ES2242213T3

ES2242213T3 - Sistema de localizacion con secuencias de activacion de campos.

Info

Publication number: ES2242213T3
Application number: ES97908667T
Authority: ES
Inventors: David E. Acker
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2005-11-01
Anticipated expiration: 2017-02-24
Also published as: AU704129B2; EP0886757B1; CA2247441C; CA2247441A1; IL125909A0; EP0886757A4; US6211666B1; JP4141500B2; JP2000506264A; DE69733341D1; WO1997032179A1; DE69733341T2; AU2051997A; EP0886757A1

Abstract

SE PRESENTAN UN METODO Y UN SISTEMA PARA ACCIONAR UN SISTEMA DE UBICACION PARA UBICAR OBJETOS EN UN ESPACIO, TAL COMO INSTRUMENTOS MEDICOS (16) DENTRO DEL CUERPO DE UN PACIENTE. EL METODO CONSISTE EN ACCIONAR CICLICAMENTE UNOS TRANSMISORES (10A, 10B, 10C) QUE HAY DISPUESTOS EN UN BASTIDOR FIJO DE REFERENCIA PARA LA TRANSMISION DE CAMPOS MAGNETICOS A UNA PLURALIDAD DE UNIDADES DE DETECCION (54A, 54B, 54C). LAS UNIDADES DE DETECCION DETECTAN LAS CARACTERISTICAS DE LOS CAMPOS DURANTE LAS SECUENCIAS DE ACCIONAMIENTO PARA DETERMINAR LA UBICACION. AL MENOS UN TRANSMISOR SE PUEDE ACCIONAR DURANTE AL MENOS ALGUNO DE LOS CICLOS SEGUN UNA SECUENCIA DE ACCIONAMIENTO DE MULTIPLES VALORES PARA OBTENER UN CAMPO CON UNAS INTENSIDADES DEL CAMPO DIFERENTES DURANTE UNA SECUENCIA DE VARIOS INTERVALOS DE DETECCION, Y CON UN VALOR DE INTENSIDAD DEL CAMPO DE VARIACION PROGRESIVA DURANTE LOS INTERVALOS DE TRANSICION ENTRE LOS INTERVALOS DE DETECCION.

Description

Sistema de localización con secuencias de activación de campos.

Campo técnico

Se han propuesto diversos sistemas para la detección de la posición y/o la orientación de un objeto con la utilización de campos magnéticos o electromagnéticos. Estos sistemas emplean típicamente transmisores de campo, tales como bobinas electromagnéticas, dispuestas en posición conocida en un chasis de referencia fijo, y un sensor, tal como una bobina u otro transductor montado en el objeto que ha de ser localizado. Cada transmisor proyecta un campo que varía en el espacio en el chasis de referencia fijo. El patrón de variación en el espacio para cada transmisor, es diferente al patrón de cada uno de los otros transmisores. Por ejemplo, los transmisores pueden ser idénticos cada uno con los otros, pero estar dispuestos en diferentes posiciones, o con orientaciones diferentes. Estos patrones de campo de los transmisores, están así desplazados o girados cada uno en relación con el otro, y en relación con el chasis de referencia fijo. El sensor dispuesto en el objeto, incluye uno o más elementos de detección para detectar los parámetros del campo que predomina en la posición del objeto, tal como, por ejemplo, la magnitud y/o la dirección del campo en el objeto, o las magnitudes de las componentes individuales del campo en el objeto en una o más direcciones locales preseleccionadas definidas con referencia al sensor. Los transmisores pueden estar accionados según una secuencia predeterminada, de modo que, en cada momento, solamente se encuentra activo un transmisor, y por lo tanto el campo que predomina en el objeto es solamente el campo aportado por un transmisor, más un campo residual debido al campo magnético terrestre y a otras fuentes ambientales. En base a los parámetros de los campos detectados procedentes de los transmisores individuales, y al patrón de variación conocido del campo procedente de cada transmisor, un sistema de ordenador calcula la posición y la orientación del sensor, y con ello la posición del objeto portador del sensor, en el chasis de referencia fijo de los transmisores. Según una variante de este sistema, el objeto que ha de ser localizado porta el transmisor o transmisores, mientras que se ha dispuesto una pluralidad de elementos de detección en diversas posiciones u orientaciones en el chasis de referencia fijo. La posición y/o la orientación del objeto, se deduce a partir de señales que representan los parámetros del campo predominante en los diversos sensores.

Sistemas de este tipo han sido descritos en las Patentes estadounidenses núms. 4.849.692, 4.642.786, 4.710.708, 4.613.866 y 4.945.305. Se pueden utilizar sistemas de acuerdo con este diseño general para proporcionar una capacidad espacial de entrada tridimensional para un ordenador. Otro sistema de este tipo se encuentra descrito en la publicación de Patente internacional núm. WO 94/04938. En la publicación '938, el objeto que debe ser localizado puede ser un endoscopio médico, de modo que la posición y/o la orientación de la punta del endoscopio pueden ser determinadas mientras el sensor se encuentre dispuesto en el interior del cuerpo de un paciente médico. Otros sistemas para localizar instrumentos médicos tales como endoscopios y catéteres, basados en campos transmitidos, se encuentran descritos en las Patentes estadounidenses núms. 5.042.486, 5.099.845, 5.211.165, 5.251.635, 5.253.647, 5.255.680, 5.265.610 y 5.391.199.

La Patente estadounidense núm. 4.560.930 describe un sistema de medición de distancia con la utilización de bobinas generadoras de campo magnético ortogonal. Los campos magnéticos generados son detectados con la utilización de bobinas sensoras, cuyas salidas son amplificadas con ganancia variable que depende de las salidas del sensor.

Los elementos de detección típicos tienen gamas operativas limitadas. Por ejemplo, un elemento de detección tal como un dispositivo magneto-resistivo o de efecto Hall, adaptado para proporcionar una señal eléctrica que representa la magnitud de una componente de campo magnético en una dirección particular, proporciona típicamente señales más seguras cuando la magnitud de la componente de campo cae dentro de una franja relativamente estrecha. Según se describe en la solicitud de Patente estadounidense en tramitación, U.S. Serial núm. 08/476.380, y en la solicitud PCT núm. PCT/US 96/08411, tituladas "Sistema de localización magnética con control de realimentación adaptativo", cuyas descripciones se incorporan aquí como referencia, se puede proporcionar un sistema de localización magnética con control de realimentación, para ajustar la actuación de los transmisores de campo en respuesta a las señales procedentes de los elementos de detección. Por ejemplo, un sistema de localización puede incorporar varios sensores multi-elemento, incluyendo cada uno de ellos varios elementos de detección diferentes para detectar componentes de campo en varias direcciones diferentes. Cada uno de los sensores puede estar montado en un objeto diferente. Por ejemplo, un sensor puede estar montado en un instrumento médico, mientras que otro sensor puede estar montado en el cuerpo del paciente, de modo que el sistema puede rastrear las posiciones del instrumento y del cuerpo simultáneamente. En caso de un primer sensor que esté cerca de una primera bobina transmisora de campo, y lejos de un segunda bobina transmisora de campo, y ambas bobinas sean accionadas de la misma manera para producir campos de igual magnitud global, las magnitudes de todas las componentes de campo magnético detectadas por los elementos sensores serán más altas durante la actuación de la primera bobina que durante la actuación de la segunda bobina. Para un sensor similar dispuesto en posición adyacente a la segunda bobina y alejado de la primera bobina, las señales serán más altas durante la actuación de la segunda bobina.

De acuerdo con las realizaciones preferidas de la solicitud 08/476.380, la actuación de las bobinas está controlada en respuesta a las señales procedentes de los elementos de detección, con el fin de mantener las componentes de campo en el elemento de detección dentro de las franjas deseadas. Algunos sistemas descritos en la solicitud 08/476.380 operan cíclicamente. Durante cada ciclo operativo, cada bobina es activada durante una pluralidad de intervalos de detección separados. Durante cada intervalo de detección, un sensor está activado y los otros sensores están inactivos. Por ejemplo, en caso de que un sistema incluya dos sensores 1 y 2, y tres bobinas denominadas A, B y C, el ciclo puede incluir un primer intervalo de detección A1 en el que la bobina A está activada y el sensor 1 está operativo para adquirir una señal, seguido de un segundo intervalo de detección A2 en el que la bobina A está activada y el sensor 1 está operativo, y así sucesivamente, de modo que el ciclo oval incluye los intervalos A1, A2, B1, B2, C1, C2. Durante cada ciclo, las señales adquiridas desde el sensor 1 en el ciclo previo, se utiliza para ajustar las corrientes aplicadas a las diferentes bobinas en intervalos A1, B1 y C1, mientras que la señal adquirida procedente del sensor 2 en el ciclo previo, se utiliza para ajustar las corrientes aplicadas en los intervalos A2, B2, C2. De este modo, la magnitud del campo magnético que alcanza al sensor 1 durante los intervalos A1, B1, C1, se mantendrá dentro de la gama operativa del sensor 1, mientras que la magnitud del campo magnético que alcanza al sensor 2 durante los intervalos A2, B2, C2 se mantendrá dentro de la gama operativa del sensor 2. Un sistema de ordenador de control mantiene el rastreo de las corrientes utilizadas durante cada ciclo, y con ello las magnitudes de los campos magnéticos aplicados por cada bobina. Esta información se descompone en ecuaciones utilizadas para extraer información de la posición y orientación para cada sensor, a partir de las lecturas de los elementos de detección. La corriente real aplicada a cada bobina durante cada intervalo de detección, variará con la posición del sensor asociado a ese intervalo.

