DE102012100011A1

DE102012100011A1 - Ultraschallbasiertes Positionierungssystem und -verfahren für eine invasive Freihandvorrichtung

Info

Publication number: DE102012100011A1
Application number: DE102012100011A
Authority: DE
Inventors: Erik Oaul Kemper; Robert Andrew Meurer; Menachem Halmann; Emil Markov Geogiev; Jeffrey Scott Peiffer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2012-07-12
Also published as: US20120179038A1; JP2012143557A

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst ein interventionelles Leitverfahren (42) die Generierung eines Ultraschallbildes (100) eines betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs (104, 106, 108). Das Verfahren umfasst auch die Überlagerung des Ultraschallbildes mit einer optischen Darstellung (34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126) von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung (34), der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung (34), und einer Position, an der die interventionelle Vorrichtung (34) eine Ultraschallbildebene (102) schneiden wird. Das interventionelle Leitverfahren (42) umfasst auch die dynamische Abänderung eines Aspektes der überlagerten optischen Darstellung (34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126) während einer interventionellen Prozedur. Die dynamische Abänderung umfasst die Abänderung einer dynamischen Anzeige (114, 118, 120) einer diagonal zur Bildebene (102) angeordneten Verlaufsbahn des interventionellen Instruments (34) oder eine Schnittstelle (110, 124, 126) der Verlaufsbahn des interventionellen Instruments (34) mit der Bildebene (102).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich auf Ultraschallsysteme, und genauer gesagt auf ein auf Ultraschall beruhendes System und Verfahren zur Positionierung von invasiven Freihandvorrichtungen.
Ultraschallsysteme können benutzt werden, um anatomische Strukturen zu untersuchen und zu studieren, und sie werden eingesetzt, um Bediener, bei denen es sich typischerweise um Radiologen und Chirurgen handelt, bei der Durchführung von medizinischen Prozeduren zu unterstützen. Diese Systeme umfassen typischerweise Ultraschallscanvorrichtungen, wie beispielsweise Ultraschallsonden, die Ultraschallwellenimpulse in den Körper hinein übertragen. In Reaktion auf diese Wellen werden an Schnittstellen im Körper akustische Echosignale generiert. Diese Echosignale werden von der Ultraschallsonde empfangen und in elektrische Signale umgewandelt, welche zur Erzeugung eines Bildes eines untersuchten Körperteils verwendet werden. Dieses Bild kann auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
Wenn ein Ultraschallsystem verwendet wird, um einen Bediener bei der Durchführung einer medizinischen Prozedur zu unterstützen, kann der Bediener eine Ultraschallsonde in einer Hand halten, während er in der anderen ein medizinisches Instrument hält. Das erzeugte Ultraschallbild kann eine über das Ultraschallbild gelegte Darstellung des medizinischen Instruments enthalten, so dass der Bediener bei der korrekten Positionierung des medizinischen Instruments unterstützt wird. Ungünstigerweise kann es sein, dass es sich bei dem Ultraschallbild mitsamt der überlagerten Darstellung des medizinischen Instruments um eine zweidimensionale Darstellung handelt, welche keine eigentliche Darstellung der Tiefe der Verlaufsbahn liefert, wodurch eine verbesserte dreidimensionale Genauigkeit bei der Platzierung des interventionellen Instruments gewährleistet werden könnte. Daher kann ein System, welches es dem Bediener ermöglicht, ein auf allen drei Dimensionen beruhendes Feedback zu erhalten, die Fähigkeit eines Bedieners erhöhen, sich während der Durchführung einer medizinischen Prozedur auf ein Ultraschallsystem zu stützen, wodurch Komplikationen reduziert und die Kontrollierbarkeit der Prozedur verbessert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein interventionelles Leitverfahren die Generierung eines Ultraschallbildes eines betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs. Das Verfahren umfasst auch die Überlagerung des Ultraschallbildes mit einer optischen Darstellung von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung, der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung und einer Position, an welcher die interventionelle Vorrichtung eine Ultraschallbildebene schneiden wird. Das interventionelle Leitverfahren umfasst auch die dynamische Abänderung eines Aspektes der überlagerten optischen Darstellung während einer interventionellen Prozedur. Die dynamische Abänderung umfasst die Abänderung einer dynamischen Anzeige einer Verlaufsbahn des interventionellen Instruments, die diagonal zur Bildebene verläuft, oder einer Schnittstelle der Verlaufsbahn des interventionellen Instruments mit der Bildebene.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein interventionelles Leitsystem ein Ultraschallsystem, das so konfiguriert ist, dass es ein Ultraschallbild des betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs generiert, sowie ein Display. Das Display ist so konfiguriert, dass es das Ultraschallbild mitsamt einer optische Darstellung von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung, der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung und einer Position zeigt, an der die interventionelle Vorrichtung eine Ultraschallbildebene schneiden wird. Das interventionelle Leitsystem umfasst auch die optische Darstellung, welche über das Ultraschallbild gelegt ist. Das System umfasst einen Aspekt der überlagerten optischen Darstellung, welche während einer interventionellen Prozedur dynamisch abgeändert wird. Die dynamische Abänderung umfasst die Abänderung einer dynamischen Anzeige einer Verlaufsbahn des interventionellen Instrumentes, welche diagonal zur Bildebene verläuft, oder einer Schnittstelle der Verlaufsbahn des interventionellen Instruments mit der Bildebene.