DE202004003757U1 - Surgical or medical device for calibration of a navigated ultrasonic sensor comprises a calibration element which takes the form of a solid body with a calibration structure - Google Patents

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Abstract

The surgical or medical device for calibration of a navigated ultrasonic sensor (18) comprises a calibration element (32) which takes the form of a solid body with a calibration structure (42).

Description

Die Erfindung betrifft eine chirurgische oder medizinische Vorrichtung zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors, insbesondere eines chirurgischen oder medizinischen Ultraschallsensors, mit einem von einem Kalibrierelement definierten Kalibriervolumen und mit einer innerhalb des Kalibriervolumens angeordneten Kalibrierstruktur, wobei das Kalibrierelement und die Kalibrierstruktur eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweisen.The invention relates to a surgical or medical device for calibrating a navigated, Ultrasound sensor emitting ultrasound in at least one sound level, in particular a surgical or medical ultrasound sensor, with a calibration volume defined by a calibration element and with a calibration structure arranged within the calibration volume, wherein the calibration element and the calibration structure are different have acoustic impedance.

Ferner wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors beschrieben, insbesondere eines chirurgischen oder medizinischen Ultraschallsensors, bei welchem die mindestens eine Schallebene des Ultraschallsensors mit einem Kalibrierelement im Raum bestimmt wird, wobei das Kalibrierelement ein Kalibriervolumen definiert, eine innerhalb des Kalibriervolumens angeordnete Kalibrierstruktur vorgesehen ist und das Kalibrierelement und die Kalibrierstruktur unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wobei Schnittpunkte der mindestens einen Schallebene mit der Kalibrierstruktur, deren räumliche Lage bekannt ist, mit dem Ultraschallsensor bestimmt werden und aus den Schnittpunkten die räumliche Lage der mindestens einen Schallebene berechnet wird.Furthermore, a method for calibration one navigated, emitting ultrasound in at least one sound level Ultrasonic sensor described, especially a surgical or medical ultrasonic sensor, in which the at least a switching level of the ultrasonic sensor with a calibration element is determined in space, the calibration element being a calibration volume defined, a calibration structure arranged within the calibration volume is provided and the calibration element and the calibration structure have different acoustic impedances, with intersections the at least one formwork level with the calibration structure, the spatial Location is known to be determined with the ultrasonic sensor and from the intersections the spatial Location of the at least one formwork level is calculated.

In der Medizin, insbesondere in der Chirurgie, wird Ultraschall in der bildgebenden Diagnostik verwendet, denn Ultraschall gilt als nicht invasiv und für Patienten unschädlich. Herkömmliche 2-dimensionale (2D) Ultraschallgeräte senden Ultraschall in einer nachfolgend als Ultraschallebene oder Schallebene bezeichneten Ebene aus, 3-dimensionale (3D) Ultraschallgeräte durch Verwendung eines Ultraschall-Arrays in einer Mehrzahl zueinander parallelen Ultraschallebenen. Nachfolgend wird in der Beschreibung beispielhaft und keinesfalls ausschließlich auf einen 2D-Ultraschallsensor Bezug genommen.In medicine, especially in the Surgery, ultrasound is used in imaging diagnostics, because ultrasound is considered non-invasive and harmless to patients. conventional 2-dimensional (2D) ultrasound devices send ultrasound in one hereinafter referred to as the ultrasonic level or the acoustic level off, 3-dimensional (3D) ultrasound devices using an ultrasound array in a plurality of mutually parallel ultrasound planes. following is exemplary in the description and by no means exclusively to one 2D ultrasonic sensor referenced.

Wird das Ultraschallgerät in Verbindung mit einem Navigationssystem verwendet, dann läßt sich die (mindestens eine) Ultraschallebene und ihre Position im Raum bestimmen, wenn eine Korrelation zwischen der (mindestens einen) Ultraschallebene und dem Ultraschallgerät hergestellt werden kann. Üblicherweise werden Ultraschallgeräte, das heißt insbesondere die Ultraschall aussendenden Ultraschallköpfe, mit einem Referenzelement verbunden, einem sogenannten "Rigid Body". Der Rigid Body läßt sich über das Navigationssystem nachweisen, woraus sich dann die Position und Lage des Ultraschallkopfes im Raum bestimmen läßt.The ultrasound machine is connected used with a navigation system, then the (at least one) Determine the ultrasound level and its position in space, if one Correlation between the (at least one) ultrasound level and the ultrasound machine can be manufactured. Usually become ultrasound machines, that is, in particular the ultrasound heads emitting ultrasound, with a reference element connected, a so-called "Rigid Body ". The rigid Body can be about that Prove navigation system, from which then the position and Lets determine the position of the ultrasound head in the room.

Um jedoch auch die Position der (mindestens einen) Ultraschallebene im Raum bestimmen zu können, muß die Korrelation zwischen der (mindestens einen) Ultraschallebene und dem navigierten Ultraschallgerät hergestellt werden, d.h. es ist eine sogenannte Kalibrierung erforderlich, bei der mit dem Ultraschallgerät ein bekanntes Objekt vermessen wird, dessen räumliche Lage bekannt ist. Aus dem aufgenommenen Ultraschallbild, in welchem Schnittpunkte der (mindestens einen) Ultraschallebene mit dem bekannten Objekt dargestellt sind, läßt sich dann die Position und Lage der (mindestens einen) Ultraschallebene im Raum relativ zum Referenzelement am Ultraschallkopf aus den Koordinaten der Schnittpunkte bestimmen.However, in order to determine the position of the (at least To be able to determine an ultrasound plane in space, the correlation between the (at least one) ultrasound plane and the navigated ultrasound device become, i.e. a so-called calibration is required at the one with the ultrasound machine a known object is measured, the spatial location of which is known. Out the recorded ultrasound image, at which intersection the (at least one) ultrasound plane is shown with the known object are then can the position and location of the (at least one) ultrasound plane in the Space relative to the reference element on the ultrasound head from the coordinates determine the intersection.

