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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Lokalisierung, Beeinflussung und Führung von Tracking-Körpern und
ein Verfahren zum Betrieb der Markierungseinrichtung.
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Markierungseinrichtungen in Verbindung
mit Tracking-Körpern
werden in medizinisch-biologischen Anwendungen zur gezielten Markierung
physiologischer Strukturen bzw. zur Markierung von Orientierungspunkten
in Operationsfeldern verwendet. Derartige Einrichtungen werden oft
mit bildgebenden Verfahren kombiniert. Die Tracking-Körper sind
hierbei so ausgebildet, daß deren
Ort und deren Lage innerhalb eines Operationsfeldes mittels geeigneter Untersuchungsmethoden
eindeutig identifiziert werden können.
Den aus der zeitlichen Abfolge und den Veränderungen des Ortes des Tracking-Körpers in einem
Organismus resultierenden Weg bezeichnet man als Trajektorie. Diese
wird aufgezeichnet und analysiert, wobei sich Rückschlüsse auf Funktionsabläufe in einem
Organsystem ziehen lassen, das der Tracking-Körper passiert hat oder momentan passiert.
Ein Beispiel hierfür
ist ein Verschlucken einer Kapsel, die einen identifizierbaren Kontrast
in einem Röntgenbild
zeigt. Aus der Lage und den Passagezeiten der von der Kapsel erzeugten
Kontraststruktur im Röntgenbild
können
Rückschlüsse auf
die Tätigkeit
des Verdauungskanals und Verdauungsstörungen gezogen werden.
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Eine solche Methode kann unter anderem dadurch
minimalinvasiv gestaltet werden, indem der Tracking-Körper das
Magnetfeld eines magnetischen Dipols aussendet, das vermessen wird.
Aufgrund der Meßdaten
wird die Position des magnetischen Dipols bestimmt. Das magnetische
Dipolfeld wird hierzu mit Magnetfeldsensoren überwacht und ausgewertet, die eine
Auflösung
bis zu einigen wenigen Nanotesla ermöglichen. Bei einer magnetischen
Dipolprobe von etwa 0.08 Am2 kann mit einem
solchen Verfahren eine Ortsauflösung
von etwa 1mm und eine Orientierungsauflösung von etwa 0.1 Winkelgraden
in Echtzeit erreicht werden (Abstand Sensor-Marker ca. 15 cm). Eine
derartige Tracking-Methode kommt ohne zusätzliche Energiezufuhr zur Aktivierung
des Tracking-Körpers
aus und belastet den Organismus des Patienten in einem vernachlässigbaren
Grad.
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Die bisher verwendeten Ausführungsformen eines
derartigen Tracking-Verfahrens sind derzeit in ihrem Anwendungsbereich
noch relativ eingeschränkt.
So wird entsprechend dem Stand der Technik auf eine unflexibel reagierende
Sensorkonstruktionen zurückgegriffen,
die aus einer im wesentlichen rechteckigen Platte besteht, die in
einem festen Abstand zu einem darunter liegenden Patienten angeordnet
ist. Derartige Sensorkonstruktionen erfassen einen mehr oder minder
fest vorgegebenen Raumbereich. In Verbindung mit einem Tracking-Körper mit einer
festen Magnetisierung sind damit die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Trackingverfahrens
im wesentlichen auf die Verfolgung einer Passage des Tracking-Körpers durch
einen vorgegebenen Körperhohlraum,
beispielsweise den Darm, beschränkt.
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Es ergibt sich somit die Aufgabe,
das beschriebene Verfahren in einer Weise fortzubilden, daß eine erhöhte Flexibilität des Trackingverfahrens durch
eine verbesserte Sensorik, eine damit einhergehende höhere Meßgenauigkeit
und eine weitere Miniaturisierung sowohl der Sensorik, als auch
des Tracking-Körpers erzielt
werden kann, wobei insbesondere Möglichkeiten zu einer gezielten
und minimalinvasiven Beeinflussung des Tracking-Körpers von
außen
und eine erweiterte Funktionalität
des Tracking-Körpers
zu schaffen sind.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
zur Lokalisierung von Tracking-Körpern mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Lokalisierung
und Beeinflussung mindestens eines in eine physiologische Umgebung
eingebrachten Tracking-Körpers
mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen
des Vorrichtungs- und des Verfahrenshauptanspruches beinhalten.
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Erfindungsgemäß weist die Markierungseinrichtung
einen Tracking-Körper
in Form eines durch eine endliche Remanenzmagnetisierung ausgezeichneten
Körpers
mit einem veränderbaren
magnetischen Dipolmoment und einem daraus resultierenden anisotropen
magnetischen Dipolfeld auf. Die Sensoreinrichtung ist erfindungsgemäß in Form
einer Gesamtheit von auf das anisotrope Dipolfeld sensitiven, einen
Meßbereich
abdeckenden modularen Sensorclustern ausgeführt, wobei in je einem Sensorcluster
eine Gesamtheit von Gradiometersensoren in einer spezifischen Meßgeometrie
integriert ist. Eine Meß-
und Steuereinheit ist mit der Gesamtheit der Sensorcluster verbunden.
