PT1421900E

PT1421900E - Sistema de posicionamento com imunidade metálica dinâmica

Info

Publication number: PT1421900E
Application number: PT03257360T
Authority: PT
Inventors: Assaf Govari
Original assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2006-12-29
Also published as: EP1421900A1; AU2003262437A1; ATE341995T1; IL158943A; AU2003262437B2; CA2450195A1; EP1421900B1; CY1106241T1; DE60308979D1; JP2004174244A; DK1421900T3; JP4717341B2; IL158943A0; US7945309B2; US20040102696A1; KR20040045363A; SI1421900T1; ES2272904T3; DE60308979T2; CA2450195C

Description

DESCRIÇÃO "SISTEMA DE POSICIONAMENTO COM IMUNIDADE METÁLICA DINÂMICA"

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se, de uma maneira geral, a um rastreio sem contacto de objectos utilizando um campo magnético, e, especificamente, contrariando o efeito de um objecto de metal móvel que responde ao campo num campo magnético.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Sistemas de localização e rastreio electromagnéticos sem contacto são bem conhecidos da técnica, com um espectro excepcionalmente alargado de aplicações, incluindo tópicos diversos, tais como, pontaria sobre alvos militares, animação por computador e actos médicos de precisão. Por exemplo, a tecnologia de localização electromagnética é largamente utilizada no campo médico durante os actos cirúrgicos, de diagnóstico, terapêuticos e profiláticos que implicam a inserção e movimento de objectos, tais como, instrumentos cirúrgicos, sondas e cateteres no corpo de um doente. Existe a necessidade de proporcionar informação em tempo real para determinar com precisão a localização e a orientação de objectos no interior do corpo do doente, de um modo preferido, sem utilização de imagens de raios X. 1

As Patentes US 5391199 e 5443489 de Ben-Haim descrevem sistemas em que as coordenadas de uma sonda intracorpo são determinadas utilizando um ou mais sensores de campo, tais como, dispositivos de efeito de Hall, bobinas ou outras antenas transportadas pela sonda. Estes sistemas são utilizados para gerar informação de localização tridimensional respeitante à sonda médica ou ao cateter. Uma bobina de sensor é colocada no cateter e gera sinais em resposta a campos magnéticos aplicados exteriormente. Os campos magnéticos são gerados por uma multiplicidade de bobinas de irradiação fixadas a uma estrutura de referência exterior em locais conhecidos afastados uns dos outros. As amplitudes dos sinais gerados em resposta a cada um dos campos das bobinas de irradiação são detectadas e utilizadas para completar a localização da bobina do sensor. Cada bobina de irradiação é, de um modo preferido, accionada por circuitos de accionamento de modo a gerar um campo com uma frequência conhecida, diferente da das outras bobinas de irradiação, de modo a que os sinais gerados pela bobina do sensor possam ser separados por frequências em componentes correspondentes às bobinas de irradiação diferentes. A Publicação da Patente PCT WO 96/05768 de Ben-Haim et al., descreve um sistema que gera informação de posição e orientação a seis dimensões relativa à ponta de um cateter. Este sistema utiliza uma multiplicidade de bobinas de sensor adjacentes a um ponto localizável do cateter, por exemplo, perto da sua extremidade distai, e uma multiplicidade de bobinas de irradiação fixadas numa estrutura de referência exterior. Estas bobinas geram sinais em resposta a campos magnéticos gerados pelas bobinas de irradiação, sinais que permitem o cálculo de seis coordenadas de localização e orientação, de modo a que a 2 posição e a orientação do cateter fiquem conhecidas sem a necessidade de representação por imagens do cateter. A Patente US 6239724 de Doron et al., descreve um sistema telemétrico para proporcionar informação do posicionamento espacial a partir do interior do corpo de um doente. 0 sistema inclui uma unidade de telemetria implantável tendo (a) um primeiro transdutor para conversão de um sinal de potência recebido do exterior do corpo em energia eléctrica para alimentar a unidade de telemetria; (b) um segundo transdutor para receber um sinal de campo de posicionamento que é recebido do exterior do corpo; e (c) um terceiro transdutor para transmissão de um sinal de localização para um ponto fora do corpo em resposta ao sinal do campo de posicionamento. A Patente US 4173228 de Van Steenwyk et al., descreve um dispositivo de localização de cateter baseado na indução de um sinal numa bobina ligada ao cateter e na monitorização da amplitude e da fase do sinal induzido.

As Patentes US 5099845 de Besz et al., e 5325873 de Hirschi et al., descrevem aparelhos e métodos, nos quais um elemento de irradiação é fixado a um cateter, e a posição do cateter é determinada em resposta à energia irradiada a partir do elemento. A Patente US 5425382 de Golden et al., descreve um aparelho e métodos para localização de um cateter no corpo de um doente, fazendo a detecção do gradiente da intensidade do campo magnético estático gerado por um iman fixado ao cateter. 3

As Patentes US 4905698 de Strohl, Jr et al., e 5425367 de Shapiro et al., descrevem aparelhos e métodos em que um campo magnético aplicado induz corrente numa bobina na ponta de um cateter. Com base nestas correntes, é determinada a localização relativa do cateter. A Patente US 5558091 de Acker et al, descreve um sistema magnético para determinação da posição e orientação que utiliza campos uniformes de bobinas Helmholtz posicionadas em lados opostos de campos de determinação do volume e do gradiente gerados pelas mesmas bobinas. Pela monitorização dos componentes do campo detectados numa sonda durante a aplicação destes campos, é deduzida a posição e a orientação da sonda. Uma representação da sonda é sobreposta numa imagem obtida separadamente do objecto para mostrar a posição e a orientação da sonda relativamente ao objecto. A Patente US 5913820 de Bladen et al. , descreve um aparelho para localização da posição de um sensor, de um modo preferido, em três dimensões, gerando campos magnéticos que são detectados pelo sensor. Os campos magnéticos são gerados a partir de uma multiplicidade de localizações e são capazes tanto da orientação como da localização de uma só bobina de sensor a ser determinada.

