WO2005032376A1 - Vorrichtung und verfahren zum reproduzierbaren positionieren eines objektes relativ zu einem intrakorporalen körperbereich - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich mit einem Mittel (4) zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder, einem Positionserfassungssystem (1, 3), das zumindest die räumliche Lage des Mittels zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder erfasst, einem Auswertesystem (5), das wenigstens einen Teil der erfassten räumlichen Lageinformationen über das Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder sowie der aufgenommenen intrakorporalen Schnittbilder abspeichert und auswertet sowie einer Navigationseinheit (6, 51), die unter Zugrundelegung von Lage und Position des Mittels zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder sowie wenigstens einer abgespeicherten Zielposition Navigationshilfen (B1, B2) zum Positionieren des Objektes relativ zum Körper aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich.

Stand der Technik

Ein Hauptanwendungsbereich medizinischer Sonographie bezieht sich auf die Untersuchung von sich zeitlich ändernden Gewebestrukturen. Derartige Gewebeveränderungen spielen insbesondere bei der Früherkennung von krebsartigen Geschwüren eine zentrale Rolle. Zur Durchführung derartiger Untersuchungen ist es erforderlich, einen betreffenden Gewebebereich in zeitlichen Abständen wiederholt zu untersuchen. Ein konkretes Beispiel derartiger Untersuchungen stellt eine in der Regel alle 3 bis 4 Wochen zu wiederholende Ultraschalldiagnose von Lymphknoten dar, um möglichst frühzeitig möglicherweise sich bösartig ausbildende Gewebeveränderungen feststellen zu können. Bei der Lymphknotenuntersuchung treten jedoch folgende zwei Probleme für den diagnostizierenden Arzt auf: Zum einen ist es bei einer wiederholten Untersuchung erforderlich einen bereits in einer Voruntersuchung lokalisierten Lymphknoten exakt wiederzufinden und entsprechend, mit einer bildgebenden Aufnahmetechnik erneut aufzunehmen. Zum anderen müssen die zeitlich voneinander beabstandeten Bildaufnahmen miteinander verglichen werden, um letztlich Aussagen treffen zu können, ob und in welcher Weise sich die Gewebestruktur verändert hat. Im Falle der Lymphknotenuntersuchung ist es demzufolge wichtig, einen bereits aufgenommenen und untersuchten Lymphknoten erneut wiederzufinden und ihn nicht mit möglicherweise unmittelbar benachbarten, ähnlich ausgebildeten Lymphknoten zu verwechseln.

Zur Bestimmung möglicher Größenveränderungen vorzugsweise an Gewebeknoten, ist es zudem erforderlich, die in zeitlichen Abständen aufzunehmenden medizinischen Bilder von einem betreffenden Gewebeknoten stets unter einem gleichen Blickwinkel aufzunehmen. Diese Forderung gründet sich darauf, dass die als Ultraschallbilder vorliegenden medizinischen Aufnahmen in an sich bekannter Weise zweidimensionale Schnittbilder darstellen, die von einem dreidimensionalen Körper angefertigt worden sind. Hierbei ist es entscheidend, ob ein Schnittbild durch den Mittelpunkt oder durch den Rand bspw. einer Kugel aufgenommen wird. In beiden Fällen wird zwar ein Kreis abgebildet, aber nur im ersten Fall kann der Radius der Kugel exakt vermessen und das Volumen der Kugel bestimmt werden. Das vorstehende Beispiel anhand einer Kugel macht deutlich, dass eine möglicherweise krankhafte Vergrößerung eines Lymphknotens nur dann richtig diagnostiziert werden kann, wenn bei allen vorgenommenen Untersuchungen die von dem Knoten aufgenommenen Schnittbilder an jeweils exakt der gleichen Stelle des Knotens aufgenommen worden sind.

Derzeit werden bei Lymphknotenuntersuchungen im Halsbereich auffällige Knoten eines Patienten schriftlich dokumentiert. Die Lage der einzelnen Knoten wird nach allgemeinen anatomischen Gesichtspunkten in je sechs Regionen pro Halshälfte eingeteilt. Die Größe der jeweiligen Knoten wird durch spezielle Längenangaben definiert, die durch zwei senkrecht zueinander aufgenommene Ultraschallschnittbilder bestimmt werden. Typischerweise weisen Lymphknoten die Form einer Ellipse auf, so dass für die Größenbestimmung des jeweiligen Lymphknotens der Höhen- und Breitendurchmesser des elliptisch ausgebildeten Lymphknotens vermessen wird. Zur Schnittbildaufnahme wird der Ultraschallkopf in aller Regel freihändig über die Körperoberfläche geführt, wobei der diagnostizierende Arzt für eine grobe Positionierung des Ultraschallkopfes anatomische Landmarken, wie beispielsweise den Kehlkopf, die Halsschlagader oder ähnliches zu Hilfe nimmt und zur Freihandnavigation ausschließlich das auf einem Bildschirm dargestellte Live-Ultraschallbild heranzieht. Die Freihandnavigation erschwert sich für den Arzt darüber hinaus dadurch, dass in aller Regel der Bildschirm, auf dem das aktuelle Ultraschallbild dargestellt wird, räumlich getrennt von dem zu untersuchenden Körperbereiches des Patienten angeordnet ist, so dass eine gleichzeitige Betrachtung des Ultraschallkopfes sowie des Live-Ultraschallbildes nicht möglich ist.

