CN115038403A - 用两个或更多个检测区确定植入式标记物布置的磁场探头 - Google Patents

用两个或更多个检测区确定植入式标记物布置的磁场探头 Download PDF

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布拉姆·舍默尔斯
兼子毅之
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Abstract

在侵入性和非侵入性治疗和疗法期间，卫生专业人员需要准确定位所关注的区域。不准确性可能意味着并非所有区域都被处理，或者处理不完整。已经开发了电磁和RFID(射频识别)标记物，但这些标记物体积庞大且容易出现故障。例如，任何不准确性都可能导致不完全切除或去除病变，从而导致需要附加治疗。提供了磁场探头100、101用于确定植入式磁性标记物200的角布置180、190，该探头包括：靠近远端160的第一磁传感器110和更靠近近端165的第二磁传感器120，该第一磁传感器和第二磁传感器被配置为确定标记物200的两个或更多个磁场矢量；该探头进一步被配置为：限定从远端160延伸的两个或更多个标记物检测区170、171、172、173、174；确定植入式标记物200的角布置180、190；并且确定角布置180、190是否与这两个或更多个标记物检测区170、171、172、173、174之一基本一致，从而确定该标记物落入一个标记物检测区内。通过限定两个或更多个标记物检测区并配置探头以确定磁性标记物是否出现在一个标记物检测区内，提供了一种简化且直观的决策算法来指示标记物相对于探头的布置。

Description

用两个或更多个检测区确定植入式标记物布置的磁场探头
技术领域
本披露涉及用于确定植入式标记物的角布置的磁场探头、包括该探头的检测单元以及检测植入式标记物的角布置的方法。
背景技术
在侵入性和非侵入性治疗和疗法期间，重要的是卫生专业人员能够准确定位所关注的区域。专业人员经常依靠视觉和手动操作来查找和记住所关注的区域，这通常会对皮肤的外表面进行标记。在实践中，也可以使用诸如X射线和/或超声等成像设备来辅助定位，然而，这依赖于能够使用成像技术将所关注区域与周围组织区分开。定位所关注区域的能力的不准确性可能意味着并非所有区域都被处理，或者处理不完整。这对于疗法性和整容性的手术和治疗(包括去除肿瘤、去除息肉、整容手术、去除和/或矫正组织、定位植入装置——例如，Implanon等节育装置可能需要定位)都是一个问题。
例如，如果在癌症筛查后开出病变切除或去除的处方，则外科医生需要知道病变的位置和范围。目前临床实践中的黄金标准要求紧接在手术之前将金属锚丝放置在目标中，这有感染和移动金属丝的风险。比较新的解决方案使用放射性标记物，但放射性材料的使用受到严格控制和监管。已经开发了电磁和RFID(射频识别)标记物，但这些标记物体积庞大且容易出现故障。定位所关注区域的任何不准确性都可能导致不完全切除或去除病变，从而导致需要附加治疗。
另外，筛查程序的改进意味着在越来越多的患者身上发现较小的早期病变——尽管这种早期检测对患者更有利，但小病变对外科医生来说可能难以识别和定位。它们也可能是难以触及的。术中成像通常既麻烦又昂贵。
最近，已经提出使用植入式的磁性标记物(种子)。与放射性标记物相比，这些磁性标记物提供了更高程度的安全性，但仍然需要医疗专业人员付出相当大的努力来检测标记物的布置(定位)。当使用非常小的磁性标记物来标记非常小的所关注区域时，这变得甚至更加困难。
美国专利US 7,561,051描述了一种设备，该设备用于定位磁体和/或确定该设备相对于磁体的取向。在一个实施例中，该设备包括以往复方式移动的多轴磁场传感器，以便在多个间隔开的位置处获得传感器读数。在另一个实施例中，该设备包括沿直线排列的多个多轴磁场传感器。该设备可以用于许多医疗和其他应用，包括组织切除、跟踪体腔内的医疗设备的移动、以及跟踪内部器官的移动。
描述了PCT申请WO 2018/045465 A1描述了使用磁性种子来标记诸如肿瘤等解剖上关注的区域的位置和范围的系统和方法，这些磁性种子的位置和取向是测得的或使用包括两个或更多个磁传感器的检测装置以其他方式检测的。植入一个或多个磁性种子以标记和限定解剖上关注的区域的中心和范围，并且使用基于磁传感器的检测器系统来准确识别磁性种子的位置。
美国专利申请US 2016/0051164 A1描述了一种探头，该探头包括具有第一磁力计和第一加速度计的第一传感器以及具有第二磁力计和第二加速度计的第二传感器，其被配置用于确定到标记物的距离和方向。该标记物可以是磁性的并且可以通过外科手术插入患者体内以标记特定位置。可以使用该探头来定位标记物，从而识别位置。该探头可以包括微处理器，该微处理器接收来自第一传感器的输出和来自第二传感器的输出并确定到标记物的距离和方向。
美国专利US 6,129,668描述了一种装置，该装置用于检测耦合到患者体内的留置医疗装置的磁体的位置，使用三组或更多组磁传感器，每组磁传感器具有以已知方式布置的传感器元件。每个传感器元件感测由磁体产生的磁场强度，并提供指示磁体在三维空间中的方向的数据。磁体的位置和取向的初始估计导致产生预测的磁场值。基于预测值与测量值之间的差，该装置估计磁体的新位置并计算新的预测磁场强度值。该迭代过程继续进行，直到预测值与测量值的匹配在所需的容差范围内。二维显示器提供磁体相对于检测器外壳的位置指示。显示器的深度指标部分可用于提供磁体深度的相对或绝对指示
为了最佳地支持外科医生，重要的是提供到被标记位置的距离和方向两者。本发明的一个目的是针对磁性标记物或感应磁性信标提供改进的方向性检测。
发明内容
根据本披露的第一方面，提供了一种用于确定植入式标记物的角布置的磁场探头，该标记物被配置为在使用时产生磁场，该探头包括：远端；靠近该远端的第一磁传感器；设置在该第一磁传感器与近端之间的第二磁传感器，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物的一个或多个磁场矢量；该探头进一步被配置为：限定从该远端沿探头纵轴延伸的两个或更多个标记物检测区；使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物的角布置；并且确定该角布置是否与该两个或更多个标记物检测区之一基本一致，从而确定该标记物落入该两个或更多个标记物检测区之一内。
通过限定两个或更多个标记物检测区并配置探头以确定磁性标记物是否出现在这两个或更多个标记物检测区之一内，提供了一种简化的决策算法来指示标记物相对于探头的布置。例如，可以确定标记物在两个或更多个标记物检测区之一内的概率。可替代地，确定角布置是否与第一或第二标记物检测区基本一致。
另外，通过修改与两个或更多个检测区相关联的一个或多个参数或方面(如例如范围、形状、取向、布置、缩放、分辨率、角边界、纵向范围、横向范围以及其任何组合)，可以以对用户来说直观的方式修改搜索参数。换言之，该区被配置为充当软件控制的准直器。与现有技术探头相比的另一个优点是不需要连续移动探头来确定磁性标记物的角布置。
将探头配置和布置为使得两个或更多个标记物检测区关于纵轴基本对称可能是有利的。
用户可能会发现这一点特别直观，因为它允许将探头用作手持棒，其检测区不会因使棒探头绕其纵轴旋转而受到显著影响。
可以提高使用直观性的配置可以包括进一步配置和布置探头以：确定标记物相对于探头远端的角布置；确定标记物相对于探头纵轴的角布置；确定标记物相对于探头远端的纵向和/或横向布置；或其任何组合。
将两个或更多个标记物检测区配置和布置为具有基本上垂直于探头纵轴的大致圆形、卵形、椭圆形、三角形、矩形或正方形的纵截面可能是有利的。例如，如果探头纵轴沿Y轴延伸，则可以在X-Y平面或Y-Z平面中确定纵截面。
附加地或可替代地，两个或更多个区可以被配置和布置为具有大致弧形、扇形、圆柱形或圆锥形形状。附加地或可替代地，两个或更多个区可以被配置和布置为具有抛物线、线性或双曲线形状。
通过提供两个或更多个软件可配置的检测区，用户可以选择特别适合于例如标记物在人体或动物体内的预期位置、预期接近度、预期磁场强度和预期标记物取向的配置。用户还可以选择他们个人认为对标记物定位特别高效的配置。由于两个或更多个检测区可以在几个维度上配置，所以可以组合这些形状和截面形状中的两个或更多个。可以使用简单的形状和/或复杂的形状。
取决于与标记物的(用户)预期的接近度和/或取向，两个或更多个标记物检测区也可以被配置和布置为采用特定配置。这也可以在一定程度上自动化，具体取决于(通过探头)测量的和/或估计的接近度和/或取向。不同程度的任何组合也是可能的。
附加地或可替代地，两个或更多个标记物检测区可以在选自由以下各项构成的组的参数方面有所不同：范围、形状、取向、布置、缩放、分辨率、角边界、纵向范围、横向范围或其任何组合。附加地或可替代地，两个或更多个标记物检测区：共享一个或多个边界、沿一个或多个轴连续、沿一个或多个轴不连续、或其任何组合。
提供软件可配置的检测区的另一个优点是用户可以配置和布置两个或更多个标记物检测区。这可以提供例如粗略/精细的标记物检测区配置——随着探头的远端越来越靠近磁性标记物，具有较小角度的标记物检测区可以进一步提高准确性和灵敏度。
