DE19935916B4

DE19935916B4 - Bildgebende Diagnostikeinrichtung zur Erkennung der Position eines Katheters o. dgl.

Info

Publication number: DE19935916B4
Application number: DE19935916A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr.-Ing. Hein; Thomas Dr.-Ing. Birkhölzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-07-31
Also published as: DE19935916A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bildgebende Diagnostikeinrichtung zur Erkennung der Position eines Gerätes (1) in einem Körper bei einer Untersuchung und Erzeugung von auf einer Wiedergabevorrichtung (8) darstellbaren Bildsignalen, die eine Vorrichtung (9) aufweist, die aus den Bildsignalen ein an dem Gerät (1) angebrachtes Muster (11 bis 14) mit bei der bildgebenden Wellenlänge unterschiedlichen Eigenschaften detektiert, sowie das Gerät (1), das mit einem linien- oder flächenförmigen Muster (11 bis 14) mit bei der einstrahlenden Wellenlänge unterschiedlicher Strahlentransparenz versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine bildgebende Diagnostikeinrichtung zur Erkennung der Position eines Gerätes in einem Körper bei einer Untersuchung und Erzeugung von auf einem Monitor darstellbaren Bildsignalen sowie ein Gerät für Untersuchungen in einem Körper zur Wiedergabe durch die bildgebende Diagnostikeinrichtung.
Bei Untersuchungen in einem menschlichen Körper ist für den behandelnden Arzt die Kenntnis der Position eines Gerätes, beispielsweise eines Katheters, insbesondere die Kenntnis der genauen Position der Katheterspitze, eine wesentliche Information zur Führung des Instrumentes. Nur durch die genaue Kenntnis dieser Spitzenposition kann der behandelnde Arzt an Abzweigungen der zu untersuchenden Gefäßbäume die Steuerung in das gewünschte Gefäß vornehmen. In der Praxis ist allerdings, insbesondere bei einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit nicht zu hoher Durchleuchtungsstrahlungsleistung, was bei einer längeren Daueruntersuchung zur Vermeidung einer Schädigung des Patienten anzustreben ist, das Röntgenbild relativ stark verrauscht, so daß gerade die für die Führung des Instrumentes notwendige Kenntnis der Spitze im Rauschen praktisch untergeht.
Um diese Probleme zu vermeiden, ist neben der bereits angesprochenen Erhöhung der Durchleuchtungsstrahlungsleistung, die aber in der Praxis gerade unerwünscht ist, auch bereits vorgeschlagen worden, Methoden der Rauschunterdrückung sowie spezielle Signalverarbeitungsverfahren mit Linienfindung anzuwenden. Beide können jedoch, abgesehen davon, daß sie einen relativ großen Aufwand erfordern, in vielen Fällen die notwendige Kenntnis der Katheterspitze nicht sicherstellen.

In der US 5,345,938 ist eine Diagnostikeinrichtung mit einer Ultraschall-Vorrichtung und einer Röntgendiagnostikeinrichtung beschrieben, bei der die Ultraschall-Vorrichtung mit Markierungen versehen ist, damit auf einem Röntgenbild die Position eines Ultraschall-Katheters sichtbar wird. Die angebrachten Muster zeigen zusätzlich noch die Rotationslage an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diagnostikeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die selbst bei stark verrauschten Untersuchungsbildern und geringen Belastungen des Patienten dem behandelnden Arzt die genaue Position beispielsweise der Spitze eines Untersuchungsgerätes, insbesondere eines Katheters, vermitteln kann, sowie das Untersuchungsgerät derart auszubilden, daß es durch die Diagnostikeinrichtung leicht erkennbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das auf dem Gerät, beispielsweise einem Katheter, angebrachte Muster läßt sich sehr viel einfacher identifizieren, insbesondere wenn man in Ausgestaltung der Erfindung eine Schaltung mit einem Matched-Filter zur Verarbeitung der Bildsignale einsetzt, deren Filterfrequenz auf das Muster abgestimmt ist.

