CN110086045A - 具有有源屏蔽的连接器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电连接器，所述电连接器包括一个或多个连接器端子，所述一个或多个连接器端子连接至从所述连接器延伸的接线，并且耦合成与匹配连接器中的对应连接器端子互连。有源屏蔽电路安装成邻近所述连接器端子，并且被构造为感测所述电连接器附近的第一磁场，并且基于感测到的磁场而产生第二磁场，所述第二磁场减少由所述第一磁场在所述接线和所述连接器端子中引起的干扰。

Description

具有有源屏蔽的连接器
技术领域
本发明总体涉及电连接器，并且具体而言涉及用于保护连接器不受磁干扰的方法和系统。
背景技术
各种电子系统在存在磁场的情况下进行操作。例如，一些磁性位置跟踪系统通过以下方法跟踪患者体内的导管或其它探针的位置：产生已知的磁场，并且使用探针中配有的磁场传感器测量该磁场。这类系统在(例如)以下文献中有所描述：美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089；PCT国际公布WO 96/05768；以及美国专利申请公布2002/0065455、2003/0120150和2004/0068178，这些文献的全部公开内容以引用方式并入本文。
发明内容
本文所述的本发明的实施例提供了一种电连接器。所述电连接器包括一个或多个连接器端子，所述连接器端子连接至从连接器延伸的接线，并且耦合成与匹配连接器中的对应连接器端子互连。有源屏蔽电路安装成邻近连接器端子，并且被构造为感测电连接器附近的第一磁场且基于感测到的磁场而产生第二磁场，该第二磁场减少由第一磁场在接线和连接器端子中引起的干扰。
在一些实施例中，电连接器包括连接器壳体，并且连接器端子和有源屏蔽电路装配在连接器壳体中。在本发明所公开的实施例中，有源屏蔽电路包括：至少一个读出线圈，所述至少一个读出线圈用于感测第一磁场；至少一个发生器线圈，所述至少一个发生器线圈用于产生第二磁场；和驱动电路，所述驱动电路被构造为基于由读出线圈感测到的第一磁场来驱动发生器线圈。
在一个实施例中，连接器端子被布置在平面内，并且读出线圈和发生器线圈平行于该平面。所述至少一个发生器线圈可以包括第一发生器线圈和第二发生器线圈，所述第一发生器线圈和第二发生器线圈分别位于包含所述连接器端子的所述平面的相反的第一侧和第二侧上。在另一个实施例中，驱动电路包括运算放大器和电流源，所述运算放大器利用表征感测到的第一磁场的第一电流驱动，所述电流源由运算放大器控制，以产生第二电流，以用于驱动发生器线圈。
在又一个实施例中，读出线圈和发生器线圈被设置在至少一个印刷电路板(PCB)上。在再一个实施例中，有源屏蔽电路与第一磁场的频率范围相匹配。在一个实施例中，第二磁场的幅值与第一磁场相等并且其极性与第一磁场相反。
根据本发明的实施例，另外提供一种导管，该导管包括换能器、电缆和电连接器。换能器装配在导管的远端中，电缆与换能器交换电信号，并且电连接器连接至电缆以用于传递电信号。该电连接器包括一个或多个连接器端子和有源屏蔽电路。连接器端子连接至从连接器延伸的接线，并且耦合成与匹配连接器中的对应连接器端子互连。有源屏蔽电路安装成邻近连接器端子，并且被构造为感测电连接器附近的第一磁场且基于感测到的磁场而产生第二磁场，该第二磁场减少由第一磁场在接线和连接器端子中引起的干扰。
根据本发明的实施例，还提供一种方法，该方法包括通过电连接器传递一个或多个信号，所述电连接器包括一个或多个连接器端子，所述连接器端子连接至从连接器延伸的接线，并且耦合成与匹配连接器中的对应连接器端子互连。在电连接器附近感测第一磁场。基于感测到的磁场而产生第二磁场，该第二磁场减少由第一磁场在接线和连接器端子处的信号中引起的干扰。
通过对以下结合附图的实施例的详细说明，将更全面地理解本发明：
