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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen medizinischen Personals bei einer Resektion, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein System zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
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Als wichtiger Teil der geräte- und computerunterstützten Medizin hat sich die präoperative Bildgebung etabliert. Präoperativ gewonnene Bilddaten können beispielsweise als Basis für eine präoperative Planung und für eine intraoperative Navigation dienen. Sobald im Rahmen der jeweiligen Operation oder Intervention dann allerdings eine Resektion, beispielsweise eines Lebertumors, gestartet wurde, sind die präoperativen Bilddaten oder ein daraus erzeugtes 3D-Modell, beispielsweise der Leber, nicht mehr aktuell, da die tatsächlich vorgenommene Resektion darin nicht repräsentiert ist.
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Ein bisheriger Ansatz zum Abschätzen einer intraoperativen Schnittfläche nutzt die optische Stereorekonstruktion, bei der ein stereoskopisches Kamerabild der Schnittfläche aufgenommen wird und versucht wird, daraus ein jeweils aktuelles 3D-Modell zu erzeugen. Dieser Ansatz kann zumindest nach heutigem Stand der Technik allerdings nur in festen, also zumindest im Wesentlichen unverformbaren oder zumindest nahezu unbeweglichen Organen, wie beispielsweise dem Gehirn, befriedigende Ergebnisse liefern, während er bei weichen, deformierbaren und/oder beweglichen oder verschiebbaren Organen, wie beispielsweise der Leber, zum Scheitern verurteilt ist. Bei derartigen Organen kann anhand der Kamerabilder dann nicht zuverlässig erkannt werden, ob das Organ lediglich bewegt oder deformiert wurde oder ob eine erkannte Veränderung auf eine Resektion beziehungsweise einen weiteren Schnitt oder Gewebeabtrag zurückzuführen ist. Rein geometrische Abschätzungen darüber, wie tief ein Instrument jeweils schon in das Gewebe vorgedrungen ist, oder eine Verwendung eines Deformationsmodells können hier ebenfalls nicht immer zuverlässige Ergebnisse oder Bewertungen liefern und/oder sind mit erheblichem Aufwand verbunden.
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Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung intraoperativer Bildgebung mittels MRT oder kontrastierter CT. Beides ist sehr kosten- und zeitintensiv und kann eine zusätzliche Belastung für den jeweiligen Patienten darstellen. Zudem können derartige Bildgebungsverfahren typischerweise nicht ohne Unterbrechung der jeweiligen Intervention, also jeweils nur schrittweise angewendet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Möglichkeit zur technischen Unterstützung medizinischen Personals bei einer Resektion zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Unterstützen medizinischen Personals bei einer Resektion. Das Verfahren kann also parallel zu einer derartigen Intervention angewendet werden, betrifft jedoch nicht dabei durchgeführte chirurgische Schritte oder Maßnahmen, sondern beschränkt sich auf die Verarbeitung und Bereitstellung von Daten und die technische Unterstützung des Personals. Das Verfahren könnte also prinzipiell unabhängig von einer tatsächlichen Resektion durchgeführt werden, beispielsweise anhand bereitgestellter Modelldaten oder parallel zu einer Bearbeitung nicht-lebenden Gewebes oder Materials.
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In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein präoperativer 3D-Datensatz oder ein entsprechend daraus erzeugtes 3D-Modell eines Untersuchungsobjekts, an dem die Resektion durchgeführt werden soll, erfasst. Der 3D-Datensatz kann also eine dreidimensionale bildliche Repräsentation des Untersuchungsobjekts darstellen, beispielsweise in Form von Magnetresonanz- oder Computertomografiedaten beziehungsweise einer entsprechenden Rekonstruktion oder dergleichen. Das Untersuchungsobjekt kann beispielsweise ein Patient, ein Teil eines Patienten, wie etwa ein Organ oder ein Abschnitt oder Teilbereich eines Organs, eine Gewebeprobe oder letztendlich ein nahezu beliebiges der 3D-Bildgebung zugängliches Objekt oder Material sein. Besonders nutzbringend kann das Verfahren bei weichen oder deformierbaren und/oder beweglichen oder verschiebbaren Untersuchungsobjekten angewendet werden.
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Das Erfassen des präoperativen 3D-Datensatzes kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Aufnehmen des Datensatzes oder diesem zugrunde liegender Roh- oder Messdaten bedeuten oder umfassen. Ebenso kann das Erfassen des präoperativen 3D-Datensatzes aber beispielsweise dessen Abrufen oder Empfangen, beispielsweise von einem bereitgestellten Datenspeicher, durch eine Datenverarbeitungseinrichtung, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, bedeuten oder umfassen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Resektionsfläche, also eine in oder an dem Untersuchungsobjekt bei der Resektion entstehende und verbleibende Schnittfläche oder Oberfläche, mittels Ultraschall oder Ultraschallabtastung zum Erzeugen eines die Resektionsfläche beschreibenden und oder repräsentierenden Ultraschalldatensatzes erfasst. Ein dazu verwendetes Ultraschallgerät beziehungsweise eine Ultraschallsonde oder ein Ultraschallkopf muss dabei vorteilhaft nicht notwendigerweise unmittelbar an der Resektionsfläche selbst angeordnet sein. Das Abtasten oder Erfassen der Resektionsfläche kann also in diesem Sinne bezogen auf die Resektionsfläche kontaktlos erfolgen, wobei die Ultraschallsonde oder der Ultraschallkopf aber bevorzugt beispielsweise in einem anderen, von der Resektionsfläche beabstandeten Bereich des Untersuchungsobjekts an diesem anliegen kann, um eine besonders gute Abbildungsqualität zu erreichen. Besonders vorteilhaft wird die Resektion, also die entsprechende Intervention beziehungsweise das medizinische Personal dabei durch das Ultraschallgerät beziehungsweise das Erfassen der Resektionsfläche mittels Ultraschall nicht signifikant gestört oder beeinträchtigt, sodass die Intervention für die Durchführung oder Anwendung des hier vorgeschlagenen Verfahrens nicht unterbrochen werden muss.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ultraschalldatensatz - und damit die aktuelle beziehungsweise darin erfasste oder beschriebene Resektionsfläche - mit dem aktuellen 3D-Datensatz beziehungsweise dem entsprechenden 3D-Modell des Untersuchungsobjekts registriert. Hierfür können grundsätzlich aus dem Feld der medizinischen Bildgebung und Bildverarbeitung bekannte Registrierungsmethoden verwendet werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweils aktuelle 3D-Datensatz mit der mittels Ultraschall erfassten Resektionsfläche, also mit dem Ultraschalldatensatz, aktualisiert. Mit anderen Worten kann also die erfasste Resektionsfläche beziehungsweise deren Verlauf in den 3D-Datensatz eingetragen oder eingeblendet oder in diesem repräsentiert werden. Beispielsweise kann die Resektionsfläche in dem 3D-Datensatz abweichend von anderen Bereichen oder Merkmalen eingefärbt oder etwa gestrichelt oder teiltransparent repräsentiert werden. Ebenso kann der 3D-Datensatz beziehungsweise das entsprechende Modell des Untersuchungsobjekts gemäß der Resektionsfläche verformt, mit anderen Worten also die tatsächliche Resektion oder deren Ergebnis virtuell nachvollzogen oder repräsentiert werden.
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Der aktuelle 3D-Datensatz kann initial oder bei einem ersten Durchlauf des Verfahrens der originale präoperative 3D-Datensatz sein. Das Verfahren kann aber während der Resektion oder Intervention oder wenn neue Ultraschalldaten, also eine aktualisierte Resektionsfläche zur Verfügung stehen, wiederholt durchgeführt werden. Dann kann als der jeweilige aktuelle 3D-Datensatz beispielsweise der jeweils zuletzt aktualisierte 3D-Datensatz verwendet werden. Es muss also für das Aktualisieren des 3D-Datensatzes nicht stets von dem ursprünglichen präoperativen 3D-Datensatz ausgegangen werden, sondern es kann eine inkrementelle oder iterative Aktualisierung erfolgen.
