CN103860196B - 磁跟踪传感器 - Google Patents
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Abstract
一种磁场传感器组件，包括中空圆筒形芯、导电材料以及至少第一引线和第二引线。该中空圆筒形芯由铁磁性材料制成并且具有近端和远端。导电材料布置在中空圆筒形芯周围并且形成具有至少一个开始端子和至少一个结束端子的线圈的至少一匝。第一引线和第二引线穿过中空圆筒形芯的中心，第一引线连接至开始端子以形成第一终端，并且第二引线连接至结束端子以形成第二终端。该第一终端和第二终端位于中空圆筒形芯内。
Description
技术领域
本公开内容涉及磁跟踪传感器。
背景技术
关于影像解剖学的仪器的磁跟踪被广泛地用于医学实践。可以将使用磁跟踪而增强的成像系统用于跟踪和显示诊断仪器或治疗仪器相对于成像平面的位置和方向。该成像系统可以帮助临床医生以与非引导仪器相比降低的误差来将仪器引导至所选择的目标。此外，该被跟踪仪器的可视化表示不必受限于超声波的成像平面，因此使得临床医生能够具有更多的活动自由度。
针对仪器的磁跟踪，可以将电磁传感器包括在仪器的位置中。电磁传感器可以是围绕或接近其位置被跟踪的对象的电磁线圈。如果将包括有传感器的仪器放置在变化的电磁场内，则会在电磁传感器中生成电压。该所生成的电压可以用于确定和跟踪电磁场内的仪器的位置和相对定位。使用传感器的电磁跟踪而增强的超声波系统可以显示超声波所生成的解剖特征的三维合并以及仪器位置和方向的可视化表示。
发明内容
在一个方面，一种磁场传感器组件通常包括：包括有铁磁性材料的中空芯，该中空芯具有近端和远端；导电材料，该导电材料布置在中空芯周围并且形成线圈的至少一匝，该线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子;穿过中空芯的中心的至少第一引线和第二引线，其中，第一引线连接至开始端子以形成第一终端，并且其中第二引线连接至结束端子以形成第二终端，并且其中第一引线和第二引线能够将电信号从线圈传送至用于确定传感器位置的磁位置测量系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。中空芯是中空圆筒形芯。第一终端和第二终端位于中空芯内。第一终端和第二终端位于中空芯的远端内。第一终端和第二终端位于中空芯的近端内。第一引线和第二引线以及第一终端和第二终端永久性地固定在中空芯内。中空芯包括铁氧体材料。中空芯包括磁性材料。中空芯包括硬化奥氏体不锈钢材料。导电材料包括磁导线。导电材料包括沉积在介电材料上的图案化导电材料。第一终端和第二终端是经由导电粘合剂通过焊接、熔接或接合形成的。
在另一方面，一种方法通常包括：提供包括有铁磁性材料的中空芯，该中空芯具有近端和远端；布置围绕中空芯并且形成线圈的至少一匝的导电材料，该线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子；使至少第一引线和第二引线穿过中空芯的中心；将第一引线连接至开始端子以形成第一终端；将第二引线连接至结束端子以形成第二终端；其中，第一引线和第二引线能够将电信号从线圈传送至用于确定传感器位置的磁位置测量系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。中空芯是中空圆筒形芯。第一终端和第二终端位于中空芯内。第一终端和第二终端位于中空芯的远端内。第一终端和第二终端位于中空芯的近端内。该方法包括将第一引线和第二引线以及第一终端和第二终端永久地固定在中空芯内。中空芯包括铁氧体材料。中空芯包括磁性材料。中空芯包括硬化奥氏体不锈钢材料。导电材料包括磁导线。导电材料包括沉积在介电材料上的图案化导电材料。经由导电粘合剂通过焊接、熔接或接合形成第一终端和第二终端。
在另一方面，一种电磁位置测量系统通常包括磁场传感器组件，该磁场传感器组件被配置成当被放置在电磁场内时测量至少3自由度的位置和角定向数据，并且包括：包括有铁磁性材料的中空芯，该中空芯具有近端和远端；导电材料，该导电材料布置在中空芯周围并且形成线圈的至少一匝，该线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子；以及穿过中空芯的中心的至少第一引线和第二引线，其中，第一引线连接至开始端子以形成第一终端，并且其中，第二引线连接至结束端子以形成第二终端，其中，第一终端和第二终端位于中空芯内，并且其中，第一引线和第二引线能够将电信号从线圈传送至用于确定传感器位置的电磁位置测量系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。中空芯是中空圆筒形芯。第一终端和第二终端位于中空芯内。
可以结合在本公开内容中描述的包括发明内容部分中所述的那些特征中的两个或更多个特征，以形成在本文中没有具体描述的实施方式。
在以下附图和描述中将阐述一个或更多个实施方式的细节。根据描述和附图并且根据权利要求，其他特征、目的和优点将变得明显。
附图说明
图1示出了使用磁仪器跟踪而增强的超声波成像系统。
图2A至图2C示出了传感器元件的附接和封装的方法。
图3A至图3C描绘了中空铁磁性芯传感器的横截面视图。
