JP2020003370A - 小型３次元磁界検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡、カテーテルなどの生体内磁気式ポジショニングシステムに応用される超小型の３次元磁界検出装置を提供する。【解決手段】直方体台座３１と、直方体台座３１の長辺の１つの面に第１軸方向の磁界を検出するＧＳＲ素子１０と、直方体台座３１の長辺の他の隣接する２つの面に第２軸方向および第３軸方向の磁界を検出するＧＳＲ素子２０とを、それぞれに配置し、これら３つのＧＳＲ素子を制御するＡＳＩＣ仕様の電子回路とを組み合わせて３次元の磁界を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡、カテーテルなどの生体内磁気式ポジショニングシステムに応用される超小型の３次元磁界検出装置に関する。

医療分野の高度化に伴い、胃カメラ、カテーテル、血管内視鏡など生体内モーションデバイスの普及が進んでおり、その位置や方位を把握する必要が高まっている。デバイス側に磁石または電磁石を内蔵して、その位置や方位を外部に磁界センサで測定する方法（特許文献１）や、デバイス側の一軸の磁界センサと位置が特定されている２点に設置された２個の磁界センサおよび外部の磁界発生装置とを組み合わせた方式（特許文献２）および３つの外部磁界発生装置とガイド先端に内蔵した３次元磁界センサを組み合わせた方式（特許文献３）などの方法が開示されている。しかし、磁気センサの微小な磁界検出力が低く、そのため位置決め精度が数ｍｍと臨床に必要な精度１００μｍ以下を実現するに至っていない。

２０１５年に超高感度マイクロ磁気センサとして“ＧＳＲセンサ” （特許文献４）が開示され、この磁気センサを活用して位置決め精度１００μｍを実現するための取り組みが進んでいる。
カテーテル内蔵磁気センサとして、ＧＳＲセンサを活用して小型の３次元磁界検出用素子（長さ０．６ｍｍ以下、幅０．３ｍｍ以下および厚み０．１５ｍｍ以下）とＡＳＩＣをフリップチップ接合した３次元磁界検出装置を図１１（特許文献５、図１）に示す。しかし、Ｚ軸方向の磁界検出感度がＸ軸やＹ軸方向に比べて十分ではないためにＺ軸磁界の検出を強化するとＺ軸方向であるセンサの厚みを増加させる必要がある。すなわち、センサの厚みとＺ軸方向の磁界検出感度とはトレードオフの関係にあり、その改善は困難な課題である。

また、カテーテルを誘導するためにガイドワイヤに内蔵する磁気センサとして、２０１７年に３軸磁界センサに代えて１軸磁界センサタイプを図１２（特許文献６、図１）に示す。この方式は、ガイドワイヤ先端部はセンサ内蔵のためのスペースが直径０．５ｍｍ、長さ１．６ｍｍ以下と非常に小さいので、磁界センサを１軸として小型化し、外部から３軸の傾斜磁界と３軸の一様磁界を交番的に与えて位置と方位を求めるという方式で、位置決め精度１００μｍ以下を実現している。しかし、磁界発生装

置の構造が複雑で、医師が治療するための治療スペースが狭くなるという欠点があり、その改善が取り組まれている。

カテーテル内蔵用には直径１．０ｍｍ以下、ガイドワイヤ内蔵用には直径０．５ｍｍ以下の３次元磁界センサまたは１次元磁界センサの開発および各タイプに必要な磁界発生装置を開発し、両者を組み合わせて位置決め精度１００μｍ以下を実現するポジショニングシステムの開発が行われている。

特開２００３―１１７００４公報 特開２０１０―１７９１１６公報 特開２０１５―１３４１６６公報 特許第５８３９５２７号公報 特許第６２４０９９４号公報 特許第６２５６９６２号公報

本発明は、カテーテル内蔵型の３次元磁界検出装置において、内蔵可能なサイズを前提に、Ｘ軸、Ｙ 軸、Ｚ軸の３軸の磁界検出力が同じで、しかもその出力のＳ/Ｎ比が高い３次元磁界検出装置を開発することである。本発明によれば、比較的構造が簡単な磁界発生装置と組み合わせて、位置決め精度１００μｍ以内を実現することができる。

本発明者は、カテーテル内のセンサ内蔵のためのスペースのサイズと形状、すなわち直径１．０ｍｍ以下、長さ方向は３ｍｍ以下に着目し、長さ方向（Ｚ軸）磁界を検出する素子は磁性ワイヤの長さを十分に取り、一方、幅の小さく十分な磁性ワイヤの長さを確保することができない横方向（Ｘ軸とＹ軸）磁界を検出する素子はワイヤ本数を増加することで、３つの素子の検出感度を同じにすることに想到した。

いずれの素子も磁性ワイヤの長さ方向は十分長くすることができるので、細長い素子と細長い電子回路ＡＳＩＣとを組み合わせて幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の１軸磁界センサをまず製作し、幅０.６ｍｍ以下、厚さ０.７ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体台座の長手方向３面にＸ軸センサ、Ｙ軸センサおよびＺ軸センサを配置することにした。ただし、Ｘ軸センサとＹ軸センサは直交する隣接面にそれぞれ配置する必要がある。
また、３軸切替機能を有するＡＳＩＣと一つの軸の素子を組み合せて幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の一つの軸の磁界センサを製作し、他の２つの軸の素子を製作し、直方体台座の長手方向の３つの面にそれぞれ配置する。３つの面の素子は、上記のＸ軸素子、Ｙ軸素子およびＺ軸素子の機能を有している。
さらに、直方体台座の長手方向の３つの面にＸ軸素子、Ｙ軸素子およびＺ軸素子の機能を有する素子をそれぞれ配置し、３軸切替機能を有するＡＳＩＣを長手方向の１つの面に配置することもできる。

