DE102010051684A1 - Device for controlling movements of catheter-like tool within blood vessel of patient for treatment of e.g. cerebral stroke, has electromagnet and catheter whose spatial orientations are controlled using synchronizing control - Google Patents

Device for controlling movements of catheter-like tool within blood vessel of patient for treatment of e.g. cerebral stroke, has electromagnet and catheter whose spatial orientations are controlled using synchronizing control Download PDF

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Abstract

The device has an electromagnet (2) i.e. traction magnet, moved in spatial directions by a motorized mechanism and exerting pulling force on a magnetic catheter such that a catheter is simultaneously introduced and spatially oriented with respect to a blood vessel structure by the force. Spatial orientations of the magnet and the catheter are controlled using synchronizing control constructed based on a computer or nuclear spin tomographic three-dimensional reconstruction of the structure and a current position of an intraluminal catheter tip detected by an electromagnetic detection.

Description

III. Anforderungs-Profil und Stand der Technik bei der intravaskulären KatheterisierungIII. Requirement profile and state of the art in intravascular catheterization

  • (s. Literatur, S. 14)(see literature, p.

Wesentliche Anforderungen an ein Verfahren zur intravaskulären Katheterisierung werden vor allem unter den anspruchsvollen anatomischen Gegebenheiten der hirnzuführenden arteriellen Gefäße deutlich: Man begegnet Gefäßen, deren Lumen sich nach distal hin bereits auf 2–3 mm verengt hat (A. cerebri media) mit entsprechend leicht verletzbaren Gefäßwänden. Zusätzliche krankheitsbedingte (oder altersdegenerative) Stenosierungen des Lumens sind auf allen Ebenen des „zerebralen Gefäßbaumes” möglich und mitunter als sog. „Tandem-Stenosen” hintereinander geschaltet. Die nach distal anschließenden Gefäße (Aa. perforantes, Äste der A. cerebri media) sind aufgrund ihrer Anatomie, krankheitsbedingter Einengung und eines nicht selten steilen Winkels ihres Abzweigens gegenwärtig schwer oder nicht mehr erreichbar. Bereits einer der Gefäßstämme (A. carotis interna) zeigt einen kurvenreichen Verlauf, der innerhalb einer kurzen Distanz in allen 3 Raumrichtungen nachvollzogen werden muss.Essential requirements for a method for intravascular catheterization are particularly evident under the demanding anatomical conditions of the brain-supplying arterial vessels: one encounters vessels whose lumen has narrowed towards the distal already to 2-3 mm (A. cerebri media) with correspondingly easily vulnerable vessel walls. Additional disease-related (or age-degenerative) stenoses of the lumen are possible at all levels of the "cerebral vascular tree" and sometimes connected in series as so-called "tandem stenoses". The distally adjacent vessels (Aa. Perforantes, branches of the cerebral artery) are presently difficult or impossible to reach due to their anatomy, disease-related constriction, and an often steep angle of their branching. Already one of the vessel stems (A. carotis interna) shows a curvy course, which must be reconstructed within a short distance in all 3 spatial directions.

Daraus resultiert als Anforderung 1 ein ausreichend präziser Richtungswechsel der Katheterspitze innerhalb eines möglichst geringen Radius (möglichst „auf der Stelle”), um enge Kurvenführungen unter Schonung der Gefäßwände vornehmen zu können.This results in requirement 1, a sufficiently precise change of direction of the catheter tip within the smallest possible radius (if possible "on the spot") to make tight curves while preserving the vessel walls can.

Wesentliche mechanische Vorgaben für einen hohen Grad an Beweglichkeit der Katheterspitze bestehen in einer möglichst klein dimensionierten Spitze, in einer möglichst großen Flexibilität eines möglichst dünnen Katheterschlauchs, in der Art der Wirkkraft auf die Katheterspitze (Schubkraft, Zugkraft, Drehkräfte), im Ort des Kraftansatzes (Schlauch, Katheterspitze) sowie bei magnetischen Verfahren auch in der Stärke und Ausformung des Magnetfeldes (z. Bsp. eine möglichst große Konzentration der magnetischen Feldlinien um die longitudinale Polachse) in Verbindung mit einem möglichst klein dimensionierten permanenten Magneten in der Katheterspitze, um ein promptes Ankoppeln mit exakter räumlicher Ausrichtung der Spitze zu erreichen. Bei magnetgestützten Verfahren hängt darüber hinaus der erreichte Grad an Präzision nicht unwesentlich davon ab, ob ein ausreichend feinstufiges Ausrichten des Magnetfeldes auf mechanischem Wege erreicht werden kann und ob die Ausrichtung die tatsächliche Gefäßanatomie exakt nachvollzieht, was die „Deckungsgleichheit” der Bezugssysteme (Bildgebung und Navigation) bzw. eine wirksame Fehlerkontrolle bei der verfahrensnotwendigen Positionierung und horizontalen Verschiebung des Patienten erfordert – eine ausreichend hohe „Auflösung” der heutigen Bildgebung und die Verwendung eines ausreichend sensiblen und präzisen Detektions-Systems vorausgesetzt.Essential mechanical requirements for a high degree of mobility of the catheter tip consist in a tip as small as possible, in the greatest possible flexibility of a catheter tube as thin as possible, in the type of effect on the catheter tip (thrust, tensile force, rotational forces), in the place of the force ( Tube, catheter tip) and, in the case of magnetic methods, also in the strength and shape of the magnetic field (for example the greatest possible concentration of the magnetic field lines around the longitudinal polar axis) in conjunction with a permanent magnet in the catheter tip that is as small as possible in order to ensure prompt coupling to reach with exact spatial orientation of the tip. In magnetic-assisted methods, moreover, the degree of precision achieved depends not insignificantly on whether a sufficiently fine alignment of the magnetic field can be achieved by mechanical means and whether the alignment exactly reproduces the actual vascular anatomy, what the "congruence" of the reference systems (imaging and navigation ) or an effective error control in the process-necessary positioning and horizontal displacement of the patient requires - a sufficiently high "resolution" of today's imaging and the use of a sufficiently sensitive and accurate detection system provided.

Die Passierbarkeit eines Gefäßes bzw. einer Stenose, wie auch die Weite des Vordringens nach distal („supraselektive Katheterisierung”) hängen im Wesentlichen vom Zusammenwirken von Präzision, Abmessungen der Katheterspitze und der Stärke der aufgewendeten magnetischen Feldstärke ab.The passability of a vessel or a stenosis, as well as the width of the distalization ("supraselective catheterization") depend essentially on the interaction of precision, dimensions of the catheter tip and the strength of the applied magnetic field strength.

Im Unterschied zu den Bedingungen in einer Körperhöhle (etwa einer Herzkammer) setzt ein Gefäß dem Bewegungsumfang des intraluminären Katheters entsprechend eines „Kanals” Grenzen, abhängig von der Lumenweite. Ein seitliches Abweichen der Katheterspitze vom idealen Weg wird „anatomisch” eingegrenzt, umso mehr, je dünner das Gefäß ist.Unlike conditions in a body cavity (such as a ventricle), a vessel limits the range of motion of the intraluminal catheter according to a "channel", depending on the lumen width. A lateral deviation of the catheter tip from the ideal path is "anatomically" limited, the more, the thinner the vessel is.

Für die magnetische Navigation resultiert daraus, dass eine jederzeit stabile Einbettung” der Katheterspitze in ein aufwendig kontrolliertes (homogenes) Magnetfeld, verbunden mit einem stabilen „Halten” der Katheterspitze in ihrer jeweils erreichten Position und Ausrichtung, keine zwingende Anforderung an die intravaskuläre Katheterisierung darstellt. Vielmehr lässt sich erwarten, dass ein geringes Maß an Abweichung der Katheterspitze vom „idealen Weg” (im Rahmen eines Positionswechsels der Magnete oder gar eines vorübergehenden Wegfalls der Magnetkraft) tolerierbar ist, ohne das Ergebnis der Navigation zu gefährden oder wesentlich zu verzögern – im Unterschied zur Navigation innerhalb einer Herzkammer oder auch innerhalb des Hirngewebes (Stereotaxie).For the magnetic navigation results from the fact that a stable stable " embedding" of the catheter tip in a consuming controlled (homogeneous) magnetic field, combined with a stable "holding" the catheter tip in their respective achieved position and orientation, not a mandatory requirement for the intravascular catheterization , Rather, it can be expected that a small amount of deviation of the catheter tip from the "ideal path" (in the context of a change of position of the magnets or even a temporary loss of magnetic force) is tolerable without endangering the result of the navigation or significantly delay - in difference for navigation within a ventricle or within the brain tissue (stereotaxy).

Das Hirngewebe besitzt gegenüber anderen Körpergeweben die weitaus größte Vulnerabilität gegenüber Ischämie, welche in vielen Fällen akut auftritt (thrombo-embolisch) und nur einen kurzen Zeitkorridor für eine kausale Therapie, d. h. für eine Rekanalisierung des verschlossenen Gefäßes zulässt. Auch wenn derzeit über Zeitkorridore von 4 Stunden („systemische Lyse”) und bis zu 8 Stunden („arterielle Lyse” mit vorausgehender Katheterisierung) diskutiert wird, innerhalb derer das statistische benefit der Behandlung die Risiken überwiegt, ist der ideale Zeitpunkt einer Behandlung sofort nach Auftreten der ersten Symptome anzusetzen, um eine vollständige Rekanalisierung und die Vermeidung bleibender neurologischer Defizite erwarten zu dürfen.Brain tissue has by far the greatest vulnerability to ischemia over other body tissues, which in many cases occurs acutely (thromboembolic) and only a short time corridor for causal therapy, i. H. for a recanalization of the sealed vessel. Although the current discussion is about 4-hour time lapse ("systemic lysis") and up to 8 hours ("arterial lysis" with prior catheterization), within which the statistical benefit of the treatment outweighs the risks, the ideal time for treatment is immediate The onset of the first symptoms, in order to expect a complete recanalization and the avoidance of permanent neurological deficits.

Die daraus resultierende Anforderung 2 an die intravaskuläre Katheterisierung ist somit eine möglichst hohe Geschwindigkeit des Verfahrens bzw. eine möglichst kurze Dauer bis zur endgültigen Lage des Katheters.The resulting requirement 2 to the intravascular catheterization is thus the highest possible speed of the process or the shortest possible duration to the final position of the catheter.

Die Navigation innerhalb von Gefäßen, Herzkammern und Parenchym zur Verrichtung unterschiedlicher diagnostischer und therapeutischer Eingriffe an umschriebener Stelle erfolgt in der heutigen stationären Schwerpunktversorgung weiterhin überwiegend manuell: „Interventionslisten” der Neuroradiologie und Kardiologie verwenden derzeit dazu eine drahtunterstützte Navigation mit Führungsdrähten aus Edelstahl mit Kalibergrößen von 0,008'' bis 0,014'' (0,36 mm), die vor dem Einschub des flexiblen Mikrokatheters unter relativ hohem Zeiteinsatz – im Mittel zwischen 45 und 60 min bei den Hirngefäßen – und in erheblichem Maße abhängig von der Erfahrung des Untersuchers entlang des Gefäßes zu positionieren sind. Die entsprechenden Innendurchmesser der verwendeten Mikrokatheter, die im Anschluss an die Navigation über den Führungsdraht in die gewünschte Position geschoben werden, liegen in der Regel bei 0,010'' und 0,018'' (0,46 mm). Der Vorschub wird sowohl manuell, als auch apparativ (sog. „advancer”) vorgenommen. The navigation within vessels, chambers of the heart and parenchyma to perform different diagnostic and therapeutic interventions at the circumscribed place continues to be predominantly manual in today's inpatient focus: "intervention lists" of neuroradiology and cardiology currently use a wire-assisted navigation with stainless steel guide wires with caliber sizes of 0.008 'to 0.014''(0.36 mm) before insertion of the flexible microcatheter at a relatively high rate of time - averaging between 45 and 60 minutes in the cerebral vessels - and significantly dependent on the experimenter's experience along the vessel are positioning. The corresponding inside diameters of the used microcatheters, which are pushed to the desired position following navigation over the guidewire, are typically 0.010 "and 0.018" (0.46 mm). The feed is made both manually and by machine (so-called "advancer").

Erhebliche Nachteile, die sich aus diesem etablierten Vorschub-Verfahren ergeben, betreffen therapeutische Effizienz, Einsetzbarkeit und Sicherheit der Gefäß-Katheterisierung:

  • – Die Möglichkeit der Gerinselbildung an der Oberfläche des Katheters mit zunehmender Dauer des Verfahrens.
  • – Die Möglichkeit, die Ischämie durch den eingeführten Katheter selbst zu verschlimmern, abhängig von dessen Durchmesser.
  • – Sprunghafte, schwer kontrollierbare Bewegungen des Führungsdrahtes (Vorschnellen, „coning” usw.) bei der manuellen Kraftübertragung vom proximalen zum distalen Ende des Drahtes, insbesondere bei langen Übertragungswegen.
  • – Die Möglichkeit der Auslösung sog. Gefäßspasmen mit nachfolgender Ischämie, abhängig vom Ausmaß der Gefäßwandirritation.
  • – Das relativ hohe Risiko der Verletzung von Gefäßwänden mit der Folge intrazerebraler Blutungen, Loslösung von Gefäßwand-Plaques, akuter Ischämie oder Dissektionen.
  • – Die intolerable Zunahme dieser Komplikationen bei komplexen und/oder pathologisch stark veränderten Gefäßverläufen mit kombinierten steilen Gefäßabgängen, stark gewundenen Abschnitten und ausgeprägten Stenosierungen, die bisher nicht selten eine Anwendungsbeschränkung für die Gefäß-Katheterisierung bedeuten.
  • – Der große Zeitbedarf angesichts der therapeutischen Erfordernisse, wie sie sich bei akuten vaskulären Krankheitsbildern (insbesondere beim 'zerebralen stroke') ergeben.
  • – Die Abhängigkeit des Resultats (und der Komplikationsrate) vom Erfahrungsstand des Untersuchers und demzufolge die Beschränkung des Einsatzes auf erfahrene Zentren, auch bei der Versorgung durchaus häufiger Krankheitsbilder.
Significant drawbacks resulting from this established advancement method relate to therapeutic efficiency, applicability and safety of vascular catheterization:
  • - The possibility of clot formation on the surface of the catheter with increasing duration of the procedure.
  • The ability to aggravate ischemia through the inserted catheter itself, depending on its diameter.
  • - Abrupt, difficult to control movements of the guide wire (fasting, "coning", etc.) during manual force transmission from the proximal to the distal end of the wire, especially in long transmission paths.
  • - The possibility of triggering so-called vascular spasm with subsequent ischemia, depending on the extent of vascular wall irritation.
  • - The relatively high risk of injury to the vessel walls, resulting in intracerebral hemorrhage, detachment of vessel wall plaques, acute ischemia or dissections.
  • - The intolerable increase in these complications in complex and / or pathologically altered vascular processes with combined steep vessel outflows, highly tortuous sections and pronounced stenosis, which not infrequently mean an application restriction for vascular catheterization.
  • - The large amount of time required in view of the therapeutic requirements, as they arise in acute vascular disease (especially in the 'cerebral stroke').
  • - The dependence of the result (and the complication rate) on the level of experience of the examiner and, consequently, the limitation of the use to experienced centers, even in the supply of quite common clinical pictures.

