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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung wenigstens eines für eine Untersuchung mit einer bildgebenden Untersuchungseinrichtung, insbesondere einer Röntgeneinrichtung, in den Körper eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments mit einem Positionssensorsystem sowie eine zugehörige bildgebende Untersuchungseinrichtung und ein Verfahren.
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Vaskuläre Gefäßerkrankungen wie der Herzinfarkt zählen zu den häufigsten Erkrankungen mit Todesfolge. Sie werden verursacht durch Erkrankungen der Gefäße, bei denen es durch Plaqueablagerungen zu einer Verengung bzw. zu einer „Verstopfung” der Gefäße kommt. Eine Behandlungsmöglichkeit besteht darin, die Engstellen beispielsweise der Koronargefäße mit einem so genannten „Ballon-Katheter” zu dehnen, wozu ein Führungsdraht durch das Gefäßsystem in den Bereich der zu behandelnden Engstelle geführt wird. Anschließend kann ein Führungskatheter über den Führungsdraht bis zum Ostium der Koronararterie geschoben werden, wobei innerhalb des Führungskatheters über den Führungsdraht ein Ballon-Katheter in der so genannten „Over-the-wire”-Technik geführt wird. Der am distalen Ende des Katheters vorgesehene Ballon wird anschließend aufgeblasen und so die Stenose erweitert. Auch bei anderen Erkrankungen werden in ähnlicher Weise medizinische Instrumente in den Körper des Patienten eingebracht.
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Derartige Behandlungen werden in der Regel unter Röntgenkontrolle nach einer Kontrastmittelgabe durchgeführt. Die verwendeten medizinischen Instrumente wie beispielsweise Katheter oder Führungsdrähte werden mit einem meist magnetischen beziehungsweise elektromagnetischen Positionssensorsystem versehen, das zudem externe Komponenten wie Sender beziehungsweise Empfänger außerhalb des Körpers aufweist, um so eine Ortung des Instruments im Körper des Patienten zu erreichen und die Behandlung begleitend zu überwachen. Die Überwachung dient z. B. dazu, Schädigungen des Gefäßsystems durch das Instrument zu verhindern.
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Aus der gattungsbildenden Druckschrift
EP 0 456 103 A2 ist eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung wenigstens eines für eine Untersuchung mit einer bildgebenden Untersuchungseinrichtung in dem Körper eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments mit einem Positionssensorsystem bekannt.
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Derartige Positionierungs- bzw. Ortungssysteme sind derzeit mit einem nicht zu vernachlässigenden Rechenaufwand für die eigentliche Positionsbestimmung verbunden, da für den menschlichen Körper beispielsweise, wie in der
DE 42 15 901 A1 beschrieben, das Modell eines unendlichen, homogenen leitfähigen Halbraums angenommen wird. Der Suchraum, den ein Rechensystem für die Ortung zur tatsächlichen Bestimmung der Position durchläuft, ist damit unendlich, so dass die Rekonstruktionszeit, bis tatsächlich Bildaufnahmen vorliegen, je nach dem vorhandenen Rechnersystem recht lang sein kann. Deshalb sind zum einen erhebliche Rechenressourcen erforderlich, während zum anderen die Behandlung durch Wartezeiten gegebenenfalls unnötig verzögert wird.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine diesbezügliche verbesserte Vorrichtung zur Positionsbestimmung anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung mit den gegenständlichen Merkmalen des Anspruchs 1 und eine bildgebende Untersuchungseinrichtung gemäß dem Anspruch 12 sowie ein dazugehöriges Verfahren gemäß dem Anspruch 14 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird also im Unterschied zu bisherigen Positionssensorsystemen nicht ein unendlicher Raum bzw. ein unendlicher Halbraum als Suchraum für die Position des medizinischen Instruments verwendet, sondern es wird in einer Recheneinheit wenigstens eine Information abgelegt, die geeignet ist, die Position des medizinischen Instruments zu beschränken. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass eine Information zum geometrischen Aufbau der bildgebenden Untersuchungseinrichtung abgespeichert wird, in der sich der Patient und somit der Katheter oder Führungsdraht oder ein weiteres medizinisches Instrument befinden muss. Auf diese eine oder mehreren Informationen greift die Recheneinheit, die die Positionsbestimmung durchführt, zu, indem sie diese aus ihrem oder einem zum Zugriff zur Verfügung stehenden Speicher abruft. Um nun die tatsächliche Positionsbestimmung durchzuführen, grenzt die Recheneinheit unter Verwendung der vorliegenden Informationen den Suchraum, der dem Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen entspricht, ein, wodurch der Rechenaufwand für die Positionsberechnung deutlich reduziert werden kann.
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Zweckmäßigerweise werden mehrere derart den Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen begrenzende Informationen in die Berechnung zur Ortung des Instruments einbezogen. Damit ist beispielsweise mit einem elektromagnetischen und/oder einem magnetischen Positionssensorsystem eine zeitnahe Ortung möglich.
