CN114829964A - 用于微型设备定位的电磁场梯度线圈装置 - Google Patents

用于微型设备定位的电磁场梯度线圈装置 Download PDF

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M.沙皮罗
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Abstract

一种用于产生磁场梯度的装置，包括(a)第一平面电磁线圈组，被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度，(b)第二平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，(c)第三平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，以及(d)控制器，被配置为选择性地向第一、第二和/或第三电磁线圈组供电，以顺序地产生相对于第一轴、第二轴和第三轴中的每一个的定位磁场梯度，每个定位磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。

Description

用于微型设备定位的电磁场梯度线圈装置
相关应用的交叉引用
本申请要求2019年11月13日提交的题为“Real-Time GI Tract Monitoring withHigh Precision in 3D Using ATOMS Microchips”的第62/934763号美国临时申请和2019年11月13日提交的题为“Magnetic Gradient Coil Design For Micro-DeviceLocalization”的第62/934767号美国临时申请的优先权，这些申请通过引用结合于此。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在政府的支持下，在国家科学基金授予的CBET1823036号资助下完成的。政府对本发明有一定的权利。
技术领域
本申请总体上涉及一种用于沿相互正交的轴产生磁场梯度的装置。
背景技术
当代科学的一条重要研究路线设想将微型设备引入人体以诊断和治疗局部疾病。朝着这一愿景已经取得了重大进展，但在活体生物学和医学中，微型生物传感器和致动器的实际实现仍然很大程度上缺失。同时，由于人们更加认识到许多流行疾病涉及需要局部诊断和治疗的局部病理(例如，神经变性、癌症、精神疾病和动脉粥样硬化)，因此对这种设备的需求正在增加。值得注意的是，最近发起的绘制哺乳动物大脑功能图的国家大脑倡议已经产生了对分布式微型传感器的需求，这种传感器能够大规模记录神经活动。
微型传感器可能需要部件以：(a)将局部(体内)生理信息转换为电信号，(b)将这些信号发送至外部接收器(体外)，以及(c)定位于身体的特定部位并相互区分。前两项要求已经取得实质性进展。例如，已经开发了小型化设备来测量动作电位和神经递质、肿瘤抗原的释放以及病毒病原体的存在。此外，集成电路和天线的进步导致了更小、更节能和能够进行高带宽数据传输的设备的发展。然而，对发送器进行有效定位和相互区分的要求目前没有得到很好的解决，因为现有的基于接收器接近度的定位方案精度有限且缩放性差。对于从可植入生物传感器和血管内导丝的个体定位到神经活动和免疫细胞内化报告物归巢至患病组织的分布式可植入传感器的场景，这是一个显著的限制。事实上，在这些和其他应用中，区分不同的传感器是必要的，例如为了确定它们的读取值来自身体内器官的哪个区域。
特别是，目前还没有有效的方法来精确确定身体深处微型设备的位置，并以特定位置的方式与它们通信。基于近场射频(RF)电磁体相互作用的现有方法仅具有有限的定位和与单个植入物通信的能力，因为RF信号对组织特性(具体而言，身体成分)的强烈依赖性极大地降低了它们的空间分辨率，并且使得难以同时与多个设备进行接口。同时，使用成像程序(诸如x射线计算机断层扫描)进行定位会使患者暴露于电离辐射下，并且只能对身体特定位置的设备进行可视化处理，而不能向其发送信息或从其接收信息。
发明内容
这里描述的示例实施例具有创新特征，其中没有一个是不可或缺的，或者单独负责它们的期望属性。以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实施方式，其指示了可以实现本公开的各种原理的几种示例性方式。然而，说明性示例并非本公开的许多可能实施例的穷尽。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将总结一些有利的特征。当结合附图考虑时，本公开的其他目的、优点和新颖特征将在本公开的以下详细描述中阐述，这些附图旨在说明而非限制本发明。
本发明的一个方面涉及一种用于产生磁场梯度的装置，包括：第一平面电磁线圈组，被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度；第二平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度；第三平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，第一平面电磁线圈组、第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组相对于第三轴垂直布置；以及控制器，被配置为选择性地向第一平面电磁体线圈组、第二平面电磁体线圈组和/或第三平面电磁体线圈组供电，以相对于第一轴、第二轴和第三轴中的每一个顺序地产生定位磁场梯度，每个定位磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。
在一个或多个实施例中，第一平面电磁线圈组、第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组是堆叠的。在一个或多个实施例中，第一平面电磁线圈组包括彼此相邻布置的顺时针螺旋绕组和逆时针螺旋绕组。在一个或多个实施例中，顺时针螺旋绕组和逆时针螺旋绕组各自由各自的导线形成。在一个或多个实施例中，顺时针螺旋绕组和逆时针螺旋绕组各自在平行于第二轴的方向上伸长，顺时针螺旋绕组和逆时针螺旋绕组各自具有平行于第一轴的对称轴，并且顺时针螺旋绕组的对称轴与逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。在一个或多个实施例中，第一平面电磁线圈组具有平行于第一轴的宽度，并且(a)定位磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)第一平面电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。在一个或多个实施例中，该比例为约2∶3。
在一个或多个实施例中，顺时针螺旋绕组是第一顺时针螺旋绕组，逆时针螺旋绕组是第一逆时针螺旋绕组，并且第二平面电磁线圈组包括彼此相邻布置的第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组。在一个或多个实施例中，第一顺时针螺旋绕组、第二顺时针螺旋绕组、第一逆时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组均由相应的导线形成。在一个或多个实施例中，第一顺时针螺旋绕组和第一逆时针螺旋绕组各自在平行于第二轴的方向上伸长，第一顺时针螺旋绕组和第一逆时针螺旋绕组各自具有平行于第一轴的对称轴，第一顺时针螺旋绕组的对称轴与第一逆时针螺旋绕组的对称轴对齐，第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组各自在平行于第一轴的方向上伸长，第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组各自具有平行于第二轴的对称轴，并且第二顺时针螺旋绕组的对称轴与第二逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
在一个或多个实施例中，第一平面电磁线圈组具有平行于第一轴的宽度，第二平面电磁线圈组具有平行于第二轴的长度，(a)定位磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)第一平面电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内，并且(c)定位磁场梯度的、具有沿第二轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(d)第二平面电磁线圈组的长度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。在一个或多个实施例中，(a)定位磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)第一平面电磁线圈组的宽度的比率约为2∶3，并且(c)定位磁场梯度的、具有沿第二轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(d)第二平面电磁线圈组的长度的比率约为2∶3。
在一个或多个实施例中，第三平面电磁线圈组包括具有环形形式的螺旋绕组。在一个或多个实施例中，环具有平行于第一轴测量的外径，并且(e)定位磁场梯度的、具有沿第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)环形的外径的比率在约1∶4至约2∶5的范围内。在一个或多个实施例中，(e)定位磁场梯度的、具有沿第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)环形的外径的比率约为1∶3。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为仅同时向第一平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于第一轴的第一定位磁场梯度。在一个或多个实施例中，第一定位磁场梯度包括由第一平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组产生的总磁场。在一个或多个实施例中，控制器被配置为仅同时向第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于第二轴的第二定位磁场梯度。在一个或多个实施例中，第二定位磁场梯度包括由第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组产生的总磁场。在一个或多个实施例中，控制器被配置为仅向第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于第三轴的第三定位磁场梯度。在一个或多个实施例中，控制器被配置为根据预定时序选择性地供电以编码每个定位磁场梯度。
本发明的另一方面涉及一种制造方法，该方法包括：形成第一平面电磁线圈组，该第一平面电磁线圈组被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度；形成第二平面电磁线圈组，该第二平面电磁线圈组被配置为产生相对于与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度；形成第三平面电磁线圈组，该第三平面电磁线圈组被配置为产生相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度；沿第三轴垂直布置第一平面电磁线圈组、第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组；以及将控制器电连接到第一平面电磁线圈组，第二平面电磁体线圈组和第三平面电磁体线圈组，控制器被配置为选择性地向第一平面电磁体线圈组、第二平面电磁体线圈组和/或第三平面电磁线圈供电以产生相对于第一轴、第二轴和第三轴中的每一个的局域化磁场梯度，每个局域化磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。
在一个或多个实施例中，形成第一平面电磁线圈组包括：用第一导线形成第一顺时针螺旋绕组，第一顺时针螺旋绕组具有平行于第一轴的对称轴；用第二导线形成第一逆时针螺旋绕组，第一逆时针螺旋绕组具有平行于第一轴的对称轴；将第一顺时针螺旋绕组放置在与第一逆时针螺旋绕组相邻；以及将第一顺时针螺旋绕组的对称轴与第一逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
在一个或多个实施例中，形成第二平面电磁线圈组包括：用第三导线形成第二顺时针螺旋绕组，第二顺时针螺旋绕组具有平行于与第一轴正交的第二轴的对称轴；用第四导线形成第二逆时针螺旋绕组，第二逆时针螺旋绕组具有平行于第二轴的对称轴；将第二顺时针螺旋绕组放置在与第二逆时针螺旋绕组相邻；以及将第二顺时针螺旋绕组的对称轴与第二逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
在一个或多个实施例中，形成第三平面电磁线圈组包括用具有环形形状的第五导线形成螺旋绕组，该螺旋绕组具有平行于与第一轴和第二轴正交的第三轴的对称轴。
