ES2870087T3

ES2870087T3 - Circuito de posicionamiento quirúrgico

Info

Publication number: ES2870087T3
Application number: ES14764681T
Authority: ES
Inventors: Tailin Fan
Original assignee: Gyrus ACMI Inc
Current assignee: Gyrus ACMI Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2034-01-13
Also published as: US11369281B2; US20170311838A1; CN105338895B; US20220280058A1; US20140275956A1; JP2016512457A; WO2014143388A1; EP2967411B1; CN105338895A; JP6251379B2; US11759119B2; EP2967411A4; US9737232B2; EP2967411A1

Abstract

Un circuito de sensor para identificar una diana quirúrgica (110), que comprende: una pluralidad de ramas (160) dispuestas en una disposición coplanaria, presentando cada rama (160) de la pluralidad de ramas (160) un sensor (134) indicativo de una orientación con respecto a una fuente magnética, comprendiendo cada sensor un elemento variable (154) y un elemento fijo (156), presentando el elemento fijo (156) una respuesta a la fuente de tensión independiente de la fuente magnética y presentando el elemento variable (154) una resistencia variable en respuesta a la intensidad de campo de la fuente magnética; una fuente de tensión conectada al lado del elemento fijo (156) de cada una de las ramas (160); tierra conectada a los elementos variables (154) de las ramas; y una referencia de calibración (V1..V4) que está definida por un terminal en la rama (160) del circuito entre el elemento variable (154) y el elemento fijo (156), siendo la referencia de calibración (V1..V4) indicativa de una caída de tensión a través del elemento variable (154), comprendiendo además un acondicionador de señal (170), estando configurado el acondicionador de señal (170) para recibir la referencia de calibración de cada una de las ramas del circuito y configurado para utilizar un parámetro de acondicionamiento para aumentar una señal recibida de la referencia de calibración (V1..V4), de tal manera que la señal aumentada de cada una de las referencias de calibración (V1..V4) es la misma cuando cada uno de los sensores (134) está a la misma distancia de la fuente magnética.

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito de posicionamiento quirúrgico

Los procedimientos quirúrgicos con frecuencia dependen de un posicionamiento preciso para localizar dianas quirúrgicas específicas sin alterar las estructuras cercanas, lo que podría afectar negativamente a los resultados de la cirugía. La cirugía de campo abierto depende de la mano firme y la agudeza visual de un cirujano para garantizar que la intervención quirúrgica esté debidamente focalizada. En las últimas décadas, con ayuda de técnicas endoscópicas y laparoscópicas se han llevado a cabo procedimientos mínimamente invasivos con instrumentos alargados al trabajar a través de incisiones pequeñas, en lugar de con un gran campo abierto. Muchos procedimientos implican simplemente localizar y extirpar una estructura o un crecimiento perjudicial, tal como un tumor, un quiste o un pólipo. En el caso de los cálculos renales, por ejemplo, una vez localizado con el equipo endoscópico, el cálculo puede fragmentarse y extirparse.

La solicitud de patente publicada de los Estados Unidos 2011/0025318A1 describe un puente de sensor de campo magnético que comprende cuatro sensores de campo dispuestos en dos ramas. Los respectivos sensores en cada rama tienen una orientación opuesta de sensibilidad.

La solicitud internacional de patente WO02/097464A2 describe un puente de sensor de campo magnético que también comprende cuatro sensores de campo dispuestos en dos ramas. Un sensor de campo en cada rama está equipado con resistores para compensar la deriva de temperatura de los respectivos sensores.

La invención proporciona un circuito de sensor según las reivindicaciones adjuntas.

Un circuito localizador quirúrgico identifica una diana quirúrgica, tal como un cálculo renal, al disponer un emisor, tal como una fuente magnética, detrás o de forma adyacente a la diana quirúrgica y al emplear el circuito para identificar un eje al emisor, definiendo de este modo un eje o una trayectoria a la diana quirúrgica. Una disposición de sensores dispuestos en una disposición equidistante y coplanaria detecta una señal indicativa de la distancia y la dirección con respecto al emisor. En el caso de un sensor magnetorresistivo, una resistencia variable responde a la distancia y dirección desde el magnetorresistor hasta un emisor definido por una bobina magnética que emite un campo magnético. Una señal igual de cada uno de los sensores coplanarios indica el posicionamiento en un eje que atraviesa un punto central con respecto a los sensores y ortogonal al plano. Un elemento fijo y un acondicionador de señal aumentan y normalizan la señal recibida de cada uno de los sensores para acomodar diferencias sutiles en la respuesta magnetorresistiva entre la pluralidad de sensores.

