WO2011144421A1 - Electromagnetic position measurement with multi-frequency marker - Google Patents

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WO2011144421A1 PCT/EP2011/056564 EP2011056564W WO2011144421A1 WO 2011144421 A1 WO2011144421 A1 WO 2011144421A1 EP 2011056564 W EP2011056564 W EP 2011056564W WO 2011144421 A1 WO2011144421 A1 WO 2011144421A1
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Definitions

  • the probe may be an active marker which independently emits the overall measurement signal.
  • Overall measurement signal consists of at least a first and a second single measurement signal, wherein the individual measurement signals have different frequencies.
  • the induced total voltage U ges is measured, the measured total voltage U tot is in the spectral components corresponding to the frequencies of the individual measurement signals
  • 110/1, 110/2 include. Again, the coils are 110/1 and 110/2 in particular arranged close to each other or in a known distance and a known orientation to each other.
  • the resulting from this circuit frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 of the individual measurement signals are calculated according to

Abstract

The invention relates to the locating of a probe, particularly in a medical engineering application. The probe radiates a measurement signal in the form of an electromagnetic alternating field, which induces voltages in a large number of sensor coils of a receiver device, from which it is then possible to infer the position of the probe. However, in an electrically conductive interference body in the environment of the probe, the electromagnetic alternating field emitted by said probe can generate an eddy current, which in turn has the effect that, in each sensor coil, an interference voltage is additionally induced that adversely affects the position measurement. According to the invention, the probe emits a measurement signal consisting of at least two individual measurement signals with different frequencies. The voltage induced in each sensor coil can be divided into the spectral components corresponding to the frequencies. By difference formation of the spectral components, a voltage amplitude free of interference voltage can be determined.

Description

Beschreibung description
Elektromagnetische Positionsmessung mit Mehrfrequenz-Marker Die vorliegende Erfindung betrifft die elektromagnetische Po¬ sitionsmessung eines Objekts, insbesondere in einer in medi¬ zinischen Anwendungen. Electromagnetic position measurement with multi-frequency marker The present invention relates to the electromagnetic Po ¬ sitionsmessung of an object, in particular in a ¬ zinischen in medi applications.
An einem zu ortenden Objekt, bspw. einer Katheterspitze, ei- nem Kapselendoskop oder einem sogenannten "Bonemarker" , das sich im Falle einer medizinischen Anwendung im menschlichen Körper befindet, ist mindestens ein elektromagnetischer Marker angebracht, dessen Position zu vermessen ist. Ein „Bonemarker" ist bspw. ein nageiförmiges Objekt, das in einen Kno- chen eingeschlagen wird und dessen 5D-Pose (d.h. die SD- Position sowie die Orientierung ohne den Rotationswinkel um die Längsachse) oder 6D-Pose (d.h. die 3D-Postion sowie die 3D-Orientierung) elektromagnetisch vermessen werden kann. Bspw. eine Endoskopiekapsel wird mit Hilfe eines entsprechen- den Magnetspulensystems bspw. im Magen eines Patienten navigiert, wobei zur Festlegung der zur Kapselnavigation einzustellenden Spulenströme die Position der Kapsel bekannt sein muss . Unter der "Position" ist im Folgenden je nach Applikation der Ort des Objektes, bspw. in kartesischen Koordinaten (x, y, z) , und/oder die 2D- oder 3D-Orientierung des Objektes im Raum zu verstehen. Die Genauigkeitsanforderungen sind applikationsspezifisch und liegen bspw. in einer Größenordnung von +/-0, 5...10mm für den Ort und +/-0,5...10° für die Orientie¬ rung . At least one electromagnetic marker whose position is to be measured is attached to an object to be located, for example a catheter tip, a capsule endoscope or a so-called "bonemarker", which is located in the human body in the case of a medical application. A "bonemarker" is, for example, a nail-shaped object that is hammered into a bone and its 5D pose (ie the SD position and the orientation without the angle of rotation about the longitudinal axis) or 6D pose (ie the 3D position An endoscopy capsule, for example, is navigated in the stomach of a patient with the aid of a suitable magnet coil system, whereby the position of the capsule must be known in order to determine the coil currents to be set for capsule navigation. Depending on the application, the position "is to be understood below as meaning the location of the object, for example in Cartesian coordinates (x, y, z), and / or the 2D or 3D orientation of the object in space in the order of +/- 0, 5 ... 10mm for the location and +/- 0.5 ... 10 ° for the Orientie ¬ tion.
