JP6789745B2 - 磁気位置追跡装置のための磁気妨害からの電磁波耐性（ｉｍｍｕｎｉｔｙ） - Google Patents

Description

本発明は全体として磁気追跡システムに関し、具体的には該システムによって作製される磁界の妨害を相殺することに関する。

特に鼻副鼻腔手術で、手術中の器具の位置決めは、脳及び視神経など感受性の高い部位に鼻腔が近接しているため、重要である。このような器具の位置決めを容易にすることに関して、種々の方法が特許文献で知られている。

例えば、米国特許出願第２０１２／０２６５０９４号（Ｇｏｌｄｆａｒｂら）には、ガイドワイヤの経鼻挿入及び位置決めを容易にするために使用可能な方法が記載されており、該開示は本明細書に参照により組み込まれる。前記方法は、内視鏡を介してガイドワイヤを直視することを含む。

開示が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願第２０１２／００７８１１８号（Ｊｅｎｋｉｎｓら）は照明ガイドワイヤ装置を記載している。前記装置は透過照明を提供するために使用されることができて、標的組織の可視化を容易にすることができると、前記開示は述べている。

開示が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第６，２４６，２３１号（Ａｓｈｅら）は磁界位置及び配向測定システムを記載している。このシステムは、金属製物体が一般に見いだされる領域の動作空間の外側の領域で磁界が減衰されるように、１つ又は２つ以上の送信機からの磁界を含み、制限し、かつ方向を変えると、説明されている。

本特許出願中に参照に組み込まれている文献は、本出願の不可欠な部分であると考慮されるものとするが、本明細書に明確に又は黙示的になされている定義と矛盾する方法で、これらの組み込まれている文献において任意の用語が定義されている範囲内で、本明細書中の定義のみが考慮されるべきであることを除く。

本発明の実施形態は、装置であって、
強磁性シートと、
強磁性シートに近接して取り付けられた少なくとも１つのラジエータであって、磁界をその付近の領域内に放射するように構成されている、少なくとも１つのラジエータと、
少なくとも１つのラジエータから強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、強磁性シートと少なくとも１つのラジエータとの間に取り付けられる、断熱の固体シートと、を含む装置を提供することである。

開示された実施形態において、固体シートは、０．７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下の熱伝導率を有する。

更なる開示された実施形態では、固体シートは木からなる。

更なる開示された実施形態では、固体シートは炭素繊維シートからなる。

別の実施形態では、強磁性シートは亜鉛めっき鉄板からなる。

更なる別の代替的実施形態では、強磁性シートは、２エルステッド未満の保磁度を有する軟質磁性材料を含む。

更なる別の実施形態では、磁界は強磁性シートを不飽和方式で作動させる。

通常、少なくとも１つのラジエータは、強磁性シートにコイルの磁気画像を生成するコイルを含み、磁気画像が磁界の０．１％未満の歪みを有する画像磁界を放射するように、強磁性シートと少なくとも１つのラジエータとの間の距離が設定される。

断熱の固体シートは、シートに穿孔を含むことができる。

装置は、センサを有する侵襲性プローブを含むことができ、このプローブは、磁界に反応して、少なくとも１つのラジエータに対するプローブの位置を示す信号を生成するセンサを有する。

本発明の実施形態に基づいて、方法が更に提供されており、該方法は、
強磁性シートを提供することと、
少なくとも１つのラジエータを強磁性シートに近接して取り付けて、少なくとも１つのラジエータを、磁界をその付近の領域内に放射するように構成することと、
少なくとも１つのラジエータから強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、断熱の固体シートを強磁性シートと少なくとも１つのラジエータとの間に取り付けることと、を含む方法である。

本開示は、これらの実施形態に関する以下の詳細説明と、その図面から、より完全に理解され得る。

本発明の実施形態による、副鼻腔手術システムの概略図である。 本発明の実施形態による、図１のシステムで使用される磁気ラジエータアセンブリの概略の斜視図である。 本発明の実施形態による、アセンブリの概略分解断面図である。

概要
磁気追跡システムにおいて、磁界が空間に放射されて、磁界が空間に位置する磁気センサの信号を誘導することは、追跡技術分野において周知である。センサからの信号は、空間のセンサの位置を追跡するために用いることができる。手術で使用する侵襲性プローブの位置及び配向を追跡する際に、特に内視鏡で見るなど追跡の他の形態が不都合又は不可能な場合に、前記システムがしばしば使用される。

