DE102009044568A1

DE102009044568A1 - Magnetoresistive Sensoren zur Positions- und Orientierungsbestimmung

Info

Publication number: DE102009044568A1
Application number: DE102009044568A
Authority: DE
Inventors: William Hullinger Huber; Vernon Thomas Draper Jensen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2010-05-27
Also published as: CN101782360B; US20100127696A1; CN101782360A; US8283921B2

Abstract

Ein magnetoresistiver Sensor (10) zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) enthält ein isolierendes Substrat (12), ein Muster aus einem Metallmaterial (14) und/oder einem Halbleitermaterial (16), die auf einer Oberfläche (18) des isolierenden Substrats (12) aufgebracht sind, und ein Vormagnetisierungsmaterial (20), das über dem Wechselmuster aus einem Metallmaterial (14) und einem Halbleitermaterial (16) aufgebracht ist. Das Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) enthält wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34), der an einem ortsfesten Objekt angebracht ist, wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32), der an einem zu verfolgenden Objekt angebracht ist, und einen mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34) und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32) gekoppelten Prozessor (36).

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft allgemein magnetoresistive Sensoren zur Positions- und Orientierungsbestimmung und insbesondere Positions- und Orientierungsverfolgungssysteme, die Magnetfelder nutzen, um die Position und Orientierung eines Objektes zu bestimmen.
Positions- und Orientierungsverfolgungssysteme werden in verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen verwendet, um Positions- und Orientierungsinformationen in Bezug auf Objekte zu liefern. Beispielsweise können Positions- und Orientierungsverfolgungssysteme in Luftfahrtanwendungen, industriellen Anwendungen, Sicherheitsanwendungen, Spielanwendungen, Animationsanwendungen, Bewegungserfassungsanwendungen und medizinischen Anwendungen nützlich sein. Die durch diese Systeme genutzten Technologien variieren und umfassen elektromagnetische (EM), Hochfrequenz- (HF), optische (Sichtlinien-) und mechanische Technologien.
In medizinischen Anwendungen werden Systeme zur Verfolgung der Position und Orientierung dazu verwendet, einen Bediener (z. B. einen Arzt oder einen sonstigen medizinischen Experten) mit Informationen zu versorgen, um ihn bei der genauen und schnellen Positionierung einer medizinischen Vorrichtung zu unterstützen, die in einem Patientenkörper oder in der Nähe eines Patientenkörpers angeordnet wird. Im Allgemeinen kann ein Bild auf einem Monitor angezeigt werden, um Positionierungsinformationen an den Bediener zu liefern. Das Bild kann eine Visualisierung der Patientenanatomie mit einer graphischen Darstellung der medizinischen Vorrichtung, die auf dem Bild angezeigt wird, enthalten. Wenn die medizinische Vorrichtung in Bezug auf den Patientenkörper positioniert wird, wird das angezeigte Bild aktualisiert, um die genauen Vorrichtungskoordinaten wiederzugeben. Das Basisbild der Patientenanatomie kann entweder vor oder während der medizinischen Prozedur erzeugt werden. Beispielsweise können eine beliebige geeignete medizinische Bildgebungstechnik, wie beispielsweise Röntgen, Computertomographie (CT), Magnetresonanz (MR), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Ultraschall oder irgendeine sonstige geeignete Bildgebungstechnik, sowie beliebige Kombinationen von diesen dazu verwendet werden, das während der Verfolgung angezeigte Basisbild zu liefern. Nach einer Registrierung des Basisbilds in Bezug auf die Position und Orientierung des Patienten oder die Position und Orientierung eines anatomischen Merkmals oder interessierenden Bereichs liefert die Kombination aus dem Basisbild und der graphischen Darstellung der verfolgten medizinischen Vorrichtung Positions- und Orientierungsinformationen, die einem praktischen Arzt ermöglichen, die Vorrichtung durch Handhabung in eine gewünschte Position und Orientierung zu bringen.
