KR102015149B1 - 이미징 프로브 및 위치 및/또는 방향 정보의 획득 방법 - Google Patents
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Abstract
자기 검출기에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서, 자기 부품 및 자기 검출기는 정적 2차 자기장에 대해 서로로부터 독립적으로 이동 가능하고 상기 방법은, 자기 부품의 자기장 및 정적 2차 자기장 양자의 조합의 존재 내에서 자기 검출기와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치 및 제2 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향을 본질적으로 동시에 측정하는 단계 - 제2 위치는 제1 위치로부터 이격됨 -; 및 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 도출(derive)하기 위해 측정들의 결과들을 조합하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 자기 검출기(magnetic detector)에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 나아가 자기 검출기에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기 및 환자의 조직의 적어도 일부를 이미지화하기 위한 이미징 프로브의 시스템들과 관련된다. 본 발명은 또한 환자의 조직으로 삽입 가능한 적어도 일부분의 의료기기(상기 의료기기는 자기 부품을 포함함)와 관련되고, 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법과 관련된다. 마지막으로, 본 발명은 신장 의료기기(elongate medical device)를 자화(magnetizing)하기 위한 장치와 관련된다.
환자의 조직으로의 의료기기의 삽입과 관련되는 수많은 의료 절차들, 예컨대, 최소한의 침습 절차들 및 국소 마취에 있어서, 환자의 조직 내의 의료기기의 정확한 위치를 외과의에게 알려주는 것은 커다란 이점일 수 있다. 예컨대, 수술의 마취 또는 수술 후의 무통(postoperative analgesia)을 위한 말초 신경 차단을 포함하는, 국부 마취를 도입하기 위해, 니들은 초음파 이미징의 도움으로 관심 영역으로 유도될 수 있다. 초음파 이미지 내에서 니들의 종단을 정확하게 검출하는 것은, 그러나, 쉽지 않음이 증명되어 왔다.
캐나다 온타리오의 노던 디지털 주식회사(Northern Digital Inc., Ontario, Canada)(www.ndigital.com)는 상표명 "아우로라(Aurora)" 하의 전자기 검출 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 전자기장 및 다양한 타입들의 센서 코일들의 생성을 위한 필드 생성기를 포함하고, 센서 코일들은 생성기에 의해 생성된 장(field)에 대해 반응한다. 하나 이상의 센서 코일들은 생검침(biopsy needle), 카테터 또는 실시간으로 기구의 팁의 위치 또는, 몇몇의 코일들이 내장되면, 기구의 형태를 실시간으로 측정하기 위한 유연한 내시경과 같은 의료기구 내에 내장될 수 있다. 다양한 타입들의 가용한 센서 코일들은 상이한 형태 및 크기이고 3-차원의 공간 내에서의 생성기의 전자기 장에 대한 센서 코일들의 위치 및 2 또는 3 차원 내에서의 센서 코일들의 방향을 검출할 수 있다. 와이어들은 센서 코일들과 코일들의 데이터를 시스템 제어 유닛으로 전송하는 센서 인터페이스 유닛을 연결한다. 시스템 제어 유닛은 센서 코일들로부터 획득된 정보를 수집하고 센서 코일들의 위치 및 방향을 계산한다.
"축소된 전자기 위치 추적기의 평가(Evaluation of a miniature electromagnetic position tracker)"(Mat. Phys. (2002), 29 (1), 2205 ff.) 에서, 휴멜(Hummel) 등은 "아우로라(Aurora)" 전자기 추적 시스템 측정 결과들의 정확성에 대한 초음파 스캔 헤드의 존재의 효과들을 연구했다.
플라시디(Placidi), 지(G) 등은 "생채 내 카테터 장장을 위한 자기 로컬리제이션 시스템에 관한 특허들의 검토(Review of Patents about Magnetic Localization Systems for in vivo Catheterizations)"(Rec. Pat. Biomed. Eng. (2009), 2, 58 ff.)에서 자기장이 환자의 바디 외부("아우로라" 시스템 내에서와 같은 "자기장이 생성된 엑스트라-바디")에 배치되는 시스템들 및 자기장이 환자의 바디 내("인트라-바디 영구 자석")에 배치된 영구 자석에 의해 생성되는 시스템들을 구별한다. 인트라-바디 의료기기에 대해 영구적으로 고정된 영구 자석의 3 차원 내에서의 배치 및 2 차원 내에서의 방향을 검출할 수 있는 시스템이 논의된다. 각각의 측정은 적어도 2개의 공간적인 위치들 내에서의 영구 자석에 의해 생성되는 자기장의 x-, y- 및z- 성분들을 측정하기 위한 적어도 2개의 공간적으로 분리된 3-축 자기 센서들과 관련된다. 6개의 자기 센서들은 환자의 바디의 각 부위가 센서들 중 적어도 2개에 의해 커버되는 것을 보장하기 위해 환자를 둘러싸는 원 내에 배열된다. 사용 이전에, 시스템은 지구 자기장을 고려하여 교정된다. 교정 단계에서, 영구 자석이 없을 때, 지구 자기장은 측정되고 이후 각각의 그 다음의 측정으로부터 차감된다. 나머지로부터, 자석의 위치가 계산된다. 한번 교정되면 이동될 수 없는 것은 시스템의 단점으로 간주된다.
그러나, 플라시디 등 내에서 인용되는, 특허 US 6,263,230 B1은 자석과 동시에 함께가 아니더라도 검출기가 최초 교정 후에 이동될 수 있는 "지속적인 자동 재교정(continuous automatic recalibration)" 스킴을 설명한다. 자기 검출기 시스템은 내재하는(indwelling) 의료기기의 영구자석의 위치를 검출하기 위한 알려진 공간적인 관계 내에서 형광 투시 헤드(fluoroscopic head)에 부착되고 자석의 필드는 다이폴 필드로서 근사된다. 이러한 필드와 연관된 국지적 혼란(perturbation)들 뿐만 아니라 지구 자기장을 보상하기 위해, 환자에 자석이 도입되기 전에 최초 교정이 수행된다. 검출기 시스템의 각 자기 센서에 대해 오프셋 값이 결정된다. 이후, 환자에 자석이 도입된 때 오프셋 값들은 자기 센서들의 독출 값들로부터 차감되고, 따라서 지구 자기장 및 그 국지적 혼란들이 보상된다. 또한, "지속적인 자동 재교정" 스킴은 검출기 시스템이 이동되더라도 지구 자기장의 국지적 혼란들을 보상하는 것을 허용한다: 이러한 스킴에 따르면, 자석이 이전의 측정으로부터 알려진 그 위치에서 정지한 채로 있는 동안 검출기는 이동된다. 검출기의 정확한 위치의 변화는 디지타이징 암에 의해 추적되고 자석에 의한 검출기의 새로운 위치에서의 이러한 자기장으로부터 계산된다. 결과는 검출기에 의해 실제로 측정되는 필드로부터 차감되고 나머지는 새로운 위치에서의 지구 자기장의 기여로 간주된다. 상기 과정은 검출기가 또 다른 배치로 이동됨에 따라 반복될 수 있다.
US 6,216,029 B1은 니들의 초음파 프리-핸드 지시(directing)를 위한 장치를 개시한다. 초음파 프로브 및 니들 또는 니들 가이드 양자는 레퍼런스에 대한 프로브 및 니들의 위치를 센싱하기 위한 방향 센서들이 제공된다. 방향 센서들은 각각 삼각형으로 정렬된 3개의 트랜스폰더들을 포함할 수 있다. 트랜스폰더들은 바람직하게는 적외선 또는 가시광선으로 동작하는 전기-광학 센서들이다. 대안적으로, 시스템은 초음파 프로브 및 니들 또는 니들 가이드에 부착된 자기 트랜스미터 및 자기 리시버들을 포함한다. 디스플레이 스크린 상의, 목표 영역(area)의 초음파 이미지가 표시된다. 또한, 니들이 초음파 이미지의 외부에 있더라도, 니들은 뚜렷하게 채색된 선으로서 표시된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 니들의 궤적이 디스플레이된다.
유사하게, US 6,733,468 B1은 초음파 프로브 및 예컨대, 캐뉼라와 같은 침슴적 의료기기 양자가, 이들에 부착되어 이들의 위치 및/또는 방향을 센싱하기 위한 위치 센서들을 포함하는 진단 의료 초음파 시스템을 개시한다. 니들 및 프로브의 위치들로부터 프로브의 이미징 플랜에 대한 니들의 상대적인 위치가 결정된다. 이로부터, 침습적 의료기기의 투사된 및 실제의 궤적이 계산되고 초음파 이미지 상에서 중첩된다.
캐나다 온타리오의 노던 디지털 주식회사(Northern Digital Inc., Ontario, Canada)(www.ndigital.com)는 상표명 "아우로라(Aurora)" 하의 전자기 검출 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 전자기장 및 다양한 타입들의 센서 코일들의 생성을 위한 필드 생성기를 포함하고, 센서 코일들은 생성기에 의해 생성된 장(field)에 대해 반응한다. 하나 이상의 센서 코일들은 생검침(biopsy needle), 카테터 또는 실시간으로 기구의 팁의 위치 또는, 몇몇의 코일들이 내장되면, 기구의 형태를 실시간으로 측정하기 위한 유연한 내시경과 같은 의료기구 내에 내장될 수 있다. 다양한 타입들의 가용한 센서 코일들은 상이한 형태 및 크기이고 3-차원의 공간 내에서의 생성기의 전자기 장에 대한 센서 코일들의 위치 및 2 또는 3 차원 내에서의 센서 코일들의 방향을 검출할 수 있다. 와이어들은 센서 코일들과 코일들의 데이터를 시스템 제어 유닛으로 전송하는 센서 인터페이스 유닛을 연결한다. 시스템 제어 유닛은 센서 코일들로부터 획득된 정보를 수집하고 센서 코일들의 위치 및 방향을 계산한다.
"축소된 전자기 위치 추적기의 평가(Evaluation of a miniature electromagnetic position tracker)"(Mat. Phys. (2002), 29 (1), 2205 ff.) 에서, 휴멜(Hummel) 등은 "아우로라(Aurora)" 전자기 추적 시스템 측정 결과들의 정확성에 대한 초음파 스캔 헤드의 존재의 효과들을 연구했다.
플라시디(Placidi), 지(G) 등은 "생채 내 카테터 장장을 위한 자기 로컬리제이션 시스템에 관한 특허들의 검토(Review of Patents about Magnetic Localization Systems for in vivo Catheterizations)"(Rec. Pat. Biomed. Eng. (2009), 2, 58 ff.)에서 자기장이 환자의 바디 외부("아우로라" 시스템 내에서와 같은 "자기장이 생성된 엑스트라-바디")에 배치되는 시스템들 및 자기장이 환자의 바디 내("인트라-바디 영구 자석")에 배치된 영구 자석에 의해 생성되는 시스템들을 구별한다. 인트라-바디 의료기기에 대해 영구적으로 고정된 영구 자석의 3 차원 내에서의 배치 및 2 차원 내에서의 방향을 검출할 수 있는 시스템이 논의된다. 각각의 측정은 적어도 2개의 공간적인 위치들 내에서의 영구 자석에 의해 생성되는 자기장의 x-, y- 및z- 성분들을 측정하기 위한 적어도 2개의 공간적으로 분리된 3-축 자기 센서들과 관련된다. 6개의 자기 센서들은 환자의 바디의 각 부위가 센서들 중 적어도 2개에 의해 커버되는 것을 보장하기 위해 환자를 둘러싸는 원 내에 배열된다. 사용 이전에, 시스템은 지구 자기장을 고려하여 교정된다. 교정 단계에서, 영구 자석이 없을 때, 지구 자기장은 측정되고 이후 각각의 그 다음의 측정으로부터 차감된다. 나머지로부터, 자석의 위치가 계산된다. 한번 교정되면 이동될 수 없는 것은 시스템의 단점으로 간주된다.
그러나, 플라시디 등 내에서 인용되는, 특허 US 6,263,230 B1은 자석과 동시에 함께가 아니더라도 검출기가 최초 교정 후에 이동될 수 있는 "지속적인 자동 재교정(continuous automatic recalibration)" 스킴을 설명한다. 자기 검출기 시스템은 내재하는(indwelling) 의료기기의 영구자석의 위치를 검출하기 위한 알려진 공간적인 관계 내에서 형광 투시 헤드(fluoroscopic head)에 부착되고 자석의 필드는 다이폴 필드로서 근사된다. 이러한 필드와 연관된 국지적 혼란(perturbation)들 뿐만 아니라 지구 자기장을 보상하기 위해, 환자에 자석이 도입되기 전에 최초 교정이 수행된다. 검출기 시스템의 각 자기 센서에 대해 오프셋 값이 결정된다. 이후, 환자에 자석이 도입된 때 오프셋 값들은 자기 센서들의 독출 값들로부터 차감되고, 따라서 지구 자기장 및 그 국지적 혼란들이 보상된다. 또한, "지속적인 자동 재교정" 스킴은 검출기 시스템이 이동되더라도 지구 자기장의 국지적 혼란들을 보상하는 것을 허용한다: 이러한 스킴에 따르면, 자석이 이전의 측정으로부터 알려진 그 위치에서 정지한 채로 있는 동안 검출기는 이동된다. 검출기의 정확한 위치의 변화는 디지타이징 암에 의해 추적되고 자석에 의한 검출기의 새로운 위치에서의 이러한 자기장으로부터 계산된다. 결과는 검출기에 의해 실제로 측정되는 필드로부터 차감되고 나머지는 새로운 위치에서의 지구 자기장의 기여로 간주된다. 상기 과정은 검출기가 또 다른 배치로 이동됨에 따라 반복될 수 있다.
US 6,216,029 B1은 니들의 초음파 프리-핸드 지시(directing)를 위한 장치를 개시한다. 초음파 프로브 및 니들 또는 니들 가이드 양자는 레퍼런스에 대한 프로브 및 니들의 위치를 센싱하기 위한 방향 센서들이 제공된다. 방향 센서들은 각각 삼각형으로 정렬된 3개의 트랜스폰더들을 포함할 수 있다. 트랜스폰더들은 바람직하게는 적외선 또는 가시광선으로 동작하는 전기-광학 센서들이다. 대안적으로, 시스템은 초음파 프로브 및 니들 또는 니들 가이드에 부착된 자기 트랜스미터 및 자기 리시버들을 포함한다. 디스플레이 스크린 상의, 목표 영역(area)의 초음파 이미지가 표시된다. 또한, 니들이 초음파 이미지의 외부에 있더라도, 니들은 뚜렷하게 채색된 선으로서 표시된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 니들의 궤적이 디스플레이된다.
유사하게, US 6,733,468 B1은 초음파 프로브 및 예컨대, 캐뉼라와 같은 침슴적 의료기기 양자가, 이들에 부착되어 이들의 위치 및/또는 방향을 센싱하기 위한 위치 센서들을 포함하는 진단 의료 초음파 시스템을 개시한다. 니들 및 프로브의 위치들로부터 프로브의 이미징 플랜에 대한 니들의 상대적인 위치가 결정된다. 이로부터, 침습적 의료기기의 투사된 및 실제의 궤적이 계산되고 초음파 이미지 상에서 중첩된다.
본 발명의 목적은 자기 검출기(magnetometric detector)에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 개선된 방법들을 제공하는 것이다. 본 발명은 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브 및 자기 검출기에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기의 개선된 시스템들을 제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다. 본 발명은 또한 적어도 일부분이 환자의 조직으로 삽입 가능한 개선된 의료기기를 제공하고자 하고, 상기 의료 기기는 자기 부품을 포함하고, 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 개선된 방법을 제공하고자 한다. 마지막으로, 본 발명의 목적은 신장(길쭉한 형태의) 의료기기(elongate medical device)를 자화시키기 위한 새로운 장치를 제공하는 것이다.
하기에서, 본 발명은 청구범위를 참조하여 설명된다. 모든 청구항들 내의 참조 번호들은 제한하는 효과를 갖지 않고, 가독성의 개선의 목적 만을 제공함에 유의한다.
위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법들(Methods of Obtaining Position and/or Orientation Information)
본 발명의 일 측면에 따르면, 문제는 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 방법을 제공함으로써 해결된다. 따라서, 본 발명에 따라, 자기 검출기(magnetometric detector)에 대한 자기 부품(magnetic component)의 위치(position) 및/또는 방향(orientation) 정보는 직접적으로 획득된다.
유리하게, 적어도 2개의 동시의 측정들의 결과들이 조합됨으로써 2차 자기장의 영향이 계산적으로 제거되기 때문에, 지구 자기장을 보상하기 위한 오프셋 값들을 획득하기 위한 예컨대, US 6,263,230 B1에서 설명된 방법에서 사용되는 초기 교정 단계가 더 이상 요구되지 않는다. 또한, 거기에 개시된, 검출기의 위치의 변화를 측정하기 위해 디지타이징 암(dizitizing arm)에 의존하고 또한 검출기가 이동되는 동안 정지한 채로 있는 자기 부품들을 요구하는, "자동적인 재교정의 계속(continues automatic recalibration)" 절차가 회피될 수 있다. 오히려, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 자기 검출기 및 자기 부품이 동시에 이동되더라도 도출될 수 있다. 특히, 자기 검출기가 환자의 조직의 프로브에 의해 생성된 이미지에 대한 의료기기의 위치를 추적하기 위한 초음파-지원된(ultrasound-assisted) 의료 절차들을 위한 초음파 프로브와 같은 핸드 헬드(hand held) 프로브에 부착될 때, 이는 상당한 이점이 된다. 이러한 경우들에 있어서, 의료기기가 이동되는 동안 외과의가 프로브를 정지한 채로 유지하는 것은 거의 불가능하다. 또한, US 6,263,230 B1의 디지타이징 암이 필요 없게 될 수 있기 때문에, 유리하게, 본 발명에 따른 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 수단들은 레퍼런스(reference)와의 물리적인 접촉을 요구하지 않는다. 사실상으로, 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 소기의 정보를 제공하기 위해 자기 부품 외의 레퍼런스로서의 수단이 요구되지 않음을 달성할 수 있다. 이는 US 6,263,230 B1의 시사뿐만 아니라 예컨대, US 6,216,029 B1 및 US 6,733,468 B1의 시사와도 대조된다. 관심의 양, 즉, 프로브에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 직접적으로 획득되기 때문에, 추정은, 예컨대, 6,216,029 B1 및 US 6,733,468 B1 내에 개시된 방법들의, 프로브 위치 및 자기 부품의 위치에 대한 별개의 추정치들에 의존하는 추정 방법들보다 더 적은 오류-경향(error-prone)을 갖는다.
또한 유리하게, 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 획득하기 위해 본질적으로 동시에(essentially simultaneously) 취해진 2개의 측정들의 결과들을 조합(combine)함으로써, 예컨대, 플라시디, 지.(Placidi, G) 등 내에 개시된 방법들의, 상기의, 추가-바디(extra-body) 생성된 자기장들과 관련한, 지구 자기장을 보상하기 위한, 자기 부품의 발진 자기장(oscillating magnetic field)에 의존하는 절차들은 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 맥락에서, "자기 검출기(magnetometric detector)"는 자기 검출기가 노출되는 자기장에 관한, 자기장의 절대값, 방향 및/또는 그라디언트(gradient)와 같은 양적 정보를 획득할 수 있는 디바이스이다. 자기 검출기는 하나 이상의 자기계들(magnetometers)을 포함할 수 있다. 측정들이 수행된 위치들 및 자기 검출기와 관련한 표현 "공간적으로 연관된(spatially associated)"은 위치들이 검출기와 동기화하여(synchrony with) 이동함(결과적으로 서로 함께)을 의미하고 따라서 위치들의 배치 및 방향으로부터 검출기의 위치가 도출될 수 있다.
"2차 자기장(secondary magnetic field)"은 일반적으로 지구 자기장을 포함할 것이다. 또한, 2차 자기장은 지구 자기장 또는 예컨대, 자기 검출기의 부근의 장치에 의해 생성되는 다른 자기장 내의 왜곡들을 포함할 수 있다. 바람직한(preferred) 2차 자기장은 자기 검출기가 사용될 때 자기 검출기가 이동하는 공간 내에서 본질적으로 동차이다.
"자기 부품(magnetic component)"은 자신의 자기장을 생성하는 개체이다. 자신의 자기적 특성 때문에, 자기 부품은 자기 검출기에게 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 제공할 수 있다.
자기 부품의 "위치에 관한 정보(information about the position)"는 적어도 하나의 공간적 차원 내의, 더 바람직하게는 2 차원 내의, 더 바람직하게는 3 차원 내의 위치를 참조한다.
유사하게 자기 부품의 "방향에 관한 정보(information about the orientation)"는 적어도 하나의 공간적 차원 내의, 더 바람직하게는 2 차원 내의, 더 바람직하게는 3 차원 내의 방향을 참조한다. 획득된 정보는 바람직하게는 특정한 해상도 내의 자기 부품의 위치 및/또는 방향이다. 그러나, 단지 자기 부품이 이미징 프로프의 이미징 평면 내에 있는지 또는 있지 않은지의 여부에 대한 정보가 본 발명의 범위 내의 위치 정보를 이미 구성할 것이다. 또한, 자기 부품이 이미징 평면의 앞에 있는지 또는 뒤에 있는지 여부의 정보가 위치 정보를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 문제는 또한 청구항 제3항의 특징들을 포함하는 방법을 제공에 의해 해결된다. 청구항 제3항에 따른 방법은 관성 측정 유닛의 측정으로부터 자기 검출기의 방향 또는 방향 및 위치의 양자 조차도 도출될 수 있다는 사실을 유리하게 활용할 수 있다. 결과로부터, 바람직하게는 지구 자기장인, 검출기에 대한 2차 자기장의 방향 또는 방향(orientation) 및 세기(strength)가 각각 도출될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는, 초기 교정 단계 내에서 자기 검출기에 대한 2차 자기장의 방향 또는 세기 및 방향이 자기 부품 없이 측정된다. 초기 교정 위치로부터 자기 측정 디바이스의 방향 변화들을 추적함으로써 공간 및 시간에서 근사적으로 정지된 2차 자기장의 성분들을 계산할 수 있다.