Cuando se utilizan más sensores, se pueden añadir más intervalos de detección al ciclo. El número de intervalos de detección en el ciclo total puede ser igual al producto del número de sensores por el número de bobinas. También, en un sistema conforme a una mejora adicional que también enseña la solicitud 08/476.380, se pueden prever intervalos de detección separados, y establecimientos de corrientes de bobina separados, para cada uno de los elementos de detección en un sensor multi-elemento. De este modo, la intensidad de campo magnético proporcionada por cada bobina, se ajusta por separado para cada elemento de detección, de modo que la componente de campo en la dirección asociada a un elemento de detección particular, estará dentro de la gama deseada de ese elemento. En un sistema de ese tipo, el número de intervalos de detección puede ser igual a un número de veces los elementos de detección individuales del número de bobinas.

El uso de un control de realimentación conforme a esas realizaciones de la solicitud 08/476.380, proporciona mejoras significativas en cuanto a precisión, y permite el uso de sensores que tienen una gama operativa limitada, pero que proporcionan otras ventajas significativas tales como la compacidad. Sin embargo, se precisa un tiempo apreciable para aumentar la corriente en cada bobina hasta el nivel de corriente deseado al principio de cada intervalo de detección. El tiempo requerido para que se incremente la corriente, se conoce comúnmente como "tiempo de subida". También, cuando la intensidad de campo magnético aplicada por una bobina, se incrementa o se reduce, se inducen corrientes parásitas de Foucault en los materiales eléctricamente conductores, en o cerca del sistema. Las corrientes parásitas se superponen como campos magnéticos espúreos sobre los campos que han de ser detectados. Por lo tanto, el sistema de control puede retardar la adquisición de las señales a partir de los elementos de detección durante un tiempo apreciable después de que la corriente en la bobina haya alcanzado el valor deseado para un intervalo de detección particular. Este tiempo de retardo, conocido comúnmente como tiempo de "estabilización", proporciona tiempo para que las corrientes parásitas se disipen. Debido a que el tiempo de subida y el tiempo de estabilización han sido añadidos a cada intervalo de detección en realizaciones multiplexadas-por-división-de-tiempo, que también enseña la solicitud 08/476.380, el tiempo requerido para cada ciclo ha sido apreciablemente más largo que el requerido para un ciclo comparable con una sola actuación de cada bobina. Los tiempos de ciclo más largos reducen la capacidad del sistema para mantener el rastreo de posiciones de sensor que cambian rápidamente.

En consecuencia, sería deseable proporcionar aparatos y métodos de localización mejorados, que permitan la actuación de cada transmisor a múltiples intensidades de campo durante un ciclo, pero que mitiguen los retardos ocasionados por el tiempo de subida y por el tiempo de estabilización.

Descripción de la invención

La presente invención está dirigida a esas necesidades.

Resulta posible proporcionar métodos de operación de un sistema de localización, tal como un sistema de localización magnética, que incluya al menos un transmisor, y que incluya también una pluralidad de unidades de detección adaptadas para detectar el campo a partir de ese transmisor o transmisores. Dicho de otra manera, si un transmisor particular, tal como una bobina electromagnética, debe proporcionar tres valores diferentes durante tres intervalos de detección diferentes, la bobina no se desconecta después del primer intervalo de detección. Con preferencia, la intensidad de campo magnético proporcionada por ese transmisor o bobina, se hace variar progresivamente hasta el valor requerido para el siguiente intervalo de detección, inmediatamente después del intervalo de ajus-
te.

Las intensidades de campo de detección aplicadas durante los intervalos de detección de cada secuencia actuadora de valor plural, son ordenadas progresivamente, y más preferentemente desde un valor más bajo hasta un valor más alto. De este modo, durante cada ciclo de operación, cada transmisor o bobina es activada primero con una intensidad de campo de magnitud más baja que ha de ser aplicada por ese transmisor durante ese ciclo particular; a continuación con la siguiente intensidad de campo más alta, y así sucesivamente, hasta que se alcanza la intensidad de campo más alta que ha de ser aplicada en ese ciclo por ese transmisor en el ciclo particular. Con esta disposición, el cambio de intensidad de campo que debe ser realizado durante cualquier intervalo de transición entre intervalos de detección, es siempre menor que el cambio que se requeriría para llevar el electroimán desde una condición de intensidad de campo cero o totalmente desactivada, hasta la siguiente intensidad de campo requerida. Debido a que el tiempo de subida y el tiempo de estabilización durante un cambio de intensidad de campo, están directamente relacionados con la magnitud del cambio, el tiempo de subida y el tiempo de estabilización requeridos serán considerablemente menores que el que se requeriría si el transmisor fuera conmutado a desconexión entre intervalos de detección.

En aquellos sistemas en los que la invención de la solicitud 08/476.380 emplea control de realimentación, la intensidad de campo requerida para su aplicación durante la operación de una unidad de detección particular, puede variar durante la operación del sistema. De este modo, según se aleja un sensor particular respecto a un transmisor particular, la intensidad de campo requerida para ese transmisor durante la operación de ese sensor particular se incrementará por lo general. Para albergar tales cambios, el método incluye deseablemente la etapa de reordenar automáticamente los intervalos de detección asociados a las diferentes unidades de detección, según cambian las intensidades de campo requeridas para tales intervalos de detección. De este modo, se varía el orden de operación de las unidades de detección de modo que las intensidades de campo aplicadas durante los diversos intervalos de detección de cada secuencia de actuación de valor plural, se mantiene en el orden progresivo deseado.

El método puede incluir además la etapa de agrupar o desagrupar dinámicamente unidades durante la operación, de modo que las unidades de detección que sean operadas durante intervalos de detección separados, con un transmisor particular durante algunos ciclos, pueden ser operadas durante un intervalo de detección simple con el mismo transmisor durante otros ciclos. Los sensores se agrupan o desagrupan para su actuación con cada transmisor, en cada ciclo, dependiendo de la intensidad de campo requerida desde el transmisor para la unidad de detección particular. De este modo, cuando la diferencia entre las intensidades de campo requeridas para una operación óptima de dos o más elementos de detección o sensores, durante un ciclo particular, es menor que un umbral preseleccionado, ambos sensores o elementos de detección pueden ser agrupados entre sí, y operados durante un único intervalo de detección, con una sola intensidad de campo cercana a ambas intensidades de campo óptimas. Sin embargo, cuando las intensidades de campo requeridas desde un transmisor particular para los mismos sensores o elementos de detección, durante un ciclo diferente, son significativamente diferentes unas de otras, el transmisor puede ser activado en secuencia plural de valores, como se ha discutido en lo que antecede, para proporcionar diferentes intervalos de detección con diferentes intensidades de campo para cada sensor o elemento de detección. Este modo de operación reduce el número de intervalos de detección requeridos, y de este modo, acorta también el número de veces del ciclo.

Dependiendo de la posición y de la orientación de los sensores o elementos de detección, algunos, o todos, los electroimanes u otros transmisores, pueden ser operados con una sola intensidad de campo durante un ciclo particular, y por lo tanto, pueden ser operados en una secuencia de actuación de valor simple, para proporcionar un intervalo de detección único. Así, dependiendo de las posiciones y de las orientaciones de los sensores, un ciclo particular puede incluir secuencias de actuación de valor-plural para todos los transmisores, secuencias de actuación de valor plural para algún transmisor y secuencias de valor único para los demás, o todas las secuencias de valor simple.

