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Die
Erfindung betrifft Systeme zur medizinischen Diagnose und Behandlung
und insbesondere die Verwendung von Bezugsfeldwandlern und medizinischen
Sonden mit Sondenfeldwandlern zur Erfassung der Position oder der
Ausrichtung oder beides im Körper
eines Patienten.
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Stand der
Technik
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Es
gibt viele medizinische Verfahren, bei denen Sonden, wie zum Beispiel
Katheter, in den Körper
eines Subjekts oder Patienten eingeführt werden. Bei Verfahren wie
zum Beispiel Herzkatheterung und Neurochirurgie ist es für den Arzt
oder Chirurgen oft notwendig den Ort des distalen Endes der Sonde
im Körper
zu kennen. Obwohl bildgebende Verfahren, wie zum Beispiel Fluoroskopie
und Ultraschall, manchmal für
diesen Zweck verwendet werden, sind sie nicht immer praktisch oder
wünschenswert.
Zum Beispiel erfordern derartige Systeme typischerweise die kontinuierliche
Bildaufnahme der Sonde und des Patienten während des Verfahrens. Des weiteren sind
fluoroskopische Systeme oft unerwünscht, da sie den Patienten
und Arzt beträchtlicher
ionisierender Strahlung aussetzen.
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Eine
Anzahl von Ortsbestimmungssystemen zur Erfassung der Position einer
Sonde oder einer Katheterspitze im Körper eines Patienten ohne die Notwendigkeit
der kontinuierlichen Bildaufnahme des Patienten sind vorgeschlagen
worden. Diese Systeme umfassen zum Beispiel jene, die in den U.S.
Patenten 5,558,091, 5,391,199, 5,443,489 und in den internationalen
Patentveröffentlichungen
WO 94/04938 und WO 96/05768 offenbart werden, deren Offenbarungen
hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Weitere elektromagnetische
Ortungssysteme, nicht notwendigerweise für medizinische Anwendungen,
werden in den U.S. Patenten 3,644,825, 3,868,565, 4,017,858, 4,054,881
und 4,849,692 beschrieben.
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Systeme,
wie zum Beispiel jene, die in den Patenten '091, '199 und '489 sowie in der PCT-Anmeldung '938 offenbart werden, bestimmen den
Ort (das hießt
die Position oder die Ausrichtung oder beides) einer Sonde mittels
eines oder mehreren Feldwandler, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Vorrichtungen, magnetoresistive
Vorrichtungen, Spulen oder andere Antennen, die auf der Sonde befördert werden.
Die Wandler sind typischerweise am oder benachbart zum distalen
Ende der Sonde oder an einem genau bekannten Ort in Bezug auf das
distale Ende der Sonde angeordnet. Derartige Systeme verwenden ferner
einen oder mehrere Bezugsfeldwandler, die außerhalb des Körpers angeordnet
sind, um einen externen Bezugsrahmen bereitzustellen. Die Bezugsfeldwandler
sind tätig,
um nicht-ionisierende Felder oder Feldkomponenten, wie zum Beispiel
ein magnetisches Feld, eine elektromagnetische Strahlung oder Akustikenergie,
wie zum Beispiel eine Ultraschallschwingung, zu senden oder zu erfassen. Durch
das Senden von Feldern zwischen den externen Bezugsfeldwandlern
und den Sondenfeldwandlern können
charakteristische Merkmale der Feldübertragungen zwischen diesen
Vorrichtungen ermittelt und dann verwendet werden, um die Position
und Ausrichtung der Sonde in dem externen Bezugsrahmen zu ermitteln.
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Wie
zum Beispiel in dem oben erwähnten Patent '091 beschrieben,
kann der Bezugsrahmen der externen Feldwandler mit dem Bezugsrahmen von
Bildaufnahmedaten, wie zum Beispiel Magnet-Resonanz-Bildaufnahmedaten,
computertomographische ("CAT") Daten oder herkömmliche
Röntgenbildaufnahmedaten,
erfaßt
werden, und somit können
die aus dem System hergeleiteten Positions- und/oder Ausrichtungsdaten
als eine Darstellung der Sonde angezeigt werden, die auf dem Bild
des Körpers
des Patienten eingeblendet ist. Der Arzt kann diese Informationen
verwenden, um die Sonde zur gewünschten
Stelle im Körper
des Patienten zu lenken und ihre Position und Ausrichtung während der Behandlung
oder Messung der internen Körperstruktur
zu überwachen.
Diese Anordnung erhöht
die Fähigkeit
des Arztes sehr, das distale Ende der Sonde durch Körperstrukturen
zu lenken und bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Lenkung
von Sonden im Körper
allein durch Gefühl.
Da sie nicht die Erfassung eines optischen Bildes der umgebenden
Gewebe für
Lenkungszwecke benötigt,
kann sie mit Sonden verwendet werden, die zu klein sind, um optische
Elemente aufzunehmen. Diese Systeme auf Wandlerbasis umgehen auch
die mit der Lenkung einer Sonde verbundenen Schwierigkeiten durch
kontinuierliche Bildaufnahme der Sonde und des Patienten während des
Verfahrens und umgehen zum Beispiel das verlängerte Ausgesetztsein ionisierender
Strahlung, die fluoroskopischen Systemen inhärent ist.
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Derartige
Systeme verwenden typischerweise Bezugsfeldwandler oder -spulen,
die in einer festen, unbeweglichen Anordnung an Orten wie zum Beispiel
an der Decke eines Operationsraumes oder starr am Operations- oder
Kathetertisch befestigt bereitgestellt werden. Bei medizinischen
Anwendungen, bei denen das System verwendet wird, um den Ort einer
Sonde im Körper
eines Patienten zu orten, kann die Spulenanbringung den freien Zugang
des Arztes zum Patienten behindern.
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Zum
Beispiel beschreibt die oben erwähnte Veröffentlichung '938 ein Kathetersystem,
das mehrere nicht konzentrische Spulen benachbart zum distalen Ende
des Katheters verwendet. Diese Spulen erzeugen in Antwort auf extern
angewendete magnetische Felder Signale, welche die Berechnung von sechs
Orts- und Ausrichtungskoordinaten erlauben, so daß der Ort
des Katheters bekannt ist, ohne daß eine gleichzeitige Bildaufnahme
erforderlich ist. Vorzugsweise sind wenigstens drei solcher Spulen
oder Strahler an festen Stellen außerhalb des Körpers benachbart
zu dem Bereich des Körpers
angeordnet, in welchen der Katheter eingeführt wird. Zum Beispiel sind
bei einer Herzkatheterung, während
welcher der Patient typischerweise auf dem Rücken liegt, drei Strahler typischerweise
fest unterhalb des Brustkorbs des Patienten in einer festen, coplanaren,
dreieckigen Anordnung angeordnet, wobei die Mittelpunkte der Spulen
ca. 2 bis 40 cm beabstandet sind. Zur Erfassung der Position und
Ausrichtung von ins Gehirn eingeführten Kathetern oder Sonden
sollten die Wandler oder feldausstrahlenden Spulen wünschenswerterweise
benachbart zum Kopf des Patienten angeordnet werden. Bei der Neurochirurgie
jedoch befindet sich der Patient oft in einer sitzenden, aufrechten
Position oder andernfalls mit dem Gesicht nach unten. Somit kann
ein dreieckiger Rahmen, der die drei Strahler wie oben beschrieben
hält, nicht komfortabel
und stabil unterhalb des Kopfes angeordnet werden. Jedoch beeinträchtigt die
Anordnung des Rahmens über
oder neben dem Kopf im Allgemeinen die Führung der Sonden und chirurgischen Instrumente
durch den Chirurgen.
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W097/29685
offenbart ein Gerät
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die Erfindung
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Es
ist daher wünschenswert
die Genauigkeit und Wirksamkeit der oben beschriebenen Sondenortungssysteme
sowie anderer Systemtypen, welche die Anwendung elektromagnetischer
oder anderer nicht-ionisierender Energiefelder auf den menschlichen
Körper
umfassen, durch Anpassung und Optimierung der Positionen der Bezugsfeldwandler
zu verbessern. Eine flexiblere Anordnung der Wandler würde eine
maßgeschneiderte
Positionierung der Wandler erlauben, um sie zu den bestmöglichen
Orten zu bewegen, um die Empfindlichkeit des Ortsbestimmungssystems
zu erhöhen.
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Ein
Aspekt der Erfindung sieht ein System zum Ermitteln des Ortes einer
Sonde im Körper
eines Patienten vor. Ein System gemäß diesem Aspekt der Erfindung
umfaßt
wünschenswerterweise
eine Sonde mit einem oder mehreren hierauf angebrachten Sondenfeldwandlern.
