ES2228409T3 - Deteccion de la posicion basada en la emision de ultrasonidos. - Google Patents
Deteccion de la posicion basada en la emision de ultrasonidos.Info
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Abstract
Aparato (20) para determinar la posición de un objeto (14) con respecto a un marco de referencia, que comprende: al menos un generador (40, 42, 44) del campo, que genera un campo electromagnético en proximidad al objeto; al menos un transductor (12), que está fijado al objeto y que vibra a una frecuencia vibratoria predeterminada y emite energía, en respuesta a una interacción con el mismo del campo electromagnético; uno o más detectores (34, 36, 38) en proximidad al objeto que detectan la energía emitida por el o por cada uno de los transductores y generan señales en respuesta a aquélla; y un procesador (30) de señales que recibe y procesa las señales de los detectores para determinar las coordenadas del objeto mediante el cálculo, en base a las señales, de tres componentes vectoriales de la posición del objeto 14, caracterizado porque, en base a las señales, también el procesador (30) de señales calcula tres componentes vectoriales de la orientación angular del objeto (14).
Description
Detección de la posición basada en la emisión de
ultrasonidos.
La presente invención se refiere en general al
campo de los sistemas de detección y concretamente al campo de los
sistemas para determinar la posición de un objeto dentro del cuerpo
humano.
En muchos procesos operatorios médicos se
insertan en el cuerpo de un paciente sondas, como por ejemplo
endoscopios y catéteres. En la técnica son conocidos diversos
procedimientos para determinar la situación de estos dispositivos
médicos insertados. La representación por rayos X es el sistema de
confirmación de la situación más comúnmente utilizada. Los sistemas
de determinación de la posición pueden también utilizarse con este
fin.
La detección de la posición intracorporal por
ultrasonido es sobradamente conocida. Algunos sistemas de este tipo
requieren un transductor activo situado dentro del catéter,
genéricamente en o adyacente al extremo distal del catéter,
conectado por cables a una consola situada fuera del cuerpo. El
transductor o bien recibe las ondas ultrasónicas procedentes de
emisores situados fuera del cuerpo o bien irradia las ondas
ultrasónicas hasta unos receptores situados fuera del cuerpo. Otros
sistemas ultrasónicos utilizan un receptor de ultrasonido pasivo
situado dentro del catéter que proporciona una fuerte reflexión de
ondas ultrasónicas que irradian el cuerpo sin necesidad de instalar
cables a través del catéter. Estos sistemas pasivos crean
necesariamente un fuerte campo de radiación ultrasónica contra el
cual debe encontrarse la posición del reflector.
La Patente estadounidense 3.713.133 de Nathans,
describe un sistema de prevención de robos en el cual un cristal
piezoeléctrico que tiene una frecuencia de resonancia es
incorporado dentro de un dispositivo que se fija luego a los
elementos individuales situados dentro de un comportamiento de
almacenaje. Cuando una señal de radiofrecuencia (RF) con una
frecuencia igual a la frecuencia de resonancia del cristal golpea
el cristal, se produce un gradiente del campo eléctrico oscilante a
través de la cara del cristal en la frecuencia de RF irradiada, y
dos miembros de lámina de estaño montados sobre el cristal vibran,
emitiendo ultrasonido. La detección del ultrasonido bajo
condiciones apropiadas produce una alarma, indicativa de un intento
de retirar el elemento del almacén sin autorización.
La Patente estadounidense 3.713.133 describe
también un pequeño diafragma de metal delgado que tiene una
frecuencia vibratoria de resonancia. Cuando el diafragma es
irradiado con un campo de ultrasonido en o cerca de la frecuencia
de resonancia, el diafragma vibra en esa frecuencia. Un campo de RF
irradia el diafragma a una frecuencia sustancialmente más alta, y la
vibración del diafragma inducida por el campo de ultrasonido modula
el campo de RF. Esta modulación es detectada por un transductor de
RF, que activa una alarma. Estos sistemas no proporcionan
información específica que describa la situación del elemento, sino
únicamente que el elemento ha entrado en un área de detección
(normalmente cerca de una salida del compartimiento de
almacenaje).
La Patente estadounidense 5.798.693 describe un
sistema de localización de objetos que tiene un fundamento muy
similar al mecanismo contenido en la Patente estadounidense
3.713.133 anteriormente indicada.
La Publicación de la Patente PCT WO 96/05768 de
Ben-Haim et al., describe un sistema de
localización para determinar la situación y orientación del
instrumento médico invasivo en el cual un campo de RF aplicado
externamente induce una corriente dentro de tres bobinas situadas
dentro del instrumento médico invasivo. Se requieren cables o
alguna otra forma de conductores físicos para llevar esta señal
inducida desde el catéter hasta un procesador de señales situado
dentro de un espacio extracorporal. El procesador analiza la señal
para calcular la situación y orientación del instrumento médico
invasivo.
La Patente estadounidense 5.522.869 de Burdette
et al., y la Patente estadounidense 5.549.638 de Burdette,
describen un dispositivo de ultrasonido para su uso en un aparato
de termoterapia para tratar el cáncer. Para operar este
dispositivo, se disponen los transductores de ultrasonido en una
configuración cilíndrica alrededor de la zona de tratamiento, y son
activados por energía de radiofrecuencia. Las ondas de ultrasonido
resultantes calientan el tejido situado dentro de la zona de
tratamiento, produciendo de esta forma el efecto terapéutico
deseado. La energía generada por este dispositivo es, por
consiguiente, calor, y no hay indicación de la situación y
orientación de los transductores de ultrasonido individuales.
