DE102005045480B4 - Verfahren zum Aufspüren und Lokalisieren von im Inneren eines Materials oder Gewebes vorhandenen, besonderen Strukturen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum manuell von einem Operator oder robotergestützt vorgenommenen Aufspüren und räumlichen Lokalisieren von sich im Inneren eines Materials befindenden Strukturen, die sich von der allgemeinen Struktur des Materials relevant unterscheiden, mittels elektromagnetischer oder akustischer Wellen, die von einer Strahlungsquelle in das betreffende Material ausgesendet und als Echos von einem Sensor aufgefangen und in elektrische Signale gewandelt werden, die anschließend analysiert werden, wobei bei Bewegung des verschiebbaren Sensors während des Überstreichens eines Bereiches mit sich von der allgemeinen Struktur des Materials unterscheidenden Struktur infolge von charakteristischen Impedanzänderungen auf Grund von Grenzflächenwirkung hervorgerufene charakteristische Signalspannungsveränderungen ausgenutzt werden, die mittels Signalanalyse interpretiert werden, und dieser Interpretation durch Signalanalyse eine Mensch-Maschine-Kopplung nachgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mensch-Maschine-Kopplung für ein Haptik-Eingabegerät aus den interpretierten Signalen Kraft-Moment-Signale gebildet werden, die dort einen intuitiv wahrnehmbaren, haptischen Impuls erzeugen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum manuell von einem Operator oder robotergestützt vorgenommenen Aufspüren und räumlichen Lokalisieren von sich im Inneren eines Materials befindenden Strukturen, die sich von der allgemeinen Struktur des Materials relevant unterscheiden, mittels elektromagnetischer oder akustischer Wellen, die von einer Strahlungsquelle in das betreffende Material ausgesendet und als Echos von einem Sensor aufgefangen und in elektrische Signale gewandelt werden, die anschließend analysiert werden, wobei bei Bewegung des verschiebbaren Sensors während des Überstreichens eines Bereiches mit sich von der allgemeinen Struktur des Materials unterscheidenden Struktur infolge von charakteristischen Impedanzänderungen auf Grund von Grenzflächenwirkung hervorgerufene charakteristische Signalspannungsveränderungen ausgenutzt werden, die mittels Signalanalyse interpretiert werden, und dieser Interpretation durch Signalanalyse eine Mensch-Maschine-Kopplung nachgelagert wird.
• Die intraoperative Lokalisierung von verdeckt in einem Körpergewebe liegenden Gefäßen ist in aller Regel optisch nicht möglich. Im Falle eines versehentlichen Durchtrennens eines arteriellen, unerwartet im Gewebe verlaufenden Gefäßes, beispielsweise wegen anormalen Gefäßverläufen oder Verwachsungen, drohen schwer kontrollierbare, eventuell lebensbedrohende Blutungen. In der konservativen, offenen Chirurgie lässt sich gewöhnlich anhand eines Pulsierens im Gewebe auf die Lage von Arterien schließen, und die geplante Schnittsetzung kann entsprechend angepasst werden.
• In der minimal invasiven Chirurgie (MIC) ist ein direktes Abtasten (Palpation) im Operationsgebiet liegender Strukturen durch den Chirurgen nicht möglich, da die Körperoberfläche, wie beispielsweise die Brustwand oder die Bauchdecke, weitge hend verschlossen bleibt. Einzige chirurgische Zugänge bei der MIC sind mehrere kurze Schnitte, sogenannte Ports, durch welche lange, stabförmige Instrumente zur Operationsstelle vorgeschoben werden. Dies bedeutet jedoch, dass ein Betasten von Gewebe im Operationsgebiet auf Grund der räumlichen Barriere nicht möglich ist. Die indirekte Betastung über die vom operierenden Chirurgen geführten Instrumente ist auf Grund der starken Verfälschung der Tastkräfte und -momente durch Reibung im Port für eine Palpation im klassischen Sinn ungeeignet.
