用于使用在用于電磁導航的系統和方法中的具有傳感器的醫(yī)療器械與流程
相關申請的交叉引用
本申請要求2014年12月22日提交的美國臨時申請序列號no.62/095,563的權益和優(yōu)先權，其全部內容通過引用并入本文。
本公開涉及一種醫(yī)療器械和一種系統，所述醫(yī)療器械包括傳感器，在所述系統中能夠檢測和追蹤傳感器的位置。更具體地，本公開涉及系統和方法，所述系統和方法識別具有傳感器的醫(yī)療器械在電磁場中的位置。
背景技術：
電磁導航(emn)已經有助于增大對于內部器官的治療和疾病的診斷的可能性。emn依賴于非侵入式的成像技術，例如計算機斷層(ct)掃描、核磁共振成像(mri)、或熒光檢查技術。這些圖像可以被對準(registered)到患者在所產生的磁場內的位置，并且由此能夠參照所述圖像來識別布置在所述磁場中的傳感器的位置。因此，與這些非侵入式的成像技術相結合的emn用于識別目標的位置，并且?guī)椭R床醫(yī)生在患者的身體內導航到所述目標。
在定位醫(yī)療器械在患者的氣道中的位置的領域中的當前市售的系統的一個具體示例中，傳感器被布置在探頭(稱作可定位引導件)的端部并且穿過延伸工作通道(ewc)或導管，并且延伸工作通道(ewc)或導管與具有傳感器的探頭的組合被插入到支氣管鏡的工作通道中。ewc和具有傳感器的探頭隨后被導航到患者體內的目標。一旦達到所述目標，可定位引導件(即，傳感器和探頭)可以被移除并且一個或多個器械(包括活檢針、活檢刷、消融導管等)可以穿過所述工作通道和ewc以獲得樣品且/或處理所述目標。然而，在這一點上，由于可定位引導件與其傳感器已經被移除，ewc的遠側端部的準確位置，并且相關地，可能穿過ewc的任何器械的準確位置無法被精確的獲悉。
由上述非侵入式成像技術產生的圖像不提供實時視頻成像的解決方案。為了實現實時視頻，臨床醫(yī)生可以利用內窺鏡的特征。然而，內窺鏡受限于其尺寸，并且因此不能被導航到肺的胸膜邊界和其它非常窄的通道(通常用在emn中的工具是可以到達的)。一種替代方案為可視化器械，所述可視化器械穿過ewc和內窺鏡的工作通道插入，所述可視化器械的尺寸能夠設置為達到例如胸膜邊界的區(qū)域。
然而，與可定位引導件類似，一旦可視化器械被移除，ewc的遠側端部的位置就不清楚。所使用的一種技術是將一個或多個標記物布置到目標附近的組織，并且使用熒光鏡檢查來確認ewc、標記物和穿過ewc的任何后續(xù)器械的位置。由于ewc直徑較小，同時插入多于一個器械可能是不切實際的。因此，需要重復插入和移除用于可視化、診斷、和手術的器械。這種重復插入和移除延長了診斷或手術時間以及所花費精力，并且相應地增加患者的費用。因此，希望減少器械的插入和/或移除以縮短診斷和手術所需的時間，并且同時增加ewc和穿過ewc的器械(包括成像模式)的位置的確定性。
技術實現要素：
在實施例中，本公開示出了一種醫(yī)療器械，所述醫(yī)療器械通過傳感器識別其在電磁(em)場中的位置。所述醫(yī)療器械包括傳感器、表面、至少一種非導電性材料、和至少一對接觸件。所述傳感器具有至少一個線圈，所述至少一個線圈形成在導電性材料上。所述表面適合于接收所述傳感器，并且可以布置在em場中。所述至少一種非導電性材料覆蓋所述傳感器的至少一個線圈。所述至少一對接觸件電連接到所述至少一個線圈并且能夠連接到測量裝置，所述測量裝置基于em場的磁通量變化感測感應的電信號。醫(yī)療器械在em場的坐標系中的位置基于所述傳感器中的感應的電信號被識別。
一方面，導電性材料直接印刷在所述醫(yī)療器械的遠側部分上，或被分離地制造并且附接到所述醫(yī)療器械的遠側部分。所述醫(yī)療器械還包括非導電性層，所述非導電性層位于醫(yī)療器械的其上印刷有導電性材料的遠側部分上。
另一方面，所述傳感器包括印刷或制造在醫(yī)療器械的遠側部分上的導電性材料和非導電性材料的多個層。每一個導電性層均具有不同的構造，所述不同的構造包括所述導電性材料的環(huán)的數量和螺旋角。所述多個層中的每一層的導電性層通過過孔連接到所述多個層中的另一層的導電性層。
又一方面，所述至少一種非導電性材料在所述導電性材料之上直接制造或印刷在所述醫(yī)療器械的遠側部分上。