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Jeder Sensorcluster stellt hierbei
eine Detektoreinheit dar, mit deren Hilfe die Lage des Tracking-Körpers im
Raum und dessen Orientierung anhand des registrierten magnetischen
Dipolfeldes bestimmt werden kann. Der einzelne Sensorcluster weist
dazu bei an sich variablen Formbegrenzungen eine Gesamtheit von
Gradiometern in einer zweckmäßigen geometrischen
Anordnung zueinander auf. Mehrere Sensorcluster sind erfindungsgemäß so zusammengefügt, daß diese
ein gefordertes Untersuchungsfeld in optimaler Weise überdecken.
Die dabei entstehende Sensorclusteranordnung ergibt im Ergebnis
eine Art „Mosaik" verschiedener Sensorcluster,
das flexibel an eine Körperform
eines Probanden angepaßt
werden und insbesondere um diesen herumgeführt werden kann und somit einen
Raumbereich zweckmäßig erfaßt. Dabei
können
die einzelnen Sensorcluster in weitgehend beliebiger Weise zusammengefügt und meßtechnisch
verschaltet werden. Die Meß-
und Steuereinrichtung überwacht
und steuert den Betrieb der jeweiligen dadurch gebildeten Sensorclusteranordnung.
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Der Tracking-Körper ist aus einem Material mit
einer möglichst
hohen Remanenzmagnetisierung und einer möglichst geringen Koerzitivfeldstärke ausgeführt. Das
Material des Tracking-Körpers
weist demzufolge eine in Richtung der Magnetisierungsachse gestreckte
und in Richtung der äußeren Feldstärke schmale
Magnetisierungshysterese auf. Dadurch ist gewährleistet, daß einerseits
die Magnetisierung des Tracking-Körpers bei einem Abschalten des äußeren Magnetfeldes
besonders stark ist, ein hohes magnetisches Dipolmoment erzeugt
wird, andererseits aber die Magnetisierung durch ein relativ schwaches äußeres umkehrendes
Magnetfeld wieder aufgehoben werden kann.
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Zweckmäßigerweise werden daher Tracking-Körper aus
einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung
(NdFeB), AlNiCo und verschiedene Eisenlegierungen bevorzugt, die
mit einem physiologisch und magnetisch neutralen Material ummantelt
sein kann.
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Der Tracking-Körper selbst kann in zwei grundlegenden
Ausführungsformen
vorliegen. Bei einer ersten Ausführungsform
bildet dieser einen integralen Bestandteil eines medizinischen Instrumentes,
insbesondere einer Zeigereinrichtung, eines Endoskops oder einer
vergleichbaren medizinischen Sondeneinrichtung. Bei einer zweiten
Ausführungsform
ist dieser als ein in einem Organismus, insbesondere in Körperhohlräumen bewegliches
Objekt ausgeführt.
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Bei der ersten Ausführungsform
bildet der Tracking-Körper
eine mit dem entsprechenden Instrument verknüpfte Zeigereinrichtung, die
mit Hilfe der Sensorclusteranordnung in ihrer Lage und Orientierung
erfaßt
wird. Ein großer
Vorteil einer solchen Zeigereinrichtung besteht darin, daß das detektierte Meßsignal
(die magnetische Feldstärke
des Dipols) ohne Zufuhr von Energie in Form einer äußeren Anregung
oder einer Verkabelung erzeugt und in einfacher Weise detektiert
wird. Die genaue Lage z.B. eines Endoskops läßt sich unter diesen Bedingungen mit
hoher Genauigkeit außerhalb
des Körpers
des Probanden feststellen. Bei der zweiten Ausführungsform bewegt sich der
Tracking-Körper
innerhalb eines Implantationsgebietes frei und dient als autarke Sonde
für die
dort herrschenden physiologischen Bedingungen, wobei diese gegebenenfalls
extern beeinflußt
werden kann.
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Der Tracking-Körper weist Abschnitte auf, die
aktivierbare und/oder reaktive, insbesondere gewebemarkierende oder
kontrolliert Substanzen freigebende Eigenschaften und/oder dergleichen
weitere, auf eine gegebene physiologische Umgebung und/oder extern
angelegte Einflüsse,
insbesondere äußere Magnetfelder,
sensitive Eigenschaften. Der Tracking-Körper ist entsprechend dieser
Fortbildung als ein Transportmittel für Substanzen ausgebildet, die
unter einer gewissen physiologischen Umgebung oder infolge eines
von außen
gezielt angelegten Einflusses, insbesondere eines Magnetfeldes,
freigesetzt werden. Damit können
therapeutisch oder diagnostisch wirksame Substanzen bis an den Wirkungsort
verbracht und dort kontrolliert freigesetzt werden.
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Der erwähnte Sensorcluster weist als
Minimalkonfiguration eine Gesamtheit von Gradiometern für eine Lokalisierung
mindestens eines Tracking-Körpers,
insbesondere dessen Detektierung einer Lage in einem dreidimensionalen
Koordinatensystem und dessen Winkelorientierung auf. Der einzelne
Sensorcluster stellt somit die kleinste Detektoreinheit des Markierungssystems
dar.
