FR2915565A1

FR2915565A1 - Agencement de bobines pour un procede et un systeme de tracage electromagnetique

Info

Publication number: FR2915565A1
Application number: FR0851155A
Authority: FR
Inventors: Peter Traneus Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2008-10-31
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: CN101248996A; US8249689B2; FR2915565B1; CN101248996B; US20080204004A1

Abstract

Un agencement de bobines de traçage électromagnétiques (10) comprenant trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et un quatrième capteur électromagnétique (12) qui n'est pas coplanaire avec les trois capteurs coplanaires, dans lequel les trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième capteur électromagnétique (12) sont chacun situés en un sommet d'un tétraèdre.

Description

B07-4600FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Agencement de bobines

pour un procédé et un système de traçage électromagnétique Invention de : ANDERSON Peter Traneus Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 23 février 2007 sous le n 11/710. 085 Agencement de bobines pour un procédé et un système de traçage électromagnétique

Cette description concerne globalement des systèmes de traçage qui utilisent des champs magnétiques pour déterminer la position et l'orientation d'un objet, comme des systèmes utilisés pour tracer des instruments et des dispositifs pendant les interventions chirurgicales et d'autres procédures médicales. Plus particulièrement, cette description concerne un système et un procédé pour le traçage électromagnétique qui utilisent un agencement de bobines compact. Des systèmes de traçage ont été utilisés dans diverses industries et applications pour fournir une information de position concernant des objets. Par exemple, le traçage électromagnétique peut être utile dans des applications d'aviation, des applications de détection de mouvement, et des applications médicales. Dans des applications médicales, des systèmes de traçage ont été utilisés pour fournir à un opérateur (par exemple, un médecin) une information pour aider au positionnement rapide et précis d'un dispositif médical dans ou près d'un corps de patient. En général, une image peut être affichée sur un moniteur pour fournir une information de positionnement à un opérateur. L'image peut comprendre une visualisation de l'anatomie du patient avec une icône sur l'image représentant le dispositif. Quand le dispositif est positionné par rapport au corps du patient, l'image affichée est mise à jour pour refléter les coordonnées correctes du dispositif. L'image de base de l'anatomie du patient peut être générée soit avant ou pendant la procédure médicale. Par exemple, toute technique d'imagerie médicale convenable, comme les rayons X, la tomodensitométrie (CT), l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomographie par émission de positrons (PET), et les ultrasons, peut être utilisée pour fournir l'image de base affichée pendant le traçage. La combinaison de l'image de base et de la représentation du dispositif tracé fournit une information de positionnement qui permet à un praticien médical de manipuler un dispositif dans une position souhaitée et/ou d'associer une information récoltée à un emplacement précis. Pour déterminer la position du dispositif, les systèmes de traçage peuvent utiliser un procédé de génération et de détection de champ électromagnétique (EM).

En utilisant ce procédé, au moins un champ magnétique est généré depuis un à plusieurs capteurs EM (par exemple, des générateurs ou émetteurs de champ EM), et les champs magnétiques sont détectés par un ou plusieurs capteurs EM complémentaires (par exemple, des récepteurs EM). Dans un tel système le champ EM peut être détecté en mesurant l'inductance mutuelle entre les capteurs EM et les capteurs EM complémentaires. Les valeurs mesurées sont traitées pour déterminer une position et/ou une orientation des capteurs EM les uns par rapport aux autres. Par exemple, un système de traçage électromagnétique peut inclure un capteur EM monté à l'extrémité fonctionnelle d'un dispositif et un capteur EM complémentaire fixé dans une position connue. Quand le capteur EM génère un champ magnétique, une tension représentative de l'inductance mutuelle peut être induite dans le capteur EM complémentaire. Le signal peut être détecté et transmis à un dispositif de traitement pour traitement. Le traitement peut ensuite utiliser le signal de tension mesuré représentatif de l'inductance mutuelle pour déterminer la position et l'orientation des capteurs EM par rapport aux autres (par exemple, les coordonnées X, Y et Z, ainsi que les angles de roulis, de tangage et de lacet). Généralement les systèmes de traçage électromagnétiques comprennent des capteurs EM qui consistent en un réseau d'un ou plusieurs générateurs de champ EM et un réseau d'un ou plusieurs récepteurs EM. Pour fournir un traçage de dispositif plus précis, divers agencements des capteurs EM autour d'une zone de traçage ont été utilisés. Par exemple, quatre capteurs EM peuvent être situés aux coins d'une région rectangulaire. Dans cette configuration, un seul capteur EM peut agir comme agit un générateur de champ EM générant des champs magnétiques qui sont détectés par le capteur EM complémentaire agissant comme un récepteur EM. Un dispositif de traitement peut alors recevoir les signaux représentatifs des champs magnétiques détectés et trianguler la position et/ou l'orientation des capteurs EM. Bien que les procédés décrits auparavant puissent fournir une précision suffisante, il y a plusieurs exemples dans lesquels les capteurs situés autour de la périphérie d'une région dans un seul plan ne fournissent pas une estimation suffisante de la position et/ou de l'orientation. Par exemple, quand quatre récepteurs EM sont situés dans un seul plan (par exemple, sur le haut d'une table d'opération) le traitement peut être incapable de tracer précisément la distance d'un générateur de champ EM au-dessus ou au-dessous du plan. En outre, même si la distance est déterminée, il peut être difficile (sinon impossible) pour le traitement de déterminer sur quel côté du plan le générateur de champ EM est situé. Par exemple, les mêmes mesures d'inductance mutuelle peuvent être présentes pour un générateur de champ EM situé au-dessus du plan en une position donnée (x, y, z) et un générateur de champ EM situé au-dessous du plan en une position donnée (x, y, -z). Cela parce qu'aux deux emplacements le générateur de champ EM est à la même distance des récepteurs EM et, donc, les mesures d'inductance mutuelle et leurs rapports utilisés pour la triangulation sont les mêmes. Ainsi, le traitement ne peut pas déterminer sur quel côté du plan le générateur de champ EM est situé. De plus, certaines applications de système de traçage nécessitent des capteurs EM compacts. Certains capteurs EM qui contiennent un certain nombre de bobines peuvent être assez grands. Les ensembles de capteurs EM de l'architecture de bobines standard de l'industrie (ISCA) sont avantageux pour ces applications parce qu'ils sont petits. Néanmoins, l'émetteur et le récepteur ISCA comprennent chacun trois bobines approximativement concentriques et approximativement orthogonales.