又一方面，所述傳感器是柔性電路傳感器，其中，導電性層和非導電性層形成在柔性基板上，并且所述柔性電路傳感器附接到所述醫(yī)療器械。所述柔性電路傳感器包括多個導電性層和非導電性層。所述導電性層包括形成多個線圈的導電性材料。每一個導電性層的導電性材料通過過孔連接到另一導電性層的導電性材料。每一個導電性層均包括兩個或多個分離的線圈，所述兩個或多個分離的線圈通過過孔彼此連接。所述柔性電路傳感器的柔性基板是聚酰亞胺膜。每一個導電性層均包括兩個或多個分離的線圈，所述兩個或多個分離的線圈通過印刷在另一層上的導電性材料彼此連接。所述兩個或多個分離的線圈中的一個線圈的旋轉取向不同于所述兩個或多個分離的線圈中的其它線圈的旋轉取向。
又一方面，所述導電性材料形成螺旋形狀，所述螺旋形狀是逆時針或順時針的。
又一方面，管的外表面由etfe、ptfe、聚酰亞胺、或非導電性聚合物制成。
又一方面，所述導電性材料是銅、銀、金、導電性合金、或導電性聚合物。
又一方面，所述醫(yī)療器械是延伸工作通道、成像器械、活檢鉗、活檢刷、活檢針、或微波消融探頭。
在另一實施例中，本公開示出了一種電磁導航系統，所述電磁導航系統通過傳感器識別其在em場中的位置。em導航系統包括em板、醫(yī)療器械、和處理器。em板產生em場。所述醫(yī)療器械包括傳感器、表面、至少一種非導電性材料、和至少一對接觸件。所述傳感器具有至少一個線圈，所述至少一個線圈形成在導電性材料上。所述表面適合于接收所述傳感器并且可以布置在em場中。所述至少一種非導電性材料覆蓋所述傳感器的至少一個線圈。所述至少一對接觸件電連接到所述至少一個線圈并且能夠連接到測量裝置，所述測量裝置基于em場的磁通量變化感測感應的電信號。醫(yī)療器械在em場的坐標系中的位置基于所述傳感器中的感應的電信號被識別。所述處理器處理感應的電信號以識別醫(yī)療器械在em場的坐標系中的位置。
不偏離本公開的范圍的前提下，本公開的任何上述方面和實施例的任何可以被組合。
附圖說明
當參照附圖閱讀各個實施例的描述時，目前公開的系統和方法的目標和特征對于本領域普通技術人員來說將是顯而易見的，其中：
圖1是根據本公開的實施例的用于識別醫(yī)療器械的位置的系統的透視圖；
圖2a是根據本公開的實施例的導管引導組件和醫(yī)療器械的側視圖；
圖2b是圖2a的細節(jié)的指示區(qū)域的放大視圖；
圖3a示出了根據本公開的實施例的作為被卷繞或印刷在醫(yī)療器械的遠側部分的線圈的傳感器；
圖3b-圖3e是根據本公開的實施例的多個醫(yī)療器械的透視圖；
圖4a是根據本公開的實施例的柔性電路形式的傳感器；
圖4b是根據本公開的實施例的其上纏繞有圖4a的柔性電路的醫(yī)療器械的遠側部分的展開視圖；
圖5是根據本公開的實施例的多層柔性電路中的包括兩個線圈的傳感器的示例性設計；
圖6是根據本公開的實施例的多層柔性電路中的兩個傳感器的示例性設計；
圖7示出了根據本公開的實施例的印刷機，所述印刷機將傳感器印刷在醫(yī)療器械的表面上；并且
圖8是根據本公開的實施例的用于將傳感器印刷在醫(yī)療器械上的方法的流程圖。
具體實施方式
本公開涉及用于通過使用傳感器來識別醫(yī)療器械在電磁場中的位置的醫(yī)療器械、系統和方法。所述傳感器可以被直接制造在醫(yī)療器械上、或者被分離地制造并且隨后固定到醫(yī)療器械，所述醫(yī)療器械包括成像器械。制造傳感器的一種方法是通過印刷。由于傳感器可以與醫(yī)療器械一起插入到患者身體內，因此醫(yī)療器械的位置被實時地識別。此外，傳感器可以通過其它成像模式來提供和追蹤醫(yī)療器械的準確方向和位置。由于傳感器尺寸較小，醫(yī)療器械可以將傳感器并入所述醫(yī)療器械的內部或外部以有助于連續(xù)導航。雖然將以具體的示例性實施例來描述本公開，但對本領域技術人員來說將顯而易見的是，在不偏離本公開的精神的前提下可以作出各種修改、重新布置和替代。本公開的范圍由本公開所附權利要求限定。
圖1示出了用于識別醫(yī)療器械在電磁場中的位置的系統和方法的一個示例性實施例。具體地，圖1示出了構造為利用ct、mri、或熒光鏡圖像的電磁導航(emn)系統100。一種這樣的emn系統可以是目前由covidienlp出售的electromagneticnavigation
