ES2330060T3

ES2330060T3 - Sistema de localizacion magnetico con control de realimentacion ada ptativo.

Info

Publication number: ES2330060T3
Application number: ES96917933T
Authority: ES
Inventors: David E. Acker
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2016-06-03
Also published as: ATE438078T1; EP0830562A1; CN1186549A; DK0830562T3; JPH11506831A; CN1133864C; AU6031296A; EP0830562B1; US5729129A; EP0830562A4; JP3351796B2; DE69637978D1; AU692398B2; WO1996041119A1

Abstract

SE DESCRIBE UN SISTEMA PARA LOCALIZAR OBJETOS EN EL ESPACIO, TALES COMO INSTRUMENTOS MEDICOS (16) EN EL INTERIOR DEL CUERPO DE UN PACIENTE (P), BASADO EN LA TRANSMISION DE CAMPOS MAGNETICOS DESDE BOBINAS (10), EN UN MARCO DE REFERENCIA FIJO, A SENSORES (20, 22, 24) EN EL OBJETO O VICEVERSA. LA CORRIENTE SUMINISTRADA A LAS BOBINAS SE AJUSTA PARA GARANTIZAR QUE LOS SENSORES RECIBEN CAMPOS COMPRENDIDOS DENTRO DE UNA GAMA DE MAGNITUDES PRESELECCIONADA, CON INDEPENDENCIA DE LA UBICACION DEL OBJETO EN EL ESPACIO. ESTO ASEGURA QUE EL SENSOR FUNCIONA DENTRO DE SU RANGO OPTIMO, Y PERMITE UTILIZAR TRANSMISORES Y SENSORES COMPACTOS.

Description

Sistema de localización magnético con control de realimentación adaptativo.

Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas para determinar la ubicación y/u orientación de objetos en el espacio mediante la detección de campos magnéticos.

Antecedentes de la técnica

Se han propuesto varios sistemas para detectar la posición y/u orientación de un objeto usando campos magnéticos o electromagnéticos. Típicamente, estos sistemas utilizan transmisores de campo, tales como bobinas electromagnéticas, dispuestos en ubicaciones conocidas en un sistema de referencia fijo y un sensor, tal como una bobina u otro transductor montado en el objeto a localizar. Cada transmisor proyecta un campo que varía en el espacio en un sistema de referencia fijo. El patrón de variación en el espacio para cada transmisor es diferente al patrón de cualquier otro transmisor. Por ejemplo, los transmisores pueden ser idénticos entre sí pero estar dispuestos en ubicaciones diferentes o con orientaciones diferentes. De este modo, los patrones del campo de los transmisores están desplazados o girados uno con respecto a otro y con respecto al sistema de referencia fijo. El sensor en el objeto detecta los parámetros del campo que predomina en la ubicación del objeto como, por ejemplo, la magnitud y/o dirección del campo en el objeto o las magnitudes de componentes individuales del campo en el objeto en una o más direcciones preseleccionadas. Los transmisores se pueden accionar en una secuencia predeterminada de manera que, en un instante de tiempo cualquiera, solamente un transmisor esté activo y, por lo tanto, el campo que predomine en el objeto sea solamente el campo al que contribuye un transmisor, más un campo de fondo debido al campo magnético de la Tierra y otras fuentes del entorno. Alternativamente, los transmisores se pueden accionar a frecuencias diferentes de manera que componentes de la señal del sensor que varíen a frecuencias diferentes representen contribuciones al campo en el objeto de transmisores diferentes. Basándose en los parámetros detectados de los campos provenientes de los transmisores individuales, y en el patrón conocido de variación del campo de cada transmisor, un sistema informático calcula la posición y orientación del sensor, y, por tanto, la posición del objeto portador del sensor, en el sistema de referencia fijo de los transmisores. En una variante de este sistema, el objeto a localizar transporta el transmisor o transmisores, mientras que en varias ubicaciones u orientaciones en el sistema de referencia fijo hay dispuesta una pluralidad de sensores. La ubicación y/u orientación del objeto se deduce a partir de señales que representan los parámetros del campo que predomina en los diversos sensores.

En las patentes US nº 4.849.692; nº 4.642.786; nº 4.710.708; nº 4.613.866 y nº 4.945.305 se dan a conocer sistemas de esta naturaleza general. Se pueden usar sistemas según este diseño general para proporcionar una capacidad de entrada espacial tridimensional para un ordenador. En la publicación de patente internacional WO 94/04938 se da a conocer otro sistema de esta naturaleza. En la publicación WO 94/04938, el objeto a localizar puede ser un endoscopio médico. Dicho sistema puede incluir un sensor montado en la punta de un endoscopio, de manera que se pueden determinar la ubicación y/u orientación de la punta del endoscopio mientras el sensor está dispuesto en el interior del cuerpo de un paciente médico. Esto permite que el médico monitorice el procedimiento endoscópico sin recurrir a una fluoroscopia u otras técnicas que usan radiación ionizante para localizar el instrumento. En una de las formas de realización (páginas 26 a 27), la publicación WO 94/04938 contempla una disposición en la que se accionan simultáneamente diversas bobinas transmisoras para "guiar" la dirección del campo resultante y, de este modo, alinear el campo con el sensor. La publicación WO 94/04938 caracteriza esta disposición como no deseable. En las patentes US nº 5.042.486; nº 5.099.845; nº 5.211.165; nº 5.251.635; nº 5.253.647; nº 5.255.680; nº 5.265.610 y nº 5.391.199 se dan a conocer otros sistemas para localizar instrumentos médicos tales como endoscopios y catéteres basándose en campos transmitidos.

Típicamente, los sistemas de esta naturaleza han usado campos que tienen una intensidad que varía en función de la tercera potencia, o una potencia mayor, de la distancia con respecto al transmisor. Por consiguiente, existe una variación muy elevada en la intensidad de cada campo de una ubicación a otra. En un sistema de localización de dispositivos médicos, adaptado para detectar la ubicación del sensor en cualquier lugar dentro de un volumen de detección que presenta unas dimensiones del orden de entre 0,5 y 1,0 m, la intensidad del campo puede variar pasando por muchos órdenes de magnitud desde un extremo del volumen de detección al otro. Cuando ocurre que el sensor y el objeto a localizar están cerca de un transmisor particular, los mismos recibirán un campo extremadamente intenso, mientras que, cuando el sensor y el objeto estén en el extremo del volumen de detección alejado con respecto al transmisor particular, los mismos recibirán solamente un campo muy débil proveniente de ese transmisor. Esto requiere un sensor con un rango dinámico muy sustancial, capaz de monitorizar de forma precisa campos muy intensos y muy débiles. Esto, a su vez, plantea requisitos exigentes sobre el diseño del sensor y puede que se requiera un sensor mayor. Por otra parte, la relación señal/ruido es deficiente cuando se monitoriza un campo muy débil y, por consiguiente, en estas condiciones, la precisión del sistema es menos que óptima. Ambas consideraciones mencionadas resultan particularmente importantes en sistemas para aplicaciones médicas, en los que el sensor debe ser pequeño para encajar dentro de un dispositivo médico tal como un catéter o endoscopio. Aunque dichos sistemas pueden proporcionar resultados útiles, sería deseable una mejora adicional. Surgen los mismos problemas en sistemas que usan una bobina u otro transmisor en el objeto a localizar y diversos sensores en el sistema de referencia fijo. Nuevamente en este caso, un sensor particular quedará expuesto o bien a un campo muy intenso o bien a un campo muy débil dependiendo de si el transmisor es adyacente o está alejado con respecto al sensor en cuestión.

La patente US nº 5.558.091, cedida de forma conjunta, da a conocer una solución a estos problemas. Ciertas formas de realización preferidas según la patente US nº 5.558.091 incluyen electroimanes que se pueden hacer funcionar para generar una pluralidad de campos magnéticos diferentes. Cada campo tiene por lo menos un componente con una magnitud diferente de cero que es o bien constante, o bien lineal o bien casi lineal con respecto a la distancia en una dirección particular dentro de un volumen de detección. Dicha disposición proporciona una menor variación en la magnitud del campo por todo el volumen de detección que una disposición comparable en la que la intensidad del campo varía en función de la tercera potencia o una potencia mayor de la distancia. De este modo, con los campos casi lineales, la diferencia entre el campo mínimo y máximo dentro de un volumen de detección determinado es sustancialmente menor. Esto alivia sustancialmente los problemas antes descritos. No obstante, no resulta siempre adecuado usar las disposiciones de bobinas particulares que proporcionan dichos campos de variación casi
lineal.

