DE19929808C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme von Ultraschallbildern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme von Ultraschallbildern, mit einem Ultraschallkopf (2) zur Aufnahme der Ultraschallbilder, einem Positionssensor (1) zur Detektion der jeweiligen Position des Ultraschallkopfes (2) während der Aufnahme der Ultraschallbilder und einem Datenverarbeitungsgerät zur Verknüpfung und Zuordnung der einzelnen Ultraschallbilder, wobei der Positionssensor (1) eine Aufnahme für unterschiedliche Führungen (10a-c) und einen Detektor (7) zur Detektion der jeweiligen Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) aufweist. Der Detektor (7), der vorteilhafterweise im Positionssensor (1) untergebracht ist, mißt die Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) optisch, magnetisch, mechanisch oder elektrisch. Die Führung (10a-c) hat entsprechende Positionsmarker (9) für eine bspw. inkrementale Erfassung der relativen Position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auf­ nahme von Ultraschallbildern nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Aufnahme von Ultraschall­ bildern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren sind beispielsweise aus der EP 433 306 oder der US 5 159 931 bekannt, wonach der Ultraschallkopf, der die einzelnen Ultraschallbilder aufnimmt, entlang des aufzunehmen­ den Objekts verfahren wird, wobei die Position des Ultra­ schallkopfes mittels eines Positionssensors während der Auf­ nahme der Ultraschallbilder gemessen wird. Diese Positions­ messung dient einem Datenverarbeitungsgerät zur Verknüpfung und Zuordnung der einzelnen Ultraschallbilder, wodurch bei­ spielsweise aus einer sukzessiv aufgenommenen Reihe von zwei­ dimensionalen Bildern eine dreidimensionale Darstellung des aufgenommenen Objekts gewonnen werden kann. Für die Zuordnung der einzelnen zweidimensionalen Ultraschallbilder ist die Position des jeweiligen Ultraschallbildes relativ zu den anderen Ultraschallbildern von äußerster Wichtigkeit. Da ohnehin der Raum zwischen den einzelnen zweidimensionalen Ultraschallbildern geschätzt, d. h. beispielsweise interpoliert werden muß, ist die Position der einzelnen Teilbilder unter­ einander, d. h. die relative Lage und der entsprechende Ab­ stand, wichtig für die Schärfe des sich ergebenden dreidi­ mensionalen Ultraschallbildes.

Herkömmliche Systeme benutzen dabei entweder motorgesteuerte Aufnahmeverfahren, indem der Ultraschallkopf anhand eines festvorgegebenen Bewegungsablaufes positioniert wird, um die Ultraschallbilder sukzessive aufzunehmen. In der Medizin­ technik ist es beispielsweise auch bekannt, den Patienten mit einer festvorgegebenen Geschwindigkeit des Ultraschallkopfes "abzutasten", während der Ultraschallkopf einzelne Bilder der inneren Organe des Patienten aufnimmt.

Darüber hinaus ist beispielsweise aus der EP 0 736 284 A2 be­ kannt, den Ultraschallkopf frei zu bewegen, wobei ein am Ultraschallkopf angebrachter Positionssensor mittels elektro­ magnetischer Wellen von an unterschiedlichen Stellen im Raum aufgebauten Detektoren detektiert wird, so daß die Position des Ultraschallkopfes relativ zu den Detektoren im Raum fest­ gestellt werden kann. Diese elektromagnetischen Sensoren detektieren alle 6 Freiheitsgrade, um so die jeweilige Position und Bewegungsrichtung des Ultraschallkopfes den einzelnen zu den unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Bildern zuzuordnen. Diese Zuordnung in allen 6 Freiheitsgraden ist auch bei motorgesteuerten Aufnahmen möglich.

