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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Bestimmung von Ort und Lage einer Ultraschallgeberfläche im Raum.
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Die Bestimmung von geometrischen
Parametern der Niere, der Leber, des Herzens und anderer innerer
Organe zur Funktionsbeurteilung mittels Ultraschall ist geläufige medizinische
Praxis. Dabei kommt es nicht darauf an, die genaue Lage der Organe
im Körper
zu kennen. Sollen jedoch die geometrischen Parameter von Organen
mit Feldern physikalischer Größen, deren
Quellen (EEG, EKG) sich im Körper
befinden oder von außen
einwirken (Röntgenstrahlen),
in Beziehung gebracht werden, so ist eine genaue Lokalisation der
Organe in dem Koordinatensystem notwendig, in dem die Felder definiert
sind.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten,
die Lage der Organe, deren Form und Struktur mittels Ultraschall bildlich
dargestellt wird, in einem vorgegebenen Koordinatensystem zu bestimmen.
Für die
Bestimmung muss immer der Ort der Schallgeberfläche des Ultraschallkopfes mit
drei Parametern und die Winkellage der Schallgeberfläche ebenfalls
mit drei Parametern ermittelt werden.
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Für
die Messung kann man sich eines zu erzeugenden elektromagnetischen
Feldes wie z.B. in dem Messsystem "bird" der
Firma Ascension Technology Corp., Burlington, Vermont, USA, bedienen.
Die Orts- und Lagebestimmung mit erzeugten elektramagnetischen Feldern
schränkt
jedoch die Amwendungsmöglichkeiten ein.
Bei implantierten Organunterstützungssystemen;
z.B. Schrittmachern für
herzkranke Patienten, dürfen keine
elektrischen oder magnetischen Störfelder auf die Elektronik
dieser Systeme einwirken. Die Materialeigenschaften der Liege und
evtl. weiterer Untersuchungs- und Behandlungsmittel im Umfeld der
Liege können außerdem die
Ausbreitung elektromagnetischer Strahlen beeinflussen und damit
den Einsatz dieses Messverfahrens ausschließen.
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Insbesondere ist dies im Operationssaal
zu erwarten. Im Operationssaal ist in der Regel außerdem die Erzeugung
elektromagnetischer Strahlung unzulässig.
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Um dieses Problem zu umgehen, könnte ein
mechanisches System mit gewichtslosem Gelenkarm, an dem der Ultraschallkopf
befestigt ist, eingesetzt werden. Der Gelenkarm könnte mit
Winkelgebern bestückt sein,
wie in der
DE 40 29
581 A1 "Verfahren
zur ortsrichtigen anatomischen Zuordnung der Erregungszentren von
biomag netischen Signalen" in
der
5 dargestellt. Der
Bewegungsspielraum des Ultraschallkopfes, der ungehindert alle Positionen
oberhalb einer Patientenliege um den Patienten herum einzunehmen
hat, wird durch eine solche Vorrichtung eingeschränkt, insbesondere
wenn weitere Untersuchungseinrichtungen mit der Patientenliege verbunden
sind. Der konstruktive Aufwand ist recht erheblich.
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Unproblematischer sind optische Messsysteme,
die entweder aktiv durch die Sendung von Lichtsignalen oder passiv über die
Erkennung von Strukturen eine Lokalisation und Lagebestimmung von
geometrischen Objekten, wie z.B. einem Ultraschallkopf, vornehmen.
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In der
DE 40 29 581 A1 "Verfahren zur ortsrichtigen anatomischen
Zuordnung der Erregungszentren von biomagnetischen Signalen" ist in der
6 ein Beispiel für die aktive
Verwendung von Lichtsignalen skizziert, indem am Ultraschallkopf
Leuchtdioden angebracht werden. Der Nachteil dieses optischen Messsystems ist,
dass den aktiven elektrooptischen Bauelementen am, Ultraschallkopf
Energie zugeführt
werden muss. Kabelveränderungen
an industriell gefertigten Ultraschallköpfen vorzunehmen, stößt auf erhebliche
Schwierigkeiten insbesondere im Hinblick auf die Zulassungsbedingungen
einer serienmäßig gefertigten
Ultraschallanlage. Es müsste
deswegen eine Batterieversorgung am Ultraschallkopf befestigt werden,
was auch wegen der notwendigen Kontrolle des Ladungszustandes einen
erheblichen konstruktiven Aufwand zur Folge hätte.