De même, les bobines ISCA doivent être individuellement caractérisées. Quand un émetteur ou un récepteur ISCA doit être monté dans le bout d'un instrument chirurgical, l'espace est restreint, utiliser un dispositif à trois bobines est difficile. Par conséquent, il y a un désir de fournir un système de traçage EM, dans lequel les capteurs EM comprennent au moins un réseau de bobines compact.

Selon un aspect, il est proposé un agencement de bobines électromagnétiques, comprenant trois capteurs électromagnétiques coplanaires et un quatrième capteur électromagnétique qui n'est pas coplanaire avec les trois capteurs coplanaires, dans lequel les trois capteurs électromagnétiques coplanaires et le quatrième capteur électromagnétique sont chacun situés en un sommet d'un tétraèdre.

Selon un autre aspect, il est proposé un système de traçage électromagnétique, comprenant un agencement de capteurs électromagnétiques comprenant trois capteurs électromagnétiques coplanaires et un quatrième capteur électromagnétique qui n'est pas coplanaire avec les trois capteurs coplanaires, dans lequel les trois capteurs électromagnétiques coplanaires et le quatrième capteur électromagnétique sont chacun situés en un sommet d'un tétraèdre, et au moins un capteur électromagnétique complémentaire. Selon encore un autre aspect, on propose un procédé de traçage électromagnétique comprenant de fournir au moins un générateur de champ électromagnétique pour générer au moins un champ magnétique, fournir un réseau de récepteurs électromagnétiques pour détecter au moins une caractéristique de l'au moins un champ magnétique, dans lequel le réseau de récepteurs électromagnétiques comprend trois récepteurs électromagnétiques coplanaires et un quatrième récepteur électromagnétique qui n'est pas coplanaire avec les trois récepteurs électromagnétiques, et dans lequel les trois récepteurs électromagnétiques coplanaires et le quatrième récepteur électromagnétique sont chacun situés en un somme d'un tétraèdre, et d'émettre au moins un signal représentatif d'au moins une caractéristique de l'au moins un champ magnétique vers un dispositif de traitement. Selon encore un autre aspect, il est proposé un agencement de bobines électromagnétiques, comprenant une pluralité de capteurs électromagnétiques agencés autour d'une région volumétrique, dans lequel chacun de la pluralité de capteurs électromagnétiques sont espacés les uns des autres, et dans lequel la pluralité de capteurs électromagnétiques ne sont pas tous dans le même plan. Ceci et d'autres caractéristiques, aspects, et avantages de la présente invention deviendra mieux compris quand la description détaillée suivante est lue en référence aux dessins attenants dans lequel des numéros de référence identiques représentent des parties identiques dans tous les dessins, dans lesquels : la figure 1 est une illustration d'un exemple de système de traçage EM pour mettre en oeuvre certains aspects de la présente technique ; la figure 2 est une illustration d'un exemple d'agencement de capteurs selon certains aspects de la présente technique ; la figure 3 est une illustration d'une variante d'exemple d'agencement de capteurs selon certains aspects de la présente technique ; la figure 4 est une illustration de l'exemple d'agencement de capteurs de la figure 2 disposé autour d'un patient selon certains aspects de la présente technique ; la figure 5 est une illustration de l'exemple d'agencement de capteurs des figures 2 disposé autour d'une table selon des aspects de la présente technique ; et la figure 6 est un organigramme représentant un procédé de traitement selon des aspects de la présente technique.

En se référant maintenant à la figure 1, un système de traçage 10 selon un mode de réalisation de la présente technique est illustré. Le système de traçage 10 peut généralement comprendre de multiples composants de traçage. Comme représenté, les composants de traçage peuvent comprendre un agencement de bobines électromagnétiques (EM) 20 avec une pluralité de capteurs EM 14, au moins un capteur EM complémentaire 12, un dispositif de traitement 16 et une interface utilisateur 18. L'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être couplé à au moins un instrument ou dispositif 26, comme montré sur la figure 4. Dans le mode de réalisation illustré, l'agencement de bobines EM 20 comprend un réseau de capteurs EM 14 agencés autour d'une région volumétrique 22. Le réseau de capteurs EM 14 peut être formé à partir de dipôles magnétiques (par exemple, des bobines, des boucles de courant, ou des électroaimants) pouvant produire un champ magnétique dipolaire quand un courant est appliqué ou induit en eux. Dans certains modes de réalisation, les capteurs EM 14 peuvent employer des bobines du type architecture de bobines standard de l'industrie (ISCA), une seule bobine dipolaire, une bobine plane, ou une combinaison des trois. Les bobines du type ISCA sont définies comme trois bobines approximativement colocalisées, approximativement orthogonales, et approximativement dipolaires. Le réseau de capteurs EM 14 peut être configuré avec de multiples bobines pouvant fournir de multiples champs magnétiques dipolaires d'amplitude et de direction variables. A titre d'exemple, le réseau de capteurs EM 14 peut être mis en oeuvre dans lequel chacun des capteurs EM 14 comprend trois bobines (trio de bobines) dipolaires concentriques et orthogonales et génère ainsi un champ magnétique dipolaire dans trois plans (c'est à dire, les plans x, y et z).

