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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Darstellung eines
Ultraschallbildes mit einer Ultraschallsonde, deren Position im
Raum mittels eines Navigationssystems bestimmt wird, bei dem eine
Datenverarbeitungseinrichtung die von der Ultraschallsonde erzeugten
Bildsignale als Bild auf einer Anzeigeeinrichtung darstellt und
die Orientierung des Bildes in Abhängigkeit von der Orientierung der
Ultraschallsonde im Raum verändert.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung und
Darstellung eines Ultraschallbildes mit einer Ultraschallsonde,
mit einem Navigationssystem zur Bestimmung der Orientierung der
Ultraschallsonde im Raum, mit einer Datenverarbeitungseinrichtung
zur Bearbeitung der von der Ultraschallsonde mit dem Navigationssystem
gelieferten Daten und mit einer Anzeigeeinrichtung für ein Ultraschallbild,
der von der Datenverarbeitungseinrichtung entsprechend den von der
Ultraschallsonde und dem Navigationssystem gelieferten Daten Bildsignale
zugeführt
werden, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert
ist, daß sie
die Orientierung des Bildes auf der Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit
von der Orientierung der Ultraschallsonde im Raum verändert.
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In
der
DE 103 18 617
A1 ist ein Verfahren dieser Art beschrieben, mit dem man
aus einem dreidimensionalen Datensatz eine Darstellungsrichtung auswählen kann.
Dieser dreidimensionale Datensatz einer körpereigenen Struktur wird durch
eine Ultraschallmessung erzeugt, und anschließend kann der Benutzer eine
Betrachtungsrichtung dadurch auswählen, daß er den Ultraschallkopf – ohne dass
dieser Ultraschallsendung aussendet oder empfängt – in eine bestimmte Richtung
hält. Diese
Richtung wird durch das Ortsbestimmungssystem festgestellt und als
Betrachtungsrichtung ausgewählt.
Mit dieser Betrachtungsrichtung und dem vorgespeicherten dreidimensionalen
Datensatz kann dann ein Bild auf dem Bildschirm erzeugt werden,
das dieser Betrachtungsrichtung entspricht. Der Ultraschallgeber
wird dabei als Maus benutzt, mit der eine gewünschte Betrachtungsrichtung
mit Hilfe eines Ortsbestimmungssystems ausgewählt wird. Zur Auswahl der Betrachtungsrichtung
hat der Ultraschallgeber dabei keinerlei Ultraschallfunktion, sondern
nur noch die Funktion einer Ausrichtung.
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Mit
bekannten Ultraschallsonden können von
untersuchten Gegenständen
zweidimensionale Bilder erzeugt werden, indem von einer größeren Anzahl
von linienförmig
nebeneinanderliegenden Ultraschallsendern ausgesandte Ultraschallstrahlung nach
der Reflexion an bestimmten Strukturen von entsprechenden Empfängern auf
der Ultraschallsonde empfangen wird, wobei der Abstand der reflektierenden
Struktur von der Ultraschallsonde durch die Laufzeit des Ultraschallstrahls
zwischen Aussenden und Empfangen gegeben ist. Üblicherweise wird die auf diese
Weise durch eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinanderliegenden
Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern abgetastete Struktur
auf einem Bildschirm dargestellt, auf dem ausgehend von der oberen
Kante nach unten die Laufzeit des Ultraschallstrahls zwischen Aussen den
und Empfangen und damit der Abstand von der Ultraschallsonde dargestellt
wird. Die Oberkante entspricht somit der Reihe der nebeneinanderliegenden
Ultraschallsender und Ultraschallempfänger, so daß auf dem Bildschirm insgesamt
ein 2D-Bild der reflektierenden Struktur dargestellt werden kann,
und zwar aufgrund der Laufzeitunterschiede und damit der Abstände der reflektierenden
Struktur von den einzelnen Ultraschallsendern und den Ultraschallempfängern der Ultraschallsonde.
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Die
Darstellung erfolgt dabei üblicherweise in
der Ebene der Ultraschallsonde, in der die Ultraschallstrahlung
ausgesandt wird, und immer in einer festen Beziehung zur Geometrie
der Ultraschallsonde, es wird also beispielsweise immer die linke
Seite des Bildschirms der linken Seite der Ultraschallsonde zugeordnet
und die rechte Seite des Bildschirms der rechten Seite der Ultraschallsonde.