Um die Lage der Vorrichtung zu bestimmen, können Positions- und Orientierungsverfolgungssysteme EM-Sensoren verwenden, die eine Magnetfelderzeugung und -detektion durchführen. Aus einem oder mehreren EM-Sensoren (z. B. Magnetfeldgeneratoren oder -sendern) wird wenigstens ein Magnetfeld erzeugt, und das wenigstens eine Magnetfeld wird durch einen oder mehrere ergänzende EM-Sensoren (z. B. Magnetfeldempfänger) detektiert. In einem derartigen System kann das Magnetfeld durch Messen der gegenseitigen Induktivität zwischen den EM-Sensoren erfasst werden. Die Messwerte werden verarbeitet, um eine Posi tion und Orientierung der EM-Sensoren in Bezug aufeinander zu bestimmen.
EM-Sensoren sind gewöhnlich mit Spulen realisiert, um die Magnetfelder zu erzeugen und zu erfassen. Während spulenbasierte EM-Sensoren erfolgreich eingebaut worden sind, leiden sie an einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), wenn die Senderspulenfrequenz reduziert ist und/oder das Empfängerspulenvolumen reduziert ist. Eine Reduktion des SNR wirkt sich in einem reduzierten Erfassungsbereich (Entfernung vom Sender zum Empfänger) der EM-Sensoren aus, was einen klinisch bedeutsamen Positionsfehler ergeben kann.
Ein mit Spulen basierten EM-Sensoren verbundenes Problem besteht darin, dass sie für Magnetfeldverzerrungen anfällig sind, die von Wirbelströmen in nahegelegenen leitenden Objekten herrühren. Die mit spulenbasierten EM-Sensoren verwendete Verfolgungstechnik beruht auf einem stabilen Magnetfeld oder einer bekannten Magnetfeldkarte. Deshalb reduzieren unvorhersagbare Störungen, die von metallischen Objekten in dem Magnetfeld herrühren, die Genauigkeit, oder sie können sogar die Verfolgungstechnik unbrauchbar machen. Eine Auswahl einer Magnetfeldfrequenz so niedrig, wie die Anwendung es zulässt, reduziert von Wirbelströmen resultierende Probleme, wobei sie jedoch auch die Empfindlichkeit spulenbasierter EM-Sensoren reduziert, weil diese auf einer Induktion basieren.
Andere Probleme, die mit spulenbasierten EM-Sensoren verbunden sind, bestehen darin, dass diese im Allgemeinen teuer herzustellen und auch auf parasitäre Induktivität und Kapazität von den Kabeln, Verbindern und der Elektronik inhärent empfindlich sind, weil das Sensorsignal proportional kleiner wird, während das parasitäre Signal gleich bleibt. Während einige der parasitären Beiträge durch Verwendung teurerer Kompo nenten und Herstellungsprozesse teilweise ausgelöscht werden können, hat die verbleibende Parasitärinduktivität und -kapazität einen reduzierten Erfassungsbereich zur Folge.
Zusätzlich zu spulenbasierten EM-Sensoren existiert eine große Vielfalt von magnetischen Sensoren mit unterschiedlichen Preis- und Verhaltenseigenschaften. Halleffektsensoren werden gewöhnlich dazu verwendet, Felder bis zu etwa 10^–6 Tesla hinunter zu erfassen. Diese Sensoren sind stabil, kompakt, relativ kostengünstig und weisen einen großen Dynamikbereich auf. Anisotrope magnetoresistive Sensoren (AMR-Sensoren) können Felder bis zu etwa 10^–9 Tesla detektieren. Während diese Sensoren kompakt und relativ kostengünstig sind, neigen sie in hohem Maße zum Driften und haben einen kleinen Dynamikbereich. Deshalb müssen AMR-Sensoren häufig unter Verwendung von Hochstromimpulsen neu initialisiert werden. Fluxgate-Magnetometer können Felder bis zu etwa 10^–11 Tesla detektieren. Jedoch sind diese Sensoren kostspielig, sperrig und haben einen relativ kleinen Dynamikbereich. SQUID-Magnetometer können Felder bis zu etwa 10^–15 Tesla detektieren. Diese sind ebenfalls teuer und mit wesentlichen Betriebskosten verbunden, weil sie Kryogene oder ein Hochleistungs-Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf erfordern.
