DE69721045T2

DE69721045T2 - Vorrichtung und verfahren zur darstellung von ultraschallbildern

Info

Publication number: DE69721045T2
Application number: DE69721045T
Authority: DE
Inventors: Doron Dekel; Ryan Charles HALL
Original assignee: Brainlab AG
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: US5957844A; IL130268A0; US6203497B1; EP0946886B1; CA2273874A1; US5810008A; JP2001514533A; DE69721045D1; AU5113098A; CA2273874C; WO1998025159A1; EP0946886A1; IL130268A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Ultraschall-Bildgebung. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung die Verarbeitung von Ultraschallbildern aus einem Ultraschallwandler. Noch spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Raumposition eines medizinischen Instruments sowie der Bilder, die durch den Ultraschall-Bildgebungswandler akquiriert werden, und das Verwenden dieser Information zur Erzeugung von verarbeiteten Bildern des Körpers aus der Perspektive des Instruments.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist in der Technik bekannt, Ultraschall-Bildgebungssysteme zu verwenden, um innere Bilder eines Körpers zu akquirieren, wie z. B. eines anatomischen Körpers, um eine medizinische Prozedur zu planen oder durchzuführen, sei sie diagnostisch, therapeutisch oder chirurgisch. Es gibt verschieden Vorteile bei Verwendung von Ultraschall-Bildgebungssystemen gegenüber anderen Bildgebungssystemen. Beispielsweise neigen Ultraschall-Bildgebungssysteme dazu, weniger körperintrusiv zu sein und sie setzen den Patienten nicht größeren Mengen an Strahlungen oder Farbstoffen aus. Zusätzlich sind Ultraschall-Bildgebungssysteme eher weniger teuer im Einkauf. Ultraschall-Bildgebungssysteme sind auch billiger im Betrieb, da weniger Personal involviert ist, es ist nicht notwendig, den Patienten stabil zu halten und die Ultraschallbilder müssen nicht "vorakquiriert" werden, sondern sie können während der medizinischen Prozedur akquiriert werden.
Der prinzipielle Vorteil von Bildgebungssystemen im Allgemeinen ist die Fähigkeit, innere Bereiche eines Patienten sichtbar zu machen und medizinische Instrumente oder Sonden in den Körper eines Patienten zu führen, ohne große Einschnitte in den Körper des Patienten zu machen. Wenn kleinere Einschnitte in den Patientenkörper gemacht werden, verringert dies das Risiko für den Patienten und ebenfalls die Dauer des Krankenhausaufenthaltes des Patienten.
Um jedoch Bilder wirksam als Navigationshilfe während einer Prozedur am Patienten verwenden zu können, müssen die durch den Ultraschall-Bildgebungssysteme akquirierten Bilder in klarer, genauer und verwenderfreundlicher Weise angezeigt werden. Nur dann kann der Mediziner den Innenbereich des Körpers in einfacher Weise visualisieren.
In der Vergangenheit konnten die durch einen Ultraschall-Bildgebungswandler akquirierten Bilder nur aus einer Perspektive oder Sicht gesehen werden, nämlich aus der Perspektive des Ultraschall-Bildgebungswandlers, der die Bilder akquirierte. Während der Bildgebungswandler um den Körper herum bewegt werden konnte, um Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven oder Sichten zu akquirieren, war es nicht möglich, Bilder aus der Perspektive oder der Sicht des Instruments zu akquirieren. Es blieb bei dem Mediziner, die Position, Ausrichtung und Bahn des Instruments im Körper aus den Bildern auf der Anzeige zu extrapolieren.
Außerdem ist die Position des Instruments bei Systemen gemäß dem Stand der Technik im Allgemeinen nicht einfach auf den akquirierten Bildern zu sehen. Um die Sichtbarkeit des Instruments zu verbessern, war es oft notwendig, einen Ultraschall-Tracking-Wandler an dem Instrument zu platzieren. Der Ultraschall-Tracking-Wandler würde die Ultraschallsignale erhalten, die durch den Ultraschall-Bildgebungswandler emittiert werden, und einen "blip" zur Verfügung stellen, der das Instrument auf den Bildern repräsentiert. Dies hätte aber modifizierte Instrumente und zusätzliche Kosten notwendig gemacht.
Deshalb hatte der Stand der Technik einige Nachteile. Speziell konnten Systeme nach dem Stand der Technik nur aus einer Perspektive oder Sicht klare Ultraschallbilder erzeugen und anzeigen, nämlich aus der Perspektive oder Sicht des Ultraschall-Bildgebungswandlers. Jedoch gibt diese Sicht ein nur eingeschränktes Navigationswerkzeug für einen Mediziner her, zumindest weil der Mediziner die Bahn des Instruments im Körper nicht einfach visualisieren kann.
Zusätzlich erfordern die meisten der Systeme nach dem Stand der Technik einen Tracking-Wandler von irgendeinem Typ, der an der Sonde oder an dem medizinischen Instrument angeordnet werden muss, welches in den Körper des Patienten eingesetzt wird. Modifizierte Instrumente, die Tracking-Wandler umfassen, müssen verwendet werden.
Demgemäß bestand in der Technik ein Bedarf an einem alternativen Verfahren und System zur genauen, wirksamen und robusten Präsentation der Bilder, die von einem Ultraschall-Bildgebungswandler akquiriert werden. Zusätzlich besteht ein Bedarf an einem System, welches es nicht erfordert, dass die medizinischen Instrumente Ultraschall-Tracking-Wandler aufweisen, die in den Körper eintreten.
Die internationale Patentanmeldung WO 96/32 066 lehrt eine Vorrichtung und Verfahren zum Positionieren einer Biopsienadel zum Einsetzten um so in Echtzeit eine vorbestimmte Trajektorie zu einem Zielgewebebereich zu erlangen. Die Nadelposition wird elektronisch getrackt und dann über ein vorher gespeichertes oder Echtzeitbild des Gewebes projiziert werden. Die Vorrichtung umfasst eine Basis mit einem angebrachten Ultraschallscanner und Nadelhalterungssystem. Das Nadelhalterungssystem ist trennbar mit einem Computer gekoppelt, der ein computerbasiertes Anzeigesystem hat, so dass die Bewegung der Biopsienadel auf einem Monitor angezeigt wird. Der Ultraschallwandler kann auf einem Träger angebracht werden, der durch ein System aus Riemen, Kabeln, Antriebsspindeln oder ähnlichen Mechanismen angetrieben wird, um ein Scannen entlang einer Reihe von Ebenen bereitzustellen, die ausreichen, um ein dreidimensionales Datenmodell des Gewebes zu erzeugen, an dem die Biopsie stattfinden soll. Das Nadelhalterungssystem umfasst ein paar Linearcodierer, die Positionsinformationen für die Nadel an den Computer geben. Die Codierer geben ein Signal aus, das der Nadelverschiebung von einem voreingestellten Referenzpunkt entspricht. Obwohl die Offenbarung die Auswahl einer Bildsicht von den Ultraschallbildschnitten der inneren Merkmale des Gewebes anspricht, wird nicht gelehrt oder angesprochen wie diese Auswahl umgesetzt werden soll.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Es ist ebenfalls eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein System bereitzustellen, zur leichten Darstellung verbesserter Bilder aus den Ultraschall-Bildgebungswandlern, einschließlich dreidimensionaler Bilder der inneren Bereiche des Patienten, von der Perspektive oder Sicht des Instruments in dem Körper, so dass die Sicht mit der Position und Ausrichtung des Instruments gegenüber dem Patienten in Beziehung steht.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tracken der Raumposition eines medizinischen Instruments und des Ultraschall-Bildgebungswandlers bereitzustellen, und diese Information dazu zu nutzen, automatisch Bilder aus der Perspektive oder Sicht des Instruments zu erzeugen, mit oder ohne eine Darstellung des Instruments auf den Bildern.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 17 definiert.