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Für
eine Kopplung des einzelnen Sensorclusters zu einer größeren Sensorclusteranordnung weist
dieser Schnittstellen für
ein Verschalten mit den weiteren Sensorclustern auf. Dadurch entsteht
entweder eine über
mindestens zwei Sensorcluster verteilte größere Gesamtheit von Gradiometern,
oder die Sensorcluster interagieren als ein Netzwerk über ausgetauschte
Steuersignale.
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Besonders vorteilhaft sind Sensorclusteranordnungen,
die als ein Teil einer Probandenlagerung, beispielsweise einer Liegefläche, einer
Kopf-, Arm- oder Rückenlehne,
einer Tischplatte oder vergleichbaren Einrichtungen ausgeführt sind.
Derartige Sensorclusteranordnungen können somit „versteckt" ausgeführt werden und erhöhen den
Komfort für
den Patienten und fügen
sich raumsparend in eine bestehende Gerätearchitektur ein. Die Sensorclusteranordnung überdeckt
dabei in jedem Fall einen zweckmäßigen Bereich
des Untersuchungsfeldes.
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Besonders vorteilhaft sind zweiteilige
Ausführungsformen
der Sensorclusteranordnung. Derartige Ausführungsformen weisen einen fixen
Anteil und einen variabel angeordneten und lageveränderlichen
Anteil auf. Der variable Anteil ist hierbei als ein Bestandteil
zur Positionsmarkierung einer externen Vorrichtung, zum Beispiel
einer weiteren Diagnostikvorrichtung, wie beispielsweise in dem
Objektiv eines Mikroskops angeordnet. Hierbei wird die Lage des variablen
Anteils der Sensorclusteranordnung durch die fest installierte Sensorclusteranordnung
detektiert und somit der Ort der übergeordneten externen Diagnostikeinrichtung
bezüglich
des Systems Tracking-Körper/Sensorclusteranordnung
genau abgestimmt und justiert.
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Bei einem Verfahren zur Lokalisierung
und Beeinflussung mindestens eines in eine physiologische Umgebung
eingebrachten Tracking-Körpers wird
mit Hilfe einer Anordnung aus mindestens einer in einem Sensorcluster
vereinigten Gesamtheit von Gradiometersensoren aus einer gemessenen
Verteilung einer Feldstärke
und Feldrichtung des mindestens einen mit einem magnetischen Dipolfeld
umgebenen Tracking-Körpers
dessen Lage im Raum und dessen Orientierung und/oder dessen Trajektorie
bestimmt. Optional ist die Positionsbestimmung mit einer gezielten
Beeinflussung und Veränderung
physikalisch/chemischer Eigenschaften des Tracking-Körpers oder
der Trajektorie des Tracking-Körpers
durch ein extern einwirkendes Magnetfeld kombiniert.
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Damit wird einerseits der Tracking-Körper mit
einer hohen Genauigkeit im Untersuchungsgebiet lokalisiert, andererseits
wird damit auch die Möglichkeit
geschaffen, in Verbindung mit der hohen Detektionsgenauigkeit gezielt
und minimalinvasiv an schwer zugänglichen
Implantierungsfeldern Beeinflussungen des dort vorliegenden physiologischen
Milieus hervorzurufen, indem der Tracking-Körper gezielt von außen beeinflußt wird.
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In einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens ist der Tracking-Körper als ein Lagereferenzpunkt
einer diagnostischen Sondeneinrichtung, insbesondere eines Katheters
oder einer endoskopischen Vorrichtung ausgeführt, wobei eine Bewegung, eine
momentane Lage im Raum und eine momentane Orientierung des Lagereferenzpunktes
der Sondeneinrichtung durch die Sensorclusteranordnung fortlaufend
detektiert wird. Damit ist eine minimalinvasive Verfolgung eines
derartigen medizinischen Instrumentes möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird der Tracking-Körper als ein frei beweglicher
Indikator in die entsprechende physiologische Umgebung, beispielsweise
als Bestandteil einer Suspension eingesetzt, wobei dessen Bewegung,
dessen momentane Lage im Raum und eine momentane Orientierung des
Indikators durch die Sensorclusteranordnung fortlaufend bestimmt
wird.
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Zur Lagebestimmung des Tracking-Körpers werden
Meßdaten über einen
Betrag und eine Richtung eines in jedem einzelnen Gradiometersensor des
Sensorclusters bestimmten Vektors einer magnetischen Feldstärke gemessen.
Diese bilden die Ausgangsdaten für
einen in einer Positionsbestimmungseinrichtung gespeicherten Algorithmus
für eine
Suchstrategie zur Lokalisierung des Tracking-Körpers. Der Algorithmus der
Suchstrategie führt
Verfahren für
ein inverses Tracking, insbesondere adaptive Gradientenmethoden
in Kombination mit einem Fuzzy-Evolutionsalgorithmus aus.
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Bei Verwendung mehrerer Sensorcluster
in einer Sensorclusteranordnung wird mittels eines internen Kommunikationsprotokolls
zwischen den Sensorclustern eine dynamische Integration der Sensorcluster
in der Sensorclusteranordnung ausgeführt. Hierbei werden insbesondere
das Signal-Rausch-Verhältnis
in der gesamten Sensorclusteranordnung und die von der Sensorclusteranordnung
erzeugte Datenmenge optimiert.