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Um die Schwierigkeiten mit aktiv
strahlenden Markern am Ultraschallkopf zu umgehen, könnten entsprechend
dem Vorschlag der Patentschrift
DE 196 39 615 C2 "Reflektorenreferenzsystem für chirurgische und
medizinische Instrumente, sowie Markersystem für neurochirurgisch zu behandelnde
Körperpartien" Infrarotstrahlung
reflektierende Reflektoren am Ultraschallkopf befestigt werden.
In der WO 99/3844 A1 "Optical Objekt
tracking system" werden
auch kompliziert gestaltete reflektierende Marker im sichtbaren
Bereich optischer Strahlung vorgeschlagen. Für die Ermittlung von Orts-
und Lagedaten dieser Marker werden in beiden Fällen Kamerasysteme mit mindestens
zwei Kameras vorgesehen. Die Anwendung von zwei oder mehr Kameras
ist konstruktiv aufwendig und erfordert ein kompliziertes Auswertungssystem,
wenn der Arbeitsraum über
dem Patienten nicht erheblich eingeschränkt werden soll. Es dürfen dann
nur Informationen in den Kamerastrahlengängen ausgewertet werden, die
nicht durch Tätigkeiten
in diesen Raumwinkelbereichen gestört sind, wozu dann immer mehr
als zwei Kameras notwendig sind.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung und ein Meßverfahren anzugeben, mit denen
der Ort und die Lage der Ultraschallgeberfläche eines Ultraschallkopfes
im Raum und damit relativ zum Patienten berührungslos bestimmt werden kann,
so dass der Arzt bei der Ultraschalluntersuchung nicht behindern
und der Patient nicht gesundheitlich gefährdet wird, sowie ein geringer
gerätetechnischer,
konstruktiver und verfahrenstechnischer Aufwand benötigt wird
und kein Eingriff in eine serienmäßig gefertigte Ultraschallanlage
erforderlich ist.
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Die Aufgabe wird erfindugsgemäß durch
eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach
dem Patentanspruch 7 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen
darin, dass der Ultraschallkopf durch einfache konstruktive Mittel,
die ihn nicht verändern
müssen,
mit einem Teil des Messsystems ohne Energiezufuhr ergänzt werden
kann. Diese konstruktiven Mittel am Ultraschallkopf behindern den
Untersucher nicht. Mit einer passiven optischen Messmethode wird
kein Patient irgendwie gefährdet
oder nur belastet. Es wird nur ein geringer gerätetechnischer und konstruktiver
Aufwand zur Lösung
der Aufgabe benötigt.
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Der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
liegt die besonders vorteilhafte Ausgestaltung mit einem kugelförmigen Messkörper, auf
dem entsprechend Anspruch 4 ein Großkreis als Horizontkreis und
senkrecht dazu zwei um 90° gegeneinander
versetzte Längenkreise
als Markierung verwendet werden, zugrunde.
