DE102012002412A1 - Device for determination of position of puncture needle in workspace of ultrasound probe for human body, has processor unit introducing stitch projection and penetration depth of needle together with image for representation of projection - Google Patents
Device for determination of position of puncture needle in workspace of ultrasound probe for human body, has processor unit introducing stitch projection and penetration depth of needle together with image for representation of projection Download PDFInfo
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Abstract
Description
Problemstellung und Stand der TechnikProblem and state of the art
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 mehrere Umstände erschwert. 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. Dieses Problem nimmt mit dem Abstand zwischen der Einstichposition der Nadel und der Position der Schallsonde zu. Ferner sind Punktionsnadeln – insbesondere dünne zur Durchführung von Nervenblockaden geeignete Nadeln – im Ultraschallbild nur schwer sichtbar (
Die anatomische Situation einer ultraschallgesteuerten Punktion eines in die linke Hand hinein verlaufenden Astes des Nervus medianus ist in
Eigene Versuche zur Abbildung von Punktionsnadeln mit entsprechenden monokularen und binokularen Kamerasystemen vergleichbarer Qualität zeigen jedoch, dass die Darstellung von für die Durchführung von Lokalanästhesien geeigneten Punktionsnadeln – es wurden 20 bis 24 Gaugenadeln verwendet – unter den in Operationssälen herrschenden Bedingungen deutlich erschwert wird.Our own attempts to image puncture needles with corresponding monocular and binocular camera systems of comparable quality, however, show that the presentation of suitable for the conduct of local anesthesia puncture needles - 20 to 24 gauge needles were used - under the prevailing conditions in operating rooms significantly more difficult.
Vor allem hat sich gezeigt, dass, die Ausleuchtung des Arbeitsraums vor der Schallsonde durch die notwendigen Bewegungen von Nadel und Schallsonde unter den in Operationsräumen vorliegenden Lichtverhältnissen ständig verändert wird. Hinzu kommt, daß bei in flachem Winkel auf die Haut aufgesetzten kürzeren Nadeln Teile der Handbewegungen des Operateurs im Sichtfeld der Kamerasysteme stattfinden. Die Lichtverhältnisse in dem Arbeitsbereich vor der Schallsonde können durch geeignete Leuchtmittel, welche an der Schallsonde befestigt sind und den Arbeitsraum ausleuchten, verbessert werden. Bei der praktischen Umsetzung bleiben dessen ungeachtet mehrere Probleme bestehen:
Die überwiegende Anzahl der Verfahren wird nicht durch Injektionen in ebene Hautoberflächen sondern in gewölbte anatomische Strukturen durchgeführt. Bei den gebräuchlichen Leitungsblöcken wie, Plexus axillaris Blockaden, Skalenusblockaden, Lokalanästhesien des Ganglion Stellatum, vorderen infraclaviculären Blockaden, Blockaden des Nervus femoralis, Poplitealblöcken sowie bei Gefäßpunktionen wie der Punktion der Vena jugularis interna, der Vena subclavia und der Vena femoralis, nehmen auf Schallsonden montierte Kameras Nadelbilder vor sich verändernden Hintergründen wechselnd beleuchteter und bewegter Körperoberflächen und Höhlungen auf.Above all, it has been shown that, the illumination of the working space in front of the sound probe by the necessary movements of needle and sound probe under the light conditions present in operating rooms is constantly changing. In addition, when placed at a shallow angle to the skin shorter needles parts of the hand movements of the surgeon in the field of view of the camera systems take place. The lighting conditions in the working area in front of the sound probe can be improved by suitable lighting means, which are attached to the sound probe and illuminate the working space. Nonetheless, several problems remain in the practical implementation:
The vast majority of the procedures are not performed by injections in even skin surfaces but in curved anatomical structures. In the usual conduction blocks such as axillary plexus blockages, scalenus blockages, local anesthesia of the ganglion stellatum, anterior infraclavicular blockades, blockages of the femoral nerve, popliteal blocks as well as vascular punctures such as the puncture of the internal jugular vein, the subclavian vein and the femoral vein, take on sound probes mounted Cameras needle images in front of him changing backgrounds of changing illuminated and moving body surfaces and cavities.
