CN104783821A - 用于提供患者的身体部位的解剖的空间模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助至少一个成像模态来提供三维或四维的解剖的空间模型的方法。该至少部分的身体部位的数字图示通过所述成像模态被提供给控制装置。所述控制装置借助所述数字图示确定数字模型并且将其传输给输出装置。所述输出装置确定空间模型并且输出该空间模型作为例如全息图或者工件。所述空间模型的确定是依据至少一个所预先给定的控制参数来进行的，所述控制参数说明了与所述空间模型相关的一部分和/或所述空间模型和/或该部分的示出方式。其中，所述至少一个控制参数的预先给定是借助由操控装置所接收到的用户的操作行为进行的。

Description

用于提供患者的身体部位的解剖的空间模型的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助成像的检查模态来提供动物或人类患者的身体部位的解剖的空间模型的方法。
背景技术
复杂的解剖区域、即身体部位、例如血管系统或者器官的部分区域的图示通过最先进的成像方法而变得更加细节化且更加复杂。另外，通过重叠方法，例如通过用三维(“3D”)的图像覆盖二维的(“2D”)图像，例如医疗设备、如支架或者心门分叉(Ostienabgang)的线条和结构的淡入或者通过“最佳下一次投影”来这样将图像过载，以使得用户越来越难以从图像中提取出关键数据。这就隐藏了这样的风险，即：例如最细小的解剖改变或者身体部位的异常会被忽略。因此，用户用肉眼就很快就丢失重要信息。
目前，要么使用标准的2D监视器，要么使用专门的3D监视器，来显示身体部位，其中，后者需要额外的装置、例如3D眼镜。尤其要突出显示的区域，例如另外通过色彩、变色或者线条、平面或者点来突出显示。
借助实况全息图像，在这期间，几乎还可实时显示动态的图像信息。因此可设想的是，呈现在任意位置上的图像(Blanche，P.A等人，Nature2010，11月4日，468(7320)：80-83)。
其中，但还存在这种不足，即：图像或者全息成像很快过载信息，并且一些信息很难被辨认出来并且被忽略。首先由此就增加了远程医疗应用的难度，因为对于远离患者的检验地点的医生来说，只有过载的成像以供使用。
发明内容
本发明的一个根本目的在于，对患者个体化的多维模型、尤其是三维或四维模型的清晰度加以改进。
所述目的是通过根据本发明的方法和根据本发明的装置得以实现的。本发明的有利扩展由实施例中得出。
本发明是基于这样一种理念，即：在患者一侧，由控制装置提供身体部位的数字模型，在接收方一侧，由输出装置基于此得出身体部位的可修改的空间模型。
根据本发明的方法相应地用于借助至少一个成像模态、例如X射线仪器来提供患者的身体部位的在所有三个空间维度上延伸的解剖的空间模型。其中，其优选涉及一种时间解析的、即四维的模型。所述方法包含下述步骤：
通过所述至少一个成像的检查模态提供身体部位的至少一个数字图示、例如X射线图像；
由控制装置借助所述至少一个数字图示得出身体部位的数字模型；
将所述数字模型传输给输出装置，例如传输给3D打印机或者能产生全息图的投影仪；
通过所述输出装置确定所述空间模型；以及
通过所述输出装置输出所述空间模型。
其中，身体部位的数字图示包括描述身体部位的图像的数据组、例如二维的X射线图像数据组或者三维的计算机机断层成像-图像数据组、X射线数据组或者MR数据组。使用数字图示就能够得出患者个体化的数字模型并且由此，与标准化的模型相反，考虑到患者的身体部位的个别的解剖结构·这些解剖结构例如在基因方面或者由于损伤决定地不同于该身体部位的标准化的“教科书解剖结构”。
控制装置是一种用于产生和接收控制信号的装置，可例如被实施在一种控制器或者一种微芯片内。输出装置被设置为，用于可感知地输出数据组的图像或者数字模型、即例如显示出或者将其加工为三维的工件。优选的输出装置包括用于生产性地(generativen)制造出一种工件的装置，例如3D打印机。其中，身体的模型就意味着由一种材料制造成的模型。
与数字模型相反，空间模型包括在所有三个空间维度上延伸的模型，即一种真正为三维的模型。可通过投影法在例如屏幕上成像的三维数字模型或者四维模型(例如搏动的心脏)会带来透视失真的不足。