La presente invención proporciona aparatos de localización tales como aparatos de localización magnética. El aparato de acuerdo con la invención incluye al menos un transmisor, tal como un electroimán para transmitir un campo, y una pluralidad de unidades de detección operativas para detectar características de los campos que inciden sobre las mismas. El aparato incluye también un actuador, operativo para activar los transmisores cíclicamente, de modo que durante cada ciclo de actuación, cada transmisor es activado según una secuencia de actuación preseleccionada, y de modo que al menos un transmisor es actuado durante al menos algunos ciclos en una secuencia de actuación de valor plural según se ha mencionado anteriormente, para proporcionar diferentes intensidades de campo magnético en una dirección preseleccionada durante una secuencia de intervalos de detección plural, y para proporcionar una intensidad de campo magnético progresivamente variable durante intervalos de transición media entre los intervalos de detección. La intensidad de campo progresivamente variable es mayor de cero en todo momento durante cada intervalo de transición intermedia. El aparato de acuerdo con este aspecto de la invención, puede proporcionar ventajas similares a las discutidas anteriormente en relación con el método. Con preferencia, el aparato incluye un ordenador de control y uno o más actuadores conectados al transmisor o transmisores. El actuador actúa en respuesta a las señales recibidas desde el ordenador de control, para aplicar corrientes eléctricas a través de cada transmisor según se especifica mediante el ordenador de control. Deseablemente, el ordenador de control está enlazado con las unidades de detección, y dispuesto para operar cada unidad de detección con el fin de detectar una característica de campo durante el intervalo de detección apropiado de cada secuencia de actuación. El ordenador de control está deseablemente operativo para variar las intensidades de campo magnético aplicadas por los diversos transmisores durante cada ciclo, dependiendo de las características del campo magnético detectado por los elementos de detección o sensores durante uno o más ciclos previos. El ordenador de control puede ser también operativo para agrupar o desagrupar sensores o elementos de detección como se ha discutido en lo que antecede, y para reordenar intervalos de detección según se ha discutido anteriormente, de modo que cada transmisor es activado con una serie ordenada de intensidades de campo durante los intervalos de detección de cada secuencia de actuación de valor plural.

Estos y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se pondrán más fácilmente de manifiesto a partir de la descripción detallada de la realización preferida que se realiza en lo que sigue, tomada junto con los dibujos que se acompañan.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista esquemática, en perspectiva, que muestra porciones de aparato de acuerdo con una realización de la invención;

la Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva, fragmentada, que representa una porción del aparato ilustrado en la Figura 1;

la Figura 3 es un diagrama funcional de bloques que representa otras porciones del aparato representado en las Figuras 1 y 2;

la Figura 4 es un gráfico que representa intensidades de campo según un método conforme a una de las realizaciones de la invención, y

la Figura 5 es un gráfico similar a la Figura 4, pero que representa un método que no corresponde con la invención.

Mejores modos de llevar a cabo la invención

El aparato de acuerdo con una realización de la presente invención incluye tres bobinas transmisoras 10, generalmente helicoidales, dispuestas en un plano común. Las bobinas 10 están montadas en posición fija en un chasis de referencia de la cama 12 de recepción del paciente. Ese chasis de referencia está señalado mediante un sistema de coordenadas cartesianas X, Y, Z, según se muestra en la Figura 1. Un paciente P puede estar situado sobre la cama de recepción del paciente. Los ejes 11 de las bobinas son paralelos uno con otro. La cama 12 de recepción de paciente, se extiende justamente por encima del plano de las bobinas 10. El aparato incluye además un objeto o sonda 14. La sonda está adaptada para ser insertada en un instrumento médico tal como un catéter 16, y posicionada en el lugar deseado en el catéter, tal como en la punta distal del catéter o en otra posición a lo largo de la longitud del catéter. La sonda 14 posee un sensor 18 montado en la misma. El sistema incluye también otro sensor 19, del mismo tipo que el sensor 18, montado en otro objeto o sonda 21, tal como un catéter, endoscopio u otro instrumento médico que ha de ser localizado. Otros sensores 54a, 54b y 54c, se encuentran montados en marcadores de referencia. Según se describe en la publicación internacional WO 95/09562 mencionada anteriormente, se puede utilizar una pluralidad de marcadores de referencia para determinar la posición del cuerpo del paciente en el chasis de referencia de la cama de recepción del paciente, y para proporcionar una correlación entre el chasis de referencia del sistema de localización magnética y el chasis de referencia de información de imagen adquirida previamente. Cada marcador de referencia puede incluir un cuerpo 52 de sensor, una etiqueta 53, y un sensor 54 del mismo tipo que el sensor 18 conectado liberablemente al cuerpo de sensor.

Puesto que todos los sensores 18, 19, 54a, 54b y 54c son iguales en cuanto a estructura y funcionalidad, solamente se describe el sensor 18 con mayor detalle. Se debe apreciar, no obstante, que la descripción del sensor 18 es aplicable también a cada uno de los otros sensores. El sensor 18 incluye tres sensores de componente 20, 22 y 24, o elementos de detección individuales, adaptados para detectar componentes del campo magnético en las direcciones locales X', Y', Z', mutuamente ortogonales. Es decir, el sensor de componente 20 es sensible a los campos magnéticos dirigidos según la dirección X', pero ampliamente insensible a los campos según las direcciones Y' y Z', mientras que el sensor de componente 22 es sensible solamente a campos según la dirección Y', y el sensor de componente 24 es sensible a campos en dirección Z'. Los sensores de componentes están adaptados para proporcionar señales de sensor separadas, que representan las componentes por separado. El sensor 18 puede ser un sensor de estado sólido del tipo que se describe en la publicación de Patente internacional WO 95/09562, cuya descripción se incorpora aquí como referencia. Según se describe mejor aquí, cada uno de los elementos de detección o sensores de componente, puede incluir una película planar magnéticamente sensible, tal como una película magneto-resistiva o película detectora de efecto Hall. Cada película de este tipo puede ser sensible a campos dirigidos en dirección predeterminada en relación con la película. Alternativamente, el sensor 18 puede incluir un conjunto de bobinas miniatura, en las que los ejes de las bobinas están orientados ortogonalmente unos con otros. Aunque éstos representan los sensores preferidos, se puede emplear esencialmente cualquier otro dispositivo magnéticamente sensible como, por ejemplo, sensores magneto-ópticos y magnetómetros de saturación de flujo.

Los sensores de componente 20, 22 y 24, se encuentran conectados por medio de un cable 26, con conductores separados para cada sensor, a una unidad 28 de comando. La unidad 28 de comando (Figura 3) incluye una sección 30 de amplificación de entrada y de conversión analógica-digital ("AID") adaptada para recibir las señales individuales procedentes de los sensores de componente 20, 22 y 24 del sensor 18, amplificar las mismas y convertirlas a la forma digital. La unidad 30 de amplificación y de conversión A/D, puede incluir también otros dispositivos convencionales de procesamiento de señal, tales como dispositivos de filtro pasabanda analógico o digital y de rechazo de ruido, y promediadores de señal. Cada uno de los otros sensores 19, 54a, 54b y 54c, está conectado a la sección 30 de amplificación de entrada y de conversión analógica-digital de la misma manera, a través de cables separados adicionales (no representados) que conectan los elementos de detección individual o sensores de componente de los otros sensores, con la sección 30. La sección 30 está dispuesta de modo que adquiere las señales desde un sensor cada vez.

La unidad 28 de comando incluye una unidad 32 de cálculo. La unidad 32 de cálculo puede estar implementada como ordenador programado de propósito general. Según se discute mejor en lo que sigue, la unidad de cálculo de posición está dispuesta para calcular la disposición de cada sensor 18, 19, 54a, 54b y 54c a partir de las señales de sensor adquiridas desde ese sensor. La disposición del sensor indica también la disposición del objeto unido al sensor en cuestión. Por ejemplo, la disposición del sensor 18 indica la disposición del objeto o sonda 14 en la punta del catéter a partir de las señales de sensor. Según se utiliza en esta descripción, el término "disposición" de un elemento se refiere a la posición del elemento, la orientación del elemento, o ambas. De este modo, la unidad de cálculo está adaptada para calcular la posición de cada sensor, la orientación del sensor, o, preferiblemente, tanto la posición como la orientación. La unidad 28 de comando puede estar conectada a un dispositivo de visualización (no representado), para proporcionar una representación inteligible humana de la posición de la sonda u objeto 14. Tal representación inteligible humana puede ser proporcionada, ya sea como información numérica que presenta la posición y/o la orientación del objeto 14 en el sistema de coordenadas X, Y, Z, o con preferencia, como representación gráfica del objeto y del catéter asociado, superpuesta a la representación gráfica del paciente.

