ES2272904T3 - Sistema de posicionamiento con inmunidad metalica dinamica. - Google Patents
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Abstract
Un aparato de detección de posición (18) que comprende: un conjunto de radiadores (34), que están adaptados para estar colocados en posiciones respectivas en la proximidad del cuerpo de un sujeto (24) y generar campos de energía electromagnética; un sensor de posición (20), que está adaptado para estar situado en el cuerpo de un sujeto (24) y generar señales del sensor en respuesta a los campos de energía; una o más elementos de referencia (22), que están adaptados par estar situados en posiciones respectivas en proximidad con el sensor (20) y generar señales de referencia que responden a los campos de energía; y una unidad de control (50), que está adaptada para: determinar, par cada elemento de referencia (22), parámetros de referencia sin distorsión respectivos, en respuesta a las posiciones de los elementos de referencia, recibir las señales del sensor y las señales de referencia. calcular el error del elemento de referencia par cada elemento de referencia (22), en respuesta a la interacción de un artículo de metal (40, 41) con los campos de energía, en respuesta al parámetro de referencia sin distorsión del elemento de referencia (22), y en respuesta a la señal de referencia generada por el elemento de referencia, y calcular la posición de referencia del sensor (20), en respuesta a las señales del sensor y los errores del elemento de referencia, caracterizado porque al menos uno del uno o más elementos de referencia (22) está adaptado para estar situado en una posición fija, conocida respecto al conjunto de radiadores (34) durante el funcionamiento del aparato(18), lo que significa que el sensor de posición (20) está situada en el sujeto (24).
Description
Sistema de posicionamiento con inmunidad
metálica dinámica.
La presente invención se refiere en general al
seguimiento sin contacto de objetos usando un campo magnético, y
específicamente a contrarrestar el efecto de un artículo de metal en
movimiento que responde al campo en un campo magnético.
Los sistemas de localización y seguimiento
electromagnéticos sin contacto son bien conocidos en la técnica, con
un excepcionalmente amplio espectro de aplicaciones, incluyendo
tópicos diversos tales como avistamiento de objetivos militares,
animación de computadores, y procedimientos médicos precisos. Por
ejemplo, la tecnología de localización electromagnética se usa
ampliamente en el campo médico durante intervenciones quirúrgicas,
diagnósticos, procedimientos terapéuticos o profilácticos que
conllevan la inserción y movimiento de objetos tales como
dispositivos quirúrgicos, sondas, y catéteres dentro del cuerpo de
un paciente. Existe la necesidad de proporcionar información en
tiempo real para determinar con precisión la localización y
orientación de objetos dentro del cuerpo del paciente,
preferiblemente sin usar imágenes de rayos X.
Las Patentes de Estados Unidos Nº 5.391.199 y
5.443.489 de Ben-Haim, describen sistemas en los que
se determinan las coordenadas de una sonda en el interior del cuerpo
usando uno o más sensores de campo, tales como dispositivos de
efecto Hall, bobinas, u otro tipo de antena transportada por la
sonda. Tales sistemas se usan para generar información de
localización tridimensional relativa a una sonda médica o un
catéter. Se sitúa un sensor de bobina se sitúa en el catéter y
genera señales en respuesta a campos magnéticos aplicados
externamente. Los campos magnéticos se generan por una pluralidad de
bobinas radiantes fijadas a un marco de referencia externo en
posiciones conocidas espaciadas entre sí. Las amplitudes de las
señales generadas en respuesta a cada uno de los campos de las
bobinas radiantes se detectan y se usa para computar la localización
del sensor de bobina. Cada bobina radiante está preferiblemente
accionada por un circuito de excitación para generar un campo de una
frecuencia conocida, distinta para cada bobina radiante, de modo que
las señales generadas por el sensor de bobina pueden separarse por
la frecuencia en las componentes correspondientes a las diferentes
bobinas radiantes.
La Publicación de Patente del PCT WO 96/05768 de
Ben-Haim y otros describe un sistema que genera
información de posición y orientación de seis dimensiones relativa a
la punta de un catéter. Este sistema usa una pluralidad de sensores
de bobina adyacentes a un lugar localizable en el catéter, por
ejemplo cerca del extremo distal, y una pluralidad de bobinas
radiantes fijas en un marco de referencia externo. Estas bobinas
generan señales en respuesta a los campos magnéticos generados por
las bobinas radiantes, cuyas señales permiten por la computación de
seis coordenadas de localización y de orientación, de modo que son
conocidas la posición y la orientación del catéter sin necesidad de
imágenes del catéter.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.239.724 de
Doron y otros, describe un sistema de telemetría para proporcionar
información de posicionamiento espacial desde el interior del cuerpo
de un paciente. El sistema incluye una unidad de telemetría que se
implanta y que tiene (a) un primer transductor, para convertir una
señal de potencia recibida desde el exterior del cuerpo en potencia
eléctrica para alimentación de la unidad de telemetría; (b) un
segundo transductor, para recibir una señal de campo de
posicionamiento que se recibe desde el exterior del cuerpo; y (c) un
tercer transductor, para transmitir una señal de localización a un
lugar fuera del cuerpo; en respuesta a la señal de campo de
posicionamiento.
La Patente de Estados Unidos Nº 4.173.228 de Van
Steenwyk y otros, describe un dispositivo de localización de un
catéter basado en inducir una señal en una bobina fijada a un
catéter y monitorizar la amplitud y fase de la señal inducida.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.099.845 de
Besz y otros y la Nº 5.325.873 de Hirschi y otros, describen un
aparato y un método en el cual un elemento radiante se fija a un
catéter, y se determina la posición del catéter en respuesta a la
energía radiada desde el elemento.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.425.382 de
Golden, y otros describe un aparato y un método para localizar un
catéter en el cuerpo de un paciente por detección del gradiente de
fuerza de un campo magnético generado por un imán fijado al
catéter.
