DE69831138T2

DE69831138T2 - System zur darstellung eines zweidimensionalen ultraschallbildes in einer dreidimensionalen bildbetrachtungsumgebung

Info

Publication number: DE69831138T2
Application number: DE69831138T
Authority: DE
Inventors: Ivan Vesely
Original assignee: Sonometrics Corp
Current assignee: Sonometrics Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: EP0966691A1; DE69831138D1; WO1998040760A1; JP2000512188A; US5817022A; EP0966691B1; JP3576565B2; ES2246529T3; ATE301840T1; AU6416898A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zur Erzeugung von Bildern, und insbesondere ein System zur Anzeige eines zweidimensionalen Ultraschallbilds in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung.
STAND DER TECHNIK
Ein große Zahl von diagnostischen und chirurgischen Eingriffen wird mit Unterstützung von konventionellen 2D-Echobildtechniken durchgeführt. D.h., der Arzt manipuliert ein chirurgisches Instrument (z.B. eine Sonde oder einen Katheder) im Körper des Patienten und kippt dabei den Bildkopf des Echogeräts, bis der Ultraschallstrahl das Instrument schneidet und das Instrument auf dem Anzeigebildschirm erscheint. Die Instrumente werden sehr oft erst nach einer erheblichen „Suche" lokalisiert, und der Vorgang selbst ist ziemlich mühsam. Dieses Verfahren wird häufig bei Amniozentesen und Biopsien angewandt. In beiden Fällen werden Nadeln oder „Greifwerkzeuge" mit Ultraschallbildführung eingeführt. Bei der Amniozentese führt ein Arzt eine Nadel durch den Unterleib in den Uterus ein, wobei ein Assistent die Ultraschallsonde festhält, um zu gewährleisten, dass sie die Amniozentesenadel schneidet, wodurch die Nadel sichtbar gemacht werden kann.
Die konventionelle 2D-Echokardiographie bietet dem Arzt eine weniger als hinreichende Information, da die Herzstrukturen wie z.B. die Mitralklappe sehr komplex sind und ihre Form mit diesen Bildern schwer zu interpretieren ist. Die 3D-Echokardiographie weist das Potential auf, viele der aktuellen Visualisierungsprobleme der Herzanatomie zu lösen. Mit der Entwicklung des 3D-Echos ist aber eine neue Gruppe von Problemen aufgetreten. Die ersten Probleme betreffen die Möglichkeit, die Daten in einem angemessenen Zeitraum zu erfassen. Das Grundproblem ist die Flugzeit des Ultraschalls. Um das Herz abzubilden, muss Ultraschall bis zu 15 cm tief in das Gewebe und wieder zurück gesendet werden. Da die Schallgeschwindigkeit im Herzgewebe etwa 1500 m/sec beträgt, nimmt dieser Vorgang 0,2 msec in Anspruch. Um ein gutes Bild zu ergeben, sind 200 Zeilen erforderlich. Daher werden für jedes Bild 40 msec benötigt. Dies ergibt eine Bildrate von 25 Hz. Da diese Rate gerade noch hoch genug für 2D ist, hat es einen technologischen Vorstoß gegeben, um Raten von 30 Hz bis 50 Hz zu erreichen. Um 3D-Ultraschallvolumen zu erhalten, müssen etwa 100 der 2D-Bilder erfasst werden. Dies bedeutet, dass bei Verwendung von konventionellen Technologien alle 2 bis 3 Sekunden ein neues Volumen erfasst wird. Dieses Verfahren ist in der Lage, bei den meisten inneren Organen oder statischen Strukturen, wie z.B. der Prostata oder einem Fötus, gute 3D-Bilder zu erzeugen, ist aber nicht auf das Herz anwendbar, das sich ständig bewegt.
Andere bekannte Systeme zielen darauf ab, die Datenrate um einen Faktor 100 zu erhöhen, um Volumen statt nur 2D-Bilder erhalten zu können. Solch ein System wird in der US-Patentschrift Nr. 4,949,310 (nachstehend Patent '310 genannt) beschrieben. Dieses System versucht, Echtzeit-3D-Ultraschallbilder durch eine Kompromissschließung und Optimierung zahlreicher Parameter zu erzeugen, die die Geschwindigkeit der Ultraschallbilderfassung beeinflussen. Einige dieser Ansätze umfassen das Empfangen von Daten aus mehreren Kanälen gleichzeitig durch dynamische Fokussierung und die Reduktion der sowohl räumlichen als auch zeitlichen Auflösung der Bilder.
Doch wenn diese 3D-Bildsätze einmal erfasst worden sind, ist das nächste Problem, wie diese Information anzuzeigen ist. Diesbezüglich haben sich „Volume Thresholding" und „Surface Rendering" in Ultraschallbildern als extrem schwierig erwiesen, da sie sehr viel Eigenrauschen aufweisen. 3D-Flächen lassen sich nicht leicht extrahieren, da eine beträchtliche Bildverarbeitung an den Datensätzen durchgeführt werden muss. Solch eine Nachverarbeitung kann Verfahren wie (i) die Ausdehnung von Seed-Points, (ii) die Skelettierung größerer Strukturen, und (iii) die Kontinuitätsprüfung und Ausfüllung beinhalten, um korrekt aussehende 3D-Flächen zu erhalten. Nichts davon kann gegenwärtig in Echtzeit durchgeführt werden, selbst wenn es möglich ist, die 3D-Ultraschalldaten mit der im Patent '310 beschriebenen Technologie zu erfassen.