Folglich besteht ein Bedarf nach einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem mit magnetoresistiven Sensoren, die einen kleinen Formfaktor, ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis, eine sehr gute Niederfrequenz-Funktionsweise, eine geringe Empfindlichkeit für parasitäre Induktivität und Kapazität, eine geringe Empfindlichkeit für Verzerrung haben und sehr kostengünstig herzustellen sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein magnetoresistiver Sensor bzw. Magnetowiderstands-Sensor zur Verwendung mit einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem auf: ein isolierendes Substrat; ein abwechselndes Muster aus einem Metallmaterial und einem Halbleitermaterial, die auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats angeordnet sind; ein Vormagnetisierungsmaterial, das über dem abwechselnden Muster aus einem Metallmaterial und einem Halbleitermaterial angeordnet ist.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein Positions- und Orientierungsverfolgungssystem auf: wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor, der an einem ortsfesten Objekt angebracht ist; wenigstens einen magnetoresistiven Sensor, der an einem Objekt angebracht ist, der verfolgt wird; und einen Prozessor, der mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor gekoppelt ist.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein Positions- und Orientierungsverfolgungssystem auf: wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor, der an einem feststehenden Objekt angebracht ist; wenigstens einen magnetoresistiven Sensor, der an einem gerade verfolgten Objekt angebracht ist; einen Prozessor, der mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor gekoppelt ist; und eine Benutzerschnittstelle, die mit dem Prozessor gekoppelt ist.
Verschiedene weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile erschließen sich für Fachleute aus den beigefügten Zeichnungen und deren detaillierter Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines magnetoresistiven Sensors;
2 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines magnetoresistiven Sensors;
3 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Positions- und Orientierungsverfolgungssystems;
4 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Positions- und Orientierungsverfolgungssystems in Gegenwart wenigstens eines Verzerrers;
5 zeigt eine graphische Darstellung eines Vergleichs des Sensorbereichs gegenüber Frequenz zwischen einem magnetoresistiven Sensor und zwei unterschiedlich bemessenen Spulen in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem.
6 zeigt einen schematisierten Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform einer elektrischen Konfiguration von magnetoresistiven Sensoren zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem; und
7 zeigt einen schematisierten Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform einer elektrischen Konfiguration von magnetoresistiven Sensoren zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, veranschaulicht 1 eine vergrößerte Draufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform eines magnetoresistiven Sensors oder Magnetowiderstands-Sensors 10. Eine magnetoresistive Vorrichtung ist eine Vorrichtung, die eine Veränderung des elektrischen Widerstands eines Leiters oder Halbleiters ergibt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Der Widerstand der Vorrichtung hängt von dem angelegten Magnetfeld ab. Wie in 2 veranschaulicht, weist der magnetoresistive Sensor 10 ein isolierendes Substrat 12, ein Wechselmuster aus einem Metallmaterial 14 und einem Halbleitermaterial 16, die auf einer Oberfläche 18 des Isoliersubstrats angeordnet sind, und ein Vormagnetisierungs-Magnetmaterial 20 auf, das über dem Wechselmuster des Metallmaterials 14 und des Halbleitermaterials 16 aufgebracht ist. 2 veranschaulicht eine vergrößerte Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines magnetoresistiven Sensors 10. Das Wechselmuster aus dem Metallmaterial 14 und dem Halbleitermaterial 16 erzeugt eine Verbundstruktur mit einander abwechselnden Bändern des Metallmaterials 14 und des Halbleitermaterials 16. Wenigstens ein Eingangsanschlusskontakt 22 ist mit dem Metallmaterial 14 verbunden, und wenigstens ein Ausgangsanschlusskontakt 24 ist mit dem Metallmaterial 14 verbunden.
Das Halbleitermaterial 16 kann in Reihe angeschlossen sein, um den Widerstand des magnetoresistiven Sensors 10 zu erhöhen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Halbleitermaterial 16 aus einem einzelnen Halbleiterelement bestehen. Das Vormagnetisierungsmaterial 20 setzt das Halbleitermaterial 16 einem Magnetfeld aus, das erforderlich ist, um eine benötigte Empfindlichkeit zu erreichen. Der magnetoresistive Sensor 10 liefert ein Signal in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Magnetfeldes. Das Magnetfeld kann ungefähr 0,1 bis 0,2 Tesla betragen.
