DE4037586A1 - Real time indication method of medical probe - facilitating probe indication by non-ionising radiation and transmitting electromagnetic or acoustic waves - Google Patents
Real time indication method of medical probe - facilitating probe indication by non-ionising radiation and transmitting electromagnetic or acoustic wavesInfo
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Abstract
Description
Bei angiographischen Untersuchungen und insbesondere in der interventionellen Technik arbeitet man innerhalb der Anwendung der Röntgendurchleuchtung sehr häufig mit der sogenannten Pfad finderdarstellung. Dabei wird zunächst zur Ermittlung der ge nauen Topologie eines interessanten Gefäßbereiches (Gefäßarchi tektur) mittels Kontrastmitteltechnik das Röntgenbild des Ge fäßbaumes aufgenommen und gespeichert. Bei der nachfolgenden Anwendung eines Katheters wird letzterer nun in Durchleuch tungsbildern; in denen die Gefäße nicht sichtbar sind, darge stellt. Die Durchleuchtungsbildfolgen, die die Position, Orien tierung und die Bewegung des Katheters wiedergegeben, werden dabei ständig mit dem die Gefäßarchitektur enthaltenden Kon trastmittelbild kombiniert (überlagert). Die resultierenden Ge samtbildfolgen zeigen demgemäß den Katheter innerhalb der Ge fäßarchitektur und erlauben somit seine kontrollierte Bewegung durch den Arzt.For angiographic examinations and especially in the Interventional technology is worked within the application X-ray fluoroscopy very often with the so-called path finder representation. It is first used to determine the ge exact topology of an interesting vascular area (vascular archi architecture) by means of contrast medium technology the X-ray image of the Ge barrel tree recorded and saved. The following The catheter is now used in fluoroscopy training pictures; in which the vessels are not visible, darge poses. The fluoroscopic images follow the position, orien tion and the movement of the catheter are reproduced doing so with the con containing the vessel architecture combined trap image (superimposed). The resulting Ge Velvet image sequences accordingly show the catheter within the Ge barrel architecture and thus allow its controlled movement by the doctor.
Diese Technik macht die Anwendung einer Durchleuchtungseinrich tung sowohl bei der Kontrastmittelinjektion zur Erzeugung des Gefäßbaumspeicherbildes als auch während der nachfolgenden Katheteranwendung notwendig. Dieses bedeutet eine Strahlenexpo sition für den Patienten und besonders für den Arzt, die größer ist als für die Erzeugung des Gefäßbaumspeicherbildes erfor derlich.This technique makes use of a fluoroscopic device tion both in contrast agent injection to generate the Vascular tree memory image as well as during the subsequent one Catheter application necessary. This means a radiation exposure sition for the patient and especially for the doctor, the bigger is required for the generation of the vascular tree image such.
Für die Aufnahme und Speicherung der Gefäßarchitektur ist die Röntgentechnik mit in der Regel über den Katheter erfolgender Kontrastmittelanwendung konkurrenzlos. Die Aufnahme erfolgt einmalig, und zwar vor der weiteren Katheteranwendung. Sie bedeutet für den Patienten und für den Arzt nur eine geringe Strahlenexposition. For the recording and storage of the vessel architecture is the X-ray technology, which usually takes place via the catheter Contrast agent application unrivaled. The admission takes place once, before the further catheter application. they means little for the patient and for the doctor Radiation exposure.
Auch bei Ultraschalluntersuchungen mit in einem Gefäß einge führter Ultraschallsonde besteht das Problem, die räumliche Lage der Ultraschallsonde festzustellen.Also used in ultrasound examinations in a vessel led ultrasonic probe there is the problem, the spatial Determine the position of the ultrasound probe.
Es ist Aufgabe der Erfindung, für die permanente Darstellung einer medizinischen Sonde in einem Gefäß, z. B. eines Katheters oder einer Ultraschallsonde, während der Behandlung die Rönt gendurchleuchtung durch andere Verfahren zu ersetzen, die von nichtionisierenden Strahlen, Wellen oder Feldern Gebrauch machen und damit den Vorteil der entfallenden Strahlenexposi tion aufweisen.It is an object of the invention for permanent display a medical probe in a vessel, e.g. B. a catheter or an ultrasound probe, the X-ray during treatment to replace x-rays with other procedures by non-ionizing rays, waves or fields make and thus the advantage of the omitted radiation exposure tion.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Echtzeitdarstellung einer Sonde in einem Gefäß gelöst durch einen Sender für elek tromagnetische oder akustische Wellen, die von einem Empfänger erfaßt und in elektrische Bildsignale umgewandelt werden, wobei der Sender oder Empfänger dem Katheter zugeordnet ist.This task is in a real-time display method a probe in a vessel released by a transmitter for elec tromagnetic or acoustic waves emitted by a receiver detected and converted into electrical image signals, wherein the transmitter or receiver is assigned to the catheter.
