DE102006029122A1 - System zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines medizinischen Instrumentes (1), mit einer elektromagnetische Strahlung (4) emittierenden Sendeeinheit (3), wenigstens einem an dem medizinischen Instrument (1) angeordneten Lokalisierungselement (2), welches die von der Sendeeinheit (3) emittierte elektromagnetische Strahlung (4) empfängt und ein Lokalisierungssignal (5) erzeugt, und mit einer Auswertungseinheit (9), welche die Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes (1) durch Auswertung des Lokalisierungssignals (5) bestimmt. Die Erfindung schlägt vor, dass das Lokalisierungselement (2) einen Transponder aufweist, der eine Antenne (13) und einen mit der Antenne (13) verbundenen Schaltkreis (12) umfasst, wobei der Schaltkreis (12) durch die über die Antenne (13) empfangene elektromagnetische Strahlung (4) der Sendeeinheit (3) anregbar ist, und zwar in der Weise, dass dieser das Lokalisierungssignal (5) als elektromagnetische Strahlung über die Antenne (13) aussendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines medizinischen Instrumentes, mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Sendeeinheit, wenigstens einem an dem medizinischen Instrument angeordneten Lokalisierungselement, welches die von der Sendeeinheit emittierte elektromagnetische Strahlung empfängt und ein Lokalisierungssignal erzeugt, und mit einer Auswertungseinheit, welche die Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes durch Auswertung des Lokalisierungssignals bestimmt.
  • In der Medizin ist bei verschiedenen diagnostischen und therapeutischen Verfahren die genaue Bestimmung der Position eines verwendeten medizinischen Instrumentes von großer Bedeutung. Bei diesen Instrumenten kann es sich beispielsweise um intravaskuläre Katheter, Führungsdrähte, Biopsienadeln, minimal invasive chirurgische Instrumente oder ähnliches handeln. Von besonders großem Interesse sind Systeme zur Bestimmung der räumlichen Position und Lage eines medizinischen Instrumentes im Bereich der interventionellen Radiologie.
  • Ein System der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der EP 0 655 138 B1 bekannt. Bei dem vorbekannten System kommen mehrere Sendeeinheiten zum Einsatz, die an definierten Positionen im Raum verteilt angeordnet sind. Die Sendeeinheiten emittieren elektromagnetische Strahlung, ggf. mit jeweils unterschiedlicher Frequenz. Zur Lokalisierung des medizinischen Instrumentes ist an diesem ein Lokalisierungselement in Form eines Sensors angeordnet, welcher die von den Sendeeinheiten emittierte elektromagnetische Strahlung empfängt. Der Sensor detektiert das von den Sendeeinheiten erzeugte elektromagnetische Feld. Das von dem Sensor erzeugte Lokalisierungssignal entspricht der elektromagnetischen Feldstärke am Ort des Sensors und damit am Ort des medizinischen Instrumentes, an dem der Sensor angeordnet ist. Das Lokalisierungssignal wird einer Auswertungseinheit zugeführt. Die Auswertungseinheit berechnet aus dem Lokalisierungssignal den Abstand des Sensors zu den verschiedenen Sendeeinheiten. Da sich die Sendeeinheiten an definierten Positionen im Raum befinden, ist die Auswertungseinheit in der Lage, aus den Abständen des Lokalisierungselements von den verschiedenen Sendeeinheiten auf die Position des medizinischen Instrumentes im Raum zurückzuschließen.
  • Das vorbekannte System hat den Nachteil, dass das Lokalisierungselement über ein Kabel mit der Auswertungseinheit verbunden ist. Über das Kabel wird das von dem Lokalisierungselement empfangene Signal, das die Feldstärke der elektromagnetischen Strahlung am Ort des Lokalisierungselementes wiedergibt, der Auswertungseinheit zugeführt. Insbesondere zur Lokalisierung von medizinischen Instrumenten für minimal invasive Interventionen sind solche Kabelverbindungen höchst nachteilig. Die Ausstattung von minimal invasiven Instrumenten mit elektrischen Leitungen und zugehörigen Steckverbindungen ist aufwendig und damit teuer. Außerdem stören die elektrischen Zuleitungen bei der Handhabung der Instrumente.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zu Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines medizinischen Instruments bereitzustellen. Vor allem soll das System ohne Kabelverbindungen zwischen dem Lokalisierungselement und der Auswertungseinheit auskommen.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem System der eingangs genannten Art dadurch, dass das Lokalisierungselement einen Transponder aufweist, der eine Antenne und einen mit der Antenne verbundenen Schaltkreis zum Empfangen und Senden von elektromagnetischer Strahlung umfasst, wobei der Schaltkreis durch die über die Antenne empfangene elektromagnetische Strahlung der Sendeeinheit anregbar ist, und zwar in der Weise, dass dieser das Lokalisierungssignal als elektromagnetische Strahlung über die Antenne aussendet.