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein interventionelles Leitverfahren die Generierung eines Ultraschallbildes eines betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs. Das Verfahren umfasst auch die Überlagerung des Ultraschallbildes mit einer optischen Darstellung von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung, der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung und einer Position, an der die interventionelle Vorrichtung eine Ultraschallbildebene schneiden wird. Das interventionelle Leitverfahren umfasst auch die Lieferung von akustischem Feedback, welches mindestens eines aus der Nähe der interventionellen Vorrichtung zu dem betreffenden interessierenden anatomischen Bereich und einem Grad der Richtigkeit oder Fehlerhaftigkeit einer aktuellen Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung in Bezug auf den betreffenden interessierenden anatomischen Bereich angibt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser nachvollzogen werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen gelesen wird, in welchen dieselben Zeichen durchgängig dieselben Bauteile bezeichnen, wobei gilt:
1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems gemäß Aspekten der vorliegenden Darlegung;
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Positionierung von interventionellen Instrumenten unter Verwendung des Ultraschallsystems aus 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer ebeneninternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei der das interventionelle Instrument im Ziel dargestellt wird;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer ebeneninternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei der das interventionelle Instrument hinter dem Ziel dargestellt wird;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer ebeneninternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei welcher das interventionelle Instrument dem Ziel vorangestellt dargestellt wird;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer ebenenexternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei welcher das interventionelle Instrument am Ziel dargestellt wird;
7 ist eine perspektivische Ansicht einer ebenenexternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei welcher das interventionelle Instrument dem Ziel vorangestellt gezeigt wird; und
8 ist eine perspektivische Ansicht einer ebenenexternen Navigationsanzeige des Ultraschallsystems aus 1, bei welcher das interventionelle Instrument hinter dem Ziel dargestellt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems 10, welches zum Beispiel verwendet werden kann, um Ultraschallbilder zu erfassen und zu verarbeiten. Das Ultraschallsystem 10 umfasst einen Sender 12, der eine oder mehrere Anordnungen von Elementen 14 (z. B. piezoelektrische Kristalle) steuert, die sich innerhalb einer Sonde 16 befinden oder als Teil von dieser gebildet werden, so dass sie gepulste Ultraschallsignale in einen Körper oder Volumen aussenden. Es kann eine Vielzahl von Geometrien verwendet werden, und es können ein oder mehrere Wandler als Teil der Sonde 16 bereitgestellt werden. Die gepulsten Ultraschallsignale werden von Dichte-Schnittstellen und/oder Strukturen zurückgestreut, bei denen es sich in einem Körper beispielsweise um Blutzellen oder Muskelgewebe handeln kann, wodurch Echos erzeugt werden, welche zu den Elementen 14 zurückkehren. Die Echos werden von einem Empfänger 18 empfangen und an einen Beamformer 20 weitergeleitet. Der Beamformer 20 führt an den empfangenen Echos Strahlformung aus und gibt ein HF-Signal aus. Das HF-Signal wird dann von einem HF-Prozessor 22 verarbeitet. Der HF-Prozessor 22 kann einen komplexen Demodulator (nicht gezeigt) umfassen, welcher das HF-Signal demoduliert, so dass IQ-Datenpaare entstehen, durch welche die Echosignale dargestellt werden. Die HF- oder IQ-Signaldaten können dann zur Speicherung (z. B. zur temporären Speicherung) direkt an den HF/IQ-Puffer 24 weitergeleitet werden.
Das Ultraschallsystem 10 umfasst auch den Kontrollschaltkreis 26, welcher der Verarbeitung der erfassten Ultraschallinformation (d. h. HF-Signaldaten oder IQ-Datenpaaren) sowie der Vorbereitung von Frames von Ultraschallinformationen zum Zwecke der Anzeige auf einem Anzeigesystem 28 dient. Der Kontrollschaltkreis 26 kann so angepasst werden, dass er die erfassten Ultraschallinformationen einer oder mehreren Verarbeitungsoperationen gemäß einer Vielzahl von auswählbaren Ultraschallmodalitäten unterzieht. Erfasste Ultraschallinformationen können im Zuge einer Scansitzung während des Empfangs der Echosignale in Echtzeit verarbeitet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Ultraschallinformationen während einer Scansitzung vorübergehend in dem HF/IQ-Puffer 24 gespeichert und in weniger als Echtzeit in einem Live- oder Offline-Betrieb verarbeitet werden.
Das Anzeigesystem 28 kann einen Anzeigebildschirm, wie beispielsweise eine Navigationsanzeige, zur Anzeige der Ultraschallinformationen umfassen. Eine Benutzerschnittstelle 30 kann verwendet werden, um den Betrieb des Ultraschallsystems 10 zu steuern. Bei der Benutzerschnittstelle 30 kann es sich um eine beliebige geeignete Vorrichtung zum Empfang von Benutzereingaben handeln, welche beispielsweise der Kontrolle des Typs von Abtastung oder des Typs des bei einem Scan zu benutzenden Wandlers dienen. Als solches kann die Benutzerschnittstelle unter anderem eine Tastatur, Maus und/oder Touchscreen umfassen.