Ein oder mehrere Bezugsfeldwandler nach Anspruch 1 werden ebenfalls
bereitgestellt. Wie in dieser Offenbarung verwendet, umfaßt der Begriff "Feldwandler" eine Vorrichtung,
die ein nicht-ionisierendes Feld, wie zum Beispiel ein magnetisches,
elektromagnetisches, akustisches oder optisches Feld, senden kann
und umfaßt
ferner eine Vorrichtung, die eine oder mehrere Komponenten eines
derartigen Feldes erfassen kann. Bei einem System gemäß diesem
Aspekt der Erfindung sind die Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander
unabhängig bewegbar
und sind vom Anwender in gewünschten, anwenderdefinierten,
anpaßbaren
Positionen in Bezug auf den Körper
des Patienten anordbar. Bevorzugt umfaßt das System Mittel zur Anbringung
der Bezugsfeldwandler am Körper
des Patienten. In einer besonders bevorzugten Anordnung sind die
Bezugsfeldwandler nicht mechanisch miteinander verbunden, so daß jeder
Bezugsfeldwandler an einem vom Anwender gewünschten Ort ohne mechanische Zwänge angeordnet
werden kann, die durch die Anordnung der anderen Bezugsfeldwandler
auferlegt werden. Kalibrierungsmitteln zum Ermitteln der relativen
Orte der Feldwandler in Bezug aufeinander werden bereitgestellt,
während
die Bezugsfeldwandler in den gewünschten
Positionen angeordnet sind, während
zum Beispiel die Bezugsfeldwandler am Körper des Patienten angebracht
sind. Wie in dieser Offenbarung in Bezug auf ein einzelnes Objekt
verwendet, bezieht sich der Begriff "Ort" auf
die Position des Objekts oder auf die Ausrichtung des Objekts oder
auf beides. Wie in dieser Offenbarung in Bezug auf irgendwelche
zwei Objekte verwendet, bezieht sich der Begriff "relativer Ort" auf die Richtung
von einem Objekt zum anderen oder auf den Abstand von einem Objekt
zum anderen oder auf beides und umfaßt auch die Ausrichtung eines
jeden Objekts im Bezugsrahmen des anderen Objekts. Am bevorzugten
ist das Kalibrierungsmittel angeordnet, um sämtliche Parameter des relativen
Ortes der Feldwandler in Bezug aufeinander vollständig zu
ermitteln, so daß die Abstände und
Richtungen von jedem Feldwandler zu jedem anderen Feldwandler sowie
die Ausrichtungen sämtlicher
Feldwandler vollständig
bekannt sind.
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Das
System umfaßt
ferner Sendemittel, um die Bezugsfeldwandler und Sondenfeldwandler
zu betätigen,
um ein oder mehrere nicht-ionisierende Felder zwischen den Bezugsfeldwandlern
und dem Sondenfeldwandler bzw. -wandlern zu senden und jedes dieser
gesendeten Felder zu erfassen. Bei einem System zum Beispiel, bei
dem die Sendemittel die Bezugsfeldwandler betätigen, um ein magnetisches
oder elektromagnetisches Feld zu senden, erfaßt der Sondenfeldwandler Merkmale
des am Sondenfeldwandler oder an den Sondenfeldwandlern empfangenen
Feldes. Rechenmittel werden ebenfalls bereitgestellt, um den Ort
der Sonde im Bezugsrahmen der Bezugsfeldwandler zu ermitteln. Diese Berechnung
geht von Merkmalen der erfaßten
Felder und von den relativen Orten der Bezugsfeldwandler in Bezug
aufeinander aus.
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Da
die Bezugsfeldwandler unabhängig
auf oder nahe dem Patienten anordbar sind, können sie in einer optimalen
Anordnung angeordnet werden, um eine gute Empfindlichkeit sowie
ein Signal-Geräusch-Verhältnis in
dem speziellen zu untersuchenden Bereich bereitzustellen, in welchem
eine Sonde während
eines speziellen Verfahrens angeordnet werden muß. Auch der Ort der Bezugsfeldwandler kann
ausgewählt
werden, um einen ungehinderten Zugang für chirurgische oder andere
medizinische Verfahren bereitzustellen. Wie ferner nachstehend erläutert, kann
der von den Bezugsfeldwandlern festgelegte Bezugsrahmen mit dem
Bezugsrahmen eines vorher erfaßten
Bildes erfaßt
werden, und eine Darstellung der Sonde kann eingeblendet auf das vorher
erfaßte
Bild gezeigt werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen, bei denen die
Bezugsfeldwandler am Körper
des Patienten angebracht sind, bewegt sich der von den Bezugsfeldwandlern
festgelegte Bezugsrahmen mit dem Patienten. Daher kann trotz der Bewegung
des Patienten die Erfassung mit einem vorher erfaßten Bild
aufrechterhalten werden, ohne daß eine Anpassung oder Neuerfassung
erforderlich ist. Bei Systemen gemäß weiteren Ausführungsformen
der Erfindung sind die Kalibrierungsmittel und Rechenmittel angeordnet,
um die relativen Orte der Bezugsfeldwandler periodisch neu zu ermitteln
und den Ort der Sonde basierend auf den neu ermittelten relativen
Orten der Bezugsfeldwandler neu zu ermitteln. Das System kann zum
Beispiel zyklisch arbeiten, so daß jeder Zyklus die Neubestimmung
der relativen Orte der Bezugsfeldwandler sowie die Ermittlung des
Sondenortes umfaßt.
Anders ausgedrückt, der
Bezugsrahmen der Bezugsfeldwandler wird vor jeder Messung des Sondenortes
aktualisiert. Alternativ kann der Bezugsfeldwandler-Ort periodisch
aktualisiert werden. Diese Systeme erlauben die Anbringung der Bezugsfeldwandler
auf bewegbaren Teilen des Körpers,
wie zum Beispiel auf der Oberfläche des
Bauches oder Brustkorbs.
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Die
Kalibrierungsmittel können
einen oder mehrere Kalibrierungsfeldwandler umfassen, die an einem
oder mehreren Bezugsfeldwandlern angebracht sind. Daher wird ein
oder mehrere Bezugsfeldwandler in einer Bezugsanordnung mit einem
oder mehreren Kalibrierungsfeldwandlern bereitgestellt. Das Kalibrierungsmittel
ist angeordnet, um die relativen Orte der Bezugsfeldwandler durch
Erfassen nicht-ionisierender Felder zu ermitteln, die zu den Kalibrie rungsfeldwandlern
oder von diesen gesendet werden, wie zum Beispiel das von den Bezugswandlern
anderer Bezugsanordnungen gesendete Feld.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sehen Verfahren zum Ermitteln des Ortes einer
Sonde im Körper
eines Patienten vor. Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung
umfassen wünschenswerterweise
die Schritte der Bereitstellung einer Sonde, wie oben erwähnt, mit
einem oder mehreren Sondenfeldwandlern und die Anordnung mehrerer
Bezugsfeldwandler nach Anspruch 1, die in Bezug aufeinander unabhängig in
gewünschten,
anwenderdefinierten, anpaßbaren
Positionen in Bezug auf den Körper
des Patienten anordbar sind. Wie oben in Verbindung mit dem Gerät erörtert, werden
die relativen Orte der Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander ermittelt,
während
die Bezugsfeldwandler in ihren gewünschten Positionen angeordnet
sind. Die Sonde wird dann durch Senden eines oder mehrerer nicht-ionisierender
Felder zwischen den Sondenfeldwandlern und Bezugsfeldwandlern und
durch Erfassen dieser Felder geortet. Der relative Ort der Sonde
in Bezug auf die Bezugsfeldwandler wird aus den Merkmalen der erfaßten Felder
und aus den relativen Orten der Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander
ermittelt. Wie oben in Verbindung mit dem Gerät erörtert, werden die relativen
Orte der Bezugsfeldwandler wünschenswerterweise
häufig
neu ermittelt.
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Weitere
Aspekte der Erfindung umfassen Geräte zur Erzeugung oder Erfassung
nicht-ionisierender
Felder, die an den Körper
eines Patienten bzw. von diesen gesendet werden. Aspekte gemäß diesem
Aspekt der Erfindung umfassen mehrere Bezugsfeldwandler nach Anspruch
1 und Mittel zum Anordnen jedes der Bezugsfeldwandler unabhängig in Bezug
aufeinander in gewünschten,
anpaßbaren
Positionen in unmittelbarer Nähe
zum Körper
eines Patienten. Geräte
gemäß diesem
Aspekt der Erfindung können
bei den oben erörterten
Systemen und Verfahren verwendet werden. Die Anordnungsmittel können Mittel
zum Befestigen eines jeden Bezugsfeldwandlers am Körper des
Patienten umfassen, wie zum Beispiel Klebemittel oder andere Befestigungsvorrichtungen,
die den Körper
in Eingriff nehmen können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfaßt einen Baukasten, welcher
mehrere separate Bezugsfeldwandler und Mittel, wie zum Beispiel
Klebemittel oder andere Befestigungsvorrichtungen, zum Befestigen der
Bezugsfeldwandler am Körper
des Patienten enthält.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfaßt eine Bezugsfeldwandler-Anordnung,
die eine Spule oder einen anderen Feldwandler enthält, die
bzw. der während
des Betriebs Wärme
erzeugt, sowie eine Gehäusestruktur,
die eine derartige Spule enthält.
Die Anordnung weist eine Stirnfläche,
die während
des Betriebs am Patienten anliegt, und eine Rückfläche auf. Mittel werden in dem Gehäuse zur
Begrenzung der Erwärmung
der Stirnfläche
durch in der Spule erzeugte Wärme
bereitgestellt. Zum Beispiel kann das Gehäuse eine zwischen der Spule
und der Stirnfläche
angeordnete Wärmeisolierung
aufweisen und weist vorzugsweise auch Mittel zum Ableiten von Wärme im Gehäuse oder
durch die Rückfläche auf. Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen offensichtlicher.
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Die
Erfindung betrifft magnetische Feldsensoren, die verwendet werden,
um die Position und Ausrichtung medizinischer Sonden im Körper eines Patienten
zu erfassen. Die Sensoren der Erfindung sind besonders zur Verwendung
als unabhängig anordbare
Bezugswandleranordnungen nach Anspruch 1 angepaßt. Derartige Anordnungen sind
beispielsweise die in der im gemeinschaftlichem Besitz befindlichen,
gleichzeitig anhängigen
internationalen Anmeldung Nr. PCT/US97/02650 mit dem Titel "Independently Positionable
Transducers for Location System" ("Unabhängig einstellbare
Wandler für
Ortsbestimmungssysteme")
("Anmeldung '650") beschriebenen.