Las Patentes de Estados Unidos Nº 4.905.698 de
Strohl, Jr y otros y la Nº 5.425.467 de Shapiro y otros describen un
aparato y un método en los que un campo magnético aplicado induce
corrientes dentro de una bobina en la punta de un catéter. Basado en
estas corrientes, se determina la posición relativa del catéter.
La Patente de Estados Unidos 5.558.091 de Acker
y otros describe un sistema magnético de determinación de la
posición y orientación que usa campos uniformes procedentes de
bobinas Helmholtz posicionadas sobre caras opuestas de un volumen a
detectar y campos de gradiente generados por las mismas bobinas.
Mediante monitorización de las componentes del campo detectadas en
una sonda durante la aplicación de estos campos, se deducen la
posición y la orientación de la sonda. Se superpone una
representación de la sonda sobre una imagen obtenida separadamente
del sujeto para mostrar la posición y la orientación de la sonda con
respecto al sujeto.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.913.820 de
Bladen y otros describe un aparato para localización de la posición
de un sensor, preferiblemente en tres dimensiones, por generación de
campos magnéticos que se detectan por el sensor. Los campos
magnéticos se generan desde una pluralidad de localizaciones y
permite determinar tanto la orientación como la localización de un
único sensor de bobina.
Sistemas comerciales de mapeo
electrofisiológicos y físicos basados en la detección de la posición
de una sonda en el interior del cuerpo están disponibles en la
actualidad. Entre ellos, CARTO ™, desarrollado y comercializado por
Biosense Webster, Inc. (Diamont Bar, California) es un sistema para
la asociación automática y mapeo de actividad eléctrica local con la
localización de un catéter.
Los sistemas electromagnéticos de localización y
seguimiento son susceptibles de imprecisiones cuando un metal u otro
artículo que responde magnéticamente, se introduce en la proximidad
del objeto que se está siguiendo. Tales imprecisiones ocurren debido
a que los campos magnéticos generados en esta proximidad por las
bobinas radiantes del sistema de localización están distorsionados.
Por ejemplo, los campos magnéticos de las bobinas radiantes pueden
generar corrientes de turbulencia en tal artículo, y las corriente
de turbulencia causan a continuación campos magnéticos parásitos que
reaccionan con el campo que los dio lugar. En un ámbito quirúrgico
(por ejemplo hay una cantidad sustancial de materiales conductivos y
permeables incluyendo equipo básico y auxiliar (mesas de operación,
carros, lámparas móviles, etc.) así como aparatos invasores de
cirugía (escalpelos, catéteres, tijeras etc.). Las corrientes de
turbulencia generadas en estos artículos y las distorsiones del
campo electromagnético resultantes pueden conducir a errores en la
determinación de la posición del objeto a seguir.
Es sabido que para resolver el problema de la
interferencia de objetos de metal estáticos se realiza una
calibración inicial, en la cual se mide la respuesta del sistema a
una sonda colocada en un número de puntos de interés relativamente
grande. Esto puede ser aceptable para resolver las fuentes
estacionarias de interferencia electromagnética, pero no es
satisfactorio para resolver los problemas de interferencia inducidos
por objetos metálicos y conductores en movimiento.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.373.240 de
Govari, titulada "Counteracting Metal Presence in A Magnetic
Tracking System" describe un sistema de seguimiento de un objeto
que comprende uno o más sensores de bobina adyacentes a un punto
localizable sobre un objeto que se está siguiendo y una o más
bobinas radiantes, que generan campos de energía alternantes que
comprenden campos magnéticos, en la proximidad del objeto cuando se
excitan por las corrientes eléctricas alternantes respectivas. Por
cada bobina radiante, se realiza un barrido de frecuencias de su
corriente eléctrica alternante a través de una pluralidad de valores
de modo que, en cualquier instante específico, cada uno de las
bobinas radiantes radia a una frecuencia que es diferente de las
frecuencias con las que están radiando las otras bobinas
radiantes.
Los sensores de bobina generan señales
eléctricas en respuesta a los campos magnéticos, cuyas señales se
reciben en una circuitería de procesamiento de señal y se analizan
por un computador o por otro procesador. Cuando un artículo de metal
u otro que responde al campo está en la proximidad del objeto, las
señales típicamente incluyen componentes de la señal de posición que
responden a los campos magnéticos generados por las bobinas
radiantes a sus frecuencias de excitación instantáneas respectivas,
y las componentes de la señal parásita que responden a campos
magnéticos parásitos generados a causa del artículo. Las componentes
parásitas son típicamente iguales en frecuencia a la frecuencia
instantánea de la frecuencia de excitación, pero están desplazadas
en fase, de modo que el efecto en cada sensor de bobina es producir
una señal combinada que tiene una fase y una amplitud que están
desplazadas respecto a la señal cuando no está presente el artículo
que responde al campo. El desplazamiento de fase es una función de
la frecuencia de excitación, de modo que variará con cada frecuencia
de excitación explorada. El computador procesa la señal combinada
para encontrar la frecuencia que produce un desplazamiento de fase
mínimo, y de ese modo un efecto mínimo de las componentes parásitas,
y se usa esa frecuencia para calcular la posición del objeto. La
variación de la frecuencia de excitación hasta que el desplazamiento
de fase es mínimo se describe como un método eficaz para reducir el
efecto de los artículos que responden al campo sobre la señal.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.172.499 de
Ashe describe un dispositivo para medir la localización y
orientación en seis grados de libertad de una antena que recibe con
respecto a una antena que transmite utilizando señales magnéticas de
corriente alterna de múltiples frecuencias. El componente que
transmite consiste de dos o más antenas transmisoras con una
localización y orientación relativas entre sí conocidas. Las antenas
que transmiten se estimulan simultáneamente con una excitación de
corriente alterna, ocupando cada antena una o más posiciones únicas
en el espectro de frecuencias. La antena receptora mide el campo
magnético de corriente alterna transmitido más las distorsiones
causadas por los metales conductores. Una computadora extrae a
continuación la componente de distorsión y la elimina de las señales
recibidas, proporcionando la salida de posición y orientación
correctas.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.246.231 de
Ashe describe un método de contención de flujo en el cual los campos
magnéticos procedentes de los elementos que transmiten se confinan y
se redirigen de las áreas donde comúnmente se encuentran objetos que
conducen.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.767.669 de
Hansen y otros describe un método para sustraer las distorsiones de
las corrientes de turbulencia producidas en un sistema de
seguimiento magnético. El sistema utiliza campos magnéticos pulsados
desde una pluralidad de generadores, y se detecta la presencia de
corrientes de turbulencia por medición de las tasas de cambio de las
corrientes generadas en los sensores de bobina usados para el
seguimiento. Las corrientes de turbulencia se compensan mediante el
ajuste de la duración de los pulsos magnéticos.
