CN109922752B - 电磁导航天线组件和包括该组件的电磁导航*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于辐射至少一个电磁场以用于电磁导航的天线组件，和包括这样的天线组件的电磁导航***。所述天线组件包括基板和平面天线，所述平面天线包括迹线，所述迹线沉积在所述基板上并以多个环布置。相邻的所述环对之间的相应距离在从最内环到最外环的方向增加。

Description

电磁导航天线组件和包括该组件的电磁导航***

背景技术

技术领域

本公开涉及用于电磁导航的天线组件和用于设计此类天线组件的方法。更具体地讲，本公开涉及用于辐射电磁场以用于电磁导航的天线组件、包括此类天线组件的电磁导航***和设计此类天线组件的计算机实现的方法。

相关领域

通过实现在医疗设备位于患者体内时准确地确定该设备的位置和/或取向，电磁(EM)导航(EMN)有助于扩展医疗成像、诊断、预后和治疗能力。其中采用了EMN的医疗规程的一个示例是ELECTROMAGNETIC NAVIGATION

(ENB^TM)(

(ENB^TM))，其包括规划阶段和导航阶段。在规划阶段期间，患者胸部计算的层析(CT)扫描用于生成患者的虚拟三维支气管标测图和用于导航阶段规划的路径。在导航阶段期间，天线组件在患者的整个胸部辐射电磁场，医师将感测辐射的电磁场的电磁传感器***患者的气道中，并且计算设备基于感测的电磁场的特性确定电磁传感器的位置和/或取向(例如，相对于规划的路径)。

为了实现准确确定传感器的位置和/或取向，在相应传感器的位置处生成电磁场测量的详细标测。然而生成这样的标测，需要在预期电磁体积内在许多(例如，成千上万个或更多)位置处进行精确的电磁场测量，这是个费力而耗时的过程，在一些情况下，该过程需要昂贵的机器。

生成电磁场标测的负担在采用多个天线组件的情况下增加。例如，为了使得电磁传感器能够到达患者身体的更深部分，并且/或者在后续医疗规程期间保留在体内而不干扰另外的医疗设备，可能期望采用小电磁传感器，诸如单线圈电磁传感器。然而，为了在保持确定传感器的多个(例如，六个)自由度的能力的同时为EMN采用小电磁传感器，可能需要多个天线组件以增加要感测的辐射的电磁场数。在这样的情况下，可能需要为每个天线组件设计进行上述详尽的标测规程。此外，考虑到来自制造的潜在变型，甚至可能需要为特定天线组件设计(即，制造的每个单独天线组件)的每个实例完成标测规程。

考虑到前述内容，存在对于改进电磁导航天线组件和用于设计此类天线组件的方法的需要。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了用于辐射至少一个电磁场以用于电磁导航的天线组件。天线组件包括基板和平面天线，该平面天线包括迹线，该迹线沉积在基板上并以多个环布置。相邻的环对之间的相应距离在从最内环到最外环的方向增加。

在本公开的另一方面，环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。例如，在一些方面，环中的每个包括四个直线部分和四个顶点。

在本公开的另外方面，顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，四条对角线平分对应于平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

在本公开的又一方面，天线组件还包括连接器，其具有至少两个端子，并且迹线具有分别耦合至两个端子的两端。

在本公开的另一方面，天线组件包括多根平面天线，并且多根平面天线中的每根包括相应迹线，其沉积在基板上并以相应环组布置。对于平面天线中的每根，相应平面天线的相邻环对之间的相应距离在从最内环到最外环的方向增加。

在本公开的另一方面，基板包括多个层和平面天线，并且多根平面天线中的每根沉积在层中的相应一个上。

在本公开的另一方面，平面天线中的每根包括相同的环数。

在本公开的另一方面，环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

在本公开的另一方面，平面天线相对于基板的平面具有相应质心，这些质心设置在彼此不同的相应位置中。

根据本公开的另一个方面，提供了电磁导航***。***包括天线组件、驱动天线组件的交流(AC)电流驱动器、导管、电磁传感器、处理器和存储器。天线组件包括基板和平面天线并且被配置成辐射电磁场。平面天线包括迹线，其沉积在基板上并且以多个环布置。相邻的环对之间的相应距离在从环中的最内侧一个到环中的最外侧一个的方向增加。电磁传感器固定至导管并且被配置成基于辐射的电磁场接收信号。存储器包括指令，当由处理器执行时，该指令致使处理器基于接收的信号计算电磁传感器的位置和/或取向。

在本公开的另一方面，环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。例如，在一些方面，环中的每个包括四个直线部分和四个顶点。

在本公开的另外方面，顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，四条对角线平分对应于平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

在本公开的又一方面，天线组件还包括连接器，其具有至少两个端子，并且迹线具有分别耦合至两个端子的两端。

在本公开的另一方面，天线组件包括多根平面天线，平面天线中的每根包括相应迹线，其沉积在基板上并以相应环组布置。对于平面天线中的每根，相邻的环对之间的相应距离在从相应平面天线的环中的最内侧一个到环中的最外侧一个的方向增加。

在本公开的另一方面，基板包括多个层，并且平面天线中的每根沉积在多个层中的相应层上。

在本公开的另一方面，平面天线中的每根包括相同的环数。

在本公开的另一方面，平面天线中的每根的环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

在本公开的另一方面，多根平面天线相对于基板的平面分别具有多个质心，这些质心设置在彼此不同的相应位置中。

根据本公开的另一方面，提供了用于辐射多个电磁场以用于电磁导航的天线组件。天线组件包括基板和多组平面天线。基板包括多个层，并且平面天线中的每根包括相应的迹线，该迹线沉积在多个层中的相应层上并以相应的环数布置。平面天线组中的每个包括第一平面天线、第二平面天线和第三平面天线。对于平面天线的组中的每个：(1)第一平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分；(2)第二平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分并且长于第一线性部分；(3)第三平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分并且长于第一线性部分；(4)第二平面天线的最内环的第一线性部分大致平行于第一平面天线的最内环的第一线性部分；并且(5)第三平面天线的最内环的第一线性部分大致平行于第一平面天线的最内环的第二线性部分。

在本公开的另一方面，对于平面天线中的每根，多个环中的相邻环之间的相应距离在从多个环中的最内环到多个环中的最外环的方向增加。

在本公开的另外的方面，每个组的第一平面天线的相应最内环以彼此不同的相应角度定位在多个层中的相应层上。

在本公开的又一方面，多个环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

在本公开的另一方面，对于多根平面天线中的每根平面天线，多个顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，四条对角线平分对应于多根平面天线的相应平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

在本公开的另外的方面，多根平面天线的多个顶点中的相应最外顶点与基板的边缘相距不超过预定的阈值。

在本公开的又一方面，平面天线相对于基板的平面具有相应质心，这些质心彼此不同。

在本公开的另一方面，平面天线中的每根包括相同的环数。

在本公开的另外的方面，平面天线的组数为至少三个。

在本公开的再一方面，天线组件还包括连接器，其具有多个端子，并且多根平面天线的相应迹线中的每个耦合到多个端子中的相应端子。

根据本公开的另一方面，提供了电磁导航***，该***包括天线组件、导管、电磁传感器、处理器和存储器。天线组件被配置成辐射电磁场并且包括基板和多组平面天线。基板包括多个层，并且平面天线中的每根包括相应的迹线，该迹线沉积在多个层中的相应层上并以相应的环数布置。平面天线组中的每个包括第一平面天线、第二平面天线和第三平面天线。对于多组平面天线中的每个：(1)第一平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分；(2)第二平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分并且长于第一线性部分；(3)第三平面天线的最内环具有第一线性部分和第二线性部分，第二线性部分大致垂直于第一线性部分并且长于第一线性部分；(4)第二平面天线的最内环的第一线性部分大致平行于第一平面天线的最内环的第一线性部分；并且(5)第三平面天线的最内环的第一线性部分大致平行于第一平面天线的最内环的第二线性部分。电磁传感器固定至导管并且被配置成基于辐射的电磁场接收一个或多个信号。存储器包括指令，当由处理器执行时，该指令致使处理器基于接收的信号计算电磁传感器的位置和/或取向。