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Jeweils dann, wenn ein neuer oder aktualisierter Ultraschalldatensatz erzeugt wurde, also zur Verfügung steht, kann dieser ebenso in jedem entsprechenden Iterationsschritt oder Durchlauf des Verfahrens mit dem jeweils aktuellen 3D-Datensatz registriert werden. Ebenso ist aber eine jeweilige Registrierung mit dem ursprünglichen präoperativen 3D-Datensatz möglich, insbesondere da für jede Iteration oder Version des 3D-Datensatzes gleichbleibend dasselbe Koordinatensystem verwendet werden kann.
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Zum Erfassen der Resektionsfläche kann ein 2D- oder 3D-Ultraschallgerät verwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung eines 2D-Ultraschallgeräts kann dieses bevorzugt mittels eines Nachverfolgungssystems (englisch: Trackingsystem) erfasst oder nachverfolgt werden. Das hierfür verwendete Nachverfolgungssystem kann bevorzugt als Navigationssystem für die jeweilige Intervention verwendet werden oder Teil eines derartigen Navigationssystems sein. Durch das Nachverfolgungssystem erfasste oder bestimmte Daten zur Position und bevorzugt zur Orientierung, also insgesamt zur Pose, des verwendeten Ultraschallgerät können als Referenz für die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz verwendet werden.
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Bevorzugt kann der Ultraschalldatensatz die Resektionsfläche dreidimensional beschreiben oder repräsentieren. Dazu kann bei Verwendung eines 2D-Ultraschallgeräts dieses beispielsweise bewegt oder verstellt werden und somit die Resektionsfläche aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln oder Blickrichtungen erfasst werden. In Verbindung mit den durch das Nachverfolgungssystem erfassten oder bestimmten Positions- und gegebenenfalls Orientierungsdaten, also Posendaten, für das Ultraschallgerät und/oder anhand von in dem Ultraschalldatensatz sichtbaren Strukturen, die bevorzugt ebenfalls in dem 3D-Datensatz sichtbar sein können, kann die Resektionsfläche dreidimensional rekonstruiert beziehungsweise die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz durchgeführt oder unterstützt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass keine typischerweise ungenauen Modellannahmen für ein Deformationsmodell gemacht und keine entsprechend aufwendigen Berechnungen oder Simulationen durchgeführt werden müssen, da die tatsächliche reale Resektionsfläche direkt auf Basis der Ultraschallmessung beziehungsweise der Ultraschalldaten, also letztlich direkt anhand von in dem Ultraschalldatensatz kontrastierten Strukturen, erfasst oder rekonstruiert und mit dem 3D-Datensatz registriert und kombiniert werden kann.
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Die Verwendung von Ultraschall zum Erfassen der Resektionsfläche ist dabei gerade im Vergleich zu anderen bildgebenden Methoden für den jeweiligen Patienten typischerweise schonender, da beispielsweise kein Kontrastmittel verabreicht werden muss und keine Strahlenbelastung auftritt. Besonders vorteilhaft ist auch, dass das Erfassen der Resektionsfläche mittels Ultraschall intraoperativ mit weniger Aufwand und weniger Ablenkung oder Störung des medizinischen Personals möglich ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also während der Resektion bestimmt werden, wo die jeweils aktuelle tatsächliche Schnitt- oder Resektionsfläche in dem präoperativen 3D-Datensatz oder 3D-Modell verläuft. Dies kann für das medizinische Personal eine bedeutende Hilfestellung sein, beispielsweise um einer präoperativen Planung präzise zu folgen oder einen vorgegebenen Abstand zu nicht sichtbaren Bereichen eines zu resezierenden Gewebebereiches, beispielsweise zu einem Tumor, einzuhalten. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren zu verbesserten onkologischen Resultaten beitragen.
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Durch die besonders einfache und damit tatsächlich in einer Vielzahl von Fällen praktikabel anwendbare Erfassung der Resektionsfläche und die entsprechende Aktualisierung des 3D-Datensatzes während der Intervention kann auch eine verbesserte Anwendbarkeit von Navigationssystemen gerade bei Interventionen an weichen, deformierbaren und/oder beweglichen Organen erreicht werden.
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Obwohl die Verwendung von Deformationsmodellen durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens prinzipiell entfallen könnte, kann eine Modellierung oder Simulation von Deformationen des Untersuchungsobjekts auf Basis oder unter Berücksichtigung des Ultraschalldatensatzes und damit des realen intraoperativen Verlaufs der Resektionsfläche vorteilhaft präziser und zuverlässiger durchgeführt werden als beispielsweise auf Basis von Modellannahmen, die bisher oftmals verwendet werden.
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Besonders bevorzugt kann die Resektionsfläche während der Resektion kontinuierlich, also fortwährend, mittels Ultraschall erfasst und der Ultraschalldatensatz entsprechend kontinuierlich aktualisiert werden. Ein derartiges kontinuierliches Erfassen der Resektionsfläche muss dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise einen Dauerstrichbetrieb des jeweiligen Ultraschallgeräts bedeuten, sondern kann ebenso eine Erfassung der Resektionsfläche mit einer Betriebsfrequenz des Ultraschallgeräts, zum Beispiel entsprechend der Ultraschallfrequenz oder einer Strom- oder Netzfrequenz, oder in einem gepulsten Betrieb meinen. Bevorzugt wird die Resektionsfläche dabei aber mit einer Bildfrequenz oder Aktualisierungsrate von wenigstens 10 Hz, besonders bevorzugt von wenigstens 24 Hz, erfasst. Damit kann für praktische Zwecke eine live- oder Echtzeiterfassung der Resektionsfläche und dementsprechend eine live- oder Echtzeitaktualisierung des 3D-Datensatzes erfolgen. Dies kann dem medizinischen Personal vorteilhaft eine besonders gute Unterstützung bieten.
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Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch bei anderen Ultraschall-Bild- oder -Erfassungsfrequenzen erfolgreich angewendet werden. Beispielsweise kann die Resektionsfläche ebenso nur einige Male oder einmal pro Sekunde, einmal alle 10 Sekunden, einmal alle 30 Sekunden oder einmal pro Minute oder jeweils auf eine entsprechende Bedienhandlung des medizinischen Personals hin erfasst werden. Auch in diesen oder ähnlichen Anwendungsszenarien können sich die beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird unmittelbar vor Beginn der Resektion das dann noch intakte Untersuchungsobjekt mittels einer Bildgebungsmodalität erfasst und entsprechende Erfassungsdaten, die eine dann aktuelle Pose des Untersuchungsobjekts beschreiben oder angeben, werden im Rahmen einer initialen Registrierung mit dem präoperativen 3D-Datensatz registriert. Diese initiale Registrierung wird mit anderen Worten also nach Erzeugung des präoperativen 3D-Datensatzes aber vor Beginn der Resektion, also bevor eine Resektions- oder Schnittfläche entsteht, durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das Untersuchungsobjekt für die initiale Registrierung dabei erfasst, also abgebildet, während es sich bereits in seiner für die Durchführung der Resektion vorgesehenen oder geplanten Pose befindet.