Las Patentes de Estados Unidos Nº 4.945.305 y
4.849.692 de Blood describen sistemas de seguimiento que soslayan
los problemas de las corrientes de turbulencia mediante el uso de
campos magnéticos pulsados de corriente continua. En el sistema se
usan sensores que son capaces de detectar campos de corriente
continua, y las corrientes de turbulencia se detectan y se ajustan
mediante la utilización de las características de decaimiento y las
amplitudes de las corrientes de turbulencia.
La Patente de Estados Unidos Nº 4.791.412 de
Brooks describe un sistema de vigilancia de un artículo que utiliza
marcadores magnéticos codificados e incorpora una técnica de
procesamiento de señal para reducir los efectos de grandes objetos
metálicos en la zona de vigilancia.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.400.139 de
Khalfin y otros describe un sistema de seguimiento de una sonda
diseñado para funcionar en un ambiente caracterizado por distorsión
electromagnética, tal como la causada por corrientes de turbulencia.
El sistema emplea al menos un sensor estacionario (un "sensor
testigo") que tiene una posición y orientación fijas cerca o
dentro de un volumen de interés. Uno o más sensores de sonda se
sitúan sobre el objeto a seguir dentro del volumen, y la salida de
cada sensor testigo se usa para computar los parámetros de una
fuente electromagnética efectiva no real. Los parámetros de la
fuente efectiva se usan como entradas para la computación de la
posición y orientación así como las medidas por cada sensor de
sonda, como si el objeto estuviese en un campo electromagnético no
distorsionado producido por la fuente o fuentes efectivas.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.369.564 de
Khalfin y otros describe un sistema de seguimiento de una sonda
diseñado para funcionar en un ambiente caracterizado por fuertes
distorsiones electromagnéticas. El sistema incluye al menos una
fuente de campo electromagnético de corriente alterna, al menos un
sensor testigo que mide las componentes del vector de inducción
electromagnética en posiciones conocidas próximas o dentro del
volumen de interés, y al menos un sensor de sonda sin hilos situada
sobre el objeto a seguir. El sensor sin hilos tiene una respuesta
conocida o distorsión al campo electromagnético generado por la
fuente primaria. Los datos procedentes de los sensores testigos se
usan para localizar el sensor de la sonda, tratando el sensor de
sonda como una fuente secundaria del campo electromagnético de
corriente alterna, esto es, como un transmisor que responde con
parámetros magnéticos iniciales conocidos. Esta información se
utiliza para definir las coordenadas y la altitud de la fuente
secundaria y, a su vez, la posición y orientación del objeto de
interés. Preferiblemente, el sensor de sonda es un circuito LC
sintonizado a la frecuencia de la fuente de seguimiento.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.226.547 de
Lockhart y otros describe un sistema de seguimiento de un catéter
que incluye una pluralidad de transductores de campo magnético, al
menos uno de los cuales está dispuesto en el catéter, y el resto
están localizados en/o alrededor del cuerpo del paciente y sirven
como transductores de referencia. Las señales de campo magnético se
usan para determinar la posición del catéter con respecto a los
transductores de referencia.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.847.976 de
Lescourret describe un método que usa campos electromagnéticos para
un sistema móvil de seguimiento que está situado en un transportador
y ligado a un sensor de campo magnético. El método incluye modelar
los campos electromagnéticos como una función de las coordenadas del
sensor, se crea un primer campo por el transmisor, se crea un
segundo campo por las corrientes inducidas en el transportador por
el campo primero, y se crea un tercer campo por las corrientes
eléctricas inducidas en el sistema móvil por los dos primeros
campos, el efecto magnético de cada campo se caracteriza
independientemente de los efectos de los otros campos mediante los
coeficientes de un modelo del mismo. El método incluye además
computación en tiempo real de la posición y orientación del sensor
mediante el uso de una medida actual del campo electromagnético en
el sensor y mediante el uso de los modelos de campos, se define la
posición y orientación del sensor a partir del campo medido a partir
del cual se deduce el tercer campo.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.427.079 de
Schneider y otros describe un sistema de determinación de
localización remota que usa ranuras de valores de campo magnético
para determinar parámetros de localización. Se describe una técnica
de calibración automática para compensar cualquier variación en la
ganancia de un sensor y componentes relacionados. Se describen
métodos para reducir los efectos de las corrientes de turbulencia en
objetos conductores circundantes.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.201.987 de
Dumoulin describe un sistema de seguimiento que modifica los
patrones de corriente aplicados a sus bobinas transmisoras para
compensar el efecto de las corrientes de turbulencia. La corriente
suministrada a las bobinas es una combinación lineal de la corriente
necesaria para crear el campo magnético deseado en la región de
interés, y uno o más términos de error. Estos términos de error se
determinan experimentalmente durante la calibración del sistema y se
modelan matemáticamente como una serie de funciones exponenciales
que tienen una amplitud dada y una constante de tiempo. Los términos
de error en la corriente aplicada a las bobinas transmisoras se
determinan para cancelar los campos magnéticos creados por las
corrientes de turbulencia dentro de la región de seguimiento y dando
por resultado un campo electromagnético real que está próximo al
campo electromagnético ideal deseado. Se describe cómo se incrementa
adicionalmente la fidelidad del campo electromagnético mediante la
reducción de las corrientes de turbulencia dentro de las estructuras
que inducen corriente de turbulencia. Esto se efectúa mediante la
construcción de bobinas de campo que se sitúan entre la bobina
transmisora y las estructuras que inducen la corriente de
turbulencia. Estas bobinas de blindaje se describe que crean campos
magnéticos de cancelación dentro de las estructuras que inducen
corrientes de turbulencia. Se describe cómo estas bobinas de
blindaje crean campos magnéticos que cancelan las corrientes de
turbulencia inducidas dentro de las estructuras sin alterar
sustancialmente los campos electromagnéticos en la región sobre la
cual se sigue el dispositivo invasor.