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Wenn
der Benutzer der Ultraschallsonde diese im Raum dreht, ändert sich
an der Darstellung auf dem Bildschirm nichts, und es ist für den Betrachter oft
notwendig, durch geeignete Hilfsmittel auf dem Bildschirm deutlich
zu machen, wie die Ultraschallsonde relativ zu dem betrachteten
Gegenstand steht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß kurzzeitig
im Randbereich der Ultraschallsonde bestimmte Ultraschallsender
abgedeckt werden, so daß kein
Bildsignal erzeugt wird. Dies ist auf dem Bildschirm erkennbar,
so daß es
für den
Benutzer möglich
wird, eine Korrelation der Bildschirmdarstellung und der tatsächlichen
Orientierung der Ultraschallsonde im Raum vorzunehmen.
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Allerdings
ist dies umständlich
und erfordert ein zusätzliches
Umdenken des Benutzers, insbesondere dann, wenn die Ultraschallsonde
so gehalten wird, daß die
Ultraschallstrahlung nicht von oben nach unten sondern von unten
nach oben ausgesandt wird, dann muß der Benutzer in seiner Vorstellung
das Bild des Bildschirms umdrehen, um die tatsächliche Form der reflektierenden
Struktur zu erkennen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art
so auszubilden, daß dem Benutzer
die lagerichtige Betrachtung des Ultraschallbildes erleichtert wird.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß gemäß Patentanspruch
1 dadurch gelöst,
daß die
Datenverarbeitungseinrichtung die Orientierung des Bildes konstant
hält, wenn
die Orientierung der Ultraschallsonde in einem begrenzten Winkelbereich
liegt, und die Orientierung nur ändert,
wenn die Ultraschallsonde aus diesem Winkelbereich heraus in einen
angrenzenden Winkelbereich bewegt wird.
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Durch
die Verwendung eines Navigationssystems lassen sich die Lage und
die Orientierung der Ultraschallsonde im Raum und damit auch gegenüber dem
betrachteten Gegenstand oder Körper bestimmen,
und diese Daten des Navigationssystems können verwendet werden, um die
Darstellung auf der Anzeigeeinrichtung zu verändern.
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Diese
Veränderung
kann kontinuierlich entsprechend der geänderten Orientierung der Ultraschallsonde
erfolgen, so daß beispielsweise
als Bezugslinie, die die Reihe der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger beschreibt,
nicht mehr die Oberkante des Bildschirms verwendet wird, sondern
eine Linie, die ihre Orientierung bei einer Anzeigeeinrichtung entsprechend
der Orientierung der Ultraschallsonde im Raum ändert.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist jedoch vorgesehen, daß man
die Orientierung des Bildes konstant hält, wenn die Orientierung der
Ultraschallsonde in einem begrenzten Winkelbereich liegt, und die
Orientierung nur ändert, wenn
die Ultraschallsonde aus diesem Winkelbereich heraus in einen angrenzenden
Winkelbereich bewegt wird.
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Dadurch
erhält
man auch bei einer Bewegung der Ultraschallsonde im Raum ein stabiles
Bild, das aber in eine andere Grundorientierung springt, wenn die
Ultraschallsonde über
einen bestimmten Winkelbereich hinaus verdreht wird, also beispielsweise
bei einer Verdrehung der Ultraschallsonde um 180°, so daß dadurch auf dem Bildschirm
ohne eine solche Veränderung
der Darstellung die reflektierende Struktur umgedreht würde und
der Operateur umdenken müßte. Durch
die Umschaltung des Bildes ist es aber möglich, in beiden Winkelbereichen
die Darstellung in der gewohnten Weise so zu wählen, daß der obere Rand der Anzeigeeinrichtung
die Bezugslinie darstellt und von dort ausgehend die Abstände der
reflektierenden Struktur angegeben werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn der Wechsel von einer Orientierung
des Bildes zu einer anderen bei der Bewegung der Ultraschallsonde
aus einem ersten Winkelbereich in einen zweiten Winkelbereich bei
einem anderen Winkel erfolgt, wie bei der Bewegung der Ultraschallsonde
aus dem zweiten Winkelbereich in den ersten Winkelbereich. Es wird damit
eine Hysterese erzeugt, so daß beim Übergang der
Ultraschallsonde von einem Winkelbereich zum anderen im Übergangsbereich
trotzdem ein stabiles Bild erzeugt werden kann. Da die Winkel auseinanderfallen,
bei denen die Umschaltung in der einen Richtung oder in der anderen
Richtung erfolgt, wird ein mehrfaches Umschalten vermieden, wenn
die Ultraschallsonde im Übergangsbereich
zwischen den beiden Winkelbereichen hin und her bewegt wird. Erst
bei einer deutlichen Abweichung von der Grenze des Winkelbereichs
erfolgt die Umschaltung in der einen oder der anderen Richtung,
so daß bei
einer Bewegung der Ultraschallsonde innerhalb der beiden Umschaltgrenzen
keine Umschaltung auf eine andere Bilddarstellung erfolgt, unabhängig davon,
in welcher Bilddarstellung gerade gearbeitet wird.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, daß man
zwei Orientierungsmöglichkeiten
links/rechts und/oder zwei Orientierungsmöglichkeiten oben/unten für das Bild
vorsieht.