El documento US nº 4.652.820 da a conocer un dispositivo accionador y sensor magnético combinado para aplicar una fuerza magnética a un cuerpo magnetizable y para detectar la distancia entre el dispositivo y el cuerpo magnetizable. El aparato incluye una fuente de corriente eléctrica de baja frecuencia, una fuente de alta corriente eléctrica, un detector y una pieza polar magnetizable que interacciona con un cuerpo proporcionado en un eje. La fuente de corriente de baja frecuencia proporciona una señal de accionamiento que mantiene al eje en una posición deseada o lo mueve de una manera deseada. La fuente de corriente de alta frecuencia y el detector se utilizan para detectar la posición del eje.

El documento WO 92/05543 da a conocer sistemas de servocontrol para controlar los accionadores de posicionamiento de cabezales en dispositivos de almacenamiento tales como unidades controladoras de discos.

Sumario de la invención

Un aspecto de la presente invención proporciona un aparato para determinar la posición que incluye medios generadores de campos para producir una pluralidad de campos magnéticos. Los medios generadores de campos están dispuestos para proporcionar aquellos campos que tienen parámetros, tales como la intensidad de campo y/o la dirección de campo, que varían con la ubicación dentro de un volumen de detección según patrones de variación conocidos. El patrón de variación para cada campo es diferente al patrón de variación para cualquier otro campo. Por ejemplo, cuando los medios generadores de campos incluyen una pluralidad de bobinas transmisoras, las bobinas están dispuestas en ubicaciones diferentes y/u orientaciones diferentes con respecto al volumen de detección. Un aparato según este aspecto de la invención incluye también por lo menos un sensor adaptado para detectar uno o más parámetros del campo que predomina en el sensor cuando el sensor está en una ubicación desconocida dentro del volumen de detección, y para proporcionar una o más señales de sensor que representan dichos parámetros detectados. Por ejemplo, el sensor puede incluir un cuerpo sensor y una pluralidad de sensores de componentes dispuestos en el cuerpo sensor, siendo operativo cada sensor de componentes para medir la magnitud de un componente del campo magnético en una dirección local preseleccionada con respecto al cuerpo sensor para proporcionar una señal de sensor de componente que representa ese componente en particular del campo que predomina en el sensor. El aparato incluye además medios de cálculo para calcular la ubicación del sensor, la orientación del sensor o ambos valores basándose en las señales de sensor y en los patrones desconocidos de variación de los campos. El aparato incluye también medios de control de realimentación para ajustar los medios generadores de campos de manera que modifiquen el patrón conocido de variación de por lo menos uno de los campos en respuesta a las señales de los sensores, a la ubicación calculada del sensor o a ambos valores para mantener los parámetros detectados del campo modificado en el sensor dentro de un intervalo preseleccionado. Por ejemplo, cuando los medios generadores de campos incluyen una pluralidad de transmisores dispuestos adyacentes al volumen de detección, los medios de control de realimentación pueden estar dispuestos para incrementar la intensidad del campo transmitido por un transmisor en particular cuando el sensor esté alejado de dicho transmisor, y para reducir la intensidad del campo emitido por ese transmisor cuando el sensor esté cerca del transmisor. De este modo, los parámetros del campo detectado en la ubicación del sensor estarán situados siempre dentro de un intervalo relativamente estrecho de valores. Como el campo transmitido se modifica de una manera conocida, todavía se pueden seguir calculando la posición y/u orientación del sensor, simplemente usando el campo modificado como base para el cálculo. Por ejemplo, cuando los medios de control de realimentación hacen que aumente la corriente que fluye hacia una bobina electromagnética, los parámetros usados en el cálculo para representar la intensidad del campo emitido desde esa bobina en particular se ajustan de forma correspondiente.

Un aparato según este aspecto de la presente invención puede mantener los parámetros del campo detectado en la ubicación del sensor, tales como la magnitud del campo en dicha ubicación, dentro de un intervalo relativamente estrecho incluso cuando la intensidad del campo varía con una potencia de la distancia mayor que la primera potencia tal como, por ejemplo, cuando la intensidad del campo varía con la tercera potencia de la distancia con respecto a la bobina. Por lo tanto, el sistema puede proporcionar una buena relación señal/ruido, incluso con un sensor muy pequeño. Por otra parte, no hay necesidad de ninguna configuración de bobina en particular para producir un campo lineal o casi lineal. Por ejemplo, en una aplicación médica, se puede exponer una pluralidad de bobinas individuales en varias ubicaciones por debajo de una cama que aloje un paciente, o en un lateral de la cama.

Aunque un aparato según este aspecto de la invención puede utilizar cualquier tipo de sensor, presenta ventajas adicionales cuando se usa con sensores magnetorresistivos u otros sensores que pueden perder precisión cuando se ven expuestos a campos magnéticos muy altos. Como el campo se mantiene dentro de un intervalo relativamente estrecho, los sensores no se ven expuestos a campos que perjudicarían su precisión. En otra variante de la invención, el sistema de control de realimentación se acciona para mantener los parámetros del campo en cada sensor dentro del intervalo de valores más estrecho alcanzable. De este modo, el control de realimentación mantiene los parámetros del campo en el sensor en unos valores sustancialmente constantes. Nuevamente en este caso, los campos transmitidos se modifican de una manera conocida, y la disposición del sensor todavía puede seguir calculándose mediante el uso de los campos modificados como base para el cálculo.

Otro aspecto de la presente invención (no reivindicado) proporciona un aparato que incluye por lo menos un transmisor adaptado para montarse en el objeto a localizar y que incluye también una pluralidad de sensores dispuestos de forma adyacente a un volumen de detección. El aparato según este aspecto de la invención incluye medios de cálculo para determinar una ubicación calculada del transmisor basándose en señales de los sensores y en el patrón conocido de variación del campo en el transmisor. Nuevamente en este caso, se proporcionan medios de control de realimentación para ajustar los medios generadores de campos de manera que modifiquen el patrón conocido de variación del campo enviado por el por lo menos un transmisor en respuesta a la señal del sensor, a la ubicación calculada del transmisor o a ambos valores para mantener los parámetros del campo provenientes del por lo menos un transmisor que predomina en cada sensor dentro de un intervalo preseleccionado. Esta disposición es similar a la disposición descrita anteriormente, excepto que el transmisor o transmisores están dispuestos en el objeto a localizar mientras que los sensores están ubicados en el sistema de referencia fijo del volumen de detección. Nuevamente en este caso, cuando el transmisor está cerca del sensor, o en los casos en los que las orientaciones del transmisor y el sensor favorecen un acoplamiento fuerte entre el campo transmitido y el sensor, se reduce la intensidad del campo. Si el transmisor está relativamente lejos del sensor, o en una orientación desfavorable, los medios de control hacen que aumente la intensidad del campo transmitido. Esta disposición proporciona ventajas similares a las descritas anteriormente.

Otro aspecto de la invención (no reivindicado) proporciona un aparato para detectar la disposición de un objeto - su posición, orientación o ambos valores - en un sistema de referencia. Un aparato según este aspecto de la invención incluye medios transmisores que incluyen por lo menos un transmisor para proporcionar un campo y medios sensores que incluyen por lo menos un sensor para detectar uno o más parámetros de un campo que predomine en cada uno de dichos sensores y proporcionar una o más señales de sensor indicativas de dichos parámetros. Los medios transmisores y dichos medios sensores definen en cooperación una pluralidad de pares transmisor-sensor, que incluyen cada uno de ellos un transmisor y un sensor como elementos del par, estando dispuesto un elemento de cada uno de dichos pares en el objeto y estando dispuesto el otro elemento de cada uno de dichos pares en una disposición conocida en dicho sistema de referencia. Típicamente, por lo menos un elemento de cada par transmisor-sensor está dispuesto en una posición u orientación diferente a la del elemento correspondiente de los otros pares. El aparato incluye además medios de cálculo para determinar la disposición de dicho objeto basándose en dichas señales de sensor, y medios de control de realimentación para ajustar dichos medios transmisores en respuesta a dichas señales de sensor con el fin de mantener, de este modo, por lo menos una de dichas señales de sensor dentro de un intervalo pre-
seleccionado.

Otros aspectos de la presente invención proporcionan métodos de determinación de la posición y/o la orientación en los que se modifica el funcionamiento de medios generadores de campos mediante un control de realimentación basándose en las señales del sensor, o de la ubicación calculada del sensor del transmisor, para mantener los parámetros de cada campo a detectar por cada sensor dentro de un intervalo preseleccionado.

