DE19626230A1

DE19626230A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines magnetischen Markers

Info

Publication number: DE19626230A1
Application number: DE1996126230
Authority: DE
Inventors: Dmitri Dr Berkov
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1996-06-29
Filing date: 1996-06-29
Publication date: 1998-01-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines magnetischen Markers, insbesondere der Lage des Markers in einem organischen Hohlraum. Bevorzugt findet die Lösung Anwendung zur Ermittlung lokaler Passage-Geschwindigkeiten des Markers durch den Magen-Darm-Trakt.

Es sind medizinische Untersuchungen bekannt, bei denen eine wiederholte Bestimmung der lokalen Passage-Geschwindigkeit eines Markers durch den Magen-Darm-Trakt erforderlich sind. Das ist z. B. bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen, wie etwa Morbus Chron, funktioneller Magen-Darm-Erkrankungen und physiologischer Unter suchungen des Magen-Darm-Traktes der Fall.

Die übliche Diagnose-Technik, wie Röntgen unter Verwendung von Kontrastbrei, darf in solchen Fällen wegen der Strahlenbelastung nicht angewendet werden. Dasselbe gilt für szintigraphische Methoden.

Bekannte Techniken, bei denen die Strahlenbelastung vermieden wird, sind die Kernspin-Tomographie [M. Reiser, W. Semmler (Hrsg) "Magnetresonanztomographie", Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1992], die Sonographie [M. Amend, C. Jakobeit, L. Greiner, Verdauungskrankheiten 13 (1995), Heft 1, 5. 21], der Einsatz von Metall-Detektoren [K. Ewe, Therapiewoche 41(1991), S. 77], der induktive Nachweis weichmagnetischer Tracer [Y. Benmair, B. Fischel, E. H. Frei, T. Gilat, The American Journal of Gastroenterology 68 (1977), S. 170] und das Orten von Dauermagnet-Markern [L. Trahms, R. Stehr, J. Wedemeyer, W. Weitschies, Biomedizinische Technik 35 (1990) S. 158].

Die Kernspin-Tomographie oder Magnet-Resonanz ist ein aufwendiges und teures Verfahren, das für häufig zu wiederholende Untersuchungen nicht geeignet und zur Ermittlung einer lokalen Passage-Geschwindigkeit, die einen zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Positionsbestim mungen von Markern in der Größenordnung von 10 s erforderlich macht, zu langsam ist [K. Fitzgerald, IEEE Spectrum 27 (1990) S. 52].

Sonographische Untersuchungen wurden bisher nicht zur Bestimmung der lokalen Passage-Geschwindigkeit, sondern nur zum Messen pauschaler Transitzeiten größerer Abschnitte des Magen-Darm-Traktes eingesetzt. [M. Amend, C. Jakobeit, L. Greiner, Verdauungskrankheiten 13 (1995), Heft 1, S. 21]. Der Grund liegt darin, daß Luftvolumina im Bauchraum von Ultraschall nicht durchdrungen werden, was zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung von Markern führen wurde. Diese Fehler könnten zwar herabgesetzt werden, wenn der Darm vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt würde; wegen der dadurch veränderten Peristaltik ist aber ein gefüllter Darm zur Diagnose nicht geeignet.

Mit Metalldetektoren kann die Position von Metallteilchen bestimmt werden. Die laterale Genauigkeit bei der Positionsbestimmung nimmt jedoch mit dem Abstand von der Körperoberfläche ab und wird bei einem Abstand von < 10 cm schlechter als 1 cm [K. Ewe, Therapiewoche 41 (1991), S. 77]. Über die Genauigkeit einer Tiefenmessung wird in dieser Arbeit nichts berichtet. Da sie jedoch grundsätzlich schlechter als die laterale Genauigkeit ist, reicht dieses Verfahren für die Messung der lokalen Passage-Geschwindigkeit nicht aus.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung bei einer induktiven Messung weichmagnetischer Tracer genügt zur Untersuchung der zeitlichen Abnahme des Mageninhaltes an weichmagnetischem Brei mit einem Anfangsvolumen von über 100 cm³ [Y. Benmair, B. Fischel, E. H. Frei, T. Gilat, The American Journal of Gastroenterology 68 (1977), S. 170]. Eine Messung der lokalen Passage-Geschwindigkeit im Darm ist damit jedoch nicht möglich, da das große Probenvolumen sich beim Durchlaufen des Darms unkontrolliert verteilt. Das Probenvolumen kann andrerseits aber auch nicht wesentlich verkleinert werden, da dann das vom Tracer stammende Sekundärmagnetfeld so klein wird, daß es selbst bei extrem guter Kompensation eines während der Messung angelegten Primärmagnetfeldes nicht mehr von dessen Restsignal getrennt werden kann.