Die Anwendung eines Magnetfeldes schränkt die Elektronen auf das Halbleitermaterial 16 ein, was zu einer vergrößerten Weglänge führt. Eine Vergrößerung der Weglänge steigert die Empfindlichkeit des magnetoresistiven Sensors 10. Das Magnetfeld erhöht auch den Widerstand des magnetoresistiven Sensors 10. In der in den 1 und 2 offenbarten Geometrie ist bei einem Null-Magnetfeld die Stromdichte durch den gesamten magnetoresistiven Sensor 10 hindurch gleichförmig. Bei einem hohen Magnetfeld breiten sich die Elektronen (oder Löcher) radial nach außen zu den Ecken des Halbleitermaterials 16 hin, was einen großen Magnetowiderstand (hohen Widerstand) zur Folge hat.
Viele neue klinische Anwendungen enthalten eine Verfolgung vielfältiger Vorrichtungen, einschließlich Katheter, Führungsdrähte und sonstiger endovaskulärer Instrumente, die es erfordern, dass die Sensoren eine sehr kleine Größe (in Millimeterdimensionen oder kleiner) haben. Der Formfaktor des magnetoresistiven Sensors 10 kann auf Größen von weniger als 0,1 mm × 0,1 mm skaliert werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der magnetoresistive Sensor mit verschiedenen Architekturen und Geometrien, einschließlich Riesenmagnetowiderstand-Sensoren (GMR-Sensoren) und außerordentlichen Magnetowiderstands-Sensoren (EMR-Sensoren), aufgebaut werden.
Der magnetoresistive Sensor 10 bietet einen sehr kleinen Formfaktor, ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis (eine rauscharme Funktionsweise) und eine hervorragende Niederfrequenzantwort. Niedriges Rauschen kombiniert mit einem weiten Dynamikbereich ermöglicht dem magnetoresistiven Sensor 10, zur Positions- und Orientierungsverfolgung eingesetzt zu werden. Die Niederfrequenzantwort des magnetoresistiven Sensors 10 ermöglicht einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem, bei sehr niedrigen Frequenzen zu arbeiten, bei denen die Metalltoleranz maximiert wird.
3 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Positions- und Orientierungsverfolgungssystems 30. Das Positions- und Orientierungsverfolgungssystem 30 kann wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 und wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 enthalten. Der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 kann verwendet werden, um eine Dimension oder mehrere Dimensionen einer Positions- und/oder Orientierungsinformation relativ zu dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 oder relativ zu einem oder mehreren magnetoresistiven Sensoren 32 zu bestimmen. Der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 und wenigstens ein magnetoresistiver Referenzsensor 34 sind mit wenigstens einem Prozessor 36 gekoppelt. Der wenigstens eine Prozessor 36 ist wiederum mit einer Benutzerschnittstelle 38 gekoppelt. Die Benutzerschnittstelle 38 kann eine Anzeige zum Anzeigen von Positions- und Orientierungsinformationen für einen Bediener enthalten.
Der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 ist an wenigstens einem Objekt, das verfolgt werden soll, angebracht. Der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 ist an einem feststehenden Objekt angebracht. Der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 kommuniziert mit und empfängt Daten von dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32. Der wenigstens eine Prozessor 36 ist mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 gekoppelt und empfängt Daten von diesen. Das Positions- und Orientierungsverfolgungssystem 30 bietet die Fähigkeit, die Position und Orientierung von mehreren Objekten, an denen die magnetoresistiven Sensoren 32 angebracht sind, zu verfolgen und anzuzeigen.
Der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 und der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 können mit dem Prozessor 36 entweder über eine festverdrahtete oder eine drahtlose Verbindung gekoppelt sein und kommunizieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 als ein Sender oder Magnetfeldgenerator konfiguriert sein, und der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 kann als ein Magnetfeldempfänger konfiguriert sein. Es sollte jedoch verständlich sein, dass gemäß abgewandelten Ausführungsformen der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 als ein Magnetfeldempfänger konfiguriert sein kann, während der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 als ein Magnetfeldgenerator konfiguriert sein kann.
In einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor 34 wenigstens ein Magnetfeld, das durch wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 erfasst wird. In einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt der wenigstens eine magnetoresistive Sensor 32 wenigstens ein Magnetfeld, das durch wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 erfasst wird.