Sistemas de levantamento electrofisiológico e fisico comerciais baseados na detecção da posição de uma sonda no interior de um corpo estão presentemente disponiveis. Entre eles, CARTO™ desenvolvido e comercializado por Biosense Webster, Inc. (Diamond Bar, Califórnia), é um sistema para associação e levantamento automáticos de actividade eléctrica local com localização de cateter. 4

Sistemas de localização e rastreio electromagnético são susceptíveis de imprecisões quando um metal ou outra peça que responda magneticamente, é introduzida próximo do objecto a ser rastreado. Tais imprecisões ocorrem em virtude dos campos magnéticos gerados nesta vizinhança pelas bobinas de irradiação do sistema de localização serem distorcidos. Por exemplo, os campos magnéticos das bobinas de irradiação podem dar origem a correntes parasitas nesse objecto, e as correntes parasitas causam então campos magnéticos parasitas que reagem com o campo que lhes deu origem. Num ambiente cirúrgico, por exemplo, há uma substancial quantidade de material condutor e permeável, incluindo equipamento básico e auxiliar (mesas de operação, carrinhos, lâmpadas amovíveis, etc.) bem como instrumentos cirúrgicos invasivos (bisturis, cateteres, tesouras, etc.). As correntes parasitas geradas nestes instrumentos e as distorções de campo magnético resultantes podem conduzir a erros na determinação da posição do objecto que está a ser rastreado.

Sabe-se resolver o problema da interferência dos objectos estáticos de metal levando a cabo uma calibragem inicial, na qual é medida a resposta do sistema a uma sonda colocada num número relativamente grande de pontos de interesse. Isto pode ser aceitável para resolver fontes estacionárias de interferência electromagnética, mas não é satisfatório para resolver os problemas de interferência induzidos por objectos metálicos e condutores móveis. A Patente US 6373840 de Govari, com o título "Counteracting Metal Presence In A Magnetic Tracking System", descreve um sistema de rastreio de objectos que compreende uma ou mais bobinas de sensor adjacentes a um ponto localizável de um obj ecto que está a ser rastreado, e uma ou mais bobinas de 5 irradiação, que geram campos de energia alterna compreendendo campos magnéticos, numa vizinhança do objecto quando alimentadas por correntes eléctricas alternas respectivas. Por cada bobina de irradiação, é explorada uma frequência da sua corrente eléctrica alterna através de uma multiplicidade de valores, para que, em qualquer momento especifico, cada bobina de irradiação irradie a uma frequência que é diferente das frequências com as quais as outras bobinas de irradiação irradiam.

As bobinas de sensor geram sinais eléctricos que respondem aos campos magnéticos, sinais que são recebidos por circuitos de processamento de sinais e analisados por um computador ou outro processador. Quando um metal ou outra peça que responda ao campo está na vizinhança do objecto, os sinais incluem, tipicamente, componentes do sinal de posição que respondem aos campos magnéticos gerados pelas bobinas de irradiação nas suas respectivas frequências de excitação instantâneas, e componentes de sinais parasitas que respondem a campos magnéticos parasitas gerados devido à peça. Os componentes parasitas têm, tipicamente, frequências iguais às frequências instantâneas da frequência de excitação, mas têm desvios de fase, para que o efeito em cada bobina de sensor seja para produzir um sinal combinado com uma fase e uma amplitude que estão desviadas relativamente ao sinal quando não está presente a peça que responde ao campo. 0 desvio de fase é uma função da frequência de excitação e assim variará de cada vez que cada frequência é explorada. 0 computador processa o sinal combinado para verificar qual a frequência que produz um desvio de fase minimo, e assim um efeito minimo dos componentes parasitas, sendo esta frequência utilizada para cálculo da posição do objecto. A variação da frequência de excitação até que o desvio de fase 6 seja mínimo é descrita como um método eficaz para reduzir o efeito no sinal das peças que respondem aos campos. A Patente US 6172499 de Ashe descreve um dispositivo para medir a localização e a orientação nos seis graus de liberdade de uma antena de recepção relativamente a uma antena de transmissão utilizando sinais magnéticos de CA de frequência múltipla. 0 componente de transmissão é constituído por duas ou mais antenas de transmissão de localização e orientação conhecidas relativamente uma à outra. As antenas de transmissão são accionadas simultaneamente por excitação por CA, ocupando cada antena uma ou mais posições únicas no espectro de frequências. As antenas de recepção medem o campo magnético de CA transmitido, juntando as distorções causadas por metais condutores. Um computador extrai, então, o componente de distorção e remove-o dos sinais recebidos, providenciando a saída correcta de posição e orientação. A Patente US 6246231 de Ash descreve um método de contenção de fluxo, em que os campos magnéticos dos elementos de transmissão são confinados e dirigidos de novo a partir das áreas onde os objectos condutores normalmente se encontram. A Patente US 5767669 de Hansen et al., descreve um método para retirar as distorções de correntes parasitas produzidas num sistema de rastreio magnético. 0 sistema utiliza campos magnéticos de impulsos provenientes de uma multiplicidade de geradores, e a presença de correntes parasitas é detectada medindo os regimes de alteração de corrente gerados nas bobinas de sensor utilizadas para o rastreio. As correntes parasitas são compensadas pelo ajuste da duração dos impulsos magnéticos. 7

