DE10012639A1 - Positionsinformationen durch Röntgen-optische Elemente - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positions- und Richtungsbestimmung eines Objektes, das sich zwischen Rötgenquelle und Röntgenschirm befindet, etwa eines medizinischen Katheters, wobei lediglich Röntgen-optische Eigenschaften des Objektes selbst dazu benutzt werden, mit Hilfe charakteristischer Projektionsmarken auf dem Röntgenschirm die Position des Objektes zu berechnen. In dem als Beispiel nachstehend wiedergegebenen Schema bedeutet (1) eine Röntgenquell, (2) einen Röntgenschirm, (5) einen Kristall, etwa an einem Katheter montiert, (4) den Röntgen-Schatten des Kristalls, und (6) die Projektion der abgelenkten Strahlen entsprechend einem Laue-Diagramm. Aus der Lage dieser Markierungspunkte sind sowohl Position als Ausrichtung des Kristalls zu errechnen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren, die es gestatten, sowohl Position als auch Orientierung eines Katheters während dessen Einführung in den Körper eines Patienten zu erkennen und unmittelbar während der Einführung des Katheters auf dem üblichen Röntgenschirm oder mit anderen Mitteln darzustellen, wobei zur Generierung der Positionssignale lediglich in den Katheter integrierte Röntgen-optische Elemente dienen und als Empfangselement dieser Signale vorzugsweise der Röntgenschirm selbst eingesetzt wird. Über digitale Bildverarbeitung können numerische Positionsdaten des Katheters errechnet werden. Die Erfindung bezieht sich in analoger Weise auf andere Objekte, die sich im Raum zwischen einer Röntgenquelle und einem Röntgenschirm befinden.

Beim medizinischen Verfahren der Katheter-Einführung ist es wünschenswert, die Position des Katheters während dessen Einführung - etwa in eine Arterie oder eine Herzventrikel - verfolgen zu können. Dies ist, allerdings mit Einschränkung auf Zweidimensionalität, bei der einfachen Betrachtung eines Röntgenbildes möglich, da sich ein Katheter, der Röntgenopake Konstruktionsmaterialien enthält, leicht erkennen lässt. Diese zweidimensionale Information reicht aber für den Arzt, der den Katheter handhabt, nicht aus, da aus dieser Projektion nicht hervorgeht, wo sich der Katheter auf der durch die Röntgenstrahlen gegebenen Achse befindet, und wie die Katheterspitze ausgerichtet ist.

Es wurden mehrere Verfahren angegeben, mit deren Hilfe die fehlenden Informationen der dritten Dimension bereitgestellt werden können. Nach einem Verfahrensvorschlag (US-Patent Nr. 5,558,091) werden am Katheter mehrere Miniaturspulen montiert, die ausserhalb des Patienten generierte magnetische Signale auffangen und über die empfangenen Signale wiederum Informationen nach aussen senden, woraus wiederum die Katheterposition errechnet werden kann. Nach einem anderen Verfahren (US-Patent Nr. 5,645,065), das ebenfalls mit extern generierten Magnetfeldern arbeitet, wird mit Hilfe einer am Katheter montierten Longitudinalspule Position und Ausrichtung des Katheters ermittelt. Nach einem weiteren Verfahren (US-Patent Nr. 5,879,297) wird die Lage eines mit dem Katheter gekoppelten Permanentmagneten durch ausserhalb des Patienten montierte Magnetsensoren bestimmt. Nach einem weiteren Verfahren (US-Patent Nr. 5,515,853) wird mit Hilfe einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die teils auf dem Katheter, teils ausserhalb des Patienten montiert sind, und die wechselweise als Ultraschallsender und -empfänger geschaltet werden, die Position der auf dem Katheter montierten Piezoelemente trianguliert. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass ausserhalb des Patienten oder am Patienten selbst Detektionssysteme montiert werden müssen, durch die die Katheterposition ermittelt wird.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren eingangs erwähnter Art werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass die Positionsinformationen über den Katheter durch blosse Umleitung der Röntgenstrahlung, die den Katheter trifft, gewonnen werden. Die Positionsinformationen stellen sich als charakteristische Muster auf dem Röntgenschirm dar. Sie können nach digitaler Auswertung aus dem Bild entfernt und durch für den Arzt leicht erkennbare Positionshinweise ersetzt werden.

In einer möglichen Ausführungsform werden im Katheter ein oder mehrere Kristalle montiert. Kristalle, die von Röntgenstrahlung getroffen werden, geben, wie die bekannten Laue-Diagramme zeigen, Röntgenstrahlen in charakteristischen Richtungen ab, wobei diese Richtungen von den Winkelbeziehungen zwischen der Richtung der Röntgenstrahlen und den Kristallachsen abhängen. Diese vom Kristall ausgehenden Strahlen ergeben ein Muster auf dem Röntgenschirm, aus dem sich Position und Ausrichtung des Kristalls errechnen lässt.

In einer anderen möglichen Ausführungsform des Verfahrens werden an mehreren Stellen kleine Mengen Kristallpulver in den Katheter integriert. Kristallpulver ergibt bei Durchstrahlung nach der Debye-Scherrer-Methode ringförmige Projektionsmuster. Auf dem Röntgenschirm resultieren elliptische Kurven, aus deren Grösse und Exzentrizität die Position der Pulverquelle zu entnehmen ist.