在本公开的另一方面，对于平面天线中的每根，多个环中的相邻环之间的相应距离在从多个环中的最内环到多个环中的最外环的方向增加。

在本公开的另外的方面，每个组的第一平面天线的相应最内环以彼此不同的相应角度定位在多个层中的相应层上。

在本公开的又一方面，多个环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

在本公开的另一方面，对于多根平面天线中的每根平面天线，多个顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，四条对角线平分对应于多根平面天线的相应平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

在本公开的另外的方面，多根平面天线的多个顶点的相应最外顶点与基板的边缘相距不超过预定的阈值。

在本公开的又一方面，多根平面天线相对于基板的平面具有多个相应质心，这些质心彼此不同。

在本公开的另一方面，平面天线中的每根包括相同的环数。

在本公开的另外的方面，平面天线的组数为至少三个。

在本公开的又一方面，电磁导航***还包括连接器，其具有多个端子，并且多根平面天线的相应迹线中的每个耦合到多个端子中的相应端子。

根据本公开的另一方面，提供了设计用于辐射电磁场以用于电磁导航的天线组件的计算机实现的方法。该方法包括基于具有多个顶点的种子矩形，相对于具有边界的基板的坐标系分别计算多条对角线。多条对角线分别平分种子矩形的多个顶点，并且从种子矩形的多个顶点分别延伸至边界。对于多条对角线中的每条，该方法还包括：(1)分别确定要沿着相应对角线定位的多个相邻平面天线顶点对之间的多个距离，其中多个距离在从种子矩形的相应顶点到边界的方向增加；以及(2)基于确定的多个距离，沿着相应的对角线定位平面天线顶点。平面天线布局通过经相应直线部分互连平面天线顶点生成以形成多个环，这些环顺序穿过多条对角线中的每条。

在本公开的另一方面，至少部分地基于平面天线的预定环数，确定多个距离。

在本公开的另外的方面，至少部分地基于相邻顶点之间预定的最小间隔和/或相邻迹线之间预定的最小间隔确定多个距离。

在本公开的又一方面，基板具有多个层并且该方法还包括生成分别对应于多个层的多个平面天线布局。

在本公开的另一方面，计算机实现的方法还包括将多个直线部分添加至平面天线布局，直线部分参照基板的坐标系从平面天线顶点中的至少两个布线至连接器位置。

在本公开的另外的方面，计算机实现的方法还包括对于多条对角线中的每条计算种子矩形的相应顶点和沿着相应对角线的边界之间的布局距离，并且确定多个相邻平面天线顶点对之间的多个距离分别至少部分地基于计算的布局距离。

在本公开的又一方面，多个环中的每个包括直线部分中的多个和平面天线顶点中的多个。

在本公开的另一方面，多个平面天线顶点中的最外平面天线顶点与基板的边界相距不超过预定的阈值。

在本公开的另外的方面，计算机实现的方法还包括将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电路板布线工具和/或电路板制造工具。

在本公开的又一方面，计算机实现的方法还包括将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电磁模拟工具，以及基于导出的数据，基于分别来自平面天线布局的多个直线部分的多个电磁场分量的叠加来模拟电磁场。

根据本公开的另一方面，提供了非暂态计算机可读介质，该介质存储指令，当由处理器执行时，该指令致使处理器执行设计用于辐射电磁场以用于电磁导航的天线组件的方法。该方法包括基于具有多个顶点的种子矩形，相对于具有边界的基板的坐标系分别计算多条对角线。多条对角线分别平分种子矩形的多个顶点，并且从种子矩形的多个顶点分别延伸至边界。对于多条对角线中的每条，该方法还包括：(1)确定要沿着相应对角线定位的多个相邻平面天线顶点对之间的多个相应距离；以及(2)基于确定的多个距离，沿着相应的对角线定位平面天线顶点。多个距离在从相应种子矩形的相应顶点到边界的方向增加。平面天线布局通过经相应直线部分互连平面天线顶点生成以形成多个环，这些环顺序穿过多条对角线中的每条。

在本公开的另一方面，至少部分地基于平面天线的预定环数，确定多个距离。

在本公开的另外的方面，至少部分地基于相邻顶点之间预定的最小间隔和/或相邻迹线之间预定的最小间隔确定多个距离。

在本公开的又一方面，基板具有多个层并且该方法还包括生成分别对应于多个层的多个平面天线布局。

在本公开的另一方面，该方法还包括将多个直线部分添加至平面天线布局，直线部分参照基板的坐标系从平面天线顶点中的至少两个布线至连接器位置。

在本公开的另外的方面，该方法还包括对于多条对角线中的每条计算种子矩形的相应顶点和沿着相应对角线的边界之间的布局距离，并且确定多个相邻平面天线顶点对之间的多个距离分别至少部分地基于计算的布局距离。

在本公开的又一方面，多个环中的每个包括直线部分中的多个和平面天线顶点中的多个。

在本公开的另一方面，多个平面天线顶点中的最外平面天线顶点与基板的边界相距不超过预定的阈值。

在本公开的另外的方面，该方法还包括将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电路板布线工具和/或电路板制造工具。

在本公开的又一方面，该方法还包括将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电磁模拟工具，以及基于导出的数据，基于分别来自平面天线布局的多个直线部分的多个电磁场分量的叠加来模拟电磁场。

任何以上本公开的方面和实施方案均可在不脱离本公开的范围的情况下进行组合。

附图说明

本专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。带彩色附图的本专利或专利申请出版物的副本将由专利局应要求并在支付必要费用之后提供。

在参照附图阅读各种实施方案的描述时，本发明所公开的***和方法的对象和特征对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见，其中：

图1是根据本公开的一个实施方案的示例性电磁导航(EMN)***的透视图；

图2示出了根据本公开的一个实施方案的EMN***的天线组件的示例性设计；

图3是根据本公开的一个实施方案的示出用于设计天线组件的示例性规程的流程图；

图4至图11是根据本公开的一个实施方案的图3的规程的某些方面的示例性图形表示；

图12是根据本公开的一个实施方案的多条示例性天线的图示，这些天线可根据图3的规程设计；

图13示出了根据本公开的一个实施方案的环形天线布局迹线布置的示例性设计；并且

图14是用在本公开的各个实施方案中的示例性计算设备的框图。

具体实施方式

本公开涉及用于辐射电磁场以用于电磁导航的天线组件，包括此类天线组件的电磁导航***，以及设计此类天线组件的计算机实现的方法。在一个示例中，由于本文天线组件的几何形状方面和其他方面，通过改为使得理论上基于天线组件的特性计算的电磁场标测能够要么单独采用、要么结合更加易于生成的得自测量的低密度电磁场标测采用，可避免生成和采用详细电磁场标测的需要。换句话讲，本文的天线组件可用作为EMN生成准确的高密度理论电磁场标测的基础，而不必使用昂贵的测量设备并且不必执行耗时且费力的测量。

在另一个示例中，本文的天线组件在单个基板上包括具有特性(诸如彼此不同的几何形状和/或相对位置)的多根平面天线，这些特性使得能够确定小电磁传感器(诸如单线圈传感器)的多个(例如，六个)自由度。

