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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikroprozessorgestütztes Verfahren zum Vermessen von Hautflächendefekten (z.B. Wunden oder Narben) und auf eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung.
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Verfahren zum Vermessen von Hautflächendefekten sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Verfahren arbeiten zum Teil berührend (zweidimensionale Planimetrie) oder ungenau (Ausmessen des entsprechenden Hautdefekts mittels Anhalten eines Lineals). Andere bekannte Verfahren dienen alleine der Dokumentation (z.B. Fotodokumentation) und sind sehr subjektiv und nicht maßstabsgerecht. Bei all diesen Verfahren werden lediglich zweidimensionale Daten gewonnen und verarbeitet.
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Möglichkeiten zur dreidimensionalen Bestimmung von Flächen auf der Haut, wie dies beispielsweise Wunden oder Geschwüre sind, werden von
P. Plassmann, T.D. Jones in „MAVIS: a non-invasiv instrument to measure area and volume of wounds"; Medical Engineering & Physics; Vol. 20, Issue July 5, 1998; S. 332-338, von M. Nemeth, S. Sprigle and A. Gajjala in „Clinical Usability of a Wound Measurement Device“; presented at the 36th Annual American Spinal Injury Conference; 2010; Nashville; TN,
US 2010/0091104 A1 und
US 6,567,682 B1 beschrieben.
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WO 2010/044845 A1 betrifft technische Lösungen zur nichtinvasiven Wundvermeidung, -erkennung und - analyse.
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Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Vermessen von Hautflächendefekten (sowie eine entsprechende Vorrichtung) zur Verfügung zu stellen, mit dem Hautflächendefekte quantitativ mit hoher Genauigkeit, hinreichender Geschwindigkeit und berührungslos vermessen werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Die im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Kombination miteinander verwirklichten einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (bzw. die entsprechenden Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung) müssen dabei im Rahmen der Erfindung nicht in der im Ausführungsbeispiel gezeigten Kombination verwirklicht werden. So kann die Reihenfolge der einzelnen Schritte auch variieren und es können einzelne der genannten Schritte (bzw. die entsprechenden Bauelemente der Vorrichtung) auch weggelassen werden. Insbesondere können auch einzelne Schritte (bzw. Bauelemente der Vorrichtung) im vorgestellten Ausführungsbeispiel jeweils für sich bereits eine Verbesserung des Standes der Technik darstellen und somit auch unabhängig von den weiteren im Ausführungsbeispiel beschriebenen Schritten (bzw. Bauelementen) zur Verwirklichung der Erfindung eingesetzt werden.
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Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, optische dreidimensionale (nachfolgend: 3D) Erfassungsverfahren, die aus vielen Bereichen der Technik bekannt sind, zur Vermessung der Hautflächendefekte einzusetzen. Solche 3D-Erfassungsverfahren wie beispielsweise das Streifenprojektionsverfahren arbeiten berührungslos und ermöglichen zum Beispiel beim Einsatz von handgeführten 3D-Abtastvorrichtungen (nachfolgend kurz auch als Scanner bezeichnet) ein flächenhaftes Erfassen von Oberflächen mit hinreichender Genauigkeit, indem die entsprechenden Oberflächen mit strukturiertem Licht belichtet werden und den Oberflächenverlauf charakterisierende Datensätze einer Vielzahl von Oberflächenpunkten (also der dreidimensionalen Koordinaten dieser Oberflächenpunkte im Raum) generiert werden. Solche optischen 3D-Erfassungsverfahren werden erfindungsgemäß als Basis der Vermessung von Hautdefekten ohne Beeinträchtigung des untersuchten Gewebes (bzw. der untersuchten Person) eingesetzt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Vermessen von Hautflächendefekten ist daher mikroprozessorgestützt. Ein einen Hautflächendefekt beinhaltender Oberflächenabschnitt der Haut wird mit einer 3D-Abtastvorrichtung (Scanner) abgetastet und aus den beim Abtasten gewonnenen Daten werden dreidimensionale Koordinaten einer Vielzahl von Oberflächenpunkten des abgetasteten Oberflächenabschnitts generiert. Mittels der erzeugten 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte wird eine den Verlauf des Randes des Hautflächendefekts im dreidimensionalen Raum zumindest abschnittsweise (bevorzugt: vollständig) beschreibende, bevorzugt geschlossene dreidimensionale Randkurve bestimmt, also berechnet. Aus dieser bestimmten dreidimensionalen Randkurve wird/werden ein oder mehrere den abgetasteten Hautflächendefekt charakterisierende(r) geometrische(r) Parameter abgeleitet.