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Es zeigen:
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1 Untersuchungsplatz
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2 Bildschirmbild
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3 Lage
der Koordinatensysteme
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4 Die
Lage des Messkörpers
im Koordinatensystem r,s,t
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5 Die
Lage ausgezeichneter Punkte auf dem Messkörper im Koordinatensystem X,Y,Z
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6 Hilfsfigur
zur Berechnung der Z-Koordinate ausgezeichneter Punkte auf dem Messkörper
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7 Hilfsfigur
zur Berechnung der X,Y-Koordinate ausgezeichneter Punkte auf dem
Messkörper
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8 Die
Lage des Nordpols auf dem Messkörper
im Koordinatensystem X,Y,Z
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9 Die
Lage des Nordpols und des Mittelpunktes des Messkörpers sowie
des Durchstoßpunktes deren
Verbindungslinie durch die Ultraschallgeberfläche im Koordinatensystem X,Y,Z
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10 Die
Lage der Ultraschallgeberfläche
zusammen mit dem kugelförmigen
Messkörper
im Koordinatensystem X,Y,Z Die Vorrichtung zur Bestimmung von Ort
und Lage einer Ultraschallgeberfläche im Raum (1) besteht aus einer Patientenliege 2,
an der eine Kamera 5 mit einem Stativ 6 räumlich definiert
befestigt ist. Am Patienten 1 wird eine Ultraschalluntersuchung
mit einem Ultraschallkopf 3, der einen kugelförmigen Messkörper 4 trägt, durchgeführt. Die
bewegliche Kamera 5 erzeugt nahe der Mitte des Bildschirmes 7 ein
Bild 8 des Messkörpers 4.
Der Ultraschallkopf leitet über
eine rechteckige Schallgeberfläche
den Ultraschall in den Patienten. Die Messkörperachse, die parallel zur
Schallgeberflächennormalen
verläuft,
sei als Nord-Süd-Achse
des Messkörpers
definiert. Senkrecht dazu liegt die markierte Horizontalebene des
Messkörpers.
Die Projektion des nullten, markierten Längenkreises auf die Schallgeberfläche erzeugt
eine Gerade, die parallel zu den kurzen Kanten der Schallgeberfläche verläuft. Um
90° versetzt
zum nullten Längenkreis
ist ein zweiter Längenkreis
markiert.
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Der kugelförmige Messkörper mit dem Durchmesser D,
der sich im Abstand a senkrecht über
der objektseitigen Hauptebene des Abbildungsssystems der Kamera
mit der objektseitigen Brennweite f befindet, wird mit dem Durchmesser
D' in der Kamera
abgebildet. D' ergibt
sich aus
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Wird das Bild des Messkörpers auf
einem Bildschirm dargestellt, so wird aus D' der Kugeldurchmesser D* auf
dem Bildschirm D* = pD' (2)mit p als
Maßstabsfaktor.
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Bei bekanntem f läßt sich p aus einer Kontrollmessung
mit einem kugelförmigen
Kalibrierkörper
mit dem Durchmesser D
1 im Abstand a
1 ermitteln. Mit dem Durchmesser D
1 der Abbildung des kugelförmigen Kalibrierkörpers auf
dem Bildschirm ergibt sich
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Für
der Achse des Objektivs nahe Abbildungen ermittelt sich der Abstand
des Messkörpers
vom Abbildungssystem mit den bekannten Größen D, f und p zu
wenn D
* auf
dem Bildschirm ausgemessen wurde.
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Das ebene Koordinatensystem im Mittelpunkt
der Hauptebene des Abbildungssystems werde in ein Koordinatensystem
{u, v} im Mittelpunkt des Bildschirmes transformiert. Eine Verschiebung
des Messkörpers gegenüber der
Mittelsenkrechten des Abbildungssystems stellt sich als Verschiebung
seines Mittelpunktes P3 aus dem Bildschirmmittelpunkt,
dem Ursprung des ebenen Koordinatensystems {u, v} in Richtung u3 und v3 dar. Die
Bestimmung von u3, v3 und
D* erfolgt so, dass auf der dargestellten
Kugel die Schnittpunkte P1 und P2 des Kugelhorizontes mit dem Umriss der
Kugel markiert und deren Koordinaten u, v bestimmt werden (siehe 2).
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Im Abstand a von der Hauptebene des
Abbildungssystems sei ein Koordinatensystem {r, s, t} mit dem Ursprung
P
a aufgespannt (siehe
3), so dass t in Richtung der Flächennormalen
der Hauptebene des Abbildungssystems zeige und r und s eine zu dieser
Hauptebene parallele Ebene aufspannen, in der der Kugelmittelpunkt
P
k des Messkörpers liege. Aus der am Bildschirm
ermittelten Verschiebung u
3 und v
3 des Kugelmittelpunktes ergibt sich in der
Ebene {r, s} analog zu (3) eine Verschiebung von
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Alle Messwerte sollen jedoch in einem
Koordinatensystem {x, y, z} im Objektraum definiert werden. Die Normale
der objektseitigen Hauptebene des Abbildungssystems und damit die
Koordinate t sei gegenüber
der Vertikalen z um den bekannten Wirikel (90° – α) gekippt. r verläuft in einer
zu {x, y} parallelen Ebene und ist gegenüber der Richtung von y um den
bekannten Winkel β gedreht
(siehe 3).
