WO2014128301A1 - Optisch erfasste ultraschallnavigierte punktion - Google Patents

Optisch erfasste ultraschallnavigierte punktion Download PDF

Info

Publication number
WO2014128301A1
WO2014128301A1 PCT/EP2014/053560 EP2014053560W WO2014128301A1 WO 2014128301 A1 WO2014128301 A1 WO 2014128301A1 EP 2014053560 W EP2014053560 W EP 2014053560W WO 2014128301 A1 WO2014128301 A1 WO 2014128301A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
ultrasound
needle
puncture
probe
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/053560
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Meier
Original Assignee
Bernd Meier
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bernd Meier filed Critical Bernd Meier
Priority to DE112014000968.7T priority Critical patent/DE112014000968A5/de
Publication of WO2014128301A1 publication Critical patent/WO2014128301A1/de

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0833—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures
    • A61B8/0841—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures for locating instruments
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/285—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine for injections, endoscopy, bronchoscopy, sigmoidscopy, insertion of contraceptive devices or enemas
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4438—Means for identifying the diagnostic device, e.g. barcodes

Definitions

  • the ultrasound-guided puncture of vessels, nerves, and organ tissues requires a lot of experience and practice in addition to knowledge of the anatomical location of the puncture target.
  • the surgeon performing the puncture must place the position of the puncture needle over the body surface in a spatial relationship with the two-dimensional image of the target angeled with the ultrasound probe. Since the ultrasound probe is usually guided by left-handed people with the right hand and the puncture needle with the left hand (vice versa), the ultrasound image presented by one hand must be well coordinated with the other hand guiding the puncture needle. This coordination can - as known from learning two-handed to playing musical instruments - can be achieved safely only by a lot of practice. This means that inexperienced significantly more Fehlticianionen and organ injuries occur than experienced.
  • the knowledge of puncture strategies and anatomical approaches required by ultrasound punctures can be acquired through frequent sonography of the affected body regions and through appropriate anatomical dissection exercises in the course of courses in anatomical institutes.
  • the practical exercise of the ultrasound-navigated puncture is left to the experiment on humans, probably under the supervision of an experienced teacher and is burdened here even with corresponding failed attempts.
  • doctors are increasingly demanding risky punctures in critically ill patients, without providing them with appropriate training and practice in this area.
  • the present method is intended to provide the necessary capabilities to perform an ultrasound-guided puncture without resorting to an appropriate method of treating a human or animal body with all risks.
  • Recent ultrasound-guided puncture procedures can locate the position of a puncture needle in the working space of the navigated puncture in front of an ultrasound probe by electromagnetic or optical means.
  • May et al. describe a navigation system in which the position of the needle tip is detected by an electromagnetic marking probe inserted into it by means of electromagnetic sensors on the ultrasound probe.
  • the position of the puncture needle is measured and calculated in this method, especially after penetration into the body.
  • Other methods optically capture the puncture needle using camera systems (Chan, C, Lam F, Blank R (2005) and Najafi, M; Rohling R (2011)).
  • the position of puncture needles marked at at least two locations is calculated by means of two spaced-apart camera systems. For this purpose, the puncture needle should be clearly marked on at least two sufficiently widely spaced points.
  • the camera systems spaced apart from one another do not display an image of the puncture needle in the working space in front of the ultrasound probe which can be obtained directly by the surgeon on the ultrasound image. Therefore, the surgeon always has to rely solely on the calculated projection lines in these procedures. Especially in practice procedures is a projection-oriented direct Visualization of the puncture needle in the plane of Ultraschalllotung and thus safe control and coordination by the practitioner desired.
  • the aim of the invention is to provide the trainee with an exercise device that provides a direct axis and projection view of a clean needle located in the working space in front of the ultrasound probe, starting from the trajectory of the random projection and penetration depth in the ultrasound image and all by a puncture corresponding Depth-triggered changes in the sound image can be selectively displayed and simulated without a puncture or injury actually taking place.
  • FIG. 1 illustrates the spatial situation of an ultrasound-navigated puncture in a three-dimensional Cartesian coordinate system, to which all the information used in the following refers.
  • the line through which the sound of the sonic probe S placed on the body surface enters the tissue of the arm is referred to below as the x-axis, the direction in which the ultrasound propagates into the depth of the tissue as the z-axis, the sounding ,
  • the Y-axis of the coordinate system of the Schalllotung extends at right angles to the X and Z axis in the working space in front of the ultrasound machine, in which the Exerziernadel is located.
  • the method of the invention is defined by claim 1.
  • the apparatus of the invention is defined by each of the independent apparatus claims.
  • the invention is based on the idea of ultrasonically directing precise puncturing with a puncture needle without puncturing a surface.
  • an exercise device is provided which is provided with a relative to a handle translationally movable puncture needle.
  • the puncture needle may be blunt and / or solid to avoid injury.
  • the puncture needle is placed on a surface, for example, the body surface of a subject. Alternatively, any other type of surface is conceivable because no puncture is to take place.
  • the handle is displaced in the distal direction along the needle over the latter in the direction of the surface.
  • the handle is thereby displaced along an axis which is determined by the location of the placement of the needle on the surface and the angle of the needle relative to the surface.
  • This axis is referred to below as the stitch axis, but without a puncture takes place in the surface.
  • stitch axis is intended to illustrate that the puncture is to be simulated in the area below the surface.
  • two optical systems are provided as part of an optical detection system.
  • the two optical systems conventionally receive visible light using at least one optical camera / image sensor.
  • optical mirrors may be provided to suitably reflect the light to be picked up in the direction of the camera.
  • the invention is based on the idea that both optical systems are spaced apart from each other and each fixedly connected to the ultrasound probe and take part of the exercise device / the puncture needle.
  • the needle is picked up by each of the two optical systems from a different direction.
  • the orientation of the two optical systems will be explained using the term "center beam”.
  • the term “midpoint beam” designates the central beam path of the incident light on the respective optical system.
  • the first optical system is aligned parallel to the axis with respect to the sounding direction (sound propagation direction of the ultrasonic probe), see above that a projection of the needle is recorded in the sound locating plane.
  • This image serves to project the needle into the plane of the ultrasound image.
  • the sound locating plane / plane of the ultrasound image is referred to herein as X / Z plane, where Z denotes the direction of sound propagation (depth direction) and the X direction denotes the width direction of the ultrasound image.
  • a projection of the needle is recorded in the plane of the ultrasound image.
  • This projection is preferably drawn as a line in the recorded ultrasound image.
  • the inclination angle of the stitch axis with respect to the surface in the Y direction is unknown.
  • the penetration depth is unknown, because a puncture does not occur.
  • the second optical system is aligned with respect to the first optical system and the ultrasonic probe such that the center beam of the second optical system detects a known sector of the working space in front of the ultrasonic probe detected by the first optical system.
  • the detected sector may be determined, for example, by a suitable calibration method or by knowing the angle and distance of the second optical system with respect to the first optical system.
  • the inclination of the needle with respect to the surface in the Y-direction perpendicular to the X-direction and the Z-direction is then determined. Furthermore, at least one point of the puncturing axis is determined with the aid of the second optical system.
  • the penetration depth can be determined, in which the exercise device, the needle or the handle part is provided with a marking body whose distance from the surface or the puncture site or the distal end of the puncture needle is evaluated as an indication of the penetration depth of the simulated puncture.
  • the second optical system is formed as a stereoscopic system which detects the same sector from different directions.
  • the second optical system may, for example, have mutually inclined mirrors or lenses that direct the light onto a common camera or lens throw a common image sensor.
  • two mutually inclined cameras / image sensors are conceivable.
  • the term camera is preferably understood to mean a digital image sensor.
  • the method according to the invention makes it possible to simulate an ultrasound-navigated puncture by using: a device referred to below as an Exerziernadel and paraphernalia, and an ultrasound navigation system, the Exerziernadel and paraphernalia in the plane of Schalllotung right-axis and at the correct distance to the sounded structures on the ultrasound image directly images and Starting from this figure, the trajectory of the stitch projection is displayed clearly.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first embodiment
  • Figure 2 shows another embodiment
  • Figure 3 is a section, a perspective view and a top view of
  • FIG. 4 is a perspective view of a second embodiment
  • FIG. 5 shows the view from the direction of the arrow V in FIG. 4,
  • FIG. 6 shows the section along the line VI-VI in FIG. 4,
  • FIG. 7 shows the section along the line VII-VII in FIG. 6,
  • FIG. 8 shows the section along the line VIII - VIII in Figure 5
  • 9 shows an embodiment of an exercise device in a first position
  • Figure 2 shows an exemplary embodiment of an Exerziernadel invention and a paring cutlery.
  • a puncture needle performing pin that can be placed as Exerziernadel EN on the body surface of the subject without injuring them or penetrate into the body, a device, the leading, attached to the body surface parts of this pin EN on approach of the paring utensils EB to slide back to the puncture target in the rear parts of the device ( Figure 2, below with extended Exerziemadel, Fig.2 top right with pushed into the drill bits Exerziemadel), an injection syringe or another implement performing essay, which is installed in the paring utensils is ( Figure 2 syringe stamp ST), a device that can influence the mechanical resistance in the back sliding of the leading parts of the tip of the Exerziernadel EN selectable in the rear parts of the drill set EB and so the tissue resistance at the puncture is TAI, in the drill built-in Mitt for simulating the handling of injections ST, means incorporated into the drill set, which can selectably influence the punch resistance during injections TA2, Incorporating means for simulating the
  • the paring utensil or the Exerziernadel from a pin with a deferred on this marker ball M which is advanced by the practitioner as a simulation of the puncture (with a paring utensil) forward in the direction of the puncture target.
  • the ultrasound navigation system according to the invention (FIG. 1, FIG. 3) is mounted on the ultrasound probe with a view of the working space of the puncture and contains: a first camera system Cl which precisely points the object points of the puncture needle onto the plane in which the sound signal is emitted spreads in the body as a stitch projection S (x, z) (Fig. L) receives, and a second camera system (lateral camera) C2 which laterally mounted next to the light entrance of the first camera system, the Exerziernadel and the marker body M in the working space in front of the ultrasonic probe from a lateral perspective maps.
  • a first camera system Cl which precisely points the object points of the puncture needle onto the plane in which the sound signal is emitted spreads in the body as a stitch projection S (x, z) (Fig. L) receives
  • a second camera system (lateral camera) C2 which laterally mounted next to the light entrance of the first camera system, the Exerziernadel and the marker body M in the working space in front of the ultras
  • the second camera system does not project the working space into the projection parallel to the axis of the center beam, but detects the angle in which a section or point of the Exerziernadel protrudes from the known center beam of the second camera system.
  • the angle wh with which the standing line of the Exerziernadel on the 2nd camera system of the X-axis of the coordinate system protrudes (A Scale for w is shown in the camera image of the second camera system in Fig.l top right).
  • this horizontal plane passes through the point corresponding to its center ray,
  • the trajectory of the drill string in the graph formed by the X- and Z-axes can be in the plane of the sound slot as the projection line S (x, z), and in the Y, and Z axes formed graphs as projection line S (y, z) are shown.
  • the stitch projection S (x, z) is located in the plane defined by the X-axis and the Z-axis sounding and therefore appears in the image of the needle by the first camera system as a straight section of the Exerziernadel, which by the computing unit in the ultrasound image is represented as an extension line in the coordinate system formed from X-axis and Z-axis.
  • the angle a is the angle of inclination of the stitch projection S (x, z) against the perpendicular (FIG. 1).
  • the corresponding angle of inclination of the needle in the image of the second (lateral) camera system corresponds to the angle j (FIG. 1).
  • Exerzierbesteck EB and Exerziernadel EN are located in the workspace of the ultrasonic navigation system, consisting of an ultrasonic probe (Fig.l) with the navigation system S, with the light input of the first camera system Cl and the light input of the second lateral camera system C2. Below the ultrasound probe is the angelotete puncture target T.
  • Exerziernadel EN and paring utensils EB and the ultrasonic navigation system are in the coordinate system of the Schalllotung, whose zero point is here below the light entrance of the center beam of the second lateral camera system C2.
  • the Z-axis runs in the beam direction of the sound probe (down).
  • the contact line of the sonic probe with the body surface through which the ultrasound signal enters the body corresponds to the X-axis of the coordinate system.
  • the Y axis extends at right angles to Z, and X axis extends forward into the working space.
  • the plane formed by the X- and Y-axis corresponds to the body surface of the working space on which the Exerziernadel EN is placed.
  • the lateral stitch projection is shown as the ray S (y, z) in the graph defined by Y and Z axes.
  • the stitch projection S (x, z) bottom, left detected by the first camera system is shown.
  • two sections C1 of the exerzi needle recorded by the first camera system are shown at a correspondingly correctly adjusted position.
  • the calculated trajectory of the stitch projection S (x, z) is shown for visualization and control as an extension of these directly imaged sections of the exericine needle both in the ultrasound image and in the camera image of the working space of the puncture.
  • the point of intersection of the stitch projection S (x, z) with the plane of the sound slot is shown here in the ultrasound image (> --- ⁇ ) in the region of the target T.
  • the marker ball M is illuminated by illuminants from the direction of the second camera system C2 (not shown in FIGS. 1 and 3) and thus highlighted. Since the trajectory of the stitch projection is known, the virtual depth of the simulated puncture can now be calculated from the image of the second camera system C2 (shown in FIG. 1, directly to the right of the navigation device) and displayed as line D in the ultrasound image.
  • FIG. 3 shows a device according to the invention for ultrasonic navigation.
  • a and B are deflecting mirrors which deflect 2 horizontal sections of the working space onto the camera C1.
  • the mirrors A and B are preceded by a Fresnel stage lens LI having a focal length which images the object points of the working space parallel to the center beam of the camera system onto the correspondingly spaced camera Cl.
  • a mirror W opposite the mirrors A and B advantageously deflects the image of the working space reflected by A and B onto the camera C1.
  • a further bifocally ground lens L2 is provided in the beam path of the portions of the working space reflected by the two mirrors A and B so that the different distances from A and B to the camera C1 are compensated with respect to the total focal length of the system.
  • the different distances between A and Cl and B and Cl can also be compensated by corresponding individual lenses which A and B are prefixed instead of LI.
  • the required by the first optical system focal length with a central axis parallel to the axis representation of the object points of the working space can also be achieved by installing correspondingly convex ground focal mirror instead planner deflecting mirrors and lenses. Further, correspondingly ground reflection prisms may be used instead of the mirrors and lenses to improve the optical performance of the camera system.
  • the first optical system visualizes the needle in the desired plane of the Schalllotung and outputs a direct image of the needle on the ultrasound image in this projection plane, from which then the calculated trajectory of the stitch projection as a superimposed line.
  • the puncturer can at any time check the quality of the calculated values of the trajectory of the stitch projection. If the drawn line of the stitch projection does not appear as a straight extension of the needle image, the values calculated for this plane are incorrect.
  • an additional marking of the puncture needle can be dispensed with.
  • the first optical system according to the invention provides all the points of the directly recorded exericine needle in the sound level as an X and Z coordinate.
  • the Y coordinate of one of these points and the angle j from the second lateral camera are needed. It turns out that this point can be easily determined by adjustment and calibration of the two optical systems - more precisely, the center beam of the second optical system.
  • the marking body M mounted on the paring utensil thus serves solely to calculate the simulated penetration depth. This property also showed surprising possibilities in the optical detection of other - not just running - geometric bodies when they are moved through the recording system.
