KR20210011957A

KR20210011957A - 자기장 구배 로컬화에 의한 수술 정렬

Info

Publication number: KR20210011957A
Application number: KR1020207036163A
Authority: KR
Inventors: 사란쉬 샤르마; 아브히나브 아가왈; 미하일 샤피로; 아지타 엠마미
Original assignee: 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-02-02
Also published as: EP3809987A1; EP3809987A4; WO2019245668A1; US20220346811A1; EP3809987B1; US20190388105A1; CN112312845A; US11399848B2; US11903595B2

Abstract

수술용 네일에 부착된 3 차원 자기 센서는 적용된 단조 자기장 구배에 기초하여 로케이팅된다. 다른 3 차원 자기 센서는 수술용 드릴에 로케이팅된다. 디스플레이는 수술용 드릴과 수술용 네일의 상대적 정렬의 실시간 이미지를 생성하여, 외과의가 뼈 골절들을 회복시킬 수 있게 한다.

Description

자기장 구배 로컬화에 의한 수술 정렬

[0001] 본 출원은, 2018년 6월 21일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/688,235호를 우선권으로 주장하며, 그의 개시내용은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

[0002] 본 개시내용은 자기 센서들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 자기장 구배 로컬화(magnetic field gradient localization)에 의한 수술 정렬에 관한 것이다.

[0003] 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부 도면들은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예들을 예시하고, 예시적인 실시예들의 설명과 함께, 본 개시내용의 원리들 및 구현들을 설명하는 역할을 한다.
[0004] 도 1은 뼈에 있는 네일(nail)을 예시한다.
[0005] 도 2는 ATOMS 디바이스의 통상적인 치수들을 예시한다.
[0006] 도 3은 개략적인 ATOMS 포지셔닝을 예시한다.
[0007] 도 4는 포지셔닝을 위한 예시적인 필드 구배를 예시한다.
[0008] 도 5는 2개의 전력 전달 어레인지먼트들을 예시한다.
[0009] 도 6 내지 도 8은 자기 구배 코일들에 대한 설정을 예시한다.
[0010] 도 9 내지 도 11은 자기장 구배를 예시한다.
[0011] 도 12는 시간 다중화를 예시한다.
[0012] 도 13은 홀 센서를 갖는 예시적인 PCB를 예시한다.
[0013] 도 14는 시뮬레이션 설정을 예시한다.
[0014] 도 15 및 도 16은 예시적인 ASIC 구현을 예시한다.
[0015] 도 17은 PMU 유닛의 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
[0016] 도 18은 RF-웨이크-업 블록 파형들을 도시한다.
[0017] 도 19는 데이터 획득 유닛의 파형들을 도시한다.
[0018] 도 20은 후방산란 변조 파형들을 도시한다.
[0019] 도 21 및 도 22는 예시적인 코일들을 예시한다.
[0020] 도 23 내지 도 25는 시뮬레이션된 필드 구배 플롯들을 예시한다.
[0021] 도 26 및 도 27은 예시적인 코일들에 대한 시뮬레이션된 및 측정된 필드 값들 사이의 비교를 예시한다.
[0022] 도 28은 시스템 개요를 도시한다.

[0023] 본 개시내용의 제1 양상에서, 시스템이 설명되며, 이 시스템은, 수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 ― 제1 센서는, 제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 제1 자기 센서, 제1 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제1 집적 회로 칩, 및 제1 자기장에 기초하여 제1 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제1 라디오 주파수 코일을 포함함 ― ; 수술 기구에 부착된 제2 센서 ― 제2 센서는, 제2 자기장 값을 검출하도록 구성된 제2 자기 센서, 및 제2 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제2 집적 회로 칩을 포함함 ― ; 및 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하도록 구성된 복수의 코일들을 포함하며, 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 갖는다.

[0024] 본 개시내용의 제2 양상에서, 시스템이 설명되며, 시스템은, 수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 ― 제1 센서는, 제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 자기 센서, 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 집적 회로 칩, 및 제1 자기장에 기초하여 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 라디오 주파수 코일을 포함함 ― ; 수술 기구; 제1 센서에 대한 수술 기구의 위치를 감지하도록 구성된 제2 센서; 및 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하도록 구성된 복수의 코일들을 포함하고, 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 갖는다.

[0025] 본 개시내용의 제3 양상에서, 방법이 설명되며, 이 방법은, 수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 및 수술 기구에 부착된 제2 센서를 포함하는 시스템을 제공하는 단계 ― 제1 센서는, 제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 제1 자기 센서, 제1 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제1 집적 회로 칩, 및 제1 자기장에 기초하여 제1 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제1 라디오 주파수 코일을 포함하며, 제2 센서는, 제2 자기장 값을 검출하도록 구성된 제2 자기 센서, 및 제2 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제2 집적 회로 칩을 포함함 ― ; 복수의 코일들에 의해, 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하는 단계 ― 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 가짐 ― ; 제1 센서에 의해, 자기장 구배에 기초하여 제1 센서의 제1 위치를 감지하는 단계; 제2 센서에 의해, 자기장 구배에 기초하여 제2 센서의 제2 위치를 감지하는 단계; 디스플레이 상에, 제1 및 제2 위치들, 및 제1 위치와 제2 위치 사이의 상대적 정렬을 디스플레이하는 단계; 및 디스플레이된 상대적 정렬에 기초하여 수술 기구를 정렬하는 단계를 포함한다.

[0026] 본 개시내용의 제4 양상에서, 방법이 설명되며, 이 방법은, 수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서; 수술 기구; 및 제1 센서에 대한 수술 기구의 위치를 감지하도록 구성된 제2 센서를 포함하는 시스템을 제공하는 단계 ― 제1 센서는, 제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 자기 센서, 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 집적 회로 칩, 및 제1 자기장에 기초하여 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 라디오 주파수 코일을 포함함 ― ; 복수의 코일들에 의해, 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하는 단계 ― 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 가짐 ― ; 제1 센서에 의해, 자기장 구배에 기초하여 제1 센서의 제1 위치를 감지하는 단계; 제2 센서에 의해, 제1 센서에 대한 수술 기구의 위치를 감지하는 단계; 디스플레이 상에, 제1 및 제2 위치들, 및 제1 위치와 제2 위치 사이의 상대적 정렬을 디스플레이하는 단계; 및 디스플레이된 상대적 정렬에 기초하여 수술 기구를 정렬하는 단계를 포함한다.