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Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren einer Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
mit dem Körper
des Patienten verbundene Bezugsfeldwandler zeigt;
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2 eine
schematische Teildarstellung, die eine Wandleranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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3 eine
schematische, perspektivische Ansicht, die ein Element der in 1 verwendeten Anordnung
zeigt;
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4 eine
schematische Ansicht einer in den 1 bis 3 gezeigten
Komponenten;
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5 eine
explodierte, perspektivische Ansicht eines Bezugsfeldwandlers und
einer Kalibrierungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
perspektivische Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Bezugsfeldwandler unabhängig bewegbar
sind;
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7 eine
Vorderansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei
der die Bezugsfeldwandler unabhängig
bewegbar auf einem biegsamen, blattähnlichen Träger sind;
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8a, 8b Grundrißansichten
bzw. perspektivische Ansichten des dreispuligen Sensors der Erfindung;
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9a, 9b Grundrißansichten
bzw. perspektivische Ansichten einer alternativen Ausführungsform
des dreispuligen Sensors;
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10 eine
Draufsicht der dreispuligen Sensoren der Erfindung, wie in Beziehung
zu einander angeordnet; und
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11 ein
Teilausschnitt eines auf einer Unterlage markierten dreispuligen
Sensors.
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Ein
System gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung wird in Verbindung mit einer länglichen Sonde in Form eines
Schlauchs oder Katheters 20 mit einem proximalen Ende 22 und
einem distalen Ende 24 verwendet. Ein Sondenkörper 28,
welcher einen Sondenfeldwandler oder Positionssensor 30 umfaßt, ist
physisch mit dem distalen Ende 24 des Katheters 20 verbunden.
Sondenfeldwandler 30 wird vorzugsweise in Form eines Sensors
bereitgestellt, der angeordnet ist, um magnetische oder elektromagnetische
Felder zu erfassen. Zum Beispiel kann der Sondenfeldwandler 30 ein
mehrachsiger Festkörper-Positionssensor
des in dem oben erwähnten U.S.
Patent 5,558,091 offenbarten Typs sein. Ein derartiger Sensor umfaßt mehrere
Wandler, die empfindlich auf magnetische Feldkomponenten in paarweise orthogonalen
Richtungen reagieren. Andere geeignete Positionssensoren umfassen
Spulen, wie in dem oben erwähnten
U.S. Patent 5,391,199 und in der oben erwähnten internationalen Veröffentlichung WO
96/05768 offenbart. Derartige Spulen können als eine einzelne Spule
oder als mehrere orthogonale Spulen bereitgestellt werden, die fähig sind,
Feldkomponenten in orthogonalen Richtungen zu erfassen.
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Die
längliche
Sonde oder der Schlauch 20 ist konstruiert und angeordnet,
um im Körper
des Patienten zu einem gewünschten
Ort gelenkt werden zu können.
Zum Beispiel kann Schlauch 20 die Struktur eines herkömmlichen
Katheters, Endoskops, Laparoskops oder Ähnliches aufweisen. Die Größe und Form
des Schlauchs 20 hängt
ferner von dem zu behandelnden Körperbereich
ab. Die Sonde kann im wesentlichen jede Vorrichtung umfassen, die
in den Körper
eingeführt
oder im Körper
vorangetrieben werden kann, um ein medizinisches Verfahren, wie zum
Beispiel eine Behandlung, Messung oder Beobachtung, durchzuführen und
Gewebeproben oder andere Materialien im Körper zu fassen. Schlauch 20 kann
auch konstruiert sein, um ein herkömmliches, medizinisches Intrabody-Instrument,
wie zum Beispiel eine Schere oder Zange, oder andere chirurgische
Werkzeuge, die von dem proximalen Ende oder Griff der Vorrichtung
betreibbar sind, aufzunehmen. Ein derartiges chirurgisches Werkzeug kann
jedes herkömmliche
chirurgische Werkzeug des Typs sein, der häufig in endoskopischen, arthroskopischen
oder laparoskopischen chirurgischen Verfahren verwendet wird, oder
eine herkömmliche
Biopsieprobenahme-Vorichtung. Es sollte jedoch gewürdigt werden, daß im wesentlichen
jedes Instrument oder jede Vorrichtung, das bzw. die in den Körper eingeführt werden
kann, als Sonde fungieren kann, und daher sollte der Begriff "Sonde" nicht auf irgendeine
spezielle Konfiguration begrenzt verstanden werden.
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Das
Gerät umfaßt ferner
einen Satz von Bezugsanordnungen 50, in diesem Fall drei
separate Bezugsanordnungen, die direkt am Patienten in gewünschten,
anpaßbaren
Positionen angebracht sind. Wie am besten in den 2 und 4 gezeigt,
umfaßt
jede Bezugswandleranordnung 50 eine zylindrische Spule 100,
die aus feiner Drahtstärke
hergestellt ist. Eine derartige Spule umfaßt bevorzugt ungefähr 2000
Drahtwindungen, um eine Spule mit einem Durchmesser von 76,2 oder
101,6 mm (3 oder 4 Inch) oder weniger und einer Höhe von 6,4
mm (1/4 Inch) oder weniger zu bilden. Spulen wie beispielsweise
diese werden zurzeit als Hitzdrahtspulen von Minco in Minneapolis,
Minnesota, verkauft. Jede zylindrische Spule ist auf einem zylindrischen
Spulenkörper 300 gebildet
und legt eine mit der Spule konzentrische Spulenachse 302 fest.
Jede Bezugsanordnung 50 umfaßt ferner ein Gehäuse, das
eine vordere Tafel 304 und eine hintere Tafel 306 enthält. Diese
Elemente können
aus nicht-ferromagnetischen Materialien, wie zum Beispiel Polymere,
nicht-ferromagnetische Metalle und andere Materialien gebildet sein,
die herkömmlich
für medizinische
Einwegvorrichtungen verwendet werden. Die vordere Tafel 304 ist
mit einer Pufferschicht 308 versehen, die wiederum eine
Klebebeschichtung auf ihrer offenen Stirnfläche 310 aufweist.
Die vordere Tafel 304 und somit ihre offene, mit Kleber
beschichtete Stirnfläche 310, erstreckt
sich allgemein quer zur Spulenachse 302. Eine Schicht abziehbarer
Trennfolie 311 kann entfernbar über der Oberfläche 310 angeordnet
werden. Schicht 311 schützt
den Kleber auf der Oberfläche 310 während des
Versands und der Handhabung, wird aber während der Verwendung der Anordnung entfernt.
Anstelle einer Klebeschicht 310 kann die Bezugsanordnung
mit Merkmalen, wie zum Beispiel elastische Bänder, Riemen, Klemmen oder
andere Vorrichtungen, versehen sein, um sie am Körper eines Patienten zu befestigen.
Alternativ oder zusätzlich
können
die Gehäuseelemente 304 und 306 mit Merkmalen,
wie zum Beispiel Löcher
oder Abspannpunkte, zum Zusammenspiel mit anwendergelieferten Befestigungsvorrichtungen,
wie zum Beispiel Nähte,
versehen sein, um die Anordnung festzuhalten. Bei einer weiteren
Variante können
die Befestigungsmerkmale direkt auf dem Bezugsfeldwandler oder auf
der Bezugsfeldspule 100, wie zum Beispiel auf dem Spulenkörper 300,
bereitgestellt werden, und die Gehäuseelemente können weggelassen werden.
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Die
Rückfläche 306 ist
mit Luftlöchern 312 versehen,
um die Ableitung der während
des Betriebs der Spule 100 erzeugten Wärme zu erlauben. Andere bekannte
Merkmale zur Förderung
der Leitung und Ableitung von Wärme
können
in der hinteren Tafel bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann die hintere
Tafel mit Rippen ausgestattet sein und kann aus einem stark wärmeleitenden,
nicht-magnetischen Material, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann der Bereich in dem die Spule 100 umgebenden Gehäuse mit
einem Material mit einer hohen spezifischen Wärme oder mit einem Schmelzmaterial
gefüllt
sein, das angepaßt
ist, um zu schmelzen und Wärme
in einer Schmelzwärme
aufzunehmen, vorzugsweise bei einer Temperatur, die etwas über der
normalen Körpertemperatur
liegt, beispielsweise bei ca. 40 bis 50 °C. Andere bekannte Vorrichtungen
zur Kühlung
einer elektrischen Anordnung, wie zum Beispiel Spulen zur Zirkulation
eines Kühlmittels,
wie zum Beispiel Wasser oder Luft, in der Anordnung oder zu einer
externen Wärmeübertragungsvorrichtung,
können
bereitgestellt werden. Thermoelektrische Kühlvorrichtungen können ebenfalls
verwendet werden. Diese wärmeableitenden
und wärmeaufnehmenden
Merkmale sind gedacht, den Temperaturanstieg der Stirnfläche 310 der
vorderen Tafel zu begrenzen. Wie nachstehend weiter erörtert, liegt
die vordere Tafel während des
Betriebs am Patienten an. Die vordere Tafel 304 und Pufferschicht 308 können beträchtliche
wärmeisolierende
Merkmale aufweisen, die ebenfalls dabei helfen, den Temperaturanstieg
der Stirnfläche 310 zu begrenzen.
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Mehrere
Kalibrierungswandlerbuchsen 314 sind integral mit dem Gehäuse an festen
Positionen in Bezug auf die Spule 100 gebildet. Wie am
besten in der 4 gezeigt, weist jede Wandleranordnung 50 drei
Buchsen 314 auf, die um die Außenfläche der Spule 100 angeordnet
sind. Bei der dargestellten speziellen Konfiguration sind die Buchsen
wünschenswerterweise
an beabstandeten Orten um die Spulenachse 302 herum angeordnet
und bilden somit die Eckpunkte eines Dreiecks in einer zur Spulenachse 302 senkrechten
Ebene. Jede Buchse 304 ist angepaßt, um einen Kalibrierungsfeldwandler 316 aufzunehmen
und den Kalibrierungsfeldwandler in einer vorbestimmten Position
und Ausrichtung in Bezug auf die Spule 100 derselben Bezugsanordnung 50 zu
halten. Wie am besten in 3 gesehen, umfaßt jeder
Kalibrierungsfeldwandler 316 wünschenswerterweise einen Satz
dreier orthogonaler Wandlerelemente 318, 320 und 322,
die angepaßt
sind, um magnetische Feldkomponenten in drei paarweise orthogonalen
Richtungen zu erfassen. Die aktiven Wandlerelemente können Festkörperwandler,
wie zum Beispiel Hall-Effekt- oder magnetoresistive Wandler, sein.
