DE60313947T2

DE60313947T2 - System und verfahren zur kartierung von unregelmässigkeiten von hartem gewebe

Info

Publication number: DE60313947T2
Application number: DE2003613947
Authority: DE
Inventors: Natan Sela; Shmuel Bukshpan; Lior Cohen; Michael Kardosh
Original assignee: GE Medical Systems Israel Ltd
Current assignee: GE Medical Systems Israel Ltd
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2003-01-05
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2023-01-06
Also published as: DE60313947D1; IL162907A0; EP1471829A4; JP2005526539A; WO2003057000A2; JP2005525842A; EP1465530B1; WO2003057001A2; WO2003057001A3; AU2003206103A1; EP1465530A2; US20060189869A1; EP1471829A2; JP4173103B2; WO2003057000A3; CA2472376A1; AU2003207947A8; EP1465530A4; AU2003207947A1

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität aus der am 7. Januar 2002 eingereichten US Patentanmeldung 60/344 803 und aus der am 1. März 2002 eingereichten US Patentanmeldung 60/361 091 .
FELD UND HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Abbildung von Unregelmäßigkeiten von hartem Gewebe. Insbesondere betrifft die Erfindung das Erfassen von Unregelmäßigkeiten (beispielsweise Brüchen, Gelenkanomalien und implantierten chirurgischen Ankern) in hartem Gewebe, wie Knochen.
Gemäß der American Academy of Orthopaedic Surgeons werden allein in den USA jedes Jahr etwa 6,5 Millionen Knochenbrüche diagnostiziert. Die orthopädische Medizin hat sich bisher traditionell auf radiographische Bilder (beispielsweise Röntgen- oder CT-Scans) von Knochengewebe als ein Mittel zur Diagnose von Knochenanomalien, zu denen Brüche und Missbildungen gehören, verlassen. Diese Verfahren erfordern die Belastung eines Patienten mit Strahlung.
Das US-Patent 4 798 210 von Ledley beschreibt ein Verfahren zum Entwickeln eines 3D-Bilds eines dreidimensionalen Objekts mittels Ultraschall, wobei ein erstes Bild mit einem zweiten Bild kombiniert wird, um ein 3D-Bild zu erzeugen. Auch hier enthalten die Ausführungen von Ledley weder einen Hinweis noch einen Vorschlag, dass ein Rendern von Knochen oder darin vorhandenen Unvollkommenheiten durch Ultraschall erzeugt werden kann.
Das US-Patent 5 924 989 von Polz ist ein weiteres Beispiel eines dreidimensionalen Ultraschallsystems zum Aufnehmen von Bildern sich bewegender Organe, beispielsweise des Nerzes oder anderer Teile des respiratorischen Systems. Wie Ledley verwendet Polz eine Kombination verschiedener Bilder, um das dreidimensionale Bild zu vervollständigen. Auch hier enthalten die Ausführungen von Polz weder einen Hinweis noch einen Vorschlag, dass ein Rendern von Knochen oder Unvollkommenheiten darin durch Ultraschall erzeugt werden kann.
Das US-Patent 5 928 151 von Hossack et al. ist ein weiteres Beispiel eines dreidimensionalen Ultraschallscannersystems. Auch hier enthalten die Ausführungen dieses Patents weder einen Hinweis noch einen Vorschlag, dass ein Rendern von Knochen oder Unvollkommenheiten darin durch Ultraschall erzeugt werden kann. Vielmehr trifft das Gegenteil zu; die Hervorhebung der Fähigkeit ohne Kontrastmittel auskommen zu können, lässt annehmen, dass Hossack lediglich Weichteilgewebeanwendungen in Betracht zog.
Das US-Patent 6 120 453 von Sharp betrifft ein dreidimensionales Ultraschallsystem. Die Ausführungen dieses Patents ähneln jenen von Ledley und Polz. Auch in diesem Fall verwendet Sharp die Kombination mehrerer Bilder, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Gleichfalls äußert Sharp weder einen Hinweis noch einen Vorschlag, dass Renderungen von Knochen oder von darin vorhandenen Unvollkommenheiten durch Ultraschall erzeugt werden können.
Zusammenfassend deutet keines der Patente dieser ersten Gruppe auch nur an, dass die Erzeugung von Karten über Unregelmäßigkeiten von Knochen mittels Ultraschalltechnologie durchgeführt werden kann. Stattdessen betonen sie unter schiedliche Mittel zum Steigern der Auflösung von 3D-Bildern von Weichteilgewebe. Ein unmittelbarer Einsatz dieser Verfahren für hartes Gewebe ist untauglich, da die Echoreflexionseigenschaften von Weichteilgewebe nicht mit jenen des harten Gewebes vergleichbar sind.
Das Konzept der Ultraschallbildgebung von Knochen ist ebenfalls nicht unbekannt. Allerdings sind durch Ultraschall erzeugte Bilder von Knochen gewöhnlich nicht dreidimensional, wie anhand der folgenden zweiten Gruppe von Patenten aus dem Stand der Technik exemplarisch gezeigt.
Das US-Patent 4 476 873 von Sorenson et al. betrifft ein Ultraschallscansystem, das zum Abbilden von Skeletstrukturen dient. Dieses Scannersystem kann zwischen hartem und weichem Gewebe unterscheiden und wird zum Entdecken von Skoliose verwendet. Allerdings geht aus 14–18 dieses Patents klar hervor, dass die Daten zwar in drei Dimensionen gesammelt werden können, die Ausgabe jedoch als Graphen erfolgt. Es ist somit ein spezifischer Nachteil des Patents von Sorenson, dass anhand des Scans keine Bilder erzeugt werden. Sorenson lehrt eine Unterscheidung zwischen Luft enthaltenen Lungen und Knochen. Es ist einsichtig, dass Lungengewebe, das abwechselnde Schichten von Luft und Weichteilgewebe aufweist, sich stärker von Knochen unterscheidet als andere Weichteilgewebe wie Muskeln. Darüber hinaus lehrt Sorenson, dass der größte Teil der abgestrahlten Energie aufgrund von Snell's Gesetz längs einer Linie reflektiert wird, die gegenüber einer Längsachse des abstrahlenden Wandlers unter einem Winkel verläuft. Folglich lehrt Sorenson eine beträchtliche Verstärkung der geringen Menge reflektierter Energie, die entlang dieser Achse zurückkehrt oder, in der Abwandlung, ein Erfassen reflektierter Energie an einem oder mehreren zusätzlichen Wandlern. Sorenson lehrt somit die Bestimmung von Koordinaten eines Punktes in drei Freiheitsgraden, im Gegensatz zu sechs Freiheitsgraden. Folglich werden Änderungen eines Winkels einer Fläche über eine Strecke durch diese Ausführungen nicht ermittelt. Dies ist ein deutlicher und spezifischer Nachteil, der diese Ausführungen untauglich für den Einsatz in der Bildgebung von Oberflächenunregelmäßigkeiten langer Knochen macht.
Das US-Patent 5 140 988 von Stouffer et al. betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbilden von Knochenstrukturen im Rumpf von Lebewesen. 2 und 3 dieses Patents zeigen, dass sich die Ausführungen von Stouffer auf zweidimensionale Bilder von Knochen beziehen. Stouffer geht nicht auf die Bildgebung von Unregelmäßigkeiten wie Brüchen in der Knochenoberfläche ein.