Speziell in der in der Medizintechnik sind verschiedene elektromagnetische Positions-Messverfahren bekannt. Dabei wird im Wesentlichen zwischen drei verschiedene Messprinzipien unterschieden: Especially in medical technology, various electromagnetic position measuring methods are known. Essentially, a distinction is made between three different measuring principles:
(a) Sensor-Marker: Hier befinden sich eine oder mehrere kleine Sensor-Spulen im oder am zu ortenden Objekt, z.B. in einer Katheterspitze. Dies ist bspw. im sog. "Aurora" Messsystem der Firma NDI realisiert, (a) Sensor marker: Here are one or more small sensor coils in or on the object to be located, eg in a catheter tip. This is, for example, realized in the so-called "Aurora" measuring system of NDI,
(b) Ein passiver Marker, wie bspw. von der Fa. Calypso für die Strahlentherapie angeboten oder von der Fa. Olympus für die Kapselendoskopie bekannt, reflektiert ein elekt¬ romagnetisches Signal, das von außen von einer Sende- Empfangseinrichtung eingestrahlt wird. Anhand des reflek¬ tierten Signals lassen sich Rückschlüsse auf die Position des Markers relativ zur Sende-Empfangseinrichtung ziehen. (c) Aktiver Marker: Hier enthält das zu ortende Objekt typi¬ scherweise einen aktiv bestromten Marker, der ein AC- Dipolfeld bei einer festen Trägerfrequenz von typischerweise < 300 kHz, bevorzugt unter 10kHz, abstrahlt. Mit einer Vielzahl von Sensor-Spulen, deren Position und Lage außerhalb des Patienten fest und bekannt sind, wird das(b) A passive marker, such as offered by the company. Calypso for radiotherapy or the company. Olympus for capsule endoscopy, reflects an elekt ¬ romagnetisches signal that is radiated from the outside of a transceiver. Conclusions as to the position of the marker can be drawn relative to the transceiver based on the reflectors ¬ formatted signal. (c) Active Marker: Here, the object to be located contains typi ¬ cally an actively energized marker at a fixed carrier frequency of typically <300 kHz, preferably below 10kHz, radiates an AC dipole field. With a variety of sensor coils whose position and location outside the patient are fixed and known, that will
Dipolfeld des aktiven Markers vermessen in dem Sinne, dass die bei der Trägerfrequenz in den Sensor-Spulen induzierten Spannungen gemessen werden. Die US 2004/0254453 AI beschreibt ein Positionsmesssystem des Typs (a) , bei dem mehrere Sender außerhalb des Patienten an festen und bekannten Orten platziert sind, die jeweils ein monofrequentes elektromagnetisches Wechselfeld abstrahlen. Die Frequenzen der einzelnen Sender unterscheiden sich dabei voneinander. Dadurch kann aus dem Messsignal des zu ortenden Objekts nach Fourier-Transformation jede Spektrallinie bzw. monofrequente ( Spannungs- ) Amplitude eindeutig einem Sender zugeordnet werden. Weiterhin wird beschrieben, wie der Ein- fluss elektrisch leitender Störkörper aus dem Messsignal her- ausgerechnet werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass bei mo- nofrequenter Anregung typischerweise auch Störsignale mit ei¬ nem Vielfachen der Anregefrequenz entstehen. Wenn für den Störköper die Oberwellencharakteristik bekannt ist, kann man seinen Einfluss aus dem Messsignal herausrechnen. Measure the dipole field of the active marker in the sense that the voltages induced at the carrier frequency in the sensor coils are measured. US 2004/0254453 A1 describes a position measuring system of the type (a) in which a plurality of transmitters are placed outside the patient at fixed and known locations, each radiating a monofrequency alternating electromagnetic field. The frequencies of the individual stations differ from each other. As a result, each spectral line or monofrequency (voltage) amplitude can be unambiguously assigned to a transmitter from the measurement signal of the object to be located after Fourier transformation. Furthermore, it is described how the influence of electrically conductive disturbing bodies can be calculated from the measuring signal. It is exploited that with monofrequent excitation typically also spurious signals with ei ¬ nem multiples of the exciting frequency arise. If the harmonic characteristic is known to the interfering element, its influence can be calculated out of the measuring signal.
In der US 6172499 Bl, die ebenfalls von einem Sensor-Marker des Typs (a) ausgeht, wird das Feld mehrfrequenter (bzw. min¬ destens dual-frequenter) Sender außerhalb des Patienten durch einen Empfänger im zu ortenden Objekt gemessen. Es werden Trägerfrequenzen im Bereich von 100 Hz bis 1000 Hz verwendet, und in die Störkompensationsrechnung geht die Phasenbeziehung zwischen den unterschiedlichen gemessenen Frequenzkomponenten ein. Problematisch ist jedoch, dass elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 1 kHz oder geringer eine Wellenlänge von 300 km oder mehr aufweisen, weswegen bei den in medizinischen Applikationen typischen Abständen zwischen Sender, Störkörper und Empfänger von maximal wenigen Metern die re- sultierenden Phasendifferenzen verschwindend gering sind, weshalb ein Phasen-Kompensationsverfahren im niederfrequenten Bereich schwer realisierbar ist. In the US 6172499 Bl which starts also from a sensor marker of type (a), the field mehrfrequenter (or min ¬ least dual more frequent) transmitter outside the patient is measured a receiver in the object to be located. Carrier frequencies in the range of 100 Hz to 1000 Hz are used, and in the disturbance compensation calculation, the phase relationship between the different measured frequency components is included. However, it is problematic that electromagnetic waves with a frequency of 1 kHz or less have a wavelength of 300 km or more, which is why the resulting phase differences are negligibly small at the typical intervals between transmitter, interfering body and receiver in medical applications why a phase compensation method in the low-frequency range is difficult to achieve.
Problematisch bei allen elektromagnetischen Positionsmessver- fahren ist das Vorhandensein elektrisch leitender Gegenstände oder Materialien, insbesondere in der Nähe des Senders. Denn das Sendefeld induziert in elektrisch leitenden Materien Wirbelströme, die ihrerseits ein elektromagnetisches Feld ab¬ strahlen, das zusammen mit dem Original-Sendefeld gemessen wird. Dies führt zu einer mehr oder weniger fehlerhaften Positionsbestimmung. Das Vorhandensein elektrisch leitender Gegenstände oder Materialien in der Nähe des Senders ist aber nicht die Ausnahme, sondern eher die Regel in medizinischen Applikationen. Elektrisch leitend sind z.B. C-Bögen zur The problem with all electromagnetic position measuring methods is the presence of electrically conductive objects or materials, in particular in the vicinity of the transmitter. Because the source field induces eddy currents in electrically conductive matters, which in turn radiate an electromagnetic field from ¬ which is measured along with the original transmission field. This leads to a more or less erroneous position determination. However, the presence of electrically conductive objects or materials near the transmitter is not the exception, but rather the rule in medical applications. Electrically conductive are, for example, C-arches for
Durchleuchtung (insbesondere für Positions-Fluoroscopy (especially for position
Referenzmessungen) , chirurgische Instrumente, Implantate, etc . Reference measurements), surgical instruments, implants, etc.