Bei einem bekannten Verfahren zum Kalibrieren eines navigierten Ultraschallgeräts werden Ultraschallaufnahmen eines navigierten Kalibrierkörpers gemacht. Dieser Kalibrierkörper wird durch ein Wasserbad gebildet, in welches Strukturen in Form von Fäden oder ähnlichen Gegenständen eingelagert sind. Wird ein Ultraschallbild dieser in Wasser eingelagerten Strukturen erzeugt, dann kann bei bekannter räumlicher Position und Lage der eingelagerten Struktur aus dem Ultraschallbild, das die Schnittpunkte der eingelagerten Strukturen mit der (mindestens einen) Ultraschallebene zeigt, die Ebene berechnet und relativ zum Rigid Body am Ultraschallsender bestimmt werden. Nachteilig bei der Verwendung eines Kalibrierkörpers aus Wasser ist, daß beim Befüllen des Wasserbadbehälters Luftbläschen entstehen können. Die Luftbläschen sind jedoch im Ultraschallbild sehr gut zu erkennen und stellen unerwünschte Artefakte für die eigentliche Bilddatenaufnahme der eingelagerten Struktur dar. Dieses Problem läßt sich zwar lösen, wenn nach dem Befüllen des Kalibrierkörpers eine Weile gewartet wird, bis sich die Luftbläschen aus dem Wasser lösen, jedoch ist eine solche Totzeit nicht erwünscht.In a known method for Calibrating a navigated ultrasound machine becomes ultrasound of a navigated calibration body made. This calibration body is formed by a water bath in which structures in the form of Threads or the like objects are stored. An ultrasound image of this is stored in water Structures generated, then with known spatial position and location the embedded structure from the ultrasound image, which is the intersection of the embedded structures with the (at least one) ultrasound plane shows the level calculated and relative to the rigid body on the ultrasound transmitter be determined. Disadvantageous when using a calibration body Water is that when filling the water container air bubbles can arise. The air bubbles are, however, easy to recognize and place in the ultrasound image undesirable Artifacts for represents the actual image data acquisition of the embedded structure. This problem can be solved solve, if after filling the calibrating body waiting for a while for the air bubbles to come out of the water, however such a dead time is not desirable.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Endung eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß der navigierte Ultraschallsensor einfach und schnell kalibriert werden kann.It is therefore the task of the present To improve a device of the type described in the introduction, that the navigated ultrasonic sensor can be calibrated easily and quickly can.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kalibrierelement aus einem Festkörper hergestellt ist.This task is done with a device of the type described in the introduction solved according to the invention in that the calibration element from a solid is made.

Durch die Verwendung eines aus einem Festkörper hergestellten Kalibrierelements wird das Kalibrieren des Ultraschallsensors wesentlich vereinfacht. Es muß nicht mit Wasser hantiert werden, so daß sich auch keine Bläschen im Kalibrierelement ausbilden können, die zu Artefakten im Ultraschallbild führen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sofort und ohne eine Totzeit abzuwarten, eine für die Kalibrierung erforderliche Ultraschallaufnahme vorgenommen werden.By using one made from a solid Calibration element, the calibration of the ultrasonic sensor is essential simplified. It doesn't have to be handled with water, so that there are no bubbles in the Can form a calibration element, that lead to artifacts in the ultrasound image. With the device according to the invention can immediately and without waiting for a dead time, one required for the calibration Ultrasound recording can be made.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Kalibrierelement dampfsterilisierbar ist. Die Vorrichtung kann dann ohne großen Aufwand auch in einem Operationssaal eingesetzt werden, ohne die Gefahr, Keime oder Bakterien einzuschleusen.It is particularly advantageous if that Calibration element is steam sterilizable. The device can then without big Effort can also be used in an operating room without the Danger of infiltrating germs or bacteria.

Günstig ist es, wenn der Festkörper ein Kunststoff ist. Auf diese Weise läßt sich die Vorrichtung besonders kostengünstig herstellen, zudem ist sie leicht und robust.It is favorable if the solid is a plastic. In this way, the device can be manufactured particularly inexpensively, and is also they are light and robust.

Von Vorteil ist es, wenn der Kunststoff Polyetherimid (PEI) ist, denn ein aus diesem Kunststoff hergestelltes Kalibrierelement ist ohne Einschränkungen dampfsterilisierbar.It is an advantage if the plastic Polyetherimide (PEI) is because one made from this plastic The calibration element can be steam sterilized without restrictions.