与此相反，在所输出的空间模型中，不会出现任何失真，因为该模型占据空间并且无须被投影到一个平面上。因此，空间模型就改进了身体部位的尺寸和延伸的可靠性，由此，能够进行更加精确的手术计划或者能够给出身体构造的更加精确的模子(Schablone)。
其中，空间模型的确定是依据至少一个所预先给定的控制参数进行的，所述控制参数说明了与所述空间模型相关的部分和/或该空间模型和/或该部分的示出方式。其中，所述至少一个控制参数的预先给定是通过由操控装置所接收到的用户的操作行为进行的。由此，可对所述空间模型进行“加工”。换句话说，用户可通过例如身体姿势作为操作行为来对所述模型加以调整，即例如旋转、放大缩小或者给一部分上色，而无须为此将电脑编程。
在本发明方法的一种优选的实施方式中，所述输出装置输出全息图像作为所述空间模型。这就使得能够实时显示动态图像以及从各个侧面和平面观察该空间模型。
在一种非常优选的实施方式中，所述输出装置输出三维的身体模型作为空间模型，优选是借助一种用于生产性地制造工件的装置。借此可提供身体的、可复制的以及可存放的辅助装置，例如为便于在身体部位上进行手术的模板，或者例如为匹配用于身体部位的骨骼的螺栓所用的模型。
如果，根据另一种优选的实施方式，由控制装置和输出装置构成一种远程医疗系统，就可例如向作为用户的、远离患者的检查地点的医生或者专家传输尽可能多的信息含量，这种信息含量由于所述空间模型是在所有三个至间维度上延伸而能够从不同的视角进行观察。因此，无须向用户发送大量单个的数字图示。
可例如通过X射线设备、计算机机断层X射线摄影仪、磁共振断层成像仪和/或超声设备作为成像模态来实现提供至少一张数字图示。这就使得能够利用在很多诊所或者医生的诊疗室是标配的检查模态，患者无须长途跋涉到在那里有很少见的检查模态、例如全息照相机或者相应的照相系统的检查地点去。此外，患者个体化的身体部位可通过优选由不同的优选的检查模态提供多个数字图示，通过能够从不同视角以及在不同的平面上观察该身体部位的高品质模型来予以显示。因此，所述空间模型具有极大的信息含量。
当所述数字图示包括例如视频摄像头的图像序列、尤其是四维的、即时间解析的图像序列时，和/或使用多个数字图示、尤其是多个四维的、即时间解析的数字图示时，就能够实现医疗过程、例如手术的实时-传输。
通过所述至少一个预先给定的控制参数规定了所述空间模型在空间上的移动、空间模型在至少一个所预先确定的部分区域内的标记和/或所述数字模型和/或空间模型的变化的方式，能够实现聚焦到身体部位的重要组成部分上以及减少以信息对模型的过载。当补充方案或者替选方案是，用于预先给定控制参数的操作行为包括描述了标记、移动、去除和/或突出显示所述空间模型的部分区域的身体姿势时，同样也会形成这个重要的优点。
根据本发明的方法的一种非常有用的实施方式规定了以下步骤：
接收另一种描述了改变所述空间模型的操作行为，在其中，该空间模型的被描述的变化规定了相应地要传输到身体部位上的介入、即例如计划中的外科手术过程；以及
借助该另一操作行为产生用于控制医疗设备、例如导管或者解剖刀的控制信号；以及可选地
将该控制信号传输给所述医疗设备以便执行该介入。
因此，用户就能够模拟医疗过程并且例如为了以后的手术而存储用于这种过程的控制信号存储，然后，该手术就至少部分地自动由所述医疗设备来实施。
上述目的同样是通过一种远程医疗系统得以实现，该系统包括控制装置和输出装置，其中，所述系统被设置为用于实施根据上述实施方式其中的一种所述的方法。其中，在患者一侧，是由控制装置基于至少一个借助至少一个检查模态所提供的患者的身体部位的数字图示而确定数字模型的。在接收方一侧，则是通过所述输出装置基于该数字模型确定并输出在所有三个空间维度上延伸的空间解剖模型。由此形成上述的优点。
远程医疗系统可在一种实施方式中包括用于接收用户的操作行为的操作装置，其中，操作行为规定了至少一个用于确定上述空间模型的控制参数。
附图说明
借助附图更进一步地通过具体的实施例详细阐述本发明。所示例子说明了本发明的优选实施方式。功能相同的组件在附图中具有同样的标记。
附图示出了根据本发明的方法的一种实施方式的示意性图示。
具体实施方式
在如附图所示的示例中，示出了根据本发明的方法的基本原理。
