Verfahren und System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, bei dem mittels wenigstens eines Feldsensors am/im Objekt das durch wenigstens einen Emitter erzeugte elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten die Objektposition und/oder Objektorientierung im erzeugten und elektromagnetischen Feld ermittelt wird. Emitter dieser Art werden auch als Transmitter bezeichnet.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, umfassend ein Objekt mit wenigstens einem Feldsensor, wenigstens einen Emitter zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes und eine Messvorrichtung, mit welcher die Position und/oder Orientierung des Objektes durch Messung des elektromagnetischen Feldes mittels des wenigstens einen Feldsensors bestimmbar ist.

Im Stand der Technik ist es bekannt, dass die Position eines im Wesentlichen beliebigen Objektes im Raum beispielsweise mittels eines erzeugten elektromagnetischen Feldes überwacht werden kann. Das Prinzip dieser Art der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines Objektes ist unter der Bezeichnung des sogenannten elektromagnetischen Tracking im Stand der Technik bekannt.

Wesentlich für ein solches Verfahren bzw. ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist es, dass mittels wenigstens einen Emitters ein

BESTATIGUNGSKOPIE

elektromagnetisches Feld, insbesondere ein räumlich ausgedehntes elektromagnetisches Feld, erzeugt wird, dessen Feldstärke und/oder Feldrichtung in Abhängigkeit von den Raumkoordinaten bekannt ist, so dass die Möglichkeit besteht, mittels eines Feldsensors die lokale Feldstärke und/oder Feldrichtung am Ort des Feldsensors zu bestimmen und somit aus dem Messwert bzw. den ermittelten Messwerten auf die Position des Feldsensors innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Feldes zurückzuschließen. Dabei kann z.B. mittels eines Feldsensors zeitlich nacheinander das Feld mehrerer Emitterspulen gemessen und daraus die Position im Raum bestimmt werden.

Wird demnach wenigstens ein Feldsensor an einem Objekt oder auch in einem Objekt angeordnet, so kann hiermit die Position des Objektes innerhalb des elektromagnetischen, durch den wenigstens einen Emitter erzeugten Feldes bestimmt werden. Durch zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmung der Position kann demnach ein Tracking durchgeführt werden, mit dem nicht nur die aktuelle Position oder Orientierung des Objektes, sondern auch der zeitliche Verlauf einer Bewegung bestimmt werden kann.

Im Stand der Technik ist es bei Systemen zur Durchführung eines solchen Verfahrens demnach vorgesehen, dass wenigstens ein Emitter, gegebenenfalls auch mehrere Emitter zur Erzeugung verschiedener sich überlagernder Felder vorgesehen ist, ebenso wie ein Objekt mit wenigstens einem Feldsensor und einer Messvorrichtung zur Erfassung der Messwerte des zumindest im Betrag und/oder in der Richtung gemessenen elektromagnetischen Feldes, wobei bevorzugterweise die Messvorrichtung eingerichtet ist, neben der Erfassung der Messwerte auch eine entsprechende Auswertung und aus der Auswertung eine Positionsbestimmung durchzuführen.

Hierbei kann das Messprinzip sowohl mit statischen elektromagnetischen Feldern durchgeführt werden als auch mit zeitlich variierenden elektromagnetischen Feldern. Je nach Art des ausgewählten elektromagnetischen Feldes können dabei

unterschiedliche Sensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden bevorzugt bei zeitlich variablen elektromagnetischen Feldern als Feldsensoren Spulen zum Einsatz kommen, in denen anhand der induzierten Ströme auf den Betrag und/oder die Richtung des gemessenen elektromagnetischen Feldes am Ort der Spule zurückgeschlossen werden kann.

Bei statischen elektromagnetischen Feldern können beispielsweise auch Hallsensoren zum Einsatz kommen. Wesentlich bei allen bekannten eingangs genannten Verfahren ist es, dass die örtliche Abhängigkeit des erzeugten statischen oder auch zeitlich variablen elektromagnetischen Feldes zumindest theoretisch bekannt ist, um aus den Messwerten am jeweiligen Ort eines zu betrachtenden Objektes so auf die Position rückschließen zu können.

Dabei ist es im Stand der Technik als ein Nachteil eines solchen Verfahrens bekannt, dass das erzeugte elektromagnetische Feld gestört werden kann durch z.B. äußere Einflüsse. äußere Einflüsse können beispielsweise gegeben sein durch andere, zeitlich konstant oder insbesondere auch zeitlich variable elektromagnetische Felder sowie auch durch metallische Objekte in der Umgebung des erzeugten elektromagnetischen Feldes oder auch innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Feldes.

