Comprendere la progettazione della tecnologia di navigazione elettromagnetica

6 dicembre 2022 Di Rete di contributori MDO

Un esempio di sensore elettromagnetico (EM) incorporato nella punta di un catetere [Immagine gentilmente concessa da Intricon]

David Bosch, Intricon

Dalla sua nascita negli anni '90 fino all'adozione diffusa alla fine degli anni 2000, la navigazione elettromagnetica (EMN) è emersa come la scelta chiara per la navigazione chirurgica ed è stata ampiamente adottata nei campi della broncoscopia interventistica, dell'urologia, della neurochirurgia e della cardiologia.

Un sistema EMN adeguatamente progettato presenta numerosi vantaggi. Può localizzare con la precisione del tracciamento ottico senza la necessità di una linea di vista. Offre la comodità della fluoroscopia per la visualizzazione intra-paziente senza l'applicazione di radiazioni ionizzanti. E non espone il paziente a campi energetici più dannosi degli ultrasuoni.

A differenza delle tecnologie di navigazione alternative che si basano sulla radiazione retrodiffusa, l’EMN utilizza uno schema di misurazione passivo. La regione chirurgicamente rilevante è saturata in un campo magnetico spazialmente disomogeneo che funge efficacemente da griglia di coordinate xyz invisibile e biosicura. I sensori miniaturizzati all'interno di questa efficace griglia rilevano e trasmettono informazioni riguardanti la loro posizione precisa, che vengono poi elaborate da un sistema informatico esterno.

Poiché l'EMN registra solo la posizione dei punti dei sensori elettromagnetici (EM), viene spesso utilizzato insieme ad altri sistemi di visualizzazione. Nelle applicazioni cliniche, la posizione del sensore (generalmente posizionato all'interno di un dispositivo interventistico) è spesso sovrapposta graficamente alle scansioni 3D preoperatorie del paziente. In questo modo è possibile realizzare la visualizzazione in tempo reale del dispositivo interventistico all'interno dell'anatomia di un paziente.

L'EMN si basa sulla localizzazione di un sensore rispetto a un campo di riferimento magnetico. Il campo magnetico è fornito da un generatore di campo calibrato, che proietta un campo disomogeneo nello spazio e di geometria nota. Il sensore EMN deve (indirettamente) registrare il campo nella posizione in cui è posizionato, cosa che a sua volta può essere tradotta in informazioni sulla posizione.

Esistono diversi tipi di sensori EMN, ad esempio fluxgate e wireless, ma i sensori a induzione cablati hanno ricevuto l'adozione più diffusa nelle applicazioni cliniche interventistiche. (I sensori fluxgate non sono stati ampiamente adottati nelle applicazioni cliniche a causa delle dimensioni e della relativa complessità del dispositivo. Inoltre, i sensori wireless utilizzano sensori che devono funzionare contemporaneamente come ricevitori ed emettitori. Le dimensioni ingombranti di questi sensori insieme alle dimensioni e alla complessità del il sistema di azionamento esterno limita le applicazioni chirurgiche.)

Opzioni personalizzabili del sensore elettromagnetico (EM) [Immagine gentilmente concessa da Intricon]

Per motivi di continuità logica ed estetica matematica, la forma completa della legge di Faraday è descritta come segue:

La legge di Faraday può essere ridotta alla seguente forma dal teorema di Stokes, dove Ø è la componente del flusso magnetico che è perpendicolare agli avvolgimenti del sensore di induzione e il flusso è vagamente definito come il prodotto del campo magnetico e dell'area della sezione trasversale:

Intricon produce sensori compatibili con sistemi di generatori di campo magnetico CA commerciali come quelli di Northern Digital Inc. (NDI), Quadrant Scientific, Radwave Technologies e Polyhemus, nonché sistemi personalizzati sviluppati da varie aziende di dispositivi medici OEM e dai loro progettisti. Questi sistemi forniscono una mappa del campo magnetico CA nello spazio tramite bobine di campo disposte. Sebbene le disposizioni specifiche delle bobine di campo e i metodi di localizzazione siano proprietari, tutti i sistemi condividono alcuni principi generali di funzionamento.

Poiché l'intensità del campo magnetico decade del cubo della distanza da qualsiasi bobina di campo, è possibile utilizzare l'intensità del campo magnetico (e la tensione indotta) all'interno di un sensore come proxy per la distanza relativa tra il sensore e qualsiasi bobina di campo. Esistono diversi metodi per la localizzazione 3D completa, che generalmente coinvolgono più bobine di campo separate spazialmente, ciascuna funzionante a frequenze uniche per ottenere la triangolazione. I generatori di campo triassiali utilizzano almeno tre bobine di campo reciprocamente ortogonali, mentre i progetti planari si basano su un'elevata densità di bobine di campo parallele o quasi parallele per ottenere unicità nel campo di riferimento. Le bobine Intricon sono compatibili con entrambi gli schemi di localizzazione e possono essere personalizzate per funzionare all'interno di volumi di localizzazione personalizzati.