• In der Herzchirurgie, speziell in der Bypass-Chirurgie, erfordert die Lokalisierung der Herzkranzarterien (Koronararterien) unter der physiologischen Fettschicht des Herzmuskels relativ viel Erfahrung des Operateurs. Die Herausforderung ist das komplizierte Aufeinanderabstimmen des präoperativ erstellten Koronarangiogramms mit den realen Verhältnissen im OP-Situs, sei es am schlagenden oder am stillstehenden Herz.
• Bei einer konservativen, offenen Herzoperation ist es für den Chirurgen möglich, durch Palpation der Herzoberfläche die Koronararterien aufzufinden, deren Lage mit dem Koronarangiogramm zu vergleichen und auf diese Weise abzuschätzen, wo sich die durch die Bypass-Operation zu umgehende Engstelle (Stenose) befindet, bzw. an welcher Stelle die Gefäßverbindungen (Anastomosen) zur Überbrückung (Bypass) der Engstelle hergestellt werden müssen.
• Durch eine Stichinzision (Einschnitt) mit dem Skalpell wird das Koronarium geöffnet. Am schlagenden Herzen lässt sich die erfolgreiche Eröffnung anhand einer diastolischen, arteriellen Blutung des Gefäßes kontrollieren. Bleibt diese Blutung aus, muss der Vorgang wiederholt und eine neue Stichinzision vorgenommen werden.
• In der minimal invasiven Herzchirurgie ist die Lokalisierung der Koronarien nur optisch (was durch entsprechende Farbverfälschung des OP-Kamerasystems erschwert wird), durch multiple Stichinzisionen oder durch zeitintensives Abpräparieren der das Herz schützenden Fettschicht möglich. Das Aufeinanderabstimmen mit den präoperativen Bilddaten ist nur durch Abschätzen und Erfahrung möglich, wird jedoch durch den nur kleinen Bildausschnitt des Endoskops erschwert.
• Auch bei Operationen, beispielsweise im Bauchraum (offene oder minimal invasive Visceralchirurgie), ist es häufig von Vorteil, beispielsweise wegen anormaler Gefäßverläufe oder Verwachsungen, vor einer Schnittsetzung technisch kontrollieren zu können, ob im geplanten Schnittbereich nicht sichtbare und/oder nicht tastbare Gefäße liegen. Häufig ist zwar aus der Anatomie klar, dass ein arterielles oder auch ein venöses Gefäß eine bestimmte Struktur versorgen muss. Die exakte Lage des Gefäßes im Gewebe ist jedoch unbekannt und für den Chirurgen im Operationssitus nicht sichtbar.
• Bei minimal invasivem Vorgehen müssen Gefäße grundsätzlich sehr vorsichtig – und damit zeitintensiv – freipräpariert und Blutungen unterbunden werden, da eine unkontrollierte Blutung aus den Gefäßen die endoskopischen Sichtverhältnisse beispielsweise durch Benetzung der Endoskoplinse beeinträchtigen und damit eine möglichst zügig durchzuführende Unterbindung der Blutung nachhaltig beeinträchtigen kann.
• Im Rahmen des TAMIC-Projektes (Tastsensorik für die MIC; Laufzeit von 1995 bis 1998, gefördert durch das BMBF, Projektpartner: Dornier Surgical Systems GmbH, Daimler-Benz AG, Fraunhofer Gesellschaft, Institut für Biomedizinische Technik (FHG-IBMT), Adolf Bausch GmbH, Viewpoint GmbH, Daum GmbH, Uniklinik Tübingen) wurde versucht, haptisch-taktile Informationen sensoriell zu erfassen und über eine räumliche Barriere mittels spezieller haptischer Mensch-Maschine-Schnittstellen an den Anwender zurückzugeben. Zielsetzung war die intraoperative Befunderhebung durch Palpation, beispielsweise zur Erkennung von Darmtumoren (in Form von Verhärtungen bzw. kleinen Knötchen).
