DE102010014467A1 - Apparatus for obtaining image data from bony structures, in particular for the diagnosis of bone fractures - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Gewinnung von ultraschallbasierten Bilddaten von knöchernen Strukturen, insbesondere zur 3D-Rekonstruktion von Knochenoberflächen, weist einen Flüssigkeitsbehälter (1) auf, in den die zu untersuchende Extremität (2) eintauchbar ist. In dem Flüssigkeitsbehälter (1) ist ein Ultraschallkopf (3) angeordnet und auf die Extremität (2) ausgerichtet, wobei der Flüssigkeitsbehälter (1) mitsamt dem Ultraschallkopf (3) um die eingetauchte Extremität (2) verschwenkbar ist. Damit ist eine Vorrichtung geschaffen worden, welche den Einsatz eines Ultraschallgeräts und gleichzeitig die Gewinnung von Bilddaten zur zuverlässigen dreidimensionalen Rekonstruktion der Knochenoberfläche erlaubt. Damit kann auch zur Diagnose von Knochenfrakturen in den meisten Fällen auf den Einsatz von Röntgengeräten verzichtet werden.A device for obtaining ultrasound-based image data of bony structures, in particular for 3D reconstruction of bone surfaces, has a liquid container (1) into which the extremity (2) to be examined can be immersed. An ultrasound head (3) is arranged in the liquid container (1) and aligned with the extremity (2), the liquid container (1) together with the ultrasound head (3) being pivotable about the immersed extremity (2). A device has thus been created which permits the use of an ultrasound device and at the same time the acquisition of image data for the reliable three-dimensional reconstruction of the bone surface. This means that in most cases the use of X-ray equipment can also be dispensed with for the diagnosis of bone fractures.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von ultraschallbasierten Bilddaten von knöchernen Strukturen, insbesondere zur 3D-Rekonstruktion von Knochenoberflächen.The present invention relates to a device for obtaining ultrasound-based image data of bony structures, in particular for the 3D reconstruction of bone surfaces.
Vorrichtungen zur Akquisition von Bilddaten zur Darstellung knöcherner Strukturen und dementsprechende Verfahren sind seit langem aus der Praxis bekannt.Devices for acquiring image data representing bony structures and related methods have long been known in the art.
So wird die Diagnose einer Knochenfraktur im Allgemeinen durch bildgebende Verfahren gesichert, wobei die Röntgendiagnostik neben dem Computertomograph und dem Kernspin-Verfahren die wesentliche Rolle spielt. Dies ist begründet in der langen Historie, der Verfügbarkeit und der weitreichenden Erfahrung mit dem Röntgenverfahren.Thus, the diagnosis of a bone fracture is generally secured by imaging techniques, with the X-ray diagnostics in addition to the computed tomography and the nuclear spin method plays the essential role. This is due to the long history, the availability and the extensive experience with the X-ray method.
Der Nachteil des Röntgenverfahrens besteht darin, dass ionisierende Strahlen zur Anwendung kommen, welche den Einsatz insbesondere bei Kindern und Jugendlichen Restriktionen unterwirft. Der Gebrauch von ionisierenden Strahlen ist vom Gesetzgeber eingeschränkt, wodurch das Betreiben von Röntgengeräten einen großen technischen und verwaltungstechnischen Aufwand mit sich bringt.The disadvantage of the X-ray method is that ionizing radiation is used, which subjects the use in children and adolescents in particular restrictions. The use of ionizing radiation is restricted by law, whereby the operation of X-ray equipment involves a great deal of technical and administrative effort.
Andererseits besteht auch von Seiten der Patienten eine ernst zu nehmende Abneigung gegen den Gebrauch von ionisierenden Strahlen. Besteht der Verdacht auf eine Knochenfraktur, steht der behandelnde Arzt stets vor der Frage, ob eine Röntgendiagnostik gerechtfertig ist oder nicht. Stellt sich heraus, dass keine Knochenfraktur vorliegt, wird von Patientenseite oft geargwöhnt, dass leichtfertig die Indikation zur Anwendung von ionisierenden Strahlen gestellt wurde.On the other hand, patients also have a serious disinclination to the use of ionizing radiation. If there is a suspicion of a bone fracture, the treating physician is always faced with the question of whether or not an X-ray diagnosis is justified. If it turns out that there is no bone fracture, it is often suspected by the patient that the indication for the application of ionizing radiation was recklessly made.