在又一个示例中，本文中的天线组件包括迹线，其沉积在基板的层上并且形成多个环，其中环之间的间隔和与基板的边界或边缘的间隔使基板的可用区域得到有效的使用。

在另外的示例中，本文提供了用于设计天线组件的自动或半自动的可高度重现的计算机实现的方法。以这种方式生成的天线组件设计可导出至印刷电路板(PCB)布局软件工具中以使对于大量手动布局的需要最小化。天线组件设计也可导出至电磁场模拟器软件工具中以使得能够生成天线组件的理论电磁场标测。

本文描述了天线组件、包含此类天线组件的***和设计该天线组件的方法的具体实施方案。然而，这些具体实施方案仅仅是本公开的示例，其可能以多种形式体现。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而应理解为仅仅是权利要求书的基础，并作为具有代表性的基础用于使得本领域技术人员能够以几乎任何合适的详细结构不同地采用本公开。尽管下述示例性实施方案涉及患者的气道的支气管镜，但是本领域技术人员将认识到，相同或类似组件、***和方法也可用于其他管腔网络，诸如脉管网络、淋巴网络和/或胃肠道网络。

图1示出了根据本公开提供的示例性电磁导航(EMN)***100。一般来讲，EMN***100被配置成除了通过别的方面以外，通过使用生成由固定到医疗设备的传感器感测的一个或多个电磁场的天线组件，识别正在朝向患者体内的目标位置导航的医疗设备的位置和/或取向。在一些情况下，EMN***100进一步被配置成增强通过患者身体朝向所关注的目标(诸如患者肺部的细胞腔网络中的已死部分)导航医疗设备期间采用的计算的层析(CT)图像、磁共振成象(MRI)图像和/或荧光镜图像。

EMN***100包括导管引导组件110、支气管镜115、计算设备120、监控设备130、患者平台140(其可称为EM板)、跟踪设备160和参考传感器170。支气管镜115经由相应有线连接(如图1所示)或无线连接(在图1中未示出)可操作地耦合到计算设备120(通过跟踪设备160)和监控设备130。

在EMN支气管镜检规程的导航阶段，支气管镜115被***患者150的口腔中并捕获肺部的细胞腔网络的图像。导管引导组件110被***支气管镜115中以进入患者150的肺部的细胞腔网络的周边。导管引导组件110可包括导管或延长的工作通道(EWC)111，其中EM传感器112固定至EWC 111的一部分(例如，远侧部分)。可定位的引导导管(LG)可被***EWC111中，其中另一个EM传感器(在图1中未示出)固定至LG的一部分(例如，远侧部分)。固定至EWC 111的EM传感器112或固定至LG的EM传感器被配置成基于由天线组件145辐射的电磁场接收信号，并且基于接收的信号，用于在通过肺部的细胞腔网络的导航期间，确定EWC111或LG的位置和/或取向。由于EM传感器112相对于EWC 111或LG的尺寸限制，在一些情况下EM传感器112可仅包括单个线圈以用于接收通过天线组件145生成的一个或多个EM信号，如下文更详细地描述。然而，EM传感器112中的线圈数不限于一个，而可能为两个、三个或更多个。

计算设备120(诸如膝上型电脑、台式电脑、平板电脑或其他合适的计算设备)包括显示器122、一个或多个处理器124、一个或多个存储器126、用于将AC电流信号提供给天线组件145的AC电流驱动器127、网络接口控制器128和一个或多个输入设备129。图1中示出的计算设备120的具体配置作为示例提供，但还可以想到包括在计算设备120中的图1中所示的部件的其他配置。具体而言，在一些实施方案中，图1中所示的包括在计算设备120中的部件(122、124、126、127、128和/或129)中的一个或多个可替代地与计算设备120分离，并且可通过一个或多个相应的有线或无线路径耦合到计算设备120并且/或者耦合到***100的任何其他部件，以有利于电力和/或数据信号在整个***100中的传输。例如，尽管未在图1中示出，但AC电流驱动器127在一些示例性方面可与计算设备120分离，并且可通过一个或多个相应路径耦合到天线组件145并且/或者耦合到计算设备120的一个或多个部件，诸如处理器124和存储器126。

在一些方面，EMN***100也可包括多个计算设备120，其中采用多个计算设备120来进行规划、处理、可视化，或者以适合于医疗操作的方式帮助临床医师。显示器122可以是触敏的和/或声控的，从而使得显示器122能够充当输入设备和输出设备两者。显示器122可显示二维(2D)图像或三维(3D)图像，诸如肺部的3D模型，以使得医师能够定位并识别肺部的显示肺部疾病症状的一部分。

一个或多个存储器126存储一个或多个程序和/或计算机可执行指令，在由一个或多个处理器124执行时，这些指令可致使一个或多个处理器124执行各种功能和/或规程。例如，处理器124可基于由天线组件145辐射并由EM传感器112接收的电磁信号计算EM传感器112的位置和/或取向。处理器124还可执行图像处理功能以致使肺部的3D模型显示在显示器122上。处理器124还可生成要通过天线组件145辐射的一个或多个电磁信号。在一些实施方案中，计算设备120还可包括仅执行图像处理功能的单独图形加速器(在图1中未示出)，以使得一个或多个处理器124可用于其他程序。一个或多个存储器126还存储数据，诸如EMN的标测数据、图像数据、患者的病历数据、处方数据、和/或有关患者疾病历史记录的数据和/或其他类型的数据。

标测数据可将医疗设备(例如，EWC 111、LG、治疗探头或另一个外科设备)在其中导航的EM体积的坐标系中的多个网格点分别链接到对应于网格点的EM信号特性(例如，信号强度)。这样，当EM传感器112感测在特定网格点处具有某些特性的EM信号时，一个或多个处理器124可将感测的EM信号特性与标测数据中的EM信号特性比较，并基于比较的结果确定EM体积中EM传感器112的位置和/或取向。

如图1中所示，平台140被配置成提供平坦表面，在EMN导航规程期间，患者150躺在该平坦表面上。天线组件145(其也可称为EM场生成设备)布置在平台140上或者作为平台140的部件包括在内。天线组件145包括一个或多个天线，诸如平面环形天线(在图1中未示出)。在下文进一步详述了天线组件145的示例性方面。

在患者150躺在平台140上的情况下，一个或多个处理器124(或图1中未示出的另一个信号发生器)通过AC电流驱动器127生成一个或多个AC电流信号并将其提供给天线组件145的天线，这些信号由天线转换成一个或多个相应EM信号并以足以围绕患者150的一部分的方式辐射。在一些方面，天线组件145包括连接器，其具有至少两个端子，并且天线的迹线(在图1中未示出)具有分别耦合到两个连接器端子的两端，以形成从一个或多个处理器145到天线的信号通信路径。

已经描述了示例性EMN***100，现在将参考图2，其为根据本公开的一个实施方案的EMN***100的天线组件145的示例性天线组件布局200的图示。天线组件布局200包括基板210，诸如印刷电路板(PCB)，其由电绝缘材料形成并且可包括一个或多个层。天线组件布局200还包括多根平面天线220，其由导电材料(诸如PCB迹线)形成，沉积在基板210上并以多个环布置或布置为线圈。在一个示例中，平面天线220中的每根沉积在基板210的层中的相应一个上。在图2的示例性天线组件布局200中，同时示出了基板210的多个层。

多根天线中的每根可被配置成辐射单独的EM场，例如使用由处理器124或由另一个发生器控制的频分复用和/或时分复用。例如，天线在一些方面可被配置成辐射数足够和/或特性(诸如频率、时间、调制方案等)多样性足够的多个EM场，以使得单线圈电磁传感器能够安装在EWC 111上或任何其他医疗设备上，以用于确定传感器、EWC 111和/或医疗设备的位置和/或取向。天线组件145可例如包括六到九根或更多根环形天线。在一些实施方案中，对于环形天线中的每根，其相邻环之间的距离随环变大而增加。例如，对于平面天线中的每根，相邻的环对之间的相应距离可在从相应平面天线的环中的最内侧一个到环中的最外侧一个的方向增加。在各种实施方案中，天线组件145的环形天线中的两个或更多个可具有相同的环数，或者可分别具有不同的环数。