图4A至图4C描绘了中空铁磁性芯传感器的另一实施方式的横截面视图。
图5A至图5C描绘了中空铁磁性芯传感器的又一实施方式的横截面视图。
图6示出了用于产生磁场传感器组件例如图3A至图3C所示的磁场传感器组件的详细步骤的流程图100
各个附图中类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
参照图1，将成像工具例如超声波系统10用来对空间片（或成像平面）16中详细的解剖特征进行成像。超声波系统10包括手持探头12、显示器10a以及电子装置10b。为了使用超声波系统10对仪器14进行磁跟踪，电磁传感器11和13分别被包括在手持超声波探头12中以及仪器14的位置中。传感器11和13可以是围绕或接近其位置被跟踪的对象的电磁线圈。在图1的示例中，仪器14是针状组件，并且传感器13接近于针尖19。当将传感器13放置在变化的电磁场内时，在电磁传感器13中生成电压。同样地，当将具有埋置式传感器11的手持超声波探头12放置在变化的电磁场内时，在电磁传感器11中生成电压。在传感器11、13中所生成的电压被用于确定并跟踪超声波探头12和针尖19分别在电磁场内的位置和相对定位。使用传感器11和13的磁跟踪而增强的超声波系统10显示超声波所生成的解剖特征16在相关区域15中的三维合并以及仪器14的位置和方向的可视化表示。
图2A至图2C示出了构成5自由度磁传感器组件的两种方法。围绕铁磁性芯30缠绕磁导线32。在图2A中，引线对31连接至两个终端（绕组开始和绕组结束）点33a、33b中的每个处的磁导线32。传感器13的成品直径（finished diameter）13b通常在1mm的范围内，并且可以小至0.3mm，使得部件尤其是连接点33a、33b非常易碎并且难以操纵而没有损坏。这样的构成方法导致在终端点33a、33b与磁芯30之间产生非常易碎的区域，这是因为线圈线32通常具有.0005’’的直径，并且因此易于被损坏或断裂。在某些情况下，如图2B所示，通过焊接方法或粘合方法34将引线31的一个导体直接连接至磁芯30是有利的。这使得引线31的较大导体能够支承传感器13在装配和使用期间所受到的机械力。这种接合处理具有如下缺点：需要粘合剂的精确施加和固化或使线圈组件经受焊接温度，这在没有精确进行的情况下会破坏绝缘。解决终端区域33易碎性的第二通用方法是将管35放置在传感器13的上方，使得该管35包围终端区域33并且提供机械支承。然后，具有传感器13组件的管35被填注粘合剂。该管必须延伸远超出终端区域33以在引线与管之间提供重叠部分，使得能够形成针对搭接剪切粘合接头的区域。这具有如下缺点：增加传感器13的刚性长度13a或者需要更短的磁芯，这将减少传感器的信号输出并且降低其使用范围。粘合剂注入的方法需要昂贵的传感器至管的对准固定以及精确的流量控制器。而且，管35的刚性本性以及延伸的搭接剪切区域在终端区域33处形成具有弱点的杠杆臂。在装配过程期间必须非常小心，以在将连接导线31、32或终端点33a、33b插入管35中时不会断裂或损坏连接导线31、32或终端点33a、33b。根据成品的期望属性，管35通常是金属材料例如不锈钢或塑料材料例如聚酯。当管35是塑料材料时，必须具有足够的壁厚度以防止终端区域33弯曲，这是因为在此区域中的连接易于断裂。尽管管35通常填充有应力缓解粘合剂，但是终端区域33仍是弱应力点并且易于断裂。此外，这些传感器的端暴露于传感器正在检测的磁场。因为单线圈传感器不能检测围绕其轴的旋转，所以必须假设线圈的磁轴和物理轴是同轴的。在终端处理导致形成不期望的平面外回路36的情况下，回路36可能不会从其物理轴对准传感器13的磁轴。事实上在一些构成方法中这样的回路是非常难以避免的，这是因为为避免短路在终端区域33中导体是分离的并且该分离导致较大的回路。
参照图3A至图3C，铁磁性传感器13包括布置在铁磁性中空芯50内的扭转的引线31。线圈线32围绕铁磁性芯50缠绕并且端32a、32b连接至引线31的终端末端33a、33b，这与图2A至图2C所示的传感器相比发生在芯50的相对端处。在完成终端连接33a、33b以后施加粘合剂涂层51，并且该粘合剂涂层51进入（wick into）线圈50与引线31之间的空间，从而沿着芯50的内表面建立牢固接合。可以以与芯50的端50a非常接近的方式执行终端33a、33b，以最小化传感器13的长度。因为引线31与线圈线32之间的接合表面在芯50内部，应力缓解区域52可以是零长度，这对于其他构成技术是不可能的。这使得在不牺牲组件的长度的情况下能够缩短传感器的刚性部分，因此使得装配有传感器的仪器能够更容易地导航弯曲解剖结构例如血管。
如图2A所示，在一个传感器设计中，线圈线32和引线31有时在终端处理中会变形。该变形是难以避免的，这是因为必须将引线31稍微分离开，以使得其可被接合至终端33处的线圈线32，而不产生去除终端33区域中的绝缘导致的短路。而且，通常需要对线圈线32和引线31的一些弯曲和操纵。由于这些因素，可以形成小的不期望的寄生回路。该回路具有可以与传感器13的物理轴不同的最大灵敏度的轴。屏蔽该回路的磁场可以消除回路对传感器输出的影响。
