(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステムに於いて、前記システムが、
複数の場放射器を具備しており、各場放射器は複数の放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生し、前記システムは又、
前記場放射器と前記医療デバイスの前記センサーとに動作的に接続されたシグナルプロセサーを具備しており、前記シグナルプロセサーは前記センサーで検出された磁場を示す前記センサーからのセンシング信号を受信しており、前記センシング信号は前記センサーでの測定された磁場を規定しており、前記シグナルプロセサーは又その中に記憶された前記システム用の０．０００１ｃｍ以下である望ましい精度範囲を有しており、前記シグナルプロセサーは、
（ａ）前記センサー用の初期位置見積もりを確立するための初期位置エスティメーターと、
（ｂ）前記初期位置見積もりでの該磁場を計算するための磁場カリキュレーターと、
（ｃ）前記測定された磁場への前記計算された磁場の最急降下を計算するための最急降下カリキュレーターと、
（ｄ）前記最急降下に基づいて前記センサーの新位置見積もりを計算するための新位置見積もりカリキュレーターと、
（ｅ）前記センサーの前記位置と前記方位とを表示するために前記シグナルプロセッサーに動作的に接続されたデイスプレーと、
（ｆ）基準のフレームを確立するために基準デバイスと、を備えており、
前記シグナルプロセサーは、前記センサーの前記新位置見積もりが前記望ましい精度範囲内にある時、前記センサーの前記位置を決定し、
前記シグナルプロセサーが予め記憶された校正情報を備え、
前記場放射器が固定配置で配置されており、
前記シグナルプロセサーが前記センサーの位置及び方位を決定し、
前記位置が３つの異なる方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と少なくとも２つの方位（ピッチとヨー）にあり、
前記校正情報が、前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するための校正情報であることを特徴とするセンサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステム。
【請求項２】
センサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステムに於いて、前記システムが、
複数の場放射器を具備しており、各場放射器は複数の放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生し、前記システムは又、
前記場放射器と前記医療デバイスの前記センサーとに動作的に接続されたシグナルプロセサーを具備しており、前記シグナルプロセサーは前記センサーで検出された磁場を示す前記センサーからのセンシング信号を受信しており、前記センシング信号は前記センサーでの測定された磁場を規定しており、前記シグナルプロセサーは又その中に記憶された前記システム用の０．０００１ｃｍ以下である望ましい精度範囲を有しており、前記シグナルプロセサーは、
（ａ）前記センサー用の初期位置見積もりを確立するための初期位置エスティメーターと、
（ｂ）前記初期位置見積もりでの該磁場を計算するための磁場カリキュレーターと、
（ｃ）該初期位置見積もりの方向に基づき前記センサーでの最小場を決定するための大域的コンバージャーと、そして
（ｄ）最急降下に基づいて前記センサーの新位置見積もりを計算するための新位置見積もりカリキュレーターと、
（ｅ）複数のコイルから夫々成る複数の放射器を有する放射器ドライブと、を備えており、前記シグナルプロセサーは、前記センサーの前記新位置見積もりが前記望ましい精度範囲内にある時、前記センサーの前記位置を決定し、
前記シグナルプロセサーが予め記憶された校正情報を備え、
前記校正情報が、前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するための校正情報であることを特徴とするセンサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステム。
【請求項３】
既知のロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法であるが、前記場放射器の各々は複数の同じ場所に配置された放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生しており、前記センサーが前記センサーでの測定された磁場を示すセンシング信号を作っているが、前記方法は、
（ａ）０．０００１ｃｍ以下である望ましい精度範囲を確立する過程と、
（ｂ）センサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する過程と、
（ｃ）該見積もられたセンサーの位置及び方位で磁場を計算する過程と、
（ｄ）該見積もられたセンサーの位置及び方位での該計算された磁場から該センサーでの測定された磁場への最急降下を計算する過程と、
（ｅ）前記最急降下から前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算する過程と、
（ｆ）該センサーの位置及び方位の見積もりを精密化するために過程（ｅ）の前記新しく計算されたセンサーの位置及び方位の見積もりに基づき過程（ｃ）−（ｅ）を繰り返す過程と、
（ｇ）前記場放射器用の校正情報を確立し、記憶する過程と、
（ｈ）過程（ｂ）の後にダイポール近似を使用してセンサーの位置及び方位の前記初期見積もりを精密化する過程と、
（ｈ）３つの異なる方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）での前記センサーの位置と少なくとも２つの方位（ピッチとヨー）での前記センサーの方位とを決定する過程と、
を具備し、
前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するために前記校正情報が過程（ｃ）と（ｄ）で使用されることを特徴とする既知ロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法。
【請求項４】
既知のロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法であるが、前記場放射器の各々は複数の同じ場所に配置された放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生しており、前記センサーが前記センサーでの測定された磁場を示すセンシング信号を作っているが、前記方法は、
（ａ）０．０００１ｃｍ以下である望ましい精度範囲を確立する過程と、
（ｂ）センサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する過程と、
（ｃ）該見積もられたセンサーの位置及び方位で磁場を計算する過程と、
（ｄ）大域的収束技術を使用して該初期位置見積もりの方向に基づき前記センサーでの最小磁場を決定する過程と、
（ｅ）前記最小磁場に基づき前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算する過程と、
（ｆ）該センサーの位置及び方位の見積もりを精密化するために過程（ｅ）の前記新しく計算されたセンサーの位置及び方位の見積もりに基づき過程（ｃ）−（ｅ）を繰り返す過程と、
（ｇ）前記場放射器用校正情報を確立し記憶する過程と、
を具備し、
前記校正情報が、前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するために、過程（ｃ）と（ｄ）で使用されることを特徴とする既知ロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的には物体追跡システム（object tracking system）に関し、特に物体の位置及び方位（position and orientation）を追跡するための非接触、電磁的医療システムと方法に関する。又本発明は非運動金属物体からの妨害（interference）の影響を考慮出来る電磁的ベースの医療追跡システム用の新しい校正方法に向けられている。
【０００２】
【従来の技術】
磁場を発生し物体に於けるその強さを測定することに基づき物体の位置を決定する非接触的方法は当該技術で公知である。例えば、引用によりここに組み入れられる米国特許第５、３９１、１９９号及びＰＣＴ特許出願刊行物第ＷＯ９６／０５７６８号は体内の医療用プローブ又はカテーテルの座標決定用のこの様なシステムを説明している。これらのシステムは該プローブの近位の端部に結合された信号処理回路にワイヤで接続され、それの遠位の端部に概ね隣接する１つ以上のコイルを該プローブ内に有するのが典型的である。
【０００３】
引用によりここに組み入れられる米国特許第４、７１０、７０８号は強磁性コアを有する１軸ソレノイドを放射用コイルとして使用するロケーション決定システム（location determing system）を説明している。複数の磁気的コイル受信器がある。該ソレノイドの位置（position）はそれがダイポール（dipole）として放射すると仮定して決定される。
【０００４】
引用によりここに組み入れられるＰＣＴ特許出願刊行物第ＷＯ９４／０４９３８号は、１つのセンシングコイルと３つの３コイル放射器の配列（array of three, three-coil radiators）とを使用する位置探出システム（position finding system）を説明している。該放射器コイル（radiator coil）は非強磁性形品の上に捲かれる。該センシングコイルの位置は該コイルの該磁場へのダイポール近似（dipole approximation）に基づいて決定されるが、そこではその順序で該センサーコイルの位置を決定するように該センサーコイルの方位の見積もりが最初に使用される。加えて、各配列の放射器コイルが時間多重化手法（time multiplexing approach）を使ってシーケンシャルにエネルギーを与えられる。興味あることに、これらの文献は位置システムの動作速度を著しく増すために周波数多重化が使用出来るが、その複雑さの故にこのタイプの手法には不利益があるとそれは明らかに示している。又この文献は１軸センサー位置及び方位追跡システムを開示しているが、それが該システムの校正用の何等かの特定的方法を述べていないことに注意することは重要である。
【０００５】
従って、今日まで、新しい精確な解決技術と新しい校正方法を使用して周波数多重化により同時にドライブ出来る電磁的位置センサー１軸システムと方法（a electromagnetic position sensor single axis system and method）を提供する既知のシステム又は方法は存在しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題と課題を解決するための手段】
本発明は、医療デバイスの長手軸線に沿って配置された１つのセンサーを有する医療デバイスの位置及び方位を決定するために使用される新しいシステムと方法である。該システムは複数の場放射器（field radiators）を具備し、各場放射器は複数の放射器素子（radiator elements）を備える。各放射器素子は、時には”周波数多重化（frequency multiplexing）”と称される、その周波数により他と別個の磁場を発生する。該センサーで検出された磁場を示す該センサーからのセンシング信号を受信するために、シグナルプロセサーが該場放射器と該医療デバイスの該センサーとに動作的に接続される。該センシング信号は該センサーでの測定された磁場を規定する。又該シグナルプロセサーはその中に記憶される該システム用の望ましい精度範囲を有する。該シグナルプロセサーは、該センサー用の初期位置見積もりを確立するための初期位置エスティメーター（initial position estimator）｛該ダイポール近似（dipole approximation）に基づく｝と、該初期位置見積もりで該磁場を計算するための磁場カリキュレーター（magnetic field calculator）と、該測定された磁場への該計算された磁場の最急降下（steepest descent）を計算するための最急降下カリキュレーター（steepest descent calculator）と、そして該最急降下に基づいて該センサーの新位置見積もりを計算するための新位置見積もりカリキュレーター（new position estimate calculator）とを有する。該磁場エスチメータと該最急降下カリキュレーターは精確な理論的な場表現と該システムにユニークな予め記憶された校正データとを使用する。該シグナルプロセサーは、該センサーの新位置見積もりが該システム用の望ましい精度範囲内にある時、該センサーの位置を決定する。