본 발명의 맥락 내에서, "관성 측정 유닛(inertial measurement unit)"은 자이로스코프 및/또는 가속도계, 바람직하게는 양자를 포함하는 유닛이다. 청구항 제1항의 해결 방법과 유사하게, 유리하게, 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 소기의 정보를 제공하기 위해 자기 부품을 제외한 레퍼런스로서의 수단이 요구되지 않는다.
이미징 프로브 및 자기 검출기의 시스템들(Systems of an Imaging Probe and a Magnetometric Detector)
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 문제는 또한 청구항 제18항의 특징들을 포함하는 시스템을 제공함으로써 해결된다.
"핸드 헬드 프로브(hand held probe)"는 손에 의한 소기의 위치 내에서 잡히도록(be held) 사용자에 대한 사용이 의도되는 프로브이다. 특히, 핸드 헬드 프로브에 있어서, 서포트(support) 암, 러너(runner) 또는 와이어와 같은 프로브를 위치 내에서 잡고 사용자가 자신(his or her)의 손을 제거해야 하는 기술적 수단들을 결여하고 있다. 바람직한 핸드헬드 프로브는 손잡이(handle)을 포함한다.
나아가, 본 발명의 문제는 청구항 제19항의 특징들을 포함하는 시스템을 제공함으로써 해결된다. 패스너에 의해, 본 발명의 자기 검출기는 원래는 본 발명에 따른 자기 검출기와 함께 사용(또는 적어도 배타적이지 않은 사용)을 위해 설계되지 않은 이미징 프로브에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 패스너는 단단하게(fixedly) 이미징 프로브 및/또는 자기 검출기에 부착된다. 패스너들은 또한 별개의 부품들로서 제공될 수 있고 패스너를 이미징 프로브 및/또는 의료기기에 단단하게 부착하기 위한 부분(예컨대, 부분의 한쪽 면에 접착제를 바름(self-adhesive))을 포함할 수 있다.
의료 기기 및 의료 기기에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법(Medical Device and Method of Obtaining Position and/or Orientation Information about the Medical Device)
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 문제는 청구항 제26항의 특징들을 포함하는 의료기기 및 청구항 제37항의 특징들을 포함하는 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향을 획득하는 방법의 제공에 의해 해결될 수 있다. 의료기기 및 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향을 획득하는 방법은 많은 의료기기들이 예컨대, 캐뉼라 또는 금속 로드(metal rod)와 같은 의료기기가 자기 검출기에 의해 검출될 수 있도록 하기 위해 자화될 수 있는 기능적인 부품들을 포함하는 발명자의 발견을 활용한다. 의료기기의 기능적인 부품은 따라서 간단히 자화를 사용하여 의료기기 내에서의 기능적인 부품의 원래의 기능을 넘어 추가적인 목적들을 위해 할당될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 의료기기의 "기능적인 부품(functional component)"은 자기 검출기에게 위치 및/또는 방향 정보를 제공함에 더하여 의료기기의 기능에 기여, 즉, 의료 기기가 의료기기로서 그 목적을 제공함에 기여하는 부품이다. 이러한 점에서, 위치 및/또는 방향 정보를 자기 검출기로 전달하는 것은 의료기기의 기능으로 간주되지 않는다. 기능은 예컨대, 의료기기가 카테터 또는 캐뉼라이면 유동체(fluid)의 환자의 조직 내의 또는 밖으로의 운송일 수 있고, 또는 기능은 의료기기가 전기 외과의(electrosurgical) 기구이면 전기 외과적 치료일 수 있다.
바람직한 자기 부품은 의료기기의 "필수적인(essential)" 부품이다. 이러한 맥락에서, "필수적인"은 의료기기가 자기 부품이 제거될 때 의료기기의 목적을 다할 수 없음을 의미한다. 대안적으로, 자기 부품은 필수적이지 않지만 이익이되는 것일 수 있다. 자기 부품은 예컨대, 기능성, 취급(handling) 또는 자기 검출기에 대한 방향 및/또는 위치 정보를 제공함을 넘어 의료기기의 다른 특성들을 개선할 수 있다.
자화 장치(Magnetization Appratus)
마지막으로, 본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 문제는 청구항 제39항의 특징들을 포함하는 신장 의료기기를 자화시키기 위한 장치를 제공함으로써 해결된다. 장치는 의료 절차가 수행되기 전에 예컨대, 캐뉼라와 같은 신장 의료기기를 자화시키기 위해 사용될 수 있다. 장치가 신장 의료기기를 보관하기 위한 저장부 및 자화기의 양자를 포함하기 때문에, 캐뉼라는 그들을 본 발명에 따른 방법들 내에서의 사용을 위한, 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 및 본 발명에 따른 의료기기 내의 자기 부품들로 바꾸기 위해 예컨대, 외과의에 의해 용이하게 자화될 수 있다.
실시예에서, 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 자기 부품(8) 및 상기 자기 검출기(5)는 정적 2차 자기장(static secondary magnetic field)에 대해 서로로부터 독립적으로 이동 가능하고, 상기 방법은, 본질적으로 동시에(essentially simultaneously) 상기 자기 부품(8)의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장 양자의 조합의 존재 내에서 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치 및 제2 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향을 측정하는 단계 - 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 이격됨 -; 및 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 상기 측정들의 결과들을 조합하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법이 제공된다.
여기서, 상기 위치들 중 적어도 하나에서 측정된 자기장의 세기 및/또는 방향은 상기 2차 자기장의 세기 및/또는 방향의 직접적인 추정치(direct estimate)로서 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 자기 부품(8) 및 상기 자기 검출기(5)는 정적 2차 자기장(static secondary magnetic field)에 대해 서로 독립적으로 이동 가능하고, 상기 방법은, - 본질적으로 동시에 상기 자기 부품(8)의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장 양자의 조합의 존재 내에서 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향과 상기 자기 검출기(5) 내에 포함된 관성 측정 유닛을 사용하여 상기 자기 검출기(5)의 가속도 및/또는 방향을 측정하는 단계; 및 - 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 상기 측정들의 결과들을 조합하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법이 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기장의 세기 및/또는 방향은 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 제2 위치에서 또한 측정되고, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 이격되고, 상기 측정들의 결과들은 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기장은 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 제3 위치에서 또한 측정되고, 상기 제3 위치는 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치로부터 이격되고, 상기 측정들의 결과들은 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 측정들로부터 상기 자기 검출기(5)의 이용에 의한 상기 자기 검출기(5)의 방향 및/또는 위치의 변화가 획득될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 개별적인 부분들(individual parts)은 상기 부분들의 위치 및/또는 방향에 대해 개별적으로 추적되는(tracked) 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 제1 위치에서 적어도 2개의 선형 독립인 공간적 방향들 내에서의 상기 자기장의 성분(component)들이 측정되는 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)의 측정들의 결과들은 처리를 위해 베이스 유닛(6)으로 전송되고, 상기 베이스 유닛(6)은 상기 자기 검출기(5)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 상기 베이스 유닛(6)으로부터 정보를 수신할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 위치들의 각각에서의 상기 자기장은 상기 자기 검출기(5)의 자기계(magnetometer)(14, 15)에 의해 측정되고, 각 자기계(14, 15)는 상기 각각의 위치에 배치(locate)될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 방법은, 상기 자기 검출기(5)의 상기 자기계들(14, 15)이 이득(gain), 오프셋(offset) 및 방향(orientation)에 대해 교정됨으로써 동차(homogeneous) 자기장이 모든 자기계들(14, 15) 내에서 본질적으로 동일한(essentially identical) 측정들을 산출하는 교정(calibration) 단계를 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)의 자기계들(14, 15)은 상기 자기 검출기(5)의 자기계들(14, 15)의 상기 상대적인 공간적 위치들(spatial locations)을 획득하기 위해 비동차 자기장(inhomogeneous magentic field) 내에서 교정(calibrate)될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(imaging probe)(2)에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 초음파 이미징 프로브(ultrasonic imaging probe)일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)에 의해 생성된 위치-관계된 정보 및 상기 이미징 프로브(20)에 의해 생성된 이미지 정보는 상기 자기 검출기(5) 및 상기 이미징 프로브(2)로부터 각각 처리 유닛(4)으로 전송되고, 상기 정보는 획득된 상기 위치 및/또는 방향에 기반하여 의료기기(8)의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 상기 처리 유닛(4) 내에서 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미지 내에서 상기 의료기기(8) 또는 상기 의료기기(8)의 일부가 소정의 공간적 평면(pre-determined spatial plane) 내에 배치되는지 여부가 지시될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 시스템에 있어서, 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2) 및 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기(5)를 포함하고, 상기 이미징 프로브(2)는 핸드 헬드(hand held) 프로브(2)인 시스템이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 시스템에 있어서, 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2) 및 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기(5)를 포함하고, 상기 시스템은 상기 이미징 프로브(2)를 상기 자기 검출기(5)에 제거 가능하게 부착하기 위한 적어도 하나의 패스너(fastener)를 더 포함하는 시스템이 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 핸드 헬드 프로브일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 적어도 2개의 자기계(14, 15)를 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 관성 측정 유닛을 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 처리를 위해 상기 자기 검출기(5)의 측정들의 결과들을 베이스 유닛으로 전송하기 위해 분리된 상기 베이스 유닛(6)과 기능적으로 연결될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 초음파 이미징 프로브일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 획득된 상기 위치 및/또는 방향 정보에 기반하여 상기 의료기기(8)의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 이미징 프로브(2) 및 자기 검출기(5)의 양자와 기능적으로 연결된 처리 유닛(4)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 적어도 일부분이 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기(8)에 있어서, 상기 의료기기(8)는 상기 의료기기(8)의 조직-삽입 가능한 부분에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능한 자기 부품(8)을 포함하고. 상기 자기 부품(8)은 상기 의료기기(8)의 기능적인 부품인 의료기기가 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 나머지의 의료기기(8)와 통합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 의료기기(8)의 상기 기능은 자성이 있는(magnetic) 자기 부품(8)에 의존하지 않을 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 자기 모멘트는 상기 자기 부품(8) 상의 배치(location)의 기능으로서 크기 및/또는 방향(direction)이 상이(varies in)함으로써, 상기 자기 부품(8) 상에 하나 또는 그 이상의 차원의 자기 패턴을 생성할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 자기장은 변하지 않을 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 적어도 부분적으로 영구 자석일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8) 또는 상기 자기 부품(8)의 일부는 자기 코팅일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 강철(steel)로 만들어진 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 강철은 스프링강(spring steel)일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 환자의 조직으로 삽입 가능한 상기 의료기기(8)의 적어도 일부(더 바람직하게는 전체의 의료기기(8))는 튜브 형태일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 캐뉼라(cannula)일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 의료기기(8)의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 상기 의료기기의 기능적인 부품을 자기장에 노출시킴으로써 상기 기능적인 부품을 영구적으로 자화시키는 단계; 및 자기 검출기(5)를 사용하여 상기 자기 부품의 어느 하나의 위치 및/또는 방향 정보를 검출하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법이 제공된다
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2)에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 신장(elongate) 의료기기를 자화시키는 장치(27)에 있어서, 상기 장치는 상기 신장 의료기기(8)를 보관하기 위한 저장부(reservoir) 및 상기 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위한 자석을 포함하는 장치가 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 장치(27)는 자화 개구부(opening)를 포함하고, 상기 자석은 상기 신장 의료기기(8)가 상기 개구부를 통과함으로써 상기 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위해 상기 자화 개구부(29)의 부근에 배치될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 개구부는 상기 신장 의료기기(8)가 개구부를 통해 상기 저장부로부터 인출될 수 있는 상기 저장부 내의 개구부이고, 따라서 상기 신장 의료기기(8)가 상기 저장부로부터 제거될 때 상기 신장 의료기기(8)는 자화될 수 있다.
본 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐 본 발명의 근본적인 개념들의 더 나은 이해를 위해 하나의 자기 부품에 대해서만 참조되었으나, 모든 본 발명의 측면들 내에서 본 발명은 추가적인 더 나아간 자기 부품들이 존재하는 실시예들을 물론 또한 포괄한다. 당해 기술 분야에 있어서 통상의 기술을 가진자에게 쉽게 명백하게, 본 발명에 따른 방법들, 장치 및 시스템들은 단 하나의 자기 부품 대신에 복수의 자기 부품들에 대해 동등하게 적용될 수 있다.
발명의 바람직한 실시예들의 설명
단독으로 또는 조합으로 적용될 수 있는 본 발명의 바람직한 특징들은 부수하는 청구항들 내에서뿐만 아니라 하기 내에서 논의된다.
위치 및/또는 방향 정보 획득(Obtaining Position and/or Orientation Information)
바람직하게는, 자기 검출기와 공간적으로 연관된 하나 이상의 위치들에서 측정되는 자기장의 세기 및/또는 방향은 2차 자기장, 즉, (어쩌면 왜곡된) 지구 자기장의 세기 및/또는 방향의 직접적인 추정치로서 사용된다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는, 이들의 위치 또는 위치들은 이러한/이들 위치(들)에서의 측정이 2차 자기장의 세기 및/또는 방향의 추정치를 직접적으로 제공하는 자기 부품의 자기장에 의해 충분히 영향을 받지 않는 것을 보장하도록 자기 부품으로부터 충분히 멀리 분리된다. 따라서, 자기 검출기가, 나아가 하기에서 논의되는 것처럼, 예컨대, 초음파 이미징 프로브와 같은 이미징 프로브에 통합하거나 부착 가능하면, 본 발명의 현재의 실시예에 따른 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 측정하기 위한 자기 검출기의 수단(들)(예컨대, 자기계들)은 자기계들)이 환자의 조직으로 도입되는 자기 부품의 자기장에 의해 본질적으로 영향을 받지 않는 것을 보장하도록 환자와 최근접한 이미징 프로브의 부분으로부터 충분하게 멀리 떨어진다.
이러한 실시예의 맥락에서 "직접적인 추정치"는 위치 또는 위치들에서의 측정들이, 요구된 정확도 내에서, 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 추정하기 위해 충분함을 의미한다.
유리하게, 본 발명의 상기 바람직한 실시예에 따라 측정된 자기장은 이들의 다른 측정들의 각각에 대해 자기 부품 만의 자기장을 획득하기 위해 간단하게 하나 이상의 다른 위치(들)에서의 측정의 결과로부터 차감될(subtract) 수 있다. 이는 그 다음으로 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게는, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 2차 자기장이 차감된 후 자기 부품의 장(field)에 의해 영향을 받는 위치들에서의 측정들로부터 획득된 자기 부품의 실제 자기장에 대한 자기 부품에 기인하므로(due to) 자기장의 모델 적합화(fit)에 의해 계산된다. 따라서, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 모델 적합 과정(model fitting procedure) 내에서 미지의 파라미터들이다.
발명들의 대안적인 실시예에 있어서, 2차 자기장, 바람직하게는 지구 자기장을 나타내는 동차 자기장을 포함하는 모델은 모델 내의 추가적인(further) 미지의 파라미터이고, 모델은 미지의 파라미터들, 즉, 자기 부품들의 위치 및/또는 방향 및, 관심이 있다면, 또한 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 도출하기 위해 위치들에서의 측정들의 결과들에 대한 적절한 알고리즘에 의해 적합화된다. 이러한 방법은 바람직하게는 자기장의 세기 및/또는 방항이 측정되는 자기 검출기의 모든 위치들이 잠재적으로 이들 중 어느 것도 직접적으로 2차 자기장의 세기 및 방향의 추정치를 제공할 수 없는 어느 정도의(to a degree) 2차 자기장에 의해 영향을 받는 것으로 간주되면 적용된다.
상기 방법의 변형에서, 위치들에서의 측정들의 결과들 상의 2차 자기장의 영향은 다른 위치들에서의 측정들의 미분 값(differential value)들을 결정함으로써 상쇄된다. 예컨대, 정규화(하기에서 논의됨) 후, 다양한 위치들에서 결정된 자기장의 세기 및/또는 방향의 평균은 각 개별적인 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향으로부터 차감될 수 있다. 따라서, 사실상 자기계들은 경도 측정기(gradiometer)들로서 기능한다. 이들 미분 값들은 그 다음으로 원래의 자기장의 미분 값들 또는 다른 함수의 도함수들을 활용하는 모델에 적합화될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 측정들로부터, 자기 검출기의 이동(movement)에 의해 기인한 자기 검출기의 방향 및/또는 위치 내의 변화가 획득된다. 예컨대, 자기 검출기의 방향 및/또는 위치 내의 변화는 자기 검출기의 2개 이상의 위치들에서의 측정들의 결과들을 조합하는 것으로부터 계산된 지구 자기장에 대한 검출기의 방향으로부터 획득될 수 있다. 또한, 자기 검출기의 방향 및 위치는 관성 측정 유닛의 측정들로부터 도출될 수 있다. 자기 검출기가 이미징 프로브에 부착되면, 이러한 정보는, 예컨대, 3 차원 맵 또는 파노라마(panoramic) 맵으로의 상이한 위치들에서의 및/또는 상이한 방향들 내의 이미징 프로브에 의해 획득된 이미지들을 조합하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 이는 3 차원의 확장된 체적(extended volume)들의 맵핑을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 한 손의 관성 측정 유닛, 특히 가속도계 및 나머지 손의 2차 자기장을 추정하기 위한 자기장의 세기 및/또는 방향의 측정은 서로 대체할 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 이러한 수단들의 양자가 제공되는 실시예들을 포함한다. 특히, 양자 수단들의 결과들은 조합될 수 있다.
자기 검출기 및 베이스 유닛(The Magnetometric Detector and the Base Unit)
자기 검출기 내에서 자기장의 세기 및/또는 방향은 바람직하게는, 적어도 2개의 위치들, 더 바람직하게는 적어도 3개의, 더 바람직하게는 자기 검출기와 공간적으로 연관된 4개의 위치들 내에서 측정되고, 위치들은 서로 이격된다. 측정들은 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 조합될 수 있다. 측정들은 또한 계산적으로 2차 자기장의 세기를 제거하기 위해 조합될 수 있다.
바람직하게는, 자기장은 적어도 2개의 위치들, 더 바람직하게는 적어도 3개, 더 바람직하게는 위치들의 각각에서 자기 검출기의 자기계에 의해 측정되고, 각 자기계는 각각의 위치에 배치된다. 바람직하게는, 제1 위치에서, 더 바람직하게는 또한 제2 위치에서, 더 바람직하게는 또한 제3 위치에서, 더 바람직하게는 자기 검출기의 모든 위치들에서 공간 자기장의 성분들은 적어도 2개의 선형 독립인(linearly independent) 공간적 방향들 내에서, 더 바람직하게는 모든 3개의 선형 독립인 공간적 방향들 내에서 측정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정들의 결과들은 처리를 위해 베이스 유닛으로 전송되고, 바람직한 베이스 유닛은 자기 검출기로부터 분리된다. 이러한 맥락에서, "분리"는 베이스 유닛 및 자기 검출기가 서로 동기화하여 이동하지 않음을 의미하고, 다시 말해, 베이스 유닛 및 자기 검출기는 공간적으로 연관되지 않는다. 오히려, 자기 검출기는 베이스 유닛에 독립적으로 이동할 수 있다. 특히, 베이스 유닛은 자기 검출기(바람직하게는 앞서 논의된 것처럼 이미징 프로브에 부착됨)가 이동되는 동안 정지한 채로 남아있을 수 있다. 자기 검출기 및 베이스 유닛 간의 전송은, 예컨대, 유연한 케이블 또는 무선 연결에 의해 실현될 수 있다. 자기 검출기가 프로브 케이블에 더하여 또 다른 케이블을 요구하지 않고 전통적인 이미징 프로브에 부착될 수 있음이 무선 통신의 이점이다.
측정들의 결과들로부터 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 요구되는 계산의 많은 부분(large part) 또는 전부 조차 베이스 유닛 내에서 수행될 수 있는 본 발명의 이러한 실시예의 이점이 달성될 수 있다. 이는 2차 자기장의 영향을 제거하기 위해 및 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 요구되는 계산 수단들이 이미징 프로브에 쉽게 부착되는 충분히 작은 마이크로프로세서에 대해 너무 큰 노력을 요구하는(demanding) 사실의 관점에 있어서 이점이 된다. 따라서, 베이스 유닛에 대한 계산의 일부 또는 전부를 이전(shift)함으로서, 충분한 처리 전원이 쉽게 제공될 수 있고, 자기 검출기는 소형 및 경량이 유지될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 베이스 유닛은 이미징 시스템에 합병되고, 자기계들로부터의 정보는 프로브 케이블을 통해 전달된다.