しかし、特に手術の状況において、追跡に使用される磁界が、空間内若しくはそれに近接する位置での金属物の存在及び／又は導入によって変更され得るので、前記システムは誤差が生じる傾向がある。磁界は交番しているので、誤差は強磁性金属又は非強磁性金属の導入によって引き起こされる場合があり、それは、後者に誘導される渦電流が磁界を変えるからである。侵襲的処置で使用するツールの位置の１ｍｍの誤差さえ、場合によっては悲劇的な結果をもたらす可能性があるので、手術の状況での導入による誤差は、重大な問題を呈示し得る。

本発明の実施形態は、金属の導入に実質的に影響を受けない磁気追跡アセンブリを提供する。アセンブリは、少なくとも１つのラジエータに、通常はフレームに保持される複数のラジエータに近接して取り付けられる強磁性シートを含む。ラジエータは、強磁性シートに近接する領域内に磁界を放射する。断熱の固体シートは、ラジエータから強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、強磁性シートとラジエータとの間に取り付けられる。

ラジエータに近接して強磁性シートを取り付けることによって、ラジエータのその反対側のシート面に外部からの金属の導入によって生じる、放射された磁界に対する悪影響を軽減する。しかし、ラジエータは動作中に熱を発生させるので、断熱の別個のシートがないときには、熱は強磁性シートに移動して、その温度を上げて、それによってその特性を変える。特性の変化は、アセンブリの動作に悪影響を及ぼし、例えば、アセンブリの較正が無効になることもある。

ラジエータと強磁性シートとの間に断熱シートを取り付けることは、強磁性シートに移動するラジエータの発生熱を防止して、その結果、強磁性シートの温度はラジエータの動作中、実質的に一定のままである。強磁性シートの温度を実質的に一定に保つことによって、シートの特性は不変のままであり、その結果、アセンブリの動作は影響を受けない。

システムの説明
ここで、本発明の実施形態による、副鼻腔手術システム２０の概略図である図１と、このシステムで使用する磁気ラジエータアセンブリ２４の概略の斜視図である図２と、アセンブリの概略分解断面図である図３を参照する。一例として及び明解さのために、以下の説明で、手術システム２０は、患者２２に実施される鼻副鼻腔処置のために使用されるとみなされて、その結果、この場合では、処置の前に、患者頭部の下に及び患者を支えるベッド２５上に磁気ラジエータアセンブリ２４は配置される。しかし、患者２２に実施される他の侵襲的処置において、アセンブリ２４の位置の変更及び他の構成は、当業者には明らかであり、すべてのこのような位置及び構成は本発明の範囲内で含まれるとみなされる。

以下で更に詳細に記載されるアセンブリ２４は、患者２２の頭部に位置する領域３０内に交番正弦波磁界を送る磁界ラジエータ２６を含む。プローブ２８は、処置中にプローブの遠位端３４の磁気センサ３２を含み、患者の鼻腔の１つ内に患者の鼻孔を介して挿入される。磁界との相互作用に反応してセンサに誘導される信号は、アセンブリ２４が較正されると、遠位端３４の位置が患者内で追跡されることを可能にする。Ｂｉｏｓｅｎｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｂａｒ、ＣＡ）により製造されたＣａｒｔｏ（登録商標）システムは、磁界により照射される領域のコイルの位置及び配向を見つけるために本明細書に記載されるものと同様のシステムを使用する。

ラジエータ２６を含有するシステム２０の要素は、１つ又は２つ以上のメモリと通信する処理ユニットを備えるシステムプロセッサ４０によって制御され得る。プロセッサ４０は、通常キーパッド及び／又はマウス若しくはトラックボールなどの位置指示装置を含む操作制御装置５８を備える、コンソール５０に取り付けられてもよい。コンソール５０はケーブル６０を介してラジエータに接続しており、プローブ２８の近位端５２などシステム２０の他の要素にも接続され得る。医師５４は、プロセッサと相互作用する操作制御装置を使用しながら処置を実行し、プロセッサは、システム２０によって作製された結果をスクリーン５６に示すことができる。

プロセッサ４０は、プロセッサのメモリ内に記憶されたソフトウェアを用いてシステム２０を操作する。ソフトウェアは、例えばネットワークを介して、電子的形態でプロセッサ４０にダウンロードされてもよいし、又は別に若しくは追加的に、磁気メモリ、光メモリ若しくは電子メモリなどの、非一時的な有形媒体上に提供及び／若しくは記憶されてもよい。

