ES2291423T3 - Detector de posicion inalambrico. - Google Patents
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Abstract
Un aparato (20) para seguimiento de un objeto (30), que comprende: uno o más generadores de campo; circuitos excitadores (32) adaptados para excitar uno o más generadores de campo (28) para generar campos electromagnéticos a diferentes frecuencias respectivas en la proximidad del objeto; un excitador de radiofrecuencia (RF) 50, adaptado para radiar un campo de excitación de RF hacia el objeto; un transpondedor inalámbrico (40), fijado al objeto (30), comprendiendo el transpondedor: al menos una bobina de detección (46), acoplada de modo que fluye una corriente eléctrica en la al menos una bobina de detección que responde a los campos electromagnéticos; un circuito de control (44), acoplado a la al menos una bobina de detección (46) de modo que genera una señal de salida indicativa de la corriente; y una bobina de potencia (42), acoplada para recibir el campo de excitación de RF y para conducir la energía eléctrica desde el campo de excitación al circuito de control (44), y acoplada además para transmitir la señal de salida generada por el circuito de control; y un receptor de señal (34) adaptado para recibir la señal de salida transmitida por la bobina de potencia y, en respuesta a la misma, determinar las coordenadas del objeto (30); caracterizado porque el aparato comprende un circuito de sincronización de reloj (52) acoplado a los circuitos de excitación (32) y al excitador de RF (50); y porque uno o más generadores de campo (28) están adaptados para generar los campos electromagnéticos a las frecuencias de campo respectivas, y el excitador de RF (50) está adaptado para radiar el campo de excitación de RF a una frecuencia de excitación, y en el que uno o más generadores de campo (28) y el excitador de RF (50) están acoplados para funcionar de modo que las frecuencias de campo y la frecuencia de excitación están sincronizadas entre sí por el circuito de sincronización de reloj (52); y porque el circuito de control (44) está acoplado para recibir una señal de sincronización de frecuencias desde la bobina de potencia (42), en respuesta al campo de excitación de RF sincronizado, y para aplicar la señal de sincronización de frecuencias como una referencia de frecuencia al generar la señal de salida.
Description
Detector de posición inalámbrico.
La presente invención se refiere en general a
sistemas de seguimiento intra-corporal, y
específicamente a métodos y dispositivos inalámbricos para el
seguimiento de la posición y la orientación de un objeto en el
cuerpo.
Muchos procedimientos médicos quirúrgicos,
diagnósticos, terapéuticos y profilácticos requieren la colocación
de objetos tales como detectores, unidades de tratamiento, tubos,
catéteres, implantes et al. dispositivos dentro del cuerpo.
Estos procedimientos cubren un amplio espectro incluyendo, por
ejemplo:
la inserción de electrodos con propósitos
terapéuticos o diagnósticos,
la colocación de tubos para facilitar la
infusión de fármacos, nutrientes, et al. fluidos al interior
del sistema circulatorio o del sistema digestivo de un
paciente,
la inserción de sondas o dispositivos
quirúrgicos para facilitar la cirugía cardiaca o de otros tipos,
y
biopsias u otros procedimientos
diagnósticos.
En muchos casos, la inserción de un dispositivo
es por un tiempo limitado, tales como durante una operación o un
cateterismo. En otros casos, se insertan dispositivos tales como
tubos de alimentación o implantes ortopédicos para su uso a largo
plazo. Existe la necesidad de proporcionar información en tiempo
real para determinar con precisión la localización y orientación de
objetos dentro el cuerpo de un paciente, preferiblemente sin usar
imágenes de rayos X.
Las Patentes de Estados Unidos 5.391.199 y
5.433.489 de Ben-Haim, describen sistemas en los que
se determinan las coordenadas de una sonda
intra-corporal usando uno o más detectores de campo,
tales como un dispositivo de efecto Hall, bobinas, u otra antena
portada sobre la sonda. Tales sistemas se usan para generar
información de localización tridimensional respecto a una sonda
médica o catéter. Preferiblemente, se coloca una bobina de
detección en el catéter y genera señales en respuesta a campos
magnéticos aplicados externamente. Los campos magnéticos se generan
por tres bobinas radiantes, fijadas a una estructura de referencia
externa en posiciones conocidas espaciadas entre sí. Las amplitudes
de las señales generadas en respuesta a cada uno de los campos de
las bobinas radiantes se detectan y se usan para computar la
localización de la bobina de detección. Cada bobina radiante se
excita preferiblemente por un circuito de excitación para generar un
campo a una frecuencia conocida, distinta de la de las otras
bobinas radiantes, de modo que las señales generadas por la bobina
de detección pueden separarse por frecuencia en los componentes
correspondientes a las diferentes bobinas radiantes.
La Patente de Estados Unidos 6.198.963 de
Ben-Haim et al., describe un aparato
simplificado para la confirmación de la localización de un tubo
intra-corporal que pueden manejar por no
profesionales. La localización inicial del objeto se determina como
un punto de referencia, y se realizan medidas posteriores para
determinar si el objeto ha quedado en su posición inicial. Las
mediciones están basadas en una o más señales transmitidas a y/o
desde un detector fijado al cuerpo del objeto cuya localización se
está determinando. La señal podrían ser ondas de ultrasonidos,
ondas ultravioleta, ondas de radiofrecuencia (RF), o campos
electromagnéticos estáticos o rotatorios.