Das im Patent '310 beschriebene System verwendet eine Anzeige mit mehrfachen Ebenen. Das heißt, die Echtzeit-Volumendatensätze werden durch eine Anzahl von Ebenen geschnitten, und der Schnittpunkt des Volumendatensatzes mit dieser Ebene wird auf diese Ebene „abgebildet". Wenn die Ebene in eine Richtung orthogonal zu den Datensatzachsen angeordnet wird, dann ist die Abbildung der Datenebene auf die Visualisierungsebene relativ einfach. Das heißt, eine geeignete 2D-Pixelmatrix wird aus einem 3D-Satz extrahiert. Wenn die Ebene den Originalachsen gegenüber geneigt ist, dann muss die Bildextraktion und Interpolation von Pixeln durchgeführt werden. Für diese Verfahren gibt es eine Anzahl von bestehenden Algorithmen. Das System des Patents '310 verwendet daher mehrfache Ansichtsebenen, die durch den 3D-Datensatz geführt werden, auf welche die entsprechenden 2D-Bilder mit der geeigneten Graphikhardware „texturabgebildet" werden. Solch eine Texture Mapping-Hardware ist in vielen hochwertigen Computern zu finden, z.B. von Silicon Graphics, Inc.
Die internationale PCT-Veröffentlichung Nr. WO91/03792 beschreibt ein System und Verfahren, um zweidimensionale Signale von einem handgeführten Sektorwandler in dreidimensionale Signale umzuwandeln, um die Berechnung der Fläche oder des Volumens des Objekts zu erleichtern. Wie im Patent '310 verwendet dieses System ein Ultraschallbild-Subsystem, um Signale zu erzeugen, die für die Sektorbilder des anzuzeigenden Objekts stehen. Informationen, die für die Bildsignale, die Wandlerposition und Ausrichtung des Wandlers stehen, die bei der Abtastung eines zugehörigen Objektsektors erhalten wurden, werden abgeleitet und in Pixelwert-Arrays gespeichert, und solche Pixelwert-Arrays werden dann in Voxel-Speicherstellen projiziert.
Eine simplere Alternative zum Echtzeit-3D-Ultraschallsystem ist eine, bei der die Bilder über einen großen Zeitraum hinweg aufgebaut werden und dann so wiedergegeben werden, dass der Datensatz visualisiert wird. Im Falle des Herzens können hochauflösende Bilder des schlagenden Herzens über viele Herzzyklen hinweg erfasst werden. Wenn ein Volumendatensatz um 100 Bildscheiben des Herzens enthalten soll, können diese Bildscheiben in 100 Herzschlägen erfasst werden, unter der Annahme, dass das 2D-Ultraschallsystem 30 mal pro Sekunde Daten erfasst, und dass jeder Herzschlag eine Sekunde lang dauert. Während des ersten Herzschlags ist der Ultraschall-Bildwandler an einer Ansichtsposition angeordnet, wie z.B. die Herzspitze, und nimmt während des Herzschlags 30 Bilder auf.
Dadurch wird eine Bildscheibe des Herzens erhalten, die während des Herzschlags 30 mal abgebildet wird. Beim nächsten Herzschlag wird der Ultraschall-Bildwandler in einer Bildebene angeordnet, die leicht entfernt neben der ersten Bildebene liegt, und während des zweiten Herzschlags werden weitere 30 Bilder erhalten. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis 100 angrenzende Bildebenen über 100 Herzzyklen hinweg erfasst worden sind. In jedem Fall beschreibt jeder Satz aus 30 Bildern die Herzbewegung an dieser jeweiligen Bildscheibenposition. Insgesamt wird das ganze Herz in 100 Abschnitten abgebildet, über 30 Zeitpunkte im Herzzyklus hinweg. Diese Bilder werden dann so umformatiert, dass sie nicht als 100 Datensätze aus 30 Bildern ausgedrückt werden, sondern vielmehr als 30 Sätze aus 100 Bildern. Jeder Bildsatz ist ein Schnappschuss des 3D-Volumens an einem bestimmten Zeitpunkt im Herzzyklus, und es sind nun 30 Kopien dieses 3D-Datensatzes vorhanden, während er sich durch den Herzzyklus hindurch verändert. Dieser eine Herzzyklus kann dann in einem geeigneten Format auf dem Computersystem wiedergegeben werden.
Wie im System des oben erläuterten Patents '310 ist das Format, das oft gewählt wird, die Projektion eines Teils des Datensatzes auf eine Ebene, die den Datensatz schneidet, und die wiederholte Wiedergabe des Herzzyklus.