【０００７】
又該システムは該磁場と該最急降下過程との計算用にそれぞれ該磁場カリキュレーターと最急降下カリキュレーターとで使用するために予め記憶された校正情報（calibration information）を有する。この校正データはそのユニークなアルゴリズムと共に新しい校正システムと方法を使用して各システム用にユニークに得られる。又該システムは０．１ｃｍより予め決められ記憶された望ましい精度範囲を有する（該システムの精度）。しかしながら、前の過程からの変化が、該システム用に１ｍｍより良い精度を得るために必要な０．００１ｃｍより小さくなるや否や、該アルゴリズム用のインクレメンタルな過程（繰り返し）は停止される。
【０００８】
複数の場放射器用の１実施例は固定配置で配置され、ロケーションパッド（location pad）上の固定面内に含まれる。後で説明する他の場放射器の実施例は必ずしも同じ面内になくてもよい。第１の実施例では、該場照射器の該放射器素子は相互に直交的（mutually orthogonal）である。この実施例では、該システムは３つの固定放射器を有し、各放射器は相互に対し相互直交する３つの発生器素子（generator elements ）又はコイルを有する。
【０００９】
加えて、該シグナルプロセサーは該センサーの位置及び方位の両者を、該センサーの位置が５つの自由度｛デーオーエフ（DOF）｝として一般に知られる、３つの異なる方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と少なくとも２つの方位｛ピッチとヨー（pitch and yaw）｝で得られるように、決定する。しかしながら、該５つのデーオーエフへの制限は図示する該コイルセンサーの対称性のためである。かくして、本発明により、コイルの形状を非対称形に変えることにより６つのデーオーエフ｛Ｘ、Ｙ、Ｚ方向と、３つの方位ロール、ピッチそしてヨー（roll, pitch and yaw）｝を提供することも考えられる。
【００１０】
該システムは更に、該センサーの位置及び方位を表示するために該シグナルプロセサーに動作的に接続されたデイスプレーを有する。更に該デイスプレーは患者の解剖学的特徴に対し該センサーの位置及び方位を表示する。これは外科的過程を実行するために患者の身体内で外科器具をナビゲートするために有用である。該システムは更に基準デバイスを使用するが、それは基準のフレームを確立するために外部的に取り外し可能なパッチとすることが出来る。該システムの１つ特別な使用は心臓をマップ化しそれにより該心臓の３次元モデル（3D model）を創生することである。該センサーは、例えば、局部的賦活時間（local activation time）｛エルエイテー（LAT）｝の様な生理学的条件をマップ化（map）するために電極の様な生理学的センサーと共に使用出来る。
【００１１】
本発明は又既知のロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する新しい方法を有しており、該場放射器の各々は複数の同じ場所に配置された（co-located）放射器素子を有する。各放射器素子は周波数多重化により全ての他の場発生素子とは差動的な場を作る。該センサーは該センサーでの該磁場を示すセンシング信号を作り、そして該信号から前記センサーでの該場が計算される。該方法は、
（ａ）望ましい精度範囲を確立する過程と、
（ｂ）センサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する過程と、
（ｃ）該見積もられたセンサーの位置及び方位で該磁場を計算する過程と、
（ｄ）該見積もられたセンサーの位置及び方位での該計算された磁場から該センサーでの該測定された場への最急降下を計算する過程と、
（ｅ）該最急降下から前記センサーの位置及び方位用に新見積もりを計算する過程と、
（ｆ）該センサーの位置及び方位の見積もりを精密化するために過程（ｅ）の新しく計算されたセンサーの位置及び方位に基づいて過程（ｃ）−（ｅ）を繰り返す過程とを具備している。
【００１２】
上記の様に、該１軸センサー位置及び方位システム用の望ましい精度範囲は０．１ｃｍ以下である（該システムの精度）。しかしながら、該位置及び方位アルゴリズムのインクレメンタルな過程は、該システム用に１ｍｍよりよい精度を得るために必要な前の過程からの変化が、０．００１ｃｍより小さくなるや否や停止される。加えて、該方法は該場放射器用の校正情報の確立、記憶及び使用を含んでいる。この校正情報は新しい校正システムと方法を使用して得られる。該校正情報は、該システムにより高い精度を提供するために該センサーの位置及び方位用に新しい見積もりを計算するために過程（ｃ）と（ｄ）で使用される。該方法は又過程（ｂ）でダイポール近似法（dipole approximation）を使用して該センサーの位置及び方位の初期スタート点を精密化するオプションの過程を含んでいる。
【００１３】
該方法は更に３つの異なる方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）での該センサーの位置と少なくとも２つの方位（ピッチとヨー）での該センサーの方位とを決定する過程を含んでいる。加えて、予め得られた画像か、実時間画像か又は関心のある解剖のモデルかの形式であり得る患者の解剖的特徴が表示されたものにこの情報をマップ化する過程を含めるように該センサーの位置及び方位を表示するためにデイスプレーがこの方法で使用される。
【００１４】
又本発明は、該位置及び方位の医療システムが使用される時該マップ化容積内に配置された静止金属物体の影響を考慮する新しい校正方法を含んでいる。該新しい校正方法は医療デバイスの位置を追跡するための磁場を発生出来る如何なる医療システム用にも使用される。該方法は、
（ａ）該発生された磁場内でマップ化する容積を規定する過程と、
（ｂ）該マップ化容積内に金属の物体を置く過程と、
（ｃ）該マップ化容積内に第１の点にセンサーを整合させそして第１の座標位置（Ｘi，Ｙi、Ｚi）を確立するために該第１の点で該センサーを用いて該磁場を測定する過程と、
（ｄ）追加距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）により１つの座標軸線に沿う次の点（Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＋ｄｚ）に該センサーを動かし、次の座標位置を確立するために該次の点で磁場を測定する過程と、
（ｅ）内挿された中間座標位置を確立するために該第１位置と次の座標位置の間の中間点で該磁場を内挿する過程と、
（ｆ）該内挿された（interpolated）中間座標位置と実際の中間座標位置の間の位置差（position difference）を決定する過程と、
（ｇ）該位置差を誤差限界（error limit）と比較する過程と、
（ｈ）もし該位置差が誤差限界内であるならば該次の点を（Ｘi＝Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＝Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＝Ｚi＋ｄｚ）として（Ｘi，Ｙi、Ｚi）を設定し、もう１つの座標軸線に沿って過程（ｄ）−（ｇ）を繰り返す過程と、そして
（ｉ）もし該位置差が誤差限界内にないならば該追加距離成分の値を減らすことにより該追加距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）を設定し、該同じ座標軸線に沿って過程（ｄ）−（ｇ）を繰り返す過程とを具備している。
【００１５】
又該方法は上記概説した過程に従って全マップ化容積用に校正方法を完了する過程を具備している。該誤差限界はどんな合理的な誤差範囲でもあり得るが、最大の精度の結果用には該誤差限界が１ｍｍ以下であることが好ましい。加えて、該センサーは約２ｃｍから約３ｃｍの範囲の距離でステップするか移動する、更に、該センサーのステップ動作に関しては、該校正の変動を除くために該移動距離は一定に留まるべきである。又、過程（ｉ）は該追加距離成分の値を２の因数で割り算すること（Ｘi＋ｄｘ／２、Ｙi＋ｄｙ／２、Ｚi＋ｄｚ／２）により減らして達成される。
【００１６】
静止金属物体を考慮した校正の第２の実施例は、
（ａ）該発生される磁場内のマップ化容積を規定する過程と、
（ｂ）該マップ化容積内に金属物体を置く過程と、
（ｃ）該マップ化容積内の第１点にセンサーを整合させ、第１座標位置（Ｘi，Ｙi、Ｚi）確立するために該センサーを用いて該第１点で該磁場を測定する過程と、
（ｄ）追加距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）により１つの座標軸線に沿った次の点（Ｘi＋ｄｘ，Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＋ｄｚ）の磁場を外挿する（extrapolate）過程と
（ｅ）外挿された座標位置（extrapolated coordinate position）を確立するために該外挿された磁場に基づいて該外挿された次の点で（at the extrapolated next point）該座標位置を計算する過程と、
（ｆ）該外挿された座標位置と該次の点の実際の座標位置との間の位置差を決定する過程と、
（ｇ）該位置差を誤差限界と比較する過程と、
（ｈ）もし該位置差が該誤差限界内にあるならば予め決められた距離に従って該追加距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）を設定し、もう１つの座標軸線に沿って該マップ化容積内の新しい点に該センサーを整合させ、そして新しい点の座標位置を確立するために該センサーを用いて該新しい点で該磁場を測定しそして該他の座標軸線に沿って過程（ｄ）−（ｇ）を繰り返す過程と、そして
（ｉ）もし該位置差が該誤差限界内にないならば該追加距離成分の値を減らすことにより該追加距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）を設定し該同じ座標軸線に沿って過程（ｄ）−（ｇ）を繰り返すことにより中間点を確立する過程とを具備している。
【００１７】
該予め決められた距離は一定に留まり好ましくは約３ｃｍであるのがよい。しかしながら、該予め決められた距離又はステップ距離はユーザーによっても変えられる得る。加えて、該追加距離成分は、該中間点又は位置が（Ｘi＋ｄｘ／２，Ｙi＋ｄｙ／２，Ｚi＋ｄｚ／２）と規定されるように２の因数により減らされ得る。
【００１８】
静止金属物体の影響を考慮した何れの実施例でも、該センサーは立方体（cube）の頂点に従って動かされ該全マップ化容積は複数の立方体を含んでいる。各立方体は少なくとも４つの異なる頂点から得られる距離（measurements）で規定される。一般に該校正方法は約２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3のマップ化容積用に達成されている。該校正での制御された精度用に、該センサーはロボットのアームで動かされる。
【００１９】
本発明のこれら及び他の目的、特徴そして利点は付属する図面と連携してなされた下記で表明する詳細説明からより容易に明らかになる。
【００２０】
【実施例】
本発明は１軸位置センサー（single axis position sensor）と新しい位置及び方位決定方法とを使用して、プローブ又はカテーテル（probe and catheter）の様な、物体の位置及び方位（position and orientation of object）を決定するための新しい医療用追跡システムと方法（novel medical tracking system and method）である。又該システムは新しい校正（calibration）システムと方法で使用される。
【００２１】
本発明の新しい位置及び方位のシステム２０の１実施例が図１で示される。該システム２０はユーザーにプローブ又はカテーテル２２の様な周辺医療デバイスの機能を観察制御させるコンソール２１を有する。該カテーテル２２はワイヤ２８によりシグナルプロセサー２５（コンピユータ）で該コンソール２１に接続される。該カテーテル２２は該カテーテル２２の長手軸線に沿って該カテーテル２２の遠位の端部の近くに固定された１つの位置センサー２６を有するが該位置センサー２６はワイヤ２８により該シグナルプロセサー２５に動作的に接続されている。コンソール２１は該コンピユータ２５内部に典型的に１つにまとまった（self-contained）信号処理回路を有するシグナルプロセサー（コンピユータ）２５を備えるのが好ましい。デイスプレー２７とキーボード２９は該シグナルプロセサー２５に動作的に接続され、キーボード２９はワイヤ２９ａにより接続される。該デイスプレー２７は該位置センサー２６での該カテーテル２２の位置及び方位の実時間の表示を可能にする。デイスプレー２７は器官の様な特定の解剖体の画像又はモデルと一緒に該位置センサー２６の位置及び方位の画像と情報とを表示するために特に有用である。該システム２０の１つの特定的利用は心臓をマップ化しそれにより該心臓の３次元解剖用マップ（3D anatomical map）を創生することである。該位置センサー２６は生理学的条件のマップ化用電極、例えば｛エルエイテー（LAT)｝の様な生理学的センサーと一緒に使用される。