唯一的附图例如示出了远程医疗系统10，其包括控制装置12和输出装置14。其中，所述控制装置12包括例如微芯片或者控制器。
所述输出装置14.例如被设计为含有聚合材料的显示器、被设计为用于借助激光在全息胶片上显示全息图的设备或者被设计为用于生产性地制造工件的设备。所述输出装置14优选包括一种用于生产性地制造工件的设备，例如3D打印机，例如用于激光熔融、电子束熔炼、选择性激光烧结、立体光刻或者用于“数字光处理”、喷射成型或者“熔融沉积成型”。其他示例性的用于生产性地制造工件的设备例如包括一种用于快速成型、快速制模或者快速制造的设备。
在远程医疗系统10内，所述控制装置12和所述输出装置14可被安装在一个设备内，但优选被集成进各自在结构上相互分离的设备内，并且相互之间通过例如有线的或无线的远程通信连接而彼此连接起来。
在本实施例中，根据本发明的方法例如是借助所述远程医疗系统10来实施的，例如，用于在远程医疗方法的范围内获取医学专家的另一种看法，或者用于告知患者16例如所计划的在该患者16的脊柱上进行的手术。
另外，附图示出了一种成像的检查模态18，其例如被设计为X射线设备、磁共振断层成像仪(“MRT”)、超声传感器、摄像装置、用于拍摄全息影像的激光设备或者计算机断层成像设备(“CT”)。使用超声传感器的声波图作为数字图示具有这样的优点，即其具有较高的分辨率。那么，就能够很清晰地看到血管壁。一种优选的示例性的摄像装置包括例如红外照相机或者由两个或多个从不同角度来拍摄身体部位的照相机组成的系统。
在本实施例中，例如涉及一种具有C臂的X射线设备，所述设备例如提供了脊柱的部分区域的二维X射线图像数据组作为患者16的身体部位的数字图示(方法步骤S1)。在附图中，示出了数字图示20作为脊柱的图像。数字图示20的一种替选的示例包括例如借助所注射的X射线造影剂得出的血管造影片。
其中，数字图示20可例如通过有线的通信连接或者借助无线的通信连接、例如WLAN由成像的检查模态18传输给所述控制装置12。
优选向所述控制装置12提供(S1)相同的或者至少一个另外的成像模态18、18′的一个或多个数字图示20、20′。在附图中，例如另外向控制装置12提供作为成像模态18′的磁共振断层成像仪的三维图像数据组20′，其例如包括患者16的脊柱区域的MRT拍摄。
借助所述至少一个数字图示20、20′，控制装置12确定身体部位的数字模型(S2)。这可通过由现有技术已知的图像处理算法来进行。
所述数字模型在方法步骤S3中被传输给输出装置14。所述输出装置14借助该数字模型确定该身体部位的空间模型22(S4)。为此，例如可同样使用相应的算法来进行图像的处理。其中，空间模型22包括了身体部位在所有三个空间维度上延伸的模型，数字图示20、20′可替选地包括例如摄影机的图像序列。那么，就可进行所述数字模型的顺序确定，由此实现所述空间模型22、22′的顺序确定，因此，搏动的心脏的实时传输就可被确定为并且输出为运动中的空间模型22、22′。
其中，输出装置14被设计为用于输出全息图的设备，并且包括例如一种根据Blance等人于2010年所说明的聚合物显示器、或者例如一种在其中将相干光例如输出到全息的胶片上或者输出聚焦光的设备(S5)，因此，例如就在胶片前或后形成反射全息图或者图像平面全息图。在附图中示出了这样一种全息图作为空间模型22，该空间模型例如作为包括了椎间盘和神经通路的脊椎的示意图。
附图另外还示出了一种操控装置24，其例如包括一种用于采集RFID芯片的装置、一种用于例如对操作行为进行探测的激光设备、一种计算机鼠标、一种用于执行操作行为的含有高反射标记的辅助装置或者一种计算机的用户界面，所述用户界面用于接收由操控装置24的传感器装置、例如3D摄像头或者超声传感器所采集到的用户26的操作行为。在附图中示例性地示意性示出了用户26、其手和前臂的操作行为，优选包括身体姿势、例如伸、切和/或转动。所述操控装置24例如可执行姿势识别和/或视线方向识别和/或视线角度识别，如专业人员由现有技术中所已知的那样。
操作行为例如可规定了所述空间模型22、22′的借助该操作行为来选出并且例如表示通过空间模型22、22′所示出的身体部位的所预先确定的部分区域的那一部分，即例如血管系统的分支或者单个的椎间盘。