圖2a示出了圖1的導管引導組件110的實施例。導管引導組件110包括控制手柄210，所述控制手柄210使得導管引導組件110的遠側端部250能夠前進和轉向。如圖2b中所示，導管引導組件110包括插入ewc230中的可定位引導導管(lg)220和電磁em傳感器260。鎖定機構225將ewc230和lg220固定到彼此?？梢耘c本公開一起使用的導管引導組件可以是目前由covidienlp以
在使用中，支氣管鏡115插入到嘴中或通過患者150的切口插入以捕捉內部器官的圖像。在emn系統100中，導管引導組件110插入到支氣管鏡115中以用于實現到患者150的內部器官的通路。導管引導組件110可以包括延伸工作通道(ewc)230，具有位于遠側部分的em傳感器260的可定位引導導管(lg)220插入到所述延伸工作通道230中。如下面更詳細地描述的，ewc230、lg220、和em傳感器260用于導航通過內部器官。
在替代實施例中，通過自然孔代替插入的支氣管鏡115，導管引導組件110經由切口插入到患者150中。包括延伸工作通道230的導管引導組件110可以經由切口插入以導航除了肺的氣道之外的腔網絡(例如心臟腔網絡)。
計算裝置120(例如膝上型計算機、臺式計算機、平板計算機，或其它類似計算裝置)包括顯示器122、一個或多個處理器124、存儲器126、網卡128、和輸入裝置129。emn系統100也可以包括多個計算裝置，其中，使用分離的計算裝置以用于以適合于醫(yī)療操作的方式規(guī)劃、處理、可視化和輔助臨床醫(yī)生的其它方面。顯示器122可以是觸敏式的和/或語音激活的，使得顯示器122能夠用作輸入裝置和輸出裝置兩者。顯示器122可以顯示內部器官(例如肺、前列腺、腎臟、結腸、肝臟等)的二維(2d)圖像或三維(3d)模型以定位和識別內部器官的顯示疾病癥狀的一部分。
顯示器122還可以顯示各種選項以選擇、添加和移除待處理的目標和顯示用于內部器官的可視化的可設定項目。一方面，顯示器122還可以基于內部器官的2d圖像或3d模型顯示導管引導組件110在電磁場中的位置。
一個或多個處理器124執(zhí)行計算機可執(zhí)行指令。處理器124可以執(zhí)行圖像處理功能使得內部器官的3d模型可以被顯示在顯示器122上。在實施例中，計算裝置120還可以包括單獨的圖像加速器(未示出)，所述圖像加速器僅執(zhí)行圖像處理功能以使得一個或多個處理器124可以用于其它程序。存儲器126存儲數據和程序。例如，數據可以是用于3d模型的圖像數據或任何其它相關數據，例如患者的醫(yī)療記錄、處方和/或患者疾病的歷史。
存儲在存儲器126中的一種類型的程序是3d模型和路徑規(guī)劃軟件模塊(規(guī)劃軟件)。3d模型產生和路徑規(guī)劃軟件的示例可以是目前由covidienlp出售的
一旦目標被識別，所述軟件就進入路徑規(guī)劃模塊。路徑規(guī)劃模塊生成路徑規(guī)劃以實現到目標的通路，并且所述路徑規(guī)劃精確地定位位置和識別目標的坐標，使得可以使用emn系統100，并且具體地使用導管引導組件110連同ewc230、lg220、和em傳感器260一起到達所述目標。在導航到患者150內的目標期間，路徑規(guī)劃模塊通過一系列步驟引導臨床醫(yī)生以生成路徑規(guī)劃以用于導出和隨后使用。術語臨床醫(yī)生可以包括內科醫(yī)生、外科醫(yī)生、護士、醫(yī)療助理、或在規(guī)劃、執(zhí)行、監(jiān)控和/或監(jiān)督醫(yī)療程序中涉及的使用路徑規(guī)劃模塊的任何用戶。
這些過程和路徑規(guī)劃模塊的細節(jié)可以在covidienlp于2013年6月21日提交的名稱為“pathwayplanningsystemandmethod”的美國專利申請no.13/838,805中找到，其全部內容通過引用并入本公開。這種路徑規(guī)劃模塊允許臨床醫(yī)生觀察ct圖像數據集的單個切片并且識別一個或多個目標。這些目標可以例如是影響組織的功能的神經的位置或損傷，在所述組織處疾病已經使得內部器官的功能被損害。
存儲器126可以存儲導航和程序軟件，所述導航和程序軟件與emn系統100接口連接以向臨床醫(yī)生提供引導并且在3d模型和由3d模型導出的2d圖像上示出規(guī)劃路徑。這種導航軟件的示例是由covidienlp出售的