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Eine externe Beeinflussung des Tracking-Körpers erfolgt
auf mehreren Arten. Bei einer ersten Ausführungsart wird mittels eines
extern zugeführten
Magnetfeldes das magnetische Moment des Tracking-Körpers dahingehend
beeinflußt,
daß dessen
Magnetisierung verändert
und insbesondere gelöscht
wird. Es erfolgt somit ein optionale Aktivierung und Deaktivierung
des Tracking-Körpers.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Tracking-Körper-Beeinflussung
wird die Trajektorie des Tracking-Körpers mittels eines extern
zugeführten magnetischen
Gradientenfeldes mit einem in eine entsprechende Richtung weisenden
Feldgradienten eine aktiv verschoben und der implantierte Tracking-Körper oder
ein mit einer schraubenförmigen Oberfläche ausgeführter Tracking-Körper in
einem rotierenden Magnetfeld in eine entsprechende Richtung bewegt.
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Alle genannten Ausführungsformen
der externen Tracking-Körper-Beeinflussung
können
einzeln, aber auch kombiniert erfolgen. Sie können weiterhin mit einer gezielten
Freisetzung von dem Tracking-Körper
gebundenen Substanzen verbunden werden. Hierbei werden infolge der
veränderten
Magnetisierung des Tracking-Körpers
veränderte
Bindungseigenschaften an dessen Oberfläche erzeugt und oberflächlich gebundene
Substanzen kontrolliert freigesetzt. Die Kombination der genannten
Verfahren ermöglicht
es, den Tracking-Körper
entweder zu rein diagnostischen Zwecken oder als Zeiger zu verwenden,
diesen darüber
hinaus aber auch zu einem gezielten Wirkstofftransport innerhalb
eines Implantationsfeldes zu nutzen und damit die Anwendbarkeit des
Tracking-Verfahrens beträchtlich
zu erweitern.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 5. Es werden für gleiche
oder gleich wirkende Komponenten die selben Bezugszeichen verwendet.
Im einzelnen zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Tracking-Körpers in einem externen Magnetfeld,
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2a eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Sensorclusters,
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2b eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Sensorclusters,
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2c eine
beispielhafte Darstellung eines Sensorclusters in einer räumlichen,
sphärischen
Gradiometergeometrie
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3a eine
schematische Darstellung einer Lage eines freien Tracking-Körpers im Raum mit zu bestimmenden
Meßgrößen,
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3b eine
schematische Darstellung eines in einen Sondenkopf eines endoskopischen
Instrumentes integrierten Tracking-Körpers,
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4 eine
beispielhafte Anordnung aus einem Sensorcluster, einer äußeren Magnetfeldspule und
einer Meß-
und Steuereinrichtung an einem ersten Untersuchungsobjekt,
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5 eine
beispielhafte Anordnung aus einem fixen und variablen Sensorcluster
in Verbindung mit einer endoskopischen Anordnung und einer externen
Einrichtung zur Computertomographie zur Überwachung eines Herzkatheters.
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Tracking-Körpers 10. Der
Tracking-Körper
besteht aus einem magnetisierbaren Grundkörper 11, der auf dessen
Oberfläche eine
Ummantelung aus einem aktivierbaren Abschnitt 12 aufweist.
Der Grundkörper 11 ist
vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material ausgeführt und
weist zweckmäßigerweise
eine hohe Remanzmagnetisierung in Verbindung mit einer durch eine
gegebene Spulenanordnung möglichst
einfach erreichbaren Koerzitivfeldstärke auf. Infolge der endlichen
Remanenz weist der Grundkörper
ein magnetisches Moment m auf, dessen Lage in einem externen Koordinatensystem
bestimmt wird.
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Mittels eines von außen anliegenden
Magnetfeldes H wird der Grundkörper
wahlweise magnetisiert, bzw. durch ein Anlegen der Koerzitivfeldstärke entmagnetisiert,
wobei das magnetische Moment beliebig aktiviert oder gelöscht werden
kann. Ein derartiger Vorgang wird nachfolgend als Hc-Switching bezeichnet.
Da sich durch das Hc-Switching die magnetischen Eigenschaften des
Grundkörpers ändern, durchläuft auch
die Wechselwirkung zwischen dem Grundkörper 11 und dem aktivierbaren
Abschnitt 12 eine Veränderung,
insbesondere in Hinblick auf spezifisch ausgewählte Moleküle. Der aktivierbare Abschnitt
nimmt unter dem Einfluß des
Hc-Switching somit entweder Moleküle aus einer Umgebung durch Adsorptions
oder Absorptionsprozesse auf, oder setzt vorher gebundene Moleküle und Substanzen frei
und gibt diese in die unmittelbare Umgebung des Tracking-Körpers ab.
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Weiterhin richtet sich der Tracking-Körper bei
einer endlichen Remanenz unter dem Einfluß des externen Magnetfeldes
H aus und seine Position wird in Abhängigkeit des äußeren magnetischen
Feldes verändert.
