用于磁跟踪系统的磁发射器的制作方法

本发明整体涉及磁跟踪系统，并且具体地涉及用于该系统中的发射器的设计。

背景技术：

如果探头具有能够测量辐射场的传感器，则其中磁发射器辐射到空间中内的磁跟踪系统可用于跟踪该空间中的探头。该跟踪假定来自发射器的辐射场已被校准，使得辐射场数值的测量结果可用于导出探头的位置。

在许多情况下，校准因辐射空间中或附近的金属元件而受到损害。例如，磁共振成像(mri)扫描仪的金属(尽管其为非磁性的)可影响跟踪系统的校准。

授予acker的美国专利5,833,608描述了一种磁位置和取向确定系统。该系统使用磁场，该磁场包括来自定位在感测容积的相对两侧的helmholtz线圈的均匀场和由相同线圈产生的梯度场。

授予weiss等人的美国专利申请2014/0018664描述了一种具有开放磁体的磁共振成像系统。在开放磁体中，两个超导线圈以彼此叠置的方式进行安装，并且它们产生类似于helmholtz线圈的磁场。

coutts等人发表在《magneticresonanceinmedicine》第40卷第6期(1998年12月)上的标题为“integratedandinteractivepositiontrackingandimagingofinterventionaltoolsandintemaldevicesusingsmallfiducialreceivercoils”的文章描述了跟踪刚性装置在mr扫描仪内的位置。通过附接到单个接收器通道的两个或三个小mr接收器线圈来执行位置跟踪。

授予molyneaux的美国专利5,394,087描述了一种用于磁共振系统中的同时成像的多正交表面线圈系统。

技术实现要素：

本发明的实施方案提供了设备，包括：

包围容积的框架；

三对分离的平面导电线圈，每对中的分离线圈具有共同的对称轴，该三对附接到该框架，使得共同的对称轴相互正交，并且使得线圈围绕容积；

交流电源，该交流电源被耦接以便以反相的方式驱动每对中的分离线圈，以便在容积内产生具有预设空间变化的磁场；

探头，该探头被配置成进入容积并且具有传感器，该传感器被耦接以响应于磁场的时间变化率及其预设空间变化来产生信号；和

处理器，该处理器被配置成接收信号并且作为响应来确定(formulate)探头在容积内的位置。

在本发明所公开的实施方案中，每对中的分离线圈具有共同的尺寸和形状。三对中的至少一对的共同的形状可为圆形。另选地或除此之外，三对中的至少一对的共同的形状为多边形。

在另一个本发明所公开的实施方案中，框架和附接对具有允许框架和附接对插入到磁共振成像扫描仪的膛孔中的总体尺寸。

在另一个本发明所公开的实施方案中，线圈对中的至少一对在相反的方向上进行缠绕，并且交流电源利用同相电流来为三对中的一对中的线圈提供功率。

在另选的实施方案中，线圈对中的至少一对在共同的方向上进行缠绕，并且交流电源利用异相电流来为三对中的一对中的线圈提供功率。

在另一个另选的实施方案中，对于给定对的线圈，磁场的预设空间变化包括其中磁场沿着给定对的共同的对称轴线性变化的区域。给定对的线圈中的每个可具有半径r，并且给定对的线圈之间的间隔可在r和2.8r之间的范围内。

在另一个另选的实施方案中，对于给定对的线圈，磁场的预设空间变化不包括其中磁场沿着给定对的共同的对称轴线性变化的区域。给定对的线圈中的每个可具有半径r，并且给定对的线圈之间的间隔可在r和2.8r之间的范围外。