바람직한 자기 검출기는 몇몇의 자기계, 어쩌면 관성 측정 유닛을 함께 포함할 수 있고, 멀티플렉서 또는 마이크로프로세서일 수 있는 인터페이스 회로망(circuitry)을 포함한다. 인터페이스 회로망은 복수의 프로브들의 신호들을 단일한 케이블 또는 무선 링크를 통해 통과할 수 있도록 한다. 인터페이스 회로망은 자기계(및 존재하는 경우 관성 측정 유닛)을 샘플하고(sample) 어쩌면 자기 검출기의 배터리의 변화의 상태와 같은 다른 정보를 모니터링할 수 있다. 자기 검출기의 트랜스미터를 사용하여, 이러한 정보는 그 다음으로 베이스 유닛의 리시버로 전송된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 자기 검출기는 또한 베이스 유닛으로부터 정보를 수신한다. 따라서, 바람직하게는, 자기 검출기 및 베이스 유닛 간에 양-방향 통신이 가능하다. 베이스 유닛으로부터 자기 검출기로의 리턴 채널은 예컨대 자기 검출기 또는 관성 측정 모듈을 베이스 유닛으로부터 원격으로 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 자기계의 동작 범위는 특히, 측정 과정 내에서 오버플로우를 회피하기 위해 자기 부품의 자기장의 세기에 적응될 수 있다.
전송을 위해, 자기 검출기 및 베이스 유닛은 기능적으로 서로 연결될 수 있다. 용어 "기능적으로 연결된"은 집적적인 연결 및 하나 이상의 중간 부품들을 통한 간접적인 연결의 양자를 포괄하고, 중간 부품들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 부품들일 수 있다. 바람직하게는, 자기 검출기 및 베이스 유닛 간의 전송은 도청(eavesdropping)을 방지하기 위한 예컨대, 비대칭 암호화(asymmetrical encryption) 방식으로 인코드된다. 또한, 바람직하게는 측정들은 자기 검출기 및 베이스 유닛을 포함하는 몇몇의 시스템들이 근접하여 동작되는 경우에 있어서의 간섭을 방지하기 위해 수행된다.
바람직하게는, 교정 단계에서, 자기계들은 이득, 오프셋 및 방향에 대해 교정됨으로써 동차 자기장 내에서 자기계들은 본질적으로 동일한(essentially identical) 측정들을 산출한다. 이로 인해, 동차 장에 노출될 때 모든 자기계들이 동등한 값들을 측정하는 것이 보장된다. 예컨대, 동차 지구 자기장 내에서 회전된 자기계는, 자기계의 방향에 의존하고, 3개의 선형 독립인 방향들 내에서 자기장의 성분들의 변화하는(varying) 세기들을 측정해야 한다. 장(field)의 총 세기는, 그러나, 자기계의 방향에 무관하게 일정하게 유지되어야 한다. 그러나, 시장에서 가용한 자기계에 있어서, 이득들 및 오프셋들은 3개의 방향들의 각각에서 상이하다. 또한, 방향들은 종종 서로 직교하지 않는다. 예컨대, 단일한 센서에 대한 US 7,275,008 B2내에서 설명된 것처럼, 자기계가 동차 및 일정한 자기장 내에서 회전되면, 측정들은 기울어진(tilted) 3-차원의 다원체를 산출할 것이다. 측정된 장이 일정하기 때문에, 그러나, 정규화된 측정들은 구(sphere) 상에 놓여야 한다. 바람직하게는 오프셋 값 β 및 이득 행렬 M 이 다원체를 구로 변환하기 위해 도입된다.
센서들의 세트와 함께, 추가적인 단계들이 상이한 센서들의 측정들이 서로 간에 동일함을 보증하기 위해 수행될 필요가 있다. 이러한 교정의 수행을 위해, 바람직하게는 하기의 수학식 1의 자기계의 원(raw) 결과들 ak 를 정규화된 결과들 bk 로 변환하는 각 위치 k에 대한 이득 정규화 행렬들 Mk 및 정규화 오프셋 벡터들 βk 의 세트가 결정된다.
[수학식 1]
이러한 이득 행렬들 Mk 는 예컨대, 도르뷕스(Dorveaux) 등의 "센서들의 어레이의 온-더-필드 교정(On-the-field Calibration of an Array of Sensors )" (2010 미국 제어 컨퍼런스, 볼티모어 2010) 내에서 설명된 반복되는(iterative) 교정 스킴 알려진 절차들에 의해 획득될 수 있다.
정의된 변환에 의해, bk 는 동등한 이득을 갖는 3개의 직교하는 공간적 방향들 내에서 자기장의 성분의 세기를 제공한다. 또한, 이들 방향들은 자기 검출기 내의 모든 자기계들에 대해 동일함이 보장된다. 결과적으로, 여하한 동차 자기장 내에서, 모든 자기계들은 본질적으로 동일한 값들을 산출한다.
교정 단계 내에서 획득된 각 자기계에 대한 정규화 정보 Mk 및 β k 는 자기 검출기 자체 내에 또는 베이스 유닛 내의 어느 한 쪽에 저장될 수 있다. 자기 검출기 내에 정보를 저장하는 것은 베이스 유닛 내의 정보의 업데이트 필요 없이 자기 검출기의 용이한 교환을 허용하므로 바람직하다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 자기 측정 디바이스의 자기계들은 샘플되고 자기계들의 결과는 자기 검출기 내에서 정규화될 수 있다. 이러한 정보는, 어쩌면 다른 관련한 정보와 함께, 추가적인 분석을 위해 베이스 유닛으로 전송된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 변환은 또 다른, 더 일반적인 수학식 2의 비-선형 변환일 수 있다.
[수학식 2]
전술한 교정 방법에 더하여, 자기 검출기의 자기계들의 상대적인 공간적 배치들을 획득하기 위한 비동차 자기장을 사용하는 또 다른 교정 방법이 적용된다. 표준 교정 방법들은 (a) 자기계들의 측정 축을 직교하도록 정렬하고, (b) 오프셋 값들을 상쇄하고, (c) 동등한 이득에 적응하기 위해 동차 자기장을 활용함에 반해, 또한 자기계들의 정확한 상대적인 공간적 배치(location)들이 가용한 것은 설명된 시스템들에 대한 추가적인 이점이 된다. 이러한 이점은 자기 검출기가 알려진 비동차 자기장에 종속되는 추가적인 교정 단계에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는 다양한 위치들에서 획득된 측정들을 가정된 배치들 내에서의 기대된 장 세기들 및 방향들과 비교하고, 가정된 배치들을 실제의 측정들 및 기대된 측정들에 일치될 때까지 교정하는 것은 센서의 공간적 위치들의 정확한 교정을 고려한다(allow for).
후자의 교정 방법의 변형에서, 알려진 동차 장 대신에 미지의 동차 장이 사용된다. 자기계는 변화하는 위치들에서, 고정된 방항을 갖고, 미지의 자기장을 지나간다(sweep through). 레퍼런스 트랙(reference track)을 제공하는 자기계들 중 하나와 함께, 다른 자기계들의 위치들은 자기계들의 측정들이 레퍼런스 유닛의 측정들에 정렬하는 방식으로 적응적으로 변할 수 있다. 이는 예컨대, 기계-자기-전자(mechano-magnetic-electronical) 그라디언트-하강(descent) 알고리즘을 실현하는 피드백 루프에 의해 달성될 수 있다. 이러한 비동차 장 교정 내에서 사용되는 트랙들은 또한 공간 내에서 단지 단일 점(single point)으로 구성될 수 있다.
이미징 프로브 및 처리 유닛(The Imaging Probe and the Processing Unit)
바람직하게는, 자기 검출기는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능하다. "통합(Integral)"은 이미징 프로브가 의도된 대로 사용되면, 자기 검출기가 이미징 프로브로부터 제거되지 않을 수 있는 방식으로, 자기 검출기가 이미징 프로브에 영구적으로 고정됨을 의미한다. 자기 검출기는, 예컨대, 이미징 프로브의 하우징 내에 배치될 수 있다. 자기 검출기는 또한 서비스 또는 수리의 목적을 위해 이미징 프로브의 파손 없이는 자기 검출기가 이미징 프로브로부터 분리되지 않을 수 있는 어느 정도로 이미징 프로브와 함께 동작된다(be joined with). 그러나, 용어 "통합"은 또한 자기 검출기가 수리 또는 유지의 목적을 위해 이미징 프로브로부터 제거될 수 있는 실시예들을 포괄한다. 본 발명의 맥락에서, "제거 가능하게 부착된"은 일 부분이 디바이스가 의도된 대로 사용되면 사용자에 의해 부착되는 나머지 일부분으로부터 제거될 수 있음을 의마한다. 따라서, 예컨대, 자기 검출기는 의료 절차 동안 이미징 프로브에 공간적으로 연관되도록 이미징 프로브에 부착된 채로 남아있는 반면, 의료 절차가 완료된 후에, 검출기는 또 다른 의료 절자를 위한 또 다른 의료 프로브에 부착되도록 프로브로부터 제거될 수 있다. 바람직하게는, 제거 가능한 부착의 목적을 위해, 자기 검출기 및 이미징 프로브 중 적어도 하나, 바람직하게는 양자에는 하나 이상의 패스너들이 제공된다. 바람직하게는, 자기 검출기 및 이미징 프로브는 의료 절차 내에서의 사용 동안 자기 검출기 및 이미징 프로브가 서로에 대해 고정된 위치 내에서 있음을 보장하는 방식으로 서로 부착된다.
바람직한 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브이다. 이러한 초음파 이미징 프로브는 바람직하게는 초음파 트랜스듀서들의 어레이를 포함한다. 트랜스듀서들의 도움으로, 초음파 에너지는, 바람직하게는 초음파 펄스들의 형태로, 검사되는 환자의 조직의 영역으로 전송된다. 그 다음으로, 그 영역으로부터 돌아오는 반사된 초음파 에너지는 동일한 또는 다른 트랜스듀서들에 의해 수신 및 등록된다. 그러나, 본 발명은 또한 예컨대, 너보닉스 주식회사(Nervonix Inc.)에 대한 US 7,865,236 B2 내에 개시된 종류의 프로브들을 포함하는, 임피던스 이미징 프로브들과 같은 다른 타입들의 이미징 프로브들과 함께 사용될 수 있다. 다른 적절한 이미징 프로브들은 적외선(Infrared Radiation; IR) 센서들 또는 혈류를 측정할 수 있는 카메라들 및/또는 다른 스캐닝 디바이스들을 포함한다.
또한, 바람직하게는, 처리 유닛이 제공된다. 자기 검출기에 의해 생성된 위치-관련된 정보 및 이미징 프로브에 의해 생성된 이미지 정보는 바람직하게는 자기 검출기 및 이미징 프로브 각각으로부터, 처리 유닛(앞서 논의된 것처럼 위치-관련된 정보는 바람직하게는 베이스 유닛을 통해)으로 전송된다. 정보는 그 다음으로 처리 유닛 내에서 의료 기기의 적어도 일부의 이미지 위치가 자기 검출기로부터 획득되는 위치 및/또는 방위 정보에 기반하여 지시되는 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 조합될 수 있다. 바람직한 처리 유닛은 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 디바이스를 포함한다. 이러한 맥락에서, "위치-관련된 정보"는 예컨대, 자기계들에 의해 획득된 원 데이터, 교정된 데이터 또는 앞서 논의된 것처럼 계산된 실제의 위치들 및 방향들 일 수 있다. 유사하게, "이미지 데이터"는 이미지 프로브에 의해 획득된 원 데이터 또는 추가로 처리된 원 데이터일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 처리 유닛은 이미징 프로브를 구동하고 예컨대, 초음파 프로브인 이미징 프로브로부터 수신된 원 데이터를 해석한다.
또한, 바람직하게는, 케이블 또는 케이블들의 번들이 이미징 프로브를 처리 유닛과 연결하기 위해 제공된다. 이미징 프로브가 초음파 프로브이면, 처리 유닛은 바람직하게는 초음파 펄스들을 생성하기 위해 정밀하게 시간 조정된(precisely timed) 전기 신호들을 이미징 프로브의 트랜스듀서들로 전송하는 드라이버 회로망을 포함한다. 초음파 펄스들의 일부는 검사되는 영역으로부터 반사되고 초음파 프로브로 되돌아가므로, 수신된 초음파 에너지는 전기 신호들로 전환되고 그 다음으로 처리 유닛으로 전달된다. 처리 유닛은 환자의 조직의 검사된 영역의 이미지를 생성하기 위해 신호들을 증폭 및 처리한다.
의료기기의 위치의 정보는 디바이스의 자기 부품의 위치를 검출함으로써 획득되기 때문에, 위치가 나타내는, 의료기기의 일부는 바람직하게는, 자기 부품에 대한 그 위치가 알려진, 자기 부품 또는 또 의료기기의 다른 부품일 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 예컨대, 캐뉼라의 말단(distal) 팁과 같은 최말단 섹션의 자기 부품들의 일 섹션(section) 만이 도시되었다.
자기 검출기 및 이미징 프로브로부터 (바람직하게는 베이스 유닛을 통해) 처리 유닛으로의 정보의 전송을 위해, 전자(former)의 부품들은 처리 유닛과 기능적으로 연결된다. 바람직하게는, 처리 유닛은 베이스 유닛으로부터 정보를 수신하기 위해 (바람직하게는 베이스 유닛을 통해) 자기 검출부와 기능적으로 더 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 관련한 정보는 처리 유닛 또는 자기 검출기로부터 그 안에서 수행되는 계산을 용이하기 위해 전송될 수 있다.
이미지 생성 처리 유닛은 양-방향의 방식으로 연결되면 가장 유용할 수 있다. 기록된 이미지를 처리함으로써 획득된 정보는, 바람직하게는 처리 유닛 내에서, 니들 위치의 추정을 용이하게 하기 위해 베이스 유닛으로 전송될 수 있고, 반대의 경우도 마찬가지다. 예컨대, 원 초음파 이미지 상에서의 허프-변환(Hough-Transformation)은 니들의 희미한(faint) 이미지를 검출할 수 있고, 초음파 이미지로부터의 이러한 위치 측정(localization) 정보는 자기계 데이터로부터 동일한 니들 위치를 도출해내는 최적화 단계에 대한 제약으로서 적용될 수 있다. 물론, 이미지 상에서 직접적으로 동작하는 니들 검출 알고리즘은 또한 베이스 유닛으로부터 비롯된 니들 위치들에 관한 정보를 통해 안정화될 수 있다.
바람직하게는, 이미지 내에서 의료기기 또는 의료기기의 일부가 소정의 공간적 평면의 내부에 또는 외부에 배치될 지 여부가 나타난다. 바람직하게는, 디스플레이 상에 소정의 공각적 평면과 동일한 특정한 평면 내의 환자의 조직의 이미지가 디스플레이된다. 디스플레이된 평면은 예컨대 이미징 프로브의 위치 및/또는 방향에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 이미징 프로브가 2D-모드 내에서 동작하는 초음파 이미징 프로브이면, 디스플레이된 평면은 프로브의 이미징 평면이다. 바람직하게는, 의료기기의 복수의 섹션들이 디스플레이되면, 섹션들 중 어느 쪽이 공간적 평면 내에 배치될 지, 즉, 어떤 섹션이 공간적 면의 일 측면 상에 배치되고 어떤 섹션이 공간적 평면의 나머지 측면에 배치될지가 지시될 수 있다. 예컨대, 이미징 프로브의 이미징 평면은 하나의 색상과, 이미징 프로브의 일 측면은 또 다른 색상과, 나머지 측면은 제3 색상과 연관될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 예컨대, US 6,733,458 B1에 개시된 것처럼, 자기 부품 또는 의로기기의 부분의 궤적(trajectory)이 디스플레이될 수 있다. 이미징 디바이스가 원래 3D 디바이스인 경우, 상기 기재는 당연히 3D-체적들로 확장된다. 따라서, 특히 이미지 내에서 의료기기 또는 의료기기의 일부가 소정의 체적 내부에 또는 외부에 배치되는지 여부가 지시되는 이러한 경우에, 디스플레이 상에서 소정의 공간적 체적과 동일한 특정한 체적 내에 환자의 조직의 이미지는 디스플레이될 수 있다. 디스플레이된 체적은 예컨대, 이미징 프로브의 위치 및/또는 방향에 의해 결정될 수 있다.
자기 부품 및 의료기기(The Magnetic Component and the Medical Device)
자기 부품은 바람직하게는 나머지의 의료기기와 통합할 수 있다.
대안적으로, 자기 부품은 예컨대, 주사기(syringe)의 캐뉼러와 같은 교체될 수 있는 부분일 수 있다.
의료기기의 기능은 바람직하게는 자성을 띄는 자기 부품에 의존하지 않을 수 있다. 다시 말해, 부품이 자성이 없더라도, 의료기기는 여전히 그 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 캐뉼러는 환자의 조직으로 액체를 주입하는 그 목적을 제공하기 위해 자성을 띄는 것이 요구되지 않는다. 본 발명의 이러한 실시예는 의료기기의 특정한 부품들이 일반적으로 자성의 띄지 않더라도, 자화될 가능성을 갖고 나중에 자기 검출기로 위치 및/또는 방향 정보를 제공하기 위해 자기 부품들로서 동작할 수 있다는 사실을 활용한다.
대안적으로, 자기 부품은 기능 부품이고 기능은 자성을 띄는 부품에 의존한다. 이러한 경우에 있어서, 본 발명은 자기 부품이 또한 의료기기 내에서 자기 부품의 자성-관련된 기능을 제공함에 더해 또한 위치 및/또는 방향 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
발명자들은 자기 부품들, 특히 의료기기들의 이러한 것들이 시장에서 가용한 전통적인 자기계들에 의해 신뢰성 있게 검출될 수 있음을 발견하였다. 자기 부품의 자기장은 바람직하게는 교류(alternating)하지 않는다. 즉, 자기장의 사인(sign) 또는 방향은 주기적으로 변하지 않는다. 바람직한 자기 부품의 자기장은 검사, 치료 또는 수술 동안 추적되는 의료 기구에 대해 본질적으로 일정하게 그 방향 및/또는 절대값을 유지하는 점에서 변화하지 않는다. 이러한 자화된 의료기구들은 자기 검출기에 의해 신뢰성 있게 검출되는 전형적인 의료 절차 동안 그들의 자화를 충분히 일정하게 유지함이 발견되었다.
바람직한 자기 부품은 적어도 부분적으로 영구 자석이다. 본 발명의 맥락에서, "영구 자석" 자화된 물체이고, 자성을 띄는 잔류 자기에 의해 이로 인해 자신의 지속적인 자기장을 생성한다. 유리하게, 자석이 영구 자석이기 때문에, 파워 소스가 요구되지 않는다.
영구 자석이 바람직하지만, 본 발명은 또한 자기 부품이 예컨대, 전자석(예컨대, 전류가 인가되면 자기장을 생성하는 솔레노이드)과 같은 비-영구 자석인 실시예들을 포괄한다. 또한, 본 발명의 몇몇의 실시예들에서 자기 부품의 일부가 단지, 예컨대, 부품의 영구 자석 부분과 같은 자기 부품들의 또 다른 일부로부터의 자기 유도에 의해 자성을 띌 수 있고, 그러나 본 발명의 다른 실시예들에서 이러한 유도는 역할을 하지 않는다. 다른 부분 내에서의 자기장을 포함하는 자기 부품의 부분은 상기 다른 부분에 필수적으로 통합되지 않아야 한다. 오히려, 두 부분들은 분리될 수 있다. 두 부분들은 필수적으로 서로 인접하지 않아야 하지만, 두 부분들은 서로 멀리(at a distance) 떨어져 있을 수 있다. 사실, 일반적으로, 자기 부품은 하나뿐만 아니라 서로로부터 이격될 수 있는, 예컨대, 의료기기 내에서 일렬로 배열된 몇몇의 영구 자석들과 같이, 몇몇의 분리된 부분들을 포함할 수 있다. 그러나, 예컨대, 무선-주파수 안테나의 코일과 같은 의료기기의 외부로부터의 유도에 의해 단지 자성을 띄는 의료기기의 부품은 자신의 자기장을 생성하지 않고 따라서 본 발명의 맥락 내의 자기 부품으로서 간주되지 않는다.
자기 부품들 또는 자기 부품들의 일부는 자기 코팅(magnetic coating)일 수 있다. 바람직하게는, 코팅은 영구적인 자기 코팅이다. 이러한 목적을 위해, 예컨대, 코팅은 영구적인 자기 입자들, 더 바람직하게는 나노 입자들을 포함할 수 있다. "나노 입자"는 적어도 2개의 공간 치수(spatial dimension)가 100nm의 크기 이하인 입자이다.
본 발명의 일 실시예에서, 자기 부품은 본질적으로 균일 자화(uniform magnetization)를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 자화는 적어도 하나의 차원에서 비-균일이고, 즉, 자기 모멘트는 자기 부품 상의 배치의 기능으로서 크기 및/또는 방향이 상이하고, 이로 인해 예컨대, 신용카드들 상에서 정보의 저장을 위해 사용되는 것과 같은 예컨대, 전통적인 자기 메모리 스트립(적어도 하나의 차원의) 또는 디스크(2 차원의)의 패턴과 유사한 하나 이상의 차원의 자기 패턴을 생성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 하나의 차원의 자기 패턴은 예컨대, 캐뉼라와 같은 신장 자기 부품의 길이를 따라 기록될 수 있다.
