ES2279540T3

ES2279540T3 - Calibracion de elemento radiante.

Info

Publication number: ES2279540T3
Application number: ES97918323T
Authority: ES
Inventors: Daniel Osadchy; Assaf Govari
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1996-05-06
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2017-05-05
Also published as: EP0901638B1; IL126864A; US6335617B1; AU2648797A; AU722748B2; DE69737287T2; DE69737287D1; CA2253634A1; JP4183753B2; JP2000512005A; EP0901638A1; IL126864A0; EP0901638A4; CA2253634C; WO1997042517A1

Abstract

SE EXPONE UN PROCEDIMIENTO PARA CALIBRAR UN GENERADOR DE CAMPO MAGNETICO (40), QUE INCLUYE LA FIJACION DE UNO O MAS SENSORES DE CAMPO MAGNETICO (20, 22, 24) A UNA SONDA (26) EN POSICIONES Y ORIENTACIONES CONOCIDAS, Y SELECCIONAR UNA O MAS POSICIONES CONOCIDAS EN LAS CERCANIAS DEL GENERADOR DE CAMPO MAGNETICO. EL GENERADOR DE CAMPO MAGNETICO (40) ES ACCIONADO A FIN DE QUE GENERE UN CAMPO MAGNETICO. LA SONDA (26) SE DESPLAZA EN UNA ORIENTACION CONOCIDA, AL LUGAR O A CADA UNO DE LOS LUGARES, Y EN UNO O VARIOS LUGARES SE RECIBEN SEÑALES PROCEDENTES DEL SENSOR O DE LOS SENSORES. LAS SEÑALES SE ELABORAN PARA MEDIR LA AMPLITUD Y DIRECCION DEL CAMPO MAGNETICO, EN LAS POSICIONES RESPECTIVAS DEL SENSOR O DE LOS SENSORES, Y PARA DETERMINAR LOS FACTORES DE CALIBRACION RELACIONADOS CON LA AMPLITUD Y DIRECCION DEL CAMPO MAGNETICO, EN LAS CERCANIAS DEL GENERADOR DE CAMPO MAGNETICO.

Description

Calibración de elemento radiante.

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, al campo de los aparatos para generar y detectar campos electromagnéticos, y concretamente al de los procedimientos y dispositivos electromagnéticos sin contacto para rastrear la orientación y posición de un objeto.

Antecedentes de la invención

Bien conocidos en la técnica son los sistemas de rastreo electromagnético sin contacto, con una amplia variedad de aplicaciones.

Por ejemplo, la Patente estadounidense 4,054,881 describe un sistema de rastreo que utiliza tres bobinas para generar campos electromagnéticos en las inmediaciones del objeto. Los campos generados por estas bobinas se distinguen entre sí por la multiplexión de bucle abierta de tiempo, frecuencia o fase. Las corrientes de señal que fluyen dentro de las tres bobinas de sensor ortogonales se utilizan para determinar la posición del objeto, en base a un procedimiento de computación iterativo.

Otros sistemas de rastreo electromagnético se describen en las Patentes estadounidenses 3,644,825, 3,868,565, 4,017,858 y 4,849,692.

La Patente estadounidense 5,391,199, de Ben-Haim, describe un sistema para la información de la localización tridimensional con respecto a una sonda o catéter médico. Una bobina magnética es situada dentro del catéter y genera unas señales en respuesta a los campos magnéticos aplicados externamente. Los campos magnéticos son generados por tres bobinas irradiadoras, fijadas a un marco de referencia externo en emplazamientos separados entre sí, conocidos. Las amplitudes de las señales generadas en respuesta a cada uno de los campos de las bobinas irradiadoras son detectadas y utilizadas para computar el emplazamiento de la bobina de sensor. Cada bobina irradiadora es preferentemente accionada por un circuito accionador para generar un campo a una frecuencia conocida, distinta de la frecuencia de las otras bobinas irradiadoras, para que las señales generadas por la bobina de sensor puedan ser separadas por frecuencia en los componentes correspondientes a las diferentes bobinas irradiadoras.

La publicación PCT número WO96/05768 describe un sistema que genera información en seis dimensiones sobre la orientación y posición con respecto a la punta de un catéter. Este sistema utiliza una pluralidad de bobinas de sensor no concéntricas adyacentes a un punto localizable del catéter, por ejemplo, cerca de su extremo distal, y una pluralidad de bobinas irradiadoras fijadas dentro de un sistema de referencia externo. Las bobinas de sensor generan señales en respuesta a los campos magnéticos generados por las bobinas irradiadoras que posibilitan la computación de seis coordenadas de emplazamiento y orientación.

Las bobinas irradiadoras con núcleos son conocidas en los sistemas de detección de la posición. Los núcleos incrementan la potencia de campo de las bobinas, pero tienden a distorsionar los campos, y por consiguiente reducen la precisión de la detección de la posición. La teoría de los campos magnéticos generados por bobinas irradiadoras con núcleos es conocida en la técnica, de acuerdo con lo descrito por ejemplo, por John David Jackson en Electrodinámica Clásica, Segunda Edición (1975) [Classical Electrodynamics, Second Edition] páginas 168 a 208. En la práctica, sin embargo, es difícil deducir un modelo teórico que prediga con precisión el campo magnético generado por una bobina con un núcleo.

Los núcleos de ferrita presentan ventajas, porque ofrecen una alta permeabilidad magnética (\mu) y una alta resistividad (\rho). Debido a la alta resistividad, los núcleos pueden utilizarse con un campo magnético de variación temporal (corriente alterna) sin inducir corrientes parásitas en los núcleos, las cuales distorsionan y complican en mayor medida el campo magnético. El sistema Polhemus de detección de la posición, de acuerdo con lo descrito, por ejemplo, en la Patente estadounidense 4,017,858, utiliza dichos núcleos de ferrita en sus irradiadores (corriente alterna). Los materiales de ferrita, sin embargo, son relativamente costosos y frágiles, resultando escasamente prácticos y antieconómicos para su uso en tamaños de aproximadamente 5 cm de diámetro.