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Zwischen dem Erzeugen des präoperativen 3D-Datensatzes und der Resektion kann sich die Pose des Untersuchungsobjekts verändern. Durch die initiale Registrierung können derartige Veränderungen oder eine Verformung des Untersuchungsobjekts seit dem Erzeugen des präoperativen 3D-Datensatzes besonders zuverlässig erfasst und die initiale Registrierung und später auch die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz besonders zuverlässig und robust durchgeführt werden, da eventuelle Abweichungen oder Differenzen zu dem präoperativen 3D-Datensatz hier sicher auf Lageveränderungen, Bewegungen oder Deformationen des Untersuchungsobjekts und nicht auf die Resektion zurückzuführen sind. Es wird durch die initiale Registrierung also eine besonders robuste Ausgangsbasis für die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen. Dies kann letztlich zu einem verbesserten Erfolg des Verfahrens, beispielsweise einer verbesserten Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Registrierung der Resektionsfläche mit dem 3D-Datensatz, und somit letztlich zu einem verbesserten Behandlungserfolg beitragen. Die hier verwendete Bildgebungsmodalität kann ebenfalls Ultraschall, aber ebenso beispielsweise Röntgenbildgebung, Computertomografie, Fluoroskopie, MRT und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Resektionsfläche oder deren Veränderung durch automatische Detektion eines Luftspaltes an der Resektionsfläche bestimmt. Mit anderen Worten entsteht bei der Resektion eine neue Oberfläche, nämlich die Resektionsfläche, an dem Untersuchungsobjekt, wobei diese neue Oberfläche an ein umgebendes Luftvolumen angrenzt. Eine solche Oberfläche, also ein Übergang vom Material des Untersuchungsobjekts zu Luft, und damit ein entsprechender Luftspalt in oder an dem Untersuchungsobjekt verhält sich unter Ultraschall anders beziehungsweise beeinflusst eine Ausbreitung und Reflexion von Ultraschallwellen anders als derselbe Materialbereich des Untersuchungsobjekts vor der Resektion, also während sich dieser Materialbereich noch innerhalb des Untersuchungsobjekts befindet und keine Grenzfläche bildet. Anhand dieser unterschiedlichen Eigenschaften beziehungsweise der entsprechenden bereichsweisen Veränderungen der Eigenschaften des Untersuchungsobjekts kann die Resektionsfläche beziehungsweise deren Veränderung detektiert werden. Dazu kann beispielsweise ein Objekt- oder Merkmalserkennungsalgorithmus, also ein entsprechendes Daten- oder Bildverarbeitungsprogramm, für die automatische Erkennung oder Bestimmung der Resektionsfläche oder deren Veränderung verwendet werden. Besonders vorteilhaft muss hier also beispielsweise keine direkte optische Sichtlinie auf die Resektionsfläche gegeben sein oder freigehalten werden, da die Resektionsfläche beispielsweise anhand von Ultraschallsignalen oder Reflexionen nicht von der Luftseite aus, sondern von einer Material- oder Innenseite der Resektionsfläche aus erkannt werden kann. Damit kann das Ultraschallgerät oder dessen Ultraschallsonde oder -kopf beispielsweise auf einer der Resektionsfläche gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsobjekts angeordnet werden. Auch muss die Resektionsfläche selbst beispielsweise nicht notwendigerweise dauerhaft oder regelmäßig gesäubert, etwa vollständig von Blut freigehalten werden, um das Erfassen oder Bestimmen der Resektionsfläche zu ermöglichen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Resektionsfläche mittels Doppler Ultraschall, auch bezeichnet als Duplex-Sonografie, erfasst. Anhand entsprechender Doppler Ultraschalldaten werden dann intakte und abgetrennte, also beispielsweise von einer Blutversorgung abgeschnittene, Teile des Untersuchungsobjekts voneinander unterschieden. Diese Unterscheidung wird dann als Randbedingung bei der Registrierung des Ultraschalldatensatzes beziehungsweise der Resektionsfläche mit dem 3D-Datensatz verwendet. Mit anderen Worten werden also unterschiedliche Dopplerverschiebungen, insbesondere automatisch, ausgewertet, um die Resektionsfläche besonders genau und zuverlässig zu identifizieren. Dies kann die korrekte Bestimmung der Resektionsfläche verbessern oder robuster machen, insbesondere dann, wenn sich ein abgetrennter Teil des Untersuchungsobjekts, also ein jeweiliges Resektat, noch innerhalb eines mittels des Ultraschalls erfassten oder abgebildeten Bereiches befindet. In einem solchen Fall können mehrere neu entstandene Oberflächen mittels des Ultraschalls erfasst und detektiert werden, wobei die unterschiedlichen Dopplereigenschaften dieser Oberflächen beziehungsweise daran angrenzender Material- oder Gewebebereiche, insbesondere jeweiliger darin verlaufender oder daran angrenzender Blutgefäße, aber vorteilhaft eine korrekte Zuordnung einer erkannten oder detektierten Oberfläche zu der Resektionsfläche oder als die Resektionsfläche ermöglichen. Mittels Doppler Ultraschall kann insbesondere ein Blutfluss detektiert werden. Bei Durchtrennung oder Abtrennung eines Gefäßes oder Gefäßstückes durch die Resektion wird sich der Blutfluss in diesem Gefäß oder Gefäßstück im Vergleich zu intaktem Gewebe oder einem intakten Gefäß verändern, insbesondere versiegen. Dies ist dann anhand der aufgenommenen Doppler Ultraschalldaten detektierbar, sodass darauf basierend eine Unterscheidung von intaktem Gewebe und Resektat durchgeführt werden kann. Auf diese Weise können vorteilhaft ohne zusätzliche Geräte und ohne zusätzlichen Aufwand von Seiten des medizinischen Personals vorteilhaft Fehldetektionen oder Fehlregistrierungen besonders zuverlässig vermieden oder zumindest reduziert werden. Es kann also eine erhöhte Sicherheit bei der Registrierung und somit auch eine verbesserte Unterstützung des medizinischen Personals erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz auf Basis wenigstens eines Abstands von in dem Ultraschalldatensatz sichtbaren Strukturen oder wenigstens einem sichtbaren, also abgebildeten, Merkmal durchgeführt. Dabei kann der Abstand der verwendeten Ultraschallsonde oder des verwendeten Ultraschallkopfes zu einer oder mehreren Strukturen oder Merkmalen und/oder ein Abstand mehrerer Strukturen und/oder Merkmale zueinander, wie er in dem Ultraschalldatensatz erscheint, verwendet werden. Lokale, also näher an der Resektionsfläche oder näher an einem Bereich einer jeweils aktuellen Veränderung der Resektionsfläche liegende Strukturen oder Merkmale beziehungsweise deren Abstände werden dabei im Vergleich zu weiter entfernt liegenden Strukturen oder Merkmalen beziehungsweise deren Abständen bevorzugt oder priorisiert. Beispielsweise können, sofern vorhanden, ausschließlich Strukturen oder Merkmale, die innerhalb einer vorgegebenen Entfernung zu dem Ultraschallgerät oder zueinander oder zu der Resektionsfläche liegen, verwendet werden oder es kann eine Registrierungs- oder Überlagerungsgenauigkeit für derartige Strukturen und/oder Merkmale stärker gewichtet werden als für weiter entfernt liegende Strukturen oder Merkmale. Können der Ultraschalldatensatz und der 3D-Datensatz also beispielsweise nicht in allen Bereichen oder Punkten in Deckung gebracht werden, wird eine möglichst große Deckungsgleichheit oder Überlagerung lokaler Strukturen im Vergleich zu weiter entfernt liegenden Strukturen priorisiert. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Resektion selbst ein lokaler Vorgang ist und eine genaue Lage der Resektionsfläche für den Behandlungserfolg typischerweise von größerer Bedeutung ist als beispielsweise eine Deformation in einem von der Resektionsfläche entfernt liegenden Teilbereich des Untersuchungsobjekts.
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Insgesamt kann so die Registrierung besonders relevant und im Bereich des größten Interesses besonders robust und zuverlässig erfolgen, insbesondere ohne dass ein aufwändiges Deformationsmodell verwendet werden müsste.