本発明により、カテーテルに内蔵可能な超小型の３次元磁界検出装置で、高い感度、低いノイズ、広い測定レンジなどの優れたＧＳＲセンサの基本性能を維持し、かつ３軸磁界の検出感度を同じにすることができるもので、外部の磁界発生装置と組みあわせて、生体のカテーテル先端の位置を１００μｍ以下の精度で、しかも構造が簡単な磁界発生装置を用いて、検出することを可能にする。

３次元磁界検出装置の（ａ）直方体台座の斜視図および（ｂ）３次元磁界検出装置の斜視図である。 ３次元磁界検出装置の（ｃ）組み立て断面図および（ｄ）カテーテルに内蔵した３次元磁界検出装置の組み立て断面図である。 縦軸磁界検出用ＧＳＲセンサの平面図である。 縦軸磁界検出用ＧＳＲセンサのＡ１−Ａ２線の断面図である。 縦軸磁界検出用ＧＳＲセンサのＢ１−Ｂ２線の断面図である。 横軸磁界検出用ＧＳＲセンサの平面図である。 ３次元磁界検出装置の（ａ）斜視図および（ｂ）組み立て断面図である。 実施例１に係るＧＳＲセンサの電子回路図である。 実施例２に係る３次元磁界検出装置の（ａ）斜視の概略図および（ｂ）組み立て断面図である。 実施例２に係る３次元磁界検出装置の電子回路図である。 従来の３次元磁気センサである。 従来の１次元磁気センサである。

本発明の３次元磁界検出装置は、アスペクト比２以上の短冊状の側面と底面の長辺の長さ０．７ｍｍ以下からなる直方体台座と、直方体台座の長辺の１つの面に第１軸方向とする縦軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子と、直方体台座の長辺の他の隣接する２つの面に第２軸方向および第３軸方向とする横軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子と、第１軸方向、第２軸方向および第３軸方向のＧＳＲ素子からなる３つのＧＳＲ素子を制御するＡＳＩＣ仕様の電子回路とからなる。

図１（ａ）を用いて説明する。
直方体台座は、（ａ）直方体台座の斜視図より、短冊状の側面は長辺／短辺のアスペクト比は２以上の細長い直方体からなる。底面は、その長辺は長さ０．７ｍｍとする。
直方体台座の長辺の１つの面（側面の１つの面をいう。）に第１軸方向とする縦軸方向に、図面上では左右方向となる直方体の長さ方向となる縦軸磁界検出用のＧＳＲ素子を配置する。
次に、長辺の他の隣接する２つの面に第２軸方向および第３軸方向とする横軸方向に、図面上では直方体の幅方向となる横軸磁界検出用のＧＳＲ素子を配置する。
すなわち、第１軸方向をＺ軸方向として、Ｚ軸に直交する平面上に第２軸方向および第３軸方向の２つの軸方向を任意にＸ軸方向、Ｙ軸方向として、Ｘ軸ＧＳＲ素子、Ｙ軸ＧＳＲ素子およびＺ軸ＧＳＲ素子を配置し、これら３つのＧＳＲ素子を制御するＡＳＩＣ仕様の電子回路とを組み合わせて３次元の磁界を検出することができる。

３つのＧＳＲ素子とＡＳＩＣ仕様の電子回路との組み合わせの方式には３通りがある。
１つには、直方体台座の長辺の３つの面にＧＳＲ素子を１つずつ配置し、任意の１つの面に３軸切替機能を有するＡＳＩＣ仕様の電子回路を１つ配置する（図１および図２）。
２つには、３つのＧＳＲ素子はそれぞれＡＳＩＣ仕様の電子回路と連結されたＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成し、３つのＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサが直方体台座の長辺の３つの面にそれぞれ配置する（図７および図８） 。
３つには、１つのＧＳＲ素子は３軸切替機能を有するＡＳＩＣ仕様の電子回路と連結されたＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成して１つの面に配置し、２つのＧＳＲ素子は２つの面にそれぞれ配置し、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの電子回路と連結する（図９および図１０）。
先ず、１つめの方式について説明し、後者の２つについては次の実施形態の説明に委ねる。

図１（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明する。
直方体台座３１は、プラスチック、セラミックなどの固い絶縁素材を用いて、その大きさは底面の短辺（幅）０．６ｍｍ以下、長辺（厚さ）０．７ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下である。

縦軸方向の磁界検出用のＧＳＲ素子１０（以下、縦軸ＧＳＲ素子という。）と、横軸方向の磁界検出用のＧＳＲ素子２０（以下、横軸ＧＳＲ素子という。）の基板は、直方体台座３１に配置するために長方形で厚みの薄い板である。
縦軸ＧＳＲ素子１０は、基板上に、基板の長さ方向の磁性ワイヤ１３と磁性ワイヤ１３に周回する検出コイル１４および２つのワイヤ電極と２つのコイル電極からなる。
横軸ＧＳＲ素子２０は、基板上に、基板の幅方向の磁性ワイヤ２３と磁性ワイヤ２３に周回する検出コイル２４および２つのワイヤ電極と２つのコイル電極からなる。
３つのＧＳＲ素子は、直方体台座３１の長辺の１つの面にはＧＳＲ素子１０が配置され、長辺を挟んで隣接する２つの面にＧＳＲ素子２０がそれぞれ配置される。
ＧＳＲ素子の大きさは、幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ１．０ｍｍ以下である。