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Die bildgebende Untersuchungseinrichtung kann eine Röntgeneinrichtung sein. Es kann sich aber auch um eine Computertomographie- oder Magnetresonanzeinrichtung handeln. Daneben kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Ultraschallanlagen oder bei der Positronen-Emissions-Tomographie ebenso wie beim SPECT-Verfahren (Single Photo Emission Computed Tomography) bzw. ähnlichen Einrichtungen zum Einsatz kommen.
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Als einschränkende untersuchungseinrichtungsspezifische Informationen können die Länge und/oder Breite und/oder eine minimale und/oder maximale Höhe eines Patiententisches und/oder einer bildgebenden Einheit, insbesondere einer Röntgenquelle, und/oder die Länge und/oder weitere Maße des medizinischen Instruments und/oder Informationen zur räumlichen Anordnung und/oder zu Bewegungsbegrenzungen der Untersuchungseinrichtung in der Recheneinheit abgelegt sein.
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Beispielsweise ist es zwangsläufig so, dass der Patient während einer Behandlung beispielsweise zur Beseitigung arteriosklerotischer Plaque auf einem Patiententisch bzw. einer Patientenliege liegt, so dass die Information über die Tischabmessung, also die Breite bzw. Länge des Tisches, genutzt werden können, um die Positionsbestimmung auf diese Fläche einzuschränken. Daneben ist die maximale untere Position des Patienten durch die Höhe der Tischplatte vorgegeben, und die maximale obere Position bei Verwendung eines Röntgenkontrollsystems durch die niedrigste noch vom Röntgenstrahler anfahrbare Höhe. Darüber hinaus kann die Länge bzw. die Ausdehnung des eingeführten medizinischen Instruments, wie beispielsweise eines Katheters oder eines Führungsdrahtes, genutzt werden, um den Suchraum für die Berechnung der Position des Instruments zu begrenzen.
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Gegebenenfalls liegen weitere Informationen zur räumlichen Anordnung der Untersuchungseinrichtung vor, beispielsweise zu baulichen Begrenzungen im Bereich über der Liege durch weitere Apparate oder dergleichen. Diese können ebenfalls von der Recheneinheit abgerufen und berücksichtigt werden, um den Ortungsraum zu begrenzen. Ebenso ist es möglich, gegebenenfalls vorhandene Verfahrmöglichkeiten beziehungsweise -beschränkungen der Liege bzw. einer Strahlenquelle zur Aufnahme von Röntgenbildern oder dergleichen zur Beschränkung des Positionsraums der möglichen räumlichen Positionen heranzuziehen. Dadurch können der Rechenaufwand und die benötigte Rekonstruktionszeit für Kontrollaufnahmen mit Positionsdaten reduziert werden.
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Die Recheneinheit kann Teil eines Kollisionsrechnersystems sein und/oder zum Zugriff auf ein Kollisionsrechnersystem ausgebildet sein und/oder zur Verarbeitung der in einem solchen System abgelegten Daten zur Bestimmung einschränkender untersuchungseinrichtungsspezifischer Informationen ausgebildet sein. In einem Kollisionsrechnersystem sind Gerätebewegungsgrenzen festgelegt, beispielsweise hinsichtlich der Bewegung der Bildaufnahmeeinheit derart, dass der sich auf der Patientenliege befindliche Patient nicht an die Bildaufnahmegeräte anstößt bzw. von diesen beengt wird oder dergleichen. In einem Kollisionsrechnersystem sind somit fundamentale Grenzen für die bei modernen Systemen zahlreichen Bewegungsmöglichkeiten beispielsweise zur Durchführung angiographischer Aufnahmen abgelegt. Die Recheneinheit, die den Positionsraum für die Positionsbestimmung festlegt, kann also Teil eines solchen Kollisionsrechnersystems sein bzw. zweckmäßigerweise zumindest auf ein solches Kollisionsrechnersystem zugreifen, um die dort bereits vorhandenen Daten, die den Positionsraum beschränken, abzurufen. Gegebenenfalls kann die Recheneinheit physikalisch vom Kollisionsrechnersystem getrennt sein, ist in einem solchen Fall vorteilhafterweise aber zumindest in der Lage, die in einem solchen System vorhandenen Daten zu verarbeiten, um daraus einschränkende und untersuchungseinrichtungsspezifische Informationen zu bestimmen. Diese Informationen werden dann in der Recheneinheit abgelegt oder zumindest kurzfristig vorgehalten, um eine Begrenzung des Positionsraums für die Positionsbestimmung des in den Körper des menschlichen oder tierischen Patienten eingeführten medizinischen Instruments durchzuführen. Durch diese Maßnahmen wird der Suchraum, in dem das medizinische Instrument im Rahmen der Positionsbestimmung gesucht wird, deutlich verkleinert.
