ES2236695T3

ES2236695T3 - Determinacion magnetica de posicion y orientacion.

Info

Publication number: ES2236695T3
Application number: ES94930045T
Authority: ES
Inventors: David Ellis Acker; Ian Mcnulty; Robert C. Pacheco; Wayne Grandner
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1993-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: EP1530057A3; DE69434240T2; PT722290E; CA2357547C; US6427314B1; US5833608A; AU6357898A; EP2264475A3; JP2004154556A; DE69435275D1; EP2264474A3; EP1757949A3; DE69434240D1; CA2357547A1; JPH09503410A; CN1132470A; JP2009142660A; CN1149052C; EP1757949A2; CA2172619A1

Abstract

UN SISTEMA DE DETERMINACION MAGNETICA DE LA POSICION Y DE LA ORIENTACION UTILIZA CAMPOS MAGNETICOS, QUE COMPRENDEN DESEABLEMENTE CAMPOS UNIFORMES DE BOBINAS DE HELMHOLTZ (34, 36, 38) POSICIONADAS EN LADOS OPUESTOS AL VOLUMEN DE MEDICION Y LOS CAMPOS GRADIENTES GENERADOS POR LAS MISMAS BOBINAS. MEDIANTE LA SUPERVISION DE LOS COMPONENTES DE LOS CAMPOS DETECTADOS EN LAS SONDAS (50) DURANTE LA APLICACION DE ESTOS CAMPOS, SE PUEDEN DEDUCIR LA POSICION Y LA ORIENTACION DE LA SONDA (50) EN EL CAMPO. UNA REPRESENTACION (108) DE LA SONDA PUEDE SUPERPONERSE SOBRE UNA IMAGEN ADQUIRIDA DE FORMA SEPARADA DEL SUJETO PARA MOSTRAR LA POSICION Y LA ORIENTACION DE LA SONDA (50) CON RESPECTO AL SUJETO.

Description

Determinación magnética de posición y orientación.

Campo de la técnica

La presente invención está relacionada con un aparato para determinar la posición de un objeto por medio de campos magnéticos, e incluye un aparato para monitorizar por medio de campos magnéticos la posición de una sonda en el interior del cuerpo de un paciente de medicina.

Antecedentes de la invención

Se han utilizado diversos procedimientos para determinar la posición y la orientación de un objeto en el espacio. Por ejemplo, a menudo es necesario determinar la posición y la orientación de un instrumento médico en el interior del cuerpo de un paciente, por ejemplo para monitorizar la posición y la orientación de un catéter, un endoscopio o cualquier sonda. Es deseable que los datos presentados muestren el objeto superpuesto sobre una imagen del paciente, tal como una imagen en la que aparezcan los órganos internos. Un procedimiento sencillo para ello es tomar una imagen directa por rayos X, tal como una imagen fluoroscópica, que muestre a la vez el paciente y la sonda insertada. Este procedimiento tiene el inconveniente de que hay que repetir todo el proceso de adquisición de la imagen del paciente cada vez que se mueve la sonda. La formación de imágenes por rayos X tal como la fluoroscopia puede realizarse durante ciertos procesos quirúrgicos, pero somete inherentemente al paciente a una radiación ionizante indeseable. Algunos tipos de procesos de formación de imágenes, tales como la imagen por resonancia magnética (IRM) no pueden repetirse durante los procesos de cirugía u otros tratamientos.

Según se ilustra, por ejemplo, en la Solicitud de Patente de Gran Bretaña 2.094.590 y la Patente Estadounidense 5.186.174, la sonda puede estar mecánicamente restringida o articulada sobre un brazo o un marco de manera que la posición de la sonda esté restringida con respecto a un marco de referencia fijo, con lo cual es conocida la posición con respecto a ese marco de referencia. Puede superponerse una imagen de la sonda sobre una imagen del paciente utilizando los datos posicionales derivados del marco fijo de referencia. Sin embargo, estos sistemas hacen que la sonda sea inflexible y por lo tanto imponen inconvenientes severos al proceso médico propiamente dicho. Por ejemplo, uno de tales sistemas exige que la sonda avance en línea recta hasta la zona de interés. Los sistemas de esta naturaleza son más adecuados para posicionar una sonda en el exterior del cuerpo que en el interior del cuerpo.

Bryer y otros describen catéteres intracardíacos equipados con sensores ultrasónicos tanto en la Patente Estadounidense 4.697.597 como en la revista "Medical and Biological Engineering and Computer", vol. 22, Nº 3 (1984), pgs. 268-281: "Ultrasonically Marked Catheter - a Method for Positive Echographic Catheter Position Identification (Catéter marcado ultrasónicamente - Procedimiento para la identificación ecográfica positiva de la posición de un catéter)". La posición del catéter se deduce a partir de las mediciones del tiempo de tránsito desde un transductor ultrasónico situado en el exterior del paciente hasta el catéter, y la posición deducida es superpuesta sobre una imagen generada ultrasónicamente.

La Patente Estadounidense 4.173.228 de Van Steenwyk y otros, la Patente Estadounidense 5.042.486 de Pfeiler y otros, y la Patente Estadounidense 5.211.165 de Dumoulin y otros describen todas ellas dispositivos en los cuales unas señales electromagnéticas se propagan entre una antena situada en la punta de un catéter médico introducido en el cuerpo y varias antenas situadas exteriormente al cuerpo. La posición y la orientación de la punta del catéter son determinadas con precisión por las señales transmitidas entre estas antenas. Es decir, la posición relativa y la orientación son deducidas a partir de propiedades del recorrido de propagación de la señal entre estas antenas, tales como, por ejemplo, el grado de atenuación de la señal en tránsito desde una antena hacia las otras. La Patente de Van Steenwyck indica la posibilidad de usar un campo magnético y un sensor transductor de efecto Hall, pero no da detalles de como podría llevarse a cabo en un dispositivo práctico. Dumoulin sugiere que la posición de la punta de un catéter obtenida por radiofrecuencia puede superponerse sobre una imagen adquirida por un sistema de formación de imágenes.

Se han propuesto numerosos sistemas para localizar artículos en el exterior del cuerpo humano mediante el uso de campos magnéticos. Así, las Patentes Estadounidenses 4.945.305; 4.849.692 y 4.613.866 de Blood, describen todas ellas sistemas para determinar la posición y la orientación de objetos, en un espacio tridimensional, colocando bobinas magnéticas en el objeto que debe ser localizado y bobinas estacionarias en un marco de referencia fijo. Entre otros sistemas de este tipo se incluyen las Patentes Estadounidenses 5.172.056 (que describe un aparato según el preámbulo de la reivindicación 1) y 5.168.222 de Voisin; la Patente Estadounidense 4.396.885 de Constant; la Patente Estadounidense 5.109.194 de Cantaloube; la Patente Estadounidense 4.317.078 de Weed; la Patente Estadounidense 4.642.786 de Hansen y la Patente Estadounidense 5.047.715 de Morgenstern. Estos sistemas emplean típicamente un transmisor de campo magnético que incorpora varias bobinas arrolladas sobre ejes ortogonales alrededor de un núcleo de hierro, y utilizan como receptor una estructura similar. Las bobinas del transmisor son activadas secuencialmente y/o a diferentes frecuencias, y las señales detectadas por las bobinas del receptor son analizadas para determinar la posición y la orientación del transmisor con respecto al receptor. Entre otros usos, se utilizan tales sistemas en dispositivos de entrada de datos tridimensionales para ordenadores y en sistemas para detectar la posición y la orientación de un yelmo.

Adicionalmente, según describe el artículo de Remel ``An Inexpensive Eye Movement Monitor Using the Scleral Search Coil Technique (Monitor económico del movimiento ocular utilizando la técnica de bobinas buscadoras de la esclera)'', IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. BME-34, 4 de Abril de 1984, pgs. 388-390, investigadores tratando de seguir la rotación del globo ocular montaron pequeñas bobinas sensoras en forma de espira sobre la superficie del globo ocular, bien mediante sutura bien incorporando la bobina en una lente de contacto. El sujeto, con la bobina puesta, es colocado entre unas parejas de bobinas Helmholtz orientadas ortogonalmente que son energizadas con corrientes alternas de alta frecuencia con dos frecuencias diferentes. La tensión inducida en la bobina situada sobre el ojo incluirá componentes de ambas frecuencias, y las magnitudes relativas de estos componentes dependerán de la orientación del ojo.

A pesar de todos estos esfuerzos realizados en la técnica, siguen necesitándose aparatos y procedimientos perfeccionados para determinar la posición y la orientación de un objeto en el espacio y, particularmente, aparatos y procedimientos perfeccionados para determinar la posición y la orientación de una sonda en el interior del cuerpo de un sujeto vivo.

Dumoulin C.L. y otros: "Real Time Position Monitoring of Invasive Devices Using Magnetic Resonance (Monitorización de posición en tiempo real utilizando resonancia magnética)", MRM 29: 411-415 (Marzo 1993), describe la monitorización de la posición de un dispositivo utilizando una medida de los campos magnéticos de radiofrecuencia generados al hacer progresar espines nucleares en presencia de campos magnéticos en gradiente. En particular, un dispositivo destinado a ser introducido en un sujeto tiene unas pequeñas bobinas integrales de radiofrecuencia, siendo típicamente cada bobina una única espira asintonizada de diámetro inferior a 1 mm. Se utiliza un escáner convencional de resonancia magnética de 1,5 Tesla para aplicar unos campos magnéticos en gradiente que provocan una dispersión de la frecuencia resonante de los espines (frecuencia de Larmor) en función de su posición en el campo magnético en gradiente. Con objeto de eliminar los errores provocados por derivas resonantes tales como desajustes del transmisor, falta de homogeneidad del campo magnético y efectos de susceptibilidad, se utilizan gradientes de lectura de polaridad opuesta para conseguir una devolución de ecos en gradiente para cada dirección ortogonal, determinándose entonces la posición de la bobina promediando las posiciones. Alternativamente, en un procedimiento preferido se aplican los campos en gradiente de tal modo que la información posicional de los tres ejes es multiplexada y adquirida simultáneamente.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un aparato para determinar la posición de un objeto según la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se especifican las realizaciones preferidas.

Estos y otros objetivos, características y ventajas de la presente invención se harán más fácilmente aparentes a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas, así como los dibujos que la acompañan.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista en perspectiva, esquemática y parcial, de un aparato según una realización de la invención.

La Figura 2 es una vista esquemática que muestra una parte del aparato ilustrado en la Figura 1.

Cada una de las Figuras 3-5 es un gráfico que ilustra ciertos campos magnéticos producidos en el aparato de las Figuras 1-2.

La Figura 6 es un diagrama vectorial relativo al funcionamiento del aparato de las Figuras 1-2.

Las Figuras 7 y 8 son vistas en alzado, parciales y esquemáticas, que muestran partes del aparato según otra realización de la invención.

La Figura 9 es una vista parcial en perspectiva que muestra una parte de un aparato según otra realización más de la invención.

La Figura 10 es una vista parcial en alzado que muestra otra parte del aparato de la Figura 9.