ＡＳＩＣ仕様の電子回路（ＡＳＩＣ１Ａ）は、ＧＳＲ素子２０の下部に配置されている。ＡＳＩＣ１Ａは３つのＧＳＲ素子と連結され、ＡＳＩＣ１Ａの電極５６１〜５６４は外部の制御装置と連結されている。なお、ＡＳＩＣ１Ａの配置はＧＳＲ素子２０の配置されている面に限らず、いずれの面でもよい。
ＡＳＩＣの大きさは、幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下である。

このようにして本発明の３次元磁界検出装置は、底辺の長辺０．８ｍｍ以下、対角線の長さ１．０ｍｍ以下、側面の長辺の長さ３ｍｍ以下の細長い直方体形状からなるために、細長いパイプ状のカテーテル先端部に内蔵することができる（図１（ｄ））。

また、本発明の３次元磁界検出装置において、
その縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサは、ＡＳＩＣ表面保護被膜上の絶縁性レジスト層からなる基板皮膜の長さ方向にアモルファス磁性ワイヤを基板皮膜に形成された溝に取り付け、磁性ワイヤの周りに検出コイルを巻き付けて形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための２個のワイヤ電極と検出コイルに発生するコイル電圧を測定する２個のコイル電極からなるＧＳＲ素子と幅０．５ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の大きさのＡＳＩＣとからなる。ＧＳＲ素子とＡＳＩＣとは上記の４つの電極を介して連結されている。

その横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサは、ＡＳＩＣ表面保護被膜上の絶縁性レジスト層からなる基板皮膜の幅方向にアモルファス磁性ワイヤを基板皮膜に形成された溝に取り付け、磁性ワイヤの周りに検出コイルを巻き付けて形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための２個のワイヤ電極と検出コイルに発生する電圧を測定する２個のコイル電極からなるＧＳＲ素子と幅０．５ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の大きさのＡＳＩＣとからなる。ＧＳＲ素子とＡＳＩＣとは上記の４つの電極を介して連結されている。

そして、３次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の１つの面に縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを、長辺の他の２つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを取り付けて底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体形状からなる。
３つのＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサは、外部の制御装置とそれぞれ配線ケーブルで連結されている。

以下、実施形態を詳細に説明する。
３次元磁界検出装置は、直方体台座の４つの長辺のうちの１つの面を第１軸方向（以下、Ｚ軸方向という。）とし、残りの３つの長辺のうちお互いに接する長辺の２つの面を第２軸方向および第３軸方向（以下、Ｘ軸方向およびＹ軸方向という。）として、Ｚ軸方向には縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを配置し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向には横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサをそれぞれ配置する。直方体台座へのＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの取り付けは接着剤を用いる。取り付け後の大きさは、底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下である。
ここで、縦軸方向磁界検出とは長辺の面の長さ方向であって３次元磁界検出のうちのＺ軸方向磁界検出に相当し、横軸方向磁界検出とは長辺の面の長さ方向に直交する幅方向であって３次元磁界検出のうちのＸ軸方向磁界検出およびＹ軸方向磁界検出に相当する。

また、３次元磁界検出装置は、ＧＳＲセンサの長さと幅とのアスペクト比を２以上の短冊状とする。よって、アスペクト比２以上の短冊状の３つのＧＳＲセンサを配置する直方体台座もアスペクト比２以上の短冊状とする。

直方体台座は、プラスチック、セラミックなどの固い絶縁素材を用いて、その大きさは幅０．６ｍｍ以下、厚さ０．７ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下である。ＡＳＩＣの好ましい大きさである幅０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍ、長さ１ｍｍ〜１．６ｍｍに対応して、好ましくは、幅０．３６ｍｍ〜０．５ｍｍ、厚さ０．２８ｍｍ〜０．４８ｍｍ、長さ１ｍｍ〜１．６ｍｍである。

縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ（以下、縦軸ＧＳＲセンサという。）は、幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下のサイズの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と、ＡＳＩＣ表面の絶縁保護被膜上にＧＳＲ素子の基板としての機能を果たすことができる厚みの絶縁レジスト層（以下、レジスト層という。）からなる基板皮膜を形成し、その基板皮膜上にＡＳＩＣの長さ方向の磁性ワイヤと磁性ワイヤを周回する検出コイルおよび電極からなる縦軸ＧＳＲ素子を一体成形するものである。この縦軸ＧＳＲ素子は、縦軸ＧＳＲ素子のワイヤ電極およびコイル電極を介してＡＳＩＣと連結されている。

アモルファス磁性ワイヤの長さはＡＳＩＣの幅より長く、その本数は１本または２本とする。ＡＳＩＣの長さ方向の他端に電源供給と外部のコンピュータとの信号交信のための電極が複数個設置されている。外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とＡＳＩＣの電極とが接続されて、電源の供給および信号の交信が行われる。

横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ（以下、横軸ＧＳＲセンサという。）は、幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下のサイズのＡＳＩＣと、ＡＳＩＣ表面の絶縁保護被膜上にＧＳＲ素子の基板としての機能を果たすことができる厚みのレジスト層からなる基板皮膜を形成し、その基板皮膜上にＡＳＩＣの幅方向の磁性ワイヤと磁性ワイヤを周回する検出コイルおよび電極からなる横軸ＧＳＲ素子を一体成形するものである。この横軸ＧＳＲ素子は、横軸ＧＳＲ素子のワイヤ電極およびコイル電極を介してＡＳＩＣと連結されている。