Das US-Patent 5 840 029 von Mazess et al. betrifft ein Verfahren zum Einsatz von Ultraschall für das Messen von Knochen. Mazess befasst sich hauptsächlich mit der Messung von Knocheneigenschaften. Mazess geht nicht auf die Bildgebung von Unregelmäßigkeiten wie Brüchen in der Knochenoberfläche ein.
Das US-Patent 5 879 301 von Chibrera et al. betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Eigenschaften von Knochen mittels Ultraschall, insbesondere, um Osteoporose zu entdecken. Es ist ein spezifischer Nachteil von Chibrera, dass die Erzeugung von Bildern von gemessenen Knochen oder deren Oberflächenunregelmäßigkeiten nicht gelehrt wird.
Das US-Patent 6 015 383 von Buhler et al. lehrt, die Eigenschaften von Knochengewebe mittels akustischer Analyse zu erfassen, wobei der Rand der Knochen erfasst wird. Allerdings lassen 3–6 dieses Patents klar erkennen, dass die Ausgaben in Form von Graphen erfolgen. Somit ist es ein spezifischer Nachteil von Buhler, dass anhand des Scans keine Bilder erzeugt werden.
Das US-Patent 322 507 von Passi et al. betrifft ein Ultraschallsystem zur Analyse von Knochengewebe. Wie andere Patente in dieser Gruppe, weist es den spezifischen Nachteil auf, das Ausgaben in Form von Graphen anstelle von Bildern erfolgen. Darüber hinaus werden gemäß diesen Ausführungen nicht Flächenpositionskoordinaten sondern akustische Eigenschaften erfasst.
Somit lehren zwar einige Patente aus dieser zweiten Gruppe von Patenten die Untersuchung von Knochen mittels Ultraschalltechnologie, erwähnen allerdings nicht die Herstellung von Karten von Oberflächenunregelmäßigkeiten bei Knochen.
Weitere Patente, die sich mit Ultraschallbildgebung von Knochen befassen, werden im Folgenden unterbreitet.
Das US-Patent 5 305 752 von Spivey betrifft ein System zur Bildgebung von Gewebe im Körper mittels akustischer Wellen. Spivey lehrt zwar die Erzeugung eines einzelnen Ultraschallbilds, das sowohl Weichteilgewebe als auch Knochen darstellt, allerdings ist das Bild ein Schnittbild (d.h., es ist zweidimensional). Spivey geht nicht auf die Bildgebung von Oberflächenunregelmäßigkeiten wie Brüchen ein.
Das US-Patent 5 465 722 von Fort et al. betrifft ein dreidimensionales Ultraschallsystem. Zwar beinhalten diese Ausführungen die Erzeugung eines 3D-Bilds eines Knochens (13), enthalten jedoch nicht die Bildgebung von Oberflächenunregelmäßigkeiten wie Brüchen. Das US-Patent 6 375 616 von Soferman et al. betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Gewichts eines Fetus im Uterus. Soferman lehrt zwar die Anwendung von Graustufenschwellwerten zur Isolierung von Knochen von sonstigem Gewebe in einem Bild, seine Ausführungen schließen allerdings nicht die Bildgebung von Oberflächenunregelmäßigkeiten wie Brüchen ein.
Das US-Patent 6 390 982 von Bova et al. betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes. Die Ausführungen von Bova betreffen Ultraschallsonden als eine Ergänzung zu einer zweiten Bildgebungstechnologie bei der Lokalisierung von Knochen. Dies bedeutet, dass die Erzeugung des dreidimensionalen Bildes allein anhand von Ultraschallbilddaten außerhalb des Gegenstands der Ausführungen von Bova ist. Darüber hinaus lehrt Bova nicht die Bildgebung von Oberflächenunregelmäßigkeiten wie Brüchen.
Das US-Patent 6 413 215 von Wu et al. betrifft ein Ultraschallsystem zum Erfassen des Verschleißes künstlicher Gelenke. Die Ausführungen von Wu basieren auf einer Streuung von Ultraschallenergie aufgrund von Kavitationsereignissen in der Synovialflüssigkeit. Darüber hinaus lehrt Wu eine Ausgabe von Daten, die die Partikelgröße, jedoch nicht die Partikelposition betreffen. Insgesamt sind diese Ausführungen für die vorliegende Anmeldung kaum von Bedeutung, da ein Auftreten von Kavitationsereignissen bei einer typischen Erfassung von Oberflächenunregelmäßigkeiten von hartem Gewebe nicht erwartet wird.
Das US-Patent 5 235 981 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und Lokalisieren eines knöchernen Bereichs durch Ultraschall. Das US-Patent 5 235 981 erwähnt das Ermitteln einer Einschwingvorgangsstörung in einem echografischen Signal als einen Weg der Ermittlung einer Knochendiskontinuität.
Das US-Patent 5 197 475 offenbart eine Vorrichtung zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften eines kompakten Materials, beispielsweise von Knochen. Die Vorrichtung ermöglicht eine Analyse der Behandlung für Osteoporose und eine Beurteilung, ob die betreffende Behandlung die Anfälligkeit eines Patienten für Knochenbruch tatsächlich reduziert hat.
Die WO 97/13145 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften eines eine Oberfläche aufweisenden Festkörpers durch ein dazwischenliegendes Medium.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abbildung von Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche eines harten Gewebes innerhalb eines Zielgebiets geschaffen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: (a) von einem Ultraschallwandler unter einem ersten schiefen Einfallswinkel an einer definierten Position einen fokussierten Strahl von Ultraschallenergie gegen die Oberfläche des harten Gewebes abzustrahlen; (b) falls eine Echoreflexion von der Oberfläche des harten Gewebes von dem Wandler aufgenommen wird, und nur in diesem Fall, die definierte Position aufzuzeichnen; (c) die Position des Wandlers in sechs Freiheits graden zu definieren; (d) einen Satz von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes zu berechnen, der die Echoreflexion hervorruft; (e) den Ultraschallwandler an eine andere definierte Position zu bewegen; (f) die Schritte (a) bis (e) zu wiederholen; (g) die Schritte (a) bis (f) mit einem zusätzlichen Winkel, der mindestens um 20 Grad von dem vorherigen schiefen Winkel abweicht, zu wiederholen; (h) für jeden der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft, wenigstens einen Abschnitt eines Reflexionsdiagramms zu ermitteln (i) weiter für den mindestens einen bzw. für jeden Abschnitt eines Reflexionsdiagramms einen Grad von Normalität gemäß einer vorbestimmten Regel zu ermitteln, um eine Karte der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gewebes zu erzeugen; (j) jeden der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes einzustufen, wobei der zumindest eine Abschnitt eines Reflexionsdiagramms durch einen geringen Grad von Normalität gemäß der vorbestimmten Regel als im Zusammenhang mit einer Oberflächeneunregelmäßigkeit stehend gekennzeichnet ist; und (k) Zusammenstellen wenigstens eines Teils der Sätze von Positionskoordinaten, um eine Karte der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des harten Gewebes zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Abbilden von Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche eines harten Gewebes innerhalb eines Zielgebiets geschaffen. Das System enthält wenigstens einen Ultraschallwandler, eine Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung und eine Zentraleinheit. Der wenigstens eine Wandler ist an einer definierten Position positioniert und ist in der Lage, einen fokussierten Strahl von Ultraschallenergie gegen die Oberfläche des harten Gewebes unter einem ersten schiefen Einfallswinkel abzustrahlen, und ist ferner in der Lage, wenigstens einen Teil der Energie als eine Echoreflexion von der Oberfläche des harten Gewebes zu empfangen, und ist weiter in der Lage, Daten mit der Zentraleinheit auszutauschen. Die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung ist an dem wenigstens einen Wandler betriebsmäßig angeschlossen und ist dazu entwickelt und konstruiert, um in der Lage zu sein, den schiefen Einfallswinkel zwischen dem fokussierten Strahl und der Fläche des harten Gewebes in Reaktion auf einen Befehl von der Zentraleinheit anzupassen; und um ferner in der Lage zu sein, die Position des Wandlers als einen Satz von Positionskoordinaten in sechs Freiheitsgraden zu definieren und den Satz von Koordinaten zu einer Zentraleinheit zu übermitteln, und um ferner in der Lage zu sein, den wenigstens einen Ultraschallwandler zu einer Serie von verschiedenen definierten Positionen zu bewegen. Die Zentraleinheit (ist) konstruiert und konfiguriert, um in der Lage zu sein, den Satz von Positionskoordinaten, der die Position des wenigstens einen Wandlers von der Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung weg definiert, zu empfangen, und um ferner in der Lage zu sein, einen zusätzlichen Satz von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des die Echoreflexion hervorrufenden harten Gewebes zu berechnen, und um ferner in der Lage zu sein, mehrere Sätze von Positionskoordinaten zusammenzustellen, um eine Karte der Oberfläche des harten Gewebes zu erzeugen.
