(57)【要約】【課題】患者の体内に挿入された物体に取り付けられた応答機の位置および方向を追跡する方法およびシステムを提供する。【解決手段】位置追跡システムは、一つ以上のフィールド発生器を含み、フィールド発生器は、一つ以上の、個別の位置によって変化する磁界を生み出すように配置されている。応答機は、共振周波数を有し、かつ、フィールド応答要素を含む共振回路を、含み、フィールド応答要素は、一つ以上の磁界に応答して共振周波数を変えるように動作する。位置追跡器は、共振回路の共振周波数を遠隔で感知し、感知された共振周波数に応答して応答機の位置を求める、ように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置追跡システムにおいて、
一つ以上のフィールド発生器であって、一つ以上の、個別の位置によって変化する磁界を生み出すように構成された、一つ以上のフィールド発生器と、
共振回路を含む応答機であって、
前記共振回路は、共振周波数を有し、かつ、フィールド応答要素を含み、
前記フィールド応答要素は、前記一つ以上の磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作する、
応答機と、
位置追跡器であって、前記共振回路の前記共振周波数を遠隔で感知するように、かつ、前記感知された共振周波数に応答して前記応答機の位置を求めるように、構成された、位置追跡器と、
を具備する、位置追跡システム。
【請求項２】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
前記応答機が、患者の体内に挿入するように構成された物体に取り付けられていて、
前記位置追跡器が、前記体内での前記物体の位置を求めるように構成されている、位置追跡システム。
【請求項３】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
【請求項４】
請求項３に記載の位置追跡システムにおいて、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
【請求項５】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
前記フィールド応答要素が、キャパシターを含み、
前記キャパシターが、キャパシタンスを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
【請求項６】
請求項５に記載の位置追跡システムにおいて、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して前記電極の空間的な関係を変えるように構成されている、位置追跡システム。
【請求項７】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
各前記一つ以上のフィールド発生器が、少なくとも２つのフィールド放射コイルを含み、
前記フィールド放射コイルが、回転磁界を生み出すように、対応する駆動信号によって駆動される、位置追跡システム。
【請求項８】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
前記一つ以上のフィールド発生器が、それぞれ２つ以上の異なる場所に位置する２つ以上のフィールド発生器を含み、
前記２つ以上のフィールド発生器が、位置によって変化する磁界をそれぞれ生み出すように順番に動作させられる、位置追跡システム。
【請求項９】
請求項１に記載の位置追跡システムにおいて、
前記位置追跡器が、
予め決められた周波数範囲に亘って前記応答機に向けてプローブ信号を送信し、
前記プローブ信号に応答して前記応答機によって生み出された信号を受信し、
前記応答機によって生み出された前記信号に応答して、前記予め決められた周波数範囲に亘って前記共振回路による前記プローブ信号の負荷を測定し、
前記負荷に応答して前記共振周波数を推定する、
ように構成されている、位置追跡システム。
【請求項１０】
位置追跡システムで用いるための応答機において、
共振周波数を有する共振回路であって、外部から加えられた磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含み、前記磁界に応答して前記共振周波数の近傍でプローブ信号を可変で反射する、共振回路、
を具備する、応答機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の応答機において、
前記応答機が、患者の体内に挿入するように構成された物体に取り付けられている、応答機。
【請求項１２】
請求項１０に記載の応答機において、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスは、前記共振周波数を変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
【請求項１３】
請求項１２に記載の応答機において、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
【請求項１４】
請求項１０に記載の応答機において、
前記フィールド応答要素が、キャパシタンスを有するキャパシターを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の応答機において、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して前記電極の面積の空間的な関係を変えるように構成されている、応答機。
【請求項１６】
位置追跡方法において、
