CN1943509A - 磁传感器组件 - Google Patents

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Abstract

一种传感器组件，包括：处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，其测量磁场投影到关于所述传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，其测量所述磁场投影到关于所述第二场传感器的所述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；将所述第一场传感器定向在第一空间取向上的基底组件，以及以便将所述第二场传感器定向在第二空间取向上，这样所述第三轴定向在包含所述第一和第二轴的平面之外。

Description

磁传感器组件
技术领域
本发明通常涉及医用位置跟踪系统，以及具体地涉及用于在医用位置跟踪系统中感知磁场的方法和装置。
背景技术
用于跟踪在医疗过程中涉及对象的坐标的各种方法和系统在本领域内是公知的。上述一些系统使用磁场测量。诸如，美国专利US5,391,199和US5,443,489描述了其中使用一个或多个场换能器测定体内探测器坐标的系统，其公开内容结合在此作为参考。使用这样的系统来产生有关医用探测器诸如导管的位置信息。位置传感器放置在上述探测器中，并产生响应于外部施加磁场的信号。由磁场发生器产生磁场，诸如辐射器线圈，在已知的相互间隔的位置处固定到外部参考系中。
涉及磁位置跟踪的另外的方法和系统在下述专利中有所描述，诸如PCT专利文件WO96/05768，美国专利US4,849,692，US4,945,305，US5,453,686，US6,239,724，US6,332,089，US6,618,612和US6,690,963，以及美国专利申请文件US2002/0065455A1，US2003/0120150A1，US2004/0068178A1和US2004/0147920A1，其公开内容都结合在此作为参考。这些文件描述跟踪体内对象位置的方法和系统，诸如心导管、整形外科移植物以及在各种医疗过程中使用的医用工具。
一些位置跟踪系统，包括在上述参考文件中描述的一些系统，使用交流(AC)磁场。其它的位置跟踪系统，诸如在上述引用的美国专利US4,849,692，US4,945,305和US5,453,686中描述的系统中使用直流(DC)系统。
用于感知磁场的各种位置传感器和传感器组件在本领域中是公知的。例如，美国专利6,536,123描述了用于计算地磁方向的混合三轴磁传感器，其公开内容结合在此作为参考。该传感器包括磁通门类型的磁传感器，其如此形成以至于基部作为主要元件并检测由平行于上述基部的平面限定的磁向量的双轴分向量。一个霍尔元件探测正交于上述基部的上述磁向量的另一分向量。一个倾斜传感器探测上述基部的倾斜角。上述磁通门类型的磁传感器和上述霍尔元件整体配置在一起成为混合IC。上述探测的三维磁向量根据上述基部的倾斜度进行校正。
作为另一例子的美国专利US6,278,271描述了用于测量磁场的三维分向量的磁场传感器，其公开内容结合在此作为参考。上述传感器包括霍尔效应的元件和电子电路。上述霍尔效应的元件具有有效面积，其与电压和电流接点接触。四个电压接点连接到电子电路的输入端。通过在上述电压接点处存在电势的合成或微分形成，上述电子电路驱动与上述磁场的上述三个分向量成比例的三个信号。
美国专利US6,184,680描述了一种磁场传感器，其中具有磁致电阻效应的用于探测磁场的一片磁性涂膜或多片涂膜和用于将电流施加到上述磁性涂膜上的导体电极涂膜涂到柔性基底上，其公开内容结合在此作为参考。
磁场传感器有时包括磁致电阻传感器。例如，基于磁致电阻元件的各种磁场传感器和模块由Honeywell InternationalInc.(Morristown，New Jersey)生产。有关这些产品的信息可在www.ssec.honeywell.com/magnetic/products.html找到。PhilipsElectronics(Amsterdam，The Netherlands)也生产磁致电阻场传感器。有关这些产品的细节可在www.semiconductors.philips.com找到。
发明内容
在一些医用位置跟踪应用中，理想的是装配在上述探测器中的位置传感器测量上述外部施加磁场的所有三个正交分向量。然而，一些传统的磁场传感器只能测量这些分向量的一个或两个分向量。特别是，其难于使用表面安装技术(SMT)制造三轴的磁场传感器。另一方面，由于其低的成本、小的尺寸和外形以及其用于传统大量制造过程的合适性，单轴和双轴SMT场传感器在传感器组件中经常用于引人注目的候补。