プロセッサ４０はソフトウェアを使用して、とりわけアセンブリ２４の磁気ラジエータ２６を作動させる。上述の通り、ラジエータは、患者２２の頭部を含む領域３０内に異なる周波数の正弦波交番磁界を送信し、ラジエータからの磁界はセンサ３２の信号を誘導する。プロセッサは信号を分析して、センサについて、したがってプローブ２８の遠位端についてアセンブリにより定義される基準フレームに対して測定される位置及び配向の値を得る。

処置の間、患者頭部の動きに適応するために、１つ又は２つ以上の磁界センサ（図示せず）が患者の頭部に固定されており、プロセッサ４０はこれらの「頭部」センサから信号を使用して患者の頭部の位置及び配向の値を得る。患者頭部に対してプローブ遠位端の位置及び配向がわかるように、頭部センサは患者の頭部の基準フレームを定めて、プロセッサは２つの基準フレームを登録するために頭部センサの信号を使用するように構成される。

従来技術の磁気追跡システムにおいて、従来技術システムのラジエータによって作製される磁界は、ラジエータ付近で又はラジエータがその磁界を放射している領域付近で、外部からの強磁性材料及び非強磁性材料の存在、導入又は除去による影響を受けることがある。本発明の実施形態は、ラジエータをアセンブリ２４に組み込むことによって、ラジエータ２６の磁界上の外部からの材料の効果を実質的に減らす。

アセンブリ２４は、「ａ」で示される厚みを有する強磁性シート７０を含んでおり、該シートは通常、高い初期透磁率及び２エルステッドに等しい又はそれ未満の低い保磁度を有する「軟質」磁気材料を含む。一実施形態において、ａ＝２ｍｍであり、強磁性シートは、数千の初期透磁率及び約２エルステッドの保磁度を有する亜鉛めっき鉄板を含む。他の高い初期透磁率／低保磁度の強磁性材料がシート７０の好適な材料であると、発明者は考えている。シート７０の厚み「ａ」の値の通常の範囲は１ｍｍ〜５ｍｍの間であるが、いくつかの実施形態では、シート７０はこの範囲外の厚みを有する。強磁性シート７０は上面７６を有する。

ラジエータ２６はフレーム７２内に組み込まれて、該フレームは、患者２２の頭部での処置のため通常は蹄鉄の形状である。図３に示すように、フレーム７２は「ｃ」で示される厚みを有するとみなされており、ラジエータ２６の中心はフレームの基底７４からの距離「ｄ」であるとみなされる。蹄鉄形状は患者頭部の周囲に適合すると共に、ラジエータ２６が患者に近接して配置されることを可能にし、かつ、患者頭部がベッド２５にあおむけになるようにする。患者の心臓など患者２２の異なる部分の侵襲的処置のためのフレーム７２の別な形状は、当業者には明らかであって、すべてのこのような形状は本発明の範囲内で含まれるとみなされる。

フレーム７２は通常、ポリカーボネート材料など電気絶縁体から形成される。後述のように、一旦フレームのラジエータと強磁性シートとの間の距離が設定されると、距離はできるだけ一定のままでなければならないので、フレームは通常低い膨張係数及び高い剛性を有している。一実施形態において、フレーム７２は２つの別個の半体で作成されており、各半分が蹄鉄形状を有する。２つの別個の半体によって、ラジエータ２６は半体の１つ内に挿入されることができる。一旦ラジエータが挿入されて、駆動ケーブル６０に接続されると、２つの半体は一緒に連結されて、その結果、ラジエータ２６はフレームに完全に封入される。開示された実施形態において、フレーム７２は、約３５ｃｍの全幅、約４０ｃｍの全長及び約３ｃｍの図３の厚さ「ｃ」を有する。

５つのラジエータ２６があり、各ラジエータは、相互直交な軸を有する３つのコイルのセットを含む。５つのラジエータを用いることにより、３つのラジエータなど少数を使用することと比較して、アセンブリ２４で測定される位置の精度は改善される。実施形態において、コイルは、幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×深さ２３ｍｍの寸法を有する矩形空芯ボビンに巻き付けられる。ボビンは通常フレーム７２内に中心に集まっており、その結果、図３の「ｄ」、ラジエータの中心からフレームの基底までの距離は約１．５ｃｍである。上述の一実施形態において、ラジエータは駆動ケーブル６０に接続して、それから上述のようにフレーム７２に挿入される。

所与のラジエータ２６の各コイルは、コイル固有の周波数でプロセッサ４０によって駆動され得る。通常、コイルを駆動する周波数は２０ＫＨｚオーダであるが、他の駆動周波数を使うこともできる。上述のようにラジエータは、センサ３２の対応する周波数の信号を誘導し、ラジエータ２６の各コイルの固有の周波数は、ラジエータのどのコイルがセンサの対応する信号を出しているかをプロセッサが識別するのを可能にする。