  • Der Kerngedanke der Erfindung ist es, das medizinische Instrument mit einem Transponder auszustatten, wie er beispielsweise bei den bekannten RFID-Tags zum Einsatz kommt. Die Antenne des Transponders empfängt die von der Sendeeinheit emittierte elektromagnetische Strahlung und wird dadurch seinerseits zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung angeregt. Der Transponder sendet das Lokalisierungssignal somit ohne Kabelverbindung als elektromagnetische Strahlung aus. Die Auswertungseinheit ermittelt aus dem von dem Transponder abgestrahlten Lokalisierungssignal die räumliche Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes.
  • Vorteilhaft ist, dass das Lokalisierungselement des erfindungsgemäßen Systems sehr kostengünstig herstellbar ist, da RFID-Tags Massenprodukte sind, die mit geringem Aufwand für die erfindungsgemäße Verwendung angepasst werden können. Sehr kleine RFID-Transponder sind heute bereits kommerziell erhältlich. Die Antenne des Transponders kann zur Integration in ein medizinisches Instrument aus dünnem Draht als Spule gewickelt werden, wobei die Wicklungsrichtung und Geometrie der Spule an die Form und Größe des medizinischen Instrumentes beliebig angepasst werden kann.
  • Der Transponder des Lokalisierungselements funktioniert bei dem erfindungsgemäßen System wie die bekannten RFID-Transponder. Die Sendeeinheit erzeugt ein (hochfrequentes) elektromagnetisches Feld, welches die Antenne des Transponders empfängt. In der Antennenspule entsteht ein Induktionsstrom. Dieser aktiviert den Schaltkreis des Transponders. Ist der Schaltkreis aktiviert, so sendet er seinerseits (hochfrequente) elektromagnetische Strahlung aus, beispielsweise in dem er das von der Sendeeinheit ausgesendete Feld (durch Lastmodulation) moduliert. Durch die Modulation liegt die von dem Transponder ausgesendete elektromagnetische Strahlung in einem Seitenband der Strahlung der Sendeeinheit. Auf diesem Seitenband wird das Lokalisierungssignal ohne Kabelverbindung, d. h. drahtlos, an die Auswertungseinheit zur Positionsbestimmung übertragen.
  • Der Transponder des erfindungsgemäßen Systems kann als passiver Transponder ausgebildet sein, wobei die Stromversorgung des Schaltkreises durch den beim Empfang der von der Sendeeinheit emittierten elektromagnetischen Strahlung in der Antenne erzeugten Induktionsstrom erfolgt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems hat den Vorteil, dass der Transponder ohne eigene aktive Energieversorgung auskommt. Die Energie, die der Schaltkreis des Transponders zum Aussenden des Lokalisierungssignals benötigt, wird durch das von der Sendeeinheit erzeugte elektromagnetische Feld zur Verfügung gestellt. Zweckmäßigerweise weist der Transponder zur Stromversorgung des Schaltkreises einen Kondensator auf, der durch den in der Antenne erzeugten Induktionsstrom geladen wird. Der Kondensator sorgt für eine dauerhafte Energieversorgung des Schaltkreises. Zum Aufladen des Kondensators kann das medizinische Instrument in die Nähe der Sendeeinheit gebracht werden, wo das von der Sendeeinheit erzeugte elektromagnetische Feld ausreichend stark ist. Sobald der Kondensator geladen ist, funktioniert der Transponder für eine gewisse Zeit auch in größerem Abstand von der Sendeeinheit. Da die Energieversorgung durch den Kondensator gewährleistet ist, kann die Antenne des Transponders sehr klein dimensioniert werden, was die Integration in ein medizinisches Instrument erleichtert.