Aufgrund des hohen Wassergehalts des menschlichen Organismus entspricht die Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper nahezu der von Wasser, so daß medizinische Ultraschallgeräte zur Bildgenerierung üblicherweise auf eine Schallgeschwindigkeit kalibriert sind, die der von Wasser entspricht. Um eine möglichst große Auswahl an Materialien zur Herstellung des Kalibrierelements zu haben, ist es vorteilhaft, wenn die Schallgeschwindigkeit im Kalibrierelement von der Schallgeschwindigkeit in Wasser abweicht.Because of the high water content the speed of sound corresponds to that of the human organism in the human body almost that of water, so medical Ultrasound devices for Image generation usually are calibrated to a speed of sound that of water equivalent. To one if possible size Selection of materials for the production of the calibration element have, it is advantageous if the speed of sound in the calibration element deviates from the speed of sound in water.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven definiert. Eine derart ausgebildete Kalibrierstruktur ermöglicht es, durch Aufnahme eines einzigen Ultraschallbilds die mindestens eine Ultraschallebene und deren Lage im Raum eindeutig zu bestimmen. Dies hat zudem den Vorteil, daß der Zeitaufwand für die Kalibrierung wesentlich verringert wird, da nur eine einzige Ultraschallaufnahme zur Kalibrierung erforderlich ist. Dadurch wird auch ein geringeres Geschick einer Bedienperson bei der Positionierung des Ultraschallkopfes während der Kalibrierung erfordert. Bei herkömmlichen bekannten Systemen ist zur Markierung der Schnittpunkte der mindestens einen Ultraschallebene mit der eingelagerten Struktur eine manuelle Vorgehensweise erforderlich, und zwar in der Regel durch Aufnahme mehrerer Einzelbilder. Dies ist nun nicht mehr notwendig und die Kalibrierung kann auf einfache Weise von einer einzigen Person durchgeführt werden.According to a preferred embodiment of the Invention can be provided that the calibration structure Plurality of linearly independent curves Are defined. A calibration structure designed in this way enables by taking a single ultrasound image, the at least one To clearly determine the ultrasound level and its position in space. This also has the advantage that the Time spent on the calibration is significantly reduced since only one Ultrasound imaging is required for calibration. This will also less operator skill in positioning of the ultrasound head during calibration. In conventional known systems to mark the intersection of the at least one ultrasound plane manual procedure required with the stored structure, usually by taking several individual pictures. This is no longer necessary and calibration can be done easily Be done by a single person.

Auf besonders einfache Weise läßt sich eine eindeutige Kalibrierstruktur festlegen, wenn die linear unabhängigen Kurven mindestens teilweise durch windschiefe Geraden definiert sind. Mathematisch lassen sich Geraden und damit auch Schnittpunkten zwischen Geraden und Ebenen besonders einfach ermitteln.It can be done in a particularly simple manner establish a unique calibration structure if the linearly independent curves are at least partially defined by skewed straight lines. Leave mathematical straight lines and thus also intersections between straight lines and Determine levels particularly easily.

Um mit einem einzigen Ultraschallbild die Lage und die Position der mindestens einen Ultraschallebene im Raum eindeutig bestimmen zu können, ist es günstig, wenn mindestens fünf linear unabhängige Kurven vorgesehen sind. Mathematisch läßt sich eine Ebene beispielsweise durch drei Punkte im Raum definieren, so daß zur eindeutigen Beschreibung der Ebene insgesamt neun Koordinaten, also neun Unbekannte zu bestimmen sind. Wird eine nicht bekannte Ebene mit einer Gerade geschnitten, so kommt eine weitere Unbekannte von seiten der Gerade hinzu, nämlich ein Skalar, welche zur Beschreibung einer Gerade im dreidimensionalen Raum gemäß der Punktrichtungsdarstellung verwendet wird. Bei einem Schnitt einer Geraden mit einer Ebene lassen sich somit im dreidimensionalen Raum drei Gleichungen aufstellen. Verwendet man fünf Geraden, so erhält man insgesamt ein Gleichungssystem mit fünfzehn Gleichungen bei vierzehn Unbekannten, als ein überbestimmtes Gleichungssystem. Aus diesem läßt sich dann jeweils eindeutig eine der mindestens einen gesuchten Ultraschallebene berechnen.To with a single ultrasound image the location and position of the at least one ultrasound plane to be able to clearly determine in space, is it convenient if at least five linear independent Curves are provided. One level can be mathematically, for example Define by three points in space so that for a clear description to determine a total of nine coordinates, i.e. nine unknowns are. If an unknown plane is cut with a straight line, so there is another unknown on the part of the straight line, namely a Scalar, which describes a straight line in three-dimensional space according to the point direction display is used. When intersecting a straight line with a plane three equations can thus be set up in three-dimensional space. If you use five Straight lines, so get a system of equations with fifteen equations at fourteen in total Unknown, as an overdetermined Equation system. From this one can then clearly one of the at least one ultrasound plane searched for to calculate.

Besonders einfach läßt sich die Kalibriervorrichtung herstellen, wenn die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von Hohlkanälen in dem Kalibrierelement umfaßt. Die Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven kann dann beispielsweise durch die Hohlkanäle gebildet werden.It is particularly easy to do manufacture the calibration device when the calibration structure a plurality of hollow channels included in the calibration element. The majority of linearly independent Curves can then be formed, for example, through the hollow channels become.

Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen gebildet. Diese lassen sich auf einfache Weise in dem Kalibrierelement vorsehen.Preferably the plurality of hollow channels formed by drilling. These can be easily in provide the calibration element.

Um einen Impedanzsprung zwischen dem Kalibrierelement und der Kalibrierstruktur zu optimieren, kann es vorteilhaft sein, wenn die Hohlkanäle mit einem Füllmaterial gefüllt sind, wenn das Kalibrierelement aus einem Kalibrierelementmaterial hergestellt ist, und wenn das Füllmaterial und das Kalibrierelementmaterial unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen. Zudem verhindert das Befüllen der Hohlkanäle mit einem Füllmaterial, daß sich Keime und Bakterien in den Hohlkanälen festsetzen, was bei Gebrauch der Vorrichtung in einer steril zu haltenden Umgebung, z.B. einem Operationssaal, äußerst unerwünscht ist.To make an impedance jump between to optimize the calibration element and the calibration structure it may be advantageous if the hollow channels are filled with a filling material filled if the calibration element is made of a calibration element material is made, and if the filler and the calibration element material has different acoustic impedances exhibit. In addition, filling the hollow channels with one prevents Filling material, that itself Germs and bacteria settle in the hollow channels, which in use the device in an environment to be kept sterile, e.g. one Operating room, is extremely undesirable.