本発明の実施形態において、ラジエータ２６から上面７６までの距離は、所与のコイルからのシートの磁化領域Ｈがシートを飽和させないように設定される。すなわち強磁性シート７０は不飽和方式で作動する。

ラジエータ２６の所与のコイルからの交番磁界は、強磁性シート７０のコイルのそれぞれの磁気画像を誘導し、磁気画像は順次磁界ラジエータとして作用する。シート７０がそのＢ−Ｈ曲線（Ｂは磁界であり、Ｈは磁化領域である）の不飽和領域で作動するので、ラジエータ２６からの交番放射と比較して、歪みは磁気画像からの交番放射に実質的に導入されない。このように、ラジエータ２６からの正弦波交番放射は、シート７０の磁気画像に、歪んでいない正弦波放射磁界を送らせる。

任意の所与のラジエータコイル及びその画像では、２つの正弦波領域は、当業者により理解されるように、ラジエータコイル及びその画像の位置の中間にある複合源位置を有する複合正弦波領域を増加させる。ラジエータ２６からシート７０までの距離は、１ｃｍ〜５ｃｍの範囲内で通常設定されているが、この範囲外の距離も可能である。本発明の実施形態において、上述のように距離が設定されて、その結果、所与のコイルからのシートの磁化領域Ｈは、画像から正弦波領域放射内へ０．１％未満の歪みをもたらす。

距離が設定されると、上述のようにアセンブリ２４の較正を実行できる。較正は、とりわけ各コイル及びその画像の複合源位置のそれぞれの位置を生成する。しかし発明者は、アセンブリ２４の較正が強磁性シート７０の温度に依存していると結論付けて、シート７０の磁気特性がシートの材料に、更にシートの温度に依存するのでこれは問題であると考えた。

開示された実施形態において、コイルがプロセッサ４０によって駆動される際、各ラジエータ２６により消失される電力は約３０Ｗである。この電力のかなりの部分は熱エネルギとして消失されて、ラジエータの強磁性シートへの近接が理由で、断熱シート８０の存在がない限り、シート７０の温度の増加をもたらす。

ラジエータ２６と強磁性シート７０との間の断熱の固体シート８０、更に本明細書において断熱シート８０と称されるものの導入が、強磁性シートにより吸収される熱エネルギを実質的に減らし、そしてラジエータの作動が理由で、シートの温度のいかなる変化もほとんど排除すること、を発明者は見いだした。したがって上述のような較正は、有効なままである。断熱シート８０は、「ｂ」の厚みを有するとみなされる。フレーム２４がシートの１つの表面と接触するように、断熱シートを配置することができ、強磁性シート７０はシートの他の表面に接触する。したがって、この場合、ラジエータ２６の中心と強磁性シート７０の上面７６との間にｄ＋ｂの距離がある。

一実施形態において、断熱シート８０は木により形成されて、約０．１Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率を備え、シートは厚みｂ＝３ｍｍを有する。別の実施形態では、断熱シート８０は炭素繊維シートにより形成されて、約０．７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率を備え、シートは厚みｂ＝２ｍｍを有する。上で例示したようにｄ＝１．５ｃｍである場合、距離ｄ＋ｂは木の場合１．８ｃｍであり、炭素繊維シートの場合１．７ｃｍである。

断熱シート８０は、ラジエータ２６から強磁性シート７０への熱エネルギの移動を妨げるために機能する。いくつかの実施形態では、シート８０は１つ又は２つ以上の孔８２によって穿孔されている（図２及び図３）。孔内に実質的に対流はないので、こうした孔は良好な断熱材として機能する。

ラジエータ２６下に強磁性シート７０を位置決めすることは、領域３０の磁界に、上述のような外部からの材料の導入の効果を著しく軽減することを、発明者は見いだした。

上述されている実施形態は、例として列挙されており、本発明は、上記で特に示され、記載されているものに限定されないことが認識されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、上述されている種々の特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方と、前述の説明を読むことに基づいて当業者が想起するであろう、先行技術に開示されていない変形例及び修飾を含む。

〔実施の態様〕
（１） 装置であって、
強磁性シートと、
該強磁性シートに近接して取り付けられた少なくとも１つのラジエータであって、磁界をその付近の領域内に放射するように構成されている、少なくとも１つのラジエータと、
該少なくとも１つのラジエータから該強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、該強磁性シートと該少なくとも１つのラジエータとの間に取り付けられる、断熱の固体シートと、を含む装置。
（２） 前記固体シートが０．７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下の熱伝導率を有する、実施態様１に記載の装置。
（３） 前記固体シートが木材を含む、実施態様１に記載の装置。
（４） 前記固体シートが炭素繊維シートを含む、実施態様１に記載の装置。
（５） 前記強磁性シートが亜鉛めっき鉄板を含む、実施態様１に記載の装置。

