DE4037586A1 - Verfahren zur echtzeitdarstellung einer medizinischen sonde und sonde zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

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.

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.

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.

Auch bei Ultraschalluntersuchungen mit in einem Gefäß einge­ führter Ultraschallsonde besteht das Problem, die räumliche Lage der Ultraschallsonde festzustellen.

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.

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.

Es sind prinzipiell folgende Möglichkeiten zu unterscheiden:

• 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.
• 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.
• 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.

Es sind folgende technische Realisierungen denkbar:

a) Ortung mit elektromagnetischen Wellenfeldern

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.

b) Ortung mit akustischen Wellen

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.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

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.

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.

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.

Die zu verwendenden Wellen können wie oben beschrieben auch Ultraschallwellen sein.

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.

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.

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.

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.

Claims (6)

1. Verfahren zur Echtzeitdarstellung einer medizinischen Sonde (2) mit einem Sender (4) für elektromagnetische oder akustische Wellen, die von einem Empfänger (5) erfaßt und in elektrische Bildsignale umgewandelt werden, wobei der Sender (4) oder Empfänger (5) der Sonde (2) zugeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bild der Sonde (2) einem röntgeno­ logischen Bild überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Bild der Sondenspitze er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein resultierendes bzw. fortgeschrie­ benes Bild erzeugt wird, bei dem die im zeitlichen Verlauf georteten Positionen den zurückgelegten Weg der Sondenspitze beschreiben.

5. Sonde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß sie in ihrer Spitze eine Sende- oder Empfangsan­ tenne (3) trägt.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spitzenbereich der Sonde (2) mit individuell ortungsfähigen Segmenten (3) versehen ist, wobei durch ein Mehrfrequenz oder Multiplex-Verfahren Ort und Richtung der Sondenspitze feststellbar sind.