DE102005012698A1 - Automatic navigation of a medical instrument within a blood vessel structure by using an imaging system and current instrument positional data which are then used with a determined vessel map and previously defined target points - Google Patents

Automatic navigation of a medical instrument within a blood vessel structure by using an imaging system and current instrument positional data which are then used with a determined vessel map and previously defined target points Download PDF

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Abstract

Method for automatic navigation of a medical instrument e.g. catheter (14) in a blood vessel structure (4) within a body, whereby the vessel structure is recognized using an image processing system (6) and a previously recorded image. A locating system (16) is them used to determine the position of the instrument relative to the blood vessel structure. The navigation system (12) is then used to move an instrument to a previously defined target point (18A, 18B) within the vessel structure. An independent claim is made for a device for automatic navigation of medical instrument in a blood vessel structure.

Description

In der medizinischen Behandlung, sowohl zu Diagnose- als auch zu Behandlungszwecken, gibt es vielfältige Anwendungsfälle wie beispielsweise die Angiographie, bei denen in die Gefäßstruktur eines Körpers eines Patienten ein medizinisches Instrument, zum Beispiel ein intravaskulärer Katheter, eine Injektionsnadel oder ein Führungsdraht eingeführt wird. Das Instrument wird durch die Gefäßstruktur zu einem vorgegebenen Zielpunkt geführt.In medical treatment, both for diagnostic and treatment purposes, there are many use cases such as angiography, where in the vascular structure of a body a patient's medical device, such as an intravascular catheter, an injection needle or a guidewire is introduced. The instrument becomes a given by the vessel structure Target point led.

Ein Problem hierbei ist die Navigation oder Führung des Instruments durch die dreidimensionale Anatomie der Gefäßstruktur, da diese für das medizinische Personal anhand der üblicherweise zweidimensionalen Projektion auf einem Durchleuchtungs-/Röntgenbild nicht ohne weiteres genau erkannt werden kann, so dass ausgehend von den zweidimensionalen Bildern fehlerhafte dreidimensionale Anatomien angenommen werden. Daneben stellen Gefäßabzweigungen, insbesondere mehrere aufeinander folgende, hohe Anforderungen an die mechanische Steuerbarkeit von intravaskulären Kathetern oder auch Führungsdrähten.One Problem here is the navigation or guidance of the instrument by the three-dimensional anatomy of the vascular structure, since this for the medical Staff based on the usual two-dimensional projection on a fluoroscopic / X-ray image can not be readily recognized, so starting of the two-dimensional images erroneous three-dimensional anatomies be accepted. In addition, represent branching, in particular several successive, high demands on the mechanical Controllability of intravascular Catheters or guidewires.

Zur Unterstützung des medizinischen Personals ist aus der US 2001/0031919 A1 ein System zu entnehmen, mit dessen Hilfe die räumliche Lage eines Instruments auf einem Bildschirm darstellbar ist. Hierzu sind am Instrument selbst Sensorelemente angebracht, die ein Ortssignal an eine übergeordnete Steuereinheit abgeben, so dass die Lage und Orientierung des Instruments automatisch erfasst werden kann.to support of the medical staff is from the US 2001/0031919 A1 a system with the help of which the spatial position of an instrument can be displayed on a screen. These are the instrument itself sensor elements attached, which send a location signal to a higher-level control unit so that the position and orientation of the instrument automatically can be detected.

In der US 2002/0153015 A1 wird ein magnetisches Steuerungssystem beschrieben. Dieses System ermöglicht dem medizinischen Personal mit Hilfe von magnetischen Kräften die Rich tung und Orientierung des medizinischen Instruments zu beeinflussen.In US 2002/0153015 A1 describes a magnetic control system. This system allows the medical staff with the help of magnetic forces the Direction and orientation of the medical instrument.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und einfache Führung oder Navigation eines medizinischen Instruments in einer Gefäßstruktur eines Körpers zu ermöglichen.Of the present invention is based on the object, a safe and easy leadership or navigation of a medical instrument in a vascular structure of a body to enable.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur automatisierten Navigation eines medizinischen intravaskulären Instruments, wie beispielsweise ein Katheter, ein Führungsdraht, ein Endoskop od. dgl. in einer Gefäßstruktur eines Körpers gemäß dem Patentanspruch 1. Hierbei wird die Gefäßstruktur mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems anhand eines zuvor aufgenommenen Bildes eines zu untersuchenden Teilbereichs des Körpers erfasst und erkannt. Um die automatische Erkennung der Gefäßstruktur mit Hilfe des bildverarbeitenden System zu ermöglichen, wird eine geeignete Bildaufnahmemethodik gewählt. Insbesondere werden Röntgenbilder entsprechend der so genannten Methode der digitalen Subtraktionsangiographie (DSA) erstellt. Diese Methode ist beispielsweise in der US 4,444,196 beschrieben. Das Bild, anhand dessen das bildverarbeitende System die Gefäßstruktur erkennt, ist daher in der Regel ein abgeleitetes Röntgenbild, welches sowohl zweidimensional als auch dreidimensional sein kann. Prinzipiell können die bekannten medizinischen bildgebenden Verfahren, wie beispielsweise die 2D-Angiographie, die 3D-Angiographie-Computertomographie oder Magnetresonanz-Verfahren eingesetzt werden.The object is achieved according to the invention by a method for automated navigation of a medical intravascular instrument, such as a catheter, a guide wire, an endoscope od. Like. In a vascular structure of a body according to claim 1. In this case, the vascular structure using an image processing Systems detected and detected on the basis of a previously recorded image of a part of the body to be examined. In order to enable the automatic recognition of the vessel structure with the aid of the image processing system, a suitable image recording method is selected. In particular, X-ray images are created according to the so-called method of digital subtraction angiography (DSA). This method is for example in the US 4,444,196 described. The image by means of which the image processing system recognizes the vessel structure is therefore generally a derived X-ray image, which can be both two-dimensional and three-dimensional. In principle, the known medical imaging methods, such as, for example, 2D angiography, 3D angiography computed tomography or magnetic resonance methods can be used.

