【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本申請涉及磁定位系統，例如被配置成與機器人手術系統一起使用的磁定位系統。
技術介紹
1、磁定位系統(其也可以稱為“電磁(em)定位系統”)可用于確定部件在空間內的相對位置和/或取向。因此，磁定位系統可用于確定給定物體相對于參考系的位置和取向。常規磁定位系統包括多軸磁場源，所述多軸磁場源可以通過激勵其多個軸來生成空間上唯一的磁場。常規磁定位系統還包括多軸磁場傳感器，所述多軸磁場傳感器可檢測和分析空間上唯一的磁場以確定源和傳感器的相對位置和/或取向。如果多軸磁場源和多軸磁場傳感器各自具有三個軸，則可以確定源與傳感器之間的六個自由度(相對位置三個自由度，相對取向三個自由度)。磁定位系統往往適合于短程應用，通常源與傳感器之間的最大距離在30cm到幾米的范圍內，因為磁場強度隨著距離的三次方而減小。磁定位方法優于諸如光學跟蹤的其它定位方法的一個優點是，它們不需要從源到傳感器的視線來確定其相對位置和取向。這對于繁忙的環境，例如與手術室(operating?theatre)或“手術室(operatingroom,or)”中的機器人手術系統一起使用是有益的，在手術室中，有許多可能阻擋視線的人和設備(包括塑料蓋布)。
2、磁定位系統如何能夠使用多軸磁場源和多軸磁場傳感器來確定源和傳感器的相對位置和/或取向背后的原理是本領域已知的。此處參考圖1、2a和2b提供對這些原理的簡要描述。圖1示出了多軸磁場源102和多軸磁場傳感器104的位置和取向。源102的位置和取向由圖1中的原點和標記為x1、y1和z1的軸方向限定。傳感器104的位置可以相對
3、圖2a示出了作為多軸磁場源102的實例的三軸磁場源，且圖2b示出了作為多軸磁場傳感器104的實例實施為一個或多個磁力計的磁場傳感器。在此實例中，源102包括圍繞源102的三個正交軸的三個導線線圈2021、2022和2023。通過用振幅為i的可變電流激勵線圈的n-匝，產生磁矩為μ的磁偶極子場，給定μ＝niω，其中ω為表示線圈的表面積的矢量，其中ω的方向與線圈的表面積的法線對準。舉兩個實例，傳感器104可包括三個各向異性磁阻(amr)傳感器，或者可包括圍繞傳感器的三個正交軸的三個導線線圈。
4、如果源102的線圈具有沿著z1軸指向的表面積矢量ω，則在由參數ρ和β限定的圓上的一點處由源102的該線圈生成的磁場的徑向分量hr(ρ,β)和切向分量ht(ρ,β)的量值由以下等式給出：
5、
6、
7、根據法拉第感應定律，如果傳感器線圈放置在變化的磁場中(例如，在由參數ρ和β限定的圓上的點處)，則該點處的磁場的變化將在傳感器線圈上感生電流。感生電流的強度取決于磁場的變化率以及傳感器線圈的表面積、取向和匝數。由于傳感器線圈經歷的磁場的強度是源102與傳感器線圈之間的相對位置的函數，因此可以從源電流和傳感器電流推斷出傳感器線圈相對于源的位置(由參數ρ和β限定)。如果傳感器104實施為線圈接收器，則在源102和傳感器104兩者中可以使用三個同心線圈(2021至2023)，其中它們的磁矩相互垂直。源102和傳感器104的配置(例如，線圈的匝數和線圈沿著每個軸的表面積)以及用于激勵源的軸的源信號在磁定位系統中為已知參數。使用這種已知信息以及傳感器線圈中的每一個檢測到的檢測到的磁場，本領域技術人員將知道如何確定源102與傳感器104之間的相對位置和取向。源102和傳感器104可以具有或者可以不具有相同的參數，例如線圈匝數和表面積。代替使用傳感器線圈來生成與磁場的變化率成比例的輸出信號，可以使用dc傳感器磁力計，其通常提供與瞬時磁場強度成比例的輸出信號。
8、有兩種常規方法來實現電磁位置感測。第一種常規方法是使用交流(ac)方法，其通過使用高頻(通常在10khz至60khz的范圍內)源信號在不同頻率上同時激勵多軸磁場源的所有軸來生成磁場。多軸傳感器用于檢測磁場并確定源和傳感器的相對位置和取向。為了區分不同頻率下的信號，(例如，在包括數百或數千個不同信號周期的測量時間內使用窄帶濾波器和/或同步檢測技術)測量和分析磁場，使得信號可以彼此區分并且與系統中的噪聲區分開。高頻信號的使用產生較短的測量時間和高精度(即，高信噪比(“snr”))，但高頻信號的使用意味著系統受到附近的導電材料的影響而畸變。當導電材料(例如，金屬，包括有色金屬)在交變磁場中存在時，在使磁場畸變的導電材料中產生渦電流，這繼而在確定的位置和取向中引起空間畸變。根據楞次定律，渦電流產生磁場，該磁場反抗產生渦電流的磁場的變化。這些渦電流的強度隨著磁場變化的頻率的增加而增加。特別地，“集膚深度”描述了時變磁場穿透到導電固體中的深度。來自時變場的感生電流產生反抗該場的渦電流，并且隨著更深入地進入材料而逐漸抵消該場。這意味著高頻磁場被金屬的厚度阻擋(如果完全封閉)或畸變(如果未封閉)。在小幾十千赫茲內(和以上)的頻率下操作的ac系統的已知限制在于，它們在常見金屬物體和結構存在的情況下經歷畸變。因此，高頻磁場(例如，具有高于1khz的頻率)不用于將系統定位在包括大量金屬的環境中。在or中(例如在手術機器人中)通常存在許多金屬，因此常規高頻ac磁定位方法不太適合于此應用。“高”頻信號與“低”頻信號之間不存在硬閾值或截止值，但較低頻率允許越來越厚的金屬片對由金屬中的渦電流引起的畸變“透明”，并且在實施機器人手術系統的or中發現的正常金屬量的情況下，“高頻信號”可以理解為意指頻率高于1khz的信號。