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Darüber hinaus kann die Recheneinheit zur Erkennung möglicher magnetischer Feldänderungen im Bereich der Untersuchungseinrichtung und/oder zur Positionsbestimmung in Abhängigkeit der möglichen magnetischen Feldänderungen ausgebildet sein.
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Wird bei einer Behandlung lediglich eine Röntgenkontrolle durchgeführt, so ist es nur möglich, eine Engstelle bzw. den Gefäßdurchmesser als zweidimensionale Silhouette darzustellen. Ebenso werden in angiographischen Röntgenbildern der Führungsdraht bzw. ein Katheter oder andere medizinische Instrumente als zweidimensionale Überlagerungsbilder dargestellt. Das medizinische Instrument und das Gewebe werden zudem unterschiedlich gut im Röntgenbild gezeigt. Wünschenswert ist jedoch eine gute räumliche Darstellung aller Objekte, die die optimierte Feststellung der räumlichen Zuordnung im Patienten ermöglicht und bei der zudem eine geringere Röntgendosis ausreichend ist. Sofern eine räumliche Ortung bei medizinischen Kathetern beispielsweise in Kombination mit Sensoren zur Aussendung von intravaskulärem Ultraschall vorgesehen ist, besteht der Nachteil, dass die in der Regel verwendeten Systeme mit einem elektromagnetischen Ortungsprinzip empfindlich auf magnetische Feldänderungen in der Umgebung reagieren und diese die Genauigkeit der Positionsbestimmung negativ beeinflussen können. Eine negative Beeinflussung der zur Ortung verwendeten magnetischen Felder kann darüber hinaus durch weitere medizinische Instrumente und Geräte wie Instrumentenwagen oder dergleichen verursacht werden. Die Sendeeinheiten des magnetischen Ortungssystems beeinträchtigen gegebenenfalls zudem die Bildverarbeitungskette.
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Um diesen Problemen zu begegnen, wird erfindungsgemäß durch zusätzliche Maßnahmen ermöglicht, dass die Recheneinheit mögliche magnetische Feldänderungen, insbesondere alle magnetischen Feldänderungen, im Umfeld der Untersuchungseinrichtung erkennt und diese Feldänderungen beispielsweise einer Korrekturrecheneinheit zuführt, die diese bei der Bildrekonstruktion aus den Positionssensoren berücksichtigt. Damit lässt sich die Ortungsgenauigkeit erhöhen. Die Korrekturrecheneinheit kann gegebenenfalls ein Teil der Recheneinheit zur Positionsbestimmung sein, so dass sowohl die Positionsraumbegrenzung als auch die Korrekturen im Hinblick auf magnetische Feldänderungen direkt in die durchzuführende Positionsbestimmung einbezogen werden. Damit erfolgt die Positionsbestimmung zum einen bei begrenztem Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen des medizinischen Untersuchungsinstruments, zum anderen in Abhängigkeit der möglichen magnetischen Feldänderungen.
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Die Recheneinheit für die Erkennung der Feldänderungen und/oder die Positionsbestimmung in Abhängigkeit der Feldänderungen kann zur Einstellung wenigstens eines Zeitintervalls und/oder einer Zeittaktung für ein Triggersignal und/oder den Betrieb einer bildgebenden Einheit und/oder das Auslesen eines Detektorsystems und/oder das Aktivieren des Positionssensorsystems und/oder die Aktualisierung einer Bildschirmdarstellung aufgenommener Bilddaten ausgebildet sein.
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Es können also beispielsweise bei einer Röntgeneinrichtung die Zeitintervalle für eine mögliche Verzögerung bzw. einen möglichen Vorlauf in den Zeittakten der Strahlungsauslösung, des Auslesens des Röntgendetektors, bei dem es sich beispielsweise um einen Siliziumdetektor, einen CCD-Detektor (Charge-Coupled-Device-Detektor) oder eine Fernsehröhre handeln kann, oder das Aktivieren des z. B. elektromagnetischen Ortungssystems einstellbar gemacht werden. Dadurch kann das elektromagnetisch oder in anderer Form ausgebildete Positionssensorsystem individuell auf ein Röntgensystem eines bestimmten Herstellers angepasst werden. Beispielsweise kann die Positionsbestimmung des medizinischen Instruments in Abhängigkeit einer Aktualisierung einer Bildschirmdarstellung der aufgenommenen Bilddaten erfolgen, um so Artefakte durch magnetische Signale des Ortungssystems, die auf dem Bildschirm erscheinen könnten, zu unterdrücken. Die Einstellung der Zeitintervalle bzw. Zeittaktungen kann dabei unter Zugriff auf ein System von Regeln oder Daten erfolgen, das in einer Speichereinrichtung der Recheneinheit zur Positionsbestimmung bzw. zur Erkennung möglicher magnetischer Feldänderungen abgelegt ist. Hierbei kann es sich um ein Datenbanksystem oder dergleichen handeln.