Bei der ultraschallsonografisch navigierten Punktion wird die Schallsonde unterschiedlich fest auf die Körperoberfläche aufgesetzt bzw. in diese eingedrückt. Gerade bei Lokalanästhesien und Gefäßpunktionen sind die Veränderungen des Gewebes im Schallbild, die durch unterschiedlich festes Andrücken der Schallsonde ausgelöst werden, ein wichtiges Kriterium für die Identifikation der sonografierten Körperstruktur (Unterscheidung von Venen, Arterien, Nervensträngen und Sehnen). Auch werden Schallsonden über dem Gewebe gedreht und geneigt um den räumlichen Verlauf der Strukturen im Gewebe zu erfassen. Bei jeder dieser Manipulationen verändern sich sowohl die von den Kameras erfassten Hintergründe der Körperoberfläche, als auch das von der Nadel reflektierte Licht.In the ultrasound-sonographically navigated puncture, the sound probe is placed on or pressed into the body surface in different ways. Especially with local anesthesia and vascular punctures, the changes in the tissue in the sound image, which are triggered by different firm pressing the sound probe, an important criterion for the identification of the sonografierten body structure (distinction of veins, arteries, nerve cords and tendons). Also sound probes are rotated over the tissue and tilted to capture the spatial shape of the structures in the tissue. In each of these manipulations, both the backgrounds of the body surface detected by the cameras and the light reflected by the needle change.
Die topologisch anatomischen Bedingungen im Arbeitsraum vor Ultraschallsonden erschweren die Analyse durch Kamerasysteme aufgenommener Bilder erheblich. Fast bei allen Stellungen der Ultraschallsonde entstehen durch die notwendigen Neigungen der Punktionsnadel Schattenbilder der Nadel auf der Körperoberfläche.The topological anatomical conditions in the working space in front of ultrasound probes considerably complicate the analysis by camera systems of recorded images. Almost at all positions of the ultrasound probe caused by the necessary inclinations of the puncture needle silhouettes of the needle on the body surface.
Die für die korrekte Punktion notwendige Kenntnis der Einstichtiefe der Nadel erzwingt bei der Nutzung von Navigationssystemen eine entsprechende Markierung der Nadel. Ferner empfiehlt es sich bei Systemen zur dreidimensionalen Darstellung der Punktionsnadellage Markierungen auf der Punktionsnadel zu nutzen, die für Kamerasysteme mindestens einen spezifischen Ort der Punktionsnadel definieren. Bei den in Operationsräumen vorliegenden Lichtverhältnissen ist es sehr schwierig Punktionsnadeln für Kamerasysteme sichtbar mit Markierungen zu versehen. Um Verletzungen bei der Punktion zu vermeiden darf dabei der Durchmesser der Nadel durch die Markierungen nicht vergrößert werden. Die Nadeloberfläche sollte aus dem gleichen Grund nicht zusätzlich durch Markierungen aufgerauht werden. Mit Kamerasystemen gut identifizierbare Markierungen übersteigen jedoch den von gebräuchlichen Lokalanästhesienadein zur Verfügung gestellten Raum beträchtlich.The knowledge of the penetration depth of the needle necessary for the correct puncture forces a corresponding marking of the needle when using navigation systems. Furthermore, in systems for the three-dimensional representation of the puncture needle layer it is recommended to use markings on the puncture needle which define at least one specific location of the puncture needle for camera systems. In the light conditions present in operating rooms, it is very difficult to visually mark puncture needles for camera systems. In order to avoid injury during the puncture, the diameter of the needle must not be increased by the markings. The needle surface should not be additionally roughened by markings for the same reason. However, markings which are easily identifiable with camera systems considerably exceed the space provided by common local anesthetic baths.
