(57)【要約】  電磁界の放射に基づいて物体定位を実行するためのシステムおよび方法。電磁界は異なる送信器から同時に放射される。１つの電磁界は基本周波数で放射され、残りの波は基本周波数の調波の周波数で放射される。合成磁界はセンサによって測定される。各センサによって生成される信号はフーリエ解析を受けて、合成電磁界を形成する個々の電磁界の強度が決定される。次いで、これらの個々の測定磁界強度データは送信器に対するセンサの位置および向きを決定するために使用される。
2008541795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の位置および向きを決定するためのシステムであって、
各々が磁界を放射することができ、異なる周波数でナビゲーション磁界を放射するように構成された、少なくとも２つの送信器と、
各々が前記送信器から放射されたナビゲーション磁界を同時に測定し、かつ測定された合成磁界を表わすセンサ信号を生成するように構成された、少なくとも２つのセンサと、
前記センサに接続されて前記センサ信号を受信し、かつ前記センサ信号に基づいて、前記送信器に対する前記センサの位置および向きデータを計算するように構成されたプロセッサと、を備え、
前記送信器が基本周波数の調波周波数である周波数でナビゲーション磁界を放射するように構成されていることを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記送信器が１，５００Ｈｚ以下の周波数で磁界を放射するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プロセッサが、
各センサ信号に対し、周波数成分分解プロセスを実行して、前記センサ信号を生成した前記センサによって測定された磁界を含む個々の磁界の強度を決定し、かつ
前記個々の磁界の強度に基づいて、前記送信器に対する前記センサの位置および向きデータを計算する、
ように構成された、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記プロセッサが実行するように構成された前記周波数成分分解プロセスが、フーリエ変換である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
３つの前記送信器を有する送信器組立体が存在する、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
３つの前記受信器が存在する、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記送信器組立体がさらに、少なくとも１つの前記送信器が前記ナビゲーション磁界と同時に、前記ナビゲーション磁界が放射される周波数より低い周波数で監視磁界を放射するように構成され、
前記センサが前記ナビゲーション磁界と共に放射された前記監視磁界を測定し、
前記プロセッサがさらに、
前記測定されたナビゲーション磁界および前記監視磁界の磁界強度を決定し、
前記測定された磁界の前記磁界強度に基づいて、補正されたナビゲーション磁界強度測定値を表わすデータを生成し、かつ
前記補正されたナビゲーション磁界強度測定値を表わす前記データに基づいて、前記送信器に対する前記センサの位置および向きデータを計算する、
ように構成された、
請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
１つの前記送信器が基本周波数でナビゲーション磁界を放射し、かつ
残りの前記送信器が前記基本周波数の調波周波数でナビゲーション磁界を放射する、
請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記基本周波数の前記調波周波数の少なくとも１つが、電磁界干渉の存在する周波数であり、
前記送信器が、磁界干渉の存在する前記基本周波数の少なくとも１つの調波周波数で磁界を放射しない、
請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
物体の位置および向きを決定するためのシステムであって、
各々が磁界を放射することができる少なくとも２つの送信器を含み、異なる周波数でナビゲーション磁界を同時に放射するように構成された、前記送信器組立体と、
各々が前記送信器から放射された磁界を同時に測定し、かつセンサから放射された合成磁界を表わすセンサ信号を生成するように構成された、少なくとも２つのセンサと、
前記センサに接続されて前記センサ信号を受信し、かつ前記センサ信号に基づいて、前記送信器に対する前記センサの位置および向きを計算するプロセッサと、を備え、
少なくとも１つの前記送信器が同時に少なくとも１つの監視磁界を放射し、前記少なくとも１つの監視磁界が、前記少なくとも１つの送信器によって放射される前記ナビゲーション磁界の周波数より低い周波数で放射され、
各センサが、測定される監視磁界の強度の指標を含むようにセンサ信号を生成し、
前記プロセッサがさらに、
監視磁界成分を含む前記センサ信号に基づいて、補正されたナビゲーション磁界強度測定データを生成し、かつ
前記補正されたナビゲーション磁界強度測定データに基づいて、前記送信器に対する前記センサの位置および向きを計算する、
ように構成されていることを特徴とする、システム。
【請求項１１】
前記送信器組立体がさらに、
前記少なくとも１つの監視磁界を基本周波数で放射し、かつ
前記ナビゲーション磁界を前記基本周波数の調波周波数で放射する、
ように構成された、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記送信器組立体がさらに、前記少なくとも１つの送信器が異なる周波数で複数の監視磁界を同時に放射するように構成され、
前記プロセッサが、前記複数の同時に放射された監視磁界を表わす前記センサ信号の成分に基づいて、前記補正されたナビゲーション磁界強度測定値を表わすデータを生成する、
請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記送信器組立体がさらに、前記少なくとも１つの送信器が異なる周波数で複数の監視磁界を同時に放射するように構成され、
前記プロセッサが、前記複数の同時に放射された監視磁界の磁界強度を表わす前記センサ信号の成分に基づいて、過度のスプリアス磁界が存在するか否かを決定する、
請求項１０〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサがさらに、
前記センサ信号に基づいて、前記少なくとも１つの送信器によって放射された前記測定ナビゲーション磁界、および前記少なくとも１つの送信器によって同時に放射された前記測定監視磁界を表わすデータを生成し、かつ
前記測定ナビゲーション磁界データおよび前記監視磁界データに基づいて、過度のスプリアス磁界が存在するか否かを決定する、
ように構成された、
請求項１０〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
物体の位置および向きを決定するためのシステムであって、
異なる周波数で磁界を同時に放射することのできる少なくとも２つの送信器を含む送信器組立体と、
各々が前記送信器によって放射された前記磁界を同時に測定し、かつ測定された合成磁界を表わすセンサ信号を生成するように構成された、少なくとも２つのセンサと、
前記センサに接続されて前記センサ信号を受信し、前記送信器に対する前記センサの位置および向きデータを計算するプロセッサと、を備え、
少なくとも１つの送信器が低い周波数の磁界および高い周波数の磁界を交互に放射し、
前記プロセッサがさらに、前記少なくとも１つの送信器によって放射された前記低い周波数および高い周波数の磁界を表わす前記センサ信号に基づいて、スプリアス磁界が存在するか否かを決定するように構成された、
ことを特徴とする、システム。
【請求項１６】
前記プロセッサが、前記少なくとも１つの送信器によって放射された前記低い周波数および高い周波数の磁界を表わす前記センサ信号に基づいて、前記センサの位置および向きデータを計算する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記送信器が、
前記少なくとも１つの送信器によって放射される前記低い周波数の磁界が、基本周波数で放射され、かつ
前記送信器によって放射される残りの磁界が、前記基本周波数の調波である周波数である、
ように構成された、
請求項１５または１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサが前記センサの位置および向きデータを決定するために、前記放射された低い周波数の磁界に基づく前記センサ信号を使用しない、請求項１５〜１７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１９】
物体の位置または向きを決定するための方法であって、
送信器から較正磁界パルスを放射するステップと、
前記較正磁界パルスの強度をセンサにより経時的に測定するステップと、
前記較正磁界パルスの前記強度の前記測定に基づいて、測定開始時間を決定するステップと、
時間ｔNPSから時間ｔNPEまで、前記送信器からナビゲーション磁界パルスを放射するステップと、
前記決定された測定開始時間に基づいて測定開始時間ｔNPMSから時間ｔNPEまで（ここで時間ｔNPS＜時間ｔNPMS＜時間ｔNPE）、前記ナビゲーション磁界パルスの強度を前記センサにより測定するステップと、
前記ナビゲーション磁界パルスの前記測定に基づいて、前記ナビゲーション磁界の前記強度を決定するステップと、
前記ナビゲーション磁界の前記決定された強度に基づいて、前記物体の位置または向きを計算するステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記ナビゲーション磁界パルスが、前記較正磁界パルスの放射時間より短い時間放射される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ナビゲーション磁気パルスを放射する前記ステップで、前記ナビゲーション磁気パルスが前記測定開始時間ｔNPMSの関数として可変時間放射される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
物体の位置および向きを決定する方法であって、
複数の送信器から電磁界を放射するステップと、
前記放射された電磁界の強度を複数のセンサにより測定するステップと、
前記測定された電磁界の前記強度に基づいて、前記センサの位置および向きデータを計算するステップと、
前記位置および向きデータの前記計算の結果生成されるデータに基づいて、有意の外来電磁界が存在するか否かを決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記センサによる前記磁界の測定値に基づいて行列の固有値が生成され、
有意の外来電磁界が存在するか否かを決定する前記ステップで、前記決定が、前記固有値を相互に比較することによって行なわれる、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記センサの位置および向きデータを計算する前記ステップの一環として、前記センサの向きを定義する回転行列が生成され、
有意の外来磁界が存在するか否かを決定する前記ステップで、前記決定が前記回転行列の評価に基づく、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
物体の位置および向きを決定する方法であって、
複数の送信器から電磁界を放射するステップと、
前記放射された電磁界の強度を、第１組の複数のセンサおよび前記第１組のセンサから間隔を置いて配置された第２組の複数のセンサにより、同時に測定するステップと、
前記測定された電磁界の前記強度に基づいて、前記第１組のセンサの位置データおよび向きデータを計算するステップと、
前記測定された電磁界の前記強度に基づいて、前記第２組のセンサの位置データを計算するステップと、
前記第１および第２組のセンサの前記位置データに基づいて、有意の外来電磁界が存在するか否かを決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２６】
物体の位置および向きを決定する方法であって
第１組の複数の送信器から電磁界を放射するステップと、
第１組の送信器からの前記電磁界の前記放射と同時に、前記第１組の送信器から間隔を置いて配置された第２組の複数の送信器から磁界を放射するステップと、
前記放射された電磁界の強度を、複数のセンサにより同時に測定するステップと、
前記測定された電磁界の前記強度に基づいて、前記センサの位置および向きデータ、前記第１組の送信器および前記第２組の送信器に対する前記センサの位置および向きを示す位置および向きデータを計算するステップと、
前記第１および第２組の送信器に対する前記センサの前記位置および向きデータに基づいて、有意のスプリアス電磁界が存在するか否かを決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２７】
物体の位置および向きを決定する方法であって、
複数の送信器から第１組の周波数で電磁界を放射するステップと、
前記放射された電磁界の強度を複数のセンサにより測定するステップと、
前記測定された電磁界の前記強度に基づいて、前記センサの位置および向きデータを計算するステップと、
を含み、さらに、
前記位置および向きデータの精度を決定するステップと、
前記位置および向きデータが不正確である場合、第１組の周波数とは異なる第２組の周波数で前記送信器から電磁界を放射するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、外科領域における物体の位置のような、物体の位置を決定するためのシステムおよび方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、金属物体が存在し得る環境で電磁放射を用いて物体の位置を決定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間内の物体の位置および向きを正確に知ることが必要でないとしても有用である、人間の努力の分野が多数存在する。外科手術は、この情報が望ましい１つのそのような分野である。医療従事者が患者の手術部位に対する外科用器具またはインプラントの位置および向きを高精度で知ることを可能にする、外科用ナビゲーションシステムが利用可能である。しばしばこの情報は、組織の正確な除去および形成を容易化するために外科的処置で使用される。整形外科的処置では、外科ナビゲーションシステムによって提供される情報は、インプラントが正確に配置されることを確実にする。
【０００３】
外科用ナビゲーションシステムおよび他の位置標定システムは、異なる手段を用いて追尾対象物体の位置および向きを識別する。多数の市販の外科用ナビゲーションシステムは、光追尾に依存して被追尾物体の位置を決定する。一部のシステムは、追尾対象物体に取り付けられた追尾器を含む。各追尾器は多数の光ビームを放射する。しばしば光は赤外波長で放射される。ローカライザと呼ばれる静的装置は感光受信器を有する。ローカライザで受信される個々の光ビームの発生位置に基づいて、システムの一部でもあるプロセッサが、追尾器の位置および向きの両方を決定する。この情報に基づいて、追尾器に取り付けられた装置の位置および向きが推論で決定される。
【０００４】
しばしば、医療処置の開始時に、患者の体組織の位置は、プロセッサと一体的なメモリにマッピングされる。これらのデータならびに被追尾物体の位置および向きの推論による決定に基づいて、外科ナビゲーションシステムは、体組織に対する被追尾物体の位置を示す画像をディスプレイ上に提示する。これは、それが無ければ上層組織によって隠れる物体の位置を、外科医が事実上「見る」ことを可能にする。
【０００５】
整形外科処置では、外科ナビゲーションシステムは、処置を受ける体肢の可動域を測定するためにも使用される。これらの測定データは患者へのインプラントの取付けを容易化し、処置の成功の可能性を高める。
【０００６】
光に基づく外科用ナビゲーションシステムは、外科的設定で物体の位置および向きのデータを提供するのには、かなり有効である。それにもかかわらず、これらのシステムに関係する欠点がある。光に基づくナビゲーションシステムには、発光構成要素と感光ローカライザとの間の見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）が必要である。線が遮断されると、物体の位置およびロケーションのデータを提供するシステムの能力は妨害される。そのようなシステムを使用する医療従事者は、彼ら自身の身体部分のみならず他の外科用装置も、見通し線が存在する空間内に入ることを回避するように、協調努力しなければならない。
【０００７】