La Patente estadounidense 5.325.873 de Hirschi
et al., describe un sistema para verificar la situación de
un tubo u otro objeto insertado dentro del cuerpo. Incorpora un
circuito eléctrico de resonancia fijado al objeto que resuena con
la estimulación de un transmisor/receptor de RF de sujeción manual
exterior al cuerpo. El campo electromagnético generado debido a la
resonancia del circuito es detectado por el dispositivo de sujeción
a mano, que posteriormente enciende una serie de LEDs (diodos
electro-luminiscentes) para indicar al usuario la
dirección al objetivo. Una pantalla adicional indica cuándo el
transmisor-receptor está directamente encima del
objeto.
La Patente estadounidense 5.412.619 de Bauer,
describe un sistema para rastrear la posición tridimensional de un
objeto en movimiento. Al menos tres transmisores de ultrasonido en
posiciones conocidas envían señales que son detectadas por unas
estaciones receptoras montadas sobre el objeto en movimiento. En
cada estación, las señales detectadas son codificadas de forma
apropiada para su radio-transmisión, y un
radio-transmisor pasa la información a un ordenador
que determina la situación del objeto a través de un algoritmo de
triangulación. El sistema de la Patente 5.412.619 está
principalmente diseñado para su fijación al exterior del cuerpo
humano para permitir la determinación de las posiciones y
movimientos generales del cuerpo.
La Patente estadounidense 4.807.202 de Cherri
et al., comprende un simulador del entorno visual en el cual
tres transmisores ultrasónicos situados por separado envían señales
a cada uno de los tres receptores con el fin de monitorizar el
cambio de las coordenadas espaciales y los ángulos de orientación
del visualizador y/o de la unidad móvil que transporta el
visualizador.
En "A Portable, Real-Time,
Clinical Gait Velocity Analysis System", IEEE Transactions on
Rehabilitation Engineering, US, New York, vol. 5, no. 4, pp.
310-320
(01-12-1997), Weir, R.F. et
al. divulgan un aparato del tipo expuesto en el preámbulo de la
reivindicación 1 que se acompaña.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un sistema ultrasónico de rastreo de objetos
mejorado.
Es un objeto adicional de algunos aspectos de la
presente invención proporcionar un sistema de localización de un
catéter que está basado en la emisión de ultrasonido procedente del
extremo distal del catéter y que no requiere una conexión cableada
al extremo distal.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
aparato para determinar la posición de un objeto con respecto a un
marco de referencia de acuerdo con lo establecido en la
reivindicación 1 que se acompaña.
Aspectos adicionales de la invención se exponen
en las reivindicaciones dependientes 2 a 11 que se acompañan.
Así, las formas de realización preferentes de la
presente invención están basadas en la interacción de campos de
energía ultrasónica y electromagnética (RF). Un transductor
sensible a la RF, que tiene una frecuencia vibratoria de resonancia
de alcance ultrasónico, está fijado a un objeto y es irradiado con
un campo de energía RF. El transductor es inducido a vibrar y emite
energía, ya sea de RF o energía ultrasónica o ambas, en respuesta a
una interacción del campo de RF con la vibración. La energía emitida
es detectada y utilizada para determinar las coordenadas de
posición y/u orientación del objeto.
En algunas formas de realización preferentes de
la presente invención, el transductor emite ondas ultrasónicas en
respuesta al campo de RF que inciden sobre el mismo. Las ondas de
ultrasonido emitidas son detectadas por una pluralidad de
detectores de ultrasonido, preferentemente tres o más. Un
procesador recibe señales procedentes de los detectores de
ultrasonido y los procesa para determinar la posición y/u
orientación del objeto, empleando la triangulación, la medición del
tiempo de vuelo u otros procedimientos apropiados de determinación
de la posición, de acuerdo con lo conocido en la técnica.
Preferentemente no existe conexión alámbrica entre el transductor y
los detectores, del procesador o cualquier otro elemento del
aparato.
En algunas formas de realización preferentes, el
transductor comprende uno o más cristales piezoeléctricos, teniendo
cada uno una frecuencia de resonancia respectiva, y uno o más
miembros de papel metalizado acoplados a cada cristal. Aunque en
las formas de realización preferentes descritas en la memoria, el
transductor comprende unos miembros de papel metalizado, debe
entenderse que podrían utilizarse otros materiales conductores. Uno
o más radiadores de RF generan señales de RF en o cerca de cada una
de las frecuencias de resonancia situadas en proximidad a los
cristales, provocando que los miembros de papel metalizado vibren y
emitan ondas de ultrasonido a una frecuencia característica para
cada unidad de cristales/miembros de papel metalizado.
En una forma de realización preferente de la
presente invención, el transductor comprende tres unidades de
cristales/papeles metalizados, con sus correspondientes ejes
sustancialmente ortogonales entre sí. Cada unidad está construida y
montada de manera que su frecuencia de resonancia es diferente de
la de las otras dos unidades. En esta forma de realización, los
generadores de RF generan campos en cada una de las tres
frecuencias de resonancia, bien simultáneamente o bien en un ciclo
continuo a lo largo de las tres frecuencias. Utilizando
procedimientos conocidos en la técnica, algunos de los cuales se
describen, por ejemplo, en la publicación de la Patente PCT WO
96/05768, los tres componentes del vector de orientación angular
del objeto, así como los tres componentes del vector de posición,
son calculados en base a las señales emitidas por los detectores de
ultrasonido.
Aunque el sistema antirrobo descrito en la
Patente estadounidense 3.713.133 anteriormente referenciada utiliza
irradiación de radiofrecuencia (RF) para producir una emisión
ultrasónica de un modo similar al de la presente invención, el
sistema antirrobo únicamente es capaz de detectar la presencia o la
ausencia de un objetivo, y no puede emplearse para localizar y
rastrear un objeto.