Otros objetivos, características y ventajas de la presente invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada de las formas de realización preferidas que se exponen a continuación, consideradas conjuntamente con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva que representa gráficamente partes del aparato según una forma de realización de la invención.

La Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva, parcial, que representa gráficamente una parte del aparato ilustrado en la Fig. 1.

La Figura 3 es un diagrama de bloques funcionales que representa gráficamente otras partes del aparato representado gráficamente en las Figs. 1 y 2.

La Figura 4 es un diagrama de bloques que representa gráficamente ciertas etapas en métodos según formas de realización de la invención. Las Figuras 5 y 6 (no reivindicadas) son una vista esquemática en perspectiva que representa gráficamente partes del aparato según otra forma de realización.

Mejor modo de poner en práctica la invención

Un aparato según una forma de realización de la presente invención incluye tres bobinas transmisoras 10 de forma general helicoidal dispuestas en un plano común. Las bobinas 10 están montadas en una posición fija en el sistema de referencia de la cama 12 que aloja al paciente. Ese sistema de referencia se indica mediante un sistema de coordenadas cartesiano X, Y, Z tal como se muestra en la Fig. 1. Un paciente P se puede posicionar en la cama que aloja al paciente. Los ejes 11 de las bobinas son paralelos entre sí. Justo por encima del plano de la bobina 10 se extiende una cama 12 que aloja un paciente. El aparato incluye además un objeto o sonda 14. La sonda está adaptada para ser insertada en un instrumento médico tal como un catéter 16 y posicionada en una ubicación deseada en el catéter, tal como en la punta distal del catéter o en otra ubicación a lo largo del catéter. La sonda 14 tiene montado en ella un sensor 18. El sensor 18 incluye tres sensores 20, 22 y 24 de componentes, adaptados para detectar componentes del campo magnético en direcciones locales mutuamente ortogonales X', Y' y Z'. Es decir, el sensor 20 de componentes es sensible a campos magnéticos dirigidos en la dirección X', aunque ampliamente insensible a campos en las direcciones Y' y Z', mientras que el sensor 22 es sensible solamente a campos en la dirección Y' y el sensor 24 es sensible a campos en la dirección Z'. Estos sensores están adaptados para proporcionar señales de sensor independientes que representan los componentes independientes. El sensor 18 puede ser un sensor de estado sólido del tipo descrito en la solicitud de patente internacional WO 95/09562 antes mencionada. Como se ha descrito adicionalmente en dicho documento, cada uno de los sensores de componentes puede incluir una película magnéticamente sensible de forma general plana, tal como una película magnetorresistiva o una película detectora de efecto Hall. Cada una de estas películas puede ser sensible a campos dirigidos de forma normal al plano de la película. Alternativamente, el sensor 18 puede incluir una agrupación de bobinas en miniatura, estando orientados los ejes de la bobinas de forma ortogonal entre sí. Aunque estos representan los sensores preferidos, se puede utilizar esencialmente cualquier otro dispositivo magnéticamente sensible tal como, por ejemplo, sensores magnetoópticos y magnetómetros de núcleo
saturado.

Los sensores 20, 22 y 24 de componentes están conectados a través de un cable 26, con conductores independientes para cada sensor, a una unidad 28 de mando. La unidad 28 de mando (Fig. 3) incluye una sección 30 de amplificación de entrada y de conversión analógica a digital ("A/D") adaptada para recibir las señales individuales de sensores 20, 22 y 24 de componentes del sensor 18, amplificar las mismas y convertirlas a formato digital. La unidad 30 de amplificación y de conversión A/D también puede incluir otros dispositivos convencionales de procesado de la señal, tales como dispositivos analógicos o digitales de filtrado pasabanda y de rechazo de ruido y promediadores de la señal. La unidad 28 de mando incluye además una unidad 32 de cálculo. La unidad 32 de cálculo se puede implementar en forma de un ordenador de propósito general programado. Tal como se describe de forma más detallada posteriormente, la unidad de cálculo de posiciones está dispuesta para calcular la disposición del sensor 18, y, por lo tanto, la disposición del objeto o sonda 14 en la punta del catéter a partir de las señales de sensores. Tal como se usa en la presente descripción, el término "disposición" de un elemento hace referencia a la posición del elemento, la orientación del elemento o a ambos valores. De este modo, la unidad de cálculo está dispuesta para calcular la posición del sensor 18, la orientación del sensor, o, preferentemente, tanto la posición como la orientación. La unidad 28 de mando puede estar enlazada con un dispositivo de visualización (no mostrado) para proporcionar una representación, inteligible por sentidos humanos, de la posición de la sonda u objeto 14. Dicha representación inteligible por sentidos humanos se puede proporcionar o bien como información numérica que presente la posición y/u orientación del objeto 14 en el sistema de coordenadas X, Y, Z o bien, preferentemente, como una representación gráfica del objeto y del catéter asociado superpuestos sobre una representación gráfica del paciente.

La unidad 28 de mando incluye además una unidad 34 de control. La unidad 34 de control está enlazada mediante líneas 36, 38 y 40 de salida a tres accionadores 42, 44 y 46 de bobina independientes. Cada accionador de bobina está enlazado con una independiente de entre las bobinas transmisoras 10. Cada accionador de bobina está adaptado para enviar una corriente continua a través de la bobina transmisora asociada 10. Cada accionador de bobina está dispuesto para controlar la amplitud de dicha corriente, y para activar o desactivar la corriente, en respuesta a señales de control recibidas desde la unidad 34 de control. La unidad de control está dispuesta para indicar a los accionadores de bobinas que proporcionen corrientes a sus bobinas transmisoras respectivas en una secuencia alterna, de manera que la bobina 10a recibe corriente mientras las bobinas 10b y 10c están inactivas; la bobina 10b recibe corriente mientras las bobinas 10a y 10c están inactivas, y la bobina 10c recibe corriente mientras las bobinas 10a y 10b están inactivas. La unidad de control recibe datos de la sección 30 de amplificación y conversión y, tal como se describe de forma detallada posteriormente, acciona los accionadores de las bobinas para variar la amplitud de la corriente hacia cada bobina. La unidad de control puede incluir dispositivos de interfaz convencionales tales como conversores digitales a analógicos o unidades de interfaz de bus de manera que la salida de la unidad de control sea compatible con la entrada de control de cada accionador de bobina. Además, aunque la unidad de control se ilustra de forma independiente con respecto a las otras unidades lógicas de la unidad 28 de mando, debería apreciarse que la unidad de control puede compartir elementos físicos de la unidad de mando y otros elementos. Por ejemplo, cuando la unidad de mando incorpore un ordenador de propósito general, el procesador del ordenador puede actuar como elemento de la unidad de cálculo de posiciones y también como elemento de la unidad de control, ejecutando funciones apropiadas para las diferentes unidades en tiempos
diferentes.

En un método según un aspecto de la invención, se hace avanzar un catéter 16 en el cuerpo de un paciente P. La sonda 14 con el sensor 18 en ella está dispuesta en la punta del catéter. La punta del catéter está dispuesta en una ubicación desconocida en algún lugar sobre el plano de las bobinas 10. La unidad 34 de control acciona secuencialmente a los accionadores de las bobinas, usando un valor inicial o por defecto para la amplitud de la corriente a proporcionar a cada bobina 10. La unidad 30 de amplificación y conversión muestrea la señal de cada uno de los sensores 20, 22 y 24 de componentes en un tiempo preseleccionado después del comienzo del flujo de corriente a través de cada bobina. Por ejemplo, en un tiempo preseleccionado después del comienzo del flujo de corriente a través de la bobina transmisora 10a, la unidad 30 toma una muestra de la señal de cada uno de los sensores 20, 22 y 24 de componentes, y convierte la misma a formato digital. A continuación, la unidad 28 de mando calcula una magnitud total del campo basándose en estas señales individuales. La magnitud total del campo es:

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en la que:

B_{10a} es la magnitud del vector del campo magnético en el sensor 18 en el instante de tiempo en el que se acciona la bobina 10a;

K_{20} es un factor de sensibilidad que relaciona la intensidad de la señal del sensor 20 con el componente del campo magnético a lo largo del eje X';

S_{20} es la intensidad de la señal del sensor 20 durante el accionamiento; y

K_{22}, S_{22} y K_{24} y S_{24} son constantes de sensibilidad e intensidades de señal similares para los otros sensores 22 y 24.