見通し線が遮断されて、結果的に物体の位置およびロケーションデータの生成が妨害されると、システムが再びデータを提供できるようになるまで、処置を停止する必要がある場合がある。該遅延は、処置を実行する外科医の全体的効率を低下させる。さらに、そのような遅延は、処置を実行するのにかかる全体的な時間の長さをも増大させ得る。これは、最新の外科的実務の目的、できるだけ迅速に処置を実行することに反する。外科医は、患者が麻酔下に維持されかつ患者の身体が感染の危険に曝される時間の量を低減するために、この目標を目指して励んでいる。
【０００８】
最近、電磁界検知システムを外科用ナビゲーションシステムとして使用することが試みられるようになった。一般的に、この型のナビゲーションシステムは、電磁界を放射する１つ以上の送信器を含む。電磁界に感応する１つ以上のアンテナを有するセンサがある。物体の位置およびロケーション両方の情報を提供するために、一般的に、複数の電磁界を発信し、かつ複数のアンテナで各信号の強度を監視する必要がある。これらの送信器の中には、ＡＣ駆動信号によって付勢されると電磁界を放射するものがある。これらの送信器の中には、ＤＣパルス信号によって付勢されると電磁界を放射するものもある。センサによって測定される電磁界の強度に基づいて、プロセッサは送信器に対するセンサの位置および向きを決定する。
【０００９】
電磁ナビゲーションシステムは送信器とセンサとの間の見通し線を必要としない。したがって外科医は、自分の腕をシステムの送信器とセンサとの間の空間に入れることが、物体の位置および向きを定義するデータの生成を中断するという懸念無しに、そのような行為を行うことが可能である。
【００１０】
それにもかかわらず、電磁ナビゲーションシステムを特に外科的設定で使用する場合には、注意を払わなければならない。これは、第１発生源からの電磁波に曝された金属物体が、今度はそれら自体の電磁波を発生するからである。冷間圧延鋼のような鉄金属が磁気波に曝露されると、金属自体が磁化される。金属は次にそれ自体の磁界を発生する。この追加磁界はセンサによって検知される。したがって、この追加磁界はセンサによって行なわれる磁界の測定に誤差を導入する。
【００１１】
アルミニウム、銅、真鍮、および３００系ステンレス鋼のような一部の金属は、非鉄である。この型の金属が変化する磁界に曝露されると、渦電流と呼ばれるループ電流が金属の周囲に発生する。経時的に変化する渦電流は、それ自体の磁界を生成する。この磁界は、鉄金属物体によって生成される磁界と同様に、センサによって行なわれる磁界の測定に誤差を導入し得る。
【００１２】
外科手術では、所望の処置を達成するために、１つ以上の金属器具を手術部位に導入することがしばしば必要である。これらの器具の多くは金属部分を有する。上述した理由から、これらの器具は、システムセンサによって行なわれる測定に誤差を導入する追加磁界の発生源として働く。これらの誤差は次に、結果的にシステムが生成する、被追尾物体に関する正確でない位置および向きの情報をもたらし得る。そのようなナビゲーションが用いられる外科処置および多くの他の処置では、そのような不正確さは全く受け入れられない。
【００１３】
多数の提案されたシステムが、電磁界検知によって追尾が実行される環境で発生する、外来磁界によって導入される誤差を検知しおよび／または補正する。これらのシステムの中には、ＡＣ信号を出力する送信器を有するものがある。これらのシステムの中には、ＸＸＸＸＸを生成する送信器を有するものがある。送信器が複数の並列配置されたアンテナを含むＸＸＸＸＸも提案されている。多くのこれらのシステムの不利点は、「調整された」渦電流効果を含まない検知された磁界の強度を表わすデータを生成するために、多数の計算を実行する補完的プロセッサを必要とすることである。
【００１４】
他の提案されたシステムは、較正センサを有するセンサユニットを設けることを含む。これらのシステムは、できるだけ小型に維持することが望ましい装置に追加構成要素を追加する必要がある。さらに、これらのシステムは同様に、それらのプロセッサが、磁界の調整された強度を表わす出力データを生成するために、多数の処理ステップに従事することを必要とする。
【００１５】
提案されたシステムの中には、ＤＣパルス電流の発生のために生じる磁界の強度を監視するものがある。これらのシステムの中には、磁気パルスが最初に発生してから時間を置いて、磁界または磁界の変化の積分∫δＢ／δｔを測定するものがある。この時間だけ待ってから測定を行うことの背後の論理は、渦電流の効果がゼロレベルに減衰することである。これらのシステムの１つの不利点は、信号処理サイクル中に磁界が測定される時間が遅れることである。これは、プロセッサが物体の位置および向きを決定できる時間を遅らせる。また、信号が放射される期間が比較的長い場合、これらのシステムは、更新されるセンサの位置および向きのデータを比較的遅い周期で提供する。
【００１６】
これらのシステムの中には、実際の磁界、その変化率、または関連積分を実際には測定しないものもある。これらのシステムは代わりに、ＤＣパルスの初期放射の結果生成される磁界強度のプロファイルを監視する。これらの測定に基づいて、渦電流無しの磁界を表わす値が算出される。このプロセスの背後の論理は、渦電流の効果が経時的に減少するので、磁界強度の初期プロットが理論上、渦電流無しの磁界の強度を算出する基礎として役立つはずであるというものである。実際には、これらの計算により結果的に、渦電流無しの磁界強度を正確に表わす値が決定されないことが判明した。したがって、これらの調整された磁界強度データから生成される物体の位置およびロケーションのデータの精度には問題が残る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、磁界検知を用いることによって、物体の位置および向きを決定するための新規かつ有用なシステムおよび方法に関連する。本発明のシステムおよび方法は、渦電流誘導磁界の存在下でさえも、物体の位置および向きのデータを比較的迅速に生成する。本発明はまた、鉄金属物体によって発生するような外来磁界が、物体が追尾される空間に存在するか否かを決定するための手段をも提供する。この情報は、これらの物体の存在を排除するために必要な措置を講じることを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
一実施形態では、本発明はＡＣ信号誘導磁界を同時に発信することによって機能する。これらの磁界を放射する送信器に印加される信号は、基本周波数、および基本周波数の調波である周波数の信号である。本発明の幾つかのバージョンでは、これらの信号は、１，０００Ｈｚ未満の低い周波数である。これは、渦電流誘導磁界の効果を排除しないまでも、最小化する。
【００１９】
本発明の別のバージョンでは、システムは２組の磁界を同時に放射する。１組の磁界は、比較的高い周波数の駆動信号の印加に基づいて放射される。これらの磁界はナビゲーション磁界である。第２組の放射磁界は、より低い周波数の駆動信号に基づいて放射される。これらの磁界は監視磁界である。本発明の実施形態の好ましいバージョンでは、最低周波数のＡＣ監視駆動信号が、監視およびナビゲーション駆動信号の両方のための基本信号である。残りの監視およびナビゲーション駆動信号は、基本信号の調波である。
【００２０】
測定された監視磁界に基づいて、測定されたナビゲーション磁界の磁界強度は、渦電流誘導磁界の効果を補償するように補正される。測定された監視磁界は、渦電流誘導磁界が容認できない高レベルであるか否かを決定するためにも使用される。
【００２１】
本発明の別のバージョンでは、ナビゲーション磁界の強度はそれ自体、渦電流誘導信号が容認できないほど高いレベルに達したか否かを決定するために監視される。
【００２２】
本発明のシステムおよび方法の別の実施形態は、ＤＣパルス誘導磁界を放射する。磁界の初期放射からの各磁界の期間が測定される。測定磁界中の磁界の強度に基づいて、磁界強度の渦電流無しの測定値を表わす値が算出される。
【００２３】
本発明のシステムの別の実施形態は、本発明が複数の送信器を有することである。送信器は固定空間関係にある。センサユニットは両方の送信器によって放射された磁界を受信する。検知された磁界に基づいて、システムは、追尾が行なわれている空間内の鉄金属物体が、システムの追尾能力に悪影響を及ぼしているか否かを決定することができる。
【００２４】
本発明は特許請求の範囲に詳細に指摘する通りである。本発明の上記およびさらなる特徴および利点について、添付の図面に関連して、以下の詳細な説明で記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
Ｉ．磁界検知ナビゲーションの基礎
図１は、いかに磁界検知システムを使用して、被追尾物体の位置および向きを決定するかの基礎的図解である。外科領域で、そのようなシステムは外科用ナビゲーションシステムと呼ばれる。他の活動分野では、これらのシステムは、物体追尾システム、位置測定システム、または物体定位システムと呼ばれる。本発明のシステム２０を含め、実質的に全ての磁界検知ナビゲーションシステムが、ここに記載する基本的原理に従って動作する。
【００２６】
一般的に、システム２０は送信器組立体２２およびセンサ組立体２４を含む。送信器組立体２２は、図では３つの送信器２６、２８、および３０を含む。送信器２６、２８、および３０は通常、コイルの形である。送信器２６、２８、３０は相互に対して相互直交することが理想的である。本発明のシステムを含め、好ましいシステムでは、送信器２６、２８、および３０は、共通点である図中の点３１に中心を置く。数学的に送信器２６、２８、および３０は、それぞれベクトルＴ１、Ｔ２、およびＴ３によって表わされる。本発明の数学的導出のため、点３１にその原点を有しかつそのｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸が送信器２６、２８、および３０のそれぞれのベクトルＴ１、Ｔ２、およびＴ３に沿って整列する、図１Ａに示す送信器座標系２３を定義する。
【００２７】
センサ組立体２４は、送信器組立体２２によって生成される磁界を監視することのできる、３つのセンサ３２、３４、および３６を含む。個々のセンサはコイル、フレックスゲートトランスデューサ（ｆｌｅｘｇａｔｅ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、磁気抵抗センサ、ホール効果センサ、または磁界の精密測定を達成することのできるいずれかの他の装置とすることができる。個々のセンサ３２、３４、および３６は相互に対して相互直交することが理想的である。特に本発明のシステム２０では、センサは共通点、図面の点３８に中心を置くことも理想的である。数学的に、センサ３２、３４、および３６はそれぞれベクトルＳ１、Ｓ２、およびＳ３によって表わされる。本発明の数学的導出のために、点３８にその原点を有しかつそのｘ’軸、ｙ’軸、およびｚ’軸がセンサ３２、３４、および３６のそれぞれのベクトルＳ１、Ｓ２、およびＳ３に沿って整列する、センサ座標系２５（図１Ａ）を定義する。
【００２８】
典型的なナビゲーションシステム２０は、送信器組立体２２が相対的に固定された位置にあるように構成される。したがって、送信器２６〜３０は相対的静止ユニット内に収容される。参考のために送信器２６〜３０の位置および向きにより定義される送信器座標系２３は、システムローカライザである。センサ組立体２４は、位置および向きが追尾される物体に取り付けられる。図１Ａで、この物体は医療器具１７である。センサ３２〜３６を含むユニットはしばしば追尾器と呼ばれる。参考のためにセンサ３２〜３６の位置および向きを定義するセンサ座標系２５は、システム追尾器である。典型的なナビゲーションシステムの場合、１つのローカライザ２３が使用される。幾つかの追尾器２５が存在する（１つを図示する）。各追尾器２５は、システムが複数の物体を追尾するように、個々の物体を追尾するために使用される。したがって、図１Ａに描かれたシステムでは、システムは、患者１８の手術部位に対する外科用具、器具、またはインプラントの位置を決定するために使用される。
【００２９】
図示されないコネクタは、送信器組立体２２を駆動回路（図１には図示せず）に取り付ける。センサ３２〜３６によって行なわれる磁界強度の測定は、センサプロセッサ５２（図３）に適用される。一般的にこの信号伝達は、無線ＲＦ接続による。赤外接続のような他の無線信号伝達機構を使用して、これらの接続の一部または全部を確立することもできる。有線接続も使用することができる。センサ組立体対送信器組立体接続の形は本発明には関係しないので、図２および３のブロック要素がこれらの接続を表わす。
【００３０】
本発明のシステムを含め、一部の代替的ナビゲーションシステムでは、送信器組立体２２は、追尾対象物体に取り付けられ、センサ組立体２４は固定位置に存する。
【００３１】
ナビゲーションプロセスの主要目的は、送信器座標系（ローカライザ）２３とセンサ座標系（追尾器）２５との間の幾何学的関係を決定することである。これは、センサ座標系（追尾器）２５の位置および向きデータを送信器座標系（ローカライザ）２３に変換すること、かつその逆の変換をも可能にする。これらの変換を用いて、たとえ物体が位置および向きをシフトした場合でも、被追尾物体は全て共通座標系に配置される。センサ座標系の座標を送信器座標系のそれに転換する変換は、並進ベクトルｘおよび回転行列Ｒによって表わされる。ここでベクトルｘは、点３１つまり送信器座標系（ローカライザ）２３の原点から、点３８つまりセンサ座標系（追尾器）２５の原点までのベクトルである。これはまた、送信器座標系に属する点３８の座標でもある。回転行列Ｒは、送信器座標系（ローカライザ）２３のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸をセンサ座標系（追尾器）２５のｘ’軸、ｙ’軸、およびｚ’軸に整列させる回転を表わす。送信器座標系を基準としてセンサ座標系のｘ’軸、ｙ’軸、およびｚ’軸それぞれの単位ベクトルを表わすために
【数１】
2008541795.tif 000003
を使用する場合、回転行列Ｒは次のように書くことができる。
【数２】
2008541795.tif 000004
各行列要素ｅ’ijは、送信器軸ｉに投影されたセンサ軸ｊの単位ベクトルの成分である。
【００３２】
送信器２６、２８、および３０は別個の磁界を発生する。送信器２６、２８、および３０によって放出される磁界はそれぞれ、ベクトルＢ１、Ｂ２、およびＢ３として表わされる。各送信器２６、２８、および３０を磁気双極子であるとみなした場合、位置ｘに存在する送信器Ｔｉによって放射される特定の磁界Ｂｉは、方程式：
【数３】
2008541795.tif 000005
によって定義される。ここで
【数４】
2008541795.tif 000006
は、ベクトルｘに沿った単位ベクトルである。「・」演算子はベクトルドット積演算子である。送信器２６、２８、および３０によって発生する磁界を、ここでナビゲーション磁界と呼ぶ。したがって、点３８に集合的に存在する磁界は、磁界行列Ｂｍによって記述される。
【数５】
2008541795.tif 000007
アポストロフィは、各送信器の磁界強度の差を考慮するように、磁界が正規化されることを示す。
【００３３】
各センサ３２、３４、および３６は、３つの磁界の各々の強度を測定する。したがって、所与の位置および向きで、以下の測定値が得られる。
【数６】
2008541795.tif 000008
ここで、ｍijは、送信器ｉから放射されてセンサｊで測定された磁界に基づく磁界の強度である。上記行列は測定行列Ｍである。磁界強度の各測定値ｍijは、次の公式に従って、センサＳｊによって測定される磁界Ｂｉに基づく。
【数７】
2008541795.tif 000009
各センサベクトルＳｊは、センサ座標系の関連軸ｊ、単位ベクトル
【数８】
2008541795.tif 000010
と整列する。
【００３４】
したがって、９つの測定磁界値を用いて、送信器座標系（ローカライザ）２３に対する６つの未知数、すなわち位置ベクトルｘを表わす３つの変数、およびセンサ座標系（追尾器）２５およびしたがって追尾対象物体の向きを表わす３つの変数が解かれる。
【００３５】
１９８１年９月８日に発行された米国特許第４，２８７，８０９号「Ｈｅｌｍｕｔ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｓｉｇｈｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」、１９８２年２月２日に発行された米国特許第４，３１４，２５１号「Ｒｅｍｏｔｅ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｌｏｃａｔｏｒ」、および１９９０年７月３１日に発行された米国特許第４，９４５，３０５号「Ｄｅｖｉｃｅ  Ｆｏｒ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｔｈｅ  Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｔｗｏ  Ｂｏｄｉｅｓ  Ｉｎ  Ｔｈｅ  Ｐｒｅｓｅｎｃｅ  Ｏｆ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ」に提示されたようなアルゴリズムは、磁界測定に基づいてセンサ組立体２４の位置および向きを決定するために使用される。上記文書の各々は、参照によって本明細書に組み込まれる。帰納法によって、これはセンサ組立体に取り付けられた物体の位置および向きの知識を導く。しばしば、特に外科用ナビゲーションシステムでは、この情報はディスプレイ５０（図３）に提示される。
