DE102005036020A1 - System und Verfahren zur Sensorintegration - Google Patents

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DE102005036020A1
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Peter Traneus Andover Anderson
Thomas Wilmington Peterson
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General Electric Co
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Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Sensorintegration umfassen eine medizinische Vorrichtung, einen an der medizinischen Vorrichtung angebrachten Sender und einen Empfänger. Die medizinische Vorrichtung kann einen Verfolgungspunkt enthalten. Der Verfolgungspunkt kann mit der medizinischen Vorrichtung verbunden sein, um einen Abstand zwischen dem Verfolgungspunkt und dem Sender zu minimieren. Der Sender kann ein Positionssignal senden. Der Empfänger kann das Positionssignal empfangen. Das Signal kann dazu verwendet werden, um wenigstens eines von einer Position und Orientierung des Senders in Bezug auf den Empfänger zu ermitteln. Der Sender kann eine elektronische Schaltung enthalten, die in der Lage ist, zusätzliche Telemetrieinformation zu messen und die Telemetrie in einem Telemetriesignal zu senden. Der Sender kann auch ein Identitätssignal senden.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein elektromagnetisches Verfolgungssystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Sensorintegration in einem elektromagnetischen Verfolgungssystem.
  • Medizinische Fachleute, wie z.B. Ärzte, Chirurgen und weitere medizinische Spezialisten, verlassen sich oft auf Technologie, wenn sie eine medizinische Verfahren, wie z.B. bildgebungsgeführte Operation ("IGS") oder Untersuchung durchführen. Ein IGS-System kann Positionierungs- und/oder Orientierungs-("P&O")-Information für das medizinische Instrument in Bezug auf den Patienten oder beispielsweise ein Bezugskoordinatensystem liefern. Ein medizinischer Fachmann kann sich auf das IGS-System beziehen, um die P&O des medizinischen Instrumentes festzustellen, wenn sich das Instrument nicht innerhalb der Sichtlinie des Arztes in Bezug auf die Anatomie des Patienten befindet, oder in Bezug auf nichtsichtbare Information bezüglich des Patienten. Ein IGS-System kann auch in der voroperativen Planung unterstützen.
  • Das IGS- oder Navigationssystem ermöglicht dem Arzt die Anatomie des Patienten zu visualisieren und die P&O des Instrumentes zu verfolgen. Der Arzt kann auch das Verfolgungs system verwenden, um festzustellen, ob sich das Instrument an einer gewünschten Stelle befindet und in einer speziellen Richtung ausgerichtet ist. Der Arzt kann einen gewünschten oder verletzten Bereich lokalisieren und daran operieren oder eine Therapie vornehmen, während andere Strukturen vermieden werden. Eine gesteigerte Genauigkeit in der Platzierung medizinischer Instrumente in einem Patienten kann für eine geringer invasive medizinische Verfahren sorgen, indem sie eine verbesserte Kontrolle über kleinere flexible Instrumente mit geringerer Auswirkung auf den Patienten ermöglicht. Eine verbesserte Kontrolle und Genauigkeit mit kleineren verfeinerten Instrumenten kann auch Risiken in Verbindung mit invasiveren Verfahren, wie z.B. bei offener Operation, reduzieren.
  • Die in Navigationssystemen zu findende hochgenaue Verfolgungstechnologie kann auch bei der Verfolgung der P&O von anderen Elementen als medizinischen Instrumenten in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. D.h., ein Verfolgungssystem kann auch in anderen Rahmen, in welchen die P&O eines Objektes in einer Umgebung schwierig durch direkte oder indirekte Betrachtung zu bestimmen ist, eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Verfolgungstechnologie in Gerichtsmedizin- oder Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden. Verkaufsgeschäfte können die Verfolgungstechnologie anwenden, um den Diebstahl von Ware zu verhindern. In derartigen Fällen kann ein passiver Transponder auf der Ware angebracht werden. Ein Sender kann strategisch innerhalb der Geschäftsräume aufgestellt sein. Der Sender emittiert ein Erregungssignal mit einer Frequenz, die dafür ausgelegt ist, eine Antwort von einem Transponder zu erzeugen. Wenn sich eine einen Transponder tragende Ware innerhalb des Sendebereichs des Senders befindet, erzeugt der Transponder ein Antwortsignal, das von einem Empfänger detektiert wird. Der Empfänger ermittelt dann die Lage des Transponders auf der Basis der Eigenschaften des Antwortsignals.
  • Verfolgungssysteme werden oft in Virtual-Reality-Systemen oder Simulatoren verwendet. Verfolgungssysteme können dazu genutzt werden, die Position einer Person in einer simulierten Umgebung zu überwachen. Ein oder mehrere Transponder können auf einer Person oder einem Objekt angebracht sein. Ein Sender emittiert ein Erregungssignal und ein Transponder erzeugt ein Antwortsignal. Ein Empfänger detektiert das Antwortsignal. Das von dem Transponder emittierte Signal kann dann dazu genutzt werden, die Position einer Person oder eines Objektes in einer simulierten Umgebung zu überwachen.
  • Verfolgungssysteme können beispielsweise auf Optik, Ultraschall, Trägheit oder elektromagnetischen Wellen basieren. Elektromagnetische Verfolgungssysteme können Spulen als Empfänger und Sender verwenden. Typischerweise ist ein elektromagnetisches Verfolgungssystem in einer Industriestandard-Spulenarchitektur ("ISCA" – Industry-Standard Coil Achitecture) konfiguriert. Die ISCA ist durch drei an einer Stelle angeordnete orthogonale Quasi-Dipol-Senderspulen und drei an einer Stelle angeordnete Quasi-Dipol-Empfängerspulen gekennzeichnet. Eine derartige Konfiguration liegt derzeit bei vielen Produkten, wie z.B. dem Polhemus FASTRACK® vor. Andere Systeme können drei große, Nicht-Dipol, nicht an einer Stelle angeordnete Senderspulen mit drei an einer Stelle angeordneten Quasi-Dipol-Empfängerspulen verwenden. Eine weitere Verfolgungssystemarchitektur verwendet eine Anordnung von sechs oder mehr Senderspulen, die im Raum verteilt sind und eine oder mehrere Quasi-Dipol-Empfängerspulen. Alternativ kann eine einzige Quasi-Dipol-Senderspule mit einer Anordnung ne einzige Quasi-Dipol-Senderspule mit einer Anordnung von sechs oder mehr im Raum verteilten Empfängerspulen verwendet werden.