已经描述了EMN***100的天线组件145的示例性天线组件布局200，现在将参考图3，其为根据本公开的一个实施方案的示出用于设计天线组件(诸如天线组件145)的示例性规程300的流程图。在各种实施方案中，规程300可为完全计算机实现的或部分计算机实现的。还将参考图4至图13，这些图是根据本公开的一个实施方案的规程300的某些步骤的图示。可实现图3的示例性方法300来设计包括一根天线的天线组件或包括多根天线的天线组件。出于说明目的，方法300的本描述将在设计包括多根天线的天线组件的上下文中进行。但是，尽管方法300的某些方面将仅相对于多根天线中的单根的设计进行描述，但方法300的这些方面将相似地适用于多根天线中的其他天线。

在描述规程300的细节之前，将提供规程300的概述。一般来讲，根据规程300，天线组件的设计基于一组设计参数和/或约束，包括要设计的天线组件的天线数M，以及对于天线组件的每根天线，包括天线的种子形状、将在其上制造天线的基板上种子形状的质心的位置、天线的环数(N)、天线迹线中心到中心的最小间隔(TCCM)和基板的边缘或边界的尺寸。基于种子形状确定天线的天线顶点的位置。天线设计然后进行到通过直线部分互连天线顶点，以最内天线顶点开始，进展到最外天线顶点，以使得整个天线形成线圈，该线圈包括以多个环布置的单条迹线。在一个方面，天线组件的每个环从种子形状朝向基板的边界生成，并且有效地覆盖种子形状外部基板层的可用表面区域的大多数。迹线的两端被布线至连接器位置以使得天线能够耦合到信号发生器。

对于在多层基板的相应层上具有多根平面天线的天线组件，对天线中的每根重复该一般规程。另外，对应于设计的天线布局的数据可被导出至电磁场模拟工具，用于模拟相应天线应当基于其特定特性生成的电磁场(例如，上文所述EMN的理论电磁场标测)。对应于设计的天线布局的数据也可导出至PCB制造工具以使得天线组件能够根据设计的天线布局以自动方式制造。

在描述规程300的细节之前，将参考图4来描述示例种子形状及其特性。具体而言，图4示出要根据规程300设计的天线组件的九个种子矩形401到409的示例。种子矩形401到409中的每个在基板的边缘400内包括四个顶点。图4的示例中示出的种子矩形数为九个，并且因此天线数M也是如此，但是这仅出于说明目的，而不应当被视为限制性的。在其他实施方案中，种子形状数可为例如六个、九个或更多个，并且因此天线数M也可如此。作为一个示例，正方形400可代表基板的边缘，而代表基板的可用于布置天线的区域的边界(在图4中未示出)可由x-z平面内的正方形形成，该正方形包含在基板的边缘400内并且比基板的边缘400小某个预定的阈值或缓冲量。

在另一个示例中，本文的天线组件在单个基板上(例如，在多层基板的相应层上)包括具有特性(诸如彼此不同的几何形状和/或相对位置)的多根平面天线，这些特性使得能够确定小电磁传感器(诸如单线圈传感器)的多个(例如，六个)自由度。例如，如图4中所示，九个种子矩形401至409可分为三组，其中种子矩形401至403处于第一组中；种子矩形404至406处于第二组中；并且种子矩形407至409处于第三组中。如图4中所示，每组中的三个种子矩形相对于彼此具有特定的几何形状关系。例如，一个种子矩形为正方形(或基本上类似正方形)，并且另外两个种子矩形为非正方形矩形，并且定位在正方形两侧的附近。例如，种子矩形401为正方形，种子矩形402顺着种子矩形401的长度定位，并且种子矩形403顺着种子矩形401的宽度定位。另外，种子矩形402的长度长于正方形401的宽度，并且与种子矩形401的长度相似，而种子矩形402的宽度小于正方形401的宽度；并且种子矩形403的宽度长于正方形401的长度，并且与正方形401的宽度相似，而种子矩形402的长度小于正方形401的长度。第二组的种子矩形404至406和第三组的种子矩形407至409也具有与第一组的种子矩形401至403相似的几何特征。

换句话讲，对于可基于种子矩形401至409生成的多组平面天线中的每个：第一平面天线的最内环(例如，对应于种子矩形401)具有第一线性部分(例如，第一线性部分410)和第二线性部分(例如，第二线性部分411)，第二线性部分大致垂直于第一线性部分(例如，第一线性部分410)；第二平面天线的最内环(例如，对应于种子矩形402)具有第一线性部分(例如，第一线性部分412)和第二线性部分(例如，第二线性部分413)，第二线性部分大致垂直于并且长于第一线性部分(例如，第一线性部分412)；第三平面天线的最内环(例如，对应于种子矩形403)具有第一线性部分(例如，第一线性部分414)和第二线性部分(例如，第二线性部分415)，第二线性部分大致垂直于并且长于第一线性部分(例如，第一线性部分414)；第二平面天线的最内环的种子矩形的第一线性部分(例如，第一线性部分412)大致平行于第一平面天线的最内环的第一线性部分(例如，第一线性部分410)；并且第三平面天线的最内环的第一线性部分(例如，第一线性部分414)大致平行于第一平面天线的最内环的第二线性部分(例如，第二线性部分411)。尽管为了清楚起见在图4中略去了种子矩形404至409(和因此对应平面天线)的第一线性部分和第二线性部分的另外的参考标号，第二组的种子矩形404至406和第三组的种子矩形407至409相对于彼此各自具有相似几何关系，如上文在第一组的种子矩形401至403的上下文中描述的那些。

在一个方面，这三个组可与基板210中的每个组在几何学上分散。分散可通过几何关系和/或角度关系来完成。例如，每个组的平面天线的相应最内环可以彼此不同的相应角度定位在多层基板的相应层上。另外，平面天线和/或平面天线所基于的种子矩形相对于基板的平面可具有相应质心(例如，由图4中的圆点表示)，这些质心彼此不同。另外，第一组的外边界包括第二组和第三组的所有种子矩形404至409。另外，第二组和第三组的种子矩形404至409在第一组的外边界中在几何学上分散。

另外，每个组相对于两个轴(即x轴和z轴)具有角度关系。例如，第一组的种子矩形401与两个轴一致，而第二组的种子矩形404和第三组的种子矩形407分别以不同的角度相对于两个轴成角度。换句话讲，第一组的种子矩形401或正方形和x轴之间的最小角度为零；种子矩形404和x轴之间的最小角度大于零但是小于第三组的种子矩形407和x轴之间的最小角度。然而，三个组之间的关系不限于几何与角度关系，而是可在本公开的范围内以任何对于本领域普通技术人员易于想到的方式扩展。

可在x-z平面中以坐标形式(x、z)提供种子矩形401至409中的每个的四个顶点。在一个方面，种子矩形401至409中的每个的质心也可以以坐标形式提供或者可从四个顶点计算。分散也可通过在基板210内分散质心来实现。在一个方面，所有种子矩形401至409的质心设置在基板上彼此不同的位置。

现在参考图3，在框301之前，设置了用于要设计的天线组件的第一天线的一组设计参数和/或约束(例如，天线的种子形状、将在其上制造天线的基板上种子形状的质心的位置、天线的环数(N)、天线迹线中心到中心的最小间隔(TCCM)和基板的边缘或边界的尺寸)(在图3中未示出)。出于说明目的，在规程300中用于每根天线中的种子形状为种子矩形；然而，这不应当被视为限制性的。设想了其他种子形状(例如，种子三角形、种子五角形、种子六角形、任何凸多边形、凸形弯曲形状(例如，椭圆形、蛋形、圆形等)或任何其他合适的种子形状)并且可在规程300中采用。在一些实施方案中，不同种子形状的任何组合可分别用于天线组件的天线。每个种子形状具有多个顶点。更具体地讲，每个种子矩形具有四个顶点。