En algunas formas de realización preferentes, el
transductor se incorpora en un instrumento médico invasivo, como
por ejemplo, un catéter, un endoscopio, un trócar, o un
laparoscopio. En una de estas formas de realización preferentes, el
transductor se fija al extremo distal de un trócar a través del cual
se hace pasar un laparoscopio en supuestos de cirugía abdominal. La
posición del extremo distal se determina para impedir sean
lesionados el intestino y los vasos sanguíneos subyacentes, en
particular la vena ilíaca común. En otra forma de realización
preferente, la situación del extremo distal cuando se inserta un
catéter Swan-Ganz dentro de la vena yugular interna,
es continuamente monitorizada con el fin de reducir la probabilidad
de lesionar mediante punción la arteria carótida o la cavidad
pleural.
En otra forma de realización preferente más, se
hace posible el emplazamiento exacto de un stent dentro de la
arteria aórtica descendente en el tratamiento de un aneurisma
aórtico mediante la incorporación de una o más unidades
transductoras dentro del extremo distal del catéter que sitúa el
stent. En esta forma de realización, saber la orientación angular
del catéter es importante además de saber su situación espacial,
debido a la necesidad de evitar la colocación del stent de manera
que bloquee las arterias lumbares que alimentan la columna
vertebral. Así mismo, dado que no se requiere conexión alámbrica
entre los transductores y otros elementos del sistema de detección
de la posición, podrían fijarse uno o más transductores al stent y
emplearse para determinar su posición y orientación, antes, durante
y después de la colocación del catéter. El uso de stents que
incorporan transductores inalámbricos se describe así mismo en la
solicitud de Patente PCT/IL97/00447, (publicada como documento WO
98/29030), que está transferida al cesionario de la presente
solicitud de patente.
En una forma de realización preferente adicional
de la presente invención, uno o más transductores se incorporan en
una sonda diseñada para destruir un tumor, permitiendo de esta
forma que el cirujano conozca la situación y orientación precisas
de la sonda con respecto a las coordenadas conocidas del tumor. Una
particular aplicación de esta forma de realización preferente es la
retirada de un tumor de la pituitaria mediante calor, frío u otros
medios. Las sondas quirúrgicas que utilizan sensores de posición se
describen, por ejemplo, en las siguientes solicitudes de Patentes
PCT: PCT/US97/02443 (publicada
\hbox{como documento} WO
97/29710), PCT/IL97/00058 (publicada como documento WO 97/29682) y
PCT/IL97/00059 (publicada como documento WO 97/29701).
A diferencia de los sistemas activos de detección
de posición en base a ultrasonido conocidos en la técnica, en la
presente invención las ondas de ultrasonido son generadas de forma
pasiva en la sonda. Este procedimiento de generación de ultrasonido
es ventajoso porque no hay necesidad de alambres que se extiendan
desde la sonda hasta, bien la fuente de energía exterior (como en
la Patente estadounidense 5.412.619) o bien unos amplificadores de
señales y a un procesador de señales (como la publicación de
patente WO 96/05768 y en la Patente estadounidense 4.807.202. Una
ventaja adicional de la generación pasiva de ultrasonido de la
invención comparada con otros procedimientos actualmente empleados
es que no hay una radicación de ultrasonido de fondo potencialmente
disruptiva creada por irradiación desde el exterior del cuerpo. La
radiación de ultrasonido en la frecuencia de resonancia proviene
solo del transductor, normalmente de la unidad de cristales/papeles
metalizados anteriormente descrita. Una ventaja derivada del muy
pequeño tamaño de la unidad, así como de la falta de utillería
requerida en el interior de la sonda, es que el instrumento médico
invasivo puede fabricarse pequeño y flexible en comparación con
otros tipos de emisores y detectores utilizados en sistemas de
detección de la posición conocidos en la técnica. Adicionalmente,
el uso de dicha sonda en un instrumento médico invasivo obvia la
exposición del paciente a una radiación ionizante potencialmente
dañosa que a menudo se emplea para determinar la situación de un
instrumento dentro del cuerpo del paciente.
En otras formas de realización preferentes de la
presente invención, el transductor comprende un diafragma que vibra
a la frecuencia de resonancia. Utilizando procedimientos similares
a los descritos en la Patente estadounidense 3.713.133, como por
ejemplo la forma de realización mostrada en la Figura 4 de la
misma, el ultrasonido con una frecuencia sustancialmente similar a
la de resonancia del diafragma, es generado por un generador de
ultrasonido en una situación conocida y se dirige en dirección a un
punto próximo al transductor. El diafragma vibra mecánicamente en
su frecuencia de resonancia en respuesta a la radiación de
ultrasonido aplicada externamente. Un campo de radiofrecuencia (RF)
de frecuencia sustancialmente más alta se genera inicialmente en
proximidad al sensor, ya sea antes o en un momento sustancialmente
igual al momento en que se inicia el campo de ultrasonido. Una
porción de radiación de RF es modulada en respuesta a la vibración
mecánica del diafragma. La señal de RF modulada es dirigida por un
detector de RF y se emplea para determinar la posición del
objeto.
En la Patente estadounidense 3.713.133, la
detección de la señal de RF modulada se utiliza para disparar una
alarma que indica que se ha detectado la presencia de un diafragma.
