ES2354939T3 - Procedimiento y aparato para estimar la localización y orientación de objetos durante la formación de imágenes por resonancia magnética. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para determinar la localización y la orientación instantánea de un objeto (30) que se mueve a través de un espacio tridimensional dentro del espacio de formación de imágenes de un aparato de IRM (40) durante la operación del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética, que se caracteriza porque el procedimiento comprende - proporcionar un conjunto de bobinas (20) que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección (22, 24, 26) que tienen ejes de orientación conocida unos con respecto a los otros, siendo mutuamente ortogonales los citados ejes, unos con respecto a los otros, estando conectado o integrado el conjunto de bobinas (20) en el citado objeto (30) , - medir los valores instantáneos de los potenciales eléctricos (700) inducidos en la citada pluralidad de bobinas de detección (22, 24, 26) por la activación de las bobinas de gradiente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40) durante la operación del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), y - calcular la localización y la orientación instantánea del citado objeto (30) dentro del citado espacio comparando los citados valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos (700) con los mapas tridimensionales conocidos de la magnitud y la dirección de los campos magnéticos generados dentro del citado espacio de formación de imágenes por la citada activación de las bobinas de gradiente (43), la citada etapa de comparar haciendo uso de la orientación relativa conocida de la citada pluralidad de bobinas de detección (22, 24, 26).

Description

Campo de la invención

La invención se refiere a la metodología y aparato para determinar la localización y orientación de un objeto, por ejemplo, un dispositivo médico, que se encuentra dentro o fuera de un cuerpo, mientras el cuerpo está siendo explo-rado con formación de imágenes por resonancia magnética (IRM). Más específicamente, la invención permite la estima-5 ción de la localización y orientación de los diferentes dispositivos (por ejemplo, catéteres, instrumentos de cirugía, agu-jas de biopsia, etc.) mediante la medición de voltajes inducidos por campos magnéticos variables en el tiempo en un conjunto de bobinas en miniatura. Tales campos magnéticos variables en el tiempo son generados por un escáner de IRM durante su operación normal.

Antecedentes de la invención 10

Procedimientos mínimamente invasivos: los procedimientos diagnósticos o de intervención mínimamente inva-sivos requieren una visualización visual directa o formación de imágenes indirecta del campo de operación y la determi-nación de la localización y orientación del dispositivo operativo. Por ejemplo, las intervenciones laparoscópicas son controladas por la visualización directa del campo operativo con endoscopios rígidos, mientras que los endoscopios flexibles son de uso general para los procedimientos de diagnóstico y de intervención en el interior del tracto gastro - 15 intestinal. Los catéteres vasculares son manipulados y maniobrado por el operador, con formación de imágenes de rayos X en tiempo real para presentar la localización y la orientación del catéter. La formación de imágenes por ultraso-nidos y los nuevos escáneres de IRM y TC en tiempo real se usan para guiar los procedimientos de diagnóstico (por ejemplo, aspiración y biopsia) y las intervenciones terapéuticas (por ejemplo, ablación, suministro local de medicamen-tos) en objetivos profundos. Aunque los ejemplos anteriores proporcionan una visualización del campo de operación y 20 del dispositivo ya sea directa (óptica) o indirectamente (formación de imágenes), otro enfoque se basa en la detección remota del dispositivo con medios mecánicos, ópticos o electromagnéticos para determinar la localización y la orienta-ción del dispositivo en el interior del cuerpo.

Estereotaxia: la estereotaxia asistida por ordenador es una técnica valiosa para la realización de procedimien-tos diagnósticos y de intervención, más típicamente en el cerebro. El concepto detrás de la técnica es tener mediciones 25 en tiempo real de la localización del dispositivo en el mismo sistema de coordenadas como una imagen del campo de operación. La localización actual del dispositivo y su trayectoria futura se presentan en tiempo real sobre la imagen y proporcionan al operador una información de retorno para manipular el dispositivo con un daño mínimo a los órganos. Durante la estereotaxia tradicional, el paciente lleva un casco especial en forma de halo, que proporciona el sistema de coordenadas común, y se realizan exploraciones por CT o IRM para crear una imagen computarizada tridimensional que 30 proporciona la localización exacta del objetivo (por ejemplo, un tumor) en relación con el casco. El dispositivo está co-nectado mecánicamente al casco y los sensores proporcionan su localización en relación con el casco. Cuando se utili-za esta técnica para realizar una biopsia o una cirugía mínimamente invasiva del cerebro, guía al cirujano para que determine donde hacer un pequeño agujero en el cráneo para llegar al objetivo. Una tecnología más nueva es la técnica sin casco, que utiliza un bastoncillo de navegación sin casco (por ejemplo, véase el documento de Nitin Patel y David 35 Sandeman, "Un Dispositivo de Guiado de Trayectoria Simple que Ayuda en la Biopsia a Mano Libre y Guiada por Ima-gen Interactiva de Objetivos Intracraneales Pequeños y Profundos", Comp. Aid Surg 2:186 - 192, 1997). En esta técnica, el sistema sensor remoto (por ejemplo, fuentes de luz y sensores) proporciona la localización en tiempo real del disposi-tivo con respecto al sistema de coordenadas de la imagen. Sin embargo, tanto la estereotaxia como las técnicas sin casco están limitadas típicamente a la utilización de dispositivos rígidos tales como agujas o fórceps de biopsia, puesto 40 que su operación adecuada requiere fijaciones mecánicas o bien una línea de visión entre las fuentes de luz y los sen-sores.

Detección electromagnética remota: Las nuevas técnicas de detección remota se basan en el electromagne-tismo. Por ejemplo, la técnica de Bladen y Anderson (WO 94/04938) es una metodología de seguimiento electromagné-tico activo que requiere el uso de un generador o generadores de campos electromagnéticos para determinar la locali-45 zación y la orientación de un sensor (Página 3, líneas de 17 - 36; Página 4, línea 24 hasta Página 5, línea 9). Esta me-todología no puede ser utilizada directamente en la IRM puesto que la aplicación de un campo electromagnético externo crea un nivel inaceptable de artefactos de imagen. Estos artefactos pueden ser evitados intercalando la etapa de segui-miento a la etapa de adquisición de imágenes , lo que requiere una modificación de las secuencias de impulsos de la IRM y alargar el tiempo de la formación de imágenes . También requiere la modificación mecánica del escáner, para 50 añadir los generadores de campo en la estructura del escáner. La adición de elementos conductores al escáner (las bobinas de los generadores) puede dar lugar a artefactos sustanciales debido a la creación de corrientes de Foucault y pueden crear interferencias electromagnéticas con el escáner.

El documento de Acker et al (patente norteamericana número 5.558.091) desvela un procedimiento y aparato para determinar la posición y la orientación de un dispositivo en el interior del cuerpo. Este procedimiento utiliza campos 55 magnéticos generados por bobinas de Helmholtz, y un conjunto de sensores ortogonales para medir los componentes de estos campos y para determinar la posición y la orientación a partir de estas medidas. La medición de los componen-tes del campo magnético se basa en el efecto Hall y requiere corrientes de excitación en los sensores con el fin de ge-nerar las señales medidas. La técnica requiere un control de los campos magnéticos externos y campos de régimen

permanente u oscilantes, para que los voltajes inducidos alcancen un estado de equilibrio. Estos requisitos impiden, o complican en gran medida, el uso de esta técnica con los campos magnéticos generados por el sistema IRM y requiere la adición de un conjunto dedicado de bobinas para generar los campos magnéticos requeridos.

Un enfoque diferente para la detección remota de la localización es desvelado por el documento de Pfeifer et al. (patente norteamericana número 5.042.486) y es utilizado adicionalmente por Ben-Haim para la formación de imágenes 5 intracorporal (patente norteamericana número 5.391.199). Su tecnología se basa en generar señales débiles de radio-frecuencia (RF) desde tres transmisores diferentes, recibir las señales por medio de una antena de RF en el interior del dispositivo, y calcular las distancias desde los transmisores, las cuales definen la localización espacial del dispositivo. Al igual que con la metodología anterior, la aplicación de la tecnología a la IRM es problemática debido a la utilización simultánea de señales de RF en la exploración por RM. Las dificultades potenciales son el calentamiento de la antena 10 de recepción en el dispositivo por la excitación de gran amplitud de las transmisiones de RF del escáner de IRM y arte-factos en la imagen de RM.

Dumoulin y sus colegas desvelan otro enfoque para determinar la localización de un dispositivo, utilizando una bobina de recepción pequeña que es sensible a la señal de RF emitida en posición cercana durante el proceso de for-mación de imágenes por RM (Dumoulin CL, Darro RD, Souza SP, "Seguimiento por Resonancia Magnética" en Inter-15 ventional MR, editada por Jolesz FA y Young IY, Mosby, 1998; US -A- 5.318.025). En el documento US- A - 5.318.025, se describe un procedimiento para determinar la localización y la orientación instantáneas de un objeto que se mueve por un espacio tridimensional en el espacio de formación de imágenes de un aparato de formación de imágenes por resonancia magnética de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Un aparato para determinar la localización y la orientación instantáneas de un objeto que se mueve por un es-20 pacio tridimensional en el espacio de formación de imágenes de un aparato de formación de imágenes por resonancia magnética, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 6, también es conocido por el documento US – A - 5.318.025.