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Die hier verwendeten Strukturen oder Merkmale können anatomisch und/oder künstlich sein. So können beispielsweise Gefä-ße, Gefäßverzweigungen, Ränder von Gewebebereichen, insbesondere eines Tumors oder Organs, aber ebenso für die jeweilige Intervention an dem Untersuchungsobjekt angebrachte Marker oder Markierungen verwendet werden. Besonders bevorzugt werden hier Strukturen oder Merkmale verwendet, die nicht nur in dem Ultraschalldatensatz sichtbar sind, sondern auch in dem 3D-Datensatz und/oder unter einer zu dem 3D-Datensatz registrierten, während der Intervention zum Abbilden des Untersuchungsobjekts verwendeten Bildgebungsmodalität, beispielsweise einem intraoperativen CT.
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Die hier betrachteten Abstände werden verwendet, wie sie in dem Ultraschalldatensatz erscheinen, können also - zumindest scheinbar - abhängig von einem Blick- oder Betrachtungswinkel sein. Daher bieten die Abstände eine Möglichkeit, die Registrierung nicht nur hinsichtlich der Position einer Struktur oder eines Merkmals, sondern auch hinsichtlich einer Orientierung oder Ausrichtung korrekt durchzuführen. Insbesondere dann, wenn körpereigene Strukturen oder Merkmale des Untersuchungsobjekts verwendet werden, kann vorteilhaft zudem eine Ungenauigkeit oder Fehlerquelle bei dem Positionieren entsprechender künstlicher Strukturen oder Merkmale vermieden werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz erneut durchgeführt, wenn ein aktualisierter Ultraschalldatensatz erzeugt wurde oder beispielsweise, wenn eine Veränderung der Resektionsfläche beziehungsweise der Ultraschalldaten detektiert wurde. Die erneute Registrierung wird dabei jeweils auf Basis der jeweiligen vorausgegangenen, also der bis zu der jeweiligen erneuten Registrierung gültigen vorherigen Registrierung, durchgeführt. Mit anderen Worten muss die erneute Registrierung also nicht von null (englisch: from scratch) aus, das heißt nicht ohne Vorwissen durchgeführt werden, sondern es können vorherige Registrierungsdaten als Referenz oder Ausgangspunkt verwendet werden. Es können zum Beispiel Veränderungen im Vergleich zu der vorherigen Registrierung oder dem vorherigen oder bisherigen Ultraschalldatensatz bestimmt und somit die Registrierung - und letztlich auch der 3D-Datensatz - inkrementell modifiziert oder aktualisiert werden. Dies kann vorteilhaft zu einer besonders zuverlässigen und robusten Registrierung führen, da beispielsweise bei jeder erneuten Registrierung nur vergleichsweise kleinere Veränderungen gegenüber der jeweils vorausgegangenen Registrierung ausgeglichen oder berücksichtigt werden müssen im Vergleich zu einer Registrierung zu dem ursprünglichen unveränderten präoperativen 3D-Datensatz und mit derartigen kleineren Veränderungen oder Modifikationen typischerweise geringere Unsicherheiten und weniger Fehlerquellen verbunden sind.
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Die jeweilige vorausgegangene Registrierung kann also beispielsweise als Randbedingung für eine Grobausrichtung des Ultraschalldatensatzes relativ zu dem 3D-Datensatz verwendet werden, gegebenenfalls abhängig von einem Zeitintervall, das seit der jeweils letzten Registrierung verstrichen ist. So kann es beispielsweise unplausibel sein, dass während eines bestimmten Zeitintervalls eine bestimmte besonders große, beispielsweise oberhalb eines vorgegebenen, gegebenenfalls zeitabhängigen, Schwellenwertes liegende Veränderung stattgefunden hat. Wird eine solche zu große Veränderung detektiert, so kann dies als Fehldetektionen oder Fehlidentifikation eines Merkmals aufgefasst oder als Indiz hierfür verwendet werden. Damit lässt sich insgesamt die Genauigkeit der intraoperativen Registrierung des Ultraschalldatensatzes zu dem 3D-Datensatz verbessern.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für die Registrierung des Ultraschalldatensatzes mit dem 3D-Datensatz und/oder für das Aktualisieren des 3D-Datensatzes ein bereitgestellter, also vorgegebener Planungsdatensatz als Randbedingung zur Plausibilisierung der Registrierung beziehungsweise der Aktualisierung verwendet. Der Planungsdatensatz beschreibt dabei eine präoperative Planung für einen räumlichen Verlauf der Resektion. Es kann beispielsweise ein Schwellenwert für eine maximale örtliche Abweichung der erfassten oder detektierten Resektionsfläche zu deren geplantem Verlauf gemäß dem Planungsdatensatz vorgegeben sein. Wird dieser Schwellenwert zumindest scheinbar überschritten, so kann dies gegebenenfalls auf eine Fehldetektionen oder Fehlidentifikation von für die Registrierung oder Aktualisierung verwendeten Merkmalen oder Strukturen hindeuten. In einem derartigen Fall kann dann die jeweilige Registrierung oder Aktualisierung überprüft oder verworfen werden, um vorteilhaft die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Registrierung beziehungsweise der Aktualisierung insgesamt zu verbessern.
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Ebenso kann der Planungsdatensatz als Beschränkung oder als Vorlage für eine initiale Grobzuordnung oder Grobausrichtung des Ultraschalldatensatzes relativ zu dem 3D-Datensatz verwendet werden, da beispielsweise davon ausgegangen werden kann, dass die tatsächliche Resektion nicht in einem völlig anderen Bereich des Untersuchungsobjekts stattfinden wird als geplant. Auf diese Weise kann beispielsweise eine fehlerhafte automatische Registrierung oder Aktualisierung verhindert werden, die dadurch zustande kommen kann, dass unterschiedliche Teilbereiche des Untersuchungsobjekts gleiche oder einander sehr ähnliche Merkmale oder Strukturen aufweisen oder beispielsweise eine Ambiguität bezüglich einer Rotation des Ultraschalldatensatzes relativ zu dem 3D-Datensatz besteht.
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Beispielsweise kann vor dem Aktualisieren des 3D-Datensatzes die erfasste Resektionsfläche, also der Ultraschalldatensatz und/oder eine detektierte Veränderung der Resektionsfläche anhand des Planungsdatensatzes überprüft oder plausibilisiert werden. Es kann dann vorgesehen sein, dass die Aktualisierung des 3D-Datensatzes gemäß dem aktuellen Ultraschalldatensatz nur dann tatsächlich durchgeführt wird, wenn die automatisch bestimmte Resektionsfläche beziehungsweise deren Verlauf oder Veränderung plausibel ist, also beispielsweise höchstens um einen vorgegebenen Wert von dem Planungsdatensatz abweicht. Zum Beispiel können zu große, also etwa oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertes liegende, Sprünge oder Lageveränderungen der Resektionsfläche oder dergleichen dabei automatisch als unplausibel eingestuft und somit verworfen werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Position oder Pose eines zum Durchführen der Resektion vorgesehenen Instruments und/oder ein Betriebszustand des Instruments automatisch erfasst und nachverfolgt. Eine Vergrößerung der Resektionsfläche wird dann in dem 3D-Datensatz zu dessen Aktualisierung nur dann eingetragen oder repräsentiert, wenn zum Zeitpunkt der detektierten Vergrößerung der Resektionsfläche das Instrument, insbesondere im Bereich der bis dahin erfassten Resektionsfläche, in Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt beziehungsweise in Kontakt mit der bisherigen Resektionsfläche oder einem an diese angrenzenden Bereich des Untersuchungsobjekts war und/oder wenn der Betriebszustand des Instruments zu diesem Zeitpunkt konsistent mit der Vergrößerung der Resektionsfläche ist oder war.
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Ob hier die Position des Instruments in mechanischem Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt oder dessen Betriebszustand als Kriterium verwendet oder priorisiert wird, kann insbesondere von einer Art des jeweiligen Instruments abhängen. Diese kann beispielsweise vorab als Parameterwert oder Eingangsdatum bereitgestellt, also vorgegeben werden.
