CN110870790A - 使用外部磁体的具有霍尔传感器的单轴传感器(sas) - Google Patents

使用外部磁体的具有霍尔传感器的单轴传感器(sas) Download PDF

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Abstract

本发明题为“使用外部磁体的具有霍尔传感器的单轴传感器(SAS)”。提供了一种基于导管的跟踪系统，该跟踪系统包括一个或多个场发生器和处理器。与磁共振成像(MRI)系统相邻地定位的一个或多个场发生器被配置成施加交流(AC)磁场。该处理器被配置成接收信号，该信号响应于AC磁场而在单轴传感器(SAS)中产生，该单轴传感器装配在插入患者的器官中的导管的远侧端部处；基于从SAS接收的信号来计算远侧端部的方向；从装配在导管的远侧端部处的霍尔效应传感器接收磁共振成像(MRI)系统的直流(DC)磁场的感测分量；以及基于所计算的方向和DC磁场的感测分量来计算远侧端部在器官内的滚转角。

Description

使用外部磁体的具有霍尔传感器的单轴传感器(SAS)
技术领域
本发明整体涉及体内探针的跟踪，并且具体地涉及基于导管的跟踪系统中的磁性位置和取向传感器。
背景技术
先前提出了用于磁性地跟踪体内探针的位置和/或取向的各种技术。例如，美国专利申请公布2010/0210939描述了一种用于相对于患者来跟踪器械的外科导航系统。该系统能够相对于图像数据、坐标系、图谱、变形图谱或它们的组合来跟踪患者的一部分、器械、和/或两者。该系统可包括位于该器械上用于提供关于该器械的位置的六自由度信息的跟踪装置。在一个实施方案中，设备中的位置传感器包括相对于彼此以一定角度(诸如正交角度)放置的两个线圈。该传感器可以使用霍尔传感器替代线圈。
作为另一个示例，美国专利申请公布2016/0278746描述了一种系统和方法，其涉及MR引导的乳房活检规程，特别是关于活检设备的实时跟踪和导航。更具体地，该系统利用诸如磁共振成像(MRI)的诊断成像模态来定位人乳房中的病灶，同时利用惯性测量单元来实时跟踪活检设备的前进。一种跟踪方法基于一组3轴霍尔效应-陀螺仪-加速度计传感器：传感器/换能器分别响应于所感测的不同磁场以及针对不同的加速度和角速度，产生变化的输出电压。
美国专利申请公布2012/0143127描述了一种用于操纵磁性导管的可变磁体系统。在一个实施方案中，电磁体集群被配置成生成期望的磁场。在一个实施方案中，该集群中的一个或多个极可相对于该集群中的其他极移动以允许磁场的成形。在一个实施方案中，一个或多个磁极可以延伸或缩回以使磁场成形。在一个实施方案中，电磁体可以被定位成生成在导管上施加期望的扭矩和/或移动力的磁场。在一个实施方案中，磁场源用于产生具有充分强度和取向的磁场，以使磁响应性导管尖端沿期望方向移动期望量。
美国专利申请公布2003/0006759描述了一种用于医疗设备的位置传感器，其包括由高渗透性材料制成的芯，诸如包括钴、钒和铁的混合物的韦根(Wiegand)效应材料。位置传感器具有约为0.4mm的外径并且用于具有约为0.67mm的外径的医疗设备。
发明内容
本发明的实施方案提供了一种基于导管的跟踪系统，其包括一个或多个场发生器和处理器。与磁共振成像(MRI)系统相邻地定位的一个或多个场发生器被配置成施加一个或多个交流(AC)磁场。该处理器被配置成接收信号，该信号响应于AC磁场而在单轴传感器(SAS)中产生，该单轴传感器装配在插入患者器官的导管的远侧端部处，并且该处理器基于从SAS接收的信号来计算远侧端部的方向。处理器被进一步配置成从装配在导管的远侧端部处的霍尔效应传感器接收磁共振成像(MRI)系统的直流(DC)磁场的感测分量，以及基于所计算的方向和DC磁场的感测分量来计算远侧端部在器官内的滚转角。
在一些实施方案中，处理器被进一步配置成基于从SAS接收的信号来计算远侧端部的位置。