La Publicación de Patente PTC WO 96/05768 de
Ben-Haim et al., describe un sistema que
genera información de orientación y posición en seis dimensiones
respecto a la punta de un catéter. Este sistema usa una pluralidad
de bobinas de detección adyacentes a un sitio localizable en el
catéter, por ejemplo cerca de su extremo distal, y una pluralidad
de bobinas radiantes fijadas en una estructura de referencia
externa. Estas bobinas generan señales en respuesta a los campos
magnéticos generados por las bobinas radiantes, cuyas señales
permiten la computación de las seis coordenadas de localización y
orientación.
La Patente de Estados Unidos 6.239.724 de Doron
et al., describe un sistema de telemetría para proporcionar
información de posicionamiento espacial desde el interior del cuerpo
de un paciente. El sistema incluye una unidad de telemetría que se
puede implantar que tiene (a) un primer transductor, para convertir
una señal de potencia recibida desde el exterior del cuerpo en
potencia eléctrica para alimentar la unidad de telemetría; (b) un
segundo transductor, para recibir una señal del campo de
posicionamiento que se recibe desde el exterior del cuerpo; y (c)
un tercer transductor, para transmitir la señal de localización a un
sitio en el exterior del cuerpo, en respuesta a la señal del campo
de posicionamiento.
La Patente de Estados Unidos 6.172.499 de Ashe,
describe un dispositivo para medir la localización y orientación en
los seis grados de libertad de una antena receptora con respecto a
una antena transmisora utilizando señales magnéticas de múltiples
frecuencias de corriente alterna. El componente transmisor está
compuesto por dos o más antenas transmisoras de localización y
orientación relativas entre sí conocidas. Las antenas transmisoras
se excitan simultáneamente por una excitación de corriente alterna,
ocupando cada antena una o más posiciones únicas en el espectro de
frecuencias. La antena receptora mide el campo magnético de
corriente alterna transmitido más las distorsiones causadas por
metales conductores. Un ordenador extrae a continuación el
componente de la distorsión y lo elimina de las señales recibidas,
proporcionando la salida de posición y orientación correctas.
La Patente de Estados Unidos 4.173.228 de Van
Steenwyck et al., describe un dispositivo de localización de
un catéter basado en inducir una señal en una bobina fijada a un
catéter y monitorizar la amplitud y fase de la señal inducida.
Las Patentes de Estados Unidos 5.099.845 de Besz
et al., y 5.325.873 de Hirschi et al., describen un
aparato y métodos en los que se fija un elemento radiante a un tubo
médico, por ejemplo un catéter, y se determina la posición del tubo
en respuesta a la energía radiada desde el elemento.
La Patente de Estados Unidos 5.425.382 de Golden
et al., describe un aparato y métodos para localizar un tubo
médico en el cuerpo de un paciente detectando el gradiente de la
intensidad del campo magnético estático generado por un imán fijado
al tubo médico.
Las Patentes de Estados Unidos 4.905.698 de
Strohi et al. y 5.425.367 de Shapiro, et al.,
describen un aparato y métodos en los que un campo magnético
aplicado induce corrientes dentro de una bobina en la punta de un
catéter. En base a estas corrientes, se determina la posición
relativa del catéter.
La Patente de Estados Unidos 5.558.091 de Acker
et al., describe un sistema magnético de determinación de la
posición y orientación que usa campos uniformes desde bobinas
Helmholtz situadas en caras opuestas de un volumen de detección y
el gradiente de los campos generados por las mismas bobinas.
Monitorizando los componentes de campo detectados en una sonda
durante la aplicación de estos campos, se deduce la posición y
orientación de la sonda. Se superpone una representación de la
sonda sobre una imagen adquirida separadamente del sujeto para
mostrar la posición y orientación de la sonda con respecto al
sujeto.
La Patente de Estados Unidos 5.913.820 de Bladen
et al., describe un aparato para localizar la posición de un
detector, preferiblemente en tres dimensiones, generando campos
magnéticos que se detectan en el detector. Los campos magnéticos se
generan desde una pluralidad de localizaciones y permiten determinar
tanto la orientación como la localización de un único detector de
bobina.
Actualmente están disponibles sistemas
comerciales de mapeo electrofisiológicos y físicos basados en
detectar la posición de una sonda en el interior del cuerpo. Entre
ellos, CARTO^{TM}, desarrollado y comercializado por Biosense
Webster Inc., Diamond Bar, California es un sistema para la
asociación automática y el mapeo de la actividad eléctrica local
con la localización de un catéter.
Un artículo titulado "Microtool Opens 3D
Window into the Human Body", de Cleopatra Alfenito, Medical
Imaging 12 (11) (de Noviembre de 1997), que se incorpora a este
documento por referencia, describe el dispositivo "miniBIRD",
fabricado por Ascensión Technology (Burlington, Vermont). Este
dispositivo "...mide los órganos internos" y su movimiento
reconstruyendo la posición y orientación de rodajas de 2D para
rellenar un volumen 3D... Detectores -tan pequeños como 5 mm-
pueden fijarse a las sondas, instrumentos, o incluso una cabeza
fetal en el interior del cuerpo humano. Estos
mini-rastreadores miden la localización espacial de
sondas de ultrasonidos o de otros instrumentos con seis grados de
libertad (posición y orientación dadas por x, y, z, guiñada,
cabeceo y alabeo) en tiempo real. El miniBIRD funciona midiendo los
campos magnéticos y convirtiendo las señales en tiempo real a
medidas 3D. Al comienzo de cada ciclo de medición (de los cuales hay
hasta 144 por segundo), el transmisor tri-axial del
sistema se excita por una señal pulsada de corriente continua. El
detector mide a continuación el pulso de campo magnético
transmitido. La unidad electrónica controla los elementos de
transmisión y recepción y convierte las señales recibidas en medidas
de posición y orientación en tiempo real, proporcionando datos
precisos para su recogida. Estos datos pueden usarse a continuación
para la reconstrucción en 3D de imágenes internas del corazón,
vasos sanguíneos, estómago, pelvis y otras áreas como las
proporcionadas por ultrasonidos o un endoscopio.