As Patentes US 4945305 e 4849692 de Blood descrevem sistemas de rastreio que ultrapassam os problemas das correntes parasitas utilizando campos magnéticos de CC por impulsos. Sensores que estão em condições de detectar campos de CC são utilizados nos sistemas, e correntes parasitas são detectadas e ajustadas pela utilização das caracteristicas de amortecimento e pelas amplitudes das correntes parasitas. A Patente US 4791412 de Brooks descreve um sistema de vigilância de uma peça utilizando marcadores magnéticos codificados e incluindo uma técnica de processamento de sinal para a redução dos efeitos de objectos grandes de metal na zona de vigilância. A Patente US 6400139 de Khalfin et al., descreve um sistema de rastreio de sonda concebido para operar num ambiente caracterizado pela distorção electromagnética, tal como a que é causada por correntes parasitas. O sistema emprega, pelo menos, um sensor estacionário (um "sensor testemunha") com uma posição e orientação fixas perto ou dentro de um volume de interesse. Um ou mais sensores de sonda são colocados num objecto a ser rastreado dentro do volume, e a saida de cada sensor testemunha é utilizada para calcular os parâmetros de uma fonte electromagnética efectiva não real. Os parâmetros da fonte efectiva são utilizados para cálculo da posição e da orientação medidas por cada sensor de sonda, como se o objecto estivesse num campo electromagnético não distorcido produzido pela fonte ou fontes efectivas.

A Patente US 6369564 de Kalfin et al., descreve um sistema de rastreio de uma sonda concebido para operar num ambiente caracterizado por uma forte distorção electromagnética. O sistema inclui, pelo menos, uma fonte de um campo electromagnético de CA, pelo menos, um sensor testemunha que mede os componentes do vector de indução electromagnética em pontos conhecidos perto ou dentro do volume de interesse, e, pelo menos, um sensor de sonda sem fios colocado no objecto que está a ser rastreado. 0 sensor sem fios tem uma resposta conhecida ou distorção ao campo electromagnético gerado pela fonte principal. Dados dos sensores testemunha são utilizados para localizar o sensor de sonda, tratando o sensor de sonda como fonte secundária de campo electromagnético de CA, ou seja, como um transponder com parâmetros magnéticos conhecidos de inicio. Esta informação é utilizada para definir coordenadas e atitudes da fonte secundária e, por sua vez, a posição e orientação do objecto de interesse. De um modo preferido, o sensor de sonda é um perfil LC sintonizado com a frequência da fonte de rastreio. A Patente US 6226547 de Lockart et al., descreve um sistema de rastreio de cateter que inclui uma multiplicidade de transdutores de campo magnético, em que, pelo menos, um está colocado no cateter e os outros estão localizados no/ou à volta do corpo do doente e que servem como transdutores de referência. Sinais de campo magnético são utilizados para determinar a posição do cateter relativamente aos transdutores de referência. A Patente US 5847976 de Lescourret descreve um método utilizando campos electromagnéticos para rastreio de um sistema móvel que está colocado numa portadora e ligado a um sensor de campo magnético. 0 método inclui a modelação dos campos electromagnéticos em função das coordenadas do sensor, sendo criado um primeiro campo pelo transmissor, sendo criado um segundo campo pelas correntes eléctricas induzidas na portadora 9 pelo primeiro campo e sendo criado um terceiro campo pelas correntes eléctricas induzidas no sistema móvel pelos dois primeiros campos, sendo o efeito magnético de cada campo caracterizado independentemente dos efeitos dos outros campos pelos coeficientes de um seu modelo. 0 método inclui também o cálculo computação em tempo real da posição e da orientação do sensor utilizando uma medição de corrente do campo electromagnético do sensor e utilizando os modelos dos campos, sendo a posição e a orientação do sensor definidas a partir do campo medido a partir do qual o terceiro campo é deduzido. A Patente US 6427079 de Schneider et al., descreve um sistema de determinação de localização remota que utiliza funções Spline de campo magnético para determinação dos parâmetros de localização. Uma técnica de calibragem automática é descrita como compensadora de quaisquer variações no ganho de um sensor e dos componentes relacionados. São descritos métodos para a redução dos efeitos das correntes parasitas envolvendo os objectos condutores. A Patente US 6201987 de Dumoulin descreve um sistema de rastreio que modifica os padrões de correntes aplicados às suas bobinas de transmissão para compensar o efeito das correntes parasitas. A corrente fornecida às bobinas é uma combinação linear da corrente necessária para criar o desejado campo electromagnético na zona de interesse, e um ou mais termos de erro. Estes termos são determinados experimentalmente durante a calibragem do sistema e são matematicamente modelados como um série de funções exponenciais com uma dada amplitude e tempo constantes. Os termos de erro da corrente aplicada às bobinas de transmissão são descritos como anulação dos campos magnéticos criados pelas correntes parasitas na zona de rastreio e tendo 10 como resultado um campo electromagnético real que fica próximo do campo electromagnético ideal desejado. A fidelidade do campo electromagnético é descrita como sendo aumentada também pela redução das correntes parasitas nas estruturas que induzem as correntes parasitas. Isto é conseguido construindo bobinas de protecção que são colocadas entre a bobina de transmissão e as estruturas de indução de correntes parasitas. Estas bobinas de protecção são descritas como criadoras de campos magnéticos de anulação nas estruturas de indução de correntes parasitas sem alterar, substancialmente, os campos magnéticos nas zonas em que o dispositivo invasivo é rastreado. A Patente US 5831260 de Hansen descreve um sistema de localização híbrido, electromagnético e óptico combinado que se destina a diminuir as desvantagens de cada um dos sistemas individuais operando isolados. A Patente US 6122538 de Sliwa, Jr. et al. , descreve sistemas híbridos de posição e orientação utilizando diferentes tipos de sensores incluindo subsistemas de ultra sons, magnéticos, de inclinação, giroscópicos e acelerómetros para dispositivos de rastreio de imagens médicas.