在一些实施方案中，处理器被进一步配置成在基于导管的跟踪系统的坐标系中呈现远侧端部的滚转角。
根据本发明的实施方案，还提供了一种方法，包括使用一个或多个场发生器来施加一个或多个交流(AC)磁场，该一个或多个场发生器与磁共振成像(MRI)系统相邻地定位。接收信号，该信号响应于AC磁场而在单轴传感器(SAS)中产生，该单轴传感器装配在插入患者器官的导管的远侧端部处。基于从SAS接收的信号来计算远侧端部的方向。从装配在导管的远侧端部处的霍尔效应传感器接收磁共振成像(MRI)系统的直流(DC)磁场的感测分量。基于所计算的方向和DC磁场的感测分量，计算远侧端部在器官内的滚转角。
根据本发明的实施方案，还提供了一种磁性传感器，其包括单轴传感器(SAS)和霍尔效应传感器。该单轴传感器(SAS)被配置成响应于一个或多个交流(AC)磁场，生成指示在给定坐标系中SAS的单个轴的方向的信号。霍尔效应传感器被配置成响应于直流(DC)磁场，生成指示在给定坐标系中SAS绕单个轴的滚转角的信号。
结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的基于导管的磁性位置跟踪系统的示意性图解；
图2A和图2B是根据本发明的实施方案的导管的远侧端部的侧视图，该导管包括分别以平行滚转角和正交滚转角取向的霍尔效应传感器；
图3是根据本发明的实施方案的作为滚转角α的函数的归一化霍尔电压的曲线图；并且
图4是示意性地示出根据本发明的实施方案的使用霍尔效应传感器来估计导管的滚转角的方法的流程图。
具体实施方式
概述
在下文中描述的本发明的实施方案提供了基于磁性导管的跟踪系统，其被配置成利用大恒定磁场的存在，诸如磁体、磁共振成像(MRI)系统的磁场，以测量导管的远侧端部的滚转角。MRI系统在许多情况下是可用的，因为它用于对导管插入到的患者的器官进行成像。
在一些实施方案中，磁跟踪系统的处理器通过基于磁性导管的跟踪系统的坐标系来配准MRI系统的恒定(直流-DC)磁场的轴(方向)。例如，影响滚转角指示信号的MRI磁场的分量由处理器投射到基于导管的跟踪系统的坐标系的轴上。利用该附加投射，在基于导管的跟踪系统的坐标系中可获得导管远侧端部位置、方向和滚转角的完整描述。
在一些实施方案中，提供微型磁性传感器，其装配在导管的远侧端部处。该磁性传感器能够生成在给定坐标系(诸如基于导管的跟踪系统的坐标系)中指示导管的远侧端部在患者器官内的位置、方向和滚转角的信号。所公开的微型磁性传感器包括单轴传感器(SAS-通常是线圈)和霍尔效应传感器，它们都装配在导管的远侧端部，如下所述。
在一些实施方案中，SAS响应于基于磁性导管的跟踪系统的一个或多个交替(交流-AC)磁场生成位置和方向信号。霍尔效应传感器响应于由MRI系统的附加外部磁体感应的恒定磁场而生成滚转角指示信号。
在下文的描述中，导管远侧端部的滚转角被定义为导管远侧端部围绕远侧端部的纵向对称轴的旋转量。例如，可以使用滚转角来提高由电生理(EP)标测导管和/或消融规程产生的电标测图的准确度，例如，通过控制具有不对称电极以进行EP感测或消融的导管的滚动。滚转角指示信号包括霍尔电压，该霍尔电压随着导管在其纵向对称轴上滚动而变化，如下所述。
在一些实施方案中，SAS包括微型化线圈传感器，并且所公开的微型磁性传感器结构将霍尔效应传感器与微型化线圈传感器组合。该磁性传感器在下文中也称为“位置、方向和滚转角(PDR)传感器”。在一些实施方案中，PDR传感器由缠绕以包围霍尔效应传感器的单个线圈制成。将直流(DC)电流施加到霍尔效应传感器，并且当远侧端部放置在MRI的DC磁场中时，在霍尔效应传感器的端子处产生霍尔电压。
霍尔电压的最大幅值取决于远侧端部在空间中的方向，经由外部直流磁场在该方向上的投射。考虑到远侧端部的已知(例如，被跟踪)方向，并且基于坐标系的配准，处理器计算唯一地指示滚转角的霍尔电压。例如，在一个实施方案中，处理器根据从SAS接收的方向信号计算导管的瞬时方向，并且基于所计算的方向、所测量的霍尔电压和上述坐标系的配准，导出在导管位置跟踪系统的坐标系中的导管远侧端部滚转角。