Diese bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind in den meisten Fällen sehr teuer, sehr groß und unhandlich, so daß es bei vielen Anwendungsgebieten insb. in der Medizintechnik zu aufwendig ist, um eine Ultraschallaufnahme anzufertigen. Auch sind die bekannten Vorrichtungen und Verfahren in der Anschaf­ fung sehr teuer, so daß der Preis für die Durchführung einer Ultraschallaufnahme sehr hoch ist. Oft ist es jedoch ausrei­ chend, die Bewegung des Ultraschallkopfes nicht in allen 6 Freiheitsgraden zu erfassen, da dieser oftmals lediglich in einer Hauptrichtung, beispielsweise linear oder bogenförmig bewegt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, die mit einfacher Sensortechnik die jeweilige Position und Be­ wegung des Ultraschallkopfes zu detektieren erlauben und dabei schnell und kostengünstig herstellbar bzw. durchführbar sind.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.

Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, die mit einer sehr einfachen Sensortechnik mindestens einen Freiheitsgrad der Bewegung des Ultraschallkopfes aufnehmen können, es gleichzeitig jedoch ermöglichen, schnell zwischen parallelen, bogenförmigen, zirkularen und rotatorischen Bewegungen umzustellen.

Der Ultraschallkopf ist dafür mit einem Positionssensor ausge­ rüstet, der eine Aufnahme für unterschiedliche Führungen und einen Detektor zur Detektion der jeweiligen Position des Ultraschallkopfes relativ zu der Führung aufweist. Der Detek­ tor des Positionssensors mißt dabei die Position des Ultra­ schallkopfes relativ zur Führung mittels optischer, magneti­ scher, mechanischer oder elektrischer Mittel. Um die Bewegung des Ultraschallkopfes in verschiedene Richtungen zu ermög­ lichen, sind die Führungen vorteilhafterweise gerade, bogen­ förmig, kreisförmig oder elliptisch geformt, um entsprechende parallele, bogenförmige, zirkulare oder rotatorische Bewegungen des Ultraschallkopfes zu ermöglichen.

Der Positionssensor ist mittels einer Befestigung am Ultraschallkopf befestigt und weist eine Aufnahme auf, durch welche die Führung führbar ist. Die Führung selbst ist je nach angewendeter Sensortechnik mit optischen, magnetischen, mecha­ nischen oder elektrischen Mitteln ausgestattet, um dem Detek­ tor des Positionssensors die Messung der jeweiligen Bewegungs­ richtung, Geschwindigkeit und Position des Ultraschallkopfes während seiner Bewegung entlang der Führung zu ermöglichen.

Um es dem Anwender zu ermöglichen, die erfindungsgemäße Vor­ richtung für unterschiedliche Einsatzgebiete und an unter­ schiedlichen Orten einzusetzen, ist die Aufnahme des Posi­ tionssensors derart gestaltet, daß sie unterschiedliche Führungen aufnehmen kann. Beispielsweise weist die Aufnahme federelastisch vorgespannte Kugellager auf, die gegen Lauf­ flächen der Führungen, wie beispielsweise einer Nut oder einer Rille, vorgespannt sind, um so unterschiedlich gebogene oder geformte Führungen aufnehmen zu können. Mittels dieser vorge­ spannten Kugellager ist es auch möglich, den Ultraschallkopf entlang der Führung stets positionstreu "entlanggleiten" zu lassen.

Die Führungen weisen beispielsweise voneinander beabstandete Positionsmarker auf, so daß der Detektor die Position des Ultraschallkopfes relativ zur Führung inkremental mißt. Dabei ist es zweckmäßig, die jeweiligen Positionsmarker derart zu beabstanden, daß zwischen den Aufnahmen von zwei Ultraschall­ bildern der Ultraschallkopf mehrere Positionsmarker passiert. Diese Positionsmarker sind beispielsweise elektrische Kontak­ te, magnetische oder reflektierende Flächen, Erhebungen, Farbmarkierungen oder Durchbrüche, um von entsprechenden Detektoren detektiert zu werden. Die Führungen selbst sind beispielsweise Metall- oder Kunststoffschienen, die im Falle einer optischen Abtastung einen Strich- oder Barcode aufweisen, der durch einen optischen Detektor detektiert wird.

