Verständnis des Designs der elektromagnetischen Navigationstechnologie

6. Dezember 2022 Von MDO Contributors Network

Ein Beispiel eines eingebetteten elektromagnetischen (EM) Sensors in einer Katheterspitze [Bild mit freundlicher Genehmigung von Intricon]

David Bosch, Intricon

Seit ihrer Einführung in den 1990er Jahren und ihrer weiten Verbreitung in den späten 2000er Jahren hat sich die elektromagnetische Navigation (EMN) als klare Wahl für die chirurgische Navigation herausgestellt und ist in den Bereichen interventionelle Bronchoskopie, Urologie, Neurochirurgie und Kardiologie weit verbreitet.

Ein richtig konzipiertes EMN-System hat mehrere Vorteile. Es kann mit der Präzision optischer Ortung lokalisieren, ohne dass eine Sichtlinie erforderlich ist. Es bietet den Komfort der Fluoroskopie für die intrapatiente Visualisierung ohne die Anwendung ionisierender Strahlung. Und es setzt den Patienten keinen Energiefeldern aus, die schädlicher sind als Ultraschall.

Im Gegensatz zu alternativen Navigationstechnologien, die auf rückgestreuter Strahlung basieren, nutzt EMN ein passives Messschema. Der chirurgisch relevante Bereich wird von einem räumlich inhomogenen Magnetfeld durchtränkt, das effektiv als unsichtbares und biologisch sicheres xyz-Koordinatengitter dient. Miniatursensoren innerhalb dieses effektiven Gitters erfassen und übermitteln Informationen über ihren genauen Standort, die dann von einem externen Computersystem verarbeitet werden.

Da EMN nur die Punktpositionen elektromagnetischer (EM) Sensoren erfasst, wird es häufig in Verbindung mit anderen Visualisierungssystemen verwendet. Bei klinischen Anwendungen wird die Position des Sensors (im Allgemeinen innerhalb eines interventionellen Geräts platziert) häufig grafisch auf präoperativen 3D-Scans des Patienten eingeblendet. Auf diese Weise ist es möglich, eine Echtzeitvisualisierung des interventionellen Geräts innerhalb der Anatomie eines Patienten zu realisieren.

EMN basiert auf der Lokalisierung eines Sensors in Bezug auf ein magnetisches Referenzfeld. Das Magnetfeld wird von einem kalibrierten Feldgenerator bereitgestellt, der ein räumlich inhomogenes Feld mit bekannter Geometrie projiziert. Der EMN-Sensor muss (indirekt) das Feld an dem Ort, an dem er platziert ist, erfassen, was wiederum in Positionsinformationen übersetzt werden kann.

Es gibt verschiedene Arten von EMN-Sensoren – zum Beispiel Fluxgate- und drahtlose –, aber kabelgebundene Induktionssensoren haben in interventionellen klinischen Anwendungen die weiteste Verbreitung gefunden. (Fluxgate-Sensoren wurden in klinischen Anwendungen aufgrund der Größe und relativen Komplexität des Geräts nicht weit verbreitet. Und drahtlose Sensoren nutzen Sensoren, die gleichzeitig als Empfänger und Sender fungieren müssen. Die unhandliche Größe dieser Sensoren gepaart mit der Größe und Komplexität des Geräts (Ein externes Antriebssystem schränkt chirurgische Anwendungen ein.)

Anpassbare elektromagnetische (EM) Sensoroptionen [Bild mit freundlicher Genehmigung von Intricon]

Aus Gründen der logischen Kontinuität und der mathematischen Ästhetik wird die vollständige Form des Faradayschen Gesetzes wie folgt beschrieben:

Das Faradaysche Gesetz kann durch das Stokes-Theorem auf die folgende Form reduziert werden, wobei Ø die Magnetflusskomponente ist, die senkrecht zu den Wicklungen des Induktionssensors verläuft, und der Fluss grob als Produkt aus Magnetfeld und Querschnittsfläche definiert ist:

Intricon stellt Sensoren her, die mit kommerziellen Wechselstrom-Magnetfeldgeneratorsystemen wie denen von Northern Digital Inc. (NDI), Quadrant Scientific, Radwave Technologies und Polyhemus kompatibel sind, sowie kundenspezifische Systeme, die von verschiedenen OEM-Unternehmen für medizinische Geräte und ihren Designern entwickelt wurden. Diese Systeme stellen über angeordnete Feldspulen eine magnetische Wechselfeldkarte im Raum bereit. Während die spezifischen Feldspulenanordnungen und Lokalisierungsmethoden proprietär sind, haben alle Systeme einige allgemeine Funktionsprinzipien gemeinsam.