Weitere Aspekte der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich, welche die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen, die Ausführungsformen der Erfindung darstellen, zeigen:
1 ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine vergrößerte Ansicht eines Ultraschall-Bildwandlers, der bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2B eine vergrößerte Ansicht eines Instruments, welches bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
3A und 3B verarbeitete Bilder, welche durch das System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können;
4 ein System gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei Instrumente verwendet werden; und
5 ein System gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo zwei Ultraschall-Bildgebungswandler verwendet werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Das Visualisierungssystem bzw. Darstellungssystem der vorliegenden Erfindung ist in 1 im Ganzen mit den Bezugszeichen 10 gezeigt. Das System 10 umfasst einen ersten räumlichen Determinator, der insgesamt mit 12 bezeichnet ist, zum Bestimmen von Raumpositionsinformationen für ein chirurgisches Instrument 14. Die Raumpositionsinformation, die durch den ersten räumlichen Determinator 12 bestimmt oder erhalten wird, umfasst die Position und die Ausrichtung des Instruments 14 in einem Referenzrahmen. Der erste räumliche Determinator 12 sendet ebenfalls ein erstes räumliches Signal Sp₁ , welches die Raumpositionsinformation für das Instrument 14 in dem Referenzrahmen repräsentiert.
In gleicher Weise umfasst das System 10 einen zweiten räumlichen Determinator 16 zum Bestimmen einer Raumpositionsinformation für einen Ultraschall-Bildwandler 18. Die Raumpositionsinformation des Wandlers 18 umfasst die Position und Ausrichtung des Wandlers 18 im Referenzrahmen. Der zweite räumliche Determinator 16 sendet ein zweites räumliches Signal Sp₂ , welches die Raumpositionsinformation des Wandlers 18 im Referenzrahmen repräsentiert.
Die Raumpositionsinformation eines Objektes umfasst mindestens ausreichend Information, um die Raumposition zu identifizieren, nämlich die Position und Ausrichtung eines Objekts in einem Referenzrahmen. In einem Kartesischen Koordinatensystem kann die Position eines Objekts durch die x-, y- und z-Koordinaten angezeigt werden, welche die Position eindeutig in drei Dimensionen identifizieren. Die Ausrichtung eines Objekts kann durch Azimuth (a), Elevation (e) und Rollwinkel (r) wiedergegeben werden. Demgemäß identifiziert das erste räumliche Signal Sp₁ die Raumposition des Instruments 14 durch die Wiedergabe der Raumpositionsinformation für das Instrument 14, wie z. B. die x-, y-, z-Koordinaten und Azimuth, Rollwinkel und Elevation.
Der erste und der zweite räumliche Determinator 12, 16 können die Position und Ausrichtung des Instruments 14 und des Ultraschall-Bildwandlers 18 jeweils relativ zu einem Referenzrahmen ermitteln. Es gibt eine Anzahl alternativer Methoden und Vorrichtungen, die verwendet werden können, um die Raumpositionsinformation für das Instrument 14 und den Ultraschall-Bildwandler relativ zum Referenzrahmen zu erhalten. Einrichtungen, die diese Funktion ausüben können, sind in der Technik bekannt und werden kollektiv als räumliche Determinatoren bezeichnet, wie z. B. der erste und der zweite räumliche Determinator 12, 16.
Zum Beispiel umfasst ein räumlicher Determinator, welcher in dem System 10 entweder als erster räumlicher Determinator 12, als zweiter räumlicher Determinator 16 oder für beide verwendet werden kann, einen elektromagnetischen Emitter, der an einem festen Punkt positioniert ist (gezeigt durch das Bezugszeichen 24' in 1), und zwar in einem Referenzrahmen, und einen Sensor, der an dem Instrument 14 angeordnet ist, sowie einen entsprechenden Sensor, der an dem Wandler 18 angeordnet ist. Durch das Vergleichen des Timings und der Phase der übertragenen Signale von dem Emitter mit empfangenen Signalen, die durch die Sensoren aufgenommen werden, können die Position und die Ausrichtung des Instruments 14 und des Wandlers 18 gegenüber dem festen Punkt 24' bestimmt werden. Als ein weiteres Beispiel für einen räumlichen Determinator könnte das Instrument 14 an einem leichten Multigelenkarm 21 angebracht sein, der mehrere Sektionen aufweist, die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Die Gelenke stellen in Kombination einen Bewegungsbereich zur Verfügung, der gleich oder größer ist als derjenige, der für eine vorgegebene Prozedur benötigt wird. Winkelsensoren erfassen jedwede Veränderung in der Position oder Ausrichtung der Sektionen und Gelenke. Unter Verwendung einfacher geometrischer Berechnungen und diese Winkelinformationen kann die Position und Ausrichtung des Instruments 14 relativ zum festen Punkt 24' bestimmt werden. Ein ähnlicher räumlicher Determinator könnte für den Wandler 18 verwendet werden. Räumliche Determinatoren, welche diese bekannten Lokalisierungsverfahren verwenden, sind im Handel erhältlich.
Es ist zu bemerken, dass jedwede Sensoren, die an oder nahe dem Instrument 14 im System 10 angeordnet sind, nicht in einer Position an dem Instrument 14 angeordnet sein müssen, welche in den Körper 20 des Patienten 22 eintritt. Beispielsweise könnte der Sensor an jeder Stelle des Instruments 14 angeordnet sein, oder an dem Arm 21, der verwendet wird, um das Instrument 14 zu halten. Auf diese Weise ist der Sensor des ersten räumlichen Determinators immer für die Personen zugänglich, die das System 10 verwenden, so dass er überprüft und ersetzt werden kann, wenn er für fehlerhaft befunden wird. Auch muss der Sensor des ersten räumlichen Determinators 12 keine spezielle Größe und Form haben, um den Eintritt in den Körper 20 des Patienten 22 zu gestatten.
Es ist vorzuziehen, dass der feste Punkt 24', von dem aus die räumlichen Determinatoren 12, 16 Raumpositionsinformationen für das Instrument 14 und den Wandler 18 bestimmen, ebenfalls der Ursprung (gezeigt in 1 durch das Bezugszeichen 24) des Referenzrahmens ist. Drei Achsen sind gezeigt, die von dem Ursprung 24 abgehen und die x-, y- und z-Koordinaten im Referenzrahmen repräsentieren. Jeder Punkt im Referenzrahmen und speziell jeder Punkt in und außerhalb des Patienten 22, hat eine einzigartige x-, y- und z-Koordinate in diesem Referenzrahmen. Die räumlichen Determinatoren 12, 16 können die Koordinaten eines jedweden Punk im Referenzrahmen bestimmen. Es versteht sich, dass jeder Typ von Koordinatensystem, einschließlich eines Kugelkoordinatensystems, verwendet werden kann, und dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines x-, y-, z-Koordinatensystems beschränkt ist.
Der Ursprung 24 könnte ein fester Punkt im Operationssaal sein, wie z. B. die Basis des Ständers 26, wie in 1 gezeigt. Zur zusätzlichen Stabilität wird der Ständer 26 im Raum gesichert, beispielsweise durch das Verbolzen des Ständers 26 und des Tisches, auf welchem der Patient 22 in dem Raum angeordnet ist. Deshalb umfasst der Referenzrahmen den festen Punkt 24', welcher ebenfalls der Ursprung 24 ist, und der Referenzrahmen umfasst den Ultraschall-Bildwandler 18, das Instrument 14, den Ursprung 24 und mindestens den Abschnitt des Körpers 20 des Patienten 22, der in der durchgeführten Prozedur von Interesse ist. Punkte außerhalb des Bereiches der räumlichen Determinatoren 12, 16 müssen innerhalb des Referenzrahmens nicht beachtet werden. Deshalb muss der Bereich des ersten und zweiten räumlichen Determinators 12, 16 nicht den gesamten Raum umfassen. Der Referenzrahmen mit dem festen Punkt 24' im Operationssaal, welcher der Ursprung 24 ist, kann als Labor- oder Operationssaal-Referenzrahmen angesehen werden, weil der Referenzrahmen bezüglich des Labor- oder Operationsraumes fest ist.