如圖1所示，em板140構造為提供平坦的表面以便患者躺下并且包括em場產生裝置145。當患者150在em板140上躺下時，em場產生裝置145產生足以包圍患者150的一部分的em場。位于lg220的端部的em傳感器260用于確定lg220的遠側端部以及于是確定(therewith)ewc230在患者體內的位置。一方面，分離(separate)的em傳感器可以位于ewc230的遠側端部，并且于是可以在患者150體內識別ewc230在由em場產生裝置145產生的em場中的準確位置。
又一方面，em板140可以構造為與基準傳感器170操作地聯接，所述基準傳感器170位于患者150的胸部上?；鶞蕚鞲衅?70在患者150吸氣時隨著胸部向上移動，并且在患者150呼氣時隨著胸部向下移動?；颊?50的胸部在em場中的移動被基準傳感器170捕捉并且傳輸到追蹤裝置160使得可以識別患者150的呼吸模式。追蹤裝置160還接收em傳感器260的輸出，結合em傳感器260和基準傳感器170的兩個輸出，并且針對em傳感器260的位置補償呼吸模式。以這種方式，由em傳感器260識別的位置可以被補償以使得em傳感器260的補償位置可以與內部器官的3d模型同步。然而，如上所述，使用在其遠側端部250具有em傳感器260的lg230可以導致周圍器械交換(swap)困難、位置信息丟失、以及程序所需時間的普遍延長。為了緩解這些問題，圖3a示出了線圈形狀的電磁傳感器310。傳感器310可以被直接制造或印刷在醫(yī)療器械300的遠側部分上。制造或印刷的電磁傳感器(pes)310可以形成如如圖所示的螺旋形狀、或可以如應用所需形成為另一構造。器械300可以是ewc230、導管、活檢器械、消融器械、單極或雙極電外科器械、成像器械、標記器械、或針，總之，器械300可以是能夠插入到腔網絡(例如，患者的氣道或脈管系統)中的任何器械。在一個實施例中，器械300的尺寸被設置為穿過ewc230。可替代地，器械300可以是ewc230。其它示例性器械在圖3b-圖3e中示出，圖3b-圖3e示出了活檢鉗370、活檢刷375、活檢針380、和微波消融探頭385，每一個器械均具有通過本公開的方法施加的em傳感器310。
器械300的遠側部分可以由四氟乙烯(etfe)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰亞胺、或其他合適材料制成或由以上材料覆蓋，以形成用于傳感器310的非導電性的基部。如果器械300的遠側部分未由非導電性材料覆蓋或制成，則非導電性材料必須首先被施加到所述遠側部分以形成用于傳感器310的絕緣基部。
關于圖3a中示出的傳感器310，傳感器310的線圈為螺旋的形狀?？梢赃x擇所述螺旋的尺寸(即，如圖3a所示，長度l、兩個相鄰的環(huán)之間的距離d、和螺旋的直徑d)以產生最佳的傳感器310。螺旋角α可以用于限定所述螺旋并且由以下等式計算：
螺旋角α表示制造或印刷的螺旋的環(huán)沿器械300的縱向軸線的密度。
在實施例中，傳感器310可以包括多個層。具體地，在導電性材料被施加到器械300以形成傳感器310的第一線圈之后，非導電性材料可以施加在第一線圈之上，并且由導電性材料形成的第二線圈可以施加在器械300上的第一線圈和非導電性材料兩者之上?？梢岳^續(xù)這一過程直到所期望數量的線圈被制造或印刷在器械300上。每一個線圈均可以具有與其它線圈相比不同的構造，例如，具有不同的長度l和螺旋的兩個相鄰的環(huán)之間不同的距離d?？商娲?，傳感器310的多個線圈中的每一個均可以被施加到器械300的不同位置。
在本公開的一方面中，一個線圈的螺旋的旋轉方向可以不同于另一線圈的螺旋的旋轉方向。即，一個螺旋可以具有逆時針取向，而另一個螺旋可以具有順時針取向。另一方面，導電性材料可以是銅、銀、金、導電性合金、或導電性聚合物，并且非導電性材料可以是etfe、ptfe、非導電性聚合物、或聚酰亞胺。
