Compreendendo o design da tecnologia de navegação eletromagnética

6 de dezembro de 2022 Por Rede de Contribuidores MDO

Um exemplo de sensor eletromagnético (EM) incorporado na ponta de um cateter [Imagem cortesia da Intricon]

David Bosch, Intricon

Desde a sua criação na década de 1990 até à adoção generalizada no final da década de 2000, a navegação eletromagnética (EMN) emergiu como a escolha clara para a navegação cirúrgica e tem sido amplamente adotada nas áreas da broncoscopia intervencionista, urologia, neurocirurgia e cardiologia.

Um sistema EMN adequadamente projetado apresenta diversas vantagens. Ele pode localizar com a precisão do rastreamento óptico sem a necessidade de linha de visão. Oferece a conveniência da fluoroscopia para visualização intra-paciente sem a aplicação de radiação ionizante. E não expõe o paciente a campos de energia mais prejudiciais que o ultrassom.

Ao contrário das tecnologias alternativas de navegação que dependem de radiação retroespalhada, a EMN utiliza um esquema de medição passivo. A região cirurgicamente relevante está saturada em um campo magnético espacialmente não homogêneo que serve efetivamente como uma grade de coordenadas xyz invisível e biossegura. Sensores em miniatura dentro desta grade eficaz detectam e transmitem informações sobre sua localização precisa, que é então processada por um sistema de computador externo.

Como o EMN registra apenas as localizações pontuais dos sensores eletromagnéticos (EM), ele é frequentemente usado em conjunto com outros sistemas de visualização. Em aplicações clínicas, a localização do sensor (geralmente colocado dentro de um dispositivo intervencionista) é frequentemente sobreposta graficamente às varreduras pré-operacionais 3D do paciente. Desta forma, é possível realizar a visualização em tempo real do dispositivo intervencionista dentro da anatomia de um paciente.

EMN depende da localização de um sensor em relação a um campo de referência magnética. O campo magnético é fornecido por um gerador de campo calibrado, que projeta um campo não homogêneo no espaço e de geometria conhecida. O sensor EMN deve (indiretamente) registrar o campo no local em que está colocado, o que por sua vez pode ser traduzido em informação posicional.

Existem vários tipos de sensores EMN – por exemplo, fluxgate e sem fio – mas os sensores de indução com fio receberam a adoção mais difundida em aplicações clínicas intervencionistas. (Os sensores Fluxgate não foram amplamente adotados em aplicações clínicas devido ao tamanho e à complexidade relativa do dispositivo. E os sensores sem fio utilizam sensores que devem funcionar simultaneamente como receptores e emissores. O tamanho volumoso desses sensores, juntamente com o tamanho e a complexidade do sistema de acionamento externo limita aplicações cirúrgicas.)

Opções personalizáveis ​​de sensores eletromagnéticos (EM) [Imagem cortesia da Intricon]

Por uma questão de continuidade lógica e estética matemática, a forma completa da lei de Faraday é descrita a seguir:

A lei de Faraday pode ser reduzida à seguinte forma pelo teorema de Stokes, onde Ø é o componente do fluxo magnético que é perpendicular aos enrolamentos do sensor de indução e o fluxo é vagamente definido como o produto do campo magnético e da área da seção transversal:

A Intricon fabrica sensores compatíveis com sistemas geradores de campo magnético CA comerciais, como os da Northern Digital Inc. (NDI), Quadrant Scientific, Radwave Technologies e Polyhemus, bem como sistemas personalizados desenvolvidos por várias empresas de dispositivos médicos OEM e seus projetistas. Esses sistemas fornecem um mapa do campo magnético AC no espaço por meio de bobinas de campo dispostas. Embora os arranjos específicos das bobinas de campo e os métodos de localização sejam proprietários, todos os sistemas compartilham alguns princípios gerais de operação.

Como a magnitude do campo magnético decai pelo cubo da distância de qualquer bobina de campo, é possível usar a intensidade do campo magnético (e a tensão induzida) dentro de um sensor como um proxy para a distância relativa entre o sensor e qualquer bobina de campo. Existem diferentes métodos para localização 3D completa, geralmente envolvendo múltiplas bobinas de campo separadas espacialmente, cada uma operando em frequências únicas para obter triangulação. Os geradores de campo triaxiais utilizam pelo menos três bobinas de campo mutuamente ortogonais, enquanto os projetos planares dependem de alta densidade de bobinas de campo paralelas ou quase paralelas para obter exclusividade no campo de referência. As bobinas Intricon são compatíveis com qualquer esquema de localização e podem ser personalizadas para funcionar dentro de volumes de localização personalizados.