Der erste und der zweite räumliche Determinator 12, 16 erhalten oder bestimmen die Raumpositionsinformation jeweils für das Instrument 14 und den Wandler 18 bezüglich des Ursprungs 24 des Referenzrahmens. Es versteht sich, dass die Raumpositionsinformation des Instruments 14 und des Ultraschall-Bildwandlers 18 nicht gegenüber demselben Punkt erhalten werden müssen, nämlich dem Ursprung 24, sondern dass die Position und Ausrichtung des Instruments 14 und des Wandlers 18 gegenüber verschiedenen Punkten im Referenzrahmen erhalten werden könnten, vorausgesetzt die relative Position dieser verschiedenen Punkte ist bekannt. Jedoch ist es zweckdienlicherweise vorzuziehen, dass die Raumpositionsinformationen für das Instrument 14 und den Wandler 18 bezüglich desselben Punktes erhalten werden, nämlich des Ursprungs 24.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind der erste räumliche Determinator 12 und der zweite räumliche Determinator 16 so angeordnet, dass die Relativposition und Ausrichtung zwischen dem Wandler 18 und dem Instrument 14 bestimmt wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein elektromagnetischer Emitter auf entweder dem Wandler oder dem Instrument 18 platziert wird, und der Sensor auf dem anderen Bauteil, dem Instrument 14 oder dem Wandler 18.
Für den Fall, wo der Emitter auf dem Instrument 14 platziert wird, wird der Ursprung ein beweglicher oder nicht fester Ursprung im Operationssaal, allgemein in 1 durch das Bezugszeichen 24'' angezeigt. In diesem Fall kann der Referenzrahmen als Referenzrahmen des Instruments 14 angesehen werden, weil der Referenzrahmen bezüglich dem Griff des Instruments 14 fest ist. Der bewegliche Ursprung 24'' ist gegenüber dem Labor- oder Operationssaal-Referenzrahmen beweglich, aber der bewegliche Ursprung 24'' ist im Referenzrahmen des Instruments 14 fixiert.
Die Position und Ausrichtung des Instruments 14 in dem Referenzrahmen des Instruments 14 kann dadurch bestimmt werden, dass die Abmessungen des Instruments 14 bekannt sind. Deshalb müsste nur eine Berechnung gemacht werden, um die Position und Ausrichtung des Wandlers 18 im Referenzrahmen des Instruments 14 zu bestimmen, nämlich die Berechnung der relativen Position und Ausrichtung des Wandlers 18 und der Bilder 32 gegenüber dem beweglichen Ursprung 24'' . Dies vereinfacht die Berechnungen dieser Ausführungsform gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform, wo der Referenzrahmen der Labor-Referenzrahmen ist und der feste Punkt 24' als Ursprung 24 des Referenzrahmens verwendet wird. Auch werden nur ein Emitter und ein Sensor benötigt, wenn der Referenzrahmen in Relation zum Instrument 14 liegt.
Jedoch muss der Emitter in der Ausführungsform mit dem beweglichen Ursprung 24'' auf dem Instrument 14 angeordnet sein. Es ist klar, dass in gleicher Weise ein beweglicher Ursprung dem Wandler 18 zugeordnet werden könnte, so dass ein Referenzrahmen des Wandlers 18 verwendet wird.
Wie oben angesprochen, umfasst die Raumpositionsinformation für das Instrument 14 und den Wandler 18 die Position und Ausrichtung des Instruments 14 und des Wandlers 18, jeweils in einem Referenzrahmen, welcher Referenzrahmen auch immer verwendet wird. Natürlich kann die Raumpositionsinformation weitere Informationen umfassen, welche die Position des Instruments 14 oder des Wandlers 18 im Referenzrahmen betreffen, z. B. die Geschwindigkeit, Beschleunigung oder andere Informationen bezüglich der räumlichen Position und Ausrichtung des Instruments 14 und des Wandlers 18 und der Änderungsrate für die Raumposition des Instruments 14 und des Wandlers 18.
Der Ultraschall-Bildwandler 18 emittiert Ultraschallwellen in dem Körper 20. Der Wandler 18 verwendet die Echos dieser Ultraschallwellen zur Herstellung von Bildsignalen S₁ , welche innere Bilder des Körpers 20 repräsentieren. Die Bildsignale S₁ werden in einer Bildverarbeitungseinheit 28 gespeichert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die vom Wandler 18 erhaltenen Bilder Schichtenstapel zweidimensionaler Bilder 32. Jedes der zweidimensionalen Bilder 32 in jedem Schichtenstapel bzw. Schnittbildstapel wird in einer bekannten Position und Ausrichtung gegenüber einem festen Punkt 40 auf dem Wandler 18 erhalten. Auf diese Weise bildet der Schichtenstapel der zweidimensionalen Bilder 32 diskrete Bilder 32, die in einem Volumen oder Raum aufgenommen wurden, der in 2A im Ganzen durch den gestrichelten Kasten 33 gezeigt ist. Dieses Volumen oder dieser Raum 33 und die Bilder 32, welche den Schichtenstapel umfassen, sind bezüglich einem festen Punkt 40 durch die Vektorposition 42 eindeutig definiert. Mit anderen Worten identifiziert die Vektorposition 42 eindeutig den Abstand und die Richtung des Bildgebungsvolumens 33 bezüglich dem festen Punkt 40 auf dem Wandler, wodurch die Position und Ausrichtung jedes Bildes 32 in dem Volumen 33 eindeutig identifiziert wird. Die Position und Ausrichtung der Bilder 32 in dem Volumen 33, aufgenommen durch den Wandler 18, kann durch den Verwender ausgewählt werden und ist im Allgemeinen fächerförmig.
Das System 10 umfasst ferner eine Mappingeinheit 34. Die Mappingeinheit 34 empfängt das erste räumliche Signal Sp₁ und das zweite räumliche Signal Sp₂ . Unter Verwendung des ersten räumlichen Signals Sp₁ und des zweiten räumlichen Signals Sp₂ erzeugt die Mappingeinheit 34 ein erstes Mappingsignal Sm₁ . Das erste Mappingsignal Sm₁ zeigt die Position und die Ausrichtung des Instruments 14, gemappt auf die Position der Bilder 32 an.
Mit dem ersten Mappingsignal Sm₁ kann die Bildverarbeitungseinheit 28 die gespeicherten Bildsignale S₁ verarbeiten und verarbeitete Bildsignale I_s aus einer Sicht erzeugen, welche zur Raumposition des Instruments 14 in Bezug steht. Die Bildverarbeitungseinheit 28 tut dies durch ein Re-Sampling der gespeicherten Bildsignale S₁ zur Erzeugung verarbeiteter Bildsignale I_s aus einer bekannten Position und Ausrichtung im Referenzrahmen. Diese bekannte Position ist räumlich zu der Position und Ausrichtung des Instruments in Bezug gesetzt. Mit anderen Worten entspricht die bekannte Position einer Position an oder nahe dem Instrument 14.
Die verarbeiteten Bildsignale I_s können zweidimensionale Bilde entlang Ebenen sein, die transaxial oder orthogonal zur Position des Instruments 14 liegen. Die verarbeiteten Bildsignale I_s können ebenfalls dreidimensionale Projektionsbilder sein. In jedem Fall repräsentieren die verarbeiteten Bildsignale I_s Bilder des Körpers 20 aus der Sicht des Instruments 14, als ob der Beobachter an einer Position an oder nahe dem Instrument 14 im Körper 20 sitzen würde, von welchem die Bildsignale re-Sampled werden. Im Fall von dreidimensionalen Projektionsbildern werden die verarbeiteten Bilder eine Sicht und eine Perspektive aufweisen, die räumlich zur Position und Ausrichtung des Instruments 14 in Bezug steht.