Die US-Patentschriften Nr. 5,454,371 und 5,562,095 beschreiben ein Mittel zum Erfassen und Anzeigen von 3D-Ultraschallbildern. Das System zum Anzeigen von 3D-Bildern weist die folgende Arbeitsweise auf. Ein Datenwürfel wird perspektivisch auf einen Computerbildschirm angezeigt, wobei auf jeder der 6 Flächen die entsprechende Ebene von Ultraschallbilddaten abgebildet ist. Diese Flächen können durch Bewegen einer Computermaus auf interaktive Weise in den Würfel hinein geschoben werden. Wenn die Würfelfläche nach innen verschoben wird, wird eine der Position der Fläche entsprechende neue Schnittebene des Datensatzes berechnet, und das geeignete Bild wird auf diese Ebene abgebildet. Während dieses Vorgangs stellen die sichtbaren Würfelflächen die sich bewegenden Ultraschallbilder dar, wobei der ganze 3D-Datensatz immer wieder über den einzigen Herzzyklus hinweg wiedergegeben wird, der aus den vielen Originalherzzyklen rekonstruiert wurde. Wie das System des oben beschriebenen Patents '310 verwendet dieser Ansatz die Abbildung einer gegebenen Bildebene eines vorher erfassten Datensatzes auf eine bestimmte Ebene, deren Visualisierung Darstellung gerade vom Benutzer gewählt ist. Die Drahtmodellbox, die die Position und Ausrichtung des Original-3D-Datensatzes und der aktuellen Ebene beschreibt, ist sehr nützlich, um den Systembenutzer über die anatomische Lage des angezeigten Bilds zu informieren. In dieser Hinsicht veranschaulicht 1A eine orthogonale Bildscheibe, und 1B veranschaulicht eine schräge Bildscheibe.
Einer der Nachteile dieses Systems ist, dass es nur eine Wiedergabe des zuvor erfassten Ultraschalldatensatzes zeigen kann. Es ist auch hervorzuheben, dass solch eine Visualisierungsmethode nur eine Bildebene auf einmal ermöglicht. Der Benutzer wählt die Bildebene und betrachtet die Wiedergabe des Datensatzes. Obwohl ein Benutzer die Bildebene vor- und zurückschieben und seitlich neigen kann, um andere Bildebenen zu betrachten, wird nur eine Bildebene auf einmal angezeigt. Der Nutzen dieses Anzeigeformats ist, dass der Benutzer die Information darüber zurückbehält, wo die vorherige Bildebene sich befand, und wie die Strukturen sich verändern, wenn die Bildebene verschoben und geneigt wird. Schließlich wird das 3D-Modell der Struktur im Geist des Benutzers aufgebaut, wenn der Benutzer die 2D-Ebenen manipuliert und auf interaktive Weise genügend Information in seinem Kopf aufbaut. Denn tatsächlich wird nicht der Gesamtumfang der Informationen benötigt, sondern nur die Möglichkeit, an einem gegebenen Zeitpunkt eine beliebige Ebene betrachten zu können (siehe 2).
Es ist bekannt, dass es durch Nutzung des Flugzeitprinzips von Hochfrequenzschallwellen möglich ist, Distanzen in einem wässrigen Medium genau zu messen, wie z.B. während eines chirurgischen Eingriffs im Körper eines Lebewesens. Hochfrequenzschall, oder Ultraschall, wird als eine Schwingungsenergie definiert, deren Frequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz liegt. Das Gerät, das benutzt wird, um mit Schallwellen dreidimensionale Messungen zu erhalten, ist als Sonomikrometer bekannt. Ein Sonomikrometer besteht typischerweise aus einem Paar piezoelektrischer Wandler (d.h., ein Wandler wirkt als Sender, während der andere Wandler als Empfänger wirkt). Die Wandler werden in ein Medium implantiert und mit elektronischen Schaltungen verbunden. Zur Messung der Distanz zwischen den Wandlern wird der Sender unter Strom gesetzt, um Ultraschall zu erzeugen. Die resultierende Schallwelle breitet sich dann durch das Medium aus, bis sie vom Empfänger erkannt wird.
Der Sender nimmt typischerweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls an, der durch eine Hochspannungsspitze oder Impulsfunktion mit einer Dauer von unter einer Mikrosekunde erregt wird. Dies bewirkt die Schwingung des piezoelektrischen Kristalls bei seiner eigenen charakteristischen Resonanzfrequenz. Die Hüllkurve des Sendersignals fällt mit der Zeit schnell ab, wobei gewöhnlich eine Folge von sechs oder mehr Zyklen erzeugt wird, die sich vom Sender weg durch das wässrige Medium ausbreiten. Auch die Schallenergie wird bei jeder Grenzfläche abgeschwächt, welcher sie begegnet.