交流电源可被耦接以便在不同的相应频率下以反相的方式正弦地驱动三对线圈中的每对，以便产生磁场的时间变化率。

通常，三对线圈包括三个相应中点，并且这三对附接到框架，使得三个中点位于单个点处。

处理器可被配置成响应于所接收到的信号来确定探头在该容积内的取向。

根据本发明的实施方案，还提供了一种方法，包括：

利用框架包围容积；

将三对分离的平面导电线圈附接到框架，每对中的分离线圈具有共同的对称轴，使得共同的对称轴相互正交，并且使得线圈围绕容积；

耦接交流电源以便以反相的方式驱动每对中的分离线圈，以便在容积内产生具有预设空间变化的磁场；

将探头插入到该容积中，该探头具有传感器，该传感器被耦接以响应于磁场的时间变化率及其预设空间变化来产生信号；以及

接收信号并且作为响应来确定探头在容积内的位置。

结合附图，通过以下对本公开的实施方案的详细描述，将更全面地理解本公开，其中：

附图说明

图1和图2为根据本发明的实施方案的跟踪设备的示意图；

图3为根据本发明实施方案的示出一对线圈的元件的示意图；

图4示出了根据本发明的实施方案的磁场强度与线圈对的距离的示意性曲线图；

图5为根据本发明的实施方案的探头的示意性局部剖视图；

图6为示出根据本发明的实施方案的操作中的图1的设备的元件的示意图；并且

图7为根据本发明的实施方案的在设备的操作中执行的步骤的流程图。

具体实施方式

概述

虽然现有磁跟踪系统可在具有非磁性金属的区域中操作，但非磁性金属的存在会对跟踪系统施加限制。例如，在磁共振成像(mri)扫描仪中，mri扫描仪的金属导致由磁跟踪系统的发射器产生的磁场的畸变。来自发射器的场通常在发射器被引入mri系统中之前进行校准，但引入导致校准误差。这些误差可能很大，因为跟踪场发射器通常相对远离其中对象将被跟踪的跟踪容积。

本发明的实施方案通过将跟踪场发射器配置成包括包封跟踪容积的线圈组来克服这些问题。将线圈组安装在框架上，并且线圈和框架组合件的尺寸可被设定成以便能够插入到mri扫描仪的膛孔中。跟踪容积因而相对远离mri金属。

本发明的实施方案包括包围容积的框架，并且存在附接到框架的三对分离的平面导电线圈。三对中的每对具有相应的共同的对称轴，并且这三对附接到框架，使得三个对称轴相互正交。

交流电源被耦接以便以反相的方式驱动每对中的分离线圈，以便将具有预设空间变化和时间变化率的磁场发射到在容积中。

可将具有传感器的探头插入到容积中，该传感器被耦接以产生响应于磁场的预设空间变化和时间变化率的信号；并且处理器可被配置成接收信号。处理器可利用该信号来确定探头在该容积中的位置和取向。

具体实施方式

在以下的描述中，附图中的类似元件由类似数字来标识，并且类似元件可根据需要通过在标识数字后附加字母来进行区分。

图1和图2为根据本发明的实施方案的跟踪设备20的示意图。设备20通常被配置成用于磁共振成像(mri)环境中，并且在下文的描述中，该设备被假定与mri扫描仪22结合使用。扫描仪22被假定为限定xyz轴的正交组，如图1所示，其中扫描仪的膛孔28的对称轴被假定为限定扫描仪的水平z轴，并且存在竖直y轴和正交于z轴和y轴的x轴。正交轴的原点被假定为对应于膛孔28的中心。然而，本领域的技术人员将会知道，设备20并不局限于与mri扫描仪一起使用，使得本发明的范围包括非mri环境中的使用。

在本文的描述中，设备20用于跟踪在导管26的远侧端部处的探头24的位置和取向，其中探头已被插入到经受医疗手术的患者34的器官内，并且患者已被放置在膛孔28中。该手术由医疗专业人员30执行。以举例的方式，该器官被认为是包括患者34的鼻窦，并且该手术被假定为包括鼻窦的一部分的射频(rf)消融。然而，本领域的技术人员将能够加以必要的变更来改变该描述以用于其他手术和患者34的其他器官，诸如心脏的电生理学标测。

如下文所详述，为了跟踪探头24，将探头被放置在具有已知空间和时间变化的磁场中，并且设置在探头内的磁传感器测量通过探头的磁场。所测量的磁场用于确定探头的方位，即位置和取向两者。