  • Alternativ kann der Transponder bei dem erfindungsgemäßen System als aktiver Transponder ausgebildet sein, wobei zur Stromversorgung des Schaltkreises eine Batterie vorgesehen ist. Die Aktivierung des Transponders erfolgt zweckmäßigerweise zu Beginn einer medizinischen Intervention, beispielsweise beim Öffnen der Verpackung des medizinischen Instrumentes. Alternativ ist der Schaltkreis des Transponders so ausgebildet, dass die Energieversorgung durch die Batterie erst bei Empfang der von der Sendeeinheit emittierten elektromagnetischen Strahlung aktiviert wird.
  • Gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems unterscheidet sich die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals von der Frequenz der von der Sendeeinheit emittierten elektromagnetischen Strahlung. Dies ermöglicht es, das von dem Transponder ausgesendete Lokalisierungssignal von dem von der Sendeeinheit erzeugten elektromagnetischen Feld anhand der Frequenz zu unterscheiden. Realisiert werden kann dies, wie oben beschrieben, dadurch, dass der Transponder das Lokalisierungssignal durch Modulation der von der Sendeeinheit emittierten elektromagnetischen Strahlung erzeugt. Die Frequenz des Lokalisierungssignals liegt dann in einem Seitenband der Frequenz der von der Sendeeinheit emittierten elektromagnetischen Strahlung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist die Auswertungseinheit mit wenigstens einer Empfangseinheit verbunden. Denkbar ist es, mehrere Empfangseinheiten zu verwenden, welche das von dem Transponder ausgesendete Lokalisierungssignal empfangen. Aus der Feldstärke des Lokalisierungssignals am Ort der jeweiligen Empfangseinheit kann auf dem Abstand des Transponders von der Empfangseinheit zurückgeschlossen werden. Wenn die Abstände des Transponders von den verschiedenen Empfangseinheiten, die sich an definierten Positionen im Raum befinden, bekannt sind, kann daraus mittels der Auswertungseinheit die genaue Position des Transponders und damit des medizinischen Instruments im Raum berechnet werden.
  • Problematisch ist allerdings, dass die Feldstärke des Lokalisierungssignals abgeschwächt wird, wenn das medizinische Instrument bei einer Intervention in den Körper eines Patienten eingeführt wird. Das Körpergewebe absorbiert aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften die von dem Transponder emittierte elektromagnetische Strahlung teilweise. Aus diesem Grund ist eine Positionsbestimmung anhand der Feldstärke des Lokalisierungssignals nicht immer mit ausreichender Genauigkeit möglich.
  • Zur Lösung dieses Problems kann die Auswertungseinheit zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am jeweiligen Ort der Empfangseinheit eingerichtet sein. Bei geeigneter Wahl der Frequenz des Lokalisierungssignals ist der Einfluss der dielektrischen Eigenschaften des Körpergewebes auf die Phase des Lokalisierungssignals vernachlässigbar. Wesentlich ist, dass der Transponder so eingerichtet ist, dass dieser das Lokalisierungssignal kohärent, d. h. mit definierter und konstanter Phasenlage emittiert.
