DE102011010412A1

DE102011010412A1 - Ultraschallnavigierte Punktion

Info

Publication number: DE102011010412A1
Application number: DE102011010412A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-05
Filing date: 2011-02-05
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Vorrichtung zur ultraschallgestützten Punktion von Körpergeweben mit einer Ultraschallsonde, einem Ultraschallgerät, optischen Sensoren und einer Prozessoreinheit, sowie einer Punktionsnadel, wobei auf der Ultraschallsonde optische Sensoren angebracht sind, die die Position einer Punktionsnadel in Bezug auf die Schallsonde erfassen und als eine Stichprojektion auf dem Bild des Ultraschallgeräts ausgeben.

Description

Die im Körper des Menschen verlaufenden Gefässe und Nerven sind meistens von aussen nicht sichtbar. Ihre Punktion setzt gute Kenntnisse der Anatomie des Punktionsziels und der benachbarten anatomischen Leitstrukturen voraus, welche bei der Orientierung helfen. Durch Ultraschalllotungen besteht die Möglichkeit die Zielstrukturen sichtbar zu machen, indem ein zweidimensionales Bild des Punktionsziels und des umgebenden Gewebes erstellt wird. Dabei wird die Koordination des Ultraschallbildes mit der Lage und Stichrichtung der Punktionsnadel durch 2 Umstände erschwert:

1. Die Ebene des zweidimensionalen Ultraschallbilds und die Position der in den Körper eingeführten Punktionsnadel sind in der Regel so weit von einander entfernt, dass Zielstruktur und Nadel auch durch Kippen und Verschieben der Schallsonde nicht gemeinsam im Ultraschallbild dargestellt werden können. Diese Problem nimmt mit dem Abstand zwischen der Einstichposition der Nadel und der Position der Schallsonde zu.
2. Die Punktionsnadeln insbesondere dünne zur Durchführung von Nervenblockaden geeignete Nadeln sind im Ultraschallbild nur schwer sichtbar (MAECKEN et al. 2007).