Bei dem Verfahren wird weiterhin mit Hilfe eines Ortungssystems die insbesondere dreidimensionale Position und Orientierung des Instruments in Bezug zu der Gefäßstruktur erfasst. Schließlich wird unter Zugrundelegung der erkannten Gefäßstruktur und der erfassten Position des Instruments mit Hilfe eines Navigationssystems das Instrument innerhalb der erkannten Gefäßstrukturen zu einem zuvor festgelegten Zielpunkt in der Gefäßstruktur automatisch und aktiv gesteuert.at The method is further using a positioning system the in particular three-dimensional position and orientation of the instrument in relation to the vessel structure detected. After all is determined on the basis of the recognized vessel structure and the detected Position of the instrument with the aid of a navigation system Instrument within the recognized vascular structures to a previously fixed target point in the vessel structure automatically and actively controlled.

Der besondere Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass dieses Verfahren prinzipiell ohne Eingriff des medizinischen Personals erfolgen kann, es also vollautomatisch ablaufen kann. Dies beginnt bei der automatischen Erkennung der Gefäßstruktur mit Hilfe des bildverarbeitenden Systems, der automatischen Ortung der Lage und Orientierung des Instruments sowie der automatischen Steuerung oder Navigation des Instruments innerhalb der erkannten Gefäßstruktur. Ein wesentlicher Gesichtspunkt hierbei ist die Erkennung der Gefäßstruktur mit Hilfe des bildverarbeitenden Systems. Hierdurch sind dem Navigationssystem insgesamt nämlich die relevanten Informationen bezüglich der Ausbildung der Gefäßstruktur bekannt. Das medizinische Personal braucht lediglich noch das Instrument in eine Startposition der Gefäßstruktur einzuführen und einen Zielpunkt dem Navigationssystem mitzuteilen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das System derart auszubilden, dass manuelle Steuereingriffe des medizinischen Personals erlaubt sind.Of the particular advantage of this method is the fact that this Procedure in principle without intervention of the medical staff can take place, so it can run fully automatic. This begins in the automatic detection of the vessel structure with the help of the image processing Systems, the automatic location of the location and orientation of the Instruments as well as the automatic control or navigation of the Instruments within the recognized vascular structure. An essential The point of view here is the recognition of the vessel structure with the help of the image processing System. As a result, the navigation system in total namely the relevant information regarding the formation of the vessel structure known. The medical staff only needs the instrument in a starting position of the vessel structure introduce and to communicate a destination to the navigation system. It exists but also the possibility to design the system such that manual control interventions of the medical personnel are allowed.

Aufgrund der automatisierten Unterstützung der Führung oder der vollautomatischen Führung des Instruments durch die Gefäßstruktur ist eine verbesserte und vereinfachte und damit auch sichere Navigation des Instruments durch die Gefäßstruktur erreicht.by virtue of the automated support of the guide or the fully automatic guidance of the instrument through the vessel structure is an improved and simplified and therefore safe navigation of the instrument through the vessel structure reached.

Zweckdienlicherweise wird bei dem Verfahren die Position des Instruments innerhalb der Gefäßstruktur auf einem Bildschirm währen der medizinischen Behandlung dargestellt. Dies ermöglicht dem medizinischen Personal den Navigationsvorgang zu kontrollieren.Conveniently, in the method, the position of the instrument within the vessel structure on a screen during the medizi presented with niche treatment. This allows the medical staff to control the navigation process.

Bevorzugt wird die Position des Instruments in einem Koordinatensystem des Ortungssystems erfasst, welches sich von dem Bildkoordinatensystem des bildverarbeitenden Systems unterscheidet. Um eine genaue Positionsbestimmung des Instruments bezüglich der Gefäßstruktur zu ermöglichen, wird das Koordinatensystem des Ortungssystems auf das Bildkoordinatensystem des bildverarbeitenden Systems durch eine entsprechende Koordinatentransformation abgebildet, oder umgekehrt. Die Positions- oder Ortskoordinaten des Instruments oder der Gefäßstruktur werden daher anhand einer zuvor beispielsweise bei einem Kalibriervorgang bestimmten Rechenregel in das jeweils gewünschte Koordinatensystem transformiert.Prefers is the position of the instrument in a coordinate system of Detected locating system, which differs from the image coordinate system of image-processing system is different. For a precise position determination of the instrument the vascular structure to enable the coordinate system of the positioning system is applied to the image coordinate system of the image processing system by a corresponding coordinate transformation pictured, or vice versa. The position or location coordinates of the instrument or the vessel structure are therefore based on a previously, for example, during a calibration process transformed certain calculation rule in the respectively desired coordinate system.