（６） 前記強磁性シートが、２エルステッド未満の保磁度を有する軟質磁性材料を含む、実施態様１に記載の装置。
（７） 前記磁界が前記強磁性シートを不飽和方式で作動させる、実施態様１に記載の装置。
（８） 前記少なくとも１つのラジエータが、前記強磁性シートのコイルの磁気画像を生成するコイルを含み、該磁気画像が前記磁界の０．１％未満の歪みを有する画像磁界を放射するように、前記強磁性シートと前記少なくとも１つのラジエータとの間の距離が設定されている、実施態様１に記載の装置。
（９） 前記断熱の固体シートが該シートに穿孔を含む、実施態様１に記載の装置。
（１０） センサを有する侵襲性プローブを含み、該センサが、前記磁界に反応して、前記少なくとも１つのラジエータに対する該プローブの位置を示す信号を生成する、実施態様１に記載の装置。

（１１） 方法であって、
強磁性シートを提供することと、
少なくとも１つのラジエータを該強磁性シートに近接して取り付けて、該少なくとも１つのラジエータを、磁界をその付近の領域内に放射するように構成することと、
該少なくとも１つのラジエータから該強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、断熱の固体シートを該強磁性シートと該少なくとも１つのラジエータとの間に取り付けることと、を含む方法。
（１２） 前記固体シートが０．７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下の熱伝導率を有する、実施態様１１に記載の方法。
（１３） 前記固体シートが木材を含む、実施態様１１に記載の方法。
（１４） 前記固体シートが炭素繊維シートを含む、実施態様１１に記載の方法。
（１５） 前記強磁性シートが亜鉛めっき鉄板を含む、実施態様１１に記載の方法。

（１６） 前記強磁性シートが、２エルステッド未満の保磁度を有する軟質磁性材料を含む、実施態様１１に記載の方法。
（１７） 前記磁界が前記強磁性シートを不飽和方式で作動させる、実施態様１１に記載の方法。
（１８） 前記少なくとも１つのラジエータが、前記強磁性シートのコイルの磁気画像を生成するコイルを含み、該磁気画像が前記磁界の０．１％未満の歪みを有する画像磁界を放射するように、前記強磁性シートと前記少なくとも１つのラジエータとの間の距離が設定される、実施態様１１に記載の方法。
（１９） 前記断熱の固体シートが該シートに穿孔を含む、実施態様１１に記載の方法。
（２０） センサを有する侵襲性プローブを提供することを含み、該センサが、前記磁界に反応して前記少なくとも１つのラジエータに対する該プローブの位置を示す信号を生成する、実施態様１１に記載の方法。

Claims (10)

1. 患者の頭部への医療処置中における器具の位置決めのための磁気追跡装置であって、
   強磁性シートと、
   患者の頭部を囲む開口部を有するフレームと、
   前記フレームは、該強磁性シートに近接して取り付けられ、前記フレームの中に搭載された少なくとも１つのラジエータを有し、
   前記少なくとも１つのラジエータは、少なくとも１つのコイルを有し、前記磁気画像が磁場放射体として作用し、前記コイルは、前記強磁性シート内の前記コイルのそれぞれの磁気画像を誘導する交番磁界を生成し、
   該少なくとも１つのラジエータから該強磁性シートまでの熱エネルギの移動を妨げるように、該強磁性シートと該少なくとも１つのラジエータとの間に取り付けられる、断熱の固体シートと、を含む装置。
2. 前記固体シートが０．７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下の熱伝導率を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記固体シートが木材を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記固体シートが炭素繊維シートを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記強磁性シートが亜鉛めっき鉄板を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記強磁性シートが、２エルステッド未満の保磁度を有する軟質磁性材料を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記磁界が前記強磁性シートを不飽和方式で作動させる、請求項１に記載の装置。
8. 前記磁気画像が前記磁界の０．１％未満の歪みを有する画像磁界を放射するように、前記強磁性シートと前記少なくとも１つのラジエータとの間の距離が設定されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記断熱の固体シートが該シートに穿孔を含む、請求項１に記載の装置。
10. センサを有する侵襲性プローブを含み、該センサが、前記磁界に反応して、前記少なくとも１つのラジエータに対する該プローブの位置を示す信号を生成する、請求項１に記載の装置。

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