In der heutigen medizinischen Praxis besteht bei der wiederholten Diagnose insbesondere von Lymphknoten das Problem, auffällige Lymphknoten im Bereich in wiederholbarer Weise sicher aufzufinden. Mit der an sich bekannten Einteilung des Halses in zwölf anatomische Regionen können Verwechselungen nicht ausgeschlossen werden, zumal mehrere Lymphknoten in einer Region auftreten können und einzelne Regionen nicht eindeutig voneinander abgrenzbar sind. Nicht auszuschließen sind in diesem Zusammenhang Fehlzuordnungen von in den einzelnen Bereichen vorhandenen Lymphknoten, wodurch die Reproduzierbarkeit der Untersuchungsergebnisse sowie die Beurteilung auch von Fremdbefunden stark eingeschränkt ist.

Vorstehende Einschränkungen ergeben sich auch bei der Beurteilung eines einzelnen Lymphknotens, da die Methode zum Vermessen der Knoten nicht genügend standardisiert ist. Das Kriterium, dass dasjenige Ultraschallbild zur Größenbestimmung verwendet wird, auf dem der Knoten maximal ausgedehnt erscheint, erweist sich in der Praxis als zu ungenau. Die Auswahl des Bildes hängt stark von der Geduld und der Geschicklichkeit des Arztes ab, um den Ultraschallkopf für eine Aufnahme hierfür zu positionieren. Zudem erhält der Arzt keinerlei Hilfestellung den Ultraschallkopf zur orthogonalen Schnittbildaufnahme relativ zu einer ersten Schnittbildaufnahme entsprechend im Halsbereich zu positionieren. Dies wird darüber hinaus dadurch erschwert, dass Aufnahmen im Halsbereich aufgrund der vorhandenen Unebenheiten an der Halskontur relativ schwierig sind, da der behandelnde Arzt für eine Schnittbildaufnahme einen möglichst ganzflächigen Kontakt mit dem Ultraschallkopf herstellen muß. Um den Ultraschallkopf für die jeweils zweite Schnittbildaufnahme in orthogonaler Ausrichtung zur ersten möglichst präzise ausrichten zu können, muß der Arzt häufig zudem komplizierte Kopfbewegungen ausführen, um die Lage des Ultraschallkopfes mit dem am Bildschirm dargestellten Live-Ultraschallbild vergleichen zu können.

Die vorstehend angesprochenen Probleme erhöhen die Gefahr einer Fehldiagnose mit möglichen Folgeproblemen bei einer anschließenden Therapie. Zudem stellt das wiederholte Suchen von bereits aufgefundenen Knoten und eine erneute Bestimmung der zu vermessenen optimalen Bildebene ein Zeitproblem dar, das letztlich für den Patienten als unangenehm empfunden wird.

In diesem Zusammenhang ist aus der US 6 288 785 ein Positionserfassungssystem zu entnehmen, mit dem die Lage, d.h. die räumliche Position sowie Orientierung eines Objektes, bspw. eines medizinischen Instrumente, bezüglich eines Referenzkoordinatensystems erfasst und vermessen werden kann. Hierzu wird das medizinische Instrument mit Positionierungselementen, beispielsweise Trackern ausgestattet, um letztlich die räumliche Lage des medizinischen Instrumentes relativ zum Patienten zu erfassen und entsprechend darzustellen zu können. Auch ist der US 6 314 312 ein System zur Lageerfassung von medizinischen Instrumenten relativ zu einem Patienten beschrieben. Hierbei weist der Patient entsprechende Markierungselemente auf, die von einem Positionserfassungssystem erfasst werden und somit eine Patientenregistrierung realisierbar ist.

Aus der DE 199 51 502 A1 geht ein System zur bildlichen Darstellung von intrakorporal in den Körper eingebrachten medizinischen Instrumenten hervor, wobei die bildliche Darstellung in Überlagerung mit medizinischen Patientenbildern gebracht wird. Auf diese Weise erhält ein Arzt einen unmittelbaren Eindruck über die Positionierung eines medizinischen Instrumentes innerhalb eines Körpers relativ zu einem bestimmten intrakorporalen Körperbereich. Auch schaffen die vorstehend erwähnten Navigationssysteme keine Abhilfe zum dargestellten Problem bei Langzeituntersuchungen an intrakorporal sich verändernden Körperbereichen, da aufgrund der in größeren zeitlichen Abständen durchzuführenden Diagnosesitzungen keine festen Referenzkoordinaten- Bedingungen vorherrschen, die einen problemlosen Abgleich von intrakorporal aufgenommenen Bildern mit der Positionierung von aktuell gegenüber dem Körperbereich eines Patienten auszurichtenden Objekten, wie beispielsweise ein Ultraschallkopf, gestatten. Auch ein Markieren derartiger Körperstellen mit Hilfe an sich bekannter Patiententracker in Form von Bißschienen oder Hautmarkern sind bei derartigen Untersuchungen eher unangemessen, zumal die einzelnen Untersuchungen Behandlungszeiten von 15 bis 20 Minuten vorsehen und daher relativ kurz sind und darüber hinaus in einem drei- bis vierwöchigem Rhythmus wiederholt werden, so dass die Untersuchungen eher selten sind.