Es ist klar, dass eine Sicht aus der Perspektive des Instruments 14 einer Sicht aus der Perspektive des Wandlers 18 vorzuziehen ist, weil die Perspektive des Instruments 14 dem Mediziner dabei hilft, die inneren Merkmale des Körpers 20 zu visualisieren, während er das Instrument 14 führt. Zusätzlich könnte die Bildverarbeitungseinheit 28 auf Wunsch des Mediziners verarbeitete Bilder I_s aus einer anderen Perspektive erzeugen, wie z. B. der Perspektive des Wandlers 18, oder einfach die unverarbeiteten Signalbilder S_i anzeigen, wie dies bei den Systemen gemäß dem Stand der Technik getan wird. Deshalb gibt die vorliegende Erfindung dem Mediziner eine zusätzliche Vielseitigkeit.
Die Anzeigeeinheit 30 empfängt das verarbeitete Bildsignal I_s und zeigt verarbeitete Bilder 62 entsprechend der verarbeiteten Bildsignale I_s an. Die verarbeiteten Bilder 62 sind die Bilder, die durch den Ultraschall-Bildwandler 18 akquiriert wurden, aber erzeugt aus der Perspektive des Instruments 14 im Körper 20 durch das oben beschriebene Verfahren. Die 1 zeigt ein Beispiel der verarbeiteten Bilder 62 aus einer Sicht bei einer Position gerade hinter dem Ende des Instruments 14, das in diesem Fall eine Sonde ist.
Weil die Raumpositionsinformation für sowohl das Instrument 14 als auch die Bilder 32 im selben Referenzrahmen erhalten werden, hat die Mappingeinheit 34 ausreichend Informationen, um die Position und Ausrichtung des Instruments auf die Position und Ausrichtung des Wandlers 18 zu mappen. Jedoch ist es, um die Raumpositionsinformation des Instruments 14 auf die Raumpositionsinformation der Bilder 32 zu mappen, notwendig, dass die Mappingeinheit 34 die Position und Ausrichtung der Bilder 32 im Referenzrahmen von der Raumpositionsinformation des Wandlers 18 bestimmt. Um dies durchzuführen, umfasst die Mappingeinheit 34 eine Speichereinheit 38, die aus Standard-Speicherchips gebildet sein kann, wie z. B. RAM oder Magnetdisk oder andere Datenspeichervorrichtungen, um Raumpositionsinformationen für die Bilder 32 bezüglich des Wandler 18 zu speichern.
Die Raumpositionsinformation der Bilder 32 bezüglich des Wandlers 18 umfasst die Vektorposition 42. Die Vektorposition 42 von dem festen Punkt 40 gibt im Wesentlichen die Distanz und Richtung wieder, von welcher der Wandler 18 aus die Bilder 32 im Körper 20 akquiriert, wie in 2A gezeigt ist.
Die Vektorposition 42 kann durch das Kalibrieren des Wandlers 18 vor dem Beginn der Prozedur bestimmt werden. Im Allgemeinen wird die Vektorposition sich während der Prozedur nicht stark verändern, und eine neue Kalibrierung des Wandlers 18 ist im Allgemeinen nicht erforderlich. Abhängig von dem Typ des Wandlers 18, der verwendet wird, ist es darüber hinaus möglicherweise nicht notwendig, überhaupt eine Kalibrierung durchzuführen, sondern sie kann während der Herstellung eingestellt und ausreichend stabil sein, so dass sie sich nicht ändert.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Wandler 18 dazu in der Lage sein, Einstellungen vorzunehmen, so dass die Tiefe oder eine andere Position der Bilder 32 bezüglich des Wandler 18 eingestellt werden kann. In diesen Fällen ist es klar, dass eine unterschiedliche Vektorposition 42 von dem festen Punkt 40 für jede Veränderung in der Tiefe der Bilder 32 gegenüber dem Körper 20 benötigt würde. Die Raumpositionsinformation für die Bilder 32 bezüglich des Wandlers 18, die in der Speichereinheit 38 gespeichert ist, würde die Vektorposition 42 für die Bilder 32 mit verschiedenen Tiefen im Körper 20 umfassen. Eine Einstellung der Tiefe der Bilder 32 im Körper 20 würde bewirken, dass die Mappingeinheit 34 eine entsprechende Vektorposition 42 aus der Speichereinheit 38 wählt.
Mit der Raumpositionsinformation der Bilder 32 bezüglich des Wandlers 18 und des zweiten räumlichen Signals Sp₂ , welches die Raumpositionsinformation des Wandlers 18 im Referenzrahmen repräsentiert, kann die Mappingeinheit 34 die Position der Bilder 32 im Referenzrahmen bestimmen. Die Mappingeinheit 34 führt dies durch, indem sie die Vektorposition 42 der Bilder 32 bezüglich des festen Punktes 40 am Wandler 18, wobei diese Information in der Speichereinheit 38 gespeichert ist, zur Raumpositionsinformation des Wandlers 18 hinzu addiert, die durch das zweite räumliche Signal Sp₂ wiedergegeben wird.
Es ist vorzuziehen, dass das zweite räumliche Signal Sp₂ die Raumpositionsinformation für den festen Punkt 40 des Wandlers 18 repräsentiert. Wenn dies jedoch nicht der Fall ist und das zweite räumliche Signal Sp₂ die Raumpositionsinformation eines anderen festen Punktes (nicht gezeigt) auf dem Wandler 18 wiedergibt, dann kann die Mappingeinheit 34 eine weitere Addition von dem anderen festen Punkt (nicht gezeigt) zum festen Punkt 40 durchführen. Die Mappingeinheit 34 umfasst eine Verarbeitungseinheit 39 zur Durchführung dieser Additionen. Die Verarbeitungseinheit 39 mappt ebenfalls die Raumpositionsinformationen für das Instrument 14, repräsentiert durch das erste räumliche Signal Sp₁ , auf die Raumpositionsinformation der Bilder 32.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Raumpositionsinformationen für Teile 15 (identifiziert durch "x" in 2B) des Instruments 14 bestimmt. Die Teile 15 des Instruments 14 könnten jedwede leicht beobachtbare Stelle auf oder nahe dem Instrument 14 sein, wie z. B. das Ende einer Spritze oder Sonde. Die Teile 15 könnten ebenfalls Punkte mit einem bekannten Abstand vom Instrument 14 umfassen. In jedem Fall wird die Raumpositionsinformation für die Teile 15 des Instruments 14 gegenüber einem Punkt 13 bestimmt, der fest an dem Instrument 14 liegt, durch das Messen oder Kalibrieren des Instruments 14. Alternativ können sog. "intelligente" Instrumente, die Signale erzeugen, welche ihre Form angeben, verwendet werden, so dass die Position der Teile 15 des "intelligenten" Instruments bezüglich einem Punkt 13, fixiert an dem Instrument 14, leicht ermittelt werden könnte.
Wenn die Position der Teile 15 des Instruments 14 bezüglich eines Punktes 13, der gegenüber dem Instrument fixiert ist, bestimmt wird, wird diese Information in der Speichereinheit 38 gespeichert. Die Raumpositionsinformation der Teile 15 des Instruments 14 kann bezüglich des Referenzrahmens durch die Verarbeitungseinheit 39 bestimmt werden, welche die Raumpositionsinformation des Punktes 13, fixiert am Instrument 14, mit der Raumpositionsinformation der Teile 15 des Instruments 14 in Relation zu dem Punkt 13 kombiniert, der an dem Instrument 14 fixiert ist. Vorzugsweise entspricht der Punkt 13, der am Instrument 14 fixiert ist, der Stelle, wo der erste räumliche Determinator 12 an dem Instrument 14 befestigt ist. Ansonsten kann die Verarbeitungseinheit 39 einen zusätzlichen Ableitungsschritt für die Raumpositionsinformation des Punktes 13 durchführen, der am Instrument 14 fixiert ist, und zwar aus dem ersten räumlichen Signal Sp₁ . Mit dieser Information mappt die Mappingeinheit 34 die Teile 15 des Instruments 14 auf die Position der Bilder 32. Das Mappingsignal Sm₁ wird dann nicht nur die Position des Instruments 14 sondern auch die Position der Teile 15 des Instruments 14 bezüglich der Position der Bilder 32 angeben. Dies gestattet es der Bildverarbeitungseinheit 28 verarbeitete Bildsignale I_s aus einer Sicht zu erzeugen, die in Bezug zur Raumposition eines der Teile 15 des Instruments 14 steht. Die präzise, auf der Anzeigeeinheit 30 anzuzeigende Sicht kann durch den Verwender des Systems 10 ausgewählt werden.
