전자기 항법 기술의 설계 이해

2022년 12월 6일 작성자: MDO 기여자 네트워크

카테터 팁에 내장된 전자기(EM) 센서의 예 [이미지 제공: Intricon]

데이비드 보쉬, 인트리콘

전자기 내비게이션(EMN)은 1990년대 처음 도입된 이후 2000년대 후반까지 널리 채택되었으며 수술 내비게이션을 위한 확실한 선택으로 부상했으며 중재 기관지경, 비뇨기과, 신경외과 및 심장학 분야에서 널리 채택되었습니다.

적절하게 설계된 EMN 시스템에는 몇 가지 장점이 있습니다. 시선이 필요 없이 광학 추적의 정밀도로 위치를 파악할 수 있습니다. 전리 방사선을 적용하지 않고도 환자 내 시각화를 위한 투시법의 편리함을 제공합니다. 그리고 초음파보다 더 해로운 에너지장에 환자를 노출시키지 않습니다.

후방 산란 방사선에 의존하는 대체 항법 기술과 달리 EMN은 수동 측정 방식을 사용합니다. 수술 관련 영역은 눈에 보이지 않고 생체에 안전한 xyz 좌표 그리드 역할을 하는 공간적으로 불균일한 자기장에 포화되어 있습니다. 이 효과적인 그리드 내의 소형 센서는 정확한 위치에 관한 정보를 감지하고 전송하며, 이 정보는 외부 컴퓨터 시스템에 의해 처리됩니다.

EMN은 전자기(EM) 센서의 점 위치만 기록하므로 다른 시각화 시스템과 함께 사용되는 경우가 많습니다. 임상 적용 내에서 센서의 위치(일반적으로 중재 장치 내에 배치됨)는 환자의 수술 전 3D 스캔에 그래픽으로 겹쳐지는 경우가 많습니다. 이러한 방식으로 환자의 해부학적 구조 내에서 중재적 장치의 실시간 시각화를 실현하는 것이 가능합니다.

EMN은 자기 기준장을 기준으로 센서 위치를 파악하는 데 의존합니다. 자기장은 공간적으로 불균일하고 알려진 기하학적인 자기장을 투사하는 보정된 자기장 발생기에 의해 제공됩니다. EMN 센서는 배치된 위치의 필드를 (간접적으로) 기록해야 하며, 이는 다시 위치 정보로 변환될 수 있습니다.

플럭스게이트 및 무선과 같은 여러 종류의 EMN 센서가 존재하지만 유선 유도 센서는 중재 임상 응용 분야에서 가장 널리 채택되었습니다. (Fluxgate 센서는 장치의 크기와 상대적인 복잡성으로 인해 임상 응용 분야에 널리 채택되지 않았습니다. 그리고 무선 센서는 수신기와 방출기로서 동시에 기능해야 하는 센서를 활용합니다. 이러한 센서의 부피가 크고 복잡하기 때문에 외부 드라이브 시스템은 수술 적용을 제한합니다.)

맞춤형 전자기(EM) 센서 옵션 [Intricon 이미지 제공]

논리적 연속성과 수학적 미학을 위해 패러데이 법칙의 전체 형태는 다음과 같이 설명됩니다.

패러데이 법칙은 스톡스 정리(Stokes 정리)에 의해 다음과 같은 형태로 축소될 수 있습니다. 여기서 Ø는 유도 센서의 권선에 수직인 자속 성분이고 자속은 자기장과 단면적의 곱으로 느슨하게 정의됩니다.

Intricon은 NDI(Northern Digital Inc.), Quadrant Scientific, Radwave Technologies 및 Polyhemus의 상용 AC 자기장 발생기 시스템뿐만 아니라 다양한 OEM 의료 기기 회사 및 해당 설계자가 개발한 맞춤형 시스템과 호환되는 센서를 제조합니다. 이 시스템은 배열된 필드 코일을 통해 공간에 AC 자기장 지도를 제공합니다. 특정 필드 코일 배열 및 위치 파악 방법은 독점적인 반면, 모든 시스템은 몇 가지 일반적인 작동 원리를 공유합니다.

자기장의 크기는 필드 코일로부터의 거리의 세제곱만큼 감소하므로 센서 내 자기장(및 유도 전압)의 강도를 센서와 필드 코일 사이의 상대적 거리에 대한 프록시로 사용할 수 있습니다. 완전한 3D 위치 파악을 위한 다양한 방법이 존재하며 일반적으로 삼각측량을 달성하기 위해 각각 고유한 주파수에서 실행되는 공간적으로 분리된 여러 개의 필드 코일을 포함합니다. 3축 필드 발생기는 서로 직교하는 3개 이상의 필드 코일을 사용하는 반면, 평면 설계는 기준 필드의 고유성을 달성하기 위해 고밀도의 평행 또는 거의 평행한 필드 코일에 의존합니다. Intricon 코일은 두 현지화 체계와 호환되며 맞춤형 현지화 볼륨 내에서 수행되도록 맞춤화할 수 있습니다.