アモルファス磁性ワイヤの長さはＡＳＩＣの幅に相当し、その本数は２本または４本とする。長さの短い横軸ＧＳＲ素子からなる横軸ＧＳＲセンサは、縦軸ＧＳＲセンサと同じ磁界検出力をためには縦軸ＧＳＲ素子の長さに相当する横軸ＧＳＲ素子の長さが必要となるからである。

縦軸ＧＳＲセンサと同様に、ＡＳＩＣの長さ方向の他端に電源供給と外部のコンピュータとの信号交信のための電極が複数個設置されている。外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とＡＳＩＣの電極とが接続されて、電源の供給および信号の交信が行われる。

ＧＳＲ素子（縦軸ＧＳＲ素子および横軸ＧＳＲ素子の両者をいう。）とＡＳＩＣとを一体成形したＧＳＲセンサは超薄型化・超小型化が可能となり、この１つの縦軸ＧＳＲセンサおよび２つの横軸ＧＳＲセンサの組み合わせを直方体台座に取り付けた３次元磁界検出装置の直方体の超小型化が達成できる。この超小型化した３次元磁界検出装置は、カテーテルチューブの先端への内蔵に最適である。

ＧＳＲ素子は、感磁体であるアモルファス磁性ワイヤ、磁性ワイヤに周回する検出コイル、磁性ワイヤおよび検出コイルのそれぞれの両端の端子、両端の端子とＡＳＩＣと連結する電極および端子と電極との配線から構成されている。

アモルファス磁性ワイヤ１３は、ＣｏＦｅＳｉＢ合金で直径１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。磁性ワイヤ１３の周囲は絶縁性材料、例えば絶縁性ガラス材料で被覆されていることが好ましい。磁性ワイヤ１３と検出コイル１４との間の絶縁が容易であり、また両者の間隙を小さくしてコイル内径の小径化を図ることができる。

検出コイルは、コイル内径は３０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下である。コイル内径を小さくすることにより感度の向上になる。コイルピッチは５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下である。これにより単位長さ当たりのコイル巻数の増加を図ることができ、感度の向上、ひいては磁界検出素子を短くして小型にすることができる。

ＧＳＲセンサの電子回路は、本発明者が特許文献４において開示している電子回路を基本とする。
基本回路は、パルス発信回路（パルス発信器）および信号処理回路を有する。信号処理回路は、バッファ回路、検波タイミング調整回路、電子スイッチ、サンプルホールド回路および増幅器からなる。パルス発振回路により発生した２ＧＨｚ相当の高周波のパルス電流をＧＳＲ素子の磁性ワイヤへ供給する。パルス電流を通電した際に磁性ワイヤの表面の電子スピンが高速回転し、検出コイルに外部磁場に対応した電圧が発生する。この出力電圧をサンプルホールドして増幅器で検出する。なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δｔの４倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。

検出コイルの出力電圧は検波タイミング調整回路により、パルス電流の立ち下がりから所定のタイミングで、電子スイッチを短時間にスイッチング（オン−オフ）することでサンプルホールド回路のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は増幅器により増幅されて出力される。

その後ＡＤ変換され、内蔵の小型ＣＰＵでデータ保存およびデータ補正されて、外部の制御装置に転送される。
この時に制御装置で３次元磁界検出装置は制御されるが、外部から電源供給のための２本の電源線と、外部へ信号送信のためと外部からＧＳＲセンサを制御するための２本の信号線とからなる合計４本の電線でＧＳＲセンサを制御する。

したがって、３次元磁界検出装置は、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の信号線からなる合計６本の配線と、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の電源線からなる合計６本の配線との総合計１２本の配線で外部の制御装置と連結されている。
また、３次元磁界検出装置は、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの電源線を共通化して電源線２本と、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の信号線の合計６本と合わせて８本の配線で外部の制御装置と連結されている。
配線数の減少によりカテーテルに内蔵したセンサと外部の制御装置とを結ぶワイヤの小型化が実現する。これにより小さな直径のカテーテルへの適用が良くなる。また強度面で引き出し線との接続点が少なくなるので故障しにくくなる。

ＡＳＩＣのサイズは、幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下とする。好ましくは、幅０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍ、長さ１ｍｍ〜１．６ｍｍである。

ＡＳＩＣの上面には、ＧＳＲ素子と連結のための４つの電極が上面の幅方向の両端に配置されている。ＡＳＩＣの電極とＧＳＲ素子の電極は、レジスト層に設けたスルーホールを介して連結する。スルーホール部は、メッキまたは蒸着プロセスで形成する。材料としては、金、銅など良伝導性材料を用いる。

ＡＳＩＣの長手方向の一端の端部に外部接続用の４つの電極が設置されている。
これらの電極と外部装置とは、４本ワイヤを束ねたフレキシブル電線を用いて連結する。フレキシブル電線の４本線と、ＡＳＩＣの４つの電極とは半田接合法で接合する。３本のフレキシブル電線を束ねて内部の３次元磁気センサと外部のコンピュータとを連結する。