Los núcleos de hierro dulce son también eficaces a la hora de incrementar la potencia magnética de una bobina, pero provocan una grave distorsión de los campos magnéticos de corriente alterna debido a las corrientes parásitas generadas en el núcleo por la bobina. El sistema Ascensión de detección de la posición, descrito en la Patente estadounidense 4,849,692, se basa en un campo magnético de corriente continua y puede, por consiguiente, utilizar núcleos de hierro dulce en sus bobinas irradiadoras de corriente continua, ya que no se generan corrientes parásitas por el campo de cc.

Un procedimiento para generar factores de calibración de amplitud de campo de un campo magnético en las inmediaciones de un generador de campo magnético se conoce a partir del documento WO 95/09562.

Sumario de la invención

La precisión y eficacia de los sistemas de rastreo electromagnético, como los anteriormente citados, depende, en términos generales, del conocimiento preciso de la distribución de los campos magnéticos generado por las bobinas irradiadoras. Aunque estos campos pueden ser calculados teóricamente, en base a la geometría de las bobinas, los campos magnéticos reales típicamente difieren de los modelos teóricos. Por ejemplo, los campos pueden diferir de los modelos debido a pequeñas desviaciones en la fabricación de las bobinas. En el caso de bobinas con un núcleo ferromagnético, debe tomarse en consideración también la geometría y las propiedades magnéticas y eléctricas del núcleo. Típicamente habrá mayores desviaciones respecto de los modelos teóricos debido a, por ejemplo, no linealidades, histéresis y corrientes parásitas en el núcleo, y al emplazamiento impreciso del núcleo con respecto a las bobinas. Estas desviaciones pueden dar lugar a inexactitudes en la determinación de la posición y orientación del objeto que está siendo rastreado. Sería, por consiguiente, deseable calibrar las bobinas irradiadoras mediante una medición precisa de la dirección y amplitud del campo magnético existente en las inmediaciones del objeto que va a ser rastreado.

Constituye, por lo tanto, un objeto de algunos aspectos de la presente invención proporcionar un procedimiento de calibración de un generador de campo magnético. El procedimiento de la invención se expone en la reivindicación 1.

En algunos aspectos de la presente invención, las ecuaciones de campo de una bobina irradiadora electromagnética se utilizan para deducir un modelo del campo teórico, paramétrico, el cual es comparado con las mediciones de calibración del campo para determinar unos valores precisos de los parámetros.

En un aspecto de la presente invención, el modelo teórico tiene en cuenta las perturbaciones del campo debidas al efecto de un núcleo ferromagnético de una bobina irradiadora.

En otro aspecto de la presente invención, las bobinas irradiadoras se utilizan como parte de un sistema de rastreo de un objeto, como por ejemplo un sistema para su uso en la determinación de la posición y orientación de una sonda dentro del cuerpo de un sujeto durante una intervención quirúrgica o médica.

En procedimientos preferentes de la presente invención, los aparatos para calibrar un generador de campo magnético comprenden al menos dos bobinas de sensor, fijadas a un dispositivo de posicionamiento en una relación geométrica conocida. Este dispositivo de posicionamiento, el cual puede ser de cualquier tipo apropiado conocido en la técnica, está adaptado para posicionar las al menos dos bobinas de sensor en una o más posiciones en proximidad al generador de campo que está siendo calibrado. Las al menos dos bobinas de sensor generan unas señales eléctricas en presencia de un campo magnético de tiempo variable, señales que son analizadas para determinar la dirección y amplitud del campo magnético en las posiciones de las bobinas.

En algunas formas de realización preferentes de la presente invención, las al menos dos bobinas de sensor comprenden una pluralidad de bobinas de sensor, incluyendo preferentemente tres bobinas no concéntricas, las cuales son mutua predeterminados. Las bobinas no concéntricas presentan ventajas porque pueden más fácilmente ser devanadas dentro de un pequeño volumen, preferentemente de un mm^{3} o menos, deseado para su uso de acuerdo con la presente invención.

En algunas de estas formas de realización preferentes, las bobinas son fijadas dentro de una disposición sustancialmente lineal. Preferentemente el dispositivo de posicionamiento sitúa las bobinas sucesivamente en una pluralidad de posiciones a lo largo de un eje geométrico definido por la disposición de las bobinas. En una forma de realización preferente del tipo indicado, las tres bobinas no concéntricas son fijadas dentro de una sonda, sustancialmente de acuerdo con lo descrito en la solicitud PCT, número PCT/US95/01103. (WO 96/05768 A).

En otras formas de realización preferentes de la presente invención, las bobinas son fijadas a las respectivas caras de un cubo. En una forma de realización preferente del tipo indicado, seis bobinas son respectivamente fijadas a las seis caras del cubo, de forma que el eje geométrico de cada una de las bobinas sea ortogonal a la cara respectiva sobre la cual está fijada. Preferentemente, el dispositivo de posicionamiento sitúa el cubo en una pluralidad de posiciones sobre una cuadrícula definida por la disposición de las bobinas sobre el cubo.

En formas de realización preferentes de la presente invención, de acuerdo con lo definido en la reivindicación 1, el procedimiento para calibrar un generador de campo magnético comprende la colocación de al menos una bobina de sensor en una o más posiciones y orientaciones conocidas en las inmediaciones del generador de campo, el accionamiento del generador de campo para generar un campo magnético de tiempo variable, y la medición de las señales eléctricas generadas por la al menos una bobina de sensor, para determinar la dirección y la amplitud del campo magnético en una o más posiciones conocidas. La bobina puede tener un núcleo de aire o, preferentemente, un núcleo ferromagnético.