Mit Vorteil enthält dieser Barcode außer zum Zwecke der inkrementalen Abtastung der Position des Ultraschallkopfes weitere Informationen über die Art der verwendeten Führung, so daß das Datenverarbeitungsgerät, welches die entsprechenden Signale des Detektors erhält, gleichzeitig Informationen über die Art der Bewegung verarbeiten kann. Wird beispielsweise eine bogenförmige Führung verwendet, die einen bestimmten Radius aufweist, ist es zweckmäßig, den Barcode derart zu programmieren, daß der Detektor im Sinne eines "optischen Scanners" zu Beginn der Aufnahme erkennt, daß die einzelnen Ultraschallbilder fächerartig mit einem gemeinsamen Strahl­ mittelpunkt voneinander beabstandet sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß der Barcode Informationen über den Ab­ stand der Strichmarkierungen oder weitere für den Detektor oder die spätere Zuordnung der Ultraschallbilder wichtige Informationen enthält.

Ebenfalls ist es möglich, daß der Positionssensor selbst lediglich Detektoranschlüsse aufweist, um externe Detektoren anzuschließen, die im Ultraschallkopf selbst oder auch im Datenverarbeitungsgerät bereits vorhanden sind. Beispielsweise können elektrische Leitungen oder auch Lichtleiter zu dem Positionssensor geführt werden, so daß der Detektor im Positionssensor selbst entfällt.

Während der Ultraschallkopf also beispielsweise entlang einer Führungsschiene geführt wird und der Detektor im Positions­ sensor inkremental auf Schienen angebrachte Strichcodes mißt, kann die Position des Ultraschallkopfes festgestellt werden, wenn die Führungsschiene während des Aufnahmevorganges fest­ steht. Für die meisten praktischen Anwendungsfälle reicht es jedoch, wenn die Führungsschiene mit der einen Hand des Arztes oder Anwenders gehalten wird, während der Ultraschallkopf mit der anderen Hand bewegt wird. Durch die Ausgestaltung einer symmetrischen Aufnahme am Positionssensor können beispiels­ weise ein und dieselben Führungsschienen für unterschiedliche Bewegungen verwendet werden. Wird beispielsweise eine bogen­ förmige Führungsschiene um 90° gedreht, wird aus einer bogen­ förmigen Aufnahmebewegung eine rotatorische Aufnahmebewegung.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 Die schematische dreidimensionale Darstellung eines Ultraschallkopfes mit einem Positionssensor;

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Posi­ tionssensors mit rechteckförmiger Führung;

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Posi­ tionssensor mit bogenförmiger Führung;

Fig. 4 die dreidimensionale Ansicht eines Ultra­ schallkopfes mit Positionssensor, zirku­ larer Führung und entsprechender Aufnahme, und

Fig. 5a, b verschiedene Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Positionssensor 1, der mittels einer Be­ festigung 3 am Ultraschallkopf 2 angebracht wird. Die Befesti­ gung 3 kann beispielsweise ein doppelseitiges Klebeband oder auch ein Verbindungsplättchen sein, welches am Ultraschallkopf klebend, haftend oder mittels einer Schraubverbindung be­ festigt wird und weitere Mittel aufweist, um den Positions­ sensor 1 am Ultraschallkopf 2 sicher zu halten. Darüber hinaus sind Kontakte 4 oder auch optional ein Referenzpunkt 5 vorge­ sehen, um ggf. die für den Detektor 7 vorgesehenen Versor­ gungs- und Datenleitungen über eine zentrale Anschlußleitung 8 zu führen. Ebenfalls schematisch dargestellt sind Kugellager 6, die zur sicheren und paßgenauen Führung einer in Fig. 2 dargestellten Führung 10a dienen. Die Kugellager sind vor­ teilhafterweise federelastisch vorgespannt, um nicht nur lineare Führungen 10a, wie in Fig. 2 dargestellt, aufzunehmen, sondern beispielsweise auch bogenförmige Führungen 10b, wie in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 2 zeigt den Positionssensor 1 separat ohne Ultraschall­ kopf 2 und eine lineare Führung 10a, auf welcher Positions­ marker 9, wie beispielsweise Strichmarkierungen, elektrisch leitendes Material oder auch Wölbungen angebracht sind, um es dem Detektor 7 im Positionssensor 1 zu ermöglichen, die je­ weilige Position des Positionssensor 1 und damit die relative Position des Ultraschallkopfes 2 zur Führung 10a festzu­ stellen.