在框301处，使天线索引i_天线初始化。例如，i_天线设置为等于1以对应于要设计的天线组件的多根(M根，其中M>1)天线中的第一天线。如下文所述，天线索引i_天线的目的是在包括多根天线的天线组件的情况下，使得规程300能够对于天线组件的M根天线中的每根天线重复。例如，在一些示例中，基板具有多个层(例如，如在多层PCB中)并且采用方法300来生成对应于要沉积在基板的多层中的对应层上的天线的多个平面天线布局。

在框302处，基于种子矩形，相对于基板的坐标系计算多条对角线。一般来讲，在框302处计算的对角线数等于种子形状的顶点数。具体而言，在具有四个顶点的种子矩形的情况下，计算四条对角线，这四条对角线分别将种子矩形的四个顶点平分，并从种子矩形的四个顶点分别延伸至基板的边界。基板的边界可为基板的物理边界，诸如PCB的边缘，或者可为理论上施加的边界，诸如与PCB的边缘偏移预定的缓冲距离的边界。

在一个示例中，作为在框302处执行的多条对角线的计算的一部分，首先计算种子矩形的顶点中的每个的对角线的原点，并且然后基于种子矩形确定天线的最内环的顶点(也称为种子顶点)。例如，图5示出了为图4的种子矩形405计算的原点511和512。原点511和512由种子矩形405的四个顶点501至504界定。在一个方面，一个原点可对应于种子矩形的单个顶点，或者一个原点可对应于两个相邻顶点。在另一方面，原点511和512可定位在种子矩形的对角线上或者定位在将相应角平分以形成两个45度角的对角线上。在该情况下，对角线定义环形天线的顶点的位置。作为一个示例，原点511定位在对角线上，该对角线将在顶点501处的90度角平分以形成两个45度角。另外如图5中所示，原点511定位在对角线的交点上，对角线将在顶点501和502处的角度平分。以相同的方式，原点512定位在对角线的交点处，对角线将在顶点503和504处的角度平分。在一个示例中，通过利用奇异值分解对四个顶点501至504的坐标执行主分量分析(PCA)，可计算种子矩形的每个顶点的对角线的原点。在本文中使用了以下记法：

P_jk代表第j个环的第k个顶点，其中j为1至N而k为1至4；

P_jkx和P_jkz分别代表顶点P_jk的x坐标和z坐标；

{P_j1、P_j2、P_j3、P_j4}或单独{P_jk}为4×2矩阵，具有第j个环的四个顶点P_j1、P_j2、P_j3、P_j4作为其行；

U代表具有{P_jk}{P_jk}^T的正交特征向量作为其列的4×4矩阵；

V代表具有{P_jk}^T{P_jk}的正交特征向量作为其列的2×2矩阵；并且

S代表4×2矩阵，其非零元素仅定位在其对角线处并且是{P_jk}{P_jk}^T或{P_jk}^T{P_jk}的特征值的平方根；并且

代表4×2矩阵，其非零元素仅定位在其对角线处并且等于S的最小非零元素。

给定第i个种子矩形的四个顶点R_k(R_kx、R_kz)，如下计算第i个种子矩形的质心C(C_x、C_z)：

通过对减去质心的四个顶点R_j上执行奇异值分解，如下获得S、V和D矩阵：

USV^T＝{R_k-C} (2)

其中{R_k-C}为4×2矩阵，{R_k-C}中的每行为减去质心的顶点(R_kx-C_x、R_kz-C_z)，并且k为1至4。

S为仅在对角线中具有非零元素(即S₁₁和S₂₂)的4×2矩阵。基于奇异值分解，S₁₁大于或等于S₂₂。通过将S₁₁的值替换为S₂₂的值，我们可获得新的4×2对角矩阵

其中

和

等于S₂₂。然后可通过下式获得每个顶点的原点O_k：

因为

的对角元素为S的对角元素的最小值，所以{O_k}仅包括对应于第i个种子矩形中的原点511和512的两个不同的行，如图5中所示。

在获得原点511和512之后，确定第i个种子矩形中的第一组四个种子顶点P_1k。这些第一组四个种子顶点P_1k为相应天线的最内环的种子顶点，并且可用于确定该天线的其他顶点。

给定迹线中心到中心的最小间隔(TCCM)(其代表特定天线组件的特定天线或所有天线的迹线或环之间预定的最小距离)，第一种子顶点P₁₁通过将R₁移动至其对应的对角线中确定，该对角线朝向第i个种子矩形的内部平分R₁处的90度角。这可如下通过首先从R₁定义两个向量来完成：

其中

是向量，从相应的原点O_k指向R_k，

是从R₁指向R₄的向量，并且

是从R₁指向R₂的向量。通过将

的单位向量添加到

的单位向量，获得方向与相应对角线一致的向量，该对角线将在R₁处的90度角平分以形成两个45度角，其中符号“||||”代表符号“||||”内部的向量的量级。然后通过以下公式获得第一种子顶点P₁₁：

其中

是源自相应原点O₁的向量，并且因此代表P₁₁的坐标。图6示出天线的其他三个种子顶点P₁₂、P₁₃和P₁₄，这些种子顶点匹配R₂、R₃和R₄。P_1k和第i个种子矩形的四边之间的最小距离等于TCCM。图7示出向量Diag₁、Diag₂、Diag₃和Diag₄，这些向量可形成对角线的相应部分，该对角线平分种子顶点P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄并从相应的种子顶点P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄延伸到基板的边界。

返回参考图3，在框303处初始化了对角线索引i_对角线。例如，i_对角线被设置为等于1以对应于种子矩形的四条对角线中的第一条对角线。如下文所述，对角线索引i_对角线的目的是使得能够对种子矩形的对角线中的每条重复规程的各方面。

在框304处，对于相应的对角线，计算沿着相应对角线在种子矩形的相应顶点和基板的边界之间的顶点-布局-距离(在本文也称为布局距离)V_{布局_k}。该布局距离可代表或可涉及种子矩形的相应顶点与基板的边界之间的最大可用距离。

在一些示例性实施方案中，作为框304处布局距离计算的一部分，当相应对角线

从原点O_k伸出时，计算并识别原点O_k和基板边界之间的相应交叉点T_k，如例如图9中所示。可使用多个传统方式找到交叉点T_k。当找到交叉点T_k时，满足以下关系：

其中

为从原点O_k到交叉点T_k的向量。换句话讲，向量

具有与对角线向量

相同的方向。

在识别第一环的四个顶点P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄和交叉点T₁、T₂、T₃和T₄之后，可通过以下公式计算顶点-布局-距离V_{布局_k}：

减去的项

确保第N个环的最后一个顶点P_Nk远离交叉点T_k。换句话讲，仅从P_1k开始的V_{布局_k}长线性部分用于在P_1k和T_k之间分配(N-1)个顶点。

在识别交叉点T_k之后，可确定环形天线的每个顶点。作为初始条件中的一个是环形天线的环数为N，并且在步骤330中确定了第一环的四个顶点P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄，第二、第三、…和第N个环中的每个的四个顶点被递归地确定。具体而言，在框305处，对于相应的对角线，至少部分地基于在框304处计算的布局距离确定要沿着相应对角线定位的相邻平面天线顶点对之间的相应距离。例如，可确定要沿着相应对角线定位的相邻平面天线顶点对之间的相应距离，以便配合天线的预定环数N，同时使从种子矩形的顶点到基板的边界的可用线性距离的用途最大化。这样，可有效地利用基板的可用区域。另外，在一些示例性方面，相应平面天线的平面天线顶点中的最外平面天线顶点与基板边界相距不超过预定的阈值，以有效利用可用的基板区域。