根据本披露的另一方面，该探头进一步被配置为：限定从该远端沿探头纵轴延伸的另外的标记物检测区；并且确定该角布置是否与该三个或更多个标记物检测区之一基本一致，从而确定该标记物落入该三个或更多个标记物检测区之一内。
提供软件可配置的检测区的另一个优点是用户可以配置和布置任意数量的标记物检测区。
可替代地，其中，该探头进一步被配置为：限定从该远端沿探头纵轴延伸的另外的标记物检测区；并且确定该角布置是否与以下各项基本一致：该另外的标记物检测区；该第一标记物检测区和该另外的标记物检测区两者；该第二标记物检测区和该另外的标记物检测区两者；该第一标记物检测区和该另外的标记物检测区两者都不；该第二标记物检测区和该另外的标记物检测区两者都不；或其任何组合。
提供软件可配置的检测区的另一个优点是用户可以配置和布置具有不同程度的特殊重叠的附加标记物检测区。这些可以是基本上固定的、动态的或其任何组合。
根据本披露的另一方面，该探头可以包括多个磁传感器，这些磁传感器被包括在一个或多个1D、2D或3D阵列中。
这允许增加磁传感器的稠密度(或封装密度)。这些附加磁传感器可以被配置和布置以提高参数，如例如灵敏度、准确性和可靠性。通常，提高远端的灵敏度可以使探头使用起来更加直观。
根据本披露的又一方面，该探头可以进一步包括一个或多个补偿传感器，以用于测量背景磁场；其中：在使用时确定该标记物的一个或多个角布置进一步考虑了该背景磁场。
有利地，现有传感器或专用传感器可以被配置为测量(或检测)背景磁场，如地球磁场。可以使用背景测量值来补偿布置确定，以进一步提高准确性和灵敏度。
根据本披露的又一方面，其中，该探头被配置和布置为确定与包括在该标记物中的磁偶极子和/或感应磁偶极子的角布置。
通过提供软件可配置的检测区，用户可以选择特别适合例如预期磁场强度和预期标记物取向的配置。
根据本披露的另一方面，该探头进一步被配置和布置为提供音频反馈，并且音频特性取决于与该标记物的接近程度。附加地或可替代地，音频特性取决于该角布置是否与第一或第二标记物检测区基本一致而不同。可选地，该音频特性是音高、音量、响度、幅度、空间位置、持续时间、暂停持续时间、音调、哔哔声、哔哔声之间的暂停持续时间、频率、频谱或其任何组合。
探头进一步被配置和布置以提供粗略和精细的标记物检测区可能是有利的。探头进一步被配置和布置为随着该探头的远端越来越靠近标记物而选择具有更小角度的标记物检测区也可能是有利的。
根据本披露的另一方面，该探头被配置和布置为基于以下各项确定两个或更多个检测区的一个或多个方面：来自一个或多个传感器的一个或多个测量值；一个或多个合适的参数；用户提供的一个或多个参数；用户选择；或其任何组合
软件可配置的检测区提供了高度的配置灵活性。
根据本披露的又一方面，可以提供一种用于检测植入式标记物的角布置的检测器单元，该检测器单元包括根据本披露的磁性探头。
可选地，检测器单元进一步包括显示器，该检测器被配置和布置为在该显示器上向用户指示该确定的结果。可选地，该检测器单元进一步被配置和布置为在该显示器上指示该第一标记物检测区和该第二标记物检测区
根据本披露的另一方面，提供了一种用于确定植入式标记物的角布置的方法，该标记物被配置为在使用时产生磁场，该方法包括：
-提供包括远端的探头，该探头进一步包括：靠近该远端的第一磁传感器；设置在该第一磁传感器与近端之间的第二磁传感器，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物的一个或多个磁场矢量；
-配置并布置该探头以限定从该远端沿探头纵轴延伸的两个或更多个标记物检测区；
-使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物的角布置；以及
-确定该角布置是否与该两个或更多个标记物检测区之一基本一致。
可选地，该方法进一步包括：确定角布置是否与第一或第二标记物检测区基本一致。
附加地或可替代地，该方法包括：配置并布置该探头以实现该标记物在人体或动物体内的预期位置、预期接近度、预期磁场强度或预期标记物取向。
附图说明
在考虑到结合附图对本发明的以下详细描述后，本发明的一些实施例的特征和优点以及实现这些特征和优点的方式将变得更加明显，这些附图展示了优选和示例性实施例，并且不一定按比例绘制，在附图中：
图1A和图1B描绘了穿过根据本发明的磁场探头的实施例的纵截面；
图2A至图2F描绘了可以与本发明一起使用的另外的探头配置；
图3A描绘了表示由磁偶极子产生的磁场的截面的近似圆形场线的模拟示意图；
图3B描绘了探头倾斜度与探头平面内的场倾斜度值的关系的图；
图4A和图4B描绘了当以固定倾斜度通过不同的角布置扫描探头时在每个磁传感器处进行的测量；
图5A和图5B描绘了在距离15.0mm、20.0mm和25.0mm处测量的B场倾斜度与最靠近远端的磁传感器(即，在10.0mm处的传感器)相比的差异；
图6描绘了可以用于将来自传感器的L-R信号转换为横向位移的差分测量与横向位移特性的示例；
图7描绘了当探头直接指向磁偶极子时的预期磁场分量的示例；以及
图8A和图8B描绘了具有不同范围的检测区的两个示例。
具体实施方式
在以下详细描述中，给出了许多非限制性的具体细节以帮助理解本披露。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，该方法的计算机处理部分可以在任何类型的独立系统或包含任何类型的客户端、网络、服务器和数据库要素的客户端-服务器兼容系统上实施。
图1A描绘了穿过用于检测植入式标记物200的布置(定位)的磁场探头100的纵截面。如所描绘的，磁性标记物200被植入皮肤300的外表面下方以标记所关注区域——这可以在皮肤外表面下方几毫米或几厘米处。这也可以称为深度。标记物200被配置为在使用时产生磁场——它可以包括例如磁偶极子。
标记物可以任何方便的方式植入，如通过注射。例如，注射可以是注射到软组织或器官中，或经由支气管镜输送至肺支气管，或经由结肠镜输送至结肠。植入方法可能取决于例如所需的深度、要执行的后续程序、所关注区域的大小、所关注区域的位置、该区域中的组织类型以及该区域周围的组织类型。它可能会紧接在检测之前植入，或者在更早一些时间植入。
通常，包括磁偶极子的合适标记物200是大致圆柱形的，其中：
-直径为1.45mm，长度为2.19mm，剩余磁场(Br)为1.43T(钕N52)，或
-直径为1.75mm，长度为5mm，剩余磁场(Br)为1.43T(钕N52)。
直径为1.45mm、长度为4.7mm的标记物也可能是合适的。
随着更高等级的钕变得可用，它们也可以有利地与本发明的实施例一起使用。
附加地或可替代地，标记物200可以包括感应磁偶极子。由于磁场探头100基于偶极场的性质来确定标记物200的角布置，所以用于产生这种场的标记物200的配置和排列不太重要。也可以使用各种技术的组合来产生多个磁偶极子。在本披露的上下文中，角布置(angular disposition)可以被认为与角排列(angular arrangement)相同——它是标记物200相对于探头的相对位置中的角分量。
探头100包括远端160。磁场探头可以沿着探头纵轴150延伸。为了更容易比较相同和不同实施例的不同视图，还限定了轴——绘图(纸)的平面在X 600和Y 700中，基本上彼此垂直。X轴600从下到上延伸并且Y轴700从右到左延伸。Z轴800基本上垂直于X 600和Y700并且离开绘图平面(在纸外)。纵轴150在此被描绘为基本上平行于Y轴700。
探头100进一步被配置和布置为确定探头参考与标记物200之间的角布置，如下所述——该角布置可以包括XY中的角布置180(在图1A中描绘)、YZ中的角布置190(图1B中描绘的)、XZ中的角布置(未在图1A或图1B中描绘)、以及其任何组合。探头参考可以是探头100沿纵轴150的一个或多个点、远端160、近端165或其任何组合。
图1B描绘了穿过用于检测植入式标记物200的布置(定位)的磁场探头100的另外的纵截面。绘图平面(纸)位于Y 700和Z 800中，彼此基本垂直。Z轴800从下到上延伸并且Y轴700从右到左延伸。X轴600基本上垂直于Z 800和Y 700并且进入绘图平面(进入纸中)。纵轴150在此也被描绘为基本上平行于Y轴700。探头100进一步被配置和布置为确定探头参考与标记物200之间的角布置，其可以包括如下所述的YZ角布置190。
在该示例中，远端160被配置和布置为靠近皮肤(300)的外表面设置。
附加地或可替代地，远端160可以被配置和布置为：
-接触皮肤(300)的外表面；
-穿过皮肤(300)的外表面插入；
-插入到体腔中；或者
-其任何组合。
用户可能特别关注被提供在远端160处的探头纵轴150与标记物200之间的角布置的指示。当探头100被配置和布置为被手持着沿纵轴150延伸时是特别有利的，从而提供直观的配置来确定标记物200相对于远端160或端部的方向。
标记物200的角布置180、190可以以任何方便的参数(如度数或弧度)定义和/或表达。
探头100至少包括第一磁传感器110和第二磁传感器120，这些磁传感器被配置为至少测量由标记物200产生的局部磁场(Bx，By，Bz)的矢量。这些性质用于使用软件算法来确定一个或多个角布置180、190。