Der freie Tracking-Körper
ist somit unter dem äußeren Feldeinfluß entlang
einer vordefinierten Trajektorie beweglich. In Verbindung mit dem Hc-Switching-Prozeß und der
veränderten
Aufnahmefähigkeit
des aktivierbaren Abschnitts ist somit die Möglichkeit gegeben, den Tracking-Körper als
Mittel zu einem Wirkstofftransport zu nutzen. Dabei wird der Tracking-Körper zunächst unter
dem Einfluß des externen
Magnetfeldes H an einen genau definierten Ort innerhalb einer physiologischen
Umgebung bewegt und platziert und gibt anschließend an einem genau definierten
Zeitpunkt unter dem Einfluß des Hc-Switching
einen Wirkstoff ab, bzw. nimmt eine Substanz aus der Umgebung auf.
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Die Größe der in den nachfolgenen
Ausführungsbeispiele
typischerweise verwendeten Tracking-Körper ist prinzipiell innerhalb
einer großen Bandbreite
variierbar. Typische Ausführungsformen weisen
eine zylindrische Grundkörperform
mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm und einer Länge von
weniger als 2 mm auf, wobei minaturisierte Ausführungsformen mit einem Durchmesser
von weniger als 0.5 mm und einer Länge von weniger als 1 mm ebenfalls
denkbar sind. Die für
konkrete Zwecke tatsächlich
verwendete Größe richtet
sich nach den jeweils vorliegenden Einsatzbedingungen. Die Wahl muß vor allem
das für
eine störungsfreie
Detektierung und/oder Beeinflussung des Tracking-Körpers bei
einer vorliegenden Dimensionierung erreichbaren magnetischen Moment,
die Sensitivität
der externen Sensorvorrichtungen und den konkret vorliegenden physiologischen
Umgebungsbedingungen, insbesondere eine Lumengröße von Gefäßen, Hohlräumen und dergleichen medizinisch-biologische
Parameter berücksichtigen.
Schließlich
hängt die
Dimensionierung des Tracking-Körpers
auch davon ab, ob dieser als ein frei beweglicher Körper ausgeführt sein soll, oder
als markierende Komponente in einem medizinischen Instrument integriert
ist.
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Prinzipiell ist ein gleichzeitiger
Einsatz verschiedener Typen von Tracking-Körpern
und eine unterscheidende Detektion, bzw. ein gezieltes Ansprechen
dieser verschiedenen Typen dadurch möglich, daß Tracking-Körper 10 mit
Grundkörpern 11 verwendet
werden, die unterschiedliche magnetische Charakteristiken, insbesondere
in Hinblick auf die Remanzenz und die Koerzitivfeldstärke aufweisen. Als
besonders zweckmäßig werden
magnetische Materialien mit einer Koerzitivfeldstärke im Bereich von
0.1 kA/m bis 500 kA/m angesehen.
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Dies ermöglicht es, mit Hilfe des Hc-Switching-Verfahrens
einen ersten Typ eines Tracking-Körpers bei einer ersten Koerzitivfeldstärke von
beispielsweise 500 kA/m mit einer endlichen Remanenz zu aktivieren,
dann die Richtung des externen Magnetfeldes umzukehren und die Magnetisierung
eines zweiten Typs mit einer Koerzitivfeldstärke von 0.1 kA/m zu löschen und
damit sowohl den ersten, als auch den zweiten Typ selektiv anzusprechen, als
Mittel für
einen Wirkstofftransport zu verwenden oder entweder den ersten oder
den zweiten Typ in seiner Lage zu detektieren. Somit kann eine gezielte Beeinflussung
einer ganzen Bandbreite gleichzeitig in einer gegebenen Umgebung
vorhandener und für unterschiedliche
Aufgaben präparierter
Tracking-Körper
erfolgen, wobei prinzipiell eine umfangreiche Typenpalette einer
Vielzahl von Tracking-Körpern
zeitlich parallel eingesetzt werden kann. Die Tracking-Körper können somit
auf Abruf im Operationsgebiet verbleiben und bei Bedarf selektiv
aktiviert bzw. deaktiviert werden.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf
die 2a bis 5 beispielhaft Verfahren
und Vorrichtungen zur Lagedetektierung sowohl für frei bewegliche implantierte
Tracking-Körper
als auch für als
Bestandteile eines Instrumentariums ausgeführte Tracking-Körper beschrieben.
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Eine Kombination der reinen Lagedetektion und
einer darauf aufbauenden Trajektorienverfolgung der Tracking-Körper mit
der oben beschriebenen Vehikel- und Indikatorfunktion ist jedoch
stets ausführbar.
Ebenso ist auch unter Rückgriff
auf die beschriebenen Hc-Switching-Prozesse eine selektive Trajektorienverfolgung
unterschiedlicher Typen von Tracking-Körpern möglich.
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Die 2a bis 2c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen
von Sensorclustern 20, die zur Lage- und Orientierungsbestimmung
der Tracking-Körper 10 verwendet
werden. Ein Sensorcluster 20 stellt die kleinste Detektoreinheit
dar, mit dem eine Lagedetektierung des Tracking-Körpers erfolgt. Unterschiedliche
Ausführungsformen
der Sensorcluster 20 sind anwendbar.