Weiterhin ist bekannt, permanent magnetische Marker aufzumagnetisieren, bevor sie einem Patienten verabreicht werden [W. Weitschies, J. Wedemeyer, R. Stehr, L. Trahms, WEE Trans. Biomed. Eng. 41(1994) S. 192]. Die Positionsbestimmung der Marker aus ihrem Sekundärmagnetfeld wird hierbei allerdings durch Störfelder (z. B. das Erdmagnetfeld) so stark beeinflußt, daß die Messungen in einer Spezialkammer mit extremer magnetischer Abschirmung ausgeführt werden müssen. Selbst dann ist aber dieses Verfahren nicht für die Bestimmung der lokalen Passage-Geschwindigkeit im gesamten Magen- Darm-Trakt geeignet, da wegen der Transversal- und Rotationsbewegungen der Marker die Positionsbestinnung lediglich im Magen oder im Dickdarm möglich ist und selbst in diesen Bereichen mit einer relativ hohen Verweildauer des Markers nur mit einer ungenügenden Genauigkeit.

Model, R.; Trahms, L. beschreiben in "An inverse problem of magnetic source localization" (Numerical Mgoritlims 5 (1993) S. 603-610) ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Markers, bei dem unter Einsatz von mehreren SQUID′s als Detektoren die Lage eines Markers ermittelt werden kann. Die Ermittlung der aktuellen Markerlage erfolgt dort unter Anwendung der sogenannten "Methode der kleinsten Quadrate" mit Hilfe des Levenberg-Marquardt-Verfahrens. Die Vorgehensweise nach Model et al hat neben des hohen technischen Aufwands für die magnetische Abschirmung und der Kühlung der SQUID′s, als auch der durch die verfügbaren Kühlvorrichtungen konstruktiven Vorgaben an die SQUID-Anordnung, die sich nicht ohne weiteren hohen Aufwand problemlos verändern lassen, im wesentlichen den Nachteil, daß auch hiermit schnelle Veränderungen der Lage des Markers, die durchaus im Bereich von weniger als 1 sec liegen können, nicht detektierbar sind, da die Speicherung der Signale, welche von den SQUID′s geliefert werden über eine relativ lange Zeit erfolgen muß, um ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis zu erzielen [W. Weitschies, J. Wedemeyer, R. Stehr,, L. Traums, IEEE Trans. on Biomed. Ing. Vol. 41, No 2, S. 192-195, 1994].

In DE 195 32 676 ist eine Anordnung beschrieben, bei der wenigstens eine Spule impulsförmig in einem zeitlichen Abstand mit im Vorzeichen jeweils wechselnden Strom beaufschlagt wird, zwischen zwei Stromimpulsen, wenn das durch sie erzeugte Primärmagnetfeld der Spule auf hinreichend kleine Werte abgeklungen ist, wenigstens einmal das von einem Marker stammende Sekundärmagnetfeld mittels anisotroper Magnetfeldsensoren parallel und senkrecht zur Spulenachse getrennt vermessen wird, die Spulenanordnung relativ zum Marker solange verschoben wird, bis die Magnetfeldsensoren, die der Bestimmung der radialen Sekundärmagnetfeldkomponente des Markers dienen, ein Nullsignal liefern und diese zugehörige Position der Spulenachse, als auch die zugehörigen Meßwerte, die die Magnetfeldsensoren, die der Erfassung der parallel zur Spulenachse verlaufenden Sekundärmagnetfeldkomponente des Markers dienen, abgespeichert und einer Anzeige zugeführt werden. Abgesehen vom auch hier relativ hohen technischen Aufwand, gestattet auch diese Lösung nur die Bestimmung von Translationsbewegungen des Markers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines magnetischen Markers anzugeben, die ohne großen technischen Aufwand einfach und kostengünstig herstellbar, an die jeweilige Meßaufgabe relativ problemlos anpaßbar ist und die sowohl Translationen, als auch Rotationen des Markers bis in den Bereich von weniger als 1 sec mit hoher Genauigkeit zu ermitteln gestattet.