通常，微型霍尔效应传感器由特定半导体制成，诸如GaAs。然而，通常，在诸如MRI系统的强DC磁场下，可以通过许多类型的导体和半导体容易地生成可测量的霍尔电压。在一个实施方案中，设置在导管远侧端部的一个或多个金属电极用作霍尔传感器，并且端子连接到该电极以输出所生成的霍尔电压。
应当注意，诸如多线圈传感器的庞大传感器可另选地用于位置、方向和滚转角的同时测量。然而，此类传感器需要导管远侧端部的直径的增加，并且因此可能限制体内的可操纵性。另一方面，所公开的微型霍尔传感器具有亚毫米尺寸，可以装配在导管的窄直径远侧端部中。因此，所公开的PDR传感器在由传统微型化SAS传感器提供的位置和方向信号的顶上添加指示其翻转角的信号，同时呈现SAS的相同或类似的物理形状因子。
所公开的滚转角跟踪技术，利用以任何方式可用的MRI系统的大DC磁场来使用所公开的微型PDR传感器来确定滚转角，可以提高导管的可及性和跟踪准确度，并且因此也可以提高诊断和治疗导管插入规程的整体质量。
系统说明
图1是根据本发明的实施方案的基于磁性导管的跟踪系统20的示意性图解。系统20包括导管21，该导管具有远侧端部22，该远侧端部经由血管系统由医师30导航到患者28的心脏26中。该导管可以用于消融、EP感测或任何其他医疗规程。在图示示例中，医师30将远侧端部22插入穿过护套23，同时使用接近导管的近侧端部的操纵器32操纵远侧端部22。如插图25所示，远侧端部22包括容纳在远侧端部22内的PDR传感器51和消融导管50。
在本文所述的实施方案中，导管21用于心脏26中的组织的消融。尽管图示的实施方案具体涉及使用消融导管50来消融心脏组织的用途，但本文描述的系统20的元件和方法可另选地应用于诊断应用，诸如电生理学标测，例如使用多电极导管，诸如
Figure BDA0002190891900000051
或
Figure BDA0002190891900000052
导管(均由加利福尼亚州尔湾市的Biosense-Webster制造)。
导管21的近侧端部连接到控制台24。控制台24包括处理器39(通常为通用计算机)，该处理器具有用于接收来自导管21的信号以及用于通过导管21施加能量以消融心脏26中的组织并且用于控制系统20的其他部件的合适的前端和接口电路38。控制台24还包括被配置成驱动磁场发生器36的驱动电路34。
在心脏26中导航远侧端部22期间，控制台24响应于来自外部场发生器36的磁场而接收来自PDR传感器51的位置和方向信号。磁场发生器36放置在患者28外部的已知位置，例如，放置在患者所躺的工作台29下方。这些位置和方向信号指示消融导管50在位置跟踪系统的坐标系中的位置和方向。
PDR传感器51还响应于MRI系统40的大恒定磁场B0(例如，B0等于1.5T)将滚转角指示信号传输到控制台24。B0定义了MRI系统的坐标系的纵轴。
使用所接收的信号，处理器39计算心脏中的消融导管50的位置、方向和滚转角，并且可选地，在显示器27上呈现被跟踪的位置、方向和滚转角。
使用外部磁场的位置和方向感测方法在各种医疗应用中实现，例如在由BiosenseWebster生产的CARTOTM系统中实现，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT专利公布WO 96/05768、以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容均以引用方式并入本文。
处理器39通常包括通用计算机，该通用计算机用软件进行编程，以执行本文所述的功能。该软件可通过网络以电子形式被下载到计算机，例如或者其可另选地或另外地设置和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁学、光学或电子存储器)上。
