自1990年代發(fā)明到2000年代后期的廣泛采用，電磁導(dǎo)航（EMN）已成為手術(shù)導(dǎo)航的明智選擇，并已在介入性支氣管鏡、泌尿外科、神經(jīng)外科和心臟病學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

設(shè)計合理的EMN系統(tǒng)可提供許多優(yōu)點：能夠以光學(xué)跟蹤的精度進行定位，而無需視域；提供透視檢查的便利；可用于患者體內(nèi)的可視化，而無需應(yīng)用電離輻射；不會使患者暴露在比超聲波更有害的能量場中。

一個在導(dǎo)管尖端嵌入電磁（EM）傳感器的例子

圖片來源：Intricon

工作原理

EMN依靠參考磁場進行傳感器的相對定位。該磁場由經(jīng)過校準(zhǔn)的磁場發(fā)生器提供，投射出一個在空間中不均勻的、已知幾何形狀的磁場。EMN傳感器必須（間接）記錄其所處位置的磁場，進而轉(zhuǎn)換成位置信息。

雖然有多種EMN傳感器（如磁通門和無線傳感器）供選，但有線感應(yīng)傳感器在介入性臨床應(yīng)用中使用最為廣泛。（由于醫(yī)療器械的尺寸和相對復(fù)雜性，磁通門傳感器尚未在臨床應(yīng)用中廣泛采用。而無線傳感器所用的傳感器必須兼做接收器和發(fā)射器。這些傳感器較大的尺寸加上外部驅(qū)動系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性限制了手術(shù)應(yīng)用。）

為了邏輯連續(xù)性和數(shù)學(xué)美學(xué)，法拉第定律的完整形式如下所示：

法拉第定律可以通過斯托克斯（Stokes）定理簡化為以下形式，其中?是垂直于感應(yīng)傳感器繞組的磁通分量，磁通則寬泛地定義為磁場和橫截面積的乘積：

生產(chǎn)的傳感器可以兼容商用交流磁場發(fā)生器系統(tǒng)，如Northern Digital, Inc.（NDI）、Quadrant Scientific、Radwave Technologies和Polyhemus的系統(tǒng)，以及各個OEM醫(yī)療器械公司及其設(shè)計師開發(fā)的定制系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)通過精心布置的磁場線圈提供了空間映射的交流磁場，雖然具體的磁場線圈布置和定位方法是專有的，但是這些系統(tǒng)之間有小一些通用的工作原理。

傳感器設(shè)計基本知識

任何定制EMN傳感器的目標(biāo)都是在盡可能小的包絡(luò)尺寸中提供最終信號完整性。對于實際的EM傳感器應(yīng)用，最大限度地提高線圈中的感應(yīng)電壓是有益的，可以盡可能增大信噪比和提高定位精度。相關(guān)的術(shù)語是靈敏度，即承受標(biāo)準(zhǔn)頻率的單位交流磁場時線圈產(chǎn)生的電壓幅值。

通過增加繞組的數(shù)量（從而增大磁場穿過的有效橫截面積）或直接增大傳感器磁芯的直徑，可以輕松地提高靈敏度。

然而，這些方法都存在局限性。無限制地增大傳感器的物理尺寸很難兼容大多數(shù)介入設(shè)備的狹小工作通道，因此必須采用其他方法來提高線圈的靈敏度。

電磁兼容的完整設(shè)備設(shè)計

電磁傳感器在介入設(shè)備中無縫集成可以實現(xiàn)最佳性能。醫(yī)療器械制造商通常需要與專門從事電磁和物理設(shè)計的制造專家合作，他們可以提供全尺寸設(shè)備（完整的“從頭到腳”的解決方案），以實現(xiàn)所需的電磁和臨床性能。

設(shè)計過程中必須包括對成品設(shè)備中磁性組件的敏銳意識。這種設(shè)計意識對于設(shè)備性能至關(guān)重要，因為磁性組件會扭曲磁場發(fā)生器提供的參考磁場，從而降低了定位精度。鑒于現(xiàn)代介入設(shè)備中存在的大量金屬部件，減少磁干擾是很困難的。

盡管EMN組件在介入設(shè)備中有許多優(yōu)勢，但需要嚴(yán)謹(jǐn)優(yōu)化設(shè)備中的EM傳感器才能實現(xiàn)最大的性能。一體適用的通用解決方案很少能反應(yīng)特定臨床應(yīng)用的復(fù)雜性，也無法在現(xiàn)代介入設(shè)備中自動提供最佳性能。

醫(yī)療器械制造商需要選擇在傳感器和整個設(shè)備合集方面都具有豐富經(jīng)驗的開發(fā)和制造合作伙伴，后者應(yīng)了解每個客戶、設(shè)備和EMN應(yīng)用的獨特性。

來源：Medtec醫(yī)療器械設(shè)計與制造