縦軸ＧＳＲセンサ（Ｚ軸ＧＳＲセンサ）は、感度は７０ｍＶ／Ｇ〜３００ｍＶ／Ｇ、σノイズは２０μＶ〜３０μＶ、磁界強度１Ｇの時のＳ／Ｎ比は、１０００〜３０００、測定レンジは５Ｇ〜２０Ｇ、アナログ回路のバンド幅は５０ＫＨｚ、デジタル出力のＯＤＲは１ＫＨｚである。直線性は、フルスケールに対して０．２％で、ヒステリシスは無い。
横軸ＧＳＲセンサ（Ｘ軸ＧＳＲセンサおよびＹ軸ＧＳＲセンサ）の特性も同様で、３軸の検出感度は同一に調整しできることを確認した。
そして、３次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の１つの面に縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを、長辺の他の２つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを取り付けて底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体形状からなる。

また、本発明の３次元磁界検出装置は、第１軸方向、第２軸方向または第３軸方向のＧＳＲ素子のいずれか１つの素子は、３軸切替機能を有するＡＳＩＣと一体化された、幅０．８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ３ｍｍ以下の３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成し、他の２つのＧＳＲ素子は、３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサと直方体台座上で連結し、ＡＳＩＣは外部の制御装置と配線ケーブルで連結されている幅０．８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ、長さ３ｍｍ以下の大きさからなる。

この３次元磁界検出装置は、３つめの方式であり、３軸切替機能を有するＡＳＩＣを使用して、ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの電源線２本と信号線２本とからなる合計４本の配線で外部の制御装置と連結されている。
３つのＡＳＩＣを１つに簡素化することができるともに外部の制御装置との連結するための配線を少なくすることができる。
そして、３次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の１つの面に縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを、長辺の他の２つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを取り付けて底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体形状からなる。

外部の磁界発生装置は、１軸磁気センサの場合、３台の傾斜磁界発生装置と３台の一様磁界発生装置が必要で、それらが複雑にかつ立体的に配置されているため、医師が治療するための治療スペースが狭くなるという欠点があった。しかし３次元磁界検出装置をカテーテル先端に内蔵することによって、２台の一様磁界発生装置と1台の傾斜磁界発生装置だけで、正確な位置決めが可能となる。また、１軸磁気センサを使ったシステムでは原理上磁界を検出できなくなる方位、つまり特異点が存在したが、３軸磁気センサを使うことで、全方位で磁界を検出できる。そのため、治療スペースが広くとることができて特異点もなくなり、１軸磁気センサを使ったシステムの問題を解決することができる。

［実施例１］
実施例１は、Ｚ軸磁界検出用の縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ（以下、縦軸ＧＳＲセンサという。）の１つと、Ｘ軸磁界検出用およびＹ軸磁界検出用の横軸方向のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ（以下、横軸ＧＳＲセンサという。）の２つとからなる計３つのＧＳＲセンサを直方体形状の台座の３つの面に配置し、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向からなる３軸方向の磁界を精度よく検出する３軸磁界検出装置に関する。

実施例１に係る縦軸ＧＳＲセンサの平面図を図３、同図のＡ１−Ａ線の断面図を図４、同図のＢ１−Ｂ２線の断面図を図５に示す。横軸ＧＳＲセンサの平面図を図６に示す。１つの縦軸ＧＳＲセンサと２つの横軸ＧＳＲセンサを組み合わせた３次元磁界検出装置の（ａ）斜視図の概略図と（ｂ）組み立て断面図の概略図を図７に示す。また、その電子回路図を図８に示す。これらの図面を参照しつつ実施例１を説明する。

縦軸ＧＳＲセンサ１は、図３〜図５に示すように、幅０．４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１．４ｍｍのサイズのＡＳＩＣ１Ａの絶縁保護被膜上に、幅０．４ｍｍ、長さ０．８ｍｍのサイズの縦軸ＧＳＲ素子１０を形成する。縦軸ＧＳＲ素子１０の基板皮膜１１は、３次元フォトリソ技術によりＡＳＩＣ１Ａの絶縁保護被膜上に厚み７μｍの絶縁性レジスト層（以下、レジスト層という。）から形成され、素子基板としての機能を果たす。そして、この基板皮膜１１に、ＡＳＩＣ１Ａの長さ方向（図１における左右方向）であって基板皮膜１１の中央部に幅１４μｍ、深さ７μｍからなる逆台形状の溝１２が１本形成される。

この溝１２の面（底面および側面）および溝１２の両側に沿って、凹形状の下コイル１４４が形成される。この下コイル１４４の上に、直径１０μｍ、長さ０．６ｍｍの絶縁性ガラス被覆付きの磁性ワイヤ１３が１本設置され、その周囲に絶縁性レジスト１１１を塗布し、凸形状の上コイル１４３が形成される。凸形状の上コイル１４３と凹形状の下コイル１４４はジョイント部１４５を介して電気的接合がされる。こうして、磁性ワイヤ１３を周回するらせん状の検出コイル１４となる。検出コイル１４のコイル内径は１５μｍ、コイルピッチは５μｍである。

磁性ワイヤ１３の両端部については、絶縁性被膜材のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続ができる端子１３１を形成する。さらに、ＡＳＩＣの幅方向の両端部におけるＡＳＩＣとの電気的接続のために、ワイヤ電極連結線１３２を介するワイヤ電極１５を形成する。
検出コイル１４についても、コイル端子１４１、コイル電極連結線１４２、コイル電極１６を形成する。
これにより、ＡＳＩＣとの電気的接続を行なう。