Ausgangpunkt bei der Entwicklung magnetgestützter Navigationssysteme blieb bis heute die Erwartung, dass sich mittels präziser und möglicherweise beschleunigter Fortbewegung des Katheters durch das Gefäß diese wesentlichen Nachteile des manuellen Vorschubs aufheben lassen und sich dadurch sowohl eine signifikante Steigerung der therapeutischen Effektivität und Sicherheit der intravaskulären Katheterisierung, als auch eine Ausweitung ihrer Anwendung auf bislang sehr problematische Gefäßverhältnisse oder auf die Akutbehandlung kardialer und zerebraler Erkrankungen ergeben mögen.The starting point in the development of magnetically assisted navigation systems has until today been the expectation that by means of precise and possibly accelerated movement of the catheter through the vessel, these significant drawbacks of the manual feed can be eliminated and thereby a significant increase in the therapeutic effectiveness and safety of the intravascular catheterization, as also may extend their application to hitherto very problematic vessel conditions or to the acute treatment of cardiac and cerebral diseases.

Die Entwicklung während der vergangenen 4 Jahrzehnte verlief dabei in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit ausreichend kompakter und starker, axial symmetrischer Elektromagneten, ferner von der Anwendbarkeit einer ausreichend präzisen Mechanik mit Freiheitsgraden in allen Raumrichtungen, von der Qualität der Bildgebung, von der Verfügbarkeit geeigneter Detektionssysteme (elektromagnetisch, sonographisch, biplanare Fluoroskopie usw.) sowie von der Entwicklung anwendungsorientierter Strategien, Algorithmen und Verfahren im Umgang mit diesen Techniken, in denen sich ein wachsendes Verständnis des Anforderungs-Profils der intravaskulären Katheterisierung und der Wechselwirkungen zwischen Magnetkräften, Katheter und den jeweiligen physiologischen und anatomischen Bedingungen abbildete (1, 2, 5, 7).Development over the past four decades has been dependent on the availability of sufficiently compact and strong axially symmetric electromagnets, as well as the applicability of sufficiently precise mechanics with degrees of freedom in all spatial directions, on the quality of imaging, on the availability of suitable detection systems (electromagnetic , sonographic, biplanar fluoroscopy, etc.) as well as the development of application-oriented strategies, algorithms and procedures in dealing with these techniques, in which a growing understanding of the requirements profile of intravascular catheterization and the interactions between magnetic forces, catheters and the respective physiological and anatomical Conditions (1, 2, 5, 7).

Die Entwicklung solcher Systeme war zunächst kardiologisch und neurochirurgisch motiviert und vollzog sich daher auch in Anpassung an die besonderen physiologischen und anatomischen Bedingungen, wie sie in Herzkammern und Hirngewebe herrschen. Hier erwies es sich als vorteilhaft, ein kontinuierlich wirksames, die Katheterspitze exakt ausrichtendes und in ihrer jeweiligen Position „haltendes” Magnetfeld zu etablieren, um mögliche Abweichungen der Katheterspitze vom idealen Weg bzw. von ihrer erreichten Position zu vermeiden und das Ziel im Bereich der Herzkammer über die Zeitdauer der folgenden therapeutischen Verrichtungen hinweg punktgenau zu focussieren. Für die magnetgestützte Navigation innerhalb der Herzkammern ergab sich ein besonderes Anforderungs-Profil, bei dem auch der rhythmische Bewegungsumfang des Herzens selbst, die turbulenten Strömungsverhältnisse, aber auch die Folgen einer möglichen Abweichung der Katheterspitze vom idealen Weg (durch Verlust der magnetischen Kontrolle) eine besondere Rolle spielten. Das schrittweise Voranbringen des Katheters wurde in herkömmlicher Weise der manuell oder apparativ aufgebrachten Schubkraft überlassen – jeweils nach der vorausgegangenen Ausrichtung der Katheterspitze durch das magnetische Feld (2, 3, 4, 5, 6). Man konzentrierte sich auf die aufwendige Steuerung überlagernder bzw. homogener Magnetfelder, mit dem Ziel, die magnetisierte Spitze eines Führungsdrahtes oder Katheters entlang der im Körper erzeugten magnetischen Feldlinien auszurichten, entsprechend den vorgefundenen anatomischen Gegebenheiten, die jeweils vor dem Eingriff durch Bildgebung (Computer- bzw. Kernspintomographie) zu ermitteln waren. Diese Systeme sehen heute die Anwendung zumeist mehrerer externer Elektromagneten (Magnet-Cluster) vor, entweder mobilisiert und ausgestattet mit mechanischen Aufhängungen unterschiedlicher Freiheitsgrade für die Ausrichtung ihrer Magnetfelder oder fest in bestimmten Raumrichtungen positioniert, wie etwa in orthogonaler oder gegenüberliegender Anordnung, das betreffende Gefäßsystem umgebend (1, 2, 3, 6, 11).The development of such systems was initially cardiologically and neurosurgically motivated and therefore also carried out in adaptation to the special physiological and anatomical conditions that prevail in the heart chambers and brain tissue. Here it proved to be advantageous to establish a continuously effective magnetic field which precisely aligns the catheter tip and "holds" in its respective position in order to avoid possible deviations of the catheter tip from the ideal path or from its reached position and the target in the region of the ventricle to focus on the duration of the following therapeutic activities. For magnetic-assisted navigation within the heart chambers, a special requirement profile emerged, in which the rhythmic range of movement of the heart itself, the turbulent flow conditions, but also the consequences of a possible deviation of the catheter tip from the ideal path (by loss of magnetic control) a special Role played. The progressive advancing of the catheter was conventionally left to the manual or apparative applied thrust - after the previous alignment of the catheter tip by the magnetic field (2, 3, 4, 5, 6). It focused on the complex control of superimposed or homogeneous magnetic fields, with the aim of the magnetized tip of a Guidance wire or catheter along the magnetic field lines generated in the body, according to the found anatomical conditions, which were each to be determined before the intervention by imaging (computer or magnetic resonance tomography). These systems today provide for the application of mostly multiple external electromagnets (magnet clusters), either mobilized and equipped with different degrees of freedom mechanical suspension for aligning their magnetic fields or fixedly positioned in certain spatial directions, such as in orthogonal or opposing arrangement, surrounding the particular vasculature (1, 2, 3, 6, 11).

Für die computergestützte Durchführung entstanden entsprechend aufwendige Verfahrens-Algorithmen.Complex process algorithms were developed for the computer-aided implementation.

Das von Ritter et. al. (3, 4, 5, 7) entwickelte und mittlerweile kontinuierlich weiterentwickelte „magnetic navigation system” (MNS) von StereotaxisR (Niobe II System, StereotaxisR, St. Louis, Mo) befindet sich international in klinischer Nutzung im Bereich der universitären und schwerpunktmäßigen kardiologischen Versorgung. Es arbeitet mit zwei gegenüberliegend angeordneten, vertikal schwenkbaren, komplexen Elektromagneten und stellt im Herzen ein homogenes Magnetfeld von 0,1 bis 0,3 tesla zur Ausrichtung der magnetisierten Katheterspitze her. Die resultierende Geschwindigkeit, die dieser komplexe Regelkreis in der klinischen Anwendung aufbringt, ist noch nicht ausreichend im Vergleich mit anderen Verfahren evaluiert und beurteilbar. Die Ausrichtung der Magnete erfolgt für jede neue Position innerhalb von 5–10 sec, zuzüglich der Zeit, die jeweils für die Beurteilung der aktuellen Katheterlage und die resultierenden Steuerungen durch den Untersucher (der in den Regelkreis des Verfahrens notwendigerweise eingebunden bleibt) sowie für den weiterhin vorgesehenen mechanischen Vorschub des Katheters aufzuwenden ist. Die aufwendige technische Ausstattung sichert die exakte und „haltende” Führung der Katheterspitze, wie sie zum Navigieren innerhalb der Herzkammern erforderlich ist.That from Knight et. al. (3, 4, 5, 7) developed and meanwhile continuously further developed "magnetic navigation system" (MNS) of Stereotaxis R (Niobe II system, Stereotaxis R , St. Louis, Mo) is internationally in clinical use in the field of university and focused cardiology care. It works with two oppositely arranged, vertically pivoting, complex electromagnets and produces in the heart a homogeneous magnetic field of 0.1 to 0.3 tesla for aligning the magnetized catheter tip. The resulting rate of application of this complex loop in clinical application is not yet sufficiently evaluated and judged in comparison with other methods. Alignment of the magnets occurs for each new position within 5-10 seconds, plus the time required for the assessment of the current catheter location and the resulting controls by the examiner (which is necessarily included in the loop of the procedure), as well as for the further provided mechanical feed of the catheter is to spend. The elaborate technical equipment ensures the exact and "holding" leadership of the catheter tip, as it is required for navigating within the heart chambers.

Ein durch Magnetkraft bewirkter Einzug des Katheters simultan zu seiner magnetisch bewirkten Navigation wurde in der bisherigen Entwicklung wiederholt angeregt und diskutiert (7), insbesondere im Zusammenhang mit dem Einbringen embolisierenden Materials in Form magnetisierter sog. ”coils” in ein Aneurysma, wobei es darum geht, das Material gradient-vermittelt an eine geeignete Wand des Aneurysmas zu ziehen bzw. zu drücken.Magnetic force induced retraction of the catheter simultaneously to its magnetically induced navigation has been repeatedly stimulated and discussed in the prior art (7), especially in connection with the introduction of embolizing material in the form of magnetized so-called "coils" into an aneurysm to gradient-mediate the material to a suitable wall of the aneurysm.

Shachar et. al. (11) entwickelten ein aufwendiges Magnet-System, das neben eines „navigierenden Kraftfelds” zur Ausrichtung der Katheterspitze an den erzeugten Feldlinien (0,15–0,3 tesla) auch eine gradient-vermittelte, longitudinale Kraftwirkung zur Fortbewegung des Katheters (1,6–3,0 tesla) nutzt. Die aufwendige Modulation des Kraftfeldes erlaubt auch die Kombination der unterschiedlichen Kraftansätze und ihren synchronen Einsatz. Das System stellt sich jedoch ebenfalls als sehr aufwendig dar und kontrolliert das Magnetfeld über ein Cluster mit maximal 8 Elektromagneten, jeweils angeordnet in unterschiedlichen Symmetrien und mit einem entsprechend komplexen steuernden Algorithmus. Auch seine Geschwindigkeit in der klinischen Anwendung ist noch nicht hinreichend evaluiert. Shachar et. al. (11) developed a sophisticated magnetic system that, in addition to a "navigating force field" for aligning the catheter tip with the generated field lines (0.15-0.3 tesla), also provides a gradient-mediated, longitudinal force to move the catheter (1, 6-3.0 tesla) uses. The complex modulation of the force field also allows the combination of different power approaches and their synchronous use. However, the system is also very complicated and controls the magnetic field through a cluster with a maximum of 8 electromagnets, each arranged in different symmetries and with a correspondingly complex controlling algorithm. Its speed in clinical use has not been sufficiently evaluated.

Eine weitere Entwicklungslinie besteht in einem „all-in-one”-Konzept mit enger Anlehnung an die Technik der Kernspintomographie bzw. sogar einer Implementierung der Navigation in die apparative Anordnung der Kernspintomographie (8, 9, 10). Mit dem Ziel, Bildgebung und Navigation synchron erfolgen zu lassen und dadurch sowohl die Präzision zu erhöhen, als auch die möglichen Fehlerquellen zu vermeiden, die aus der räumlichen und zeitlichen Trennung und der Horizontal-Verschiebung des Patienten resultieren können, werden derzeit von unterschiedlichen Arbeitsgruppen sehr große Anstrengungen unternommen. Allerdings würde diese Entwicklung den Einsatz der Navigation langfristig sehr aufwendig gestalten und auf hochspezialisierte Zentren der sog. Maximalversorgung einengen.Another line of development consists in an "all-in-one" concept with close reference to the technique of magnetic resonance imaging or even an implementation of the navigation in the apparatus arrangement of magnetic resonance imaging (8, 9, 10). With the goal of synchronizing imaging and navigation, thereby increasing both precision and avoiding the potential sources of error that can result from the patient's spatial and temporal separation and horizontal displacement, are currently being used by different workgroups made great efforts. However, this development would make the use of navigation very time-consuming in the long term and restrict it to highly specialized centers of the so-called maximum supply.

Die bisherige Entwicklung führte vielmehr zu aufwendigen und kostenträchtigen Systemen, deren Steuerungsumfang über das Erfordernis-Profil einer ausschließlich intravaskulären Katheterisierung hinausgeht und deren Schwerpunkt bei speziellen, elektiven Eingriffen in kardiologischen oder neurochirurgischen Zentren liegt, deren Einsatz aber aufgrund der langfristig nicht zu leistenden finanziellen Belastung nicht in der stationären Regelversorgung und zur Akutbehandlung häufiger vaskulärer Krankheitsbilder vorgesehen ist.The development up to now has led to complex and costly systems whose scope of control goes beyond the requirement profile of exclusively intravascular catheterization and whose focus is on special, elective procedures in cardiology or neurosurgical centers, but their use is not due to the long-term unaffordable financial burden in inpatient care and acute treatment of common vascular disease is provided.

Zudem bleibt es fraglich, ob der Zeitbedarf dieser komplexen Systeme bis zur endgültigen Positionierung des Katheters die Erfordernisse einer Akutbehandlung (etwa des 'zerebralen stroke') erfüllt.In addition, it remains questionable whether the time required for these complex systems until the final positioning of the catheter meets the requirements of an acute treatment (such as the 'cerebral stroke').

Der besondere Focus lag in der bisherigen Entwicklung nicht auf einem magnetisch geführten Einzug des Katheters durch Wirksamwerden eines einzigen ausgerichteten magnetischen Gradienten. Die Beschränkung auf eine ausschließlich gradient-vermittelte Navigation mit einer einzigen gerichteten Zugkraft entlang des longitudinalen Gradienten, der eine magnetisierte Katheterspitze 'ankoppeln' und seiner räumlichen Ausrichtung folgen lässt, wurde bisher nicht zu einem grundlegenden Prinzip für die Gefäß-Katheterisierung erhoben und unter entsprechenden methodisch-apparativen Neuerungen und Anpassungen an klinische Abläufe realisiert.The particular focus in the previous development was not on a magnetically guided insertion of the catheter by the effect of a single aligned magnetic gradient. The limitation to exclusively gradient-mediated navigation with a single directed traction along the longitudinal gradient that 'dock' a magnetized catheter tip and follow its spatial orientation has not heretofore been a fundamental principle in vascular catheterization and methodologically appropriate -apparatus innovations and adjustments to clinical processes realized.

Es lässt sich erwarten, dass ein apparatives Verfahren entsprechend dem vorgestellten die bei der intravaskulären Katheterisierung gestellten Probleme zu lösen imstande ist, um

  • – eine vergleichbar rasche Katheter-Positionierung,
  • – eine vergleichbar größere Sicherheit und geringere Traumatisierung,
  • – eine relevante Ausweitung der Indikationsstellung bei seiner Anwendung sowie
  • – gleichzeitig eine relevante anwendungsorientierte Verfahrensvereinfachung im Vergleich mit bisherigen magnetischen Navigationsverfahren zu erreichen.
It can be expected that a device method according to the presented is able to solve the problems posed in intravascular catheterization
  • A comparably fast catheter positioning,
  • - a comparably greater safety and less traumatization,
  • - a relevant extension of the indication in its application as well as
  • - At the same time to achieve a relevant application-oriented simplification in comparison with previous magnetic navigation methods.

