DE102013003102A1

DE102013003102A1 - Method and apparatus for practicing ultrasound-navigated punctures

Info

Publication number: DE102013003102A1
Application number: DE201310003102
Authority: DE
Inventors: Bernd H. Meier; Ralph Richard Frankenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-08-28
Also published as: WO2014128301A1; DE112014000968A5

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Übung ultraschallnavigierter Punktionen, mit einer Exerziernadel, einem Exerzierbesteck und einer Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage der Nadel vor einer Ultraschallsonde mit direkter Visualisierung der Nadel und mit hiervon ausgehender Einblendung der Stichprojektion und weiterer Parameter in das Ultraschallbild.Method and device for practicing ultrasound-navigated punctures, with a drill needle, a drill set and a device for determining the spatial position of the needle in front of an ultrasound probe with direct visualization of the needle and with the projection of the stitches and other parameters being faded into the ultrasound image.

Description

Die ultraschallgesteuerte Punktion von Gefäßen, Nerven und Organgeweben setzt neben der Kenntnis der anatomischen Lage des Punktionsziels viel Erfahrung und Übung voraus. Der die Punktion durchführende Operateur muss die Lage der Punktionsnadel über der Körperoberfläche in eine räumliche Beziehung zu der zweidimensionalen Abbildung des mit der Ultraschallsonde angeloteten Ziels bringen. Da die Ultraschallsonde in der Regel bei Linkshändern mit der rechten Hand, und die Punktionsnadel mit der linken Hand geführt wird (vice versa), müssen das mittels der einen Hand zur Darstellung gebrachte Ultraschallbild mit der anderen die Punktionsnadel führenden Hand gut koordiniert werden. Diese Koordination kann – wie vom Erlernen zweihändig zu spielender Musikinstrumente bekannt – nur durch viel Übung sicher erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei Ungeübten deutlich mehr Fehlpunktionen und Organverletzungen vorkommen als bei Erfahrenen. Das für die Durchführung von Ultraschallpunktionen notwendige Wissen über Punktionsstrategien und anatomische Zugänge kann durch häufiges Sonographieren der betreffenden Körperregionen und durch entsprechende anatomische Präparierübungen im Rahmen von Kursen in anatomischen Instituten erworben werden. Die praktische Übung der ultraschallnavigierten Punktion bleibt dem Versuch am Menschen, wohl unter Aufsicht eines erfahrenen Lehrers überlassen und ist selbst hier mit entsprechenden Fehlversuchen belastet. Im klinischen Alltag werden immer häufiger von Ärzten riskante Punktionen bei kritisch kranken Patienten abverlangt, ohne diesen eine entsprechende Ausbildung und Übung auf diesem Gebiet zukommen zu lassen. Das vorliegende Verfahren dient der Übung der notwendigen Fähigkeiten zur Durchführung einer ultraschallnavigierten Punktion, ohne dabei ein entsprechendes Verfahren zur Behandlung eines menschlichen oder tierischen Körpers mit allen Risiken zur Anwendung zu bringen.The ultrasound-guided puncture of vessels, nerves, and organ tissues requires a lot of experience and practice in addition to knowledge of the anatomical location of the puncture target. The surgeon performing the puncture must place the position of the puncture needle over the body surface in a spatial relationship with the two-dimensional image of the target angeled with the ultrasound probe. Since the ultrasound probe is usually guided by left-handed people with the right hand and the puncture needle with the left hand (vice versa), the ultrasound image presented by one hand must be well coordinated with the other hand guiding the puncture needle. This coordination can - as known from learning two-handed to playing musical instruments - can be achieved safely only by a lot of practice. This means that inexperienced significantly more Fehlpunktionen and organ injuries occur than experienced. The knowledge about puncture strategies and anatomical approaches necessary for the performance of ultrasound punctures can be acquired by frequent sonography of the relevant body regions and by corresponding anatomical dissection exercises within the framework of courses in anatomical institutes. The practical exercise of the ultrasound-navigated puncture is left to the experiment on humans, probably under the supervision of an experienced teacher and is burdened here even with corresponding failed attempts. In clinical practice, doctors are increasingly demanding risky punctures in critically ill patients, without providing them with appropriate training and practice in this area. The present method is intended to provide the necessary capabilities to perform an ultrasound-guided puncture without resorting to an appropriate method of treating a human or animal body with all risks.

Stand der TechnikState of the art

Neuere ultraschallnavigierte Punktionsverfahren können die Position einer Punktionsnadel im Arbeitsraum der navigierten Punktion vor einer Ultraschallsonde durch elektromagnetische oder optischen Mittel lokalisieren. May et al. beschreiben ein Navigationssystem, bei dem die Position der Nadelspitze durch eine in diese eingeführte elektromagnetische Markierungssonde mittels elektromagnetischer Sensoren auf der Ultraschallsonde erfasst wird. Die Lage der Punktionsnadel wird bei diesem Verfahren vor allem nach Eindringen in den Körper gemessen und berechnet.Recent ultrasound-guided puncture procedures can locate the position of a puncture needle in the working space of the navigated puncture in front of an ultrasound probe by electromagnetic or optical means. May et al. describe a navigation system in which the position of the needle tip is detected by an electromagnetic marking probe inserted into it by means of electromagnetic sensors on the ultrasound probe. The position of the puncture needle is measured and calculated in this method, especially after penetration into the body.

Andere Verfahren erfassen die Punktionsnadel optisch Mithilfe von Kamerasystemen ( Chan, C, Lam F, Rohling R (2005) und Najafi, M; Rohling R (2011) ). Die Position von an mindestens zwei Orten markierten Punktionsnadeln wird mittels zweier voneinander beabstandet stehender Kamerasysteme berechnet.Other methods detect the puncture needle optically using camera systems ( Chan, C, Lam F, Blank R (2005) and Najafi, M; Blank R (2011) ). The position of puncture needles marked at at least two locations is calculated by means of two spaced-apart camera systems.

Hierfür sollte die Punktionsnadel an mindestens zwei hinreichend weit voneinander beabstandeten Punkten deutlich markiert sein. Durch die voneinander beabstandeten Kamerasysteme wird jedoch kein direkt für den Operateur auf das Ultraschallbild beziehbares Bild der Punktionsnadel im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde angezeigt. Daher muß sich der Operateur bei diesen Verfahren immer allein auf die errechneten Projektionslinien verlassen. Gerade bei Übungsverfahren ist eine projektionsgerechte direkte Visualisierung der Punktionsnadel in der Ebene der Ultraschalllotung und damit eine sichere Kontrolle und Koordination durch den Übenden erwünscht. Eigene Untersuchungen hatten gezeigt, dass die optische Detektion von Markierungen auf sehr dünnen Punktionsnadeln (22–26 Gauge) mit erheblichen Schwierigkeiten und Fehlern belastet ist, wenn die Übungen bei Tageslicht oder in künstlichem Licht an Probanden durchgeführt werden sollen. Zu diesem Zweck können zwar zwei Markierungskörper in Form von Kugeln auf die Nadel aufgeschoben werden, von denen der der Körperoberfläche benachbarte bei Annäherung der Nadel an die Körperoberfläche nach hinten zurück gleitet.For this purpose, the puncture needle should be clearly marked on at least two sufficiently widely spaced points. However, the camera systems spaced apart from one another do not display an image of the puncture needle in the working space in front of the ultrasound probe which can be obtained directly by the surgeon on the ultrasound image. Therefore, the operator must always rely solely on the calculated projection lines in these methods. Especially in practice procedures a projection-friendly direct visualization of the puncture needle in the level of Ultraschalllotung and thus a secure control and coordination by the practitioner is desired. Our own investigations have shown that the optical detection of markings on very thin puncture needles (22-26 gauge) is fraught with considerable difficulties and errors when the exercises are to be performed on subjects in daylight or in artificial light. For this purpose, it is true that two marking bodies in the form of balls can be pushed onto the needle, of which the body surface adjacent to the body surface slides backwards as the needle approaches the body surface.