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Vorzugsweise erzeugt die 3D-Abtastvorrichtung zu den aufgenommenen 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte jeweils zugehörige Farb- oder Kontrastwerte. So kann beispielsweise zu jedem in einem kartesischen Koordinatensystem durch drei Koordinaten x, y und z charakterisierten Oberflächenpunkt des abgetasteten Oberflächenabschnitts ein zugehöriger RGB-Farbwert erzeugt werden. Die 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte werden so zu sechsdimensionalen Koordinaten erweitert. Es ist jedoch auch möglich, zu jeder 3D-Koordinate lediglich einen Graustufenwert (Kontrastwert) zu erzeugen, so dass die 3D-(Raum)Koordinaten der Oberflächenpunkte lediglich zu vierdimensionalen Koordinaten erweitert werden. Grundsätzlich ist es, sofern nachfolgend nichts anderes gesagt ist, auch denkbar, die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte unter Heranziehen bzw. Auswerten lediglich erfasster dreidimensionaler Raumkoordinaten x, y, z durchzuführen (z.B. durch Ermitteln der gesuchten 3D-Randkurve anhand von charakteristischen Höhenprofilen im Verlauf des abgetasteten Oberflächenabschnitts).
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Die 3D-Randkurve kann somit aus den erzeugten 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte und den zugehörigen Farb- oder Kontrastwerten oder auch auf Basis der 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte allein bestimmt bzw. berechnet werden. Eine Bestimmung ohne entsprechende Farb- oder Kontrastwerte ist möglich, indem man sich am „Gebirgsverlauf“, also an den charakteristischen Höhenlinien, des Hautflächendefektes im Datensatz orientiert. Es ist möglich Berge und Täler (also z.B. Narben und Wunden) zu erkennen und an deren Rändern den Wundrand zu bestimmen. Das Erzeugen solcher drei-, vier- oder sechsdimensionaler Datensätze mittels handelsüblicher Scanner ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
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Erfindungsgemäß kann die den Hautflächendefekt (bzw. dessen Umrandung) beschreibende 3D-Randkurve (oder zumindest ein Abschnitt derselben) anhand der erzeugten 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte des abgetasteten Oberflächenabschnitts interaktiv bestimmt werden. Hierzu legt ein Benutzer anhand der Lage der 3D-Koordinaten bzw. der Oberflächenpunkte im Raum (beispielsweise anhand von lokalen Flächenkrümmungen einer durch Verbinden der einzelnen Oberflächenpunkte zu Dreiecken bestimmten Oberfläche), gegebenenfalls auch unter zusätzlichem Heranziehen der vorbeschriebenen Färb- oder Kontrastwerte, den Verlauf der 3D-Randkurve, also z.B. des Wundrandes oder des Narbenrandes des Hautflächendefekts, manuell fest.
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Alternativ dazu oder auch in Kombination damit kann der Verlauf der 3D-Randkurve oder eines Abschnitts derselben auch semi-interaktiv bestimmt werden: Hierzu wird der Verlauf des Hautflächendefekts im Oberflächenabschnitt auf der Haut markiert. Dies geschieht bevorzugt mithilfe eines Stifts, dessen Farbe einen möglichst großen Kontrastunterschied zur Hautfarbe der abgetasteten Person aufweist. Nachdem der Verlauf des Hautflächendefekts so markiert worden ist, erfolgt das vorbeschriebene Abtasten mit der 3D-Abtastvorrichtung. Die 3D-Randkurve oder zumindest ein Abschnitt derselben wird schließlich bestimmt, indem unter Ausnutzen des Farb- und/oder Kontrastunterschieds zwischen der Haut einerseits und der aufgebrachten Markierung andererseits der Verlauf der Randkurve (bzw. des Abschnitts derselben) mithilfe eines mikroprozessorgestützten Bildverarbeitungsverfahrens in den jeweils mit zugehörigem Farb- oder Kontrastwert erzeugten 3D-Koordinaten der Vielzahl von Oberflächenpunkten identifiziert wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei solchen auf die durch die 3D-Abtastvorrichtung erzeugten Koordinaten der Oberflächenpunkte anwendbaren Bildverarbeitungsverfahren um Kantenextraktionsverfahren mit anschließenden Konturverfolgungsalgorithmen, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind (siehe z.B. R. Klette und P. Zamperoni, „Handbuch der Operatoren für die Bildverarbeitung“, Vieweg, Lehrbuch, 1995, Kapitel 6.2 „Kantenextraktion“ und Kapitel 7.2.1 „Konturverfolgung“). Statt pixelweise zu versuchen, erfolgt z.B. die Bestimmung des nächsten Punktes und der daraus resultierenden Richtung in einem größeren Bereich > 5 Pixel. Die Richtungen von Punkt zu Punkt werden als zweidimensionale Vektoren angenommen statt der herkömmlich beschriebenen Pixelmaske.