De manera parecida, el sistema acciona las bobinas 10b y 10c en orden, usando la intensidad de corriente por defecto. Nuevamente en este caso, el sistema calcula la magnitud del vector de campo total que predomina en el sensor durante el accionamiento de la bobina 10b y, de forma independiente, calcula la magnitud del vector de campo total que predomina en el sensor durante el accionamiento de la bobina 10c.

Tal como se muestra en la Fig. 4, después de detectar las señales de los componentes y calcular la magnitud de campo total que predomina en el sensor durante el accionamiento de cada bobina, la unidad de control determina si la totalidad de las magnitudes del campo está o no dentro de un intervalo preseleccionado de magnitudes. Este intervalo preseleccionado se escoge para que esté situado dentro del intervalo de funcionamiento óptimo del sensor 18. De este modo, la magnitud de campo mínima se selecciona para que esté situada claramente por encima del umbral de ruido del sistema y por encima del nivel de sensibilidad mínimo del sensor, en donde el nivel de campo máximo se selecciona para que esté situado claramente por debajo del límite máximo de linealidad del sensor, y claramente por debajo del campo máximo que puede tolerar el sensor sin pérdida de precisión. Para un sensor magnetorresistivo típico, que presenta la mayor precisión y repetibilidad cuando se usa con campos menores que aproximadamente 4 Gauss, el intervalo preseleccionado de magnitudes de campo puede estar entre aproximadamente 1,0 y aproximadamente 2,5 Gauss. Con sensores típicos de efecto Hall, que presentan la mayor precisión cuando se usan con campos por encima de aproximadamente 30 Gauss, el intervalo preseleccionado estará por encima de aproximadamente 30 Gauss. Si las tres magnitudes del vector de campo observadas durante el accionamiento de las tres unidades 10a, 10b y 10c están situadas todas ellas dentro del intervalo preseleccionado, entonces el sistema prosigue para calcular la posición y orientación del sensor 18, y, por lo tanto, la posición y orientación de la sonda 14 y la punta asociada 16 del catéter usando algoritmos convencionales de determinación de la posición. Por ejemplo, se pueden utilizar los métodos matemáticos dados a conocer en la patente US nº 4.710.708 para determinar posiciones usando múltiples estaciones transmisoras o receptoras y un sensor multieje. Resumiendo, la magnitud de los campos en cada una de las direcciones locales o de sensores X', Y', Z' representadas por cada una de las señales de sensores de componentes de cada uno de los sensores 20, 22 y 24 de componentes es una función de la intensidad global del campo proveniente de la bobina (al que se hace referencia también como momento dipolar magnético de la bobina), la distancia desde la bobina en particular al sensor y los ángulos de rotación de los sensores, es decir, los ángulos entre las direcciones locales X', Y' y Z' y las direcciones X, Y y Z del sistema de referencia de las bobinas. Cuando se recogen tres lecturas de sensores de componentes durante el accionamiento de tres bobinas independientes y las mismas se igualan con la intensidad de los componentes, expresada como una función de la ubicación para campos de una bobina particular, estas forman un sistema de nueve ecuaciones con seis incógnitas (la ubicación X, Y, Z del sensor y los tres ángulos de rotación). La obtención de estas ecuaciones se expone en el Apéndice A. Ese sistema de ecuaciones se puede resolver mediante métodos iterativos tales como el método de Marquardt o el método de Broyden para la resolución por mínimos cuadrados de un sistema sobredeterminado de ecuaciones no lineales. A continuación, la unidad de mando proporciona una salida que indica la posición y orientación del sensor y, por tanto, que indica la posición y orientación de la sonda 14 y de la punta distal del catéter.

Si una o más de las magnitudes de campo están fuera del intervalo preseleccionado, el sistema no calcula la posición y la orientación. En su lugar, la unidad 34 de control cambia la intensidad de campo de la bobina o bobinas asociadas a la intensidad de campo fuera de intervalo. Por ejemplo, cuando la sonda 14 y el sensor 18 estén relativamente cerca de la bobina 10a, la magnitud de campo total detectada cuando se accione la bobina 10a estará por encima del intervalo preseleccionado. Por esta razón, la unidad 34 de control ordenará al accionador 42 de bobina que reduzca la corriente hacia la bobina 10a en el siguiente ciclo de accionamiento. Por el contrario, si la sonda y el sensor están relativamente lejos de la bobina 10c, la magnitud del campo detectada durante el accionamiento de la bobina 10c con el valor de corriente por defecto estará por debajo del intervalo preseleccionado. Por lo tanto, la unidad 34 de control dará órdenes al accionador 46 de bobina para que incremente la corriente hacia la bobina 10c en el siguiente ciclo de accionamiento. Los accionadores de bobina pueden estar dispuestos para variar la intensidad de campo global o el momento dipolar de cada bobina por pasos, tal como variando la corriente por pasos. Cada incremento o decremento ordenado por la unidad 34 de control puede ser un paso. Alternativamente, la unidad de control puede calcular un incremento o decremento proporcional al grado con el que la magnitud de campo total se desvía con respecto a un valor objetivo dentro del intervalo preseleccionado. De este modo, se puede realizar un cambio relativamente grande cuando la magnitud del campo esté claramente fuera del intervalo, mientras que se puede utilizar un cambio más pequeño cuando la magnitud del campo esté cerca del intervalo o dentro del intervalo. El proceso de corrección continúa hasta que todas las intensidades de campo están dentro del intervalo preseleccionado, tras lo cual el sistema calcula la posición y la orientación. Después de que el sistema halle valores de corrientes de bobina que producen magnitudes de campo dentro del intervalo, los ciclos de accionamiento subsiguientes usan estas corrientes. Durante el funcionamiento, cuando el médico utiliza el catéter 16, la posición de la punta del catéter, y, por lo tanto, la posición de la sonda 14 y el sensor 18 pueden cambiar. Cualquiera de estos cambios puede hacer que una o más de las magnitudes de campo salgan fuera del intervalo preseleccionado, tras lo cual el sistema reajustará las corrientes hacia las bobinas una vez más.

Cuando la unidad de control de realimentación reajusta las corrientes hacia las bobinas, los valores modificados de corriente se traducen en nuevos valores para intensidades de campo de las bobinas individuales que se usan en las ecuaciones de determinación de la posición antes mencionadas. De esta manera, el sistema garantiza que el sensor está siempre expuesto a un campo que tiene una magnitud dentro del intervalo preseleccionado donde quiera que se sitúe el sensor dentro de un volumen 50 de detección que se extiende sobre una zona preseleccionada por encima del plano de bobinas 10. El tamaño exacto del volumen 50 de detección dependerá de la amplitud del intervalo preseleccionado de magnitudes del campo y del rango dinámico de los accionadores 42, 44 y 46 de bobina, es decir, el grado con el que los accionadores de bobina pueden variar las corrientes. El tamaño del volumen 50 de detección dentro del cual el sensor recibirá campos dentro del intervalo preseleccionado de magnitudes de campo de todas las bobinas dependerá también de las posiciones de las bobinas. No obstante, para un sistema típico que tenga tres bobinas separadas en vértices de un triángulo equilátero con lados de aproximadamente 40 cm de largo, el volumen de detección incluye una zona que se extiende hacia arriba aproximadamente 60 cm desde el plano de las bobinas. En el plano de las bobinas, el volumen de detección se extiende aproximadamente 20 cm más allá del triángulo equilátero delimitado por
las bobinas.