• Probleme ergaben sich bei diesem System vor allem hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle, d.h. bei der intuitiven Interpretation der sensorierten Signale. Außerdem erfolgte die Erfassung der Rigidität bzw. der Struktur bei diesem System durch Umfassung, d.h. durch zweiseitige Berührung ( DE 195 42 019 C1 ; DE 195 33 756 A1 ). Eine Umfassung beispielsweise von Koronararterien ist jedoch aus anatomischen Gründen nicht möglich. Das System wurde nach Abschluss des TAMIC-Projekts nicht fertig entwickelt. Ein ausgereiftes Produkt ist nach wie vor auf dem Markt nicht erhältlich.
• Ein weiterer noch im Forschungsstadium befindlicher Ansatz ist die rechnergestützte graphische Segmentierung im Sinne einer Augmented Reality. Hierbei wird eine Registrierung der präoperativen, koronarangiographischen Daten mit der Wirklichkeit vorgenommen, so dass der Operateur am Monitor das Bild des schlagenden oder stillstehenden Herzens sieht und darin rechneranimiert die berechneten Koronararterien überlagert werden.
• Problematisch und bisher ungelöst ist es, ein deformierbares Objekt (Herz) in Echtzeit zu registrieren, da praktisch kein Anhaltspunkt in den Realbilddaten über den Verlauf der Koronarien extrahierbar ist.
• Des weiteren wurde eine Vielzahl von Versuchen unternommen, geeignete haptisch-taktile Sensoren zu entwickeln. Beispielsweise ist vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (FHG-IBMT) in St. Ingbert ein Pulssensor entwickelt worden, der sich auf breiter Basis jedoch nicht durchsetzen konnte. Speziell eine Verkopplung mit einer geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstelle zu einem praxistauglichen Rückkopplungssystem findet kaum statt.
• Ein vom FHG-IBMT entwickelter Pulssensor sollte Arterien anhand des sie durchströmenden pulsierenden Blutstroms detektieren. An der Sensorspitze wurden dazu mit Hilfe einer Piezopolymerfolie Druckschwankungen in Längsrichtung des Sensorstabes gemessen. Im Sensorstab ist eine batteriebetriebene miniaturisierte Impedanzwandler- und Auswerte-Elektronik untergebracht.
• Die Auswerte-Elektronik findet Signalsprünge, die dann mit Hilfe eines eingebauten Mikrophons als Piepston angezeigt werden. Der Operateur kann diesen Piepston mit dem Piepston eines Elektrokardiographen (EKG) vergleichen. Zusätzlich gibt es einen analogen Ausgang, an dem der Signalverlauf abgegriffen und mit einem Oszilloskop angezeigt werden kann. Das System wurde unter anderem non-invasiv zur Erfassung des Handgelenkpulses und des Halsschlagaderpulses am Menschen und in vier Tierversuchen zur endoskopischen Erkennung der Arteria hepatica und von Mesenterialarterien (Durchmesser 2,5 mm unter 1 mm Deckschicht) im Schwein getestet.
• Derzeit ist jedoch kein praxistaugliches Gerät bzw. Gerätesystem für die Chirurgie am Markt erhältlich, das es ermöglicht, taktile Eindrücke über eine räumliche Barriere zu übertragen. Speziell ist kein Gerät am Markt, mit welchem gezielt nach Arterien im Operationsgebiet gesucht werden kann.
• Nachteilig für den Anwender (Operateur, Chirurgen) ist die langwierige, vorsichtige Suche bzw. kritisch ist das teils gefährliche "blinde" Schneiden im Gewebe.
• Bei Rückkopplungssystemen für Taktilität ist offensichtlich bis jetzt der Versuch gescheitert, die Empfindung einer menschlichen Fingerkuppe zu übermitteln. Hierbei entstehen zwei verkoppelte Probleme: einerseits die Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit mit einer Sensordichte, welche mit der jenigen einer menschlichen Fingerkuppe vergleichbar ist, und andererseits die Übertragung von sensorierten Signalen an den Chirurgen in einer intuitiv erfassbaren Form.