Der US 2002/0082498 ist ein System zu entnehmen, mit dem einem Operateur graphisch aufbereitete intrakorporale Bilder unter Zugrundelegung einer aktuellen Blickrichtung über ein Headup-Display zur Verfügung gestellt werden. Die mittels z.B. einer NMR-Einheit gewonnenen intrakorporalen Bildinformationen werden mittels einer Bildverarbeitungstechnik derart ausgewertet, dass die als dreidimensionale Datensätze vorliegenden Bilddaten dem Operateur in Abhängigkeit von seiner aktuellen Blickrichtung auf den zu behandelnden Patienten über sein Headup- Display eingespielt werden, wobei die Bilddaten optisch in Überlagerung mit einer realen Szene gebracht werden, die von einem Stereokamerasystem erfasst wird, das am Headup-Display angebracht ist. Um die Bilder der realen Szene mit den intrakorporalen Bildinformationen räumlich korrekt überlagern zu können, werden Marker mittels der NMR-Einheit räumlich erfasst und ebenso mittels des Stereokamerasystems räumlich erfasst. Auf Grundlage der Kenntnis der Position der Marker können danach die intrakorporalen Bildinformationen und die Bilder des Stereokamerasystems passgenau übereinander gelegt werden.

Die US2002/0183610 offenbart ein Verfahren, bei dem vor einer Operation aufgenommene dreidimensionale intrakorporale Bilddaten eines Patienten aus einer interessierenden Region ("skeletal anatomy of interest") einem Operateur während der Operation entsprechend einer geänderten Lage des Patienten räumlich passend zur Verfügung gestellt werden. Dabei werden zunächst z.B. Skelettteile von anderen Gewebearten unterschieden und die Lage der Skelettteile wird bestimmt. Während der Operation werden Referenzpunkte der Skelettteile in der geänderten Lage mit den Referenzpunkten der Lage des Patienten bei der Aufnahme der intrakorporalen Bilddaten vor der Operation in Überdeckung gebracht. Dadurch wird die neue Lage der gesamten intrakorporalen Bilddaten ermittelt. Die Bilddaten werden dann dem Operateur zur Verfügung gestellt, wonach der Operateur z.B. ein medizinisches Instrument bedienen kann.

Die DE 199 14 455 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines Organs oder Therapiegebiets eines Patienten. Dabei wird die Lage eines Punktes oder einer Region, z.B. eines sich bewegenden Organs, bzw. eines medizinischen Instruments, in einem durch einen ortsinvarianten Körperteil definierten Koordinatensystem dargestellt. Die Lage wird dabei über einen sich mitbewegenden Sensor erfasst. Dadurch, dass ein Arzt sowohl die Lage des Organs als auch des Instruments an einem Monitor beobachten kann, kann der Arzt das Instrument innerhalb eines sich bewegenden Organs genau positionieren. Das Verfahren kann durch die Aufnahme von Ultraschallbildern unterstützt werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie auch ein Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich derart anzugeben, dass ein Wiederauffinden von einem intrakorporalen Körperbereich, von dem bereits eine Schnittbildaufnahme zu Diagnosezwecken zu einem früheren Zeitpunkt angefertigt worden ist, exakt wiederzufinden, um eindeutige Bildvergleiche von bestimmten Körperbereichen in der vorstehend beschriebenen Weise durchführen zu können. Der Patient soll hierbei möglichst geschont werden, d.h. auf mögliche Patientenpositioniermittel wie Tracker, gilt es zu verzichten. Darüber hinaus soll der zu behandelnde bzw. zu diagnostizierende Arzt eine Unterstützung dahingehend erhalten, ein Wiederauffinden eines bestimmten Körperbereiches in möglichst kurzer Zeit zu bewältigen und darüber hinaus zwei Schnittbilder an einer entsprechenden Körperstelle mit jeweils zueinander orthogonal orientierten Schnittbildebenen exakt durchzuführen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand der Ansprüche 10 und 11 sind erfindungsgemäße Verfahren zur reproduzierbaren Positionierung eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich weist folgende Komponenten auf:

Ein Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder, das vorzugsweise als Ultraschallsystem ausgebildet ist, das einen manuell gegenüber einem Körper zu positionierenden Ultraschallkopf vorsieht, der in an sich bekannter Weise über ein Verbindungskabel mit einem Ultraschallgerät in Verbindung steht, an dem das Live- Ultraschallbild auf einem Bildschirm darstellbar ist. Ebenso denkbar ist die Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder mit Hilfe eines Röntgensystems oder eines Systems zur Erzeugung von Schnittbildern unter Einsatz eines Computer-Tomographen oder beispielsweise eines Kernspin-Tomographen.