Alternativ können
die aktiven Elemente Spulen sein, die auf sich gegenseitig kreuzende Achsen
gewickelt sind. Die aktiven Elemente 318, 320 und 322 sind
in einem äußeren Körper oder
Gehäuse 324 untergebracht.
Jede Buchse 314 und/oder die Gehäuse 324 der Kalibrierungsfeldwandler 316 und
die Buchsen 314 können
herkömmliche
Merkmale, wie zum Beispiel Schnappverschlüsse, Stifte, Haken und andere
Merkmale, zur mechanischen Befestigung aufweisen. Alternativ oder
zusätzlich
kann das Gehäuse 324 der
Kalibrierungswandler angepaßt
sein, um genau in die Buchsen 314 zu passen, so daß jedes
Gehäuse
in einer genauen, wiederholbaren Position in Bezug auf Spule 100 gehalten
wird. Bei einer weiteren Alternative können die Gehäuse 324 der
Kalibrierungswandler 316 integral mit den Spulengehäuseelementen 304 und 306 gebildet sein,
können
integral mit dem Spulenkörper 300 gebildet
sein oder können
anderweitig permanent mit dem Spulenkörper oder Gehäuse verbunden
sein.
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Die
Bezugsfeldwandler oder -spulen 100 und die Kalibrierungsfeldwandler 316 der
verschiedenen Bezugsanordnungen 50 sind über Zuleitungen 51 mit einer
feldsendenden und -empfangenden Vorrichtung 80 verbunden.
Vorzugsweise sind die Bezugsanordnungen 50 lösbar von
den Zuleitungen 51 abnehmbar, um ein einfaches Ersetzen
und/oder Entsorgen nach der Verwendung zu erlauben. Die Bereitstellung
von Einweg-Bezugsanordnungen ist vorteilhaft, da die Resterilisierung
der Wandler vermieden werden kann, welche die empfindlichen Wandler beschädigen kann.
Zusätzlich
erlaubt die Bereitstellung abnehmbarer Wandler eine weitere Anpassung, indem
die Austauschbarkeit von Bezugsanordnungen verschiedener Größen für verschiedene
medizinische Verfahren und Patientengrößen ermöglicht wird. Als Alternative
zu den Zuleitungen 51 können die
verschiedenen Wandler auf jeder Bezugsanordnung mit der sendenden
und empfangenden Vorrichtung 80 über drahtlose Telemetrie, wie
zum Beispiel RF- oder Infrarot-Telemetrie, verbunden sein. In diesem
Fall kann jede Bezugsanordnung 50 eine geschlossene Energieversorgung,
wie zum Beispiel eine Batterie, aufweisen.
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Die
feldsendende und -empfangende Vorrichtung 80 ist mit einem
Computer 85 verbunden, der aus einem Mikrocomputer, einer
Arbeitsstation, einem Großrechner
oder einem anderen, ähnlichen Rechengerät bestehen
kann, der wiederum mit einem Sichtgerät, wie zum Beispiel einem Kathodenstrahlröhren- (CRT-)
Monitor 95, verbunden ist. Die feldsendende und -empfangende
Vorrichtung 80 und der Computer 85 sind angeordnet,
um mit den Sondenfeld- wandlern 30 und
Spulenbezugsfeldwandlern 100 zusammenzuwirken, um nicht-ionisierende
Felder, vorzugsweise elektromagnetische Felder, zu senden und zu
empfangen, um den Ort der Sonde 28 im Bezugsrahmen der
Bezugsfeldwandler 100 zu ermitteln. Wie am besten in 1 und 4 gesehen, sind
die Bezugsanordnungen 50 am Patienten an beliebigen, vom
Anwender ausgewählten
Orten angebracht, indem die Stirnflächen 310 am Patienten
angehaftet werden. Das heißt,
die Orte der Bezugsanordnungen 50 und somit die Orte der
Bezugsfeldwandler 100 können
wie vom Arzt oder einer anderen Person, welche die Bezugsanordnungen
anbringt, gewünscht
gewählt
werden. Vorzugsweise werden die Bezugsanordnungen angebracht, um
die verschiedenen Spulen oder Bezugswandler 100 in der Nähe zu einem
zu untersuchenden Bereich im Patienten, das heißt in der Nähe zu einem Bereich, in welchem
die distale Spitze der Sonde 28 verwendet werden soll,
anzuordnen. Die in 1 und 4 dargestellten
speziellen Orte sind nur für
Darstellungszwecke gedacht und sollten nicht als eine Begrenzung
der Positionen verstanden werden, in welchen die Bezugsfeldwandler
angeordnet werden können. Zum
Beispiel können
die Bezugsanordnungen in einer allgemein coplanaren Anordnung auf
dem Rücken
des Patienten angeordnet werden, wobei sich die Spulenachsen 302 allgemein
parallel zu einander erstrecken, so daß die Spulenachsen den Mittelpunkt des
zu untersuchenden Bereichs umgeben. Alternativ können die verschiedenen Feldwandler
in einer allgemein U-förmigen
Anordnung, wie in 4 gezeigt, angeordnet werden,
so daß die
Achsen 302 der Bezugswandler oder -spulen 100 bei
sämtlichen
Bezugsanordnungen im zu untersuchenden Bereich konvergieren.
-
Wenn
am Patienten angeordnet, legen die Bezugsfeldwandler 100 einen
externen Bezugsrahmen fest. Elektromagnetische oder magnetische
Felder können
zwischen den Bezugsfeldwandlern 100 und dem Wandler 30 auf
der Sonde gesendet werden, so daß der Ort des Sondenfeldwandlers
und der Sonde 28 aus den charakteristischen Merkmalen der Felder,
wie zum Beispiel Stärke
und Richtung, wie vom Sondenfeldwandler erfaßt, berechnet werden können. Somit
legen die Bezugsfeldwandler 100 und der Sondenfeldwandler 30 mehrere
Sender-Empfänger-Paare
zusammenwirkend fest. Ein jedes solches Paar umfaßt einen
Sender und einen Empfänger
als Elemente des Paars. Ein Element eines jeden solchen Paares ist
auf der Sonde angeordnet und das andere Element eines jeden solchen
Paares ist in dem von den Bezugsfeldwandlern 100 festgelegten Bezugsrahmen
angeordnet. Typischerweise ist wenigstens ein Element eines jeden
Sender-Empfänger-Paares
an einer unterschiedlichen Position oder mit einer unterschiedlichen
Ausrichtung als das entsprechende Element der anderen Paare angeordnet. Durch
Erfassen der charakteristischen Merkmale von Feldübertragungen
zwi schen den Elementen der verschiedenen Paare kann das System Informationen bezüglich des
Ortes der Sonde in dem von den Bezugsfeldwandlern festgelegten externen
Bezugsrahmen herleiten. Die Ortsinformationen können die Position der Sonde
oder die Ausrichtung der Sonde oder beides umfassen. Die Berechnung
ist jedoch auf die Bezugsfeldwandler angewiesen, die in bekannten Positionen
und Ausrichtungen in Bezug aufeinander angeordnet sind.
-
Da
die Bezugsfeldwandler 100 an jedem gewünschten Ort und in jeder gewünschten
Ausrichtung in Bezug aufeinander angeordnet werden können, ist
es bei dem System von 1 bis 4 notwendig,
ihre Orte in Bezug aufeinander zu berechnen. Die Kalibrierungsfeldwandler 316 wirken
mit den Bezugsfeldwandlern oder -spulen 100 zusammen, um
die Informationen zu liefern, die zur Berechnung der Position und
Ausrichtung der Bezugsanordnungen in Bezug aufeinander notwendig
sind. Die Spule 100 einer jeden Bezugsanordnung 50 bildet
einen einachsigen Feldwandler, während
die Kalibrierungsfeldwandler 316 einer jeden Bezugsanordnung 50 ein
System von drei dreiachsigen Wandlern darstellt, die an bekannten
Orten in Bezug aufeinander angeordnet sind. Zum Beispiel befinden
sich die drei Kalibrierungswandler 316B, 316B2 und 316B3 der
Bezugsanordnung 50B an bekannten Orten in Bezug aufeinander.
Wie zum Beispiel in der internationalen Patentveröffentlichung
WO 94/04938 beschrieben, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme
aufgenommen wird, können
die Position und Ausrichtung eines einachsigen Feldwandlers, wie
zum Beispiel Spule 100A, vollständig durch Betätigen der
Spule 100A, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, und durch
Erfassen der magnetischen Feldkomponenten in jeder der drei paarweise
orthogonalen Richtungen an jedem der drei Kalibrierungswandler 316B1, 316B2 und 316B3 hergeleitet
werden. Der in der oben erwähnten
Veröffentlichung
94/04938 verwendete Algorithmus wird dort für einen gänzlich verschiedenen Zweck
verwendet, nämlich
die Ortsbestimmung einer Sonde in Bezug auf mehrere Bezugswandler,
die sich bereits in einer bekannten Position in Bezug aufeinander
befinden. Nichtsdestoweniger kann ein derartiger Algorithmus direkt
für das Problem
der Positions- und Ausrichtungsfindung der Spule 100A in
Bezug auf die Kalibrierungssensoren auf der Bezugsanordnung 50B angewendet
werden. In der Anfangsphase fährt
der Algorithmus fort, indem er die Bezugsfeldwandler-Spule 100A behandelt,
als wenn sie ein einheitlicher Strahler wäre, und indem er die Wirkung
der Spulenausrichtung 100A auf die an den Kalibrierungswandlern 316B ermittelten
Feldkomponentenwerte ignoriert. Anders ausgedrückt, in dieser Anfangsphase
wird Spule 100A behandelt, als würde sie ein Kugelfeld ausstrahlen.