Die einfachste Form, den Einfluss elektrisch leitender Ge- genstände oder Materialien zu reduzieren, ist die Absenkung der Trägerfrequenz, denn die Störspannungen durch elektrisch leitender Gegenstände oder Materialien steigen überproportional mit der Trägerfrequenz ω an: Bei Vernachlässigung des Skin-Effektes steigen die Störspannungen mit co2, bei Berück- sichtigung des Skin-Effektes mit co3/2. Diese Maßnahme hat z.B. die Fa. NDI ergriffen, deren 1. Produktgeneration des Aurora-Systems mit einer Trägerfrequenz von 12 kHz arbeitete, während die 2. Produktgeneration eine Trägerfrequenz von 800 Hz verwendete. Wie oben erwähnt ist bei derart niedrigen Frequenzen ein Phasenkompensationsverfahren schwer realisierbar . Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zum Betreiben eines ein Signal aussendenden, zu ortenden Objektes anzugeben. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfin¬ dung, eine Möglichkeit zur elektromagnetischen Positionsmes¬ sung eines Objektes anzugeben, bei der der Einfluss elekt- risch leitender Gegenstände oder Materialien auf die Positionsmessung reduziert ist. The simplest way of reducing the influence of electrically conductive objects or materials is to lower the carrier frequency, since the interference voltages due to electrically conductive objects or materials increase disproportionately with the carrier frequency ω: neglecting the skin effect, the interference voltages increase with co 2, taking into the skin effect with sichtigung CO 3/2. This measure has been taken for example by the company NDI whose first product generation of the Aurora system with a carrier frequency of 12 kHz worked, while the 2nd generation of products a carrier frequency of 800 Hz used. As mentioned above, at such low frequencies, a phase compensation method is difficult to realize. It is an object of the present invention to provide a way to operate a signal emitting object to be located. It is a further object of the dung OF INVENTION ¬ provide an opportunity for electromagnetic Positionsmes ¬ solution of an object, wherein the influence of electri- cally conductive objects or materials is reduced to the position measurement.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ausgenutzt, dass die Störung durch Wirbelstromeinflüsse überproportional mit der Frequenz ansteigt und man dies zur Störunterdrückung bzw. - elimination nutzen kann, wenn der Marker mit mehr als einer Frequenz sendet. Wenn das Produkt aus Markerstrom-Amplitude und Frequenz für alle verwendeten Frequenzen gleich eingestellt ist, kann man durch Differenzbildung der Spektralspan- nungen den Störspannungsanteil herausrechnen. In the solution according to the invention, use is made of the fact that the disturbance due to eddy-current influences increases disproportionately with the frequency and that this can be used for interference suppression or elimination if the marker transmits with more than one frequency. If the product of marker current amplitude and frequency is set the same for all frequencies used, the interference voltage component can be calculated by subtracting the spectral voltages.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer zu ortenden Sonde sendet die Sonde zur Ortung ein Gesamt- Messsignal aus, das von einer Empfangseinrichtung erfassbar ist. Das Gesamtmesssignal besteht aus zumindest einem ersten und einem zweiten Einzel-Messsignal, wobei die Einzel- Messsignale unterschiedliche Frequenzen ω1 , ω2 aufweisen. In the method according to the invention for operating a probe to be located, the probe emits a total measurement signal for location, which can be detected by a receiving device. The total measurement signal consists of at least a first and a second single measurement signal, the individual measurement signals having different frequencies ω 1 , ω 2 .
Vorteilhafterweise sendet die Sonde die Einzel-Messsignale gleichzeitig aus. Advantageously, the probe transmits the individual measurement signals simultaneously.
Die Einzel-Messsignale werden in der Sonde erzeugt, indem in der Sonde eine der Anzahl der Einzel-Messsignale The individual measurement signals are generated in the probe by using one of the number of individual measurement signals in the probe
entsprechende Anzahl von Strömen I1 , I2 , insbesondere corresponding number of currents I 1 , I 2 , in particular
Wechselströmen, generiert wird, wobei die Ströme die Alternating currents, is generated, wherein the currents
unterschiedlichen Frequenzen ω1 , ω2 aufweisen. Dabei sind die Amplituden A1 , A2 der Ströme I1 , I2 und die den Strömen zugeordneten Frequenzen ω1 , ω2 derart gewählt, dass das Produkt aus Strom und zugehöriger Frequenz für alle verwendeten Frequenzen gleich ist. different frequencies ω 1 , ω 2 have. The amplitudes A 1 , A 2 of the currents I 1 , I 2 and the currents associated frequencies ω 1 , ω 2 are chosen such that the product of the current and the associated frequency is the same for all frequencies used.
Das Gesamt-Messsignal und Einzel-Messsignale sind dabei elektromagnetische Felder. The total measurement signal and individual measurement signals are electromagnetic fields.
Die Sonde kann in einer ersten Ausführungsform ein aktiver Marker sein, der das Gesamt-Messsignal selbständig aussendet. In a first embodiment, the probe may be an active marker which independently emits the overall measurement signal.