Ferner sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Positionserfassungssystem vor, das zumindest die räumliche Lage des vorstehend bezeichneten Mittels zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder erfasst. Zur vereinfachten weiteren Darstellung der Erfindung wird davon ausgegangen, dass das Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder ein Ultraschallkopf ist, der gegenüber einem zu untersuchenden Körper manuell positionierbar ist. Die Konkretisierung auf das Fallbeispiel eines Ultraschallkopfes soll jedoch den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Positionserfassungssysteme sind dem Fachmann an sich bekannt, im einfachsten Fall bestehen sie aus einem Stereokamerasystem, das im Wege des dem Fachmann bekannten Triangulationsverfahrens Raumpositionen von bestimmten Markierungsmitteln, die vorzugsweise am Ultraschallkopf vorgesehen sind, erfasst. Selbstverständlich sind auch andere Positionserfassungssysteme anwendbar, wie beispielsweise aktive Transpondersysteme.

Ein Auswertesystem, das vorzugsweise sowohl mit dem Positionserfassungssystem als auch mit dem Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder, also im vorstehend genannten Beispiel mit dem Ultraschallgerät verbunden ist, erfasst und speichert wenigstens einen Teil der räumlichen Lageinformationen über den Ultraschallkopf ab sowie auch die mit dem Ultraschallkopf aufgenommenen Schnittbilder. Das Abspeichern der Lageinformationen erfolgt nicht notwendiger Weise kontinuierlich, sondern lediglich an jenen Stellen, an denen der Arzt den Ultraschallkopf in gewünschter Weise positioniert hat. Über ein vom Arzt zu erzeugendes Triggersignal ist der Abspeichervorgang auslösbar.

Letztlich ist eine Navigationseinheit vorgesehen, die unter Zugrundelegung der aktuellen Lage und Position des Ultraschallkopfes sowie wenigstens einer vorgebbaren oder abgespeicherten Zielposition Navigationshilfen für den Arzt vorsieht. Im einfachsten Fall betrifft die Positionierung des Objektes die Positionierung des Ultraschallkopfes selbst, mit dem entsprechende intrakorporale Schnittbilder aufgenommen werden können. Darüber hinaus können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch medizinische Instrumente oder Strahlenquellen relativ zum Körper exakt ausgerichtet und positioniert werden. Insbesondere bei der Durchführung von Biopsiegewebeentnahmen ist es gleichsam der in der Einleitung beschriebenen Lymphknotenuntersuchung erforderlich, bestimmte intrakorporale Gewebebereiche exakt wieder aufzufinden, um aus diesen Gewebebereichen zu Zwecken von weiterführenden hystologischen Untersuchungen Gewebeproben zu entnehmen. In gleicher weise ist eine exakte Positionierung einer Strahlenquelle relativ zu einem bestimmten Körperbereich zur Durchführung von Strahlentherapien für den Therapieerfolg von entscheidender Bedeutung.

Um dem zu behandelnden Arzt oder Fachpersonal eine Navigationshilfe für den manuell über den Körper zu führenden Ultraschallkopf zu einer bestimmt vorgegebenen Zielposition zu vermitteln, ist die Navigationseinheit vorzugsweise als Sichtgerät ausgebildet, das über eine Fadenkreuzdarstellung verfügt, in deren Fadenkreuzungspunkt die zu navigierende Zielposition platziert ist. Die Zielposition wird vorzugsweise dem Bediener in einer optisch eindeutig identifizierbaren Form dargestellt, bspw. als Rechtecksmarkierung. Auf dem als Fadenkreuz ausgebildeten Sichtgerät erscheint zusätzlich die aktuelle Position des Ultraschallkopfes, so dass der Arzt anhand der Relativlage zwischen der aktuellen Position des Ultraschallkopfes und der Zielposition eindeutig und einfach ersichtlich eine Information über Bewegungsrichtung und Bewegungsweite des Ultraschallkopfes erfährt, um zur Zielposition zu gelangen. Die visuell auf dem Sichtgerät darstellbare Information über die aktuelle Position und Lage des Ultraschallkopfes wird mittels des Positionserfassungssystems gewonnen. Weitere Einzelheiten zur hierzu sind unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel im Weiteren zu entnehmen.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung zielführend einsetzen zu können, gilt es erfindungsgemäß nach folgenden Verfahrenschritten vorzugehen:

In einem ersten Schritt wird der Ultraschallkopf an eine Referenzposition des zu untersuchenden Körperbereiches positioniert, die für den Arzt anhand anatomischer

Gegebenheiten, wie beispielsweise Halsschlagader, Kehlkopf etc. eindeutig und leicht wieder auffindbar ist. Am Ort der Referenzposition wird wenigstens ein erstes

Schnittbild aufgenommen und in der Auswerteeinheit abgespeichert. Zugleich wird die Lage und Position des Ultraschallkopfes bestimmt und abgespeichert.

In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die

Abspeicherung von Lage und Position des Ultraschallkopfes mit Hilfe des vorzugsweise als Stereokamera ausgebildeten Positionserfassungssystems, wobei der zu untersuchende Patient möglichst bewegungslos auf einer Patientenliege während der Untersuchung fixiert bleibt.

