DE102015204237A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Modellbefundobjekts - Google Patents
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Abstract
Es soll eine Möglichkeit geschaffen werden, die Befundung von schwer zugänglichen Objekten zu erreichen. Dazu wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Modellbefundobjekts (5) vorgeschlagen, bei dem Bilddaten bzw. Bilder (6) eines Originalbefundobjekts bereitgestellt werden. Aus diesen Bilddaten werden Geometriedaten und ein oder mehrere Werte für mindestens eine Werkstoffeigenschaft gewonnnen. Schließlich wird das Modellbefundobjekt (5) mittels eines 3D-Druckverfahrens entsprechend den Geometriedaten mit einem Material entsprechend dem Wert oder den Werten der mindestens einen Werkstoffeigenschaft gedruckt. Ein Arzt kann dann das Modellbefundobjekt (5) zusätzlich zu den Bildern (6) palpatorisch befunden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Modellbefundobjekts. Ein solches Modellbefundobjekt kann zum Erstellen einer Diagnose verwendet werden.
- Ärzte sind aufgrund ihrer Ausbildung gewohnt, Patienten mit allen Sinnen zu untersuchen und zu befunden, unter anderem durch Abtasten (Palpation). Bei der Befundung von radiologischen Bildern (Ultraschall, Röntgen, CT, MR, SPECT, PET, etc.) fehlt in den meisten Fällen der taktile, palpatorische Kontakt zum Patienten als weitere Informationsquelle für den Befund.
- Als Palpation bezeichnet man in der Medizin die Untersuchung des Körpers durch Betasten. Die Palpation ist eines der ältesten Diagnoseverfahren und zählt wie die Inspektion, die Auskultation und die Perkussion zur körperlichen Untersuchung in der Medizin. Beurteilt werden dabei Konsistenz, Elastizität, Beweglichkeit, Schmerzempfindlichkeit sowie die Größe der zu untersuchenden Organe oder Körperstruktur.
- Das so genannte Palpieren kann mit einem oder mehreren Fingern sowie der Handfläche geschehen. Bei anatomischen Strukturen, die nicht unmittelbar unter der Haut liegen, fällt eine Diagnostik mittels Palpation schwer bzw. ist unmöglich. Ebenso ist die Palpation bei sehr korpulenten Patienten erschwert.
- Bisher geht der palpatorische Befund nicht in die Befunde von radiologischen Bildbefunden ein.
- Die Diagnostik von anatomischen Strukturen, die der Palpation nicht zugänglich sind, erfolgt anhand von Übersetzungen der CT- oder MR-Daten in visuelle Informationen. Radiologen müssen in jahrelangem Training die Interpretation der visuellen Informationen erlernen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Möglichkeit zu schaffen, die Befundung von Bilddaten zu verbessern.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Modellbefundobjekts, durch Bereitstellen von Bilddaten eines Originalbefundobjekts, Gewinnen von Geometriedaten und eines oder mehrerer Werte für mindestens eine Werkstoffeigenschaft aus den Bilddaten, und Drucken des Modellbefundobjekts mittels eines 3D-Druckverfahrens entsprechend den Geometriedaten mit einem Material entsprechend dem Wert oder den Werten der mindestens einen Werkstoffeigenschaft.
- Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Vorrichtung zum Herstellen eines Modellbefundobjekts umfassend eine Datenspeichereinrichtung zum Bereitstellen von Bilddaten eines Originalbefundobjekts, eine Recheneinrichtung zum Gewinnen von Geometriedaten und eines oder mehrerer Werte für mindestens eine Werkstoffeigenschaft aus den Bilddaten, und eine 3D-Druckeinrichtung zum Drucken des Modellbefundobjekts entsprechend den Geometriedaten mit einem Material entsprechend dem Wert oder den Werten der mindestens einen Werkstoffeigenschaft.