Gemäß weiteren Merkmalen in bevorzugten Ausführungsbeispielen der unten beschriebenen Erfindung gehören zu dem Verfahren ferner die Schritte: (h) für jeden der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft, wenigstens ei nen Abschnitt eines Reflexionsdiagramms zu ermitteln; (i) weiter für den mindestens einen bzw. für jeden Abschnitt eines Reflexionsdiagramms einen Grad von Normalität gemäß einer vorbestimmten Regel zu ermitteln, um eine Karte der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gewebes zu erzeugen; und (j) jeden der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes einzustufen, wobei der zumindest eine Abschnitt eines Reflexionsdiagramms durch einen geringen Grad von Normalität gemäß der vorbestimmten Regel als im Zusammenhang mit einer Oberflächeneunregelmäßigkeit stehend gekennzeichnet ist.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Wiederholung ein Einstellen des schiefen Einfallswinkels auf wenigstens einen zweiten schiefen Einfallswinkel.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das Verfahren ferner, wenigstens einen Teil des Verfahrens mittels einer Zentraleinheit durchzuführen.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das Steuern wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der die Schritte Einstellen und Aufzeichnen gehören.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das Steuern wenigstens eine Steuervorrichtung, die aus der aus mechanischer Steuerung, Auswahl aus einer Matrix und elektronischer Steuerung bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der das Einstellen und das Aufzeichnen gehören, von einem Arzt des Verfahrens manuell durchgeführt.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Zentraleinheit ferner dazu entwickelt und konstruiert, um in der Lage zu sein, einen Befehl zu der Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung zu übertragen, um zu veranlassen, dass sich der wenigstens eine Wandler zu der Serie unterschiedlicher definierter Positionen bewegt;
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Befehl aus der Gruppe ausgewählt, zu der gehören: ein Befehl an eine mechanische Steuerung, ein Befehl zum Umschalten auf einen anderen Wandler von dem wenigstens einen Wandler und ein Befehl an eine elektronische Steuerung.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung konstruiert und dazu eingerichtet, Eingaben von einem Anwender des Systems aufzunehmen, wobei die Eingaben aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer manuellen Positionseinstellung durch einen Systembediener und wenigstens einer durch die Bedienperson an die Zentraleinheit übermittelten Anweisung besteht.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das Verfahren ferner den Schritt, auf einer Anzeigevorrichtung wenigstens ein Element wiederzugeben, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der gehören: (i) Daten, die die Echoreflexion betreffen; (ii) der Satz von Positionskoordinaten für den die Echoreflexion hervorrufenden Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes; und (iii) wenigstens ein Abschnitt der Karte.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Karte eine zweidimensionale Karte.
Die vorliegende Erfindung mindert erfolgreich die Nachteile der gegenwärtig bekannten Konfigurationen durch Schaffung eines Systems und Verfahren zur Abbildung von Unregelmäßigkeiten von hartem Gewebe, beispielsweise Unvollkommenheiten in Knochen (beispielsweise Brüche, Gelenkanomalien und implantierte chirurgische Anker).
Die Verwirklichung des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung beinhaltet die manuelle, automatische oder kombinierte Durchführung oder Vervollständigung ausgewählter Aufgaben oder Schritte. Darüber hinaus könnten entsprechend dem tatsächlichen Instrumentarium und der Ausrüstung bevorzugter Ausführungsbeispiele des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung einige ausgewählte Schritte durch Hardware oder Software auf jedem Betriebssystem beliebiger Firmware oder auf einer Kombination davon durchgeführt werden. Beispielsweise könnten ausgewählte Schritte der Erfindung als Hardware in Form eines Chips oder eines Schaltkreises verwirklicht sein. Als Software könnten ausgewählte Schritte der Erfindung als eine Anzahl von Softwarebefehlen umgesetzt werden, die von einem Computer ausgeführt werden, der mit einem beliebigen geeigneten Betriebssystem läuft. Auf jeden Fall könnten ausgewählte Schritte des Verfahrens und Systems der Erfindung als durch einen Datenprozessor ausgeführt beschrieben sein, beispielsweise eine Rechnerplattform zum Ausführen einer Anzahl von Befehlen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist im Vorliegende anhand der beigefügten Zeichnungen lediglich exemplarisch beschrieben. Indem nun mit speziellem Bezug auf die Zeichnungen im Einzelnen eingegangen wird, wird betont, dass die gezeigten speziellen Einzelheiten lediglich als Beispiel und für Zwecke einer veranschaulichenden Erörterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dienen, und unterbreitet werden, um die denkbar nützlichste und verständlichste Beschreibung der Grundzüge und konzeptionellen Aspekte der Erfindung zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich wird nicht versucht, strukturelle Einzelheiten der Erfindung detaillierter zu zeigen als es für ein fundamentales Verständnis der Erfindung erforderlich ist, wobei die Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen dem Fachmann aufzeigt, wie sich die mehreren Ausführungsformen der Erfindung in der Praxis umsetzen lassen.
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Folge von Schritten, die bei Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
3a–c eine Anordnung von Ultraschallwandlern in Form von Matrices zum Einsatz im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
4a–4d Echoreflexion eines Ultraschallstrahls, der durch Weichteilgewebe in Richtung eines harten Gewebes abgestrahlt wurde, gemäß der vorliegenden Erfindung.