Alternativ kann die Sonde als passiver Marker ausgebildet sein, wobei das vom Marker ausgesendete Gesamt-Messsignal aus einem von einer Sendeeinrichtung eingestrahlten Alternatively, the probe may be formed as a passive marker, wherein the total measurement signal emitted by the marker from a radiated from a transmitting device
elektromagnetischen Signal generiert wird. electromagnetic signal is generated.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Reduzieren eines von einem Störkörper bewirkten Störspannungsanteils in einer in einer Sensorspule aufgrund eines von einer Sonde In a method according to the invention for reducing a disturbance voltage component caused by a disturbing body in a sensor coil in one of a probe
ausgesendeten Gesamt-Messsignals induzierten Gesamt-Spannung wird davon ausgegangen, dass die Sonde gemäß dem oben emitted total measured signal induced total voltage, it is assumed that the probe according to the above
beschriebenen Verfahren derart betrieben wird, dass das described method is operated such that the
Gesamt-Messsignal aus zumindest einem ersten und einem zweiten Einzel-Messsignal besteht, wobei die Einzel- Messsignale unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Bei dem Verfahren wird die induzierte Gesamt-Spannung Uges gemessen, die gemessene Gesamt-Spannung Uges wird in die den Frequenzen der Einzel-Messsignale entsprechenden spektralen Anteile Overall measurement signal consists of at least a first and a second single measurement signal, wherein the individual measurement signals have different frequencies. In the method, the induced total voltage U ges is measured, the measured total voltage U tot is in the spectral components corresponding to the frequencies of the individual measurement signals
Uges^i) ' U (ω2) zerlegt und der Störspannungsanteil U wird durch Differenzbildung der spektralen Anteile herausgerechnet . U ges ^ i ) 'U (ω 2 ) decomposed and the interference voltage component U is excluded by subtraction of the spectral components.
Dabei wird für zumindest eine der Frequenzen ω1 , ω2 der In this case, for at least one of the frequencies ω 1 , ω 2 of
Einzel-Messsignale die störspannungsfreie Spannungsamplitude UM berechnet gemäß
Figure imgf000007_0001
wobei gilt k = 2, ... , F und wobei F die Anzahl der unterschiedlichen Frequenzen angibt.
Single measurement signals the interference voltage free voltage amplitude U M calculated according to
Figure imgf000007_0001
where k = 2, ..., F and where F is the number of different frequencies.
Eine erfindungsgemäße Sonde zeichnet sich dadurch aus, dass sie gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist. A probe according to the invention is characterized in that it can be operated according to the method described above.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Position einer Sonde, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist, weist eine Empfangseinrichtung mit zumindest einer Sensorspule und einer Signalverarbeitungseinrichtung auf, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, um wie oben beschrieben eine störspannungsfreie Span¬ nungsamplitude zu bestimmen. Zusammengefasst betrifft die Erfindung also die Ortung einer Sonde, insbesondere in einer medizintechnischen Anwendung, wobei die Sonde ein Messsignal in Form eines elektromagneti¬ schen Wechselfeldes abstrahlt, das in einer Vielzahl von Sensorspulen einer Empfangseinrichtung Spannungen induziert, aus denen letztlich auf die Position der Sonde geschlossen werden kann. Das von der Sonde ausgesendete elektromagnetische Wech¬ selfeld kann jedoch in einem elektrisch leitfähigen Störkörper in der Umgebung der Sonde einen Wirbelstrom erzeugen, der seinerseits bewirkt, dass in jeder Sensorspule zusätzlich ei- ne Störspannung induziert wird, die die Positionsmessung beeinträchtigt. Erfindungsgemäß sendet die Sonde ein Messsignal bestehend aus zumindest zwei Einzel-Messsignalen mit unter¬ schiedlichen Frequenzen aus. Die in jeder Sensorspule induzierte Spannung lässt sich in die den Frequenzen entsprechen- den spektralen Anteile aufteilen. Durch Differenzbildung der spektralen Anteile kann eine störspannungsfreie Spannungsamp¬ litude bestimmt werden. An arrangement according to the invention for determining the position of a probe, which is operable in accordance with the method described above, has a receiving device with at least one sensor coil and a signal processing means, said signal processing means is formed to a determine störspannungsfreie clamping ¬ voltage amplitude as described above. In summary, the invention thus relates to the location of a probe, in particular in a medical application, wherein the probe emits a measurement signal in the form of an electromagnetic alternating field ¬ which induces voltages in a plurality of sensor coils of a receiving device, from which ultimately closed to the position of the probe can be. However, the light emitted from the probe electromagnetic Wech ¬ selfeld can generate an eddy current in an electrically conductive interfering body in the vicinity of the probe, which in turn causes that in each sensor coil in addition egg ne disturbing voltage is induced that affects the position measurement. According to the invention, the probe sends a measuring signal consisting of at least two individual measurement signals with different union under ¬ frequencies. The voltage induced in each sensor coil can be divided into the spectral components corresponding to the frequencies. By subtraction of the spectral components of a störspannungsfreie Spannungsamp ¬ litude can be determined.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiment described below and with reference to the drawings.
Dabei zeigt: Figur 1 eine Messanordnung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 2 einen aktiven Marker, Showing: 1 shows a measuring arrangement for implementing the method according to the invention, FIG. 2 shows an active marker,
Figur 3 einen passiven Marker. FIG. 3 shows a passive marker.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. In the figures, identical or corresponding areas, components, component groups or method steps are identified by the same reference numerals.