9、為了避免由在高頻磁場(例如，高于1khz的頻率)存在的情況下生成的渦電流引起的畸變，具有較低頻率(例如，低于1khz的頻率)的磁場可用于在包括顯著厚度的金屬的環境(例如在or中具有手術機器人系統的環境)中實施磁定位系統。然而，如果常規ac方法中的信號的頻率降低到低于約1khz，則不同頻率下的信號將變得難以彼此區分并且難以與系統中的噪聲區分開。
10、第二種常規方法是“開關dc”方法，其通過在不同時間以恒定電流的短脈沖(通常每個脈沖幾毫秒)依次激勵多軸磁場源的各軸(例如，三個軸)而起作用。恒定電流每秒可能有約100個這些短脈沖，并且平均而言，它們“關斷”的時間比它們“接通”的時間長，例如，它們“關斷”的時間可以是它們“接通”的時間的兩倍多。每秒具有大約100個恒定電流的脈沖的信號可被視為具有大約100hz頻率的信號。這些頻率足夠低，使得開關dc方法幾乎不受附近的諸如金屬的導電材料的影響，因為頻率本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種磁定位系統，所述磁定位系統被配置成與機器人手術系統一起使用，所述磁定位系統包括：
2.根據權利要求1所述的磁定位系統，其中所述源信號中的每一個具有使得其在所述時段T中具有若干，x個周期的頻率，其中1≤x≤50。
3.根據權利要求2所述的磁定位系統，其中3≤x≤25。
4.根據權利要求2或3所述的磁定位系統，其中所述源信號中的每一個具有在1Hz至500Hz范圍內的頻率。
5.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述源信號是正弦的。
6.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述源信號具有不同的頻率，并且其中所述源信號中的每一個具有使得其在所述時段T中具有整數個周期的頻率，使得所述源信號在所述時段T內彼此正交。
7.根據權利要求6所述的磁定位系統，其中所述源信號的頻率相互不成倍數。
8.根據權利要求1至4中任一項所述的磁定位系統，其中用不同的正交碼調制所述源信號，使得所述源信號在所述時段T內彼此正交。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的磁定位系統，其中所述源信號中的兩個
10.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成每個更新間隔執行一次將檢測到的磁場解析成由于所述多個源信號引起的分量，并且每個更新間隔執行一次使用所述分量確定所述多軸磁場傳感器相對于所述多軸磁場源的位置和取向中的一者或兩者，其中所述更新間隔短于所述分析間隔。
11.根據權利要求10所述的磁定位系統，其中所述更新間隔小于或等于所述時段T。
12.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述多軸磁場傳感器被配置成針對所述多軸磁場傳感器的多個軸中的每個軸確定表示該軸的檢測到的磁場的軸特定傳感器信號；并且
13.根據權利要求12所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成通過以下操作處理所述軸特定傳感器信號：
14.根據權利要求13所述的磁定位系統，其中所述窗函數是周期為2T的升余弦函數，并且其中在其內處理所述加窗軸特定傳感器信號的所述分析間隔為2T。
15.根據從屬于權利要求10或11時的權利要求13或14所述的磁定位系統，其中每個更新間隔使用相應窗函數，使得所述窗函數在時間上重疊。
16.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成實施快速傅立葉變換(FFT)或離散傅立葉積分，以在所述分析間隔內分析檢測到的磁場，從而將檢測到的磁場解析成由于所述多個源信號引起的分量。
17.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述多軸磁場源被配置成用多個源信號同時激勵所述軸中的每一個，其中激勵所有軸使用的所有源信號在所述時段T內彼此正交。