[0027] 본 개시내용은 골절된 뼈들의 수술 정렬(surgical alignment)에 관한 것이다. 골수내(IM; intramedullary) 네일링(nailing)은 긴 뼈 골절들을 치료하는 프로세스이다. 이는, 골절된 뼈의 뼈속질공간(medullary canal)에 금속성 네일을 삽입하는 것에 이어, 네일을 따른 또는 네일 주위의 뼈 조각들의 변위를 방지하도록 나사들을 잠금(locking)하는 것으로 구성된다. 수술용 네일은 나사들을 수용하기 위한 구멍들을 포함한다. 나사들은 뼈 조각들을 통해 네일의 근위 및 원위 구멍들 내에 삽입된다. 근위 나사 잠금은 네일의 근위 부분에 고정된 기계적 가이드를 사용하여 수행되며, 원위 잠금보다 비교적 더 간단하다. 뼈의 비선형성으로 인해 네일이 뼈속질공간 내에 삽입되는 동안 일반적으로 변형되기 때문에, 이러한 가이드의 사용은 원위 잠금의 경우에는 가능하지 않다. 이 변형은 네일의 축으로부터 10mm만큼 높을 수 있다. 따라서, 원위 잠금은 대퇴골 및 경골의 골수내 네일링의 가장 난제시되는 부분이다. 발생할 수 있는 부가적인 위험들 및 합병증들은, 부적절한 고정, 뼈 균열, 피질 벽 침투, 다수의 또는 확대된 나사 구멍들로 인한 뼈 약화, 드릴이 구멍 축과 완벽하게 정렬되지 않은 경우 원위 단편 회전이상(distal fragment mal-rotation)을 포함한다.

[0028] 원위 구멍들을 로케이팅하기 위해, 다양한 방법들이 제안되었고 외과의들에 의해 전세계적으로 사용된다. 수술용 드릴을 사용하여 구멍 축이 결정되고 형광 투시 이미징을 통해 정렬이 달성되는 프리핸드 기술(freehand technique)이 가장 빈번하게 사용된다. 형광 투시 디바이스는 각각의 원위 구멍에 수직으로 포지셔닝되어서, 그것이 화면 상에 완벽히 원형으로 나타난다. 이 정렬 절차는 시간이 많이 걸리며 환자와 수술 팀을 높은 조사(irradiation)에 노출시킨다. 외과의의 직접 방사선 노출은 3.1 분 내지 31.4 분까지 다양하며, 원위 잠금 그 자체가 네일링 수술 당 총 조사 중 31 % 내지 51 %를 야기한다. 더욱이, 프리핸드 기술은 외과의와 X-선 기술자 둘 모두의 전문지식을 요구하며; 이는 느린 학습 곡선을 갖고, 그것은 이미지 증강기(image intensifier)에 매우 의존적이다.

[0029] 원위 잠금 동안 조사를 최소화하거나 완전히 제거하는 다양한 다른 방법들이 제안되었다. 이들은 휴대용(hand held) 타겟팅 디바이스들 및 방사선 투과성 드릴 가이드들, 레이저-안내 시스템들, 컴퓨터-보조 시스템들, 이미지 증강기 장착 타겟팅 디바이스들, 근위 장착 원위 잠금 디바이스들 및 전자기장 추적 기술을 포함한다. 이러한 근위 장착 타겟팅 디바이스들은 그의 조준 암들이 삽입 동안 야기되는 네일의 상당한 변형을 보상하지 않기 때문에 실패한다. 다른 방법들은 훨씬 더 복잡하며, 그의 성공적인 사용은 외과의사 및 의료진에 대한 상당한 학습 곡선을 요구한다. 더욱이, 컴퓨팅 시스템, 로봇 암, CT(computed tomography) 이미지들, 정교한 하드웨어 및 소프트웨어와 같은 부가적인 요건들은, 이러한 기획(proposition)들을 광범위하게 구현하는 데 비용이 많이 들게 한다. 이러한 이유들로, 가장 익숙한 방법은 그것의 모든 제한들에도 불구하고 프리핸드 기술로 남아있다. 그러나 IM 네일들의 원위 잠금에서 방사선 노출이 제한되거나 전혀 없는 대안적인 기술들에 대한 명확한 필요성이 존재한다.

[0030] 본 개시내용은 IM 네일링 프로세스에서 형광 투시 이미징을 제거하는 데 사용될 수 있는 완전히 이식 가능한 무선 전자 디바이스의 설계를 설명하고, 원위 잠금 동안 정확한 이미지들을 얻기 위한 지속적인 모니터링이 더 이상 요구되지 않을 것이므로 현재 수술 시간을 또한 감소시킨다.

[0031] 본 개시내용은 자기장 구배가 무선 전자 디바이스에 걸쳐 적용될 때 정확한 3D 포지션 정보를 제공할 수 있는 무선 전자 디바이스를 설명한다. 이 디바이스는 Addressable Transmitters Operated as Magnetic Spins으로서 지칭되며, 이는 ATOMS로서 축약된다. 디바이스는 도 1에 도시된 바와 같이 원위 구멍 바로 옆의 IM 네일 상에 배치될 수 있다. 도 1은 네일(110)에 부착된 ATOMS 디바이스(105), 및 네일의 구멍들 내에 삽입된 2개의 나사들(115)을 예시한다.

[0032] 3D 자기장 구배는 원위 네일 포지션에 걸쳐 적용된다. ATOMS에 통합된 3D 자기 센서는 그의 위치에서 자기장을 감지하고 대응하는 값을 송신한다. 이 값은 외부에서 적용된 구배에 매핑될 때, 센서의 정확한 포지션을 제공한다. 개략적인 작동 원리는 도 4에서 도시된다. 도 4는 ATOMS(410)에 의해 감지되는 뼈에 걸쳐 변동되는 값을 갖는 예시적인 자기장 구배(405)를 예시한다. 예컨대, 수술 테이블 상에서 환자의 다리 아래에 코일들이 배치되어, 다리의 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성할 수 있다.

[0033] 도 2는 네일의 구멍(210)과 비교하여 ATOMS 디바이스의 통상적인 치수들을 도시한다. 본 개시내용은 ATOMS로부터 정확한 3D 내비게이션 데이터를 어떻게 제공하는지를 설명하여, 외과의가 원위 구멍의 포지션을 갖는 것과 등가의 3D 공간에서의 그것의 포지션에 관한 완전한 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다. 잠금 나사를 삽입하기 위해 뼈에 초기 개구를 생성하는 데 사용되는 드릴 비트(drill bit)는 타겟팅된 구멍의 축이 드릴 비트의 축과 매칭하는 방식으로 구멍의 올바른 포지션으로 정확하게 내비게이팅된다(navigated). 완벽한 정렬을 보장하기 위해, 다른 동일한 ATOMS가 드릴링 축을 따라 드릴 비트에 설치된다. 그 후, 목표는 ATOMS 디바이스들 둘 모두의 실시간 포지션을 컴퓨터 화면 상에 디스플레이함으로써 둘이 서로 완전히 정렬되게 하는 것이다.

[0034] 도 3은 수술 동안 사용될 2개의 ATOMS(305,310), 드릴 및 컴퓨터 화면의 개요를 도시하며, ATOMS 1(305)은 인체 내부에 로케이팅되고, ATOMS 2(310)는 드릴 상에 있다. 둘 모두의 3D 위치가 컴퓨터 화면(315) 상에 디스플레이된다. 도 28은 네일(2805), 자기 구배 베드(2815), 드릴 비트(2810) 및 컴퓨터 디스플레이(2820)를 포함하는 시스템 개요를 예시한다.