• Die Verkopplung dieser Probleme entsteht aus der menschlichen Sinnesphysiologie. Das Erfassen der Beschaffenheit einer Oberfläche entsteht erst durch Bewegung der Fingerkuppe – Auflegen allein genügt nicht. Der Sensor müsste sich für ein intuitives Erfassen durch den Chirurgen in der gewünschten Fingerbewegung auf dem Zielobjekt bewegen, während die Mensch-Maschine-Schnittstelle die entsprechenden Sensorsignale darstellt. Dies ist ein technisch äußerst aufwendiger und komplizierter Aufbau.
• Aus dem Buch von Wollny, K.: "Die Natur der Bodenwelle des Georadar und ihr Einsatz zur Feuchtebestimmung", 1999, Herbert Utz Verlag Wissenschaft, München, ISBN 3-89675-580-3, Seiten 12-19, 55-67, 99-111, sind geophysikalische Verfahren bekannt, die durch Aussenden von elektromagnetischen Impulsen und Analyse von deren Echosignalen zerstörungsfrei auf Strukturunterschiede unter der untersuchten Oberfläche der angestrahlten Materie schließen lassen. Dabei handeltes sich nicht nur um reflektierte Signale, die genutzt wurden, sondern v.a. um Signale aus dem Bereich der Skintiefe des Materials.
• Aus dem Artikel von Lindahl, O.A., Omata, S., Ängquist, K.-A.: "A tactile sensor for detection of physical properties of human skin in vivo", Journ. of Med. Eng. & Technology, 1998, Band 22(4), Seiten 147-153, ist es bekannt, einen taktilen Sensor mit einer Abbildungsvorrichtung einzusetzen.
• WO 2004/049 929 A1 behandelt eine mit einer Abbildungsvorrichtung zusammenarbeitende taktile Sensorvorrichtung ("tactile sensing device") im medizinischen Umfeld, die sogar invasiv eingesetzt werden kann.
• WO 2004/037 084 A1 beschreibt ebenfalls eine direkte Sensor-Aktor-Kombination. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Simulation. Dabei erfolgt eine räumliche Trennung zwischen Sensor und Aktor unter Zwischenschaltung einer rechnertechnischen Prozessierung. Es handelt sich hier um die Lösung von Problemen einer Telepräsenz und speziell der telemedizinischen Diagnostik. Sensoriert wird im Inneren des Patienten, wobei die Gewebeoberfläche eine natürliche Barriere darstellt, die es dem Operateur oder Arzt unmöglich macht, direkt zu berühren und zu tasten (palpieren). Genau aus diesem Grund muss eine Fernübertragung zwischengeschaltet werden, schon allein auch zur rechnertechnischen Prozessierung. Es werden hier taktile Eindrücke direkt umgesetzt und auch taktil wiedergegeben. Der eine medizinische Objektuntersuchung Ausführende "spürt" mittels einer entsprechenden Vorrichtung auch aus der Ferne, was er untersucht, wobei er die taktil erfasste Oberfläche eines Patienten spürt. Unterhalb der Gewebeoberfläche liegende Strukturunterschiede lassen sich mittels eines Sensors auch erfassen und zum untersuchenden Arzt übermitteln. Sie werden dem Arzt anhand einer üblichen Abbildungseinrichtung dargeboten.
• Im Artikel von Baumann, I. et al.: "Vibrotactile characteristics of different tissues in endoscopic otolaryngologic surgery – in vivo and ex vivo measurements", MITRS, 2001, Band 10(6), Seiten 323-327, sind die Notwendigkeit und der Nutzen eines haptisch-taktilen Feedbacks aufgezeigt. Es geht hier um die Rigiditätsbestimmung und -differenzierung unterschiedlicher Gewebe, nicht um die Entdeckung innerhalb des Gewebes liegender Arterien oder anderer unterschiedlicher Strukturen.