Der Ultraschall-Bildwandler 18 akquiriert in einer bevorzugten Ausführungsform Bilder 32 des Körpers 20. Noch bevorzugter werden die Bilder 32 schnell mit geringem Zeitabstand zwischen abfolgenden Bildern akquiriert. Noch bevorzugter akquiriert der Ultraschallwandler 18 die Bilder 32 in Echtzeit oder im Wesentlichen in Echtzeit, so dass keine zeitliche Verzögerung oder eine vernachlässigbar kleine zeitliche Verzögerung, wie z. B. weniger als 1 Sekunde, zwischen dem abfolgenden Sampling der Bilder 32 auftritt.
Auf diese Weise können die Bilder 32 in einer Abfolge dargestellt werden, um die Bewegung des Körpers 20 und der inneren Merkmale des Körpers 20 im Wesentlichen in Echtzeit zu zeigen. In gleicher Weise kann die Raumpositionsinformation für das Instrument periodisch gesampelt und auf die Bilder 32 des Körpers 20 gemappt werden. Somit werden sich die verarbeiteten Bilder 32, die auf der Anzeigeeinheit 30 angezeigt werden, über die Zeit entsprechend den Änderungen der Position und Ausrichtung des Instruments gegenüber dem Körper 20 ändern. Die dargestellten, verarbeiteten Bilder werden im Allgemeinen auf den aktuellsten Bildern 32 und der aktuellsten Information basieren. Dies gestattet es dem Verwender des Systems 10, Veränderungen im Körper 20 des Patienten 22 sowie die Bewegung des Instruments 14 im Körper 20 zu verfolgen. Auf diese Weise hat der Verwender die Fähigkeit, der Bewegung des Instruments 14 zu folgen und zu sehen, wie das Instrument 14 die inneren Funktionen des Körpers 20 während einer medizinischen Prozedur beeinflusst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 1 gezeigt, ist der Körper 20 der anatomische Körper 20 des Patienten 22. Bei dieser Ausführungsform kann das Instrument 14 ein chirurgisches Instrument sein, und es kann eine Spritze, eine Sonde oder ein anderer Typ eines chirurgischen Instruments sein.
Der Schichtenstapel der zweidimensionalen Bilder 32 kann vor der Anzeige vorverarbeitet werden, um bestimmte anatomische Merkmale des anatomischen Körpers 20 zu verstärken, wie dies in der Technik bekannt ist. Die Verstärkung kann die Form einer Farbgebung für bestimmte Gewebe annehmen, die spezielle Organe repräsentieren, mit unterschiedlichen Farben, so dass die erzeugten inneren Bilder in klarer Weise unterschiedliche anatomische Merkmale im anatomischen Körper unterscheiden. Eine solche Vorverarbeitung des Schichtenstapels der zweidimensionalen Bilder kann durch die Bildverarbeitungseinheit 28 in bekannter Weise durchgeführt werden.
Es ist gleichermaßen in der Technik bekannt, dass der Schichtenstapel der zweidimensionalen Bilder 32 kombiniert werden kann, um eine dreidimensionale Wiedergabe der anatomischen Merkmale im anatomischen Körper 20 zu bilden. Auf diese Weise kann die Bildverarbeitungseinheit 28 verarbeitete Bilder I_s erzeugen, die eine dreidimensionale Projektion des Volumens oder Raumes 33 im Körper 20 umfassen, und von der Perspektive des Instruments 14 im Körper 20 aus.
Wenn der Ultraschallwandler 18 ein dreidimensionaler Ultraschallwandler ist, werden die Bildsignale S₁ eine dreidimensionale Wiedergabe des Körpers 20 umfassen. In gleicher Weise werden die Bilder, die in der Bildverarbeitungseinheit 28 gespeichert sind, und die verarbeiteten Bilder 62, die auf der Anzeigeeinheit 30 angezeigt werden, dreidimensionale Bilder sein.
Wie oben erwähnt, zeigt das erste Mappingsignal Sm₁ die Position des Instruments 14 gemappt auf die Position der Bilder 32 an. Das erste Mappingsignal Sm₁ kann ebenfalls aus Videoinformationen bestehen, die ausreichen, um eine Darstellung des Instruments 14 auf der Anzeigeeinheit 30 in einer Position bezüglich der Bilder 32 entsprechend der Position des Instruments 14 bezüglich des Körpers 20 darzustellen. Alternativ kann das erste Mappingsignal Sm₁ ausreichend Informationen betreffend die Position umfassen, und, wenn gewünscht, die Ausrichtung des Instruments 14, so dass eine andere Einheit, wie z. B. die Bildverarbeitungseinheit 28 eine Darstellung 36 des Instruments 14 erzeugen kann. Eine Darstellung 36 des Instruments 14 wird angezeigt, wenn beispielsweise der Verwender eine Sicht oder Perspektive wählt, bei der ein Teil des Instruments sichtbar ist. Die 1 zeigt die Ausführungsform, bei der die Bildverarbeitungseinheit 28 das erste Mappingsignal Sm₁ erhält und eine Darstellung 36 des Instruments 14 erzeugt. Die Darstellung 36 des Instruments 14 kann in die verarbeiteten Bildsignale I_s eingearbeitet werden.
Bei einer Ausführungsform können die Bilder 32 durch die Bildverarbeitungseinheit 28 vorverarbeitet werden, um eine dreidimensionale Wiedergabe der anatomischen Merkmale im Körper 20 bereitzustellen. Bei dieser Ausführungsform könnte eine Wiedergabe 36 des Instruments 14, ebenfalls dreidimensional, auf der Anzeigeeinheit 30 angezeigt werden, wenn das Instrument aus der gewählten Perspektive und Sicht sichtbar ist. Dies gibt dem Verwender des Systems 10 den Anschein und das Gefühl einer chirurgischen Prozedur, jedoch ohne die Notwendigkeit eines großen Einschnitts in den Körper 20 des Patienten 22.
Es wird klar, dass ein Vorteil des vorliegenden Systems 10 sowie des Verfahrens zur Verwendung des Systems 10 darin liegt, dass der Schritt des Bestimmens der Position, und, wenn gewünscht, Ausrichtung des Instruments 14 relativ zur Position, und, wenn gewünscht, Ausrichtung der Bilder 32, unabhängig von der Position des Körpers 20 im Referenzrahmen ist. Mit anderen Worten sind alle Werte, die durch die Mappingeinheit 34 verwendet werden, um die Raumpositionsinformationen des Instruments 14 auf die Raumpositionsinformationen der Bilder 32 zu mappen, unabhängig von der Position oder Ausrichtung des Körpers 20. Dies bedeutet, dass der Patient 22 während der Prozedur nicht stabil gehalten werden muss. Der Patient 22 kann sich während der Prozedur bewegen, um ihm zu mehr Bequemlichkeit zu verhelfen. Auch kann der Patient während der Prozedur bewegt werden, um die Aspekte der Patientenanatomie aus verschiedenen Stellungen oder in Bewegung zu beobachten.
Die 3A und 3B zeigen die möglichen Ansichten, welche unter Verwendung des Verfahrens und Systems 10 der vorliegenden Erfindung angezeigt werden können. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, wird eine Fötus-Herzprozedur an einem Patienten 12 durchgeführt. Das Instrument 14 wird in den Fötus des Patienten 22 eingesetzt. Die Position und Ausrichtung des Instruments 14 und des Wandlers 18 werden unter Verwendung des Systems 10 und des Verfahrens wie oben beschrieben bestimmt. Die 3B zeigt die möglichen Ansichten, welche durch das System 10 erzeugt werden können.