Ferner stellt die keimfreie Umhüllung der Schallsonde ein weiteres Problem dar. Ultraschallsonden müssen zur sterilen Abdeckung mit keimfreien Folien umhüllt werden, um die bakterielle Kontamination der Punktionsstelle zu vermeiden. Die unregelmäßige Anlage solcher lichtdurchlässiger Umhüllungen stört die Wiedergabe des Nadelbildes erheblich. Die durch den Operateur bedingten Bewegungen der Folienabschnitte vor der Kamera stören die optische Güte des Kamerabildes erheblich.Furthermore, the germ-free envelope of the sound probe presents a further problem. Ultrasonic probes must be enveloped with sterile foils for sterile coverage in order to avoid the bacterial contamination of the puncture site. The irregular arrangement of such translucent envelopes disturbs the reproduction of the needle image considerably. The movements of the film sections in front of the camera caused by the operator disturb the optical quality of the camera image considerably.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird die Position der Punktionsnadel mittels mindestens zweier Lichtstrahlen im folgenden als Ortungslichtstrahlen (O) bezeichnet und mindestens eines Photodetektors ermittelt. Die beiden Ortungslichtstrahlen überstreichen nacheinander einen waagrechten Sektor gleicher Höhe Z0 bzw. Z1 in dem Bereich vor der Schallsonde (
Ein weiterer Punkt auf der Punktionsnadel P(x2, y2, z2) kann durch ein weiteres Paar drehbar gehaltener Ortungslichtstrahlen L3 und L4, welche parallel zu den im vorigen beschriebenen Lichtquellen zwei weitere Sektoren vor der Schallsonde überfahren, in gleicher Weise optisch erfaßt werden. Mit diesen zusätzlichen, räumlichen Informationen für P1 und P2 kann die Lage der Stichprojektion S (x/z), x1, x2 und der Winkel Az sowie der Durchtritt der Stichprojektion in der Ebene der Schalllotung (
In weiteren Untersuchungen sind die Intensitäten von durch verschiedene Punktionsnadeln (Durchmesser 20–23 Gauge) reflektierten Ortungslichtstrahlen untersucht worden. Neben der Messung der zurückgestrahlten Lichtintensitäten mit einzelnen Photodioden, sind auch Messungen des von den Punktionsnadeln reflektierten Lichts im Kamerabild einer auf die Ultraschallsonde montierten CCD-Kamera aufgenommen worden. Hierfür ist vor die CCD-Kamera ein Objektiv (
Untersuchungen mit der im vorigen beschriebenen Kamera und Objektivvorrichtung und verschiedenen Lichtquellen als Ortungslichtstrahl haben nun überraschend gezeigt, daß die Punktionsnadel durch das Überstreichen des Arbeitsraums mit einem Linienlaser gut in dem Bild der Kameraeinheit zur Darstellung kommt. Bei Neigung der Schallsonde in den Arbeitsraum der Punktion hinein kann eine Lichtline auf der Körperoberfläche beobachtet werden, die durch die Punktionsnadel deutlich unterbrochen bzw. verworfen wird. Das bei punktförmigen Ortungslichtstrahlen auftretende Problem, daß Reflektionen von der Körperoberfläche nur schwer von den gewünschten Reflektionen des Lichtstrahls durch die Punktionsnadel zu unterscheiden sind, kann so durch graphische Analyse der durch die Punktionsnadel bewirkten Verwerfung der auf den Körper gestrahlten Lichtlinie einfach gelöst werden. In dem Moment, in dem der linienförmige Ortungslichtstrahl die Punktionsnadel überstreicht, entstehen gleichzeitig eine Unterbrechung der auf die Haut aufgestrahlten Lichtlinie sowie eine Reflektion des Ortungslichtstrahls von der Punktionsnadel. Die auf die Haut gestrahlte Linie des Ortungslichtstrahls wird dabei im Kamerabild auf einen anderen Ort projeziert als die Reflektion des Lichts von der Oberfläche der Punktionsnadel.Investigations with the above-described camera and lens device and various light sources as a tracking light beam have now surprisingly shown that the puncture needle is well represented by the sweeping of the working space with a line laser in the image of the camera unit. If the sound probe inclines into the working space of the puncture, a line of light can be observed on the body surface, which is clearly interrupted or rejected by the puncture needle. The problem with spot locating beams that reflections from the body surface are difficult to differentiate from the desired reflections of the light beam through the puncture needle can thus be easily resolved by graphical analysis of the puncture needle induced distortion of the light line radiated onto the body. At the moment, in At the same time an interruption of the line of light radiated onto the skin and a reflection of the locating light beam from the puncture needle occur when the linear locating light beam passes over the puncture needle. The line of the tracking light beam irradiated onto the skin is thereby projected in the camera image to a different location than the reflection of the light from the surface of the puncture needle.
Ferner kommen sowohl auf die auf die Punktionsnadel aufgeschobene kleine kugelförmige Markierungen, als auch kleine in die Nadeloberfläche getriebene Dellen als sehr charakteristische Verwerfung der Lichtlinie zur Darstellung. Bei präziser Kalibration der Objektiv- und Kameraeinheit, bekanntem geraden Verlauf der Punktionsnadel und hinreichend genauer Messung des Einstrahlwinkels α des Linienlasers können Auflösungen der Punktionsnadelstruktur und der Nadelposition in Subpixeldimensionen der Kameraeinheit erreicht werden. Für die Berechnungen geeignete Algorithmen sind dem Fachmann von Lichtschnittverfahren zur dreidimensionalen optischen Erfassung von räumlichen Körpern bekannt. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise die Algorithmen der OpenCV, Qt und IVT Programmbibliotheken genutzt werden.Furthermore, both small punctiform markings pushed onto the puncture needle and small dents driven into the needle surface appear as very characteristic distortions of the light line. With precise calibration of the lens and camera unit, known straight course of the puncture needle and sufficiently accurate measurement of the angle of incidence α of the line laser resolutions of the puncture needle structure and the needle position can be achieved in subpixel dimensions of the camera unit. Algorithms suitable for the calculations are known to those skilled in light-section methods for the three-dimensional optical detection of three-dimensional bodies. For example, the algorithms of the OpenCV, Qt and IVT program libraries can be used for the device according to the invention.