• Der Artikel von Omata S. & Terunuma, Y.: "New tactile sensor like human hand and its applications", Sensors and Actuators A, 1992, Band 35, Seiten 9-15, beschäftigt sich aus schließlich mit der Entwicklung eines taktilen Sensors, wobei sich die hier dargestellte Entwicklung ausschließlich auf die Rigiditätsbestimmung und -differenzierung unterschiedlicher Gewebe konzentriert, nicht aber auf das Aufspüren spezieller, unterhalb der Oberfläche verborgener Strukturen, wie z.B. im Gewebe versteckter Arterien. Auch in diesem Artikel wird aber die Wichtigkeit der Rückkopplung haptisch-taktiler Informationen an den Chirurgen betont.
• US 6 163 739 A beschäftigt sich mit der Sensorentwicklung auf Array-Basis, wobei das Sensorprinzip die elektrische Stimulation ist.
• In EP 1 356 781 A2 wird lediglich eine klassische Telemanipulations- bzw. Präsenzanwendung beschrieben. Von einer Rückkopplung irgendwelcher Interaktionskräfte/-momente oder gar von Informationen über Taktilität/Haptik ist hier in keiner Weise die Rede.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das erreicht wird, verdeckte Bereiche in einem Werkstoffmaterial oder Körpergewebe, die eine von der allgemeinen Material- oder Gewebestruktur abweichende Struktur aufweisen, zu erfassen und zu lokalisieren und dies dem Operator über haptische Signale direkt und für eine intuitive Wahrnehmung geeignet mitzuteilen, wobei auch ein Einsatz von Robotersensoren möglich sein soll. Insbesondere sollte bei Anwendung des durch die Erfindung zu schaffenden Verfahrens das Gesamtgerätesystem darüber hinaus eine Benutzung erlauben, bei der es nicht notwendig ist, die Hand an oder auf ein zusätzliches Gerät zu legen – also vor allem im medizinischen Bereich die eigentlichen Bedienelemente des Chirurgiesystems loszulassen und den Blick abzuwenden, da eine Reorientierung des Chirurgen nach dem Tastvorgang zeitraubend ist und als lästig empfunden wird.
• Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Mensch-Maschine-Kopplung für ein Haptik-Eingabegerät aus den interpretierten Signalen Kraft-Moment-Signale gebildet werden, die dort einen intuitiv wahrnehmbaren, haptischen Impuls erzeugen.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Einsatzmöglichkeiten, insbesondere im medizinischen Bereich, sind in den sich unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch rückbeziehenden Ansprüchen angegeben.
• Im medizinischen Bereich wird durch das erfindungsgemäß arbeitende Verfahren erreicht, dass bei endoskopischem, minimal invasivem Eingriff verdeckt im Körpergewebe liegende Gefäße und deren Verlauf oder andere nicht unmittelbar sichtbare Besonderheiten in der Tiefe des Körpergewebes mit Hilfe haptischer Signale durch einen Arzt intuitiv erfasst und genau lokalisiert werden können.
• Entsprechend der Erfindung kann vorteilhaft ein auf Schallmessung basierender Sensor verwendet werden. Der Blutstrom in einem nahe an einem Umformer (Transducer) liegenden Gefäß kann vom Phonoschallbereich bis zum Ultraschallbereich detektiert werden, wenn der Transducer direkt mit dem Gewebe gekoppelt ist (sog. Körperschall). Ein miniaturisierter, sterilisierbarer Sensor wird zusammen mit einer baulich damit vereinigten Schallquelle durch die minimal invasiven Zugänge zum Operationsgebiet vorgeschoben und von Hand oder roboterge stützt (bei telemanipulierter Operation) über das zu untersuchende Gewebe oder entlang von diesem geführt. Die baulich mit dem Sensor verbundene Schallquelle sendet Schallwellen, deren Echos vom Sensor aufgefangen und in elektrische Spannungssignale gewandelt werden. Auf Grund der Schallimpedanzveränderung infolge Grenzflächenwirkung bei Überstreichen eines Gefäßes kommt es zu charakteristischen Spannungsveränderungen, die mittels einer geeigneten Signalanalyse interpretiert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Koronararterium in seinem Verlauf verfolgt werden. Charakteristische Veränderungen im Strömungsprofil in der Arterie können nach dem gleichen Prinzip registriert werden und deuten auf eine Gefäßstenose hin.
