CN106963453A - 用于磁位置跟踪器的抗磁干扰 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于磁位置跟踪器的抗磁干扰”。本发明公开了一种设备，该设备包括铁磁片和至少一个辐射器，该至少一个辐射器安装在铁磁片附近并且配置成将磁场辐射到其邻近区域中。该设备还包括热绝缘的固体片，该热绝缘的固体片安装在所述铁磁片与所述至少一个辐射器之间以便阻止热能从至少一个辐射器传输到铁磁片。

Description

用于磁位置跟踪器的抗磁干扰

技术领域

本发明整体涉及磁跟踪系统，并且具体地，涉及消除由所述系统产生的磁场中的干扰。

背景技术

尤其是在鼻窦手术中，外科手术中的器械的定位为至关重要的，因为窦邻近敏感特征结构，诸如脑神经和视神经。用于有利于此类器械的定位的各种方法在专利文献中为已知的。

例如，授予Goldfarb等人的美国专利申请2012/0265094描述了一种可用于有利于导丝的经鼻插入和定位的方法，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文。该方法涉及经由内窥镜直接观察导丝。

授予Jenkins等人的美国专利申请2012/0078118描述了一种照明导丝装置，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文。该公开内容声明该装置可用于提供透照，并且可有利于靶解剖结构的可视化。

授予Ashe的美国专利6,246,231描述了一种磁场位置和取向测量系统，该专利的公开内容以引用方式并入本文。该系统被声明容纳、限制和重新导向来自一个或多个发生器的磁场，使得在通常存在金属物体的区域中，该场在操作容积之外的区域中被衰减。

以引用方式并入本专利申请的文献将被视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中定义的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的定义在某种程度上相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

发明内容

本发明的实施方案提供了一种设备，包括：

铁磁片；

至少一个辐射器，所述至少一个辐射器安装在铁磁片附近并且配置成将磁场辐射到其邻近区域中；和

热绝缘的固体片，所述热绝缘的固体片安装在铁磁片与所述至少一个辐射器之间以便阻止热能从所述至少一个辐射器传输到铁磁片。

在本发明所公开的实施方案中，固体片具有不超过0.7W·m^-1·K^-1的热导率。

在另一个本发明所公开的实施方案中，固体片包括木材。

在另一个本发明所公开的实施方案中，固体片包括碳纤维片。

在另选的实施方案中，铁磁片包含镀锌铁。

在另一个另选的实施方案中，铁磁片包括具有小于2奥斯特的矫顽磁力的软磁材料。

在另一个另选的实施方案中，磁场导致铁磁片以不饱和方式操作。

通常，所述至少一个辐射器包括在铁磁片中产生线圈的磁映像的线圈，并且铁磁片与所述至少一个辐射器之间的距离被设定成使得磁映像辐射具有磁场的小于0.1％的失真的映像磁场。

热绝缘的固体片可包括位于该片中的穿孔。

所述设备可包括具有传感器的侵入式探头，所述传感器响应于磁场而产生指示探头的相对于所述至少一个辐射器的位置的信号。

根据本发明的实施方案，还提供了一种方法，包括：

提供铁磁片；

将至少一个辐射器安装在铁磁片附近并且配置所述至少一个辐射器用于将磁场辐射到其邻近区域中；以及

将热绝缘的固体片安装在铁磁片与所述至少一个辐射器之间以便阻止热能从所述至少一个辐射器传输到铁磁片。

结合附图，根据下文对本公开的实施方案的详细说明，将更全面地理解本公开，其中：

附图说明

图1为根据本发明的实施方案的窦外科手术系统的示意图；

图2为根据本发明的实施方案的用于图1的系统中的磁辐射器组件的示意性透视图；并且

图3为根据本发明的实施方案的组件的示意性分解横截面图。

具体实施方式

概述

磁跟踪系统为跟踪领域熟知的，其中磁场被辐射到容积内并且该场在位于该容积中的磁传感器中感应信号。来自传感器的信号可用于跟踪该容积中的传感器的位置。此类系统通常用于跟踪外科手术中所用的侵入式探头的方位和取向，尤其是在其他跟踪形式(诸如利用内窥镜进行观察)为不便的或甚至不可能的情况下。