Este documento US – A – 5.318.025 (Dumoulin y colegas) desvela un sistema de seguimiento basado en la in-ducción de señales en bobinas receptoras por la emisión de radio-frecuencias (RF) desde los tejidos cercanos al dispo-25 sitivo (Columna 4, líneas 33 - 50) . Se requiere el uso de todos los componentes de un escáner de IRM que incluye un campo magnético homogéneo de alta intensidad, un conjunto de tres campos de gradiente magnético ortogonales, un sistema de transmisión de RF, un sistema de recepción de RF, además de sus propios módulos de proceso y control (figura 6 y columna 6, línea 44 a columna 7, línea 2). Puesto que se basa en el mismo mecanismo que el de adquisición de imágenes por escáner de IRM, se puede ver como la formación de imágenes de una región muy pequeña de interés. 30 En consecuencia, se requiere la presencia de material que pueda generar señales de IRM en las proximidades de las bobinas de RF, ya sea tejido (si el sensor está dentro del cuerpo, como en los catéteres) o una pequeña cámara de un agente de contraste (si el seguimiento se realiza fuera del cuerpo). Además, el sistema Dumoulin requiere la modifica-ción de la secuencia normal de adquisición de imágenes mediante el uso de secuencias de impulsos especiales que permiten el seguimiento (figura 4 y Columna 4). Esto complica sustancialmente la programación de la secuencia de 35 impulsos del escáner (debido al efecto de la RF adicional y las activaciones de gradiente para el seguimiento de los componentes de imágenes de la secuencia), alarga el tiempo de la exploración, y los límites de la velocidad de actuali-zación de las limitaciones adicionales de seguimiento de esta técnica de seguimiento incluyen el calentamiento potencial de las bobinas de RF, especialmente en el interior del cuerpo, y la determinación indirecta de la orientación a partir de la localización estimada de al menos dos bobinas de RF separadas, con una precisión limitada cuando el tamaño del sen-40 sor está limitado (es decir, cuando la distancia entre las dos bobinas es corta).

Además, el documento WO 94/04938 A1 desvela un procedimiento y un aparato para determinar la orientación y la localización de un objeto que implica proporcionar un conjunto de bobinas que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección mutuamente ortogonales, fijar las bobinas de detección al objeto, medir los potenciales eléc-tricos inducidos en las citadas bobinas de detección por la activación de las bobinas de generación de campos magnéti-45 cos y calcular la orientación y la localización del objeto a partir de los potenciales eléctricos medidos.

IRM de intervención: Muchas de las ventajas de la IMR que la convierten en una poderosa herramienta de for-mación de imágenes clínicas también son valiosas durante los procedimientos de intervención. La falta de radiaciones ionizantes y las capacidades de formación de imágenes de planos múltiples y oblicuas son especialmente útiles durante los procedimientos invasivos. La ausencia de artefactos de endurecimiento de haces de los huesos permite acercamien-50 tos complejos a las regiones anatómicas que pueden ser difíciles o imposibles con otras técnicas de formación de imá-genes tales como la TC convencional. Quizás la mayor ventaja de la IRM es la resolución de contraste superior de los tejidos blandos, lo que permite la detección precoz y sensible de cambios en los tejidos durante los procedimientos de intervención. Muchos expertos consideran ahora que la IRM es una de las técnicas de formación de imágenes más potente para guiar los procedimientos de intervención intersticial, y en algunos casos, incluso los procedimientos endo-55 vasculares o endoluminales (Yoshimi Anzai, Rex Hamilton, Shantanu Sinha, Antonio DeSalles, Keith Black, Robert Luf-kin, "IRM de Intervención para Cáncer de Cabeza y Cuello y Otras Aplicaciones ", Avances en Oncología, mayo de 1995, Vol. 11 Número 2).

De los antecedentes presentados de las metodologías actuales, se puede definir el sistema ideal para proce-

dimientos mínimamente invasivos: debe proporcionar formación de imágenes no ionizante en tiempo real, en 3 dimen-siones, (tal como la IRM o ultrasonidos) como información de retorno al usuario para la inserción e intervención óptimas; debe implementar los dispositivos miniaturizados flexibles, que son detectados en remoto para proporcionar su localiza-ción y orientación. Mediante la combinación de una imagen compuesta del campo de operación y la localización y la orientación del dispositivo, el operador puede navegar y manipular el dispositivo sin necesidad de tener una visión dire-5 cta del campo de operación y del dispositivo. Esto puede facilitar el uso de una intervención mínimamente invasiva en el cerebro u otros órganos.

Objetos y Sumario de la Invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento y aparato noveles para determinar la loca-lización y la orientación instantáneas de un objeto en movimiento por un espacio tridimensional, el procedimiento y el 10 aparato tienen ventajas en uno o varios de los aspectos mencionados más arriba.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento y un aparato de este tipo que es particu-larmente útil en los sistemas de IRM, haciendo uso de un componente universal básico del sistema de IRM, es decir, los gradientes magnéticos variables con el tiempo que son generados típicamente por un conjunto de tres bobinas electro-magnéticas ortogonales en los sistemas de este tipo. 15

Para lograr esto, el procedimiento de la invención se caracteriza por las características que se reivindican en la parte caracterizadora de la reivindicación 1 y la invención proporciona un aparato de acuerdo con la parte caracterizado-ra de la reivindicación 6.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para determinar la loca-lización y la orientación instantáneas de un objeto en movimiento por un espacio tridimensional en el espacio de forma-20 ción de imágenes de un aparato de formación de imágenes por resonancia magnética durante la operación de un apara-to de formación de imágenes por resonancia magnética, que comprende:

proporcionar un conjunto de bobinas que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección que tie-nen ejes de orientación conocida unas con respecto a las otras, siendo ortogonales los citados ejes unos con respecto a los otros, estando fijado o integrado el conjunto de bobinas en el citado objeto, medir los valores ins-25 tantáneos de los potenciales eléctricos inducidos en la citada pluralidad de bobinas de detección por la activa-ción de las bobinas de gradiente del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética du-rante la operación del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética, y calcular la locali-zación y la orientación instantáneas del citado objeto dentro del citado espacio comparando los citados valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos con los mapas tridimensionales conocidos de magnitud y di-30 rección de los campos magnéticos generados dentro del citado espacio de formación de imágenes por la citada activación de las bobinas de gradiente, haciendo uso la citada etapa de comparar de la orientación relativa co-nocida de la citada pluralidad de bobinas de detección.

De acuerdo con características adicionales en la realización preferida descrita, el gradiente del campo magnéti-co es generado mediante la activación de tres pares de bobinas de gradiente dispuestas ortogonalmente de acuerdo 35 con un patrón de activación predeterminado; y los valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos inducidos generados en las bobinas de detección son procesados, junto con el patrón de activación predeterminado de las bobi-nas de gradiente y la orientación relativa conocida de las bobinas de detección, para proporcionar una estimación de la localización y orientación del objeto.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para determinar la localiza-40 ción y la orientación instantáneas de un objeto en movimiento en un espacio de tres dimensiones dentro del espacio de formación de imágenes del aparato de formación de imágenes por resonancia magnética durante la operación del apa-rato de formación de imágenes por resonancia magnética, que comprende: un conjunto de bobinas que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección que tienen ejes de orientación conocida unos con respecto a los otros, siendo mutuamente ortogonales los citados ejes, unos con respecto a los otros, el conjunto de bobinas está fijado o 45 integrado en el citado objeto, un medio para medir los valores instantáneos de los potenciales eléctricos inducidos en la citada pluralidad de bobinas de detección mediante la activación de las bobinas de gradiente del citado aparato de for-mación de imágenes por resonancia magnética durante la operación del citado aparato de resonancia magnética, y un procesador para calcular la localización y la orientación instantáneas del citado objeto dentro del citado espacio median-te la comparación de los citados valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos con los mapas tridimensio-50 nales conocidos de magnitud y dirección del campo magnético generado dentro del citado espacio de formación de imágenes por la citada activación de las bobinas de gradiente, haciendo uso la citada comparación de la orientación relativa conocida de la citada pluralidad de bobinas de detección.

La metodología y aparato desvelados permiten la estimación de la localización y orientación de un objeto o un dispositivo mediante el uso de un conjunto de bobinas ortogonales en miniatura. La realización más simple tiene un 55 conjunto de tres bobinas ortogonales.

Sin embargo, conjuntos de bobinas más complejos, por ejemplo, un conjunto de tres pares ortogonales de bo-

binas paralelas, puede mejorar la precisión del seguimiento, con un coste más elevado del sistema. Para simplificar la presentación, la siguiente exposición trata en concreto con un conjunto de tres bobinas ortogonales, y también se refiere a la configuración más compleja de tres pares de bobinas ortogonales. Sin embargo los mismos conceptos pueden ser aplicados a varias combinaciones de bobinas por cualquiera que esté familiarizado con el campo de la invención.

El cambio en el tiempo del flujo magnético a través de una bobina induce una fuerza electromotriz (es decir, po-5 tencial eléctrico) a través de la bobina (Ley de Faraday del electromagnetismo). Los escáneres de IRM generan campos magnéticos variables en el tiempo para crear gradientes magnéticos en el volumen explorado. Midiendo el potencial eléctrico inducido en las tres bobinas (o pares de bobinas) ortogonales, y obteniendo el patrón de tiempo de los gradien-tes magnéticos generados como entrada desde el escáner de IRM, la localización y orientación del dispositivo puede ser estimadas. 10

La presente invención presenta ventajas significativas sobre las metodologías existentes. En comparación con la estereotaxia, ya sean con técnicas con marco o sin marco, la nueva metodología permite el uso de dispositivos tales como catéteres o instrumentos quirúrgicos sin necesidad de tener línea de visión directa con el dispositivo. A diferencia de la metodología de localización electromagnética remota de Acker et al., la presente invención se basa en la medición de voltajes inducidos por un conjunto de campos de gradiente electromagnético variables en el tiempo en un conjunto 15 de bobinas (Ley de Faraday), en lugar de la necesidad de utilizar campos homogéneos y de gradiente que inducen voltajes en un conjunto de conductores en miniatura que transportan corriente eléctrica (efecto Hall). Por lo tanto, la presente invención es totalmente pasiva, no requiere ninguna excitación de los sensores, ni el uso de campos magnéti-cos dedicados, y el requisito de campos magnéticos variables en el tiempo se satisface con virtualmente cualquier pro-tocolo de exploración por IRM que es rutinario en el uso clínico. Los procedimientos desvelados por Pfeifer et al. y Du-20 moulin et al. requieren el uso de dos sensores para medir las orientaciones y por lo tanto tienen una precisión de esti-mación de la orientación limitada, mientras que la presente invención utiliza un sensor que proporciona simultáneamente orientación adecuada y seguimiento de la localización. A diferencia de los actuales sistemas de seguimiento óptico, no hay ninguna limitación sobre el número de sensores que se utilizan, y no hay necesidad de mantener una línea de visión directa entre el sensor y el aparato de seguimiento. Todas las otras metodologías de seguimiento se basan en su propio 25 sistema de referencia, y deben estar alineadas con el sistema de coordenadas de la IRM por medio de un procedimiento de registro lento. La metodología de seguimiento desvelada no requiere registro, puesto que utiliza el mismo conjunto de bobinas de gradiente que son utilizados por el escáner de la IRM para la codificación espacial de las imágenes .