[0035] ATOMS 센서는 다음 컴포넌트들: 3D 자기 홀 센서; IC(integrated circuit) 칩; 전원; 및 RC(radiofrequency) 코일을 포함할 수 있다. 3D 자기 홀 센서는 ATOMS의 위치에서 자기장을 감지하는 데 사용된다. 포지션들과 자기장 값들 간의 일대일 매핑을 허용하도록 모든 관심 포인트들에서 고유한 필드 값들을 갖게 함으로써 포지셔닝이 이루어진다. 센서 출력은 추가의 프로세싱을 위해 IC 칩에 제공되는 디지털 필드 값이다. 양호한 공간 분해능을 갖기 위해, 고분해능 3D 자기 홀 센서가 사용되어서, 요구된 자기장 구배들은 허용 가능한 범위 내에서 유지된다.

[0036] IC 칩은 무선 통신을 위해 선택된 표준을 통한 데이터 값들의 송신을 위한 회로를 포함한다. 여기서 난제는 통신이 전력 효율적인 방식으로 행해지는 것을 보장하는 것이다. 따라서, 저전력 애플리케이션들의 무선 데이터 통신을 위한 기술인 후방산란을 통해 데이터 전송(data telemetry)이 수행될 수 있다. 또한, 이 칩은 불필요한 전력 손실을 초래하지 않도록, 타이밍 생성을 수행하여, 시간 다중화된 방식의 데이터 측정들을 허용한다. 시간 다중화는 IC 칩에 의해 생성되는 ATOMS의 다양한 컴포넌트들에 대한 웨이크 업(wake up) 및 슬립(sleep) 신호들을 요구한다.

[0037] 전원은 도 5에 예시된 바와 같이 무선 전력 전달뿐만 아니라 배터리-기반 솔루션들을 사용할 수 있다. 도 5의 예에서, RF 코일(515)은 ATOMS 주변에 존재하며, 배터리, 자기 센서 및 IC 칩이 ATOMS의 내부 영역에 있어 전체 볼륨 요건들을 감소시킨다. 10cm의 생물학적 조직 깊이(통상적인 IM 네일 위치)에 대한 무선 전력 전달은 큰 조직 흡수를 수반한다. 따라서, 배터리 기반 전력 공급기는 대안적인 솔루션으로서 간주될 수 있다.

[0038] RF 코일은 후방산란을 통한 무선 통신을 위해 사용될 수 있다. ATOMS 상의 RF 코일은 RF 신호를 감지하고 그 RF 신호를 적절히 변조하여, 필드 값 데이터를 외부 수신기로 전달할 수 있다. RF 코일은 또한 ATOMS로의 무선 전력 전달을 사용할 때 필요하다. 일부 실시예들에서, 무선 전력 전달(WPT; wireless power transfer)은 데이터 송신 동안 턴 오프된다.

[0039] 일부 실시예들에서, 3D 자기 센서는 예컨대, 1.1μT 이상의 높은 자기장 분해능; 예컨대, 평균 10μW 이하의 낮은 전력 소비; 필드들의 3개의 축 컴포넌트들(Bx, By 및 Bz)에서 높은 필드 측정 동적 범위(예컨대, ±35 mT); 각각의 측정 방향에 대해 내장 ADC에 대한 16-비트 데이터 분해능; 낮은 누설 전류(예컨대, 2nA); 선택 가능한 센서 측정 범위 및 감도 세팅을 갖는다. 일부 실시예들에서, 센서는 4-와이어 SPI를 갖는 I²C 버스 인터페이스를 가질 수 있다. 예컨대, 16-핀 QFN 패키지에서 위의 특성들을 가진 상업적으로 입수 가능한 센서는 3.0mm x 3.0 mm x 0.75mm의 치수들을 갖는다. 또한, 온-칩 3D 자기 센서들이 이 애플리케이션을 위해 사용될 수 있는데, 그 이유는 이 어레인지먼트가 시스템을 더 콤팩트하게 만들 수 있기 때문이다. 중요한 특성들은 낮게 될 필요가 있는 센서 전력, 및 비교적 낮은 자기장 구배들로 작동하도록 허용할만큼 충분히 높아야 하는 센서 분해능이다.

[0040] 센서의 공간 분해능(Δx)과 이 분해능을 획득하는데 요구되는 대응하는 자기장 구배(G_x) 간의 기본 관계는, 센서가 정확하게 측정할 수 있는 최소 필드 값(ΔB_min)이 주어지면, 공식(1)에 의해 주어진다:

Δx =(ΔB_min)/G_x (1)

[0041] 공식(1)에서, ΔB_min은 자기 센서의 사양들 및 사용된 ADC의 분해능에 의해 좌우된다. 일부 실시예들에서, 위의 특성들을 갖는 센서의 경우, 이는 1.1μT 내지 3.1μT 이상의 범위에 있다. 100μm 초과의 Δx를 획득하기 위해, 센서는 최저 센서 분해능에 대해 30 mT/m의 자기장 구배를 요구한다. 요구되는 필드 구배들을 획득하기 위해, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 구배 코일들의 특정 설정이 사용될 수 있다. 도 6은 코일들의 평면도를 예시하는 반면, 도 7은 저면도를 그리고 도 8은 측면도를 예시한다. 도 6은 x 축 코일들(605); y 축 코일들(610); z 축 코일들(615)을 예시한다. 도 7은 x 축 코일들(705); y 축 코일들(710); z 축 코일들(715)을 예시한다. 도 8은 x 축 코일들(805); y 축 코일들(810); z 축 코일들(815)을 예시한다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, y 코일들은 x 코일들의 평면과 평행한 평면에 있고, x 코일들에 대해 90 °만큼 회전되게 배향된다.

[0042] 도 6 내지 도 8을 참조하면, x 축 코일들은 서로에 대해 반대 방향들로 전류를 전달하고, 이에 따라 z 축 자기장 컴포넌트에 대해 x 방향을 따라 자기장 구배를 생성한다. 유사하게, x 축 코일들 아래에 놓인 2개의 y 축 코일들은 서로에 대해 반대 전류들을 전달하며, 이는 z 축 자기장 컴포넌트에 대해 y 방향을 따른 구배를 발생시킨다. z 축 자기장 컴포넌트에 대한 z 방향을 따른 구배는 모두 동일한 방향으로 전류를 전달하는 z 축 코일들의 세트에 의해 생성된다. z 축 코일들에 대한 축방향 자기장의 크기는 z 축을 따라 약해지고, 이에 따라 z 방향을 따른 구배를 생성한다. 생성된 필드 구배들은 도 9 내지 도 11에서 도시된다. 도 9는 x 방향으로 30mT/m의 자기장 구배를 예시한다. 도 10은 y 방향의 자기장 구배를 예시한다. 도 11은 z 방향의 자기장 구배를 예시한다. 이러한 구배 필드들을 생성하는 데 사용되는 현재 밀도들은: x 코일들에 대해 0.54 A/mm², y 코일들에 대해 0.62 A/mm², 그리고 z 코일들에 대해 1.1 A/mm²이다.

