自1990年代發明到2000年代后期的廣泛采用，電磁導航（EMN）已成為手術導航的明智選擇，并已在介入性支氣管鏡、泌尿外科、神經外科和心臟病學領域廣泛應用。
設計合理的EMN系統可提供許多優點：能夠以光學跟蹤的精度進行定位，而無需視域；提供透視檢查的便利；可用于患者體內的可視化，而無需應用電離輻射；不會使患者暴露在比超聲波更有害的能量場中。
一個在導管尖端嵌入電磁（EM）傳感器的例子
圖片來源：Intricon
不同于依靠背散射輻射的其他導航技術，EMN采用了被動測量方案。手術相關區域在空間不均勻的磁場中飽和，從而有效地充當無形和生物安全的x-y-z坐標網格。這個網格內的微型傳感器會檢測和傳輸其精確位置的相關信息，然后由外部計算機系統進行處理。
由于EMN只會記錄電磁（EM）傳感器的點位置，因此通常會與其他可視化系統結合使用。
在臨床應用中，傳感器的位置（通常放置在介入設備中）經常以圖形方式疊加在患者的3D術前掃描上。通過這種方式，可實時可視化患者解剖結構中介入設備。
工作原理
EMN依靠參考磁場進行傳感器的相對定位。該磁場由經過校準的磁場發生器提供，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，但有線感應傳感器在介入性臨床應用中使用最為廣泛。（由于醫療器械的尺寸和相對復雜性，磁通門傳感器尚未在臨床應用中廣泛采用。而無線傳感器所用的傳感器必須兼做接收器和發射器。這些傳感器較大的尺寸加上外部驅動系統的尺寸和復雜性限制了手術應用。）
有線感應傳感器由一個或多個纏繞在實心或空心磁芯上的繞組組成，并引出到雙絞線上進行信號傳輸。
根據法拉第定律可以感應到電信號，即任何受到變化磁場影響的閉合路徑中都會產生電動勢（或電壓）。這種情況下，閉合路徑是由感應傳感器的電線繞接構成的，也是電流流動的管道。
為了邏輯連續性和數學美學，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：
生產的傳感器可以兼容商用交流磁場發生器系統，如Northern Digital, Inc.（NDI）、Quadrant Scientific、Radwave Technologies和Polyhemus的系統，以及各個OEM醫療器械公司及其設計師開發的定制系統。
這些系統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，但是這些系統之間有小一些通用的工作原理。
由于磁場的強度會隨著與磁場線圈距離的立方而衰減，因此傳感器內的磁場強度（和感應電壓）可以作為傳感器與磁場線圈距離的指標。
有不同的3D定位方法，其中一些方法包括對空間距離較遠的線圈發送脈沖，以實現三角測量，或通過沿不同坐標的勵磁。Intricon線圈可以兼容這兩種定位方案，并且可以進行定制，以在自定義定位空間內執行。
傳感器設計基本知識
任何定制EMN傳感器的目標都是在盡可能小的包絡尺寸中提供最終信號完整性。對于實際的EM傳感器應用，最大限度地提高線圈中的感應電壓是有益的，可以盡可能增大信噪比和提高定位精度。相關的術語是靈敏度，即承受標準頻率的單位交流磁場時線圈產生的電壓幅值。
通過增加繞組的數量（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介入設備的狹小工作通道，因此必須采用其他方法來提高線圈的靈敏度。
電磁兼容的完整設備設計
電磁傳感器在介入設備中無縫集成可以實現最佳性能。醫療器械制造商通常需要與專門從事電磁和物理設計的制造專家合作，他們可以提供全尺寸設備（完整的“從頭到腳”的解決方案），以實現所需的電磁和臨床性能。
設計過程中必須包括對成品設備中磁性組件的敏銳意識。這種設計意識對于設備性能至關重要，因為磁性組件會扭曲磁場發生器提供的參考磁場，從而降低了定位精度。鑒于現代介入設備中存在的大量金屬部件，減少磁干擾是很困難的。
盡管EMN組件在介入設備中有許多優勢，但需要嚴謹優化設備中的EM傳感器才能實現最大的性能。一體適用的通用解決方案很少能反應特定臨床應用的復雜性，也無法在現代介入設備中自動提供最佳性能。
醫療器械制造商需要選擇在傳感器和整個設備合集方面都具有豐富經驗的開發和制造合作伙伴，后者應了解每個客戶、設備和EMN應用的獨特性。
來源：Medtec醫療器械設計與制造
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原文始發于微信公眾號（艾邦醫用高分子）：一文了解導管及內鏡電磁導航技術的設計