【００２２】
該シグナルプロセサー２５は位置センサー２６により発生される信号を含め、カテーテル２２からの信号を受信し、増幅し、フイルターしそしてデジタル化するのが典型的であるが、その後これらのデジタル化された信号は該位置センサー２６での該カテーテル２２の位置及び方位を計算するために該シグナルプロセサー２５により受信され、使用される。
【００２３】
又該システム２０は、該システム２０の基準のフレーム（frame of reference）を確立するために、又位置センサー（図示せず）を使用する基準デバイス（reference device）３０を含んでいる。該基準デバイス３０は患者の外面に取り外し可能に接着可能な外部パッチであり、ワイヤ３１により該シグナルプロセサー２５に動作的に接続されている。該基準デバイスは患者内への内部配置用に位置センサー付き第２カテーテル又はプローブの様な他の代替え形式から成ってもよいことを注意することは重要である。
【００２４】
該位置センサー２６での該カテーテル２２の位置及び方位を決定する責めを負う該位置検出システム２０の部品を略図的に図解する図２を今度は参照する。図示の様に該位置センサー２６はコイル又は中空円筒の形式である。しかしながら、バレル型、楕円型（非対称形状を含めて）等の様な、該位置センサー用の他の形式もここでは考慮されている。又該センサーコイル２６がコアの様なフラックス集中器（flux concentrator）をオプションとして含むことが出来ることは本発明により考慮されている。加えて、該センサー２６はコイルの寧ろ他の形式、例えば、磁気抵抗効果式（magnetresistive）｛エムアール（MR）｝センサー、又はフラックスゲート又はホール効果センサーであってもよい。
【００２５】
上記図解及び記述の様に、該位置センサー２６は検出用コイルの形式であり、該センサーコイル２６が好ましくは該カテーテル２２と同軸でありそしてその長手方向軸線に沿っているように該カテーテル２２の該遠位の端部に近く位置付けされる。ここで規定される様に、該位置センサー（position sensor）２６はオプションでは位置センサー、ロケーションセンサー（location sensor）、位置及び方位センサー、センサーコイル、検出用コイル（sensing coil）、コイル又は同様な用語で引用される。好ましくは、カテーテル２２はカテーテル２２の長さを延ばすルーメン（lumen）２４を有するのがよい。好ましくは、センサーコイル２６は中空のコアであり、センサーコイル２６の軸線がルーメン２４内で、カテーテル２２の軸線に沿うか平行に横たわるように該カテーテル２２内に位置付けされるのがよい。この構造は、該カテーテル２２の近位の端部からその遠位の端部までセンサーコイル２６の中空のコアを通してのアクセスを提供し、該カテーテル２２が該センサーコイル２６を通してのどんなタイプの治療品（therapeutic）の供給用の供給デバイスとして使用されることを可能にする。センサーコイル２６とルーメン２４は該カテーテル２２が何等かのタイプの治療品又は診断剤（diagnostic agent）又はモダリテイ（modality）又は移植デバイス（implantable device）の供給用の供給デバイスとして使用されることを可能にする。例えば、薬剤的又は生物学的薬品、遺伝因子（factor）、たんぱく質及び細胞、の様な治療品、糊及び接着剤の様な組織修理又はトリートメントポリマー（treatment polymers）、レーザーエネルギー供給用の光学的導波管、治療用超音波供給のための超音波導波管、マイクロ波アンテナ及び無線周波｛アールエフ（RF）｝導体の様なエネルギーモダリテイ（enerugy modality）は、該センサーコイル２６とルーメン２４のそのユニークな配置の故に該カテーテル２２を通しての供給用に考慮された治療品の例のほんの幾つかである。同様に、該カテーテル２２を通しての供給用に好適な診断の例は、これに限定されないが、造影剤、染料、マーキング流体又は物質を含んでいる。更にミニチャ電子機器、生物学的診断チップ含む移植センサー、ペーシングデバイス（pacing device）、人工装具（prosthetics）、等も又この配備に好適である。
【００２６】
システム２０は更に放射器素子又はコイル３２，３４，３６，３８，４０，４２、４４，４６，そして４８（発生器コイルとしても知られている）を含んでいる。１実施例では、該コイルはそれぞれ放射器５６，５８、そして６０を形成する３つの直交し、同心のコイルのセットに捲かれている。好ましくは、該コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２、４４，４６，そして４８はスプールの様な支持部材の周りに捲かれるのがよい。この第１の実施例では、各放射器５６，５８そして６０は同じ場所に配置された３つのコイルを有する。従って、各放射器のコイルは相互に同心で、相互と直交し合っている。該同心的配置はそれらのそれぞれの支持部材付きコイルが各々異なる直径を有するよう形作られた特定の放射器内に各コイルを持つことにより達成される。例えば、放射器５６に関する例によれば、コイル３６はコイル３２と３４を収納し、受け入れており、コイル３４はコイル３２を収納し、受け入れる。かくして、コイル３６（その支持部材と共に）はコイル３４（支持部材と共に）の直径より大きい直径を有し、コイル３４の直径はコイル３２（支持部材と共に）の直径より大きい。同様に、このタイプの同心配置は該放射器５６，５８そして６０の全てに適用される。
【００２７】
この第１の実施例では、該放射器５６，５８そして６０は平面（plane）又はロケーションパッド（location pad）６１を規定するよう固定的に設置される。該放射器５６，５８そして６０は、長さ１ｍまでの辺を有する実質的な正３角形のそれぞれの頂点の形式で配置の様などんな望ましい固定配置で置かれてもよい。該放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４、４６そして４８はワイヤ６２により放射器ドライブ（radiator drive）６４に接続される。
【００２８】
一般に、放射器ドライブ６４は周波数多重化により放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８の各々に同時にエネルギーを与える。これらのコイルの各々はそれぞれの磁場｛準静的場（quasi-stationary field）｝を作り、それはセンシング信号（sensing signal）として使用される電圧を検出用コイル２６内に誘起する。従って、各放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８は異なる磁場を発生するので、該検出用コイル２６で発生される該センシング信号は該放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８の各々からの寄与から成る。次いで該センシング信号はプロセサー２５へフイードバックされる。次いで該プロセサー２５はセンシング信号の該９つの値から該センサーコイル２６の３つの位置（position）（ｘ、ｙ、ｚ方向）と２つの方位（orientation）｛ピッチとヨー（pitch and yaw）｝の座標｛５つの自由度又は５デーオーエフ（5 DOF）｝を計算する。計算の方法は後から下記で詳細に説明する。例えば、該検出用コイル２６が非対称形を有する場合は、ロール方位を含め６つのデーオーエフが計算される。
【００２９】
加えて、本発明で特に有用な他の代替えの放射器配置の実施例がある。図７で示す様に、第２の放射器配置はそれぞれ３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８（上述と同じコイル）を有する放射器５６ａ、５８ａそして６０ａを備えている。該放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８はそれらのそれぞれの放射器５６ａ、５８ａそして６０ａの中で相互に直交し合っている。しかしながら、これらの放射器コイルは同心でなく同じ場所に配置されていない。しかし寧ろ、該放射器５６ａ、５８ａそして６０ａは隔てられた又は同じ場所に配置されない”３つ子グループ（triplet group）”を含んでおり、その中では各同じ場所に配置されない３つ子グループ化のコイル間距離は該放射器コイル直径寸法の３−４倍以下である。
【００３０】
第３の放射器配置実施例が図８で示される。この実施例では、放射器５６ｂ、５８ｂそして６０ｂは、同じ場所に配置されない、同心でないそして相互に直交し合ってない放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８をそれぞれ有する。各コイルの方位は、１つのコイルは同じ３つ子グループ化５６ｂ、５８ｂそして６０ｂのもう１つのコイルと平行でないと云う唯一の制限を有して任意である。
【００３１】
図９は本発明の放射器配置の第４の実施例を図解する。この実施例では、放射器５６ｃ、５８ｃそして６０ｃはそれぞれ放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８用の同じ場所に配置される配置を備えており、各放射器のコイルは図２の放射器実施例と同様に相互に対し同心である。しかしながら、各放射器コイル５６ｃ、５８ｃそして６０ｃの該コイルは相互に対し直交していない。再び、該コイル方位への唯一の制限は特定の放射器配置５６ｃ、５８ｃそして６０ｃでは１つのコイルがもう１つのコイルに平行でないことである。
【００３２】
位置及び方位の方法
図３は本発明の好ましい実施例の、検出用コイル２６の座標を決定するための方法と付随するアルゴリズム的要素を図解する略図的フローチャートである。一般的方法の過程は下記で説明され、新しいアルゴリズムの特定の過程は本開示で後から詳細に説明される。シグナルプロセサー２５（図１と２）はここで説明される方法により検出用コイル２６の３つの位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と２つの方位（ピッチとヨー）の座標を決定する。何等かの医療的過程の開始の前に、該システム２０は、該シグナルプロセサー２５を通して、校正により達成される望ましい程度の精度で予めプログラムされる。これは通常０．１ｃｍ（該システムの精度）以下の望ましい精度範囲である。しかしながら、該アルゴリズムのインクレメンタルな過程（incremental steps）又は繰り返し（iteration）は前の過程からの変化が０．００１ｃｍより小さくなるや否や停止される。後者は１ｍｍの精度を得るために必要である。加えて、製造される各システム２０用には、それぞれそれらの発生器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８を通して該発生器５６，５８そして６０は、本開示で後でより詳細に説明される新しい校正システムと方法によりユニークに校正される。
【００３３】
図１で図解される該実施例の様な、該システム２０は手術スーツ（surgical suite）の様な臨床的設定内に配置され、ロケーションパッド（locator pad）６１は望ましいロケーション（location）に位置付けられる。１つの好ましいロケーションは該患者の近く、例えば、非金属手術テーブル（図示せず）の下に、該ロケーションパッドを位置付けることである。該システム２０は賦活され、該放射器５６，５８そして６０の該発生器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８はエネルギーを同時に与えられ、各コイルは各々が別個の周波数を有する別個の電磁場を放射する。従って、９つの別々の磁場（準静的な）が創られる。該ロケーションパッド６１の予め固定された配置のために、約２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3の容積（volume）（４０ｃｍ×４０ｃｍ×３７ｃｍの辺を有する３角形の配置内のロケーションパッド６１内に構成された該放射器５６，５８そして６０に基づく）をカバーする予測出来る磁場容積（magnetic field volume）｛手術容積（operation volume）｝が該患者の所に計画（projected）されるが、それは該カテーテル２２の挿入と追跡用に望まれる範囲より多くをカバーする。これらの寸法は本発明により考慮された寸法の図解された例の１つに過ぎないことを注意することは重要である。より小さい又はより大きい容積も本発明により考えられることは明らかである。