Da die Computertomographie sich ebenfalls ionisierender Strahlen bedient, gilt hier dasselbe.Since computer tomography also uses ionizing radiation, the same applies here.
Eine Kernspinuntersuchung verläuft hingegen ohne den Einsatz ionisierender Strahlen, ist jedoch sehr aufwändig und wird von vielen Patienten schlecht toleriert, insbesondere aufgrund der Lautstärke und des Engegefühls in der Untersuchungsröhre. Zusätzlich bietet die Methode im Vergleich zu der Computertomographie eine reduzierte Bildauflösung und eine schlechtere Knochendarstellung.By contrast, a magnetic resonance examination does not involve the use of ionizing radiation, but is very laborious and is poorly tolerated by many patients, in particular due to the volume and the tightness of the examination tube. In addition, the method offers a reduced image resolution and a poorer bone imaging compared to computed tomography.
Es ist bereits bekannt, Ultraschallverfahren anzuwenden, um Frakturen zu diagnostizieren, nämlich insbesondere bei Kindern. Konventioneller B-Mode-Ultraschall zeigt die Oberflächen von Knochen als helle Regionen oder Kanten im Bild. Allerdings wird der Schallkopf direkt oder mit einem zwischen Haut und Schallkopf positionierten Gelkissen auf die betroffene Stelle aufgesetzt (angekoppelt), was zu einer Schmerzverstärkung beim Vorliegen einer Verletzung führen kann. Der Schallkopf wird bei diesem Vorgehen vom Untersucher geführt („Freehand Ultrasound”), dabei können nur kaum standardisierte „Schnitte” (d. h. Aufnahmen) erzeugt werden.It is already known to use ultrasound techniques to diagnose fractures, especially in children. Conventional B-mode ultrasound reveals the surfaces of bones as bright regions or edges in the image. However, the transducer is placed (coupled) directly or with a gel pad positioned between the skin and the transducer, which can lead to an increase in pain in the presence of an injury. The transducer is guided in this procedure by the examiner ("Freehand Ultrasound"), while only barely standardized "cuts" (ie recordings) can be generated.
Um eine genaue Knochenbruchdiagnose und eine genaue Knochenachsenbestimmung realisieren zu können, ist eine 3D-Rekonstruktion der Knochenoberfläche nötig. Hierzu kann eine Bildverarbeitung mit hohem Approximationsanteil genutzt werden, was aber unsicher und auch sehr zeitaufwändig, wenn nicht sogar praktisch undurchführbar ist.In order to realize an accurate bone fracture diagnosis and an exact bone axis determination, a 3D reconstruction of the bone surface is necessary. For this purpose, an image processing with a high Approximationsanteil be used, but this is uncertain and also very time consuming, if not practically impractical.
Es gibt Untersuchungen, bei denen der Schallkopf (optisch) getrackt (verfolgt) wird (Ultraschall-Tracking), so dass eine weiterführende Bildverarbeitung (s. o., Darstellung der Knochenoberfläche) möglich wäre. Um Weltkoordinaten zu erhalten, werden dabei auf dem Schallkopf optische oder magnetische Marker aufgebracht, die über ein entsprechendes optisches/magnetisches Trackingsystem mit einer Stereokamera- oder Strahlenempfänger-Konfiguration detektiert werden. Dadurch können ihre Lagekoordination errechnet werden. Eine solche Kombination von einem 2D-Ultraschall mit einem optischen/magnetischen Tracking mit sechs Freiheitsgraden (6DOF) wird 2,5D-Ultraschall genannt. Achs- bzw. Längenvermessungen von Extremitäten werden mittels Ultraschall bereits durchgeführt. Allerdings verlangt dieser Ansatz einen erfahrenen Arzt, der den Ultraschallkopf geeignet zu führen vermag.There are examinations in which the transducer is (optically) tracked (tracked) (ultrasound tracking), so that a further image processing (see above, representation of the bone surface) would be possible. In order to obtain world coordinates, optical or magnetic markers are applied to the transducer, which are detected via a corresponding optical / magnetic tracking system with a stereo camera or radiation receiver configuration. As a result, their positional coordination can be calculated. Such a combination of 2D ultrasound with six degrees of freedom optical / magnetic tracking (6DOF) is called 2.5D ultrasound. Axial or length measurements of extremities are already carried out by means of ultrasound. However, this approach requires an experienced physician who is able to properly guide the ultrasound transducer.
