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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsermittlung einer medizinischen Invasivkomponente bei einem invasiven Eingriff in einen Patientenkörper sowie ein medizinisches System zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
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Ein derartiges Verfahren und ein derartiges System sind im Bereich der Medizintechnik unter der Bezeichnung Sherlock II des Unternehmens C. R. Bard, Inc. bekannt. Das bekannte Verfahren und das bekannte System sind zur Positionsermittlung einer Katheterspitze eines zentralvenösen Katheters bei einer Katheterisierung vorgesehen. Hierzu weist das bekannte System eine in ein Gehäuse eingebettete Empfangseinrichtung auf. Das bekannte Verfahren erfordert, dass das Gehäuse auf den Brustkorb des Patienten aufgelegt wird. Der Brustkorb wird hierdurch abschnittsweise abgedeckt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein medizinisches System der eingangs genannten Art zu schaffen, die jeweils Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweisen und insbesondere einen möglichst ungehinderten Zugang zum Patientenkörper ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines erfindungsgemäßen medizinischen Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsermittlung einer medizinischen Invasivkomponente bei einem invasiven Eingriff in einen Patientenkörper weist die Schritte auf: a) Anordnen einer Senderanordnung mit wenigstens drei Sendeeinheiten an dem Patientenkörper, wobei die wenigstens drei Sendeeinheiten an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition voneinander unabhängig an dem Patientenkörper angeordnet werden. b) Ermitteln der Sendepositionen in Bezug auf ein Bezugskoordinatensystem. c) Senden jeweils eines Ortungssignals mittels der Sendeeinheiten. d) Empfangen der gesendeten Ortungssignale mittels wenigstens eines an der Invasivkomponente angeordneten Empfängers. e) Ermitteln einer räumlichen Position des Empfängers in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem mittels Lateration in Abhängigkeit der Ortungssignale und der ermittelten Sendepositionen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine möglichst variable Anordnung der zur Positionsermittlung erforderlichen Komponenten des medizinischen Systems am Patientenkörper ermöglicht. Hierzu trägt bei, dass die wenigstens drei Sendeeinheiten an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition voneinander unabhängig an dem Patientenkörper angeordnet werden. Dies ermöglicht medizinischem Personal einen möglichst ungehinderten Zugang zum Patientenkörper, da die Sendeeinheiten abseits einer etwaigen Zugangsstelle von medizinischem Interesse angeordnet werden können. Eine Anordnung der Sendeeinheiten an jeweils einer bestimmten Stelle des Patientenkörpers ist hingegen nicht erforderlich. Dies ermöglicht medizinischem Personal eine besonders flexible Handhabung des Verfahrens.
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Der Schritt a) umfasst das Anordnen der Sendeeinheiten am Patientenkörper. Da der Schritt e) das Ermitteln der räumlichen Position mittels Lateration vorsieht, sind vorliegend wenigstens drei Sendeeinheiten notwendig, da ansonsten keine eindeutige räumliche Positionsermittlung erfolgen kann. Das Anordnen der Sendeeinheiten erfolgt je nach Art des invasiven Eingriffs und/oder der medizinischen Invasivkomponente. Sofern die Invasivkomponente in Form eines zentralvenösen Katheters ausgebildet ist, erfolgt die Anordnung der Sendeeinheiten vorzugsweise im Bereich des Oberkörpers des Patienten. Die Anordnung erfolgt in festen Grenzen frei wählbar. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Sendeeinheiten zwar an technisch sinnvoll gewählten Sendepositionen angeordnet werden, so dass beispielsweise eine ausreichende Signalstärke der in Schritt c) gesendeten Ortungssignale in Schritt d) durch den Empfänger empfangen werden kann. Dabei sind die Sendepositionen allerdings relativ zueinander a priori daher nicht festgelegt und im Hinblick auf ihre Koordinaten nicht näher bestimmt. Die Sendepositionen sind insoweit unabhängig voneinander. Demnach ist insbesondere ein Gehäuse, eine Tragstruktur oder dergleichen nicht vorgesehen, in das die Sendeeinheiten eingebettet sind und das eine relative Position der Sendeeinheiten zueinander festlegt.
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Der Schritt b) umfasst das Ermitteln der Sendepositionen in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die von Schritt e) umfasste Lateration notwendig, da ansonsten keine eindeutige Ermittlung der räumlichen Position des Empfängers möglich ist. Das Bezugskoordinatensystem ist ein gedachtes Koordinatensystem, das auch als virtuelles Koordinatensystem bezeichnet werden kann. Beispielsweise kann das Bezugskoordinatensystem an einer der Sendeeinheiten verortet sein. Die Sendepositionen können mit einer grundsätzlich bekannten Messeinrichtung ermittelt werden. Der Schritt b) umfasst vereinfacht ausgedrückt ein sog. Einmessen der Sendeeinheiten bzw. der Sendepositionen, so dass diese als Grundlage für die nachfolgenden Verfahrensschritte, insbesondere für den Schritt e), bekannt sind.
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Der Schritt c) umfasst das Senden der Ortungssignale. Die Ortungssignale können insbesondere Ultraschallsignale sein. Die Sendeeinheiten können insoweit insbesondere in Form von Ultraschallsendern ausgebildet sein, wie sie im Bereich der Medizintechnik grundsätzlich bekannt sind und beispielsweise bei einer Sonografie Anwendung finden.