[0043] 도 9 및 도 10에서 관찰되는 바와 같이, x 및 y 방향들의 구배들은 각각 x = 0 및 y = 0에서 최대 값을 달성한다. 도 11은 z 방향의 최대 구배가 10cm에서 발생하며 이는 또한 동작 범위의 중심에 놓임을 도시한다. 이 설계는 뼈 내부의 IM 네일 상의 구멍의 위치에 대응하는, 동작 범위의 중앙에서 가장 높은 구배 구역들이 발생하도록 허용한다. 자기장들의 단조 성질(monotonic nature)은 공간의 모든 포인트들과 대응하는 자기장 값들의 고유한 매핑을 보장한다.

[0044] 구배 필드들은 ATOMS 디바이스들(IM 네일 상의 디바이스 및 드릴 상의 디바이스) 둘 모두를 수용할 만큼 충분히 큰 범위를 갖는다. 드릴 상의 ATOMS가 의도된 최종 위치로부터 멀리 떨어져 있을 때, 수술 절차의 초기 페이즈에서 특히 중첩이 유용하다. 도 9 내지 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 설계된 코일 설정은 15cm ― 20cm의 작동 범위를 허용하며, 이는 통상적인 IM 네일링 수술에 대해 충분 그 이상이다. 드릴이 원하는 최종 위치에 근접함에 따라, 분해능이 개선된다. 자기장을 생성하는 코일들은, 예컨대, 부러진 뼈가 다리 안에 있는 경우, 수술실 베드에서 환자의 다리 아래에 배치될 수 있다.

[0045] ATOMS로의 전력 전달은 특히 무선으로 수행되는 경우 난제시될 수 있으므로, 전력 소비를 감소시키는 것이 유용하다. 따라서, 현명한 전력 사용은 모든 각각의 단계에서 유용하며, 이들 중 대부분은 필요할 때만 ATOMS의 개별 컴포넌트들을 턴 온하고, 사용중이지 않을 때 이들을 휴면 또는 슬립 모드로 전환함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 완전한 시스템에 대한 시간 다중화된 접근법은 ATOMS에 의해 요구되는 총 전력을 감소시키는데 유용하다.

[0046] 각각의 방향에서 자기장 구배들의 시간-다중화된 측정들의 시퀀스는 도 12에서 도시된다. x 코일들만이 x 페이즈 동안 스위칭 온되고 y 및 z 페이즈들에 대해서도 마찬가지다. 먼저, 시스템을 슬립 모드로부터 해제하기 위해 웨이크 업 커맨드가 전송된다. 그 후, x 구배 코일들이 턴 온되고 약 2ms(코일들의 전류 스위칭으로 인한 램프-업 시간) 안에 정상 상태 값에 도달할 수 있게 된다. 이 단계 후에, 다음 1ms 안에 필드 측정이 발생하고, 그 후 x 구배 코일들이 턴 오프된다. 스위칭 오프 페이즈는 다른 2ms를 소요하고, 이에 따라 전체 단계는 5ms 만큼 길게 된다. y 및 z 구배 측정들에 대해 동일한 이벤트 세트가 반복된다.

[0047] 임의의 주어진 방향에서 필드 구배를 측정하는 데 요구되는 1ms 시간 윈도우는 자기장 측정들에 대해 사용되는 센서에 의해 좌우된다. 위에서 설명된 센서가 정확한 필드 측정을 하는 데 필요한 보고 시간(reported time)은 약 1ms이고, 이에 따라 구배들이 적어도 그 만큼의 시간 동안 안정적이 될 필요가 있다. 이는 또한, 센서가 x 페이즈에 대해 그리고 그 후, 후속적으로 y 및 z 페이즈들에 대해 요구되는 1ms 시간 윈도우 동안만 턴 온되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 센서의 총 온 시간(on time)은 100ms 시간 프레임에서 3ms이다. x, y 및 z에 대응하는 모든 3개의 측정들이 이루어진 후, 센서 및 코일들은 슬립 커맨드를 통해 다음 85ms 동안 턴 오프된다. 당업자는 위의 파라미터 값들이 예시적인 것이며, 상이한 특성들을 갖는 상이한 센서를 사용하는 경우, 상이한 측정 시간이 사용될 수 있을 것이란 점을 이해할 것이다.

[0048] 측정들 이후, ATOMS는 RF 신호를 통해 데이터 프로세싱 및 필드 값 송신을 수행한다. 이 단계는 업데이트된 컴퓨터 화면(이미지 새로고침(refresh) 페이즈)을 모니터링하는 외과의에게 시각적 피드백을 제공하고, 업데이트된 위치로 드릴을 조작하기에 충분한 시간을 외과의에게 제공한다. 기준과 관련하여 이식된 ATOMS를 포지셔닝하기 위해, 제2 ATOMS는 드릴 상에 로케이팅되며, 그의 포지션은 또한 컴퓨터 화면 상에서 지속적으로 디스플레이된다.

[0049] 완전한 프로세스는 스위칭 시간을 포함하는 구배 스위칭에 대한 듀티 사이클이 코일들 각각에 대해 5 %가 되게 만든다. 일부 실시예들에서, 초당 10번의 이러한 측정들이 수행될 수 있다. 이는 IM 네일링 수술에서 구멍을 로케이팅하는 시간을 단 몇 초로 감소시키며, 이는 IM 네일에서 구멍을 로케이팅하기 위해 연속적인 형광 투시와 함께 몇 분이 걸리는 기존 솔루션들에 비해 큰 이점이다.

[0050] 일부 실시예들에서, 후방산란은 포지션 추적을 위해 외부 디바이스에 측정된 필드 데이터를 무선으로 전송하기 위해 사용된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 이러한 형태의 데이터 송신은 특히 저전력 애플리케이션들에 대해 유용하다. 후방산란 통신 시스템의 2개의 메인 컴포넌트들은 후방산란 송신기 및 판독기이다. 판독기는 후방산란 수신기와 함께 라디오 주파수 소스를 포함한다. RF 신호는 판독기에 의해 생성되는 반면, 후방산란 송신기는 신호를 변조 및 반사하여 그의 데이터를 후방산란 수신기로 송신한다. 변조는 충돌하는 RF 펄스에 대한 응답으로 RF 코일의 유효 임피던스의 변화에 기초하여, 변동되는 펄스 폭을 가진 디지털 신호를 생성한다. 일부 실시예들에서, ATOMS에 대한 RF 소스는 생체 의학 임플란트들을 위해 ISM 대역에 놓이는 13.56MHz에서 동작할 수 있다. 이 주파수에서 조직 흡수는 일반적으로 그러한 애플리케이션들에 대해 사용되는 더 높은 주파수에 비해 훨씬 낮다. 디바이스의 효율을 결정하는 RF 코일의 Q 팩터가 또한 이 주파수에서 높다.