  • the puncture artifacts displayed in the ultrasound image by the device according to the invention are:
  • Tissue injury bleeding, muscle contractions that can be triggered by injury or nerve stimulation.
  • tissue fluids from, for example, blood in paring utensils can be represented by incorporation and connection of appropriate display devices into the paring utensils by color change by using differently colored bulbs in the paring utensils.
  • the resistance to advancing the paring utensil can be changed depending on the tissue properties such as density, viscosity, elasticity and strength that can be derived from the ultrasound image.
  • the resistors which act counter to the syringe die of the drill when injecting or aspirating liquids, can be selectively influenced by using corresponding translational actuators TA 2, for example in an injection syringe, depending on the data detected by the sounding.
  • translational actuators TAI or TA2 hysteresis brakes or other electromechanical brake systems can be used as translational actuators TAI or TA2.
  • Both the data measured by the sensors and the control signals for the translational actuators can be provided by a cable connection be transmitted between the Exerziernadel and drill and the connected computer unit, which is connected to Cl and C2.
  • these signals can be transmitted as radio or light signals between the devices.
  • infrared LED bulbs can be used to transmit signals to the paring utensils, which are mounted as illuminants for illuminating the needle and the marking body on the locating device.
  • the illuminant may be connected to and controlled by the processor.
  • the inventive method allows injury-free practice of Ultraschallnavigationshabilit in humans.
  • the navigation device can be used in exercises on tissue models which have complex pathological anatomical structures. This uses fixed needles that are inserted into the tissue model. In these needles, a marking body M is mounted at the needle tip end of the needle in the region of the injection syringe cone such that the needle passes through the center of the marker body.
  • ultrasound-navigated punctures includes not only the coordination and handling of the paring utensils and the ultrasound probe, but also the sterile, contamination-free handling of the devices.
  • the ultrasound probe must be isolated from the disinfected area of the puncture site by a sterile sheath. In all manipulations, care should be taken to ensure that the probe covered with a sterile sheath and the puncture set are not contaminated by contact with non-disinfected objects.
  • the optical detection of the needle and the marking body must not be hindered by the envelope enclosing the ultrasonic probe.
  • the ultrasound probe is therefore enveloped by a sound-permeable casing which is well-permeable to the light emitted by the device according to the invention.
  • the sterile protective cover should fit tightly without wrinkling at the light entrance of the device.
  • the optical sharpness and intensity of the recorded images was very much dependent on the suction pressure built up by the pump.
  • Some very small openings between the Fresnel stages of these lenses cause the sleeve to be in an optimal position whereby the refractive properties are selectively influenced by changing the power of the suction pump.
  • the power of the suction pump can be easily controlled by the image processing processor, and the image quality can be optimized.
  • the device according to the invention requires a precise coordination of puncture needle, ultrasound device and the optical system for detecting the spatial position of the puncture needle.
  • the needle, ultrasound probe, and an optical calibration model are given a key code, some of which is known to the examiner.
  • radio tags such as RFID chips
  • the RFID chip is attached to the rear end of the Exerziernadel and slides when inserting the Exerziernadel in a covering sleeve within the paring cutlery, which interrupts a reading by a reader mounted on the sound probe depending on the sleeve position or releases.
  • the adjustment and calibration of sound probe and optical needle detection system serving opto-acoustic calibration body consists on one side of at least one embossed in a paper or a foil relief and hole structure, which is covered with at least one cover layer, which compared to the relief layer, a different acoustic impedance having.
  • This key can be sonographically implemented on the calibration body as part of the embossed relief structure or steganographically as part of the marking pattern.
  • the calibration is performed by placing the ultrasound probe on the relief, and imaging of the folded-up optical part of the calibration body by the first and second optical system according to the invention.
  • the structure of the sonographed relief changes as a function of the distance of the optical calibration pattern, so that after the analysis of the ultrasound image at different touchdown points on the pattern, an adjustment can be made with the differently spaced calibration pattern, in particular by the second optical detection system.
  • the keys of ultrasound device, navigation device and calibration model are merged by the computing unit generating a time-dependent feature.
  • the calibrated system is presented with the drill needle and its key, whereby a further time-dependent pairing of the data recorded in the navigation device and the Exerziernadel is generated with a time stamp that verifiably confirms the authenticity of the calibration data and all hereafter recorded images and data.
  • the keys preferably use asymmetric key pairs - private, which are used to create the pairings described, and public ones to verify the authenticity of the pairings. example
  • a 1.2 cm diameter retroflex marking body is drilled and attached to the syringe hub of a hypodermic syringe.
  • a 8.5 cm long steel tube the inside diameter of which receives a 18 gauge steel pin, is inserted into the needle hub of the syringe and passed through a corresponding hole in the syringe plunger to the rear.
  • In a 25 cm long and 6cm wide housing which is 1.5cm on one side and 6.6cm deep opposite on the 1.5cm deep side is a 5.5cm long and 1.9cm wide mirror as shown in Fig. 1 installed. The mirror has a slope from the back of 33 °.
  • a rail for the lens insert In front of the mirror is an opening (see Fig. L) and a rail for the lens insert. Small holes are drilled at regular intervals around the lens insert.
  • an electronic camera with a resolution of 1280x720 pixels, which has no infrared filter installed.
  • another electronic camera without infrared filter with view of the working space of the puncture is mounted in an adjusting device.
  • 6 holes are created in the housing in the 6 infrared LEDs installed and connected to a power source of the arithmetic unit.
  • a thin Fresnel stage lens with 6.5 dpt is inserted. Both camera systems are connected to the arithmetic unit.
  • the mirror and camera of the first electronic camera system are adjusted so that they record the working space in a projection perpendicular to the level of the ultrasound plumbing.
  • the axis-parallel representation of the object points of the working space by the first camera system is adjusted by changing the distance of the electronic camera to mirror and Fresnellecknlinse.
  • different calibration bodies are recorded at defined positions in the working space.
  • First and second camera systems are adjusted so that the center beam of the second lateral system is a horizontal row of those taken by the first camera system Object points in the work space and cuts their axis-parallel projection lines at an angle of 45 °.
  • the camera sections of this common series of points are stored in both the first and second camera systems.
  • a shell for fixed recording of an ultrasonic probe with a known distance to the light entrance of the first and second camera system is mounted.
  • An ultrasound probe is placed in the tray and attached.
  • Ultrasonic probe and navigation unit are placed in a protective cover.
  • a suction pump connected to the interior of the navigation unit is put into operation. It is noted that the shell rests tightly and wrinkle-free at the sound outlet and Fresnellecknlinse.
  • the image output by the ultrasound system is recorded by a third camera system and fed to the arithmetic unit.
  • the ultrasound probe is put into operation and placed at a defined location on a calibration model in which a sonographic detectable relief covered with a gel film is impressed.
  • the optical calibration body lying in the working space is slowly folded up.
  • the ultrasound image is displayed directly on a monitor.
  • the image of the working space taken by the first camera system is displayed above the ultrasound image. Its distance from the ultrasound image and its image size are calibrated by the optical calibration body where the dimensions and the distance to the end of the sound input of the ultrasound probe are known.
  • a puncture target is angeled in an ultrasound gel model. Exerziernadel and paring utensils are placed in front of the ultrasound probe. Above the ultrasound image, the image of the exergency needle recorded by the first camera system can already be used as a sighting line on the puncture target.
  • the graphic data analysis of the first and second camera systems now comprises the following steps.
  • the data of the second camera system consistent with the spatial angle is converted in the same way, taking into account the image function that satisfies the spatial angle.
  • the deviation angle of the calculated needle section to its center beam is calculated in the previously calibrated and calibrated common camera section. In this area, the 3dimensional space coordinates are calculated for exactly one point. From the averaging of the regression curves calculated for both camera systems, the complete 3-dimensional position of the needle can be represented starting from this point.
  • the height of the needle position is present. Above the ultrasound image, the Exerziernadelsent recorded by the first camera system is displayed. Starting from this, the stitching projection is drawn into the ultrasound image.
  • the point in the ultrasound image to which the stitch projection is aimed is displayed.
  • the puncture simulation is carried out by advancing the injection syringe with the mounted retroflex marking body in the direction of the angeled target.
  • the apparent penetration depth is calculated from the position of the retroflex marking body in the image of the second camera system.
  • a Nadeiartefakt is faded into the ultrasound image at the appropriate position.
  • the optical detection system S has two optical systems.
  • the first optical system comprises a Fresnel lens LI, a first deflection mirror A, a second deflection mirror W and an optical camera Cl.
  • the lens LI is part of the housing G of the optical detection system S, while the deflection mirrors A and W and the optical camera Cl are disposed within the housing G.
  • the second optical system has deflection mirrors Bl, B2, the deflection mirror W and the optical camera Cl.
  • the light collected by the deflecting mirrors and deflected in the direction of the camera Cl falls through a transparent window F of the housing G onto the mirrors B1, B2.
  • the two mirrors Bl, B2 are arranged inclined to each other and thereby throw a stereoscopic image on the lens of the camera Cl.
  • the camera Cl receives both the beam path deflected by the mirror A of the first optical system and the beam path deflected by the stereoscopic mirrors Bl, B2.
  • the information about the beam path S1 deflected by the first deflection mirror A of the first optical system and the second beam path S2 deflected by the stereoscopic mirrors B1, B2 are thus contained in the image data recorded by the camera C1.
  • the deflection mirrors A, Bl, B2 are arranged such that the light of each mirror is contained in another area of the image captured by the camera Cl.
  • the detection system S is provided with a receptacle on the lens LI and the window F opposite side of the housing G for an ultrasonic probe US.
  • the ultrasonic probe US can be firmly connected to the housing G, wherein the connection is advantageously solvable.
  • an infrared LED I is provided on the outside.
  • the LED I may be electrically connected to the processor, not shown in the figures, wherein the processor selectively drives the LED to enable / disable and / or control their intensity.
  • the infrared LED I serves to irradiate the needle EN or the marking body M, whereby the light reflected by the needle EN or the marking body M enters the housing of the optical detection system S through the lens LI or the window F and via the deflection mirrors, as shown in Figure 6, the camera Cl is supplied.
  • the optical filter K shown in FIG. 6 is preferably arranged in front of the camera C1 such that the incident light falls through the filter K onto the lens or the sensor of the camera C1.
  • the filter K is transparent to light in the infrared wavelength range, while blocking light with longer wavelengths. This can ensure that the camera Cl receives only infrared light, which is reflected in the inventive arrangement of the syringe (needle EN or marker body M), while other light sources, the automatic detection of the syringe needle EN or the marker body M in the captured image could be disturbed. It is conceivable to form the filter K from the camera Cl removably or pivotably within the housing of the optical detection system S.
  • Figures 9 and 10 show an embodiment of the exercise device.
  • Figure 9 shows the exercise device with the handle (drill bits EB) and with its front part - a pin (Exerziernadel EN) - before placing on a surface O.
  • the handle EB is at the distal, pointing in the direction of the surface O end with a Marking body M provided.
  • the marking body M is a light-reflecting ball. Alternatively, the marking body can also be an object emitting an electric and / or magnetic field.
  • the marking body M serves to determine the position of the exercise device with respect to the surface O. From this position, the penetration depth can be determined.
  • FIG. 10 shows the exercise device after placement on the surface O.
  • the pin EN (Exerziernadel) is placed on the puncture site T.
  • the handle EB is advanced over the Exerziernadel in the direction of the puncture site T, without the Exerziernadel thereby penetrates into the surface O. Rather, the Exerziernadel EN is moved through the opening P of the paring utensils EB through in the proximal direction to the rear out of the paring cutlery out.
  • the distal end of the Exerziernadel is dull and the Exerziernadel EN is solid to prevent penetration into the surface O.
  • a method for practicing ultrasonic-navigated punctures with an optical detection system mounted on a sound probe and a puncture needle performing exercise apparatus characterized in that a portion of the front surface of the exercise apparatus mounted on the body surface, over which a forwardly held in the direction of the puncture target held Handle part is pushed with a marking body from the rear, both by a first optical system which detects the object points of the working space in parallel projection to a selectable angle on the level of Schalilotung center beam, as well as by a second laterally adjacent to the first mounted optical system whose center beam detects a detected, represented by the first optical system sector of the working space, recorded and fed to a processor, wherein the recorded by the first system portion of the working device übe directly from the ultrasound image, on the basis of which the random projection in the plane of the sound slot, whose intersection with this plane of the sound slot, the simulated penetration depth and as simulated puncture artifacts needle tips, injectates and tissue changes in the ultrasound image are shown selectable.
  • a device for carrying out (1), a stylus EN, serving as a sharpening needle, a drill set EB which can be handled as a handle, and which has an opening and sliding device for receiving the exercial needle EN, a marker body M mounted over the exergency needle-housing opening such that the needle passes through the center of the marker body;
  • Electromechanical Actuators TAI which change the mechanical resistance, which counteracts the serving as a Exerziernadel pin when moving into the paraphernalia, selectable
  • Light detectors which are electrically connected in the paring utensil EB with a measuring amplifier, a processor unit, the electromechanical actuators and a power source.
  • Device for determining the position of a puncture needle in the working space of the ultrasound probe characterized in that at least a first mounted on the ultrasound probe camera system detects the object points in the working space in front of the ultrasound probe by optically reflective and refractive means in an axis-parallel projection to the center beam of his camera and an arithmetic unit which outputs the image in selectable position and dimension above the ultrasound image measured by the ultrasound probe and at least one second camera system mounted laterally next to the light entrance of the first camera whose midpoint beam passes through the workspace at a known angle to the center beam of the first camera system , picks up the puncture needle and supplies it to the arithmetic unit.
  • Device for displaying the object points of the working space in front of the ultrasound probe comprising: first electronic camera system, Deflection mirror, lenses and reflection prisms, which project the object points of the Häaums parallel to the axis of the center beam of the camera on the image converter, a second electronic camera system, mounted on the sound probe bulbs that illuminate the workspace with selectable light intensity and wavelength.
  • Device characterized in that sound probe and navigation device are inserted into a light and sound-permeable sterile sheath, which is sealed to the outside, and containing a tube open to the sound probe and navigation device with a connection to a suction device.
  • a calibration body at least one sonographically detectable relief is imprinted, which is covered with a layer which has a different acoustic impedance compared to the embossed relief layer, and adjacent to which an optical Sample having calibration body is located, the pattern of the arithmetic unit are known, or the arithmetic unit are made known via a key located on the calibration body.
  • the device comprising a computing unit which receives signals from the ultrasound probe and from the first and second optical camera systems, stores and controls illuminants on the navigation unit, wherein the image captured by the ultrasound probe and the image of the first optical system a view device in selectable distances and dimensions are displayed on top of each other, and are calculated from the image information of the camera systems, the coordinates of the position of puncture needles in front of the ultrasound probe, and a stitch projection with marking of the passage of the stitch projection through the plane of Ultraschalllotung and the simulated penetration depth are superimposed in the captured by the first camera system image and in the ultrasound image.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Übung ultraschallnavigierter Punktionen, mit einer Exerziernadel, einem Exerzierbesteck und einer Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage der Nadel vor einer Ultraschallsonde mit direkter Visualisierung der Nadel und mit hiervon ausgehender Einblendung der Stichprojektion und weiterer Parameter in das Ultraschallbild.