En algunas formas de realización preferentes de la presente invención, el generador de campo es sustancialmente simétrico en sentido rotacional alrededor de un eje del mismo, el procedimiento para calibrar el generador de campo incluye la definición de un plano de calibración que tiene un primer eje geométrico definido por un eje geométrico de simetría rotacional del generador de campo y un segundo eje geométrico elegido de forma que sea ortogonal con respecto al primer eje geométrico. Preferentemente, el segundo eje geométrico está en un plano definido por el generador de campo. Al menos una bobina de sensor es entonces situada en una o más posiciones conocidas que estén sustancialmente dentro de un cuadrante de este plano, definido por el primero y el segundo ejes geométricos, y las direcciones y amplitudes de los campos magnéticos son determinadas dentro de este cuadrante. Debido a la sustancial simetría del generador de campo, las direcciones y amplitudes del campo magnético determinado dentro de este cuadrante, son suficientes para determinar las direcciones y amplitudes del campo magnético en cualquier otro cuadrante definido mediante la elección de otro segundo eje geométrico ortogonal al primer eje.

En una forma de realización preferente de la presente invención, el procedimiento para calibrar un generador de campo incluye una fijación de tres bobinas de sensor sobre un dispositivo de posicionamiento en orientaciones sustancialmente ortogonales entre sí, conocidas, y en posiciones conocidas en una disposición sustancialmente lineal, no concéntrica. El dispositivo de posicionamiento se utiliza para colocar las bobinas de manera sucesiva en una pluralidad de posiciones sucesivas a lo largo de un primer eje geométrico definido por la disposición de las bobinas. La señal eléctrica generada por cada una de las tres bobinas de sensor en cada una de la pluralidad de posiciones a lo largo de este primer eje se utiliza para determinar la amplitud del componente del campo magnético proyectado a lo largo de la dirección de orientación de la respectiva bobina de sensor. Tres de dichas amplitudes de los componentes son así determinadas en cada una de la pluralidad de posiciones, de forma que el campo magnético sea completamente determinado a lo largo del primer eje geométrico. El dispositivo de posicionamiento es a continuación cambiado sobre uno o más ejes adicionales, paralelos a y en desplazamiento conocido con respecto al primer eje. Y las etapas anteriormente descritas son repetidas para determinar los campos magnéticos a lo largo de estos ejes
adicionales.

Alternativamente, en otra forma de realización preferente de la invención, la fijación de las tres bobinas de sensor comprende la fijación de un dispositivo de detección de la posición que incluye tres bobinas de sensor, sustancialmente de acuerdo con lo descrito en la solicitud PCT anteriormente mencionado número PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A). Las señales de posición recibidas del dispositivo en la pluralidad de posiciones conocidas en las inmediaciones del generador de campo son comparadas con las coordenadas reales, de posición conocida, para generar una función de calibración.

En otras formas de realización preferente de la presente invención, al menos una bobina de sensor se utiliza para llevar a cabo mediciones adicionales tanto en el plano de calibración, de acuerdo con lo anteriormente descrito, como en uno o más planos adicionales, que preferentemente tengan el mismo primer eje geométrico que el plano de calibración, pero que tengan unos segundos ejes respectivos geométricos diferentes. Dichas mediciones adicionales son útiles en la calibración de medición de campo cuando el campo pueda desviarse de la simetría rotacional, debido, por ejemplo, a la asimetría y/o excentricidad de un núcleo ferromagnético dentro del irradiador.

En otras formas de realización preferentes adicionales de la presente invención, al menos una bobina de sensor se emplea para efectuar mediciones de la dirección y amplitud del campo magnético en una rejilla de puntos en las inmediaciones del generador de campo.

Se proporciona, por consiguiente, un procedimiento para calibrar un generador de campo magnético que incluye:

: la fijación de dos o más sensores de campo magnético a una sonda en posiciones y orientaciones conocidas;

: la selección de una pluralidad de emplazamientos conocidos en las inmediaciones del generador de campo magnético;

: el accionamiento del generador de campo magnético para generar un campo magnético;

: el desplazamiento de la sonda en una orientación conocida, predeterminada, para cada uno de los emplazamientos conocidos;

: la recepción de señales procedentes de dos o más sensores en cada uno de la pluralidad de emplazamientos conocidos;

: el procesamiento de señales para medir la amplitud y dirección del campo magnético, en las respectivas posiciones de los dos o más sensores; y

: la determinación de los factores de calibración con respecto a la amplitud y dirección del campo magnético en las inmediaciones del generador de campo magnético.

Preferentemente, la fijación de dos o más sensores magnéticos a una sonda incluye una fijación de unas bobinas de sensor a la sonda. Dos o más bobinas de sensor son preferentemente fijadas a la sonda, en orientaciones tales que los ejes geométricos respectivos de las bobinas sean sustancialmente ortogonales entre sí.

Preferentemente, la fijación de dos o más sensores magnéticos a la sonda incluye la fijación de tres sensores a la sonda, de forma que las posiciones de los sensores sobre la sonda sean sustancialmente colineales.

Alternativamente, la fijación de dos o más sensores magnéticos a la sonda incluye la fijación de sensores a un cubo.

El desplazamiento de la sonda incluye el desplazamiento de la sonda a lo largo de un eje geométrico definido por las posiciones de los sensores sobre la sonda y el paso a través de dos o más de la pluralidad de emplazamientos en etapas de sustancialmente igual longitud, de forma que la distancia entre cualesquiera dos de los sensores sea integralmente divisible por la longitud de las etapas.