Es sind prinzipiell folgende Möglichkeiten zu unterscheiden:In principle, the following options can be distinguished:
- 1. Die bekannte Technik erlaubt eine technisch einfache Dar stellung des Katheters, da sich dieser von seiner Umgebung (biologisches Gewebe) in bezug auf die Wechselwirkung mit den angewendeten Strahlen (Röntgenstrahlen) stark unter scheidet (Kontrast). Mit einem Abbildungsverfahren und einem entsprechenden echtzeitfähigen Abbildungssystem, das von nichtionisierender Strahlung Gebrauch macht und bei dem ähn lich gute oder noch günstigere Kontrastverhältnisse vorlie gen (Ultraschall, Mikrowellen), kann die Pfadfindertechnik im Prinzip ebenfalls angewendet werden, indem das den Kathe ter darstellende Nicht-Röntgen-Bild mit dem Kontrastmittel bild in entsprechender Weise kombiniert wird. Damit ist das oben beschriebene Problem ausgeräumt. Allerdings sind die Anforderungen an das alternative Abbildungssystem hinsicht lich seiner Applizierbarkeit und Auflösung recht hoch.1. The known technology allows a technically simple Dar position of the catheter since it differs from its surroundings (biological tissue) in relation to the interaction with the applied rays (X-rays) strongly below separates (contrast). With one mapping process and one corresponding real-time capable imaging system, which by uses non-ionizing radiation and the like Lich good or even cheaper contrast ratios gene (ultrasound, microwaves), the scout technique in principle can also be applied by the Kathe non-X-ray image with the contrast agent image is combined accordingly. That’s it resolved the problem described above. However, they are Alternative imaging system requirements Very high applicability and resolution.
- 2. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung eines Or tungsverfahrens. Ortungsverfahren unterscheiden sich in fol gender Weise von Abbildungsverfahren: Abbildungsverfahren sind in der Lage, mehrere Objekte oder Objektpunkte inner halb eines Bildes im Rahmen bestimmter Grenzen topologisch korrekt darzustellen und aufzulösen. Diese Eigenschaft, die in der Radartechnik mit Mehrzielfähigkeit bezeichnet wird, besitzen die Ortungsverfahren nicht. Letztere arbeiten also nur in dem Fall genau und eindeutig, in dem nur ein Objekt darzustellen, d. h. zu orten ist. Der Katheter ist nun eigentlich kein singuläres Ziel, seine vollständige Abbil dung erfordert ebenfalls ein geeignetes, mehrzielfähiges Abbildungsverfahren. In der Pfadfindertechnik ist aber durch die Verfügbarkeit einer topographischen Darstellung der Ge fäßarchitektur die vorgegebene Bewegungsrichtung des Kathe ters bekannt. Falls es nun gelingt, einen singulären und ge eigneten Objektpunkt, z. B. die Spitze des Katheters, perma nent zu orten, aufeinanderfolgende Positionen zu speichern und damit auch die Bewegung dieses Punktes zu verfolgen, so ist damit sämtliche Information verfügbar, die zu einer Re konstruktion und bildhaften Darstellung des Katheters im unterlegten Kontrastmittelbild notwendig ist. Der Vorteil eines Ortungsverfahrens gegenüber einem Abbildungsverfahren besteht nun darin, daß mit Wellenfeldern gearbeitet werden kann, bei denen die verwendete Wellenlänge, die jeweils durch die Frequenz und die Phasengeschwindigkeit des um gebenden Mediums (Gewebe) festgelegt ist, relativ groß sein darf und nicht in der Größenordnung der Ortungsgenauigkeit liegen muß. Bei den in Frage kommenden nichtionisierenden Wellenarten (elektromagnetische Wellen, akustische Wellen) nimmt bekanntlich die Reichweite mit zunehmender Frequenz stark ab. Somit ist die Möglichkeit, bei Anwendung eines Ortungsverfahrens relativ große Wellenlängen und damit ge ringere Frequenzen anzuwenden, von Vorteil. Weiterhin ist der Aufwand an Signalbandbreite und Apertur, insbesondere hinsichtlich ihrer spektralen (Signal) bzw. spatialen (Aper tur) Belegungsdichte bei Ortungsverfahren sehr viel geringer als bei Abbildungsverfahren. Es reicht aus, den zu ortenden Objektpunkt bei wenigen diskreten Frequenzen (z. B. 3 bis 5) mit wenigen extrakorporalen Aperturstützpunkten (z. B. 3 bis 5 Sender/Empfänger) in Wechselwirkung zu bringen. Mittels dieser Wechselwirkung werden durch Messung von Phasenbezie hungen oder Laufzeitbeziehungen Entfernungen oder Entfer