No se deriva ninguna información adicional de la señal de RF
modulada. De acuerdo con una forma de realización de la presente
invención, las señales de ultrasonido y de RF radiadas y detectadas
se utilizan para calcular la situación del diafragma, como se
describe más adelante en la presente memoria. Un periodo de tiempo
que empieza a partir de la iniciación de la generación de campo de
ultrasonido y que termina cuando primeramente se detecta la señal
de RF modulada en el detector de RF es sustancialmente la misma que
el "tiempo de vuelo" que el ultrasonido invierte para
atravesar la distancia desde el generador de ultrasonido hasta el
diafragma. Un procesador de señales calcula la distancia del
generador de ultrasonido hasta el diafragma en base al "tiempo de
vuelo" medido y la velocidad de sonido en el tejido. Repitiendo
este proceso utilizando, en secuencia, dos o más generadores de
ultrasonido adicionales en puntos conocidos del espacio se obtiene
la distancia del diafragma a los tres puntos conocidos, y permite
que el procesador de señales calcule la posición del objeto con
respecto a un marco de referencia externo.
En algunas formas de realización preferentes
adicionales de la presente invención, se fijan tres diafragmas no
colineales en posiciones conocidas al objeto, teniendo cada
diafragma una frecuencia de resonancia sustancialmente diferente a
la de los otros diafragmas. La situación de cada diafragma se
encuentra utilizando el procedimiento descrito anteriormente,
obteniendo mediante este cálculo la orientación angular del
sensor.
La presente invención se comprenderá más
profundamente a partir de la subsecuente descripción detallada de
las formas de realización preferentes de la misma, en combinación
con los dibujos, en los cuales:
La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un
sistema de rastreo de un catéter, de acuerdo con una forma de
realización preferente de la presente invención;
la Fig. 2A es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con una forma de realización preferente de la
presente invención;
la Fig. 2B es una ilustración de un transductor,
para su uso en el sistema de la Fig. 1, de acuerdo con una forma de
realización preferente de la presente invención;
la Fig. 2C es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con una forma de realización preferente de la
presente invención;
la Fig. 3A es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con otra forma de realización preferente de la
presente invención;
la Fig. 3B es una ilustración gráfica de los
parámetros utilizados en el cálculo de las coordinadas angulares
del catéter mostrado en la Fig. 3A;
la Fig. 4 es una vista en corte transversal del
catéter de la Fig. 3A;
la Fig. 5 es una vista ilustrativa simplificada
recortada de la Fig. 3A;
la Fig. 6 es un diagrama de bloques de la
circuitería empleada para determinar las coordenadas en seis
dimensiones del catéter mostrado en la Fig. 3A, de acuerdo con una
forma de realización preferente de la invención;
la Fig. 7 es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con otra forma de realización preferente de la
presente invención;
la Fig. 8 es una vista en corte transversal de un
transductor, tal como se utiliza dentro del extremo distal del
catéter mostrado en la Fig. 7;
la Fig. 9A es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con otra forma de realización preferente de la
presente invención; y
la Fig. 9B es una ilustración esquemática del
extremo distal de un catéter, para su uso en el sistema de la Fig.
1, de acuerdo con otra forma de realización más de la presente
invención.
La Fig. 1 es una representación esquemática de un
sistema 20 para rastrear la posición de un catéter 22 situado
dentro del cuerpo de un individuo humano o no humano, de acuerdo
con una forma de realización preferente de la presente invención.
En esta aplicación, el catéter 22 es insertado a través de un vaso
sanguíneo 18 de un paciente utilizando técnicas estándar. El catéter
22 comprende un cuerpo 14, un transductor de localización 12, y una
porción activa 10 situada en el extremo distal del catéter. La
porción activa, de acuerdo con diversas formas de realización
preferentes de la invención, puede incluir un sensor eléctrico, un
cabezal de ultrasonido, un cabezal de visualización de fibras
ópticas, un estimulador eléctrico, un ablator por láser o eléctrico,
un sensor iónico, un sensor de dióxido o carbono, un acelerómetro,
un sensor de la temperatura o la presión sanguínea, una sonda
criogénica, de los conocidos en la técnica. En general, el catéter
incluirá conductores, guías de ondas, etc, para energizar la
porción activa en respuesta a las demandas de un operador, y puede
también incluir un mecanismo de deflexión de la punta, para dirigir
el catéter por el interior del cuerpo.
La posición y/u orientación del extremo distal
del catéter se obtiene determinando la posición y/u orientación del
transductor 12, el cual preferentemente comprende de una a tres
unidades de cristales/láminas de papel metalizado, por ejemplo las
mostradas abajo en la presente memoria en las Figs. 2A, 2C y 3A.
Dichas unidades resuenan y emite una radiación ultrasónica cuando
son sometidas a una irradiación de RF de una frecuencia apropiada,
según lo descrito en la Patente estadounidense 3.713.133,
particularmente con referencia a la Fig. 4B de la misma.
La radiación de RF se inicia por las señales de
control procedentes de una unidad de control 32 las cuales hacen
que un accionador 26 del radiador de RF genere unas señales de
accionamiento. Las señales de accionamiento, a su vez, hacen que
uno o más radiadores 40,42 y 44 de RF situados fuera de una
superficie corporal 24 del paciente emita una radiación de RF. Una
representación de las señales de accionamiento es también enviada a
un procesador 30 de señales. La radiación ultrasónica procedente
del transductor de localización 12, generado por una o más unidades
de cristales/láminas de papel metalizado resonantes, sea detectada
por una pluralidad de detectores 34,36 y 38 de ultrasonido. Otros
elementos mostrados en la Fig. 1, como por ejemplo los generadores
11,13 y 15 de ultrasonido se describen más adelante con referencia
a otras formas de realización de la presente invención.