Na técnica anterior, não há método directo, preciso, e em tempo real que enfrente o problema de interferência induzida em sistemas electromagnéticos de localização e rastreio causada pela introdução de peças metálicas não estacionárias ou peças que respondam magneticamente no ambiente de medição. O documento EP-A-1174082 descreve um aparelho sensor de posição do tipo apresentado no preâmbulo da reivindicação 1 anexa. 11

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Constitui um objectivo de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para melhoria da precisão dos sistemas electromagnéticos de localização e rastreio.

Constitui também um objectivo de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para utilização de sistemas electromagnéticos de localização e rastreio sem necessidade de procedimentos iniciais prolongados de calibragem.

Constitui ainda um outro objectivo de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para aumentar a precisão de sistemas electromagnéticos de localização e rastreio sem ter a preocupação da presença de peças metálicas e condutoras móveis no espaço em que as medições estão a ser feitas.

Constitui ainda um outro objectivo de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para permitir que sistemas electromagnéticos de localização e rastreio funcionem com precisão na presença de peças metálicas e condutoras móveis no espaço em que as medições estão a ser feitas, sem olhar à quantidade destas peças, das suas caracteristicas de condutividade, das velocidades, da orientação, da direcção e do periodo de tempo em que as peças estão no referido espaço.

Constitui um objectivo adicional de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para operação de sistemas electromagnéticos de localização e rastreio sem a necessidade de empregar meios para reduzir ou envolver os efeitos causados pelas correntes parasitas induzidas em objectos 12 móveis condutores no espaço em que as medições estão a ser feitas.

Constitui ainda um objectivo adicional de alguns aspectos da presente invenção proporcionar um aparelho para utilização das correntes parasitas produzidas em objectos móveis compreendendo produtos condutores no espaço em que as medições estão a ser feitas para melhorar a precisão dos sistemas electromagnéticos de localização e rastreio.

Um aparelho para localização e rastreio electromagnético compreende uma sonda cuja posição é rastreada num espaço, uma multiplicidade de dispositivos electromagnéticos de irradiação localizados na vizinhança do espaço, uma multiplicidade de elementos de referência fixos cujas posições são conhecidas e uma unidade de controlo preparada para accionar os dispositivos de irradiação e processar sinais vindos da sonda e dos elementos de referência. Quando o objecto de metal ou magnético que responde ao campo, por exemplo, um instrumento cirúrgico, uma lâmpada amovível, um carrinho, etc., é colocado na vizinhança da sonda e dos elementos de referência, os valores do campo magnético gerados pelos sensores de campo da sonda e dos elementos de referência diferem do campo magnético não distorcido, valores que terão sido gerados na ausência do objecto interferente. Para compensar este efeito de interferência, são calculados valores corrigidos do campo magnético dos sensores de campo da sonda utilizando um algoritmo de interpolação cujos valores de entrada incluem os valores de campo magnético medidos dos sensores de campo da sonda, valores de campo magnético medidos de cada elemento de referência, e, para cada elemento de referência, erros dos valores de campo magnético causados pela presença do objecto interferente. Estes 13 valores corrigidos de campo magnético são então utilizados para determinar a posição absoluta da sonda.

Com vantagem, estas formas de realização da presente invenção não necessitam, de um modo geral, de uma calibragem inicial extensa, nem é normalmente necessário empregar meios incómodos para reduzir ou rodear os efeitos causados por correntes parasitas induzidas em objectos condutores não estacionários no espaço.

Também com vantagem, estas formas de realização da presente invenção atingem normalmente o objectivo de rastreio preciso, qualquer que seja o número de objectos metálicos introduzidos no espaço envolvente, as suas caracteristicas de condutividade, as suas velocidades, orientações, direcções e períodos de tempo em que os objectos permanecem no espaço.