Die Figur 1 zeigt eine Messanordnung zur Positionsmessung, die nach dem einleitend erwähnten Messprinzip (c) arbeitet, d.h. mit aktivem Marker. In der Figur 1 sind dargestellt der zu ortende aktive Marker 100, der ein elektromagnetisches Feld EM aussendet, ein Störkörper 200 in Form einer elektrisch leitenden Platte 200 und eine Sensorspule 310, die hier als Repräsentant für ein ganzes Array von Sensorspulen steht. Der aktive Marker 100 weist eine Spule 110 auf, die mit einer mehrfrequenten Wechselspannungsquelle 120 verbunden ist und von dieser bestromt wird. Die Sensorspule 310 bzw. das nicht im Detail dargestellte Array von Sensorspulen ist Teil einer Empfangseinrichtung 300, die darüber hinaus eine Signalverarbeitungseinrichtung 320 aufweist. Ein mit der Sensorspule empfangenes Signal wird der Signalverarbeitungsein¬ richtung 320 zugeführt und dort wie unten beschrieben weiter verarbeitet . Wenn sich der aktive Marker 100 in einem Sendezustand befindet, fließt in der Marker-Spule 110 ein Strom IM = II + I2 mit Ij = Aj sin ((Ojt) und I2 = A2 sin (co2t) . Der Marker 100 arbeitet erfindungsgemäß mit zwei unterschiedlichen (Kreis-) Frequenzen ω1 und ω2 , wobei diese bevorzugt nicht Vielfache von einan- der sind. Wenn gilt ωι < ω2 , so gelte ferner bevorzugt ω2<2ωι. Eine mögliche Wahl für die zu verwendenden Kreisfre¬ quenzen wäre bspw. ωι = 2π · 7 kHz und ω2 = 2π · 10 kHz . Die Amplituden Ai und A2 sind vorzeichenbehaftet, d.h. sie dürfen grundsätzlich beliebige reell-wertige Zahlen sein. Eine Einschränkung für die Wahl der Amplituden wird unten aufgeführt . FIG. 1 shows a measuring arrangement for position measurement which operates according to the measurement principle (c) mentioned in the introduction, ie with an active marker. FIG. 1 shows the active marker 100 to be located, which emits an electromagnetic field EM, a disruptive body 200 in the form of an electrically conductive plate 200 and a sensor coil 310, which here represents a whole array of sensor coils. The active marker 100 has a coil 110, which is connected to a multi-frequency AC voltage source 120 and is energized by it. The sensor coil 310 or the array of sensor coils (not shown in detail) is part of a receiving device 300, which also has a signal processing device 320. A signal received by the sense coil signal is supplied and the Signalverarbeitungsein ¬ device 320 further processed as described below. When the active marker 100 is in a transmit state, a current I M = I I + I 2 flows in the marker coil 110 with I j = A j sin ((O j t) and I 2 = A 2 sin (co 2 t). the marker 100 operates according to the invention with two different (circular) frequencies ω 1 and ω 2, which is not preferred multiples of einan- the are. When applies ω ι <ω 2, so further preferred ω applies 2 <2ω ι. One possible choice for the to be used Kreisfre ¬ quences would eg. ω ι = 2π · 7 kHz and ω 2 = 2π × 10 kHz. The amplitudes Ai and A 2 are signed, ie they may in principle be arbitrary real-valued numbers. A limitation on the choice of amplitudes is given below.
Der Strom IM induziert in der Sensorspule 310 bzw. in jeder Sensorspule des Arrays direkt eine Spannung UM. Dabei gilt wobei G ein Geomet¬
Figure imgf000010_0002
The current I M directly induces a voltage U M in the sensor coil 310 or in each sensor coil of the array. The following applies where G is a ¬ Geomet
Figure imgf000010_0002
rie-Faktor ist, der von Bauform und Windungszahl der Marker- spule 110, von Bauform und Windungszahl der Sensorspule 310 und von der geometrischen Lage der Markerspule 110 und der Sensorspule 310 relativ zueinander abhängt.  Rie factor which depends on the design and number of turns of marker coil 110, the design and number of turns of the sensor coil 310 and the geometric position of the marker coil 110 and the sensor coil 310 relative to each other.
Weiterhin erzeugt das elektromagnetische Feld EM, das durch die mit dem Strom IM bestromte Markerspule 110 generiert wird, im elektrisch leitenden Störkörper 200 einen Wirbelstrom ϊ , der seinerseits eine Störspannung U in der Sensorspule 310 induziert. Insgesamt wird also aufgrund des vom Marker 100 ausgesendeten Messsignals in der Sensorspule 310 eine Spannung Uges = UM + U induziert. Dabei hat die Störspan¬ nung U den Effekt, dass im Rahmen der Positionsbestimmung bei einer Auswertung der in der Sensorspule 310 induzierten Spannung ein Fehler auftritt, der vom Wert der Störspannung abhängt . Furthermore, the electromagnetic field EM, which is generated by the marker coil 110 energized by the current I M, generates an eddy current ϊ in the electrically conductive interfering body 200, which in turn induces an interference voltage U in the sensor coil 310. Overall, therefore, a voltage U ges = U M + U is induced in the sensor coil 310 due to the measurement signal emitted by the marker 100. The Störspan ¬ voltage U has the effect that an error occurs in the context of position determination in an evaluation of the induced voltage in the sensor coil 310, which depends on the value of the interference voltage.