Die Magnetfeldmesswerte können dazu verwendet werden, die Position und Orientierung der Objekte, die verfolgt werden, gemäß jedem beliebigen geeigneten Verfahren oder System zu berechnen. Nachdem die Magnetfeldmesswerte unter Verwendung einer Elektronik, die mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 verbunden ist, digitalisiert worden sind, werden die digitalisierten Signale von dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 zu dem Prozessor 36 übermittelt. Die digitalisierten Signale können von dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 zu dem Prozessor 36 unter Verwendung von drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikationsprotokollen und Schnittstellen übertragen werden. Die durch den Prozessor empfangenen digitalisierten Signale repräsentieren Magnetfeldinformationen, die durch den wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 erfasst werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform repräsentieren die durch den Prozessor 36 empfangenen digitalisierten Signale Magnetfeldinformationen von dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34, die durch den wenigstens einen oder durch wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 erfasst werden. Der Prozessor 36 berechnet Positions- und Orientierungsfinformationen der Objekte, die verfolgt werden, auf der Basis der empfangenen digitalisierten Signale.
Der Prozessor 36 empfängt und/oder übermittelt digitalisierte Signale von wenigstens einem magnetoresistiven Referenzsensor 34 oder wenigstens einem magnetoresistiven Sensor 32. Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können die digitalisierten Signale von dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 oder wenigstens einem magnetoresistiven Sensor 32 zu dem Prozessor 36 unter Verwendung alternativer drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationsprotokolle und -schnittstellen übermittelt werden.
Die Positions- und Orientierungsinformationen können zu der Benutzerschnittstelle 38 zur Durchsicht durch den Bediener übermittelt werden.
Der Prozessor 36 ist prinzipmäßig dargestellt und kann unter Verwendung jeder Kombination von dedizierten Hardwareplatinen, digitalen Signalprozessoren, feldprogrammierbaren Logikgattern und Prozessoren implementiert sein. Beispielsweise kann der Prozessor 36 einen Speicher enthalten, der entweder ein flüchtiges oder ein nichtflüchtiges Medium sein kann. Zusätzlich kann der Prozessor ferner entweder auswechselbare oder nicht wechselbare Speichermedien enthalten. Alternativ kann der Prozessor 36 unter Verwendung eines serienmäßigen Standardcomputers mit einem einzelnen Prozessor oder mehreren Prozessoren mit zwischen den Prozessoren verteilten Funktionsoperationen implementiert sein.
Ein beispielhaftes System zur Implementierung des Prozessors 36 und/oder der Benutzerschnittstelle 38 kann eine Universalzweck-Rechenvorrichtung in Form eines Computers enthalten, die eine Verarbeitungseinheit, einen Systemspeicher und einen Systembus enthält, der verschiedene Systemkomponenten, einschließlich des Systemspeichers, mit der Verarbeitungseinheit verbindet. Der Systemspeicher kann einen Festwertspeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) enthalten. Der Computer kann ferner ein magnetisches Festplattenlaufwerk zum Lesen aus und Schreiben auf eine magnetische Festplatte, ein Magnetplattenlaufwerk zum Lesen von oder Schreiben auf eine wechselbare Magnetplatte und ein optisches Plattenlaufwerk zum Lesen von oder Schreiben auf eine wechselbare optische Platte, wie beispielsweise eine CD-ROM oder ein sonstiges optisches Medium, enthalten. Die Laufwerke und ihre zugehörigen maschinenlesbaren Medien ergeben nicht flüchtige Speicher für Maschinen ausführbare Instruktionen, Datenstrukturen, Programmmodule und weitere Daten für den Computer.
4 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Positions- und Orientierungsver folgungssystems 30 in Gegenwart wenigstens eines Verzerrers 40. Der wenigstens eine Verzerrer 40 kann die Magnetfelder verzerren und somit die Messungen der Position und Orientierung der gerade verfolgten Objekte versetzen oder schräg verschieben.
Wirbelströme, die mit dem wenigstens einen Verzerrer 40 in der Nähe des Positions- und Verfolgungssystems 30 in Zusammenhang stehen, können deutliche Verzerrungen des Magnetfeldes hervorrufen, die wesentliche Fehler in der berechneten Position und Orientierung des Positions- und Orientierungsverfolgungssystems 30 zur Folge haben. Diese Verzerrungen können selbst in relativ nahen Bereichen bedeutende Fehler ergeben.