Mejor modo de poner en práctica la invención

Un aparato según una realización de la invención incluye una estructura de marco 30 que rodea sustancialmente un volumen 32 de detección o de alojamiento del paciente. La estructura de marco 30 sostiene tres parejas de bobinas Helmholtz 34, 36 y 38 de tal manera que las parejas tienen situadas sus bobinas coaxialmente entre si sobre tres ejes X, Y y Z mutuamente ortogonales. Los ejes que se cruzan forman un sistema convencional de coordenadas cartesianas que tiene un origen 39 en el centro del volumen de detección y unas direcciones positiva y negativa desde el origen y a lo largo de cada uno de los ejes X, Y y Z. Las bobinas de cada pareja están situadas en lados opuestos del volumen de detección 32. Todas las bobinas son circulares, de igual diámetro, y con el mismo número de vueltas. Las dos bobinas de cada pareja están arrolladas en el mismo sentido la una y la otra. Así pues, las dos bobinas 34 dispuestas sobre el eje X tienen las espiras arrolladas sobre el eje X en sentido a derechas o antihorario según se mira desde el extremo positivo del eje X. En la Figura 1, se ha exagerado la separación entre las bobinas por claridad de la ilustración. Preferiblemente, la distancia entre las bobinas de una pareja, medida sobre el eje de la pareja, está comprendida aproximadamente entre 0,5 y 1,4 veces el diámetro de cada bobina. En el artículo "Modifying Helmholtz Coils to Magnetically Drive a Small Dipole (Modificación de bobinas Helmholtz para excitar magnéticamente un pequeño dipolo)", Lucas, P., Am.J. Phys., 54(7), pgs. 666-667 (1986), se presentan las reglas de diseño de bobinas Helmholtz para obtener campos uniformes y campos cuyos gradientes sean sustancialmente lineales. Las bobinas y el marco 30 están fabricados y dispuestos de manera que pueda introducirse en el volumen de detección 32 una parte del cuerpo de un paciente vivo. Deseablemente, el marco tiene unas aberturas 40, coaxiales con las diversas bobinas, para que el cuerpo del paciente pueda ser introducido en el volumen de detección 32 a través de una de tales aberturas 40 y para que el médico pueda tener acceso al paciente a través de las otras aberturas mientras el paciente se encuentra dentro del volumen de detección. El marco puede estar fabricado esencialmente con cualquier material rígido. Son preferibles los materiales dieléctricos porque no crean corrientes parásitas cuando varían los campos magnéticos. El marco puede incluir conexiones de apertura rápida, o desprendibles, entre las diversas bobinas y los elementos del marco. Esto permite al médico apartar inmediatamente del paciente las bobinas y el marco en el caso de una emergencia que requiera acceder al paciente de manera totalmente libre.

Todas las bobinas están conectadas a un excitador 42 de las bobinas que, a su vez, está conectado a una interfaz 44 de salida por la cual recibe las señales procedentes de un ordenador 46. El ordenador 46 puede ser un ordenador digital del tipo conocido normalmente como estación de trabajo o bien un ordenador dedicado. La interfaz de salida 44 está adaptada para aceptar las órdenes procedentes del ordenador y activar el excitador 42 de las bobinas en función de tales órdenes. El excitador 42 de las bobinas incluye una fuente de alimentación convencional 47 de corriente continua y unos dispositivos de conmutación convencionales identificados esquemáticamente por 48 para conectar las bobinas de cada pareja a la fuente de alimentación 47, ya sea en configuración directa o en configuración inversa, según las órdenes recibidas desde el ordenador 46 a través de la interfaz 44. En configuración directa, las bobinas se conectan en serie sumatoria, de manera que la corriente que pasa a través de las dos bobinas de la pareja circula en el mismo sentido alrededor del eje. Por ejemplo, cuando las bobinas 34 del juego de bobinas del eje X están en configuración directa o en serie sumatoria, se encuentran conectadas en serie de tal modo que la corriente que pasa a través de las dos bobinas circula en sentido antihorario alrededor del eje X según se mira desde el extremo positivo del eje X. Cuando las dos bobinas de una pareja están en configuración inversa, se encuentran conectadas en serie opuesta, de manera que la corriente pasará a través de las dos bobinas en serie, pero circulará por las bobinas de la pareja en sentidos opuestos alrededor del eje. La corriente circulará en sentido horario sobre el eje X en una bobina 34, pero en sentido antihorario sobre el eje X en la otra bobina 34.

El aparato incluye además una sonda 50 de monitorización del paciente. La sonda 50 de monitorización incluye un cuerpo alargado 52 que tiene un extremo próximo 54 y un extremo distante 56 adaptado para su introducción en el cuerpo del paciente. En la realización particular ilustrada, el cuerpo 52 de la sonda es un árbol alargado y flexible adaptado para que ajuste en el interior de un endoscopio 53 convencional, que a su vez puede ser introducido en el cuerpo. El endoscopio 53 tiene uno o varios orificios o conductos para guiar instrumentos quirúrgicos, fluidos y similares cuando estos son introducidos en el cuerpo del paciente, y el cuerpo 52 de la sonda puede encajar en uno de tales orificios. Tales orificios o conductos pueden utilizarse también para el paso de instrumentos quirúrgicos endoscópicos u otros dispositivos o sustancias de tratamiento. Alternativa o adicionalmente, el cuerpo 52 de la sonda o el endoscopio 53 pueden incluir dispositivos eléctricos, ópticos o electro-ópticos conocidos que proporcionen una imagen local de los tejidos que rodean al extremo distante 56, tales como cámaras de video y cables de fibra óptica. El endoscopio puede estar conectado a un aparato convencional 58 de tratamiento médico para introducir y/o extraer fluidos, para observar los tejidos que rodean a la punta mediante dispositivos eléctricos o electro-ópticos y para efectuar otras aplicaciones convencionales de tratamiento médico que se realizan normalmente a través de sondas introducidas en el cuerpo.

Sobre el cuerpo 52 de la sonda y junto al extremo distante 56 está montado un sensor 60. Según se aprecia en la Figura 2, el sensor 60 incluye una pluralidad de elementos sensores planos 62, 64 y 66. El elemento 62 está dispuesto perpendicularmente a un eje X' común a los sensores. Así pues, el vector X' representado en la Figura 2, que se extiende sobre el eje X' del sensor, es perpendicular al elemento sensor plano 62. De igual modo, el elemento 64 es perpendicular a la dirección Y' del sensor y el elemento 66 es perpendicular a la dirección Z'. Las direcciones X', Y' y Z' son ortogonales entre sí, y por tanto los planos de los elementos 62, 64 y 66 también son perpendiculares entre sí. Cada elemento sensor incorpora un material que proporciona un efecto Hall, de manera que el elemento sensor proporciona una tensión de salida proporcional a la componente del campo magnético perpendicular a la cara del elemento sensor particular. Así pues, el elemento sensor 62 incorpora en su superficie una delgada película de un material galvanomagnético tal como arseniuro de indio, arseniuro de galio u otros, una pareja de conductores 68 de la excitación conectados a dos bordes opuestos de la película, y una pareja de conductores 70 de la tensión de salida conectados a los bordes restantes. En funcionamiento, cuando se hace pasar una corriente entre los bordes 68 y existe un campo magnético en las cercanías del sensor, aparece entre los conductores 70 una tensión proporcional al componente de campo perpendicular a la superficie del sensor. Dicho de otro modo, si B es el vector del campo magnético local y X' es el vector en dirección X' sobre el eje del sensor perpendicular al elemento 62, la tensión de salida V_{062} del elemento 62 es:

V_{062} = K(B*X')+V_{I62}

En donde V_{062} es la tensión de salida, K es un factor de proporcionalidad y V_{I62} es la tensión de salida del elemento 62 cuando se aplica un campo magnético cero. El elemento 64 tiene unos conductores similares (no representados) y produce similarmente una tensión de salida:

V_{064} = K(B*Y')+V_{I64}

En donde V_{064} es la tensión de salida del elemento 64, Y' es el vector unitario en la dirección Y', y V_{I64} es la tensión de salida del elemento 64 cuando se aplica un campo magnético cero. El elemento 66 produce similarmente una tensión de salida V_{066}:

V_{066} = K(B*Z')+V_{I66}

En donde V_{066} es la tensión de salida del elemento 66, Z' es el vector unitario en la dirección Z', y V_{I66} es la tensión de salida del elemento 66 cuando se aplica un campo magnético cero. Puesto que el sensor está situado en la punta distante 56 del cuerpo 52 de la sonda, la posición y la orientación del sensor 60 no son fijas con respecto a las direcciones de referencia X, Y y Z de la estructura de marco 30 y de las bobinas 34-38. Así pues, los ejes locales X', Y' y Z' del sensor 60 pueden tener cualquier orientación con respecto a los ejes X, Y y Z de las bobinas y de la estructura de marco.

Los conductores del sensor 60, incluyendo los conductores 68 y 70 y otros conductores asociados a otros elementos sensores (no representados), están conectados a un aparato 72 de excitación y amplificación (Figura 1) a través de un cable 75 que atraviesa el cuerpo 52 de la sonda. El aparato 72 de excitación y amplificación está adaptado para aplicar las tensiones de excitación adecuadas sobre los elementos del sensor 70 y para amplificar las tensiones de salida V_{066}, V_{064}, V_{062} de los diversos elementos sensores. El aparato 72 de excitación y amplificación está conectado a un convertidor analógico/digital 74, conectado a su vez a una entrada del ordenador 46. Aunque sólo se muestra una conexión, se apreciará que el convertidor 74 es un dispositivo multicanal, con múltiples conexiones y/o con dispositivos de multiplexión para enviar al ordenador 46 representaciones digitales de todas las señales de salida de todos los elementos sensores del sensor 60.

El aparato incluye además un marcador de referencia 76 (Figura 1) que incorpora un sensor 80 y un cuerpo 78 del marcador. El cuerpo 78 del marcador está adaptado para ser montado sobre una parte del cuerpo de un paciente en una posición sustancialmente fija con respecto a dicha parte del cuerpo. Así pues, el cuerpo 78 del marcador puede incorporar abrazaderas, correas, anillos o cintas para sujetarlo al exterior de la cabeza, miembro o torso de un paciente. Alternativa o adicionalmente, el cuerpo 78 puede incluir unas aberturas o ranuras para alojar suturas, clavijas, grapas quirúrgicas u otros dispositivos de sujeción. El cuerpo del marcador de referencia puede sujetarse también al cuerpo del paciente con una cinta adhesiva quirúrgica convencional, vendas o similares. Al menos una parte del marcador de referencia, tal como el cuerpo 78 del marcador, el sensor 80, o ambos, está formada por un material que pueda detectarse con una técnica de formación de imágenes del paciente, tal como rayos X, resonancia magnética (IRM), tomografía axial computerizada (TAC), u otras modalidades utilizadas normalmente para la formación de imágenes. El sensor 80 del marcador de referencia es sustancialmente igual al sensor 70 de la sonda 50 de monitorización. El sensor 80 está conectado a un aparato 82 de excitación y amplificación, conectado a su vez al ordenador 46 a través de un convertidor analógico digital 84. El aparato 82 y el convertidor 84 son similares al aparato 72 de excitación y amplificación y al convertidor analógico digital 74.

El aparato incluye además un aparato 86 de almacenamiento de imágenes para almacenar de forma digital una imagen de un paciente, o de una parte del cuerpo de un paciente. Típicamente, el aparato 86 de almacenamiento de imágenes incluye dispositivos convencionales de memoria para ordenadores. También se provee un dispositivo 88 de entrada de imágenes. El dispositivo 88 de entradas puede incluir dispositivos convencionales de entrada de datos digitales tales como reproductores de discos, enlaces de comunicación de datos, o similares, para recibir imágenes en forma digital desde cualquier equipo de formación de imágenes adecuado, tal como un equipo de rayos X, de resonancia magnética, de tomografía axial computerizada o un equipo de video, y para transferir las imágenes recibidas a un dispositivo 86 de almacenamiento de imágenes. Un monitor de visualización 90 está conectado al ordenador 46. El monitor de visualización 90 está equipado con dispositivos de entradas manuales tales como los botones 92, 94 y 96, y está conectado al ordenador 46 de manera que los ajustes de estos botones sean comunicados al ordenador. Los dispositivos de entrada de datos pueden incluir también un ratón, un mando de bola, un mando de palanca o un teclado.