El documento US 6 239 724 describe un
dispositivo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objeto de algunos aspectos de la presente
invención es proporcionar un aparato mejorado para la determinación
en tiempo real de la localización y orientación de objetos
intra-corporales.
Un objeto adicional de algunos aspectos de la
presente invención es proporcionar un aparato de medición mejorado
en base a las señales de radiofrecuencia.
Otro objeto adicional más de algunos aspectos de
la presente invención es proporcionar un aparato mejorado para
determinar la localización y orientación de un objeto
intra-corporal que puede operar en ausencia de
otras tecnologías de localización tales como MRI o fluoroscopia.
Otro objeto adicional más de algunos aspectos de
la presente invención es proporcionar un detector para la
localización de un objeto intra-corporal que no
requiere ni cableado ni una fuente de alimentación interna.
Otro objeto adicional de algunos aspectos de la
presente invención es proporcionar un aparato para el mapeo
intra-corporal que es de peso ligero y de pequeño
tamaño.
Otro objeto adicional más de algunos aspectos de
la presente invención es proporcionar un aparato de mapeo
intra-corporal que puede integrarse fácilmente en
sistemas de soporte de mapeo existentes.
En las realizaciones preferidas de la presente
invención, el aparato para detectar la posición y orientación de un
objeto situado dentro del cuerpo de un paciente comprende un
transpondedor de localización inalámbrico que contiene una bobina
de potencia, una bobina de detección y un chip de procesamiento de
señal. Típicamente, el transpondedor se fija a un dispositivo
insertado dentro del cuerpo, tal como un catéter, o implante. Una
unidad de excitación localizada externamente envía una señal de
radiofrecuencia (RF), que tiene preferiblemente una frecuencia en
el intervalo de los megahercios, para excitar la bobina de potencia
en el transpondedor y por consiguiente alimentar el chip.
Adicionalmente, un conjunto de generadores de campo magnético en
localizaciones fijas en el exterior del cuerpo producen campos
magnéticos a diferentes frecuencias respectivas, típicamente en el
campo de los kilohercios. Estos campos causan corrientes que fluyen
en la bobina de detección, que dependen de la posición espacial y
de la orientación de la bobina de detección con relación a los
generadores de campo. El chip de procesamiento convierte estas
corrientes en señales de alta frecuencia, que se transmiten por la
bobina de potencia a la unidad de procesamiento de señal situada
externamente. Esta unidad procesa la señal para determinar las
coordenadas de posición y orientación del objeto para su
presentación en pantalla y registro.
De este modo, en contraste con los sistemas
médicos de seguimiento actuales, tales como el sistema CARTO^{TM}
mencionado anteriormente, el presente transpondedor posibilita la
determinación de la posición y orientación de un objeto en el
cuerpo sin necesidad de ninguna conexión cableada entre la bobina de
detección y la unidad de procesamiento externa. Esta clase de
funcionamiento inalámbrico es particularmente ventajosa para
visualizar la posición de dispositivos que se pueden implantar, que
no pueden cablearse fácilmente a la unidad de procesamiento. Es
también útil para reducir el número de hilos que deben pasar a
través de una sonda invasiva, tal como un catéter, para accionar un
detector de posición en su extremo distal. Reduciendo el número de
hilos, es típicamente posible reducir el diámetro de la sonda.
Además, como el presente transpondedor usa sólo dos hilos, con una
bobina única que sirve tanto para entrada de potencia como para
salida de señal, y no tiene fuente de alimentación interna, puede
hacerse sustancialmente más pequeño que los transpondedores
inalámbricos conocidos en la técnica.
Se usa un sincronizador de reloj para
sincronizar las señales producidas tanto por la unidad de excitación
externa como por los generadores de campo magnético. Más
preferiblemente, la frecuencia de la señal de excitación de RF se
fija para que sea un múltiplo entero de las frecuencias de campo
magnético. Esta sincronización de reloj posibilita al chip del
transpondedor usar detección sensible a la fase para potenciar la
proporción señal/ruido de la señal de la bobina de detección. La
fase de las señales del detector se usa también preferiblemente
para resolver la ambigüedad que de otra forma se produciría en las
señales en caso de inversión de 180º del eje de la bobina de
detección.
Como alternativa o adicionalmente, el
transpondedor puede comprender múltiples bobinas de detección,
preferiblemente tres bobinas ortogonales entre sí, como se describe
en la publicación PCT mencionada anteriormente WO 96/05768. En este
caso pueden determinarse todas las seis coordenadas de posición y
orientación sin ambigüedad.
Una ventaja adicional de algunas realizaciones
preferidas de la presente invención es que pueden integrarse
fácilmente en sistemas electromagnéticos de seguimiento de
catéteres, tales como el sistema de mapeo CARTO^{TM} mencionado
anteriormente. En tales realizaciones, se conectan a la unidad de
procesamiento del sistema de seguimiento la unidad de excitación y
el receptor acompañante, para comunicar sobre el aire con la bobina
de potencia del transpondedor inalámbricos, en lugar de los hilos
que normalmente conducen las señales de posición desde el catéter.