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Der Mittelpunkt des Abbildungssystems
in der objektseitigen Hauptebene hat im Koordinatensystem {x, y,
z} die bekannten Koordinaten P
m = (X
m, Y
m, Z
m),
der Mittelpunkt des Messkörpers
die Koordinaten Pk = (X
k, Y
k,
Z
k) und der Ursprung des Koordinatensystems
{r, s, t} die Koordinaten P
a = (X
a, Y
a, Z
a}.
P
a ist nicht identisch mit dem Mittelpunkt
P
u der Schallgeberfläche. Aus
3 ergibt sich
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Somit ergibt sich für Xk =
Xm + a cosα cosβ + rk sinβ + sk sinα cosβ (11)
Yk =
Ym + a cosα sinβ – rk cosβ + sk sinα sinβ (12)
Zk =
Zm – a
sin α +sk cosα (13)
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Damit ist der Mittelpunkt des Messkörpers Pk im Koordinatensystem {x, y, z} eindeutig
definiert.
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Neben den Ortskoordinaten des Mittelpunktes
des Messkörpers
werden noch die Ortskoordinaten weiterer Punkte auf dem Messkörper benötigt. Hierfür werden
der Horizont und der 0-Längenkeis
auf dem Messkörper
benutzt. Horizont und Nullängenkreis
schneiden sich in den Punkten Pk4 und Pk4' .
Da der Messkörper um
die Achse durch Pk4 und den Mittelpunkt
Pk gedreht werden kann (siehe 4), können Horizont und Nulllängenkreis
unendlich viele Lagen einnehmen, ohne daß sich Pk4 verlagert.
Es wird eine beliebige Lage des Horizontes angenommen. Gegenüber dem
0-Längenkreis
ist ein weiterer Längenkreis
im Horizontalabstand von 90° markiert,
der den Horizont in den Punkten Pk5 bzw.
Pk5' schneidet.
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Die Koordinaten der Messkörperpunkte
P
k4, P
k4', P
k5, P
k5' werden aus den Messungen der
Koordinatenwerte auf dem Bildschirm u
4,
u
4',
u
5, u
5' über die Abbildung in r-Richtung
mit
und aus den Koordinaten v
4, v
4', v
5,
v
5' über die
Abbildung in s-Richtung mit
ermittelt.
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Pk4 hat die
Koordinaten Pk4 = (r4,
s4, t4). t4 errechnet sich aus (siehe 4).
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Über
die konstruktiv vorgegebenen Winkel α und β zwischen den beiden Koordinatensystemen
{r, s, t} und {x, y, z} (siehe 3)
lassen sich die Koordinaten von Pk4 im Koordinatensystem
{x, y, z} Pk4 = (X4,
Y4, Z4} aus den
Koordinaten r4, s4,
t4 berechnen (siehe 5, 6, 7).
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Es ist Z4 = Za +
s4 cosα +
t4 sinα (17)
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Mit den Hilfsgrößen
k4 = s4 sinα – t4 cosα (18)und
Ψ = arctan r4/k4
(19)
Analog zur Berechnung der
Koordinaten von P
k4 errechnen sich die Koordinaten
für P'
k4 =
(r
4',
s
4',
t
4')
und P
k5 = (r
5, s
5, t
5) bzw. P'
k5 =
(r
5',
s
5',
t
5')
im Koordinatensystem {r, s, t} sowie für P'
k4 = (X
4',
Y
4',
Z
4')
und P
k5 = (X
5, Y
5, Z
5) bzw. P'
k5 =
(X'
5,
Y
5',
Z
5')
im Koordinatensystem {X, Y, Z}. Es sind immer mindestens zwei der
Schnittpunkte der beiden Längenkreise
mit dem Horizont sichtbar.