  • Die ISCA Verfolgungsarchitektur verwendet einen dreiachsigen Quasi-Dipol-Spulensender und einen dreiachsigen Quasi-Dipol-Spulenempfänger. Jeder dreiachsige Sender oder Empfänger ist so aufgebaut, dass die drei Spulen dieselbe effektive Fläche aufweisen, orthogonal zueinander orientiert sind, und an demselben Punkt zentriert sind. Wenn die Spulen im Vergleich zu einem Abstand zwischen dem Sender und Empfänger klein genug sind, kann die Spule ein Dipolverhalten zeigen. Durch das Trio der Senderspulen erzeugte magnetische Felder können durch das Trio der Empfängerspulen detektiert werden. Durch Verwendung von drei angenähert konzentrisch positionierten Senderspulen und drei angenähert konzentrisch positionierten Empfängerspulen können beispielsweise neun Parametermesswerte erzielt werden. Aus den neun Parametermesswerten und einem bekannten Positions- oder Orientierungsparameter kann eine Positions- und Orientierungsberechnung Positions- und Orientierungsinformation für jede von den Senderspulen in Bezug auf das Empfängerspulentrio mit drei Freiheitsgraden ermitteln.
  • In der medizinischen und chirurgischen Bildgebung, wie z.B. der intraoperativen oder perioperativen Bildgebung, werden Abbildungen aus einem Bereich eines Patientenkörpers erzeugt. Die Abbildungen werden zur Unterstützung in einer ablaufenden Verfahren mit einem bei dem Patienten angewendeten chirurgischen Werkzeug oder Instrument genutzt und in Bezug auf ein aus den Abbildungen erzeugtes Bezugskoordinatensystem verfolg. Die bildgebungsgeführte Chirurgie ist von spezieller Nützlichkeit in chirurgischen Verfahren, wie z.B. der Gehirnchirurgie und bei athroskopischen Verfahren des Knies, des Handgelenkes, der Schulter oder des Rückgrats, sowie bei bestimmten Angiographiearten, Herzprozeduren, interventioneller Radiologie und in Biopsien, in welchen Röntgenbilder zum Darstellen, Korrigieren von P&O, oder anderweitigen Navigieren eines in der Verfahren beteiligten Werkzeug oder Instruments aufgenommen werden können.
  • Verschiedene Bereiche der Chirurgie erfordern eine sehr genaue Planung und Kontrolle für die Platzierung einer länglichen Sonde oder einen anderen Vorrichtung in Gewebe oder Knochen, die sich innen befinden, oder schwierig direkt zu betrachten sind. Insbesondere werden für die Gehirnchirurgie stereotaktische Rahmen verwendet, die einen Eintrittspunkt, Sondenwinkel und Sondentiefe definieren, um einen Zugang aufeine Stelle in dem Gehirn im Allgemeinen in Verbindung mit vorher erstellten dreidimensionalen diagnostischen Bildern, wie z.B. MRI-, PET- oder CT-Scannbildern, welche genaue Gewebeabbildungen liefern zu schaffen. Für die Platzierung von Stielschrauben („pedicle screw") im Rückgrat, bei der eine visuelle und fluoroskopische (Durchleuchtungs-) Bildgebung keine axiale Ansicht erfassen kann, um ein Profil eines Einführungspfades im Knochen zu zentrieren, sind Navigationssysteme ebenfalls sehr nützlich.
  • Wenn sie mit vorhanden CT-, PET- oder MRI-Bildsätzen verwendet werden, definieren zuvor aufgezeichnete Diagnosebildsätze ein dreidimensionales geradliniges Koordinatensystem, entweder aufgrund ihrer Präzisions-Scanformation oder durch räumliche Mathematik ihrer Rekonstruktionsalgorithmen. Es kann jedoch erwünscht sein, die verfügbaren Durchleuchtungs ansichten und anatomischen Merkmale, die von der Oberfläche oder in Durchleuchtungsbildern sichtbar sind, mit Merkmalen in den 3-D-Diagnosebildern und mit externen Koordinaten von verwendeten Instrumenten oder Vorrichtungen zu korrelieren. Die Korrelation erfolgt oft durch die Erzeugung implantierter Justiermarken und die Hinzufügung extern sichtbarer oder verfolgbarer Markierungen, die abgebildet werden können. Unter Verwendung einer Tastatur oder Maus oder algorithmisch durch raffinierte Bildverarbeitungstechniken können Justiermarken in den verschiedenen Bildern identifiziert werden. Somit können übliche Sätze von Koordinatenregistrierungspunkten in den unterschiedlichen Bildern identifiziert werden. Die üblichen Sätze von Koordinatenregistrierungspunkten können auch in einer automatisierten Weise durch eine externe Koordinatenmessvorrichtung, wie z.B. eine geeignet programmierte optische Standardverfolgungsanordnung verfolgbar sein. Anstelle von abbildbaren Justiermarken, welche beispielsweise sowohl in Durchleuchtungs- als auch MRI- oder CT-Bildern abgebildet werden können, können derartige Systeme auch in einem großen Umfang mit einfacher optischer Verfolgung des chirurgischen Werkzeugs arbeiten und können ein Initialisierungsprotokoll verwenden, in welchem ein Chirurg eine Anzahl von knöchernen Vorsprüngen oder anderen erkennbaren anatomischen Merkmalen berührt oder darauf zeigt, um externe Koordinaten in Bezug auf eine Patientenanatomie zu definieren, und eine Softwareverfolgung der anatomischen Merkmale zu initiieren.