El receptor preprocesa las señales que recibe desde la bobina de
potencia, y a continuación pasa las señales al procesador de señal
existente en el sistema de seguimiento para la determinación de la
posición y su presentación en pantalla.
Se proporciona por lo tanto, de acuerdo con una
realización preferida de la presente invención, un aparato para el
seguimiento de un objeto, que incluye:
circuitos de excitación adaptados para excitar
uno o más generadores de campo para generar campos electromagnéticos
a diferentes frecuencias respectivas en proximidad del objeto;
un excitador de radiofrecuencia (RF), adaptado
para radiar un campo de excitación de RF hacia el objeto;
un circuito de sincronización de reloj acoplado
a los circuitos de excitación y al excitador de RF;
un transpondedor inalámbricos, fijado al objeto,
incluyendo el transpondedor:
al menos una bobina de detección, acoplada de
modo que fluye una corriente eléctrica en al menos una bobina de
detección que responde a los campos electromagnéticos;
un circuito de control, acoplado con al menos
una bobina de detección de modo que genera una señal de salida
indicativa de la corriente; y
una bobina de potencia, acoplada para recibir el
campo de excitación de RF y para conducir la energía eléctrica
desde el campo de excitación al circuito de control, y acoplada
adicionalmente para transmitir la señal de salida generada por el
circuito de control; y
un receptor de señal, adaptado para recibir la
señal de salida transmitida por la bobina de potencia y, en
respuesta a la misma, determinar las coordenadas del objeto;
en el que uno o más de los generadores de campo
están adaptados para generar los campos electromagnéticos a las
frecuencias de campo respectivas, y el excitador de RF está adaptado
para radiar el campo de excitación de RF a una frecuencia de
excitación, y uno o más generadores de campo y el excitador de RF
están acoplados para funcionar de modo que las frecuencias de campo
y las frecuencias de excitación están sincronizadas entre sí por el
circuito de sincronización de reloj; y
en el que el circuito de control está acoplado
para recibir una señal de sincronización de frecuencia desde la
bobina de potencia, en respuesta al campo de excitación de RF
sincronizado, y para aplicar la señal de sincronización de
frecuencia como frecuencia de referencia para generar la señal de
salida.
Preferiblemente, la corriente eléctrica en al
menos una bobina de detección tiene componentes de frecuencia a las
diferentes frecuencias de uno o más generadores de campo, y la señal
generada por el circuito de control es indicativa de los
componentes de frecuencia de la corriente.
Además adicionalmente o como alternativa, el
circuito de control está adaptado para generar la señal de salida
de modo que indique una fase de la corriente que fluye en al menos
una bobina de detección, con relación a la fase de los campos
electromagnéticos.
Preferiblemente, el circuito de control está
adaptado para generar la señal de salida en respuesta a la
sincronización de las frecuencias de campo con la frecuencia de
excitación.
Preferiblemente además, la frecuencia de
excitación del campo de excitación de RF es un múltiplo entero de
las frecuencias de campo de los campos electromagnéticos de uno o
más generadores de campo.
Incluso preferiblemente además, el circuito de
control está adaptado además de modo que genera una señal de salida
indicativa de la amplitud de la corriente, y el receptor de señal
está adaptado para determinar una orientación del objeto, en
respuesta a la amplitud y fase de la corriente indicada por la señal
de salida.
En una realización preferida, el circuito de
control incluye una convertidor de tensión a frecuencia (T/F), que
está acoplado para generar la señal de salida con una frecuencia de
salida que varía en respuesta a la corriente eléctrica que fluye en
la al menos una bobina de detección.
En una realización preferida, el circuito de
control comprende un convertidor de tensión a frecuencia (T/F),
acoplado a al menos una bobina de detección de modo que genera una
señal de salida con una frecuencia de salida que varía en respuesta
a la amplitud de la corriente eléctrica que fluye en la al menos una
bobina de detección.
En algunas realizaciones preferidas, el
transpondedor está adaptado para ser insertado, junto con el objeto,
dentro del cuerpo de un sujeto, mientras que el uno o más
generadores de campo y el excitador de RF se sitúan en el exterior
del cuerpo. Preferiblemente, el objeto incluye una sonda alargada,
para su inserción dentro del cuerpo, y el transpondedor está fijado
en la sonda de modo que posibilita al receptor la determinación de
las coordenadas del extremo distal de la sonda. Como alternativa, el
objeto incluye un implante, y el transpondedor está fijado en el
implante de modo que posibilita al receptor la determinación de las
coordenadas del implante dentro del cuerpo. En una realización
preferida, el implante incluye un implante de articulación de
cadera, incluyendo la cabeza del fémur y el acetábulo, y el
transpondedor incluye una pluralidad de transpondedores fijados
respectivamente a la cabeza del fémur y al acetábulo, y el receptor
de señal está adaptado para determinar una distancia entre la
cabeza del fémur y el acetábulo en respuesta a la señal de salida de
los transpondedores.
Preferiblemente, el circuito de control está
adaptado para funcionar alimentado solamente por la energía
eléctrica conducida hacia el mismo por la bobina de potencia.
En una realización preferida, la al menos una
bobina de detección incluye una única bobina de detección, y el
receptor de señal está adaptado, en respuesta a la fase indicada de
la corriente, para determinar la dirección y orientación del
transpondedor.