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于心导管的磁性位置跟踪的系统的示意性图示；
图2为示意性地示出根据本发明实施例的一对具有有源屏蔽的连接器的视图；和
图3为示意性地示出根据本发明实施例的有源屏蔽电路的电路图。
具体实施方式
概述
磁场可能对电子系统造成干扰，并且具体而言可能使通过未屏蔽的连接器和接线传递的信号失真。这类情况的一个实例可能发生在磁性定位系统中，该磁性定位系统跟踪心内导管的位置。在这种系统中，通常使用电缆将导管连接至系统控制台，所述电缆包括至少一个连接器。通过导管传递的信号通常较弱，并且由系统产生的磁场可能使该信号严重失真。该失真可能导致错误的位置测量。
本文所述的本发明的实施例提供了用于屏蔽连接器不受磁场干扰影响的改善的方法和装置。在一些实施例中，连接器包括有源屏蔽电路，该有源屏蔽电路安装成邻近连接器端子。有源屏蔽电路感测连接器附近的磁场。基于感测到的场，该电路产生相反磁场，该相反磁场减少由磁场在连接器端子和接线中引起的干扰。
下文对连接器和有源屏蔽电路的示例性构型进行描述。相比例如镍铁高导磁合金屏蔽的无源解决方案，本发明所公开的技术通常比较简单、成本较低，并且提供更好的屏蔽。尽管本文所述的实施例是指导管和磁性位置跟踪系统，但本文所述的方法和装置能够用于连接器在各种其它系统和环境中的有源屏蔽。
系统描述
图1为根据本发明实施例的使用心导管的用于磁性位置跟踪的系统20的示意性图示。系统20可以基于例如由加利福尼亚州钻石吧的韦伯斯特生物传感公司(Biosense-Webster Inc.(Diamond Bar,California))制造的CARTOTM系统。在系统20中，医生24将导管28插入到患者30的体内。导管28具有由医生操作的近端，以及被引导通过患者身体的远端36。使用电缆32将导管28连接至控制台44。
由控制台44控制的一个或多个场发生线圈40在患者附近产生交流(AC)磁场。装配在导管28的远端36中的磁场传感器或者其它换能器(未示出)感测磁场并且响应于感测到的场而产生电信号。电信号通过电缆32从导管的远端传递至控制台40，并且控制台通过对信号进行处理而计算和显示导管远端的位置。上文所引用的参考中对这类系统进行了详细描述。
在一些实施例中，使用一对匹配电连接器50将导管28连接至电缆32。在许多实际情况中，由线圈40所产生的磁场(有时称作“外部磁场”)可能使穿过连接器50的电信号失真。该失真可能又将错误引入由控制台44执行的位置计算结果中。在一些实施例中，连接器50中的一个包括有源屏蔽电路，该有源屏蔽电路减少由磁场造成的干扰。
图2为示意性地示出根据本发明实施例的使用有源屏蔽的一对连接器的侧视图和俯视图的示意图。这些连接器能够例如用于实现上述图1的连接器50。
在本实例中，这对连接器包括凹形连接器和凸形连接器，所述凹形连接器示于附图中左手侧，所述凸形连接器示于右手侧。附图的顶部和底部分别示出了连接器的侧视图和俯视图。
凹形连接器包括连接器壳体120以及一个或多个插孔160。接线180连接至插孔160并且从壳体120延伸，以用于向插孔和/或从插孔传递电信号。凸形连接器包括连接器壳体140以及一个或多个针脚240。接线260连接至针脚240并且从壳体140延伸，以用于向针脚和/或从针脚传递电信号。在下文中进行详细描述的有源屏蔽电路200邻近插孔160安装在凹形连接器的壳体120中。
当凸形连接器插入凹形连接器中时，针脚240插入插孔160中。针孔式连接区域极接近有源电路200，并且因此通过电路200进行的磁场消除有效地减少该区域中的磁场干扰。因此，有效地保护通过连接器传递的电信号不受磁场干扰的影响。