物体に応答機を取り付ける過程であって、前記応答機は、共振周波数を有する共振回路を含み、前記共振回路は、周囲の磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含む、過程と、
前記物体の近傍に、位置によって変化する磁界を生み出す過程と、
前記共振回路の前記共振周波数を遠隔で感知する過程と、
前記感知された共振周波数に応答して前記応答機の位置を求める過程と
を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記物体を患者の体内に挿入する過程、
をさらに含み、
前記応答機の位置を求める前記過程が、前記体内で前記物体の位置を追跡する過程を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法において、
前記フィールド応答要素が、キャパシターを含み、
前記キャパシターが、キャパシタンスを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して前記電極の面積の空間的な関係を変えるように構成されている、方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の方法において、
前記位置によって変化する磁界を生み出す前記過程が、
一つ以上の回転磁界を生み出すように、一つ以上のフィールド発生器を対応する駆動信号で駆動する過程、
を含む、方法。
【請求項２３】
請求項１６に記載の方法において、
前記位置によって変化する磁界を生み出す前記過程が、
それぞれ２つ以上の異なる場所に位置する２つ以上のフィールド発生器を順番に駆動し、対応する位置によって変化する磁界を生み出す、過程、
を含む、方法。
【請求項２４】
請求項１６に記載の方法において、
前記共振周波数を感知する前記過程が、
予め決められた周波数範囲に亘って前記応答機に向けてプローブ信号を送信する過程と、
前記プローブ信号に応答して前記応答機によって生み出された信号を受信する過程と、
前記応答機によって生み出された前記信号に応答して前記予め決められた周波数範囲に亘って前記共振回路による前記プローブ信号の負荷を測定する過程と、
前記負荷に応答して前記共振周波数を推定する過程と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、大まかに言って、位置追跡システムに関し、より詳しく言うと、受動応答機の位置追跡のための方法およびシステムに関する。
【０００２】
〔背景技術〕
医療手技に含まれる物体の座標を追跡するためのさまざまな方法およびシステムが知られている。それらのシステムのいくつかは、磁界の測定を用いる。例えば、米国特許第５，３９１，１９９号明細書および同第５，４４３，４８９号明細書は、その開示内容が参照することによって本明細書に組み込まれるが、体内プローブの座標が一つ以上のフィールドトランスデューサを用いて求められるシステムを記載している。そのようなシステムは、カテーテルなどの医療用プローブに関する場所情報を生み出すために用いられる。位置センサーが医療用プローブ内に配置されていて、外部から加えられた磁界に応答して信号を生み出す。磁界は、既知の相互に離間された場所で外部基準フレームに固定された放射器コイルのような磁界発生器によって生み出される。
【０００３】
磁気的位置追跡に関連するさらなる方法およびシステムが、例えば、国際公開第９６／０５７６８号パンフレット、米国特許第４，８４９，６９２号明細書、同第４，９４５，３０５号明細書、同第５，４５３，６８６号明細書、同第６，２３９，７２４号明細書、同第６，３３２，０８９号明細書、同第６，６１８，６１２号明細書、および、同第６，６９０，９６３号明細書、ならびに、米国特許出願公開第２００２／００６５４５５Ａ１号公報、同第２００３／０１２０１５０Ａ１号公報、同第２００４／００６８１７８Ａ１号公報、および、同第２００４／０１４７９２０Ａ１号公報、に記載されていて、これらの刊行物の開示内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。これらの刊行物は、心臓カテーテル、整形外科インプラント、および、さまざまな医療手技で用いられる医療器具、のような体内の物体の位置を追跡する方法およびシステムを記載している。
【０００４】
その開示内容が参照することによって本明細書に組み込まれる米国特許第６，４８４，１１８号明細書は、単軸位置センサー、ならびに、位置および方向の決定方法を用いて物体の位置および方向を求める医療用追跡システムおよび方法を記載している。
【０００５】
特許文献に記載されたいくつかの応答機およびセンサーは、共振回路(resonant circuits)を含んでいる。例えば、米国特許第６，５３５，１０８号明細書は、その開示内容が参照することによって本明細書に組み込まれるが、抵抗−インダクタンス−キャパシタンス（ＲＬＣ）共振回路を有する応答機を記載していて、その回路は、外部から加えられた変調エネルギーフィールドに応答して変わる一つ以上の電磁エネルギー蓄積コンポーネントを含んでいる。エネルギーフィールドに加えて、ベースステーションが、ＲＬＣ回路の零入力共振周波数と本質的に等しい周波数を有するキャリア信号を送信する。電磁エネルギー蓄積コンポーネントが変化すると、ＲＬＣ回路の共振周波数が変化し、キャリア信号を外部から加えられた変調エネルギーフィールドで変調する。変調の効果が、ベースステーションで検出される。情報（例えば、タグが存在すること）が、変調された信号をベースステーションで受信し復調することによって、得られる。
【０００６】