Mientras el marcador de referencia 76 está montado sobre una parte del cuerpo, tal como la cabeza, puede formarse una imagen de esa parte del cuerpo utilizando aparatos de imagen convencionales, tales como resonancia magnética, tomografía axial computerizada, rayos X o similares. De este modo los datos de imagen adquiridos incluyen una representación del marcador de referencia. A este respecto, en esta etapa del proceso no es esencial que todo el marcador de referencia esté montado sobre la parte del cuerpo del paciente. Por ello, si el sensor magnético 80 puede separarse del cuerpo 78 del marcador, y si el cuerpo 78 del marcador puede ser visualizado por la modalidad empleada como equipo de imagen, en esta etapa del proceso el sensor 80 puede estar desconectado del cuerpo del marcador. Además, durante esta etapa del proceso el sensor del marcador de referencia puede estar desconectado del resto del aparato. En esta etapa del proceso no es necesario que el paciente esté situado en el marco 30 o en el volumen 32 de formación de imágenes, y típicamente no lo estará. Típicamente, la imagen del paciente se forma en un cuarto o instalación totalmente separada. Después de esta etapa de formación de la imagen, el marcador de referencia permanece sobre el paciente durante todo el resto del proceso. Los datos de imagen que representan la parte del cuerpo del paciente, incluyendo la representación del marcador de referencia 76, son transferidos al aparato 86 de almacenamiento de imágenes a través del dispositivo de entrada 88. Los datos de imagen pueden incluir una imagen en un sólo plano o, más deseablemente, una imagen en varios planos o una imagen totalmente tridimensional, tal como un mapa de radio-opacidad o de actividad de resonancia magnética, sobre un volumen totalmente tridimensional que incorpore una porción de la parte del cuerpo. Los datos de imagen pueden ser almacenados como datos de salida en los cuales los elementos individuales de los datos representan densidades o colores que se visualizarán en una representación gráfica de la imagen. Alternativamente, la imagen puede almacenarse en forma de datos de entrada tales como representaciones de dominio temporal o de dominio de frecuencia de señales de resonancia magnética, o de datos tomográficos sin procesar, con los cuales puede reconstruirse una representación gráfica.

En la siguiente etapa del procedimiento, se coloca la parte del cuerpo del paciente en el interior del volumen 32 de detección. Se introduce la sonda 50 en el cuerpo del paciente utilizando técnicas convencionales de la medicina. El ordenador 46 activa el excitador 48 de las bobinas para accionar las bobinas según una secuencia repetitiva predeterminada. La secuencia incluye un estado cero, en el cual todas las bobinas están desconectadas y los únicos campos magnéticos existentes en el volumen 32 de detección son los provocados por fuentes externas, tales como el campo magnético de la tierra, los campos magnéticos parásitos procedentes de elementos cercanos, y similares. Además, la secuencia incluye una etapa de campo directo u homogéneo para cada juego de bobinas. Cuando cada juego de bobinas es activado en su etapa directa, en la citada configuración en serie sumatoria con flujo de corriente en igual sentido en ambas bobinas, dicho juego crea un campo magnético unidireccional y sustancialmente homogéneo orientado a lo largo del eje del juego. Por ejemplo, en estado directo las bobinas 34 de la dirección X crean un campo compuesto esencialmente por un flujo dirigido paralelamente al eje X, de magnitud sustancialmente igual en toda la región central del volumen de detección 32 adyacente al punto medio del volumen de detección, es decir en el origen o intersección 39 de los ejes X, Y y Z. Típicamente, el campo es homogéneo al 1% aproximadamente sobre una región que se extiende desde el origen y abarca aproximadamente el 62% de la distancia entre las bobinas, y que se extiende lateralmente desde los ejes hacia el exterior sobre una distancia igual al 25% aproximadamente del diámetro de la bobina. Los tres juegos de bobinas son activados por separado, en momentos diferentes de la secuencia, para que en modo directo únicamente esté activo un juego de bobinas en cada momento.

La secuencia incluye también una actuación de cada juego de bobinas en modo de configuración inversa o en gradiente. En modo inverso o en gradiente, con las corrientes fluyendo en sentidos opuestos en las dos bobinas de cada juego, el campo generado por cada juego de bobinas incorpora un componente dirigido sobre el eje existente entre las bobinas y con un gradiente uniforme y sustancialmente lineal a lo largo de ese eje. Por ejemplo, cuando las bobinas 34 de la dirección X son activadas en modo gradiente, el campo tiene la configuración ilustrada en las Figuras 3, 4 y 5. En la Figura 3, R_{X} es el componente del campo en gradiente o inverso en dirección X, es decir paralelo al eje X. Según se aprecia en la Figura 3, este componente tiene un pequeño valor negativo en un extremo del volumen de detección. El componente R_{X} en dirección X aumenta monotónicamente y linealmente según aumentan los valores de X, pasando por 0 aproximadamente cuando X=0, es decir en el origen 39. El valor o magnitud del componente en dirección X en cualquier punto determinado del eje X es igual para cualquier valor de Y y Z. Por lo tanto, R_{X} es únicamente función de X, y es constante con respecto a Y y Z.

El campo inverso o en gradiente generado por las bobinas 34 del eje X incluye también un componente radial perpendicular al eje X. El componente radial es simétrico respecto al eje X y se aleja del eje X. El componente radial se descompone en un componente en dirección Y y un componente en dirección Z. Según se aprecia en la Figura 4, el componente R_{Y} en dirección Y del campo inverso o en gradiente generado por las bobinas 34 de la dirección X varía monotónicamente con Y, llegando a 0 cuando Y=0, es decir en el plano X-Z. El componente R_{Z} en dirección Z del campo inverso o en gradiente de las bobinas X tiene una configuración similar (Figura 5). Por ello, R_{Z} es proporcional a Z. La constante o pendiente de proporcionalidad de R_{Y} respecto a Y es aproximadamente un tercio de la constante de proporcionalidad de R_{X} respecto a X. De igual modo, la constante de proporcionalidad o pendiente de R_{Z} respecto a Z es también un tercio aproximadamente de la constante de proporcionalidad de R_{X} respecto a X.

La anterior descripción relativa a las Figuras 3, 4 y 5 está referida a los diversos componentes de un único campo inverso o en gradiente, generado por las bobinas 34 del eje X. Los campos inversos o en gradiente generados por las bobinas 36 del eje Y y por las bobinas 38 del eje Z tienen la misma configuración, pero sobre ejes diferentes. Así pues, el campo inverso o en gradiente generado por las bobinas 36 del eje Y tiene un componente R_{Y} que aumenta monotónicamente con el aumento de los valores de Y (según aumenta el desplazamiento por el eje Y en dirección +Y) pero que no varía sustancialmente con X o Z a ningún valor determinado de Y. Este componente también tiene un valor aproximado de 0 en el punto Y=0, es decir en el origen 39 y sobre el plano X-Z. El mismo campo en gradiente del eje Y tiene un componente radial perpendicular al eje Y. El componente radial se descompone en un componente en dirección X proporcional a X y un componente en dirección Z proporcional a Z. Las respectivas constantes de proporcionalidad de los componentes X y Z con respecto a las distancias X y Z son aproximadamente un tercio de la constante de proporcionalidad del componente Y con respecto a la distancia Y.

De igual modo, el campo inverso o en gradiente creado por las bobinas 38 del eje Z tiene un componente en dirección Z que varía monotónicamente con Z y que llega a 0 en el origen (Z=0), siendo este componente constante con respecto a X e Y dentro de la zona central del volumen de detección 32. El campo inverso o en gradiente generado por las bobinas 38 incluye un componente en dirección X proporcional a X y un componente en dirección Y proporcional a Y, siendo estas dos constantes de proporcionalidad inferiores a la constante de proporcionalidad del componente en dirección Z.

En el caso de los campos inversos o en gradiente, los juegos individuales de bobinas son activados por separado, en diferentes momentos los unos de los otros, de manera que en cada momento sólo esté activado un juego de bobinas, y de manera que no se active ninguno de los juegos de bobinas en modo de campo en gradiente mientras esté otro juego en modo de campo homogéneo. Las diversas activaciones se repiten cíclicamente. La secuencia particular dentro de cada ciclo no tiene importancia. Así pues, cada ciclo puede incluir la activación de cada juego de bobinas para crear su respectivo campo uniforme, seguida de la activación de cada juego de bobinas para crear su campo inverso o en gradiente, seguida por la desactivación de todos los juegos de bobinas.

Alternativamente, la secuencia puede incluir la activación del juego de la dirección X para crear su campo uniforme, y después para crear su campo inverso o en gradiente, seguida por una activación similar de los juegos de bobinas Y y Z y de la desactivación de todos los juegos de bobinas, o cualquier combinación de estos patrones. No obstante, el ordenador 46 mantiene un registro de la activación de las bobinas en cada momento de la secuencia, de manera que puedan asociarse los datos procedentes de los sensores 60 y 80 con la activación de los juegos de bobinas particulares. La secuencia total se repite rápidamente de manera que cada secuencia dure entre aproximadamente 10 y 100 milisegundos.

Mientras los campos son conectados y desconectados durante la secuencia, el ordenador 46 controla la adquisición de los datos de los sensores 60 y 80 de manera que las señales que representan cada campo sean adquiridas en unos tiempos de adquisición preseleccionados durante cada ciclo de conmutación. Así pues, cuando se activa cada pareja de bobinas en un modo particular, la magnitud del campo generado por esa pareja de bobinas aumenta exponencialmente hasta un valor constante según la ecuación

M_{i}=M_{c}(1-e^{(-t/tau)})

en donde:

t es el tiempo;

M_{i} es la magnitud instantánea del campo en el tiempo t;

M_{c} es la magnitud constante o estable; y

tau es una constante de tiempo proporcional a la inductancia del juego de bobinas e inversamente proporcional a la resistencia en serie.