【００３６】
要するに、上記方程式４を前提として、測定行列Ｍ’の要素は次の関係によって決定することができることを理解することができる。
【数９】
2008541795.tif 000011
ここで、行列Ｍ’のアポストロフィは、行列の測定値が送信器２６〜３０の効率の差、およびセンサ３２〜３６の感度の差を考慮するように正規化されることを示す。上付き添え字Ｔは行列の転置を表わす。「・」演算子は行列乗算を示す。したがって方程式５は、全てのセンサ３２〜３６による磁界の測定値が、回転行列Ｒによって、点３８、つまりセンサ座標系（追尾器）３８の原点の位置における理想的な双極子に関連付けられることを示す。
【００３７】
さらに、方程式５はまた、共通行列Ａが、磁界測定値または点３８に向けられた理想的な双極子の磁界のいずれかから計算することができることをも意味する。行列Ａは次のように形成される。
【数１０】
2008541795.tif 000012
したがって行列Ａは、３×３行列の転置および行列自体の積である。したがって行列Ａは実対称行列である。したがって、行列Ａは、その固有値および固有ベクトルを計算することによって対角化することができる。
【数１１】
2008541795.tif 000013
ここで、λは固有値をその対角項とする対角行列である。行列Ｘは、全ての正規直交固有ベクトルにより形成される直交変換行列である。
【００３８】
最大固有値の固有ベクトルは、点３１（ローカライザの原点）から点３８（追尾器の原点）までのベクトルｘに沿った方程式２の単位ベクトル
【数１２】
2008541795.tif 000014
である。最大固有値λmaxは、次の通り、ベクトルｘに関連付けられる。
【数１３】
2008541795.tif 000015
したがって、行列Ａの固有値および関連固有ベクトルから、単位ベクトル
【数１４】
2008541795.tif 000016
および
【数１５】
2008541795.tif 000017
、つまりベクトルｘの長さが分かる。これは、
【数１６】
2008541795.tif 000018
からベクトルｘを得ることを可能にする。
【００３９】
ベクトルｘの決定から、点３１に対する点３８の位置が分かる。ベクトルｘの知識から、方程式２および３を使用して行列Ｂ’ｍが計算される。次いで、方程式５を使用して回転行列Ｒが計算される。これは、送信器座標系（ローカライザ）２３の向きに対するセンサ座標系（追尾器）２５の向きを提供する。
【００４０】
さらに、信号処理の一部として、磁界強度の測定値を正規化することが含まれることを理解されたい。磁界強度の測定値は最初に、個々の送信器２６、２８、および３０によって放射される磁界の強度の差を考慮するように正規化される。測定された磁界強度信号はさらに、個々のセンサ３２、３４、および３６の感度のばらつきを考慮するように正規化される。磁界強度のこれらの正規化測定値は、位置ベクトルｘおよび回転行列Ｒの計算の基礎になる測定値である。
【００４１】
ＩＩ．本発明のＡＣ生成された磁界の検知システムおよび方法の基礎
図２は、送信器２６、２８、および３０に磁界を放射させる、本発明のシステム２０の構成要素を示す。３つのドライバ３９、４０、および４１が個々の送信器２６、２８、および３０にそれぞれ接続される。各ドライバ３９、４０、および４１は、ドライバに接続された送信器２６、２８、および３０に特定周波数のＡＣ信号をそれぞれ生成する。
【００４２】
ドライバ３９、４０、および４１によって生成されたＡＣ信号の周波数は相互に異なり、特定の関係にある。さらに詳しくは、ドライバ３９、４０、または４１の１つは、基本周波数の信号を生成する。残りの２つのドライバは、基本周波数の調波である周波数の信号を生成する。例として、ドライバ３９は、図４Ａによって表わされるように基本周波数の信号を生成し、基本周波数は２５Ｈｚである。ドライバ４０は、図４Ｂによって表わされるように５０Ｈｚの信号を生成する。ドライバ４１は、図４Ｃによって表わされるように７５Ｈｚの信号を生成する。図では、ドライバ３９、４０、および４１によって放射される信号は、同相として示されている。これは例証を目的としている。実際には、同相信号の放射は一部の信号処理を簡素化する。しかし、信号またはナビゲーション磁界が同相で放射されることは必須ではない。
【００４３】
ドライバ３９、４０、および４１によって生成された信号が調波関係にあることを確実にするために、共通周波数発生器は基本正弦波を生成し、それは次にドライバによって増幅される。本発明の例証バージョンでは、この機能は送信器コントローラ４８によって実行される。このコントローラは例えば、定義された周波数の３つの正弦波を生成するＤＳＰコントローラとすることができる。図２には、２つの導体が送信器コントローラ４８から各ドライバ３９〜４１に延びるように示されている。２つの導体は、本発明の一部のバージョンでは、送信器コントローラ４８が、各ドライバ３９〜４１に選択された周波数の基本信号を供給することに加えて、ドライバの作動を調整する制御信号をもアサートすることを例証するように図示されている。
【００４４】
センサ組立体２４のセンサ３２、３４、および３６によって生成される出力信号は、図３に示されるシステム２０の一部でもある共通センサプロセッサ５２に印加される。図示されていないが、各センサ信号をプロセッサ５２に印加する前に、ＤＣ成分を除去するために信号にＤＣフィルタリングを受けさせ、ノイズを除去するために帯域通過フィルタリングを受けさせてから、デジタル化することができることを理解されたい。各信号は、デジタル化の前または後に、可変利得増幅を受けることもできる。この増幅は、個々のセンサ３２、３４、および３６の感度の差を補償するために実行することができる。この個別増幅を実行することにより、そうしない場合にセンサ感度の差を補償するために実行される、磁界強度の測定値を正規化する必要性を排除することができる。
【００４５】
センサプロセッサ５２もシステム２０の構成要素であり、磁界強度を表わす測定信号に基づいて、被追尾物体の位置および向きデータを生成する。これは、ディスプレイ５０に提示されるデータである。本発明の一部のバージョン、例えば図１Ａに示すバージョンでは、単一のハードウェアユニットまたはサブアセンブリが、送信器コントローラ４８およびセンサプロセッサ５２として集合的に機能する。送信器コントローラ４８およびセンサプロセッサ５２が別個の構成要素である本発明のバージョンでは、これらの構成要素は一体に接続される。一般的に、送信器コントローラ４８は、電磁界の型およびそれがいつ放射されるかを示すデータをセンサプロセッサ５２に転送する。これらのデータに基づいて、センサプロセッサ５２は、下述する処理ステップを実行する。
【００４６】
本発明の基本的システム２０および方法で、ドライバ３９、４０、および４１は個々のＡＣ信号を、それらのそれぞれの送信器２６、２８、および３０に同時に出力する。したがって送信器２６、２８、および３０はナビゲーション磁界を同時に放射し、各送信器は異なる周波数でナビゲーション磁界を放射する−図５のステップ４２。各センサ３２、３４、および３６は同時に、個々の磁界の和である合成電磁界の強度を監視する−ステップ４３。図４Ｄは、センサ３２、３４、または３６の１つによって行なわれる合成測定電磁界強度を表わすセンサ出力信号を表わす。
【００４７】
各センサ３２、３４、および３６によって生成された合成測定磁界の強度を表わす信号は、センサプロセッサ５２に転送される。センサプロセッサ５２は次に、合成信号の各々に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する−ステップ４４。この変換で生じる信号調波の係数ｂijは、合成信号を形成する個々のナビゲーション磁界の強度を表わす。図４Ｅは、図４Ｄの信号のフーリエ変換の結果生じる係数を表わす。したがって、例として、センサ３４によって生じる信号、ｙ軸信号のＦＦＴは３つの係数をもたらす。個々の第１、第２、および第３成分係数ｂ1y、ｂ2y、およびｂ3yは、センサ３４によって測定された３つの磁界Ｂ１、Ｂ２、およびＢ３の強度の測定値ｍ1y、ｍ2y、およびｍ3yを表わす。したがってセンサプロセッサ５２は、算出されたｂij係数に基づく磁界強度ｍijの測定値を設定する−ステップ４５。ひとたびこれらの磁界強度の決定が行なわれると、センサプロセッサ５２はステップ４６でこれらのデータを使用して、位置および向き決定アルゴリズムを実行し、送信器座標系（ローカライザ）２３に対するセンサ座標系（追尾器）２５の位置および向きを決定する。
【００４８】
本発明のシステム２０および方法を使用するときに、ＦＦＴは、各センサ３２、３４、および３６で検知された３つの磁界の強度を決定するための高速手段を提供する。ナビゲーション磁界は基本信号およびその調波で放射されるので、ＦＦＴは迅速に実行され、結果的に得られる係数は測定磁界強度を正確に表わす。これは、センサ測定が行なわれた後、センサ座標系（追尾器）２５の位置および向きを迅速かつ正確に決定することを可能にする。
【００４９】
本発明のシステム２０および方法はさらに、好ましいバージョンで、個々の送信器に印加される駆動信号の最高周波数が１，０００Ｈｚ以下となるように構成される。本発明のさらに好ましいバージョンでは、駆動信号の最高周波数は３００Ｈｚ以下である。さらになお好ましいバージョンでは、駆動信号の最高周波数は１５０Ｈｚ以下である。これらの低い周波数（１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）および／または非常に低い周波数の駆動信号（１００Ｈｚ以下）を送信器２６〜３０に印加すると、送信器は次いで、対応する低いまたは非常に低い周波数でナビゲーション磁界を発生する。
【００５０】
ナビゲーション磁界をこれらの周波数で放射することが望ましい理由は、渦電流の発生の結果生じる磁界Ｂeの強度が、渦電流を生成する物体が位置する環境の磁界の周波数に正比例するからである。磁界が１００Ｈｚ以下の周波数で放射されるときに、渦電流誘導磁界の影響はしばしば無視できるほど小さいことが突き止められている。
【００５１】
したがって、低いまたは非常に低い周波数で、最も理想的には１００Ｈｚ以下で、磁界が放射されるようにシステム２０を動作させることによって、追尾が行なわれている空間、「ナビゲーション」空間における渦電流誘導磁界生成物体の存在の可能性は、しばしばゼロになる。
【００５２】
システム２０を運用する別の好ましい方法は、どのドライバもライン電圧６０Ｈｚまたはその調波の１つの周波数の信号を発生しないように、システムを運用することである。これは、電気機器によってナビゲーション空間に放射される磁界成分を磁界測定から除去する必要性を回避する。したがって、システム２０が運用され、ドライバ３９、４０、または４１の１つによって生成される駆動信号の基本周波数が３０Ｈｚである場合、残りの２つのドライバはそれぞれ９０Ｈｚおよび１５０Ｈｚの駆動信号を出力すべきである。国際的に運用される場合、つまり北米以外で運用される場合、５０Ｈｚまたはこの周波数の調波の信号を生成すべきでない。
【００５３】
ＩＩＩ．渦電流の監視および補正が可能なＡＣ生成磁界検知システムおよび方法
本発明の１つの代替的実施形態では、システム２０は、渦電流の発生の結果生じる磁界を監視しかつ補正する。
【００５４】
本発明のこのバージョンは、図２に示された２つの追加ドライバ５４および５６を使用する。ドライバ５４および５６はＡＣ監視駆動信号を生成する。したがってドライバ３９、４０および４１はＡＣナビゲーション駆動信号を出力する。ドライバ５４または５６のうち１つは、基本信号と呼ばれる定周波信号を生成する。残りのドライバはナビゲーション駆動信号を生成し、ドライバ３９〜４１、および残りの監視信号ドライバ５６または５４は、基本駆動信号の調波の信号を出力する。第２監視信号ドライバによって出力される信号は、ナビゲーション信号ドライバ３９〜４１によって出力される信号の周波数より低い周波数である。
【００５５】
監視信号ドライバ５４および５６によって出力される信号は、ナビゲーション信号ドライバ３９〜４１がナビゲーション信号を出力する電力レベルより低い電力レベルである。一般的に、監視信号ドライバ５４および５６によって生成される信号の電力レベルは、ナビゲーション信号ドライバ３９〜４１によって出力される信号の電力レベルの１／３から１／２の間である。
【００５６】
例として、本発明の１バージョンでは、監視ドライバ５６は２０Ｈｚの基本信号を出力する。第２監視ドライバ、ドライバ５４は、４０Ｈｚの第２監視信号を出力する。３つのナビゲーション信号ドライバ、ドライバ３９、４０、および４１は、それぞれ８０、１００、および１４０Ｈｚの信号を出力する。上記の議論の通り、ドライバ３９〜４１は、６０Ｈｚまたはその１次調波１２０Ｈｚの信号を出力しない。
【００５７】
監視駆動信号の対は同時に、送信器２６、２８、および３０の各々に順次印加される。図２に、マルチプレクサ５８を介するドライバへの監視信号の印加が示される。送信器コントローラ４８はマルチプレクサ５８への制御信号を生成して、どの送信器２６、２８、または３０に監視駆動信号を同時に送信すべきであるかを確立する。
【００５８】
このバージョンのシステム２０の動作中に、監視信号の対は、ナビゲーション駆動信号の個々の１つに、同時に選択された期間だけ加算される−図７のステップ６８。発明の一部のバージョンでは、この時間は５から５００ｍｓの間とすることができる。システム２０のより特定的なバージョンでは、監視信号は５０ｍｓの期間加算される。監視駆動信号が加算される実際の期間は、ナビゲーション駆動信号の周波数と反比例する。第１のナビゲーション駆動信号に加算された後、監視駆動信号は順次、第２および第３のナビゲーション駆動信号に加算され、その後、サイクルが繰り返される。したがって、設定された期間に、各センサ３２、３４、および３６で測定される磁界は、３つのナビゲーション磁界および２つの監視磁界の合成磁界である。これは図６Ａ〜６Ｆによって示される。ここで、図６Ａは、特定の送信器２６、２８、または３０に最低周波数監視駆動信号が印加されたときに、該送信器によって放射される基本監視磁界（２０Ｈｚ信号）を表わす。図６Ｂは、同じ送信器によって放射される第２監視磁界（４０Ｈｚ信号）を表わす。図６Ｃ、６Ｄ、および６Ｅは、それぞれ送信器２６、２８、および３０によってそれぞれ８０、１００、および１４０Ｈｚで放射された、３つのナビゲーション磁界を表わす。
【００５９】
また、ステップ６８で、残りの送信器２６、２８、および３０は、それらが通常放射するナビゲーション磁界を放射する。
【００６０】
本発明の基本バージョンと同様に、各センサ３２、３４、および３６は、受信した放射磁界の合成である出力信号を生成する−ステップ６９。図６Ｆの合成信号は、２つの監視磁界および３つのナビゲーション磁界の合成である。ＦＦＴは出力合成センサ信号を分解するために使用される−ステップ７０。図６Ｇは、ＦＦＴによって生成される５つの係数を表わす。ここで、合成信号の第１および第２成分の係数はそれぞれ、監視磁界の強度を表わす。第３、第４、および第５成分の係数は３つのナビゲーション磁界の強度を表わす。
【００６１】
ステップ７１で、２段階プロセスを使用して、磁界測定値が較正される。この較正は、放射されるナビゲーション磁界の強度およびセンサの感度の差を補償するために使用される正規化に加えて実行されると理解される。第１サブステップで、ナビゲーション磁界強度信号、ｍkj測定値、および監視磁界強度測定値、ｎkj測定値は両方とも、センサ組立体２４がかなり異なる周波数の電界に曝露されたときに異なる反応を示すという事実を考慮するように調整される。ナビゲーション磁界測定値の場合、ｋ＝４、５、または７である。これは、ナビゲーション磁界が基本周波数のそれぞれ４次、５次、および７次調波である周波数で放射されるという事実を表わす。監視磁界の場合、ｋ＝１または２である。これは、監視磁界が基本周波数（１）またはその１次調波で放射されることを表わす。
【００６２】
較正された測定信号ｍ’kjおよびｎ’kjは、次の公式に従って生成される。
ｍ’kj＝ｍkjｃkj     （１０）
ここでｃkjは、測定が行なわれるセンサｊ（ｊ＝１、２、または３）における磁界ｋ＝４、５、または７（ナビゲーション磁界）の較正係数である。
ｎ’kj＝ｎkjｃkj     （１１）
ここでｃkjは、測定が行なわれるセンサｊ（ｊ＝１、２、または３）における磁界ｋ（ｋ＝１または２）、監視磁界の較正係数である。
ナビゲーション磁界および監視磁界両方のｃkj値は、システム２０の使用前に経験的に決定される。
【００６３】
次いで、最初に較正された監視磁界測定値に対し、２回目の較正が実行される。この較正は、監視磁界の強度がナビゲーション磁界のそれより低いという事実について調整する。この較正により、次の公式に従って最終調整された監視磁界強度測定値ｎ’’kjが生じる。
ｎ’’kj＝ｎ’kjｄk     （１２）
ここでｄkは特定の監視磁界の電力調整係数であり、監視信号ドライバおよび「正規化」ナビゲーション信号ドライバからの出力電力間の差に反比例し、ｋ＝１または２である。