Auch der Empfänger nimmt typischerweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls an (dessen Eigenschaften denen des piezoelektrischen Kristalls des Senders gleichen), der die vom Sender erzeugte Schallenergie erkennt und darauf ansprechend zu schwingen beginnt. Diese Schwingung erzeugt ein elektronisches Signal in der Größenordnung von Millivolts, das durch geeignete Verstärkerschaltungen verstärkt werden kann.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in einem wässrigen Medium ist gut dokumentiert. Die Distanz, die von einem Ultraschallimpuls zurückgelegt wird, kann deshalb einfach gemessen werden, indem die Zeitverzögerung zwischen dem Augenblick, an dem der Schall gesendet wird, und dem, wann er empfangen wird, aufgezeichnet wird. Anhand der Distanzmessung können dreidimensionale Koordinaten bestimmt werden. Die US-Patentschrift Nr. 5,515,853 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultanen Messung von mehrfachen Distanzen durch vernetzte piezoelektrische Wandler. Diese Vorrichtung definiert die Ausbreitungsverzögerung zwischen der Aktivierung eines Ultraschallwandlers und dem Empfang durch entsprechende Wandler durch Verwendung von Hochfrequenz-Digitalzählern. Die Vorrichtung verfolgt und trianguliert die dreidimensionalen Positionen jedes Wandlers, indem sie den Betriebszyklus zwischen Sende- und Empfangsmodus alterniert.
Die vorliegende Erfindung wendet die obigen Prinzipien an, um die Nachteile der zweidimensionalen Echobildsysteme nach dem Stand der Technik zu überwinden und ein System bereitzustellen, das die Manipulation von 2D-Ultraschallbildern im 3D-Raum erlaubt, innerhalb eines Koordinatensystems, das einen Bezugsrahmen bereitstellt. Dies ermöglicht dem Benutzer, sich auf interaktive Weise ein geistiges Bild der analysierten Struktur aufzubauen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Echobildsystem zur Anzeige eines zweidimensionalen Ultraschallbilds in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung bereitgestellt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Echobildsystems, wobei der Anwender die Möglichkeit hat, die Position und Fortbewegung von chirurgischen Instrumenten zu visualisieren.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Echobildsystems, das ein Bild-Feedback und eine Bestätigung erlaubt, dass an der beabsichtigten Körperstruktur operiert wird.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer abnehmbaren Vorrichtung, um einen konventionellen zweidimensionalen Ultraschall-Bildkopf so zu modifizieren, dass er eine 3D-Verfolgungsfähigkeit aufweist.
Wiederum eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung, die an einen konventionellen zweidimensionalen Ultraschall-Bildkopf angebracht werden kann, um die 3D-Position des 2D-Ultraschallbilds zu erhalten.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen im Angang hervor.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ultraschallbildes in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung bereitgestellt, das Verfahren umfassend das Befestigen einer Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln an einem auf die Erzeugung einer zweidimensionalen Echobildebene eingerichteten Ultraschallbildwandlermittel, die Befestigung einer Mehrzahl von Bezugswandlermitteln an einer entsprechenden Mehrzahl von Messorten, das Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die mobilen Wandlermittel relativ zu einem durch die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln eingerichteten Bezugsrahmen, das Einpassen der zweidimensionalen Echobildebene in die dreidimensionalen Koordinaten, das Anzeigen der zweidimensionalen Echobildebene an den dreidimensionalen Koordinaten relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln eingerichteten Bezugsrahmen, das Befestigen einer Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln an einem chirurgischen Instrumentmittel, das Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die an dem chirurgischen Instrumentmittel befestigten mobilen Wandlermittel relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln eingerichteten Bezugsrahmen, das Erzeugen eines Umrissbildes des chirurgischen Instrumentsmittels anhand der dreidimensionalen Koordinaten der an dem chirurgischen Instrumentmittel befestigten mobilen Wandlermittel, und das Anzeigen des Umrissbildes des Instrumentmittels relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln eingerichteten Bezugsrahmen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein System zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ultraschallbildes in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung bereitgestellt, wobei das System zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ultraschallbildes in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung, wobei das System Bildwandlermittel zum Erzeugen einer 2-D-Echobildebene, an den Bildwandlermitteln befestigte mobile Wandlermittel, eine Mehrzahl von an einer entsprechenden Mehrzahl von Messorten angeordnete Bezugswandlermittel beinhaltet, wobei die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln einen Bezugsrahmen bilden; wobei das System umfasst: Koordinatenerzeugungsmittel zum Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die mobilen Wandlermittel relativ zum Bezugsrahmen, Einpassungsmittel zum Einpassen der zweidimensionalen Echobildebene in die dreidimensionalen Koordinaten, Anzeigemittel zum Anzeigen der zweidimensionalen Echobildebene an den dreidimensionalen Koordinaten relativ zum Bezugsrahmen, eine Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln, die auf die Befestigung an einem zugeordneten chirurgischen Instrumentmittel eingerichtet sind, Koordinatenerzeugungsmittel zum Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für mindestens eines aus der Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln, die an dem chirurgischen Instrumentmittel befestigt sind, relativ zu dem durch die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln eingerichteten Bezugsrahmen, und Umrisserzeugungsmittel zum Erzeugen eines Umrissbildes des chirurgischen Instrumentmittels anhand der an dem chirurgischen Instrumentmittel-befestigten mobilen Wandlermittel und zum Anzeigen des Umrissbildes des chirurgischen Instrumentmittels auf dem Anzeigemittel relativ zum Bezugsrahmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in gewissen Teilen und Teileanordnungen eine physikalische Form annehmen, deren bevorzugte Ausführungsform und Verfahren in dieser Patentschrift ausführlich beschrieben werden und in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden, die Bestandteil davon sind, und wobei:
1A und 1B beispielhafte Anzeigen sind, die von einem konventionellen 3D-Ultraschallsystem erzeugt werden;
2 eine beispielhafte Anzeige der Nutzinformation ist, die von einem konventionellen 3D-Ultraschallsystem erzeugt wird;
3 ein Blockdiagramm eines 3D-Ultraschall-Verfolgungs- und Abbildungssystems nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschall-Bildkopfs mit einem daran befestigten abnehmbaren Verfolgungsclip nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
5 eine auseinandergezogene Ansicht des Ultraschall-Bildkopfs und daran befestigten abnehmbaren Verfolgungsclips ist, wie in 4 gezeigt; und
6 eine 3D-Szene ist, die einen Bezugsrahmen, die Position und Richtung eines chirurgischen Instruments und ein Ultraschall-Sektorbild zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei die Darstellungen nur der Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dienen, und nicht ihrer Einschränkung, zeigt 3 ein dreidimensionales (3D) Verfolgungs- und Abbildungssystem 100 zur Verwendung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Echobildsystem. Das 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystem 100 besteht allgemein aus einem Computersystem 110, mobilen Wandlern 132, Bezugswandlern 134, einem Instrument 130 und einem optionalen Robotersubsystem 140.