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Des Weiteren kann die Recheneinheit bei Einstellung mehrerer Zeitintervalle und/oder Zeittaktungen zur wenigstens teilweise synchronisierten Einstellung der Zeitintervalle und/oder Zeittaktungen ausgebildet sein, insbesondere zur synchronisierten Einstellung unter Berücksichtigung wenigstens einer Verzögerung und/oder eines Vorlaufs. So ist beispielsweise eine Synchronisierung dahingehend zweckmäßig, dass ein Display wie ein TFT oder dergleichen nicht während der Zeit aktualisiert wird, in der eine magnetische Ortung aktiv ist, bzw. dass die magnetische Ortung nicht während der Aktualisierungszeit aktiviert oder abgeschaltet wird. Zudem ist es zweckmäßig, wenn das Auslesen eines CCD-Detektors oder eines TV-Detektors gegebenenfalls mit einer gewissen Verzögerung nach dem Ausschalten der Röntgenstrahlung und zudem zu Zeiten erfolgt, in denen die magnetische Ortung nicht aktiv ist. Die möglichen magnetischen Feldänderungen werden damit bei der Bildrekonstruktion berücksichtigt, wobei die Zeitintervalle und Zeittaktungen so synchronisiert werden, dass Überschneidungen störender Signale ausgeschlossen werden. Hierzu kann beispielsweise das Auslesen eines Detektors nach dem Ausschalten der Röntgenstrahlung bzw. nach dem Ausschalten der Röntgenstrahlung mit einer gewissen Verzögerung erfolgen, während die magnetische Ortung im Vorfeld des Einschaltens der Röntgenstrahlung aktiv ist, so dass es nicht zu Störungen der einzelnen Vorgänge kommt. Gegebenfalls kann die magnetische Ortung auch während eines Röntgenimpulses aktiv sein, sofern durch eine entsprechende Verzögerung des Auslesens des Detektors gewährleistet ist, dass es hierbei nicht zu Störungen durch die magnetische Ortung kommt.
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Die bildgebende Einheit, insbesondere eine Röntgenquelle, kann kontinuierlich und/oder gepulst betreibbar sein. So kann die Röntgenstrahlung in Abständen von einigen 10 Millisekunden ein- bzw. wieder ausgeschaltet werden. Alternativ kann die Röntgenstrahlung nach einem Triggersignal für die elektronische Datenverarbeitung für einen längeren Zeitraum eingeschaltet bleiben, wobei innerhalb dieses Zeitraums in gewissen Intervallen ein Auslesen des Detektors erfolgt bzw. eine magnetische oder elektromagnetische Ortung mehrfach aktiviert wird, wobei die Ortung und das Auslesen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen.
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Bei Verwendung gepulster Röntgenstrahlung sind beliebige Frequenzen wählbar, beispielsweise in einem Bereich von 0,5–200 Pulsen je Sekunde. Bei gepulster Röntgenstrahlung bis zu 15 Pulsen je Sekunde wird beispielsweise eine Dosiseinsparung erreicht, während bei höheren Frequenzen eine bessere Bewegungsschärfe erzielt wird.
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Daneben ist es möglich, dass das Ortungssystem bzw. Positionssensorsystem im Bereich zwischen den Auslesezyklen eines Röntgendetektors mehrfach aktiviert wird, also beispielsweise direkt nach einem Auslesen und mit einer gewissen Verzögerung nochmals vor dem nächsten Auslesen des Detektors.
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Die Recheneinheit kann zum Zugriff auf und/oder zur Berücksichtigung von, insbesondere in einer Steuerungseinrichtung, abgespeicherten magnetischen Feldverläufen der Untersuchungseinrichtung und/oder zum Zugriff auf und/oder zur Berücksichtigung von, insbesondere in einer Kalibrationseinheit, abgespeicherten Feldzuständen bei unterschiedlichen Betriebsarten der Untersuchungseinrichtung ausgebildet sein.
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So werden zweckmäßigerweise nach der Installation einer Untersuchungseinrichtung bzw. -anlage mit entsprechenden Messmitteln die magnetischen Feldänderungen aufgezeichnet, die durch Navigationsmagnete eines Navigationssystems bedingt sind, damit sie die Messergebnisse des Ortungssystems aus Sendern und Empfängern nicht verfälschen. Diese Daten werden in einer Systemsteuerung abgespeichert und als gespeicherte Feldlinienverläufe bei der Rekonstruktion von magnetischen Ortungsvektoren herangezogen, um so Messfehler zu verhindern.