【００６４】
これらの較正測定値を使用して、渦電流補正磁界強度測定値が生成される−図７のステップ７２。これらの補正測定値は、最初に測定値の誤差値を生成することによって得られる。これらの誤差値は、送信器によって同時に放射される監視磁界に基づいて、各送信器によって放射されるナビゲーション磁界に対して生成される。例えば、送信器３０（ここではｋ＝１）によって放射されるナビゲーション磁界に基づく測定値の誤差値は、次の公式に従って生成される。
δ7j＝ｍ’7j−［（ｎ’’1j＋ｎ’’2j）／２］      （１３）
ここでδ7jは、ｊ＝１、２、または３で送信器３０によって放射される磁界の誤差値であり、ｊは磁界強度の測定が行なわれるセンサである。
【００６５】
個々の誤差値は次の関係に基づく。上記の通り、低い周波数で、渦電流誘導磁界の影響は周波数に比例する。
【数１７】
2008541795.tif 000019
ここでωは、渦電流を発生する物体が曝露される磁界の周波数である。低い周波数、特に５００Ｈｚ以下の周波数、さらに特定的には３００Ｈｚ以下の周波数では、測定される渦電流磁界の強度と、渦電流生成物体が保存される磁界の周波数との間に、線形関係が存在する。
【００６６】
したがって、渦電流誘導磁界が存在しない場合、磁界の較正された測定強度は、周波数により不変に維持される。これは、図８の線８０によって表わされる。線８０では、２つの監視磁界およびナビゲーション磁界（ここでは送信器３０から放射される磁界）の強度は、点８１、８２、および８３によって表わされる。所与の位置におけるこれらの磁界の均等な強度を前提として、誤差値δ7jはゼロである。
【００６７】
しかし、渦電流生成物体がナビゲーション空間内または付近にある状況では、加算される渦電流誘導磁界が存在する。上述した周波数範囲における渦電流誘導磁界の強度は、図８の線８４によって表わされるように、周波数と共に線形的に増加する。線８４は、放射される監視またはナビゲーション磁界および渦電流誘導磁界の合成強度を表わすことを理解されたい。線８４上の点８５および８６によって表わされる較正測定監視磁界の強度は、点８７によって表わされる較正測定ナビゲーション磁界の強度より低い。
【００６８】
しかし、システムがこの状態のときに、監視磁界の強度の補正測定値は、渦電流誘導磁界が無い場合の磁界強度測定値に非常に近い。（図８では、分かり易くするために、差は誇張されている。）したがって、誤差値を生成するために、誤差値生成方程式の（ｎ’’kj＋ｎ’’kj）／２成分は、渦電流誘導磁界が存在しない場合に測定される磁界の強度を表わす。この値は２つの監視磁界の強度の平均である。この値は図８に線分７９によって表わされる。
【００６９】
したがって、誤差値δkjは、ナビゲーション磁界の測定強度と、渦電流の無い環境における磁界強度を表わす値との間の差を表わす。
【００７０】
したがって、９つの誤差値δijが得られる。ステップ７３で、これらの値は、磁界強度の正規化された測定値から減算される。
【数１８】
2008541795.tif 000020
ここで、行列要素ｍ’ijは磁界強度の較正された測定値である。行列要素ｍECCijは、センサｊによって測定される、送信器ｉによって生成された磁界のナビゲーション信号磁界強度の渦電流補正測定値である。δij値を含む行列を誤差行列Δという。ナビゲーション信号磁界強度の較正されかつ渦電流補正された測定値、ｍECCij測定値は次いで、ステップ７６で、センサ座標系（追尾器）２５の位置および向きを決定するために使用される。図７で、このプロセスはステップ７６によって表わされる。ステップ７３および７６の間に起きるステップ７４および７５については下述する。
【００７１】
上記プロセスを実行する際に、監視磁界強度のｎ’’1jおよびｎ’’2j較正測定値を理論的ゼロ渦電流誘導磁界測定値、０Ｈｚに補外することは推奨されない。これは、システム誤差を監視周波数で±δと想定するからである。監視磁界強度を０Ｈｚに補外すると、誤差値は±３δとなる。したがって、誤差補正前にノイズは３倍に増幅される。
【００７２】
本発明のこのバージョンのシステムおよび方法はさらに、渦電流誘導磁界の強度が非常に強いので、誤差補正プロセスを使用してその影響を減衰することができない場合に、それを検出するように構成される。特に、図８のプロット８８によって示されるように、渦電流誘導磁界の強度が関心周波数で非常に大きい場合、磁界強度が周波数と共に非常に急速に増加する状況が存在し得る。プロット８８の右端によって示されるように、関心のある高い周波数の範囲では、周波数による磁界強度の増加は、線形から指数関数的増加にシフトすることさえある。曲線８８の点８９および９０によって表わされるように、これが生じるときに、２つの監視磁界の測定強度の差は顕著である。また、プロット８８上の点９１によって表わされる渦電流強度の周波数による非線形変化を前提として、誤差補正値はナビゲーション磁界強度の渦電流補正尺度を正確に生成することができない。
【００７３】
したがって、本発明のシステム２０のこのバージョンでは、センサプロセッサ５２はモニタ値σを生成する−図７のステップ７４。モニタ値σは、センサ３２、３４、または３６によって測定される渦電流誘導磁界の強度を表わす。モニタ値は次の公式に従って算出される。
【数１９】
2008541795.tif 000021
したがって、モニタ値σは３つのセンサ３２、３４、および３６の監視磁界強度の平均差である。本発明のこの実施形態の好ましいバージョンでは、モニタ値σは誤差行列Δが計算されるたびに計算される。モニタ値σは予め定められた閾値Ｋと比較される−ステップ７５。Ｋ値は一般的に、システムのｒｍｓ誤差の２〜３倍の値である。これは、それによって生じる誤差がシステムのｒｍｓ測定誤差の２〜３倍以内であれば、渦電流誘導磁界の影響を補正するための上記方法を通常補正することができるからである。本発明のシステム２０が外科用ナビゲーションシステムとして使用される場合、これらは、物体が追尾される空間に通常の外科用具を導入することによって発生する種類の誤差である。モニタ値σがこの範囲内である場合、ステップ７６が実行される。
【００７４】
しかし、周囲に渦電流が形成される大きい物体が、追尾空間に導入される場合がある可能性がある。外科環境で、これは、例えばアルミニウムトレイが該空間内に導入された場合に発生し得る。この状況で、渦電流誘導磁界の大きさを前提として、上記プロセスステップでは測定磁界強度の変化を補正することができない可能性がある。この状況では、σはｋを上回る。ひとたびこの状況が検出されると、センサプロセッサ５２は、ステップ７７で、同じくシステム２０の一部であるアラーム５６を起動させる。これにより、容認できないほど高い渦電流を引き起こす物体が追尾空間にあり、除去する必要があることが、外科医に通知される。
【００７５】
本発明のこの実施形態の一部のバージョンでは、モニタ値を決定するために実行されるプロセスステップは、誤差値δijを決定するために使用されるステップの前に実行される。これにより、システムを使用する個人に、顕著な渦電流生成物体がナビゲーション空間内にあることが迅速に通知される。
【００７６】
ＩＶ．渦電流補正のための第２の代替的なＡＣ生成磁界検知システムおよび方法
本発明の第２の代替的なＡＣ生成磁界検知システムおよび方法では、第１の代替的システムに関連して記載したのと同じ基本的送信器組立体２２およびセンサ組立体２４が使用される。ここで、渦電流誘導磁界の影響を調整される仮想送信器位置および向きデータを生成するために、誤差値が使用される。
【００７７】
この方法では、上記方程式１３を用いて、１つの特定の送信器ｉの誤差補正値が計算される。次いで誤差補正値は次のようにベクトル形に配置される。
【数２０】
2008541795.tif 000022
【００７８】
次いで、最後に計算された回転行列Ｒを使用して、公式：
【数２１】
2008541795.tif 000023
によってベクトルδiがセンサ座標系から固定送信器座標系に変換される。図７Ａで、これらの送信器座標系の誤差ベクトルの生成はステップ９２によって表わされる。
【００７９】
次いでベクトルδ’iは、誤差補正行列の行を形成するために使用される−ステップ９３。したがって、３つのベクトルδ’i（ｉ＝１、２、および３）を用いた行列を形成することにより、送信器座標系の誤差行列Δ’が形成される。
【００８０】
次いで、ステップ９４で、送信器座標誤差行列Δ’は、次式：
【数２２】
2008541795.tif 000024
に従ってセンサ座標誤差行列Δに変換される。ここでＲTは回転行列Ｒの転置行列であり、（Δ’）Tは行列Δ’の転置行列である。
【００８１】
ひとたび誤差行列Δが計算されると、それはステップ９５において上記の方程式１５で使用されてｍECCij値が決定され、次にこの値からセンサ組立体２４の位置および向きが決定される。
【００８２】
本発明のこの実施形態の１つの好ましいバージョンでは、監視磁界は２０および４０Ｈｚ信号に基づく。ナビゲーション磁界は８０、１６０、および２４０ＨｚのＡＣ信号に基づく。監視駆動信号は１対の信号として各送信器２６、２８、および３０に順次、約１／３秒間印加される。
【００８３】
本発明のこの実施形態では、上記プロセスステップは、送信器組立体２２に基づくように誤差行列を転置する。該プロセスは、（１）毎秒のセンサ座標系（追尾器）２５の原点の最大移動は一般的にわずか数センチメートルであり、かつ（２）ナビゲーション空間における渦電流誘導磁界強度の変化は一般的に、センサ組立体２４のこの毎秒の移動距離全体に及ばないという前提に基づく。
【００８４】
しかし、センサｊによって測定される送信器ｉから放射された磁界の測定監視磁界強度ｎxijは、次のドット積関係に基づく。
【数２３】
2008541795.tif 000025
ここでＢxiは送信器ｉから放射された監視磁界ｘであり、
【数２４】
2008541795.tif 000026
は磁界強度の測定が行なわれるセンサｊの単位ベクトルである。したがって、
【数２５】
2008541795.tif 000027
に顕著なシフトをもたらす追尾器の回転は、ｎxijに同様の顕著な変化をもたらす。外科処置では、人間の努力の他の分野と同様に、センサ組立体２４を１秒以内に２０°および３０°回転することは極めて簡単である。そのような回転は、誤差行列Δを形成する誤差値δijを著しく変化させる。
【００８５】
この問題を是正するために、上記ステップを実行して、渦電流誘導磁界によって生じた誤差を、点（ローカライザ）３１の固定座標系に最初に変換する。この変換は固定座標系誤差行列Δ’を生成する。次いで方程式１９を使用して、最近に計算された回転行列Ｒを用いてセンサの誤差行列Δが決定される。ひとたび行列Δの要素が生成されると、方程式１５を実行して、ナビゲーション磁界の渦電流補正測定値ｍｅECCij値が決定される。
【００８６】
本発明のこのバージョンは、ここでは８０Ｈｚから始まる比較的高い周波数で生成された磁界を使用してＡＣ信号ナビゲーションを実行し、依然として低強度の渦電流誘導磁界を補正することを可能にする。
【００８７】
Ｖ．第３の代替的ＡＣ生成磁界検知システムおよび方法
図９は、本発明の代替的システム２０ａを示す。システム２０ａは、前述の送信器２６〜３０、ドライバ３９〜４１、および送信器コントローラ４８を含む。ドライバ３９、４０、および４１は、それぞれ２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、および８０ＨｚでＡＣ信号を発生するように構成される。
【００８８】
システム２０ａはさらに、各ドライバ３９、４０、および４１が、送信器２６、２８、および３０の各々に選択的に接続可能であるように構成される。図９で、この選択的接続は、クロススイッチ４９への入力信号として機能するドライバ３９〜４１の出力信号によって示される。クロススイッチ４９からの出力信号は、送信器２６、２８、および３０に印加される。クロススイッチ４９は、各ドライバ３９、４０、および４１からの別々の出力信号を、送信器２６、２８、および３０の各々に同時に印加するように構成される。送信器コントローラ４８ａによってクロススイッチ４９にアサートされる制御信号は、所与の瞬間に、どの送信器２６、２８、または３０に各ドライバ３９、４０、および４１がその駆動信号を出力するかを規制する。
【００８９】
駆動信号が各送信器２６、２８、および３０に印加されるシーケンスを、図１０のタイミング図に示す。３つの連続期間ｎ、ｎ＋１、およびｎ＋２中に、送信器２６によって放射されるナビゲーション磁界の周波数は２０Ｈｚ、８０Ｈｚ、および４０Ｈｚである。同時に、４０Ｈｚ、２０Ｈｚ、および８０Ｈｚの周波数のナビゲーション磁界が送信器２８から放射される。ｎ、ｎ＋１、およびｎ＋２の期間中に、送信器３０によって放射されるナビゲーション磁界の周波数は、８０Ｈｚ、４０Ｈｚ、および２０Ｈｚである。期間ｎ＋２の後、シーケンスは繰り返される。
【００９０】
図１１のステップ９７および９９は、それぞれ時間ｎおよびｎ＋１における送信器２６からの磁界の放射を表わす。また、ステップ９７および９９で、ナビゲーション磁界は送信器２８および３０から同時に放射される。
【００９１】
所与の期間中に、送信器２６、２８、および３０によって放射される３つのナビゲーション磁界の強度は、センサ３２、３４、および３６によって同時に測定される。図１１で、期間ｎおよびｎ＋１のこれらのステップは、それぞれステップ９８および１００によって表わされる。再び、ＦＦＴを使用して、個々の磁界の強度を表わすデータが生成される（ステップは図示せず）。これらのデータに基づいて、センサプロセッサ５２は、送信器座標系（ローカライザ）２３に対するセンサ座標系（追尾器）２５の位置および向きを表わすデータを生成する−ステップ１０２。
【００９２】
ステップ１０２の前に、センサプロセッサ５２は、磁気強度を表わすデータに基づいて、過度の渦電流誘導磁界が存在するか否かを決定する。センサプロセッサ５２は、図１２に示される渦電流と磁界との間の比例関係に基づいて、この決定を行う。特に、水平なプロット１１４によって分かるように、渦電流が存在しないか、あるいは非常に低い渦電流が存在する状況では、単一のセンサ３２、３４、または３６によって測定される、単一の送信器２６、２８、または３０から放射されたナビゲーション磁界の測定強度の変化は、周波数と共にごくわずか変化するだけである。
【００９３】
したがって、所与のセンサ３２、３４、または３６によって測定される、単一の送信器２６、２８、または３０によって放射された磁界の強度の差は、送信器が磁界を２０Ｈｚで放射した時間ｎと、磁界が８０Ｈｚで放射された時間ｎ＋１との間に、感知し得るほど変化しない。これはプロット１１４の点１１６および１１８によって表わされる。ここで点１１６は、時間ｎに２０Ｈｚの磁界が送信器２６によって放射され、センサ３２、３４、または３６によって測定されたときの、測定磁界強度を表わす。点１１８は、時間ｎ＋１に同じ送信器２６によって放射され、同じセンサによって測定された磁界の強度を表わし、このとき送信器は８０Ｈｚの磁界を放射する。連続期間の測定磁界の強度は基本的に次式に等しい。
【数２６】
2008541795.tif 000028
共通送信器２６、２８、または３０によって放射される異なる周波数信号の磁界強度の差について、正規化された磁界強度測定値、ｍ’ij値の間で決定検査が行なわれることを理解されたい。ｍ’ij測定値はまた、センサが異なる周波数の磁界を測定することによるセンサ３２、３４、または３６の感度の差についても正規化される。
【００９４】
大きい渦電流を生じさせる物体がナビゲーション空間内またはその付近に導入されると、渦電流誘導磁界の強度は、ナビゲーション磁界の周波数と共にかなり増大する。図１２に、これは対角プロット１２０によって表わされる。したがって、２０Ｈｚおよび８０Ｈｚで連続期間に同一送信器２６、２８、または３０によって放射される磁界の測定値が、同一センサ３２、３４、または３６で測定される場合、後の期間に測定される磁界強度は、最初の期間に測定される磁界強度と等しくない。
【数２７】
2008541795.tif 000029
図１２で、これは線１２０に沿った点１２２および１２４における測定ナビゲーション磁界強度の差に示される。点１２２は、磁界が２０Ｈｚの駆動信号に基づく時間ｎに、送信器２６によって放射され、特定のセンサ３２、３４、または３６によって測定された磁界の強度を表わす。点１２４は、８０Ｈｚの駆動信号に基づく時間ｎ＋１に、同じ送信器２６によって放射され、同じセンサによって測定された磁界の強度を表わす。ここで、加算される有意の渦電流誘導磁界のため、同じ送信器から放射される磁界の強度は、たとえそれらの周波数以外は顕著に異なるものが無くても、かなり異なる。
【００９５】
有意の渦電流を誘発する物体が存在する場合、ナビゲーション磁界と渦電流誘導磁界との間に位相差が生じ得る。これらの位相差のため、第２の測定磁界の強度が第１の低周波放射磁界のそれよりかなり低くなるときがあり得る。したがって、そのような物体が存在するか否かの決定は、単に第２の測定磁界の強度が第１の測定磁界の強度より大きいか否かの決定に基づかない。代わりに、方程式２１および２２によって示されるように、関連プロセスは、２つの連続する測定ナビゲーション磁界が略均等な強度であるか否かを決定することである。