Hierdurch können Feldverzerrungen entstehen, wodurch das zumindest theoretisch bekannte erzeugte elektromagnetische Feld nicht mehr exakt übereinstimmend ist mit dem praktisch vorliegenden erzeugten elektromagnetischen Feld, so dass aufgrund der erhaltenen Messwerte zwar eine Position des zu betrachtenden Objektes ermittelt werden kann, diese jedoch aufgrund der Störung durch eine der eingangs genannten Möglichkeiten fehlerbehaftet ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten gattungsgemäßen Art bereitzustellen, mit dem die Möglichkeit gegeben

wird, eine exakte, insbesondere von eventuellen Störungen unabhängige Positionsbestimmung wenigstens eines Objektes innerhalb eines erzeugten und somit zumindest theoretisch bekannten elektromagnetischen Feldes vorzunehmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines eingangs genannten gattungsgemäßen Verfahrens gelöst, dass dadurch weitergebildet ist, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld, insbesondere in der Umgebung des Objektes, ein Referenzobjekt mit wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet wird, deren relative räumliche Sollpositionen zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren des Referenzobjektes das elektromagnetische Feld gemessen und aus dem Messwert/den Messwerten fehlerbehaftete Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes ermittelt werden und anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Sollposition eine Korrektur ermittelt wird, mittels der die gemessene Objektposition und/oder Objektorientierung korrigiert wird.

Weiterhin gelöst wird die Aufgabe durch ein System der eingangs genannten gattungsgemäßen Art, welches sich dadurch erfindungsgemäß auszeichnet, dass zur Kompensation von Störungen im erzeugten elektromagnetischen Feld ein Referenzobjekt mit wenigstens zwei Feldsensoren aufweist, deren relative räumliche Sollposition zueinander bekannt, insbesondere fest und bekannt sind, wobei mittels den Feldsensoren des Referenzobjektes und der Messvorrichtung des elektromagnetischen Feldes messbar und aus dem Messwert/den Messwerten fehlerbehaftete Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes ermittelbar sind, wobei die Messvorrichtung weiterhin eingerichtet ist anhand der Abweichungen zwischen Ist- und Sollposition des Referenzobjektes eine Korrektur zu ermitteln, mittels der die gemessene Objektposition und/oder Objektorientierung korrigierbar ist.

Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung ist es, dass insbesondere in Echtzeit eine eventuell vorliegende Störung des erzeugten elektromagnetischen Feldes bewertet werden kann und aus einer derartigen Bewertung eine Korrektur ermittelt wird, mittels der eine fehlerbehaftete Position und/oder Orientierung eines in der Position oder in der Orientierung zu bestimmenden Objektes korrigiert werden kann.

Hierfür macht sich die Erfindung zunutze, dass in einem Referenzobjekt wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet sind, bevorzugt noch mehr Feldsensoren als zwei angeordnet sind, deren räumliche Positionen fest und bekannt sind und im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung als Sollpositionen bezeichnet werden.

Werden diese an sich bekannten Positionen der Feldsensoren des Referenzobjektes mittels des eingangs genannten Verfahrens bestimmt, so werden die konkret bestimmten Positionen der im Referenzobjekt zum Einsatz kommenden Sensoren bei einer Störung des elektromagnetischen Feldes nicht übereinstimmend sein mit den bekannten räumlichen Sollpositionen, da es bei einer Störung des Feldes zu Verzerrungen und somit zu Abweichungen in der örtlichen Abhängigkeit des Betrages und/oder der Orientierung des erzeugten elektromagnetischen Feldes kommt.

Aufgrund der Tatsache, dass sodann die objektiv bekannte Sollposition eines jeden Feldsensors abweichend ist von der tatsächlich gemessenen und somit fehlerbehafteten Istposition des Feldsensors besteht die Möglichkeit, die ermittelten Abweichungen auszuwerten und hieraus eine Korrektur zu ermitteln, die eingesetzt werden kann, um die Position oder die Orientierung des zu beobachteten Objektes zu korrigieren und somit die tatsächlich richtige Position oder Orientierung dieses Objektes in dem gestörten Magnetfeld zu erhalten.