Diese Annahme und die an den Kalibrierungswandlern 316B erfaßten Feldkomponentenwerte
verwendend, gelangt das System zu einer Anfangsschätzung der Position
der Spule 100A in Bezug auf die Bezugsanordnung 50B.
Diese anfängliche
Positionsschätzung und
die an den Kalibrierungswandlern 316B erfaßten Feldkomponentenwerte
verwendend, berechnet das System dann die Ausrichtungswinkel für Spule 100A. Die
neu berechneten Ausrichtungswinkel verwendend berechnet das System
eine bessere Schätzung der
Position. Die letzten beiden Schritte werden wiederholt, bis die
neue Positionsschätzung
der letzten, vorhergehenden Positionsschätzung innerhalb einer vorgewählten Toleranz
gleichkommt. Anders ausgedrückt,
das System nähert
sich den korrekten Positions- und Ausrichtungswinkeln an. Weitere
Details zum Algorithmus finden sich in der Veröffentlichung '938. Derselbe Algorithmus
kann verwendet werden, um den Ort der Spule 1000 in Bezug
auf die Bezugsanordnung 50C zu finden. Ebenso kann durch Betätigen der
Spule 100B auf der Bezugsanordnung 50B die Position
und Ausrichtung der Spule 100B in Bezug auf die Anordnung 50C durch Überwachen der
Signale von den drei dreiachsigen Kalibrierungsfeldwandlern 316 auf
der Bezugsanordnung 50C ermittelt werden. Der Ort der Spule 100B in
Bezug auf die Bezugsanordnung 50A kann anhand der von den Kalibrierungsfeldwandlern 316A auf
der Bezugsanordnung 50A erzeugten Signale ermittelt werden, während Spule 100B aktiv
ist. In gleicher Weise kann der Ort der Spule 100C in Bezug
auf die Anordnungen 50A und 50B ermittelt werden,
wenn Spule 100C aktiviert ist. Das System liefert redundante
Informationen, einschließlich
zweier unabhängig
ermittelter Sätze
von Positions- und Ausrichtungsparametern, welche die relativen
Orte eines jeden Bezugsanordnungspaares festlegen. Diese redundanten
Informationen können
verwendet werden, um die erhaltenen Werte zu prüfen und zu einer Schätzung der
wahren Werte zu gelangen, welche den Gesamtfehler in dem System
minimieren. Zum Beispiel kann durch Vergleichen der zwei unabhängig ermittelten
Werte des relativen Ortes eines Anordnungspaares eine Schätzung des
Fehlers für
jenes Paar erhalten werden. Ähnliche
Schätzungen
können
für den
Fehler bei relativen Orten von anderen Bezugsanordnungspaaren erhalten
werden. Einen Iterationsprozeß verwendend kann
der Computer Schätzungen
der wahren Orte der verschiedenen Bezugsanordnungen wählen, welche
den niedrigsten Gesamtfehler ergeben. Alternativ kann einfach der
Durchschnitt der zwei Schätzungen
des relativen Ortes eines jeden Bezugsanordnungspaares ermittelt
werden.
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In
einer weiteren alternativen Anordnung kann das System modifiziert
werden, um weniger Kalibrierungswandler zu verwenden und somit einige der
redundanten Informationen zu vermeiden. Daher werden für das System,
wie in 1 bis 4 gezeigt, in welchem drei Bezugsfeldwandler 100 gezeigt
werden, keine drei Kalibrierungsfeldwandler 316 auf jeder
Bezugsanordnung benötigt,
um die relativen Positionen der Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander zu
kalibrieren oder zu ermitteln, nachdem sie angeordnet worden sind.
Es muß nämlich nur
genügend
Sender-Empfänger-Paare
wie zwischen den Bezugs- und Kalibrierungsfeldwandlern geben, um
die Orte der Bezugsanordnungen in Bezug aufeinander zu ermitteln.
Zum Beispiel bei dem System von 1 bis 4,
bei welchem die Bezugsfeldwandler einachsige Feldübertragungsspulen umfassen,
erlaubt ein System mit nur drei dreidimensionalen, feldempfangenden
Kalibrierungswandlern auf nur einer Bezugsanordnung die Ermittlung
der relativen Positionen und Ausrichtungen der drei Sendespulen
in Bezug aufeinander. Alternativ oder zusätzlich können die Bezugsfeldwandler
als Kalibrierungswandler fungieren. Wird beispielsweise Spule 100A mit
Wechselstrom versorgt, kann das Wechselfeld von den Bezugsfeldwandlern 100B und 100C der anderen
Bezugsanordnungen erfaßt
werden. Diese Signale liefern zusätzliche Informationen, die
für den Kalibrierungsprozeß verwendet
werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine feste Anordnung von Kalibrierungsfeldwandlern, wie beispielsweise
Kalibrierungsanordnung 55 (1), bereitgestellt,
welche mehrere über
Zuleitungen 57 mit der feldsendenden und -empfangenden
Vorrichtung 80 verbundene Kalibrierungsfeldwandler 56 umfaßt. Da die
Wandler 56 der Kalibrierungsanordnung in einer festen,
bekannten Beziehung in Bezug aufeinander bereitgestellt werden, können die
einzelnen Positionen von jedem der Bezugsfeldwandler in Bezug auf
die Anordnungswandler gemäß den zum
Beispiel in der oben erwähnten internationalen
Veröffentlichung '938 offenbarten Algorithmen
ermittelt werden. Sobald die Positionen der Bezugsfeldwandler 100 im
Bezugsrahmen der Kalibrierungsanordnung 55 ermittelt worden
sind, können
die Orte der Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander direkt berechnet
werden. Bei dieser Anordnung können
die Kalibrierungsfeldwandler aus den Bezugsanordnungen 50 weggelassen
werden.
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Sobald
die Kalibrierung der Bezugsfeldwandler abgeschlossen ist, kann der
Ort der Sonde in dem von den Bezugsfeldwandlern festgelegten externen
Bezugsrahmen durch Senden und Empfangen von nicht-ionisierenden
Feldern zwischen den Bezugsfeldwandlern und den Sondenfeldwandlern ermittelt
werden, wie zum Beispiel im Patent '091 dargelegt.
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Bei
einem Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der Patient auf dem Patientenbett 60 angeordnet,
und die Bezugsanordnungen 50 sind in gewünschten
Anordnungen auf oder nahe dem Patienten unabhängig angeordnet. Als nächstes wird
der externe Bezugsrahmen durch Verwendung der Kalibrierungs- und
Bezugsfeldwandlerpaare ermittelt. Nämlich die feldsendende und
-empfangende Einheit 80 und der Computer 85 betätigen die Bezugsfeldwandler
oder die Kalibrierungsfeldwandler, um Felder, wie oben erörtert, zu
senden und zu empfangen. Das oben beschriebene Verfahren verwendend,
berechnet der Computer 85 den Ort der Bezugsfeldwandler 100 in
Bezug aufeinander, um den externen Bezugsrahmen zu ermitteln.
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Als
nächstes
wird das distale Ende der Sonde 28 im Patienten in Richtung
des zu untersuchenden Bereiches vorgerückt, wobei die Sonde den Sondenfeldwandler 30 trägt. Die
feldsendende und -empfangende Einheit 80 und der Computer 85 betätigen dann
die externen Feldwandler 100 und den Sondenfeldwandler 30,
um Felder zu senden und zu empfangen. Zum Beispiel, wo die Bezugsfeldwandler 100 Feldsender
sind, senden die Sondenfeldwandler Signale, welche die an der Sonde
erfaßten
Felder darstellen, an die feldsendende und -empfangende Einheit.
Umgekehrt, wo die Sondenfeldwandler als Sender verwendet werden,
werden Treibersignale an die Sondenfeldwandler gesendet. Der Computer 85 leitet dann
den Ort des Sondenfeldwandlers 30 her und leitet somit
den Ort der Sonde selbst in dem von den Bezugsfeldwandlern 100 festgelegten
externen Bezugsrahmen her. Da die Orte der Bezugsfeldwandler 100 in
Bezug aufeinander nun bekannt sind, kann der Schritt des Findens
des Ortes des Sondenfeldwandlers 30 durch bekannte Verfahren,
wie zum Beispiele jene, die im Patent '091 und in der Veröffentlichung '938 gelehrt werden,
durchgeführt
werden.
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Bei
einigen Verfahren ist es wünschenswert, die
Position der Sonde auf der Anzeige 95 eingeblendet auf
vorher erfaßte
Bilder des Patienten, wie zum Beispiel MR-, CT- oder Röntgenbilder,
anzuzeigen. Um dies zu tun, ist es notwendig, einen Patientenbezugsrahmen
festzulegen und dann die Position der Sonde in dem von Wandlern 100 festgelegten
externen Bezugsrahmen auf den Patientenbezugsrahmen zu übertragen.
Anders ausgedrückt,
der Bezugsrahmen der Bezugsanordnungen 50 und der Bezugsfeldwandler 100 muß mit dem
Bezugsrahmen des Bildes erfaßt
sein. Dies kann auf mehrere Arten und Weisen erreicht werden. Bei
einem Verfahren werden die Sonde 28 und somit Feldwandler 30 an
mehreren markanten Punkten am Patienten angebracht, die leicht auf
dem Bild erkennbar sind, wie zum Beispiel leicht erkennbare Knochenstrukturen,
die in den Bilddaten gezeigt werden. Um diesen Prozeß zu vereinfachen,
können
Bezugsmarkierungen 71 am Körper des Patienten befestigt
werden, bevor das Bild erfaßt wird,
so daß die
Bezugsmarkierungen auf dem Bild dargestellt werden und für die Sonde
zugänglich sind.