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Alternativ zur (oder in Kombination mit der) vorbeschriebenen interaktiven und/oder semi-interaktiven Vorgehensweise zum Bestimmen der 3D-Randkurve kann erfindungsgemäß auch eine automatische Bestimmung der 3D-Randkurve erfolgen: Hierzu werden in einem Rechnerspeicher eines mit der 3D-Abtastvorrichtung zur Datenauswertung verbundenen Rechnersystems (beispielsweise: PC) oder auch in einer einen solchen Rechnerspeicher aufweisenden 3D-Abtastvorrichtung viele hinsichtlich ihres Farb- oder Kontrastverlaufs, ihrer Größe, ihrer Lage im Raum und/oder ihres Verlaufs im Raum (insbesondere: ihres Flächenkrümmungsverhaltens) klassifizierte Randkurvenbereiche von Hautflächendefekten als Modell-Hautflächendefektränder hinterlegt. In diesem Rechnerspeicher sind dann desweiteren Programme zum Identifizieren der 3D-Randkurve anhand der hinterlegten Modell-Hautflächendefektränder hinterlegt: Die 3D-Randkurve oder ein Abschnitt derselben wird somit bestimmt, indem mittels eines solchen hinterlegten Identifizierungsverfahrens (ggf. können auch Kombinationen unterschiedlicher Identifizierungsverfahren eingesetzt werden) die erzeugten 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte (ggf. samt der zugehörigen Farb- oder Kontrastwerte) mit den Charakteristiken der Modell-Hautflächendefektränder verglichen werden. Dieser Vergleich kann beispielsweise auf Basis von statistischen Identifizierungsverfahren bzw. -programmen, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind (beispielsweise: Neuronale Netze, maschinelles Lernen oder Fuzzy Logic) durchgeführt werden. Gemäß vorbestimmter Vergleichskriterien (beispielsweise minimale Summe der quadratischen Abstände der 3D-Koordinaten oder auch der 4D-Koordination oder der 6D-Koordinaten bei Berücksichtigung der entsprechenden Farb- oder Kontrastwerte) kann anhand der Menge der hinterlegten Modell-Hautflächendefektränder eine Wahrscheinlichkeit für das Dazugehören des untersuchten Oberflächenabschnitts zu einer Randkurve berechnet werden. Bereiche mit hoher Wahrscheinlichkeit werden Teil der zu bestimmenden Randkurve. Bei klassifizierten Wundrändern können die Merkmale (pro Randpunkt z.B. Farbe, Kontrast, Krümmung der Kurve, Verlauf der Randkurve in der Nachbarschaft des Randpunkts, Krümmung der Fläche an einem Randpunkt) als Hypothese gemerkt werden. Prüft man Bereiche in einem Datensatz, können einzelne Bereiche mit den oben gemerkten Hypothesen verglichen werden. Es kann anhand der Übereinstimmungen und anhand von Randbedingungen eine Wahrscheinlichkeit berechnet werden, ob der untersuchte Bereich zu einer Randkurve gehören könnte.
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Aus der bestimmten 3D-Randkurve können dann den Hautflächendefekt charakterisierende geometrische Parameter wie folgt bestimmt bzw. berechnet werden:
So kann/können die Länge der 3D-Randkurve, deren maximale Ausdehnung in eine Richtung (größte Länge des Hautflächendefekts) und/oder die maximale Ausdehnung der 3D-Rankurve in Richtung senkrecht zur Richtung der größten Länge (größte Breite des Defekts) als charakterisierende(r) geometrische(r) Parameter bestimmt werden.
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Ebenfalls ist es möglich, mittels der 3D-Randkurve und auf Basis der von dieser 3D-Randkurve eingefassten bzw. eingeschlossenen Oberflächenpunkte (also der in Bezug auf die 3D-Randkurve innenliegenden Oberflächenpunkte) des Oberflächenabschnitts die Größe der Fläche des Hautflächendefekts auf dem von dieser 3D-Randkurve eingeschlossenen Teil des Oberflächenabschnitts 2 zu bestimmen. Diese Flächengröße wird nachfolgend auch als Hautdefektoberflächengröße D bezeichnet.
