DE102007042922A1

DE102007042922A1 - Verfahren zum Herstellen anatomischer Modelle in der Human- und Veterinärmedizin

Info

Publication number: DE102007042922A1
Application number: DE102007042922A
Authority: DE
Inventors: Ronny Dipl.-Ing. Grunert (FH); Hendrik Möckel
Original assignee: PHACON GmbH
Current assignee: PHACON GmbH
Priority date: 2007-09-08
Filing date: 2007-09-08
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen anatomischer Modelle für die Human- und Veterinärmedizin mittels der Anwendung der Rapid Prototyping Technik. Es besteht aus folgenden Schritten: a) Bildakquisition der Patientendaten durch 2-D- oder 3-D-Ultraschall mit einem Ultraschallgerät, b) Export der Bilddaten aus dem Ultraschallgerät, c) Import der Bilddaten in eine Bildverarbeitungs-Software, d) Segmentierung der relevanten anatomischen Strukturen unter der Anwendung der Methoden - manuelle Segmentierung, - semi-automatische Segmentierung durch Vorgabe von Stützpunkten, - Kantendetektion mittels Filter und/oder - Schwellwertsegmentierung, e) Weiterverarbeitung des Oberflächenmodells mit geometrischen Strukturen, f) Konvertierung und Export zu einem Rapid Prototyping Gerät und g) Erstellen des realen Modells mit dem Rapid Prototyping Gerät. Aufgrund der Nutzung von Ultraschall-Daten für die Herstellung von Rapid Prototyping Modellen ist der Patient im Gegensatz zum CT keinerlei ionisierender Strahlung ausgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen anatomischer Modelle für die Human- und Veterinärmedizin mittels der Anwendung der Rapid Prototyping Technik durch die Nutzung von Ultraschalldaten zur Verwendung bei der Ausbildung von Chirurgen und zur Darstellung patientenindividueller Anatomien als Entscheidungsgrundlage für den weiteren Therapieverlauf. Ferner sollen Patienten oder Angehörigen die erzeugten Modelle zur Verfügung gestellt werden.
Bekannte Lösungen
Aus der Literatur ist es bekannt, anatomische Modelle mit dem Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. Den Modellen liegen anatomische Bilddaten zugrunde, die auf der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRT) basieren. In [H. Moeckel, R. Grunert, M. Hofer, M. Thalheim, U. Fickweiler, J. Meixensberger, G. Strauss, A. Dietz and W. Korb, Anatomic and Functional Simulators for Surgical Education and Evaluation of Surgical Instrument. CARS, Osaka 2006], [R. Grunert, G. Strauss, H. Moeckel, M. Hofer, A. Poessneck, U. Fickweiler, M. Thalheim, R. Schmiedel, P. Jannin, T. Schulz, J. Oeken, A. Dietz and W. Korb, ElePhant – An anatomical Electronic Phantom as Rapid Prototyping Simulation-system for oto-rhino-laryngoscopic-surgery. IEEE-EMBC, New York, 2006], [A. Poessneck, W Korb, R. Grunert, H. Moeckel, A. Dietz, G. Strauss, „ElePhant – An Anatomic-Electronic Simulation System For Milling Training On The Human Petrous bone," 5. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie CU-RAC, Hannover, 2006.] wird ein anatomisches Simulations-System beschrieben, welches auf Patienten CT-Daten basiert.
In der Druckschrift DE 10 2004 052 364 A1 wird die Herstellung eines dentalen Modells auf der Grundlage solcher CT-Daten beschrieben.
Das Erfassen der Körperoberfläche von 3D-Modellen ist mit 3D-Laserscannern möglich und wurde beschrieben in [O. Burgert, S. Seifert, R. Unterhinninghofen, R. Dillmann: Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Weichgewebe mittels Laserscanner. 38. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Ilmenau, 2004].
