DE102023100177A1

DE102023100177A1 - Elektromagnetischer sensor

Info

Publication number: DE102023100177A1
Application number: DE102023100177.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Robert Schneider
Original assignee: Northern Digital Inc
Current assignee: Northern Digital Inc
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-07-13
Also published as: US20230218350A1; CA3185165A1; US20250275811A1; CN116407275A; US12324633B2

Abstract

Vorrichtung, die eine einführbare Struktur, die in einem Operationssaal verwendet werden kann, eine Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, wobei ein Computersystem konfiguriert ist, um eine Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, zu bestimmen, und einen oder mehrere elektromagnetische Sensoren, die zumindest teilweise um einen oder mehrere Abschnitte der Glasfaserleitung gewickelt sind, umfasst, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form und eine Position der Struktur basierend auf der bestimmten Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, und der bestimmten Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung bezieht sich auf einen elektromagnetischen (EM) Sensor und insbesondere auf einen hybriden EM-optischen Sensor.
HINTERGRUND
Elektromagnetische Verfolgungs- (oder Tracking-) Systeme (EMT) werden zur Unterstützung der Lokalisierung von Instrumenten und Anatomie bei medizinischen Verfahren eingesetzt. Diese Systeme verwenden einen magnetischen Sender in der Nähe von einem oder mehreren magnetischen Sensoren. Der eine oder die mehreren Sensoren können räumlich relativ zum Sender angeordnet sein. Der eine oder die mehreren Sensoren können für die EM- und/oder optische Verfolgung ausgerüstet sein, z. B. mit faseroptischer Formerfassung (englisch: fiber optic shape sensing; FOSS).
ZUSAMMENFASSUNG
Verfolgungssysteme, die Informationen über die Lage (d. h. Position und Ausrichtung) liefern, werden bei medizinischen Verfahren zur Lokalisierung von Instrumenten und zur Durchführung von Messungen in Bezug auf die Anatomie des Patienten verwendet. Diese medizinischen Verfahren umfassen viele Bereiche und können chirurgische Eingriffe, diagnostische Verfahren, bildgebende Verfahren und Strahlenbehandlungen beinhalten. Einige gängige Angebote basieren entweder a) auf Instrumenten, die eindeutig identifizierbar sind und von optischen Kameras verfolgt werden, und/oder b) auf elektromagnetischen Sensoren, die ein Feld von einem Magnetfeldgenerator messen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Katheter oder ein Führungsdraht für die Formerfassung ausgestattet sein, einschließlich der faseroptischen Formerfassung (FOSS) und der Messung der Lage durch einen oder mehrere elektromagnetische (EM) Sensoren. Mit einer solchen Kombination von Sensoren kann ein absolutes Maß für die Lage des Katheters bestimmt werden. Diese Formabtastung kann für Verfahren wie Endoskopie, Gefäßkatheterisierung, GI- und Lungenuntersuchungen usw. verwendet werden.
In einem Aspekt umfasst ein System ein Computersystem, das einen Prozessor zum Ausführen von Befehlen, eine einführbare Struktur, die in einem Operationssaal verwendet werden kann, eine Glasfaserleitung (oder faseroptische Leitung), die sich durch die Struktur erstreckt, umfasst, wobei das Computersystem konfiguriert ist, um eine Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, zu bestimmen, und einen oder mehrere elektromagnetische Sensoren, die zumindest teilweise um einen oder mehrere Abschnitte der Glasfaserleitung gewickelt sind, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt, und wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form und eine Position der Struktur basierend auf der bestimmten Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, und der bestimmten Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt.
Die Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System einen Feldgenerator, der mit dem einen oder den mehreren elektromagnetischen Sensoren kommuniziert.
In einigen Ausführungsformen befindet sich der Feldgenerator unter einem Patienten.
In einigen Ausführungsformen liefern der oder die elektromagnetischen Sensoren ein Referenzkoordinatensystem für die Glasfaserleitung.
In einigen Ausführungsformen umfassen ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter, um Dehnungsmessungen durchzuführen.
In einigen Ausführungsformen wird die Dehnung (oder Beanspruchung) eines oder mehrerer Segmente der Glasfaserleitung anhand der Rayleigh-Streuung bestimmt.
In einigen Ausführungsformen wird die ermittelte Form der Glasfaserleitung temperaturkompensiert.
In einigen Ausführungsformen hat einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine solenoidale Geometrie, die eine Vielzahl von im Wesentlichen orbitalen Windungen umfasst.
In einigen Ausführungsformen hat einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Sattelgeometrie, die eine Vielzahl von Drehungen von im Wesentlichen 90 Grad umfasst.
In einigen Ausführungsformen ist eine zentrale Achse des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren mit einer zentralen Achse der Glasfaserleitung ausgerichtet.
In einigen Ausführungsformen sind die ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren direkt um die Glasfaserleitung gewickelt.
In einigen Ausführungsformen sind die ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren um einen Kern gewickelt, der die Glasfaserleitung umgibt.
In einigen Ausführungsformen enthält der Kern mindestens eines der folgenden Materialien: ein Ferritmaterial, ein Mu-Metallmaterial oder ein Permalloy-Material.
In einigen Ausführungsformen ist einer der elektromagnetischen Sensoren mit einem Ferrit-Epoxid auf die Glasfaser geklebt.
In einem anderen Aspekt umfasst eine Vorrichtung eine einführbare Struktur, die in einem Operationssaal verwendet werden kann, eine Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, wobei ein Computersystem konfiguriert ist, um eine Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, zu bestimmen, und einen oder mehrere elektromagnetische Sensoren, die zumindest teilweise um einen oder mehrere Abschnitte der Glasfaserleitung gewickelt sind, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form und eine Position der Struktur basierend auf der bestimmten Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, und der bestimmten Position und Orientierung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt.
Die Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
In einigen Ausführungsformen liefern der oder die elektromagnetischen Sensoren ein Referenzkoordinatensystem für die Glasfaserleitung.
In einigen Ausführungsformen umfassen ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter, um Dehnungsmessungen durchzuführen.
In einigen Ausführungsformen wird die Dehnung eines oder mehrerer Segmente der Glasfaserleitung anhand der Rayleigh-Streuung bestimmt.
In einigen Ausführungsformen wird die ermittelte Form der Glasfaserleitung temperaturkompensiert.
In einigen Ausführungsformen hat einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine solenoidale Geometrie, die eine Vielzahl von im Wesentlichen orbitalen Windungen umfasst.
In einigen Ausführungsformen hat einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Sattelgeometrie, die eine Vielzahl von im Wesentlichen 90-Grad-Wendungen umfasst.
In einigen Ausführungsformen ist die Mittelachse jedes der einen oder mehreren elektromagnetischen Sensoren mit der Mittelachse der Glasfaserleitung fluchtend.
In einigen Ausführungsformen sind die ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren direkt um die Glasfaserleitung gewickelt.
In einigen Ausführungsformen sind die ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren um einen Kern gewickelt, der die Glasfaserleitung umgibt.