유리하게, 이러한 패턴은, 도큐멘테이션(documentation) 목적들을 위해, 자기 부품 및 따라서 자기 부품이 예컨대, 의료기기와 같은 디바이스에 부착되었는지 또는 디바이스의 일부인지를 식별하기 위해 유용할 수 있다. 또한, 의료 물체의 특정한 부분들을 상이한 자기 코드들로 마킹함으로써, 이러한 부분들은 구별될 수 있다. 이는 부품의 개별적인 부분들이 식별될 수 있고 부분들의 위치 및/또는 방향에 대해 부분들이 개별적으로 추적될 수 있기 때문에 자기 부품의 위치 및/또는 방향이 더 잘 결정될 수 있는 본 발명의 이러한 실시예의 달성 가능한 이점이다. 특히, 유리하게, 예컨대, 압력 하에서 구부러지는 니들과 같은 자기 부품의 변화하는 형태가 추적될 수 있다. 또한, 변형된(deformed) 자기 부품 및/또는 부품의 변형 또는 변형의 정도가 더 용이하게 결정될 수 있다.
바람직한 의료기기는 신장(길쭉)(elongate)하고, 즉, 너비보다 적어도 두 배 길다. 더 바람직하게는, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는 길쭉(elongate)하다.
바람직하게는, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는, 더 바람직하게는 전체의 의료기기는, 튜브 형태이다. 더 바람직하게는 자기 부품은 부분적으로 튜브 형태이다. 대안적으로, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 일부 또는 의료 부품은 예컨대, 의료기기가 전기 외과의 기구이면, 예컨대, 로드(rod)와 같은 비-튜브 형태일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는, 더 바람직하게는 전체 의료기기는 캐뉼라이다. 게다가, 캐뉼라는 또한 자기 부품을 구성할 수 있다. 바람직한 캐뉼라는 환자의 조직으로 도입되는 비스듬한(bevelled) 단부를 갖는다.
본 발명은 특히 이러한 캐뉼라들과 함께 유리하게 사용될 수 있고, 이러한 캐뉼라들은 용이하게 구부러지고 따라서 캐뉼라의 삽입된 일부의 위치, 특히 캐뉼라 팁은 US 6,216,029에 개시된 것처럼 니들 가이드의 위치로부터 용이하게 결정되지 않을 수 있다. 하기의 상세한 설명에서 보여지는 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에서 활용되는 모델 필드는 하나가 니들 팁(needle tip)인 오직 2개의 공간-이격된 자기 전하들(two spaced-apart magnetic charges)을 가정한다. 보통의 니들 구부러짐(needle bending)에 대해, 일반적으로 구브러짐이 일어나면, 모델 필드로부터 실제 필드의 편차(deviation)들은 상대적으로 작은 것으로 발견되고, 따라서 상기 모델은 니들이 구부러지더라도 니들 팁의 위치를 추정하기 위해 기꺼이 적용될 수 있다.
본 발명은 부위 마취(regional anaesthesia)를 위한 캐률라와 함께 특히, 유리하게 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 생검 캐뉼라들 또는 예컨대, 부위 마취를 위한 카테터들과 같은 카테터들과 함께 적용될 수 있다. 바람직한 캐뉼라 또는 카테터의 고체 재료는 영구적으로 자화되거나 또는 카테터는 앞서 설명된 것처럼 자기 코팅이 제공된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 캐뉼라 또는 카테터는 솔레노이드 코일이, 바람직하게는 그것의 말단 팁에 제공될 수 있다.
자화 장치(The Magnetization Apparatus)
신장 의료기기를 자화시키기 위한 바람직한 장치는 자화 개구부를 포함한다. 자석은 바람직하게는 신장 의료기기가 개구부를 통과함으로써 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위해 자화 개구부의 부근에 배치된다.
바람직하게는 장치 내의 개구부는 신장 의료기기가 개구부를 통해 저장부로부터 인출될 수 있는 저장부 내의 개구부이고, 따라서 신장 의료기기가 저장부로부터 제거될 때 신장 의료기기는 자화된다. 바람직하게는, 신장 의료기기들이 저장부에 저장되는 동안 신장 의료기기들은 저장부와는 상이한 살균 패키징 내에 보관된다. 신장 의료기기들은 자화되는 동안 이러한 패키징 내에서 남아있다.
바람직한 신장 의료기기는 캐뉼라, 로드 또는 니들이다. 바람직한 저장부는 하나 이상의 신장 의료기기를 동시에 보유할 수 있다.
자석은 바람직하게는, 예컨대, 솔레노이드, 더 바람직하게는 고리-형태의 솔레노이드 전자석과 같은 전자석일 수 있다. 대안적으로, 자석은 전자석일 수 있다. 자화 디바이스는 삽입된 의료기기를 균일하게 자화시키거나 또는 신장된 의료 물체를 따르는 자화된 패턴을 기록하기 위해 설계될 수 있다. 이는, 예컨대, 앞서 논의된 것처럼 도큐멘테이션 목적들을 위해 사용되는 의료 물체를 식별하기 위해 유용할 수 있다. 바람직하게는, 신장 의료기기의 길이를 따르는 자화의 변화는 자화 개구부를 통해 진행하는(progress through) 신장 의료기기에 의한 솔레노이드의 자기장 변화에 의해 획득될 수 있다. 자기장의 변화를 제어하기 위해, 신장 의료기기의 진행은 예컨대, 신장 의료기기가 자기 개구부를 통과할 때 신장 의료기기와 접촉하는 측정 롤(roll)에 의해 기록될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자화 디바이스는 자석의 분리된 세그먼트들로 제작된 중공 튜브(hollow tube)이다. 튜브의 상이한 섹션들에 대해 상이한 전류들을 인가함으로써, 자기 패턴은 의료 기구 상에 기입(incribed)될 수 있다.
장치는 자기 검출기 및 신장 의료기기의 정렬을 위한 장치 상의 눈금(marking)들을 제공함으로써 교정 도구로 더 발전될 수 있다. 바람직하게는, 정렬을 위해 자기 검출기는 이미징 프로브에 통합하거나 부착되고 이미징 프로브는 눈금들을 사용하여 신장 의료기기와 정렬된다. 따라서, 자기 검출기는 이미징 프로브를 통해 의료기기와 정렬된다.
눈금들 덕분에, 신장 의료기기 및 자기 검출기는 잘-정의된 상대적 위치 내에 배치될 수 있다. 이로부터, 자기 검출 디바이스의 측정들에 기반하여 신장 의료기기의 특정 파라미터들, 가장 바람직하게는 신장 의료기기의 길이 및 자기 모멘텀은 의료 절자 동안 캐뉼라의 위치 및 방향의 이후의 계산을 용이하게 하기 위해 출력될 수 있다. 사실, 이러한 파라미터들은 앞서 설명된 것처럼 자기계들에 의해 측정된 파라미터들에 대한 모델 적합화를 크게 향상시킬 수 있다.
위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법들(Methods of Obtaining Position and/or Orientation Information)
본 발명의 일 측면에 따르면, 문제는 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 방법을 제공함으로써 해결된다. 따라서, 본 발명에 따라, 자기 검출기(magnetometric detector)에 대한 자기 부품(magnetic component)의 위치(position) 및/또는 방향(orientation) 정보는 직접적으로 획득된다.
유리하게, 적어도 2개의 동시의 측정들의 결과들이 조합됨으로써 2차 자기장의 영향이 계산적으로 제거되기 때문에, 지구 자기장을 보상하기 위한 오프셋 값들을 획득하기 위한 예컨대, US 6,263,230 B1에서 설명된 방법에서 사용되는 초기 교정 단계가 더 이상 요구되지 않는다. 또한, 거기에 개시된, 검출기의 위치의 변화를 측정하기 위해 디지타이징 암(dizitizing arm)에 의존하고 또한 검출기가 이동되는 동안 정지한 채로 있는 자기 부품들을 요구하는, "자동적인 재교정의 계속(continues automatic recalibration)" 절차가 회피될 수 있다. 오히려, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 자기 검출기 및 자기 부품이 동시에 이동되더라도 도출될 수 있다. 특히, 자기 검출기가 환자의 조직의 프로브에 의해 생성된 이미지에 대한 의료기기의 위치를 추적하기 위한 초음파-지원된(ultrasound-assisted) 의료 절차들을 위한 초음파 프로브와 같은 핸드 헬드(hand held) 프로브에 부착될 때, 이는 상당한 이점이 된다. 이러한 경우들에 있어서, 의료기기가 이동되는 동안 외과의가 프로브를 정지한 채로 유지하는 것은 거의 불가능하다. 또한, US 6,263,230 B1의 디지타이징 암이 필요 없게 될 수 있기 때문에, 유리하게, 본 발명에 따른 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 수단들은 레퍼런스(reference)와의 물리적인 접촉을 요구하지 않는다. 사실상으로, 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 소기의 정보를 제공하기 위해 자기 부품 외의 레퍼런스로서의 수단이 요구되지 않음을 달성할 수 있다. 이는 US 6,263,230 B1의 시사뿐만 아니라 예컨대, US 6,216,029 B1 및 US 6,733,468 B1의 시사와도 대조된다. 관심의 양, 즉, 프로브에 대한 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 직접적으로 획득되기 때문에, 추정은, 예컨대, 6,216,029 B1 및 US 6,733,468 B1 내에 개시된 방법들의, 프로브 위치 및 자기 부품의 위치에 대한 별개의 추정치들에 의존하는 추정 방법들보다 더 적은 오류-경향(error-prone)을 갖는다.
또한 유리하게, 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 획득하기 위해 본질적으로 동시에(essentially simultaneously) 취해진 2개의 측정들의 결과들을 조합(combine)함으로써, 예컨대, 플라시디, 지.(Placidi, G) 등 내에 개시된 방법들의, 상기의, 추가-바디(extra-body) 생성된 자기장들과 관련한, 지구 자기장을 보상하기 위한, 자기 부품의 발진 자기장(oscillating magnetic field)에 의존하는 절차들은 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 맥락에서, "자기 검출기(magnetometric detector)"는 자기 검출기가 노출되는 자기장에 관한, 자기장의 절대값, 방향 및/또는 그라디언트(gradient)와 같은 양적 정보를 획득할 수 있는 디바이스이다. 자기 검출기는 하나 이상의 자기계들(magnetometers)을 포함할 수 있다. 측정들이 수행된 위치들 및 자기 검출기와 관련한 표현 "공간적으로 연관된(spatially associated)"은 위치들이 검출기와 동기화하여(synchrony with) 이동함(결과적으로 서로 함께)을 의미하고 따라서 위치들의 배치 및 방향으로부터 검출기의 위치가 도출될 수 있다.
"2차 자기장(secondary magnetic field)"은 일반적으로 지구 자기장을 포함할 것이다. 또한, 2차 자기장은 지구 자기장 또는 예컨대, 자기 검출기의 부근의 장치에 의해 생성되는 다른 자기장 내의 왜곡들을 포함할 수 있다. 바람직한(preferred) 2차 자기장은 자기 검출기가 사용될 때 자기 검출기가 이동하는 공간 내에서 본질적으로 동차이다.
"자기 부품(magnetic component)"은 자신의 자기장을 생성하는 개체이다. 자신의 자기적 특성 때문에, 자기 부품은 자기 검출기에게 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 제공할 수 있다.
자기 부품의 "위치에 관한 정보(information about the position)"는 적어도 하나의 공간적 차원 내의, 더 바람직하게는 2 차원 내의, 더 바람직하게는 3 차원 내의 위치를 참조한다.
유사하게 자기 부품의 "방향에 관한 정보(information about the orientation)"는 적어도 하나의 공간적 차원 내의, 더 바람직하게는 2 차원 내의, 더 바람직하게는 3 차원 내의 방향을 참조한다. 획득된 정보는 바람직하게는 특정한 해상도 내의 자기 부품의 위치 및/또는 방향이다. 그러나, 단지 자기 부품이 이미징 프로프의 이미징 평면 내에 있는지 또는 있지 않은지의 여부에 대한 정보가 본 발명의 범위 내의 위치 정보를 이미 구성할 것이다. 또한, 자기 부품이 이미징 평면의 앞에 있는지 또는 뒤에 있는지 여부의 정보가 위치 정보를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 문제는 또한 청구항 제3항의 특징들을 포함하는 방법을 제공에 의해 해결된다. 청구항 제3항에 따른 방법은 관성 측정 유닛의 측정으로부터 자기 검출기의 방향 또는 방향 및 위치의 양자 조차도 도출될 수 있다는 사실을 유리하게 활용할 수 있다. 결과로부터, 바람직하게는 지구 자기장인, 검출기에 대한 2차 자기장의 방향 또는 방향(orientation) 및 세기(strength)가 각각 도출될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는, 초기 교정 단계 내에서 자기 검출기에 대한 2차 자기장의 방향 또는 세기 및 방향이 자기 부품 없이 측정된다. 초기 교정 위치로부터 자기 측정 디바이스의 방향 변화들을 추적함으로써 공간 및 시간에서 근사적으로 정지된 2차 자기장의 성분들을 계산할 수 있다.
본 발명의 맥락 내에서, "관성 측정 유닛(inertial measurement unit)"은 자이로스코프 및/또는 가속도계, 바람직하게는 양자를 포함하는 유닛이다. 청구항 제1항의 해결 방법과 유사하게, 유리하게, 자기 부품의 위치 및/또는 방향에 관한 소기의 정보를 제공하기 위해 자기 부품을 제외한 레퍼런스로서의 수단이 요구되지 않는다.
이미징 프로브 및 자기 검출기의 시스템들(Systems of an Imaging Probe and a Magnetometric Detector)
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 문제는 또한 청구항 제18항의 특징들을 포함하는 시스템을 제공함으로써 해결된다.
"핸드 헬드 프로브(hand held probe)"는 손에 의한 소기의 위치 내에서 잡히도록(be held) 사용자에 대한 사용이 의도되는 프로브이다. 특히, 핸드 헬드 프로브에 있어서, 서포트(support) 암, 러너(runner) 또는 와이어와 같은 프로브를 위치 내에서 잡고 사용자가 자신(his or her)의 손을 제거해야 하는 기술적 수단들을 결여하고 있다. 바람직한 핸드헬드 프로브는 손잡이(handle)을 포함한다.
나아가, 본 발명의 문제는 청구항 제19항의 특징들을 포함하는 시스템을 제공함으로써 해결된다. 패스너에 의해, 본 발명의 자기 검출기는 원래는 본 발명에 따른 자기 검출기와 함께 사용(또는 적어도 배타적이지 않은 사용)을 위해 설계되지 않은 이미징 프로브에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 패스너는 단단하게(fixedly) 이미징 프로브 및/또는 자기 검출기에 부착된다. 패스너들은 또한 별개의 부품들로서 제공될 수 있고 패스너를 이미징 프로브 및/또는 의료기기에 단단하게 부착하기 위한 부분(예컨대, 부분의 한쪽 면에 접착제를 바름(self-adhesive))을 포함할 수 있다.
의료 기기 및 의료 기기에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법(Medical Device and Method of Obtaining Position and/or Orientation Information about the Medical Device)
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 문제는 청구항 제26항의 특징들을 포함하는 의료기기 및 청구항 제37항의 특징들을 포함하는 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향을 획득하는 방법의 제공에 의해 해결될 수 있다. 의료기기 및 의료기기의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향을 획득하는 방법은 많은 의료기기들이 예컨대, 캐뉼라 또는 금속 로드(metal rod)와 같은 의료기기가 자기 검출기에 의해 검출될 수 있도록 하기 위해 자화될 수 있는 기능적인 부품들을 포함하는 발명자의 발견을 활용한다. 의료기기의 기능적인 부품은 따라서 간단히 자화를 사용하여 의료기기 내에서의 기능적인 부품의 원래의 기능을 넘어 추가적인 목적들을 위해 할당될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 의료기기의 "기능적인 부품(functional component)"은 자기 검출기에게 위치 및/또는 방향 정보를 제공함에 더하여 의료기기의 기능에 기여, 즉, 의료 기기가 의료기기로서 그 목적을 제공함에 기여하는 부품이다. 이러한 점에서, 위치 및/또는 방향 정보를 자기 검출기로 전달하는 것은 의료기기의 기능으로 간주되지 않는다. 기능은 예컨대, 의료기기가 카테터 또는 캐뉼라이면 유동체(fluid)의 환자의 조직 내의 또는 밖으로의 운송일 수 있고, 또는 기능은 의료기기가 전기 외과의(electrosurgical) 기구이면 전기 외과적 치료일 수 있다.
바람직한 자기 부품은 의료기기의 "필수적인(essential)" 부품이다. 이러한 맥락에서, "필수적인"은 의료기기가 자기 부품이 제거될 때 의료기기의 목적을 다할 수 없음을 의미한다. 대안적으로, 자기 부품은 필수적이지 않지만 이익이되는 것일 수 있다. 자기 부품은 예컨대, 기능성, 취급(handling) 또는 자기 검출기에 대한 방향 및/또는 위치 정보를 제공함을 넘어 의료기기의 다른 특성들을 개선할 수 있다.
자화 장치(Magnetization Appratus)
마지막으로, 본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 문제는 청구항 제39항의 특징들을 포함하는 신장 의료기기를 자화시키기 위한 장치를 제공함으로써 해결된다. 장치는 의료 절차가 수행되기 전에 예컨대, 캐뉼라와 같은 신장 의료기기를 자화시키기 위해 사용될 수 있다. 장치가 신장 의료기기를 보관하기 위한 저장부 및 자화기의 양자를 포함하기 때문에, 캐뉼라는 그들을 본 발명에 따른 방법들 내에서의 사용을 위한, 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 및 본 발명에 따른 의료기기 내의 자기 부품들로 바꾸기 위해 예컨대, 외과의에 의해 용이하게 자화될 수 있다.
실시예에서, 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 자기 부품(8) 및 상기 자기 검출기(5)는 정적 2차 자기장(static secondary magnetic field)에 대해 서로로부터 독립적으로 이동 가능하고, 상기 방법은, 본질적으로 동시에(essentially simultaneously) 상기 자기 부품(8)의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장 양자의 조합의 존재 내에서 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치 및 제2 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향을 측정하는 단계 - 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 이격됨 -; 및 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 상기 측정들의 결과들을 조합하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법이 제공된다.
여기서, 상기 위치들 중 적어도 하나에서 측정된 자기장의 세기 및/또는 방향은 상기 2차 자기장의 세기 및/또는 방향의 직접적인 추정치(direct estimate)로서 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 자기 부품(8) 및 상기 자기 검출기(5)는 정적 2차 자기장(static secondary magnetic field)에 대해 서로 독립적으로 이동 가능하고, 상기 방법은, - 본질적으로 동시에 상기 자기 부품(8)의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장 양자의 조합의 존재 내에서 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향과 상기 자기 검출기(5) 내에 포함된 관성 측정 유닛을 사용하여 상기 자기 검출기(5)의 가속도 및/또는 방향을 측정하는 단계; 및 - 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 상기 측정들의 결과들을 조합하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득하는 방법이 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기장의 세기 및/또는 방향은 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 제2 위치에서 또한 측정되고, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 이격되고, 상기 측정들의 결과들은 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기장은 상기 자기 검출기(5)와 공간적으로 연관된 제3 위치에서 또한 측정되고, 상기 제3 위치는 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치로부터 이격되고, 상기 측정들의 결과들은 상기 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하고 상기 자기 부품(8)의 상기 위치 및/또는 방향에 관한 상기 정보를 도출(derive)하기 위해 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 측정들로부터 상기 자기 검출기(5)의 이용에 의한 상기 자기 검출기(5)의 방향 및/또는 위치의 변화가 획득될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 개별적인 부분들(individual parts)은 상기 부분들의 위치 및/또는 방향에 대해 개별적으로 추적되는(tracked) 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 제1 위치에서 적어도 2개의 선형 독립인 공간적 방향들 내에서의 상기 자기장의 성분(component)들이 측정되는 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)의 측정들의 결과들은 처리를 위해 베이스 유닛(6)으로 전송되고, 상기 베이스 유닛(6)은 상기 자기 검출기(5)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 획득할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 상기 베이스 유닛(6)으로부터 정보를 수신할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 위치들의 각각에서의 상기 자기장은 상기 자기 검출기(5)의 자기계(magnetometer)(14, 15)에 의해 측정되고, 각 자기계(14, 15)는 상기 각각의 위치에 배치(locate)될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 방법은, 상기 자기 검출기(5)의 상기 자기계들(14, 15)이 이득(gain), 오프셋(offset) 및 방향(orientation)에 대해 교정됨으로써 동차(homogeneous) 자기장이 모든 자기계들(14, 15) 내에서 본질적으로 동일한(essentially identical) 측정들을 산출하는 교정(calibration) 단계를 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)의 자기계들(14, 15)은 상기 자기 검출기(5)의 자기계들(14, 15)의 상기 상대적인 공간적 위치들(spatial locations)을 획득하기 위해 비동차 자기장(inhomogeneous magentic field) 내에서 교정(calibrate)될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(imaging probe)(2)에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 초음파 이미징 프로브(ultrasonic imaging probe)일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)에 의해 생성된 위치-관계된 정보 및 상기 이미징 프로브(20)에 의해 생성된 이미지 정보는 상기 자기 검출기(5) 및 상기 이미징 프로브(2)로부터 각각 처리 유닛(4)으로 전송되고, 상기 정보는 획득된 상기 위치 및/또는 방향에 기반하여 의료기기(8)의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 상기 처리 유닛(4) 내에서 조합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미지 내에서 상기 의료기기(8) 또는 상기 의료기기(8)의 일부가 소정의 공간적 평면(pre-determined spatial plane) 내에 배치되는지 여부가 지시될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 시스템에 있어서, 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2) 및 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기(5)를 포함하고, 상기 이미징 프로브(2)는 핸드 헬드(hand held) 프로브(2)인 시스템이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 시스템에 있어서, 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2) 및 자기(magnetometric) 검출기(5)에 대한 자기 부품(magnetic component)(8)의 위치 및/또는 방향을 검출하기 위한 자기 검출기(5)를 포함하고, 상기 시스템은 상기 이미징 프로브(2)를 상기 자기 검출기(5)에 제거 가능하게 부착하기 위한 적어도 하나의 패스너(fastener)를 더 포함하는 시스템이 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 핸드 헬드 프로브일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 적어도 2개의 자기계(14, 15)를 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 관성 측정 유닛을 포함할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 처리를 위해 상기 자기 검출기(5)의 측정들의 결과들을 베이스 유닛으로 전송하기 위해 분리된 상기 베이스 유닛(6)과 기능적으로 연결될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 이미징 프로브(2)는 초음파 이미징 프로브일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 획득된 상기 위치 및/또는 방향 정보에 기반하여 상기 의료기기(8)의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 이미징 프로브(2) 및 자기 검출기(5)의 양자와 기능적으로 연결된 처리 유닛(4)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 적어도 일부분이 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기(8)에 있어서, 상기 의료기기(8)는 상기 의료기기(8)의 조직-삽입 가능한 부분에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능한 자기 부품(8)을 포함하고. 상기 자기 부품(8)은 상기 의료기기(8)의 기능적인 부품인 의료기기가 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 나머지의 의료기기(8)와 통합될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 의료기기(8)의 상기 기능은 자성이 있는(magnetic) 자기 부품(8)에 의존하지 않을 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 자기 모멘트는 상기 자기 부품(8) 상의 배치(location)의 기능으로서 크기 및/또는 방향(direction)이 상이(varies in)함으로써, 상기 자기 부품(8) 상에 하나 또는 그 이상의 차원의 자기 패턴을 생성할 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)의 자기장은 변하지 않을 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 적어도 부분적으로 영구 자석일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8) 또는 상기 자기 부품(8)의 일부는 자기 코팅일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 강철(steel)로 만들어진 것일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 강철은 스프링강(spring steel)일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 환자의 조직으로 삽입 가능한 상기 의료기기(8)의 적어도 일부(더 바람직하게는 전체의 의료기기(8))는 튜브 형태일 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 자기 부품(8)은 캐뉼라(cannula)일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 의료기기(8)의 적어도 일부에 관한 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 상기 의료기기의 기능적인 부품을 자기장에 노출시킴으로써 상기 기능적인 부품을 영구적으로 자화시키는 단계; 및 자기 검출기(5)를 사용하여 상기 자기 부품의 어느 하나의 위치 및/또는 방향 정보를 검출하는 단계를 포함하는 위치 및/또는 방향 정보를 획득하는 방법이 제공된다
상기의 실시예들에서, 상기 자기 검출기(5)는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브(2)에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 신장(elongate) 의료기기를 자화시키는 장치(27)에 있어서, 상기 장치는 상기 신장 의료기기(8)를 보관하기 위한 저장부(reservoir) 및 상기 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위한 자석을 포함하는 장치가 제공된다.