Alle verarbeiteten Bilder 62A, 62B, 62C und 62D, die in 3A gezeigt sind, sind aus einer Sicht erzeugt worden, die räumlich zu der Raumposition des Instruments 14 in Bezug steht. Beispielsweise ist das verarbeitete Bild 62A eine Axial-1-Ansicht, erzeugt von einer Raumposition entlang einer ersten Achse des Instruments 14. Das verarbeitete Bild 62A zeigt den Fötus und eine Darstellung 36 des Instruments 14. In gleicher Weise ist das verarbeitete Bild 62B eine Axial-2-Ansicht, aufgenommen von einer Raumposition entlang einer zweiten Achse des Instruments 14, und es zeigt den Fötus und eine Darstellung 36 des Instruments 14. Das verarbeitete Bild 62C ist ein Bild eines Schnittes bzw. einer Schicht durch den Fötus, transaxial zum Instrument 14. Die Schichtebene ist senkrecht zu der Achse des Instruments 14, und die Spitze des Instruments 14 ist am Mittelpunkt der Schichten angeordnet und auf dem Bild mit einem Cursor "+" markiert.
Die Schichtebenen "Axial-1", "Axial-2" und "Transaxial an der Spitze" sind alle der Position und Ausrichtung des Instruments 14 so zugeordnet, dass die Bewegung des Instruments 14 eine Veränderung in den entsprechenden Bildern 62A, 62B und 62C bewirkt.
Das verarbeitete Bild 62D ist eine dreidimensionale Projektion des Fötus, erzeugt von den Bildern 32, die durch den Wandler 18 akquiriert wurden. Eine dreidimensionale Darstellung 36 des Instruments 14 erscheint ebenfalls im verarbeiteten Bild 62D. Die Ansicht des verarbeiteten Bildes 62D wird von einer Position erzeugt, die um einen vorbestimmten Abstand von der Seite des Instruments 14 liegt, und von einer Perspektive, die auf das Instrument 14 sieht, so dass die Darstellung 36 des Instruments 14 im verarbeiteten Bild 62D zu sehen ist.
Es wird klar, dass jede der Ansichten der verarbeiteten Bilder 62A, 62B, 62C und 62D von einer Raumposition, ob Punkt oder Achse, aufgenommen oder erzeugt werden, welche räumlich der Position des Instruments 14 so zugeordnet ist, dass sie entlang einer Achse von einem Punkt an oder nahe dem Instrument liegt. Dies ist der Fall obwohl die verarbeiteten Bilder 62A, 62B, 62C und 62D aus dem Bild 32 erzeugt werden, das durch den Wandler 18 akquiriert wird.
Die 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 4 gezeigte System 110 hat einige gemeinsame Elemente mit dem in 1 gezeigten System 10, und gleiche Bezugszeichen werden für gleiche Merkmale verwendet. Jedoch ist das System 110 eine Erweiterung des Systems 10 dahingehend, dass ein weiteres Instrument 114 zusätzlich zum Instrument 14 verwendet wird. Das System 110 umfasst einen dritten räumlichen Determinator 112 zum Bestimmen der Raumpositionsinformation des anderen Instruments 114 im Referenzrahmen. Der dritte räumliche Determinator 112 sendet ein drittes räumliches Signal Sp₃ zur Mappingeinheit 38, und zwar auf dieselbe Weise wie der erste räumliche Determinator 12 das erste räumliche Signal Sp₁ zur Mappingeinheit 34 sendet. Das dritte räumliche Signal Sp₃ repräsentiert die Raumpositionsinformation des anderen Instruments 114 im Referenzrahmen.
Die Mappingeinheit 34 empfängt das dritte räumliche Signal Sp₃ und erzeugt ein zweites Mappingsignal Sm₂ , welches die Position des anderen Instruments 114, gemappt auf die Position der Bilder 32 anzeigt. Die Bildverarbeitungseinheit 28 empfängt das zweite Mappingsignal Sm₂ und erzeugt eine Darstellung 136 des anderen Instruments 114, mit einer Position, und, wenn gewünscht, Ausrichtung, relativ zu den Bildern 32 des Körpers 20, welche der Position, und, wenn gewünscht Ausrichtung des anderen Instruments 114 relativ zum Körper 20 entspricht. Die Darstellung 136 des anderen Instruments 114 wird auf der Anzeigeeinheit 30 erscheinen, wenn das andere Instrument 136 in den verarbeiteten Bildern 62 zu sehen ist.
Ferner könnte der Verwender eine Ansicht von einer Sicht auswählen, die räumlich dem anderen Instrument 114 zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die Bildverarbeitungseinheit 28 die verarbeiteten Bildsignale I_s von der Sicht des anderen Instrument 114 her erzeugen. Eine Darstellung 36 des Instruments 14 würde dann erzeugt werden und auf der Anzeigeeinheit 30 erscheinen.
Es versteht sich, dass das System 110 noch erweitert werden kann, so dass drei oder mehrer medizinische Instrumente oder Sonden getrackt werden können und ihre Darstellung auf der Anzeigeeinheit 30 in derselben Weise angezeigt wird, wie die Darstellungen des Instruments 14 und des anderen Instruments 114 angezeigt werden.
Zusätzlich können die Systeme 10 und 110 so erweitert werden, dass mehr als ein Wandler 18 verwendet wird. Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, ähnlich der Ausführungsform der 4, aber mit einem zusätzlichen Wandler 118, der Bilder akquiriert, die in der Bildverarbeitungseinheit 28 gespeichert und verwendet werden, um das verarbeitete Bildsignal I_s in derselben Weise zu erzeugen, wie oben mit einem Wandler 18 erörtert wurde.
Der zusätzliche Wandler 118 sendet ein zweites Bildsignal SI₂ zur Bildverarbeitungseinheit 28, welches die akquirierten Bilder repräsentiert. Die Bildverarbeitungseinheit 28 speichert die Bilder, die durch den zusätzlichen Wandler 118 akquiriert werden, in einem zweiten Schichtenstapel 132. Der zweite Schichtenstapel 132 und der Schichtenstapel 32 werden durch die Verarbeitungseinheit 28 verwendet, um die verarbeiteten Bildsignale I_s zu erzeugen. Die Position und Ausrichtung des zusätzlichen Wandlers 118 wird durch den dritten räumlichen Determinator 116 auf dieselbe Weise bestimmt, wie es oben für das andere Instrument 114 beschrieben wurde. In gleicher Weise können die Positionen und Ausrichtung der Bilder 32, die durch den zusätzlichen Wandler 118 akquiriert werden, ebenso bestimmt werden, wie es oben unter Bezugnahme auf den Wandler 18 beschrieben wurde.
Der prinzipielle Vorteil des zusätzlichen Wandlers 118 liegt darin, dass zusätzliche Bilder 132 akquiriert werden, die nicht durch den Wandler 18 akquiriert werden konnten, entweder weil der Wandler 18 kein Volumen abtasten kann, das groß genug ist, oder weil ein Teil der Ultraschallsignale, die vom Wandler 118 emittiert werden, geblockt werden, beispielsweise durch Knochen oder Knorpel. In jedem Fall kann die Bildverarbeitungseinheit 28 durch Verwendung von zwei Schichtenstapel 32, 132 verarbeitete Bildsignale I_s erzeugen, welche Ansichten des Körpers 20 aufzeigen, die nicht erzeugt werden könnten, wenn nur ein Wandler 18 oder 118 verwendet würde. Dieses Prinzip kann auf mehr als zwei Wandler 18, 118 ausgedehnt werden, wenn dies gewünscht wird.
Während auf einen anatomischen Körper 20 eines Patienten 22 Bezug genommen wurde, versteht es sich, dass das vorliegende Verfahren und System 10, 110 auch im Zusammenhang mit jedwedem Körper 20 verwendet werden kann, der durch einen Ultraschall-Bildwandler abgebildet werden kann. In gleicher Weise versteht es sich, dass, während die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein chirurgisches Instrument 14 beschrieben worden ist, diese Erfindung nicht auf ein chirurgisches Instrument 14 beschränkt ist. Vielmehr können das vorliegende Verfahren und die Systeme 10 in Zuordnung zu jedwedem Typ von Instrument oder Vorrichtung verwendet werden.