Vorzugsweise ist die Kalibrierstruktur aus einem dampfsterilisierbaren Material hergestellt. Dadurch läßt sich die gesamte Vorrichtung auf einfache Weise sterilisieren, wenn als Kalibrierstruktur beispielsweise keine Hohlkanäle oder dergleichen, sondern mit einem dampfsterilisierbaren Füllmaterial gefüllte Hohlkanäle verwendet werden.The calibration structure is preferred made of a steam sterilizable material. This allows sterilize the entire device in a simple manner if as Calibration structure, for example, no hollow channels or the like, but hollow channels filled with a steam-sterilizable filling material become.

Besonders einfach verarbeiten läßt sich ein aus einem Kunststoff hergestelltes Füllmaterial.It is particularly easy to process a filling material made of a plastic.

Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein Kunststoffkleber. Ein solches Füllmaterial läßt sich beispielsweise in flüssiger Form in Hohlkanäle des Kalibrierelements einfüllen und kann darin nach dem Befüllen aushärten.The filling material is preferably a plastic glue. Such a filling material can be for example in liquid Shape in hollow channels fill in the calibration element and can be in it after filling Harden.

Von Vorteil ist es, wenn am Kalibrierelement ein von einer Nachweisvorrichtung detektierbares Referenzelement anordenbar ist zum Bestimmen der Lage und der Orientierung des Kalibrierelements im dreidimensionalen Raum. Das Referenzelement, ein sogenannter Rigid Body, kann fest oder lösbar mit dem Kalibrierelement verbunden sein. Durch Bestimmen der Position des Referenzelements am Kalibrierelement und gleichzeitige Bestimmung der mindestens einen Ultraschallebene kann die Lage und die Position der mindestens einen Ultraschallebene im Raum eindeutig bestimmt werden.It is advantageous if a on the calibration element Reference element detectable by a detection device can be arranged is used to determine the position and orientation of the calibration element in three-dimensional space. The reference element, a so-called Rigid body, can be fixed or detachable be connected to the calibration element. By determining the position of the reference element on the calibration element and simultaneous determination The at least one ultrasound level can be the location and position that clearly determines at least one ultrasound level in the room become.

Ferner ist es günstig bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, ein aus einem Festkörper hergestelltes Kalibrierelement zu verwenden.Furthermore, it is favorable in a method of the beginning described type, a calibration element made of a solid to use.

Durch die Verwendung des aus einem Festkörper hergestellten Kalibrierelements kann der Kalibriervorgang wesentlich vereinfacht werden und ist dadurch deutlich kürzer als bei bislang bekannten Kalibriervorrichtungen. Insbesondere ist es nicht notwendig, mit einem Wasserbad zu hantieren und zudem ist die Kalibrierstruktur innerhalb des Kalibrierelements geschützt anordenbar, so daß eine unbeabsichtigte Beschädigung oder gar Zerstörung der Kalibrierstruktur nicht möglich ist.By using the from a feast body-made calibration element, the calibration process can be significantly simplified and is therefore significantly shorter than in previously known calibration devices. In particular, it is not necessary to handle a water bath and, in addition, the calibration structure can be arranged within the calibration element in a protected manner, so that the calibration structure cannot be inadvertently damaged or even destroyed.

Vorteilhaft ist es, wenn das Kalibrierelement sterilisierbar ist. Dadurch kann es ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen in einer sterilen Umgebung, beispielsweise in einem Operationssaal eines Krankenhauses, benutzt werden. Es wird die Gefahr der Einbringung von Keimen in die sterile Umgebung vermindert.It is advantageous if the calibration element can be sterilized is. This allows it to be used without additional protective measures in a sterile environment, for example in an operating room a hospital. There is a risk of contribution reduced by germs in the sterile environment.

Günstig ist es, wenn der Festkörper ein Kunststoff ist. Dadurch läßt sich das Kalibrierverfahren besonders schnell und einfach durchführen, denn das Kalibrierelement läßt sich auf diese Weise besonders leicht ausbilden.Cheap it is when the solid is a plastic. This allows perform the calibration procedure particularly quickly and easily, because that Calibration element can be train particularly easily in this way.

Vorzugsweise ist der Kunststoff Polyetherimid (PEI). Die Verwendung von Polyetherimid stellt eine einwandfreie Sterilisierbarkeit sicher.The plastic is preferably polyetherimide (PEI). The use of polyetherimide represents a flawless Sterilization safe.

Das beschriebene Verfahren läßt sich prinzipiell mit jedweder Art von Ultraschallsensoren durchführen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn ein auf die Schallgeschwindigkeit in Wasser kalibrierter Ultraschallsensor verwendet wird. Dies ermöglicht es, handelsübliche Ultraschallsensoren, also bekannte Ultraschallköpfe, für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden.The method described can be in principle with any kind of ultrasonic sensors. Especially However, it is advantageous if one is based on the speed of sound ultrasonic sensor calibrated in water is used. This enables commercial Ultrasonic sensors, ie known ultrasonic heads, for the method according to the invention to use.