5a–5d Reflexionsdiagramme, die von in 4 gezeigten Reflexionen stammen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Abbilden von Unregelmäßigkeiten von hartem Gewebe, wobei das Verfahren zum Erfassen von Unvollkommenheiten in Knochen verwendet werden kann.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um Karten von Brüchen, Gelenkanomalien und implantierten chirurgischen Ankern zu erzeugen.
Die Grundzüge und Funktionsweise eines Systems und Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen und beigefügten Beschreibungen verständlicher.
Vor der Erläuterung wenigstens eines Ausführungsbeispiels wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und Anordnung der in der folgenden Beschreibung erörterten oder in den Zeichnungen veranschaulichten Komponenten beschränkt ist. Die Erfindung eignet sich für andere Ausführungsbeispiele o der kann auf vielfältige Weise in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Außerdem ist zu beachten, dass die im Vorliegenden verwendete Phraseologie und Terminologie der Veranschaulichung dienen soll und nicht als beschränkend zu betrachten ist.
Die vorliegende Erfindung wird bevorzugt durch ein Verfahren 20 (1) zum Abbilden von Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche 68 (2) eines harten Gewebes 70 innerhalb eines Zielgebiets 69 (3) verwirklicht. Das Zielgebiet 69 kann beispielsweise Haut, Fett, Muskeln, Blutgefäße, innere Organe und beliebige sonstige im Wesentlichen weiche, fluidartige, geringe Dichte aufweisende biologische Gewebe enthalten. Das Verfahren 20 beinhaltet das Abstrahlen 22 eines fokussierten Ultraschallenergiestrahls 66 von einem Ultraschallwandler 62 an eine definierte Position 64 gegen die Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 unter einem ersten schiefen Einfallswinkel 76.
Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche betrifft der Begriff "Ultraschall" Schallwellen mit einer Frequenz von mehr als etwa 20 kHz, eher bevorzugt im Bereich von 1 MHz bis 20 MHz.
Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche bedeutet der Begriff "fokussiert", dass ein Hauptanteil der abgestrahlten Energie auf einen definierten Bereich konzentriert ist, der eine Achse eines gesendeten Strahls umgibt. Die Fokussierung kann durch Wechselwirkung einer Vielzahl von gesendeten Strahlen verwirklicht werden. Abhängig von der Anordnung der abstrahlenden Wandler kann diese Wechselwirkung eine zeitliche Komponente (d.h. weiter entfernt von dem Zielgebiet angeordnete Wandler, die früher abstrah len, während näher an dem Zielgebiet angeordnete Wandler später abstrahlen) sowie eine räumliche Komponente einbeziehen.
Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche bezeichnet der Begriff "Strahl" einen von einer oder mehreren Quellen abgestrahlter Energiestrahl.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Strahl 66 vorzugsweise ein gepulster Strahl. Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche bedeutet der Begriff "gepulst" zeitlich definiert.
Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche beinhaltet der Begriff "hartes Gewebe", ohne darauf beschränken zu wollen, Knochen wie Rindenknochen oder Trabekelknochen. Der Begriff Knochen bezieht sich auf kalzifizierten vollkommen entwickelten Knochen, der in der Lage ist, eine Ultraschall-Echoreflexion in angenäherter Übereinstimmung mit Snell's Gesetz zu erzeugen. Ein sich entwickelnder Fetus kann zwar Knochen aufweisen, diese fetalen Knochen sind jedoch aus der Definition des harten Gewebes ausgeschlossen, da sie in erster Linie knorpelig sind, wobei eine wesentliche Kalzifizierung gewöhnlich erst lange nach dem Geburtsvorgang stattfindet.
Das Verfahren 20 beinhaltet ferner den Schritt, die definierte Position 64 aufzuzeichnen 24, falls und lediglich falls eine Echoreflexion 65 von der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 durch den Wandler 62 empfangen wird.
Das Verfahren 20 beinhaltet ferner den Schritt, die Position 64 des Wandlers 62 in sechs Freiheitsgraden zu definieren 26.
Das Verfahren 20 beinhaltet weiter den Schritt, einen Satz von Positionskoordinaten 46 für einen die Echoreflexion 65 bewirkenden Abschnitt der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 zu berechnen 28.
Das Verfahren 20 beinhaltet ferner den Schritt, den Ultraschallwandler 62 an eine andere definierte Position 64 zu bewegen 30.
Das Verfahren 20 beinhaltet ferner den Schritt, die Folge des Abstrahlens 22, Aufzeichnens 24, Definierens 26 und Berechnens 28 zu wiederholen 32. Der Schritt des Wiederholens 32 kann ohne darauf beschränkt zu sein ein Einstellen 29 des schiefen Einfallswinkels 76 auf wenigstens einen zweiten schiefen Einfallswinkel 76 beinhalten. Der zusätzliche Winkel 76 unterscheidet sich vorzugsweise um mindestens 20 Grad von dem ersten Winkel 76.
Das Verfahren 20 beinhaltet ferner das Zusammenstellen wenigstens eines Teils der Sätze von Positionskoordinaten 46, um eine Karte 48 der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 zu erzeugen.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren 20 ferner den Schritt, für jeden Satz von Positionskoordinaten 46 für einen Abschnitt der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70, das die Echoreflexion 65 bewirkt, wenigstens einen Teil eines Reflexionsdiagramms zu bestimmen 36. Für Zwecke dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche kennzeichnet der Begriff "Reflexionsdiagramm" eines Punktes auf der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der reflektierten Energie 65 und der abgestrahlten Energie 66 eines gegen den Punkt auf der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 abgestrahlten Ultraschallstrahls als eine Funktion der unterschiedlichen Einfallswinkel 76 zwischen dem Strahl 66 und der Oberfläche 68 veranschaulicht. Beispiele von Vorgehensweisen, bei denen Reflexionsdiagramme dieses Typs nützlich für das Abbilden von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 sein können, sind in 4a–d und 5a–d gezeigt.
Das Verfahren 20 und das System 60 basieren auf der Tatsache, dass die Oberfläche 68 von hartem Gewebe 70 als ein Spiegelreflektor (4a) betrachtet werden kann, vorausgesetzt, die Oberfläche weist keine Welligkeit (86; 4c, 4d, 5b und 5d) von einer mit der Wellenlänge des Ultraschallstrahls 66 vergleichbaren oder geringeren Größenordnung auf. Falls die Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 eine oder mehrere Unregelmäßigkeiten 86 aufweist, z.B. pathologische Diskontinuitäten oder Inhomogenitäten, beispielsweise einen Bruch, eine Ruptur, einen Spalt oder einen Einriss (4c und 5c). Eine Unregelmäßigkeit 86 kann dazu führen, dass der Ultraschallstrahl 66 umgelenkt oder in unterschiedliche Richtungen gestreut wird (65; 4c und 4d und dunkle schattierte Bereiche; 5a–5d), die möglicherweise zusätzlich zu oder anstelle der Spiegelreflexion die Richtung zur Ultraschallquelle 62 einschließen.
Hartes Gewebe 70 beinhaltet ein beliebiges biologisches Material, das sich unter normalen Bedingungen im Wesentlichen in einem festen Zustand befindet. Im Falle des Menschen beinhaltet hartes Gewebe 70 beispielsweise Knochen, Knorpelgewebe, Sehnen, Zähne und Nägel. In vom Menschen abweichenden Organismen beinhalten harte Gewebe 70 ferner, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Stoßzähne, Hörner, Krallen und Schalen.