根據本公開的其他方面，螺旋310的端部部分中的每一個均可以具有比所述螺旋中的導電性材料的其它區(qū)域大的用于電接觸件320和330的區(qū)域。電線連接到接觸件320和330的每一個。這些電線可以延伸導管組件100的長度并且連接到追蹤裝置160。因此，當器械300位于電磁場內時，在器械300在電磁場內移動的同時，在傳感器310中可以感應出電信號(例如電壓)。感應的電信號被傳輸到追蹤裝置160，所述追蹤裝置160計算器械300相對于電磁場的坐標系的位置。該計算位置可以被對準到3d模型使得計算裝置可以在顯示器上顯示3d模型中的位置。以這種方式，臨床醫(yī)生可以識別器械300在如上面描述的導航和程序軟件的3d模型和2d圖像中的相對位置。
感應電壓由麥克斯韋方程得出，并且通過以下等式計算出：
其中是εind是感應電壓，n是螺旋中的環(huán)的數量，δφ是電磁場的磁通量變化，并且δt是時間變化。磁通量φ是磁場幅值(magnitude)和面積的乘積。同樣地，磁通量變化δφ是磁場幅值的變化和所述螺旋中的一個環(huán)的面積的乘積。因此，螺旋中的環(huán)越多，感應電壓的幅值就越大。并且磁通量的變化越快，感應電壓幅值就越高。負號表示產生感應電壓以抵抗磁通量的變化。
由于器械300通常在身體內或在內部器官的腔網絡中緩慢且謹慎地移動并且所述螺旋中的環(huán)的尺寸是極小的，因此螺旋中的環(huán)的數量可以足夠大以補償緩慢的移動和環(huán)的尺寸以便具有可識別的感應電信號。因此，當感應電信號的靈敏度水平和電磁場的幅值水平確定時，可以通過以下等式來確定線圈傳感器310中的環(huán)的數量：
傳感器310可以感測由em場產生裝置145產生的不同em場，在采用三個線圈的一個實施例中，在傳感器310中感測到三個不同的場。em場的強度與距離源(例如em場產生裝置145)的距離的平方的倒數成比例地減小。因此，由em場感應出的電壓的幅值包括定義了傳感器310與em場產生裝置145的距離的信息。通過基于感應電信號確定距離信息，傳感器310的位置可以相對于em場產生裝置145的位置被識別。
一方面，在em場產生裝置145產生三個em場(所述三個em場可以具有三個不同的指向性圖案，例如分別為x軸、y軸和z軸指向性圖案)的情況下，當具有傳感器310的器械300在em場的坐標系內沿任何方向移動時，感應電信號可以具有不同的圖案。例如，當器械300沿x軸線方向移動時，具有y軸和z軸指向性圖案的em場的強度與感測到的具有x軸指向性圖案的em場的強度變化相比將顯示出更大的差異。因此，器械300的位置可以通過檢查由傳感器310感測的感應電壓的圖案來識別。
根據本公開，傳感器310可以被直接制造或印刷在器械300上。即，在器械300的制造期間，處理步驟的一個是將一種或多種導電性油墨或其它材料施加到器械300。可以通過多種處理來實施這種印刷，所述多種處理包括噴墨印刷、柔性版印刷、氣相沉積、蝕刻、以及在不偏離本公開的范圍的前提下本領域技術人員已知的其它技術。
在本公開的其他實施例中，傳感器310可以使用上述技術中的一種或多種來制造或印刷以形成柔性電路，所述柔性電路使用粘合劑等施加到器械300。圖4a示出了柔性電路傳感器400，并且圖4b示出了并入到器械450(例如醫(yī)療器械)的表面上的圖4a的柔性電路傳感器400。柔性電路傳感器400的厚度可以為約0.05毫米(mm)以使得柔性電路能夠被施加到器械、插入器械中、或固定到器械而不會明顯增加其尺寸。
根據一個實施例，導電性材料415被制造或印刷在非導電性膜430上以形成線圈410或420，并且第二非導電性膜430覆蓋所述導電性材料。因此，線圈410或420由非導電性膜430保護。
如圖4a中所示，柔性電路傳感器400可以具有第一線圈410和第二線圈420。如上所述，在本公開的一個方面中，每個線圈均可以具有不同的旋轉取向。第一線圈410可以具有順時針旋轉取向，而第二線圈420可以具有逆時針旋轉取向。然而，當柔性電路傳感器400固定到器械450或圍繞器械450固定以使得兩個線圈跨越(across)管的縱向軸線彼此面對時，第一線圈410和第二線圈420可以具有相同的旋轉取向。
一方面，柔性電路傳感器400可以以使得柔性電路傳感器400彎曲或使得其圍繞器械450的部分彎曲的方式被固定到器械450。在這種情況中，柔性電路傳感器400可能不能感測平行于柔性電路傳感器400的電磁場的變化。因此，為了精確地感測電磁場內的多個方向上的電磁場的變化，包括至少兩個線圈的柔性電路傳感器400應當以使得兩個線圈不被平行布置的方式固定到器械450。以這種方式，兩個或多個柔性電路傳感器可以能夠感測沿任何方向的電磁場中的任何磁通量變化。