La presente invención se entenderá mejor a
partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones
preferidas, tomadas junto con los dibujos, en los que:
La Figura 1 es una ilustración gráfica,
esquemática de un sistema para el seguimiento de la posición de un
catéter en el corazón, de acuerdo con una realización preferida de
la presente invención;
La Figura 2 es una vista lateral esquemática de
un catéter, que muestra los detalles de un transpondedor de
localización inalámbrico en el catéter, de acuerdo con una
realización preferida de la presente invención;
La Figura 3 es un diagrama de bloques que
ilustra esquemáticamente los elementos de un circuito excitador y
de procesamiento usado en un sistema de detección de la posición
inalámbricos, de acuerdo con una realización preferida de la
presente invención; y
La Figura 4 es una ilustración gráfica
esquemática que muestra el uso de transpondedores de localización
inalámbricos en un implante de articulación, de acuerdo con una
realización preferida de la presente invención.
La Figura 1 es una ilustración gráfica,
esquemática de un sistema de mapeo 20, para realizar el mapeo del
corazón 24 de un sujeto 26, de acuerdo con una realización preferida
de la presente invención. El sistema 20 comprende una sonda
alargada, preferiblemente un catéter 30, que se inserta por un
usuario 22 a través de una vena o arteria del sujeto dentro de una
cámara del corazón. El catéter 30 comprende un transpondedor de
posición inalámbricos 40, preferiblemente cerca de la punta distal
del catéter. El transpondedor 40 se muestra con detalle en la
Figura 2. Opcionalmente, el catéter 30 comprende dos o más
transpondedores de esta clase, espaciados entre sí a lo largo de la
longitud del catéter, para dar las coordenadas de posición y
orientación en múltiples puntos a lo largo del catéter.
Para accionar el transpondedor 40, el sujeto 26
se sitúa en el campo magnético generado, por ejemplo situando bajo
el sujeto una almohadilla que contiene las bobinas del generador de
campo 28 para generar un campo magnético. Las bobinas 28 están
excitadas por los circuitos de excitación 32 para generar campos
electromagnéticos a las diferentes frecuencias respectivas. Las
bobinas del generador 28 están localizadas en el exterior del
sujeto (paciente) 26. Un detector electromagnético de referencia (no
mostrado) está preferiblemente fijo con relación al paciente, por
ejemplo, pegado con esparadrapo a la espalda del paciente, y el
catéter 30 que contiene el transpondedor 40 se hace avanzar dentro
del corazón del paciente. Una antena adicional 54, preferiblemente
en forma de bobina, proporciona energía de RF al transpondedor y
recibe las señales desde el mismo, como se describe con detalle en
este documento más adelante. Las señales recibidas por la antena 54
desde el transpondedor 40 en el corazón se dirigen a la consola 34,
que analiza las señales y a continuación presenta en pantalla los
resultados sobre un monitor 36. Por este método, pueden establecerse
y presentarse en pantalla visualmente la localización precisa del
transpondedor 40 en el catéter 30 con relación al detector de
referencia. El transpondedor puede también detectar el
desplazamiento del catéter que está causado por la contracción del
músculo del corazón.
Algunas de las características del sistema 20 se
implementan en el sistema mencionado anteriormente CARTO^{TM},
incluyendo el uso del sistema para generar mapas 38 de la función
eléctrica y mecánica cardiaca. Aspectos adicionales del diseño del
catéter 30 y del sistema 20 se describen en general en las Patentes
de Estados Unidos mencionadas anteriormente 5.391.199, 5.443.489 y
6.198.963. Sin embargo el diseño del transpondedor 40 y el
excitador asociado y los circuitos de procesamiento de señal usados
en la consola 34, como se describen en este documento más adelante,
son únicos para la presente invención.
Ahora se hace referencia a las Figura 2 y 3, que
muestran esquemáticamente detalles del transpondedor 40 y de los
circuitos de excitación y procesamiento en la consola 34, de acuerdo
con una realización preferida de la invención. Como se muestra en
la Figura 2, el transpondedor 40 comprende una bobina de potencia 42
y una bobina de detección 46, acoplada al chip de control 44. La
bobina 42 está preferiblemente optimizada para recibir y transmitir
señales de alta frecuencia, en el intervalo anterior de 1 MHz. La
bobina 46, por el contrario, está preferiblemente diseñada para el
funcionamiento en el intervalo de 1 - 3 KHz, frecuencias a las
cuales generan sus campos electromagnéticos las bobinas 28. Como
alternativa, pueden usarse otros intervalos de frecuencias, según
dicten los requisitos de la aplicación. El transpondedor entero es
típicamente de 2 - 5 mm de longitud y 2 - 3 mm de diámetro
exterior, posibilitando fijarlo convenientemente en el interior del
catéter 30.
Como se muestra en la Figura 3, la consola 34
comprende un excitador de potencia de RF 50, que excita la antena
54 para emitir una señal de potencia, preferiblemente en el
intervalo de 2 - 10 MHz. La señal de potencia hace que fluya una
corriente en la bobina de potencia 42, que se rectifica por el chip
44 y se usa para alimentar sus circuitos internos. Mientras tanto,
los campos electromagnéticos producidos por las bobinas del
generador de campo 28 hacen que fluya una corriente en la bobina de
detección 46. Esta corriente tiene componentes de frecuencia a las
mismas frecuencias que las corrientes de excitación que fluyen a
través de las bobinas generadoras. Los componentes de corriente son
proporcionales a las intensidades de los componentes de los
respectivos campos magnéticos producidos por las bobinas del
generador en una dirección paralela al eje de la bobina de
detección. De este modo, las amplitudes de las corrientes indican
la posición y la orientación de la bobina 46 con relación a las
bobinas fijas del generador 28.
