Comprender el diseño de la tecnología de navegación electromagnética.

6 de diciembre de 2022 Por Red de contribuyentes de MDO

Un ejemplo de un sensor electromagnético (EM) integrado en la punta de un catéter [Imagen cortesía de Intricon]

David Bosch, Intricón

Desde sus inicios en la década de 1990 hasta su adopción generalizada a finales de la década de 2000, la navegación electromagnética (EMN) se ha convertido en la opción clara para la navegación quirúrgica y ha sido ampliamente adoptada en los campos de la broncoscopia intervencionista, la urología, la neurocirugía y la cardiología.

Un sistema REM diseñado correctamente tiene varias ventajas. Puede localizar con la precisión del seguimiento óptico sin necesidad de una línea de visión. Ofrece la comodidad de la fluoroscopia para la visualización intrapaciente sin la aplicación de radiación ionizante. Y no expone al paciente a campos de energía más dañinos que los ultrasonidos.

A diferencia de las tecnologías de navegación alternativas que dependen de la radiación retrodispersada, EMN utiliza un esquema de medición pasivo. La región quirúrgicamente relevante está saturada en un campo magnético espacialmente no homogéneo que sirve efectivamente como una cuadrícula de coordenadas xyz invisible y biosegura. Sensores en miniatura dentro de esta efectiva red detectan y transmiten información sobre su ubicación precisa, que luego es procesada por un sistema informático externo.

Dado que EMN solo registra las ubicaciones puntuales de sensores electromagnéticos (EM), a menudo se utiliza junto con otros sistemas de visualización. En las aplicaciones clínicas, la ubicación del sensor (generalmente colocado dentro de un dispositivo intervencionista) a menudo se superpone gráficamente a los escaneos preoperacionales 3D del paciente. De esta manera, es posible realizar una visualización en tiempo real del dispositivo intervencionista dentro de la anatomía de un paciente.

EMN se basa en localizar un sensor con respecto a un campo de referencia magnético. El campo magnético es proporcionado por un generador de campo calibrado, que proyecta un campo no homogéneo en el espacio y de geometría conocida. El sensor EMN debe registrar (indirectamente) el campo en el lugar en el que está colocado, lo que a su vez puede traducirse en información posicional.

Existen varios tipos de sensores EMN (por ejemplo, fluxgate e inalámbricos), pero los sensores de inducción cableados han recibido la adopción más amplia en aplicaciones clínicas intervencionistas. (Los sensores Fluxgate no se han adoptado ampliamente en aplicaciones clínicas debido al tamaño y la relativa complejidad del dispositivo. Y los sensores inalámbricos utilizan sensores que deben funcionar simultáneamente como receptores y emisores. El tamaño voluminoso de estos sensores, junto con el tamaño y la complejidad del El sistema de accionamiento externo limita las aplicaciones quirúrgicas.)

Opciones de sensores electromagnéticos (EM) personalizables [Imagen cortesía de Intricon]

En aras de la continuidad lógica y la estética matemática, la forma completa de la ley de Faraday se describe a continuación:

La ley de Faraday se puede reducir a la siguiente forma mediante el teorema de Stokes, donde Ø es el componente del flujo magnético que es perpendicular a los devanados del sensor de inducción y el flujo se define vagamente como el producto del campo magnético y el área de la sección transversal:

Intricon fabrica sensores compatibles con sistemas comerciales de generación de campo magnético de CA, como los de Northern Digital Inc. (NDI), Quadrant Scientific, Radwave Technologies y Polyhemus, así como sistemas personalizados desarrollados por varias empresas de dispositivos médicos OEM y sus diseñadores. Estos sistemas proporcionan un mapa del campo magnético de CA en el espacio mediante bobinas de campo dispuestas. Si bien las disposiciones específicas de las bobinas de campo y los métodos de localización son exclusivos, todos los sistemas comparten algunos principios generales de funcionamiento.

Debido a que la magnitud del campo magnético disminuye en una proporción del cubo de la distancia desde cualquier bobina de campo, es posible utilizar la intensidad del campo magnético (y el voltaje inducido) dentro de un sensor como indicador de la distancia relativa entre el sensor y cualquier bobina de campo. Existen diferentes métodos para la localización 3D completa, que generalmente implican múltiples bobinas de campo separadas espacialmente, cada una de las cuales funciona a frecuencias únicas para lograr la triangulación. Los generadores de campo triaxiales utilizan al menos tres bobinas de campo mutuamente ortogonales, mientras que los diseños planos dependen de una alta densidad de bobinas de campo paralelas o casi paralelas para lograr unicidad en el campo de referencia. Las bobinas Intricon son compatibles con cualquiera de los esquemas de localización y se pueden personalizar para funcionar dentro de volúmenes de localización personalizados.

El objetivo de cualquier sensor EMN personalizado es proporcionar la máxima integridad de la señal dentro del tamaño de envolvente más pequeño posible. Para aplicaciones prácticas de sensores EM, resulta beneficioso maximizar el voltaje inducido en la bobina para maximizar la relación señal-ruido y aumentar la precisión de la localización. El término pertinente es sensibilidad, definida como la amplitud de voltaje generada por una bobina cuando se somete a un campo magnético unitario de CA de frecuencia estándar.

El aumento de la sensibilidad se puede lograr más fácilmente aumentando el número de vientos, lo que efectivamente aumenta el área de la sección transversal efectiva a través de la cual atraviesa el campo magnético, o aumentando directamente el diámetro del núcleo del sensor. Sin embargo, existen limitaciones para estos métodos. Un aumento ilimitado de las dimensiones del sensor físico rara vez es compatible con el estrecho canal de trabajo de la mayoría de los dispositivos intervencionistas, por lo que son necesarios métodos alternativos para aumentar la sensibilidad de la bobina.

La perfecta integración de los sensores EM dentro de los dispositivos intervencionistas permite un rendimiento óptimo. Los fabricantes de dispositivos médicos normalmente necesitan asociarse con un experto en diseño y fabricación especializado en diseño electromagnético y físico que pueda ofrecer dispositivos completos (soluciones completas de “punta a mango”) para lograr el rendimiento electromagnético y clínico deseado.

El proceso de diseño debe incorporar un profundo conocimiento de los componentes magnéticos dentro del dispositivo terminado. Esta perspicacia en el diseño es de vital importancia para el rendimiento del dispositivo porque los componentes magnéticos distorsionan el campo de referencia proporcionado por los generadores de campo, lo que reduce la precisión de la localización. La mitigación de la interferencia magnética no es trivial, dada la cantidad de componentes metálicos que existen en los dispositivos intervencionistas modernos.

Si bien existen numerosas ventajas de los componentes EMN en los dispositivos intervencionistas, se necesita una cuidadosa optimización de los sensores EM dentro de un dispositivo para lograr el máximo rendimiento. Las soluciones únicas rara vez reflejan las complejidades de una aplicación clínica particular, ni proporcionan automáticamente un rendimiento óptimo dentro de los dispositivos intervencionistas modernos. Por lo tanto, los fabricantes de dispositivos médicos deben seleccionar cuidadosamente un socio de desarrollo y fabricación con experiencia tanto en sensores como en diseño de dispositivos completos que comprenda la singularidad de cada cliente, dispositivo y aplicación EMN.

David Bosch es un científico investigador en ingeniería electromagnética en Intricon [Fotografía cortesía de Intricon]

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