Similairement, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être formé à partir de dipôles magnétiques (par exemple de bobines, des boucles de courant, ou des électroaimants) pouvant produire un champ magnétique dipolaire quand un courant est appliqué ou induit en eux. Dans certains modes de réalisation, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut employer des bobines du type architecture de bobines standard de l'industrie (ISCA), une seule bobine dipolaire, une bobine plane, ou une combinaison des trois. Les bobines du type ISCA sont définies comme trois bobines approximativement colocalisées, approximativement orthogonales, et approximativement dipolaires. L'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être configuré avec une seule bobine qui génère une seul champ magnétique dipolaire. L'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être configuré comme un générateur ou émetteur de champ EM pour générer un champ magnétique, et le réseau des capteurs EM 14 peut être configuré comme un réseau de récepteurs EM pour détecter le champ magnétique généré par l'au moins un capteur EM complémentaire 12. Le champ magnétique généré par l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut dépendre d'un courant qui est fourni à travers la bobine d'au moins un capteur EM complémentaire 12. Dans un mode de réalisation, pour fournir un courant à travers le bobine, le dispositif de traitement 16 peut fournir un courant d'attaque à l'au moins un capteur EM complémentaire 12, via un câble 13, comme illustré sur la figure 1. Comme on l'appréciera, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut aussi fonctionner dans une configuration sans fil qui ne nécessite pas une connexion par câbles entre l'au moins un capteur EM complémentaire 12 et le dispositif de traitement 16. Avec le courant s'écoulant à travers la bobine de l'au moins un capteur EM complémentaire 12, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut générer au moins un champ magnétique dipolaire avec une amplitude et une direction données. Les caractéristiques du champ magnétique (par exemple, l'amplitude, la direction, la phase ou la fréquence) peuvent varier en manipulant le courant. Le champ magnétique généré peut induire un courant dans les bobines du réseau de capteurs EM 14. Le réseau de capteurs EM 14 détecte le champ magnétique, et transmet des données au dispositif de traitement 16. Les données récoltées par le réseau de capteurs EM 14 peuvent être traitées pour déterminer divers paramètres. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré de la figure 1, le champ magnétique détecté par le réseau de capteurs EM 14 peut être sorti vers le dispositif de traitement 16, via un câble 15. Comme on l'appréciera, le réseau de capteurs EM 14 peut aussi fonctionner dans une configuration sans fil qui ne nécessite pas une connexion câblée entre le réseau de capteurs EM 14 et le dispositif de traitement 16.