替选方案或者补充方案是，操作行为可规定所述空间模型22、22′和/或所选出的局部的示出式，由此启用例如标记、上色、透明显示、旋转、倾翻、放大缩小或者视角的调整。
示例性采集到的在移动方向P上的身体姿势例如可作为控制参数例如规定了选出和/或移除空间模型22的那些该身体姿势所对准的部分区域。在移动方向P上的转动例如可规定旋转该空间模型。其他的例子例如包括引起该部分区域上色或者切割该空间模型22的姿势。借助这样所预先给定的控制参数，空间模型22被重新确定并且输出重新确定的模型22，因此，例如在全息图中，模型22的包括了椎间盘的局部区域就被移动和/或移除。替选方案是，例如切割移动作为身体姿势20就可引起，在空间模型22、22′内执行虚拟的解剖切割。由此，例如还可生成并输出多个所确定的空间模型22、22′的序列，其可以被观察者例如感知为图像序列。变化或者修改空间模型22、22′或者其中的一部分可例如通过在相应地预先确定的数字图示20、20′内改变灰度值或者通过改变像素密度来实现。
如果用户26例如是医生，那么，其例如可借助患者自身的脊柱向患者展示将要进行的脊柱手术，例如展示所计划的椎间盘的移除和/或例如通过空间模型22、22′的旋转看看脊柱的脊椎管。
替选方案或者补充方案是，输出装置14′还可包括用于生产性地制造工件的设备，例如3D打印机，例如用于激光熔融。在这种实施例中，空间模型22′包括由一种材料构成的三维的身体构造，例如患者16的脊柱的塑料模型。替选方案或者补充方案是，空间模型22例如可被用作为外科手术的模子，其可被设置得与身体部位的部分区域的形状相配合，因此，例如设置到身体部位上的模子的刀刃就给出了切割方向和/或切割角度以便进行解剖切割。
在附图的实施例中，用户26可例如进行作为空间模型20的全息图的变化并且例如由例如3D打印机作为另外的输出装置14′输出最终结果作为身体模型22′。所述数字模型和/或所述空间模型22、22′可被存储在存储介质上，例如存储到蓝光盘上。
借助另一种操作行为、例如切割姿势或者具有方向的姿势，用户就可补充地或者替选地控制一种医疗设备28、例如电子解剖刀或者导管。操控装置24对该操作行为进行采集并且依据该操作行为生成一种控制信号，所述控制信号描述介入，即例如移动导管。控制信号可被传输给医疗设备28(S7)。
除了告知患者的目的和远程医疗这方面以外，根据本发明的方法例如还可被用于培训目的、即所谓的“直播案例”，也就是手术的实时传输，用于借助例如移动的3D全息图来计划手术，用于市场推广和广告目的，和/或用于服务目的。
上述实施例表明了这种原理，即：提供一种可修改的空间模型22、22′、例如全息图或者3D打印机的工件，其例如能够自由旋转或者自由缩放。图像中的一个或多个细节可例如被删除或添加。此外，还可例如给所选出的一个或多个结构上色，或者例如使得所预先确定的或者既定的区域透明显示。
例如，全息图与3D打印机的结合或者仅仅通过3D打印机，就能够由所传输的数据实现3D对象的提供、即有利地提供身体部位的3D模型，因此，例如能够在任意位置上以具体的模型继续工作。例如可通过这种方式，将会谈的“结果”保留下来。
模型的设置，例如图示、角度、色彩或者大小可被保存下来并且由此可复制。
可能的应用例如包括：
-培训目的，例如医生例如可在任意地点追溯介入和/或手术的结果；
-“直播案例”可不仅以传统的方式，还可以信息含量更高的3D方式传输；
-通过例如将移动的3D图像传输到任意地点来获取专家的其他看法或者在关键的介入治疗情况下的紧要关头时获取专家的看法；
-移动的3D全息图还可被用来计划手术；
-患者经常无法在空间构造上自行想象所计划的介入。将这种技术整合进例如说明谈话中，向患者所作的告知就能够简单很多。此外，例如术前或术后的情况也能够借助例如移动的3D图像来进行展示和/或图解。
-市场推广和广告目的，例如出席展示会；和/或
-服务目的，例如“远程应用服务”。
将例如3D全息图显示出来作为例如“直播案例”，例如可被提供给智能电话、平板电脑，优选作为存储介质上的计算机程序产品。

Claims (11)

1.一种用于借助至少一个成像的检查模态(18，18′)来提供患者(16)的身体部位的在所有三个空间维度上三维或四维延伸的解剖的空间模型(22，22′)的方法，包括以下步骤：