Los detectores están dispuestos de forma que el
procesador 30 de señales pueda utilizar las entradas que comprendan
la representación de las señales y mediciones de accionamiento
procedentes de los detectores 34,36 y 38 en la realización de un
algoritmo de triangulación, del modo conocido en la técnica para
calcular la posición del transductor de localización 12. Los
detectores 34,36 y 38 pueden estar dispuestos en cualquier posición
y orientación convenientes, pero es preferente que a) estén fijados
con relación a algún marco de referencia; b) no se solapen, esto
es, que no haya dos detectores con la localización y orientación
idénticas; c) los detectores no estén situados de forma colinear; y
d) los dos detectores y el transductor de localización no sean en
ningún momento colineales.
Debe entenderse que el emplazamiento de los
detectores 34,36 y 38 y el número de unidades de resonancia que van
a incorporarse en el transductor de localización 12 variará de
acuerdo con cada aplicación de la invención. En particular, algunas
aplicaciones preferentes de la presente invención requieren un
preciso conocimiento de la orientación del catéter (por ejemplo en
la ablación por láser), mientras que otras sólo requieren
conocimiento de la posición del catéter (por ejemplo colocación de
un tubo en el tracto gastrointestinal).
Las señales ultrasónicas generadas por el
transductor 12 son transducidas por los detectores 34,36 y 38 en
señales eléctricas que pasan al procesador 30 de señales, bien en
forma analógica o digital. El procesador 30 de señales procesa las
salidas de los detectores para calcular la posición y orientación
del transductor de localización 12, y transmite esta información al
monitor de pantalla 28 y/o a la unidad de control 32.
En la práctica, el extremo activo del catéter
puede utilizarse para reunir información, como por ejemplo
información del eco de ultrasonido, información de actividad
eléctrica, etc.; y ocasionalmente para efectuar determinadas
intervenciones en las arterias (o venas) u otro tejido dentro de una
cámara orgánica 16 que comunica con la arteria (o vena). Ejemplos
concretos de cámaras orgánicas son las cámaras del corazón, el
cerebro o el tracto gastrointestinal.
Hacemos ahora referencia a las Figs. 2A y 2B. La
Fig. 2A es una ilustración esquemática del extremo distal del
catéter 22 de acuerdo con una forma de realización preferente de la
presente invención. En esta forma de realización, el transductor 12
comprende una unidad 112 de cristal/láminas de papel metalizado,
mostrada en detalle en la Fig. 2B, la cual comprende un cristal
piezoeléctrico 52 y unos miembros de lámina de papel metalizado 92 y
93 acoplados al cristal 52. La unidad 112 de cristal/láminas de
papel metalizado está montado dentro del cuerpo 14 del catéter de
forma que un eje geométrico 53 de la unidad 112 es paralelo a un
eje geométrico longitudinal del catéter. Como se describe en la
Patente estadounidense anteriormente mencionada 3.713.133, el campo
de RF producido por el radiador 40 de RF provoca la resonancia
ultrasónica en la unidad 112 de cristal/láminas de papel metalizado.
Los radiadores 42 y 44 no necesitan en general ser utilizados en
esta forma de realización preferente. En respuesta al campo de RF,
la unidad 112 emite una radiación acústica, que es detectada por
los detectores 34,36 y 38, cada uno de los cuales envía las señales
correspondiente a aquella hacia el procesador 30 de señales.
El procesador de señales preferentemente emplea
el tiempo de iniciación de la señal de accionamiento hacia el
radiador 40 de RF, el tiempo de llegada en cada detector de la
radiación acústica procedente de la unidad 112, y la velocidad de
sonido en el tejido, para determinar las distancias desde la unidad
112 hasta cada uno de los detectores. El tiempo de iniciación de
una señal de accionamiento es sustancialmente el mismo tiempo que
cuando la radiación acústica abandona una unidad de cristal/láminas
de papel metalizado, de forma que el procesador de señales calcula
el "tiempo de vuelo" de la radiación acústica desde la unidad
112 hasta cada uno de los detectores, y multiplica cada uno de
estos tiempos por la velocidad de sonido en el tejido para obtener
las distancias desde la unidad 112 hasta cada detector. Con estas
distancias, el procesador 30 de señales calcula las coordenadas de
posición tridimensionales del transductor 12 con respecto a un
marco de referencia, empleando conocimientos conocidos en la
técnica.
La Fig. 2C es una ilustración esquemática del
extremo distal del catéter 22, de acuerdo con otra forma de
realización preferente de la presente invención. En esta forma de
realización preferente, los ejes mayores 63 y 65 de las dos unidades
114 y 116 de cristal/láminas de papel metalizado forman un todo
continuo con el eje geométrico longitudinal del catéter. La unidad
114 comprende un cristal piezoeléctrico 62 el cual tiene una
frecuencia de resonancia, un primer miembro de lámina de papel
metalizado 94 acoplado a un primer lado del cristal 62, y un
segundo miembro de lámina de papel metalizado (no mostrado)
acoplado a un segundo lado del cristal 62. La unidad 116 comprende
un cristal piezoeléctrico 64 el cual tiene una frecuencia de
resonancia sustancialmente diferente a la del cristal 62, un primer
miembro de lámina de papel metalizado 96 acoplado a un primer lado
del cristal 64, y un segundo miembro de lámina de papel metalizado
(no mostrado) acoplado a un segundo lado del cristal piezoeléctrico
64. Preferentemente, las dimensiones físicas y/o la rigidez de los
miembros de lámina de papel metalizado acoplados al cristal 62 son
en consonancia sustancialmente diferentes a las del cristal 64.
Utilizando procedimientos descritos más adelante en la presente
memoria, las emisiones de ultrasonido procedentes de las unidades
114 y 116 de cristal/láminas de papel metalizado son distinguidas
por el procesador 30 de señales, y la situación espacial de cada
unidad es determinada con respecto a un marco de referencia. El
cálculo de las coordenadas de posición tridimensional de cada una de
las unidades 114 y 116 determinan tanto la situación del catéter
como la orientación de su eje geométrico longitudinal.