In einigen Ausführungsformen besteht der Kern aus mindestens einem Ferritmaterial, einem Mu-Metallmaterial oder einem Permalloy-Material.
In einigen Ausführungsformen ist einer der elektromagnetischen Sensoren mit einem Ferrit-Epoxid auf die Glasfaserleitung geklebt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Struktur einen Katheter und/oder einen Führungsdraht.
Ausführungsformen können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten.
In einigen Ausführungsformen kann die Form der Glasfaserleitung mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden, wenn die EM-Sensoren nicht von einer Achse der
Glasfaserleitung versetzt sind. Mit anderen Worten, die EM-Sensoren und die Glasfaserleitung können eine gemeinsame Achse haben.
In einigen Ausführungsformen kann durch den Einbau von EM-Sensoren in das Gerät ein absolutes Maß für die Lage der Glasfaserleitung (z. B. anstelle eines relativen Maßes für die Lage) bestimmt werden. Im Gegenzug kann die Form der Glasfaserleitung relativ zu einem Patienten bestimmt werden.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen des hier beschriebenen Gegenstands sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile des Gegenstands gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels für ein elektromagnetisches Verfolgungssystem (EMT), das eine Glasfaserleitung zur faseroptischen Formerfassung enthält.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Katheters, der die Glasfaserleitung von 1 und elektromagnetische Sensoren enthält.
3A-B zeigen die elektromagnetischen Sensoren von 2.
3C zeigt ein weiteres Beispiel für einen elektromagnetischen Sensor.
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Computersystems.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zeigt, das von dem EMT-System von 1 durchgeführt werden kann.

Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Verfolgungssysteme mit fünf oder sechs Freiheitsgraden (5 oder 6DOF) (z. B. Verfolgungssysteme, die 5DOF- oder 6DOF-Sensoren verwenden) können in der Medizin verwendet werden, um ein oder mehrere Objekte (z. B. ein medizinisches Gerät, einen Roboterarm usw.) zu verfolgen, so dass die jeweilige dreidimensionale Position, Ausrichtung usw. des Objekts oder der Objekte einer medizinischen Fachkraft (z. B. einem Chirurgen) bekannt ist. Eine solche Verfolgung kann bei bildgesteuerten Eingriffen als Orientierungshilfe dienen und in einigen Fällen die Abhängigkeit von anderen bildgebenden Verfahren wie der Durchleuchtung verringern, die den Patienten einem Gesundheitsrisiko durch ionisierende Strahlung aussetzen können. Solche Systeme sind in der US-Anmeldung Nr. 63/277,799 mit dem Titel „TRACKING SYSTEM“ (Verfolgungssystem) beschrieben, die am 30. Juli 2021 eingereicht wurde und hiermit vollständig durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt aufgenommen wird.
In einigen Ausführungen ist das 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssystem ein elektromagnetisches oder optisches Verfolgungssystem. In einigen Ausführungsformen verwendet das 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssystem sowohl elektromagnetische als auch optische Komponenten.
Im Allgemeinen ist in 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssystemen, die elektromagnetische Verfolgungsfunktionen enthalten (z. B. 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssysteme), ein Sender mit einer oder mehreren Spulen so konfiguriert, dass er ein EM-Feld erzeugt (z. B. ein Wechselstrom (AC)-EM-Feld, ein Gleichstrom (DC)-EM-Feld, eine Kombination aus Wechselstrom- und Gleichstrom-EM-Feld usw.). Das Verfolgungssystem kann ein oder mehrere Multiplexverfahren anwenden. Ein Multiplexverfahren ist das Zeitmultiplexing (englisch: time division multiplexing; TDM), z. B. das Senden und Empfangen von Signalen in der Weise, dass jedes Signal nur für einen Bruchteil der Zeit in einem abwechselnden Muster erscheint. Für das Verfolgungssystem kann TDM für AC-EM-Felder, DC-EM-Felder, AC- und DC-EM-Felder in Kombination usw. verwendet werden. Ein anderes Multiplexverfahren, das eingesetzt werden kann, ist das Frequenzmultiplexverfahren (englisch: frequency division multiplexing; FDM), z. B. das Senden und Empfangen von Signalen, die in eine Reihe von sich nicht überlappenden Frequenzbändern aufgeteilt sind. Typischerweise wird FDM mit AC-EM-Feldern verwendet. Andere Sendertechnologien, die unterschiedliche Felder erzeugen, wie z. B. Spinnmagnete, können ebenfalls verwendet werden, wie in der Technik bekannt ist. Ein oder mehrere Sensoren mit einer oder mehreren Spulen, die sich in der Nähe des erzeugten EM-Feldes befinden, sind so konfiguriert, dass sie die Eigenschaften des erzeugten EM-Feldes messen. Die gemessenen Eigenschaften des EM-Feldes hängen von der Position und Ausrichtung der Sensoren relativ zum Sender ab. Wenn sich die Sensoren beispielsweise an einer bestimmten Position und in einer bestimmten Ausrichtung befinden, kann das EM-Feld an diesem bestimmten Ort bestimmte Eigenschaften aufweisen. Die Sensoren können die Eigenschaften des EM-Feldes messen und diese Messungen (z. B. über Sensorsignale) an eine Rechenvorrichtung (z. B. ein Computersystem) weiterleiten. Anhand der Informationen, die sich auf das erzeugte EM-Feld und die von den Sensoren empfangenen Sensorsignale beziehen, kann die Rechenvorrichtung die Position und/oder Ausrichtung der Sensoren bestimmen. Durch Anwendung dieser Technik können die Position, die Ausrichtung usw. eines medizinischen Geräts, das den Sensor enthält, bestimmt und von der Rechenvorrichtung verwendet werden (z. B. kann die Rechenvorrichtung das medizinische Gerät, den Sensor, registrierte medizinische Bilder usw. grafisch darstellen).