In einem normalen, verrauschten Bild, das für den untersuchenden Arzt in seiner Betrachtungsweise gewohnter als das Filterbild ist, läßt sich die Position des Gerätes kennzeichnen, wenn zwischen Matched-Filter-Schaltung und Monitor eine Einblendvorrichtung angeordnet ist, die eine Einblendung einer Markierung in das Monitorbild bewirkt. Dazu kann an dem Monitor eine Überlagerungsvorrichtung angeschlossen sein, der das Ausgangssignal der Einblendvorrichtung und die Untersuchungsbilder zugeführt werden und die eine Überlagerung der Markierung und der Untersuchungsbilder bewirkt.

Das auf dem Gerät für Untersuchungen in einem Körper zur Wiedergabe durch obengenannte bildgebende Diagnostikeinrichtung, beispielsweise einem Katheter, angebrachte Muster kann in vorteilhafter Weise linien- oder flächenförmig sein, wobei dieses Muster vorzugsweise in einer festen Entfernung von der zu erkennenden Spitze des Gerätes angeordnet ist.

Die Matched-Filter-Schaltung zur Verarbeitung der Röntgenbildsignale läßt eine besonders gute Erkennung der Musterposition zu, wenn das Muster Abschnitte mit zur Mitte hin zunehmender Strahlentransparenz, insbesondere Abschnitte mit zur Mitte hin zunehmender Länge aufweist.

Durch diese Ausbildung läßt sich die Mitte des Musters deutlich im Röntgenbild lokalisieren. Gegebenenfalls kann dann automatisch eine Einblendung mit einer Versetzung um diesen Abstand der Mustermitte von der Katheterspitze erfolgen, um dem Operateur zu signalisieren, wo genau die Katheterspitze liegt.

Den häufigsten Einsatzbereich eines Gerätes bei Untersuchungen mit einer bildgebenden Diagnostikeinrichtung wird ein Katheter sein, der in einen Körper eines Lebewesens eingeführt ist.

Findet erfindungsgemäß eine Ultraschall-Diagnostikeinrichtung Verwendung, so muß das Muster eine unterschiedliche Ultraschalltransparenz aufweisen.

Auch läßt sich das Gerät erfindungsgemäß bei einer Infrarot-Diagnostikeinrichtung einsetzen, wenn das Muster eine unterschiedliche Transparenz für Infrarotstrahlen aufweist.