Es versteht sich, dass, obwohl verschiedene Merkmale der Erfindung bezüglich der einen oder anderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden sind, die verschiedenen Merkmale in den Ausführungsformen der Erfindung kombiniert oder in Zusammenwirkung mit anderen Merkmalen oder Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, wie sie hierin beschrieben und dargestellt wurde.

Claims

Verfahren zur Darstellung von inneren Bildern (32) eines Körpers (22) in Relation zu einem Instrument (14) in dem Körper (22), wobei die Bilder (32) durch einen Ultraschall-Bildwandler (18) akquiriert worden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Beziehen von Raumpositionsinformationen für das Instrument (14), die eine Position und eine Ausrichtung des Instruments (14) in einem Referenzrahmen (24) umfassen; b) Beziehen von Raumpositionsinformationen (Sp₂ ) für jedes der Bilder (32) des Körpers (22), das durch den Ultraschall-Bildwandler (18) akquiriert worden ist, die eine Position und eine Ausrichtung der Bilder (32) in dem Referenzrahmen (24) umfassen; c) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Instruments (14) relativ zur Position und Ausrichtung der Bilder (32); d) Verarbeiten der Bilder (32) zur Erzeugung von verarbeiteten Bildern (62), wobei die verarbeiteten Bilder so gewählt werden, dass sie eine Ansicht bereit stellen, die räumlich zu der Position des Instrumentes (14) in Beziehung steht; und e) Darstellen der verarbeiteten Bilder (62) des Körpers (22) auf einer Anzeige (30); dadurch gekennzeichnet, dass f) die Raumpositionsinformation des Instruments (14) mittels eines räumlichen Determinators (12) bezogen werden, der an dem Instrument (14) angeordnet ist; g) die Bilder (32), die durch den Ultraschallwandler (18) akquiriert werden, mit den Raumpositionsinformationen jedes Bildes gespeichert werden; und h) die verarbeiteten Bilder aus den gespeicherten Bildern erzeugt werden, basierend auf der Position und Ausrichtung des Instruments (14) relativ zur Position und Ausrichtung der Bilder.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Anzeigens einer Darstellung des Instruments auf der Anzeige umfasst, wobei die Darstellung eine Position und Ausrichtung relativ zu den verarbeiteten Bildern des Körpers hat, die der Position und Ausrichtung des Instruments relativ zum Körper entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Beziehens der Raumpositionsinformationen für die Bilder in dem Referenzrahmen die folgenden Schritte umfasst: (a) Bestimmen der Raumpositionsinformationen der Bilder bezüglich des Wandlers; (b) Beziehen von Raumpositionsinformationen für den Wandler, die eine Position und eine Ausrichtung des Wandlers im Referenzrahmen umfassen; und (c) Bestimmen der Position der akquirierten Bilder in dem Referenzrahmen aus den Raumpositionsinformationen für den Wandler im Referenzrahmen und den Raumpositionsinformationen der Bilder bezüglich des Wandlers.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Bestimmens der Raumpositionsinformationen für die Bilder bezüglich des Wandlers den Schritt des Kalibrierens des Wandlers aufweist, um eine Vektorposition (42) für die Bilder zu erhalten, die durch den Wandler akquiriert werden, bezüglich eines festen Punktes (24) auf dem Wandler.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Beziehens von Raumpositionsinformationen für den Wandler den Schritt des Beziehens einer Position und einer Ausrichtung des festen Punktes (24) auf dem Wandler im Referenzrahmen umfasst; und bei dem der Schritt des Bestimmens der Raumposition der Bilder in dem Referenzrahmen den Schritt des Addierens der Vektorposition der akquirierten Bilder bezüglich des festen Punktes auf dem Wandler zu den Raumpositionsinformationen des festen Punktes auf dem Wandler umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner die folgenden Schritte umfasst: (a) Bestimmen von Raumpositionsinformationen für Punkte an oder nahe dem Instrument bezüglich einem Punkt, der am Instrument fixiert ist; (b) Beziehen von Raumpositionsinformationen für das Instrument durch das Beziehen einer Position und einer Ausrichtung des Punktes, der an dem Instrument fixiert ist, bezüglich des Referenzrahmens; (c) Bestimmen der Raumpositionsinformation für einen der Punkte an oder nahe dem Instrument durch das Kombinieren der Raumpositionsinformationen für den Punkt, der an dem Instrument fixiert ist, mit den Raumpositionsinformationen des einen der Punke an oder nahe dem Instrument bezüglich des am Instrument fixierten Punktes; und (d) Verarbeiten der Bilder zur Erzeugung von verarbeiteten Bildern, die eine Ansicht von einem der Punkte an oder nahe dem Instrument im Körper aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Bilder des Körpers eine Sequenz dreidimensionaler Bilder umfassen, welche in einer Sequenz im Wesentlichen in Echtzeit angezeigt werden können; und bei dem die verarbeiteten Bilder, die auf der Anzeige angezeigt werden, sich entsprechend den Änderungen in der Position und Ausrichtung des Instruments relativ zum Körper verändern; und welches ferner den Schritt des Anzeigens einer dreidimensionalen Darstellung des Instruments auf der Anzeige umfasst, wobei die Darstellung eine Position und eine Ausrichtung relativ zu den verarbeiteten Bildern hat, welche der Position und der Ausrichtung des Instruments relativ zum Körper entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Körper ein anatomischer Körper und das Instrument ein chirurgisches Instrument ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gespeicherten Bilder einen Schichtenstapel zweidimensionaler Bilder umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Erzeugens der verarbeiteten Bilder des Körpers den Schritt des Aufbereitens der verarbeiteten Bilder umfasst, um a natomische Merkmale des anatomischen Körpers aus der Sicht des Instruments darzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die aufbereiteten Bilder dreidimensionale Darstellungen der anatomischen Merkmale sind, aus einer Sicht und einer Perspektive, die räuinlich zur Position und Ausrichtung des Instruments in Bezug steht.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Referenzrahmen in Bezug zum Operationsraum angeordnet ist und einen Ursprung umfasst, der im Referenzrahmen des Operationsraums festliegt, und der Referenzrahmen einen Abschnitt des Körpers enthält, den Ultraschall-Bildwandler, das Instrument und den festen Punkt; und wobei die Raumpositionsinformation des Instruments und der Bilder in Bezug auf den Referenzrahmen des Operationsraumes erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Referenzrahmen in Bezug auf das Instrument angeordnet ist und einen Ursprung umfasst, der am Referenzrahmen des Instruments fixiert ist; und bei dem die Raumpositionsinformationen des Instruments und der Bilder in Bezug auf den Referenzrahmen des Instruments erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Referenzrahmen in Bezug auf den Wandler angeordnet ist und einen Ursprung umfasst, welcher an dem Referenzrahmen des Wandlers fixiert ist; und bei dem die Raumpositionsinformationen des Instruments und der Bilder in Bezug auf den Referenzrahmen des Wandlers erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Bewegung des Körpers in dem Referenzrahmen den Schritt der Bestimmung der Position des Instruments relativ zur Position der Bilder nicht beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner die folgenden Schritte aufweist: (a) Beziehen von Raumpositionsinformationen für ein anderes Instrument, welche eine Position und eine Ausrichtung des anderen Instruments in dem Referenzrahmen umfassen; (b) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des anderen Instruments relativ zu der Position und Ausrichtung der Bilder; (c) Bezeichnen des Instruments und des anderen Instruments als das ausgewählte Instrument und das nicht ausgewählte Instrument entsprechend einer Wahl durch den Benutzer; (d) Verarbeiten der Bilder zur Erzeugung von verarbeiteten Bildern aus einer Sicht, die räumlich zu der Position des ausgewählten Instruments in Bezug steht; und (e) Anzeigen einer Darstellung des nicht ausgewählten Instruments, wobei die Darstellung eine Position relativ zu den Bildern des Körpers aufweist, welche der Position des nicht ausgewählten Instruments relativ zum Körper entspricht.