在本情况中，本文的针脚240和插孔160均被称为连接器端子。尽管在本实例中，电路200安装在凹形连接器中，但在替代实施例中，有源屏蔽电路可以安装在凸形连接器中。尽管本实例是指凸形连接器和凹形连接器，但本发明所公开的技术还能够用于混合连接器，所述混合连接器具有一个或多个针脚与一个或多个插孔的任何合适的混合。此外，本发明所公开的技术能够用于具有任何其它合适种类的连接器端子的连接器。
图3为示意性地示出根据本发明实施例的有源屏蔽电路200的电路图。在图3的实施例中，电路200包括线圈电路280和驱动电路290，所述线圈电路280和驱动电路290可以被制造在单个电路板上或者分开的电路板上。
线圈电路280包括读出线圈320和发生器线圈300。读出线圈320感测连接器附近的磁场。基于感测到的磁场，驱动电路290驱动发生器线圈300，以便产生能够抵消感测到的磁场的相反磁场。换句话说，线圈300产生这样的相反磁场：该相反磁场消除(或者至少显著减小)由线圈320感测到的磁场。因此，消除或者显著减小了对连接器端子和接线产生影响的净磁场。
在本实例中，连接器端子布置成平面构型，并且线圈300和320是平面的且平行于连接器端子的平面。该构型可用于消除垂直于连接器端子的平面的磁场，该磁场在造成干扰方面通常起主要作用。读出线圈和发生器线圈可以设置在微型印刷电路板(PCB)上，该微型印刷电路板(PCB)邻近连接器端子安装在连接器壳体的内部。
在替代实施例中，能够使用任何其它合适构型的连接器端子、一个或多个读出线圈以及一个或多个发生器线圈。例如，有源屏蔽电路可以包括呈亥姆霍兹(Helmholtz)构型的两个发生器线圈300，每个发生器线圈300位于连接器端子的平面的任意一侧上。
在一些实施例中，驱动电路290包括运算放大器340，运算放大器340以负反馈构型连接。通过积分器342对运算放大器340的输出求取积分。低通滤波器(LPF)344对积分器342的输出进行过滤。在一些实施例中，积分器342和LPF344可以作为单个滤波器实现。电压-电流(V/I)转换器将在LPF344的输出处的电压转化成电流，并且驱动电流源360。
读出线圈320的一个端子和发生器线圈300的一个端子接地。读出线圈320的其它端子和发生器线圈300的其它端子连接至运算放大器340的正输入端。发生器线圈300的其它端子连接至放大器340的负输入端。电流源360在连接至运算放大器的负输入端的端子处将电流注入发生器驱动线圈320。
以负反馈构型布置运算放大器340。当由发生器线圈300感应的磁场消除外部磁场时，出现放大器的平衡状态，使得通过读出线圈320的电流为零。在读出线圈320中感应的电流包括由外部磁场感应的电流与由发生器线圈300所产生的相反磁场感应的电流的总和。
在平衡状态中并且通过理想的运算放大器，这两个场相同，但具有相反极性，并且由于其总和为零而彼此消除。通过实际的运算放大器，场的总和可能不是精确为零，并且因此可以显著减小但不能完全消除磁场干扰。
外部磁场中的小变化通常造成通过读出线圈320的电流暂时变化成非零值。由于读出线圈连接至运算放大器340的高阻抗输入端，因此电流中的这种变化通常使运算放大器的正端子上的电压发生变化，该电压变化又使电流源360的电流驱动发生变化。电流的变化使由发生器线圈300产生的相反磁场发生变化，并且该变化补偿外部磁场的变化，从而使电路恢复平衡。
图2和图3所示的一对连接器50和电路200的构型是示例性构型，所述构型纯粹为了概念清楚的目的而示出的。在替代实施例中，也可以使用任何其它合适的构型。
在一些实施例中，驱动电路290和/或线圈电路280可以(如，设计成和/或调整成)与外部磁场的频率范围相匹配。在一些实施例中，例如电路200的有源屏蔽电路可以与无源屏蔽联合使用。尽管本文所述的实施例主要解决了连接器的有源屏蔽，但本文所述的方法和系统也能够用于其它应用中，例如电子电路板、集成电路和电缆的屏蔽。