Die Daten, die jeden markanten Punkt oder jede Markierung festlegen,
werden an den Computer zum Beispiel durch Positionieren eines Cursors über der Darstellung
des Punkts auf dem Bildschirm 95 geleitet. Wenn der Arzt
die Sonde 28 in Eingriff mit jedem markanten Punkt oder
jeder Bezugsmarkierung bringt, liefert er dem Computer eine Eingabe
von Hand, worauf der Computer die aktuelle Position der Sonde 28 im
Bezugsrahmen der Feldwandler 100 als die Position des markanten
Punkts oder der Markierung in diesem Bezugsrahmen erfaßt. Die
Daten, welche die Position eines jeden solchen Punktes oder einer
jeden solchen Markierung im Bildbezugsrahmen festlegen, werden mit
den Daten zur Festlegung derselben Punkte in dem Bezugsrahmen der Feldwandler 100 verknüpft, um
zu einem Kreuzungsvektor bezüglich
der beiden Bezugsrahmen zueinander zu gelangen. Alternativ kann
der Umriß eines starren
Elements im Körper
des Patienten, wie zum Beispiel das Gesicht des Patienten, mit der
Sondenspitze nachgezeichnet und mit demselben Umriß im Bildbezugsrahmen
abgeglichen werden. Bei einer anderen Methode können ein oder mehrere Erfassungsmarkierungs-Feldwandler 70 auf
Bezugsmarkierungen bereitgestellt werden, die am Patienten vor der
Bildaufnahme angebracht werden. Das System ortet den Ort der Erfassungsfeldwandler
im Bezugsrahmen der Feldwandler 100 auf dieselbe Art und Weise
wie es den Ort des Sondenwandlers 30 ortet, so daß die Positionen
der Bezugsmarkierungen in dem Feldwandler-Bezugsrahmen bekannt sind.
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Ein
großer
Vorteil, den Ausführungsformen der
Erfindung bieten, bei denen die Bezugsfeldwandler direkt am Patienten
angebracht sind, ist, daß die Wandler
einen Bezugsrahmen festlegen, der in Bezug auf den Patienten fixiert
ist. In vielen Fällen,
zum Beispiel wo die Bezugsfeldwandler an starren Abschnitten des
Patientenkörpers
(beispielsweise am Kopf) angebracht sind, entfällt die Erfordernis, daß der Patient
in einer vorgegebenen Position auf dem Patientenbett starr fixiert
werden muß.
Dies liegt daran, daß es
nicht länger
notwendig ist, eine relative Bewegung zwischen dem Patienten und
dem Bezugsrahmen, der von den Bezugsfeldwandlern, die typischerweise
am Patientenbett angebracht oder an einer Wand oder an der Decke
befestigt werden, festgelegt wird, zu vermeiden. Wenn zum Beispiel
die Bezugsfeldwandler am Kopf angebracht sind, verursacht die Bewegung
des Kopfs des Patienten keine relative Bewegung des Kopfes in Bezug
auf die Bezugsfeldwandler, da sie am Kopf angeordnet sind. Anders
ausgedrückt,
der von den Bezugsanordnungen 50 und den Bezugsfeldwandlern 100 festgelegte Bezugsrahmen
ist am Patienten angebracht und bewegt sich zusammen mit dem Patienten.
Es ist nicht notwendig, diesen Bezugsrahmen in Bezug auf irgendeinen
festgelegten Bezugsrahmen neu zu kalibrieren oder neu zu erfassen.
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Wo
die Bezugswandler nicht in Bezug aufeinander festgelegt sind, zum
Beispiel wo die Bezugswandler an biegbaren oder bewegbaren Abschnitten
der Anatomie des Patienten ange bracht sind, muß das System die Position der
Bezugsanordnungen in Bezug aufeinander neu kalibrieren. Eine solche
Neukalibrierung wird durch Wiederholen der oben erörterten
Kalibrierungsschritte durchgeführt, einschließlich des
Betriebs der Kalibrierungsfeldwandler und der Berechnung der relativen
Orte der Bezugsanordnungen. Die Neukalibrierung kann periodisch
durchgeführt
werden, zum Beispiel alle paar Sekunden während des Betriebs. Bevorzugter
wird die Neukalibrierung jedes Mal durchgeführt, wenn der Ort der Sonde 28 ermittelt
wird. Folglich kann das System zyklisch arbeiten. Jeder Zyklus umfaßt eine Kalibrierungsphase,
in welcher die relativen Orte der Bezugsanordnungen und Feldwandler
festgelegt werden, und eine Meßphase,
in welcher die Position und/oder Ausrichtung der Sonde 28 im
Bezugsrahmen der Bezugsanordnungen und Feldwandler 100 ermittelt
wird bzw. werden. Der Zyklus kann auch die Neukalibrierung der Erfassungsinformationen
umfassen, wie zum Beispiel den Ort eines oder mehrerer Bezugsmarkierungs-Erfassungswandler 70.
Selbst wo die Bezugsanordnungen an einem starren Abschnitt des Körpers angebracht
sind, ist eine periodische Neukalibrierung als Versicherung gegen
eine versehentliche Bewegung der Bezugsanordnungen wünschenswert.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
sind die verschiedenen Wandler zeitmultiplext. Zum Beispiel werden
die verschiedenen Bezugsfeldwandler zu verschiedenen Zeiten während eines
jeden Kalibrierungszyklus betätigt.
Andere Multiplexschema, wie zum Beispiel Häufigkeits- und Codemultiplexschema,
können
ebenfalls verwendet werden. Ebenfalls sind bei den oben erörterten
Anordnungen sämtliche
der Bezugsfeldwandler angeordnet, um magnetische Felder zu senden,
während die
Kalibrierungsfeldwandler und der Sondenfeldwandler angeordnet sind,
um derartige Felder zu erfassen. Die umgekehrte Anordnung, bei der
die Sonden- und Kalibrierungsfeldwandler Sender und die Bezugsfeldwandler
Detektoren sind, kann ebenfalls verwendet werden. Bei weiteren möglichen
Anordnungen umfassen die Kalibrierungsfeldwandler einige Sender
und einige Detektoren, so daß die
relativen Positionen der verschiedenen Bezugsanordnungen 50 durch
Senden von Feldern zwischen Kalibrierungssendern auf verschiedenen
Wandleranordnungen ermittelt werden können. Eine Mischanordnung, bei
der die Bezugs- und Sondenwandler einen Feldtyp verwenden, und die
Kalibrierungswandler einen anderen Feldtyp verwenden, kann ebenfalls
verwendet werden. Zum Beispiel können
bei einem System, welches magnetische oder elektromagnetische Bezugswandler
verwendet, die Kalibrierungsfeldwandler akustische oder optische
Wandler sein. Auch die verschiedenen Feldwandler können mehr
oder weniger Empfindlichkeitsachsen als die oben erörterten aufweisen.
Zum Beispiel können
die Bezugsfeldwandler mehrachsige Feldwandler sein, während der Sondenfeldwandler
ein einachsiger Feldwandler sein kann. Insbesondere wo die Bezugsfeldwandler
mehrachsige Feldwandler sind, wie zum Beispiel mehrachsige Spulen,
können
die Bezugsfeldwandler auch als Kalibrierungswandler dienen. Das
heißt,
die relativen Orte der Bezugsanordnungen können nur durch das Erfassen
von zwischen den Bezugsfeldwandlern auf verschiedenen Anordnungen
gesendeten Signalen hergeleitet werden.
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Bei
einer weiteren Anordnung wird der Sondenfeldwandler oder ein anderer
bewegbarer Feldwandler anstatt der Kalibrierungswandler verwendet. Während des
Kalibrierungsschrittes wird der bewegbare Feldwandler nacheinander
in die verschiedenen Kalibrierungssondenbuchsen 314 einer
jeden Feldanordnung eingeführt,
während
jede Bezugsspule betätigt
wird. Zum Beispiel kann die Sondenspitze 28 von Buchse
zu Buchse bewegt werden. Vorausgesetzt, daß die Sondenbuchsen den bewegbaren Wandler
an bekannten Stellen auf jeder Bezugsanordnung anordnen und vorausgesetzt,
daß sich
die Bezugsanordnungen während
des Kalibrierungsschrittes nicht in Bezug aufeinander bewegen, führt dieses
Verfahren zu denselben Informationen wie das gleichzeitige Erfassen
von multiplen Kalibrierungssondensignalen in den oben beschriebenen Ausführungsformen.
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Wie
in 5 gezeigt, kann eine Bezugswandleranordnung eine
Spule oder einen Bezugswandler 100' umfassen, der zwischen einer oberen oder
hinteren biegsamen Schicht 102 und einer unteren oder vorderen
biegsamen Schicht 104 angebracht ist. Doppelseitiges Klebeband 106 kann
an der Bodenfläche
der unteren Schicht 104 angebracht werden, so daß die ganze
Spulenanordnung leicht am Patienten befestigt werden kann. Ein oder
mehrere Bezugswandler 52 können auf einer derartigen Anordnung
angebracht werden, zum Beispiel auf der oberen Schicht 102.
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Bei
den oben erörterten
Ausführungsformen sind
die Bezugswandler am Patienten angebracht. Jedoch können die
unabhängig
anordbaren Bezugswandler auch an anderen Stellen nahe dem Patienten
angebracht werden. Sich nun 6 zuwendend wird
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung bereitgestellt, bei welcher die Bezugsfeldwandler
an einer gemeinsamen Struktur angebracht sind, aber dennoch immer
noch in Bezug aufeinander unabhängig
bewegbar sind. Hier wird ein gemeinsamer Trägerarm 200 bereitgestellt,
an dem eine Anzahl von biegsamen Schwanenhalsarmen 205 befestigt
sind, an denen Bezugsfeldwandler 210 befestigt sind. Ein anpaßbarer Befestigungsmechanismus 215 wird
für die
Befestigung der spulentragenden Struktur am Bett des Patienten oder
an einer anderen wünschenswerten
Stelle bereitgestellt. Die relativen Positionen der Feldwandler
in Bezug aufeinander können ermittelt
werden, nachdem sie, wie oben beschrieben, angeordnet worden sind.