System 10 zum Anzeigen innerer Bilder (32) eines Körpers in Bezug auf ein Instrument (14) in dem Körper (12), wobei die Bilder (32) durch einen Ultraschall-Wandler (18) akquiriert worden sind, wobei das System 10 umfasst: eine erste räumliche Determinationseinrichtung (12) zum Bestimmen von Raumpositionsinformationen des Instruments (14), die eine Position und eine Ausrichtung des Instruments (14) in einem Referenzrahmen (24) umfassen, und zum Senden eines ersten räumlichen Signals (S_P1 ), welches die Raumpositionsinformationen für das Instrument (14) für den Ultraschall-Bildwandler (18), welcher eine Position und eine Ausrichtung repräsentieren; eine zweite räumliche Determinationseinrichtung (16) zum Bestimmen von Raumpositionsinformationen des Ultraschall-Bildwandlers (18) in dem Referenzrahmen (24) umfassen, und zum Senden eines zweiten räumlichen Signals (S_P1 ), welches die räumlichen Positionsinformationen für den Wandler (18) repräsentiert; einer Mapping-Einrichtung (34) zum Erhalten des ersten räumlichen Signals (S_p1 ) und des zweiten räumlichen Signals (S_P2 ) und zur Erzeugung eines ersten Mapping-Signals (S_m1 ), das die Position und Ausrichtung des Instruments (14) relativ zur Position und Ausrichtung der Bilder (32) anzeigt; einer Bildverarbeitungseinrichtung (28) zum Empfangen des ersten Mapping-Signals (S_m1 ) und der Signale, welche die Bilder (32) repräsentieren, die durch den Wandler (18) akquiriert wurden, und zum Erzeugen von verarbeiteten Bilder (62) aus einer Sicht, die räumlich zu der Position des Instruments (14) in Bezug steht; und einer Anzeigeeinrichtung (30) zum Anzeigen der verarbeiteten Bilder (62); dadurch gekennzeichnet, dass die erste räumliche Determinationseinrichtung (12) an dem Instrument (14) angeordnet ist; und ferner gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (38) zum Speichern von Raumpositionsinformationen der Bilder gegenüber dem Wandler (18); wobei die Bildverarbeitungseinrichtung (28) die Position der Bilder in dem Referenzrahmen aus dem zweiten räumlichen Signal (S_p2 ) und den Raumpositionsinformationen für die Bilder gegenüber dem Wandler (18), die in der Speichereinrichtung (38) gespeichert sind, bestimmt, und die Position des Instruments (14) auf die Position der Bilder mappt, um das erste Mapping-Signal (S_m1 ) zu erzeugen.
System nach Anspruch 17, bei dem die Bildverarbeitungseinrichtung eine Darstellung des Instruments, basierend auf dem ersten Mapping-Signal erzeugt, wobei die Darstellung des Instruments eine Position relativ zu den verarbeiteten Bildern des Körpers hat, die der Position des Instrument relativ zum Körper entspricht.
System nach Anspruch (17), bei dem die Raumpositionsinformationen für die Bilder bezüglich des Wandlers, die in der Speichereinrichtung gespeichert sind, eine Vektorposition der Bilder umfasst, die durch den Wandler akquiriert werden, in Bezug zu einem festen Punkt auf dem Wandler, der durch das Kalibrieren des Wandlers bestimmt wird; wobei das zweite räumliche Signal, das die Raumpositionsinformationen für den Wandler repräsentiert, eine Position des festen Punktes auf dem Wandler in dem Referenzrahmen umfasst; und bei dem die Verarbeitungseinrichtung die räumliche Position der Bilder in dem Referenzrahmen durch das Addieren der Vektorposition der Bilder bezüglich des festen Punktes auf dem Wandler zu den Raumpositionsinformationen des festen Punktes auf dem Wandler bestimmt.
System nach Anspruch 19, bei dem das Instrument Teile hat und die Speichereinrichtung Raumpositionsinformationen der Teile des Instruments bezüglich eines festen Punktes auf dem Instrument speichert; wobei das erste räumliche Signal die Raumpositionsinformationen des am Instrument fixierten Punktes repräsentiert; wobei die Verarbeitungseinrichtung räumliche Positionsinformationen der Teile des Instruments in dem Referenzrahmen bestimmt, basierend auf dem ersten räumlichen Signal und den räumlichen Positionsinformationen der Teile des Instruments bezüglich des am Instrument fixierten festen Punktes; wobei die Verarbeitungseinrichtung die Position der Teile des Instruments auf die Positionen der Bilder mappt, so dass das erste Mapping-Signal die Position eines der Teile des Instruments relativ zu der Position der Bilder anzeigt; und wobei die Bildverarbeitungseinrichtung verarbeitete Bilder erzeugt, aus einer Sicht, die räumlich zu der Position eines der Teile des Instruments im Körper in Bezug steht.
System nach Anspruch 17, bei dem die Bildverarbeitungseinrichtung die akquirierten Bilder speichert, mit den Raumpositionsinformationen für jedes Bild in einem Schichtenstapel zweidimensionaler Bilder.
System nach Anspruch 19, bei dem die Bilder des Körpers eine Sequenz dreidimensionaler Bilder umfassen, welche in einer Sequenz in im Wesentlichen Echtzeit angezeigt werden können; und wobei die Sicht der verarbeiteten Bilder, die auf der Anzeige angezeigt werden, sich entsprechend den Änderungen in der Position und Ausrichtung des Instruments relativ zum Körper ändert; und wobei die Bildverarbeitungseinrichtung eine dreidimensionale Darstellung des Instruments auf der Anzeige erzeugt, wobei die Darstellung eine Position und eine Ausrichtung relativ zu den verarbeiteten Bildern hat, welche der Position und Ausrichtung des Instruments relativ zum Körper entspricht.
System nach Anspruch 22, bei dem die dreidimensionalen Bilder eine Sicht und eine Perspektive aufweisen, die räumlich zu der Position und Ausrichtung des Instruments in Bezug steht.
System nach Anspruch 19, bei dem der Körper ein anatomischer Körper und das Instrument ein chirurgisches Instrument ist.
System nach Anspruch 19, das ferner aufweist: eine dritte räumliche Determinationseinrichtung zum Bestimmen von Raumpositionsinformationen für ein anderes Instrument, mit einer Position und einer Ausrichtung des anderen Instruments in dem Referenzrahmen und zum Senden eines dritten räumlichen Signals, welche die Raumpositionsinformationen des anderen Instruments repräsentiert; wobei die Mapping-Einrichtung das dritte Positionssignal empfängt und ein zweites Mapping-Signal erzeugt, das die Position und Ausrichtung des anderen Instruments, gemappt auf die Position und Ausrichtung der Bilder, anzeigt; und wobei die Bildverarbeitungseinrichtung das zweite Mapping-Signal empfängt und verarbeitete Bilder aus einer Sicht erzeugt, die zur räumlichen Position des Instruments oder des anderen Instruments in Bezug steht, abhängig von der Wahl des Benutzers.
System nach Anspruch 19, das ferner aufweist: eine dritte räumliche Determinationseinrichtung zum Bestimmen von Raumpositionsinformationen eines zusätzlichen Ultraschall-Bildwandlers, der Bilder des Körpers akquiriert, welche eine Position und eine Ausrichtung des zusätzlichen Wandlers im Referenzrahmen umfassen, und zum Senden eines dritten räumlichen Signals, das die Raumpositionsinformationen des zusätzlichen Wandlers repräsentiert; wobei die Mapping-Einrichtung das dritte Positionssignal empfängt und ein zweites Mapping-Signal erzeugt, das die Position und die Ausrichtung des Instruments relativ zu einer Position und einer Ausrichtung der Bilder anzeigt, die durch den zusätzlichen Wandler akquiriert wurden; wobei die Bildverarbeitungseinrichtung das zweite Mapping-Signal empfängt, sowie Signale, welche die Bilder wiedergeben, die durch den zusätzlichen Wandler akquiriert wurden, und verarbeitete Bilder erzeugt, aus einer Sicht, welche zu der Position und der Ausrichtung des Instruments in Bezug steht, basierend auf den Signalen, welche die Bilder repräsentieren, die durch den Wandler und den zusätzlichen Wandler akquiriert wurden.