这样本发明的实施例提供磁传感器组件、位置传感器以及用于生产这样的结合有两个或多个单轴或双轴场传感器以测量所有三个磁场分向量的组件和传感器的方法。
在一些实施例中，上述场传感器包括能够测量DC磁场的磁致电阻元件。有利的，DC传感器比AC场传感器不易于测量由来自金属对象的扰动导致的误差。
在一些实施例中，上述场传感器安装到基底组件上，其将上述传感器定向在不同的相应几何平面中，以便使得它们能够共同测量上述磁场和产生指示上述磁场的所有三个分向量的位置信号。在一些实施例中，上述基底组件包括柔性的PCB，其能够弯曲成合适的三维形状。在替换实施例中，上述基底组件包括两个或多个槽口的彼此互锁的基底部分，以便将上述磁场传感器定位在不同的几何平面上。
典型的，上述基底组件包括传统的印刷电路板(PCB)材料，并且上述传感器组件可以使用传统的PCB制作和组装工艺生产。
因此根据本发明的实施例提供一种传感器组件，包括：
处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量磁场投影到关于上述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量上述磁场投影到关于上述第二场传感器的上述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；以及
具有在其上进行表面安装的上述第一和第二场传感器的基底组件，结合其以便将上述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将上述第二场传感器定向在第二空间取向上，这样上述第三轴定向在包含上述第一和第二轴的平面之外。
在一个实施例中，上述基底组件包括柔性基底材料，其弯曲以便定向上述第一和第二场传感器。上述柔性基底材料可以包括一个或多个槽口，以便能够弯曲上述基底组件。
在另一个实施例中，上述基底组件包括一个或多个彼此互锁于其中的部分，以便定向上述第一和第二场传感器。上述两个或多个部分可包括至少一个槽口，以便能够将上述部分彼此互锁于其中。
还在另一个实施例中，上述基底组件包括印刷电路板(PCB)材料。在一些实施例中，电导体设置在PCB材料上以便为上述至少一个第一和第二场传感器提供电互接。
还在另一实施例中，上述传感器组件具有小于2×2×4毫米的尺寸。
根据本发明的实施例还提供一种位置感知设备，包括：
一个或多个场发生器，设置其以便产生磁场；
传感器组件，包括：
处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量上述磁场投影到关于上述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量上述磁场投影到关于上述第二场传感器的上述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；以及
具有在其上进行表面安装的上述第一和第二场传感器的基底组件，结合其以便将上述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将上述第二场传感器定向在第二空间取向上，这样上述第三轴定向在包含上述第一和第二轴的平面之外；以及
控制模块，设置其以便接收上述第一和第二位置信号以及以便计算上述传感器组件关于一个或多个场发生器响应于上述位置信号的空间位置。
在一个实施例中，上述磁场包括直流(DC)磁场。
在另一个实施例中，上述位置传感器适于结合到插入患者体内的对象上，以及设置上述控制模块以测定上述体内对象的位置坐标。
根据本发明的实施例，另外提供用于生产传感器组件的方法，包括：
提供处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量磁场投影到关于上述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
提供处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量上述磁场投影到关于上述第二场传感器的上述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；以及
在基底组件上对上述第一和第二场传感器进行表面安装，以便将上述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将上述第二磁场传感器定向在第二空间取向上，这样上述第三轴定向在包含上述第一和第二轴线的平面之外。
通过参照附图以及参照附图对其中的上述实施例所作的下述详细说明，将会更全面地理解本发明。