In einer weiteren Verfahrensvariante werden für Röntgenlicht spiegelnde oder fokussierende Elemente an geeigneten Stellen des Katheters angebracht, die die Röntgenstrahlung umlenken. Diese umgelenkte Röntgenstrahlung trifft auf den Röntgenschirm und liefert Information über die Katheterposition. Als Röntgen-optische Elemente können beispielsweise Bauteile verwendet werden, die Röntgenlicht in streifendem Auffall total reflektieren - eine Methode die z. B. in der Röntgenastronomie angewandt wird - oder aus vielen dünnen Schichten bestehende Elemente, die bei steilem Einfall reflektieren, oder Elemente, die Fresnelsche Zonenplatten tragen, mit deren Hilfe Röntgenlicht fokussiert und umgelenkt werden kann, Zonenplatten, wie sie in der Röngenmikroskopie zum Einsatz kommen.

Bei digitaler Auswertung des Röntgenbildes kann die Katheterposition aus den Auftreffpunkten der abgelenkten Strahlen errechnet werden. Eine Erleichterung für die Erkennung der Auftreffpunkte kann darin bestehen, dass in Arbeitsphasen, in denen der Patient ruht, der Katheter aber bewegt wird, durch Subtraktion aufeinander folgender Bilder die Auftreffpunkte besonders deutlich werden. Weitere Bildverarbeitungsmethoden zur Hervorhebung der Auftreffpunkte gegenüber dem medizinischen Bildinhalt sind im Programm einer Dissertationsarbeit von Jacqueline Esthappan, University of Chicago, 1999, enthalten, einer Dissertationsarbeit, die sich insbesondere mit mathematischen Methoden zur Positionsberechnung auf der Basis von auf den Röntgenschirm projizierten Markierungspunkten beschäftigt.

Die oben geschilderten Verfahren können dahingehend erweitert werden, dass mehrere Katheter, die sich gleichzeitig im Patienten befinden, verfolgt werden können.

Fig. 1 gibt eine schematische Darstellung der Projektion eines Röntgen­ opaken Objektes auf einen Röntgenschirm. In Fig. 1 bedeutet (1) die Röntgenquelle, (2) den Röntgenschirm, (3) das im Röntgenstrahl liegende opake Objekt, (4) die Projektion dieses Objektes, die sich durch eine Zone verminderter auftreffender Strahlung darstellt. Fig. 2 zeigt in schematischer Form die Entstehung charakteristischer abgelenkter Röntgenstrahlen entsprechend einem Laue-Diagramm. Es bezeichnet (5) einen im Strahlengang befindlichen - etwa auf einem Katheter montierten - Kristall und (6) die Auftreffpunkte der abgelenkten Strahlen. In Fig. 3 ist die Strahlablenkung durch ein fokussierendes Zonenplättchen dargestellt. Es bezeichnet (7) ein gegenüber der Strahlachse etwas gekipptes Zonenplättchen und (8) den Auftreffpunkt der abgelenkten Strahlung. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nicht dargestellt, daß auf einem Katheter eine Mehrzahl von Zonenplättchen montiert ist um in beliebiger Stellung des Katheters Projektionen auf dem Schirm zu erhalten. Fig. 4 stellt in ähnlicher Weise den Effekt eines total-reflektierenden Elementes dar. Es ist (9) das im streifenden Licht total reflektierende Element und (10) der Auftreffpunkt der zugehörigen abgelenkten Strahlung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Positions- und Richtungsbestimmung eines Objektes, das sich zwischen Röntgenquelle und Röntgenschirm befindet, dadurch gekennzeichnet, dass Röntgen-optische Eigenschaften des Objektes charakteristische Projektionsmuster auf dem Röntgenschirm bewirken, aus denen sich Position und Richtung des Objektes bestimmen lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein Katheter für medizinische Zwecke ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Objekt ein oder mehrere Kristalle angebracht sind, die die Röntgenstrahlung beugen, wie aus Laue-Diagrammen bekannt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Objekt an mehreren Orten Kristallpulver angebracht ist, das entsprechend dem Debye-Scherrer-Verfahren auf dem Röntgenschirm charakteristische Ellipsenprojektionen bewirkt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Objekt in unterschiedlichen Winkeln Elemente angebracht sind, die streifendes Röntgenlicht spiegeln und auf den Röntgenschirm lenken.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Objekt Fresnelsche Zonenplättchen in unterschiedlichen Winkeln angebracht sind, die das Licht in charakteristischer Weise auf den Röntgenschirm fokussieren.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Objekt nach dem Prinzip dünner Plättchen hergestellte Röntgen-Spiegel angebracht sind, die allein oder im Zusammenwirken mit anderen Röntgen- optischen Elementen geeignete Strahlablenkung bewirken.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt werden, die eine relative Bewegung von Objekt und anderen zwischen Röntgenquelle und Schirm befindlichen Gegenständen zu detektieren gestatten und durch Bildsubtraktion die Positionsmarkierungen verdeutlichen.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Position und Ausrichtung mehrerer Objekte verfolgt wird.