Puesto que el tiempo de adquisición es el mismo en todos los ciclos de conmutación, la magnitud M_{i} del campo instantáneo en el tiempo de adquisición es siempre una proporción constante de la magnitud M_{c} del campo estable. Por ejemplo, el retardo entre el inicio de un ciclo de conmutación y el tiempo de adquisición puede ser aproximadamente igual a la constante de tiempo tau, es decir aproximadamente el 20 por ciento del retardo que sería necesario para alcanzar una condición sustancialmente estable. Con esta disposición, la magnitud del campo instantáneo en el tiempo de adquisición durante cada ciclo es aproximadamente el 63 por ciento del valor estable. Puesto que cada ciclo de conmutación puede terminar, y empezar un nuevo ciclo de conmutación, inmediatamente después del tiempo de adquisición, esta disposición permite muchas más mediciones por unidad de tiempo que la disposición alternativa en la cual se deja que cada pareja de bobinas alcance el estado estable antes de la adquisición de los datos. En una variante de este esquema, el tiempo de adquisición puede ser controlado monitorizando la corriente instantánea que atraviesa los juegos de bobinas. El sistema puede estar dispuesto para que adquiera en cada ciclo los datos de los sensores 60 y 80 cuando la corriente instantánea en el juego particular de bobinas que esté siendo activado llegue a un valor de disparo preseleccionado, preferiblemente inferior a la corriente de equilibrio. Además, con esta disposición, las muestras de datos de los sensores se tomarán a una magnitud de campo constante entre uno y otro ciclo. Mientras se activan repetidamente las bobinas, se obtienen señales de los sensores 60 y 80, se amplifican, se digitalizan y se envían al ordenador 46. Las señales se utilizan para conocer la orientación y la posición del sensor, y de la sonda unida al mismo, en el sistema de coordenadas X, Y y Z dentro del volumen de detección 32. En cada etapa de cada ciclo, el ordenador adquiere los datos que representan los componentes en direcciones X', Y' y Z' del campo en el sensor 60, de manera que existe una entrada independiente de datos del campo en cada una de tales direcciones locales durante cada activación de la bobina. Cada dato de entrada es corregido restándole el correspondiente dato de entrada de bobina desactivada durante la condición de campo cero del mismo ciclo. Por ejemplo, todas las lecturas de los elementos 62 para un campo en dirección X' son corregidas restándoles el valor del componente de campo en dirección X' adquirido durante la condición de campo cero. Esto elimina cualquier efecto producido por los campos diferentes de los aplicados por las bobinas. Las siguientes referencias que se hagan a valores de lecturas de sensores con "corrección de cero" deberán entenderse como referentes a los valores corregidos de esta manera. Los valores con corrección de cero de las lecturas de los sensores adquiridas durante la generación de campos homogéneos se denominan "H_{m,n}" en donde m es una letra que indica cual de los elementos sensores adquirió el valor y n es una letra que indica cual de las parejas de bobinas generó el campo homogéneo durante la adquisición de los valores. La notación está indicada en la siguiente tabla I:

TABLA I Lecturas de los elementos sensores con campos homogéneos

1

Los valores adquiridos durante todos los campos homogéneos forman pues una matriz de 3 x 3. Estos valores son normalizados dividiendo cada uno de ellos por la magnitud del flujo generado por la pareja particular, es decir, por la magnitud del vector del flujo total aplicado por la pareja de bobinas. Esta magnitud es a su vez la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las lecturas de los sensores individuales:

Hx = sqrt[(H_{X', X})^{\wedge}2 + (H_{Y', X})^{\wedge}2 + (H_{Z', X})^{\wedge}2]

Hy = sqrt[(H_{X', Y})^{\wedge}2 + (H_{Y', Y})^{\wedge}2 + (H_{Z', Y})^{\wedge}2]

Hz = sqrt[(H_{X', Z})^{\wedge}2 + (H_{Y', Z})^{\wedge}2 + (H_{Z', Z})^{\wedge}2]

En donde H_{X} es la magnitud del flujo magnético aplicado por el juego de bobinas 34 del eje X durante la activación en campo uniforme y H_{Y2} y H_{Z3} son las magnitudes similares para el flujo aplicado respectivamente por el juego 36 del eje Y y el juego 38 del eje Z. El término "sqrt" significa "raíz cuadrada" de la expresión entre corchetes; ^2 significa el cuadrado de la expresión precedente. Estas magnitudes se utilizan después para calcular los valores normalizados. Es decir, cada lectura de un sensor tomada durante una determinada actuación de campo homogéneo es dividida por la magnitud del flujo generado durante esa actuación:

H'{}_{X', X} = (H_{X', X})/H_{X}

\hskip0,5cm

H'{}_{X', Y} = (H_{X', Y})/H_{Y}

H'{}_{Y', X} = (H_{Y', X})/H_{X}

\hskip0,5cm

H'{}_{Y', Y} = (H_{Y', Y})/H_{Y}

H'{}_{Z', X} = (H_{Z', X})/H_{X}

\hskip0,5cm

H'{}_{Z', Y} = (H_{Z', Y})/H_{Y}

A partir de los valores normalizados puede determinarse directamente la orientación del sensor, es decir los ángulos de los ejes X', Y' y Z' del sensor con respecto a los ejes X, Y y Z del marco 30 y de los juegos de bobinas. No son necesarios todos los valores para calcular la orientación a partir de los campos homogéneos. El sistema selecciona un juego de valores que tenga la mayor magnitud, y por lo tanto la mayor relación entre señal y ruido, y lo utiliza para el cálculo.

La orientación del sensor con respecto al sistema de coordenadas X, Y, Z de las bobinas puede expresarse de muchas maneras. No obstante, la orientación es expresada preferiblemente según tres ángulos denominados cabeceo, balanceo y guiñada. Todos ellos están referidos a una supuesta posición "inicial" o cero en la cual las direcciones locales X', Y', Z' del sensor están alineadas con las direcciones de referencia X, Y, Z del sistema de bobinas. El cabeceo es el ángulo 93 (Figura 2) entre la dirección local Z' del sensor y la dirección de referencia Z. Puede calcularse como:

Cabeceo = arcos(H'{}_{Z', Z})

La guiñada es el ángulo 94 entre la proyección del eje Z' del sensor sobre el plano X-Y y la dirección de referencia Y. Puede calcularse como:

Guiñada = arctan(H'{}_{Z', X}/(H'{}_{Z', Y})

Con esta notación, la guiñada está indefinida para una condición de cabeceo cero. El balanceo se define como el ángulo 95 entre la dirección local X' del sensor y la dirección de referencia Z del sistema. Puede calcularse como:

Balanceo = arctan(H'{}_{Y', Z}/(H'{}_{X', Z})

Puede utilizarse cualquier otra combinación de ángulos consistentes entre si para especificar la orientación. Además, la orientación del sensor puede quedar totalmente especificada mediante dos vectores unitarios cualesquiera del sistema de coordenadas locales del sensor en términos del sistema de coordenadas X, Y, Z de referencia. Únicamente a título de ejemplo:

X' = i(H'{}_{X', X})+ j(H'{}_{X', Y})+ k(H'{}_{X', Z})

En donde X' es el vector unitario en la dirección X'; e i, j, k son los vectores unitarios en las direcciones de referencia X, Y, Z.

El sistema también adquiere los datos que representan las lecturas de los sensores adquiridas durante la aplicación de los campos en gradiente. Al igual que con los datos adquiridos durante la generación de los citados campos homogéneos, los datos de los campos en gradiente son corregidos restándoles los valores de campo cero para cada sensor. Los valores corregidos se toman entonces como datos representativos de las lecturas del sensor y, por lo tanto, de los componentes del campo en las particulares direcciones X', Y' y Z' durante la aplicación de los campos en gradiente por los diferentes juegos de bobinas. Así pues, según se indica en la siguiente Tabla II, R_{x',x} representa la lectura del sensor X', y por lo tanto el componente del campo en la dirección local X' del sensor 60 mientras las bobinas del eje X están funcionando en modo de campo inverso o en gradiente, R_{x',y} representa el componente similar en la dirección local X' durante el funcionamiento con campo en gradiente de la pareja de bobinas del eje Y, y así sucesivamente:

TABLA II Lecturas de los elementos sensores con campos en gradiente

2

La magnitud de los vectores del flujo total en el sensor 60 durante la actuación de cada juego de bobinas en modo gradiente es calculada por el ordenador 46:

|Bx| = sqrt[(R_{X', X})^{\wedge}2 + (R_{Y', X})^{\wedge}2 + (R_{Z', X})^{\wedge}2]

|By| = sqrt[(R_{X', Y})^{\wedge}2 + (R_{Y', Y})^{\wedge}2 + (R_{Z', Y})^{\wedge}2]

|Bz| = sqrt[(R_{X', Z})^{\wedge}2 + (R_{Y', Z})^{\wedge}2 + (R_{Z', Z})^{\wedge}2]

En donde |Bx| es la magnitud del flujo en el sensor durante el funcionamiento del juego de bobinas 34 del eje X en modo inverso o en gradiente, en donde |By| es la magnitud del vector del flujo en el sensor 60 durante el funcionamiento con campo en gradiente en el juego de bobinas 36 de la dirección Y, y en donde |Bz| es la magnitud del vector del flujo en el sensor durante el funcionamiento del juego de bobinas 38 del eje Z.

Aunque la magnitud de los vectores de flujo total para cada campo en gradiente puede ser calculada fácilmente según se ha descrito anteriormente a partir de las lecturas R_{X',X} ..R_{Z',Z} del sensor de campo en gradiente, la dirección del vector de flujo de los campos en gradiente en el sistema de coordenadas de referencia XYZ definido por las bobinas no puede averiguarse a partir únicamente de estos valores. Así pues, los valores R_{X',X} ..R_{Z',Z} representan componentes en las direcciones locales X', Y' y Z' del sensor. Los valores normalizados H'_{11}...H'_{33} del campo homogéneo se utilizan junto con los valores de los componentes del campo en gradiente de cada juego de bobinas para deducir una proyección del vector total del campo en gradiente de cada juego de bobinas sobre el eje de ese juego de bobinas, y deducir así el componente del vector del campo en gradiente sobre el eje del juego de bobinas que fue activado para crear ese campo en gradiente.

En primer lugar, el sistema calcula la magnitud de un vector diferencial entre el vector total del campo en gradiente y el vector normalizado de magnitud unitaria del campo homogéneo generado por la misma pareja de bobinas. Por ejemplo, según se muestra en la Figura 6, el sistema calcula la magnitud del vector diferencial d_{X} que representa la diferencia vectorial entre el flujo total B_{X}, durante el funcionamiento del juego de bobinas del eje X en modo gradiente, y el vector normalizado de longitud unitaria H'_{X} que representa un vector unitario en la dirección del flujo durante el funcionamiento del juego de bobinas del eje X en modo de campo homogéneo. Esta última dirección es por supuesto la del eje X de los juegos de bobinas. Los componentes del vector diferencial en el sistema de coordenadas locales X', Y', Z' del sensor pueden calcularse directamente a partir de los valores R_{X', X} R_{Y', X} R_{Z', X} del sensor de campo en gradiente adquiridos durante el funcionamiento del juego de bobinas X en modo gradiente y a partir de los valore normalizados H_{X', X} H_{Y', X} H_{Z', X} del sensor de campo homogéneo adquiridos durante el funcionamiento del mismo juego de bobinas en modo de campo homogéneo. Así pues:

|dx| = sqrt[(R_{X', X} -H'{}_{X', X})^{\wedge}2 + (R_{Y', X} -H'{}_{Y', X})^{\wedge}2 +(R_{Z', X} -H'{}_{Z', X})^{\wedge}2]

En donde |dx| es la magnitud del vector diferencial. Siempre que se conozcan en su totalidad las magnitudes del vector unitario H'_{X} del vector B_{X} del flujo total del campo en gradiente y del vector diferencial dX, pueden calcularse los ángulos entre estos vectores aplicando la ley de los cosenos. En particular, el ángulo T_{X} entre el vector total B_{X} del campo en gradiente existente en el sensor, durante el funcionamiento en modo gradiente del juego de bobinas de la dirección X, y el vector unitario H'_{X} puede calcularse del modo siguiente:

Tx = arcos[(1 + |Bx|^2 - |dX|^2) / 2*|Bx|)]

Dado que el campo homogéneo generado por el juego de bobinas del eje X tiene el flujo dirigido a lo largo del eje X, el ángulo T_{X} representa el ángulo entre el vector Bx del flujo total del campo en gradiente y el eje X. El componente del vector B_{X} del flujo total del campo en gradiente en la dirección de referencia del eje X es simplemente:

R_{X} = (|B_{X}|)cos(T_{X})

Este representa el componente del flujo en dirección X en el sensor 60 durante el funcionamiento del juego de bobinas 34 del eje X en modo de campo en gradiente o inverso. Según se indicó anteriormente, el componente del flujo durante este funcionamiento del juego de bobinas de la dirección X es sustancialmente proporcional a la posición en la dirección X (Figura 3). Así pues:

Posición \ X \ (mm) = (M_{X}) \ (R_{X})

En donde M_{X} es un factor de conversión. El factor de conversión representa la pendiente de la función que relaciona el componente X del flujo R_{X} con la distancia en la dirección X. Mx puede ser escalado para tener en cuenta la sensibilidad de los diversos elementos del sensor y la ganancia de los diversos canales de amplificación, suponiendo que todos ellos sean iguales para todos los sensores. Alternativamente, puede aplicarse a la sensibilidad factores de escala adicionales para convertir las tensiones V_{062}, V_{064}, V_{066}, obtenidas de cada elemento sensor, en valores numéricos reales de los componentes del flujo magnético, con objeto de aplicar factores de escala independientes a las lecturas de los diferentes elementos sensores.