En la descripción expuesta anteriormente, se utiliza únicamente un sensor para determinar la posición y ubicación de solamente un objeto. No obstante, se pueden utilizar múltiples objetos y múltiples sensores. Tal como se describe en la publicación internacional mencionada anteriormente WO 95/09562, se puede utilizar una pluralidad de marcas fiduciales. Cada marca fiducial puede incluir un cuerpo 52 de sensor, una etiqueta 53 y un sensor 54 del mismo tipo que el sensor 18 conectado de forma separable al cuerpo de sensor. La unidad 30 de amplificación y conversión está conectada a cada uno de estos sensores adicionales de la misma manera que al sensor 18. La etiqueta de cada sensor se puede fijar al cuerpo del paciente, y se puede adquirir una imagen del paciente usando cualquier método de formación de imágenes que muestre las estructuras deseadas del cuerpo del paciente y que además muestre las etiquetas 53, tal como, por ejemplo, formación de imágenes por resonancia magnética (MRI), rayos X, escaneado TAC o similares. De este modo, las etiquetas se construyen para facilitar la formación de imágenes en el método deseado de formación de imágenes. Cuando se use la formación de imágenes por rayos X, la etiqueta puede ser radio-opaca; cuando se use la formación de imágenes por MRI, la etiqueta puede incluir un material que presente una respuesta a la resonancia magnética fácilmente distinguible con respecto a la del tejido corporal. Comúnmente, la imagen se adquiere antes del uso antes descrito del catéter y la sonda. Típicamente, los sensores 54 no están presentes en la etapa de formación de imágenes. Después de la etapa de formación de imágenes, los cuerpos 54 de sensores y los sensores de las marcas fiduciales se fijan al cuerpo del paciente en las posiciones de las etiquetas. Cuando se utiliza el catéter, se adquieren señales de sensor del sensor 18 de la sonda en el catéter al mismo tiempo que señales del sensor 52 de las marcas fiduciales. El sistema determina la ubicación y la orientación del sensor 54, y, por lo tanto, de las marcas fiduciales 52 usando campos magnéticos de las bobinas 10, de la misma manera que el sistema determina la posición y orientación del sensor 18 y la sonda 14. La posición y orientación adquiridas de las marcas fiduciales 52 se pueden usar para alinear la imagen del paciente previamente adquirida con los datos de posición y orientación correspondientes al sensor 18 y la sonda 14. Por ejemplo, cuando los datos de posición y orientación correspondientes al sensor 18 y la sonda 14 se visualicen en forma de una imagen gráfica de la punta 16 del catéter sobre una pantalla, también se pueden visualizar la posición y orientación de marcas fiduciales, determinadas por el método de localización por campo magnético. Los datos de imagen previamente adquiridos se pueden visualizar como una representación gráfica de las estructuras del paciente, y esa representación incluirá también una reproducción de las etiquetas 53. Se hace que las imágenes previamente adquiridas de las etiquetas se alineen con las imágenes de las marcas fiduciales obtenidas a partir de la localización magnética transformando una o la otra imagen hasta que la reproducción de las etiquetas en la imagen previamente adquirida se superponga sobre la representación de la marca fiducial en la imagen adquirida magnéticamente. Dicha alineación se puede lograr ajustando manualmente entradas hacia un sistema de visualización de imágenes mientras se comparan visualmente las imágenes visualizadas, tal como se describe en la publicación internacional WO 95/09562 mencionada anteriormente, o, si no, mediante el cálculo automático de los parámetros de transformación y rotación necesarios para alinear las imágenes. Dichos parámetros se pueden calcular igualando las posiciones de tres o más sensores de marcas fiduciales en el sistema de referencia de localización magnética (las coordenadas X, Y, Z de la Fig. 1) con las posiciones de las etiquetas 53 en el sistema de referencia de la imagen según se haya modificado mediante una matriz de rotaciones desconocidas y otra matriz de transformaciones desconocidas. Tal como se describe adicionalmente en el Apéndice B, la ecuación matricial resultante produce un sistema sobredeterminado de ecuaciones no lineales que incluyen los ángulos de rotación y distancias de transformación. Cuando las imágenes están alineadas correctamente, la posición de la punta del catéter se visualiza en la ubicación y orientación verdaderas con respecto a las estructuras internas del paciente. De una forma similar, se puede localizar un número mayor de marcas fiduciales, o más de un
instrumento médico.

En un sistema que use múltiples sensores, tales como los sensores 18 y 54, las bobinas se pueden hacer funcionar en ciclos independientes para proporcionar a cada sensor campos que presenten magnitudes en el intervalo preseleccionado apropiado para el sensor. Por ejemplo, la unidad 34 de control puede accionar los accionadores 42, 44 y 46 de bobina, y, por lo tanto, las bobinas transmisoras 10, en el primer, el segundo, el tercer y el cuarto ciclos. Durante el primer ciclo, se adquieren las señales del sensor 18 y se ignoran las señales de los sensores 54 de las marcas fiduciales. Durante el primer ciclo, la corriente de la bobina se ajusta para producir magnitudes de campo en el sensor 18 dentro del intervalo preseleccionado según se ha descrito anteriormente. Durante el segundo ciclo, se adquieren las señales del sensor 54a de una primera marca fiducial, se ignoran las señales del sensor 18 y de los sensores 54b, 54c de otras marcas fiduciales, y las corrientes de las bobinas se ajustan para proporcionar una magnitud de campo en el sensor 54a dentro de su intervalo preseleccionado. En el tercer ciclo, se adquieren las señales del sensor 54b mientras que se ignoran las otras señales; en el cuarto ciclo, se adquieren las señales del sensor 54c y se ignoran las otras. Los ciclos pueden ser secuenciales, realizándose la totalidad de un primer ciclo antes que la totalidad de un segundo ciclo. Los ciclos también pueden intercalarse mutuamente. Por ejemplo, el accionador 42 de bobina se puede accionar en primer lugar para proporcionar una corriente apropiada para producir el campo correcto en el primer sensor 18, y a continuación se puede accionar para proporcionar los campos apropiados en los sensores 54a, 54b y 54c de marcas fiduciales de forma sucesiva, seguidos por un accionamiento múltiple similar de las otras bobinas. De modo similar, cuando se utilicen más sensores, puede haber tantos ciclos de funcionamiento independientes como sensores. Alternativamente, si se sabe que algunos de los sensores están cerca de otros, o si los datos de algunos sensores son menos críticos que los datos de otros sensores, el número de ciclos puede ser menor que el número de sensores. De este modo, las corrientes usadas en un ciclo determinado se pueden ajustar para proporcionar campos dentro del intervalo deseado de magnitud para un sensor. Durante este ciclo se pueden adquirir señales de otro sensor, aunque dicho otro sensor puede encontrarse con un campo fuera del intervalo preseleccionado. En algunos casos, las corrientes de las bobinas son fijas para algunos ciclos y se ajustan para otros. Por ejemplo, cuando se utilicen numerosas marcas fiduciales, puede que sea posible lograr una precisión de alineación aceptable usando corrientes de bobinas fijas para proporcionar los campos cuando se adquieran datos de las marcas fiduciales, mientras que las corrientes de las bobinas se pueden ajustar según la manera antes descrita cuando se adquieran datos del sensor en el dispositivo o catéter activo.

Ciertos sensores tienden a perder precisión cuando se ven expuestos a campos magnéticos por encima de un máximo predeterminado. Por ejemplo, ciertos sensores magnetorresistivos pierden precisión temporalmente si se ven expuestos a campos magnéticos por encima de aproximadamente 4 Gauss. Cuando dichos sensores se utilicen en un sistema multisensor, el sistema debería disponer de las previsiones apropiadas para evitar la exposición de sensores a campos excesivos. Por ejemplo, si el sensor 54a está dispuesto cerca de la bobina 10b, mientras que el sensor 18 está dispuesto alejado de la bobina 10b, el sensor 54a puede estar expuesto a niveles de campo extremadamente altos si el sistema ajusta la corriente en la bobina 10b al nivel requerido para generar el campo apropiado en el sensor 18. Para evitar esta condición, los datos de todos los sensores se pueden adquirir durante la totalidad de los ciclos, y la unidad 34 de control puede estar dispuesta para incrementar corrientes de bobinas de una manera progresiva durante varios ciclos cuando se requiera un incremento. Los datos de sensores que no se usen para la monitorización de la posición en un ciclo en particular se pueden usar para inhibir incrementos adicionales si el campo en el sensor nominalmente no utilizado se está acercando a niveles peligrosos. De este modo, si el sistema está en el proceso de incrementar progresivamente la corriente de bobina en la bobina 10b para proporcionar un nivel de campo adecuado en el sensor 18, el sistema puede finalizar dichos incrementos si la magnitud de campo en el segundo sensor 54a durante el ciclo de lectura asociado al primer sensor 18 alcanza el nivel máximo permitido en el segundo sensor. Si esta condición se produce mientras el nivel de campo en el primer sensor 18 está todavía por debajo del intervalo preseleccionado, el sistema puede visualizar un mensaje de error o, si no, puede intentar calcular la posición y la orientación basándose en la señal de sensor fuera de intervalo, o se pueden producir ambas acciones. Alternativamente, si se puede restablecer la precisión del sensor, se pueden usar los datos de los sensores nominalmente no usados para iniciar el restablecimiento. Por ejemplo, ciertos sensores magnetorresistivos usan un campo magnético de polarización. Si se exponen a campos excesivos, dichos sensores se pueden reinicializar y restablecer a su precisión después de eliminar el campo en exceso ajustando un campo magnético de polarización aplicado dentro del sensor. La unidad de mando puede estar dispuesta para activar el proceso de reinicialización para un sensor si el mismo se ve expuesto a un campo en exceso durante un ciclo asociado a otro sensor.