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Eine Kalibrationseinheit ermöglicht es, statische und dynamische magnetische Feldzustände in verschiedenen Funktionsstufen, z. B. bei Bewegungen eines C-Bogen-Systems, zu speichern und bei der Signalauswertung und Korrekturrechnung für die Bildaufbereitung zu berücksichtigen. Hierzu wird ebenfalls während der Montage bzw. Inbetriebnahme der Untersuchungseinrichtung an einem bekannten Messkörper eine Ortungsuntersuchung durchgeführt, wobei alle auftretenden Positionen des Röntgensystems durchfahren und die zugehörigen magnetischen Feldverzerrungen aufgezeichnet werden. Die Kalibrationseinheit tauscht dabei zweckmäßigerweise mit dem Kollisionsrechner Daten aus bzw. ist mit der erfindungsgemäßen Recheneinheit verbunden oder stellt einen Teil dieser Recheneinheit dar, so dass die Daten der Kalibrationseinheit bei der Positionsbestimmung und der Erkennung magnetischer Feldveränderungen berücksichtigt werden können.
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Die Signalleitungen des Positionssensorsystems können wenigstens teilweise mit Abschirmungen gegen magnetische Felder bzw. gegen Störfelder ausgebildet sein, insbesondere mit einer Dünnfilmschicht aus leitenden Nanopartikeln. So wird unter Verwendung der Nanotechnologie oder durch eine andere Abschirmtechnik eine magnetische Abschirmung erreicht, um die Einflüsse magnetischer Störungen zu begrenzen.
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Daneben betrifft die Erfindung eine bildgebende Untersuchungseinrichtung, die mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung wenigstens eines medizinischen Instruments mit einem Positionssensorsystem, insbesondere einem magnetischen bzw. elektromagnetischen Positionssensorsystem, wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist. So wird bei der bildgebenden Untersuchungseinrichtung, die beispielsweise auf einem C-Bogen-System zur Erstellung von Röntgenaufnahmen basiert, eine schnelle und genaue Positionsbestimmung von medizinischen Instrumenten durch Begrenzung des Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen ebenso wie die Berücksichtigung und Kompensation magnetischer Störfelder möglich. Insbesondere können Störfelder berücksichtigt werden, die durch Bewegungen der medizinischen Untersuchungseinrichtung wie beispielsweise eine Tischbewegung, eine Bewegung des C-Bogens oder Bewegungen weiterer medizinischer Instrumente und Geräte in der Nähe der Untersuchungseinrichtung bzw. innerhalb der Untersuchungseinrichtung verursacht werden. Dadurch wird letztlich eine schnellere und genauere Positionsbestimmung möglich.
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Zudem können die Signalleitungen und/oder Funktionseinheiten der Untersuchungseinrichtung, insbesondere ein Detektorsystem, wenigstens teilweise mit Abschirmungen gegen magnetische Felder ausgebildet sein, insbesondere mit einer Dünnfilmschicht aus leitenden Nanopartikeln. Dadurch werden die physiologischen Signale bzw. die Bildsignale und die Signalverarbeitung und -aufbereitung gegen die magnetischen Felder der Sendeantennen des Positionssensorsystems und mögliche weitere magnetische Störfelder abgeschirmt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung wenigstens eines für eine Untersuchung mit einer bildgebenden Untersuchungseinrichtung, insbesondere einer Röntgeneinrichtung, in den Körper eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments. Das Verfahren wird mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung mit einem magnetischen Positionssensorsystem durchgeführt, die eine Recheneinheit aufweist, in der wenigstens eine die möglichen räumlichen Positionen des medizinischen Instruments während der Untersuchung einschränkende untersuchungseinrichtungsspezifische Information abgelegt ist, wobei die Recheneinheit in Abhängigkeit der einschränkenden untersuchungseinrichtungsspezifischen Information zur Positionsbestimmung bei begrenztem Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen ausgebildet ist. So wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Suchraum für die Position des Katheters oder anderen medizinischen Instruments, das über entsprechende Positionssensorvorrichtungen wie Sender oder Empfänger beispielsweise im Bereich seiner Spitze verfügt, deutlich begrenzt. Es wird nicht mehr ein unendlicher Raum durchsucht, sondern es werden geometrische und andere Vorgaben der Untersuchungseinrichtung wie beispielsweise hinsichtlich der Lage des Patiententisches im Raum und seiner Abmessungen von vornherein als begrenzende Faktoren in die Positionsrechnung einbezogen. Die Vorrichtung kann dabei beliebig in einer wie im vorstehenden beschriebenen Art ausgebildet sein. So ist insbesondere eine Erkennung aller magnetischen Feldänderungen im Umfeld einer Untersuchungsvorrichtung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wobei diese magnetische Feldänderungen einer Korrekturrecheneinheit zugeführt werden können, um diese bei der Bildrekonstruktion zu berücksichtigen und damit die Ortungsgenauigkeit zu erhöhen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Ausführungsbeispiele sowie aus den Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsbestimmung,
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2 ein medizinisches Instrument zur Ortung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 eine erfindungsgemäße bildgebende Untersuchungseinrichtung,
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4 eine synchronisierte Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen bei einem Röntgensystem,
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5 eine synchronisierte Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen mit verzögerter Detektorauslesung,
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6 eine synchronisierte Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen mit verzögerter Detektorauslesung und mit einem Vorlauf für die Ortung,
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7 ein Beispiel für einen kontinuierlichen Betrieb einer Röntgenquelle,
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8 ein Beispiel zur mehrfachen Aktivierung des Positionssensorsystems und
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9 ein Beispiel zur Aktualisierung einer Displaydarstellung.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Positionsbestimmung im Zusammenhang mit einer bildgebenden Untersuchungseinrichtung 2 dargestellt. Die Recheneinheit 3 der Vorrichtung 1 zur Positionsbestimmung verfügt über einen Speicher mit die räumliche Position eines hier nicht dargestellten medizinischen Instruments einschränkenden untersuchungseinrichtungsspezifischen Informationen für die Positionsbestimmung bei einer Untersuchung mit der Untersuchungseinrichtung 2. Durch den Doppelpfeil 4, der auf die bildgebende Untersuchungseinrichtung 2 verweist, wird dieser Zusammenhang angedeutet.