Bei diesem Markierungsverfahren stört jedoch der – körpernahe, untere – Markierungskörper bei der Handhabung des Geräts. Ziel der Erfindung ist es dem Lernenden ein Übungsgerät zur Verfügung zustellen, das eine direkte achsen- und projektionsgerechte Sicht auf eine im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde befindliche blanke Nadel bietet, von der ausgehend die Trajektorie der Stichprojektion und Einstichtiefe im Ultraschallbild und alle durch eine Punktion entsprechender Tiefe ausgelösten Veränderungen im Schallbild wählbar eingeblendet und simuliert werden, ohne daß eine Punktion oder Verletzung tatsächlich stattfindet. Die 1 veranschaulicht die räumliche Situation einer ultraschallnavigierten Punktion in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem, auf das sich alle im folgenden verwendeten Angaben beziehen. Die Linie, über die der Schall der auf die Körperoberfläche aufgesetzten Schallsonde S in das Gewebe des Arms eintritt, sei im folgenden als X-Achse, die Richtung in der sich der Ultraschall in die Tiefe des Gewebes ausbreitet als Z- Achse, der Schalllotung bezeichnet.In this marking process, however, the - body-near lower marker body interferes with the handling of the device. The aim of the invention is to provide the trainee with an exercise device that provides a direct axis and projection view of a clean needle located in the working space in front of the ultrasound probe, starting from the trajectory of the random projection and penetration depth in the ultrasound image and all by a puncture corresponding Depth-triggered changes in the sound image are selectively displayed and simulated without a puncture or injury actually takes place. The 1 illustrates the spatial situation of an ultrasound-navigated puncture in a three-dimensional Cartesian coordinate system, to which all the information used in the following refers. The line through which the sound of the sonic probe S placed on the body surface enters the tissue of the arm is referred to below as the x-axis, the direction in which the ultrasound propagates into the depth of the tissue as the z-axis, the sounding ,

Die Y-Achse des Koordinatensystems der Schalllotung erstreckt sich im rechten Winkel zur X- und Z-Achse in den Arbeitsraum vor dem Ultraschallgerät, in dem sich die Exerziernadel befindet.The Y-axis of the coordinate system of the Schalllotung extends at right angles to the X and Z axis in the working space in front of the ultrasound machine, in which the Exerziernadel is located.

Beschreibung der Erfindung Description of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Simulation einer ultraschallnavigierten Punktion durch Verwendung:
einer im folgenden als Exerziernadel und Exerzierbesteck bezeichneten Vorrichtung,
und einem Ultraschallnavigationssystem, welches Exerziernadel und Exerzierbesteck in der Ebene der Schalllotung achsengerecht und in korrektem Abstand zu den geschallten Strukturen über dem Ultraschallbild direkt abbildet und von dieser Abbildung ausgehend die Trajektorie der Stichprojektion übersichtlich zur Darstellung bringt.The method according to the invention makes it possible to simulate an ultrasound-navigated puncture by using:
a device hereinafter referred to as Exerziernadel and paraphernalia,
and an ultrasound navigation system, which directly depicts Exerziernadel and paraphernalia in the plane of Schalllotung axis-appropriate and at the correct distance to the sound structures above the ultrasound image and starting from this figure, the trajectory of the stitch projection clearly displays.

Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Exerziernadel und eines Exerzierbestecks.The 2 shows an exemplary embodiment of a Exerziernadel invention and a paring cutlery.

Es besteht aus:
Einem, eine Punktionsnadel darstellenden Stift, der als Exerziernadel EN auf die Körperoberfläche des Probanden aufgesetzt werden kann ohne diese zu verletzen bzw. in den Körper einzudringen,
einer Vorrichtung, die die führenden, auf die Körperoberfläche aufgesetzten Teile dieses Stiftes EN bei Annäherung des Exerzierbestecks EB an das Punktionsziel in die rückwärtigen Teile der Vorrichtung zurück gleiten lässt (2, unten mit ausgefahrener Exerziernadel, 2 oben rechts mit in das Exerzierbesteck hineingeschobener Exerziernadel),
einen eine Injektionsspritze oder ein anderes Arbeitsgerät darstellenden Aufsatz, der in das Exerzierbesteck eingebaut ist (2 Spritzenstempel ST),
einer Vorrichtung, die den mechanischen Widerstand beim zurück gleiten der führenden Teile der Spitze der Exerziernadel EN in die rückwärtigen Teile des Exerzierbestecks EB wählbar beeinflussen kann und so den Gewebewiderstand bei der Punktion gibt TA1,
in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln zur Simulation der Handhabung von Injektionen ST,
in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln, welche den Stempelwiderstand bei Injektionen wählbar beeinflussen können TA2,
in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln zur Simulation der Aspiration von Blut oder Körpergewebe,
einem im Übergangsbereich von Nadel- und Spritzenansatz angebrachten Markierungskörper- bzw. Ball M.It consists of:
A pen, which represents a puncture needle, which can be placed on the body surface of the test person as an exercial needle EN without injuring or penetrating the body,
a device which causes the leading parts of this pin EN placed on the body surface to slide back into the rear parts of the device as the drill bit EB approaches the puncture target ( 2 , below with extended Exerziernadel, 2 top right with the Exerziernadel pushed into the drill set),
An attachment which is an injection syringe or other working device and is incorporated in the drill kit ( 2 Syringe stamp ST),
a device which can influence the mechanical resistance in the back sliding of the leading parts of the tip of the Exerziernadel EN selectable in the rear parts of the drill set EB and thus gives the tissue resistance at the puncture TA1,
means for simulating the handling of injections ST incorporated in the paring utensil
means incorporated in the paring utensils which can selectably influence the punch resistance during injections TA2,
means incorporated in the drill kit for simulating aspiration of blood or body tissue,
one in the transition region of needle and syringe attachment attached marking body or ball M.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung besteht das Exerzierbesteck bzw. die Exerziernadel aus einem Stift mit einem auf diesen aufgeschobenen Markierungsball (M), der vom Übenden als Simulation der Punktion (mit einem Exerzierbesteck) nach vorn in Richtung des Punktionsziels vorgeschoben wird.In a particularly simple embodiment of the invention, the paring utensil or the Exerziernadel from a pen with a deferred on this marker ball (M), which is advanced by the practitioner as a simulation of the puncture (with a paring utensils) in the direction of the puncture target.

Das erfindungsgemäße Ultraschallnavigationssystem (1, 3) ist mit Sicht auf den Arbeitsraum der Punktion an die Ultraschallsonde montiert und enthält:
ein erstes Kamerasystem (C1), welches die Gegenstandspunkte der Punktionsnadel in ihrer genauen Projektion auf die Ebene, in der sich das Schallsignal im Körper ausbreitet als Stichprojektion S(x, z) (1) aufnimmt,
sowie ein zweites Kamerasystem (Lateralkamera) (C2) welches seitlich neben dem Lichteingang des ersten Kamerasystems montiert, die Exerziernadel und den Markierungskörper (M) im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde aus seitlicher Perspektive abbildet. Im Unterschied zum ersten Kamerasystem (C1) bildet das zweite Kamerasystem den Arbeitsraums nicht in achsenparallel zum Mittelpunktstrahl verlaufender Projektion ab, sondern erfasst den Winkel in dem ein Abschnitt oder Punkt der Exerziernadel von dem bekannten Mittelpunktstrahl des zweiten Kamerasystems absteht. Nach entsprechender Justierung und Kalibration des 2. Kamerasystems kann auf der Höhe seines Mittelpunktstrahls (1, Z = H) der Winkel ωh mit dem die Standlinie der Exerziernadel auf das 2. Kamerasystem von der X-Achse des Koordinatensystems absteht berechnet werden (Eine Skala für ω ist im Kamerabild des zweiten Kamerasystems in 1 rechts oben eingezeichnet).The ultrasonic navigation system according to the invention ( 1 . 3 ) is mounted on the ultrasound probe with a view of the working space of the puncture and contains:
a first camera system (C1), which projects the points of the puncture needle in their exact projection onto the plane in which the sound signal propagates in the body as a stitch projection S (x, z) ( 1 ),
and a second camera system (lateral camera) (C2), which is mounted laterally next to the light entrance of the first camera system, which images the exergency needle and the marking body (M) in the working space in front of the ultrasound probe from a lateral perspective. In contrast to the first camera system (C1), the second camera system does not project the working space into the projection parallel to the center beam but captures the angle at which a section or point of the exergency needle protrudes from the known center beam of the second camera system. After appropriate adjustment and calibration of the second camera system, at the level of its center beam ( 1 , Z = H) the angle ωh with which the standing line of the Exerziernadel on the second camera system projecting from the X-axis of the coordinate system can be calculated (A scale for ω is in the camera image of the second camera system in 1 marked on the top right).