nungsdifferenzen in bezug auf die Objektposition und die verschiedenen Aperturstützpunkte bestimmt, die in ihrer Kombination eine eindeutige und genaue Postionsbestimmung (Ortung) des Objektpunktes möglich machen. Der Objektpunkt, also die Katheterspitze, muß allerdings in geeigneter Weise markiert werden. Im übrigen gelten wie in der konventionel len Pfadfindertechnik die Bedingungen, daß das Katheterbild und das Gefäßbild in richtiger räumlicher Zuordnung mitein ander kombiniert werden und daß die Gefäßarchitektur sich während der Behandlung nicht verschiebt oder verformt.2. Another possibility is to use an Or procedure. Location procedures differ in fol gender-wise of mapping processes: mapping processes are able to have multiple objects or object points inside half of a picture topologically within certain limits to represent and resolve correctly. This property that in radar technology is called multi-target capability, do not have the location procedures. So the latter work accurate and clear only in the case where only one object to represent, d. H. is to be located. The catheter is now not really a singular goal, its full picture manure also requires a suitable, multi-goal Mapping process. In the scout technique is through the availability of a topographical representation of the Ge barrel architecture the given direction of movement of the Kathe known. If it succeeds now, a singular and ge suitable object point, e.g. B. the tip of the catheter, perma nent to locate, save successive positions and thus also to follow the movement of this point all information is available that relates to a Re construction and pictorial representation of the catheter in the underlying contrast agent image is necessary. The advantage a location procedure versus a mapping procedure now consists in working with wave fields can, at which the wavelength used, each through the frequency and phase velocity of the um giving medium (tissue) is set to be relatively large may and not in the order of location accuracy must lie. With the non-ionizing ones in question Types of waves (electromagnetic waves, acoustic waves) it is known that the range increases with increasing frequency sharply. Thus, when using a Location method relatively large wavelengths and thus ge Applying lower frequencies is an advantage. Furthermore is the effort in signal bandwidth and aperture, in particular with regard to their spectral (signal) or spatial (aper tur) occupancy density in location procedures much lower than with imaging processes. It is sufficient to find the one to be located Object point at a few discrete frequencies (e.g. 3 to 5) with few extracorporeal aperture bases (e.g. 3 to 5 transmitter / receiver). Means this interaction is measured by measuring phase relationships conditions or runtime relationships distances or distances difference in relation to the object position and the different aperture bases determined in their Combination a clear and precise position determination Make (location) of the object point possible. The object point, So the tip of the catheter must, however, in a suitable manner be marked. Otherwise apply as in the conventional len scouting the conditions that the catheter image and the vascular image in the correct spatial assignment be combined and that the vessel architecture itself does not shift or deform during treatment.
- 3. Das unter 2. beschriebene Prinzip kann sinngemäß auch auf andere Hohlraumstrukturen des Körpers, z. B. das Gallengang system, angewendet werden, wie auch für Gebiete mit Struk turen, die durch eigenes Kontrastverhalten (z. B. Knochen) eine Orientierungsstruktur ergeben. Je nach Untersuchungs technik kann dann an die Stelle des Katheters auch eine Nadel treten, deren Spitze geortet wird. Auch die Ortung einer Ultraschallsonde ist möglich.3. The principle described under 2. can also apply analogously other cavity structures of the body, e.g. B. the bile duct system, as well as for areas with structure structures that have their own contrast behavior (e.g. bones) provide an orientation structure. Depending on the examination technology can then take the place of the catheter Kick the needle, the tip of which is located. The location too an ultrasound probe is possible.
