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EP1603456A1 - Device for localizing, influencing and guiding tracking bodies, and method for operating a marking device - Google Patents

Device for localizing, influencing and guiding tracking bodies, and method for operating a marking device

Info

Publication number
EP1603456A1
EP1603456A1 EP04703175A EP04703175A EP1603456A1 EP 1603456 A1 EP1603456 A1 EP 1603456A1 EP 04703175 A EP04703175 A EP 04703175A EP 04703175 A EP04703175 A EP 04703175A EP 1603456 A1 EP1603456 A1 EP 1603456A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tracking
sensor cluster
tracking body
sensor
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP04703175A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter GÖRNERT
Jochen Heinrich
Hendryk Richert
Michael Röder
Udo Warschewske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vivoguide Ltd
Original Assignee
Schaerer Mayfield Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10318849A external-priority patent/DE10318849A1/en
Application filed by Schaerer Mayfield Technologies GmbH filed Critical Schaerer Mayfield Technologies GmbH
Publication of EP1603456A1 publication Critical patent/EP1603456A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; Determining position of diagnostic devices within or on the body of the patient
    • A61B5/061Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/062Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; Determining position of diagnostic devices within or on the body of the patient
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107Visualisation of planned trajectories or target regions
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046Tracking techniques
    • A61B2034/2051Electromagnetic tracking systems
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2072Reference field transducer attached to an instrument or patient
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3954Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers magnetic, e.g. NMR or MRI
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/361Image-producing devices, e.g. surgical cameras

Definitions

  • the invention relates to a device for localizing, influencing and guiding tracking bodies and a method for operating the marking device.
  • Marking devices in connection with tracking bodies are used in medical-biological applications for the targeted marking of physiological structures or for marking orientation points in operating fields. Such devices are often combined with imaging methods.
  • the tracking bodies are designed in such a way that their location and their location within an operating field can be clearly identified using suitable examination methods.
  • the path resulting from the chronological sequence and the changes in the location of the tracking body in an organism is called a trajectory.
  • This is recorded and analyzed, whereby conclusions can be drawn about functional sequences in an organ system that the tracking body has passed or is currently passing through.
  • An example of this is swallowing a capsule that shows an identifiable contrast in an X-ray image. From the position and passage times of the contrast structure produced by the capsule in the X-ray image, conclusions can be drawn about the activity of the digestive tract and digestive disorders.
  • Such a method can be designed to be minimally invasive, among other things, by the tracking body emitting the magnetic field of a magnetic dipole, which is measured.
  • the position of the magnetic dipole is determined on the basis of the measurement data.
  • the magnetic dipole field is monitored and evaluated with magnetic field sensors, which enable a resolution down to a few nanotesla.
  • a magnetic dipole sample of approximately 0.08 Am 2 such a method can achieve a spatial resolution of approximately 1 mm and an orientation resolution of approximately 0.1 degrees in real time (distance sensor-mar- 15 cm).
  • Such a tracking method does not require any additional energy to activate the tracking body and places a negligible burden on the patient's organism.
  • an inflexible sensor construction which consists of an essentially rectangular plate, which is arranged at a fixed distance from an underlying patient.
  • Such sensor constructions detect a more or less fixedly specified area.
  • the possible uses of such a tracking method are essentially limited to tracking a passage of the tracking body through a predetermined body cavity, for example the intestine.
  • the object is achieved with a device for localizing tracking bodies with the features of claim 1 and a method for localizing and influencing at least one tracking body introduced into a physiological environment with the features of claim 12, the subclaims expedient embodiments of the device - and the main procedural claim.
  • the marking device has a tracking body in the form of a body distinguished by finite remanent magnetization with a changeable magnetic dipole moment and a resulting anisotropic magnetic dipole field.
  • the sensor device is in the form of a set of measuring, sensitive to the anisotropic dipole field. modular sensor clusters covering the area, whereby a set of gradiometer sensors is integrated in a specific measuring geometry in each sensor cluster. A measuring and control unit is connected to the entirety of the sensor clusters.
  • Each sensor cluster represents a detector unit, with the help of which the position of the tracking body in space and its orientation can be determined on the basis of the registered magnetic dipole field.
  • the individual sensor cluster has a totality of gradiometers in an expedient geometric arrangement with respect to one another with shape limitations that are variable per se.
  • several sensor clusters are combined in such a way that they optimally cover a required examination field.
  • the resultant sensor cluster arrangement results in a kind of “mosaic” of different sensor clusters, which can be flexibly adapted to a body shape of a subject and in particular can be guided around the subject and thus appropriately captures a spatial area.
  • the individual sensor clusters can be combined and measured in a largely arbitrary manner
  • the measuring and control device monitors and controls the operation of the respective sensor cluster arrangement formed thereby.
  • the tracking body is made of a material with the highest possible remanence magnetization and the lowest possible coercive force.
  • the material of the tracking body accordingly has a magnetization hysteresis which is stretched in the direction of the magnetization axis and narrow in the direction of the external field strength. This ensures that, on the one hand, the magnetization of the tracking body is particularly strong when the external magnetic field is switched off, a high magnetic dipole moment is generated, but, on the other hand, the magnetization can be canceled again by a relatively weak external reversing magnetic field.
  • tracking bodies made of a neodymium-iron-boron compound (NdFeB), AlNiCo and various iron alloys are preferred, which can be coated with a physiologically and magnetically neutral material.
  • the tracking body itself can be in two basic embodiments. In a first embodiment, this forms an integral part of a medical instrument, in particular a pointer device, an endoscope or a comparable medical probe device. In a second embodiment, it is designed as an object that is movable in an organism, in particular in body cavities.
  • the tracking body forms a pointer device which is linked to the corresponding instrument and whose position and orientation are detected with the aid of the sensor cluster arrangement.
  • a great advantage of such a pointer device is that the detected measurement signal (the magnetic field strength of the dipole) is generated in the form of an external excitation or wiring and is detected in a simple manner without the supply of energy.
  • the exact location e.g. of an endoscope can be determined with high accuracy outside of the subject's body under these conditions.
  • the tracking body moves freely within an implantation area and serves as an autonomous probe for the physiological conditions prevailing there, which can optionally be influenced externally.
  • the tracking body has sections which have properties which can be activated and / or reactive, in particular tissue-marking or controlled substances releasing substances, and / or the like, further properties which are sensitive to a given physiological environment and / or external influences, in particular external magnetic fields.
  • the tracking body is designed as a means of transport for substances which are released under a certain physiological environment or as a result of an influence which is specifically applied from the outside, in particular a magnetic field.
  • therapeutically or diagnostically active substances can be brought to the place of action and released there in a controlled manner.
  • the sensor cluster mentioned has an entirety of gradiometers for localizing at least one tracking body, in particular its detection of a position in a three-dimensional coordinate system and its angular orientation.
  • the individual sensor cluster thus represents the smallest detector unit of the marking system.
  • this has interfaces for interconnection with the further sensor clusters. This either creates a larger total of gradiometers distributed over at least two sensor clusters, or the sensor clusters interact as a network via exchanged control signals.
  • Sensor cluster arrangements which are designed as part of a test person's bed, for example a lying surface, a head, arm or backrest, a table top or comparable devices, are particularly advantageous. Sensor cluster arrangements of this type can thus be carried out “hidden” and increase the comfort for the patient and fit into an existing device architecture in a space-saving manner.
  • the sensor cluster arrangement covers in any case an expedient area of the examination field.
  • Two-part embodiments of the sensor cluster arrangement are particularly advantageous. Such embodiments have a fixed component and a variably arranged and variable-position component.
  • the variable component is arranged here as a component for marking the position of an external device, for example a further diagnostic device, such as in the objective of a microscope.
  • the position of the variable portion of the sensor cluster arrangement is detected by the permanently installed sensor cluster arrangement and thus the location of the higher-level external diagnostic device with respect to the system tracking body / sensor cluster arrangement is precisely coordinated and adjusted.
  • a measured distribution of a field strength and field direction of the at least one tract surrounded by a magnetic dipole field is used.
  • cking body determines its position in space and its orientation and / or its trajectory. The position determination is optionally combined with a targeted influencing and changing physical / chemical properties of the tracking body or the trajectory of the tracking body by means of an externally acting magnetic field.
  • the tracking body is localized with a high degree of accuracy in the examination area, on the other hand, it also creates the possibility, in conjunction with the high detection accuracy, to influence the physiological milieu present there in a targeted and minimally invasive manner in implantation areas that are difficult to access by targeting the tracking body is influenced from the outside.
  • the tracking body is designed as a position reference point of a diagnostic probe device, in particular a catheter or an endoscopic device, movement, a current position in space and a current orientation of the position reference point of the probe device being continuously detected by the sensor cluster arrangement , Minimally invasive tracking of such a medical instrument is thus possible.
  • the tracking body is used as a freely movable indicator in the corresponding physiological environment, for example as part of a suspension, its movement, its current position in space and a current orientation of the indicator being continuously determined by the sensor cluster arrangement ,
  • measurement data about an amount and a direction of a vector of a magnetic field strength determined in each individual gradiometer sensor of the sensor cluster are measured.
  • the algorithm of the search strategy executes methods for inverse tracking, in particular adaptive gradient methods in combination with a fuzzy evolution algorithm.
  • a dynamic integration of the sensor clusters in the sensor cluster arrangement is carried out by means of an internal communication protocol between the sensor clusters.
  • the signal-to-noise ratio in the entire transmission Sor cluster arrangement and the amount of data generated by the sensor cluster arrangement are optimized.
  • the magnetic moment of the tracking body is influenced by means of an externally supplied magnetic field in such a way that its magnetization is changed and in particular deleted. There is thus an optional activation and deactivation of the tracking body.
  • the trajectory of the tracking body is actively displaced by means of an externally supplied magnetic gradient field with a field gradient pointing in a corresponding direction, and the implanted tracking body or a tracking body designed with a helical surface moved in a corresponding direction in a rotating magnetic field.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a tracking body in an external magnetic field
  • FIG. 2a is a schematic representation of a first embodiment of a
  • 2b is a schematic representation of a second embodiment of a sensor cluster
  • 2c shows an exemplary representation of a sensor cluster in a spatial, spherical gradiometer geometry
  • 3a shows a schematic representation of a position of a free tracking body in space with measured variables to be determined
  • 3b is a schematic representation of a tracking body integrated in a probe head of an endoscopic instrument
  • Fig. 4 shows an exemplary arrangement of a sensor cluster, an outer
  • Magnetic field coil and a measuring and control device on a first examination object Magnetic field coil and a measuring and control device on a first examination object
  • FIG. 5 shows an exemplary arrangement of a fixed and variable sensor cluster in connection with an endoscopic arrangement and an external device for computer tomography for monitoring a cardiac catheter.
  • the tracking body consists of a magnetizable base body 11, which has a casing made of an activatable section 12 on its surface.
  • the base body 11 is preferably made of a ferromagnetic material and expediently has a high residual magnetization in connection with a coercive field strength that is as easy as possible to achieve by a given coil arrangement.
  • the base body has a magnetic moment m, the position of which is determined in an external coordinate system.
  • the base body is optionally magnetized by means of an external magnetic field H or demagnetized by applying the coercive field strength, the magnetic moment being able to be activated or deleted as desired.
  • Hc switching Such a process is referred to below as Hc switching. Since the Hc switching changes the magnetic properties of the base body, the interaction between the base body 11 and the activatable section 12 also undergoes a change, in particular with regard to specifically selected molecules. Under the influence of Hc switching, the activatable section either absorbs molecules from an environment through adsorption or absorption processes, or releases previously bound molecules and substances and releases them into the immediate vicinity of the tracking body.
  • the tracking body aligns itself with a finite remanence under the influence of the external magnetic field H and its position is changed as a function of the external magnetic field.
  • the free tracking body can thus be moved along a predefined trajectory under the influence of the external field.
  • the tracking body is first moved and placed under the influence of the external magnetic field H to a precisely defined location within a physiological environment and then releases an active substance or takes a substance at a precisely defined point in time under the influence of Hc switching from the environment.
  • the size of the tracking body typically used in the following exemplary embodiments can in principle be varied within a wide range.
  • Typical embodiments have a cylindrical basic body shape with a diameter of less than 1 mm and a length of less than 2 mm, whereby miniaturized embodiments with a diameter of less than 0.5 mm and a length of less than 1 mm are also conceivable.