Preferentemente, para calibrar un generador de campo magnético que sea sustancialmente simétrico en sentido rotacional, la selección de la pluralidad de emplazamientos conocidos incluye la selección de una pluralidad de emplazamientos conocidos en un cuadrante definido por el eje geométrico de la simetría rotacional de la geometría de campo magnético y por un segundo eje geométrico en un plano definido por el generador de campo magnético y normal al eje geométrico de la simetría rotacional, y el desplazamiento de la sonda incluye la orientación de la sonda de forma que dos o más sensores estén situados en el plano.

La determinación de los factores de calibración preferentemente incluye el cálculo de los valores teóricos de la amplitud y dirección del campo magnético generado por el generador de campo magnético en la pluralidad de emplazamientos conocidos; la comparación de los valores teóricos con la amplitud y dirección del campo magnético medido en dichos emplazamientos; y la computación de los factores aritméticos correspondientes a la diferencia entre los valores teóricos y la amplitud y dirección medidas del campo magnético en cada uno de dichos emplazamientos.

Preferentemente, la computación de los factores aritméticos incluye la adaptación de los valores teóricos a la amplitud y dirección medidas del campo.

Preferentemente el cálculo de los valores teóricos incluye la deducción de un modelo teórico del campo magnético en presencia de un núcleo de aire dentro del generador de campo magnético y la modificación del modelo para tener en cuenta la presencia del núcleo ferromagnético dentro del generador de campo magnético.

Alternativa o adicionalmente, la modificación del modelo incluye la determinación de una perturbación del campo debida al núcleo, preferentemente mediante la determinación de una perturbación debida a una no linealidad del núcleo o, también adicional o alternativamente, mediante la determinación de una perturbación debida a corrientes parásitas en el núcleo.

En una forma de realización preferente, el procedimiento anteriormente descrito incluye así mismo una fijación de un dispositivo de detección de la posición en respuesta al campo magnético sobre un objeto; la colocación del objeto en las inmediaciones del generador de campo magnético; la recepción de señales procedentes del dispositivo de detección de la posición, el procesamiento de las señales para calcular la posición y orientación del objeto; y la aplicación de los factores de calibración para mejorar la precisión del cálculo de la posición u orientación.

Preferentemente, la calibración del campo magnético incluye el almacenamiento de los factores de calibración en una memoria asociada con la bobina irradiadora.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se comprenderá de forma más acabada partiendo de la descripción detallada subsecuente de las formas de realización preferentes de la misma, tomadas en conjunción con los dibujos, en los cuales:

La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un aparato para calibrar un generador de campo magnético;

la Fig. 2A es una vista en sección, esquemática, de una bobina de generador de campo magnético con un núcleo de aire, a los fines de ilustrar la calibración de la bobina;

la Fig. 2B es una vista en sección, esquemática, de una bobina de generador de campo magnético con un núcleo ferromagnético a los fines de ilustrar la calibración de la bobina;

la Fig. 3 es una ilustración isométrica, esquemática, de una bobina de generador de campo magnético con un núcleo ferromagnético, que muestra un sistema de coordenadas utilizado en la deducción de un modelo paramétrico del campo magnético debido a la bobina; y

la Fig. 4 es un gráfico que ilustra un modelo teórico de un campo magnético generado por la bobina de la Fig. 3;

la Fig. 5 es una ilustración isométrica esquemática del aparato para calibrar un generador de campo magnético.

Descripción detallada de formas de realización preferentes

Con referencia ahora a la Fig. 1, en ella se muestran tres bobinas de sensor 20, 22, 24 para calibrar un generador de campo magnético (no mostrado en la Fig. 1). Las bobinas 20, 22 y 24 son preferentemente de pequeño tamaño, teniendo cada bobina un volumen de aproximadamente 1 mm^{3}. Las bobinas están fijadas en una disposición sustancialmente lineal a una sonda 26, la cual a su vez está fijada al dispositivo de posicionamiento 30. La sonda 26 y las piezas asociadas están preferentemente hechas de un plástico rígido o de otra sustancia no conductora, para no distorsionar las líneas del campo magnético. Las bobinas 20, 22 y 24 están orientadas en orientaciones conocidas, predeterminadas, las cuales son sustancialmente ortogonales entre sí. En presencia de un campo magnético de tiempo variable, unas corrientes eléctricas son inducidas en las bobinas, que son sustancialmente proporcionales a la amplitud de los componentes del campo magnético a lo largo de los respectivos ejes de las bobinas en sus respectivas posiciones. Estas señales son transportadas mediante unos cables 32 hasta un aparato 34 de procesamiento de señales, el cual procesa las señales para determinar la dirección y la amplitud del campo magnético.

En la forma de realización preferente de la presente invención mostrada en la Fig. 1, el dispositivo de posicionamiento 30 es un marco de traslación de coordenadas X - Y, el cual puede ser de cualquier tipo apropiado conocido en la técnica. En otras formas de realización preferentes de la presente invención, el dispositivo de posicionamiento 30 puede ser un dispositivo de traslación de coordenadas X - Y - Z, o puede también incluir uno o más elementos de rotación. El dispositivo 30 puede ser accionado manualmente, a motor, o utilizando otros medios y procedimientos conocidos en la técnica, como por ejemplo un robot.

Las posiciones de las bobinas 20, 22 y 24 sobre la bobina 26 definen un eje geométrico de movimiento 36, que es paralelo a la dirección Y, como se ilustra en la Fig. 1. En una forma de realización preferente de la presente invención, el dispositivo de posicionamiento 30 está adaptado para desplazar la sonda 26 a lo largo del eje geométrico 36. El dispositivo 30 desplaza la sonda 26 en etapas de tamaño constante, de forma que la distancia entre cualquier par de bobinas 20, 22 y 24 es un número entero de las etapas. De esta forma cada una de las bobinas 20, 22 y 24 está situada en cada punto a lo largo del eje geométrico, por ejemplo el punto 38, por turno, de forma que tres componentes sustancialmente ortogonales del campo magnético son determinados en cada uno de dichos puntos.