【００３４】
次いで、該カテーテル２２は患者内に置かれ、該手術容積（operating volume）内に持って来られ、該センサーコイル２６は該センサーコイル２６の所の磁場の大きさを示すセンサー信号を作る。これらのセンサー信号はワイヤ２８を通して該プロセサー２５へ提供され、該磁場の大きさ（測定された場）が決定され、該プロセサー２５内に記憶される。
【００３５】
図３で最も良く示される様に、この点で該シグナルプロセサー２５は任意のスタート点（位置及び方位の双方を反映する）を使用し、この任意の点から最急降下用のスタート点に到達するために１つの繰り返し用のダイポール近似（dipole approximation）（オプション過程）を使用するのが好ましい。該任意の点は該プロセサー２５内に予めプログラムされたスタート点、例えば通常は該マップ化容積の中心に選ばれる点である。次いで、該シグナルプロセサー２５内の該プログラムは近似化なしの計算に直接移る。しかしながら、最初の過程でダイポール近似を使用することにより収束（convergence）は促進されかくして実際の位置により近い解がもたらされる。そこから近似のない完全磁場が使用される。かくして任意のスタート点はダイポール近似用にも使用される。
【００３６】
一旦初期の位置及び方位の見積もりが該ダイポールアプロキシメーター（dipole approximator）７２を用いてなされると、該プロセサー２５は磁場カリキュレーター（magnetic field calculator）７４を使用して該見積もられた位置及び方位での磁場を計算する。この計算の後、該見積もられた位置及び方位の計算された磁場から該センサーコイル２６の測定された磁場までの最急降下が、ヤコビ技術（Jacobean technique）を使う最急降下カリキュレーター（steepest descent calculator）７６を使用して計算される。該最急降下カリキュレーター７６により全ての９つの放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８のそれぞれについてヤコビ行列（the Jacobian）が計算されることを注意することは重要である。該磁場エスティメーター７４と該最急降下カリキュレーター７６は予め記憶された校正データのみならず精確な理論的磁場表現を使用する。
【００３７】
この計算に基づいて、最終計算がなされるが、それは新しい見積もられた位置及び方位と該前の位置及び方位との間の値の最急降下の変化（steepest change）を示す変化（ΔＸ）を実際に反映する（該実際の位置及び方位は該計算の終了まで未知である）。この結果、Δｘ、はセンサーの位置及び方位の新しい見積もりに到達するために該センサーの位置及び方位の前の見積もりに追加される。（本明細書において、アンダーラインを引いた文字は、その上に右方向の矢印を有するものとする。）加えて、本発明の新しい校正のシステムと方法に従って該シグナルプロセサー２５内に予め記憶されて来た校正情報も又使用される（より詳細には下記で提供される）。従って、予め決められた校正係数が該ヤコビ行列と該場を調節するため使用される。
【００３８】
この点で、該センサーコイル２６の位置及び方位の新見積もりが予め決められた望ましい精度範囲と比較される。もし該センサーコイル２６の該位置及び方位の新見積もりがこの範囲内になければ、該新しい見積もられた位置及び方位での該磁場の計算で開始する該過程が繰り返される。
【００３９】
加えて、図７−９で図解される代替えの放射器配置の実施例用に、予め決められた精度範囲内にある位置及び方位の新しい見積もりに到達するために大域的コンバージャー（global converger）７７（図１０）により大域的収束技術（global convergence technique）が適用される。特定のアルゴリズムは下記で後から詳細に論じられる。
【００４０】
位置及び方位アルゴリズム
上記説明の方法をより良く理解するために、この方法により使用される新しいアルゴリズムが各方法の過程に従って特定的にここで述べられる。図解の目的で、該センサーコイル２６の位置及び方位が図４Ａ−４Ｃに関連して最も良く説明される。図４Ａに示す様に、該センサーコイル２６の中心は点Ｐに位置付けされる。それの方位を規定する、該センサーコイル２６の軸線は図４Ａで破線Ａで示される。
【００４１】
該センサーｘの位置及び方位は下記で規定され、
【００４２】
【化１】
0005031152.tif 000002
【００４３】
ここでｌは図４Ｂに示す様に位置ベクトルＯＰのｘ、ｙ及びｚに等しい。該ベクトルｎ、該センサー方位のメザー（measure）は、原点へのセンサー軸線方位ベクトルＡの平行並進である方位ベクトルＡ’（図４Ｃ参照）のｘ、ｙそしてｚ座標ｎx、ｎyそしてｎzにそれぞれ対応する。
【００４４】
本発明の該システム２０の部分的略図が図４Ｄに描かれており、そこではＱ１，Ｑ２そしてＱ３はそれぞれ３つの放射器５６，５８そして６０である。これらの放射器５６，５８そして６０の各々は３つのコイル（３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８）を含む。図解の容易さのために、放射器Ｑ１は放射器コイル１，２そして３（３２，３４そして３６）を含み、放射器Ｑ２はコイル４，５そして６（３８，４０そして４２）を含み、放射器Ｑ３はコイル７，８そして９（４４，４６そして４８）を含む。
【００４５】
この配置で、該センサーコイル２６を通して、各放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８による該センサーコイル２６での場の測定値が、下記で詳述する過程を用いた使用のために該プロセサー２５へ供給される。
【００４６】
過程（ａ）：初期位置及び方位エスティメーター７０を使用してセンサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する。
【００４７】
センサーの位置及び方位の初期見積もり用に、次の様に該センサーコイル２６の任意の位置を仮定する。
【００４８】
【化２】
0005031152.tif 000003
【００４９】
便宜のために、ｘ0は、近似的に該システムロケーション容積の中心にあるよう任意に選ばれる。例えば、該３つの放射器Ｑ1，Ｑ2そしてＱ3は３角形（図４Ｅ）の頂点に置かれると見られてもよい。該３角形の辺は中線（median）Ｍ1，Ｍ2そしてＭ3により２等分（bisect）される。該３次元センサー位置ｌ0の初期見積もりは、該放射器により形成される面上で、距離例えば２０ｃｍで、該放射器の中線の交点にあると選ばれてもよい。同様に、便宜のため、ｎ0は該ｚ軸線に平行な正の単位ベクトルであるように選ばれてもよい。
【００５０】
オプションの過程（ｂ）：ダイポールアプロキシメーター７２を使用せる該ダイポール近似に基づいての該見積もられたセンサー位置及び方位の精密化。
【００５１】
該センサーの位置及び方位の初期見積もりは、下記で説明する様に、該ダイポール近似に基づく該ダイポールアプロキシメーター７２を使用して精密化されてもよい。
【００５２】
図４Ｄに示す様に、我々はベクトルＲ1，Ｒ2そしてＲ3を原点からそれぞれの放射器Ｑ1，Ｑ2そしてＱ3の該放射器中心までの位置ベクトルと規定する。Ｓは該センサーコイル２６の座標を規定する。該放射器の各々用に、我々は関係ａj（ｊ＝１から３）を次ぎの様に規定するが、Ｐi＝Ｒi−Ｘ0、ここでＸ0は初期位置であり：
【００５３】
【化３】
0005031152.tif 000004
【００５４】
我々はｉ＝１から９の時のｆiをコイル番号（１）から（９）までに起因した場のセンサーＳでの測定された場の値と規定する。各コイルに対する該磁場の値は、引用によりここに組み入れられる、共通に譲渡されたＰＣＴ特許出願刊行物第ＷＯ９６／０５７６８号に概説された公知の技術で測定される。
【００５５】
又我々はＪ＝１から３の時のｍjを該放射器の各々を含む該コイルのために該センサーで測定される場の平方の和と規定する。かくして図２と図４Ｄに示すシステム用に、次の様なｍで３つの方程式を得る。
【００５６】
ｍ1＝ｆ12＋ｆ22＋ｆ32、
ｍ2＝ｆ42＋ｆ52＋ｆ62、そして
ｍ3＝ｆ72＋ｆ82＋ｆ92。
【００５７】
該放射器コイルから遠く移された点のセンサーは特性がダイポール的であると云われる磁場を受ける｛例えば、引用によりここに組み入れられる１９７５年、ニューヨーク市、ジョンウイリーアンドサン発行、ジェーデージャクソン著、古典的電気力学、第２版、１７８ページ（J. D. Jackson in Classical Electrodynamics, second edition, John Wiley & Sons, New York, 1975, page 178）参照｝。これらの条件下では、その全体で引用によりここに組み入れられる米国特許第５、９１３，８２０号で示される様に、各放射器が３つの同心のそして直交する放射器コイルから成る３つの放射器Ｑ1，Ｑ2そしてＱ3の場合について、該センサーから該放射器の各々までの距離は、ａとｍの上記で規定され計算された値の意味で、下式により近似される：
【００５８】
【化４】
0005031152.tif 000005
【００５９】
ここでｒ1，ｒ2そしてｒ3はそれぞれ該センサーから放射器Ｑ1，Ｑ2そしてＱ3までの距離である。我々は近似センサー位置ｌ（ｘ、ｙ、ｚ）へ３角測量するために該３つの距離ｒ1，ｒ2そしてｒ3を使用する。該３つの距離ｒ1，ｒ2そしてｒ3の各々は該放射器の各々の周りの球の半径と考えてもよい。該３角測量過程はこれら３つの球の交点用に解かれ、それはｌ（ｘ、ｙ、ｚ）で説明される近似センサーロケーション（approximate sensor location）となる（図４Ｂと４Ｆ参照）。
【００６０】
該放射器コイルの各々の特性（捲き数、コイル直径、他）とこれらのコイルに流れる電流を知ると、ベクトルｌにより規定される近似センサーロケーションでの９つの放射器コイルの各々に帰せられる該ｘ、ｙそしてｚ方向の各々での理論的場を説明するＨ（ｌ）、[９，３]行列を計算出来る。
【００６１】
図４ＦはＱに中心を置かれ、単位方位ベクトルＯiを有する１ループ放射器コイルを示す。該コイルは基準３次元フレームの原点から距離Ｒiに中心を置かれている。ベクトルｌは該原点を、上記で論じた３角測量からの近似センサーロケーションの、点Ｍに接続する。放射器コイルｉによるＭでの理論的場は次の様に見出される：
我々はベクトルｃｏｒをｃｏｒ＝ｌ−Ｒiの様に規定する。
【００６２】
該ベクトルｃｏｒはコイル中心、点Ｑ、と点Ｍの間の距離に対応する大きさである。
【００６３】
又我々はスカラー量ｚを、該放射器コイル軸線を説明するベクトルＯiと該ベクトルｃｏｒのドット積と規定する：ｚ＝Ｏi・ｃｏｒ。
【００６４】
図４Ｆに示す様に、量ｚはｃｏｒのＯi上への投影に等しい。
【００６５】
我々はスカラー量ａｂｓｒをベクトルｃｏｒの絶対値と規定する：
【００６６】
【化５】
0005031152.tif 000006
【００６７】
該スカラー量ａｂｓｒは該コイル中心と点Ｍ間の距離と等しい。
【００６８】
ＰＣＴ特許出願刊行物第ＷＯ９６／０５７６８号で概説されている様に、我々は、点Ｍでの磁束密度の、点Ｍと該コイルとを結ぶ線に対しそれぞれ平行及び直角な軸線に沿って分解されたベクトル成分、ＢｒとＢθを見出す。
【００６９】
又我々は量ｘｖｅｃとｘｎｏｒを次の様に規定する：
【００７０】
【化６】
0005031152.tif 000007
【００７１】
これらの関係から、図４Ｆに図解される様に、次の様になる、
【００７２】
【化７】
0005031152.tif 000008
【００７３】
我々は次のローテーション行列を解くことにより放射器コイル（ｘｖｅｃとＯi）の基準フレーム内のロケーションＭでの磁場を決定する：
【００７４】
【化８】
0005031152.tif 000009
【００７５】
１回の捲き数を持つ放射器コイルにより図４Ｆのｘ、ｙ、ｚ座標システムの基準フレーム内のＭでの場Ｆ0は下式により与えられる：
【００７６】
【化９】
0005031152.tif 000010
【００７７】
１回より多い捲き数を持つコイルｉによるＭでの計算された磁場は下式で与えられる：
Ｆi＝Ｆ0・（該コイルの有効捲き数）
コイルの該有効捲き数は実際の捲き数と等しくないが、それは、例えば、異なる半径の捲き回又は平行でない捲き回により引き起こされる、該コイルの不等質（inhomogeneities）のためである。コイルの有効捲き数は、例えば、その開示がその全体で引用によりここに組み入れられるＰＣＴ特許出願刊行物第ＷＯ９７／４２５１７号で開示された方法による、該コイルの校正により決定されてもよい。