• Die nachgelagerte Mensch-Maschine-Kopplung erfolgt durch eine hier so bezeichnete "falsch-haptische" Signalgenerierung (der hier verwendete Neologismus "falsch-haptische" entstand in Anlehnung an den Begriff "Falsch-Farben-Darstellung" zur besseren Visualisierung z.B. von strömungsmechanischen oder thermodynamischen Vorgängen; "falsch-haptisch" bedeutet analog die Wandlung von nicht zwingend haptischen Sensorsignalen in intuitiv interpretierbare, haptische Eindrücke) in Intensität, d.h. Amplitude, Beschleunigung und Kraftentwicklung, und Frequenz des Master-Instruments abhängig von Nähe zum Gefäß und vom Patientenpuls. Der Operateur erhält dabei einen empfindungsverwandten, haptischen Impuls, vergleichbar mit dem Eindruck beim manuellen Ertasten des Gefäßes. Er muss also seine Hände nicht vom Eingabegerät wegnehmen, um eine Rückkopplung vom Gefäß oder der Struktur zu bekommen. Allerdings erhält der Chirurg keine naturgetreue Abbildung der Oberflächenbeschaffenheit, was vor dem beschriebenen Anwendungshintergrund aber auch nicht zwingend notwendig ist.
• Mittels des im medizinischen Bereich vor allem minimal inva siv einsetzbaren Verfahrens werden somit durch Auflegen und Bewegen eines eine Schallquelle enthaltenden, multifrequenten Schallsensors Gefäße detektiert. Darüber hinaus können Tumorgewebe, Verkalkungen oder allgemein Strukturen mit signifikant unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Impedanzen erfasst werden. Das Detektionsergebnis wird über eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle als haptisches Signal an den Chirurgen übermittelt. Dies kann gegebenenfalls durch akustische, optische oder sonstige Sinneseindrücke unterstützt werden.
• Darüber hinaus ist es möglich, die zu speichernden Positionen und Orientierungen des in einem weiteren Schritt robotergeführten Instruments softwaretechnisch in eine "Kartographierung" des abgetasteten Gebietes zu überführen. Die erstellte "Karte" kann mit präoperativen Bilddaten abgeglichen werden und es lässt sich somit eine fehlerüberprüfbare Analyse des betrachteten Gebietes perioperativ durchführen.
• An dieser Stelle ist anzuführen, dass Gegenstand der Erfindung weder der Sensor für sich noch die haptische Rückkopplung für sich, noch die zwischengeschaltete rechnertechnische Umsetzung der Signale für sich sein soll. Die vorliegende Erfindung besteht in der Kombination der Komponenten und der damit erreichbaren "Erzeugung" intuitiv wahrnehmbarer, haptischer (qua "falsch-haptischer") Kraft-Moment-Signale ohne Verwendung eines eigenen Kraft-Moment-Sensors und die Kopplung an ein Haptik-System. Der Sensor selbst kann in diesem Fall als Kraft-Moment-Sensor bzw. Signalgeber betrachtet werden, jedoch ohne den klassischen Aufbau eines Kraft-Moment-Sensors, sondern basierend auf der Erfassung von Impedanzveränderungen. Kraft-Moment-Signale werden also ermittelt aus Schallechosignalen oder Echosignalen elektromagnetischer Wellen.
• Insbesondere für den medizinischen Bereich ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die gesamte Problematik der Kraft-Moment-gestützten, haptischen Sensoren zu Gunsten eines einzigen, leicht sterilisierbaren Bauteils (Schallsensor mit eingebauter Schallquelle) ohne äußere bewegliche Teile entfällt.