然而，尤其在外科手术情况下，该系统易于产生误差，因为用于跟踪的磁场可因该容积内或甚至极其靠近该容积的金属物体的存在和/或引入而改变。由于磁场为交变的，因此误差可由铁磁或非铁磁金属引起，因为在后者中感应的涡电流改变磁场。在外科手术情况下，误差引入可产生危险问题，因为用于侵入式手术的工具的位置中的甚至1mm的误差可导致可能悲剧性的后果。

本发明的实施方案提供了一种磁跟踪组件，所述磁跟踪组件可基本上不受金属引入的影响。所述组件包括安装在至少一个辐射器(通常为保持在一个框架中的多个辐射器)附近的铁磁片。辐射器将磁场辐射到铁磁片附近的区域内。热绝缘的固体片安装在辐射器与铁磁片之间，以便阻止热能从辐射器传输到铁磁片。

邻近辐射器安装铁磁片可降低由外来金属引入到辐射器对侧的片的侧面而产生的对辐射磁场的不利影响。然而，在操作中，辐射器产生热，并且在不存在独立的热绝缘片的情况下，热传输到铁磁片，使其温度升高，并且由此改变其特性。特性的改变通过例如导致所述组件的校准变得无效而不利地影响所述组件的操作。

在辐射器和铁磁片之间安装热绝缘片阻止辐射器产生的热传输到铁磁片，使得铁磁片的温度在辐射器的操作期间保持基本上恒定。通过保持铁磁片的温度基本上恒定，该片的特性保持不变，使得所述组件的操作不受影响。

系统描述

现在参考图1，其为窦外科手术系统20的示意图，参考图2，其为用于该系统中的磁辐射器组件24的示意性透视图，并参考图3，其为根据本发明的实施方案的组件的示意性分解横截面图。以举例的方式并且为清楚可见，在下述描述中，外科手术系统20被假定用于对患者22执行的鼻窦手术，使得在这种情况下，磁辐射器组件24在手术之前被定位在患者的头部之下以及支撑患者的床25之上。然而，用于对患者22执行的其他侵入式手术的组件24的另选位置和其他构型对于本领域的普通技术人员而言将显而易见，并且全部此类位置和构型被假定为涵盖在本发明的范围内。

下文更详细描述的组件24包括磁场辐射器26，所述磁场辐射器26将交变正弦磁场发射到患者22的头部所处的区域30内。在手术期间，将探头28经由患者的鼻孔插入患者的窦内，所述探头28包括位于其远侧端部34处的磁传感器32。一旦组件24已被校准，响应于与磁场的相互作用而在传感器中感应的信号就使得远侧端部34的方位能够在患者内被跟踪。由Biosense Webster(Diamond Bar,CA)生产的系统使用类似于本文所述的系统来找到线圈在磁场所辐射区域中的位置和取向。

包括辐射器26的系统20的元件可由系统处理器40控制，所述系统处理器40包括与一个或多个存储器通信的处理单元。处理器40可安装在控制台50中，所述控制台50包括操作控制件58，所述操作控制件58通常包括小键盘和指向装置，诸如鼠标或轨迹球。控制台50经由缆线60连接到辐射器，并且还连接到系统20的其他元件，诸如探头28的近侧端部52。医师54在执行手术时使用操作控制件来与处理器进行交互，并且处理器可在显示屏56上呈现由系统20产生的结果。

处理器40使用存储在处理器的存储器中的软件来操作系统20。例如，软件可以电子形式通过网络下载到处理器40，或者作为另外一种选择或除此之外，软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光学存储器、或电子存储器)上。

处理器40使用软件(除了别的以外)来操作组件24的磁辐射器26。如上所述，辐射器将不同频率的正弦交变磁场发射到区域30(包括患者22的头部)中，并且来自辐射器的场在传感器32中感应信号。处理器分析信号，以导出传感器和因此探头28的远侧端部的位置和取向值，所述位置和取向值是相对于由组件限定的参照系测量的。

为了适应患者头部在手术期间的运动，将一个或多个磁场传感器(未示于附图中)固定到患者的头部，并且处理器40利用来自这些“头部”传感器来导出患者头部的位置和取向值。头部传感器限定患者头部的参照系，并且处理器配置成利用头部传感器信号来配准两个参照系，使得探头远侧端部的位置和取向相对于患者头部为已知的。

