CN104023630A - 侧倾检测和六自由度的传感器组件 - Google Patents

侧倾检测和六自由度的传感器组件 Download PDF

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Abstract

一种侧倾检测传感器组件，包括沿着一轴延伸并围绕所述轴设置的线圈。所述线圈包括一个或多个部分，每个部分限定一缠绕角。所述部分中的至少一个限定相对于垂直于所述轴的线基本上为非零的缠绕角，由此，线圈在所施加磁场中的投射区域随着所述线圈围绕所述轴旋转而改变。结果，线圈被配置为响应于磁场来产生表示所述传感器围绕所述轴的侧倾的信号。在实施例中，所述部分中的至少一个限定至少为2度的缠绕角。在实施例中，所述部分中的至少一个限定大约为45度的缠绕角。

Description

侧倾检测和六自由度的传感器组件
技术领域
本发明总地涉及用于医疗装置的电磁定位传感器，并且尤其涉及可以感测侧倾的电磁定位传感器。
背景技术
用于装置导航的具有电磁线圈位置传感器的诸如导丝、导管和导引器等的医疗装置在各种医疗手术中在身体中使用。例如，已知将导管配备有多个线圈足够允许定位传感器检测六(6)自由度(DOF)，即其三维(3D)位置(X,Y,Z)及3D方向(例如，侧倾(roll)、俯仰(pitch)、偏转(yaw))。然而，可以提供这种功能的线圈组件的设计特别地针对空间限制提供了挑战。
一种已知的电磁位置传感器包括在管状芯上对称缠绕的线圈。这种传感器可以通过参考授予Sobe的题目为“System for Determining the Positionand Orientation of a Catheter”的美国专利No.7,197,354来了解，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。Sobe公开了一种芯，其是中空的、关于中心轴对称，并且可以针对特定应用在长度、内径和外径上进行调整。线圈以期望缠绕图案缠绕在芯上。如同芯一样，线圈关于中心轴对称。传感器可以检测三个度的位置(X、Y和Z)以及俯仰和偏转，但是线圈不能检测侧倾(即，关于芯的轴的旋转位置)。因此，包括单个对称传感器线圈的医疗装置仅感测五个(5)DOF，即，除了三个位置参数外还有两个方向参数。尽管有DOF限制，但仍存在期望上述构造的情况。例如，构造使用最小的空间并且容纳开放的中央腔。
已知的用于感测医疗装置的侧倾的方案通常涉及使用多个传感器，每个具有如上所述的单个对称线圈。例如，题目为“Catheter WithObliquely-Oriented Coils”的美国专利申请公开No.2010/0324412和题目为“Intrabody Navigation System for Medical Applications”的美国专利No.6,593,884教导了将独立的传感器放置在医疗装置中的不同位置，它们各自的线圈以不同角度定向，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。相比于单一线圈上的整体传感器，这种构造更贵并且需要医疗装置中的更大空间。
因此需要一种最小化或者消除上述问题中的一个或多个的电磁位置传感器。
发明内容
这里的各种实施例提供了一种用于医疗装置的定位传感器组件，其可以通过使用附加独立的传感器检测侧倾而不会增大成本，不会阻挡医疗装置的中央腔，并且不会过度地增大医疗装置。因此，在至少一个实施例中，这种传感器组件可以包括沿着一轴延伸并围绕所述轴设置的线圈。线圈包括一个或多个部分，每个部分限定一缠绕角。至少一个部分限定相对于垂直于轴的线基本上为非零的缠绕角，由此，线圈在所施加磁场中的投射区域随着线圈围绕轴旋转而改变。
在另一实施例中，一种传感器组件可以包括沿着一轴延伸的具有外表面的芯以及基本如上所述的线圈。线圈包括设置在芯外表面上的第一部分和与第一部分电耦合的第二部分。第一部分限定第一缠绕角，以及第二部分限定与第一缠绕角不同的第二缠绕角。第一缠绕角和第二缠绕角中的至少一个相对于垂直于所述轴的平面基本上为非零。结果，线圈被配置为响应于所施加的磁场来产生表示至少所述线圈围绕所述轴的侧倾的信号。
在另一实施例中，一种传感器组件可以包括沿着一轴延伸并围绕所述轴设置的线圈。线圈可以包括一个或多个部分，每个部分限定一缠绕角，其中，一个或多个部分中的至少一个限定相对于垂直于所述轴的线至少为大约2度的缠绕角，由此，线圈在所施加磁场中的投射区域随着所述线圈围绕所述轴旋转而改变。
附图说明
图1是包括位置感测医疗装置的实施例的系统的示意框图。
图2是医疗定位系统的坐标系中侧倾感测电磁位置传感器的实施例的图解视图。
图3和4是靠近人心脏设置的侧倾感测医疗装置的实施例的图解视图。
图5是本领域中已知的电磁位置传感器的等距视图。
图6A是侧倾感测电磁位置传感器的实施例的等距视图。
图6B是图6A的位置传感器的横截面视图。
图6C-6J是可以用于图6A的传感器中的环的各种形状的图解视图。
图7A是侧倾感测电磁位置传感器的另一实施例的等距视图。
图7B是侧倾感测电磁位置传感器的另一实施例的等距视图。
图8是侧倾感测电磁位置传感器的另一实施例的等距视图。
图9是具有侧倾感测电磁位置传感器的医疗装置的实施例的横截面视图。