Breve Descripción de los Dibujos

La figura 1A proporciona una descripción del diagrama de bloque del aparato inventado, que incluye una uni-30 dad de procesamiento y control (10), un sensor (20), el módulo está integrado o fijado a un objeto o un disposi-tivo (30), una interfaz electrónica (12), y el sistema de IRM (40), con su bobina principal (42), tres bobinas de gradiente (43), ordenador (44), unidad de control de bobinas de gradiente (48), y pantalla de imágenes (46). Las bobinas de IRM (42 y 43) se presentan con más detalle en la figura 1B, con las diferentes bobinas despla-zadas a lo largo del eje principal de la IRM para aclarar la presentación. 35

La figura 2 presenta la secuencia de activación de las bobinas de gradiente de IRM como funciones del tiempo durante una exploración de eco por giro. Las fuertes pendientes de subida y caída de los campos magnéticos generados producen una elevada velocidad de cambio del flujo magnético a través de las bobinas.

La figura 3A presenta la derivada con respecto al tiempo de los campos magnéticos de las bobinas de gradien-te de IRM (que se presentan en la figura 2) como funciones del tiempo. La figura 3B presentan los voltajes in-40 ducidos por los campos magnéticos variables en el tiempo de las bobinas de gradiente de IRM (aquellas pre-sentadas en las figuras 2 y 3A) en dos bobinas de detección ortogonales (por ejemplo, 22, 24) en función del tiempo.

La figura 4A proporciona una configuración esquemática de tres bobinas ortogonales (22, 24, 26) en el sensor (20) y los voltajes inducidos en cada bobina. La figura 4B presenta un ejemplo de la suma vectorial de los volta-45 jes inducidos en cada bobina durante la activación del campo magnético de la bobina de gradiente Z en un vec-tor de voltaje denominado Vz.

Las figuras 5A - 5D ilustran tres configuraciones potenciales de las bobinas que proporcionan un conjunto de tres bobinas o pares de bobinas ortogonales. La figura 5A muestra una configuración cúbica para las aplicacio-nes extra-corpóreas, con tres bobinas ortogonales que tienen un tamaño típico de hasta 10 mm. La figura 5B 50 muestra una configuración cúbica con 3 pares de bobinas ortogonales en paralelo. Las figuras 5C - 5D mues-tran el resultado de una configuración cilíndrica para el uso con catéteres con un diámetro típico de 2 - 3 mm. La figura 5C ilustra una vista axial (a lo largo del eje K), mientras que la figura 5D muestra una pantalla de 3 dimensiones del sensor, que tiene una bobina cilíndrica (22) y dos pares de bobinas transversales de tipo "cu-na" (24, 26). 55

La figura 6 presenta un diagrama de bloque del sistema de medición y procesamiento, incluyendo el sensor (20), la interfaz electrónica (12) y la unidad de transformación y de control (10).

La figura 7 presenta un diagrama de bloque de la realización preferida de la metodología de seguimiento para diversas aplicaciones clínicas.

Descripción Detallada de la Realización Preferida

Haciendo referencia a continuación a la figura 1, un sistema de IRM típico (40) dispone de varios módulos que son relevantes específicamente para la presente invención: las tres bobinas de gradiente (43), la unidad de control (48) 5 de las bobinas de gradiente, y la pantalla de imágenes (46). La implementación exacta de la metodología inventada depende del modo de formación de imágenes de la IRM, y la siguiente presentación se refiere, como ejemplo típico, a un modo estándar de formación de imágenes de eco de rotación por IRM. Durante el protocolo de eco de rotación, la generación repetida de campos magnéticos por las 3 bobinas de gradiente proporciona la codificación espacial del eco de IRM recibido y permite la reconstrucción de la imagen. Se proporciona en la figura 2 una secuencia de muestra (gra-10 bada de un sistema Signa de IRM, General Electric, EE.UU.). Para esta secuencia el sistema activa la bobina de gra-diente Z para la "selección de rodaja", y simultáneamente las bobinas de gradiente X e Y para la "codificación de fase" y la bobina de gradiente X para la fase de "lectura".

La unidad de control de gradiente (48) proporciona a la unidad de proceso (10) la presentación en tiempo real de la secuencia de activación de las tres bobinas de gradiente que generan los gradientes magnéticos (figura 2). Los 15 campos magnéticos que son generados por las bobinas de gradiente tienen componentes en los tres ejes (X, Y, Z), pero cada una de las bobinas tiene un cambio lineal preciso de la amplitud del componente Z a lo largo de un único eje, en el que estas bobinas y los gradientes magnéticos generados son denominados por este eje específico (es decir, para el gradiente Z (Gz), el componente Z varía linealmente con la coordenada Z, para el gradiente X (Gx), el componente Z varía linealmente con la coordenada X, y para el gradiente Y (Gy), el componente Z varía linealmente con la coordenada 20 Y). Los otros componentes de los campos magnéticos de las bobinas de gradiente tienen una distribución espacial es-pecífica que depende del diseño específico de las bobinas de gradiente. Una descripción completa del campo magnéti-co en función del tiempo y de la localización con cualquier modo de operación (G (t, x, y, z)) puede ser calculada en la unidad de proceso (10) por la suma vectorial de los tres campos magnéticos variables con el tiempo de las bobinas de gradiente y el campo principal invariante con el tiempo (Bo), del escáner de IRM (en la siguiente presentación, los vecto-25 res están subrayados con el fin de distinguirlos de los escalares):

en la que x, y, z son las coordenadas a lo largo de los tres ejes del sistema de coordenadas de la IRM (X, Y, Z, respecti-vamente) y t es una variable de tiempo. Otros campos magnéticos adicionales que son generados por las bobinas de RF (radio frecuencia) de la IRM, no están siendo utilizados por la presente invención. Estos campos, que se alternan en 30 el rango de los mega-hercios, inducen potenciales eléctricos de alta frecuencia en las bobinas de detección que puede ser eliminados por la filtración de paso bajo.

En una realización preferida (figura 4), el sensor (20) consiste en un conjunto de tres bobinas ortogonales de detección (22, 24, 26). El campo magnético variable en el tiempo G (t, x, y, z) induce un potencial eléctrico o voltaje (V) en cada una de las bobinas de detección, y la magnitud del voltaje inducido está relacionada con la derivada con res-35 pecto al tiempo del flujo magnético Θ a través de la bobina, como indica la Ley de Faraday:

el flujo magnético en cada localización está determinado por el campo magnético G(t, x, y, z), el área (A) de la bobina, y la dirección del campo magnético con respecto a la orientación espacial de la bobina, como está definido por un vector unitario n perpendicular al plano de la bobina: 40

en la que el punto indica un producto de puntos vectorial.

Combinando las ecuaciones 1 a 3, los voltajes inducidos en las bobinas están relacionados directamente con la derivada respecto al tiempo del campo magnético:

45

Si el sensor no se mueve o rota, el campo Bo y el vector de dirección n son constantes y el voltaje inducido en cada bobina viene dado por:

Las magnitudes medidas de los voltajes inducidos en las tres bobinas y el campo magnético conocido G(t, x, y, z) en función del tiempo en cada punto en el campo de operación (calculado mediante la suma de los campos magnéti-cos individuales de todas las bobinas de gradiente que están activas en un momento determinado) permiten la estima-ción de la localización y la dirección del objeto por la siguiente secuencia de etapas. Esta secuencia de etapas es sólo 5 una opción de varios enfoques posibles que son similares en concepto y que sólo difieren en la realización real del pro-ceso de estimación.

Etapa 1. Medición de voltajes inducidos

Los voltajes inducidos en las tres bobinas ortogonales (figura 4) permiten el cálculo de los campos magnéticos de las bobinas de gradiente en la localización de la sonda sin conocer la orientación del sensor. Aunque las magnitudes 10 de los voltajes inducidos en cada bobina cambian con la orientación, su suma vectorial es independiente de la orienta-ción y es proporcional a la derivada del campo magnético con respecto al tiempo en la localización de la sonda, dada por las ecuaciones 4 y 5. Por ejemplo, durante la activación del gradiente Z, el campo magnético variable en el tiempo induce tres voltajes en las tres bobinas. Para una configuración con tres pares ortogonales de bobinas paralelas (figura 5B), los voltajes inducidos en las dos bobinas paralelas de cada par se promedian y los resultados son analizados de 15 manera similar a como tres bobinas simples.

De esta manera, durante la activación del gradiente Z de los tres voltajes Vzi, Vzj, Vzk que corresponden a los voltajes medidos en las tres bobinas simples o a los promedios de los voltajes medidos en cada uno de los tres pares de bobinas. Se definen los voltajes inducidos como vectores Vzi, Vzj, Vzk con magnitudes iguales a los voltajes inducidos en cada bobina y las direcciones definidas por los vectores unidad verticales al plano de la bobina correspondiente (figu-20 ra 4). La suma vectorial de los tres vectores, que se indica como Vz, está en la dirección de la derivada del campo magnético con respecto al tiempo local del gradiente Z:

Esto puede ser fácilmente demostrado si dividimos la derivada con respecto al tiempo del vector de campo magnético (dG(t) / dt) en tres componentes ortogonales que están en las direcciones de tres bobinas ortogonales. Puesto que los 25 componentes paralelos al plano de cada bobina no inducen ningún voltaje, los voltajes inducidos Vzi, Vzj, Vzk son pro-porcionales a los tres componentes de la derivada del campo magnético con respecto al tiempo y su suma se encuentra en la misma dirección que la derivada del campo magnético con respecto al tiempo (dG (t) / dt).

