DE10138537A1 - Taktiles Feedback zur Darstellung von Gewebeelastizität - Google Patents

Taktiles Feedback zur Darstellung von Gewebeelastizität

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Abstract

Messdaten, basierend auf einem Verfahren, das die Elastizität von Körpergeweben berührungslos messen kann, werden einer Maschine/Mensch-Schnittstelle (5) zugeführt, die einem Benutzer eine von den Messdaten abhängige taktile Feedback-Information vermittelt. Die Maschine/Mensch-Schnittstelle (5) ermöglicht dem Benutzer eine relative virtuelle Bewegung (6, 8) um einen Startpunkt in einem ausgewählten Gewebebereich. Somit kann der Benutzer die Elastizität von Geweben "erfühlen", die einer Tastuntersuchung von außen nichtinvasiv nicht zugänglich sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben im Inneren eines Körpers, auf ein Computer-Softwareprogramm zur Ausführung eines solchen Verfahrens sowie auf eine Vorrichtung zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben im Inneren eines Körpers.
  • Im Medizinbereich ist es für eine Diagnose oft von Bedeutung, das elastische Verhalten von Geweben zu erfassen. Dabei ist es für den Arzt zur Erstellung einer Diagnose von großem Vorteil, wenn er die Elastizität eines Gewebes nicht (nur) anhand von Daten dargestellt bekommt, sondern vielmehr der Arzt diese Elastizität "erfühlen" kann, d. h. mittels eines taktilen Eindrucks die Elastizität eines untersuchten Gewebes in Erfahrung bringen kann.
  • Der Grund für die Bedeutung dieser Erfassung der Elastizität von Geweben ist, dass unterschiedliche Gewebearten unterschiedliche elastische Eigenschaften haben können. Insbesondere im Fall von Patalogien ist oft der Unterschied der elastischen Eigenschaften vom gesunden zum kranken Gewebe eine der wesentlichen Diagnose-Unterscheidungsmerkmale für den behandelnden Arzt. Um solche Elastizitätsunterschiede zu erfassen bzw. zu analysieren, ist heute eine Abtastung notwendig, wie Sie etwa von dem Mammakarzinomscreening bekannt ist.
  • Es ist indessen offensichtlich, dass durch direktes Abtasten durch den Arzt nicht-invasiv keine Bereiche im Inneren eines Körpers untersucht werden können.
  • Mittlerweile ist es allerdings durch die sogenannte MR- Elastographie und die Ultraschall-Elastographie möglich, elastische Eigenschaften von Geweben und Körperteilen im Inneren eines Körpers ortsaufgelöst zu messen. Die MR(Magnetresonanz)-Elastographie ist beispielsweise in der WO 00/70362 dargestellt. Ein Beispiel für die Ultraschall(US)-Elastographie ist in der EP 0 920 833 dargelegt.
  • Es ist also aufgrund dieser Technologien möglich, Messdaten zu erhalten, die 3D-ortsaufgelöste Eigenschaften der Elastizität von tiefliegenden und/oder sehr kleinen Körperteilen wiedergeben.
  • Andererseits sind in letzter Zeit verschiedenartige Eingabegeräte bzw. Navigationsgeräte für Computer bekannt geworden, bei denen eine Kraft oder haptische Eigenschaften auf den Bediener zurückgeführt werden. Im Falle der Kraftrückführung wird üblicherweise von Force-Feedback gesprochen, während bei der Zurückführung der Haptik von taktilem Feedback gesprochen wird.
  • Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie vorzuschlagen, die eine besonders anschauliche sensorische Darstellung der elastischen Eigenschaften von Körpergewebe für den Benutzer (Arzt) ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben vorgesehen. Dabei wird zuerst ein Bereich eines Gewebes ausgewählt, dessen Elastizität dargestellt werden soll. Daraufhin wird die Elastizität des Gewebebereichs durch ein berührungsloses Verfahren gemessen, wobei als berührungsloses Verfahren beispielsweise die oben bereits genannte US- oder MR- Elastographie in Frage kommen. Schließlich werden Messdaten an eine Maschine/Mensch-Schnittstelle übertragen, die wenigstens einem Finger eines Benutzer eine von den Messdaten abhängige taktile Feedback-Information vermittelt.
  • Die Maschine/Mensch-Schnittstelle, die die taktile Feedback- Information ermittelt, kann gleichzeitig auch die Ansteuerung einer relativen virtuellen Bewegung um einem Startpunkt in dem ausgewählten Gewebebereich herum ermöglichen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass ein virtueller Schnitt durch das zu untersuchende Gewebe gewählt werden kann, so dass die Elastizität dieser virtuellen Grenzschicht taktil dargestellt wird.