【００７８】
上記計算はコイルｉによるＭでのｘ、ｙそしてｚの各々の方向の磁場の大きさを提供する。この計算は上記での規定の様に行列Ｈ（ｌ）用データを提供するために該コイルの各々用に繰り返される。
【００７９】
我々は量ｈ（ｘ）、すなわちセンサー方位ｎ用に修正されたＭでのセンサーの計算された場、を次の定義式の様に定義する：
【００８０】
【化１０】
0005031152.tif 000011
【００８１】
該センサーは実際はベクトルｌにより与えられるロケーション値（location value）に配置されていることの近似を行い、我々はそこで上記式のｈ（ｘ）を、ｆ、すなわち該センサーでの該場の実際の測定値、で置き換え次式を得る：
【００８２】
【化１１】
0005031152.tif 000012
【００８３】
この式の再配列はセンサー方位ベクトルｎの第１近似計算を提供する次の式を与える：
【００８４】
【化１２】
0005031152.tif 000013
【００８５】
過程（ｃ）：磁場カリキュレータ７４を使用して該見積もられたセンサーの位置及び方位での磁場を計算する。
【００８６】
我々は上記の該定義式（the Equation）から下記を呼び戻す：
【００８７】
【化１３】
0005031152.tif 000014
【００８８】
ベクトルｌで表された近似センサーロケーションＭでＨ（ｌ）を前に計算しており、近似センサー方位ｎを計算したので、今度は我々は上記式を使ってｈ（ｘ）、すなわち位置及び方位ｘ＝｛ｌ，ｎ｝での計算された場、を計算する。ベクトルｈ（ｘ）は、近似の位置及び方位でのセンサーに於ける９つの放射器コイルの各々による、方位修正された磁場（orientation-corrected magnetic field）であり、上記説明のシステム用には、[９，ｌ]行列の形式である。
【００８９】
過程（ｄ）：最急降下カリキュレータ７６を使用して、該見積もられたセンサー位置及び方位での該計算された磁場から該センサーでの測定された磁場への最急降下（steepest descent）｛ヤコビ行列（the Jacobian）｝を計算する。
【００９０】
我々はｘ＝｛ｌ，ｎ｝での該ヤコビ行列を次の様に計算する：
【００９１】
【化１４】
0005031152.tif 000015
【００９２】
該ヤコビ行列、Ｊij、は該６つの位置及び方位変数（ｊ＝１から６）の各々に対する該９つの放射器コイル（ｉ＝１から９）の各々用の計算されたロケーション及び方位ｘ＝｛ｌ，ｎ｝での該計算された場ｈ（ｘ）の変化である。該ヤコビ行列は９行と６列とを有する９×６の行列である。該ヤコビ行列の各要素（element）は位置ｘでの各コイルｉによる場を計算することにより計算される。我々は該６つの位置変数の各々をΔだけインクレメントし、次いで該場を再計算（recalculate）する。該６つの位置変数の各々に対するコイルｉによる場の変化はコイルｉ用の該ヤコビ行列内への該６つのエントリーを表す。該過程は９つのコイルの各々用に繰り返される。
【００９３】
実際は、これらの計算全部を行うことは全く計算集約的である。代替えにそして好ましくは、該ヤコビ行列のエントリーの各々用の値は１度計算されルックアップテーブルに記憶されるのがよい。そこで個別のエントリーは該ルックアップテーブル値間を内挿により得て、ｘの該インクレメントは該ルックアップテーブル内で予め決められてもよい。
【００９４】
我々は行列Ｌ、すなわち６×９の行列、を次の様に規定してもよい：
【００９５】
【化１５】
0005031152.tif 000016
【００９６】
行列Ｌは該ヤコビ行列の最小２乗反転（a mean least squares inversion of the Jacobian）である。
【００９７】
我々はｂ、すなわち該センサーでの実際の場と該計算されたセンサーの位置及び方位での該計算された場との差を次の様に計算する：
【００９８】
【化１６】
0005031152.tif 000017
【００９９】
我々は定義式（Equation）を呼び出す：
【０１００】
【化１７】
0005031152.tif 000018
【０１０１】
実際のセンサー位置では、実際の測定された場は該計算された場と等しく、それは次の式を強調する：
【０１０２】
【化１８】
0005031152.tif 000019
【０１０３】
近似センサーロケーションでは、該近似ロケーションでの場、Ｈ（ｘ）、が実際のセンサーロケーションでの該測定された場ｆと次の様に関係付けられる：
【０１０４】
【化１９】
0005031152.tif 000020
【０１０５】
次式を呼び戻す、
【０１０６】
【化２０】
0005031152.tif 000021
【０１０７】
その後、
【０１０８】
【化２１】
0005031152.tif 000022
【０１０９】
かくして、我々は６次元の位置及び方位の変数ｘでの変化（Δｘ）を計算したいが、それは該測定された場を該センサーの計算された位置及び方位での計算された場に近づかせ、そして、最終的に等しくさせる。上記で規定されたパラメーターと式から、該計算された位置及び方位での該計算された場を該測定された場の方向で最急に変化させる（most steeply changes）Δｘの値は次の様に与えられる：
【０１１０】
【化２２】
0005031152.tif 000023
【０１１１】
該ベクトルΔｘは、それへ該計算された場が該測定された場へより近付く該センサーの位置及び方位の新しい見積もりに到達するために該見積もられたセンサーのロケーション及び方位の６つの位置及び方位座標の各々に付加される値を表す。
【０１１２】
過程（ｅ）：新しい位置及び方位エスティメーター７８を使用してセンサーの位置及び方位用の新しい見積もりを計算する：
Δｘの値を計算したので、我々は、センサーの位置及び方位の新しい見積もりに到達するために該センサーの位置及び方位の前の見積もりにΔｘのこの値を次の様に付加する。
【０１１３】
【化２３】
0005031152.tif 000024
【０１１４】
加えて、該新しい見積もりカリキュレータ７８での該センサーの位置及び方位の新しい値／見積もりに到達するために、該手術容積内の複数の点による予め記憶された校正情報｛校正係数（a calibration factor）｝が該磁場カリキュレータ７４と該最急降下／ヤコビ行列カリキュレータ７６に導入される。従って、該校正データは上記で羅列された過程で使用されるがそれは該センサーコイル２６での磁場と該ヤコビ行列の計算に関連するからである。この校正方法は下記でより詳細に説明される。
【０１１５】
過程（ｆ）：位置及び方位の該新しい見積もりが望ましい測定精度、例えば０．１ｃｍ（該システムの精度）以下の中にあるかどうかを決定する。しかしながら、該アルゴリズムのインクレメンタルな過程は、上記説明の様に前の過程からの変化が０．００１ｃｍより小さくなるや否や、停止されるがそれは該システム用に１ｍｍよりよい精度を得るために必要である。
【０１１６】
該新しく見積もられたセンサーの位置及び方位の値の必要な精度を確立するために１つ以上の基準が指定されてもよい。１つの基準はΔｘ、すなわち該位置及び方位修正、の絶対値を調べる。もし｜Δｘ｜が特定のしきい値より小さければ、該位置及び方位は望ましい精度まで計算されたと考える。例えば、｜Δｘ｜の値が１０-4ｃｍ以下（それは１ｍｍより高い精度となる）であることは、大抵のバイオメデイカル応用で使用されるセンサー用の要求精度基準を充たすと信じられる。
【０１１７】
センサーの位置及び方位を決定する上記方法は見積もられたセンサーの位置びロケーションｘ＝｛ｌ，ｎ｝での場ｈ（ｘ）の計算を含む。我々は量Δｆを次の様に規定する：
【０１１８】
【化２４】
0005031152.tif 000025
【０１１９】
Δｆの値は該センサーの位置及び方位が望ましい精度へ見出されたどうかを決定するため使用されてもよいもう１つの基準である。例えば、Δｆの値が１０-4以下（１ｍｍより高い精度となる）であることは大抵のバイオメデイカル応用には充分に精確であると分かっている。
【０１２０】
好ましくは、これらの基準の両者が位置及び方位の値が必要な精度を有して決定されたことを決めるために使用されるのがよい。
【０１２１】
過程（ｇ）：位置及び方位の見積もりを精密化するために新しく見積もられたセンサーの位置及び方位で場の計算｛過程（ｃ）−（ｅ）｝を繰り返す。
【０１２２】
過程（ｃ）から（ｅ）で上記で説明された手順は、もし見積もられた位置及び方位の値が必要な精度基準の１つ又は両方を充たさないならば、繰り返される。特に、過程（ｅ）からの新しく見積もられたセンサーの位置及び方位の値が、新しい見積もられたセンサーの位置及び方位での磁場を再計算するために、過程（ｃ）で使用される。この様に計算された場の値は該最急降下計算を精密化するために過程（ｄ）で使用される。該精密化された最急降下法は該センサーの位置及び方位用の新しい見積もりを決定するために使用される。本発明で使用される１つのフエイルセーフ機構は、もし該アルゴリズムが何等かの理由、例えば、該センサーコイル２６が範囲外にあるか、又はハードウエア問題のために、収束しないならば、該システム２０が無限ループに入らないように、繰り返し回数を最大数、例えば、１０回の繰り返しに限定していることである。最大繰り返し数又は繰り返し数限界も又シグナルプロセサー２５に記憶される。
【０１２３】
上記で説明されたアルゴリズムの変型は図７−９で図解される代替えの放射器配置用に使用される。この変型されたアルゴリズムは、引用によりここに組み込まれる数値的レシピー（Numerical Recipes）｛アイエスビーエヌ（ISBN）０５２１４３１０８、３８３ページ｝に概説された”大域的収束の（Global convergent）”方法に基づいている。大域的収束技術（global convergent technique）を使用することにより（図１０に示す様に）、任意のスタート点の実際のセンサーの位置及び方位へのより効率的収束が達成される。従って、本発明の技術は現在の位置への新しい修正ΔＸを提供する（図３の最急降下カリキュレータ７６により実行されるヤコビ行列過程用の代替えとして）。この大域的収束法は下記過程を含む：
第１に、下式によりΔＸの方向を決定する：
ΔＸ／｜ΔＸ｜。
【０１２４】
第２に、この方向に沿って場の変化ΔＦの最小値（ΔＦmin.）を見出す。この位置は下記により決定される、
ΔＸ’＝Ｃ*ΔＸ  （ここで０＜Ｃ＜１）。
【０１２５】
第３に、下記により該センサー位置を更新する：
Ｘ＝Ｘ＋ΔＸ’。
【０１２６】
もし該見積もられたセンサー位置が実際のセンサー位置値から余りに離れているならば、ΔＸ修正は関数ΔＦを最小化しないかも知れぬことを注意することは重要である。しかしながら、ΔＸの方向はこの過程で望まれる焦点である。かくしてΔＦminはΔＸの方向に沿ってインクレメントすることにより決定される。従って、この値は０とΔＸの間のどこかにある。
【０１２７】
もし該大域的収束アルゴリズムが或るスタート位置から収束しない（予め規定された繰り返し数で）ならば、異なるスタート点を選択してもよい。例えば、収束があるまで、該初期のスタート点に隣接する点が上記大域的収束アルゴリズムで使用されてもよい。
【０１２８】
１つの助けとなる技術は、何れの場合も収束を保証するために全部で６４のトライアルがあるように、該手術容積又は作業空間を５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍ又は（５ｃｍ）3の副容積に分けることである。従ってこの手順は唯１回実行される。かくして、第１の点を見出しての後、該収束技術からの結果は次いで該アルゴリズム用近似として使用される。
【０１２９】
そこで要約すると、本発明の方法は次の過程から成り：
過程（ａ）：初期のセンサーの位置及び方位を見積もる；
オプションの過程（ｂ）：ダイポール近似に基づいて該見積もられたセンサーの位置及び方位を精密化する；
過程（ｃ）：該見積もられたセンサーの位置及び方位で該磁場を計算する。
【０１３０】
過程（ｄ）：該見積もられたセンサーの位置及び方位での該計算された場から該センサーでの測定された場への最急降下を計算する。
【０１３１】
過程（ｅ）：過程（ｃ）と（ｄ）に連携してシグナルプロセサー２５に記憶された予め決められ、記憶された校正情報を使用することを含むセンサーの位置及び方位用の新しい見積もりを計算する。
【０１３２】
過程（ｆ）：新しく見積もられた位置及び方位が該測定の望まれる精度内にあるかどうかを決定する。
【０１３３】
過程（ｇ）：該位置及び方位の見積もりを要求精度（予め決められ、シグナルプロセサー２５内に記憶されてもいる）まで精密化するために該新しく見積もられたセンサーの位置及び方位で該計算｛過程（ｃ）−（ｅ）｝を予め記憶された最大繰り返し回数まで、すなわち該繰り返し数限度まで繰り返す。