Die Verwendung von magnetoresistiven Sensoren in dem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem ermöglicht deutliche Verbesserungen der Unanfälligkeit für Störungen aufgrund von metallischen Objekten im Vergleich zu den herkömmlichen elektromagnetischen Positions- und Orientierungsverfolgungssystemen nach dem Stand der Technik. Magnetoresistive Sensoren haben eine hervorragende rauscharme Antwort, die von stationären Magnetfeldern (Gleichstrommagnetfeldern) bis zu Frequenzen von hunderten von kHz reicht. Das Niederfrequenzverhalten ermöglicht den von dem Sender erzeugten Magnetfeldern, bei Frequenzen zu oszillieren, die hinreichend klein sind, um deutliche Störungen aufgrund von in metallischen Objekten induzierten Wirbelströmen zu vermeiden. Frequenzen, die kleiner sind als 100 Hz, zeigen deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Toleranz gegenüber von metallischen Objekten ausgehenden Verzerrungen.
Folglich kann ein auf einem Magnetowiderstand basierendes EM-Verfolgungssystem unter Verhältnissen hinreichend kleiner Frequenz betrieben werden, um mit Wirbelströmen verbundene Po sitionsfehler zu minimieren, während weiterhin ein klinisch sinnvoller Bereich in stark eingeschränkten Geometrien, wie beispielsweise Führungsdrähten, Kathetern, Nadeln und sonstigen endovaskulären medizinischen Vorrichtungen, aufrechterhalten wird.
5 veranschaulicht eine graphische Darstellung eines Vergleichs 50 des Sensorbereichs gegenüber Frequenz zwischen einem magnetoresistiven Sensor 52 und zwei unterschiedlich bemessenen Spulen 54, 56 in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem.
Im Vergleich zu einem spulenbasierten EM-Sensor erfordert ein magnetoresistiver Sensor keinen unerwünschten Kompromiss zwischen der Senderfrequenz, dem Spulenvolumen und dem maximalen Bereich, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Folglich kann ein magnetoresistiver Sensor, der in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem eingesetzt wird, bei Frequenzen betrieben werden, die hinreichend gering sind, um Positions- und Orientierungsfehler, die mit Wirbelströmen im Zusammenhang stehen, zu minimieren, während ein klinisch nützlicher Bereich in stark eingeschränkten Geometrien, wie beispielsweise Führungsdrähten, Kathetern und anderen endovaskulären medizinischen Vorrichtungen, weiterhin aufrechterhalten wird.
Magnetoresistive Sensoren sind an sich unabhängig von der Frequenz und können auf Größen von weniger als 0,1 mm × 0,1 mm ohne merklichen Verlust an Signalwidergabegüte verkleinert werden.
Ein auf einem Magnetowiderstands-Sensor basierendes Positions- und Orientierungsverfolgungssystem, das eine phasenempfindliche Detektion nutzt, ist gegenüber parasitären Induktivitäten und Kapazitäten von Kabeln, Verbindern, der Auslese elektronik oder von sonstigen Quellen viel weniger empfänglich. Repräsentative Konfigurationen sind in den 6 und 7 veranschaulicht. 6 veranschaulicht ein schematisiertes Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer elektrischen Konfiguration von magnetoresistiven Sensoren zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem. In dieser Konfiguration wird eine Gleichstrom-Wheatstone-Viertelbrücke 60 verwendet, um ein Wechselstrom-Magnetfeld von einem Sender 62 zu detektieren. Wie in der Technik bekannt, wird häufig eine abgeglichene Wheatstone-Brücke verwendet, um kleine Veränderungen der Widerstände zu messen. Durch Verwendung einer phasenempfindlichen Detektion kann die Realkomponente des Ausgangs des magnetoresistiven Sensors 64 selbst in Gegenwart eines großen parasitären Beitrags gesondert bestimmt werden.