In einem weiteren Schritt wird der Ultraschallkopf zur Untersuchung eines bestimmten Körperbereiches aus der Referenzposition verschoben und bei Erreichen eines in bestimmter weise zu diagnostizierenden Körperbereiches in der so genannten Zielposition positioniert. In dieser Position wird eine Schnittbildaufnahme von dem zu untersuchenden Köperbereich angefertigt und entsprechend abgespeichert. Ebenso werden Position und Lage des Ultraschallkopfes an der Zielposition erfasst und abgespeichert. Da die vorstehenden Verfahrensschritte ohne Patientenbewegung durchgeführt werden, erfolgt die Positionserfassung der jeweiligen Ultraschallkopfpositionen im Rahmen eines einheitlichen Koordinatensystems, das durch das Positionserfassungssystem vorgegeben ist. Die Basis des einheitlichen Koordinatensystems bzw. der Koordinatenursprung wird in vorteilhafter Weise an die Referenzposition gelegt, an der der Arzt das erste Schnittbild an einer leicht und eindeutig wieder aufzufindenden Stelle aufgezeichnet hat.

Anhand der Raumkoordinaten der Referenz- sowie auch der Zielposition ist es im Rahmen der Auswerteeinheit möglich den exakte Verschiebeweg bzw. eine Trajektorie zu ermitteln, längs der der Ultraschallkopf von der Referenz- zur Zielposition verschoben worden ist. Dieser Verschiebweg, der auch als Transformationsvorschrift interpretiert werden kann, wird abgespeichert und dient als Grundlage für ein Wiederauffinden der Zielposition in weiteren, künftigen Untersuchungen.

Ferner gilt es am Ort der Zielposition wenigstens zwei sich vorzugsweise senkrecht schneidende Schnittbilder aufzunehmen, um wie vorstehend ausgeführt, eine zuverlässige Volumenbestimmung des zu untersuchenden Gewebebereiches durchführen zu können. Hierzu erhält der zu diagnostizierende Arzt von der als Sichtgerät ausgebildeten Navigationseinheit entsprechende Orientierungshilfen. Im einfachsten Fall wird der Ultraschallkopf als Rechtecksymbol dargestellt. Nach Aufnahme eines ersten Schnittbildes an der Zielposition wird auf dem Sichtgerät eine Solllage berechnet und dargestellt, in der das zweite Schnittbild aufzunehmen ist. Der Arzt muss nun lediglich die aktuelle Lage an die Solllage anpassen. Auf diese Weise können exakte Schnittbildaufnahmen zur Größenbestimmung, beispielsweise von Lymphknoten durchgeführt werden. Im Rahmen einer Langzeitstudie, d.h. durch Vergleich von Schnittbildinformationen, die an einem Lymphknoten in unterschiedlichen Zeitabständen aufgenommen worden sind, können Größenveränderungen somit exakt bestimmt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass bei entsprechenden Nachuntersuchungen, die Ultraschallschnittbilder exakt an der gleichen Stelle der Zielposition aufgenommen werden, an der die Ultraschallschnittbilder im Rahmen der ersten Untersuchungssitzung aufgenommen worden sind. Hierzu sucht der Arzt mit Hilfe des Ultraschallkopfes die Referenzposition am Körper, die er anhand bestimmter anatomischer Merkmale, wie beispielsweise Halsschlagader, Kehlkopf etc. wiederzufinden vermag. Stimmt das an der Referenzposition aufgenommene Schnittbild mit dem entsprechenden, in der ersten Diagnosesitzung aufgenommenen Schnittbild überein, so wird gleichsam zur ersten Untersuchung der Koordinatenursprung des durch das Positionserfassungssystem festgelegten Koordinatensystems an die Referenzposition gelegt. Da in der Regel davon auszugehen ist, dass sich der zu behandelnde Patient nicht exakt in der gleichen Position in Bezug zum Positionserfassungssystem ausrichtet, wie bei der Erstuntersuchung, wird bei jeder nachfolgenden Nachuntersuchung ein neues Koordinatensystem aufgespannt.

Um dem Arzt in jeder einzelnen, nachfolgenden Diagnosesitzung eine exakte Navigationshilfe für die Bewegung des Ultraschallkopfes ausgehend von der Referenzposition zur Zielposition zu ermöglichen, wird die vom aktuellen Koordinatensystem invariante Transformationsvorschrift zugrunde gelegt.

Auf der Grundlage der in der ersten Untersuchung ermittelten Transformationsvorschrift werden im Rahmen des aktuell vorherrschenden Koordinatensystems die Raumkoordinaten der Zielposition ermittelt und ausgehend von der Referenzposition am Sichtgerät zur Darstellung gebracht. Der Arzt erhält somit als Navigationshilfe auf dem Sichtgerät die aktuelle Lage des Ultraschallkopfes in Bezug zur Zielposition, die es gilt mit dem Ultraschallkopf einzunehmen.

Letztlich liegt der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise darin, dass es für die Bestimmung der Transformationsvorschrift bzw. der Trajektorie, um von der Referenzposition zur Zielposition zu gelangen, unerheblich ist, in welchem Koordinatensystem die Bewegung und Ausrichtung des Ultraschallkopfes vorgenommen wird. Da der Koordinatenursprung des jeweiligen Koordinatensystems stets mit der Referenzposition identisch ist, ist es gleichgültig in welcher Lage sich der Patient während der jeweiligen Untersuchung befindet, solange sich der Patient während einer Untersuchung bewegungslos verhält.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es grundsätzlich möglich, medizinische Instrumente, bildgebende Systeme oder Strahlenquellen freihändig mit einer Genauigkeit zu positionieren, die nur durch die Auflösung des Positionserfassungssystems sowie der Geschicklichkeit des Anwenders selbst begrenzt ist. Insbesondere vermag die Vorrichtung bei Lymphknotenuntersuchungen die bis anhin groben und fehleranfälligen Ortsbeschreibungen durch wesentlich exaktere und patientenindividuelle Positionsangaben zu ersetzten. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems kann ferner die Qualität zur Lymphknotenvermessung entscheidend verbessert werden, indem die Ultraschallbilder aus identischen Blickwinkeln auf den jeweiligen Lymphknoten als Grundlage zur Größenbestimmung herangezogen werden können. Zudem wird der diagnostizierende Arzt dahingehend unterstützt und auch entlastet, dass er mit Hilfe entsprechender Navigationshilfen den Ultraschallkopf exakt in orthogonaler Ausrichtung zur Aufnahme zweier orthogonaler Schnittbilder auszurichten in der Lage ist.