Vorzugsweise wird mit Hilfe des Ortungssystems die Ist-Position des Instruments während der Navigation fortlaufend erfasst. Hierunter wird sowohl eine permanente Erfassung der Ist-Position als auch eine periodische Erfassung der Ist-Position verstanden. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Position auf dem Bild ist somit für das medizinische Überwachungspersonal jederzeit eine Kontrollmöglichkeit gegeben.Preferably becomes the actual position of the instrument with the help of the locating system while the navigation continuously recorded. Below this is both a permanent Detection of the actual position as well as a periodic recording of the Understood actual position. In connection with the presentation of the Position on the picture is thus for the medical surveillance staff at any time a means of control given.

Um eine sichere automatische Navigation zu gewährleisten, wird die Ist-Position des Instruments bezüglich der Gefäßstruktur mit einer Soll-Position verglichen, und zwar ebenfalls vorzugsweise fortlaufend. Die Sollposition ist beispielsweise eine aufgrund der erkannten Gefäßstruktur berechnete Soll-Position. Zusätzlich oder alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit der manuellen Vorgabe einer oder mehrerer Sollpositionen durch das medizinische Personal.Around to ensure a safe automatic navigation becomes the actual position of the instrument the vascular structure compared with a desired position, and also preferably continuously. The target position is for example one due to recognized vascular structure calculated target position. additionally or alternatively there is also the possibility of manual specification one or more desired positions by the medical staff.

Zweckdienlicherweise wird hierbei anhand des Soll-Ist-Vergleichs die Navigation des Instruments geregelt, d.h. bei einer Abweichung der Sollposition über eine vorgegebene Toleranzabweichung hinaus wird steuernd auf die Position des Instruments mit Hilfe des Navigationssystems eingegriffen. Die Ist-Position wird mit Hilfe des Ortungssystems weiter erfasst und mit der Sollposition verglichen. Dieser Regelkreis wird über die gesamte Navigationsstrecke vom Startpunkt bis zum Zielpunkt ausgeführt.Conveniently, This is the navigation of the instrument based on the target-actual comparison regulated, i. in the case of a deviation of the nominal position via a given tolerance deviation is also controlling the position of the instrument with the aid of the navigation system. The actual position is further detected using the locating system and with the target position compared. This control loop is used over the entire navigation distance from Start point executed to the destination point.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird ein für die Navigation des Instruments in der Gefäßstruktur ausgewählter Pfad durch die Festlegung von mehreren Zwischenzielpunkten in Teilpfade unterteilt. Das Instrument wird dann sukzessive von einem Zwischenzielpunkt zu dem nächsten navigiert. Die Zwischenzielpunkte sind hierbei insbesondere manuell vorgegebene Soll-Positionen. Die Aufteilung des Gesamtpfads in mehrere Teilpfade hat den entscheidenden Vorteil, dass bei komplexen und verzeigten Gefäßstrukturen eine sichere und einfache Navigation ermöglicht ist. Die Zwischenzielpunkte werden hierbei insbesondere an Gefäßverzweigungen angegeben.According to one preferred training will be one for the navigation of the instrument in the vessel structure selected Path by defining several intermediate destination points in subpaths divided. The instrument will then successively from an intermediate destination point to the next navigated. The intermediate destinations are here in particular manually specified target positions. The division of the total path into several Subpaths has the distinct advantage that in complex and indicated vascular structures a safe and easy navigation is possible. The intermediate destinations will be in particular at branching of vessels specified.

Im Hinblick auf eine möglichst einfache Ausgestaltung der automatisierten Navigation wird in einer zweckdienlichen Ausgestaltung lediglich die zweidimensionale Orientierung des Instruments in einer Ebene senkrecht zu einer Vorschubrichtung gesteuert. Dies geschieht insbesondere mit Hilfe einer magnetischen Steuerung des Instruments, wie sie beispielsweise aus US 2002 0153015 A1 zu entnehmen ist. Der notwendige Vorschub wird beispielsweise manuell oder mit motorischer Unterstützung vorgenommen.With a view to the simplest possible embodiment of the automated navigation, only the two-dimensional orientation of the instrument in a plane perpendicular to a feed direction is controlled in an expedient embodiment. This is done in particular by means of a magnetic control of the instrument, as for example US 2002 0153015 A1 can be seen. The necessary feed is done, for example, manually or with motor assistance.