在一个或多个实施例中，该方法还包括在平行于第二轴的方向上伸长第一顺时针螺旋绕组和第一逆时针螺旋绕组。在一个或多个实施例中，该方法还包括在平行于第一轴的方向上伸长第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组。在一个或多个实施例中，该方法还包括垂直堆叠第一平面电磁线圈组、第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组。
在一个或多个实施例中，该方法还包括将控制器配置为具有仅向第一平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组供电以产生相对于第一轴的第一定位磁场梯度的第一设置，第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的磁场幅度。在一个或多个实施例中，该方法还包括将控制器配置为具有仅向第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组供电以产生相对于第二轴的第二定位磁场梯度的第二设置，第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿第二轴单调变化的磁场幅度。在一个或多个实施例中，该方法还包括将控制器配置为具有仅向第三平面电磁线圈组供电以产生相对于第三轴的第三定位磁场梯度用第三设置，第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿第三轴单调变化的磁场幅度。在一个或多个实施例中，该方法还包括配置控制器以根据第一设置、第二设置和第三设置以预定时序供电，以编码相应的第一定位磁场梯度、第二定位磁场梯度和第三定位磁场梯度。
本发明的另一方面涉及一种产生磁场梯度的方法，包括：将控制器电连接到(a)被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度的第一平面电磁线圈组，(b)被配置为产生相对于第二轴的第二磁场梯度的第二平面电磁线圈组，以及(c)被配置为产生相对于第三轴的第三磁场梯度的第三平面电磁线圈组，其中第一轴、第二轴和第三轴彼此正交，其中第一平面电磁线圈组、第二平面电磁线圈组和第三平面电磁线圈组相对于第三轴垂直布置；利用控制器，在第一时间仅同时向(a)和(c)供电；利用控制器，在不同于第一时间的第二时间仅同时向(b)和(c)供电；并且利用控制器，在不同于第一时间和第二时间的第三时间仅向(c)供电。
在一个或多个实施例中，仅同时向(a)和(c)供电包括产生相对于第一轴的第一组合磁场梯度，第一组合磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的磁场幅度。在一个或多个实施例中，第一平面电磁线圈组具有平行于第一轴的宽度，并且(a)第一组合磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)第一电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。
在一个或多个实施例中，仅同时向(b)和(c)供电包括产生相对于第二轴的第二组合磁场梯度，第二组合磁场梯度在第二电磁线圈组的至少一部分上具有单调变化的幅度。在一个或多个实施例中，第二平面电磁线圈组具有平行于第二轴的长度，并且(a)第二组合磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)第二电磁线圈组的长度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。
在一个或多个实施例中，仅向(c)供电包括产生第三磁场梯度，第三磁场梯度的至少一部分具有沿第三轴单调变化的磁场幅度。在一个或多个实施例中，环具有平行于第一轴测量的外径，并且(e)第三磁场梯度的、具有沿第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)环形的外径的比率在约1∶4至约2∶5的范围内。
在一个或多个实施例中，该方法还包括根据预定时序重复以下步骤：在第一时间仅同时向(a)和(c)供电，在第二时间仅同时向(b)和(c)供电，并且在第三时间仅向(c)供电。
本发明的另一方面涉及一种系统，包括：三维磁场发生器，被配置为顺序地产生：沿第一轴的第一磁场梯度，第一磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的磁场幅度，沿与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，第二磁场梯度的至少一部分具有沿第二轴单调变化的磁场幅度，以及沿与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，第三磁场梯度的至少一部分具有沿第三轴单调变化的磁场幅度；一种磁性传感器设备，包括：三维磁性传感器，其输出分别对应于第一磁场梯度、第二磁场梯度和第三磁场梯度的第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量；电耦合到三维磁性传感器的控制器，该控制器生成对第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量进行编码的磁性传感器输出信号；电耦合到控制器的设备天线，该天线广播磁性传感器输出信号；以及电耦合到三维磁性传感器和控制器的电源；以及接收器，包括：微处理器；接收器天线，其从设备天线接收磁性传感器输出信号；以及微处理器可访问的非易失性存储器，该非易失性存储器包括计算机可读指令，当由处理器执行时，使微处理器使用第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量来确定磁性传感器设备的三维位置。
在一个或多个实施例中，非易失性存储器包括查找表，该查找表包括第一磁场梯度、第二磁场梯度和第三磁场梯度在已知三维位置处的多个测量。
本发明的另一方面涉及一种使用磁场梯度确定对象相对位置的方法，包括：利用三维磁场发生器，顺序产生：沿第一轴的第一磁场梯度，第一磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的磁场幅度，第一磁场梯度在第一时间被产生，沿与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，第二磁场梯度的至少一部分具有沿第二轴单调变化的磁场幅度，第二磁场梯度在不同于第一时间的第二时间被产生，以及沿与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，第三磁场梯度的至少一部分具有沿第三轴单调变化的磁场幅度，第三磁场梯度在不同于第一时间和第二时间的第三时间被产生；利用包括三维磁性传感器和设备天线的磁性传感器设备，在第一时间在磁性传感器设备的三维位置处测量第一总磁场；在第二时间在磁性传感器设备的三维位置处测量第二总磁场；在第三时间在磁性传感器设备的三维位置处测量第三总磁场；以及利用设备天线广播第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量；以及利用包括微处理器和接收器天线的接收器，利用接收器天线接收第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量；以及使用利用接收器天线的第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量来确定磁性传感器设备的三维位置。
附图说明
为了更全面地理解本概念的本质和优点，参考优选实施例的详细描述和附图。
图1是根据实施例的用于产生磁场梯度的装置的框图。
图2A、2B和2C是用于对设备位置进行编码的总磁场梯度的简化视图。
图3是根据实施例的第一电磁线圈组的示意性俯视图。
图4是图3所示的第一电磁线圈组的侧视图。
图5是示出由第一电磁线圈组产生的磁场的Z分量的示例的曲线图。
图6是示出由第一电磁线圈组产生的磁场的X分量(BXx)的示例的曲线图。
图7是示出根据本公开的实施例的由第一电磁线圈组产生的总磁场(||BX||)的示例的曲线图。
图8是根据实施例的第二电磁线圈组的示意性俯视图。
图9是示出由第二电磁线圈组产生的磁场的Z分量(BYz)的示例的曲线图。
图10是示出由第二电磁线圈组产生的磁场的Y分量(BYy)的示例的曲线图。
图11是示出了由第二电磁线圈组产生的总磁场(||BY||)的示例的曲线图。
图12是根据实施例的第三电磁线圈组的示意性透视图。
图13是示出由第三电磁线圈组产生的磁场的Z分量(BZz)的示例的曲线图。
图14是示出由第三电磁线圈组产生的磁场的X分量(BZx)的示例的曲线图。
图15是示出由第三电磁线圈组产生的单调变化的总磁场(||BZ||)的示例的曲线图。
图16是示出由第一和第三电磁线圈组同时产生的组合磁场的Z分量的曲线图。
图17是示出由第一和第三电磁线圈组同时产生的总磁场(||BX||)的示例的曲线图。
图18是示出由第二和第三电磁线圈组同时产生的总磁场(||BY||)的示例的曲线图。
图19是示出针对不同的Y值绘制的总磁场(||BX||)的曲线图。
图20是示出针对不同的Z值绘制的总磁场(||BX||)的曲线图。
图21是示出针对不同x值绘制的总磁场(||By||)的曲线图。
图22是示出针对不同Z值绘制的总磁场(||By||)的曲线图。
图23是根据实施例的分别通过第一电磁线圈组、第二电磁线圈组和第三电磁线圈组的电流的时序图。
图24是根据实施例的用于定位磁性传感器设备的相对位置的系统的框图。
图25是根据实施例的用于确定磁性传感器设备的相对三维位置的方法的流程图。
图26是根据实施例的用于确定磁性传感器设备的相对三维位置的方法的流程图。
图27示出了根据实施例的可以用于确定磁性传感器设备的相对三维位置的查找表的示例。
图28是根据实施例的用于制造用于产生单调变化的磁场梯度的装置的方法的流程图。
图29是根据实施例的用于产生磁场梯度的方法的流程图。
图30是根据实施例的用于使用磁场梯度来确定对象的相对位置的方法的流程图。
具体实施方式
使用包括第一、第二和第三电磁线圈组的装置产生相对于相互正交的轴的三维磁场梯度。第一电磁线圈组被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度。第二电磁线圈组被配置为产生相对于与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度。第三电磁线圈组被配置为产生相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度。
控制器选择性地向第一、第二和/或第三电磁线圈组供电，以产生相对于每个轴的定位磁场梯度，其中每个定位磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。控制器可以以预定时序产生定位磁场梯度，以对定位磁场梯度进行编码。具有单调变化的幅度的定位磁场梯度的部分可以表示装置的视场(FOV)。在FOV中，每个磁场梯度的单调变化的幅度可以对应于相对于装置的相对位置或坐标。可以基于由磁性传感器设备测量的与每个定位磁场梯度对应的磁场来确定磁性传感器设备的相对位置。
用于高精度外科手术的微尺度设备定位具有替代X射线荧光透视的潜力，X射线荧光透视是许多这些外科手术期间的当前成像标准，典型的实例是矫形外科手术。
图1是根据实施例的用于产生磁场梯度的装置10的框图。装置10包括控制器100、第一电磁线圈组110、第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130。第一电磁线圈组110被配置为产生相对于第一轴(例如，笛卡尔坐标系中的X轴)的第一磁场梯度。第二电磁线圈组120被配置为产生相对于与第一轴正交的第二轴(例如，笛卡尔坐标系中的Y轴)的第二磁场梯度。第三电磁线圈组130被配置为产生相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴(例如，笛卡尔坐标系中的Z轴)的第三磁场梯度。
电磁线圈组110、120、130可以堆叠在一起(例如，相对于下表面垂直排列)。电磁线圈组110、120、130优选地相对于第一轴和第二轴、相对于彼此居中(例如，同心地居中)和/或对齐。此外，电磁线圈组110、120、130各自具有上平面表面和下平面表面(例如，与Z轴正交)，这允许它们被堆叠和集成或嵌入到平坦设备中，诸如板、壁、椅子的背部、适形的可穿戴带或其他位置，以最小化患者的不适。
控制器100电耦合到第一电磁线圈组110、第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130。控制器100被配置为选择性地向第一电磁线圈组110、第二电磁线圈组120和/或第三电磁线圈组130供电。选择性地为电磁线圈组110、120和/或130供电可以顺序地产生相对于每个轴的总磁场梯度，该总磁场梯度沿相应的定位磁场梯度中的一些或全部具有单调变化的幅度。例如，可以选择性地为电磁线圈组110、120和/或130供电，使得相对于第一轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。在另一示例中，可以选择性地为电磁线圈组110、120和/或130供电，使得相对于第二轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。在又一示例中，可以选择性地为电磁线圈组110、120和/或130供电，使得相对于第三轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。可以通过在产生每个定位磁场梯度的同时测量总磁场来确定磁性传感器设备相对于电磁线圈组110、120和/或130的相对位置。总磁场梯度相对于给定轴的部分可以被称为视场(FOV)。