[0051] 드릴에 부착된 ATOMS 디바이스에 대해, 일부 실시예들에서, 디바이스에 유선 연결을 함으로써 무선 전력 전달 및 데이터-후방산란이 완전히 제거될 수 있다. 어쨌든, 드릴 비트는 케이블에 테더링되기 때문에, 무선 매체를 통해 ATOMS 디바이스에 대한 전력 전달 및 데이터 통신을 수행하는 대신, ATOMS 디바이스에 대한 전력 전달 및 데이터 통신을 위한 유선 연결들을 갖는 것이 비교적 더 쉬울 수 있다. 다른 가능성은 드릴의 포지셔닝을 위해 ATOMS 디바이스를 갖는 대신, 드릴의 광학 추적을 수행하는 것이다. 적외선 기반 발광 다이오드들의 사용은 수술 도구들의 광학 추적을 위해 당업자에게 알려져 있다. 역-반사 구체들, 디스크들과 같은 자이로스코프 보조 추적 및 수동 마커들이 또한 그에 대한 잠재적인 후보이다.

[0052] ATOMS는 인체 내부에 이식될 수 있으므로, 생체에 적합한 플라스틱을 사용하여 디바이스를 밀폐 밀봉하는 것이 필수적이다. 일부 실시예들에서, 캡슐화는 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 수행된다. PEEK는 인공 기관, 치과용 제품들 및 인체 내부의 금속 임플란트들에 대한 교체품들에서 널리 사용된다.

[0053] 도 12의 타이밍 시퀀스에 대해, 온-칩 클록이 센서 및 구배 코일들에 대한 시간을 동기화한다. 이 동기화는 3D 자기 센서에 의해 소비되는 10μW의 전력에 비교하면 극히 무시해도 될 정도의 양인 1nW 미만의 총 전력을 소비하는 초 저전력 완화 오실레이터를 구현함으로써 달성될 수 있다. 센서로부터 획득된 자기장 데이터는 후방산란 판독기로부터 나오는 RF 신호를 변조하는 데 사용된다. 변조된 신호는 외부에 로케이팅된 후방산란 수신기에 의해 판독된다. 변조 프로세스는 전력 소비가 많지 않고, 이에 따라 ATOMS의 주요 전력 소비는 3D 자기 센서로부터 발생한다.

[0054] x, y 및 z 축들의 필드 측정에 대해 시간 다중화된 전략을 채택함으로써, 자기 센서에 의해 소비되는 평균 전력은, 그것이 100ms 중 3ms 동안만 온으로 유지되기 때문에 0.3μW이다. 본 개시내용에서 위에서 설명된 바와 같이 다른 회로 블록들은 센서에 비해 무시해도 될 정도의 전력을 소비한다. 따라서, ATOMS의 평균 전력 소비는 약 1μW 미만일 수 있다. 이러한 저전력 요건을 위해, 배터리 기반 솔루션들이 사용될 수 있는데, 그 이유는 이들이 IM 네일링 수술의 지속기간 동안 요구되는 전력을 쉽게 제공할 수 있기 때문이다. 예컨대, 재충전 가능 솔리드 스테이트 베어 다이(rechargeable solid state bare die)가 사용될 수 있다. 그것은 IM 네일링 수술의 통상적인 지속기간인 몇 시간 동안, 이식된 ATOMS에 충분한 5μAh의 용량을 갖는다. 예컨대, 배터리 풋프린트는 1.7mm x 2.25mm x 0.2mm일 수 있으며, 이는 충분히 ATOMS의 치수들 내에 있고 완전한 시스템에 쉽게 통합될 수 있다.

[0055] 3개의 치수들 모두에서 자기장 구배들을 생성하는 데 사용되는 다양한 전류 밀도들에 대해, 코일들의 평균 열 손실은 8W가 될 것으로 예상된다. 코일들의 주어진 볼륨에 대해, 코일들에 대해 구리 금속이 사용된다고 가정하면, 이는 0.1 ° C 미만의 코일 온도의 증가를 야기한다. 이 무시해도 될 정도의 양의 열은 냉각 메커니즘에 대한 제약을 완화하며, 이는 시스템의 전반적인 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 가열 이슈는 코일 설비(coil setup) 아래에 냉각 팬을 배치하고 열 절연체로 완전한 설비를 캡슐화함으로써 해결될 수 있다.

[0056] 도 13은 홀 센서(1305), 및 전력 관리 블록, 및 홀 센서 및 웨이크-업 신호들과의 통신 모듈들을 포함하는 ASIC(application specific integrated circuit) 칩(1310)을 갖는 예시적인 PCB를 예시한다. 3D 자기 홀 센서, ASIC 칩 및 RF 코일들은 모두 10mm x 5mm(ATOMS 디바이스에 대한 통상적인 임플란트 크기)인 PCB(printed circuit board) 상에 장착된다. 센서는 PCB에 납땜되고 그 후 구리 트레이스들을 통해 ASIC에 연결된다. ASIC 그 자체는 금 와이어의 매우 미세한 가닥들을 사용하여 PCB에 와이어 본딩된다. RF 코일들은 모두 PCB 주위에 장착되고 그 후 구리 트레이스들을 통해 ASIC에 연결된다. PCB 뒷면은 코일들로부터 수신된 전력을 저장하는 저장 커패시터들을 포함한다. 이들은, ATOMS 디바이스 동작 동안 가장 전력 소비적 현상이 센서에 의한 자기장 측정이기 때문에 필수적이다. 이는 매우 짧은 시간 프레임 동안 발생하며, 순간적인 RF 전력은 필드 측정을 성공적으로 수행하기에 불충분하다. 따라서, 저장 커패시터들은 RF 코일들로부터 수신된 전력을 저장하며, 이는 그 후 측정 페이즈 동안 사용될 수 있다. 저장 커패시터들이 요구된 값들로 재충전되도록 충분한 시간이 연속 측정들 사이에 제공된다. 표 1은 센서의 개별 컴포넌트들에 대한 일부 예시적인 사양들을 나열한다.

로컬화 분해능	100 μm, 3D
자기 센서 분해능	1.1 μT/LSB (16 비트 출력)
자기 센서 치수들	3mm x 3mm x 0.75mm
배터리 용량	5 μAh
배터리 치수들	1.7mm x 2.25 mm x 0.2mm
ATOMS 치수들	10mm x 5mm
ATOMS 평균 전력 소비	1 μW
캡슐화 바이오플라스틱	PEEK
이미지 새로고침 레이트	초당 10번
데이터 송신을 위한 RF 주파수	13.56 MHz
코일 베트 위의 지원 범위	15cm ― 20cm
총 내비게이션 시간	2 hrs

[0057] RF 코일들을 모델링하여 인간 조직이 있는 데서 1차 및 2차 측 코일들의 인덕턴스들을 계산하는 것이 가능하다. 인간 조직은 각각, 4cm, 2.5cm 및 0.5cm의 깊이를 갖는 근육, 지방 및 피부의 조성물로 모델링될 수 있다. 이 시뮬레이션에서 1차 코일은 피부로부터 3cm 위로 유지되어, 코일들 사이에 총 10cm의 분리를 제공한다. 완전한 시뮬레이션 설정은 도 14에 도시되고 추출된 파라미터들은 표 2에 나열된다.