Der Sender 62 ist bei einer Frequenz w betrieben. An die Brücke 60 wird eine Gleichspannungs-Vorspannung V₀ angelegt. Der Nullwiderstand wird abgestimmt, um die Gleichspannung zu minimieren. Die Phasenverschiebung wird durch Messen des Ausgangssignals bei der Nullbrückenvorspannung bestimmt. Jedes Signal muss einer parasitären Induktivität und Kapazität zugeordnet werden. Die Phase wird geeignet angepasst. Ein Einfangverstärker wird verwendet, um die Wechselspannung bei der Referenzfrequenz zu messen. Die Realkomponente ist das Wechselstrom-Magnetfeld. Die Imaginärkomponente ist die parasitäre Induktivität und Kapazität.
7 zeigt ein schematisiertes Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer elektrischen Konfiguration von magnetoresistiven Sensoren zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem. In dieser Konfiguration wird eine Wheatstone’sche Gleichstrom-Vollbrücke 70 verwendet, um ein Wechselstrom-Magnetfeld von einem Sender 72 zu erfassen. Wie in der Technik bekannt ist, wird häufig eine abgeglichene Wheatstone-Brücke verwendet, um kleine Veränderungen der Widerstände zu messen. Durch Verwendung phasenempfindlicher Detektion kann die Realkomponente der magnetoresistiven Sensoren selbst in Gegenwart eines großen parasitären Beitrags gesondert bestimmt werden.
Sensoren 74, 75, 76, 77 sind an allen Armen der Brücke vorgesehen. Die Sensoren 74, 77 in dem oberen linken und unteren rechten Arm sind negativ vorgespannt. Ein positives Magnetfeld führt zu einer negativen Widerstandsänderung. Die Sensoren 75, 76 in dem unteren linken und oberen rechten Arm sind positiv vorgespannt. Ein positives Magnetfeld führt zu einer positiven Änderung des Widerstands.
Die Vorteile der Verwendung der Vollbrücke im Vergleich zu der Viertelbrücke liegen darin, dass die Vollbrücke einen höheren Signalpegel ergibt und für Temperaturdrifts weniger empfänglich ist. Die Nachteile der Verwendung der Vollbrücke im Vergleich zu der Viertelbrücke liegen in der größeren Anschlussfläche der Vollbrücke und darin, dass sie schwieriger herzustellen ist.
Die Vorteile der Verwendung magnetoresistiver Sensoren zur Positions- und Orientierungsbestimmung liegen darin, dass die magnetoresistiven Sensoren sehr geringe Herstellungskosten, einen sehr kleinen Formfaktor, ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis für eine Größe und auf der Basis von Wheatstone-Brücken-Konstruktionen sowie einen Niederfrequenzbetrieb ergeben, der eine geringe Empfindlichkeit auf eine Verzerrung ergibt.
Die vorstehend Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschrei bung dargelegt worden. Es besteht keine Absicht, dass diese erschöpfend sein soll oder dass die Erfindung auf die genaue Form, wie sie offenbart ist, beschränkt sein soll, so dass Modifikationen und Veränderungen im Lichte der obigen Lehre möglich und durch Ausführen der Erfindung geschaffen werden können. Die Ausführungsformen sind ausgewählt und beschrieben worden, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für den speziellen vorgesehenen Einsatz geeignet sind, zu verwenden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass bestimmte Ersetzungen, Modifikationen und Weglassungen an den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen der Offenbarung abgewichen wird. Demgemäß soll die vorstehende Beschreibung lediglich beispielhafter Natur sein und sollte den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen angegeben ist, nicht beschränken.
Ein magnetoresistiver Sensor 10 zur Verwendung in einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem 30 enthält ein isolierendes Substrat 12, ein Muster aus einem Metallmaterial 14 und/oder einem Halbleitermaterial 16, die auf einer Oberfläche 18 des isolierenden Substrats 12 aufgebracht sind, und ein Vormagnetisierungsmaterial 20, das über dem Wechselmuster aus einem Metallmaterial 14 und einem Halbleitermaterial 16 aufgebracht ist. Das Positions- und Orientierungsverfolgungssystem 30 enthält wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34, der an einem ortsfesten Objekt angebracht ist, wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32, der an einem zu verfolgenden Objekt angebracht ist, und einen mit dem wenigs tens einen magnetoresistiven Referenzsensor 34 und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor 32 gekoppelten Prozessor 36.