Después de que los campos magnéticos han sido medidos en todos los puntos deseados a lo largo del eje geométrico 36, el posicionamiento del dispositivo 30 cambia la sonda 26 en una distancia conocida, predeterminada en la dirección X, y a continuación se repiten las mediciones desplazando la sonda a lo largo de la dirección Y, de acuerdo con lo anteriormente descrito.

En otra forma de realización preferente de la presente invención (no mostrada en las figuras), tres bobinas no concéntricas 20, 22 y 24 están fijadas dentro de una sonda sustancialmente de acuerdo con lo descrito en la solicitud PCT anteriormente mencionada número PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A). Esta sonda es fijada a un dispositivo de posicionamiento, y se utiliza en lugar de la sonda 26 y de las bobinas 20, 22 y 24 en la calibración de una bobina irradiadora, de acuerdo con lo anteriormente descrito.

En otras formas de realización adicionales de la presente invención, dos, cuatro o más bobinas, de cualquier configuración geométrica apropiada, pueden utilizarse para calibrar un generador de campo magnético. Las bobinas pueden ser concéntricas o no concéntricas.

La Fig. 2A es una vista en sección de una bobina irradiadora 40 que tiene un núcleo de aire 43 utilizado en campos magnéticos generadores. La bobina irradiadora 40 es simétrica en sentido rotacional alrededor de un eje geométrico simétrico de simetría 42. Un segundo eje geométrico 46 es escogido para que sea ortogonal al eje geométrico de simetría 42, en el que el segundo eje geométrico 46 está preferentemente situado en un plano 48 definido por la bobina 40. Los ejes 42 y 46 definen un cuadrante 44 de un plano normal al plano 48. Los expertos en la materia apreciarán que los campos magnéticos generados por la bobina irradiadora 40 serán también simétricos en sentido rotacional alrededor del eje 42. Así, las direcciones y amplitudes de un campo magnético generado por la bobina 40 determinados con relación a un cuadrante 44, son sustancialmente independientes de la elección del segundo eje geométrico 46.

Por consiguiente, en formas de realización preferentes de la presente invención, la bobina irradiadora 40 es calibrada mediante la medición de la dirección y amplitud del campo magnético de uno o más puntos del cuadrante 44 definido por los ejes 42 y 46. Los valores medidos de dirección y amplitud en uno o más puntos de este cuadrante son a continuación comparados con los valores teóricamente calculados, y cualquier diferencia sustancial entre los valores teóricos y los medidos es registrada y utilizada para determinar la calibración de los factores de corrección. En una forma de realización preferente de la presente invención, la calibración de los factores de corrección son electrónicamente almacenados en una memoria 47, que consista preferentemente en una EPROM, u otro microcircuito programable, asociado con la bobina irradiadora. Los factores de corrección determinados en relación con el cuadrante 44 son a continuación aplicados para calibrar el campo magnético en todos los cuadrantes por encima del plano 48 de la bobina.

Debe apreciarse que el procedimiento anteriormente descrito puede igualmente aplicarse para determinar la calibración de los factores de corrección con relación a los cuadrantes por debajo del plano 48 de la bobina 40. Así mismo, si la bobina es también simétrica bajo reflexión en el plano 48, los factores de corrección determinados con relación al cuadrante 44 serán por sí mismos suficientes para determinar los factores de corrección de la calibración con relación a los cuadrantes por debajo del plano.

La Fig. 2B es una vista en sección de una, bobina irradiadora 60 utilizada en la generación de campos magnéticos. La bobina 60 es sustancialmente similar a la bobina 40, de acuerdo con lo anteriormente descrito, excepto porque la bobina 60 incluye un núcleo ferromagnético 62. En general, el núcleo ferromagnético 62 estará hecho de un material no conductivo, como por ejemplo ferrita, o de un material conductivo, como por ejemplo hierro dulce. El núcleo ferromagnético 62 es simétrico en sentido rotacional alrededor del eje geométrico de simetría 42. Debe así mismo apreciarse que los campos magnéticos generados por la bobina irradiadora 60 y por el núcleo ferromagnético 62 serán también simétricos en sentido rotacional alrededor del eje geométrico 42. Así, las direcciones y amplitudes de un campo magnético generado por la bobina 60 con el núcleo 62, determinada en relación con un cuadrante 44, son sustancialmente independientes de la elección del segundo eje 46 definido por lo anteriormente expuesto, siempre que se mantenga la simetría.

La presencia del núcleo ferromagnético 62 en la bobina 60 potencia de manera considerable la amplitud del campo magnético producido en una posición determinada, en comparación con el campo magnético producido si no hubiese ningún núcleo en posición. La potenciación de la amplitud del campo aumenta la zona, conocida como volumen cartográfico, en el cual las bobinas de sensor, por ejemplo, de acuerdo con lo descrito en la Patente estadounidense anteriormente mencionada 5,391,199 proporciona una señal suficientemente fuerte para posibilitar que se efectúen unas mediciones de posición precisas.

Aunque el núcleo ferromagnético 62 incrementa el volumen cartográfico con respecto a la corriente aplicada a la bobina 60, la sencilla situación anteriormente descrita con respecto a la forma del campo magnético y de la calibración de la bobina en el caso del núcleo de aire, resulta más complicada cuando hay un núcleo ferromagnético. La presencia del núcleo ferromagnético 62 puede provocar que el campo se desvíe de manera significativa respecto de los modelos teóricos debido a parámetros del núcleo tales como la permeabilidad, la resistividad, y la histéresis. Si, por ejemplo, el núcleo ferromagnético 62 tiene una resistividad genéricamente definida, como en el caso de un núcleo de hierro dulce, los campos magnéticos dependientes del tiempo introducirán corrientes parásitas en el núcleo, lo cual perturbará de manera considerable el campo. Así mismo, si el núcleo no es exactamente simétrico o no está exactamente centrado dentro de la bobina 60, el campo magnético se desviará en la medida correspondiente con relación al modelo
teórico.