別の例として、米国特許第６，２０６，８３５号明細書は、その開示内容が参照することによって本明細書に組み込まれるが、外部の呼び掛け回路(external interrogation circuit)に応答する植え込み装置を記載している。植え込み装置は、生きた動物の体内に植え込み可能であり、生きた動物の体内での機能を実行するまたは機能の実行を援助するように機能可能に構成されている構造を含む。植え込み装置は、その機能に関連するパラメーターを感知するための電気的受動感知回路をさらに含んでいる。その感知回路は、誘導性要素を含み、感知回路は、励振器／呼び掛け器の要素によって供給された呼び掛け信号に応答する、呼び掛け回路への、周波数依存の可変インピーダンス負荷効果を有し、そのインピーダンス負荷効果は、感知されたパラメーターに関連して変化する。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明の実施の形態は、患者の体内に挿入された物体に取り付けられた応答機の位置および方向を追跡する方法およびシステムを提供する。いくつかの実施の形態では、一つ以上のフィールド発生器が、応答機を含む稼動範囲内に位置によって変化するフィールド(position-varying fields)を生み出す。応答機は、共振回路を含み、その共振回路の共振周波数は、共振回路の近傍の、周囲の位置によって変化する磁界に応答して変化する。したがって、共振周波数は、フィールドを生み出すフィールド発生器に関する応答機の位置および方向を表示する。
【０００８】
位置追跡器は、応答機内の共振回路の共振周波数を遠隔で感知し、一つ以上のフィールド発生器に関する応答機の、かくして、物体の位置および方向を求める。
【０００９】
いくつかの実施の形態では、共振回路は、フィールド応答要素を含み、フィールド応答要素は、周囲の磁界に応答して、当該フィールド応答要素の電気的性質を変える。いくつかの実施の形態では、フィールド応答要素は、磁気誘導性コアの周りに配置されたインダクターを含み、磁気誘導性コアは、位置によって変化する磁界に応答して、当該コアの透磁率を変える。透磁率の変化が、インダクターのインダクタンスを変え、インダクタンスの変化が、共振回路の共振周波数を変える。
【００１０】
別の実施の形態では、フィールド応答要素は、磁気制限的要素（magneto-restrictive element）に結合されたキャパシターを含む。位置によって変化する磁界に応答する磁気制限的要素の収縮および／または拡張が、キャパシターのキャパシタンスを変え、キャパシタンスの変化が、共振回路の共振周波数を変える。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、本明細書に記載された構成を用いる応答機は、受動的でかつ無線式であり、応答機が、外部の位置追跡システムといかなる有線式の接続をすることなく、実質的に無限の時間間隔に亘って、動作状態に留まることができるようにしている。
【００１２】
いくつかの実施の形態では、本明細書に記載された方法およびシステムは、低周波数の磁界を用いることができ、それによって、磁界中の金属製の物体によって引き起こされる歪に対するシステムの耐性を増強する。
【００１３】
したがって、本発明のある実施の形態に基づけば、位置追跡システムが提供され、そのシステムは、
一つ以上のフィールド発生器であって、一つ以上の、個別の位置によって変化する磁界を生み出すように構成された、一つ以上のフィールド発生器と、
共振回路を含む応答機であって、共振回路は、共振周波数を有し、かつ、フィールド応答要素を含み、フィールド応答要素は、一つ以上の磁界に応答して共振周波数を変えるように動作する、応答機と、
位置追跡器であって、共振回路の共振周波数を遠隔で感知するように、かつ、感知された共振周波数に応答して応答機の位置を求めるように、構成された、位置追跡器と、
を具備する。
【００１４】
ある実施の形態では、応答機は、患者の体内に挿入するように構成された物体に取り付けられていて、位置追跡器は、体内での物体の位置を求めるように構成されている。
【００１５】
別の実施の形態では、フィールド応答要素は、インダクタンスを有するインダクターを含み、インダクタンスは、共振周波数を変えるように、一つ以上の磁界に応答して変わる。インダクターは、コアを含んでいてよく、コアは、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、透磁率は、インダクタンスを変えるように、一つ以上の磁界に応答して変わる。
【００１６】
さらに別の実施の形態では、フィールド応答要素は、キャパシターを含み、キャパシターは、キャパシタンスを有し、キャパシタンスは、共振周波数を変えるように、一つ以上の磁界に応答して変わる。ある実施の形態では、キャパシターは、導電性電極を含み、フィールド応答要素は、磁気制限的要素を含み、磁気制限的要素は、少なくとも一つの電極に取り付けられており、かつ、キャパシタンスを変えるように、一つ以上の磁界に応答して電極の空間的な関係を変えるように構成されている。
【００１７】
さらに別の実施の形態では、一つ以上のフィールド発生器の各々は、少なくとも２つのフィールド放射コイルを含み、少なくとも２つのフィールド放射コイルは、回転磁界を生み出すように、対応する駆動信号によって駆動される。それに加えて、または、それに代わって、一つ以上のフィールド発生器は、それぞれ２つ以上の異なる場所に位置する２つ以上のフィールド発生器を含み、２つ以上のフィールド発生器は、位置によって変化する磁界をそれぞれ生み出すように順番に動作させられる。
【００１８】
ある実施の形態では、位置追跡器は、予め決められた周波数範囲に亘って応答機に向けてプローブ信号を送信し、プローブ信号に応答して応答機によって生み出された信号を受信し、応答機によって生み出された信号に応答して、予め決められた周波数範囲に亘る共振回路によるプローブ信号の負荷を測定し、負荷に応答して共振周波数を推定する、ように構成されている。