参照图4A至图4C，在对准传感器13的磁轴和物理轴的方法中，将终端33a、33b连接至芯50的远端50a处的线圈线端32a、32b，并且然后将所连接的终端点插入芯50的远端50a中并推向中空芯50中。因为削弱了铁磁性管内部的磁场，所以芯50用作针对在终端33a、33b的建立期间形成的不期望的寄生回路的磁屏蔽。这具有提高传感器13的磁轴和物理轴的对准的优点。传感器13的磁轴和物理轴的对准是值得注意的，这是因为传感器13不能检测与其磁轴平行的角度旋转，因此如果传感器13的磁轴和物理轴不能一致，则会出现成像误差。因此，如果磁轴和物理轴不能对准，则将传感器13滑向活检针例如管状仪器14会引起仪器14关于影像解剖学10的显示轨迹的误差。可以采用校准步骤以降低该轨迹误差，但是这使制造过程复杂化。将终端33a、33b放置在芯50内部消除了如下应用的最大误差源：该应用在无需另外的校准步骤的情况下需要精确显示仪器轨迹。
在某些应用中，可能不能接近中空芯50的远端50a。这是如下情况：在仅暴露芯50的近端50b的情况下，将传感器13预模制入仪器中。在此情况下，参照图5A至图5C，在芯50的近端50b处执行终端33a、33b。引线电缆31的端32a、32b连接至终端33a、33b，并且将所连接的点插入近端50b并推入中空芯50内。然后，芯50用作终端33a、33b的磁屏蔽，并且成像精确度的提高类似于通过屏蔽芯50的远端50b处的终端33a、33b而获得的成像精确度的提高。
图6示出了用于产生磁场传感器组件例如图3A至图3C所示的磁场传感器组件的详细步骤的流程图100。步骤102包括提供包括有铁磁性材料的中空芯（例如，中空圆筒形芯）。该中空芯具有近端和远端。在某些实施方式中，中空芯可以包括铁氧体材料。中空芯也可以包括磁性材料。在一些示例中，中空芯可以包括硬化奥氏体不锈钢材料。步骤104包括布置围绕中空芯并且形成线圈的至少一匝的导电材料。该线圈具有至少一个开始端子和至少一个结束端子。在一些实施方式中，导电材料可以包括磁导线。在一些实施方式中，导电材料可以包括沉积在介电材料上的图案化导电材料。步骤106包括使第一引线和第二引线穿过中空芯的中心。步骤108包括将第一引线连接至开始端子以形成第一终端。步骤S110包括将第二引线连接至结束端子以形成第二终端。在一些示例中，第一终端和第二终端可以布置在中空芯的远端或近端内。在一些实施方式中，第一引线和第二引线以及第一终端和第二终端可以永久地固定在中空芯内。步骤112包括可选择地将第一终端和第二终端放置在中空芯内。第一引线和第二引线能够将电信号从线圈传送至用于确定传感器位置的磁位置测量系统。
这里描述的磁场传感器组件倾向于具有比其它类型的传感器较不易碎的终端区域。组件的各种实施方式是可能的。可以将铁磁性芯制成中空的，一个示例为铁氧体磁珠芯。引线可以穿过中空磁珠芯的中心，并且可以在执行将易碎线圈线连接至引线的精细处理之前使用粘合性来被稳固。可以在组件的远端执行终端处理。可以将粘合剂施加在线圈的近端，并且该粘合剂的施加更容易，这是因为毛细作用会以可控方式将粘合剂推入中空芯的中心内。
在一些示例中，可以将传感器浸入粘合剂中，由此粘合剂进入传感器中并围绕传感器，从而将任意导线牢固在芯内部并且封装该传感器。该处理的自固定本性可以使得在不将线圈组件和引线保持在相对彼此固定的位置的情况下能够进行终端处理。将终端定位在远端或传感器芯内部也针对给定芯长度缩短了传感器，这是因为引线被应力释放到芯的内部。不需要使用具有与终端区域上方的最弱点一致的最高应力点的杠杆臂。
在没有首先将引线牢固在中空传感器芯的内部的情况下，可以在远端或近端处执行终端。可以在施加粘合剂之前将该终端推入或拉入中空芯内。以此方式，终端区域不增加传感器的长度，并且引线仍可以牢靠地固定在传感器芯的内部。在此配置中，通过中空芯来磁屏蔽由终端形成的寄生回路，并且传感器的磁轴能更好地与物理轴对准。
磁传感器能够在仪器内移动，以使得在将仪器尖端成功地放置在目标区域处之后能够使用治疗器具来对其进行替换。此外，为了导航到另一目标的目的，可以重新引入磁传感器。该磁传感器可以被构造成使得其能够处理该移动。而且，由于许多外科手术工具和人体中的大部分管道的曲线属性，可以限制磁传感器的长度同时保持其机械强度。
在本文中没有具体描述的其他实施方式也在权利要求的范围内。
Claims (30)
1.一种磁场传感器组件，包括
包括铁磁性材料的中空芯，所述中空芯具有近端和远端；
导电材料，所述导电材料围绕所述中空芯布置并且形成线圈的至少一匝，所述线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子；以及
穿过所述中空芯的中空部分的至少第一引线和第二引线，其中，所述第一引线连接至所述开始端子以形成第一终端，并且其中所述第二引线连接至所述结束端子以形成第二终端，并且其中所述第一引线和所述第二引线能够将电信号从所述线圈传送至用于确定传感器位置的磁位置测量系统。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述中空芯是中空圆筒形芯。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯内。
4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯的所述远端内。