Diese Probleme werden gelöst durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur navigierten ultraschallgesteuerten Punktion. Eigene Untersuchungen zur verbesserten ultraschallgestützten Punktion durch Markierung des geeigneten Punktionsfeldes auf der Haut mit Leuchtmitteln, die an der Ultraschallsonde angebracht sind ( DE 10 2010 051 102.1 ), haben überraschend gezeigt, dass die Punktionsnadel bezüglich ihrer Lage zu der benachbarten Schallsonde durch optische Messungen hinreichend genau erfasst und die Verlängerung der auf die Haut aufgesetzten oder eingestochenen Punktionsnadel im Schallbild als Stichprojektion dargestellt werden kann. Bei der zweidimensionalen optischen Erfassung der Nadelposition mit einer Messvorrichtung oder Kamera wird die Lage der Punktionsnadel in der Projektion auf die Schallsonde dargestellt. Wird die Punktionsnadel durch dreidimensionale Messungen erfasst, kann das Punktionsziel nicht nur über eine Projektionslinie sondern auch der Einstichwinkel der Punktionsnadel über dem Niveau der Körperoberfläche bzw. Haut angezeigt werden. Schließlich wird durch die optische Erfassung der Einstichtiefe der Punktionsnadel, beispielsweise durch Anbringung einer optischen Markierung auf der Punktionsnadel, die präzise Platzierung der Punktionsnadel am Zielort kontrolliert und ein Durchstechen in tiefer gelegene Gewebe verhindert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, eng umschriebene Zielgewebe unter topologisch, anatomisch sehr schwierigen Bedingungen mit Nadeln zu punktieren, die im Ultraschallbild völlig unsichtbar sind. Die anatomisch-topologische Situation einer ultraschallgesteuerten Punktion eines in die linke Hand hinein verlaufenden Astes des Nervus medianus ist in 2 dargestellt. Die Schallsonde ist auf die palmare Seite des Unterarms im Bereich des Handgelenks angelegt. Die Linie über die der Schall, der auf die Haut des Arms aufgesetzten Schallsonde in das Gewebe des Arms eintritt sei im folgenden als X-Achse, die Richtung in der sich der Ultraschall in die Tiefe des Gewebes ausbreitet, als Z-Achse, der Schalllotung bezeichnet. Im folgenden sei der radiale Schnittpunkt der Z-Achse mit der X-Achse als 0 Punkt des Koordinatensystems der Schalllotung definiert, wobei sich die Y-Achse der Schalllotung im rechten Winkel von X- und Z-Achse auf der Haut vor der Schallsonde befindet. Der Winkel zwischen X- und Z-Achse ist rechtwinklig, wogegen der Winkel zwischen Z- und Y-Achse vom Neigungswinkel, bzw. von der Kippstellung der um die X-Achse drehbaren Schallsonde (etwa 45–135 GRT) abhängig ist (In unserem Beispiel ist auch dieser Winkel rechtwinklig.). Auf die Haut des Unterarms wird eine Punktionsnadel oder ein anderes Instrument aufgesetzt. Der Strahl der sich als Verlängerung dieser aufgesetzten Punktionsnadel unter das Hautniveau fortsetzt ist als Stichprojektion, als durchbrochene Linie in 2 dargestellt. in dem erfindungsgemäßen dreidimensionalen Koordinatensystem kann die Punktionsnadel in dem aus der X-, und der Z-Achse gebildeten Graphen in der Ebene der Schalllotung als Projektionslinie S(x, z), und in dem aus der Y-, und der Z-Achse gebildeten Graphen als Projektionslinie S(y, z) dargestellt werden (2). Die Darstellung der Erfindung erfolgt in einem dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystem, ohne die Grundlage der erfindungsgemäßen Rechenoperationen darauf zu beschränken. Erfindungsgemäße Stich- und Geräteprojektionen können auch in nicht rechtwinkligen – pipetparallelen – Koordinatensystemen, in Polarkoordinatensystemen und in fraktalen Systemen dargestellt und verarbeitet werden. Die Stichprojektion S(x, z) befindet sich in der Ebene der Schalllotung und erscheint deshalb im Ultraschallbild, wie in dem Graphen der X- und Z-Achse als Gerade. Auf welchen Punkt dieser Gerade die eingestochene Nadel projeziert wird, ist von der Steilheit des Einstichs und damit vom Winkel Ay abhängig. Der Schnittpunkt der Stichprojektionen in der Ebene der Schalllotung kann durch eine Markierung auf der Linie S(x, z) im Bild der Schalllotung angezeigt werden (1). Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung ist in 1 dargestellt. Auf der dem Punktionsort zugewandten Seite der Schallsonde ist/sind mindestens ein vorteilhaft 2–4 Mittel zur optischen Erfassung der Punktionsnadel angebracht (1, M). Zusätzlich wird die Qualität der Bestimmung der Position der Punktionsnadel durch an dieser angebrachte Leuchtmittel und/oder Reflektoren deutlich verbessert. Die optischen Sensoren erfassen die Punktionsnadel an mindestens 2 auf der Punktionsnadel in ihrer Länge voneinander beabstandeten Punkten, von denen P1 die Koordinaten X = x1, Y = y1, Z = 0 und P2 die Koordinaten X = x2, Y = y2 und Z = z2 haben (2). Da P1 und Az aus der Sicht der Ultraschallsonde erfasst werden können sie direkt im gleichzeitig gemessenen Ultraschallbild der Schalllotung dargestellt werden (1). Die X-Achse entspricht der Kontaktlinie der Schallsonde mit der Körperoberfläche und ist im Schallbild im oberen Bereich als horizontale Grundlinie dargestellt. X1 entspricht der Lotrechten, die in 2 von P1 auf die X-Achse gefällt wird. Der Winkel Az ist der Winkel, in dem sich die auf die Ebene der Schalllotung projezierte Stichlinie S(x, z) mit der X Achse schneidet. Der Ultraschall-Operateur erkennt beim Aufsetzen der Nadel, an welchem Bezugspunkt des Ultraschallbildes sich die Nadel befindet und in welcher Projektion auf das Schallbild diese Nadel eingestochen werden kann. Unsere Untersuchungen mit zweidimensionalen Darstellungen von Gewebeblöcken mit nur einem Kamerasystem auf der Schallsonde zeigen, dass in Fällen, in denen die zu punktierenden Zielstrukturen groß genug sind, oder wie in 1 orthograd in dem Gewebe vor der Schallsonde verlaufen, schon die nur zweidimensionalen Messungen zu guten Punktionsergebnissen führen. Besonders vorteilhaft sind Messungen der Punktionsnadel mit mehr als einem optischen Sensorsystem, wodurch ermöglicht wird, auf dem Schallbild nicht nur die Linie S(x/z) anzuzeigen sondern auch den Punkt, in dem die Punktionsnadel in der Ebene der Schalllotung die Linie S(x/z) schneiden wird (1; T > < T). Ganz besonders vorteilhaft sind Messungen der Einstichtiefe der Punktionsnadel durch Markierung von Punktionsnadel und/oder Punktionsbesteck (zum Beispiel einer aufgesetzten Spritze); hierdurch kann nicht