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Die Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsvorrichtung, die es ermöglicht, die Position eines Gegenstandes mittels eines NMR-Bildgebungssystems zu bestimmen.
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Im zunehmenden Maße besteht heutzutage der Wunsch, Operationen minimal invasiv durchzuführen. Da der operierende Arzt bei einer invasiven Operation nicht direkt die Operationsstelle sehen kann, ist es bekannt, bildgebende Verfahren wie die Computertomographie oder die Kernspintomographie zu verwenden, um die Operationsstelle sichtbar zu machen. Die Computertomographie setzt dabei den Patienten einer hohen Röntgenstrahlenbelastung aus, während bei der Kernspintomographie weitaus weniger gefährliche elektromagnetische Strahlen im Radiofrequenzbereich zum Einsatz kommen. Allerdings lassen sich bei der Kernspintomographie viele Instrumente, insbesondere Katheter, nur sehr schwer lokalisieren, was die Operationstechnik schwierig gestaltet.
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Es ist bekannt, Instrumente mit Markern zu kennzeichnen, die in mit dem Kernspintomografen aufgenommenen Kernspinbildern als Markierungspunkte oder -bereiche sichtbar sind und auf diese Weise die Bestimmung der Position des markierten Gegenstandes ermöglichen. Passive Marker wie permeables Material besitzen allerdings den Nachteil, dass sie dunkle Markierungspunkte in den Kernspinbildern hervorrufen und dabei häufig interessante Bildbereiche überdecken. Die Erzeugung von Markierungen durch eine aktive Erzeugung von Magnetfeldern vor Ort durch kabelgebundene Bauelemente ist problematisch, da sich die Kabel auf Grund der elektromagnetischen Wellen zu stark aufheizen würden. Daher wurden Versuche durchgeführt, für die Kennzeichnung von Gegenständen passive elektrische Resonanzkreise einzusetzen, mit denen sich lokal ein Magnetfeld erzeugen lässt. Der Resonanzkreis kann durch elektromagnetische Felder zum Schwingen angeregt werden und auf diese Weise für die lokale Verstärkung des magnetischen Feldes verwendet werden, das auf den Kernspinbildern zu der gewünschten Markierung führt.
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Die
DE 197 46 735 A1 offenbart einen Katheter, auf dessen Außenfläche ein passiver elektrischer Resonanzkreis mit einer Spule und einem Kondensator angeordnet ist. Der Resonanzkreis ist mittels elektromagnetischer Strahlung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes anregbar. Mittels des Resonanzkreises soll das Magnetfeld im Außenbereich des Katheters lokal verstärkt werden, um auf diese Weise eine Markierung in einem Kernspinbild zu erzielen. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass insbesondere bei einem Einsatz der Vorrichtung in einem Gefäß, in dem sich ein wesentlicher Teil des vom Magnetfeld des Resonanzkreis durchsetzten Bereiches bewegt, wie es beispielsweise bei einem Blutgefäß der Fall ist, durch das Blut strömt, das Signal erheblich geschwächt wird und damit die Positionsbestimmung erschwert oder vollkommen verhindert sein kann.
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Ebenfalls ist es bekannt, als Marker kleine geschlossene Gefäße einzusetzen, die mit einer signalintensiven Flüssigkeit gefüllt, wobei die Gefäße von einem passiven Resonanzkreis umgeben sind (Burl et. Al.: „Tuned Fiducial Markers to Identify Body Locations with Minimal Perturbation of tissue Magnetization", in: Journal of Magnetic Resonance in Medicine 1996, 491–493). Nachteilig hierbei ist, dass ein zusätzliches Gefäß vorhanden ist, das die signalintensive Flüssigkeit aufnimmt, und im Untersuchungsobjekt extra platziert oder in ein System integriert werden muss. Letzteres ist häufig nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionsbestimmungsvorrichtung zu schaffen, die genannte Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst einen passiven elektrischen Resonanzkreis, der von einem NMR(„Nuclear Magnetic Resonance”)-Bildgebungssystem mittels elektromagnetischer Strahlung anregbar ist, und einen für einen invasiven Eingriff in einen menschlichen Körper verwendbaren Hohlkörper mit einem Hohlraum, wobei der passive Resonanzkreis im Inneren des Hohlkörpers angeordnet ist, so dass durch Anregung des Resonanzkreises in dem Hohlraum ein magnetisches Feld erzeugbar ist, mittels dem ein sich in dem Hohlraum befindendes oder einbringbares Verstärkungsmittel zum Erzeugen eines durch das Bildgebungssystem erfassbaren NMR-Signals anregbar ist.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß in dem Hohlraum ein magnetisches Feld erzeugbar ist, kann die Positionsbestimmungsvorrichtung unabhängig von der Außenumgebung des Hohlkörpers zur Bestimmung einer Position eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, die Positionsbestimmungsvorrichtung in Bereichen einzusetzen, in denen Bewegung vorhanden ist, beispielsweise in einem Blutgefäß. Durch Verwendung der Positionsbestimmungsvorrichtung mit einem Verstärkungsmittel kann ein für die Erkennung der Position möglicherweise unzureichendes Signal verstärkt werden. Des Weiteren kann der Hohlkörper insbesondere ein medizinisches Instrument, beispielsweise ein Katheter sein.
