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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein elektromagnetisches
Verfolgungssystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
ein System und ein Verfahren zur Sensorintegration in einem elektromagnetischen
Verfolgungssystem.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN
DER ZEICHNUNGEN.
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1 stellt
ein Verfolgungssystem dar, das gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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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.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anschließend empfängt bei
dem Schritt 280 ein Empfänger das von dem Sender gesendete
Signal, wie es vorstehend beschrieben wurde.
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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.
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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.
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- 10
- Verfolgungssystem
- 12
- Sender
- 14
- Empfänger
- 16
- Verfolgungssystemelektronik
- 200
- Flussdiagramm