Description

Optisch erfasste ultraschallnavigierte Punktion
Problemstellung
Die ultraschallgesteuerte Punktion von Gefäßen, Nerven und Organgeweben setzt neben der Kenntnis der anatomischen Lage des Punktionsziels viel Erfahrung und Übung voraus. Der die Punktion durchführende Operateur muss die Lage der Punktionsnadel über der Körperoberfläche in eine räumliche Beziehung zu der zweidimensionalen Abbildung des mit der Ultraschallsonde angeloteten Ziels bringen. Da die Ultraschallsonde in der Regel bei Linkshändern mit der rechten Hand, und die Punktionsnadel mit der linken Hand geführt wird (vice versa), müssen das mittels der einen Hand zur Darstellung gebrachte Ultraschallbild mit der anderen die Punktionsnadel führenden Hand gut koordiniert werden. Diese Koordination kann - wie vom Erlernen zweihändig zu spielender Musikinstrumente bekannt - nur durch viel Übung sicher erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei Ungeübten deutlich mehr Fehlpunktionen und Organverletzungen vorkommen als bei Erfahrenen. Das für die Durchführung von Ultraschallpunktionen notwendige Wissen über Punktionsstrategien und anatomische Zugänge kann durch häufiges Sonographieren der betreffenden Körperregionen und durch entsprechende anatomische Präparierübungen im Rahmen von Kursen in anatomischen Instituten erworben werden. Die praktische Übung der ultraschallnavigierten Punktion bleibt dem Versuch am Menschen, wohl unter Aufsicht eines erfahrenen Lehrers überlassen und ist selbst hier mit entsprechenden Fehlversuchen belastet. Im klinischen Alltag werden immer häufiger von Ärzten riskante Punktionen bei kritisch kranken Patienten abverlangt, ohne diesen eine entsprechende Ausbildung und Übung auf diesem Gebiet zukommen zu lassen. Das vorliegende Verfahren dient der Übung der notwendigen Fähigkeiten zur Durchführung einer ultraschallnavigierten Punktion, ohne dabei ein entsprechendes Verfahren zur Behandlung eines menschlichen oder tierischen Körpers mit allen Risiken zur Anwendung zu bringen.
Stand der Technik
Neuere ultraschallnavigierte Punktionsverfahren können die Position einer Punktionsnadel im Arbeitsraum der navigierten Punktion vor einer Ultraschallsonde durch elektromagnetische oder optischen Mittel lokalisieren. May et al. beschreiben ein Navigationssystem, bei dem die Position der Nadelspitze durch eine in diese eingeführte elektromagnetische Markierungssonde mittels elektromagnetischer Sensoren auf der Ultraschallsonde erfasst wird. Die Lage der Punktionsnadel wird bei diesem Verfahren vor allem nach Eindringen in den Körper gemessen und berechnet. Andere Verfahren erfassen die Punktionsnadel optisch Mithilfe von Kamerasystemen (Chan, C, Lam F, Rohling R (2005) und Najafi, M; Rohling R (2011)). Die Position von an mindestens zwei Orten markierten Punktionsnadeln wird mittels zweier voneinander beabstandet stehender Kamerasysteme berechnet. Hierfür sollte die Punktionsnadel an mindestens zwei hinreichend weit voneinander beabstandeten Punkten deutlich markiert sein. Durch die voneinander beabstandeten Kamerasysteme wird jedoch kein direkt für den Operateur auf das Ultraschallbild beziehbares Bild der Punktionsnadel im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde angezeigt. Daher muss sich der Operateur bei diesen Verfahren immer allein auf die errechneten Projektionslinien verlassen. Gerade bei Übungsverfahren ist eine projektionsgerechte direkte Visualisierung der Punktionsnadel in der Ebene der Ultraschalllotung und damit eine sichere Kontrolle und Koordination durch den Übenden erwünscht.
Eigene Untersuchungen hatten gezeigt, dass die optische Detektion von Markierungen auf sehr dünnen Punktionsnadeln (22-26 Gauge) mit erheblichen Schwierigkeiten und Fehlern belastet ist, wenn die Übungen bei Tageslicht oder in künstlichem Licht an Probanden durchgeführt werden sollen. Zu diesem Zweck können zwar zwei Markierungskörper in Form von Kugeln auf die Nadel aufgeschoben werden, von denen der der Körperoberfläche benachbarte bei Annäherung der Nadel an die Körperoberfläche nach hinten zurück gleitet. Bei diesem Markierungsverfahren stört jedoch der - körpernahe, untere - Markierungskörper bei der Handhabung des Geräts. Ziel der Erfindung ist es dem Lernenden ein Übungsgerät zur Verfügung zustellen, das eine direkte achsen- und projektionsgerechte Sicht auf eine im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde befindliche blanke Nadel bietet, von der ausgehend die Trajektorie der Stichprojektion und Einstichtiefe im Ultraschallbild und alle durch eine Punktion entsprechender Tiefe ausgelösten Veränderungen im Schallbild wählbar eingeblendet und simuliert werden, ohne dass eine Punktion oder Verletzung tatsächlich stattfindet. Die Figur 1 veranschaulicht die räumliche Situation einer ultraschallnavigierten Punktion in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem, auf das sich alle im folgenden verwendeten Angaben beziehen. Die Linie, über die der Schall der auf die Körperoberfläche aufgesetzten Schallsonde S in das Gewebe des Arms eintritt, sei im folgenden als X-Achse, die Richtung in der sich der Ultraschall in die Tiefe des Gewebes ausbreitet als Z- Achse, der Schalllotung bezeichnet. Die Y-Achse des Koordinatensystems der Schalllotung erstreckt sich im rechten Winkel zur X- und Z-Achse in den Arbeitsraum vor dem Ultraschallgerät, in dem sich die Exerziernadel befindet.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch jeden der unabhängigen Vorrichtungsansprüche definiert. Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, das zielgenaue Punktieren mit einer Punktionsnadel ultraschallgesteuert zu üben, ohne dabei eine Oberfläche zu punktieren. Hierzu ist ein Übungsgerät vorgesehen, welches mit einer gegenüber einem Handgriff translatorisch verschiebbaren Punktionsnadel versehen ist. Die Punktionsnadel kann stumpf und/oder massiv ausgebildet sein, um Verletzungen zu vermeiden. Die Punktionsnadel wird auf einer Oberfläche, zum Beispiel der Körperoberfläche eines Probanden, aufgesetzt. Alternativ ist jede andere Art einer Oberfläche denkbar, weil keine Punktion erfolgen soll. Nach dem Aufsetzen der Punktionsnadel (vorderer Teil des Übungsgeräts) wird der Handgriff in distaler Richtung entlang der Nadel über diese hinweg in Richtung auf die Oberfläche verschoben. Der Handgriff wird dabei entlang einer Achse verschoben, die durch den Ort des Aufsetzens der Nadel auf die Oberfläche und den Winkel der Nadel gegenüber der Oberfläche bestimmt ist. Diese Achse wird im Folgenden als Stichachse bezeichnet, ohne dass jedoch ein Einstich in die Oberfläche erfolgt. Der Begriff der Stichachse soll veranschaulichen, dass der Einstich in den Bereich unterhalb der Oberfläche simuliert werden soll.
Erfindungsgemäß sind zwei optische Systeme als Teil eines optischen Erfassungssystems vorgesehen. Die beiden optischen Systeme nehmen auf herkömmliche Art sichtbares Licht unter Verwendung mindestens einer optischen Kamera/Bildsensor auf. Desweiteren können optische Spiegel vorgesehen sein, um das aufzunehmende Licht in geeigneter Weise in Richtung auf die Kamera zu reflektieren.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass beide optischen Systeme zueinander beabstandet und jeweils fest mit der Ultraschallsonde verbunden sind und einen Teil des Übungsgeräts/der Punktionsnadel aufnehmen. Die Nadel wird dabei von jedem der beiden optischen Systeme aus einer anderen Richtung aufgenommen. Die Ausrichtung der beiden optischen Systeme wird unter Verwendung des Begriffes "Mittelpunktstrahl" erläutert. Der Begriff "Mittelpunktstrahl" kennzeichnet dabei den mittleren Strahlengang des auf das jeweilige optische System auftreffenden Lichts.
Das erste optische System ist in Bezug auf die Schalllotungsrichtung (Schallausbreitungsrichtung der Ultraschallsonde) achsparallel ausgerichtet, so dass eine Projektion der Nadel in die Schallortungsebene aufgenommen wird. Diese Aufnahme dient dazu, die Nadel in die Ebene des Ultraschallbildes zu projizieren. Die Schallortungsebene/Ebene des Ultraschallbildes wird vorliegend als X/Z-Ebene bezeichnet, wobei Z die Richtung der Schallausbreitung (Tiefenrichtung) bezeichnet und die X-Richtung die Breitenrichtung des Ultraschallbildes bezeichnet.
Mit Hilfe des ersten optischen Systems wird also eine Projektion der Nadel in die Ebene des Ultraschallbildes aufgenommen. Diese Projektion wird vorzugsweise als Linie in das aufgenommene Ultraschallbild eingezeichnet. Hierbei ist der Neigungswinkel der Stichachse in Bezug auf die Oberfläche in Y-Richtung unbekannt. Zudem ist auch die Einstichtiefe unbekannt, weil ein Einstich nicht erfolgt.
Das zweite optische System ist in Bezug auf das erste optische System und die Ultraschallsonde derart ausgerichtet, dass der Mittelpunktstrahl des zweiten optischen Systems einen bekannten, von dem ersten optischen System erfassten Sektor des Arbeitsraumes vor der Ultraschallsonde erfasst. Der erfasste Sektor kann beispielsweise durch ein geeignetes Kalibrierungsverfahren oder durch Kenntnis von Winkel und Entfernung des zweiten optischen Systems in Bezug auf das erste optische System ermittelt werden.
Mit Hilfe des zweiten optischen Systems wird dann die Neigung der Nadel in Bezug auf die Oberfläche in Y-Richtung senkrecht zu der X-Richtung und zu der Z-Richtung ermittelt. Weiterhin wird mit Hilfe des zweiten optischen Systems mindestens ein Punkt der Einstichachse ermittelt. Zudem kann auch die Einstichtiefe ermittelt werden, in dem das Übungsgerät, die Nadel oder das Griffteil mit einem Markierungskörper Versehen ist, dessen Abstand zu der Oberfläche oder der Einstichstelle oder zum distalen Ende der Punktionsnadel als Hinweis auf die Einstichtiefe des simulierten Einstichs ausgewertet wird.
Vorzugsweise ist das zweite optische System als stereoskopisches System ausgebildet, welches den gleichen Sektor aus verschiedenen Richtungen erfasst. Hierzu kann das zweite optische System beispielsweise gegeneinander geneigte Spiegel oder Linsen aufweisen, die das Licht auf eine gemeinsame Kamera oder einen gemeinsamen Bildsensor werfen. Alternativ sind auch zwei gegeneinander geneigte Kameras/Bildsensoren denkbar. In der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Begriff Kamera vorzugsweise ein digitaler Bildsensor verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Simulation einer ultraschallnavigierten Punktion durch Verwendung : einer im Folgenden als Exerziernadel und Exerzierbesteck bezeichneten Vorrichtung, und einem Ultraschallnavigationssystem, welches Exerziernadel und Exerzierbesteck in der Ebene der Schalllotung achsengerecht und in korrektem Abstand zu den geschallten Strukturen über dem Ultraschallbild direkt abbildet und von dieser Abbildung ausgehend die Trajektorie der Stichprojektion übersichtlich zur Darstellung bringt.
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
Figur 3 einen Schnitt, eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht des
Ausführungsbeispiels nach Figur 1 mit verdeckten Linien,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 5 die Ansicht aus Richtung des Pfeils V in Figur 4,
Figur 6 den Schnitt entlang der Linie VI - VI in Figur 4,
Figur 7 den Schnitt entlang der Linie VII - VII in Figur 6,
Figur 8 den Schnitt entlang der Linie VIII - VIII in Figur 5, Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Übungsgeräts in einer ersten Position und
Figur 10 das Ausführungsbeispiel nach Figur 9 in einer zweiten Position.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Exerziernadel und eines Exerzierbestecks.
Es besteht aus:
Einem, eine Punktionsnadel darstellenden Stift, der als Exerziernadel EN auf die Körperoberfläche des Probanden aufgesetzt werden kann ohne diese zu verletzen bzw. in den Körper einzudringen, einer Vorrichtung, die die führenden, auf die Körperoberfläche aufgesetzten Teile dieses Stiftes EN bei Annäherung des Exerzierbestecks EB an das Punktionsziel in die rückwärtigen Teile der Vorrichtung zurück gleiten lässt (Fig.2, unten mit ausgefahrener Exerziemadel, Fig.2 oben rechts mit in das Exerzierbesteck hineingeschobener Exerziemadel), einen eine Injektionsspritze oder ein anderes Arbeitsgerät darstellenden Aufsatz, der in das Exerzierbesteck eingebaut ist (Fig.2 Spritzenstempel ST), einer Vorrichtung, die den mechanischen Widerstand beim zurück gleiten der führenden Teile der Spitze der Exerziernadel EN in die rückwärtigen Teile des Exerzierbestecks EB wählbar beeinflussen kann und so den Gewebewiderstand bei der Punktion gibt TAI, in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln zur Simulation der Handhabung von Injektionen ST, in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln, welche den Stempelwiderstand bei Injektionen wählbar beeinflussen können TA2, in das Exerzierbesteck eingebauten Mitteln zur Simulation der Aspiration von Blut oder Körpergewebe, einem im Übergangsbereich von Nadel- und Spritzenansatz angebrachten Markierungskörper- bzw. Ball M.
In einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung besteht das Exerzierbesteck bzw. die Exerziernadel aus einem Stift mit einem auf diesen aufgeschobenen Markierungsball M, der vom Übenden als Simulation der Punktion (mit einem Exerzierbesteck) nach vorn in Richtung des Punktionsziels vorgeschoben wird.
Das erfindungsgemäße Ultraschallnavigationssystem (Fig. l, Fig.3) ist mit Sicht auf den Arbeitsraum der Punktion an die Ultraschallsonde montiert und enthält: ein erstes Kamerasystem Cl, welches die Gegenstandspunkte der Punktionsnadel in ihrer genauen Projektion auf die Ebene, in der sich das Schallsignal im Körper ausbreitet als Stichprojektion S(x,z) (Fig. l) aufnimmt, sowie ein zweites Kamerasystem (Lateralkamera) C2 welches seitlich neben dem Lichteingang des ersten Kamerasystems montiert, die Exerziernadel und den Markierungskörper M im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde aus seitlicher Perspektive abbildet. Im Unterschied zum ersten Kamerasystem Cl bildet das zweite Kamerasystem den Arbeitsraums nicht in achsenparallel zum Mittelpunktstrahl verlaufender Projektion ab, sondern erfasst den Winkel in dem ein Abschnitt oder Punkt der Exerziernadel von dem bekannten Mittelpunktstrahl des zweiten Kamerasystems absteht. Nach entsprechender Justierung und Kalibration des 2. Kamerasystems kann auf der Höhe seines Mittelpunktstrahls (Fig. l,Z=H) der Winkel wh mit dem die Standlinie der Exerziernadel auf das 2. Kamerasystem von der X-Achse des Koordinatensystems absteht berechnet werden (Eine Skala für w ist im Kamerabild des zweiten Kamerasystems in Fig.l rechts oben eingezeichnet). Zur Vereinfachung der weiteren Berechnungen durchläuft im Folgenden der Mittelpunktstrahl des lateralen zweiten Kamerasystems die Z-Achse des Koordinatensystems in der Höhe Z=H (Fig. l, Z=H).
Erstes und zweites Kamerasystem werden so justiert und kalibriert, dass alle Bildpunkte im Arbeitsraum, die sich auf einer aus X-, und Y-Achse definierten Ebene des Koordinatensystems mit der Höhe Z = H befinden, in beiden Kamerasystemen auf einer waagerechten, parallel zur X-Achse verlaufende Linie abgebildet werden. Diese Waagerechte verläuft in der Bildgebung des Lateralkamerasystems durch den ihrem Mittelpunktstrahl entsprechenden Punkt,
In dem dreidimensionalen Koordinatensystem kann die Trajektorie der Exerziemadel in dem aus der X-, und der Z-Achse gebildeten Graphen in der Ebene der Schalllotung als Projektionslinie S(x,z), und in dem aus der Y-, und der Z-Achse gebildeten Graphen als Projektionsline S(y,z) dargestellt werden. Die Stichprojektion S(x,z) befindet sich in der von der X-Achse und der Z-Achse definierten Ebene der Schalllotung und erscheint deshalb in der Abbildung der Nadel durch das erste Kamerasystem als gerader Abschnitt der Exerziernadel, welcher durch die Recheneinheit im Ultraschallbild als Verlängerungslinie in dem aus X-Achse und Z-Achse gebildeten Koordinatensystem dargestellt wird.
Der Winkel a ist der Neigungswinkel der Stichprojektion S(x,z) gegen die Lotrechte (Fig. l). Der entsprechende Neigungswinkel der Nadel im Bild des zweiten (Lateral-) Kamerasystems entspricht dem Winkel j (Fig. l).
Auf welchen Punkt dieser Gerade die aufgesetzte Nadel projiziert, ist von der Steilheit des Einstichs und damit von dem Winkel g im Graphen der Y-, und Z- Achsen abhängig. Der Schnittpunkt der Stichprojektionen in der Ebene der Schalllotung kann durch eine Markierung auf der Linie S(x,z) im Bild der Schalllotung angezeigt werden (Fig. l, >---<). Die Trajektorie, die sich aus der auf die Körperoberfläche aufgesetzten Exerziernadel und ihrer Verlängerung ins Körperinnere zusammensetzt ist ein Vektor mit den Koordinaten x,y,z. Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen ein Beispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne die Erfindung auf diese zu beschränken. Diese besteht aus einer Exerziernadel EN (Fig. l und 2), über die ein Griffteil oder Exerzierbesteck EB, welches in Richtung des Punktionsziels T verschieblich ist, aufgesetzt ist. Am vorderen Teil des Exerzierbestecks EB ist ein runder licht reflektierender Markierungsball M fest montiert. Exerzierbesteck EB und Exerziernadel EN befinden sich im Arbeitsraum des Ultraschallnavigationssystems, bestehend aus einer Ultraschallsonde (Fig.l) mit dem Navigationssystem S, mit dem Lichteingang des ersten Kamerasystems Cl und dem Lichteingang des zweiten lateralen Kamerasystems C2. Unter der Ultraschallsonde liegt das angelotete Punktionsziel T. Exerziernadel EN und Exerzierbesteck EB sowie das Ultraschallnavigationssystem stehen im Koordinatensystem der Schalllotung, dessen Nullpunkt sich hier unter dem Lichteingang des Mittelpunktstrahls des zweiten lateralen Kamerasystems C2 befindet. Die Z-Achse verläuft in der Einstrahlrichtung der Schallsonde (nach unten) . Jene Kontaktlinie der Schallsonde mit der Körperoberfläche über die das Ultraschallsignal in den Körper eintritt entspricht der X-Achse des Koordinatensystems. Die Y-Achse erstreckt sich rechtwinklig zu Z-, und X-Achse nach vorn in den Arbeitsraum hinein. Die durch X-, und Y-Achse gebildete Ebene entspricht der Körperoberfläche des Arbeitsraums auf die die Exerziernadel EN aufgesetzt wird. Auf der linken Seite ist die seitliche Stichprojektion als der Strahl S(y,z) in dem durch Y-, und Z-Achse definierten Graphen dargestellt. Vor dem Gerät ist die von dem ersten Kamerasystem erfasste Stichprojektion S(x,z) (unten, links) dargestellt. Ganz rechts sind über dem Ultraschallbild mit dem Punktionsziel T, zwei Abschnitte Cl der durch das erste Kamerasystem aufgenommenen Exerziernadel an entsprechend korrekt justierter Position dargestellt. Die berechnete Trajektorie der Stichprojektion S(x,z) ist zur Visualisation und Kontrolle als Verlängerung dieser direkt abgebildeten Abschnitte der Exerziernadel sowohl im Ultraschallbild als auch im Kamerabild des Arbeitsraums der Punktion dargestellt. Der Schnittpunkt der Stichprojektion S(x,z) mit der Ebene der Schalllotung ist im Ultraschallbild (>---<) hier in Bereich des Ziels T angezeigt. Der Markierungsball M wird durch Leuchtmittel aus der Richtung des zweiten Kamerasystems C2 angestrahlt (In Fig. l und 3 nicht dargestellt) und so hervorgehoben. Da die Trajektorie der Stichprojektion bekannt ist kann nun die virtuelle Tiefe der simulierten Punktion aus dem Bild des zweiten Kamerasystems C2 (in Fig. l, direkt rechts neben dem Navigationsgerät dargestellt) berechnet und als Linie D im Ultraschallbild angezeigt werden. Versuche mit Leuchtmitteln, die Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 840 bis 950 nm emittieren und Fresnellstufenlinsenssystemen zur achsenparallelen Projektion des ersten optischen Systems (Fig.3 LI) haben bei Verwendung von Kamerasystemen ohne Infrarot Filter zu überraschend guten Darstellungen der Nadel und des Markierungskörpers geführt. Hierdurch konnten Nadel und Markierungskörper durch Analyse der Farbwerte der aufgenommenen Bilder besonders sicher vom Hintergrund unterschieden werden.
Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallnavigation. In dem Gerät sind A und B Umlenkspiegel, welche 2 horizontale Abschnitte des Arbeitsraums auf die Kamera Cl umlenken. In dem Beispiel der Figur 3 ist den Spiegeln A und B eine Fresnellstufenlinse LI mit einer Brennweite vorgesetzt, welche die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zum Mittelpunktstrahl des Kamerasystems auf die entsprechend beabstandete Kamera Cl abbilden. In dem Beispiel ist ein den Spiegeln A und B gegenüber liegender Spiegel W, der das von A und B reflektierte Bild des Arbeitsraums auf die Kamera Cl vorteilhaft umlenkt. Im Strahlengang der von den beiden Spiegeln A und B reflektierten Abschnitte des Arbeitsraums ist eine weitere bifokal dergestalt geschliffene Linse L2 vorgesetzt, dass die unterschiedlich Abstände von A und B zur Kamera Cl bezüglich der Gesamtbrennweite des Systems ausgeglichen werden. Die unterschiedlichen Abstände zwischen A und Cl sowie B und Cl können jedoch auch durch entsprechende einzelne Linsen welche A und B statt LI vorgesetzt werden ausgeglichen werden.
Die vom ersten optischen System geforderte Brennweite mit einer zum Mittelpunktstrahl achsenparallelen Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums kann auch durch Einbau entsprechend konvex geschliffener Brennspiegel anstelle planer Umlenkspiegel und Linsen erreicht werden. Ferner können anstelle der Spiegel und Linsen entsprechend geschliffene Reflektionsprismen zur Verbesserung der optischen Güte des Kamerasystems verwendet werden.
Durch die erfindungsgemäße Abbildung der Exerziernadel im Arbeitsraum sowohl mit einem ersten optischen System, welches die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zum Mittelpunktstrahl der Kamera darstellt, als auch mit einem Lateralkamerasystem, welches den Winkel der Gegenstandspunkte im Arbeitsraum in Bezug auf einen Mittelpunktstrahl erfasst, welcher die Projektionen des achsenparallel abbildenden (ersten) optischen Systems in einem bekannten Winkel auf einer bekannten Ebene schneidet, konnten die direkte Darstellung und Visualisierung der Exerziemadel, die Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion überraschend einfach und schnell ohne zusätzliche Markierungen der Exerziernadel durchgeführt werden. Dabei visualisiert das erste optische System die Nadel in der gewünschten Ebene der Schalllotung und gibt eine direkte Abbildung der Nadel über dem Ultraschallbild in dieser Projektionsebene aus, von dem dann die berechnete Trajektorie der Stichprojektion als eingeblendete Linie ausgeht. Der Punktierende kann dabei jederzeit die Güte der berechneten Werte der Trajektorie der Stichprojektion überprüfen. Wenn die eingezeichnete Linie der Stichprojektion nicht als gerade Verlängerung des Nadelbildes erscheint sind die für diese Ebene berechneten Werte falsch. Ferner kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion auf eine zusätzliche Markierung der Punktionsnadel verzichtet werden. Bei der Berechnung dieser Trajektorie stellt das erste erfindungsgemäße optische System alle Punkte der direkt aufgenommenen Exerziernadel in der Schalllotungsebene als X- und Z- Koordinate zur Verfügung. Für die Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion wird die Y-Koordinate eines dieser Punkte und der Winkel j aus der 2. Lateralkamera benötigt. Es zeigt sich das dieser Punkt durch Justierung und Kalibration der beiden optischen Systeme - genauer des Mittelpunktstrahls des zweiten optischen Systems - einfach bestimmt werden kann. Der auf dem Exerzierbesteck montierte Markierungskörper M dient damit allein der Berechnung der simulierten Einstichtiefe. Diese Eigenschaft zeigte auch bei der optischen Erfassung von anderen - nicht gerade verlaufenden - geometrischen Körpern überraschende Möglichkeiten, wenn diese durch das Aufnahmesystem hindurchbewegt werden.
Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Ultraschallbild eingeblendeten Punktionsartefakte sind :
Ultraschallechos von in das Gewebe eingestochenen Teilen von Punktionsnadeln, typische durch Bewegung von Nadeln auslösbare Gewebeveränderungen, wie Verziehungen des Gewebeschallbildes,
Gewebeverletzungen, Einblutungen, Muskelkontraktionen die durch Verletzung oder Stimulation von Nerven ausgelöst werden können.
Durch Einbau und Anschluss entsprechender Sensoren in das Exerzierbesteck können andere bei Ultraschallpunktionen auftretende Phänomene, wie die Injektion von Flüssigkeiten oder Substanzen zur Markierung im Ultraschallbild simuliert werden.
Die Aspiration von Gewebeflüssigkeiten beispielsweise von Blut in Exerzierbesteck kann durch Einbau und Anschluss entsprechender Anzeigevorrichtungen in das Exerzierbesteck durch Farbänderung durch Verwendung verschiedenfarbiger Leuchtmittel in dem Exerzierbesteck dargestellt werden.
Durch Einbau entsprechender translativer Aktoren Fig.2 TAI und in das Exerzierbesteck und Anschluss dieser Aktoren an die erfindungsgemäße Vorrichtung können der dem Vorschieben des Exerzierbestecks entgegenwirkende Widerstand in Abhängigkeit der aus dem Ultraschallbild ableitbaren Gewebeeigenschaften wie, Dichte, Viskosität, Elastizität und Festigkeit verändert werden.
Auch die Widerstände, die dem Spritzenstempel des Exerzierbestecks beim Einspritzen oder Aspirieren von Flüssigkeiten entgegengesetzt wirken, können durch Verwendung entsprechender translativer Aktoren TA 2 beispielsweise in einer Injektionsspritze in Abhängigkeit von den durch die Schalllotung erfassten Daten wählbar beeinflusst werden. Als translative Aktoren TAI oder TA2 können beispielsweise Hysteresebremsen oder andere elektromechanische Bremssysteme verwendet werden.