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Auch werden mittels der bestimmten 3D-Randkurve sowie mittels erfasster Oberflächenpunkte des Oberflächenabschnitts, die nun nicht innerhalb dieser Randkurve, sondern außerhalb dieser Randkurve liegen (die also gerade nicht von dieser Randkurve eingefasst werden), die Größe G der gesunden Hautfläche und/oder der Verlauf dieser gesunden Hautfläche im Raum berechnet. Die gesunde Hautfläche ist dabei diejenige Hautfläche, die sich ohne Vorliegen des Hautflächendefekts innerhalb des von der 3D-Randkurve eingefassten Raumbereichs ergeben würde. Diese Größe und dieser Verlauf werden bevorzugt durch mathematische Extrapolation, bevorzugt durch splinebasierte Extrapolationsverfahren, der außerhalb der 3D-Randkurve liegenden Flächenbereiche des Oberflächenabschnitts in den von dieser 3D-Randkurve eingefassten Raum hinein bestimmt (es kann also der von der 3D-Randkurve begrenzte bzw. umschlossene Bereich, also der Bereich, der innerhalb z.B. einer Wunde oder einer Narbe liegt, aus dem Datensatz der Oberflächenpunkte entfernt werden, so dass der hierdurch frei gewordene Raum, also das „Loch“ im abgetasteten Oberflächenabschnitt, durch entsprechende Extrapolationsverfahren wieder aufgefüllt werden kann). Die gesunde Fläche kann anhand der Stützpunkte bzw. Randwerte (der Bereich der außerhalb der Randkurve liegt) durch Spline-Flächen interpoliert oder approximiert und schließlich für die Extrapolation der gesunden Hautfläche benutzt werden. Weitere mögliche Verfahren wie „Ear Cut“ oder „Min Surface“ siehe Studienarbeit von S. Ernst (2009): „Plausible Reparatur von Löchern in Dreiecksnetzen“, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
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Aus der Größe G der gesunden Hautfläche und der Hautdefektoberflächengröße D kann dann, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, der sogenannte H-Faktor als Quotient der beiden Größen H = G/D berechnet werden. Ebenso ist es denkbar, die Differenzflächengröße Δ = G-D als ein den Hautflächendefekt charakterisierender geometrischer Parameter zu bestimmen.
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Desweiteren kann aus dem Verlauf der Fläche des Hautflächendefekts auf dem von der 3D-Randkurve eingeschlossenen Oberflächenabschnitt (also aus der tatsächlichen Hautdefektfläche) im Raum einerseits und dem Verlauf der extrapolierten (theoretischen) gesunden Hautfläche im Raum andererseits das Volumen desjenigen Raumbereichs, der zwischen der Fläche des realen Hautflächendefekts einerseits und der theoretischen gesunden Hautfläche andererseits liegt (also das vom Hautflächendefekt und von der gesunden Hautfläche eingeschlossene Volumen) als charakterisierender geometrischer Parameter bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß kann die 3D-Abtastvorrichtung nach dem Fachmann grundsätzlich bekannten Arbeitsprinzipien die 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte in Form einer Punktwolke, in Form von gerasterten Punktdaten oder auch in Form von facettierten, also triangulierten Dreiecksnetzen (die insbesondere auch aus den vorbeschriebenen Punktwolken oder gerasterten Punktdaten abgeleitet werden können) erzeugen. Insbesondere kann die Abtastvorrichtung auf Basis eines Streifenprojektionsverfahrens arbeiten. Alternativ einsetzbare berührungslose 3D-Erfassungsverfahren sind: Lasertriangulationsverfahren (Laserliniensensoren, Punktlasersensoren), CT (Computertomografie), MRT (Magnetresonanztomographie), time-of-flight-Kameraverfahren (verschiedene Wellenlängen z.B. Infra-Rot) oder Stereo-Kamera-Aufnahmen.
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Die 3D-Randkurve kann dabei insbesondere als Vereinigungsmenge der ausgewählten 3D-Koordinaten der den Rand des Hautflächendefekts wiedergebenden Oberflächenpunkte des Oberflächenabschnitts und der Koordination der geradlinigen Verbindungsstrecken zwischen jeweils benachbarten dieser Oberflächenpunkte bestimmt oder festgelegt werden.
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Wie bereits beschrieben, kann es sich beim Hautflächendefekt um Hautwunden oder Hautnarben handeln, die am Lebewesen (insbesondere am Säugetier oder am Menschen) in vivo vermessen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch dazu eingesetzt werden posthum Hautflächendefekte an bereits abgestorbenen Hautgeweben zu untersuchen.
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Eine erfindungsgemäß zum Durchführen der notwendigen Berechnungen der vorbeschriebenen Verfahren ausgebildete Vorrichtung ist im Anspruch 13 beschrieben.
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Erfindungsgemäß können somit mittels berührungsloser, optischer 3D-Messtechniken Hautdefekte, z.B. bei exophytischen Tumoren der Haut, bei Keloiden, bei hypertrophen Narben oder bei anderen Hautdefekten wie beispielsweise Ulzera, dreidimensional erfasst werden. Die erhaltenen Daten (Raumpunkte oder Dreiecksfacetten) dienen dann der Bestimmung von Geometriemerkmalen der Hautdefekte bzw. Wunden, wie beispielsweise der Form und der Länge des Wundrandes, der Oberfläche der Wunde und/oder dem Wundvolumen. Anhand dieser charakterisierenden geometrischen Parameter (Kennwerte) kann der Hautflächendefekt beurteilt und dokumentiert werden. Insbesondere kann auch der Heilungszustand festgestellt werden.