La unidad 28 de comando incluye además una unidad 34 de control. La unidad 34 de control está conectada por medio de las líneas 36, 38 y 40 de salida, a tres actuadores de bobina 42, 44 y 46 separados. Cada actuador de bobina está conectado a una de las bobinas transmisoras 10. Cada actuador de bobina está adaptado para enviar una corriente continua a través de la bobina transmisora 10 asociada. Cada actuador de bobina ha sido dispuesto para controlar la amplitud de esa corriente, y para conectar o desconectar la corriente, en respuesta a señales de control recibidas desde la unidad 34 de control. La unidad de control está dispuesta para indicar a los actuadores de bobina que proporcionen corrientes a sus bobinas de transmisión respectivas de manera secuencial, según se especifica mediante las señales de control recibidas desde la unidad 34 de control como se describe mejor en lo que sigue, de modo que la bobina 10a recibe corriente mientras las bobinas 10b y 10c están inactivas; la bobina 10b recibe corriente mientras las bobinas 10a y 10c están inactivas, y la bobina 10c recibe corriente mientras las bobinas 10a y 10b están inactivas. La unidad de control activa también los actuadores de bobina para variar la amplitud de la corriente de cada bobina como se discute en lo que sigue, en respuesta a señales para la unidad 28 de cálculo. La unidad 34 de control puede incluir dispositivos convencionales de interfaz, tales como convertidores digitales-analógicos o unidades de interfaz de bus, de modo que la salida de la unidad de control es compatible con la entrada de control de cada actuador de bobina. También, aunque la unidad de control ha sido ilustrada separadamente de las otras unidades lógicas de la unidad 28 de comando, se debe apreciar que la unidad de control puede compartir elementos físicos de la unidad de comando y otros elementos. Por ejemplo, donde la unidad de comando incorpore un ordenador de propósito general, el procesador del ordenador puede servir tanto como un elemento de la unidad de cálculo de posición, como un elemento de la unidad de control, ejecutando funciones apropiadas para las diferentes unidades en momentos diferentes.

Un catéter 16 se hace avanzar por el cuerpo de un paciente P. La sonda 14, con el sensor 18 sobre la misma, se dispone en la punta del catéter. La punta del catéter está situada en una posición desconocida, un poco por encima del plano de las bobinas 10. De igual modo, el sensor 19 en el dispositivo 21, se encuentra dispuesto en una posición desconocida diferente, y los sensores 54a, 54b y 54c están dispuestos en otras posiciones también desconocidas.

La unidad 34 de control activa los actuadores de bobina en funcionamiento cíclico. Cada ciclo incluye un período nulo, durante el que la unidad de control comanda los actuadores de bobina 42, 44, 46 para proporcionar corriente cero a todas las bobinas. Durante este período nulo, la unidad 30 de amplificación y conversión adquiere muestras de señal nula desde cada sensor de componente 20, 22 y 24. Estas muestras de señal nula representan campos magnéticos residuales en las proximidades del sistema. Cada ciclo incluye también una secuencia de estabilización. En la secuencia de estabilización, la unidad de control comanda los actuadores de bobina para activar cada bobina por turno, utilizando un valor inicial o por defecto para la amplitud de corriente que ha de ser proporcionada a cada bobina 10. La unidad 30 de amplificación y conversión muestrea la señal procedente de cada uno de los elementos de detección o sensores de componente 20, 22 y 24 del sensor 18, y procedente de cada uno de los elementos de detección de cada uno de los otros sensores 19, 54a, 54b y 54c, en un instante preseleccionado después del comienzo del flujo de corriente a través de cada bobina. Por ejemplo, en un momento preestablecido después del comienzo del flujo de corriente a través de la bobina de transmisión 10a, la unidad 30 toma una muestra de la señal desde cada uno de los sensores de componente 20, 22 y 24, y convierte la muestra a formato digital.

La unidad 28 de comando calcula entonces una magnitud de campo total para el sensor 18 en base a estas señales individuales. La magnitud de campo total es:

|B_{18-10a}| = \sqrt{(k_{20}S_{20})^{2} + (k_{22}S_{2})^{2} + (k_{24}S_{24})^{2}}

donde: B_{18-10a} es la magnitud del vector de campo magnético en el sensor 18 en el instante en que la bobina 10a está activada;

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

S_{20} es la intensidad de señal procedente del sensor 20 durante la actuación, y

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

De la misma manera, el sistema calcula una magnitud de campo total para cada uno de los sensores 19, 54a, 54b y 54c durante la actuación de la bobina 10a. El sistema activa de forma similar las bobinas 10b y 10c por orden, utilizando la intensidad de corriente por defecto. Aquí, de nuevo, el sistema calcula la magnitud del vector de campo total que predomina en cada sensor durante la actuación de la bobina 10b, y calcula independientemente la magnitud del vector de campo total que predomina en cada sensor durante la actuación de la bobina 10c.

Después de detectar las señales componentes y calcular la magnitud de campo total que predomina en cada sensor durante la actuación de cada bobina durante la secuencia de estabilización, la unidad de control determina las corrientes de bobina o las intensidades de campo aplicadas durante la secuencia de medición que seguirá después en el ciclo. Estas corrientes de bobina o intensidades de campo son calculadas para proporcionar magnitudes de campo en cada sensor, que se extienden dentro de una gama de magnitudes preestablecida. Esta gama preestablecida se elige de modo que se extienda dentro de la gama operativa óptima del sensor. De este modo, la magnitud de campo mínima se selecciona de modo que se extienda muy por encima del umbral de ruido del sistema, y por encima del nivel de sensibilidad mínima del sensor, donde el nivel de campo máximo se elige de modo que se extienda muy por debajo del límite máximo de linealidad del sensor, y muy por debajo del campo máximo que el sensor puede tolerar sin pérdida de precisión. Para un tipo de sensor magneto-resistivo amorfo típico, que es más preciso y repetible cuando se usa con campos de menos de alrededor de 4 Gauss, la gama preseleccionada de magnitudes de campo puede estar comprendida entre alrededor de 1,0 y alrededor de 2,5 Gauss. Con sensores típicos de efecto Hall, que son más seguros cuando se utilizan con campos por encima de alrededor de 30 Gauss, la gama preseleccionada estará por encima de alrededor de 30 Gauss. Por ejemplo, cuando la sonda 14 y el sensor 18 están relativamente cerca de la bobina 10a, la magnitud de campo total detectada en el sensor 18 cuando la bobina 10a está activada en la secuencia de estabilización, estará por encima de la gama preseleccionada. La unidad de control 34 comandará por lo tanto al actuador de bobina 42 para que opere la bobina 10a con una corriente más baja, y con ello una intensidad de campo más baja, durante la secuencia de medición que va a seguir a continuación en el ciclo. A la inversa, si el sensor 19 está relativamente lejos de la bobina 10a, la magnitud de campo detectada por el sensor 19 durante la actuación de la bobina 10a con el valor de la corriente por defecto en la secuencia de estabilización, estará por debajo de la gama preseleccionada. La unidad de control 34 instruirá por tanto al actuador de bobina 42 para que active la bobina 10a con corriente más alta, y con ello una intensidad de campo más alta, durante un intervalo de detección diferente dentro de la secuencia de medición que va a seguir después en el ciclo. El ajuste puede ser proporcional. Por ejemplo, si la magnitud de campo detectada por el sensor 19 en el intervalo de estabilización, utilizando la corriente por defecto en la bobina 10a, es 0,1 veces el mínimo de la gama preseleccionada, el sistema puede activar el actuador de bobina 10a con una corriente que es 10 veces la corriente por defecto durante el intervalo de detección de la secuencia de medición.

De la misma manera, el sistema ajusta la intensidad de campo que ha de ser aplicada por cada bobina durante la secuencia de medición dentro de un intervalo de detección asociado a cada sensor, en base a las señales procedentes del sensor particular observadas durante la activación de la bobina en la secuencia de estabilización del ciclo. Dicho de otro modo, el sistema conserva una lista para cada bobina. Cada lista incluye un valor separado de intensidad de campo asociado a cada sensor, que ha de ser aplicado por esa bobina durante el intervalo de medición que sigue a continuación en el ciclo. Las listas constituyen una matriz de valores de intensidad de campo, con una entrada para cada combinación de una bobina y un sensor. Los valores de intensidad de campo son actualizados continuamente después de la secuencia de estabilización de cada ciclo. Debido a que la intensidad de campo producida por una bobina es directamente proporcional a la corriente que pasa a través de esa bobina, los valores de intensidad de campo constituyen también valores de corrientes que han de ser aplicadas a cada bobina.