Las configuraciones del presente documento se basan, en parte, en la observación de que los dispositivos quirúrgicos de localización y colocación dependen de un posicionamiento preciso y de la correspondiente circuitería electrónica que puede discriminar entre señales eléctricas diminutas para transmitir, de forma eficaz, la información de posicionamiento. Desafortunadamente, los enfoques convencionales se ven afectados por el inconveniente de que los componentes electrónicos individuales pueden presentar una variación sutil en cuanto a las características físicas, lo que conduce a una variación correspondiente en la respuesta a los estímulos o la señal, incluso para componentes supuestamente idénticos o equivalentes que presentan las mismas especificaciones de diseño. Estas variaciones sutiles, aunque insignificantes en muchas aplicaciones y posiblemente dentro de las tolerancias publicadas del componente, pueden producir todavía una variación indeseable en un dispositivo de posicionamiento quirúrgico. Por consiguiente, las configuraciones del presente documento desvelan un elemento fijo junto con un elemento detector para normalizar una señal de sensor recibida de una pluralidad de elementos detectores. El elemento fijo proporciona una respuesta o señal conocida, que permite que un acondicionador de señal ajuste la señal de sensor de cada uno de la pluralidad de sensores, de tal manera que cada sensor genera una señal calibrada y consistente que compensa cualquier variación en las señales de sensor individuales. Por lo tanto, se recibe una respuesta consistente y, por tanto, una información de posicionamiento consistente, de todos los sensores en la disposición de sensores.

En una disposición a modo de ejemplo, tal y como se discute más adelante, el elemento de sensor es un magnetorresistor que varía la resistencia en respuesta a un campo magnético y el elemento fijo es un resistor fijo que mantiene una resistencia constante. El magnetorresistor y el resistor fijo combinados definen, respectivamente, una rama de las cuatro ramas en una configuración de puente de Wheatstone modificado. Un puente de Wheatstone, como se conoce en la técnica, presenta cuatro ramas en una disposición cuadrada y está conectado a una fuente de tensión, de tal modo que la relación de la resistencia de dos de las ramas es equivalente a la relación de la resistencia de las otras dos ramas. Las configuraciones del presente documento permiten determinar una distancia y una dirección con respecto a un eje que atraviesa el centro del cuadrado, siendo por ello equidistante de cada una de las ramas (asumiendo que los elementos de sensor definen posiciones similares alrededor del cuadrado). En la implementación, los valores resistivos del magnetorresistor son iguales cuando se alinean en un eje central normal con respecto un plano definido por los magnetorresistores (sensores). Por ello, una señal de salida definida por la diferencia de la tensión a través de cada una de las ramas será cero.

Lo anterior y otros objetos, características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción de realizaciones particulares de la invención, tal y como se ilustra en los dibujos adjuntos en los que los caracteres de referencia similares se refieren a las mismas partes a lo largo de las diferentes vistas. Los dibujos no están necesariamente a escala, poniendo en su lugar énfasis en la ilustración de los principios de la invención.

La Fig. 1 muestra una vista de contexto de un dispositivo de posicionamiento como se desvela en el presente documento;

La Fig. 2 muestra un diagrama de flujo de la localización de una diana quirúrgica usando el dispositivo de posicionamiento de la Fig. 1;

La Fig. 3 es un diagrama del dispositivo de posicionamiento de la Fig. 1 en funcionamiento; y

Las Figs. 4A-4C muestran un circuito de disposición de sensores del dispositivo de posicionamiento.

Los ejemplos y la discusión que siguen ilustran diversas configuraciones del enfoque desvelado. En la configuración a modo de ejemplo, el enfoque propuesto facilita la alineación de una aguja de nefrolitotomía percutánea con el cáliz abordado. Tal alineación es una etapa precisa durante la nefrostomía percutánea, que es una preparación para un procedimiento de nefrolitotomía percutánea (PCNL por sus siglas en inglés), más comúnmente denominado extirpación de cálculos renales. Durante tal procedimiento, la tarea de obtener el acceso a mano requiere una habilidad sustancial y puede resultar particularmente difícil cuando el sistema colector no está dilatado. La colocación inexacta de la aguja puede suponer el riesgo de lesionar el riñón y los órganos adyacentes, comprometiendo por tanto el procedimiento percutáneo previsto, así como el desenlace clínico del paciente.

] La Fig. 1 muestra una vista de contexto de un dispositivo de posicionamiento 130 como se desvela en el presente documento. Con referencia a la Fig. 1, en un ejemplo particular un paciente 100 se somete a un procedimiento para extirpar una diana quirúrgica 110, tal como un cálculo renal de un riñón 112. Una fuente de señal 120, tal como una bobina magnética, se dispone quirúrgicamente en un lado distal 114 del cálculo renal 110. La fuente de señal 120 se puede disponer mediante cualquier método adecuado, típicamente mediante instrumentos endoscópicos, en un hueco 116 del riñón 112. El dispositivo de posicionamiento 130 se dispone externamente en o cerca de la superficie quirúrgica 133 (es decir, la piel) del paciente 100. El dispositivo de posicionamiento 130 localiza un eje 132 a la fuente de señal al comparar la distancia y las orientaciones relativas de cada uno de una pluralidad de sensores 134-1, 134-2 (134 en general) con respecto a la fuente de señal 120. Cabe señalar que los sensores 134 detectan una intensidad de campo magnético, que está relacionada con la distancia, aunque también se basa en la orientación de campo. Por tanto, la orientación de los sensores 134 trata de localizar el eje 132 por la intensidad de campo indicativa de la orientación y la distancia de la fuente de señal 120. Al posicionar la fuente de señal 120 en el eje 132 y detrás del cálculo renal u otra diana quirúrgica 110, el dispositivo de posicionamiento 130 localiza un punto de inserción 136 y un ángulo en el eje 132 que, entonces, pueden seguirse para alcanzar la diana quirúrgica 110. Por lo tanto, el dispositivo de posicionamiento 130 asegura la inserción quirúrgica en el eje 132 para la intersección con la diana quirúrgica 110, mejorando los enfoques convencionales que tienen el potencial de una inserción inadvertida de la aguja a lo largo de una trayectoria incorrecta. Por lo tanto, la alineación en el eje 132 está facilitada por las lecturas desequilibradas de sensor que resultan de la alineación a lo largo de ejes desplazados de 132, por ejemplo 135, como se discute más adelante. En una realización, el dispositivo de la presente invención puede trabajar con una fuente de señal 120 localizada en la punta distal de un endoscopio. El endoscopio permite la observación directa de la diana y la colocación de la fuente de señal directamente detrás del cálculo diana.

