dc梯度和读出不兼容，则需要在激励脉冲之间的某个时间产生正确dc场或梯度的额外优化步骤。优化背后的逻辑保持相同。改变参数直到模拟针对该应用预测到足够好的测量值。
[0246]
在下文中将描述启动序列生成。
[0247]
算法通常假设已经存在关于可用于优化序列的标记设备的相当多的了解。通常，在序列开始的时候，这不是完全可用的。例如，根据应用，可以知道在应用中应当存在多少标记设备以及频率可以在哪个范围内。但是精确的频率和位置将是未知的。因此，需要尝试在所有可能位置处找到所有可能标记设备的特殊启动序列。最简单可能的启动序列如下。工作体积被分割成空间3d或抽象网格。如果没有足够的线圈来进行完全3d编码，则抽象网格是要使用的网格。每个空间点被分成不同的方向。该程序遍历每个位置和该位置处的每个角度，并针对给定频率和预设发送时间应用最高发送功率。然后，系统记录来自传感器/标记的潜在信号。通常，一个发送脉冲不仅激励一个标记设备，而且同时激励许多其他标记设备。然而，所述程序确保即使具有最弱可能信号的标记设备也将被检测到。任选的下一步骤是用不同的幅值个体地激励每个传感器。由此，可以提取非线性性质。另外的可选步骤是在存在dc场的情况下激励每个标记设备，或者在dc场之后(再次在各个方向上)测量信号相位，以确定标记设备对dc磁场的灵敏度。通过使用关于系统的一些了解，可以极大地加快这些基本程序。例如，可能的是，如果已经搜索了远处的体积以寻找传感器/标记，则许多或所有更近的体积至少对于一些角度接收到最高可能的幅值。因此，只有较少其余参数需要应用于更近的体积。可以使用相同的逻辑来评估传感器/标记的非线性特性或其对dc磁场的响应。
[0248]
在下文中解释用于高时间分辨率测量的策略。
[0249]
对于许多应用，期望具有高的时间分辨率。因此，对于位置和参数确定两者，希望利用磁-机械振荡器达到高时间分辨率的策略。用于高时间分辨率的最简单的方法是简单地减少重复时间。重复时间是指后续激励脉冲之间的时间段。在每个激励脉冲之后，确定频率和幅值，根据所述频率和幅值可以计算物理值和位置，如其他地方所描述的。然而，标记设备的品质因子倾向于是相对高的，并且振荡幅值在下一激励脉冲的时间尚未下降太多。为了总是获得期望的标记设备激励，必须考虑下一个激励的相位。通常，我们想要“同相激励”，即，以标记设备从激励脉冲的一开始就获得能量的方式的激励。在其他地方描述了如何优化时序。同相激励使发送能量最小化，并且因此激励脉冲长度可以保持为最小。这增加了整体信噪比。
[0250]
高重复率具有一些缺点。首先，在激励脉冲期间和之后不久，系统通常不能接收值，并且因此信噪比可能不是最佳的。其次，每个发送脉冲破坏了关于传感器振荡相位的一些了解。只有当激励脉冲和传感器取向保持严格控制并且精确已知时，相位信息才能在一定程度上存活，然而这是技术上的挑战。更长时段内的相位信息可能是有用的，因为在其中，关于平均频率(因此平均物理量)的信息被编码。当评估双倍长度间隔时，平均物理量的测量比仅独立地进行前半部分和后半部分的评估并对两个结果求平均准确得多。因此，可
能值得的是，不具有与测量一样多的激励脉冲，而是从一个信号脉冲中提取多于一个测量值。这可以简单地通过将信号分成若干子部分并个体地评估每个子部分来完成。
[0251]
这种简单的方法没有考虑到如果使用更长的数据集则测量变得更好。为了并入这一点，可以将该集合分成子集的层级，并且评估每个层级中的每个子集，并且缩放平均值以匹配更长的数据集。因此，例如，首先整体上评估数据集(一个未受干扰的衰减信号)。然后将其分成两个，并且单独评估两个分割数据集。然后，对每个结果添加相同的数值，使得其平均值与全集的平均值匹配。可以重复该过程以最终具有4个、8个等子集。该方法可以在数学上被细化为基于全模型的评估。为此，生成物理参数的演变的模型(并且可能还包括传感器的空间移动)。该模型可以是一定次数的多项式或一些其他合适的数学函数。该函数应当以仅需要使用少量参数的方式描述所测量的量的物理性质。因此，例如当参数是血压时，模型可以更好地是傅里叶级数，因为这比多项式更好地描述心跳的压力波形。然后改变参数以尽可能好地匹配测量的数据集。如果最终需要离散测量点，则它们可以使用模型针对某些时间点的输出来简单地计算。
[0252]
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
[0253]
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
[0254]
单个单元或设备可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
[0255]
由一个或若干个单元或设备执行的如基于感应信号确定谐振频率、基于谐振频率的位置和/或取向信号确定、校准曲线的确定等的确定也可以由任何其他数量的单元或设备执行。跟踪系统的控制可以被实施为计算机程序的程序代码器件和/或专用硬件。
[0256]
计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。
[0257]
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
[0258]
本发明涉及跟踪系统和标记设备，所述跟踪系统用于跟踪所述标记设备，并且所述标记设备适于被附接到医学设备，所述跟踪系统被提供用于在手术期间使用，其中，所述标记设备包括感测单元，所述感测单元包括提供永久磁矩的磁性物体，其中所，述感测单元被配置为将外部磁激励场或电磁激励场转换成所述磁性物体的机械振荡；并且其中，所述跟踪系统包括：场发生器，其用于生成预定的磁激励场或电磁激励场，所述预定的磁激励场或电磁激励场用于引起所述感测单元的所述磁性物体的机械振荡；换能器，其用于将由引起的所述磁性物体的机械振荡生成的磁场或电磁场转换成一个或多个电响应信号；以及位置确定单元，其用于基于所述一个或多个电响应信号来确定所述标记设备的位置。