Durch Herstellung der beschriebenen verfahrenstechnischen Voraussetzungen und Problemlösungen sollen die genannten Ziele erreicht werden.By producing the described procedural requirements and problem solutions, the stated objectives are to be achieved.

IV. Methodische und technische Neuerungen des VorhabensIV. Methodological and technical innovations of the project

  • 1. Die Beschränkung auf eine Zugkraft durch Wirksamwerden eines magnetischen Gradienten zwischen der magnetisierten Katheterspitze und einem einzelnen externen und mit hohem Freiheitsgrad räumlich exakt ausgerichteten Elektromagneten („Zugmagnet”) lässt Ausrichtung und Fortbewegung der intravaskulären Katheterspitze in einem Zuge erfolgen („synchrone Navigation”), wobei die Kraftumkehr (Einzug statt Vorschub) den Katheter gleichsam mit einem „Frontantrieb” ausstattet, die präzise Lenkung der Katheterspitze unterstützt und die Risiken gegenüber dem manuellen Vorschub-Verfahren minimiert.1. The limitation to a tensile force by effecting a magnetic gradient between the magnetized catheter tip and a single external and high degree of freedom spatially exactly aligned electromagnet ("pull magnet") allows alignment and movement of the intravascular catheter tip in one go ("synchronous navigation") where the force reversal (retraction rather than advancement) equips the catheter with a "front-wheel drive" that supports precise guidance of the catheter tip and minimizes the risk of manual feed.
  • 2. Die Anwendung eines C-Bogens als wesentlicher Bestandteil der tragenden und ausrichtenden Mechanik des Elektromagneten, wobei zwei getrennt positionierte mechanische Einheiten vorgesehen sind: Eine sog. „innere Mechanik” vermittelt das longitudinale Verschieben des Magneten entlang des C-Bogens und dessen Neigung gegenüber der Ebene, die der C-Bogen umschließt. Die Motor-Einheit ist an der Innenseite des C-Bogens sowie in seinem Inneren untergebracht und nutzt zur Verschiebung eine Schiene innerhalb des C-Bogen und zur Neigung ein Kugelgelenk. Eine sog. „äußere Mechanik” bewirkt das Schwenken des C-Bogens um seine horizontale Achse sowie seine Drehung um die Ebene, die er umschließt. Die Motoren sind innerhalb eines den C-Bogen umfassenden Gelenkes (zur Drehung) sowie innerhalb der stehenden Haltevorrichtung für den C-Bogen (Schwenken) positioniert. „Innere” und „äußere” Mechanik erlauben für die räumliche Ausrichtung einen Freiheitsgrad in allen Raumrichtungen bis auf die Bewegung des Magneten innerhalb der Ebene, die der C-Bogen umschließt (Die Variation des Abstands des Pols von der Katheterspitze wird hier durch die Variation der Magnetfeldstärke ersetzt).2. The use of a C-arm as an integral part of the supporting and aligning mechanism of the electromagnet, with two separately positioned mechanical units are provided: A so-called. "Internal mechanics" conveys the longitudinal displacement of the magnet along the C-arm and its inclination the plane that encloses the C-arm. The motor unit is housed inside and inside the C-arm and uses a rail inside the C-arm for displacement and a ball joint for tilting. A so-called "outer mechanism" causes the C-arm to pivot about its horizontal axis and rotate about the plane it encloses. The motors are positioned within a C-arm articulation (for rotation) and within the C-arm standing pivot (swing). "Inner" and "outer" mechanics allow for spatial alignment one degree of freedom in all spatial directions except for the movement of the magnet within the plane surrounding the C-arm (the variation of the distance of the pole from the catheter tip is here due to the variation of the Magnetic field strength replaced).
  • 3. Das kontinuierliche Einwirken der magnetischen Zugkraft sowie ein gleichzeitig andauernder, mechanisch vermittelter Rückhalt verleihen der Katheterspitze eine dynamische „Aufhängung” zwischen beiden gegeneinander gerichteten Kräften, was sowohl ihre Absicherung herstellt, wie auch ihre magnetische Ankopplung und ihre präzise Ausrichtung am longitudinalen magnetischen Gradienten unterstützt.3. The continuous action of the magnetic traction and a concomitant, mechanically mediated retention give the catheter tip a dynamic "suspension" between the two opposing forces, which both provides their protection, as well as their magnetic coupling and their precise alignment supported on the longitudinal magnetic gradient ,
  • 4. Der in Segmenten variabler Länge und mit variabler Geschwindigkeit erfolgende Einzug des Katheters aufgrund entsprechender Rotation motorisierter, den Katheterschlauch führender und komprimierender Walzen („Holder”), die das jeweilige Katheter-Segment unter kontrollierendem und synchronisierendem Einfluss der Systemsteuerung an die Wirkung der kontinuierlich auf die Katheterspitze gerichteten Zugkraft „übergeben” („permissiver Einzug”).4. The variable length and variable speed segments of catheter insertion due to appropriate rotation of motorized, catheter tube leading and compressing rollers ("Holder"), the respective catheter segment under the controlling and synchronizing influence of the system control to the effect of continuously "handed over" ("permissive indentation") to the catheter tip.
  • 5. Die Verwendung eines Katheters, der neben seiner entsprechend magnetisierten und an die verwendete Detektion angepassten Spitze einen geringen Durchmesser (0,5–1,5 mm) bewahren und entsprechend günstige mechanische Eigenschaften aufweisen kann – im Wesentlichen ermöglicht durch den Wegfall der beim herkömmlichen Vorschub-Verfahren notwendigen Kraftübertragung – und der über Perforationen seines Schlauchs, unmittelbar an seine Spitze anschließend, zur Verbesserung seiner Flexibilität sowie zum Austritt diagnostischer oder therapeutischer Präparate verfügt.5. The use of a catheter, in addition to its correspondingly magnetized and adapted to the detection used tip a small diameter (0.5-1.5 mm) preserve and correspondingly have favorable mechanical properties - essentially made possible by the omission of the conventional Feed process necessary force transmission - and then has on perforations of his tube, immediately at its tip, to improve its flexibility and to exit diagnostic or therapeutic preparations.
  • 7. Die Prozedur zur Konstruktion einer geeigneten Datengrundlage aus dem Datensatz einer computer- bzw. kernspintomographisch erstellten 3-d-Rekonstruktion des Gefäßabschnitts geschieht vor Beginn der Navigation und wird durch einen programmierten Algorithmus vorgenommen. Die Datengrundlage dient der Systemsteuerung zur synchronisierenden Lenkung aller Elemente des Regelkreises bei der Navigation. Sie umfasst die Segmentierung des gesamten Einzugs, die angepasste Variationsfolge der Magnetfeldstärke, den resultierenden Führungsweg des Zugmagneten mit entsprechenden Positionierungsbefehlen an seine Mechanik sowie einer synchronisierten Befehlsstruktur an den „Holder”.7. The procedure for constructing a suitable data base from the data set of a 3-D reconstruction of the vessel section created by computed tomography or nuclear spin tomography takes place before navigation begins and is carried out by a programmed algorithm. The data basis is used by the system controller for synchronizing steering of all elements of the control loop during navigation. It includes the segmentation of the entire intake, the adapted order of variation of the magnetic field strength, the resulting guide path of the traction magnet with corresponding positioning commands to its mechanics as well as a synchronized command structure to the "Holder".

V. Detaillierte Beschreibung des VerfahrensV. Detailed description of the method

  • (s. VIII. Abbildungen, S. 18–30)(see VIII Illustrations, pp. 18-30)

Der geschlossene Regelkreis des Verfahrens verfügt über „exekutive” Vorrichtungen (Elektromagnet und seine Mechanik, Holder und Mikrokatheter), „detektierende” Komponenten (integrierte elektromagnetische Detektion, das zu detektierende Tool in der Katheterspitze und die Längenbestimmung durch den Holder) sowie über die „Systemsteuerung”. Der Regelkreis verfügt darüber hinaus über eine Schnittstelle zum Datensatz der vorausgehenden Bildgebung sowie über einen implementierten Algorithmus zur Generierung einer systemkonformen Datengrundlage. Den kontrollierenden Zugang des Untersuchers vermittelt die Systemsteuerung über ein entsprechendes Interface. Vorgesehen sind weiterhin diejenigen Vorrichtungen, die eine exakte Positionierung des Patienten, seine horizontale Verlagerung einschließlich einer fein-justierbaren Fehlerkorrektur sicherstellen.The closed loop of the method has "executive" devices (electromagnet and its mechanics, holders and microcatheter), "detecting" components (integrated electromagnetic detection, the tool to be detected in the catheter tip and the length determination through the Holder) and via the "Control Panel". The control circuit also has an interface to the data set of the preceding imaging as well as an implemented algorithm for generating a system-conformable data foundation. The control access is provided by the system controller via a corresponding interface. Also provided are those devices that ensure accurate positioning of the patient, his horizontal displacement including a finely-adjustable error correction.

und geben im Maßstab 1:16,6 und 1:13,6 einen ersten Überblick über die Anordnung des Elektromagneten (2), seiner Mechanik (1, 37) und der integrierten elektromagnetischen Detektion (15b15d) aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen. Die dabei angegebenen Abmessungen der Mechanik sind Annäherungswerte. Darüber hinaus sind auch der horizontal bewegliche Untersuchungstisch (26), der die Gantry (13) des Tomographen (11, 12) mit dem Wirkbereich der Navigation verbindet, wie auch die horizontale Widerstandsbahn (9), die Unterlage des Patienten (10) sowie die Position der Haltevorrichtung für den Kopf des Patienten (46) dargestellt. Die Position des Tomographen (11, 12, 13), der kein systemimmanentes Tool darstellt, bleibt daher angedeutet. Vorderansicht und Aufsicht ( ) geben zudem den geschätzten Abstand zwischen Antennen (15b) und Kopf des Patienten sowie den Abstand zwischen den Markern (15c) an. and give a first overview of the arrangement of the electromagnet (scale 1: 16.6 and 1: 13.6) ( 2 ), its mechanics ( 1 . 3 - 7 ) and the integrated electromagnetic detection ( 15b - 15d ) from different viewing directions. The specified dimensions of the mechanics are approximate values. In addition, the horizontally movable examination table ( 26 ), the gantry ( 13 ) of the tomograph ( 11 . 12 ) connects with the effective range of navigation, as well as the horizontal resistance path ( 9 ), the patient's pad ( 10 ) and the position of the holding device for the head of the patient ( 46 ). The position of the tomograph ( 11 . 12 . 13 ), which is not a system-immanent tool, therefore remains indicated. Front view and supervision ( ) also give the estimated distance between antennas ( 15b ) and head of the patient and the distance between the markers ( 15c ) at.

Am Beginn des Verfahrens und noch vor der Navigation steht die Prozedur zur Konstruktion einer geeigneten Datengrundlage (17) aus der computer- bzw. kernspintomographisch erstellten 3-d-Rekonstruktion des betreffenden Gefäßverlaufs, auf die sich fortan die Steuerung des Regelkreises der Navigation bezieht. sowie , und zeigen Teilschritte und Ergebnisse dieses Prozesses.At the beginning of the procedure and before navigation, the procedure for constructing a suitable data base ( 17 ) from the 3-D reconstruction of the relevant vessel course, computed by computer or MRI, to which the control of the control loop of navigation refers. such as . and show sub-steps and results of this process.

Der implementierte Algorithmus (18) lässt über eine Schnittstelle auf den Datensatz der Bildgebung (11) zugreifen. Der dargestellte Gefäßverlauf (34) wird zunächst über seine gesamte Länge hinweg in virtuelle Segmente (37) unterteilt. Der Abstand (38) der senkrecht zur longitudinalen Achse des Gefäßes gesetzten Schnittebenen (37a) steht in einem reziproken Verhältnis zur Richtungsänderung der longitudinalen Achse des Gefäßes (36) (entsprechend der Fließrichtung), die den Winkel der Schnittebenen zueinander bestimmt: Je größer die Richtungsänderung der longitudinalen Gefäßachse (d. h. der Krümmungsgrad des Gefäßes), desto dichter ist die Schnittfolge (42). Die Vorgabe an den Algorithmus besteht somit in einem bestimmten Winkelmaß, ab dem eine erneute Schnittführung durch die Gefäßrekonstruktion angelegt wird. Die Berücksichtigung von stenosebedingten Richtungswechseln (35) hängt dabei vom Auflösungsvermögen der verwendeten Bildgebung ab (die mittlerweile eine dafür ausreichende Qualität erreicht hat).The implemented algorithm ( 18 ) via an interface to the data set of the imaging ( 11 ) access. The illustrated vessel course ( 34 ) is first transformed over its entire length into virtual segments ( 37 ). The distance ( 38 ) of the plane perpendicular to the longitudinal axis of the vessel set planes ( 37a ) is in a reciprocal relationship to the change of direction of the longitudinal axis of the vessel ( 36 ) (corresponding to the flow direction), which determines the angle of the sectional planes to one another: the greater the change of direction of the longitudinal vessel axis (ie the degree of curvature of the vessel), the denser the cutting sequence (FIG. 42 ). The specification of the algorithm thus exists in a certain angular extent, from which a new cut is made by the vessel reconstruction. The consideration of stenosis-related changes of direction ( 35 ) depends on the resolution of the imaging used (which has now reached a sufficient quality).

Die Schnittebenen (37a) durch die Gefäßrekonstruktion werden auf das virtuelle Koordinatensystem der Bildgebung (20) bezogen. Danach erfolgen für jedes Segment longitudinale Vektorführungen (40) durch das Zentrum des Gefäßlumens, deren Raumrichtungen, ebenfalls bezogen auf das Koordinatensystem (20), die Abfolge der Raumrichtungen abbildet, in welche die Fließrichtung des Gefäßes jeweils „zielt”. Die vektoriellen Daten werden im Anschluss auf das virtuelle Koordinatensystem der Navigation (19) übertragen, was einer virtuellen Horizontalverschiebung des Koordinatensystems (25) gleichkommt, die nachfolgend vom Körper, der das Gefäßsystem beherbergt, in exakter Übereinstimmung nachvollzogen werden muss (21). Es resultiert eine Abfolge räumlicher Ausrichtungen, die das Magnetfeld des Zugmagneten (2) einzunehmen hat, um den wirksamen magnetischen Gradienten stets in Übereinstimmung mit der longitudinalen Gefäßachse zu bringen und die intravaskuläre Katheterspitze magnetisch ankoppeln zu lassen. Diese räumlichen Koordinaten entsprechen in ihrer Abfolge dem „Pfad” (28), auf dem der Zugmagnet (2) während der folgenden Navigation um den betreffenden Gefäßverlauf (34) herum geführt wird, im Sinne eines exakt definierten Bewegungsumfangs.The cutting planes ( 37a ) through the vascular reconstruction are applied to the virtual coordinate system of imaging ( 20 ) based. Thereafter, for each segment, longitudinal vector guides ( 40 ) through the center of the vessel lumen, whose spatial directions, also with respect to the coordinate system ( 20 ), which depicts the sequence of spatial directions in which the direction of flow of the vessel is "aimed". The vectorial data is then sent to the navigation virtual coordinate system ( 19 ), resulting in a virtual horizontal displacement of the coordinate system ( 25 ), which subsequently has to be reproduced in exact agreement by the body which houses the vascular system ( 21 ). The result is a sequence of spatial alignments that the magnetic field of the tension magnet ( 2 ) in order to bring the effective magnetic gradient always in line with the longitudinal vessel axis and to allow the intravascular catheter tip to be magnetically coupled. These spatial coordinates correspond in their sequence to the "path" ( 28 ) on which the pull magnet ( 2 ) during the following navigation around the relevant vessel course ( 34 ) is guided around, in the sense of a precisely defined range of motion.