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Der Schritt d) umfasst das Empfangen der gesendeten Ortungssignale. Sofern diese in Form von Ultraschallsignalen gesendet werden, ist der Empfänger vorteilhafterweise in Form eines Ultraschallempfängers ausgebildet. Der Empfänger ist fest mit der Invasivkomponente verbunden. Sofern die medizinische Invasivkomponente in Form eines Katheters ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn der Empfänger im Bereich der Katheterspitze angeordnet ist. Wird im Schritt e) die räumliche Position des Empfängers ermittelt, ist somit zwangsläufig auch die räumliche Position der Katheterspitze bekannt.
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Der Schritt e) umfasst das Ermitteln der räumlichen Position des Empfängers mittels Lateration. Das Ermitteln erfolgt in Abhängigkeit der gesendeten und/oder empfangenen Ortungssignale und in Abhängigkeit der ermittelten Sendepositionen. Lateration ist als Verfahren zur Positionsbestimmung grundsätzlich bekannt. Hierbei werden die Laufzeiten - d.h. die Zeitdauer zwischen dem Senden und dem Empfangen - der drei Ortungssignale auf grundsätzlich bekannte Weise ermittelt. In Abhängigkeit der jeweiligen Laufzeit kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ortungssignale eine Entfernung zwischen der jeweiligen Sendeeinheit und dem Empfänger ermittelt werden. Ist lediglich eine Entfernung bekannt, liegt die mögliche räumliche Position des Empfängers auf einer gedachten Kugeloberfläche, deren Mittelpunkt durch eine der Sendeeinheiten gebildet ist. Sind zwei Entfernungen bekannt, liegt die mögliche räumliche Position des Empfängers auf einer Schnittkurve zwischen der gedachten Kugeloberfläche und einer weiteren gedachten Kugeloberfläche, deren Mittelpunkt durch eine weitere der Sendeeinheiten gebildet ist. Sind drei Entfernungen bekannt, liegt die mögliche räumliche Position des Empfängers auf zwei Schnittpunkten zwischen der Schnittkurve und einer weiteren gedachten Kugeloberfläche, deren Mittelpunkt durch die verbleibende drei Sendeeinheiten gebildet ist. Die tatsächliche räumliche Position des Empfängers lässt sich auf grundsätzlich bekannte Weise mittels einer Plausibilitätsbetrachtung ermitteln. Liegt beispielsweise einer der beiden möglichen Schnittpunkte außerhalb des Patientenkörpers, scheidet dieser als tatsächliche räumliche Position des Empfängers aus. Im vorliegenden Fall kann aufgrund der Verwendung dreier Sendeeinheiten und damit dreier Ortungssignale auch von Trilateration gesprochen werden.
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Optional umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt, nämlich ein Anzeigen der ermittelten räumlichen Position. Das Anzeigen erfolgt vorzugsweise mittels eines bildgebenden Verfahrens.
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Alternativ oder zusätzlich kann die ermittelte Position in Form eines Zahlenwerts angezeigt werden. Die Anzeige kann in Bezug auf unterschiedliche Koordinatenebenen des Bezugskoordinatensystems erfolgen, was eine verbesserte räumliche Zuordnung der ermittelten Position durch medizinisches Personal erlaubt. Hierdurch kann letztlich eine verbesserte Positionierung der Invasivkomponente im Patientenkörper ermöglicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Positionsermittlung einer Katheterspitze eines zentralvenösen Katheters bei einer Katheterisierung eines Patienten. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Positionsermittlung sonstiger Katheterspitzen oder anderer Invasivkomponenten im Patientenkörper, beispielsweise einer chirurgischen Nadel oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht zur Ausführung bei einer Katheterisierung beschränkt, sondern kann auch bei anderen invasiven Eingriffen ausgeführt werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt b) die Schritte: b1) Ermittlung von relativen Abständen der Sendeeinheiten zueinander und b2) Ermitteln der Sendepositionen in Abhängigkeit der ermittelten relativen Abstände. Das Ermitteln der relativen Abstände zwischen den Sendeeinheiten kann mittels eines hierfür geeigneten grundsätzlich bekannten Messverfahrens erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt die Ermittlung der relativen Abstände beispielsweise manuell mittels eines Längen- oder Abstandsmessgeräts. Die Sendepositionen werden in Abhängigkeit der ermittelten Abstände auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Beziehungen ermittelt, wobei das Bezugskoordinatensystem beispielsweise an einer der Sendeeinheiten bzw. Sendepositionen verortet sein kann, so dass eine der Sendeeinheiten bzw. Sendepositionen gleichsam einen Nullpunkt für