Le dispositif de traitement 16 peut distinguer divers champs magnétiques en identifiant la phase et la fréquence respective. On appréciera que, selon le nombre de champs magnétiques générés et reçus, de multiples degrés de liberté peuvent être déterminés par le dispositif de traitement 16. Par exemple, Quand le réseau de capteurs EM 14 et l'au moins un capteur EM complémentaire 12 comprennent chacun un trio de bobines, six degrés de liberté, comprenant trois valeurs de position et trois valeur d'orientation peuvent être déterminées (c'est à dire, x, y et z et le roulis, le tangage et le lacet). Dans le système de traçage 10, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut inclure au moins une bobine conductrice qui génère un champ magnétique quand un courant passe à travers la bobine. Dans certains modes de réalisation, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut comprendre une seule bobine dipolaire. Quand un courant est appliqué ou induit dans une seule bobine dipolaire un seul champ magnétique peut être généré avec un vecteur de moment d'amplitude le long de son "axe". Pour une bobine, la direction de l'axe de la bobine est perpendiculaire au plan de la bobine selon la règle de la main droite. L'homme de l'art appréciera que de multiples bobines de transmission peuvent être utilisées en coordination pour générer de multiples champs magnétiques. Par exemple, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être formé de trois bobine quasi-dipolaires orthogonales colocalisées (c'est à dire un trio de bobine). Quand un trio de bobines est alimenté en énergie, chaque bobine peut générer un champ magnétique. Il en résulte que trois champs magnétiques peuvent être générés avec des vecteurs d'amplitude qui sont colocalisés et orthogonaux ensemble. Le réseau de capteurs EM 14 sont configurés pour "recevoir" (c'est à dire capter) le(s) champ(s) magnétique(s) généré(s) par l'au moins un capteur EM complémentaire 12. Par exemple, quand un courant est appliqué à l'au moins un capteur EM complémentaire 12, le champ magnétique généré par une bobine de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut induire une tension dans une bobine du réseau de capteurs EM 14. La tension induite peut être représentative de l'inductance mutuelle entre la bobine de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 générant le champ magnétique et la bobine du réseau de capteurs EM 14 détectant le champ magnétique. Ainsi, la tension induite dans la bobine du réseau de capteurs EM 14 peut être détectée et traitée pour déterminer l'inductance mutuelle entre une bobine de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 et une bobine du réseau de capteurs EM 14. La position et la fonctionnalité de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 par rapport au réseau de capteurs EM 14 dans le système 10 peuvent être inversées. Par exemple, dans un mode de réalisation, l'au moins un capteur EM complémentaire 12 peut être configuré comme un récepteur EM pour détecter un champ magnétique, alors que les capteurs EM 14 peuvent être configurés comme des générateurs ou émetteurs de champ EM pour générer un champ magnétique. Néanmoins, pour la simplicité, le reste de cette présentation peut se référer à l'au moins un capteur EM 12 complémentaire 12 comme un générateur ou émetteur de champ EM générant un champ magnétique et aux capteurs EM 14 comme des récepteurs EM détectant un champ magnétique. Similairement à l'au moins un capteur EM complémentaire 12, le réseau des capteurs EM 14 peut employer une seule bobine dipolaire ou de multiples bobines (par exemple, un trio de bobines). Par exemple, les systèmes de traçage peuvent inclure des bobines du type architecture de bobines standard de l'industrie (ISCA). Les bobines du type ISCA sont configurées avec au moins un émetteur à bobine dipolaire à trois axes et au moins un récepteur à bobine dipolaire à trois axes. Les bobines du type ISCA sont définies comme trois bobines, approximativement colocalisées, approximativement orthogonales et approximativement dipolaires. Dans une telle configuration, les bobines de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 et les bobines du réseau de capteurs EM 14 sont configurées de telle manière que les trois bobines présentent la même surface efficace, sont orientés orthogonalement les unes aux autres, et sont centrées au même point. En utilisant cette configuration, neuf mesures de paramètres peuvent être obtenues (c'est à dire, une mesure entre chaque bobine de transmission et chaque bobine de réception). D'après les neuf mesures de paramètres, le traitement peut déterminer l'information de position et d'orientation pour chaque bobine de l'au moins un capteur EM complémentaire 12 par rapport à chaque bobine du réseau de capteurs EM 14. Si soit au moins un capteur EM 14 ou le réseau de capteurs EM 12 est en position connue, le traitement peut aussi déterminer la position et l'orientation par rapport à la position connue. En outre, le réseau de capteurs EM 14 peut inclure des configurations autres qu'une bobine. Par exemple, le réseau de capteurs EM 14 peut employer d'autres technologies incluant les dispositifs à effet Hall, à magnétorésistance et à sonde magnétométrique. Pour la simplicité, le reste de cette présentation est centré sur l'utilisation des bobines dans l'au moins un des capteurs EM 12 et des bobine dans le réseau des capteurs EM 14. Comme mentionné auparavant, le champ magnétique généré nécessite qu'un courant passe par une bobine de l'au moins un capteur EM 12. Dans un mode de réalisation, le dispositif de traitement 16 peut fournir un courant d'attaque pour alimenter en énergie la ou les bobines d'au moins un capteur EM 12 et, ainsi, générer le ou les champs magnétiques qui sont détectés par le réseau de capteurs EM 14. Par exemple, le dispositif de traitement 16 peut transmettre un courant d'attaque vers l'au moins un capteur EM 12 via une connexion câblée. Comme on l'appréciera, la source de courant d'attaque peut aussi être indépendante du dispositif de traitement 16. Par exemple, dans un autre mode de réalisation l'au moins un capteur EM 12 peut inclure un oscillateur qui génère le courant d'attaque configuré pour produire un champ magnétique. Comme on l'appréciera, dans des modes de réalisation de traçage incluant l'utilisation de multiples bobines génératrices dans l'au moins un capteur EM 12, le courant d'attaque peut comprendre des formes d'onde de phase et de fréquence variables pour générer des champs magnétiques de phase et de fréquence variables qui peuvent être distingués lors du traitement. En plus de fournir un courant d'attaque, le dispositif de traitement 16 peut traiter les signaux reçus pour tracer la position et l'orientation d'un instrument ou dispositif. Par exemple, le réseau de capteurs EM 14 produit des signaux de sortie qui sont proportionnels à l'inductance mutuelle entre au moins un capteur EM 12 et le réseau de capteurs EM 14. Le dispositif de traitement 16 peut utiliser des rapports de mesures d'inductance mutuelles pour trianguler la position d'au moins un capteur EM 12 par rapport au réseau de capteurs EM 14. En général, le dispositif de traitement 16 peut réaliser plusieurs fonctions dans le système de traçage 10. Par exemple, le dispositif de traitement 16 peut inclure un circuit électronique pour fournir les signaux d'attaque, le circuit électronique pour recevoir les signaux détectés, et le circuit électronique pour conditionner les signaux d'attaque et les signaux détectés. En outre, le dispositif de traitement 16 peut comprendre le traitement pour coordonner des fonctions du système 10, pour mettre en oeuvre le pilotage et la visualisation des algorithmes convenant pour tracer et afficher la position et l'orientation d'un instrument ou dispositif sur un moniteur. Le dispositif de traitement 16 peut inclure un dispositif de traitement de signal numérique, une mémoire, une unité centrale (CPU) ou autre, pour traiter les signaux acquis. Comme on l'appréciera, le traitement peut comprendre l'utilisation d'un ou plusieurs ordinateurs dans le dispositif de traitement 16. L'ajout d'une CPU séparée peut fournir des fonctions supplémentaires de traçage, incluant, mais n'étant pas limité à, le traitement de signal de données reçues, et la transmission de données vers l'interface utilisateur 18, incluant un affichage. Dans un mode de réalisation, la CPU peut être confinée dans le dispositif de traitement 16, alors que dans un autre mode de réalisation une CPU peut inclure un dispositif autonome qui est séparé du dispositif de traitement 16.

Comme mentionné, le système 10 peut aussi inclure une interface utilisateur 18. Par exemple, le système 10 peut inclure un moniteur pour afficher la position et l'orientation déterminées d'un objet tracé. Comme on l'appréciera, l'interface utilisateur 18 peut inclure des dispositifs supplémentaires pour faciliter l'échange de données entre le système 10 et l'utilisateur. Par exemple, l'interface utilisateur 18 peut inclure un clavier, une souris, des imprimantes ou d'autres périphériques. Alors que le dispositif de traitement 16 et l'interface utilisateur 18 peuvent être des dispositifs séparés, dans certains modes de réalisation, le dispositif de traitement 16 et l'interface utilisateur 18 peuvent être fournis comme une seule unité.