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In der Recheneinheit 3 liegen unter anderem Kollisionsrechnerinformationen hinsichtlich der Dimensionen der Patientenliege 5 und den Bewegungsmöglichkeiten der Strahlenquelle 6 bzw. des Strahlungsempfängers (Detektors) 6a und ihrer Größenverhältnisse vor. Zudem ist in der Recheneinheit 3 eine maximale Länge 7 eines medizinischen Instruments abgelegt, dessen Position zu bestimmen ist. So ergibt sich durch die Vorgabe der maximalen Länge 7 des medizinischen Instruments unter Berücksichtigung der Maße der Patientenliege 5 und der Ausdehnung bzw. der Bewegungsmöglichkeiten der Strahlenquelle 6 ein eingeschränkter Ortungsraum. Der dargestellte größere Bereich 8 folgt aus der Berücksichtigung der Maße der Patientenliege 5 sowie der Strahlenquelle 6. Dieser größere Bereich 8 wird durch die maximale Länge 7 des medizinischen Instruments weiter beschränkt, so dass sich insgesamt der kleinere Bereich 9 ergibt. So werden erfindungsgemäß die Informationen hinsichtlich der Breite und Länge der Patientenliege 5 sowie der maximalen unteren Position des hier nicht dargestellten Patienten durch die Höhe der Patientenliege 5 berücksichtigt, die Information hinsichtlich der maximalen oberen Position durch die niedrigste, von der Strahlenquelle 6 anzufahrende Position. Diese Daten sind in der Recheneinheit 3 abgelegt. Die Recheneinheit 3 führt dann eine Positionsbestimmung durch, die auf einem beschränkten Ortungsraum basiert, wodurch der Rechenaufwand und damit die für die Positionsbestimmung erforderliche Zeit deutlich reduziert werden können.
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In der 2 ist ein medizinisches Instrument 10 zur Ortung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das medizinische Instrument 10 weist in einem Teilbereich eine Nanobeschichtung 11 auf, die das Einführen des medizinischen Instruments 10 in den Körper des Patienten erleichtert und zudem als Abschirmung gegen magnetische Störfelder wirkt. Das medizinische Instrument 10 verfügt des Weiteren über Antennen 12 in x-, y- und z-Richtung im Bereich seiner Spitze, die zu einem elektromagnetischen Positionssensorsystem gehören und die Ortung des medizinischen Instruments 10 im Körper des Patienten ermöglichen. Über verschiedene Signalleitungen 13 in einem Lumen 14 und weitere Signalleitungen 15 außerhalb des Lumens 14 werden das System der Antennen 12 sowie weitere funktionelle Einrichtungen des medizinischen Instruments 10 wie ein nicht dargestellter Bildgebungssensor angesteuert. Die aufgenommenen bzw. empfangenen Signale werden zur weiteren Verarbeitung an eine Recheneinheit weitergeleitet.
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In der 3 ist eine erfindungsgemäße bildgebende Untersuchungseinrichtung 16 dargestellt, bei der eine Strahlenquelle 17 vorgesehen ist, deren Strahlung in einem Hochspannungsgenerator 18 erzeugt wird. Die Strahlung wird in Richtung eines hier nicht dargestellten Patienten auf dem Patiententisch 19 ausgesandt, und die entstehenden Signale werden von einem Röntgendetektor 20 aufgezeichnet. Über eine Systemsteuerung 21 im Zusammenhang mit einer Synchronisationseinheit 22 wird eine Synchronisation der Zeitintervalle bzw. Zeittaktungen für die Strahlungsaussendung bzw. das Auslesen des Detektors und die Aktivierung der magnetischen Sender 23 des Positionssensorsystems erreicht. Diese Anordnung ist die bevorzugte Anordnung. Alternativ ist es möglich, die Sender im medizinischen Instrument 10 anzuordnen. Dann wären die Empfänger an der Stelle des Bezugszeichens 23 angeordnet. Alle Signalleitungen 24 der Untersuchungseinrichtung 16, von denen lediglich zwei beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind, sind mit Nanobeschichtungen versehen, die abschirmend gegen magnetische Störfelder wirken.