Abschließend werden die räumlichen Koordinaten in entsprechende Steuerbefehle übersetzt, die als Abfolge während der Navigation an die motorisierte Mechanik des Magneten gerichtet werden (29, 30).Finally, the spatial coordinates are translated into corresponding control commands, which are directed as a sequence during navigation to the motorized mechanics of the magnet ( 29 . 30 ).

Die resultierende Längen-Abfolge der Segmente (42) über den gesamten Gefäßverlauf hinweg wird in eine entsprechende Befehlsstruktur an den Holder (8) übersetzt, die während der folgenden Navigation, synchronisiert mit der Ausrichtung des Magneten, an die Motoren des Holders gesendet wird (32), um den segmentierten Einzug des Katheters zu ermöglichen.The resulting length sequence of the segments ( 42 ) over the entire course of the vessel is transferred to a corresponding command structure to the holder ( 8th ), which is sent to the motors of the holder during the following navigation, synchronized with the orientation of the magnet ( 32 ) to allow the segmented indwelling of the catheter.

Obwohl sich die Variationsbreite der Längen (38) erst durch experimentelle Evaluation bestimmen lässt, verlangt ein exaktes Nachvollziehen stenosebedingter Richtungswechsel des Gefäßes (35) auf kurzer Distanz (im Bereich weniger Millimeter) möglichst kurze Schrittfolgen bis hin zu einem möglichst fließenden Einzug. Der Untersucher kann zu jedem späteren Zeitpunkt während der Navigation die Entscheidung über die jeweiligen Längen der Einzugs-Segmente treffen. Der am Beginn des Verfahrens generierende Algorithmus nimmt hingegen diese Entscheidung bereits vorweg und unterstützt dadurch den automatisierten Ablauf des Navigations-Verfahrens.Although the variation width of the lengths ( 38 ) can only be determined by experimental evaluation, requires an exact understanding of stenosis-induced change of direction of the vessel ( 35 ) at a short distance (in the range of a few millimeters) as short a sequence of steps as possible to a flow that is as smooth as possible. The examiner can make the decision on the respective lengths of the intake segments at any later time during navigation. By contrast, the algorithm generating at the beginning of the method already anticipates this decision and thereby supports the automated procedure of the navigation method.

Die konstruierte Datengrundlage (17) beinhaltet zudem die erforderliche Variation der Magnetfeldstärke in Anpassung an die Variation des Abstands (39) zwischen Magnet-Pol und Katheterspitze sowie an mögliche (stenosebedingte) Widerstände während der Passage. Eine entsprechende Befehls-Abfolge an die Spannungsgenerierung (31) des Elektromagneten wird für die folgende Navigation bereitgestellt. Dazu werden für jede longitudinale Vektorführung durch die Gefäß-Segmente auch die Schnittpunkte (19a) mit den Ebenen des umgebenden Koordinatensystems (19) der Navigation (auf denen sich der Elektromagnet (2) bewegt) und damit auch der jeweilige Abstand zwischen Gefäß und Magnet-Pol (39), bestimmt. Um die Durchdringung von Luft, Haut, Kalotte, Hirnhaut, Liquor und Hirngewebe (41) zu garantieren und zusätzlich den Einzug des Katheters zu ermöglichen, wird die Feldstärke entsprechend angepasst. Dabei gilt für den Algorithmus die Priorität, den Einzug jeweils mit der minimal wirksamen Feldstärke zu erreichen (Die steuernde Variation des Abstands des Magnet-Pols zum Gefäß durch die motorisierte Mechanik ist im Verfahren nicht vorgesehen und kann allenfalls im Rahmen einer Fehlerkontrolle durch Verschiebung des Patiententisches erfolgen (s. u.)). The constructed data base ( 17 ) also contains the required variation of the magnetic field strength in adaptation to the variation of the distance ( 39 ) between magnet pole and catheter tip as well as possible (stenosis-related) resistances during the passage. A corresponding command sequence to the voltage generation ( 31 ) of the electromagnet is provided for the following navigation. For this purpose, for each longitudinal vector guide through the vessel segments, the intersections ( 19a ) with the levels of the surrounding coordinate system ( 19 ) of the navigation (on which the electromagnet ( 2 ) and thus also the respective distance between vessel and magnetic pole ( 39 ), certainly. To the penetration of air, skin, calf, meninges, cerebrospinal fluid and brain tissue ( 41 ) and additionally allow the catheter to be inserted, the field strength is adjusted accordingly. In this case, the priority for the algorithm to achieve the indentation in each case with the minimum effective field strength (The controlling variation of the distance of the magnetic pole to the vessel by the motorized mechanism is not provided in the process and can at best in the context of an error control by shifting the patient table take place (see below)).

Obwohl der „range” der aufzuwendenden Feldstärke erst das Ergebnis experimenteller und vorklinischer Evaluation sein wird, kann vorab von einer Variation der Magnetfeldstärke zwischen 0,5 und 3,0 tesla ausgegangen werden. Insbesondere die Passage stenosebedingter Widerstände erfordert eingrenzende vorklinische Untersuchungen.Although the "range" of the field strength to be applied will be the result of experimental and pre-clinical evaluation, a variation of the magnetic field strength between 0.5 and 3.0 tesla can be assumed in advance. In particular, the passage of stenosis-related resistances requires restrictive preclinical examinations.

Die Variation der Magnetfeldstärke kann darüber hinaus zu jedem Zeitpunkt der Navigation auch durch den Untersucher über ein entsprechendes Interface (43) erfolgen, etwa bei der Passage eines stenosebedingten Widerstands – eine der möglichen Problemsituationen.In addition, the variation of the magnetic field strength at any point in the navigation can also be performed by the examiner via a corresponding interface (FIG. 43 ), for example in the passage of a stenosis-related resistance - one of the possible problem situations.

Beim vorgestellten Verfahren wird von der räumlichen und zeitlichen Trennung zwischen Erfassung der Datengrundlage (Bildgebung und ihre Aufbereitung) und der Ausführung der Navigation ausgegangen, was eine zwischenzeitliche horizontale Verlagerung des Körpers bzw. des Gefäßsystems vom Wirkungsbereich der Bildgebung in den Wirkungsbereich der Navigation notwendig macht s. (21).The presented method is based on the spatial and temporal separation between acquisition of the data basis (imaging and its preparation) and the execution of the navigation, which makes an intermediate horizontal displacement of the body or the vascular system from the sphere of action of the imaging into the area of action of the navigation necessary , ( 21 ).

Wie bereits beschrieben, wurde bei der Konstruktion der Datengrundlage eine Übertragung des Koordinatensystems der Bildgebung (20) auf das Koordinatensystem der Navigation (19) vorgenommen, was einer „virtuellen Horizontalverschiebung” gleichkam. Vor Beginn der Navigation erfolgt nun auch die entsprechende Horizontalverschiebung des Körpers (21), in dem sich das Gefäßsystem befindet, mit dem Ziel, die „Deckungsgleichheit” von konstruierter Datengrundlage und realem Gefäßsystem wieder herzustellen.As already described, in the construction of the data base, a transmission of the coordinate system of imaging ( 20 ) to the coordinate system of navigation ( 19 ), which was equivalent to a "virtual horizontal shift". Before the start of navigation, the corresponding horizontal displacement of the body now takes place ( 21 ), in which the vascular system is located, with the aim of restoring the "congruence" of constructed data base and real vascular system.

Systematische Fehler können dabei sowohl aus dem Vorgang der Horizontalverschiebung, als auch aus zwischenzeitlichen Lageveränderungen des Körpers resultieren. Sie können die Abweichung der Katheterspitze in allen Raumrichtungen zur Folge haben, wobei Verschiebungen im Bereich eines Bruchteils eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern zu erwarten sind. Eine ungenügende Deckungsgleichheit wird früher oder später zu einem Widerstand gegen den weiteren Einzug des Katheters führen, den die Gefäßwand bietet. Bereits Abweichungen im Millimeter-Bereich wären daher nicht tolerabel, wobei sie sich vor allem bei der Passage enger Gefäßwindungen, steiler Gefäßabgänge oder enger Stenosen als problematisch erweisen würden, weniger in gestreckten Abschnitten eines Gefäßes.Systematic errors can result both from the process of horizontal displacement, as well as from intermediate positional changes of the body. They can result in the deviation of the catheter tip in all spatial directions, with shifts in the range of a fraction of a millimeter up to several millimeters are to be expected. Insufficient congruence sooner or later will result in resistance to further catheter insertion that the vessel wall offers. Already deviations in the millimeter range would therefore be intolerable, whereby they would prove to be problematic, especially in the passage of narrow vessel turns, steep vascular discharges or narrow stenoses, less in stretched sections of a vessel.

Die Vermeidung solcher systematischer Fehler umfasst (s. )

  • 1. die konstante Lagebeziehung (22) zwischen Tomograph (1113) und Navigationssystem (15, 7), wobei der Abstand zwischen beiden Geräten möglichst gering sein sollte,
  • 2. eine längenkontrollierte Horizontal-Verschiebung des Körpers, die hier durch Anwendung einer über Spannungspegel gesteuerten Widerstandsbahn (9), die den Untersuchungstisch trägt, sichergestellt wird sowie
  • 3. die fixierende Lagerung des Körpers (46 und 47), ggf. auch eine vorausgehende Sedierung und Muskelrelaxation.
The avoidance of such systematic errors includes (s. )
  • 1. the constant positional relationship ( 22 ) between tomograph ( 11 - 13 ) and navigation system ( 1 - 5 . 7 ), whereby the distance between both devices should be as small as possible,
  • 2. a length-controlled horizontal displacement of the body, here by applying a voltage level controlled resistance path ( 9 ), which carries the examination table, is ensured as well as
  • 3. the fixing bearing of the body ( 46 and 47 ), possibly also a previous sedation and muscle relaxation.

Die Fehlererkennung resultiert im Wesentlichen aus dem Zusammenwirken des gewählten Detektions-Verfahrens (15) (hier ein elektromagnetisches Verfahren) und der Systemsteuerung (16) (beide werden weiter unten detailliert beschrieben). Die Systemsteuerung erhält Positionsdaten über die Katheterspitze in Echtzeit und in elektronisch zu verarbeitender Form von der fortlaufenden Detektion (15) und vergleicht diese räumlichen Daten zunächst mit den Erwartungswerten der generierten Datengrundlage, s. . Eine aktuelle Katheterposition „außerhalb” der erwarteten Gefäßwand zeigt eine ungenügende „Deckungsgleichheit” an.
(Die Detektion einer Abweichung von der „Deckungsgleichheit” hängt entscheidend von der Sensibilität und Präzision des gewählten Detektions-Verfahren ab – bisherige anwendungsorientierte Studien haben gezeigt, dass die elektromagnetische Detektion mit ausreichender Präzision und Sensibilität auch geringe Abweichungen bzw. Veränderungen in der Position eines intravaskulären Markers (Sonde, Ring u. a.) erkennbar machen kann).
The error detection essentially results from the interaction of the selected detection method ( 15 ) (here an electromagnetic procedure) and the system control ( 16 ) (both are described in detail below). The system controller receives position data on the catheter tip in real-time and in electronically processed form from the continuous detection ( 15 ) and first compares these spatial data with the expected values of the generated data basis, s. , A current catheter position "outside" the expected vessel wall indicates insufficient "congruence".
(The detection of a deviation from the "congruence" depends crucially on the sensitivity and precision of the selected detection method - previous application-oriented studies have shown that the electromagnetic detection with sufficient precision and sensitivity and small deviations or changes in the position of an intravascular Markers (probe, ring, etc.) can make recognizable).

Dennoch mag es in diesem Verfahrensabschnitt, also noch vor Beginn der Navigation, sinnvoll sein, zusätzlich ein anderes bildgebendes Verfahren mit guter Präzision und Sensibilität, wie etwa die biplanare Fluoroskopie, durchzuführen, um das Erkennen einer mangelnden Deckungsgleichheit bezüglich des Gefäßverlaufs und der Position der Katheterspitze zu schärfen.Nevertheless, it makes sense in this section of the procedure, that is before the start of navigation In addition, another imaging technique should be performed with good precision and sensitivity, such as biplanar fluoroscopy, to sharpen the detection of a lack of congruence with the vascular history and position of the catheter tip.

Darüber hinaus ist vorgesehen, das Verfahren der Fehler-Detektion kontinuierlich bzw. in engen zeitlichen Abständen auch später während der Navigation erfolgen zu lassen, obwohl die Horizontalverschiebung abgeschlossen ist und aktiven und passiven Bewegungen des Körpers entgegengewirkt wird.In addition, it is provided that the method of error detection continuously or at close intervals also later during navigation done, although the horizontal displacement is completed and active and passive movements of the body is counteracted.

Weiterhin erfolgt zur orientierenden Kontrolle über die tatsächlichen Längen der Einzugs-Segmente eine fortlaufende Längenkontrolle, s. (33) durch den Holder während des Einzugs. Die Systemsteuerung vergleicht diese Daten mit den vorgesehenen Längen der Einzugs-Segmente der generierten Datengrundlage und stellt Abweichungen fest, die auf einen fehlerhaften Einzug (über einen längeren Abschnitt wirksamer Widerstand, „Verhaken” der Katheterspitze) hinweisen können.Furthermore, for an orienting control over the actual lengths of the intake segments, a continuous length control, s. ( 33 ) by the holder during the collection. The system controller compares this data with the intended lengths of the collection segments of the generated data base and identifies deviations that may indicate a misfeed (effective resistance over a longer section, "snagging" of the catheter tip).

Die Korrektur bei mangelnder „Deckungsgleichheit” erfolgt, gezeigt in , durch eine Feinjustierung der Körperposition im Millimeter-Bereich und in allen 3 Raumrichtungen (23, 24), über die der Untersuchungstisch verfügt und die zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens möglich ist, wobei die Systemsteuerung Richtung und Mail der Korrektur vorgibt.The correction for lack of "coincidence" occurs as shown in , by a fine adjustment of the body position in the millimeter range and in all three spatial directions ( 23 . 24 ), which is available at the examination table and which is possible at any point in the procedure, with the system control specifying the direction and mail of the correction.