Es sollte gewürdigt werden,
daß es
eine Anzahl von anderen wirksamen Methoden gibt, um die Bezugsfeldwandler
an einer gemeinsamen Trägerstruktur
zu befestigen, um eine unabhängige
Bewegung der Wandler zu erlauben, zum Beispiel durch das Verwenden
biegsamer Drahtarme, Arme mit anpaßbaren Verbindungsmechanismen
oder anderer solcher anpaßbarer
Rahmen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung wird in 7 gezeigt, bei der ein einzelner,
blattähnlicher
Träger 220 bereitgestellt
wird, an dem die Bezugsfeldwandler 225 befestigt sind.
Bei dieser Ausführungsform
kann das Blatt über
dem oder unterhalb des Patienten angeordnet werden, und jeder der Wandler
kann zu einer gewünschten
Stelle durch Sammeln überschüssigen Blattmaterials
bewegt werden. Alternativ kann das biegsame Blatt aus einem steifen,
dennoch ausreichend biegsamen Material gebildet werden, um zu erlauben,
daß das
Blatt in alle gewünschten
Positionen gebogen werden kann, um die Anpassung der Feldwandlerpositionen
zu erlauben.
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Die
Spulen- oder Wandleranordnungen der Erfindung lösen eine Reihe von Problemen,
die mit festen, nicht bewegbaren Spulensystemen verbunden sind.
Zum Beispiel können
nicht bewegbare Spulensysteme den Zugang des Chirurgen beeinträchtigen.
Nicht bewegbare Spulensysteme können
im Allgemeinen nicht über
dem Patienten angeordnet werden, da sie die Beleuchtung blockieren
würden,
und können
nicht unterhalb des Patienten angeordnet werden, wo ein Metall eine
Störung
verursachen würde,
und nicht alle Betten können
ersetzt oder nachgerüstet
werden, um dieses Problem zu beseitigen. Darüber hinaus sind bei nicht bewegbaren
Spulen die Hochpräzisions-Abbildungsvolumina
zu klein, um nützlich
zu sein, falls die Spulen nicht von Moment zu Moment bewegt werden
können.
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Die
Erfindung löst
diese Probleme, da die Bezugsfeldwandler in einer am wenigsten auffälligen Art
und Weise angeordnet werden können
und sogar aus dem Weg oder zu einer neuen Stelle während des
Verfahrens bewegt werden können.
Darüber
hinaus können
die Wandler näher
zu dem zu untersuchenden Bereich bewegt werden, um bessere Feldkonzentrationen
und bessere Ablesungen zu liefern. Die Erfindung erlaubt ferner
die Verwendung von noch kleineren Bezugswandlern, da es nicht länger notwendig
ist, größere Spulen
bereitzustellen, um Felder über
einen großen
Bereich zu erzeugen, um eine breites Sendegebiet sicherzustel len.
Bei bevorzugten Ausführungsformen
können
die Wandler wegwerfbar sein, was ein leichtes Ersetzen von beschädigten oder
kontaminierten Wandlern und die Verwendung verschiedener Größen und
Typen von Wandlern für
verschiedene Anwendungen erlaubt. Ein Baukasten derartiger Bezugsfeldwandler
mit oder ohne die Kalibrierungsfeldwandler kann ebenfalls für den Arzt
bereitgestellt werden und kann identische Wandler oder Wandler verschiedener
Größen für verschiedene
Anwendungen enthalten.
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Die
Erfindung kann auch in Verbindung mit dem in der U.S. Patentanmeldung
mit der Seriennummer 08/476,380 offenbarten System verwendet werden,
deren Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Bei der
Anmeldung '380 wird eine
Rückkopplung
verwendet, um die an die Bezugsfeldwandler oder -spulen gelieferten
Ströme
anzupassen, um sicherzustellen, daß der Sensor auf der Sonde
Felder innerhalb eines vorgewählten
Größenbereichs
ungeachtet des Sondenortes empfängt. Dies
stellt sicher, daß der
Sensor innerhalb seines optimalen Bereichs arbeitet und erlaubt
die Verwendung kompakter Sender und Sensoren. Folglich können die
in der Anmeldung '380
offenbarten Rückkopplungsverfahren
mit der Erfindung verwendet werden, um die Stärken der durch die Bezugsfeldwandler
und/oder des Sondenfeldwandlers erzeugten nicht-ionisierenden Felder
anzupassen.
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Die
Erfindung kann ferner in Verbindung mit dem multiplen Sondensystem
verwendet werden, das in der PCT-Anmeldung mit dem Titel "Medical Procedures
And Apparatus Using Intrabody Probes" offenbart wird, die am selben Tag wie
diese Anmeldung eingereicht wurde und den Vorteil der vorläufigen U.S.
Anmeldungen Nr. 60/012,275, eingereicht am 26. Februar 1996, 60/011,721,
eingereicht am 15. Februar 1996 und 60/031,824, eingereicht am 26. November
1996, beansprucht und welche dem Rechtsnachfolger der vorliegenden
Anmeldungen üblich
abgetreten wurde. Die Offenbarungen der vorläufigen Anmeldungen werden hier
ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen. Bei bevorzugten Ausführungsformen
dieses Systems wird eine medizinische Sonde, wie zum Beispiel ein
Katheter, im Körper eines
Patienten durch Ermitteln der relativen Orte der Sonde in Bezug
auf eine andere Sonde, zum Beispiel durch Senden nicht-ionisierender
Strahlung zu oder von Feldwandlern, die auf beiden Sonden angebracht
sind, gelenkt. Insbesondere kann eine Ortssonde an einer Läsion im
Körper
befestigt werden, und eine Instrumentensonde zur Behandlung der
Läsion
kann durch Überwachen
der relativen Positionen der Sonden zu der Läsion gelenkt werden. Bei vielen
Ausführungsformen
dieses Systems ist es nicht notwendig, die Positionen der Sonden
mit Bilddaten zu erfassen oder Sondenorte auf Bildern einzublenden.
Die unabhängig
bewegbaren Bezugsfeldwandler-Anordnungen der Erfindung können daher mit
dem Ortssonden-/Instrumentensondensystem mit oder ohne gleichzeitiger
Patientenbildaufnahme verwendet werden, um die Orte der Sonden in
dem von den Bezugsfeldwandlern festgelegten Bezugsrahmen zu orten.
So lange wie die Orte der beiden Sonden in demselben Bezugsrahmen
gefunden werden, kann der relative Ort der zwei Sonden ermittelt werden.
Zum Beispiel können
die relativen Orte richtig ermittelt werden, selbst wenn sich die
Bezugsfeldwandler in Bezug aufeinander bewegen (zum Beispiel wo
die Feldwandler an weichem Gewebe angebracht sind), vorausgesetzt,
daß das
System neu kalibriert wird, um die Orte der Feldwandler in Bezug aufeinander
während
eines jeden Zyklus oder wann immer sich eine Bewegung ereignet zu
aktualisieren. Bei einer weiteren Variante, bei der die Bezugsfeldwandler
an Körperteilen
angebracht sind, die wiederholten natürlichen Bewegungen unterliegen,
wie zum Beispiel auf dem Brustkorb oder einem anderen Bereich, der
sich wiederholt im Atmungszyklus bewegt, kann das System an einem
speziellen Punkt im natürlichen
Bewegungszyklus (zum Beispiel Endinspiration oder Endexpiration)
kalibriert werden und kann betätigt
werden, um den Ort einer Sonde am selben Punkt in dem natürlichen
Bewegungszyklus zu ermitteln. Ein derartiges System kann auch verwendet werden,
wo die Einblendung der Sondendarstellung auf einem vorher erfaßten Bild
erwünscht
ist, zum Beispiel wo das Bild ein Bild ist, das am selben Punkt des
natürlichen
Bewegungszyklus erfaßt
wurde.
-
Eine
bessere Signal-Geräusch-Verhältnis-Leistung
wird auch mit den unabhängig
anordbaren Bezugsfeldwandlern der Erfindung erzielt. Allgemein gibt
es bei der Verwendung eines oder mehrerer Bezugsfeldwandler in einem
Sondenortsbestimmungssystem einen mit den Feldwandlern verbundenen
Volumenbereich, in welchem das Signal-Geräusch-Verhältnis der Anordnung optimiert
ist (ein sogenannter "optimaler
Bereich"), wo Hochpräzisions-Feldmessungen von
einem Sondenwandler durchgeführt
werden können.
Bei älteren
Sondenortsbestimmungssystemen, bei denen die Bezugswandler in festen
Positionen um das Bett des Patienten herum angebracht sind, umfaßt dieser
optimale Bereich jedoch typischerweise einen großen Bereich, um alle möglichen
zu untersuchenden Bereiche zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann
ein System mit am Bett angebrachten Wandlern erforderlich sein, um
die Sonde im Brustkorb eines Patienten und im Kopf eines anderen
Patienten zu orten. Je größer die optimalen
Bereiche, desto schwieriger ist es jedoch ein hohes Signal-Geräusch-Verhältnis in
diesem ganzen Bereich zu erzielen. Mit den unabhängig anordbaren Wandleranordnungen
der Erfindung kann dieser optimale Bereich kleiner und höher konzentrierter
gemacht werden. Für
jedes Verfahren kann der optimale Bereich konfiguriert werden, um dem
Bereich zu ent sprechen, in welchem die Sonde geortet werden soll.
Entsprechend können
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung eine verbesserte Signal-Geräusch-Leistung im Vergleich
zu einer festen Wandleranordnung bereitstellen, welche dieselben
Wandler in einer großen,
festen Anordnung verwendet. Die Signal-Geräusch-Leistung des Systems hängt auch
von den Merkmalen des Sondenwandlers ab. Die von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung bereitgestellte verbesserte Leistung kann eine akzeptable
Signal-Geräusch-Leistung mit
einem weniger empfindlichen Sondenwandler bereitstellen, der wiederum
die Verkleinerung des Sondenwandlers und der Sonde erleichtert.