Con anterioridad al intervalo de medición de cada ciclo, la unidad de comando ordena la lista de valores actualizados de intensidad de campo o corrientes que han de ser aplicados a cada bobina por orden ascendente, y reordena los intervalos de detección para que los sensores asociados se emparejen con la lista ordenada. El sistema comprueba también los valores de intensidad de campo o las corrientes, para determinar si dos o más valores de intensidad de campo caen dentro de una gama de umbral preestablecido de uno respecto al otro. Si es así, el sistema combina los intervalos de detección con el empleo de esos valores, y selecciona un único valor para su uso en el intervalo de detección combinado de modo que el valor único esté también dentro de la gama preseleccionada con respecto a todos los valores para los intervalos de detección combinados. De este modo, la media de todos los valores de intensidad de campo para los intervalos que fueron combinados, puede ser empleada como valor único de intensidad de campo para el intervalo combinado. Por ejemplo, la lista de intensidades de campo (establecida en términos de corriente), que ha de ser aplicada por la bobina 10a, puede ser como sigue:

Intensidad de Campo, establecida	Aplicar durante el intervalo de detección
como Corriente (miliamperios)	asociado al siguiente sensor
450		19
300		54a
310		18
200		54b
600		54c

Suponiendo que la diferencia de intensidad de campo de umbral sea de 20 mA, los valores de 300 y 310 asociados a los intervalos de detección para los sensores 54a y 18 en la secuencia anterior, difieren de uno a otro en menos de la diferencia de umbral. Tras la ordenación y combinación de los intervalos de detección asociados a los sensores 54a y 18, la lista queda como sigue:

\newpage

Intensidad de Campo, establecida	Aplicar durante el intervalo de detección
como Corriente (miliamperios)	asociado al siguiente sensor
200		54b
305		54a y 18
450		19
600		54c

La lista ordenada y combinada establece una secuencia de actuación de valor plural para la bobina 10a, es decir, una serie de intensidades de campo diferentes que han de ser aplicadas a la bobina durante una serie de intervalos de detección dentro de la secuencia de medición del ciclo, y al sensor o sensores que han de ser activados durante cada uno de tales intervalos de detección. Los intervalos de detección incorporados en la secuencia de actuación, están ordenados de acuerdo con las intensidades de campo que han de ser aplicadas durante tales intervalos de detección. De la misma manera, la unidad de comando llega a una secuencia de actuación para cada una de las otras bobinas. El número de intervalos de detección en la secuencia de actuación asignada a cada bobina, dependerá del número de intervalos de detección combinados unos con otros. Cuando todos los intervalos de detección para una bobina particular están combinados unos con otros, la secuencia de actuación para esa bobina particular será una secuencia de actuación de valor simple, que incluye solamente un valor de intensidad de campo.

La duración de cada intervalo de detección está preestablecida, y corresponde con preferencia al tiempo mínimo requerido para que la unidad 30 de amplificación y conversión adquiera datos a partir del sensor o los sensores, suponiendo que el sensor esté dispuesto en un campo magnético estable y que el sensor haya establecido una condición de régimen permanente. El sistema suplementa cada secuencia de actuación con un intervalo de transición inicial que precede al primer intervalo de detección, y un intervalo de transición terminal que es posterior al último intervalo de detección de la secuencia. El sistema implementa además cada secuencia de actuación de valor plural con un intervalo de transición intermedia entre cada par de intervalos de detección sucesivos. La duración del intervalo de transición inicial se elige de modo que proporciona tiempo suficiente para que la corriente a través de la bobina se incremente desde cero hasta aproximadamente la corriente que se requiere en el primer intervalo de detección, para que las corrientes parásitas inducidas por el cambio en el campo magnético de la bobina sean disipadas, y para que el sensor se estabilice. Dicho de otra manera, la duración del intervalo inicial representa el retardo de tiempo a partir del instante en que el actuador de bobina es comandado para que cambie la intensidad de campo desde cero hasta la primera intensidad de campo, hasta el instante en que la lectura del sensor ha sido establecida dentro de un margen de error predeterminado del valor que debería tener durante la actuación continua de la bobina en el primer valor de intensidad de campo. De forma similar, cada intervalo de transición intermedia representa el tiempo requerido para el establecimiento de la lectura del sensor después de que el actuador de bobina ha sido comandado para incrementar la intensidad de campo a partir de la intensidad de campo utilizada en el intervalo de detección anterior hasta la intensidad de campo utilizada en el siguiente intervalo de detección con éxito. El intervalo de transición terminal representa el tiempo requerido para el establecimiento de la lectura del sensor cuando la intensidad de campo ha disminuido desde la utilizada para el último intervalo de detección en la secuencia de actuación, hasta cero. El tiempo requerido para cada intervalo de transición, está directamente relacionado con la magnitud de la diferencia de intensidades de campo, antes y después del intervalo de detección. El tiempo requerido puede corresponder aproximadamente a la fórmula:

t = A\times ln[F_{después} - F_{antes}]

En la que:

t: es el tiempo de transición;

A: es una constante de proporcionalidad

F_{después}: es la intensidad de campo después del intervalo de transición

F_{antes}: es la intensidad de campo o corriente antes del intervalo de transición.

La unidad 34 de control de realimentación, establece las secuencias de actuación para las diversas bobinas en secuencia de unas con otras, para proporcionar una programación completa para la secuencia de medición del ciclo, y opera los actuadores de bobina 42, 44, 46 para activar las bobinas de acuerdo con esa programación. Una programación típica, ilustrada esquemáticamente en la Figura 4, incluye la secuencia de actuación 70 para la bobina 10a, que incorpora cuatro intervalos de detección 72a, 72b, 72c, 72d, el intervalo 74 de transición inicial, los intervalos 76a, 76b, 76c de transición intermedia entre los intervalos de detección, y el intervalo 78 de transición terminal que sigue al último intervalo de detección. La secuencia 80 para la bobina 10b incluye tres intervalos de detección 82, un intervalo 84 de transición inicial, y un intervalo 88 de transición terminal, mientras que la secuencia 90 para la bobina 10c incluye intervalos de detección 92 similares, el intervalo 94 de transición inicial, intervalos 96 de transición intermedia, y el intervalo 96 de transición terminal.

Dentro de cada secuencia de actuación, la intensidad de campo se incrementa de forma sustancialmente monotónica desde el comienzo del intervalo de transición inicial hasta el último intervalo de detección. La corriente o intensidad de campo no se reduce a cero después de cada intervalo de detección, sino que, por el contrario, se incrementa progresivamente hasta el valor requerido para el siguiente intervalo de detección. Por lo tanto, cada intervalo de detección intermedia solamente necesita ser suficientemente largo como albergar el cambio relativamente pequeño de corriente o de intensidad de campo entre intervalos de detección sucesivos. El ahorro de tiempo proporcionado por esta disposición, resulta evidente con la comparación de la secuencia 70 con una secuencia 70' comparable que se ha representado en la Figura 5. La secuencia 70' incluye las mismas corrientes o intensidades de campo utilizadas en la secuencia 70, pero permite que la intensidad de campo caiga de nuevo a cero entre intervalos de detección sucesivos. En consecuencia, la secuencia 70' requiere intervalos 76' considerablemente más largos entre intervalos de detección sucesivos.

En base a las señales de sensor adquiridas durante los intervalos de detección de la secuencia de medición, y a los valores conocidos de las intensidades de campo aplicadas por las bobinas durante cada intervalo de detección, el sistema calcula la posición y la orientación del sensor utilizando algoritmos convencionales de búsqueda de posición. Por ejemplo, se puede emplear los métodos matemáticos descritos en la Patente estadounidense núm. 4.710.708 para hallar posiciones utilizando múltiples estaciones de transmisión o recepción, y un sensor multi-eje. La descripción de dicha patente '708 se incorpora aquí como referencia. Resumidamente, la magnitud de los campos en cada una de las direcciones locales o de sensor X', Y', Z', representadas por cada una de las señales de sensores de componente procedentes de cada uno de los sensores de componente 20, 22 y 24, es una función de la intensidad global del campo procedente de la bobina (conocido también como momento de dipolo magnético de la bobina), de la distancia desde la bobina particular hasta el sensor, y de los ángulos de rotación del sensor, es decir, los ángulos entre las direcciones locales X', Y' y Z' y del chasis de bobina con las direcciones de referencia X, Y y Z. Cuando se recogen tres lecturas de sensor de componente durante la actuación de tres bobinas separadas y son consideradas iguales con la intensidad de componente, expresada como una función de localización para los campos procedentes de una bobina particular, aquellas forman un sistema de nueve ecuaciones con seis incógnitas (la posición X, Y, Z del sensor, y los tres ángulos de rotación). La derivación de estas ecuaciones se expone en el Apéndice A. Ese sistema de ecuaciones puede ser resuelto mediante métodos iterativos tales como el método de Marquardt o el método de Broyden para una solución de mínimos cuadrados de un sistema sobredeterminado de ecuaciones no lineales. La unidad de comando proporciona entonces una salida que indica la posición y la orientación del sensor, y con ello indica la posición y la orientación del objeto conectado a cada sensor en el sistema de coordenadas cartesianas X-Y-Z de las bobinas.