10: Magnetoresistiver Sensor
12: Isolierendes Substrat
14: Metallmaterial
16: Halbleitermaterial
18: Oberfläche
20: Vormagnetisierungsmaterial
22: Eingangsanschlusskontakt
24: Ausgangsanschlusskontakt
30: Positions- und Orientierungsverfolgungssystem
32: Magnetoresistiver Sensor
34: Magnetoresistiver Referenzsensor
36: Prozessor
38: Benutzerschnittstelle
40: Verzerrer
50: Graphische Darstellung des Bereichs gegenüber Frequenz
52: Magnetoresistiver Sensor
54: Elektromagnetischer Spulensensor
56: Elektromagnetischer Spulensensor
60: Wheatstone’sche Gleichstrom-Virtelbrückenschaltung
62: Sender
64: Magnetoresistiver Sensor
70: Wheatstone’sche Gleichstrom-Vollbrückenschaltung
72: Sender
74: Magnetoresistiver Sensor
75: Magnetoresistiver Sensor
76: Magnetoresistiver Sensor
77: Magnetoresistiver Sensor

Claims

Magnetoresistiver Sensor (10) zur Verwendung mit einem Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30), der aufweist: ein isolierendes Substrat (12); ein abwechselndes Muster aus einem Metallmaterial (14) und einem Halbleitermaterial (16), die auf einer Oberfläche (18) des isolierenden Substrats (12) aufgebracht sind; und ein Vormagnetisierungsmaterial (20), das über dem abwechselnden Muster aus einem Metallmaterial (14) und einem Halbleitermaterial (16) aufgebracht ist.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, der ferner wenigstens einen Eingangsanschlusskontakt (22) aufweist, der mit dem Metallmaterial (14) gekoppelt ist.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, der ferner wenigstens einen Ausgangsanschlusskontakt (24) aufweist, der mit dem Metallmaterial (14) gekoppelt ist.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial (16) in Reihe angeschlossen ist, um den Widerstand des magnetoresistiven Sensors (10) zu erhöhen.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial (16) aus einem einzelnen Halbleiterelement besteht.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Vormagnetisierungsmaterial (20) das Halbleitermaterial (16) einem Magnetfeld aussetzt.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 6, wobei der magnetoresistive Sensor (10) ein Signal als Antwort auf eine Stärke und eine Richtung des Magnetfeldes liefert.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 6, wobei das Magnetfeld den Widerstand des magnetoresistiven Sensors (10) erhöht.
Magnetoresistiver Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei der magnetoresistive Sensor (10) eine Größe von etwa 0,1 mm × 0,1 mm aufweist.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30), das aufweist: wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34), der an einem ortsfesten Objekt angebracht ist; wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32), der an einem verfolgten Objekt angebracht ist; und einen Prozessor (36), der mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34) und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32) gekoppelt ist.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 10, wobei der Prozessor (36) die Position und Orientierung des verfolgten Objektes berechnet.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 10, das ferner eine Benutzerschnittstelle (38) aufweist, die mit dem Prozessor (36) gekoppelt ist.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 12, wobei die Benutzerschnittstelle (38) eine Visualisierung der Positions- und Orientierungsdaten für einen Bediener ermöglicht.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor (34) und der wenigstens eine magnetoresistive Sensor (32) durch die Gegenwart eines metallischen Verzerrers (40) innerhalb des Positions- und Orientierungsverfolgungssystems (30) unbeeinflusst sind.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30), das aufweist: wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34), der an einem ortsfesten Objekt angebracht ist; wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32), der an einem Objekt, das verfolgt wird, angebracht ist; einen Prozessor (36), der mit dem wenigstens einen magnetoresistiven Referenzsensor (34) und dem wenigstens einen magnetoresistiven Sensor (32) gekoppelt ist; und eine Benutzerschnittstelle (38), die mit dem Prozessor (36) gekoppelt ist.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 15, wobei der Prozessor (36) Positions- und Orientierungsdaten des Objektes, das verfolgt wird, berechnet.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 15, wobei die Benutzerschnittstelle (38) eine Visualisierung der Positions- und Orientierungsdaten für einen Bediener liefert.
Positions- und Orientierungsverfolgungssystem (30) nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine magnetoresistive Referenzsensor (35) und der wenigstens eine magnetoresistive Sensor (32) durch die Gegenwart eines metallischen Verzerrers (40) innerhalb des Positions- und Orientierungsverfolgungssystems (30) unbeeinflusst sind.