为了执行上文提及的手术，将保护笼64放置在患者34的头部上，并且将具有笼的患者头部插入到扫描仪22的膛孔28中。图2为保护笼64的示意图，该图示出了得自图1所示的视图的笼的另选视图。通常，在被放置在患者头部上之前，将六个导电线圈42a，42b，42c，42d，42e和42f附接到笼64，并且线圈42a，42b，42c，42d，42e和42f在本文中也被称为线圈42。笼64充当线圈42被附接的框架，并且在本文中也被称为框架64。框架64被假定为包围容积66，使得附接到框架的线圈界定容积。

线圈42被形成为三对平面线圈(42a，42b)、(42c，42d)和(42e，42f)，并且平面线圈可为圆形的，或任何方便的、通常为多边形的形状，前提条件是每对的两个线圈具有基本上相同的尺寸和形状。然而，不同对的线圈不必具有相同的形状，并且在一些实施方案中，线圈的形状被选择为适形于框架64的形状。以举例的方式，图2示出了具有圆形线圈的一对线圈(42a，42b)、以及具有矩形线圈的另外两对(42c，42d)和(42e，42f)。

图3为根据本发明实施方案的示出线圈对(42a，42b)的元件的示意图。为清楚起见，在图3中，图1的xyz轴已被平移，使得线圈42a位于z＝0平面上，并且使得线圈的中心不在z轴上。线圈42a，42b限定相应的平面44a，44b，并且该对的每个线圈具有相应的中心46a，46b。虽然在图3描述的示例中，线圈为圆形的并且因此具有位于圆形线圈的中心处的中心，但通常对于非圆形线圈而言，线圈的中心被假定为由线圈的质心构成。

线圈42a，42b彼此分开，并且被定位成使得平面44a，44b彼此平行，并且使得连接线圈中心的线段42ab与这些平面正交。线段42ab被假定为具有长度d42ab，并且被假定为限定一对轴，该对轴对于线圈42a，42b而言也是这些线圈的对称轴。此外，线段42ab具有中点m42ab。

除了具有不同的取向，线圈对(42c，42d)和(42e，42f)具有与对(42a，42b)大致相同的构型。即，任何给定对的线圈彼此分开，并且被定位成使得线圈的平面平行，并且使得这些平面与连接线圈中心的线段正交。在本发明的实施方案中，三对线圈附接到框架64，使得三对线圈的轴为相互正交的，并且使得每个线段的中点位于公共点处。

返回到图1，设备20的三对线圈的中点的共同的点被假定为位于xyz轴的原点处。设备20由系统处理器80控制，该系统处理器位于设备的操作控制台82中。控制台82包括由专业人员30用来与处理器通信的控件84。可将用于处理器80的软件通过例如网络以电子形式下载到处理器。另选地或除此之外，软件可通过非临时性有形介质诸如光学、磁性或电子存储介质提供。

在本文的描述中，处理器80被假定为由任何合适的集成电路形成，包括但不限于asic(专用集成电路)、fpga(现场可编程门阵列)、mcu(微控制器单元)和cpu(中央处理单元)。

为了操作设备20，处理器80与模块库90通信，该模块库具有被处理器用于操作设备的多个模块。因此，库90包括交流电源94和磁跟踪模块98，这些模块的功能在下文有所描述。库90通常包括其他模块，诸如用于测量探头24上的力的力模块。为简明起见，图1未示出此类其他模块。该模块可包括硬件元件以及软件元件。

图4示出了根据本发明的实施方案的磁场强度相对线圈对(42a，42b)的距离的示意性曲线图。在一个实施方案中，交流电源94被配置成以大约10khz的频率(即，时间变化率)正弦地驱动该对线圈中的每一个，并且这些线圈以反相的方式进行驱动，即，在任何给定的情况下，线圈中的电流具有相等的量值但方向相反。在其他实施方案中，驱动频率可不同于10khz，例如大约20khz。三对中的每对的驱动频率是不同的。可通过在相反的方向上缠绕线圈并且利用同相电流为它们供电，或者通过以相同的方向缠绕线圈并且利用异相电流为它们供电来实现反相驱动。