La Patente de Estados Unidos Nº 5.831.260 de
Hansen describe un sistema combinado de localización híbrido óptico
y electromagnético que intenta reducir las desventajas de cada uno
de los sistemas individuales funcionando solos.
La Patente de Estados Unidos Nº 6.122.538 de
Sliwa Jr. y otros describe sistemas híbridos de posición y
orientación que usan diferentes tipos de sensores incluyendo
subsistemas de ultrasonidos, magnéticos, inclinación, giroscópicos,
y acelerómetro para el seguimiento de dispositivos médicos de
imagen.
En la técnica anterior, no hay un método
directo, preciso y en tiempo real que resuelva el problema de la
interferencia inducida en los sistemas electromagnéticos de
localización y seguimiento causados por la introducción de artículos
metálicos no estacionarios u otros que responden magnéticamente en
el entorno de la medida.
El documento
EP-A-1174082 describe un aparato de
detección de posición del tipo mostrado en el preámbulo de la
reivindicación 1 que se acompaña.
Es un objeto de algunos aspectos de la presente
invención proporcionar un aparato para mejorar la precisión de los
sistemas electromagnéticos de localización y seguimiento.
Es un objetivo adicional de algunos aspectos de
la presente invención proporcionar un aparato para su utilización en
los sistemas electromagnéticos de localización y seguimiento sin la
necesidad de procedimientos de calibración inicial prolongados.
Es otro aspecto adicional de algunos aspectos de
la presente invención proporcionar un aparato para incrementar la
precisión de los sistemas electromagnéticos de localización y
seguimiento sin que concierna la presencia de materiales metálicos y
conductivos móviles en el espacio en el que se están tomando
medidas.
Es incluso otro objeto adicional de algunos
aspectos de la presente invención proporcionar un aparato para
permitir a los sistemas electromagnéticos de localización y
seguimiento su funcionamiento con precisión en presencia de
materiales metálicos y conductivos móviles en el espacio en el que
se están tomando las medidas, sin considerar la cantidad de tales
materiales, sus características conductivas, velocidades,
orientación, dirección y duración de tiempo que tales materiales
están dentro del espacio.
Es un objeto adicional de algunos aspectos de la
presente invención proporcionar un aparato para operar sistemas
electromagnéticos de localización y seguimiento sin necesidad de
emplear medios para reducir o soslayar los efectos causados por las
corrientes de turbulencia inducidas en objetos conductores que se
mueven en el espacio en el que se están tomando las medidas.
Es incluso otro objeto adicional de algunos
aspectos de la presente invención proporcionar un aparato para
mejorar la precisión de los sistemas de localización y seguimiento
utilizando las corrientes de turbulencia producidas en los objetos
móviles que comprenden materiales conductores en el espacio en el
que se están tomando las medidas.
Un aparato para la localización y seguimiento
electromagnético comprende una sonda cuya posición se sigue en el
espacio, una pluralidad de radiadores electromagnéticos localizados
en la proximidad del espacio, una pluralidad de elementos de
referencia fijos cuyas posiciones son conocidas, y una unidad de
control adaptada para excitar los radiadores y procesar las señales
de la sonda y de los elementos de referencia. Cuando un objeto
metálico o que responde a los campos magnéticos, por ejemplo una
instrumento quirúrgico, una lámpara móvil, carro, etc. se introduce
en la proximidad de la sonda y los elementos de referencia, los
valores del campo magnético generados por los sensores de campo de
la sonda y los elementos de referencia difiere del campo magnético
sin distorsión, valores que se habrían generado en ausencia del
objeto interferente. Para compensar este efecto de interferencia, se
calculan los valores del campo magnético corregido para los sensores
de campo de la sonda mediante el uso de un algoritmo de
interpolación cuyas entradas incluyen los valores de campo magnético
medidos de los sensores de campo de la sonda, los valores de campo
magnético medidos de cada elemento de referencia, y para cada
elemento de referencia, los errores en los valores del campo
magnético causados por la presencia de los objetos interferentes.
Estos valores del campo magnético corregido se usan a continuación
para determinar la posición absoluta de la sonda.
Ventajosamente, estas realizaciones de la
presente invención generalmente no requieren extensas calibraciones
iniciales, ni es normalmente necesario emplear medios engorrosos
para reducir o soslayar los efectos causados por las corrientes de
turbulencia inducidas en objetos conductivos no estacionarios en el
espacio.
Más ventajosamente, estas realizaciones de la
presente invención consiguen típicamente el objetivo de precisión
del seguimiento independientemente del número de objetos metálicos
introducidos en el espacio circundante, sus características
conductoras, velocidades, orientaciones, direcciones y la cantidad
de tiempo que los objetos estén dentro del espacio.