• Charakteristisch ist, dass bei Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung keine zusätzliche Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Erlangung taktiler Eindrücke notwendig ist, sondern dass eine "Modalitätssubstitution" stattfindet (Darstellung taktiler Signale als haptische Signale) und das ohnehin verwendete Haptik-Eingabegerät mitgenutzt wird.
• Auf Grund der genauen Kenntnis von Position und Orientierung im Falle eines robotergeführten Sensors kann anhand der Sensorbewegung eine dreidimensionale Oberflächengeometrie abgebildet werden. Auf dieser können die ermittelten Impedanzsprünge bzw. -veränderungen mit aufgezeichnet werden. Die graphische Abbildung kann mit präoperativen Daten verglichen werden. Damit kann vor allem die Orientierung des operierenden Chirurgen verbessert werden.
• Zusätzlich sind beispielsweise Plausibilitätskontrollen möglich. Die Archivierung der Messdaten ermöglicht eine erweiterte Qualitätskontrolle und -sicherung der Operation.
• Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels einer medizinischen Gefäßerfassungseinrichtung bei minimal invasiver Operationstechnik erläutert. Es zeigen:
• 1 in schematischer Ansicht den Teil der Einrichtung zur minimal invasiven, sensorischen Erfassung eines Koronararteriums am Herzen, und
• 2 die Haptik-Schnittstelle dieser Einrichtung in einer photographischen Darstellung.
• Wie 1 zeigt, kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beispielsweise zur genauen räumlichen Lokalisierung von Koronararterien im Rahmen der minimal invasiven Chirurgie (MIC) am Herzen genutzt werden. Dazu ist ein handelsüblicher, miniaturisierter Ultraschall-Transducer, der eine Ultraschallquelle enthält, als Sensor S beweglich an einem MIC-Instrumentenschaft I angebracht. Die Signalgenerierung wird so eingestellt, dass in einer definierten Tiefe, beispielsweise zwischen 1 mm und 4 mm, nach charakteristischen Impedanzsprüngen gesucht wird, die das Vorhandensein einer Koronararterie KA kennzeichnen.
• Im Falle von telemanipulativ geführten Systemen können die ermittelten, gefilterten und aufbereiteten Signale an eine zur Bedienung des robotischen Systems ohnehin notwendige Haptik-Schnittstelle, wie sie in 2 abgebildet ist, geleitet und beispielsweise als "Ruckbewegungen" bzw. als kurze Kraftsprünge ausgegeben werden. Diese "falsch-haptische" Rückkopplung der erfassten Signale wird direkt an die Master-Instrumente des operierenden Chirurgen ausgegeben, so dass keine weiteren Mensch-Maschine-Schnittstellen zum Einsatz kommen.
• Die genauen Positionen von Gefäßverengungen (Stenosen) im Bereich der Koronararterien, die klassisch zu Angina pectoris (Brustschmerzen) und zum Herzinfarkt führen, können ermittelt und die Platzierung der Bypässe zur Umgehung dieser Engstel len kann besser realisiert werden. Über ein Abspeichern der Messdaten ist eine zusätzliche Qualitätssicherung der Operation möglich.
• Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist die Chirurgie, beispielsweise zum Auffinden von Gefäßen, die palpativ nicht erreichbar sind, oder zur blutungsarmen Schnittsetzung bzw. Kontrolle vor einer Schnittsetzung. Interessenten für eine gewerbliche Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung sind vor allem Hersteller minimal invasiver Geräte oder Hersteller robotergestützter Chirurgiesysteme zur Implementierung einer realisierbaren Vorstufe zur vollständigen Haptikrückkopplung.