ＡＳＩＣ１Ａの他端（図３の右端）には、電源供給電極４９１およびアース電極４９４からなる電源電極２個と、外部コンピュータと信号交信のためのコマンド入力電極４９２および出力電極４９３からなる通信電極２個の計４個の電極が設置されている。
外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とＡＳＩＣ１Ａの電極とが接続されて、電源の供給と信号のやり取りが行われる。

横軸ＧＳＲセンサ１は、図６に示すように、幅０．４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１．４ｍｍのサイズのＡＳＩＣ１Ａの絶縁保護被膜上の一端に、幅０．４ｍｍ、長さ０．８ｍｍのサイズの横軸ＧＳＲ素子２０を形成する。横軸ＧＳＲ素子２０の基板皮膜２１は、３次元フォトリソ技術によりＡＳＩＣ１Ａの絶縁保護被膜上に厚み７μｍの絶縁レジスト層（以下、レジスト層という。）から形成され、素子基板としての機能を果たす。
そして、この基板皮膜２１に、ＡＳＩＣ１Ａの幅方向（図４における上下方向）であって基板皮膜２１の中央部に幅１４μｍ、深さ７μｍからなる逆台形状の溝２２が２本形成される。
なお、図６の断面図については縦軸ＧＳＲセンサの図４および図５と同様である。

この２本の溝２２の面（底面および側面）および溝２２の両側に沿って、凹形状の下コイルがそれぞれ形成される。この下コイルの上に、直径１０μｍ、長さ０．４ｍｍの絶縁性ガラス被覆付きの磁性ワイヤ２３Ｌおよび磁性ワイヤ２４Ｒがそれぞれ１本設置され、その周囲に絶縁性レジストを塗布し、凸形状の上コイルが形成される。凸形状の上コイルと凹形状の下コイルはジョイント部を介して電気的接合がされる。こうして、磁性ワイヤ２３Ｌおよび磁性ワイヤ２３Ｒをそれぞれ周回するらせん状の検出コイル２４Ｌおよび検出コイル２４Ｒとなる検出コイル２４Ｌおよび検出コイル２５Ｒの両者（以下、検出コイル２４という。）はコイル間連結線２４４を介してコイル間端子２４３により接続されている。
検出コイル２４のコイル内径は１５μｍ、コイルピッチは５μｍである。

磁性ワイヤ２３Ｌおよび磁性ワイヤ２３Ｒの両者（以下、磁性ワイヤ２３という）の両端部については、絶縁性被膜材のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続ができるワイヤ端子２３１およびワイヤ間端子２３３を形成する。そして、磁性ワイヤ２３Ｌおよび磁性ワイヤ２３Ｒの両者はそれぞれワイヤ間端子２３３とワイヤ間連結線２３４により接続されている。
さらに、ＡＳＩＣの幅方向の両端部におけるＡＳＩＣとの電気的接続のために、ワイヤ電極連結線２３２を介するワイヤ電極２５を形成する。
検出コイル２４Ｌおよび検出コイル２４Ｒの両者（以下、検出コイル２４という。）についても、コイル端子２４１、コイル電極連結線２４２、コイル電極２６を形成する。
これにより、ＡＳＩＣとの電気的接続を行なう。

ＡＳＩＣ１Ａの他端（図３の右端）には、電源供給電極４９１およびアース電極４９４からなる電源電極２個と、外部コンピュータと信号交信のためのコマンド入力電極４９２および出力電極４９３からなる通信電極２個の計４個の電極が設置されている。
外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とＡＳＩＣ１Ａの電極とが接続されて、電源の供給と信号のやり取りが行われる。

ＧＳＲセンサの電子回路として、縦軸ＧＳＲセンサおよび横軸ＧＳＲセンサは上述している特許文献４に開示している電子回路と同じである。よって、縦軸ＧＳＲセンサの電子回路４を例示して説明する。
電子回路４は、パルス発信回路４１（パルス発信器４１）および信号処理回路４２を有する。信号処理回路は、バッファ回路４３、検波タイミング調整回路４４、電子スイッチ４５、サンプルホールド回路４６および増幅器４７からなる。
パルス発振回路４１により発生した２ＧＨｚ相当の高周波のパルス電流をＧＳＲ素子１０の磁性ワイヤ１２へ供給する。パルス電流を通電した際に磁性ワイヤの表面の電子スピンが高速回転し、検出コイル１３に外部磁場に対応した電圧が発生する。この電圧をサンプルホールド回路４６にてサンプルホールドして増幅器４７で検出する。
なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δｔの４倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。

コイルの出力電圧は検波タイミング調整回路４４により、パルス電流の立ち下がりから所定のタイミングで、電子スイッチ４５を短時間にスイッチング（オン−オフ）することでサンプルホールド回路４６のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は増幅器４７により増幅されて出力される。

その後、ＡＤコンバータ４８１によりＡＤ変換され、演算回路４８２にて内蔵の小型ＣＰＵでデータ保存およびデータ補正されて、通信回路４８３を経由して外部のコンピュータに転送される。この時、制御装置で３次元磁界検出装置は制御されるが、外部からは、電源供給のために２本の電源線、外部への信号送信のための信号線および外部からセンサを制御するための電線、合計４本の電線でセンサを制御する。