das Einmessen bildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt b1) die Schritte: b11) Senden jeweils eines Abstandssignals ausgehend von den Sendeeinheiten. b12) Empfangen der gesendeten Abstandssignale an den Sendeeinheiten. b13) Ermitteln der relativen Abstände in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Abstandssignale. Demnach erfolgt die Abstandsermittlung gemäß Schritt b1) signalbasiert auf Grundlage der Abstandssignale. Diese werden ausgehend von den Sendeeinheiten und damit ausgehend von den a priori in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem unbestimmten Sendepositionen gesendet. Die Abstandssignale können von den Sendeeinheiten selbst gesendet und/oder empfangen werden. Alternativ können die Abstandssignale mittels Übertragungseinheiten gesendet und/oder empfangen werden, die jeweils an einer der Sendeeinheiten angeordnet sind. Vereinfacht ausgedrückt sendet jede der Sendeeinheiten ein Abstandssignal, das von jeder der weiteren Sendeeinheiten empfangen wird. Die relativen Abstände zwischen den Sendeeinheiten werden in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Abstandssignale ermittelt, beispielsweise auf Grundlage einer Laufzeitmessung der Abstandssignale. Die Abstandssignale können insbesondere Ultraschallsignale sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Abstandssignale Ultraschallsignale und die relativen Abstände werden in Abhängigkeit einer jeweiligen Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen den Sendeeinheiten ermittelt. Die Laufzeiten können mittels eines grundsätzlich bekannten Messverfahrens ermittelt werden. Bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale und mit jeweils bekannter Laufzeit kann der jeweilige relative Abstand zwischen den Sendeeinheiten auf einfache Weise ermittelt werden. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren die Schritte auf: f) Ermitteln einer räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem. g) Transformieren von Koordinaten der ermittelten räumlichen Position des Empfängers in das Referenzkoordinatensystem in Abhängigkeit der ermittelten räumlichen Lage. Um eine verbesserte räumliche Zuordnung der ermittelten Position durch medizinisches Personal zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn diese auf ein Referenzkoordinatensystem bezogen wird. Das Referenzkoordinatensystem kann ein patienten- oder gebäudeseitiges Koordinatensystem sein. Hierzu umfasst der Schritt f) das Ermitteln der räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems. Dies kann beispielsweise mittels einer Lagemesseinrichtung, insbesondere einem Gyroskop, einer sogenannten elektronischen Wasserwaage oder dergleichen erfolgen. Der Schritt g) umfasst das Transformieren der in Schritt e) ermittelten Position in das Referenzkoordinatensystem. Die Transformation erfolgt auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Operationen.
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Das erfindungsgemäße medizinische System ist zum Ausführen des vorbeschriebenen Verfahrens zur Positionsermittlung einer medizinischen Invasivkomponente bei einem invasiven Eingriff in einen Patientenkörper eingerichtet und weist auf: eine Senderanordnung mit wenigstens drei Sendeeinheiten, wobei die Senderanordnung derart gestaltet ist, dass die Sendeeinheiten an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition voneinander unabhängig an dem Patientenkörper anordenbar sind, und wobei die Sendeeinheiten zum Senden jeweils eines Ortungssignals eingerichtet sind, eine Einmesseinrichtung, die zur Ermittlung der Sendepositionen in Bezug auf ein Bezugskoordinatensystem eingerichtet ist, wenigstens einen an der Invasivkomponente angeordneten Empfänger, der zum Empfangen der Ortungssignale eingerichtet ist, und eine Recheneinrichtung, die mit der Senderanordnung, der Einmesseinrichtung und dem Empfänger verbunden ist und zur Ermittlung einer räumlichen Position des Empfängers in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem mittels Lateration in Abhängigkeit der Ortungssignale und der ermittelten Sendeposition eingerichtet ist. Durch das erfindungsgemäße medizinische System wird eine möglichst variable Anordnung der zur Positionsermittlung erforderlichen Komponenten des Systems am Patientenkörper ermöglicht. Dies, da die wenigstens drei Sendeeinheiten an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition voneinander unabhängig an dem Patientenkörper anordenbar sind. Dies ermöglicht medizinischem Personal einen möglichst ungehinderten Zugang zum Patientenkörper, da die Sendeeinheiten abseits einer etwaigen Zugangsstelle von medizinischem Interesse angeordnet werden können.