  • Weitere Datenformen, die dreidimensionale räumliche Eigenschaften zeigen, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Abbildungen kortikaler Erregungs/Antwort-Daten, Herzwandbewegungsuntersuchungen oder zeitbezogene Abbildungen anatomischer Änderungen bezüglich Erkrankungs- oder Entwicklungspro zessen. Wenn es mit dem Bezugsrahmen des Patienten korreliert ist, kann ein IGS-System dazu verwendet werden, diese anderen Formen räumlicher Daten in Bezug auf Bilddaten zu navigieren, wodurch eine erweiterte "Sicht" des Patientenzustandes erzeugt wird.
  • Im Allgemeinen arbeiten bildgebungsgeführte Chirurgiesysteme mit einer Bildanzeigeeinrichtung, welche im Sichtfeld eines Chirurgen positioniert ist, und welche einige Ausschnitte, wie z.B. ein ausgewähltes MRI-Bild und mehrere aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommene Röntgen- oder Durchleuchtungsansichten darstellt. Dreidimensionale diagnostische Bilder weisen typischerweise eine räumliche Auflösung auf, die innerhalb einer sehr kleinen Toleranz, wie z.B. innerhalb eines mm oder kleiner, sowohl geradlinig als auch genau ist. Im Gegensatz dazu können Durchleuchtungsansichten verzerrt sein. Die Durchleuchtungsansichten sind dahingehend eine Schattengrafik, dass sie die Dichte aller Gewebe darstellen, durch welche das konische Röntgenstrahlbündel hindurch getreten ist. In Werkzeugnavigationssystemen kann die für den Chirurgen sichtbare Anzeigeeinrichtung ein Bild eines chirurgischen Werkzeugs, Biopsieinstrumentes, einer Stielschraube, Sonde oder anderen Vorrichtung darstellen, die auf eine Durchleuchtungsabbildung projiziert ist, so dass der Chirurg die Orientierung des chirurgischen Instrumentes in Bezug auf die abgebildete Patientenanatomie visualisieren kann. Ein geeignet rekonstruiertes CT- oder MRI-Bild, welches den verfolgten Koordinaten der Sondenspitze entspricht, kann ebenfalls angezeigt werden.
  • Von den Systemen, die bereits für die Erzeugung derartiger Anzeigen vorgeschlagen wurden, beruhen viele auf der un mittelbaren Verfolgung der Position und Orientierung des chirurgischen Instruments in externen Koordinaten. Die verschiedenen Koordinatensätze können durch robotermechanische Verbindungen und Codierer definiert werden, oder werden, was üblicher ist, durch eine feste Patientenlagerung, zwei oder mehr Empfänger, wie z.B. Videokameras, welche an der Lagerung befestigt sind, und mehrere Signalisierungselemente definiert, die an einer Führung oder einem Rahmen auf dem chirurgischen Instrument befestigt sind, die es ermöglichen, die Position und Orientierung des Werkzeugs in Bezug auf die Patientenlagerung und den Kamerarahmen automatisch durch Triangulation zu ermitteln, so dass verschiedenen Transformationen zwischen den entsprechenden Koordinaten berechnet werden können. Dreidimensionale Verfolgungssysteme, welche wenigstens zwei Videokameras und mehrere Emitter- oder andere Positionssignalisierungselemente verwenden, sind bereits lange kommerziell verfügbar und gut an derartige Operationsraumsysteme anpassbar. Ähnliche Systeme können ebenfalls externe Positionskoordinaten unter Verwendung kommerziell verfügbarer akustischer Abstandsmesssysteme ermitteln, in welchen drei oder mehr akustische Emitter betätigt werden und deren Töne bei mehreren Empfängern detektiert werden, um deren relativen Abstände von den detektierenden Anordnungen zu ermitteln, um somit mittels einfacher Triangulation die Position und Orientierung der Rahmen oder Lagerungen zu ermitteln, auf welchen die Emitter befestigt sind. Wenn verfolgte Justiermarken in den diagnostischen Bildern erscheinen, ist es möglich, eine Transformation zwischen den Patientenkoordinaten und den Koordinaten des Bildes zu definieren.
  • Derzeitige Verfolgungssysteme erfordern eine große Anzahl von Komponenten, insbesondere Sensoren. Jedoch stört eine Zu nahme der Anzahl von Komponenten in Verfolgungssystemen medizinische Verfahren insbesondere diejenigen Verfahren, die ein reduziertes "Durcheinander" in der Operations- oder Verfolgungsumgebung erfordern.
  • Ferner nutzen derzeitige Systeme und Verfahren die Platzierung eines Verfolgungssensors auf einem medizinischen Instrument bekannter Größe und Form. Das Instrument wird durch Ermitteln des Abstandes zwischen dem Sensor und den verschiedenen Endpunkten des Instrumentes kalibriert. Während eines medizinischen Verfahrens wird die Lage der Instrumentenendpunkte berechnet, indem die bekannte Lage des Sensors ermittelt wird, und diese Lage mit dem gemessenen Abstand zwischen dem Sensor und den Instrumentenendpunkten kombiniert wird. Jedoch kann sich aufgrund einer Instrumentenverziehung, wie z.B. einer Biegung, beispielsweise der gemessene Abstand zwischen dem Sensor und den Instrumentenendpunkten während der medizinischen Verfahren verändern. Diese Verziehung kann eine verringerte Genauigkeit bei der Ermittlung der Lage der Instrumentenendpunkte bewirken.
  • Zusätzlich sind derzeitige Sensoren in der Funktionalität eingeschränkt. Beispielsweise sind derzeitige Sensoren im Allgemeinen Sensoren für einmalige Verwendung, welche nicht in der Lage sind, zusätzlich zu Telemetriedaten andere wertvolle Information, wie z.B. Identifizierungsinformation, Vitalstatistiken und andere physikalische Daten, wie z.B. Druck, Temperatur, Kraft, Auslenkung, Zug oder Druck zu liefern.