Grundsätzlich wäre es möglich, ein Kalibrierelement zu verwenden, das aus einem Material hergestellt ist, dessen Schallgeschwindigkeit der in Wasser entspricht. Um jedoch auch alternative Materialien für das Kalibrierelement verwenden zu können, kann es günstig sein, wenn das Kalibrierelement aus einem Material hergestellt wird, das eine von der Schallgeschwindigkeit in Wasser abweichende Schallgeschwindigkeit aufweist und wenn zur Berechnung der Schnittpunkte der mindestens einen Schallebene mit der Kalibrierstruktur ein Korrekturfaktor bestimmt und verwendet wird, der sich aus dem Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit in Wasser und der Schallgeschwindigkeit im Kalibrierelementmaterial ergibt.Basically, it would be possible to use a calibration element to use, which is made of a material whose speed of sound which corresponds to in water. However, around alternative materials for the To be able to use calibration element it cheap if the calibration element is made of a material, the one speed of sound deviating from the speed of sound in water and if to calculate the intersection of the minimum a formwork level with the calibration structure a correction factor is determined and used, which results from the relationship between the speed of sound in water and the speed of sound results in the calibration element material.

Vorzugsweise definiert die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven. Auf diese Weise kann die Kalibrierstruktur so ausgebildet werden, daß mit einer einzigen Kalibriermessung die Position und Lage der mindestens einen Schallebene des Ultraschallsensors ermittelt werden kann.The calibration structure preferably defines one Majority of linearly independent Curves. In this way, the calibration structure can be designed that with the position and location of the at least one calibration measurement a sound level of the ultrasonic sensor can be determined.

Besonders einfach wird die Konstruktion und die Herstellung des Kalibrierelements, wenn die linear unabhängigen Kurven mindestens teilweise durch windschiefe Geraden gebildet werden. Geraden lassen sich besonders einfach berechnen und mit simplen Kalibrierstrukturelementen herstellen, beispielsweise Stäben.The construction is particularly simple and the manufacture of the calibration element when the linearly independent curves are at least partially formed by skewed straight lines. Lines can be calculated particularly easily and with simple ones Manufacture calibration structure elements, for example rods.

In eindeutiger Weise läßt sich eine Kalibrierstruktur ausbilden, mit welcher durch eine einzige Kalibriermessung Lage und Position der mindestens einen Schallebene des Ultraschallsensors bestimmt werden können, wenn mindestens fünf linear unabhängige Kurven vorgesehen sind. Bevorzugt werden windschiefe Geraden verwendet.In a clear way form a calibration structure with which by a single Calibration measurement Position and position of at least one formwork level of the ultrasonic sensor can be determined if at least five are linear independent Curves are provided. Skewed straight lines are preferred.

Die Herstellung des Kalibrierelements wird ferner vereinfacht, wenn die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von Hohlkanälen in dem Kalibrierelement umfaßt.The manufacture of the calibration element is further simplified if the calibration structure has a plurality of hollow channels included in the calibration element.

Die Herstellung des Kalibrierelements wird weiter vereinfacht, wenn die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen gebildet wird.The manufacture of the calibration element is further simplified if the plurality of hollow channels pass through Holes is formed.

Grundsätzlich wäre es denkbar, die Bohrungen leer zu lassen, insbesondere dann, wenn die Schallgeschwindigkeit im Kalibrierelementmaterial von der in Luft abweicht. Um jedoch ein Einnisten von Bakterien oder anderen Erregern in den Hohlkanälen zu verhindern und darüber hinaus die Möglichkeit zu schaffen, einen Impedanzsprung zwischen dem Kalibrierelementmaterial und der Kalibrierstruktur zu erhöhen, kann es günstig sein, wenn die Hohlkanäle mit einem Füllmaterial gefüllt werden, wenn das Kalibrierelement aus einem Kalibrierelementmaterial hergestellt und wenn das Füllmaterial und das Kalibrierelementmaterial unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.Basically, it would be conceivable to drill the holes leave empty, especially when the speed of sound in the calibration element material that differs in air. However, to prevent bacteria or other pathogens from nesting in the hollow channels and above beyond the possibility to create an impedance jump between the calibration element material and increase the calibration structure, it can be cheap be when using the hollow channels a filler filled are made when the calibration element is made of a calibration element material and if the filler and the calibration element material has different acoustic impedances exhibit.

Damit auch ein Kalibrierelement mit ausgefüllten Hohlkanälen in einem sterilen Bereich verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kalibrierstruktur aus einem dampfsterilisierbaren Material hergestellt wird.This also includes a calibration element completed hollow channels can be used in a sterile field, it is advantageous if the calibration structure is made of a steam sterilizable material becomes.

Auf einfache Weise lassen sich die Hohlkanäle im Kalibrierelement füllen, wenn das Füllmaterial aus einem Kunststoff hergestellt wird.The can be easily hollow channels fill in the calibration element, if the filler is made of a plastic.

Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß das Füllmaterial ein Kunststoffkleber ist. Ein Kunststoffkleber läßt sich auf einfache Weise in flüssiger Form in die Hohlkanäle einfüllen. Nach Aushärten des Kunststoffklebers kann dieser dauerhaft im Kalibrierelement verbleiben.According to a preferred variant The method can be provided that the filling material is a plastic adhesive is. A plastic adhesive can be opened simple way in fluid Shape in the hollow channels Fill. After curing of the plastic adhesive can be permanently in the calibration element remain.