图2A-C是用于对设备位置进行编码的总磁场梯度的简化视图。三个示例磁性传感器设备D1、D2和D3位于FOV中。为了沿X轴(例如，第一轴)定位设备D1、D2和D3，相对于X轴产生具有单调变化的幅度的磁场BX，如图2A所示。单调变化的幅度在沿X轴的总磁场的绝对值中具有梯度。梯度确保FOV内没有沿X轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式1描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场BX的幅度：
||BX1||＜||BX2||＜||BX3|| (1)
在每个设备的X位置处的总磁场BX可以参考来自对应的X位置处的每个正交磁场的X磁场贡献来描述，如等式2中所描述。可以根据等式3描述相对于X轴的磁场梯度。
Figure BDA0003642109320000111
Figure BDA0003642109320000112
类似地，为了沿Y轴(例如，第二轴)定位设备D1、D2和D3，相对于Y轴产生具有单调变化的幅度的磁场BY，如图2B中所示。单调变化的幅度在沿Y轴的总磁场的绝对值中具有梯度。梯度确保FOV内没有沿Y轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式4描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场的幅度：
||BY2||＜||BY3||＜||BY1|| (4)
在每个设备的Y位置处的总磁场BY可以参考来自对应的Y位置处的每个正交磁场的Y磁场贡献来描述，如等式5中所描述。可以根据等式6描述相对于Y轴的磁场梯度。
Figure BDA0003642109320000121
Figure BDA0003642109320000122
同样，为了沿Z轴(例如，第三轴)定位设备D1、D2和D3，相对于Z轴产生具有单调变化的幅度的磁场BZ，如图2C所示。单调变化的幅度在沿Z轴的总磁场的绝对值中具有梯度。梯度确保FOV内没有沿Z轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式7描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场BZ的幅度：
||BZ1||＜||BZ2||＜||BZ3|| (7)
在每个设备的Z位置处的总磁场BZ可以参考来自对应的Z位置处的每个正交磁场的Z磁场贡献来描述，如等式8中所描述。可以根据等式9描述相对于Y轴的磁场梯度。
Figure BDA0003642109320000123
Figure BDA0003642109320000124
使用沿三个正交轴的这些磁场测量，可以明确地解码每个设备D1、D2和D3的完整3D位置。由于梯度表现在沿任何轴的总磁场值和绝对磁场值中，因此这种定位技术不受由相对于任何特定坐标的设备未对齐和定向不匹配引起的潜在不准确性的影响。随着设备定向改变，等式2、5和8中的个别场分量可改变，但总体量值保持相同。
为了在磁场中沿三个轴产生所需的空间梯度，电磁线圈(例如，电磁线圈组110、120和/或130)可以被设计成具有一个或多个以下设计目标：(i)高梯度强度G，以实现高分辨率；(ii)平坦或基本平坦的线圈，其可以靠近患者放置，诸如在患者的床下方或在患者的床中；(iii)增强的FOV，以允许足够的空间用于医疗程序导航、观察和/或对齐；(iv)高电流效率，以最大限度地利用由梯度线圈汲取的电流；和/或(v)低线圈长度，以具有较小的电感(用于快速切换)和较小的电阻(用于较低的加热)。梯度线圈效率η被定义为由线圈产生的磁场梯度(G)与汲取的电流(I)的比率。导线圈的几何设计和静态磁场模拟可以在静磁软件(诸如可从欧洲同步加速器辐射设施获得的Radia)中进行。FOV可以是15cm×15cm×10cm(X×Y×Z)，但是也可以提供其他FOV。
由系统获得的空间定位分辨率(Δx)由等式10给出：
Δx＝ΔBeff/G (10)
其中ΔBeff是磁性传感器在执行磁场测量时可实现的有效分辨率。它由感测和处理单元的噪声决定，最主要的是量化噪声。G是所应用的磁场梯度，其由电磁体中的电流及其几何结构确定。有两个主要的噪声源可以导致G从所需的理想值变化：(a)由于电源电流的变化引起的偏移，用δGS表示；以及(b)在梯度表征期间引起的插值误差，由δGi表示。为了在G＝30mT/m的情况下获得Δx<100μm，需要ΔBeff<3μT。为了将G一致地保持在30mT/m，δGS+δGi的目标是<1％。在其他实施例中，可提供较低分辨率(例如，Δx<500μm)。
图3是根据实施例的第一电磁线圈组110的示意性俯视图。第一电磁线圈组110包括彼此相邻或相邻布置的顺时针螺旋绕组112和逆时针螺旋绕组114。螺旋绕组112、114可以是彼此的镜像。每一螺旋绕组112、114具有平行于第一轴(例如，X轴)的对称轴312、314。对称轴312、314在螺旋绕组112、114中对齐，以产生相对于第一轴的均匀或基本均匀的磁场梯度(例如，第一磁场梯度)。螺旋绕组112、114沿第二轴(例如，Y轴)伸长，以便形成椭圆形、跑道形(例如，体育场形状)、矩形、圆角矩形或其他伸长形状。螺旋绕组112、114可以具有细长的长度。这可以保持X梯度在Y FOV上基本均匀。沿或平行于第一轴(例如，X轴)测量第一电磁线圈组110的宽度116。如本文所用，“约”意指相关值的正负10％。
螺旋绕组112、114由各自的导线322、324(例如，第一和第二导线)形成。可替代地，可以将多于一根导线连接在一起以形成螺旋绕组。螺旋绕组112、114具有由相应导线322、324的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。导线322、324可以是相同的，因此具有相同的厚度。因此，螺旋绕组112、114具有平行于X-Y平面300的顶部平坦表面及底部平坦表面(或基本平坦表面(例如，至少95％平坦))。螺旋绕组112、114的顶部平坦表面和底部平坦表面由导线322、324的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组112、114相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于导线322、324的厚度。导线322、324可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第一磁场梯度。
导线322、324可被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其他电流。例如，导线322、324可以是铜线，诸如Litz 50/32AWG导线，其表示捆绑在一起的50股32根AWG导线。导线322、324具有绝缘覆盖物以防止它们之间的电短路。
图4是第一电磁线圈组110沿第二轴的侧视图。该侧视图进一步示出了螺旋绕组112、114分别具有平坦的顶表面401、402和平坦的底表面411、412，顶表面401、402和底表面411、412分别平行于X-Y平面300。相对于第三轴(例如，Z轴)测量的螺旋绕组112、114的厚度420等于导线322、324的厚度。在一些实施例中，厚度420可以是约0.5mm至约1.5mm。
图5是示出由第一电磁线圈组110产生的磁场510的Z分量的示例的曲线图500。由顺时针螺旋绕组112产生的磁场510是负的(例如，在约-4.5mT与0之间)，并且由逆时针螺旋绕组114产生的磁场510是正的(例如，在0与约4.5mT之间)。磁场510在顺时针螺旋绕组112与逆时针螺旋绕组114之间为0。
换句话说，由顺时针螺旋绕组112产生的顺时针载流半部(曲线图500的左侧)产生具有指向平面(例如，平面300)内的Z分量(BXz)的磁场BX，由负值表示。由逆时针螺旋绕组114产生的逆时针载流半部(曲线图500的右侧)产生指向平面(例如，平面300)外的“BXz”，由正值表示。这在图500的区域520中创建了两个线圈112、114的中心之间的磁场510的单调变化Z分量(沿X轴)。磁场510的平均梯度(BXz)为约52.5mT/m。
图6是示出由第一电磁线圈组110产生的磁场610的X分量(BXx)的示例的曲线图600。由第一电磁线圈组110产生的磁场的Y分量(BXy)在Y＝0cm和Z＝7.5cm处为0。
图7是示出由第一电磁线圈组110产生的总磁场710(||BX||)的示例的曲线图700。可以看出，总磁场710是高度非线性的。
图5示出了由第一电磁线圈组110产生的磁场的Z分量(BXz)在中心区域(例如，区域520)中是高度单调和线性的。图6示出了由第一电磁线圈组110产生的磁场的X分量(BXx)在中心区域中是非单调和非线性的。作为结果，当总场的幅度
Figure BDA0003642109320000141
在图7中被绘制时，获得高度非单调和非线性磁场分布。总磁场710的非线性可以归因于：(a)将非零和非线性X和Y分量添加到磁场的Z分量，以及(b)幅度函数的非线性，其翻转总场的负一半以产生以X＝15cm为中心的偶函数(在线圈112、114之间)。
在每个曲线图500、600、700中，相应的磁场510、610、710是利用以相同方向通过螺旋绕组112、114的30A的DC电流产生的。在0cm的相对Y位置、7.5cm的相对Z位置和变化的相对X位置处测量相应的磁场510、610、710。
图8是根据实施例的第二电磁线圈组120的示意性俯视图。第二电磁线圈组120包括彼此相邻或相邻布置的顺时针螺旋绕组122和逆时针螺旋绕组124。螺旋绕组122、124可以是彼此的镜像图像。每个螺旋绕组122、124具有平行于第二轴(例如，Y轴)的对称轴812、814。对称轴812、814在螺旋绕组122、124中对齐，以产生相对于第二轴的均匀或基本均匀的磁场梯度(例如，第二磁场梯度)。除了第二电磁线圈组120与第一电磁线圈组110相比旋转90度之外，第二电磁线圈组120与第一电磁线圈组110相同。在其他实施例中，与第一电磁线圈组110相比，第二电磁线圈组120可以具有其他配置差异。
螺旋绕组122、124由相应的导线822、824(例如，第三和第四导线)形成。可替代地，可以将多于一根导线连接在一起以形成螺旋绕组。螺旋绕组122、124具有由相应导线822、824的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。导线822、824可以是相同的，因此具有相同的厚度。因此，螺旋绕组122、124具有平行于X-Y平面800的顶部平坦表面和底部平坦表面(或基本平坦的表面(例如，至少95％平坦))。螺旋绕组122、124的顶部平坦表面和底部平坦表面由导线822、824的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组122、124相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于导线822、824的厚度。导线822、824可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第二磁场梯度。沿或平行于第二轴(例如，Y轴)测量第二电磁线圈组120的长度126。
导线822、824可被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其他电流。例如，导线822、824可以是Litz50/32AWG导线。导线822、824可以与相应的导线322、324相同或不同。
图9是示出由第二电磁线圈组120产生的磁场910的Z分量的示例的曲线图900。由顺时针螺旋绕组122产生的磁场910是负的(例如，在约-4.5mT与0之间)，并且由逆时针螺旋绕组124产生的磁场910是正的(例如，在0与约4.5mT之间)。磁场910在顺时针螺旋绕组122与逆时针螺旋绕组124之间为0。曲线图500、900对于相应的X轴和Y轴是相同的，因为在该实施例中，第一线圈组110和第二线圈组120是相同的(除了90°的相对旋转之外)。
换句话说，由顺时针螺旋绕组122产生的顺时针载流半部(曲线图900的左侧)产生具有指向平面(例如，平面800)内的Z分量(BYz)的磁场BY，由负值表示。由逆时针螺旋绕组124产生的逆时针载流半部(曲线图900的右侧)产生指向平面(例如，平面800)外的BYz，由正值表示。这在曲线图900的区域920中在两个线圈122、124的中心之间(沿Y轴)创建磁场910的单调变化的Z分量。磁场910的平均梯度(BYz)为约52.5mT/m。
图10是示出由第二电磁线圈组120产生的磁场610的Y分量(BYy)的示例的曲线图1000。由第二电磁线圈组120在X＝0cm和Z＝7.5cm处产生的磁场的X分量(BXy)为0。
图11是示出了由第二电磁线圈组120产生的总磁场1110(||BY||)的示例的曲线图1100。可以看出，总磁场1110是高度非线性的。
图9示出了由第二电磁线圈组120产生的磁场的Z分量(BYz)在中心区域(例如，区域920)中是高度单调和线性的。图10示出了由第二电磁线圈组120产生的磁场的X分量(BYy)在中心区域是非单调且非线性的。结果，当总场