5.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯的所述近端内。
6.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第一引线和所述第二引线以及所述第一终端和所述第二终端永久地固定在所述中空芯内。
7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述中空芯包括铁氧体材料。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述中空芯包括磁性材料。
9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述中空芯包括硬化奥氏体不锈钢材料。
10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述导电材料包括磁导线。
11.根据权利要求1所述的组件，其中，所述导电材料包括沉积在介电材料上的图案化导电材料。
12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一终端和所述第二终端通过导电粘合剂进行焊接、熔接或接合而形成。
13.根据权利要求1所述的组件，其中，所述中空芯用作由所述第一终端和所述第二终端中的任一个或二者所形成的回路的磁屏蔽。
14.一种方法，包括：
提供包括铁磁性材料的中空芯，所述中空芯具有近端和远端；
布置围绕所述中空芯并且形成线圈的至少一匝的导电材料，所述线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子；
使至少第一引线和第二引线穿过所述中空芯的中空部分；
将所述第一引线连接至所述开始端子以形成第一终端；以及
将所述第二引线连接至所述结束端子以形成第二终端；
其中，所述第一引线和所述第二引线能够将电信号从所述线圈传送至用于确定传感器位置的磁位置测量系统。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述中空芯是中空圆筒形芯。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯内。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯的所述远端内。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯的所述近端内。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述第一引线和所述第二引线以及所述第一终端和所述第二终端永久地固定在所述中空芯内。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述中空芯包括铁氧体材料。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述中空芯包括磁性材料。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述中空芯包括硬化奥氏体不锈钢材料。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导电材料包括磁导线。
24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导电材料包括沉积在介电材料上的图案化导电材料。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，经由导电粘合剂通过焊接、熔接或接合形成所述第一终端和所述第二终端。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述中空芯用作由所述第一终端和所述第二终端中的任一个或二者所形成的回路的磁屏蔽。
27.一种电磁位置测量系统，包括：
磁场传感器组件，所述磁场传感器组件被配置成当被放置在电磁场内时测量至少3自由度的位置和角定向数据，并且所述磁场传感器组件包括：
包括有铁磁性材料的中空芯，所述中空芯具有近端和远端；
导电材料，所述导电材料围绕所述中空芯布置并且形成线圈的至少一匝，所述线圈包括至少一个开始端子和至少一个结束端子；以及
穿过所述中空芯的中空部分的至少第一引线和第二引线，其中，所述第一引线连接至所述开始端子以形成第一终端，并且其中所述第二引线连接至所述结束端子以形成第二终端，并且其中所述第一引线和所述第二引线能够将电信号从所述线圈传送至用于确定传感器位置的所述电磁位置测量系统。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述中空芯是中空圆筒形芯。
29.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第一终端和所述第二终端位于所述中空芯内。
30.根据权利要求27所述的系统，其中，所述中空芯用作由所述第一终端和所述第二终端中的任一个或二者所形成的回路的磁屏蔽。
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