Die Korrektur kann dabei beispielsweise derart gebildet werden, dass sie geeignet ist, die gemessenen fehlerbehafteten Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes zu überführen in die tatsächlichen bekannten räumlichen Sollpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes. Wird eine derartige Korrektur aus den bekannten Abweichungen gebildet, so ist dieselbe Korrektur auch geeignet, um die objektiv fehlerbehaftete Objektposition und/oder Objektorientierung zu korrigieren in die jeweils tatsächlich vorliegenden Größen.

Hierbei kann es vorgesehen sein, dass aus den gemessenen Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes sowie den bekannten Sollpositionen eine Interpolations- und/oder Extrapolationsfunktion gebildet wird, mittels der eine feldgestörte Objektposition und/oder Objektorientierung durch Anwendung der Funktion auf diese Position/Orientierung korrigiert wird. So ergibt sich demnach abstrakt gesprochen die korrigierte Position/Orientierung analytisch als F (fehlerbehaftete Position/Orientierung).

Bevorzugt ist es demnach vorgesehen, dass die zum Einsatz kommende Messvorrichtung zur Bestimmung des Betrages und/oder der Ausrichtung des gemessenen elektromagnetischen Feldes weiterhin auch eingerichtet ist anhand der Abweichungen zwischen den Soll- und Istpositionen des Referenzobjektes eine solche Korrektur, insbesondere eine solche Funktion zu ermitteln und diese ermittelte Funktion sodann anzuwenden für die Bestimmung der Position und/oder Orientierung des zu vermessenen Objektes innerhalb des elektromagnetischen Feldes. Eine solche eingangs genannte Funktion kann dabei beispielsweise durch ein Polynom genährt werden, wobei die Näherung optimiert werden kann durch ein Polynom n-ten Grades mit einem möglichst hohen Wert für n.

In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass aus den gemessenen Istpositionen der Feldsensoren des Referenzobjektes sowie den bekannten Sollpositionen ein theoretisches elektromagnetisches

Kompensationsfeld berechnet wird, welches zur Korrektur des real gestörten elektromagnetischen Feldes verwendet wird.

So ist es, wie eingangs genannt notwendig, dass die Ortsabhängigkeit des Betrages und/oder der Orientierung des erzeugten elektromagnetischen Feldes bekannt ist, um anhand der gemessenen Messwerte auf die Position eines Objektes schließen zu können. Besteht somit erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass real gestörte elektromagnetische Feld zu ermitteln, so kann dieses real gestörte elektromagnetische Feld der Berechnung der Position und/oder Orientierung des Objektes zugrunde gelegt werden, wofür die entsprechenden Informationen beispielsweise innerhalb der Messvorrichtung gespeichert werden können.

Beispielsweise kann es demnach vorgesehen sein, dass durch rechnergestützte überlagerung des Kompensationsfeldes mit dem als ungestört angenommenen erzeugten elektromagnetischen Feld ein simuliertes, real gestörtes elektromagnetisches Feld berechnet wird, welches sodann der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung des Objektes zugrunde gelegt werden kann. Hierbei ist davon auszugehen, dass die Ermittlung des Kompensationsfeldes umso genauer ist, je mehr Feldsensoren innerhalb des Referenzobjektes zum Einsatz kommen.

Als Feldsensoren werden in bevorzugter Ausführung beispielsweise Spulen eingesetzt, wobei es vorgesehen sein kann, dass wenigstens zwei Spulen des Referenzobjektes zueinander eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.

In einer weiteren Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Feldsensoren als Spulen ausgebildet sind, wobei wenigstens eine Spule außerhalb einer Ebene angeordnet ist, in der zwei weitere Spulen liegen. Eine derartige Anordnung weist demnach wenigstens drei Feldsensoren auf, was zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit bei der Korrektur führt.

Beim Einsatz des Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Systems zur Durchführung des Verfahrens kann es in einer bevorzugten Variante vorgesehen sein, dass die Messwerte mehrerer Feldsensoren mittels eines zeitlichen Multiplexing über eine Messleitung eines Messgerätes erfasst werden.

Dies erschließt die Möglichkeit, gegebenenfalls bereits vorhandene Messgeräte zur Durchführung des im Stand der Technik bekannten Verfahrens auch für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. So können die Messwerte einer Vielzahl von Feldsensoren mittels einer solchen Vorrichtung erfasst werden, obwohl die hierfür vorgesehene Vorrichtung nicht über eine entsprechend hohe Anzahl von Messleitungen bzw. Eingangskanälen zur Erfassung der Messwerte verfügt. Um das zeitliche Multiplexing vorzunehmen, kann beispielsweise eine externe Vorrichtung vorgesehen sein, die einem Eingangskanal eines Messgerätes vorgeschaltet ist oder das Messgerät selbst kann bereits intern eine entsprechende Elektronik zum Multiplexing vorsehen.