Das Ultraschallsystem 10 kann Ultraschallinformationen kontinuierlich bei einer gewünschten Bildfrequenz erfassen, wie beispielsweise Frequenzen von über fünfzig Frames pro Sekunde, was ungefähr der Wahrnehmungsrate des menschlichen Auges entspricht. Die erfassten Ultraschallinformationen können bei einer langsameren Bildfrequenz auf dem Anzeigesystem 28 angezeigt werden. Es kann ein Bildpuffer 32 zur Speicherung von verarbeiteten Frames von erfassten Ultraschallinformationen integriert werden, welche nicht für die sofortige Anzeige bestimmt sind. In einer Ausführungsform hat der Bildpuffer 32 ausreichend Kapazität, um mindestens mehrere Sekunden von Frames von Ultraschallinformationen zu speichern. Die Frames von Ultraschallinformationen können auf eine Weise gespeichert werden, durch die deren Abrufung gemäß deren Reihenfolge oder Erfassungszeit ermöglicht wird. Der Bildpuffer 32 kann ein beliebiges Datenspeichermedium umfassen.
Ein interventionelles Instrument 34 kann als Teil des Ultraschallsystems 10 verwendet werden, um es einem Benutzer zu ermöglichen, eine medizinische Prozedur an einem Patienten durchzuführen, während von der Sonde 16 stammende Ultraschallinformationen gesammelt werden. Bei dem interventionellen Instrument 34 kann es sich um eine Nadel, einen Katheter, eine Spritze, Kanüle, Sonde oder ein anderes Instrument handeln, wobei es zur Erleichterung der Bestimmung von Positionsformationen zum interventionellen Instrument 34 Sensoren, Gyroskope und/oder Beschleunigungsmesser umfassen kann. Eine interventionelle Instrumentenschnittstelle 36 kann elektrische Signale von dem interventionellen Instrument 34 empfangen und wandelt diese Signale in Informationen, wie beispielsweise Positionsdaten, Ausrichtungsdaten, Verlaufsbahndaten oder andere Sensorinformationen, um. Eine Positions-/Verlaufsbahn-Berechnungskomponente 38 kann die Ausrichtung und physische Position des interventionellen Instruments 34 berechnen, und zwar unter Verwendung der Informationen von der interventionellen Instrumentschnittstelle 36. Der Kontrollschaltkreis 26 kann die Positions- und Ausrichtungsdaten des interventionellen Instruments 34 empfangen und bereitet die Informationen für die Anzeige auf dem Anzeigesystem 28 vor. Der Kontrollschaltkreis 26 kann bewirken, dass ein Ultraschallbild und eine Abbildung oder Darstellung des interventionellen Instruments 34 übereinandergelegt werden, wenn sie auf dem Anzeigesystem 28 gezeigt werden, und zwar zusammen mit Zielpositionen, Ebenenschnittpunkten, Verlaufsbahnen und so weiter, wie unten beschrieben. Außerdem kann eine Audiokomponente 40 verwendet werden, um akustische Informationen über die Position und/oder Ausrichtung des interventionellen Instruments 34 an einen Bediener zu liefern.
2 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens der interventionellen Instrumentenführung 42 unter Verwendung des Ultraschallsystems aus 1, während die übrigen Figuren exemplarische Anzeigen von Ultraschallbildern mit Verlaufsbahnen, Schnittpunkten und so weiter des interventionellen Instruments darstellen, wie dies unten unter Verweis auf das Flussdiagramm von 2 beschrieben wird. Vorbereitungsschritte 44 können vor einer Navigationsprozedur 46 durchgeführt werden. Bei anderen Ausführungsformen können die Vorbereitungsschritte 44 allerdings fehlen. Ferner sind nicht alle beschriebenen Schritte für die interventionelle Instrumentenführung notwendig, und die Schritte können auch in einer anderen als der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Die Vorbereitungsschritte 44 können Schritt 48 umfassen, in dem ebeneninterne oder ebenenexterne Navigation ausgewählt wird. Das Ergebnis der Auswahl von ebeneninterner oder ebenenexterner Navigation kann verwendet werden, um die Art der Anzeige des interventionellen Instruments zu bestimmen. Zum Beispiel werden in 3 bis 5 exemplarische Navigationshilfsbildschirme abgebildet, welche als Teil einer ebeneninternen Navigationsanzeige 98 erscheinen können, während in 6 bis 8 ähnliche exemplarische Navigationshilfsbildschirme für eine ebenenexterne Navigationsanzeige 122 gezeigt werden. Ebeneninterne oder ebenenexterne Navigation können manuell von einem Benutzer, der die Auswahl vornimmt, ausgewählt werden, oder die Auswahl kann automatisch erfolgen, wie beispielsweise durch die Positions-/Verlaufsbahns-Berechnungskomponente und/oder den Kontrollschaltkreis. Außerdem kann der Kontrollschaltkreis die vom interventionellen Instrument und der Ultraschallsonde erfassten Positions- und Ausrichtungsinformationen heranziehen, um zu bestimmen, ob das interventionelle Instrument sich innerhalb oder außerhalb der Ultraschallebene befindet. So wie der Begriff ”ebenenintern” in der vorliegenden Diskussion verwendet wird, bezieht er sich auf eine Prozedur, bei der ein Instrument eingeführt wird und sich auf einen Zielpunkt mit einer Verlaufsbahn zubewegt, die im Allgemeinen innerhalb einer von dem Ultraschallsystem abgebildeten Ebene liegt. Umgekehrt bezeichnet der Begriff ”ebenenextern” eine Prozedur, bei der das Instrument außerhalb der Bildebene startet (d. h. anfangs in den Körper des Patienten eingeführt wird), sich der Bildebene jedoch entlang einer gewünschten Verlaufsbahn nähert oder diese durchquert.