Por último, la magnitud del vector de voltaje es proporcional a la magnitud de la derivada del campo magnético con respecto al tiempo del gradiente Z en la localización de las bobinas y en el momento de la medición (figura 4B): 30

Las magnitudes y direcciones de la derivada de los campos magnéticos locales con respecto al tiempo de los gradientes X e Y, o de cualquier combinación de dos o tres campos magnéticos de bobinas de gradientes diferentes, están relacionados (es decir, tienen la misma dirección y magnitud proporcional) a la suma vectorial de los voltajes indu-cidos en las tres bobinas, como se ha descrito más arriba para el gradiente Z. 35

El coeficiente de proporcionalidad de la relación entre el campo magnético y el voltaje inducido en una bobina está determinado por la geometría de las bobinas, es decir, por A, el área total de la bobina (en caso de que se utilice una bobina con múltiples bucles, el área total es la suma de todas las áreas de los bucles individuales).

Durante una secuencia típica de exploración por IRM, dos o incluso las tres bobinas de gradiente se puede ac-tivar al mismo tiempo. Los campos magnéticos de las bobinas de gradiente son conocidos por un escáner específico de 40 IRM por simulación, basada en la geometría conocida de las bobinas de gradiente, o por la medición de los campos en función de la localización durante la activación de cada bobina de gradiente. Las secuencias de activación de cada bobina de gradiente en función del tiempo son proporcionadas por el escáner de IRM como señales analógicas (figura 2) o datos digitales. El campo magnético conocido y la secuencia de activación de una bobina de gradiente específica se puede utilizar para calcular el campo magnético en cada localización espacial y en un momento de tiempo específico, 45 o para calcular la derivada del campo magnético con respecto al tiempo por la diferenciación analógica o numérica (figu-ra 3A). Esta información también se puede utilizar para separar los campos magnéticos que son generados por dos o tres bobinas de gradiente activadas de manera simultánea. Por ejemplo, en la figura 2, la bobina de gradiente Z se acti-va sola, mientras que la bobina de gradiente X se activa sola o junto con la bobina de gradiente Y. La magnitud y la orientación del campo magnético de la bobina de gradiente X pueden ser determinadas a partir de su activación inde-50 pendiente, y esta información puede ser utilizada para eliminar la contribución del campo magnético de la bobina de

gradiente X de los voltajes inducidas medidos durante la activación simultánea de las bobinas de gradiente X e Y y para extraer la magnitud y la orientación del campo magnético de la bobina de gradiente Y.

Un enfoque alternativo, más general, es reconstruir los campos magnéticos de referencia que se utilizan en el proceso de estimación (como se detalla más adelante), como una superposición de los campos magnéticos activados simultáneamente de diferentes gradientes. De esta manera, para cada momento de tiempo, las secuencias de activa-5 ción de las bobinas se utilizan para determinar los campos activos y sus magnitudes en ese momento, y el campo gene-ral se calcula sumando las contribuciones de campo de todas las bobinas activas, como se muestra en las ecuaciones 4 y 5. La localización del dispositivo se estima mediante la comparación de los valores medidos (durante la activación simultánea de más de un gradiente) con la derivada del campo magnético compuesto de referencia con respecto al tiempo. 10

Etapa 2: Transformación de los voltajes medidos a campos magnéticos

Los valores medidos son proporcionales a la derivada de los campos magnéticos con respecto al tiempo, y el coeficiente de proporcionalidad está determinado por las propiedades de las bobinas de detección (por ejemplo, el área de cada bucle y el número de bucles). Como se ha explicado con anterioridad, la derivada del campo magnético con respecto al tiempo tiene la misma dirección que el vector de voltaje (por ejemplo, Vz para el gradiente Z) y su magnitud 15 se puede calcular reorganizando la ecuación (7):

Los escáneres de IRM modernos utilizan trituradores asociados a cada activación de un gradiente. Normalmen-te, los trituradores son una activación y desactivación rápidas en forma de pico de la bobina de gradiente. Por ejemplo, en un escáner de IRM Signa de General Electric, estos trituradores siguen la forma de un triángulo (figura 2) o una for-20 ma trapezoidal, y su derivada con respecto al tiempo es similar a una función de impulso positivo (la pendiente ascen-dente del triturador) y de una función de impulso negativo (la pendiente descendente del triturador) (figura 3). Los volta-jes inducidos están relacionado linealmente con la derivada del gradiente de campo con respecto al tiempo (ecuaciones 4 y 5) y siguen el mismo patrón (figura 3B). Para la activación y la desactivación lineales de los gradientes, los voltajes inducidos en cada fase constante (es decir, las pendientes ascendente y descendente) puede ser promediados para 25 obtener un valor que se utiliza directamente para calcular la amplitud de la derivada del campo magnético con respecto al tiempo por la ecuación 8. Además, midiendo el tiempo de activación o desactivación de los gradientes (por ejemplo, Δt), la amplitud del campo magnético real se puede calcular (para los patrones lineales de activación y de desactiva-ción):

30

En la presentación que sigue, la determinación de la localización y la orientación se basa en la utilización del campo magnético en lugar de sus respectivas derivadas con respecto al tiempo. Esto es posible si la pendiente del patrón de activación del gradiente es lineal y conocida, y sin embargo, un procedimiento similar se puede implementar mediante el uso de las derivadas de los campos magnéticos con respecto al tiempo. Los campos magnéticos son pro-porcionados por un conjunto de mapas en 3 dimensiones, por ejemplo mediante el uso de un sistema de coordenadas 35 cartesianas con coordenadas X, Y, Z. Para cada localización, el vector del campo magnético puede ser mapeado como un conjunto de descriptores de magnitud y dirección (por ejemplo, dos ángulos en un sistema de coordenadas esféricas), o como un conjunto de tres componentes ortogonales del vector de campo.

Etapa 3: Estimación de la localización x, y, z del dispositivo en el sistema de coordenadas de la IRM

Conociendo las distribuciones tridimensionales de los campos magnéticos de los gradientes X, Y y Z (o una 40 combinación de 2 ó 3 campos de gradiente), puede ser estimada la localización instantánea del dispositivo. Un algoritmo de búsqueda encuentra una localización específica, la cual, durante la activación de los gradientes, tiene campos magnéticos con magnitudes similares a las calculadas a partir de los voltajes medidos de la bobina. Un algoritmo de búsqueda típico minimiza la función de coste que se basa en el nivel de similitud entre los campos estimados y los cam-pos conocidos de referencia en la localización asumida, por ejemplo, una función de mínimos cuadrados de coste es la 45 suma de los cuadrados de las diferencias entre cada uno de los campos magnéticos estimados y los campos de refe-rencia correspondientes en la localización actual estimada.

Varios problemas pueden dificultar la precisión de la estimación - el algoritmo de búsqueda puede encontrar un mínimo local de la función de coste (es decir, una solución equivocada), la función de coste puede ser plana o ruidosa en la región de los mínimos que puede resultar en una solución no precisa, y la función minimizada puede tener más de 50 una solución (solución no única).

El problema del mínimo local se pueden resolver mediante el uso de algoritmos de búsqueda que garanticen la

convergencia al mínimo global real. Por ejemplo, una búsqueda de rejilla evalúa la función de coste en todo el rango potencial de soluciones. Para la invención actual, se encontró que una rejilla de búsqueda, que evalúa la función de costos en todas las combinaciones de las coordenadas x, y, z con una resolución de 1 cm, garantizaba la convergencia al mínimo global.

La precisión de la estimación depende fundamentalmente de la relación de señal a ruido de las mediciones. 5 Cuando sólo se utilizan pocas mediciones, por ejemplo, en este caso tres variables de localización desconocida, se calculan a partir de sólo tres mediciones (las amplitudes de los tres vectores de voltaje), cualquier ruido desviará los resultados de la estimación. El efecto del ruido se puede reducir cuando se utilizan más mediciones y se aplica un algo-ritmo de estimación de mínimos cuadrados. Esto se puede lograr mediante el uso de más bobinas, por ejemplo, un conjunto de seis bobinas, dispuestas en tres pares ortogonales paralelos a distancias conocidas entre las bobinas para-10 lelas. Obviamente, más bobinas generarán más datos con un alto coste debido a aparato de procesamiento más com-plejo.

El problema de la no unicidad de la solución se asocia a mínimos múltiples, por ejemplo, debido a la simetría en la función de coste. La distribución espacial típica de los campos de gradiente en los sistemas comerciales de IRM tiene una simetría en los tres ejes, y como resultado hasta ocho mínimos equivalentes pueden existir en la función de 15 coste con hasta ocho soluciones diferentes en el proceso de estimación. Las soluciones múltiples son una limitación importante para cualquier procedimiento de seguimiento, y se deben utilizar datos adicionales para reducir el número de soluciones.

Etapa 4: Cálculo de ángulos entre los vectores de voltaje

Los campos magnéticos son vectores, y en cada punto del campo de la imagen, las orientaciones de los cam-20 pos magnéticos de los tres gradientes son diferentes típicamente, y pueden ser utilizadas como información adicional para el proceso de estimación. Puesto que la orientación del dispositivo en relación con el sistema de coordenadas de la IRM es aún desconocida en esta etapa del proceso de estimación, los ángulos entre los tres vectores de gradiente se utilizan en lugar de las orientaciones globales de los vectores con respecto al sistema de coordenadas del escáner de IRM. El ángulo entre cualesquiera dos vectores se puede determinar por el álgebra de vectores y la geometría analítica. 25 Por ejemplo, el ángulo α entre el vector de voltaje Vz, que es inducido por el gradiente Z, y el vector de voltaje Vx, que es inducido por el gradiente X, se determinará calculando el cuadrado de la amplitud de la diferencia vectorial entre los dos vectores:

en la que Vzi, Vzj, Vzk y Vxi, Vxj, Vxk son los valores medidos en las bobinas i, j, k durante la activación del gradiente Z 30 de la bobina y del gradiente X de la bobina, respectivamente, y a continuación se calcula el ángulo entre los dos vecto-res mediante la aplicación de la ley del coseno:

en la que | Vz | y | Vx | son las magnitudes de los vectores de voltaje inducidos por los gradientes Z y X, respectivamen-te. 35

Los ángulos medidos se comparan con los mapas de campo angular de referencia, que pueden ser generados a partir de los mapas de campo tridimensionales de los tres gradientes utilizando el mismo procedimiento descrito por las ecuaciones 10 y 11.