  • Wenn die Positionsbestimmung, wie zuvor beschrieben, anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals erfolgt, ist zu beachten, dass eine eindeutige Zuordnung eines Phasenwertes zu einer Position im Raum nur innerhalb einer Distanz von dem Lokalisierungselement möglich ist, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lokalisierungssignals. Bei größeren Distanzen ist es zusätzlich erforderlich, die Zahl der Nulldurchgänge der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals zwischen Lokalisierungselement und der jeweiligen Empfangseinheit zu bestimmen. Zur Erzielung einer möglichst hohen Genauigkeit bei der Positionsbestimmung ist es sinnvoll, für den Transponder des Lokalisierungselements bei dem erfindungsgemäßen System einen Schaltkreis zu verwenden, der zur Erzeugung des Lokalisierungssignals bei zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen eingerichtet ist. Es kann durch die Erzeugung des Lokalisierungssignals bei niedrigen Frequenzen und entsprechend großen Wellenlängen zunächst eine grobe aber eindeutige Bestimmung der Position erfolgen. Zur Steigerung der Genauigkeit bei der Positionsbestimmung wird dann zu einer höheren Frequenz übergegangen, oder es wird die Frequenz des Lokalisierungssignals sukzessive weiter gesteigert. Bei höheren Frequenzen sind die Anforderungen an die Auflösung bei der Bestimmung der Phasenlage zur Erzielung einer bestimmten räumlichen Auflösung geringer. Bei der sukzessiven Steigerung der Frequenz kann die Zahl der Nulldurchgänge zur Bestimmung des genauen Abstands zwischen Lokalisierungselement und Empfangseinheit ermittelt werden. Zur möglichst genauen Positionsbestimmung ist eine Frequenzänderung in beiden Richtungen, d. h. von niedrigen zu hohen Frequenzen oder auch von hohen zu niedrigen Frequenzen, denkbar. In Abhängigkeit von den Frequenzbereichen, die zur Positionsbestimmung abgedeckt werden müssen, kann es erforderlich sein, zwei oder mehr Antennen vorzusehen, mit denen der Schaltkreis des Transponders verbunden ist, wobei jede der Antennen jeweils einem bestimmten Frequenzbereich zugeordnet ist.
  • Gemäß einer sinnvollen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist der Transponder mit wenigstens einem Sensorelement verbunden, wobei der Schaltkreis des Transponders in der Weise eingerichtet ist, dass dieser das Sensorsignal des Sensorelements als elektromagnetische Strahlung über die Antenne des Transponders aussendet. Demgemäß wird der Transponder nicht nur zur Positionsbestimmung, sondern auch zur Übertragung von Sensorsignalen benutzt. Der Transponder ist mit entsprechenden Sensorelementen, beispielsweise einem Temperatursensor, einem Drucksensor, einem pH-Sensor oder auch mit einem herkömmlichen Positionssensor, verbunden. Der Transponder überträgt das Sensorsignal drahtlos als Analog- oder Digitalsignal.
  • Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Systems kann weiter gesteigert werden durch wenigstens ein nicht an dem medizinischen Instrument angeordnetes, zusätzliches Lokalisierungselement mit einem diesem zugeordneten Transponder, welches am Körper eines Patienten lösbar anbringbar ist. Das zusätzliche Lokalisierungselement kann beispielsweise mittels einer Klebe-, Adhäsions- oder Saugnapfverbindung lösbar an der Hautoberfläche des Patienten anbringbar sein. Gemäß einer besonders praktischen Ausgestaltung ist der Transponder des zusätzlichen Lokalisierungselements in einen selbstklebenden Folien- oder Gewebestreifen, wie bei einem herkömmlichen Pflaster, integriert. Mittels des zusätzlichen Lokalisierungselements kann die Position des Patienten bzw. eines bestimmten interessierenden Körperteils des Patienten direkt zu der Position des medizinischen Instruments in Beziehung gesetzt werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen der interventionellen Radiologie von Vorteil. Durch das zusätzliche Lokalisierungselement wird außerdem ermöglicht, Bewegungen des Körpers des Patienten bei der Positionierung des medizinischen Instruments zu berücksichtigen. So kann beispielsweise die Atembewegung des Patienten automatisch kompensiert werden, um die Genauigkeit der Nadelpositionierung bei Lungenbiopsien erheblich zu verbessern. Eine weitere Anwendung ergibt sich bei der Behandlung der Koronarien mit einem im Sinne der Erfindung ausgestalteten medizinischen Instrument (Katheter), um die atmungsbedingte Bewegung des Herzmuskels zu kompensieren. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist also die Verwendung eines RFID-Tags zur Integration in einen selbstklebenden Folie- oder Gewebestreifen zur lösbaren Anbringung an der Hautoberfläche eines Patienten.
  • Die Erfindung betrifft nicht nur ein System zur Positionsbestimmung, sondern auch ein medizinisches Instrument, das mit einem Transponder der zuvor beschriebenen Art ausgestattet ist. Der Kerngedanke der Erfindung ist es, ein medizinisches Instrument, wie z. B. einen intravaskulären Katheter, einen Führungsdraht oder eine Biopsienadel, mit einem aktiven oder passiven RFID-Tag herkömmlicher Art auszustatten, um dadurch die Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes zu ermöglichen. Außerdem kann das RFID-Tag genutzt werden, um, wie zuvor erläutert, Sensorsignale eines ebenfalls in das medizinische Instrument integrierten Sensorelements drahtlos zu übertragen. Die Verwendung eines RFID-Tags in einem medizinischen Implantat ist ebenfalls denkbar, um Sensorsignale, wie z. B. Temperatur, Druck, pH-Wert oder auch Positionssignale, jederzeit vom Implantationsort abfragen zu können.