图10是具有侧倾感测电磁位置传感器的医疗装置的另一实施例的侧视图。
图11是与图10类似的医疗装置的横截面视图。
图12是如图1中框形式示出的医疗定位系统(MPS)的示例性实施例的示意框图。
具体实施方式
现在参考附图，其中，相同的附图标记用于表示各个图中相同或相似的组件，图1是系统10的图解视图，其中，可以使用包含电磁位置传感器的诸如导丝或导管的医疗装置。
在进行本发明的几个电磁定位传感器实施例和医疗装置实施例的详细描述之前，将首先进行可以使用这些装置和传感器的示例性实施例的描述。继续参考图1，所示的系统10包括具有各种输入/输出机构14的主电子控制单元12(例如处理器)、显示器16、可选的图像数据库18、心电图(ECG)监视器20、诸如医疗定位系统(MPS)22的定位系统、MPS使能的细长医疗装置24、患者参考传感器26和侧倾感测MPS位置传感器28。
输入/输出结构14可以包括用于与基于计算机的控制单元相接的传统设备，包括例如，键盘、鼠标、图形输入板、脚踏板和/或开关等中的一个或多个。显示器16还可以包括诸如计算机监视器的传统设备。
这里所述的各种实施例可以用在使用感兴趣区域的实时和/或预获取图像的导航应用中。因此，系统10可以可选地包括图像数据库18以存储与患者身体相关的图像信息。图像信息可以包括例如围绕用于医疗装置24的目标部位的感兴趣区域和/或沿着预期为由医疗装置24通过的导航路径的多个感兴趣区域。图像数据库18中的数据可以包括已知的图像类型，包括(1)在过去各个单独的时间获取的一个或多个二维静止图像；(2)从图像获取装置实时获得的多个相关的二维图像(例如来自x射线成像设备的荧光图像)，其中图像数据库用作缓冲器(实况荧光透视)；和/或(3)限定影像回放的相关二维图像的序列，其中，序列中的每个图像具有至少与其相关联的ECG定时参数，足以允许根据所获取的从ECG监视器20获得的实时ECG信号来进行序列的重放。应该理解，前述实施例仅是示例并且本质上不是限制性的。例如，图像数据库同样还可以包括三维图像数据。还应该理解，图像可以通过现在已知的或今后开发的任何成像模式获取，所述成像模式例如X射线、超声波、计算机断层扫描、或核磁共振等。
ECG监视器20被配置为通过使用多个ECG电极(未示出)持续检测心脏器官的电定时信号，多个ECG电极可以在外部固定至患者身体的外部。此外，定时信号一般对应于心脏周期的特定相位。通常，ECG信号可以由控制单元12使用来用于数据库18中存储的先前捕获的图像序列的ECG同步重放(影像回放)。ECG监视器20和ECG电极可以都包括常规组件。
MPS22被配置为用作定位系统并且因此用于确定关于一个或多个MPS位置传感器28的位置(定位)数据并输出相应的位置读数。位置读数可以各自包括相对于参考坐标系的位置和方向(P&O)中的至少一个或两个，参考坐标系可以是MPS22的坐标系。对于一些类型的传感器，P&O可以利用五个自由度(5DOF)表达为传感器在相对于磁场发生器或发射机的磁场中的三维(3D)位置(即，三个轴X、Y和Z上的坐标)以及二维(2D)方向(例如方位角和仰角)。对于其他传感器类型，P&O可以利用六个自由度(6DOF)表达为3D位置(即，X、Y、Z坐标)和3D方向(即，侧倾、俯仰、和偏转)。以下将结合图12更详细地描述MPS22的示例性实施例。
MPS22基于从磁场传感器28接收到的捕获和处理信号来确定参考坐标系中的相应位置(即，P&O)，同时传感器位于可控低强度交流(AC)磁场(即电磁场)中。应该注意，尽管仅示出了一个传感器28，MPS22可以确定多个传感器的P&O。如以下更详细讨论的，每个传感器28等可以包括线圈，并且，从电磁视角看，当线圈处于磁场中时，变化的或AC磁场可以在线圈中感应电流。传感器28由此被配置为检测其所位于的磁场的一个或多个特性(即，通量)，并生成表示这些特性的信号，该信号进一步由MPS22处理以获得传感器28的相应P&O。根据传感器28的特性，P&O可以以5DOF或6DOF表达。以下至少结合图6A和8来更详细地描述示例性5DOF传感器。以下至少结合图7A和7B来更详细地描述示例性6DOF传感器。
仍参考图1，在实施例中，MPS22可以除了根据从传感器28接收到的信号以外还根据传感器28的特定物理特性来确定传感器28的P&O。这些特性可以包括例如表示或对应于传感器28上的线圈的一个或多个部分的相应缠绕角、线圈部分的数量、线圈中使用的导体的类型以及线圈中的环的方向和数量的预定校准数据。MPS22可以具有这些预编程的特性，可以从校准程序确定这些特性或者可以从与医疗装置24耦合的存储元件接收这些特性。
位置传感器28可以与MPS使能的医疗装置24关联。另一MPS传感器，即患者参考传感器(PRS)26(如果设置在系统10中)被配置为提供患者身体的位置参考以允许用于诸如呼吸引起的移动的患者身体移动的运动补偿。这种运动补偿在题目为“Compensation of Motion in a MovingOrgan Using an Internal Position Reference Sensor”的美国专利申请No.12/650,932中被更详细地描述，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。PRS26可以附接至患者的胸骨柄或其他位置。如MPS位置传感器28一样，PRS26被配置为检测其所位于的磁场的一个或多个特性，其中MPS22确定表示参考坐标系中的PRS的位置和方向的位置读数(例如P&O读数)。