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Die Röntgenbilder werden in einer Pre-Processing-Einheit 25 vorverarbeitet. Ebenso werden die Antennensignale vom Anschluss 26 für die magnetischen Sensoren über eine zugehörige Signalschnittstelle 27 in einer Pre-Processing-Einheit 28 für die Antennensignale vorverarbeitet. Des Weiteren ist ein Anschluss 29 für physiologische Sensoren vorgesehen, deren Signale einer physiologischen Signalverarbeitung 30 zur Verarbeitung zugeführt werden. Diese verarbeitet EKG-Signale, Puls- und Atmungssignale sowie Blutdruckdaten. Ebenso wie der Bilddatenspeicher 31 ist die physiologische Signalverarbeitung 30 mit einem Datenbus 32 verbunden, über den die Daten einer Bildverarbeitungseinheit 33 für medizinische Bilder sowie einer Bildverarbeitungseinheit 34 für die Antennensignale zugeführt werden. Des Weiteren sind an den Datenbus 32 eine Kalibrationseinheit 35 sowie eine Bildkorrektureinheit 36 angeschlossen.
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So wird bei der erfindungsgemäßen bildgebenden Untersuchungseinrichtung 16 durch die Systemsteuerung 21 mit dem Kollisionsrechner der Positionsraum der möglichen räumlichen Positionen eines hier nicht dargestellten medizinischen Instruments begrenzt, während gleichzeitig durch die Bildkorrektureinheit 36 alle magnetischen Feldänderungen berücksichtigt werden können, so dass eine Positionierung der mit Positionssensoren versehenen medizinischen Instrumente mit einem geringeren Aufwand und einer höheren Genauigkeit als bisher üblich möglich wird.
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Über den Datenbus 32 besteht zudem eine Verbindung zu einer Schnittstelle 37 für Patienten- und Bilddaten. Darüber hinaus ist eine Spannungsversorgungseinheit 38 dargestellt, die zur Spannungsversorgung der bildgebenden Untersuchungseinrichtung 16 dient. An der Display-Einheit 39 mit der Ein- und Ausgabeeinheit 40 werden die magnetischen Ortungsbilder und die aufgenommenen medizinischen Bilder dargestellt. Die Aktualisierung der an der Display-Einheit 39 dargestellten Bilder ist mittels der Bildkorrektureinheit 36 und der Systemsteuerung 21 mit dem Aussenden der Strahlung durch die Strahlenquelle 17, der Aktivierung der magnetischen Sender 23 sowie dem Auslesen des Röntgendetektors 20 synchronisiert.
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Die 4 zeigt ein Beispiel zur Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen bei einem Röntgensystem. Hierbei wird in Abständen von 33 ms ein kurzer Hochspannungspuls als Hochspannungstrigger für die elektronische Datenverarbeitung erzeugt. Nach Beendigung des Triggerpulses wird zum einen Röntgenstrahlung ausgesandt, zum anderen zeitgleich eine magnetische Ortung aktiviert. Die Röntgenstrahlung und die magnetische Ortung werden dann für einen gewissen Pulszeitraum ausgesandt bzw. betrieben, der in beiden Fällen gleichlang ist. Erst nach der Beendigung des Röntgenpulses wird der Detektor ausgelesen, wodurch Störungen vermieden werden. Eine derartige Aktivierung des magnetischen Ortungssystems bzw. eine derartige Synchronisation können beispielsweise bei Detektoren auf Basis von amorphem Silizium verwendet werden, bei CCD-Detektoren oder Fernsehröhren. Bei amorphem Silizium ist die Beeinflussung durch magnetische Felder geringer. Die magnetische Ortung ist exakt während des Röntgenimpulses aktiv, und direkt im Anschluss wird der Detektor ausgelesen.
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Durch die dargestellte Synchronisation im Zusammenhang mit der Positionsraumbeschränkung, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, kann die Bildrekonstruktion schneller erfolgen, wobei zudem magnetische Störfelder berücksichtigt und kompensiert werden, um die Ortungsgenauigkeit zu erhöhen.