Unregelmäßigkeiten 86 in der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 können durch vielfältige Pathologien verursacht sein. Diese Pathologien umfassen, ohne darauf beschränken zu wollen, pathologische Diskontinuitäten und Inhomogenitäten, beispielsweise Brüche, Rupturen, Spalte und Risse. Beispielsweise treten Knochenbrüche bei Menschen häufig aufgrund eines Verletzungsereignisses (beispielsweise eines Sturzes, Schlages oder sonstigen Aufpralls), aufgrund einer dauerhaften auf den Knochen wirkenden Belastung (beispielsweise durch eine sportliche oder militärische Betätigung), oder aufgrund von Knochenschwund auf. Knochenschwund (beispielsweise Osteoporose) ist häufig eine Folge des Alterns.
4a–4d veranschaulichen vielfältige Beispiele des Pfades eines Ultraschallstrahls 66, der durch ein Weichteilgewebe-Zielgebiet 69 in Richtung eines untersuchten harten Gewebes 70 abgestrahlt wird. Zum Zweck einer Veranschaulichung ist der Strahl 66 als eine Linie dargestellt (wobei ein Pfeil die Richtung der Wellenausbreitung anzeigt), obwohl der Strahl 66 in Wirklichkeit selbstverständlich eine gewisse Breite oder ein gewisses Volumen aufweist, das sich während der Ausbreitung des Strahl 66 außerdem ändern kann.
Mit Bezugnahme auf 4a ist es hinlänglich bekannt, dass, falls der Ultraschallstrahl 66 senkrecht, d.h. mit senkrechtem Einfall, zu der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 abgestrahlt wird, dessen Maße größer sind als die Breite des Strahls 66, wird die Ultraschallenergie zum Teil in Richtung der Ultraschallquelle 62 reflektiert 65.
Mit Bezugnahme auf 4b ist es ebenfalls hinlänglich bekannt, dass im Allgemeinen mit einer Vergrößerung des Einfallswinkels 76 α_i (bezüglich des senkrechten Einfalls) die in Richtung der Ultraschallquelle 62 reflektierten Energiemenge 65 abnimmt. Falls der Einfallswinkel 76 α_i sich wesentlich von 0° (dem senkrechten Einfall) unterscheidet, wird Energie von der Quelle 62 unter einem Reflexionswinkel 76' α_i reflektiert werden 65, der im Wesentlichen gleich dem Einfallswinkel 76 α_i ist. Die in Zusammenhang mit 4a und 4b erwähnte Reflexion wird häufig als "Spiegelreflexion" bezeichnet. Eine Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 kann als Spiegelreflektor betrachtet werden, vorausgesetzt, es enthält keinerlei Wellungen in einer Größenordnung, die vergleichbar mit der Wellenlänge des Ultraschallstrahls 66 oder geringer ist.
Mit Bezugnahme auf 4c und 4d kann die Unregelmäßigkeit 86, falls das harte Gewebe 70 eine oder mehrere Oberflächenunregelmäßigkeiten 86 aufweist (beispielsweise pathologische Diskontinuität, Inhomogenität, Bruch, Ruptur, Spalt oder Einriss), dazu führen, dass die Reflexion 65 des Strahls 66 unter möglichem Einschluss der Richtung zur Ultraschallquelle 62 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt oder gestreut wird. Diese Streuung wird als "nicht glänzende Reflexion" bezeichnet.
Bei einer Rückführung der Erfindung auf die Praxis wurde ermittelt, dass der Grad, bis zu dem die Reflexion 65 gestreut (d.h. nicht glänzend) ist, die Art der Unregelmäßigkeit 86 kennzeichnet. Im Gegensatz dazu kennzeichnet der Grad, bis zu dem die Reflexion 65 glänzend ist, die Ebenmäßigkeit der Oberfläche 68.
Mit Bezugnahme auf 4d sollte beachtet werden, dass auch die Oberfläche 68 eines gesunden harten Gewebes 70 nicht vollkommen eben ist, sondern vielmehr örtliche Konvexitäten, Konkavitäten, Kurven und sonstige Arten von Geometrien mit vielfältigen Maßen und Formen aufweist, die der natürlichen Anatomie des harten Gewebes 70 zugerechnet werden können. Solche anatomischen Geometrien können, obwohl sie mit keiner Pathologie in Beziehung stehen, ebenfalls dazu führen, das die Reflexion 65 des Strahls 66 unter möglichem Einschluss der Richtung zur Ultraschallquelle 62 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt oder gestreut wird.
Von einer pathologischen Diskontinuität oder Inhomogenität 86 (4c) ausgehende Reflexionen 65 von Ultraschallenergie 66, ob glänzend oder nicht glänzend, werden im Folgenden als "Pathologie-Echos" bezeichnet, während von einer anatomischen Geometrie 86 (4d) ausgehende reflektierte Ultraschallenergie, ob glänzend oder nicht glänzend, im Folgenden als "geometrische Echos" bezeichnet werden.
Aus der Tatsache, dass von einer gesunden und im Wesentlichen ebenen Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 ausgehende Echoreflexionen 65 in erster Linie glänzend sind (d.h., dass deren Reflexion vorwiegend auf einen gewissen Reflexionswinkel beschränkt ist), wohingegen Pathologie-Echos und geometrische Echos häufig sowohl glänzend als auch nicht glänzend sind, folgt, dass Reflexionsdiagramme (wie sie vorstehend definiert sind), die eine pathologische Diskontinuität (86; 4c und 5c) und eine anatomische Geometrie (86; 4d und 5d) aufweisen, sich sämtliche von einem Reflexionsdiagramm eines gesunden und im Wesentlichen ebenen harten Gewebes 70 unterscheiden lassen.
Das Maß der nicht glänzenden Reflexion, die durch einen gewissen Reflektor auf der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 hervorgerufen wird, beispielsweise durch eine pathologi sche Diskontinuität oder eine anatomische Geometrie, hängt von mehreren Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, die Größe, Form und Ebenmäßigkeit oder Rauheit des Reflektors, die Wellenlänge eines einfallenden Strahls 66 und der Einfallswinkel 76. Pathologische Diskontinuitäten und Inhomogenitäten wie Brüche weisen typischerweise eine andere Größe, Form und Rauheit auf als anatomische Geometrien. Somit wurde bei einer Reduzierung der vorliegenden Erfindung auf die Praxis, ermittelt, dass Reflexionsdiagramme von pathologische Diskontinuitäten und Inhomogenitäten sich von jenen der anatomischen Geometrien unterscheiden lassen.
5a bis 5d veranschaulichen Beispiele von Reflexionsdiagrammen von vielfältigen Reflektoren auf der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70. In den Zeichnungen repräsentiert jede dunkle Fläche einen Bereich von Einfallswinkeln, wo sich eine glänzende oder nicht glänzende Reflexion in Richtung der Ultraschallquelle einem Maximum nähert. Es ist selbstverständlich, dass, obgleich die Diagramme für Zwecke der Darstellung lediglich in zwei Dimensionen dargestellt sind, eine Reflexion in Wirklichkeit in drei Dimensionen auftritt; was in den Figuren beispielsweise als ein Kreissegment erscheint, kann daher in Wirklichkeit einem Halbkugelsegment ähneln.