Zur Vereinfachung der weiteren Berechnungen durchläuft im folgenden der Mittelpunktstrahl des lateralen zweiten Kamerasystems die Z-Achse des Koordinatensystems in der Höhe Z = H (1, Z = H).In order to simplify the further calculations, the center beam of the lateral second camera system subsequently traverses the Z axis of the coordinate system at the height Z = H (see FIG. 1 , Z = H).

Erstes und zweites Kamerasystem werden so justiert und kalibriert, daß alle Bildpunkte im Arbeitsraum, die sich auf einer aus X-, und Y-Achse definierten Ebene des Koordinatensystems mit der Höhe Z = H befinden, in beiden Kamerasystemen auf einer waagerechten, parallel zur X-Achse verlaufende Linie abgebildet werden. Diese Waagerechte verläuft in der Bildgebung des Lateralkamerasystems durch den ihrem Mittelpunktstrahl entsprechenden Punkt.The first and second camera systems are adjusted and calibrated in such a way that all the pixels in the working space, which are located on a plane of the coordinate system with the height Z = H defined in the X and Y axes, are horizontal in both camera systems, parallel to the X -Axis extending line can be mapped. This horizontal axis runs in the imaging of the lateral camera system through the point corresponding to its center ray.

In dem dreidimensionalen Koordinatensystem kann die Trajektorie der Exerziernadel in dem aus der X-, und der Z-Achse gebildeten Graphen in der Ebene der Schalllotung als Projektionslinie S(x, z), und in dem aus der Y-, und der Z-Achse gebildeten Graphen als Projektionsline S(y, z) dargestellt werden.In the three-dimensional coordinate system, the trajectory of the Exerziernadel in the graph formed from the X-, and the Z-axis in the plane of the Schalllotung as a projection line S (x, z), and in the Y, and the Z-axis formed graphs as projection line S (y, z) are shown.

Die Stichprojektion S(x, z) befindet sich in der von der X-Achse und der Z-Achse definierten Ebene der Schalllotung und erscheint deshalb in der Abbildung der Nadel durch das erste Kamerasystem als gerader Abschnitt der Exerziernadel, welcher durch die Recheneinheit im Ultraschallbild als Verlängerungslinie in dem aus X-Achse und Z-Achse gebildeten Koordinatensystem dargestellt wird.The stitch projection S (x, z) is located in the plane defined by the X-axis and the Z-axis sounding and therefore appears in the image of the needle by the first camera system as a straight section of the Exerziernadel, which by the computing unit in the ultrasound image is represented as an extension line in the coordinate system formed from X-axis and Z-axis.

Der Winkel α ist der Neigungswinkel der Stichprojektion S(x, z) gegen die Lotrechte (1). Der entsprechende Neigungswinkel der Nadel im Bild des zweiten (Lateral-)Kamerasystems entspricht dem Winkel φ (1). The angle α is the angle of inclination of the stitch projection S (x, z) against the perpendicular ( 1 ). The corresponding angle of inclination of the needle in the image of the second (lateral) camera system corresponds to the angle φ ( 1 ).

Auf welchen Punkt dieser Gerade die aufgesetzte Nadel projiziert, ist von der Steilheit des Einstichs und damit von dem Winkel 7 im Graphen der Y-, und Z-Achsen abhängig. Der Schnittpunkt der Stichprojektionen in der Ebene der Schalllotung kann durch eine Markierung auf der Linie S(x, z) im Bild der Schalllotung angezeigt werden (1, >---<). Die Trajektorie, die sich aus der auf die Körperoberfläche aufgesetzten Exerziernadel und ihrer Verlängerung ins Körperinnere zusammensetzt ist ein Vektor mit den Koordinaten x, y, z. Die 1, 2 und 3 zeigen ein Beispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne die Erfindung auf diese zu beschränken. Diese besteht aus einer Exerziernadel EN (1 und 2), über die ein Griffteil oder Exerzierbesteck EB, welches in Richtung des Punktionsziels T verschieblich ist, aufgesetzt ist. Am vorderen Teil des Exerzierbestecks EB ist ein runder licht reflektierender Markierungsball M fest montiert. Exerzierbesteck EB und Exerziernadel EN befinden sich im Arbeitsraum des Ultraschallnavigationssystems, bestehend aus einer Ultraschallsonde (1) mit dem Navigationssystem S, mit dem Lichteingang des ersten Kamerasystems C1 und dem Lichteingang des zweiten lateralen Kamerasystems C2. Unter der Ultraschallsonde liegt das angelotete Punktionsziel T. Exerziernadel EN und Exerzierbesteck EB sowie das Ultraschallnavigationssystem stehen im Koordinatensystem der Schalllotung, dessen Nullpunkt sich hier unter dem Lichteingang des Mittelpunktstrahls des zweiten lateralen Kamerasystems C2 befindet. Die Z-Achse verläuft in der Einstrahlrichtung der Schallsonde (nach unten). Jene Kontaktlinie der Schallsonde mit der Körperoberfläche über die das Ultraschallsignal in den Körper eintritt entspricht der X-Achse des Koordinatensystems. Die Y-Achse erstreckt sich rechtwinklig zu Z-, und X-Achse nach vorn in den Arbeitsraum hinein. Die durch X-, und Y-Achse gebildete Ebene entspricht der Körperoberfläche des Arbeitsraums auf die die Exerziernadel EN aufgesetzt wird. Auf der linken Seite ist die seitliche Stichprojektion als der Strahl S(y, z) in dem durch Y-, und Z-Achse definierten Graphen dargestellt. Vor dem Gerät ist die von dem ersten Kamerasystem erfasste Stichprojektion S(x, z) (unten, links) dargestellt. Ganz rechts sind über dem Ultraschallbild mit dem Punktionsziel T, zwei Abschnitte C1 der durch das erste Kamerasystem aufgenommenen Exerziernadel an entsprechend korrekt justierter Position dargestellt. Die berechnete Trajektorie der Stichprojektion S(x, z) ist zur Visualisation und Kontrolle als Verlängerung dieser direkt abgebildeten Abschnitte der Exerziernadel sowohl im Ultraschallbild als auch im Kamerabild des Arbeitsraums der Punktion dargestellt. Der Schnittpunkt der Stichprojektion S(x, z) mit der Ebene der Schalllotung ist im Ultraschallbild (>---<) hier in Bereich des Ziels T angezeigt. Der Markierungsball M wird durch Leuchtmittel aus der Richtung des zweiten Kamerasystems C2 angestrahlt (In 1 und 3 nicht dargestellt) und so hervorgehoben. Da die Trajektorie der Stichprojektion bekannt ist kann nun die virtuelle Tiefe der simulierten Punktion aus dem Bild des zweiten Kamerasystems C2 (in 1, direkt rechts neben dem Navigationsgerät dargestellt) berechnet und als Linie D im Ultraschallbild angezeigt werden. Versuche mit Leuchtmitteln, die Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 840 bis 950 nm emittieren und Fresnellstufenlinsenssystemen zur achsenparallelen Projektion des ersten optischen Systems (3 L1) haben bei Verwendung von Kamerasystemen ohne Infrarot Filter zu überraschend guten Darstellungen der Nadel und des Markierungskörpers geführt. Hierdurch konnten Nadel und Markierungskörper durch Analyse der Farbwerte der aufgenommenen Bilder besonders sicher vom Hintergrund unterschieden werden.At which point this straight line projects the patch needle depends on the steepness of the groove and thus on the angle 7 in the graph of the Y and Z axes. The intersection of the stitch projections in the plane of the sound plotting can be indicated by a marking on the line S (x, z) in the image of the sound plummet ( 1 ,> --- <). The trajectory, which is composed of the Exerziernadel attached to the body surface and its extension into the body interior is a vector with the coordinates x, y, z. The 1 . 2 and 3 show an example of the apparatus for carrying out the method according to the invention without limiting the invention to these. This consists of a Exerziernadel EN ( 1 and 2 ), over which a handle or paring utensil EB, which is displaceable in the direction of the puncture target T, is placed. At the front of the paring utensil EB a round light-reflecting marker ball M is permanently mounted. Exerzierbesteck EB and Exerziernadel EN are located in the workspace of the ultrasonic navigation system, consisting of an ultrasonic probe ( 1 ) with the navigation system S, with the light input of the first camera system C1 and the light input of the second lateral camera system C2. Below the ultrasound probe is the angelotete puncture target T. Exerziernadel EN and paring utensils EB and the ultrasonic navigation system are in the coordinate system of the Schalllotung, whose zero point is here below the light entrance of the center beam of the second lateral camera system C2. The Z-axis runs in the beam direction of the sound probe (down). The contact line of the sonic probe with the body surface through which the ultrasound signal enters the body corresponds to the X-axis of the coordinate system. The Y axis extends at right angles to Z, and X axis extends forward into the working space. The plane formed by the X- and Y-axis corresponds to the body surface of the working space on which the Exerziernadel EN is placed. On the left side, the lateral stitch projection is shown as the ray S (y, z) in the graph defined by Y and Z axes. In front of the device, the stitch projection S (x, z) (bottom, left) detected by the first camera system is shown. On the right-hand side, above the ultrasound image with the puncture target T, two sections C1 of the exerzi needle recorded by the first camera system are shown at a correspondingly correctly adjusted position. The calculated trajectory of the stitch projection S (x, z) is shown for visualization and control as an extension of these directly imaged sections of the exericine needle both in the ultrasound image and in the camera image of the working space of the puncture. The point of intersection of the stitch projection S (x, z) with the plane of the sound slot is shown here in the ultrasound image (> --- <) in the region of the target T. The marking ball M is illuminated by illuminants from the direction of the second camera system C2 (In 1 and 3 not shown) and so highlighted. Since the trajectory of the stitch projection is known, the virtual depth of the simulated puncture can now be determined from the image of the second camera system C2 (in FIG 1 calculated directly to the right of the navigation device) and displayed as line D in the ultrasound image. Experiments with illuminants emitting light with a wavelength in the range of 840 to 950 nm and Fresnellstufenlinsenssystemen for axis-parallel projection of the first optical system ( 3 L1) have led to surprisingly good representations of the needle and the marker body when using camera systems without infrared filter. As a result, the needle and marking body could be distinguished from the background by analysis of the color values of the recorded images.

Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallnavigation. In dem Gerät sind A und B Umlenkspiegel, welche 2 horizontale Abschnitte des Arbeitsraums auf die Kamera C1 umlenken. In dem Beispiel der 3 ist den Spiegeln A und B eine Frensnellstufenlinse L1 mit einer Brennweite vorgesetzt, welche die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zum Mittelpunktstrahl des Kamerasystems auf die entsprechend beabstandete Kamera C1 abbilden. In dem Beispiel ist ein den Spiegeln A und B gegenüber liegender Spiegel W, der das von A und B reflektierte Bild des Arbeitsraums auf die Kamera C1 vorteilhaft umlenkt. Im Strahlengang der von den beiden Spiegeln L1 und L2 reflektierten Abschnitte des Arbeitsraums ist eine weitere bifokal dergestalt geschliffene Linse L2 vorgesetzt, dass die unterschiedlich Abstände von A und B zur Kamera C1 bezüglich der Gesamtbrennweite des Systems ausgeglichen werden. Die unterschiedlichen Abstände zwischen A und C1 sowie B und C1 können jedoch auch durch entsprechende einzelne Linsen welche A und B statt L1 vorgesetzt werden ausgeglichen werden.The 3 shows an inventive device for ultrasonic navigation. In the apparatus, A and B are deflecting mirrors which deflect 2 horizontal sections of the working space onto the camera C1. In the example of 3 the mirrors A and B, a Frensnellstufenlinse L1 preset with a focal length, which image the object points of the working space parallel to the center beam of the camera system on the correspondingly spaced camera C1. In the example, a mirror W opposite the mirrors A and B advantageously deflects the image of the working space reflected by A and B onto the camera C1. In the beam path of the portions of the working space reflected by the two mirrors L1 and L2, a further bifocally ground lens L2 is provided so that the different distances from A and B to the camera C1 are compensated with respect to the total focal length of the system. However, the different distances between A and C1 and B and C1 can also be compensated by corresponding individual lenses which A and B are prefixed instead of L1.

Die vom ersten optischen System geforderte Brennweite mit einer zum Mittelpunktstrahl achsenparallelen Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums kann auch durch Einbau entsprechend konvex geschliffener Brennspiegel anstelle planer Umlenkspiegel und Linsen erreicht werden. Ferner können anstelle der Spiegel und Linsen entprechend geschliffene Reflektionsprismen zur Verbesserung der optischen Güte des Kamerasystems verwendet werden.The required by the first optical system focal length with a central axis parallel to the axis representation of the object points of the working space can also be achieved by installing correspondingly convex ground focal mirror instead planner deflecting mirrors and lenses. Furthermore, instead of the mirrors and lenses, appropriately ground reflection prisms can be used to improve the optical quality of the camera system.

Durch die erfindungsgemäße Abbildung der Exerziernadel im Arbeitsraum sowohl mit einem ersten optischen System, welches die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zum Mittelpunktstrahl der Kamera darstellt, als auch mit einem Lateralkamerasystem, welches den Winkel der Gegenstandspunkte im Arbeitsraum in Bezug auf einen Mittelpunktstrahl erfaßt, welcher die Projektionen des achsenparallel abbildenden (ersten) optischen Systems in einem bekannten Winkel auf einer bekannten Ebene schneidet, konnten die direkte Darstellung und Visualisierung der Exerziernadel, die Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion überraschend einfach und schnell ohne zusätzliche Markierungen der Exerziernadel durchgeführt werden.The inventive illustration of Exerziernadel in the working space both with a first optical system, which represents the object points of the working space parallel to the center beam of the camera, as well as with a lateral camera system, which detects the angle of the object points in the working space with respect to a center beam, which the projections of the axis parallel imaging (first) optical system in a known Angle cuts on a known plane, the direct representation and visualization of the Exerziernadel, the calculation of the trajectory of the stitch projection could be carried out surprisingly easily and quickly without additional markings of Exerziernadel.

Dabei visualisiert das erste optische System die Nadel in der gewünschten Ebene der Schalllotung und gibt eine direkte Abbildung der Nadel über dem Ultraschallbild in dieser Projektionsebene aus, von dem dann die berechnete Trajektorie der Stichprojektion als eingeblendete Linie ausgeht. Der Punktierende kann dabei jederzeit die Güte der berechneten Werte der Trajektorie der Stichprojektion überprüfen. Wenn die eingezeichnete Linie der Stichprojektion nicht als gerade Verlängerung des Nadelbildes erscheint sind die für diese Ebene berechneten Werte falsch. Ferner kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion auf eine zusätzliche Markierung der Punktionsnadel verzichtet werden. Bei der Berechnung dieser Trajektorie stellt das erste erfindungsgemäße optische System alle Punkte der direkt aufgenommenen Exerziernadel in der Schalllotungsebene als X- und Z-Koordinate zur Verfügung. Für die Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion wird die Y-Koordinate eines dieser Punkte und der Winkel φ aus der 2. Lateralkamera benötigt. Es zeigt sich das dieser Punkt durch Justierung und Kalibration der beiden optischen Systeme – genauer des Mittelpunktstrahls des zweiten optischen Systems – einfach bestimmt werden kann. Der auf dem Exerzierbesteck montierte Markierungskörper M dient damit allein der Berechnung der simulierten Einstichtiefe. Diese Eigenschaft zeigte auch bei der optischen Erfassung von anderen – nicht gerade verlaufenden – geometrischen Körpern überraschende Möglichkeiten, wenn diese durch das Aufnahmesystem hindurchbewegt werden.In this case, the first optical system visualizes the needle in the desired plane of the Schalllotung and outputs a direct image of the needle on the ultrasound image in this projection plane, from which then the calculated trajectory of the stitch projection as a superimposed line. The puncturer can at any time check the quality of the calculated values of the trajectory of the stitch projection. If the drawn line of the stitch projection does not appear as a straight extension of the needle image, the values calculated for this plane are incorrect. Furthermore, by using the method according to the invention in the calculation of the trajectory of the stitch projection, an additional marking of the puncture needle can be dispensed with. In the calculation of this trajectory, the first optical system according to the invention provides all the points of the directly recorded exericine needle in the sound level as X and Z coordinates. For the calculation of the trajectory of the stitch projection, the Y coordinate of one of these points and the angle φ from the second lateral camera are required. It turns out that this point can be easily determined by adjustment and calibration of the two optical systems - more precisely, the center beam of the second optical system. The marking body M mounted on the paring utensil thus serves solely to calculate the simulated penetration depth. This property also showed surprising possibilities in the optical detection of other - not just running - geometric bodies when they are moved through the recording system.