图2是MPS22的坐标系30中的侧倾感测位置传感器28的图解视图。传感器28被示出为管状线圈传感器。传感器28的位置可以由MPS22针对坐标系30的三个轴(X,Y,Z)来确定，三个轴(X,Y,Z)相对于诸如磁场发生器的一件硬件来设置。传感器28的方向角(即，针对侧倾、俯仰和偏转)也可以通过MPS22来确定，其针对原点来获取。针对具有围绕一轴缠绕并沿着该轴延伸的线圈的传感器，诸如所示出的传感器28，“侧倾”是指围绕线圈延伸所沿着的轴29a的旋转。“俯仰”和“偏转”分别指围绕将线圈从“顶部”(例如轴29c)或“侧面”(例如轴29b)等分的轴的旋转。具有6DOF的线圈传感器可以感测围绕全部三个轴的旋转。具有5DOF的传感器一般可以感测仅围绕三个方向轴中的两个的旋转。
图3和4是在可以使用侧倾检测的示例性系统中设置在心脏32中的MPS使能的医疗装置24的图解视图。医疗装置24被示出为心内超声心动描记术(ICE)导管，其包括具有视场36的超声换能器34。医疗装置24具有侧倾感测位置传感器28(以虚像示出)，其一般类似与上述情形，并与医疗装置24的细长主体25同轴。换句话说，传感器28的纵轴与图2所示的轴29a类似，可以基本上与细长主体25的纵轴29平行。由此，传感器28的3D位置(X,Y,Z)和3D方向(侧倾，俯仰，偏转)也是医疗装置24的包含传感器28的部分的3D位置和3D方向。因为传感器28处于细长主体25中与换能器34基本上相同的位置，所以传感器28的3D位置和3D方向也可以是换能器34的3D位置和3D方向。
在示例性应用中，医疗装置24可以是ICE导管并且可以用于获取心脏壁的图像，其之后可以与预先获取的心脏模型配准。为了捕获图像，换能器34发射超声波并接收从视场36内传输的波的反射。反射用于构成视场36内的解剖结构、医疗装置和其他物体的图像。
为了将超声图像与预先获取的模型配准，有利的是知道视场36的方向，如在发明人Kanade等的题目为“Sensor Guided Catheter NavigationSystem”的美国专利申请公开2009/0163810中描述的那样，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。如在Kanade中描述那样，如果视场36是精确地参考定位系统坐标系30已知的，则超声图像可以更容易地与心脏模型配准。如果视场36的位置和方向已知，则视场36中每个像素和/或结构的在坐标系30中的坐标可以在不利用来自超声图像本身的信息的情况下确定。
如图3和4所示，医疗装置24例如可以围绕第一位置(图3)和第二位置(图4)之间的纵轴29旋转。因此，视场36的方向可以简单地通过围绕医疗装置24的轴29旋转换能器34来改变——即，换能器34的位置(X,Y,Z)、俯仰和偏转可以不改变，而换能器34的侧倾改变。在各种实施例中，可能期望利用较少的传感器并且通过利用具有传感器的医疗装置24中的减小的空间量来检测这种侧倾。根据这里所述的实施例中的一个或多个的侧倾感测位置传感器可以用于这种应用中。然而，应该理解，诸如这里所述的侧倾感测装置可以广泛地用于各种应用中，其中心内成像仅是一种这样的应用。
在进行根据本发明的侧倾感测位置传感器和医疗装置的描述之前，已知的位置传感器将首先被描述以帮助理解侧倾感测位置传感器的新设计。
图5是已知的电磁定位传感器38的等距视图。传感器38包括中空传感器芯40以及具有两个自由端部44a、44b的传感器线圈42。芯40可以是沿着中心轴“B”延伸的细长中空管，其具有外表面46和在相对轴向端部之间延伸的中央通孔48。孔48被配置为允许传感器38是螺纹式的或者应用至医疗装置。径向上最外层的表面46可以用作线圈42的缠绕表面。进而，线圈42可以围绕轴B缠绕在外表面46上，线圈的自由端部44被暴露以用作将线圈42连接至定位系统的引线。
如这里描述的各个实施例，传感器38可以被配置为检测变化的磁场的特性。在传感器级，这种检测由局部磁场经由线圈42感应的电流表示。感应电流与通过线圈的磁通量的变化成正比。这种通量变化可能由于以下中的一个或两个发生：(1)磁场本身的变化通量，或者(2)线圈在场中的投射区域(即，位置或方向)的变化。
简单来说，磁场本身的通量可以根据在场发射线圈中提供的电信号而改变以创建磁场。随着信号的电流在幅度上增大和/或减小(例如以正弦方式)，磁场的通量改变。然而，医疗环境中的这种通量变化将由诸如图1所示的MPS22的处理系统解决。
线圈在磁场中的投射区域是线圈表面至与场的轴正交的平面上的直线投射——即，正交平面中由线圈的体积占据的二维区域。例如，如果圆形线圈最初沿着磁场的轴放置(即，线圈的环的正交矢量与场轴平行)，则线圈在场的该轴上的投射区域简单地是该圆形的区域。但是，随着圆形线圈被转动或倾斜(即，围绕与图2所示的轴29b或29c类似的轴)，线圈中的每个环至与场轴正交的平面上的投射减小。随着线圈至场轴上的投射区域减小，在该轴上通过线圈的磁通量也减小。一旦线圈从其初始位置被转动或倾斜90度，以使得其正交矢量垂直于场轴，则其投射区域基本上为零，通过线圈的通量的量也基本上为零。