nur der Schnittpunkt der Punktionsnadel mit der im Schallbild angezeigten Stichprojektion S(x, z), sondern auch der Abstand der Nadel zum Punktionsziel angezeigt werden. In einer einfachen Ausführung der Erfindung ist eine Kamera in der Mittellinie der Schalllotungsebene auf der Schallsonde angebracht, welche in Richtung der Punktionsnadel blickt. Das aufgenommene Bild kann auf einem Monitor direkt über dem durch Schalllotung gemessenen Ultraschallbild des angeloteten Gewebes, nach Abstimmung von Blendengröße, und Fokussierung der Kamera mit der Ultraschalllotung, zur Darstellung gebracht werden. Die Stichprojektion wird durch Verlängerung des Abbilds der Punktionsnadel in das darunter befindliche Ultraschallbild erreicht. Die Abstimmung beider Systeme – Ultraschall und optische Sensormessung – kann durch Kalibrierung an definierten Zielstrukturen wie Festkörpern oder Gasblasen in echogeeigneten Gelblöcken beispielsweise aus vernetzten Chitosanen ( DE 10 2010 051 102.1 ) mit einer oder mehreren Punktionsnadeln durchgeführt werden. Sowohl durch die Verwendung von Lasern als Lichtquelle zur Beleuchtung der Nadel, als auch durch die Markierung der Punktionsnadel beispielsweise durch Einfräsen lichtreflektierender Rillen und Raster oder durch die Beschichtung der Nadel mit reflektierenden Materialien kann die Punktionsnadel im Vordergrund der Schallsonde optisch hervorgehoben und identifiziert werden. Die weitere Bildverarbeitung und Einblendung der Stichprojektion in das Ultaschallbild kann damit automatisiert erfolgen. Ferner kann die Punktionsnadel durch die Verwendung mindestens zweier Kameraeinheiten, die auf gleicher Höhe der X-Achse voneinander beabstandet auf der Schallsonde eingebaut sind dreidimensional erfasst werden. Hierdurch wird jeder Punkt auf der Punktionsnadel auf unterschiedliche Positionen der voneinander beabstandeten Photosensoren der jeweiligen Kamera projeziert. Aus den Unterschieden zwischen den beiden Abbildungen der Photosensoren kann die genaue Position der Punktionsnadel berechnet werden. Dem Fachmann sind entsprechende bildverarbeitende Algorithmen bekannt.
In einer anderen Ausführung werden Photosensoren (Photodioden und/oder Phototransistoren) in mindestens zwei parallel zur X-Achse liegenden Linien auf der, der Punktion zugewandten Seite der Schallsonde angebracht. Vor jeden Photosensor werden vertikal angeordnete Schlitzblenden in der Form vorgesetzt, dass lediglich aus einem kleinen vor der Schallsonde gelegenen Sektor Licht auf den Photosensor fallen kann. Von allen Positionen, die ein lichtreflektierender oder lichtausstrahlender Punkt auf der Punktionsnadel vor der Ultraschallsonde einnimmt kann so Licht auf mindestens 2 Photosensoren einer Reihe (der gleichen Höhe X) fallen. Aus der Kombination der Photosensoren, auf die der Lichtstrahl gefallen ist, lässt sich der Ort der Herkunft des Lichtstrahls ermitteln. Die Informationen der in den PhotoSensoren detektierten Lichtsignale werden an eine Prozessoreinheit übermittelt, die diese Informationen in die Koordinaten P1 mit (x1, y1) und P2 mit (x2, y2) umsetzt, wobei in dem Beispiel von 2 Z1 = 0 und Z2 dem Abstand zwischen den beiden Reihen der Photosensoren +Z1 entspricht. Aus P1 = x1, y1, z1 und P2 = x2, y2, z2 für z2 – z1 = const. können die Stichprojektionen S(x, z) und S(x, y) berechnet werden sowie die Winkel Az und Ay. Die Genauigkeit des Verfahrens nimmt mit der Anzahl der Photosensoren in jeder Detektorenreihe zu. In dem zweidimensionalem Schallbild der Ultraschalllotung (1) kann die Stichprojektion S(x, z) mit dem Winkel Az und der von dem Winkel S(x, y) abhängige Schnittpunkt der Stichprojektion (T > < T) in der Ebene der Schalllotung (X, Z) angezeigt werden. Für die Genauigkeit des Verfahrens ist es notwendig, dass gerade bei flachen Einstichwinkeln der Punktionsnadel Licht nur aus einem eng umschriebenen Bereich der Punktionsnadel abgestrahlt wird. Deshalb ist die Beleuchtung jeweils sehr kleiner umschriebener Bereiche der Punktionsnadel erwünscht, was durch eine Beleuchtung mit Lasern einfach bewirkt werden kann. Schliesslich kann sich der Operateur zusätzliche Informationen bezüglich der von der Punktion betroffenen Strukturen verschaffen, wenn er die Punktionsnadel in der Stichprojektion festhält und die Ultraschallsonde um die X-Achse der Schalllotung kippt und/oder die Schallsonde auf die Punktionsnadel zu bewegt. Auf diese Weise können schonende und die individuellen anatomischen Bedingungen von Patienten berücksichtigende Punktionswege entwickelt werden.
Beispiel 1. Eine flache CCD-Kamera wird mittig auf einer Schallsonde mit Blick auf die vor der Schallsonde liegende Punktionsebene fixiert, und an einen Computer angeschlossen. Das Ultraschallbild des Geräts wird ebenfalls auf dem Computer direkt unter dem Bild der Kamera ausgegeben. Durch ein würfelförmiges Kunststoffgefäß werden von der Mittellinie einer Seite bis zur Mittelline der gegenüberliegenden Seite 5 dünne Nägel gesteckt, sodass die Nägel parallel zu 4 Seiten des Würfels verlaufen und 1 cm voneinander beabstandet sind. An die Querseite der Nagelreihe wird eine rechteckige Platte gestellt, wobei über die Längsseite der Platte 5 parallele Linien im Abstand von 1 cm verlaufen, die senkrecht jeweils auf einen Nagel stossen. In das würfelförmige Gefäß werden 300 ml in 0,1 N Essigsäure gelöstes Chitosan gefüllt und unter Schütteln solange Glutardialdeyhd zugetropft, bis sich ein Gel ausgebildet hat. Die Ultraschallsonde wird so auf das Gel aufgesetzt, dass die Nägel senkrecht zu der Ebene der Schalllotung liegen, und die Kamera auf die Linien der an den Würfel angelegten Platte sieht. Zur Kalibration wird das Kamerabild auf dem Monitor so zur Darstellung gebracht, dass die Linien der Platte genau über den Schallechos der quer getroffenen Nägel stehen. Schließlich wird eine Punktionsnadel auf das Gel aufgesetzt. Die Abbildung der Punktionsnadel wird in das direkt unter ihr liegende Schallbild als Stichprojektion S(x, z) verlängert. Die durch das Schallecho eines Nagels verlaufende Stichprojektion führt beim Einstechen der Nadel zum Treffen des in angeloteten Ziels.
Literatur: Maecken, T; Zenz M, Grau T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440–447
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010051102 [0002, 0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