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Der Betriebszustand des Instruments kann beispielsweise ein Schaltzustand oder Betätigungsgrad eines Bedienelements, zum Beispiel eines Fußpedal, eine Energieversorgung des Instruments mit Betriebsenergie, ein Maß oder eine Stärke dieser Energieversorgung, also beispielsweise ein tatsächlicher Stromfluss oder eine tatsächlich abgerufene elektrische Leistung, eine Drehzahl oder Last eines Motors oder Antriebs oder einer sonstigen Komponente des Instruments und/oder dergleichen mehr sein oder hierdurch beschrieben oder charakterisiert sein.
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Handelt es sich bei dem Instrument beispielsweise um ein, etwa ultraschall-, plasma- oder laserbasiertes oder auf der materialbeeinflussenden Wirkung anderer elektromagnetischer Wellen basierendes, Energieinstrument, so kann davon ausgegangen werden, dass eine tatsächliche Resektion und damit eine Vergrößerung der Resektionsfläche nur dann auftreten kann, wenn das Instrument beziehungsweise dessen Energieversorgung aktiv oder eingeschaltet ist.
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Ebenso kann eine Geschwindigkeit oder Rate der Vergrößerung der Resektionsfläche, also ein Fortschritt oder eine Fortschrittsgeschwindigkeit der Resektion anhand der dem Instrument zugeführten Energiemenge oder Leistung oder den Werten der anderen genannten Parameter plausibilisiert werden, beispielsweise da hierdurch eine Schneidleistung oder Gewebeabtragsleistung des Instruments begrenzt sein kann.
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Wird hingegen beispielsweise ein mechanisches Instrument verwendet, so kann davon ausgegangen werden, dass eine Vergrößerung der Resektionsfläche tatsächlich nur dann auftreten kann, wenn das Instrument tatsächlich in mechanischem Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt steht.
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Detektierte Vergrößerungen oder Veränderungen der Resektionsfläche, die gemäß dieser Kriterien nicht plausibel sind, können dann automatisch als Fehldetektionen eingestuft und verworfen werden. Auf diese Weise kann die Registrierung und die Aktualisierung des 3D-Datensatzes besonders zuverlässig und robust durchgeführt und somit eine Qualität, der durch die vorliegende Erfindung gebotenen Unterstützung des medizinischen Personals verbessert werden. Da eine Ausgabe unplausibler Daten oder einer entsprechenden Visualisierung so vermieden oder minimiert werden kann, kann eine Fehlinformation oder eine Verwirrung des medizinischen Personals entsprechend vermieden oder minimiert werden, was letztlich zum Behandlungserfolg beitragen kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nach der Resektion ein durch Entlangbewegen einer Ultraschallsonde oder eines Ultraschallkopfes an der Resektionsfläche in unmittelbarem mechanischem Kontakt mit dieser aufgenommener zweiter Ultraschalldatensatz erfasst. Mit anderen Worten können hier also Ultraschalldaten erfasst werden, die das Untersuchungsobjekt in einem Zustand nach der Resektion repräsentieren und die gewonnen werden oder gewonnen wurden, indem die tatsächliche physische Resektionsfläche, die sich als Ergebnis der Resektion ergeben hat, mit der Ultraschallsonde oder dem Ultraschallkopf direkt, also unmittelbar kontaktierend abgetastet oder abgefahren wird. Der zweite Ultraschalldatensatz wird dann mit dem 3D-Datensatz des Untersuchungsobjekts registriert. Dies kann wie anhand des ersten Ultraschalldatensatzes beschrieben geschehen, beispielsweise unter Berücksichtigung von Abständen von in dem zweiten Ultraschalldatensatz sichtbaren Strukturen oder dergleichen, bevorzugt mit lokaler Priorisierung oder Übergewichtung. Dabei kann der zweite Ultraschalldatensatz mit dem ursprünglichen präoperativen 3D-Datensatz oder mit dem aktuellsten, also zuletzt aktualisierten 3D-Datensatz oder einer Überlagerung oder Kombination von diesen registriert werden.
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Anhand des zu dem 3D-Datensatz registrierten zweiten Ultraschalldatensatzes und des 3D-Datensatzes wird dann ein Verlauf der Resektionsfläche als Ergebnis der Resektion überprüft oder bewertet. Dies kann beispielsweise im Vergleich oder in Bezug zu einer präoperativen Planung, also beispielsweise einem geplanten, durch den Planungsdatensatz oder ein vorgegebenes geplantes Ergebnismodell des Untersuchungsobjekts, erfolgen.
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Das Erfassen des zweiten Ultraschalldatensatzes kann hier insbesondere dessen Empfangen oder Einlesen durch eine für das Verfahren, insbesondere für die Überprüfung, verwendeten oder vorgesehenen Datenverarbeitungseinrichtung bedeuten oder umfassen. Das tatsächliche physische Abtasten oder Abfahren der Resektionsfläche mit der Ultraschallsonde oder dem Ultraschallkopf ist hier also - insoweit es einen chirurgischen Schritt betrifft oder umfasst - nicht mitbeansprucht.
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Das Überprüfen des Ergebnisses der Resektion unmittelbar nach der Resektion und gegebenenfalls unter Verwendung ohnehin bereits im Operationsbereich vorhandener Geräte ermöglicht es vorteilhaft, ohne signifikante Störung des Arbeitsablaufes zu erkennen, ob die geplante Resektion beispielsweise unvollständig durchgeführt wurde oder zumindest gemäß der Planung erfolgreich war. Es kann dann vorteilhaft direkt und ohne Verzögerungen beispielsweise eine Nachresektion, also eine Nachbesserung durchgeführt werden, um ein optimales Behandlungsergebnis zu erzielen. Eine derartige direkte Überprüfbarkeit des onkologischen Resultats nach oder am Ende der Resektion ist also für das Patientenwohl von besonderem Interesse und Vorteil. Dadurch, dass die Ultraschallsonde beziehungsweise deren Ultraschallkopf zum Aufnehmen des zweiten Ultraschalldatensatzes direkt an der Resektionsfläche angeordnet wird, sind eine weitere Referenz, also eine weitere Randbedingung, oder weitere Positionsdaten zum Bestimmen des tatsächlichen Verlaufes der Resektionsfläche gegeben, sodass die Resektionsfläche auf diese Weise besonders genau und zuverlässig erkannt werden kann.
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Besonders bevorzugt kann dabei eine Position oder Pose der Ultraschallsonde beziehungsweise des Ultraschallkopfes während des Entlangführens an der Resektionsfläche mittels eines Nachverfolgungssystems, beispielsweise des bereits genannten Nachverfolgungs- oder Navigationssystems, nachverfolgt werden. Dies liefert also einen Positionsdatensatz für die Ultraschallsonde, der aber aufgrund des direkten mechanischen Kontakts der Ultraschallsonde mit der Resektionsfläche auch den Verlauf der Resektionsfläche beschreibt. Die Resektionsfläche kann also anhand dieses Positionsdatensatzes und zusätzlich anhand des zweiten Ultraschalldatensatzes bestimmt werden, wodurch sich vorteilhaft eine besonders große Zuverlässigkeit und Genauigkeit beim Bestimmen der Resektionsfläche und bei deren Registrierung zu dem 3D-Datensatz ergeben kann. Besonders vorteilhaft ermöglicht das Nachverfolgen der Ultraschallsonde die Verwendung einer 2D-Ultraschallsonde, die in der Regel vorteilhaft kleiner, kostengünstiger und hochauflösender als eine 3D-Ultraschallsonde sein kann. Damit kann die Resektionsfläche gegebenenfalls besonders detailliert und auch bei beschränkten Platzverhältnissen besonders genau abgetastet oder abgefahren werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird für das Überprüfen ein Abstand der Resektionsfläche zu einem gemäß einer präoperativen Planung, beispielsweise gemäß dem genannten Planungsdatensatz, zu resezierenden Bereich bestimmt. Dieser zu resezierende Bereich kann beispielsweise ein bestimmter vorgegebener Gewebebereich, etwa ein Tumor oder dergleichen, gegebenenfalls einschließlich einer vorgegebenen Umgebung, eine Interessenregion (RoI, englisch: Region of Interest) oder dergleichen sein. Der Abstand kann dann beispielsweise bezogen sein auf einen äußeren, beispielsweise der Resektionsfläche nächstliegenden Rand oder einen Mittelpunkt des zu resezierenden Bereiches. Der bestimmte Abstand wird dann nach einem vorgegebenen Kriterium bewertet. Sofern vorhanden werden dann zumindest solche Bereiche der Resektionsfläche, für die das Kriterium nicht erfüllt ist, automatisch in dem zweiten Ultraschalldatensatz und/oder in dem 3D-Datensatz oder in deren Überlagerung oder Kombination markiert. Ebenso können Bereiche markiert werden, in denen das Kriterium erfüllt ist. Zudem kann durch die Markierung ein Grad der Nichterfüllung beziehungsweise Erfüllung des Kriteriums angezeigt werden.