  • the size actually used for specific purposes depends on the respective conditions of use. Above all, the choice must be made of the magnetic moment that can be achieved for interference-free detection and / or influencing of the tracking body given the dimensions, the sensitivity of the external sensor devices and the specific physiological environmental conditions. consider conditions, in particular a lumen size of vessels, cavities and the like medical-biological parameters. Finally, the dimensioning of the tracking body also depends on whether it should be designed as a freely moving body or as a marking component integrated in a medical instrument.
  • tracking bodies 10 with base bodies 11 which have different magnetic characteristics, in particular with regard to the Show remanence and the coercive force.
  • Magnetic materials with a coercive field strength in the range from 0.1 kA / m to 500 kA / m are considered to be particularly expedient.
  • a targeted influencing of a whole bandwidth can take place simultaneously in a given environment of existing tracking bodies and prepared for different tasks, whereby in principle an extensive range of types of a large number of tracking bodies can be used in parallel.
  • the tracking bodies can thus remain on call in the operating area and can be selectively activated or deactivated if required.
  • FIGS. 2a to 2c show different embodiments of sensor clusters 20 which are used to determine the position and orientation of the tracking bodies 10.
  • a sensor cluster 20 represents the smallest detector unit with which the position of the tracking body is detected. Different embodiments of the sensor cluster 20 can be used.
  • FIGS. 2a and 2b show flat geometries of plate-like sensor clusters 20 in a rather elongated, rectangular shape in FIG. 2a and in an essentially square embodiment in FIG. 2b.
  • the individual sensor cluster consists of a base plate 25, which is provided with a recess for fastening an interface device 21.
  • a set of gradiometer sensors 30 is arranged on the base plate in a suitable geometric arrangement.
  • the embodiment shown in FIG. 2a shows an essentially linear gradiometer geometry for tracking a tracking body in an elongated operating field
  • FIG. 2c discloses a circular gradiometer geometry for tracking a tracking body trajectory in a flat, narrowly defined operating field , which enables a high spatial and location resolution.
  • the geometry of the gradiometer sensors 30 responds to the magnetic field strength vector generated by the magnetic dipole field of the tracking body 10 and registers its amount and direction at the respective locations.
  • the resulting signals are derived from the respective sensor cluster 20 and evaluated in a measuring and control device, the exact localization of the tracking body being calculated.
  • the sensor cluster 20 In addition to the planar embodiments of the sensor cluster 20 shown in FIGS. 2a and 2b, spatial measurement geometries of the gradiometer sensors 30 are also possible. 2c shows such an arrangement in an exemplary representation.
  • the sensor cluster 20 consists of an essentially spherical arrangement of gradiometers 30, which are stabilized in a defined measurement geometry by means of holding struts 26.
  • the embodiment shown in FIG. 2c is particularly suitable for tracking a trajectory of a tracking body in a volume area.
  • 3a illustrates the parameters of the tracking body to be determined. These are, on the one hand, the position within a given coordinate system, characterized by the location coordinates X, Y, Z. Furthermore, the magnetic dipole of the tracking body takes an orientation at this point in the form of the polar angle coordinates ⁇ and ⁇ . Finally, the magnetic moment m of the tracking body represents a further unknown quantity. A maximum of six degrees of freedom for characterizing the tracking body can thus be determined. With a predetermined number of gradiometers 30 in a sensor cluster 20, which is generally greater than 6, there is thus the need to solve an over-determined, inverse problem. To solve the problem, adaptive gradient methods in combination with fuzzy evolution algorithms, for example the Marquardt-Levenberg method, are used, which in their entirety represent a search strategy carried out by a measuring and control unit.
  • fuzzy evolution algorithms for example the Marquardt-Levenberg method
  • the determination of the polar orientation is particularly necessary when the tracking body is designed as an integral part of an instrument, the orientation of the magnetic dipole of the tracking body correlating with the position of the corresponding component of the instrument.
  • an instrument is shown schematically and by way of example in FIG. 3b.
  • the figure shows a measuring head 51 of an endoscopic probe for examining a body cavity, for example a cardiac catheter 50 or a gastrointestinal probe.
  • the position of the measuring head is precisely determined with the aid of the methods mentioned.
  • spatial resolutions of the spatial position of the tracking body with an accuracy of 0.5 mm and orientation detections with a resolution in the range of a few angular minutes can also be influenced by clinical contaminants, high-frequency fields in the environment and the presence of metallic but non-magnetic objects.
  • the sensitivity of the arrangement of the tracking body and sensor cluster can be scaled by the size of the magnetic moment of the tracking body. This is made possible in advance, for example, by choosing a suitable tracking body. Furthermore, an ongoing manipulation of the magnetic moment during tracking can be realized by an external magnetic field effect, in particular by the described Hc switching process. Electromagnetic shields can largely be dispensed with.
  • FIGS. 4 and 5 show exemplary applications of architectures of sensor clusters 20 in a number of advantageous embodiments.
  • FIG. 4 shows an architecture of sensor clusters 20, which are connected to form a sensor cluster arrangement 55 and are used in this exemplary embodiment to track a trajectory of a tracking body implanted in a vascular system of an arm 35.
  • the sensor cluster arrangement 55 is formed by a series of interconnections of the individual sensor clusters, which is indicated in FIG. 4 as thick connecting lines between the individual sensor clusters 20.
  • the sensor cluster arrangement 55 at least partially encloses the volume of the arm 35. In this exemplary embodiment, it is placed directly on the arm like a sleeve and lies on the skin.
  • a simpler configuration of the sensor cluster arrangement consists in the implementation of a more or less rigid “tunnel” from the sensor clusters 20 into which the arm is inserted.
  • the tunnel can also be designed as part of an armrest.
  • the required sensor cluster arrangement 55 is in any case assembled modularly from the sensor clusters 20.
  • the sensor clusters 20 thus form basic “building blocks” for the construction of a detector architecture adapted for special purposes, which can be varied in any way.
  • the sensor clusters 20 form a network that communicates with one another within the sensor cluster arrangement 55 and is controlled and monitored by a measuring and control device 40.
  • the measuring and control device contains a communication protocol for the interaction of the sensor clusters 20 within the network.
  • the interaction serves at least to self-calibrate the sensor cluster arrangement to optimize the signal-to-noise ratio of the measurement carried out.
  • the mutual position of the individual sensor clusters within the network of the sensor cluster arrangement 55 is first compared with one another in a predetermined laboratory coordinate system and the geometric shape of the sensor cluster network is thus recorded as a data structure.
  • the sensor cluster 20 which is most favorable for tracking the trajectory is selected during the measurement and the trajectory tracking is transferred from a first to a second sensor cluster, and the network of the sensor clusters 20 is thus continuously optimized.
  • the measuring and control device 40 has algorithms for determining global optima for the configured configuration of the sensor cluster arrangement 55 and for error corrections. This decisively supports the metrological stability of the configuration.
  • the embodiment from FIG. 4 also expediently has a source for an external magnetic field for influencing the tracking body described above or an entirety of tracking bodies in the form of Hc switching or the active movement of the tracking body in the manner already described on.
  • a field coil 43 with a magnetic field controller 44.
  • 5 shows in a further exemplary embodiment an exemplary configuration of a tracking body integrated in a surgical instrument, which is arranged here in a measuring head 51 of a heart catheter 50. As in the exemplary embodiment from FIG.
  • the trajectory of the tracking body is also tracked here by a correspondingly designed sensor cluster arrangement 55.
  • the sensor cluster arrangement can be designed as a “tunnel” arranged around the upper body of the patient, or it can lie flat on the patient's chest.
  • the most expedient embodiment of the sensor cluster arrangement 55 is determined in practice in each case.
  • a two-part sensor cluster arrangement comprising a fixed component 56 and a variable component 57 is preferred in the embodiment shown in FIG. 5.
  • the fixed component 56 is designed in the manner already described as a device for tracking the trajectory of the tracking body in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 4.
  • the variable component 57 forms part of a superordinate arrangement 60, which surrounds the sensor cluster arrangement spatially, for executing an imaging method, in particular for a computer tomography or a magnetic resonance tomography. With such a configuration, the tracking of the cardiac catheter measuring head 51 is combined with an imaging method.
  • the variable component 57 of the sensor cluster arrangement acts as a sample for the sensor cluster arrangement 55 itself, as well as for the imaging arrangement 60.
  • variable component 57 is predetermined within the configuration of the sensor cluster arrangement 55 and is continuously monitored within the sensor cluster arrangement. It therefore forms a clearly defined reference point in the coordinate system of the sensor cluster arrangement 55.
  • the variable component 57 of the sensor cluster arrangement clearly emerges within the encompassing imaging arrangement 60, for example as a contrast image in a computer tomography section or a magnetic resonance tomography image.
  • the trajectory of the measuring head 51 with the integrated tracking body of the cardiac catheter 50 is thus detected with a very high accuracy by the sensor cluster arrangement 55.
  • the position of the tracking body itself in relation to the variable component 57 of the sensor cluster arrangement is thus also known, so that with suitable image processing means, a positional representation of the measuring head 51 in the magnetic resonance tomographic image can subsequently be made on the basis of the contrast of the variable component 57 of the sensor cluster arrangement 55 that is emerging there. This can be done, for example, by a graphically inserted icon, for example a stylized vector arrow, which shows the operator the exact orientation of the measuring head.
  • variable component 57 of the sensor cluster arrangement 55 thus acts as a kind of “magnifying glass” or a microscope for locally improving the image resolution of the image obtained from the magnetic resonance tomography or in another way from the arrangement 60, so that the operator actuates the cardiac catheter at the cardiac catheter control 52 in one can perform particularly precise and precise manner.

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Abstract

The invention relates to a device for localizing tracking bodies (10), comprising at least one tracking body, which is placed inside a physiological structure, and a device, which is situated outside of the structure and which consists of sensor clusters (20) in a sensor cluster arrangement (55). The invention also relates to a method for localizing and influencing the tracking body. The tracking body is provided in the form of a body, which is distinguished with regard to a finite remanent magnetization and which has a variable magnetic dipole moment and an anisotropic magnetic dipole field resulting therefrom. The sensor clusters (20) are provided in the form of an aggregate of gradiometer sensors (30) with a specific measuring geometry. Optionally, physical/chemical properties and/or a trajectory of the tracking body can be altered in a specific manner by an externally acting magnetic field (H) and/or physiological processes in the surroundings of the at least one tracking body can be altered in a specific manner. In addition a fixed component (56) of the sensor cluster arrangement (55) can detect the position of a variable, in particular, displaceable component (57) of the sensor cluster arrangement (55), said component being assigned to an expanded imaging device (60), and the variable component of the sensor cluster arrangement can be used as a location marking in the expanded imaging device.

Description

Vorrichtung zur Lokalisierung, Beeinflussung und Führung von Tracking- Körpern sowie Verfahren zum Betrieb einer Markierungseinrichtung Device for locating, influencing and guiding tracking bodies and method for operating a marking device
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lokalisierung, Beeinflussung und Führung von Tracking-Körpern und ein Verfahren zum Betrieb der Markierungseinrichtung.The invention relates to a device for localizing, influencing and guiding tracking bodies and a method for operating the marking device.
Markierungseinrichtungen in Verbindung mit Tracking-Körpern werden in medizinisch-biologischen Anwendungen zur gezielten Markierung physiologischer Strukturen bzw. zur Markierung von Orientierungspunkten in Operationsfeldern verwendet. Derartige Einrichtungen werden oft mit bildgebenden Verfahren kombiniert. Die Tracking-Körper sind hierbei so ausgebildet, daß deren Ort und deren Lage inner- halb eines Operationsfeldes mittels geeigneter Untersuchungsmethoden eindeutig identifiziert werden können. Den aus der zeitlichen Abfolge und den Veränderungen des Ortes des Tracking-Körpers in einem Organismus resultierenden Weg bezeichnet man als Trajektorie. Diese wird aufgezeichnet und analysiert, wobei sich Rückschlüsse auf Funktionsabläufe in einem Organsystem ziehen lassen, das der Tra- cking-Körper passiert hat oder momentan passiert. Ein Beispiel hierfür ist ein Verschlucken einer Kapsel, die einen identifizierbaren Kontrast in einem Röntgenbild zeigt. Aus der Lage und den Passagezeiten der von der Kapsel erzeugten Kontraststruktur im Röntgenbild können Rückschlüsse auf die Tätigkeit des Verdauungskanals und Verdauungsstörungen gezogen werden.Marking devices in connection with tracking bodies are used in medical-biological applications for the targeted marking of physiological structures or for marking orientation points in operating fields. Such devices are often combined with imaging methods. The tracking bodies are designed in such a way that their location and their location within an operating field can be clearly identified using suitable examination methods. The path resulting from the chronological sequence and the changes in the location of the tracking body in an organism is called a trajectory. This is recorded and analyzed, whereby conclusions can be drawn about functional sequences in an organ system that the tracking body has passed or is currently passing through. An example of this is swallowing a capsule that shows an identifiable contrast in an X-ray image. From the position and passage times of the contrast structure produced by the capsule in the X-ray image, conclusions can be drawn about the activity of the digestive tract and digestive disorders.