  • Demzufolge besteht ein Bedarf für ein Navigationssystem und ein Verfahren, die eine Verfolgungstechnologie anwenden, die in Geräte integriert werden kann, um somit die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und leichte Benutzbarkeit des Systems zu steigern. Ferner steigert die Integration von Sensoren in bestehenden oder neuen medizinischen Instrumenten an optimaleren Stellen die Genauigkeit der Ermittlung von P&O. Zusätzlich ermöglicht es die Bereitstellung von Sensoren, die eine erhöhte Funktionalität aufweisen (wie z.B. die Lieferung von Identifikationsinformation, Vitalstatistiken oder anderen physikalischen Daten) einem Verfolgungssystem, zusätzliche wertvolle Information zu sammeln. Ein derartiges System und Verfahren, das für weniger Komponenten in einer Verfolgungs- oder Operationsumgebung sorgt, kann auch die Gesamtkosten des Systems reduzieren, aber auch den Grad an "Durcheinander" verringern, der die sichere und effektive Operations- oder Verfolgungsumgebung stört.
  • KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Sensorintegrationssystem bereit. Das System umfasst eine medizinische Vorrichtung, einen Sender und einen Empfänger. Die medizinische Vorrichtung enthält einen Verfolgungspunkt. Der Sender ist mit der Vorrichtung verbunden, um so einen Abstand zwischen dem Verfolgungspunkt und dem Sender zu minimieren. Der Sender sendet ein Positionssignal. Der Empfänger empfängt das Positionssignal.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Integration eines Sensors in eine medizinische Vorrichtung bereit. Das Verfahren umfasst die Verbindung eines Sensors mit einer medizinischen Vorrichtung, das Senden eines Positi onssignals und das Empfangen eines Positionssignals. Der Sender ist an der Vorrichtung angebracht, um so einen Abstand zwischen dem Verfolgungspunkt und dem Sender zu minimieren. Der Sender sendet das Positionssignal. Der Empfänger empfängt das Positionssignal.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zum Lokalisieren einer medizinischen Vorrichtung in einem Patienten und zum Liefern von Vorrichtungseigenschaften. Das Verfahren beinhaltet das Verbinden eines Senders mit der medizinischen Vorrichtung, das Senden eines Signals aus dem Sender und das Empfangen des Signals bei einem Empfänger. Das Signal enthält wenigstens eines von einer Position und Orientierung des Senders bezüglich des Empfängers und die Vorrichtungseigenschaft.
  • KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN.
  • 1 stellt ein Verfolgungssystem dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
  • 2 stellt ein Flussdiagramm für ein Verfahren für die Integration von Sensoren in medizinische Vorrichtungen dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 stellt ein Verfolgungssystem 10 dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Das Verfolgungssystem 10 enthält wenigstens einen Sender 12, einen Empfänger 14 und Verfolgungseinrichtungselektronik 16. Der Sender 12 sendet ein Signal. Der Empfänger 14 detektiert das Signal. Die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 analysiert das empfangene Signal. Unter Verwendung des Senders 12 und des Empfängers 14 kann wenigstens eines von einer Position und Orientierung eines Senders 12 verfolgt werden. Das Verfolgungssystem 10 kann beispielsweise in ISCA konfiguriert sein.
  • In einer Ausführungsform kann der Sender 12 ein drahtloser Sender sein. Beispielsweise kann der Sender 12 ein drahtloser ISCA Sender sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender 12 ein drahtgebundener Sender sein. Der Sender 12 kann auch ein Sensor sein, der zusätzliche Elektronik enthält und in der Lage ist, ein Signal durch ein anderes Objekt, wie z.B. ein medizinisches Instrument oder eine Kombination eines medizinischen Instrumentes und eines menschlichen Körpers hindurch zu senden. Beispielsweise kann der Sender 12 ein Sensor sein, der ein Gyroskop oder einen Beschleunigungsmesser verwendet.
  • Der Sender 12 kann mit einer medizinischen Vorrichtung, wie z.B. mit einem medizinischen Instrument oder einem Implantat verbunden werden. Beispielsweise kann der Sender 12 an einer Spitze eines Reponierungsstabes, eines Bohrer, einer Ausschneideklinge oder eines Führungsdrahtes angebracht werden. Ebenso kann der Sender 12 an einem künstlichen Hüft- oder Knieimplantat angebracht werden. Der Sender kann an einer vorhandenen Vorrichtung angebracht werden, indem eine Drahtspule um eine Komponente der Vorrichtung dort, wo eine Verfolgung erwünscht ist, gewickelt wird, um beispielsweise eine EM-Spule zu erzeugen. Um eine Störung aus dem Material der Vorrichtung zu reduzieren, kann der Sender 12 teilweise durch Wickeln einer Drahtspule um die Vorrichtung herum erzeugt werden, um dadurch das EM-Feld vor einer Störungsquelle zu schützen.
  • Der Sender 12 kann mit dem Instrument oder Implantat verbunden werden, indem der Sender in dem Instrument oder Implantat eingebettet wird. Beispielsweise kann während der Herstellung eines Reponierungsstabes, eines Bohrers, einer Drahtführung, einer künstlichen Hüfte oder eines künstlichen Knies, einer Stielschraube, einer künstlichen Bandscheibe oder dergleichen der Sender 12 in Materialien eingebettet werden, die zum Herstellen des Instrumentes oder Implantates verwendet werden. Durch die Einbettung des Senders 12 kann er an einer gegebenen Stelle innerhalb einer Vorrichtung fixiert werden und daher unabhängig von der Vorrichtung verschiebungsbeständig sein. Es können jedoch weitere Faktoren die Einbettung von Sendern 12 in eine medizinische Vorrichtung erfordern.