Die durch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Ultraschallbild eingeblendeten Punktionsartefakte sind:

– Ultraschallechos von in das Gewebe eingestochenen Teilen von Punktionsnadeln,
– typische durch Bewegung von Nadeln auslösbare Gewebeveränderungen, wie Verziehungen des Gewebeschallbildes,
– Gewebeverletzungen, Einblutungen, Muskelkontraktionen die durch Verletzung oder Stimulation von Nerven ausgelöst werden können.

The puncture artefacts displayed in the ultrasound image by the device according to the invention are:

Ultrasonic echoes of parts of puncture needles pierced into the tissue,
Typical tissue changes caused by movement of needles, such as distortions of the tissue sound image,
- Tissue injury, bleeding, muscle contractions that can be triggered by injury or nerve stimulation.

Durch Einbau und Anschluss entsprechender Sensoren in das Exerzierbesteck können andere bei Ultraschallpunktionen auftretende Phänomene, wie die Injektion von Flüssigkeiten oder Substanzen zur Markierung im Ultraschallbild simuliert werden.By incorporation and connection of appropriate sensors in the paring utensils other phenomena occurring in ultrasonic punctures, such as the injection of liquids or substances for marking in the ultrasound image can be simulated.

Die Aspiration von Gewebeflüssigkeiten beispielsweise von Blut in Exerzierbesteck kann durch Einbau und Anschluss entsprechender Anzeigevorrichtungen in das Exerzierbesteck durch Farbänderung durch Verwendung verschiedenfarbiger Leuchtmittel in dem Exerzierbesteck dargestellt werden.The aspiration of tissue fluids from, for example, blood in paring utensils can be represented by incorporation and connection of appropriate display devices into the paring utensils by color change by using differently colored bulbs in the paring utensils.

Durch Einbau entsprechender translativer Aktoren 2 TA1 und in das Exerzierbesteck und Anschluss dieser Aktoren an die erfindungsgemässe Vorrichtung können der dem Vorschieben des Exerzierbestecks entgegenwirkende Widerstand in Abhängigkeit der aus dem Ultraschallbild ableitbaren Gewebeeigenschaften wie, Dichte, Viskosität, Elastizität und Festigkeit verändert werden.By installing corresponding translational actuators 2 TA1 and in the paraphernalia cutlery and connection of these actuators to the device according to the invention, the resistance counteracting the advance of the paring utensil can be changed as a function of the tissue properties such as density, viscosity, elasticity and strength derivable from the ultrasound image.

Auch die Widerstände, die dem Spritzenstempel des Exerzierbestecks beim Einspritzen oder Aspirieren von Flüssigkeiten entgegengesetzt wirken, können durch Verwendung entsprechender translativer Aktoren TA2 beispielsweise in einer Injektionsspritze in Abhängigkeit von den durch die Schalllotung erfassten Daten wählbar beeinflusst werden. Als translative Aktoren TA1 oder TA2 können beispielsweise Hysteresbremsen oder andere elektromechanische Bremssysteme verwendet werden.The resistors, which act counter to the syringe die of the paring utensil during the injection or aspiration of liquids, can be selectively influenced by using corresponding translational actuators TA2, for example in an injection syringe, depending on the data acquired by the sound plaque. For example, hysteresis brakes or other electromechanical brake systems can be used as translational actuators TA1 or TA2.

Sowohl die durch die Sensoren gemessenen Daten, als auch die Steuersignale für die translativen Aktoren (TA1, TA2) können durch eine Kabelverbindung zwischen der Exerziernadel und Exerzierbesteck und der angeschlossenen Recheneinheit übertragen werden, die mit C1 und C2 verbunden ist. In einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung können diese Signale als Funk- oder Lichtsignale zwischen den Geräten übertragen werden. Vorteilhaft können Infrarot LED Leuchtmittel zur Übertragung von Signalen an das Exerzierbesteck genutzt werden, die als Leuchtmittel zur Illumination der Nadel und des Markierungskörpers auf dem Ortungsgerät montiert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das verletzungsfreie Üben von Ultraschallnavigationsverfahren am Menschen. Ferner kann das Navigationsgerät bei Übungen an Gewebemodellen, welche komplexe pathologisch anatomische Strukturen aufweisen, genutzt werden. Hierbei werden feststehende Injektionsnadeln verwendet, die in das Gewebemodell eingestochen werden. Bei diesen Nadeln ist ein Markierungskörper M an dem der Nadelspitze gegenüberliegenden Ende der Nadel im Bereich des Ansatzkonus für Injektionsspritzen dergestalt montiert, daß die Nadel die Mitte des Markierungskörpers durchläuft.Both the data measured by the sensors and the control signals for the translational actuators (TA1, TA2) can be transmitted by a cable connection between the exericating needle and the paring utensil and the connected arithmetic unit, which is connected to C1 and C2. In another embodiment of the device, these signals can be transmitted as radio or light signals between the devices. Advantageously, infrared LED bulbs can be used to transmit signals to the paring utensils, which are mounted as illuminants for illuminating the needle and the marking body on the locating device. The inventive method allows injury-free practice of Ultraschallnavigationsverfahren in humans. Furthermore, the navigation device can be used in exercises on tissue models which have complex pathological anatomical structures. This uses fixed needles that are inserted into the tissue model. In these needles, a marking body M is mounted at the needle tip end of the needle in the region of the injection syringe cone such that the needle passes through the center of the marker body.

Die Übung ultraschallnavigierter Punktionen umfaßt nicht nur die Koordination und Handhabung von Exerzierbesteck und der Ultraschallsonde, sondern auch die sterile, kontaminationsfreie Handhabung der Geräte. Hierfür muß die Ultraschallsonde durch eine sterile Hülle vom desinfizierten Bereich der Punktionsstelle isoliert werden. Bei allen Manipulationen ist darauf zu achten, daß die mit einer sterilen Hülle bedeckte Sonde sowie das Punktionsbesteck nicht durch Kontakt mit nicht desinfizierten Gegenständen kontaminiert wird. Auf der anderen Seite darf die optische Erfassung von Nadel und Markierungskörper nicht durch die die Ultraschallsonde umfassende Hülle behindert werden. The practice of ultrasound-navigated punctures includes not only the coordination and handling of the paring utensils and the ultrasound probe, but also the sterile, contamination-free handling of the devices. For this, the ultrasound probe must be isolated by a sterile sheath from the disinfected area of the puncture site. In all manipulations, care must be taken to ensure that the probe covered with a sterile sheath and the puncture set are not contaminated by contact with non-disinfected objects. On the other hand, the optical detection of the needle and the marking body must not be hindered by the envelope enclosing the ultrasonic probe.

Die Ultraschallsonde wird deshalb mit einer für das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgestrahlte Licht gut durchlässigen Schallschutzhülle umhüllt. Zur Verzerrungsfreien Aufnahme des von Punktionsnadel und Markierungskörper reflektierten Lichts sollte die sterile Schutzhülle dicht ohne Faltenbildung am Lichteintritt der Vorrichtung anliegen. Diese Probleme konnten durch die erfindungsgemäße Verwendung einer die Luft aus der Navigationsvorrichtung ansaugenden Pumpe sowie kleiner um den Lichteintritt des Navigationsgeräts angeordneter Öffnungen gelöst werden. Hierdurch wird die sterile Umhüllung des Geräts dicht an die Lichteintritte des Navigationsgeräts herangezogen und das aufgenommene Kamerabild deutlich verbessert. Bei der Erprobung dieser Ansaugvorrichtung in Verbindung mit Navigationsvorrichtungen, bei denen eine Umhüllung an die Fresnellstufen aufweisende Seite einer Fresnellstufenlinse angesaugt wurde, zeigte sich die optische Schärfe und Intensität der aufgenommenen Bilder sehr stark von dem von der Pumpe aufgebauten Ansaugdruck abhängig. Einige sehr kleine Öffnungen zwischen den Fresnellstufen dieser Linsen bewirken ein optimales Anliegen der Hülle wobei die Brechungseigenschaften durch Änderung der Leistung der Saugpumpe wählbar beeinflußt werden. Die Leistung der Saugpumpe kann dabei einfach durch den bildverarbeitenden Prozessor gesteuert, und die Bildqualität optimiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt eine präzise Abstimmung von Punktionsnadel, Ultraschallgerät und dem optischen System zur Erfassung der räumlichen Lage der Punktionsnadel voraus.The ultrasound probe is therefore enveloped by a sound-permeable casing which is well-permeable to the light emitted by the device according to the invention. For distortion-free recording of the reflected light from puncture needle and marker body light, the sterile protective cover should fit tightly without wrinkling at the light entrance of the device. These problems could be solved by the use according to the invention of a pump sucking in the air from the navigation device as well as smaller openings arranged around the light entrance of the navigation device. As a result, the sterile enclosure of the device is used close to the light entrance of the navigation device and the recorded camera image significantly improved. In the testing of this aspirator in conjunction with navigation devices in which an envelope was sucked on Fresnellstufen facing side of a Fresnel stage lens, the optical sharpness and intensity of the recorded images was very much dependent on the suction pressure built up by the pump. Some very small openings between the Fresnellstufen these lenses cause optimum coverage of the shell whereby the refractive properties are selectively influenced by changing the power of the suction pump. The power of the suction pump can be easily controlled by the image processing processor, and the image quality can be optimized. The device according to the invention requires a precise coordination of puncture needle, ultrasound device and the optical system for detecting the spatial position of the puncture needle.