Die Korrektur erfolgt also zunächst durch die Positionsänderung des Körpers und nicht durch eine Neuberechnung der Datengrundlage. Die Konzeption des verwendeten Algorithmus ist darauf ausgelegt, die korrigierenden Prozeduren automatisch erfolgen zu lassen – der Untersucher behält jedoch die Möglichkeit, die Korrekturen selbst vorzunehmen, entweder über Interface oder manuell am Tisch.The correction is thus initially made by the change in position of the body and not by a recalculation of the data basis. The design of the algorithm used is designed to allow the corrective procedures to be done automatically, but the examiner has the option of making the corrections himself, either via interface or manually at the table.

Darüber hinaus ist eine Neuberechnung der Datengrundlage, ausgehend von den aktuellen Daten zur Position der Katheterspitze, jederzeit möglich.In addition, a recalculation of the data base, based on the current data on the position of the catheter tip, at any time.

Wie in und dargestellt, ist als exekutives Element des Regelkreises ein einzelner Elektromagnet (2) vorgesehen („single-coil-System”). Bei der Anpassung an die Notwendigkeiten dieses Navigationssystems wird auf bereits verfügbare technische Möglichkeiten zurückgegriffen: Es wird ein zu kühlender supraleitender Elektromagnet (2) in Form eines zylindrischen, axial symmetrischen Rings aus einer unter Luftabschluss komprimierten Kupferspule (2b) mit einem exponierten ferro-magnetischen Kernzylinder (2a) verwendet, der ein ausreichendes magnetisches Kraftfeld erzeugt (bis 3 tesla) und die Feldlinien seines polseitigen Magnetfeldes möglichst stark entlang der Longitudinal-Achse (36, 39) zu konzentrieren vermag, gefolgt von der ausreichenden magnetischen Ankopplung der Katheterspitze (14b). Der während der Navigation resultierende Abstand des Pols, s. (39), vom zugewandten Pol der Katheterspitze (14b) ist abhängig von der jeweiligen Position des Magneten und der anzutreffenden Lage des Gefäßes und wird mit 10–40 cm veranschlagt. Die zu durchdringenden Medien (41) bestehen neben der Luft zwischen Pol und Schädeldach zum einen in Haut, Schädelknochen, Hirnhäute, Liquor und Gefäßwand zum anderen im Hirngewebe unterschiedlicher Dicke bis zum Ziel-Gefäß (34 bzw. 37), und stellen einen überindividuell gering schwankenden Anteil dieses Abstands dar. Eine Magnetfeldstärke von 0,5–2 tesla könnte ausreichend sein. Die Ausdehnung des Kernzylinders wird wahrscheinlich einen Durchmesser der Polfläche von 12–15 cm und eine Länge von 45–50 cm erreichen.As in and is shown as an executive element of the control loop is a single solenoid ( 2 ) provided ("single-coil system"). When adapting to the needs of this navigation system, it makes use of already available technical possibilities: it becomes a superconducting electromagnet to be cooled ( 2 ) in the form of a cylindrical, axially symmetrical ring of a compressed under air close copper coil ( 2 B ) with an exposed ferromagnetic core cylinder ( 2a ), which generates a sufficient magnetic force field (up to 3 tesla) and the field lines of its poles magnetic field as strong as possible along the longitudinal axis ( 36 . 39 ), followed by sufficient magnetic coupling of the catheter tip ( 14b ). The distance of the pole during navigation, s. ( 39 ), from the facing pole of the catheter tip ( 14b ) depends on the position of the magnet and the position of the vessel and is estimated at 10-40 cm. The media to be penetrated ( 41 ) exist in addition to the air between pole and skull roof on the one hand in the skin, skull bones, meninges, cerebrospinal fluid and vessel wall on the other in the brain tissue of different thickness to the target vessel ( 34 respectively. 37 ), and represent an overindividually small fluctuating portion of this distance. A magnetic field strength of 0.5-2 tesla could be sufficient. The expansion of the core cylinder is likely to reach a pole face diameter of 12-15 cm and a length of 45-50 cm.

Zur Wasserkühlung wird ein Fluss von etwa 0,4–0,5 gpm. ausreichend sein (in nicht dargestellt).For water cooling, a flow of about 0.4-0.5 gpm. be sufficient (in not shown).

Ein hydraulisch bewirktes Vorschieben und Zurückziehen des Eisenkerns im Inneren des Magneten, um den Magnetpol variabel auszudehnen und die Konzentration der Feldlinien zu verändern, ist hier zunächst nicht vorgesehen (Ein mögliches Erfordernis wird sich aus der vorklinischen Anwendung des Verfahrens ergeben).A hydraulically effected advancement and retraction of the iron core inside the magnet to expand the magnetic pole variably and to change the concentration of the field lines is not initially provided here (a possible requirement will result from the preclinical application of the method).

Ein parabolisches, den Magneten umgebendes, entsprechend beschichtetes Schild, das ebenso zu einer Verstärkung des Kraftfeldes führen könnte, ist ebenfalls zunächst nicht vorgesehen (in nicht dargestellt).A parabolic, the magnet surrounding, appropriately coated shield, which could also lead to an amplification of the force field is also not initially provided (in not shown).

Die motorisierte Mechanik ist konzipiert, das Gewicht des Zugmagneten zu tragen und gleichzeitig seine ausreichend exakte räumliche Ausrichtung zu ermöglichen. Wie in , und dargestellt, ist ein C-Bogen (1) aus Stahl (oder aus einem anderen ausreichend belastbaren Material bestehend) vorgesehen, der den Magneten innenseitig führt. Der C-Bogen umgibt das betreffende Körperteil in einem Abstand, der ausreichend Raum für den Magneten lässt, aber auch eine möglichst große Nähe der Polfläche zur Körperoberfläche ermöglicht.The motorized mechanism is designed to support the weight of the pull magnet while allowing for its sufficiently precise spatial orientation. As in . and shown is a C-arm ( 1 ) made of steel (or made of another sufficiently strong material), which guides the magnet inside. The C-arm surrounds the body part in question at a distance that leaves enough space for the magnet, but also allows the greatest possible proximity of the pole face to the body surface.

Die Konstruktion umfasst eine „innere” ( und ) und „äußere” Mechanik ( ). Ihre Kombination ermöglicht dem Magneten einen Beweglichkeitsgrad in allen Raumrichtungen – durch sein Verschieben entlang des Bogens (3e), gezogen von einem Motorblock (3a), der sich innerhalb einer Schiene des C-Bogens fortbewegt (3c), durch das Schwenken des Bogens (1a) vermittelt durch einen weiteren Motorblock (6) sowie durch die Neigung (3d) der magnetischen Achse gegenüber der Ebene des C-Bogens, vermittelt über ein Kugelgelenk (3b).The construction includes an "inner" ( and ) and "outer" mechanics ( ). Their combination allows the magnet a degree of flexibility in all spatial directions - by moving along the arc ( 3e ), pulled by an engine block ( 3a ) moving within a rail of the C-arm ( 3c ), by pivoting the bow ( 1a ) mediated by another engine block ( 6 ) as well as by the inclination ( 3d ) of the magnetic axis with respect to the plane of the C-arm, mediated by a ball joint ( 3b ).

Der Bewegungsumfang des Magneten wird nochmals erweitert durch die Drehung des C-Bogens (1b) um die Ebene, die er umgreift, vermittelt durch ein mit einer weiteren Gleitschiene des Bogens artikulierenden, motorisierten Gelenk (4), das am stehenden Element der tragenden Haltevorrichtung (5) angebracht ist. Diese Drehung gestattet eine weiter reichende Lateralisierung des Magneten zu beiden Enden des C-Bogens. Sie ist jedoch nicht immer in allen Ebenen (horizontale, vertikale oder geneigte Ebenen) möglich bzw. nur eingeschränkt ausführbar, aufgrund des Raumbedarfs des betreffenden Körperteils (27, sog. „exclusive zone”). The range of motion of the magnet is further extended by the rotation of the C-arm ( 1b ) around the plane which it encompasses, mediated by a motorized joint articulating with another slide rail of the arch ( 4 ) standing on the stationary element of the supporting fixture ( 5 ) is attached. This rotation allows for further lateralization of the magnet to both ends of the C-arm. However, it is not always possible in all levels (horizontal, vertical or inclined planes) or can only be executed to a limited extent, due to the space requirement of the relevant body part (FIG. 27 , so-called "exclusive zone").

Die Abfolge der Magnet-Bewegung und die entsprechende Kette von Positionsbefehlen an die Motoren der Mechanik wurden bereits zu Beginn des Verfahrens im Rahmen der konstruierten Datengrundlage generiert und werden während der Navigation von der Systemsteuerung (16) an die „innere” und „äußere” Mechanik (29, 30) gerichtet. Da neben der longitudinalen Konzentration der magnetischen Feldlinien auch die Schritt-Intervalle beim Richtungswechsel des Magneten Einfluss auf die exakte Ausrichtung der Kraftwirkung und auf die magnetische Ankopplung der Katheterspitze haben, werden bei der Generierung der Datengrundlage möglichst kleinschrittige Bewegungs-Segmente (im Millimeter-Bereich oder als nahezu kontinuierliche Bewegung) angestrebt – entsprechend der möglichst kleinschrittigen Segmentierung des Gefäßverlaufs.The sequence of the magnetic movement and the corresponding chain of position commands to the motors of the mechanics were already generated at the beginning of the method in the context of the constructed data base and are used during navigation by the system control ( 16 ) to the "inner" and "outer" mechanics ( 29 . 30 ). Since in addition to the longitudinal concentration of the magnetic field lines and the step intervals in the change of direction of the magnet affect the exact alignment of the force and the magnetic coupling of the catheter tip, as small as possible motion segments (in the millimeter range or as a nearly continuous movement) - in accordance with the smallest possible possible segmentation of the vessel course.

Der Untersucher behält die Möglichkeit, die Bewegung und Ausrichtung des Magneten zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens selbst über sein Interface (43) vorzunehmen, indem er die Länge und Anzahl der Einzelschritte vorgibt und die Raumrichtung mittels eines geeigneten Equipments beeinflusst.The examiner retains the ability to control the movement and orientation of the magnet itself at any point in the procedure ( 43 ) by specifying the length and number of individual steps and influencing the spatial direction by means of suitable equipment.

Ein weiteres exekutives Element, dargestellt in , besteht in einer motorisierten mechanischen Apparatur (Holder) (8), die sich außerhalb des Körpers befindet, den Katheterschlauch bis zur Eintrittsstelle in den Körper (sog. „Schleuse”) führt (8i) und mittels einer Anordnung von 5 quer zur Längsachse des Katheters gestellten Führungs-Walzen (8a) einen kontinuierlichen, komprimierenden Druck auf den Katheterschlauch ausübt, welcher der kontinuierlich auf die Katheterspitze wirkenden Zugkraft des Magneten einen Rückhalt entgegensetzt und den Einzug während des Einzug-Intervalls verhindert.Another executive element, shown in , consists in a motorized mechanical apparatus (Holder) ( 8th ), which is located outside the body, the catheter tube to the point of entry into the body (so-called "lock") leads ( 8i ) and by means of an array of 5 transverse to the longitudinal axis of the catheter guide rollers ( 8a ) exerts a continuous, compressive pressure on the catheter tube which opposes the pulling force of the magnet continuously acting on the catheter tip and prevents the insertion during the collection interval.

Der Einzug erfolgt mit der kontrollierten Rotation der 5 Führungs-Walzen (8a), die auf diese Weise ein Segment des Katheterschlauchs mit variabler Länge und mit variabler Geschwindigkeit „freigeben” und seinen Einzug durch die kontinuierlich wirksame magnetische Zugkraft „erlauben” (permissiver Einzug). Anzahl und Längen aller Einzug-Segmente wurden am Beginn des Verfahrens bereits bei der Konstruktion der Datengrundlage (17) bestimmt. Sie sind jedoch auch zu jedem späteren Zeitpunkt durch den Untersucher definierbar (43).The feeder takes place with the controlled rotation of the 5 guide rollers ( 8a ), thus "releasing" a segment of the variable length variable speed catheter tubing and "permitting" its entry through the continuous effective magnetic pull force (permissive indentation). Numbers and lengths of all indentation segments were already included in the construction of the data base ( 17 ) certainly. However, they can also be defined by the examiner at any later time ( 43 ).

Der Holder verfügt über eine gläserne Einfassung (8j) zur besseren Beobachtbarkeit seiner Funktionen und ist mit einer langgestreckten Führungsschiene (8h) fest verbunden, die den Katheterschlauch (14d) innerhalb einer absichernden Rinne vor Eintritt in den Holder (8g) und nach Austritt (8i) bis zur sog. „Schleuse” (Eintritt in den Körper) führt. Der Motorblock umfasst 5 separierte Elektromotoren (8b), deren Antriebswellen in die jeweiligen Rotationsstäbe (8k) der Walzen übergehen. Während die 3 unter dem Katheterschlauch positionierten Walzen und die zugehörigen 3 Motoren über feste Rollager (8d) bzw. Aufhängungen verfügen, besitzen die 2 über dem Katheterschlauch positionierten Walzen mit ihren entsprechenden Motoren eine in vertikaler Richtung „abfedernde” Aufhängung in Form einer vorderen Schiene (8c) mit 2 Rollagern für die Rotationsstäbe der beiden Walzen und einer entsprechend federnden Aufhängung für die Motoren.The Holder has a glass surround ( 8j ) for better observability of its functions and is provided with an elongate guide rail ( 8h ) which connects the catheter tube ( 14d ) within a securing channel before entry into the holder ( 8g ) and after leaving ( 8i ) leads to the so-called "lock" (entry into the body). The engine block comprises 5 separate electric motors ( 8b ), the drive shafts in the respective rotary rods ( 8k ) pass over the rollers. While the 3 rollers positioned under the catheter tube and the associated 3 motors have fixed roller bearings ( 8d ) or suspensions, the 2 rollers positioned above the catheter tube, with their respective motors, have a "spring-loaded" suspension in the form of a front rail (FIG. 8c ) with 2 roller bearings for the rotating rods of the two rollers and a corresponding resilient suspension for the engines.

Die beiden oberen Walzen und ihre Motoren werden von 2 Kompressoren (8f) flankiert, die einen variablen Druck sowohl auf die quer zu ihnen verlaufende vordere Schiene (8c), als auch auf eine hintere, quer zu ihnen verlaufende Schiene (8e), die den beiden oberen Elektromotoren (8b) aufliegt, ausüben. Dadurch kommt es zur Absenkung der beiden oberen Walze-Motor-Einheiten, damit zur Komprimierung und zum Rückhalt des Katheterschlauchs. Die beiden Kompressoren arbeiten synchron und senken die vordere und hintere Schiene um das gleiche, zur ausreichenden Kompression des Schlauchs notwendige Maß herab, das gleichzeitig noch eine Rotation der Walzen erlaubt.The two upper rollers and their engines are powered by 2 compressors ( 8f flanking a variable pressure on both the transverse to them front rail ( 8c ), as well as on a rear, transverse to them rail ( 8th ), the two upper electric motors ( 8b ) exercise. This results in the lowering of the two upper roller motor units, thus for compression and retention of the catheter tube. The two compressors work synchronously and lower the front and rear rails by the same amount necessary for sufficient compression of the hose, which at the same time allows rotation of the rollers.