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Die Senderanordnung ist derart gestaltet, dass die Sendeeinheiten voneinander unabhängig am Patientenkörper anordenbar sind. Insoweit weist die Senderanordnung ein die Sendeeinheiten miteinander verbindendes Gehäuse oder dergleichen nicht auf, so dass die relative Position der Sendeeinheiten zueinander a priori unbestimmt und in technisch sinnvollen Grenzen frei wählbar ist. Die Sendeeinheiten sind vorzugsweise jeweils in Form eines Ultraschallsenders ausgebildet. Solche Ultraschallsender sind im Bereich der Medizintechnik grundsätzlich bekannt und finden beispielsweise bei einer Sonografie Anwendung. Dementsprechend sind die Ortungssignale vorzugsweise Ultraschallsignale. Die Senderanordnung ist somit insbesondere zum Ausführen des Schritts c) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Die Einmesseinrichtung dient zur Ermittlung der Sendepositionen der Sendeeinheiten in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem. Das Bezugskoordinatensystem ist ein gedachtes Koordinatensystem, das auch als virtuelles Koordinatensystem bezeichnet werden kann. Beispielsweise kann das Bezugskoordinatensystem an einer der drei Sendeeinheiten verortet sein. Die Einmesseinrichtung kann eine mechanische und/oder elektronische Einrichtung sein. Die Einmesseinrichtung ist somit insbesondere zum Ausführen des Schritts b) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Der Empfänger ist vorzugsweise fest mit der Invasivkomponente verbunden. Sofern die Sendeeinheiten jeweils in Form eines Ultraschallsenders ausgebildet sind, ist es vorteilhaft, wenn der Empfänger ein Ultraschallempfänger ist. Sofern die Invasivkomponente ein Katheter ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Empfänger im Bereich einer Katheterspitze des Katheters angeordnet ist. Der Empfänger ist somit insbesondere zum Ausführen des Schritts d) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Die Recheneinrichtung ist mit der Senderanordnung, der Einmesseinrichtung und dem Empfänger jeweils zum Zwecke der Signal- und/oder Datenübertragung verbunden. Die hierfür vorgesehene Verbindung kann drahtgebunden oder drahtlos sein. Dabei verarbeitet die Recheneinrichtung vorzugsweise sowohl sender- und/oder empfängerseitige Signale und/oder Daten als auch Daten und/oder Signale der Einmesseinrichtung. Die Recheneinrichtung ist vorzugsweise zum Ausführen eines Softwareprogramms eingerichtet, das zur Ermittlung der räumlichen Position des Empfängers mittels Lateration eingerichtet ist. Die Recheneinrichtung ist somit insbesondere zum Ausführen des Schritts e) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einmesseinrichtung zum Ermitteln von relativen Abständen der Sendeeinheiten zueinander und zum Ermitteln der Sendepositionen in Abhängigkeit der ermittelten relativen Abstände eingerichtet. Dabei kann die Einmesseinrichtung sowohl der Senderanordnung als auch der Recheneinrichtung zugeordnet sein. Zum Ermitteln der relativen Abstände kann die Einmesseinrichtung eine mechanische und/oder elektronische Abstandsmesseinheit aufweisen. Zum Ermitteln der Sendepositionen in Abhängigkeit der ermittelten Abstände kann die Einmesseinrichtung eine Recheneinheit aufweisen, mittels der die Sendepositionen auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Zusammenhänge und mathematischer Operationen ermittelbar sind. Die Recheneinheit kann der Recheneinrichtung zugeordnet sein. Die Einmesseinrichtung ist somit insbesondere zum Ausführen der Schritte b1) und b2) des Verfahrens eingerichtet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Einmesseinrichtung wenigstens drei Übertragungseinheiten auf, die jeweils zum Senden und Empfangen von Abstandssignalen eingerichtet sind, wobei jeweils eine der Übertragungseinheiten an einer der Sendeeinheiten angeordnet ist, und wobei die Einmesseinrichtung zum Ermitteln der relativen Abstände in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Abstandssignale eingerichtet ist. Die Übertragungseinheiten dienen einer signalbasierten Ermittlung der relativen Abstände zwischen den Sendeeinheiten. Vorzugsweise weisen die Übertragungseinheiten jeweils ein Sendeelement zum Senden der Abstandssignale und ein Empfangselement zum Empfangen der Abstandssignale auf. Vorzugsweise sind die Abstandssignale Ultraschallsignale. Vorzugsweise weist die Einmesseinrichtung eine Recheneinheit auf, die zum Ermitteln der relativen Abstände in Abhängigkeit der Abstandssignale eingerichtet ist. Die Recheneinheit kann der Recheneinrichtung zugeordnet sein. Die Einmesseinrichtung ist somit insbesondere zum Ausführen der Schritte b11), b12) und b13) des Verfahrens eingerichtet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Übertragungseinheiten jeweils einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger auf, die zum Senden und Empfangen der Abstandssignale in Form von Ultraschallsignalen eingerichtet sind, wobei die Einmesseinrichtung zum Ermitteln einer jeweiligen Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen den Übertragungseinheiten und zum Ermitteln der relativen Abstände in Abhängigkeit der ermittelten Laufzeiten eingerichtet ist. Die Ultraschallsender dienen dem Senden der Ultraschallsignale. Die Ultraschallempfänger dienen dem Empfangen der Ultraschallsignale. Die Einmesseinrichtung dient dem Ermitteln der jeweiligen Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallsendern und -empfängern, wobei ein grundsätzlich bekanntes Laufzeitmessverfahren verwendet werden kann. Bei bekannter jeweiliger Laufzeit und bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale kann auf grundsätzlich bekannte Weise der jeweilige Abstand zwischen Ultraschallsender und -empfänger ermittelt werden. Hierzu ist die Einmesseinrichtung eingerichtet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine der Senderanordnung zugeordnete Lagemesseinrichtung vorgesehen, die zum Ermitteln einer räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem eingerichtet ist, wobei die Recheneinrichtung zum Transformieren von Koordinaten der ermittelten räumlichen Position des Empfängers in das Referenzkoordinatensystem in Abhängigkeit der ermittelten räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems eingerichtet ist. Vorzugsweise ist das Bezugskoordinatensystem an der Senderanordnung verortet, beispielsweise an einer der drei Sendeeinheiten. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Senderanordnung ist diese in einer a priori unbekannten räumlichen Lage am Patientenkörper angeordnet, so dass die räumliche Lage des Bezugskoordinatensystems zunächst nicht näher räumlich bestimmt ist. Deshalb ist es vorteilhaft, die räumliche Lage des Bezugskoordinatensystems bzw. der Senderanordnung in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem zu ermitteln. Das Referenzkoordinatensystem kann ein patienten- oder gebäudeseitiges gedachtes Koordinatensystem sein. Die Lagemesseinrichtung dient insoweit der Ermittlung der räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems bzw. der Senderanordnung relativ zu dem Referenzkoordinatensystem. Die Lagemesseinrichtung kann beispielsweise in Form einer sogenannten elektronischen Wasserwaage, eines Gyroskops oder dergleichen ausgebildet sein. Die Recheneinrichtung ist zum Transformieren der Koordinaten der ermittelten räumlichen Lage auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Zusammenhänge und mathematischer Operationen eingerichtet. Zu diesem Zweck kann die Recheneinrichtung zum Ausführen eines hierzu vorgesehenen Softwareprogramms eingerichtet sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
- 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen medizinischen Systems, das zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsermittlung einer Invasivkomponente in einem Patientenkörper eingerichtet ist,
- 2 in schematischer Flussdiagramm-Darstellung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu dessen Ausführung das medizinische System nach 1 eingerichtet ist,
- 3 in schematischer Flussdiagramm-Darstellung einen Teilaspekt des Verfahrens nach 2 und
- 4 in schematischer Flussdiagramm-Darstellung einen weiteren Teilaspekt des Verfahrens nach den 2 und 3.