- In vorteilhafter Weise werden also von einem Originalbefundobjekt, das Teil eines menschlichen Körpers sein kann, 2D- oder 3D-Bilddaten bereitgestellt, die zuvor auf entsprechende Weise gewonnen wurden. Aus den Bilddaten werden dann die Geometriedaten des Originalbefundobjekts rekonstruiert. Außerdem wird aus den Bilddaten ein Wert für mindestens eine Werkstoffeigenschaft des Originalbefundobjekts oder es werden mehrere diesbezügliche Werte gewonnen. Anschließend erfolgt nun ein 3D-Druck eines Modells (Modellbefundobjekt) des Originalbefundobjekts. Dieses gedruckte Modellbefundobjekt hat zumindest in Teilen eine dem Originalbefundobjekt nachgebildete Geometrie und darüber hinaus noch eine Werkstoffeigenschaft, die mit derjenigen des Originalbefundobjekts korrespondiert bzw. übereinstimmt. Diese nachgebildete Geometrie und Werkstoffeigenschaft des Modellbefundobjekts kann dem Befunder helfen, durch palpatorische Befundung den Bildbefund zu ergänzen.
- Vorzugsweise werden mehrere Werte für die mindestens eine Werkstoffeigenschaft ortsabhängig gewonnen und das Drucken erfolgt mit mehreren verschiedenen Materialien in Korrespondenz mit der ortsabhängigen Werkstoffeigenschaft. Das Modellbefundobjekt erhält damit die gleiche oder zumindest eine ähnliche ortsabhängige Werkstoffeigenschaft wie das Originalbefindobjekt. Der Befunder bekommt so beim Betasten unterschiedlicher Punkte des Modellbefundobjekts entsprechend verschiedene Tasteindrücke. Dabei bedeutet die Ortsabhängigkeit nicht nur eine zweidimensionale Ortsabhängigkeit, sondern insbesondere eine dreidimensionale Ortsabhängigkeit. Das Modellbefundobjekt wird also gegebenenfalls räumlich verteilt mit unterschiedlichen Materialien gedruckt. Die Bilddaten können zumindest teilweise von radiologischen Aufnahmen, insbesondere von MR-Aufnahmen oder Ultraschallaufnahmen stammen. Des Weiteren können natürlich auch Röntgenaufnahmen, CT-Aufnahmen und dergleichen genutzt werden. Derartige Bilddaten eröffnen vielfach auch die Möglichkeit einer hohen räumlichen Auflösung.
- Weiterhin können die Bilddaten zumindest teilweise von Elastographie-Aufnahmen stammen. Aus solchen Elastographie-Aufnahmen auf der Basis von MR oder Ultraschall können zuverlässig und qualitativ hochwertig Elastizitätsparameter des Originalbefundobjekts gewonnen werden.
- Die mindestens eine Werkstoffeigenschaft, für die Werte aus den Bilddaten gewonnen werden, kann die Dichte oder Härte eines Objekts betreffen. Beispielsweise kann das Objekt das gesamte Originalbefundobjekt oder ein Teil davon sein. Die Dichte macht sich beispielsweise indirekt über das Gewicht des Modellbefundobjekts palpatorisch bemerkbar. Außerdem kann die Dichte oder Härte eines Objekts Aussagen über dessen Konsistenz liefern.
- Die mindestens eine Werkstoffeigenschaft kann einen Elastizitätsparameter insbesondere ein Elastizitätsmodul, ein Kompressionsmodul oder ein Schubmodul betreffen. Das Elastizitätsmodul spiegelt dabei die Eigenschaft wider, wie stark eine durch Tasten gebildete Verformung wieder zurückgeht. Das Kompressionsmodul lässt erkennen, wie stark ein Objekt, hier das Modellbefundobjekt oder ein Teil davon komprimieren lässt. Schließlich liefert das Schubmodul dem Befunder Auskunft über die linear elastische Verformung des Modellbefundobjekts oder eines Teils davon.