-通过所述至少一个成像的检查模态(18，18′，S1)提供所述身体部位的至少一个数字图示(20，20′)；
-通过控制装置(12)借助所述至少一个数字图示(20，20′，S2)确定所述身体部位的数字模型；
-将所述数字模型传输给输出装置(14，14′，S3)；
-通过输出装置(14，14′，S4)确定所述空间模型(22，22′)；以及
-通过输出装置(14，14′，S5)输出所述空间模型(22，22′)，
其中，依据至少一个预先给定的控制参数进行所述空间模型(22，22′)的确定(S6)，所述控制参数描述了与所述空间模型(22，22′)相关的部分和/或所述空间模型(22，22′)和/或该部分的示出方式，并且其中，所述至少一个控制参数是通过由操控装置(24)所接收到的用户(26)的操作行为来预先给定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出装置(14，14′)输出全息图作为空间模型(22，22′)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述输出装置(14，14′)输出三维的身体模型作为空间模型(22，22′)，优选借助用于生产性地制造工件的设备输出三维的身体模型作为空间模型(22，22′)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制装置(12)和所述输出装置(14，14′)构成了远程医疗系统(10)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过X射线设备、计算机断层成像仪、磁共振断层成像仪和/或超声设备作为成像的检查模态(18，18′)来提供所述至少一个数字图示(20，20′，S1)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数字图示(20，20′)包括图像序列、尤其是四维的图像序列，和/或提供了多个数字图示(20，20′)、尤其是多个四维的数字图示(20，20′)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个所预先给定的控制参数规定了所述空间模型(22，22′)在空间上的移动、所述空间模型(22，22′)在至少一个所预先确定的局部区域内的标记和/或所述数字模型和/或所述空间模型(22，22′)的变化。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于预先给定所述控制参数的操作行为包括身体姿势，其描述标记、移动、移除和/或突出显示所述空间模型(22，22′)的部分区域。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-接收描述所述空间模型(22，22′)的变化的另外的操作行为，并且其中，所述空间模型(22，22′)的所描述的变化规定了一种要相应地传输到所述身体部位上的介入；以及
-借助所述另外的操作行为产生用于控制医疗设备(28)的控制信号；以及可选地
-将所述控制信号传输给所述医疗设备(28)以便执行所述介入(S7)。
10.一种远程医疗系统(10)，包括控制装置(12)和输出装置(14，14′)，其中，所述系统被设置为用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在患者一侧，通过所述控制装置(12)基于借助至少一个检查模态(18，18′)所提供的患者(16)的身体部位的数字图示(20，20′)来确定数字模型，并且，在接收方一侧，通过所述输出装置(14，14′)基于所述数字模型确定并输出在所有三个空间维度上延伸的解剖的空间模型(22，22′)。
11.根据权利要求10所述的远程医疗系统(10)，另外包括操控装置(24)，以便接收用户(26)的操作行为，其中，该操作行为规定了至少一个控制参数，以便确定所述数字模型和/或所述空间模型(22，22′)。
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