El chip 44 mide las corrientes que fluyen en la
bobina de detección 46 a las diferentes frecuencias de campo. El
chip codifica esta medida en una señal de alta frecuencia, que se
transmite a continuación de vuelta a través de la bobina de
potencia 42 a la antena 54. Preferiblemente, el chip 44 comprende un
convertidor de tensión a frecuencia (T/F) 48, que genera una señal
de RF cuya frecuencia es proporcional a la tensión producida por la
corriente de la bobina de detección que fluye a través de una carga.
Preferiblemente, la señal de RF producida por el chip 44 tiene una
frecuencia portadora en el intervalo de 50 - 150 MHz. La señal de RF
producida de este modo se modula con tres componentes de modulación
de frecuencia diferentes (FM) que varían con el tiempo a las
frecuencias respectivas de los campos generados por las bobinas 28.
La magnitud de la modulación es proporcional a los componentes de
la corriente a las tres frecuencias. Una ventaja de usar modulación
de frecuencia, en lugar de modulación de amplitud, para dirigir las
medidas de amplitud de la bobina de detección desde el
transpondedor 40 a la antena 54 es que la información en la señal
(es decir, la frecuencia) no se ve afectada por la atenuación
variable de los tejidos del cuerpo a través de los cuales debe pasar
la señal.
Como alternativa, el chip 44 puede comprender un
circuito de muestreo y un convertidor analógico/digital (A/D) (no
mostrado en las figuras), que digitaliza la amplitud de la corriente
que fluye en la bobina de detección 46. En este caso, el chip 44
genera una señal modulada digitalmente, y la RF modula la señal para
la transmisión por la bobina de potencia 42. Puede usarse cualquier
método adecuado de codificación y modulación digital para este
propósito. Otros métodos de procesamiento y modulación de señal
serán evidentes para los especialistas en la técnica.
La señal de FM o modulada digitalmente
transmitida por la bobina de potencia 42 se capta por el receptor
56, acoplado a la antena 54. El receptor desmodula la señal para
generar una entrada adecuada para los circuitos de procesamiento de
señal en la consola 34. Típicamente, el receptor 56 amplifica,
filtra y digitaliza las señales procedentes del transpondedor 40.
Las señales digitalizadas se reciben y se usan por los circuitos de
procesamiento 58 para computar la posición y orientación del catéter
30. Típicamente, los circuitos 58 comprenden un ordenador de
propósito general, que está programado y equipado con una
circuitería de entrada apropiada para procesar las señales del
receptor 56. La información derivada por los circuitos 58 se usa
para generar un mapa 38, por ejemplo, o para proporcionar otra
información diagnóstica o de orientación para el operario 22.
En una realización alternativa de la presente
invención, se reconvierten el excitador 50, el receptor 56 y la
antena 54 en un sistema de seguimiento existente, tal como el
sistema CARTO^{TM}. La consola 34 en el sistema existente está
diseñada para recibir y procesar las señales recibidas sobre hilos
desde una o más bobinas de detección en el catéter 30, usando
circuitos de procesamiento existentes 58 para determinar la
posición y la orientación del catéter. Por lo tanto, en esta
realización alternativa, el receptor 56 desmodula las señales
generadas por el transpondedor 40 de modo que reconstruye las
señales de corriente variable generadas por la bobina de detección
46. Los circuitos de procesamiento existentes usan esta información
para determinar la posición y la orientación del catéter igual que
si las corrientes de la bobina de detección se hubiesen recibido
por una conexión cableada.
La consola 34 incluye un circuito de
sincronización de reloj 52, que se usa para sincronizar los
circuitos de excitación 32 y la excitación de potencia de RF 50.
Más preferiblemente, el excitador de potencia de RF funciona a una
frecuencia que es un múltiplo entero de las frecuencias de
excitación de los generadores de campo 28. El chip 44 puede
entonces usar la señal de RF recibida por la bobina de potencia 42
no sólo como su fuente de alimentación, sino también como
referencia de frecuencia. Usando esta referencia, el chip 44 es
capaz de aplicar un procesamiento sensible a la fase a las señales
de corriente generadas por la bobina de detección 46, para detectar
la corriente de la bobina de detección en fase con los campos de
excitación generados por las bobinas 28. El receptor 56 puede
aplicar métodos de procesamiento sensibles a la fase, como se
conocen en la técnica, de forma similar, usando la entrada del
circuito de sincronización del reloj 52. Tales métodos de detección
sensible a la fase permiten al transpondedor 40 conseguir
proporciones de seña/ruido (S/N) mejoradas, a pesar de la baja
amplitud de las señales de corriente en la bobina de detección
46.
La bobina de detección única 46 mostrada en la
Figura 2 es suficiente, junto con las bobinas del generador de
campo 28, para posibilitar a los circuitos de procesamiento 58
generar la información de las tres dimensiones de posición y dos
dimensiones de orientación. La tercera dimensión de orientación
(típicamente rotación del catéter 30 alrededor de su eje
longitudinal) puede inferirse si se necesita a partir de la
información mecánica o, cuando se usan dos o transpondedores en el
catéter, a partir de una comparación de sus coordenadas respectivas.
Como alternativa, el transpondedor 40 puede comprender múltiples
bobinas de detección, preferiblemente tres bobinas ortogonales
entre sí, como se describe, por ejemplo, en la publicación PCT
mencionada anteriormente WO 96/05768. En este caso, los circuitos
de procesamiento pueden determinar todas las seis coordenadas de
posición y orientación del catéter 30 sin ambigüedad.