18.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述多軸磁場源和所述多軸磁場傳感器各自具有正好三個軸。
19.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成使所述多軸磁場源和所述多軸磁場傳感器的定時彼此同步。
20.根據權利要求19所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成通過以下操作使所述多軸磁場源和所述多軸磁場傳感器的定時彼此同步：
21.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述多軸磁場傳感器包括被配置成檢測生成的磁場的非線圈型DC敏感磁力計。
22.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，包括多個多軸磁場源和多個多軸磁場傳感器，其中所述多軸磁場源中的每一個被配置成通過用相應源信號同時激勵所述多軸磁場源的多個軸來生成磁場，其中所有多軸磁場源的所有源信號在所述時段T內彼此正交。
23.一種機器人手術系統，包括：
24.根據權利要求23所述的機器人手術系統，其中所述磁定位系統被配置成：
25.根據權利要求24所述的機器人手術系統，其中所述磁定位系統被配置成還使用所述機器人手術系統的部分的已知幾何布置來確定所述機器人手術系統中的部分的位置和/或取向。
26.根據權利要求23至25中任一項所述的機器人手術系統，其中對于所述部分中的每一個，相應多軸磁場源和相應多軸磁場傳感器在分離位置處固定到所述部分。
27.根據權利要求23至26中任一項所述的機器人手術系統，其中所述部分是手術機器人臂和/或支撐手術機器人臂的推車。
28.一種用于機器人手術系統中的磁定位方法，所述磁定位方法包括：
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種磁定位系統，所述磁定位系統被配置成與機器人手術系統一起使用，所述磁定位系統包括：
2.根據權利要求1所述的磁定位系統，其中所述源信號中的每一個具有使得其在所述時段t中具有若干，x個周期的頻率，其中1≤x≤50。
3.根據權利要求2所述的磁定位系統，其中3≤x≤25。
4.根據權利要求2或3所述的磁定位系統，其中所述源信號中的每一個具有在1hz至500hz范圍內的頻率。
5.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述源信號是正弦的。
6.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述源信號具有不同的頻率，并且其中所述源信號中的每一個具有使得其在所述時段t中具有整數個周期的頻率，使得所述源信號在所述時段t內彼此正交。
7.根據權利要求6所述的磁定位系統，其中所述源信號的頻率相互不成倍數。
8.根據權利要求1至4中任一項所述的磁定位系統，其中用不同的正交碼調制所述源信號，使得所述源信號在所述時段t內彼此正交。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的磁定位系統，其中所述源信號中的兩個源信號具有相差的相位，使得所述源信號中的所述兩個源信號在所述時段t內彼此正交。
10.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成每個更新間隔執行一次將檢測到的磁場解析成由于所述多個源信號引起的分量，并且每個更新間隔執行一次使用所述分量確定所述多軸磁場傳感器相對于所述多軸磁場源的位置和取向中的一者或兩者，其中所述更新間隔短于所述分析間隔。
11.根據權利要求10所述的磁定位系統，其中所述更新間隔小于或等于所述時段t。
12.根據任一前述權利要求所述的磁定位系統，其中所述多軸磁場傳感器被配置成針對所述多軸磁場傳感器的多個軸中的每個軸確定表示該軸的檢測到的磁場的軸特定傳感器信號；并且
13.根據權利要求12所述的磁定位系統，其中所述磁定位系統被配置成通過以下操作處理所述軸特定傳感器信號：
14.根據權利要求13所述的磁定位系統，其中所述窗函數是周期為2t的升余弦函數，并且其中在其內處理所述加窗軸特定傳感器信號的所述分析間隔為2t。
15.根據從屬于權利要求10...
【專利技術屬性】
技術研發人員：威廉姆·安德魯·斯蒂爾，
申請(專利權)人：CMR外科有限公司，
類型：發明
國別省市：
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