Da die Stärke des Magnetfelds mit der dritten Potenz des Abstands von jeder Feldspule abnimmt, ist es möglich, die Intensität des Magnetfelds (und der induzierten Spannung) innerhalb eines Sensors als Proxy für den relativen Abstand zwischen dem Sensor und einer beliebigen Feldspule zu verwenden. Für die vollständige 3D-Lokalisierung gibt es verschiedene Methoden, die im Allgemeinen mehrere räumlich getrennte Feldspulen umfassen, die jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen laufen, um eine Triangulation zu erreichen. Triaxiale Feldgeneratoren nutzen mindestens drei zueinander orthogonale Feldspulen, wohingegen planare Designs auf einer hohen Dichte paralleler oder nahezu paralleler Feldspulen basieren, um Eindeutigkeit im Referenzfeld zu erreichen. Intricon-Spulen sind mit beiden Lokalisierungsschemata kompatibel und können so angepasst werden, dass sie in benutzerdefinierten Lokalisierungsvolumina funktionieren.

Das Ziel jedes kundenspezifischen EMN-Sensors besteht darin, die ultimative Signalintegrität innerhalb der kleinstmöglichen Hüllkurve bereitzustellen. Für praktische EM-Sensoranwendungen ist es vorteilhaft, die in der Spule induzierte Spannung zu maximieren, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren und die Lokalisierungsgenauigkeit zu erhöhen. Der relevante Begriff ist Empfindlichkeit, definiert als die Spannungsamplitude, die von einer Spule erzeugt wird, wenn sie einem magnetischen Einheitswechselfeld mit Standardfrequenz ausgesetzt wird.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit lässt sich am einfachsten erreichen, indem man entweder die Anzahl der Winde erhöht – was effektiv die effektive Querschnittsfläche vergrößert, durch die das Magnetfeld wandert – oder indem man direkt den Durchmesser des Sensorkerns vergrößert. Diese Methoden unterliegen jedoch Einschränkungen. Eine uneingeschränkte Vergrößerung der physischen Sensorabmessungen ist selten mit dem engen Arbeitskanal der meisten interventionellen Geräte vereinbar, daher sind alternative Methoden zur Steigerung der Spulenempfindlichkeit erforderlich.

Die nahtlose Integration von EM-Sensoren in interventionelle Geräte ermöglicht eine optimale Leistung. Hersteller medizinischer Geräte müssen in der Regel mit einem Design- und Fertigungsexperten zusammenarbeiten, der auf elektromagnetisches und physikalisches Design spezialisiert ist und Geräte in voller Länge (komplette Lösungen von der Spitze bis zum Griff) für die gewünschte elektromagnetische und klinische Leistung liefern kann.

Der Designprozess muss ein ausgeprägtes Bewusstsein für magnetische Komponenten im fertigen Gerät beinhalten. Ein solcher Konstruktionssinn ist für die Geräteleistung von entscheidender Bedeutung, da magnetische Komponenten das von Feldgeneratoren bereitgestellte Referenzfeld verzerren und so die Lokalisierungsgenauigkeit verringern. Die Abschwächung magnetischer Störungen ist angesichts der Vielzahl metallischer Komponenten, die in modernen Interventionsgeräten vorhanden sind, nicht trivial.

Obwohl EMN-Komponenten in interventionellen Geräten zahlreiche Vorteile bieten, ist eine sorgfältige Optimierung der EM-Sensoren innerhalb eines Geräts erforderlich, um maximale Leistung zu erzielen. Einheitslösungen spiegeln selten die Komplexität einer bestimmten klinischen Anwendung wider und bieten auch nicht automatisch die optimale Leistung moderner interventioneller Geräte. Daher müssen Hersteller medizinischer Geräte sorgfältig einen Entwicklungs- und Fertigungspartner mit Erfahrung im Sensor- und Gesamtgerätedesign auswählen, der die Einzigartigkeit jedes Kunden, Geräts und jeder EMN-Anwendung versteht.

David Bosch ist Forschungswissenschaftler für elektromagnetische Technik bei Intricon [Foto mit freundlicher Genehmigung von Intricon]

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von MedicalDesignandOutsourcing.com oder seinen Mitarbeitern wider.