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Gegenüber den herkömmlichen Methoden nach dem Stand der Technik, die in der Regel lediglich eine unvollständige, meist zweidimensionale Beschreibung des Hautflächendefekts bieten und somit lediglich ungenaue Messwerte bezüglich der genannten Kennwerte wie z. B. Flächen, Längen, Volumen etc. liefern, ist somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine quantitative, genaue Beurteilung eines Hautflächendefekts auf patientenschonende, nicht berührende Art und Weise möglich: Objektive Geometriekennwerte wie Wundvolumen, Flächeninhalt, Form und/oder Länge des Wundrandes können anhand dreidimensionaler Messwerte bzw. Oberflächenpunkte erfasst werden. Anhand der so bestimmten geometrischen Kennwerte kann auch ein funktionaler, objektiver Kennwert (H-Faktor) abgeleitet werden, anhand dessen eine Behandlungseinschätzung erfolgen kann.
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Mittels berührungsloser optischer 3D-Messtechniken wird der defekte Hautbereich flächenhaft und mit ausreichend hoher Auflösung erfasst. Der erfasste Oberflächenabschnitt wird diskret, zum Beispiel mit Raumpunkten oder Dreiecksfacetten, beschrieben und ermöglicht so die geometrische Beschreibung und Auswertung des Hautflächendefekts. Aufnahmebedingt lassen sich die gewonnenen Oberflächenpunkte mit einem Farb- oder Kontrastwerten „einfärben“, das heißt die durch das Scannen gewonnene Oberfläche kann farblich texturiert werden. Diese Textur entspricht dann einer Oberflächentextur des realen Hautflächendefekts (ähnlich einem Foto).
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Anhand der Festlegung der 3D-Randkurve (also des Defektrandes) im Datensatz auf interaktive, semi-interaktive und/oder automatische Art (eine automatische Erkennung kann auch über definierte Markierungen auf der Haut erfolgen) können die Länge des Randes sowie der Flächeninhalt des Defekts bestimmt werden. Diese Kennwerte können zur Beurteilung des Defekts herangezogen werden. Durch mathematische Extrapolation der gesunden Hautoberfläche auf Basis der mittels der 3D-Randkurve bestimmten, außenliegenden Wundrandbereiche kann ferner das Differenzvolumen des Wund- oder Narbenbereiches zur gesunden Hautoberfläche bestimmt werden (Wund- oder Narbenvolumen in Vergleich zum gesunden Zustand). Mit dem H-Quotienten, der auch als Heilungsfaktor angesehen werden kann, aus Wundflächeninhalt einerseits und der extrapolierten, gesunder Hautflächengeometrie andererseits lässt sich ein quantitativer Wert für den Heilungszustand des Hautflächendefekts gemäß H = (extrapolierte Fläche)/(tatsächliche Wundinnenfläche) = G/D ableiten. H liegt dabei in der Regel im Intervall zwischen 0 und 1, wobei dann 1 den gesunden Zustand kennzeichnet. Anhand des H-Faktors, der Randkurve, dem Volumen und/oder den Oberflächen kann der Hautoberflächendefekt über definierte Zeiträume beobachtet und ein objektiver Heilungs- oder Therapieerfolg abgeschätzt werden. Dies ermöglicht auch eine verbesserte Dokumentation von Wundbehandlungen und von Heilungsfortschritten über größere Zeiträume von Tagen, Wochen und Monaten.
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Die vorbeschriebenen Flächeninhalte können dabei insbesondere als Summe der einzelnen Dreiecksflächen, die aus den Oberflächenpunkten interpoliert wurden, abgeleitet werden und so als quantitative, sehr genaue Grundlage zur medizinischen Bewertung der Wunde dienen. Erfindungsgemäß kann somit mit dem Fachmann an sich bekannten Verfahren zum Aufnehmen von 3D-, 4D- oder 6D-Koordinaten einer Vielzahl von Oberflächenpunkten eines Hautoberflächenabschnitts ein 3D-Modell eines Hautflächendefekts erstellt und quantitativ ausgewertet werden.
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Zum Gewinnen der vorbeschriebenen Koordinatendaten kann beispielsweise die 3D-Software „Final Surface“, die von der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. mit Sitz in Berlin herausgegeben wird, eingesetzt werden. Diese ermöglicht die Erfassung, Verarbeitung und Analyse von Punktwolken und Dreiecksnetzen. Als 3D-Abtastvorrichtung kann beispielsweise der 3D-Digitalisier „ATOS Triple Scan“, ein industrieller 3D-Scanner und Digitalisier zum Vermessen von Bauteilen wie z.B. Werkzeugen, der gesamte Bauteilgeometrien flächenhaft in einer hochauflösenden Punktwolke erfasst, eingesetzt werden (ATOS Triple Scan der GOM Gesellschaft für optische Messtechnik mbH, Braunschweig).