远端160可以设置在距皮肤300的外表面一定距离处——可以使用间隔物来保持固定距离，或者如果探头100进一步被配置和布置为接触皮肤300的外表面，则该距离可以为零。探头100可以进一步被配置和布置为被推靠在皮肤300的外表面以产生可以进一步减小探头100的远端160与标记物200之间的距离的凹痕。通常，探头100与标记物之间的距离越小，测得的任何信号的幅度就越大。对于一些治疗，探头100可以进一步被配置和布置为穿过皮肤300的外表面插入和/或插入体腔中，以进一步减小探头100与标记物200之间的距离。例如，这可以是经由手术切口或经由自然孔口。
探头100可以被包括在检测单元或装置(未示出)中。本领域技术人员将清楚，用于确定一个或多个布置的功能可以在磁性探头100的硬件和软件中实施，或者它们在检测器的其余部分的硬件和软件中实施。这些功能还可以以任何方便的方式在磁性探头100与检测器单元的其余部分之间划分。
探头100的检测单元或装置可以包括以下各项中的一项或多项：
-可选的电连接和/或机械连接，被配置为附接到探头100的近端165。使该附接可释放可能是有利的。该连接也可以是无线的，被配置和布置为至少允许在探头100与检测器的其余部分之间进行数据传输；
-为探头磁传感器提供能量的电源；
-处理器，被配置为收集磁传感器测量值，并使用适当的软件算法来确定一个或多个角布置180、190(角倾斜度)；
-可选地，还可以提供显示器以向用户指示该确定的结果。优选地，以图形方式显示与标记物200的一个或多个角布置180、190。附加地或可替代地，指示了一个或多个检测区(如下所述)，从而提供直观的反馈。附加地或可替代地，可以显示数字。
附加地或可替代地，还可以提供音频反馈——这将在下文更详细地描述。例如，距离(布置)可以显示为相对值和/或绝对值。例如，可以提供音频反馈，类似于汽车停车传感器以不同音调指示到物体的距离的方式。
可以被配置为取决于与标记物200的接近程度的音频特性的其他示例包括音高、音量、响度、幅度、空间位置、持续时间、暂停持续时间、音调、哔哔声、哔哔声之间的暂停持续时间、频率、频谱或其任何组合。
如果探头被配置为限定两个或更多个检测区，则指示和/或音频反馈可能不同，具体取决于角布置(180，190)是否与以下各项基本一致：
-第一标记物检测区；
-第二标记物检测区；
-第一检测区和第二检测区两者；
-第一检测区和第二检测区两者都不；或者
-其任何组合。
探头100包括两个或更多个磁传感器：
-110：靠近探头100的远端160的第一磁传感器；以及
-120：设置在第一磁传感器110与探头100的近端165之间的第二磁传感器。换言之，比第一磁传感器110更远离远端160。
传感器110、120被配置和布置为在使用时确定标记物200的磁场的一个或多个B场3D矢量测量值。通常，传感器输出是B场的3D矢量——通过两个或更多个传感器，可以导出角布置。
与第一传感器110和第二传感器120相关联的第一测量值和第二测量值被用在软件算法中以确定标记物200的一个或多个角布置180、190。角布置180、190是对与整个探头100相关联的标记物200的方向的测量(或估计)。
可选地，探头可以包括第三磁传感器130。其有利地比第一磁传感器110和第二磁传感器120更靠近探头100的近端165(换言之，离远端160更远)。它可以被配置和布置为补偿传感器以用于检测背景磁场，如自然产生的磁场(来自地球)、由于设备在执行测量和确定的环境中运行而存在的人造磁场、和/或由所关注区域中或周围的组织产生的抗磁场。
附加地或可替代地，磁传感器110、120，如3轴霍尔传感器，使用3个磁检测器来测量三个场分量Bx、By和Bz——通常这种霍尔传感器封装是包括三个(3D)基本相互垂直的检测器的IC，从而在探头中大致相同的物理位置提供三个自由度的测量值。传感器110、120可以是相同类型或不同类型。
在本披露中，传感器和检测器有时可互换使用。通常，传感器是包括一个或多个检测器的单个密封好的封装。具有单个磁性检测器的传感器可以被认为是传感器或检测器。
如果传感器封装包括两个检测器，其中检测器之间的物理间隔大到足以测量标记物200的磁场的特定B矢量的明显不同的值，则在本披露的术语中，这样的封装包括两个传感器——每个检测器提供与探头100内的明显不同的传感器位置(或布置)相关的标记物200的磁场的B矢量测量值。如果检测器之间的物理间隔太小(它们对于特定的B矢量测量基本相同的值)，则在本披露的术语中，这样的封装包括一个传感器——每个检测器提供与探头100内基本相同的位置(或布置)相关的标记物200的矢量测量值。
注意，在一些封装中，两个或更多个检测器可以被配置为测量不同的取向——例如，一些霍尔传感器封装包括被定向成基本彼此垂直的三个检测器。当它们测量与基本相同的位置(或布置)相关联的B矢量时，它们被认为包括在相同的(一个)传感器中。
如图1A所示，可以使用至少两个磁传感器110、120的1D阵列。传感器110、120被描绘成沿着探头100的纵轴150设置——这不是必须的，因为它们的相对位置(布置)可以从测量和/或设计数据中确定并且在软件算法中被顾及(考虑)。探头100被配置和布置为将来自传感器110、120的B矢量测量值转换到任何探头100的参考平面或参考轴。沿着纵轴150设置传感器110、120并且使用该纵轴150作为角测量值的参考是特别有利的，因为这简化了测量数据的几何转换。
这些磁检测器110、120可以是任何合适的类型，如磁力计、磁通门传感器、地磁传感器、洛伦兹力数字MEMS、磁感应传感器、磁阻式传感器、霍尔传感器、磁隧道结及其任何组合。有许多很小且包含3轴检测的IC封装可用。因此，可以通过简单的PCB设计以及优选地更小的探头直径来提供‘多轴’解决方案。以下提出的传感器封装是示例。它们是数字的，因此接口相对简单，因为需要较少的模拟设计。
TI DRV425磁通门传感器(1D)
Figure BDA0003771931750000121
注：通过使用具有良好零场偏移性能的校正传感器可以减少偏移。例如，另一种类型的传感器可以集成在探头100中，为磁通门提供一定程度的偏移和/或漂移校正。优选地，这种校正传感器被定位成靠近或位于近端处，以减少磁性标记物200的磁场性质的影响。
博世BMM150 3轴数字地磁传感器(3D)
Figure BDA0003771931750000122
Figure BDA0003771931750000131
ST LIS3MDL(1D)
Figure BDA0003771931750000132
ST IIS2MDC(3D)
Figure BDA0003771931750000133
Melexis MLX90393微功率三轴磁力计(3D)
Figure BDA0003771931750000134
Figure BDA0003771931750000141
MEMSIC MMC3416xPJ(3D)
Figure BDA0003771931750000142
AKM AK09970N(3D)
Figure BDA0003771931750000143
PNI RM3100传感器系统(3D)
Figure BDA0003771931750000151
注：传感器系统包含3个线圈和一个带数字接口的驱动器IC
40mm至50mm的纵向传感器阵列长度400是优选的。
每个传感器110、120分别测量任何局部磁场的B场3D矢量，该局部磁场可以包括任何背景磁场(如地球磁场)和标记物200的磁场。这些测量值被提供给软件算法，该软件算法将它们与诸如取向、灵敏度、传感器间隔距离等物理参数组合在一起，以确定磁性标记物200相对于探头100的预定参考位置的角布置180、190。
本发明所基于的见解之一是，当倾斜度(角布置)为零时(换言之，当标记物200沿着探头100的纵轴150设置时，例如在Y-Z平面700-800中)，在沿纵轴设置的所有传感器110、120处测量的磁场基本上处于相同方向。当用手持式探头100检测到这一点时，探头100将基本上“指向”标记物200的方向。
在手持式应用中，用户可以将探头100例如在Y-Z平面700-800中旋转到不同的倾斜度，使得纵轴150相对于皮肤300具有多个取向。通过连续监测磁场矢量测量值并确定由每个传感器110、120测量的磁场方向的偏离程度(差异)，可以提供与标记物200的相对倾斜度(角布置)的指示。当偏离程度低于预定阈值时，探头100将基本上“指向”标记物200。
将探头100配置为例如通过以下方式尽可能地降低噪声以提高测量的准确性可能是有利的：
-使用更灵敏的传感器110、120；
-使用提供更强磁场的标记物200
通过使用更多数量的传感器110、120；
通过使用一个或多个平均滤波器；
以及其任何组合。
对于包括在原点的标记物200中且偶极矩m指向Z方向800的磁偶极子，球极坐标中的磁场由以下方程给出：
Br＝2|m|cosθ/r3
Bθ＝|m|sinθ/r3
Figure BDA0003771931750000161