Los ciclos discutidos anteriormente, se repiten. Durante la operación, según utiliza el médico el sistema, las posiciones de uno o más sensores pueden cambiar. Cualquier cambio de posición puede causar que cambien las magnitudes de campo detectadas durante la secuencia de estabilización de un ciclo posterior, después de lo cual el sistema reajustará las corrientes que han de ser usadas por las bobinas durante la secuencia de medición del nuevo ciclo. El sistema recalcula la secuencia de actuación que ha de ser aplicada durante la secuencia de medición del nuevo ciclo. Según realiza la unidad de control de realimentación el reajuste de las intensidades de campo, los valores de corriente modificados son trasladados a los nuevos valores para intensidades de campo desde las bobinas individuales que son usadas en las ecuaciones de determinación de posición mencionadas anteriormente. De esta manera, el sistema asegura que durante la secuencia de medición de cada ciclo, el sensor está siempre expuesto a un campo que tiene una magnitud comprendida en la gama preseleccionada dondequiera que se sitúe el sensor dentro de un volumen de detección 50 que se extiende sobre una región preseleccionada por encima del plano de bobinas 10. El tamaño exacto del volumen de detección 50 dependerá de la extensión de la franja de magnitud de campo preseleccionada y de la gama dinámica de actuadores de bobina 42, 44 y 46, es decir, el grado hasta el que los actuadores de bobina pueden hacer que varíen las corrientes. El tamaño del volumen de detección 50 dentro cual recibirá el sensor los campos dentro de la gama de magnitud de campo preseleccionada procedentes de todas las bobinas, dependerá también de las posiciones de las bobinas. Sin embargo, para un sistema típico que tenga tres bobinas separadas en los vértices de un triángulo equilátero, con lados de alrededor de 40 cm de longitud, el volumen de detección incluye una región que se extiende hacia arriba alrededor de 60 cm desde el plano de las bobinas. En el plano de las bobinas, el volumen de detección se extiende alrededor de 20 cm más allá del triángulo equilátero determinado por las bobinas.

El sistema puede estar dispuesto de modo que ejecute más de un período nulo durante cada ciclo de actuación. Cuando el tiempo añadido que se requiere para las secuencias de actuación que han de ser aplicadas a las diversas bobinas durante un ciclo dado, excede de una duración de umbral, el ordenador puede activar automáticamente el sistema para ejecutar un período nulo adicional y adquirir nuevas señales nulas entre secuencias de actuación de un ciclo simple. Esto asegura que las señales nulas son actualizadas frecuentemente, según pueda ser necesario compensar para cambiar rápidamente los campos magnéticos residuales. En una variante adicional del sistema descrito anteriormente, el sistema puede calcular las intensidades de campo que han de ser aplicadas por cada bobina durante la secuencia de medición del siguiente ciclo en base a señales obtenidas desde cada sensor durante los intervalos de detección de la secuencia de medición en el ciclo anterior. En esta variante, el sistema no ejecuta una secuencia de estabilización después del primer ciclo. Por el contrario, el sistema rastrea las magnitudes de campo observadas en cada sensor durante las secuencias de medición. Si una o más de las magnitudes de campo para un sensor particular, está fuera de la gama preseleccionada, el sistema no calcula la posición ni la orientación para ese sensor. Por el contrario, la unidad 34 de control cambia la intensidad de campo de la bobina o bobinas asociadas a la magnitud de campo fuera-de-gama para cada sensor. Por ejemplo, cuando la sonda 14 y el sensor 18 están relativamente próximos a la bobina 10a, la magnitud de campo total detectada en el sensor 18 cuando se activa la bobina 10a, estará por encima de la gama preseleccionada. La unidad 34 de control comandará por tanto el actuador de bobina 42 para que opere la bobina 10a con una corriente más baja, y por tanto una intensidad de campo más baja, durante un intervalo de detección comprendido dentro de la secuencia de medición del siguiente ciclo de actuación, y comandará la unidad 30 de amplificación y conversión para que adquiera datos desde el sensor 18 durante ese intervalo de detección particular. A la inversa, si el sensor 19 está relativamente lejos de la bobina 10a, la magnitud de campo detectada por el sensor 19 durante la actuación de la bobina 10a con el valor de corriente por defecto, estará por debajo de la gama preseleccionada. La unidad 34 de control dará por tanto instrucciones al actuador de bobina 42 para que active la bobina 10a con una corriente más alta, y por tanto una intensidad de campo más alta, durante un intervalo de detección diferente dentro de la secuencia de medición del siguiente ciclo de actuación. La unidad de control activará la unidad 30 de amplificación y conversión para adquirir datos desde el sensor 19 durante ese intervalo de detección, mientras que ignora los datos del sensor 19 durante el intervalo de detección asociado a la actuación de baja intensidad de la bobina 10a, y la adquisición de datos desde el sensor 18. El proceso de ajuste continúa durante ciclos posteriores. Así, si la intensidad de campo más alta aplicada por la bobina 10a durante el intervalo de detección asociado al sensor 19 en el segundo ciclo, da aún como resultado una magnitud de campo detectada por el sensor 19 que está por debajo de la gama preseleccionada, el sistema establecerá que se aplique un valor de intensidad de campo más alto por parte de la bobina 10a en el intervalo de detección asociado al sensor 19 durante el siguiente ciclo, y el proceso de ajuste continúa hasta que las señales procedentes del sensor 19, durante la activación de la bobina 10a, indican una intensidad de campo dentro de la gama preseleccionada. Los actuadores de bobina pueden estar dispuestos de modo que varíen la intensidad de campo global o momento de dipolo de cada escalonado de bobina, mediante la variación del escalonado de corriente. Cada incremento o reducción comandado por la unidad de control 34 puede constituir un escalón. Alternativamente, la unidad de control puede calcular un incremento o una reducción proporcional al grado en el que se desvía la magnitud de campo total respecto a un valor objetivo comprendido dentro de la gama preseleccionada. De este modo, se puede realizar un cambio relativamente grande cuando la magnitud de campo está muy alejada de la gama, mientras que se puede emplear un cambio más pequeño cuando la magnitud de campo está próxima a la gama, o está dentro de la gama. Para dejar un tiempo suficiente para el cálculo de las secuencias de actuación, el sistema puede realizar el cálculo requerido para establecer la secuencia de actuación para una bobina en un ciclo posterior mientras ejecuta todavía las secuencias de actuación de un ciclo anterior con otra bobina. Por ejemplo, la secuencia de actuación para la bobina 10a en el siguiente ciclo, puede ser calculada en cualquier instante después de que la secuencia de actuación para la bobina 10a haya sido completada en el presente ciclo. Mientras el sistema está ejecutando la secuencia de actuación para la bobina 10a en el presente ciclo, puede calcular las secuencias de actuación para las bobinas 10b y 10c en el presente ciclo.

Según se describe en la solicitud 08/476.380, algunos sensores tienden a perder precisión cuando se exponen a campos magnéticos por encima de un máximo predeterminado. Por ejemplo, algunos sensores magneto-resistivos pierden temporalmente la precisión si se exponen a campos magnéticos por encima de alrededor de 4 Gauss. Cuando se emplean tales sensores en un sistema multi-sensor, el sistema deberá disponer de medios apropiados para evitar la exposición de los sensores a campos excesivos. Los datos procedentes de todos los sensores pueden ser adquiridos durante todas las secuencias de actuación, y la unidad 34 de control puede estar dispuesta de modo que incremente las corrientes de la bobina de forma progresiva durante varios ciclos cuando se requiera un incremento. Los datos procedentes de los sensores que no son utilizados durante una secuencia de actuación particular, pueden ser utilizados para inhibir otros incrementos si el campo en el sensor nominalmente no usado se está aproximando a niveles peligrosos. De este modo, si el sistema se encuentra en el proceso de incrementar progresivamente la corriente de bobina en la bobina 10b, para proporcionar un nivel de campo adecuado en el sensor 18, el sistema puede terminar tales incrementos si la magnitud de campo en el segundo sensor 54a, durante el ciclo de lectura asociado al primer sensor 18, alcanza el nivel máximo permitido en el segundo sensor. Si ocurre esta condición mientras el nivel de campo en el primer sensor 18 está aún por debajo de la gama preseleccionada, el sistema puede mostrar un mensaje de error, o incluso puede intentar calcular la posición y la orientación en base a la señal de sensor fuera-de-gama, o ambos. Alternativamente, si se puede restablecer la precisión del sensor, los datos procedentes de los sensores nominalmente no utilizados, pueden ser utilizados para iniciar ese restablecimiento. Por ejemplo, algunos sensores magneto-resistivos utilizan un campo magnético polarizante. Si se exponen a campos excesivos, dichos sensores pueden ser reseteados y restablecidos en su precisión después de que se haya eliminado el exceso de campo, mediante el ajuste de un campo magnético polarizante aplicado al interior del sensor. La unidad de comando puede estar dispuesta de modo que dispare el proceso de reseteo para un sensor si ha estado expuesto a un exceso de campo durante un ciclo asociado a otro sensor.