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Gemäß 1 ist ein medizinisches System 1 zur Positionsermittlung einer Invasivkomponente 2 bei einem invasiven Eingriff in einen Patientenkörper B vorgesehen. Die Invasivkomponente ist vorliegend in Form eines grundsätzlich bekannten PICC-Katheters 2 ausgebildet, der auch als peripher eingeführter zentralvenöser Katheter bezeichnet werden kann. Der invasive Eingriff ist demnach vorliegend eine Katheterisierung. Bei dieser wird der Katheter 2 auf grundsätzlich bekannte Weise im Bereich einer nicht näher bezeichneten Armbeuge des Patientenkörpers B in ein Venensystem eingeführt. Hierzu wird der Katheter 2 beispielsweise mittels der sogenannten Seldinger-Technik entlang des Venensystems vorgeschoben, bis eine Katheterspitze 3 des Katheters 2 im Bereich des rechten Herzvorhofs des Patientenkörpers B zum Liegen kommt. Ein der Katheterspitze 3 abgewandtes und nicht näher bezeichnetes Katheterende verbleibt bei der Katheterisierung außerhalb des Patientenkörpers B, so dass beispielsweise eine Medikamentenflüssigkeit über das Katheterende in den Katheter 2 eingeleitet und durch die Katheterspitze 3 in das Venensystem abgegeben werden kann. Die Positionierung der Katheterspitze 3 im Patientenkörper B muss hierbei mit hinreichender Genauigkeit erfolgen. Andernfalls sind Komplikationen nicht auszuschließen. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Position der Katheterspitze 3 bereits während des Anlegens des Katheters 2 bzw. während der Katheterisierung durch medizinisches Personal ermittelbar ist. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Katheterspitze 3 in unerwünschter Weise entlang des Venensystems vorgeschoben und im Patientenkörper B positioniert wird.
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Vor diesem Hintergrund weist das medizinische System 1 eine Senderanordnung 4, eine Einmesseinrichtung 5, wenigstens einen Empfänger 6 sowie eine Recheneinrichtung 7 auf. Zudem ist vorliegend eine Anzeigeeinheit 8 vorgesehen.
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Die Senderanordnung 4 weist wenigstens drei Sendeeinheiten 9, 10, 11 auf, wobei die Senderanordnung 4 derart gestaltet ist, dass die Sendeeinheiten 9, 10, 11 an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition P1, P2 bzw. P3 voneinander unabhängig an dem Patientenkörper B anordenbar sind. Dabei sind die Sendeeinheiten 9, 10, 11 zum Senden jeweils eines Ortungssignals S1, S2 bzw. S3 eingerichtet. Die Sendeeinheiten 9, 10, 11 sind insoweit voneinander unabhängig am Patientenkörper B anordenbar, als beispielsweise keine Gehäusestruktur, keine Tragstruktur oder dergleichen vorgesehen ist, mittels derer die Sendeeinheiten 9, 10, 11 relativ zueinander fest positioniert sind. Stattdessen ist jede der Sendeeinheiten 9, 10, 11 getrennt von den beiden verbleibenden Sendeeinheiten frei in technisch sinnvollen Grenzen am Patientenkörper B positionierbar. Vorliegend sind die Sendeeinheiten 9, 10, 11 - in Bezug auf die Blickebene der 1 - unter Ausbildung einer Dreiecksform voneinander beabstandet am Patientenkörper B angeordnet. Dabei sind die Sendeeinheiten 9, 10, 11 im Bereich des Oberkörpers angebracht. Als Ortungssignale S1, S2, S3 sind vorliegend Ultraschallsignale vorgesehen, so dass die Sendeeinheiten jeweils in Form eines Ultraschallsenders 9, 10 bzw. 11 ausgebildet sind. Ultraschallsender sind im Bereich der Medizintechnik als solches grundsätzlich bekannt und finden beispielsweise bei einer Sonografie Anwendung. Den Ultraschallsendern 9, 10, 11 kann jeweils eine Energieversorgungsleitung und/oder Signalleitung zugeordnet sein, wobei auf deren Darstellung aus zeichnerischen Gründen verzichtet wurde. Nach einem Anordnen der Sendeeinheiten 9, 10, 11 am Patientenkörper B sind die Sendepositionen P1, P2, P3 zunächst nicht näher bestimmt, so dass insbesondere deren jeweilige Koordinaten in Bezug auf ein Bezugskoordinatensystem Z a priori nicht bekannt sind. Das Bezugskoordinatensystem Z ist ein gedachtes Koordinatensystem, das auch als virtuelles Koordinatensystem bezeichnet werden kann. Vorliegend ist das Bezugskoordinatensystem Z an der Sendeeinheit 10 verortet, so dass die Sendeposition P2 eine Art Bezugspunkt mit entsprechenden orthogonalen Bezugsachsen bildet. Dabei sind relative Abstände a1, a2 und a3 zwischen den Sendeeinheiten 9, 10, 11 bzw. den Sendepositionen P1, P2 bzw. P3 a priori nicht bekannt.