Así, en una forma de realización preferente de la invención, parámetros tales como la permeabilidad, la resistividad, la histéresis, la posición, la configuración y las dimensiones del núcleo ferromagnético 62 son utilizados en la deducción de un modelo teórico sobre el cual el campo de la bobina 60 es calibrado. El modelo preferentemente incluye también parámetros tales como el número de giros, flujo de corriente, y área en sección transversal de la bobina irradiadora 60. Debe entenderse que los anteriores parámetros de la bobina y del núcleo se enumeran en la presente memoria a modo de ejemplo, y que de igual forma pueden incluirse otros parámetros relevantes. El modelo se utiliza para generar unos valores teóricos de un vector de campo magnético B de vector (comprendiendo los componentes B_{r}, B_{\theta} B_{\phi}) producido por la bobina irradiadora 60 y el núcleo ferromagnético 62.

Para calibrar la bobina 60, los campos magnéticos son medidos en una pluralidad de puntos, preferentemente de manera aproximada en 300 puntos, preferentemente de acuerdo con lo anteriormente descrito, y los valores de campo magnético medidos obtenidos son comparados con los valores teóricos. Utilizando procedimientos de adaptación multivariables conocidos en la técnica, los datos medidos son utilizados para calcular los valores reales, corregidos, de parámetros tales como la permeabilidad y un número efectivo de giros de la bobina, por ejemplo. Estos valores de parámetro reales pueden utilizarse en el modelo teórico para calcular con exactitud el campo magnético en cualquier parte del volumen cartográfico.

La Fig. 3 es una vista isométrica de la bobina 60, como se muestra en la Fig. 2B, que ilustra un sistema de coordenadas que se utiliza en la deducción de los valores teóricos del campo magnético. Se presume que la bobina irradiadora 60 comprende n giros de alambre con un radio a y con una corriente I que fluye por el alambre. El núcleo ferromagnético 62 se presume que es una esfera que tiene un radio b y una permeabilidad \mu. De acuerdo con el texto de Jackson anteriormente mencionado, el campo teórico añadido a una bobina irradiadora 60 en el punto 64 mediante la presencia del núcleo 62 es en general determinado por:

\vskip1.000000\baselineskip

1

\vskip1.000000\baselineskip

2

\vskip1.000000\baselineskip

3

donde P_{I} (cos\theta) y P_{I} (cos\theta) son polinomiales de Legendre y sus derivados respectivamente, y

4

donde el momento m del dipolo magnético de la bobina se determina por:

5

donde c es la velocidad de la luz, y

6

y

7

y

8

Estas ecuaciones son preferentemente modificadas, utilizando procedimientos matemáticos conocidos en la técnica, por ejemplo, la teoría de la perturbación, para contar con efectos tales como variaciones de la permeabilidad, corrientes parásitas, histéresis y otras desviaciones de la bobina 60 y del núcleo 62 respecto del comportamiento teórico, de acuerdo con lo anteriormente descrito. Las ecuaciones modificadas pueden consistir en soluciones analíticas, similares a las ecuaciones (1) a (4) y las ecuaciones (6) y (7) anteriormente expresadas, con los cambios apropiados. Alternativamente, pueden adoptar la forma de solución numérica, calculada por una computadora, con resultados dependientes de los valores variables de los parámetros de la bobina y del núcleo.

La Fig. 4 es un gráfico que muestra una sección transversal del campo teórico adicionado con el núcleo ferromagnético 62, a una distancia de 25 cm del centro del núcleo de la bobina 60, como se muestra en la Fig. 2B. El campo es calculado utilizando las ecuaciones (1) a (7), anteriores, insertando unos valores típicos para los parámetros: \mu = 1000, a = 5 cm y b = 4,5 cm. El eje geométrico vertical 70 representa el incremento fraccional de la magnitud de campo magnético, |B|, comparado con el campo con un núcleo de aire, y el eje horizontal 72 representa el ángulo \theta medido en radianes. Debe apreciarse que los cambios experimentados en los valores de los parámetros utilizados en las ecuaciones producirán los correspondientes cambios en la configuración de la curva de la Fig. 4.

Para calibrar la bobina 60, los campos magnéticos son medidos en una pluralidad de puntos, utilizando el sistema mostrado en la Fig. 2, por ejemplo: utilizando los métodos de adaptación anteriormente descritos, parámetros que incluyen un número efectivo de giros y una permeabilidad efectiva son deducidos para proporcionar un ajuste óptimo de la curva mostrada en la Fig. 4 con los valores medidos. Estos parámetros son utilizados en las ecuaciones anteriormente expresadas para calcular el campo magnético en cualquier parte del volumen cartográfico. Alternativamente, los parámetros pueden ser insertados en un modelo numérico adaptado para este fin.

En formas de realización preferentes de la presente invención, la calibración de la bobina 40 con el núcleo de aire 43, o de la bobina 60 con el núcleo ferromagnético 62, se lleva a cabo utilizando el aparato mostrado en la Fig. 1, en la que las bobinas 20, 22 y 24 situadas sobre la sonda 26 son escaneadas mecánicamente mediante el dispositivo de posicionamiento 30 a lo largo de uno o más puntos del cuadrante 44, de acuerdo con lo anteriormente descrito.