En una variante adicional, las corrientes de bobina, y por tanto las intensidades de los campos procedentes de transmisores individuales, pueden ser ajustados de modo que lleven las componentes de campo detectadas por cada sensor de componente individual, hasta dentro de la gama preseleccionada. En un sistema de ese tipo, cada bobina se ajusta por separado con respecto a cada elemento de detección o sensor de componente. De este modo, la corriente hasta la bobina de transmisión 10a durante un intervalo de detección asociado al sensor de componente 20, se ajusta sobre varios ciclos, para llevar la señal de sensor individual desde el sensor de componente 20, que representa la magnitud de campo en la dirección X' local, hasta la gama preseleccionada. En este ajuste, las señales procedentes de los otros sensores de componente 22 y 24, en el mismo sensor, y las señales procedentes de los otros sensores, son pasadas por alto. Esta secuencia de operaciones se repite de nuevo con la bobina 10a para cada uno de los otros elementos de detección en el sensor 18, y para todos los elementos de detección en los otros sensores, y el proceso completo se repite de nuevo para las otras bobinas. Después de ese ajuste, la secuencia de actuación para cada bobina incluirá un intervalo de detección separado asociado a cada elemento de detección. Sin embargo, cuando las intensidades de campo requeridas para los elementos de detección plural, están dentro de la diferencia de intensidad de campo de umbral de uno con otro, los intervalos de detección asociados a los elementos de detección plural pueden ser fundidos unos con otros, de modo que la secuencia de actuación para una bobina particular puede incluir un número menor de intervalos de detección, y puede incluir solamente un intervalo de detección. De este modo, el sistema puede tratar, ya sea un sensor completo, o ya sea un elemento de detección individual, como unidad separada, y puede establecer intervalos de detección separados para cualquier tipo de unidad. También es posible tratar algunos sensores completos como unidades, mientras que se tratan elementos de detección individuales de otros sensores como unidades, de modo que algunos intervalos de detección sean asociados a sensores completos, mientras que otros intervalos de detección sean asociados a elementos de detección individuales. Según se utiliza en esta descripción, el término "unidad de detección" se refiere tanto a sensores como a elementos de detección individuales.

Cuando la dirección local asociada a un sensor de componente particular, es ortogonal, o casi ortogonal, con respecto a la dirección del campo producido por una bobina particular en el sensor, puede resultar imposible llevar la componente según esa dirección local, hacia la gama preseleccionada, sin que se exceda la capacidad de corriente del actuador de bobina, o bien se produzca un campo total tan fuerte como para dañar uno de los otros sensores. En este caso, sin embargo, al menos uno de los otros sensores de componente recibirá una componente que tiene una magnitud dentro de la gama preseleccionada de magnitudes. En esta variante, la señal procedente de todos los sensores de componente pueden ser monitorizados durante un ciclo asociado a un sensor de componente particular. La corriente máxima aplicada a la bobina puede ser limitada de modo que se evite la exposición de cualquier otro sensor de componente no utilizado, a una componente de campo excesiva en su dirección de detección.

En una variante adicional de esta alternativa, la gama preseleccionada de magnitudes para la componente de campo en cualquier dirección particular, se ha estrechado con el fin de que incluya solamente un valor único preseleccionado, con preferencia comprendido dentro de la gama óptima de precisión del sensor de componente particular. El sistema de control de realimentación actúa de este modo para ajustar las corrientes de bobina, hasta que la magnitud de la componente de campo está en ese valor único. La posición y la orientación se calculan de la misma manera que se ha discutido anteriormente. Esta variante tiene la ventaja de que la no linealidad en la respuesta del sensor de componente, no puede afectar a la precisión del sistema. Dado que, según se conoce, una lectura particular del sensor corresponde al valor preseleccionado de la magnitud de la componente de campo, la desviación respecto a una relación lineal entre la magnitud de la componente y la lectura del sensor a otros valores de magnitud de componente, no perjudicará la precisión del sistema.

Algunos sensores de campo presentan lo que se conoce como "sensibilidad fuera-del-eje". Es decir, la función de transferencia o relación entre la magnitud de la componente de campo a lo largo del eje sensible de un sensor de componente particular, y la lectura desde ese lector de componente varía cuando se encuentra presente una componente de campo intensa ortogonal a ese eje. La sensibilidad fuera-del-eje puede ser corregida utilizando las lecturas procedentes de dos sensores de componente para evaluar la magnitud del campo perpendicular al eje sensible del tercer sensor de componente, y utilizando esa magnitud para determinar un factor de corrección que ha de ser aplicado a la lectura procedente del tercer sensor de componente.

Aunque los sistemas discutidos en lo que antecede emplean electroimanes de tipo bobina, se pueden emplear otros tipos de electroimanes. En efecto, pueden aplicarse los mismos principios a sistemas que utilicen transmisores de campo distintos a los electroimanes, y sensores distintos a los sensores magnéticos. Sin embargo, los ahorros en cuanto a tiempo de actuación son más significativos cuando los transmisores de campo y los sensores empleados requieren un tiempo de subida y/o un tiempo de estabilización significativos, como es el caso de los electroimanes. Por ejemplo, en los sistemas que emplean campos alternos tales como los campos de radiofrecuencia (RF), se pueden activar en secuencia varios transmisores de RF. El sensor puede incluir una o más antenas receptoras, estando cada una de tales antenas conectada a un receptor adaptado para proporcionar una señal correspondiente a la amplitud de la señal de RF recibida por la antena. En un sistema de ese tipo, se puede requerir un tiempo de subida o un tiempo de estabilización apreciable, para cada par transmisor-receptor, para su estabilización después de que la actuación del transmisor cambie la amplitud de la RF transmitida. Con respecto a un sistema de campo alterno, tal como un sistema de RF, las referencias a la intensidad de campo deben ser entendidas como referencia a la amplitud del campo alternante. En los sistemas descritos anteriormente, cada bobina o transmisor se mantiene a intensidad de campo de régimen permanente de valor cero entre ciclos de actuación. Los valores de la intensidad de campo en régimen permanente distintos de cero, pueden ser también empleados. Según se describe en la solicitud 08/476.380, los papeles del transmisor y de los sensores están invertidos. Es decir, la sonda u objeto puede estar equipada con electroimanes o transmisores, mientras que el sistema de chasis de referencia fijo puede incluir los sensores.

Otras numerosas combinaciones y variaciones de las características que se han discutido en lo que antecede pueden ser utilizadas sin apartarse de la presente invención. A título de ejemplo, la localización física y el número de transmisores o de electroimanes, puede ser modificado. En general, los sensores y los transmisores deben definir una pluralidad de pares transmisor-receptor, cada uno de los cuales incluye un elemento sobre un objeto que ha de ser rastreado, y un elemento en el chasis fijo de referencia.

En una variante adicional, el sistema ajusta la salida de los transmisores en respuesta a la disposición calculada del objeto que se está rastreando, en vez de directamente en respuesta a las señales de componente o a la señal de amplitud de campo total. De este modo, el sistema puede operar inicialmente con los valores de corriente por defecto; extraer una lectura inicial de la posición y orientación del objeto, y utilizar a continuación esa posición y orientación que se ha determinado inicialmente, para calcular la posición deseada para que cada bobina consiga los niveles de campo deseados en el sensor. Esa posición deseada se elige de modo que produzca el campo dentro de la gama de magnitud deseada en el objeto, suponiendo que el objeto tenga la posición y la orientación encontradas en la lectura inicial. En el siguiente ciclo, se hace uso de las corrientes de bobina así calculadas, y se repite el proceso. En una variante de esta alternativa, el sistema puede almacenar una tabla de búsqueda que lista las corrientes de bobina apropiadas para las diversas combinaciones de posición y orientación del objeto. Utilizando la posición y la orientación determinadas inicialmente, el sistema recupera los valores apropiados de corriente de bobina a partir de la tabla de búsqueda, para su uso en el siguiente ciclo.

En las realizaciones discutidas anteriormente, el sensor está asociado a un catéter. Se puede utilizar el mismo sistema con otros instrumentos médicos tales como, por ejemplo, endoscopios e instrumentos quirúrgicos. El sistema puede aplicarse también para determinar la posición de objetos distintos a los instrumentos médicos. Por ejemplo, se puede utilizar para rastrear un dispositivo de entrada para un ordenador.

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional estadounidense núm. 60/012.326, depositada el 27 de Febrero de 1996.