[0058] 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 인간 조직이 있는 데서 코일들 사이의 커플링 계수는 0.001624이다. 이 값은 임플란트 깊이에서 몇 밀리와트의 전력을 제공할 수 있다. 이 예에서, 센서의 전력 소비는 자기장 센서를 포함한 완전한 ATOMS 디바이스에 대해 1mW가 되도록 제한될 수 있다.

[0059] 일부 실시예들에서, 위에서 논의된 ASIC 칩은 (a) 전력 수신 및 분배; (b) 데이터 수집, 프로세싱 및 방출; 및 (c) 외부에서 송신된 RF 신호에 의해 트리거 될 때의 웨이크 업을 담당한다. 이러한 3개의 작업들을 수행하기 위해, ASIC 칩은 이하 설명되고 도 15에 예시된 바와 같은 3개의 주요 컴포넌트들: 전력 관리 유닛, RF 웨이크 업 모듈 및 데이터 획득 유닛을 갖는다.

[0060] 전력 관리 유닛(PMU; power management unit)은 전력 요건들을 다룬다. 예컨대, 13.56MHz에서 무선으로 전송되는 RF 전력은 PMU 블록의 프런트-엔드를 형성하는 정류기를 사용하여 DC 전력으로 변환된다. 수신되는 전력은 1차 및 2차 코일들 사이의 거리 및 정렬에 의존하기 때문에, 이는 IM 네일링 수술 동안 변동될 것으로 예상된다. 이 전력 변동은 분리가 감소할 때 훨씬 더 높은 전압이 2차 코일에서 유도되게 할 수 있으며, 이는 결국 전체 회로를 손상시킬 수 있다. 유도된 전압이 안전한 범위에서 유지되게 하기 위해, 전압 제한기들이 PMU에서 사용된다.

[0061] 후속 회로 블록들 및 센서는 일반적으로, 올바르게 작동하기 위해 더 높은 전압들을 필요로 하기 때문에, 정류된 전압(통상적으로 0.6V)이 부스트 업(boost up)되어야 할 필요가 있을 수 있다. 전압 부스트는 전하 펌프 회로에 의해 달성될 수 있으며, 이는 예컨대, 정류된 전압을 4배만큼 부스트할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전하 펌프 출력 전압은 그 후 레귤레이터들에 공급되어, 3개의 안정되고 레귤레이팅된 전압들(1520)을 생성한다 : (a) VDD_S는 2.4V이고 센서에 대한 공급 전압으로서 사용되고; (b) VDD_A는 1V이며 ASIC의 아날로그 회로 블록들에 대한 공급 전압으로서 사용되고; (c) VDD_D는 0.5V이며 ASIC의 디지털 회로 블록들에 대한 공급 전압으로서 사용된다. 이러한 공급 전압들을 생성하기 위해, 바이어스 전압 생성기들 및 전류 생성기들과 같은 다른 회로 블록들이 사용될 수 있다. 표 2는 코일 파라미터들을 나열한다.

파라미터	1차 코일	2차 코일
인덕턴스	43.457μH	11.797μH
품질 팩터	272K	97.9
저항	13.6mΩ	10.266Ω
단면	5mm x 5mm	0.1mm x 0.1mm
영역	24cm 직경	4.6mm x 12mm
커플링 계수	0.001624

[0062] 위에서 언급된 바와 같이, RF 코일들은 2개의 기능들: WPT 및 데이터 통신을 서빙할 수 있다. 정류된 전압을 전하 펌프에 연결하는 후방산란 변조 스위치는 2개의 기능들 중 어느 것이 발생할지를 제어한다. 일반적으로, 온(ON) 모드에서, 스위치는 전력이 전하 펌프로 전달될 수 있게 하고, 이에 따라 WPT를 용이하게 한다. 오프(OFF) 모드에서, 스위치는 전하 펌프를 연결 해제하고 코일 상의 RF 신호를 변조하여 데이터를 외부 수신기로 후방산란시킨다.

[0063] 웨이크-업 신호에 대해, 일부 실시예들에서, 17kHz 펄스로 진폭 변조된 13.56MHz RF 신호를 ASIC 칩에 송신하는 것이 가능하다. RF 반송파로부터의 웨이크-업 신호를 디코딩하기 위해, 엔벨로프 검출기는 먼저, 신호로부터 13.56MHz 주파수 컴포넌트를 제거하여, 그의 출력에서 17kHz 펄스를 획득한다. 이 펄스는 후속 스테이지들에서 추가로 프로세싱 및 복조된다. 리셋 신호들은 또한 웨이크 업 펄스와 유사한 방식으로 ASIC에 송신되기 때문에, 디지털 블록은 리셋 신호로부터 웨이크 업 펄스를 구별하는 데 사용된다. 그 후, 디지털 블록의 출력은 센서에 의한 자기장 측정을 개시하기 위한 웨이크-업 신호로서, 또는 센서 인터페이스 블록 및 센서를 리셋하는 리셋 신호로서 사용된다.

[0064] 센서는 그의 동작을 위해 필요한 커맨드들을 전송하는 데이터 획득 유닛에 의해 제어된다. 센서는 ASIC 상의 I2C 인터페이스에 직접 연결되며, 이는 당업자에게 알려진 데이터 전달을 위한 표준 I2C 프로토콜을 따른다. 이 디지털 모듈은 데이터 및 클록 신호들을 센서에 제공하고 프로토콜에 따라 이들 둘 모두를 제어한다. 100kHz I2C 클록은 링-오실레이터를 사용하여 ASIC 상에서 생성된다. 데이터 라인은 양방향이며 센서로부터의 신호들을 전송 및 수신하는데 사용된다. 이 유닛의 센서 인터페이스 모듈은 웨이크-업 신호가 수신될 때만 I2C 인터페이스 모듈을 활성화함으로써 I2C 인터페이스 모듈을 제어한다. 그것은 또한, 측정이 완료된 후 I2C 인터페이스 모듈로부터 데이터를 수집한다. 그 후, 이 데이터는 송신 페이즈에서 코일들에 걸쳐 RF 신호를 변조하는 후방산란 스위치를 제어하는 데 사용된다.

[0065] 일부 실시예들에서, 65 나노미터 CMOS 혼합 신호, 저전력 RF 프로세스로, 완전한 ASIC 칩이 설계될 수 있다. 이 예에서, ASIC 칩의 완전한 레이아웃은 1.5mm x 1mm로 측정되며, 도 16에서 도시된다. 도 16은 제한기들(1605,1615); 정류기(1610); 전하 펌프(1625); 전류 소스(1645); 오실레이터(1640); 밴드 갭 기준(1620); 전압 레귤레이터들(1630); RF 웨이크 업(1635); 레귤레이터(1650); 디지털 프로세싱 블록(1655); I2C 인터페이스(1660); 및 기준 전압 생성기(1665)를 예시한다. 위의 컴포넌트들을 둘러싼 공간은 또한 노이즈 소거 및 디커플링 커패시터들을 수납할 수 있다.

[0066] 도 17은 PMU 유닛의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 최상위 파형들(1705)은 교류 13.56MHz RF 신호로부터 0.6V의 안정적인 DC 전압을 생성하는 정류기에 의한 RF-DC 전력 변환에 대한 것이다. 중간 파형들(1710)은 기준 전압들에 대한 것인 반면, 곡선들(1715)은 3개의 공급 전압들(VDD_S, VDD_A 및 VDD_D)에 대한 것이다.