En un procedimiento alternativo no mostrado en las figuras, una formación de dos dimensiones de bobinas de sensor, en orientaciones y posiciones conocidas, predeterminadas, se utiliza para calibrar un generador de campo magnético. Para calibrar un generador de campo magnético simétrico en sentido rotacional, como por ejemplo una bobina 44 con un núcleo de aire 43 mostrado en la Fig. 2A, o una bobina 40 con un núcleo ferromagnético 62 mostrada en la Fig. 2B, la formación está preferentemente posicionada de forma que todas las bobinas de sensor de la formación estén situadas en el cuadrante 44. Así, los factores de corrección de la calibración pueden determinarse sustancialmente de manera simultánea para una zona sustancial de interés en las inmediaciones de la bobina.

La Fig. 5 muestra otra alternativa adicional para su uso en la calibración de un generador de campo magnético (no mostrado en la Fig. 5) que comprende un cubo 92 en el cual están fijadas seis bobinas de sensor 80, 82, 84, 86, 88, 90. Las bobinas tienen preferentemente un diámetro de aproximadamente 1 mm y una altura de aproximadamente varios milímetros, pero por razones de claridad se muestran de tamaño ampliado en la Fig. 5. Las bobinas están preferentemente fijadas en un cubo 92 de forma que: los ejes geométricos de las bobinas 80, 86 son sustancialmente colineales genéricamente en un plano paralelo a la dirección X mostrada en la Fig. 5; los ejes geométricos de las bobinas 82, 88 son sustancialmente colineales y discurren genéricamente paralelos a la dirección Z; y los ejes geométricos de las bobinas 84, 90 son sustancialmente colineales y discurren genéricamente en paralelo con la dirección Y. Los tres ejes anteriormente mencionados son sustancialmente ortogonales y las bobinas están fijadas a los lados del cubo, de forma que los tres ejes se cruzan genéricamente en el centro del cubo.

El cubo 92 tiene una longitud de borde de aproximadamente 3 cm y la distancia centro a centro de las bobinas colineales es genéricamente de 2 cm. El cubo 92 y las piezas asociadas están preferentemente hechas de un plástico rígido u otro material no conductor, para no distorsionar el campo magnético. En presencia de campos magnéticos de tipo variable, las señales procedentes de las bobinas son transportadas por los alambres 96 hasta el equipo de procesamiento de señales 34 (no mostrado en la Fig. 5).

Los centros de las bobinas 84 y 90 sobre el cubo 92 definen un eje geométrico 98; los centros de las bobinas 80 y 86 en el cubo 92 definen un eje geométrico 104; y los centros de las bobinas 82 y 88 en el cubo 92 definen un eje geométrico 102. El cubo 92 está definido en el dispositivo de posicionamiento 30 de forma que los bordes del cubo son genéricamente paralelos a las direcciones X, Y, y Z, y el dispositivo de posicionamiento 30 desplaza el cubo 92 a lo largo del eje geométrico 98. Preferentemente, el dispositivo 30 desplaza el cubo 92 en etapas de tamaño constante, como por ejemplo 3 cm.

Después de que los campos magnéticos han sido medidos en todos los puntos deseados sobre el eje 98, el dispositivo de accionamiento 90 cambia el cubo 92 en una distancia conocida, predeterminada, como por ejemplo 1 cm a lo largo del eje geométrico 102, y a continuación se repiten las mediciones desplazando la sonda en paralelo a la dirección Y, de acuerdo con lo anteriormente descrito. Después de que los campos magnéticos han sido medidos en todas las posiciones deseadas en el plano definido por los ejes 98 y 102, el dispositivo de accionamiento 90 cambia el cubo 92 en una distancia conocida, predeterminada, por ejemplo 1 cm, a lo largo del eje 104, y a continuación las mediciones se repiten desplazando la sonda en paralelo a la dirección Y, de acuerdo con lo anteriormente descrito. De esta forma las bobinas 80 u 86, y las bobinas 82 u 88, y las bobinas 84 o 90, son situadas en cada punto, por ejemplo el punto 100, por turno, de forma que son determinados tres componentes sustancialmente ortogonales del campo magnético en cada uno de dichos puntos.

La bobina irradiadora 40 con el núcleo de aire 43, o la bobina irradiadora 60 con el núcleo ferromagnético 62, se utilizan en un sistema para rastrear la posición y/o la orientación de un objeto (no mostrado en las figuras) en las inmediaciones de la bobina. Preferentemente las bobinas de detección de la posición son situadas sobre o adyacentes a este objeto, y generan unas señales eléctricas en respuesta a un campo magnético generado por la bobina 40 o 60. Los factores de corrección de la calibración determinados de acuerdo con el procedimiento expuesto son entonces aplicados a las señales eléctricas recibidas procedentes de las bobinas de detección de la posición, para rastrear la posición y orientación del objeto con mayor precisión.

El objeto que está siendo rastreado es un catéter, por ejemplo, de acuerdo con lo descrito en la solicitud PCT anteriormente mencionada número PCT/US95/01103 (WO 96/05768 A) o en la Patente estadounidense 5,391,199. Preferentemente, las bobinas de sensor 20, 22 y 24, las cuales se utilizan para calibrar la bobina irradiadora 40 o 60, son sustancialmente similares a la bobina de detección de la posición adyacentes al extremo distal del catéter.

Las señales recibidas de las bobinas de detección de la posición son utilizadas para determinar las coordenadas no corregidas de la posición del objeto, en base a los valores teóricos de la amplitud y dirección del campo magnético generado por la bobina 40 o 60. Los factores de corrección de la calibración determinados para la posición indicada por estas coordenadas no corregidas son aplicados para calcular los valores corregidos de la amplitud y dirección del campo magnético en tas inmediaciones del objeto. La amplitud y dirección del campo magnético corregido son entonces utilizadas para encontrar las coordenadas de posición corregidas del objeto.