Figure BDA0003642109320000161
的幅度在图11中被绘制时，获得高度非单调和非线性磁场分布。总磁场1110的非线性可以归因于：(a)将非零和非线性X和Y分量添加到磁场的Z分量，以及(b)模函数的非线性，其翻转总场的负一半以产生以Y＝15cm为中心的偶函数(在线圈122、124之间)。
在每一个曲线图900、1000、1100中，相应的磁场910、1010、1110是利用在相同方向上通过螺旋绕组122、124的30A的DC电流产生的。在0cm的相对X位置、7.5cm的相对Z位置和变化的相对Y位置处测量相应的磁场910、1010、1110。
图12是根据实施例的第三电磁线圈组130的示意性透视图。第三电磁线圈组130包括螺旋绕组132，螺旋绕组132包括以环形、盘形或环134(通常为环形)的形状缠绕的一根或多根导线612。在一个实施例中，两个或更多个导线612彼此相邻地缠绕以形成环134。导线612沿逆时针方向缠绕，但是在其他实施例中，导线612可以沿顺时针方向缠绕。
环形134具有内径640和外径650，其中内径650限定了不包括导线612的中空区域或内腔642。可以选择外径650与内径640的比率，以允许导线612的适当数量的绕组或匝数，以产生第三磁场梯度。在具体实施例中，外径650可以是约28cm，内径640可以是约10cm。导线612具有绝缘覆盖物以防止它们之间的电短路。可以相对于或平行于第一轴(例如，X轴)或第二轴(例如，Y轴)测量内径640和外径650。
螺旋绕组132具有平行于第三轴(例如，Z轴)的对称轴632。螺旋绕组132具有由导线612的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。因此，螺旋绕组132具有平行于X-Y平面1200的顶部平坦表面和底部平坦表面(或基本平坦的表面(例如，至少95％平坦))。螺旋绕组132的顶部平坦表面和底部平坦表面由导线612的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组132相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于导线612的厚度。导线612可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第三磁场梯度。
导线612可被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其他电流。例如，导线612可以是Litz 50/32AWG导线。导线612可以与导线322、324、822和/或824相同或不同。
图13是示出由第三电磁线圈组130产生的磁场1310的Z分量的示例的曲线图1300。磁场1310在跨越螺旋绕组132的所有X位置处是正的。因此，磁场BZ具有指向平面(例如，平面1200)外的Z分量(BZz)，由正值表示。Z分量(BZz)在螺旋绕组132的中心处(例如，在X＝15cm处)最高。在螺旋绕组的中心的任一侧上的磁场1310的部分单调变化。
图14是示出由第三电磁线圈组130产生的磁场1410的X分量的示例的曲线图1400。螺旋绕组132的左侧(X＝0cm和X＝15cm之间)产生磁场(BZ)，具有指向平面(例如，平面1200)内的X分量(BZx)，用负值表示。螺旋绕组132的右侧(在X＝15cm和X＝30cm之间)产生(BZz)指向平面(例如，平面1200)外，由正值表示。BZx在螺旋绕组132的中心处(例如，在X＝15cm处)为0。BZx从X＝5cm单调增加到X＝25cm。
由于螺旋绕组132相对于X轴和Y轴对称，所以由第三电磁线圈组130产生的磁场的Y分量与磁场1410的X分量相同(例如，在X＝0cm处和在变化的Y位置处)。
在每一个曲线图1300、1400中，利用通过螺旋绕组132的30A的DC电流产生相应的磁场1310、1410。在0cm的相对Y位置、7.5cm的相对Z位置和在变化的相对X位置处(即，其中X和Y在曲线图1400中切换)测量相应的磁场1310、1410。
图15是示出由第三电磁线圈组130产生的单调变化的总磁场1510(||BZ||)的示例的曲线图1500。使用相应的相对X位置作为Z位置的函数测量每个总磁场1510曲线图。使用0cm的相对Y位置测量每个总磁场1510曲线图。另外，在从Z＝1cm至Z＝11cm的10cm上测量每个总磁场1510，其中Z距离是距第三电磁线圈组130的顶表面的高度。
通常，总磁场1510单调地并且随着距第三电磁线圈组130的高度(Z位置)的增加而减小。此外，总磁场1510在大多数高度(Z)上是线性的。据信，内腔642增强了总磁场1510(其在不存在内腔642的情况下更具指数性)的线性度。第三电磁线圈组130具有约10cm的单调ZFOV 1520，其中总磁场1510的幅度单调地变化(减小)。
因此，10cm Z FOV 1520与第三磁性线圈组130的外径650(当产生总磁场梯度1510时为30cm)的比率为约1：3，尽管在其他实施例中该比率可以在1：4至约2：5的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于1：3)。另外，10cm Z FOV 1520与第三磁性线圈组130的内径640(当产生总磁场梯度1510时为10cm)的比率为约1：1，但在其他实施例中，该比率可在约4：5到约6：5的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于1：1)。
梯度强度G在X＝0cm处为46mT/m，在X＝±5cm处达到67mT/m的最大值，并且在X＝±10cm处降至48mT/m，从而确保在沿X轴的20cm长度上G>30mT/m。在第三电磁线圈组130中使用12.5A的DC电流以产生曲线图1500，这导致4.3mT/m/A的平均磁场梯度效率η。
由于螺旋绕组132相对于X轴和Y轴是对称的，所以当在0cm的相对X位置、±2.5cm、±5cm、±7.5cm和±10cm的相对Y位置以及从Z＝1cm到Z＝11cm(即，其中X和Y在曲线图1500中切换)处测量时，总磁场是相同的。
从曲线图700、1100、1500可以看出，由第三磁性线圈组130产生的总磁场具有相对于第三轴(例如，Z轴)单调变化的幅度，而由第一和第二磁性线圈组110、120产生的总磁场不具有分别相对于第一轴和第二轴(例如，X和Y轴)单调变化的幅度。
(图1300)的任一半中的严格正和单调性质使其成为用于偏移(图500)的负一半BXz和(图900)的负一半BYz的适当候选。另外，BZx(图1400)从X＝5cm到X＝25cm是高度线性的，BXx(图600)中非线性的主要区域，表明两者的叠加将比单独的BXx相对更线性。类似地，BZy(相同的图1400)从Y＝5cm到Y＝25cm是高度线性的，BYy(图1000)中非线性的主要区域，表明两者的叠加将比单独的BYy相对更线性。
因此，第三电磁线圈组130可以位于第一电磁线圈组110的下方(例如，正下方)，并且两者都可以同时接通。所得到的沿X轴的磁场分布分别绘制在图16和17中的曲线图1600和1700中。曲线图1600示出了由第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130同时产生的组合磁场1610的Z分量。在Y＝0cm、Z＝7.5cm处以及在变化的X位置处测量组合磁场1610。在第一和第三电磁线圈组110、130中使用30A的DC电流以产生组合磁场1610。可以看出，组合磁场1610具有从X＝3cm到X＝21cm的18cm的单调变化区域1620，其对应于组合磁场1610的FOV。磁场1610的平均梯度(BXz)为约54mT/m。
曲线图1700示出了由第一和第三电磁线圈组110、130同时产生的总磁场1710的示例。总磁场1710具有大区域1720，其中总磁场1710的幅度单调增加。区域1720从X＝-6cm到X＝21cm宽约27cm，其中负X值对应于远离逆时针螺旋114的外边缘的等效距离。当第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130一起接通时，区域1720是X FOV。27cm FOV(区域1720)等于第一电磁线圈组110宽度(30cm)的90％。
磁场1710(||BX||)的平均梯度约为30mT/m。在Y＝0cm、Z＝7.5cm处和在变化的X位置处测量组合磁场1710。在第一和第三电磁线圈组110、130中使用30A的DC电流以产生总磁场1710。
曲线图1800示出了由第二和第三电磁线圈组120、130同时产生的总磁场1810的例子。总磁场1810具有大区域1820，其中总磁场1810的幅度单调增加。区域1820从Y＝-6cm到Y＝21cm宽约27cm，其中负Y值对应于远离逆时针螺旋124的外边缘的等效距离。当第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130一起接通时，区域1820是Y FOV。27cm FOV(区域1720)等于第二电磁线圈组120宽度(30cm)的90％。
磁场1810(||BY||)的平均梯度是约30mT/m。在X＝0cm、Z＝7.5cm处以及在变化的Y位置处测量组合磁场1810。在第一电磁线圈组120和第三电磁线圈组130中使用30A的DC电流以产生总磁场1810。如图18所示，总磁场1710和总磁场1810分别相对于X轴和Y轴(例如，第一轴和第二轴)相同或基本相同。
对于其中Y≠0(对于总磁场1710)的偏离中心区域，X和Z线圈的Y分量也存在，并且有助于由两个线圈生成1710的总磁场。尽管如此，场分布的定性性质在所有情况下类似于图形1700，如下所述。
为了评估由第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130同时产生的总磁场的均匀性，可以针对从0到±10cm的不同Y值以±2.5cm的间隔，同时保持Z＝7.5cm，在各种X值处绘制总磁场1910(||BX||)，如图19中的曲线图1900所示。由于当Y坐标变化时Z线圈的磁场沿X轴的非均匀性质，总梯度强度从Y＝0处的37mT/m单调减小到Y＝±10cm处的24mT/m。在第一和第三电磁线圈组110、130中使用30A的DC电流以产生总磁场1910。当在30A的DC功率下同时操作时，第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130具有约20cm的单调X FOV 1920，其中总磁场1910的幅度单调地变化(增加)。该20cm X FOV 1920表示具有单调变化的幅度的总磁场1910(||BX||)的相当大的部分。
类似地，为了评估由第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130同时产生的总磁场的均匀性，可以针对从±5cm到±10cm的不同Z值以±1cm的间隔，同时保持Y＝0，在各种X值处绘制总磁场2010，如图20中的曲线图2000所示。如所预期的，梯度强度从57mT/m单调减小。梯度强度从Z＝5cm处的57mT/m单调减小到Z＝10cm处的23mT/m。在第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130中使用30A的DC电流以产生总磁场2010。当在30A的DC功率下同时操作时，第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130具有约20cm的单调X FOV 2020，其中总磁场2010的幅度单调地变化(增加)。
因此，20cm X FOV 1920、2020与第一磁性线圈组110的宽度116(当产生总磁场梯度1910、2010时为30cm)的比率为约2：3，尽管在其他实施例中该比率可以在1：2至约3：4的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于2：3)。
图21和图22是由第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130同时产生的总磁场2110、2200的曲线图2100、2200。在曲线图2100中，以±2.5cm的间隔针对从0到±10cm的不同X值，同时保持Z＝7.5cm，在各种Y值处绘制总磁场2110。由于当X坐标变化时Z线圈的磁场沿Y轴的非均匀性质，总梯度强度从X＝0处的37mT/m单调减小到X＝±10cm处的24mT/m，类似于曲线图1900。在第二和第三电磁线圈组120、130中使用30A的DC电流以产生总磁场2110。当在30A的DC功率下同时操作时，第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130具有约20cm的单调Y FOV 2120，其中总磁场2110的幅度单调地变化(增加)。
类似地，为了评估由第二和第三电磁线圈组120、130同时产生的总磁场的均匀性，如图2200所示，以±1cm的间隔，针对从±5cm到±10cm的不同Z值，同时保持X＝0cm，在不同的Y值处绘制总磁场2210。如所预期的，梯度强度从Z＝5cm处的57mT/m单调减小到Z＝10cm处的23mT/m。在第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130中使用30A的DC电流以产生总磁场2210。当在30A的DC功率下同时操作时，第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130具有约20cm的单调Y FOV 2220，其中总磁场2210的幅度单调地变化(增加)。