圖5示出根據本公開的實施例的雙層柔性電路傳感器500。所述雙層柔性電路傳感器500包括第一線圈510、第二線圈520、第三線圈530和第四線圈540。頂部層包括第一線圈510和第二線圈520，并且底部層包括第三線圈530和第四線圈540。雙層柔性電路傳感器500還包括第一接觸件550和第二接觸件560，以及第一過孔512、第二過孔514、第三過孔522和第四過孔524。
在本公開的一個非限制性示例中，線圈510-540中的任何一個的每個環(huán)的導電性材料可以近似9微米厚。導電性材料的厚度可以基于柔性電路傳感器500的規(guī)格而變化，并且對于具體的應用在不偏離本公開的范圍的前提下可以大于或小于9微米。根據本公開的一個實施例，頂部層和底部層的線圈510-540的每個環(huán)分別可以彼此分離近似0.009英寸。每個線圈的最外側環(huán)的長度和寬度可以分別近似0.146英寸和近似0.085英寸。導電性材料的寬度可以近似0.001英寸。過孔的直徑可以近似0.002英寸。柔性電路傳感器500的厚度可以近似0.005英寸。柔性電路傳感器500的長度和寬度可以分別近似0.180英寸和近似0.188英寸。同一線圈的最接近的環(huán)之間的間隙通?？梢詾榧s0.0005英寸。
如圖5所示，第一接觸件550連接到第一線圈510的一個端部，并且第一過孔512連接到第一線圈510的另一端部。第一過孔512將頂部層的第一線圈510連接到底部層的第四線圈540的一個端部。第四線圈540的另一端部通過第四過孔524連接到頂部層的第二線圈520的一個端部。第二線圈520的另一端部通過第三過孔522連接到底部層的第三線圈530的一個端部。第三線圈530的另一端部通過第二過孔514連接到頂部層上的接觸件560。以這種方式，四個線圈510、520、530和540全部連接到第一接觸件550和第二接觸件560，從而形成具有串聯地電連接的四個線圈的一個傳感器。由于四個線圈全部連接到彼此，并且一個傳感器中環(huán)的數量是四個線圈510、520、530和540的環(huán)的總和，由此增加了電磁場的靈敏度。
根據本公開的其他方面，第一線圈510和第二線圈520可以具有不同的旋轉取向，并且類似的，第三線圈530和第四線圈540可以具有不同的旋轉取向。即，如果第一線圈510具有逆時針取向，則第二線圈520具有順時針取向。同樣地，如果第三線圈530具有逆時針取向，則第四線圈540具有順時針取向。另一方面，第一線圈510和第四線圈540可以具有相同的旋轉取向，并且第二線圈520和第三線圈530可以具有相同的旋轉取向。
如圖5所示，第一接觸件550和第二接觸件560被制成寬度大于線圈的每個環(huán)的寬度。通常，柔性電路傳感器500的每一個線圈均由非導電性材料涂覆。一方面，第一接觸件550和第二接觸件560可以不被非導電性材料覆蓋，以使得多層柔性電路傳感器500可以容易地連接到電線以便將多層柔性電路傳感器500并入上述導航和程序軟件并且與所述導航和程序軟件一起使用，所述電線將感應電信號(例如，電壓和/或電流)傳輸到外部設備(例如追蹤裝置160)。
另一方面，第一接觸件550和第二接觸件560可以被非導電性材料覆蓋。然而，第一接觸件550和第二接觸件560可以以連接器的形式使得來自外部設備(例如，圖1的追蹤裝置160)的電線能夠經由所述連接器容易地連接到柔性電路傳感器500的傳感器。又一方面，第一接觸件550和第二接觸件560可以具有鎖定機構，所述鎖定機構可以鎖定用于連接到外部設備的電線。當在現場(在現場器械不包括來自制造廠商的這種傳感器)將傳感器500施加到所述器械時，這些選擇可以特別有用。
圖6示出了多層柔性電路傳感器600的另一實施例。雖然圖5的多層柔性電路傳感器500包括僅一個傳感器(即，四個線圈510-540串聯地電連接)，但多層柔性電路傳感器600包括兩個傳感器，所述兩個傳感器中的每個均在同一層或單個層的同一側上包括兩個線圈。第一傳感器680包括位于頂部層或第一側部上的第一線圈610和第二線圈630，并且第二傳感器690包括位于底部層或第二側部上的第三線圈650和第四線圈670。僅為了方便目的，在圖6中，每一個線圈的環(huán)以簡化的示意性方式示出為僅數個環(huán)，但圖6中的每一個環(huán)可以表示多于一個環(huán)，并且環(huán)的數量可以更符合圖5的線圈510-540的數量。第一線圈610和第二線圈630以實線示出，并且第三線圈650和第四線圈670以虛線示出。第一電橋620位于底部層上并且以虛線示出，并且第二電橋660位于頂部層上并且以實線示出。簡而言之，實線示出頂部層上的線圈和電橋，并且虛線示出底部層上的線圈和電橋。