  • Die taktile Feedback-Information kann mittels eines Fingerlings vermittelt werden, der in ein Medium eingetaucht ist, dessen Viskosität abhängig von den Messdaten gesteuert wird.
  • Abhängig von dem Messdaten kann eine Rückstellkraft gegenüber einer Bewegung des Fingerlings in dem Medium erzeugt werden.
  • Die taktile Feedback-Information kann alternativ mittels einer flächigen Membran vermittelt werden. Dabei kann das Verformungsverhalten der Membran abhängig von den Elastizitäts-Messdaten eingestellt werden.
  • Das Verformungsverhalten der Membran kann beispielsweise durch darunterliegende, im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Membran orientierte Stifte eingestellt werden.
  • Ein Fangalgorithmus kann die Navigation auf eine (virtuelle) Grenzfläche des Gewebes beschränken, so die Untersuchung automatisch dem Verlauf der Grenzfläche folgt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Computer-Softwareprogramm, das ein Verfahren der oben genannten Art ausführt, wenn es den Speicher einer Recheneinrichtung geladen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben im Inneren eines Körpers vorgesehen. Die Vorrichtung weist dabei eine Schnittstelle zur Zuführung von Daten auf, die die Elastizität eines Gewebes wiedergeben. Weiterhin weist die Vorrichtung Mittel zur Vermittlung taktiler Feedback-Informationen auf, die derart ausgebildet sind, dass sie sensorische Eindrücke auf den Finger eines Benutzers übertragen können.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Schnittstelle aufweisen, um Informationen zur Ansteuerung einer virtuellen Navigation um einen Startpunkt (in dem zu untersuchenden Gewebe) herum auszugeben.
  • Die Mittel zur Vermittlung taktiler Feedback-Information können einen Fingerling aufweisen, der in ein Medium eintaucht, dessen Viskosität steuerbar ist.
  • Weiterhin können Mittel vorgesehen sein, die eine Rückstellkraft gegenüber einer Bewegung des Fingerlings in dem Medium erzeugen.
  • Die Mittel zur Vermittlung taktiler Feedback-Information können eine flächige Membran aufweisen, deren Verformungsverhalten eingestellt werden kann.
  • Das Verformungsverhalten der Membran kann beispielsweise durch darunterliegende, im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Membran orientierte Stifte einstellbar sein.
  • Schließlich kann die Vorrichtung mit einer Vorrichtung zur Ausgabe von virtuellen Navigationsinformationen gekoppelt sein.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften werden nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher ersichtlich.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems,
  • Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Maschine/Mensch-Schnittstelle, die dem Benutzer eine von Messdaten abhängige taktile Feedback-Information vermitteln kann, und
  • Fig. 3a und Fig. 3b zeigen verschiedene Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels einer solchen Maschine/Mensch-Schnittstelle zur Vermittlung von von Messdaten abhängigen taktilen Feedback- Informationen.
  • Ausgehend von Fig. 1 sollen nunmehr zuerst die wesentlichen Bestandteile der Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • Mit dem Bezugszeichen 1 ist in der Figur eine Vorrichtung bezeichnet, die berührungslos die Elastizität von Geweben ortsaufgelöst messen kann. Wie bereits eingangs gesagt, kommt für eine solche Vorrichtung beispielsweise ein MR-Elastograph oder ein US-Elastograph in Frage. Eine derartige Vorrichtung 1 kann Elastizitäts-Messdaten 2 an eine Auswerte- Ansteuereinheit 3 übermitteln. Diese Auswerte-Ansteuereinheit 3 gibt Ansteuerdaten 4 an eine Maschine/Mensch-Schnittstelle 5 weiter, die allgemein dem Benutzer und genauer gesagt einem Finger des Benutzers eine von den Messdaten 2, 4 abhängige taktile Feedback-Information vermitteln kann.
  • Neben dieser Vermittlung der Feedback-Information können die Mittel 5 auch virtuelle Navigations-Ansteuerdaten 6 an eine Auswerteeinheit 7 geben. Abhängig von einer Manipulation der Mittel 5 durch die Hand bzw. den Finger eines Benutzers kann somit die Auswerteeinheit 7 die Messeinrichtung 1 durch entsprechende Steuerdaten 8 dazu veranlassen, den Messbereich zu verändern, so dass die Messung und die Darstellung der Elastizität gemäß dem Wunsch des Benutzers erfolgen kann.