MAECKEN et al. 2007 [0001]
Maecken, T; Zenz M, Grau T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440–447 [0004]

Claims

Vorrichtung zur ultraschallgestützten Punktion von Körpergeweben mit einer Ultraschallsonde, einem Ultraschallgerät, optischen Sensoren und einer Prozessoreinheit, sowie einer Punktionsnadel, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ultraschallsonde optische Sensoren angebracht sind, die die Position einer Punktionsnadel in Bezug auf die Schallsonde erfassen und mindestens eine Stichprojektion S(x, z) in der Ebene der Ultraschalllotung auf dem Bild des Ultraschallgeräts ausgeben.
Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere optische Sensoren an der Schallsonde angebracht sind, wobei dreidimensionale Daten der Stichprojektion direkt erfasst oder berechnet, und auf dem Ultraschallbild ausgegeben werden, beinhaltend die Projektionen S(x, z), S(y, z), sowie die Windel Az und Ay.
Anspruch nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Schallsonde Leuchtmittel befinden, die wählbare Segmente des Bereichs vor der Schallsonde beleuchten.
Anspruch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichet, dass das Leuchtmittel ein Laser ist.
Anspruch nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktionsnadel lichtreflektierende Markierungen trägt.
Anspruch nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Punktionsnadel ein chirurgisches Instrument verwendet wird.
Anspruch nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Punkt auf der Punktionsnadel durch mindestens zwei jeweils einen Sektor gleicher Höhe Z überfahrende Ortungslichtstrahlen nacheinander angestrahlt wird und das von diesem Punkt reflektierte Licht durch einen Photosensor auf der Schallsonde gemessen und gleichzeitig der Winkel des Ortungslichtstrahls zur X-Achse der Schallsonde gemessen und einem Prozessor zugeführt wird.
Anspruch nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Punkt auf der Punktionsnadel P (x(n + 1), y(n + 1), z(n + 1)) durch mindestens zwei weitere drehend gehaltene Ortungslichtstrahlen angestrahlt wird und deren Winkel zur X-Achse der Schalllotung dem Prozessor zugeführt werden.
Anspruch nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schallsondenhülle mittels einer Saugpumpe an die Lichtein- und Austrittsöffnungen der Schallsonde herangezogen wird.