使用外部磁体的具有霍尔传感器的单轴传感器(SAS)
图2A和图2B是根据本发明的实施方案的导管的远侧端部的侧视图，该导管包括分别以平行滚转角和正交滚转角取向的霍尔效应传感器。在图2A中，α＝0°，意味着远侧端部22平行于外部磁场滚动，如下所述。在图2B中，远侧端部22相对于外部磁场以α＝90°滚动。
如进一步所见，MRI磁场矢量B0相对于远侧端部22以角55(即θ)指向，其在坐标系统53中与其纵轴对准，该纵轴平行于坐标系统53的z轴。因此，α远侧端部22的滚转角相对于磁场矢量B0的投影分量来定义，Bθ＝B0·Sin(θ)。
可以看出，无论远侧端部22的滚转角α如何，磁场线都面向传感器51(即SAS 51a)的线圈51a所包围的相同有效区域。因此，仅使用线圈51a，跟踪系统20没有滚转角指示信号。
如上所述，添加所公开的霍尔效应传感器60提供所需的滚转角指示信号。图2A示出了通过霍尔效应传感器60在纵向方向上流动的电流62。霍尔传感器60的电极60a和60b被对准以感测垂直于矢量B0的磁场分量Bθ的所得霍尔电压。在滚转角α＝0°时，如图2A所示，落在电极60a和60b之间的所得霍尔电压是最大的。在图2B中，远侧端部22相对于图2A滚转90°，并且电极60a和60b平行于磁场分量Bθ对准。在这种情况下，电极60a和60b之间的所得霍尔电压为零。
如下面进一步描述的，霍尔电压用于指示远侧端部22的连续滚转角。
图2A和图2B中所示的示例性例证完全是为了概念清晰而选择的。例如，与霍尔传感器60分开示出的线圈51a通常缠绕在传感器60上。为简单起见，省略了其他系统元件，诸如附加传感器和电极。
图3是根据本发明的实施方案的作为滚转角α的函数的归一化霍尔电压的曲线图。霍尔电压VH与电流62(I)跟磁场分量Bθ的交叉积成比例，即，
VH(α；θ)＝K·I·B0·Sin(θ)·Cos(α)
其中α是滚转角，K是已知常数，并且B0·Sin(θ)·Cos(α)是DC磁场B0的霍尔感应分量。
如图3所示，归一化的霍尔电压随着滚转角而变化，α作为Cos(α)函数。因此，所测量的霍尔电压对滚转角编码，例如以余弦函数的形式。霍尔电压提供有关SAS绕其轴旋转的信息。例如，如上所述，对于某个滚转角，霍尔电压是最大的。导管进一步旋转90°导致霍尔电压下降至零。另一个旋转90°致使霍尔电压达到最大但极性相反。在一个实施方案中，处理器使用包括作为霍尔电压的函数的滚转角的查找表，以指示远侧端部在患者器官中的滚转角。
在一个实施方案中，在导管跟踪系统的坐标系中指示滚转角(如上所述，MRI系统的坐标系在该坐标系中被配准)。
在一个可选实施方案中，处理器使用滚转角的微小变化来计算在给定滚转角下的霍尔电压的斜率，
Figure BDA0002190891900000071
以便区分具有相同VH的滚转角，例如，在远侧端部22的垂直(90°)滚转角与反垂直(270°)滚转角之间，其中两个VH＝0。
图4是示意性地示出根据本发明的实施方案的使用霍尔效应传感器来估计导管的滚转角的方法的流程图。在MRI成像步骤70处，该过程以MRI系统40对患者28成像开始。并行地，通常与成像序列同步以避免电子噪声，在位置和方向跟踪步骤72处，基于导管的跟踪系统20使用发生器36产生的调制磁场来跟踪导管21的远侧端部22的位置和方向。为此，系统20使用SAS传感器51a，其是装配在导管21的远侧端部22处的PDR传感器51的一部分。接下来，在DC磁场分量感测步骤74中，跟踪系统20使用也是PDR传感器51的部分的霍尔效应传感器60来感测MRI系统40的DC磁场的分量，其包括滚转角信息cos(α)。在坐标配准步骤75中，处理器39将由MRI系统44的DC磁场B0定义的方向与基于磁性导管的跟踪系统20的坐标系配准。