Dabei ist es für die Ultraschalldiagnostik meist unerheblich, die absolute Position des Ultraschallkopfes 2 im Raum festzu­ stellen, da lediglich die relative Position der einzelnen auf­ genommenen zweidimensionalen Ultraschallbilder untereinander festgestellt werden muß. Hierzu dient die frei im Raum beweg­ liche Führung 10a, die möglicherweise auf beiden Enden auf­ steckbare Füße aufweisen kann, um so beispielsweise auf den Bauch eines Patienten gestellt zu werden, über welchen dann der Ultraschallkopf entlang der parallel zur Bauchoberfläche liegenden Führung 10a bewegt wird.

Ebenfalls in Fig. 2 dargestellt sind Detektoranschlüsse 11 bzw. 12, so daß beispielsweise über die Detektoranschlüsse 11 Lichtleiter angeschlossen werden können, wobei durch einen der Anschlüsse 11 einfallendes Licht auf einer Oberfläche der Führung 10a gespiegelt wird, um durch den anderen der An­ schlüsse 11 mittels eines anderen Lichtleiters wieder abge­ führt zu werden. Indem nun die den Anschlüssen 11 zugewandte Seite der Führung 10a mit nicht reflektierenden Strichen oder leichten Wölbungen in der Spiegelfläche versehen wird, die voneinander äquidistant beabstandet sind, ergeben sich puls­ förmige Lichtsignale, deren Frequenz die Verfahrgeschwin­ digkeit des Ultraschallkopfes wiedergibt.

Durch den Detektoranschluß 12 können beispielsweise elektri­ sche Leiter eingeführt werden, die mittels Schleifkontakten elektrisch leitende Strichmarkierungen auf der Führung 10a abtasten, um so "bei Stromfluß" die Existenz bzw. Nicht­ existenz einer Strichmarkierung festzustellen.

Fig. 3 zeigt eine bogenförmige Führung 10b, die durch densel­ ben Positionssensor 1 wie in Fig. 2 führbar ist, da dieser mittels einer geeigneten Aufnahme auch gekrümmte Führungen aufnehmen kann. Hierzu dienen beispielsweise die vorerwähnten federelastisch vorgespannten Kugellager 6.

Fig. 4 zeigt die dreidimensionale Aufnahme eines Ultraschall­ kopfes 2 mit Positionssensor 1, Befestigung 3, Führung 10c und entsprechende Positionsmarker 9. Die Positionsmarker 9 sind hier durch schwarze Striche realisiert, die mittels eines op­ tischen Detektor detektiert werden. Die Führung 10c ist zir­ kular gestaltet, wobei der Querschnitt der Führung 10c qua­ dratisch ist. Durch Drehung der Führung 10c um 90° nach innen wird aus der zirkularen Aufnahmerichtung des Ultraschallkopfes 2 eine rotatorische Aufnahmerichtung, wobei sich auf der dann dem Positionssensor 1 zugewandten Seite der Führung 10c eben­ falls Positionsmarker 9 in Form von Inkrementalstreifen be­ finden.

Fig. 5a und 5b zeigen unterschiedliche Anwendungsmöglich­ keiten der Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Ein Ultraschallkopf 2 mit Positionssensor 1 wird entlang der Führung 10c und entsprechenden Positionsmarker 9 verfahren. Die Führung 10c ist auch hier zirkular gestaltet. Die Abstützung 16 der Führung 10c kann dabei auf beliebig geformte Oberflächen 15 von zu untersuchenden Objekten 13, wie beispielsweise der Bauch einer Mutter, gestellt werden, um die Ultraschallaufnahmen anzufertigen. Der Ultraschallstrahl 14 dringt dabei in das zu untersuchende Objekt 13 fächerförmig ein. Während Fig. 5a eine konvexe Oberfläche 15 darstellt, ist in Fig. 5b eine konkave Oberfläche angedeutet, beispiels­ weise der Bereich zwischen Mutterbauch und Mutterbrust. Objekte 13 mit beiden dargestellten Oberflächen 15 können gleichermaßen durch das erfindungsgemäße Verfahren mit ein und derselben erfindungsgemäßen Vorrichtung untersucht werden. Das Abstützen der Führungsschienen passt sich somit automatisch an beliebig geformte, ggf. anatomische Objekte an.