En la descripción anterior, las bobinas se accionan de forma alternada en una disposición multiplexada en el tiempo. También se puede utilizar un multiplexado en el dominio de la frecuencia. De este modo, cada bobina se puede accionar con una corriente de accionamiento que tenga una frecuencia portadora diferente, y dicho accionamiento puede ser sustancialmente continuo. Las señales del sensor 18 incluirán componentes que varían en las diferentes frecuencias portadoras, las cuales se pueden discriminar mediante métodos de filtrado analógicos o digitales. De este modo, las señales del sensor 20, 22 y 24 de componentes que varíen en la frecuencia portadora de la bobina 10a se pueden usar para calcular la magnitud de campo total atribuible a la bobina 10a. A su vez, ese valor se puede usar para activar la unidad 34 de control de realimentación con el fin de ajustar la corriente hacia la bobina 10a. Las corrientes en las otras bobinas se pueden ajustar de manera similar usando los componentes que varían en sus frecuencias portadoras respectivas. El planteamiento del multiplexado por división de frecuencia se puede extender a múltiples sensores. Por ejemplo, cada bobina se puede accionar a múltiples frecuencias portadoras, iguales al número de sensores, siendo las frecuencias portadoras para cada bobina diferentes entre sí y diferentes con respecto a la totalidad del resto de frecuencias portadoras para la totalidad del resto de bobinas. Se pueden detectar los componentes en las señales del primer sensor que varían en las primeras frecuencias portadoras respectivas, y se puede ajustar de forma correspondiente la intensidad de las corrientes de bobina en las primeras frecuencias portadoras respectivas, de manera que las magnitudes de campo en las primeras frecuencias portadoras que predominan en el sensor 18 estarán dentro del intervalo deseado. En esta fase del proceso, se ignoran los componentes que varían en las otras frecuencias portadoras. El proceso se invierte con respecto al sensor 54a de marca fiducial. Este planteamiento se puede extender a números mayores de sensores. Además, se pueden combinar los planteamientos de multiplexado en frecuencia y multiplexado en el tiempo. De este modo, cada bobina se puede accionar a solamente una frecuencia portadora. Durante un primer ciclo, se acciona el primer sensor 18 y se monitorizan los componentes que varían en la totalidad de las frecuencias portadoras. Las corrientes de bobina se ajustan de forma correspondiente para llevar los campos en cada frecuencia portadora al intervalo deseado. Durante un segundo ciclo, se usa el segundo sensor 54a (el primer sensor de marca fiducial) y las corrientes de bobina se ajustan de la misma manera, y así sucesivamente con los otros sensores de marcas fiduciales.

En otra variante, las corrientes de bobina, y, por tanto, las intensidades de los campos de los transmisores individuales, se pueden ajustar para llevar los componentes de los campos detectados por cada sensor individual de componentes hacia dentro de un intervalo preseleccionado. En un sistema de este tipo, cada bobina se ajusta por separado con respecto a cada sensor de componentes. En un primer ciclo, se ajusta la corriente hacia la bobina transmisora 10a para llevar hacia un intervalo preseleccionado la señal de sensor individual del sensor 20 de componentes, que representa la magnitud del componente de campo en la dirección X' local. Durante este ciclo, las señales de los otros sensores 22 y 24 de componentes se desprecian. En el siguiente ciclo, la bobina 10a se reajusta para llevar el componente de campo en la amplia dirección principal a un intervalo preseleccionado y, por lo tanto, llevar la señal del sensor 22 de componentes de la dirección principal Y al intervalo óptimo. A continuación, la misma bobina 10a lleva el componente de campo en la dirección local Z' a un intervalo preseleccionado, y se monitoriza la señal de la sección 24 de componentes de la dirección principal. A continuación, esta secuencia de operaciones se repite nuevamente para cada una de las otras bobinas transmisoras. Este planteamiento se puede extender a múltiples sensores, presentando cada uno de ellos múltiples sensores de componentes. Nuevamente en este caso, el sistema realiza un seguimiento de las magnitudes de las corrientes de bobinas usadas para producir los campos por cada sensor de componentes. La corriente de bobina se refleja en términos de los momentos dipolares de bobina (intensidad de campo global) de las ecuaciones simultáneas.

Cuando la dirección local asociada a un sensor de componentes en particular es ortogonal, o casi ortogonal, a la dirección del campo producido por una bobina en particular en el sensor, puede que resulte imposible llevar el componente en esa dirección local hacia el intervalo preseleccionado sin o bien superar la capacidad de corriente del accionador de bobina o bien producir un campo total tan intenso que perjudique a uno de los otros sensores. No obstante, en este caso, por lo menos uno del resto de sensores de componentes recibirá un componente que tiene una magnitud en el intervalo preseleccionado de magnitudes. En esta variante, se puede monitorizar la señal de todos los sensores de componentes durante un ciclo asociado a un sensor de componentes en particular. La corriente máxima aplicada a la bobina puede limitarse para evitar la exposición de cualquier otro sensor de componentes no usado a un componente de campo excesivo en su dirección de detección.

En otra variante de este planteamiento, el intervalo preseleccionado de magnitudes para el componente de campo en cualquier dirección en particular se estrecha de manera que incluya solamente un único valor preseleccionado, preferentemente dentro del intervalo óptimo de precisión del sensor de componentes en particular. De este modo, el sistema de control de realimentación funciona para ajustar las corrientes de las bobinas hasta que la magnitud del componente de campo se encuentra en dicho valor único. La posición y la orientación se calculan de la misma manera que la descrita anteriormente. Esta variante tiene la ventaja de que la no linealidad en la respuesta de los sensores de componentes no puede afectar a la precisión del sistema. Siempre que se sepa que una lectura particular del sensor se corresponde con el valor preseleccionado de la magnitud del componente de campo, una desviación de una relación lineal entre la magnitud del componente y la lectura del sensor en otros valores de la magnitud del componente no perjudicará la precisión del sistema.

Ciertos sensores de campo presentan la denominada "sensibilidad fuera de eje". Es decir, la función de transferencia o relación entre la magnitud del componente de campo a lo largo del eje sensible de un sensor de componentes particular y la lectura de ese sensor de componentes varía cuando hay presente un componente de campo intenso, ortogonal a dicho eje. La sensibilidad fuera de eje se puede corregir usando las lecturas de dos sensores de componentes para evaluar la magnitud del campo perpendicular al eje sensible del tercer sensor de componentes, y usando esa magnitud para determinar un factor de corrección a aplicar a la lectura del tercer sensor de componentes.

En el sistema descrito anteriormente, cuando las bobinas se accionan con corriente continua, la unidad 30 de amplificación y conversión muestrea los datos de cada sensor de componentes en un tiempo de retardo preseleccionado después del comienzo de la corriente. En una variante de este sistema, la unidad de mando ajusta el tiempo de retardo desde el comienzo de la corriente hasta el muestreo dependiendo de la corriente aplicada en un accionamiento en particular. Después del comienzo de la corriente, la corriente se eleva gradualmente hasta su valor de estado estable, y, por tanto, la intensidad de campo global o el momento dipolar se eleva gradualmente de modo similar. El campo cambiante induce corrientes de Foucault en materiales eléctricamente conductores que pueden estar presentes en o cerca del volumen de detección. Estas corrientes inducen campos magnéticos adicionales, los cuales pueden inducir lecturas erróneas de los sensores. Las corrientes de Foucault disminuyen cuando la velocidad de cambio en el campo se ralentiza, a medida que el campo se aproxima a su valor de estado estable. El tiempo de retardo debería ser suficientemente largo para que la corriente se eleve hasta una fracción apreciable de su valor de estado estable, y suficientemente largo para que las corrientes de Foucault se disipen suficientemente de modo que no provoquen errores apreciables. El tiempo de retardo requerido es menor con magnitudes de campo más pequeñas.