In der Druckschrift DE 695 03 893 T2 wird die Herstellung von anatomischen Modellen mit funktionellen Elementen wie beispielsweise Positionen zum Bohren oder Winkelbestimmung beschrieben. Die relevanten anatomischen Strukturen in den zweidimensionalen Schichtbildern werden mit einer Software markiert (Segmentierung) und daraus ein virtuelles 3D-Modell generiert. Die Daten des virtuellen 3D-Modells werden an Rapid Prototyping Geräte gesendet, welche ein reales 3D-Modell erzeugen. Auch hierbei dienen CT- und MRT-Bilddaten als Ausgangsinformation.
Der Nachteil dieser bekannten Lösungen besteht darin, dass patientenindividuelle anatomische Modelle basierend auf CT- oder MRT-Daten gewonnen werden.
Ein Patient ist bei einer CT-Untersuchung einer bestimmten Strahlenbelastung ausgesetzt. Gemäß der deutschen Röntgenverordnung ist die Strahlenexposition für den Patienten zu vermeiden bzw. zu minimieren.
MRT-Untersuchungen erzeugen hingegen keine ionisierende Strahlung für den Patienten, sind aber sehr kostenintensiv.
Mit einem 3D-Laserscanner können nur nach außen sichtbare Konturen erfaßt werden. Anatomische Strukturen im Körperinneren sind mit einem 3D-Laserscanner nicht abtastbar. Weiterhin ist es nur schwierig möglich, Hinter schnitte von anatomischen Arealen zu scannen, da diese sich nicht im Blickfeld des Lasers befinden.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anatomische Modelle mittels einer geeigneten Rapid Prototyping Technologie zu erzeugen. Die dafür benötigten Daten sollen auf Bildakquisitionsverfahren basieren, die kein Strahlenrisiko aufgrund ionisierender Strahlung für den Patienten darstellen und zudem nicht die Magnetresonanz als Prinzip nutzen, welche das Gesundheits-System durch die hohen Kosten sehr belastet. Ferner soll es möglich sein, realistische Modelle von anatomischen Strukturen im Köperinneren zu erzeugen. Weiterhin soll die Bildakquisition kostengünstig erfolgen, um das Gesundheitssystem finanziell zu entlasten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:
a) Bildakquisition der Patientendaten mit einem Ultraschallgerät
Zur Herstellung der anatomischen Modelle werden Ultraschalldaten genutzt. Eine Ultraschalluntersuchung stellt für den Patienten im Gegensatz zum CT keine Strahlenbelastung dar. Des weiteren ist diese Form der Untersuchung im Verhältnis zu CT oder MRT kostengünstig. Außerdem werden mit Ultraschallgeräten im Vergleich zu Laserscannern anatomische Strukturen im Körperinneren erfasst und dargestellt.
Die Daten können mit einem 3D-Ultraschallgerät aufgenommen werden. Erfolgt hingegen die Aufnahme mit einem 2D-Ultraschallgerät, ist es erforderlich, die Untersuchung mit einem Navigations-System durchzuführen. Durch die Positionsinformation des Ultraschallkopfes kann aus den 2D- Bild-Daten ein 3D-Volumen erzeugt werden.
b) Export der Bilddaten aus dem Ultraschallgerät
Im Anschluss an die Bildaufnahme erfolgt der Datenexport aus dem Ultraschallgerät. Hierbei kann ggf. eine Bildkonvertierung durchgeführt werden, damit die Daten für die im weiteren Prozess verwendete Bildverarbeitungssoftware lesbar sind.
c) Import der Bilddaten in eine Bildverarbeitungs-Software
Als nächster Schritt erfolgt der Datenimport in eine Bildverarbeitungssoftware.
d) Segmentierung der relevanten anatomischen Strukturen
In der Bildverarbeitungssoftware werden die anatomischen Strukturen der Ultraschallbilder eingezeichnet (segmentiert).
Dabei können mehrere Methoden angewendet werden:

– manuelle Segmentierung,
– semi-automatische Segmentierung durch Vorgabe von Stützpunkten,
– Kantendetektion mittels Filter,
– Schwellwertsegmentierung

Nach der Segmentierung der anatomisch relevanten Strukturen erfolgt die Berechnung eines 3D-Oberflächenmodells im Computer.
e) Weiterverarbeitung des Oberflächenmodells mit geometrischen Strukturen
Die anatomischen Strukturen liegen als Oberflächemodell im Computer vor. Diese Modelle werden im folgenden Bearbeitungsschritt mit geometrischen Strukturen kombiniert. Dies können z. B. Halterungen und Stützstrukturen sein.
f) Konvertierung und Export zu einem Rapid Prototyping Gerät
Nach Fertigstellung der Oberflächenmodelle im Computer werden die Daten in ein für die Rapid Prototyping Maschine lesbares Format konvertiert und an das Ausgabegerät exportiert.
g) Erstellung des realen Modells
Mittels einer Rapid Prototyping Technologie wie beispielsweise dem 3D-Druck oder der Stereolithographie wird aus den virtuellen 3D-Oberflächenmodell ein reales greifbares anatomisches 3D-Modell erzeugt, welches aus Ultraschall-Daten gewonnen wurde.
Zur Anwendung des Verfahrens wird folgende Gerätetechnik benötigt:

– 2-D- oder 3-D-Ultraschallgerät
– bei der Verwendung eines 2-D-Ultraschallgerätes wird noch ein Navigationsgerät benötigt
– Netzwerk/Datenträger für Dateiexport
– Bildverarbeitungs-Software mit speziellen Filtern für die Markierung der anatomischen Areale
– Rapid Protoyping Gerät mit dazugehöriger Steuerungs-Software

Die Anwendung dieses Verfahrens ist mit folgenden Vorteilen verbunden:
Aufgrund der Nutzung von Ultraschall-Daten für die Herstellung von Rapid Prototyping Modellen ist der Patient im Gegensatz zum CT keinerlei ionisierender Strahlung ausgesetzt, welche ein Krebsrisiko darstellt.
Im Vergleich zu MRT-Untersuchungen ist die Aufnahme von Ultraschallbildern kostengünstiger. Daraus resultiert eine finanzielle Entlastung des Gesundheitssystems.
Das anatomische Modell kann der Arzt zur Unterstützung in der Diagnostik verwenden, um beispielsweise Fehlbildungen von Organen zu erkennen. Die sich an die die Diagnostik anschließende Therapie kann ebenfalls durch das anatomische Modell unterstützt werden. Auf diese Art und Weise wird es dem Arzt ermöglich, die Operationsstrategie vom Vorfeld zu planen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Darstellung nach der Fig. ist das bei beiden Ausführungsbeispielen angewendete Verfahren schematisch wieder gegeben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Dieses erste Ausführungsbeispiel betrifft die Ursachenforschung von Krankheitsbildern. Dazu werden Ultraschallaufnahmen von Organen wie beispielsweise der Leber oder des Herzens angefertigt. Ein reales patientenspezifisches anatomisches Modell bietet dem Arzt die Möglichkeit, das Organ plastisch darzustellen. Pathologische Veränderungen des Organs können besser erkannt werden. Basierend auf dem Modell kann der Arzt den weiteren Behandlungsverlauf festlegen.
Die Bilddaten werden aus dem Ultraschallgerät exportiert. Mit einer Software wird das Organ segmentiert. Aus der Segmentierung wird anschließend ein virtuelles 3-D-Modell erzeugt, welches die Basis für einen Datenexport an ein Rapid Prototyping Gerät darstellt. Mit dem Rapid Prototyping Verfahren wird ein greifbares reales Modell erzeugt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Nachbildung des Fötus. Im Rahmen der Schwangerschaftsdiagnostik werden 2D/3D-Ultraschalluntersuchungen durchgeführt. Mit Hilfe des Ultraschalls kann der Arzt das Kind schmerzfrei und ohne Risiken und Schäden in seiner Entwicklung untersuchen. Mögliche Fehlbildungen können aufgedeckt und eventuell schon im Mutterleib behandelt werden. Diese Daten wurden bisher den werdenden Eltern als ein ausgedrucktes Papierbild oder eine auf einer CD gespeicherte Abbildung zur Verfügung gestellt.
Die Bilddaten werden in bekannter Weise durch das Ultraschallgerät gewonnen. Dabei ist es möglich, sowohl die Daten von 2-D als auch 3-D-Ultraschallgeräten zu nutzen.
Anwendung des 2-D-Ultraschallverfahrens:
Werden die Daten mit einem 2-D-Ultraschallgerät aufgenommen, ist es erforderlich, das Ultraschallgerät mit einem Navigationsgerät zu verbinden. Der Navigierte Ultraschallkopf nimmt ein 2-D-Bild auf. Die Positionsinformation des Bildes wird durch den navigierten Ultraschallkopf gespeichert. Durch das Abfahren des Ultraschallkopfes über das Untersuchungsgebiet wird eine Vielzahl von 2-D-Bildern aufgenommen, welche aufgrund der Vernetzung mit einem Navigationsgerät zu einem 3-D-Bild weiterverarbeitet werden.
Anwendung des 3-D-Ultraschallverfahrens:
Im Gegensatz zu der Bildaufnahme mit einem 2-D-Ultraschallgerät, liegen die Daten beim 3-D-Gerät nach der Bildaufnahme in 3-D-Form vor.
Die Querschnittsbilder bzw. das 3-D-Volumen werden an einem Computer mit Bildverarbeitungs-Software exportiert.
Mit der Bildverarbeitungs-Software, in welcher spezielle Filter beispielsweise für die Kantendetektion implementiert sind, wird der Körper des Föten segmentiert. Dabei können mehrere Methoden angewendet werden:

Aus der Segmentierung wird anschließend ein virtuelles 3-D-Modell erzeugt, welches die Basis für einen Datenexport an ein Rapid Prototyping Gerät darstellt.
Mit dem Rapid Prototyping Verfahren wird ein reales greifbares Modell eines Föten erzeugt, welches einen großen Wert für den Arzt und einen ideellen Wert für die werdenden Eltern hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004052364 A1 [0003]
- DE 69503893 T2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- H. Moeckel, R. Grunert, M. Hofer, M. Thalheim, U. Fickweiler, J. Meixensberger, G. Strauss, A. Dietz and W. Korb, Anatomic and Functional Simulators for Surgical Education and Evaluation of Surgical Instrument. CARS, Osaka 2006 [0002]
- R. Grunert, G. Strauss, H. Moeckel, M. Hofer, A. Poessneck, U. Fickweiler, M. Thalheim, R. Schmiedel, P. Jannin, T. Schulz, J. Oeken, A. Dietz and W. Korb, ElePhant – An anatomical Electronic Phantom as Rapid Prototyping Simulation-system for oto-rhino-laryngoscopic-surgery. IEEE-EMBC, New York, 2006 [0002]
- A. Poessneck, W Korb, R. Grunert, H. Moeckel, A. Dietz, G. Strauss, „ElePhant – An Anatomic-Electronic Simulation System For Milling Training On The Human Petrous bone," 5. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie CU-RAC, Hannover, 2006. [0002]
- O. Burgert, S. Seifert, R. Unterhinninghofen, R. Dillmann: Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Weichgewebe mittels Laserscanner. 38. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Ilmenau, 2004 [0004]

Claims

Verfahren für die Erstellung anatomischer Modelle in der Human- und Veterinärmedizin, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bildakquisition der Patientendaten durch 2-D- oder 3-D-Ultraschall mit einem Ultraschallgerät, b) Export der Bilddaten aus dem Ultraschallgerät, c) Import der Bilddaten in eine Bildverarbeitungs-Software, d) Segmentierung der relevanten anatomischen Strukturen mit Kantendetektion unter der Anwendung der Methoden – manuelle Segmentierung, – semi-automatische Segmentierung durch Vorgabe von Stützpunkten, – Kantendetektion mittels Filter und/oder – Schwellwertsegmentierung e) Weiterverarbeitung des Oberflächenmodells mit geometrischen Strukturen, f) Konvertierung und Export zu einem Rapid Prototyping Gerät und g) Erstellen des realen Modells mit dem Rapid Prototyping Gerät.
Verfahren für die Erstellung anatomischer Modelle, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Verwendung eines 2-D-Ultraschallgerätes aufgrund der Nutzung eines Navigationsgerätes eine Weiterverarbeitung der einzelnen 2-D-Bilder in ein 3-D-Bild vorgesehen ist.