Retournons maintenant au traitement des données reçues, le dispositif de traitement 16 peut utiliser une approche itérative pour arriver à une position et une orientation prédéterminées de l'au moins un capteur EM 12, du réseau de capteurs EM 14, ou d'un autre objet tracé. Par exemple, une approximation initiale de la position et l'orientation peut être fournie, ou déterminée par des mesures initiales du système 10 et du dispositif de traitement 16. Le dispositif de traitement 16 peut ensuite utiliser cette position et cette orientation approximatives dans des algorithmes suivants pour prédire les caractéristiques du champ magnétique, et déterminer une nouvelle estimation de la position. Le dispositif de traitement 16 peut ensuite comparer les valeurs mesurées et calculées, et considérer le besoin de calculer de nouvelles estimations des caractéristiques du champ magnétique. L'itération de l'estimation et de la comparaison peut continuer jusqu'à ce que les valeurs estimées soient suffisamment similaires à la position et l'orientation réellement détectées. Par conséquent, il est souhaitable que le système 10 soit configuré pour assurer qu'une détermination de position et d'orientation soit faite efficacement et précisément. Par exemple, pour augmenter la précision des valeurs mesurées des champs électromagnétiques et, donc, l'approximation initiale, le réseau de capteurs EM 14 peut être orienté dans un agencement donné. Un agencement peut inclure un réseau de capteurs EM 14 situés dans un seul plan autour d'une région dans une configuration quadrilatérale (par exemple, quatre capteurs situés sur les coins d'une table). Dans de nombreux exemples, cette configuration peut fournir une précision suffisante pour déterminer la position et l'orientation d'au moins un capteur EM 12 par rapport au réseau des capteurs EM 14. Par exemple, dans des systèmes de traçage médical où un dispositif est tracé dans un patient sur une table il est connu que l'au moins un capteur EM 12 est au-dessus du plan contenant le réseau de capteurs EM 14 et, donc, il est connu que z est positif et le traitement doit seulement déterminer la position x et y et la distance z. Néanmoins, si on ne sait pas si l'au moins un capteur EM 12 est situé au-dessus ou au-dessous du plan contenant le réseau de capteurs EM 14, le traitement doit aussi déterminer la direction z. Une configuration d'un réseau de capteurs EM situés dans un plan peut rendre cela impossible. Par exemple, les mêmes mesures d'inductance mutuelle peuvent être présentes pour au moins un capteur EM 12 situé au-dessus du plan en une position donnée (x, y, z) et au moins un capteur EM 12 situé au-dessous du plan en une position donnée. Dans les deux positions ((x, y, z) et (x, y, -z) l'au moins un capteur EM 12 est la même distance de chacun du réseau respectif de capteurs EM 14. Ainsi, les mesures d'inductance mutuelle et leurs rapports utilisés dans le traitement sont les mêmes. Ainsi, le traitement est incapable de déterminer de quel côté du plan l'au moins un capteur EM 12 (par exemple, le dispositif tracé) est situé. A la lumière des considérations et problèmes ci-dessus, un système est nécessaire qui peut précisément tracer la position d'un objet dans toutes les trois dimensions. Il est proposé un système qui inclut un agencement de bobines EM qui permet le traçage d'un objet dans trois dimensions (c'est à dire, les dimensions x, y et z) incluant la positionrelative le long de l'axe z. Retournons maintenant à la figure 2, un agencement de bobines EM 20 est représenté selon un exemple de mode de réalisation de la présente technique. Dans un mode de réalisation, une pluralité de capteurs EM 14 peuvent être agencés aux sommets d'une région volumétrique 22. Le réseau de capteurs EM 14 peut être agencé avec au moins l'un des capteurs EM 14 non situé dans le même plan que les autres capteurs. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, un réseau de quatre capteurs EM 14 peuvent être situés aux sommets d'un tétraèdre. Les quatre capteurs EM 14 sont espacés les uns des autres, et ne sont pas tous dans le même plan. Comme on l'appréciera, un tétraèdre est un polyèdre composé de quatre faces triangulaires, trois d'entre elles se rencontrant en chaque sommet. Comme on l'appréciera aussi, trois points dans l'espace peuvent former un plan. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, l'agencement de bobines EM 20 inclut trois capteurs EM 14 situés dans une seul plan (coplanaire) avec un quatrième des quatre capteurs EM 14 qui n'est pas contenu dans le même plan. Comme l'homme de l'art l'appréciera, la forme du tétraèdre peut prendre plusieurs formes. Dans un mode de réalisation, le tétraèdre peut être un tétraèdre régulier. Par exemple, la figure 2 illustre le réseau de capteurs EM 14 disposés aux sommets d'un tétraèdre régulier. En outre, un mode de réalisation correspondant à la figure 2 peut inclure quatre capteurs EM 14 espacés de manière égale à une distance d'environ 4 à 6 cm pour former les sommets d'un tétraèdre régulier. Comme l'homme de l'art l'appréciera, dans une configuration de tétraèdre régulier, les quatre capteurs EM 14 peuvent être situés à égale distance et, donc le réseau de capteurs EM peut être configuré à toute distance donnée qui répond aux exigences de l'application. Dans un autre mode de réalisation, le tétraèdre peut ne pas être régulier. En d'autres termes, le réseau de quatre capteurs EM 14 peuvent ne pas être coplanaires et peuvent être espacés à distances inégales. Par exemple, comme montré sur la figure 3, la base du tétraèdre peut être définie par trois des capteurs EM 14 situés en trois coins d'une région plane 24 avec un quatrième des capteurs EM 14 situé au-dessus d'un quatrième coin de la région 24. Comme l'homme de l'art l'appréciera, les sommets du tétraèdre peuvent être situé en tous quatre points dans l'espace qui ne sont pas coplanaires. Pour former le réseau de capteurs EM 14 qui sont disposés aux sommets du tétraèdre, diverses configurations de capteurs EM peuvent être utilisées. Par exemple, le capteur EM peut inclure un trio de bobines (décrit auparavant). Ainsi, le réseau de quatre capteurs EM 14 peut comprendre un total de 12 bobines. Par exemple, l'agencement de bobines EM 20 peut inclure quatre trios de bobines de un centimètre cube (par exemple, trois séries de bobines enroulées autour d'une bobine cubique de un centimètre cube) qui sont également espacés, d'environ 4 à 6 cm. Dans ces configurations, les trios de bobines et leur relation spatiale peuvent être caractérisés précisément pour aider au traitement. Par exemple, avant d'utiliser l'agencement de bobines 20 pour recevoir des champs magnétiques chaque bobine et leurs combinaisons peuvent être étalonnés. Dans un autre mode de réalisation, le réseau de capteurs EM 14 peut employer d'autres types de capteurs de champ magnétique. Par exemple, le réseau de capteurs EM 14 peut inclure des dispositifs à effet Hall, à magnétorésistance, et à sonde magnétométrique. Comme l'appréciera l'homme de l'art, le réseau de capteurs EM 14 peut inclure tous dispositifs convenables pouvant fournir un signal représentatif d'un champ magnétique (par exemple, une inductance mutuelle) au dispositif de traitement 16 pour traitement.