En el proceso de estimación, los ángulos medidos se comparan con los ángulos de referencia en la localización estimada, además de la comparación de las amplitudes de los campos magnéticos. Esta información adicional mejora la 40 precisión del proceso de estimación y elimina el problema de la no singularidad debido a la simetría de los campos magnéticos en el plano XY de las bobinas de gradiente de la IRM.

Usando las amplitudes de los vectores de voltaje y los ángulos entre los vectores, todavía hay dos soluciones equivalentes anti-simétricas que tienen la misma función de coste. Los campos de gradiente del escáner de IRM son antisimétricos - por ejemplo, para un conjunto de valores de coordenadas X, Y y Z existe un punto con los valores con-45 trarios X, Y y Z (es decir, que tienen el mismo valor absoluto, pero signos opuestos) que tiene exactamente las mismas magnitudes absolutas y ángulos entre los vectores de gradiente de campo. La distinción entre las dos soluciones anti-simétricas sólo se puede realizar durante las etapas posteriores del proceso de estimación, como se explica a continua-ción.

Después de la búsqueda por rejilla, una localización más precisa se puede encontrar por búsqueda local alre-50 dedor de una de las dos localizaciones que resultaron ser los mínimos globales de la función de costes. Puesto que las

dos soluciones son antisimétricas, la búsqueda local puede ser aplicada alrededor de una de las dos soluciones y el resultado final puede ser utilizado para encontrar la solución antisimétrica.

La búsqueda local aplica un algoritmo de búsqueda estándar, por ejemplo, un algoritmo de búsqueda de Le-venberg-Marquardt, usando ya sea seis puntos de datos (tres amplitudes de los vectores de voltaje y tres ángulos, como se ha detallado más arriba), o con más datos cuando se encuentren disponibles mediante el uso de mediciones de 5 configuraciones con más de 3 bobinas.

Etapa 5: Determinación de la orientación del dispositivo

Una vez que la localización espacial del sensor en el orificio del imán se ha determinado por medio de las eta-pas 1 - 4, los componentes X, Y, Z del campo magnético en esta localización durante la operación de cualquier gradien-te o combinación de gradientes son conocidos para un escáner de IRM específico a partir de los mapas tridimensionales 10 de campo magnético de referencia de las bobinas de gradiente. Utilizando los valores obtenidos en cada una de las tres bobinas durante la activación de los gradientes, los tres ángulos de rotación que transforman desde el sistema de coor-denadas de referencia de IRM al sistema de coordenadas local, fijado al dispositivo, se determinan por un procedimiento de optimización iterativo. Además, en esta fase, sólo una de las dos soluciones antisimétricas proporciona un mínimo de la nueva función de coste, y se produce una solución única. 15

Se utiliza un valor inicial de los tres ángulos de rotación para transformar los componentes X, Y, Z de los cam-pos magnéticos de los tres gradientes en componentes de los campos magnéticos en el sistema de coordenadas I, J, K local (dispositivo). De acuerdo con el Teorema de Rotación de Euler, cualquier rotación espacial puede ser descrita por tres ángulos de rotación, y existen distintas convenciones para estos ángulos. Por ejemplo, una convención (que nor-malmente es conocida como los ángulos de Euler), se basa en la rotación alrededor del eje Z un ángulo "φ", seguido por 20 una rotación alrededor del nuevo eje X un ángulo "θ", y, finalmente, una rotación alrededor del nuevo eje Y un ángulo "ψ". Las tres rotaciones pueden ser descritas por una matriz de rotación:

en la que los términos de la matriz de rotación están dados por:

25 30

Usando la matriz de rotación, el vector de campo magnético en el sistema de coordenadas de referencia del escáner de 35 IRM (es decir, en el sistema X, Y, Z, con los componentes Gx, Gy, Gz) puede ser presentado en otro sistema de coor-denadas, que está rotado. Si un sistema de coordenadas local I, J, K se fija al dispositivo, y es rotado por los tres ángu-los de rotación {φ, θ, ψ} en referencia al sistema X, Y, Z, los tres componentes cartesianos del vector de campo magné-tico en el sistema de rotación (Gi, GJ, GK) son:

Los componentes calculados del gradiente de campo magnético en el sistema local I, J, K pueden ser compa-rados con los componentes medidos para determinar los tres ángulos de rotación desconocidos. Estas tres incógnitas se puede resolver a partir de los tres componentes de un gradiente de campo, pero los resultados pueden estar desvia-dos debido al ruido en las mediciones. Se pueden lograr mejores resultados mediante el uso de datos de más gradien-5 tes. Puesto que todos los tres campos de gradiente se activan en cada exploración de IRM, la realización preferida para resolver los tres ángulos de rotación implica el uso de nueve componentes de campo de gradiente, incluyendo 3 com-ponentes para cada uno de los tres campos de gradientes (o 18 componentes si se utiliza un conjunto de 6 bobinas) y un algoritmo de optimización, por ejemplo, el procedimiento de mínimos cuadrados que se ha descrito con anterioridad para resolver la mejor solución. 10

A diferencia de la situación con los valores absolutos de los voltajes medidos, que produce una solución no única compuesta por la solución verdadera y otra antisimétrica, el uso de las mediciones reales en cada bobina durante la activación de cada gradiente o una combinación de dos o tres gradientes, proporciona una solución única. Los com-ponentes de campo de gradiente en las dos localizaciones, que corresponden a las dos soluciones, tienen los mismos valores absolutos, pero direcciones opuestas, por lo que los voltajes inducidos en cada bobina tienen signos opuestos. 15 Aunque un análisis matemático más riguroso puede ser utilizado para probar la unicidad de la solución en esta fase del proceso de estimación, se proporciona un ejemplo numérico como una simple demostración.

Para una localización específica (por ejemplo, x = 20,5 cm, y = 10,5 cm, z = 15 cm) y tres ángulos de rotación (por ejemplo, φ = -40, θ = 80, ψ = 0) los voltajes inducidos en las tres bobinas ortogonales durante la activación de un gradiente X, gradiente Y y gradiente Z se dan en la Tabla 1 (las unidades son arbitrarias y la simulación se basa en los 20 mapas de los campos de gradiente de un escáner Signa de IRN). Para esta localización, los valores absolutos de los vectores de voltaje y los ángulos entre estos vectores se calculan y se dan en la tabla. La estimación de la localización, utilizando sólo la amplitud de los vectores de voltaje, produce ocho posibles soluciones, teniendo todas ellas los mismos valores absolutos de los vectores. Los ángulos entre los vectores de voltaje son diferentes en 6 de los 8 soluciones, dejando sólo dos soluciones equivalentes (la localización de entrada y la solución antisimétrica x = - 20,5 cm, y = - 10.5 25 cm, z = - 15 cm). La comparación de los componentes de los vectores de voltaje muestra que tienen signos opuestos en las dos localizaciones, lo que permite la determinación de la verdadera localización del sensor.

Etapa 6: Mejora de la precisión de la estimación utilizando las mediciones de todas las bobinas

Las etapas 1 - 5 describen una realización preferida de la invención por medio de un proceso de estimación de dos niveles, el primero determina la localización y el segundo determina la orientación del objeto o el dispositivo, cuando 30 se utilizan sólo tres bobinas ortogonales o cuando las mediciones de las dos bobinas de cada par son promediadas simplemente. Sin embargo, cuando se utilizan todas las mediciones en el proceso de estimación, se puede conseguir un resultado de estimación más preciso.

El proceso de estimación tiene por objeto encontrar las 6 incógnitas que definen completamente la localización espacial y la orientación del sensor. Puesto que la distancia exacta entre las dos bobinas de cada par se conoce con 35 precisión, el proceso de estimación todavía tiene por objeto resolver las seis incógnitas, por ejemplo, la localización y la orientación de un conjunto de tres bobinas ortogonales, mientras que la localización y la orientación de la segunda serie de tres bobinas ortogonales se pueden definir con respecto a la localización y orientación de la primera serie. De esta manea, aunque se obtengan más medidas (18 voltajes para las 6 bobinas durante la operación de cada una de las tres bobinas de gradiente de IRM) todavía se tiene el mismo número de incógnitas. Una mayor cantidad de datos para el 40 proceso de estimación es la clave para una solución más precisa del proceso de optimización.