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Als NMR-Bildgebungssystem eignet sich beispielsweise ein Kernspintomograph.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die durch Figuren dargestellt sind, näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung,
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2 einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Positionsbestimmungsvorrichtung,
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3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung,
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4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung,
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5 einen Querschnitt durch die in 4 gezeigte Positionsbestimmungsvorrichtung,
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6 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform eines auf einer Folie angeordneten Resonanzkreises,
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7 eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines auf einer Folie angeordneten Resonanzkreises,
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8 eine Aufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines auf einer Folie angeordneten Resonanzkreises, und
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9 eine Aufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines auf einer Folie angeordneten Resonanzkreises.
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Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 und die 2 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung, wobei die 1 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt der Positionsbestimmungsvorrichtung zeigt und die 2 einen Querschnitt durch die Positionsbestimmungsvorrichtung entlang der Schnittlinie I-I darstellt.
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Die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst eine flächig ausgebildete Resonanzkreisanordnung 1 und einen für einen invasiven Eingriff in einen menschlichen Körper verwendbaren Hohlkörper 3. Die Resonanzkreisanordnung 1, siehe auch 6–9, umfasst einen passiven elektrischen Resonanzkreis 2, der von einem NMR-Bildgebungssystem, beispielsweise einem Kernspintomographen, mittels elektromagnetischer Strahlung anregbar ist, und eine flexible Folie 7, auf der der Resonanzkreis 2 angeordnet und/oder in die der Resonanzkreis 2 integriert ist. Der Hohlkörper 3 umfasst einen Hohlraum 4, in dem ein Verstärkungsmittel 5 angeordnet ist.
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Der Hohlkörper 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Katheter. Der Hohlraum 4 wird durch einen Abschnitt des Lumens des Katheters an dessen Spitze gebildet, wobei der Abschnitt beidseitig verschlossen ist, beispielsweise mittels eines Klebers oder durch Vergießen mit einem Vergussmittel. Die Resonanzkreisanordnung 1 ist längs des Hohlraums 4 und in Längsrichtung des Hohlkörpers 3 im Inneren der Wand 9 des Hohlkörpers 3 im Abschnitt des Hohlraums 4 angeordnet und radial um die Längsachse 3 gekrümmt, siehe 2. Ein Einschluss der Resonanzkreisanordnung 1 im Inneren der Wand 9 des Hohlkörpers 3 kann beispielsweise durch ein Eingießen der Resonanzanordnung bei der Herstellung des Katheters erfolgen.
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Der passive Resonanzkreis 2 umfasst mindestens eine Spule 8a, 8b und eine Kapazität 10. Die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises ist auf das verwendete NMR-Bildgebungssystem abgestimmt. Die mindestens eine Spule 8a, 8b ist radial zur Längsachse des Hohlkörpers 3 angeordnet, so dass der Hohlraum 4 in dem Wirkbereich eines mit der mindestens einen Spule 8a, 8b erzeugbaren Magnetfelds liegt. Die Resonanzkreisanordnung 1 ist in der Wand des Hohlkörpers 3 im Bereich der dem Hohlraum 4 zugewandten Hälfte angeordnet, damit das von der mindestens einen Spule 8a, 8b erzeugte Magnetfeld nicht durch das Material des Hohlkörpers 3 geschwächt wird. Des Weiteren kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Streufelder des Resonanzkreises 2 nicht oder nur schwach in den Außenbereich dringen, was den Vorteil besitzt, dass eine hohe Güte des Resonanzkreises 2 auch dann erhalten bleibt, wenn sich der Hohlkörper 3 in problematischen, das Streufeld schwächenden Umgebungen mit elektrisch leitenden Medien befindet, beispielsweise in stark strömenden Blut, die die Güte des Resonanzkreises 2 und damit die Verstärkungseigenschaften schwächen würden. Vorzugsweise ist der Resonanzkreis 2 zum Außenbereich des Hohlkörpers 3 hin von mindestens einer 0,25 mm dicken, besonders bevorzugt von einer mindestens 1 mm dicken Kunststoffschicht des Hohlkörpers 3 bedeckt.