【００１９】
本発明のある実施の形態に基づけば、位置追跡システムで用いるための応答機も、提供され、その応答機は、共振周波数を有する共振回路であって、外部から加えられた磁界に応答して共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含み、磁界に応答して共振周波数の近傍でプローブ信号を可変で反射する、共振回路、を具備する。
【００２０】
本発明のある実施の形態に基づけば、位置追跡方法がさらに提供され、その方法は、
物体に応答機を取り付ける過程であって、応答機は、共振周波数を有する共振回路を含み、共振回路は、周囲の磁界に応答して共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含む、過程と、
物体の近傍に位置によって変化する磁界を生み出す過程と、
共振回路の共振周波数を遠隔で感知する過程と、
感知された共振周波数に応答して応答機の位置を求める過程と
を含む。
【００２１】
本発明は、図面と共に本発明の実施の形態の以下の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解されるはずである。
【００２２】
〔発明の詳細な説明〕
図１は、本発明のある実施の形態に基づく、外科手術で用いられる、磁気的位置追跡システム２０の模式的な絵解き図である。外科医２２は、医療器具２４を用いて、患者２３へ医療手技を実行する。インプラント２６は、手術部位で患者の体内に導入される。この例では、インプラントは患者の脚の骨３０内に配置されている。システム２０は、外科医が手術手技、この例では、膝関節手術を行うのを、インプラント２６および器具２４の位置を測定し表示することによって、案内する。システムは、手術部位を含む稼動範囲全体に亘って場所および方向の座標（location and orientation coordinates）を測定する。
【００２３】
器具２４およびインプラント２６の座標は、設置パッド（location pad）３４のようなフィールド発生器に関して求められ、設置パッド３４は患者の体に固定されている。図１に示された例では、設置パッド３４は、インプラント２６の近くの、患者のふくらはぎおよび大腿の表面に配置されている。信号発生器ユニット３８は、フィールド発生器を駆動する駆動信号を生み出し、フィールド発生器は、設置パッド３４内のフィールド発生コイルを典型的に含んでいる。設置パッドは、典型的には、配線でユニット３８に接続されているが、無線式接続も考えられる。フィールド発生コイルは、以下に詳しく記載されるように、稼動範囲全体に亘って磁界を生み出す。
【００２４】
インプラント２６および器具２４は、小型の受動応答機を収容している。大体においては、各応答機は、共振回路を含み、共振回路の共振周波数は、共振回路の近傍での周囲の磁界に基づいて変化する。設置パッド３４によって生み出された磁界は、器具２４およびインプラント２６の各々に嵌め合わされた共振回路が、所定の共振周波数を有するようにし、その共振周波数は、周囲の磁界に応じて、および、磁界に関する応答機の空間的な向きに応じて、変わる。
【００２５】
位置追跡器４０は、各応答機の共振回路の共振周波数を遠隔で感知し、感知された共振周波数に応答して応答機の位置および方向を求める。求められた結果が、典型的には、ディスプレイ４２上で外科医に表示される。
【００２６】
図１は、整形外科手術で用いられる位置追跡システムを示しているが、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、心臓イメージングシステムのようなその他の位置追跡システム、ならびに、さまざまな非医療的用途、にも用いられてよい。用途に応じて、同様の応答機が、カテーテル、内視鏡、医療的または外科的な器具、または、任意のその他の適切な追跡される物体、に結合されてよい。本明細書に記載された方法および装置を用いることができるいくつかの例示的なシステムは、上記の引用された刊行物に記載されている。
【００２７】
本明細書で以下に記載される方法およびシステムは、外部のシステムと無線式で相互に連絡している受動応答機を有することが望ましい用途で特に適している。例えば、図１の整形外科手術システムでのように、応答機を骨に植え込む場合には、応答機が受動的および無線式の両方であることが有益である。受動応答機は、応答機が、バッテリーを交換するための外科手術を必要とせずに、実質的に無限の時間間隔に亘って、動作する状態に留まることを可能にする。そのような応答機が無線式であることも有益であり、その理由は、整形外科インプラントへの配線の接続が煩雑であり、感染およびその他の合併症のリスクを増加するからである。
【００２８】
図２は、本発明のある実施の形態に基づく、位置追跡システム２０の要素を模式的に示したブロック図である。図２は、患者の骨３０内に植え込まれたインプラント２６を示している。受動応答機４６は、インプラント２６に嵌め合わされている。同様の応答機が器具２４にも嵌め合わされていてよい。以下の記載は、インプラント２６に嵌め合わされた応答機に関するが、記載された方法および構成は、器具２４の位置および方向を追跡するためにも用いられてよい。
【００２９】
図２の例示的な構成では、３つの設置パッド３４が、応答機４６の近傍に、位置によって変化する磁界を生み出す。いくつかの実施の形態では、各設置パッド３４は、その方向が稼動範囲全体に亘って変化する（例えば、回転する）交流（ＡＣ）磁界を生み出す。
【００３０】