[0067] 도 18은 RF-웨이크-업 블록 파형들을 도시한다. 최상위 파형(1805)은, 그에 더하여 17kHz 메시지 신호를 갖는 진폭 변조된 RF 반송파(13.56MHz)에 대한 것이다. 이는 중간 파형(1810)에 도시된 바와 같이 반송파로부터 17kHz 메시지 신호를 리트리브하기 위해 복조 및 프로세싱되어야 한다. 마지막 파형(1815)은 디지털 블록의 출력이며, 메시지 신호의 지속기간을 고정된 값으로 매핑한 후 생성된다. 이는 후속 블록들에 대한 웨이크-업 신호로서 사용된다.

[0068] 도 19는 데이터 획득 유닛의 파형들을 도시한다. 이 유닛에서 I2C 인터페이스 블록은 각각 (1905) 및 (1910)으로서 도시된 클록 및 데이터 신호들을 통해 센서에 연결된다. 그 후, 수집된 데이터는 프로세싱을 위해 센서 인터페이스 블록으로 전달된다. 프로세싱된 데이터는 (1915)로서 예시된다. 이는 50kHz의 주파수에서 RF 신호의 진폭을 변조하기 위해 후방산란 스위치로 전송된다. 인에이블 신호는 (1920)로서 예시되고 센서와 ASIC 칩 사이의 데이터 흐름 방향을 제어한다.

[0069] 도 20은 후방산란 변조 파형들을 도시한다. 변조된 신호는 (2005)에서 도시된 바와 같이 RF 코일들에 걸쳐 나타나고 외부 수신기에 의해 수신된다. 변조 신호는 (2010)에서 도시된다. 이 신호가 낮을 때, 정류기는 (2015)에서 도시된 바와 같이 전류 대부분을 소비한다. 반면, 이 신호가 높을 때, 후방산란 스위치는 (2020)에 도시된 바와 같이 거의 모든 전류를 싱크(sink)시키고 RF 신호 상에서 요구된 변조를 생성한다.

[0070] 일부 실시예들에서, 자기장 구배 코일들은 3.1 μT의 주어진 센서 분해능에 대해 100 μm의 공간 분해능을 달성하기 위해 (각각의 방향에서) 30 mT/m의 필드 구배를 생성할 필요가 있다. 도 21 및 도 22에서 도시된 바와 같이 30cm x 30cm x 1cm로 측정되는 코일들을 사용함으로써 구배 코일들의 볼륨을 극적으로 감소시키고 상기의 필드 값들을 획득하는 것이 가능하다. 도 21은 원근법으로 코일들의 평면도를 예시하는 반면, 도 22는 저면도를 예시한다. 이 결과는 각각의 코일 설정에 대한 전류 밀도를 증가시키고 더 높은 전류 값들을 사용함으로써 가능했다.

[0071] 자기장 구배들이 시뮬레이션될 때, 이 예에서, 모든 3개의 차원들에서 30mT/m의 구배를 생성하기 위해 x 코일들은 18A의 전류를 필요로 하고 y 코일들은 20A를 필요로 하며 z 코일들은 13A를 필요로 한다는 것이 관찰된다. 시뮬레이션된 구배 플롯들은 도 23 내지 도 25에서 도시된다. 높은 전류들은 코일들에 대해 심각한 가열 이슈들을 생성할 수 있다. 이 문제를 회피하기 위해, 필드 측정의 시간-다중화가 수행되며, 이는 센서가 측정을 행하는 데 필요한 시간인 1ms 동안만 구배 코일들을 턴 온시키고 안정적인 구배를 생성한다. 100ms의 모든 각각의 시간 프레임에서 약 80ms인 나머지 시간 슬롯에 대해, 대응하는 구배 코일들은 오프이고 가열 효과는 무시해도 될 정도이다. 코일들이 온 상태에 있는 20ms 시간 윈도우는 또한 코일들의 자체-인덕턴스로 인한 전류의 유한한 상승 및 하강 시간을 고려한다.

[0072] 일부 실시예들에서, 코일들은 리츠 와이어(litz wire)로 제조될 수 있다. 리츠 와이어는 표피 효과들 및 근접 손실들을 감소시키는 특수 다중가닥 와이어이다. 와이어는 3D 인쇄된 플라스틱 베이스 상에 감길 수 있다. z 및 x 코일들에 대해 각각 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이, 프로토타입들로서 제조된 예시적인 코일들에 대해 시뮬레이션된(2605, 2705) 및 측정된(2610, 2710) 구배 프로파일들 사이에서 매우 양호한 매칭이 관찰될 수 있다. y 코일들에 대한 구배 프로파일은 x 코일들에 대한 구배 프로파일과 유사했다. 디바이스들의 자기 센서들은 3개의 직교 축들에서 3개의 필드 컴포넌트들을 검출할 수 있다. 시스템은 예컨대, 뼈 회복을 위한 수술용 네일 및 수술용 드릴에 부착된 제1 및 제2 센서들의 상대적인 정렬 및 위치들을 디스플레이할 수 있다.

[0073] 일부 실시예들에서, 수술 디바이스, 예컨대, 드릴은 ATOMS를 사용하지 않고, 예컨대, 자이로스코프들 또는 광학 위치 포지셔닝을 사용하여 그의 위치를 식별할 수 있는 반면, 네일은 ATOMS를 사용하여 로케이팅된다. 일부 실시예들에서, 수술 디바이스는 그의 데이터를 무선으로 송신하는 것이 아니라, 대신 컴퓨터 또는 디스플레이에 유선으로 연결된다.

[0074] 위에서 기술된 예들은 본 개시내용의 실시예들을 실시 및 사용하는 방법에 대한 완전한 개시내용 및 설명으로서 당업자들에게 제공되며, 발명자/발명자들이 그들의 개시내용으로서 간주하는 것의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

[0075] 당업자에게 명백한, 본원에서 개시된 방법들 및 시스템들을 수행하기 위한 위에서 설명된 모드들의 수정들은 다음 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 출원에서 언급된 모든 특허들 및 간행물들은 본 개시내용이 속하는 당업자들의 기술 레벨들을 나타낸다. 본 개시내용에서 인용된 모든 참고문헌들은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 그 전문이 인용에 의해 포함된 것과 동일한 정도로 인용에 의해 포함된다.