因此，20cm Y FOV 2120、2220与第二磁性线圈组110的长度126(当产生总磁场梯度2110、2210时为30cm)的比率为约2：3，尽管在其他实施例中该比率可以在1：2至约3：4的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于2：3)。
这意味着对于给定的传感器分辨率，当磁性传感器设备分别在X、Y和Z方向上移动更靠近跨越20cm×20cm×10cm的FOV的中心时，所获得的位置分辨率将更高。为了改善在FOV的边界平面处获得的位置分辨率，线圈中的DC电流应当增加(导致更高的梯度)，或者传感器分辨率应当更高。保持最大电流为30A，我们以低噪声模式朝向边界平面采用传感器，其中梯度强度<30mT/m。在低噪声模式下，传感器的分辨率为1μT，仅需要10mT/m即可实现100μm的位置误差。然而，低噪声模式下850μs的电流消耗为2.2mA，而低功耗模式下250μs的电流消耗为1.5mA(分辨率为3μT)。利用传感器侧的额外功率损失，可以在整个FOV中实现期望的位置分辨率。在一些实施例中，磁性传感器设备中(例如，控制器芯片中)的电源管理单元可以高效率地设计为当磁性传感器设备在低噪声模式下操作时向磁性传感器设备无线地发送相对较高的功率。
FOV内的每个点对应于从三个正交梯度获得的磁场值的唯一集合。对于需要更大FOV的应用，可以针对所有线圈相应地缩放物理尺寸。DC电流是用于垂直缩放FOV的另一参数。利用X和Z线圈两者中的DC电流值均为30A，X梯度的η的平均值为588μT/m/A。
图23是根据实施例的分别通过第一电磁线圈组110、第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130的电流的时序图2300。电流图2310示出了通过第一电磁线圈组110的电流与时间的关系。电流图2320示出了通过第二电磁线圈120组的电流与时间的关系。电流图2330示出了通过第三电磁线圈组130的电流与时间的关系。电流由控制器100选择性地控制。
可以看出，在电流曲线图2310、2320、2330中，存在相应的斜升时间段2312、2322、2332、相应的稳态“接通”时段2315、2325、2335和相应的斜降时间段2318、2328、2338。时序图2300示出了第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130在斜升时间段2312、2332中同时接通。在稳态接通时段2315中，稳态电流流过第一和第三电磁线圈组110、130以同时产生第一和第三磁场。由第一和第三电磁线圈组110、130产生的第一总磁场(例如，第一定位磁场)在第一轴(例如，X轴)中在FOV内具有单调变化的幅度。稳态接通时段2315是第一总磁场的测量时间段(例如，对于磁性传感器设备)。第一总磁场可以与总磁场1710、1910和/或2010相同。
在稳态接通时段2315之后，控制器100同时斜降2318到第一电磁线圈组110的电流以关断第一电磁线圈组110并且斜升2322到第二电磁线圈组120的电流以接通第二电磁线圈组120。可替代地，控制器100可以斜降2318到第一电磁线圈组110的电流，然后斜升2322到第二电磁线圈组120的电流。控制器100在斜升时段2322期间继续使电流流过第三电磁线圈组130。在稳态接通时段2325中，稳态电流流过第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130以同时产生第二磁场和第三磁场。由第二和第三电磁线圈组120、130产生的第二总磁场(例如，第二定位磁场)在FOV内在第二轴(例如，Y轴)上具有单调变化的幅度。稳态接通时段2325是第二总磁场的测量时间段(例如，对于磁性传感器设备)。第二总磁场可以与总磁场1810、2110和/或2210相同。时间段2325可以是50ms至250ms，包括约100ms、约150ms、约200ms以及任何两个前述时间段之间的任何时间段或时间段范围。
在稳态接通时段2315之后，控制器100斜降2328到第二电磁线圈组120的电流以关断第二电磁线圈组120，同时保持到第三电磁线圈组130的功率。在第二电磁线圈组120关断之后，稳态电流在时间段2340期间仅流过第三电磁线圈组130以仅产生第三磁场(例如，第三定位磁场)，该第三磁场在FOV内在第三轴(例如，Z轴)上具有单调变化的幅度。时间段2340是第三磁场的测量时间段(例如，对于磁性传感器设备)。第三磁场可以与单调变化的总磁场1510相同。时间段2340可以是50ms至250ms，包括约100ms、约150ms、约200ms以及任何两个前述时间段之间的任何时间段或时间段范围。
稳态测量时间段2315、2325和2340可以是约10ms至约25ms，包括约15ms、约20ms和任何时间段或任何两个前述时间段之间的时间段范围。斜升时间段2312、2322、2332和斜降时间段2318、2328、2338可以是约50ms至约150ms，包括约75ms、约100ms、约125ms以及任何两个前述时间段之间的任何时间段或时间段范围。斜升时间段2312、2322、2332和斜降时间段2318、2328、2338的长度可受控制器100中的DC电流供应影响。
对于磁性传感器设备可以测量的给定磁场分辨率(ΔB)，磁场梯度的梯度强度(G)由所需的定位分辨率(ΔX)确定，如关系式ΔX＝ΔB/G所给出的。在一个实施例中，ΔB为15μT，并且为了得到ΔX的500μm分辨率，所需的G为30mT/m。当对25个或更多个磁场样本进行测量和平均时，可吸收磁性传感器的测量误差可以从15μT的ΔB降低到3μT，对于给定的30mT/m的磁场梯度强度，这可以将空间分辨率从500μm改善到100μm。
图24是根据实施例的用于定位磁性传感器设备的相对位置的系统2400的框图。系统2400包括磁场梯度装置10(例如，如本文所述)、磁性传感器设备2410和接收器2420。
磁性传感器设备2410包括胶囊或壳体2411和电路，该电路包括三维磁性传感器2412、设备控制器2414、天线2416和电源2418。胶囊或壳体2411可以是可摄取胶囊，其可以包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种生物安全材料。可替代地，胶囊或壳体2411可以包括使得磁性传感器设备2310可以放置在诸如哺乳动物(例如，人)的受试者的解剖特征2430上或附近的生物相容性壳体。在另一个实施例中，胶囊或壳体2411不包括生物相容性壳体或可摄取胶囊。在任何情况下，胶囊或壳体2411优选地不衰减或影响外部磁场(诸如由装置10产生的外部磁场)。
三维磁性传感器2412测量可吸收磁性传感器2412的位置处的磁场，并将磁场测量输出到设备控制器2414。磁场测量包括X、Y和Z场值中的每一个的测量，其各自可以被提供为16比特数据向量。三维磁性传感器2412可以基于从设备控制器1414接收的控制信号来测量磁场，该控制信号可以通过诸如I2C的协议发送。在一些实施例中，可以对每个磁场梯度进行25次或更多次测量。控制信号可以包括用于三维磁性传感器2412执行磁场测量的时序。时序可以对应于定位磁场梯度的预定时序。另外，控制信号可以包括用于三维磁性传感器2412的功率、噪声和/或测量频率(例如，每分钟1至5次磁场测量)的配置设置。在示例实施例中，三维磁性传感器2412可以包括可从Asahi Kasei Microdevices Corporation获得的具有数字输出的AK09970N三轴磁性传感器IC，但是还可以使用其他三维磁性传感器。应当理解，本文提供的某些实施例仅用于说明和解释的目的，并且这些实施例不限制本发明。在不脱离本公开或发明的范围的情况下，本领域技术人员将理解等同、类似或其他示例的替换。
设备控制器2414包括微处理器、本地存储器(例如，高速缓存和RAM)以及可以支持一个或多个无线协议的收发器，所述无线协议诸如蓝牙(例如，蓝牙低功耗(LE))、近场通信(NFC)和/或另一无线协议。设备控制器2414可以将磁场测量存储在其本地存储器(例如，高速缓存或RAM)中，然后将磁场测量编码在一个或多个磁性传感器输出信号中。磁性传感器输出信号由天线2416使用无线协议(例如，蓝牙LE)广播并发送到接收器2420(例如，其使用接收器天线2422接收输出信号)。天线匹配电路可以被包括在设备控制器2414和天线2416之间，以改善和/或最大化到天线2416的功率传输以用于辐射。在示例实施例中，设备控制器2414可以包括可从Nordic Semiconductor获得的NRF52832蓝牙5.2片上系统(SoC)，但是还可以使用其他微处理器或SoC。此外，天线2416可以包括可从Johanson Technology，Inc.获得的2450AT18B100 2.4GHz微型天线。
电源2418为三维磁性传感器2412和设备控制器2414供电。电源2418可以包括电池，诸如一个或多个钮扣电池可再充电电池(例如，3V，11mAh)，诸如可从SeikoInstruments，Inc.获得的MS 920SE。在另一个实施例中，电源2418可以包括可以经由电感耦合无线地接收能量的电感器。在另一个实施例中，电源2418可以生物化学方式获得电力。电源2418可以从其他外部源和/或从内部源接收和/或获得电力。
接收器2420包括微处理器和天线，该天线可以使用无线协议(例如，蓝牙LE)从磁性传感器设备2410接收磁性传感器输出信号。例如，接收器2420可以包括智能电话、膝上型计算机、台式计算机、平板电脑或其他计算机。然后，接收器2420可以使用在磁性传感器输出信号中编码的磁场测量来确定磁性传感器设备2410相对于装置10的三维空间坐标。磁性传感器设备2410的相对三维空间坐标可以可选地显示在接收器2420上的内部显示器上和/或耦合到接收器2420的外部显示器上。可以使用查找表、数学模型或存储在接收器2420中的其他关系来确定相对三维空间坐标。例如，可以通过在靠近装置10的一系列已知空间坐标处(诸如每100μm、每500μm或每个维度中的其他距离)对由装置10产生的定位磁场梯度进行一系列测量来创建查找表。可以从查找表中的测量磁场测量中减去地球的环境磁场。
另外，接收器2420可以向设备控制器2414发送控制信号和/或命令。来自接收器2420的控制信号和/或命令(通常，控制信号)可以触发磁场测量，诸如通过使设备控制器2414将控制信号发送到三维磁性传感器2412。来自接收器2420的控制信号还可以包括用于三维磁性传感器2412执行磁场测量的时序。替代地，可以通过使接收器2420发送根据预定时序触发磁场测量的控制信号来创建时序。来自接收器2420的控制信号还可以使设备控制器2414将磁性传感器输出信号发送到接收器2420。另外，接收器2420可以发送控制信号以配置设备控制器2414和/或三维磁性传感器2412。例如，接收器2420可以配置设备控制器2414的无线通信设置(例如，无线协议、加密等)。另外，接收器2420可以配置三维磁性传感器2412的功率、噪声和/或测量频率(例如，每分钟1至5次磁场测量)设置。
在操作中，磁性传感器设备2410可以被吸入或放置在哺乳动物(例如人类患者)的内部体积1440中。例如，磁性传感器2410可以被摄取到哺乳动物(例如，人类患者或其他哺乳动物)的胃肠(GI)道中。然后将装置10放置成使得其FOV在哺乳动物的胃肠道内。例如，装置10可以放置在平台或床(哺乳动物躺在其上)、椅子(哺乳动物坐在其中)的背部上或其中。可替代地，装置10可以布置在可穿戴设备中，例如可以缠绕在受试者(例如哺乳动物)的胃周围的可穿戴设备。接收器2420与磁性传感器设备2410中的设备控制器2414无线通信，以触发磁场测量和/或接收原始场数据。接收器2420上的用户界面可以显示可吸收磁性传感器2410相对于装置10(例如，电磁线圈110、120、130)的位置的三维位置。
接收器2420可以实时(或由于传输时间而基本上实时等)或非实时(例如，在稍后的时间)接收和/或显示磁性传感器设备2410的相对位置。例如，磁性传感器设备2410可以临时存储多个磁场测量并将它们作为组发送到接收器2420。附加地或替代地，接收器2420可以从磁性传感器设备2410接收磁场测量，以便稍后在接收器2420的显示器上或在另一设备(诸如计算机)上显示。
由于用于定位磁场梯度的DC电流可能相当高(例如，高达50A)，所以如果电磁线圈110、120、130保持长时间接通，则它们的加热可能是有问题的。为了避免这种情况，电磁线圈110、120、130可以以高度时间复用的方式切换，使得它们仅在需要进行测量时接通，并且在所有其他时间关断。例如，每5分钟执行一次测量可以平均产生约13W的热量。隔热材料(例如，隔热板)可以放置在电磁线圈110、120、130表面与患者背部之间，以避免任何不期望的加热效应。
装置10的两个示例实施例在表1中列出。一个实施例被设计用于整形外科手术，而另一个实施例被设计用于胃肠道监测，这些实施例可以用于其他应用。从表1中可以看出，每个电磁线圈110、120、130的匝数是不同的，这取决于使用的应用和期望的FOV。电磁体中所需的DC电流也基于的应用和FOV中期望的磁场梯度。对于表1中给出的DC电流，可以实现≥30mT/m的磁场梯度。该梯度朝向电磁线圈110、120、130的表面和中心强得多，并且在FOV的边界处减小到30mT/m。梯度的强度确定使用系统2400可用的空间定位分辨率。
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表1