También se citan las solicitudes PCT que siguen, cada una de las cuales designa a Biosense, Inc. como solicitante. Cirugía Basada en Catéter, depositada el, o en torno al, 14 de Febrero de 1997, en la Oficina de Admisión Israelí; Enfoque de Energía Intracorporal, depositada el, o en torno al, 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión Israelí; Aguja de Biopsia Localizable, depositada el, o en torno al, 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión Israelí; Calibración de Catéter y Monitorización de Uso, depositada el, o en torno al, 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión Israelí; Determinación de Posición Precisa de Endoscopios, depositada el, o en torno al, 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión Israelí; Sondas Médicas con Transductores de Campo, depositada el 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión de los Estados Unidos; Catéter con Lumen, depositada el 14 de Febrero de 1997 en la oficina de Admisión de los Estados Unidos; Bobinas Móviles de Transmisión o Recepción pata Sistema de Localización, depositada el 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión de los Estados Unidos; Procedimientos Y Aparatos Médicos que Utilizan Sondas Intracorporales, depositada el 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión de los Estados Unidos; y, Transductores Posicionables Independientemente para Sistema de Localización, depositada el 14 de Febrero de 1997 en la Oficina de Admisión de los Estados Unidos. También se cita la solicitud PCT titulada en Enfoque de Energía Multi-Elemento, depositada el 14 de Febrero de 1996 en la Oficina de Admisión Israelí, y que nombra a Victor Spivak como solicitante.

Puesto que estas y otras variaciones y combinaciones de las características descritas anteriormente, pueden ser utilizadas sin apartarse de la invención, la descripción que antecede de las realizaciones preferidas debe ser tomada a título ilustrativo en vez de como limitación de la invención según se define mediante las reivindicaciones.

Aplicabilidad industrial

La presente invención puede ser utilizada en procedimientos médicos y relacionados con los mismos.

Apéndice A

Cálculo de posición y orientación

Dado que conocemos la configuración física del generador (transmisor) de campo, que está fijo en cuanto a posición durante su funcionamiento, el campo magnético detectado es una función de la posición y orientación del sensor. En el generador de campo de nuestro sistema, las bobinas son estimuladas secuencialmente. El campo detectado por un sensor (3 sensores de componente por sonda), puede ser expresado en términos de posición según x, y, z, y de orientación \alpha, \beta, \gamma (balanceo, cabeceo y desviación, respectivamente), es decir:

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

Donde [sensor] designa un sensor particular, y [bobina] designa una bobina transmisora particular.

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

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

es decir:

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

Puesto que tenemos 3 sensores y 3 bobinas, el total de ecuaciones es 9, con 6 incógnitas (x, y, z, para la posición espacial de la sonda; \alpha, \beta, \gamma para su orientación). Aplicando el método de mínimo cuadrado no lineal, se pueden encontrar x, y, z, \alpha, \beta, \gamma, únicos para la sonda.

Lo anterior muestra la idea general del algoritmo. De manera detallada:

Supóngase que el sistema coordenado de referencia X, Y, Z (coordenadas cartesianas de localización magnética), está descrito por la matriz:

1

el sistema ortogonal de la sonda es:

2

y puesto que los tres sensores de la sonda no pueden ser ortogonales cada uno con el otro, sus ejes no-ortogonales pueden escribirse como:

3

una matriz de transferencia T[i][j] que puede ser utilizada en el cálculo se obtiene a partir de:

T_{[i][j]} = e_{n[i]}*e_{p[j]} \ \nabla i,j\varepsilon\{1,2,3\}

otra matriz que ha de ser utilizada puede ser definida también como:

orto\_OV_{[i][j]} = e_{l[i]}*e_{l[j]} \ \nabla i,j\varepsilon\{1,2,3\}

puesto que utilizamos cabeceo(a), balanceo(b), desviación(g) para definir la orientación de la sonda, orto_OV[i][j] puede describirse también mediante:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

la matriz de vector ortogonal puede ser por tanto calculada mediante la matriz multiplicación de la matriz definida anteriormente y orto_OV:

ov = Y*orto_OV

\newpage

El campo magnético teórico para un sistema ortogonal generado en la posición de sensor que apunta en la dirección e^{l[i]} puede ser expresado como:

f[bobina][i](x, y, z, \alpha, \beta, \gamma)

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

Tras la corrección de no ortogonalidad (los sensores no pueden ser perpendiculares cada uno con los otros), las mediciones del sensor de campo magnético deberán ser:

B[sensor][bobina] = \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma^{x} OV^{-1}[i][sensor]

Supóngase que el campo real detectado por el sensor cuando la bobina está activa, es B'[sensor][bobina], entonces:

B'[sensor][bobina] - B[sensor][bobina] \approx 0,0

por lo tanto, las 9 ecuaciones que han de ser resueltas para x, y, z, \alpha, \beta, \gamma son:

B'[sensor1][bobina1] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina1][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor1] = 0,0

B'[sensor1][bobina2] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina2][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor1] = 0,0

B'[sensor1][bobina3] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina3][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor1] = 0,0

B'[sensor2][bobina1] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina1][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor2] = 0,0

B'[sensor2][bobina2] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina2][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor2] = 0,0

B'[sensor2][bobina3] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina3][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor2] = 0,0

B'[sensor3][bobina1] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina1][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor3] = 0,0

B'[sensor3][bobina2] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina2][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor3] = 0,0

B'[sensor3][bobina3] - \sum\limits^{3}_{i=1}f[bobina3][i](x,y,z,\alpha,\beta,\gamma) \ x \ OV^{-1}[i][sensor3] = 0,0

Se puede aplicar un aparato de resolución de ecuaciones de mínimos cuadrados no lineales bien conocido, para solucionar las ecuaciones que anteceden y encontrar la posición x, y, z de la sonda, y su orientación \alpha, \beta, \gamma.

Claims

1. Aparato de localización, que incluye:

(a) al menos un transmisor (10), para transmitir un campo;

(b) una pluralidad de unidades de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c), operativas para detectar las características de los campos que inciden sobre las mismas;

(c) un actuador (42, 44, 46), operativo para activar los citados transmisores (10a, 10b, 10c) cíclicamente, de modo que durante cada ciclo de actuación, cada transmisor citado (10a, 10b, 10c) es activado según una secuencia de actuación preseleccionada,

que se caracteriza porque al menos un transmisor (10a, 10b, 10c) citado es activado durante al menos algunos ciclos en una secuencia de actuación de valor plural para proporcionar un campo magnético en una dirección preseleccionada con diferentes intensidades de campo de detección durante una secuencia de intervalos de detección plural, y con una intensidad que varía progresivamente durante intervalos de transición media entre intervalos de detección, siendo dicha intensidad progresivamente variable mayor que cero en todo momento durante cada intervalo de transición intermedia.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que dicho actuador (42, 44, 46) es operativo para variar la intensidad de campo de forma sustancialmente monotónica durante cada intervalo de transición intermedia citado.

3. El aparato de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho actuador es operativo para activar los transmisores (10a, 10b, 10c) de modo que las intensidades de campo aplicadas durante los intervalos de detección de cada secuencia de actuación de valor plural están ordenadas progresivamente.

4. El aparato de la reivindicación 3, en el que dicho actuador (42, 44, 46) es operativo para activar el transmisor (10a, 10b, 10c) de modo que las intensidades de campo aplicadas durante los intervalos de detección de cada secuencia citada de actuación de valor plural, están ordenadas desde una intensidad más baja hasta una intensidad más alta.

5. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho actuador (42, 44, 46) es operativo para activar los transmisores (10a, 10b, 10c) de modo que cada uno de dichos transmisores (10a, 10b, 10c) se mantiene a una intensidad de campo de régimen permanente durante al menos un período nulo dentro de cada ciclo de actuación.

6. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además un ordenador de control (34), estando dicho actuador (42, 44, 46) conectado a dicho ordenador de control (34) para la recepción de señales desde el mismo, actuando el citado actuador en respuesta a dicho ordenador de control (34) para activar cada transmisor (10a, 10b, 10c) citado según sea especificado por dicho ordenador de control (34)

7. El aparato de la reivindicación 6, en el que dicho ordenador de control (34) está conectado a dichas unidades de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c), y dicho ordenador de control (34) activa las citadas unidades de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c) de modo que cada unidad de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c) detecta una característica de campo durante un intervalo de detección de secuencia de actuación citada.

8. El aparato de la reivindicación 7, en el que dicho ordenador de control (34) es operativo para variar las intensidades de campo aplicadas por cada transmisor (10a, 10b, 10c) citado durante cada ciclo, dependiendo de las características de campo detectadas por dichas unidades de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c) durante uno o más ciclos previstos.

9. El aparato de la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que dicho ordenador de control (34) está dispuesto de modo que opera diferentes unidades de detección (18, 19, 54a, 54b, 54c) para detectar características de campo durante diferentes intervalos de detección de cada secuencia de actuación de valor plural.

10. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que cada transmisor (10a, 10b, 10c) citado incluye un electroimán.