【００９６】
したがって、センサプロセッサ５２は、送信器２６、２８、または３０のうちの１つによって放射され、センサ３９、４０、および４１のうちの１つによって測定される、連続的２０Ｈｚおよび８０Ｈｚ磁界の正規化された強度を決定する。これらの決定が行なわれた後、ステップ１０１で、センサプロセッサ５２は方程式２１の決定を実行する。測定された磁界強度が類似している場合、決定は真となり、センサプロセッサ５２は、ナビゲーション空間が有意の渦電流生成物体が存在しない状態にあるとみなす。ナビゲーションプロセス（ステップ１０２）が実行される。代替的に、決定が偽となった場合、センサプロセッサ５２は、ナビゲーション空間を有意の渦電流誘導磁界が存在する状態にあると認識する。次いで、センサプロセッサ５２は、ステップ１０３で、外科医が問題の物体を空間から取り除くことができるように、アラーム５６を起動する。
【００９７】
上記システムの幾つかのバージョンの利点は、ドライバが追加監視磁界を提供する必要が無いことである。さらに、本発明のこの実施形態は、物体の位置および向きを決定するために使用される磁気強度を表わす同じ正規化データを使用して、有意の渦電流生成物体が存在するか否かを決定する。これにより、この後者の評価を行うために必要なデータ処理が低減される。これによりセンサプロセッサ５２は他のデータ計算を実行するように解放される。
【００９８】
さらに、本発明のこのバージョンのシステムでは、有意の渦電流生成物体の有無が、連続的期間に同じセンサによって行なわれる磁界強度の測定に基づく。点（追尾器）３８が急激に移動する場合に、そのような移動の結果、一連の連続的磁界強度測定値が渦電流生成物体の不在／存在を正確に示さなくなる可能性はほとんど無い。
【００９９】
上記システムが動作するために、ナビゲーション磁界は５００Ｈｚ以下の周波数で放射すべきである。ナビゲーション磁界は３００Ｈｚ以下の周波数で放射することが好ましい。本発明の最も好ましいバージョンでは、ナビゲーション磁界は１５０Ｈｚ以下の周波数で放射すべきである。動作のために、２つの磁界の間の周波数の差は少なくとも１．５桁とすべきである（ｏｒｄｅｒ  ｏｆ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ  ｏｆ  ａｔ  ｌｅａｓｔ １．５）。改善された動作のために、周波数の桁差は少なくとも２とすべきである。低周波数範囲より上、１００Ｈｚより上では、２つの周波数間の桁差はさらに大きく、４にはならないまでも、少なくとも３とすべきである。
【０１００】
ＶＩ．本発明のＤＣパルス生成磁界検知システム
本発明のＤＣパルス生成磁界検知ナビゲーションシステムおよび方法について、ここで図１の構成要素および図１３のグラフを最初に参照することによって説明する。ＤＣパルス生成システムでは、送信器コントローラ４８は、各ドライバ３９、４０、および４１に短いＤＣパルスを、関連送信器２６、２８、および３０に対してそれぞれ放射させる。パルスは順次放射される。各送信器２６、２８、および３０によって放射される磁界の強度は、各センサ３２、３４、および３６によって同時に測定される。図１３は、単一のセンサ３２、３４、または３６によって行なわれる、送信器２６、２８、および３０の各々から受信される信号の磁界測定の相対強度を表わす。ナビゲーション空間内またはそれに隣接する渦電流生成物体の不在状態で測定される磁界は、３つの実線方形波グラフ１３０、１３２、および１３４によって表わされる。
【０１０１】
実際には、１組のＤＣ磁気パルスの放射と次の組のパルスの放射との間に、一般的に約３〜１５ｍｓの休止が存在する。以下で明らかにする理由から、これらのパルスを「ナビゲーション」磁気パルスと呼ぶ。各組のナビゲーション磁気パルスの放射間の比較的長い間隙は、センサ組立体２４が背景（地球）磁界を測定することを可能にする。
【０１０２】
パルスが放射されると、ドライバ３９、４０、および４１が順次起動されるので、ナビゲーション磁気パルスが同様に順次、送信器２６、２８、および３０から個別に放射される。ドライバ３９〜４１が起動されると、ＤＣ磁界が、各送信器２６〜３０から約１〜１０ｍｓの期間、個別に放射される。第１および第２送信器２６および２８が磁界を放射するときの間、ならびに第２および第３送信器２８および３０が磁界を放射するときの間に、約１〜１０ｍｓの静止期間がある。
【０１０３】
周囲に渦電流を形成する物体が存在すると、パルスのＤＣ放射中に、磁界の変化（δＢi／δｔ≠０）の結果、渦電流が形成される。ここでＢiは送信器ｉの起動の結果放射される磁界である。したがって、ナビゲーション磁界の立上りおよび立下りの期間中に、渦電流が存在する。
【０１０４】
これらの渦電流はそれら自体の磁界を誘発し、センサ３２〜３６によって測定されるナビゲーション磁界の強度に影響を及ぼす。図１３で、方形波プロット１３０、１３２、および１３４にそれぞれ関連付けられる点線対１３８および１３９、１４０および１４１、ならびに１４２および１４３は、渦電流生成物体が存在するときの磁界強度の測定値を表わす。
【０１０５】
本発明のシステムおよび方法は、時間ｔ、Ｍ（ｔ）におけるＤＣパルス生成磁界の強度が次式：
【数２８】
2008541795.tif 000030
に従って計算されるという原理に基づく。定数Ａはナビゲーション磁気パルスの磁界強度である。各Ｂiｅｘｐ（−Ｃiｔ）成分は、集合的に渦電流誘導磁界を構成する成分の個々の１つである。
【０１０６】
実際には、送信器２６、２８、または３０がナビゲーション磁気パルスを放射した後の初期期間にだけ、２次およびより高次のＢi（−Ｃiｔ）渦電流誘導成分が磁界にかなり寄与することが明らかになった。これらの高次成分が測定される磁界に有意に貢献する初期期間は、一般的に１ｍｓ以下である。この期間後に、これらの成分の寄与はゼロになる。この期間後に、定数Ａおよび１次Ｂiｅｘｐ（−Ｃiｔ）渦電流誘導成分は集合的に、ナビゲーションパルスの経時的な磁界強度の正確な推定を行う。
【０１０７】
さらに、磁気パルスが長時間（ｔ→∞）放射されると、Ｂiｅｘｐ（−Ｃiｔ）１次渦電流誘導磁界成分はゼロになる。したがって、センサ３２、３４、または３６の磁界強度は定数Ａ、ナビゲーション磁気パルスの磁界強度にのみ基づくことになる。
【０１０８】
これらの関係を図１４にグラフで示す。実線プロット１４８は、送信器２６、２８、または３０から放射され、センサ３２、３４、または３６によって経時的に測定される磁界の測定値を表わす。破線プロット１４９は、渦電流の無い環境におけるナビゲーションパルスの測定値として予想されるものを表わす。（伝搬遅延は図示しない。）電界放射の開始（図１４における時間ｔs）からプロット１４８の点１５０の時間までの初期期間中に、磁界強度測定値は時間と共に急速に増大する。これは、当初、２次およびより高次の渦電流誘導磁界が、センサによって測定される合成磁界に著しく寄与するという事実のためである。
【０１０９】
点１５０の後の時間後には、１次のみの渦電流誘導磁界およびナビゲーション磁界自体が測定磁界に貢献する。再び、１次渦電流誘導磁界は経時的に指数関数的に減衰する。したがって、パルスが放射される時間が増えるにつれて、測定される唯一の磁界はナビゲーション磁気パルスの磁界となる。これはプロット１４８のプロット１４９への併合によって示される。
【０１１０】
本発明のシステムおよび方法は、図１５に示したプロセスステップに従って上記関係を利用する。この図に示すように、このプロセスの初期ステップ１５２は、送信器２６、２８または３０からのＤＣパルス生成磁界の放射である。（ステップ１５２では適切なドライバ３９、４０、または４１の起動が暗示される。）したがって、較正パルスと呼ばれるパルスの長さは５から１２ミリ秒の間である。さらに特定的には、このパルスの長さは７から１１ミリ秒の間である。したがって、較正パルスは、ナビゲーション磁気パルスが放射される時間より長い時間放射されることを理解されたい。
【０１１１】
較正磁界の放射と同時に、ステップ１５３で、磁界強度の測定が各センサ３２〜３６によって行なわれる。渦電流が存在する状況で、経時的なパルスの強度は図１４の実線グラフ１４８のプロファイルを有する。時間ｔSはパルスの開始時間である。時間ｔEはパルスがもはや放射されなくなる時間である。時間ｔEの後、較正パルスの強度の測定は不要である。
【０１１２】
次いで、ステップ１５６で、指数曲線当てはめ関数を使用して、時間ｔCSから時間ｔEまでの較正プロットの磁界強度の測定値を使用して、次の公式に従って曲線が定義される。
【数２９】
2008541795.tif 000031
【０１１３】
ここで、最終結果ｍ（ｔ）は、時間ｔにおける磁界強度の計算測定値である。Ａ、Ｂ、およびＣは、ｍ（ｔ）を定義する指数方程式の定数および係数である。下付き添え字「ｃｐ」は、これらの値が較正パルスの磁界強度の測定値に基づくことを示す。
【０１１４】
図１４にグラフで示すように、ＡCp、ＢCp、およびＣcpがそこから決定される測定の開始時間、時間ｔCSは、パルス開始時間ｔsの後である。一般的に、この遅延は少なくとも１ミリ秒である。より頻繁に、この遅延は１．５ミリ秒以上である。プロット１４８で、点１５４は、曲線当てはめプロセスを用いてＡCp、ＢCp、およびＣcpが決定されるプロット上の開始点である。特に、曲線当てはめプロセスは、点１５４から時間ｔEまで収集されるデータに対して使用される。
【０１１５】
ステップ１５６で決定された定数ＡCPならびに係数ＢCPおよびＣCPは、時間ｔSから時間ｔCPより前の時間までに測定される磁界の強度を正確に定義しない。これは図１４で点線プロット１５７によって示される。プロット１５７は、時間ｔCSより前の期間の定数ＡCPならびに係数ＢCPおよびＣCPの計算値を表わす。プロット１４７は実際には、時間ｔSより前の時間に開始していることが分かる、Ｍ（ｔ）＝０。点１５０によって表わされる時間からだけ、磁界強度の計算測定値は磁界強度の実際の測定値と合致する。（点１５０から点１５４まで、プロット１４７はプロット１４８と重複する。）
【０１１６】
したがって、ステップ１５８で、センサプロセッサ５２は、定数ＡCPならびに係数ＢCPおよびＣCPに基づいて、プロット１５７の同等物を生成する。これらのデータは、磁界強度計算測定値が磁界強度の実際の測定値と合致する時間を決定するために生成される。換言すると、ステップ１５８で、経時的な磁界強度の実際の測定値と、定数ＡCPならびに係数ＢCPおよびＣCPとを使用して、点１５０で測定が行なわれる時間が決定される。この時間を測定開始時間、時間ｔMSと呼ぶ。
【０１１７】
上記プロセスは、各送信器２６〜３０に対して実行される。（図１５は単一の送信器のプロセスを示すだけである。）したがって、各送信器ｉに対する各センサｊの測定開始時間ｔijMSが決定される。
【０１１８】
ステップ１６５で、過度の渦電流誘導磁界が存在するか否かの評価が行なわれる。この評価が行なわれる代替的プロセスを下述する。
【０１１９】
したがって各送信器２６〜３０に対し、３つのセンサ３２〜３６の３つの測定開始時間ｔijMSの最長値ｔiMSMAXが存在する。ステップ１６６で、この測定開始時間が決定される。
【０１２０】
システムは次いで、点（追尾器）３８の追尾を開始する準備が整う。このプロセスで、システムは各送信器からＤＣパルス生成ナビゲーション磁界を放射する。図１５のステップ１６８は、これらのナビゲーション磁界のうちの１つの放射を表わす。システムは、次式に従って特定の送信器ｉのために期間ｔiPPだけパルスを放射する。
【数３０】
2008541795.tif 000032
定数ＭＣは、方程式２４の指数曲線の定数および係数を生成するために、センサプロセッサ５２が磁界強度の測定を必要とする期間である。ＭＣ期間は一般的に１または２ｍｓである。渦電流誘導磁界が大きく、したがって測定開始時間ｔiMSMAXが１ｍｓより大きい状況では、ＭＣ期間は３ｍｓ以上まで増大することができる。
【０１２１】
ステップ１６９で、経時的な放射ナビゲーション磁界の強度は、各センサ３２〜３６によって測定される。さらに詳しくは、ステップ１６９で、センサプロセッサ５２は、放射ナビゲーションパルスについて時間ｔiMSMAXから時間ｔNPEまでに得られた磁界強度の測定値を記録する。ステップ１６９、ならびに後続のステップ１７２、１７５、および１７６は、センサ３２、３４、または３６のうちの１つによって行なわれた測定に関連するプロセスステップを表わす。
【０１２２】
図１６ａのプロット１７０は、ステップ１６８で経時的に放射されたナビゲーション磁気パルスの磁界強度を示す。時間ｔNPSはパルスの放射開始である。時間ｔNPMSは、磁界測定が行なわれるときの開始時間、ステップ１６９が開始される時間である。各送信器ｉに対し、時間ｔiNPMSは前に決定された時間ｔMSMAXであることを理解されたい。時間ｔNPEは、パルスの放射の終了時間、ステップ１６８および１６９が両方とも停止される時間である。時間ｔNPSと時間ｔNPEとの間の期間は、送信器ｉのパルス期間ｔiPPである。
【０１２３】
図１６ａで、時間ｔNPSから時間ｔNPMSまでのプロット１７０の区間１７３、磁界測定が行なわれない期間は、点線で示される。時間ｔNPMSから時間ｔNPEまでの実線で示される、プロット１７０の区間１７５は、放射パルスの実際に行なわれる測定を表わす。破線プロット１７１は、渦電流生成物体が存在しない場合のナビゲーション磁界の強度を表わす。
【０１２４】
ステップ１７２で、センサプロセッサ５２は、ステップ１６９からの磁界強度の測定値を用いて、時間ｔNPMSから時間ｔNPEまでのプロット１７０の区間１７５を定義する方程式２４の定数および係数を決定する。したがってステップ１７２は次の方程式を生み出す。
【数３１】
2008541795.tif 000033
【０１２５】
下付き添え字「NP」は、ナビゲーション磁気パルスを表わす。この方程式で、定数ＡNPは渦電流効果無しのナビゲーションパルスの強度に等しい。換言すると、定数ＡNPは最大高さ、つまりプロット１７１によって表わされる磁界がセンサｊで測定された場合の磁界強度に等しい。したがって、ステップ１７４で、各ｍijは関連するＡijNP定数に設定される。これらのｍij値は、物体追尾アルゴリズムで点（追尾器）３８の位置および向きを決定するために使用される−ステップ１７６。
【０１２６】
上記構成の利点は、ナビゲーション磁気パルスを比較的長期間放射する必要が無いことである。パルスは、曲線当てはめ関数を使用して定数ＡNPならびに係数ＢNPおよびＣNPを決定することができるように、充分なデータを得るのに足りる時間だけ放射すればよい。これは、これらが渦電流効果の無いナビゲーション磁気パルスの見かけの強度を決定するために必要な全データであるためである。図１６ａにこれをグラフで示す。点線プロット１８０は、プロット１７０の時間ｔE後の延長を表わす。プロット１８０は、方程式２６をｔ→∞として描くことによって得られる。ここで、経時的に一定のＤＣパルス磁界が生成されるときに、渦電流の効果はゼロに降下することが分かる。したがって、この図に示すように、定数ＡNPは渦電流効果の無い磁界の測定値に等しい。
【０１２７】
本発明のこのバージョンでは、渦電流効果の無いナビゲーションパルス磁界強度の測定値を算出するときの基礎になる測定値は、定数ＡNPを正確に決定することを可能にする測定値である。定数ＡNPはナビゲーション磁気パルスの強度の尺度に等しいので、これは、この磁界強度測定値が正確に算出されることを意味する。
【０１２８】
さらに、本発明のシステムおよび方法は、渦電流誘導磁界の全ての効果が基本的にゼロに降下した後で（仮想時間ｔ＝∞で）行なわれる磁界強度の測定値に依存しない。代わりに、本発明のシステムおよび方法は、時間ｔNPSの直後に得られる磁界強度測定値に依存する。これは、ナビゲーションパルスの期間を比較的短く、本質的に４ミリ秒以下、ときには３ミリ秒、または２ミリ秒以下にさえすることができることを意味する。
【０１２９】
本発明のこの実施形態で、磁界測定値を使用して、渦電流効果の無いナビゲーションパルスの強度を決定することができるときに、ｔjNPMSつまりナビゲーションパルス測定開始時間を周期的に決定更新することによって、別の利点が得られる。これは、図１６Ｂのプロット１８６を図１６Ａのプロット１７０と比較すると分かる。プロット１８６は、基本的に渦電流生成物体が存在しないときの経時的な磁界強度の尺度を表わす。点線で示されるプロット１８６の初期区間１８７は、プロット１７０の区間１７３と比較して、かなりの急勾配を有する。したがって、実線で示されるプロット１８６の区間１８８は、プロット１７０の区間１７５の開始時間であるパルス開始時間ｔNPSの直後の時間に開始される。図１６Ｂで、破線プロット１９０は渦電流効果の無いナビゲーション磁気パルスの強度を表わす。
【０１３０】
したがって、パルス開始時間ｔNPSに対するプロット１８６の測定開始時間ｔNPMSは、プロット１７０の測定開始時間より早い。上記方程式２５に従って、この無／低渦電流環境が存在するときに、ナビゲーションパルスの期間を短縮することができる。これは、パルスの全体的周波数を増大して、物体定位の位置および向きデータが提供されるレートを高めることができることを意味する。