Sowohl die durch die Sensoren gemessenen Daten, als auch die Steuersignale für die translativen Aktoren (TA1,TA2) können durch eine Kabelverbindung zwischen der Exerziernadel und Exerzierbesteck und der angeschlossenen Recheneinheit übertragen werden, die mit Cl und C2 verbunden ist. In einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung können diese Signale als Funk- oder Lichtsignale zwischen den Geräten übertragen werden. Vorteilhaft können Infrarot LED Leuchtmittel zur Übertragung von Signalen an das Exerzierbesteck genutzt werden, die als Leuchtmittel zur Illumination der Nadel und des Markierungskörpers auf dem Ortungsgerät montiert sind. Das Leuchtmittel kann an den Prozessor angeschlossen sein und von diesem gesteuert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das verletzungsfreie Üben von Ultraschallnavigationsverfahren am Menschen. Ferner kann das Navigationsgerät bei Übungen an Gewebemodellen, welche komplexe pathologisch anatomische Strukturen aufweisen, genutzt werden. Hierbei werden feststehende Injektionsnadeln verwendet, die in das Gewebemodell eingestochen werden. Bei diesen Nadeln ist ein Markierungskörper M an dem der Nadelspitze gegenüberliegenden Ende der Nadel im Bereich des Ansatzkonus für Injektionsspritzen dergestalt montiert, dass die Nadel die Mitte des Markierungskörpers durchläuft.
Die Übung ultraschallnavigierter Punktionen umfasst nicht nur die Koordination und Handhabung von Exerzierbesteck und der Ultraschallsonde, sondern auch die sterile, kontaminationsfreie Handhabung der Geräte. Hierfür muss die Ultraschallsonde durch eine sterile Hülle vom desinfizierten Bereich der Punktionsstelle isoliert werden. Bei allen Manipulationen ist darauf zu achten, dass die mit einer sterilen Hülle bedeckte Sonde sowie das Punktionsbesteck nicht durch Kontakt mit nicht desinfizierten Gegenständen kontaminiert wird. Auf der anderen Seite darf die optische Erfassung von Nadel und Markierungskörper nicht durch die die Ultraschallsonde umfassende Hülle behindert werden. Die Ultraschallsonde wird deshalb mit einer für das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgestrahlte Licht gut durchlässigen Schallschutzhülle umhüllt. Zur Verzerrungsfreien Aufnahme des von Punktionsnadel und Markierungskörper reflektierten Lichts sollte die sterile Schutzhülle dicht ohne Faltenbildung am Lichteintritt der Vorrichtung anliegen. Diese Probleme konnten durch die erfindungsgemäße Verwendung einer die Luft aus der Navigationsvorrichtung ansaugenden Pumpe sowie kleiner um den Lichteintritt des Navigationsgeräts angeordneter Öffnungen gelöst werden. Hierdurch wird die sterile Umhüllung des Geräts dicht an die Lichteintritte des Navigationsgeräts herangezogen und das aufgenommene Kamerabild deutlich verbessert. Bei der Erprobung dieser Ansaugvorrichtung in Verbindung mit Navigationsvorrichtungen, bei denen eine Umhüllung an die Fresnellstufen aufweisende Seite einer Fresnellstufenlinse angesaugt wurde, zeigte sich die optische Schärfe und Intensität der aufgenommenen Bilder sehr stark von dem von der Pumpe aufgebauten Ansaugdruck abhängig . Einige sehr kleine Öffnungen zwischen den Fresnellstufen dieser Linsen bewirken ein optimales Anliegen der Hülle wobei die Brechungseigenschaften durch Änderung der Leistung der Saugpumpe wählbar beeinflusst werden. Die Leistung der Saugpumpe kann dabei einfach durch den bildverarbeitenden Prozessor gesteuert, und die Bildqualität optimiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt eine präzise Abstimmung von Punktionsnadel, Ultraschallgerät und dem optischen System zur Erfassung der räumlichen Lage der Punktionsnadel voraus.
Dabei muss gesichert werden, dass die Visualisierung des Nadelbildes in rechter Position und Abmessung in Bezug auf das von der Ultraschallsonde gemessene Bild erfolgt, dass der Arbeitsraum durch erstes und zweites optisches System vollständig erfasst wird, dass die beiden optischen System in einer der Recheneinheit bekannten Weise justiert sind, und, dass die Abmessungen der Exerziernadel erfasst werden.
Zur authentifizierten Kalibration werden Nadel, Ultraschallsonde sowie ein optisches Kalibrationsmodell mit einem Schlüsselcode versehen, der in Teilen dem Untersucher bekannt ist. Bei Exerzier- oder Punktionsnadeln können hierfür Funketiketten, wie z.B. RFID-Chips, genutzt werden, die im Fall der Exerziernadelsysteme erst dann lesbar sind, wenn die Exerziernadelspitze auf eine gewünschte Distanz zu dem Markierungskörper herausgezogen wurde. Hierfür wird der RFID-Chip am hinteren Ende der Exerziernadel befestigt und gleitet beim Einschieben der Exerziernadel in eine abdeckende Hülse innerhalb des Exerzierbestecks, welche eine Ablesung durch ein auf der Schallsonde montiertes Lesegerät je nach Hülsenstellung unterbricht oder freigibt. Der Justierung und Kalibration von Schallsonde und optischen Nadelerfassungssystem dienende opto-akustische Kalibrationskörper besteht an einer Seite aus mindestens einer in ein Papier oder eine Folie geprägten Relief- und Lochstruktur, die mit mindestens einer Deckschicht überzogen ist, welche im Vergleich zur Reliefschicht eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweist. Auf der anderen Seite befindet sich ein Markierungskörper, welcher auf mindestens einer Ebene optische Muster aufweist, welche der Recheneinheit bekannt sind, oder der Recheneinheit über einen auf dem opto-akustischen Kalibrationskörper befindlichen Schlüsselcode bekannt gemacht werden können. Dieser Schlüssel kann sonographisch auf dem Kalibrationskörper als Bestandteil der geprägten Relief struktur oder steganographisch als Bestandteil des Markierungsmusters implementiert sein. Die Kalibration erfolgt durch Aufsetzen der Ultraschallsonde auf das Relief, und Abbildung des hochgeklappten optischen Teils des Kalibrationskörper durch das erste und zweite erfindungsgemäße optische System. Vorteilhaft ändert sich die Struktur des sonographierten Relief in Abhängigkeit vom Abstand des optischen Kalibrationsmusters, sodaß nach der Analyse des Ultraschallbilds an verschiedenen Aufsetzpunkten auf dem Muster ein Abgleich mit dem so verschieden beabstandeten Kalibrationsmuster insbesondere durch das zweite optische Erfassungssystem erfolgen kann. Die Schlüssel von Ultraschallgerät, Navigationsgerät und Kalibrationsmodell werden von der Recheneinheit unter Generierung eines zeitabhängigen Merkmals zusammengeführt.
Bei den Punktionsmanövern werden dem kalibrierten System die Exerziemadel und ihr Schlüssel präsentiert, wobei eine weitere zeitabhängige Paarung der im Navigationsgerät erfassten Daten und der Exerziernadel mit einem Zeitstempel erzeugt wird, die die Authentizität der Kalibrationsdaten und aller hiernach aufgezeichneten Bilder und Daten nachvollziehbar bestätigt. Bei den Schlüsseln werden vorzugsweise asymetrische Schlüsselpaare verwendet - private, mit denen die beschriebenen Paarungen erzeugt werden und öffentliche mithilfe derer die Authentizität der Paarungen überprüft werden können. Beispiel
Ein Retroflexmarkierungskörper mit einem Durchmesser von 1,2 cm wird mit einer Bohrung versehen und auf den Spritzenansatz einer Injektionsspritze befestigt. Ein 8,5 cm langes Stahlröhrchen, dessen Innendurchmesser einen 18 Gauge Stahlstift aufnimmt, wird in das Nadelansatzstück der Spritze eingeschoben und durch eine entsprechende Bohrung im Spritzenstempel nach hinten durchgeführt. Ein 12 cm langer 18 Gauge dicker an den Enden abgerundeter Stahlstift, wird in dieses Röhrchen etwa 3cm tief eingeschoben. In ein 25 cm langes und 6cm breites Gehäuse welches auf einer Seite 1,5cm und gegenüberliegend 6,6cm tief ist wird auf der 1,5cm tiefen Seite ein 5,5cm langer und 1.9cm breiter Spiegel wie in Fig. 1 eingebaut. Der Spiegel weist eine Neigung gegenüber der Rückseite von 33° auf. Vor dem Spiegel befindet sich eine Öffnung (vgl. Fig. l) und eine Schiene für den Linseneinschub. Um den Linseneinschub werden in regelmäßigen Abständen kleine Löcher gebohrt. An der dem Spiegel gegenüber liegenden Seite wird eine elektronische Kamera mit einer Auflösung von 1280x720 Pixeln, welche keinen Infrarotfilter aufweist eingebaut. Neben dem Spiegel wird eine weitere elektronische Kamera ohne Infrarotfilter mit Sicht auf den Arbeitsraum der Punktion in einer Justiervorrichtung montiert. Zwischen der zweiten Kamera und dem Spiegel werden 6 Bohrungen im Gehäuse angelegt in die 6 Infrarot-LEDs eingebaut und an eine Stromquelle der Recheneinheit angeschlossen werden. In den Linseneinschub vor dem ersten Kamerasystem wird eine dünne Fresnellstufenlinse mit 6,5 dpt eingeschoben. Beide Kamerasysteme werden an die Recheneinheit angeschlossen. Spiegel und Kamera des ersten elektronischen Kamerasystems werden so justiert, dass sie den Arbeitsraum in einer auf der Ebene der Ultraschalllotung lotrecht stehenden Projektion aufnehmen.
Die achsenparallele Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums durch das erste Kamerasystem wird durch Veränderung des Abstandes der elektronischen Kamera zu Spiegel und Fresnellstufenlinse justiert. Hierfür werden verschiedene Kalibrierungskörper auf definierten Positionen im Arbeitsraum aufgenommen. Erstes und zweites Kamerasystem werden so justiert, dass der Mittelpunktstrahl des zweiten seitlichen Systems eine waagerecht liegende Reihe der vom ersten Kamerasystem aufgenommenen Gegenstandspunkte im Arbeitsaum trifft und deren achsenparallele Projektionslinien mit einem Winkel von 45° schneidet. Die Kameraausschnitte dieser gemeinsamen Reihe von Punkten werden sowohl bei dem ersten, als auch bei dem zweiten Kamerasystem gespeichert. In die Rückseite der Navigationseinheit wird eine Schale zur festen Aufnahme einer Ultraschallsonde mit bekanntem Abstand zu dem Lichteintritt des ersten und 2. Kamerasystems montiert. Eine Ultraschallsonde wird in die Schale eingelegt und befestigt. Ultraschallsonde und Navigationseinheit werden in eine Schutzhülle eingelegt. Eine an das Innere der Navigationseinheit angeschlossene Saugpumpe wird in Betrieb genommen. Dabei wird beachtet, dass die Hülle dicht und faltenfrei an Schallaustritt und Fresnellstufenlinse anliegt. Das vom Ultraschallsystem ausgegebene Bild wird durch ein 3. Kamerasystem aufgenommen und der Recheneinheit zugeführt. Die Ultraschallsonde wird in Betrieb genommen und an definierter Stelle auf ein Kalibriermodel in das ein mit einem Gelfilm abgedecktes sonografisch erfassbares Relief eingeprägt ist, aufgesetzt. Der im Arbeitsraum liegende optische Kalibrierkörper wird langsam hochgeklappt.
Das Ultraschallbild wird auf einem Monitor direkt dargestellt. Das durch das erste Kamerasystem aufgenommene Bild des Arbeitsraums wird über dem Ultraschallbild dargestellt. Sein Abstand zu dem Ultraschallbild und seine Bildgröße werden durch den optischen Kalibrierkörper bei dem die Abmessungen und der Abstand zum Ende des Schalleintritts der Ultraschallsonde bekannt sind kalibriert. Mit Ultraschallsonde und Navigationsgerät wird ein Punktionsziel in einem Ultraschallgelmodell angelotet. Exerziernadel und Exerzierbesteck werden vor der Ultraschallsonde aufgesetzt. Über dem Ultraschallbild kann das vom ersten Kamerasystem aufgezeichnete Bild der Exerziernadel bereits als Visierlinie auf das Punktionsziel genutzt werden. Die graphische Datenanalyse des ersten und zweiten Kamerasystems umfasst nun folgende Schritte.