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Benötigt wird die Richtung der
Achse, die durch den Mittelpunkt des Messkörpers und den Nordpol N mit
den Koordinaten N = (Xn, Yn,
Zn) geht. Der Nordpol N, der Messkörpermittelpunkt
und zwei benachbarte Horizontschnittpunkte bilden ein rechtwinkliges
Dreibein mit gleich langen Schenkeln der Länge D/2 (siehe 8).
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Der Messkörper ist mit einem US-Kopf
verbunden. Die Polachse des kugelförmigen Messkörpers steht senkrecht
auf der Schallgeberfläche.
Der Messkörper
ist so befestigt, dass die Polachse eine der zwei Mittellinien der
Schallgeberfläche
im Punkt P
p durchstößt. Zum Mittelpunkt P
u auf der anderen Mittellinie der Schallgeberfläche habe
der Durchstoßpunkt
der Polachse den Abstand d. Der Mittelpunkt des Messkörpers habe den
Abstand h von der Schallgeberfläche.
Es werden gesucht die Koordinaten des Mittelpunktes der Schallgeberfläche P
u im Kordinatensytem {x, y, z}. Die Richtung
der Normalen der Schallgeberfläche
stimmt mit der Richtung der Polachse des Messkörpers überein. Legt man in den Durchstoßpunkt der
Polachse durch die Schallgeberfläche
den Mittelpunkt einer Hilfskugel, deren Horizontalebene parallel
zur {x, y}-Ebene liegt und deren Nulllängenkreis parallel zur {x,
z}-Ebene verläuft,
so wird durch Azimut σ und
Elevation τ die
Lage der Normalen der Schallgeberfläche in der Hilfskugel und damit
im Achsensystem {x, y, z} definiert (siehe
9):
σ =
arctan [(Yn – Yk)/(Xk – Xn] (23)
Der Mittelpunkt der
Schallgeberfläche
P
u habe die Koordinaten P
u =
(X
u, Y
u, Z
u). Der Fußpunkt der Polachse P
p auf der Schallgeberfläche habe die Koordinaten P
p = (X
p, Y
p, Z
p) (siehe
10). Der Abstand zwischen
P
p und P
u sei d.
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Die Koordinaten von P
p berechnen
sich aus der Normalen auf der Fläche
{P
k, P
k5, P
k4} zu
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Die Koordinaten von P
u berechnen
sich aus der Normalen auf der Fläche
{P
k, P
k5, P
p} zu
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Der Drehwinkel um die Normale auf
der Schallgeberfläche
im Punkt Pu sei ν. Es sei ν = 0, wenn die Ebene {Pk, Pk4, Pn} Parallel zur Ebene {x, z}, d.h. die Projektion
des Vektors PPu
PPp
auf
die Ebene {x, y} parallel zu x liege (siehe 10). Aus dem Dreieck PqPu'Pp' ergibt
sich ν zu ν = arctan {(Yp – Yu)/(Xp – Xu)} (27)
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- 1)
- Patient
- 2)
- Patientenliege
- 3)
- Ultraschallkopf
- 4)
- kugelförmiger Messkörper
- 5)
- Kamera
- 6)
- Stativ
- 7)
- Bildschirm
- 8)
- Bildschirmbild
ermittelt.
Analog zur Berechnung der Koordinaten von Pk4 errechnen sich die Koordinaten für P'k4 = (r4', s4', t4') und Pk5 = (r5, s5, t5) bzw. P'k5 = (r5', s5', t5') im Koordinatensystem {r, s, t} sowie für P'k4 = (X4', Y4', Z4') und Pk5 = (X5, Y5, Z5) bzw. P'k5 = (X'5, Y5', Z5') im Koordinatensystem {X, Y, Z}. Es sind immer mindestens zwei der Schnittpunkte der beiden Längenkreise mit dem Horizont sichtbar.