Efecto de los voltajes inducidos por el campo Bo cuando el sensor se mueve o rota

La ecuación 4 proporciona la descripción general de los voltajes inducidos en las bobinas de detección, pero la descripción anterior no asume ningún efecto del campo Bo. Esta suposición es correcta, siempre y cuando el sensor no se mueva, o cuando los movimientos sean relativamente lentos. Puesto que la duración de subida típica de los gradien-45 tes en los sistemas modernos de IRM es 1 milisegundo (figura 2), y los movimientos del cuerpo o del dispositivo son típicamente más lentos (en una escala de segundos o de décimas de segundo), el efecto de Bo puede ser eliminado por filtrado de paso alto apropiado de las señales de las bobinas de detección (por ejemplo , una frecuencia de corte de 100 Hz), y la descripción anterior se puede aplicar a las señales filtradas durante los movimientos y rotaciones de los órga-nos del cuerpo (por ejemplo, la cabeza) o del dispositivo. 50

Sin embargo, los voltajes inducidos en las bobinas de detección por el campo magnético Bo pueden ser utiliza-dos ventajosamente para mejorar el seguimiento de la localización y la orientación del dispositivo o el objeto. A diferen-

cia de los campos de gradiente que cambian con el tiempo, Bo es constante e induce potenciales eléctricos en las bobi-nas de detección sólo cuando hay una rotación de las bobinas que modifica el flujo magnético a través de las bobinas. A diferencia de la ecuación 3 anterior, la variable que varía con el tiempo ahora es la dirección de las bobinas que está da por un vector unidad n (t) variable en el tiempo:

5

Mediante la aplicación de filtro de paso bajo en las señales del sensor, los voltajes inducidos por Bo pueden ser extraídos y utilizados para estimar el cambio de tiempo de la orientación del sensor, es decir, las tres velocidades angu-lares del dispositivo o del sensor. Esta información puede ser usada para mejorar el proceso de estimación basado en los campos magnéticos de los gradientes (por ejemplo, proporcionando una mejor suposición inicial para los procesos iterativos de estimación) o para permitir una mejor predicción de la localización y orientación futuras del dispositivo o del 10 sensor.

Realización Preferida del Sensor

La configuración mínima preferida del sensor incluye tres bobinas 22, 24, 26. Una configuración potencial con tres bobinas ortogonales se presenta en la figura 5A. Esta configuración es adecuada para las aplicaciones extra - cor-porales, por ejemplo, dispositivos para procedimientos mínimamente invasivos tales como cañones de biopsia o instru-15 mentos de cirugía. Además, el espacio interior del sensor se puede utilizar para contener circuitería electrónica, alimen-tada por una batería en miniatura, para el acondicionamiento de señales (por ejemplo, filtración y amplificación), trans-formación de la señal (por ejemplo, en señal óptica, o en señal de frecuencia modulada (FM)), o para la transmisión inalámbrica de los potenciales medidos.

Una configuración más compleja se presenta en la figura 5B, en la que se pueden utilizar tres pares de bobinas 20 paralelas 22, 23, 24, 25, 26, 27 en lugar de tres bobinas simples, es decir, un total de 6 bobinas son utilizadas en un sensor. La principal ventaja de esta configuración es un aumento sustancial en la precisión del seguimiento, puesto que por cada activación de cualquier gradiente de IRM, son inducidos seis diferentes potenciales, en lugar de tres, y un total de 18 mediciones están disponibles para estimar las 3 variables de localización desconocidas y los 3 ángulos de rota-ción desconocidos en cada ciclo de exploración. A pesar de que la distancia entre cada una de las dos bobinas parale-25 las es pequeña (por ejemplo, 10.5 mm en la configuración cúbica de la figura 5A y 1 - 2 mm en la configuración cilíndrica de la figuras 5C y 5D), los gradientes pronunciados que se utiliza con los escáneres modernos de IRM por un lado, y la disponibilidad de la distancia exacta entre las dos bobinas paralelas por el otro lado, permiten el uso de esta información para aumentar la precisión del seguimiento.

Una segunda configuración preferida se presenta en las figuras 5C y D, e incluye una bobina cilíndrica y dos 30 pares de bobinas de "cuna" situadas en direcciones ortogonales con respecto a las bobinas cilíndricas y entre sí (la figura 5 presenta una vista axial del conjunto de bobinas y la figura 5D presenta una vista isométrica de los dos pares de bobinas de cuna y una bobina cilíndrica interior, las tres bobinas están desplazadas axialmente para aclarar la presenta-ción). Esta configuración es especialmente útil para el seguimiento de los catéteres, puesto que tiene una estructura cilíndrica hueca y se puede fijar en la punta de cualquier catéter sin bloquear el lúmen del catéter. Se puede usar con un 35 aparato de colocación de stent, con varios catéteres de diagnóstico (por ejemplo, para estudios electrofisiológicos intra-cardíacos) y con los catéteres terapéuticos actuales o futuros (por ejemplo, para ablación por radiofrecuencia, ablación por láser, revascularización percutánea transmiocárdica (PMR), entrega de fármacos al objeto, colocación de sustancias genéticas local, etc.)

En una variante de la configuración cilíndrica hueca, los dos pares de bobinas de "cuna" se sustituyen por dos 40 bobinas planas, que se pueden colocar dentro o fuera del lumen de la bobina cilíndrica. Aunque esta configuración blo-quea parcialmente el lumen del catéter, es más sencilla de fabricar y puede ser útil con aplicaciones que no requieran un lumen libre.

Los sensores pueden ser montados a partir de bobinas individuales, por ejemplo, pegando 6 bobinas pequeñas planas en las 6 superficies de un cubo. En un catéter, un par de bobinas tiene una forma cilíndrica y pueden ser cablea-45 das directamente sobre el eje del catéter, mientras que los otros dos pares tienen forma de cuna, y se pueden pegar alrededor de las bobinas cilíndricas. Otro procedimiento potencial para la construcción del sensor multi-bobina es la utilización de circuitos eléctricos impresos flexibles, que incluyen todas las bobinas y se pliegan para lograr la forma de tridimensional.

Realización Preferida del Aparato de Seguimiento 50

El aparato de seguimiento (figura 6) incluye el sensor 20, la interfaz electrónica 12, el módulo de procesamiento 10, y la interfaz con el escáner de IRM. Puede ser diseñado y construido a medida para la aplicación de seguimiento específico o montado con componentes disponibles comercialmente.

La interfaz electrónica (12) contiene un conjunto de amplificadores (122) para amplificar los potenciales de bajo

voltaje que se inducen en las bobinas (desde el nivel de milivoltios a voltios), un conjunto de filtros de paso bajo (124) para eliminar los voltajes de alta frecuencia que son inducidos por la transmisión de RF, que tienen un rango de fre-cuencias de 10 - 400 MHz (dependiendo de la potencia magnética de la IRM), y la banda de parada o filtro de muesca (126) para eliminar los potenciales inducidos por el aumento escalonado de los gradientes de IRM, que en un escáner de IRM de General Electric produce un artefacto de 128 KHz. Varios sistemas comerciales con combinaciones de filtros 5 amplificador \ filtro programables pueden ser usados para amplificar y filtrar las señales de bajo voltaje de los sensores (por ejemplo, SCS - 802, de Alligator Technologies, de Costa - Mesa, CA).

La unidad de proceso y control (10) se puede desarrollar utilizando hardware fácilmente disponible comercial-mente. Por ejemplo, las señales medidas del sensor pueden ser digitalizados por medio de un convertidos analógico a digital (A / D) (102) utilizando una placa de adquisición de datos estándar (por ejemplo, de National Instruments, Austin, 10 TX), y procesadas en tiempo real por un procesador moderno de alto rendimiento 104 (por ejemplo un procesador Pen-tium III con DSP integral MMX). Otra posible solución, que proporciona mayor velocidad de estimación, puede estar basada en placas de procesador de señal digital (DSP), que tienen integrado o conectado un convertidor A / D que tiene al menos 6 canales (3 señales de bobina y 3 señales de gradiente de IRM), un DSP de alto rendimiento para la solución iterativa de la localización y orientación, capacidad de memoria suficiente para el programa y los datos (por ejemplo, los 15 campos magnéticos de referencia), y bus de comunicación para la interfaz con el ordenador principal o directamente con el escáner de IRM (por ejemplo placas de proceso CPCI de Blacktip y adaptador de entradas / salidas analógicas BITSI - DAQ, Bittware Research Systems, Concord, NH). El software para el DSP o para el procesador del PC puede ser desarrollado con lenguajes de programación estándar, por ejemplo, C++ o ensamblador. Se ha utilizado el entorno de desarrollo de software Matlab (The Math Works, Natick, MA) para implementar rápidamente el proceso de estimación 20 como se ha descrito más arriba.

La interfaz con la IRM incluye dos componentes principales - un canal para transferir en tiempo real la localiza-ción y orientación del sensor, y un canal (o canales) para transferir el patrón de activación de las bobinas de gradiente desde el escáner de IMR al módulo de procesamiento. Cualquiera de los canales de comunicación digital, canales analógicos, o una combinación de los dos puede ser utilizado. Con el sistema de IRM Signa, por ejemplo, la secuencia 25 de activación del gradiente está disponible como salida analógica estándar del sistema de control de gradientes, y la información de seguimiento pueden ser recibida por la IRM a través de una línea de comunicación serie estándar.

La operación general del sistema de seguimiento se presenta a continuación y en la figura 7. Los potenciales inducidos en los sensores (700), que típicamente tienen una magnitud de milivoltios, son amplificados y filtrados por el módulo de interfaz electrónica (710). El patrón de activación del escáner de IRM (702) se transfiere al sistema de se-30 guimiento a través del módulo de interfaz de IRM (704) y puede ser procesado por el módulo de interfaz electrónica (por ejemplo, filtrado) antes de ser digitalizado por el módulo de procesamiento. El patrón de activación de los gradientes de IRM (figura 2) es analizado por el procesador para determinar la activación de cada una de las bobinas de gradiente, por ejemplo, por la activación del umbral (712). Típicamente se utilizan los trituradores que tienen tiempos de activación más largos y mayor amplitud de los campos magnéticos. Una vez que se detecta la activación de cualquier bobina de gra-35 diente, el procesador digitaliza la señal de las bobinas y la procesa para determinar el nivel de las señales inducidas (714). Si la activación del gradiente es lineal, su derivada con respecto al tiempo durante la activación es plana (figura 3A) y el potencial inducido en las bobinas de detección también es plano (figura 3B). De esta manera, las señales medi-das se pueden promediar siempre que la activación del gradiente esté conectada. Se debe hacer notar, sin embargo, que se pueden utilizar patrones de activación no lineales siempre que la descripción del patrón de activación de las 40 bobinas de gradiente se encuentre disponible. Las señales medidas a partir de las tres bobinas ortogonales se calibran en unidades de campo magnético utilizando los factores de calibración de las bobinas (ecuaciones 8 y 9). Los voltajes inducidos medidos en el conjunto de bobinas ortogonales se utilizan para calcular la amplitud del vector de voltaje (ecuaciones 6 - 7) y los ángulos entre los vectores de voltaje de los diferentes gradientes de IRM (ecuaciones 10 - 11) (716). Estas amplitudes y ángulos se utilizan para estimar la localización de la sonda en el sistema de coordenadas de 45 IRM (bloque 718, 3) y para estimar la orientación del sensor (bloque 720, 4). La localización y la orientación estimadas pueden ser procesadas adicionalmente para mejorar la calidad del seguimiento, por ejemplo, por la aplicación de un filtro digital de paso bajo en las estimaciones en un momento específico, utilizando las estimaciones anteriores, y pue-den ser transformadas a un formato de datos que es requerido por el escáner de IRM (722). Por último, los datos de seguimiento (724) se transfieren al escáner de IRM a través del módulo de interfaz de IRM (704). 50