  • Selbstverständlich kann neben bzw. alternativ zu der Navigation mittels der Maschine/Mensch-Schnittstelle 5 auch ein zusätzliches Navigations-Ansteuergerät, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt eine Maus 9, vorgesehen sein, mit dem der Startpunkt und/oder der Verlauf der Untersuchung gewählt werden kann.
  • Ein in Fig. 1 dargestellten System kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:
    Ein behandelnder Arzt wählt zuerst einen Ziel- oder Startpunkt aus, der in dem Bereich liegt, in dem der Arzt die mechanischen Eigenschaften von Gewebe analysieren möchte. Dies wird in der Regel eine Grenzschicht einer Gewebestruktur sein.
  • Der Arzt legt dann einen Finger, wie beispielsweise seinen Zeigefinger, in oder auf die taktile Maschine/Mensch- Schnittstelle 5.
  • Schließlich bewegt der Arzt seinen Finger am oder in der Schnittstelle 5 und analysiert die mechanischen (elastischen) Eigenschaften des gerade untersuchten Gewebes. Dabei reagiert die Schnittstelle 5 auf jede Krafteinwirkung des Fingers des Benutzers mit einer Gegenkraft, wobei die Gegenkraft von den mechanischen (elastischen) Eigenschaften des zu untersuchenden Körpergewebes abhängt. Der Arzt kann somit die mechanischen (elastischen) Eigenschaften einer hypothetisch frei präparierten (virtuellen) Grenzschicht erfassen.
  • Die Schnittstelle 5 erlaubt somit auch eine relative virtuelle Navigationsbewegung um den Startpunkt im 2D- oder 3D-Raum herum.
  • Weiterhin kann in vorteilhafter Weise bei der Erfindung ein sogenannter Fangalgorithmus vorgesehen sein. Dieses Fangalgorithmus wird eine Navigation auf eine vorgegebene Grenzfläche beschränkt, sobald auf bzw. in dem Bereich einer solchen echten oder virtuellen Grenzflächen navigiert wurde. Somit kann der behandelnde Arzt auch kompliziert verlaufenden Oberflächen folgen, die durchaus auch dreidimensional gekrümmt sein können, da die Untersuchung automatisch dem Verlauf der Grenzfläche folgt Wenn sich die Navigation einer Grenzfläche bis auf einen vorgegebenen Abstand nähert, kann die Navigation automatisch auf dies Grenzfläche "springen".
  • Bezugnehmend auf Fig. 2 soll nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Maschine/Mensch-Schnittstelle 5 erläutert werden, die dem Benutzer eine von Messdaten abhängige taktile Feedback-Information vermitteln kann. Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Fingerling 10 vorgesehen, in den beispielsweise der Zeigefinger des Benutzer gesteckt werden kann. Der Fingerling 10 ist in einem Behälter aufgenommen, der mit einem Medium 11 mit einstellbarer Viskosität gefüllt ist. Die Viskosität kann beispielsweise bei einem Ferrofluid mittels Spulen 12 eingestellt werden, die ein D-Feld erzeugen. Den Spulen 12 wird also in diesem Fall das Signal 4 von der Auswerte-/Ansteuereinheit 3 gemäß Fig. 1 zugeführt.
  • Der Fingerling 10 kann mit parallelen Fäden 15 verbunden sein, die parallel zu den Muskeln des Fingers in dem Fingerling 10 zu Bremsmotoren 13, 14 geführt werden. Die Bremskraft 13, 14 kann ebenfalls von einem Computer, nämlich der Auswerte-/Ansteuereinheit 3 gesteuert werden. Die Kombination der einstellbaren Viskosität des Mediums 11 mit der einstellbaren Bremskraft mittels der Bremsmotoren 13, 14 ermöglicht somit, dass eine von den Messdaten abhängige Gegenkraft gegenüber einer Bewegung eines Fingers in dem Fingerling 10 gesteuert werden kann.
  • Die Bremse für die Fäden 15 kann insgesamt aus einem Weggeber, einem Kraftsensor und dem Bremsmotoren 13, 14 bestehen, so dass die Bremse eine steuerbare Gegenkraft erzeugt.
  • Bezugnehmend auf Fig. 3a und 3b soll nunmehr ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Maschine/Mensch-Schnittstelle 5 erläutert werden, die dem Benutzer eine von den Messdaten abhängige taktile Feedback-Information vermitteln kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Zeigefinger 17 auf eine Membran 16 gelegt, die im Wesentlichen eben ist. Die Membran 16 überdeckt eine Matrix von Stiften 18, die also unter der Oberfläche der Membran 16 vorgesehen sind und senkrecht zu der Oberfläche der Membran 16 ausgerichtet sind. Jeder Stift 18 weist einen Kraft- und Wegmesser sowie einen Brems- und Rückstellmotor 19 auf. Der Brems- und Rückstellmotor 19 ist mit dem betreffenden Stift 18 beispielsweise mittels eines Stößels 20 verbunden. Mittels der Brems- und Rückstellmotoren kann also die Matrix bestehend aus den Stiften 18 dem Finger 17 des Bedieners ein taktiles Feedback geben, das die Elastizität des Gewebes am Untersuchungsort wiedergibt.