Las Figs. 3A, 4, y 5 son ilustraciones
esquemáticas del extremo distal del catéter 22, en vistas lateral,
en corte e isométrica, respectivamente, de acuerdo con otra forma
de realización preferente de la presente invención. En esta forma
de realización preferente, el transductor 20 comprende tres unidades
118,120 y 122 de cristal/láminas de papel metalizado, en la que
cada unidad comprende un cristal piezoeléctrico y dos miembros de
lámina de papel metalizado de acuerdo con lo descrito más arriba en
la presente memoria. Las respectivas frecuencias de resonancia de
las unidades 118,120 y 122 son sustancialmente diferentes entre sí,
alcanzándose las diferentes frecuencias de resonancia empleando
procedimientos similares a los utilizados en la forma de realización
mostrada en la Fig. 2C. Preferentemente, las unidades 118,120 y 122
de cristal/láminas de papel metalizado, tienen unos ejes
sustancialmente ortogonales entre sí 55,57 y 59, respectivamente,
con el eje geométrico 55 paralelo aunque no necesariamente colineal
con el eje geométrico longitudinal del catéter 22. En esta forma de
realización, las diferencias en uno o más aspectos de las señales
recibidas procedentes de cualquier unidad concreta de
cristal/láminas de papel metalizado (por ejemplo fuerza de las
señales o cadencia de las señales) como son detectadas por los
detectores 34,36 y 38, son utilizadas para calcular un componente
del vector de orientación angular del catéter, según lo descrito
más abajo.
La Fig. 3B muestra los parámetros de acuerdo con
los cuales se calcula la orientación angular de la unidad 118 de
cristal/láminas de papel metalizado de la Fig. 3A a partir de las
ondas de ultrasonido detectadas. En este ejemplo, el transductor 12
se presume que está situado dentro del tejido cuyas propiedades
acústicas son sustancialmente homogéneas y isotrópicas, y en el que
las propiedades de emisión de la unidad de cristal/láminas de papel
metalizado son tales que la medición de la magnitud de la radiación
acústica emitida desde la unidad varía como una función
f(_{i}), donde _{i} es el ángulo formado entre los
vectores n y d_{i}, siendo n el eje
geométrico ortogonal de la unidad, y siendo d_{1} (i = 1,
2, ó 3) un vector que se extiende desde el centro de la unidad a
uno de los detectores 34,36, ó 38, respectivamente.
Preferentemente, el procedimiento Newton-Raphson u
otro algoritmo de iteración múltiple utiliza la localización
conocida de la unidad (determinada, por ejemplo, según lo antes
descrito) y las mediciones m_{1}, m_{2}, y m_{3} de la
magnitud de la radiación procedente de la unidad efectuada por cada
uno de los tres detectores para encontrar n, el eje geométrico de
la unidad.
El proceso iterativo para encontrar n
comprende preferentemente aventurar un vector inicial v,
determinar los ángulos _{1}, _{2}, y _{3} entre v y
cada uno de los tres vectores d_{1}, d_{2}, y
d_{3}, y calcular una función de error E(v) basada
en hasta que punto se ajustan a
f(_{i}) las mediciones m_{1}, m_{2}, y m_{3} hechas en los ángulos _{1}, _{2}, y _{3}. Empleando procedimientos bien conocidos en la técnica, los sucesivos refinamientos de v producen una estimación sustancialmente equivalente a n, el eje geométrico ortogonal de la unidad. La ejecución de este cálculo por las unidades 118,120 y 122 de cristal/láminas de papel metalizado es suficiente para determinar por completo la orientación angular del catéter.
f(_{i}) las mediciones m_{1}, m_{2}, y m_{3} hechas en los ángulos _{1}, _{2}, y _{3}. Empleando procedimientos bien conocidos en la técnica, los sucesivos refinamientos de v producen una estimación sustancialmente equivalente a n, el eje geométrico ortogonal de la unidad. La ejecución de este cálculo por las unidades 118,120 y 122 de cristal/láminas de papel metalizado es suficiente para determinar por completo la orientación angular del catéter.
En algunas formas de realización preferente de la
presente invención, una superficie de cada unidad cristal/láminas
de papel metalizado está acoplado a un absorbedor del ultrasonido
(no mostrado), que es sustancialmente opaco al ultrasonido, para
atenuar sustancialmente la radiación de ultrasonido emitida en la
dirección del absorbedor. El procesador 30 de señales integra la
presencia del absorbedor adoptando cálculos que determinen la
orientación angular del catéter que emplea el procedimiento
presentado con anterioridad, con el fin de distinguir entre las
posibles orientaciones reflejadas del catéter que podrían producir
las mismas mediciones de los detectores.
Preferentemente, como se muestra en la Fig. 4,
las unidades 118,120 y 122 de cristal/láminas de papel metalizados,
son colineales. En este caso, determinando la situación absoluta de
los tres puntos conocidos sobre o dentro de un objeto sólido, la
orientación angular de un objeto puede también calcularse en lugar
de o además del cálculo de orientación anteriormente mencionado
basado en la magnitud de la señal emitida desde cada unidad de
cristal/láminas de papel metalizado. Estos dos procedimientos pueden
utilizarse conjuntamente para incrementar la precisión y
fiabilidad del cálculo de la orientación angular del catéter.
fiabilidad del cálculo de la orientación angular del catéter.