在一些示例中，在框305处至少部分地基于以下各项确定相应距离：平面天线的预定环数N、相邻顶点之间预定的最小间隔、相邻迹线之间预定的最小间隔和/或这些因素或其他因素中的一个或多个的任何组合。具体而言，在一个示例中，顶点分为四组，其中每个组形成矩形形状，并且相同组中的顶点被描述为对应顶点。例如，第一组包括P₁₁、P₂₁、...和P_N1，第二组包括P₁₂、P₂₂、...和P_N2，第三组包括P₁₃、P₂₃、...和P_N3，并且第四组包括P₁₄、P₂₄、...和P_N4。因此，P_3k和P_Nk处于相同第k个组并且为对应顶点，而P₃₃和P₄₂不处于相同组并且不能为对应顶点。对于每个组，P_jk和P_(j+1)k之间的距离被设置为大于P_(j-1)k和P_jk之间的距离，其中j为2至N-1并且k为1至4。换句话讲，两个相邻对应顶点之间的距离朝向基板的边界增加。换句话讲，在一个示例中，如图10中所示，相邻天线顶点对之间的距离在从顶点中的最内顶点到顶点中的最外顶点的方向逐渐变大。在从种子矩形的相应顶点到边界的方向逐渐增加的距离可通过各种方法实现，诸如等差级数、几何级数、指数级数等。

例如，可采用等差级数在每个组中分配剩余顶点。使d_jk为第k个组中P_jk和P_(j+1)k之间的距离，并以递归形式表示为：

d_jk＝斜率_k×(j-1)+d_1k (17)

和

d_1k＝VVM (18)

其中

代表顶点P_jk和P_(j+1)k之间的距离，斜率k为第k个组的常数，其为两个距离d_jk和d_(j+1)k之间的公差，并且j为1至(N-2)。因此，第k个组中的每个顶点定位在连接T_k和P_1k的线性部分上，并且P_Nk和P_1k之间的总长度小于或等于顶点-布局-距离V_{布局_k}。为了使另外的禁用区域为T_k和P_Nk之间迹线中心到中心的最小间隔(TCCM)的一半，可满足以下公式：

或

当对于常数斜率_k求解公式(20)以时，可获得以下公式：

当公式(20)与公式(16)和(17)组合时，获得以下公式：

以这种方式，两个相邻对应顶点P_jk和P_(j+1)k之间的距离随j增加而增加。对应顶点之间的该进展模式在图10中于第一组和第四组中比在第二组和第三组中更为清晰地示出。

在框306处，基于在框305处确定的相邻平面天线顶点对之间的相应距离，平面天线顶点沿着相应对角线定位。

在框307处，将对角线索引i_对角线与种子矩形的对角线数(即四个)比较，以确定框305和框306的规程是否要对相应天线的另外的对角线重复。如果在框307处确定i_对角线小于对角线数，则在框308处，i_对角线递增一以对应于种子矩形的四条对角线的下条对角线(例如，第二条对角线)。然后对该下条对角线以上文所述的方式重复框305和框306的规程。

在另一方面，如果在框307处确定i_对角线等于对角线数，则指示已经对种子矩形的四条对角线中的每条执行了框305和框306的规程，然后在框309处，计算顶点到顶点的最小距离(VVM)，以确保当顶点由线性部分或线段连接时，两个相邻对应线性部分之间的最小距离大于TCCM，其中短语“两个相邻对应线性部分”用于指定位在不同环中但比任何其他线性部分更靠近彼此定位的线性部分。这通过以下方式来完成：定义对角线向量

设置临时顶点P’₂₁和P’₂₂，测量连接临时顶点P’₂₁和P’₂₂的线性部分和连接P₁₁和P₁₂的线性部分之间的距离，并调节VVM的值，直到最小距离大于TCCM。在下文进一步描述了该步骤的细节。

如下定义了对角线向量

其中k为1至4。当这些对角线向量

布置在原点(0、0)处时，它们形成十字，指示它们形成四个90度角，如图7的中间所示。

将临时距离D_p2至₅初始化为TCCM的值。向量

和

由以下公式定义：

和

临时顶点P’₂₂以向量形式如下定义：

其中符号“·”为两个向量之间的点积。简而言之，临时顶点P’₂₂在朝向第i个种子矩形的外部的对角线

的方向远离P₁₂达

接下来，通过以下公式使VVM暂时初始化：

临时顶点P’₂₁以向量形式如下定义：

与P’₂₂一样，临时顶点P’₂₁在朝向第i个种子矩形的外部的对角线

的方向远离P₁₁达

如图8中所示，计算连接临时顶点P’₂₁和P’₂₂的线性部分以及P₁₁和P₁₂之间的线性部分之间的距离。由于连接临时顶点P’₂₁和P’₂₂的线性部分以及P₁₁和P₁₂之间的线性部分可能不平行，在两个线性部分之间存在多个距离。在框309处，对两个线性部分之间的多个距离中的最小距离D是否小于或等于TCCM进行确定。如果在框309处确定多个距离中的最小距离D小于或等于TCCM，则在框311处临时距离D_p2至5增加预定的量，并且重复框302至309的上述规程，包括通过使用公式(9)-(13)，直到最小距离D大于TCCM。VVM的最终结果设置为顶点到顶点最小值的值。

如果在另一方面在框309处确定多个距离中的最小距离D大于TCCM，则在框312处通过经相应直线部分互连平面天线顶点生成平面天线布局，以形成顺序穿过相应平面天线的多条对角线中每条的多个环(例如，N个环)。在种子形状为种子矩形的情况下，环中的每个包括多个直线部分和多个平面天线顶点，即四个直线部分和四个平面天线顶点。例如，每根环形天线(诸如图11中所示的环形天线)的第一环包括四个顶点(即，P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄)和四个线性部分(即，连接在P₁₁和P₁₂之间的L₁₁、连接P₁₂和P₁₃的L₁₂、连接P₁₃和P₁₄的L₁₃、以及连接P₁₄和P₂₁的L₁₄)；…第(N-1)个环包括四个顶点(即，P_(N-1)1、P_(N-1)2、P_(N-1)3和P_(N-1)4)和四个线性部分(即，连接在P_(N-1)1和P_(N-1)2之间的L_(N-1)1、连接P_(N-1)2和P_(N-1)3的L_(N-1)2、连接P_(N-1)3和P_(N-1)4的L_(N-1)3以及连接P_(N-1)4和P_N1的L_(N-1)4)(为了清楚起见，在图11中未标出)；并且第N个环包括四个顶点(即，P_N1、P_N2、P_N3和P_N4)和三个线性部分(即，连接P_N1和P_N2的L_N1、连接P_N2和P_N3的L_N2以及连接P_N3和P_N4的L_N3)。图11示出包括多个环的环形天线的设计，该环形天线根据规程300设计。

在框313处，多个另外的直线部分从平面天线顶点中的至少两个(具体而言，分别从线性平面天线布局的定位在两端处的两个端子天线顶点)布线至参照基板的坐标系的一个或多个连接器位置。多个另外的直线部分被添加到平面天线布局。在采用了规程300来设计天线组件的实施方案中，该天线组件包括要布置在多层基板的相应层上的多根平面天线，平面天线布局可布线至单个连接器位置，或者分别布线至对应于每根天线的单独连接器位置，或布线至连接器的任何组合。

在框314处，将天线索引i_天线与天线组件的天线数M比较，以确定框302至框313的规程是否将对天线组件的另外的天线重复。如果在框314处确定i_天线小于天线数M，则在框315处，i_天线递增一以对应于天线组件的M根天线的下根天线(例如，第二根天线)。然后对该下根天线以上文所述的方式重复框302至框313的规程。图12示出六根环形天线的设计，其可依据规程300设计。