附图说明
图1是根据本发明实施例的在磁位置跟踪系统中的探测器的示意形象图示；
图2是根据本发明实施例的显示传感器组件元件的示意顶视图；
图3是根据本发明实施例的图2中的上述传感器组件的示意形象图示；
图4是根据本发明另一实施例的显示传感器组件元件的示意顶视图；
图5是根据本发明实施例的图4中的上述传感器组件的示意形象图示。
具体实施方式
系统描述
图1是根据本发明实施例的在医用磁位置跟踪系统中使用的探测器10的示意形象图示。在图1的典范实施例中，探测器10包括插入到患者心脏中用于执行心电图、成像、治疗和/或其它侵入过程的心导管。上述导管是磁位置跟踪系统的一部分，其通常包括在已知空间坐标处定位的一个或多个场发生器13。上述场发生器以包含上述探测器的预定工作量产生磁场。
位置传感器11结合到探测器10上，以便测量在其附近响应于上述磁场的上述探测器的位置坐标。在当前的实施例中，上述位置传感器装配在上述导管的远端。位置传感器11包括传感器组件12，其感知上述磁场以及产生指示上述磁场的位置信号。传感器组件12通常包括一个或多个微型的磁场传感器，每一传感器能够测量磁场沿着一个或两个轴的分向量。上述传感器设置在能够使它们测量外部施加磁场的所有三个正交分向量的空间构造中。在下面的附图2-5中示出和说明了典范的传感器组件的构造。
除了位置传感器11外，探测器10可包括附加的组件，诸如电极14，也可是附加的传感器和/或治疗元件(未示出)。在一些实施例中，位置传感器11包括控制模块16，其接收由探测器10产生的上述位置信号和/或其它信号，并且通过电缆18将其传送到外部处理单元(未示出)。上述外部处理单元计算和显示上述探测器相对于场发生器13的上述位置。上述计算的位置可构成高达六维的坐标信息，包括上述探测器的位置和角取向。
本发明专利申请主要涉及位置传感器11以及具体传感器组件12的结构。探测器10和上述磁位置跟踪系统的特定操作被认为是在本专利申请的范围之外。只是通过例子的方式提及在心脏中的上述应用。在此描述的上述方法和设备可用于各种位置跟踪系统和应用中，诸如用于呼吸、消化和尿道诊断和治疗的系统以及用于跟踪整形外科移植物和医用工具的系统，也可用于非医疗应用中。依赖于上述应用，位置传感器11和/或传感器组件12可结合到导管、内窥镜、整形外科移植物、医用或手术工具，或者结合到其它合适的跟踪对象上。能够使用在此描述的上述方法和系统的一些典范系统已经在上面引证的文件中有所描述。
磁传感器组件
在一些应用中，对于位置传感器11来说理想的是能够测量外部施加磁场的所有三个正交分向量，以便能够进行位置计算。为了该目的，在一些实施例中，传感器组件12包括两个或多个微型的电子磁场传感器。这些磁场传感器可基于磁致电阻元件，如在本领域内公知的那些。磁致电阻元件的使用在一些情况下是理想的，原因是它们能够测量DC磁场，其比AC场不易于测量由来自金属对象的扰动导致的误差。在传感器组件12中可使用的一些典范磁场传感器是HoneywellHMC 1002、HMC 1022、HMC 1052的双轴传感器。关于这些装置的进一步细节可在上述引用的Honeywell网址上找到。
典型的，传统的磁场传感器，诸如上述的Honeywell和Philips装置，包括一个或两个小型化的磁致电阻元件。这些元件测量上述磁场投影到平行于上述装置表面的平面上的一个或至少两个正交分向量。大多数上述装置是小的、平坦的、表面安装的装置(SMD)。原则上，测量所有三个正交场分向量意味着使用三个磁致电阻元件，其中之一应该取向在垂直于上述装置表面的平面内。这样的一种构造通常难于在小的表面安装装置的平面构造中实施。
因此，在一些实施例中，传感器组件12包括三维基底组件，其上安装有上述场传感器。上述基底组件相对于彼此在空间取向上定向上述场传感器，使得它们能够测量上述外部施加场的所有三个分向量。
在一些实施例中，上述基底组件包括印刷电路板(PCB)。在这些实施例中，上述基底组件可包括用于发送由上述场传感器产生的位置信号的传导轨迹。附加的或替换的，探测器10的控制模块16和/或其它电子电路可被制作在传感器组件12的上述基底上。
图2是根据本发明的实施例的显示典范传感器组件20的示意顶视图，其可用作传感器组件12。在该实施例中，基底组件24包括柔性基底，诸如柔性PCB。图2显示处于其原始平坦形状的基底组件24，即在其弯曲成恰当的三维形状使用在传感器组件20中之前的形状。上述柔性基底可使用任意合适的PCB制造工艺制作。
两个磁场传感器28A和28B安装在上述柔性基底上。典型的，传感器28A和28B包括使用传统的PCB组装工艺诸如回流工艺安装到上述基底上的SMD。在附图中只显示了对解释说明必要的元件，其中为了简化省略了诸如可选的附加电路。在一些实施例中，PCB导体29提供电源电压和/或发送从传感器28A和28B到上述传感器组件的输出端口30的信号。切割槽口32使其通过上述柔性PCB，以便允许其弯曲成理想的三维形状。