Vorzugsweise ist zur Ortung des Instruments am Instrument zumindest ein Ortssensor angebracht, der ein Ortssignal abgibt. Dieser Sensor ist hierbei insbesondere ein passiver Sensor, der bei Empfang von elektromagnetischen Wellen, die von einem Sendemodul eines Steuergeräts ausgehen, selbst ein elektromagnetisches Signal abgibt. Dieses Signal wird wiederum von einem entsprechenden Empfänger als Ortssignal erfasst. Ein derartiges passives Ortungssystem ist aus der US 2001/0031919 A1 zu entnehmen.Preferably is at least one location sensor for locating the instrument on the instrument attached, which emits a location signal. This sensor is particular a passive sensor that, when receiving electromagnetic waves, emanating from a transmission module of a control unit, even an electromagnetic Signal outputs. This signal is in turn from a corresponding receiver detected as a location signal. Such a passive location system is to be taken from US 2001/0031919 A1.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines medizinischen intravaskulären Instruments innerhalb einer Gefäßstruktur eines Körpers gemäß dem Patentanspruch 11. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung zu übertragen.The Task is according to the invention still solved by a device for controlling a medical intravascular instrument within a vessel structure of a body according to the claim 11. The advantages mentioned in relation to the method and preferred Embodiments are mutatis mutandis to transfer the device.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:One embodiment The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it in schematic and simplified representations:

1 eine Darstellung einer Vorrichtung zur automatisierten Navigation eines medizinischen intravaskulären Instruments innerhalb einer Gefäßstruktur eines Körpers und 1 a representation of a device for automated navigation of a medical intravascular instrument within a vascular structure of a body and

2 eine Blockbilddarstellung zur Illustration der einzelnen Verfahrensschritte zur automatisierten Navigation des Instruments. 2 a block diagram illustrating the individual process steps for automated navigation of the instrument.

Die Vorrichtung oder das Gesamtsystem zur automatisierten oder vollautomatisierten Navigation umfasst ein medizinisches bildgebendes System 2, wie beispielsweise ein Computertomograph oder ein Magnetresonanz-Gerät, mit dessen Hilfe Bildinformationen einer Gefäßstruktur 4 eines Teilbereichs eines zu untersuchenden Körpers ermittelt werden. Die Gefäßstruktur 4 ist in der 1 grob vereinfacht und symbolisch in einem Kreis dargestellt. Insbesondere werden mittels der 2D- und vorzugsweise der 3D-Angiographie 2D- bzw. 3D-Röntgenbilder erstellt. Das bildgebende System 2 ist bereits zur Bildaufbereitung ausgebildet, und zwar dahingehend, dass die erfassten Bildinformationen derart aufbereitet werden, dass die abzubildenden Strukturen kontrastreich und abgrenzbar dargestellt sind. Hierzu wird insbesondere ein abgeleitetes Röntgenbild der Gefäßstruktur mit Hilfe der Methode der digitalen Subtraktionsangiographie (DAS) erstellt.The device or the overall system for automated or fully automated navigation includes a medical imaging system 2 , such as a computed tomography or a Magnetic resonance device, with the help of which image information of a vessel structure 4 a portion of a body to be examined are determined. The vascular structure 4 is in the 1 roughly simplified and represented symbolically in a circle. In particular, 2D and 3D X-ray images are created by means of 2D and preferably 3D angiography. The imaging system 2 is already designed for image processing, to the effect that the captured image information is processed in such a way that the structures to be imaged are shown rich in contrast and demarcated. For this purpose, in particular, a derived X-ray image of the vessel structure is created using the method of digital subtraction angiography (DAS).

Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein bildverarbeitendes System 6, dem die vorzugsweise bereits aufbereiteten Bildinformationen des bildgebenden Systems 2 übermittelt werden. Im bildverarbeitenden System 6 erfolgt eine automatische Bilderkennung und Bilderfassung der aufgenommenen Gefäßstruktur 4. Diese derart aufbereiteten Bildinformationen werden auf einem Anzeigeelement 8, wie beispielsweise ein Bildschirm, dargestellt, wie das durch die gestrichelte Pfeillinie dargestellt ist. Die Bildinformationen werden an eine gemeinsame und zentrale Rechnereinheit 10 übermittelt.The device further comprises an image processing system 6 to which the preferably already processed image information of the imaging system 2 be transmitted. In the image processing system 6 there is an automatic image recognition and image capture of the recorded vessel structure 4 , These image information processed in this way are displayed on a display element 8th , such as a screen, as shown by the dashed arrow line. The image information is sent to a common and central computer unit 10 transmitted.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein Navigationssystem 12. Über dieses wird mit Hilfe einer magnetischen Steuerung ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter 14, navigiert, d.h. seine Raumlage wird verändert. Das Navigationssystem 12 umfasst hierbei eine erste Steuereinheit 12A sowie eine Magnetspule 12B, mit deren Hilfe die notwendigen magnetischen Felder erzeugt werden. Der Katheter 14 ist insgesamt dahingehend ausgebildet, dass seine Raumlage, also seine Position und Orientierung im Raum, mit Hilfe der von der Magnetspule 12B erzeugten Magnetfelder veränderbar ist.Furthermore, the device comprises a navigation system 12 , About this is using a magnetic control, a medical instrument, in particular a catheter 14 , navigates, ie its spatial position is changed. The navigation system 12 in this case comprises a first control unit 12A as well as a magnetic coil 12B , with the help of which the necessary magnetic fields are generated. The catheter 14 is designed to the effect that its spatial position, ie its position and orientation in space, with the help of the magnetic coil 12B generated magnetic fields is changeable.

Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Ortungssystem 16, welches zur Erfassung der Position und Orientierung des Katheters 14 im Raum dient. Das Ortungssystem 16 weist hierzu eine zweite Steuereinheit 16A sowie vorzugsweise mehrere Ortssensoren 16B auf, welche am Katheter 14 angebracht sind. Die über das passive Ortungssystem 16 erfasste Position des Katheters 14 wird auf dem Anzeigeelement 8 dargestellt, wie dies durch den gestrichelten Pfeil zwischen der zweiten Steuereinheit 16A und dem Anzeigeelement 8 angedeutet ist.The device further comprises a location system 16 which is used to detect the position and orientation of the catheter 14 serving in the room. The location system 16 has a second control unit for this purpose 16A and preferably a plurality of location sensors 16B on which at the catheter 14 are attached. The over the passive location system 16 detected position of the catheter 14 is on the display element 8th as shown by the dashed arrow between the second control unit 16A and the display element 8th is indicated.

Sowohl die Informationen vom bildverarbeitenden System 6 als auch die von der zweiten Steuereinheit 16A zum Anzeigeelement 8 werden hierbei zunächst von der zentralen Rechnereinheit 10 aufbereitet. Insbesondere werden hierbei die im Koordinatensystem des Ortungssystems 16 erfassten Koordinaten des Katheters 14 durch eine entsprechende Koordinatentransformation in das Bildkoordinatensystem übertragen, welches dem bildverarbeitenden System 6 sowie dem Anzeigeelement 8 zugrunde liegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die reale Lage des Katheters 14 innerhalb der Gefäßstruktur 4 auf dem Anzeigeelement 8 richtig wiedergegeben wird bzw. dass die Position des Katheters 14 bezüglich der Gefäßstruktur 14 von der Rechnereinheit 10 korrekt und den tatsächlichen Gegebenheiten entsprechend ausgewertet wird. Diese korrekte Erfassung der Position des Katheters 14 ist für die automatische Navigation erforderlich.Both the information from the image processing system 6 as well as from the second control unit 16A to the display element 8th are here first of the central computer unit 10 edited. In particular, these are in the coordinate system of the location system 16 recorded coordinates of the catheter 14 transferred by a corresponding coordinate transformation in the image coordinate system, which the image processing system 6 and the display element 8th underlying. This ensures that the real location of the catheter 14 within the vascular structure 4 on the display element 8th correctly reproduced or that the position of the catheter 14 concerning the vessel structure 14 from the computer unit 10 is evaluated correctly and according to the actual circumstances. This correct detection of the position of the catheter 14 is required for automatic navigation.

Die einzelnen Systeme oder Geräte, nämlich das bildgebende System 2, das bildverarbeitende System 6, das Anzeigeelement 8, die erste Steuereinheit 12A sowie die zweite Steuereinheit 16A stehen jeweils zum Datenaustausch mit der zentralen Rechnereinheit 10 in Verbindung, beispielsweise über eine Datenleitung 17.The individual systems or devices, namely the imaging system 2 , the image processing system 6 , the display element 8th , the first control unit 12A as well as the second control unit 16A are each for data exchange with the central computer unit 10 in connection, for example via a data line 17 ,

Bei der Durchführung des Verfahrens werden vom medizinischen Personal ein Zielpunkt 18A, sowie – falls notwendig – mehrere Zwischenzielpunkte 18B eingegeben. Hierzu ist eine geeignet ausgebildete Eingabeeinheit vorgesehen. Beispielsweise ist das Anzeigeelement 8 hierzu als Touch-Screen ausgebildet, so dass durch Berührung an den entsprechenden Positionen des Anzeigeelements 8 die Zielpunkte 18A, 18B festgelegt werden.In performing the procedure, medical personnel become a target point 18A , and - if necessary - several intermediate destinations 18B entered. For this purpose, a suitably designed input unit is provided. For example, the display element 8th for this purpose designed as a touch screen, so that by touching the corresponding positions of the display element 8th the destination points 18A . 18B be determined.

Die Durchführung des Verfahrens zur automatisierten Navigation des Katheters 14 unter Zuhilfenahme des zur 1 beschriebenen Gesamtsystems wird nunmehr anhand der Blockbild-Darstellung der 2 erläutert:
Im Verfahrensschritt A wird zunächst mit Hilfe des bildgebenden Systems 2 eine Röntgenaufnahme des Körpers mit bereits eingeführtem Katheter 14 erstellt. Der Katheter 14 wurde also bereits zuvor vom medizinischen Personal in den Körper eingeführt. Im Verfahrensschritt B erfolgt eine erste Bildaufbereitung, in der Regel noch durch das bildgebende System 2. Und zwar wird ein aus den Roh-Bilddaten abgeleitetes Röntgenbild erstellt, um die abgebildeten Strukturen möglichst kontrastreich und klar abgegrenzt darzustellen. Hierdurch ist die Gefäßstruktur, also der Verlauf der einzelnen interessierenden Gefäße, beispielsweise Arterien, innerhalb des interessierenden Teilbereichs des Körpers mit all ihren Verzweigungen und Verästelungen klar dargestellt.Carrying out the procedure for automated navigation of the catheter 14 with the help of the 1 described overall system will now be based on the block diagram representation of 2 explains:
In method step A, first with the aid of the imaging system 2 an x-ray of the body with already inserted catheter 14 created. The catheter 14 So it was previously introduced by the medical staff in the body. In method step B, a first image processing takes place, as a rule still by the imaging system 2 , Namely, an X-ray image derived from the raw image data is created in order to represent the imaged structures as contrastingly as possible and clearly demarcated. As a result, the vessel structure, ie the course of the individual vessels of interest, for example arteries, is clearly represented within the region of interest of the body with all its branches and ramifications.