Eine solche Methode kann unter anderem dadurch minimalinvasiv gestaltet werden, indem der Tracking-Körper das Magnetfeld eines magnetischen Dipols aussendet, das vermessen wird. Aufgrund der Meßdaten wird die Position des magnetischen Dipols bestimmt. Das magnetische Dipolfeld wird hierzu mit Magnetfeldsensoren überwacht und ausgewertet, die eine Auflösung bis zu einigen wenigen Nanotesla ermöglichen. Bei einer magnetischen Dipolprobe von etwa 0.08 Am2 kann mit einem solchen Verfahren eine Ortsauflösung von etwa 1mm und eine Orientierungsauflösung von etwa 0.1 Winkelgraden in Echtzeit erreicht werden (Abstand Sensor-Mar- ker ca. 15 cm). Eine derartige Tracking-Methode kommt ohne zusätzliche Energiezufuhr zur Aktivierung des Tracking-Körpers aus und belastet den Organismus des Patienten in einem vernachlässigbaren Grad.Such a method can be designed to be minimally invasive, among other things, by the tracking body emitting the magnetic field of a magnetic dipole, which is measured. The position of the magnetic dipole is determined on the basis of the measurement data. For this purpose, the magnetic dipole field is monitored and evaluated with magnetic field sensors, which enable a resolution down to a few nanotesla. With a magnetic dipole sample of approximately 0.08 Am 2 , such a method can achieve a spatial resolution of approximately 1 mm and an orientation resolution of approximately 0.1 degrees in real time (distance sensor-mar- 15 cm). Such a tracking method does not require any additional energy to activate the tracking body and places a negligible burden on the patient's organism.
Die bisher verwendeten Ausführungsformen eines derartigen Tracking-Verfahrens sind derzeit in ihrem Anwendungsbereich noch relativ eingeschränkt. So wird entsprechend dem Stand der Technik auf eine unflexibel reagierende Sensorkonstruktionen zurückgegriffen, die aus einer im wesentlichen rechteckigen Platte besteht, die in einem festen Abstand zu einem darunter liegenden Patienten angeordnet ist. Derartige Sensorkonstruktionen erfassen einen mehr oder minder fest vorgegebenen Raumbereich. In Verbindung mit einem Tracking-Körper mit einer festen Magnetisierung sind damit die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Trackingver- fahrens im wesentlichen auf die Verfolgung einer Passage des Tracking-Körpers durch einen vorgegebenen Körperhohlraum, beispielsweise den Darm, beschränkt.The previously used embodiments of such a tracking method are still relatively limited in their area of application. Thus, according to the prior art, an inflexible sensor construction is used, which consists of an essentially rectangular plate, which is arranged at a fixed distance from an underlying patient. Such sensor constructions detect a more or less fixedly specified area. In connection with a tracking body with a fixed magnetization, the possible uses of such a tracking method are essentially limited to tracking a passage of the tracking body through a predetermined body cavity, for example the intestine.
Es ergibt sich somit die Aufgabe, das beschriebene Verfahren in einer Weise fortzubilden, daß eine erhöhte Flexibilität des Trackingverfahrens durch eine verbesserte Sensorik, eine damit einhergehende höhere Meßgenauigkeit und eine weitere Miniaturisierung sowohl der Sensorik, als auch des Tracking-Körpers erzielt werden kann, wobei insbesondere Möglichkeiten zu einer gezielten und minimalinvasiven Beeinflussung des Tracking-Körpers von außen und eine erweiterte Funktionalität des Tracking-Körpers zu schaffen sind.The task thus arises to develop the described method in such a way that increased flexibility of the tracking method can be achieved by means of improved sensors, a higher measurement accuracy associated therewith and further miniaturization of both the sensors and the tracking body, whereby In particular, possibilities for a targeted and minimally invasive influence on the tracking body from the outside and an expanded functionality of the tracking body must be created.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Lokalisierung von Tracking-Körpern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Lokalisierung und Beeinflussung mindestens eines in eine physiologische Umgebung eingebrachten Tracking-Körpers mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen des Vorrichtungs- und des Verfahrenshauptanspruches beinhalten.The object is achieved with a device for localizing tracking bodies with the features of claim 1 and a method for localizing and influencing at least one tracking body introduced into a physiological environment with the features of claim 12, the subclaims expedient embodiments of the device - and the main procedural claim.
Erfindungsgemäß weist die Markierungseinrichtung einen Tracking-Körper in Form eines durch eine endliche Remanenzmagnetisierung ausgezeichneten Körpers mit einem veränderbaren magnetischen Dipolmoment und einem daraus resultierenden anisotropen magnetischen Dipolfeld auf. Die Sensoreinrichtung ist erfindungsgemäß in Form einer Gesamtheit von auf das anisotrope Dipolfeld sensitiven, einen Meß- bereich abdeckenden modularen Sensorclustern ausgeführt, wobei in je einem Sen- sorcluster eine Gesamtheit von Gradiometersensoren in einer spezifischen Meßgeometrie integriert ist. Eine Meß- und Steuereinheit ist mit der Gesamtheit der Sen- sorcluster verbunden.According to the invention, the marking device has a tracking body in the form of a body distinguished by finite remanent magnetization with a changeable magnetic dipole moment and a resulting anisotropic magnetic dipole field. According to the invention, the sensor device is in the form of a set of measuring, sensitive to the anisotropic dipole field. modular sensor clusters covering the area, whereby a set of gradiometer sensors is integrated in a specific measuring geometry in each sensor cluster. A measuring and control unit is connected to the entirety of the sensor clusters.
Jeder Sensorcluster stellt hierbei eine Detektoreinheit dar, mit deren Hilfe die Lage des Tracking-Körpers im Raum und dessen Orientierung anhand des registrierten magnetischen Dipolfeldes bestimmt werden kann. Der einzelne Sensorcluster weist dazu bei an sich variablen Formbegrenzungen eine Gesamtheit von Gradiometern in einer zweckmäßigen geometrischen Anordnung zueinander auf. Mehrere Sensorcluster sind erfindungsgemäß so zusammengefügt, daß diese ein gefordertes Untersuchungsfeld in optimaler Weise überdecken. Die dabei entstehende Sensorclusteranordnung ergibt im Ergebnis eine Art „Mosaik" verschiedener Sensorcluster, das flexibel an eine Körperform eines Probanden angepaßt werden und insbesondere um diesen herumgeführt werden kann und somit einen Raumbereich zweckmäßig erfaßt. Dabei können die einzelnen Sensorcluster in weitgehend beliebiger Weise zusammengefügt und meßtechnisch verschaltet werden. Die Meß- und Steuereinrichtung überwacht und steuert den Betrieb der jeweiligen dadurch gebildeten Sensorclusteranordnung.Each sensor cluster represents a detector unit, with the help of which the position of the tracking body in space and its orientation can be determined on the basis of the registered magnetic dipole field. For this purpose, the individual sensor cluster has a totality of gradiometers in an expedient geometric arrangement with respect to one another with shape limitations that are variable per se. According to the invention, several sensor clusters are combined in such a way that they optimally cover a required examination field. The resultant sensor cluster arrangement results in a kind of “mosaic” of different sensor clusters, which can be flexibly adapted to a body shape of a subject and in particular can be guided around the subject and thus appropriately captures a spatial area. The individual sensor clusters can be combined and measured in a largely arbitrary manner The measuring and control device monitors and controls the operation of the respective sensor cluster arrangement formed thereby.
Der Tracking-Körper ist aus einem Material mit einer möglichst hohen Remanenzmagnetisierung und einer möglichst geringen Koerzitivfeldstärke ausgeführt. Das Material des Tracking-Körpers weist demzufolge eine in Richtung der Magnetisierungsachse gestreckte und in Richtung der äußeren Feldstärke schmale Magneti- sierungshysterese auf. Dadurch ist gewährleistet, daß einerseits die Magnetisierung des Tracking-Körpers bei einem Abschalten des äußeren Magnetfeldes besonders stark ist, ein hohes magnetisches Dipolmoment erzeugt wird, andererseits aber die Magnetisierung durch ein relativ schwaches äußeres umkehrendes Magnetfeld wieder aufgehoben werden kann.The tracking body is made of a material with the highest possible remanence magnetization and the lowest possible coercive force. The material of the tracking body accordingly has a magnetization hysteresis which is stretched in the direction of the magnetization axis and narrow in the direction of the external field strength. This ensures that, on the one hand, the magnetization of the tracking body is particularly strong when the external magnetic field is switched off, a high magnetic dipole moment is generated, but, on the other hand, the magnetization can be canceled again by a relatively weak external reversing magnetic field.
Zweckmäßigerweise werden daher Tracking-Körper aus einer Neodym-Eisen-Bor- Verbindung (NdFeB), AINiCo und verschiedene Eisenlegierungen bevorzugt, die mit einem physiologisch und magnetisch neutralen Material ummantelt sein kann. Der Tracking-Körper selbst kann in zwei grundlegenden Ausführungsformen vorliegen. Bei einer ersten Ausführungsform bildet dieser einen integralen Bestandteil eines medizinischen Instrumentes, insbesondere einer Zeigereinrichtung, eines Endoskops oder einer vergleichbaren medizinischen Sondeneinrichtung. Bei einer zweiten Ausführungsform ist dieser als ein in einem Organismus, insbesondere in Körperhohlräumen bewegliches Objekt ausgeführt.Appropriately, tracking bodies made of a neodymium-iron-boron compound (NdFeB), AlNiCo and various iron alloys are preferred, which can be coated with a physiologically and magnetically neutral material. The tracking body itself can be in two basic embodiments. In a first embodiment, this forms an integral part of a medical instrument, in particular a pointer device, an endoscope or a comparable medical probe device. In a second embodiment, it is designed as an object that is movable in an organism, in particular in body cavities.
Bei der ersten Ausführungsform bildet der Tracking-Körper eine mit dem entsprechenden Instrument verknüpfte Zeigereinrichtung, die mit Hilfe der Sensorclustera- nordnung in ihrer Lage und Orientierung erfaßt wird. Ein großer Vorteil einer solchen Zeigereinrichtung besteht darin, daß das detektierte Meßsignal (die magnetische Feldstärke des Dipols) ohne Zufuhr von Energie in Form einer äußeren Anregung oder einer Verkabelung erzeugt und in einfacher Weise detektiert wird. Die genaue Lage z.B. eines Endoskops läßt sich unter diesen Bedingungen mit hoher Genauigkeit außerhalb des Körpers des Probanden feststellen. Bei der zweitenIn the first embodiment, the tracking body forms a pointer device which is linked to the corresponding instrument and whose position and orientation are detected with the aid of the sensor cluster arrangement. A great advantage of such a pointer device is that the detected measurement signal (the magnetic field strength of the dipole) is generated in the form of an external excitation or wiring and is detected in a simple manner without the supply of energy. The exact location e.g. of an endoscope can be determined with high accuracy outside of the subject's body under these conditions. The second
Ausführungsform bewegt sich der Tracking-Körper innerhalb eines Implantationsgebietes frei und dient als autarke Sonde für die dort herrschenden physiologischen Bedingungen, wobei diese gegebenenfalls extern beeinflußt werden kann.In one embodiment, the tracking body moves freely within an implantation area and serves as an autonomous probe for the physiological conditions prevailing there, which can optionally be influenced externally.