La Fig. 2 muestra un diagrama de flujo de la localización de una diana quirúrgica usando el dispositivo de posicionamiento de la Fig. 1. Con referencia a las Fig. 1 y 2, el método de detección de una diana quirúrgica, tal y como se desvela y se muestra en el presente documento, incluye la disposición de una fuente de señal 120 en un lado distal 114 de una diana quirúrgica 110, como se representa en la etapa 200. El cirujano u otro operario orienta el dispositivo de posicionamiento 130 en un lado próximo de la diana quirúrgica 110, de tal manera que el dispositivo de posicionamiento 130 responde a la fuente de señal 120, como se muestra en la etapa 201. Un circuito de sensor en el dispositivo de posicionamiento 130 recibe, por cada uno de una pluralidad de sensores 134 en el dispositivo de posicionamiento 130, señales indicativas de una distancia y orientación desde la fuente de señal 120 a los sensores 134, como se representa en la etapa 202. El circuito de sensores (mostrado con mayor detalle como 150, más adelante) define un sistema de posicionamiento, discutido con mayor detalle más adelante, para determinar, a partir de las señales de intensidad recibidas, cuándo está alineado el dispositivo de posicionamiento 130 en un eje 132 definido por la fuente de señal 120 y la diana quirúrgica 110, como se desvela en la etapa 203. En la disposición a modo de ejemplo, la fuente de señal 120 es una bobina magnética y los sensores 134 incluyen un magnetorresistor que responde a un campo magnético indicativo de la distancia de la bobina magnética al sensor 134.

En una implementación general, el sistema de posicionamiento consiste en una diana interna, tal como el cálculo renal 110, una diana externa, definida por la fuente de señal 120, unida a una aguja quirúrgica, un sistema de detección que incluye un circuito de sensor 150 para localizar las coordenadas de las mismas en el espacio 3D alrededor del paciente y un sistema de visualización para el usuario. La diana interna es una única fuente de energía que se detecta y localiza en el espacio 3D por el sistema de detección. La aguja de diana presenta dos o más fuentes de energía similares localizadas a lo largo de su longitud. El sistema de detección detecta y localiza cada una de estas fuentes en el espacio 3D. La información de localización espacial del sistema de detección para las múltiples fuentes en la aguja genera un vector en el espacio 3D, mientras que la información de localización espacial para la diana interna genera un punto en el espacio 3D. Esta información se envía al sistema de visualización de la interfaz de usuario.

El sistema de posicionamiento se actualiza continuamente, permitiendo al cirujano o al usuario visualizar la localización y la orientación del vector con respecto al punto. Este flujo continuo de información que se proporciona al usuario por parte del sistema permite dirigir y encaminar la aguja hacia la diana interna en tiempo real. La aguja quirúrgica puede emplear cualquier técnica adecuada para insertar y posicionar la fuente de señal 120 en el eje 132 con la diana quirúrgica 110.

El sistema de posicionamiento desvelado para la detección y localización espacial de cualquiera de las dianas se podría lograr a través de una diversidad de medios de detección física. Cualquiera de las fuentes mencionadas anteriormente podría ser un único emisor puntual. En general, con esto se emplea una fuente de energía eléctrica o acústica que podría ser, pero sin limitación, magnética, de ultrasonidos, de energía de RF de alta frecuencia, de energía de RF de baja frecuencia, de campos magnéticos variables en el tiempo o de campos eléctricos variables en el tiempo. El sistema de posicionamiento podría comprender una pluralidad de sensores de energía apropiados, no co-localizados, que se localizan fuera del cuerpo. Cada sensor utilizaría algún esquema de detección para determinar la distancia lineal entre el mismo y la fuente de energía emisora. Esto se podría lograr mediante la detección usando un receptor de energía apropiado y múltiples medios que incluyen, pero sin limitación: 1) utilizar la información de fase de la señal que acciona la fuente, dado que la fase varía con el tiempo de vuelo, y 2) medir el cambio en la amplitud de la energía recibida, dado que varía con la distancia entre el emisor y el receptor, o 3) utilizar el tiempo de vuelo de viaje de un cambio en la amplitud de la señal, tal como un chirrido o impulso. También se pueden considerar otros esquemas de medición para determinar la distancia entre el sensor y el emisor, que se basan en la detección de disposición en fase adelantada.

