随着电磁导航成为手术导航的首选,传感器和设计的考虑是至关重要的。
大卫·博世Intricon
电磁导航(EMN)自20世纪90年代提出,到21世纪后期被广泛采用,已成为手术导航的明确选择,并在介入支气管镜、泌尿外科、神经外科和心脏病学领域得到广泛应用。
设计合理的EMN系统有几个优点。它可以在不需要视线的情况下,以光学跟踪的精度进行定位。它提供了方便的透视,患者内部可视化,而不应用电离辐射。而且它不会让病人暴露在比超声波更有害的能量场中。
与依赖后向散射辐射的替代导航技术不同,EMN采用被动测量方案。与手术相关的区域在空间不均匀的磁场中饱和,该磁场有效地充当了一个看不见的生物安全的x-y-z坐标网格。这个有效网格中的微型传感器检测并传输有关其精确位置的信息,然后由外部计算机系统进行处理。
由于EMN仅记录电磁传感器的点位置,因此通常与其他可视化系统结合使用。在临床应用中,传感器的位置(通常放置在介入设备内)经常图形化地叠加在患者术前的3D扫描上。通过这种方式,可以实现介入设备在患者解剖结构中的实时可视化。
操作原理
EMN依赖于相对于参考磁场定位传感器。磁场由校准的场发生器提供,它投射出一个在空间上不均匀且具有已知几何形状的场。EMN传感器必须(间接地)记录其所在位置的磁场,这反过来又可以转换为位置信息。
目前存在几种EMN传感器,例如磁通门和无线传感器,但有线感应传感器在介入临床应用中得到了最广泛的采用。(磁通门传感器由于设备的尺寸和相对复杂性,尚未广泛应用于临床应用。无线传感器利用的传感器必须同时作为接收器和发射器。这些传感器体积庞大,加上外部驱动系统的尺寸和复杂性限制了手术应用。)
有线感应传感器由一个或多个线圈缠绕在一个实心或空心核心上,引出一个双绞线对用于信号传输。电信号可以通过法拉第定律诱导,这意味着电动势(或电压)将在任何受到变化磁场的封闭路径上产生。在这种情况下,闭合路径是由感应传感器的电线包装所贡献的,它也作为电流流动的导管。为了逻辑的连续性和数学美学,法拉第定律的完整形式描述如下:
利用Stokes定理可以将法拉第定律化简为如下形式,其中Ø为垂直于感应传感器绕组的磁通分量,磁通可以松散地定义为磁场与横截面积的乘积:
Intricon生产的传感器兼容商用交流磁场发生器系统,如北方数字公司(NDI)、象限科学公司(Quadrant Scientific)、Radwave Technologies和Polyhemus的系统,以及各种OEM医疗设备公司及其设计师开发的定制系统。这些系统通过布置的磁场线圈提供空间中的交流磁场图。虽然具体的场线圈布置和定位方法是专有的,但所有系统之间共享一些一般的操作原则。
由于磁场强度随与任何场线圈距离的立方而衰减,因此传感器内的磁场强度(和感应电压)可以用作传感器与场线圈布置之间距离的代理。全3D定位存在不同的方法,其中一些包括脉冲空间距离线圈来实现三角定位或通过沿不同坐标的激励。Intricon线圈兼容任何本地化方案,可以自定义执行自定义本地化卷。
传感器设计基础
任何定制EMN传感器的目标都是在尽可能小的包络尺寸内提供最终的信号完整性。对于电磁传感器的实际应用,最大限度地提高线圈中的感应电压,以最大限度地提高信噪比和提高定位精度是有益的。相关的术语是灵敏度,它被定义为线圈在受到标准频率的单位交流磁场时产生的电压振幅。
灵敏度的提高最容易实现的方法是增加风的数量——这有效地增加了磁场穿过的有效横截面积——或者直接增加传感器核心的直径。然而,这些方法都有局限性。不受限制地增加物理传感器尺寸很少能与大多数介入设备的紧密工作通道兼容,因此提高线圈灵敏度的替代方法是必要的。
电磁兼容的全长度器件设计
电磁传感器与介入设备无缝集成,可实现最佳性能。医疗设备制造商通常需要与专门从事电磁和物理设计的设计和制造专家合作,他们可以提供所需的电磁和临床性能的全长设备(完整的“从头到尾”解决方案)。
在设计过程中,必须对成品设备中的磁性元件有敏锐的认识。这种设计灵敏度对器件性能至关重要,因为磁性元件会扭曲磁场发生器提供的参考场,从而降低定位精度。考虑到现代介入装置中存在的金属部件的数量,磁干扰的缓解并非微不足道。
虽然EMN组件在介入设备中有许多优点,但需要仔细优化设备中的EM传感器以实现最大性能。一刀切的解决方案很少能反映特定临床应用的复杂性,也不能自动在现代介入设备中提供最佳性能。医疗设备制造商需要仔细选择具有传感器和全设备设计经验的开发和制造合作伙伴,了解每个客户、设备和EMN应用的独特性。
David Bosch是一名电磁工程研究科学家 Intricon . Intricon专注于医疗技术,是全球领先医疗设备公司的合同开发和制造合作伙伴。本文仅代表作者个人观点,并不代表MedicalDesignandOutsourcing.com或其员工的观点。