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In der 5 ist ein Beispiel zur synchronisierten Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen mit verzögerter Detektorauslesung dargestellt. Wiederum wird mit einem Intervall I1 von einigen 10 ms ein Hochspannungstrigger erzeugt, an den sich der Zeitraum der Strahlungsaussendung entsprechend dem Zeitraum, in dem die magnetische Ortung aktiv ist, anschließt. Solange die Röntgenstrahlung ausgesandt wird, ist die magnetische Ortung aktiv. Mit dem Ausschalten der Strahlung wird das magnetische Positionierungssystem ebenfalls deaktiviert. An das Ausschalten der Röntgenstrahlung und das Deaktivieren des magnetischen Ortungssystems schließt sich mit einer Verzögerung V1 im Bereich von 10 ms das Auslesen des Detektors an, bei dem es sich hier um einen CCD-Detektor handelt. Die Verzögerung kann einstellbar sein, z. B. im Bereich von 1 ms bis 20 ms. Auch hier werden durch das synchronisierte Auslesen des Detektors Störungen vermieden.
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In der 6 ist ein Beispiel zur synchronisierten Einstellung von Zeitintervallen bzw. Zeittaktungen mit verzögerter Detektorauslesung und mit einem Vorlauf für die Ortung dargestellt. An die Erzeugung des Hochspannungstriggers, der jeweils in Intervallen I2 im Millisekundenbereich ausgesandt wird, schließt sich das Einschalten der Röntgenstrahlung an. Die magnetische Ortung ist bereits mit einem einstellbaren Vorlauf Vo2 bezogen auf das Ende der Strahlungsaussendung vor dem Einschalten der Röntgenstrahlung aktiv, wobei die Deaktivierung erfolgt, während die Strahlung noch ausgesandt wird. Das Auslesen des Detektors, bei dem es sich um einen Röntgen-Detektor handelt, erfolgt mit einer Verzögerung V2 derart, dass das Auslesen beendet ist, bevor erneut die magnetische Ortung einsetzt. Die Takte für das Auslesen des Detektors bzw. die Strahlungsaussendung und die Aktivierung des Positionssensorsystems sind dabei gleichmäßig über die gesamte Untersuchungsdauer.
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Die 7 zeigt beispielhaft einen kontinuierlichen Betrieb einer Röntgenquelle, wobei hier wiederum ein Trigger in Intervallen von 33 ms ausgesandt wird. Das Intervall kann in einem Bereich von etwa 10 ms bis 100 ms eingestellt werden. Die magnetische Ortung ist bereits vor dem Triggersignal und vor dem sich an das Triggersignal anschließenden Einschalten der Röntgenstrahlung aktiv. Die Deaktivierung der Ortung erfolgt mit dem Ende des Triggerpulses. Das Auslesen des Detektors erfolgt im Hinblick auf das Triggersignal mit einer einstellbaren Verzögerung V3 zu Zeiten, in denen die Ortung nicht aktiv ist. Während des kontinuierlichen Aussendens der Röntgenstrahlung wird der Detektor mehrfach ausgelesen, ebenso wird die magnetische Ortung in diesem Zeitraum mehrfach aktiviert.
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In der 8 ist ein Beispiel zur mehrfachen Aktivierung des Positionssensorsystems im Hinblick auf die Taktung des Röntgenimpulses sowie des Auslesens des Detektors dargestellt. Mit einem Intervall im Bereich von einigen 10 ms, das hier mit I4 bezeichnet ist, wird ein Hochspannungstrigger erzeugt. An die Pulse des Hochspannungstriggers schließt sich jeweils das Einschalten der Röntgenstrahlung ein, wobei nach dem Ende der Strahlungsaussendung ohne Zeitverzögerung das Auslesen des Detektors erfolgt. Demgegenüber ist die magnetische Ortung häufiger aktiv, derart, dass ein erster Ortungspuls in den Bereich des Aussendens der Röntgenstrahlung fällt, während ein zweiter Ortungspuls jeweils zwischen zwei Röntgenpulsen angeordnet ist, wobei die Ortung jeweils zu Zeiten aktiv ist, zu denen kein Auslesen des Detektors erfolgt.
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Die 9 zeigt schließlich ein Beispiel zur Aktualisierung einer Display-Darstellung, bei der sich wiederum an einen Trigger die Aussendung eines Videosignals anschließt, wobei im Vorlauf des Videosignals die magnetische Ortung aktiv ist. An das Aussenden des Videosignals schließt sich die Aktualisierung einer Display-Darstellung der Position des medizinischen Instruments bzw. der aufgenommenen Bilder an. Um Störungen durch magnetische Signale zu vermeiden, erfolgt diese Aktualisierung synchronisiert in Zeiträumen, in denen die magnetische Ortung nicht aktiv ist. So kann erfindungsgemäß durch die Berücksichtigung aller Feldänderungen im Umfeld einer Untersuchungseinrichtung die Ortungsgenauigkeit eines Positionssensorsystems bei optimaler Bilddarstellung an einem Display erhöht werden.