  • Sinnvollerweise kann der erfindungsgemäße Transponder einen Datenspeicher aufweisen, in welchem Identifikationsdaten speicherbar sind, wobei der Schaltkreis zum Aussenden der Identifikationsdaten als elektromagnetische Strahlung über die Antenne eingerichtet ist. Herkömmliche RFID-Tags weisen einen solchen digitalen Datenspeicher auf. Die Identifikationsdaten können genutzt werden, um verschiedene Lokalisierungselemente bei der Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung voneinander zu unterscheiden. Wenn beispielsweise die Orientierung eines medizinischen Instrumentes, d. h. dessen Lage im Raum, bestimmt werden soll, ist es zweckmäßig, das Instrument mit wenigstens zwei erfindungsgemäß ausgebildeten Lokalisierungselementen auszustatten. Anhand der Positionen der beiden Lokalisierungselemente kann auf die Orientierung des Instrumentes zurückgeschlossen werden. Voraussetzung ist, dass eine Identifizierung der verschiedenen Lokalisierungselemente möglich ist, damit beispielsweise ein an der Spitze einer Biopsienadel angeordnetes Lokalisierungselement von einem an deren Griffteil angeordneten Lokalisierungselement unterschieden werden kann. Außerdem ist eine Identifizierbarkeit der Lokalisierungselemente sinnvoll, wenn mehrere medizinische Instrumente bei einer Intervention eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße System kann zusammen mit einem bildgebenden diagnostischen Gerät, beispielsweise einem Computertomographen oder einem MR-Gerät, verwendet werden, um die Navigation mit den verwendeten interventionellen Instrumenten zu ermöglichen. Die mittels des erfindungsgemäßen Systems bestimmten Positions- und Orientierungsdaten können gemeinsam mit den abgebildeten anatomischen Strukturen visualisiert werden, um dem die Intervention durchführenden Arzt die Führung der Instrumente zu erleichtern. Dabei ist vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen System die Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung unabhängig von dem Bildgebungssystem möglich ist. Somit kann die Strahlenbelastung bei minimal invasiven Interventionen reduziert werden. Die exakte Positionierung und Navigation der Instrumente ist nämlich ohne kontinuierliche Röntgendurchleuchtung möglich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 Darstellung des erfindungsgemäßen Systems als Blockdiagramm;
  • 2 schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten medizinischen Instruments.
  • Das in der 1 dargestellte System dient zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines medizinischen Instrumentes 1. An dem medizinischen Instrument 1 sind Lokalisierungselemente 2 und 2' angeordnet. Das System umfasst eine Sendeeinheit 3, die elektromagnetische Strahlung 4 emittiert. Die Strahlung 4 wird von den Lokalisierungselementen 2 und 2' empfangen. Die Lokalisierungselemente 2 und 2' weisen jeweils einen Transponder auf, welcher durch die empfangene Strahlung 4 angeregt wird, so dass der Transponder seinerseits das Lokalisierungssignal als (hochfrequente) elektromagnetische Strahlung 5 bzw. 5' aussendet. Die von den Lokalisierungselementen 2 und 2' abgestrahlten Lokalisierungssignale 5 und 5' werden von drei an definierten Positionen im Raum befindlichen Empfangseinheiten 6, 7 und 8 empfangen. Die Empfangseinheiten 6, 7 und 8 sind mit einer Auswertungseinheit 9 verbunden, welche anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung 5 bzw. 5' der Lokalisierungssignale am jeweiligen Ort der Empfangseinheiten 6, 7 und 8 die Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments 1, d. h. die x-, y- und z-Koordinaten der Lokalisierungselemente 2 und 2' berechnet. Zum Zwecke der Kalibrierung ist im Koordinatenursprung ein Kalibrierungspunkt 10 vorgegeben. Zur Kalibrierung wird das Instrument 1 so positioniert und orientiert, dass sich dessen Spitze am Kalibrierungspunkt 10 befindet, wobei das Instrument 1 eine definierte Lage im Raum hat. Die mittels der Empfangseinheiten 6, 7 und 8 während der Kalibrierung detektierte Phasenlage des Lokalisierungssignals 5 bzw. 5' wird mittels der Auswertungseinheit 9 gespeichert. Bei der weiteren Positionsbestimmung setzt die Auswertungseinheit 9 die von den Empfangseinheiten 6, 7 und 8 empfangenen Signale zu den gespeicherten Kalibrierungsdaten in Beziehung, so dass die Positionen der Lokalisierungselements 2 und 2' relativ zum Koordinatenursprung bestimmt werden können.