【０１３４】
代わりに、上記過程（ｄ）は上記（図１０）説明の大域的収束技術により置き換えられる（図７−９に示す放射器配置について）。
【０１３５】
実際に、本発明の方法は空間内の複数の点での多数のセンサーの位置及び方位のシーケンシャルな計算に応用される。時間的に近接して隔てられた連続的な点の計算用には、該センサーが前に決定された値から著しく動かされなかったと仮定されてもよい。従って、第ｎ番の位置及び方位用の位置及び方位の初期見積もりの良好な値は第ｎ−１番の位置及び方位で決定される該値となる。
【０１３６】
校正システム
本発明の校正システム９０は該位置及び方位の検出用システム２０に動作的に接続される（図１と２）。該校正システム９０は、手術容積内に導入された時該センサーコイル２６（図２）の位置及び方位の精密な決定を実行する際使用される該シグナルプロセサー２５内に予め記憶された校正データを提供することに向けられる。図５に示す様に、該校正システム９０は、シグナルプロセサー２５，放射器ドライブ６４，ロケーションパッド６１そしてそれぞれのワイヤ６２と共にそれぞれ放射器又は発生器５６，５８そして６０を形成するようスプールの周りに捲かれた放射器又は発生器コイル３２，３４，３６，３８，４０、４２，４４，４６そして４８を有する該位置及び方位システム２０の主要部品を備えている。
【０１３７】
該校正システム９０は更に描かれる様にそれぞれＸ、ＹそしてＺ座標面（座標軸）内に向けられた３つのセンサーコイル１０２，１０４そして１０６を有するテスト位置センサー１００を備えている。該センサー１００内のコイル間のピッチ距離は１−０．０２ｃｍである。該テスト位置センサー１００は該テスト位置センサー１００により提供されるセンサー信号を処理するためにワイヤ２８によりシグナルプロセサー２５に動作的に接続されている。加えて、該テスト位置センサー１００はロボットアーム１１０の様な位置付けデバイスにワイヤ１１２により動作的に接続されている。該ロボットアーム１１０は該シグナルプロセサー２５にワイヤ１１４により動作的に接続されている。該プロセサー２５は該３つの座標システム、例えばＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に従って予め決められたテスト位置をを有する。好ましくは、約１５０のテスト位置が予め決められ、該プロセサー２５内に記憶されているのがよい。これらのテスト位置はエネルギーを与えられた時該発生器５６，５８そして６０により作られる手術容積と密接に整合されている。該プロセサー２５はこれらのテスト位置の各々を用いてプログラムされているので、該ロボットアーム１１０は各テスト位置に精確にガイドされ位置付けられる。この方法は下記でより詳細に説明された時に遙かに明らかになる。
【０１３８】
アルゴリズムを含む校正方法
一般に、本発明の校正方法では、ロケーションパッド６１（図５）の理論的場が特定の位置及び方位のシステム２０の測定された場に適合される。従って、上記で述べ、図３の略図的フロ−チャートで描かれた様にセンサーコイル２６（図１と２）の位置及び方位を決定する時、各システム２０は該ロケーション計算中に使用されるそれ自身の校正データで特注品化される。放射器校正（Radiator Calibration）の名称の共通に譲渡される係属中の米国特許出願第０９／１８０，２４４号も又磁場発生器又は放射器コイルを校正するための技術を述べており引用によりここに組み入れられる。
【０１３９】
図６は本発明の校正方法用の略図的フローチャートを示す。従って、この校正方法を用いては、手術容積用の予め決められたテスト位置がプロセサー２５内に記憶される。好ましくは１５０のテスト位置が使用されるのがよいが、望まれる手術容積の寸法と必要と決められた精度の度合に左右されて如何なる数のテスト位置が使用されてもよい。上述の様に、これらのテスト位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）は手術容積、例えば、２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3に実質的に従う。ここで規定される様に、用語”マップ化容積（mapping volume）”、”サンプリング容積”そして”マップ化範囲”は”手術容積（operating volume）”用と同様な用語であり、本開示を通して互換性を有して使用される。
【０１４０】
最初に、９つの別個の磁場｛準静的磁場（quasi-stationary magnetic fields）｝を創り、手術容積を確立するために、位置システム２０の放射器又は発生器５６，５８そして６０の放射器コイルが周波数多重化技術を使用してエネルギーを同時に与えることにより賦活される。そこで該ロボットアーム１１０が各のそれぞれのテスト位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）にガイドされ精確に位置付けされ、そして該磁場のＸ、ＹそしてＺ成分が該テスト位置センサー１００で測定される。各測定後、該プロセサー２５は必要なサンプリング容積が達成されたかを決定するためにこれらのテスト位置のサンプリングをチェックする。該サンプリング容積は該場放射器５６，５８そして６０の手術容積に対応する。一旦望ましいサンプリング容積が完成されると、該プロセサー２５は各テスト位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）での既知の理論的磁場を各テスト位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）での実際の測定場と相関させる。この相関関係は数学的変換であり、該変換は該取得点（Ｘi、Ｙi、Ｚi）での理論的磁場をこれらのテスト点（Ｘi、Ｙi、Ｚi）での測定場に対しマップ化する。かくして、この相関関係はマップ化計算であり、該結果は各位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）用に記憶され、例えば、図１に描かれたシステム２０で前に説明されたものの様に位置及び方位検出過程中呼び戻される。これらの記憶された校正フアイルからの校正データは理論的磁場を修正するため使用される。
【０１４１】
該校正システム９０（図５）を使用する校正方法の１例が下記で概説される。示される様に、校正システム９０を使用して、該磁場のＸ、Ｙ、Ｚ成分は、位置システム２０のプロセサー２５にセンサー信号情報を提供する３つの直交するセンサーコイル１０２，１０４そして１０６を有する該３軸線テスト位置センサー１００を使用して測定される。ロケーションパッド場と理論的場の間のマップ化を計算するために、該ロケーションパッド６１のそれぞれのコイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８の各々に対して測定の精確な座標を知る必要がある。この目的で、予め規定されたテスト位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）を使用して、該ロボットアーム１１０は該ロケーションパッド座標システム、例えばサンプリング容積と整合される。１つの受け入れ可能なシーケンスは次の様である：
ａ）該テスト位置センサー１００のＺコイル１０６に対する測定用テスト位置である特定のテスト位置Ｘ0，Ｙ0、Ｚ0へロボットアーム１００を持って来る。
【０１４２】
ｂ）該テスト位置センサー１００のＺコイル１０６を使用して該Ｚ成分の磁場の測定を行う。
【０１４３】
ｃ）テスト位置センサー１００が１ｃｍ前に動かされるように該ロボットアーム１１０をステップさせ（これは該Ｚコイル１０６により前に占められた同じ点にＹコイル１０４を置く）そして該テスト位置センサー１００のＹコイル１０４を使用して該Ｙ成分の磁場を測定する。
【０１４４】
ｄ）該テスト位置センサー１００が再び１ｃｍ前に動かされるように該ロボットアーム１１０をステップさせ（第１の測定中Ｚコイル１０６によりそして第２の測定中Ｙコイル１０４により前に占められた点にＸコイル１０２を置く）そして該テスト位置センサー１００のＸコイル１０２を使用して該Ｘ成分の磁場を測定する。
【０１４５】
上記の様に、典型的校正過程が、該中心の周りの２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍのサンプリング容積内でそして該ロケーションパッド６１の上で行われ、それは該システム２０（図１と２）が医療目的に使用される時の手術容積に対応する。加えて、２つの連続する点／位置間のステップは、該ステップが該全べてのサンプリング容積を通して一定である必要はないが、各方向で２−３ｃｍである。典型的には全サンプリング容積内では１５０のサンプル点がある。かくして、該校正法の終わりには、我々は下記を有する。
【０１４６】
【化２５】
0005031152.tif 000026
【０１４７】
ここで該指数ｉは点の数の指数であり、ｊは別個の周波数の各発生器コイル用の周波数指数である。かくして指数ｉは全ての該テスト位置、例えば１５０、用の測定された場に関係する。
【０１４８】
数学的変換を概説すると下記の様である。我々は空間の何れの与えられた領域内にも測定された場と理論的場の間のローテーション変換（rotation transformation）があると仮定する。かくして、下式に依存出来る：
ＯＢTh＝ＢM            （６）
ここでＯは下式で与えられる３×３ローテーション行列
Ｏ＝ＢMＢth-1          （７）
ＢmとＢthの両者は[３×１５０]行列であり、該数学的変換は最小２乗法の意味（in the least mean square sense）でＢmとＢthを出来るだけ近くマップ化することを注意することは重要である。又、式（７）では、該同じ変換が全空間容積に適用されることを我々が仮定していることを注意する。事実、我々のマップ化空間の各副容積（subvolume）へ別々のローテーション行列を有してもよい。例えば、該マップ化容積を５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの副容積、例えば（５ｃｍ）3である副立方体（sub-cube）に分けて、該副立方体の各々に関係するローテーション行列を計算することも出来る。このローテーション行列は次いで空間内のその位置に関する校正情報と共に該シグナルプロセサー２５内に記憶される。この手順は各放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８用に行われる。典型的には、各コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８用に約２０−３０の３×３行列を得ることが出来る。
【０１４９】
従って、もしスタート点ｘで始めるなら、該点での理論的場Ｂth（ｘ）は本発明のアルゴリズムにより計算出来る。そこで”新しい”理論的場は下記表現で与えられる：
【０１５０】
【化２６】
0005031152.tif 000027
【０１５１】
ここでＯ（ｘ）は点ｘに於ける関係変換（relevant transformation）である。そして該計算された理論的ヤコビ行列をＪ（ｘ）とすると、該”新しい”計算されたヤコビ行列は下式で与えられる：
Ｏ(ｘ)Ｊ(ｘ)。
【０１５２】
従って、該校正されたＢ（磁場）とＪ（ヤコビ行列）の両者が非校正版が使用されると同じ仕方で本発明のアルゴリズム内で使用される。しかしながら、追加された校正情報（校正されたＢ）を伴い、該システム２０は医療過程で特に有用な、より高い位置精度を有することになる。
【０１５３】
静止金属補償付き校正方法
本発明は又、マップ化又は手術容積内に置かれた非運動又は静止金属物体の起こす妨害の影響を補償出来る、位置及び方位システム２０（図１）の放射器５６，５８そして６０用の新しい校正方法を含んでいる。該校正方法は精度を保証するためにロボットアーム１１０を含む図５に示す校正システム９０と連携して使用される。更に、この校正方法は、図５，７，８そして９に示す放射器配置実施例を含む放射器５６，５８そして６０の種々の配置用に有用である。
【０１５４】
従って、蛍光透視鏡デバイス（fluoroscopic device）のＣ形アーム（C-arm）の様な、金属物体（示されてない）が該放射器５６，５８そして６０により発生される意図されたマップ化容積内に置かれる。この過程の目的はそれぞれ放射器５６，５８そして６０の該放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８により発生される磁場の大きさと方向とへの、該金属物体により提供される妨害影響を考慮した該シグナルプロセサー２６の記憶用校正データを確立することである。
【０１５５】