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Das Kriterium kann beispielsweise sein, ob ein vorgegebener Schwellenwert für den Abstand erreicht, überschritten oder unterschritten ist. Es kann also bewertet und entsprechend markiert werden, ob beziehungsweise wo bei der Resektion nicht genügend oder zu viel Material des Untersuchungsobjekts entfernt wurde. Das Markieren kann beispielsweise durch eine Einfärbung gemäß einer vorgegebenen Farbskala, durch Einblenden von Zahlenwerten oder Symbolen und/oder dergleichen mehr erfolgen. Besonders bevorzugt kann eine entsprechende Markierung mittels einer virtuellen oder augmentierten Realität beziehungsweise eines entsprechenden Geräts, beispielsweise einer Datenbrille oder eines HMD (Head-Mounted Display) oder dergleichen angezeigt werden.
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Allgemein kann hier also eine Abweichung des tatsächlichen Ergebnisses der Resektion von einer präoperativen Planung visualisiert werden, wodurch eine derartige Abweichung besonders zuverlässig und anschaulich vermittelt werden kann beziehungsweise durch das medizinische Personal erfassbar ist. Damit kann das medizinische Personal bei der Vermeidung oder Reduktion von Behandlungsfehlern, beispielsweise einer unvollständigen Resektion, besonders zuverlässig und effektiv unterstützt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird nach der Resektion zusätzlich eine Oberfläche eines jeweiligen Resektats erfasst. Dazu kann beispielsweise die Oberfläche des Resektats ebenfalls kontaktierend mit der Ultraschallsonde oder dem Ultraschallkopf abgetastet oder abgefahren und/oder das Resektat mittels einer Bildgebungsmodalität abgebildet werden. Ein entsprechender, das Resektat - zum Beispiel dessen Oberfläche, Form, Größe und/oder dergleichen mehr - beschreibender oder repräsentierender Resektatdatensatz wird dann bei dem Überprüfen oder für das Bewerten des Ergebnisses der Resektion ebenfalls berücksichtigt oder ausgewertet. Auf diese Weise kann die Überprüfung beziehungsweise Bewertung besonders zuverlässig und robust durchgeführt werden, da mehr Daten zu Verfügung stehen. So können sich Ungenauigkeiten bei der Erfassung der Resektionsfläche anhand der korrespondierenden erfassten Oberfläche des Resektats reduzieren lassen. Das Resektat kann dabei in aller Regel problemlos vollständig, beispielsweise von allen Seiten, erfasst werden, was an der Resektionsfläche aufgrund beschränkter Platzverhältnisse und des Bedürfnisses eine Verletzung des Untersuchungsobjekts zu vermeiden nicht immer der Fall ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Unterstützen medizinischen Personals bei einer Resektion. Das erfindungsgemäße System weist eine Datenverarbeitungseinrichtung auf, die zum Durchführen zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist. Das erfindungsgemäße System kann also das bereits genannte System sein. Das System kann einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Bauteile, Komponenten und/oder Eigenschaften sowie die entsprechenden Vorteile aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, das Befehle oder Steueranweisungen umfasst, die bei ihrer Ausführung durch einen Computer, insbesondere durch ein erfindungsgemäßes System oder dessen Datenverarbeitungseinrichtung, diesen Computer beziehungsweise dieses System dazu veranlassen, zumindest eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen oder deren Ausführung zu bewirken. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt kann insbesondere ein Computerprogramm sein, das diese Befehle implementiert, also kodiert oder repräsentiert. Ebenso kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ein computerlesbarer Datenträger sein, auf dem ein derartiges Computerprogramm, also entsprechender Programmcode, gespeichert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise dessen Verfahrensschritte können also ganz oder teilweise computerimplementiert sein.
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Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das erfindungsgemäße System beziehungsweise dessen Datenverarbeitungseinrichtung ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt aufweisen oder umfassen. Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen Systems einen Prozessor und einen damit verbundenen Datenspeicher, insbesondere einen erfindungsgemäßen Datenträger, aufweisen. Mittels des Prozessors, beispielsweise eines Mikroprozessors, Mikrochips, Mikrocontrollers, einer Hardwareschaltung und/oder dergleichen mehr, kann dann das auf dem Datenspeicher gespeicherte, das erfindungsgemäße Verfahren implementierende Computerprogramm ausgeführt werden.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen Systems beziehungsweise das erfindungsgemäße System selbst kann zudem weitere Komponenten, insbesondere eine oder mehrere Datenschnittstellen zum Empfangen und/oder Ausgeben von Daten, beispielsweise des Ultraschalldatensatz, des 3D-Datensatz, des Ergebnisses oder der Bewertung der Resektion, und/oder dergleichen mehr, aufweisen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße System weitere Komponenten oder Bauteile, beispielsweise das genannte Ultraschallgerät und/oder das genannte Instrument und/oder die genannte Bildgebungsmodalität und/oder dergleichen mehr umfassen.
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Die bisher und im Folgenden angegebenen Eigenschaften und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts und des erfindungsgemäßen Systems sowie die entsprechenden Vorteile sind jeweils sinngemäß wechselseitig zwischen diesen Aspekten der Erfindung übertragbar. Es gehören also zu der Erfindung auch solche jeweils Weiterbildungen der Aspekte der vorliegenden Erfindung, welche Ausgestaltungen aufweisen, die hier zur Vermeidung unnötiger Redundanz nicht explizit in der jeweiligen Kombination oder nicht für jeden Aspekt der Erfindung separat beschrieben sind.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 einen beispielhaften schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zum Unterstützen medizinischen Personals bei einer Resektion;
- 2 eine schematische Übersichtsdarstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens und zu dessen Durchführung verwendbarer Einrichtungen;
- 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines 3D-Datensatzes eines Untersuchungsobjekts; und
- 4 eine schematische Übersichtsdarstellung zur Veranschaulichung eines weiteren Teils des Verfahrens.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind gleiche, funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt beispielhaft einen schematischen Ablaufplan 1 für ein Verfahren zum Unterstützen medizinischen Personals bei einer Resektion. Dabei durchlaufene Verfahrensschritte S1 bis S10 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die übrigen Figuren näher erläutert. So zeigt 2 eine schematische Übersicht zur Veranschaulichung einer Situation während der Durchführung des Verfahrens und dabei verwendeter Geräte und Einrichtungen.