Die Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung findet ein magnetisierbarer Marker, der solitär oder in einer viskosen Trägerlösung oder in Verbindung mit einem festen Trägermaterial (Kapsel) vorliegen kann, bestehend aus einem vorzugsweise kugelsymmetrisch verteilten halbharten Magnetmaterial, das eine mittelgroße Koerzitivfeldstarke, vorzugsweise im Bereich von 10⁴ bis 10⁵ A/m und eine große relative Remanenz, vorzugsweise < 0,8 besitzt, Anwendung. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß mindestens sechs magnetoresistive Sensoren, die ein minimales Feld von H_min ≈10^-3 . . . 10^-4 Oe zu detektieren gestatten, auf einem flächigen Träger derart angeordnet sind, daß sie, in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der zum Einsatz gelangenden Sensoren, bis zu drei kartesische magnetische Feldkomponenten, die vom Marker ausgehen, erfassen, wobei die Maßgabe erfüllt sein muß, daß auch der am weitesten von der aktuellen Markerposition befindliche Sensor noch ein Signal liefern soll, wenn eine Feldkomponente des Markers, die der Sensor registrieren kann, auf ihn einwirkt, die Sensoren auf genanntem flächigen Träger so verteilt angeordnet sind, daß die durch sie umfaßte bzw. erfaßte Fläche wenigstens dem, durch den Marker durchlaufbaren Meßgebietes entspricht und die zuordenbaren Signale eines jeden Sensors über ein Interface einem Rechner zufährbar sind und Grundlage für eine rechnergestützte Ermittlung des magnetischen Dipolfeldes des Markers und damit des Markers selbst unter Anwendung des Levenberg-Marquardt-Verfahrens bilden. Die Messung des vom Marker produzierten Magnetfeldes, der in Form einer Kugel mit einem Durchmesser von bspw. D = 0,5 cm vorliegt, erfolgt in einem Abstand, der dem Vielfachen, 10 D, des Markerdurchmessers entspricht, weshalb das Magnetfeld an den Stellen, an denen die genannten Sensoren angeordnet sind mit guter Genauigkeit als Feld eines Dipols

betrachtet werden kann, wobei durch das magnetische Moment, durch _d der Radiusvektor des Dipols selbst und durch _m der Radiusvektor des Punktes, an dem das Magnetfeld des Dipols ermittelt werden soll, bezeichnet sind.

Die Lage _d und die Richtung /µ des Dipols lassen sich aus diesen Werten mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate rekonstruieren, wobei die Summe

mit der Anpassung von sechs Parametern _d = (x_d, y_d, z_d) und =(µ_x, µ_y, µ_z) minimierbar ist. In der Formel (2) steht N für die Zahl der zum Einsatz gelangenden Sensoren, α = x, y, z, die Vektoren _i definieren die Positionen genannter Sensoren und µ_x, µ_y, µ_z bezeichnen die kartesischen Komponenten des magnetischen Moments des Markers. Die Minimierung des Ausdrucks (2) bezüglich der Koordinaten und der Komponenten des magnetischen Moments des Markers erfolgt unter Anwendung des an sich bekannten Levenberg-Marquardt-Verfahrens. Als Ergebnis dieser Minimierung werden die Position und die Orientierung des Markers zu dem Zeitpunkt erhalten, an dem die Daten der Sensoren aufgenommen sind.