상기의 실시예들에서, 상기 장치(27)는 자화 개구부(opening)를 포함하고, 상기 자석은 상기 신장 의료기기(8)가 상기 개구부를 통과함으로써 상기 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위해 상기 자화 개구부(29)의 부근에 배치될 수 있다.
상기의 실시예들에서, 상기 개구부는 상기 신장 의료기기(8)가 개구부를 통해 상기 저장부로부터 인출될 수 있는 상기 저장부 내의 개구부이고, 따라서 상기 신장 의료기기(8)가 상기 저장부로부터 제거될 때 상기 신장 의료기기(8)는 자화될 수 있다.
본 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐 본 발명의 근본적인 개념들의 더 나은 이해를 위해 하나의 자기 부품에 대해서만 참조되었으나, 모든 본 발명의 측면들 내에서 본 발명은 추가적인 더 나아간 자기 부품들이 존재하는 실시예들을 물론 또한 포괄한다. 당해 기술 분야에 있어서 통상의 기술을 가진자에게 쉽게 명백하게, 본 발명에 따른 방법들, 장치 및 시스템들은 단 하나의 자기 부품 대신에 복수의 자기 부품들에 대해 동등하게 적용될 수 있다.
발명의 바람직한 실시예들의 설명
단독으로 또는 조합으로 적용될 수 있는 본 발명의 바람직한 특징들은 부수하는 청구항들 내에서뿐만 아니라 하기 내에서 논의된다.
위치 및/또는 방향 정보 획득(Obtaining Position and/or Orientation Information)
바람직하게는, 자기 검출기와 공간적으로 연관된 하나 이상의 위치들에서 측정되는 자기장의 세기 및/또는 방향은 2차 자기장, 즉, (어쩌면 왜곡된) 지구 자기장의 세기 및/또는 방향의 직접적인 추정치로서 사용된다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는, 이들의 위치 또는 위치들은 이러한/이들 위치(들)에서의 측정이 2차 자기장의 세기 및/또는 방향의 추정치를 직접적으로 제공하는 자기 부품의 자기장에 의해 충분히 영향을 받지 않는 것을 보장하도록 자기 부품으로부터 충분히 멀리 분리된다. 따라서, 자기 검출기가, 나아가 하기에서 논의되는 것처럼, 예컨대, 초음파 이미징 프로브와 같은 이미징 프로브에 통합하거나 부착 가능하면, 본 발명의 현재의 실시예에 따른 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 측정하기 위한 자기 검출기의 수단(들)(예컨대, 자기계들)은 자기계들)이 환자의 조직으로 도입되는 자기 부품의 자기장에 의해 본질적으로 영향을 받지 않는 것을 보장하도록 환자와 최근접한 이미징 프로브의 부분으로부터 충분하게 멀리 떨어진다.
이러한 실시예의 맥락에서 "직접적인 추정치"는 위치 또는 위치들에서의 측정들이, 요구된 정확도 내에서, 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 추정하기 위해 충분함을 의미한다.
유리하게, 본 발명의 상기 바람직한 실시예에 따라 측정된 자기장은 이들의 다른 측정들의 각각에 대해 자기 부품 만의 자기장을 획득하기 위해 간단하게 하나 이상의 다른 위치(들)에서의 측정의 결과로부터 차감될(subtract) 수 있다. 이는 그 다음으로 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게는, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 2차 자기장이 차감된 후 자기 부품의 장(field)에 의해 영향을 받는 위치들에서의 측정들로부터 획득된 자기 부품의 실제 자기장에 대한 자기 부품에 기인하므로(due to) 자기장의 모델 적합화(fit)에 의해 계산된다. 따라서, 자기 부품의 위치 및/또는 방향은 모델 적합 과정(model fitting procedure) 내에서 미지의 파라미터들이다.
발명들의 대안적인 실시예에 있어서, 2차 자기장, 바람직하게는 지구 자기장을 나타내는 동차 자기장을 포함하는 모델은 모델 내의 추가적인(further) 미지의 파라미터이고, 모델은 미지의 파라미터들, 즉, 자기 부품들의 위치 및/또는 방향 및, 관심이 있다면, 또한 2차 자기장의 세기 및/또는 방향을 도출하기 위해 위치들에서의 측정들의 결과들에 대한 적절한 알고리즘에 의해 적합화된다. 이러한 방법은 바람직하게는 자기장의 세기 및/또는 방항이 측정되는 자기 검출기의 모든 위치들이 잠재적으로 이들 중 어느 것도 직접적으로 2차 자기장의 세기 및 방향의 추정치를 제공할 수 없는 어느 정도의(to a degree) 2차 자기장에 의해 영향을 받는 것으로 간주되면 적용된다.
상기 방법의 변형에서, 위치들에서의 측정들의 결과들 상의 2차 자기장의 영향은 다른 위치들에서의 측정들의 미분 값(differential value)들을 결정함으로써 상쇄된다. 예컨대, 정규화(하기에서 논의됨) 후, 다양한 위치들에서 결정된 자기장의 세기 및/또는 방향의 평균은 각 개별적인 위치에서의 자기장의 세기 및/또는 방향으로부터 차감될 수 있다. 따라서, 사실상 자기계들은 경도 측정기(gradiometer)들로서 기능한다. 이들 미분 값들은 그 다음으로 원래의 자기장의 미분 값들 또는 다른 함수의 도함수들을 활용하는 모델에 적합화될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 측정들로부터, 자기 검출기의 이동(movement)에 의해 기인한 자기 검출기의 방향 및/또는 위치 내의 변화가 획득된다. 예컨대, 자기 검출기의 방향 및/또는 위치 내의 변화는 자기 검출기의 2개 이상의 위치들에서의 측정들의 결과들을 조합하는 것으로부터 계산된 지구 자기장에 대한 검출기의 방향으로부터 획득될 수 있다. 또한, 자기 검출기의 방향 및 위치는 관성 측정 유닛의 측정들로부터 도출될 수 있다. 자기 검출기가 이미징 프로브에 부착되면, 이러한 정보는, 예컨대, 3 차원 맵 또는 파노라마(panoramic) 맵으로의 상이한 위치들에서의 및/또는 상이한 방향들 내의 이미징 프로브에 의해 획득된 이미지들을 조합하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 이는 3 차원의 확장된 체적(extended volume)들의 맵핑을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 한 손의 관성 측정 유닛, 특히 가속도계 및 나머지 손의 2차 자기장을 추정하기 위한 자기장의 세기 및/또는 방향의 측정은 서로 대체할 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 이러한 수단들의 양자가 제공되는 실시예들을 포함한다. 특히, 양자 수단들의 결과들은 조합될 수 있다.
자기 검출기 및 베이스 유닛(The Magnetometric Detector and the Base Unit)
자기 검출기 내에서 자기장의 세기 및/또는 방향은 바람직하게는, 적어도 2개의 위치들, 더 바람직하게는 적어도 3개의, 더 바람직하게는 자기 검출기와 공간적으로 연관된 4개의 위치들 내에서 측정되고, 위치들은 서로 이격된다. 측정들은 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 조합될 수 있다. 측정들은 또한 계산적으로 2차 자기장의 세기를 제거하기 위해 조합될 수 있다.
바람직하게는, 자기장은 적어도 2개의 위치들, 더 바람직하게는 적어도 3개, 더 바람직하게는 위치들의 각각에서 자기 검출기의 자기계에 의해 측정되고, 각 자기계는 각각의 위치에 배치된다. 바람직하게는, 제1 위치에서, 더 바람직하게는 또한 제2 위치에서, 더 바람직하게는 또한 제3 위치에서, 더 바람직하게는 자기 검출기의 모든 위치들에서 공간 자기장의 성분들은 적어도 2개의 선형 독립인(linearly independent) 공간적 방향들 내에서, 더 바람직하게는 모든 3개의 선형 독립인 공간적 방향들 내에서 측정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정들의 결과들은 처리를 위해 베이스 유닛으로 전송되고, 바람직한 베이스 유닛은 자기 검출기로부터 분리된다. 이러한 맥락에서, "분리"는 베이스 유닛 및 자기 검출기가 서로 동기화하여 이동하지 않음을 의미하고, 다시 말해, 베이스 유닛 및 자기 검출기는 공간적으로 연관되지 않는다. 오히려, 자기 검출기는 베이스 유닛에 독립적으로 이동할 수 있다. 특히, 베이스 유닛은 자기 검출기(바람직하게는 앞서 논의된 것처럼 이미징 프로브에 부착됨)가 이동되는 동안 정지한 채로 남아있을 수 있다. 자기 검출기 및 베이스 유닛 간의 전송은, 예컨대, 유연한 케이블 또는 무선 연결에 의해 실현될 수 있다. 자기 검출기가 프로브 케이블에 더하여 또 다른 케이블을 요구하지 않고 전통적인 이미징 프로브에 부착될 수 있음이 무선 통신의 이점이다.
측정들의 결과들로부터 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 요구되는 계산의 많은 부분(large part) 또는 전부 조차 베이스 유닛 내에서 수행될 수 있는 본 발명의 이러한 실시예의 이점이 달성될 수 있다. 이는 2차 자기장의 영향을 제거하기 위해 및 자기 부품의 위치 및/또는 방향을 도출하기 위해 요구되는 계산 수단들이 이미징 프로브에 쉽게 부착되는 충분히 작은 마이크로프로세서에 대해 너무 큰 노력을 요구하는(demanding) 사실의 관점에 있어서 이점이 된다. 따라서, 베이스 유닛에 대한 계산의 일부 또는 전부를 이전(shift)함으로서, 충분한 처리 전원이 쉽게 제공될 수 있고, 자기 검출기는 소형 및 경량이 유지될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 베이스 유닛은 이미징 시스템에 합병되고, 자기계들로부터의 정보는 프로브 케이블을 통해 전달된다.
바람직한 자기 검출기는 몇몇의 자기계, 어쩌면 관성 측정 유닛을 함께 포함할 수 있고, 멀티플렉서 또는 마이크로프로세서일 수 있는 인터페이스 회로망(circuitry)을 포함한다. 인터페이스 회로망은 복수의 프로브들의 신호들을 단일한 케이블 또는 무선 링크를 통해 통과할 수 있도록 한다. 인터페이스 회로망은 자기계(및 존재하는 경우 관성 측정 유닛)을 샘플하고(sample) 어쩌면 자기 검출기의 배터리의 변화의 상태와 같은 다른 정보를 모니터링할 수 있다. 자기 검출기의 트랜스미터를 사용하여, 이러한 정보는 그 다음으로 베이스 유닛의 리시버로 전송된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 자기 검출기는 또한 베이스 유닛으로부터 정보를 수신한다. 따라서, 바람직하게는, 자기 검출기 및 베이스 유닛 간에 양-방향 통신이 가능하다. 베이스 유닛으로부터 자기 검출기로의 리턴 채널은 예컨대 자기 검출기 또는 관성 측정 모듈을 베이스 유닛으로부터 원격으로 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 자기계의 동작 범위는 특히, 측정 과정 내에서 오버플로우를 회피하기 위해 자기 부품의 자기장의 세기에 적응될 수 있다.
전송을 위해, 자기 검출기 및 베이스 유닛은 기능적으로 서로 연결될 수 있다. 용어 "기능적으로 연결된"은 집적적인 연결 및 하나 이상의 중간 부품들을 통한 간접적인 연결의 양자를 포괄하고, 중간 부품들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 부품들일 수 있다. 바람직하게는, 자기 검출기 및 베이스 유닛 간의 전송은 도청(eavesdropping)을 방지하기 위한 예컨대, 비대칭 암호화(asymmetrical encryption) 방식으로 인코드된다. 또한, 바람직하게는 측정들은 자기 검출기 및 베이스 유닛을 포함하는 몇몇의 시스템들이 근접하여 동작되는 경우에 있어서의 간섭을 방지하기 위해 수행된다.
바람직하게는, 교정 단계에서, 자기계들은 이득, 오프셋 및 방향에 대해 교정됨으로써 동차 자기장 내에서 자기계들은 본질적으로 동일한(essentially identical) 측정들을 산출한다. 이로 인해, 동차 장에 노출될 때 모든 자기계들이 동등한 값들을 측정하는 것이 보장된다. 예컨대, 동차 지구 자기장 내에서 회전된 자기계는, 자기계의 방향에 의존하고, 3개의 선형 독립인 방향들 내에서 자기장의 성분들의 변화하는(varying) 세기들을 측정해야 한다. 장(field)의 총 세기는, 그러나, 자기계의 방향에 무관하게 일정하게 유지되어야 한다. 그러나, 시장에서 가용한 자기계에 있어서, 이득들 및 오프셋들은 3개의 방향들의 각각에서 상이하다. 또한, 방향들은 종종 서로 직교하지 않는다. 예컨대, 단일한 센서에 대한 US 7,275,008 B2내에서 설명된 것처럼, 자기계가 동차 및 일정한 자기장 내에서 회전되면, 측정들은 기울어진(tilted) 3-차원의 다원체를 산출할 것이다. 측정된 장이 일정하기 때문에, 그러나, 정규화된 측정들은 구(sphere) 상에 놓여야 한다. 바람직하게는 오프셋 값 β 및 이득 행렬 M 이 다원체를 구로 변환하기 위해 도입된다.
센서들의 세트와 함께, 추가적인 단계들이 상이한 센서들의 측정들이 서로 간에 동일함을 보증하기 위해 수행될 필요가 있다. 이러한 교정의 수행을 위해, 바람직하게는 하기의 수학식 1의 자기계의 원(raw) 결과들 ak 를 정규화된 결과들 bk 로 변환하는 각 위치 k에 대한 이득 정규화 행렬들 Mk 및 정규화 오프셋 벡터들 βk 의 세트가 결정된다.
[수학식 1]
이러한 이득 행렬들 Mk 는 예컨대, 도르뷕스(Dorveaux) 등의 "센서들의 어레이의 온-더-필드 교정(On-the-field Calibration of an Array of Sensors )" (2010 미국 제어 컨퍼런스, 볼티모어 2010) 내에서 설명된 반복되는(iterative) 교정 스킴 알려진 절차들에 의해 획득될 수 있다.
정의된 변환에 의해, bk 는 동등한 이득을 갖는 3개의 직교하는 공간적 방향들 내에서 자기장의 성분의 세기를 제공한다. 또한, 이들 방향들은 자기 검출기 내의 모든 자기계들에 대해 동일함이 보장된다. 결과적으로, 여하한 동차 자기장 내에서, 모든 자기계들은 본질적으로 동일한 값들을 산출한다.
교정 단계 내에서 획득된 각 자기계에 대한 정규화 정보 Mk 및 β k 는 자기 검출기 자체 내에 또는 베이스 유닛 내의 어느 한 쪽에 저장될 수 있다. 자기 검출기 내에 정보를 저장하는 것은 베이스 유닛 내의 정보의 업데이트 필요 없이 자기 검출기의 용이한 교환을 허용하므로 바람직하다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 자기 측정 디바이스의 자기계들은 샘플되고 자기계들의 결과는 자기 검출기 내에서 정규화될 수 있다. 이러한 정보는, 어쩌면 다른 관련한 정보와 함께, 추가적인 분석을 위해 베이스 유닛으로 전송된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 변환은 또 다른, 더 일반적인 수학식 2의 비-선형 변환일 수 있다.
[수학식 2]
전술한 교정 방법에 더하여, 자기 검출기의 자기계들의 상대적인 공간적 배치들을 획득하기 위한 비동차 자기장을 사용하는 또 다른 교정 방법이 적용된다. 표준 교정 방법들은 (a) 자기계들의 측정 축을 직교하도록 정렬하고, (b) 오프셋 값들을 상쇄하고, (c) 동등한 이득에 적응하기 위해 동차 자기장을 활용함에 반해, 또한 자기계들의 정확한 상대적인 공간적 배치(location)들이 가용한 것은 설명된 시스템들에 대한 추가적인 이점이 된다. 이러한 이점은 자기 검출기가 알려진 비동차 자기장에 종속되는 추가적인 교정 단계에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는 다양한 위치들에서 획득된 측정들을 가정된 배치들 내에서의 기대된 장 세기들 및 방향들과 비교하고, 가정된 배치들을 실제의 측정들 및 기대된 측정들에 일치될 때까지 교정하는 것은 센서의 공간적 위치들의 정확한 교정을 고려한다(allow for).
후자의 교정 방법의 변형에서, 알려진 동차 장 대신에 미지의 동차 장이 사용된다. 자기계는 변화하는 위치들에서, 고정된 방항을 갖고, 미지의 자기장을 지나간다(sweep through). 레퍼런스 트랙(reference track)을 제공하는 자기계들 중 하나와 함께, 다른 자기계들의 위치들은 자기계들의 측정들이 레퍼런스 유닛의 측정들에 정렬하는 방식으로 적응적으로 변할 수 있다. 이는 예컨대, 기계-자기-전자(mechano-magnetic-electronical) 그라디언트-하강(descent) 알고리즘을 실현하는 피드백 루프에 의해 달성될 수 있다. 이러한 비동차 장 교정 내에서 사용되는 트랙들은 또한 공간 내에서 단지 단일 점(single point)으로 구성될 수 있다.
이미징 프로브 및 처리 유닛(The Imaging Probe and the Processing Unit)
바람직하게는, 자기 검출기는 환자의 조직의 적어도 일부를 이미징하기 위한 이미징 프로브에 통합하거나 제거 가능하게 부착 가능하다. "통합(Integral)"은 이미징 프로브가 의도된 대로 사용되면, 자기 검출기가 이미징 프로브로부터 제거되지 않을 수 있는 방식으로, 자기 검출기가 이미징 프로브에 영구적으로 고정됨을 의미한다. 자기 검출기는, 예컨대, 이미징 프로브의 하우징 내에 배치될 수 있다. 자기 검출기는 또한 서비스 또는 수리의 목적을 위해 이미징 프로브의 파손 없이는 자기 검출기가 이미징 프로브로부터 분리되지 않을 수 있는 어느 정도로 이미징 프로브와 함께 동작된다(be joined with). 그러나, 용어 "통합"은 또한 자기 검출기가 수리 또는 유지의 목적을 위해 이미징 프로브로부터 제거될 수 있는 실시예들을 포괄한다. 본 발명의 맥락에서, "제거 가능하게 부착된"은 일 부분이 디바이스가 의도된 대로 사용되면 사용자에 의해 부착되는 나머지 일부분으로부터 제거될 수 있음을 의마한다. 따라서, 예컨대, 자기 검출기는 의료 절차 동안 이미징 프로브에 공간적으로 연관되도록 이미징 프로브에 부착된 채로 남아있는 반면, 의료 절차가 완료된 후에, 검출기는 또 다른 의료 절자를 위한 또 다른 의료 프로브에 부착되도록 프로브로부터 제거될 수 있다. 바람직하게는, 제거 가능한 부착의 목적을 위해, 자기 검출기 및 이미징 프로브 중 적어도 하나, 바람직하게는 양자에는 하나 이상의 패스너들이 제공된다. 바람직하게는, 자기 검출기 및 이미징 프로브는 의료 절차 내에서의 사용 동안 자기 검출기 및 이미징 프로브가 서로에 대해 고정된 위치 내에서 있음을 보장하는 방식으로 서로 부착된다.