• Das Prinzip der Erzeugung haptischer Signale entsprechend dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf die Chirurgie bzw. die minimal invasive Chirurgie beschränkt, sondern betrifft auch weitere Gebiete, wie beispielsweise die Materialprüfung. Verdeckte Materialschwachstellen, wie z.B. Lunker, Gefügestrukturverunreinigungen oder Risse in der Tiefe des Materials, können mittels Röntgen- oder Ultraschalltechnik detektiert und in haptische Signale für den das betreffende Material Prüfenden gewandelt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zum manuell von einem Operator oder robotergestützt vorgenommenen Aufspüren und räumlichen Lokalisieren von sich im Inneren eines Materials befindenden Strukturen, die sich von der allgemeinen Struktur des Materials relevant unterscheiden, mittels elektromagnetischer oder akustischer Wellen, die von einer Strahlungsquelle in das betreffende Material ausgesendet und als Echos von einem Sensor aufgefangen und in elektrische Signale gewandelt werden, die anschließend analysiert werden, wobei bei Bewegung des verschiebbaren Sensors während des Überstreichens eines Bereiches mit sich von der allgemeinen Struktur des Materials unterscheidenden Struktur infolge von charakteristischen Impedanzänderungen auf Grund von Grenzflächenwirkung hervorgerufene charakteristische Signalspannungsveränderungen ausgenutzt werden, die mittels Signalanalyse interpretiert werden, und dieser Interpretation durch Signalanalyse eine Mensch-Maschine-Kopplung nachgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mensch-Maschine-Kopplung für ein Haptik-Eingabegerät aus den interpretierten Signalen Kraft-Moment-Signale gebildet werden, die dort einen intuitiv wahrnehmbaren, haptischen Impuls erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen oder elektromagnetischen Wellen von einer Strahlungsquelle ausgesendet werden, die mit dem die Echowellen auffangenden Sensor (S) baulich vereinigt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufspüren und Lokalisieren von verdeckten Gefäßen, von Tumorgewebe, Verkalkungen oder von anderen Strukturen mit signifikant unterschiedlichen Eigenschaften in einem das besagte Material darstellenden Körpergewebe im Zusammenhang mit chirurgischen Operationsvorgängen oder medizi nischen Untersuchungsvorgängen an einem Patienten von der mit dem Sensor (S) baulich vereinigten Strahlungsquelle Schallwellen in das Körpergewebe ausgesendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der medizinische Operationsvorgang ein solcher der minimal invasiven Chirurgie ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schallwellen über einen breiten Frequenzbereich, ausgesendet und vom Sensor (S) detektiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgelagerte Mensch-Maschine-Kopplung durch eine Signalgenerierung in Form einer mit Hilfe der Signalanalyse durchgeführten Wandlung von nicht zwingend haptischen Sensorsignalen in intuitiv interpretierbare, haptische Eindrücke vorgenommen wird, wobei diese Signalgenerierung in Intensität und Frequenz des das haptische Eingabegerät bildenden Master-Instruments von der Nähe zum Gefäß (KA) und vom Patientenpuls abhängig ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Master-Instruments dessen Amplitude, Beschleunigung und Kraftentwicklung betrifft.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines robotergeführten Sensors (S) auf Grund der genauen Kenntnis von Position und Orientierung des Sensors anhand der Sensorbewegung eine dreidimensionale Oberflächengeometrie nach Art einer Kartographie graphisch abgebildet wird, auf welcher die ermittelten Schallimpedanzänderungen mit aufgezeichnet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Orientierung des operierenden Chirurgen die graphische Abbildung mit präoperativen Daten verglichen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen einer erweiterten Qualitätskontrolle und -sicherung der Operation eine Archivierung der Messdaten vorgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufspüren und räumlichen Lokalisieren von verdeckten Schwachstellen in einem Material im Zusammenhang mit einer Materialprüfung von der mit dem Sensor baulich vereinigten Strahlungsquelle Schallwellen, Ultraschallwellen und/oder elektromagnetische Wellen in das betreffende Material ausgesendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die verdeckten Schwachstellen im Material Gefügestrukturverunreinigungen, Lunker und/oder Risse sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ins Material ausgesendeten elektromagnetischen Wellen Röntgenstrahlen sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die haptischen Impulse durch akustische, optische oder eine sonstige Signalgabe unterstützt werden.