Mit Bezugnahme auf 5a ist ein Beispiel eines Reflexionsdiagramms eines gesunden und im Wesentlichen ebenen Bereichs auf der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 veranschaulicht. In einem solchen Fall befindet sich die maximale Amplitude eines zurückkehrenden Echos 65 (4a) rund um den senkrechten Einfall, d.h. in dem vorliegende Beispiel zwischen Einfallswinkeln α₁₁und α₁₂. Es ist daher offensicht lich, dass die Reflexion von – einem im Wesentlichen ebenen Reflektor in hohem Maße winkelabhängig ist.
Unter Bezugnahme auf 5b ist ein Beispiel eines Reflexionsdiagramms eines geringfügig gekrümmten Bereichs auf der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 veranschaulicht. Solange der Gradient um den Einfallsbereich bezüglich der Wellenlänge des einfallenden Strahls 66 gering ist, und vorausgesetzt, die örtliche Oberfläche ist ausreichend ebenmäßig, bleibt die maximale Amplitude des zurückkehrenden Echos um den örtlich definierten senkrechten Einfall, d.h. im vorliegenden Beispiel zwischen α₂₁ und α₂₂. Somit ist es ersichtlich, dass eine Reflexion, die von einer gekrümmten Fläche ausgeht, die durch einen bezüglich der Wellenlänge des Ultraschallstrahls geringen Gradienten charakterisiert ist, wie das durch eine ebene Oberfläche erzeugte Reflexionsdiagramm in hohem Maße winkelabhängig ist.
Unter Bezugnahme auf 5c ist ein Beispiel eines Reflexionsdiagramms einer pathologischen Diskontinuität 86 auf der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 veranschaulicht. Die Diskontinuität 86 kann beispielsweise ein Bruch, eine Ruptur, ein Spalt, Einriss oder eine sonstige vorstehend erwähnte Pathologie sein. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Grundlage, dass das Reflexionsdiagramm einer pathologischen Diskontinuität 86 über eine verhältnismäßig breiten Bereich von Einfallswinkeln hinweg, im vorliegenden Beispiel z.B. von α₃₁ bis α₃₂, weitgehend maximal bleibt. Darüber hinaus neigt eine durch eine pathologische Diskontinuität 86 hervorgerufene Streuung dazu, über einen verhältnismäßig breiten Bereich von Einfallswinkeln (a) hinweg einheitlich zu sein. Somit ist für eine pathologische Diskontinuität ein Reflexionsdiagramm charakteristisch, das weitgehend winkelunabhängig ist.
Unter Bezugnahme auf 5d ist ein Beispiel eines Reflexionsdiagramms einer anatomischen Geometrie 86 auf der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70, beispielsweise eine örtliche Konkavität, veranschaulicht. Das Reflexionsdiagramm anatomischer Geometrien weist im Falle von gesundem harten Gewebe 70 gewöhnlich ein oder mehrere eindeutig unterscheidbare örtliche Extrema auf, im vorliegenden Beispiel z.B. ein erstes lokales Maximum zwischen α₄₁ und α₄₂, ein zweites lokales Maximum zwischen α₄₃ und α₄₄ und ein drittes lokales Maximum zwischen α₄₅ und α₄₆. Somit ist eine nicht glänzende Reflexion, die von der Oberfläche eines eine anatomische Geometrie 86 aufweisenden gesunden harten Gewebes 70 ausgeht, wie die ebenen oder geringfügig gekrümmten Oberflächen von 5a und 5b zwar winkelabhängig, jedoch in geringerem Ausmaß.
Zusammenfassend ist das Reflexionsdiagramm einer pathologischen Diskontinuität oder Inhomogenität 86 an der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 gewöhnlich breiter und einheitlicher, d.h. weniger winkelabhängig, als das Reflexionsdiagramm eines gesunden harten Gewebes 70. Dies trifft auch dann zu, wenn das Reflexionsdiagramm mit einem solchen verglichen wird, das von einer anatomischen Geometrie herrührt. Insbesondere ruft eine pathologische Diskontinuität oder Inhomogenität eine nicht glänzenden Reflexion in Richtung der Ultraschallquelle über einen breiteren Bereich von Einfallswinkeln hervor, als dies bei gesundem Gewebe mit oder ohne eine anatomische Geometrie der Fall ist. Darüber hinaus bleibt eine von einer pathologischen Diskontinuität oder Inhomogenität ausgehende nicht glänzende Reflexion über einen verhältnismäßig breiten Bereich von Einfallswinkel hinweg in der Nähe des Maximums (d.h., sie ist weitgehend winkelunabhängig), wohingegen eine von einer anatomischen Geometrie ausgehende Reflexion gewöhnlich ein oder mehrere örtliche Extreme aufweist (d.h., weitgehend winkelabhängig ist).
Es ist daher ein spezielles und fundamentales Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass diese eine Erfassung, und konsequenterweise eine Lokalisierung, Kartierung und Bildgebung pathologischer Diskontinuitäten und Inhomogenitäten auf einer Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 basierend auf einer Analyse von Reflexionsdiagrammen desselben und einem Vergleich mit durch eine benachbarte Oberfläche 68 von gesundem harten Gewebe 70 erzeugten Reflexionsdiagrammen ermöglicht.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren 20 ferner den Schritt, für den mindestens einen bzw. für jeden Abschnitt eines Reflexionsdiagramms einen Grad von Normalität gemäß einer vorbestimmten Regel zu ermitteln 38, um eine Karte der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 zu erzeugen. Daher beinhaltet das Verfahren 20 optional, jedoch vorzugsweise, den Schritt, jeden der Positionskoordinaten 46 für die Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 einzustufen, wobei der zumindest eine Abschnitt eines Reflexionsdiagramms gemäß der vorbestimmten Regel durch einen geringen Grad von Normalität als im Zusammenhang mit einer Oberflächeneunregelmäßigkeit stehend gekennzeichnet ist.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren 20 darüber hinaus, die Durchführung wenigstens eines Teils des Verfahrens 20 mittels einer Zentraleinheit 72 zu steuern 50. Das Steuern 50 beinhaltet beispielsweise ein Einstellen 29 oder ein Aufzeichnen 24. Das Steuern 50 kann beispielsweise mittels einer mechanischen Steuervorrichtung, Auswahl aus einer Matrix oder mittels elektronischer Steuerung erreicht werden. Beispiele von Matrices von Wandlern 62, die zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung eingerichet sind, sind in 3a–c gezeigt. Die Verwendung von Matrices zur Erzielung einer Bewegung 30 steigert in hohem Maße die Geschwindigkeit, mit der sich die Positionskoordinaten 46 und die Karte 48 erzeugen lassen. optional, aber auch vorzugsweise, können Teile des Verfahrens 20 (beispielsweise das Einstellen 29 und/oder Aufzeichnen 24) manuell durch einen das Verfahren verwendenden praktischen Arzt ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist daher zusätzlich durch ein System 60 zum Abbilden von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 eines harten Gewebes 70 innerhalb eines Zielgebiets verwirklicht. System 60 enthält wenigstens einen Wandler 62, eine Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 und eine Zentraleinheit 72.