바람직한 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브이다. 이러한 초음파 이미징 프로브는 바람직하게는 초음파 트랜스듀서들의 어레이를 포함한다. 트랜스듀서들의 도움으로, 초음파 에너지는, 바람직하게는 초음파 펄스들의 형태로, 검사되는 환자의 조직의 영역으로 전송된다. 그 다음으로, 그 영역으로부터 돌아오는 반사된 초음파 에너지는 동일한 또는 다른 트랜스듀서들에 의해 수신 및 등록된다. 그러나, 본 발명은 또한 예컨대, 너보닉스 주식회사(Nervonix Inc.)에 대한 US 7,865,236 B2 내에 개시된 종류의 프로브들을 포함하는, 임피던스 이미징 프로브들과 같은 다른 타입들의 이미징 프로브들과 함께 사용될 수 있다. 다른 적절한 이미징 프로브들은 적외선(Infrared Radiation; IR) 센서들 또는 혈류를 측정할 수 있는 카메라들 및/또는 다른 스캐닝 디바이스들을 포함한다.
또한, 바람직하게는, 처리 유닛이 제공된다. 자기 검출기에 의해 생성된 위치-관련된 정보 및 이미징 프로브에 의해 생성된 이미지 정보는 바람직하게는 자기 검출기 및 이미징 프로브 각각으로부터, 처리 유닛(앞서 논의된 것처럼 위치-관련된 정보는 바람직하게는 베이스 유닛을 통해)으로 전송된다. 정보는 그 다음으로 처리 유닛 내에서 의료 기기의 적어도 일부의 이미지 위치가 자기 검출기로부터 획득되는 위치 및/또는 방위 정보에 기반하여 지시되는 환자의 조직의 이미지를 생성하기 위해 조합될 수 있다. 바람직한 처리 유닛은 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 디바이스를 포함한다. 이러한 맥락에서, "위치-관련된 정보"는 예컨대, 자기계들에 의해 획득된 원 데이터, 교정된 데이터 또는 앞서 논의된 것처럼 계산된 실제의 위치들 및 방향들 일 수 있다. 유사하게, "이미지 데이터"는 이미지 프로브에 의해 획득된 원 데이터 또는 추가로 처리된 원 데이터일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 처리 유닛은 이미징 프로브를 구동하고 예컨대, 초음파 프로브인 이미징 프로브로부터 수신된 원 데이터를 해석한다.
또한, 바람직하게는, 케이블 또는 케이블들의 번들이 이미징 프로브를 처리 유닛과 연결하기 위해 제공된다. 이미징 프로브가 초음파 프로브이면, 처리 유닛은 바람직하게는 초음파 펄스들을 생성하기 위해 정밀하게 시간 조정된(precisely timed) 전기 신호들을 이미징 프로브의 트랜스듀서들로 전송하는 드라이버 회로망을 포함한다. 초음파 펄스들의 일부는 검사되는 영역으로부터 반사되고 초음파 프로브로 되돌아가므로, 수신된 초음파 에너지는 전기 신호들로 전환되고 그 다음으로 처리 유닛으로 전달된다. 처리 유닛은 환자의 조직의 검사된 영역의 이미지를 생성하기 위해 신호들을 증폭 및 처리한다.
의료기기의 위치의 정보는 디바이스의 자기 부품의 위치를 검출함으로써 획득되기 때문에, 위치가 나타내는, 의료기기의 일부는 바람직하게는, 자기 부품에 대한 그 위치가 알려진, 자기 부품 또는 또 의료기기의 다른 부품일 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 예컨대, 캐뉼라의 말단(distal) 팁과 같은 최말단 섹션의 자기 부품들의 일 섹션(section) 만이 도시되었다.
자기 검출기 및 이미징 프로브로부터 (바람직하게는 베이스 유닛을 통해) 처리 유닛으로의 정보의 전송을 위해, 전자(former)의 부품들은 처리 유닛과 기능적으로 연결된다. 바람직하게는, 처리 유닛은 베이스 유닛으로부터 정보를 수신하기 위해 (바람직하게는 베이스 유닛을 통해) 자기 검출부와 기능적으로 더 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 관련한 정보는 처리 유닛 또는 자기 검출기로부터 그 안에서 수행되는 계산을 용이하기 위해 전송될 수 있다.
이미지 생성 처리 유닛은 양-방향의 방식으로 연결되면 가장 유용할 수 있다. 기록된 이미지를 처리함으로써 획득된 정보는, 바람직하게는 처리 유닛 내에서, 니들 위치의 추정을 용이하게 하기 위해 베이스 유닛으로 전송될 수 있고, 반대의 경우도 마찬가지다. 예컨대, 원 초음파 이미지 상에서의 허프-변환(Hough-Transformation)은 니들의 희미한(faint) 이미지를 검출할 수 있고, 초음파 이미지로부터의 이러한 위치 측정(localization) 정보는 자기계 데이터로부터 동일한 니들 위치를 도출해내는 최적화 단계에 대한 제약으로서 적용될 수 있다. 물론, 이미지 상에서 직접적으로 동작하는 니들 검출 알고리즘은 또한 베이스 유닛으로부터 비롯된 니들 위치들에 관한 정보를 통해 안정화될 수 있다.
바람직하게는, 이미지 내에서 의료기기 또는 의료기기의 일부가 소정의 공간적 평면의 내부에 또는 외부에 배치될 지 여부가 나타난다. 바람직하게는, 디스플레이 상에 소정의 공각적 평면과 동일한 특정한 평면 내의 환자의 조직의 이미지가 디스플레이된다. 디스플레이된 평면은 예컨대 이미징 프로브의 위치 및/또는 방향에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 이미징 프로브가 2D-모드 내에서 동작하는 초음파 이미징 프로브이면, 디스플레이된 평면은 프로브의 이미징 평면이다. 바람직하게는, 의료기기의 복수의 섹션들이 디스플레이되면, 섹션들 중 어느 쪽이 공간적 평면 내에 배치될 지, 즉, 어떤 섹션이 공간적 면의 일 측면 상에 배치되고 어떤 섹션이 공간적 평면의 나머지 측면에 배치될지가 지시될 수 있다. 예컨대, 이미징 프로브의 이미징 평면은 하나의 색상과, 이미징 프로브의 일 측면은 또 다른 색상과, 나머지 측면은 제3 색상과 연관될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 예컨대, US 6,733,458 B1에 개시된 것처럼, 자기 부품 또는 의로기기의 부분의 궤적(trajectory)이 디스플레이될 수 있다. 이미징 디바이스가 원래 3D 디바이스인 경우, 상기 기재는 당연히 3D-체적들로 확장된다. 따라서, 특히 이미지 내에서 의료기기 또는 의료기기의 일부가 소정의 체적 내부에 또는 외부에 배치되는지 여부가 지시되는 이러한 경우에, 디스플레이 상에서 소정의 공간적 체적과 동일한 특정한 체적 내에 환자의 조직의 이미지는 디스플레이될 수 있다. 디스플레이된 체적은 예컨대, 이미징 프로브의 위치 및/또는 방향에 의해 결정될 수 있다.
자기 부품 및 의료기기(The Magnetic Component and the Medical Device)
자기 부품은 바람직하게는 나머지의 의료기기와 통합할 수 있다.
대안적으로, 자기 부품은 예컨대, 주사기(syringe)의 캐뉼러와 같은 교체될 수 있는 부분일 수 있다.
의료기기의 기능은 바람직하게는 자성을 띄는 자기 부품에 의존하지 않을 수 있다. 다시 말해, 부품이 자성이 없더라도, 의료기기는 여전히 그 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 캐뉼러는 환자의 조직으로 액체를 주입하는 그 목적을 제공하기 위해 자성을 띄는 것이 요구되지 않는다. 본 발명의 이러한 실시예는 의료기기의 특정한 부품들이 일반적으로 자성의 띄지 않더라도, 자화될 가능성을 갖고 나중에 자기 검출기로 위치 및/또는 방향 정보를 제공하기 위해 자기 부품들로서 동작할 수 있다는 사실을 활용한다.
대안적으로, 자기 부품은 기능 부품이고 기능은 자성을 띄는 부품에 의존한다. 이러한 경우에 있어서, 본 발명은 자기 부품이 또한 의료기기 내에서 자기 부품의 자성-관련된 기능을 제공함에 더해 또한 위치 및/또는 방향 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
발명자들은 자기 부품들, 특히 의료기기들의 이러한 것들이 시장에서 가용한 전통적인 자기계들에 의해 신뢰성 있게 검출될 수 있음을 발견하였다. 자기 부품의 자기장은 바람직하게는 교류(alternating)하지 않는다. 즉, 자기장의 사인(sign) 또는 방향은 주기적으로 변하지 않는다. 바람직한 자기 부품의 자기장은 검사, 치료 또는 수술 동안 추적되는 의료 기구에 대해 본질적으로 일정하게 그 방향 및/또는 절대값을 유지하는 점에서 변화하지 않는다. 이러한 자화된 의료기구들은 자기 검출기에 의해 신뢰성 있게 검출되는 전형적인 의료 절차 동안 그들의 자화를 충분히 일정하게 유지함이 발견되었다.
바람직한 자기 부품은 적어도 부분적으로 영구 자석이다. 본 발명의 맥락에서, "영구 자석" 자화된 물체이고, 자성을 띄는 잔류 자기에 의해 이로 인해 자신의 지속적인 자기장을 생성한다. 유리하게, 자석이 영구 자석이기 때문에, 파워 소스가 요구되지 않는다.
영구 자석이 바람직하지만, 본 발명은 또한 자기 부품이 예컨대, 전자석(예컨대, 전류가 인가되면 자기장을 생성하는 솔레노이드)과 같은 비-영구 자석인 실시예들을 포괄한다. 또한, 본 발명의 몇몇의 실시예들에서 자기 부품의 일부가 단지, 예컨대, 부품의 영구 자석 부분과 같은 자기 부품들의 또 다른 일부로부터의 자기 유도에 의해 자성을 띌 수 있고, 그러나 본 발명의 다른 실시예들에서 이러한 유도는 역할을 하지 않는다. 다른 부분 내에서의 자기장을 포함하는 자기 부품의 부분은 상기 다른 부분에 필수적으로 통합되지 않아야 한다. 오히려, 두 부분들은 분리될 수 있다. 두 부분들은 필수적으로 서로 인접하지 않아야 하지만, 두 부분들은 서로 멀리(at a distance) 떨어져 있을 수 있다. 사실, 일반적으로, 자기 부품은 하나뿐만 아니라 서로로부터 이격될 수 있는, 예컨대, 의료기기 내에서 일렬로 배열된 몇몇의 영구 자석들과 같이, 몇몇의 분리된 부분들을 포함할 수 있다. 그러나, 예컨대, 무선-주파수 안테나의 코일과 같은 의료기기의 외부로부터의 유도에 의해 단지 자성을 띄는 의료기기의 부품은 자신의 자기장을 생성하지 않고 따라서 본 발명의 맥락 내의 자기 부품으로서 간주되지 않는다.
자기 부품들 또는 자기 부품들의 일부는 자기 코팅(magnetic coating)일 수 있다. 바람직하게는, 코팅은 영구적인 자기 코팅이다. 이러한 목적을 위해, 예컨대, 코팅은 영구적인 자기 입자들, 더 바람직하게는 나노 입자들을 포함할 수 있다. "나노 입자"는 적어도 2개의 공간 치수(spatial dimension)가 100nm의 크기 이하인 입자이다.
본 발명의 일 실시예에서, 자기 부품은 본질적으로 균일 자화(uniform magnetization)를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 자화는 적어도 하나의 차원에서 비-균일이고, 즉, 자기 모멘트는 자기 부품 상의 배치의 기능으로서 크기 및/또는 방향이 상이하고, 이로 인해 예컨대, 신용카드들 상에서 정보의 저장을 위해 사용되는 것과 같은 예컨대, 전통적인 자기 메모리 스트립(적어도 하나의 차원의) 또는 디스크(2 차원의)의 패턴과 유사한 하나 이상의 차원의 자기 패턴을 생성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 하나의 차원의 자기 패턴은 예컨대, 캐뉼라와 같은 신장 자기 부품의 길이를 따라 기록될 수 있다.
유리하게, 이러한 패턴은, 도큐멘테이션(documentation) 목적들을 위해, 자기 부품 및 따라서 자기 부품이 예컨대, 의료기기와 같은 디바이스에 부착되었는지 또는 디바이스의 일부인지를 식별하기 위해 유용할 수 있다. 또한, 의료 물체의 특정한 부분들을 상이한 자기 코드들로 마킹함으로써, 이러한 부분들은 구별될 수 있다. 이는 부품의 개별적인 부분들이 식별될 수 있고 부분들의 위치 및/또는 방향에 대해 부분들이 개별적으로 추적될 수 있기 때문에 자기 부품의 위치 및/또는 방향이 더 잘 결정될 수 있는 본 발명의 이러한 실시예의 달성 가능한 이점이다. 특히, 유리하게, 예컨대, 압력 하에서 구부러지는 니들과 같은 자기 부품의 변화하는 형태가 추적될 수 있다. 또한, 변형된(deformed) 자기 부품 및/또는 부품의 변형 또는 변형의 정도가 더 용이하게 결정될 수 있다.
바람직한 의료기기는 신장(길쭉)(elongate)하고, 즉, 너비보다 적어도 두 배 길다. 더 바람직하게는, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는 길쭉(elongate)하다.
바람직하게는, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는, 더 바람직하게는 전체의 의료기기는, 튜브 형태이다. 더 바람직하게는 자기 부품은 부분적으로 튜브 형태이다. 대안적으로, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 일부 또는 의료 부품은 예컨대, 의료기기가 전기 외과의 기구이면, 예컨대, 로드(rod)와 같은 비-튜브 형태일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 환자의 조직으로 삽입 가능한 의료기기의 적어도 일부는, 더 바람직하게는 전체 의료기기는 캐뉼라이다. 게다가, 캐뉼라는 또한 자기 부품을 구성할 수 있다. 바람직한 캐뉼라는 환자의 조직으로 도입되는 비스듬한(bevelled) 단부를 갖는다.
본 발명은 특히 이러한 캐뉼라들과 함께 유리하게 사용될 수 있고, 이러한 캐뉼라들은 용이하게 구부러지고 따라서 캐뉼라의 삽입된 일부의 위치, 특히 캐뉼라 팁은 US 6,216,029에 개시된 것처럼 니들 가이드의 위치로부터 용이하게 결정되지 않을 수 있다. 하기의 상세한 설명에서 보여지는 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에서 활용되는 모델 필드는 하나가 니들 팁(needle tip)인 오직 2개의 공간-이격된 자기 전하들(two spaced-apart magnetic charges)을 가정한다. 보통의 니들 구부러짐(needle bending)에 대해, 일반적으로 구브러짐이 일어나면, 모델 필드로부터 실제 필드의 편차(deviation)들은 상대적으로 작은 것으로 발견되고, 따라서 상기 모델은 니들이 구부러지더라도 니들 팁의 위치를 추정하기 위해 기꺼이 적용될 수 있다.
본 발명은 부위 마취(regional anaesthesia)를 위한 캐률라와 함께 특히, 유리하게 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 생검 캐뉼라들 또는 예컨대, 부위 마취를 위한 카테터들과 같은 카테터들과 함께 적용될 수 있다. 바람직한 캐뉼라 또는 카테터의 고체 재료는 영구적으로 자화되거나 또는 카테터는 앞서 설명된 것처럼 자기 코팅이 제공된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 캐뉼라 또는 카테터는 솔레노이드 코일이, 바람직하게는 그것의 말단 팁에 제공될 수 있다.
자화 장치(The Magnetization Apparatus)
신장 의료기기를 자화시키기 위한 바람직한 장치는 자화 개구부를 포함한다. 자석은 바람직하게는 신장 의료기기가 개구부를 통과함으로써 신장 의료기기(8)를 자화시키기 위해 자화 개구부의 부근에 배치된다.
바람직하게는 장치 내의 개구부는 신장 의료기기가 개구부를 통해 저장부로부터 인출될 수 있는 저장부 내의 개구부이고, 따라서 신장 의료기기가 저장부로부터 제거될 때 신장 의료기기는 자화된다. 바람직하게는, 신장 의료기기들이 저장부에 저장되는 동안 신장 의료기기들은 저장부와는 상이한 살균 패키징 내에 보관된다. 신장 의료기기들은 자화되는 동안 이러한 패키징 내에서 남아있다.
바람직한 신장 의료기기는 캐뉼라, 로드 또는 니들이다. 바람직한 저장부는 하나 이상의 신장 의료기기를 동시에 보유할 수 있다.
자석은 바람직하게는, 예컨대, 솔레노이드, 더 바람직하게는 고리-형태의 솔레노이드 전자석과 같은 전자석일 수 있다. 대안적으로, 자석은 전자석일 수 있다. 자화 디바이스는 삽입된 의료기기를 균일하게 자화시키거나 또는 신장된 의료 물체를 따르는 자화된 패턴을 기록하기 위해 설계될 수 있다. 이는, 예컨대, 앞서 논의된 것처럼 도큐멘테이션 목적들을 위해 사용되는 의료 물체를 식별하기 위해 유용할 수 있다. 바람직하게는, 신장 의료기기의 길이를 따르는 자화의 변화는 자화 개구부를 통해 진행하는(progress through) 신장 의료기기에 의한 솔레노이드의 자기장 변화에 의해 획득될 수 있다. 자기장의 변화를 제어하기 위해, 신장 의료기기의 진행은 예컨대, 신장 의료기기가 자기 개구부를 통과할 때 신장 의료기기와 접촉하는 측정 롤(roll)에 의해 기록될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자화 디바이스는 자석의 분리된 세그먼트들로 제작된 중공 튜브(hollow tube)이다. 튜브의 상이한 섹션들에 대해 상이한 전류들을 인가함으로써, 자기 패턴은 의료 기구 상에 기입(incribed)될 수 있다.
장치는 자기 검출기 및 신장 의료기기의 정렬을 위한 장치 상의 눈금(marking)들을 제공함으로써 교정 도구로 더 발전될 수 있다. 바람직하게는, 정렬을 위해 자기 검출기는 이미징 프로브에 통합하거나 부착되고 이미징 프로브는 눈금들을 사용하여 신장 의료기기와 정렬된다. 따라서, 자기 검출기는 이미징 프로브를 통해 의료기기와 정렬된다.
눈금들 덕분에, 신장 의료기기 및 자기 검출기는 잘-정의된 상대적 위치 내에 배치될 수 있다. 이로부터, 자기 검출 디바이스의 측정들에 기반하여 신장 의료기기의 특정 파라미터들, 가장 바람직하게는 신장 의료기기의 길이 및 자기 모멘텀은 의료 절자 동안 캐뉼라의 위치 및 방향의 이후의 계산을 용이하게 하기 위해 출력될 수 있다. 사실, 이러한 파라미터들은 앞서 설명된 것처럼 자기계들에 의해 측정된 파라미터들에 대한 모델 적합화를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도식적인 도면들의 도움으로 더 자세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 이미징 프로브, 자기 검출기 및 의료기기를 포함하는 이미징 시스템을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 검출기의 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 베이스 유닛의 블록도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중첩된(superimposed) 캐뉼라의 위치 및 방향을 포함하는 환자의 조직의 이미지들의 3개의 예시들을 도식적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자기 검출기를 도식적으로 나타낸다.
도 6은 도 5에 따른 초음파 이미징 프로브 및 자기 검출기의 시스템을 나타낸다.
도 7은 초음파 이미징 평면의 이미징 평면으로부터의 니들의 거리의 함수로서 도 5 및 도 6의 실시예 내의 절대 그라디언트 필드 세기(absolute gradient field strength)를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 캐뉼라를 자화시키는 자화 장치를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 이미징 프로브, 자기 검출기 및 의료기기를 포함하는 이미징 시스템을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 검출기의 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 베이스 유닛의 블록도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중첩된(superimposed) 캐뉼라의 위치 및 방향을 포함하는 환자의 조직의 이미지들의 3개의 예시들을 도식적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자기 검출기를 도식적으로 나타낸다.
도 6은 도 5에 따른 초음파 이미징 프로브 및 자기 검출기의 시스템을 나타낸다.
도 7은 초음파 이미징 평면의 이미징 평면으로부터의 니들의 거리의 함수로서 도 5 및 도 6의 실시예 내의 절대 그라디언트 필드 세기(absolute gradient field strength)를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 캐뉼라를 자화시키는 자화 장치를 나타낸다.
도 1에 도시된 이미징 시스템(1)은 케이블(3)을 통해 처리 유닛(4)과 연결된 이미징 프로브로서 핸드 헬드 초음파 프로브(2)를 포함한다. 처리 유닛(4)는 초음파 프로브(2)를 구동하고, 즉, 처리 유닛(4)은 전기 신호들을 초음파 펄스들을 생성하기 위해 초음파 프로브(2)로 전송하고 초음파 프로브(2)로부터 수신된 원 데이터를 해석하여 원 데이터를 초음파 프로브(2)를 사용하여 스캔된 환자 조직의 이미지로 구성한다.