Der Tracking-Körper weist Abschnitte auf, die aktivierbare und/oder reaktive, insbesondere gewebemarkierende oder kontrolliert Substanzen freigebende Eigenschaften und/oder dergleichen weitere, auf eine gegebene physiologische Umgebung und/oder extern angelegte Einflüsse, insbesondere äußere Magnetfelder, sensitive Eigenschaften. Der Tracking-Körper ist entsprechend dieser Fortbildung als ein Transportmittel für Substanzen ausgebildet, die unter einer gewissen physiologischen Umgebung oder infolge eines von außen gezielt angelegten Einflusses, insbesondere eines Magnetfeldes, freigesetzt werden. Damit können therapeutisch oder diagnostisch wirksame Substanzen bis an den Wirkungsort verbracht und dort kontrolliert freigesetzt werden. Der erwähnte Sensorcluster weist als Minimalkonfiguration eine Gesamtheit von Gradiometern für eine Lokalisierung mindestens eines Tracking-Körpers, insbesondere dessen Detektierung einer Lage in einem dreidimensionalen Koordinatensystem und dessen Winkelorientierung auf. Der einzelne Sensorcluster stellt somit die kleinste Detektoreinheit des Markierungssystems dar. Für eine Kopplung des einzelnen Sensorclusters zu einer größeren Sensorclusteranordnung weist dieser Schnittstellen für ein Verschalten mit den weiteren Sensorc- lustern auf. Dadurch entsteht entweder eine über mindestens zwei Sensorcluster verteilte größere Gesamtheit von Gradiometern, oder die Sensorcluster interagieren als ein Netzwerk über ausgetauschte Steuersignale.The tracking body has sections which have properties which can be activated and / or reactive, in particular tissue-marking or controlled substances releasing substances, and / or the like, further properties which are sensitive to a given physiological environment and / or external influences, in particular external magnetic fields. According to this training, the tracking body is designed as a means of transport for substances which are released under a certain physiological environment or as a result of an influence which is specifically applied from the outside, in particular a magnetic field. Therewith therapeutically or diagnostically active substances can be brought to the place of action and released there in a controlled manner. As a minimum configuration, the sensor cluster mentioned has an entirety of gradiometers for localizing at least one tracking body, in particular its detection of a position in a three-dimensional coordinate system and its angular orientation. The individual sensor cluster thus represents the smallest detector unit of the marking system. For coupling the individual sensor cluster to a larger sensor cluster arrangement, this has interfaces for interconnection with the further sensor clusters. This either creates a larger total of gradiometers distributed over at least two sensor clusters, or the sensor clusters interact as a network via exchanged control signals.
Besonders vorteilhaft sind Sensorclusteranordnungen, die als ein Teil einer Probandenlagerung, beispielsweise einer Liegefläche, einer Kopf-, Arm- oder Rückenlehne, einer Tischplatte oder vergleichbaren Einrichtungen ausgeführt sind. Derartige Sen- sorclusteranordnungen können somit „versteckt" ausgeführt werden und erhöhen den Komfort für den Patienten und fügen sich raumsparend in eine bestehende Gerätearchitektur ein. Die Sensorclusteranordnung überdeckt dabei in jedem Fall einen zweckmäßigen Bereich des Untersuchungsfeldes.Sensor cluster arrangements which are designed as part of a test person's bed, for example a lying surface, a head, arm or backrest, a table top or comparable devices, are particularly advantageous. Sensor cluster arrangements of this type can thus be carried out “hidden” and increase the comfort for the patient and fit into an existing device architecture in a space-saving manner. The sensor cluster arrangement covers in any case an expedient area of the examination field.
Besonders vorteilhaft sind zweiteilige Ausführungsformen der Sensorclusteranordnung. Derartige Ausführungsformen weisen einen fixen Anteil und einen variabel angeordneten und lageveränderlichen Anteil auf. Der variable Anteil ist hierbei als ein Bestandteil zur Positionsmarkierung einer externen Vorrichtung, zum Beispiel einer weiteren Diagnostikvorrichtung, wie beispielsweise in dem Objektiv eines Mikroskops angeordnet. Hierbei wird die Lage des variablen Anteils der Sensorclusteranordnung durch die fest installierte Sensorclusteranordnung detektiert und somit der Ort der übergeordneten externen Diagnostikeinrichtung bezüglich des Systems Tracking-Körper/Sensorclusteranordnung genau abgestimmt und justiert.Two-part embodiments of the sensor cluster arrangement are particularly advantageous. Such embodiments have a fixed component and a variably arranged and variable-position component. The variable component is arranged here as a component for marking the position of an external device, for example a further diagnostic device, such as in the objective of a microscope. The position of the variable portion of the sensor cluster arrangement is detected by the permanently installed sensor cluster arrangement and thus the location of the higher-level external diagnostic device with respect to the system tracking body / sensor cluster arrangement is precisely coordinated and adjusted.
Bei einem Verfahren zur Lokalisierung und Beeinflussung mindestens eines in eine physiologische Umgebung eingebrachten Tracking-Körpers wird mit Hilfe einer Anordnung aus mindestens einer in einem Sensorcluster vereinigten Gesamtheit von Gradiometersensoren aus einer gemessenen Verteilung einer Feldstärke und Feldrichtung des mindestens einen mit einem magnetischen Dipolfeld umgebenen Tra- cking-Körpers dessen Lage im Raum und dessen Orientierung und/oder dessen Trajektorie bestimmt. Optional ist die Positionsbestimmung mit einer gezielten Beeinflussung und Veränderung physikalisch/chemischer Eigenschaften des Tracking- Körpers oder der Trajektorie des Tracking-Körpers durch ein extern einwirkendes Magnetfeld kombiniert. Damit wird einerseits der Tracking-Körper mit einer hohen Genauigkeit im Untersuchungsgebiet lokalisiert, andererseits wird damit auch die Möglichkeit geschaffen, in Verbindung mit der hohen Detektionsgenauigkeit gezielt und minimalinvasiv an schwer zugänglichen Implantierungsfeldern Beeinflussungen des dort vorliegenden physiologischen Milieus hervorzurufen, indem der Tracking-Körper gezielt von außen beeinflußt wird.In a method for localizing and influencing at least one tracking body introduced into a physiological environment, with the aid of an arrangement of at least one set of gradiometer sensors combined in a sensor cluster, a measured distribution of a field strength and field direction of the at least one tract surrounded by a magnetic dipole field is used. cking body determines its position in space and its orientation and / or its trajectory. The position determination is optionally combined with a targeted influencing and changing physical / chemical properties of the tracking body or the trajectory of the tracking body by means of an externally acting magnetic field. On the one hand, the tracking body is localized with a high degree of accuracy in the examination area, on the other hand, it also creates the possibility, in conjunction with the high detection accuracy, to influence the physiological milieu present there in a targeted and minimally invasive manner in implantation areas that are difficult to access by targeting the tracking body is influenced from the outside.
In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens ist der Tracking-Körper als ein Lagereferenzpunkt einer diagnostischen Sondeneinrichtung, insbesondere eines Katheters oder einer endoskopischen Vorrichtung ausgeführt, wobei eine Bewegung, eine momentane Lage im Raum und eine momentane Orientierung des Lagereferenzpunktes der Sondeneinrichtung durch die Sensorclusteranordnung fortlaufend detektiert wird. Damit ist eine minimalinvasive Verfolgung eines derartigen medizinischen Instrumentes möglich.In a first embodiment of the method, the tracking body is designed as a position reference point of a diagnostic probe device, in particular a catheter or an endoscopic device, movement, a current position in space and a current orientation of the position reference point of the probe device being continuously detected by the sensor cluster arrangement , Minimally invasive tracking of such a medical instrument is thus possible.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Tracking-Körper als ein frei beweglicher Indikator in die entsprechende physiologische Umgebung, beispielsweise als Bestandteil einer Suspension eingesetzt, wobei dessen Bewegung, dessen momentane Lage im Raum und eine momentane Orientierung des Indikators durch die Sensorclusteranordnung fortlaufend bestimmt wird.In a further embodiment of the method, the tracking body is used as a freely movable indicator in the corresponding physiological environment, for example as part of a suspension, its movement, its current position in space and a current orientation of the indicator being continuously determined by the sensor cluster arrangement ,
Zur Lagebestimmung des Tracking-Körpers werden Meßdaten über einen Betrag und eine Richtung eines in jedem einzelnen Gradiometersensor des Sensorclusters bestimmten Vektors einer magnetischen Feldstärke gemessen. Diese bilden die Aus- gangsdaten für einen in einer Positionsbestimmungseinrichtung gespeicherten Algorithmus für eine Suchstrategie zur Lokalisierung des Tracking-Körpers. Der Algorithmus der Suchstrategie führt Verfahren für ein inverses Tracking, insbesondere adaptive Gradientenmethoden in Kombination mit einem Fuzzy-Evolutionsalgorith- mus aus.To determine the position of the tracking body, measurement data about an amount and a direction of a vector of a magnetic field strength determined in each individual gradiometer sensor of the sensor cluster are measured. These form the starting data for an algorithm for a search strategy for localizing the tracking body stored in a position determining device. The algorithm of the search strategy executes methods for inverse tracking, in particular adaptive gradient methods in combination with a fuzzy evolution algorithm.
Bei Verwendung mehrerer Sensorcluster in einer Sensorclusteranordnung wird mittels eines internen Kommunikationsprotokolls zwischen den Sensorclustern eine dynamische Integration der Sensorcluster in der Sensorclusteranordnung ausgeführt. Hierbei werden insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis in der gesamten Sen- sorclusteranordnung und die von der Sensorclusteranordnung erzeugte Datenmenge optimiert.If several sensor clusters are used in a sensor cluster arrangement, a dynamic integration of the sensor clusters in the sensor cluster arrangement is carried out by means of an internal communication protocol between the sensor clusters. In particular, the signal-to-noise ratio in the entire transmission Sor cluster arrangement and the amount of data generated by the sensor cluster arrangement are optimized.
Eine externe Beeinflussung des Tracking-Körpers erfolgt auf mehreren Arten. Bei einer ersten Ausführungsart wird mittels eines extern zugeführten Magnetfeldes das magnetische Moment des Tracking-Körpers dahingehend beeinflußt, daß dessen Magnetisierung verändert und insbesondere gelöscht wird. Es erfolgt somit ein optionale Aktivierung und Deaktivierung des Tracking-Körpers.External influencing of the tracking body takes place in several ways. In a first embodiment, the magnetic moment of the tracking body is influenced by means of an externally supplied magnetic field in such a way that its magnetization is changed and in particular deleted. There is thus an optional activation and deactivation of the tracking body.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Tracking-Körper-Beeinflussung wird die Trajektorie des Tracking-Körpers mittels eines extern zugeführten magnetischen Gradientenfeldes mit einem in eine entsprechende Richtung weisenden Feldgradienten eine aktiv verschoben und der implantierte Tracking-Körper oder ein mit einer schraubenförmigen Oberfläche ausgeführter Tracking-Körper in einem rotie- renden Magnetfeld in eine entsprechende Richtung bewegt.In a further embodiment of the influencing of the tracking body, the trajectory of the tracking body is actively displaced by means of an externally supplied magnetic gradient field with a field gradient pointing in a corresponding direction, and the implanted tracking body or a tracking body designed with a helical surface moved in a corresponding direction in a rotating magnetic field.