第一接觸件605連接到第一線圈610的一個端部，并且第一過孔615連接到第一線圈610的另一端部。第二接觸件635連接到第二線圈630的一個端部，并且第二過孔625連接到第二線圈630的另一端部。第一線圈610和第二線圈630通過第一過孔615和第二過孔625由第一電橋620連接。
第三接觸件645連接到第三線圈650的一個端部，并且第三過孔655連接到第三線圈650的另一端部。第四接觸件675連接到第四線圈670的一個端部，并且第四過孔665連接到第四線圈670的另一端部。第三線圈650和第四線圈670通過第三過孔655和第四過孔665由第二電橋660連接。
如圖6中所示，如果從頂部層觀察，第三線圈650位于第一過孔615和第二過孔625之間，并且如果從頂部層觀察，第二線圈630位于第三過孔655和第四過孔665之間。根據這種構造，多層柔性電路可以在每一層或單個層的每一側上均具有一個傳感器，并且傳感器的任一線圈的導電性線路不交叉。一方面，第一接觸件605、第二接觸件615、第三接觸件635和第四接觸件675可以具有比過孔615、625、655和665的直徑更大的區(qū)域。
如圖6所示，頂部層上的每一個線圈610、630與底部層上的第三線圈650和第四線圈670未完全重疊，并且具有與第三線圈650和第四線圈670的位置相匹配的位置。這與圖5的實施例形成對比，在圖5的實施例中，至少第一線圈510和第四線圈540重疊并且第二線圈520和第三線圈530重疊。在一些實施例中，圖5的所有四個線圈重疊并且具有相匹配的位置。
一方面，第一線圈610和第二線圈630可以具有相同的旋轉取向(例如，順時針取向)并且第三線圈650和第四線圈670可以具有相同的旋轉取向(例如，逆時針取向)。另一方面，第一線圈610和第三線圈650可以具有不同的旋轉取向。
如上面所述，用于將傳感器施加到器械的一種方法是通過直接印刷在所述器械上。圖7示出印刷設備700，所述印刷設備700將導電性和非導電性材料直接印刷到所述器械的所期望位置。所述印刷設備700包括儲存器710、印刷噴嘴720、和致動臂730。所述儲存器710包括第一箱740和第二箱750，所述第一箱容納導電性材料，所述第二箱容納非導電性材料。印刷設備700可以在任何器械760上印刷電路，所述任何器械760可以被鎖定到致動臂730的遠側端部中。一方面，所述印刷設備可以將傳感器印刷在聚合物上。
印刷設備700的控制器(圖7中未示出)控制致動馬達(圖7中未示出)以移動致動臂730。所述致動馬達固定地連接到致動臂730的近側端部。所述致動馬達可以向前和向后轉位(index)并且旋轉致動臂730。一方面，致動馬達可以在印刷的同時移動儲存器710。另一方面，致動馬達可以同時地移動儲存器710和致動臂730。例如，致動馬達可以在旋轉致動臂730的同時向前或向后轉變儲存器710的位置。更進一步地，儲存器710和器械760可以保持不動，而同時流體地連接到儲存器710的印刷噴嘴720圍繞器械760移動。此外，不偏離本公開的范圍的前提下，本領域技術人員可以使用這些技術的組合。
在一個實施例中，隨著器械760的近側端部被鎖定到致動臂730的遠側端部中，印刷噴嘴720可以開始印刷容納在第一箱740中的導電性材料，同時致動臂730被致動馬達向前移動且旋轉?？刂妻D位和旋轉的速率以在器械760上印刷出螺旋式傳感器770。當轉位的速率快于旋轉的速率時，螺旋式傳感器770將具有大的螺旋角或在所述螺旋中具有松散的環(huán)。另一方面，當轉位的速率(轉位速率)慢于旋轉的速率(角速率)時，所述螺旋式傳感器770將具有小的螺旋角或在所述螺旋中具有密集的環(huán)。螺旋角和速率之間的關系如下所示：
其中α是螺旋角，vi是轉位速率，vθ是以弧度為單位的旋轉的角速率，并且d是器械760的截面直徑。因此，控制器可以控制轉位速率vi和角速率vθ以使得印刷電路770可以具有適合于其目的的螺旋角。