回転磁界は、例えば、各設置パッド３４が２つの直交するフィールド発生コイルを含むように構成することによって、生み出されてよい。２つのコイルは、同じ周波数であるが異なる位相を有する２つの対応する駆動信号を用いて、信号発生器ユニット３８によって駆動される。２つのコイルによって生み出された合成磁界は、大まかに言って、楕円形の回転磁界であり、その回転パターンは、２つの駆動信号の周波数ならびに相対的な位相および振幅に応じて変わる。例えば、９０度の相対的な位相差を有する等しい振幅の２つの駆動信号は、円形の回転磁界を生み出す。別の実施の形態では、２つのコイルは、直交していなくてよい、および／または、異なる周波数を有する駆動信号で駆動されてよい。さらに、それに代わって、任意の別の適切な方法が、各設置パッド３４によって位置によって変化するフィールドを生み出すために用いられてよい。
【００３１】
比較的高い周波数を有する駆動信号（および磁界）を用いる場合により良好に機能するいくつかの位置追跡システムとは異なり、システム２０は、任意の好都合な周波数を有する磁界を用いて動作させることができる。低周波数の磁界を用いることは、システムの金属耐性を改善するために、すなわち、位置測定をゆがめる、応答機の近傍内の金属製の物体の寄生効果を減らすために、望ましいことが多い。零ヘルツから数千ヘルツまでの範囲内の周波数を有する磁界は、典型的には、低周波数磁界とみなされるが、その他の周波数が用いられてもよい。
【００３２】
いくつかの実施の形態では、システム２０が、２つ以上の設置パッド３４を含む場合に、信号発生器ユニット３８は、時間−分割パターン(time-division pattern)で一度に一つずつ設置パッドを駆動する。大まかに言って、異なる設置パッドによって生み出された磁界の周波数、位相、または、振幅の間には、関連がある必要はない。
【００３３】
インプラント２６内の応答機４６は、応答機４６の近傍の磁界の振幅および／または方向を感知する。各設置パッド３４によって生み出された磁界の方向は、位置によって変化するので、感知された磁界は、インプラント２６と磁界を生み出した設置パッド３４との間の距離を示す。いくつかの実施の形態では、応答機４６は、共振回路を含み、共振回路は、周囲の磁界に応答してその共振周波数を変えるように構成されている。時間の各時点で、回路４８は、ある位置に配置されていて、かつ、設置パッド３４に対して、ある空間的な角度で方向づけられている。共振回路４８は、少なくとも一つのフィールド応答コンポーネントを含み、そのコンポーネントは、以下の図３Ａおよび図３Ｂの記載で説明されるように、コンポーネントの電気的特性をコンポーネントの軸に投影された周囲の磁界に応答して変えるように、動作する。したがって、共振回路４８は、このコンポーネントの軸に投影された磁界のコンポーネントに応答して、共振回路の共振周波数を変える。
【００３４】
回路４８の共振周波数は、任意の好都合な値に設定されてよい。いくつかの実施の形態では、共振周波数は、１００ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの間にあるように選択される。ある実施の形態では、共振回路は、無線周波数識別(radio frequency identification)（ＲＦＩＤ）の用途で広く用いられる範囲である、約１３５ｋＨｚの共振周波数を有する。回路４８の共振周波数は、磁界の周波数と混同されてはならないことが注意される。２つの周波数は、通常、無関係であり、任意の適切な値に独立して設定されてよい。
【００３５】
位置追跡器４０は、インプラント２６内の共振回路４８の共振周波数を、遠隔で測定する。測定された共振周波数を用いて、追跡器４０は、設置パッド３４に関するインプラント２６の位置および方向を推定する。設置パッド３４が時間−分割パターンで順番に駆動される実施の形態では、追跡器４０の測定値は、典型的には、このパターンに同期している。いくつかの実施の形態では、追跡器４０は、異なる設置パッドに対応する測定値を組み合わせて、設置パッドに関するインプラント２６の位置座標および方向座標を求める。追跡器４０は、測定値を位置／方向の推定値に組み合わせるために、さまざまな三角測量法、ならびに、当該分野で知られた任意の他の適切な方法を用いてよい。位置／方向の推定値は、インプラントの６次元座標として表現されることが多い。それに加えて、または、それに代わって、位置の計算は、上記の米国特許第６，４８４，１１８号明細書に記載された方法のような、単軸方法を用いてもよい。
【００３６】
追跡器４０のある例示的な実施の形態では、電圧制御発振器(voltage controlled oscillator)（ＶＣＯ）５２が、予め決められた周波数範囲を包含するプローブ信号を生み出す。いくつかの実施の形態では、プローブ信号は、搬送波(carrier)を含み、搬送波は、その周波数範囲に亘って掃引される。それに代わって、プローブ信号は、搬送波を含み、その搬送波は、予め決められた周波数リストにしたがってある周波数から別の周波数へホッピングを行う。プローブ信号は、その周波数範囲または周波数範囲の一部を瞬時に包含する広帯域信号を含んでいてもよい。さらにその代わりに、予め決められた周波数範囲を走査する任意の別の方法が用いられてよい。
【００３７】
プローブ信号は、送信増幅器５６によって増幅され、送信アンテナ６０を介して応答機４６に向けて送信される。アンテナ６０は、送信コイル、または、任意の他の適切なアンテナ構成、を含んでいてよい。いくつかの実施の形態では、ＶＣＯ５２は、当該分野で知られているように、位相同期ループ(phase-locked loop)（ＰＬＬ）構成に配置された位相検出器（ＰＤ）６８および比較器（ＣＰ）７０を用いて、望まれる周波数に設定される。受信コイル６４のような受信アンテナは、プローブ信号に応答して応答機４６によって生み出された信号を受信する。受信された信号は、受信増幅器６６によって増幅されて、受信機出力信号が生み出される。
【００３８】
