電磁ナビゲーション技術の設計を理解する

2022 年 12 月 6 日 MDO Contributors Network より

カテーテル先端に埋め込まれた電磁 (EM) センサーの例 [画像提供: Intricon]

デビッド・ボッシュ、イントリコン

1990 年代に誕生して 2000 年代後半までに広く採用されて以来、電磁ナビゲーション (EMN) は外科ナビゲーションの明確な選択肢として浮上しており、介入気管支鏡検査、泌尿器科、神経外科、心臓病学の分野で広く採用されています。

適切に設計された EMN システムには、いくつかの利点があります。 視線を必要とせずに、光学追跡の精度で位置を特定できます。 電離放射線を適用せずに、患者内の視覚化に蛍光透視法の利便性を提供します。 また、超音波よりも有害なエネルギー場に患者をさらすこともありません。

後方散乱放射線に依存する代替ナビゲーション技術とは異なり、EMN は受動的測定スキームを利用します。 外科手術に関連する領域は、目に見えず生物学的に安全な xyz 座標グリッドとして効果的に機能する、空間的に不均一な磁場で飽和しています。 この効果的なグリッド内の小型センサーは、その正確な位置に関する情報を検出して送信し、その後、外部コンピューター システムによって処理されます。

EMN は電磁 (EM) センサーの点の位置のみを記録するため、他の視覚化システムと組み合わせて使用​​されることがよくあります。 臨床応用では、センサーの位置 (通常は介入装置内に配置されます) が、患者の 3D 術前スキャンにグラフィカルに重ね合わされることがよくあります。 このようにして、患者の解剖学的構造内の介入装置をリアルタイムで視覚化することが可能になります。

EMN は、基準磁場を基準にしてセンサーの位置を特定することに依存しています。 磁場は、空間内で不均一で既知の形状の磁場を投影する、校正された磁場発生器によって提供されます。 EMN センサーは、設置された場所のフィールドを (間接的に) 記録する必要があり、その結果、位置情報に変換できます。

フラックスゲートやワイヤレスなど、いくつかの種類の EMN センサーが存在しますが、介入臨床アプリケーションでは有線誘導センサーが最も広く採用されています。 (フラックスゲート センサーは、デバイスのサイズと相対的な複雑さのため、臨床用途には広く採用されていません。また、ワイヤレス センサーは、受信機と送信機として同時に機能する必要があるセンサーを利用します。これらのセンサーのかさばるサイズは、センサーのサイズと複雑さに結びついています。外部駆動システムは外科的用途を制限します。)

カスタマイズ可能な電磁 (EM) センサー オプション [画像提供: Intricon]

論理的な連続性と数学的な美しさのために、ファラデーの法則の完全な形式は次のように説明されます。

ファラデーの法則は、ストークス定理によって次の形式に変換できます。ここで、Ø は誘導センサーの巻線に垂直な磁束成分であり、磁束は磁場と断面積の積として大まかに定義されます。

イントリコンは、Northern Digital Inc. (NDI)、Quadrant Scientific、Radwave Technologies、Polyhemus などの市販の AC 磁場発生システムと互換性のあるセンサーや、さまざまな OEM 医療機器会社とその設計者が開発したカスタム システムと互換性のあるセンサーを製造しています。 これらのシステムは、配置されたフィールドコイルを介して空間内の交流磁場マップを提供します。 特定のフィールドコイルの配置と位置特定方法は独自のものですが、すべてのシステムはいくつかの一般的な動作原理を共有しています。

磁場の大きさはフィールド コイルからの距離の 3 乗で減衰するため、センサーとフィールド コイルの間の相対距離の代用としてセンサー内の磁場 (および誘導電圧) の強度を使用することができます。 完全な 3D 位置特定にはさまざまな方法があり、通常は空間的に分離された複数のフィールド コイルを使用し、それぞれが固有の周波数で動作して三角測量を実現します。 三軸磁場発生器は少なくとも 3 つの相互に直交する磁場コイルを利用しますが、平面設計では基準磁場の一意性を達成するために高密度の平行または平行に近い磁場コイルに依存します。 イントリコン コイルはどちらのローカリゼーション スキームとも互換性があり、カスタム ローカリゼーション ボリューム内で実行するようにカスタマイズできます。