  • Ein drahtloser Sensor 12 kann Energie aus einem Instrument entziehen, auf welchem der Sender 12 befestigt oder eingebettet ist, oder er kann beispielsweise eine getrennte Energiequelle aufweisen. Jedoch kann die Verwendung einer Batterie als Energiequelle zu einer Störung in dem System 10 führen. Um diese Störung zu reduzieren, kann der Sender 12 teilweise durch Wickeln einer Drahtspule um die Energiequelle oder Batterie herum erzeugt werden, um dadurch das EM-Feld vor der Störungsquelle zu schützen. Weitere Energiequellen für den Sender 12 können beispielsweise Induktion oder piezoelektrische Erzeugung umfassen.
  • In einer Ausführungsform enthält der Empfänger 14 Empfänger-Dipolspulen oder Spulen-Trios. Der Empfänger 14 kann auch eine größere oder kleinere Anzahl von Spulen enthalten. Der Empfänger 14 kann auch eine Anordnung von Spulen enthalten, die in der Lage sind, von dem Sender 12 gesendete Telemetrie- und/oder P&O-Daten zu empfangen. Beispielsweise kann der Empfänger 14 ein drahtgebundener EM-Empfänger mit 12 Spulen sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 einen Computerprozessor, der in der Lage ist, eine P&O des Senders 12 in Bezug auf einen Bezugspunkt auf der Basis eines aus dem Empfänger 14 empfangenen Signals zu ermitteln. Beispielsweise kann die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 das GE InstaTrack® enthalten. Weitere Beispiele von Verfolgungseinrichtungselektroniken können eines von den von Polhemus hergestellten LibertyTM, PatriotTM oder FASTRACKTM Produkten enthalten. Die Verbindung zwischen dem Empfänger 14 und der Verfolgungseinrichtungselektronik 16 kann eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung sein. Die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 kann auch mit dem Empfänger 14 integriert sein, oder kann beispielsweise ein getrenntes Modul sein.
  • In einer Ausführungsform kann das von dem Sender 12 gesendete Signal beispielsweise Verfolgungsdaten enthalten. Die Verfolgungsdaten können die P&O (Position und/oder Orientierung) des Senders 12 in Bezug auf den Empfänger 14 enthalten. Die Verfolgungsdaten können durch den Empfänger 14 ermittelt werden, der einen Strom durch einen angeschlossenen Draht oder eine Stromquelle aufnimmt und beispielsweise ein magneti sches Feld erzeugt. Die wechselseitige Induktivität kann dann dazu verwendet werden, Positionen und/oder Orientierungen des Senders 12 in dem System 10 zu identifizieren. Elektromagnetische Spulen in dem Sensor 12 detektieren das Magnetfeld, und der Sender 12 kann ein Signal proportional zu der Stärke des Magnetfeldes an den Empfänger senden. Der Empfänger kann das empfangene Signal an die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 weitergeben. Die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 kann dann das empfangene Signal messen und beispielsweise die P&O des Senders 12 bezüglich des Empfängers 14 berechnen.
  • Da der Sender 12 an verschiedenen Stellen auf einem vorhanden medizinischen Instrument oder Implantat platziert oder eingebettet werden kann, kann die Kalibrierung des Systems 10 wesentlich einfacher und genauer werden. Derzeitige Verfolgungssysteme erfordern die Kalibrierung von drei Punkten im Raum, nämlich eine Senderposition, eine Empfängerposition und eine Vorrichtungs – (wie z.B. Instrumenten oder Implantat) – position. Beispielsweise wird bei der Kalibrierung eines Verfolgungssystems für ein längliches medizinisches Instrument, wie z.B. einen Reponierstab, eine Schraube, eine Ausschneidklinge oder einen Führungsdraht typischerweise der Sender auf dem Instrument an einem Punkt in einem bekannten oder gemessenen Abstand von dem Ende des in einem Patienten eingeführten Instrumentes angeordnet. Beispielsweise kann ein Reponierstab eine Einführungsspitze haben, die in den Patienten eingeführt wird, und ein gegenüberliegendes Ende, an welchem ihn der Operateur festhält und den Stab führt. Herkömmliche Verfolgungssysteme platzieren den Sender in der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Reponierstabes. Der Abstand zwischen der Lage des Senders und der Einführungsspitze ist entweder bekannt oder wird anschließend gemessen. Das herkömmli che Verfolgungssystem ermittelt dann die P&O des Senders in Bezug auf einen Empfänger. Die Lage der Einführungsspitze wird dann abgeschätzt, indem der Abstand zwischen dem Sender und der Einführungsspitze der Position des Senders hinzuaddiert wird.
  • Im Gegensatz dazu erfordert in dem vorliegenden System, da der Sender 12 beispielsweise praktisch an jeder Stelle auf einem Instrument oder Implantat platziert oder darin eingebaut werden kann, die Kalibrierung des Systems 10 keine Abschätzung irgendeines Abstandes zwischen dem Sender 12 und einem interessierenden Punkt, wie z.B. einer Spitze oder einem Ende einer medizinischen Vorrichtung. Der Sender 12 kann so platziert werden, dass der Abstand zwischen dem Sender 12 und dem interessierenden Punkt minimiert wird. Beispielsweise kann der interessierende Punkt ein Verfolgungspunkt, wie z.B. die Spitze eines in einen Patienten einzuführenden Reponierstabes oder ein Punkt auf einem Hüftimplantat, sein. Auf diese Weise kann beispielsweise der interessierende Punkt ein Punkt auf dem Instrument oder Implantat werden, das verfolgt wird.
  • Der Sender 12 kann in der medizinischen Vorrichtung an dem interessierenden Punkt befestigt oder eingebettet werden. Jedoch kann aufgrund physikalischer, struktureller und elektrischer Einschränkungen u.a. der Sender 12 nicht immer an dem interessierenden Punkt angebracht oder eingebettet werden. Daher können durch Minimierung des Abstandes zwischen dem Sender 12 und einem interessierenden Punkt, zwei Punkte verwendet werden, um das System 10 zu kalibrieren (nämlich Positionen des Senders 12 und des Empfängers 14), während drei Punkte erforderlich sind, um herkömmliche Verfolgungssysteme zu kalibrieren (nämlich Positionen eines Senders, eines Empfängers und eines Abstandes zwischen dem Sender und dem interessierenden Punkt), wie es vorstehend beschrieben wurde.