图25是根据实施例的用于确定磁性传感器设备的相对三维位置的方法2500的流程图。可以使用系统2400来执行方法2500。在步骤2510中，磁性传感器设备2410测量相对于第一轴(例如，X轴)的第一磁场，该第一磁场在装置10的FOV内具有单调变化的幅度。第一磁场对应于由第一电磁线圈组110和第三电磁线圈组130同时产生的第一磁场梯度。
在步骤2520中，磁性传感器设备2410测量相对于第二轴(例如，Y轴)的第二磁场，该第二磁场在装置10的FOV内具有单调变化的幅度。第二磁场对应于由第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130同时产生的第一第二场梯度。
在步骤2530中，磁性传感器设备2410测量相对于第三轴(例如，Z轴)的第三磁场，该第三磁场在装置10的FOV内具有单调变化的幅度。第三磁场对应于仅由第三电磁线圈组130产生的第三第二场梯度。步骤2510、2520和2530顺序发生，但不一定以方法2500中所示的顺序发生。
在步骤2540中，接收器2420可以接收第一磁场、第二磁场和第三磁场测量，并且使用第一磁场、第二磁场和第三磁场测量来确定磁性传感器设备2410的相对三维位置。接收器2420可以使用查找表、数学模型或所存储的其他关系来确定磁性传感器设备2410的相对三维位置。接收器2420可以输出、显示和/或存储在步骤2540中确定的磁性传感器设备2410的相对三维位置。
在替代实施例中，磁性传感器设备2410可以以与接收器2420相同的方式使用第一磁场、第二磁场和第三磁场测量来确定其相对三维位置。
图26是根据实施例的用于确定磁性传感器设备2410的相对三维位置的方法2600的流程图。在实施例中，根据方法2600执行步骤2540。
在步骤2610中，接收器2420将来自磁性传感器设备2410的第一磁场测量Bxi与存储在主查找表中的第一磁场测量值进行比较。可以通过在靠近装置10的一系列已知空间坐标处(诸如每100μm、每500μm或每个维度中的其他距离)对由装置10产生的磁场梯度进行一系列测量来创建主查找表。可以从主查找表中的测量磁场测量中减去地球的环境磁场。误差±ΔB可包括在第一磁场测量Bxi中，在这种情况下，接收器2420将第一磁场测量范围Bxi±ΔB与存储在主查找表中的第一磁场测量值进行比较。误差ΔB可为约50μT至约150μT，包括约75μT、约100μT、约125μT、以及前述值中的任两个之间的任何值或范围。在图27中的主查找表2710中示出了该步骤的示例。
在步骤2620中，接收器2420动态地创建第一查找表，该第一查找表包括来自主查找表的包括第一磁场测量Bxi或第一磁场测量范围Bxi±ΔB的所有行。因此，第一查找表是主查找表的子集。图27中示出了第一查找表2720的示例。
在步骤2630中，接收器2420将来自磁性传感器设备2410的第二磁场测量Byi与存储在第一查找表中的第二磁场测量值进行比较。误差±ΔB可包括在第二磁场测量Byi中，在这种情况下，接收器2420将第二磁场测量范围Byi±ΔB与存储在第一查找表中的第二磁场测量值进行比较。
在步骤2640中，接收器2420动态地创建第二查找表，该第二查找表包括来自第一查找表的包括第二磁场测量Byi或第二磁场测量范围Byi±ΔB的所有行。因此，第二查找表是第一查找表的子集。图27中示出了第二查找表2730的示例。第二查找表2730中的值对应于Bxi和Byi平面的交点，这导致在平行于线圈表面(例如，装置10的表面)的各个平面上散布的点阵列。
在步骤2650中(经由占位符A)，接收器2450将来自磁性传感器设备2410的第三磁场测量Bzi与存储在第二查找表中的第三磁场测量值进行比较。误差±ΔB可以包括在第三磁场测量Bzi中，在这种情况下，接收器2420将第三磁场测量范围Bzi±ΔB与存储在第二查找表中的第三磁场测量值进行比较。
在步骤2660中，接收器2420动态地创建第三查找表，该第三查找表包括来自第二查找表的包括第三磁场测量Bzi或第二磁场测量范围Bzi±ΔB的所有行。因此，第三查找表是第二查找表的子集。图27中示出了第三查找表2740的示例。第二查找表2730中的值对应于Bxi、Byi和Bzi平面的交点。
在步骤2660中创建的第三查找表可以包括单行或多行。单行对应于磁性传感器设备2410的相对三维坐标或位置。当步骤2650的输出包括第二查找表中的多行时，则在可选步骤2670中，接收器确定具有与Bxi、Byi、Bzi的最小欧几里德差或距离的相对三维坐标。在第三查找表2740中，输出坐标对应于主查找表2710中的第567个条目(即，x567、y567、z567、Bx567、By567和Bz567)。
图28是根据实施例的用于制造用于产生单调变化的磁场梯度的装置(例如，装置10)的方法2800的流程图。
在步骤2810中，形成第一电磁线圈组。第一电磁线圈组(例如，第一电磁线圈组110)被配置为产生相对于第一轴(例如，X轴)的第一磁场梯度。在一些实施例中，步骤1110包括(a)用第一导线(例如，导线322)形成第一顺时针螺旋绕组，以及(b)用第二导线(例如，导线324)形成第一逆时针螺旋绕组。第一顺时针螺旋绕组和第一逆时针螺旋绕组各自具有平行于第一轴的对称轴。第一顺时针螺旋绕组可以邻近或紧邻第一逆时针螺旋绕组放置。例如，第一导线322和第二导线324可以彼此物理接触，或者它们之间可以存在小间隙。第一顺时针螺旋绕组的对称轴可以与第一逆时针螺旋绕组的对称轴对齐，这可以提供相对于第一轴的均匀或基本均匀的磁场梯度。
在一些实施例中，形成第一电磁线圈组包括在平行于第二轴(例如，平行于Y轴)的方向上伸长第一顺时针和逆时针螺旋绕组。例如，第一顺时针和逆时针螺旋绕组可以包括椭圆形、跑道形(例如，体育场形状)、矩形、圆角矩形或另一细长形状。
第一电磁线圈组通常布置在由第一轴和第二轴(例如，X和Y轴)限定的平面内。例如，形成第一顺时针螺旋绕组和第一逆时针螺旋绕组的导线具有确定第一电磁线圈组的厚度或高度的厚度或高度。第一电磁线圈组的顶表面和底表面是平坦的并且平行于X-Y平面。
在步骤2820中，形成第二电磁线圈组。第二电磁线圈组(例如，第二电磁线圈组120)被配置为产生相对于与第一轴(例如，X轴)正交的第二轴(例如，Y轴)的第二磁场梯度。在一些实施例中，步骤2820包括(a)用第三导线(例如，导线822)形成第二顺时针螺旋绕组，以及(b)用第四导线(例如，导线824)形成第二逆时针螺旋绕组。第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组各自具有平行于第二轴的对称轴。第二顺时针螺旋绕组可以邻近或紧邻第二逆时针螺旋绕组放置。例如，第三导线822和第四导线824可以彼此物理接触，或者在它们之间可以存在小间隙。第二顺时针螺旋绕组的对称轴可以与第二逆时针螺旋绕组的对称轴对齐，这可以提供相对于第二轴的均匀或基本均匀的磁场梯度。
在一些实施例中，形成第二电磁线圈组包括在平行于第一轴(例如，平行于X轴)的方向上伸长第二顺时针和逆时针螺旋绕组。例如，第二顺时针和逆时针螺旋绕组可以包括椭圆形、跑道形(例如，体育场形状)、矩形、圆角矩形或另一细长形状。
第二电磁线圈组通常布置在由第一轴和第二轴(例如，X轴和Y轴)限定的平面中。例如，形成第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组的导线具有确定第二电磁线圈组的厚度或高度的厚度或高度。第二电磁线圈组的顶表面和底表面是平坦的并且平行于X-Y平面。
在步骤2830中，形成第三电磁线圈组。第三电磁线圈组(例如，第三电磁线圈组130)被配置为产生相对于与第一轴和第二轴(例如，X轴和Y轴)正交的第三轴(例如，Z轴)的第三磁场梯度。在一些实施例中，步骤2830包括用第五导线(例如，导线612)形成螺旋绕组。螺旋绕组在由第一轴和第二轴(例如，X轴和Y轴)限定的平面内可以是平坦的。螺旋绕组可以是环形、环或盘的形式，其中内部空腔不包括螺旋绕组。螺旋绕组可以相对于第一轴、第二轴和第三轴对称。
第三电磁线圈组通常布置在由第一轴和第二轴(例如，X和Y轴)限定的平面内。例如，形成螺旋绕组的导线具有确定第三电磁线圈组的厚度或高度的厚度或高度。第三电磁线圈组的顶表面和底表面是平坦的并且平行于X-Y平面。
在步骤2840中，第一、第二和第三电磁线圈组相对于第三轴(例如，Z轴)垂直排列和/或对齐。在一些实施例中，第一电磁线圈组、第二电磁线圈组和第三电磁线圈组可以直接堆叠在彼此的顶部上。
在步骤2850中，控制器(例如，控制器100)电连接到第一电磁线圈组、第二电磁线圈组和第三电磁线圈组。控制器被配置为选择性地向第一、第二和/或第三电磁线圈组供电，以产生相对于每个轴在其至少一部分上具有单调变化的幅度(例如，FOV)的定位磁场梯度。例如，控制器可以被配置为同时(a)仅向第一电磁线圈组和第三电磁线圈组、(b)仅向第二电磁线圈组和第三电磁线圈组以及(c)仅向第三电磁线圈组供电。可以以预定顺序和/或以预定时序向(a)、(b)和(c)供电，其可以对磁场梯度进行编码。可以以任何顺序向(a)、(b)和(c)供电。
控制器可以被配置和/或编程为具有第一设置，以产生相对于第一轴的第一定位磁场梯度，其中第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的幅度(例如，相对于第一轴的第一FOV)。在第一设置中，控制器仅同时向第一电磁线圈组和第三电磁线圈组供电。控制器还可以被配置和/或编程为具有第二设置，以产生相对于第二轴的第二定位磁场梯度，其中第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿第二轴单调变化的幅度(例如，相对于第二轴的第二FOV)。在第二设置中，控制器仅同时向第二电磁线圈组和第三电磁线圈组供电。控制器还可以被配置和/或编程为具有第三设置，以产生相对于第三轴的第三定位磁场梯度，其中第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿第三轴单调变化的幅度(例如，相对于第三轴的第三FOV)。在第三设置中，控制器仅同时向第三电磁线圈组供电。控制器可以被配置为根据第一设置、第二设置和第三设置顺序地和/或以预定时序选择性地供电，这两者都可以对第一定位磁场梯度、第二定位磁场梯度和第三定位磁场梯度进行编码。
在一些实施例中，控制器或接收器可以存储表示对于每个磁场梯度在相对于电磁线圈组的已知位置处的一系列测量的磁场测量的数据，例如，如本文所讨论的。数据可以存储在数据库、查找表中或以另一种形式存储。可替代地，控制器可以存储数据的数学模型，该数学模型可以用于针对磁性传感器设备的给定磁场测量来确定磁性传感器的相对位置。在另一实施例中，用于磁性传感器设备的计算机或接收器可以存储数据和/或数学模型。计算机或接收器可以与控制器通信。关于使用磁场梯度来定位磁性传感器设备的附加细节在以下专利中公开：(a)于2018年3月13日公布的标题为“Sensing and Actuation ofBiological Function Using Addressable Transmitters Operated as MagneticSpins”的美国专利第9,915,641号，(b)于2019年11月5日公布的标题为“Sensing andActuation of Biological Function Using Addressable Transmitters Operated asMagnetic Spins”的美国专利第10,466,227号，(c)于2019年12月26日公布的标题为“Surgical Alignment by Magnetic Field Gradient Localization”的美国专利第2019/0388105号，(d)于2012年12月26日公布的标题为“In-Vitro Monitoring Of An InternalVolume of Mammals Using Magnetic Field Gradients”的美国专利第17/097,421号，本申请要求于2019年11月13日提交的标题为“Real-Time GI Tract Monitoring with HighPrecision in3D Using Atoms Microchips”的美国专利第62/934,763号的优先权，并且要求于2019年11月13日提交的标题为“Magnetic Gradient Coil Design For Micro-DeviceLocalization”的美国专利第62/934,767号的优先权，以及(e)于2020年9月9日提交的题为“Precision Surgery Using Smart Surgical Tags”的美国专利第63/075,980号，其各自通过引用并入本文。
图29是根据实施例的用于产生磁场梯度的方法的流程图2900。在步骤2910中，控制器(例如，控制器100)电连接到(a)被配置为产生第一磁场的第一电磁线圈组，(b)被配置为产生第二磁场的第二电磁线圈组，以及(c)被配置为产生第三磁场的第三电磁线圈组。第一电磁线圈组、第二电磁线圈组和第三电磁线圈组可以分别与第一电磁线圈组110、第二电磁线圈组120和第三电磁线圈组130相同。
在步骤2920中，控制器同时仅向(a)第一电磁线圈组和(c)第三电磁线圈组供电。在步骤2920期间，控制器不向(b)第二电磁线圈组供电。同时仅向(a)第一电磁线圈组和(c)第三电磁线圈组供电产生相对于第一轴的第一组合磁场梯度。第一组合磁场梯度包括由第一电磁线圈组产生的第一磁场和由第三电磁线圈组产生的第三磁场。第三磁场可以用作第一磁场的偏移，使得第一组合磁场梯度具有相对于第一轴沿其至少一部分(例如，FOV)(诸如沿第一电磁线圈组的一部分)单调变化的幅度。