Durante el funcionamiento, la información de distancia de cada uno de la pluralidad de sensores 134 en el sistema detector se usa para localizar una fuente de señal 120 dada en el espacio 3D. En el enfoque a modo de ejemplo, esto se logra disponiendo los detectores en una disposición con localizaciones espaciales conocidas y empleando la triangulación con las distancias medidas. Son posibles métodos más avanzados, que usan, por ejemplo, esquemas de disposición en fase, tales como los métodos de antena de disposición en fase o de antena de apertura forzada.

En la configuración a modo de ejemplo del sistema de Localización de Diana PCNL (PCNL TF por sus siglas en inglés) se incluyen dos subsistemas principales, un Objeto de Diana Interna (ITO por sus siglas en inglés) (definido por la fuente de señal 120) y un Buscador de Diana Externa (ETF por sus siglas en inglés), definido por el dispositivo de posicionamiento 130. El ITO es un dispositivo generador de campo magnético que se despliega a través del canal de trabajo de un ureteroscopio flexible, o como una parte integrada dentro de la punta del ureteroscopio. En la punta del ITO hay un pequeño cabezal que produce un campo magnético, estático o pulsado. Con la guía visual a través del ureteroscopio, la punta del ureteroscopio se posiciona enfrente del cáliz afectado por el cálculo, y lo mismo ocurre con la punta del ITO, que se posiciona/orienta en dirección al cálculo en el cáliz. El eTf es un dispositivo de detección de campo magnético portátil o montado en un robot/brazo mecánico. Está dotado de instrumentos de tal manera que cuando el centro de este dispositivo se alinea con el campo magnético producido por el ITO, señalará que se ha establecido tal alineación. Entonces, un canal de guía central puede guiar la aguja de acceso hacia el cáliz en el riñón en el interior del cuerpo. La totalidad del sistema trabaja basándose en el hecho de que el cuerpo humano es altamente "transparente" a los campos magnéticos estáticos y a la parte magnética de la onda electromagnética de baja frecuencia, a diferencia de los enfoques convencionales de rayos X o ultrasonidos, con los que es difícil distinguir las estructuras de los tejidos blandos. En esta configuración, el componente generador de campo magnético del ITO está aislado y está representado por una bobina que define la fuente de señal 120, omitiéndose, por motivos de claridad, todas las demás partes del ITO y del ureteroscopio. Los diversos tejidos corporales que separan el ITO y el ETF se combinan y están representados como una barrera como superficie quirúrgica 133, que ahora se describe en funcionamiento con mayor detalle.

La Fig. 3 es un diagrama del dispositivo de posicionamiento de la Fig. 1 en funcionamiento. Con referencia a las Fig. 1 y 3 se desvela un dispositivo de posicionamiento generalizado adecuado para su uso con las configuraciones del presente documento. En la Fig. 3, el dispositivo de posicionamiento 130 emplea cuatro sensores 131-1..134-4, dispuestos en un cuadrado, con la disposición en una base plana 140 del dispositivo de posicionamiento 130 para definir un circuito de sensor 150 que define una disposición de sensores 134 (circuito de disposición de sensores). El uso de una base plana 140 y una disposición cuadrada equidistante proporciona una señal uniforme cuando los sensores están dispuestos ortogonalmente centrados en el eje 132 que atraviesa el centro 148 de la base plana 140. En la configuración a modo de ejemplo, la fuente de señal 120 es una bobina magnética y los sensores 134 son magnetorresistores que varían la resistencia en respuesta a un campo magnético 152 emitido por la fuente de señal 120. La distancia de los sensores 134-1..134-4 se muestra, respectivamente, mediante las líneas de puntos 135 1..135-4. Cuando las distancias 135-1..135-4 son iguales, la respuesta (es decir, la resistencia) de cada uno de los sensores 134 es igual.

Las Figs. 4A-4C muestran un circuito de disposición de sensores 150 del dispositivo de posicionamiento. Con referencia a las Fig. 3 y 4A, cada sensor 134 incluye un elemento variable 154 y un elemento fijo 156, marcados con 154-1..154-4 y 156-1..156-4, como los equivalentes de su sensor 134. En la disposición a modo de ejemplo, los elementos variables 154 son magnetorresistores que varían una resistencia en respuesta a la intensidad del campo magnético de la fuente magnética 120, y los elementos fijos 156 son resistores que presentan un valor conocido. El circuito de disposición de sensores 150, por lo tanto, incluye cuatro ramas 160-1.160-4 (160 en general), teniendo cada rama 160 un sensor 134 que incluye un elemento variable 154 y un elemento fijo 156. Cada rama también presenta un valor de tensión V1..V4 que se toma de la rama 160 entre los elementos fijos 156 (mostrados con relleno) y los elementos variables 154 (mostrados con rayado). Una fuente de tensión Vs proporciona una tensión conocida a cada rama 160 y se conecta al lado del elemento fijo 156 de cada rama, mientras que los elementos variables 154 se conectan a tierra para proporcionar un valor de caída de tensión V1..V4, que se discute más adelante.