본 개시내용은 특정 방법들 또는 시스템들(이들은 물론 변동될 수 있음)로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본원에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 설명하려는 목적만을 위한 것이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에 이용된 바와 같이, 단수 형태들은, 내용이 명확히 다르게 명시하지 않는 한, 복수의 지시대상들을 포함한다. "복수"라는 용어는 내용이 명확히 다르게 명시하지 않는 한, 둘 이상의 지시대상들을 포함한다. 다르게 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은, 본 개시내용이 속한 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

Claims

수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 ― 상기 제1 센서는,
제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 제1 자기 센서,
상기 제1 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제1 집적 회로 칩, 및
상기 제1 자기장에 기초하여 상기 제1 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제1 라디오 주파수 코일(radiofrequency coil)을 포함함 ― ;
수술 기구에 부착된 제2 센서 ― 상기 제2 센서는,
제2 자기장 값을 검출하도록 구성된 제2 자기 센서, 및
상기 제2 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제2 집적 회로 칩을 포함함 ― ; 및
상기 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배(magnetic field gradient)를 생성하도록 구성된 복수의 코일들을 포함하고,
상기 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 갖는,
시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 센서는 배터리를 더 포함하는,
시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 센서의 상기 제1 라디오 주파수 코일은 추가로, 전력을 무선으로 수신하도록 구성되는,
시스템.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서는 3개의 직교 축에서 3개의 필드 컴포넌트들을 감지하도록 구성된 홀(Hall) 센서들이고, 상기 자기장 구배는 단조적(monotonic)인,
시스템.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 코일들은 적어도,
서로 반대 방향들로 흐르는 전류들을 수용하도록 구성된, 제1 타원형 x 코일 및 제2 타원형 x 코일;
서로 반대 방향들로 흐르는 전류들을 수용하도록 구성된, 제1 타원형 y 코일 및 제2 타원형 y 코일 ― 상기 제1 및 제2 타원형 y 코일들은 상기 제1 및 제2 타원형 x 코일들에 평행한 평면에 놓이고, 상기 제1 및 제2 타원형 x 코일들에 대해 90 ° 회전됨 ― ; 및
z 코일을 포함하는,
시스템.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 센서는 인간 뼈에 삽입될 수술용 네일(surgical nail)에 부착되도록 구성되고, 상기 제2 센서는 수술용 드릴(surgical drill)에 부착되도록 구성되고, 상기 수술 절차는 상기 수술용 드릴 및 상기 수술용 네일의 정렬을 포함하는,
시스템.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 자기 센서들은 적어도 3.1μT의 자기장 분해능, 10μW 미만의 평균 전력 소비 및 각각의 자기장 축 컴포넌트에 대해 ±35mT의 필드 측정 동적 범위를 갖는,
시스템.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기장 구배는 30mT/m인,
시스템.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 집적 회로 칩은 추가로, 상기 제1 자기 센서 및 상기 제1 라디오 주파수 코일에 할당된 전력을 시간 다중화하도록 구성되는,
시스템.
제9 항에 있어서,
상기 제1 집적 회로 칩의 다중화는,
상기 제1 라디오 주파수 코일에 의해 수신된, 상기 제1 자기 센서에 대한 웨이크 업(wake up) 신호;
상기 자기장 구배의 x 컴포넌트를 검출하기 위한 제1 시간 할당;
상기 자기장 구배의 y 컴포넌트를 검출하기 위한 제2 시간 할당;
상기 자기장 구배의 z 컴포넌트를 검출하기 위한 제3 시간 할당;
상기 제1 라디오 주파수 코일을 통한 데이터 송신; 및
상기 제1 자기 센서에 대한 슬립(sleep) 신호를 포함하는,
시스템.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 자기장에 기초하여 상기 제2 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제2 라디오 주파수 코일을 더 포함하는,
시스템.
수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 ― 상기 제1 센서는,
제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 자기 센서,
상기 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 집적 회로 칩, 및
상기 제1 자기장에 기초하여 상기 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 라디오 주파수 코일을 포함함 ― ;
수술 기구;
상기 제1 센서에 대한 상기 수술 기구의 위치를 감지하도록 구성된 제2 센서; 및
상기 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하도록 구성된 복수의 코일들을 포함하고,
상기 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 갖는,
시스템.
제12 항에 있어서,
상기 제2 센서는 상기 수술 기구에 부착된 자이로스코프(gyroscope) 또는 광학 포지셔닝 디바이스를 포함하는,
시스템.
수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서 및 수술 기구에 부착된 제2 센서를 포함하는 시스템을 제공하는 단계 ― 상기 제1 센서는,
제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 제1 자기 센서,
상기 제1 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제1 집적 회로 칩, 및
상기 제1 자기장에 기초하여 상기 제1 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제1 라디오 주파수 코일을 포함하며,
상기 제2 센서는,
제2 자기장 값을 검출하도록 구성된 제2 자기 센서, 및
상기 제2 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제2 집적 회로 칩을 포함함 ― ;
상기 복수의 코일들에 의해, 상기 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하는 단계 ― 상기 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 가짐 ― ;
상기 제1 센서에 의해, 상기 자기장 구배에 기초하여 상기 제1 센서의 제1 위치를 감지하는 단계;
상기 제2 센서에 의해, 상기 자기장 구배에 기초하여 상기 제2 센서의 제2 위치를 감지하는 단계;
디스플레이 상에, 상기 제1 및 제2 위치들, 및 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이의 상대적 정렬을 디스플레이하는 단계; 및
상기 디스플레이된 상대적 정렬에 기초하여 상기 수술 기구를 정렬하는 단계를 포함하는,
방법.
제14 항에 있어서,
상기 제1 센서는 수술용 네일에 부착되고, 상기 제2 센서는 수술용 드릴에 부착되고, 상기 수술 기구를 정렬하는 단계는 상기 수술용 드릴 및 상기 수술용 네일의 정렬을 포함하는,
방법.
제14 항 또는 제15 항에 있어서,
상기 제2 센서는, 상기 제2 자기장에 기초하여 상기 제2 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 제2 라디오 주파수 코일을 더 포함하는,
방법.
수술 절차 동안 환자에 삽입되도록 구성된 제1 센서; 수술 기구; 및 상기 제1 센서에 대한 상기 수술 기구의 위치를 감지하도록 구성된 제2 센서를 포함하는 시스템을 제공하는 단계 ― 상기 제1 센서는,
제1 자기장 값을 검출하도록 구성된 자기 센서,
상기 자기 센서로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된 집적 회로 칩, 및
상기 제1 자기장에 기초하여 상기 집적 회로 칩에 의해 프로세싱된 데이터를 송신하도록 구성된 라디오 주파수 코일을 포함함 ― ;
상기 복수의 코일들에 의해, 상기 수술 절차가 실시되는 볼륨 내에서 자기장 구배를 생성하는 단계 ― 상기 자기장 구배는 각각의 공간 위치에서 고유한 필드 값을 가짐 ― ;
상기 제1 센서에 의해, 상기 자기장 구배에 기초하여 상기 제1 센서의 제1 위치를 감지하는 단계;
상기 제2 센서에 의해, 상기 제1 센서에 대한 상기 수술 기구의 위치를 감지하는 단계;
디스플레이 상에, 상기 제1 및 제2 위치들, 및 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이의 상대적 정렬을 디스플레이하는 단계; 및
상기 디스플레이된 상대적 정렬에 기초하여 상기 수술 기구를 정렬하는 단계를 포함하는,
방법.
제17 항에 있어서,
상기 제2 센서는 상기 수술 기구에 부착된 자이로스코프, 또는 광학 포지셔닝 디바이스를 포함하는,
방법.