Um die Position und Lage der mindestens einen Ultraschallebene des Ultraschallsensors im Raum mit einer Nachweisvorrichtung bestimmen zu können, ist es günstig, wenn am Kalibrierelement ein von einer Nachweisvorrichtung detektierbares Referenzelement angeordnet wird zum Bestimmen der Lage und der Orientierung des Kalibrierelements im dreidimensionalen Raum. Auf diese Weise läßt sich bei Kenntnis der relativen Position der Kalibrierstruktur bezogen auf das Referenzelement mit einer einzigen Kalibriermessung die Lage und Position der mindestens einen Ultraschallebene im Raum eindeutig bestimmen.To the position and location of the least an ultrasonic level of the ultrasonic sensor in the room with a To be able to determine the detection device, it is favorable if on the calibration element a detectable by a detection device Reference element is arranged to determine the position and orientation of the calibration element in three-dimensional space. In this way can be at Knowledge of the relative position of the calibration structure in relation to the reference element with a single calibration measurement the position and clearly determine the position of the at least one ultrasound plane in the room.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.The following description of a preferred embodiment the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung eines Kalibrierelements zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors am Beispiel eines 2D Ultraschallsensors.The figure shows a schematic Illustration of the use of a calibration element for calibration of an ultrasonic sensor using the example of a 2D ultrasonic sensor.

Zur Durchführung von navigierten chirurgischen Eingriffen am menschlichen oder tierischen Körper wird häufig ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes Navigationssystem eingesetzt. Es umfaßt eine von einem Rechner 12 gesteuerte Sende- und Empfangsstation 14, welche mehre Sende- und Empfangseinheiten 16 aufweist zum Aussenden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung sowie eine oder mehrere, in der Figur nicht dargestellte Referenzelemente zum Fixieren an einem Patienten.To carry out navigated surgical interventions on the human or animal body, a reference number is often used 10 provided navigation system used. It includes one from a computer 12 controlled sending and receiving station 14 , which several sending and receiving units 16 has for sending and receiving electromagnetic radiation and one or more reference elements (not shown in the figure) for fixing to a patient.

Das Navigationssystem 10 kann ferner medizinische Vorrichtungen und Geräte umfassen, insbesondere auch chirurgische Instrumente. Ein Beispiel hierfür ist der in 1 mit dem Bezugszeichen 18 versehene 2D Ultraschallkopf, an welchem ein Kupplungselement 20 in Form eines Zapfens angeordnet ist, an welchem sich ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 versehenes Referenzelement, ein sogenannter "Rigid Body", befestigen und damit in definierter Weise am Ultraschallkopf 18 anbringen läßt.The navigation system 10 may also include medical devices and equipment, especially surgical instruments. An example of this is the in 1 with the reference symbol 18 provided 2D ultrasound head, on which a coupling element 20 is arranged in the form of a pin, on which there is an overall reference number 22 Attach the provided reference element, a so-called "rigid body", and thus to the ultrasound head in a defined manner 18 can be attached.

Das Referenzelement 22 umfaßt insgesamt 6 Reflektorelemente, wobei drei Reflektorelemente 24 eine erste Ebene definieren und drei weitere Reflektorelemente 26 eine zweite Ebene, welche relativ zur ersten etwas geneigt ist. Die Reflektorelemente 24 und 26 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel passiv, können jedoch auch aktive Sendeelemente sein, die geeignet sind, elektromagnetische Strahlung auszusenden, beispielsweise Infrarotstrahlung oder elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von Mikrowellen.The reference element 22 comprises a total of 6 reflector elements, three of which are reflector elements 24 define a first level and three further reflector elements 26 a second plane, which is slightly inclined relative to the first. The reflector elements 24 and 26 are passive in the present exemplary embodiment, but can also be active transmission elements which are suitable for emitting electromagnetic radiation, for example infrared radiation or electromagnetic radiation in the frequency range of microwaves.

Der 2D Ultraschallkopf 18 ist so ausgebildet, daß er Ultraschall 28 aussenden kann, und zwar derart, daß sich der Ultraschall 28 nur in einer Ultraschallebene 30 ausbreiten kann. Der Ultraschall 28 tritt aus dem Ultraschallkopf 18 stets in gleicher Weise aus, das heißt die Ultraschallebene 30 steht in einer festen geometrischen Beziehung zur räumlichen Geometrie des Ultraschallkopfes 18.The 2D ultrasound head 18 is designed to use ultrasound 28 can emit, in such a way that the ultrasound 28 only in an ultrasound plane 30 can spread. The ultrasound 28 emerges from the ultrasound head 18 always in the same way, i.e. the ultrasound level 30 stands in a fixed geometric relationship to the spatial geometry of the ultrasound head 18 ,

Die Lage und Position des Ultraschallkopfes 18 im Raum läßt sich durch Bestimmung der Position der Reflektorelemente 24 des Referenzelements 22 ermitteln. Von besonderem Interesse ist jedoch Lage und Position der Ultraschallebene 30 im Raum. Um diese zu bestimmen, muß der Ultraschallkopf 18 mit dem daran angeordneten Referenzelement 22 zunächst kalibriert werden.The location and position of the ultrasound head 18 in the room can be determined by determining the position of the reflector elements 24 of the reference element 22 determine. However, the location and position of the ultrasound plane is of particular interest 30 in the room. To determine this, the ultrasound head 18 with the reference element arranged on it 22 be calibrated first.

Hierzu wird ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 32 versehener Kalibrierquader verwendet, an welchem ein Kupplungszapfen 34 zur Aufnahme eines weiteren Referenzelements 36 angeordnet ist. Das Referenzelement 36 ist identisch mit dem Referenzelement 22 ausgebildet und weist jeweils drei Reflektorelemente 38 und drei Reflektorelemente 40 auf. Das Reflektorelement 36 läßt sich vom Kupplungszapfen 34 lösen, jedoch nur in einer einzigen definierten Stellung mit dem Kupplungszapfen 34 verbinden.For this purpose, a total with the reference symbol 32 provided calibration block, on which a coupling pin 34 to accommodate another reference element 36 is arranged. The reference element 36 is identical to the reference element 22 trained and each has three reflector elements 38 and three reflector elements 40 on. The reflector element 36 can be from the coupling pin 34 loosen, but only in a single defined position with the coupling pin 34 connect.