Alle genannten Ausführungsformen der externen Tracking-Körper-Beeinflussung können einzeln, aber auch kombiniert erfolgen. Sie können weiterhin mit einer gezielten Freisetzung von dem Tracking-Körper gebundenen Substanzen verbunden werden. Hierbei werden infolge der veränderten Magnetisierung des Tracking-Körpers veränderte Bindungseigenschaften an dessen Oberfläche erzeugt und oberflächlich gebundene Substanzen kontrolliert freigesetzt. Die Kombination der genannten Verfahren ermöglicht es, den Tracking-Körper entweder zu rein diagnostischen Zwecken oder als Zeiger zu verwenden, diesen darüber hinaus aber auch zu einem gezielten Wirkstofftransport innerhalb eines Implantationsfeldes zu nutzen und damit die Anwendbarkeit des Tracking-Verfahrens beträchtlich zu erweitern.All of the above-mentioned embodiments of the external tracking body influencing can be carried out individually, but also in combination. They can also be linked to a targeted release of substances bound by the tracking body. As a result of the changed magnetization of the tracking body, changed binding properties are generated on its surface and surface-bound substances are released in a controlled manner. The combination of the methods mentioned makes it possible to use the tracking body either for purely diagnostic purposes or as a pointer, but also to use it for a targeted transport of active substances within an implantation field and thus to considerably expand the applicability of the tracking method.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Ver- deutlichung dienen die Figuren 1 bis 5. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Komponenten die selben Bezugszeichen verwendet. Im einzelnen zeigt:The device according to the invention and the method according to the invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Figures 1 to 5 serve for clarification. The same reference numerals are used for identical or identically acting components. In detail shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tracking-Körpers in einem externen Magnetfeld, Fig. 2a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines1 is a schematic representation of a tracking body in an external magnetic field, Fig. 2a is a schematic representation of a first embodiment of a
Sensorclusters,Sensor cluster,
Fig. 2b eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Sensorclusters,2b is a schematic representation of a second embodiment of a sensor cluster,
Fig. 2c eine beispielhafte Darstellung eines Sensorclusters in einer räumlichen, sphärischen Gradiometergeometrie2c shows an exemplary representation of a sensor cluster in a spatial, spherical gradiometer geometry
Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Lage eines freien Tracking-Körpers im Raum mit zu bestimmenden Meßgrößen,3a shows a schematic representation of a position of a free tracking body in space with measured variables to be determined,
Fig. 3b eine schematische Darstellung eines in einen Sondenkopf eines endoskopischen Instrumentes integrierten Tracking-Körpers,3b is a schematic representation of a tracking body integrated in a probe head of an endoscopic instrument,
Fig. 4 eine beispielhafte Anordnung aus einem Sensorcluster, einer äußerenFig. 4 shows an exemplary arrangement of a sensor cluster, an outer
Magnetfeldspule und einer Meß- und Steuereinrichtung an einem ersten Untersuchungsobjekt,Magnetic field coil and a measuring and control device on a first examination object,
Fig. 5 eine beispielhafte Anordnung aus einem fixen und variablen Sensorcluster in Verbindung mit einer endoskopischen Anordnung und einer externen Einrichtung zur Computertomographie zur Überwachung eines Herzkatheters.5 shows an exemplary arrangement of a fixed and variable sensor cluster in connection with an endoscopic arrangement and an external device for computer tomography for monitoring a cardiac catheter.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tracking- Körpers 10. Der Tracking-Körper besteht aus einem magnetisierbaren Grundkörper 11, der auf dessen Oberfläche eine Ummantelung aus einem aktivierbaren Abschnitt 12 aufweist. Der Grundkörper 11 ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material ausgeführt und weist zweckmäßigerweise eine hohe Remanzmagnetisierung in Verbindung mit einer durch eine gegebene Spulenanordnung möglichst einfach erreichbaren Koerzitivfeldstärke auf. Infolge der endlichen Remanenz weist der Grundkörper ein magnetisches Moment m auf, dessen Lage in einem externen Koordinatensystem bestimmt wird. Mittels eines von außen anliegenden Magnetfeldes H wird der Grundkörper wahlweise magnetisiert, bzw. durch ein Anlegen der Koerzitivfeldstärke entmagnetisiert, wobei das magnetische Moment beliebig aktiviert oder gelöscht werden kann. Ein derartiger Vorgang wird nachfolgend als Hc-Switching bezeichnet. Da sich durch das Hc-Switching die magnetischen Eigenschaften des Grundkörpers ändern, durchläuft auch die Wechselwirkung zwischen dem Grundkörper 11 und dem aktivierbaren Abschnitt 12 eine Veränderung, insbesondere in Hinblick auf spezifisch ausgewählte Moleküle. Der aktivierbare Abschnitt nimmt unter dem Einfluß des Hc- Switching somit entweder Moleküle aus einer Umgebung durch Adsorptions oder Absorptionsprozesse auf, oder setzt vorher gebundene Moleküle und Substanzen frei und gibt diese in die unmittelbare Umgebung des Tracking-Körpers ab.1 shows an exemplary embodiment of a tracking body 10 according to the invention. The tracking body consists of a magnetizable base body 11, which has a casing made of an activatable section 12 on its surface. The base body 11 is preferably made of a ferromagnetic material and expediently has a high residual magnetization in connection with a coercive field strength that is as easy as possible to achieve by a given coil arrangement. As a result of the finite remanence, the base body has a magnetic moment m, the position of which is determined in an external coordinate system. The base body is optionally magnetized by means of an external magnetic field H or demagnetized by applying the coercive field strength, the magnetic moment being able to be activated or deleted as desired. Such a process is referred to below as Hc switching. Since the Hc switching changes the magnetic properties of the base body, the interaction between the base body 11 and the activatable section 12 also undergoes a change, in particular with regard to specifically selected molecules. Under the influence of Hc switching, the activatable section either absorbs molecules from an environment through adsorption or absorption processes, or releases previously bound molecules and substances and releases them into the immediate vicinity of the tracking body.
Weiterhin richtet sich der Tracking-Körper bei einer endlichen Remanenz unter dem Einfluß des externen Magnetfeldes H aus und seine Position wird in Abhängigkeit des äußeren magnetischen Feldes verändert. Der freie Tracking-Körper ist somit unter dem äußeren Feldeinfluß entlang einer vordefinierten Trajektorie beweglich. In Verbindung mit dem Hc-Switching-Prozeß und der veränderten Aufnahmefähigkeit des aktivierbaren Abschnitts ist somit die Möglichkeit gegeben, den Tracking- Körper als Mittel zu einem Wirkstofftransport zu nutzen. Dabei wird der Tracking- Körper zunächst unter dem Einfluß des externen Magnetfeldes H an einen genau definierten Ort innerhalb einer physiologischen Umgebung bewegt und platziert und gibt anschließend an einem genau definierten Zeitpunkt unter dem Einfluß des Hc- Switching einen Wirkstoff ab, bzw. nimmt eine Substanz aus der Umgebung auf.Furthermore, the tracking body aligns itself with a finite remanence under the influence of the external magnetic field H and its position is changed as a function of the external magnetic field. The free tracking body can thus be moved along a predefined trajectory under the influence of the external field. In connection with the Hc switching process and the changed absorption capacity of the activatable section, there is thus the possibility of using the tracking body as a means of transporting an active substance. The tracking body is first moved and placed under the influence of the external magnetic field H to a precisely defined location within a physiological environment and then releases an active substance or takes a substance at a precisely defined point in time under the influence of Hc switching from the environment.
Die Größe der in den nachfolgenen Ausführungsbeispiele typischerweise verwendeten Tracking-Körper ist prinzipiell innerhalb einer großen Bandbreite variierbar. Typische Ausführungsformen weisen eine zylindrische Grundkörperform mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm und einer Länge von weniger als 2 mm auf, wobei minaturisierte Ausführungsformen mit einem Durchmesser von weniger als 0.5 mm und einer Länge von weniger als 1 mm ebenfalls denkbar sind. Die für konkrete Zwecke tatsächlich verwendete Größe richtet sich nach den jeweils vorliegenden Einsatzbedingungen. Die Wahl muß vor allem das für eine störungsfreie Detektierung und/oder Beeinflussung des Tracking-Körpers bei einer vorliegenden Dimensionierung erreichbaren magnetischen Moment, die Sensitivität der externen Sensorvorrichtungen und den konkret vorliegenden physiologischen Umgebungsbe- dingungen, insbesondere eine Lumengröße von Gefäßen, Hohlräumen und dergleichen medizinisch-biologische Parameter berücksichtigen. Schließlich hängt die Dimensionierung des Tracking-Körpers auch davon ab, ob dieser als ein frei beweglicher Körper ausgeführt sein soll, oder als markierende Komponente in einem medi- zinischen Instrument integriert ist.The size of the tracking body typically used in the following exemplary embodiments can in principle be varied within a wide range. Typical embodiments have a cylindrical basic body shape with a diameter of less than 1 mm and a length of less than 2 mm, whereby miniaturized embodiments with a diameter of less than 0.5 mm and a length of less than 1 mm are also conceivable. The size actually used for specific purposes depends on the respective conditions of use. Above all, the choice must be made of the magnetic moment that can be achieved for interference-free detection and / or influencing of the tracking body given the dimensions, the sensitivity of the external sensor devices and the specific physiological environmental conditions. consider conditions, in particular a lumen size of vessels, cavities and the like medical-biological parameters. Finally, the dimensioning of the tracking body also depends on whether it should be designed as a freely moving body or as a marking component integrated in a medical instrument.
Prinzipiell ist ein gleichzeitiger Einsatz verschiedener Typen von Tracking-Körpern und eine unterscheidende Detektion, bzw. ein gezieltes Ansprechen dieser verschiedenen Typen dadurch möglich, daß Tracking-Körper 10 mit Grundkörpern 11 ver- wendet werden, die unterschiedliche magnetische Charakteristiken, insbesondere in Hinblick auf die Remanzenz und die Koerzitivfeldstärke aufweisen. Als besonders zweckmäßig werden magnetische Materialien mit einer Koerzitivfeldstärke im Bereich von 0.1 kA/m bis 500 kA/m angesehen.In principle, a simultaneous use of different types of tracking bodies and a distinctive detection or a targeted response of these different types is possible by using tracking bodies 10 with base bodies 11 which have different magnetic characteristics, in particular with regard to the Show remanence and the coercive force. Magnetic materials with a coercive field strength in the range from 0.1 kA / m to 500 kA / m are considered to be particularly expedient.
Dies ermöglicht es, mit Hilfe des Hc-Switching-Verfahrens einen ersten Typ eines Tracking-Körpers bei einer ersten Koerzitivfeldstärke von beispielsweise 500 kA/m mit einer endlichen Remanenz zu aktivieren, dann die Richtung des externen Magnetfeldes umzukehren und die Magnetisierung eines zweiten Typs mit einer Koerzitivfeldstärke von 0.1 kA/m zu löschen und damit sowohl den ersten, als auch den zweiten Typ selektiv anzusprechen, als Mittel für einen Wirkstofftransport zu verwenden oder entweder den ersten oder den zweiten Typ in seiner Lage zu detek- tieren. Somit kann eine gezielte Beeinflussung einer ganzen Bandbreite gleichzeitig in einer gegebenen Umgebung vorhandener und für unterschiedliche Aufgaben präparierter Tracking-Körper erfolgen, wobei prinzipiell eine umfangreiche Typenpa- lette einer Vielzahl von Tracking-Körpern zeitlich parallel eingesetzt werden kann. Die Tracking-Körper können somit auf Abruf im Operationsgebiet verbleiben und bei Bedarf selektiv aktiviert bzw. deaktiviert werden.This makes it possible to use the Hc switching method to activate a first type of tracking body with a finite remanence at a first coercive field strength of, for example, 500 kA / m, then to reverse the direction of the external magnetic field and to magnetize a second type a coercive field strength of 0.1 kA / m and thus to address both the first and the second type selectively, to use them as a means for drug delivery or to detect either the position of the first or the second type. In this way, a targeted influencing of a whole bandwidth can take place simultaneously in a given environment of existing tracking bodies and prepared for different tasks, whereby in principle an extensive range of types of a large number of tracking bodies can be used in parallel. The tracking bodies can thus remain on call in the operating area and can be selectively activated or deactivated if required.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren 2a bis 5 beispielhaft Ver- fahren und Vorrichtungen zur Lagedetektierung sowohl für frei bewegliche implantierte Tracking-Körper als auch für als Bestandteile eines Instrumentariums ausgeführte Tracking-Körper beschrieben. Eine Kombination der reinen Lagedetektion und einer darauf aufbauenden Trajekto- rienverfolgung der Tracking-Körper mit der oben beschriebenen Vehikel- und Indikatorfunktion ist jedoch stets ausführbar. Ebenso ist auch unter Rückgriff auf die beschriebenen Hc-Switching-Prozesse eine selektive Trajektorienverfolgung unter- schiedlicher Typen von Tracking-Körpern möglich.Methods and devices for position detection both for freely movable implanted tracking bodies and for tracking bodies designed as components of an instrument set are described below with reference to FIGS. 2a to 5. However, a combination of the pure position detection and a trajectory tracking of the tracking body based on it with the vehicle and indicator function described above can always be carried out. A selective trajectory tracking of different types of tracking bodies is also possible using the described Hc switching processes.
Die Figuren 2a bis 2c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Sensorc- lustern 20, die zur Lage- und Orientierungsbestimmung der Tracking-Körper 10 verwendet werden. Ein Sensorcluster 20 stellt die kleinste Detektoreinheit dar, mit dem eine Lagedetektierung des Tracking-Körpers erfolgt. Unterschiedliche Ausführungsformen der Sensorcluster 20 sind anwendbar.FIGS. 2a to 2c show different embodiments of sensor clusters 20 which are used to determine the position and orientation of the tracking bodies 10. A sensor cluster 20 represents the smallest detector unit with which the position of the tracking body is detected. Different embodiments of the sensor cluster 20 can be used.