图3A描绘了大致圆形场线401、402、403、404的模拟示意图，它们表示由在Y-Z700-800的原点处的磁偶极子200产生的磁场的Y-Z平面700-800中的截面。Z轴800表示标称距离单位，从底部的-4到顶部的+4，经过0。Y轴700也表示标称距离单位，从右边的-1到左边的+5，经过0。偶极矩m沿Z轴800设置。X轴600进入绘图平面(进入纸)。场线401、402、403、404全部穿过Y-Z 700-800的原点0,0，描绘了从原点向外辐射的场线：
-第一场线401具有1个距离单位的标称直径，大致穿过Y-Z 700-800的坐标0,0/0.5,-0.5/1,0/0.5,0.5
-第二场线402具有2个距离单位的标称直径，大致穿过Y-Z 700-800的坐标0,0/1,-1/2,0/1,1
-第三场线403具有3个距离单位的标称直径，大致穿过X-Y 600-700的坐标0,0/1.5,-1.5/3,0/1.5,1.5
-第四场线404具有4个距离单位的标称直径，大致穿过Y-Z 700-800的坐标0,0/2,-2/4,0/2,2
为清楚起见，仅示出了四条场线——在实践中，将存在附加场线并且这些附加场线可用适当灵敏的磁传感器110、120测量。
还描绘了探头100的六个取向，每个取向表示181至186的倾斜度——探头100沿纵轴150具有四个标称距离单位的延伸。在每个位置，Y-Z角布置190大约为0度，因为远端160“指向”偶极子200，并且由传感器110、120测量的矢量测量值之间的偏差非常低或大约为零：
-第一倾斜度181，探头100从0,-4延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。对于所有传感器110、120，场线401、402、403、404以大约0(或180)度与探头100相交。
-第二倾斜度182，探头100从大约2,-3.3延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。场线401、402、403、404以大约50度与探头100相交。
-第三倾斜度183，探头100从大约3.4,-2延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。场线401、402、403、404以大约70度与探头100相交。
-第四倾斜度184，探头100从大约4,0延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。场线401、402、403、404以大约90度与探头100相交。
-第五倾斜度185，探头100从大约3.4,2延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。场线401、402、403、404以大约110度与探头100相交。
-第六倾斜度185，探头100从大约2,3.3延伸到0,0，远端160与Y-Z 700-800的原点0,0重合。场线401、402、403、404以大约130度与探头100相交。
因此，通过利用由标记物200产生的磁偶极子的磁场的这种性质，可以通过由磁传感器110、120测量的场方向偏差非常低或几乎为零的取向来确定具有近似为零的YZ角布置190的探头100的取向。优选地，该偏差小于大约15度。
场线401、402、403、404以基本相同的角度与探头100的磁传感器110、120相交。场线401、402、403、404的角度在很大程度上取决于探头100与由标记物200产生的磁偶极子形成的角度。这是因为偶极场是自相似的，即，远离偶极子200的场线具有与更靠近偶极子200的场线基本相同的形状。
这种关系500在图3B中描绘——探头倾斜度θ550的值沿着水平轴从0到180度从左到右绘制，并且探头平面575中的场的倾斜度值沿着垂直轴从底部-90度到顶部+90度绘制。该关系穿过以下点：
Figure BDA0003771931750000171
Figure BDA0003771931750000181
如果探头100在恒定Z 800布置的情况下移动到不同倾斜度，则θ与传感器110、120距标记物200的位置相关：
tan(θ)＝Zsen/Ysen
tan(α)＝tan(θ)/2＝(Zsen/Ysen)/2
图7描绘了当探头直接指向磁偶极子时的预期磁场分量。
磁性标记物200沿标记物磁轴900纵向延伸。标记物磁轴900是磁体的偶极矩(矢量)的轴。使用与偶极矩900基本对齐的磁性标记物200是方便的，但是也可以使用标记物200的其他形状和其他对齐方式。
在所描绘的情况下，探头纵轴150指向磁性标记物200(探头指向磁性标记物200的磁偶极子的中心)——探头纵轴150与标记物磁轴900以倾斜度θ相交。
在具有球极坐标(r、θ、
Figure BDA0003771931750000182
或r、theta、phi)的检测位置970处，描绘了与探头纵轴150基本垂直相交的横轴950。在检测位置970处，存在并且可检测到由磁性标记物200产生的磁场(B)920。在检测位置970处，可检测到与横轴950成角度α(alpha)的磁场矢量930B。
由于在所描绘的情况下探头直接指向磁性标记物200，因此磁场矢量930B在方位角方向
Figure BDA0003771931750000183
上的分量可以被认为近似为零。可以认为角度α(alpha)主要对应于探头相对于磁性标记物200的磁偶极子的倾斜度θ(theta)
因此，为了确定磁性标记物200的角布置，磁场矢量930B可以被认为具有两个分量：
|B|sinα＝Br——沿探头纵轴150，其在径向方向r上
|B|cosα＝Bθ——沿倾斜度θ的方向。
在现有技术系统中，1D传感器线可以用于提供距离测量值和方向测量值两者——然而，当探头不直接指向磁性标记物200时，准确性可能变差。
从图3A和图3B，本领域技术人员将认识到，当设置在1D线上的两个或更多个磁传感器指示大致相同的磁场角α(alpha)时，探头指向磁性标记物200。根据测量场的幅度，可以计算到磁偶极子200的距离。
当多个传感器指示不同的角度α(alpha)时，探头指向偏离磁性标记物200。通过各种传感器对角度偏差的任何人工测量都可以用作探头指向偏离磁性标记物200的程度的指标。
图4A和图4B描绘了当以30.0度的固定倾斜度θ191、192、193、194、195、196通过不同的XY角布置190扫描探头100时在沿纵轴150设置的每个磁传感器110、120处进行的测量。通过比较用每个磁传感器110、120测量的B场矢量，可以通过识别曲线图截断的点(也称为零截距或“截距＝0”的点)来确定探头基本上直接“指向”标记物200的XY角布置190(换言之，当XY角分布190基本为零时)。
图4A描绘了以度为单位的传感器处的B场倾斜度的测量值，场倾斜度在垂直轴上被绘制为从-75度到+90度，并且在水平轴上的探头Z 800布置是从-50mm到+50mm。示出了四个曲线图，沿纵轴150以下列距离设置的每个传感器110、120对应一个曲线图：沿Y轴700距远端160 10.0mm、15.0mm、20.0mm和25.0mm(在图的左侧从下到上依次描绘)。每个曲线图形成一个扁平的S，其穿过相同的零截距(水平轴上的0mm)。
图4B描绘了与图4A相同的数据(四个曲线图，沿纵轴150以下列距离设置的每个传感器110、120对应一个曲线图：沿Y轴700距远端160 10.0mm、15.0mm、20.0mm和25.0mm，在图的左侧从下到上依次描绘)。图4B与图4A的不同之处在于使用的垂直轴是从-4到+6的B场倾斜度的tan。使用tan函数的优点是特性变得近似线性，从而使它们更容易用于估计和/或确定零截距的位置(水平轴上的0mm)。
类似地，可以使用B场倾斜度的差，将在15.0mm、20.0mm和25.0mm处测量的值与相比于最靠近远端的磁传感器(即，10.0mm处的传感器)进行比较。这些曲线图在图5A中在图的左侧从下到上依次为10.0mm(参考)、15.0mm、20.0mm和25.0mm。B场倾斜度与10.0mm值的差绘制在垂直轴上，从-12度到+55度。水平轴描绘了从-50mm到+50mm的布置。由于将其他值与10.0mm值进行比较，因此10.0mm值被描绘为0差线的水平线。同样，这些曲线图在零截距(水平轴上的0mm)处彼此截断。
图5B描绘了与图5A相同的数据(在图的左侧从下到上依次为10.0mm(参考)、15.0mm、20.0mm和25.0mm)。由于将其他值与10.0mm值进行比较，因此10.0mm值被描绘为0差线的水平线。图5B与图5A的不同之处在于使用的垂直轴是从-3到+3的B场倾斜度差的tan。使用tan函数的优点是特性变得近似线性，从而使它们更容易用于估计和/或确定零截距的位置(水平轴上的0mm)。
因此，B场倾斜角的偏差可以用作标记物角布置的量度：当偏差最小时，探头直接指向标记物。偏差可以例如使用以下各项量化：
-绝对平均值——换言之，监测相对于场平均值的场角。这是首选选项——作为参考的场平均值将更多权重放在更强的场上，这可能会导致更高的SNR。也可以使用最靠近远端160的场，但这可能需要附加措施来降低噪声。
-图4D中描绘的B场tan的平均值。
-代替使用所示的手段，可以使用平均切线。