En algunas realizaciones preferidas de la
presente invención, se determina la posición no corregida de la
sonda usando valores no corregidos de campos magnéticos
distorsionados generados por los sensores de campo de la sonda en
presencia de un objeto interferente. Esta posición no corregida se
corrige a continuación usando un algoritmo de interpolación
espacial. Para compensar el efecto del objeto interferente sobre la
sonda, se calcula la posición absoluta de la sonda con un alto grado
de precisión usando el algoritmo de interpolación espacial cuyas
entradas incluyen la posición determinada no corregida de la sonda y
las desviaciones de posición determinadas de los elementos de
referencia causados por el objeto interferente. Para ilustrar el
cálculo realizado en estas realizaciones preferidas en la
determinación de la posición absoluta de la sonda, se muestra un
simple ejemplo en la siguiente tabla en la cual la sonda se sitúa
entre dos elementos de referencia.
| Medidas de Posición (cm) | |||
| Absoluta | Distorsionada | Calculada | |
| Elemento de referencia Nº 1 | 0,0 | 0,1 | 0,0 |
| Sonda | - - | 0,5 | 0,4 |
| Elemento de referencia Nº 2 | 10,0 | 10,0 | 10,0 |
\vskip1.000000\baselineskip
En este ejemplo, las posiciones absolutas de los
elementos de referencia son conocidas antes del procedimiento.
Durante el procedimiento, después de la introducción de un objeto
conductor dentro de la proximidad de la sonda y de los elementos de
referencia, la posición determinada del elemento de referencia Nº 1
se desplaza 0,1 cm desde su posición absoluta conocida hacia el
elemento de referencia Nº 2. Para determinar la posición absoluta de
la sonda, su posición no corregida se desplaza en la dirección
opuesta (lejos del elemento de referencia Nº 2) en una distancia
aproximadamente de 0,1 cm igual que el desplazamiento experimentado
por el elemento de referencia Nº 1, resultando una posición
calculada de 0,4 cm. Para el propósito de este ejemplo simplificado,
se asume que el objeto conductor tiene aproximadamente el mismo
efecto de desviación sobre la sonda que sobre el elemento de
referencia Nº 1 debido a su proximidad mutua. En la práctica, los
desplazamientos diferirían y se calcularían por interpolación, como
se describe en este documento a continuación.
En algunas realizaciones preferidas de la
presente invención, la unidad de control está acoplada por cables a
la sonda, los elementos de referencia y los radiadores.
Alternativamente, la sonda y/o los elementos de referencia
comprenden circuitería que transmite señales sin hilos en respuesta
a la radiación electromagnética generada por los radiadores.
Por consiguiente se proporciona, de acuerdo con
una realización preferida de la presente invención, un aparato de
detección de posición, que incluye:
un conjunto de radiadores, que están adaptados
para estar situados en posiciones respectivas en la proximidad del
cuerpo de un sujeto y generar campos de energía
electromagnética;
un sensor de posición, que está adaptado para
situarse en el cuerpo del sujeto y generar señales de sensor que
responden a los campos de energía;
uno o más elementos de referencia, que están
adaptados para situarse en posiciones respectivas en la proximidad
del sensor y generar señales de referencia que responden a los
campos de energía; y
una unidad de control, que está adaptada
para:
- determinar, para cada elemento de referencia, los parámetros de referencia sin distorsión respectiva, que responden a las posiciones de los elementos de referencia,
- recibir las señales del sensor y las señales de referencia,
- calcular el error de los elementos de referencia para cada elemento de referencia, en respuesta a la interacción de un artículo de metal con los campos de energía, que responden al parámetro de referencia sin distorsión del elemento de referencia, y que responden a la señal de referencia generada por el elemento de referencia, y
- calcular la posición del sensor, que responde a las señales del sensor y a los errores de los elementos de referencia.
Al menos uno del uno o más elementos de
referencia está adaptado para estar situado en una posición conocida
fija en relación con el conjunto de radiadores durante el
funcionamiento del aparato.
Preferiblemente, al menos uno del uno o más
elementos de referencia está adaptado para estar situado fuera del
cuerpo del sujeto.
En algunas realizaciones preferidas, la unidad
de control está adaptada para calcular las señales del sensor
corregidas en respuesta a los errores del elemento de referencia y
en respuesta a las señales generadas por el sensor, y calcular la
posición del sensor en respuesta a las señales del sensor
corregidas. Preferiblemente, la unidad de control está adaptada para
determinar el error del elemento de referencia, para al menos uno de
los elementos de referencia, cuyo valor responde a la interacción
del artículo de metal con los campos de energía.
En una realización preferida, la unidad de
control está adaptada para calcular el parámetro de referencia sin
distorsión de al menos uno de los elementos de referencia que
responde a la posición relativa de al menos uno de los elementos de
referencia con respecto al conjunto de radiadores. En este caso, la
unidad de control está preferiblemente adaptada para realizar el
cálculo del parámetro de referencia sustancialmente
independientemente de la interacción del artículo de metal con los
campos de energía. Más preferiblemente, la unidad de control está
adaptada para calcular el parámetro de referencia sin distorsión de
al menos uno de los elementos de referencia que responde al cálculo
del valor de campo magnético en al menos uno de los elementos de
referencia, cuyo valor responde a la posición relativa de al menos
uno de los elementos de referencia con respecto al conjunto de
radiadores.