  • Weiterhin ist in der 1 ein zu dem System gehöriges zusätzliches Lokalisierungselement 2'' dargestellt. Das Lokalisierungselement 2'' ist nicht an dem medizinischen Instrument 1 angeordnet. Es ist mittels einer Klebeverbindung lösbar an der Hautoberfläche eines Patienten anbringbar. Der Transponder des zusätzlichen Lokalisierungselements 2'' ist in einen selbstklebenden Gewebestreifen, wie bei einem herkömmlichen Pflaster, integriert. Durch die von der Sendeeinheit 3 emittierte Strahlung 4 wird auch der Transponder des zusätzlichen Lokalisierungselements 2'' angeregt, so dass dieser ein Lokalisierungssignal 5'' aussendet. Anhand des Signals 5'', das ebenfalls mittels der Detektionseinheiten 6, 7 und 8 empfangen wird, ermittelt die Auswertungseinheit 9 die Position des zusätzlichen Lokalisierungselements 2''. Dies ermöglicht es, die Position des Patienten sowie auch die Bewegungen des Patienten bei der Durchführung einer Intervention mittels des medizinischen Instrumentes 1 zu berücksichtigen.
  • In der folgenden Tabelle sind die Dämpfungswerte für die Signalübertragung zwischen Sendeeinheit 3, Lokalisierungselementen 2, 2', 2'' und Empfangseinheiten 6, 7, 8 in Abhängigkeit von der Distanz d zwischen Sender und Empfänger für verschiedene typische RFID-Sendefrequenzen mit den dazugehörigen Wellenlängen zusammengestellt. Dabei wird auf Senderseite von einem Antennengewinn von 1,64 (Dipol) und auf Empfängerseite von einem Antennengewinn von 1,0 ausgegangen. In der Tabelle sind außerdem die Reichweiten bei den verschiedenen Frequenzen angegeben.
  • Figure 00110001
  • Die Tabelle zeigt, dass sich die Anwendung des 433 MHz-Frequenzbereiches mit einem Arbeitsbereich von ca. 70 cm × 70 cm × 70 cm im Raum anbietet, wobei der Kalibrierungspunkt 10 maximal 2 m vom Sender bzw. Empfänger entfernt sein sollte. Wie zuvor beschrieben, erfolgt die Positionsbestimmung zweckmäßigerweise anhand der Phasenlage der Lokalisierungssignale 5, 5' und 5''. Bei einer Frequenz von 433 MHz entspricht eine Phasendifferenz von 1° einem Abstand von 1,92 mm. Dementsprechend muss bei einer gewünschten räumlichen Auflösung von 1,92 mm die Auflösung bei der Bestimmung der Phasenlage wenigstens gleich 1° sein. Wird hingegen eine Frequenz von 5,8 GHz verwendet, so lässt sich bei einer Phasenauflösung von 1° bereits eine räumliche Auflösung von 0,14 mm erzielen. Zur Erzielung einer möglichst hohen Auflösung sind die Transponder der Lokalisierungselemente 2, 2' und 2'' zweckmäßigerweise so eingerichtet, dass diese die Lokalisierungssignale 5, 5' und 5'' bei zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen erzeugen. Dadurch lässt sich eine Positionsbestimmung anhand der Phasenlage mit ausreichend hoher Genauigkeit erzielen. Durch die Verwendung von niedrigen Frequenzen kann die Position zunächst grob aber eindeutig bestimmt werden. Niedrige Frequenzen ergeben dabei einen vergleichsweise großen räumlichen Arbeitsbereich, innerhalb welchem die Positionsbestimmung erfolgen kann. Durch Übergang zu höheren Frequenzen kann dann die Position genauer bestimmt werden. Durch die Verwendung von mehreren Frequenzen ist eine eindeutige Bestimmung der Position anhand der Phasenlage mit gleichzeitig hoher Genauigkeit möglich.