ＡＳＩＣ１Ａのサイズは、幅０．４ｍｍ、厚さ0.１ｍｍ、長さ１．４ｍｍからなる。
ＡＳＩＣ１Ａの上面には、ＧＳＲ素子１０と連結のための４つの電極、すなわち２つのワイヤ電極１５Ａ、２つのコイル電極１６Ａが上面の幅方向の両端に配置されている。ＡＳＩＣ側のワイヤ電極１５Ａ、コイル１６ＡとＧＳＲ素子のワイヤ電極１５、コイル電極１６は、基板皮膜１１に設けたスルーホール１５１、１６１を介して連結されている。スルーホール部は、メッキ工法で銅を材料に形成する。

ＡＳＩＣ１Ａの長さ方向の一端の端部に外部接続用の４つの電極４９１、４９２、４９３、４９４が配置されている。
これらの電極と外部装置とは、４本ワイヤを束ねたフレキシブル電線を用いて連結する。フレキシブル電線の４本線と、ＡＳＩＣ１Ａの４つの電極とは半田接合法で接合する。３本のフレキシブル電線を束ねて内部の３次元磁界検出装置と外部のコンピュータとを連結する。

直方体台座３１は、セラミックを用いて、そのサイズは幅０．３ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ、長さ１．４ｍｍとする。直方体台座３１の長手方向の４面のうちの３面に、横軸ＧＳＲセンサ２をＸ軸ＧＳＲセンサとして、横軸ＧＳＲセンサ２をＹ軸ＧＳＲセンサとして、および縦軸ＧＳＲセンサ１をＺ軸ＧＳＲセンサとしてそれぞれ配置する。ただし、Ｘ軸ＧＳＲセンサとＹ軸ＧＳＲセンサは直交する隣接面にそれぞれ配置する。各センサの直方体台座３１への取り付けには接着剤を用いる（図７）。
こうして作製された３次元磁界検出装置の大きさは、幅０．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、
長さ１．４ｍｍで、内径１．０ｍｍのカテーテルに内蔵できる（図７（ｂ）および図１（ｄ））。

Ｚ軸ＧＳＲセンサは、感度は１００ｍＶ／Ｇ、σノイズは２５μＶ（磁界換算で０．２５ｍＧ）、磁界強度１Ｇの時のＳ／Ｎ比は１２００、測定レンジは５Ｇ、アナログ回路のバンド幅は５０ＫＨｚ、デジタル出力のＯＤＲは１ＫＨｚである。直線性は、フルスケールに対して０．２％で、ヒステリシスは無かった。Ｘ軸ＧＳＲセンサ、Ｙ軸ＧＳＲセンサの特性も同様で、３軸の検出感度は同一に調整できた。

外部の磁界発生装置として、2台の一様磁界発生装置と1台の傾斜磁界発生装置を用いる。磁界の傾斜勾配は０．２ｍＧ／μｍとする。本発明品の空間位置の分解能は、ノイズは１．５ｍＧ（６σ）なので、７μｍ程度となる。位置決め精度は、半径１０ｃｍの磁界空間域でコイル間の製作バラツキや温度の影響、外部磁界の影響、測定位置の誤差などを考慮すると７０μｍ程度になるものと考えられる。

［実施例２］
実施例２は、実施例１と同じ構造の３つのＧＳＲ素子を、切換スイッチ５３で３つの素子を操作できるひとつのＡＳＩＣ（ＡＳＩＣ２Ａという。）に改造し、上述の３次元磁界検出装置としたものである。
３次元磁界検出装置の（ａ）斜視の概略図および（ｂ）組み立て断面図を図９に示し、電子回路を図１０に示す。
まず、直方体台座３１の一つの面（図９の上の面）を第２軸方向として３軸切替機能を有するＡＳＩＣと一体化した３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ２（Ｘ軸ＧＳＲ素子２０からなるセンサ）を取り付ける。
次に、その３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ２の長手方向の長辺を介して両側の面（図９の奥の面および手前の面）に、第３軸方向のＹ軸ＧＳＲ素子２０および第１軸方向のＺ軸ＧＳＲ素子１０をそれぞれ取り付ける。
Ｙ軸ＧＳＲ素子２０およびＺ軸ＧＳＲ素子１０は、３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサ２と直方体台座３１の上で連結する配線を行なう。
また、ＡＳＩＣは外部のマイクロコンピュータ（制御装置）と配線ケーブルで連結している。
この３次元磁界検出装置の大きさおよび性能は、実施例１と同様である。

本発明の超小型の３次元磁気センサは、医療用カテーテルの先端に取り付け、その先端部分が磁界空間における３次元的な位置を確定するセンサとして期待される。

１：縦軸ＧＳＲセンサ、１Ａ：（縦軸）ＧＳＲセンサ用ＡＳＩＣ、
１０：縦軸ＧＳＲ素子、１１：基板皮膜（絶縁性レジスト層）、１１１：絶縁性レジスト、１２：溝、１３：磁性ワイヤ、１３１：ワイヤ端子、１３２：ワイヤ電極連絡線、１４：検出コイル、１４１：コイル端子、１４２：コイル電極連結線、１４３：上コイル、１４４：下コイル、１４５：ジョイント部、１５：ワイヤ電極、１５Ａ：ＡＳＩＣ側ワイヤ電極、１５１：スルーホール（ワイヤ電極とＡＳＩＣ側のワイヤ電極との接続用）、１６：コイル電極、１６Ａ：ＡＳＩＣ側のコイル電極、１６１：スルーホール（コイル電極とＡＳＩＣ側のコイル電極との接続用）、４９１：電源電極、４９２：コマンド入力電極、１８３：出力電極、４９４：アース電極、
２：横軸ＧＳＲセンサ、２Ａ：（横軸）ＧＳＲセンサ用ＡＳＩＣ
２０：横軸ＧＳＲ素子、２１：基板皮膜（絶縁性レジスト層）、２２：溝、２３：磁性ワイヤ（２３Ｌおよび２３Ｒの両者をいう。）２３Ｌ：磁性ワイヤ（左側）、２３Ｒ：磁性ワイヤ（右側）、２３１：ワイヤ端子、２３２：ワイヤ電極連結線、２３３：ワイヤ間端子、２３４：ワイヤ間連結線、２４：検出コイル（２４Ｌおよび２４Ｒの両者をいう。）２４Ｌ：検出コイル（左側）、２４Ｒ：検出コイル（右側）、２４１：コイル端子、２４２：コイル電極連結線、２４３：コイル間端子、２４４：コイル間連結線、２５：ワイヤ電極、２６：コイル電極、
３；３次元磁界検出装置、３１：直方体台座

４：ＧＳＲセンサの電子回路
４１：パルス発振回路（パルス発信器）、４２：信号処理回路、４３：バッファ回路、4４：検波タイミング調整回路、４５：電子スイッチ、４６：サンプルホールド回路、４７：増幅器、４８：デジタル・通信回路 、４８１：ＡＤコンバータ、４８２：演算回路、４８３：通信回路、４９：外部接続用電極、４９１：電源供給電極、４９２：コマンド入力電極、４９３：出力電極、４９４：アース電極、
５：３軸切替用ＧＳＲセンサの電子回路、
１０：Ｚ軸ＧＳＲ素子、１３：磁性ワイヤ、１４：検出コイル、２０：Ｘ軸ＧＳＲ素子およびＹ軸ＧＳＲ素子、２３：磁性ワイヤ、２４：検出コイル、５１：パルス発振回路（パルス発信器）、５２：検波タイミング調整回路、５３：切替スイッチ、５４：信号処理回路、５５：デジタル・通信回路 、５５１：ＡＤコンバータ、５５２：演算回路、５５３：通信回路、５６：外部接続用電極、５６１：電源供給電極、５６２：コマンド入力電極、５６３：出力電極、５６４：アース電極、

Claims (5)

1. アスペクト比２以上の短冊状の側面と底面の長辺の長さ０．７ｍｍ以下からなる直方体台座と、
   前記直方体台座の長辺の１つの面に第１軸方向とする縦軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子と、
   前記直方体台座の長辺の他の隣接する２つの面に第２軸方向および第３軸方向とする横軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子と、
   前記第１軸方向、前記第２軸方向および前記第３軸方向の前記ＧＳＲ素子からなる３つのＧＳＲ素子を制御するＡＳＩＣ仕様の電子回路とからなることを特徴とする３次元磁界検出装置。
2. 請求項１において、
   前記縦軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子は、
   ＡＳＩＣ表面保護被膜上に形成された絶縁性レジスト層からなる基板皮膜にアモルファス磁性ワイヤを前記基板皮膜の長さ方向に形成された溝に設置し、磁性ワイヤの周りに検出コイルを形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための２個のワイヤ電極と検出コイルに発生するコイル電圧を測定する２個のコイル電極を備え、
   前記縦軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子と幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の大きさの前記ＡＳＩＣは前記４つの電極を介して連結する縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成し、
   前記横軸方向磁界検出用のＧＳＲ素子は、
   ＡＳＩＣ表面保護被膜上に形成された絶縁性レジスト層からなる基板皮膜にアモルファス磁性ワイヤを前記基板皮膜の幅方向に形成された溝に設置し、磁性ワイヤの周りに検出コイルを形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための２個のワイヤ電極と検出コイルに発生する電圧を測定する２個のコイル電極を備え、
   前記横軸磁界検出用のＧＳＲ素子と幅０．８ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以下の大きさの前記ＡＳＩＣは前記４つの電極を介して連結する横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成し、
   前記直方体台座の前記長辺の１つの面に前記縦軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを、前記長辺の他の隣接する２つの面に前記横軸方向磁界検出用のＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを取り付けて底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体形状からなり、
   ３つの前記ＡＳＩＣは外部制御装置と各々配線ケーブルで連結されていることを特徴とする３次元磁界検出装置。
3. 請求項２において、
   前記ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の信号線からなる合計６本の配線と前記ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の電源線からなる合計６本の配線との総合計１２本の配線で外部の制御装置と連結していることを特徴とする３次元磁界検出装置。
4. 請求項２において、
   前記ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの前記電源線を共通化して電源線２本と、前記ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサの各２本の信号線の合計６本と合わせて８本の配線で外部の制御装置と連結していることを特徴とする３次元磁界検出装置。
5. 請求項１において、
   第１軸方向、第２軸方向または第３軸方向のＧＳＲ素子のいずれか１つの素子は、
   ３軸切替機能を有するＡＳＩＣと一体化された、幅０．８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ３ｍｍ以下の３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサを形成し、
   他の２つのＧＳＲ素子は、前記３軸切替ＡＳＩＣ一体型ＧＳＲセンサと前記直方体台座上で連結し、
   前記ＡＳＩＣは外部の制御装置と配線ケーブルで連結されている底面の長辺０．８ｍｍ以下、対角線１．０ｍｍ以下、側面の長さ３ｍｍ以下の大きさの直方体形状であることを特徴とする３次元磁界検出装置。
   
   
   

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