Es sind folgende technische Realisierungen denkbar:The following technical implementations are conceivable:
Die Markierung der Sondenspitze erfolgt hier vorteilhaft durch Ausrüstung mit einer Antenne, deren Zuleitung in oder an der Sonde entlang zu führen ist. Es kommt eine elektrische Antenne (Dipol) oder eine magnetische Antenne (Schleife) in Frage. Ein Vorteil dieser Antennentypen ist in ihren Polarisationseigen schaften zu sehen, die Ortung und Bestimmung der Orientierung der Sondenspitze möglich machen. Die Antenne kann als Sende- oder als Empfangsantenne betrieben werden, wobei die extra korporalen Antennen, die gegebenenfalls in geeigneter Form an der Hautoberfläche an das biologische Gewebe anzupassen sind, entsprechend als Empfangs- oder Sendeantennen fungieren. Bei Mehrwegeausbreitung zwischen Sondenspitze und Außenantennen kann durch geeignete Mehrfrequenz oder Breitbandtechnik der direkte, d. h. kürzeste Weg zwischen den beteiligten Antennen bestimmt werden. Wegen der relativ großen dielektrischen Inho mogenität des biologischen Gewebes wird eine absolute Ortung mit diesem Verfahren nicht sehr genau sein. Falls aber die aktuelle Position der Sondenspitze zu einem Zeitpunkt oder auch mehreren Zeitpunkten kurzzeitig, z. B. mittels Durchleuchtung verfügbar gemacht wird, werden sich in der darauffolgenden Zeit oder in den zeitlichen Zwischenräumen relative Änderungen der Position mit dem elektromagnetischen Ortungsverfahren mit großer Genauigkeit bestimmen lassen.The probe tip is advantageously marked here by Equipment with an antenna, the feed line in or on the Guide the probe along. There is an electrical antenna (Dipole) or a magnetic antenna (loop) in question. A The advantage of these types of antennas is their polarization properties to see the location and determination of the orientation the probe tip possible. The antenna can be used as a or operated as a receiving antenna, the extra corporal antennas, which may be appropriate the skin surface has to be adapted to the biological tissue, act accordingly as receiving or transmitting antennas. At Multipath propagation between probe tip and external antennas can be the appropriate multi-frequency or broadband technology direct, d. H. shortest path between the antennas involved be determined. Because of the relatively large dielectric capacity The homogeneity of the biological tissue becomes an absolute location not be very precise with this procedure. But if that current position of the probe tip at a time or also several points in time, e.g. B. by fluoroscopy will be made available in the following period or relative changes in the time intervals Position with the electromagnetic location method with have great accuracy determined.
In entsprechender Form wird die Ortung auch mittels akustischer Wellen möglich sein. Das Problem des Kontrastes des biologi schen Gewebes ist im akustischen Fall wesentlich geringer als im elektromagnetischen Fall. Das Problem von Mehrwegeausbrei tung wird im Falle der akustischen Wellen aber wegen der gerin geren Dämpfung größer sein. Beide Probleme sind aber in glei cher Weise wie im Falle a) beschrieben lösbar. Die Möglichkeit der Bestimmung der Orientierung der Sondenspitze ist wegen der fehlenden Polarisationseigenschaft der akustischen Wellen nicht wie im elektromagnetischen Fall gegeben. Allerdings sind ausge prägte Richtcharakteristiken der akustischen Antennen prinzi piell für die Bestimmung der Orientierung der Sondenspitze als Träger der Antenne nutzbar. Eine Bestückung der Sondenspitze mit mehreren separaten Antennenelementen bietet eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Orientierung. Technisch kommt für die Antenne an der Sonde ein keramisches oder polymeres piezoelektrisches Element in Betracht. Wegen der hohen Sende signalamplituden ist für den Fall der akustischen Ortung der Betrieb der Sondenantenne als Empfangsantenne vorteilhafter. Da die Übertragungswege reziprok zueinander sind, sind die Or tungsergebnisse bei Umkehr der Übertragungsrichtung äquivalent.In an appropriate form, the location is also acoustic Waves may be possible. The problem of the contrast of the biologi In the acoustic case, tissue is considerably less than in the electromagnetic case. The problem of multi-way spreading in the case of acoustic waves, however, because of the noise lower damping. But both problems are the same solvable as described in case a). The possibility The determination of the orientation of the probe tip is due to the lack of polarization property of acoustic waves as in the electromagnetic case. However, are out shaped directional characteristics of the acoustic antennas prinzi piell for determining the orientation of the probe tip as Carrier of the antenna can be used. An assembly of the probe tip with several separate antenna elements offers another Possibility to determine the orientation. Technically comes for the antenna on the probe a ceramic or polymer piezoelectric element into consideration. Because of the high broadcast signal amplitudes in the case of acoustic location of the Operation of the probe antenna as a receiving antenna more advantageous. There the transmission paths are reciprocal to each other, are the Or results when the direction of transmission is reversed.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail.