Cada uno de los elementos variables 154, o magnetorresistores, presenta un valor en reposo (resistencia) que representa una intensidad de campo cero. En la configuración desvelada en el presente documento, el dispositivo de posicionamiento 130 depende de cambios diminutos en la señal recibida de cada uno de los sensores 134. Cada uno de los elementos variables 154 puede presentar un valor en reposo ligeramente diferente, dependiendo de variaciones sutiles de fabricación cuya eliminación no es factible. Por consiguiente, la respuesta al campo magnético 152 de cada uno de los elementos variables 154 puede ser ligeramente diferente. Tras aplicar la tensión de fuente Vs, una corriente I1..I4 correspondiente fluye en cada rama 160. Ya que la corriente en cada rama 160 es la misma tanto a través del elemento fijo como a través del resistivo, la tensión V1..V4 a través de los elementos variables 154 se puede usar para determinar la intensidad de campo correspondiente en la localización de cada elemento variable 154. Al calibrar con respecto a un campo magnético en reposo o conocido, se calcula un valor de acondicionamiento para cada V1..V4 para complementar el valor resistivo del elemento variable 154. La corriente a través de la rama 160 varía en respuesta a los cambios de resistencia en el elemento variable 154, en respuesta a los cambios en la intensidad del campo magnético. Vs es constante y VI..4 = Vs *R(154)/R(156). Por tanto, V1..4 es proporcional al elemento variable 154.

Por tanto, cuando Vs se conecta al circuito de disposición de sensores 150, cada magnetorresistor (elemento variable) 154 tiene un R0 particular, correspondiente a su valor con intensidad de campo cero. En cada rama, el valor resistivo fijo (valor del elemento fijo 156) se corresponde al valor del elemento variable 154 en la misma rama 160 y los dos elementos (resistores) 154, 156 forman un divisor de tensión. Las tensiones V1..V4 reflejan la caída de tensión a través de los elementos variables 154, lo que representa la intensidad de campo en esa localización en el circuito de disposición de sensores 150.

Con referencia a las Fig. 4B y 4C, las tensiones VI..V4 a través de los cuatro sensores variables 154 se acondicionan en la etapa 170, que puede incluir amplificación, amortiguación y otras transformaciones) para generar V1'..V4'. La tensión a través de 134 es constante, Vs. La ganancia en la etapa 170 usada para cada salida del sensor 134 se calibra de tal manera que cuando la intensidad del campo 152 es la misma, es decir, está centrada y ortogonal en el eje 132 en el ejemplo mostrado, los valores acondicionados de V1'..V4' son también los mismos o sustancialmente equivalentes.

Un comparador de tensión multicanal 172 usa entonces estas tensiones V1'..V4' como entradas, emite su diferencia para calcular cuándo el dispositivo de posicionamiento 130 está en el eje 132 y dirigido hacia la diana 110 (Fig. 1). Cabe señalar que la pluralidad de sensores 134, mostrados en el ejemplo como 134-1..134-4, aunque se podría emplear otra cantidad de sensores, pueden calibrarse individualmente, por tanto, se acomoda la diferencia de parámetros físicos y de respuesta entre los magnetorresistores (elementos variables 154).

El dispositivo de posicionamiento 130 desvelado incluye, por lo tanto, un circuito de sensor para identificar una diana quirúrgica que presenta diversas características que se discuten más adelante como componentes de o etapas realizables por las diversas configuraciones. El dispositivo de posicionamiento 130 incluye una pluralidad de sensores 134 dispuestos en un plano sustancialmente ortogonal a un eje 132 que atraviesa la diana quirúrgica 110, de tal manera que el eje está definido por un emisor o una fuente de señal 120 que se dispone en un lado distal 114 de la diana quirúrgica 110. La diana 120 puede ser un imán permanente, una bobina portadora de corriente o similares o cualquier combinación de los mismos. En una realización, la diana 120 es una fuente de señal dispuesta en el extremo de un endoscopio y tiene un tamaño compacto para hacer posible tal disposición. El método de detección de una diana quirúrgica incluye, por lo tanto, la disposición de la fuente de señal 120 en un lado distal de la diana quirúrgica 110 y la orientación del dispositivo de posicionamiento 130 en un lado próximo de la diana quirúrgica, en el que el dispositivo de posicionamiento 130 responde a la fuente de señal 120.

El circuito de sensor 150 incluye una pluralidad de ramas 160 de circuito que interconectan la pluralidad de sensores 134, de tal manera que cada sensor está dispuesto en una respectiva rama 160 de circuito. Una fuente de tensión se conecta a cada una de las ramas 160 de circuito para inducir una señal de salida, dependiendo en parte de la orientación de la pluralidad de sensores 134 con respecto al eje 132, de tal manera que las señales de salida de cada rama 160 son de valor igual o sustancialmente equivalente cuando el plano de la base 140 es ortogonal al eje 132 y el eje está sustancialmente centrado entre los sensores 134. El valor de salida puede variar, dependiendo de la distancia y la orientación de la base 140 con respecto a la fuente 120. La localización del eje 132 incluye la recepción, por cada uno de una pluralidad de sensores 134 en el dispositivo de posicionamiento 130, de señales indicativas de la distancia 135 y de la orientación desde la fuente de señal 110 a los sensores 134, y la determinación, a partir de las intensidades de señal recibidas, de cuándo el dispositivo de posicionamiento está alineado en el eje 132 definido por la fuente de señal. La orientación sobre otro eje 135 que no esté centrado y alineado con la diana dará lugar a valores desequilibrados en al menos uno de los sensores 154, debido a las variaciones en la intensidad de campo. Durante el funcionamiento, la variación de la posición del dispositivo 130 permite a un operario "dirigirse" desde el eje 135 no alineado hasta alinearse en el eje 132.