  • Beispielsweise kann der Sender 12 in der Spitze eines chirurgischen Bohrers angebracht oder eingebettet werden. Da der Bohrer dazu verwendet wird, in einen Knochen eines Patienten zu bohren, kann das System 10 die Lage der Bohrerspitze durch Verfolgen der P&O des Senders 12 in Bezug auf den Empfänger 14 verfolgen. Auf diese Weise kann der Chirurg jederzeit wissen, wie weit der Bohrer in den Patienten vorgedrungen ist. Da der Chirurg in der Lage ist, die P&O des Senders 12 (und daher der Bohrerspitze) zu verfolgen, kann eine Biegung der Bohrerspitze nicht die Verfolgung der Lage der Bohrerspitze beeinflussen (oder hat einen verringerten Einfluss darauf).
  • In einem weiteren Beispiel kann das System bei der Navigierung eines chirurgischen Führungsdrahtes in einen Patienten nützlich sein. Ähnlich zu dem Vorstehenden kann der Sender 12 beispielsweise in der Einführungsspitze des Führungsdrahtes angebracht oder eingebettet sein. Keine Biegung des Führungsdrahtes kann sich auf die Verfolgung der P&O der Spitze auswirken (oder hat einen verringerten Effekt darauf), da das System 10 die P&O des Senders 12 und daher die Einführungsspitze (oder einem Punkt in der Nähe der Spitze) verfolgt, und nicht einen entfernten Punkt in Bezug auf die Spitze. Sobald der Führungsdraht korrekt in dem Patienten platziert worden ist, kann ein Implantat über den Führungsdraht in den Patienten eingeführt werden. Auf diese Weise kann das System 10 eine gesteigerte Genauigkeit bei der Einführung von Implantaten bereitstellen.
  • Der Sender 12 kann ständig P&O Information (oder jede andere Information wie nachstehend beschrieben) übertragen. Beispielsweise kann der Sender 12 in einer ständigen Weise ein Signal an den Empfänger 14 aussenden. Der Empfänger 14 kann dann ständig das Signal empfangen und die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 kann beispielsweise ständig die P&O des Senders 12 messen und ermitteln.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender 12 P&O Information (oder jede andere Information, wie nachstehend beschrieben) auf einer Bedarfsbasis übertragen. Auf einer Bedarfsbasis kann der Sender 12 beispielsweise ein Signal übertragen, wenn er ein anderes Signal von einer Außeninstanz wie z.B. von einem Empfänger 14 empfängt. Der Empfänger 14 kann daher beispielsweise ein "Ping"-Signal an den Sender 12 senden. Sobald der Sender 12 das "Ping"-Signal empfängt, kann der Sender 12 beispielsweise mit einem P&O Information enthaltendem Signal antworten. Der Empfänger 14 kann die P&O Information, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise empfangen, wenn der Empfänger 14 einen Bedarf für eine derartige Information anmeldet.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender 12 P&O Information (oder jede andere Information, wie nachstehend beschrieben) auf einer regelmäßigen oder zyklischen Basis übertragen. Auf regelmäßiger oder zyklischer Basis kann der Sender 12 ein Signal in regelmäßigen Zeitintervallen senden. Beispielsweise kann der Sender 12 ein alle drei Sekunden ein Signal senden. Der Empfänger 14 kann daher das Signal beispielsweise auf einer periodischen Basis von Intervallen mit drei Sekunden empfangen.
  • Der Sender 12 kann auch andere Telemetrie als oder zusätzlich zu einer P&O des Senders 12 in Bezug auf den Empfänger 14 liefern. Beispielsweise kann der Sender 12 eine zusätzliche elektronische Schaltung enthalten, die zusätzliche zu sendende Daten ermitteln kann, wie z.B. einen pH-Wert, Druck, Zug und/oder Druck auf die Vorrichtung, Temperatur oder andere vitale statistische Werte, wie z.B. Puls. Um die zusätzlichen Daten zu ermitteln, kann die zusätzliche elektronische Schaltung beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte ("PCB") enthalten.
  • Der Sender 12 kann auch andere Information als P&O und/oder Telemetrie senden. Beispielsweise kann der Sender 12 ein Signal mit einer eindeutigen Identität an den Empfänger 14 senden. Das Identitätssignal kann Information oder Daten bezüglich des Instrumentes oder Implantates enthalten, an welchen der Sender 12 angebracht ist. Beispielsweise kann der Sender 12 ein Signal übertragen, das einen Typ des Führungsdrahts identifiziert, an welchem der Sender 12 angebracht ist. Die Identitätsinformation kann irgendeine Information beinhalten, die nützlich ist, um beispielsweise einen Instrumententyp oder Implantattyp oder eine Identität eines Herstellers, Patienten oder Rechners zu unterscheiden. Das Identitätssignal kann, wie es vorstehend beschrieben wurde, durch eine Schaltung außerhalb des Senders 12 erzeugt werden oder das Identitätssignal kann für die Daten eindeutig sein. Beispielsweise kann sich ein zum Identifizieren eines von einem ersten Hersteller erzeugten Implantates verwendetes Identitätssignal entweder in der Frequenz oder der Amplitude von einem Implantat unterscheiden, das von einem zweiten Hersteller hergestellt wird.
  • Im Allgemeinen können alle von den vorstehenden Telemetrie- und Identitätssignalen als vorrichtungscharakteristische Signale betrachtet werden. Beispielsweise sendet ein Sender 12, der einen pH-Wert ermittelt, und den Wert (zusätzlich zu den P&O Daten) an den Empfänger 14 sendet, sowohl P&O Daten als auch ein vorrichtungscharakteristisches Signal. In einem weiteren Beispiel kann das vorrichtungscharakteristische Signal Information enthalten, die für den Sender 12 oder die Vorrichtung eindeutig ist, an welcher der Sender 12 angebracht ist, wie es vorstehend beschrieben wurde. Beispielsweise kann das vorrichtungscharakteristische Signal jede Information enthalten, die nützlich ist, um einen Typ eines Instrumentes oder Implantats, oder eine Identität eines Herstellers, Patienten oder Rechners, wie es vorstehend beschrieben wurde, zu unterscheiden.