【０１３１】
代替的に、過度に強い渦電流誘導磁界が存在する場合がある可能性がある。この状況は、図１６Ｃの較正プロット２０２の経時的な磁界強度の測定値によって表わされる。ここで、破線プロット２０４は、ナビゲーション空間に渦電流誘導磁界が存在しない場合に、測定された較正パルスの強度を表わす。この図で、破線で示されるプロット２０２の区画２０６は、電磁パルスの放射により有意の渦電流誘導磁界が発生するときの磁界強度測定値を表わす。プロット２０２の区間２０６は、プロット１７０の初期区間１７３と比較して、相対的に浅い勾配を有する。実線で示されるプロット２０２の区間２０８は、２次および高次の渦電流の効果がかなり低下した後の較正パルスの測定強度を表わす。
【０１３２】
図１６Ｃから、時間ｔCS後に、ステップ１５２で行なわれる測定が開始される時間より前に、２次および高次の渦電流が低下する時間点が始まり得ることが分かる。
【０１３３】
較正シーケンスで、ステップ１５６および１６２の実行により、較正パルスの開始時間ｔSと計算測定時間ｔMSとの間に比較的長い期間が存在するか否かが決定される。この期間は、物体追尾を実行することが推奨されないほど長くなることがある。
【０１３４】
実際、較正プロセスのステップ１６５で、センサプロセッサ５２は２つのアルゴリズムのうちの１つを実行して、そのような状態が存在するか否かが決定される。第１プロセスで、センサプロセッサ５２は、ステップ１５６で算出された定数および係数に基づいて、較正パルスが停止されたとき、つまり時間ｔEにおける磁界強度の計算決定を生成する。この計算値は測定値と比較される。２つの値が基本的に同等である場合、ナビゲーションパルスの磁界強度を正確に決定することができない程度にまで、渦電流誘導磁界が磁界強度の全体的測定値に影響を及ぼしていないことが明らかである。ステップ１６６から較正およびナビゲーションプロセスを続けることができる。
【０１３５】
しかし、磁気パルスの停止時に磁界強度の計算決定に著しい差がある場合、一般的に計算値は測定値より小さく、渦電流誘導磁界は、ナビゲーションパルス磁界強度の正確な決定を生成するシステムの能力にかなりの影響を及ぼしている。そのような状況で、そのような決定を正確に行うことのできる唯一の方法は、ナビゲーションパルスが放射されてから、測定磁界強度データを使用してパルス強度測定値を生成するまでの時間を、かなり長くすることである。したがって、ステップ１６５で、センサプロセッサ５２が、パルスの停止時の磁界強度の測定決定と計算決定との間にかなりの差があると決定した場合、アラーム５６がアサートされる−ステップ１８４。
【０１３６】
代替的に、ステップ１６５で、センサプロセッサ５２は推定される測定開始時間ｔMSをカットオフ開始時間ｔCUTOFFと比較する。時間ｔCUTOFFは、時定数ＭＣと組み合わせて、ナビゲーションパルスを放出することのできる最大期間、時間ｔPPに等しい。この期間は、システムが充分に更新された物体の位置および向きデータを提供するために、ナビゲーションパルスを放出することのできる最小周波数に基づく。
【０１３７】
ｔMS≦ｔCUTOFFである場合、センサプロセッサ５２は、渦電流誘導磁界の効果が定位プロセスに影響するほど強くないと決定する。ｔMS＞ｔCUTOFFである場合、センサプロセッサ５２は、環境を定位プロセスに影響を及ぼす充分な強度の渦電流誘導磁界が存在する環境と解釈する。この決定が行なわれた場合、センサプロセッサ５２はアラーム５６をアサートし、ステップ１８４が実行される。
【０１３８】
したがって、本発明のこのバージョンのシステムおよび方法は、渦電流の存在を補正し、そのような電流が存在しないときに改善された効率レベルで動作し、定位に影響を及ぼす過度の渦電流が存在するときにそれを決定する手段を提供する。
【０１３９】
ＶＩＩ．強磁性物体の有無を決定するための第１のシステムおよび方法
本発明のシステム２０および方法はまた、物体が定位プロセスを正確に実行するシステムの能力に影響を及ぼすほどナビゲーション空間の近くに、強磁性物体があるか否かを決定することもできる。
【０１４０】
本発明のこのプロセスの第一実施形態では、図１７のステップ２１０によって示されるように、上記方程式６の行列Ａの固有値が生成される。上述の通り、これらの固有値および固有ベクトルは、ベクトルｘが決定される固有値および固有ベクトルを決定するために生成される。ステップ２１０は３つの固有値λを生成する。
【０１４１】
ステップ２１２で、３つの固有値のうちの最大値λmaxは、残りの固有値λ2およびλ3の４倍値と比較される。
λmax≒４λ2
かつ
λmax≒４λ3
である場合、センサプロセッサ５２は、ナビゲーション空間にスプリアス強磁性物体誘導磁界が無いと決定する。
【０１４２】
上記決定は、ナビゲーション磁界が存在する場合にのみ、双極子の軸上の位置の磁界が双極子に対し垂直な位置の磁界の２倍の大きさになるという事実に基づく。固有値はそれらの対応する磁界の２乗に比例するので、この結果、残りの２軸の固有値の４倍の値を有する最大固有値が得られる。したがって、ステップ２１２の評価が真である場合、有意の外来磁界は存在しない。
【０１４３】
代替的に、強磁性物体または他の物体からの有意の外来磁界が存在する場合、ステップ２１２で検査される関係は偽となる。したがって、ステップ２１２の評価が偽である場合、センサプロセッサ５２は、有意の外来磁界が存在する環境であると認識する。この状態が存在する場合、センサプロセッサ５２はアラーム５６をアサートする−ステップ２１４。したがって外科医は、定位プロセスを進めるために強磁性物体を識別して除去するように通知される。
【０１４４】
ステップ２１６で、強磁性物体誘導磁界が存在するか否かを決定するために、本発明のこの特徴の第１バージョンの第２検査が実行される。ステップ２１６で、回転行列Ｒの転置も回転行列
【数３２】
2008541795.tif 000034
の逆であるか否かが決定される。過度のスプリアス磁界が存在しなければ、上記決定は真となる。上記決定が偽となる場合、そのような磁界が存在する。したがって、決定が偽となった場合、センサプロセッサ５２はステップ２１４を実行し、アラーム５６をアサートする。
【０１４５】
強磁性物体誘導磁界が存在するか否かを決定するための本発明のこの実施形態のシステムおよび方法は、システムに対するハードウェアの追加を必要としない。また、決定を行うための基本的情報、固有値および回転行列は、物体の位置および向きを決定するプロセスの一環としてすでに生成されている情報である。したがって、本発明のこの実施形態の決定プロセスを実行するのに必要なものは、少量の処理時間だけである。
【０１４６】
ＶＩＩＩ．強磁性物体の有無を決定するための第１の代替的システムおよび方法
図１８および１９は、強磁性物体が存在するか否かを決定するための本発明のシステム２０ｂおよび方法の第２の実施形態の構造的特徴を示す。本発明のこのバージョンは、図１８の追尾器２２０を含む。追尾器２２０の内部に２つのセンサ組立体２４ａおよび２４ｂがある。センサ組立体２４ａは、相互に直交配置されかつ点３８ａを中心とする３つのセンサ３２ａ、３４ａ、および３６ａを含む。数学的に、センサ３２ａ、３４ａ、および３６ａはそれぞれベクトルＳ１、Ｓ２、およびＳ３として表わされる。点３８ａおよび３つのセンサベクトルＳ１、Ｓ２、およびＳ３は第１センサ座標系２５ａを画定する。センサ組立体２４ｂは、相互に直交配置されかつ点３８ｂを中心とする３つのセンサ３２ｂ、３４ｂ、および３６ｂを含む。数学的に、センサ３２ｂ、３４ｂ、および３６ｂはそれぞれベクトルＳ４、Ｓ５、およびＳ６として表わされる。点３８ｂおよび３つのセンサベクトルＳ４、Ｓ５、およびＳ６は第２センサ座標系２５ｂを画定する。
【０１４７】
センサ組立体２４ａおよび２４ｂは追尾器２２０に不動に取り付けられるので、２つのセンサ座標系の間の幾何学的関係は固定される。特に、点３８ａから点３８ｂまでの距離ｘ0は固定され、かつ第２センサ座標系２５ｂを回転して第１センサ座標系２５ａと整列させる回転行列Ｒ0は固定される。距離ｘ0および行列Ｒ0は製造中に測定され、追尾器２２０またはセンサプロセッサ５２ａに格納される。図１９によって分かるように、各センサ３２ａ〜３６ｂはそのセンサ信号を共通センサプロセッサ５２ａに出力する。
【０１４８】
本発明のこの実施形態は、図１および２の基本的送信器組立体２４、ドライバ３９〜４１、および送信器コントローラ４８を含む。
【０１４９】
強磁性物体の有無を本発明に従って決定する方法は、図２０のフローチャートによって表わされる。ステップ２２２で、送信器組立体２４はナビゲーション磁界を放射する。このステップで、ＡＣ駆動信号またはＤＣパルス信号のどちらでも印加して、ナビゲーション磁界（パルス）を放射させることができる。ステップ２２３で、ナビゲーション磁界はセンサ３２ａ〜３６ｂによって受信される。センサ信号はセンサプロセッサ５２ａに出力される。
【０１５０】
ステップ２２４で、センサ組立体２４ａによって行なわれるナビゲーション磁界の測定に基づいて、センサプロセッサ５２ａは点３１に対する点３８ａの位置、図１８のベクトルｘaを決定する。ここでセンサプロセッサ５２ａはまた、第１センサ座標系２５ａの回転行列Ｒaをも決定する。ステップ２２６で、センサ組立体２４ｂによって行なわれるナビゲーション磁界に基づいて、センサプロセッサ５２ａは、点３１に対する点３８ｂの位置、図１８のベクトルｘbを決定する。ここでセンサプロセッサ５２ａはまた、第２センサ座標系２５ｂの回転行列Ｒbをも決定する。
【０１５１】
次いで、位置ベクトルｘaおよびｘbから、ステップ２２８で、センサプロセッサは、ベクトル
【数３３】
2008541795.tif 000035
の端部間の距離の計算測定値を生成する。ステップ２２８で、センサプロセッサはまた、センサ座標系２５ｂを回転してセンサ座標系２５ａと整列させる、格納されたＲ0を使用して、仮想回転行列Ｒ’a＝Ｒ0＊Ｒbをも計算する。ステップ２２９で、距離
【数３４】
2008541795.tif 000036
は、点３８ａと３８ｂとの間の既知の格納された距離ｘ0と比較される。この比較は、
【数３５】
2008541795.tif 000037
であるか否かを決定するために行なわれる。この決定が偽となる場合、アラーム５６がアサートされ、ステップ２３２が実行される。
【０１５２】
ステップ２３０で、仮想回転行列Ｒ’aは第１センサ座標系の実回転行列Ｒaと比較される。
【数３６】
2008541795.tif 000038
上記決定が真となる場合、センサプロセッサ５２ａは、外来電磁波がセンサ３２ａ〜３６ｃによって行なわれるナビゲーション磁界の測定値に影響を及ぼさない環境であるとみなす。決定が偽となる場合、ステップ２３２が実行され、アラーム５６がアサートされる。
【０１５３】
上記検査は、外来電磁波がセンサによって行なわれるナビゲーション磁界の測定値に影響を及ぼさない環境である場合、センサ測定値に基づいて生成される位置および向きデータが、追尾される物体の位置およびロケーションを正確に示すという原理に基づく。したがって、ベクトルｘ0CALCおよび行列Ｒ’aの仮想決定は、これらの変数に対して決定された実際の値に等しいはずである。物体の位置および向きデータを提供するために必要なのは、１つのセンサ組立体２４ａまたは２４ｂからのデータだけであることを理解されたい。
【０１５４】
代替的に、強磁性物体によって発生する磁界を含め、有意の外来電磁界が存在する場合、これらの磁界は、２つのセンサ組立体２４ａおよび２４ｂによって行なわれる測定に影響を及ぼす。これらのスプリアス磁界の影響は、点３８ａおよび３８ｂの位置の不正確な決定をもたらす。この状況で、ベクトルｘAおよびｘB間の距離
【数３７】
2008541795.tif 000039
は、追尾器点３８ａおよび３８ｂ間の距離ｘ0と同等ではない。同様に、２つのセンサ座標系の回転行列ＲaおよびＲbの間の回転変換は、それらの間の不動の幾何学的関係と同等ではない。したがって、ステップ２２９および２３０の上記決定のいずれかが偽となった場合、センサプロセッサ５２ａは、有意の外来電磁界が存在するため、正確な追尾を行うことができない環境と認識する。この場合、センサプロセッサはステップ２３２を実行してアラーム５６を起動する。
【０１５５】
強磁性物体によって生成されるものを含め、有意のスプリアス電磁界の有無を決定するためのこの方法は、そのような磁界が存在するか否かをほとんど即時に示す。
【０１５６】
ＩＸ．強磁性物体の有無を決定するための第２の代替的システムおよび方法
図２１および２２は、顕著な強磁性物体誘導磁界がナビゲーションプロセスに悪影響を及ぼしているか否かを決定する、本発明のシステムおよび方法の第３実施形態を示す。本発明のこのバージョンのシステム２０ｃはローカライザ２４０を含む。ローカライザ２４０は２つの送信器組立体２２ａおよび２２ｂを有する。送信器組立体２２ａは、相互に対して直交配置されかつ基準点３１ａを中心にした３つの送信器２６ａ、２８ａ、および３０ａを含む。数学的に、送信器２６ａ、２８ａ、および３０ａはそれぞれベクトルＴ１、Ｔ２、およびＴ３として表わされる。
【０１５７】
送信器組立体２２ｂは、相互に対して直交配置されかつ基準点３１ｂを中心にした３つの送信器２６ｂ、２８ｂ、および３０ｂを含む。数学的に、送信器２６ｂ、２８ｂ、および３０ｂはそれぞれベクトルＴ４、Ｔ５、およびＴ６として表わされる。点３１ａおよび３つの送信器ベクトルＴ１、Ｔ２、およびＴ３は第１の送信器座標系２３ａを画定する。送信器組立体２２ｂは、相互に対して直交配置されかつ基準点３１ｂを中心にした３つの送信器２６ｂ、２８ｂ、および３０ｂを含む。数学的に、送信器２６ｂ、２８ｂ、および３０ｂはそれぞれベクトルＴ４、Ｔ５、およびＴ６として表わされる。点３１ｂおよび３つの送信器ベクトルＴ４、Ｔ５、およびＴ６は第２の送信器座標系２３ｂを画定する。
【０１５８】
２つの送信器組立体２２ａおよび２２ｂは、相互に不動に取り付けられる。したがって、第１および第２送信器座標系２３ａおよび２３ｂそれぞれの間の幾何学的関係は固定される。これは数学的に、第１送信器座標系２３ａの座標を第２送信器座標系２３ｂに変換する座標変換公式を導出することができることを意味する。この公式は、並進ベクトルｘ0および回転行列Ｒ0によって定義される。ここで、ｘ0は点３１ａから点３１ｂまでのベクトルであり、Ｒ0はベクトルＴ１、Ｔ２、およびＴ３をベクトルＴ４、Ｔ５、およびＴ６に回転して整列させる行列である。ひとたび並進ベクトルｘ0および回転行列Ｒ0が決定されると、
【数３８】
2008541795.tif 000040
によって、任意の位置に対する第２送信器座標系の座標ｘbを、同じ位置に対する第１送信器座標系の座標ｘaに変換することができる。送信器座標系２３ｂの回転行列Ｒbもまた、
【数３９】
2008541795.tif 000041
によって、送信器座標系２３ａの回転行列Ｒ’aに変換することができる。ここで、ｘ’aおよびＲ’aが第１送信器座標系２３ａから直接測定された値ではなく、変換された値であることを示すために、上付き添え字「’」を使用している。ローカライザユニットが製造中に作製されると、２つの送信器組立体は不動に取り付けられるので、並進ベクトルｘ0および回転行列Ｒ0を直接測定するか、あるいは較正手順を用いてそれらを導出することができる。また、２つの送信器組立体の間の不動の関係が輸送または他の要因のために変化した場合に、現場較正手順を用いてそれらを更新することも可能である。それにもかかわらず、外科用ナビゲーションの前に並進ベクトルｘ0および回転行列Ｒ0が決定され、外科手術中に使用するためにローカライザに格納される。
【０１５９】
図２２の本発明の例示されたＡＣ駆動信号バージョンでは、駆動信号は個々のドライバによって各送信器２６ａ〜３０ｂに印加される。特に、ドライバ３９ａ、４０ａ、および４１ａはそれぞれ、ＡＣ駆動信号を送信器２２ａ、２８ａ、および３０ａに提供する。ドライバ３９ｂ、４０ｂ、および４１ｂはそれぞれ、ＡＣ駆動信号を送信器２６ｂ、２８ｂ、および３０ｂに提供する。本発明のこのバージョンでは、ドライバ３９ａ〜４１ｂは別々の周波数で信号を駆動する。例えば本発明の１バージョンで、表１は、ドライバによって放射される駆動信号の周波数を列挙する。
表１．図２２のドライバによって放射される駆動信号の周波数
ドライバ３９ａ      ２０Ｈｚ
ドライバ４０ａ      ４０
ドライバ４１ａ      ８０
ドライバ３９ｂ      １００
ドライバ４０ｂ      １４０
ドライバ４１ｃ      １６０
【０１６０】
送信器組立体２２ａおよび２２ｂは、点３１ａおよび３１ｂが相互に既知の固定距離ｘ0となるように、ローカライザ２４０に取り付けられる。
【０１６１】
本発明のこのバージョンのシステム２０ｃはまた、図１および３に関連して説明した基本的センサ組立体２４をも含む。
【０１６２】
過度のスプリアス電磁界がナビゲーション空間に存在するか否かをシステム２０ｃが決定する方法を、ここで図２３のフローチャートを参照しながら説明する。ステップ２４６で、ローカライザはまた、送信器座標系２３ａおよび２３ｂ間の幾何学的関係を定義する、格納された並進ベクトルｘ0および回転行列Ｒ0をも検索する。これらのデータが送信器コントローラ４８ｃによって生成される場合、それらは、図示しないステップで、センサプロセッサ５２に転送される。