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Die vorliegende Erfindung kann in vielen medizinischen Problemstellungen mit Hautoberflächendefekten eingesetzt werden. Erfindungsgemäß kann das Volumen des Wundbereiches für die Beurteilung des Hautdefekts bestimmt werden. Mit dem H-Faktor kann der geometrische Unterschied des Defekts zum normalen, gesunden Zustand beschrieben werden. Ferner kann der Flächeninhalt des Defekts dokumentiert werden. Bei Epiteldefekten (Beispiel: Brandwunden) kann mithilfe des errechneten Flächeninhaltes eine Aussage zum Heilungsverlauf getroffen werden. Die Länge des Wundrandes sowie dessen Form und Abmessungen (größte Länge, größte Breite) kann bestimmt werden. Mit allen Kennwerten Volumen, Flächeninhalt, Wundrandlänge und Wundrandform lassen sich Wundheilungszustände über Behandlungszeiträume von Wochen und Monaten objektiv, das heißt unabhängig von der subjektiven Beschreibung einer Person, beschreiben und dokumentieren. Eine Dokumentation und Archivierung der erfassten geometrischen Parameter in einem klinischen Informationssystem ist möglich. Gegenüber manuellen Verfahren aus dem Stand der Technik ergibt sich eine deutliche Genauigkeitsverbesserung.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Dabei zeigen
- 1 beispielhaft einen möglichen Aufbau zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, also eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
- 2 ein mit dem Aufbau nach 1 gewonnener Datensatz einer Vielzahl von Oberflächenpunkten eines abgetasteten Oberflächenabschnitts.
- 3 eine Splinekurve zur Extrapolation der gesunden Hautoberfläche (Schnittdarstellung).
- 4 eine Abfolge zur Berechnung des gesunden Hautzustands einer Hautwunde (Ulzera-Schnittdarstellung).
- 5 eine Abfolge zur Berechnung des gesunden Hautzustands bei einer Narbe (Keloid-Schnittdarstellung).
- 6 Volumen und Oberflächen für Wunden (links im Bild) und Narben (rechts im Bild) .
- 7 ein Beispiel für eine erfindungsgemäß aus der Vielzahl von Oberflächenpunkten der 2 interpolierte gesunde Hautoberfläche.
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1 zeigt zunächst eine erfindungsgemäß zum Erfassen eines in einem Oberflächenabschnitt 2 der Haut eines untersuchten Patienten 10 liegenden Hautflächendefekts 1 eingesetzte 3D-Abtastvorrichtung 3 in Form eines Streifenprojektionsscanners. Solche Scanner sind dem Fachmann bekannt, auch das Streifenprojektionsverfahren ist bekannt, siehe hier beispielsweise die Dissertation von T. Gockel: „Interaktive 3D-Modellerfassung mittels One-Shot-Musterprojektion und schneller Registrierung" (2006), Universität Karlsruhe (TH), Universitätsverlag Karlsruhe, ISBN-13: 978-3-86644-054-8.
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Der Scanner 3 ermöglicht bei hinreichender Auflösung und Genauigkeit das Scannen von Oberflächen mittels der Streifenprojektionsoptik 3a (die projizierten Streifen sind durch das Bezugszeichen 11a angedeutet) und das entsprechende Erfassen (Kameraoptik 3b) des abgescannten Oberflächenabschnitts 2 (durch das Bezugszeichen 11b skizziert). Es ist somit in sehr kurzen Zeiträumen von kleiner als 1s möglich, Hautdefekte wie beispielsweise Narben, Ulzera etc. direkt am Patienten 10 zu erfassen. Der Scanner 3 (z.B. Z-Snapper der Firma Vialux) kann per Hand geführt werden und benötigt keine aufwendigen Laborbedingungen.
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Im Ergebnis liegen geordnete, sogenannte gerasterte Punktdaten vor (Oberflächenpunkte 4, die sowohl im Bereich des Hautflächendefekts 1 als auch in denjenigen Bereichen des Oberflächenabschnitts 2, die außerhalb des Hautflächendefekts liegen, zusammen mit hier nicht dargestellt Farbwerten 7 erfasst werden). Aus den erfassten Oberflächenpunkten 4 und ihren jeweils zugeordneten Farbwerten 7 können triangulierte, facettierte Dreiecksnetze (2) berechnet werden, die dann (vergleiche nachfolgend) zur interaktiven, semi-interaktiven oder automatischen Bestimmung der 3D-Randkurve 6 (Wundrand 6) verwendet werden können. Wie vorstehend beschrieben, kann das Bestimmen der den Rand 5 des Hautflächendefekts 1 charakterisierenden 3D-Randkurve 6 jedoch auch auf Basis der einzelnen Oberflächenpunkte 4 des Oberflächenabschnitts 2 alleine erfolgen.