因此应当理解，上述实施例以举例的方式加以说明，并且本发明不受上文特别显示和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明时可能想到的未在现有技术范围内公开的变型形式和修改形式。

Claims (17)

1.一种电连接器，所述电连接器包括：
连接器壳体；
一个或多个连接器端子，所述一个或多个连接器端子装配在所述连接器壳体内，所述一个或多个连接器端子被连接至从所述连接器壳体延伸的接线并且被耦合成与匹配连接器中的对应连接器端子互连；以及
有源屏蔽电路，所述有源屏蔽电路被安装成邻近所述连接器壳体内的所述一个或多个连接器端子并且被配置为感测所述电连接器附近的第一磁场以及基于感测到的磁场而产生第二磁场，所述第二磁场减少由所述第一磁场在所述接线和所述一个或多个连接器端子中引起的干扰，所述有源屏蔽电路包括：
至少一个读出线圈，所述至少一个读出线圈用于感测所述第一磁场；
至少一个发生器线圈，所述至少一个发生器线圈用于产生所述第二磁场；以及
驱动电路，所述驱动电路包括：
运算放大器，所述运算放大器接收来自所述至少一个读出线圈的端子的第一输入和来自所述至少一个发生器线圈的端子的第二输入，所述运算放大器能够放大所述第一输入和所述第二输入之间的差；
积分器，所述积分器接收来自所述运算放大器的被放大的信号，所述积分器能够对所述被放大的信号求取积分；
低通滤波器，所述低通滤波器接收来自所述积分器的被积分的信号，所述低通滤波器能够对所述被积分的信号进行滤波；
电压-电流V/I转换器，所述电压-电流V/I转换器接收来自所述低通滤波器的经过滤波的信号，所述V/I转换器能够将所述经过滤波的信号的电压转化成电流信号；以及
电流源，所述电流源接收来自所述V/I转换器的所述电流信号，所述电流源驱动所述至少一个发生器线圈。
2.根据权利要求1所述的电连接器，其中所述一个或多个连接器端子被布置在平面内，并且其中所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈平行于所述平面。
3.根据权利要求2所述的电连接器，其中所述至少一个发生器线圈包括第一发生器线圈和第二发生器线圈，所述第一发生器线圈和所述第二发生器线圈分别位于包含所述一个或多个连接器端子的所述平面的第一和第二相对侧上。
4.根据权利要求1所述的电连接器，其中所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈被设置在至少一个印刷电路板PCB上。
5.根据权利要求1所述的电连接器，其中所述有源屏蔽电路与所述第一磁场的频率范围相匹配。
6.根据权利要求1所述的电连接器，其中所述第二磁场的幅值等于所述第一磁场的幅值，并且所述第二磁场的极性与所述第一磁场的极性相反。
7.根据权利要求1所述的电连接器，其中所述驱动电路与外部磁场的频率范围相匹配。
8.根据权利要求1所述的电连接器，其中包括所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈的线圈电路与外部磁场的频率范围相匹配。
9.一种导管，所述导管包括：
细长的空心轴，所述细长的空心轴具有近端和远端；
换能器，所述换能器装配在所述空心轴的所述远端中；
电缆，所述电缆用于与所述换能器交换电信号；以及
电连接器，所述电连接器连接至所述电缆以用于传递所述电信号，所述电连接器包括：
连接器壳体，
一个或多个连接器端子，所述一个或多个连接器端子装配在所述连接器壳体内，所述一个或多个连接器端子被连接至从所述连接器壳体延伸的接线并且被耦合成与匹配连接器中的对应的一个或多个连接器端子互连；以及
有源屏蔽电路，所述有源屏蔽电路被安装成邻近所述连接器壳体内的所述一个或多个连接器端子并且被配置为感测所述电连接器附近的第一磁场以及基于感测到的磁场而产生第二磁场，所述第二磁场减少由所述第一磁场在所述接线和所述一个或多个连接器端子中引起的干扰，所述有源屏蔽电路包括：