- Die Geometriedaten, die aus den Bilddaten für die Herstellung des Modellbefundobjekts gewonnen werden, können eine Oberflächenstrukutur und/oder eine innere Struktur des Originalbefundobjekts betreffen. Somit kann beispielsweise eine Oberflächenrauhigkeit des Modellbefundobjekts palpatorisch befundet werden. Die Geometriedaten können aber auch reine Koordinaten für die Ansteuerung des 3D-Druckers sein.
- Der Wert oder die Werte für die mindestens eine Werkstoffeigenschaft kann/können auf der Basis der Bilddaten mittels einer Datenbank oder einer Tabelle gewonnen werden. Die bedeutet, dass die Werte für die Werkstoffeigenschaft empirisch gewonnen werden können und insbesondere über so genannte Look-up-Tables, die eine eindeutige Zuordnung von Bildaufnahmewerten zu Werten von Materialeigenschaften ermöglichen.
- Das Originalbefundobjekt kann ein menschliches Organ oder ein Teil davon sein. Insbesondere kann es sich bei dem Originalbefundobjekt um eine Leber, eine Niere oder dergleichen handeln.
- Die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten Merkmale können auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung als funktionelle Merkmale übertragen werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
-
1 eine Skizze zur Palpation eines inneren Organs; -
2 einen schematischen Verfahrensablauf zum Herstellen eines Modellbefundobjekts und -
3 eine Skizze zur Befundung mithilfe eines Bilds und eines Modellbefundobjekts. - Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die angeführten Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen, technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können.
-
1 zeigt das Prinzip der Palpation an einem menschlichen Körper. Es soll beispielsweise ein inneres Organ wie etwa die Leber1 palpatiert werden. Die Leber1 weist hier einen Tumor2 auf, der andere Elastizitätsparameter bzw. -eigenschaften aufweist als das umgebende Lebergewebe. Gegebenenfalls ist es für einen Arzt möglich, diese Änderung der Elastizitätseigenschaften oder der Beschaffenheit der Leber1 von außen zu fühlen. Dazu betastet der Arzt beispielsweise die Bauchdecke3 mit seinem Finger4 . Dabei drückt der Arzt mit seinem Finger4 die Bauchdecke3 ein und fühlt gegebenenfalls die Gewebeveränderung in dem darunterliegenden inneren Organ. Ist allerdings die Bauchdecke3 beispielsweise bei einer korpulenten Person sehr dick, so können Gewebeveränderungen in inneren Organen möglicherweise nicht mehr ertastet werden. Darüber hinaus sind aber auch weiter innen liegende Organe wie etwa die Milz oder sich bewegende Organe wie das Herz der palpatorischen Befundung kaum oder nicht zugänglich. - Ein weiteres Problemfeld besteht bei der taktilen Befundung, wenn also beispielsweise nur die Oberfläche erfühlt werden soll. Beispielsweise können Veränderungen an Knochenoberflächen (beispielsweise durch Entzündungen oder Fehlbildungen) durch Überstreichen von Knochen, die nahe an der Hautoberfläche liegen, erfühlt werden. Dies kann bei korpulenteren Personen wieder zu Problemen führen.
- Sowohl die palpatorische als auch die taktile Befundung können mit der vorliegenden Erfindung unterstützt bzw. verbessert werden. Dazu wird nämlich von dem zu befundenden Objekt (hier auch Originalbefundobjekt genannt) ein Modellbefundobjekt künstlich hergestellt, das dann haptisch, d. h. palpatorisch und/oder taktil, befundet werden kann.