  • Der Sender 12 kann die zusätzlichen Telemetrie- oder Identitätssignale unter Verwendung eines modulierten Signals übertragen. Die Verwendung eines modulierten Signals kann es dem Sender 12 ermöglichen, P&O Information an den Empfänger 14 zu senden, während gleichzeitig andere Telemetrie- oder Identitätsdaten mit den P&O Signalen moduliert werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender 12 zusätzliche Telemetrie- und/oder Identitätssignale auf einer zyklischen Basis übertragen. Beispielsweise kann der Sender im Kreislauf die Übertragung von P&O Daten, gefolgt von ersten Telemetriedaten (beispielsweise ein pH-Wert), gefolgt von Identitätsdaten (beispielsweise eine Identität eines Herstellers), gefolgt von P&O Daten, ersten Telemetriedaten, Identitätsdaten usw. durchlaufen.
  • Der Sender 12 kann eine beliebige Anzahl von Einrichtungen verwenden, um die Signaldaten (wie es vorstehend beschrieben wurde) wie im Fachgebiet üblich, z.B. in den Zeit- oder Frequenzbereichen zu multiplexieren. Das empfangene Signal kann dann durch die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 demultiplexiert werden, um die Datenkomponenten für eine weitere Verarbeitung zu trennen. Beispielsweise kann der Sender 12 einzelne oder mehrere von den P&O Daten, Telemetrie- und Identitätsdaten in einer multiplexierten Weise senden. Nach dem Empfang kann das multiplexierte Signal dann durch die Verfolgungseinrichtungselektronik 16 in die verschiedenen Komponenten des Signals demultiplexiert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender 12 jede Information, einschließlich P&O Information, Identitätsinformation und/oder zusätzliche Telemetriedaten auf einer Arbeitsphasenbasis senden. Eine Arbeitsphasenbasis kann einen Sender 12 umfassen, der zwischen den Übertragungen eines Signals an den Empfänger 14 und dem Senden eines Arbeitsphasensignals umschaltet, um auf ein Objekt einzuwirken. Ein Arbeitsphasensignal kann ein durch den Sender 12 gesendetes Signal beinhalten, das auf einen Patienten einwirkt. Beispielsweise kann ein Arbeitsphasensignal gesendet werden, um einen elektrischen Impuls oder ein Signal oder ein Hochfrequenzsignal anzulegen, um auf Gewebe in einem Patienten einzuwirken.
  • Beispielsweise kann der Sender in Verbindung mit einem Katheter verwendet werden, um eine Hochfrequenzablation des Herzens auszuführen. Zu einer herkömmlichen Hochfrequenzablation gehört ein Arzt, der einen Katheter mit einer Elektrode in eine Herzkammer einführt. Typischerweise führt der Arzt den Katheter unter Verwendung von Durchleuchtungsbildern des Brustbereichs des Patienten. Der Arzt sendet dann Hochfrequenzenergie durch den Katheter und die Elektrode, um Herzmuskeln zu zerstören, die einen unregelmäßigen Herzschlag in einem gegebenen Bereich bewirken. Da herkömmliche Verfolgungssysteme an einer ungenauen Bestimmung der exakten P&O einer Instrumentenspitze kranken, wie es vorstehend beschrieben wurde, kann die Platzierung der Elektrode durch den Arzt durch eine ungenaue Platzierung beeinträchtigt sein.
  • Das System 10 kann dazu verwendet werden, um beispielsweise eine Hochfrequenzablation unter Nutzung eines Arbeitstaktes des Senders 12 auszuführen. Der Sender 12 kann auf einer Katheterspitze platziert werden, und beispielsweise sowohl als ein Verfolgungssensor als auch als eine Elektrode dienen. Während ein Arzt den Katheter in das Herz eines Patienten bewegt, kann das System 10 die P&O des Senders und daher die Katheterspitze und Elektrode ermitteln. Sobald sich der Sender 12 innerhalb des Patientenherzens befindet, kann der Sender 12 beispielsweise zwischen der Übertragung von P&O Daten und/oder Telemetriedaten an den Empfänger 14 und der Übertragung von Hochfrequenzenergie zum Zerstören von Herzmuskeln umschalten.
  • Zusätzlich zu dem vorstehenden Beispiel kann der Sender 12 auch elektrische Signale innerhalb des Patientenherzens messen. Beispielsweise kann der Sender 12 zwischen der Übertragung von P&O Information und dem Senden eines gemessenen elektrischen Signals in dem Herzen umschalten. Auf diese Weise kann ein Arzt in der Lage sein, genauer elektrische Signale innerhalb eines Patientenherzens abzubilden, und dadurch eine gesteigerte Genauigkeit bei der Abtragung des Herzens ermöglichen. Ferner kann der Sender 12 zwischen Senden von P&O Information, Messen eines elektrischen Signals des Herzens und Anlegen von Hochfrequenzenergie an Bereiche des Herzens, wo die gemessenen elektrischen Signale einen gegebenen Schwellenwert überschreiten, umschalten. Der Sender 12 kann die Signale auf einer kontinuierlichen, Bedarfs- oder zyklischen Basis, wie es vorstehend beschrieben wurde, messen.