Dabei muß gesichert werden,
daß die Visualisierung des Nadelbildes in rechter Position und Abmessung in Bezug auf das von der Ultraschallsonde gemessene Bild erfolgt,
daß der Arbeitsraum durch erstes und zweites optisches System vollständig erfaßt wird,
daß die beiden optischen System in einer der Recheneinheit bekannten Weise justiert sind, und, daß die Abmessungen der Exerziernadel erfasst werden.It must be ensured
that the visualization of the needle image is in the right position and dimension with respect to the image measured by the ultrasound probe,
that the working space is completely detected by first and second optical system,
that the two optical system are adjusted in a manner known to the arithmetic unit, and that the dimensions of the Exerziernadel be detected.

Zur authentifizierten Kalibration werden Nadel, Ultraschallsonde sowie ein optisches Kalibrationsmodell mit einem Schlüsselcode versehen, der in Teilen dem Untersucher bekannt ist. Bei Exerzier- oder Punktionsnadeln können hierfür RFID-Chips genutzt werden, die im Fall der Exerziernadelsysteme erst dann lesbar sind, wenn die Exerziernadelspitze auf eine gewünschte Distanz zu dem Markierungskörper herausgezogen wurde. Hierfür wird der RFID-Chip am hinteren Ende der Exerziernadel befestigt und gleitet beim Einschieben der Exerziernadel in eine abdeckende Hülse innerhalb des Exerzierbestecks, welche eine Ablesung durch ein auf der Schallsonde montiertes Lesegerät unterbricht. Der Justierung und Kalibration von Schallsonde und optischen Nadelerfassungssystem dienende opto-akustische Kalibrationskörper besteht an einer Seite aus mindestens einer in ein Papier oder eine Folie geprägten Relief- und Lochstruktur, die mit mindestens einer Deckschicht überzogen ist, welche im Vergleich zur Reliefschicht eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweist. Auf der anderen Seite befindet sich ein Markierungskörper, welcher auf mindestens einer Ebene optische Muster aufweist, welche der Recheneinheit bekannt sind, oder der Recheneinheit über einen auf dem opto-akustischen Kalibrationskörper befindlichen Schlüsselcode bekannt gemacht werden können. Dieser Schlüssel kann sonographisch auf dem Kalibrationskörper als Bestandteil der geprägten Reliefstruktur oder steganographisch als Bestandteil des Markierungsmusters implementiert sein. Die Kalibration erfolgt durch Aufsetzen der Ultraschallsonde auf das Relief, und Abbildung des hochgeklappten optischen Teils des Kalibrationskörper durch das erste und zweite erfindungsgemäße optische System. Vorteilhaft ändert sich die Struktur des sonographierten Relief in Abhängigkeit vom Abstand des optischen Kalibrationsmusters, sodaß nach der Analyse des Ultraschallbilds an verschiedenen Aufsetzpunkten auf dem Muster ein Abgleich mit dem so verschieden beabstandeten Kalibrationsmuster insbesondere durch das zweite optische Erfassungssystem erfolgen kann. Die Schlüssel von Ultraschallgerät, Navigationsgerät und Kalibrationsmodell werden von der Recheneinheit unter Generierung eines zeitabhängigen Merkmals zusammengeführt.For authenticated calibration, the needle, ultrasound probe, and an optical calibration model are given a key code, some of which is known to the examiner. For paring or puncture needles RFID chips can be used for this purpose, which are readable in the case of Exerziernadelsysteme only when the Exerziernadelspitze was pulled out to a desired distance to the marking body. For this purpose, the RFID chip is attached to the rear end of the Exerziernadel and slides when inserting the Exerziernadel in a covering sleeve within the drill, which interrupts a reading by a reader mounted on the sound probe. The adjustment and calibration of sound probe and optical needle detection system serving opto-acoustic calibration body consists on one side of at least one embossed in a paper or a foil relief and hole structure, which is covered with at least one cover layer, which compared to the relief layer, a different acoustic impedance having. On the other side there is a marking body, which has optical patterns on at least one plane, which are known to the arithmetic unit, or can be made known to the arithmetic unit via a key code located on the opto-acoustic calibration body. This key can be sonographically implemented on the calibration body as part of the embossed relief structure or steganographically as part of the marking pattern. The calibration is performed by placing the ultrasound probe on the relief, and imaging of the folded-up optical part of the calibration body by the first and second optical system according to the invention. Advantageously, the structure of the sonographed relief changes as a function of the distance of the optical calibration pattern, so that after the analysis of the ultrasound image at different touchdown points on the pattern, an adjustment can be made with the differently spaced calibration pattern, in particular by the second optical detection system. The keys of ultrasound device, navigation device and calibration model are merged by the computing unit generating a time-dependent feature.

Bei den Punktionsmanövern werden dem kalibrierten System die Exerziernadel und ihr Schlüssel präsentiert, wobei eine weitere zeitabhängige Paarung der im Navigationsgerät erfaßten Daten und der Exerziernadel mit einem Zeitstempel erzeugt wird, die die Authentizität der Kalibrationsdaten und aller hiernach aufgezeichneten Bilder und Daten nachvollziehbar bestätigt. Bei den Schlüsseln werden vorzugsweise asymetrische Schlüsselpaare verwendet – private, mit denen die beschriebenen Paarungen erzeugt werden und öffentliche mithilfe derer die Authentizität der Paarungen überprüft werden können.In the puncture maneuvers, the calibrated system is presented with the exericating needle and its key, whereby a further time-dependent pairing of the data recorded in the navigation device and the Exerziernadel is generated with a time stamp that verifiably confirms the authenticity of the calibration data and all hereafter recorded images and data. The keys preferably use asymmetric key pairs - private, which are used to create the pairings described, and public ones to verify the authenticity of the pairings.

Beispiel example

Ein Retroflexmarkierungskörper mit einem Durchmesser von 1,2 cm wird mit einer Bohrung versehen und auf den Spritzenansatz einer Injektionsspritze befestigt.A 1.2 cm diameter retroflex marking body is drilled and attached to the syringe hub of a hypodermic syringe.

Ein 8,5 cm langes Stahlröhrchen, dessen Innendurchmesser einen 18 Gauge Stahlstift aufnimmt, wird in das Nadelansatzstück der Spritze eingeschoben und durch eine entsprechende Bohrung im Spritzenstempel nach hinten durchgeführt. Ein 12 cm langer 18 Gauge dicker an den Enden abgerundeter Stahlstift, wird in dieses Röhrchen etwa 3 cm tief eingeschoben.A 8.5 cm long steel tube, the inside diameter of which receives a 18 gauge steel pin, is inserted into the needle hub of the syringe and passed through a corresponding hole in the syringe plunger to the rear. A 12 cm long 18 gauge thick rounded steel pin at the ends is inserted into this tube about 3 cm deep.

In ein 25 cm langes und 6 cm breites Gehäuse welches auf einer Seite 1,5 cm und gegenüberliegend 6,6 cm tief ist wird auf der 1,5 cm tiefen Seite ein 5,5 cm langer und 1.9 cm breiter Spiegel wie in 1 eingebaut.In a 25 cm long and 6 cm wide case which is 1.5 cm deep on one side and 6.6 cm deep on the side 1.5 cm deep is a 5.5 cm long and 1.9 cm wide mirror as in 1 built-in.