Una calibración ajusta cada una de las señales de intensidad para acomodar una variación entre la intensidad de las señales recibidas por cada uno de los sensores 134, debido a pequeñas variaciones entre las señales (resistencia) que se dan por los magnetorresistores incluso cuando se disponen con la misma distancia y orientación. El circuito de sensor 150 dispone un resistor fijo 156 adyacente a cada uno de los sensores (magnetorresistores) 154 en la respectiva rama 160 de circuito. El ajuste de ganancia variable puede lograrse en la etapa 170 de la Fig. 4B. La ganancia apropiada se puede determinar en ausencia de señal de campo magnético, en presencia de un campo magnético de calibración conocido con su eje totalmente alineado con el eje 132' de la placa de sensores, o ambos, para corregir pequeñas inconsistencias en los valores de resistores fijos y determinar los valores de ganancia apropiada para calibrar las salidas VI..V4. Después, en presencia de un campo magnético durante un procedimiento activo, la salida de señal VI..V4 se ejecuta de nuevo a través de la etapa de ganancia 170 para obtener una lectura precisa de la dirección y orientación del campo magnético del circuito de sensor 150. Se puede usar un comparador, como en la Fig 4C, para comparar una lectura de intensidad de señal conocida del elemento fijo (resistor) 156. El resistor fijo 156 presenta una caída de tensión predecible, de tal manera que el ajuste incluye, además, el cálculo de la caída de tensión predecible a través del resistor fijo y el acondicionamiento de la señal recibida de cada uno de la pluralidad de sensores, de tal manera que la señal acondicionada es equivalente para cada uno de los sensores 154 en una posición de reposo del dispositivo de posicionamiento alineado. Por tanto, el resistor fijo 156 responde a la señal de la fuente de tensión y presenta una resistencia constante independientemente de la orientación o la distancia, a diferencia del magnetorresistor, que varía con la intensidad y la orientación del campo magnético 120.

En otras palabras, el circuito de sensor 150 define su propio eje central 132' después de la calibración por las señales V1'-V4'. La alineación del circuito de sensor 150 y, por lo tanto, del dispositivo 130, se produce cuando el eje 132' del circuito de sensor se alinea con el eje 132 de la diana, indicando que el circuito de sensor 150 y, por lo tanto, el dispositivo de posicionamiento 130, se dirige hacia la diana quirúrgica 110 definida por la fuente magnética 120. Por lo tanto, si cuando los sensores están dispuestos igualmente distanciados/orientados hacia la fuente magnética 120 y alineados en el eje 132, la salida de un sensor difiere de otras, entonces la calibración es para amplificar la salida individual V1'..V4' en consecuencia, de modo que las salidas sean iguales cuando un eje del circuito 132' está alineado con el eje 132, indicándose la inserción deseada 132, como en la Fig. 4B.

Se contempla que se podría usar el circuito de la presente invención para algún otro tipo de calibración. Por ejemplo, el campo detectado puede ser luz, radiación u otro intervalo del espectro electromagnético, y el sensor 134 puede ser uno que sea adecuado para el tipo de campo detectado. Las enseñanzas de la presente invención son tales que el circuito 150 presenta un resistor fijo 156 para cada resistor variable 154, dado que esto proporciona una forma eficaz de obtener el valor de resistencia variado del resistor variable 154 leído como una tensión. El resistor variable 154 y el resistor fijo 156 forman, en serie, un divisor de tensión para dividir Vs según la relación entre resistor variable 154 y resistor fijo 156. En la configuración a modo de ejemplo, los sensores 134 definen un plano y las intensidades de señal indican cuándo el plano definido es ortogonal al eje 132. Los sensores 134 están en orientación equidistante en ramas del circuito, típicamente en una disposición cuadrada, y centrados alrededor del eje central 132', de tal manera que las señales recibidas de cada uno de los sensores son iguales cuando el plano del circuito de sensor 150 se alinea ortogonalmente con respecto al eje 132 y está centrado entre los sensores 134. En el proceso de direccionamiento, el método desvelado tiene por objeto alinear el eje 132' con el eje 132 de la fuente de señal.

En la disposición a modo de ejemplo, el emisor o la fuente de señal 120 es una fuente magnética que emite un campo magnético 152 y los sensores 134 son sensores magnéticos que responden a una intensidad y orientación del campo magnético emitido. En esta configuración, el elemento variable 154 es un sensor de campo magnético que presenta una resistencia variable en respuesta al campo magnético 152 (también conocido como magnetosensor) y el elemento fijo 156 es un resistor estático que presenta una respuesta lineal a la fuente de tensión no afectada por el campo magnético 152. Una referencia de calibración V1..V4 tomada entre tierra y el elemento variable (magnetorresistor) 154 correspondiente mide la intensidad del campo magnético 152. Los parámetros de acondicionamiento proporcionados por los amplificadores 170 definen V1'..V4', que se seleccionan para compensar la referencia calibrada V1..V4 de tal manera que se reciban valores V1'..V4' iguales cuando el eje 132' del circuito está centrado.