如果，在另一方面，在框314处确定i_天线等于天线数M，则指示已经对天线组件的M根天线中的每根执行了框302至框313的规程，然后在框316处，这在一些实施方案中可为任选的，将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电路板布线工具、电路板制造工具和/或电磁模拟工具。

在一个示例中，通过在框316处将对应于生成的平面天线布局的数据导出至电磁模拟工具，可分别基于导出的数据并基于来自平面天线布局的多个直线部分中的每个的多个电磁场分量的叠加，模拟可能由天线组件的天线生成的一个或多个电磁场。例如，基于种子形状的每个环可通过确定的数学公式表示，诸如笛卡尔方程或参数方程，由此使得由每个环生成的EM场的强度可在空间中的任何点处基于数学公式通过毕-萨-拉定律计算。换句话讲，由于天线组件的几何和其他方面(诸如将直线部分用作天线组件的天线中的互连)，通过改为使得电磁场标测能够在理论上基于天线组件的特性计算，可避免生成和采用详细电磁场标测的需要。然后可要么单独采用计算的电磁场标测、要么结合得自测量的更易于生成的低密度电磁场标测采用计算的电磁场标测。换句话讲，根据规程300设计的天线组件可用作为EMN生成准确的高密度理论电磁场标测的基础，而不必使用昂贵的测量设备并且不必执行耗时且费力的测量。

通过本文的说明书显而易见的是，根据规程300，天线组件可基于数个设计参数和/或约束(诸如种子形状、环数、TCCM等)有效地以可重复方式设计。可在相应基板层上印刷、沉积或制造设计的天线组件的天线中的每根，并且可将其用作图1的EMN***100的EM场发生器145。另外，由于采用直线部分来构成环形天线，可在EM体积中的任何点处使用毕-萨-拉定律在理论上准确地计算由每个线性部分生成的电磁场。

图13示出通过图3的方法300设计的环形天线布局的图示。在连接所有顶点之后，可基于与迹线长度和布线方向性相关的适当的设计规则自动生成另外的布局。这些规则可能特定于PCB软件程序或设计要求。在一个方面，通过方法300创建的天线设计可转换为2维DXF(绘图交换格式)CAD文件，然后将该文件导入Altium PCB布局软件中。PCB布局软件不限于Altium PCB布局软件，而是可为本领域的普通技术人员应当容易理解和使用的任何软件。

基于软件的设计规则或设计要求，顶点P₁₁和P_N4分别电耦合到连接器1301，该连接器包括环形天线的至少两个导体1301a、1301b，并且完成环形天线的完整蓝图。

在完成天线组件的设计之后，基于天线组件设计通过在基板上沉积导电材料(例如，银或铜)来制造天线，如图13中所示。在基板上印刷的天线包括环之间的结构和/或几何关系，下文将详细描述这些关系。

在示例性方面，环形天线的顶点可分为四组。第一组顶点包括P₁₁、P₂₁、…和P_N1，第二组顶点包括P₁₂、P₂₂、…和P_N2，第三组顶点包括P₁₃、P₂₃、…和P_N3并且第四组顶点包括P₁₄、P₂₄、…和P_N4。因为V_{布局_k}对于每个组不同，所以顶点的一个组可比顶点的其他组更加密集地分布。如图13中所示，第四组中的顶点比其他组中的顶点更加松散地分布，并且第二组或第三组中的顶点比第一组和第四组中的顶点更加密集地分布。

在另一方面，两个对应线性部分(例如，L_jk和L_(j+1)k)之间的最短距离随j增加而增加。换句话讲，两个相邻对应线性部分之间的距离在从最内线性部分到对应最外线性部分的方向增加。基于环和顶点之间的该结构和/或几何关系，环形天线可尽可能多地覆盖基板，同时保持这样的关系。

在一个实施方案中，在将顶点与线性部分连接之后，可采用另一安全措施来确认在天线设计中满足所有要求。例如，可再次计算两个相邻对应线性部分之间的最短距离。在存在任何两个相邻对应线性部分的情况下，在二者之间最短距离不大于TCCM，规程300可对不同的顶点到顶点的最小距离VVM重复。

在一个方面，设计规程300可实现保持每根环形天线的基本相同的电感，因为电感是至少部分地基于天线几何形状定义。环形天线的电阻可随每层上的铜厚度而变化。因此为了确保天线组件保持预期的铜厚度，添加两个另外的层(一个在顶部上，而另一个在底部上)。通过这些额外的层，通孔的电镀处理应当不向内部层上的天线层增加铜。因此，铜厚度可仅取决于初始所用芯材料和所选铜重量。在另一方面，PCB设计对于每个电流载送路径可包含不止一个通孔以使串联电阻最小化并增加每个电流路径的稳健度。通过具有更多通孔，可基于天线几何形状和受控的铜厚度以高准确度预测并自动计算电阻。

现在转到图14，其中示出了计算设备1400的框图，该计算设备可用作EMN***100、控制工作站102、跟踪设备160和/或执行图3的规程300的计算机。计算设备1400可包括以下部件中的每个的一个或多个：存储器1402、处理器1404、显示器1406、网络接口控制器1408、输入设备1410和/或输出模块1412。

存储器1402包括可由处理器1404执行的用于存储数据和/或软件的任何非暂态计算机可读存储介质，其控制计算设备1400的运行。在一个实施方案中，存储器1402可包括一个或多个固态存储设备，诸如闪存存储器芯片。另选地，或除了一个或多个固态存储设备之外，存储器1402可包括一个或多个大容量存储设备，其通过大容量存储控制器(在图14中未示出)和通信总线(在图14中未示出)连接至处理器1404。虽然本文包括的计算机可读介质的描述是指固态存储器，但本领域的技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是可以通过处理器1404访问的任何可用介质。也就是说，计算机可读存储介质的示例包括以任何方法或技术实现的用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。例如，计算机可读存储介质可包括：RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储器、磁带、磁条、磁盘存储器或其他磁存储设备或者可以用于存储期望的信息并可以通过计算设备1400访问的任何其他介质。

存储器1402可存储应用程序1416和/或数据1414。当由处理器1404执行时，应用程序1416可致使显示器1406在显示器1406上呈现用户界面1418。

处理器1404可为通用处理器、专用图形处理单元(GPU)(其被配置成执行特定图形处理任务，同时解放通用处理器以执行其他任务)、可编程逻辑设备诸如现场可编程门阵列(FPGA)、或复杂可编程逻辑设备(CPLD)和/或任何数的被配置成独立或协同工作的此类处理器或设备或它们的组合。

显示器1406可以是触敏的和/或声控的，从而使得显示器1406能够充当输入和输出设备两者。另选地，可以采用键盘(未示出)、鼠标(未示出)或其他数据输入设备。

网络接口1408可被配置成连接至网络，诸如包括有线网络和/或无线网络的局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络和/或互联网。例如，计算设备1400可接收设计要求和预定的变量并执行图3的规程300以设计天线组件。计算设备1400可经由网络接口控制器1408接收对其软件(例如，应用程序1416)的更新。计算设备1400还可以在显示器1406上显示软件更新可用的通知。

在另一方面，计算设备1400可从服务器(例如，医院服务器、互联网服务器或其他类似服务器)接收患者的计算机断层扫描(CT)图像数据，以在外科规划期间使用。还可经由可移除存储器(在图14未示出)将患者CT图像数据提供给计算设备1400。

输入设备1410可以是用户可通过其与计算设备1400进行交互的任何设备，诸如鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音界面。

输出模块1412可包括任何连接端口或总线，诸如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域的技术人员已知的任何其他类似连接端口。