Em algumas formas de realização preferidas da presente invenção, uma posição não corrigida da sonda é determinada utilizando valores de campo magnético distorcidos não corrigidos gerados pelos sensores de campo da sonda na presença de um objecto interferente. Esta posição não corrigida é então corrigida utilizando um algoritmo espacial de interpolação. Para compensar o efeito do objecto interferente na sonda, a posição absoluta da sonda é calculada com elevado grau de precisão utilizando um algoritmo espacial de interpolação cujos valores de entrada incluem a posição não corrigida determinada da sonda e desvios de posição determinados dos elementos de referência causados pelo objecto interferente. Para ilustrar o cálculo efectuado nestas formas de realização preferidas para determinar a posição absoluta da sonda, um exemplo simples é mostrado na 14 tabela seguinte, em que a sonda está localizada entre dois elementos de referência.

Medições de Posição (cm) Absoluta Distorcida Calculada Elemento # 1 0,0 0,1 0,0 de referência Sonda - 0,5 0,4 Elemento #2 de 10,0 10,0 10,0 referência

Neste exemplo, as posições absolutas dos elementos de referência são determinados antes de qualquer procedimento. Durante o procedimento, após a introdução de um objecto condutor na vizinhança da sonda e dos elementos de referência, a posição determinada do elemento #1 de referência desvia-se 0,1 cm da sua posição absoluta conhecida na direcção do elemento #2 de referência. Para determinar a posição absoluta da sonda, a sua posição não corrigida é desviada na direcção oposta (para longe do elemento #2 de referência) numa distância aproximadamente igual ao desvio de 0,1 cm experimentado pelo elemento #1 de referência, resultando uma posição calculada de 0,4 cm. Para fins deste exemplo simplificado, assume-se que o objecto condutor tem aproximadamente o mesmo efeito de desvio da sonda que o desvio do elemento #1 de referência devido à sua estreita proximidade mútua. Na prática real, os desvios serão diferentes e serão calculados por interpolação, como descrito a seguir.

Em algumas formas de realização preferidas da presente invenção, a unidade de controlo é acoplada por terminais à 15 sonda, aos elementos de referência e aos elementos de irradiação. Em alternativa, a sonda e/ou os elementos de referência compreendem circuitos que transmitem sinais de rádio que respondem a radiações electromagnéticas geradas pelos elementos de irradiação. É portanto proporcionado, de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção, um aparelho sensor de posição, que inclui: um conjunto de elementos de irradiação que estão adaptados para serem colocados em posições respectivas na vizinhança de um corpo de um objecto e para gerar campos electromagnéticos de energia; um sensor de posição que está adaptado para ser colocado no corpo do objecto e para gerar sinais de sensor que respondem a campos de energia; um ou mais elementos de referência que estão adaptados para serem colocados em posições respectivas na vizinhança do sensor e para gerar sinais de referência que respondem aos campos de energia; e uma unidade de controlo que está adaptada para: determinar para cada um dos elementos de referência os parâmetros de referência não distorcidos respectivos, que respondem às posições dos elementos de referência, receber os sinais de sensor e os sinais de referência, 16 calcular o erro do elemento de referência para cada elemento de referência que responde a uma interacção de uma peça de metal com os campos de energia que respondem a parâmetros de referência não distorcidos do elemento de referência, e respondem ao sinal de referência gerado pelo elemento de referência, e calcular uma posição do sensor que responde aos sinais do sensor e aos erros do elemento de referência.

Pelo menos, um de um ou mais elementos de referência é adaptado para ser colocado numa posição fixa conhecida relativamente ao conjunto de elementos de irradiação durante o funcionamento do aparelho.

De um modo preferido, pelo menos, um de um ou mais elementos de referência, é adaptado para ser colocado fora do corpo do obj ecto.

Em algumas formas de realização preferidas, a unidade de controlo é adaptada para calcular sinais de sensor corrigidos, que respondem a erros do elemento de referência e respondem a sinais de sensores gerados, e para calcular a posição do sensor, que responde aos sinais do sensor corrigidos. De um modo preferido, a unidade de controlo é adaptada para designar o erro do elemento de referência, de, pelo menos, um dos elementos de referência que responde ao valor do campo magnético medido em, pelo menos, um dos elementos de referência, valor que responde à interacção da peça de metal com os campos de energia.

Numa forma de realização preferida, a unidade de controlo é adaptada para calcular o parâmetro de referência não distorcido 17 de, pelo menos, um dos elementos de referência que responde a uma posição relativa de, pelo menos, um dos elementos de referência com respeito ao conjunto de elementos de irradiação. Neste caso, a unidade de controlo é, de um modo preferido, adaptada para realizar o cálculo do parâmetro de referência de forma substancialmente independente da interacção da peça de metal com os campos de energia. Também, de um modo preferido, a unidade de controlo é adaptada para calcular o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos de referência que responde a um cálculo do valor do campo magnético em, pelo menos, um dos elementos de referência, valor que responde à posição relativa de, pelo menos, um dos elementos de referência com respeito ao conjunto de elementos de irradiação.