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Die 2a und 2b zeigen ebene Geometrien plattenartiger
Sensorcluster 20 in einer eher lang gestreckten, rechteckigen
Form in 2a und in einer im
wesentlichen quadratischen Ausführungsform
in 2b. Bei diesen Ausführungsformen
besteht der einzelne Sensorcluster jeweils aus einer Grundplatte 25,
die mit einer Ausnehmung zur Befestigung einer Schnittstelleneinrichtung 21 versehen
ist. Auf der Grundplatte ist in einer zweckmäßigen geometrischen Anordnung
eine Gesamtheit von Gradiometersensoren 30 angeordnet.
Die in 2a gezeigte Ausführungsform
zeigt eine im wesentlichen lineare Gradiometergeometrie zur Verfolgung
eines Tracking-Körpers
in einem länglich
ausgedehnten Operationsfeld, 2c offenbart
eine kreisförmige
Gradiometergeometrie zur Verfolgung einer Tracking-Körper-Trajektorie in einem
ebenen, eng umgrenzten Operationsfeld, die eine hohe Orts- und Lageauflösung ermöglicht.
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Die Geometrie der Gradiometersensoren 30 spricht
hierbei auf den vom dem magnetischen Dipolfeld des Tracking-Körpers 10 erzeugte
magnetischen Feldstärkevektor
an und registriert an den jeweiligen Orten dessen Betrag und Richtung.
Die daraus resultierenden Signale werden von dem jeweiligen Sensorcluster 20 abgeleitet
und in einer Meß-
und Steuerungseinrichtung ausgewertet, wobei die genaue Lokalisierung
des Tracking-Körpers
errechnet wird.
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Neben den in den 2a und 2b dargestellten
ebenen Ausführungsformen
des Sensorclusters 20 sind auch räumliche Meßgeometrien der Gradiometersensoren 30 möglich. 2c zeigt eine derartige
Anordnung in einer beispielhaften Darstellung. Der Sensorcluster 20 besteht
in diesem Fall als eine im wesentlichen sphärische Anordnung von Gradiometern 30,
die mittels Haltestreben 26 in einer definierten Meßgeometrie
stabilisiert sind. Die in 2c gezeigte
Ausführungsform
ist besonders zur Verfolgung einer Trajektorie eines Tracking-Körpers in
einem Volumenbereich geeignet.
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Zur Bestimmung der Lage des Tracking-Körpers 10 wird
ein inverses Tracking-Konzept verfolgt. Das bedeutet, daß aus der
gemessenen Feldverteilung unter Verwendung von Modellanpassungen,
adaptiven Berechnungsmethoden und dergleichen, im folgenden beschriebenen
Verfahren die den Tracking-Körper
eindeutig kennzeichnenden Orte und Lageparameter bestimmt werden.
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3a veranschaulicht
die zu bestimmenden Parameter des Tracking-Körpers. Es sind dies zum einen
die Position innerhalb eines vorgegebenen Koordinatensystems, gekennzeichnet
durch die Ortskoordinaten X,Y,Z. Weiterhin nimmt der magnetische
Dipol des Tracking-Körpers
an diesem Punkt eine Orientierung in Form der polaren Winkelkoordinaten φ und θ ein. Eine
weitere unbekannte Größe stellt
schließlich
das magnetische Moment m des Tracking-Körpers dar. Damit sind maximal
sechs Freiheitsgrade zur Charakterisierung des Tracking-Körpers zu
bestimmen. Mit einer vorgegebenen Anzahl von Gradiometern 30 in
einem Sensorcluster 20, die in der Regel größer als
6 ist, ergibt sich somit die Notwendigkeit der Lösung eines überbestimmten, inversen Problems.
Zur Lösung
des Problems wird auf adaptive Gradientenmethoden in Kombination
mit Fuzzy-Evolutions-Algorithmen, beispielsweise auf die Marquardt-Levenberg-Methode zurückgegriffen,
die in ihrer Gesamtheit eine von einer Meß- und Steuereinheit ausgeführte Suchstrategie
darstellen.
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Die Bestimmung der polaren Orientierung
ist besonders dann erforderlich, wenn der Tracking-Körper als
integraler Bestandteil eines Instrumentes ausgeführt ist, wobei die Orientierung
des magnetischen Dipols des Tracking-Körpers mit der Lage der entsprechenden
Komponente des Instrumentes korreliert. In 3b ist ein solches Instrument beispielhaft und
schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Meßkopf 51 einer endoskopischen
Sonde zur Untersuchung eines Körperhohlraumes,
beispielsweise einen Herzkatheter 50 oder eine Magen-Darm-Sonde. Bei
derartigen Ausführungsformen
wird die Stellung des Meßkopfes
mit Hilfe der genannten Verfahren in Lage und Orientierung genau
bestimmt. Mit Hilfe der genannten Verfahren zum inversen Tracking
und der nachfolgend beschriebenen Methoden zu einer verbesserten
Detektion der Meßsignale
können
Ortsauflösungen
der Raumlage des Tracking-Körpers
mit einer Genauigkeit von 0.5 mm und Orientierungsdetektionen mit
einer Auflösung
im Bereich von einigen Winkel-minuten
auch unter dem Einfluß klinischer Verunreinigungen,
Hochfrequenzfeldern in der Umgebung und der Anwesenheit von metallischen,
aber nichtmagnetischen Objekten erreicht werden.