  • Dieses Ausführungsbeispiel hat die Vorteile, dass die Membran 16 um den zentralen Berühungspunkt 21 herum dieselbe Form, nämlich eine leichte Vertiefung, annimmt, wie es bei tatsächlichen Oberflächenuntersuchungen durch den Arzt der Fall ist.
  • Vorteilhafterweise kann eine solche Apparatur in eine bekannte Computermaus eingebaut werden. Somit kann der Bediener in zwei Dimensionen mit der Tasthand die Stelle wählen, an der die Elastizitätsuntersuchung ausgeführt werden soll.
  • Gemäß einer Abänderung ist die taktile Maschine/Mensch- Schnittstelle 5 Teil eines passiven Roboters, welcher eine Navigation erlaubt. Gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel ist die Membran ausgedehnt und nimmt die Form eines anatomischen Untersuchungsgebiets an. Dabei können translatorische Bewegungen des Fingers entlang der virtuellen Schnittgrenze erfasst werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben im Inneren eines Körpers, aufweisend die folgenden Schritte:
1. Auswahl (9) eines Bereichs eines Gewebes, dessen Elastizität dargestellt werden soll, im Inneren eines Körpers,
- Messung (1) der Elastizität des Gewebebereichs durch ein berührungsloses Verfahren, und
- Übertragen (2, 4) der Messdaten an eine Maschine/Mensch- Schnittstelle (5), die dem Benutzer eine von den Messdaten abhängige taktile Feedbackinformation vermittelt.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine/Mensch-Schnittstelle (5) eine relative virtuelle Bewegung (6, 8) um einen Startpunkt in dem ausgewählten Bereich ermöglicht.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein virtueller Schnitt durch das Gewebe gewählt wird, so dass die Elastizität dieser Grenzschicht taktil (5) dargestellt werden kann.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die taktile Feedbackinformation mittels eines Fingerlings (10) vermittelt wird, der in ein Medium (11) eintaucht, dessen Viskosität abhängig von den Messdaten gesteuert (12) wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von den Messdaten eine Rückstellkraft gegenüber einer Bewegung des Fingerlings (10) in dem Medium (11) erzeugt (13, 14, 15) wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die taktile Feedbackinformation mittels einer flächigen Membran (16) vermittelt wird, deren Verformungsverhalten abhängig von den Messdaten eingestellt (18, 19, 20) wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsverhalten der Membran (16) durch darunterliegende, im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Membran (16) orientierte Stifte (18) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fangalgorithmus die Navigation auf eine Grenzfläche beschränkt.
9. Computer-Softwareprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt, wenn es in den Speicher einer Recheneinrichtung geladen ist.
10. Vorrichtung zur taktilen Darstellung der Elastizität von Geweben im Inneren eines Körpers, aufweisend:
eine Schnittstelle zur Zuführung von Daten (2, 4), die die Elastizität von Geweben wiedergeben, und
Mittel (5) zur Vermittlung taktiler Feedbackinformation, die derart ausgebildet sind, dass sie sensorische Eindrücke auf den Finger (17) eines Benutzers übertragen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schnittstelle aufweist, um Informationen (6, 8) zur Ansteuerung einer virtuellen Navigation um einen Startpunkt herum auszugeben.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Vermittlung taktiler Feedbackinformation einen Fingerling (10) aufweisen, der in ein Medium (11) eintaucht, dessen Viskosität steuerbar (12) ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (13, 14, 15) vorgesehen sind, die eine Rückstellkraft gegenüber einer Bewegung des Fingerlings (10) in dem Medium (11) erzeugen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Mittel zur Vermittlung taktiler Feedbackinformation eine flächige Membran (16) aufweisen, deren Verformungsverhalten eingestellt werden kann.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsverhalten der Membran (16) durch darunterliegende, im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Membran (16) orientierte Stifte (18) einstellbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Vorrichtung zur Ausgabe von virtuellen Navigationsinformationen gekoppelt ist.
17. Vorrichtung nach einem Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch einen Fangalgorithmus, der die Navigation auf eine Grenzfläche beschränkt.
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