图1A进一步描绘了从远端160沿探头纵轴150延伸的标记物检测区170a、170b。尽管在XY平面600-700中用三角形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界170a、170b确定。另外且可选地，可以预先确定和/或控制在探头100的远端160附近这两个或更多个角边界170a、170b之间的距离。另外且可选地，可以预先确定或控制标记物检测区沿纵轴150远离探头100的远端160延伸的范围(描绘为弯曲的虚线)。
类似地，图1B描绘了从远端160沿探头纵轴150延伸的标记物检测区170c、170d的进一步范围。尽管在YZ平面700-800中用三角形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。该区可能具有XY 600-700和/或YZ 700-800中的范围。
标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界170c、170d确定。另外且可选地，可以预先确定和/或控制在探头100的远端160附近这两个或更多个角边界170c、170d之间的距离。另外且可选地，可以预先确定或控制标记物检测区沿纵轴150远离探头100的远端160延伸的范围(描绘为弯曲的虚线)。
虽然图1A和图1B中描绘的截面的形状基本相同而范围不同，但这不是必须的。例如，标记物检测区170a、170b、170c、170d可以可选地具有基本上垂直于纵轴150的大致圆形、弧形、扇形、卵形、椭圆形、三角形、矩形或正方形的横截面。
如果标记物检测区170a、170b、170c、170d关于纵轴150基本对称，则它可以提供用于寻找标记物200的更直观的探头100，特别是当探头被配置为手持式的时。例如，它可以被限定为圆柱体或圆锥形形状。锥形标记物检测区可以进一步具有抛物线、线性或双曲线形状。
·抛物线＝靠近远端160时角度较宽，并且朝向更负的Y 700布置远离远端时角度较窄
·线性＝靠近远端160时和朝向更负的Y 700布置远离远端160时大致相同的角度。这也可以描述为聚焦波束。
·双曲线＝靠近远端160时角度较窄，并且朝向更负的Y 700布置远离远端时角度较宽。
可以使用软件限定标记物检测区170a、170b、170c、170d——例如，在测量B场矢量期间，被估计/测量为在标记物检测区170a、170b、170c、170d之外的角布置180、190可以被抑制。换言之，软件可以被配置为仅在矢量测量值看起来表明标记物200落入标记物检测区170a、170b、170c、170d内时才在角布置计算中考虑这些矢量测量值。换言之，该区被配置为充当软件控制的准直器。另外且可选地，标记物检测区沿纵轴150延伸的范围也可以用于确定标记物200是否落入纵向限制的标记物检测区内。
在软件中限定区意味着可以使用简单的形状，如圆柱体、狭缝和圆锥体。可替代地或附加地，也可以使用复杂的形状——例如，靠近探头100的远端160使用窄锥体，并在更远离远端160的地方呈扇形散开或者在更远离远端160的地方限定直(圆柱形)波束。
这可以实施为简单的测角测试，实施所需的检测体积。如果标记物200看起来位于区170a、170b、170c、170d的边缘，则噪声可能导致标记物200有时被抑制，有时被使用。可以实施的解决方案包括：
1)测量的滞后——例如，一旦它被认为在区170a、170b、170c、170d内，则应当在发生相当大的距离和/或角度的移动之后再抑制B场矢量测量。
2)在同一申请人的早期专利申请NL 2022093中描述的3D定位输出也可能具有一定程度的不确定性。如果位置不确定性被认为是空间中的热图，则可以将其与区170a、170b、170c、170d相乘，然后在体积上进行积分。如果积分高于阈值，则在确定角布置180、190时使用这些值。
3)将区170a、170b、170c、170d的权重成形为依次递减。例如，探头100可以被配置和布置为评估B场矢量并返回雅可比，该雅可比可以用于给出估计的标记物200位置的不确定性的指示。这类似于通常用于缓解GPS系统中的不确定性问题的方法。
4)为了确定距离相关的音频音高，建议的实施例是将估计的位置与区170a、170b、170c、170d的形状相乘。可替代地，可以将不确定区域与区170a、170b、170c、170d的形状相乘。指示角布置180、190的置信度的积分可以作为音调的音量输出，而音调的音高可以指示横向和/或纵向布置(距离)。例如，可以在哔哔声之间的暂停持续时间之间使用反比关系——较短的暂停表示较高的接近程度(或紧密度)。
探头100可以进一步被配置和布置为确定标记物200相对于探头300上的适当参考点(如探头100的远端160)的纵向和/或横向布置。
如果首先将探头100定向为使其指向标记物200，则可以以高准确度估计到标记物200的距离(纵向和/或横向布置)。
当探头100指向标记物200时，Br＝-By(探头100的Y轴700指向标记物200，而r从标记物200指向包括在探头100中的磁传感器110、120)。
由于
Figure BDA0003771931750000225
因此通过下式给出场幅值的平方：
Figure BDA0003771931750000221
并且
Figure BDA0003771931750000222
根据上面Br和Bθ的方程：
Figure BDA0003771931750000223
插入前面的Br和|Bθ|的表达式，我们得到
Figure BDA0003771931750000224
这给出了估计r的更简单的表达式，
Figure BDA0003771931750000231
该解决方案可以用各种传感器排列来实施，包括图1和图2中所描绘的传感器排列。
图2A至图2F描绘了可以与本发明一起使用的另外的探头配置。
例如：
图2A——磁场传感器110、120基本上沿纵轴或Y轴700布置。在该示例中，它们沿探头纵轴150布置。它们布置在合适的基板上，如PCB。基板位于X-Y平面600-700中。一个或多个另外的传感器130可以设置在近端165，可以被提供以补偿任何背景场，或者被配置和布置为在距更靠近远端的传感器1110、120较大的传感器间隔处。
这可以被认为是1D几何结构——磁场传感器基本上沿轴布置。
如果背景场不够均匀，或者如果背景场传感器探到标记物(未描绘)的偶极场(由于标记物靠近背景场传感器)，则局部减去背景场可能是有利的。
例如，通过测量B场的梯度(由于偶极场随空间变化)并假设背景场是均匀的(至少在测量范围内；例如，两个相邻传感器之间的距离)。这种方法可以与对所有三个方向600、700、800上的曲率灵敏的3D阵列一起使用。
3D阵列包括基本上沿平面布置以及进一步沿基本上垂直于所述平面的至少一个轴布置的磁场传感器。它还可以包括基本上沿第一平面以及进一步沿基本上垂直于第一平面的第二平面布置的磁场传感器。
下面描述了可以与2D阵列一起使用的另一种方法。2D阵列包括基本上沿平面布置的磁场传感器。对于均匀场，
Figure BDA0003771931750000232
和
Figure BDA0003771931750000233
这可以通过沿探头的长度(Y轴700和/或纵轴150)取场的差来实施。其将在探头指向包括在标记物中的磁体时与r对齐。r是-y方向并且|Bθ|＝√(B2 x+B2 z)。
对于偶极子：
Figure BDA0003771931750000234
于是：
Figure BDA0003771931750000241
并且r由下式给出：
Figure BDA0003771931750000242
于是偏导数项可以近似为：
Figure BDA0003771931750000243
且
Figure BDA0003771931750000244
其中Bθ＝Bx+Bz
图2B——传感器110、120、130被堆叠，使得它们基本上沿着纵轴或Y轴700放置。在该示例中，它们沿探头纵轴150布置。每个传感器可以在其自己的小PCB上(可以在一侧或两侧具有传感器)——每个PCB都设置在XZ平面600-800中。这种排列增加了传感器的封装密度。
图2C——磁场传感器110、120、130基本上沿纵轴或Y轴700布置。在该示例中，它们沿探头纵轴150布置，类似于图2A。它们布置在合适的基板上，如PCB。基板位于X-Y平面600-700中。在该示例中，提供了2D阵列——另一排传感器(仅部分可见)沿着所描绘的基板的下侧设置。换言之，传感器110、120、130设置在沿横轴800的不同布置处，但是设置在基板的两侧。这种排列增加了传感器110的封装密度并且还允许推断磁场梯度。例如，可以对上方和下方的相邻传感器110、120、130的磁场测量值进行平均。这提供了实际上沿相邻传感器110、120、130之间的空间中的线进行B场矢量测量。
图2D——磁场传感器110、120基本上沿纵轴或Y轴700布置(仅部分可见)。在该示例中，它们沿探头纵轴150布置，类似于图2C。它们布置在合适的基板上，如PCB。基板位于X-Y平面600-700中。在该示例中，提供了3D阵列——另外两排传感器(仅部分可见)沿着所描绘的基板的下侧设置。换言之，传感器110、120设置在沿横轴800的不同布置处，但是设置在基板的两侧。传感器110、120也可以被认为在X-Z平面600-800中以三角形排列分成三组——只有一组110、120的传感器是可见的。