Das Computersystem 110 besteht allgemein aus einem 3D-Verfolgungssystem 112, einem Abbildungsmodalitätssystem 114, einem Bildeinpassungssystem 116, einem Bildverziehungs- und -geometrieumwandlungssystem 118 („Warp-System"), einer Benutzerschnittstelle 120 und einer Anzeige 122. Es ist anzumerken, dass das 3D-Verfolgungssystem 112 die Form eines Systems auf Schallbasis oder auf elektromagnetischer Basis annehmen kann. Sowohl Flugzeit- als auch Phasenbeziehungen können zur Bestimmung der Entfernung verwendet werden. Bevorzugt nimmt das 3D-Verfolgungssystem 112 die Form des 3D-Ultraschall-Verfolgungssystems an, das in der US-Patentschrift Nr. 5,515,853 und der PCT-Anmeldung Nr. WO96/31753 beschrieben wird.
Das Instrument 130 kann die Form eines Katheders, einer Sonde, eines Sensors, einer Nadel, eines Skalpells, einer Pinzette oder sonstiger Vorrichtungen oder Instrumente annehmen, die in einem chirurgischen oder diagnostischen Eingriff verwendet werden. Mobile Wandler 132 und Bezugswandler 134 können die Form eines Ultraschallwandlers oder eines elektronischen Wandlers annehmen. Doch zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nehmen die Wandler 132 und 134 die Form eines Ultraschallwandlers (d.h., piezoelektrischer Kristalle) an.
Eine Mehrzahl von mobilen Wandlern 132 sind am Instrument 130 befestigt. Ein oder mehrere Bezugswandler 134 stellen eine Bezugsposition in Bezug auf die mobilen Wandler 132 bereit. Das heißt, Bezugswandler 134 können angeordnet sein, um einen inneren Bezugsrahmen innerhalb des Körpers eines Patienten herzustellen, oder auf der Oberfläche des Körpers eines Patienten, um einen äußeren Bezugsrahmen herzustellen.
Wie oben angegeben, können Bezugswandler 134 Sender, Sender-Empfänger oder Empfänger sein, die Ultraschall oder elektromagnetische Strahlung erzeugen können, welche von mobilen Wandlern 132 erkannt werden kann.
Das 3D-Verfolgungssystem 112 wandelt die mehrfachen Distanzmessungen zwischen jedem der Wandler 132, 134 in XYZ-Koordinaten in Bezug auf eine Bezugsachse um, wie oben ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass der Bezugsrahmen, der von den Bezugswandlern 134 hergestellt wird, selbstbestimmend sein muss, das heißt, wenn der Bezugsrahmen verzerrt wird, muss diese Verzerrung von den Bezugswandlern 134 erkannt werden. Die Erkennung erfolgt typischerweise durch Sender-Empfänger, die die Entfernung zwischen jeder Kombination aus zwei Wandlern bestimmen können, und daher ihre relativen räumlichen Koordinaten im 3D-Raum. Das heißt, die Position der Wandler wird in 3D aus den Bildern erhalten, die von der Körperstruktur (z.B. Gewebe/Organ) erfasst wurden, die „Punkte" zeigen, an denen die Wandler angeordnet sind, und auch von den Wandlern selbst, wenn sie in der Körperstruktur angeordnet sind. Wenn eine Diskrepanz in den Entfernungen zwischen allen Wandlerkombinationen auftritt, muss die Körperstruktur sich verformt (d.h. „verzogen") haben, nachdem die Bilder erfasst wurden. Ein mathematische Koordinatentransformation kann angewandt werden, um genau zu spezifizieren, wie der Bildsatz zu korrigieren ist und die Verziehung zu berücksichtigen ist. Die Entfernung zwischen jeder Kombination aus zwei Wandlern wird bestimmt, indem jeder Wandler veranlasst wird, ein Signal an alle anderen Wandler zu senden. Auf diese Weise ist jede Entfernung zwischen den Wandlern bekannt. von diesen Entfernungen ausgehend können XYZ-Koordinaten berechnet werden, die sich auf einen Wandler als dem Ursprung beziehen.