- Für die Herstellung eines Modellbefundobjekts (z. B. modellierte Leber) werden zunächst durch ein bildgebendes Verfahren ein oder mehrere Bilder zweidimensional oder dreidimensional gewonnen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um radiologische Bilder oder auch andere Bilder, die entsprechende Bilddaten zur Verfügung stellen. Die Bilddaten werden dann gemäß
2 in einem Schritt S1 bereitgestellt. Dieses Bereitstellen erfolgt entweder direkt durch die Bildaufnahmeeinrichtung oder aber durch eine Speichereinrichtung in einer Bildverarbeitungseinrichtung. In einem anschließenden Schritt S2 werden aus den Bilddaten Geometriedaten über das Originalbefundobjekt gewonnen, um daraus ein 3D-Modellbefundobjekt herstellen zu können. Bei diesen Geometriedaten kann es sich um Daten bezüglich der äußeren Struktur oder der inneren Struktur des Originalbefundobjekts handeln. Auf einer logisch tieferen Ebene handelt es sich um die Geometriedaten einfach um die 3D-Koordinaten einer kleinsten Volumeneinheit einer 3D-Abbildung („Voxel“) oder eines 3D-Modells. Darüber hinaus wird in Schritt S2 aus den Bilddaten auch mindestens eine Werkstoffeigenschaft des Originalbefundobjekts gewonnen bzw. ermittelt. Insgesamt ergibt sich dadurch aus den Bilddaten dann beispielsweise die Kontur des Originalbefundobjekts (z. B. Leber oder eines Teils davon) und mindestens eine Werkstoffeigenschaft für diese Leber, oder aber es wird für jedes Voxel ein separater Wert für die mindestens eine Werkstoffeigenschaft aus den Bilddaten gewonnen. - In einem anschließenden Schritt S3 erfolgt ein 3D-Druck auf der Basis der Geometriedaten und des Werts oder der Werte für eine oder mehrere Werkstoffeigenschaften. Resultat dieses 3D-Drucks ist ein Modellbefundobjekt, das vom Arzt palpatorisch befundet werden kann.
- Mittels eines 3D-Druckers lassen sich also anatomische Zielbereiche (z. B. eine Leber) aus radiologischen Bildern drucken. Die Ausdrucke dienen dem Befunder der Bilder zusätzlich als taktile/palpatorische Informationsquelle. Einem Kliniker ermöglichen Sie die palpataorische Befundung, die er im Gegensatz zur Interpretation von Bildern in seiner klinischen Ausbildung erlernt hat.
- Gemäß einer Ausführungsform kann das Modellbefundobjekt im Rahmen der vorliegenden Bilddaten in seinen Abmessungen bzw. Grenzen definiert werden. Dazu kann der Arzt beispielsweise auf den radiologischen Bildern Organe (bzw. allgemein Zielstrukturen) manuell mit einem Zeichenwerkzeug auswählen oder segmentieren. Nur der ausgewählte Ausschnitt der Bilder wird dann modelliert bzw. gedruckt. Die Auswahl führt also auch zu Geometriedaten für den 3D-Druck.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Arzt auswählen, welche taktil-palpatorisch wichtigen Eigenschaften aus den aufgenommenen Bildern in den 3D-Druck einfließen sollen. So kann er beispielsweise Elastizitätsparamter aus vorhandenen Elastographie-Aufnahmen von MR oder Ultraschall als Werkstoffeigenschaft wählen, damit diese beim Drucken des Modellbefundobjekts entsprechend berücksichtigt werden. Als Elastizitätsparameter dienen beispielsweise das Elastizitätsmodul, das Kompressionsmodul und/oder das Schubmodul. Bei der Elastographie wird das zu untersuchende Objekt zyklisch mit Druckwellen beaufschlagt, die das Objekt komprimieren und wieder entlasten. Synchron hierzu werden Ultraschall- oder MR-Aufnahmen gemacht. Werden nun die Elastographie-Daten, welche die Bilddaten darstellen können, als Grundlage für den 3D-Druck verwendet, so erhält der Arzt beispielsweise im Fall einer Leber ein Abbild der Leber aus Materialien mit der entsprechenden Elastizität und Konsistenz zur taktilen/palpatorischen Befundung zusätzlich zu den reinen Daten aus den Bildaufnahmen.