  • Die 2 zeigt einen gemäß der Erfindung ausgestalteten intravaskulären Katheter 1. Der Katheter 1 wird mittels eines Führungsdrahts 11 innerhalb eines Blutgefäßes geführt. Der Katheter 1 ist mit einem Lokalisierungselement ausgestattet. Das Lokalisierungselement umfasst gemäß der Erfindung einen Transponder mit einem Schaltkreis 12 und einer Antenne 13. Die Antenne 13 ist aus dünnem Draht in Längsrichtung des Katheters 1 gewickelt und mit dem Schaltkreis 12 verbunden. Bei dem Schaltkreis 12 handelt es sich um einen integrierten Halbleiterchip. Mittels der Antenne 13 wird die von der Sendeeinheit 3 emittierte elektromagnetische Strahlung empfangen. Diese induziert in der Antenne 13 einen Induktionsstrom. Die Stromversorgung des Schaltkreises 12 erfolgt durch diesen Induktionsstrom. Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kommt also ein passiver Transponder zum Einsatz. Zur dauerhaften Energieversorgung des Schaltkreises 12 ist dieser mit einem Kondensator 14 verbunden, der durch den in der Antenne 13 erzeugten Induktionsstrom geladen wird. Der Kondensator 14 gewährleistet also die Funktion des Transponders, auch wenn der in der Antenne 13 erzeugte Induktionsstrom nicht kontinuierlich zur Energieversorgung ausreicht. Der Schaltkreis 12 wird durch die über die Antenne 13 empfangene elektromagnetische Strahlung aktiviert und dadurch zur Abstrahlung eines Lokalisierungssignals als elektromagnetische Strahlung über die Antenne 13 angeregt. Dies erfolgt, indem der Schaltkreis 12 eine Lastmodulation des mittels der Antenne 13 empfangenen elektromagnetischen Feldes bewirkt. Der Schaltkreis 12 ist des Weiteren mit einem in den Katheter 1 integrierten Sensorelement 15, beispielsweise einem Temperatursensor verbunden. Der Schaltkreis 12 des Transponders überträgt das Sensorsignal des Sensor elements 15 als Digitalsignal über die Antenne 13. Dies ermöglicht es, drahtlos die Temperatur am jeweiligen Ort der Spitze des Katheters 1 zu bestimmen.

Claims (26)

  1. System zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines medizinischen Instrumentes (1 ), mit einer elektromagnetische Strahlung (4) emittierenden Sendeeinheit (3), wenigstens einem an dem medizinischen Instrument (1) angeordneten Lokalisierungselement (2), welches die von der Sendeeinheit (3) emittierte elektromagnetische Strahlung (4) empfängt und ein Lokalisierungssignal (5) erzeugt, und mit einer Auswertungseinheit (9), welche die Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes (1) durch Auswertung des Lokalisierungssignals (5) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lokalisierungselement (2) einen Transponder aufweist, der eine Antenne (13) und einen mit der Antenne (13) verbundenen Schaltkreis (12) zum Empfangen und Senden von elektromagnetischer Strahlung umfasst, wobei der Schaltkreis (12) durch die über die Antenne empfangene elektromagnetische Strahlung (4) der Sendeeinheit (3) anregbar ist, und zwar in der Weise, dass dieser das Lokalisierungssignal (5) als elektromagnetische Strahlung über die Antenne (13) aussendet.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder als passiver Transponder ausgebildet ist, wobei die Stromversorgung des Schaltkreises (12) durch den beim Empfang der von der Sendeeinheit (3) emittierten elektromagnetischen Strahlung (4) in der Antenne (13) erzeugten Induktionsstrom erfolgt.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder zur Stromversorgung des Schaltkreises (12) einen Kondensator (14) aufweist, der durch den in der Antenne (13) erzeugten Induktionsstrom geladen wird.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder als aktiver Transponder ausgebildet ist, wobei zur Stromversorgung des Schaltkreises (12) eine Batterie vorgesehen ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals (5) von der Frequenz der von der Sendeeinheit (3) emittierten elektromagnetischen Strahlung (4) unterscheidet.