Das Abbildungsmodalitätssystem 114 erfasst 2D-, 3D- oder 4D-Bilddatensätze aus einer Bildquelle wie z.B. einem MRI-(Magnetresonanztomographie), CT-(Computertomographie) oder 2D- oder 3D-Ultraschallgerät, um eine „Vorlage" zu erzeugen, durch oder gegenüber der die Form, Position und Bewegung des verfolgten Instruments 130 angezeigt werden kann. Die Vorlage nimmt typischerweise die Form eines Bilds der Umgebung an, die das Instrument umgibt, (z.B. einer Körperstruktur). Es ist anzumerken, dass ein 4D-Bild (d.h., ein 3D-Bild, das sich mit der Zeit verändert) erhalten wird, wenn mehrfache (3D) Volumen in verschiedenen Zeitintervallen erfasst werden.
Das Bildeinpassungssystem 116 passt die Position des Instruments 130 in die räumlichen Koordinaten des Bilddatensatzes ein, der vom Abbildungsmodalitätssystem 114 hergestellt wird. Die Position des Instruments 130 wird vom 3D-Verfolgungssystem 112 erhalten. Das Bildeinpassungssystem 116 sorgt für eine Anzeige des Instruments 130 an seiner korrekten 3D-Position innerhalb der Körperstruktur und Ausrichtung relativ zur Körperstruktur selbst. Es ist anzumerken, dass das Einpassungssystem 116 benutzerunterstützt sein kann, oder vollautomatisch, wenn Bildverarbeitungsalgorithmen implementiert werden, um die räumlichen Positionen der Wandler (typischerweise der Bezugswandler) im Bilddatensatz automatisch zu erkennen.
Das Warp-System 118 ist ein System auf Softwarebasis, das die Bilddatensätze um die geeigneten Werte umwandelt oder „verzieht", die einer Formänderung im Bezugsrahmen entsprechen, die zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Bilddatensatz erfasst wurde, und dem Zeitpunkt aufgetreten ist, an dem der chirurgische Eingriff durchgeführt werden soll. Daher besteht das Warp-System 118 typischerweise aus einer Matrix-Transformationsroutine, die die verformte Geometrie auf dem Originalbilddatensatz abbildet und ihn auf geeignete Weise verzieht.
Die Benutzerschnittstelle 120 erlaubt einem Benutzer, auf das Computersystem 110 einzuwirken, einschließlich der Programmierung des Computersystems 110, um eine gewünschte Funktion auszuführen. Zum Beispiel kann eine bestimmte Ansicht zur Anzeige gewählt werden. Instrumente 130 (z.B. Sonden oder Katheder) können mit der Benutzerschnittstelle 120 aktiviert werden. Die Anzeige 122 zeigt dem Benutzer eingepasste Bilder an, die vom Bildeinpassungssystem 116 erzeugt wurden.
Das optionale Robotersystem 140 besteht allgemein aus einem Robotersteuersystem 142 und einem Robotermanipulatorsystem 144. Das Robotersteuersystem 142 steuert das Robotermanipulatorsystem 144, um einem programmierten Weg zu folgen, der während des chirurgischen Eingriffs auf der Basis der Verschiebung, Verzerrung oder von Formveränderungen der Körperstruktur auf geeignete Weise geändert werden kann. Das Robotermanipulatorsystem 144 sorgt für die physikalische Bewegung des Instruments 130 den Anweisungen des Robotersteuersystem 142 entsprechend.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Echobildsystem, das ein 2D-Ultraschallbild in einer 3D-Ansichtsumgebung anzeigt. Zu diesem Zweck werden mehrere Bezugswandler am Rücken und/oder Unterleib des Patienten angebracht, und es wird ein einfaches Koordinatensystem erzeugt, das die Kopf- und Fußrichtung, die linke und rechte Seite des Patienten und die Vorder- und Rückseite anzeigt. Anfangs erscheint dies auf der Anzeige als eine leere Box mit einfachen Graphiken oder Pfeilen, sowie den Oberflächenwandlern, die graphisch dargestellt sind. Eine Mehrzahl von mobilen „Positionswandlern" wird am Ultraschall-Bildkopf einer Bildsonde angebracht. Wenn die Bildsonde auf der Brust oder dem Unterleib angeordnet ist, kann daher der Ort und der Winkel der Bildebene, die vom Bildwandler des Bildkopfes erfasst wird, in einer 3D-Umgebung angezeigt werden. Diese 3D-Szene kann durch einfaches Bewegen der Maus und durch Drehen der optischen Szene auf der Computeranzeige von jedem Standpunkt aus betrachtet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Echobildsystems wird nun Bezug nehmend auf 3–5 im einzelnen beschrieben. Ein typischer Echogerät-Ultraschall-Bildkopf 200 weist eine handgeführte Kunststoffkomponente mit einem Kabel 210 auf, das mit einer Haupteinheit (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Bildkopf 200 weist ein Fenster auf, durch welches Ultraschall von einem Ultraschallwandler gesendet und empfangen wird. Der Ultraschall-Bildkopf 200 ist mit einem Wandlergehäuse 220 versehen, das die Form eines abnehmbaren Abtast-Clips annimmt, der am Bildkopf 200 angebracht werden kann. Eine auseinandergezogene Ansicht wird in 5 gezeigt.