Los factores de corrección de la calibración determinados de acuerdo con formas de realización preferentes de la presente invención se almacenan de modo preferente en forma de una tabla de consulta, que comprende unos factores multiplicativos o aditivos, los cuales se aplican en el cálculo de los valores corregidos de la amplitud y dirección del campo magnético y/o de las coordenadas de la posición corregidas del objeto. Los factores de corrección para todos los puntos situados en una zona en las inmediaciones de un generador de campo, en el que la dirección y amplitud del campo han sido medidos en una pluralidad de dichos puntos, pueden determinarse mediante procedimientos de interpolación y de ajuste de curvas conocidos en la técnica.

Debe apreciarse que las formas de realización preferentes anteriormente descritas se han expresado a modo de ejemplo, y que el ámbito completo de la invención queda únicamente limitado por las reivindicaciones.

Claims

1. Un procedimiento para calibrar un generador de campo magnético, que comprende:

: la fijación de dos o más sensores de campos magnéticos (20, 22, 24) a una sonda (26) en posiciones conocidas y orientaciones sustancialmente ortogonales entre sí;

: el desplazamiento de los uno o más sensores (20, 22, 24) en una orientación predeterminada, conocida, hacia cada una de la pluralidad de emplazamientos conocidos, comprendiendo el desplazamiento el desplazamiento de la sonda (26) a lo largo de un eje geométrico, estando el eje geométrico definido por dos o más sensores (20, 22, 24) sobre la sonda (26) y pasando a través de dos o más de la pluralidad de emplazamientos;

: la recepción de señales procedentes de los dos o más sensores (20, 22, 24) en cada una de la pluralidad de emplazamientos conocidos;

: el procesamiento de las señales para medir la amplitud y medición del campo magnético en las respectivas posiciones de los dos o más sensores (20, 22, 24); y

: la determinación de los factores de calibración con respecto a la amplitud y dirección del campo magnético en las inmediaciones del generador de campo magnético para cada emplazamiento;

y en el que el desplazamiento de la sonda (26) a lo largo del eje geométrico comprende el desplazamiento de la sonda (26) en etapas de sustancialmente igual longitud, de forma que la distancia entre cualesquiera de los dos sensores (20, 22, 24) es sustancialmente divisible íntegramente por la longitud de las etapas, por medio de lo cual, una vez ejecutada la calibración, cada sensor (20, 22, 24) se habrá desplazado a cada emplazamiento conocido seleccionado para posibilitar que se determine un factor de calibración de la amplitud y la dirección para cada emplazamiento conocido

\hbox{seleccionado para cada orientación de sensor
conocida.}

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la fijación de dos o más sensores magnéticos (20, 22, 24), a la sonda (26) comprende la fijación de unas bobinas de sensor (20, 22, 24) a la sonda (26).

3. El procedimiento de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la fijación de dos o más sensores magnéticos (20, 22, 24) a la sonda (26) comprende la fijación de tres sensores (20, 22, 24) a la sonda (26), de forma que las posiciones de los sensores (20, 22, 24) sobre la sonda (26) son sustancialmente colineales.

4. El procedimiento de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la fijación de dos o más sensores magnéticos a la sonda (26) comprende la fijación de los sensores (80, 82, 84, 86, 88, 90) a un cubo (92).

5. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que:

: la calibración de un generador de campo magnético comprende la calibración de un generador de campo que es sustancialmente simétrico desde el punto de vista rotacional;

: la selección de la pluralidad de emplazamientos conocidos comprende la selección de emplazamientos en un cuadrante (44) definido por el eje geométrico (42) de simetría rotacional del generador de campo magnético y por un segundo eje geométrico (46) en un plano (48) definido por el generador de campo magnético y normal al eje geométrico (42) de la simetría rotacional; y

: el desplazamiento de la sonda (26) comprende la orientación de la sonda (26) de forma que los dos o más sensores (20, 22, 24) están situados en el plano (48).

6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la determinación de los factores de calibración comprende:

: el cálculo de los valores teóricos de la amplitud y dirección del campo magnético generado por el generador de campo magnético en el uno o más emplazamientos conocidos;

: la comparación de los valores teóricos con la amplitud y dirección del campo magnético medido en dichos emplazamientos;

: y

: la computación de los factores aritméticos en base a la diferencia entre los valores teóricos y la amplitud y dirección medidas del campo magnético en cada emplazamiento.

7. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la computación de los factores aritméticos comprende la adaptación de los valores teóricos a la amplitud y dirección medidas del campo.

8. El procedimiento de la reivindicación 6 o reivindicación 7, en el que el cálculo de los valores teóricos comprende:

: la derivación de un modelo teórico del campo magnético en presencia de un núcleo de aire situado dentro del generador de campo magnético,

: y

: la modificación del modelo para tener en cuenta la presencia de un núcleo ferromagnético situado dentro del generador de campo magnético.

9. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que la modificación del modelo comprende la determinación de una perturbación del campo debida al núcleo, como por ejemplo una perturbación debida a una no linealidad del núcleo o a una perturbación debida a corrientes parásitas existentes dentro del núcleo.

10. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, comprendiendo así mismo:

: la fijación de un dispositivo de detección de la posición en respuesta al campo magnético sobre un objeto;

: la colocación del objeto en las inmediaciones del generador de campo magnético;

: la recepción de señales procedentes del dispositivo de detección de la posición;

: el procesamiento de las señales para calcular la posición y orientación del objeto; y

: la aplicación de los factores de calibración para mejorar la precisión de cálculo de la posición u orientación.

11. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, y que comprende almacenar los factores de calibración en una memoria asociada con una bobina irradiadora de un campo.