Zerlegung des Bildes des ersten Kamerasystems in seine Grundfarben Rot, Grün und Blau. Unter der Annahme, dass das Bild mindestens zwei statistisch verteilte Bildanteile hat, von denen einer dem Hintergrund, der andere der Nadel entspricht, wird eine Gewichtsfunktion entsprechend einer Gaußverteilung berechnet, deren Extremwerte die Schwellenwerte des Übergangsbereichs zwischen den beiden Bildanteilen darstellen. Hierdurch wird das ursprüngliche Bild so zerlegt, dass die Nadel als alleiniger Bildanteil erscheint. Die resultierenden Bildpunkte werden linear regrediert. Die Geradengleichung entspricht der zweidimensionalen Stichprojektion S(x,z) für die Ebene der Schalllotung. Diese Stichprojektion wird in das Ultraschallbild eingezeichnet und stellt eine Verlängerung des direkt vom ersten Kamerasystem aufgenommenen Nadelbilds dar. Zur Bestimmung der Tiefenwerte werden die Daten des zweiten raumwinkeltreuen Kamerasystems in gleicher Weise unter Berücksichtigung der raumwinkeltreuen Abbildungsfunktion umgesetzt. Der Abweichungswinkel des berechneten Nadelabschnitts zu seinem Mittelpunktstrahl wird in dem im vorigen justierten und kalibrierten gemeinsamen Kameraausschnitt berechnet. Es werden in diesem Bereich für genau einen Punkt die 3dimensionalen Raumkoordinaten berechnet. Aus der Mittelung der für beide Kamerasysteme berechneten Regressionskurven kann die vollständige 3dimensionale Lage der Nadel von diesem Punkt ausgehend dargestellt werden. Mit der Analyse des reflektierenden Markierungskörpers mit dem zweiten seitlichen Kamerasystem liegt die Höhe der Nadelposition vor. Über dem Ultraschallbild wird das vom ersten Kamerasystem aufgenommene Exerziernadelbild dargestellt. Von diesem ausgehend wird in das Ultraschallbild die Stichprojektion eingezeichnet. Mithilfe der 3dimensionalen Raumkoordinaten der Nadel wird der Punkt im Ultraschallbild angezeigt, auf den die Stichprojektion hinzielt. Die Stichsimulation erfolgt durch Vorschieben der Injektionsspritze mit dem montierten Retroflexmarkierungskörper in Richtung des angeloteten Ziels. Die scheinbare Einstichtiefe wird aus der Position des Retroflexmarkierungskörpers im Bild des zweiten Kamerasystems berechnet. Bei hinreichend tiefer Annäherung des Exerzierbestecks an das Punktionsziel wird ein Nadeiartefakt in das Ultraschallbild an entsprechender Position eingeblendet. Zur Durchführungen der dem Beispiel zugrundeliegenden Rechenoperationen werden in C bzw. C+ + vorliegende Algorithmen der OpenCV-Bibliotheken, insbesondere die Verfahren nach Kittler-Illingworth genutzt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken. Zur Berechnung der im Beispiel entstandenen Bilddaten können auch andere Programmiersprachen und Algorithmen genutzt werden.
Im Folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 4 - 8 beschrieben. Das optische Erfassungssystem S weist zwei optische Systeme auf. Das erste optische System weist eine Fresnel-Linse LI, einen ersten Umlenkspiegel A, einen zweiten Umlenkspiegel W und eine optische Kamera Cl auf. Die Linse LI ist Bestandteil des Gehäuses G des optischen Erfassungssystems S, während die Umlenkspiegel A und W und die optische Kamera Cl innerhalb des Gehäuses G angeordnet sind. Das zweite optische System weist Umlenkspiegel Bl, B2, den Umlenkspiegel W und die optische Kamera Cl auf. Das von den Umlenkspiegeln aufgefangene und in Richtung der Kamera Cl umgelenkte Licht fällt durch ein durchsichtiges Fenster F des Gehäuses G auf die Spiegel Bl, B2. Die beiden Spiegel Bl, B2 sind geneigt zueinander angeordnet und werfen dadurch ein stereoskopisches Bild auf die Linse der Kamera Cl. Die Kamera Cl empfängt sowohl den von dem Spiegel A des ersten optischen Systems umgelenkten Strahlengang, als auch den von den stereoskopischen Spiegeln Bl, B2 umgelenkten Strahlengang. In den von der Kamera Cl aufgenommenen Bilddaten sind somit die Informationen über den von dem ersten Umlenkspiegel A des ersten optischen Systems umgelenkten Strahlengang Sl und über den von den stereoskopischen Spiegeln Bl, B2 umgelenkten zweiten Strahlengang S2 enthalten. Dabei sind die Umlenkspiegel A, Bl, B2 derart angeordnet, dass das Licht jedes Spiegels in einem anderen Bereich des von der Kamera Cl aufgenommenen Bildes enthalten ist.
Das Erfassungssystem S ist mit einer Aufnahme auf der der Linse LI und dem Fenster F gegenüberliegenden Seite des Gehäuses G für eine Ultraschallsonde US versehen. Die Ultraschallsonde US kann fest mit dem Gehäuse G verbunden werden, wobei die Verbindung vorteilhafterweise lösbar ist.
An der Gehäuseoberseite des optischen Erfassungssystems S ist außenseitig eine Infrarot-LED I vorgesehen. Die LED I kann mit dem in den Figuren nicht dargestellten Prozessor elektrisch verbunden sein, wobei der Prozessor die LED wahlweise ansteuert, um diese zu aktivieren/deaktivieren und/oder deren Intensität zu steuern. Die Infrarot-LED I dient dazu, die Nadel EN beziehungsweise den Markierungskörper M anzustrahlen, wobei das von der Nadel EN beziehungsweise dem Markierungskörper M reflektierte Licht durch die Linse LI oder das Fenster F in das Gehäuse des optischen Erfassungssystems S eintritt und über die Umlenkspiegel, wie in Figur 6 dargestellt, der Kamera Cl zugeführt wird. Dabei ist vorzugsweise der in Figur 6 dargestellte optische Filter K derart vor der Kamera Cl angeordnet, dass das einfallende Licht durch den Filter K auf die Linse oder den Sensor der Kamera Cl fällt. Der Filter K ist durchlässig für Licht im Infrarotwellenlängenbereich, während Licht mit größeren Wellenlängen gesperrt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Kamera Cl nur Infrarotlicht aufnimmt, welches bei der erfindungsgemäßen Anordnung von der Spritze (Nadel EN oder Markierungskörper M) reflektiert wird, während andere Lichtquellen, die ein automatisches Erkennen der Spritzennadel EN oder des Markierungskörpers M in dem aufgenommenen Bild stören könnten, ausgeblendet werden. Es ist denkbar, den Filter K von der Kamera Cl entfernbar oder schwenkbar innerhalb des Gehäuses des optischen Erfassungssystems S auszubilden.
Die Figuren 9 und 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Übungsgerätes. Figur 9 zeigt das Übungsgerät mit dem Handgriff (Exerzierbesteck EB) und mit dessen vorderem Teil - einem Stift (Exerziernadel EN) - vor dem Aufsetzen auf eine Oberfläche O. Der Handgriff EB ist an dessen distalem, in Richtung der Oberfläche O weisenden Ende mit einem Markierungskörper M versehen. Bei dem Markierungskörper M handelt es sich um eine lichtreflektierende Kugel. Alternativ kann es sich bei dem Markierungskörper auch um einen ein elektrisches und/oder magnetisches Feld abstrahlenden Gegenstand handeln. Der Markierungskörper M dient dazu, die Position des Übungsgerätes gegenüber der Oberfläche O zu ermitteln . Aus dieser Position kann die Einstichtiefe ermittelt werden.
Figur 10 zeigt das Übungsgerät nach dem Aufsetzen auf die Oberfläche O. Der Stift EN (Exerziernadel) ist dabei auf die Einstichstelle T aufgesetzt. Der Handgriff EB ist über die Exerziernadel hinweg in Richtung auf die Einstichstelle T vorgeschoben, ohne dass die Exerziernadel dabei in die Oberfläche O eindringt. Vielmehr wird die Exerziernadel EN durch die Öffnung P des Exerzierbestecks EB hindurch in proximaler Richtung nach hinten aus dem Exerzierbesteck heraus verschoben. Das distale Ende der Exerziernadel ist stumpf und die Exerziernadel EN ist massiv, um ein Eindringen in die Oberfläche O zu vermeiden.
Aspekte (1) Verfahren zur Übung ultraschallnavigierter Punktionen mit einem an eine Schallsonde montierten optischen Erfassungssystem und einem eine Punktionsnadel darstellenden Übungsgerät, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des auf die Körperoberfläche aufgesetzten vorderen Teils des Übungsgeräts, über den ein nach vorn in Richtung des Punktionsziels beweglich gehaltener Griffteil mit einem Markierungskörper von hinten aufgeschoben ist, sowohl durch ein erstes optisches System welches die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums in paralleler Projektion zu einem in einem wählbarem Winkel auf der Ebene der Schalilotung stehenden Mittelpunktstrahl erfasst, als auch durch ein zweites seitlich neben dem ersten montierten optisches Systems, dessen Mittelpunktstrahl einen bekannten von dem ersten optischen System abgebildeten Sektor des Arbeitsraums erfasst, aufgenommenen und einem Prozessor zugeführt wird, wobei der von dem ersten System aufgenommene Abschnitt des Arbeitsgeräts über dem Ultraschallbild direkt, davon ausgehend die Stichprojektion in der Ebene der Schalllotung, deren Schnittpunkt mit dieser Ebene der Schalllotung, die simulierte Einstichtiefe und als simulierte Punktionsartefakte Nadelspitzen, Injektate und Gewebsveränderungen im Ultraschallbild wählbar dargestellt werden.
(2) Vorrichtung zur Durchführung von (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einen optischen Markierungskörper M besetzter Griffteil EB einen eine Punktionsnadel darstellenden Stift EN aufnimmt, welcher in diesen Griffteil hinein gleiten kann.
(3) Vorrichtung nach (2) oder zur Durchführung von (1) enthaltend, einen als Exerziernadel dienenden Stift EN, ein als Griffteil handhabbares Exerzierbesteck EB, welches eine Öffnung und Gleitvorrichtung zur Aufnahme der Exerziernadel EN aufweist, einen Markierungskörper M, der dergestalt über die die Exerziernadel bergende Öffnung montiert ist, dass die Nadel den Mittelpunkt des Markierungskörpers durchläuft,
Elektromechanische Aktoren TAI, welche den mechanischen Widerstand, welcher dem als Exerziernadel dienenden Stift bei der Bewegung in das Exerzierbesteck entgegenwirkt, wählbar verändern,
Lichtdetektoren, welche in dem Exerzierbesteck EB mit einem Meßverstärker, einer Prozessoreinheit, den elektromechanischen Aktoren und einer Stromquelle elektrisch verbunden sind.
(4) Injektionsnadel, welche auf dem der Nadelspitze gegenüberliegenden Ende einen optischen Markierungskörper M trägt, wobei die Injektionsnadel durch den Mittelpunkt des Markierungskörpers verläuft.
(5) Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Punktionsnadel im Arbeitsraum der Ultraschallsonde dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes an der Ultraschallsonde montiertes Kamerasystem die Gegenstandspunkte im Arbeitraum vor der Ultraschallsonde durch optisch reflektierende und lichtbrechende Mittel in einer achsenparallelen Projektion zu dem Mittelpunktstrahl seiner Kamera erfasst und einer Recheneinheit zuführt, welche das Bild in wählbarer Position und Abmessung über dem von der Ultraschallsonde gemessenen Ultraschallbild ausgibt, sowie mindestens ein zweites, seitlich neben dem Lichteintritt des ersten montiertes Kamerasystem, dessen Mittelpunktstrahl den Arbeitsraum in einem bekannten Winkel zu dem Mittelpunktstrahl des ersten Kamerasystems durchläuft, die Punktionsnadel aufnimmt und der Recheneinheit zuführt.
(6) Vorrichtung zur Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums vor der Ultraschallsonde enthaltend : erstes elektronisches Kamerasystem, Umlenkspiegel, Linsen und Reflektionsprismen, welche die Gegenstandspunkte des Arbeitsaums parallel zur Achse des Mittelpunktstrahls der Kamera auf deren Bildwandler projizieren, ein zweites elektronisches Kamerasystem, auf die Schallsonde montierte Leuchtmittel, die den Arbeitsraum mit Licht wählbarer Intensität und Wellenlänge beleuchten.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass Schallsonde und Navigationsvorrichtung in eine licht- und schalldurchlässige sterile Hülle eingeführt werden, welche nach außen abgedichtet ist, und einen zur Schallsonde und Navigationsvorrichtung offenen Schlauch mit einem Anschluss an eine Absaugvorrichtung enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Kalibrationskörper mindestens ein sonografisch erfassbares Relief eingeprägt ist, welches mit einer Schicht bedeckt ist, welche im Vergleich zu der geprägten Reliefschicht eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweist, und neben dem sich ein optische Muster aufweisender Kalibrationskörper befindet, dessen Muster der Recheneinheit bekannt sind, oder der Recheneinheit über einen auf dem Kalibrationskörper befindlichen Schlüssel bekannt gemacht werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, enthaltend eine Recheneinheit welche von der Ultraschallsonde und von den ersten und zweiten optischen Kamerasystemen Signale erhält, speichert und Leuchtmittel auf der Navigationseinheit steuert, wobei das von der Ultraschallsonde erfasste Bild und das Bild des ersten optischen Systems auf einem Sichtgerät in wählbaren Abständen und Dimensionen übereinander dargestellt werden, und aus den Bildinformationen der Kamerasysteme die Koordinaten der Position von Punktionsnadeln vor der Ultraschallsonde berechnet werden, und eine Stichprojektion mit Kennzeichnung des Durchgangs der Stichprojektion durch die Ebene der Ultraschalllotung sowie der simulierten Einstichtiefe in das von dem erstem Kamerasystem aufgenommene Bild und in das Ultraschallbild eingeblendet werden.
(10) Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte zur veränderungssicheren Dokumentation und Authentifizierung der Daten der Kalibration und ultraschallnavigierten Punktion, dadurch gekennzeichnet, dass alle von der Ultraschallsonde und der Vorrichtung zur Erfassung der Punktionsnadel entstandenen Informationen von einer Recheneinheit aufgezeichnet, und mit jeweils einem öffentlichen und einem privaten Schlüssel des Kalibrationskörpers, des Ultraschallgeräts und der Punktionsnadel verschlüsselt werden.
Zitierte Literatur
Maecken, T; Zenz M, Grau T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440-447
Najafi, M; Rohling R, Single camera closed-form real-time needle trajectory tracking for ultrasound , Proc. of SPIE Digital Library 2011,Vol. 7964 79641F-6
Chan, C, Lam F, Rohling R, A needle tracking device for ultrasound guided percutaneous procedures. Ultrasound in Medicine & Biology 2005, 31(11) 1469- 1483