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Eine einzelne der mindestens einen Spule 8a, 8b deckt radial zur Längsache des Hohlkörpers 3 einen Winkelbereich von ≤ 270°, vorzugsweise von ≤ 180° ab, um auch in verschiedenen Stellungen des Hohlkörpers 3 durch äußere elektromagnetische Strahlung angeregt werden zu können. Im Falle dessen, dass die Resonanzkreisanordnung zwei Spulen 8a, 8b aufweist, sind diese versetzt angeordnet, vorzugsweise mit einem Winkelversatz von 45° bis 135°, besonders bevorzugt mit einem Winkelversatz von 90°.
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In dem Hohlraum 4 ist ein Verstärkungsmittel 5 vorgesehen, dass zum Erzeugen eines durch das Bildgebungssystem erfassbaren NMR-Signals durch den Resonanzkreis 2 anregbar ist. Dadurch, dass sich das Verstärkungsmittel 5 im Wirkbereich des Resonanzkreises 2 befindet, kann das durch das Verstärkungsmittel 5 erzeugte NMR-Signal durch den Resonanzkreis 2 verstärkt werden. Die Verstärkung des Signals ermöglicht die Sichtbarmachung des Verstärkungsmittels auf einem Kernspinbild und damit die Positionsbestimmung des Verstärkungsmittels und damit auch die des Hohlkörpers 3. Als Verstärkungsmittel 5 ist ein signalintensives Medium bevorzugt, insbesondere ein Medium, das eine hohe Protonendichte für die Erzeugung eines intensiven Signals aufweist, und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, um die Güte des Resonanzkreis 2 nicht zu stark zu beeinträchtigen. Ein bevorzugtes Medium ist deionisiertes Wasser, das obige Eigenschaften aufweist und zu dem kostengünstig ist. Alternativ wäre auch Leitungswasser oder Alkohol verwendbar. Grundsätzliche sind auch andere Mittel einsetzbar, insbesondere Festkörper oder Fluide.
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In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der Hohlraum 4 an der Spitze des Hohlkörpers 3, in diesem Fall, des Katheters. Dies ermöglicht es, den übrigen Teil des Lumens des Katheters weiterhin zu nutzen, beispielsweise um einem Patienten Medikamente zuzuführen. Zu diesem Zweck ist im Katheter 3 eine Öffnung 11 vorgesehen, die den übrigen Teil des Lumens des Katheters mit dem Außenbereich des Katheters verbindet.
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Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung.
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Die zweite Ausführungsform entspricht in wesentlichen Teilen der in den 1, 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer Positionsbestimmungsvorrichtung. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der Hohlraum 4 nicht durch einen beidseitig verschlossenen Abschnitt des Lumens des ebenfalls als Katheter ausgebildeten Hohlkörpers 3 ausgebildet, sondern ist offen. In einem Abschnitt des Lumens des Hohlkörpers 3 ist entsprechend der ersten Ausführungsform die Resonanzkreisanordnung 1 angeordnet. Des Weiteren ist ein Verstärkungsmittel 5 entsprechend der ersten Ausführungsform vorgesehen, das im Bereich der Resonanzkreisanordnung 1 angeordnet ist. Das Verstärkungsmittel 5 ist in Längsrichtung des Hohlraums durch Ausübung von Druck verschiebbar (in der 3 angedeutet durch Pfeile), und kann auf diese Weise in den Wirkbereich des Resonanzkreises 2 der Resonanzkreisanordnung 1 gebracht werden und aus diesem entfernt werden. Eine Druckausübung kann beispielsweise durch Anlegen eines Unterdrucks oder eines Überdrucks an einer Seite des Hohlkörpers 3 erfolgen.
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Die Positionsbestimmungsvorrichtung, d. h., die Markierung, kann durch das Einbringen und Entfernen des Verstärkungsmittels 5 in bzw. aus dem Wirkbereich des Resonanzkreises 2 kontrolliert ein- bzw. ausgeschaltet werden. Dies ermöglicht es einerseits, die Position des Hohlkörpers 3 zu bestimmen, andererseits, Kernspinbilder ohne Störung durch die Positionsvorrichtung aufzunehmen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Verstärkungsmittel 5 eine Flüssigkeit, die einem Patienten zugeführt werden soll. Dadurch, dass der Hohlraum 4 nicht verschlossen ist, kann der Katheter für seine üblichen Funktionen verwendet werden. Grundsätzlich ist es aber ebenfalls möglich, zumindest eine Seite des Hohlkörpers 3 zu verschließen.