Für die Störspannung U gilt (ohne Skin-Effekt im Störkörper 200) wobei auch hier
Figure imgf000010_0001
For the interference voltage U applies (without skin effect in the interfering body 200) where also here
Figure imgf000010_0001
G ein Geometrie-Faktor ist, der von Bauform und Windungszahl der Markerspule 110, von Bauform und Windungszahl der Sensor- spule 310, von Bauform und Materialeigenschaften des Störkörpers 200 und von der relativen geometrischen Lage zwischen Marker und Störkörper 200 einerseits sowie Störkörper 200 und Sensorspule 310 andererseits abhängt. Ein reales System weist wie bereits angedeutet nicht nur eine einzelne Sensorspule auf, sondern eine Vielzahl derartiger Spulen. Zur Auswahl der Anzahl N von Sensorspulen 310 (in Fig. 1 gilt N=l) ist zu berücksichtigen, dass N mindestens so groß sein muss wie die Zahl der zu vermessenden Freiheitsgra¬ de des Markers 100. In einer typischen Anwendung eines Bone- markers, einer Katheterspitze oder einer Endoskopiekapsel ist eine 5D-Position des Markers 100 zu bestimmen, d.h. drei kar- tesische Koordinaten und zwei Winkelkoordinaten. Zur Vermessung der 5D-Position eines solchen Markers muss also N > 5 gewählt werden. Typischerweise wird N jedoch deutlich größer gewählt, bspw. N=24 oder N=32. G is a geometry factor that depends on the design and number of turns of the marker coil 110, the design and number of turns of the sensor coil 310, the design and material properties of the bluff body 200 and the relative geometric position between marker and bluff body 200 on the one hand and bluff body 200 and sensor coil 310 on the other hand depends. As already indicated, a real system has not only a single sensor coil, but a multiplicity of such coils. To select the number N of sensor coils 310 (in Fig. 1, n = l) is that N must be at least as large as the number to be measured of the Freiheitsgra ¬ de markers of the marker 100. In a typical application of a Bone-, a catheter tip or an endoscopy capsule to be considered is a 5D Position of marker 100, ie three Cartesian coordinates and two angle coordinates. To measure the 5D position of such a marker N> 5 must be selected. Typically, however, N is chosen to be significantly larger, for example N = 24 or N = 32.
Die in der Sensorspule i mit i = 1, 2, ... , N messbare Gesamt¬ spannung ist gegeben durch . Für die Spannungs¬
Figure imgf000011_0001
The N total measurable ¬ voltage in the sensor coil i with i = 1, 2, ..., is given by. For the voltage ¬
Figure imgf000011_0001
amplituden der beiden Spektrallinien bei den beiden Frequenzen (Oj mit j = 1, 2 gilt entsprechend .amplitudes of the two spectral lines at the two frequencies (O j with j = 1, 2 applies accordingly.
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0002
Die Amplituden A1 , A2 und die Frequenzen ω1 , ω2 sind so aufeinander abgestimmt, dass gilt: A1 ω1 = A2 · ω2 := c , wobei c lediglich eine Hilfsgröße zur Erläuterung des Verfahrens dar¬ stellt, die für die praktische Umsetzung nicht benötigt wird. Unter dieser Voraussetzung gilt ferner The amplitudes A 1, A 2 and the frequencies ω 1, ω 2 are coordinated such that: A 1 ω 1 = A 2 · ω 2: = c, where c represents only an auxiliary variable for explaining the method represents ¬ that is not needed for the practical implementation. This condition also applies
. Demnach lässt sich aus der
Figure imgf000011_0003
, Accordingly, can be from the
Figure imgf000011_0003
Differenzbildung der beiden gemessenen Spektralspannungen für jede Sensorspule i der Geometriefaktor der Störspannung U(l) bestimmen :
Figure imgf000011_0004
Determining the difference between the two measured spectral voltages for each sensor coil i The geometry factor of the interference voltage U (l) :
Figure imgf000011_0004
Die störspannungsfreien Spannungsamplituden ergeben sich damit für die beiden Frequenzen ω1 und co2 zu The interference voltage-free voltage amplitudes thus result for the two frequencies ω 1 and co 2
Figure imgf000011_0005
Figure imgf000011_0005
Eine dieser beiden Beziehungen oder eine Ausgleichsrechnung zwischen beiden Beziehungen kann verwendet werden, um aus den bei den beiden Frequenzen gemessenen GesamtspannungenOne of these two relationships or a balancing bill between both relationships can be used to get out of the total voltages measured at the two frequencies
Figure imgf000012_0001
und störspannungsfreie Messspannungen zu generieren
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0001
and to generate interference-free measuring voltages
Figure imgf000012_0002
und aus diesen dann in bekannter Weise die richtige Markerpo¬ sition und -Orientierung zu berechnen. Dies geschieht bspw. in der Signalverarbeitungseinrichtung 320 der Empfangseinrichtung 300. and then calculate from these in a known manner the right Markerpo ¬ sition and orientation. This occurs, for example, in the signal processing device 320 of the receiving device 300.
Die Erfindung ist sowohl mit einem aktiven als auch mit einem passiven Marker realisierbar. Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei mögliche alternative Realisierungsformen des Markers 100, wo¬ bei in der Figur 2 wie in der Figur 1 ein aktiver Marker 100 dargestellt ist, während es sich beim Marker 100 der Figur 3 um einen passiven Marker handelt, der ein von einer Sendeeinrichtung 400 eingestrahltes elektromagnetisches Signal SpaSs reflektiert. The invention can be realized with both an active and a passive marker. Figures 2 and 3 show two possible alternative forms of realization of the marker 100, where ¬ at in Figure 2 as in Figure 1, an active marker 100 is shown, while the figure 3 is at the marker 100 to a passive marker having a from a transmitting device 400 irradiated electromagnetic signal S paS s reflected.