一方面，印刷可以從器械760的遠側端部或器械760的近側端部開始。在當印刷從器械760的遠側端部開始時的情況中，致動臂730向前轉變器械760的位置使得印刷噴嘴720可以朝向器械760的近側端部印刷導電性材料。在當印刷從器械760的近側端部開始時的另一情況中，致動臂730向后轉變器械760的位置以使得印刷噴嘴720可以朝向器械760的遠側端部印刷導電性材料。另一方面，致動臂730可以改變旋轉的方向使得螺旋式傳感器770可以具有逆時針或順時針螺旋。
一方面，印刷噴嘴720可以在印刷的開始和結束時印刷更多的導電性材料使得螺旋式傳感器770的每一個端部均具有更大的區(qū)域，所述更大的區(qū)域用于連接到外部設備的接觸件。
另一方面，在印刷了螺旋式傳感器770的一層之后，致動臂730可以執(zhí)行相反的轉位和旋轉運動，這意味著當在印刷螺旋式傳感器770的同時執(zhí)行向前轉位時，執(zhí)行向后轉位，以及當在印刷螺旋式傳感器770的同時執(zhí)行順時針旋轉時，執(zhí)行逆時針旋轉。同時，印刷噴嘴720可以將非導電性材料印刷在已印刷的導電性材料上。以這種方式，已印刷的導電性材料可以由非導電性材料完全覆蓋。另一方面，可以控制印刷噴嘴720以在比已印刷的導電性材料的區(qū)域更大的區(qū)域上印刷非導電性材料。這可以更加確保已印刷的導電性材料由非導電性材料完全覆蓋。
在完成印刷非導電性材料之后，印刷噴嘴720可以再次將導電性材料印刷在器械760上。一方面，可以選擇不同于原始轉位速率vi和原始角速率vθ的新的轉位速率vi和新的角速率vθ以使得新的螺旋式傳感器可以具有與原始的螺旋式傳感器不同的構造。通過重復這些步驟，器械760可以具有多個螺旋式傳感器。
又一方面，致動臂730可以控制向前和向后轉位運動以及旋轉運動使得傳感器可以具有不同的構造。例如，傳感器可以具有一系列不完整的圓。這個圖案可以在完成整個圓之前通過旋轉致動臂而不向前轉位并且通過向前轉位致動臂而不旋轉來獲得。本公開的范圍可以延伸到本領域普通技術人員可以容易地理解的類似的或不同的構造。
圖8示出使用印刷機在表面上印刷傳感器的方法800。所述傳感器可以是一層的或多層的。所述方法800從在步驟810中將計數器n設置為零開始。在步驟820中，印刷機印刷導電性材料，所述導電性材料用于連接到外部設備的接觸件。所述接觸件區(qū)域可以大于用于傳感器的已印刷的導電性材料的區(qū)域。在步驟830中，印刷機在管上印刷導電性材料。在步驟840中，在印刷的同時，印刷機的保持所述管的轉位臂向前或向后轉位所述管，以及旋轉所述管。此處，可以控制轉位臂的轉位速率和角速率以實現如上在圖7中描述的傳感器的具體圖案。
在步驟850中，印刷機印刷用于另一接觸件的導電性材料。在步驟810和850中印刷的接觸件將用于連接到電線，所述電線通向外部設備并且與外部設備相連接，所述外部設備例如為圖1的追蹤裝置160。如上所述，追蹤裝置可以處理感測結果以識別傳感器在電磁場中的位置。
在步驟860中，印刷機在已印刷的導電性材料上印刷非導電性材料以形成非導電性膜。在步驟870中，在印刷非導電性材料的同時，印刷機的致動臂沿與印刷導電性材料的方向相反的方向向前或向后轉位以及旋轉。以這種方式，已印刷的導電性材料與其他環(huán)境隔離、或被保護以免受其它環(huán)境的影響。這個步驟結束傳感器的印刷。
在步驟880中，計數器n增加1。在步驟890中，計數器n與預先確定的層的數量相對比。如果計數器n小于預先確定的層的數量，則方法800重復步驟820到890。如果計數器n不小于預先確定的層的數量，則方法結束。
一方面，當預先確定的層的數量大于1時，在每一層中印刷的傳感器可以具有不同的構造，例如螺旋角和如圖7中所示的螺旋圖案。另一方面，多層中的傳感器可以全部被連接以使得傳感器僅具有兩個接觸件，而不是每一層中的傳感器均具有與其他傳感器的兩個接觸件相分離的兩個接觸件。
雖然為了說明和描述的目的已經參考附圖詳細地描述了實施例，但應當理解，本發(fā)明的方法和設備不應被解釋為限制。對本領域技術人員來說將顯然的是，在不偏離本公開的范圍的前提下可以對前述實施例進行各種修改。
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