如上所述，线段42ab限定线圈的共同的对称轴，并且归因于对称性，来自对称轴上的每个线圈的磁场方向位于该轴上。在该轴上，来自两个线圈的场强度相加，但由于线圈以反相的方式进行驱动，因此该轴上的任何给定点处的所得场沿着该轴变化。(这与以helmholtz对操作的线圈形成对比，其中一对线圈的电流处于相位中，并且其中该轴上的所得场沿着线圈之间的轴的部分为基本上不变的。)

曲线100示出了第一时间下的沿着z轴(包括线段42ab的点)方向的场强度bz，此时到达线圈42a的交流电流为最大值，使得到达线圈42b的交流电流为最小值。曲线图104示出了第二时间下的bz，此时到达线圈42a的交流电流为最小值，使得到达线圈42b的交流电流为最大值。这两个曲线示出了当线圈42a，42b以反相的方式进行驱动时的bz的数值范围。以举例的方式，曲线108示出了在处于上文提及的第一时间和第二时间之间的中间时间下的bz的数值范围。

应当理解，线段42ab上的瞬时磁场在曲线100和曲线104所示的值之间随时间而振荡。尽管发生振荡，但中点m42ab处的bz的数值为零。此外并且如这些曲线所示，在任何给定的时刻，bz沿包括线段42ab的z轴的点的变化为单调的。

除了单调性之外，一些实施方案包括以中点m42ab为中心的线段42ab的子段，其中bz随z线性地变化。以举例的方式，图4示出了具有此类线性变化的线段42ab的子段s42ab(该段端接在菱形中)。另选地，其他实施方案不包括此类线性变化子段。

本发明的实施方案被假定为具有线性变化子段，前提条件是线圈42a和42b之间的间隔d42ab在由r和2.8r给定的范围内，其中r为线圈42a，42b的半径。如果间隔位于该范围之外，例如，如果间隔在0.5r和r之间，则不存在线性子段。

磁场的上述描述适用于位于线圈的对称轴上的场，并且还大致适用于靠近该轴(即，z轴)但不位于该轴上的位置。由于磁场随该轴上的距离的单调变化，磁场强度的测量值与z轴上或靠近z轴的z位置之间存在一一对应性。因此，对于任何给定的磁场强度bg1，存在位于z轴上的唯一位置处的xy平面。当从z轴进一步移动时，bg1的xy平面以围绕z轴对称的三维(3d)曲面在xyz空间中延伸。

非圆形的线圈对具有与圆形线圈对相同的一般特性。即，磁场随着本文被示为x轴的对称轴上的距离而单调变化，并且由于这种单调变化，磁场强度的测量值与x轴上或靠近x轴的x位置之间存在一一对应性。相似地，对于任何给定的磁场强度bg2，存在位于x轴上的唯一位置处的yz平面。当从x轴进一步移动时，bg2的yz平面以围绕x轴对称的3d曲面在xyz空间中延伸。

图5为根据本发明实施方案的探头24的示意性局部剖视图。探头24包括缠绕在相应成形器上的三个类似导电线圈120，122，124，该线圈固定地设置在探头的中空区域130内，使得线圈的对称轴彼此正交。如果交变磁场通过线圈，则线圈作为响应产生交流电流信号，这尤其取决于磁场的强度。测量所产生的电流因而可提供通过磁场的量度，使得三个线圈充当磁场的传感器，并且在本文中也称为传感器136。如上所述，在本文的描述中，探头24被假定为用于消融，并且探头包括电极140，该电极可用于传输rf能量以供消融。在一些实施方案中，传感器被配置成缠绕在单个成形器上的三个类似的导电正交线圈，而非传感器136包括三个分离的正交线圈。

图6为根据本发明的实施方案的操作中的设备20的元件的示意图。该图示出了从上方膛孔28沿y轴的视图，并且示出了膛孔内的设备20的一些元件以及一些外部元件。因此，示出了z轴上的线圈对(42a，42b)和x轴上的线圈对(42e，42f)，但为清楚起见，未示出y轴上的线圈对(42c，42d)。线圈被示为附接到框架64，并且包括传感器136的探头24已被引入到框架内的容积66中。框架及其附接线圈被假定为已进行校准，并且该校准在下文中参考图7的流程图来说明。