Die entsprechenden Führungsschienen können aus Kunststoff, Metall oder anderen Materialien bestehen, die für den jewei­ ligen Anwendungszweck bzw. Detektor 7 geeignet sind. Dabei ist die Aufnahme des Positionssensor 1 für die verschiedenen In­ krementalschienen ausgebildet, so daß der Untersucher, d. h. die Bedienperson der Ultraschallaufnahmevorrichtung, die Auf­ nahmemodalitäten und die Aufnahmebereiche des Ultraschall­ verfahrens schnell ändern kann (Sweep-Aufnahme, Rotationsauf­ nahme oder eine parallele Aufnahme). Gerade bei medizinischen Anwendungen ist die einfache und schnelle Auswechselbarkeit bzw. Demontage der Führungen vorteilhaft, um die strengen hygienischen Anforderungen zu erfüllen.

Unterschiedliche Durchmesser der bogenförmigen Führungen ermöglichen eine Anpassung der Vorrichtung an gewünschte Montagehöhen für Sweep-Bewegungen bzw. an den effektiven Durchmesser des Ultraschallkopfes 2 mit Meßeinrichtungen für Rotationsbewegungen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Aufnahme von Ultraschallbildern, mit
einem Ultraschallkopf (2) zur Aufnahme der Ultraschallbilder,
einem Positionssensor (1) zur Detektion der jeweiligen Position des Ultraschallkopfes (2) während der Aufnahme der Ultraschallbilder, und
einem Datenverarbeitungsgerät zur Verknüpfung und Zuordnung der einzelnen Ultraschallbilder,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Positionssensor (1) eine Aufnahme für unterschiedliche Führungen (10a-c) und einen Detektor (7) zur Detektion der jeweiligen Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (7) die Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) optisch, magnetisch oder elektrisch mißt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (10a-c) bogenförmig geformt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (10a-c) kreisförmig oder elliptisch geformt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme des Positionssensors (1) Kugellager (6) aufweist, die gegen Laufflächen der Führungen (10a-c) federelastisch vorgespannt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (10a-c) voneinander beabstandete Positionsmarker (9) aufweisen, so daß der Detektor (7) die Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) inkremental mißt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (10a-c) aus Metall- oder Kunststoffschienen bestehen, die einen Strich- oder Barcode aufweisen, der durch einen optischen Detektor (7) detektiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (10a-c) die voneinander beabstandeten Positionsmarker (9) als Barcode aufweisen, der zusätzlich Informationen über die Art der verwendeten Führung (10a-c) beinhaltet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (1) Detektoranschlüsse (11, 12) zum Anschluß externer Detektoren (7) oder zum Anschluß einer Datenübertragungsleitung für interne Detektor (7) innerhalb des Positionssensors (7) aufweist,

10. Verfahren zur Aufnahme von Ultraschallbildern, wobei
Ultraschallbilder mit einem Ultraschallkopf (2) aufgenommen werden,
die jeweilige Position des Ultraschallkopfes (2) während der Aufnahme der Ultraschallbilder detektiert wird, und
die einzelnen Ultraschallbilder mittels eines Datenverarbeitungsgeräts verknüpft und zugeordnet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die jeweilige Position des Ultraschallkopfes (2) mit einem unterschiedliche Führungen (10a-c) aufnehmenden Positions­ sensor (1) detektiert wird, wobei die jeweilige Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) detektiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Ultraschallkopfes (2) relativ zur Führung (10a-c) optisch, magnetisch oder elektrisch gemessen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Ultraschallkopfes (2) inkremental mit einem auf Schienen angebrachten Strichcodes gemessen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß eine symmetrische Aufnahme des Positionssensors (1) verwendet wird, so daß dieselbe Führung (10a-c) für unterschiedliche Aufnahmerichtungen verwendbar ist.