Un acondicionador de señal 170 utiliza los parámetros de acondicionamiento, de tal manera que el acondicionador de señal recibe la referencia de calibración V de cada una de las ramas 160 del circuito y responde al parámetro de acondicionamiento para modificar la señal de salida para una respuesta uniforme de cada uno de los resistores fijos 156. El elemento fijo 156 está conectado en serie entre la fuente de tensión y el elemento variable 154, de manera que la referencia de calibración proporciona una señal indicativa de un flujo de corriente basado en el sensor, donde el flujo de corriente es consistente a través del sensor y la referencia de calibración y la señal es indicativa de una caída de tensión a través de la referencia de calibración. Un comparador multicanal recibe la señal de salida modificada y hace coincidir el valor predeterminado basándose en la señal de salida modificada.

Las configuraciones del presente documento incluyen un circuito de sensor que se puede hacer funcionar para identificar una fuente de señal en una diversidad de contextos además del procedimiento de PCNL, tal y como se desvela. El circuito de sensor incluye una pluralidad de ramas 160 dispuestas en una disposición coplanaria, presentando cada rama de la pluralidad de ramas un sensor indicativo de una distancia con respecto a una fuente magnética y una fuente de tensión conectada a cada una de las ramas. Un elemento fijo 156 conectado a cada una de las ramas presenta una respuesta a la fuente de tensión independiente de la fuente magnética, y una referencia de calibración está definida por un terminal o contacto entre el elemento fijo y el sensor, de tal manera que la referencia de calibración es indicativa de una caída de tensión a través del sensor. En la disposición a modo de ejemplo, la pluralidad de ramas 160 y los sensores correspondientes definen un puente de Wheatstone modificado, de tal manera que la referencia de calibración responde a un flujo de corriente en la respectiva rama y define un divisor de tensión implementado como un medio puente de la disposición de puente de Wheatstone.

El puente de Wheatstone modificado desvelado es tal que el elemento fijo 156 está conectado en serie con cada uno de los elementos variables 154 (sensores magnéticos variables) y presenta un nivel de corriente común como el elemento de sensor correspondiente debido al flujo de corriente en serie. El acondicionador de señal presenta un parámetro de acondicionamiento para cada uno de los elementos variables 156 para la lectura tomada en la respectiva rama del circuito, de tal manera que el parámetro de acondicionamiento es para aumentar una señal recibida de la referencia de calibración, de tal modo que la señal aumentada de cada una de las referencias de calibración es la misma cuando cada uno de los sensores está a la misma distancia de la fuente magnética. El parámetro de acondicionamiento permite, por tanto, el cálculo de una señal consistente desde cada una de las ramas 160 cuando el plano definido por las ramas es normal a un eje 132 centrado entre los sensores 134.

En una disposición alternativa, la diana externa y el sistema de detección podrían estar acoplados mecánicamente para simplificar la totalidad del sistema. En este caso, la aguja de PCNL se acoplaría a través de medios mecánicos directa o indirectamente al sistema de detección. Esto elimina parte de la información necesaria para determinar las localizaciones espaciales relativas de la diana interna y las dianas externas que definen la posición de la aguja de PCNL. La localización y la orientación de la aguja con respecto al sistema de detección estarían predeterminadas. Esta información se usaría entonces para simplificar la solución de las ecuaciones implicadas en la triangulación entre la diana interna y las dianas externas. Esto podría lograrse mediante un mecanismo de montaje rígido que alinearía la aguja en una orientación fija con respecto a los sensores en el sistema de detección. La aguja de PCNL y el conjunto de detección, como una unidad combinada, podrían entonces encaminarse en tiempo real hacia la diana interna. En una implementación menos restringida, el acoplamiento mecánico permitiría uno o más grados de libertad entre la aguja de PCNL y el sistema de detección. Esto podría lograrse con un mecanismo de articulación y sensores de indexación apropiados o usando motores paso a paso u otros métodos similares. Esta información que da la localización y la orientación relativa de la aguja de PCNL con respecto a los sensores en el sistema de detección se convertiría entonces en parte de la solución de la ecuación de triangulación para localizar estos con respecto a la diana interna.

Las configuraciones desveladas en el presente documento incluyen al menos algunas características que se pueden implementar por un ordenador o un conjunto de instrucciones programadas basado en un procesador similar. Las configuraciones alternativas de la invención, por lo tanto, pueden incluir un dispositivo computarizado de multiprogramación o multiprocesamiento, tal como un multiprocesador, controlador o dispositivo de computación dedicado, ya sea en forma portátil, móvil o de escritorio o similares, configurado con software y/o circuitería (por ejemplo, un procesador como se ha resumido anteriormente) para procesar cualquiera o todas las operaciones del método desveladas en el presente documento como realizaciones de la invención. Otras realizaciones adicionales de la invención incluyen programas de software, tales como una máquina virtual Java y/o un sistema operativo que puede operar solo o conjuntamente con un dispositivo computarizado de multiprocesamiento para realizar las etapas y operaciones de la realización del método que se han resumido anteriormente y que se desvelan en detalle más adelante. Una de tales realizaciones comprende un producto de programa informático que presenta un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador que incluye lógica de programa informático que se codifica como instrucciones que, cuando se ejecuta en un dispositivo computarizado de multiprocesamiento que presenta un acoplamiento de una memoria y un procesador, programa el procesador para realizar las operaciones desveladas en el presente documento como realizaciones de la invención para llevar a cabo las solicitudes de acceso a los datos. Tales disposiciones de la invención se proporcionan típicamente como software, código y/u otros datos (por ejemplo, estructuras de datos) dispuestos o codificados en un medio legible por ordenador, tal como un medio óptico (por ejemplo, CD-ROM), disquete o disco duro u otro medio como firmware o microcódigo en uno o más chips ROM, RAM o PROM, matrices de puertas lógicas programables en campo (FPGA) o como un Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas (ASIC). El software o firmware u otras configuraciones de este tipo pueden instalarse en el dispositivo computarizado (por ejemplo, durante la ejecución del sistema operativo o durante la instalación del entorno) para hacer que el dispositivo computarizado realice las técnicas explicadas en el presente documento como realizaciones de la invención.