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Damit
erfolgt eine Umschaltung von einer Bilddarstellung zur anderen nur
dann, wenn der Benutzer die Ultraschallsonde um mehr als 90° beziehungsweise
mehr als 45° aus
einer Orientierung in eine benachbarte Orientierung verschwenkt.
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Der
Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß dem Benutzer die Betrachtung des
Ultraschallbildes auf der Anzeigeeinrichtung erleichtert wird. Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß gemäß Patentanspruch
4 dadurch gelöst,
daß die
Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, daß sie die
Orientierung des Bildes konstant hält, wenn die Orientierung der
Ultraschallsonde in einem begrenzten Winkelbereich liegt, und die
Orientierung nur ändert,
wenn die Ultraschallsonde aus diesem Winkelbereich heraus in einen
angrenzenden Winkelbereich bewegt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den weiteren
Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Ansicht einer navigierten Ultraschallsonde mit
Navigationssystem, Datenverarbeitungseinrichtung und Anzeigeeinrichtung mit
der Ultraschallsonde und dem Ultraschallbild in einer querverlaufenden
Anordnung und
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2:
eine Ansicht ähnlich 1 mit
der Ultraschallsonde und dem Ultraschallbild in einer aufrecht verlaufenden
Anordnung.
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Die
Erfindung wird nachstehend am Beispiel der Ultraschallbetrachtung
eines Knochens beschrieben, es versteht sich aber, daß die Erfindung
auch bei der Betrachtung beliebiger Gegenstände und anderer Körper Verwendung
finden kann, beispielsweise bei der Untersuchung von Maschinenteilen,
Fahrzeugteilen, etc. Wesentlich ist lediglich, daß die betrachtete
Struktur in der Lage ist, Ultraschallstrahlung zu reflektieren,
so daß durch
punktweises Abtasten der zu ermittelnden Struktur durch die Ultraschallstrahlung
in jedem Punkt der Struktur der Abstand von einer Ultraschallsonde
bestimmt werden kann, und daraus die Struktur selbst.
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Eine
Ultraschallsonde 1 ist mit einer Anzahl von in einer Reihe
nebeneinanderliegenden Ultraschallsendern ausgestattet, die in einer
durch die Reihe der Ultraschallsender bestimmten Ebene jeweils Ultraschallstrahlung
aussenden und die mit entsprechenden Empfängern kombiniert sind, die
von einer Struktur 2 reflektierte Ultraschallstrahlung
empfangen. Dabei ist die Zuordnung so ge wählt, daß jeweils am Ort der Aussendung
nur die Strahlung empfangen wird, die von diesem Ort ausgesandt
worden ist. Dadurch wird in der von der Ultraschallsonde 1 definierten
Strahlungsebene die Struktur 2 punktweise ausgemessen,
das heißt,
der Abstand der Struktur 2 von der Ultraschallsonde 1 ergibt
sich durch die gemessene Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang
der Ultraschallstrahlung.
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Die
Ultraschallsonde 1 ist mit Markierelementen 3, 4 eines
Navigationssystems 5 versehen. Dabei handelt es sich um
bekannte Navigationssysteme, bei denen durch elektromagnetische
Strahlung, durch Gravitations- oder Neigungssensoren, durch Ultraschallmessungen
etc. die Lage und die Orientierung der Markierelemente 3, 4 relativ
zu im Abstand voneinander angeordneten Sende- und Empfangseinheiten 6, 7, 8 bestimmt
werden können. Da
die Markierelemente 3, 4 fest mit der Ultraschallsonde
verbunden sind, kann das Navigationssystem 5 damit die
Lage und die Orientierung der Ultraschallsonde 1 relativ
zu den Sende- und Empfangseinheiten 6, 7, 8 bestimmen,
und diese sind üblicherweise raumfest
angeordnet, so daß damit
auch die Lage und Orientierung der Ultraschallsonde 1 im
Raum bestimmbar ist.
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Zur
Bearbeitung der Meßdaten
der Ultraschallsonde 1 und der Meßdaten des Navigationssystems 5 sind
sowohl die Ultraschallsonde 1 als auch das Navigationssystem 5 verbunden
mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 9, der ein Bildschirm 10 zugeordnet
ist.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung 9 verarbeitet zunächst die
von der Ultraschallsonde 1 stammenden Meßdaten so,
daß mit
diesen Daten auf dem Bild schirm 10 eine Abbildung der die
Ultraschallstrahlung reflektierenden Struktur 2 vorgenommen werden
kann.