Comme pour la configuration de l'au moins un capteur EM 12, on notera que l'application elle-même peut dicter le type de capteurs EM. Par exemple, dans des applications médicales, il est souvent souhaité qu'un capteur EM soit inséré dans un patient. Ainsi, des objets qui doivent être tracés peuvent employer un capteur EM à une seule bobine dipolaire avec un faible encombrement en opposition à un capteur EM à plusieurs bobines avec un encombrement relativement grand. Un capteur EM à une seule bobine agissant comme un générateur ou émetteur de champ EM n'a pas besoin de caractérisation et se monte facilement dans la pointe d'un instrument ou dispositif. Comme on l'appréciera, cette limitation peut être dictée par l'application spécifique et n'est pas absolue. Par exemple, dans une application où le dispositif à tracer peut accueillir un capteur EM plus grand, un trio de bobines ou un autre capteur peut être utilisé. Pour permettre le traçage d'un instrument ou dispositif chirurgical, l'au moins un capteur EM 12 ou le réseau de capteurs EM 14 peut être couplé à un instrument 26. Dans les applications de traçage médical un objet à tracer peut comprendre un instrument ou dispositif 26 utilisé pendant une procédure médicale. Par exemple, au moins un capteur EM 12 peut être couplé à un instrument ou dispositif 26 inséré dans le corps d'un patient 28 et tracé par le réseau de capteurs EM 14 (voir figure 4). Comme l'homme de l'art l'appréciera, la présente technique peut être utilisée pour tracer une variété d'instruments ou dispositifs 26 utilisés pendant des procédures médicales. Par exemple, l'instrument ou dispositif 26 peut comprendre un foret, un fil de guidage, un endoscope, un laparoscope, une aiguille de biopsie, un dispositif d'ablation ou d'autres dispositifs similaires. Des mises en oeuvre selon la présente technique peuvent prendre une variété de formes. Dans un mode de réalisation, l'agencement de bobines EM 20 peut être positionné à proximité du patient 28 et un instrument ou dispositif 26 tracé. Par exemple, comme représenté sur la figure 4, l'agencement de bobines EM 20 peut être contenu dans un support rigide 30 qui est fixé de manière sûre sur la tête et le nez d'un patient 28. Ainsi, l'agencement de bobines EM 20 peut permettre de détecter le champ magnétique (par exemple, une inductance mutuelle) entre le réseau de capteurs EM 14 et au moins un capteur EM 12 fixé sur un instrument ou dispositif 26 qui est à proximité ou à l'intérieur du patient 28. Par exemple, dans une application médicale il peut être nécessaire d'insérer de manière amovible un instrument ou dispositif 26 pour réaliser des procédures intérieures au patient et hors de vue du chirurgien opérant. Comme l'homme de l'art l'appréciera, cette technique peut être utilisée dans une variété d'applications de traçage. En utilisant un agencement de bobines EM 20 similaire, une autre mise en oeuvre de la présente technique peut inclure de fixer le réseau de capteurs EM 14 sur une surface. Dans un mode de réalisation, la surface peut comprendre une table d'opération 32. Par exemple, comme montré sur la figure 5, trois capteurs EM 14 peuvent être disposés sur la surface de la table 32 avec un quatrième capteur EM 14 situé au-dessus de la surface (c'est à dire non coplanaire). Dans cette configuration, l'agencement de bobines EM 20 peut se révéler bénéfique pour fournir un traçage plus précis dans la direction "z" ainsi que pour fournir au traitement un moyen pour déterminer la position d'un instrument au-dessus ou au-dessous de la surface de la table 32. Comme l'homme de l'art l'appréciera, l'agencement de bobines EM 20 peut inclure de fixer les capteurs EM 14 dans toute forme non coplanaire convenable. Par exemple, trois capteurs EM 14 peuvent être situés dans le plan de la table 32 avec un quatrième capteur EM 14 situé sous la surface de la table 32. Un procédé d'utilisation du système de traçage 10 est représenté sous la forme d'un organigramme sur la figure 6. Comme décrit ci-dessus, le système de traçage 10 peut comprendre au moins un capteur EM 12 et un agencement de bobines EM 20. Dans un mode de réalisation, l'au moins un capteur EM 12 peut inclure une seule bobine dipolaire fixée sur un instrument ou dispositif 26, et l'agencement de bobines EM 20 peut inclure un réseau de capteurs EM 14 positionnés aux sommets d'une région volumétrique 22. Dans un tel mode de réalisation, l'agencement de bobines EM 20 peut être fixé près d'une région de traçage souhaitée. Similairement, l'au moins un capteur EM 12 peut être positionné dans une zone de traçage proche de l'agencement de bobines EM 20 pour fournir le traçage de l'instrument ou dispositif 26. Par conséquent, la figure 6 représente l'étape consistant à fournir un agencement de bobines EM 20 au bloc 34 et fixer au moins un capteur EM 12 sur au moins un instrument ou dispositif 26 au bloc 36. Dans un mode de réalisation, l'au moins un capteur EM 12 peut inclure une seule bobine dipolaire fixée sur un instrument ou dispositif 26 et l'agencement de bobines EM 20 peut inclure quatre capteurs EM 14 positionnés aux sommets d'une région volumétrique 22, comme un tétraèdre. Comme cela a été présenté auparavant, fournir le réseau de capteurs EM 14 peut comprendre de fournir une bobine, un trio de bobines un dispositif à effet Hall, à magnétorésistance, à sonde magnétométrique ou tout dispositif convenable qui peut fournir un signal représentatif du champ magnétique (par exemple, l'inductance mutuelle) au dispositif de traitement pour traitement. Il faut noter que positionner l'au moins un capteur EM 12 peut comprendre de fournir un capteur EM 12 fixe, utilisé comme une référence dynamique pour le système de traçage, ainsi que déplacer le capteur EM 12, fixé sur un instrument ou dispositif 26, quand le système est configuré pour tracer les deux. Comme représenté au bloc 38, de la figure 6, le procédé comprend en outre de fournir un courant à l'au moins un capteur EM 12 pour générer au moins un champ magnétique. Des modes de réalisation du procédé incluent l'au moins un capteur EM 12 ayant un courant envoyé dans une bobine pour générer au moins un champ magnétique d'une amplitude, phase et fréquence données. Par exemple, comme décrit auparavant, l'au moins un capteur EM 12 peut inclure une seule bobine dipolaire à laquelle est fournie un courant d'attaque via le dispositif de traitement 16 et qui génère une champ magnétique correspondant qui peut être détecté par le réseau de capteurs EM 14. Par conséquent, le bloc 40 de la figure 6 inclut une étape complémentaire consistant à fournir un réseau de capteurs EM 14 pour détecter l'au moins un champ magnétique. Par exemple, un mode de réalisation peut inclure que chaque bobine du réseau de capteurs EM 14 de l'agencement de bobines EM 20 détecte un champ magnétique représentatif de l'inductance mutuelle entre chaque bobine et transmet ce signal au dispositif de traitement 16. Ainsi, dans un mode de réalisation, le dispositif de traitement 16 peut recevoir douze signaux représentatifs de l'inductance mutuelle entre chacune des bobines, par exemple, où chacun des capteurs du réseau de capteurs EM 14 comprend un trio de bobines.