또한, 배터리에 의해 동작되는 자기 검출기(5)는 벨크로 패스너(미도시)를 사용하여 초음파 프로브(2)에 부착된다. 자기 검출기(5)가 새로운 초음파 프로브(2)에 부착될 때마다 동일한 잘-정의된 위치 및 방향에 자기 검출기(5)가 배치되는 것을 보장하기 위해 포지셔닝 요소들이 자기 검출기(5) 상에 제공된다.
자기 검출기(5)는 자기계들(14 및 15)(도 1에는 미도시)를 포함하고 무선으로 또는 다른 수단들에 의해 양-방향의 방식으로 베이스 유닛(6)과 연결된다(번개 모양 기호(7)에 의해 지시됨). 이를 위해, 자기 검출기(2) 및 베이스(6) 유닛의 양자에는 무선 트랜스시버들이 제공된다. 트랜스시버들은 예컨대, 블루투스(Bluetooth™) 표준 또는 와이파이(WiFi)(IEEE 802.11) 패밀리 표준들로부터의 표준을 적용할 수 있다. 베이스 유닛(6)은 자기 검출기(2)의 측정들의 정규화된 결과들을 수신하고 이로부터 위치 또는, 몇몇의 실시예들에서는 자기 의료 캐뉼라(8)의 위치 및 방향을 계산한다. 측정 결과들에 따라, 자기 검출기(5)의 배터리의 충전 상태와 같은 추가적인 정보가 자기 검출기(5)로부터 베이스 유닛(6)으로 전송된다. 또한, 구성 정보는 베이스 유닛(6)으로부터 자기 검출기(5)로 전송된다. 베이스 유닛(6)은 그 계산, 즉, 위치 또는 몇몇의 실시예에서는 위치 및 방향 정보를 처리 유닛(4)으로 전달한다. 이러한 목적을 위해, 베이스 유닛(6)은 예컨대, 범용 직렬 버스(USB™) 커넥터, 파이어와이어(FireWire™)(또한 아이링크(iLink™) 또는 IEEE1394 로서 참조됨) 커넥터 또는 썬더볼트(Thunderbolt™)(또한 라이트 피크(Light Peak™)로서 참조됨) 커넥터와 같은 표준화된 직렬 커넥터를 통해 처리 유닛(4)과 연결될 수 있다. 처리 유닛(4)에서, 베이스 유닛(6)으로부터 수신된 정보 및 초음파 이미지는 캐뉼라(8)의 현재 위치가 지시하는 환자의 조직의 이미지를 처리 유닛(4)의 디스플레이 스크린(9) 상에 생성하기 위해 결합된다. 또한, 베이스 유닛(6)은 동일한 연결을 통해 구성 정보 및/또는 처리 유닛(4)으로부터의 캐뉼라(8)의 위치와 관련된 사전 정보를 수신한다.
자기 검출기(5)의 부품들은 도 2의 블록도 내에서 더 상세하게 도식적으로 나타내어진다. 자기 검출기(5)는 마이크로프로세서(11)에 의해 샘플되는 2개 이상(예컨대, 4개)의 자기계(14 및 15)(도 2 내에는 미도시)의 어레이(10)를 포함한다. 마이크로프로세서(11)는 검출기 어레이(10)로부터 획득된 측정 결과들을 정규화하고 이를 안테나(13)를 사용하여 트랜스시버(12)로 전달하고 안테나(13)는 결과적으로 정보를 베이스 유닛(6)으로 전송한다. 이러한 실시예의 개조된 버전에서, 자기 검출기(5)에는 마이크로프로세서(11) 외에 멀티플렉서가 제공되고 정규화는 베이스 유닛(6) 내의 프로세서(18)에 의해 수행된다.
자기계들(14 및 15)의 어레이(10) 내의 각 자기계(14 및 15)는 3개의 선형 독립인 방향들에서 각각의 자기계(14 및 15)의 위치에서의 자기장의 성분들(
, 
, 
)(k는 각각의 자기계를 지시함)를 측정한다.
마이크로 프로세서(11)는 이들 수학식 1에 의해 표현되는 원(raw) 값들을 수학식 2에 의해 표현되는 대응하는 정규화된 값들로 동등한 이득의 소정의 직교 방향들 내에서 자기계로부터 획득된 3개의 값들 ak 를 정규화 행렬 Mk 와 곱하고 정규화 오프셋 벡터 βk 를 더함으로써 수학식 3에 의해 변환한다.
이러한 동일한 변환은 모든 자기계들에 대해 자기계들의 각각의 정규화 행렬을 사용하고 정규화 오프셋 벡터를 더하여 각각의 자기계 대한 결과 bk 가 동일한 이득을 갖는 동일한 직교하는 공간적 방향들 내에서의 자기장의 성분들을 제공하도록 수행된다. 따라서, 동차 자기장 내에서, 모든 자기계들은 정규화 후 동차 자기장의 세기 또는 방향에 관계 없이 항상 동일한 값들을 제공한다. 정규화 행렬들 및 정규화 오프셋 벡터들은 마이크로 컨트롤러와 연관된 메모리 내에 영구적으로 저장된다.
도 3내에서 더 상세하게 도식적으로 나타내어지는 베이스 스테이션(6)은 안테나(17)를 사용하여 그것의 리시버(16)를 통해 자기 검출기(5)로부터 정규화된 위치의 정보를 수신하고 정보를 프로세서(18)로 전달한다. 거기서, 측정들의 정규화된 결과들은 캐뉼러(8)의 위치(또는 위치 및 방향)를 도출하기 위해 조합된다. 이러한 목적을 위해, 값들 bk 는 자기 캐뉼라(8) 및 지구 자기장으로부터 기인하는 조합된 자기장의 모델화에 적합화된다.
이러한 모델 내의 미지의 파라미터들 p 는 초음파 프로브에 대한 캐뉼라의 배치(location) l 이고, 캐뉼라의 길이 및 방향 d , 캐뉼라의 항자기성(magnetic coercivity) m 뿐만 아니라 지구 자기장 E 는 하기의 수학식 4에 의해 표현된다.
미지의 파라미터들은 자기 캐뉼라의 자기장 및 지구 자기장의 모델을 사용하여 획득되고, 수학식 5는 파라미터들 p 의 주어진 세트에서 자기계 k 의 위치에서의 모델에 따른 자기장의 정규화된 성분들을 나타낸다.
당업자에게 알려진 적절한 알고리즘들을 사용함으로써 파라미터들 p 는 실제로 측정되는 수학식 6의 성분들로부터의 모델에 따른 자기장의 성분들의 편차가 최소가 되는 곳에서 획득된다. 적절한 최소화 기법들은 예컨대, 르벤버그-마쿼트(Levenberg-Marquardt) 접근법들뿐만 아니라 그라디언트-하강 알고리즘들일 수 있다. 또한, 칼만(Kalman) 필터 기법들 또는 유사한 반복적인 수단이 최적화와 같은 것을 지속적으로 수행하기 위해 활용될 수 있다.
캐뉼라가 충분히 단단하면, 즉 약간만 구부러질 수 있으면, 캐뉼라는 곧은 중공 실린더로서 근사화될 수 있다. 이러한 실린더의 자기장은 실린더의 단부 평면들, 즉, 캐뉼라의 반대쪽의 단부들에서의 2개의 반원형 고리들, 상에서 고르게 분배되는 반대 쪽의 자기 전하들의 자기장(즉, 반대 쪽의 자기력을 디스플레이하는)과 동등하고, 상기 고리들은 반대의 자기 전하를 갖는다. 캐뉼라의 작은 직경 때문에, 전하들은 캐뉼라의 반대 쪽의 단부들에서의 2개의 자기 점 전하들에 의해 더 근사화될 수 있다. 따라서, 모델에 따른, 벡터 d를 따라 연장하는 캐뉼라의 자기장은 위치 rk 로부터 측정되고 수학식 7에 의해 표현된다.
여기서, rk 및 (|rk+d| 는 벡터들 rk 및 rk+d 의 절대값을 각각 나타낸다. 위치들 rk 는 자기 검출기(5) 내의 자기계들(14 및 15)의 알려진 위치들 및 초음파 프로브(2)에 대한 자기 검출기(5)의 위치의 도움므로 초음파 프로브(2)에 대한 캐뉼라(8)의 배치(location) l 로 변환될 수 있다. 결과적으로, 지구 자기장 E 를 더 고려하려, 모델에 따른 자기장의 성분들은 전부 수학식 8에 의해 표현된다.
많은 알려진 접근법들과는 반대로 상기 모델은 니들의 장을 이중극장(dipole field)으로 가정하지 않음에 유의한다. 이는 일반적으로 니들의 길이에 비해 자기 검출기들이 니들에 너무 가까워서 이중극장을 유효한 근사치로 만들 수 없기 때문에 지나친 단순화(oversimplification)일 수 있다.
자기계들(14 및 15)에 의해 검출된 실제의 값들에 대한 모델 적합화에 의해 획득된 값들은 앞서 설명된 것처럼 나중에 예컨대, USB™ 커넥터와 같은 데이터 인터페이스를 통해, 처리 유닛(4)로 전달된다. 거기에서, 상기 값들은 핸드헬드 초음파 프로브(2)로부터 획득되는 조직의 이미지 상에서 중첩된다. 디스플레이 스크린 상에서 캐뉼라(8)가 시각화되는 방법은 도 4를 참조하여 논의된다. 도 4B는 2D 모드에서 핸드헬드 초음파 프로브(2)에 의해 이미징된 혈관(20)의 횡단면을 나타낸다. 따라서, 혈관(20)는 초음파 프로브(2)의 이미징 평면을 관통한다(cuts through). 또한, 도식적으로, 어떻게 캐뉼라(8)가 이미징 평면에 대한 그 위치에 따라 시각화되는지가 나타내어 진다. 캐뉼라는 또한 캐뉼라의 팁에 대응하는 단부가 선(line)으로서 프로브(2)의 이미징 평면 내에서 항상 시각화되고, 이는 제1 색상(도면들 내의 실선(full line)으로서 지시됨)으로 나타난다. 만약, 반면에, 캐뉼라(8)가 이미징 평면의 외부에 있으면, 이는 상이한 색상으로도 도시되지 않으며, 색상은 캐뉼라(8)가 이미징 평면의 앞(도면들 내에서 파선(22)으로서 지시되는 색상)에 있는지 또는 뒤(도면들 내에서 점선(23)으로서 지시되는 색상)에 있는지에 의존한다. 도면 4A는 캐뉼라(8)가 이미징 평면을 관통할 때를 도시한다. 이러한 경우, 이미징 평면 뒤의 캐뉼라(8)의 섹션은 상기 평면을 관통하는 캐뉼라(8)의 부분과는 상이한 색상으로 도시되고 이미징 평면의 앞에 있는 캐뉼라(8)의 부분에 대해 또한 상이한 색상을 갖는다. 도 4C의 경우는 도 4A의 경우와 캐뉼러(8)이 상기 평면을 상이한 각도로 관통한다는 첨에서만 상이하다. 이미지 평면 외부의 캐뉼라(8)의 섹션들은 이미지 평면 상으로의 수직으로의 투사(projection)들로서 디스플레이 상에 도시된다.
또 다른 실시예에서, 앞서 설명된 것처럼, 전체의 소기의 니들 추적(track)이 이미지 디스플레이 상에 도시된다. 니들의 실제 위치는 니들 추적의 상이한 색상 또는 선 스타일(굵게/파선/기타)에 의해 지시된다. 게다가, 이미징 평면을 관통하는 점은 예컨대, 도 4A에 도시된 원 또는 직사각과 같은 특별한 그래프에 의해 지시될 수 있다. 그래프의 형식 또는 외관은 그 점에서 평면을 관통하는(piercing) 니들의 확률을 나타내기 위해 변경될 수 있고, 즉, 원 대신에 일반적인 타원이 목표 영역(area)를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
자기 검출기의 대안적인 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되었다. 실시예의 제1 변형에서의 이러한 자기 검출기는 하나의 세트(5)의 2개의 자기계들(14 및 15) 만을 포함한다. 실시예의 대안적인 변형에서는 하나 이상의 추가적인 세트들이 초음파 프로브(2) 상의 추가적인 위치(location)들 내에서 제공될 수 있다. 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 내에 배치되는지 이미징 평면의 앞(25)에 배치되는지 또는 이미징 평면(24)의 뒤(26)에 배치되는지를 도출하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 자기계들이 프로브의 세로축(longitudinal axis)에 평행한 선을 따라 배열될 수 있다. 제1 자기계(14)의 정규화된 측정 결과들은 제2 자기계(15)의 검출 결과들로부터 차감될 수 있고, 이로 인해 지구 자기장이 효과적으로 상쇄된다. 니들의 종단에 의해 야기되는 나머지 장 성분은 센서 배열로부터의 멀리 떨어진 곳에서 빠르게 쇠퇴하므로 상기 미분(difference)은 니들 팁의 방향을 본질적으로 지시한다. 따라서, 센서는 본질적으로 오직 니들 팁 만을 "식별(see)"한다. 측정된 장 차이의 크기를 통해 상대적인 거리가 추론될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 자기계들(14 및 15)는 프로브의 세로축에 대해 수직으로 배열된다. 따라서, 획득되는 차는 본질적으로 자기 캐뉼러(8)에 의해 생성되는 자기장의 그라디언트이다. 그라디언트의 크기를 분석함으로써 센서로부터 캐뉼라의 상대적인 거리가 설명(elucidate)될 수 있다. 그라디언트의 방향을 분석함으로써 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 상의 앞(25)에 있는지 또는 뒤(26)에 있는지가 설명될 수 있다.
도 7은 이미징 평면(24)에 평행하게 연장하는 거리(Y)(임의의 단위)에서 캐뉼라(8)의 절대 그라디언트 필드 세기(G) (임의의 단위)를 나타낸다. 도시된 것처럼, 그라디언트 필드 세기(G)는 거리(Y)가 0과 동등, 즉, 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 내에 있으면 최소 값을 갖는다. 반면에, 그라디언트 필드 세기(G)가 특정한 임계 값이 되면, 캐뉼라(8)는 이미징 평면(24)의 외부에 있는 것으로 가정될 수 있다. 이러한 경우, 그라디언트 필드의 방향은 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24)의 앞(25)에 있는지 또는 뒤(26)에 있는지를 나타낸다(도 7에서는 단지 필드의 절대값 만을 도시하므로 이는 도시되지 않음). 따라서, 이러한 단순한 셋업은 니들의 정확한 배치 및 위치가 지시될 수 없더라도 예컨대, 처리 디바이스의 스크린 상에 디스플레이되는 초음파 이미지 상에 " * "(평면 내에), " => "(이미징 평면의 앞에) 또는 " <= "(이미징 평면의 뒤에)와 같은 신호(cue)들을 중첩하기 위해 사용될 수 있다.
마지막으로, 도 8은 본 발명에 따른 캐뉼라(8)를 자화시키기 위한 장치(27)를 나타낸다. 박스-형태의 장치의 내부는 다수의 캐뉼라(8)를 보유하기 위한 저장부(미도시)이고, 각 캐뉼라(8)는 패키징(28)의 분리된 살균 필름 내에 둘러싸인다(enclosed). 장치(27)는 또한 그들의 필름 패키징(28)을 포함하는 개별적인 캐뉼라(8)가 저장부로부터 제거될 수 있는 둥근 개구부(29)를 더 포함한다. 내부에서, 개구부는 고리-형태의 솔레노이드 전자석(미도시)에 의해 둘러싸인다(surrounded). 전자석은 장치에 부착된 파워 서플라이(미도시)에 의해 전원이 공급된다. 파워 서플라이 상의 스위치는 전자석에 전기를 공급하고 따라서 자기장을 발생시킨다. 그 다음으로, 캐뉼라(8)가 개구부를 통해 박스로부터 제거되면, 캐뉼라(8)는 동시에 자화된다. 전자석의 전류의 적절한 변조는 니들이 저장부로부터 인출됨으로써 코드된 자화를 허용할 것이다.
대안적으로, 개구부는 한 번에(in one step) 의료기기로 자화 코드를 임프린팅하는 것을 허용하는 분리된 자화 코일들로 구성된 중공 실린더의 일면일 수 있다.
그 다음으로, 여전히 투명 살균 필름 패키징(28)에 둘러싸인, 캐뉼라(8)의 자기 모멘트 및 길이를 측정하기 위해, 캐뉼라(8)는 장치(27) 상의 선-형태의 눈금(30) 상에 배치된다. 부착된 자기 검출기(5) 내의 초음파 프로브(2)는 장치(27) 상의 또 다른, 박스-형태의, 눈금(31) 상에 배치된다. 이것으로부터, 자기 검출 디바이스(5) 및 캐뉼라(8)의 상대적인 위치 및 방향이 알려짐으로써, 자기 모멘트 및 캐뉼라의 길이는 정규화 후 자기계들(14 및15)의 측정들로부터 용이하게 도출될 수 있다. 이러한 값들은 그 다음으로 의료 절차들 동안 상기-설명된 모델을 사용하여 자기계들의 측정들로부터 캐뉼라(8)의 위치 및 방향을 도출하는 것을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.
상기 기재 내에서 설명된 특징들, 청구범위 및 도면들은 여하한 조합으로 본 발명과 관련된다.
또한, 배터리에 의해 동작되는 자기 검출기(5)는 벨크로 패스너(미도시)를 사용하여 초음파 프로브(2)에 부착된다. 자기 검출기(5)가 새로운 초음파 프로브(2)에 부착될 때마다 동일한 잘-정의된 위치 및 방향에 자기 검출기(5)가 배치되는 것을 보장하기 위해 포지셔닝 요소들이 자기 검출기(5) 상에 제공된다.
자기 검출기(5)는 자기계들(14 및 15)(도 1에는 미도시)를 포함하고 무선으로 또는 다른 수단들에 의해 양-방향의 방식으로 베이스 유닛(6)과 연결된다(번개 모양 기호(7)에 의해 지시됨). 이를 위해, 자기 검출기(2) 및 베이스(6) 유닛의 양자에는 무선 트랜스시버들이 제공된다. 트랜스시버들은 예컨대, 블루투스(Bluetooth™) 표준 또는 와이파이(WiFi)(IEEE 802.11) 패밀리 표준들로부터의 표준을 적용할 수 있다. 베이스 유닛(6)은 자기 검출기(2)의 측정들의 정규화된 결과들을 수신하고 이로부터 위치 또는, 몇몇의 실시예들에서는 자기 의료 캐뉼라(8)의 위치 및 방향을 계산한다. 측정 결과들에 따라, 자기 검출기(5)의 배터리의 충전 상태와 같은 추가적인 정보가 자기 검출기(5)로부터 베이스 유닛(6)으로 전송된다. 또한, 구성 정보는 베이스 유닛(6)으로부터 자기 검출기(5)로 전송된다. 베이스 유닛(6)은 그 계산, 즉, 위치 또는 몇몇의 실시예에서는 위치 및 방향 정보를 처리 유닛(4)으로 전달한다. 이러한 목적을 위해, 베이스 유닛(6)은 예컨대, 범용 직렬 버스(USB™) 커넥터, 파이어와이어(FireWire™)(또한 아이링크(iLink™) 또는 IEEE1394 로서 참조됨) 커넥터 또는 썬더볼트(Thunderbolt™)(또한 라이트 피크(Light Peak™)로서 참조됨) 커넥터와 같은 표준화된 직렬 커넥터를 통해 처리 유닛(4)과 연결될 수 있다. 처리 유닛(4)에서, 베이스 유닛(6)으로부터 수신된 정보 및 초음파 이미지는 캐뉼라(8)의 현재 위치가 지시하는 환자의 조직의 이미지를 처리 유닛(4)의 디스플레이 스크린(9) 상에 생성하기 위해 결합된다. 또한, 베이스 유닛(6)은 동일한 연결을 통해 구성 정보 및/또는 처리 유닛(4)으로부터의 캐뉼라(8)의 위치와 관련된 사전 정보를 수신한다.
자기 검출기(5)의 부품들은 도 2의 블록도 내에서 더 상세하게 도식적으로 나타내어진다. 자기 검출기(5)는 마이크로프로세서(11)에 의해 샘플되는 2개 이상(예컨대, 4개)의 자기계(14 및 15)(도 2 내에는 미도시)의 어레이(10)를 포함한다. 마이크로프로세서(11)는 검출기 어레이(10)로부터 획득된 측정 결과들을 정규화하고 이를 안테나(13)를 사용하여 트랜스시버(12)로 전달하고 안테나(13)는 결과적으로 정보를 베이스 유닛(6)으로 전송한다. 이러한 실시예의 개조된 버전에서, 자기 검출기(5)에는 마이크로프로세서(11) 외에 멀티플렉서가 제공되고 정규화는 베이스 유닛(6) 내의 프로세서(18)에 의해 수행된다.
자기계들(14 및 15)의 어레이(10) 내의 각 자기계(14 및 15)는 3개의 선형 독립인 방향들에서 각각의 자기계(14 및 15)의 위치에서의 자기장의 성분들(
마이크로 프로세서(11)는 이들 수학식 1에 의해 표현되는 원(raw) 값들을 수학식 2에 의해 표현되는 대응하는 정규화된 값들로 동등한 이득의 소정의 직교 방향들 내에서 자기계로부터 획득된 3개의 값들 ak 를 정규화 행렬 Mk 와 곱하고 정규화 오프셋 벡터 βk 를 더함으로써 수학식 3에 의해 변환한다.