图3是根据本发明实施例的传感器组件20的示意形象图示。上述附图示出在其弯曲成其最终三维形状之后的上述图2的柔性基底组件24。可看出上述场传感器28A和28B当前定位在两个正交的平面上。在一些实施例中，每一传感器28A和28B是测量上述磁场的两个正交分向量的双轴传感器。这样，当一起使用时，上述两个传感器提供指示所有三个正交场分向量的四个位置信号。上述四个位置信号中之一可被认为是重复的，因为它涉及由两个传感器测量的场分向量。在一个替换实施例中，传感器28A和28B之一包括双轴传感器，以及另一传感器包括只测量上述第三正交场分向量的单轴传感器。
在一个替换实施例中(在附图中未示出)，柔性基底组件24的构造可概括为简单明了的方式，以便以相互正交的构造定向三个单轴场传感器。
在另一个替换实施例中，柔性基底组件24将传感器28A和28B定位在不同的但是非正交的平面内。由于上述平面是非正交的，因此一些或所有上述位置信号可包含多于一个磁场分向量的投影。由于上述场传感器的共同角取向是恒定和已知的演绎量，合适的计算可从上述位置信号求出上述三个正交的场分向量。上述计算可通过控制模块16或者通过外部处理单元进行。
在图2和图3中的基底组件24的具体形状只作为阐明的例子示出。在替换实施例中，上述柔性基底可被制作和弯曲成定向上述磁场传感器的任意其它形状，以便使得它们能够测量上述磁场的所有三个分向量。上述柔性基底的上述形状可带有或不带槽口。
在将组件24弯曲成上述三维构造之后，可以使用任意合适的方法将上述柔性基底组件保持在位以保持其形状。例如，上述整个传感器组件可铸成合适的罐(potting)或使用合适的机械定位器固定到位置传感器11或探测器10上。
使用图3的上述构造，可以获得相当小尺寸的传感器组件20，使其适合用于导管、内窥镜、移植物和其它医用探测器和仪器中。传感器组件可通常装配在2×2×4毫米的正方体内，或者装配在大致4毫米高和直径2毫米的圆柱体内。
图4是根据本发明另一实施例的显示可用作传感器组件12的传感器组件30的元件的示意顶视图。在该实施例中，上述基底组件包括两个通常包括合适的刚性PCB材料的基底部分34A和34B。场传感器28A和28B之一安装到每一基底部分上。切割槽口42使其进入每一部分的一侧。可以使用任意合适的PCB制作和组装方法制造和组装部分34A和34B。
图5是根据本发明实施例的上述图4中的传感器组件30的示意形象图示。为了形成上述三维基底组件，部分34A和34B使用槽口42以正交的构造彼此插入其中。与上述图3中的构造相似，在传感器组件30中，场传感器28A和28B定位在两个正交的平面上。当传感器28A和28B是双轴传感器时，上述两个传感器共同提供指示上述三个正交场分向量的四个位置信号，其中一个分向量是重复的。可替换的，传感器28A和28B之一可包括单轴传感器。
在一些实施例中，PCB导体29将传感器28A和28B与输出端口30相连。如在图4中所示的那样，通过使得导体29达到槽口42，信号在部分34A和34B之间发送。如在图5中所示的那样，在将部分34A和34B互锁之后，上述导体可在槽口42处焊接或引线接合在一起以提供电导率。
可替换的，可以任何其它合适的能够使得上述场传感器能够产生指示上述三个磁场分向量的信号的构造制作和彼此附连部分34A、34B。具体的，非正交的构造也可同时使用在合适的计算过程中。可以使用任意合适的安装方法将传感器组件30安装在位置传感器11或探测器10中。
虽然上述描述的上述方法和装置主要致力于基于磁致电阻装置的传感器组件，但是本发明的原理也可用来生产基于其它用于感知DC和/或AC磁场的传感器技术的传感器组件。例如，可替换的场传感器可包括霍尔效应的装置或场感知线圈。上述传感器可包括包装的或未包装的微型元件。另外，本发明的上述原理也可用来生产用于感知其它类型场诸如用于测量加速度或其它方向性的电场的传感器组件。
这样应该意识到上述描述的实施例只是通过例子的方式引证，但是本发明并不限于在上述具体示出和描述的内容。而且，本发明的范围包括上述描述的各种特征的组合或二次组合，以及本领域的技术人员在阅读上述说明的基础上将进行并在现有技术中未公开的改变和变型。

Claims (22)

1.一种传感器组件，包括：
处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量磁场投影到关于所述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量所述磁场投影到关于所述第二场传感器的所述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；以及