参考图5，通常，紧密缠绕的线圈中的单个环可以基本上是平面的。即，例如，环42a可以基本上位于平面43内。另外，这样的平面43可以基本上垂直于线圈42的纵轴B。在电磁方面，该垂直性对于基于磁场的方向检测来说可能有问题，因为平面内的旋转(即，围绕垂直于环的平面的线，诸如图5所示的实施例中线圈的纵轴B)可能不会改变环在磁场的任何轴中的投射区域。结果，尽管线圈旋转，但线圈对于信号处理装置(例如，图1所示的MPS22)看起来像具有相同方向。由此，平面内的旋转未被线圈有意义地检测。换句话说，围绕垂直于线圈中的环的平面的线的旋转是旋转“盲区”。这里所述的各个实施例解决了电磁位置传感器的这种旋转盲区。
继续参考图5，线圈42围绕芯40缠绕以使得每个单独环实际上垂直于轴B。轴B由此用作线圈42中每个环的旋转盲区，并且传感器38不能检测围绕轴B的旋转。在这里所述的各个实施例中，围绕轴B等的旋转被称为传感器的方向中的“侧倾”。因为传感器38的旋转盲区与侧倾轴B一致，因而传感器38不能感测侧倾或者其感测侧倾的能力有限。
线圈的环的旋转盲区可以通过线圈的缠绕(或导程)角确定。如这里所使用的，缠绕角指以下两者之间的最小角：(1)当从侧面观察线圈42时与线圈中的环(例如环42a)的一部分相切的线(即，环42a基本上位于的平面43中的线)，以及(2)垂直于线圈的纵轴(示出为轴B)的线。这个垂直线在图5中以及在全部附图中表示为线“C”。在传感器38中，线圈中的每个环与线C平行。因此，在传感器38中，线圈42具有基本上为零的缠绕角。
图6A是电磁位置传感器的第一实施例的等距视图，其表示为传感器28a，被配置为在其中感应电流，以用于检测围绕由传感器28a的至少一部分限定的纵轴的侧倾或旋转。传感器28a可以包括中空传感器芯50和基本上位于平面53内并具有两个自由端部54a、54b的传感器线圈52。芯50可以是沿着纵轴B’延伸的细长中空管，其具有外表面56和在相对轴向端部之间延伸的中央通孔58。此外，孔58可以被配置为允许传感器28a是螺纹式的或者应用至医疗装置。径向上最外层的表面56可以用作线圈52的缠绕表面。进而，线圈52可以围绕轴B’缠绕在外表面56上，线圈的自由端部54a、54b被暴露以用作将线圈52连接至MPS22的引线。应该注意，轴B’被示出叠加在芯50的表面外部以示出轴B’与线C的交点，这在以下更详细论述。轴B实际上延伸通过芯50和线圈52的几何中心。
根据应用，芯50可以是实心或中空的(如示出的)，并且可以仅由例如金属或聚合物制成。此外，用于芯50的材料可以针对它们的磁导率选择以增强线圈52的灵敏度，或者针对它们的机械属性与医疗装置的期望机械属性的相似性来选择。例如，可能期望金属芯增大较小直径的装置的灵敏度(例如用于导丝应用中)。代替中空芯，实心的芯可以用于实施例中以减小传感器的尺寸和/或增强传感器的灵敏度。可替换地，芯可以被完全省略(例如空气芯)。芯50的尺寸可以在径向和轴向上被设计为适合特定应用。
图6B是传感器28a的基本上沿线6B-6B(与线C平行)所截取的横截面视图。如图6A和6B所示，线圈52可以包括缠绕以径向围绕一体积的导体。例如，线圈52可以包括具有合适特性的传统丝，所述特性诸如材料或合金类型、厚度(线规——AWG)、以及绝缘涂层类型和厚度等，如本领域已知的。线圈52可以被缠绕成期望数量的环、期望轴长度和期望径向厚度(即，层)以满足期望检测特性。尽管针对线圈52仅示出一个层，但在实施例中可以包括更多的层。线圈52可以可替代地或另外包括另一导体类型，诸如柔性印刷电路板上的导电迹线(图8中示出)。
如图6A所示，线圈52具有相对于垂直线C基本上为非零的缠绕或导程角θ。因为线圈具有非零缠绕角，垂直于线圈52中的环的线偏离轴B’，因而线圈在磁场中的投射区域随着传感器28a围绕轴B’旋转而改变。因为投射区域基于线圈的旋转而改变，因而传感器28a响应于磁场所产生的信号表示传感器的侧倾。但是，由于线圈52中的每个环实际上与每个其他环平行，因而传感器28a仍然具有旋转盲区。因而尽管传感器28a可以检测侧倾，其仍维持5DOF传感器。
线圈52的缠绕角θ可以在不同实施例中变化以例如最大化传感器检测侧倾的能力，但仍最小化传感器的轴向尺寸。缠绕角应该基本上为非零——即，足够大以使得线圈在磁场中的投射区域随着传感器侧倾而有意义地改变，从而处理器或电子控制单元(例如仅图1中示出的MPS22)可以根据投射区域的改变来确定线圈52的侧倾。针对这种“有意义的”改变所需要的精确角可以根据传感器的特性(例如，材料、线圈直径等)和/或系统的特性(例如，磁场强度、信号处理分辨率、信噪比)而变化。在传感器和系统的一个示例性组合中，线圈在磁场中的投射区域随着至少为约2度的线圈52的缠绕角θ有意义地改变。因此，在实施例中，线圈52的缠绕角在至少为2度时可以被认为“基本上非零”，但“基本上非零”不必须限于这一角度。在实施例中，线圈52可以以约45度的缠绕角θ实现用于侧倾检测的最大分辨率。因此，在各个实施例中，缠绕角θ可以在约2度和约45度之间。应该理解，上述缠绕角仅是示例性的，并且本质上不是限制性的，在权利要求中列举的可除外。