Im Allgemeinen können solche 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssysteme auch mit faseroptischen Formerfassungsfunktionen (FOSS) ausgestattet werden. Während zum Beispiel ein oder mehrere EM-Sensoren in der Lage sind, Lageinformationen für zwei diskrete Punkte zu liefern, kann FOSS verwendet werden, um Forminformationen für ein kontinuierliches Segment (z. B. ein Segment eines Katheters) zu ermitteln, wie im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt ein Beispiel für ein System, z. B. ein elektromagnetisches Verfolgungssystem (EMT) 100, das in der chirurgischen Umgebung (z. B. in einem Operationssaal) eingesetzt wird. Das System 100 ist so konfiguriert, dass es die Position eines oder mehrerer elektromagnetischer Sensoren bestimmt, wie z. B. eines oder mehrerer Sensoren, die in einen Katheter oder eine andere Struktur (z. B. eine chirurgische Ausrüstung wie ein Skalpell, eine Sonde, einen Führungsdraht usw.) eingebettet sind, die sich in einem Patienten befindet. Die zur Verfolgung medizinischer Geräte eingesetzten elektromagnetischen Verfolgungstechniken können beispielsweise denen ähneln, die in der US-Patentanmeldung Nr. 13/683,703 mit dem Titel „Tracking a Guidewire“ (Verfolgung eines Führungsdrahtes) beschrieben sind, die am 21. November 2012 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in die Offenbarung aufgenommen wird. Die elektromagnetischen Verfolgungstechniken können eine Computerkomponente, eine Senderanregungskomponente und eine Empfangskomponente verwenden. Unter Computerbefehl und -steuerung kann eine mehrachsige Senderbaugruppe jede ihrer Achsen durch Ansteuerelektronik (z. B. Gleichstrom-Ansteuerelektronik, Wechselstrom-Ansteuerelektronik usw.) erregen, um Wellenformen (z. B. symmetrische, sequentiell erregte, nicht überlappende quadratische DC-basierte Wellenformen) zu übertragen. Diese werden durch die Luft oder das Gewebe von einem oder mehreren Sensoren empfangen, die diese Signale an die Signalverarbeitungselektronik innerhalb der Elektronik des elektromagnetischen Verfolgungssystems weiterleiten. Der Computer in der Elektronik des elektromagnetischen Verfolgungssystems kann verschiedene Verarbeitungsvorgänge durchführen, z. B. die ansteigende Flanke und den stationären Zustand der sequentiellen Wellenform jeder Achse messen (z. B. mit einem Integrator), so dass am Ende der stationären Periode ein Ergebnis (z. B. ein integriertes Ergebnis) gemessen werden kann. Der Computer kann ferner die Ansteuerelektronik des Senders steuern, um den Sender zu betreiben, und empfängt Signale von der Signalverarbeitungselektronik für einen oder mehrere Prozesse (z. B. den Signalintegrationsprozess), wobei das Endergebnis die Berechnung der Position und Orientierung des Sensors im dreidimensionalen Raum mit deutlich reduzierter Wirbelstromverzerrung ist und gleichzeitig eine verbesserte Kompensation der Sensordrift in Bezug auf das stationäre Magnetfeld der Erde und das durch Stromleitungen induzierte Rauschen bietet.
In diesem Beispiel wird ein Katheter 110 in einen Patienten eingeführt. Der Katheter 110 enthält zwei EM-Sensoren (206, 208 in 2), die es ermöglichen, den Katheter durch das System 100 zu verfolgen, so dass die Lage der EM-Sensoren 206, 208 verwendet werden kann, um ein Referenzkoordinatensystem 106 zu definieren. Auf diese Weise ist die Position der EM-Sensoren relativ zu einem Patienten bekannt. Ein relevanter Teil des Katheterendes mit den beiden EM-Sensoren 206, 208 ist in 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Ein Feldgenerator 109 befindet sich in der Verfolgungsumgebung. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Feldgenerator 109 unter dem Patienten. Der Feldgenerator kann sich unter einer Oberfläche befinden, auf der der Patient liegt, er kann in einen Tisch eingebettet sein, auf dem der Patient liegt, usw., oder der Feldgenerator 109 kann ganz oder teilweise an anderer Stelle in der Umgebung positioniert sein. Der Feldgenerator 109 ist so konfiguriert, dass er elektromagnetische Felder aussendet, die von den zugehörigen elektromagnetischen Sensoren (z. B. den EM-Sensoren 206, 208) erfasst werden. In einigen Ausführungsformen ist der Feldgenerator 109 ein NDI-Aurora-Tischfeldgenerator (englisch: tabletop field generator; TTFG), obwohl auch andere Feldgeneratortechniken und/oder -konstruktionen verwendet werden können, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
Eine Glasfaserleitung 111 wird innerhalb des Katheters 110 verlängert. Die Form der Glasfaserleitung 111 kann verfolgt werden. Wie oben beschrieben, liefern die EM-Sensoren 206, 208 ein absolutes Maß der Lage (z. B. eher als ein relatives), so dass ein Bezugspunkt für die Glasfaserleitung 111 vorhanden ist. Das heißt, dass die Glasfaserleitung 111 relativ zu einem oder beiden EM-Sensoren 206, 208 verfolgt werden kann. Die Verfolgung der Glasfaserleitung 111 erfolgt auf der Grundlage eines faseroptischen Signals. Insbesondere kann ein Abfragegerät 114 faseroptische Signale an die Spitze der Glasfaserleitung 111 senden und empfangen, die eine relative Lage (z. B. Position und Ausrichtung) oder eine Form der Glasfaserleitung 111 anzeigen. Beispielsweise kann die genaue Form der Glasfaserleitung 111 auf der Grundlage der faseroptischen Signale bestimmt werden, die zum und vom Abfragegerät 114 übertragen werden.
In einigen Ausführungen ist das Abfragegerät 114 ein optoelektronisches Datenerfassungssystem, das Messungen des durch die Glasfaser reflektierten Lichts liefert. Das Abfragegerät 114 liefert diese Messungen an das Computergerät (z. B. die Rechenvorrichtung 120), wie im Folgenden näher beschrieben.
Es gibt Mittel, mit denen in eine Glasfaser eingebaute optische Wandler Messungen (z. B. Wellenlängenmessungen) erzeugen können, die zur Schätzung von Lageinformationen entlang der Länge der Faser verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann die Glasfaserleitung 111 mit einer Reihe von Faser-Bragg-Gittern (FBG) ausgestattet sein, die eine periodische Änderung des Brechungsindexes bewirken, der in die Glasfaser eingearbeitet ist. In einigen Ausführungen kann die Glasfaserleitung 111 auf Rayleigh-Streuung beruhen, die ein natürlicher Prozess ist, der durch mikroskopische Unvollkommenheiten in der Faser entsteht. Techniken, die FBG, Rayleigh-Streuung oder beides verwenden, sind in der Lage, bestimmte Wellenlängen des Lichts zu reflektieren, die einer Dehnung oder Temperaturänderung innerhalb der Faser entsprechen können. Verformungen in der Glasfaserleitung 111 führen zu einer Verschiebung dieser Wellenlängen, und die Wellenlängenverschiebung kann vom Abfragesystem 114 gemessen werden. Die vom Abfragesystem 114 zur Messung der Wellenlängenverschiebung verwendete Technologie kann Wellenlängenmultiplexing (englisch: wavelength-division multiplexing; WDM) oder optische Frequenzbereichsreflektometrie (englisch: optical frequency-domain reflectometry; OFDR) sein. Dabei kann die Form der Glasfaserleitung 111 durch einen Algorithmus geschätzt werden, der auf der Rechenvorrichtung 120 ausgeführt wird.
Bei jeder periodischen Brechungsänderung wird eine kleine Lichtmenge reflektiert. Alle reflektierten Lichtsignale verbinden sich kohärent zu einer großen Reflexion bei einer bestimmten Wellenlänge, wenn die Gitterperiode etwa die Hälfte der Wellenlänge des Eingangslichts beträgt. Dies wird als Bragg-Bedingung bezeichnet, und die Wellenlänge, bei der diese Reflexion auftritt, heißt Bragg-Wellenlänge. Lichtsignale bei anderen Wellenlängen als der Bragg-Wellenlänge, die nicht phasenangepasst sind, sind im Wesentlichen transparent.