Los vectores diferenciales y los ángulos se calculan de un modo exactamente igual para obtener el componente R_{Y} en el eje Y del vector de flujo B_{Y} detectado en el sensor 60 durante el funcionamiento del juego de bobinas de la dirección Y en modo gradiente, y para obtener el componente R_{Z} del eje Z en la dirección Z durante el funcionamiento en gradiente de las bobinas del eje Z. Las magnitudes de los vectores diferenciales se calculan como sigue:

|dy| = sqrt[(R_{X', Y} -H'{}_{X', Y})^{\wedge}2 +(R_{Y', Y} -H'{}_{Y', Y})^{\wedge}2 + (R_{Z', Y} -H'{}_{Z', Y})^{\wedge}2]

|dz| = sqrt[(R_{X', Z} -H'{}_{X', Z})^{\wedge}2 +(R_{Y', Z} -H'{}_{Y', Z})^{\wedge}2 + (R_{Z', Z} -H'{}_{Z', Z})^{\wedge}2]

En donde |dY| y |dZ| son las magnitudes de los vectores diferenciales asociados a las bobinas del eje Y y del eje Z, del mismo modo que se calculó anteriormente |dX|. Los ángulos Ty y Tz se calculan de la misma manera que Tx, usando la ley de los cosenos:

Ty = arcos[(1 + |By|^2 - |dY|^2) / 2*|By|)]

y

Tz = arcos[(1 + |Bz|^2 - |dZ|^2) / 2*|Bz|)]

\newpage

Las posiciones en la dirección Y y en la dirección Z se calculan a partir de estos componentes y ángulos exactamente del mismo modo que las posiciones en la dirección X. Así pues:

R_{Y} = (|B_{Y}|) \ cos \ (T_{Y})

R_{Z} = (|B_{Z}|) \ cos \ (T_{Z})

Posición Y = (M_{Y}) (R_{Y})

Posición Z = (M_{Z}) (R_{Z})

De este modo, cada vez que las bobinas pasan cíclicamente por los estados de campo cero, campo homogéneo y campo en gradiente, el ordenador 46 recalcula la posición y la orientación del sensor 60. Siempre que el sensor 60 esté unido a la punta distante 56 del cuerpo 52 de la sonda, estos cálculos proporcionan la posición y la orientación de la punta distante del cuerpo de la sonda.

En la anterior descripción se supone que el factor de conversión M_{X}, que relaciona la posición en la dirección X con la magnitud del componente R_{X} en dirección X, es exactamente constante y exactamente uniforme para todos los valores de Y y Z. De igual modo, se supone que son constantes los correspondientes factores de conversión que relacionan la posición en la dirección Y con la magnitud del componente del flujo en dirección Y, y los que relacionan la posición en la dirección Z con la magnitud del componente del flujo en dirección Z. La precisión del cálculo de la posición puede mejorarse calibrando el instrumento para obtener un mapa de los factores de conversión reales para diversas posiciones dentro del volumen de detección. En la etapa de calibración, se mide la magnitud real del componente del campo en cada dirección axial a diversos valores conocidos de X, Y y Z durante el funcionamiento con campo inverso o en gradiente del juego de bobinas asociado a ese eje. Por ejemplo, se mide el componente en dirección Y en posiciones conocidas durante el funcionamiento con campo en gradiente del juego de bobinas del eje Y. Cada campo en gradiente es sustancialmente simétrico respecto al eje del correspondiente juego de bobinas. Por lo tanto, las mediciones de calibración pueden efectuarse en puntos de un sólo plano que incluya el eje del juego de bobinas, y puede suponerse que los mismos valores se aplican a los puntos correspondientes a la rotación de los puntos realmente medidos alrededor del eje del juego de bobinas. Las magnitudes medidas se utilizan para obtener los factores reales de conversión aplicables a cada una de las posiciones conocidas. Los mismos datos se utilizan para obtener factores medios de conversión para cada dirección, aplicables al volumen de detección como conjunto, hallando el factor único para una dirección determinada que mejor se ajuste a todos los datos adquiridos durante la calibración.

En funcionamiento, se determinan en una primera aproximación las coordenadas X, Y y Z del sensor utilizando los factores medios de conversión y los valores medidos de los componentes R_{X}, Ry_{Y} y R_{Z} del campo en gradiente. Estas coordenadas en primera aproximación se utilizan después para hallar los factores reales de conversión por interpolación entre los valores reales de conversión de los puntos más cercanos en que se tomaran mediciones durante la etapa de calibración del proceso. A continuación los factores de conversión resultantes se aplican con los valores medidos de los componentes R_{X}, Ry_{Y} y R_{Z} para hallar las coordenadas en segunda aproximación que, a su vez, se utilizan para hallar nuevos valores de los factores reales de conversión por interpolación en los datos de calibración. Estas etapas se repiten hasta que la aproximación converja en unos valores constantes de las diversas coordenadas, los cuales representan la mejor aproximación a la posición.

Exactamente del mismo modo, el ordenador adquiere los valores de los componentes de flujo de los elementos de detección del sensor 80 del marcador 76 de referencia. En cada ciclo de las bobinas, el ordenador también activa la posición y la orientación del marcador de referencia.

El ordenador 46 recoge en el dispositivo de almacenamiento 86 los datos que definen la imagen de la parte del cuerpo del paciente y despliega una representación gráfica de la imagen I en el monitor 90. Dado que la imagen de la parte del cuerpo del paciente adquirida durante la anterior etapa de construcción de imagen incluye una representación del marcador de referencia 76, la imagen I desplegada incluirá una representación gráfica 102 del marcador de referencia 76. El ordenador utiliza también el monitor 90 para desplegar una representación gráfica 104 del marcador de referencia 76 en un punto de la pantalla del monitor. La representación 104 aparece en una posición correspondiente a su posición dentro del marco de referencia XYZ, es decir a la posición del marcador de referencia obtenida por las mediciones del campo magnético. La orientación de la representación 104 es ajustada para que coincida con la orientación del marcador de referencia obtenida a partir de las mediciones del campo magnético. Si la representación 104 del marcador de referencia coincide en la pantalla del monitor con el dibujo 102 del mismo marcador, ello indica que la imagen de la parte del cuerpo del paciente se visualiza en la pantalla del monitor en una posición y con una orientación correspondientes a la posición y a la orientación de la parte del cuerpo dentro del sistema de coordenadas de referencia XYZ.

Típicamente, la imagen I de la parte del cuerpo del paciente no es coincidente al comienzo de la etapa de visualización. Es decir, el dibujo 102 del marcador de referencia incorporado en la imagen no coincide con la representación 104 del marcador de referencia obtenida a partir de los datos magnéticos de posición y de orientación. El usuario ordena manualmente al ordenador que reoriente la imagen aplicando las entradas adecuadas por los dispositivos manuales de entrada 92, 94 y 96 para desplazar y girar la imagen hasta que el dibujo 102 recubra la representación 104 y estos dos elementos gráficos queden adecuadamente alineados el uno con el otro. Cuando la imagen almacenada incluya imágenes o "rebanadas" en una pluralidad de planos que corten la parte del cuerpo, los ajustes manuales de la imagen pueden incluir la selección de una imagen en el plano correcto para mostrar el dibujo 102 del sensor de referencia a tamaño real, con el plano de la imagen pasando a través del sensor. Por medio de estas entradas manuales de control, el usuario introduce eficazmente en el sistema datos de relación que informan al sistema sobre la relación entre el marco de referencia inicial de la imagen y el marco de referencia X-Y-Z del sistema, y el sistema transforma la imagen en una imagen dentro del marco de referencia X-Y-Z.

Una vez accionados los controles manuales para que el dibujo 102 y la representación 104 del marcador de referencia coincidan entre si, se envía otra señal "de bloqueo" al ordenador a través de un dispositivo convencional de entrada de datos, tal como un teclado 106, indicando que dicha coincidencia ha sido efectuada. Una vez recibida la señal de "bloqueo" el ordenador mantiene continuamente la coincidencia del dibujo 102 del marcador de referencia en la imagen con la representación 104 del marcador de referencia obtenida de los datos magnéticos. Así pues, si los datos de posición y orientación del marcador de referencia 76 obtenidos a través de mediciones del campo magnético indican un cambio de posición del marcador de referencia 76, de su orientación, o de ambas, el ordenador desplazará correspondientemente sobre el monitor 90 la representación 104 del marcador de referencia obtenida del campo magnético, y también transformará del mismo modo la imagen I, incluyendo el dibujo 102 del marcador de referencia. Por lo tanto, no es necesario que el paciente permanezca en una posición fija durante el procedimiento.

Por ejemplo, la imagen particular I que se muestra en la Figura 1 es una imagen tomada sobre un plano cortado paralelamente a los ejes Y-Z. Si los datos de posición y orientación del marcador de referencia 76 obtenidos de las mediciones del campo magnético indican que la parte del cuerpo del paciente se ha desplazado en la dirección +Y y ha girado en sentido horario sobre el eje +X desde que se hizo coincidir inicialmente la imagen, el ordenador 46 transformará la imagen y activará el monitor 90 para mostrar en la pantalla del monitor la imagen desplazada y girada en las correspondientes direcciones. Son conocidos en la técnica los procedimientos para transformar imágenes almacenadas mostrando el desplazamiento y la rotación en dos y tres dimensiones, y no es necesario describirlos con detalle. No obstante, tales procedimientos se utilizan normalmente para mostrar la imagen transformada en respuesta a desplazamientos y posiciones introducidos arbitrariamente. En este caso, las técnicas de transformación son aplicadas en respuesta a los verdaderos desplazamientos y rotaciones de la parte de cuerpo medidos por el sistema de monitorización de campos magnéticos.

En este punto, la imagen I de la parte del cuerpo del paciente se visualiza en la pantalla del monitor 90 en una posición correspondiente a su posición y orientación verdaderas en las coordenadas de referencia XYZ del marco y de las bobinas. El ordenador activa el monitor 90 para mostrar una representación 108 de al menos el extremo distante 56 de la sonda 50. La posición y orientación de la representación 108 corresponden a la posición y orientación de la punta distante 56 obtenidas a partir de las mediciones del campo magnético efectuadas por el sensor 60. Puesto que tanto la representación 108 como la imagen I son presentadas en el monitor 90 en posiciones y orientaciones correspondientes a las posiciones y orientaciones verdaderas de la sonda y de la parte del cuerpo del paciente en el sistema de coordenadas de referencia X, Y, Z, la representación 108 y la imagen I combinadas en la pantalla del monitor muestran con precisión la posición de la punta distante 56 de la sonda con respecto a la parte del cuerpo del paciente. Así mismo, a medida que cambie la posición y la orientación de la punta distante 56 de la sonda, el ordenador alterará la posición y la orientación de la representación 108 de la sonda en la pantalla del monitor. La representación de la punta 56 de la sonda de monitorización y del marcador de referencia 76 puede hacerse con representaciones gráficas o también con representaciones esquemáticas tales como líneas, flechas o similares.