Die Figuren 2a und 2b zeigen ebene Geometrien plattenartiger Sensorcluster 20 in einer eher lang gestreckten, rechteckigen Form in Fig. 2a und in einer im wesentli- chen quadratischen Ausführungsform in Fig. 2b. Bei diesen Ausführungsformen besteht der einzelne Sensorcluster jeweils aus einer Grundplatte 25, die mit einer Ausnehmung zur Befestigung einer Schnittstelleneinrichtung 21 versehen ist. Auf der Grundplatte ist in einer zweckmäßigen geometrischen Anordnung eine Gesamtheit von Gradiometersensoren 30 angeordnet. Die in Figur 2a gezeigte Ausfüh- rungsform zeigt eine im wesentlichen lineare Gradiometergeometrie zur Verfolgung eines Tracking-Körpers in einem länglich ausgedehnten Operationsfeld, Fig. 2c offenbart eine kreisförmige Gradiometergeometrie zur Verfolgung einer Tracking-Kör- per-Trajektorie in einem ebenen, eng umgrenzten Operationsfeld, die eine hohe Orts- und Lageauflösung ermöglicht.FIGS. 2a and 2b show flat geometries of plate-like sensor clusters 20 in a rather elongated, rectangular shape in FIG. 2a and in an essentially square embodiment in FIG. 2b. In these embodiments, the individual sensor cluster consists of a base plate 25, which is provided with a recess for fastening an interface device 21. A set of gradiometer sensors 30 is arranged on the base plate in a suitable geometric arrangement. The embodiment shown in FIG. 2a shows an essentially linear gradiometer geometry for tracking a tracking body in an elongated operating field, FIG. 2c discloses a circular gradiometer geometry for tracking a tracking body trajectory in a flat, narrowly defined operating field , which enables a high spatial and location resolution.
Die Geometrie der Gradiometersensoren 30 spricht hierbei auf den vom dem magnetischen Dipolfeld des Tracking-Körpers 10 erzeugte magnetischen Feldstärkevektor an und registriert an den jeweiligen Orten dessen Betrag und Richtung. Die daraus resultierenden Signale werden von dem jeweiligen Sensorcluster 20 abge- leitet und in einer Meß- und Steuerungseinrichtung ausgewertet, wobei die genaue Lokalisierung des Tracking-Körpers errechnet wird.The geometry of the gradiometer sensors 30 responds to the magnetic field strength vector generated by the magnetic dipole field of the tracking body 10 and registers its amount and direction at the respective locations. The resulting signals are derived from the respective sensor cluster 20 and evaluated in a measuring and control device, the exact localization of the tracking body being calculated.
Neben den in den Figuren 2a und 2b dargestellten ebenen Ausführungsformen des Sensorclusters 20 sind auch räumliche Meßgeometrien der Gradiometersensoren 30 möglich. Fig. 2c zeigt eine derartige Anordnung in einer beispielhaften Darstellung. Der Sensorcluster 20 besteht in diesem Fall als eine im wesentlichen sphärische Anordnung von Gradiometern 30, die mittels Haltestreben 26 in einer definierten Meßgeometrie stabilisiert sind. Die in Fig. 2c gezeigte Ausführungsform ist besonders zur Verfolgung einer Trajektorie eines Tracking-Körpers in einem Volumenbe- reich geeignet.In addition to the planar embodiments of the sensor cluster 20 shown in FIGS. 2a and 2b, spatial measurement geometries of the gradiometer sensors 30 are also possible. 2c shows such an arrangement in an exemplary representation. In this case, the sensor cluster 20 consists of an essentially spherical arrangement of gradiometers 30, which are stabilized in a defined measurement geometry by means of holding struts 26. The embodiment shown in FIG. 2c is particularly suitable for tracking a trajectory of a tracking body in a volume area.
Zur Bestimmung der Lage des Tracking-Körpers 10 wird ein inverses Tracking-Kon- zept verfolgt. Das bedeutet, daß aus der gemessenen Feldverteilung unter Verwendung von Modellanpassungen, adaptiven Berechnungsmethoden und dergleichen, im folgenden beschriebenen Verfahren die den Tracking-Körper eindeutig kennzeichnenden Orte und Lageparameter bestimmt werden.An inverse tracking concept is followed to determine the position of the tracking body 10. This means that from the measured field distribution using model adaptations, adaptive calculation methods and the like, the methods described below are used to determine the locations and position parameters that uniquely characterize the tracking body.
Fig. 3a veranschaulicht die zu bestimmenden Parameter des Tracking-Körpers. Es sind dies zum einen die Position innerhalb eines vorgegebenen Koordinatensystems, gekennzeichnet durch die Ortskoordinaten X,Y,Z. Weiterhin nimmt der magnetische Dipol des Tracking-Körpers an diesem Punkt eine Orientierung in Form der polaren Winkelkoordinaten φ und θ ein. Eine weitere unbekannte Größe stellt schließlich das magnetische Moment m des Tracking-Körpers dar. Damit sind maximal sechs Freiheitsgrade zur Charakterisierung des Tracking-Körpers zu bestimmen. Mit einer vor- gegebenen Anzahl von Gradiometern 30 in einem Sensorcluster 20, die in der Regel größer als 6 ist, ergibt sich somit die Notwendigkeit der Lösung eines überbestimmten, inversen Problems. Zur Lösung des Problems wird auf adaptive Gradientenmethoden in Kombination mit Fuzzy-Evolutions-Algorithmen, beispielsweise auf die Marquardt-Levenberg-Methode zurückgegriffen, die in ihrer Gesamtheit eine von einer Meß- und Steuereinheit ausgeführte Suchstrategie darstellen.3a illustrates the parameters of the tracking body to be determined. These are, on the one hand, the position within a given coordinate system, characterized by the location coordinates X, Y, Z. Furthermore, the magnetic dipole of the tracking body takes an orientation at this point in the form of the polar angle coordinates φ and θ. Finally, the magnetic moment m of the tracking body represents a further unknown quantity. A maximum of six degrees of freedom for characterizing the tracking body can thus be determined. With a predetermined number of gradiometers 30 in a sensor cluster 20, which is generally greater than 6, there is thus the need to solve an over-determined, inverse problem. To solve the problem, adaptive gradient methods in combination with fuzzy evolution algorithms, for example the Marquardt-Levenberg method, are used, which in their entirety represent a search strategy carried out by a measuring and control unit.
Die Bestimmung der polaren Orientierung ist besonders dann erforderlich, wenn der Tracking-Körper als integraler Bestandteil eines Instrumentes ausgeführt ist, wobei die Orientierung des magnetischen Dipols des Tracking-Körpers mit der Lage der entsprechenden Komponente des Instrumentes korreliert. In Fig. 3b ist ein solches Instrument beispielhaft und schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Meßkopf 51 einer endoskopischen Sonde zur Untersuchung eines Körperhohlraumes, beispielsweise einen Herzkatheter 50 oder eine Magen-Darm-Sonde. Bei derartigen Ausführungsformen wird die Stellung des Meßkopfes mit Hilfe der genannten Ver- fahren in Lage und Orientierung genau bestimmt. Mit Hilfe der genannten Verfahren zum inversen Tracking und der nachfolgend beschriebenen Methoden zu einer verbesserten Detektion der Meßsignale können Ortsauflösungen der Raumlage des Tracking-Körpers mit einer Genauigkeit von 0.5 mm und Orientierungsdetektionen mit einer Auflösung im Bereich von einigen Winkelminuten auch unter dem Einfluß klinischer Verunreinigungen, Hochfrequenzfeldern in der Umgebung und der Anwesenheit von metallischen, aber nichtmagnetischen Objekten erreicht werden.The determination of the polar orientation is particularly necessary when the tracking body is designed as an integral part of an instrument, the orientation of the magnetic dipole of the tracking body correlating with the position of the corresponding component of the instrument. Such an instrument is shown schematically and by way of example in FIG. 3b. The figure shows a measuring head 51 of an endoscopic probe for examining a body cavity, for example a cardiac catheter 50 or a gastrointestinal probe. In such embodiments, the position of the measuring head is precisely determined with the aid of the methods mentioned. Using the procedures mentioned for inverse tracking and the methods described below for improved detection of the measurement signals, spatial resolutions of the spatial position of the tracking body with an accuracy of 0.5 mm and orientation detections with a resolution in the range of a few angular minutes can also be influenced by clinical contaminants, high-frequency fields in the environment and the presence of metallic but non-magnetic objects.
Die Sensitivität der Anordnung aus Tracking-Körper und Sensorcluster kann durch die Größe des magnetischen Momentes des Tracking-Körpers skaliert werden. Dies wird beispielsweise vorab durch die Wahl eines geeigneten Tracking-Körpers ermöglicht. Weiterhin ist durch eine externe magnetische Feldeinwirkung, insbesondere durch den beschriebenen Hc-Switching-Prozeß auch eine laufende Manipulation des magnetischen Momentes während des Trackings realisierbar. Elektromagnetische Abschirmungen können weitgehend entfallen.The sensitivity of the arrangement of the tracking body and sensor cluster can be scaled by the size of the magnetic moment of the tracking body. This is made possible in advance, for example, by choosing a suitable tracking body. Furthermore, an ongoing manipulation of the magnetic moment during tracking can be realized by an external magnetic field effect, in particular by the described Hc switching process. Electromagnetic shields can largely be dispensed with.