Daher breitet sich das Licht mit vernachlässigbarer Abschwächung oder Signaländerung durch das Gitter aus. Nur die Wellenlängen, die die Bragg-Bedingung erfüllen, werden beeinflusst und stark zurückreflektiert. Die Möglichkeit, die Wellenlänge des Gitters genau einzustellen und beizubehalten, ist ein grundlegendes Merkmal und ein Vorteil von Faser-Bragg-Gittern.
Die zentrale Wellenlänge der reflektierten Komponente erfüllt die Bragg-Beziehung: λ_Bragg = 2nA, wobei n der Brechungsindex und A die Periode der Brechungsindexänderung des FBG ist. Aufgrund der Temperatur- und Dehnungsabhängigkeit der Parameter n und A ändert sich auch die Wellenlänge der reflektierten Komponente in Abhängigkeit von Temperatur und/oder Dehnung. Diese Abhängigkeit kann zur Bestimmung der Temperatur oder der Dehnung anhand der reflektierten FBG-Wellenlänge genutzt werden.
Verfolgungssysteme werden häufig von Computern und Displays begleitet, um die Messdaten zu verarbeiten und zu visualisieren. So kann beispielsweise bei einem chirurgischen Eingriff ein vom Verfolgungssystem gemessenes chirurgisches Werkzeug in Bezug auf die Anatomie visualisiert werden, die mit Anmerkungen aus dem präoperativen Plan versehen ist. Ein anderes Beispiel ist ein Röntgenbild, das mit Live-Updates von einem verfolgten Katheter versehen ist.
Durch die Anbringung einer so instrumentierten Faser wird ein neues Erfassungs-/Messparadigma für 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssysteme möglich, das die Lage- und Formmessungen entlang der Faser im Koordinatenraum des 5DOF- oder 6DOF-Verfolgungssystems ermöglicht. Darüber hinaus kann dies bei einem optischen Verfolgungsverfahren die Durchführung von Lagemessungen außerhalb des Messvolumens oder der Sichtlinie des optischen Verfolgungssystems ermöglichen. Im Zusammenhang mit einem EMT-gestützten Verfahren kann dies die Durchführung von Lagemessungen in einem Bereich mit starker Metallverzerrung ermöglichen, in dem EMT-Sensoren normalerweise schlecht abschneiden würden, oder man kann die Fasermessungen zur Korrektur von elektromagnetischen/metallischen Verzerrungen verwenden.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des Katheters 110 aus 1. Die Glasfaserleitung 111 verläuft durch den Katheter 110. Die Glasfaserleitung 111 enthält zwei EM-Sensoren, einen ersten, solenoidalen EM-Sensor 206 und einen zweiten, sattelförmigen EM-Sensor 208. Durch die Bereitstellung von zwei EM-Sensoren 206, 208 mit den definierten Formen kann das System 100 eine 6DOF-Verfolgung ermöglichen. Die Komponenten des Katheters 110 und die Komponenten innerhalb des Katheters (z. B. die Glasfaserleitung 111 und die EM-Sensoren 206, 208) können allgemein als Gerät oder genauer gesagt als medizinisches Gerät bezeichnet werden.
Während die EM-Sensoren 206, 208, wie in 2 dargestellt, 6DOF bieten können, kann ein 5DOF-Verfolgungssystem stattdessen mit einer anderen Konfiguration von EM-Sensoren ausgestattet sein. Beispielsweise kann die 5DOF-Nachführung aktiviert werden, wenn nur ein EM-Sensor vorhanden ist und/oder wenn mehrere EM-Sensoren desselben Typs vorhanden sind (z. B. zwei Magnetfeldsensoren oder zwei sattelförmige Sensoren). In einigen Ausführungsformen kann die 6DOF-Verfolgung aktiviert werden, wenn mehrere EM-Sensoren desselben Typs vorhanden sind (z. B. zwei sattelförmige Sensoren, die um 90 Grad senkrecht voneinander entfernt sind). Ferner kann der Abstand zwischen den EM-Sensoren ausschlaggebend dafür sein, ob eine 5DOF- oder 6DOF-Nachführung möglich ist. Sind die Sensoren beispielsweise um mehr als einen Schwellenwert voneinander entfernt, kann das System eine 5DOF-Verfolgung durchführen. Um eine 6DOF-Verfolgung zu gewährleisten, sollten die beiden EM-Sensoren innerhalb eines Grenzabstands voneinander liegen (z. B. in der Größenordnung von Millimetern). In einigen Ausführungsformen können die beiden EM-Sensoren 206, 208 umeinander herum angeordnet sein (z. B. einer über dem anderen), wobei sie voneinander isoliert sind. In einigen Ausführungsformen zeigen die EM-Sensoren 206, 208 magnetisch entlang verschiedener Achsen, wenn sie umeinander gewickelt sind. In einigen Ausführungsformen können die EM-Sensoren 206, 208 um einen sehr geringen Abstand verschoben werden. Wenn die EM-Sensoren 206, 208 relativ nahe beieinander liegen, kann die resultierende Lagebestimmung in einigen Ausführungsformen relativ genauer sein.
In einigen Ausführungsformen können die Sensoren 206, 208 für die 5DOF- oder 6DOF-Verfolgung von anderen Strukturen als Kathetern verwendet werden. Zum Beispiel können die Sensoren 206, 208 in einen Führungsdraht integriert werden. Die Sensoren 206, 208 können an einer Vielzahl von Positionen in den Strukturen eingebaut werden. In einigen Ausführungsformen können die Sensoren in einen Roboterarm eingebaut werden (z. B. in einen Roboterarm, der für Roboteroperationen verwendet wird). Ein vom Verfolgungssystem vermessener Roboterarm kann in Bezug auf die Anatomie visualisiert werden, die mit Anmerkungen aus dem präoperativen Plan versehen ist.
3A zeigt eine perspektivische Ansicht des solenoidalen EM-Sensors 206 von 2, und 3B zeigt eine perspektivische Ansicht des sattelförmigen EM-Sensors 208 von 2.
Der solenoidale EM-Sensor 206 von 3 A umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen kreisförmigen Windungen, und der sattelförmige EM-Sensor 208 von 3B umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen 90-Grad-Windungen. In einigen Ausführungsformen werden die EM-Sensoren 206, 208, wie dargestellt, direkt auf/um die Glasfaserleitung 111 gewickelt, ohne dass eine Befestigungsvorrichtung und/oder Halterungen erforderlich sind (z. B. mit Ausnahme von Drähten, die an den EM-Sensoren 206, 208 befestigt sind, und/oder eines potenziellen Klebstoffs, wie nachstehend ausführlicher beschrieben). Zum Beispiel müssen in den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen keine mechanischen Klammern verwendet werden, die die EM-Sensoren 206, 208 am Katheter 110 halten. So teilen sich die EM-Sensoren 206, 208 in solchen Beispielen eine gemeinsame Achse mit der Glasfaserleitung 111 (z. B. sind die EM-Sensoren 206, 208 nicht von der Glasfaserleitung 111 versetzt). Die Eliminierung solcher Vorrichtungen, die andernfalls die Position des EM-Sensors versetzen und/oder verzerren könnten, ermöglicht eine genauere Formerfassung, da die EM-Sensoren 206, 208 in einer Linie mit der Glasfaserleitung 111 liegen (z. B. nicht neben ihr). In einigen Ausführungsformen können die EM-Sensoren 206, 208 um einen separaten Hohlkern gewickelt werden, der dann über der Glasfaserleitung 111 angebracht wird.