至少一个读出线圈，所述至少一个读出线圈用于感测所述第一磁场；
至少一个发生器线圈，所述至少一个发生器线圈用于产生所述第二磁场；以及
驱动电路，所述驱动电路包括：
运算放大器，所述运算放大器接收来自所述至少一个读出线圈的端子的第一输入和来自所述至少一个发生器线圈的端子的第二输入，所述运算放大器能够放大所述第一输入和所述第二输入之间的差；
积分器，所述积分器接收来自所述运算放大器的被放大的信号，所述积分器能够对所述被放大的信号求取积分；
低通滤波器，所述低通滤波器接收来自所述积分器的被积分的信号，所述低通滤波器能够对所述被积分的信号进行滤波；
电压-电流V/I转换器，所述电压-电流V/I转换器接收来自所述低通滤波器的经过滤波的信号，所述V/I转换器能够将所述经过滤波的信号的电压转化成电流信号；以及
电流源，所述电流源接收来自所述V/I转换器的所述电流信号，所述电流源能够驱动所述至少一个发生器线圈。
10.一种方法，所述方法包括：
通过电连接器传递一个或多个信号，所述电连接器具有连接器壳体，所述连接器壳体包括装配在所述连接器壳体内一个或多个连接器端子，所述一个或多个连接器端子被连接至从所述连接器壳体延伸的接线并且被耦合成与匹配连接器中的对应的一个或多个连接器端子互连；
在所述连接器壳体内在所述电连接器附近感测第一磁场，感测所述第一磁场包括使用至少一个读出线圈测量所述第一磁场；
通过放大所述至少一个读出线圈中的电流和至少一个发生器线圈中的电流之间的差来产生被放大的信号；
通过对所述被放大的信号求取积分来产生被积分的信号；
通过对所述被积分的信号进行滤波来产生经过滤波的信号；
将所述经过滤波的信号的电压转化成电流信号以驱动将电流注入所述至少一个发生器线圈的电流源；以及
利用所述至少一个发生器线圈来产生第二磁场，所述第二磁场减少由所述第一磁场在所述接线和所述一个或多个连接器端子处的信号中引起的干扰，所述第二磁场基于感测到的磁场。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个连接器端子被布置在平面内，并且其中所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈平行于所述平面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中产生所述第二磁场包括使用第一发生器线圈和第二发生器线圈产生所述第二磁场，所述第一发生器线圈和所述第二发生器线圈分别位于包含所述一个或多个连接器端子的所述平面的第一和第二相对侧上。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈被设置在至少一个印刷电路板PCB上。
14.根据权利要求10所述的方法，其中感测所述第一磁场和产生所述第二磁场包括操作与所述第一磁场的频率范围相匹配的电路。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二磁场的幅值等于所述第一磁场的幅值，并且所述第二磁场的极性与所述第一磁场的极性相反。
16.根据权利要求10所述的方法，其中产生所述被放大的信号、产生所述被积分的信号、产生所述经过滤波的信号以及将所述经过滤波的信号的电压转化成所述电流信号在与外部磁场的频率范围相匹配的电路内被执行。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括使包括所述至少一个读出线圈和所述至少一个发生器线圈的线圈电路的频率与外部磁场的频率范围相匹配。
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