Die Figuren 4 und 5 zeigen beispielhafte Anwendungen von Architekturen der Sensorcluster 20 bei einer Reihe vorteilhafter Ausführungsformen. Fig. 4 zeigt eine Architektur aus Sensorclustern 20, die zu einer Sensorclusteranordnung 55 verschaltet sind und bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer Verfolgung einer Trajektorie eines in ein Gefäßsystem eines Armes 35 implantierten Tracking-Körpers verwendet werden. Die Sensorclusteranordnung 55 wird durch eine Reihe von Verschaltungen der einzelnen Sensorcluster gebildet, die in Fig. 4 als dicke Verbindungslinien zwischen den einzelnen Sensorclustern 20 angedeutet ist. Die Sensorclusteranordnung 55 umschließt das Volumen das Armes 35 zumindest teilweise. Sie ist in diesem Aus- führungsbeispiel direkt auf den Arm wie ein Ärmel aufgestreift und liegt auf der Haut auf. Eine einfachere, hier nicht dargestellte Konfiguration der Sensorclusteranordnung besteht in der Ausführung eines mehr oder weniger starren „Tunnels" aus den Sensorclustern 20, in den der Arm eingeschoben wird. Der Tunnel kann auch als Teil einer Armlehne ausgeführt sein. Die jeweils für eine spezielle Anwendung erforderliche Sensorclusteranordnung 55 wird in jedem Fall modular aus den Sensorclustern 20 zusammengesetzt. Die Sensorcluster 20 bilden somit grundlegende „Bausteine" zum Aufbau einer für spezielle Einsatzzwecke angepaßten Detektorarchitektur, die in an sich beliebiger Weise variiert werden kann. Bei einer Verfolgung der Trajaktorie des Tracking-Körpers innerhalb des Gefäßsystem des Armes 35 bilden die Sensorcluster 20 innerhalb der Sensorclusteranordnung 55 ein untereinander kommunizierendes Netzwerk, das von einer Meß- und Steuereinrichtung 40 gesteuert und überwacht wird. Die Meß- und Steuereinrich- tung enthält für diesen Zweck ein Kommunikationsprotokoll zur Interaktion der Sensorcluster 20 innerhalb des Netzwerkes. Die Interaktion dient mindestens der Selbstkalibrierung der Sensorclusteranordnung der Optimierung des Signal-Rausch- Verhältnisses der ausgeführten Messung. Dabei wird unter anderem zunächst die gegenseitige Lage der einzelnen Sensorcluster innerhalb des Netzwerkes der Sen- sorclusteranordnung 55 in einem vorgegebenen Laborkoordinatensystems gegeneinander abgeglichen und so die geometrische Form des Sensorclusternetzwerkes als Datenstruktur erfaßt. In einer weiteren beispielhaften Funktionalität des Kommunikationsprotokolls wird während der Messung der für die Verfolgung der Trajektorie jeweils günstigste Sensorcluster 20 ausgewählt und die Trajektorienverfol- gung von einem ersten zu einem zweiten Sensorcluster übergeben und so das Netzwerk der Sensorcluster 20 fortlaufend optimiert. In Verbindung damit werden Operationen zu einer Rauschfilterung und zu einer Optimierung der Meßgeschwindigkeit ausgeführt. Weiterhin weist die Meß- und Steuereinrichtung 40 Algorithmen zu einer Ermittlung globaler Optima für die aufgebaute Konfiguration der Sensorc- lusteranordnung 55 und zu Fehlerkorrekturen auf. Dadurch wird die meßtechnische Stabilität der Konfiguration entscheidend unterstützt.FIGS. 4 and 5 show exemplary applications of architectures of sensor clusters 20 in a number of advantageous embodiments. FIG. 4 shows an architecture of sensor clusters 20, which are connected to form a sensor cluster arrangement 55 and are used in this exemplary embodiment to track a trajectory of a tracking body implanted in a vascular system of an arm 35. The sensor cluster arrangement 55 is formed by a series of interconnections of the individual sensor clusters, which is indicated in FIG. 4 as thick connecting lines between the individual sensor clusters 20. The sensor cluster arrangement 55 at least partially encloses the volume of the arm 35. In this exemplary embodiment, it is placed directly on the arm like a sleeve and lies on the skin. A simpler configuration of the sensor cluster arrangement, not shown here, consists in the implementation of a more or less rigid “tunnel” from the sensor clusters 20 into which the arm is inserted. The tunnel can also be designed as part of an armrest. Each for a special application The required sensor cluster arrangement 55 is in any case assembled modularly from the sensor clusters 20. The sensor clusters 20 thus form basic “building blocks” for the construction of a detector architecture adapted for special purposes, which can be varied in any way. When the trajectory of the tracking body is traced within the vascular system of the arm 35, the sensor clusters 20 form a network that communicates with one another within the sensor cluster arrangement 55 and is controlled and monitored by a measuring and control device 40. For this purpose, the measuring and control device contains a communication protocol for the interaction of the sensor clusters 20 within the network. The interaction serves at least to self-calibrate the sensor cluster arrangement to optimize the signal-to-noise ratio of the measurement carried out. Among other things, the mutual position of the individual sensor clusters within the network of the sensor cluster arrangement 55 is first compared with one another in a predetermined laboratory coordinate system and the geometric shape of the sensor cluster network is thus recorded as a data structure. In a further exemplary functionality of the communication protocol, the sensor cluster 20 which is most favorable for tracking the trajectory is selected during the measurement and the trajectory tracking is transferred from a first to a second sensor cluster, and the network of the sensor clusters 20 is thus continuously optimized. In connection with this, operations for noise filtering and for optimizing the measuring speed are carried out. Furthermore, the measuring and control device 40 has algorithms for determining global optima for the configured configuration of the sensor cluster arrangement 55 and for error corrections. This decisively supports the metrological stability of the configuration.
Die Ausführungsform aus Fig. 4 weist weiterhin zweckmäßigerweise eine Quelle für ein externes Magnetfeld zu einer oben beschriebenen Beeinflussung des Tracking- Körpers oder einer Gesamtheit von Tracking-Körpern in Form des Hc-Switchings oder des aktiven Bewegens des Tracking-Körpers in der bereits beschriebenen Weise auf. In Fig. 4 ist dies durch eine Feldspule 43 mit einer Magnetfeldsteuerung 44 symbolisch angedeutet. Es ist vorteilhaft, die Feldspule 43 entweder entlang möglichst vieler Freiheitsgrade beweglich zu gestalten, oder anstelle einer einzelnen Feldspule eine Feldspulenkonfiguration zu einer Erzeugung von Magnetfeldern in unterschiedlichen Ausgestaltungen, beispielsweise als Gradientenfelder oder zirkulierende Felder zu ersetzen. Fig. 5 zeigt in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eine beispielhafte Konfiguration aus einem in ein chirurgisches Instrument integrierten Tracking-Körpers, der hier in einem Meßkopf 51 eines Herzkatheters 50 angeordnet ist. Wie in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 wird auch hier die Trajektorie des Tracking- Körpers durch eine entsprechend ausgeführte Sensorclusteranordnung 55 verfolgt. Die Sensorclusteranordnung kann in diesem speziellen Ausführungsbeispiel als ein um den Oberkörper des Patienten herum angeordneten „Tunnel" ausgeführt sein, oder sie kann plan auf der Brust des Patienten aufliegen. Die zweckmäßigste Ausführungsform der Sensorclusteranordnung 55 wird jeweils in der Praxis ermittelt.The embodiment from FIG. 4 also expediently has a source for an external magnetic field for influencing the tracking body described above or an entirety of tracking bodies in the form of Hc switching or the active movement of the tracking body in the manner already described on. This is symbolically indicated in FIG. 4 by a field coil 43 with a magnetic field controller 44. It is advantageous either to design the field coil 43 to be movable along as many degrees of freedom as possible, or to replace a field coil configuration for generating magnetic fields in different configurations, for example as gradient fields or circulating fields, instead of a single field coil. 5 shows in a further exemplary embodiment an exemplary configuration of a tracking body integrated in a surgical instrument, which is arranged here in a measuring head 51 of a heart catheter 50. As in the exemplary embodiment from FIG. 4, the trajectory of the tracking body is also tracked here by a correspondingly designed sensor cluster arrangement 55. In this particular exemplary embodiment, the sensor cluster arrangement can be designed as a “tunnel” arranged around the upper body of the patient, or it can lie flat on the patient's chest. The most expedient embodiment of the sensor cluster arrangement 55 is determined in practice in each case.
In Abwandlung der Ausführungsform der Sensorclusteranordnung 55 aus Fig. 4 wird bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eine zweiteilige Sensorclusteranordnung aus einem fixen Bestandteil 56 und einem variablen Bestandteil 57 bevorzugt. Der fixe Bestandteil 56 ist in der bereits beschriebenen Weise als eine Ein- richtung zur Verfolgung der Trajektorie des Tracking-Körpers entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 gestaltet. Der variable Bestandteil 57 bildet einen Teil einer übergeordneten, die Sensorclusteranordnung räumlich umgreifende Anordnung 60 zur Ausführung eines bildgebenden Verfahrens, insbesondere für eine Computertomographie oder eine magnetische Resonanztomographie. Mit einer der- artigen Konfiguration wird die Verfolgung des Herzkathetermeßkopfes 51 mit einem bildgebenden Verfahren kombiniert. Dabei fungiert der variable Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung als Probe zum einen für die Sensorclusteranordnung 55 selbst, als auch für die bildgebende Anordnung 60. Die Position des variablen Bestandteiles 57 ist innerhalb der Konfiguration der Sensorclusteranordnung 55 vor- gegeben und wird innerhalb der Sensorclusteranordnung fortlaufend verfolgt. Er bildet daher einen eindeutig definierten Referenzpunkt in dem Koordinatensystem der Sensorclusteranordnung 55. Andererseits zeichnet sich der variable Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung eindeutig innerhalb der umgreifenden bildgebenden Anordnung 60 ab, beispielsweise als ein Kontrastbild in einem Computertomogra- phieschnitt oder einem magnetresonanztomographischen Bild.In a modification of the embodiment of the sensor cluster arrangement 55 from FIG. 4, a two-part sensor cluster arrangement comprising a fixed component 56 and a variable component 57 is preferred in the embodiment shown in FIG. 5. The fixed component 56 is designed in the manner already described as a device for tracking the trajectory of the tracking body in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 4. The variable component 57 forms part of a superordinate arrangement 60, which surrounds the sensor cluster arrangement spatially, for executing an imaging method, in particular for a computer tomography or a magnetic resonance tomography. With such a configuration, the tracking of the cardiac catheter measuring head 51 is combined with an imaging method. The variable component 57 of the sensor cluster arrangement acts as a sample for the sensor cluster arrangement 55 itself, as well as for the imaging arrangement 60. The position of the variable component 57 is predetermined within the configuration of the sensor cluster arrangement 55 and is continuously monitored within the sensor cluster arrangement. It therefore forms a clearly defined reference point in the coordinate system of the sensor cluster arrangement 55. On the other hand, the variable component 57 of the sensor cluster arrangement clearly emerges within the encompassing imaging arrangement 60, for example as a contrast image in a computer tomography section or a magnetic resonance tomography image.
Die Trajektorie des Meßkopfes 51 mit dem integrierten Tracking-Körper des Herzkatheters 50 wird somit mit einer sehr großen Genauigkeit durch die Sensorclusteranordnung 55 erfaßt. Damit ist auch die Lage des Tracking-Körpers selbst gegen- über dem variablen Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung bekannt, sodaß mit geeigneten bildverarbeitenden Mitteln eine Positionsdarstellung des Meßkopfes 51 in dem magnetrasonanztomographischen Bild nachträglich anhand des sich dort abzeichnenden Kontrastes des vaπablen Bestandteiles 57 der Sensorclusteranordnung 55 erfolgen kann. Dies kann beispielsweise durch ein graphisch eingefügtes Icon, beispielsweise einen stilisierten Vektorpfeil, erfolgen, der einem Operateur die genaue Orientierung des Meßkopfes anzeigt. Der variable Bestandteil 57 der Sensorclusteranordnung 55 wirkt somit als eine Art „Lupe" oder ein Mikroskop für eine lokale Verbesserung der Bildauflösung des magnetrsonanztomographischen oder auf andere Weise gewonnenen Bildes aus der Anordnung 60, sodaß der Operateur eine Betätigung des Herzkatheters an der Herzkathetersteuerung 52 in einer besonders genauen und präzisen Weise ausführen kann.The trajectory of the measuring head 51 with the integrated tracking body of the cardiac catheter 50 is thus detected with a very high accuracy by the sensor cluster arrangement 55. The position of the tracking body itself in relation to the variable component 57 of the sensor cluster arrangement is thus also known, so that with suitable image processing means, a positional representation of the measuring head 51 in the magnetic resonance tomographic image can subsequently be made on the basis of the contrast of the variable component 57 of the sensor cluster arrangement 55 that is emerging there. This can be done, for example, by a graphically inserted icon, for example a stylized vector arrow, which shows the operator the exact orientation of the measuring head. The variable component 57 of the sensor cluster arrangement 55 thus acts as a kind of “magnifying glass” or a microscope for locally improving the image resolution of the image obtained from the magnetic resonance tomography or in another way from the arrangement 60, so that the operator actuates the cardiac catheter at the cardiac catheter control 52 in one can perform particularly precise and precise manner.