  6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (12) zur Erzeugung des Lokalisierungssignals durch Modulation der von der Sendeeinheit (3) emittierten elektromagnetischen Strahlung (4) eingerichtet ist.
  7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine mit der Auswertungseinheit (9) verbundene Empfangseinheit (6, 7, 8), wobei die Auswertungseinheit (9) zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes (1) anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals (5) am jeweiligen Ort der Empfangseinheit (6, 7, 8) eingerichtet ist.
  8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (12) zur Erzeugung des Lokalisierungssignals bei zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen eingerichtet ist.
  9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder mit wenigstens einem Sensorelement (15) verbunden ist, wobei der Schaltkreis (12) des Transponders in der Weise eingerichtet ist, dass dieser das Sensorsignal des Sensorelements (15) als elektromagnetische Strahlung über die Antenne (13) des Transponders aussendet.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (15) ein in das medizinische Instrument (1) integrierter Temperatursensor, Drucksensor, pH-Sensor oder Positionssensor ist.
  11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) ein intravaskulärer Katheter, ein Führungsdraht oder eine Biopsienadel ist.
  12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder ein RFID-Tag ist.
  13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem medizinischen Instrument (1) wenigstens zwei Lokalisierungselemente (2, 2') mit diesen jeweils zugeordneten Transpondern angeordnet sind.
  14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch wenigstens ein nicht an dem medizinischen Instrument (1) angeordnetes, zusätzliches Lokalisierungselement (2'') mit einem diesem zugeordneten Transponder, welches am Körper eines Patienten lösbar anbringbar ist.
  15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Lokalisierungselement (2'') mittels einer Klebe-, Adhäsions- oder Saugnapfverbindung lösbar an der Hautoberfläche des Patienten anbringbar ist.
  16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder des zusätzlichen Lokalisierungselements (2'') in einen selbstklebenden Folien- oder Gewebestreifen integriert ist.
  17. Medizinisches Instrument, insbesondere intravaskulärer Katheter (1), Führungsdraht oder Biopsienadel, dadurch gekennzeichnet, dass in das Instrument (1) wenigstens ein Transponder integriert ist, der eine Antenne (13) und einen mit der Antenne verbundenen Schaltkreis (12) zum Empfangen und Senden von elektromagnetischer Strahlung umfasst, wobei der Schaltkreis durch über die Antenne empfangene elektromagnetische Strahlung (4) zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung (5) anregbar ist.
  18. Instrument nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder mit wenigstens einem Sensorelement (15) verbunden ist, wobei der Schaltkreis (12) des Transponders in der Weise eingerichtet ist, dass dieser das Sensorsignal des Sensorelements (15) als elektromagnetische Strahlung über die Antenne (13) des Transponders aussendet.
  19. Instrument nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (15) ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein pH-Sensor oder ein Positionssensor ist.
  20. Instrument nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder ein aktives oder passives RFID-Tag ist.
  21. Instrument nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (12) des Transponders einen Datenspeicher aufweist, in welchem Identifikationsdaten speicherbar sind, wobei der Schaltkreis (12) zum Aussenden der Identifikationsdaten als elektromagnetische Strahlung über die Antenne (13) eingerichtet ist.
  22. Instrument nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in das Instrument (1) wenigstens zwei Transponder integriert sind.
  23. Verwendung eines RFID-Tags zur Integration in ein medizinisches Instrument (1) zum Zwecke der Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung des medizinischen Instrumentes (1).
  24. Verwendung eines RFID-Tags zur Integration in einen selbstklebenden Folien- oder Gewebestreifen integriert ist zur lösbaren Anbringung an der Hautoberfläche eines Patienten.
  25. Verwendung eines RFID-Tags zur Übertragung von Sensorsignalen eines in ein medizinisches Instrument (1) oder Implantat integrierten Sensorelements (15).
  26. Verwendung nach Anspruch 25, wobei das Sensorelement ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein pH-Sensor oder ein Positionssensor ist.
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