In Schritt 50 kann ein Benutzer unter Verwendung der Ultraschallsonde einen interessierenden anatomischen Bereich bei der untersuchten Person finden. Zum Beispiel kann der Benutzer eine Prozedur im Zusammenhang mit dem Appendix durchführen, wobei die Ultraschallsonde über den Körper der untersuchten Person geführt wird, bis das Anzeigesystem den Appendix innerhalb des erfassten Ultraschallbildes zeigt. Sobald der interessierende anatomische Bereich lokalisiert worden ist, kann der Benutzer in Schritt 52 bestimmte anatomische Strukturen auf dem Display markieren, auf welchem das Ultraschallbild gezeigt wird. Der Benutzer kann die anatomischen Strukturen markieren, indem er Eingaben über die Benutzerschnittstelle vornimmt, so dass anatomische Strukturen auf dem Ultraschallbild beispielsweise in einer bestimmten Farbe, mit einer bestimmten Markierung oder mit einer hervorgehobenen Umrisslinie angezeigt werden, oder so dass auf der anatomischen Struktur, um diese herum oder in ihrer Nähe einfach ein sichtbarer Indikator platziert wird. Es können beliebige anatomische Strukturen markiert werden, wie beispielsweise Organe, Arterien, Venen, bestimmte Gewebe oder Gewebeteile, Nervenbündel und so weiter. Zum Beispiel wird in 3 bis 8 ein Ultraschallbild 100 illustriert, das eine Ultraschallebene 102 aufweist. Innerhalb der Ultraschallebene 102 werden eine Arterie 104, eine Vene 106 und ein Nervenbündel 108 abgebildet, wobei diese markiert werden können, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die anatomischen Strukturen während der interventionellen Prozedur leicht zu erkennen. Durch markierte anatomische Strukturen kann es dem Benutzer ermöglicht werden, das interventionelle Instrument 34 so zu bewegen, dass während des interventionellen Verfahrens 42 ein Kontakt mit der anatomischen Struktur vermieden wird.
Erneut bezugnehmend auf 2 kann der Benutzer in Schritt 54 ein Ziel auf dem Ultraschallbild platzieren. Wiederum wird in 3 bis 8 illustriert, wie ein Ziel 110 auf dem Ultraschallbild 100 dargestellt werden kann. Obwohl das Ziel 110 als ein Kreuz dargestellt wird, kann das Ziel 110 in anderen Ausführungsformen als ein Kreis, Rechteck, Oval, Dreieck oder eine andere Form dargestellt werden, die für die Bestimmung eines Ziels geeignet ist. Geht man nun weiter zu Schritt 56, so kann ein Benutzer das interventionelle Instrument an einer gewünschten Stelle des Objekts platzieren. Zum Beispiel illustrieren 3 bis 8 ein interventionelles Instrument 34 mit einer Spitze 112, welche über dem Ultraschallbild 100 angezeigt wird. Kommen wir nun auf Schritt 56 zurück: Wenn die Ultraschallsonde um ungefähr 180 Grad von einer korrekten Ausrichtung in Bezug auf das interventionelle Instrument gedreht wird, kann ein Warnhinweis auf der Navigationsanzeige erscheinen, durch welchen der Benutzer darüber informiert wird, dass die Sonde um 180 Grad gedreht werden muss, um eine korrekte Ausrichtung zu erreichen.
In Schritt 58 kann die vorherige Auswahl von ebeneninterner oder ebenenexterner Navigation verwendet werden, um zu bestimmen, ob sich das interventionelle Instrument in der Ultraschallebene befindet. Alternativ kann das Ultraschallsystem automatisch bestimmen, ob das interventionelle Instrument ebenenintern oder ebenenextern positioniert ist. Wenn sich das interventionelle Instrument in der Ultraschallebene befindet, kann der Kontrollschaltkreis in Schritt 60 bestimmen, ob das interventionelle Instrument so ausgerichtet ist, dass es das Ziel schneidet. Wenn das interventionelle Instrument richtig ausgerichtet ist, kann das interventionelle Instrument und/oder sein projizierter Pfad in Schritt 62 auf der Navigationsanzeige in grüner Farbe angezeigt werden. Zum Beispiel illustriert 3 einen projizierten Pfad 114 des interventionellen Instruments 34. Der projizierte Pfad 114 und/oder das interventionelle Instrument 34 können auf gewünschte Weise, wie beispielsweise in einer bestimmten Farbe (z. B. in grüner Farbe), angezeigt werden, wenn das interventionelle Instrument 34 in Übereinstimmung mit dem Ziel 110 ausgerichtet ist. Allerdings können in anderen Ausführungsformen andere Farben als Grün verwendet werden, um eine Ausrichtung an dem Ziel 110 darzustellen, wie beispielsweise Gelb, Lila oder Orange, oder es können in der Tat beliebige geeignete graphische Indikatoren verwendet werden, um ähnliche Anzeigen zu liefern. Ferner kann der projizierte Pfad 114 und/oder das interventionelle Instrument 34, wie illustriert, mit einer im Allgemeinen einheitlichen Breite dargestellt werden, wenn es in zwei von drei Dimensionen ausgerichtet wird. Obwohl das interventionelle Instrument 34 einen projizierten Pfad 114 hat, der ebenenintern (in einer ersten Dimension ausgerichtet) angeordnet ist und in einer zweiten Richtung ausgerichtet wird, kann das interventionelle Instrument 34, wie dies durch die Pfeile dargestellt wird, in einer dritten Richtung ausgerichtet werden, so dass es in allen drei Dimensionen an dem Ziel 110 ausgerichtet wird. Wenn das interventionelle Instrument 34 in allen drei Richtungen ausgerichtet ist, kann der projizierte Pfad 114 als sich zu dem Ziel 110 hin oder durch dieses hindurch erstreckend dargestellt werden. Ein Ausrichtungs-Indikator 116 kann angezeigt werden, um ferner zu illustrieren, dass das interventionelle Instrument 34 an dem Ziel 110 ausgerichtet ist.