Comme l'homme de l'art l'appréciera, fournir un agencement de bobines EM au bloc 34, fixer au moins un capteur EM sur au moins un instrument ou dispositif 26 au niveau du bloc 36, fournir un courant à l'au moins un capteur EM pour générer au moins un champ magnétique au bloc 38, et fournir une zone de capteurs EM pour détecter l'au moins un champ magnétique au bloc 40 peuvent être accomplis dans une variété d'ordres convenables. En outre, comme l'appréciera l'homme de l'art, du fait de la réciprocité, les étapes consistant à générer un champ magnétique au bloc 38 et détecter un champ magnétique au bloc 40 ne sont pas limitées aux modes de réalisation décrits. Par exemple, un mode de réalisation peut inclure le réseau de capteurs EM 14 configuré pour générer au moins un champ magnétique et l'au moins un capteur EM 12 configuré pour détecter l'au moins un champ magnétique. Comme on l'appréciera, traiter le signal représentatif du champ magnétique peut être réalisé pour déterminer un paramètre souhaité. Par exemple, le mode de réalisation du procédé sur la figure 6 peut inclure de traiter au moins un signal représentatif de l'au moins un champ magnétique détecté par le réseau de capteurs EM pour déterminer une position et/ou une orientation de l'au moins un instrument ou dispositif 26, comme décrit au bloc 42. Le traitement peut inclure le dispositif de traitement 16 recevant des données, incluant un signal représentatif du champ magnétique détecté (par exemple, l'inductance mutuelle), et réalisant plusieurs fonctions pour arriver en une position et/ou une orientation déterminées. Dans un système de traçage EM 10 le traitement peut prendre plusieurs formes différentes incluant d'être fonction des données enregistrées auparavant ou de solutions analytiques, ou d'une combinaison des deux.

Dans un mode de réalisation, le traitement peut inclure d'être fonction de données enregistrées auparavant. Par exemple, un procédé convenable peut inclure l'utilisation d'un tableau de référence qui peut être établi en mesurant les caractéristiques de champ magnétique en tous les points d'intérêt dans le volume de traçage. Dans cette forme de traitement, les valeurs mesurées du champ magnétique peuvent être transmises depuis le réseau de capteurs EM 14 au dispositif de traitement 16, et le dispositif de traitement 16 peut ensuite chercher dans une base de données de séries de données préenregistrées de mesures similaires. Le traitement peut ensuite faire correspondre les mesures de courant à une série de données préenregistrées similaires associées à une position et/ou une orientation données.

Ainsi, le dispositif de traitement 16 peut utiliser les données de position et d'orientation dans un traitement suivant ou sortir des données vers une interface utilisateur 18. Comme on l'appréciera cette technique peut nécessiter une quantité assez grande de mémoire et de courant de traitement, et donc peut ne pas convenir dans tous les systèmes.

D'autres formes de traitement peuvent comprendre des approches analytiques. Dans un mode de réalisation, le traitement peut comprendre la triangulation d'une position d'après les rapports d'inductance mutuelle détectés entre la bobine de l'au moins un capteur EM 12 et les bobines du réseau de capteurs EM 14. Par exemple, une équation convenable représentative de l'inductance mutuelle peut inclure :

L = ( o X Aeffe X Aeffe) / R3 X C1 (1) où : L = amplitude d'inductance mutuelle en henrys ; o = perméabilité de l'espace libre = II X 4 X l0-' henrys/mètre; R = distance entre les capteurs Aeffe = aire efficace d'une seule bobine dipolaire Aee = aire efficace d'un trio de bobines ; et C1= un facteur entre 1 et 2 qui peut être déterminé selon l'orientation du capteur de génération.

Dans lequel Cl est égal à la racine carré de deux, déterminer l'équation 1 pour la distance R donne : 3 /1 o x Aeffe X Aeffe x L Utiliser l'équation 2 et l'inductance mutuelle détectée depuis chaque capteur EM 14, les distances entre chaque bobine du capteur EM 14 et la bobine de l'au moins un capteur EM 12 peuvent être déterminées. Par la triangulation des distances, une position et une orientation relatives de l'au moins un capteur EM 12 peuvent être déterminées.