图2E——类似于图2B，传感器110、120、130被堆叠，使得它们呈现为以三角形排列的方式三个一组，每组设置在位于X-Z平面600-800中的PCB上。
PCB基本上沿纵轴或Y轴700设置。在该示例中，它们沿探头纵轴150布置。每个传感器可以在其自己的小PCB上(可以在一侧或两侧具有传感器)——每个PCB都设置在XZ平面600-800中。换言之，传感器110、120、130以3D阵列提供。这种排列进一步增加了传感器110、120的封装密度并且还允许推断磁场梯度。
图2F——传感器110、120、130设置在三个基板部分上，每个基板部分沿纵轴或Y轴700延伸。这三个基板部分通过它们的纵向边缘相互附接，形成具有三角形横截面600-800的中空基板排列，被布置为使得在X-Z平面中的横截面是三角形的。换言之，使用三个1D传感器阵列提供3D阵列，每个1D阵列设置在单独的基板部分上，并且每个1D传感器阵列沿着与探头的纵轴700基本平行的纵轴700设置。
这种排列大大增加了传感器110、120的封装密度并且还允许推断磁场梯度。它还允许将大量传感器封装在相对圆柱形的封装中，并且还减少了“前传感器”与标记物(未描绘)之间的距离。
实施例2：3D传感器阵列和磁场强度梯度
对于探头100的另一个实施例，可以使用3D传感器网格110、120来测量磁场强度的空间梯度；例如图2D或图2E中描绘的布局。正方形/立方体网格是可能的。
磁场强度给出了距离的估计，并且左侧/右侧传感器(上/下类似)之间的磁场相对强度给出了方向的估计：如果种子位于左侧，则左侧传感器将探到比右侧传感器更强的信号。这种差可以用作横向位移的(相对)度量。如果左/右和上/下传感器之间的差被最小化，则棒基本上指向标记物。
图6描绘了可以用于将来自传感器的L-R信号转换为横向位移的差分测量与横向位移特性的示例。从每个传感器(L和R)中测量磁场的幅值。通过比较相邻传感器的场强进行差分测量。例如，左与右；前与后，上与下。如果差为零，则标记物200被设置为靠近传感器之间的中点。如果差为正，则标记物被设置为更靠右。如果差为负，则标记物被设置为更靠左。
x轴以厘米(cm)为单位示出了位移X，从-3.0到+3.0。Y轴示出了从-0.60到0.60的L-R信号。使用圆柱形的、由NdFeB制成、长度为4mm、直径为2mm的磁性标记物200，在X＝-2.0、-1.0、0、+1.0和+2.0的横向布置处测量L-R信号——这些被描绘作为那些位移值处的点。这些距离在磁性标记物200的尺寸的五到二十倍的范围内。在X＝0时，磁性标记物200设置在探头纵轴150上。基于这些值，已拟合出一个特性，即，从-2.5,-0.52775到2.5,0.52775的直线。换言之，距离X可以根据L-R＝0.2111X来计算。在该示例中，线性曲线拟合的相关因子(R2)为0.9328。
提供软件可配置的检测区的另一个优点是可以配置具有不同的范围、不同的形状、不同的角边界、不同的纵向范围、不同的横向范围以及其任何组合的两个或更多个标记物检测区。这两个或更多个标记物检测区可以共享一个或多个边界、沿一个或多个轴连续、沿一个或多个轴不连续、或其任何组合。
例如，图8A和图8B描绘了具有多于不同范围的检测区的两个示例。所示视图和所描绘的探头101类似于图1B中描绘的探头100。
图8A描绘了从远端160沿探头纵轴150延伸的第二标记物检测区171c、171d。尽管在YZ平面700-800中用三角形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。
第二标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界171c、171d确定——例如，相对于纵轴150的+/-22.5度。换言之，45度的标记物检测角，被设置为关于探头纵轴150基本对称。
另外且可选地，可以预先确定和/或控制在探头101的远端160附近这两个或更多个角边界171c、171d之间的距离——例如，18.5mm。另外且可选地，可以预先确定或控制第二标记物检测区沿纵轴150远离探头101的远端160延伸的范围(描绘为弯曲的虚线)——例如，29mm。
图8A进一步描绘了从第二标记物检测区171c、171d的纵向范围延伸并且进一步远离探头101的远端160延伸的第三标记物检测区172c、172d。
尽管在YZ平面700-800中用弧形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。
第三标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界172c、172d确定——例如，相对于纵轴150的+/-30度。换言之，60度的标记物检测角，被设置为关于探头纵轴150基本对称。
另外且可选地，在第二标记物检测区171c、171d的纵向范围附近这两个或更多个角边界172c、172d之间的距离——例如，47mm。另外且可选地，可以预先确定或控制第三标记物检测区172c、172d沿纵轴150延伸远离第二标记物检测区171c、171d的纵向范围的范围(描绘为弯曲的虚线)——例如，20mm。
图8B描绘了从远端160沿探头纵轴150延伸的第四标记物检测区173c、173d。尽管在YZ平面700-800中用三角形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。
第四标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界173c、173d确定——例如，相对于纵轴150的+/-10度。换言之，20度的标记物检测角，被设置为关于探头纵轴150基本对称。
另外且可选地，可以预先确定和/或控制在探头101的远端160附近这两个或更多个角边界173c、173d之间的距离——例如，5mm。另外且可选地，可以预先确定或控制第四标记物检测区沿纵轴150远离探头101的远端160延伸的范围(描绘为弯曲的虚线)——例如，33mm。
图8B进一步描绘了从第四标记物检测区173c、173d的纵向范围延伸并且进一步远离探头101的远端160延伸的第五标记物检测区174c、174d。
尽管在YZ平面700-800中用弧形截面描绘并且基本对称，但这不是必须的——可以使用任何形式的截面。
第五标记物检测区可以主要由如虚线所示的两个或更多个角边界174c、174d确定——例如，相对于纵轴150的+/-30度。换言之，60度的标记物检测角，被设置为关于探头纵轴150基本对称。
另外且可选地，在第四标记物检测区173c、173d的纵向范围附近这两个或更多个角边界174c、174d之间的距离——例如，47mm。另外且可选地，可以预先确定或控制第五标记物检测区174c、174d沿纵轴150延伸远离第四标记物检测区173c、173d的纵向范围的范围(描绘为弯曲的虚线)——例如，20mm
还可以配置和布置具有不同程度的特殊重叠的附加标记物检测区。这些可以是基本上固定的、动态的或其任何组合。这可以提供粗略/精细的标记物检测区配置——例如，随着探头101的远端160越来越靠近(例如，小于30到40mm或小于大约35mm)磁性标记物200，可以自动选择具有较小角度的标记物检测区，以进一步提高准确性、选择性和灵敏度。
提供软件可配置的检测区的另一个优点是可以限定两个或更多个标记物检测区，并且探头可以进一步被配置和布置以确定角布置180、190是否与以下各项基本一致：
-第一标记物检测区170abcd、1710cdb、1720cd、1730cd、174cd；
-第二标记物检测区170abcd、1710cdb、1720cd、1730cd、174cd；
-第一检测区和第二检测区170abcd、1710cdb、1720cd、1730cd、174cd两者；
-第一检测区和第二检测区170abcd、1710cdb、1720cd、1730cd、174cd两者都不；或者
-其任何组合。
通过修改与一个或多个检测区相关联的一个或多个参数或方面(如例如，范围、形状、取向、布置、缩放、分辨率、角边界、纵向范围、横向范围以及其任何组合)，可以以对用户来说直观的方式修改搜索参数。
检测区的一个或多个可配置方面可以由探头基于来自一个或多个传感器的一个或多个测量值和/或基于一个或多个合适的参数自动确定。附加地或可替代地，用户可以提供一个或多个参数来影响该确定。
附加地或可替代地，该确定可以是用户可选择的。使用不同的检测区特别直观，因此用户可以修改他们对探头的使用——例如，“更远”的检测区可以鼓励更大和更快的移动，而“更近”的检测区可以鼓励更小和更慢的移动。
附加地或可替代地，用户选择可以基于治疗或疗法。附加地或可替代地，用户选择可以基于侵入性或非侵入性使用。附加地或可替代地，用户选择可以基于用作手持棒。
附加地或可替代地，用户可以选择特别适合于例如标记物在人体或动物体内的预期位置、预期接近度、预期磁场强度和预期标记物取向的配置。取决于与标记物的(用户)预期的接近度和/或取向，一个或多个标记物检测区也可以被配置和布置为采用特定配置。这也可以在一定程度上自动化，具体取决于(通过探头)测量的和/或估计的接近度和/或取向。不同程度的任何组合也是可能的。