Der Spiegel weist eine Neigung gegenüber der Rückseite von 33° auf. Vor dem Spiegel befindet sich eine Öffnung (vgl. 1) und eine Schiene für den Linseneinschub. Um den Linseneinschub werden in regelmäßigen Abständen kleine Löcher gebohrt. An der dem Spiegel gegenüber liegenden Seite wird eine elektronische Kamera mit einer Auflösung von 1280×720 Pixeln, welche keinen Infrarotfilter aufweist eingebaut. Neben dem Spiegel wird eine weitere elektronische Kamera ohne Infrarotfilter mit Sicht auf den Arbeitsraum der Punktion in einer Justiervorrichtung montiert. Zwischen der zweiten Kamera und dem Spiegel werden 6 Bohrungen im Gehäuse angelegt in die 6 Infrarot-LEDs eingebaut und an eine Stromquelle der Recheneinheit angeschlossen werden.The mirror has a slope from the back of 33 °. In front of the mirror is an opening (cf. 1 ) and a lens insertion rail. Small holes are drilled at regular intervals around the lens insert. On the opposite side of the mirror is an electronic camera with a resolution of 1280 × 720 pixels, which has no infrared filter installed. In addition to the mirror another electronic camera without infrared filter with view of the working space of the puncture is mounted in an adjusting device. Between the second camera and the mirror, 6 holes are created in the housing in the 6 infrared LEDs installed and connected to a power source of the arithmetic unit.

In den Linseneinschub vor dem ersten Kamerasystem wird eine dünne Fresnellstufenlinse mit 6,5 dpt eingeschoben. Beide Kamerasysteme werden an die Recheneinheit angeschlossen. Spiegel und Kamera des ersten elektronischen Kamerasystems werden so justiert, daß sie den Arbeitsraum in einer auf der Ebene der Ultraschalllotung lotrecht stehenden Projektion aufnehmen.In the lens insert in front of the first camera system, a thin Fresnel stage lens with 6.5 dpt is inserted. Both camera systems are connected to the arithmetic unit. Mirror and camera of the first electronic camera system are adjusted so that they record the working space in a perpendicular to the level of the ultrasound sounding projection.

Die achsenparallele Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums durch das erste Kamerasystem wird durch Veränderung des Abstandes der elektronischen Kamera zu Spiegel und Fresnellstufenlinse justiert. Hierfür werden verschiedene Kalibrierungskörper auf definierten Positionen im Arbeitsraum aufgenommen.The axis-parallel representation of the object points of the working space by the first camera system is adjusted by changing the distance of the electronic camera to mirror and Fresnellstufenlinse. For this purpose, different calibration bodies are recorded at defined positions in the working space.

Erstes und zweites Kamerasystem werden so justiert, daß der Mittelpunktstrahl des zweiten seitlichen Systems eine waagerecht liegende Reihe der vom ersten Kamerasystem aufgenommenen Gegenstandspunkte im Arbeitsaum trifft und deren achsenparallele Projektionslinien mit einem Winkel von 45° schneidet.First and second camera system are adjusted so that the center beam of the second lateral system hits a horizontal row of the object points recorded by the first camera system in the work space and intersects their axis-parallel projection lines at an angle of 45 °.

Die Kameraausschnitte dieser gemeinsamen Reihe von Punkten werden sowohl bei dem ersten, als auch bei dem zweiten Kamerasystem gespeichert. In die Rückseite der Navigationseinheit wird eine Schale zur festen Aufnahme einer Ultraschallsonde mit bekanntem Abstand zu dem Lichteintritt des ersten und 2.The camera sections of this common series of points are stored in both the first and second camera systems. In the back of the navigation unit is a shell for firmly receiving an ultrasonic probe with a known distance to the light entrance of the first and second

Kamerasystems montiert. Eine Ultraschallsonde wird in die Schale eingelegt und befestigt. Ultraschallsonde und Navigationseinheit werden in eine Schutzhülle eingelegt. Eine an das Innere der Navigationseinheit angeschlossene Saugpumpe wird in Betrieb genommen.Camera system mounted. An ultrasound probe is placed in the tray and attached. Ultrasonic probe and navigation unit are placed in a protective cover. A suction pump connected to the interior of the navigation unit is put into operation.

Dabei wird beachtet, daß die Hülle dicht und faltenfrei an Schallaustritt und Fresnellstufenlinse anliegt. Das vom Ultraschallsystem ausgegebene Bild wird durch ein 3. Kamerasystem aufgenommen und der Recheneinheit zugeführt. Die Ultraschallsonde wird in Betrieb genommen und an definierter Stelle auf ein Kalibriermodel in das ein mit einem Gelfilm abgedecktes sonografisch erfaßbares Relief eingeprägt ist, aufgesetzt. Der im Arbeitsraum liegende optische Kalibrierkörper wird langsam hochgeklappt.It is noted that the shell rests tight and wrinkle-free at the sound outlet and Fresnel stage lens. The image output by the ultrasound system is recorded by a third camera system and fed to the arithmetic unit. The ultrasound probe is put into operation and placed at a defined position on a Kalibriermodel in which a covered with a gel film sonographically detectable relief is placed. The optical calibration body lying in the working space is slowly folded up.

Das Ultraschallbild wird auf einem Monitor direkt dargestellt. Das durch das erste Kamerasystem aufgenommene Bild des Arbeitsraums wird über dem Ultraschallbild dargestellt. Sein Abstand zu dem Ultraschallbild und seine Bildgröße werden durch den optischen Kalibrierkörper bei dem die Abmessungen und der Abstand zum Ende des Schalleintritts der Ultraschallsonde bekannt sind kalibriert. Mit Ultraschallsonde und Navigationsgerät wird ein Punktionsziel in einem Ultraschallgelmodell angelotet. Exerziernadel und Exerzierbesteck werden vor der Ultraschallsonde aufgesetzt. Über dem Ultraschallbild kann das vom ersten Kamerasystem aufgezeichnete Bild der Exerziernadel bereits als Visierlinie auf das Punktionsziel genutzt werden. Die graphische Datenanalyse des ersten und zweiten Kamerasystems umfaßt nun folgende Schritte.The ultrasound image is displayed directly on a monitor. The image of the working space taken by the first camera system is displayed above the ultrasound image. Its distance from the ultrasound image and its image size are calibrated by the optical calibration body where the dimensions and the distance to the end of the sound input of the ultrasound probe are known. With ultrasound probe and navigation device, a puncture target is angeled in an ultrasound gel model. Exerziernadel and paring utensils are placed in front of the ultrasound probe. Above the ultrasound image, the image of the exergency needle recorded by the first camera system can already be used as a sighting line on the puncture target. The graphic data analysis of the first and second camera systems now comprises the following steps.

Zerlegung des Bildes des ersten Kamerasystems in seine Grundfarben Rot, Grün und Blau. Unter der Annahme, daß das Bild mindestens zwei statistisch verteilte Bildanteile hat, von denen einer dem Hintergrund, der andere der Nadel entspricht, wird eine Gewichtsfunktion entsprechend einer Gaußverteilung berechnet, deren Extremwerte die Schwellenwerte des Übergangsbereichs zwischen den beiden Bildanteilen darstellen. Hierdurch wird das urprüngliche Bild so zerlegt, daß die Nadel als alleiniger Bildanteil erscheint. Die resultierenden Bildpunkte werden linear regrediert. Die Geradengleichung entspricht der zweidimensionalen Stichprojektion S(x, z) für die Ebene der Schalllotung.Decomposing the image of the first camera system into its primary colors red, green and blue. Assuming that the image has at least two randomly distributed image components, one of which corresponds to the background, the other to the needle, a weighting function is calculated in accordance with a Gaussian distribution whose extreme values represent the threshold values of the transitional region between the two image components. As a result, the original image is decomposed so that the needle appears as the sole part of the image. The resulting pixels are regressed linearly. The straight line equation corresponds to the two-dimensional stitch projection S (x, z) for the plane of the sound sounding.

Diese Stichprojektion wird in das Ultraschallbild eingezeichnet und stellt eine Verlängerung des direkt vom ersten Kamerasystem aufgenommenen Nadelbilds dar.This stitch projection is drawn into the ultrasound image and represents an extension of the needle image recorded directly by the first camera system.