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Zum Ermitteln der Sendepositionen P1, P2, P3 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z ist die Einmesseinrichtung 5 vorgesehen. Diese dient vereinfacht ausgedrückt einem Einmessen der Senderanordnung 4. Dabei ist die Einmesseinrichtung 5 zum Ermitteln der relativen Abstände a1, a2, a3 zwischen den Sendeeinheiten 9, 10, 11 bzw. Sendepositionen P1, P2 bzw. P3 eingerichtet. Zudem ist die Einmesseinrichtung 5 auf noch näher beschriebene Weise zum Ermitteln der Sendepositionen S1, S2, S3 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z in Abhängigkeit der ermittelten relativen Abstände a1, a2, a3 eingerichtet.
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Hierzu weist die Einmesseinrichtung 5 wenigstens drei Übertragungseinheiten 12, 13, 14 auf, die jeweils zum Senden und Empfangen von Abstandssignalen L1, L2, L3 eingerichtet sind. Dabei ist jeweils eine der Übertragungseinheiten 12, 13, 14 an einer der Sendeeinheiten 9, 10, 11 angeordnet und die Einmesseinrichtung 5 ist zum Ermitteln der relativen Abstände a1, a2, a3 in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Abstandssignale L1, L2, L3 eingerichtet.
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Die Übertragungseinheiten 12, 13, 14 sind vorliegend in die jeweilige Sendeeinheit 9, 10 bzw. 11 integriert, was anhand der stark vereinfachten schematischen Darstellung der 1 verdeutlicht sein soll.
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Die Abstandssignale L1, L2, L3 sind vorliegend ebenfalls Ultraschallsignale. Zum Senden und Empfangen der Ultraschallsignale L1, L2, L3 weisen die drei Übertragungseinheiten 12, 13, 14 jeweils einen Ultraschallsender 15, 16, 17 und jeweils einen Ultraschallempfänger 18, 19, 20 auf. Der Ultraschallsender 15 ist an der Sendeeinheit 9 angeordnet und zum Senden des Abstandssignals L1 eingerichtet. Der Ultraschallsender 16 ist an der Sendeeinheit 10 angeordnet und zum Senden des Abstandssignals L2 eingerichtet. Der Ultraschallsender 17 ist an der Sendeeinheit 11 angeordnet und zum Senden des Abstandssignals L3 eingerichtet. Der Ultraschallempfänger 18 ist an der Sendeeinheit 9 angeordnet und zum Empfangen der Abstandssignale L2, L3 eingerichtet. Der Ultraschallempfänger 19 ist an der Sendeeinheit 10 angeordnet und zum Empfangen der Abstandssignale L1, L3 eingerichtet. Der Ultraschallempfänger 20 ist an der Sendeeinheit 11 angeordnet und zum Empfangen der Abstandssignale L1, L2 eingerichtet. Zum Ermitteln der relativen Abstände a1, a2, a3 in Abhängigkeit der Abstandssignale L1, L2, L3 weist die Einmesseinrichtung 5 eine Recheneinheit R auf, die vorliegend der Recheneinrichtung 7 zugeordnet ist. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein. Bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform können zu diesem Zweck eine Recheneinheit oder mehrere Recheneinheiten vorgesehen und an einer oder mehreren der Sendeeinheiten 9, 10, 11 angeordnet sein.
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Der Empfänger 6 ist zusammen mit der Katheterspitze 3 am linken unteren Bildrand der 1 in abschnittsweise vergrößerter Detaildarstellung ersichtlich. Der Empfänger 6 ist zum Empfang der Ortungssignale S1, S2, S3 eingerichtet. Da diese vorliegend als Ultraschallsignale vorgesehen sind, ist der Empfänger 6 insoweit ein Ultraschallempfänger. Der Empfänger 6 ist im Bereich der Katheterspitze 3 außenliegend auf einem Schlauchmantelabschnitt 21 des Katheters 2 angeordnet und fest mit diesem verbunden.