Im Verfahrensschritt C wird mit Hilfe des bildverarbeitenden Systems 6 die Gefäßstruktur 4 erkannt und vorzugsweise in einzelne Segmente unterteilt. Im Verfahrensschritt D erfolgt bei Bedarf auch in Wiederholungsschritten E die Festlegung des Zielpunkts 18A bzw. der Zwischenzielpunkte 18B, wodurch der Pfad für die Navigation des Katheters 14 durch die Gefäßstruktur 4 festgelegt wird. Prinzipiell können die Zielpunkte 18A, 18B bereits im Anschluss an Verfahrensschritt B markiert und festgelegt werden.In method step C, with the aid of the image processing system 6 the vascular structure 4 recognized and preferably divided into individual segments. In method step D, if necessary, the determination of the target point also takes place in repetition steps E. 18A or the intermediate destinations 18B making the path for the navigation of the catheter 14 through the vessel structure 4 is determined. In principle, the destination points 18A . 18B already marked and determined after step B.

Sobald der Katheter 14 eingeführt und der Zielpunkt 18A und somit der Pfad vorgegeben ist, hat das Gesamtsystem alle erforderlichen Informationen, um den Katheter 14 zum gewünschten Zielpunkt 18A zu navigieren. Zur Navigation ist hierbei ein Regelkreis 20 vorgesehen. Innerhalb dieses Regelkreises 20 erfolgt im Verfahrensschritt F eine Positionserkennung des Katheters 14 mit Hilfe des passiven Ortungssystems 16. Die Ist-Position des Katheters 14 wird hierbei durch die Katheterspitze festgelegt. Weiterhin erfolgt im Verfahrensschritt G ein Vergleich der aktuellen Ist-Position mit einer errechneten oder durch die Zielpunkte 18A, 18B vorgegebenen Soll-Position. In Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs wird dann im Verfahrensschritt H mit Hilfe des Navigationssystems 12 aktiv auf die Position und Orientierung des Katheters 14 Einfluss genommen, indem das von der Magnetspule 12B erzeugte Magnetfeld entsprechend angesteuert wird. Bei dieser aktiven Navigation wird der Katheter 14 in Richtung zu der nächsten Soll-Position, insbesondere einem Zwischenzielpunkt 18B, geführt. Mit Hilfe des Ortungssystems 16 wird weiterhin fortlaufend gemäß Verfahrensschritt F die Ist-Position erfasst.Once the catheter 14 introduced and the destination point 18A and thus the path is predetermined, the overall system has all the information needed to make the catheter 14 to the desired destination 18A to navigate. For navigation here is a control loop 20 intended. Within this control loop 20 in step F, a position detection of the catheter 14 with the help of the passive location system 16 , The actual position of the catheter 14 is determined by the catheter tip. Furthermore, in method step G, the current actual position is compared with a calculated one or through the target points 18A . 18B predetermined target position. Depending on the desired-actual comparison is then in step H using the navigation system 12 active on the position and orientation of the catheter 14 Influence by the magnetic coil 12B generated magnetic field is driven accordingly. This active navigation becomes the catheter 14 towards the next desired position, in particular an intermediate destination point 18B , guided. With the help of the location system 16 is continued continuously detected according to method step F, the actual position.

Stimmt die erfasste Ist-Position mit einer durch einen Zwischenzielpunkt 18B festgelegten Soll-Position überein, so wird überprüft, ob ein weiterer Zwischenzielpunkt 18B anzusteuern ist oder ob der Zielpunkt bereits der Endzielpunkt 18A ist. Ist ein weiterer Zielpunkt 18A, 18B anzusteuern, so wird dieser als neue Soll-Position definiert und die Navigation wird mit Hilfe des Regelkreises 20 weitergeführt. Erst wenn der Zielpunkt 18A erreicht ist, ist der Navigationsvorgang beendet und der Katheter 14 hat sein Ziel im Verfahrensschritt J erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend Verfahrensschritt A ein weiteres Röntgenbild aufgenommen, um noch einmal eine Endkontrolle bezüglich der tatsächlichen Position des Katheters 14 in der Gefäßstruktur durchzuführen. Es besteht auch die Möglichkeit, während der Navigation weitere oder kontinuierlich Bildaufnahmen für eine fortlaufende Überwachung und Kontrolle der tatsächlichen Position des Katheters 14 in der Gefäßstruktur 4 vorzunehmen.Takes the detected actual position with a through an intermediate destination point 18B determined target position, it is checked if another intermediate destination point 18B or whether the destination is already the final destination 18A is. Is another destination point 18A . 18B to control, so this is defined as a new target position and the navigation is using the control loop 20 continued. Only when the destination point 18A is reached, the navigation process is complete and the catheter 14 has reached its goal in process step J. At this time, a further X-ray image is taken in accordance with method step A, in order once again to carry out a final check with regard to the actual position of the catheter 14 in the vascular structure. There is also the option of further or continuous imaging during navigation for continuous monitoring and control of the actual position of the catheter 14 in the vessel structure 4 make.