Der aktive Marker der Figur 2 weist im Unterschied zum akti¬ ven Marker der Figur 1 zwei getrennte Schaltkreise zur Erzeu¬ gung zweier Signale mit den unterschiedlichen Frequenzen auf. Die Schaltkreise sind identisch aufgebaut und weisen jeweils eine monofrequente Wechselspannungsquelle 120/1, 120/2 sowie eine Spule 110/1, 110/2 auf, wobei die jeweilige Spule von der entsprechenden Wechselspannungsquelle bestromt wird. Die Spulen 110/1 und 110/2 sind insbesondere nah beieinander bzw. in einem bekannten Abstand und einer bekannten Ausrichtung zueinander angeordnet. Wenn sich der aktive Marker 100 der Figur 2 in einem Sendezustand befindet, fließt in der Marker- Spule 110/1 ein Strom Ii und in der Marker-Spule 110/2 ein Strom ±2 und es werden wie im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben zwei Einzel-Messsignale mit Frequenzen ω1 und co2 erzeugt . The active marker of figure 2, in contrast to the acti ¬ ven marker of Figure 1 on two separate circuits for the generation ¬ supply two signals with different frequencies. The circuits are identically constructed and each have a monofrequent AC voltage source 120/1, 120/2 and a coil 110/1, 110/2, wherein the respective coil is energized by the corresponding AC voltage source. The coils 110/1 and 110/2 are in particular arranged close to one another or in a known distance and a known orientation to each other. When the active marker 100 of FIG. 2 is in a transmitting state, a current Ii flows in the marker coil 110/1 and a current ± 2 flows in the marker coil 110/2, and they are described as in connection with FIG generates two individual measuring signals with frequencies ω 1 and co 2 .
Der aktive Marker 100 in der Ausführungsform der Figur 2 arbeitet analog zum aktiven Marker der Figur 1, d.h. die Marker unterscheiden sich lediglich in der Art und Weise der Erzeugung der Einzel-Messsignale, während die oben eingeführten Bedingungen hinsichtlich der Frequenzen ω1 und ω2 und der Amplituden A1 , A2 der Ströme I1 , I2 beibehalten werden. The active marker 100 in the embodiment of FIG. 2 operates analogously to the active marker of FIG. 1, ie the markers differ only in the way in which the individual measurement signals are generated, while those introduced above Conditions with respect to the frequencies ω 1 and ω 2 and the amplitudes A 1 , A 2 of the currents I 1 , I 2 are maintained.
Gleiches gilt für den Marker der Figur 3. Dieser unterschei- det sich von den aktiven Markern 100 der Figuren 1 und 2 dadurch, dass die Einzel-Messsignale nicht aktiv erzeugt, son¬ dern passiv aus einem von der Sendeeinrichtung 400 eingestrahlten elektromagnetischen Signal Spass generiert werden. Hierzu weist der passive Marker 100p zwei Schaltkreise auf, die jeweils einen Kondensator 130/1, 130/2 und eine SpuleThe same applies for the marker of Figure 3. This differs from the active markers 100 of Figures 1 and 2, characterized in that the individual measuring signals generated not active, son ¬ countries passively from an irradiated by the transmitting device 400 electromagnetic signal S pass to be generated. For this purpose, the passive marker 100p has two circuits, each having a capacitor 130/1, 130/2 and a coil
110/1, 110/2 beinhalten. Auch hier sind die Spulen 110/1 und 110/2 insbesondere nah beieinander bzw. in einem bekannten Abstand und einer bekannten Ausrichtung zueinander angeordnet. Die sich aus dieser Schaltung ergebenden Frequenzen ω1 und ω2 der Einzel-Messsignale berechnen sich gemäß110/1, 110/2 include. Again, the coils are 110/1 and 110/2 in particular arranged close to each other or in a known distance and a known orientation to each other. The resulting from this circuit frequencies ω 1 and ω 2 of the individual measurement signals are calculated according to
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Das beschriebene Verfahren lässt sich natürlich sowohl für den aktiven als auch für den passiven Marker dahingehend er- weitern, dass mehr als zwei Marker-Frequenzen verwendet werden. Dabei werden die Spannungen bei den zusätzlichen Frequenzen in derselben Weise wie oben beschrieben verwendet, und die Ergebnisse werden in Ausgleichsrechnungen miteinander kombiniert. Dies führt einerseits zu einer verbesserten Ge- nauigkeit. Andererseits ist ein erhöhter Rechenaufwand, eine höhere Komplexität der Marker-Hardware und eine aufwändigere analoge Vorfilterung der Sensorspulen-Signale in Kauf zu neh¬ men . In der vorliegenden Erfindung werden Frequenzen in einem Bereich von 1...100 kHz, bevorzugt um 10 kHz, verwendet. Die Phasenlage spielt - mit Ausnahme des Vorzeichens - keine Rol¬ le, d.h. es werden nur (vorzeichenbehaftete) Amplitudenwerte betrachtet . Of course, the described method can be extended for both the active and the passive marker to the effect that more than two marker frequencies are used. The voltages at the additional frequencies are used in the same way as described above, and the results are combined in compensatory calculations. On the one hand, this leads to improved accuracy. On the other hand, an increased computational effort, a higher complexity of the marker hardware and more complex analog pre-filtering of the sensor coil signals in purchase to neh ¬ men. In the present invention, frequencies in a range of 1 ... 100 kHz, preferably around 10 kHz are used. The phasing plays - with the exception of the sign - no Rol ¬ le, that is, only (signed) considered amplitude values.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer zu ortenden Sonde (100), wobei die Sonde (100) zur Ortung ein Gesamt-Messsignal aussendet, das von einer Empfangseinrichtung (200) erfassbar ist, 1. A method for operating a probe to be located (100), wherein the probe (100) for locating a total measurement signal emits, which is detectable by a receiving device (200),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Gesamtmesssignal aus zumindest einem ersten und einem zweiten Einzel-Messsignal besteht, wobei die Einzel- Messsignale unterschiedliche Frequenzen ( ω1 , ω2 ) aufweisen. the total measuring signal consists of at least one first and one second individual measuring signal, the individual measuring signals having different frequencies (ω 1 , ω 2 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (100) die Einzel-Messsignale gleichzeitig 2. The method according to claim 1, characterized in that the probe (100) the individual measuring signals simultaneously