【０１６３】
ステップ２４８で、ナビゲーション磁界は送信器２６ａ〜３０ｂの各々から同時に放射される。送信器コントローラ４８ｃがドライバ３９ａ〜４１ｂを同時に起動させる結果、磁界は同時に放射される。また、ステップ２４８で、センサ３２、３４、および３６は、６つの放射ナビゲーション磁界の強度を同時に測定する。
【０１６４】
ステップ２５０で、センサプロセッサ５２は、センサ３２〜３６によって生成された信号の各々に対し、ＦＦＴを実行する。各センサ信号のＦＦＴにより、６つの係数が生成される。１次、２次、および３次の係数は、送信器組立体２２ａの送信器によって放射された測定磁界の強度を表わす。４次、５次、および６次の係数は、送信器組立体２２ｂの送信器によって放射された測定磁界の強度を表わす。
【０１６５】
送信器組立体２４ａによって放射されるナビゲーション磁界の磁界強度の９つの測定値に基づいて、ステップ２５２で、Ｉ節に記載した方法を使用して、センサプロセッサ５２ａは、センサ座標系２５から送信器座標系２３ａへの座標変換の並進ベクトルｘaおよび回転行列Ｒaを生成する。ステップ２５３で、送信器組立体２２ｂによって放射されるナビゲーション磁界の磁界強度の９つの測定値に基づいて、センサプロセッサ５２ａはＩ節の方法を使用して、センサ座標系２５から送信器座標系２３ｂへの座標変換の並進ベクトルｘbおよび回転行列Ｒbを生成する。並進ベクトルｘaおよびｘbは回転行列ＲaおよびＲbと同様に、点３８の同一センサ組立体に対するものであるが、２つの異なる送信器組立体を基準としていることに留意されたい。
【０１６６】
ステップ２５４で、方程式（２７）を使用して、送信器座標系２３ａの点３１の仮想ベクトルｘ’aが、送信器座標系２３ｂで同じ点３１の座標ｘbから算出される。またステップ２５４で、方程式（２８）を使用して、送信器座標系２３ａのセンサ軸Ｓ1、Ｓ2、およびＳ3の仮想回転行列Ｒ’0が、送信器座標系２３ｂの同じベクトルの回転行列Ｒbから算出される。
【０１６７】
ステップ２５６で、同等性ｘ’1≒ｘ1が検査される。ステップ２５８で、同等性Ｒ’1≒Ｒ1が検査される。両方の同等性が真であれば、センサプロセッサ５２は、スプリアス磁界が磁界強度の正確な測定または決定に悪影響を及ぼしていない環境であると認識する。
【０１６８】
しかし、ステップ２５６またはステップ２５８のいずれかで、同等性が偽であれば、センサプロセッサ５２は、スプリアス磁界が物体を正確に追跡するシステム２０ｃの能力に悪影響を及ぼしている環境であると認識する。この決定が行なわれた場合、ステップ２６０で、センサプロセッサはアラーム５６を起動する。
【０１６９】
本発明のこのバージョンのシステム２０ｃおよび関連する方法は、過度のスプリアス電磁界が存在しない限り、ベクトルｘ0およびｘbならびに行列Ｒ0およびＲbに基づくベクトルｘaおよび回転行列Ｒaの仮想決定は、それらが同じ座標系で同じ位置および回転を表わすため、これらのデータの実際の決定と同等であるはずであるという原理に基づいている。しかし、過度のスプリアス磁界が存在する場合、それらは、２つの異なる送信器組立体２２ａおよび２２ｂによって放射される磁界のセンサ組立体２４によって行なわれるナビゲーション磁界強度の測定に、不均等に影響を及ぼす。この事象が発生すると、送信器組立体２２ｂの測定から導出されるベクトルｘaおよび回転行列Ｒaの仮想決定は、センサ組立体２４によって行なわれる送信器組立体２２ａのナビゲーション磁界の測定に基づくこれらのデータの同等バージョンと同等にならない。
【０１７０】
本発明のこの実施形態のシステム２０ｃおよび随伴する方法は、追尾器における追加的な構成部品の取付けを必要としない。したがって、本発明のこのバージョンは、過度のスプリアス電磁界が存在するか否かを示すために、追尾器のサイズを増大する必要が無い。また、多くのナビゲーションシステムに複数の追尾器が設けられることを前提に、単一対の送信器組立体の設置は、各追尾器に１対ずつ、複数対のセンサ組立体の設置と比較して、システムの複雑さおよびコストを最小化する。
【０１７１】
システム２０ｃによって実行されるプロセスステップは、システムが物体定位シーケンスを繰り返すたびに実行する必要はないことを理解されたい。該方法は、時々だけ、例えば１〜３分に１回使用されると予想される。したがって、システム２０ｃおよび随伴する方法を提供することで、物体定位を実行するために必要な処理時間の全体的な量が目立つほど増大することはない。
【０１７２】
Ｘ．ナビゲーション周波数ホッピング
干渉ＥＭ信号がＡＣ電磁ナビゲーションに悪影響を及ぼしているか否かを決定する上記説明では、そのような信号が存在する場合、アラーム５６がアサートされる。これをステップ７７（図７）、ステップ１０３（図１１）、ステップ２１４（図１７）、ステップ２３２（図２０）、およびステップ２６０（図２３）に関連して記載する。
【０１７３】
最初にアラーム５６をアサートする代わりに、本発明のシステムは、異なる周波数でＥＭ信号を出力するように送信器をリセットすることができる。換言すると、本発明の方法では、システムは、ナビゲーションプロセスの近傍でＥＭを発生させあるいは干渉する物体によって悪影響を受ける可能性の低い、新しい組の周波数のＥＭ信号が存在するように、「周波数ホッピング」することができる。
【０１７４】
このプロセスで、システム２０によって生成された位置および向きデータが不正確であると決定されると、例えばステップ７５（図７）、ステップ１０１（図１１）、またはステップ２５６、または２５８（図２３）で、システム２０は、それが動作することができ、かつ周囲ＥＭ信号または干渉装置が位置および向きの決定に悪影響を及ぼさない、１組の周波数を見つけ出そうと試みる。図２６Ａによって分かるように、このプロセスは、ステップ３１０で、送信器ドライバ３９、４０、および４１が駆動信号を出力する駆動周波数のリセットにより開始される。実際のリセットコマンドは、送信器コントローラ４８に端を発することを理解されたい。例えば、本発明の１バージョンでは、３つの送信器２６、２８、および３０は例えば、通常、５７０Ｈｚ、６３０Ｈｚ、および６９０Ｈｚの周波数で駆動される。ステップ３１０で、ドライバ３９、４０、および４１をリセットすることによって、これらの周波数はそれぞれ８７０Ｈｚ、９３０Ｈｚ、および９９０Ｈｚにリセットされる。各周波数は一定のオフセットによって調整される。
【０１７５】
次いで、ステップ３１２および３１４で、システムは周囲ＥＭノイズ検査を実行する。このサブプロセスは、システムがステップ３１２で、センサ（コイル）３２、３４、および３６によって検出される周囲ＥＭエネルギーの強度を測定することにより開始される。さらに詳しくは、システムは、送信器３９〜４１が動作するように設定された周波数スペクトルに存在する周囲ＥＭエネルギーを測定する。これらの測定は、ドライバ３９〜４１が作動を停止している期間中に、各コイル３２、３４、および３６の電圧を監視することによって実行される。
【０１７６】
ステップ３１４で、センサプロセッサ５２は周囲ＥＭエネルギーの強度を閾エネルギーレベルと比較する。この閾レベルは、センサの感度およびノイズ特性、ならびに送信器によって発生する磁界の強度に依存する。一般的に、発信された信号対雑音比は、少なくとも１００：１、より好ましくは３００：１、またはそれ以上とする必要がある。
【０１７７】
ステップ３１４の比較により、送信器でリセットされた出力周波数スペクトルの周囲ＥＭエネルギーレベルが閾レベルより低いことが示されると、この環境は、周囲ＥＭ信号がシステム２０の動作に影響を及ぼさない可能性が最も高い環境とみなされる。したがって、システムは先に進み、その後に生成される追尾器の位置／向きデータが正確であることをさらに確実にするために、第２サブプロセスを実行する−ステップ３１６。ステップ３１６は、上述したプロセスの１つを再実行して、環境内の金属物体がナビゲーションプロセスの精度に悪影響を及ぼしていないかを決定することを含む。物体が存在しない場合、ステップ３１８で表わされるように、システムは、リセットされた周波数の組で動作するナビゲーションプロセスを実行するために使用され続ける。
【０１７８】
代替的に、ステップ３１４で、システムがリセットされた周波数範囲で動作するには過度の周囲ＥＭノイズが存在することが決定される場合がある。同様に、ステップ３１６で、ナビゲーション空間に存在する物体がナビゲーションプロセスに悪影響を及ぼしていることが決定される場合がある。これらの状況のいずれにおいても、システムは２回目の周波数リセットを実行し、２回目の周波数ホッピングを受ける−ステップ３２４。本実施例では、周波数の範囲は、それらがアップシフトされた量の２倍（×２）ダウンシフトされる。したがって、駆動信号は２７０Ｈｚ、３３０Ｈｚ、３９０Ｈｚの周波数で個々の送信器コイルに印加される。
【０１７９】
ステップ３２４が実行されると、ステップ３２６によって表わされるように、新しい周波数スペクトルで周囲ＥＭ信号強度の測定が行なわれる。ステップ３２８で、測定された周囲ＥＭ信号強度は閾値と比較される。したがって、ステップ３２６および３２８はそれぞれステップ３１２および３１４と同様である。ステップ３２８の実行の結果、この２回目のリセット周波数スペクトルで顕著なＥＭ信号が存在することが決定された場合、アラームをアサートすることができる−ステップ３３１。
【０１８０】
しかし、ステップ３２８で、位置および向きの決定に潜在的に影響を及ぼし得る強いＥＭ信号が周囲環境に存在しないことが決定された場合、システムは先に進んでサブプロセスを実行し、新しいスペクトル内で発信されたＥＭ信号を使用して、正確な位置および向きデータを提供することができるか否かを決定する−ステップ３３０。ステップ３３０は、上述したステップ３１６に関連して実行されるプロセスステップの実行である。
【０１８１】
ステップ３３０の検査により、ナビゲーションプロセスに悪影響を及ぼし得る物体がナビゲーション空間にあることが示されない場合、システム２０は、ステップ３３４によって表わされる通り、通常の動作に戻る。しかしこの時点で、送信器コントローラ４８は、ドライバ３９〜４１に第２リセット組の周波数で駆動信号を出力させる。
【０１８２】
しかし、ステップ３３０の決定は偽となる可能性がある。したがって、集合的にステップ３１４、３１６、３２８、および３３０の検査の結果として、有意の周囲ＥＭ信号が非常に広い周波数範囲内にあり、および／またはナビゲーション空間内に存在する金属物体が、比較的広い周波数範囲のＥＭ信号の伝達に悪影響を及ぼすことが明らかである。この状況で、システム２０は追尾器の位置データを正確に生成し続けることが不可能になる可能性がある。したがって、センサプロセッサ５２はステップ３３１で、この決定が行なわれたことを知らせるためにアラーム５６を作動させる。
【０１８３】
上記は本発明の１つの潜在的な周波数シフトプロトコルにすぎないことを理解されたい。本発明の一部のバージョンでは、システム２０は、周囲ＥＭ信号の干渉無しに動作することのできる動作周波数の範囲を見つけるために、１回しか周波数シフトを行うことができない。本発明の別のバージョンでは、システム２０は、周囲ＥＭ信号がシステムに正確なマーケットならびに位置および向きデータを提供させることのできないような強度および／または範囲内にあることを決定するまでに、３回以上シフトを行う。基本周波数範囲からの３００Ｈｚの上方および下方シフトは例示であって、限定ではないことを理解されたい。
【０１８４】
図２７は、ドライバ３９〜４１がＥＭ信号に変換される信号を出力する周波数を、送信器コントローラ４８およびセンサプロセッサ５２によって集合的にリセットする、本発明のシステム２０による代替的なプロセスを示す。ステップ３４０で、システム２０は、センサ３２、３４、および３６を介して、送信器２６、２８、および３０がＥＭエネルギーを放射することのできる周波数スペクトル全体にわたって周囲ＥＭ信号を測定する。このプロセスは、高速フーリエ変換、または放射信号の周波数を決定するためのいずれかの他のスペクトル解析技術によって、達成することができる。
【０１８５】
ステップ３４０の結果、送信器コントローラ４８またはセンサプロセッサ５２の一方が、スペクトル全体の周囲ＥＭ信号の強度の内部プロットを生成する−ステップ３４２。図２８はこのプロットのグラフ表現である。ここで、周囲のノイズレベルより高いＥＭ信号の相対強度は、０から約３．５ミリガウスの範囲である。この特定の事例では、ノイズ発生源は外科用鋸である。しばしば、システム２０が使用される手術部位に隣接するＥＭ信号発生装置は、定義された周波数範囲内でＥＭ信号を放射するために使用される。図２８で、これは、周囲ＥＭ信号が、２００Ｈｚより低い周波数および約６５０と８５０Ｈｚとの間の周波数で、公称ノイズレベルより高いという事実によって表わされる。
【０１８６】
したがって、ステップ３４２で生成されたデータプロットに基づいて、ステップ３４４で、送信器コントローラ４８またはセンサプロセッサ５２は、潜在的に干渉する周囲ＥＭ信号が存在する周波数範囲を決定する。
【０１８７】
次いで、ステップ３４６で、送信器コントローラ４８はドライバ３９〜４１に、次に干渉ＥＭ信号が存在する範囲外の信号を送信器２６、２８、３０に放射させる、周波数の送信器駆動信号を出力させる。このステップは、ステップ３１０（図２６ａ）と同様であるとみなすことができる。次いで、システムは、図２６Ａおよび２６Ｂに記載されたものと同様のステップを実行して、リセットされた周波数範囲内の信号の発信および相補的検知により、正確な追尾器の位置および向きのデータが生成されることを確実にすることができる。
【０１８８】
Ｘ．代替的バージョン
上記は、本発明のシステムおよび方法の多数の異なる実施形態の基本的特徴を記載したものであることを理解されたい。本発明の他のバージョンが可能である。
【０１８９】
例えば、本発明の好ましいバージョンでは、各送信器組立体が３つの送信器を有し、各センサ組立体は３つのセンサを有するが、これは本発明の全てのバージョンで要求されるわけではない。最小限、本発明のシステムおよび方法は、少なくとも２つの送信器および少なくとも２つのセンサを必要とする。２つの送信器を有する本発明のバージョンでは、理想的にはセンサ組立体は３つのセンサを有するべきである。センサ組立体が２つのセンサしか有さず本発明のバージョンでは、理想的には送信器組立体は３つの送信器を有するべきである。このバージョンのシステムの物体の位置および向きデータを生成する能力は、３つの送信器および３つのセンサのバージョンより制限される可能性があることを理解されたい。
【０１９０】
同様に、複数の送信器２６〜３０を相互に直交させ、あるいは共通点を中心にすることは絶対的な要件ではない。センサ組立体を形成するセンサ３２〜３６に関しても、同様の要件は存在しない。しかし、そうすると、物体の位置および向きデータを生成するために、追加的処理ステップが必要になる。さらに詳しくは、送信器および／またはセンサが共通中心位置を有さず、あるいは直交しない状況では、方程式５および９のような回転行列Ｒおよびベクトルｘの解析解が不可能になる。しかし、物理学に基づいてシステムをモデル化し、反復アルゴリズムによって非線形方程式を解くことによって、回転行列Ｒおよびベクトルｘを解くことが依然として可能である。そのようなアルゴリズムの例として、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法、シミュレーテッドアニーリング、または遺伝的アルゴリズムがある。
【０１９１】
同様に、ＡＣ生成磁界が調波駆動信号に基づく本発明のバージョンでは、駆動信号および放射磁界が１，５００Ｈｚより下の低周波数信号である必要はない。上述の通り、本発明のこの特徴は、渦電流生成物体が定位プロセスに対して有し得る影響を最小化する。しかし、この件が問題ではない場合に本発明を使用する環境がある。これらの環境では、ナビゲーション磁界をより高い周波数で放射して、結果的に物体定位データをより頻繁に更新させることができる。
【０１９２】
また、調波関係にあるＡＣ生成磁界が放射される本発明のバージョンでは、磁界の１つを基本周波数で放射することは必須事項ではない。例えば、ＡＣ磁界ナビゲーション磁界が４０、８０、および１００Ｈｚの周波数で放射される、本発明のバージョンを構築することができる。本発明のこのバージョンでは、放射される信号は２０Ｈｚの基本信号の調波であるので、ＦＦＴを使用して、各センサ３２、３４、および３６によって受信される合成信号を分解し、センサによって受信される個々のナビゲーション磁界の強度を決定する。
【０１９３】
監視磁界がナビゲーション磁界と同時に放射される本発明のバージョンでは、放射磁界のいずれかまたは全部を基本周波数およびその調波で放射することは必須事項ではない。上述の通り、この関係を有する磁界を放射すると、信号の相対強度を決定するために必要な処理が軽減される。
【０１９４】
同様に、図９〜１１に関連して記載した方法では、全ての信号を基本周波数およびその調波で放射することは必須事項ではない。しかし、上述した理由から、本発明のこれらのバージョンのナビゲーション磁界の強度を決定することは比較的簡単である。
【０１９５】