附加地或可替代地，用户还可以选择他们个人认为对标记物定位特别高效的配置。
由于一个或多个检测区可以在几个维度上配置，所以可以组合这些形状和截面形状中的一个或多个。可以使用简单的形状和/或复杂的形状。提供软件可配置的检测区的另一个优点是用户可以配置和布置两个或更多个标记物检测区。这可以提供例如粗略/精细的标记物检测区配置——随着探头的远端越来越靠近磁性标记物，具有较小角度的标记物检测区可以进一步提高准确性和灵敏度。
另外，探头可以包括附加传感器以提供对探头取向的测量。例如，来自IMU(惯性测量单元)传感器的探头的俯仰角、滚动角和偏航角，来自背景场传感器的相对于背景磁场的取向，或其他输入。当确定磁性标记物200的布置和/或当确定检测区的可配置方面时，也可以考虑该取向。
可以类似地使用给出位置信息的任何其他输入——例如，可以使用类似于在光学鼠标上使用的传感器的光学传感器来确定皮肤表面上的接触点。
尽管已经结合具体示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，在不背离如所附权利要求中所述的本发明的精神和范围的情况下，可以对所披露的实施例进行对本领域技术人员显而易见的各种改变、替换和变更。
特别有利的实施例可以总结如下：
A.一种用于确定植入式标记物(200)的角布置(180，190)的磁场探头(100，101)，该标记物(200)被配置为在使用时产生磁场，该探头包括：
-远端(160)；
-靠近该远端(160)的第一磁传感器(110)；
-设置在该第一磁传感器(110)与近端(165)之间的第二磁传感器(120)，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物(200)的一个或多个磁场矢量；
该探头进一步被配置为：
-限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的一个或多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；
-使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物(200)的角布置(180，190)；以及
-确定该角布置(180，190)是否与该一个或多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)基本一致。
B.根据实施例A所述的探头，其中，该探头进一步被配置为确定该角布置(180，190)是否与以下各项基本一致：
-第一标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)；
-第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)；
-该第一标记物检测区和该第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者；
-该第一标记物检测区和该第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者都不；或者
-其任何组合。
Q.一种用于检测植入式标记物(200)的角布置的检测器单元，该检测器单元包括根据实施例A和B中任一项所述的磁性探头(100，101)。
R.一种用于确定植入式标记物(200)的角布置(180，190)的方法，该标记物(200)被配置为在使用时产生磁场，该方法包括：
-提供具有远端(160)的探头(100，101)，该探头进一步包括：靠近该远端(160)的第一磁传感器(110)；设置在该第一磁传感器(110)与近端(165)之间的第二磁传感器(120)，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物(200)的一个或多个磁场矢量；
-配置并布置该探头以限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的一个或多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；
-使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物(200)的角布置(180，190)；以及
-确定该角布置(180，190)是否与该一个或多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)基本一致。
绘图中使用的附图标记
100 磁场探头的第一实施例
101 磁场探头的第二实施例
110 第一传感器
120 第二传感器
130 第三传感器
150 探头纵轴
160 探头的远端
165 探头的近端
170a，170b X-Y平面中标记物检测区的范围
170c，170d Y-Z平面中标记物检测区的范围
171c，171d Y-Z平面中第二标记物检测区的范围
172c，172d Y-Z平面中第三标记物检测区的范围
173c，173d Y-Z平面中第四标记物检测区的范围
174c，174d Y-Z平面中第五标记物检测区的范围
180 XY角布置
190 YZ角布置
191 第一倾斜度θ
192 第二倾斜度θ
193 第三倾斜度θ
194 第四倾斜度θ
195 第五倾斜度θ
196 第六倾斜度θ
200 植入式磁性标记物或感应磁性标记物
300 皮肤的外表面
401 第一磁场线
402 第二磁场线
403 第三磁场线
404 第四磁场线
500 倾斜度关系
550 探头倾斜度
575 探头平面内的场倾斜度
600 X轴
700 Y轴
800 Z轴
900 磁性标记物轴
920 磁场
930 磁矢量
950 横轴
970 检测位置

Claims (33)

1.一种用于确定植入式标记物(200)的角布置(180，190)的磁场探头(100，101)，该标记物(200)被配置为在使用时产生磁场，该探头包括：
-远端(160)；
-靠近该远端(160)的第一磁传感器(110)；
-设置在该第一磁传感器(110)与近端(165)之间的第二磁传感器(120)，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物(200)的一个或多个磁场矢量；
该探头进一步被配置为：
-限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；
-使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物(200)的角布置(180，190)；以及
-确定该角布置(180，190)是否与该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一基本一致，从而确定该标记物(200)落入该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一内。
2.根据权利要求1所述的探头，其中，该探头进一步被配置为确定该角布置(180，190)是否与第一或第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)基本一致。
3.根据权利要求1或2所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)关于该纵轴(150)基本对称。
4.根据任一前述权利要求1所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)具有基本上垂直于该探头纵轴(150)的大致圆形、卵形、椭圆形、三角形、矩形或正方形的纵截面。
5.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)具有大致弧形、扇形、圆柱形或圆锥形形状。
6.根据权利要求4所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)进一步具有抛物线、线性或双曲线形状。
7.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(171cd，172cd，173cd，174cd)共享一个或多个边界。
8.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(171cd，172cd，173cd，174cd)在选自由以下各项构成的组的参数方面有所不同：
-范围、形状、取向、布置、缩放、分辨率、角边界、纵向范围、横向范围或其任何组合。
9.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该两个或更多个标记物检测区(171cd，172cd，173cd，174cd)：
-沿一个或多个轴连续、沿一个或多个轴不连续、或其任何组合。