Schließlich hilft die Vorrichtung dem Arzt bei der Diagnose Zeit zu sparen, da die Positionsmaßnahmen einfacher und schneller durchführbar sind, insbesondere in Fällen, in denen das Sichtgerät, auf dem die aktuelle Lage des Ultraschallkopfes dargestellt wird, möglichst nahe am Ultraschallbildmonitor aufgestellt werden kann, um ein möglichst einfaches Vergleichen des live aufgenommenen Ultraschallbildes mit der aktuellen Lage des Ultraschallkopfes zu ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich,

Fig. 2a, b schematisierte Darstellung für den dynamischen Ablauf des Verfahrens zur wiederholten Untersuchung von Lymphknoten sowie

Fig. 3a, b Ausführungsbeispiel für ein Sichtgerät zur Darstellung von Navigationshilfen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Das in Figur 1 dargestellte System zur reproduzierebaren Positionierung eines Objektes, vorzugsweise eines Ultraschallkopfes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich umfaßt ein Ultraschallgerät 2, das über eine Bedieneinheit 21 und Monitor 22 verfügt, an dem überdies zur Aufnahme intrakorporaler Schichtbilder über ein Verbindungskabel ein Ultraschallkopf 4 angeschlossen ist, der zu Zwecken einer Positionserfassung Trackerelemente 3 vorsieht, die mit Hilfe eines Positionserfassungssystems 1 , vorzugsweise in Form einer Stereokameraeinheit ausgebildet ist, erfasst werden. Zur Verarbeitung bzw. Abspeicherung aller mit Hilfe des Positionserfassungssystems 1 sowie auch des Ultraschallgerätes 2 gewonnenen Daten dient eine Auswerteeinheit 5, die im einfachsten Fall als PC-Rechnereinheit ausgeführt ist. Die Auswerteeinheit 5 verfügt über einen Monitor 51 , der als Sichtgerät zur visuellen Darstellung von Navigationshilfen eingesetzt werden kann. In besonders vorteilhafter Weise werden die Navigationshilfen jedoch visuell auf einer Minidisplayeinheit 6 zur Darstellung gebracht, die es dem Arzt als portable Einheit ermöglicht, die Displayeinheit 6 möglichst nahe an den zu diagnostizierenden Körperbereich zu plazieren, um die Navigationshilfen unmittelbar in das gemeinsame Blickfeld mit dem Ultraschallkopf zu rücken.