Der Wandler 62 ist an einer definierten Position 64 positioniert und in der Lage, den fokussierten Ultraschallenergiestrahl 66 unter einem ersten Einfallswinkel 76 gegen die Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 abzustrahlen. Der Wandler 62 ist ferner in der Lage, wenigstens einen Teil 65 der Energie als eine Echoreflexion von der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 zu empfangen. Der Wandler 62 ist außerdem in der Lage, für die Zwecke des Sendens und Empfangens von Daten mit der Zentraleinheit 72 zu kommunizieren. Diese Daten können Positionsdaten (beispielsweise 64 oder 76 oder 46) sowie Steuerbefehle beinhalten.
Die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 lässt sich betriebsmäßig an den (die) Wandler 62 anschlie ßen oder ist mit diesem (bzw. diesen) integral ausgebildet und ist dazu entwickelt und konstruiert, um in der Lage zu sein, den schiefen Einfallswinkel 76 zwischen dem fokussierten Strahl 66 und der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 in Reaktion auf einen Befehl von der Zentraleinheit 72 anzupassen 29.
Die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 ist ferner in der Lage, die Position des Wandlers 62 als einen Satz von Positionskoordinaten 64 in sechs Freiheitsgraden zu definieren 26 und den Satz von Koordinaten 64 zu der Zentraleinheit 72 zu übertragen. Die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 ist außerdem in der Lage, den Wandler 62 zu einer Serie verschiedener definierter Positionen 64 zu bewegen 30.
Die Zentraleinheit 72 ist konstruiert und konfiguriert, um in der Lage zu sein, Positionskoordinaten 64 zu empfangen, die die örtliche Position des Wandlers 62 gegenüber der Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 definieren, und um ferner in der Lage zu sein, einen zusätzlichen Satz von Positionskoordinaten 46 für einen Abschnitt der Oberfläche 68 des die Echoreflexion 65 hervorrufenden harten Gewebes 70 zu berechnen 28, und um ferner in der Lage zu sein, mehrere Sätze von Positionskoordinaten zusammenzustellen 34, um eine Karte der Oberfläche des harten Gewebes zu erzeugen.
Die Zentraleinheit 72 kann beispielsweise ein Computer sein, z.B. ein Personalcomputer (PC), der ein Betriebssystem wie DOS, Windows, OS/2^TM oder Linux; Macintosh^TM, Palm OS^TM aufweist, ein EPOC^TM Computer; ein Computer mit JAVA^TM-OS als Betriebssystem; eine grafische Workstation, beispielsweise ein Computer von Sun Microsystems^TM oder Silicon Graphics^TM, oder ein sonstiger Computer, der irgendeine Abwandlung des UNIX-Betriebssystems, beispielsweise AIX^TM oder SOLARIS^TM von Sun Microsystems^TM aufweist; oder ein beliebiges bekanntes und verfügbares Betriebssystem oder ein Minicomputer (PDA), die allesamt bekanntlich eine eigene oder anschließbare Anzeigeeinrichtung 82 aufweisen.
Optional, aber ebenfalls vorzugsweise, ist die Zentraleinheit 72 ferner konstruiert und konfiguriert, um in der Lage zu sein, einen Befehl zu der Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 zu übermitteln, um zu veranlassen, dass wenigstens einer der Wandler 62 sich zu einer Serie von verschiedenen definierten Positionen 64 bewegt 30. Der Befehl kann beispielsweise ein Befehl an eine mechanische Steuerung, ein Befehl, auf einen anderen Wandler 62 aus einer Gruppe von Wandlern 62 (siehe 3a–c) umzuschalten, oder ein Befehl an eine elektronische Steuerung sein.
In einer Abwandlung, jedoch auch vorzugsweise, ist die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung 74 konstruiert und dazu eingerichtet, Eingaben von dem Bediener des Systems 60 entgegen zu nehmen. Die Eingabe kann beispielsweise eine manuelle Positionseinstellung des Wandlers 62 durch einen Bediener des Systems 60 sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Eingabe mindestens eine Anweisung beinhalten, die durch die Bedienperson an die Zentraleinheit 72 übermittelt wird. Anweisungen können mittels eines Eingabegeräts 84 übermittelt werden, das vorzugsweise eine Komponente des Systems 60 ist. Das Eingabegerät 84 kann eine beliebige Vorrichtung zur Eingabe von Daten in eine Computervorrichtung wie die CPU 72 sein. Folglich kann das Eingabegerät 84, ohne darauf beschränkt zu sein, auf einer Tastatur, einer Computer maus, einem Touchpad, einem Trackball, einem Stift, einem berührungsempfindlichen Bildschirm oder einem Mikrofon basieren.
Das Verfahren 20 beinhaltet daher vorzugsweise ferner den Schritt, Daten auf einer Anzeigeeinrichtung 82 anzuzeigen, die vorzugsweise in dem System 60 enthalten ist. Die Anzeigeeinrichtung 82 kann auf einer beliebigen Vorrichtung basieren, die einem Benutzer Daten sichtbar anzeigt. Folglich kann die Anzeigeeinrichtung 82 beispielsweise ein Kathodenstrahlröhrenbildschirm, ein LCD-Display (beispielsweise mit aktiver oder passiver Matrix), ein Plasmabildschirm, ein Druckerausdruck oder ein Feld von Leuchtdioden sein. Die auf der Einrichtung 82 angezeigten Daten 44 betreffen vorzugsweise die Echoreflexion 65 und können einen oder mehrere Sätze von Positionskoordinaten 46, die einem Abschnitt der Oberfläche 68 des die Echoreflexion 65 hervorrufenden harten Gewebes 70 entsprechen und/oder wenigstens einen Teil der Karte 48 enthalten. Die Karte 48 ist vorzugsweise zweidimensional.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher die größte Effizienz, wenn jeder Punkt oder jeder Bereich auf der Oberfläche 68 des harten Gewebes 70 anhand vielfältiger Einfallswinkel 76 anstelle anhand eines oder mehrerer spezieller Einfallswinkel 76 untersucht wird. Weiter ist die Fähigkeit zur Unterscheidung von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 um so größer, je größer die Anzahl der verwendeten Einfallswinkel 76 ist. Darüber hinaus ist ein spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Entscheidung, ob ein bestimmter Bereich auf der Oberfläche 68 des Bereiches harten Gewebes 70 eine pathologische Diskontinuität oder Inhomogenität aufzeigt, oder ob dies nicht der Fall ist, auf einer Analyse von Echos von Signalen basiert, die in einem breiten Be reich von Einfallswinkeln 76 abgestrahlt werden, und nicht unter einem oder mehreren speziellen Einfallswinkeln. Je größer der Bereich von Einfallswinkeln 76 ist, um so größer ist daher die Fähigkeit Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche 68 zu unterscheiden. Im Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit, die Orientierung des harten Gewebes 70 über den gesamten Scanvorgang hinweg zu ermitteln oder abzuschätzen, beispielsweise, um einen speziellen Einfallswinkel bezüglich des harten Gewebes 70 aufrecht zu erhalten. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft in Fällen, wo es schwierig ist, die Orientierung des untersuchten harten Gewebes 70 beispielsweise aufgrund einer krummen oder in sonstiger Weise nicht verfolgbaren Form des harten Gewebes 70 oder aufgrund einer zwischen der Sonde und dem harten Gewebe 70 angeordneten dicken Schicht aus Weichteilgewebe in vivo zu ermitteln.