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Die Randkurve 6 entsteht hier durch Verbinden der interaktiv, semi-interaktiv oder automatisch aus der gerasterten Punktdatenmenge ausgewählten Oberflächenpunkte 4 über lineare Verbindungsstücke 8. Beim (semi)-interaktiven Randbestimmen entscheidet die Reihenfolge der hinzugefügten Punkte über den Verlauf der Kurve. Beim automatischen Bestimmen der Kurve können Methoden wie Nächster Nachbar oder TSP (travelling salesman problem) angewendet werden. Ferner dienen die oben genannten Hypothesen (vgl. automatisches Wundrandbestimmen) wie Anstieg, Krümmung als Randwerte für die genannten Verfahren. Entsprechende nächster Nachbar Verbindungsverfahren sind dem Fachmann bekannt: S. Russell und P. Norvick, „Künstliche Intelligenz - Ein moderner Ansatz“, 2. Auflage, Pearson Education Deutschland, Kapitel 18 „Aus Beobachtung lernen“ und Kapitel 20 „Statistische Lernmethoden“.
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Durch die den einzelnen Mess- bzw. Oberflächenpunkten 4 zugeordneten Farbwerte 7 erhält der Datensatz der Vielzahl von Oberflächenpunkten eine Textur, die in etwa einem vom Scanner 3 aus fotografierten Abbild der Wunde 1 entspricht. Ebenfalls möglich ist es, ein kalibriertes Farbbild der Wunde auf den Datensatz zu projizieren (vergleiche Z-Snapper der Firma Vialux).
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Anhand der aufgenommenen Daten 4 ist es möglich, mittels des über eine Datenleitung 12 mit dem Scanner 3 verbundenen PCs 9 (der einen Speicher 9a für geeignete Auswerteprogramme und zum Hinterlegen der aufgenommenen Punktdaten 4 sowie auch der vorbeschriebenen Modell-Hautflächendefekte aufweist) den Wundrand in Form der 3D-Randkurve 6 zu bestimmen. Die einzelnen Segmente des Randes 5 werden durch die jeweiligen auf dem Wundrand liegenden Messpunkte 4 samt ihrer Verbindungen 8 beschrieben.
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Die Bestimmung der 3D-Randkurve kann interaktiv, semi-interaktiv oder automatisch erfolgen.
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Beim interaktiven Bestimmen bestimmt der Arzt die 3D-Randkurve 6 (also den Wundrand 5) anhand des aufgenommenen Datensatzes 4 manuell. Er entscheidet anhand von Farbunterschieden in der Textur und anhand von lokalen Flächenkrümmungen der Datensatzoberfläche, wo sich der Wundrand 5 befindet.
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Beim semi-interaktiven Bestimmen der 3D-Randkurve 6 kann zur Dokumentation von Heilungsverläufen über längere Zeiträume ein immer gleicher Bezugsrand von Patienten von Interesse sein. Dieser Ausgangspunkt zum Bestimmen der 3D-Randkurve kann mittels einer einmalig hergestellten Schablone aus Kunststoff und mittels eines Farbstiftes (Stift zur präoperativen Planung, dessen Farbe so gewählt ist, dass ein hoher Farbkontrast zwischen Stift und Haut entsteht) auf der Haut markiert werden. Die Schablone kann so angefertigt werden, dass die Wunde bzw. Narbe nicht berührt wird. Die Stiftmarkierung ist aufgrund des hohen Kontrastes zwischen Haut und Markierung in der aufgenommenen Textur sichtbar. Mittels Bildverarbeitungsmethoden (siehe beispielsweise R. Klette und P. Zamperoni „Handbuch der Operatoren für die Bildverarbeitung“, Vieweg, Lehrbuch, 1995) kann die Wundrandkurve 6 extrahiert werden. Dabei wird ein Startpunkt auf dem in der Textur sichtbaren Strich gewählt. Anschließend wird der Linie gefolgt, bis wieder der Anfangspunkt erreicht ist, so dass eine geschlossene 3D-Randkurve 6 bestimmt werden kann. Zwischen jedem Schritt wird der Linienpunkt der Randkurve hinzugefügt, so dass ein geordneter Linienzug entsteht.
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Bei der automatischen Wundranderkennung kann ein Anlernen des Systems
9,
3 erfolgen. Dabei werden der Maschine
9,
3 gültige Wundrandpunkte übergeben. Diese werden in Hinsicht auf Farbe, Lage und/oder Krümmungsverlauf klassifiziert und als Hypothesen (
vergleiche S. Russell und P. Norvick „Künstliche Intelligenz - ein moderner Ansatz", Pearson Education, Deutschland 2004) im Speicher
9a gespeichert. Aus diesen Hypothesen können gültige Wundränder in unbekannten Datenmengen
4 gefunden werden. Siehe hierzu das vorgenannte Buch von
Russell und Norvick (Buchkapitel 18 „Aus Beobachtung lernen" S. 793-829 und Buchkapitel 20 „Statistische Lernmethoden" S. 867-927: Mögliche Verfahrensind z.B. ML-Parameterlernen (Maximum Likelihood) für diskrete Modelle oder Erwartung-Maximierung-Algorithmus.)