En una realización preferida, la unidad de
control está adaptada para determinar el parámetro de referencia sin
distorsión de al menos uno de los elementos de referencia que
responde a la medida que responde a la posición relativa de al menos
uno de los elementos de referencia con respecto al conjunto de
radiadores. Típicamente, la unidad de control está preferiblemente
adaptada para determinar el parámetro de referencia sin distorsión
de al menos uno de los elementos de referencia sustancialmente
independientemente de la interacción del artículo de metal con los
campos de energía. La unidad de control está preferiblemente
adaptada para determinar el parámetro de referencia sin distorsión
de al menos uno de los elementos de referencia que responden a la
medida del valor de campo magnético en al menos uno de los elementos
de referencia.
Para algunas aplicaciones, para al menos uno del
uno o más elementos de referencia, la unidad de control está
adaptada par igualar sustancialmente el parámetro de referencia sin
distorsión con la posición del elemento de referencia. Por ejemplo,
la unidad de control puede estar adaptada para determinar el error
del elemento de referencia, para al menos uno del uno o más
elementos de referencia, para que sea una desviación espacial
aparente del elemento de referencia que responde a la interacción
del artículo metálico con los campos de energía.
En una realización preferida, el uno o más
elementos de referencia incluyen al menos tres elementos de
referencia, adaptados para estar situados en tres posiciones no
co-lineales en la proximidad del sensor. Para
algunas aplicaciones, los al menos tres elementos de referencia
incluyen al menos cuatro elementos de referencia, adaptados para
estar situados en cuatro posiciones no coplanarias en la proximidad
del sensor.
La presente invención se entenderá más
completamente a partir de la siguiente descripción detallada de una
realización preferida de la misma, tomada junto con los dibujos, en
los cuales:
La Fig. 1 es una ilustración esquemática
pictórica de un sistema electromagnético de localización y
seguimiento usado durante un procedimiento médico, de acuerdo con
una realización preferida de la presente invención;
y
y
La Fig. 2 es un diagrama esquemático en dos
dimensiones que ilustra un ejemplo simplificado de determinación de
la posición absoluta de una sonda, de acuerdo con una realización
preferida de la presente invención.
La Fig. 1 es una ilustración esquemática
pictórica de un sistema de localización y seguimiento 18 utilizado
para seguir la sonda de detección de posición 20 en el cuerpo de un
paciente 24 mientras que se proporciona inmunidad al movimiento (dx)
de un objeto conductor 40 en o cerca del espacio 60 alrededor del
paciente 24, de acuerdo con una realización preferida de la presente
invención. El sistema 18 comprende un conjunto de radiadores 34, que
están dirigidos por una unidad de control 50 para seguir la sonda
20, preferiblemente pero no necesariamente usando métodos y aparatos
que se describen en la Publicación de Patente PCT y las patentes de
Estados Unidos que se han citado anteriormente de
Ben-Haim y Ben-Haim y otros. De este
modo la sonda 20 comprende preferiblemente uno o más sensores de
campo, tales como dispositivos de efecto Hall, bobinas, u otras
antenas, para uso en la determinación de posición. Alternativamente
o adicionalmente, se usan otros métodos y aparatos conocidos en la
técnica para facilitar el seguimiento de la sonda 20. La unidad de
control 50 comprende circuitería para el procesamiento de las
señales recibidas desde la sonda 20 y desde uno o más elementos de
referencia 22, y para calcular la posición absoluta de la sonda 20
usando un algoritmo de interpolación, como se describe a
continuación en este documento.
El objeto conductor 40 típicamente comprende un
artículo de metal o que responde al campo magnético, por ejemplo un
instrumento quirúrgico, lámpara móvil, carro, etc. El objeto
conductor 40 genera campos parásitos, cuyas fases y amplitudes
dependen generalmente de las propiedades del objeto conductor 40,
incluyendo su constante dieléctrica, permeabilidad magnética, y
forma geométrica. Se apreciará que aunque el objeto conductor 40 que
se muestra en la Fig. 1 es un objeto simple, el objeto conductor 40
podría comprender varios objetos conductores separados entre sí, que
están dispuestos dentro y fuera del área del procedimiento
médico.
En una realización preferida de la presente
invención, el sistema 18 comprende una pluralidad de elementos de
referencia fijos 22, preferiblemente cuatro o más elementos no
coplanarios. Las posiciones absolutas de los elementos de referencia
22 son conocidas, por ejemplo, por fijación de los mismos a marcos
26 que, a su vez, están fijos a la mesa de operación 70. Los
elementos de referencia 22 preferiblemente pero no necesariamente
comprenden sensores de campo de localización que son sustancialmente
idénticos a los de la sonda 20, de modo que el objeto conductor 40
tiene el mismo efecto potencial de interferencia sobre la posición
medida de la sonda 20 que sobre la posición medida de los elementos
de referencia 22. Usando las posiciones absolutas conocidas de los
elementos de referencia 22, los valores del campo magnético que se
medirían por los sensores de campo de los elementos de referencia en
ausencia del objeto 40 en el espacio 60 (los "valores de campo
magnético sin distorsión") se obtienen por: (a) cálculo, basado
en las disposiciones relativas de posición y angular de cada
elemento de referencia con respecto a cada generador de campo de
cada radiador 34, y/o (b) medida, en ausencia del objeto 40, del
campo magnético en cada elemento de referencia que responde a los
campos generados por los radiadores. Estos valores de campo
magnético sin distorsión se almacenan preferiblemente en una memoria
(no mostrada) de la unidad de control 50. Durante el procedimiento,
la sonda 20 permanece preferiblemente dentro del espacio delimitado
por las posiciones de los elementos de referencia 22, de modo que
los cálculos están basados típicamente en interpolación sobre los
campos magnéticos en los elementos de referencia, en lugar de
extrapolación.