Das Wandlergehäuse 220 nimmt drei oder mehr Positionswandler 222 auf, die eine Ebene orthogonal zum Abbildungsstrahl formen. Daher liegen die Positionswandler 222 zwischen dem Bildkopf 200 und der Haut, mit welcher der Bildkopf 200 in Kontakt ist. Es ist anzumerken, dass nur drei Positionswandler 222 erforderlich sind, um alle Winkel zu messen, auch wenn in 4 und 5 vier Positionswandler 222 dargestellt sind. Bezugswandler 224 (siehe 6) sind auf der Haut des Patienten (z.B. Rücken und Brust) angebracht.
Wenn der Bildkopf 200 gekippt und angewinkelt wird, während er gegen den Unterleib gepresst wird, definieren die Koordinaten der Positionswandler 222 eine Ebene, die senkrecht zum Ultraschallabbildungsstrahl liegt. Demnach werden die 3D-Koordinaten der Bildebene von den Koordinaten der Positionswandler 222 ausgehend bestimmt. Es ist anzumerken, dass das Wandlergehäuse 220 mit dem Unterleib in Kontakt ist. Alternativ dazu kann der Bildkopf relativ zur Wandlerebene über einen Kardanring gelenkig verbunden sein, der mit elektronischen Potentiometern versehen ist, die den Winkel der Bildebene mit der Wandlerebene in Bezug bringen können, die flach entlang der Haut des Patienten gleitet. Sobald die Position und Ausrichtung der Bildebene im 3D-Raum relativ zum Koordinatensystem des Patienten bekannt ist, kann die typische tortenförmige Sektorabtastung, die vom Ultraschall-Bildkopf 200 erzeugt wird, in die 3D-Szene des Patienten eingefügt werden. Da die 3D-Szene dadurch eine perspektivische Wiedergabe des Patientenbezugsrahmens enthält, wird das tortenförmige Ultraschall-Sektorabtastbild korrekt in der 3D-Szene ausgerichtet, wie in 6 gezeigt.
Das Ultraschallbild kann in Echtzeit perspektivisch angezeigt werden, indem das Videosignal auf ein tortenförmiges Vieleck texturabgebildet wird, das in die 3D-Szene eingezeichnet ist. Graphikcomputer der aktuellen Generation erlauben diese Art von Echtzeitbildumwandlung. Es ist auch anzumerken, dass die Position aller Wandler relativ zueinander auf die oben erörterte Weise bestimmt werden kann. Eine der Wandlerpositionen wird als Ursprung gewählt, ein anderer als die X-Achse, und ein dritter als die Y-Achse, und ein vierter als die Z-Achse. Das Koordinatensystem kann vom Benutzer definiert werden. Die Ausrichtung der Bildebene wird anhand des Winkels der vier Bildkopf-Positionswandler 222 berechnet, und des Koordinatensystems, das von den Bezugswandlern definiert wird, die am Körper des Patienten angebracht sind.
Durch Visualisierung der Position der Bildebene relativ zum eingeführten chirurgischen Instrument kann der Bildkopf 200 schneller gehandhabt und angewinkelt werden, bis er das chirurgische Instrument (z.B. eine Amniozentesenadel) schneidet. Zu diesem Zweck werden mobile Wandler am chirurgischen Instrument befestigt, um eine Umrissgrafik des Instruments und seine aktuelle Position relativ zu den Bezugswandlern zu erhalten. Überdies wird der Schatten des chirurgischen Instruments im Echtzeit-Ultraschallbild mit Texturabbildung sichtbar, die Umrissgrafik des Instruments kann dort im Ultraschallbild hervorstechen, wo sein Schatten sichtbar ist. Dadurch kann ein Arzt sofort bestimmen, in welche Richtung der Bildkopf 200 anzuwinkeln ist oder das chirurgische Instrument zu bewegen ist, um eine korrekte Ausrichtung in der optischen Szene zu erhalten (6). Daher gewährleistet die vorliegende Erfindung sicherere, schnellere und präzisere chirurgische Eingriffe.