Aunque el sistema y los métodos definidos en el presente documento se han mostrado y descrito en particular con referencia a realizaciones de los mismos, los expertos en la materia entenderán que se pueden realizar diversos cambios en la forma y los detalles sin apartarse del alcance de la invención que abarcan las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un circuito de sensor para identificar una diana quirúrgica (110), que comprende:

una pluralidad de ramas (160) dispuestas en una disposición coplanaria, presentando cada rama (160) de la pluralidad de ramas (160) un sensor (134) indicativo de una orientación con respecto a una fuente magnética, comprendiendo cada sensor un elemento variable (154) y un elemento fijo (156), presentando el elemento fijo (156) una respuesta a la fuente de tensión independiente de la fuente magnética y presentando el elemento variable (154) una resistencia variable en respuesta a la intensidad de campo de la fuente magnética; una fuente de tensión conectada al lado del elemento fijo (156) de cada una de las ramas (160);

tierra conectada a los elementos variables (154) de las ramas; y

una referencia de calibración (V1..V4) que está definida por un terminal en la rama (160) del circuito entre el elemento variable (154) y el elemento fijo (156), siendo la referencia de calibración (V1..V4) indicativa de una caída de tensión a través del elemento variable (154), comprendiendo además un acondicionador de señal (170), estando configurado el acondicionador de señal (170) para recibir la referencia de calibración de cada una de las ramas del circuito y configurado para utilizar un parámetro de acondicionamiento para aumentar una señal recibida de la referencia de calibración (V1..V4), de tal manera que la señal aumentada de cada una de las referencias de calibración (V1..V4) es la misma cuando cada uno de los sensores (134) está a la misma distancia de la fuente magnética.

2. Circuito de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de ramas (160) y los correspondientes sensores (134) definen un puente de Wheatstone modificado y la referencia de calibración (V1..V4) responde a un flujo de corriente en la respectiva rama (160).

3. Circuito de la reivindicación 1, en el que el elemento fijo (156) está en serie con cada uno de los elementos variables (154) y presenta un nivel de corriente común como el elemento de sensor correspondiente.

4. Circuito de la reivindicación 3, en el que el parámetro de acondicionamiento es para el cálculo de una señal consistente de cada una de las ramas (160) cuando el plano definido por las ramas (160) es normal a un eje (132) centrado entre los sensores (134).

5. Circuito de sensor según la reivindicación 1, en el que:

la pluralidad de sensores (134) dispuestos en un plano sustancialmente ortogonal a un eje (132) que atraviesa la diana quirúrgica (110), estando el eje definido por un emisor (120) dispuesto en un lado distal de la diana quirúrgica (110); y

la fuente de tensión para inducir una señal de salida basándose en la orientación de la pluralidad de sensores (134) con respecto al eje (132), coincidiendo la señal de salida con un valor predeterminado cuando el plano es ortogonal al eje (132) y el eje (132) está sustancialmente centrado entre los sensores (134).

6. Circuito de la reivindicación 5, en el que el emisor (120) es una fuente magnética (120) que emite un campo magnético y los sensores (134) son sensores magnéticos que responden a una intensidad y orientación del campo magnético emitido.

7. Circuito de la reivindicación 6, en el que el elemento fijo (156) está conectado en serie entre la fuente de tensión y los elementos variables (154) en la respectiva rama (160) del circuito, presentando el elemento fijo (156) una respuesta fija a la fuente de tensión independiente del emisor (120) y respondiendo a la fuente de tensión para la calibración con las otras ramas (160) del circuito.

8. Circuito de la reivindicación 7, en el que el sensor (134) es un sensor de campo magnético que presenta una resistencia variable en respuesta al campo magnético y el elemento fijo (156) es un resistor estático que presenta una respuesta lineal a la fuente de tensión no afectada por el campo magnético.

9. Circuito de la reivindicación 7, siendo la caída de tensión medida indicativa de un flujo de corriente en la respectiva rama (160) para el cálculo de un parámetro de acondicionamiento del correspondiente sensor (134).

10. Circuito de la reivindicación 9, que comprende además un acondicionador de señal (170), recibiendo el acondicionador de señal (170) la referencia de calibración (V) de cada una de las ramas (160) del circuito y respondiendo al parámetro de acondicionamiento para modificar la señal de salida para una respuesta uniforme de cada una de las ramas (160) del circuito.