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Die Recheneinrichtung 7 ist mit der Senderanordnung 4, der Einmesseinrichtung 5 und dem Empfänger 6 verbunden. Hierzu sind Übertragungskanäle 22, 23, 24 vorgesehen, die einer Signal- und/oder Datenübertragung zwischen der Recheneinrichtung 7 und der Senderanordnung 4, der Einmesseinrichtung 5 bzw. dem Empfänger 6 dienen. Die Übertragungskanäle 22, 23, 24 sind anhand 1 lediglich stark vereinfacht schematisch dargestellt und können jeweils drahtlos oder drahtgebunden ausgebildet sein. Die Recheneinrichtung 7 ist zum Ermitteln einer räumlichen Position X des Empfängers 6 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z mittels Lateration eingerichtet. Hierzu verarbeitet die Recheneinrichtung 7 Signale und/oder Daten der Senderanordnung 4, der Einmesseinrichtung 5 und des Empfängers 6. Die Ermittlung der Position X erfolgt mittels Lateration in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Ortungssignale S1, S2, S3 und der mittels der Einmesseinrichtung 5 ermittelten Sendepositionen P1, P2, P3. Lateration ist als Verfahren zur Positionsermittlung grundsätzlich bekannt und basiert auf einer Entfernungsmessung zu drei Punkten. Hierzu wird vorliegend in grundsätzlich bekannter Weise eine jeweilige Laufzeit der Ortungssignale S1, S2 bzw. S3 zwischen der jeweiligen Sendeeinheit 9, 10 bzw. 11 und dem Empfänger 6 mittels der Recheneinrichtung 7 ermittelt. Die jeweilige Laufzeit lässt bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ortungssignale S1, S2, S3 eine eindeutige Ermittlung der jeweiligen Entfernung des Empfängers 6 zu der jeweiligen Sendeeinheit 9, 10 bzw. 11 zu. Ist beispielsweise die Entfernung des Empfängers 6 zur Sendeposition P1 bekannt, liegt die mögliche räumliche Position X des Empfängers 6 auf einer gedachten Kugeloberfläche, deren Zentrum an der Sendeposition P1 liegt. Ist zusätzlich die Entfernung zwischen dem Empfänger 6 und der Sendeposition P2 bekannt, liegt die mögliche räumliche Position X auf einer kreisringförmigen Schnittkurve zwischen besagter gedachter Kugeloberfläche und einer weiteren gedachten Kugeloberfläche, in deren Zentrum die Sendeposition P2 liegt. Ist zusätzlich die Entfernung zwischen dem Empfänger 6 und der Sendeposition P3 bekannt, liegt die mögliche räumliche Position X entweder an einem ersten Schnittpunkt oder an einem zweiten Schnittpunkt, die jeweils zwischen besagter kreisringförmiger Schnittkurve und einer weiteren gedachten Kugeloberfläche gebildet sind, deren Zentrum an der Sendeposition P3 liegt. Die tatsächliche räumliche Position X des Empfängers 6 ist auf grundsätzlich bekannte Weise mittels einer Plausibilitätsbetrachtung zwischen dem ersten Schnittpunkt und dem zweiten Schnittpunkt ermittelbar. Beispielsweise ist einer der Schnittpunkte auszuschließen, sofern dieser außerhalb des Patientenkörpers B liegt.
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Das zuvor beschriebene grundsätzlich bekannte Laterationsverfahren setzt voraus, dass die Sendepositionen P1, P2, P3 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z bekannt sind, da andernfalls eine eindeutige Ermittlung der Position X in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z nicht möglich ist. Dabei erfolgt die Ermittlung der Sendeposition P1, P2, P3 auf die vorbeschriebene Weise mittels der Einmesseinrichtung 5. Demnach geht der eigentlichen Ermittlung der Position X vereinfacht ausgedrückt ein Einmessen der Senderanordnung 4 in Form einer Positionsermittlung der Sendeeinheiten 9, 10, 11 voraus.
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Die Recheneinheit 7 ist mittels eines Übertragungskanals 25 mit der Anzeigeeinheit 8 verbunden. Die Anzeigeeinheit 8 ist zur bildgebenden Anzeige der ermittelten Position X des Empfängers 6 eingerichtet und weist zu diesem Zweck ein Display 26 auf, das auf grundsätzlich bekannte Weise ausgehend von der Recheneinrichtung 7 ansteuerbar ist. Dabei erfolgt die bildgebende Anzeige der Position X in Bezug auf ein nicht näher bezeichnetes Anzeigekoordinatensystem, das anhand 1 im Display 26 ersichtlich ist.
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Zudem weist das medizinische System 1 vorliegend eine der Senderanordnung 4 zugeordnete Lagemesseinrichtung 27 auf, die anhand 1 stark vereinfacht schematisch dargestellt ist. Die Lagemesseinrichtung 27 ist zum Ermitteln einer räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems Z in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem Z` eingerichtet. Das Referenzkoordinatensystem Z` kann ein patienten- oder gebäudeseitiges gedachtes Koordinatensystem sein. Vorliegend ist die Lagemesseinrichtung 27 in Form eines Gyroskops ausgebildet. Das Gyroskop 27 ermöglicht auf grundsätzlich bekannte Weise eine Ermittlung einer räumlichen Winkellage des vorliegend an der Sendeeinheit 10 der Senderanordnung 4 verorteten Bezugskoordinatensystems Z. Die Recheneinrichtung 7 ist zum Transformieren von Koordinaten der räumlichen Position X in das Referenzkoordinatensystem Z' in Abhängigkeit der ermittelten räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems Z eingerichtet. Hierzu kann die Recheneinheit 7 mit einem aus zeichnerischen Gründen nicht näher dargestellten Übertragungskanal mit der Lagemesseinrichtung 27 zur Signal- und/oder Datenübertragung verbunden sein. Die Koordinatentransformation erfolgt auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Beziehungen und mathematischer Operationen und ermöglicht eine auf das Referenzkoordinatensystem Z' bezogene Anzeige der Position X mittels der Anzeigeeinheit 8. Dies ermöglicht medizinischem Personal eine vereinfachte räumliche Zuordnung der Position X.