Para la mayoría de los aspectos de la presente
invención es necesaria la medición cuantitativa de la posición y/u
orientación del extremo distal del catéter 22 con respecto a un
marco de referencia. Esto requiere:
al menos dos unidades de cristal/láminas de papel
metalizado que no se superpongan, las cuales generen al menos dos
señales ultrasónicas distinguibles, siendo las posiciones y
orientaciones de las unidades conocidas entre sí y con respecto al
catéter;
al menos un radiador 40 de RF que genere el campo
que provoca que las unidades resuenen; y
al menos tres detectores no colineales que no se
superpongan 34,36 y 38, capaces de detectar y transducir la
información sobre el tiempo, la magnitud, la frecuencia y/o la fase
de las ondas de ultrasonido en los puntos fijados donde cada uno de
los detectores está situado.
En una forma de realización preferente de la
invención, las unidades 118,120 y 122 de cristal/láminas de papel
metalizado tienen cada una longitud máxima de 0,3 mm a 3,0 mm. Debe
entenderse que estas dimensiones pueden variar considerablemente y
son únicamente representativas de una extensión preferente de las
dimensiones.
La Fig. 6 es un diagrama de bloques que muestra
una circuitería 84 utilizada en el cálculo de la posición del
transductor de localización 12, de acuerdo con la forma de
realización preferente de la presente invención mostrada en la Fig.
3A. En esta forma de realización, los radiadores 40,42 y 44 de RF;
las unidades 118,120 y 122 de cristal/láminas de papel metalizado
(mostradas en la Fig. 3A); y los detectores 34,36 y 38, se utilizan
para determinar las coordenadas de seis dimensiones del transductor
de localización 12. La unidad de control 32 utiliza unos
conversores D/A 60,62 y 64 para generar tres ondas senoidales de
tres frecuencias diferentes que constituyen por separado entradas
de energía para los amplificadores 66,68 y 70 de señales. El
accionador 26 del radiador de RF cuya salida comprende las salidas
de los amplificadores 66,68 y 70, genera unas señales que provocan
que los radiadores 40,42 y 44 de RF radien a frecuencias que
provocan que las unidades de cristal/láminas de papel metalizado
118,120 y 122, respectivamente, resuenen y emitan radiación
acústica. Alternativamente uno o más radiadores de RF transmiten
una señal que incluye todos los componentes de
\hbox{frecuencia apropiados.}
La radiación acústica emitida por cada una de las
unidades 118,120 y 122 situadas dentro del transductor 12 es
detectada por cada uno de los detectores, que emite señales en
respuesta a aquellas a los amplificadores 78,80 y 82. Los
amplificadores transportan entonces las señales amplificadas que
representan la radiación acústica detectada hasta el procesador 30
de señales. Empleando procedimientos conocidos en la técnica, por
ejemplo una Trasformada Fourier Rápida de las señales de los
detectores, el procesador 30 de señales calcula para cada detector
los componentes de la señal procedentes de cada una de las unidades
118,120 y 122. Alternativamente tiene lugar la irradiación en las
frecuencias apropiadas en un ciclo repetido a lo largo de cada
frecuencia, de forma que cada procesador 30 de señales efectúa en
secuencia los cálculos de posición y orientación para
\hbox{cada unidad.}
La unidad de control 32 comprende un conjunto de
componentes para llevar a cabo las funciones perseguidas. Por
ejemplo, dichos componentes pueden recibir información o señales,
procesar información, funcionar como controlador, representar
información sobre un monitor 28 y/o generar información o señales.
Normalmente la unidad de control 32 comprende uno o más
microprocesadores.
La Fig. 7 es una ilustración esquemática del
transductor de localización 12 que comprende una etiqueta 140, de
acuerdo con otra forma de realización de la presente invención. La
etiqueta 140 comprende un diafragma 144 que tiene una frecuencia de
resonancia y un marco 142 que está acoplado a un borde del diafragma
144 de forma que el diafragma está firmemente montado y listo para
vibrar. Preferentemente, el diafragma 144 comprende una película de
metal.
La Fig. 8 muestra una vista en corte transversal
de la etiqueta 140. Aunque las Figs. 7 y 8 muestran una forma de
realización preferente en la cual puede estar montado el diafragma
144 dentro del marco 142 debe entenderse que también son posibles
otras disposiciones. Por ejemplo, en otras formas de realización
preferentes (no mostradas en las figuras) un borde del diafragma
está acoplado al marco, y un borde opuesto del diafragma queda
libre para vibrar.
Con referencia de nuevo a las Figs. 1 y 7, el
ultrasonido con una frecuencia sustancialmente similar a la
frecuencia de resonancia del diafragma 144 se genera fuera de la
superficie 24 del cuerpo de un paciente mediante un generador 11 de
ultrasonido situado en una ubicación conocida y es dirigido hacia
una posición próxima al transductor de localización 12. El
diafragma vibra mecánicamente en su frecuencia de resonancia en
respuesta a la radiación de ultrasonido aplicada externamente. El
radiador 40 de RF empieza a generar un campo de RF a una frecuencia
sustancialmente más elevada que la frecuencia de resonancia antes o
en un momento sustancialmente igual al momento en el que se inicia
la generación del campo de ultrasonido. Una porción de radiación de
RF incidente sobre la etiqueta 144 es modulada en respuesta a la
vibración mecánica del diafragma. Un detector 17 de RF situado fuera
de la superficie corporal del paciente detecta la radiación de RF,
y el procesador 30 se para y detecta una señal de RF modulada
procedente del transfondo de RF no modulado.
Debe apreciarse que aunque se muestra un
generador 11 de ultrasonido, como separado de los detectores 34,36
y 38, por razones de claridad, el mismo tipo de elemento puede
utilizarse para ambas funciones. De modo similar, los detectores
40,42 y/o 44 de RF, pueden también desarrollar la función del
detector 17 de RF.