プローブ信号は、共振回路４８内に電流を誘起する。誘起された電流の振幅は、共振回路４８の共振周波数に関するプローブ信号の周波数に応じて変わる。言い換えれば、共振回路は、共振回路の共振周波数およびプローブ信号の周波数に応じて、プローブ信号へ異なる負荷を与える。
【００３９】
誘起された電流は、共振回路に同じ周波数を有する電磁界すなわち信号を生み出すようにさせる。共振回路によって生み出された信号の振幅は、同様に、回路４８の共振周波数に関するプローブ信号の周波数に応じて変わる。
【００４０】
プローブ信号の周波数が回路４８の共振周波数に近づくと、共振回路内に誘起される電流は最大値に近づき、誘起される電流が最大値に近づくことが、追跡器によって受信される信号の振幅を最大に近づける。その結果、追跡器のＰＬＬは、共振回路４８の共振周波数を自動的に追跡する。
【００４１】
追跡プロセッサ７２は、追跡器４０のさまざまな測定機能、分析機能、および、制御機能を実行する。プロセッサ７２は、適切なソフトウェアコードを実行するマイクロプロセッサを含んでいてよい。それに代わって、プロセッサ７２は、適切なハードウェアを用いて、または、ハードウェア機能およびソフトウェア機能の組み合わせを用いて、実現されてよい。いくつかの実施の形態では、プロセッサ７２は、ＶＣＯ５２および／または、追跡器４０の他のコンポーネントを制御して、望ましい周波数のプローブ信号を生み出す。受信された信号を用いて、プロセッサ７２は、受信機の出力信号を分析し、共振回路４８の共振周波数を推定する。推定された共振周波数に基づいて、プロセッサ７２は、設置パッド３４に関する、応答機４６の、そして、インプラント２６の、位置および方向を求める。
【００４２】
いくつかの実施の形態では、追跡プロセッサ７２は、ＶＣＯ５２によって生み出されたプローブ信号の周波数を、予め決められた範囲に亘って掃引し、各周波数で受信された信号の振幅を測定する。次に、プロセッサ７２は、その周波数範囲を通して測定された受信信号の振幅に応答する共振回路４８の共振周波数を推定する。いくつかの実施の形態では、プロセッサ７２は、受信された信号が最大の振幅になる周波数を特定する。それに代わって、任意の別の適切な方法が、受信された信号に基づく共振回路４８の共振周波数を推定するために、プロセッサ７２によって用いられてよい。
【００４３】
いくつかの実施の形態では、追跡器４０は、送信モードと受信モードとを交互に繰り返す。言い換えれば、追跡器は、ある時間間隔の間に特定の周波数でプローブ信号を送信し、次に、それに続く時間間隔の間に応答機によって生み出された信号を受信する。これらの実施の形態では、追跡プロセッサ７２は、ＣＰ７０および送信増幅器５６の電力を交互にオンおよびオフに切り替えてよい。送信モードのときは、送信増幅器５６は、オン状態に切り替えられ、ＣＰ７０は、オフ状態に切り替えられ、受信モードのときには、送信機増幅器５６は、オフ状態に切り替えられ、ＣＰ７０はオン状態に切り替えられる。例えば、図２では、プロセッサ７２によって生み出されたオン／オフ制御信号が、インバーター７４を用いて、増幅器５６とＣＰ７０との間の電力を交互に切り替えてよい。
【００４４】
図３Ａは、本発明のある実施の形態に基づく応答機４６の例示的な構成を模式的に示したブロック図である。この例の共振回路４８は、キャパシター８０およびインダクター８２を含み、インダクター８２は、フィールド応答要素として役立つ。回路４８の共振周波数が、以下の式
【数１】
2007330779.tif 000003
で与えられることはよく知られていて、ここで、Ｌは、インダクター８２のインダクタンスを表し、Ｃは、キャパシター８０のキャパシタンスを表している。
【００４５】
インダクター８２は、コア８４の周りに、巻かれている、または、その他の方法で配置されている。コア８４の透磁率は、μで表され、インダクター８２のインダクタンスＬに影響を及ぼし、インダクタンスＬの変化が回路４８の共振周波数ｆrに影響を及ぼす。いくつかの実施の形態では、コア８４は、その透磁率が周囲の磁界に応答して変化する磁気誘導性材料を含んでいる。コア８４の磁気誘導性材料は、例えば、ＦｅＣｕＮｂＳｉＢ／Ｃｕ／ＦｅＣｕＮｂＳｉＢフィルム、または、それに類似の材料、を含んでいてよい。
【００４６】
それに代わって、磁気誘導性特性を備えた任意の別の適切な材料が、この目的のために用いられてよい。典型的には、コア８４の透磁率は、コアの軸に沿って投影された磁界のコンポーネントに応答して変化する。したがって、回路４８の共振周波数は、磁界を生み出した設置パッド３４に関するインプラント２６の位置および方向を示す。
【００４７】
図３Ｂは、本発明の別の実施の形態に基づく応答機４６の例示的な構成を模式的に示したブロック図である。図３Ｂの構成では、回路４８は、インダクター８６およびキャパシター８８を含む並列共振回路であり、キャパシター８８は、フィールド応答要素として役立つ。いくつかの実施の形態では、キャパシター８８は、磁界制限的要素９０に結合されていて、磁界制限的要素９０は、周囲の磁界に応答して収縮および／または拡張する。要素９０は、当該分野で知られた任意の適切な磁界制限的材料であってよく、例えば、テルフェノールＤ（Terfenol-D）であってよい。
【００４８】
いくつかの実施の形態では、キャパシター８８は、空隙または適切な誘電体によって隔てられた導電性プレートのような２つの向かい合う導電性電極を含んでいる。図３Ｂの例では、要素９０は、キャパシター８８の導電性プレートの一方に機械的に取り付けられている。周囲の磁界が変化すると、要素９０は、収縮または拡張し、それによって、より詳しく言うと、キャパシターのプレート間のギャップの幅を変えることによって、電極間の空間的な関係を変える。ギャップの幅の変化が、キャパシター８８のキャパシタンスを変え、キャパシタンスの変化が、回路４８の共振周波数を変える。典型的には、キャパシター８８および要素９０は、ある軸に沿って配置されていて、キャパシタープレート間のギャップが、その軸に沿った要素９０の収縮／拡張にのみ実質的に応答して変化するようになっている。したがって、上記の図３Ａの構成のように、回路４８の共振周波数は、この軸に沿った磁界のコンポーネントの変化に応答して変わる。