Así pues, el sistema mostrará continuamente la auténtica relación entre la punta de la sonda y la parte del cuerpo del paciente. En efecto, el sistema proporciona un resultado similar al que se obtendría con una imagen continua del paciente formada durante el procedimiento médico, tal como por rayos X, tomografía axial computerizada o resonancia magnética, en la que apareciera la punta de la sonda. Sin embargo, las etapas de monitorización por campos magnéticos según esta realización de la invención no interfieren con el curso del procedimiento médico. No se emplea ninguna radiación ionizante. Además, los campos magnéticos utilizados son tan pequeños que no ejercen ninguna fuerza apreciable o perceptible sobre materiales magnéticos en la zona de detección. Además, el sistema es sustancialmente insensible a la presencia de materiales magnéticos y/o de campos electromagnéticos parásitos dentro del volumen de detección. Las bobinas proporcionan típicamente un buen acceso al volumen de detección para llegar al paciente a través de las aberturas 40, de manera que el médico pueda efectuar el procedimiento requerido. Además, las bobinas y la estructura soporte pueden ser retiradas de inmediato para obtener un acceso aun mejor en un caso de emergencia durante el procedimiento.

La capacidad del presente sistema para proporcionar una información posicional precisa, y para superponer una representación de la sonda sobre una imagen del cuerpo del paciente, resulta útil en muchos procedimientos médicos, pero es especialmente valiosa en aquellos procedimientos en los que se utiliza un instrumento endoscópico en el cerebro. Aunque los instrumentos endoscópicos están típicamente equipados con dispositivos tales como cámaras de video en miniatura, ópticas de fibra o similares que proporcionan una imagen de los tejidos que rodean inmediatamente a la punta distante del endoscopio, tales imágenes no permiten al médico establecer la situación de la punta en el cerebro, simplemente porque muchas regiones del cerebro presentan el mismo aspecto endoscópico. Utilizando los procedimientos descritos anteriormente, el médico puede monitorizar la situación y la orientación del instrumento viendo la representación de la punta distante de la sonda sobre una imagen del cerebro. De este modo, el instrumento endoscópico equipado con la sonda puede ser utilizado para efectuar operaciones quirúrgicas u otros tratamientos en el cerebro, posicionando el endoscopio mediante la sonda, retirando la sonda del orificio del cuerpo 53 del endoscopio e introduciendo después por el orificio del endoscopio instrumentos quirúrgicos endoscópicos convencionales. Alternativamente, el endoscopio puede tener dos orificios, o un orificio grande, de manera que puedan introducirse instrumentos mientras la sonda permanece en su lugar. Además, el sensor 60 puede estar montado en la punta distante del propio endoscopio, de manera que el cuerpo 53 del endoscopio sirva como cuerpo de la sonda. Los procedimientos y los aparatos descritos anteriormente también pueden utilizarse en todas las demás zonas del cuerpo como, por ejemplo, en la columna vertebral, corazón, tracto otolaringológico, tracto y órganos urogenitales, abdomen y pulmones. Otras realizaciones de la invención proporcionan un sistema estereotáctico sin marco. En un sistema estereotáctico convencional, una sonda rígida es guiada por un marco montado fuera del cuerpo del paciente y sujeto a una parte del cuerpo, de manera que la punta de la sonda pueda ser colocada en una posición precisa dentro del cuerpo. Así pues, el marco puede ser fijado al cráneo y la sonda puede avanzar por una línea preseleccionada fijada por el marco. Utilizando los sistemas descritos anteriormente, no es necesario un marco; la posición de la sonda con respecto al paciente se determina a partir de las mediciones de los componentes del campo magnético en la sonda y en el marcador de referencia situado sobre el paciente. Cuando la sonda es rígida, el sensor magnético situado sobre la sonda puede estar colocado en el extremo próximo de la sonda, el cual permanece fuera del cuerpo del paciente durante el procedimiento. En este caso, el sistema de ordenador está adaptado para calcular la posición de la punta de la sonda a partir de la posición y la orientación del sensor.

En otro procedimiento, una pluralidad de partes del cuerpo tales como las porciones 174 y 175 de un miembro de un paciente (Figura 7) unidas por una articulación común 177 pueden estar provistas respectivamente de unas sondas 176A y 176B. Cada una de tales sondas es similar al marcador de referencia 76 descrito anteriormente con referencia a la Figura 1. La sonda 176A se sujeta al miembro 174 mediante una banda 180 para que la sonda se mantenga en una posición sustancialmente fija con respecto al hueso 182 de la porción 174 del miembro. Para asegurar una precisión aún mayor, la sonda 176 puede sujetarse directamente al hueso, introduciendo quirúrgicamente la sonda en el miembro, o uniendo la sonda a unas clavijas (no representadas) que atraviesan los tejidos blandos del miembro hasta el hueso. De igual manera, la sonda 176B se sujeta a la porción 175 del miembro de manera que la sonda se mantenga en una posición fija con respecto al hueso 183. También es este caso se adquiere una imagen de las partes del cuerpo mediante rayos X, tomografía axial computerizada, resonancia magnética u otra modalidad de imagen. La imagen incluye imágenes de las sondas 176A y 176B, así como imágenes de los huesos 182 y 183, y puede incluir también imágenes de otras partes del cuerpo tales como los tejidos blandos circundantes.

Del mismo modo descrito anteriormente con referencia a las Figuras 1-6, la imagen es introducida y almacenada en un aparato de almacenamiento de imágenes asociado al ordenador 46. A continuación se coloca el miembro en el volumen de detección 32 del aparato. Los sensores incorporados en las sondas 176A y 176B son conectados a los equipos de excitación y amplificación 72 y 82 del aparato. Las posiciones y orientaciones de estas sondas son adquiridas por el aparato en base a las mediciones del campo magnético de modo igual al descrito anteriormente con referencia a las Figuras 1-6. Las posiciones y orientaciones de los dos sensores son monitorizadas simultáneamente. Según se aprecia en la Figura 8, las imágenes I_{182} e I_{183} que muestran los dos huesos 182 y 183 son presentadas por el ordenador en la pantalla 90 del monitor. Las imágenes presentadas incluyen un dibujo 186A de la sonda 176A y otro dibujo 186B de la sonda 176B. Del mismo modo descrito anteriormente, el ordenador presenta también unas representaciones 188A y 188B de las sondas 176A y 176B en unas posiciones correspondientes a las posiciones de las sondas determinadas por las mediciones del campo magnético. Mediante los controles manuales de entradas asociados al ordenador, el usuario acciona el ordenador para cambiar la posición de la imagen I_{182} hasta que el dibujo 186A de la sonda 176A en la imagen se superponga con la representación 188A basada en el campo magnético y quede alineado con la misma, tras lo cual el usuario introduce una señal de bloqueo. El usuario ajusta manualmente por separado la posición de la imagen I_{183} hasta que el dibujo 186B de la sonda 176 quede superpuesto sobre la representación 188B obtenida a partir de los datos del campo magnético y alineada correctamente con la misma. En ese punto, el usuario introduce otra señal de bloqueo.

Una vez que ambas imágenes están alineadas y coincidiendo con el marco del campo magnético de referencia, ambas partes del cuerpo se encuentran en unas posiciones iniciales de referencia. Cualquier movimiento posterior de cualquiera de las sondas 176A o 176B detectado por mediciones del campo magnético es considerado como una representación del movimiento de la correspondiente parte 174 ó 175 del cuerpo. Así pues, cuando la sonda 176A se mueve hasta la posición desplazada 176A' representada con líneas de trazos en la Figura 7, el ordenador transforma la imagen I_{182} del correspondiente hueso 182 en la imagen transformada I'_{182} (Figura 8). La rotación y/o traslación aplicadas a la imagen I_{182} para formar la imagen transformada I'_{182} corresponden a la rotación y traslación de la sonda para ir desde su posición inicial 176A hasta su posición desplazada 176A'.

La imagen de cada parte del cuerpo es tratada independientemente según los datos de posición y orientación obtenidos de la sonda correspondiente. El sistema muestra las imágenes de las partes del cuerpo, en particular de los huesos 182 y 183, en las posiciones y orientaciones relativas verdaderas según se desplazan los huesos el uno respecto al otro. En efecto, el sistema constituye el equivalente a un sistema de imagen continua, tal como un sistema de imágenes fluoroscópicas, sin los inconvenientes del mismo. El mismo sistema puede mostrar también la orientación y posición de uno o varios instrumentos médicos, tal como una o varias sondas equipadas con sensores según se describió anteriormente con referencia a la sonda 50 de la Figura 1. Puesto que las imágenes de ambas partes del cuerpo se muestran en la verdadera posición y orientación de la una con respecto a la otra y con respecto al sistema de coordenadas de referencia XYZ del marco y de las bobinas, y puesto que la representación del instrumento se muestra igualmente en la posición y orientación verdaderas, el instrumento queda presentado en la adecuada posición y orientación en relación con ambas partes del cuerpo.

En la ilustración de la Figura 8 se aprecia que las imágenes I_{182} e I_{183} incluyen los dibujos 186A y 186B de las sondas. Sin embargo, tras hacer coincidir las imágenes con el sistema de coordenadas XYZ, alineando los dibujos de las sondas con las representaciones 188A y 188B basadas en los campos magnéticos, deja de ser necesaria la visualización de los dibujos 186 de la sonda o de las representaciones 188 de la sonda. En esa etapa, la visualización puede presentar únicamente la zona de interés, tal como la articulación 177.

En cada uno de los sistemas anteriormente descritos, se hace coincidir la imagen del paciente con el sistema de coordenadas XYZ alineando manualmente la representación de la sonda o del marcador, obtenida a partir del campo magnético, con un dibujo de la sonda o del marcador de la imagen propiamente dicha. Sin embargo, esta etapa puede ser automática, utilizando un equipo automático de reconocimiento de patrones para detectar un dibujo del marcador de referencia o de la sonda en la imagen del paciente. Con esta automatización es innecesario presentar un dibujo o representación visible de un marcador de referencia o de una sonda. En el sistema descrito anteriormente con referencia a la Figura 1, sólo se provee un marcador de referencia sobre la parte del cuerpo del paciente. La coincidencia de los datos de la imagen con el sistema de coordenadas depende por lo tanto de los datos de posición y orientación de este único marcador. Para aumentar la precisión y la versatilidad se emplea una pluralidad de marcadores de referencia, preferiblemente tres marcadores de referencia, en posiciones separadas y no alineadas sobre la parte del cuerpo del paciente. Cuando debe situarse una pluralidad de partes del cuerpo que puedan moverse independientemente, como en la realización de las Figuras 7-8, pueden montarse varias sondas en cada una de ellas.