Aplicaciones Clínicas

La localización y la orientación determinadas del sensor puede ser transferidas al escáner de IRM en tiempo real y utilizadas para diversas tareas, por ejemplo para el control en tiempo real del plano de exploración, para mostrar la localización y la orientación del objeto o del dispositivo con el sensor de exploración en la imagen de IRM, para corre-gir los artefactos de movimiento. Las posibles aplicaciones clínicas de la invención se pueden dividir en aplicaciones 55 para el diagnóstico por formación de imágenes por RM y para la IRM de intervención.

Diagnóstico IRM: Un problema importante con la formación de imágenes por RM son los artefactos de movi-miento producidos por el movimiento del paciente. Con una alta resolución de exploración, que puede requerir la adqui-sición de imágenes durante muchos segundos e incluso minutos, el movimiento y la respiración del paciente pueden inducir artefactos de movimiento e imágenes borrosas. La exploración por RM es especialmente sensible a los movi-60

mientos durante la angiografía de contraste de fases, la formación de imágenes por difusión y la IRM funcional con la formación de imágenes eco - planas (EPI). El uso de la presente invención para la determinación en tiempo real de la localización y la orientación del objeto escaneado puede reducir el efecto de movimiento en las exploraciones por RM por el control en tiempo real y la corrección del plano de exploración, con el fin de compensar el movimiento, o por pro-cesamiento de imagen posterior a la adquisición. 5

IRM de intervención: El sensor se puede utilizar con varios dispositivos, tales como herramientas en miniatura para la cirugía mínimamente invasiva, catéteres en el interior de vasos sanguíneos, endoscopios rígidos y flexibles, agujas de biopsia y aspiración. Puede ser utilizado para medir la localización del dispositivo con respecto al sistema de coordenadas de IRM y permitir que el escáner de MR presente la localización del dispositivo en las imágenes de RM, como la información visual de retorno para el operador, o para calcular y mostrar la línea de la orientación actual para 10 ayudar al operador a dirigir el dispositivo a un objetivo específico. Otra posible aplicación es esclavizar el plano de IRM de imágenes para el sensor de seguimiento, por ejemplo, para solicitar la formación de imágenes de alta resolución en un pequeño volumen alrededor del lugar de un catéter, para una mejor formación de imágenes de la región de interés para mejorar el rendimiento del diagnóstico o para controlar el efecto de una intervención (por ejemplo, la ablación por radiofrecuencia, crioablación o ablación química y fotocoagulación con láser pueden ser monitorizadas por la formación 15 de imágenes por RM sensibles a la temperatura). Otra aplicación potencial es el uso de la información de la localización y orientación del dispositivo con el fin de permitir la visualización de las imágenes de IRM en referencia al sistema de coordenadas local del dispositivo, como si el operador está buscando a través del dispositivo y en la dirección de la punta, de manera similar al uso de endoscopios ópticos. Una aplicación adicional es utilizar el seguimiento de localiza-ción con el fin de marcar la localización de las intervenciones anteriores sobre la imagen de IRM. 20

Una aplicación con gran importancia clínica, en la que el uso de la orientación de IRM es una ventaja específica, es la revascularización percutánea de miocardio (PMR). La PMR se realiza normalmente durante el cateterismo cardía-co. Un catéter de transmisión de láser se inserta a través de la arteria femoral ascendentemente a través de la aorta hacia el ventrículo izquierdo del corazón. Sobre la base de estudios de perfusión anteriores (por ejemplo, exploración de talio) o información indirecta sobre la viabilidad del miocardio (por ejemplo, mediante la medición del movimiento local 25 de la pared), el cardiólogo aplica la energía láser para perforar canales en miniatura en la porción interior del músculo del corazón, lo cual estimula la angiogénesis y el crecimiento de vasos sanguíneos nuevos. La PMR potencialmente puede aportar una solución menos invasiva (en comparación con la cirugía de bypass) para pacientes con la enferme-dad de cardiopatía isquémica que no puede ser manejada adecuadamente por angioplastia o colocación de stent. Tam-bién puede ser usado en conjunto con la angioplastia o stents para el tratamiento de las zonas del corazón que no están 30 completamente revascularizadas por la colocación de un balón o de un stent. En la actualidad, la PMR se realiza exclu-sivamente con orientación de rayos-X. La principal ventaja de la IRM es el excelente rendimiento de la IRM en la eva-luación de la perfusión sanguínea del miocardio por medio del uso de agentes de contraste. De esta manera, en lugar de utilizar información indirecta sobre la localización de regiones pobremente perfundidas, una sesión de diagnóstico de perfusión miocárdica en el escáner de IRM puede ser seguida por una intervención inmediata, utilizando las imágenes 35 de perfusión existentes y el seguimiento en tiempo real de la sonda láser con la metodología de seguimiento divulgada. Otra ventaja adicional, única de la IRM, es el potencial de controlar la intervención por formación de imágenes de alta resolución, en tiempo real, del miocardio durante la aplicación del tratamiento con láser. Por otra parte, puesto que la PMR se realiza típicamente en múltiples localizaciones y se debe conseguir una buena cobertura del miocardio tratado, marcar la localización de las localizaciones tratadas en la imagen de perfusión, usando los datos de localización del 40 sistema de seguimiento, puede proporcionar una cobertura óptima de la región enferma.

Anatómicamente, el sensor de seguimiento puede ser utilizado para varios procedimientos de diagnóstico e in-tervención en el interior del cerebro (internamente a través de los vasos sanguíneos o por medio de orificios en el cráneo), el sistema cardiovascular (cámaras del corazón, arterias coronarias, vasos sanguíneos), el tracto gastro intesti-nal (estómago, duodeno, vías biliares, vesícula biliar, intestino, colon) y el hígado, el sistema urinario (vejiga, uréteres, 45 riñones), el sistema pulmonar (árbol bronquial o vasos sanguíneos), el sistema esquelético (articulaciones), el tracto reproductivo, y otros.

TABLA 1

Se simularon voltajes inducidos en tres bobinas ortogonales para una localización de la muestra (X = 20,5 cm, Y = 10,5 cm, Z = 15,0 cm) dentro de un escáner de IRM durante la activación de tres gradientes y se presentan en la sección inferior de la tabla como vectores de voltaje (Vx, Vy, Vz). La utilización de sólo las amplitudes absolutas de los vectores de voltaje (| Vx |, | Vy |, | Vz |) produce como resultado ocho soluciones diferentes (Xest, Yest, Zest). El uso de los ángulos entre los vectores de voltaje (XZ_ang, YZ_ang, YX_ang) elimina 6 de las soluciones y propor-ciona dos soluciones antisimétricas equivalentes (1 y 8). Por último, cuando se utilizan los tres componentes de cada uno de los tres vectores de voltaje (Vx, Vy, Vz), se obtiene una única solución correcta (solución 8).

Solución 1 Solución 2 Solución 3 Solución 4 Solución 5 Solución 6 Solución 7 Solución 8

Xest

-20,50 20,50 -20,50 20,50 -20,50 20,50 -20,50 20,50

Yest

-10,50 -10,50 10,50 10,50 -10,50 -10,50 10,50 10,50

Zest

-15,00 -15,00 -15,00 -15,00 15,00 15,00 15,00 15,00

|Vx|

27,7918 27,7918 27,7918 27,7918 27,7918 27,7918 27,7918 27,7918

|Vy|

19,6513 19,6513 19,6513 19,6513 19,6513 19,6513 19,6513 19,6513

|Vz|

19,8370 19,8370 19,8370 19,8370 19,8370 19,8370 19,8370 19,8370

XZ_ang

9,7436 -7,6928 7,6928 -9,7436 -9,7436 7,6928 -7,6928 9,7436

YZ_ang

-11,1176 -5,3237 5,3237 11,1176 11,1176 5,3237 -5,3237 -11,1176

YX_ang

-13,0904 26,7508 26,7508 -13,0904 -13,0904 26,7508 26,7508 -13,0904

(Cont.)

Se simularon voltajes inducidos en tres bobinas ortogonales para una localización de la muestra (X = 20,5 cm, Y = 10,5 cm, Z = 15,0 cm) dentro de un escáner de IRM durante la activación de tres gradientes y se presentan en la sección inferior de la tabla como vectores de voltaje (Vx, Vy, Vz). La utilización de sólo las amplitudes absolutas de los vectores de voltaje (| Vx |, | Vy |, | Vz |) produce como resultado ocho soluciones diferentes (Xest, Yest, Zest). El uso de los ángu-5 los entre los vectores de voltaje (XZ_ang, YZ_ang, YX_ang) elimina 6 de las soluciones y proporciona dos soluciones antisimétricas equivalentes (1 y 8). Por último, cuando se utilizan los tres componentes de cada uno de los tres vectores de voltaje (Vx, Vy, Vz), se obtiene una única solución correcta (solución 8).