【００４９】
別の実施の形態（図示されていない。）では、磁気制限的要素９０は、電極の空間的な関係を別の方法で変えてよい。例えば、要素９０は、導電性プレートの向かい合う面積を変えるように、キャパシター８８に結合されていてよく、向かい合う面積の変化も、キャパシター８８のキャパシタンスに影響を及ぼす。さらにそれに代わって、キャパシター８８は、任意の形状または構成を有する導電性電極を含んでいてよく、磁気制限的要素９０は、キャパシターのキャパシタンスを周囲の磁界に応答して変えるように、任意の適切な方法で、キャパシターに結合されていてよい。別の実施の形態では、表面弾性波(surface-acoustic wave)（ＳＡＷ）デバイスが、共振回路４８内のフィールド応答要素として用いられてもよく、その理由は、磁界がＳＡＷデバイスの内部反射特性を変えるからである。
【００５０】
本明細書に記載された方法およびシステムは、主に、医療用インプラント、器具、および、用具、の遠隔共振周波数測定による、位置追跡に関するが、本発明の原理は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグ、および、工業用磁界センサー、のような、他の用途での位置追跡を実行するために用いられてもよい。
【００５１】
したがって、上述された実施の形態が例として引用されたこと、および、本発明が具体的に図示され本明細書で上述されたものに限定されないこと、が適正に評価されるはずである。むしろ、本発明の範囲は、本明細書に上述されたさまざまな特徴の組み合わせおよび部分的な組み合わせの両方、ならびに、本明細書の上記の記載を読むことによって当業者には思いつくことができ従来の技術では開示されていないさまざまな特徴の変形および変更、を含む。
【００５２】
〔実施の態様〕
この発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（１）位置追跡システムにおいて、
一つ以上のフィールド発生器であって、一つ以上の、個別の位置によって変化する磁界を生み出すように構成された、一つ以上のフィールド発生器と、
共振回路を含む応答機であって、
前記共振回路は、共振周波数を有し、かつ、フィールド応答要素を含み、
前記フィールド応答要素は、前記一つ以上の磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作する、
応答機と、
位置追跡器であって、前記共振回路の前記共振周波数を遠隔で感知するように、かつ、前記感知された共振周波数に応答して前記応答機の位置を求めるように、構成された、位置追跡器と、
を具備する、位置追跡システム。
（２）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記応答機が、患者の体内に挿入するように構成された物体に取り付けられていて、
前記位置追跡器が、前記体内での前記物体の位置を求めるように構成されている、位置追跡システム。
（３）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
（４）実施態様（３）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
（５）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記フィールド応答要素が、キャパシターを含み、
前記キャパシターが、キャパシタンスを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して変わる、位置追跡システム。
（６）実施態様（５）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記一つ以上の磁界に応答して前記電極の空間的な関係を変えるように構成されている、位置追跡システム。
（７）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
各前記一つ以上のフィールド発生器が、少なくとも２つのフィールド放射コイルを含み、
前記フィールド放射コイルが、回転磁界を生み出すように、対応する駆動信号によって駆動される、位置追跡システム。
（８）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記一つ以上のフィールド発生器が、それぞれ２つ以上の異なる場所に位置する２つ以上のフィールド発生器を含み、
前記２つ以上のフィールド発生器が、位置によって変化する磁界をそれぞれ生み出すように順番に動作させられる、位置追跡システム。
（９）実施態様（１）に記載の位置追跡システムにおいて、
前記位置追跡器が、
予め決められた周波数範囲に亘って前記応答機に向けてプローブ信号を送信し、
前記プローブ信号に応答して前記応答機によって生み出された信号を受信し、
前記応答機によって生み出された前記信号に応答して、前記予め決められた周波数範囲に亘って前記共振回路による前記プローブ信号の負荷を測定し、
前記負荷に応答して前記共振周波数を推定する、
ように構成されている、位置追跡システム。
（１０）位置追跡システムで用いるための応答機において、
共振周波数を有する共振回路であって、外部から加えられた磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含み、前記磁界に応答して前記共振周波数の近傍でプローブ信号を可変で反射する、共振回路、