BezugszeicheniisteBezugszeicheniiste
10 Tracking-Körper10 tracking bodies
11 Grundkörper, ferromagnetisch11 base body, ferromagnetic
12 aktivierbarer Abschnitt 20 Sensorcluster 21 Schnittstelle12 activatable section 20 sensor cluster 21 interface
25 Grundplatte25 base plate
26 Haltestreben26 struts
30 Gradiometeranordnung 35 Arm 36 Herz30 gradiometer arrangement 35 arm 36 heart
40 Meß- und Steuereinrichtung40 measuring and control device
41 Kommunikationsprotokoll41 Communication protocol
43 Magnetfeldspule43 magnetic field coil
44 Magnetfeldsteuerung 50 Sonde, Herzkatheter44 Magnetic field control 50 probe, cardiac catheter
51 Sondenkopf51 probe head
52 Sondensteuerung52 Probe control
55 Sensorclusteranordnung55 Sensor cluster arrangement
56 Sensorclusteranordnung, fixer Bestandteil 57 Sensorclusteranordnung, variabler Bestandteil 60 externe, bildgebende Anordnung H externes Magnetfeld m magnetisches Dipolmoment X,Y,Z Raumkoordinaten θ,φ Orientierungswinkel 56 Sensor cluster arrangement, fixed component 57 Sensor cluster arrangement, variable component 60 external imaging arrangement H external magnetic field m magnetic dipole moment X, Y, Z spatial coordinates θ, φ orientation angle

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Lokalisierung, Beeinflussung und Führung von Tracking-Körpern (10), umfassend mindestens einen in eine physiologische Struktur eingebrachten Tracking-Körper und eine außerhalb der physiologischen Struktur befindliche Sensoreinrichtung für eine Lagebestimmung des Tracking-Körpers sowie eine Meß- und Steuereinheit, gekennzeichnet durch - mindestens einen Tracking-Körper als einen durch eine endliche Remanenzmagnetisierung ausgezeichneten Körper mit einem veränderlichen magnetischen Dipolmoment und einem daraus resultierenden anisotropen magnetischen Dipolfeld,1. Device for localizing, influencing and guiding tracking bodies (10), comprising at least one tracking body introduced into a physiological structure and a sensor device located outside the physiological structure for determining the position of the tracking body and a measuring and control unit, characterized by - at least one tracking body as a body characterized by finite remanent magnetization with a variable magnetic dipole moment and a resulting anisotropic magnetic dipole field,
- die Sensoreinrichtung in Form einer Gesamtheit von auf das anisotrope Dipolfeld sensitiven, einen Meßbereich abdeckenden modularen Sensorclustern (20) mit je einer in dem Sensorcluster integrierten Gesamtheit von Magnetfeldsensoren (30) in einer spezifischen Meßgeometrie,the sensor device in the form of a set of modular sensor clusters (20) sensitive to the anisotropic dipole field and covering a measurement range, each with a set of magnetic field sensors (30) integrated in the sensor cluster in a specific measurement geometry,
- die Meß- und Steuereinheit (40) in meßtechnischer Verknüpfung mit der Gesamtheit der Sensorcluster.- The measuring and control unit (40) in metrological connection with the entirety of the sensor cluster.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Tracking-Körper (10) aus einem Material mit einer möglichst großen Remanenzmagnetisierung und einer möglichst geringen Koerzitiv- feldstärke besteht.2. Device according to claim 1, characterized in that the at least one tracking body (10) consists of a material with the greatest possible remanence magnetization and the lowest possible coercive field strength.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Tracking-Körper (10) aus einer mit einem physiologisch und magnetisch neutralen Material ummantelten Neodym-Eisen-Bor-Verbindung3. Device according to claim 2, characterized in that the at least one tracking body (10) made of a neodymium-iron-boron compound coated with a physiologically and magnetically neutral material
NdFeB besteht. NdFeB exists.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Tracking-Körper (10) einen integralen Bestandteil eines medizinischen Instrumentes (50), insbesondere einer medizinischen Zeigerein- richtung, eines Endoskops oder dergleichen weitere Sondeneinrichtung bildet.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one tracking body (10) forms an integral part of a medical instrument (50), in particular a medical pointer device, an endoscope or the like, further probe device.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Tracking-Körper (10) als ein in einem Organismus, insbesondere in Körperhohlräumen zirkulierendes, frei bewegliches Objekt ausgeführt ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one tracking body (10) is designed as a freely moving object circulating in an organism, in particular in body cavities.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Tracking-Körper (10) aktivierbare und/oder reaktive, insbesondere gewebemarkierende oder kontrolliert Substanzen freigebende Abschnitte (12) und/oder dergleichen auf eine gegebene physiologische Umgebung und/oder extern angelegte Einflüsse, insbesondere äußere Magnetfelder (H), sensitive Bestandteile aufweist.6. The device according to claim 5, characterized in that the at least one tracking body (10) activatable and / or reactive, in particular tissue-marking or controlled substance-releasing sections (12) and / or the like applied to a given physiological environment and / or externally Influences, especially external magnetic fields (H), sensitive components.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Sensorcluster (20) als eine Minimalkonfiguration einer Gesamtheit von Gradiometern (30) für eine Lokalisierung des mindestens einen Tra- cking-Körpers, insbesondere für eine Detektion einer Lage im Raum (X,Y,Z) und eine Detektion einer Orientierung (θ,φ) ausgeführt ist.7. The device according to claim 1, characterized in that each individual sensor cluster (20) as a minimal configuration of an entirety of gradiometers (30) for localizing the at least one tracking body, in particular for detecting a position in space (X, Y, Z) and detection of an orientation (θ, φ) is carried out.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Sensorcluster (20) Schnittstellen (21) für ein Verschalten mit einer8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual sensor cluster (20) interfaces (21) for interconnection with a
Gesamtheit weiterer Sensorcluster aufweist. Has a total of further sensor clusters.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorcluster (20) als ein Teil einer Probandenlagerung, insbesondere als Teil von Kopfstützen, Arm- und/oder Rückenlehnen, Tischplatten und derglei- chen Einrichtungen ausgeführt ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor cluster (20) is designed as part of a test person's position, in particular as part of headrests, arm and / or backrests, table tops and the like devices.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gesamtheit untereinander verschalteter Sensorcluster (20) eine Sensorc- lusteranordnung (55) bildet, wobei die Sensorclusteranordnung einen zweckmäßigen Bereich eines Untersuchungsfeldes überdeckt.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a whole of interconnected sensor clusters (20) forms a sensor cluster arrangement (55), the sensor cluster arrangement covering an expedient area of an examination field.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Sensorcluster einen fixen Anteil (56) und einen variablen, insbesondere lageveränderlichen Anteil (57) aufweist, wobei der variable Anteil als ein Bestandteil zur Positionsmarkierung in einer externen bildgebenen Anordnung (60), insbesondere einer Magnetresonanztomographie- oder Computertomographieeinrichtung ausgeführt ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the entirety of the sensor clusters has a fixed portion (56) and a variable, in particular position-changing portion (57), the variable portion as a component for position marking in an external imaging arrangement ( 60), in particular a magnetic resonance tomography or computer tomography device.
12. Verfahren zur Lokalisierung und Beeinflussung mindestens eines in eine physiologische Umgebung eingebrachten Tracking-Körpers (10), dadurch gekennzeichnet, daß12. A method for localizing and influencing at least one tracking body (10) introduced into a physiological environment, characterized in that
- mit Hilfe einer Anordnung aus mindestens einer in einem Sensorcluster (20) vereinigten Gesamtheit von Magnetfeldsensoren (30) aus einer gemessenen- With the aid of an arrangement of at least one set of magnetic field sensors (30) combined in a sensor cluster (20) from a measured one
Verteilung einer Feldstärke und Feldrichtung des mindestens einen mit einem magnetischen Dipolfeld umgebenen Tracking-Körpers (10) dessen Lage im Raum (X,Y,Z) und dessen Orientierung (θ,φ) und/oder dessen Trajektorie bestimmt wird und/oder - optional physikalisch/chemische Eigenschaften und/oder eine Trajektorie des mindestens einen Tracking-Körpers durch ein extern einwirkendes Magnetfeld (H) und/oder physiologische Prozesse in der Umgebung des mindestens einen Tracking-Körpers gezielt verändert werden. Distribution of a field strength and field direction of the at least one tracking body (10) surrounded by a magnetic dipole field, its position in space (X, Y, Z) and its orientation (θ, φ) and / or its trajectory is determined and / or - optionally physical / chemical properties and / or a trajectory of the at least one tracking body can be specifically changed by an externally acting magnetic field (H) and / or physiological processes in the surroundings of the at least one tracking body.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tracking-Körper (10) als ein Lagereferenzpunkt einer diagnostischen Sonde- und/oder Zeigereinrichtung, insbesondere eines Katheters oder einer endosko- pischen Vorrichtung ausgebildet ist, wobei13. The method according to claim 12, characterized in that the tracking body (10) is designed as a position reference point of a diagnostic probe and / or pointer device, in particular a catheter or an endoscopic device, wherein
- eine Bewegung, eine momentane Lage im Raum (X,Y,Z) und eine momentane Orientierung (θ,φ) des Lagereferenzpunktes durch die Sensorclusteranordnung (55) fortlaufend bestimmt wird.- A movement, a current position in space (X, Y, Z) and a current orientation (θ, φ) of the position reference point is continuously determined by the sensor cluster arrangement (55).
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tracking-Körper (10) als ein frei beweglicher Indikator in die betreffende physiologische Umgebung, insbesondere als diagnostisch aktiver Bestandteil einer Suspension, implantiert wird, wobei - eine Bewegung, eine momentane Lage im Raum (X,Y,Z) und eine momentane14. The method according to claim 12, characterized in that the tracking body (10) is implanted as a freely movable indicator in the relevant physiological environment, in particular as a diagnostically active component of a suspension, wherein - a movement, a current position in space (X, Y, Z) and a current one
Orientierung (θ,φ) des Indikators durch die Sensorclusteranordnung (55) fortlaufend bestimmt wird.Orientation (θ, φ) of the indicator is continuously determined by the sensor cluster arrangement (55).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagebestimmung des Tracking-Körpers (10) aus Meßdaten über einen Betrag und eine Richtung eines in jedem einzelnen Magnetfeldsensor (30) des Sensorclusters (20) bestimmten Vektors einer magnetischen Feldstärke des vom Tracking-Körper erzeugten Magnetfeldes erfolgt, wobei - Ausgangsdaten für einen in einer Positionsbestimmungseinrichtung gespeicherten Algorithmus für eine Suchstrategie zur Lokalisierung des Tracking-Körpers bilden. 15. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the position determination of the tracking body (10) from measurement data on an amount and a direction of a vector of a magnetic field strength determined in each individual magnetic field sensor (30) of the sensor cluster (20) of the magnetic field generated by the tracking body, wherein - form output data for an algorithm stored in a position determining device for a search strategy for localizing the tracking body.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Algorithmus der Suchstrategie Verfahren für ein inverses Tracking, insbesondere adaptive Gradientenmethoden in Kombination mit einem Fuzzy Evolutionsalgorithmus ausführt.16. The method according to claim 15, characterized in that the algorithm of the search strategy executes methods for inverse tracking, in particular adaptive gradient methods in combination with a fuzzy evolution algorithm.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Sensorcluster (20) mittels eines internen ■ Kommunikationsprotokolls (41) zwischen den Sensorclustern eine dynamische17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when using multiple sensor clusters (20) by means of an internal ■ communication protocol (41) between the sensor clusters a dynamic
Integration der Sensorcluster in der Sensorclusteranordnung (55) ausgeführt wird, wobeiIntegration of the sensor clusters in the sensor cluster arrangement (55) is carried out, wherein
- insbesondere eine Optimierung eines Signal-Rausch-Verhältnisses in der gesamten Sensorclusteranordnung und eine Optimierung des durch die Sen- sorclusteranordnung erzeugten Datenmenge erfolgt.- In particular, an optimization of a signal-to-noise ratio in the entire sensor cluster arrangement and an optimization of the amount of data generated by the sensor cluster arrangement are carried out.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines extern zugeführten Magnetfeldes (H) das magnetische Moment (m) des mindestens einen Tracking-Körpers (10) beeinflußt wird, wobei dessen18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnetic moment (m) of the at least one tracking body (10) is influenced by means of an externally supplied magnetic field (H), the latter
Magnetisierung verändert, insbesondere gelöscht oder erzeugt wird.Magnetization is changed, in particular deleted or generated.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines extern zugeführten Magnetfeldes mit einem in eine entsprechende19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that by means of an externally supplied magnetic field with a corresponding
Richtung orientierten Feldvektoren eine aktive Verschiebung des mindestens einen implantierten frei beweglichen Tracking-Körpers (10) erzeugt wird.In the direction-oriented field vectors, an active displacement of the at least one implanted freely movable tracking body (10) is generated.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der veränderten Magnetisierung des mindestens einen Tracking-Körpers (10) eine kontrollierte Freisetzung von auf der Oberfläche des Tracking-Körpers gebundenen Substanzen erzeugt wird. 20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a controlled release of substances bound on the surface of the tracking body is generated by means of the changed magnetization of the at least one tracking body (10).
1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage eines variablen, insbesondere lageveränderlichen, einer erweiterten Einrichtung zugeordneten Bestandteils (57) der Sensorclusteranordnung (55) durch einen fixen Bestandteil (56) der Sensorclusteranordnung detektiert und/oder der variable Bestandteil der Sensorclusteranordnung als eine Ortsmarkierung in der erweiterten bildgebenen Anordnung verwendet wird, wobei die mittels der Sensorclusteranordnung bestimmte Lage im Raum (X,Y,Z) und die Orientierung (θ,φ) des Tracking-Körpers in das erzeugte Bild ein- gefügt wird. 1. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the position of a variable, in particular position-changing, an extended device associated component (57) of the sensor cluster arrangement (55) by a fixed component (56) of the sensor cluster arrangement is detected and / or the variable component the sensor cluster arrangement is used as a location marker in the expanded imaging arrangement, the position in space (X, Y, Z) and the orientation (θ, φ) of the tracking body determined by means of the sensor cluster arrangement being inserted into the generated image.
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