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Das medizinische System 1 nach 1 ist zum Ausführen eines Verfahrens A, wie es anhand 2 als schematisches Flussdiagramm dargestellt ist, eingerichtet. Das Verfahren A sieht den folgenden Ablauf vor:
- Zunächst wird in einem Schritt a) die Senderanordnung 4 mit den drei Sendeeinheiten 9, 10, 11 am Patientenkörper B angeordnet. Dabei erfolgt die Anordnung der Sendeeinheiten 9, 10, 11 an jeweils einer in festen Grenzen frei wählbaren Sendeposition P1, P2, P3. Die Sendeeinheiten 9, 10, 11 werden insoweit voneinander unabhängig an dem Patientenkörper B angeordnet. Die Sendepositionen P1, P2, P3 sind a priori nicht näher bestimmt und insbesondere relativ zueinander nicht näher bestimmt. In einem Schritt b) werden die Sendepositionen P1, P2, P3 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z, das vorliegend in gedachter Weise an der Sendeeinheit 10 verortet ist, mittels der Einmesseinrichtung 5 ermittelt. In einem nächsten Schritt c) werden die Ortungssignale S1, S2, S3 mittels der Sendeeinheiten 9, 10 bzw. 11 gesendet. In einem nächsten Schritt d) werden die gesendeten Ortungssignale S1, S2, S3 mittels des an der Katheterspitze 3 angeordneten Empfängers 6 empfangen. In einem nächsten Schritt e) wird die räumliche Position X des Empfängers 6 - und damit die Position der Katheterspitze 3 - in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z mittels Lateration in Abhängigkeit der Ortungssignale S1, S2, S3 und der ermittelten Sendepositionen P1, P2, P3 mittels der Recheneinrichtung 7 ermittelt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zur weiteren Erläuterung insbesondere der Lateration auf die Offenbarung im Zusammenhang mit dem medizinischen System 1 verwiesen. In einem optionalen Schritt h) ist vorliegend eine bildgebende Anzeige der ermittelten räumlichen Position X mittels der Anzeigeeinheit 8 vorgesehen.
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Vorliegend umfasst der Schritt b) ein Ermitteln der relativen Abstände a1, a2, a3 der Sendeeinheiten 9, 10 bzw. 11 zueinander. Dies wird in einem Schritt b1) umgesetzt (3). Hiernach erfolgt in einem Schritt b2) ein Ermitteln der Sendepositionen P1, P2, P3 in Abhängigkeit der ermittelten relativen Abstände a1, a2, a3. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schritte b1) und b2) mittels der Einmesseinrichtung 5 ausgeführt werden.
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Gemäß 4 umfasst der Schritt b1) vorliegend einen Schritt b11), in dem die Abstandssignale L1, L2, L3 ausgehend von den Sendeeinheiten 9, 10, 11 gesendet und in einem nachfolgenden Schritt b12) an den Sendeeinheiten 9, 10, 11 empfangen werden. Hierzu weist die Einmesseinrichtung 5 vorliegend die Übertragungseinheiten 12, 13, 14 mit den besagten Ultraschallsendern 15, 16, 17 und Ultraschallempfängern 18, 19, 20 auf. In einem nachfolgenden Schritt b13) werden die relativen Abstände a1, a2, a3 in Abhängigkeit der gesendeten und empfangenen Abstandssignale L1, L2, L3 basierend auf einer Laufzeitermittlung der Abstandssignale L1, L2, L3 ermittelt, wobei die Abstandssignale jeweils in Form eines Ultraschallsignals L1, L2, L3 ausgebildet sind. Die Ermittlung der relativen Abstände a1, a2, a3 und die hierauf basierende Ermittlung der Sendepositionen P1, P2, P3 in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem Z erfolgt auf Grundlage grundsätzlich bekannter geometrischer Zusammenhänge und mathematischer Operationen.
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Das Verfahren A sieht vorliegend zudem einen Schritt f) vor, bei dem eine räumliche Lage des Bezugskoordinatensystems Z in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem Z' ermittelt wird. Dies erfolgt vorliegend mittels der Lagemesseinrichtung 27. In einem Schritt g) werden Koordinaten der in Schritt e) ermittelten räumlichen Position X in Abhängigkeit der ermittelten räumlichen Lage des Bezugskoordinatensystems Z in das Referenzkoordinatensystem Z' transformiert. Dies erfolgt vorliegend mittels der entsprechend eingerichteten Recheneinrichtung 7 auf Grundlage grundsätzlich bekannter Transformationsbeziehungen. Das Ergebnis der in Schritt g) erfolgten Koordinatentransformation kann in die in Schritt h) vorgesehene Anzeige der Position X einfließen.