Die Spulen der EM-Sensoren 206, 208 können aus einem Material wie Kupfer bestehen und auf Polyimidrohre gewickelt werden, die dann auf die Glasfaserleitung 111 geklebt werden können.
In einigen Ausführungsformen können die Spulen auf einen Kern aus einem Material gewickelt werden, das die Sensorempfindlichkeit erhöht, z. B. ein Ferrit, ein Mu-Metall, ein Permalloy oder ein anderes amorphes Metall mit hoher Permeabilität. Werden die Spulen dagegen direkt auf die Glasfaserleitung 111 gewickelt, kann ein möglichst kleiner Durchmesser vorgesehen werden. Um die negativen Auswirkungen des direkten Aufwickelns der Spulen auf die Glasfaserleitung 111 auf die Sensorempfindlichkeit zu vermeiden bzw. zu minimieren, kann ein Magnetkleber verwendet werden, um einen oder beide EM-Sensoren 206, 208 an der Glasfaserleitung 111 zu befestigen. Ein solcher Klebstoff könnte aus Ferrit-Epoxid hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen könnte der Magnetkleber mit Hilfe eines Magnetfeldes ausgehärtet werden (z. B. um die Montagezeit zu verkürzen).
3C zeigt ein weiteres Beispiel eines EM-Sensors 302, der von dem System 100 verwendet werden kann. Der EM-Sensor 302 kann ähnlich wie der solenoidale Sensor 206 in 3A sein, außer dass die Windungen des Sensors in einem Winkel angeordnet sein können. Aufgrund der besonderen Sensorgeometrie kann eine 6DOF-Verfolgung bereitgestellt werden, wenn zwei der EM-Sensoren 302 auf der Glasfaserleitung 111 vorgesehen sind. In Ausführungsformen, in denen zwei EM-Sensoren 302 verwendet werden (z. B. um eine 6DOF-Verfolgung zu erreichen), können die beiden Sensoren 302 drehend zueinander versetzt sein, z. B. um 90°.
Die hier beschriebenen Systeme und Geräte beziehen sich zwar auf die Verfolgung eines Katheters mit einer Glasfaserleitung und zwei EM-Sensoren, aber ähnliche Techniken können auch zur Verfolgung eines Führungsdrahtes eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Glasfaserleitung mit den um sie gewickelten EM-Sensoren an einem Führungsdraht befestigt werden, um die Lage und Form des Führungsdrahtes zu verfolgen.
Wie oben beschrieben, kann der Betrieb des Systems 100 durch eine Rechenvorrichtung 120 (z. B. ein Computersystem) gesteuert werden. Insbesondere kann die Rechenvorrichtung 120 als Schnittstelle zum System 100 verwendet werden und bewirken, dass die Positionen/Ausrichtungen der EM-Sensoren 206, 208 und der Glasfaserleitung 111 bestimmt werden. Auf diese Weise ist das Computersystem so konfiguriert, dass es eine Form der durch den Katheter verlaufenden Glasfaserleitung, eine Position und Ausrichtung des solenoidalen EM-Sensors und die Position und Ausrichtung des sattelförmigen EM-Sensors bestimmt. Insbesondere ist das Computersystem so konfiguriert, dass es eine Form, Position und Ausrichtung des Katheters auf der Grundlage der bestimmten Form der durch den Katheter verlaufenden Glasfaserleitung und der bestimmten Positionen und Ausrichtungen der EM-Sensoren bestimmt.
4 zeigt ein Beispiel für eine Rechenvorrichtung 400 und ein Beispiel für eine mobile Rechenvorrichtung 450, die zur Implementierung der hier beschriebenen Techniken verwendet werden können. Die Rechenvorrichtung 400 kann beispielsweise als die Rechenvorrichtung 120 von 1 implementiert werden. Die Rechenvorrichtung 400 soll verschiedene Formen von Digitalcomputern darstellen, darunter z. B. Laptops, Desktops, Workstations, persönliche digitale Assistenten, Server, Blade-Server, Mainframes und andere geeignete Computer. Die Rechenvorrichtung 450 soll verschiedene Formen mobiler Geräte darstellen, wie z. B. persönliche digitale Assistenten, Mobiltelefone, Smartphones und andere ähnliche Rechengeräte. Die hier gezeigten Komponenten, ihre Verbindungen und Beziehungen sowie ihre Funktionen sind lediglich als Beispiele zu verstehen und sollen nicht dazu dienen, Ausführungsformen der in diesem Dokument beschriebenen und/oder beanspruchten Techniken einzuschränken.
Die Rechenvorrichtung 400 umfasst einen Prozessor 402, einen Speicher 404, eine Speichervorrichtung 406, eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle 408, die mit dem Speicher 404 und den Hochgeschwindigkeitserweiterungsanschlüssen 410 verbunden ist, sowie eine Niedriggeschwindigkeitsschnittstelle 412, die mit dem Niedriggeschwindigkeitsbus 414 und der Speichervorrichtung 406 verbunden ist. Alle Komponenten 402, 404, 406, 408, 410 und 412 sind über verschiedene Busse miteinander verbunden und können auf einer gemeinsamen Hauptplatine oder auf andere geeignete Weise montiert werden. Der Prozessor 402 kann Anweisungen zur Ausführung innerhalb der Rechenvorrichtung 400 verarbeiten, einschließlich Anweisungen, die im Speicher 404 oder auf der Speichervorrichtung 406 gespeichert sind, um grafische Daten für eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) auf einer externen Eingabe-/Ausgabevorrichtung anzuzeigen, einschließlich z. B. einer Anzeige 416, die mit der Hochgeschwindigkeitsschnittstelle 408 verbunden ist. In einigen Ausführungsformen können je nach Bedarf mehrere Prozessoren und/oder mehrere Busse zusammen mit mehreren Speichern und Speichertypen verwendet werden. Darüber hinaus können mehrere Rechenvorrichtungen 400 angeschlossen werden, wobei jedes Gerät Teile der erforderlichen Operationen bereitstellt (z. B. als Serverbank, als Gruppe von Blade-Servern, als Multiprozessorsystem usw.).
Der Speicher 404 speichert Daten in der Rechenvorrichtung 400. In einigen Ausführungsformen ist der Speicher 404 eine flüchtige Speichereinheit oder -einheiten. In einigen Ausführungsformen ist der Speicher 604 eine nichtflüchtige Speichereinheit oder -einheiten. Der Speicher 404 kann auch eine andere Form eines computerlesbaren Mediums sein, wie z. B. eine magnetische oder optische Platte.