Otro punto de posible ambigüedad al determinar
las coordenadas de orientación del transpondedor 40 es que la
magnitud de las corrientes que fluyen en la bobina de detección 46
es invariable al invertir la dirección del eje de la bobina. En
otras palabras, volteando el transductor 40 en 180º a través de un
plano perpendicular al eje de la bobina de detección no tiene
efecto sobre la amplitud de la corriente. Bajo algunas
circunstancias, esta respuesta simétrica podría causar un error de
180º al determinar las coordenadas del transpondedor.
Mientras que la magnitud de la corriente de la
bobina de detección no se ve afectada volteando el eje de la
bobina, la inversión de 180º invierte la fase de la corriente en
relación con la fase de los campos magnéticos de excitación
generados por los generadores de campo 28. El circuito de
sincronización de reloj 52 puede usarse para detectar esta
inversión de fase y de este modo superar la ambigüedad de la
orientación bajo la rotación de 180º. Sincronizar la modulación de
la señal de RF devuelta por el chip 44 al receptor 56 con las
corrientes de excitación de los generadores de campo 28 permite al
receptor determinar la fase de las corrientes en la bobina de
detección 46 con relación a las corrientes de excitación.
Comprobando si las corrientes de los detectores están en fase con
las corrientes de excitación o con un desfase de 180º, el circuito
de procesamiento 58 es capaz de decidir en qué dirección está
apuntando el transpondedor.
La Figura 4 es una ilustración gráfica
esquemática que muestra el uso de los transpondedores de
localización en un procedimiento ortopédico, de acuerdo con una
realización preferida de la presente invención. Una ventaja de usar
transpondedores inalámbricos, tal como el transpondedor 40, sin una
fuente de alimentación a bordo, es que los transpondedores pueden
insertarse o adjuntarse a dispositivos que se pueden implantar, y a
continuación dejarse en el interior del cuerpo del paciente para
referencia posterior. La realización mostrada en la Figura 4
ilustra una cirugía de implante de cadera en la que se requiere que
un cirujano coloque la cabeza de un fémur artificial 60 en un
acetábulo artificial 62. Típicamente, antes de realizar el
procedimiento, el cirujano toma imágenes de rayos X o CT para
visualizar el área de la operación, pero luego debe realizarse la
cirugía actual sin el beneficio de la visualización tridimensional
en tiempo real.
En la realización mostrada en al Figura 4, los
transpondedores miniatura 64 están incorporados en el fémur 60, y
además los transpondedores miniatura 66 están incorporados en la
pelvis en el área del acetábulo 62. Los transpondedores 64 y 66 son
preferiblemente similares al transpondedor 40, como se muestra en la
Figura 2. Más preferiblemente, cada transpondedor está configurado
para transmitir señales de vuelta a la antena 54 a diferentes
frecuencias portadoras, de modo que el receptor 56 puede diferenciar
entre los transpondedores. Al principio de la operación, se toma
una imagen de rayos X con la cabeza del fémur en proximidad con el
acetábulo. La imagen es capturada por un ordenador y se presenta en
el monitor del ordenador. Los transpondedores 64 y 66 son visibles
en la imagen de rayos X, y sus posiciones en la imagen se registran
con sus coordenadas de localización respectivas, como se determina
por la circuitería de procesamiento 58. Durante la operación, el
movimiento de los transpondedores se sigue por la circuitería 58, y
este movimiento se usa para actualizar las posiciones relativas del
fémur y el acetábulo en la imagen del monitor, usando técnicas de
procesamiento de imagen conocidas en la técnica. El cirujano usa la
imagen actualizada para conseguir una colocación adecuada de la
cabeza del fémur en el acetábulo, sin necesidad de repetir
exposiciones de rayos X mientras que está en proceso la
operación.
Una vez que ha terminado la operación, la
posición relativa de los transpondedores 64 y 66 (que permanecen en
el implante) preferiblemente se comprueban periódicamente para
verificar que se mantiene la relación adecuada entre los huesos.
Esta clase de monitorización de posición es útil tanto durante la
recuperación como para monitorizar el estado del implante a largo
plazo. Por ejemplo, puede usarse tal monitorización para detectar
una separación en aumento entre el fémur y el acetábulo que, como se
sabe, en algunos casos precede un deterioro del hueso más
grave.
Aunque las Figuras 1 y 4 muestran sólo dos
aplicaciones particulares de transpondedores de posición
inalámbricos de acuerdo con las realizaciones preferidas de la
presente invención, otras aplicaciones serán evidentes para los
especialistas en la técnica y se considera que están dentro del
alcance de la presente invención. Por ejemplo, y no a modo de
limitación, tales transpondedores pueden fijarse a otros tipos de
instrumentos invasivos, tales como endoscopios y tubos de
alimentación, así como otros dispositivos que se pueden implantar,
tales como implantes ortopédicos usados en la rodilla, la columna
vertebral y otras localizaciones.
Las personas expertas en la técnica entenderán,
por lo tanto, que la presente invención no está limitada a lo que
se ha mostrado y descrito particularmente anteriormente en este
documento. En lugar de ello, el alcance de la presente invención,
incluye tanto las combinaciones como las
sub-combinaciones de las diversas características
descritas en este documento anteriormente, así como las variaciones
y modificaciones de las mismas que no están en la técnica anterior,
que se les ocurrirían a las personas especialistas en la técnica una
vez leída la descripción anterior.