Alternativa o adicionalmente puede hacerse coincidir la parte del cuerpo del paciente con el sistema de coordenadas de referencia XYZ con medios diferentes al marcador de referencia. En la disposición más sencilla, se sujeta la parte del cuerpo del paciente al marco 30 en una posición y orientación conocidas, y se presenta en el monitor 90 la imagen I de la parte del cuerpo en una posición correspondiente a esta posición conocida. Alternativamente, la posición y orientación de la parte del cuerpo del paciente, tal como la cabeza representada en la Figura 1, se determinan mediante dispositivos de medición mecánicos o no magnéticos y se utilizan esos datos para determinar la posición y orientación adecuadas de la imagen I en la pantalla 90.

Un sensor utilizado en otra realización de la invención incluye tres elementos de detección de campo en forma de chips semiconductores 250 (Figura 9). Cada chip incluye una o varias barras alargadas de un material magnetorresistivo 252. Cada uno de estos chips es sensible a los componentes del campo magnético en la dirección de las barras. El sensor incluye además un soporte 254 de tipo lámina plegable que incluye una capa dieléctrica y tiene unos conductores 256 sobre la capa dieléctrica. El soporte 254 está deseablemente formado por un material de poliimida del tipo utilizado normalmente en los circuitos electrónicos del tipo de cinta flexible. El soporte 254 se encuentra inicialmente en forma genéricamente cruciforme según se aprecia en la Figura 9. El soporte incluye un panel central 262 rectangular o cuadrado, un panel extremo 264 que se proyecta desde un borde del panel central 262, y un par de paneles laterales 266 y 268 que se proyectan desde los bordes opuestos del panel central. El soporte incluye además una tira alargada 266 que se proyecta desde el borde del panel central 262 opuesto al panel extremo 264.

Un chip 250 está montado en el panel central 262, otro está montado sobre el panel extremo 264, y el tercer chip 250 está montado sobre el panel lateral 266. Las barras magnetorresistivas 252 del chip montado sobre el panel lateral 266 son paralelas a las barras 252 del chip montado sobre el panel extremo 264, pero ambas son ortogonales con las barras del chip montado sobre el panel central 262. Un chip 258 sensible a la temperatura, que puede incorporar uno o varios termistores, elementos termorresistivos u otros dispositivos termosensibles, está montado sobre el otro panel lateral 268 del soporte. Un chip amplificador 260 está montado sobre la tira alargada 266 del soporte junto a la unión de la misma con el panel central 262. Los componentes pueden montarse sobre el soporte utilizando técnicas convencionales de montaje y conexión de semiconductores adaptados para funcionar sobre placas de circuitos planas. Una vez montados los componentes sobre el soporte, se dobla el soporte sobre un núcleo 270. El núcleo 270 tiene sustancialmente la forma de un paralelepípedo o cubo macizo, y está formado preferiblemente por un material dieléctrico. Se coloca el panel central 262 sobre una cara 272 del soporte. Se dobla el panel extremo 264, los paneles laterales 266 y 268 y la tira 266 sobre los bordes del núcleo para colocarlos sobre las caras del núcleo adyacentes a la cara 272. Se fijan los paneles y la tira en su posición sobre el núcleo.

En esta condición, el sensor acabado tiene elementos de detección magnetorresistivos 250 sobre tres caras ortogonales del cubo, y las barras de los tres elementos se extienden en tres direcciones ortogonales. Todo el sensor, incluyendo los elementos magnetorresistivos, el sensor de temperatura 258 y el amplificador 260, tiene un ancho y un espesor deseablemente inferiores a unos 5 mm, y más preferiblemente inferiores a 1 mm aproximadamente.

El sensor según esta realización puede ir montado en un cuerpo alargado 280 de una sonda de manera que los elementos de detección queden situados en la punta distante del cuerpo de la sonda, o cerca de ella, y de manera que la tira alargada 266 del sensor, y los conductores 256 situados sobre la misma, se extiendan hacia el extremo próximo del cuerpo de la sonda para su conexión a unos conductores externos (no representados). La construcción compacta del sensor permite usar un cuerpo de sonda de tamaño muy pequeño, deseablemente igual o inferior a unos 0,8 mm. En los procedimientos descritos anteriormente puede utilizarse una sonda según esta realización. En este sensor, cada elemento de detección es sensible a los componentes de campo en una dirección paralela a la cara del sensor, en lugar de perpendicular a la cara como en los sensores descritos anteriormente. Además, el amplificador integrado en el sensor mejora la relación señal-ruido. Por lo demás, la sonda se utiliza del mismo modo descrito anteriormente.

En otro procedimiento, se utiliza la sonda de las Figuras 9 y 10 para tomar medidas de la temperatura fisiológica dentro del cuerpo del paciente. Según se describió anteriormente, se introduce la sonda en el cuerpo del paciente y se desplaza la punta distante de la sonda por una gama de posiciones dentro del cuerpo. Según se desplaza la sonda, el sistema de monitorización del campo magnético tracea la posición de la punta distante dentro del sistema de coordenadas de referencia XYZ del marco, de manera que cada medida de temperatura esté asociada a una posición en ese sistema de coordenadas. De este modo, se almacena en la memoria del ordenador 46 un mapa de temperaturas en función de las posiciones. Preferiblemente, este mapa se presenta o se almacena asociado con una imagen de la parte relevante del cuerpo del paciente. Según se describió anteriormente, se hace coincidir esta imagen con el sistema de coordenadas de referencia del aparato de campos magnéticos mediante el uso de un marcador de referencia o de otro medio. Así pues, las temperaturas medidas por la sonda pueden representarse sobre los elementos característicos de la parte del cuerpo, por ejemplo sombreando o coloreando diversas porciones de la imagen que correspondan a diferentes temperaturas o mostrando unas líneas de contorno superpuestas sobre la imagen del cuerpo según se ilustra en la Figura 11.

Las sondas y los procedimientos descritos con referencia a las Figuras 9-11 pueden utilizarse, por ejemplo, introduciendo las sondas en el cuerpo a través de orificios corporales naturales para sondear cavidades tales como el tracto intestinal, tracto urinario y tracto respiratorio y detectar regiones de temperatura localmente elevada. Tales regiones suelen estar asociadas a condiciones patológicas tales como tumores malignos. Además, una vez que dicha región ha sido situada y representada con precisión, el medico puede utilizar la misma sonda o una diferente para examinar visualmente la zona y/o efectuar una biopsia, operación quirúrgica, escisión u otro tratamiento.

El elemento 258 sensible a la temperatura puede ser sustituido o suplementado por uno o varios elementos sensibles a cualquier otra variable fisiológica, tal como pH, concentración iónica u otras. Además, el elemento o elementos sensibles a la temperatura o a otras variables fisiológicas pueden estar formados separadamente del sensor magnético.

Como alternativa a la presentación de los datos fisiológicos cartografiados en superposición con una imagen de la parte del cuerpo, los datos cartografiados pueden presentarse solos, ya sea en forma gráfica o de otra forma. Por ejemplo, una representación gráfica que muestre una región de temperatura elevada puede mostrar el tamaño y la forma de un tumor incluso sin superposición. Es deseable que los mapas de los datos fisiológicos se obtengan y se presenten en tiempo real, durante el procedimiento, de manera que los mapas presentados (con o sin las imágenes superpuestas de la parte del cuerpo) puedan ayudar al médico a seguir cartografiando. Así pues, el médico puede desplazar primero la sonda por un número limitado de posiciones muy separadas dentro de la región de interés para obtener un mapa basto. Este mapa basto puede ser utilizado para situar las regiones que requieren un examen fino cartografiando puntos poco separados.

En otras variantes del aparato y de los procedimientos descritos anteriormente se omiten las bobinas del eje Z y los correspondientes campos uniforme y en gradiente. Así pues, el sistema utiliza únicamente dos campos uniformes y en gradiente, dirigidos ortogonalmente, creados con sólo dos juegos de bobinas. No obstante, el sistema sigue calculando la posición y orientación de las sondas en tres dimensiones. Puesto que los vectores de flujo en los campos uniformes X, Y y Z son ortogonales entre sí, puede calcularse el vector de flujo de cualquier campo uniforme calculando el producto vectorial de los otros dos. Dicho de otro modo, los componentes que tendría un hipotético tercer vector de flujo de campo uniforme en el sistema de coordenadas X', Y', Z' del sensor pueden calcularse a partir de los componentes reales de los otros dos vectores de flujo de campo uniforme en el mismo sistema de coordenadas. Así pues, los componentes normalizados H'm'n de un hipotético vector de flujo de campo uniforme en dirección Z pueden calcularse a partir de los componentes normalizados reales medidos en los campos de dirección X y dirección Y:

H'{}_{X', Z}) = (H'{}_{Y', X} * H'{}_{Z', Y} - H'{}_{Y', Y} * H'{}_{Z', X})

H'{}_{Y', Z}) = (H'{}_{Z', X} * H'{}_{X', Y} - H'{}_{Z', Y} * H'{}_{X', X})

H'{}_{Z', Z}) = (H'{}_{X', X} * H'{}_{Y', Y} - H'{}_{X', Y} * H'{}_{Y', X})

Así pues, pueden obtenerse todos los componentes H'_{m'n} accionando únicamente los juegos de bobinas X e Y en modo de campo uniforme.

En los procedimientos descritos anteriormente que utilizan tres juegos reales de bobinas, el sistema calcula la magnitud de la proyección del vector de flujo de campo inverso o en gradiente para cada juego de bobinas sobre el eje de ese juego de bobinas. Sin embargo, pueden eliminarse los valores medidos para el vector de flujo de campo inverso de un juego de bobinas. Para hallar la posición del eje correspondiente al juego de bobinas que falta, el sistema calcula una proyección de uno de los vectores de flujo a partir de uno de los dos juegos de bobinas restantes sobre el tercer eje, así como sobre el eje del propio juego de bobinas. Esto puede hacerlo el ordenador copiando simplemente los valores de una pareja de bobinas (una columna de la Tabla II) en los valores de la tercera pareja de bobinas. De este modo, cuando se omite la bobina de la dirección Z, el sistema fija:

R_{X', Z}= R_{X', Y}

R_{Y', Z}= R_{Y', Y}

R_{Z', Z}= R_{Z', Y}

Y efectúa el resto del cálculo de la misma manera descrita anteriormente. Sin embargo, puesto que el campo de la dirección Y tiene su componente principal sobre el eje Y, y solo un componente radial sobre el eje Z, la magnitud R_{Z} del componente del eje Z a cualquier distancia en dirección Z desde el origen será aproximadamente 0,36 veces la magnitud R_{Y} del componente en dirección Y a una distancia igual en la dirección Y. Así pues, el gradiente dR_{Z}/dZ en dirección Z es aproximadamente -0,36 del gradiente Dr_{Y}/dy en dirección Y, y el factor de conversión Mz, utilizado para convertir a distancia en el eje Z el componente de flujo en el eje Z, es ajustado en consecuencia. Cuando se utiliza una etapa de calibración como la descrita anteriormente, el factor de conversión en el eje Z será medido durante la activación del juego de bobinas del eje Y.

El sistema según esta variante sólo necesita dos juegos de bobinas ortogonales, y por lo tanto aún facilita mas el acceso del médico sobre el paciente.