Die Speichervorrichtung 406 ist in der Lage, Massenspeicher für die Rechenvorrichtung 400 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die Speichervorrichtung 406 ein computerlesbares Medium sein oder enthalten, z. B. ein Diskettengerät, ein Festplattengerät, ein optisches Plattengerät, ein Bandgerät, ein Flash-Speicher oder ein ähnliches Festkörperspeichergerät oder eine Anordnung von Geräten, einschließlich Geräten in einem Speichernetzwerk oder anderen Konfigurationen. Ein Computerprogrammprodukt kann in einem Datenträger greifbar verkörpert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auch Anweisungen enthalten, die, wenn sie ausgeführt werden, eine oder mehrere Verfahren ausführen, einschließlich z. B. der oben beschriebenen Verfahren. Bei dem Datenträger handelt es sich um ein computer- oder maschinenlesbares Medium, z. B. den Speicher 404, die Speichervorrichtung 406, den Speicher des Prozessors 402 und dergleichen.
Der Hochgeschwindigkeits-Controller 408 verwaltet bandbreitenintensive Operationen für die Rechenvorrichtung 400, während der Niedriggeschwindigkeits-Controller 412 weniger bandbreitenintensive Operationen verwaltet. Diese Aufteilung der Funktionen ist nur ein Beispiel. In einigen Ausführungsformen ist der Hochgeschwindigkeits-Controller 408 mit dem Speicher 404, der Anzeige 416 (z. B. über einen Grafikprozessor oder -beschleuniger) und den HochgeschwindigkeitsErweiterungsanschlüssen 410 verbunden, die verschiedene Erweiterungskarten (nicht dargestellt) aufnehmen können. In einigen Ausführungsformen ist der Niedriggeschwindigkeits-Controller 412 mit dem Speicher 406 und dem Niedriggeschwindigkeits-Erweiterungsanschluss 414 verbunden. Der Niedriggeschwindigkeits-Erweiterungsanschluss, der verschiedene Kommunikationsanschlüsse (z. B. USB, Bluetooth@, Ethernet, drahtloses Ethernet) umfassen kann, kann mit einem oder mehreren Eingabe-/Ausgabegeräten verbunden werden, z. B. einer Tastatur, einem Zeigegerät, einem Scanner oder einem Netzwerkgerät, z. B. einem Switch oder Router (z. B. über einen Netzwerkadapter).
Die Rechenvorrichtung 400 kann in verschiedenen Formen implementiert werden, wie in 4 dargestellt. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung 400 als Standard-Server 420 oder mehrfach in einer Gruppe solcher Server implementiert werden. Die Rechenvorrichtung 400 kann auch als Teil eines Rack-Server-Systems 424 implementiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Rechenvorrichtung 400 in einem PersonalComputer (z. B. Laptop-Computer 422) implementiert werden. In einigen Beispielen können Komponenten der Rechenvorrichtung 400 mit anderen Komponenten in einem mobilen Gerät (z. B. der Rechenvorrichtung 450) kombiniert werden. Jedes dieser Geräte kann eines oder mehrere der Rechenvorrichtungen 400, 450 enthalten, und ein ganzes System kann aus mehreren Rechenvorrichtungen 400, 450 bestehen, die miteinander kommunizieren.
Die Rechenvorrichtung 450 umfasst einen Prozessor 452, einen Speicher 464 und eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung, die neben anderen Komponenten z. B. eine Anzeige 454, eine Kommunikationsschnittstelle 466 und einen Transceiver (Sender-Empfänger) 468 umfasst. Die Vorrichtung 450 kann auch mit einem Speichergerät, z. B. einem Mikrolaufwerk oder einem anderen Gerät, ausgestattet werden, um zusätzlichen Speicherplatz bereitzustellen. Die Komponenten 450, 452, 464, 454, 466 und 468 können jeweils über verschiedene Busse miteinander verbunden werden, und mehrere der Komponenten können auf einer gemeinsamen Hauptplatine oder auf andere geeignete Weise montiert werden.
Der Prozessor 452 kann Befehle innerhalb der Rechenvorrichtung 450 ausführen, einschließlich der im Speicher 464 gespeicherten Befehle. Der Prozessor 452 kann als ein Chipsatz von Chips implementiert werden, die separate und mehrere analoge und digitale Prozessoren enthalten. Der Prozessor 452 kann z. B. für die Koordination der anderen Komponenten der Vorrichtung 450 sorgen, z. B. für die Steuerung der Benutzerschnittstellen, der von der Vorrichtung 450 ausgeführten Anwendungen und der drahtlosen Kommunikation durch die Vorrichtung 450.
Der Prozessor 452 kann über die Steuerschnittstelle 458 und die mit der Anzeige 454 verbundene Anzeigeschnittstelle 456 mit einem Benutzer kommunizieren. Das Display 454 kann beispielsweise ein TFT-LCD (Dünnfilm-Transistor-FlüssigkristallDisplay; englisch: thin-film-transistor liquid crystal display) oder ein OLED-Display (organische Leuchtdiode; englisch: organic light emitting diode) oder eine andere geeignete Display-Technologie sein. Die Anzeigeschnittstelle 456 kann eine geeignete Schaltung zur Ansteuerung der Anzeige 454 umfassen, um dem Benutzer grafische und andere Daten anzuzeigen. Die Steuerschnittstelle 458 kann Befehle von einem Benutzer empfangen und sie zur Weiterleitung an den Prozessor 452 umwandeln. Darüber hinaus kann die externe Schnittstelle 462 mit dem Prozessor 442 kommunizieren, um eine bereichsnahe Kommunikation der Vorrichtung 450 mit anderen Geräten zu ermöglichen. Die externe Schnittstelle 462 kann z. B. in einigen Ausführungsformen für eine drahtgebundene oder in einigen Ausführungsformen für eine drahtlose Kommunikation sorgen. Es können auch mehrere Schnittstellen verwendet werden.
Der Speicher 464 speichert Daten in der Rechenvorrichtung 450. Der Speicher 464 kann als ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium(/en), flüchtige(s) Speichermodul(e) oder nichtflüchtige(s) Speichermodul(e) ausgeführt sein. Der Erweiterungsspeicher 474 kann ebenfalls bereitgestellt und mit der Vorrichtung 450 über die Erweiterungsschnittstelle 472 verbunden werden, die zum Beispiel eine SIMM-Kartenschnittstelle (englisch: single in line memory module) umfassen kann. Ein solcher Erweiterungsspeicher 474 kann zusätzlichen Speicherplatz für die Vorrichtung 450 bereitstellen und/oder Anwendungen oder andere Daten für die Vorrichtung 450 speichern. Insbesondere kann der Erweiterungsspeicher 474 auch Anweisungen enthalten, um die oben beschriebenen Verfahren durchzuführen oder zu ergänzen, und er kann sichere Daten enthalten. So kann der Erweiterungsspeicher 474 beispielsweise als Sicherheitsmodul für die Vorrichtung 450 bereitgestellt werden und mit Anweisungen programmiert werden, die eine sichere Nutzung der Vorrichtung 450 ermöglichen. Darüber hinaus können sichere Anwendungen über die SIMM-Karten bereitgestellt werden, zusammen mit zusätzlichen Daten, einschließlich, z.B., der Platzierung von Identifizierungsdaten auf der SIMM-Karte in einer nicht hackbaren Weise.