Der Erfindung wurde Bezug nehmend auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist selbstverständlich, dass anderen nach dem Durchlesen und Verständnis dieser Patentschrift Modifikationen und Abänderungen einfallen werden. Zum Beispiel können Schallwellen als Mittel zur Positionsbestimmung durch elektromagnetische Wellen ersetzt werden. Dementsprechend können die Ultraschallwandler durch geeignete elektromagnetische Wandler ersetzt werden. Es ist beabsichtigt, dass jede dieser Modifikationen und Änderungen umfasst ist, sofern sie in den Rahmen der beigefügten Ansprüche oder ihrer Äquivalente fällt.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ultraschallbildes in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung, das Verfahren umfassend das Befestigen einer Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln (132) an einem auf die Erzeugung einer zweidimensionalen Echobildebene eingerichteten Ultraschallbildwandlermittel (204); die Befestigung einer Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) an einer entsprechenden Mehrzahl von Messorten; das Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die mobilen Wandlermittel (132) relativ zu einem durch die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) eingerichteten Bezugsrahmen; das Einpassen der zweidimensionalen Echobildebene in die dreidimensionalen Koordinaten; das Anzeigen der zweidimensionalen Echobildebene an den dreidimensionalen Koordinaten relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) eingerichteten Bezugsrahmen; das Befestigen einer Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln (132) an einem chirurgischen Instrumentmittel (130); das Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die an dem chirurgischen Instrumentmittel (130) befestigten mobilen Wandlermittel (132) relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) eingerichteten Bezugsrahmen; das Erzeugen eines Umrissbildes des chirurgischen Instrumentsmittels (130) anhand der dreidimensionalen Koordinaten der an dem chirurgischen Instrumentmittel (130) befestigten mobilen Wandlermittel (132); und das Anzeigen des Umrissbildes des Instrumentmittels (130) relativ zu dem von der Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) eingerichteten Bezugsrahmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei einer aus der Mehrzahl von Messorten der Rücken eines Patienten und ein weiterer aus der Mehrzahl von Messorten der Unterleib eines Patienten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anzeigens des Umrissbildes des Instrumentmittels (130) gleichzeitig das Umrissbild des chirurgischen Instrumentmittels (130) im gleichen Koordinatenrahmen wie die zweidimensionale Echobildebene anzeigt.
System (100) zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ultraschallbildes in einer dreidimensionalen Ansichtsumgebung, wobei das System Bildwandlermittel (204) zum Erzeugen einer 2-D-Echobildebene, an den Bildwandlermitteln (204) befestigte mobile Wandlermittel (132), eine Mehrzahl von an einer entsprechenden Mehrzahl von Messorten angeordnete Bezugswandlermittel (134/224) beinhaltet, wobei die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (134/224) einen Bezugsrahmen bilden; wobei das System (100) umfasst: Koordinatenerzeugungsmittel (112) zum Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für die mobilen Wandlermittel (132) relativ zum Bezugsrahmen; Einpassungsmittel (116) zum Einpassen der zweidimensionalen Echobildebene in die dreidimensionalen Koordinaten; Anzeigemittel (122) zum Anzeigen der zweidimensionalen Echobildebene an den dreidimensionalen Koordinaten relativ zum Bezugsrahmen; eine Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln (132), die auf die Befestigung an einem zugeordneten chirurgischen Instrumentmittel (130) eingerichtet sind; Koordinatenerzeugungsmittel (112) zum Erzeugen von dreidimensionalen Koordinaten für mindestens eines aus der Mehrzahl von mobilen Wandlermitteln (132), die an dem chirurgischen Instrumentmittel (130) befestigt sind, relativ zu dem durch die Mehrzahl von Bezugswandlermitteln (132/224) eingerichteten Bezugsrahmen; und Umrisserzeugungsmittel zum Erzeugen eines Umrissbildes des chirurgischen Instrumentmittels (130) anhand der an dem chirurgischen Instrumentmittel (130) befestigten mobilen Wandlermittel (132) und zum Anzeigen des Umrissbildes des chirurgischen Instrumentmittels (130) auf dem Anzeigemittel (122) relativ zum Bezugsrahmen.
System (100) nach Anspruch 4, wobei eine aus der Mehrzahl von Messorten der Rücken eines Patienten und ein weiterer aus der Mehrzahl von Messorten der Unterleib eines Patienten ist.
System (100) nach Anspruch 4, wobei die mobilen Wandlermittel (132) an einem abnehmbaren Gehäusemittel (220) angeordnet sind, das an dem chirurgischen Instrumentmittel (130) befestigt ist.
System (100) nach Anspruch 4, wobei die mobilen Wandlermittel (132) aus mindestens drei Wandlern (222) zur Erzeugung der dreidimensionalen Koordinaten einer Ebene bestehen, die senkrecht zu einem von dem Bildwandlermittel (204) erzeugten Bildstrahl verläuft.
System (100) nach Anspruch 7, wobei das Bildwandlermittel (204) beinhaltet: einen Bildkopf (200), der relativ zu den mobilen Wandlermitteln (132) gelenkig bewegt werden kann; und Potentiometermittel, mit denen der Winkel des Bildkopfes (200) relativ zu den dreidimensionalen Koordinaten der durch die mobilen Wandlermittel (132) erzeugten Ebene eingestellt wird.
System (100) nach Anspruch 4, wobei die Mehrzahl der Bezugswandlermittel (132/224) mindestens drei Ultraschallwandler beinhaltet.
System (100) nach Anspruch 4, wobei die Mehrzahl der Bezugswandlermittel (132/224) mindestens vier Ultraschallwandler beinhaltet.
System (100) nach Anspruch 4, wobei das Umrisserzeugungsmittel das Umrissbild auf dem Anzeigemittel (122) im gleichen Koordinatenrahmen zur gleichen Zeit wie die zweidimensionale Echobildebene anzeigt.