Die Elektromotoren unterliegen der Systemsteuerung (32), von der sie während der Navigation, etwa im Fall einer zwischengeschalteten Retraktion des Katheters, entsprechende Signale empfangen. Sie arbeiten ebenfalls synchron und erlauben die Rotation der Walzen in beide Drehrichtungen und mit variabler Geschwindigkeit. Unter anhaltender Komprimierung des Katheterschlauchs (und fortwährend wirksamer Zugkraft auf die Katheterspitze) erfolgt der Einzug mit der bezüglich Geschwindigkeit und Dauer kontrollierten synchronen Rotation der Walzen. Während des kontrollierten Einzugs bleibt der Rückhalt also weiterhin wirksam, was ein unkontrolliertes Vorschnellen des Katheters (und entsprechende Traumatisierungen der Gefäßwände) verhindert. Der Einzug stoppt mit dem Stoppen der Rotation.The electric motors are subject to the system control ( 32 ) from which they receive appropriate signals during navigation, such as in the case of an intermediate retraction of the catheter. They also work synchronously and allow the rollers to rotate in both directions of rotation and at variable speed. With continued compression of the catheter tubing (and continued effective traction on the catheter tip), retraction is accomplished with the speed and duration of controlled synchronous rotation of the rollers. During controlled collection, the retention thus remains effective, preventing uncontrolled rashing of the catheter (and corresponding trauma to the vessel walls). The feeder stops when the rotation stops.

Die Rotation in anderer Drehrichtung erlaubt eine kontrollierte Retraktion des Katheters, wie auch seine Entfernung aus dem Gefäß. Im Falle einer in longitudinaler Richtung nicht mehr beweglichen Katheterspitze, was auf eine erhebliche Deviation, ihre Einklemmung oder auf einen stenosebedingten Widerstand hinweist, kann das entgegen gerichtete Rotieren der Führungs-Walzen und eine bemessene Retraktion des Katheters genutzt werden, um ihn (und auch die Systemsteuerung) auf die jeweils vorausgegangene Position zurückzusetzen und die Katheterspitze dadurch zu remobilisieren.The rotation in a different direction of rotation allows a controlled retraction of the catheter, as well as its removal from the vessel. In the case of a longitudinally no longer movable Catheter tip, indicating substantial deviation, entrapment, or stenotic resistance, the counter-rotating of the guide rollers and a measured retraction of the catheter can be used to reset it (and also the system control) to the previous position, respectively Remobilize the catheter tip.

Die Drehung der Führungs-Walzen ist mit einer kontinuierlichen Längenkontrolle (33) der Einzugs-Segmente verbunden, deren Ergebnisse fortlaufend an die Systemsteuerung geleitet werden und zum Abgleich mit den zuvor errechneten Werten der Datengrundlage und damit auch zur Detektion von Fehlern bzw. Störungen des Einzugs dienen.The rotation of the guide rollers is controlled by a continuous length control ( 33 ) of the intake segments whose results are routed continuously to the system control and for comparison with the previously calculated values of the data base and thus also for the detection of errors or disturbances of the collection.

Sowohl während des Einzugs, als auch während der Einzug-Intervalle gerät die Katheterspitze, die sich jeweils im entsprechenden Einzug-Segment (37) des Gefäßes (34) befindet in eine besondere Positionierung („Aufhängung”) zwischen 2 entgegengesetzten Kräften, dargestellt in , nämlich die kontinuierlich auf die Katheterspitze wirkende Zugkraft des ausgerichteten Elektromagneten (2) sowie der gleichzeitige über den Katheterschlauch vermittelte, mechanische Rückhalt durch den Holder (8). Dieser entgegengesetzte Kraftansatz bewirkt einerseits eine dauerhafte longitudinale Anspannung des Katheterschlauchs (14d), unterstützt gleichzeitig aber auch die magnetische Ankopplung der Katheterspitze (14a) und ihre exakte Ausrichtung am longitudinalen Zug-Gradienten (36) bzw. wirkt einem seitlichen Abweichen der Katheterspitze entgegen.Both during the collection, as well as during the collection intervals, the catheter tip, which in each case in the corresponding indentation segment ( 37 ) of the vessel ( 34 ) is in a special position ("suspension") between 2 opposing forces, shown in FIG namely, the traction force of the aligned electromagnet continuously acting on the catheter tip ( 2 ) and the simultaneous via the catheter tube mediated, mechanical support by the holder ( 8th ). This opposite force approach causes on the one hand a permanent longitudinal tension of the catheter tube ( 14d ), but at the same time supports the magnetic coupling of the catheter tip ( 14a ) and their exact alignment at the longitudinal tensile gradient ( 36 ) or counteracts a lateral deviation of the catheter tip.

Demgegenüber ist zu erwarten, dass die longitudinale Anspannung des Katheterschlauchs zu Gefäßwandschädigung und zur Loslösung von Plaques führen könnte, vorstellbar durch die Druckausübung und das „Schleifen” des Katheterschlauchs auf der inneren Gefäßwand (34a), insbesondere im Bereich von Gefäßwindungen und -abgängen (Das Auftreten und das Ausmaß dieser zweifellos schädigenden Wirkung wird durch vorklinische Evaluation zu klären sein). Der System-Algorithmus sieht zur Kontrolle dieses möglichen Risikofaktors die Anpassung der aufgewendeten Feldstärke des Zugmagneten innerhalb eines 'range' (0,5–2 tesla) vor mit Orientierung am Minimum der erforderlichen Feldstärke.On the other hand, it is to be expected that the longitudinal tension of the catheter tube could lead to vascular wall damage and detachment of plaques, conceivable by the pressure exerted and the "grinding" of the catheter tube on the inner vessel wall (FIG. 34a ), especially in the area of vascular turns and outlets (the occurrence and extent of this undoubtedly damaging effect will have to be clarified by preclinical evaluation). The system algorithm provides for the control of this potential risk factor to adjust the applied field strength of the pull magnet within a range (0.5-2 tesla) with orientation at the minimum required field strength.

Obwohl erwartet werden kann, dass sowohl Katheter, als auch Führungsdrähte unterschiedlichen Durchmessers und magnetisierten Materials für diverse klinische Aufgabenstellungen durch das vorgestellte Verfahren intravaskulär navigiert werden können, ist hier die Verwendung eines entsprechend dünnlumigen Mikrokatheters (14) (0,5–1,5 mm Durchmesser) vorgesehen, dargestellt in , dessen klinischer Nutzen im Wesentlichen bei der Rekanalisierung akuter Gefäßverschlüsse mittels Lyse liegen dürfte. Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt den Verzicht auf die Verwendung von Führungsdrähten und führt auch dadurch zu einer nicht unerheblichen Zeitersparnis.Although it can be expected that both catheter, as well as guide wires of different diameter and magnetized material for various clinical tasks can be navigated intravascularly by the presented method, here is the use of a correspondingly thin-lumen microcatheter ( 14 ) (0.5-1.5 mm diameter), shown in FIG whose clinical benefit is essentially due to the recanalization of acute vascular occlusions by lysis. The method presented here allows the abandonment of the use of guidewires and thereby also leads to a considerable time savings.

Für die Konzeption des Mikrokatheters kann auf vielfältige, sich bereits im klinischen Einsatz befindliche Modelle zurückgegriffen werden:
Mit dem Ziel, einen möglichst punktförmigen Ansatz der Zugkraft an der Katheterspitze zu erreichen, bildet ein zylindrischer permanenter Magnet (14b) möglichst kleiner Polfläche (0,5–1,5 mm Durchmesser) den vorderen Bereich der Katheterspitze (14a). Seine magnetische Achse ist in Längsachse des Katheters ausgerichtet und seine Polfläche nach vorn konisch zugespitzt, um das magnetische Ankoppeln zu verbessern. Geeignete, magnetisch gut ansprechende Materialien sind verfügbar, wie etwa NbFe35, NdFeB (Neodym-Eisen-Barium) oder SMCo5 (Samarium-Cobalt). An den Magneten schließt sich die detektionsbezogene Vorrichtung (14c) an, im vorliegenden Verfahren ein umgreifender (0,5–1,0 mm Durchmesser), möglichst schmaler (0,5 mm) Ring aus polymerisiertem Kunststoff, dessen intraluminäre Position vom verwendeten elektromagnetischen (RADAR-)System zu bestimmen ist. Die Katheterspitze sollte dabei eine Gesamtlänge von 2,5 mm nicht überschreiten, um enge Richtungswechsel auch innerhalb von Gefäßen mit Durchmessern von 2–3 mm noch zu ermöglichen.
The design of the microcatheter can be based on a variety of models already in clinical use:
With the aim to achieve a point-like approach of the tensile force at the catheter tip, forms a cylindrical permanent magnet ( 14b ) smallest possible pole surface (0.5-1.5 mm diameter) the front area of the catheter tip ( 14a ). Its magnetic axis is aligned in the longitudinal axis of the catheter and tapered its pole face forward to improve the magnetic coupling. Suitable magnetically responsive materials are available, such as NbFe35, NdFeB (Neodymium-Iron-Barium), or SMCo5 (Samarium-Cobalt). The magnet is followed by the detection-related device ( 14c ), in the present method a encompassing (0.5-1.0 mm diameter), as narrow as possible (0.5 mm) ring of polymerized plastic whose intraluminar position is to be determined by the electromagnetic (RADAR) system used. The catheter tip should not exceed a total length of 2.5 mm in order to allow close directional change even within vessels with diameters of 2-3 mm.

Das verwendete Schlauch-Material (14d), das auch die Katheterspitze umschließt, weist neben einer sehr glatten Oberfläche bestimmte mechanische Eigenschaften auf: Bei der Verwendung sehr dünner Katheterschläuche (0,5 mm Durchmesser) wird eine große Flexibilität bewahrt, was die Beweglichkeit der Katheterspitze verbessert und enge Richtungswechsel mit möglichst kleinem Radius erlaubt. Allerdings lässt im vorgestellten Verfahren die kontinuierliche „Aufhängung” des Katheters zwischen Zugkraft und Rückhalt eine longitudinale Anspannung des Schlauchs erwarten, was wiederrum seine Flexibilität und damit die Führbarkeit der Katheterspitze einschränken mag. Auch diesbezüglich sieht der Steuer-Algorithmus des Systems stets die Anwendung einer möglichst niedrigen Feldstärke des Zugmagneten vor, um diesen Effekt zu begrenzen.The used hose material ( 14d ), which also encloses the catheter tip, has certain mechanical properties in addition to a very smooth surface: When using very thin catheter tubes (0.5 mm diameter) a great flexibility is maintained, which improves the mobility of the catheter tip and close changes of direction with as small as possible Radius allowed. However, in the presented method, the continuous "suspension" of the catheter between traction and retention can be expected to cause longitudinal tension on the tube, which in turn may limit its flexibility and thus the maneuverability of the catheter tip. Also in this regard, the control algorithm of the system always provides for the application of the lowest possible field strength of the pull magnet to limit this effect.

Gleichzeitig erfordert die besondere Positionierung des Katheters zwischen Zugkraft und Rückhalt eine möglichst geringe Elastizität in Längsrichtung, um eine passagere Dehnung des Schlauchs mit Abweichen der Katheterspitze zu vermeiden.At the same time, the special positioning of the catheter between tensile force and retention requires the least possible elasticity in the longitudinal direction in order to avoid a transient expansion of the tube with deviation of the catheter tip.

Flexibilität des Schlauchmaterials, Länge der Katheterspitze und die Art des Kraftansatzes (Zugkraft) nehmen wesentlichen Einfluss auf die Lage des Drehpunktes beim Richtungswechsel des Katheters. Flexibilität des Schlauchs und Kürze der Katheterspitze sind soweit zu optimieren, dass sich ein möglichst weit nach vorn gelagerter Drehpunkt ergibt. Zur weiteren Optimierung der Flexibilität des Schlauchs möglichst nah der Katheterspitze, sind 4 Perforationen („Schlitze”) (14e) in Längsrichtung des Katheters, jeweils um 45° versetzt unmittelbar hinter der Katheterspitze vorgesehen, um insbesondere diesen Abschnitt als Drehpunkt zu prädisponieren.Flexibility of the tubing, length of the catheter tip and the type of force application (tensile force) have a significant influence on the position of the fulcrum when changing the direction of the catheter. Flexibility of the tube and shortness of the catheter tip are to be optimized so far that there is a pivot point mounted as far forward as possible. To further optimize the flexibility of the tube as close as possible to the catheter tip, there are 4 perforations ("slots") ( 14e ) in the longitudinal direction of the catheter, each offset by 45 ° provided immediately behind the catheter tip, in particular to predispose this section as a fulcrum.

Zudem erfolgt der Austritt des Lyse-Präparates und des Kontrastmittels durch diese Perforationen.In addition, the leakage of the lysis preparation and the contrast agent through these perforations.

Der Regelkreis der Navigation wird geschlossen durch seinen detektierenden Schenkel, bei dem auf eine elektromagnetische Detektion, über die bereits Daten und klinische Erfahrungen vorliegen, zurückgegriffen wird. Sie dient der ausreichend exakten Positions-Bestimmung der Katheterspitze in Echtzeit.The control loop of the navigation system is closed by its detecting limb, which makes use of electromagnetic detection, which already has data and clinical experience. It is used for sufficiently accurate position determination of the catheter tip in real time.

Bei der Wahl des Detektionsverfahrens (es befinden sich derzeit kapazitive, induktive, optische und elektromagnetische Verfahren in diesem hoch spezialisierten Anwendungsgebiet in Gebrauch bzw. Evaluation) lag die Priorität in einem wenig aufwendigen Verfahren, das in Gegenwart starker magnetischer Felder funktioniert und dichte Strukturen (Knochen) durchdringt, das über eine hohe Auflösung und sensible Erkennung verfügt und das die Positionsdaten zur Lage der Katheterspitze in Echtzeit sowie in elektronischer Form an die Systemsteuerung liefern und somit auch eine wichtige Voraussetzung für einen automatisierten Ablauf des Navigations-Verfahrens liefern kann (visuelle Verfahren, wie etwa die biplanare Fluoroskopie, bringen es im Unterschied dazu mit sich, dass der Untersucher in den Regelkreis des Verfahrens notwendigerweise eingebunden bleibt, indem er das Bildmaterial/Visualisierung des Geschehens beurteilt und entsprechende Entscheidungen trifft).When selecting the detection method (currently there are capacitive, inductive, optical and electromagnetic methods in this highly specialized field of application or evaluation), priority has been given to a low cost procedure that works in the presence of strong magnetic fields and dense structures (bone penetrating, which has a high resolution and sensitive detection and which provide the position data on the position of the catheter tip in real time and in electronic form to the system controller and thus can also provide an important prerequisite for an automated procedure of the navigation method (visual methods, such as biplanar fluoroscopy, by contrast, entail that the examiner necessarily remains involved in the control loop of the procedure by judging the visual material / visualization of the event and making appropriate decisions).

Für die Anwendung der elektromagnetischen Detektion ist es ebenso vorteilhaft, dass sie unterschiedliche Konfigurationen zulässt und somit Anpassungen ermöglicht an praktische Erfordernisse, die sich erst bei Realisierung und Anwendung des Navigationsverfahrens ergeben mögen (UW-RADAR, Continuous-Wave-(CW)-Radar, Frequency-Modulated-(FM-CW)-Radar oder Pulse-Doppler-Radar).For the application of electromagnetic detection, it is also advantageous that it allows different configurations and thus allows adjustments to practical requirements that may arise only when implementing and applying the navigation method (UW-RADAR, Continuous Wave (CW) Radar, Frequency Modulated (FM-CW) Radar or Pulse Doppler Radar).