Weist das Muster auf dem Gerät unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf, so läßt es sich in einer MR-Diagnostikeinrichtung einsetzen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Röntgendiagnostikeinrichtung,
2 eine schematische Wiedergabe eines verrauschten Röntgendurchleuchtungsbildes eines Herzens bei einer Katheteruntersuchung,
3 ein ungestörtes Idealbild,
4 eine Abbildung des vorderen Abschnitts eines Katheters mit einem erfindungsgemäßen Muster,
5 das verrauschte Empfangssignal des mit dem Muster versehenen Katheterabschnitts im gestörten Aufnahmebild gemäß 2, und
6 das durch eine Matched-Filter-Schaltung verarbeitete Signal gemäß 5.
In der 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer von einem Röntgengenerator 1 mit Hoch- und Heizspannung versorgte Röntgenröhre 2 dargestellt, die ein Röntgenstrahlenbündel 3 erzeugt, das einen Patienten 4 durchdringt und auf dem Eingangsleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers 5 Strahlenbilder erzeugt. Der Ausgangsleuchtschirm des Röntgenbildverstärkers 5 ist mit einer Fernsehkamera 6 gekoppelt, deren Ausgangssignal einem Bildsystem 7 zugeführt wird. Das Bildsystem 7 kann Wandler, Bildspeicher und Verarbeitungsschaltungen aufweisen. Es ist zur Wiedergabe der erfaßten Röntgenbilder mit einem Monitor 8 verbunden. Erfindungsgemäß weist das Bildsystem 7 eine Schaltung 9 mit einem Matched-Filter auf, dessen Filterfrequenz auf das Muster abgestimmt ist. Die Matched-Filter-Schaltung 9 verarbeitet das von der Fernsehkamera 6 gelieferte Bildsignal, bevor es auf dem Monitor 8 wiedergegeben wird.
In den 2 und 3 ist ein Katheter 10 dargestellt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Untersuchung der Herzkranzgefäße eingesetzt werden soll. In der durch Rauschen gestörten Aufnahme gemäß 2, die dem Bildsignal der Fernsehkamera 6 entspricht, ist die Katheterspitze 16 nicht mehr sichtbar bzw. nur sehr schwer zu erkennen. Um ohne Erhöhung der Durchleuchtungsstrahlungsleistung diese Position der Katheterspitze 16 feststellen zu können, ist auf dem Katheter 10 ein Muster 11 bis 14 unterschiedlicher Röntgentransparenz aufgebracht. Dieses Muster besteht aus Abschnitten 11, 12, 13 und 14, die jeweils vom mittleren Abschnitt ausgehend in ihrer Röntgentransparenz abnehmen, was im gezeigten Ausführungsbeispiel durch entsprechende Abnahme der Länge der Abschnitte 12, 13 und 14 erreicht wird. Das Instrument wird also mit einer Modulation einer gegebenen Frequenz (Hardware-Modulation) beaufschlagt. Diese spezielle Signalstruktur, die jetzt örtlich auf dem Katheter 10 sichtbar ist, kann durch entsprechende Signalverarbeitung, nämlich mittels einer Empfangseinrichtung mit einem Matched-Filter so optimal verarbeitet werden, daß der Katheter 10 und auch die Katheterspitze 16 in ihrer Position bestimmbar wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich nach der Verarbeitung in der Matched-Filter-Schaltung 9 aus dem verrauschten Empfangssignal des bemusterten Abschnittes gemäß 4 das Signal gemäß
5, wobei die mittige Signalspitze 15 die Mittenposition des zentralen Abschnitts 11 des Musters 11 bis 14 auf dem Katheter 10 anzeigt. Mit der genauen Kenntnis dieser Position weiß der behandelnde Arzt, daß sich die Spitze des Katheters 10 um den festen Betrag des Abstandes des Musters von der Katheterspitze 16 entfernt befindet. Selbstverständlich wäre es dabei auch möglich, im verarbeiteten Bild eine Verschiebung der Position der Signalspitze 15 entsprechend dem Abstand des Musters 11 bis 14 von der Spitze des Katheters 10 vorzunehmen, so daß der behandelnde Arzt überhaupt keine zusätzlichen Überlegungen mehr anstellen muß, sondern tatsächlich im Röntgenbild die Katheterspitze 16 erkennen kann.
Das Empfangssignal hat folgende allgemeine Form:
Es kann im sogenannten äquivalenten Tiefpaßbereich folgendermaßen beschrieben werden:
Hierbei wird der angegebene Faktor k_r als sogenannte Sweep-Rate bezeichnet. Sie charakterisiert sozusagen die Häufigkeit der periodischen Wechsel oder auch die Phasenmodulationsschnelligkeit des Chirp-Signals.
Das formulierte Signal ist in 4 dargestellt mit B_r = k_r·T = f_Δ ≅ Bandbreite des Chirps.
Durch Bildung der Autokorrelationsfunktion (AKF) dieses Signals erhält man:
Die AKF weist die in 6 dargestellte Form auf.

– Die Einhüllende Λ(t/T) wird von der Breite der Rect-Funktion bestimmt!
– Die Funktion Φ_SST(t) ist einer si-Funktion sehr ähnlich!