在现有技术磁跟踪系统中，由现有技术系统的辐射器产生的磁场可受到辐射器附近的或辐射器正辐射其场的区域附近的外来铁磁材料和非铁磁材料的存在、引入、或移除的影响。本发明的实施方案通过将辐射器结合到组件24内显著地降低了外来材料对辐射器26的磁场的影响。

组件24包括铁磁片70，所述铁磁片70具有由“a”表示的厚度并且通常包括“软”磁材料，所述“软”磁材料具有高初始磁导率和低于或等于2奥斯特的低矫顽磁力。在一个实施方案中，a＝2mm并且铁磁片包括具有数千的磁导率和约2奥斯特的矫顽磁力的镀锌铁片。发明人相信其他高初始磁导率/低矫顽磁力铁磁材料为适用于片70的材料。片70的厚度“a”的值的典型范围介于1mm和5mm之间，但在一些实施方案中，片70具有该范围之外的厚度。铁磁片70具有上表面76。

辐射器26被结合到框架72中，所述框架72通常具有马蹄形形状以用于针对患者22的头部的手术。如图3所示，框架72被假定为具有由“c”表示的厚度，并且辐射器26的中心被假定为距框架的基部74的距离为“d”。马蹄形形状适配在患者的头部周围同时使得辐射器26能够被布置成邻近患者，并且同时仍然允许患者的头部倚靠在床25上。用于患者22的不同部分(例如，患者的心脏上)上的侵入式手术的框架72的另选形状对于本领域的普通技术人员而言将显而易见，并且全部此类形状被假定为涵盖在本发明的范围内。

框架72通常由电绝缘体形成，例如，聚碳酸酯材料。框架通常具有低膨胀系数和高刚度，因为如下所述，一旦框架中的辐射器与铁磁片之间的距离已被设定，该距离就应尽可能地保持恒定。在一个实施方案中，框架72由两个独立的半块构成，每个半块均具有马蹄形形状。两个独立的半块允许辐射器26插入半块中的一个内。一旦辐射器已插入并且连接到驱动缆线60，就将两个半块连接在一起，使得辐射器26被完全包封在框架中。在本发明所公开的实施方案中，框架72具有约35cm的总宽度，约40cm的总长度，和约3cm的厚度(图3中的“c”)。

存在五个辐射器26，每个辐射器均包括具有互相正交的轴的一组三个线圈。与使用较少(例如三个)辐射器相比，使用五个辐射器改善了由组件24确定的位置的精确性。在一个实施方案中，线圈缠绕在具有50mm宽度×50mm长度×23mm深度的维度的矩形空心线轴上；该线轴通常居中设置在框架72内，使得图3中的“d”(辐射器的中心距框架的基部的距离)为约1.5cm。在上文提及的一个实施方案中，辐射器连接到驱动缆线60，并且随后插入如上所述的框架72内。

给定辐射器26中的每个线圈可被处理器40以该线圈特有的频率进行驱动。通常，线圈被驱动的频率为约20KHz，但可使用其他驱动频率。如上所述，辐射器在传感器32中感应对应频率的信号，并且辐射器26中的每个线圈的特有频率使得处理器能够识别辐射器的哪个线圈正在传感器中产生对应信号。

在本发明的实施方案中，从辐射器26到面76的距离被设定成使得给定线圈在该片处的磁场H从不使该片饱和。即，铁磁片70以不饱和方式操作。

来自辐射器26中的给定线圈的交变磁场在铁磁片70中感应线圈的相应磁映像，并且磁映像继而充当磁场辐射器。由于片70在其B-H曲线的不饱和区域中进行操作(B为磁场并且H为磁化场)，因此相比于来自辐射器26的交变辐射，基本上没有失真引入到来自磁映像的交变辐射内。因此，来自辐射器26的正弦交变辐射导致片70中的磁映像发射不失真的正弦辐射磁场。

本领域的普通技术人员应当理解，对于任何给定的辐射器线圈及其映像而言，两个正弦场叠加得到复合正弦场，所述复合正弦场具有位于辐射器线圈及其映像的位置中间的复合源位置。从辐射器26到片70的距离通常被设定在1cm-5cm的范围内，但该范围之外的距离为可以的。在本发明的实施方案中，如上所述，该距离被设定成使得给定线圈在片处的磁化场H将小于0.1％的失真引入来自映像的正弦场辐射内。