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Üben ultraschallnavigierter Punktionen mit einem an eine Ultraschallsonde (US) montierten optischen Erfassungssystem (S) und einem eine Punktionsnadel darstellenden Übungsgerät, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein vorderer Teil (EN) des Übungsgeräts auf eine Oberfläche (O) aufgesetzt wird, ein Griffteil (EB) verschiebbar entlang des vorderen Teils (EN) in Richtung des Aufsetzpunktes (T) angeordnet ist, das optische Erfassungssystem (S) zwei beabstandet zueinander angeordnete optische Systeme (Cl, C2 bzw. A, Cl; B, Cl) mit mindestens einer optischen Kamera (Cl) aufweist, ein Abschnitt des auf die Oberfläche (O) aufgesetzten Teils (EN) des Übungsgeräts mit dem optischen Erfassungssystem aufgenommen wird, die aufgenommenen Daten einem Prozessor zugeführt werden, ein Ultraschallbild mit der Schallsonde (US) aufgenommen und dargestellt wird, der von dem ersten optischen System (A, Cl) aufgenommene Abschnitt des Übungsgeräts an derjenigen Stelle in Bezug auf das Ultraschallbild dargestellt wird, an der sich das erste optische System in Bezug auf die Schallsonde (US) befindet,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (EN) des Übungsgeräts mit dem optischen Erfassungssystem (S) dadurch aufgenommen wird, dass mit dem ersten optischen System (A, Cl) Gegenstandspunkte des Arbeitsraums vor der Schallsonde (US) in paralleler Projektion zu einem in einem wählbaren Winkel auf der Ebene der Schalllotung der Schallsonde (US) stehenden Mittelpunktsstrahl erfasst werden, und mit dem zweiten optischen System (C2 bzw. Bl, B2, Cl) ein bekannter, von dem ersten optischen System abgebildeter Sektor des Arbeitsraums entlang des Mittelpunktstrahls des zweiten optischen Systems erfasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Ultraschallbild mindestens eines der folgenden dargestellt wird : a) eine einem simulierten Einstich der Punktionsnadel (EN) in die Oberfläche (O) entsprechenden Stichprojektion in die Ebene der Schalllotung, b) der Schnittpunkt der Stichachse des simulierten Einstichs mit der Ebene der Schalllotung, c) die Tiefe des simulierten Einstichs der Punktionsnadel (EN) in die Oberfläche (O) und/oder d) mindestens eine Nadelspitze, mindestens ein Injektat und/oder mindestens eine Gewebsveränderung als simulierte Punktionsartefakte
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Griffteil (EB) mit einem Markierungskörper (M) versehen ist und der vordere Teil (EN) des Übungsgerätes ein die Punktionsnadel darstellender Stift ist, der in diesem Griffteil entlang einer Stichachse gleitend geführt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungskörper (M) vorzugsweise von einem der beiden optischen Systeme erfasst wird, um anhand der Position des Markierungskörpers die simulierte Einstichtiefe zu bestimmen.
6. Vorrichtung zum Üben ultraschallnavigierter Punktionen, mit einem als Punktionsnadel (EN) dienenden Stift, einem als Griffteil (EB) handhabbaren Punktionsbesteck, welches eine Öffnung (P) und eine Gleitvorrichtung zur Aufnahme der Punktionsnadel aufweist, einem Markierungskörper (M), der derart in Bezug auf die die Punktionsnadel (EN) aufnehmenden Öffnung (P) angeordnet ist, dass die Punktionsnadel den Mittelpunkt des Markierungskörpers durchläuft, und mindestens einem translatorischen Aktor (TAI, TA2), welcher den mechanischen Widerstand, der dem als Exerziernadel (EN) dienenden Stift bei der Bewegung in das Exerzierbesteck (EB) entgegenwirkt, wählbar verändert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lichtdetektor, welcher in dem Exerzierbesteck (EB) mit einem Messverstärker, einer Prozessoreinheit, dem translativen Aktor (TAI, TA2) und einer Stromquelle elektrisch verbunden ist, vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine translative Aktor (TAI, TA2) ein elektromagnetischer Aktor ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktionsnadel (EN) an dem der distalen Nadelspitze gegenüber liegenden Ende den Markierungskörper (M) trägt, wobei die Punktionsnadel durch den Mittelpunkt des Markierungskörpers verläuft.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungskörper (M) optisch reflektierend, ein elektrisches Feld abstrahlend und/oder ein magnetisches Feld abstrahlend ausgebildet ist.
12. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Punktionsnadel (EN) in einem Arbeitsraum einer Ultraschallsonde (US), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein erstes an der Ultraschallsonde (US) angeordnetes optisches System (A, Cl) die Gegenstandspunkte im Arbeitsraum vor der Ultraschallsonde (US) durch lichtbrechende (LI, L2) und/oder reflektierende Mittel (A, W) in einer achsenparallelen Projektion zu dem Mittelpunktstrahl der Optik des optischen Systems erfasst und einem Prozessor zuführt, welcher das Bild an derjenigen Stelle in Bezug auf das Ultraschallbild, wo sich das optische System (A, Cl) in Bezug auf die Ultraschallsonde (US) befindet, darstellt, sowie mindestens ein zweites, beabstandet zu dem Lichteintritt des ersten optischen Systems (A, Cl) angeordnetes System (C2 bzw. Bl, B2, Cl), dessen Mittelpunktstrahl den Arbeitsraum in einem bekannten Winkel zu dem Mittelpunktstrahl des ersten optischen Systems (Cl) durchläuft, wobei das zweite optische System (C2 bzw. Bl, B2, Cl) die Punktionsnadel (EN) aufnimmt und die aufgenommenen Daten dem Prozessor zuführt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Darstellung der Gegenstandspunkte des Arbeitsraums vor der Ultraschallsonde (US) Leuchtmittel an der Schallsonde angeordnet sind, die den Arbeitsraum mit Licht wählbarer Intensität und/oder Wellenlänge beleuchten.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umlenkspiegel (A, B, W), eine Linse (LI, L2) und/oder ein Reflektionsprisma vorgesehen ist, welches die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zur Achse des Mittelpunktstrahls des optischen Systems auf einen Bildwandler des optischen Erfassungssystems (S) projiziert.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsonde (US) und die Navigationsvorrichtung (S) in eine licht- und schalldurchlässige sterile Hülle eingeführt sind, welche nach außen fluiddicht abgedichtet ist, wobei ein zu der Schallsonde (US) und zu der Navigationsvorrichtung (S) hin offener Schlauch mit einem Anschluss an eine Absaugvorrichtung vorgesehen ist.
16. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische System (Bl, B2, Cl) durch mindestens zwei zueinander geneigt angeordnete Spiegel (Bl, B2) ein stereoskopisches Bildsignal aufnimmt.
17. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrationskörper mit mindestens einem sonografisch erfassbaren Relief versehen ist, welches mit einer Schicht bedeckt ist, die im Vergleich zu der eingeprägten Reliefschicht eine unterschiedliche akustische Impedanz aufweist, wobei neben dem Kalibrationskörper ein ein optisches Muster aufweisender weiterer Kalibrationskörper vorgesehen ist, dessen optisches Muster einer Recheneinheit bekannt ist oder über einen auf dem Kalibrationskörper vorgesehenen Schlüssel in Form eines optischen oder elektromagnetischen Codes bekannt gemacht wird.
18. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die von der Ultraschallsonde (US) und von dem optischen Erfassungssystem (Cl, C2) aufgenommenen Daten mit jeweils einem öffentlichen Schlüssel zum Lesen der Daten und mit einem privaten Schlüssel zum Verändern der Daten versehen werden, wobei dem Kalibrationskörper, dem Ultraschallgerät und der Punktionsnadel jeweils eigene Schlüssel zugeordnet sind.
19. Vorrichtung oder Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlüssel eine an der Punktionsnadel angebrachte Funketikette ist, wobei über die Nadel eine elektromagnetisch abschirmende Hülse derart verschoben wird, dass sich die von der Nadel übertragene Funketikette in Abhängigkeit von der Schiebestellung der Hülse verändert.
20. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem mit einer den Arbeitsraum der Ultraschallsonde (US) ausleuchtenden Lichtquelle (I) mit einer Wellenlänge von weniger als 1000 nm und vorzugsweise weniger als 900 nm versehen ist.
21. Vorrichtung oder Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungssystem einen in dem Strahlengang vor der Kamera (Cl) angeordneten optischen Filter (K) aufweist, der für die Wellenlänge des von der Lichtquelle (I) ausgesendeten Lichts durchlässig ist und für Licht anderer Wellenlängen sperrt.
PCT/EP2014/053560 2013-02-25 2014-02-24 Optisch erfasste ultraschallnavigierte punktion WO2014128301A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112014000968.7T DE112014000968A5 (de) 2013-02-25 2014-02-24 Optisch erfasste ultraschallnavigierte Punktion