Der Kalibrierquader 32 ist aus einem Kunststoff hergestellt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als Kunststoff Polyetherimid (PEI) gewählt. Zum Kalibrieren des Ultraschallkopfes 18 ist im Kalibrierquader 32 eine Kalibrierstruktur angeordnet, die fünf Hohlkanäle 44, 45, 46, 47 und 48 umfaßt, die jeweils durch geradlinige Bohrungen im Kalibrierkörper 32 gebildet werden. Die Hohlkanäle 44 bis 48 weisen alle einen identischen Durchmesser auf, der vorzugsweise zwischen 1 mm und 7 mm beträgt, bevorzugt jedoch zwischen 2 mm und 4 mm.The calibration cuboid 32 is made of a plastic, in the present exemplary embodiment polyetherimide (PEI) was chosen as the plastic. For calibrating the ultrasound head 18 is in the calibration cuboid 32 a calibration structure arranged, the five hollow channels 44 . 45 . 46 . 47 and 48 includes, each through straight holes in the calibration body 32 be formed. The hollow channels 44 to 48 all have an identical diameter, which is preferably between 1 mm and 7 mm, but preferably between 2 mm and 4 mm.

Die Hohlkanäle 44 bis 48 sind alle mit einem vollständig aushärtenden Kunststoffkleber 50 gefüllt, so daß die Kalibrierstruktur 42 insgesamt durch fünf im Kalibrierquader 32 angeordnete, langgestreckte, zylindrische "Kunststoffstäbe" gebildet wird. Die fünf Hohlkanäle 44 bis 48 sind so angeordnet, daß sie weder parallel zueinander stehen, noch einander schneiden, das heißt, sie sind windschief zueinander angeordnet.The hollow channels 44 to 48 are all with a fully hardening plastic adhesive 50 filled so that the calibration structure 42 a total of five in the calibration cuboid 32 arranged, elongated, cylindrical "plastic rods" is formed. The five hollow channels 44 to 48 are arranged so that they are neither parallel to each other nor intersect with each other, that is, they are skewed to each other.

Sowohl das Material des Kalibrierquaders 32 als auch der Kunststoffkleber 50 ist sterilisierbar, bei vorzugsweise verwendeten Materialien ergibt sich eine mindestens zweihundertfache Dampfsterilisierbarkeit des Kalibrierquaders 32.Both the material of the calibration cuboid 32 as well as the plastic glue 50 is sterilizable, with preferably used materials, the calibration cuboid is at least 200 times steam sterilizable 32 ,

Zur Kalibrierung des Ultraschallkopfes 18, also zur Bestimmung der Ultraschallebene 30 relativ zum Referenzelement 22, wird der Ultraschallkopf 18 den Kalibrierquader 32 herangeführt, wobei Ultraschall 28 ausgesendet wird. Der in der Ultraschallebene 30 ausgesandte Ultraschall trifft auf die mit dem Kunststoffkleber 50 ausgefüllten Hohlkanäle 44 bis 48, wobei ein Teil des Ultraschalls 28 aufgrund des Impedanzsprungs am Übergang zwischen dem Kalibrierquadermaterial und den Hohlkanälen 44 bis 48 reflektiert wird. Der reflektierte Ultraschall wird mit dem Ultraschallkopf 18 detektiert und graphisch in Form eines Ultraschallbildes der Kalibrierstruktur 42 dargestellt. Aus dem Bild lassen sich Schnittpunkte der Ultraschallebene 30 mit den durch die Hohlkanäle 44 bis 48 definierten windschiefen Geraden bestimmen. Aufgrund der besonderen Anordnung der Hohlkanäle 44 bis 48 ergibt sich jeweils ein eindeutiges Schnittpunktmuster, auch wenn nur eine einzige Kalibrieraufnahme mit dem Ultraschallkopf 18 aufgenommen wird. Bei Kenntnis der Lage der Hohlkanäle 44 bis 48 relativ zum Referenzelement 36, läßt sich in eindeutiger Weise Lage und Position der Ultraschallebene 30 im Raum berechnen, und zwar nach einfachen Regeln der linearen Algebra für den Schnitt einer Ebene mit einer Geraden. Durch die Auswahl von fünf Geraden ergibt sich für die Berechnung ein Gleichungssystem mit fünfzehn Gleichungen für vierzehn Unbekannte. Neun Unbekannte ergeben sich aufgrund der nicht bekannten Ultraschallebene 30, jeweils eine Unbekannte ergibt sich pro Gerade, nämlich als Skalar, der in punktrichtungsform formulierten Geradengleichung.For calibration of the ultrasound head 18 , i.e. to determine the ultrasound level 30 relative to the reference element 22 , the ultrasound head 18 the calibration cuboid 32 introduced, using ultrasound 28 is sent out. The one in the ultrasound plane 30 emitted ultrasound hits the one with the plastic adhesive 50 filled hollow channels 44 to 48 , being part of the ultrasound 28 due to the impedance jump at the transition between the calibration cuboid material and the hollow channels 44 to 48 is reflected. The reflected ultrasound is with the ultrasound head 18 detected and graphically in the form of an ultrasound image of the calibration structure 42 shown. Intersection points of the ultrasound plane can be seen from the picture 30 with through the hollow channels 44 to 48 determine defined skewed straight lines. Due to the special arrangement of the hollow channels 44 to 48 this results in a clear intersection pattern, even if only a single calibration recording with the ultrasound head 18 is recorded. Knowing the location of the hollow channels 44 to 48 relative to the reference element 36 , position and position of the ultrasound plane can be uniquely identified 30 calculate in space according to simple rules of linear algebra for intersecting a plane with a straight line. Selecting five straight lines results in a system of equations with fifteen equations for fourteen unknowns. Nine unknowns result from the unknown ultrasound level 30 , one unknown results for each straight line, namely as a scalar in the direction of the point formulated line equation.