Da das Ortungssystem 16 die Ortung mit Hilfe der Ortssensoren 16B vornimmt, ist eine Abbildung des Koordinatensystems des Ortssystems 16 auf das Koordinatensystem des bildverarbeitenden Systems 6 bzw. des dem Anzeigeelement 8 zugrunde liegenden Koordinatensystems erforderlich. Der Abgleich zwischen den Koordinatensystemen bzw. die Aufstellung der Transformationsregel zwischen den beiden Koordinatensystemen erfolgt in einem Verfahrensschritt K, wie durch die gestrichelte Linie zwischen den Verfahrensschritten B und F angedeutet ist (das Bildkoordinatensystem des bildverarbeitenden Systems 6 korreliert zum Bildkoordinatensystem des bildgebenden Systems 2).As the location system 16 the location with the help of the location sensors 16B is an illustration of the coordinate system of the location system 16 on the coordinate system of the image processing system 6 or of the display element 8th underlying coordinate system. The adjustment between the coordinate systems or the establishment of the transformation rule between the two coordinate systems takes place in a method step K, as indicated by the dashed line between the method steps B and F (the image coordinate system of the image processing system 6 correlates to the image coordinate system of the imaging system 2 ).

In den Regelkreis 20 wird über die Markierung der Zielpunkte 18A, 18B insoweit Eingriff genommen, all hierdurch Randparameter für die Regelung festgelegt werden. Weitere Randparameter für die Regelung sind durch die durch das bildverarbeitende System 6 erkannte Gefäßstruktur 4 gegeben, da die Navigation zwingend nur innerhalb der erkannten Gefäßstruktur 4 erfolgen kann.In the control loop 20 is about marking the target points 18A . 18B insofar intervention is made, all marginal parameters for the regulation are determined. Further marginal parameters for the control are through the image processing system 6 recognized vascular structure 4 Given that navigation is mandatory only within the recognized vascular structure 4 can be done.

Bisher wurde eine vollautomatische Navigation des Katheters 14 beschrieben. Bevorzugt wird das System dahingehend offen gestaltet, dass auch ein manueller Eingriff durch das medizinische Personal erlaubt ist, wie dies beispielsweise durch den Verfahrensschritt L und der punktierten Pfeillinie angedeutet ist. Insbesondere besteht hierbei die Möglichkeit, dass der notwendige Vorschub für den Katheter manuell vorgenommen wird. Über die automatische Navigation und den Regelkreis 20 wird daher in diesem Fall der Katheter 14 lediglich noch in die richtige Orientierung bezüglich der Gefäßstruktur 4 gebracht bzw. gehalten.So far, a fully automatic navigation of the catheter 14 described. Preferably, the system is designed to be open so that a manual intervention by the medical staff is allowed, as indicated for example by the method step L and the dotted arrow line. In particular, there is the possibility that the necessary feed for the catheter is made manually. About the automatic navigation and the control loop 20 Therefore, in this case the catheter 14 only in the correct orientation with respect to the vessel structure 4 brought or kept.

Mit Hilfe des passiven Ortungssystems 16 ist insbesondere die dreidimensionale Positionserfassung des Katheters 14 ermöglicht, also seine vollständige Orientierung im Raum, da in der bevorzugten Ausgestaltung mehrere Ortssensoren 16B vorgesehen sind. Das hier beschriebene Verfahren wird daher vorzugsweise im Zusammenhang mit einem dreidimensionalen bildgebenden System 2 kombiniert. Prinzipiell ist die hier beschriebene automatische Navigation aber auch mit einem zweidimensionalen bildgebenden System 2 möglich.With the help of the passive location system 16 is in particular the three-dimensional position detection of the catheter 14 allows, so its complete orientation in space, as in the preferred embodiment, several location sensors 16B are provided. The method described here is therefore preferably associated with a three-dimensional imaging system 2 combined. In principle, the automatic navigation described here is also with a two-dimensional imaging system 2 possible.

Das hier beschriebene System stellt dem medizinischen Personal ein einheitliches und damit einfach zu bedienendes System für die Steuerung und Navigation des medizinischen Instruments 14 innerhalb der Gefäßstruktur 4 zur Verfügung.The system described here provides the medical staff with a uniform and thus easy-to-use system for the control and navigation of the medical instrument 14 within the vascular structure 4 to disposal.