Numa forma de realização preferida, a unidade de controlo é adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos de referência que responde a uma medida que responde a uma posição relativa de, pelo menos, um dos elementos de referência com respeito ao conjunto de elementos de irradiação. Tipicamente, a unidade de controlo é adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos de referência substancialmente de forma independente da interacção da peça de metal com os campos de energia. A unidade de controlo é, de um modo preferido, adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos de referência que respondem a uma medida do valor do campo magnético em, pelo menos, um dos elementos de referência.

Para algumas aplicações, para, pelo menos, um de um ou mais elementos de referência, a unidade de controlo é adaptada para substancialmente equiparar o parâmetro de referência não 18 distorcido com a posição do elemento de referência. Por exemplo, a unidade de controlo pode ser adaptada para indicar o erro do elemento de referência de, pelo menos, um de um ou mais elementos de referência para ser um desvio espacial aparente do elemento de referência que responde à interacção da peça de metal com os campos de energia.

Numa forma de realização preferida, um ou mais elementos de referência incluem, pelo menos, três elementos de referência adaptados para serem colocados em três posições não colineares na vizinhança do sensor. Em algumas aplicações, os, pelo menos, três elementos de referência incluem, pelo menos, quatro elementos de referência adaptados para serem colocados em quatro posições não coplanares na vizinhança do sensor. A presente invenção será mais completamente entendida a partir da descrição pormenorizada seguinte de uma sua forma de realização preferida em conjunto com os desenhos, nos quais:

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é uma representação pictórica esquemática de um sistema electromagnético de localização e rastreio utilizado durante um acto médico de acordo com uma forma de realização preferida da invenção; e A Fig. 2 é um diagrama esquemático a duas dimensões mostrando um exemplo simplificado da determinação da posição absoluta de uma sonda de acordo com a forma de realização preferida da presente invenção. 19

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DE FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS A Fig. 1 é uma ilustração pictórica esquemática de um sistema 18 electromagnético de localização e rastreio para rastreio de uma sonda 20 sensor de posição no corpo de um doente 24 enquanto proporciona imunidade ao movimento (dx) de um objecto 40 condutor em ou perto de um espaço 60 em volta do doente 24, de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção. O sistema 18 compreende um conjunto de elementos 34 de irradiação que são accionados por uma unidade 50 de controlo para rastrear a sonda 20, de um modo preferido, mas não necessariamente, utilizando métodos e aparelhos que são descritos nas Patentes US acima mencionadas e Publicação de Patente PCT de Ben-Haim e Ben-Haim et al. . Assim, a sonda 20 compreende, de um modo preferido, um ou mais sensores de campo, tais como, dispositivos de efeito de Hall, bobinas ou outras antenas para utilizar na determinação de posição. Como alternativa ou adicionalmente, são utilizados outros métodos e aparelhos conhecidos na técnica para facilitar o rastreio da sonda 20. A unidade 50 de controlo compreende circuitos para processamento de sinais recebidos da sonda 20 e de um ou mais elementos 22 de referência, e para calcular a posição absoluta da sonda 20 utilizando um algoritmo de interpolação, como é descrito a seguir. O objecto 40 condutor compreende, tipicamente, uma peça de metal ou que responde a um campo magnético, por exemplo, um instrumento cirúrgico, uma lâmpada amovivel, um carrinho, etc. O objecto 40 condutor gera campos parasitas, cujas fases e amplitudes dependem, de um modo geral, das propriedades do objecto 40 condutor, incluindo a sua constante dieléctrica, a sua permeabilidade magnética e a sua forma geométrica. Deverá 20 ser apreciado que, ainda que o objecto 40 condutor seja representado na Fig. 1 como um objecto único, o objecto 40 condutor poderá incluir um certo número de objectos condutores separados, que são muitas vezes introduzidos e retirados na área do acto médico.

Numa forma de realização preferida da presente invenção, o sistema 18 compreende uma multiplicidade de elementos 22 de referência fixos, de um modo preferido, quatro ou mais elementos não coplanares. As posições absolutas dos elementos 22 de referência são conhecidas, por exemplo, por estarem fixas em estruturas 26, as quais, por sua vez, são fixas a uma mesa 70 de operações. Os elementos 22 de referência, de um modo preferido, mas não necessariamente, compreendem sensores de campo de localização que são, substancialmente, idênticos aos da sonda 20, de modo a que o objecto 40 condutor tenha o mesmo efeito de interferência potencial na posição medida da sonda 20 que na posição medida dos elementos 22 de referência. Utilizando as posições absolutas conhecidas dos elementos 22 de referência, os valores de campo magnético que seriam medidos pelos sensores de campo dos elementos de referência na ausência do objecto 40 no espaço 60 (os "valores de campo magnético não distorcidos") são obtidos por: (a) cálculo com base nas disposições posicionais e angulares relativas de cada elemento de referência relativamente a cada gerador de campo de cada elemento 34 de irradiação, e/ou (b) medida, na ausência do objecto 40, do campo magnético em cada elemento de referência que responde aos campos gerados pelos elementos de irradiação. Estes valores não distorcidos de campo magnético são, de um modo preferido, armazenados numa memória (não representada) da unidade 50 de controlo. Durante um procedimento, a sonda 20 mantém-se, de um modo preferido, num espaço, de um modo geral, limitado pelas posições dos elementos 21 22 de referência, para, tipicamente, limitar cálculos de interpolação com base nos campos magnéticos dos elementos de referência, em vez de extrapolação.