在步骤2930中，控制器同时仅向(b)第二电磁线圈组和(c)第三电磁线圈组供电。在步骤2930期间，控制器不向(a)第一电磁线圈组供电。仅同时向(b)第二电磁线圈组和(c)第三电磁线圈组供电产生相对于第二轴的第二组合磁场梯度。第二组合磁场梯度包括由第二电磁线圈组产生的第二磁场和由第三电磁线圈组产生的第三磁场。第三磁场可以用作第二磁场的偏移，使得第二组合磁场梯度具有相对于第二轴沿其至少一部分(例如，FOV)(诸如沿第二电磁线圈组的一部分)单调变化的幅度。
在步骤2940中，控制器仅向(c)第三电磁线圈组供电。仅向(c)第三电磁线圈组供电以产生第三磁场梯度，该第三磁场梯度具有相对于第三轴的至少一部分(例如，FOV)单调变化的幅度。
在一个实施例中，可以根据预定时序重复步骤2920、2930和2940。预定时序可以基于时间和/或序列对磁场梯度进行编码。步骤2920、2930和2940不需要以方法2900中所示的顺序执行。然而，优选地在每个预定时序中以相同的顺序执行步骤2920、2930和2940，以对磁场梯度进行编码。在替代实施例中，可以在通过方法2900的每个循环中以不同或随机的序列顺序执行步骤2920、2930和2940，以加密磁场梯度。
图30是根据实施例的用于使用磁场梯度来确定对象的相对位置的方法3000的流程图。在步骤3010中，三维磁场发生器(例如，装置10)顺序地产生(a)沿第一轴的第一磁场梯度，第一磁场梯度具有沿第一轴的一部分单调变化的幅度，(b)沿与第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，第二磁场梯度具有沿第二轴的一部分单调变化的幅度，以及(c)沿与第一轴和第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度。第三磁场梯度沿第三轴的一部分具有单调变化的幅度。在第一时间或时间段产生第一磁场梯度。在不同于第一时间或时间段的第二时间或时间段产生第二磁场梯度。在不同于第一时间和第二时间或时间段的第三时间或时间段产生第三磁场梯度。
在步骤3020中，磁性传感器设备(例如，磁性传感器设备2410)中的三维磁性传感器(例如，三维磁性传感器2412)用于在第一时间或时间段测量磁性传感器设备的三维位置处的第一总磁场(例如，第一定位磁场)。第一总磁场对应于在步骤3010中产生的第一磁场梯度。
在步骤3030中，磁性传感器设备(例如，磁性传感器设备2410)中的三维磁性传感器(例如，三维磁性传感器2412)用于在第二时间或时间段测量磁性传感器设备的三维位置处的第二总磁场(例如，第二定位磁场)。第二总磁场对应于在步骤3010中产生的第二磁场梯度。
在步骤3040中，磁性传感器设备(例如，磁性传感器设备2410)中的三维磁性传感器(例如，三维磁性传感器2412)用于在第三时间或时间段测量磁性传感器设备的三维位置处的第三总磁场(例如，第三定位磁场)。第三总磁场对应于在步骤3010中产生的第三磁场梯度。
在步骤3050中，磁性传感器设备利用设备天线(例如，天线2416)广播第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量。例如可以通过磁性传感器设备中的处理器将测量编码在输出信号中。
在步骤3060中，第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量由包括接收器天线的基于微处理器的接收器接收。
在步骤3070中，接收器使用第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量来确定磁性传感器设备的三维位置。例如，接收器可以根据方法2600使用查找表。可替代地，接收器可以使用数学模型、机器学习或其他方法来使用第一总磁场、第二总磁场和第三总磁场的测量来确定磁性传感器设备的三维位置。然后，接收器可以显示、输出和/或存储在步骤3070中确定的磁性传感器设备的三维位置。
本发明不应被认为限于上述特定实施例。对于本发明所属领域的技术人员来说，在阅读本公开内容后，本发明可适用的各种修改、等效过程以及许多结构将是显而易见的。上述实施例可以以多种方式实现。涉及过程或方法的执行的一个或多个方面和实施例可以利用可由设备(例如，计算机、处理器或其他设备)执行的程序指令来执行或控制过程或方法的执行。
在这方面，各种发明构思可以体现为编码有一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质(或多个非暂时性计算机可读存储介质)(例如，任何合适类型的计算机存储器，包括暂时性或非暂时性数字存储单元、现场可编程门阵列或其他半导体设备中的电路配置、或其他有形计算机存储介质)，所述一个或多个程序当在一个或多个计算机或其他处理器上执行时，执行实现上述各种实施例中的一个或多个的方法。当以软件(例如，作为app)实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机之间。
此外，应当理解，计算机可以实现为多种形式中的任何一种，作为非限制性示例，诸如机架安装式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。另外，计算机可以嵌入在通常不被认为是计算机但具有合适的处理能力的设备中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他合适的便携式或固定电子设备。
此外，计算机可以具有一个或多个通信设备，其可以用于将计算机互连到一个或多个其他设备和/或系统，例如，任何合适形式的一个或多个网络，包括局域网或广域网，诸如企业网、智能网(IN)或因特网。这样的网络可以基于任何合适的技术，并且可以根据任何合适的协议操作，并且可以包括无线网络或有线网络。
此外，计算机可以具有一个或多个输入设备和/或一个或多个输出设备。这些设备尤其可以用于呈现用户接口。可用于提供用户接口的输出设备的示例包括用于输出的视觉呈现的打印机或显示屏以及用于输出的听觉呈现的扬声器或其他声音生成设备。可以用于用户界面的输入设备的示例包括键盘和定点设备，诸如鼠标、触摸板和数字化平板电脑。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他可听格式接收输入信息。
一个或多个非暂时性计算机可读介质可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其他处理器上，以实现上述各种一个或多个方面。在一些实施例中，计算机可读介质可以是非暂时性介质。
术语“程序”、“app”和“软件”在本文中在一般意义上用于指代可以用于对计算机或其他处理器进行编程以实现如上所述的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。另外，应当理解，根据一个方面，当被执行时执行本申请的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器之间以实现本申请的各个方面。
计算机可执行指令可以是许多形式，诸如由一个或多个计算机或其他设备执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分布程序模块的功能。
此外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以被示出为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这样的关系同样可以通过为具有在计算机可读介质中传达字段之间的关系的位置的字段分配存储来实现。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其他机制。
因此，本公开和权利要求书包括对现有方法和技术的新的和新颖的改进，这些方法和技术以前不是已知的，也不是为了实现上述有用的结果而实施的。本方法和系统的用户将从现在可能实现的功能中获得有形的益处，这是由于本文描述的特定修改导致系统中的效果及其对其用户的输出。预期使用本文所述的技术部件，在实现所要求保护的发明时可以实现显著改进的操作。
此外，如所描述的，一些方面可以体现为一种或多种方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施例，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中示出为顺序动作。

Claims (43)

1.一种用于产生磁场梯度的装置，包括：
第一平面电磁线圈组，被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度；
第二平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与所述第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度；
第三平面电磁线圈组，被配置为产生相对于与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组相对于所述第三轴垂直布置；以及
控制器，被配置为选择性地向所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和/或所述第三平面电磁线圈组供电，以顺序地产生相对于所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴中的每一个的定位磁场梯度，每个定位磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组是堆叠的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一平面电磁线圈组包括彼此相邻布置的顺时针螺旋绕组和逆时针螺旋绕组。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述顺时针螺旋绕组和所述逆时针螺旋绕组各自由各自的导线形成。
5.根据权利要求3所述的装置，其中：
所述顺时针螺旋绕组和所述逆时针螺旋绕组各自在平行于所述第二轴的方向上伸长，
所述顺时针螺旋绕组和所述逆时针螺旋绕组各自具有平行于所述第一轴的对称轴，以及
所述顺时针螺旋绕组的对称轴与所述逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
6.根据权利要求5所述的装置，其中：
所述第一平面电磁线圈组具有平行于所述第一轴的宽度，以及
(a)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)所述第一平面电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述比率为约2∶3。
8.根据权利要求3所述的装置，其中：
所述顺时针螺旋绕组是第一顺时针螺旋绕组，
所述逆时针螺旋绕组是第一逆时针螺旋绕组，以及
所述第二平面电磁线圈组包括彼此相邻布置的第二顺时针螺旋绕组和第二逆时针螺旋绕组。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一顺时针螺旋绕组、所述第二顺时针螺旋绕组、所述第一逆时针螺旋绕组和所述第二逆时针螺旋绕组各自由相应的导线形成。
10.根据权利要求8所述的装置，其中：
所述第一顺时针螺旋绕组和所述第一逆时针螺旋绕组各自在平行于所述第二轴的方向上伸长，
所述第一顺时针螺旋绕组和所述第一逆时针螺旋绕组各自具有平行于所述第一轴的对称轴，
所述第一顺时针螺旋绕组的对称轴与所述第一逆时针螺旋绕组的对称轴对齐，
所述第二顺时针螺旋绕组和所述第二逆时针螺旋绕组各自在平行于所述第一轴的方向上伸长，
所述第二顺时针螺旋绕组和所述第二逆时针螺旋绕组各自具有平行于所述第二轴的对称轴，以及
所述第二顺时针螺旋绕组的对称轴与所述第二逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
11.根据权利要求10所述的装置，其中：
所述第一平面电磁线圈组具有平行于所述第一轴的宽度，
所述第二平面电磁线圈组具有平行于所述第二轴的长度，
(a)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)所述第一平面电磁线圈组的宽度的比率大于或等于约1∶2，以及
(c)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第二轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(d)所述第二平面电磁线圈组的长度的比率小于或等于约1∶2。
12.根据权利要求11所述的装置，其中：
(a)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)所述第一平面电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内，以及
(c)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第二轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(d)所述第二平面电磁线圈组的长度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第三平面电磁线圈组包括具有环形形式的螺旋绕组。