Insgesamt wird es hierbei vorgesehen sein, dass die Messung der Messwerte für die Bestimmung der Objektposition bzw. der Objektorientierung mit einer höheren Frequenz erfolgt als die Erfassung der Messwerte der Feldsensoren des Referenzobjektes. Dem liegt zugrunde, dass das Referenzobjekt bevorzugt ortsfest oder nur mit einer geringen bzw. geringeren Geschwindigkeit als das zu vermessende Objekt innerhalb des elektromagnetischen Feldes bewegt ist. So reicht es aus, die Position der Feldsensoren des Referenzobjektes mit einer geringeren Abtastrate zu erfassen als die Position des Objektes, da sich somit die zugrunde zu legende Korrektur mit einer größeren Zeitkonstante ändert als die Position des Objektes.

In einer besonders bevorzugten Anwendung des Verfahrens oder auch des erfindungsgemäßen Systems kann es vorgesehen sein, dass ein Objekt, dessen Position und/oder Orientierung zu bestimmen ist, durch ein medizinisches

Instrument gebildet wird. Bei einem solchen Objekt kann es sich z.B. um eine Nadel oder einen Katheter handeln, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktuelle Position bzw. die Bewegungstrajektorie eines solchen medizinischen Instrumentes genauestens verfolgt werden kann, selbst wenn z.B. metallische Gegenstände im Einflussbereich des erzeugten elektromagnetischen Feldes liegen, wie z.B. andere Instrumente oder auch ein OP-Tisch.

Die hierdurch hervorgerufenen Störungen, wie beispielsweise Feldverzerrungen, können anhand des Referenzobjektes ermittelt und hieraus eine Korrektur gebildet werden, um somit die Position und Orientierung des Objektes genau zu bestimmen. Für eine solche medizinische Anwendung kann es dabei vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt in der Umgebung eines Interventionsareals oder aber um ein Interventionsareal herum an einem Patienten angeordnet wird.

Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Areal um eine Punktionsstelle handeln, an der eine Nadel oder ein Katheter appliziert werden soll. Gerade für eine solche Anwendung kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt rahmenförmig, insbesondere ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Rahmens / Ringes die wenigstens zwei Feldsensoren angeordnet sind. So kann ein solcher Ring das Interventionsareal, insbesondere die Punktionsstelle, umgeben, so dass das in der Position oder Orientierung bestimmende Objekt, wie beispielsweise die Nadel oder ein Katheter, durch den Rahmen / Ring hindurchgeführt wird und somit eine besonders genaue Positionsbestimmung möglich wird, da die Störung des elektromagnetischen Feldes unmittelbar in der Umgebung des zu betrachtenden Objektes ermittelt wird. Dabei können in einem solchen Rahmen wenigstens zwei Feldseπsoren, insbesondere auch auf verschiedenen Ebenen angeordnet sein und ggfs. auch unterschiedliche Orientierungen aufweisen.

Bei einer solchen Anwendung kann es beispielsweise weiterhin vorgesehen sein, dass die Position des Referenzobjektes relativ zu einem Patienten erfasst bzw.

ermittelt wird durch eine radiologische Erfassung des Referenzobjektes zusammen mit einem Patienten. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass ein Referenzobjekt röntgendichte Markierungen aufweist oder auch sonstige Markierungen, die radiologisch erfassbar sind, so dass die Möglichkeit besteht, die Position des Referenzobjektes in einem Röntgenbild, z.B. einem Bild eines Computertomografen oder auch einem Kernspintomografen zu lokalisieren.

Gerade für medizinische Anwendungen kann auf diese Art und Weise auch die Möglichkeit erschlossen werden, die festgestellte Position des Objektes in einer simultan erfassten radiologischen Abbildung des Patienten einzublenden und so die Spur der Bewegung bzw. den Ort der Bewegung zeitabhängig zu erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 die Abbildung eines ringförmigen Referenzobjektes mit vier

Feldsensoren sowie eine Nadel, deren Position zu bestimmen ist Figur 2 eine schematische Darstellung des Messprinzips

Figur 3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens

Die Figur 1 zeigt in einer übersichtsdarstellung ein hier ringförmig dargestelltes Referenzobjekt 1 , bei dem innerhalb des Ringes hier insgesamt vier Feldsensoren 2 angeordnet sind. Hierbei können die Feldsensoren unterschiedliche Orientierungen und/oder Ebenen aufweisen und beispielsweise als Spulen ausgebildet sein, wobei sich die Orientierung durch die Längsausrichtung der Spulenachse ergibt. In dieser Darstellung ist es ersichtlich, dass die Spulen 2d und 2c eine andere Orientierung aufweisen wie die beiden Spulen 2a und 2b, die gleich orientiert sind.