Kommt man nun auf 2 zurück, so kann Schritt 62 auch die Lieferung eines akustischen Feedbacks umfassen. Das akustische Feedback kann ein zusätzliches Ausstattungsmerkmal darstellen, um einem Benutzer Information über die interventionelle Instrumentenführung zu liefern. Zum Beispiel kann, wenn sich das interventionelle Instrument in der Ultraschallebene befindet und ausgerichtet ist, das Ultraschallsystem dem Benutzer einen gepulsten hörbaren Ton bei einer Frequenz liefern, die innerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs liegt, wie beispielsweise zwischen 85 und 255 Hz. Die Zeitabstände zwischen den hörbaren Tonimpulsen können sich mit zunehmender Annäherung des interventionellen Instruments an das Ziel verkürzen. Ebenso kann sich die Höhe (Frequenz) des akustischen Feedbacks verändern, wie beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob die Verlaufsbahn das Ziel schneiden würde oder nicht (wobei sich die Frequenzen verändern, während sich die Verlaufsbahn dem Ziel nähert oder sich von diesem entfernt). In Schritt 64 kann der Benutzer das interventionelle Instrument zum Ziel hin bewegen. Als nächstes kann in Schritt 66 der Kontrollschaltkreis bestimmen, ob das Ziel erreicht worden ist. Wenn das Ziel nicht erreicht worden ist, kehrt das interventionelle Verfahren 42 zu Schritt 60 zurück. Sofern das Ziel erreicht worden ist, kann der Benutzer die medizinische Prozedur in Schritt 68 abschließen. Zusätzlich kann das Ultraschallsystem bei Erreichung des Ziels ein akustisches Feedback liefern. Zum Beispiel kann das Ultraschallsystem bei Erreichung des Ziels weiterhin ein akustisches Feedback an den Benutzer ausgeben, wie beispielsweise einen ununterbrochenen hörbaren Ton bei einer Frequenz, die innerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs liegt.
Wenn das interventionelle Instrument in Schritt 60 nicht ausgerichtet ist, kann das interventionelle Instrument und/oder der projizierte Pfad des interventionellen Instruments in Schritt 70 auf eine abweichende Weise angezeigt werden, wie beispielsweise in Rot. Alternativ kann in anderen Ausführungsformen Orange, Blau, Weiss, Schwarz oder eine beliebige andere Farbe verwendet werden, oder es kann in der Tat eine beliebige erkennbare graphische Darstellung verwendet werden, um es einem Benutzer zu erleichtern, eine Unterscheidung darüber zu treffen, ob das interventionelle Instrument in Bezug auf das Ziel ausgerichtet oder nicht ausgerichtet ist. In Schritt 72 kann der Kontrollschaltkreis bestimmen, ob das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert. Wenn das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert, kann der projizierte Pfad des interventionellen Instruments in Schritt 74 auf der Navigationsanzeige so angezeigt werden, als ob das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert. Zum Beispiel zeigt 4 das interventionelle Instrument 34 mit seinem projizierten Pfad 118, wobei der projizierte Pfad 118 kleiner wird, je weiter er sich in das Ultraschallbild 100 hinein erstreckt. Mit abnehmender Größe des projizierten Pfades 118 lässt es die Ansicht auf der Navigationsanzeige 98 so erscheinen, als ob das interventionelle Instrument 34 auf hinter das Ziel 110 zusteuert. Zusätzlich können das interventionelle Instrument 34 und/oder der projizierte Pfad 118 auf eine Weise dargestellt werden, welche sich (z. B. durch eine andere Farbe) von derjenigen unterscheidet, die in dem Falle verwendet wird, in dem das interventionelle Instrument 34 an dem Ziel 110 ausgerichtet ist. Wird beispielsweise die Farbe Grün verwendet, wenn das interventionelle Instrument 34 ausgerichtet ist, kann die Farbe Rot verwendet werden, wenn das interventionelle Instrument 34 nicht ausgerichtet ist. Außerdem kann die Farbe des interventionellen Instruments 34 und/oder des projizierten Pfades 118 verschiedene Farbtöne durchlaufen, während sich das interventionelle Instrument 34 und/oder der projizierte Pfad 118 dem Ziel 110 nähert oder sich von diesem entfernt.
Was wiederum 2 anbelangt, so kann das Ultraschallsystem in Schritt 74 ein akustisches Feedback an den Benutzer ausgeben, um den Benutzer bei der Positionierung des interventionellen Instruments zu unterstützen. Hier kann das Ultraschallsystem zum Beispiel wieder einen ununterbrochenen hörbaren Ton unterhalb des normalen Bereichs der menschlichen Hörfrequenzen, wie beispielsweise unter 85 Hz, an den Benutzer liefern, wenn das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert. Außerdem kann die Frequenz höher oder tiefer eingestellt werden, wenn sich die Position des interventionellen Instruments jeweils näher an oder weiter weg von der Ausrichtung mit dem Ziel bewegt. Als nächstes kann der Benutzer das interventionelle Instrument in Schritt 76 positionieren, und dann zu Schritt 60 zurückkehren, wo die Schritte wiederholt werden können, bis das Ziel erreicht und die medizinische Prozedur abgeschlossen ist.
