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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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Beschreibung der Erfindung
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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.
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Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Exerziernadel und eines Exerzierbestecks.
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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 (2, unten mit ausgefahrener Exerziernadel, 2 oben rechts mit in das Exerzierbesteck hineingeschobener Exerziernadel),
einen eine Injektionsspritze oder ein anderes Arbeitsgerät darstellenden Aufsatz, der in das Exerzierbesteck eingebaut ist (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 TA1,
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.
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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.
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Das erfindungsgemäße Ultraschallnavigationssystem (1, 3) ist mit Sicht auf den Arbeitsraum der Punktion an die Ultraschallsonde montiert und enthält:
ein erstes Kamerasystem (C1), 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) (1) 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 (C1) 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 (1, Z = H) der Winkel ωh mit dem die Standlinie der Exerziernadel auf das 2. Kamerasystem von der X-Achse des Koordinatensystems absteht berechnet werden (Eine Skala für ω ist im Kamerabild des zweiten Kamerasystems in 1 rechts oben eingezeichnet).
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Zur Vereinfachung der weiteren Berechnungen durchläuft im folgenden der Mittelpunktstrahl des lateralen zweiten Kamerasystems die Z-Achse des Koordinatensystems in der Höhe Z = H (1, Z = H).
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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.
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In dem dreidimensionalen Koordinatensystem kann die Trajektorie der Exerziernadel 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.
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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.
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Der Winkel α ist der Neigungswinkel der Stichprojektion S(x, z) gegen die Lotrechte (1). Der entsprechende Neigungswinkel der Nadel im Bild des zweiten (Lateral-)Kamerasystems entspricht dem Winkel φ (1).
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Auf welchen Punkt dieser Gerade die aufgesetzte Nadel projiziert, ist von der Steilheit des Einstichs und damit von dem Winkel 7 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 (1, >---<). 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 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 (1 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 (1) mit dem Navigationssystem S, mit dem Lichteingang des ersten Kamerasystems C1 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 C1 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 1 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 1, 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 (3 L1) 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.
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Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallnavigation. In dem Gerät sind A und B Umlenkspiegel, welche 2 horizontale Abschnitte des Arbeitsraums auf die Kamera C1 umlenken. In dem Beispiel der 3 ist den Spiegeln A und B eine Frensnellstufenlinse L1 mit einer Brennweite vorgesetzt, welche die Gegenstandspunkte des Arbeitsraums parallel zum Mittelpunktstrahl des Kamerasystems auf die entsprechend beabstandete Kamera C1 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 C1 vorteilhaft umlenkt. Im Strahlengang der von den beiden Spiegeln L1 und L2 reflektierten Abschnitte des Arbeitsraums ist eine weitere bifokal dergestalt geschliffene Linse L2 vorgesetzt, dass die unterschiedlich Abstände von A und B zur Kamera C1 bezüglich der Gesamtbrennweite des Systems ausgeglichen werden. Die unterschiedlichen Abstände zwischen A und C1 sowie B und C1 können jedoch auch durch entsprechende einzelne Linsen welche A und B statt L1 vorgesetzt werden ausgeglichen werden.
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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 entprechend geschliffene Reflektionsprismen zur Verbesserung der optischen Güte des Kamerasystems verwendet werden.
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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 Exerziernadel, die Berechnung der Trajektorie der Stichprojektion überraschend einfach und schnell ohne zusätzliche Markierungen der Exerziernadel durchgeführt werden.
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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 φ 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.
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Die durch 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.
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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.
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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.
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Durch Einbau entsprechender translativer Aktoren 2 TA1 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.
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Auch die Widerstände, die dem Spritzenstempel des Exerzierbestecks beim Einspritzen oder Aspirieren von Flüssigkeiten entgegengesetzt wirken, können durch Verwendung entsprechender translativer Aktoren TA2 beispielsweise in einer Injektionsspritze in Abhängigkeit von den durch die Schalllotung erfassten Daten wählbar beeinflusst werden. Als translative Aktoren TA1 oder TA2 können beispielsweise Hysteresbremsen oder andere elektromechanische Bremssysteme verwendet werden.
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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 C1 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 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.
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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.
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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.
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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.
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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 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 unterbricht. 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 Reliefstruktur 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.
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Bei den Punktionsmanövern werden dem kalibrierten System die Exerziernadel 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.
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Beispiel
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Ein Retroflexmarkierungskörper mit einem Durchmesser von 1,2 cm wird mit einer Bohrung versehen und auf den Spritzenansatz einer Injektionsspritze befestigt.
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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 3 cm tief eingeschoben.
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In ein 25 cm langes und 6 cm breites Gehäuse welches auf einer Seite 1,5 cm und gegenüberliegend 6,6 cm tief ist wird auf der 1,5 cm tiefen Seite ein 5,5 cm langer und 1.9 cm breiter Spiegel wie in 1 eingebaut.
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Der Spiegel weist eine Neigung gegenüber der Rückseite von 33° auf. Vor dem Spiegel befindet sich eine Öffnung (vgl. 1) 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 1280×720 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 urprüngliche 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.
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Diese Stichprojektion wird in das Ultraschallbild eingezeichnet und stellt eine Verlängerung des direkt vom ersten Kamerasystem aufgenommenen Nadelbilds dar.
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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.
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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 Nadelartefakt 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.
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zitierte Literatur
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Maecken, T; Zenz M, Grau T, Ultrasound characteristics of Needles for Regional Anesthesia. Regional Anesthesia and Pain Medicine 2007, 32; (Vol 5) 440–447
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Najafi, M; Rohling R, Single camera closed-form realtime needle trajectory tracking for ultrasound, Proc. of SPIE Digital Library 2011, Vol. 7964 79641F-6
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Chan, C, Lam F, Rohling R, A needle tracking device for ultrasound guided percutaneous procedures. Ultrasound in Medicine & Biology 2005, 31(11) 1469–1483
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- May et al. [0002]
- Chan, C, Lam F, Rohling R (2005) [0003]
- Najafi, M; Rohling R (2011) [0003]
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