An dem hier als Nadel dargestellten medizinischen Instrument 3 ist wenigstens an einer Stelle, z.B. an einem unteren Ende, bevorzugt an mehreren Stellen ein hier

nicht dargestellter Feldsensor angeordnet, um mittels dieses Feldsensors die Position der Nadel 3 im elektromagnetischen, hier nicht dargestellten Feld ermitteln zu können.

Gemäß der Erfindung ist es in einer medizinischen Anwendung vorgesehen, den hier dargestellten Ring 1 so auf einen Interventionsbereich, z.B. Punktionsbereich an einem Patienten zu positionieren, dass dieser Bereich durch das Innere des Ringes zugänglich bleibt bzw. ist.

Die gemessene Position der Nadel 3 in einem gegebenenfalls gestörten elektromagnetischen Feld kann dementsprechend wie eingangs beschrieben anhand der durch das Referenzobjekt aufgenommenen Messwerte der einzelnen Spulen 2a - 2d korrigiert werden.

Die Figur 2 zeigt dabei in der übersicht das Vorgehen. Erkennbar ist hier rechtsseitig in der Figur, dass bei einer angenommenen Störung des erzeugten elektromagnetischen Feldes die Positionen der insgesamt vier Feldspulen als Istposition V1 , V2, V3 und V4 ermittelt werden, ebenso wie zwei Positionen P1' und P2' der Nadel 3 mit Bezug auf die Darstellung in der Figur 1, wobei hier an der Nadel zwei Feldsensoren angenommen sind.

Die so jeweils ermittelten Positionen sowohl der Nadel als auch des Referenzobjektes sind verzerrt bzw. fehlerbehaftet, da das zugrunde gelegte elektromagnetische Feld eine entsprechende Störung aufweist.

Bekannt ist hier jedoch die jeweils mechanisch definierte Position 01 , 02, 03 und 04 der Feldspulen 2a - 2d gemäß der linksseitigen Darstellung in der Figur 2, z.B. relativ zu röntgensichtbaren Markern M1 , M2 und M3 definierten Koordinatensystem. Es besteht somit die Möglichkeit, eine Korrektur zu ermitteln, beispielsweise rechentechnisch innerhalb einer entsprechend dafür eingerichteten Messvorrichtung, um die verzerrten gemessenen Positionen V1 , V2, V3 und V4 in

die jeweils korrekten Positionen O1 , 02, 03 und 04 zu überführen, z.B. durch eine Koordinatentransformation anhand einer Funktion.

Dieselbe Korrektur ist sodann auch geeignet, um die gemessenen verzerrten Positionen der Nadel PV und P2' in die unverzerrten tatsächlichen Positionen P1 und P2 zu überführen. Die gemessenen Positionen können somit in das verzerrungsfreie Koordinatensystem überführt werden.

Die Figur 3 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier ist es vorgesehen, dass sowohl die gemessenen Werte des Referenzobjektes als auch die bekannten Positionen der Feldsensoren des Referenzobjektes einer Berechnung zugrunde gelegt werden, die beispielsweise in der Messvorrichtung realisiert sein kann. Beispielsweise kann durch eine derartige Berechnung ein Kompensationsfeld oder auch eine Funktion ermittelt werden, die geeignet ist, um eine ebenso durchgeführte Positionsmessung des zu messenden Objektes zu korrigieren. Hierfür wird zunächst die fehlerbehaftete Position ermittelt und sodann die aus der Berechnung ermittelte Korrektur auf die fehlerbehaftete Position angewandet, wodurch sich eine fehlerfreie Position des medizinischen Instrumentes ergibt.

Die so ermittelte störungsfreie Position kann demnach in besonders bevorzugter Anwendung einem medizinischen Eingriff zugrunde gelegt werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind dabei auch bei Virtual reality- Positionsbestimmungen gegeben.

Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar.