植入磁体距离确定的制作方法与工艺

植入磁体距离确定本申请要求2014年10月24日提交的美国临时专利申请61/895,070的优先权，通过引用将其整体合并于此。技术领域本发明涉及可植入医疗设备，而且具体地，涉及估计这样的设备中的磁性元件的位置。

背景技术：
诸如中耳植入体(MEI)和耳蜗植入体的一些可植入医疗系统在可植入部件和外部部件中采用附接磁体以将该外部部件在植入体上方用磁力固定就位。例如，如图1所示，典型的耳蜗植入系统可以包括外部发送器机体101，其包含发送线圈102和外部附接磁体103。外部附接磁体103呈常规碟形，其南北磁偶极的轴与患者皮肤垂直，用以产生如图所示的外部磁场线104。具有类似的接收线圈106和植入磁体107的相应的接收器组件105被植入在患者皮肤下方。植入磁体107同样呈碟形，其南北磁偶极的磁轴与患者皮肤垂直，用以产生如图所示的内部磁场线108。内部接收器机体105通过手术植入并在患者体内固定就位。外部发送器机体101被置于覆盖内部接收器组件105的皮肤上方的适当位置，并通过内部磁场线108与外部磁场线104之间的相互作用固定就位。来自发送器线圈102的RF信号将数据和/或电力耦接到与植入的处理器模块(未示出)通信的接收线圈106。在植入这样的设备之后，有时可能发生问题，诸如外部部件的磁固定力不合适。在这样的情形下，从皮肤表面到植入磁体的确切距离通常是未知的，所以不清楚问题是由于距离太大还是植入磁体已经部分消磁。在植入期间，外科医师可以通过物理手段测量植入体上方的皮肤厚度，但在手术之后不可行。如果已知磁化强度则可以进行绝对磁场测量，但通常不是这样。美国专利7,561,051描述了一种能够通过磁场的被动测量来确定植入磁体的位置的设备。该设备使用能够测量磁场的方向和磁场强度的阵列中的磁传感器。所使用的距离计算复杂而且对计算能力要求高，使得该方法对使用电池操作的设备用处不大。

技术实现要素：
本发明的实施例针对一种用于估计植入磁体上方的皮肤厚度的方法。定义一平面，其与植入磁体上方的患者皮肤垂直，且通过x和y轴坐标描述。使用患者皮肤上的磁传感器的阵列测量该植入磁体的磁场强度。根据测量的磁场强度，确定该阵列上测量的磁场强度的y轴分量为零处的至少一个y轴零点位置在该平面中的至少一个x轴坐标。继而，将该至少一个y轴零点的y轴坐标计算为该至少一个x轴坐标的函数，以使得该y轴坐标代表该植入磁体上方的皮肤厚度。在进一步的特定实施例中，可以确定两个y轴零点位置的x轴坐标。使用一维或二维传感器阵列来测量磁场强度。在进行磁场强度测量之前，可以通过用户交互或无需用户交互来对齐传感器阵列。计算y轴坐标可以进一步是磁偶极矩旋转角度的函数，而且可以基于迭代计算过程，或者基于单步非迭代计算过程。计算y轴坐标还可以基于三角法或非三角法计算过程。附图说明本专利或申请文件包含至少一幅以彩色绘制的附图，见于优先权申请中。图1示出典型的耳蜗植入系统的各部分。图2示出具有轴向磁化的植入磁体的磁场线的轴对称仿真。图3示出图2中测量的磁场的相应的法向分量的曲线图。图4示出给定磁偶极矩矢量的磁场矢量线的示例。图5A-5B示出具有20°的旋转角度的给定磁偶极矩矢量的磁场矢量线的示例。图6示出通过三次迭代的特定旋转角度的y坐标计算的相对误差的曲线图。图7示出具有不同权重因子的单步非迭代过程的特定旋转角度的y坐标计算的相对误差的曲线图。图8A-8B示出用于从距离x1m和x2m的比率推导角度α的反函数f和g。图9A-9B示出通过用户交互对齐一维传感器阵列以进行磁场测量。图10A-10C示出无需用户交互对齐一维传感器阵列以进行磁场测量。图11A-11B示出使用二维传感器阵列以进行磁场测量。具体实施方式通常，绝对磁场强度在手术后是未知的，所以无法用作测量距植入磁体的距离(磁体上方的皮肤厚度)的基础。但是磁场线本身独立于磁化强度。因而可以基于场方向进行距离估计，这将需要测量不同位置处的磁场强度。用于测量的最低距离是皮肤表面的平面。图2是示出轴向磁化的植入磁体201的磁场线的轴对称仿真，评估沿与植入磁体201平行(y保持恒定)的场评估线202的法向场分量。图3示出沿给定场评估线202的轴的磁场的相应的法向分量的曲线图。由于不需要磁场的绝对强度，将磁场评估值归一化到x轴零点位置处的值。在每个极点的某些点处，将有零y分量点203(By＝0)。图3中，在y轴上场评估线的零交叉处y分量将为零。通过确定零y分量点203的x轴坐标，可以计算该点处的y坐标。作为更全面和精确的说明，磁场的磁矩m可以通过矢量势表示：磁偶极矩的场可以表示为磁通密度B(r)：偶极矩沿y方向定向，且位于笛卡尔坐标系的原点处：该情况中磁偶极的朝向被定义为与患者皮肤垂直。则观察点位于：给定上述条件，磁场可以被表示为：在x-y平面(z＝0)中如下：Bz(x,y)＝0x分量Bx(x,y)＝0的零点位于x＝0和y＝0。y分量By(x,y)＝0的零点为因而可以使用测量的y分量By(x,y)＝0的零x位置x0来估计未知的y位置图5A示出给定磁偶极矩矢量(中央的黑色大箭头)的磁场矢量线(小箭头)的示例。在中央交叉的窄实线指示By＝0的位置，箭头x1m和x2m给出磁感测阵列的朝向。考虑更实际的情况，其中偶极矩有某些旋转，再次使用x-y平面(z＝0)，磁偶极矩m为：具有旋转角度α。磁场B现在通过x和y分量表示：利用By＝0求解α得到：现在在两个x位置x1和x2测量磁场，并在选择的坐标系中假定相同的y：结果与两个数的几何平均值相关，而且对x1＝x2简化为已经示出的结果。应当注意，现在x＝0的点(黑色垂直虚线)不同于Bx＝0的点(c1和c4)，而且不同于磁矩轴(黑色箭头)。根据以上内容，图4示出α＝20°且y＝2的具体示例，其给出：将全部以上内容导入用于确定以y坐标表示的皮肤厚度的特定高效算法，距离x1m是从左点By＝0到点Bx＝0，距离x2m是从右点By＝0到点Bx＝0。接着计算距离y的第一估计：计算旋转角度的估计：接着计算点Bx＝0到x＝0的位移的估计：然后更新测量的距离：继而得到：其代表未知距离y'的更好的估计。可以迭代该算法以减少结果误差。可以将前三个计算合为单步而无需三角函数：(其中x1m>0)。例如，给定一旋转角度α＝20°和y＝2：如图4所示x1m＝2.1759x2m＝3.8841。于是从初始值y＝2.0557开始。第一次迭代得到α＝15.48°和y＝2.0122。然后第二次迭代改进得到α＝19.03°和y＝2.0019，接着第三次迭代更接近，得到α＝19.77°和y＝1.9998。图6示出特定旋转角度的y坐标计算的得到的相对误差的曲线图，其中最上方的线是初始估计，其下面的线是算法的一次迭代后改进的相对误差，再下面的紧贴x轴之上的线示出两次迭代后相对误差的进一步减少，而在三次迭代之后，相对误差实际为零(即，x轴)。可以通过将的估计乘以因子f来修改算法用于仅仅一次迭代：图7示出使用这样的单次迭代权重因子的y坐标计算的相对误差的曲线图。同样，图7中最上方的线示出初始估计的相对误差，下面的两条线示出关于其中f＝1.177的区间[0°,45°]中的最小误差、和其中f＝1.243的区间[0°,30°]中的最小误差的数据。该特定单次迭代算法稍后无法用于进一步迭代。当植入磁体的磁偶极与患者皮肤平行时，所述方法以类似的方式工作。该情形下，可以使用类似的特定高效算法确定以x坐标表示的皮肤厚度，距离x1m是从上点Bx＝0到点By＝0，距离x2m是从下点Bx＝0到点By＝0，如图5B所示。接着计算距离y的第一估计：计算旋转角度的估计：接着计算点By＝0到x＝0的位移的估计：然后更新测量的距离：继而得到：这里代表未知距离y的更好的估计。可以进一步迭代该算法以减少结果误差。类似地，可以将前三个计算合并为单步，并通过将的估计乘以因子f来修改用于仅仅一次迭代。同样，该特定单次迭代算法稍后无法用于进一步迭代。特定实施例可以进一步包括用于识别磁偶极相对于患者皮肤的朝向的步骤。例如，可以通过磁场在左/上或右/下位置处的朝向来确定该识别。距离x1m和x2m代表磁感测阵列上沿x方向和y方向(或y方向和x方向)的磁场分量为零的位置之间的距离。在左/上和右/下点处Bx＝0的情况下，磁偶极朝向垂直于患者皮肤，使用对应于该配置的高效算法来计算距离y。在左/上和右/下点处By＝0的情况下，磁偶极朝向平行于患者皮肤，使用对应于该配置的高效算法来计算距离y。可以通过用多项式近似和随后的逆映射替换迭代步骤和角度计算来进一步修改算法。图5A和5B中，示出标记为c1至c4的场评估线，其中磁场分量的x或y分量为零。穿过零点的线可以表示为：磁场的x分量为零(Bx＝0)，而且表示为：其中By＝0。每条线c1至c4的方程由角度α自身的函数(记作a1(α)至a4(α))和x构成。求x1m和x2m的比率可以消去x，并且仅为角度α的函数。对于磁偶极的朝向垂直于患者皮肤的情况得到：该函数是可逆的，反函数可以用于计算角度如图8A所示反函数可以通过多项式近似。在一个实施例中，多项式可以为8阶。由此，距离可以如下计算：或者替代地，如下计算：这两个函数均可以通过多项式或任何其他已知的插值技术来近似。例如可以使用分段线性插值或样条插值。对于图4所示的示例，给定一旋转角度α＝20°和y＝2：x1m＝2.1759x2m＝3.8841，得到z＝x1m/x2m以及插入角度并计算距离，得到y＝1.9933。以类似的方式，对于平行于患者皮肤的磁偶极的朝向，距离如下计算：或者如下计算：这两个函数均可以通过多项式或任何其他已知的插值技术来近似。例如可以使用分段线性插值或样条插值。x1m与x2m的比率同样是角度α的函数如下：该函数同样是可逆的，图8B所示的反函数可以用于计算角度反函数可以通过多项式近似。在一个实施例中，多项式可以为8阶。如图9A-9B所示的磁传感器的一维阵列900可以用于进行磁场测量。需要对齐场评估线以使得测量的零点位置在植入磁体901的位置的中间。如图9A所示，可以仅使用中央的单个激活传感器903和别处的非激活传感器904通过磁阵列902在植入磁体901上方的皮肤上的用户交互找到该零点位置。用户在测量平面上零点位置处沿两个维度移动阵列902。可以可视地向用户指示场强，例如使用条形图，用户接着将阵列902移动到最大场强的位置(表示阵列已对齐)，然后可以执行利用全部传感器和完整阵列的测量，如图9B所示。代替依赖用户交互来对齐磁传感器阵列，一维传感器阵列的一些实施例可以使用附加的外部磁体来对齐，如图10A-10C所示。图10A示出在多个磁传感器1004的磁阵列1002的中央具有外部磁体1003的一维传感器阵列1000。植入磁体1001与外部磁体1003之间的磁相互作用力将传感器阵列1000移动到正确的测量位置，如图10A-10B所示。在一些实施例中，测量过程可以包括外部磁体1003的效果，或者可以在传感器阵列1000被正确定位之后去除外部磁体1003，如图10C所示，然后进行场强测量。代替一维传感器阵列，一些实施例可以使用二维阵列进行场强测量而无需用户交互。图11A-11B示出包括具有两行磁传感器的磁阵列1102的二维磁传感器阵列1100的实施例。初始将磁传感器阵列1100置于大致在植入磁体1101上方的皮肤上。最接近的激活传感器1103可以用于初始测量磁场，而其余的非激活传感器1104初始保持关闭，见图11A。可以通过根据激活传感器1103的测量的场最大值的估计或插值来计算零点位置。一旦确定了偏移位置，就可以激活全部传感器进行场测量，见图11B。前述方法给出与植入磁体上方的皮肤厚度对应的距离估计，其在数值上稳定而且可以高效地计算。这是通过纯被动计算实现的，不需要测量磁场的朝向。取而代之，沿一个方向测量磁场并找到磁感测阵列上沿该方向磁场分量为零的那些点就够了。磁测量阵列上的该位置可以用于应用算法以轻松地计算距植入磁体的距离。本发明的实施例可以部分地以任何常规计算机编程语言实现。例如，优选实施例可以以过程编程语言(例如，“C”)或面向对象编程语言(例如，“C++”、Python)实现。本发明的替代实施例可以实现为预编程的硬件元件、其他相关组件、或硬件和软件组件的组合。实施例可以部分地实现为用于计算机系统的计算机程序产品。这样的实施方式可以包括一系列计算机指令，其固定在诸如计算机可读介质(例如，软盘、CD-ROM、ROM、或硬盘)的有形介质上，或者可以经由调制解调器或诸如通过媒介连接到网络的通信适配器的其他接口设备传输到计算机系统。该媒介可以是有形媒介(例如，光学或模拟通信线)或利用无线技术(例如，微波、红外或其他传输技术)实现的媒介。所述一系列计算机指令关于系统实现这里之前描述的全部或部分功能。本领域技术人员应当理解，这样的计算机指令可以以用于许多计算机架构或操作系统的多种编程语言编写。另外，这样的指令可以存储在诸如半导体、磁、光或其他存储设备的任何存储设备中，而且可以使用诸如光、红外、微波、或其他传输技术的任何通信技术传输。预计这样的计算机程序产品可以作为带有印刷或电子文档的可移动媒体分发(例如，塑封软件)，通过计算机系统预装载(例如，在系统ROM或硬盘上)，或者通过网络(例如，互联网或万维网)从服务器或电子布告栏分发。当然，本发明的一些实施例可以实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件二者的组合。本发明的其他实施例实现为纯硬件，或纯软件(例如，计算机程序产品)。虽然已经公开本发明的各种示范性实施例，但是本领域技术人员应当清楚，可以进行实现本发明的一些优点的各种变更和修改而不脱离本申请的真实范围。