さらに、複数の監視磁界を常時放射することは必須事項ではない。本発明の一部のバージョンでは、単一の低い周波数の監視磁界を放射しながら、ナビゲーション磁界をより高い周波数で放射することが可能である。本発明のこのバージョンでは、送信器ｉによって放射され、センサｊによって受信される信号の誤差値δijは、次式に等しい。
δij＝ｍ’ij−ｎ”ij     （２９）
ここで、ｍ’ijはナビゲーション磁界強度の補正測定値であり、ｎ”ijは監視磁界強度の補正測定値である。
【０１９６】
本発明のこのバージョンでは、監視磁界の強度の補正測定値ｎ”ijはまた、ナビゲーション磁界強度の補正測定値ｍ’ijとも比較される。特に、次の決定のために検査が実行される。
ｍ’ij≒ｎ”ij
【０１９７】
該決定が真である場合には、周囲渦電流誘導磁界はナビゲーション磁界の測定値に有意の影響を及ぼさない。決定が偽である場合には、周囲渦電流誘導磁界はおそらく、ナビゲーション磁界の真の強度を正確に決定するシステムの能力に影響を及ぼす。
【０１９８】
したがって、強度の比較が行なわれる磁界の測定値が、単に２つのナビゲーション磁界または２つの監視磁界だけではないことが、上記説明から暗示される。本発明の一部のバージョンでは、渦電流誘導磁界の大きさを決定するための信号強度の比較は、ナビゲーション磁界と監視磁界との間で行うことができる。
【０１９９】
本発明のこれらのバージョンの利点は、監視信号ドライバの１つを提供する必要性が排除されることである。
【０２００】
代替的に、単一の監視ドライバが提供される場合、本発明のこのバージョンは、外来電磁界の強度を監視するための方法を提供する本発明の他のバージョンの１つと組み合わせることができる。単一の監視ドライバを有する組み合わされた組立体は低強度の渦電流誘導磁界を補正し、かつ正確な物体定位を妨げる過度のスプリアス電磁界の存在を指摘する。
【０２０１】
本発明の別の組み合わせバージョンを図２４に示す。ここでシステム２０ｄは、システム２０ｃの２つの送信器２２ａおよび２２ｂを有する。システム２０ｄはまた、前述したドライバ３９ａ〜４１ｂをも有する。スイッチ２７０は、ドライバ３９ｂによって生成された出力駆動信号を、送信器２６ａ、２８ａ、３０ａ、または２６ｂのいずれか１つに接続する。スイッチ２７２は、ドライバ４０ｂによって生成された出力駆動信号を、送信器２６ａ、２８ａ、３０ａ、または２８ｂのいずれか１つに接続する。スイッチ２７０および２７２の状態は送信器コントローラ４８ｄによって設定される。送信器コントローラ４８ｄはまた、ドライバ３９ｂおよび４０ｂによって放射される駆動信号の周波数も選択的に設定する。
【０２０２】
本発明のこのバージョンのシステム２０ｄは、２つのモードで動作する。最初に、かつ次いで追尾プロセス全体を通して周期的に、システム２０ｄは検査モードで動作する。検査モードでは、送信器コントローラ４８ｄはドライバに、表１に記載されたのと同じ駆動信号を出力させる。スイッチ２７０は、ドライバ３９ｂによって生成される出力信号が送信器２６ｂに印加されるように設定される。スイッチ２７０は、ドライバ４０ｂによって生成された出力信号が送信器２８ｂに印加されるように設定される。システムは上でシステム２０ｃに関連して述べた評価を実行して、定位プロセスに影響を及ぼす電磁界が存在するか否かを決定する。
【０２０３】
システム２０ｄはまた、補正モードでも動作する。補正モードでは、送信器コントローラ４８ｄがドライバ３９ａ〜４１ａに、検査モード時と同じ駆動信号を出力させる。ドライバ３９ｂは２０Ｈｚで駆動信号を出力するように設定される。ドライバ４０ｂは４０Ｈｚで駆動信号を出力するように設定される。このモードでは、ドライバ４１ｂは作動を停止される。スイッチ２７０および２７２は、ドライバ３９ｂおよび４０ｂによって生成された出力信号が同時に、かつ順次、送信器２６ａ、２８ａ、および３０ａの各々に印加されるように設定される。
【０２０４】
したがって、補正モードでは、ドライバ３９ｂおよび４０ｂは監視信号ドライバとして機能する。各送信器２２ａ、２８ａ、および３０ａは、ナビゲーション磁界および監視磁界の両方を周期的に放射する。次いでセンサプロセッサ５２は、ナビゲーション磁界強度の渦電流補正測定値を生成するために必要な処理ステップを実行する。
【０２０５】
システム２０ｄは、小さい渦電流を補正し、有意の外来電磁界が存在するときにそのことを指摘する。
【０２０６】
本発明のシステム２０ａの代替的バージョンも可能である。したがって、本発明の全てのバージョンで、ナビゲーションプロセスの一部として、大きい渦電流誘導磁界の有無を決定するために使用される低い周波数の磁界が常に、高い周波数の磁界に先行することは必須事項ではない。本発明の一部のバージョンでは、これらの磁界が放射される順序は逆転することができる。
【０２０７】
同様に、本発明のこのバージョンでは、有意の渦電流誘導磁界が存在するか否かを決定するために、信号強度の差を記述するデータを経時的にフィルタリングすることができることを理解されたい。このフィルタリングは、２つの連続する期間に磁界強度の顕著な差が１回生じたときに、渦電流生成物体が近くにあることを示すと解釈されるのを防止する。測定磁界強度のそのような差は、追尾器が急速に回転した場合にも発生し得る。磁界強度値の連続測定値間の差をフィルタリングすることにより、差がある期間にわたって、例えば約１秒間続いた場合にのみ、センサプロセッサ５２が状況を、連続磁界測定値が近傍の渦電流生成物体の存在を示していると解釈することが確実になる。次いで、そのような状況で、センサプロセッサ５２は、アラーム５６を起動させる（ステップ１０３が実行される）。
【０２０８】
また、このプロセスの決定、方程式２１に関する検査を、各送信器２６〜３０によって放射される磁界に対して実行することは必須ではない。本発明の一部のバージョンでは、送信器の１つによって放射される異なる周波数の連続的磁界を検査するだけでよい。本発明のこのバージョンは、他のバージョンより構成または動作が簡単であり得る。
【０２０９】
同様に、本発明の実施形態のシステム２０ａの別のバージョンでは、渦電流誘導磁界評価の一環として使用される低い周波数の駆動信号は、ナビゲーション駆動信号の１つではない可能性がある。本発明のこれらのバージョンでは、信号は監視ドライバからもたらされる可能性がある。このバージョンのシステムの動作中に、送信器コントローラ４８ａは、１つ以上の送信器へのナビゲーション駆動信号の印加を周期的に無効化し、この監視駆動信号を瞬間的に挿入する。同じ送信器によって放射される２つの連続磁界の相対強度を比較して、有意の渦電流生成物体が近くにあるか否かが決定される。
【０２１０】
図２５は、監視磁界がナビゲーション磁界とインタリーブされる１つのシーケンスを示す。ここで、期間ｎ、ｎ＋２、ｎ＋４、およびｎ＋６に、ナビゲーション磁界が同時に放射される。これらの磁界の強度測定は、センサプロセッサ５２がそれに基づいて物体定位プロセスを実行するデータである。時間ｎ＋１で、送信器２６は８０Ｈｚのナビゲーション磁界を放射する代わりに、２０Ｈｚの監視磁界を放射する。時間ｎとｎ＋１との間の測定磁界強度の差に基づいて、センサプロセッサは渦電流補正誤差補正値、および過度の渦電流が存在するか否かを決定する。時間ｎ＋３に、通常送信器２８によって放射される１００Ｈｚのナビゲーション磁界に対して、プロセスは繰り返される。時間ｎ＋５で、通常送信器３０によって放射される１４０Ｈｚの磁界に対して、プロセスは繰り返される。
【０２１１】
したがって、本発明のこのバージョンは、５０Ｈｚより高い信号を使用して定位プロセスを実行することを可能にする一方で、渦電流生成物体が存在するかを監視してそれを補正する手段を提供する。
【０２１２】
同様に、強磁性物体によって生成される磁界を含め、過度のスプリアス電磁界が存在するか否かを決定するための本発明のシステムおよび方法は、ＡＣまたはＤＣいずれかのパルス磁界を放射する本発明のバージョンに組み込むことができることを理解されたい。
【０２１３】
過度のスプリアス磁界の有無を検知することのできる本発明のバージョンでは、システムがアラーム５６を起動させる以上のことを行うことができることを、さらに理解されたい。本発明のこれらの実施形態では、システムはまた、追尾される物体の位置および向きを表わすデータの生成を停止することもできる。これは、正確でない可能性がある定位データに基づいて、担当者が対処することを防止する。
【０２１４】
また、本発明の開示したバージョンのハードウェア構成要素は例示であって、限定ではないことをさらに理解されたい。例えば本発明のシステム２０ａの実施形態の図示したバージョンでは、３つのドライバ３９、４０、および４１は各々が固定周波数の駆動信号を放射する。これらの信号は、クロススイッチ４９を介して送信器２６、２８、および３０に選択的に印加される。本発明の代替的バージョンでは、ドライバ３９〜４１は可変周波数の駆動信号を放射する。各々のドライバ３９、４０、および４１は、それぞれ送信器２６、２８、および３０の別々の１つに接続される。周波数設定制御信号信号は、送信器コントローラ４８ａからドライバ３９〜４１に印加される。したがって、送信器コントローラ４８ａによってアサートされる制御信号に基づいて、各ドライバ３９、４０、および４１は、関連する送信器２６、２８、または３０に適切な周波数のナビゲーション磁界を放射させる、適切な周波数の駆動信号を生成する。
【０２１５】
代替的に、適切な期間中に送信器コントローラ５８として機能するＤＳＰは、ナビゲーション信号の各々に監視信号を加算する。各合成信号は適切なドライバ３９、４０、または４１に出力される。本発明のこれらのバージョンの利点は、マルチプレクサ５８を設ける必要性が排除されることである。同様に、異なる周波数の正弦波を個々のドライバ３９〜４１に周期的に出力するように、送信器コントローラ４８ａを同様に構成することによって、クロススイッチ４９を設ける必要性が排除される。スイッチ２７０および２７２を排除するために、送信器コントローラ４８ｄを同様に構成することができる。
【０２１６】
同様に、本発明の一部のバージョンは、各々がそれ自体の送信器組立体２２を有する複数の同一ローカライザ２３を有してもよい。本発明のこれらのバージョンは、単一のローカライザ２３で追尾できるより広い空間で、物体または多数の物体を追尾するために使用される。本発明のこれらのバージョンを構築するときは、個々の送信器座標系の幾何学的関係を確立することができるように、ローカライザ２３によってカバーされる空間を重複させることが必要である。
【０２１７】
また、様々なプロセスステップを記載したものとは異なる順序で実行することによって、本発明を実施することが可能である。例えば、ステップ７４のモニタ値σの生成およびステップ７５のモニタ値とＫの比較は、ステップ７２および７３の誤差値の生成および補正磁界強度測定値ｍEccijの決定の前に行うことができる。
【０２１８】
同様に、ＦＦＴ以外の方法を用いて、合成ＡＣナビゲーション磁界をそれらの個々の周波数成分に分解することができる。これらの方法は、公知のアナログまたはデジタル復調技術を含む。
【０２１９】
したがって、添付する特許請求の範囲の目的は、本発明の精神および範囲に該当する全てのそのような変形および変化を包含することである。
【図面の簡単な説明】
【０２２０】
【図１】磁界強度に基づいて物体を追尾する原理の略図である。
【図１Ａ】本発明に従って構成された外科ナビゲーションシステムの構成要素の斜視図である。
【図２】本発明のシステムの送信器組立体のブロック図である。
【図３】本発明のシステムの理想化された受信器組立体のブロック図である。
【図４Ａ】第１送信器に印加される基本駆動信号、ならびに第２および第３送信器に駆動信号としてそれぞれ印加されるその調波の２つのグラフである。
【図４Ｂ】第１送信器に印加される基本駆動信号、ならびに第２および第３送信器に駆動信号としてそれぞれ印加されるその調波の２つのグラフである。
【図４Ｃ】第１送信器に印加される基本駆動信号、ならびに第２および第３送信器に駆動信号としてそれぞれ印加されるその調波の２つのグラフである。
【図４Ｄ】センサ組立体の単一センサで検知される合成磁界のグラフである。
【図４Ｅ】図４Ｅの信号のフーリエ変換の結果のグラフである。
【図５】ＡＣ信号に基づく磁界が放射されるときの、本発明の物体定位の基本的方法のフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の第２のＡＣ実施形態に従って各送信器に順番に同時印加される監視駆動信号のグラフである。
【図６Ｂ】本発明の第２のＡＣ実施形態に従って各送信器に順番に同時印加される監視駆動信号のグラフである。
【図６Ｃ】第１送信器にナビゲーション駆動信号として同時印加されるナビゲーション駆動信号のグラフである。
【図６Ｄ】第２送信器にナビゲーション駆動信号として同時印加されるナビゲーション駆動信号のグラフである。
【図６Ｅ】第３送信器にナビゲーション駆動信号として同時印加されるナビゲーション駆動信号のグラフである。
【図６Ｆ】本発明の第２のＡＣ実施形態の単一のセンサによって検知される合成磁界のグラフである。
【図６Ｇ】図６Ｆの信号のフーリエ変換の結果のグラフである。
【図７】ＡＣ信号に基づく磁界が放射されるときに、本発明の物体定位の第２の方法に従って実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図７Ａ】図７のプロセスで使用される誤差行列を決定する代替的方法のフローチャートである。
【図８】渦電流の発生を誘発する送信器の周波数の関数としての渦電流誘導磁界の強度のグラフ表現である。
【図９】本発明のＡＣ信号磁界ナビゲーションシステムの代替的送信器組立体のブロック図である。
【図１０】図９に示す本発明の実施形態の個々の送信器に、異なるナビゲーション駆動信号が印加される期間を示すタイミング図である。
【図１１】図９に関連して説明した本発明のシステムの動作中に実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図１２】図９に示した本発明の実施形態の共通送信器によって放射される磁界の強度が、渦電流生成物体の有無に応じて、連続的期間にわたっていかに変化するかを示すグラフ表現である。
【図１３】本発明のＤＣ信号磁界ナビゲーションシステムで単一のセンサによって測定される、３つの送信器からの経時的な磁界の強度のグラフである。
【図１４】パルスの期間中に本発明に従ってパルス強度の測定が行なわれたときの、経時的な単一ＤＣパルス生成磁界の強度のグラフである。
【図１５】渦電流誘導磁界も存在するときに、ＤＣパルス生成ナビゲーション磁界の強度を決定するために本発明のシステムによって実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図１６Ａ】わずかな渦電流誘導磁界も存在するときの経時的な測定ナビゲーションパルスの強度のグラフである。
【図１６Ｂ】基本的に渦電流誘導磁界が存在しないときの経時的な測定ナビゲーションパルスの強度のグラフである。
【図１６Ｃ】有意の渦電流誘導磁界が存在するときの経時的な測定ナビゲーションパルスの強度のグラフである。
【図１７】スプリアス電磁界が存在するか否かを決定するために、本発明の一方法に従って実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図１８】スプリアス電磁界が存在するか否かを決定する、本発明のシステムの略図である。
【図１９】図１８のセンサ組立体のブロック図である。
【図２０】スプリアス電磁界が存在するか否かを決定するために、図１８のシステムによって実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図２１】スプリアス電磁界が存在するか否かを決定する、本発明のシステムの略図である。
【図２２】図２１の送信器組立体のブロック図である。
【図２３】スプリアス電磁界が存在するか否かを決定するために、図２１のシステムによって実行されるプロセスステップのフローチャートである。
【図２４】本発明の代替的システムのブロック図である。
【図２５】本発明に従って監視信号をナビゲーション信号とインタリーブするためのパターンを示すタイミング図である。
【図２２Ａ】周囲ＥＭ信号を回避する本発明の第１の周波数ホッピング方法を示す。
【図２６Ｂ】周囲ＥＭ信号を回避する本発明の第１の周波数ホッピング方法を示す。
【図２７】本発明の第２の周波数ホッピング方法のフローチャートである。
【図２８】図２７のプロセスで測定することのできる周囲ＥＭ信号のレベルのグラフである。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ−６Ｄ】
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【図６Ｅ−６Ｇ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ−１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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