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Die Sensitivität der Anordnung aus Tracking-Körper und
Sensorcluster kann durch die Größe des magnetischen
Momentes des Tracking-Körpers
skaliert werden. Dies wird beispielsweise vorab durch die Wahl eines
geeigneten Tracking-Körpers ermöglicht.
Weiterhin ist durch eine externe magnetische Feldeinwirkung, insbesondere
durch den beschriebenen Hc-Switching-Prozeß auch eine laufende Manipulation
des magnetischen Momentes während
des Trackings realisierbar. Elektromagnetische Abschirmungen können weitgehend
entfallen.
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Die 4 und 5 zeigen beispielhafte Anwendungen
von Architekturen der Sensorcluster 20 bei einer Reihe
vorteilhafter Ausführungsformen. 4 zeigt eine Architektur
aus Sensorclustern 20, die zu einer Sensorclusteranordnung 55 verschaltet
sind und bei diesem Ausführungsbeispiel
zu einer Verfolgung einer Trajektorie eines in ein Gefäßsystem
eines Armes 35 implantierten Tracking-Körpers verwendet werden. Die
Sensorclusteranordnung 55 wird durch eine Reihe von Verschaltungen
der einzelnen Sensorcluster gebildet, die in 4 als dicke Verbindungslinien zwischen
den einzelnen Sensorclustern 20 angedeutet ist. Die Sensorclusteranordnung 55 umschließt das Volumen
das Armes 35 zumindest teilweise. Sie ist in diesem Ausführungsbeispiel
direkt auf den Arm wie ein Ärmel
aufgestreift und liegt auf der Haut auf. Eine einfachere, hier nicht
dargestellte Konfiguration der Sensorclusteranordnung besteht in
der Ausführung
eines mehr oder weniger starren „Tunnels" aus den Sensorclustern 20,
in den der Arm eingeschoben wird. Der Tunnel kann auch als Teil
einer Armlehne ausgeführt
sein. Die jeweils für
eine spezielle Anwendung erforderliche Sensorclusteranordnung 55 wird
in jedem Fall modular aus den Sensorclustern 20 zusammengesetzt.
Die Sensorcluster 20 bilden somit grundlegende „Bausteine" zum Aufbau einer
für spezielle
Einsatzzwecke angepaßten
Detektorarchitektur, die in an sich beliebiger Weise variiert werden
kann.
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Bei einer Verfolgung der Trajaktorie
des Tracking-Körpers
innerhalb des Gefäßsystem
des Armes 35 bilden die Sensorcluster 20 innerhalb
der Sensorclusteranordnung 55 ein untereinander kommunizierendes
Netzwerk, das von einer Meß-
und Steuereinrichtung 40 gesteuert und überwacht wird. Die Meß- und Steuereinrichtung
enthält
für diesen Zweck
ein Kommunikationsprotokoll zur Interaktion der Sensorcluster 20 innerhalb
des Netzwerkes. Die Interaktion dient mindestens der Selbstkalibrierung der
Sensorclusteranordnung der Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses
der ausgeführten
Messung. Dabei wird unter anderem zunächst die gegenseitige Lage
der einzelnen Sensorcluster innerhalb des Netzwerkes der Sensorclusteranordnung 55 in einem
vorgegebenen Laborkoordinatensystems gegeneinander abgeglichen und
so die geometrische Form des Sensorclusternetzwerkes als Datenstruktur erfaßt. In einer
weiteren beispielhaften Funktionalität des Kommunikationsprotokolls
wird während
der Messung der für
die Verfolgung der Trajektorie jeweils günstigste Sensorcluster 20 ausgewählt und die
Trajektorienverfolgung von einem ersten zu einem zweiten Sensorcluster übergeben
und so das Netzwerk der Sensorcluster 20 fortlaufend optimiert. In
Verbindung damit werden Operationen zu einer Rauschfilterung und
zu einer Optimierung der Meßgeschwindigkeit
ausgeführt.
Weiterhin weist die Meß- und
Steuereinrichtung 40 Algorithmen zu einer Ermittlung globaler
Optima für
die aufgebaute Konfiguration der Sensorclusteranordnung 55 und
zu Fehlerkorrekturen auf. Dadurch wird die meßtechnische Stabilität der Konfiguration
entscheidend unterstützt.
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Die Ausführungsform aus 4 weist weiterhin zweckmäßigerweise
eine Quelle für
ein externes Magnetfeld zu einer oben beschriebenen Beeinflussung
des Tracking-Körpers
oder einer Gesamtheit von Tracking-Körpern in Form des Hc-Switchings oder
des aktiven Bewegens des Tracking-Körpers in der bereits beschriebenen
Weise auf. In 4 ist dies
durch eine Feldspule 43 mit einer Magnetfeldsteuerung 44 symbolisch
angedeutet. Es ist vorteilhaft, die Feldspule 43 entweder
entlang möglichst vieler
Freiheitsgrade beweglich zu gestalten, oder anstelle einer einzelnen
Feldspule eine Feldspulenkonfiguration zu einer Erzeugung von Magnetfeldern in
unterschiedlichen Ausgestaltungen, beispielsweise als Gradientenfelder
oder zirkulierende Felder zu ersetzen.