10.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头被进一步被配置为：
-限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的另外的标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；以及
-确定该角布置(180，190)是否与该三个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一基本一致，从而确定该标记物(200)落入该三个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一内。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的探头，其中，该探头被进一步被配置为：
-限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的另外的标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；以及
-确定该角布置(180，190)是否与以下各项基本一致：
-该另外的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)；
-该第一标记物检测区和该另外的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者；
-该第二标记物检测区和该另外的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者；
-该第一标记物检测区和该另外的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者都不；
-该第二标记物检测区和该另外的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)两者都不；或者
-其任何组合。
12.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为确定该标记物(200)相对于该探头(100，101)的远端(160)的角布置(180，190)。
13.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为确定该标记物(200)相对于该探头(100，101)的纵轴(150)的角布置(180，190)。
14.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为确定该标记物(200)相对于该探头(100，101)的远端(160)的纵向和/或横向布置。
15.根据任一前述权利要求所述的探头，该探头(100，101)包括至少一个另外的磁传感器(130)，这些磁传感器(110，120)被包括在一个或多个1D、2D或3D阵列中。
16.根据任一前述权利要求所述的探头，该探头(100，101)进一步包括：
-一个或多个补偿传感器(130)，用于测量背景磁场；其中：
-在使用时确定该标记物(200)的一个或多个角布置(180，190)进一步考虑了该背景磁场。
17.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头的远端(160)被配置和布置为：
-靠近皮肤(300)的外表面设置；
-接触皮肤(300)的外表面；
-穿过皮肤(300)的外表面插入；
-插入到体腔中；或者
-其任何组合。
18.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)被配置和布置为确定与包括在该标记物(200)中的磁偶极子和/或感应磁偶极子的角布置(180，190)。
19.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为提供音频反馈，并且音频特性取决于与该标记物(200)的接近程度。
20.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为提供音频反馈，并且音频特性取决于该角布置(180，190)是否与第一或第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)基本一致而不同。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的探头，其中，该音频特性是音高、音量、响度、幅度、空间位置、持续时间、暂停持续时间、音调、哔哔声、哔哔声之间的暂停持续时间、频率、频谱或其任何组合。
22.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为提供粗略和精细的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)。
23.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)进一步被配置和布置为随着该探头(100，101)的远端(160)越来越靠近标记物(200)而选择具有更小角度的标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)。
24.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)被配置和布置为基于以下各项来确定该两个或更多个检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)的一个或多个方面：
-来自一个或多个传感器的一个或多个测量值；一个或多个合适的参数；用户提供的一个或多个参数；用户选择；或其任何组合。
25.根据任一前述权利要求所述的探头，其中，该探头(100，101)被配置和布置为基于用户选择来确定该两个或更多个检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)的一个或多个方面：
-以修改该探头的使用；该用户选择基于治疗或疗法；基于侵入性或非侵入性使用；基于用作手持棒；基于该标记物(200)的预期位置；基于预期接近度；基于预期磁场强度；基于预期标记物取向；基于个人喜好；基于形状和截面形状的组合；基于标记物区的组合；基于粗略/精细配置；或其任何组合。
26.根据权利要求24或权利要求25所述的探头，其中，该一个或多个方面是范围、形状、取向、布置、缩放、分辨率、角边界、纵向范围、横向范围以及其任何组合。
27.一种用于检测植入式标记物(200)的角布置的检测器单元，该检测器单元包括根据任一前述权利要求所述的磁性探头(100，101)。
28.根据权利要求27所述的检测器单元，该检测器单元进一步包括显示器，该检测器被配置和布置为在该显示器上向用户指示该确定的结果。
29.根据权利要求28所述的检测器单元，其中，该检测器单元进一步被配置和布置为在该显示器上指示该第一标记物检测区和该第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的检测器单元，该检测器单元进一步包括处理器，该处理器被配置为收集磁传感器值，并使用软件算法来确定一个或多个角布置(180，190)，
31.一种用于确定植入式标记物(200)的角布置(180，190)的方法，该标记物(200)被配置为在使用时产生磁场，该方法包括：
-提供具有远端(160)的探头(100，101)，该探头进一步包括：靠近该远端(160)的第一磁传感器(110)；设置在该第一磁传感器(110)与近端(165)之间的第二磁传感器(120)，该第一磁传感器和该第二磁传感器被配置和布置为在使用时确定该标记物(200)的一个或多个磁场矢量；
-配置并布置该探头以限定从该远端(160)沿探头纵轴(150)延伸的两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)；
-使用该一个或多个磁场矢量确定与该植入式标记物(200)的角布置(180，190)；
-确定该角布置(180，190)是否与该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一基本一致；以及
-确定该标记物(200)落入该两个或更多个标记物检测区(170abcd，171cd，172cd，173cd，174cd)之一内。
32.根据权利要求31所述的方法，该方法进一步包括：
-确定该角布置(180，190)是否与第一或第二标记物检测区(170abcd，1710cdb，1720cd，1730cd，174cd)基本一致。
33.根据权利要求31或32所述的方法，该方法进一步包括：
-配置并布置该探头(100，101)以实现该标记物(200)在人体或动物体内的预期位置、预期接近度、预期磁场强度或预期标记物(200)取向。
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