Wird das Verfahren in Schritt 72 wieder aufgenommen, wird in dem Fall, dass der Kontrollschaltkreis bestimmt, dass das interventionelle Instrument nicht auf hinter das Ziel zusteuert, der projizierte Pfad des interventionellen Instruments und/oder das interventionelle Instrument in Schritt 78 auf der Navigationsanzeige als dem Ziel vorausgestellt gezeigt. Zum Beispiel wird in 5 das interventionelle Instrument 34 und sein projizierten Pfad 120 mit zunehmender Größe abgebildet, je weiter sich der projizierte Pfad 120 in das Ultraschallbild 100 hinein erstreckt. Mit zunehmender Größe des projizierten Pfades 120 lässt es die Ansicht der Navigationsanzeige 98 so erscheinen, als ob das interventionelle Instrument 34 auf vor das Ziel 110 zusteuert.
Kommt man zu 2 zurück, so kann das Ultraschallsystem in Schritt 78 wieder ein akustisches Feedback an den Benutzer liefern, um den Benutzer bei der Positionierung des interventionellen Instruments zu unterstützen. Zum Beispiel kann das Ultraschallsystem dem Benutzer einen ununterbrochenen hörbaren Ton über dem normalen Bereich der menschlichen Hörfrequenzen, wie beispielsweise über 255 Hz, liefern, wenn das interventionelle Instrument auf vor das Ziel zusteuert. Außerdem kann die Frequenz tiefer oder höher eingestellt werden, während sich die Position des interventionellen Instruments jeweils näher an oder weiter weg von der Ausrichtung mit dem Ziel bewegt. Der Benutzer kann das interventionelle Instrument in Schritt 76 wieder positionieren, und dann zu Schritt 60 zurückkehren, wo die Schritte wiederholt werden können, bis das Ziel erreicht und die medizinische Prozedur abgeschlossen wird.
Wird das Verfahren in Schritt 58 von 2 wieder aufgenommen, so schreitet in dem Fall, dass sich die interventionelle Sonde nicht in der Ultraschallebene befindet, das interventionelle Verfahren zu Schritt 80 voran, wo der Kontrollschaltkreis bestimmt, ob das interventionelle Instrument an dem Ziel ausgerichtet ist. Wenn das interventionelle Instrument an dem Ziel ausgerichtet ist, kann das Ziel in Schritt 82 markiert werden. Zum Beispiel kann, wie es in 6 illustriert wird, die ebenenexterne Navigationsanzeige 122 eine Abbildung des interventionellen Instruments 34 umfassen, welche auf die Richtung zum Ziel 110 hin zuzusteuern scheint, wobei der Ausrichtungs-Indikator 116 Lerner illustriert, dass die Position des interventionellen Instruments 34 ausgerichtet und am Ziel ist.
Kehrt man nun wieder zu 2 zurück, so kann Schritt 82 die Lieferung von akustischem Feedback umfassen. Zum Beispiel kann das Ultraschallsystem dem Benutzer einen gepulsten hörbaren Ton bei einer Frequenz liefern, die innerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs liegt, wie beispielsweise zwischen 85 und 255 Hz. Die Zeitabstände zwischen den hörbaren Tonimpulsen können sich mit zunehmender Annäherung des interventionellen Instruments an das Ziel verkürzen und/oder die Frequenz oder Höhe des Tons kann sich wie zuvor verändern. In Schritt 84 kann der Benutzer das interventionelle Instrument auf das Ziel zu bewegen. Als nächstes kann in Schritt 86 der Kontrollschaltkreis bestimmen, ob das Ziel erreicht worden ist. Wenn das Ziel nicht erreicht worden ist, kehrt das Verfahren zu Schritt 80 zurück. Wenn umgekehrt das Ziel erreicht worden ist, schließt der Benutzer die medizinische Prozedur in Schritt 68 ab. Zusätzlich kann das Ultraschallsystem dem Benutzer einen ununterbrochenen hörbaren Ton bei einer Frequenz liefern, die zum Beispiel innerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs liegen kann.
Wenn das interventionelle Instrument in Schritt 80 nicht ausgerichtet ist, kann in Schritt 88 ein Schnittpunkt auf der Navigationsanzeige angezeigt werden. In Schritt 90 kann der Kontrollschaltkreis bestimmen, ob das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zugesteuert wird. Wenn sich das interventionelle Instrument ausgehend von einem Bereich hinter dem Ziel in eine Richtung hin auf das Ziel zubewegt, jedoch über dieses hinausschießt, kann der Schnittpunkt so angezeigt werden, also ob das interventionelle Instrument auf vor das Ziel zusteuert. Zum Beispiel wird in 7 das interventionelle Instrument 34 mit einem verzerrten Ziel 124 abgebildet, wodurch die Position illustriert wird, an der das interventionelle Instrument 34 das Ultraschallbild 100 schneiden würde, wenn das interventionelle Instrument 34 wie beschrieben eingeführt werden würde. Das interventionelle Instrument 34 und/oder das verzerrte Ziel 124 können in einer beliebigen Farbe dargestellt werden, die geeignet ist, um anzuzeigen, dass das interventionelle Instrument 34 nicht an dem Ziel 110 ausgerichtet ist. Außerdem kann die Farbe des interventionellen Instruments 34 und/oder des verzerrten Ziels 124 verschiedene Farbschattierungen durchlaufen, während sich das interventionelle Instrument 34 und/oder das verzerrte Ziel 124 dem Ziel 110 annähern oder sich von diesem entfernen.
