DE102004011744A1

DE102004011744A1 - Chirurgische oder medizinische Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors

Info

Publication number: DE102004011744A1
Application number: DE200410011744
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Kozak; Tobias Pfeifer; Robert Dr. Lemor
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-22
Also published as: WO2005084551A3; WO2005084551A2

Abstract

Um 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, so zu verbessern, daß der navigierte Ultraschallsensor einfach und schnell kalibriert werden kann, wird vorgeschlagen, daß das Kalibrierelement aus einem Festkörper hergestellt ist. Ferner wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors vorgeschlagen.

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.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors, 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.

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.

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.

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.

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.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß der navigierte Ultraschallsensor einfach und schnell kalibriert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kalibrierelement aus einem Festkörper hergestellt ist.

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.

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.

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.

Von Vorteil ist es, wenn der Kunststoff Polyetherimid (PEI) ist, denn ein aus diesem Kunststoff hergestelltes Kalibrierelement ist ohne Einschränkungen dampfsterilisierbar.

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.

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.

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.

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 selten 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.

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.

Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen gebildet. Diese lassen sich auf einfache Weise in dem Kalibrierelement vorsehen.

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.

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.

Besonders einfach verarbeiten läßt sich ein aus einem Kunststoff hergestelltes Füllmaterial.

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.

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.

Ferner wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aus einem Festkörper hergestelltes Kalibrierelement verwendet wird.

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.

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.

Günstig ist es, wenn der Festkörper ein Kunststoff ist. Dadurch läßt sich das Kalibriervertahren besonders schnell und einfach durchführen, denn das Kalibrierelement läßt sich auf diese Weise besonders leicht ausbilden.

Vorzugsweise ist der Kunststoff Polyetherimid (PEI). Die Verwendung von Polyetherimid stellt eine einwandfreie Sterilisierbarkeit sicher.

Das erfindungsgemäße 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.

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.

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.

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.

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.

Die Herstellung des Kalibrierelements wird ferner vereinfacht, wenn die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von Hohlkanälen in dem Kalibrierelement umfaßt.

Die Herstellung des Kalibrierelements wird weiter vereinfacht, wenn die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen gebildet wird.

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.

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.

Auf einfache Weise lassen sich die Hohlkanäle im Kalibrierelement füllen, wenn das Füllmaterial aus einem Kunststoff hergestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen 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.

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.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung eines Kalibrierelements zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors am Beispiel eines 2D Ultraschallsensors.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierelement (32) dampfsterilisierbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Kunststoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyetherimid (PEI) ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit im Kalibrierelement (32) von der Schallgeschwindigkeit in Wasser abweicht.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur (42) eine Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven (44, 45, 46, 47, 48) definiert.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens fünf linear unabhängige Kurven (44, 45, 46, 47, 48) vorgesehen sind.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen (44, 45, 46, 47, 48) gebildet ist.
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.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur (42) aus einem dampfsterilisierbaren Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (50) aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (50) ein Kunststoffkleber (50) ist.
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.
Verfahren zum Kalibrieren eines navigierten, Ultraschall in mindestens einer Schallebene aussendenden Ultraschallsensors, 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, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Festkörper hergestelltes Kalibrierelement verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierelement dampfsterilisierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Kunststoff ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyetherimid (PEI) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Schallgeschwindigkeit in Wasser kalibrierter Ultraschallsensor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierelement aus einem Material hergestellt wird, das eine von der Schallgeschwindigkeit in Wasser abweichende Schallgeschwindigkeit aufweist, und daß 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von linear unabhängigen Kurven definiert.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die linear unabhängigen Kurven mindestens teilweise durch windschiefe Geraden gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens fünf linear unabhängige Kurven vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur eine Mehrzahl von Hohlkanälen in dem Kalibrierkörper umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Hohlkanälen durch Bohrungen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkanäle mit einem Füllmaterial gefüllt werden, daß das Kalibrierelement aus einem Kalibrierelementmaterial hergestellt wird und daß das Füllmaterial und das Kalibrierelementmaterial unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstruktur aus einem dampfsterilisierbaren Material hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus einem Kunststoff hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial ein Kunststoffkleber ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß am Kalibrierelement ein von einer Nachweisvorrichtung detektierbares Referenzelement angeordnet wird zum Bestimmen der Lage und der Orientierung des Kalibrierelements im dreidimensionalen Raum.