Ihre koordinaten-orientierte Datenstruktur, die sich auf das Koordinatensystem der Navigation beziehen lässt, bedeutet einen weiteren Vorteil gegenüber anderen Detektions-Verfahren.Their coordinate-oriented data structure, which can be related to the coordinate system of navigation, represents a further advantage over other detection methods.

Die gewählte elektromagnetische Detektion erreicht das Ziel ihrer Aufgabe, indem sie die energetischen Unterschiede der Materialien in der Katheterspitze vor dem Umgebungshintergrund erkennt („RADAR-Signatur”) und auf ein integriertes räumliches Koordinaten-System bezieht, das sich wiederrum mit dem Koordinatensystem der Navigation in Deckung bringen lässt.The selected electromagnetic detection achieves the goal of its task by detecting the energetic differences of the materials in the catheter tip against the background of the environment ("RADAR signature") and referring to an integrated spatial coordinate system, which in turn is based on the coordinate system of navigation in Cover can be brought.

stellt die implementierte Detektion dar: Dabei werden sequentielle UWB-Signale von 4–6 Antennen (15b) abgegeben und empfangen, die möglichst nah am Patienten am Boden und oberhalb des C-Bogens (1) positioniert sind. Der Abstand zum Kopf des Patienten ist mit etwa 80 cm zu veranschlagen (s. ). represents the implemented detection: sequential UWB signals from 4-6 antennas ( 15b ) as close as possible to the patient on the floor and above the C-arm ( 1 ) are positioned. The distance to the head of the patient should be estimated at about 80 cm (s. ).

Die von der Katheterspitze (14c) reflektierten Signale werden zu einem Radio-Frequenz-Modul (15) geleitet, derart zu einer „Signatur” verändert, dass sie sich optimal von den Signalen der Umgebung abgrenzen lassen, verstärkt und auf ein integriertes Koordinatensystem bezogen, dessen 8 „Marker” ebenfalls patientennah im C-Bogen sowie in einem weiteren C-Bogen mit orthogonaler Position zum Haupt-C-Bogen so angeordnet sind, dass sie die Eckpunkte eines Würfels beschreiben (bei synchronem Schwenken beider C-Bögen) und ihre Echo-Signale zum Aufbau des Koordinatensystems (15a) genutzt werden können. Der Abstand zwischen zwei Markern ist mit etwa 80 cm zu veranschlagen.From the catheter tip ( 14c ) reflected signals become a radio frequency module ( 15 ), so changed to a "signature" that they can be optimally distinguished from the signals of the environment, reinforced and related to an integrated coordinate system, its 8 "marker" also close to the patient in the C-arm and in another C-arm with Orthogonal position to the main C-arm are arranged so that they describe the corner points of a cube (with synchronous pivoting of both C-arms) and their echo signals to build the coordinate system ( 15a ) can be used. The distance between two markers is estimated at about 80 cm.

Danach erfolgt die Umwandlung in elektronische Impulse durch einen Analog-Digital-Converter zur weiteren Verarbeitung durch die Systemsteuerung (15e und 16). Die Positionsdaten werden hier schließlich auf das Koordinatensystem der Navigation bezogen und mit der bereits generierten Datengrundlage verglichen. Dabei erscheint die Detektion ausreichend sensibel und präzise, um auch geringfügige systematische Fehler bei der horizontalen Verschiebung des Patienten und beim Herstellen der räumlichen „Deckungsgleichheit” von generierter Datengrundlage und der realen Position der Katheterspitze (des Gefäßverlaufs) festzustellen. Mögliche Abweichungen wären unmittelbar bei Beginn der Navigation bereits erkennbar und einer Korrektur zugänglich. Möglicherweise ergeben sich während der Entwicklung noch Möglichkeiten, Präzision und Sensibilität, z. Bsp. durch veränderte Antennen-Positionen, zu optimieren.Thereafter, the conversion into electronic pulses by an analog-to-digital converter for further processing by the system controller ( 15e and 16 ). The position data are finally referred to the coordinate system of the navigation and compared with the already generated data base. The detection appears to be sufficiently sensitive and precise in order to detect even slight systematic errors in the horizontal displacement of the patient and in establishing the spatial "congruence" of the generated data basis and the actual position of the catheter tip (the course of the vessel). Possible deviations would already be recognizable immediately at the beginning of the navigation and a correction accessible. Possibly, there are still possibilities, precision and sensitivity during the development, eg. Eg by changing antenna positions, to optimize.

Das Erkennen und Abbilden der momentanen räumlichen Orientierung der intravaskulären Katheterspitze (Möglichkeiten, die sich aus einer sehr hohen Auflösung des Detektionssystems sowie aus der Verwendung von 2 Detektionsspulen in der Katheterspitze ergeben können) haben für das vorgestellte Navigationsverfahren und für die ausschließlich intravaskuläre Katheterisierung keine wesentliche Bedeutung: Denn geringere seitliche Abweichungen der Spitze vom idealen Weg erscheinen tolerabel, während den größeren, den Fortgang störenden Abweichungen einerseits durch die fortwährende Ausrichtung der Spitze am Zug-Gradienten entgegengewirkt wird und andererseits – zumindest bei dünnlumigen Gefäßen – durch die kanalisierenden Gefäßwände Grenzen gesetzt werden.The recognition and imaging of the current spatial orientation of the intravascular catheter tip (possibilities that may result from a very high resolution of the detection system as well as the use of 2 detection coils in the catheter tip) have for the presented navigation method and for exclusively intravascular catheterization not essential : Lesser lateral deviations of the tip from the ideal path appear tolerable, while the larger, the progress Disturbing deviations are counteracted on the one hand by the continuous alignment of the tip on the tensile gradient and on the other hand - at least in thin-lumen vessels - are set by the canalizing vessel walls limits.

Das kontrollierte und synchronisierte Zusammenwirken der exekutiven und detektierenden Anteile des Regelkreises, dargestellt in , wird durch die softwaregestützte Systemsteuerung (16) auf der Grundlage der generierten Datengrundlage und ihrem fortwährenden Abgleich mit der detektierten Position der Katheterspitze realisiert.The controlled and synchronized interaction of the executive and detecting components of the control loop, presented in , is controlled by the software-based control panel ( 16 ) based on the generated data base and its continuous alignment with the detected position of the catheter tip realized.

Sie erhält fortlaufende Daten der Detektion (15) zur aktuellen Position der Katheterspitze, setzt sie in Beziehung zu den Daten der generierten Datengrundlage (17) des Systems und nimmt kontinuierlich in Übereinstimmung mit dem Gefäßverlauf (d. h. dessen „deckungsgleicher” Reproduktion) die exakte Ausrichtung des Magnetfeldes (29, 30) vor, indem sie entsprechende Steuerbefehle an die Motoren der Mechanik des Elektromagneten sendet.It receives continuous data of the detection ( 15 ) to the current position of the catheter tip, it relates to the data of the generated data base ( 17 ) of the system and continuously takes in accordance with the course of the vessel (ie its "congruent" reproduction) the exact orientation of the magnetic field ( 29 . 30 ) by sending appropriate control commands to the motors of the mechanics of the electromagnet.

Synchron ergeht eine entsprechende Befehlsabfolge an die Mechanik des Holders (32), um ein bestimmtes Einzugs-Segment definierter Länge mit definierter Geschwindigkeit frei zu geben an die Zugkraft (31) des Magneten, die ebenfalls synchron an den jeweiligen Abstand zwischen Magnetpol und Katheterspitze angepasst wird über entsprechende Anweisungen an die Spannungsgenerierung des Magneten.A corresponding command sequence is sent synchronously to the mechanics of the holder ( 32 ) to release a specific intake segment of defined length at a defined speed to the tensile force ( 31 ) of the magnet, which is also adapted synchronously to the respective distance between magnetic pole and catheter tip via appropriate instructions to the voltage generation of the magnet.

Nach abgeschlossenem Einzug des Katheter-Segments erhält die Systemsteuerung „im Sinne eines Feed-backs” Information über die tatsächliche Einzugslänge (Holder) und über die neue tatsächliche Position der Katheterspitze (Detektion).Upon completion of the catheter segment retraction, the system controller receives "feedback" information about the actual capture length (Holder) and the new actual position of the catheter tip (detection).

Bereits vor dem Beginn der Navigation, wie auch in engen zeitlichen Abständen während der Navigation, analysiert die Systemsteuerung die gewonnenen Daten im Hinblick auf eine ausreichende „Deckungsgleichheit” und korrigiert die Abweichung entweder automatisch oder gibt Anweisungen zur Fehlerkorrektur an den Untersucher, die zunächst über eine Korrektur der Patient-Position erfolgen.Already before the start of the navigation, as well as in close temporal distances during the navigation, the system control analyzes the obtained data with regard to a sufficient "congruence" and corrects the deviation either automatically or gives instructions to the examiner, who first over a Correction of patient position done.

Eine Korrektur durch erneutes Generieren einer angepassten Datengrundlage ist im Algorithmus jedoch auch vorgesehen. Eine Entscheidung darüber trifft der Untersucher.However, a correction by regenerating a customized data foundation is also provided in the algorithm. A decision is made by the investigator.

Implementierte Algorithmen stellen das Beherrschen möglicher Problemsituationen sowie die Korrektur möglicher Fehler während der Navigation sicher und stellen damit eine wesentliche Grundlage für die Sicherheit, die Geschwindigkeit und für einen automatisierten Ablauf des Verfahrens her.Implemented algorithms ensure the mastery of possible problem situations as well as the correction of possible errors during the navigation and thus provide an essential basis for the security, the speed and for an automated procedure of the procedure.

Als Beispiel für eine zu erwartende Problemstellung mögen starke Widerstände gegen den weiteren Einzug des Katheters dienen: Der Algorithmus hat daraufhin zunächst zu unterscheiden, ob allein eine mangelnde „Deckungsgleichheit” von Navigation und realem Gefäßverlauf besteht, ob allein eine Stenose (mit möglicher Deviation der Katheterspitze) den Widerstand bedingt oder ob es sich um eine Kombination aus beidem handelt. Aufgrund des Ergebnisses dieser Analyse kann eine automatische oder eine durch den Untersucher bestimmte Fehler- bzw. Problemkorrektur erfolgen, wie zum Beispiel ein horizontales Nachjustieren der Position des Patienten am Untersuchungstisch, ein Retrahieren des Katheters zur Remobilisierung der Katheterspitze oder eine passagere Erhöhung der magnetischen Feldstärke.As an example of a problem to be expected may strong resistance against the further insertion of the catheter serve: The algorithm then has to first distinguish whether there is only a lack of "congruence" of navigation and real vessel course, whether alone a stenosis (with possible deviation of the catheter tip ) the resistance or whether it is a combination of both. Based on the result of this analysis, an automatic or investigator-determined error or problem correction may be made, such as horizontally readjusting the patient's position on the examination table, retracting the catheter to remobilize the catheter tip or increasing the magnetic field temporarily.

Unter definierten (vor dem Verfahren jeweils festzulegenden) Bedingungen stoppt die Systemsteuerung das automatische Verfahren mit einer entsprechenden Fehler- bzw. Problem-Meldung und übergibt es der Steuerung durch den Untersucher über ein entsprechendes Interface (Modus-Wechsel). Dabei stellt die Systemsteuerung bereits einen angepassten Handlungsplan für das anschließende „Problem-Management” zur Verfügung. Diesen Modus-Wechsel kann auch der Untersucher selbst zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens herbeiführen.Under defined conditions (to be determined before the procedure), the system controller stops the automatic procedure with a corresponding error or problem message and transmits it to the controller through a corresponding interface (mode change). The system controller already provides a customized action plan for the subsequent "problem management". This mode change can also be brought about by the examiner himself at any time during the procedure.

Die Systemsteuerung präsentiert dafür dem Untersucher eine kontinuierliche synoptische Visualisierung der Vorgänge in Echtzeit am Monitor (44). Sie beinhaltet die Rekonstruktion des Gefäßverlaufs auf generierter Datengrundlage und die aktuelle Position der Katheterspitze, visualisiert das Maß an „Deckungsgleichheit” und zeigt im Falle einer intolerablen Abweichung dabei auch die Raumrichtung an, in welche eine Positionskorrektur zu erfolgen hätte (wobei zumeist eine horizontale Korrektur zu erwarten ist).The system controller presents the examiner with a continuous synoptic visualization of the processes in real time on the monitor ( 44 ). It contains the reconstruction of the course of the vessel on a generated data basis and the current position of the catheter tip, visualizes the degree of "congruence" and indicates in the case of an intolerable deviation while the spatial direction in which a position correction would have to be done (usually a horizontal correction to is expected).

Die Systemsteuerung stellt darüber hinaus die kriterien- und standardgemäße Dokumentation des Verfahrensverlaufes auf Datenträger sicher.In addition, the system control ensures the criteria and standard documentation of the process flow on data carrier.

Das vorgestellte Navigationssystem weist an unterschiedlichen Elementen des steuernden Regelkreises Möglichkeiten auf, die Leistung des Systems (insbesondere die Geschwindigkeit des Ablaufs und die Präzision, mit der die Positionierung des Katheters erfolgt) zu optimieren, was nur die weitere Entwicklung deutlich werden lässt. Ganz sicher aber würde das System von Veränderungen profitieren, die eine Verbesserung der magnetischen Ankopplung, Ausrichtung und Beweglichkeit der Katheterspitze herbeiführen. Insbesondere hier dürfte ein Potential für weitere Optimierungen bestehen.The presented navigation system has possibilities on different elements of the controlling loop to optimize the performance of the system (in particular the speed of the procedure and the precision with which the positioning of the catheter takes place), which only makes the further development clear. Certainly, the system would benefit from changes that bring about an improvement in the magnetic coupling, alignment and mobility of the catheter tip. In particular, there is likely to be potential for further optimization.