图6C-6J是与环基本上位于的平面(例如平面53)正交地观察的线圈52中的环(诸如环52a)的示例性外部形状的替代图解视图。如图中所示，许多不同的环形状可以用于缠绕线圈52(但是通常，单个形状可以用于单个线圈中的每个环)，并且这些形状是预期的。线圈52中的每个环可以基本上是圆形(图6C)、椭圆形(图6D)、方形(图6E)、矩形(图6F)、圆角矩形(图6G)、三角形(图6H)、五边形(图6I)、六边形(图6J)、另一凸多边形、或未在图中明确示出的另一形状。在多边形实施例中，线圈52中的每个环可以具有“尖的”边缘(例如，如图6E、6F和6H-6J中所示)或圆的边缘(例如，如图6G所示)。而且，线圈52中的每个环可以呈现径向、双向或其他对称性，或者可以是非对称的。因此，这里所使用的术语“环”和“线圈”不限于圆形或环形的形状，而是可以是许多形状中的一个或多个。
图7A是侧倾感测电磁位置传感器的另一实施例的等距视图，其表示为传感器28b。传感器28b包括传感器28a的相同材料、方面和特征中的许多，但传感器28b包括具有两个部分52a’、52b’的线圈52’，部分52a’、52b’中的每个分别具有其自己的缠绕角，标记为角θ1和θ2。部分52a’具有自由端部54a’、54b’，以及部分52b’具有自由端部54c’、54d’，以用于连接至MPS22。部分52a’直接缠绕在外表面56上，以及第二部分52b’缠绕在第一部分52a’的上边，即在径向上的外面。
第一部分52a’和第二部分52b’可以由独立的导体形成。在该实施例中，部分52a’和部分52b’产生表示每个部分各自的P&O的独立信号。如传感器28a那样，每个部分52a’、52b’可以感测其自身的侧倾。也如传感器28a那样，每个部分52a’、52b’具有旋转盲区。但是围绕部分52a’、52b’中之一的盲区的旋转由另一部分检测。结果，来自部分52a’、52b’的信号总地表示全部六个自由度。来自部分52a’、52b’的独立信号可以被处理(例如由MPS22)以确定传感器28b的6DOF P&O。
图7B是侧倾感测电磁位置传感器的另一实施例的等距视图，其表示为传感器28c。传感器28c与传感器28b的类似之处在于部分52a’’直接缠绕在外表面56上以及第二部分52b’’缠绕在第一部分52a’’的上边，即在径向上的外面。但是线圈52’’由单个连续导体形成，因而第一部分52a’’和第二部分52b’’通过过渡部分52c’’电耦合在一起并产生表示传感器的P&O的单个信号。在两个缠绕角合成至单个连续导体的情况下，线圈52’’不具有旋转盲区——围绕任何线的旋转引起线圈的一些部分在磁场中的投射区域的变化。由此，线圈52’’可以检测围绕所有旋转轴的旋转，并且线圈52’’中感应的电流表示全部六个自由度。
在单导体(传感器28c，图7B)或多导体实施例(传感器28b，图7A)中，缠绕角θ1和θ2在设计上可以变化并且针对特定应用制造。线圈52中的至少一个缠绕角应该基本上为非零——即，足够大以使得线圈在磁场中的投射区域随着传感器侧倾而有意义地改变，如上所述。例如，缠绕角θ1、θ2中的一个或两个可以在约2度和约45度之间，包括约2度和约45度。线圈52可以在θ1和θ2的和是约90度的实施例中实现针对侧倾检测的最大分辨率以使得第一线圈部分52a和第二线圈部分52b基本上相互垂直地缠绕。然而，在实施例中，线圈52中的一个或多个其他缠绕角可以基本上为零。θ1和θ2可以是一致的——即，相等的，并且在线C两边相对——或者是不一致的。此外，尽管第一部分52a和第二部分52b被示出为在它们各自的轴向长度的大部分上重叠，但重叠的量可以根据需要变化。在实施例中，重叠可以被消除以使得部分52a与部分52b轴向相邻。部分52a、52b可以在环的数量、轴向长度和径向厚度(即，层)方面相同或不同。在多导体实施例中，部分52a、52b可以在导体类型、材料或合金类型、厚度(线规—AWG)以及绝缘涂层类型和厚度方面相同或不同。
应该理解，可以对传感器28a、28b和28c的所示出实施例作出许多变化并且这些变化保持在权利要求的范围和精神内。可以使用多于两个导体部分，并且这些导体部分的缠绕角可以是相互完全唯一的，或者可以是冗余的(即，传感器可以包括多个缠绕段，每个具有其自己的缠绕角)。缠绕角θ、θ1和θ2可以与上述明确阐述的不同。此外，在传感器维持权利要求中所述的特征的范围内，线圈52以及线圈部分52a和52b在环的数量或间距方面不受限制。
图8是侧倾感测位置传感器的第四实施例的等距视图，其表示为传感器70。传感器70包括柔性印刷电路板(PCB)，如在题目为“Method forProducing a Miniature Electromagnetic Coil Using Flexible Printed Circuitry”的共同待决的美国专利申请No.13/232,536中描述的，其全部内容通过引用包含于此，如同在此全部阐述一样。以下将给出传感器70的柔性PCB的简要描述。以上引用的申请关于柔性PCB的设计和制造的更多细节可以被参阅。
传感器70包括电绝缘的相对柔性的基底72和设置(即“印刷”)在基底72的第一表面上的导电迹线74。迹线74以被配置为创建当基底72被折叠或形成为所示出的最终形状时的感测线圈80的图案布置。利用基底72形成的形状沿着一轴(类似于轴B’，参见图6A等)延伸，线圈80围绕该轴设置。