Der Speicher 464 kann z. B. einen Flash-Speicher und/oder einen NVRAM-Speicher umfassen, wie unten beschrieben. In einigen Ausführungsformen ist ein Computerprogrammprodukt in einem Datenträger greifbar verkörpert. Das Computerprogrammprodukt enthält Anweisungen, die bei ihrer Ausführung eine oder mehrere Verfahren ausführen. Der Datenträger ist ein computer- oder maschinenlesbares Medium, z. B. ein Speicher 464, ein Erweiterungsspeicher 474 und/oder ein Speicher auf dem Prozessor 452, der z. B. über den Transceiver 468 oder die externe Schnittstelle 462 empfangen werden kann.
Die Vorrichtung 450 kann drahtlos über die Kommunikationsschnittstelle 466 kommunizieren, die bei Bedarf digitale Signalverarbeitungsschaltungen enthalten kann. Die Kommunikationsschnittstelle 466 kann für die Kommunikation in verschiedenen Modi oder Protokollen sorgen, z. B. unter anderem für GSM-Sprachanrufe, SMS-, EMS- oder MMS-Nachrichten, CDMA, TDMA, PDC, WCDMA, CDMA2000 oder GPRS. Eine solche Kommunikation kann beispielsweise über den Hochfrequenz-Transceiver 468 erfolgen. Darüber hinaus kann eine Kommunikation über kurze Entfernungen erfolgen, z. B. über Bluetooth®, WiFi oder einen anderen Transceiver (nicht dargestellt). Darüber hinaus kann das GPS-Empfängermodul 470 (globales Positionsbestimmungssystem; englisch: global positioning system) zusätzliche Navigations- und standortbezogene drahtlose Daten für die Vorrichtung 450 bereitstellen, die von Anwendungen, die auf der Vorrichtung 450 laufen, verwendet werden können.
Die Vorrichtung 450 kann auch hörbar kommunizieren, indem es den Audiocodec 460 verwendet, der gesprochene Daten von einem Benutzer empfangen und in nutzbare digitale Daten umwandeln kann. Der Audiocodec 460 kann ebenfalls hörbaren Ton für einen Benutzer erzeugen, z. B. über einen Lautsprecher, z. B. in einem Hörer der Vorrichtung 450. Solche Töne können Töne von Sprachtelefonaten, aufgezeichnete Töne (z. B. Sprachnachrichten, Musikdateien usw.) und auch Töne, die von Anwendungen auf der Vorrichtung 450 erzeugt werden, umfassen.
Die Rechenvorrichtung 450 kann in verschiedenen Formen implementiert werden, wie in 4 gezeigt. Zum Beispiel kann die Rechenvorrichtung 450 als Mobiltelefon 480 implementiert werden. Die Rechenvorrichtung 450 kann auch als Teil eines Smartphones 482, eines persönlichen digitalen Assistenten oder eines anderen ähnlichen mobilen Geräts implementiert werden.
Verschiedene Ausführungsformen der hier beschriebenen Systeme und Techniken können in digitalen elektronischen Schaltungen, integrierten Schaltungen, speziell entwickelten ASICs (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen; englisch: application specific integrated circuits), Computerhardware, Firmware, Software und/oder Kombinationen davon realisiert werden. Diese verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere Computerprogramme enthalten, die auf einem programmierbaren System ausführbar und/oder interpretierbar sind. Dazu gehören mindestens ein programmierbarer Prozessor, bei dem es sich um einen Spezial- oder Allzweckprozessor handeln kann, der so gekoppelt ist, dass er Daten und Befehle von einem Speichersystem empfängt und Daten und Befehle an ein Speichersystem überträgt, mindestens ein Eingabegerät und mindestens ein Ausgabegerät.
Diese Computerprogramme (auch als Programme, Software, Softwareanwendungen oder Code bezeichnet) enthalten Maschinenbefehle für einen programmierbaren Prozessor und können in einer prozeduralen und/oder objektorientierten Hochsprache und/oder in Assembler/Maschinensprache implementiert werden. Die hier verwendeten Begriffe „maschinenlesbares Medium“ und „computerlesbares Medium“ beziehen sich auf ein Computerprogrammprodukt, einen Apparat und/oder eine Vorrichtung (z. B. Magnetplatten, optische Platten, Speicher, programmierbare Logikbausteine (englisch: programmable logic devices; PLD)), die dazu dienen, einem programmierbaren Prozessor Maschinenbefehle und/oder Daten zu liefern, einschließlich eines maschinenlesbaren Mediums, das Maschinenbefehle empfängt.
Um die Interaktion mit einem Benutzer zu ermöglichen, können die hier beschriebenen Systeme und Techniken auf einem Computer implementiert werden, der über eine Anzeigevorrichtung (z. B. einen CRT- (Kathodenstrahlröhre; englisch: cathode ray tube) oder LCD- (Flüssigkristallanzeige; englisch: liquid crystal display) Monitor) zur Darstellung von Daten für den Benutzer sowie eine Tastatur und ein Zeigegerät (z. B. eine Maus oder ein Trackball) verfügt, mit denen der Benutzer Eingaben in den Computer machen kann. Auch andere Arten von Geräten können zur Interaktion mit dem Benutzer verwendet werden. Die Rückmeldung an den Benutzer kann beispielsweise in Form von sensorischem Feedback erfolgen (z. B. visuelles Feedback, auditives Feedback oder taktiles Feedback). Eingaben des Benutzers können in Form von akustischen, sprachlichen oder taktilen Eingaben empfangen werden.
Die hier beschriebenen Systeme und Techniken können in einem Computersystem implementiert werden, das eine Backend-Komponente (z. B. als Datenserver) oder eine Middleware-Komponente (z. B. einen Anwendungsserver) oder eine Frontend-Komponente (z. B. einen Client-Computer mit einer Benutzeroberfläche oder einem Webbrowser, über den ein Benutzer mit einer Implementierung der hier beschriebenen Systeme und Techniken interagieren kann) oder eine Kombination solcher Backend-, Middleware- oder Frontend-Komponenten enthält. Die Komponenten des Systems können durch eine Form oder ein Medium der digitalen Datenkommunikation (z. B. ein Kommunikationsnetz) miteinander verbunden werden. Beispiele für Kommunikationsnetze sind ein lokales Netzwerk (LAN), ein Weitverkehrsnetz (WAN) und das Internet.