VI. Zu erwartender Nutzen VI. Expected benefits

Die günstige Beeinflussung wesentlicher mechanischer Parameter (Grad der Beweglichkeit der Katheterspitze, Präzision ihrer Lenkung, Querschnitt des Katheters) durch das Zusammenwirken aller Komponenten des dargestellten Regelkreises lässt für die klinische Anwendung des Verfahrens erwarten, dass

  • 1. bisher schwierig zu passierende anatomische Gegebenheiten – physiologisch- oder krankheitsbedingt – wie etwa Tandem-Stenosen, hochgradige Stenosen, starke Krümmungen oder steile Gefäßabgänge ausreichend exakt nachvollzogen werden können, daher passierbar werden, und dass ebenso dünnlumige distale Gefäßzweige besser erreicht werden können (im Vergleich mit dem gängigen Vorschub-Verfahren) – entsprechend der Anforderung 1 an die Gefäß-Katheterisierung (s. S. 3),
  • 2. eine Zeitersparnis im Verfahrensablauf in Aussicht steht, die im Wesentlichen aus der Art der Kraft (Zugkraft) und ihres Ansatz-Punktes (Katheterspitze), dem ermöglichten Verzicht auf die Anwendung eines Führungsdrahtes, aus der Verfahrensvereinfachung sowie aus dem erreichten Grad der Automatisierung resultiert und was dem besonderen zeitlichen Erfordernis bei der Akutbehandlung zerebraler Gefäßverschlüsse entgegen kommen würde (im Vergleich mit dem gängigen Vorschub-Verfahren, wie auch mit den bisher entwickelten magnetgestützten Systemen) – entsprechend der Anforderung 2 an die Gefäß-Katheterisierung (s. S. 3),
  • 3. ein erheblich günstigeres Risiko- bzw. Komplikations-Profil für die Gefäß-Katheterisierung erreicht werden könnte, was neben den patientenbezogenen Vorteilen unter anderem eine wesentliche Voraussetzung für anwendende Kliniken darstellt, fortan auf die bisher erforderlichen aufwendigen Anpassungen, wie etwa das Vorhalten einer Neurochirurgie in Bereitschaft, verzichten zu können (im Vergleich mit dem gängigen Vorschub-Verfahren),
  • 4. die Indikationsbreite für die Gefäß-Katheterisierung (im Bereich der Akutbehandlung vaskulärer Verschlüsse nach Ausprägungsgrad und Lokalisation der Läsion, nach Alter des Patienten, nach Komorbidität des Patienten) nachhaltig erweitert und einer deutlich größeren Anzahl von Patienten als bisher zugänglich gemacht werden könnte,
  • 5. das System eine Verfahrensvereinfachung mit sich bringen würde (Reduzierung der technisch-apparativen Aufwands und der sofware-basierten Ausstattung), im Wesentlichen resultierend aus der Beschränkung auf einen einzelnen Elektromagneten zum Erreichen einer synchronen Navigation (gegenüber den bereits entwickelten magnetgestützten Systemen),
  • 6. das Navigations-Ergebnis in geringerem Maße von klinischen Erfahrungen und manuellen Fertigkeiten des Untersuchers abhinge, als es beim herkömmlichen Verfahren der Fall ist, was sich im Wesentlichen aus dem erreichten Grad an Automatisierung ergeben würde (im Vergleich mit dem gängigen Vorschub-Verfahren),
  • 7. sich unter Berücksichtigung der Aspekte 1. bis 6. der Weg in die stationäre Regelversorgung für die Gefäß-Katheterisierung eröffnen könnte, wobei ihr Hauptnutzen dann im Wesentlichen in der Akutbehandlung häufiger vaskulärer Verschlüsse, insbesondere der hirnzuführenden Gefäße, zur Abwendung oder Abmilderung bleibender neurologischer Defizite und lebenslanger Behinderungen bestehen könnte.
The favorable influence of essential mechanical parameters (degree of mobility of the catheter tip, precision of their steering, cross section of the catheter) through the interaction of all components of the illustrated control circuit can be expected for the clinical application of the method
  • 1. anatomical conditions hitherto difficult to pass - physiological or disease-related - such as tandem stenoses, high-grade stenoses, severe bends or steep vessel drains can be sufficiently accurately understood, therefore passable, and that also thin-lumen distal branches of the vessel can be better achieved (im Comparison with the usual feed method) - in accordance with requirement 1 for vascular catheterization (see page 3),
  • 2. There is a prospect of saving time in the process, which essentially results from the type of force (tensile force) and its point of application (catheter tip), the possible omission of the use of a guide wire, the simplification of the procedure and the degree of automation achieved and what would be the special time requirement for the acute treatment of cerebral vascular occlusions would meet (compared with the common feed method, as well as with the previously developed magnetic-based systems) - according to the requirement 2 to the vascular catheterization (see page 3) .
  • 3. a significantly more favorable risk or complication profile for the vascular catheterization could be achieved, which represents, among other things, the patient-related benefits, inter alia, an essential prerequisite for clinics, henceforth on the previously required costly adjustments, such as the provision of neurosurgery in readiness to be able to do without (in comparison with the usual feed process),
  • 4. The range of indication for vascular catheterization (in the area of acute treatment of vascular occlusions according to degree of expression and localization of the lesion, according to age of the patient, after comorbidity of the patient) could be sustainably extended and made accessible to a significantly larger number of patients than before,
  • 5. The system would bring about a simplification of the procedure (reduction of the technical and equipment-related expenses and the software-based equipment), essentially as a result of the restriction to a single electromagnet for achieving a synchronous navigation (in comparison to the already developed magnetically supported systems),
  • 6. The navigation result would depend to a lesser extent on clinical experience and manual skills of the examiner than would be the case in the conventional method, which would essentially result from the degree of automation achieved (as compared to the conventional advancing method). .
  • 7. Considering the aspects 1 to 6, the way into the stationary standard care for vascular catheterization could open, with its main benefit then essentially in the acute treatment of common vascular occlusions, especially the brain-feeding vessels, to avert or mitigate permanent neurological Deficits and lifelong disabilities could exist.

Ohne den Ergebnissen einer späteren klinischen Evaluation dieses Verfahrens (etwa im Vergleich mit der etablierten systemischen Lyse) vorgreifen zu wollen, lässt sich doch erwarten, dass sich durch seine klinische Anwendung wesentliche Vorteile für die Indikationsbreite, die therapeutische Wirksamkeit, das Risiko-Profil und ggf. auch Vorteile für das Kosten-Nutzen-Verhältnis (in Kliniken unterschiedlicher Kategorie) für die Gefäß-Katheterisierung ergeben können, die mit großer Wahrscheinlichkeit positiv miteinander korrelieren.Without wishing to anticipate the results of a later clinical evaluation of this procedure (for example, in comparison with the established systemic lysis), it can be expected that its clinical application would bring significant advantages for the range of indications, the therapeutic efficacy, the risk profile and, if necessary, They may also provide cost-benefit benefits (in clinics of different categories) for vascular catheterization, which are likely to positively correlate positively.

VII. LiteraturVII. Literature

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VIII. AbbildungenVIII. Illustrations

(S. 18) mit einem Überblick über den Regelkreis der Navigation. Die exekutiven sind rot, die detektierenden Anteile blau, die steuernden Anteile schwarz gefärbt. (P. 18) for an overview of the navigation loop. The executives are red, the detecting parts blue, the controlling parts black.

(S. 19) zur Konstruktion des „Koordninatensystems der Navigation” und Darstellung dessen „virtueller Horizontalverschiebung”. (P. 19) for the construction of the "coordinate system of navigation" and its "virtual horizontal displacement".

, und (S. 20) zur Konstruktion der Datengrundlage. . and (P. 20) for the construction of the data basis.

(S. 21) zeigt die Horizontalverschiebung des Patienten. (P.21) shows the horizontal displacement of the patient.

(S. 22) stellt den Elektromagneten und seine „innere Mechanik” dar. (P. 22) represents the electromagnet and its "internal mechanics".

(S. 23) zeigt den Bewegungsumfang der „inneren Mechanik”. (P. 23) shows the range of motion of the "inner mechanics".

(S. 24) zeigt den Bewegungsumfang der „äußeren Mechanik”. (P. 24) shows the range of motion of the "outer mechanics".

(S. 25) stellt den Holder in Seitenansicht und Aufsicht dar. (P. 25) shows the holder in side view and top view.

(S. 26) zeigt den Mikrokatheter im Querschnitt, Seiten- und Frontansicht. (P.26) shows the microcatheter in cross section, side and front view.

(S. 27) verdeutlicht den entgegengesetzten Kraftansatz an der Katheterspitze. (Page 27) illustrates the opposite force at the catheter tip.

(S. 28) stellt die integrierte elektromagnetische Detektion dar. (P. 28) represents integrated electromagnetic detection.

(S. 29) zeigt die Seitenansicht des Navigations-Systems (P. 29) shows the side view of the navigation system

(S. 30) zeigt die Vorderansicht und Aufsicht des Navigations-Systems. (P. 30) shows the front view and top view of the navigation system.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (5)

Vorrichtung zum Steuern der Bewegungen eines katheterartigen Werkzeugs innerhalb eines Blutgefäßes durch Ausrichtung eines von außerhalb des Körpers einwirkenden Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass über einen einzelnen magnetischen Gradienten zwischen den Polen einer magnetisierten Katheterspitze und eines einzelnen, durch eine motorisierte Mechanik in allen Raumrichtungen beweglichen Elektromagneten, eine Zugkraft auf die Katheterspitze ausgeübt wird, welche gleichzeitig den Einzug und die räumliche Orientierung des Katheters in Übereinstimmung mit dem Gefäßverlauf bewirkt, wobei eine synchronisierende Steuerung auf der Basis einer Datenstruktur, konstruiert aus einer computer- oder kernspintomographischen 3-d-Rekonstruktion des Gefäßverlaufs, und in Abhängigkeit von der aktuellen Position der intraluminären Katheterspitze, fortlaufend bestimmt durch eine elektromagnetische Detektion, die räumliche Ausrichtung des Elektromagneten und die motorisierte Führung des Katheters außerhalb des Körpers, die einen intermittierenden mechanischen Rückhalt des Katheters ausübt, kontrolliert.Device for controlling the movements of a catheter-like tool within a blood vessel by aligning a magnetic field acting from outside the body, characterized in that via a single magnetic gradient between the poles of a magnetized catheter tip and a single electromagnet movable in all spatial directions by a motorized mechanism, a traction is exerted on the catheter tip which simultaneously effects the indentation and the spatial orientation of the catheter in accordance with the course of the vessel, a synchronizing control based on a data structure constructed from a computerized or MRI 3-D reconstruction of the vessel profile, and depending on the current position of the intraluminal catheter tip, continuously determined by electromagnetic detection, the spatial orientation of the electromagnet and the motorized guidance de s catheter outside the body, which exerts an intermittent mechanical retention of the catheter controls. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze eines Mikrokatheters in ihrem vorderen Abschnitt einen zylindrischen, permanenten Magneten aufweist, dessen Polachse in der Längsachse des Katheters liegt, sowie in ihrem hinteren Abschnitt über die detektionsbestimmte Vorrichtung verfügt, und dass der Katheterschlauch longitudinale Perforationen unmittelbar hinter der Katheterspitze zum Austritt der therapeutisch oder diagnostisch wirksamen Substanzen sowie zur Verbesserung seiner Flexibilität aufweist.Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the tip of a microcatheter has in its front portion a cylindrical, permanent magnet whose polar axis lies in the longitudinal axis of the catheter and in its rear portion has the detection-determined device, and in that the catheter tube has longitudinal perforations immediately behind the catheter tip for exiting the therapeutically or diagnostically active substances and for improving its flexibility. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine motorisierte Mechanik zur Führung des Katheterabschnitts außerhalb des Körpers vorgesehen ist, die der kontinuierlich auf die Katheterspitze wirkenden Zugkraft des Magneten einen mechanischen Rückhalt des Katheters entgegensetzt, indem eine Anordnung von quer zur Katheterlängsachse positionierten Walzen eine Kompression des Katheterschlauchs bewirkt, den Katheterschlauch durch Rotation der Walzen mit variabler Geschwindigkeit und Dauer zu seinem Einzug durch das Magnetfeld freigibt, dadurch bei kontinuierlichem Einwirken der Zugkraft auf die Katheterspitze einen segmentierten bis nahezu fließenden Einzug des Katheters erlaubt, durch die gegenläufige Führung des Katheterschlauchs den Katheter kontrolliert retrahiert und nach Abschluss des Verfahrens wieder aus dem Gefäß extrahiert sowie eine fortlaufende Längenbestimmung der Einzugs-Segmente unternimmt, deren Ergebnisse fortlaufend an die Systemsteuerung zur weiteren Kontrolle des Einzugs geleitet werden.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a motorized mechanism for guiding the catheter portion is provided outside the body, which opposes the continuous acting on the catheter tip tensile force of the magnet, a mechanical retention of the catheter by an arrangement of transverse to the catheter longitudinal axis positioned rollers causes compression of the catheter tube, the catheter tube by rotation of the rollers with variable speed and duration releases to its insertion through the magnetic field, characterized in continuous action of the tensile force on the catheter tip allows a segmented to almost flowing indentation of the catheter, by the opposing guide The catheter tube retracts the catheter in a controlled manner and, after completion of the procedure, extracts it again from the vessel and carries out a continuous length determination of the intake segments, the results of which are continuous to the control panel for further control of the feeder. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine motorisierte Mechanik den Elektromagneten an der Innenseite eines um seine horizontale Achse schwenkbaren C-Bogens und longitudinal verschieblich trägt, zusätzlich die Neigung des Elektromagneten und seiner Polachse gegenüber der Ebene, die der C-Bogen umschließt, erlaubt, die Drehung des C-Bogens um die Ebene, die er umschließt, vorsieht sowie von einer Systemsteuerung fortlaufend synchronisierte, elektronische Anweisungen an die Motoren erhält, zur Positionierung des Elektromagneten mit Bewegungsfreiheit in allen Raumrichtungen um den Körperabschnitt herum, der den betreffenden Gefäßverlauf beherbergt.Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a motorized mechanism carries the electromagnet on the inside of a pivotable about its horizontal axis C-arm and longitudinally displaceable, in addition, the inclination of the electromagnet and its polar axis relative to the plane of the C Bends, allows the rotation of the C-arm around the plane, which it encloses, provides and receives from a system controller continuously synchronized, electronic instructions to the motors, for positioning the electromagnet with freedom of movement in all directions around the body portion around harbors the relevant vessel course. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Navigation die Konstruktion einer Datengrundlage zur Steuerung des gesamten Verfahrens der Navigation durch eine computergestützte Prozedur vorgesehen ist, deren Algorithmus derart auf den Datensatz einer computer- bzw. kernspintomographisch erstellten 3-d-Rekonstruktion des Gefäßverlaufs zugreifen lässt, dass über die gesamte Länge des relevanten Gefäßabschnitts eine Segmentierung in Abhängigkeit vom jeweiligen Krümmungsgrad erfolgt und für jedes Segment eine longitudinale Vektorführung durch das Zentrum des Gefäßlumens vorgenommen und auf ein virtuelles Koordinatensystem bezogen wird – mit den Resultaten eines Entwurfs des Führungsweges des Magneten, dessen Polachse dabei stets mit der Längsachse der Fließrichtung des Gefäßes in Übereinstimmung gebracht wird und die Fließrichtung dabei stets auf den Magneten weist, einer Abfolge entsprechender Positionsbefehle an die Mechanik des Magneten, einer Variationsfolge der aufzuwendenden Magnetfeldstärke sowie eines Steuerungsablaufs für die Mechanik zur Führung des Katheters außerhalb des Körpers.Device for carrying out the method according to claims 1 to 5, characterized in that before the start of the navigation, the construction of a data base for controlling the entire method of navigation by a computer-aided procedure is provided, the algorithm of such a record on a computer or MRI 3-d reconstruction of the vessel course can be accessed over the entire length of the relevant vessel segmentation depending on the respective degree of curvature and made for each segment a longitudinal vector guide through the center of the vessel lumen and related to a virtual coordinate system - with the Results of a design of the guide path of the magnet, the polar axis of which is always brought into line with the longitudinal axis of the flow direction of the vessel and the flow direction always points to the magnet, a sequence corresponding Position commands to the mechanics of the magnet, a variation sequence of the magnetic field strength to be applied and a control sequence for the mechanism for guiding the catheter outside the body.
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