为了实现期望的最终形状，基底72可以被盘绕、折叠或以其他方式形成。在图8中，最终的期望形状是具有圆形的径向横截面的圆筒形，其通过以下方式形成：盘绕基底72以使得其端部相接以形成接缝。然而应该理解，其他形状也是可行的(诸如图6C-6J中所示的形状)。在形成所示出的最终形状之前，基底72可以是大体矩形，具有纵向(即长尺寸)和横向(即，较短尺寸)。然而，应该理解，根据期望的迹线图案和传感器最终形式，基底可以采用各种形状和尺寸。
基底72可以包括用于柔性印刷电路的本领域已知的传统材料，诸如从包括以下的组中选择的柔性塑料材料：聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或它们的组合。在一些实施例中，基底72可以包括由杜邦公司市售的或材料。应该理解，变化是可行的。导电迹线74可以包括导电材料，诸如铜，但是根据期望电特性，其他导电材料，诸如铂或金或其组合(例如，镀有铂、金或银的铜)也是可行的。可以使用传统方法和材料来用于在基底72上形成(“印刷”)合适的图案(迹线74)。此外，尽管未示出，电绝缘材料的覆层可以设置在导电迹线图案74上。
迹线74包括始端引线76和末端引线78，这两个引线被配置为提供耦合至定位系统的信号。末端引线78在基底72的“背部”延伸并且经由通孔82电耦合至迹线74的在基底72的“前部”的部分。迹线72在始端引线76和末端引线78之间电连续。应该理解，“始端”和“末端”名称仅是示例性的并且本质上不是限制性的。如所示出的，迹线之间的间隔在迹线图案上可以是恒定的。
迹线74被印刷以使得线圈80在传感器70成形为其最终形式时具有非零缠绕角θ。结果，线圈80在磁场中的投射区域随着传感器70围绕其中心轴旋转而改变(如以上指出的，与轴B等类似)，因而传感器70可以感测侧倾。但是因为仅一个缠绕角被包括在线圈80中，因而线圈80具有旋转盲区并且传感器70是5DOF传感器。
可以对所示出的传感器70的实施例进行许多变化并且这些变化保持在权利要求的范围和精神内。可以使用两个或更多个PCB导体部分，并且这些导体部分的缠绕角可以是相互完全唯一的或者可以是冗余的。多个PCB(或者一个或多个导电迹线层通过中间的电绝缘层与相邻的导电迹线层分离)可以在径向上相互层叠，或者可以在轴向上相互邻近放置。缠绕角可以与上面明确阐述的不同。此外，在传感器维持权利要求中所述的特征的范围内，线圈80在迹线的数量或间距方面不受限制。
诸如传感器28a、28b、28c和70的侧倾感测位置传感器可以用于各种医疗装置中并且可以合并至各种配置的装置中。图9-11示出两个这种配置。然而，应该理解，其他配置是可行的，并且传感器28a、28b、28c和70不限于所示出的医疗装置实施例。特别地，应该注意，由每个传感器提供的开放中央腔和调整每个传感器的径向尺寸的能力允许创建伸缩的医疗装置，每个医疗装置可以独立地由定位系统跟踪。
图9是用于与系统10一起使用的MPS使能的医疗装置24a的实施例的侧视截面图。所示出的医疗装置24a包括近端部60、远端部62、轴64和沿着第一轴“A”延伸的中央腔66。医疗装置24a进一步包括医疗装置传感器28，其本身包括沿着第二轴B延伸的芯50和围绕轴B设置的线圈52。
轴64可以具有特定应用所需求的厚度、长度和横截面形状。轴64可以由医疗器械的领域中已知的任何合适管材制成，诸如工程尼龙树脂和塑料，包括但不限于由阿科玛公司市售的商标名称为的弹性体，其具有合适的硬度、熔化温度和/或其他特性。腔66(或多个基本平行的腔)可以设置在轴64中以用于流体的通过、其他医疗装置的穿过或本领域公知的其他目的。如轴64那样，腔66可以被成形并设计尺寸以适合特定应用。
在所示出的实施例中，传感器28具有围绕中央腔66设置的中空芯50和围绕芯50设置的线圈50，以使得传感器轴B与装置轴A一致。因为芯50在所示出的实施例中是中空的并围绕腔66设置，腔66是畅通的并且可以用于通过流体、其他医疗装置或本领域已知的其他物体或材料。传感器28可以经由在近端延伸的一个或多个线(例如双绞线)(未示出)连接至诸如MPS22的定位系统。传感器28可以根据本领域已知的方法被制造成医疗装置24a，例如题目为“Electromagnetic Coil Sensor for a MedicalDevice”的美国专利申请12/982,120中所述，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。传感器28也可以利用柔性印刷电路板(PCB)创建。
图10是具有侧倾感测电磁位置传感器的医疗装置的另一实施例的侧视图，其表示为医疗装置24b。医疗装置24b包括近端部60、远端部62以及其中具有壁和周向槽68的轴64。侧倾感测电磁定位传感器28在槽68内。轴64沿着轴A’延伸。
在所示出的实施例中，传感器28包括在槽68上直接缠绕的线圈52而没有传感器芯。线圈围绕基本上与装置轴A’一致的轴B缠绕。轴A’和B在轴64的表面上投影示出以示出它们与线C的交点，但是轴A’和B实际上延伸通过装置的径向中心。线圈52具有相对于线C的非零缠绕角θ——即，与线圈52中的环相切的线(例如平面63内的线)以非零角与线C相接，从而传感器28可以感测围绕轴B的侧倾，如以上结合图2-8所述。应该注意，医疗装置24b不限于图9所示的传感器组件。在替代实施例中，传感器28可以包括具有多个不同缠绕角的多个部分。线圈52可以通过调节例如导体部分的数量和它们的缠绕角、轴向绕组的数量和径向层的数量来适配装置24b的期望几何形状。为了视觉清晰，在图10中仅示出线圈52的一个径向层，但是诸如线圈52’的线圈可以包括多个径向层，如图11所示。将传感器线圈直接缠绕在导管轴上更详细地在以上提到的并通过引用包含的美国专利申请No.12/982,120中描述。