Vx

-16,2143 -16,2143 -16,2143 -16,2143 16,2143 16,2143 16,2143 16,2143

-21,2103 17,2907 -21,2103 17,2907 -17,2907 21,2103 -17,2907 21,2103

7,7202 14,5090 7,7202 14,5090 -14,5090 -7,7202 -14,5090 -7,7202

Vy

-12,2805 -12,2805 -12,2805 -12,2805 12,2805 12,2805 12,2805 12,2805

11,6284 11,6284 -7,5044 -7,5044 7,5044 7,5044 -11,6284 -11,6284

-10,0072 -10,0072 -13,3808 -13,3808 13,3808 13,3808 10,0072 10,0072

Vz

4,9383 -12,0771 12,0771 -4,9383 4,9383 -12,0771 12,0771 -4,9383

-13,2568 -15,7361 -14,7342 -17,2135 17,2135 14,7342 15,7361 13,2568

-13,9060 0,1548 -5,5275 8,5332 -8,5332 5,5275 -0,1548 13,9060

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento para determinar la localización y la orientación instantánea de un objeto (30) que se mueve a través de un espacio tridimensional dentro del espacio de formación de imágenes de un aparato de IRM (40) durante la opera-ción del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética, que se caracteriza porque el procedimien-to comprende 5

   - proporcionar un conjunto de bobinas (20) que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección (22, 24, 26) que tienen ejes de orientación conocida unos con respecto a los otros, siendo mutuamente ortogonales los citados ejes, unos con respecto a los otros, estando conectado o integrado el conjunto de bobinas (20) en el citado objeto (30) ,

   - medir los valores instantáneos de los potenciales eléctricos (700) inducidos en la citada pluralidad de bobinas 10 de detección (22, 24, 26) por la activación de las bobinas de gradiente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40) durante la operación del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), y

   - calcular la localización y la orientación instantánea del citado objeto (30) dentro del citado espacio comparando los citados valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos (700) con los mapas tridimensionales co-15 nocidos de la magnitud y la dirección de los campos magnéticos generados dentro del citado espacio de forma-ción de imágenes por la citada activación de las bobinas de gradiente (43), la citada etapa de comparar hacien-do uso de la orientación relativa conocida de la citada pluralidad de bobinas de detección (22, 24, 26).

2. 2. El procedimiento de la reivindicación 1, que se caracteriza porque la citada etapa de medir incluye, además, la etapa de identificar una pluralidad de activaciones (712) de los campos de gradiente magnético del citado aparato de forma-20 ción de imágenes por resonancia magnética (40), en el que la citada etapa de identificar proporciona la temporización y la amplitud de las activaciones de una única bobina de gradiente (43) o activaciones combinadas de dos o tres bobinas de gradiente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), y en el que la citada etapa de calcular comprende:

   i. calcular el vector de voltaje para cada bobina de detección (22, 24, 26) con una magnitud igual a los citados po-25 tenciales eléctricos inducidos (700) generados en la citada bobina de detección (22, 24, 26) y la dirección defini-da por el vector unitario perpendicular al plano de la citada bobina de detección (22, 24, 26);

   ii. calcular el vector suma de voltajes por la suma vectorial de los citados vectores de voltaje en las diferentes bobi-nas de detección para cada una de las, citadas activaciones de los campos de gradiente del escáner de IRM;

   iii. calcular (716) las magnitudes de todos los citados vectores de suma de voltajes y los ángulos entre todos los pa-30 res posibles de los citados vectores de suma de voltajes;

   iv. almacenar en la memoria los mapas de campo magnético de referencia de cada una de las tres bobinas de gra-diente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40) para el espacio de for-mación de imágenes del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40);

   v. estimar la localización de la sonda mediante la aplicación (718) de un algoritmo de búsqueda que compara las ci-35 tadas magnitudes calculadas y los ángulos de los citados vectores de suma de voltajes con los mapas del campo magnético de referencia conocidos y los mapas del campo magnético de referencia 3 conocido usando la orien-tación relativa conocida de las bobinas de detección (22, 24, 26) en el citado conjunto de bobinas, y

   vi. estimar la orientación del sensor (20) por un procedimiento de optimización iterativo para determinar los tres ángulos de rotación que transforman, en la localización del dispositivo estimada en el etapa (v), desde un siste-40 ma de coordenadas local, conectado al objeto al sistema de coordenadas de referencia de IRM definido por las citadas bobinas de gradiente,

   en el que la etapa de estimar la orientación implica

   procesar (720) los citados potenciales eléctricos inducidos (700) generados en las citadas bobinas de detección (22, 24, 26), junto con los mapas de campo magnético de referencia conocidos y la orientación relativa conocida 45 de las bobinas de detección (22, 24, 26) en el citado conjunto de bobinas.

3. 3. El procedimiento se acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado conjunto de bobinas incluye tres pares de bobinas de detección (22 - 27), en el que una bobina de detección (22 - 27) en cada par tiene la misma orientación que la otra bobina de detección (22 - 27) en el par respectivo, y en el que cada par de bobinas de detección (22 - 27) tiene una orientación diferente de los otros pares de bobinas de detección (22 - 27). 50

4. 4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado conjunto de bobinas incluye una bobina de detección cilíndrica y dos pares de bobinas de detección orientadas ortogonalmente una con respecto a la otra y situadas ortogonalmente con respecto a la bobina de detección cilíndrica.

5. 5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado objeto (30) es un instrumento médico en movimiento en el cuerpo de una persona con propósitos de diagnóstico o de tratamiento médicos. 55

6. 6. Aparato para determinar la localización y la orientación instantáneas de un objeto (30) que se mueve a través de un espacio tridimensional en el espacio de formación de imágenes de un aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40) durante la operación del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), que se caracteriza porque comprende:

   un conjunto de bobinas (20) que incluye una pluralidad de al menos tres bobinas de detección (22, 24, 26), que 5 tienen ejes de orientación conocida unos con respecto a los otros, siendo los citados ejes mutuamente ortogona-les unos con respecto a los otros, el conjunto de bobinas (20) está conectado o integrado en el citado objeto (30),

   un medio para medir los valores instantáneos de los potenciales eléctricos (700) inducidos en la citada pluralidad de bobinas de detección (22, 24, 26) por la activación de las bobinas de gradiente (43) del citado aparato de for-mación de imágenes por resonancia magnética (40) durante la operación del citado aparato de formación de 10 imágenes por resonancia magnética (40), y

   un procesador (10) para calcular la localización y la orientación instantáneas del citado objeto (30) dentro del ci-tado espacio comparando los citados valores instantáneos medidos de los potenciales eléctricos (700) con los mapas tridimensionales conocidos de la magnitud y de la dirección de los campos magnéticos generados dentro del citado espacio de formación de imágenes por la citada activación de las bobinas de gradiente (43), haciendo 15 uso la citada comparación de la orientación relativa conocida de la citada pluralidad de bobinas de detección (22, 24, 26).

7. 7. El aparato de la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado medio de medición incluye, además, un medio para identificar una pluralidad de activaciones de campos de gradiente magnético del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), en el que el citado medio para identificar proporciona la temporización y la 20 amplitud de las activaciones de una única bobina de gradiente o activaciones combinadas de dos o tres bobinas de gradiente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40), y porque el citado procesa-dor (10) comprende además:

   i. un medio para calcular el vector de voltaje para cada bobina de detección (22, 24, 26) con una magnitud igual a los citados potenciales eléctricos inducidos generados en la citada bobina de detección (22, 24, 26) y la direc-25 ción definida por el vector unitario perpendicular al plano de la citada bobina de detección (22, 24, 26);

   ii. un medio para calcular el vector de la suma de voltajes por la suma vectorial de los citados vectores de voltaje en las diferentes bobinas de de detección (22, 24, 26) para cada una de las citadas activaciones de los campos de gradiente del escáner de IRM;

   iii. un medio para calcular las magnitudes de todos los citados vectores de suma de voltajes y los ángulos entre 30 todos los pares posibles de los citados vectores de suma de voltajes;

   iv. memoria para almacenar los mapas de campo magnético de referencia de cada una de las tres bobinas de gradiente (43) del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40) para el espacio de formación de imágenes del citado aparato de formación de imágenes por resonancia magnética (40);

   v. un medio para estimar la localización de la sonda (20) mediante la aplicación de un algoritmo de búsqueda que 35 compara las citadas magnitudes y los ángulos calculados de los citados vectores de suma de voltajes con los mapas de campo magnético de referencia conocidos y los mapas de campo angular de referencia conocidos utilizando la orientación relativa conocida de las bobinas de detección (22, 24, 26) en el citado conjunto de bo-binas, y

   vi. un medio para estimar la orientación del sensor (20) por un procedimiento de optimización iterativo con el fin 40 de determinar los tres ángulos de rotación que transforman, en la localización del dispositivo estimada por el ci-tado medio para estimar la localización del sensor, desde un sistema de coordenadas conectado al objeto, lo-cal, a un sistema de coordenadas de referencia de IRM definido por las citadas bobinas de gradiente, proce-sando los citados potenciales eléctricos inducidos generados en las citadas bobinas de detección (22, 24, 26), junto con los mapas magnéticos de referencia conocidos y la orientación relativa conocida de las bobinas de 45 detección ( 22, 24, 26) en el citado conjunto de bobinas.

8. 8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado conjunto de bobinas (20) incluye tres pares de bobinas de detección (22 - 27), en el que una bobina de detección en cada par tiene la misma orientación que la otra bobina de detección (22 - 27) en el par respectivo, y en el que cada par de bobinas de detección (22 - 27) tiene una orientación diferente de los otros pares de bobinas de detección (22 - 27). 50

9. 9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado conjunto de bobinas incluye una bobina de detección cilíndrica y dos pares de bobinas de detección orientadas ortogonalmente una con respecto a la otra y colocados ortogonalmente con respecto a la bobina de detección cilíndrica.

10. 10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado objeto (30) es un instrumento médico en movimiento en el cuerpo de una persona con fines de diagnóstico o tratamiento médicos, y en el que el cita-55 do sensor (20) está adherido, o integrado, en el citado instrumento médico.