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013003102.8 2013-02-25
DE201310003102 DE102013003102A1 (de) 2013-02-25 2013-02-25 Verfahren und Vorrichtung zur Übung ultraschallnavigierter Punktionen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014128301A1 true WO2014128301A1 (de) 2014-08-28

Family

ID=50238364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/053560 WO2014128301A1 (de) 2013-02-25 2014-02-24 Optisch erfasste ultraschallnavigierte punktion

Country Status (2)

Country Link
DE (2) DE102013003102A1 (de)
WO (1) WO2014128301A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017048929A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Ultrasound-guided medical tool insertion simulators
CN111028645A (zh) * 2019-11-13 2020-04-17 广州医科大学附属顺德医院（佛山市顺德区乐从医院） 一种提高超声穿刺精准度训练的装置
US11322048B2 (en) 2015-09-15 2022-05-03 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Ultrasound-guided medical tool insertion simulators
CN115171464A (zh) * 2022-08-26 2022-10-11 首都医科大学宣武医院 一种可视化穿刺模具

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107862960B (zh) * 2017-09-08 2023-08-11 营口巨成教学科技开发有限公司 穿刺/插管医学教学模拟训练方法及所用的穿刺/插管训练系统

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5800178A (en) * 1995-03-29 1998-09-01 Gillio; Robert G. Virtual surgery input device
WO2002043030A2 (de) * 2000-11-22 2002-05-30 Xitact S.A. Vorrichtung zur simulation eines stabförmigen chirurgischen instrumentes mit kraftrückkopplung
US6544041B1 (en) * 1999-10-06 2003-04-08 Fonar Corporation Simulator for surgical procedures
WO2003096307A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-20 Haptica Limited 'A surgical training simulator'
WO2007073733A1 (de) * 2005-12-23 2007-07-05 Rainer Burgkart Simulationsvorrichtung zum simulieren von eindringvorgängen
WO2007103737A2 (en) * 2006-03-01 2007-09-13 Verathon Inc. Systems and methods to improve clarity in ultrasound images
US20090263775A1 (en) * 2008-04-22 2009-10-22 Immersion Medical Systems and Methods for Surgical Simulation and Training
US20100167250A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Haptica Ltd. Surgical training simulator having multiple tracking systems
DE102011010412A1 (de) * 2011-02-05 2012-08-09 Bernd H. Meier Ultraschallnavigierte Punktion

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5800178A (en) * 1995-03-29 1998-09-01 Gillio; Robert G. Virtual surgery input device
US6544041B1 (en) * 1999-10-06 2003-04-08 Fonar Corporation Simulator for surgical procedures
WO2002043030A2 (de) * 2000-11-22 2002-05-30 Xitact S.A. Vorrichtung zur simulation eines stabförmigen chirurgischen instrumentes mit kraftrückkopplung
WO2003096307A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-20 Haptica Limited 'A surgical training simulator'
WO2007073733A1 (de) * 2005-12-23 2007-07-05 Rainer Burgkart Simulationsvorrichtung zum simulieren von eindringvorgängen
WO2007103737A2 (en) * 2006-03-01 2007-09-13 Verathon Inc. Systems and methods to improve clarity in ultrasound images
US20090263775A1 (en) * 2008-04-22 2009-10-22 Immersion Medical Systems and Methods for Surgical Simulation and Training
US20100167250A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Haptica Ltd. Surgical training simulator having multiple tracking systems
DE102011010412A1 (de) * 2011-02-05 2012-08-09 Bernd H. Meier Ultraschallnavigierte Punktion

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. MAGEE ET AL: "A computer based simulator for ultrasound guided needle insertion procedures", IEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON VISUAL INFORMATION ENGINEERING (VIE 2005), vol. 2005, 1 January 2005 (2005-01-01), pages 301 - 308, XP055114327, DOI: 10.1049/cp:20050104 *
F. P. VIDAL ET AL: "Simulation of ultrasound guided needle puncture using patient specific data with 3D textures and volume haptics", COMPUTER ANIMATION AND VIRTUAL WORLDS, vol. 19, no. 2, 1 January 2008 (2008-01-01), pages 111 - 127, XP055114252, ISSN: 1546-4261, DOI: 10.1002/cav.217 *
WING-YIN CHAN ET AL: "Learning Ultrasound-Guided Needle Insertion Skills through an Edutainment Game", 1 May 2010, TRANSACTIONS ON EDUTAINMENT IV, SPRINGER BERLIN HEIDELBERG, BERLIN, HEIDELBERG, PAGE(S) 200 - 214, ISBN: 978-3-642-14483-7, XP019147188 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017048929A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Ultrasound-guided medical tool insertion simulators
US11322048B2 (en) 2015-09-15 2022-05-03 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Ultrasound-guided medical tool insertion simulators
CN111028645A (zh) * 2019-11-13 2020-04-17 广州医科大学附属顺德医院（佛山市顺德区乐从医院） 一种提高超声穿刺精准度训练的装置
CN115171464A (zh) * 2022-08-26 2022-10-11 首都医科大学宣武医院 一种可视化穿刺模具
CN115171464B (zh) * 2022-08-26 2024-05-03 首都医科大学宣武医院 一种可视化穿刺模具

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013003102A1 (de) 2014-08-28
DE112014000968A5 (de) 2015-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004008164B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erstellen zumindest eines Ausschnitts eines virtuellen 3D-Modells eines Körperinnenraums
EP0975257B1 (de) Endoskopisches system
EP2326276B1 (de) Medizinisches messsystem und die verwendung dieses medizinischen messsystems
DE19914455B4 (de) Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines Organs oder Therapiegebiets eines Patienten sowie hierfür geeignetes System
DE102011078212B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen eines Objektes
EP0630487B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur darstellung eines arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen struktur
DE60028582T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erleichterung bildgesteuerter chirurgie
DE69922980T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur positionierung eines geräts in einem körper
DE112006003722B4 (de) Simulationssystem für chirurgische Eingriffe in der Human- und Veterinärmedizin
EP2632382B1 (de) Navigationsaufsatz für optische geräte in der medizin und verfahren
WO2014128301A1 (de) Optisch erfasste ultraschallnavigierte punktion
DE102014218558A1 (de) Benutzerschnittstelle und Verfahren zur automatisierten Positionierung eines Untersuchungstisches relativ zu einer medizintechnischen bildgebenden Anlage
EP1517647A1 (de) Verfahren und instrument zur chirurgischen navigation
DE112015004581B4 (de) Operationssystem mit einer OCT-Einrichtung
EP2343696A2 (de) Simulationssystem für das Training endoskopischer Operationen
DE102008013615A1 (de) Verfahren und Markierungsvorrichtung zur Markierung einer Führungslinie eines Eindringungsinstruments, Steuerungseinrichtung und Aufnahmesystem
CH697546B1 (de) Untersuchungssystem und Verfahren zur Darstellung eines Gewebebereichs.
WO2019092033A1 (de) Ultraschall-bilderzeugungssystem
JP2014076355A (ja) カテーテル識別誘導システム
AT502919B1 (de) Medizinisches navigationssystem
DE102019211870A1 (de) Projektionsvorrichtung zur Erzeugung einer Lichtverteilung auf einer Oberfläche eines Untersuchungsobjekts zur Ausrichtung eines medizinischen Objekts und Verfahren zur Projektion einer Lichtverteilung auf eine Oberfläche eines Untersuchungsobjekts
DE10334074A1 (de) System und Verfahren zur Erzeugung eines virtuellen Beobachtungs- und Zugangskanals in medizinischen 3D-Bildern
DE102006029938A1 (de) Verfahren, Vorrichtung und Verwendung eines faseroptischen Biegesensors zur Erfassung einer Form zumindest eines Teils einer Wirbelsäule
DE102011010412A1 (de) Ultraschallnavigierte Punktion
DE102021205700B4 (de) Darstellungsvorrichtung zur Anzeige einer erweiterten Realität und Verfahren zum Bereitstellen einer erweiterten Realität

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14708510

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120140009687

Country of ref document: DE

Ref document number: 112014000968

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112014000968

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14708510

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1