一旦该距离被设定，就可执行上文提及的组件24的校准。校准产生(除了别的以外)每个线圈及其映像的复合源位置的相应方位。然而，发明人已确定组件24的校准取决于铁磁片70的温度，并且相信情况就是如此，因为片70的磁特性取决于片的材料，并且还取决于片的温度。

在本发明所公开的实施方案中，每个辐射器26在其线圈被处理器40驱动时所耗散的功率为约30W。该功率的大部分以热能进行耗散，在不存在热绝缘片80的情况下所述热能继而因辐射器邻近铁磁片而导致片70的温度升高。

发明人已发现，将热绝缘的固体片80(在本文也称为绝缘片80)引入到辐射器26和铁磁片70之间显著降低由铁磁片吸收的热能，由此实际上消除了因辐射器的操作而引起的片的温度的任何变化。上文提及的校准因此保持有效。绝缘片80被假定为具有“b”的厚度。绝缘片可被定位成使得框架24接触该片的一面，并且铁磁片70接触该片的另一面。在这种情况下，因此在辐射器26的中心和铁磁片70的上表面76之间存在d+b的距离。

在一个实施方案中，绝缘片80由具有约0.1W·m^-1·K^-1的热导率的木材形成，并且该片具有b＝3mm的厚度。在另选的实施方案中，绝缘片80由具有0.7W·m^-1·K^-1的热导率的碳纤维片形成，并且该片具有b＝2mm的厚度。如果，如上所举例说明的，d＝1.5cm，则距离d+b对于木材而言为1.8cm并且对于碳纤维片而言为1.7cm。

绝缘片80用于阻止热能从辐射器26传输到铁磁片70。在一些实施方案中，片80由一个或多个孔82(图2和图3)进行打孔。这些孔充当良好的热绝缘体，因为在这些孔内基本上不存在对流。

发明人已发现，将铁磁片70定位在发生器26下方显著地降低上文提及的引入的外来材料对区域30中的磁场的影响。

应当理解，上述实施方案以举例的方式引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和亚组合以及它们的变化形式和修改形式，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变化形式和修改形式，并且所述变化形式和修改形式并未在现有技术中公开。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

铁磁片；

至少一个辐射器，所述至少一个辐射器安装在所述铁磁片附近并且配置成将磁场辐射到其邻近区域中；和

热绝缘的固体片，所述热绝缘的固体片安装在所述铁磁片与所述至少一个辐射器之间以便阻止热能从所述至少一个辐射器传输到所述铁磁片。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述固体片具有不超过0.7W·m^-1·K^-1的热导率。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述固体片包括木材。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述固体片包括碳纤维片。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述铁磁片包括镀锌铁。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述铁磁片包括具有小于2奥斯特的矫顽磁力的软磁材料。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁场导致所述铁磁片以不饱和方式操作。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个辐射器包括线圈，所述线圈在所述铁磁片中产生所述线圈的磁映像，并且其中所述铁磁片与所述至少一个辐射器之间的距离设定成使得所述磁映像辐射具有所述磁场的小于0.1％的失真的映像磁场。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述热绝缘的固体片包括位于所述片中的穿孔。

10.根据权利要求1所述的设备，包括具有传感器的侵入式探头，所述传感器响应于所述磁场而产生指示所述探头的相对于所述至少一个辐射器的位置的信号。

11.一种方法，包括：

提供铁磁片；

将至少一个辐射器安装在所述铁磁片附近并且配置所述至少一个辐射器用于将磁场辐射到其邻近区域中；以及

将热绝缘的固体片安装在所述铁磁片与所述至少一个辐射器之间以便阻止热能从所述至少一个辐射器传输到所述铁磁片。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述固体片具有不超过0.7W·m^-1·K^-1的热导率。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述固体片包括木材。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述固体片包括碳纤维片。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述铁磁片包括镀锌铁。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述铁磁片包括具有小于2奥斯特的矫顽磁力的软磁材料。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述磁场导致所述铁磁片以不饱和方式操作。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个辐射器包括线圈，所述线圈在所述铁磁片中产生所述线圈的磁映像，并且其中所述铁磁片与所述至少一个辐射器之间的距离设定成使得所述磁映像辐射具有所述磁场的小于0.1％的失真的映像磁场。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述热绝缘的固体片包括位于所述片中的穿孔。

20.根据权利要求11所述的方法，包括提供具有传感器的侵入式探头，所述传感器响应于所述磁场而产生指示所述探头的相对于所述至少一个辐射器的位置的信号。