El sistema ilustrado esquemáticamente en las Figs. 5 y 6 es similar al descrito anteriormente, excepto que se han invertido los papeles del transmisor y los sensores. Es decir, la sonda u objeto 114 del cual se quiere realizar el seguimiento está equipado con un transmisor 118 que incorpora tres bobinas miniatura 120, 122 y 124 dispuestas en ejes mutuamente ortogonales. Las mismas están enlazadas con un sistema de control y accionadores de bobina (no mostrados) similares a los descritos anteriormente en referencia a la Fig. 3. El sistema de referencia fijo tiene tres sensores unidireccionales 110a, 110b y 110c montados en una posición fija con respecto a la cama 112 que aloja al paciente. Los sensores están montados en un plano común. El plano común de los sensores se extiende de forma general en vertical en un lateral de la cama que aloja al paciente. El volumen 150 de detección se extiende hacia fuera desde el plano común de los sensores, por encima de la cama que aloja al paciente.

Este sistema se puede usar esencialmente de la misma manera que el sistema antes descrito. Nuevamente en este caso, la corriente entregada a cada bobina, y, por tanto, el momento dipolar del campo transmitido asociado a cada bobina, se ajusta de manera que la magnitud del componente de campo en la dirección de detección de cada sensor que predomine en cada sensor esté dentro de un intervalo preseleccionado de magnitudes.

Se pueden utilizar numerosas combinaciones y variaciones de las características antes descritas sin desviarse con respecto a la presente invención. A título de ejemplo, las bobinas transmisoras 10 de la Fig. 1 se pueden disponer en una disposición de plano vertical tal como se ilustra para los sensores en la Fig. 5. Además, el número de transmisores y sensores pueden variar. Por ejemplo, tal como se da a conocer en la publicación internacional mencionada anteriormente WO 94/04938, el sistema puede incluir un sensor que tenga tres eje de detección mutuamente ortogonales y un conjunto de tres bobinas transmisoras mutuamente ortogonales que tengan un centro común en el sistema de referencia fijo. Alternativamente, el sistema puede incluir una sola bobina transmisora uniaxial en el objeto a localizar y tres conjuntos de sensores en el sistema de referencia fijado, incorporando cada uno de estos conjuntos de sensores tres bobinas receptoras o sensores de componentes adaptados para detectar campos en una dirección mutuamente ortogonal. También se puede utilizar la disposición recíproca - con tres conjuntos de bobinas transmisoras mutuamente ortogonales y un solo sensor uniaxial en el objeto del que se va a realizar el seguimiento. En general, los sensores y transmisores deberían definir una pluralidad de pares transmisor-receptor, incluyendo cada uno de ellos un elemento en el objeto y un elemento en el sistema de referencia fijo.

En otra variante, el sistema ajusta la salida de los transmisores en respuesta a la disposición calculada del objeto del que se está realizando el seguimiento, en lugar de directamente en respuesta a las señales de componentes o la señal de magnitud de campo total. De este modo, el sistema puede funcionar inicialmente con los valores de corriente por defecto; obtener una lectura inicial de la posición y orientación del objeto, y a continuación usar esa posición y orientación determinadas inicialmente para calcular los reglajes deseados para cada bobina con el fin de lograr los niveles de campo deseados en el sensor. Dichos reglajes deseados se seleccionan para producir el campo dentro del intervalo de magnitudes deseado en el objeto, suponiendo que el objeto presenta la posición y orientación halladas en la lectura inicial. En el siguiente ciclo, se utilizan las corrientes de bobinas así calculadas y se repite el proceso. En una variante de este planteamiento, el sistema puede almacenar una tabla de consulta que tenga una lista de las corrientes de bobina apropiadas para varias combinaciones de posición y orientación del objeto. Usando la posición y orientación determinadas inicialmente, el sistema recupera valores de corrientes de bobina apropiados a partir de la tabla de consulta para ser usados en el siguiente ciclo.

En las formas de realización descritas anteriormente, el sensor está asociado a un catéter. Se puede usar el mismo sistema con otros instrumentos médicos como, por ejemplo, endoscopios e instrumentos quirúrgicos. El sistema también se puede aplicar para determinar la disposición de objetos que no sean instrumentos médicos. Por ejemplo, se puede usar en el seguimiento de un dispositivo de entrada para un ordenador.

Como estas y otras variaciones y combinaciones de las características descritas anteriormente se pueden utilizar sin desviarse de la invención, la descripción anterior de las formas de realización preferidas debería considerarse a título ilustrativo en lugar de como limitación de la invención según definen las reivindicaciones.

Aplicabilidad industrial

La invención se puede aplicar en los campos médicos y quirúrgicos así como en la industria de la asistencia sanitaria.

Apéndice A

Cálculo de la posición y la orientación

Siempre que conozcamos la configuración física del generador de campo (transmisor) que está fijo en su posición durante el funcionamiento, el campo magnético detectado por un sensor es una función de la posición y orientación del sensor. En nuestro sistema, se estimulan secuencialmente bobinas generadoras de campo. El campo detectado por un sensor (3 sensores de componentes por sonda) se puede expresar en términos de posición en x, y, z y orientación \alpha, \beta, \gamma (balanceo, cabeceo y guiñada respectivamente), es decir:

B[sensor] [bobina] = f [sensor] [bobina] (x, y, z, \alpha, \beta, \gamma)

En donde [sensor] designa un sensor particular y [bobina] designa una bobina transmisora particular.

Si el campo real que mide el sensor cuando [bobina] está activada es B'[sensor] [bobina], entonces teóricamente,

B'[sensor] [bobina] = B[sensor] [bobina]

es decir

B' [sensor] [bobina] - f[sensor] [bobina] (x, y, z, \alpha, \beta, \gamma) = 0,0

Como se dispone de 3 sensores y 3 bobinas, las ecuaciones totales son 9 con 6 incógnitas (x, y, z para la ubicación en el espacio de la sonda, \alpha, \beta, \gamma para su orientación). Aplicando un método no lineal de mínimos cuadrados, se pueden hallar x, y, z, \alpha, \beta, \gamma únicas para la sonda.

Lo expuesto anteriormente muestra la idea general del algoritmo. De forma detallada:

Supóngase que el sistema ortogonal de coordenadas de referencia X, Y, Z (coordenada cartesiana de localización magnética) se describe mediante la matriz

2

el sistema ortogonal de la sonda es:

3

y, como los tres sensores en la sonda no pueden ser ortogonales entre sí, sus eje no ortogonales se pueden describir como:

4

se puede obtener una matriz de transferencia T[i][j] que se va a usar posteriormente en el cálculo, a partir de:

5

otra matriz orto_ov[i] [j] que se va a usar también se puede definir como:

6

como para definir la orientación de la sonda se usan balanceo (\alpha), cabeceo (\beta), y guiñada (\gamma), orto_OV[i] [j] también se puede describir mediante:

orto_OV[1] [1] = cos(\alpha) cos (\gamma) - sen(\alpha) sen(\beta) sen(\gamma)

orto_OV[1] [2] = cos(\alpha) sen(\gamma) - sen(\alpha) sen(\beta) cos(\gamma)

orto_OV[1] [3] = - sen(\alpha) cos(\beta)

orto_OV[2] [1] = - cos(\beta) sen (\gamma)

orto_OV[2] [2] = cos (\beta) cos (\gamma)

orto_OV[2] [3]= sen (\beta)

orto_OV[3] [1] = sen(\alpha) cos(\gamma) + cos(\alpha) sen(\beta) sen(\gamma)

orto_OV[3] [2] = sen(\alpha) sen(\gamma) - cos(\alpha) sen(\beta) cos(\gamma)

orto_OV[3] [3] = cos(\alpha) cos(\beta)

por lo tanto, se puede calcular una matriz de vectores ortogonales mediante la multiplicación matricial de la matriz T y orto_OV previas definidas:

7

El campo magnético teórico para un sistema ortogonal generado en una posición del sensor que apunte a la dirección e_{l[i]} se puede expresar como:

8

(detalle abreviado), en la que f es una función conocida, e incluye un término de momento dipolar que tiene una magnitud proporcional al flujo de corriente en la bobina particular.

Después de la corrección de no_ortogonalidad (los sensores pueden no ser perpendiculares entre sí), las mediciones de los sensores de campo magnético deberían ser:

9

Supóngase que el campo real que detectó el sensor cuando la bobina está activada es B'[sensor][bobina], entonces:

10

por lo tanto, las 9 ecuaciones a resolver para x, y, z, \alpha, \beta, \gamma, son:

11

Se puede aplicar un solucionador no lineal de ecuaciones por mínimos cuadrados, bien conocido, para resolver las ecuaciones anteriores y hallar la posición x, y, z y la orientación, \alpha, \beta, \gamma de la sonda.