Zur Bestimmung der Tiefenwerte werden die Daten des zweiten raumwinkeltreuen Kamerasystems in gleicher Weise unter Berücksichtigung der raumwinkeltreuen Abbildungsfunktion umgesetzt. Der Abweichungswinkel des berechneten Nadelabschnitts zu seinem Mittelpunktstrahl wird in dem im vorigen justierten und kalibrierten gemeinsamen Kameraausschnitt berechnet. Es werden in diesem Bereich für genau einen Punkt die 3dimensionalen Raumkoordinaten berechnet. Aus der Mittelung der für beide Kamerasysteme berechneten Regressionskurven kann die vollständige 3dimensionale Lage der Nadel von diesem Punkt ausgehend dargestellt werden. Mit der Analyse des reflektierenden Markierungskörpers mit dem zweiten seitlichen Kamerasystem liegt die Höhe der Nadelposition vor. Über dem Ultraschallbild wird das vom ersten Kamerasystem aufgenommene Exerziernadelbild dargestellt. Von diesem ausgehend wird in das Ultraschallbild die Stichprojektion eingezeichnet.In order to determine the depth values, the data of the second camera system consistent with the spatial angle is converted in the same way, taking into account the image function that satisfies the spatial angle. The deviation angle of the calculated needle section to its center beam is calculated in the previously calibrated and calibrated common camera section. In this area, the 3dimensional space coordinates are calculated for exactly one point. From the averaging of the regression curves calculated for both camera systems, the complete 3-dimensional position of the needle can be represented starting from this point. With the analysis of the reflective marker body with the second lateral camera system, the height of the needle position is present. Above the ultrasound image, the Exerziernadelbild recorded by the first camera system is displayed. Starting from this, the stitching projection is drawn into the ultrasound image.

Mithilfe der 3dimensionalen Raumkoordinaten der Nadel wird der Punkt im Ultraschallbild angezeigt, auf den die Stichprojektion hinzielt. Die Stichsimulation erfolgt durch Vorschieben der Injektionsspritze mit dem montierten Retroflexmarkierungskörper in Richtung des angeloteten Ziels. Die scheinbare Einstichtiefe wird aus der Position des Retroflexmarkierungskörpers im Bild des zweiten Kamerasystems berechnet. Bei hinreichend tiefer Annäherung des Exerzierbestecks an das Punktionsziel wird ein Nadelartefakt in das Ultraschallbild an entsprechender Position eingeblendet. Zur Durchführungen der dem Beispiel zugrundeliegenden Rechenoperationen werden in C bzw. C++ vorliegende Algorithmen der OpenCV-Bibliotheken, insbesondere die Verfahren nach Kittler-Illingworth genutzt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken. Zur Berechnung der im Beispiel entstandenen Bilddaten können auch andere Programmiersprachen und Algorithmen genutzt werden.Using the 3dimensional space coordinates of the needle, the point in the ultrasound image to which the stitch projection is aimed is displayed. The puncture simulation is carried out by advancing the injection syringe with the mounted retroflex marking body in the direction of the angeled target. The apparent penetration depth is calculated from the position of the retroflex marking body in the image of the second camera system. With a sufficiently close approach of the drill to the puncture target, a needle artifact is faded into the ultrasound image at the appropriate position. For carrying out the arithmetic operations on which the example is based, algorithms of the OpenCV libraries which are present in C or C ++, in particular the methods according to Kittler-Illingworth, are used without limiting the invention to this. To calculate the image data created in the example, other programming languages and algorithms can also be used.

zitierte Literaturquoted literature

Maecken, T; Zenz M, Grau T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440–447Maecken, T; Zenz M, Gray T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440-447

Najafi, M; Rohling R, Single camera closed-form realtime needle trajectory tracking for ultrasound, Proc. of SPIE Digital Library 2011, Vol. 7964 79641F-6Najafi, M; Blank R, Single camera closed-shape realtime needle trajectory tracking for ultrasound, Proc. of SPIE Digital Library 2011, Vol. 7964 79641F-6

Chan, C, Lam F, Rohling R, A needle tracking device for ultrasound guided percutaneous procedures. Ultrasound in Medicine & Biology 2005, 31(11) 1469–1483Chan, C, Lam F, Blank R, A needle tracking device for ultrasound guided percutaneous procedures. Ultrasound in Medicine & Biology 2005, 31 (11) 1469-1483

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

May et al. [0002]
Chan, C, Lam F, Blank R (2005) [0003]
Najafi, M; Blank R (2011) [0003]
Najafi, M; Blank R, Single camera closed-shape realtime needle trajectory tracking for ultrasound, Proc. of SPIE Digital Library 2011, Vol. 7964 79641F-6 [0049]
Chan, C, Lam F, Blank R, A needle tracking device for ultrasound guided percutaneous procedures. Ultrasound in Medicine & Biology 2005, 31 (11) 1469-1483 [0050]

Claims

Method for practicing ultrasound-navigated punctures with an optical detection system mounted on a sound probe and an exercise device representing a puncture needle, characterized in that a portion of the front part of the exerciser placed on the body surface has a grip part movably held forward in the direction of the puncture target Marking body is pushed from behind, both by a first optical system which detects the object points of the working space in parallel projection to a selectable angle on the plane of the sound sounding midpoint beam, and by a second laterally adjacent to the first optical system mounted, the center beam a known sector of the working space mapped by the first optical system is detected, recorded and fed to a processor, wherein the portion of the working device picked up by the first optical system is transferred via the de m ultrasound image directly, on the basis of which the random projection in the plane of the sound slot, whose intersection with this plane of the sound slot, the simulated penetration depth and as simulated puncture artefacts needle tips, injectates and tissue changes in the ultrasound image are shown selectable.

Device according to Claim 1, characterized in that a handle part EB occupied by an optical marking body M accommodates a pin EN representing a puncture needle which can slide into this handle part.

Device according to claims 1 and 2, comprising, a serving as a Exerziernadel pin EN, a handle handle handling as a paring utensil EB, which has an opening and sliding device for receiving the Exerziernadel EN, a marking body M mounted in such a way over the opening covering the exericating needle that the needle passes through the center of the marking body, Electro-mechanical actuators TA1 which selectably change the mechanical resistance which counteracts the stylus serving as a stylus needle as it moves into the paring utensil, light detectors electrically connected in the paring utensil EB to a sense amplifier, a processor unit, the electromechanical actuators, and a power source.

Injection needle which carries on the end opposite the needle tip an optical marking body M, wherein the injection needle extends through the center of the marking body.

Device for determining the position of a puncture needle in the working space of the ultrasound probe, characterized in that at least a first mounted on the ultrasound probe camera system detects the object points in the working space in front of the ultrasound probe by optically reflective and refractive means in an axis-parallel projection to the center beam of his camera and a computing unit supplies , which outputs the image in selectable position and dimension above the ultrasound image measured by the ultrasound probe, and at least a second, laterally adjacent to the light entrance of the first mounted camera system whose center beam passes through the working space at a known angle to the center beam of the first camera system, the puncture needle receives and supplies the arithmetic unit.

Device for displaying the object points of the working space in front of the ultrasound probe comprising: a first electronic camera system, deflection mirrors, lenses and reflection prisms which project the object points of the work space parallel to the axis of the center beam of the camera onto the image converter thereof, a second electronic camera system, mounted on the sound probe bulbs that illuminate the workspace with light of selectable intensity and wavelength.

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that sound probe and navigation device are inserted into a light and sound-permeable sterile sheath, which is sealed to the outside, and containing a tube open to the sound probe and navigation device with a connection to a suction device.

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in a calibration body at least one sonographically detectable relief is impressed, which is covered with a layer which has a different acoustic impedance compared to the embossed relief layer, and adjacent to which an optical Sample having calibration body is located, the pattern of the arithmetic unit are known, or the arithmetic unit are made known via a key located on the calibration body.

Device according to one or more of the preceding claims, comprising an arithmetic unit which receives signals from the ultrasound probe and from the first and second optical camera systems, stores and controls light sources on the navigation unit, wherein the image captured by the ultrasound probe and the image of the first optical Systems are displayed on top of one another at selectable distances and dimensions, and from the image information of the camera systems, the coordinates of the position of puncture needles in front of the ultrasound probe are calculated, and a stitch projection with marking of the passage of the stitch projection through the plane of the ultrasonic soldering and the simulated penetration depth in the image taken by the first camera system and faded into the ultrasound image.

Method and device according to the preceding claims for the secure documentation and authentication of the data of the calibration and ultrasound-navigated puncture, characterized in that all of the ultrasound probe and the device for detecting the puncture needle information recorded by a computing unit, and each with a public and a private Key of the calibration body, the ultrasound device and the puncture needle are encrypted.