应用程序1416可以是存储在存储器1402中并且由计算设备1400的处理器1404执行的一个或多个软件程序。在环形天线的设计阶段期间，考虑到某些参数和/或约束，诸如种子形状信息、每根环形天线中的环数等，可从存储器1402加载应用程序1416中的一个或多个软件程序并由处理器1404执行，以自动设计环形天线。在一些实施方案中，在规划阶段期间，应用程序1416中的一个或多个程序引导医师通过一系列步骤来识别目标、设定目标尺寸、设定治疗区尺寸，并且/或者确定目标的进入路线以供稍后在导航或规程阶段期间使用。在一些其他实施方案中，应用程序1416中的一个或多个软件程序被加载在操作室或执行外科规程的其他设施中的计算设备上，并且用作引导临床医生执行外科规程的平面图或地图，但没有来自规程中使用的医疗设备的任何反馈来指示医疗设备相对于平面图的位置。

应用程序1416可直接安装在计算设备1400上，或者可以安装在另一计算机例如中央服务器上，并且经由网络接口1408在计算设备1400上打开。应用程序1416可作为基于Web的应用程序或任何其他本领域的技术人员已知的格式原生地在计算设备1400上运行。在一些实施方案中，应用程序1416将为单个软件程序，其具有本公开中所述的所有特征和功能。在其他实施方案中，应用程序1416可为提供这些特征和功能的各种部分的两个或更多个不同的软件程序。例如，应用程序1416可包括用于自动设计环形天线的一个软件程序、用于将设计转换成CAD文件的另一个软件程序和用于PCB布局软件程序的第三程序。在此类情况下，可使得形成应用程序1416的一部分的各种软件程序能够彼此通信并且/或者导入和导出各种数据，包括与环形天线的设计相关的设置和参数。例如，由一个软件程序生成的环形天线的设计可被存储并导出以由第二软件程序用于转换成CAD文件，并且转换后的文件也可被存储和导出以由PCB布局软件程序用于完成环形天线的蓝图。

应用程序1416可与用户界面1418通信，该用户界面生成用于向用户呈现可视交互特征的用户界面，例如呈现在显示器1406上并且用于例如经由用户输入设备接收输入。例如，用户界面1418可生成图形用户界面(GUI)并将GUI输出至显示器1406供用户查看。

在计算设备1400可用作EMN***100的情况下，控制工作站102或跟踪设备160、计算设备1400可链接至监控设备130，因此使得计算设备1400能够控制监控设备130上的输出连同显示器1406上的输出。计算设备1400可控制监控设备130以显示输出，该输出与显示器1406上显示的输出相同或相似。例如，显示器1406上的输出可被镜像在监控设备130上。另选地，计算设备1400可控制监控设备130以显示与显示器1406上显示的输出不同的输出。例如，监控设备130可被控制以在外科规程期间显示引导图像和信息，同时显示器1406受控以显示其他输出，诸如电外科发生器(在图1中未示出)的配置或状态信息。

应用程序1416可包括用于在规划阶段期间使用的一个软件程序和用于在导航或规程阶段期间使用的第二软件程序。在此类情况下，可使得形成应用程序1416的一部分的各种软件程序能够彼此通信并且/或者导入和导出与导航和治疗和/或患者相关的各种设置和参数以共享信息。例如，在规划阶段期间由一个软件程序生成的治疗规划及其组成部分中的任一个可被存储并导出以在规程阶段期间由第二软件程序使用。

虽然出于例示和描述的目的，已参考附图详细地描述了各种实施方案，但应当理解，本发明的方法和装置不应视为受限的。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下可以对前述实施方案作出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于辐射至少一个电磁场以用于电磁导航的天线组件，所述天线组件包括：

基板；和

平面天线，所述平面天线包括迹线，所述迹线沉积在所述基板上并且以多个环布置，

其中所述多个环中的相邻环之间的相应距离在从所述多个环中的最内环到所述多个环中的最外环的方向增加，

其中基于种子矩形生成平面天线，以及

其中基于种子矩形生成的平面天线的每个环能够通过确定的数学公式表示，以使得电磁场标测能够基于天线组件的特性计算。

2.根据权利要求1所述的天线组件，其中所述多个环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

3.根据权利要求2所述的天线组件，其中所述多个环中的每个包括四个直线部分和四个顶点。

4.根据权利要求3所述的天线组件，其中所述多个顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，所述四条对角线平分对应于所述平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

5.根据权利要求1所述的天线组件，还包括：

连接器，所述连接器具有至少两个端子，

其中所述迹线具有分别耦合到所述两个端子的两端。

6.根据权利要求1所述的天线组件，还包括：

多根平面天线，

其中所述多根平面天线中的每根包括相应迹线，所述相应迹线沉积在所述基板上并以相应多个环布置，并且

其中，对于所述多根平面天线中的每根，所述相应多个环中的相邻环之间的相应距离在从所述相应平面天线的所述相应多个环中的最内环到所述相应多个环中的最外环的方向增加。

7.根据权利要求6所述的天线组件，其中所述基板包括多个层和所述平面天线，并且所述多根平面天线中的每根沉积在所述多个层中的相应层上。

8.根据权利要求6所述的天线组件，其中所述平面天线和所述多根平面天线中的每根各自包括相同的环数。

9.根据权利要求6所述的天线组件，其中所述多根平面天线的中的每根的所述环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

10.根据权利要求6所述的天线组件，其中所述平面天线和所述多根平面天线相对于所述基板的平面分别具有多个质心，所述质心设置在彼此不同的相应位置中。

11.一种电磁导航***，包括：

天线组件，所述天线组件被配置成辐射电磁场，所述天线组件包括：

基板，和

平面天线，所述平面天线包括迹线，所述迹线沉积在所述基板上并且以多个环布置，

其中所述多个环中的相邻环之间的相应距离在从所述多个环中的最内环到所述多个环中的最外环的方向增加；

其中基于种子矩形生成平面天线；以及

其中基于种子矩形生成的平面天线的每个环能够通过确定的数学公式表示，以使得电磁场标测能够基于天线组件的特性计算；

导管；

电磁传感器，所述电磁传感器固定至所述导管并且被配置成基于所述辐射的电磁场接收信号；

处理器；和

存储器，所述存储器包括指令，当由所述处理器执行时，所述指令致使所述处理器基于所述接收的信号计算所述电磁传感器的位置或取向中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的电磁导航***，其中所述多个环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

13.根据权利要求12所述的电磁导航***，其中所述多个环中的每个包括四个直线部分和四个顶点。

14.根据权利要求13所述的电磁导航***，其中所述多个顶点中的每个沿着四条对角线中的一条设置，所述四条对角线平分对应于所述平面天线的种子矩形的四个相应顶点。

15.根据权利要求11所述的电磁导航***，其中所述天线组件还包括：

连接器，所述连接器具有至少两个端子，

其中所述迹线具有分别耦合到所述两个端子的两端。

16.根据权利要求11所述的电磁导航***，其中所述天线组件还包括：

多根平面天线，

其中所述多根平面天线中的每根包括相应迹线，所述相应迹线沉积在所述基板上并以相应多个环布置，并且

其中，对于所述多根平面天线中的每根，所述相应多个环中的相邻环之间的相应距离在从所述相应平面天线的所述相应多个环中的最内环到所述相应多个环中的最外环的方向增加。

17.根据权利要求16所述的电磁导航***，其中所述基板包括多个层和所述平面天线，并且所述多根平面天线中的每根沉积在所述多个层中的相应层上。

18.根据权利要求16所述的电磁导航***，其中所述平面天线和所述多根平面天线中的每根各自包括相同的环数。

19.根据权利要求16所述的电磁导航***，其中所述多根平面天线中的每根的所述环中的每个包括多个直线部分和多个顶点。

20.根据权利要求16所述的电磁导航***，其中所述平面天线和所述多根平面天线相对于所述基板的平面分别具有多个质心，所述质心设置在彼此不同的相应位置中。

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