Claims (12)

Verfahren zur automatisierten Navigation eines medizinischen Instruments (14) in einer Gefäßstruktur (4) eines Körpers – bei dem die Gefäßstruktur (4) mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems (6) anhand eines zuvor aufgenommenen Bildes eines zu untersuchenden Teilbereichs des Körpers erkannt wird, – bei dem mit Hilfe eines Ortungssystems (16) die Position des Instruments (14) in Bezug zu der Gefäßstruktur (4) erfasst wird, – bei dem automatisch mit Hilfe eines Navigationssystems (12) das Instrument (14) innerhalb der mittels des bildverarbeitenden Systems (6) erkannten Gefäßstruktur (4) zu einem zuvor festgelegten Zielpunkt (18A, 18B) in der Gefäßstruktur (4) gesteuert wird.Method for the automated navigation of a medical instrument ( 14 ) in a vessel structure ( 4 ) of a body - in which the vessel structure ( 4 ) using an image processing system ( 6 ) is detected on the basis of a previously recorded image of a subarea of the body to be examined, - in which, with the aid of a locating system ( 16 ) the position of the instrument ( 14 ) in relation to the vessel structure ( 4 ), in which automatically by means of a navigation systems ( 12 ) the instrument ( 14 ) within the image processing system ( 6 ) recognized vessel structure ( 4 ) to a predetermined destination ( 18A . 18B ) in the vessel structure ( 4 ) is controlled. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf einem Anzeigeelement (8) die Gefäßstruktur (4) zusammen mit der Position des Instruments (14) relativ zur Gefäßstruktur (4) dargestellt wird.Method according to Claim 1, in which on a display element ( 8th ) the vessel structure ( 4 ) together with the position of the instrument ( 14 ) relative to the vessel structure ( 4 ) is pictured. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Positions-Koordinaten des Instruments (14) in einem Koordinatensystem des Ortungssystems (16) erfasst und in ein Bildkoordinatensystem des bildverarbeitenden Systems abgebildet werden.Method according to Claim 1 or 2, in which the position coordinates of the instrument ( 14 ) in a coordinate system of the location system ( 16 ) and imaged into an image coordinate system of the image processing system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit Hilfe des Ortungssystems (16) während der Navigation eine Ist-Position des Instruments (14) fortlaufend erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, in which with the aid of the locating system ( 16 ) during navigation, an actual position of the instrument ( 14 ) is recorded continuously. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Ist-Position des Instruments (14) bezüglich der Gefäßstruktur (4) mit einer Soll-Position verglichen wirdMethod according to Claim 4, in which the actual position of the instrument ( 14 ) with regard to the vessel structure ( 4 ) is compared with a desired position Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Navigation des Instruments (14) in Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs geregelt wird.Method according to Claim 5, in which the navigation of the instrument ( 14 ) is regulated in dependence of the target-actual comparison. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein für die Navigation des Instruments (14) in der Gefäßstruktur (4) ausgewählter Pfad durch die Festlegung von mehreren Zwischenzielpunkten (18B) in Teilpfade unterteilt ist und das Instrument (14) sukzessive zu den Zwischenzielpunkten (18B) navigiert wird.Method according to one of the preceding claims, in which one for the navigation of the instrument ( 14 ) in the vessel structure ( 4 ) selected path by the definition of several intermediate destination points ( 18B ) is subdivided into subpaths and the instrument ( 14 ) successively to the intermediate destinations ( 18B ) is navigated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem über die automatische Navigation nur die zweidimensionale Orientierung des Instruments (14) in einer Ebene senkrecht zu einer Vorschubrichtung gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, in which via the automatic navigation only the two-dimensional orientation of the instrument ( 14 ) is controlled in a plane perpendicular to a feed direction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Steuerung des Instruments (14) mit Hilfe einer magnetischen Steuerung des Instruments (14) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the active control of the instrument ( 14 ) by means of a magnetic control of the instrument ( 14 ) he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ortung des Instruments (14) am Instrument (14) zumindest ein Ortssensor (16B) angebracht ist, der ein Ortssignal abgibt.Method according to one of the preceding claims, in which for locating the instrument ( 14 ) on the instrument ( 14 ) at least one location sensor ( 16B ) is attached, which emits a location signal. Vorrichtung zur automatisierten Navigation eines medizinischen Instruments (14) in einer Gefäßstruktur (4) eines Körpers, – mit einem bildverarbeitenden System (6) zur Erkennung der Gefäßstruktur (4) anhand eines mit einem medizinischen bildgebenden System (2) aufgenommenen Bildes, – mit einem Ortungssystem (16) zur Erfassung der Position des Instruments (14) in Bezug zu der Gefäßstruktur (4), – mit einem Navigationssystem (12) zur aktiven und automatischen Steuerung des Instruments (14) innerhalb der erkannten Gefäßstrukturen (4) zu einem zuvor festgelegten Zielpunkt (18A, 18B).Device for the automated navigation of a medical instrument ( 14 ) in a vessel structure ( 4 ) of a body, - with an image processing system ( 6 ) for detecting the vessel structure ( 4 ) on the basis of a medical imaging system ( 2 ), with a location system ( 16 ) to record the position of the instrument ( 14 ) in relation to the vessel structure ( 4 ), - with a navigation system ( 12 ) for active and automatic control of the instrument ( 14 ) within the recognized vascular structures ( 4 ) to a predetermined destination ( 18A . 18B ). Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der ein Regelkreis (20) vorgesehen ist, bei dem eine von dem Ortungssystem (16) erfasste Ist-Position mit einer Soll-Position des Instruments (14) verglichen wird und in Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs das Instrument (14) gesteuert wird.Apparatus according to claim 11, wherein a control circuit ( 20 ) is provided, in which one of the positioning system ( 16 ) detected actual position with a desired position of the instrument ( 14 ) and, depending on the target / actual comparison, the instrument ( 14 ) is controlled.
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