上記の様に、好ましいマップ化容積は範囲約２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3の内側の磁場である。本発明の校正方法は該マップ化容積内に配置された何等かの金属物体により作られる磁場を考慮する。一旦該磁場が、下記で詳細に説明する、例えば、該システム２０に付随した１軸センサーアルゴリズムを使用する、本発明の方法でマップ化されると、例え１つ以上の金属物体が在っても、恰もそれが完全に妨害されない磁場状況、すなわち金属物体の妨害の存在なしの状況であるかの様に、該システム２０を使用出来る。
【０１５６】
本発明の方法の１実施例は図１２の略図的なフローチャートに図解されている。最初に、意図されたマップ化容積が規定され、１つ以上の静止金属物体が該意図されたマップ化容積内に置かれる。もう１度、これらの金属物体は患者の無菌の場内にそしてマップ化容積内に配置された物体である。典型的非運動金属物体の１つの例は蛍光透視鏡デバイスのＣ形アームである。従って、該Ｃ形アームは該マップ化容積内に置かれる。
【０１５７】
今度は図５と１１に戻り、該ロボットアーム１１０は、マップ化校正立方体（mapping calibration cube）２００ａを創ることによりマップ化及び校正手順を始めるために該位置センサー１００をスタート点へ動かす。例えば、該スタート点は（３ｃｍ）3の容積を有する立方体の頂点で始まる位置又は点である。例えば、適当な最初の点又はスタート位置は図１１に示す該立方体２００ａの点２１０である。
【０１５８】
センサー１００は該マップ化校正立方体２００ａ（該マップ化容積内の）内の３次元座標（Ｘi、Ｙi，Ｚi）により表される第１の点又は座標位置２１０に整合され、シグナルプロセサーを通して該センサー１００で該第１の座標位置２１０を確立するために放射器コイル３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６そして４８の磁場が該第１の点で読まれ測定される。次いで該センサー１００は該第１の位置と追加された距離成分（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）とにより規定される次の又は第２の点２２０（Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＋ｄｚ）へロボットアーム１１０によりステップ又は移動させられる。次いで次の第２の座標位置を確立するために該第２点２２０の磁場が該シグナルプロセサー２５を通して読まれ、測定される。
【０１５９】
該シグナルプロセサーは（３ｃｍ）3の容積の立方体の頂点（２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，等）である該校正立方体２００ａの校正位置で予めプログラムされている。該ロボットアーム１１０は、２−３ｃｍ間に及ぶインクレメンタルな予め決められた距離で該センサー１００をステップさせる（好ましいステップ距離は３ｃｍ）。該精確なステップ距離は予め決められており、この校正マップ化手順を通して一定に留まり、唯一の例外は特定の位置の金属の妨害影響を考慮する場所に於いてである。ステップ距離へのこの修正は下記で特に述べる。
【０１６０】
例えば、図１１で略図的に図解される手順用には、各頂点又は位置２１０，２２０，２３０，２４０そして２５０用には該ステップ距離は３ｃｍ（座標軸Ｘ、Ｙ又はＺの１つに沿って）である。加えて、該ロボットアーム１１０は該立方体２００ａの縁に沿って矢印の方向にセンサー１００をステップさせる（各座標軸に沿って）。
【０１６１】
一旦、第１点２１０、例えば第１座標位置（Ｘi、Ｙi，Ｚi）で、そしてｄｘ＝３ｃｍである追加距離成分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを反映して、該次のすなわち第２点２２０、例えば次のすなわち第２座標位置（Ｘi＝Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＝Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＝Ｚi＋ｄｚ）で該磁場が測定され、該位置が決定されると、該第１位置２１０と第２位置２２０の間の中間点２２０ａでの該磁場は内挿され、該中間点２２０ａの該位置座標は該シグナルプロセサー２５により計算される。該中間点２２０ａはステップされた距離の座標軸線に沿って、例えば頂点２１０と２２０の間のＸ座標軸線に沿って３ｃｍの距離内にある。
【０１６２】
該中間点２２０ａの磁場の内挿と該中間点の位置の計算（該位置及び方位アルゴリズムを使用して計算された中間位置）との後に、該シグナルプロセサー２５は計算された中間位置と実際の中間位置との差を取る。該中間位置差（intermediate position difference ）（ε）は次いで該シグナルプロセサー２５内に又予め記憶された誤差限界（error limit）と比較される。該誤差限界はどんな値であってもよいが、１ｍｍ以下の誤差限界が納得の行く受け入れ可能な誤差限界であると分かっている。
【０１６３】
もし該位置差（ε）が該誤差限界（≦１ｍｍ）内にあれば、次の又は第２の点（Ｘi、Ｙi，Ｚi）は該シグナルプロセサー２５により（Ｘi＝Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＝Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＝Ｚi＋ｄｚ）とセットされ、該ロボットアーム１１０は該センサー１００をもう１つの点２３０、例えばもう１つの座標軸線、例えば、Ｙ軸線に沿った第３のすなわち更に次の点（第３の座標位置）へステップさせる（ステップ距離ｄｙ＝３ｃｍに沿った立方体２００ａの第３頂点）。
【０１６４】
もし該中間の位置差（ε）が誤差限界内にない、例えばεが≦１ｍｍでないならば、該シグナルプロセサー２５は追加距離成分の値を減じ、例えば、ｄｘ、ｄｙ、ｄｚをｄｘ＝ｄｘ／２、ｄｙ＝ｄｙ／２，ｄｚ＝ｄｚ／２にセットする。例えば、該追加距離成分ｄｘは１．５ｃｍ（３ｃｍ÷２そしてその際ｄｙ＝ｄｚ＝０）に減じられ、該ロボットアーム１１０は該ステップを同じ座標軸線、例えば、Ｘ軸線に沿って新しい第２点２２０ａに繰り返す。従って、該センサー１００は該新しい第２点／頂点２２０ｂの方へｄｘ＝１．５ｃｍの追距離加成分だけステップされそれにより該磁場は点２２０ｂで読まれ、その位置は決定される（新しい第２座標位置）。次いで新しい中間点２２０ｃ、例えば、新しい第２位置２２０ｂと第１位置２１０の間の点／位置用に該磁場が内挿され、該中間点２２０ｃの位置が該位置及び方位アルゴリズムを使用して計算される（新しい中間位置）。そして、丁度前と同じ様に、この差（ε）が誤差限界（≦１ｍｍ）内にあるかどうかを決定するために該新しい中間の計算された位置は該中間点２２０ｃの実際の位置と比較される。もし該位置差（ε）が誤差限界内にあれば、該ロボットアームは該センサー１００を、追加距離成分ｄｙ＝３ｃｍだけ、もう１つの座標軸線、例えば、Ｙ軸線に沿って、該立方体２００ａのなおもう１つの点頂点（point vertice）２３０ａ｛位置頂点（position vertice）｝へステップさせ、立方体２００ａの各頂点用に上記概説した過程を繰り返す。
【０１６５】
上記の様に、該中間点の追加距離成分は、もし該位置が誤差限界内にないならば該追加距離成分の値を減じるころにより設定される。該方法の過程は該追加される距離成分の削減調節をした後繰り返される。
【０１６６】
静止金属補償を考慮するこの校正マップ化過程は、第２の隣接立方体２００ｂのマップ化で始まる１連の又は複数の創生されたマップ化校正立方体に従って、２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3の完全マップ化容積が完全にマップ化され、該マップ化容積内にある金属物体を考慮して校正がなされるまで、続けられる。該マップ化校正立方体２００ａ、２００ｂ、等の各々が、特定の立方体のマップ化中に遭遇する金属物体の影響で等しい長さでない辺を有する立方体であってもよいことを注意することは重要である。
【０１６７】
本発明の校正方法の第２の実施例は次の点で磁場の外挿を使用する。図１３に示す様に、特に、第１に、該金属物体が意図されたマップ化容積内に置かれる。再び、該ロボットアーム１１０は該第１の点２１０（スタート又は第１の位置Ｘi、Ｙi、Ｚi）にセンサー１００を位置付けそして第１座標位置を決定するためにこの第１の点の磁場が該シグナルプロセサー２５により読まれ、測定される。次ぎに、該シグナルプロセサー２５は、次のすなわち第２の点２２０、例えば、追加距離成分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを適当に含む（Ｘi＝Ｘi＋ｄｘ、Ｙi＝Ｙi＋ｄｙ、Ｚi＝Ｚi＋ｄｚ）と規定された次のすなわち第２座標位置での該磁場を外挿する。この場合、追加距離成分（ｄｘ）は該Ｘ座標軸線に沿った３ｃｍの距離である。
【０１６８】
一旦該第２点（該次の点）用磁場が外挿されると、該位置及び方位アルゴリズムを使用してこの点２２０（計算された第２位置）の位置座標が計算され、該位置差（ε）を決定するために該第２点２２０の実際の位置座標と比較される。もし該位置差（ε）が該シグナルプロセサー２５内に記憶された予め規定された誤差限界内にあれば、該ロボットアーム１１０は該センサー１００をもう１つの座標軸線、例えば、Ｙ軸線に沿って新しい点２３０（次の頂点）へ動かし、上記過程は該Ｙ座標軸線等に沿って続けられる。もし該位置差（ε）が１ｍｍの該誤差限界内にないならば、該磁場は中間の点２２０ｂ、例えば、該第２点２２０、例えば第２座標位置と第１点２１０、例えば、第１座標位置（なお同じ座標軸線に沿って）との間の中間位置座標（Ｘi＋ｄｘ／２、Ｙi＋ｄｙ／２、Ｚi＋ｄｚ／２）、用に外挿される。この例では、該追加距離成分ｄｘは２の因数で減少されたが、該追加距離成分を減じるために如何なる充分な因数も充足する。次いで該位置及び方位アルゴリズムを使用して該中間の位置座標を決定するために該センサー１００とシグナルプロセサー２５を用いて該中間点２２０ｂで磁場測定が行われる。該中間の位置２２０ｂ（実際には新しい第２の又は次の点）から、該中間点２２０ｂ（新しい第２点）の位置差（ε）の決定とε≦１ｍｍであるかどうかの決定を含む該過程の残りがシーケンスで続けられる。
【０１６９】
該マップ化校正手順は図１３に示す方法過程に従って続けられ、それにより該全体のマップ化容積｛約２０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ又は（２０ｃｍ）3｝が完了するまで新しいマップ化立方体２００ｂ、等を創る。
【０１７０】
この開示を通して概説された方法の過程とアルゴリズムは例としての目的のためだけに役立つ上記説明のシーケンスと異なったシーケンスであってもよいことは本発明により考慮されていることは明らかである。これらの過程の順序付けは変えられても、何等かの場合は、オプションとして省略されてもよく、それでも本発明の新しい要求を充たすことが考慮されていることは明らかである。
【０１７１】
上記で説明された好ましい実施例は例として引用されており本発明の全体の範囲は請求項のみにより限定されることは認められるところである。
【０１７２】
本発明の特徴及び態様を示せば以下の通りである。
【０１７３】
１．センサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステムに於いて、前記システムが、
複数の場放射器を具備しており、各場放射器は複数の放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生し、前記システムは又、
前記場放射器と前記医療デバイスの前記センサーとに動作的に接続されたシグナルプロセサーを具備しており、前記シグナルプロセサーは前記センサーで検出された磁場を示す前記センサーからのセンシング信号を受信しており、前記センシング信号は前記センサーでの測定された磁場を規定しており、前記シグナルプロセサーは又その中に記憶された前記システム用の望ましい精度範囲を有しており、前記シグナルプロセサーは、
（ａ）前記センサー用の初期位置見積もりを確立するための初期位置エスティメーターと、
（ｂ）前記初期位置見積もりでの該磁場を計算するための磁場カリキュレーターと、
（ｃ）前記測定された磁場への前記計算された磁場の最急降下を計算するための最急降下カリキュレーターと、そして
（ｄ）前記最急降下に基づいて前記センサーの新位置見積もりを計算するための新位置見積もりカリキュレーターとを備えており、前記シグナルプロセサーは、前記センサーの前記新位置見積もりが前記望ましい精度範囲内にある時、前記センサーの前記位置を決定することを特徴とするセンサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステム。