aussendet . sends out.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Messsignale in der Sonde (100) erzeugt werden, indem in der Sonde (100) eine der Anzahl der Einzel-Messsignale entsprechende Anzahl von 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual measurement signals in the probe (100) are generated by a number of the individual measurement signals in the probe (100) corresponding number of
Strömen ( I1 , I2 ) , insbesondere Wechselströmen, generiert wird, wobei die Ströme die unterschiedlichen Frequenzen ( ω1 , ω2 ) aufweisen . Currents (I 1 , I 2 ), in particular alternating currents, is generated, the currents having the different frequencies (ω 1 , ω 2 ).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden ( A1 , A2 ) der Ströme ( I1 , I2 ) und die den Strömen ( I1 , I2 ) zugeordneten Frequenzen ( ω1 , ω2 ) derart gewählt sind, dass das Produkt aus Strom ( I1 , I2 ) und zugehöriger Frequenz ( ω1 , ω2 ) für alle verwendeten Frequenzen (ω12) gleich ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that the amplitudes (A 1 , A 2 ) of the currents (I 1 , I 2 ) and the currents (I 1 , I 2 ) associated frequencies (ω 1 , ω 2 ) in such a way are chosen such that the product of current (I 1 , I 2 ) and associated frequency (ω 1 , ω 2 ) for all frequencies used (ω 1 , ω 2 ) is the same.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamt-Messsignal und Einzel- Messsignale elektromagnetische Felder sind. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the total measurement signal and individual measurement signals are electromagnetic fields.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde ein aktiver Marker ist, der das Gesamt-Messsignal selbständig aussendet. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the probe is an active marker, which automatically emits the total measurement signal.
7. Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (100) ein passiver Marker (100p) ist, wobei das vom Marker (100p) ausgesendete Gesamt- Messsignal aus einem von einer Sendeeinrichtung (400) eingestrahlten elektromagnetischen Signal (Spass) generiert wird . 7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the probe (100) is a passive marker (100p), wherein the from the marker (100p) emitted total measurement signal from one of a transmitting device (400) irradiated electromagnetic signal (S pass ) is generated.
8. Verfahren zum Reduzieren eines von einem Störkörper (200) bewirkten Störspannungsanteils (U) in einer in einer 8. A method for reducing a disturbing body (200) caused interference voltage component (U) in one in a
Sensorspule (310) aufgrund eines von einer Sonde (100) ausgesendeten Gesamt-Messsignals induzierten Gesamt-Spannung ( Uges = UM + U), wobei die Sonde (100) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 derart betrieben wird, dass das Gesamt-Messsignal aus zumindest einem ersten und einem zweiten Einzel-Messsignal besteht, wobei die Einzel- Messsignale unterschiedliche Frequenzen ( ω1 , ω2 ) aufweisen, bei dem Sensor coil (310) due to a total voltage signal (U ges = U M + U) induced by a probe (100), the probe (100) being operated in such a way according to a method according to one of Claims 1 to 7, in that the total measuring signal consists of at least one first and one second individual measuring signal, the individual measuring signals having different frequencies (ω 1 , ω 2 ), in which
- die induzierte Gesamt-Spannung ( Uges ) gemessen wird, the induced total voltage (U tot ) is measured,
- die gemessene Gesamt-Spannung ( Uges ) in die den Frequenzen der Einzel-Messsignale entsprechenden spektralen Anteile- The measured total voltage (U ges ) in the spectral components corresponding to the frequencies of the individual measurement signals
( uges(ωι) ' uges(ω 2) ) zerlegt wird und ( u ges ( ω ι) ' u ges ( ω 2 )) is decomposed and
- der Störspannungsanteil (U) durch Differenzbildung der spektralen Anteile herausgerechnet wird.  - The interference voltage component (U) is subtracted by subtraction of the spectral components.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine ( ω1 ) der Frequenzen ( ω1 , ω2 ) der Einzel- Messsignale die störspannungsfreie Spannungsamplitude ( UM ) berechnet wird gemäß
Figure imgf000015_0001
9. The method according to claim 8, characterized in that for at least one (ω 1 ) of the frequencies (ω 1 , ω 2 ) of the individual measurement signals, the interference voltage free voltage amplitude (U M ) is calculated according to
Figure imgf000015_0001
wobei gilt k = 2, ... , F und wobei F die Anzahl der unterschiedlichen Frequenzen angibt. where k = 2, ..., F and where F is the number of different frequencies.
10. Sonde (100), die gemäß einem Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betreibbar ist. 10. probe (100) operable according to an operating method according to one of claims 1 to 7.
11. Anordnung zur Bestimmung der Position einer Sonde (100), die gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betrieben wird, aufweisend eine Empfangseinrichtung (300) mit zumindest einer Sensorspule (310) und einer Signalverarbei¬ tungseinrichtung (320), wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (320) ausgebildet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 auszuführen. 11. Arrangement for determining the position of a probe (100), which according to a method according to one of claims 1 to 7 is operated, comprising a receiving device (300) with at least one sensor coil (310) and a Signalverarbei ¬ processing device (320), wherein the signal processing means (320) is designed to carry out a method according to one of claims 8 or 9.
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