  • Das System 10 kann in anderen Umgebungen als der Verfolgung von medizinischen Vorrichtungen, Instrumenten und Implantaten einsetzbar sein. Beispielsweise kann das System in jeder Umgebung verwendet werden, in welcher ein Sender, der Information nach Bedarf oder auf einer zyklischen Basis liefert, erwünscht werde. In einer Ausführungsform kann das System 10 in einer Sicherheitsumgebung (beispielsweise bei Flughafen-Sicherheitsüberprüfungen) eingesetzt werden. Sicherheitspersonal, das das System verwendet, kann daher innerhalb einer Person angeordnete Sender 12 verfolgen. Das System 10 kann dann ermitteln, ob ein Sicherheitsalarm erfolgt, da die Person eine Waffe versteckt, oder weil die Person beispielsweise eine medizinische Vorrichtung oder ein Implantat innerhalb ihres Körpers trägt. Wie es vorstehend beschrieben wurde, kann der Sender 12 so aufgebaut sein, dass er Identitätsinformation liefert, die den Empfänger 14 beispielsweise mit Information bezüglich des Typs des Implantates oder der Vorrichtung versorgt.
  • 2 stellt ein Flussdiagramm für ein Verfahren für die Integration von Sensoren in medizinische Vorrichtungen dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
  • Zuerst wird bei dem Schritt 220 eine medizinische Vorrichtung (beispielsweise ein medizinisches Instrument oder Implantat), wie es vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Katheter für eine Herzablationsprozedur bereitgestellt werden.
  • Anschließend wird bei dem Schritt 240 ein Sender an der Vorrichtung angebracht, wie es vorstehend beschrieben wurde. Die Vorrichtung wird dann in einer medizinischen Prozedur eingesetzt. Beispielsweise kann ein Hüftimplantat in einen Patienten implantiert werden, ein Reponierstab in einen Knochen eingeführt werden, oder ein Katheter in ein Patientenherz eingeführt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann bei dem Schritt 240 der Sender, wie es vorstehend beschrieben wurde, in die Vorrichtung eingebettet werden. Beispielsweise kann der Sender in dem Implantat während der Herstellung des Implantates eingebettet werden.
  • Anschließend sendet oder überträgt bei dem Schritt 260 der Sender P&O Information, wie es vorstehend beschrieben wurde. In einer weiteren Ausführungsform kann, wie es vorstehend beschrieben wurde, der Sender weitere Information wie z.B. Identitätsinformation oder andere Telemetrieinformation senden oder übertragen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender mehrere Signale auf einer zyklischen Basis senden, wie es vorstehend beschrieben wurde. In einer weiteren Ausführungsform kann der Sender auch ein Signal oder eine Energie an den Patienten übertragen, wie z.B. in einem Arbeitszyklus, wie es vorstehend beschrieben wurde.
  • Anschließend empfängt bei dem Schritt 280 ein Empfänger das von dem Sender gesendete Signal, wie es vorstehend beschrieben wurde.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren nach dem Schritt 280 zu dem Schritt 260 übergehen, um P&O Information zu übertragen, wie es vorstehend beschrieben wurde. Auf diese Weise kann das Verfahren in einer zyklischen Weise durch kontinuierliches Senden und Empfangen von P&O Information weiterarbeiten.
  • Obwohl spezielle Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, da Modifikationen von dem Fachmann auf diesem Gebiet insbesondere im Licht der vorstehenden Lehren durchgeführt werden können. Daher sollen die beigefügten Ansprüche derartige Modifikationen abdecken und diejenigen Merkmale mit beinhalten, die innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • 10
    Verfolgungssystem
    12
    Sender
    14
    Empfänger
    16
    Verfolgungssystemelektronik
    200
    Flussdiagramm

Claims (10)

  1. Sensorintegrationssystem, mit: einer medizinischen Vorrichtung, die einen Verfolgungspunkt enthält; einem Sender (12), der mit der medizinischen Vorrichtung verbunden ist, um einen Abstand zwischen dem Punkt und dem Sender (12) zu minimieren, wobei der Sender (12) ein Positionssignal sendet; und einem Empfänger (14), der das Positionssignal empfängt.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Positionssignal wenigstens ein eindeutiges Identitätssignal und/oder ein Telemetriesignal enthält.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Sender (12) eine elektronische Schaltung enthält, die in der Lage ist, zusätzliche Telemetrieinformation zu messen, und der Sender (12) die Telemetrieinformation in einem Telemetriesignal sendet.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der Sender (12) auch ein Identitätssignal sendet, wobei das Identitätssignal die Identität der Vorrichtung und/oder die Identität eines Patienten und/oder die Identität des Herstellers der Vorrichtung und/oder Identität des Typs der Vorrichtung enthält.
  5. Verfahren zum Integrieren eines Sensors in eine medizinische Vorrichtung, mit den Schritten: Verbinden eines Senders (12) mit einer medizinischen Vorrichtung, um einen Abstand zwischen einem Verfolgungspunkt der Vorrichtung und dem Sender zu minimieren; Senden eines Positionssignals aus dem Sender (12); und Empfangen des Positionssignals bei einem Empfänger (14).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Positionssignal ein eindeutiges Identitätssignal und/oder ein Telemetriesignal enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit den Schritten: Messen zusätzlicher Telemetrieinformation bei dem Sender (12); und Senden der Telemetrieinformation in einem Telemetriesignal aus dem Sender (12).
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Sendeschritt das Senden eines Identitätssignals beinhaltet, wobei das Identitätssignal die Identität der Vorrichtung und/oder die Identität eines Patienten und/oder die Identität des Herstellers der Vorrichtung und/oder die Identität des Typs der Vorrichtung enthält.
  9. Verfahren zum Lokalisieren einer medizinischen Vorrichtung in einem Patienten und Bereitstellen einer Vorrichtungscharakteristik, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Verbinden eines Senders (12) mit der medizinischen Vorrichtung; Senden eines Signals aus dem Sender (12); und Empfangen des Signals bei einem Empfänger (14), wobei das Signal die Position und/oder die Orientierung des Senders (12) in Bezug auf den Empfänger (14) und der Vorrichtungscharakteristik enthält.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Sendeschritt das gemultiplexte Senden der Position und/oder der Orientierung und/oder der Vorrichtungscharakteristik enthält.
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