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(jì)合理的EMN系統(tǒng)可提供許多優(yōu)點(diǎn)：能夠以光學(xué)跟蹤的精度進(jìn)行定位，而無(wú)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(wú)需應(yīng)用電離輻射；不會(huì)使患者暴露在比超聲波更有害的能量場(chǎng)中。
一個(gè)在導(dǎo)管尖端嵌入電磁（EM）傳感器的例子
圖片來(lái)源：Intricon
不同于依靠背散射輻射的其他導(dǎo)航技術(shù)，EMN采用了被動(dòng)測(cè)量方案。手術(shù)相關(guān)區(qū)域在空間不均勻的磁場(chǎng)中飽和，從而有效地充當(dāng)無(wú)形和生物安全的x-y-z坐標(biāo)網(wǎng)格。這個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的微型傳感器會(huì)檢測(cè)和傳輸其精確位置的相關(guān)信息，然后由外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。
由于EMN只會(huì)記錄電磁（EM）傳感器的點(diǎn)位置，因此通常會(huì)與其他可視化系統(tǒng)結(jié)合使用。在臨床應(yīng)用中，傳感器的位置（通常放置在介入設(shè)備中）經(jīng)常以圖形方式疊加在患者的3D術(shù)前掃描上。通過(guò)這種方式，可實(shí)時(shí)可視化患者解剖結(jié)構(gòu)中介入設(shè)備。
一、工作原理
EMN依靠參考磁場(chǎng)進(jìn)行傳感器的相對(duì)定位。該磁場(chǎng)由經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的磁場(chǎng)發(fā)生器提供，投射出一個(gè)在空間中不均勻的、已知幾何形狀的磁場(chǎng)。EMN傳感器必須（間接）記錄其所處位置的磁場(chǎng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成位置信息。
雖然有多種EMN傳感器（如磁通門和無(wú)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(duì)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(wú)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(dòng)系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性限制了手術(shù)應(yīng)用。）
有線感應(yīng)傳感器由一個(gè)或多個(gè)纏繞在實(shí)心或空心磁芯上的繞組組成，并引出到雙絞線上進(jìn)行信號(hào)傳輸。根據(jù)法拉第定律可以感應(yīng)到電信號(hào)，即任何受到變化磁場(chǎng)影響的閉合路徑中都會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（或電壓）。這種情況下，閉合路徑是由感應(yīng)傳感器的電線繞接構(gòu)成的，也是電流流動(dòng)的管道。
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(guò)斯托克斯（Stokes）定理簡(jiǎn)化為以下形式，其中Ø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(chǎng)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(chǎng)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(gè)OEM醫(yī)療器械公司及其設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)的定制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過(guò)精心布置的磁場(chǎng)線圈提供了空間映射的交流磁場(chǎng)，雖然具體的磁場(chǎng)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。
由于磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)隨著與磁場(chǎng)線圈距離的立方而衰減，因此傳感器內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（和感應(yīng)電壓）可以作為傳感器與磁場(chǎng)線圈距離的指標(biāo)。有不同的3D定位方法，其中一些方法包括對(duì)空間距離較遠(yuǎn)的線圈發(fā)送脈沖，以實(shí)現(xiàn)三角測(cè)量，或通過(guò)沿不同坐標(biāo)的勵(lì)磁。Intricon線圈可以兼容這兩種定位方案，并且可以進(jìn)行定制，以在自定義定位空間內(nèi)執(zhí)行。
二、傳感器設(shè)計(jì)基本知識(shí)
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(hào)完整性。對(duì)于實(shí)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(yǔ)是靈敏度，即承受標(biāo)準(zhǔn)頻率的單位交流磁場(chǎng)時(shí)線圈產(chǎn)生的電壓幅值。
通過(guò)增加繞組的數(shù)量（從而增大磁場(chǎng)穿過(guò)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(wú)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(lái)提高線圈的靈敏度。
三、電磁兼容的完整設(shè)備設(shè)計(jì)
電磁傳感器在介入設(shè)備中無(wú)縫集成可以實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)所需的電磁和臨床性能。
設(shè)計(jì)過(guò)程中必須包括對(duì)成品設(shè)備中磁性組件的敏銳意識(shí)。這種設(shè)計(jì)意識(shí)對(duì)于設(shè)備性能至關(guān)重要，因?yàn)榇判越M件會(huì)扭曲磁場(chǎng)發(fā)生器提供的參考磁場(chǎng)，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(shì)，但需要嚴(yán)謹(jǐn)優(yōu)化設(shè)備中的EM傳感器才能實(shí)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(wú)法在現(xiàn)代介入設(shè)備中自動(dòng)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(gè)設(shè)備合集方面都具有豐富經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和制造合作伙伴，后者應(yīng)了解每個(gè)客戶、設(shè)備和EMN應(yīng)用的獨(dú)特性。
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