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Mit der so bestimmten geschlossenen 3D-Randkurve 6 kann die Länge der Kurve als charakterisierender geometrischer Parameter bestimmt werden. Gleichzeitig ist es möglich, den Flächeninhalt des von der Randkurve 6 eingeschlossenen Bereiches durch Aufsummieren der facettierten Teilflächen zu bestimmen.
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Auf Basis des gewonnenen Datensatzes 4 (vergleiche 2) lässt sich die theoretische, gesunde Hautoberfläche im Inneren der geschlossenen 3D-Randkurve 6 extrapolieren (vergleiche 7). Dies ist zum Berechnen von erweiterten Kennwerten zum Charakterisieren des Hautflächendefekts notwendig. Dabei ist es von Vorteil, dass biologische Objekte 10 und speziell die menschliche Haut in abgegrenzten Bereichen mathematisch stetig und relativ einfach zu beschreiben ist/sind.
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Zur Berechnung der Geometrie der Hautoberfläche im gesunden Zustand (7) wird der von der Wundrandkurve 6 innenseitig begrenzte Bereich, also der Bereich, der innerhalb der Wunde liegt, aus dem Datensatz 4 entfernt. Anhand der zurückbleibenden, außenliegenden und definierten Randbereiche kann die lokale Krümmung am Wundrand bestimmt werden. Die lokalen Krümmungen dienen als Grundlage zur Berechnung von Stützsplines (z.B. B- oder Hermit-Splines). Diese Splines laufen tangential vom gesunden, außenliegenden Wundrand in den Raumbereich innerhalb des Wundrandes 6 hinein (vergleiche 3).
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Die Stützsplines erlauben das Abschätzen von Oberflächenpunkten, aus denen wiederum durch Triangulieren die potentielle gesunde Oberfläche diskret beschrieben wird (7). Das Ergebnis entspricht der Hautoberfläche ohne Defekt (vergleiche 2 und 7). Zum krümmungsbasierten Schließen von Löchern in Dreiecksnetzen können ebenfalls die in „Automatic meshhealing technique for model repair and finite element model generation", Finite elem. Anal. Des., 43(15), 1109-1119, Elsevier Science Publishers B.V. doi: 10.1016/j.finel. 2007.06.009, Amsterdam, beschriebenen Verfahren eingesetzt werden. Siehe hierzu auch die Studienarbeit „Plausible Reparatur von Löchern in Dreiecksnetzen“ von S. Ernst, Universität Magdeburg, 2009.
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4a) bis 4c) zeigen eine entsprechende Abfolge zur Berechnung des gesunden Hautzustands einer Hautwunde (Schnittdarstellung), wohingegen 5a) bis 5c) eine entsprechende Abfolge zur Berechnung des gesunden Hautzustands bei einer Narbe (ebenfalls Schnittdarstellung) zeigen.
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Die Berechnung der gesunden Hautoberfläche erlaubt nun das Ausleiten des Wundvolumens, also desjenigen Bereiches, der durch Wundfläche und gesunde Hautfläche eingeschlossen wird (vergleiche 6 für Wunden - links - und Narben - rechts -, in der jeweils für Narben und Wunden das Defektvolumen, die Wundoberfläche und die extrapolierte gesunde Hautfläche eingetragen sind).
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Die in 6 skizzierten Flächeninhalte, also zum einen der Flächeninhalt der kompletten Oberfläche des Wundbereiches und zum anderen der Inhalt der Fläche des berechneten gesunden Hautbereiches, lassen sich zu einem Kennwert in Form des H-Faktors (Heilungsfaktors) zusammenfassen, der den Wundoberflächeninhalt und den gesunden Hautoberflächeninhalt ins Verhältnis setzt. In der Regel ist die Wund- oder Narbenoberfläche größer als die gesunde Fläche, so dass der H-Faktor in der Regel kleiner als 1 ist. Nähert sich der H-Faktor der Zahl 1 an, sind beide Flächeninhalte annähernd gleich groß.
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Während die Länge des Wundrandes bei interaktiver Selektierung stark schwanken kann, ist der H-Faktor hinsichtlich seiner Größe relativ robust. Wird der Wundrand zum Beispiel zu weit außerhalb der Wunde gewählt, so vergrößern sich die Länge des Wundrandes sowie der Flächeninhalt der Wunde und der Gesundfläche erheblich. Der H-Faktor als Quotient bleibt aber weitgehend erhalten, da beide Flächeninhalte gleichermaßen vergrößert werden und sich diese Veränderung quasi herauskürzen lässt. Desweiteren ist der H-Faktor ein vergleichsweise einfach zu bestimmender Kennwert, anhand dessen über die Abweichung der defekten Haut zum gesunden Zustand Aussagen getroffen werden können. Damit können über längere Zeiträume das Heilen von Wunden und die Rückbildung von Narben beobachtet werden. Ferner unterstützen alle berechneten Werte den Arzt bei der Diagnose des Krankheitsbildes, indem der Arzt zum Beispiel unterscheiden kann, ob ein Defekt besonders tief oder hoch ist.