- Alternativ kann der Nutzer, insbesondere der Arzt, als Werkstoffeigenschaft, die in dem Modellbefundobjekt repräsentiert werden soll, die Dichte oder Härte des Originalbefundobjekts wählen. Entsprechende Dichte/Härte-Informationen können aus vorhandenen Röntgenbildern (Röntgenabsorption (HU-Werte)) oder aus MR-Bildern (z. B. UTE-Aufnahmen (Ultrashort TE), T1/T2/T2*-Maps oder Protonendichte-Aufnahmen) gewonnen werden. Dadurch kann die Konsistenz von auf diesen Informationen basierenden und ausgedruckten Zielbereichen taktil/palpatorisch untersucht werden. Man weiß beispielsweise, wie sich Wasser anfühlt und man weiß, welches MR-Signal Wasser liefert.
- Der Nutzer kann aber auch beispielsweise auswählen, dass in den 3D-Drucker Relief-Informationen einfließen sollen. So können Relief-Daten der Oberflächenbeschaffenheit oder der inneren Beschaffenheit von Strukturen (z. B. Knochen) aus den Bilddaten gewonnen und für den 3D-Druck verwendet werden. Die entsprechende Oberflächenbeschaffenheit lässt sich dann taktil vom Arzt an dem Modellbefundobjekt erfühlen.
- Optional ist die Vorrichtung zum Herstellen des Modellbefundobjekts mit einem Eingabegerät ausgestattet, mit dem der Arzt angeben oder einzeichnen kann, welche Strukturen er innerhalb des 3D-Drucks betasten möchte (z. B. welche Schnittebenen des Originalbefundobjekts). Daraufhin wird der 3D-Druck so erfolgen, dass der Ausdruck zerlegt werden kann, um das Abtasten der vordefinierten inneren Strukturen zu ermöglichen, und auch wieder zusammengesetzt werden kann.
- Gemäß einer weiteren Möglichkeit kann der Arzt aus einer Datenbank auswählen, welche Eigenschaften ein typisches Organ bzw. eine typische Zielstruktur hat, um einen Vergleich mit einem Normabefund zu ermöglichen. So erhält er beispielsweise aus der Datenbank Informationen über die Elastizität oder Sprödigkeit von Knochen oder Organen von Patienten mit ähnlichem Alter bzw. Zustand bzw. Krankheitsbild. Gegebenenfalls stehen dem Arzt sogar Modellbefundobjekte von gesunden Personen im Rahmen einer solchen „Datenbank“ zur Verfügung.
- Mittels moderner Kunststoffe können verschiedenste Stoffeigenschaften bzw. Werkstoffeigenschaften wie Viskoelastizität nachempfunden und modelliert werden. Für jede Schicht oder Teilschicht, die bei dem 3D-Druck aufgetragen wird, kann der jeweils passende Kunststoff gewählt werden. Es stehen Kataloge zur Verfügung, die die einzelnen verarbeitbaren Kunststoffe und deren Werkstoffeigenschaften wiedergeben.