Kommt man auf 2 zurück, so kann in Schritt 92 das Ultraschallsystem dem Benutzer einen ununterbrochenen hörbaren Ton liefern, der über dem normalen Bereich der menschlichen Hörfrequenzen liegt, wie beispielsweise über 255 Hz. Außerdem kann die Frequenz jeweils tiefer oder höher angepasst werden, während sich die Position des interventionellen Instruments der Ausrichtung am Ziel annähert oder sich von dieser entfernt. Als nächstes kann der Benutzer das interventionelle Instrument in Schritt 94 repositionieren und dann zu Schritt 80 zurückkehren, wo die Schritte wiederholt werden können, bis das Ziel erreicht und die medizinische Prozedur abgeschlossen ist.
Wird das Verfahren in Schritt 90 wieder aufgenommen, so kann in dem Fall, dass der Kontrollschaltkreis feststellt, dass das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert, ein verzerrtes Ziel 126 auf der Navigationsanzeige angezeigt werden, wobei das interventionelle Instrument in Schritt 96 als sich hinter dem Ziel befindend angezeigt wird. Zum Beispiel wird in 8 das interventionelle Instrument 34 und das verzerrte Ziel 126 auf dem Ultraschallbild 100 abgebildet. Wenn das verzerrte Ziel 126 auf der Navigationsanzeige 122 abgebildet wird, kann es so erscheinen, als ob das interventionelle Instrument 34 auf hinter das Ziel 110 zusteuert.
Kommt man wiederum auf 2 zurück, so kann das Ultraschallsystem in Schritt 96 einen ununterbrochenen hörbaren Ton unter dem normalen menschlichen Stimmfrequenzbereich, wie beispielsweise unter 85 Hz, an den Benutzer ausgeben, wenn das interventionelle Instrument auf hinter das Ziel zusteuert. Der Benutzer kann in Schritt 94 die Repositionierung des interventionellen Instruments vornehmen, dann zu Schritt 80 zurückkehren und die Schritte so lange wiederholen, bis das Ziel erreicht und die medizinische Prozedur abgeschlossen ist.
Die Ausdrucke ”hinter dem Ziel,” ”vor dem Ziel,” und ”dem Ziel voraus” werden in der vorliegenden Darlegung in Bezug auf die Lieferung einer optischen Darstellung des interventionellen Instruments, des projizierten Pfades des interventionellen Instruments (Verlaufsbahn) und/oder des verzerrten Ziels oder der Schnittstelle der Bildebene (d. h. nicht streng innerhalb der Ebene oder der Scheibe) verwendet. Für Beispiele solch optischer Darstellungen siehe 4, 5, 7 und 8 zusätzlich zu den Beschreibungen, welche sich auf diese Figuren beziehen. Solche Anzeigen ”diagonal” zur Bildebene umfassen Veränderungen der Farbe, Dimension und beliebiger anderer Indikatoren, durch welche der Betrachter informiert wird, dass die Verlaufsbahn in Bezug auf die Bildebene nach vorn oder nach hinten bewegt oder ausgerichtet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Illustrationen in 3 bis 8 Beispiele von bestimmten, zurzeit in Betracht gezogenen Möglichkeiten darstellen, um Ultraschallbilder, interventionelle Instrumente und anatomische Strukturen anzuzeigen. Es können viele unterschiedliche Variationen ersonnen werden, um solche Navigationshilfen bereitzustellen. Außerdem sind die beschriebenen hörbaren Töne als Beispiele dafür gedacht, wie akustische Feedbacks verwendet werden können, um einen Bediener bei der Durchführung von medizinischen Prozeduren zu unterstützen. Es sei auch darauf hingewiesen, dass Algorithmen zur Bestimmung der Verlaufsbahn eines interventionellen Instruments allgemein auf dem Gebiet bekannt sind, und dass ein beliebiger solcher Algorithmus als Basis für die Navigationshilfsanzeigen gemäß der vorliegenden Darlegung verwendet werden kann. Zum Beispiel wird eine solche Technik in U.S.-Patent Nr. 6.733.458 mit dem Titel ”Diagnostic Medical Ultrasound Systems and Methods Using Image Based Freehand Needle Guidance” von Steins et al., ausgegeben am 11. Mai 2004, beschrieben, welches hiermit als Referenz in die vorliegende Darlegung aufgenommen wird.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung inklusive des besten Modus darzulegen und auch, um eine beliebige auf diesem Gebiet fachkundige Person in die Lage zu versetzen, die Erfindung umzusetzen, was auch die Herstellung und Verwendung sämtlicher Vorrichtungen oder Systeme sowie die Ausführung sämtlicher dazugehöriger Verfahren umfasst. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und kann auch andere Beispiele umfassen, die auf diesem Gebiet fachkundigen Personen einfallen mögen. Solche anderen Beispiele sind innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche vorgesehen, sofern sie strukturelle Elemente aufweisen, welche nicht von den wörtlichen Formulierungen der Patentansprüche abweichen, oder sofern sie äquivalente strukturelle Elemente umfassen, welche sich nur unwesentlich von den wörtlichen Formulierungen der Patentansprüche unterscheiden.