Die Erfindung soll im nachstehenden anhand eines Ausführungsbeispiels und drei schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung der Vorrichtung in zwei Ebenen,

Fig. 2 eine zylindrische Ausbildung der Vorrichtung und

Fig. 3 eine Ausbildung der Vorrichtung in Form einer flexiblen Matte.

Anhand des bevorzugten Anwendungsgebietes, der Untersuchung des Magen-Darm-Traktes, soll die Erfindung näher ausgeführt werden. In Fig. 1 liegt ein schematisch angedeuteter Patient 3 mit dem Rücken auf einem nicht dargestellten Tisch mit der Körperachse in x-Richtung. In der linken Darstellung von Fig. 1 ist das interessierende Darmgebiet 2 in Projektion von einem Quadrat umfaßt. Der bereits verabreichete und ebenfalls nicht näher dargestellte kugelförmige magnetische Marker mit einem Durchmesser von ca. 0,5 cm und einer Magnetisierung von ca. 400 G ist bereits in das Untersuchungsgebiet 2 gelangt. Im Beispiel sind beidseits des Untersuchunggebietes in Ebenen mehrere magnetoresistive Sensoren 1, die die Detektion eines magnetischen Feldes in der Größenordnung von 10^-3 . . . 10^-4 Oe noch ermöglichen, derart angeordnet, daß eine getrennte Erfassung der einzelnen Magnetfeld richtungskomponenten gewährleistet ist. Die flächenmäßige Anordnung der einzelnen Sensoren erfolgt dabei unter der Maßgabe, daß auch der am weitesten vom Marker entfernte Sensor noch ein Signal, erzeugt durch das Feld des Markers, liefert. Eine darüber hinausgehende Anordnung weiterer Sensoren ist zu vermeiden, um das Signal/Rausch-Verhältnis nicht zu verschlechtern.

Die Signalerfassung eines jeden einzelnen Sensors 1 erfolgt nun in der Weise, daß über ein Interface 5, bspw. mit Hilfe einer Multiplexschaltung, die Signale aller Sensoren 1 möglichst gleichzeitig einem Rechner 6 zugeführt werden. Anhand der bekannten oder vor Meßbeginn einmal bestimmbaren Sensorcharakteristika sind dann die entsprechenden Feldkomponenten H gemäß Formel (2) gewinnbar, die als Eingabedaten für die Lösung des Problems der kleinsten Quadrate dienen. Die auf diese Weise ermittelbaren Markerpositionen und -lagen sind nachfolgend bevorzugt auf einem Bildschirm darstellbar und ermöglichen dem Arzt die dreidimensionale Verfolgung des Markerweges, bzw. bei entsprechend durchführbarer Differenzierung dessen Geschwindigkeitsverlauf. Im Rahmen der Erfindung wird aus den jeweils ermittelten Magnetisierungskomponenten permanent der Ausdruck

gebildet und bevorzugt ebenfalls zur Anzeige gebracht. Bleibt dabei der Betrag für den Vektor µ während der Durchführung der Messung annähernd konstant, ist dies ein Indiz für die korrekte Rekonstruktion der Markerwerte und dient als Qualitätskriterium für die durchgeführten Messungen.

Für eine Ausführung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 gelten sämtliche zu Fig. 1 getroffene Aussagen analog mit dem einzigen Unterschied, daß hier die magnetoresistiven Sensoren 1 auf einer das Meßgebiet 2 umfassenden zylindrischen Fläche angeordnet sind. Diese Ausführung hat gegenüber der nach Fig. 1 den Vorteil, daß die Sensoren im Durchschnitt näher um den Marker verteilt angeordnet und seine Feldkomponenten symmetrischer erfaßbar sind.

Noch symmetrischere Verhältnisse sind erreichbar, wenn die Anordnung der Sensoren 1 auf einer halbsphärischen Fläche erfolgt. Hierbei kann vorteilhaft ebenfalls analog zu Fig. 1 beidseitig zur Meßebene 2 je eine der halbsphärischen Flächen angeordnet sein. Die Auswertung und Verarbeitung der Signale erfolgt entsprechend wie zu Fig. 1 beschrieben.