\vskip1.000000\baselineskip

Apéndice B

Alineación de marcas fiduciales Suposición

Se conocen las coordenadas de tres puntos fiduciales en el sistema de coordenadas (posición de la imagen) de los datos de imagen (MR, etcétera):

{(Mx1, My1, Mz1), (Mx2, My2, Mz2), (Mx3, My3, Mz3)}

y las coordenadas de los tres mismos puntos fiduciales en el sistema de coordenadas X, Y, Z del sistema de referencia fijo del aparato de localización magnética:

{(Px1, Py1, Pz1), (Px2, Py2, Pz2), (Px3, Py3, Pz3)}

los puntos fiduciales {(x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3)} pueden estar formados por {(a1, b1, c1), (a2, b2, c2), (a3, b3, c3)} a través de una rotación R y una traslación T. La matriz de rotación R es:

\vskip1.000000\baselineskip

12

\vskip1.000000\baselineskip

en la que

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13

\vskip1.000000\baselineskip

La matriz de traslación T es:

\vskip1.000000\baselineskip

14

\newpage

La relación entre la posición de la imagen y la posición del sistema de referencia del aparato de localización magnética es:

15

Esto forma 9 ecuaciones individuales:

16

con 6 incógnitas: \alpha, \beta, \gamma para los ángulos de rotación, x, y, z para la traslación en el espacio.

\vskip1.000000\baselineskip

El procedimiento de alineación consiste en hallar ángulos de rotación \alpha, \beta, \gamma y la traslación en el espacio x, y, z resolviendo las anteriores 9 ecuaciones.

En seudocódigo, el procedimiento de alineación es:

1000

La matriz de rotación R y la matriz de traslación T se pueden aplicar a posiciones subsiguientes obtenidas, incluyendo las posiciones del sensor asociado al catéter.

Claims

1. Aparato para determinar la posición, que comprende:

(a): unos medios generadores (10) de campos para producir una pluralidad de campos magnéticos, presentando cada uno de dichos campos parámetros que varían con la ubicación dentro de un volumen (50) de detección según un patrón conocido de variación, siendo dichos patrones de variación diferentes para campos diferentes de entre dichos campos;

(b): por lo menos un sensor (18) adaptado para detectar uno o más de dichos parámetros de dichos campos generados por dichos medios generadores de campos que predominan en dicho sensor cuando dicho sensor está en una ubicación desconocida dentro de dicho volumen de detección, y para proporcionar una o más señales de sensor que representan dicho o dichos parámetros;

(c): unos medios (32) de cálculo para determinar una ubicación calculada de dicho sensor basándose en dichas señales de sensor y dichos patrones de variación conocidos; y

(d): unos medios (34) de control de realimentación para ajustar dichos medios generadores de campos de manera que modifiquen dicho patrón conocido de variación de por lo menos uno de dichos campos en respuesta a dichas señales de sensor, dicha ubicación calculada, o ambos, para mantener dichos parámetros de cada uno de estos campos modificados que predomina en dicho sensor dentro de un intervalo preseleccionado.

\vskip1.000000\baselineskip

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios generadores de campos son operativos para proporcionar campos magnéticos DC dentro de dicho volumen de detección.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que dichos medios generadores de campos incluyen una pluralidad de bobinas (10, 120, 122, 124) y medios para accionar intermitentemente cada una de dichas bobinas (34, 42, 44, 46) con una corriente continua, incluyendo dichos medios de control de realimentación medios para modificar la magnitud de cada una de dichas corrientes continuas, y en el que dichos medios de cálculo incluyen medios para muestrear las señales de cada sensor cuando ha transcurrido un tiempo de retardo después del comienzo de cada uno de dichos accionamientos intermitentes, incluyendo además dichos medios de control de realimentación medios para variar el tiempo de retardo para cada accionamiento según la magnitud de la corriente aplicada en dicho accionamiento con el fin de reducir el tiempo de retardo cuando se utilizan corrientes menores e incrementar el tiempo de retardo cuando se utilizan corrientes mayores.

4. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios generadores de campos son operativos para proporcionar campos magnéticos AC dentro de dicho volumen de detección.

5. Aparato según la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos sensores tiene una precisión máxima dentro de un intervalo de funcionamiento óptimo preseleccionado para cada uno de dichos parámetros, y dicho intervalo preseleccionado para cada uno de dichos parámetros se corresponde sustancialmente con dicho intervalo de funcionamiento óptimo.

6. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho intervalo preseleccionado para cada uno de dichos parámetros consiste en un único valor, y en el que dichos medios de control de realimentación son operativos para mantener cada uno de dichos parámetros del campo en cada sensor sustancialmente en dicho único valor.

7. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios generadores de campos incluyen una pluralidad de transmisores (10) dispuestos de forma adyacente a dicho volumen de detección.

8. Aparato según la reivindicación 7, en el que cada uno de dichos transmisores es operativo para irradiar un campo que tiene una magnitud que se reduce con r^{n} en la que r es la distancia desde el transmisor y n es un número mayor que 1.

9. Aparato según la reivindicación 1, que comprende además un cuerpo sensor (18), incluyendo dicho por lo menos un sensor una pluralidad de sensores (20, 22, 24) de componentes dispuestos en dicho cuerpo sensor, siendo operativo cada uno de dichos sensores de componentes para medir la magnitud de un componente de campo magnético en una dirección local preseleccionada con respecto al cuerpo sensor.

10. Aparato según la reivindicación 9, en el que dichos medios generadores de campos incluyen una pluralidad de transmisores (10) dispuestos en ubicaciones separadas adyacentes a dicho volumen de detección, siendo operativos dichos medios de control de realimentación para ajustar cada uno de dichos transmisores para transmitir una pluralidad de campos de manera que, para cada uno de dichos campos, la magnitud de un componente de dicho campo en la dirección local de uno de dichos sensores de componentes esté dentro de un intervalo preseleccionado.

11. Aparato según la reivindicación 10, en el que cada uno de dichos sensores de componentes es un sensor de efecto Hall, un sensor magnetorresistivo, un sensor magnetoóptico o un magnetómetro de flujo saturado.

12. Aparato según la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos sensores incluye una bobina y en el que dichos medios generadores de campos están dispuestos para proporcionar campos AC en dicho volumen de detección.

13. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios generadores de campos incluyen una pluralidad de transmisores dispuestos en ubicaciones separadas en un lado de un plano de referencia y en el que dicho volumen de detección se extiende al otro lado de dicho plano de referencia.

14. Aparato según la reivindicación 13, en el que dichos transmisores están dispuestos sustancialmente en un plano común.

15. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho por lo menos un sensor incluye una pluralidad de sensores, y en el que dichos sensores se pueden ver perjudicados por una exposición a campos que tengan componentes por encima de una magnitud de umbral predeterminada, y en el que dichos medios de control de realimentación incluyen medios para controlar dichos medios generadores de campos con el fin de garantizar que ningún sensor queda expuesto a un componente de campo que tenga una magnitud por encima de su valor de umbral.

16. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho por lo menos un sensor incluye una pluralidad de sensores y en el que dichos sensores se pueden ver perjudicados por una exposición a campos que tengan componentes por encima de una magnitud de umbral predeterminada aunque se pueden recuperar después de dicha exposición al producirse la aplicación de una rutina de reinicialización, incluyendo dichos medios de control de realimentación medios para iniciar dicha rutina de reinicialización en el caso de dicha exposición.

17. Método de determinación de la disposición de un objeto en un sistema de referencia, que comprende las etapas siguientes:

(a): proporcionar uno o más campos magnéticos que tienen cada uno de ellos un patrón conocido de variación con respecto a dicho sistema de referencia;

(b): detectar uno o más parámetros de dicho o dichos campos magnéticos que predominan en dicho objeto para proporcionar una o más señales de sensor indicativas de dicho o dichos parámetros;

(c): calcular la disposición de dicho objeto en dicho sistema de referencia basándose en dichas señales de sensor y dicho patrón o patrones conocidos de variación; y

(d): modificar dicho patrón conocido de variación de por lo menos uno de dicho o dichos campos magnéticos en respuesta a dichas señales de sensor, dicha disposición calculada, o ambas, para mantener dichos parámetros de cada uno de dichos campos modificados que predominan en dicho objeto dentro de un intervalo preseleccionado.