In einer Ausführungsform umfasst ein interventionelles Leitverfahren 42 die Generierung eines Ultraschallbildes 100 eines betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs 104, 106, 108. Das Verfahren umfasst auch die Überlagerung des Ultraschallbildes mit einer optischen Darstellung 34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126 von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung 34, der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung 34 und einer Position, an der die interventionelle Vorrichtung 34 eine Ultraschallbildebene 102 schneiden wird. Das interventionelle Leitverfahren 42 umfasst auch die dynamische Abänderung eines Aspektes der überlagerten optischen Darstellung 34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126 während einer interventionellen Prozedur. Die dynamische Abänderung umfasst die Abänderung einer dynamischen Anzeige 114, 118, 120 einer Verlaufsbahn des interventionellen Instruments 34, die diagonal zu einer Bildebene 102 verläuft, oder einer Schnittstelle 110, 124, 126 der Verlaufsbahn des interventionellen Instruments 34 mit der Bildebene 102.
Bezugszeichenliste

10: Ultraschallsystem
12: Sender
14: Elemente
16: Sonde
18: Empfänger
20: Beamformer
22: HF-Prozessor
24: HF/IQ-Puffer
26: Kontrollschaltkreis
28: Anzeigesystem
30: Benutzerschnittstelle
32: Bildpuffer
34: interventionelles Instrument
36: interventionelle Instrumentenschnittstelle
38: Positions-/Verlaufsbahns-Berechnungskomponente
40: Audiokomponente
42: interventionelle Instrumentenführung
44: Vorbereitungsschritte
46: Navigationsprozedur
48: Schritt
50: Schritt
52: Schritt
54: Schritt
56: Schritt
58: Schritt
60: Schritt
62: Schritt
64: Schritt
66: Schritt
68: Schritt
70: Schritt
72: Schritt
74: Schritt
76: Schritt
78: Schritt
80: Schritt
82: Schritt
84: Schritt
86: Schritt
88: Schritt
90: Schritt
92: Schritt
94: Schritt
96: Schritt
98: ebeneninterne Navigationsanzeige
100: Ultraschallbild
102: Ultraschallebene
104: Arterie
106: Vene
108: Nervenbündel
110: Ziel
112: Spitze
114: projizierter Pfad
116: Ausrichtungsindikator
118: projizierter Pfad
120: projizierter Pfad
122: Ebenennavigationsanzeige
124: verzerrtes Ziel
126: verzerrtes Ziel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6733458 [0038]

Claims

Interventionelles Leitverfahren (42), umfassend: Generierung eines Ultraschallbildes (100) eines betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs (104, 106, 108); Überlagerung des Ultraschallbildes mit einer optischen Darstellung (34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126) von mindestens einem aus der Projektion einer Position einer interventionellen Vorrichtung (34), der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung (34) und einer Position, an der die interventionelle Vorrichtung (34) eine Ultraschallbildebene (102) schneiden wird; und dynamische Abänderung eines Aspektes der überlagerten optischen Darstellung (34, 110, 112, 114, 118, 120, 124, 126) während einer interventionellen Prozedur, wozu auch die dynamische Anzeige (114, 118, 120) einer diagonal zur Bildebene (102) angeordneten Verlaufsbahn des interventionellen Instruments (34) oder einer Schnittstelle (110, 124, 126) der Verlaufsbahn des interventionellen Instruments mit der Bildebene (102) gehört.
Verfahren gemäß Anspruch 1, die Abänderung (52) eines visuellen Aspekts des betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs (104, 106, 108) zum Zwecke der Markierung des betreffenden interessierenden anatomischen Bereichs im Ultraschallbild (100) umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die interventionelle Vorrichtung (34) in die Bildebene (102) befördert wird, und wobei die dynamische Anzeige (114, 118, 120) der Verlaufsbahn der interventionellen Vorrichtung (34) verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die dynamische Anzeige (114, 118, 120) in Bezug auf die Farbe verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die dynamische Anzeige (114, 118, 120) in Bezug auf die Perspektive verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die interventionelle Vorrichtung (34) von außerhalb der Bildebene (102) eingebracht wird, und wobei die dynamische Anzeige (110, 124, 126) einer Position, an der die interventionelle Vorrichtung (34) eine Ultraschallbildebene (102) schneiden wird, verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die dynamische Anzeige (110, 124, 126) in Bezug auf die Farbe verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die dynamische Anzeige (110, 124, 126) in Bezug auf die Perspektive verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, die Lieferung eines akustischen Feedbacks (40, 116) umfassend, welches mindestens eines aus der Nähe der interventionellen Vorrichtung (34) zum betreffenden interessierenden anatomischen Bereich (104, 106, 108) und dem Grad der Richtigkeit oder der Fehlerhaftigkeit einer aktuellen Verlaufsbahn (114, 118, 120) der interventionellen Vorrichtung (34) in Bezug auf den betreffenden interessierenden anatomischen Bereich (104, 106, 108) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Lieferung eines akustischen Feedbacks (40, 116) die Lieferung von mindestens einem aus einer variierenden Frequenz und einer variierenden Dauer des akustischen Feedbacks (62, 68, 74, 78, 82, 92, 96) umfasst.