を具備する、応答機。
【００５３】
（１１）実施態様（１０）に記載の応答機において、
前記応答機が、患者の体内に挿入するように構成された物体に取り付けられている、応答機。
（１２）実施態様（１０）に記載の応答機において、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスは、前記共振周波数を変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
（１３）実施態様（１２）に記載の応答機において、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
（１４）実施態様（１０）に記載の応答機において、
前記フィールド応答要素が、キャパシタンスを有するキャパシターを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して変わる、応答機。
（１５）実施態様（１４）に記載の応答機において、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記外部から加えられた磁界に応答して前記電極の面積の空間的な関係を変えるように構成されている、応答機。
（１６）位置追跡方法において、
物体に応答機を取り付ける過程であって、前記応答機は、共振周波数を有する共振回路を含み、前記共振回路は、周囲の磁界に応答して前記共振周波数を変えるように動作するフィールド応答要素を含む、過程と、
前記物体の近傍に、位置によって変化する磁界を生み出す過程と、
前記共振回路の前記共振周波数を遠隔で感知する過程と、
前記感知された共振周波数に応答して前記応答機の位置を求める過程と
を含む、方法。
（１７）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記物体を患者の体内に挿入する過程、
をさらに含み、
前記応答機の位置を求める前記過程が、前記体内で前記物体の位置を追跡する過程を含む、方法。
（１８）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記フィールド応答要素が、インダクタンスを有するインダクターを含み、
前記インダクタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
（１９）実施態様（１８）に記載の方法において、
前記インダクターが、コアを含み、
前記コアが、磁気誘導性材料を含み、かつ、透磁率を有し、
前記透磁率が、前記インダクタンスを変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
（２０）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記フィールド応答要素が、キャパシターを含み、
前記キャパシターが、キャパシタンスを含み、
前記キャパシタンスが、前記共振周波数を変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して変わる、方法。
【００５４】
（２１）実施態様（２０）に記載の方法において、
前記キャパシターが、導電性電極を含み、
前記フィールド応答要素が、磁気制限的要素を含み、
前記磁気制限的要素が、少なくとも一つの前記電極に取り付けられており、かつ、前記キャパシタンスを変えるように、前記位置によって変化する磁界に応答して前記電極の面積の空間的な関係を変えるように構成されている、方法。
（２２）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記位置によって変化する磁界を生み出す前記過程が、
一つ以上の回転磁界を生み出すように、一つ以上のフィールド発生器を対応する駆動信号で駆動する過程、
を含む、方法。
（２３）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記位置によって変化する磁界を生み出す前記過程が、
それぞれ２つ以上の異なる場所に位置する２つ以上のフィールド発生器を順番に駆動し、対応する位置によって変化する磁界を生み出す、過程、
を含む、方法。
（２４）実施態様（１６）に記載の方法において、
前記共振周波数を感知する前記過程が、
予め決められた周波数範囲に亘って前記応答機に向けてプローブ信号を送信する過程と、
前記プローブ信号に応答して前記応答機によって生み出された信号を受信する過程と、
前記応答機によって生み出された前記信号に応答して前記予め決められた周波数範囲に亘って前記共振回路による前記プローブ信号の負荷を測定する過程と、
前記負荷に応答して前記共振周波数を推定する過程と
を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のある実施の形態に基づく、位置追跡システムの模式的な絵解き図である。
【図２】本発明のある実施の形態に基づく、位置追跡システムを模式的に示したブロック図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態に基づく、位置追跡システムの応答機を模式的に示したブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態に基づく、位置追跡システムの応答機を模式的に示したブロック図である。
【図１】
2007330779.tif 000004
【図２】
2007330779.tif 000005
【図３Ａ】
2007330779.tif 000006
【図３Ｂ】
2007330779.tif 000007
【外国語明細書】
2007330779000001.pdf