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Insbesondere kann zum Durchführen des Verfahrens ein System 2 verwendet werden, das zumindest eine Datenverarbeitungseinrichtung 7 umfasst. Diese Datenverarbeitungseinrichtung 7 umfasst hier ihrerseits einen Prozessor 8 und einen damit verbundenen Datenspeicher 9. Das Verfahren kann als Computerprogramm implementiert sein, dass dann auf dem Datenspeicher 9 gespeichert sein kann. Dieses Computerprogramm, also entsprechender Programmcode, kann dann zur Durchführung des Verfahrens durch den Prozessor 8 ausgeführt werden. Zumindest einige der in 1 repräsentierten Verfahrensschritte S1 bis S10 können also entsprechende Befehle, Steueranweisungen, Programmmodule oder dergleichen des entsprechenden Computerprogramms repräsentieren.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 7 kann eine eigenständige Einrichtung, also beispielsweise ein Computer sein. Ein solcher Computer kann beispielsweise lokal an einem Durchführungsort des Verfahrens beziehungsweise der gegebenenfalls parallel durchgeführten Resektion angeordnet sein. Ebenso kann sich der Computer, also die Datenverarbeitungseinrichtung 7, on-premise befinden oder Teil eines, gegebenenfalls cloud-basierten, Rechenzentrums sein. Ebenso kann die Datenverarbeitungseinrichtung 7 beispielsweise in ein bildgebendes Gerät, wie etwa ein Röntgengerät, eine MRT-Anlage oder dergleichen integriert sein. Ein derartiges Gerät oder eine derartige Anlage kann dann das System 2 repräsentieren oder Teil des Systems 2 sein.
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Im vorliegenden Beispiel soll die Resektion an einem Untersuchungsobjekt 3 durchgeführt werden, bei dem es sich beispielsweise um eine Leber eines hier nicht dargestellten Patienten handeln kann. Das Untersuchungsobjekt 3 weist hier Strukturen 4 auf, bei denen es sich sowohl um anatomische Merkmale als auch um künstliche Marker oder Markierungen oder dergleichen handeln kann. Zum Durchführen der eigentlichen Resektion kann ein hier schematisch angedeutetes Resektionsinstrument 5 verwendet werden. Das Resektionsinstrument 5 kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein und sich verschiedener Funktionsprinzipien bedienen, je nach Bedarf und Anwendungsfall. So kann das Resektionsinstrument zum Entfernen oder Durchtrennen von biologischem Gewebe ausgebildet sein, hierfür aber beispielsweise energiebasiert oder rein mechanisch sein. Zum Versorgen des Resektionsinstruments mit Betriebsenergie ist es mit einer Energieversorgungseinheit 6 verbunden. Die Energieversorgungseinheit 6 kann elektrische Komponenten und/oder ein Bedienelement zum Aktivieren und Deaktivieren des Resektionsinstruments 5 aufweisen. Bevorzugt kann die Energieversorgungseinheit 6 beispielsweise ein Fußpedal sein oder umfassen.
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Weiter ist ein Ultraschallgerät vorgesehen, das hier durch eine Ultraschallsonde 10 repräsentiert ist, die mit der Datenverarbeitungseinrichtung 7 verbunden ist. Zum in 2 dargestellten Zeitpunkt ist die Ultraschallsonde 10 seitlich an dem Untersuchungsobjekt 3 angeordnet, um dieses zumindest bereichsweise zu erfassen, also abzubilden. Dabei ist die Ultraschallsonde 10 insbesondere so angeordnet oder ausgerichtet, dass sie einen Wirkungsbereich des Resektionsinstruments 5 und solche der Strukturen 4 erfasst oder abbildet, die sich in dessen Umgebung befinden. Insbesondere kann mittels der Ultraschallsonde 10 eine beim Einsatz des Resektionsinstruments 5, also bei der Resektion, an dem Untersuchungsobjekt 3 entstehende Resektionsfläche 11 erfasst, also abgebildet werden.
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Weiter ist hier auch ein Trackingsystem 12 vorgesehen. Das Trackingsystem 12 umfasst vorliegend eine Kamera zum optischen Erfassen einer Position und bevorzugt einer Pose des Resektionsinstruments 5 und der Ultraschallsonde 10. Mittels dieser Kamera und/oder weiterer - beispielsweise elektromagnetischer - Nachverfolgungseinrichtungen des Trackingsystems 12 können das Resektionsinstrument 5 und die Ultraschallsonde 10 nachverfolgt, also hinsichtlich ihrer Position oder Pose überwacht werden.
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Das Instrument 5, die Energieversorgungseinheit 6, die Ultraschallsonde 10 und/oder das Trackingsystem 12 können jeweils separate, mit dem System 2 beziehungsweise der Datenverarbeitungseinrichtung 7 verbundene Einrichtungen oder Teil des Systems 2 sein. Insbesondere in letzterem Fall können jeweils zumindest einige Funktionen dieser Einrichtungen durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 übernommen oder ausgeführt werden. Dies kann insbesondere ein Verarbeiten von durch die Ultraschallsonde 10 bereitgestellten Ultraschalldaten und/oder durch das Trackingsystem 12 bereitgestellten Positions- oder Sensordaten, beispielsweise Kamerabildern, bedeuten oder umfassen. Ebenso kann ein Betriebszustand des Resektionsinstruments 5 oder der Energieversorgungseinheit 6 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 erfasst oder überwacht werden.
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Im Verfahrensschritt S1 wird, beispielsweise mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 7, ein präoperativer 3D-Datensatz, beispielsweise ein virtuelles Modell, des Untersuchungsobjekts 3 erzeugt. Dazu kann das Untersuchungsobjekt 3 zunächst mittels einer Bildgebungsmodalität abgebildet werden und dabei aufgenommene Rohdaten können durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 zu dem präoperativen 3D-Datensatz verarbeitet werden. Ebenso kann der präoperative 3D-Datensatz bereits fertig bereitgestellt sein und durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 empfangen oder abgerufen werden.
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Im Verfahrensschritt S2 wird die Resektion beziehungsweise eine entsprechende Intervention geplant oder es wird durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 ein entsprechender Planungsdatensatz erfasst. Ein solcher Planungsdatensatz kann beispielsweise eine jeweilige Interessenregion (RoI), einen zu resezierenden Bereich, einen geplanten schlussendlichen Verlauf der Resektionsfläche 11, ein Erfolgskriterium zum Bewerten der Resektion beziehungsweise eines Ergebnisses der Resektion oder Intervention und/oder dergleichen mehr angeben oder beschreiben. Für das Erfolgskriterium kann beispielsweise ein einzuhaltender Abstand zu der Interessenregion oder deren Zentrum und/oder zu wenigstens einem anatomischen oder künstlichen Merkmal, beispielsweise einer der Strukturen 4, also beispielsweise zu einem Gefäß, einer Gewebe- oder Organgrenze oder dergleichen vorgegeben sein.
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Im Verfahrensschritt S3 wird unmittelbar vor Beginn der Resektion das Untersuchungsobjekt 3, an dem die Resektion durchgeführt werden soll, in seiner dann aktuellen Pose erfasst, beispielsweise mittels der Ultraschallsonde 10 und/oder einer Bildgebungsmodalität, beispielsweise einem hier nicht im Detail dargestellten Röntgengerät, dass beispielsweise Teil des Systems 2 sein kann.
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Im Verfahrensschritt S4 wird durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 eine initiale rigide oder deformierbare Registrierung der im Verfahrensschritt S3 erfassten aktuellen Pose des Untersuchungsobjekts 3 zu dem präoperativen 3D-Datensatz durchgeführt.
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Im Verfahrensschritt S5 wird kontinuierlich oder regelmäßig mittels der Ultraschallsonde 10 eine Ultraschallaufnahme des Untersuchungsobjekts 3, insbesondere der Resektionsfläche 11 und eines diese umgebenden Bereiches gemacht. Mit anderen Worten wird hier also ein Voranschreiten der Resektion beziehungsweise eine Entstehung und Vergrößerung der Resektionsfläche 11 fortwährend mit chirurgischem Ultraschall beobachtet.
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Im Verfahrensschritt S6 werden im Verfahrensschritt S5 mittels der Ultraschallsonde 10 aufgenommene Ultraschalldaten beziehungsweise ein daraus erzeugter Ultraschalldatensatz mit dem 3D-Datensatz registriert. Dies kann entsprechend kontinuierlich oder regelmäßig oder jeweils bei einer detektierten, beispielsweise über einen vorgegebenen Schwellenwert hinausgehenden, Veränderung der Resektionsfläche 11 automatisch von der Datenverarbeitungseinrichtung 7 durchgeführt werden.