이러한 동일한 변환은 모든 자기계들에 대해 자기계들의 각각의 정규화 행렬을 사용하고 정규화 오프셋 벡터를 더하여 각각의 자기계 대한 결과 bk 가 동일한 이득을 갖는 동일한 직교하는 공간적 방향들 내에서의 자기장의 성분들을 제공하도록 수행된다. 따라서, 동차 자기장 내에서, 모든 자기계들은 정규화 후 동차 자기장의 세기 또는 방향에 관계 없이 항상 동일한 값들을 제공한다. 정규화 행렬들 및 정규화 오프셋 벡터들은 마이크로 컨트롤러와 연관된 메모리 내에 영구적으로 저장된다.
도 3내에서 더 상세하게 도식적으로 나타내어지는 베이스 스테이션(6)은 안테나(17)를 사용하여 그것의 리시버(16)를 통해 자기 검출기(5)로부터 정규화된 위치의 정보를 수신하고 정보를 프로세서(18)로 전달한다. 거기서, 측정들의 정규화된 결과들은 캐뉼러(8)의 위치(또는 위치 및 방향)를 도출하기 위해 조합된다. 이러한 목적을 위해, 값들 bk 는 자기 캐뉼라(8) 및 지구 자기장으로부터 기인하는 조합된 자기장의 모델화에 적합화된다.
이러한 모델 내의 미지의 파라미터들 p 는 초음파 프로브에 대한 캐뉼라의 배치(location) l 이고, 캐뉼라의 길이 및 방향 d , 캐뉼라의 항자기성(magnetic coercivity) m 뿐만 아니라 지구 자기장 E 는 하기의 수학식 4에 의해 표현된다.
미지의 파라미터들은 자기 캐뉼라의 자기장 및 지구 자기장의 모델을 사용하여 획득되고, 수학식 5는 파라미터들 p 의 주어진 세트에서 자기계 k 의 위치에서의 모델에 따른 자기장의 정규화된 성분들을 나타낸다.
당업자에게 알려진 적절한 알고리즘들을 사용함으로써 파라미터들 p 는 실제로 측정되는 수학식 6의 성분들로부터의 모델에 따른 자기장의 성분들의 편차가 최소가 되는 곳에서 획득된다. 적절한 최소화 기법들은 예컨대, 르벤버그-마쿼트(Levenberg-Marquardt) 접근법들뿐만 아니라 그라디언트-하강 알고리즘들일 수 있다. 또한, 칼만(Kalman) 필터 기법들 또는 유사한 반복적인 수단이 최적화와 같은 것을 지속적으로 수행하기 위해 활용될 수 있다.
캐뉼라가 충분히 단단하면, 즉 약간만 구부러질 수 있으면, 캐뉼라는 곧은 중공 실린더로서 근사화될 수 있다. 이러한 실린더의 자기장은 실린더의 단부 평면들, 즉, 캐뉼라의 반대쪽의 단부들에서의 2개의 반원형 고리들, 상에서 고르게 분배되는 반대 쪽의 자기 전하들의 자기장(즉, 반대 쪽의 자기력을 디스플레이하는)과 동등하고, 상기 고리들은 반대의 자기 전하를 갖는다. 캐뉼라의 작은 직경 때문에, 전하들은 캐뉼라의 반대 쪽의 단부들에서의 2개의 자기 점 전하들에 의해 더 근사화될 수 있다. 따라서, 모델에 따른, 벡터 d를 따라 연장하는 캐뉼라의 자기장은 위치 rk 로부터 측정되고 수학식 7에 의해 표현된다.
여기서, rk 및 (|rk+d| 는 벡터들 rk 및 rk+d 의 절대값을 각각 나타낸다. 위치들 rk 는 자기 검출기(5) 내의 자기계들(14 및 15)의 알려진 위치들 및 초음파 프로브(2)에 대한 자기 검출기(5)의 위치의 도움므로 초음파 프로브(2)에 대한 캐뉼라(8)의 배치(location) l 로 변환될 수 있다. 결과적으로, 지구 자기장 E 를 더 고려하려, 모델에 따른 자기장의 성분들은 전부 수학식 8에 의해 표현된다.
많은 알려진 접근법들과는 반대로 상기 모델은 니들의 장을 이중극장(dipole field)으로 가정하지 않음에 유의한다. 이는 일반적으로 니들의 길이에 비해 자기 검출기들이 니들에 너무 가까워서 이중극장을 유효한 근사치로 만들 수 없기 때문에 지나친 단순화(oversimplification)일 수 있다.
자기계들(14 및 15)에 의해 검출된 실제의 값들에 대한 모델 적합화에 의해 획득된 값들은 앞서 설명된 것처럼 나중에 예컨대, USB™ 커넥터와 같은 데이터 인터페이스를 통해, 처리 유닛(4)로 전달된다. 거기에서, 상기 값들은 핸드헬드 초음파 프로브(2)로부터 획득되는 조직의 이미지 상에서 중첩된다. 디스플레이 스크린 상에서 캐뉼라(8)가 시각화되는 방법은 도 4를 참조하여 논의된다. 도 4B는 2D 모드에서 핸드헬드 초음파 프로브(2)에 의해 이미징된 혈관(20)의 횡단면을 나타낸다. 따라서, 혈관(20)는 초음파 프로브(2)의 이미징 평면을 관통한다(cuts through). 또한, 도식적으로, 어떻게 캐뉼라(8)가 이미징 평면에 대한 그 위치에 따라 시각화되는지가 나타내어 진다. 캐뉼라는 또한 캐뉼라의 팁에 대응하는 단부가 선(line)으로서 프로브(2)의 이미징 평면 내에서 항상 시각화되고, 이는 제1 색상(도면들 내의 실선(full line)으로서 지시됨)으로 나타난다. 만약, 반면에, 캐뉼라(8)가 이미징 평면의 외부에 있으면, 이는 상이한 색상으로도 도시되지 않으며, 색상은 캐뉼라(8)가 이미징 평면의 앞(도면들 내에서 파선(22)으로서 지시되는 색상)에 있는지 또는 뒤(도면들 내에서 점선(23)으로서 지시되는 색상)에 있는지에 의존한다. 도면 4A는 캐뉼라(8)가 이미징 평면을 관통할 때를 도시한다. 이러한 경우, 이미징 평면 뒤의 캐뉼라(8)의 섹션은 상기 평면을 관통하는 캐뉼라(8)의 부분과는 상이한 색상으로 도시되고 이미징 평면의 앞에 있는 캐뉼라(8)의 부분에 대해 또한 상이한 색상을 갖는다. 도 4C의 경우는 도 4A의 경우와 캐뉼러(8)이 상기 평면을 상이한 각도로 관통한다는 첨에서만 상이하다. 이미지 평면 외부의 캐뉼라(8)의 섹션들은 이미지 평면 상으로의 수직으로의 투사(projection)들로서 디스플레이 상에 도시된다.
또 다른 실시예에서, 앞서 설명된 것처럼, 전체의 소기의 니들 추적(track)이 이미지 디스플레이 상에 도시된다. 니들의 실제 위치는 니들 추적의 상이한 색상 또는 선 스타일(굵게/파선/기타)에 의해 지시된다. 게다가, 이미징 평면을 관통하는 점은 예컨대, 도 4A에 도시된 원 또는 직사각과 같은 특별한 그래프에 의해 지시될 수 있다. 그래프의 형식 또는 외관은 그 점에서 평면을 관통하는(piercing) 니들의 확률을 나타내기 위해 변경될 수 있고, 즉, 원 대신에 일반적인 타원이 목표 영역(area)를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
자기 검출기의 대안적인 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되었다. 실시예의 제1 변형에서의 이러한 자기 검출기는 하나의 세트(5)의 2개의 자기계들(14 및 15) 만을 포함한다. 실시예의 대안적인 변형에서는 하나 이상의 추가적인 세트들이 초음파 프로브(2) 상의 추가적인 위치(location)들 내에서 제공될 수 있다. 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 내에 배치되는지 이미징 평면의 앞(25)에 배치되는지 또는 이미징 평면(24)의 뒤(26)에 배치되는지를 도출하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 자기계들이 프로브의 세로축(longitudinal axis)에 평행한 선을 따라 배열될 수 있다. 제1 자기계(14)의 정규화된 측정 결과들은 제2 자기계(15)의 검출 결과들로부터 차감될 수 있고, 이로 인해 지구 자기장이 효과적으로 상쇄된다. 니들의 종단에 의해 야기되는 나머지 장 성분은 센서 배열로부터의 멀리 떨어진 곳에서 빠르게 쇠퇴하므로 상기 미분(difference)은 니들 팁의 방향을 본질적으로 지시한다. 따라서, 센서는 본질적으로 오직 니들 팁 만을 "식별(see)"한다. 측정된 장 차이의 크기를 통해 상대적인 거리가 추론될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 자기계들(14 및 15)는 프로브의 세로축에 대해 수직으로 배열된다. 따라서, 획득되는 차는 본질적으로 자기 캐뉼러(8)에 의해 생성되는 자기장의 그라디언트이다. 그라디언트의 크기를 분석함으로써 센서로부터 캐뉼라의 상대적인 거리가 설명(elucidate)될 수 있다. 그라디언트의 방향을 분석함으로써 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 상의 앞(25)에 있는지 또는 뒤(26)에 있는지가 설명될 수 있다.
도 7은 이미징 평면(24)에 평행하게 연장하는 거리(Y)(임의의 단위)에서 캐뉼라(8)의 절대 그라디언트 필드 세기(G) (임의의 단위)를 나타낸다. 도시된 것처럼, 그라디언트 필드 세기(G)는 거리(Y)가 0과 동등, 즉, 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24) 내에 있으면 최소 값을 갖는다. 반면에, 그라디언트 필드 세기(G)가 특정한 임계 값이 되면, 캐뉼라(8)는 이미징 평면(24)의 외부에 있는 것으로 가정될 수 있다. 이러한 경우, 그라디언트 필드의 방향은 캐뉼라(8)가 이미징 평면(24)의 앞(25)에 있는지 또는 뒤(26)에 있는지를 나타낸다(도 7에서는 단지 필드의 절대값 만을 도시하므로 이는 도시되지 않음). 따라서, 이러한 단순한 셋업은 니들의 정확한 배치 및 위치가 지시될 수 없더라도 예컨대, 처리 디바이스의 스크린 상에 디스플레이되는 초음파 이미지 상에 " * "(평면 내에), " => "(이미징 평면의 앞에) 또는 " <= "(이미징 평면의 뒤에)와 같은 신호(cue)들을 중첩하기 위해 사용될 수 있다.
마지막으로, 도 8은 본 발명에 따른 캐뉼라(8)를 자화시키기 위한 장치(27)를 나타낸다. 박스-형태의 장치의 내부는 다수의 캐뉼라(8)를 보유하기 위한 저장부(미도시)이고, 각 캐뉼라(8)는 패키징(28)의 분리된 살균 필름 내에 둘러싸인다(enclosed). 장치(27)는 또한 그들의 필름 패키징(28)을 포함하는 개별적인 캐뉼라(8)가 저장부로부터 제거될 수 있는 둥근 개구부(29)를 더 포함한다. 내부에서, 개구부는 고리-형태의 솔레노이드 전자석(미도시)에 의해 둘러싸인다(surrounded). 전자석은 장치에 부착된 파워 서플라이(미도시)에 의해 전원이 공급된다. 파워 서플라이 상의 스위치는 전자석에 전기를 공급하고 따라서 자기장을 발생시킨다. 그 다음으로, 캐뉼라(8)가 개구부를 통해 박스로부터 제거되면, 캐뉼라(8)는 동시에 자화된다. 전자석의 전류의 적절한 변조는 니들이 저장부로부터 인출됨으로써 코드된 자화를 허용할 것이다.
대안적으로, 개구부는 한 번에(in one step) 의료기기로 자화 코드를 임프린팅하는 것을 허용하는 분리된 자화 코일들로 구성된 중공 실린더의 일면일 수 있다.
그 다음으로, 여전히 투명 살균 필름 패키징(28)에 둘러싸인, 캐뉼라(8)의 자기 모멘트 및 길이를 측정하기 위해, 캐뉼라(8)는 장치(27) 상의 선-형태의 눈금(30) 상에 배치된다. 부착된 자기 검출기(5) 내의 초음파 프로브(2)는 장치(27) 상의 또 다른, 박스-형태의, 눈금(31) 상에 배치된다. 이것으로부터, 자기 검출 디바이스(5) 및 캐뉼라(8)의 상대적인 위치 및 방향이 알려짐으로써, 자기 모멘트 및 캐뉼라의 길이는 정규화 후 자기계들(14 및15)의 측정들로부터 용이하게 도출될 수 있다. 이러한 값들은 그 다음으로 의료 절차들 동안 상기-설명된 모델을 사용하여 자기계들의 측정들로부터 캐뉼라(8)의 위치 및 방향을 도출하는 것을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.
상기 기재 내에서 설명된 특징들, 청구범위 및 도면들은 여하한 조합으로 본 발명과 관련된다.
Claims (41)
- 프로브 및 자기 검출기를 포함하는 시스템에 의하여, 자기 검출기에 대하여 의료기기의 자화된 신장 부품(magnetized elongate component)의 위치 및 방향 중 적어도 하나에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서,
상기 자화된 신장 부품 및 상기 자기 검출기는 정적 2차 자기장에 대해 서로로부터 독립적으로 이동 가능하고,
상기 방법은,
본질적으로 동시에 상기 자화된 신장 부품의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장의 조합이 존재할 때 상기 자기 검출기와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치 및 제2 위치에서의 자기장의 세기 및 방향 중 적어도 하나의 측정값들을 획득하는 단계 - 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 이격됨 -; 및
상기 정적 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하기 위해, 상기 자화된 신장 부품의 자기장의 모델에 상기 측정값들을 적합화(fit)함으로써, 상기 측정값들을 조합하는 단계
를 포함하고,
상기 모델은,
상기 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나에 관한 상기 정보를 도출하기 위하여 상기 자화된 신장 부품의 자기장을 2개의 공간-이격된 자기 전하들로 모델링하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 중 적어도 하나에서 측정된 상기 자기장의 세기 및 방향 중 적어도 하나를 상기 정적 2차 자기장의 세기 및 방향 중 적어도 하나의 직접적인 추정치로서 사용하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 프로브 및 자기 검출기를 포함하는 시스템에 의하여, 자기 검출기에 대하여 의료기기의 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나에 관한 정보를 획득하는 방법에 있어서,
상기 자화된 신장 부품 및 상기 자기 검출기는 정적 2차 자기장에 대해 서로로부터 독립적으로 이동 가능하고,
상기 방법은,
본질적으로 동시에 상기 자화된 신장 부품의 자기장 및 상기 정적 2차 자기장의 모두가 존재할 때 상기 자기 검출기 내에 포함된 관성 측정 유닛을 사용하여 상기 자기 검출기의 가속도 및 방향 중 적어도 하나 및 상기 자기 검출기와 공간적으로 연관된 적어도 제1 위치에서의 자기장의 세기 및 방향 중 적어도 하나의 측정값들을 획득하는 단계; 및
상기 정적 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하기 위해, 상기 자화된 신장 부품의 자기장의 모델에 상기 측정값들을 적합화(fit)함으로써, 상기 측정값들을 조합하는 단계
를 포함하고,
상기 모델은,
상기 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나에 관한 상기 정보를 도출하기 위하여 상기 자화된 신장 부품의 자기장을 2개의 공간-이격된 자기 전하들로 모델링하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 자기 검출기와 공간적으로 연관된 제2 위치에서의 자기장의 세기 및 방향 중 적어도 하나의 측정값들을 획득하는 단계 - 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 떨어져 있음 -; 및
상기 정적 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하기 위해 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에서의 상기 측정값들을 조합하고, 상기 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나에 관한 상기 정보를 도출하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기 검출기와 공간적으로 연관된 제3 위치에서의 자기장의 측정값을 획득하는 단계 - 상기 제3 위치는 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치로부터 이격됨 -; 및
상기 정적 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하기 위해 상기 측정값들을 조합하고, 상기 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 도출하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기 검출기의 이동에 의한 상기 자기 검출기의 위치 및 방향 중 적어도 하나에서의 변화를 상기 측정값들로부터 획득하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자화된 신장 부품은 개별적인 부분들(individual parts)을 포함하고,
상기 방법은,
상기 자화된 신장 부품의 상기 개별적인 부분들을 상기 부분들의 위치 및 방향에 대하여 개별적으로 추적하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기장의 측정값들을 획득하는 단계는,
상기 제1 위치에서 적어도 2개의 선형 독립인 공간적 방향으로 상기 자기장의 성분들(components)을 측정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 측정값들을 처리를 위하여 베이스 유닛으로 전송하는 단계
를 더 포함하고,
상기 베이스 유닛은 상기 자기 검출기로부터 분리되어 있는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 자기 검출기가 상기 베이스 유닛으로부터 정보를 수신하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기 검출기는 복수의 자기계들을 포함하고,
상기 측정값들을 획득하는 단계는,
상기 자기계들의 각각에 의하여 각각의 위치에서 상기 자기장을 측정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제11항에 있어서,
동차 자기장은 모든 자기계들에서 본질적으로 동일한 측정값들을 산출하도록 상기 자기 검출기의 상기 자기계들을 이득, 오프셋 및 방향에 대하여 교정하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 자기 검출기의 상기 자기계들의 상대적인 공간적 위치들을 획득하기 위하여 비동차 자기장 내에서 상기 자기 검출기의 상기 자기계들을 교정하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기 검출기는 환자의 조직을 이미징하기 위한 이미징 프로브에 통합된 방법. - 제14항에 있어서,
상기 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브를 포함하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 자기 검출기에 의해 생성된 위치-관계된 정보 및 상기 이미징 프로브에 의해 생성된 이미지 정보를 상기 자기 검출기 및 상기 이미징 프로브로부터 각각 베이스 유닛으로 전송하는 단계; 및
상기 위치 및 방향 중 적어도 하나의 정보에 기초하여 의료기기의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직(tissue)의 이미지를 생성하기 위하여 상기 베이스 유닛에서 상기 정보를 조합하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 의료기기의 적어도 일부가 소정의 공간적 평면 내에 위치하는지 여부를 상기 이미지 내에서 지시하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 검출기는 환자의 조직(tissue)을 이미징하기 위한 이미징 프로브에 제거 가능하게 부착 가능한 방법. - 제4항에 있어서,
상기 자기 검출기는 환자의 조직(tissue)을 이미징하기 위한 이미징 프로브에 제거 가능하게 부착 가능한 방법. - 제18항에 있어서,
상기 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브를 포함하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 검출기와 공간적으로 연관된 제3 위치에서의 자기장의 측정값을 획득하는 단계 - 상기 제3 위치는 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치로부터 이격됨 -; 및
상기 정적 2차 자기장의 영향을 계산적으로 제거하기 위해 상기 제1, 제2 및 제3 위치에서의 상기 측정값들을 조합하고, 상기 자화된 신장 부품의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 도출하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 검출기의 이동에 의한 상기 자기 검출기의 위치 및 방향 중 적어도 하나에서의 변화를 상기 측정값들로부터 획득하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자화된 신장 부품은 개별적인 부분들(individual parts)을 포함하고,
상기 방법은,
상기 자화된 신장 부품의 상기 개별적인 부분들을 상기 부분들의 위치 및 방향에 대하여 개별적으로 추적하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기장의 측정값들을 획득하는 단계는,
상기 제1 위치에서 적어도 2개의 선형 독립인 공간적 방향으로 상기 자기장의 성분들(components)을 측정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 측정값들을 처리를 위하여 베이스 유닛으로 전송하는 단계
를 더 포함하고,
상기 베이스 유닛은 상기 자기 검출기로부터 분리되어 있는 방법. - 제26항에 있어서,
상기 자기 검출기가 상기 베이스 유닛으로부터 정보를 수신하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 검출기는 복수의 자기계들을 포함하고,
상기 측정값들을 획득하는 단계는,
상기 자기계들의 각각에 의하여 각각의 위치에서 상기 자기장을 측정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제28항에 있어서,
동차 자기장은 모든 자기계들에서 본질적으로 동일한 측정값들을 산출하도록 상기 자기 검출기의 상기 자기계들을 이득, 오프셋 및 방향에 대하여 교정하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제28항에 있어서,
상기 자기 검출기의 상기 자기계들의 상대적인 공간적 위치들을 획득하기 위하여 비동차 자기장 내에서 상기 자기 검출기의 상기 자기계들을 교정하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 검출기는 환자의 조직을 이미징하기 위한 이미징 프로브에 통합된 방법. - 제31항에 있어서,
상기 이미징 프로브는 초음파 이미징 프로브를 포함하는 방법. - 제31항에 있어서,
상기 자기 검출기에 의해 생성된 위치-관계된 정보 및 상기 이미징 프로브에 의해 생성된 이미지 정보를 상기 자기 검출기 및 상기 이미징 프로브로부터 각각 베이스 유닛으로 전송하는 단계; 및
상기 위치 및 방향 중 적어도 하나의 정보에 기초하여 의료기기의 적어도 일부의 위치가 지시되는 상기 환자의 조직(tissue)의 이미지를 생성하기 위하여 상기 베이스 유닛에서 상기 정보를 조합하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제33항에 있어서,
상기 의료기기의 적어도 일부가 소정의 공간적 평면 내에 위치하는지 여부를 상기 이미지 내에서 지시하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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