Die Lichtlinie wird erfindungsgemäß durch ein Objektiv und eine Kamera aufgenommen, die den ganzen Arbeitsraum der Ultraschallpunktion achsenparallel zum Mittelpunktstrahl der Kamera zur Darstellung bringt. Versuche mit einfachen nicht achsenparallel projezierenden Objektivsystemen zeigen, daß bei Aufsetzen der Nadel in den Randbereichen des Arbeitsraums und in den Fällen in denen die Punktion in Richtung des Linienlasers gerichtet ist keine präzisen Daten bezüglich der Position der Nadel mehr gemessen und berechnet werden können.The light line is inventively taken by a lens and a camera that brings the entire working space of the ultrasound puncture axis parallel to the center beam of the camera for display. Experiments with simple non-axis parallel projecting lens systems show that when the needle is placed in the margins of the working space and in cases where the puncture is directed towards the line laser, precise data on the position of the needle can no longer be measured and calculated.
Nicht achsenparallel zum Mittelpunktstrahl abbildende Objektive weisen Vorteile bei der Wiedergabe von in die Punktionsnadel eingetriebenen oder eingefrästen Markierungsmerkmalen auf. Vorteilhaft können deshalb beide Kamerasysteme gleichzeitig in das Navigationssystem eingebaut werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei der Einbau einer mit weiterem Winkel aufnehmenden Kamera, als ein mit dem Ortungslicht rotierendes zusätzliches Aufnahmesystem. Der Schwierigkeit fehlender räumlicher Auflösung kann zwar durch die Abbildung des Arbeitsraums unter Verwendung mehrerer auf der X-Achse der Schalllotung beabstandeter Kamerasysteme und/oder zweier gleichermassen angeordneter Linienlaser teilweise begegnet werden. Die Meßzyklen des Systems verlängern sich jedoch bei Verwendung zweier Linienlaser erheblich. Die Nutzung mehrerer Kamerasysteme ist insgesamt mit erhöhtem Rechenaufwand verbunden.Non-axis parallel to the center beam imaging lenses have advantages in the reproduction of driven into the puncture needle or milled marker features. Advantageously, therefore, both camera systems can be installed simultaneously in the navigation system. In this case, the installation of a camera recording at a wider angle proves to be particularly advantageous, as an additional recording system rotating with the tracking light. Although the difficulty of missing spatial resolution can be partially met by imaging the working space using a plurality of camera systems spaced apart on the X axis of the sound baffle and / or two equally arranged line lasers. The measuring cycles of the system, however, lengthen considerably when using two line lasers. The use of multiple camera systems is generally associated with increased computational effort.
Durch die Verwendung von Linienlasern als Ortungslichtstrahl wird erreicht, daß die Punktionsnadel nicht nur an einzelnen punktförmigen Abschnitten beleuchtet wird, wie dies bei der Nutzung von punktförmigen Lichtstrahlen der Fall ist, sondern im längeren Verlauf vom Lichtstrahl erfasst wird. Dies erst ermöglicht die Punktionsnadel zur Berechnung der Einstichtiefe durch kleine Markierungen unterschiedlich zu gestalten. Als Markierungselement kommen hierfür alle Maßnahmen zur Änderungen der Lichtreflektionseigenschaften der Punktionsnadel in Betracht. Dies kann durch Schattieren (Übermalen), durch Gravieren (sehr kleiner dicht beieinander liegender lichtbrechender Linien), durch Verformen der Oberfläche (beispielsweise durch kleine in die Nadeloberfläche getriebene Dellen und durch Einschleifen kleiner (Licht reflektierender Spiegelebenen) bewirkt werden.The use of line lasers as locating light beam ensures that the puncture needle is not only illuminated at individual punctual sections, as is the case with the use of punctiform light beams, but is detected in the longer course of the light beam. This only allows the puncture needle for calculating the penetration depth by small markers to make different. As a marker, this all measures to change the light reflection properties of the puncture needle into consideration. This can be accomplished by shading (overpainting), by engraving (very small densely spaced refractive lines), by deforming the surface (for example, by small dents driven into the needle surface, and by grinding in small (reflecting mirror planes).