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Dabei kann zunächst eine Plausibilisierung, zum Beispiel anhand des Planungsdatensatzes, einer jeweils vorausgehenden Registrierung und/oder einer früheren Version des 3D-Datensatzes, automatisch durchgeführt werden. Die Registrierung kann nur dann durchgeführt werden, wenn die Plausibilisierung, beispielsweise der in den oder anhand der Ultraschalldaten detektierten Resektionsfläche 11 oder von deren detektierter Veränderung, erfolgreich war.
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Die Resektionsfläche 11 kann in dem Ultraschalldatensatz insbesondere anhand eines außenseitig an der Resektionsfläche 11 entstehenden Luftspaltes detektiert oder bestimmt werden.
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Die Registrierung kann insbesondere durch eine Bestimmung eines lokalen Abstandes zu den Strukturen 4 und/oder auf Basis einer jeweils aktuellen beziehungsweise vorausgehenden Registrierung durchgeführt werden.
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Anhand der mittels der Ultraschallsonde 10 erfassten Ultraschalldaten findet hier also eine wiederholte Registrierung eines aktuellen Zustands des Untersuchungsobjekts zu dem 3D-Datensatz statt. Zur Unterstützung der Registrierung und gegebenenfalls der Plausibilisierung werden das Resektionsinstrument 5 und die Ultraschallsonde 10 dabei ebenso kontinuierlich beziehungsweise regelmäßig mittels des Trackingsystems 12 nachverfolgt.
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Bei erfolgreicher Plausibilisierung findet im Verfahrensschritt S7 auf Basis des jeweils aktuellen Ultraschalldatensatzes eine Aktualisierung des 3D-Datensatzes mit dem jeweils aktuellen beziehungsweise neuen Zustand des Untersuchungsobjekts 3, insbesondere eines jeweils aktuellen beziehungsweise neuen Verlaufs der Resektionsfläche 11, statt. Sofern entsprechende Daten nicht plausibel sind, die Plausibilisierung also fehlgeschlagen ist, können beispielsweise die seit der letzten Ultraschallaufnahme oder der letzten erfolgreichen Registrierung oder Aktualisierung erfassten Ultraschalldaten verworfen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des 3D-Ddatensatzes des Untersuchungsobjekts 3. Dazu ist hier ein 3D-Modell 13 des Untersuchungsobjekts 3 dargestellt. Vorliegend ist dabei sowohl eine ursprüngliche Oberfläche 14 des Untersuchungsobjekts 3 wie sie vor Beginn der Resektion gegeben war, dargestellt als auch ein jeweils aktueller Verlauf der Resektionsfläche 11 eingetragen. Anhand des 3D-Modells 13 ist für jeweiliges medizinisches Personal der aktuelle Verlauf der Resektionsfläche 11, beispielsweise relativ zu den Strukturen 4, besonders einfach und deutlich erkennbar. Durch das während der Intervention anhand der Ultraschalldaten mehrfach oder kontinuierlich aktualisierte 3D-Modell 13, also das wiederholte oder kontinuierliche Korrigieren der erfassten Resektionsfläche 11 beziehungsweise deren Verlaufs und das entsprechende Aktualisieren des 3D-Modells 13, kann dem medizinischen Personal also eine effektive Unterstützung geboten werden.
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Wie hier durch jeweilige schleifenförmige Programm- oder Ablaufpfade angedeutet ist, können die Verfahrensschritte S5 bis S7 mehrfach durchlaufen oder kontinuierlich wiederholt oder ausgeführt werden.
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Nach der Resektion ist eine Überprüfung und Bewertung von deren Ergebnis vorgesehen. Dazu zeigt 4 eine weitere schematische Übersichtsdarstellung mit dem System 2 und dem Untersuchungsobjekt 3, hier jedoch in einem Zustand nach der Resektion, wie anhand der vergrößerten Resektionsfläche 11 erkennbar ist.
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Im Verfahrensschritt S8a wird nach der Resektion mittels der Ultraschallsonde 10 ein zweiter Ultraschalldatensatz des Untersuchungsobjekts 3 aufgenommen. Dazu wird ein Ultraschallkopf 15 der Ultraschallsonde 10 in direktem mechanischem Kontakt an der Resektionsfläche 11 entlanggeführt, die Resektionsfläche 11 also mittels des Ultraschallkopfes 15 abgetastet. Dabei wird die Pose der Ultraschallsonde 10 beziehungsweise des Ultraschallkopfes 15 mittels des Trackingsystems 12 nachverfolgt. Optional wird im Verfahrensschritt S8b ebenso ein hier nicht dargestelltes, von dem Untersuchungsobjekt 3 entferntes Resektat mittels der Ultraschallsonde 10 und des Ultraschallkopfes 15 in entsprechender Weise abgetastet, also mittels Ultraschall erfasst.
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Im Verfahrensschritt S9 wird der zweite Ultraschalldatensatz, gegebenenfalls einschließlich eines das Resektat beschreibenden oder repräsentierenden Ultraschall-Resektatdatensatzes, mit dem aktuellsten 3D-Ddatensatz und/oder mit dem präoperativen 3D-Ddatensatz registriert. Dies kann beispielsweise automatisch durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 durchgeführt werden.
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Wie bereits für die Registrierung beziehungsweise Registrierungen im Verfahrensschritt S6 kann hierbei eine lokale, also ortsabhängige Gewichtung der Registrierung angewendet werden. Dabei können verschiedene der Strukturen 4 unterschiedlich behandelt werden. So kann beispielsweise eine Registrierungsgenauigkeit für lokale Strukturen 16, die sich in größerer Nähe zu der Resektionsfläche 11 befinden im Vergleich zu einer Registrierungsgenauigkeit für ferne Strukturen 17, die sich in größerer Entfernung zu der Resektionsfläche 11 befinden, priorisiert werden. Dies kann insbesondere im Fall von deformierbaren Organen, wie etwa der Leber, vorteilhaft sein und es ermöglichen, auf ein aufwendiges globales Deformationsmodell für das jeweilige gesamte Organ zu verzichten.
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Im Verfahrensschritt S10 wird anhand des zweiten Ultraschalldatensatzes, gegebenenfalls des Resektatdatensatzes und des 3D-Ddatensatzes sowie gegebenenfalls des Planungsdatensatzes das Ergebnis der Resektion überprüft beziehungsweise bewertet. Dies kann beispielsweise automatisch durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise das im Verfahrensschritt S2 festgelegte oder vorgegebene Erfolgskriterium überprüft werden. So kann beispielsweise ein Abstand der Resektionsfläche 11 zu den Strukturen 4, zu der ursprünglichen Oberfläche 14 oder zu einem Zentrum einer durch die Resektion in oder an dem Untersuchungsobjekt 3 entstandenen Ausnehmung oder dergleichen mit einem vorgegebenen Abstandsschwellenwert verglichen werden. Ein jeweiliges Ergebnis der Bewertung oder Überprüfung kann auch automatisch durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 visualisiert werden, beispielsweise in dem 3D-Modell 13 und/oder mittels virtueller oder augmentierter Realität. Bevorzugt kann durch die Datenverarbeitungseinrichtung 7 automatisch eine Empfehlung für Korrekturen der Resektion ausgegeben werden für die Bereiche, in denen die Resektionsfläche 11 nicht das vorgegebene Erfolgskriterium erfüllt.
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Insgesamt zeigen die hier beschriebenen Beispiele wie mittels einer Live-Generierung der Resektionsfläche 11 mittels Ultraschall sowie mittels eines nachträglichen Ultraschall-Sweeps über die Resektionsfläche 11 zur Erfolgs- oder Abstandsbewertung, beispielsweise bezüglich Tumorgrenzen, medizinisches Personal technisch bei einer Intervention unterstützt werden kann.