Quando o objecto 40 condutor é colocado na vizinhança do espaço 60, os valores do campo magnético gerados pelos sensores de campo da sonda 20 e dos elementos 22 de referência diferem dos valores de campo magnético não distorcidos que teriam sido gerados se o objecto 40 não estivesse presente no espaço 60. O erro é diferente para cada elemento de referência que responde à localização e orientação de cada elemento 22 de referência relativamente ao objecto 40 condutor, às propriedades condutoras particulares do objecto 40 condutor, à forma e orientação do objecto 40 condutor e a outros factores. Os valores de campo magnético corrigidos são, de um modo preferido, calculados nos sensores de campo da sonda 20 por um algoritmo de interpolação cujos valores de entrada incluem os valores de campo magnético medidos nos sensores de campo da sonda 20, os valores de campo magnético medidos de cada elemento 22 de referência e os erros induzidos no objecto e determinados nos valores de campo magnético de cada elemento 22 de referência. O algoritmo, de um modo preferido, utiliza a interpolação não linear, por exemplo, a interpolação geométrica. Estes valores de campo magnético corrigidos do campo medido pelos sensores de campo da sonda 20 são então utilizados pela unidade 50 de controlo para determinar a localização absoluta e a orientação da sonda 20.

De um modo preferido, um número relativamente grande de elementos 22 de referência são colocados em localizações representativas fixas no espaço 60, de maneira a aumentar a precisão das interpolações. Elementos 22 de referência são, de um modo preferido, posicionados perto da vizinhança da sonda 20 22 esperada tanto quanto possível, de maneira a aumentar a precisão das interpolações.

Uma vez que os objectos condutores, tais como instrumentos e equipamentos de apoio, são frequentemente deslocados durante os actos médicos, é, de um modo geral preferido, actualizar os valores de campo magnético distorcidos gerados pelos elementos 22 de referência e os valores de erro resultantes, substancialmente cada vez que uma determinação actualizada da posição da sonda 20 é feita ou julgada apropriada por um operador do sistema 18.

Numa outra forma de realização preferida da presente invenção, é determinada uma posição não corrigida da sonda 20 utilizando valores de campo magnético não corrigidos gerados pelos sensores de campo da sonda 20. Esta posição não corrigida é corrigida utilizando um algoritmo espacial de interpolação, como é descrito a seguir. Quando o objecto 40 condutor é introduzido na vizinhança do espaço 60, as posições da sonda 20 e dos elementos 22 de referência, como foram determinadas utilizando valores de campo magnético não corrigidos gerados pelos sensores de campo da sonda 20 e pelos elementos 22 de referência, diferem das suas posições verdadeiras. A direcção e magnitude destes desvios diferem para cada elemento 22 de referência, que respondem à localização e orientação de cada elemento 22 de referência relativamente ao objecto 40 condutor, às propriedades condutoras particulares do objecto 40 condutor, à forma e orientação do objecto 40 condutor, e a outros factores. Uma posição corrigida da sonda 20 é, de um modo preferido, calculada utilizando um algoritmo de interpolação espacial não linear cujos valores de entrada incluem a posição da sonda 20 não corrigida determinada e os desvios do objecto 23 induzido relativamente aos elementos 22 de referência. Em particular, pela análise dos desvios induzidos dos elementos 22 de referência, a unidade 50 de controlo, de um modo preferido, determina o efeito de interferência que o objecto 40 condutor tem no ponto do espaço 60 com as coordenadas medidas da sonda 20 e compensa este efeito.

De um modo preferido, um número relativamente grande de elementos 22 de referência é colocado nas localizações representativas fixas no espaço 60 de modo a aumentar a precisão das interpolações. Os elementos 22 de referência são, de um modo preferido, posicionados perto da vizinhança esperada da sonda 20 tanto quanto possivel de maneira a aumentar a precisão das interpolações. É feita agora referência à Fig. 2 que é um diagrama esquemático bidimensional que ilustra um exemplo de determinação simplificado de uma posição Pc absoluta calculada da sonda, de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção. Pontos Aa, BA, CA, DA e EA representam posições absolutas conhecidas de cinco elementos 22 de referência, por exemplo, A, B, C, D e E. Pontos AM, BM, CM, DM e EM representam posições medidas (não corrigidas) determinadas de elementos 22 de referência respectivos durante um procedimento, após a introdução de um objecto 41 condutor na vizinhança da sonda e dos elementos de referência. Um desvio significativo entre a posição conhecida de um dos elementos 22 de referência (nas posições A, B, C, D e E) e a posição medida indica que o elemento 22 de referência - e consequentemente o espaço à volta do elemento 22 de referência - são fortemente afectados pelo objecto condutor. O elemento 22 de referência na posição D é um exemplo deste elemento de referência. Inversamente, um desvio 24 pouco substancial (e. g. do elemento de referência na posição E) indica que o objecto 41 condutor tem um efeito reduzido no espaço imediatamente à volta do elemento de referência. A posição PM medida (não corrigida) da sonda e os desvios calculados dos elementos de referência em posições A, B, C, D e E são, de um modo preferido, introduzidos num algoritmo espacial de interpolação, que calcula a posição Pc absoluta corrigida da sonda. Neste exemplo simplificado, as posições medidas dos elementos 22 de referência são desviadas de vários graus até às posições absolutas à sua direita, de modo que a posição Pc corrigida da sonda é, de um modo preferido, desviada de forma correspondente pela unidade 50 de controlo para baixo e para a esquerda da posição PM medida da sonda para compensar o efeito de distorção de posição do objecto 41 condutor. O efeito da interpolação espacial é mostrado na figura em que é largamente aplicada correcção à posição da sonda, mas não inteiramente, com base nos desvios medidos dos elementos C e D de referência, que estão mais próximos da sonda.