14.根据权利要求13所述的装置，其中：
所述环形具有平行于所述第一轴测量的外径，以及
(e)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)所述环形的外径的比率在约1∶4至约2∶5的范围内。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，(e)所述定位磁场梯度的、具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)所述环形的外径的比率为约1∶3。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置为仅同时向所述第一平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于所述第一轴的第一定位磁场梯度。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一定位磁场梯度包括由所述第一平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组产生的总磁场。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制器被配置为仅同时向所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于所述第二轴的第二定位磁场梯度。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述第二定位磁场梯度包括由所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组产生的总磁场。
20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述控制器被配置为仅向所述第三平面电磁线圈组供电，从而产生相对于所述第三轴的第三定位磁场梯度。
21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述控制器被配置为根据预定时序选择性地供电，以对每个定位磁场梯度进行编码。
22.一种制造方法，包括：
形成第一平面电磁线圈组，所述第一平面电磁线圈组被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度；
形成第二平面电磁线圈组，所述第二平面电磁线圈组被配置为产生相对于与所述第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度；
形成第三平面电磁线圈组，所述第三平面电磁线圈组被配置为产生相对于与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度；
沿所述第三轴垂直布置所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组；以及
将控制器电连接到所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组，所述控制器被配置为选择性地向所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和/或第三平面电磁线圈组供电，以产生相对于所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴中的每一个的定位磁场梯度，每个定位磁场梯度的至少一部分具有沿相应轴单调变化的磁场幅度。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，形成所述第一平面电磁线圈组包括：
用第一导线形成第一顺时针螺旋绕组，所述第一顺时针螺旋绕组具有平行于所述第一轴的对称轴；
用第二导线形成第一逆时针螺旋绕组，所述第一逆时针螺旋绕组具有平行于所述第一轴的对称轴；
将所述第一顺时针螺旋绕组放置在与所述第一逆时针螺旋绕组相邻；以及
将所述第一顺时针螺旋绕组的对称轴与所述第一逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，形成所述第二平面电磁线圈组包括：
用第三导线形成第二顺时针螺旋绕组，所述第二顺时针螺旋绕组具有平行于与所述第一轴正交的第二轴的对称轴；
用第四导线形成第二逆时针螺旋绕组，所述第二逆时针螺旋绕组具有平行于所述第二轴的对称轴；
将所述第二顺时针螺旋绕组放置在与所述第二逆时针螺旋绕组相邻；以及
将所述第二顺时针螺旋绕组的对称轴与所述第二逆时针螺旋绕组的对称轴对齐。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，形成所述第三平面电磁线圈组包括用环形形状的第五导线形成螺旋绕组，所述螺旋绕组具有平行于与所述第一和所述第二轴正交的第三轴的对称轴。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括在平行于所述第二轴的方向上伸长所述第一顺时针螺旋绕组和所述第一逆时针螺旋绕组。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括在平行于所述第一轴的方向上伸长所述第二顺时针螺旋绕组和所述第二逆时针螺旋绕组。
28.根据权利要求22所述的方法，还包括垂直堆叠所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组。
29.根据权利要求22所述的方法，还包括将所述控制器配置为具有仅向所述第一平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组供电以产生相对于所述第一轴的第一定位磁场梯度的第一设置，所述第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括将所述控制器配置为具有仅向所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组供电以产生相对于所述第二轴的第二定位磁场梯度的第二设置，所述第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿所述第二轴单调变化的磁场幅度。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括将所述控制器配置为具有仅向所述第三平面电磁线圈组供电以产生相对于所述第三轴的第三定位磁场梯度的第三设置，所述第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括配置所述控制器以按照预定时序根据所述第一设置、所述第二设置和所述第三设置供电，以编码相应的第一定位磁场梯度、第二定位磁场梯度和第三定位磁场梯度。
33.一种产生磁场梯度的方法，包括：
将控制器电连接到(a)被配置为产生相对于第一轴的第一磁场梯度的第一平面电磁线圈组，(b)被配置为产生相对于第二轴的第二磁场梯度的第二平面电磁线圈组，以及(c)被配置为产生相对于第三轴的第三磁场梯度的第三平面电磁线圈组，其中所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴彼此正交，其中所述第一平面电磁线圈组、所述第二平面电磁线圈组和所述第三平面电磁线圈组相对于所述第三轴垂直布置；
利用所述控制器，在第一时间仅同时向(a)和(c)供电；
利用所述控制器，在不同于所述第一时间的第二时间仅同时向(b)和(c)供电；以及
利用控制器，在不同于所述第一时间和所述第二时间的第三时间仅向(c)供电。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，仅同时向(a)和(c)供电包括产生相对于所述第一轴的第一组合磁场梯度，所述第一组合磁场梯度的至少一部分具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度。
35.根据权利要求34所述的方法，其中：
所述第一平面电磁线圈组具有平行于所述第一轴的宽度，以及
(a)所述第一组合磁场梯度的、具有沿第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)所述第一电磁线圈组的宽度的比率在约1∶2到约3∶4的范围内。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，仅同时向(b)和(c)供电包括产生相对于所述第二轴的第二组合磁场梯度，所述第二组合磁场梯度具有在所述第二电磁线圈组的至少一部分上单调变化的幅度。
37.根据权利要求36所述的方法，其中：
所述第二平面电磁线圈组具有平行于所述第二轴的长度，以及
(a)所述第二组合磁场梯度的、具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(b)所述第二电磁线圈组的长度的比率在约1∶2至约3∶4的范围内。
38.根据权利要求29所述的方法，其中，仅向(c)供电包括产生第三磁场梯度，所述第三磁场梯度的至少一部分具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度。
39.根据权利要求38所述的方法，其中：
环形具有平行于所述第一轴测量的外径，以及
(e)第三磁场梯度的、具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度的至少一部分与(f)所述环形的外径的比率在约1∶4至约2∶5的范围内。
40.根据权利要求33所述的方法，还包括根据预定时序重复以下步骤：
在第一时间仅同时向(a)和(c)供电，
在第二时间仅同时向(b)和(c)供电，以及
在第三时间仅向(c)供电。
41.一种系统，包括：
三维磁场发生器，被配置为顺序地产生：
沿第一轴的第一磁场梯度，所述第一磁场梯度的至少一部分具有沿第一轴单调变化的磁场幅度，
沿与所述第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，所述第二磁场梯度的至少一部分具有沿所述第二轴单调变化的磁场幅度，以及
沿与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，所述第三磁场梯度的至少一部分具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度；
磁性传感器设备，包括：
三维磁性传感器，输出分别对应于所述第一磁场梯度、所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量；
控制器，电耦合到所述三维磁性传感器，所述控制器生成对所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的测量进行编码的磁性传感器输出信号；
设备天线，电耦合到所述控制器，所述天线广播所述磁性传感器输出信号；以及
电源，电耦合到所述三维磁性传感器和所述控制器；以及
接收器，包括：
微处理器；
接收器天线，从所述设备天线接收所述磁性传感器输出信号；以及
所述微处理器可访问的非易失性存储器，所述非易失性存储器包括计算机可读指令，当所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述微处理器使用所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的测量来确定所述磁性传感器设备的三维位置。
42.根据权利要求41所述的系统，其中，所述非易失性存储器包括查找表，所述查找表包括所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场在已知三维位置处的的多个测量。
43.一种使用磁场梯度确定对象相对位置的方法，包括：
利用三维磁场发生器，顺序地产生：
沿第一轴的第一磁场梯度，所述第一磁场梯度的至少一部分具有沿所述第一轴单调变化的磁场幅度，所述第一磁场梯度在第一时间被产生，
沿与所述第一轴正交的第二轴的第二磁场梯度，所述第二磁场梯度的至少一部分具有沿所述第二轴单调变化的磁场幅度，所述第二磁场梯度在不同于所述第一时间的第二时间被产生，以及
沿与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三磁场梯度，所述第三磁场梯度的至少一部分具有沿所述第三轴单调变化的磁场幅度，所述第三磁场梯度在不同于所述第一时间和所述第二时间的第三时间被产生；
利用包括三维磁性传感器和设备天线的磁性传感器设备，
在所述第一时间测量所述磁性传感器设备的三维位置处的第一总磁场；
在所述第二时间测量所述磁性传感器设备的所述三维位置处的第二总磁场；
在所述第三时间测量所述磁性传感器设备的所述三维位置处的第三总磁场；以及
利用所述设备天线广播所述第一总磁场、所述第二总磁场和所述第三总磁场的测量；以及
利用包括微处理器和接收器天线的接收器，
利用所述接收器天线接收所述第一总磁场、所述第二总磁场和所述第三总磁场的测量；以及
使用所述第一总磁场、所述第二总磁场和所述第三总磁场的测量来确定所述磁性传感器设备的所述三维位置。
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