Die in Figur 1 dargestellten Komponenten eignen sich bevorzugt, Lymphknotenuntersuchungen erheblich zu vereinfachen. Es sei angenommen, dass der Kopf eines Patienten P in einer ersten Anwendungssitzung gemäß Bilddarstellung in Figur 2a in einer ersten Raumlage zum Positionserfassungssystem 1 zu liegen kommt, die durch das erste Koordinatensystem 11 beschreibbar ist. In einem ersten Schritt positioniert der Arzt den Ultraschallkopf 4 an eine Referenzposition I und nimmt an dieser Position ein erstes Schnittbild auf. Das Schnittbild ist derart gewählt, dass der Arzt bei weiteren Diagnosesitzungen die Referenzposition exakt wiederfinden kann. Beispielsweise orientiert sich der Arzt an unveränderliche anatomische Objekte, wie beispielsweise die Lage des Kehlkopfes oder eine Schnittlinie durch die Halsschlagader. Die exakte räumliche Lage des an der Referenzposition I aufgenommenen Referenzbildes wird in Bezug auf das erste Referenzkoordinatensystem 11 abgespeichert. Nachfolgend bewegt der Arzt den Ultraschallkopf 4 relativ zum Halsbereich des Patienten P an einen Körperbereich, an dem sich ein zu diagnostizierender Lymphknoten L befindet, den es gilt in weiteren Diagnosesitzungen hinsichtlich eines etwaigen Lymphknotenwachstums zu beobachten. Zur Schnittbildaufnahme wählt der Arzt eine geeignete Schnittbildebene, die letztlich zur Volumenbestimmung des Knotens herangezogen werden kann. Die räumliche Lage des Ultraschallkopfes 4 wird als Zielposition relativ zum Koordinatensystem 11 erfasst und entsprechend abgespeichert. In einem weiteren Schritt gilt es an der Stelle der Zielposition den Ultraschallkopf zur Aufnahme eines orthogonalen Schnittbildes um 90° gegenüber der Aufnahmeposition des ersten Schnittbildes zu drehen und ein geeignetes zweites Schnittbild aufzunehmen, mit dem in Verbindung mit dem ersten Schnittbild an der Zielposition eine Volumenbestimmung des Lymphknotens L möglich wird. Auch die räumliche Position des orthogonalen Schnittbildes an der Zielposition wird relativ zum ersten Koordinatensystem 11 entsprechend abgefaßt und abgespeichert. In einer darauffolgenden Anwendungssitzung, die durchaus einen zeitlichen Abstand zur ersten Anwendungssitzung von 3 bis 4 Wochen aufweisen kann, gilt es für den Arzt die exakte Lage des an der Referenzposition aufgenommenen Referenzbildes zu reproduzieren. Da der Patient P in Bezug auf das Positionserfassungssystem 4 eine unterschiedliche Lage im Vergleich zur ersten Anwendungssitzung einnimmt, wird ein vom ersten Koordinatensystem 11 zweites Koordinatensystem 12 aufgespannt (siehe hierzu Figur 2b). Unabhängig vom Koordinatensystem positioniert der Arzt den Ultraschallkopf 4 unter Maßgabe des in der ersten Anwendungssitzung aufgenommenen Schnittbildes an der Referenzposition und vergleicht das aktuell aufgenommene Schnittbild in der zweiten Anwendungssitzung mit jenem an der Referenzposition in der ersten Anwendungssitzung aufgenommenen Schnittbildes. Sind beide Schnittbilder identisch, so wird die Referenzposition gegenüber dem Koordinatensystem 12 in der zweiten Anwendungssitzung entsprechend erfasst und abgespeichert. Um den Ultraschallkopf 4 zielführend zur in der ersten Anwendungssitzung erfassten und abgespeicherten Zielposition zu führen, wird unter Berücksichtigung des zweiten Koordinatensystems 12 eine Transformationsvorschrift ermittelt, durch die der Arzt eine genaue Information erhält, wie er den Ultraschallkopf 4 aus der Referenzposition I', bezugnehmend auf das Koordinatensystem 12 zur Zielposition II' zu verfahren hat. Als Navigationshilfe dient dem Arzt ein als Minidisplay ausgebildete Monitoreinheit 6, die eine Fadenkreuzdarstellung 7 vorsieht, in dessen Fadenkreuzungspunkt eine Feldmarkierung vorgesehen ist, die die Zielposition II' definiert. Mit Hilfe des Positionserfassungssystems 1 wird auf dem Minidisplay 6 zusätzlich die aktuelle Lage des Ultraschallkopfes 4 dargestellt, die dem Arzt eine Bezugsinformation vermittelt, in welcher Richtung er den Ultraschallkopf 4 zu verfahren hat, um letztlich zur Zielposition II' gelangen zu können.

In Figur 3a und b läßt sich die Funktionsweise der Fadenkreuzdarstellung erläutern. Die Balkendarstellung B1 symbolisiert die aktuelle Lage und Position des Ultraschallkopfes 4. Die Mitte des Fadenkreuzes stellt die Zielposition dar. Um den Ultraschallkopf in die Zielposition zu überführen, ist im Fallbeispiel gemäß Figur 3a der Ultraschallkopf nach rechts unten bzw. im Fallbeispiel gemäß Figur 3b nach rechts oben zu führen. Neben der reinen Ortsinformation hinsichtlich der Position der Zielposition kann der Fadenkreuzdarstellung auch die an der Zielposition einzunehmende Lage des Ultraschallkopfes entnommen werden. Hierzu ist die Ultraschallkopflage durch die Balkendarstellung B2 definiert. Zur Eindeutigkeit der Solllage an der Zielposition ist zusätzlich ein Punkt K3 vorgesehen. Die Ausrichtung der Balken B1 und B2 stellt jeweils die Längsrichtung der Längsachse der aufgenommenen Ultraschallschnittbilder dar. Der Abstand des Punktes K3 zur Fadenkreuzmitte symbolisiert die Abweichung der Ausrichtung der Querachsen der beiden Schnittbilder. Der Ultraschallkopf ist demzufolge in jenem Fall korrekt positioniert und gedreht bzw. ausgerichtet, wenn die Balken B1 und B2 übereinander und der Kreis K3 in der Mitte des Fadenkreuzes zu liegen kommen.

Um die Bedienungsfreundlichkeit der Vorrichtung zu verbessern, sind für den Arzt am Minidisplay 6 Bedienelemente vorgesehen, bspw. in Form von Tastern, Schaltern oder in Form eines Touch-Screems, über die Einfluss auf die Bilddarstellung genommen werden kann.

In vorteilhafter Weise kann die Lage und Position der Minidisplayeinheit 6 derart erfasst und rechentechnisch verarbeitet, dass die auf dem Minidisplay gezeigten Navigationshilfen unabhängig von der räumlichen Lage des Minidisplays und der Lage des Referenzbildes darstellbar sind. Auf diese Weise ist es für den Arzt nicht erforderlich, die Minidisplay-Einheit 6 in einer bestimmt vorgegebenen räumlichen Anordnung in Bezug auf den Patienten respektive in Bezug auf die Referenzposition zu plazieren. Vielmehr kann der Arzt die Minidisplayeinheit je nach Betrachtungswinkel frei positionieren, die Navigationshilfen werden stets lagerichtig dargestellt.