Interessierender Parameter ist die Breite der Hauptkeule. Dazu wird folgendes betrachtet:.
Bestimmung der 1 . Nullstelle für B_r = k_r · T >> 1 :
In der Nähe des Nullpunktes gilt:
1. Nullstelle liegt bei
Um nun die Hauptkeule der Antennencharakteristik beliebig schmal zu machen, kann man die Bandbreite des Chirps erhöhen.
Die Präzision des Markers wird also von der Bandbreite des Musters bestimmt und läßt sich einerseits durch Erhöhung der Häufigkeit der periodischen Wechsel oder auch Hell/Dunkel-Wechsel (k_r größer) des eigentlichen Streifenbildes bei Beibehaltung der Musterlänge verbessern, andererseits kann der gleiche Verbesserungseffekt durch Verlängern des Musters bei gleichbleibendem k_r erreicht werden.
Die Erfindung wurde beispielhaft an einer Röntgendiagnostikeinrichtung beschrieben. Sie läßt sich jedoch in vorteilhafter Weise auch bei Ultraschall-, Infrarot- oder MR-Diagnostikeinrichtungen einsetzen. Lediglich muß das an dem Gerät 1 angebrachte Muster 11 bis 14 an die bei der bildgebenden Wellenlänge unterschiedlichen Eigenschaften angepaßt sein. Das bedeutet, daß das Muster eine unterschiedliche Ultraschalltransparenz, eine unterschiedliche Transparenz für Infrarotstrahlen oder im Falle einer MR-Diagnostikeinrichtung unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen muß.

Claims

Bildgebende Diagnostikeinrichtung zur Erkennung der Position eines Gerätes (10) in einem Körper (4) mit – einer Strahlungsquelle (1,2) – einem Monitor (8) zur Darstellung der Untersuchungsbilder, wobei die Untersuchungsbilder mit den Strahlen der Strahlungsquelle (1,2) erzeugt werden, – einem an dem Gerät (10) angeordneten, aus mehreren Abschnitten zusammengesetzten Muster, dessen Abschnitte (11 bis 14) bei der bildgebenden Wellenlänge unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und zu einer Hardware-Modulation der bildgebenden Wellenlänge führen, wodurch eine spezielle Signalstruktur erzeugt wird, – und einer Vorrichtung (9), die durch Verarbeitung der speziellen Signalstruktur eine Einblendung einer die Lage des Musters kennzeichnenden Markierung in die Untersuchungsbilder bewirkt.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) eine Matched-Filter-Schaltung zur Verarbeitung der Bildsignale aufweist, deren Filterfrequenz auf das Muster (11 bis 14) abgestimmt ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Matched-Filter-Schaltung (9) und Monitor (8) eine Einblendvorrichtung angeordnet ist, die die Einblendung der Markierung in das Monitorbild bewirkt.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Monitor (8) eine Überlagerungsvorrichtung angeschlossen ist, der das Ausgangssignal der Einblendvorrichtung und, die Bildsignale der Untersuchungsbilder zugeführt werden und die eine Überlagerung der Markierung und der Untersuchungsbilder bewirkt.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) linienförmig ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) flächenförmig ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) in einer festen Entfernung vor der zu erkennenden Spitze (7) des Gerätes (1) angeordnet ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (14, 13, 12, 11) zur Mitte des Musters hin zunehmende Strahlentransparenz aufweisen.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Abschnitte (14, 13, 12, 11) zur Mitte hin zunimmt.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät (10) ein Katheter ist, der in einen Körper eines Lebewesens eingeführt ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) eine unterschiedliche Röntgentransparenz aufweist und die Diagnostikeinrichtung eine Röntgendiagnostikeinrichtung ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) eine unterschiedliche Ultraschalltransparenz aufweist und die Diagnostikeinrichtung eine Ultraschall-Diagnostikeinrichtung ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) eine unterschiedliche Transparenz für Infrarotstrahlen aufweist und die Diagnostikeinrichtung eine Infrarot-Diagnostikeinrichtung ist.
Bildgebende Diagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (11 bis 14) unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweist und die Diagnostikeinrichtung eine MR-Diagnostikeinrichtung ist.