Mit dem beschriebenen Kalibrierquader 32 läßt sich ein Ultraschallkopf 18 auf einfache Weise kalibrieren, das heißt, die Lage und Position der Ultraschallebene 30 im Raum bestimmen. Dies ermöglicht es, den Ultraschallkopf 18 als Diagnoseinstrument zu verwenden, und zwar als navigiertes Diagnoseinstrument. Dies bedeutet, daß durch Navigation des Ultraschallkopfes 18 Ultraschallaufnahmen gemacht werden können, wobei die in den Aufnahmen dargestellten Strukturen mit ihrer räumlichen Lage und Position genau bestimmbar sind.With the described calibration cuboid 32 can be an ultrasound head 18 Calibrate easily, that is, the location and position of the ultrasound plane 30 determine in space. This enables the ultrasound head 18 to be used as a diagnostic tool, namely as a navigated diagnostic tool. This means that by navigating the ultrasound head 18 Ultrasound recordings can be made, the structures shown in the recordings with their spatial location and position can be precisely determined.

Anstelle des im Ausführungsbeispiel verwendeten 2D-Ultraschallsensors kann auch ein 3D-Ultraschallsensor verwendet werden, wobei dann jede der Mehrzahl von Schallebenen des 3D-Ultraschallsensors wie oben beschrieben kalibriert werden kann.Instead of that in the embodiment 2D ultrasound sensor used can also be a 3D ultrasound sensor are used, in which case each of the plurality of formwork levels of the 3D ultrasonic sensor can be calibrated as described above can.

Claims (15)

Chirurgische oder medizinische Vorrichtung zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall (28) in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors (18), insbesondere eines chirurgischen oder medizinischen Ultraschallsensors, mit einem von einem Kalibrierelement (32) definierten Kalibriervolumen und mit einer innerhalb des Kalibriervolumens angeordneten Kalibrierstruktur (42), wobei das Kalibrierelement (32) und die Kalibrierstruktur (42) eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierelement (32) aus einem Festkörper hergestellt ist.Surgical or medical device for calibrating a navigated, ultrasound ( 28 ) in at least one sound level emitting ultrasonic sensor ( 18 ), in particular a surgical or medical ultrasound sensor, with one of a calibration element ( 32 ) defined calibration volume and with a calibration structure arranged within the calibration volume ( 42 ), the calibration element ( 32 ) and the calibration structure ( 42 ) have a different acoustic impedance, characterized in that the calibration element ( 32 ) is made from a solid. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierelement (32) dampfsterilisierbar ist.Device according to claim 1, characterized in that the calibration element ( 32 ) can be steam sterilized. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Kunststoff ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the solid is a plastic. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyetherimid (PEI) ist.Device according to claim 3, characterized in that the Plastic is polyetherimide (PEI). Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit im Kalibrierelement (32) von der Schallgeschwindigkeit in Wasser abweicht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the speed of sound in the calibration element ( 32 ) deviates from the speed of sound in water. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur (42) eine Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven (44, 45, 46, 47, 48) definiert.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration structure ( 42 ) a plurality of linearly independent curves ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) Are defined. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die linear unabhängigen Kurven (44, 45, 46, 47, 48) mindestens teilweise durch windschiefe Geraden (44, 45, 46, 47, 48) definiert sind.Device according to claim 6, characterized in that the linearly independent curves ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) at least partly due to skewed straight lines ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) are defined. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens fünf linear unabhängige Kurven (44, 45, 46, 47, 48) vorgesehen sind.Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that at least five linearly independent curves ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) are provided. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur (42) eine Mehrzahl von Hohlkanälen (44, 45, 46, 47, 48) in dem Kalibrierelement (32) umfaßt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration structure ( 42 ) a plurality of hollow channels ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) in the calibration element ( 32 ) includes. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen (44, 45, 46, 47, 48) gebildet ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the plurality of hollow channels through bores ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) is formed. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkanäle (44, 45, 46, 47, 48) mit einem Füllmaterial (50) gefüllt sind, daß das Kalibrierelement (32) aus einem Kalibrierelementmaterial hergestellt ist und daß das Füllmaterial (50) und das Kalibrierelementmaterial unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.Device according to claim 10, characterized in that the hollow channels ( 44 . 45 . 46 . 47 . 48 ) with a filling material ( 50 ) are filled so that the calibration element ( 32 ) is made of a calibration element material and that the filling material ( 50 ) and the calibration element material have different acoustic impedances. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur (42) aus einem dampfsterilisierbaren Material hergestellt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration structure ( 42 ) is made of a steam sterilizable material. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (50) aus einem Kunststoff hergestellt ist.Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the filling material ( 50 ) is made of a plastic. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (50) ein Kunststoffkleber (50) ist.Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the filling material ( 50 ) a plastic adhesive ( 50 ) is. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Kalibrierelement (32) ein von einer Nachweisvorrichtung (10) detektierbares Referenzelement (36) anordenbar ist zum Bestimmen der Lage und der Orientierung des Kalibrierelements (32) im dreidimensionalen Raum.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the calibration element ( 32 ) from a detection device ( 10 ) detectable reference element ( 36 ) can be arranged to determine the position and orientation of the calibration element ( 32 ) in three-dimensional space.
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