Selbstverständlich ist es möglich anstelle des Ultraschallkopfes auch alternative Aufnahmemittel zu wählen, mit denen die Erstellung intrakorporaler Schnittbilder möglich ist, wie beispielsweise Röntgensysteme, Systeme und Verfahren zur Erzeugung von Schnittbildern aus dreidimensionalen Bilddaten, die im Wege von Computer-Tomographie oder Kernspin-tomographischen Aufnahmen erzeugbar sind.

Bezugszeichenliste

Positionserfassungssystem Ultraschallgerät Bedieneinheit Standmonitor Tracker Ultraschallkopf Auswerteeinheit Sichtgerät Sichtgerät Fadenkreuzdarstellung erstes Koordinatensystem zweites Koordinatensystem

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich mit einem Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder, einem Positionserfassungssystem, das zumindest die räumliche Lage des Mittels zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder erfasst, einem Auswertesystem, das wenigstens einen Teil der erfassten räumlichen Lageinformationen über das Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder sowie der aufgenommenen intrakorporalen Schnittbilder abspeichert und auswertet sowie einer Navigationseinheit, die unter Zugrundelegung von Lage und Position des Mittels zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder sowie wenigstens einer abgespeicherten Zielposition Navigationshilfen zum Positionieren des Objektes relativ zum Körper aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein Ultraschallkopf, ein medizinisches Instrument und/oder eine Strahlenquelle ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Aufnahme intrakorporaler Schnittbilder ein Ultraschallkopf ist, der mit einem Ultraschallgerät verbindbar ist, ein Röntgensystem, oder ein System zur Erzeugung von Schnittbilder unter Einsatz eines Computer-Tomographen oder eines Kernspin-Tomographen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionserfassungssystem ein optisches Erfassungssystem ist, das eine Lageveränderung von an dem Objekt vorgesehenen Tracker oder Markierungsmittel erfasst.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertesystem eine Rechnereinheit, vorzugsweise ein PC-System ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Navigationseinheit einen Sichtschirm aufweist, auf dem die wenigstens eine Zielposition sowie die Lage und Position des Objektes relativ zur Zielposition darstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Navigationseinheit wenigstens ein Bedienelement vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Navigationseinheit von der

Positionserfassungseinheit erfassbar ist, und dass die Navigationshilfen in Abhängigkeit von der Position darstellbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Navigationseinheit Tracker oder Markierungsmittel vorgesehen sind.

10. Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufnahme wenigstens eines ersten Schnittbildes an einer Referenzposition am Körper, Erfassen und Abspeichern des ersten Schnittbildes sowie Erfassen und Abspeichern von Lage und Position des ersten Schnittbildes relativ zu einem ersten Koordinatensystem, Aufnahme wenigstens eines zweiten Schnittbildes an einer von der Referenzposition unterschiedlichen Zielposition am Körper, Erfassen und Abspeichern des zweiten Schnittbildes sowie Erfassen und Abspeichern von Lage und Position des zweiten Schnittbildes relativ zum ersten Koordinatensystem, Aufnahme eines weiteren Schnittbildes am Ort der Referenzposition am Körper, Erfassen des weiteren Schnittbildes sowie der Lage und Position des weiteren Schnittbildes relativ zu einem zweiten Koordinatensystem, Ermitteln von der Zielposition im zweiten Koordinatensystem entsprechenden Koordinaten unter Zugrundelegung von Lage und Position des zweiten Schnittbildes relativ zum ersten Koordinatensystem, Navigieren des Objektes zur Zielposition auf der Grundlage von zur Zielposition führenden Navigationshilfen.

11. Verfahren zum reproduzierbaren Positionieren eines Objektes relativ zu einem intrakorporalen Körperbereich, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufnahme wenigstens eines ersten Schnittbildes an einer Referenzposition am Körper, Erfassen und Abspeichern des ersten Schnittbildes sowie Erzeugen eines durch das Schnittbild definierbaren Koordinatensystems, Aufnahme wenigstens eines zweiten Schnittbildes an einer von der Referenzposition unterschiedlichen, vorgebbaren Zielposition am Körper, Erfassen und Abspeichern des zweiten Schnittbildes sowie Erfassen und Abspeichern von Lage und Position des zweiten Schnittbildes innerhalb des Koordinatensystems, Ermitteln einer Trajektorie als Verbindung zwischen der Referenzposition und der Zielposition, Aufnahme eines weiteren Schnittbildes am Ort der Referenzposition, Vergleichen des weiteren Schnittbildes mit dem ersten Schnittbild und Ermitteln der Zielposition auf der Grundlage der Trajektorie, Navigieren des Objektes zur Zielposition auf der Grundlage von zur Zielposition führenden Navigationshilfen.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Navigationshilfen als Sichtmarken auf einem Sichtgerät dargestellt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät ein Fadenkreuz aufweist, in dessen

Fadenkreuzungspunkt die Zielposition dargestellt wird, und dass das zu navigierende Objekt als Sichtmarke relativ zum Fadenkreuzungspunkt dargestellt wird, so dass aus der Relativlage von Objekt zum Fadenkreuzungspunkt die Zielposition gezielt ansteuerbar ist.