Comme l'homme de l'art l'appréciera, tout algorithme ou procédé convenable de traitement peut être utilisé pour établir un contact entre les signaux détectés par les capteurs EM et une position et/ou une orientation. Par exemple, une variante de procédé du traitement peut inclure une considération du gradient de champ magnétique. Dans l'exemple de mode de réalisation décrit ci-dessus, chacune des bobines du réseau de capteurs EM 14 peut transmettre un signal au dispositif de traitement 16 qui est représentatif de l'inductance mutuelle au niveau de chaque bobine respective. Le dispositif de traitement 16 peut ensuite utiliser ces mesures d'inductance mutuelle pour déterminer et une inductance mutuelle moyenne qui est (2) représentative de l'inductance mutuelle en un point central du tétraèdre. Le traitement peut ensuite utiliser l'inductance mutuelle calculée au niveau de chacun des capteurs EM 14 et le "point central" moyenné pour déterminer le gradient du champ magnétique au "point central". Avec le gradient du point central estimé, tout algorithme convenable peut être utilisé pour déterminer le vecteur de position entre le point central et l'au moins un capteur EM 12. Par exemple, où la densité de flux magnétique générée en r est exprimée comme :

B = o/II X (3(p x n)n ùp)/r3 (3) où : o = perméabilité d'espace trois = II x 4 x 10-' henrys/métre ; r = distance entre les capteurs ; p = moment magnétique ; et n = vecteur normé de (Irl/r). Et la variance du champ magnétique en deux points est représentée par

BùB=-3/rxBdr (4) Et le gradient du champ magnétique peut être représenté comme : axBx ayBx azBx axBy ayBy azBy BùB'= (5) ndr axBZ ayBZ aZBZ Ensuite le vecteur de position (r) depuis l'au moins un capteur EM vers le 25 point central du tétraèdre peut être représenté comme : axBx axBy axBZ -aB aB a yBy azBy ayBZ aZBZ r = -3 (6) Ensuite, le traitement peut déterminer la position de l'au moins un capteur 30 EM 12 par rapport à la position du réseau de capteurs EM 14 dans l'agencement de bobines EM 20. Comme l'homme de l'art l'appréciera, tout procédé convenable de traitement peut être mis en oeuvre pour déterminer la position approximative.

Comme décrit auparavant, le dispositif de traitement 16 peut mettre en oeuvre la technique ci-dessus pour déterminer une position approximative pour l'au

moins un capteur EM 12 qui est tracé par les système 10. Cette estimation de position initiale (communément appelée une estimation devinée) peut être utilisée comme la position déterminée ou utilisé dans des algorithmes suivants pour déterminer plus précisément la position et/ou l'orientation de l'au moins un capteur EM 12. Par exemple, après que l'estimation devinée a été déterminée, un calcul de "bonne

correspondance " convenable peut être réalisé pour déterminer si la position et/ou l'orientation sont dans un intervalle acceptable. La bonne correspondance (Gf) peut inclure une mesure sans dimension des différences entre l'inductance mutuelle modélisée Lmodel (qui sont des fonctions d'estimations de position Rmodel et d'estimations d'orientation Omodel), et l'inductance mutuelle mesurée Lmeas (pour une

bobine d'émetteur et douze bobines de récepteur) : 12 \\ (Lmod et ù Lmeas) r Gf = r=1 12 (Lmeas ) r r=1 Quand Gf est petit, les erreurs restantes peuvent être petites, mais ainsi les

erreurs dans Rmodel et Omodel sont petites. Si Gf est élevé, alors les caractéristiques approximatives du système ne sont pas correctes. Ainsi, les "bonnes correspondances" peuvent indiquer que le traitement a sorti une position et/ou une orientation acceptablement précises qui peuvent être sorties vers l'interface utilisateur 18 ou utilisées dans un traitement suivant.

Claims

REVENDICATIONS

1. Agencement de bobines électromagnétiques (20), comprenant : trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) ; et un quatrième capteur électromagnétique (14) qui n'est pas coplanaire avec les trois capteurs coplanaires (14), dans lequel les trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième capteur électromagnétique (14) sont chacun situés en un sommet d'un tétraèdre.

2. Agencement de bobines électromagnétiques (20) selon la revendication 1, dans lequel trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième capteur électromagnétique (14) sont situés à distance égale les uns des autres.

3. Agencement de bobines électromagnétiques (20) selon la revendication 1, dans lequel trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième capteur électromagnétique (14) ne sont pas tous à égale distance les uns des autres.

4. Agencement de bobines électromagnétiques (20) selon la revendication 1, dans lequel chacun des trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et du quatrième capteur électromagnétique (14) sont des générateurs de champ électromagnétique configurés pour détecter un champ magnétique.

5. Agencement de bobines électromagnétiques (20) selon la revendication 1, dans lequel les trois capteurs électromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième capteur électromagnétique (14) sont des récepteurs électromagnétiques configurés pour détecter un champ magnétique.

6. Procédé de traçage électromagnétique comprenant les étapes consistant à : 25 fournir au moins un générateur de champ électromagnétique (12) pour générer au moins un champ magnétique ; fournir un réseau de récepteurs électromagnétiques (20) pour détecter au moins une caractéristique de l'au moins un champ magnétique, dans lequel le réseau de récepteurs électromagnétiques comprend trois récepteurs électromagnétiques coplanaires (14) et un 30 quatrième récepteur électromagnétique (14) qui n'est pas coplanaire avec les trois récepteurs électromagnétiques coplanaires (14), et dans lequel les trois récepteursélectromagnétiques coplanaires (14) et le quatrième récepteur électromagnétique (14) sont chacun situés en un sommet d'un tétraèdre ; et émettre au moins un signal représentatif d'au moins une caractéristique de l'au moins un champ magnétique vers un dispositif de traitement 16).

7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre l'étape consistant à déterminer une position de l'au moins un générateur de champ électromagnétique (12) qui a généré l'au moins un champ magnétique par rapport au réseau de récepteurs électromagnétiques (20).

8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape consistant à traiter l'au moins un signal comprend de déterminer un gradient de champ magnétique moyen au centre du réseau des récepteurs électromagnétiques (20), et dans lequel le gradient de champ magnétique moyen est traité pour déterminer la position du générateur de champ électromagnétique (12) par rapport au réseau de récepteurs électromagnétiques (20).

9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le réseau de récepteurs électromagnétiques (20) est couplé à un cadre de support rigide (30).

10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le réseau de récepteurs électromagnétiques (20) est couplé à une table (32) configurée pour être utilisée en chirurgie.20