具有在其上进行表面安装的所述第一和第二场传感器的基底组件，结合其以便将所述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将所述第二场传感器定向在第二空间取向上，这样所述第三轴定向在包含所述第一和第二轴的平面之外。
2.按照权利要求1的所述传感器组件，其中所述基底组件包括柔性基底材料，其弯曲以便定向所述第一和第二场传感器。
3.按照权利要求2的所述传感器组件，其中所述柔性基底材料可以包括一个或多个开槽，以便能够弯曲所述基底组件。
4.按照权利要求1的所述传感器组件，其中所述基底组件包括两个或多个彼此互锁于其中的部分，以便定向所述第一和第二场传感器。
5.按照权利要求4的所述传感器组件，其中所述两个或多个部分可包括至少一个槽口，以便能够将所述部分彼此互锁于其中。
6.按照权利要求1的所述传感器组件，其中所述基底组件包括印刷电路板(PCB)材料。
7.按照权利要求6的所述传感器组件，并且包括设置在所述PCB材料上的电导体以便为所述至少一个第一和第二场传感器提供电互接。
8.按照权利要求1的所述传感器组件，其中所述传感器组件具有小于2×2×4毫米的尺寸。
9.一种位置感知设备，包括：
一个或多个场发生器，设置其以便产生磁场；
传感器组件，包括：
处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量所述磁场投影到关于所述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量所述磁场投影到关于所述第二场传感器的所述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；以及
具有在其上进行表面安装的所述第一和第二场传感器的基底组件，结合其以便将所述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将所述第二场传感器定向在第二空间取向上，这样所述第三轴定向在包含所述第一和第二轴的平面之外；以及
控制模块，设置其以便接收所述第一和第二位置信号以及以便计算所述传感器组件关于一个或多个场发生器响应于所述位置信号的空间位置。
10.按照权利要求9的所述设备，其中所述磁场包括直流(DC)磁场。
11.按照权利要求9的所述设备，其中所述位置传感器适于结合到插入患者体内的对象上，以及其中设置所述控制模块以测定所述体内对象的位置坐标。
12.按照权利要求9的所述设备，其中所述基底组件包括柔性基底材料，其弯曲以便定向所述第一和第二场传感器。
13.按照权利要求9的所述设备，其中所述基底组件包括两个或多个彼此互锁于其中的部分，以便定向所述第一和第二磁场传感器。
14.按照权利要求9的所述设备，其中所述基底组件包括印刷电路板(PCB)材料。
15.用于生产传感器组件的方法，包括：
提供处于第一表面可安装的包装中的第一磁致电阻的场传感器，设置其以便测量磁场投影到关于上述第一场传感器的空间取向的相应不同的第一和第二轴上的第一和第二分向量，以及以便产生指示所测量的第一和第二分向量的第一位置信号；
提供处于第二表面可安装的包装中的第二磁致电阻的场传感器，设置其以便测量上述磁场投影到关于上述第二场传感器的上述空间取向的至少第三轴上的至少第三分向量，以及以便产生指示所测量的第三分向量的第二位置信号；
在基底组件上对上述第一和第二场传感器进行表面安装，以便将上述第一场传感器定向在第一空间取向上，以及以便将上述第二磁场传感器定向在第二空间取向上，这样上述第三轴定向在包含上述第一和第二轴线的平面之外。
16.按照权利要求15的所述方法，其中所述基底组件包括柔性基底材料，并且包括弯曲所述柔性基底材料以便定向所述第一和第二场传感器。
17.按照权利要求16的所述方法，其中所述柔性基底材料可以包括一个或多个槽口，以便能够弯曲所述基底组件。
18.按照权利要求15的所述方法，其中所述基底组件包括两个或多个彼此互锁于其中的部分，以及包括将所述两个或多个部分彼此互锁于其中以便定向所述第一和第二场传感器。
19.按照权利要求18的所述方法，其中所述两个或多个部分包括至少一个槽口，以便能够将所述部分彼此互锁于其中。
20.按照权利要求15的所述方法，其中所述基底组件包括印刷电路板(PCB)材料。
21.按照权利要求20的所述方法，并且包括将电导体设置在所述PCB材料上以便为所述至少一个第一和第二场传感器提供电互接。
22.按照权利要求15的所述方法，其中所述传感器组件具有小于2×2×4毫米的尺寸。
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