In der Zeichnung ist ein Gefäß 1 dargestellt, in das ein Kathe ter 2 eingeschoben ist. An seiner Spitze trägt er eine Antenne 3, die von einem Sender 4 mit Energie versorgt wird, z. B. einen Dipol.In the drawing, a vessel 1 is shown, in which a Kathe ter 2 is inserted. At its tip, it carries an antenna 3 , which is supplied with energy by a transmitter 4 , for. B. a dipole.
Zur Ortung der Lage der Spitze 3 ist ein Empfänger 5 vorge sehen, der die von der Antenne 3 ausgesandten elektromagneti schen Wellen mittels Empfangsantennen 8a, 8b, 8c auf der Kör peroberfläche 7 empfängt. Ein Sichtgerät 6 dient zur bildhaften Darstellung der Lage der Katheterspitze in der beschriebenen Weise, z. B. auch durch Überlagerung mit einem Röntgenbild.To locate the position of the tip 3 , a receiver 5 is provided, which receives the electromagnetic waves emitted by the antenna 3's by means of receiving antennas 8 a, 8 b, 8 c on the body surface 7 . A viewing device 6 is used for the pictorial representation of the position of the catheter tip in the manner described, for. B. also by overlaying with an X-ray image.
Wie oben beschrieben kann an der Katheterspitze auch eine Emp fangsantenne vorgesehen sein, die mit einem am äußeren Kathe terende angeordneten Empfänger in Verbindung steht. Außerhalb der Körperoberfläche 7 ist dann anstelle eines Empfängers ein Sender vorhanden.As described above, a receiving antenna can also be provided on the catheter tip, which is connected to a receiver arranged at the outer end of the catheter. A transmitter is then present outside the body surface 7 instead of a receiver.
Die zu verwendenden Wellen können wie oben beschrieben auch Ultraschallwellen sein.The waves to be used can also be as described above Be ultrasonic waves.
Zur Verarbeitung der Empfangssignale dient eine Signalverar beitungseinheit 9, der über einen gesonderten Eingang 10 die Bildinformation bezüglich der Gefäßarchitektur zugeführt wird. Die Sendeantenne, die der Katheterspitze zugeordnet ist, kann auch durch eine Empfangsantenne oder einen Sensor ersetzt wer den. In dieser Betriebsart sind 4 ein Empfänger, 5 ein Sender und 8a, b, c Sendeantennen.For processing the received signals, a signal processing unit 9 is used , to which the image information relating to the vessel architecture is fed via a separate input 10 . The transmitting antenna, which is assigned to the catheter tip, can also be replaced by a receiving antenna or a sensor. In this operating mode 4 are a receiver, 5 a transmitter and 8 a, b, c transmission antennas.
Bei der beschriebenen Anordnung wird ein resultierendes bzw. fortgeschriebenes Bild der Katheterspitze erzeugt, bei dem die im zeitlichen Ablauf georteten Positionen den zurückgelegten Weg der Katheterspitze beschreiben. Der Spitzenbereich kann dabei mit individuell ortungsfähigen Segmenten versehen sein, wobei durch ein Mehrfrequenz oder Multiplex-Verfahren Ort und Richtung der Katheterspitze feststellbar sind.In the arrangement described, a resulting or updated image of the catheter tip, in which the positions that have been located over time Describe the path of the catheter tip. The tip area can be provided with individually locatable segments, where by a multi-frequency or multiplexing method and Direction of the catheter tip can be determined.
Die Erfindung ist in Verbindung mit einem Katheter beschrieben. Es ist auch möglich, in der beschriebenen Weise auch andere Sonden, z. B. Ultraschallsonden für die dreidimensionale Dar stellung und den Richtempfang, zu orten. Der Begriff Sonde umfaßt also allgemein eine in ein Gefäß einführbare medizini sche Komponente.The invention is described in connection with a catheter. It is also possible to use others in the manner described Probes, e.g. B. Ultrasound probes for the three-dimensional Dar position and the directional reception to locate. The term probe thus generally includes a medicine that can be inserted into a vessel component.
Eine Sonde kann in der beschriebenen Art allgemein in Hohl räumen geortet werden, z. B. auch in Körperkanälen oder künst lich erzeugten Hohlräumen im menschlichen Körper.A probe can generally be hollow in the manner described clear spaces to be located, e.g. B. also in body channels or art Lich created cavities in the human body.
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