- Dass Kunststoffe unterschiedlichste, die Haptik betreffende Eigenschaften besitzen, zeigen auch die Forschungen im Bereich von PDAs, Mobiltelefonen oder Fahrzeug-Lenkrädern. Hier spielt die taktile Oberflächenanmutung für die Wertigkeit eine wesentliche Rolle. Als Materialeigenschaften von wesentlicher Bedeutung sind hier insbesondere die Mikro- und Makrostruktur der Oberflächen und auch funktionelle Eigenschaften wie Mikroreibung, Verformbarkeit und Elastizitätsverhalten. Diesbezügliche, das Tastempfinden betreffende Größen konnten maschinell ermittelt werden, indem die für die Haptik signifikanten physikalischen Eigenschaften in numerische Kenngrößen überführt wurden (vgl. beispielsweise Firma Innowep Mess- und Prüftechnik. Wie in
3 dargestellt ist, erhält der Arzt durch den Ausdruck5 (Modellbefundobjekt) von anatomischen Strukturen mit Eigenschaften, die die tatsächlichen Gegebenheiten (Originalbefundobjekt1 ) widerspiegeln, eine zusätzliche Informationsquelle für die Palpation zu der Befundung der radiologischen Bilder6 , die auf konventionelle Art gewonnen werden. In dem Beispiel von3 zeigt beispielsweise das Bild6 eine radiologische Aufnahme der Leber1 einschließlich des Tumors2 von1 . Das ausgedruckte Modellbefundobjekt5 stellt ein Modell der Leber1 dar, wobei sich hier auch ein dem Tumor2 entsprechender Abschnitt7 an der korrespondierenden Stelle des Modellbefundobjekts5 befindet. Dieser Abschnitt7 hat beispielsweise das gleiche Elastizitätsmodul wie dasjenige des tatsächlichen Tumors2 . Das den Abschnitt7 umgebende Material des Modellbefundobjekts5 hingegen besitzt das Elastizitätsmodul des gesunden Lebergewebes. Das Beispiel von3 lässt sich natürlich auf andere Objekte bzw. Originalbefundobjekte und Werkstoffeigenschaften übertragen. - Durch Palpation kann der Arzt nun beispielsweise die Elastizität oder Härte des Gewebes oder Läsionen innerhalb des Gewebes ertasten. Zur Interpretation dieser Informationsquelle (Modellbefundobjekt) kann ein Kliniker, der nicht in der Interpretation radiologischer Bilder geübt ist, also auf seine Erfahrung bei der körperlichen Untersuchung vom Patienten zurückgreifen und muss sich nicht in eine andere Modalität (die Interpretation von visuellen Informationen in den radiologischen Bildern) einarbeiten.
Claims (10)
- Verfahren zum Herstellen eines Modellbefundobjekts (
5 ) gekennzeichnet durch – Bereitstellen (S1) von Bilddaten eines Originalbefundobjekts (1 ), – Gewinnen (S2) von Geometriedaten und eines oder mehrerer Werte für mindestens eine Werkstoffeigenschaft aus den Bilddaten, und – Drucken (S3) des Modellbefundobjekts (5 ) mittels eines 3D-Druckverfahrens entsprechend den Geometriedaten mit einem Material entsprechend dem Wert oder den Werten der mindestens einen Werkstoffeigenschaft. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere Werte für die mindestens eine Werkstoffeigenschaft ortsabhängig gewonnen werden und das Drucken (S3) mit mehreren verschiedenen Materialien in Korrespondenz mit der ortsabhängigen Werkstoffeigenschaft erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bilddaten zumindest teilweise von radiologischen Aufnahmen (
6 ), insbesondere MR-Aufnahmen oder Ultraschallaufnahmen stammen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bilddaten zumindest teilweise von Elastographie-Aufnahmen stammen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Werkstoffeigenschaft die Dichte oder Härte eines Objekts betrifft.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Werkstoffeigenschaft einen Elastizitätsparameter, insbesondere ein Elastizitätsmodul, ein Kompressionsmodul oder ein Schubmodul, betrifft.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometriedaten eine Oberflächenstruktur und/oder eine innere Struktur des Originalbefundobjekts (
1 ) betreffen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert oder die Werte für die mindestens eine Werkstoffeigenschaft auf der Basis der Bilddaten mittels einer Datenbank oder Tabelle gewonnen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Originalbefundobjekt (
1 ) ein menschliches Organ oder ein Teil davon ist. - Vorrichtung zum Herstellen eines Modellbefundobjekts (
5 ) gekennzeichnet durch – eine Datenspeichereinrichtung zum Bereitstellen (S1) von Bilddaten eines Originalbefundobjekts (1 ), – eine Recheneinrichtung zum Gewinnen (S2) von Geometriedaten und eines oder mehrerer Werte für mindestens eine Werkstoffeigenschaft aus den Bilddaten, und – eine 3D-Druckeinrichtung zum Drucken (S3) des Modellbefundobjekts (5 ) entsprechend den Geometriedaten mit einem Material entsprechend dem Wert oder den Werten der mindestens einen Werkstoffeigenschaft.
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