Claims (14)
1. Un aparato (20) para seguimiento de un objeto
(30), que comprende:
uno o más generadores de campo;
circuitos excitadores (32) adaptados para
excitar uno o más generadores de campo (28) para generar campos
electromagnéticos a diferentes frecuencias respectivas en la
proximidad del objeto;
un excitador de radiofrecuencia (RF) 50,
adaptado para radiar un campo de excitación de RF hacia el
objeto;
un transpondedor inalámbrico (40), fijado al
objeto (30), comprendiendo el transpondedor:
al menos una bobina de detección (46), acoplada
de modo que fluye una corriente eléctrica en la al menos una bobina
de detección que responde a los campos electromagnéticos;
un circuito de control (44), acoplado a la al
menos una bobina de detección (46) de modo que genera una señal de
salida indicativa de la corriente; y
una bobina de potencia (42), acoplada para
recibir el campo de excitación de RF y para conducir la energía
eléctrica desde el campo de excitación al circuito de control (44),
y acoplada además para transmitir la señal de salida generada por
el circuito de control; y
un receptor de señal (34) adaptado para recibir
la señal de salida transmitida por la bobina de potencia y, en
respuesta a la misma, determinar las coordenadas del objeto (30);
caracterizado porque el aparato comprende un circuito de
sincronización de reloj (52) acoplado a los circuitos de excitación
(32) y al excitador de RF (50);
y porque uno o más generadores de campo (28)
están adaptados para generar los campos electromagnéticos a las
frecuencias de campo respectivas, y el excitador de RF (50) está
adaptado para radiar el campo de excitación de RF a una frecuencia
de excitación, y en el que uno o más generadores de campo (28) y el
excitador de RF (50) están acoplados para funcionar de modo que las
frecuencias de campo y la frecuencia de excitación están
sincronizadas entre sí por el circuito de sincronización de reloj
(52); y
porque el circuito de control (44) está acoplado
para recibir una señal de sincronización de frecuencias desde la
bobina de potencia (42), en respuesta al campo de excitación de RF
sincronizado, y para aplicar la señal de sincronización de
frecuencias como una referencia de frecuencia al generar la señal de
salida.
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la corriente eléctrica en la al menos una bobina de
detección (46) tiene componentes de frecuencia a las diferentes
frecuencias de uno o más generadores de campo (28), y en el que la
señal generada por el circuito de control (44) es indicativa de los
componentes de frecuencia de la corriente.
3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el circuito de control (44) está adaptado para generar la
señal de salida de modo que indique la fase de la corriente que
fluye en la al menos una bobina de detección (46), con relación a
la fase de los campos electromagnéticos.
4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que el circuito de control (44) está adaptado para generar la
señal de salida en respuesta a la sincronización de las frecuencias
de campo con la frecuencia de excitación.
5. El aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la frecuencia de excitación
del campo de excitación de RF es un múltiplo entero de las
frecuencias de campo de los campos electromagnéticos de uno o más
generadores de campo (28).
6. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que el circuito de control (44), está además adaptado de modo
que genere una señal de salida indicativa de la amplitud de la
corriente, y en el que el receptor de señal (34) está adaptado, en
respuesta a la amplitud y fase de la corriente indicada por la señal
de salida, para determinar una orientación del objeto (30).
7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que la al menos una bobina de detección comprende una bobina
de detección única (46), y en el que el receptor de señal está
adaptado, en respuesta a la fase indicada de la corriente, para
determinar la dirección de la orientación del transpondedor
(40).
8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1 o
la reivindicación 6, en el que el circuito de control (44)
comprende un convertidor de tensión a frecuencia (T/F) (48), que
está acoplado para generar la señal de salida con una frecuencia de
salida que varia en respuesta a la corriente eléctrica que fluye en
la al menos una bobina de detección (46).
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el circuito de control (44) comprende un convertidor de
tensión a frecuencia (T/F) (48), acoplado a la al menos una bobina
de detección (46) de modo que genera una señal de salida con una
frecuencia de salida que varía en respuesta a la amplitud de la
corriente eléctrica que fluye en la al menos una bobina de
detección.
10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
6, ó 9, en el que el transpondedor (40) está adaptado para ser
insertado, junto con el objeto (30), dentro el cuerpo de un sujeto
(26), mientras que uno a más generadores de campo (28) y el
excitador de RF (50) están situados fuera del cuerpo.
11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10,
en el que el objeto comprende una sonda alargada (30), para su
inserción dentro del cuerpo, y en el que el transpondedor (40) está
fijado en la sonda (30) de modo que permite al receptor (34)
determinar las coordenadas del extremo distal de la sonda.
12. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10,
en el que el objeto comprende un implante, y en el que el
transpondedor (40) está fijado en el implante, de modo que permite
al receptor determinar las coordenadas del implante dentro del
cuerpo.
13. Aparato de acuerdo con la reivindicación 12,
en el que el implante comprende un implante de articulación de
cadera, que comprende una cabeza de fémur (60) y un acetábulo (62),
y en el que el transpondedor comprende una pluralidad de
transpondedores (64, 66) fijados respectivamente a la cabeza de
fémur y al acetábulo, y en el que el receptor de señal está
adaptado para determinar la distancia entre la cabeza de fémur (60)
y el acetábulo (62) en respuesta a la señal de salida desde los
transpondedores (64, 66).
14. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el circuito de control (44) está adaptado para funcionar
alimentado solamente por la energía eléctrica dirigida al mismo por
al bobina de potencia (42).
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