然后，在滚转角计算步骤76处，基于跟踪方向、DC磁场的霍尔感测分量、以及上述坐标系的配准，处理器39计算远侧端部22的滚转角。在可选的方向和滚转角呈现步骤78中，在显示器27上，在心脏26的标测上呈现由步骤72和76提供的指示。接下来，在导管对准步骤80处，医师30使用由步骤72和76提供的指示以在患者28的心脏26内进一步在空间上对准远侧端部。例如，医生30可以滚动远侧端部以便能够消融目标组织，并且在可选的执行规程步骤82处执行诸如消融的规程。
图4所示的示例性流程图完全是为了概念清晰而选择的。在另选实施方案中，可以包括附加的步骤，例如异常心脏活动的电生理学感测。
虽然本文描述的实施方案主要涉及心脏应用，但本文描述的方法和系统也可以用于其他应用，诸如神经病学和耳鼻喉科学及肾脏学中。
因此应当理解，上面描述的实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文特定示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。

Claims (10)

1.一种基于导管的跟踪系统，包括：
一个或多个场发生器，所述一个或多个场发生器与磁共振成像(MRI)系统相邻地定位并被配置成施加一个或多个交流(AC)磁场；和
处理器，所述处理器被配置成：
接收信号，所述信号响应于所述AC磁场而在单轴传感器(SAS)中产生，所述单轴传感器装配在插入患者的器官中的导管的远侧端部处；
基于从所述SAS接收的所述信号，计算所述远侧端部的方向；从装配在所述导管的所述远侧端部处的霍尔效应传感器接收所述磁共振成像(MRI)系统的直流(DC)磁场的感测分量；以及
基于所计算的方向和所述DC磁场的所述感测分量来计算所述远侧端部在所述器官内的滚转角。
2.根据权利要求1所述的基于导管的跟踪系统，其中所述处理器被进一步配置成基于从所述SAS接收的所述信号来计算所述远侧端部的位置。
3.根据权利要求1所述的基于导管的跟踪系统，其中所述处理器被进一步配置成在所述基于导管的跟踪系统的坐标系中呈现所述远侧端部的所述滚转角。
4.一种方法，包括：
使用一个或多个场发生器来施加一个或多个交流(AC)磁场，所述一个或多个场发生器与磁共振成像(MRI)系统相邻地定位；
接收信号，所述信号响应于所述AC磁场而在单轴传感器(SAS)中产生，所述单轴传感器装配在插入患者的器官中的导管的远侧端部处；
基于从所述SAS接收的所述信号，计算所述远侧端部的方向；
从装配在所述导管的所述远侧端部处的霍尔效应传感器接收所述磁共振成像(MRI)系统的直流(DC)磁场的感测分量；以及
基于所计算的方向和所述DC磁场的所述感测分量来计算所述远侧端部在所述器官内的滚转角。
5.根据权利要求4所述的方法，并且包括基于从所述SAS接收的所述信号来计算所述远侧端部的位置。
6.根据权利要求4所述的方法，并且包括在所述基于导管的跟踪系统的坐标系中呈现所述远侧端部的所述滚转角。
7.一种磁性传感器，包括：
单轴传感器(SAS)，所述单轴传感器被配置成响应于一个或多个交流(AC)磁场而生成指示在给定坐标系中所述SAS的单个轴的方向的信号；和
霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器被配置成响应于直流(DC)磁场而生成指示在所述给定坐标系中所述SAS绕所述单个轴的滚转角的信号。
8.根据权利要求7所述的磁性传感器，其中所述SAS包括缠绕以包围所述霍尔效应传感器的单个线圈。
9.根据权利要求8所述的磁性传感器，其中所述SAS和所述霍尔效应传感器被配置成装配在导管的远侧端部处以用于插入患者的器官中。
10.根据权利要求7所述的磁性传感器，其中所述SAS被进一步配置成响应于所述一个或多个AC磁场而生成指示所述SAS在所述给定坐标系中的位置的信号。
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