Deve ser entendido que formas de realização preferidas da presente invenção são aqui descritas com respeito a técnicas de medicina invasiva apenas a titulo de exemplo. O âmbito da presente invenção inclui a aplicação das técnicas aqui descritas a sistemas electromagnéticos de localização e rastreio utilizados para qualquer fim seja ele qual for.

Deve ser apreciado pelos especialistas na técnica que a presente invenção não fica limitada ao que foi particularmente apresentado e descrito anteriormente. Pelo contrário, o âmbito da presente invenção, como definido pelas reivindicações anexas, inclui tanto combinações como subcombinações das várias 25 características acima descritas, bem como as suas modificações que não sejam da técnica anterior, ocorrer a especialistas na técnica após a leitura anterior.

Lisboa, 31 de Outubro de 2006 variantes e que poderão da descrição 26

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho (18) sensor de posição, compreendendo: um conjunto de elementos (34) de irradiação que são adaptados para serem colocados em posições respectivas numa vizinhança de um corpo de um objecto (24) e para gerar campos electromagnéticos de energia; um sensor (20) de posição que é adaptado para ser colocado no corpo do objecto (24) e para gerar sinais de sensor que respondem aos campos de energia; um ou mais elementos (22) de referência que são adaptados para serem colocados em posições respectivas na vizinhança de sensores (20) e para gerar sinais de referência que respondem a campos de energia; e uma unidade (50) de controlo que é adaptada para: determinar, para cada um dos elementos (22) de referência, os respectivos parâmetros de referência não distorcidos que respondem às posições dos elementos de referência, receber os sinais de sensor e os sinais de referência, calcular um erro de elemento de referência para cada um dos elementos (22) de referência, que respondem a uma interacção de uma peça (40, 41) de metal com os campos de energia, que respondem aos respectivos parâmetros de referência não distorcidos do elemento (22) de referência e que respondem ao sinal de referência gerado pelo elemento de referência, e 1 calcular uma posição do sensor (20), que responde a erros de sinais de sensor e de elementos de referência, caracterizado por pelo menos, um de um ou mais elementos (22) de referência estar adaptado para ser colocado numa posição fixa conhecida relativamente ao conjunto de elementos (34) de irradiação durante o funcionamento do aparelho (18) ou seja quando o sensor (20) de posição é colocado no objecto (24).
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que, pelo menos, um de um ou mais elementos (22) de referência é adaptado para ser colocado no exterior do corpo do objecto (24) .
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para calcular sinais de sensor corrigidos que respondem aos erros do elemento de referência e que respondem aos sinais de sensor gerados, e para calcular a posição do sensor (20) que responde aos sinais de sensor corrigidos.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para designar o erro do elemento de referência de, pelo menos, um dos elementos de referência, para responder a um valor de campo magnético medido de, pelo menos um, dos elementos (22) de referência, valor que responde à interacção da peça (40) de metal com os campos de energia.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para 2 calcular o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência que responde a uma posição relativa de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência com respeito ao conjunto de elementos (24) de irradiação.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 5, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para fazer o cálculo do parâmetro de referência de forma substancialmente independente da interacção da peça (40, 41) de metal com os campos de energia.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 5, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para calcular o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência que responde ao cálculo do valor do campo magnético em, pelo menos, um dos elementos (22) de referência, valor que responde à posição relativa de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência com respeito ao conjunto de elementos (34) de irradiação.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência que responde a uma medição que responde a uma posição relativa de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência com respeito ao conjunto de elementos (34) de irradiação.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos 3 elementos (22) de referência de uma maneira substancialmente independente da interacção da peça (40, 41) metálica com os campos de energia.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para determinar o parâmetro de referência não distorcido de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência que respondem a uma medição de um valor de campo magnético de, pelo menos, um dos elementos (22) de referência.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que para, pelo menos, um de um ou mais elementos (22) de referência, a unidade (50) de controlo está adaptada para substancialmente equiparar o parâmetro de referência não distorcido com a posição do elemento (22) de referência.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, em que a unidade (50) de controlo está adaptada para designar o erro do elemento de referência para, pelo menos, um ou mais dos elementos (22) de referência, de modo a que este seja um desvio espacial aparente do elemento de referência que responde à interacção da peça (40, 41) de metal com os campos de energia.
13. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, ou reivindicação 2 em que um ou mais dos elementos de referência compreende, pelo menos, três elementos (22) de referência, adaptados para serem colocados em três posições não colineares na vizinhança do sensor (20). 4
14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, em que, pelo menos, três dos elementos de referência compreendem, pelo menos, quatro elementos (22) de referência, preparados para serem colocados em quatro posições não coplanares na vizinhança do sensor (20). Lisboa, 31 de Outubro de 2006 5