槽68提供用于传感器28的凹口，以使得医疗装置24b可以具有集成至轴64中的传感器，而不增大装置的径向厚度。槽68的内表面可以用作线圈52可以直接缠绕的缠绕表面。槽68具有深度“h”并且在其轴向端部由侧壁限制，侧壁形成缠绕凸缘。尽管侧壁一般示出为与轴A’垂直，但侧壁可以具有针对期望缠绕图案所需的任何角度和方向。类似地，槽68的深度、宽度和形状可以适配至期望缠绕图案(例如，导体部分的数量、缠绕角、轴向环的数量、径向层的数量)。
如以上指出的，医疗装置24b不限于所示出的传感器28的实施例。在另一实施例中，可以使用没有芯的线圈(即，空气芯)或在芯上形成的线圈(诸如传感器28a或28b)。也可以使用柔性PCB传感器。槽68可以针对特定传感器和/或医疗装置在深度、宽度、侧壁角上适配并且以其他方式在尺寸和形状上适配。
图11是与图10类似的医疗装置的基本上在图10的页面内所截取的图解横截面视图。轴64具有沿着装置轴A’延伸并关于装置轴A’对称的中央腔66。腔66通过轴64的壁的一部分与传感器28分离。因为传感器轴B基本上与医疗装置轴A’一致，因而腔66也关于轴B对称。在槽68中缠绕线圈52允许无障碍的腔66(或多个基本平行的腔)。
如针对图10所提到的，医疗装置24b中的线圈52可以包括多个径向层。如图11所示，径向层的数量可以是例如仅三个。当然更多或更少的径向层是可行的并且被预期。
图12是MPS22的一个示例性实施例的示意框图，其表示为MPS110，如参考题目为“Medical Imaging and Navigation System”的美国专利No.7,386,339所示的，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样，并且其一部分在下面再现，总地至少部分描述了由以色列海法的MediGuide股份有限公司市售并且现在由圣犹达医疗公司拥有的gMPSTM医疗定位系统。应该理解，可以进行变化，例如也参见题目为“MedicalPositioning System”的美国专利No.6,233,476所示，其全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。另一示例性基于磁场的MPS是由Biosense Webster市售的CartoTM系统，如总地在例如题目为“IntrabodyMeasurement”的美国专利No.6,498,944和题目为“Medical Diagnosis,Treatment and Imaging Systems”的美国专利No.6,788,967中示出和描述的，两者的全部内容通过引用包含于此，如在此全部阐述一样。因此，以下描述仅是示例性的并且实际上不是限制性的。
MPS系统110包括位置和方向处理器150、发射机接口152、多个查找表单元1541、1542和1543、多个数字模拟转换器(DAC)1561、1562和1563、放大器158、发射机160、多个MPS传感器1621、1622、1623和162N、多个模拟数字转换器(ADC)1641、1642、1643和164N、以及传感器接口166。
发射机接口152连接至位置和方向处理器150以及查找表单元1541、1542和1543。DAC单元1561、1562和1563连接至查找表单元1541、1542和1543中相应的一个并连接至放大器158。放大器158进一步连接至发射机160。发射机160还被标记为TX。MPS传感器1621、1622、1623和162N还被分别标记为RX1、RX2、RX3和RXN。MPS传感器1621、1622、1623和162N可以是这里所述的传感器28a、28b、28c和/或28d，或者可以是其他传感器。此外，MPS传感器1621、1622、1623和162N可以合并至医疗装置24a、医疗装置24b或另一医疗装置中。模拟数字转换器(ADC)1641、1642、1643和164N分别连接至传感器1621、1622、1623和162N并连接至传感器接口166。传感器接口166进一步连接至位置和方向处理器150。
查找表单元1541、1542和1543中的每一个产生数字的循环序列并将其提供至相应的DAC单元1561、1562和1563，这些DAC单元转而将其转变成相应的模拟信号。模拟信号中的每一个表示不同的空间轴。在本示例中，查找表1541和DAC单元1561产生针对X轴的信号，查找表1542和DAC单元1562产生针对Y轴的信号，以及查找表1543和DAC单元1563产生针对Z轴的信号。
DAC单元1561、1562和1563将它们各自的模拟信号提供至放大器158，其放大模拟信号并将放大后的信号提供至发射机160。发射机160提供多轴电磁场，其可以由MPS传感器1621、1622、1623和162N检测到。MPS传感器1621、1622、1623和162N中的每一个检测电磁场，产生相应的电模拟信号并将其提供至连接至其上的相应ADC单元1641、1642、1643和164N。ADC单元1641、1642、1643和164N中的每一个将进给至其的模拟信号数字化，将其转换成数字序列并将该数字序列提供至传感器接口166，传感器接口166转而将数字序列提供至位置和方向处理器150。位置和方向处理器150分析所接收到的数字序列，由此确定MPS传感器1621、1622、1623和162N中的每一个的位置和方向。位置和方向处理器150进一步确定失真事件并相应地更新查找表1541、1542和1543。