-
Alternativ
kann der von der bewegbaren Wandleranordnung bereitgestellte Vorteil
die Verwendung von kleineren, kostengünstigeren und weniger aufdringlicheren
Bezugswandlern erlauben, während
eine zufriedenstellende Leistung beibehalten wird. Des weiteren
können
die Bezugsfeldwandler angeordnet werden, um in diesem Bereich eine optimale
Leistung bereitzustellen, ohne den Zugang des Arztes zum Patienten
zu behindern. Nur als Beispiel: wo der Chirurg durch eine Schädeleröffnung auf
der linken Seite des Kopfes operiert, können die Bezugsanordnungen
auf der Rückseite,
Oberseite und auf der rechten Seite des Kopfes angeordnet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der hier offenbarten Ausführungsformen ist die Fähigkeit,
eine Anpassung der Bezugsfeldwandler vorzunehmen, wenn sie bewegt
werden oder wenn die Anfangspositionierung der Bezugsfeldwandler
zu schlechten Ablesungen führt.
Somit kann der Chirurg während
eines Verfahrens die Bezugsanordnungen neu anordnen oder sogar zusätzliche
Bezugsanordnungen hinzufügen.
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Es
wird ferner gewürdigt
werden, daß,
obwohl die Aspekte der oben bevorzugten Ausführungsformen in Bezug auf ein
System zur Positionsermittlung basierend auf magnetischen Feldern
beschrieben worden sind, die Erfindung ebenso auf andere Positionsermittlungssystemtypen
anwendbar ist, die im Fachgebiet bekannt sind, wie zum Beispiel Systeme,
die andere Formen von Feldwandlern verwenden, wie beispielsweise
jene, die elektromagnetische, magnetische, akustische, optische,
Ultraschall- oder andere nicht-ionisierende Felder ausstrahlen und
erfassen.
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Das
Verfahren der Verwendung von Kalibrierungsfeldwandlern zur Kalibrierung
der relativen Positionen der Bezugswandler in Bezug aufeinander gemäß der Erfindung
kann auch verwen det werden, um die Art und Weise der Ermittlung
der relativen Positionen der in Verbindung stehenden Bezugsfeldwandler
zu ersetzen oder zu steigern. Nämlich
anstatt ein Rotationsmeßgerät, wie zum
Beispiel ein optisches Codiergerät,
zu umfassen, das ermöglicht, daß der Winkel
zwischen wandlertragenden Armen genau ermittelt wird, so daß die relativen
Positionen der Bezugsfeldwandler bekannt sind, können Kalibrierungsfeldwandler,
wie hier offenbart, verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäßen Spulensensoren sind
speziell zur Verwendung als Kalibrierungsfeldwandler angepaßt und in 1 bis 4 beschrieben,
obwohl die Erfindung auch in anderen Anwendungen verwendet werden
kann, bei denen man die Komponenten magnetischer Felder zu messen wünscht. Bezugnehmend
auf 8a der vorliegenden Anmeldung wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ein dreiachsiger Spulensensor durch Bereitstellung
dreier separater Kalibrierungsspulen 12, 14 und 16 auf
einer einzigen, planaren Einzelbasistafel 10 gebildet.
Basistafel 10 kann aus nicht-ferromagnetischen Materialien,
wie zum Beispiel Polymere, nicht-ferromagnetische Metalle und andere
Materialien, gebildet sein, die herkömmlich bei medizinischen Einwegvorrichtungen
verwendet werden. Vorzugsweise ist die Basistafel aus einem Polyimid
gebildet.
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Bei
der Bildung des Sensors der Erfindung wird die Basistafel 2 anfangs
in einer flachen, planaren Konfiguration, wie in 8a gezeigt,
bereitgestellt. Die Kalibrierungsspulen 4, 6 and 8 werden dann
an den Teiltafeln 13, 15 und 17 befestigt,
die wiederum die Basistafel 2 umfassen. Die Kalibrierungsspulen
werden bevorzugt durch Wickeln einer feinen Drahtstärke um einen
Spulenkörper,
Entfernen des Spulenkörpers
und Laminieren der verbleibenden Drahtspule direkt auf die Basistafel
konstruiert. Alternativ kann der Spulenkörper an der Stelle belassen
werden und an der Basistafel mit der Spule befestigt werden. Sobald
die Spulen auf den Teiltafeln angeordnet und befestigt sind, werden
die Teiltafeln dann entlang der Faltlinien 17 und 18 gefaltet, um
den dreiachsigen Spulensensor derart zu bilden, daß alle drei
Spulen orthogonal zu einander entlang den x-, y- und z-Achsen, wie
in 7b gezeigt, angeordnet sind. Jeder
Kalibrierungsfeldwandler ist daher angepaßt, um magnetische Feldkomponenten
in drei paarweise orthogonalen Richtungen zu erfassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, wie in 9a gezeigt, sind die Spulen 22, 24 und 26 auf
den Teiltafeln 21, 23 und 25, welche
eine Basistafel 20 bilden, gebildet. Bei dieser Anordnung erzeugt
das Falten der Tafel 20 entlang der Faltlinien 27 und 28 wieder eine
dreiachsige Spulenanordnung, bei welcher die drei Spulen paarweise
orthogonal zu einander sind, aber wobei eine der Spulen durch einen
kleinen Abstand von den anderen beiden Spulen, wie in 8b gezeigt,
abgesetzt ist.
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In
der in 10 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Erfindung
drei dreiachsige Spulensensoren 30, 31, 32,
die mit dem äußeren Umfang 33 eines planaren
Hauptsubstrats 36 verbunden sind. Eine Hauptspule 35 ist
auf einem planaren Hauptsubstrat 36 bereitgestellt. Die
Hauptspule kann wie der in der Ausführungsform von 1 bis 4 beschriebene Bezugsfeldwandler 100 verwendet
werden. Vorzugsweise sind jede Basistafel, die jeden dreiachsigen Sensor
trägt,
und das planare Substrat 36 als ein einziges Substrat gebildet,
und entsprechende Faltlinien sind in den Basistafeln und am Rand,
wo die Basistafel mit dem äußeren Umfang
des planaren Hauptsubstrats 36 verbunden ist, vorgesehen,
um zu erlauben, daß die
Kalibrierungsspulen derart gefaltet werden, daß sie orthogonal zu einander
entlang ihrer x-, y- und z-Achsen
angeordnet sind. Vorzugsweise wird jeder dreiachsige Sensor ungefähr 120 Grad
von einander beabstandet um die Hauptspule 35 herum angeordnet.
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Hauptspule 35 wird
bevorzugt aus Draht der Stärke 27 oder
weniger mit ungefähr
800 bis 1600 Windungen und bevorzugt 1550 Windungen hergestellt,
um eine Spule mit einem Durchmesser von 76,2 mm (3 Inch) oder weniger
und bevorzugt 58,9 mm (2,32 Inch) zu bilden. Jede einzelne Kalibrierungsspule
eines jeden dreispuligen Sensors 30, 31, 32 wird
bevorzugt aus Draht der Stärke 46 mit
ungefähr
1400 bis 2200 Windungen und bevorzugt 2000 Windungen hergestellt,
um eine Spule mit einem Außendurchmesser
von 12,7 mm (0,5 Inch) oder weniger und bevorzugt 8,1 mm (0,32 Inch)
zu bilden. Alternativ können
die Spulen durch andere Verfahren, wie zum Beispiel das Drucken
der Spulen direkt auf die Substrate, gebildet werden. Zuleitungsdrähte (nicht
gezeigt) werden bereitgestellt, um die Spulen mit der entsprechenden
Elektronik, wie zum Beispiel Treiber und Verstärker, zu verbinden. Die Zuleitungen
können
externe Drähte,
Leiter in den Substraten oder auf die Oberfläche der Substrate gedruckte
Leiter sein.
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Die
Bezugswandleranordnung von 10, welche
die Hauptspule 35 sowie die Kalibrierungsspulen 30, 31, 32 aufweist,
die mit derselben Tafel wie die Hauptspule verbunden sind, kann
die ganze Bezugswandleranordnung 50 der in 1 bis 4 beschriebenen
Ausführungsform
ersetzen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 11 dargestellt, die eine fragmentierte
Ansicht eines Abschnitts der Hauptspule ist und die Anordnung einer
dreiachsigen Spule auf einem Abschnitt des Substrats zeigt, welcher
die Hauptspule trägt.
In dieser Ausführungsform
nämlich
ist die dreiachsige Spulenanordnung 40 in einer Art und
Weise angeordnet, die der Anordnung der in 8a und 8b gezeigten
dreiachsigen Spulensensoranordnung ähnlich ist. In diesem Fall
jedoch ist die dreispulige Anordnung angepaßt, um in die auf einem planaren
Hauptsubstrat 46 bereitgestellten Aussparungen 41 und 42 eingeführt zu werden.
Aussparung 41 ist angepaßt, um irgendwelche leicht
vorstehende Abschnitte der Spulen 50 und 51 aufzunehmen,
während
die Aussparung 42 geformt ist, um den äußeren Vorsprung der Spule 52 aufzunehmen.
Wieder ist die Hauptspule 45 auf demselben Substrat gebildet,
in welchem die Aussparungen 42 und 41 gebildet
sind, nämlich
Substrat 46.
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Wie
oben erörtert,
sind die Spulenanordnungen der Erfindung zur Verwendung in Verbindung
mit den in den früheren
Ausführungsformen
offenbarten einzeln anordbaren Wandleranordnungen speziell angepaßt. Zum
Beispiel können
die Spulensensoranordnungen von 7b und 8b als
Kalibrierungsfeldwandler 316 verwendet und in den Kalibrierungswandlerbuchsen 314 von 1 bis 4 angeordnet
werden.
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Da
diese und weitere Variationen und Kombinationen der oben beschriebenen
Merkmale verwendet werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen, soll die vorhergehende Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
eher zur Erläuterung
als zur Einschränkung
der Erfindung, wie mittels der Ansprüche definiert, dienen.