Es ist selbstverständlich, dass gewisse Merkmale der Erfindung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit im Zusammenhang mit voneinander unabhängigen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, auch in einem einzigen Ausführungsbeispiel in Kombination vorgesehen sein können. Umgekehrt können vielfältige Merkmale der Erfindung, die aus Gründen der Kürze im Zusammenhang mit einem einzigen Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch voneinander unabhängig oder in einer beliebigen geeigneten Subkombination vorgesehen sein.
Obgleich die Erfindung in Verbindung mit speziellen Beispielen ihrer Ausführung beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen, Modifikationen und Veränderungen dem Fachmann offenkundig werden. Dementsprechend ist beabsichtigt, sämtliche Alternativen, Modifikationen und Ver änderungen miteinzubeziehen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Abbildung von Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche eines harten Gewebes innerhalb eines Zielgebiets, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: (a) Abstrahlen eines fokussierten Ultraschallenergiestrahls (66) auf die Oberfläche (68) des harten Gewebes (70) unter einem ersten schrägen Einfallswinkel (76) aus einem Ultraschallwandler (62) an einer definierten Position (64); (b) Aufzeichnen der definierten Position, falls und lediglich falls eine Echoreflexion von der Oberfläche des harten Gewebes von dem Wandler empfangen wird; (c) Definieren der Position des Wandlers in sechs Freiheitsgraden; (d) Berechnen eines Satzes von Positionskoordinaten (46) für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft; (e) Bewegen des Ultraschallwandlers an eine andere definierte Position (64); (f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e); (g) Wiederholen der Schritte (a) bis (f) mit einem zusätzlichen Winkel, der sich um mindestens 20 Grad von dem vorherigen schrägen Winkel unterscheidet; (h) Ermitteln wenigstens eines Teils eines Reflexionsdiagramms für jeden der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft; (i) ferner Ermitteln eines Grades von Normalität für jeden der (mindestens einen) Abschnitte eines Reflexionsdiagramms gemäß einer vorbestimmten Regel, um eine Karte der in der Oberfläche des Gewebes vorhandenen Unregelmäßigkeiten zu erzeugen; (j) Einstufen jedes der Sätze von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, wobei der zumindest eine Abschnitt eines Reflexionsdiagramms dadurch gekennzeichnet ist, dass ein geringer Grad von Normalität gemäß der vorbestimmten Regel im Zusammenhang mit einer Oberflächenunregelmäßigkeit steht; und (k) Kompilieren wenigstens eines Teils der Sätze von Positionskoordinaten, um eine Karte (48) der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des harten Gewebes zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Wiederholens ein Anpassen des Einfallswinkels an wenigstens einen zweiten Einfallswinkel beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört: (1) Anzeigen auf einer Anzeigevorrichtung (82) wenigstens eines Elements, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der gehören: (i) Daten, die die Echoreflexion betreffen; (ii) der Satz von Positionskoordinaten für den Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, der die Echoreflexion hervorruft; und (iii) wenigstens ein Abschnitt der Karte.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört: (i) Steuern des Ablaufs wenigstens eines Teils des Verfahrens mittels einer Zentraleinheit (72).
Verfahren nach Anspruch 2, zu dem ferner der Schritt gehört: (i) Steuern des Ablaufs wenigstens eines Teils des Verfahrens mittels einer Zentraleinheit (72).
System zum Abbilden von Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche eines harten Gewebes innerhalb eines Zielgebiets, wobei zu dem System gehören: (a) wenigstens einen Ultraschallwandler (62); (i) wobei der wenigstens eine Wandler an einer definierten Position positioniert ist; (ii) wobei der wenigstens eine Wandler in der Lage ist, einen fokussierten Ultraschallenergiestrahl (66) unter einem ersten Einfallswinkel (76) gegen die Oberfläche (68) des harten Gewebes (70) abzustrahlen; (iii) wobei der wenigstens eine Wandler in der Lage ist, wenigstens einen Teil der Energie in Form einer Echoreflexion von der Oberfläche des harten Gewebes zu empfangen; und (iv) wobei der wenigstens eine Wandler in der Lage ist, Daten mit einer Zentraleinheit (72) auszutauschen; (b) eine Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung, die sich betriebsmäßig an den wenigstens einen Wandler anschließen lässt und dazu entwickelt und konstruiert ist, (i) in der Lage zu sein, in Reaktion auf einen Befehl von der Zentraleinheit den Einfallswinkel zwischen dem fokussierten Strahl und der Oberfläche des harten Gewebes anzupassen; (ii) ferner in der Lage zu sein, die Position des Wandlers als einen Satz von Positionskoordinaten in sechs Freiheitsgraden zu definieren und den Satz von Koordinaten an eine Zentraleinheit zu übermitteln; (iii) ferner in der Lage zu sein, den wenigstens einen Ultraschallwandler zu einer Serie von verschiedenen definierten Positionen zu bewegen; (c) wobei die Zentraleinheit konstruiert und konfiguriert ist, (i) ferner in der Lage zu sein, den Satz von Positionskoordinaten, der die Position des wenigstens einen Wandlers definiert, von der Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung entgegenzunehmen; (ii) ferner in der Lage zu sein, einen zusätzlichen Satz von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft, zu berechnen; (iii) ferner in der Lage zu sein, mehrere der Sätze von Positionskoordinaten zu kompilieren, um eine Karte der Oberfläche des harten Gewebes zu erzeugen.
System nach Anspruch 6, zu dem ferner gehören: (d) eine Anzeigevorrichtung (82), die in der Lage ist, mit dem Zentralprozessor Daten auszutauschen; wobei die Anzeigevorrichtung dazu entwickelt und konstruiert ist, wenigstens eine Funktion durchzuführen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der gehören: (i) Anzeigen von Daten, die die Echoreflexion betreffen; (ii) Anzeigen des zusätzlichen Satzes von Positionskoordinaten für einen Abschnitt der Oberfläche des harten Gewebes, das die Echoreflexion hervorruft; und (iii) Anzeigen wenigstens eines Abschnitts der Karte.
System nach Anspruch 6, wobei die Zentraleinheit ferner dazu entwickelt und konstruiert ist, in der Lage zu sein, einen Befehl an die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung zu übermitteln, um zu veranlassen, dass sich der wenigstens eine Wandler zu der Serie unterschiedlicher definierter Positionen bewegt;
System nach Anspruch 8, wobei der Befehl aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der gehören: ein Befehl an eine mechanische Steuerung, ein Befehl, zu einem anderen Wandler des wenigstens einen Wandlers umzuschalten, und ein Befehl an eine elektronische Steuerung.
System nach Anspruch 6, wobei die Positionslokalisierungs- und -anpassungseinrichtung dazu konstruiert und eingerichtet ist, eine Eingabe von einem Anwender des Systems entgegenzunehmen, wobei die Eingabe aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer durch eine Bedienperson des Systems manuell durchgeführten Positionseinstellung und wenigstens einer durch die Bedienperson an die Zentraleinheit (72) übermittelten Anweisung besteht.