交流电源94通过电缆150连接到位于z轴上的线圈对(42a，42b)，并且利用频率fz以反相的方式驱动这些线圈，如由线圈内的反向箭头所指示。电源还通过电缆154连接到位于x轴上的线圈对(42e，42f)，并且利用频率fx以反相的方式驱动这些线圈。尽管图中未示出，但线圈(42c，42d)被电源94在频率fy下以反相的方式进行驱动。频率fx、fy和fz通常被选择为使得它们充分地分离以易于在相互之间被过滤。

如上所述，线圈42在容积66中产生三组交变磁场，该场随着相应频率fx、fy和fz而交变。交变磁场在探头24的传感器136中产生相应的信号，并且这些信号被磁性跟踪模块98接收。处理器80与该模块一起分析这些信号，并且针对每个频率确定产生相应信号的相应磁场的强度。

跟踪模块98被假定为分析响应于线圈42a，42b的fz反相磁场而在传感器136中产生的fz信号，并且评估由这些线圈产生的磁场强度bg1。如上所述，在容积66中存在对应于bg1的3d曲面，并且在该图中，线160对应于该曲面，使得该表面在本文中也被称为表面160。相似地，模块98被假定为分析响应于线圈42e，42f的fx反相磁场而在传感器136中产生的fx信号，并且评估由这些线圈产生的磁场强度bg2。在该图中，线164示出了容积66中对应于bg2的3d曲面，该曲面在本文中也被称为表面164。

表面160和164通常以直线相交，并且存在未示于图中的响应于线圈42c，42d的fy反相磁场而产生的另一个表面。三个表面的交点提供了传感器136以及因而探头24在容积66中的位置。

图7为根据本发明的实施方案的在设备20的操作中执行的步骤的流程图。在初始校准步骤180中，将线圈42附接到框架64，并且校准线圈与框架的组合件。校准通常在扫描仪22之外进行，但在一些情况下，校准可在框架和线圈组合件已安装在扫描仪的膛孔28中的情况下来进行。

校准包括将交流电源94连接到线圈，并且通常利用处理器80来操作电源以在容积66中产生交变磁场。当磁场正被产生时，将通常类似于传感器136的校准磁传感器引入到容积66内的已知位置处。通常，将校准传感器安装在xyz平移台上，并且该台以步进方式进行移动。在校准传感器的每个位置和取向处，处理器80为三个不同的线圈对记录由传感器寄存的磁场强度和方向。

由于存储结果的插值通常用于以下操作步骤中，因此上文描述的具有产生线性变化磁场子段的线圈对的实施方案可使用较少的校准位置，因为线性可用于插值。虽然不具有线性变化磁场子段的实施方案可能需要较多的校准位置，但此类实施方案通常包括较大的容积66。

处理器80通常将传感器位置和取向以及相应的磁场强度和方向存储为校准查找表以在设备20的操作期间使用。

在操作步骤184中，将患者34、框架64和附接线圈42定位在膛孔28中，并且启动交流电源94以便以反相的方式驱动线圈，如上所述。

在探头引入步骤186中，将探头24插入到容积66中，该容积通常包括被研究的患者的区域。

在分析步骤188中，处理器和跟踪模块采集由传感器136响应于通过传感器的磁场而产生的信号。处理器和该模块分析所采集的信号以确定由线圈对42中的每个产生的相应磁场强度，由此产生来自线圈对(42a，42b)磁场强度b1、来自线圈对(42c，42d)的磁场强度b2以及来自线圈对(42e，42f)的磁场强度b3。如上文参考图6所述，b1对应于围绕对(42a，42b)的对称轴z轴对称的3d表面，b2对应于围绕对(42c，42d)的对称轴y轴对称的3d表面，并且b3对应于围绕对(42e，42f)的对称轴x轴对称的3d表面。

在最终步骤190中，处理器80能够利用在校准步骤180中存储的校准查找表(通常在必要时使用插值)来评估三个3d表面的xyz值并查找这些表面的交点的xyz值，由此查找探头24在容积66中的位置。处理器还能够使用所存储的查找表来查找探头24的取向。

应当理解，上述实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时应当想到该变型和修改，并且该变型和修改并未在现有技术中公开。