尽管以上以特定程度的特殊性描述了本发明的许多实施例，但本领域技术人员可以在不背离本发明的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行许多修改。所有方向参考(例如，正、负、上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、之上、之下、垂直、水平、顺时针和逆时针)仅用于标识目的以帮助本发明的读者的理解，并且不产生限制，特别对于本发明的位置、方向或使用。结合参考(例如，附接、耦合、和连接等)将被宽泛地解释并且可以包括元件的连接之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，结合参考不必须指两个元件直接连接并处于彼此固定的关系。包含在以上说明书中的或在附图中示出的所有内容应被解释为仅示例性的并且非限制性的。可以在不背离所附权利要求书中限定的本发明的精神的情况下作出细节或结构的改变。

Claims (20)

1.一种磁传感器组件，包括：
沿着一轴延伸并围绕所述轴设置的线圈，所述线圈包括一个或多个部分，每个部分限定一缠绕角，其中，所述一个或多个部分中的至少一个限定相对于垂直于所述轴的线基本上为非零的缠绕角，由此，所述线圈在所施加磁场中的投射区域随着所述线圈围绕所述轴旋转而改变。
2.根据权利要求1所述的磁传感器组件，其中，所述线圈包括至少两个部分，其中所述至少两个部分中的第一部分限定相对于所述线基本上为非零的第一缠绕角，以及所述至少两个部分中的第二部分限定与所述第一缠绕角不同的第二缠绕角。
3.根据权利要求2所述的磁传感器组件，其中，所述第一缠绕角和所述第二缠绕角的和为大约90度以使得所述第一部分和所述第二部分基本上垂直。
4.根据权利要求2所述的磁传感器组件，其中，所述第一部分与所述第二部分电耦合。
5.根据权利要求1所述的磁传感器组件，还包括沿着所述轴延伸的芯，所述芯具有芯外表面，其中所述线圈设置在所述芯外表面上。
6.根据权利要求1所述的磁传感器组件，其中，所述线圈的环的外部形状基本上包括从以下组成的组中选择的形状：
圆形；
椭圆形；以及
凸多边形。
7.根据权利要求1所述的磁传感器组件，其中，所述一个或多个部分中的至少一个包括导电丝。
8.根据权利要求1所述的磁传感器组件，其中，所述一个或多个部分中的至少一个包括位于柔性印刷电路板上的迹线。
9.根据权利要求1所述的磁传感器组件，其中，所述线圈在径向上围绕所述轴延伸通过的体积。
10.一种医疗装置传感器组件，包括：
沿着一轴延伸的芯，其具有外表面；以及
沿着所述轴延伸并且围绕所述轴设置的线圈，所述线圈包括设置在所述芯外表面上的限定第一缠绕角的第一部分以及与所述第一部分电耦合的限定与所述第一缠绕角不同的第二缠绕角的第二部分；
其中，所述第一缠绕角和所述第二缠绕角中的至少一个相对于垂直于所述轴的线基本上为非零；
由此，所述线圈被配置为响应于所施加的磁场来产生表示至少所述线圈围绕所述轴的侧倾的信号。
11.根据权利要求10所述的医疗装置传感器组件，其中，所述第一缠绕角和所述第二缠绕角的和为大约90度以使得所述第一部分和所述第二部分基本上垂直。
12.根据权利要求10所述的医疗装置传感器组件，其中，所述第一缠绕角和所述第二缠绕角中的一个基本上为零。
13.根据权利要求10所述的医疗装置传感器组件，其中，所述第二部分的至少一部分位于所述第一部分的至少一部分的径向之外。
14.根据权利要求10所述的医疗装置传感器组件，其中，所述第二部分的至少一部分与所述第一部分的至少一部分轴向相邻。
15.一种磁传感器组件，包括：
沿着一轴延伸并围绕所述轴设置的线圈，所述线圈包括一个或多个部分，每个部分限定一缠绕角，其中，所述一个或多个部分中的至少一个限定相对于垂直于所述轴的线至少为大约2度的缠绕角，由此，所述线圈在所施加磁场中的投射区域随着所述线圈围绕所述轴旋转而改变。
16.根据权利要求15所述的磁传感器组件，其中，所述线圈包括至少两个部分，其中所述至少两个部分中的第一部分具有相对于所述线至少为大约2度的第一缠绕角，以及所述至少两个部分中的第二部分具有与所述第一缠绕角不同的第二缠绕角。
17.根据权利要求16所述的磁传感器组件，其中，所述第一缠绕角和所述第二缠绕角的和为大约90度以使得所述第一部分和所述第二部分基本上垂直。
18.根据权利要求17所述的磁传感器组件，其中，所述第一部分与所述第二部分电耦合。
19.根据权利要求15所述的磁传感器组件，还包括沿着所述轴延伸的芯，所述芯具有芯外表面，其中所述线圈设置在所述芯外表面上。
20.根据权利要求15所述的磁传感器组件，其中，所述线圈的径向横截面基本上包括从以下组成的组中选择的形状：
圆形；
椭圆形；以及
凸多边形。
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