【０１７４】
２．上記１のシステムに於いて、前記シグナルプロセサーが予め記憶された校正情報を備えることを特徴とするシステム。
【０１７５】
３．上記１のシステムに於いて、前記望ましい精度範囲が０．０００１ｃｍ以下であることを特徴とするシステム。
【０１７６】
４．上記２のシステムに於いて、前記望ましい精度範囲が０．０００１ｃｍ以下であることを特徴とするシステム。
【０１７７】
５．上記１のシステムに於いて、前記場放射器が固定配置で配置されていることを特徴とするシステム。
【０１７８】
６．上記５のシステムに於いて、前記シグナルプロセサーが前記センサーの位置及び方位を決定することを特徴とするシステム。
【０１７９】
７．上記６のシステムに於いて、前記位置が３つの異なる方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と少なくとも２つの方位（ピッチとヨー）にあることを特徴とするシステム。
【０１８０】
８．上記７のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子は相互に直交していることを特徴とするシステム。
【０１８１】
９．上記７のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子は相互に直交していないことを特徴とするシステム。
【０１８２】
１０．上記８のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子が同じ場所に配置されてないことを特徴とするシステム。
【０１８３】
１１．上記９のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子が同じ場所に配置されてないことを特徴とするシステム。
【０１８４】
１２．上記８のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子が同じ場所に配置されていることを特徴とするシステム。
【０１８５】
１３．上記９のシステムに於いて、前記場放射器の前記放射器素子が同じ場所に配置されていることを特徴とするシステム。
【０１８６】
１４．上記７のシステムに於いて、前記システムが更に、前記センサーの前記位置と前記方位とを表示するために前記シグナルプロセサーに動作的に接続されたデイスプレーを具備することを特徴とするシステム。
【０１８７】
１５．上記１４のシステムに於いて、前記デイスプレーは患者の解剖学的特徴に対する前記センサーの前記位置と前記方位とを表示することを特徴とするシステム。
【０１８８】
１６．上記１５のシステムに於いて、前記システムが更に、基準のフレームを確立するために基準デバイスを具備することを特徴とするシステム。
【０１８９】
１７．センサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステムに於いて、前記システムが、
複数の場放射器を具備しており、各場放射器は複数の放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生し、前記システムは又、
前記場放射器と前記医療デバイスの前記センサーとに動作的に接続されたシグナルプロセサーを具備しており、前記シグナルプロセサーは前記センサーで検出された磁場を示す前記センサーからのセンシング信号を受信しており、前記センシング信号は前記センサーでの測定された磁場を規定しており、前記シグナルプロセサーは又その中に記憶された前記システム用の望ましい精度範囲を有しており、前記シグナルプロセサーは、
（ａ）前記センサー用の初期位置見積もりを確立するための初期位置エスティメーターと、
（ｂ）前記初期位置見積もりでの該磁場を計算するための磁場カリキュレーターと、
（ｃ）該初期位置見積もりの方向に基づき前記センサーでの最小場を決定するための大域的コンバージャーと、そして
（ｄ）前記最急降下に基づいて前記センサーの新位置見積もりを計算するための新位置見積もりカリキュレーターとを備えており、前記シグナルプロセサーは、前記センサーの前記新位置見積もりが前記望ましい精度範囲内にある時、前記センサーの前記位置を決定することを特徴とするセンサーを有する医療デバイスの位置を決定するシステム。
【０１９０】
１８．上記１７のシステムに於いて、前記シグナルプロセサーが予め記憶された校正情報を備えることを特徴とするシステム。
【０１９１】
１９．上記１８のシステムに於いて、前記望ましい精度範囲が０．０００１ｃｍ以下であることを特徴とするシステム。
【０１９２】
２０．既知のロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法であるが、前記場放射器の各々は複数の同じ場所に配置された放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生しており、前記センサーが前記センサーでの測定された磁場を示すセンシング信号を作っているが、前記方法は、
（ａ）望ましい精度範囲を確立する過程と、
（ｂ）センサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する過程と、
（ｃ）該見積もられたセンサーの位置及び方位で磁場を計算する過程と、
（ｄ）該見積もられたセンサーの位置及び方位での該計算された磁場から該センサーでの測定された磁場への最急降下を計算する過程と、
（ｅ）前記最急降下から前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算する過程と、
（ｆ）該センサーの位置及び方位の見積もりを精密化するために過程（ｅ）の前記新しく計算されたセンサーの位置及び方位の見積もりに基づき過程（ｃ）−（ｅ）を繰り返す過程とを具備することを特徴とする既知ロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法。
【０１９３】
２１．上記２０の方法に於いて、前記望ましい精度範囲が０．０００１ｃｍ以下であることを特徴とする方法。
【０１９４】
２２．上記２１の方法に於いて、前記場放射器用の校正情報を確立し、記憶する過程を具備することを特徴とする方法。
【０１９５】
２３．上記２２の方法に於いて、前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するために前記校正情報が過程（ｃ）と（ｄ）で使用されることを特徴とする方法。
【０１９６】
２４．上記２３の方法に於いて、過程（ｂ）の後にダイポール近似を使用してセンサーの位置及び方位の前記初期見積もりを精密化する過程を具備することを特徴とする方法。
【０１９７】
２５．上記２４の方法に於いて、３つの異なる方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）での前記センサーの位置と少なくとも２つの方位（ピッチとヨー）での前記センサーの方位とを決定する過程を具備することを特徴とする方法。
【０１９８】
２６．上記２５の方法に於いて、前記センサーの前記位置と方位とを表示する過程を具備することを特徴とする方法。
【０１９９】
２７．上記２６の方法に於いて、患者の解剖学的特徴に対する前記センサーの前記位置と方位とを表示する過程を具備することを特徴とする方法。
【０２００】
２８．既知のロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法であるが、前記場放射器の各々は複数の同じ場所に配置された放射器素子を備えており、各放射器素子は前記放射器素子にエネルギーを同時に与えることにより相互に別個の磁場を発生しており、前記センサーが前記センサーでの測定された磁場を示すセンシング信号を作っているが、前記方法は、
（ａ）望ましい精度範囲を確立する過程と、
（ｂ）センサーの位置及び方位の初期見積もりを決定する過程と、
（ｃ）該見積もられたセンサーの位置及び方位で磁場を計算する過程と、
（ｄ）大域的収束技術を使用して該初期位置見積もりの方向に基づき前記センサーでの最小磁場を決定する過程と、
（ｅ）前記最小磁場に基づき前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算する過程と、
（ｆ）該センサーの位置及び方位の見積もりを精密化するために過程（ｅ）の前記新しく計算されたセンサーの位置及び方位の見積もりに基づき過程（ｃ）−（ｅ）を繰り返す過程とを具備することを特徴とする既知ロケーションの複数の場放射器に対するセンサーの位置及び方位を決定する方法。
【０２０１】
２９．上記２８の方法に於いて、前記望ましい精度範囲が０．０００１ｃｍ以下であることを特徴とする方法。
【０２０２】
３０．上記２９の方法が、前記場放射器用校正情報を確立し記憶する過程を具備することを特徴とする方法。
【０２０３】
３１．上記３０の方法に於いて、前記校正情報が、前記センサーの位置及び方位用の新見積もりを計算するために、過程（ｃ）と（ｄ）で使用されることを特徴とする方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置検出システムの１実施例の斜視図である。
【図２】図１の位置検出部品の略図的図解である。
【図３】本発明の好ましい実施例の位置及び方位の座標を見出すため使用される方法を示す略図的フローチャートである。
【図４】図３の方法のグラフ的図解である。
【図５】本発明の校正システムの略図的図解である。
【図６】図５の校正システムの方法を示す略図的フローチャートである。
【図７】同じ場所に配置されないが相互に直交する放射器コイルを有する本発明の放射器配置用の代替えの実施例の略図的図解である。
【図８】同じ場所に配置されず相互に直交しない放射器コイルを有する本発明の放射器配置用のもう１つの代替えの実施例の略図的図解である。
【図９】同じ場所に配置されるが相互に直交しない放射器コイルを有する本発明の放射器配置用のもう１つの代替えの実施例の略図的図解である。
【図１０】本発明のもう１つの好ましい実施例で、図７−９の放射器配置を有する位置及び方位座標を見出すため使用される方法を示す略図的フローチャートである。
【図１１】図５の校正システム用の新しい校正方法で使用される校正立方体の略図的図解である。
【図１２】図５の校正システムを使用して、非運動金属物体の影響を考慮するための新しい校正方法の１実施例を図解する略図的フローチャートである。
【図１３】図５の校正システムを使用して、非運動金属物体の影響を考慮するための新しい校正方法の第２の実施例を図解する略図的フローチャートである。
【符号の説明】
２０  システム
２１  コンソール
２２  プローブ又はカテーテル
２４  ルーメン
２５  シグナルプロセサー（コンピユータ）
２６  位置センサー
２７  デイスプレー
２８  ワイヤ
２９  キーボード
２９ａ  ワイヤ
３０  基準デバイス
３１  ワイヤ
３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６，４８  放射器素子又はコイル又は発生器コイル
５６，５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５８，５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ  放射器
６１  ロケーションパッド
６２  ワイヤ
６４  放射器ドライブ
７０  初期位置及び方位エスティメーター
７２  ダイポールアプロキシメーター
７４  磁場カリキュレーター
７６  最急降下／ヤコビ行列カリキュレーター
７７  大域的コンバージャー
７８  新位置及び方位エスティメーター
９０  校正システム
１００  テスト位置センサー
１０２，１０４，１０６  センサーコイル
１１０  ロボットアーム
１１２、１１４  ワイヤ
２００ａ  マップ化校正立方体
２００ｂ  第２の隣接立方体
２１０  第１の点又は座標位置又は立方体の頂点
２２０  第２の点又は立方体の頂点
２２０ｂ  新しい第２位置
２２０ｃ  中間点
２３０，２４０，２５０  立方体の頂点
２３０ａ  もう１つの点頂点
【図１】
0005031152.tif 000028
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005031152.tif 000034
【図８】
0005031152.tif 000035
【図９】
0005031152.tif 000036
【図１０】
0005031152.tif 000037
【図１１】
0005031152.tif 000038
【図１２】
0005031152.tif 000039
【図１３】
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