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5 zeigt
in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eine beispielhafte
Konfiguration aus einem in ein chirurgisches Instrument integrierten
Tracking-Körpers,
der hier in einem Meßkopf 51 eines
Herzkatheters 50 angeordnet ist. Wie in dem Ausführungsbeispiel
aus 4 wird auch hier
die Trajektorie des Tracking-Körpers
durch eine entsprechend ausgeführte
Sensorclusteranordnung 55 verfolgt. Die Sensorclusteranordnung
kann in diesem speziellen Ausführungsbeispiel
als ein um den Oberkörper
des Patienten herum angeordneten „Tunnel" ausgeführt sein, oder sie kann plan
auf der Brust des Patienten aufliegen. Die zweckmäßigste Ausführungsform
der Sensorclusteranordnung 55 wird jeweils in der Praxis
ermittelt.
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In Abwandlung der Ausführungsform
der Sensorclusteranordnung 55 aus 4 wird bei der in 5 dargestellten Ausführungsform eine zweiteilige
Sensorclusteranordnung aus einem fixen Bestandteil 56 und
einem variablen Bestandteil 57 bevorzugt. Der fixe Bestandteil 56 ist
in der bereits beschriebenen Weise als eine Einrichtung zur Verfolgung
der Trajektorie des Tracking-Körpers
entsprechend dem Ausführungsbeispiel
nach 4 gestaltet. Der
variable Bestandteil 57 bildet einen Teil einer übergeordneten,
die Sensorclusteranordnung räumlich
umgreifende Anordnung 60 zur Ausführung eines bildgebenden Verfahrens,
insbesondere für
eine Computertomographie oder eine magnetische Resonanztomographie.
Mit einer derartigen Konfiguration wird die Verfolgung des Herzkathetermeßkopfes 51 mit
einem bildgebenden Verfahren kombiniert. Dabei fungiert der variable
Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung als Probe zum
einen für
die Sensorclusteranordnung 55 selbst, als auch für die bildgebende
Anordnung 60. Die Position des variablen Bestandteiles 57 ist
innerhalb der Konfiguration der Sensorclusteranordnung 55 vorgegeben
und wird innerhalb der Sensorclusteranordnung fortlaufend verfolgt.
Er bildet daher einen eindeutig definierten Referenzpunkt in dem
Koordinatensystem der Sensorclusteranordnung 55. Andererseits
zeichnet sich der variable Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung eindeutig
innerhalb der umgreifenden bildgebenden Anordnung 60 ab,
beispielsweise als ein Kontrastbild in einem Computertomographieschnitt
oder einem magnetresonanztomographischen Bild.
-
Die Trajektorie des Meßkopfes 51 mit
dem integrierten Tracking-Körper
des Herzkatheters 50 wird somit mit einer sehr großen Genauigkeit
durch die Sensorclusteranordnung 55 erfaßt. Damit
ist auch die Lage des Tracking-Körpers selbst
gegenüber
dem variablen Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung
bekannt, sodaß mit
geeigneten bildverarbeitenden Mitteln eine Positionsdarstellung
des Meßkopfes 51 in
dem magnetrasonanztomographischen Bild nachträglich anhand des sich dort
abzeichnenden Kontrastes des variablen Bestandteiles 57 der Sensorclusteranordnung 55 erfolgen
kann. Dies kann beispielsweise durch ein graphisch eingefügtes Icon,
beispielsweise einen stilisierten Vektorpfeil, erfolgen, der einem
Operateur die genaue Orientierung des Meßkopfes anzeigt. Der variable
Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung 55 wirkt
somit als eine Art „Lupe" oder ein Mikroskop
für eine
lokale Verbesserung der Bildauflösung
des magnetrsonanztomographischen oder auf andere Weise gewonnenen
Bildes aus der Anordnung 60, sodaß der Operateur eine Betätigung des
Herzkatheters an der Herzkathetersteuerung 52 in einer
besonders genauen und präzisen
Weise ausführen
kann.
-
- 10
- Tracking-Körper
- 11
- Grundkörper, ferromagnetisch
- 12
- aktivierbarer
Abschnitt
- 20
- Sensorcluster
- 21
- Schnittstelle
- 25
- Grundplatte
- 26
- Haltestreben
- 30
- Gradiometeranordnung
- 35
- Arm
- 36
- Herz
- 40
- Meß- und Steuereinrichtung
- 41
- Kommunikationsprotokoll
- 43
- Magnetfeldspule
- 44
- Magnetfeldsteuerung
- 50
- Sonde,
Herzkatheter
- 51
- Sondenkopf
- 52
- Sondensteuerung
- 55
- Sensorclusteranordnung
- 56
- Sensorclusteranordnung,
fixer Bestandteil
- 57
- Sensorclusteranordnung,
variabler Bestandteil
- 60
- externe,
bildgebende Anordnung
- H
- externes
Magnetfeld
- m
- magnetisches
Dipolmoment
- X,Y,Z
- Raumkoordinaten
- θ,φ
- Orientierungswinkel