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Die 4 und die 5 zeigen eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung, wobei die 4 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt der Positionsbestimmungsvorrichtung zeigt und die 5 einen Querschnitt durch die Positionsbestimmungsvorrichtung entlang der Schnittlinie I-I darstellt.
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Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen ist die Resonanzkreisanordnung 1 nicht in der Wand 9 des als Katheter ausgebildeten Hohlkörpers 3 integriert, sondern auf der Innenfläche 6 des Hohlkörpers 3. Beispielsweise kann die Resonanzkreisanordnung 1 mittels eines Klebemittels an der Innenfläche 6 des Hohlkörpers 3 befestigt sein.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind die Resonanzkreisanordnung 1 und das Verstärkungsmittel 5 unmittelbar benachbart. Das magnetische Feld des Resonanzkreises 2 kann somit ohne nennenswerte Schwächung, insbesondere ohne Schwächung durch Material des Hohlkörpers 3, in das Verstärkungsmittel eindringen. Die Anordnung der Resonanzkreisanordnung 1 an der Innenfläche 6 des Hohlkörpers 3 ist auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel übertragbar.
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Die 6–9 zeigen im Detail verschiedene Ausführungsformen einer Resonanzkreisanordnung 1. Die in 6 und 7 gezeigten Resonanzkreisanordnungen 1 sind für statische Magnetfelder für 3 T ausgelegt, die in 8 und 9 gezeigten Resonanzkreisanordnungen 1 für statische Magnetfelder von 1,5 T.
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Die mindestens eine Spule 8a, 8b ist an einem Ende der Resonanzkreisanordnung 1 angeordnet und erstreckt sich über den größten Teil der Breite der Resonanzkreisanordnung 1. Im Falle von zwei Spulen 8a, 8b erstrecken sich diese in ihrer Summe über den größten Teil der Breite der Resonanzkreisanordnung 1. Die zwei Spulen 8a, 8b sind benachbart, so dass diese angeordnet in dem Hohlkörper 3 der jeweiligen Ausführungsform um einen Winkel versetzt sind, hier um etwa 90°, wodurch sich auch in unterschiedlichen Stellungen des Hohlkörpers 3 ein äußeres elektromagnetisches Feld zur Anregung des Resonanzkreises 2 erfassen lässt.
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Die mindestens eine Spule 8a, 8b eines Resonanzkreises 2 einer Resonanzkreisanordnung 1 ist als Planare Spule ausgebildet, der Kondensator 10 als trimmbarer Plattenkondensator. Des Weiteren umfasst der Resonanzkreis 2 zum Testen zwei Anschlusspads 11. Das elektrisch leitende Material des Resonanzkreises 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel Gold, als Dielektrikum für den Plattenkondensator wurde Polyimid verwendet. Der Resonanzkreis 2 ist insbesondere mittels eines lithografischen Prozesses herstellbar. Das für die Folie 7 verwendete Material ist ein Polymer, hier ebenfalls Polyimid.
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Die Breite der gezeigten Resonanzkreisanordnungen 1 beträgt in diesen Ausführungsbeispielen weniger als 3 mm, die Länge weniger als 20 mm, die Gesamtdicke weniger als 50 Mikrometer. Derartige Resonanzkreisanordnungen 1 eigenen sich insbesondere für einen Einsatz in Kathetern mit einem Durchmesser ≤ 5 F (French) oder sogar von einem Durchmesser von ≤ 3 F. Selbstverständlich können die Resonanzkreisanordnungen 1 auch für Katheter mit größeren Durchmessern eingesetzt werden.
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Die Ausführungsbeispiele begrenzen die Erfindung nicht auf Positionsbestimmungsvorrichtungen mit Hohlkörpern 3, die als Katheter ausgebildet sind. Ebenfalls ist es möglich, als Hohlkörper andere Körper zu verwenden, beispielsweise ein Implantat, einen Stent oder ein Endoskop.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Burl et. Al.: „Tuned Fiducial Markers to Identify Body Locations with Minimal Perturbation of tissue Magnetization”, in: Journal of Magnetic Resonance in Medicine 1996, 491–493 [0005]