En el aparato y los procedimientos descritos anteriormente los diversos juegos de bobinas son activados alternativamente, de manera que en cualquier momento dado sólo está funcionando un juego de bobinas. Sin embargo, la secuencia de tiempo predeterminada de los campos magnéticos utilizados en otras realizaciones de la invención puede incluir la aplicación simultánea de dos o más campos. Los campos de aplicación simultánea varían deseablemente con frecuencias diferentes. En este caso, las señales de los sensores que representan los campos magnéticos incorporaran unos componentes separados que varían estas frecuencias diferentes. Cada uno de tales componentes representa la lectura del sensor para un campo. Estos componentes pueden ser segregados mediante técnicas de filtraje convencionales y después evaluados independientemente para obtener lecturas independientes para los campos independientes. Por ejemplo, la magnitud de la onda de corriente alterna a cada frecuencia puede ser evaluada por separado. En cada una de las variantes descritas anteriormente, los campos magnéticos son aplicados por bobinas Helmholtz situadas coaxialmente. Sin embargo, pueden emplearse otros dispositivos generadores de campos magnéticos, tales como imanes permanentes u otras disposiciones de bobinas.

Además, la magnitud de cada componente de campo medida en la presente invención es cuasilineal con la distancia en una dirección dentro del volumen de detección. Según se entiende en esta descripción, una magnitud de componente es "cuasilineal" con la distancia en una dirección particular si la magnitud puede ser descrita por una función polinómica, de la posición en tal dirección, de la siguiente forma:

a_{0}q^{0} + a_{1}q^{1} + a_{2}q^{2} + a_{3}q^{3} ...... a_{n}q^{n}

En la cual q es la posición y en la cual el término constante (potencia cero), el término de potencia uno o la suma de estos términos predomina sobre los otros términos. Dicho de otro modo, cuando se evalúe q para cualquier distancia dentro del volumen de detección, la suma (a_{0}q^{0} + a_{1}q^{1}) será por lo menos igual al doble de la suma (a_{2}q^{2} + a_{3}q^{3} ...... a_{n}q^{n}). Preferiblemente, (a_{0}q^{0} + a_{1}q^{1}) es al menos 5 veces y más preferiblemente al menos 10 veces superior a la suma (a_{2}q^{2} + a_{3}q^{3} ...... a_{n}q^{n}). En las disposiciones más preferidas descritas anteriormente a_{0}q^{0} predomina en los campos homogéneos, siendo los otros términos lo más próximos a cero que sea posible, mientras que en los campos en gradiente predomina a_{1}q^{1}, y todos los otros términos son lo más cercanos a cero que sea posible. Si un campo particular incluye componentes que no hayan sido medidos para determinar la posición o la orientación, estos componentes extraños no tienen que ser cuasilineales.

Puesto que estas y otras variaciones y combinaciones de las características descritas anteriormente pueden ser utilizadas sin apartarse de la presente invención según está definida por las reivindicaciones, la anterior descripción de las realizaciones preferidas deberá tomarse a título ilustrativo y no a título limitativo de la presente invención.

Claims

1. Aparato para determinar la posición de un objeto, que comprende:

unos medios magnéticos (34, 36, 38) adaptados para generar una pluralidad de diferentes campos magnéticos en gradiente en un volumen de detección (32),

un medio de control (42) adaptado para activar dichos medios magnéticos (34, 36, 38) para generar dichos campos según una secuencia predeterminada;

un sensor (60) adaptado para detectar componentes de campos magnéticos al menos en dos diferentes direcciones locales relativas al sensor (60) y para proporcionar datos independientes que representen a cada componente; y

un medio de calculo (46) adaptado para determinar la posición de dicho sensor (60) a partir de dichos datos que representan a dichos componentes de campos magnéticos detectados durante la generación de dichos campos,

caracterizado porque cada uno de dichos campos en gradiente generados por los medios magnéticos (34, 36, 38) es un campo magnético que tiene al menos un componente cuya magnitud varía con respecto a la distancia de un modo cuasilineal en una dirección de referencia dentro de dicho volumen de detección, de tal modo que dicha magnitud puede ser descrita por una función polinómica de posición en dicha dirección de la forma a_{0}q^{0} + a_{1}q^{1} + a_{2}q^{2} + a_{3}q^{3} ...... a_{n}q^{n}, en donde q es la posición y en donde la constante, el término de primera potencia, o la suma de estos términos es al menos el doble de la suma de los otros términos, siendo dicha magnitud diferente de cero al menos en varias posiciones dentro de dicho volumen de detección (32).

2. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1, en el cual dichos medios magnéticos (34, 36, 38) incluyen unos medios adaptados para generar un primer campo magnético sustancialmente uniforme en una primera dirección de referencia dentro de dicho volumen de detección (32) y un segundo campo magnético sustancialmente uniforme en una segunda dirección de referencia diferente (32) de dicha primera dirección dentro de dicho volumen de detección, y unos campos en gradiente primero y segundo dentro de dicho volumen de detección (32), teniendo cada uno de dichos campos en gradiente un determinado patrón de variación dentro de dicho volumen de detección (32), estando dicho medio de control adaptado para activar dichos medios magnéticos (34, 36, 38) para generar dichos campos en gradiente secuencialmente con dichos campos uniformes, estando adaptado dicho medio de calculo (46) para determinar la posición de dicho sensor (60) en dichas primera y segunda direcciones de referencia dentro de dicho volumen de detección a partir de dichos componentes de campos magnéticos detectados durante la generación de dichos campos en gradiente y dichos campos uniformes.

3. Aparato según se reivindica en la reivindicación 2, en el cual dichos medios magnéticos incluyen unos medios adaptados para generar un tercer campo sustancialmente uniforme dentro de dicho volumen de detección (32) en una tercera dirección de referencia diferente de dichas primera y segunda direcciones de referencia, y para generar un tercer campo en gradiente que tiene un patrón de variación predeterminado dentro de dicho volumen de detección (32), estando adaptado dicho medio de control (42) para activar dicho tercer medio magnético para generar dichos terceros campos uniforme y en gradiente en secuencia con dichos primeros y segundos campos uniformes y en gradiente, estando adaptado dicho medio sensor (60) para detectar componentes de campos magnéticos en tres diferentes direcciones locales relativas a dicha sonda, estando adaptado dicho medio de cálculo (46) para determinar la posición de dicha sonda (60) dentro de dicho volumen de detección (32) en dichas tres direcciones de referencia.

4. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1 ó la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dicho sensor (60) tiene unas dimensiones máximas inferiores a 5 mm aproximadamente.

5. Aparato según se reivindica en la reivindicación 4, en el cual dichas dimensiones máximas son inferiores a 1 mm aproximadamente.

6. Aparato según se reivindica en la reivindicación 4, en el cual dicho sensor (60) está adaptado para ser colocado dentro del cuerpo de un paciente humano.

7. Aparato según se reivindica en la reivindicación 6, en el cual dicho volumen de detección (32) tiene unas dimensiones mínimas de 30 cm aproximadamente.

8. Aparato según se reivindica en la reivindicación 4, en el cual dicho sensor (60) incluye un cuerpo (52) del sensor que tiene una pluralidad de caras orientadas en direcciones diferentes y unas capas magnéticamente sensibles dispuestas sobre dichas caras.

9. Aparato según se reivindica en la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dichos medios magnéticos (34, 36, 38) están adaptados para generar dichos campos en gradiente de tal modo que cada uno de dichos campos en gradiente incluya un componente cuya magnitud varíe según un gradiente monotónico sustancialmente lineal en una de dichas direcciones de referencia dentro de dicho volumen de detección.

10. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1, ó la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dichos medios magnéticos (34, 36, 38) consisten en una pluralidad de parejas de bobinas, estando dispuestas las bobinas de cada pareja en lados opuestos de dicho volumen de detección (32).

11. Aparato según se reivindica en la reivindicación 10, en el cual dichas bobinas de cada una de dichas parejas (34, 36, 38) son bobinas Helmholtz situadas sustancialmente coaxialmente entre sí de manera que el eje de cada una de dichas parejas se extienda en una de dichas direcciones de referencia.

12. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1, ó la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dicho medio de control (42) está adaptado para poner dichos medios magnéticos (34, 36, 38) en una condición desconectada en la cual dichos medios magnéticos (34, 36, 38) no producen campo alguno en dicho volumen de detección, incluyendo dicho medio de cálculo (46) un medio para registrar los valores base de los componentes del campo magnético en dichas direcciones locales medidos por dicho sensor cuando dichos medios magnéticos (34, 36, 38) se encuentran en dicha condición apagada y para corregir según estos valores base los componentes medidos cuando dichos medios magnéticos (34, 36, 38) se encuentren en otras condiciones.

13. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1, ó la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dicho medio de cálculo (46) incluye unos medios para determinar la orientación de dicho sensor (60) en dicho volumen de detección (32) en base a los componentes de campo magnético detectados por dicho sensor (60).

14. Aparato según se reivindica en la reivindicación 1, en el cual:

dicho medio magnético comprende una estructura magnética (34, 36, 38) que comprende al menos dos parejas de bobinas Helmholtz, siendo las bobinas de cada una de dichas parejas sustancialmente coaxiales entre sí y definiendo un eje de la pareja, y estando dispuestas en lados opuestos de un volumen de detección (32), siendo los ejes de las parejas sustancialmente ortogonales entre sí;

dicho medio de control (42) está adaptado para activar selectivamente cada una de dichas parejas de bobinas Helmholtz en un estado de campo homogéneo con un flujo de corriente codireccional en ambas bobinas de la pareja para generar con ello un campo magnético dirigido paralelamente al eje de la pareja y de fuerza sustancialmente uniforme dentro de dicho volumen de detección, estando también adaptado dicho medio de control (42) para activar cada una de dicha parejas de bobinas Helmholtz en un estado de campo en gradiente con un flujo de corriente a contra dirección en las bobinas de la pareja para generar con ello un campo magnético que tiene un componente dirigido paralelamente al eje de la pareja, teniendo tal componente una magnitud en gradiente sustancialmente lineal dentro de dicho volumen de detección, estando adaptado dicho medio de control para activar dicha estructura magnética de manera que en cada momento esté activada sólo una pareja de bobinas en sólo un estado;

el aparato comprende una sonda que puede desplazarse dentro de dicho volumen de detección, estando dicho sensor (60) montado sobre dicha sonda, por lo cual dicho sensor (60) está adaptado para medir los componentes del campo uniforme en dichas direcciones locales mientras las parejas de bobinas se encuentran en dichos estados de campo homogéneo y dicho sensor (60) está adaptado para medir los componentes de campo en gradiente en dichas direcciones locales mientras dichas parejas de bobinas se encuentran en dichos estados de campo en gradiente; y

dicho medio de cálculo (46) está adaptado para determinar la orientación de dicho sensor y dicha sonda (50) con respecto a dichos ejes de las parejas a partir de dichos componentes de campos homogéneos y está adaptado para determinar la posición de dicho sensor y dicha sonda (50) dentro de dicho volumen de detección (32) a partir de dichos componentes de los campos homogéneos y de dichos componentes de los campos en gradiente.

15. Aparato según se reivindica en la reivindicación 14, en el cual dicha estructura magnética incluye tres parejas de dichas bobinas Helmholtz (34, 36, 38) y en el cual dicho medio sensor (60) incluye unos medios para medir los componentes del campo magnético en tres de dichas direcciones locales ortogonales entre sí.

16. Aparato según se reivindica en la reivindicación 14, en el cual dicha sonda (50) está adaptada para ser colocada dentro del cuerpo de un paciente humano.

17. Aparato según se reivindica en la reivindicación 16, en el cual dicha sonda (50) es un elemento alargado y flexible que tiene un extremo próximo y un extremo distante (56) y dicho sensor (60) está situado junto a dicho extremo distante (56).

18. Aparato según se reivindica en la reivindicación 16, en el cual las bobinas Helmholtz de dichas parejas (34, 36, 38) están separadas entre sí por una distancia de al menos 30 cm aproximadamente.