In Fig. 3 ist schließlich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform schematisch angedeutet, bei der genannte Sensoren 1 auf einem flexiblen, mattenartigen Träger 4 angeordnet sind, wobei die einzelnen Sensoren letztlich, nach Anpassung des mattenartigen Trägers an einen Patienten 3 in einer vorbestimmbaren Raunilage durch geeignete, nicht näher dargestellte Mittel bzgl. ihrer Koordinaten definiert fixierbar sind. Eine in solcher Art ausgebildete Vorrichtung ist im wesentlichen direkt auf die Bauchdecke des Patienten 3 auflegbar. Eine derartige Ausbildung ermöglicht eine besonders leichte Handhabung durch das medizinische Personal, ohne daß die Meßergebnisse nachteilig beeinflußt werden.

Für alle beschriebenen Ausführungsformen gilt, wenn die Maßgaben vorliegender Erfindung eingehalten werden, daß die Genauigkeit der Markerortung von der jeweiligen Markerposition nahezu unabhängig ist. Von besonderem Vorteil für spezielle Untersuchungen ist es, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die aktuelle Markerposition als auch eine Markerrotationen bis in den Bereich von 0,1 sec aktuell ermittelbar sind.

Die Unterdrückung des Einflusses fremder homogener Magnetfelder, die nicht vom Marker herrühren, insbesondere des Erdmagnetfeldes, erfolgt am einfachsten durch eine Gradiometerverschaltung der magnetoresistiven Sensoren. Die Unterdrückung des Einflusses inhomogener magnetischer Wechselfelder, wie insbesondere von 50-Hz-Laborfeldern, kann durch eine übliche frequenzselektive Verarbeitung der Meßsignale erreicht werden. Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur eine äußerst kostengünstige Lösung gegenüber denen des bekannten Standes der Technik geschaffen worden, sondern die theoretisch erzielbare Genauigkeit ist auch mindestens eine Größenordnung besser als bei bekannten Lösungen.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines magnetischen Markers, dadurch gekennzeichnet daß

- mindestens sechs magnetoresistive Sensoren (1), die die Detektion eines magnetischen Feldes von größer als 10^-4 Oe gestatten, auf einem flächigen Träger derart angeordnet sind, daß sie, in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der zum Einsatz gelangenden Sensoren (1), bis zu drei kartesische magnetische Feldkomponenten, die vom Marker ausgehen, erfassen,
- wobei die Maßgabe erfüllt sein muß, daß auch der am weitesten von der aktuellen Markerposition befindliche Sensor noch ein Signal liefern soll, wenn eine Feldkomponente des Markers, die der Sensor registrieren kann, auf ihn einwirkt,
- die Sensoren (1) auf genanntem flächigen Träger so verteilt angeordnet sind, daß die durch sie umfaßte bzw. erfaßte Fläche wenigstens dem, durch den Marker durchlaufbaren Meßgebietes (2) entspricht und
- die zuordenbaren Signale eines jeden Sensors (1) über ein Interface (5) einem Rechner (6) zuführbar sind und Grundlage für eine rechnergestützte Ermittlung des magnetischen Dipolfeldes des Markers und damit des Markers selbst unter Anwendung des Levenberg-Marquardt-Verfahrens bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensoren (1) auf zwei einander gegenüberstehenden Ebenen, zwischen denen sich das Meßgebiet (2) befindet, vorgenommen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensoren (1) auf zwei einander gegenüberstehenden halbsphärischen Flächen, zwischen denen sich das Meßgebiet (2) befindet, vorgenommen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensoren (1) auf einer das Meßgebiet (2) umfassenden, im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Fläche vorgenommen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensoren (1) auf einem das Meßgebiet (2) umfassenden, flexiblen mattenartigen Träger (4) erfolgt, wobei die einzelnen Sensoren (1) nach Anpassung des mattenartigen Trägers (4) an einen Patienten in einer vorbestimmbaren Raumlage durch geeignete Mittel bezüglich ihrer Koordinaten in definierter Lage fixierbar sind.