El periodo de tiempo que comienza con la
iniciación de la generación del campo de ultrasonido y que termina
cuando la señal de RF modulada se detecta por primera vez en el
detector de RF es sustancialmente el mismo que la extensión de
tiempo que invierte el ultrasonido para atravesar la distancia desde
el generador de ultrasonido hasta el diafragma. El procesador 30 de
señales con unas entradas que se corresponden con los campos de RF
y del ultrasonido externamente aplicados y con la señal de RF
detectada, calcula la distancia desde el generador de ultrasonido
hasta el diafragma en base al "tiempo de vuelo" medido y a la
velocidad del sonido en el tejido. La repetición de este proceso
utilizando, en secuencia, dos generadores de ultrasonido adicionales
13 y 15, situados en puntos conocidos del espacio, da como
resultado la distancia desde el diafragma hasta tres puntos
conocidos, y permite que el procesador de señales calcule la
situación del transductor con respecto a un marco de
referencia.
La Fig. 9A muestra una forma de realización
preferente de la presente invención en la cual el transductor de
localización 12 comprende dos etiquetas 160 y 170, cuyos ejes 166 y
176 están genéricamente alineados con el eje geométrico longitudinal
del catéter. Las etiquetas 160 y 170 comprenden unos diafragmas 164
y 174, respectivamente, los cuales tienen diferentes secuencias de
resonancia. Empleando procedimientos similares a los anteriormente
descritos, se calcula la situación de cada diafragma, y de este modo
se determina la orientación angular del eje geométrico longitudinal
del catéter.
La Fig. 9B muestra una ilustración esquemática de
otra forma de realización preferente de la presente invención, en
la cual el transductor de localización 12 comprende tres etiquetas
no colineales 190,200 y 210, fijadas al transductor en posiciones
conocidas. Las etiquetas 190,200 y 210, comprenden unos diafragmas
194,204 y 214, respectivamente, teniendo cada diafragma una
frecuencia de resonancia sustancialmente diferente de la de los
otros diafragmas. En esta forma de realización, la situación de
cada diafragma se encuentra utilizando el procedimiento
anteriormente descrito, produciendo de este modo dicho cálculo la
orientación angular del transductor.
Aunque en la exposición anterior se han descrito
formas de realización preferentes con referencia a un catéter, debe
entenderse que los principios de la presente invención pueden
utilizarse también en la detección de la posición y/u orientación
de otros tipos de objetos. Las formas de realización preferentes se
exponen a modo de ejemplo, y el ámbito total de la invención está
únicamente limitada por las reivindicaciones.
Claims (11)
1. Aparato (20) para determinar la posición de un
objeto (14) con respecto a un marco de referencia, que
comprende:
al menos un generador (40,42,44) del campo, que
genera un campo electromagnético en proximidad al objeto;
al menos un transductor (12), que está fijado al
objeto y que vibra a una frecuencia vibratoria predeterminada y
emite energía, en respuesta a una interacción con el mismo del
campo electromagnético;
uno o más detectores (34,36,38) en proximidad al
objeto que detectan la energía emitida por el o por cada uno de los
transductores y generan señales en respuesta a aquélla; y
un procesador (30) de señales que recibe y
procesa las señales de los detectores para determinar las
coordenadas del objeto mediante el cálculo, en base a las señales,
de tres componentes vectoriales de la posición del objeto 14,
caracterizado porque, en base a las señales, también el
procesador (30) de señales calcula tres componentes vectoriales de
la orientación angular del objeto (14).
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que no hay sustancialmente conexión alámbrica al o a cada
transductor (12).
3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el procesador (30) de señales procesa las señales de los
detectores para determinar un tiempo de vuelo de la energía
acústica indicativa de una distancia del o de cada transductor (12)
desde al menos un punto conocido en el marco de referencia.
4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en
el que el al menos un transductor (12) comprende dos o más
transductores (112,114,116,118,120,122), que vibran a frecuencias
respectivas sustancialmente diferentes, y en el que el procesador
de señales procesa las señales de los detectores en respuesta a
diferentes frecuencias.
5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en
el que el procesador (30) de señales determina la distancia desde
el al menos un punto fijado hasta los dos o más transductores
(112,114,116,118,120,122) para determinar la orientación angular
del objeto (14).
6. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, y
que comprende uno o más generadores de ultrasonido (11,13,15) que
emiten ultrasonido a frecuencias sustancialmente similares a la
frecuencia del o de cada transductor (12) para hacer que el
transductor vibre.
7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el uno o más detectores (34,36,38) detectan una modulación
del campo electromagnético en respuesta a la vibración del o de
cada transductor (12).
8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el al menos un generador (40,42,44) del campo comprende uno
o más generadores del campo de radiofrecuencia (RF), y en el que el
uno o más transductores (112,114,116,118,120,122) vibran y emiten
radiación de ultrasonido en respuesta al campo de RF.
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en
el que el uno o más detectores (34,36,38) comprenden una pluralidad
de detectores de ultrasonido, situados en posiciones conocidas
dentro del marco de referencia, los cuales reciben la radiación de
ultrasonido emitida por el uno o más transductores
(112,114,116,118,120,122).
10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 8,
en el que el uno o más transductores comprenden una pluralidad de
transductores (112,114,116,118,120,122) que tienen frecuencias
respectivas diferentes, y en el que los generadores del campo de RF
generan campos a diferentes frecuencias respectivas,
correspondientes a las diferentes frecuencias de los
transductores.
11. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el objeto (14) comprende un
instrumento médico invasivo, y en el que el procesador (30) de
señales determina las coordenadas del instrumento dentro del cuerpo
de un sujeto.
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