Das Rechnersystem kann Clients und Server umfassen. Ein Client und ein Server sind im Allgemeinen voneinander entfernt und interagieren in der Regel über ein Kommunikationsnetz. Die Beziehung zwischen Client und Server entsteht dadurch, dass Computerprogramme auf den jeweiligen Computern laufen und eine Client-Server-Beziehung zueinander haben.
In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Komponenten getrennt, kombiniert oder in eine einzige oder kombinierte Komponente integriert werden. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sollen die hier beschriebenen Systeme nicht auf die in den Abbildungen gezeigten Software-Architekturen beschränken.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens, das von dem System 100 von 1 durchgeführt werden könnte.
Bei 502 wird eine Struktur (z. B. ein Katheter, ein Führungsdraht usw.) positioniert (z. B. innerhalb eines Patienten). Die Struktur kann z. B. eine durch die Struktur verlaufende Glasfaserleitung und elektromagnetische (EM-)Sensoren (z. B. zwei EM-Sensoren) umfassen. Die EM-Sensoren können zum Beispiel an einem Ende der Struktur angebracht sein. Die Struktur kann z. B. dem Katheter 110 von 1 ähnlich sein.
In Schritt 504 wird die Form der Glasfaserleitung relativ zu einem oder beiden EM-Sensoren bestimmt. Beispielsweise kann die Glasfaserleitung mit einer Rechenvorrichtung und/oder einem Abfragegerät verbunden sein, die eine Positionsverfolgung der Glasfaserleitung ermöglichen. Mit anderen Worten, die Form der Glasfaserleitung kann bestimmt werden. Beispielsweise kann die Glasfaserleitung der Glasfaserleitung 111 von 1 ähneln, die Signale an die Abfrageeinrichtung 114 sendet und von dieser empfängt. In einigen Ausführungsformen liefert die Abfrageeinrichtung 114 diese Signale an eine Rechenvorrichtung (z. B. die Rechenvorrichtung 120). Wie oben beschrieben, führen Verformungen in der Glasfaserleitung 111 zu einer Verschiebung der Wellenlängen, und die Wellenlängenverschiebung kann von der Abfrageeinrichtung 114 gemessen werden, um die Form der Glasfaserleitung zu bestimmen. Die von der Abfrageeinrichtung 114 zur Messung der Wellenlängenverschiebung verwendete Technologie kann beispielsweise Wellenlängenmultiplexing (englisch: wavelength-division multiplexing; WDM) oder optische Frequenzbereichsreflektometrie (englisch: optical frequency-domain reflectometry; OFDR) sein.
Die EM-Sensoren können um die Glasfaserleitung gewickelt und/oder um einen separaten Kern gewickelt werden, der dann um die Glasfaserleitung gelegt wird. Die EM-Sensoren können z. B. ähnlich wie in 2 dargestellt sein.
Wenn die Form der Glasfaserleitung relativ zu einem oder beiden EM-Sensoren bestimmt wird, wird ein absolutes Maß der Lage (z. B. im Gegensatz zu einem relativen Maß der Lage) der Glasfaserleitung bestimmt. So kann wiederum die Form der Glasfaserleitung relativ zum Patienten bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Referenzkoordinatensystem 106 verwendet werden, um ein absolutes Koordinatensystem für einen Teil der Glasfaserleitung und/oder einen der EM-Sensoren darzustellen.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend fallen auch andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63277799 [0040]
US 13/683703 [0044]

Claims

System, das Folgendes umfasst: ein Computersystem mit einem Prozessor zur Ausführung von Befehlen; eine einführbare Struktur, die in einem Operationssaal verwendet werden kann; eine Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, bestimmt; und einen oder mehrere elektromagnetische Sensoren, die zumindest teilweise um einen oder mehrere Abschnitte der Glasfaserleitung gewickelt sind, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Position und Ausrichtung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt; und wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form und eine Position der Struktur auf der Grundlage der ermittelten Form der durch die Struktur verlaufenden Glasfaserleitung und der ermittelten Position und Ausrichtung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt.
System nach Anspruch 1 umfassend ferner einen Feldgenerator, der mit dem einen oder den mehreren elektromagnetischen Sensoren verbunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei sich der Feldgenerator unter einem Patienten befindet.
System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren ein Referenzkoordinatensystem für die Glasfaserleitung liefern.
System nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter zur Erzeugung von Dehnungsmessungen umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei eine Dehnung, die ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung erfahren, aus der Rayleigh-Streuung bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Form der Glasfaserleitung temperaturkompensiert ist.
System nach Anspruch 1, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Solenoidgeometrie aufweist, die eine Vielzahl von im Wesentlichen kreisförmigen Windungen umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Sattelgeometrie aufweist, die eine Vielzahl von Windungen von im Wesentlichen 90 Grad umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei eine zentrale Achse des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren mit einer zentralen Achse der Glasfaserleitung ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren direkt um die Glasfaserleitung gewickelt sind.
System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren um einen Kern gewickelt sind, der die Glasfaserleitung umgibt.
System nach Anspruch 12, wobei der Kern mindestens eines der folgenden Materialien enthält: ein Ferritmaterial, ein Mu-Metallmaterial oder ein Permalloy-Material.
System nach Anspruch 1, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren durch ein Ferrit-Epoxid an der Faseroptik befestigt ist.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine einführbare Struktur, die in einem Operationssaal verwendet werden kann; eine Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, wobei ein Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form der Glasfaserleitung, die sich durch die Struktur erstreckt, bestimmt; und einen oder mehrere elektromagnetische Sensoren, die zumindest teilweise um einen oder mehrere Abschnitte der Glasfaserleitung gewickelt sind, wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Position und Ausrichtung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt; wobei das Computersystem so konfiguriert ist, dass es eine Form und eine Position der Struktur auf der Grundlage der ermittelten Form der durch die Struktur verlaufenden Glasfaserleitung und der ermittelten Position und Ausrichtung des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren ein Referenzkoordinatensystem für die Glasfaserleitung liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter zur Erzeugung von Dehnungsmessungen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine Dehnung, die ein oder mehrere Segmente der Glasfaserleitung erfahren, aus der Rayleigh-Streuung bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die bestimmte Form der Glasfaserleitung temperaturkompensiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Solenoidgeometrie aufweist, die eine Vielzahl von im Wesentlichen kreisförmigen Windungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren eine Sattelgeometrie aufweist, die eine Vielzahl von im Wesentlichen 90-Grad-Windungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine zentrale Achse jedes des einen oder der mehreren elektromagnetischen Sensoren mit einer zentralen Achse der Glasfaserleitung ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren direkt um die Glasfaserleitung gewickelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der eine oder die mehreren elektromagnetischen Sensoren um einen Kern gewickelt sind, der die Glasfaserleitung umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Kern mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: ein Ferritmaterial, ein Mu-Metallmaterial oder ein Permalloy-Material.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei einer der ein oder mehreren elektromagnetischen Sensoren durch ein Ferrit-Epoxid an die Glasfaserleitung geklebt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Struktur einen Katheter und/oder einen Führungsdraht umfasst.