Cuando el objeto conductor 40 se introduce en la
proximidad del espacio 60, los valores del campo magnético generados
por los sensores de campo de la sonda 20 y los elementos de
referencia 22 difieren de los valores de campo magnético sin
distorsión que se habrían generado si el objeto 40 no estuviese
presente en el espacio 60. El error difiere para cada elemento de
referencia 22, respondiendo a la localización y orientación de cada
elemento de referencia 22 respecto al objeto conductor 40, las
propiedades de conducción particulares del objeto conductor 40, la
forma y orientación del objeto conductor 40, y otros factores. Los
valores del campo magnético corregidos se calculan preferiblemente
para los sensores de campo de la sonda 20 por un algoritmo de
interpolación cuyas entradas incluyen los valores de campo magnético
medidos por los sensores de campo de la sonda 20, los valores de
campo magnético medidos para cada elemento de referencia 22, y los
errores determinados inducidos por el objeto en los valores de campo
magnético de cada elemento de referencia 22. El algoritmo
preferiblemente usa una interpolación no lineal, tal como la
interpolación geométrica. Estos valores de los campos magnéticos
corregidos para el campo medido por los sensores de campo de la
sonda 20 se usan a continuación por la unidad de control 50 para
determinar la posición absoluta y orientación de la sonda 20
Preferiblemente, se sitúan un número
relativamente grande de elementos de referencia 22 en localizaciones
fijas representativas en el espacio 60, de modo que se incrementa la
precisión de las interpolaciones. Los elementos de referencia 22
están posicionados preferiblemente tan cerca de la proximidad
esperada de la sonda 20 como sea factible, de modo que se incremente
la precisión de las interpolaciones.
Como los objetos conductores, tales como
utensilios y equipo de apoyo, se mueven frecuentemente durante los
procedimientos médicos, es generalmente preferible actualizar los
valores de campo magnético distorsionados generados por los
elementos de referencia 22, y los valores de error resultantes,
sustancialmente cada vez que se realice una determinación de la
posición de la sonda 20, o como se estime apropiado por el operario
del sistema 18.
En otra realización preferida de la presente
invención, se determina la posición sin corregir de la sonda 20
usando los valores del campo magnético sin corregir generados por
los sensores de campo de la sonda 20. Esta posición no corregida se
corrige usando un algoritmo de interpolación espacial, como se
describe a continuación. Cuando el objeto conductor 40 se introduce
en la proximidad del espacio 60, las posiciones de la sonda 20 y los
elementos de referencia 22, al determinarse usando los valores de
campo magnético sin corregir generados por los sensores de campo de
la sonda 20 y los elementos de referencia 22, difieren de sus
posiciones verdaderas. La dirección y magnitud de estas desviaciones
difiere para cada elemento de referencia 22, respondiendo a la
posición y orientación de cada elemento de referencia 22 con
respecto al objeto conductor 40, las propiedades conductoras
particulares del objeto conductor 40, la forma y orientación del
objeto conductor 40, y otros factores. La posición corregida de la
sonda 20 se calcula preferiblemente mediante el uso de un algoritmo
de interpolación espacial no lineal cuyas entradas incluyen la
posición sin corregir determinada de la sonda 20 y las desviaciones
inducidas por el objeto en los elementos de referencia 22. En
particular, mediante el análisis de las desviaciones inducidas de
los elementos de referencia 22, la unidad de control 50
preferiblemente determina el efecto de interferencia que el objeto
conductor 40 tiene sobre un punto en el espacio 60 en las
coordenadas medidas de la sonda 20, y compensa su efecto.
Preferiblemente, se sitúan un número
relativamente grande de elementos de referencia 22 en posiciones
fijas en el espacio 60 de modo que se incremente la precisión de las
interpolaciones. Los elementos de referencia 22 están
preferiblemente posicionados tan cerca de la proximidad esperada de
la sonda 20 como sea factible de modo que se incremente la precisión
de las interpolaciones.
Se hace referencia a la Fig. 2, la cual es un
diagrama esquemático de dos dimensiones que ilustra un ejemplo
simplificado de determinación de la posición absoluta calculada
P_{c} de una sonda, de acuerdo con la realización preferida de la
presente invención. Los puntos A_{A}, B_{A}, C_{A}, D_{A}, y
E_{A}, representan las posiciones absolutas conocidas de cinco
elementos de referencia 22, por ejemplo A, B, C, D, y E. Los puntos
A_{M}, B_{M}, C_{M}, D_{M} y E_{M} representan los
elementos de referencia 22 respecto a las posiciones medidas
determinadas (sin corregir) durante el procedimiento, después de la
introducción de un objeto conductor 41 en la proximidad de la sonda
y de los elementos de referencia. Una desviación significativa entre
la posición conocida de uno de los elemento de referencia 22 (en las
posiciones A, B, C, D y E) y la posición medida indica que el
elemento de referencia 22 -y en consecuencia todo el espacio
circundante al elemento de referencia 22- está fuertemente afectado
por el objeto conductor. El elemento de referencia 22 en la posición
D es un ejemplo de tal elemento de referencia. Por el contrario, una
desviación pequeña o insustancial (por ejemplo, la de elemento de
referencia en la posición E) indica que el objeto conductor 41 tiene
un efecto pequeño en el espacio inmediatamente circundante al
elemento de referencia.
La posición medida (no corregida) P_{M} de la
sonda y las desviaciones calculadas de los elementos de referencia
en las posiciones A, B, C, D, y E se introducen preferiblemente en
el algoritmo de interpolación espacial, que calcula la posición
absoluta corregida P_{C} de la sonda. En este ejemplo
especificado, las posiciones medidas de los elementos de referencia
22 están desviadas variando grados hacia arriba y hacia la derecha
de sus posiciones absolutas conocidas de modo que la posición
corregida P_{C} de la sonda se desplaza preferiblemente
correspondientemente por la unidad de control 50 hacia abajo y hacia
la izquierda de la posición medida PM de la sonda, para compensar el
efecto de la distorsión de posición del objeto conductor 41. El
efecto de la interpolación espacial se ve en la figura en que la
corrección aplicada a la posición de la sonda está basada en gran
medida, pero no enteramente en las desviaciones medidas de los
elementos de referencia C y D, que son los que están más próximos a
la sonda.