In einer weiteren Ausgestaltung werden kleine Markierungskörper, vorteilhaft kugelförmige Rotationskörper aufgeschoben, die eine kleine Bohrung zur Aufnahme der Punktionsnadel aufweisen (
In einer weiteren Ausgestaltung können die Markierungskörper so ausgeführt werden, daß sie sich bei leichtem Andrücken des vorderen Markierungskörpers (
Eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält:
Eine zur Abbildung des Arbeitsraumes vor der Schallsonde geeignete und kalibrierte Kamera, ein Objektiv bestehend aus Linsen- und/oder Spiegeln, welche das Gegenstandsbild des Punktionsraumes vor der Ultraschallsonde dergestalt auf den Lichtsensoren der Kamera abbildet, daß alle Punkte des Arbeitsraums der Punktion in einer zum Mittelpunktstrahl der Kamera parallel verlaufenden Projektion auf der Bildebene der Kamera abbgebildet werden (
A suitable and calibrated for imaging the working space in front of the sound probe camera, a lens consisting of lenses and / or mirrors, which images the subject image of the puncture space in front of the ultrasonic probe on the light sensors of the camera that all points of the working space of the puncture in a for Center beam of the camera parallel projection are imaged on the image plane of the camera (
Mindestens einen drehbar gehaltenen linienförmigen Ortungslichtstrahl, dessen Linienverlauf vorteilhaft parallel zur Z-Achse der Schalllotung, und dessen Drehpunkt besonders vorteilhaft auf der Eingangsebene des optischen Linsensystems zur achsenparallelen Darstellung des Arbeitsraums liegt.At least one rotatably held linear locating light beam whose line curve is advantageously parallel to the Z axis of the Schalllotung, and its pivot point is particularly advantageous on the input plane of the optical lens system for axis-parallel representation of the working space.
Mittel zur Drehung des linienförmigen Ortungslichtstrahls sowie Mittel zur Messung des Winkels des eingestrahlten Ortungslichtstrahls zur X-Achse des Koordinatensystems der Schalllotung (Incrementgeber).Means for rotating the linear locating light beam and means for measuring the angle of the irradiated locating light beam to the X-axis of the coordinate system of the Schalllotung (incremental encoder).
Mittel zum Ansaugen und zur glatten Anlage der sterilen Abdeckung der sterilen Schallsondenhülle an die für den Durchgang des Lichts vorgesehenen Öffnungen vor Kamera und Linsen und der Austrittsöffnungen des Ortungslichtstrahls.Means for aspirating and smoothing the sterile cover of the sterile acoustic probe sheath to the apertures provided in front of the camera and lenses for the passage of the light and the exit ports of the detection beam.
Eine Rechnereinheit (PC), die von der Kamera, dem Mittel zur Messung des Winkels des eingestrahlten linienförmigen Ortungslichtstrahls (Incrementgeber-Einheit), der Schallsonde, Informationen enthält und den Motor des drehbar gehaltenen linienförmigen Ortungslichtstrahls ansteuert.A computer unit (PC), which contains information from the camera, the means for measuring the angle of the irradiated linear tracking light beam (incremental unit), the sound probe, and drives the motor of the rotatably held linear locating light beam.
Punktionsnadeln die durch Markierungen gekennzeichnet sind; oder Punktionsnadeln, die durch mindestens 2 aufgeschobene Rotationskörper (i. E. Kugeln) gekennzeichnet sind, wobei der der Nadelspitze am nächsten liegende vordere Markierungskörper beim Einstechen der Nadel zum hinteren Ende der Nadel bewegt werden kann; sowie ein Scharniermechanismus, der den vorderen Markierungskörpers bei Kontakt mit der Haut nach hinten zieht.Puncture needles marked by markings; or puncture needles, which are characterized by at least 2 deferred rotation bodies (i., balls), wherein the front marking body closest to the needle tip can be moved to the rear end of the needle during insertion of the needle; and a hinge mechanism that pulls the front marker body backward upon contact with the skin.
Ein Kit enthaltend die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie Punktionsnadeln, deren Oberflächenkontur durch Eindellungen gekennzeichnet sind. Punktionsnadeln in deren Oberflächenkontur sehr kleine eng benachbarte Rillen eingraviert wurden. Eine Abdeckfolie, die eine von dem im obigen beschriebenen Linienlaser unterschiedliche Farbe hat, und den von dem Laser abgestrahlten Lichtstrahl adsorbiert. Eine lichtdurchlässige sterile Hülle in die die Schallsonde sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallnavigation eingeführt werden kann, welche nach Einführung der Schallsonde nach aussen abgedichtet werden kann und welche einen zur Schallsonde offenen Schlauch, enthält, der an eine Absaugvoririchtung angeschlossen wird (Folie und Absaugvorrichtung sind in
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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