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Dabei
ist es üblich,
ausgehend von einer Kante des Bildschirms 10, beispielsweise
von der Oberkante 11, die gemessenen Abstände zwischen der
Ultraschallsonde 1 und der reflektierenden Struktur 2 aufzutragen,
die Oberkante 11 entspricht somit der Reihe von Ultraschallsendern
und -empfängern auf
der Ultraschallsonde 1.
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Diese
Darstellung wird entsprechend den Daten modifiziert, die das Navigationssystem 5 hinsichtlich
der Orientierung der Ultraschallsonde 1 im Raum liefert.
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Wenn
die Ultraschallsonde, wie dies in 1 dargestellt
ist, etwa horizontal im Raum angeordnet ist, ergibt sich beispielsweise
eine Anordnung, die der konventionellen Anordnung entspricht, bei
der also von der Oberkante des Bildschirms ausgehend nach unten
die Abstände
der reflektierenden Struktur von der Ultraschallsonde angezeigt
werden.
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Wenn
die Ultraschallsonde 1 aus dieser horizontalen Lage um
etwa 180° in
eine umgekehrte horizontale Lage verschwenkt wird, veranlaßt nunmehr die
Datenverarbeitungseinrichtung 9 abhängig von dieser Orientierungsänderung
der Ultraschallsonde 1 eine Änderung der Darstellung auf
dem Bildschirm 10 in der Weise, daß nunmehr die Zuordnung der
einzelnen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger zur Oberkante des Bildschirms
umgedreht wird. Der Punkt, der bei der ersten Darstellung der erste
Punkt auf der linken Seite des Bildschirms war, wird jetzt der erste
Punkt auf der rechten Seite des Bild schirms und umgekehrt, so daß trotz
der um 180° verdrehten Position
der Ultraschallsonde 1 die dargestellte Struktur unverändert bleibt.
Es ist also unerheblich, in welcher Richtung die Reihe von Ultraschallsendern und
-empfängern
orientiert ist, solange lediglich die Orientierung gleich bleibt.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung 9 kann so programmiert sein,
daß sie
auch bei einer geringfügigen
Abweichung der Orientierung der Ultraschallsonde 1 von
der horizontalen Orientierung die Bilddarstellung nicht verändert, sondern
stabil beibehält. Eine
Umschaltung erfolgt erst, wenn die Ultraschallsonde 1 um
einen bestimmten Winkel aus der Horizontalen herausgedreht ist.
Wenn beispielsweise nur die Orientierung links/rechts zu einer Änderung
der Bilddarstellung herangezogen wird, kann der Benutzer die Ultraschallsonde 1 bis
zu 90° aus
der Horizontalen herausdrehen, ohne daß eine Änderung der Bilddarstellung
erfolgt, erst bei einer größeren Drehung,
die über
90° hinaus
geht, erfolgt ein Umspringen in die andere Darstellung.
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Dabei
kann vorgesehen sein, daß das
Umspringen nicht exakt bei 90° erfolgt,
sondern daß das Umspringen
von einem Darstellungsmodus in den anderen Darstellungsmodus erst
bei 100° erfolgt
und ein Zurückspringen
bei 80°.
Dadurch wird sichergestellt, daß bei
einer Bewegung der Ultraschallsonde 1 im Bereich zwischen
80 und 100° keine
Umschaltung erfolgt und das Bild stabil bleibt, der Benutzer kann
also die Ultraschallsonde im Bereich eines Winkels von 90° hin und
her bewegen, ohne daß eine Umschaltung
des Bildmodus erfolgt. Erst bei einer weiteren Verdrehung in der
einen oder anderen Richtung schaltet dann die Darstellung des Bildes
um in eine Darstellung rechts oder in eine Darstellung links.
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In
gleicher Weise kann eine Umschaltung auch erfolgen zwischen einer
Darstellung oben/unten, das heißt
bei einer senkrechten Anordnung der Ultraschallsonde 1,
wie dies in 2 dargestellt ist. Beide Darstellungsarten
können
kombiniert werden, so daß beim
Verschwenken der Ultraschallsonde 1 aus einer Stellung
heraus in eine benachbarte Stellung um mehr als 45° eine Umschaltung
erfolgt und eine entsprechend geänderte
Bilddarstellung.
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Diese
Umschaltung erfolgt selbsttätig,
ohne daß der
Benutzer dazu tätig
werden muß,
und die Umschaltung stellt sicher, daß die Darstellung unabhängig von
der Orientierung der Ultraschallsonde 1 etwa die Orientierung
zeigt, die eine optische Kamera zeigen würde, die unmittelbar raumfest
stationiert ist und auf den Gegenstand gerichtet ist. Es ist daher nicht
notwendig, daß sich
der Benutzer in das Koordinatensystem der Ultraschallsonde 1 ”hineindenkt”.