Se entenderá que las realizaciones preferidas de
la presente invención se han descrito en este documento con respecto
a técnicas médicas invasoras sólo a modo de ejemplo. El alcance de
la presente invención incluye la aplicación de las técnicas
descritas en este documento a los sistemas de localización y
seguimiento usados para cualquier propósito.
Se apreciará por las personas especialistas en
la técnica que la presente invención no está limitada en particular
a lo que se ha mostrado y se ha descrito anteriormente en este
documento. Más bien, el alcance de la presente invención como se
define por las reivindicaciones que se acompañan, incluye tanto las
combinaciones como las sub-combinaciones de varias
características que se han descrito anteriormente en este documento,
así como variaciones y modificaciones del mismo que no están en la
técnica anterior, que se ocurrirían a personas especialistas en la
técnica una vez leída la descripción anterior.
Claims (14)
1. Un aparato de detección de posición
(18) que comprende:
un conjunto de radiadores (34), que están
adaptados para estar colocados en posiciones respectivas en la
proximidad del cuerpo de un sujeto (24) y generar campos de energía
electromagnética;
un sensor de posición (20), que está adaptado
para estar situado en el cuerpo de un sujeto (24) y generar señales
del sensor en respuesta a los campos de energía;
una o más elementos de referencia (22), que
están adaptados par estar situados en posiciones respectivas en
proximidad con el sensor (20) y generar señales de referencia que
responden a los campos de energía; y
una unidad de control (50), que está adaptada
para:
- determinar, par cada elemento de referencia (22), parámetros de referencia sin distorsión respectivos, en respuesta a las posiciones de los elementos de referencia,
- recibir las señales del sensor y las señales de referencia.
- calcular el error del elemento de referencia par cada elemento de referencia (22), en respuesta a la interacción de un artículo de metal (40, 41) con los campos de energía, en respuesta al parámetro de referencia sin distorsión del elemento de referencia (22), y en respuesta a la señal de referencia generada por el elemento de referencia, y
- calcular la posición de referencia del sensor (20), en respuesta a las señales del sensor y los errores del elemento de referencia, caracterizado porque
- al menos uno del uno o más elementos de referencia (22) está adaptado para estar situado en una posición fija, conocida respecto al conjunto de radiadores (34) durante el funcionamiento del aparato(18), lo que significa que el sensor de posición (20) está situada en el sujeto (24).
2. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que al menos uno del uno o más elementos de
referencia (22) está adaptado para estar colocado fuera del cuerpo
del sujeto (24).
3. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la unidad de
control (50) está adaptada para calcular las señales del sensor
corregidas en respuesta a los errores del elemento de referencia y
en respuesta a las señales del sensor generadas, y para calcular la
posición del sensor (20) en respuesta a las señales del sensor
corregidas.
4. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la unidad de
control (50) está adaptada para determinar el error del elemento de
referencia, para al menos uno de los elementos de referencia, que
responde al valor del campo magnético medido en al menos uno de los
elementos de referencia (22); cuyo valor responde a la interacción
del artículo de metal (40) con los campos de energía.
5. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la unidad de
control está adaptada para calcular el parámetro de referencia sin
distorsión de al menos uno de los elementos de referencia (22) que
responde a la posición relativa del al menos uno de los elementos de
referencia (22) con respecto al conjunto de radiadores (34).
6. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la unidad de control (50) está adaptada
para realizar el cálculo del parámetro de referencia sustancialmente
independientemente de la interacción del artículo de metal (40, 41)
con los campos de energía.
7. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la unidad de control (50) está adaptada
para calcular el parámetro de referencia sin distorsión de al menos
uno de los elementos de referencia (22) que responde al cálculo del
valor del campo magnético en al menos uno de los elementos de
referencia, cuyo valor responde a la posición relativa de al menos
uno de los elementos de referencia (22) con respecto a los
radiadores (34).
8. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la unidad de
control (50) está adaptada para determinar el parámetro de
referencia sin distorsión de al menos uno de los elementos de
referencia (22) que responde a la medida que responde a la posición
relativa de al menos uno de los elementos de referencia (22) con
respecto al conjunto de radiadores (34).
9. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 8, en el que la unidad de control (50) está adaptada
para determinar el parámetro de referencia sin distorsión de al
menos uno de los elementos de referencia (22) sustancialmente
independientemente de la interacción del artículo de metal (40, 41)
con los campos de energía.
10. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 8, en el que la unidad de control (50) está adaptada
para determinar el parámetro de referencia sin distorsión de al
menos uno de los elementos de referencia (22) que responde a la
medida de un valor de campo magnético en el menos uno de los
elementos de referencia (22).
11. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que, para al menos uno
del uno o más elementos de referencia (22), la unidad de control
(50) está adaptada para igualar sustancialmente el parámetro de
referencia sin distorsión con la posición del elemento de referencia
(22).
12. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 11, en el que la unidad de control (50) está adaptada
para determinar el error del elemento de referencia, para al menos
uno del uno o más elementos de referencia (22), que es la desviación
espacial aparente del elemento de referencia que responde a la
interacción del artículo de metal (40, 41) con los campos de
energía.
13. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el uno o más
elementos de referencia comprende al menos tres elementos de
referencia (22), adaptados para estar situados en tres posiciones no
co-lineales en la proximidad del sensor (20).
14. Un aparato de acuerdo con la
reivindicación 13, en el que los al menos tres elementos de
referencia comprenden al menos cuatro elementos de referencia (22),
adaptados para estar situados en cuatro posiciones no coplanarias en
la proximidad del sensor (20).
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