Eine auf diesem Weg versuchte Rekonstruktion der Knochenoberfläche wäre aber technisch sehr aufwändig, weil ein zusätzliches computerunterstütztes System zur Bearbeitung der unstrukturierten und spärlichen Datensätze vorgehalten werden müsste.However, a reconstruction of the bone surface attempted in this way would be technically very complicated because an additional computer-assisted system for processing the unstructured and sparse data sets would have to be maintained.
Ultraschalluntersuchungen, die auf der „Freihand-Ultraschall”-(Freehand Ultrasound)Methode basieren, führen zu einem benutzerspezifischen Fehler. Ohne standardisiertes und mehrfaches Scannen des betroffenen Skelettabschnitts ist eine valide Darstellung der Oberfläche des betroffenen knöchernen Abschnitts nicht möglich. Damit kann z. B. ein Frakturspalt nicht reproduzierbar dargestellt werden.Ultrasound examinations based on the "freehand ultrasound" method result in a user-specific error. Without standardized and multiple scanning of the affected skeletal section, a valid representation of the surface of the affected bony section is not possible. This can z. B. a fracture gap can not be reproduced reproducible.
Es gibt auch weitere technische Probleme bei der Verwendung von 2,5D-Ultraschall-Verfahren. Die Verwendung eines magnetischen Trackingsystems ist stark begrenzt, weil es Artefakte bei anderen medizinischen Geräten, die in der Nähe stehen, produzieren könnte. Das optische Trackingsystem wird seit mehreren Jahren im orthopädischen Bereich zum Tracken von chirurgischen Instrumenten angewandt, allerdings braucht es einen direkten optischen Kontakt zu dem Marker auf dem Schallkopf, was während der Bildakquisition für die komplette 3D-Knochenoberflächen-Rekonstruktion sehr schwierig bzw. nicht möglich ist. Diese Scanning-Methode bedeutet eine große Belastung für das medizinische Personal und ist wegen der fehlenden Automatisierung sehr zeitaufwändig.There are also other technical problems with the use of 2.5D ultrasound procedures. The use of a magnetic tracking system is severely limited because it could produce artifacts on other nearby medical devices. The optical tracking system has been used in the orthopedic field for surgical instrument tracking for several years but requires direct optical contact with the marker on the transducer, which is very difficult during the image acquisition for complete 3D bone surface reconstruction. not possible. This scanning method puts a great strain on the medical staff and is very time consuming because of the lack of automation.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Bilddaten von knöchernen Strukturen bereitzustellen, welche den Einsatz einer Ultraschallvorrichtung zur Akquisition von Bilddaten erlaubt, wobei gleichzeitig die Qualität der gewinnbaren Bilddaten eine zuverlässige dreidimensionale Rekonstruktion der Knochenoberfläche ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a device for obtaining image data from bony structures, which allows the use of an ultrasound device for the acquisition of image data, at the same time enabling the quality of the retrievable image data to provide a reliable three-dimensional reconstruction of the bone surface.
Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von ultraschallbasierten Bilddaten von knöchernen Strukturen, insbesondere zur 3D-Rekonstruktion von Knochenoberflächen, einen Flüssigkeitsbehälter auf, in den die zu untersuchende Extremität eintauchbar ist, und weist zumindest einen im Flüssigkeitsbehälter angeordneten und auf die Extremität ausgerichteten Ultraschallkopf auf, wobei der Flüssigkeitsbehälter mitsamt dem Ultraschallkopf um die eingetauchte Extremität verschwenkbar ist.This object is solved with the features of claim 1. Thereafter, the device according to the invention for obtaining ultrasound-based image data of bony structures, in particular for the 3D reconstruction of bone surfaces, a liquid container into which the limb to be examined is submerged, and has at least one disposed in the liquid container and the extremity-oriented ultrasound head, wherein the liquid container is pivotable together with the ultrasonic head to the immersed limb.
Zunächst ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass eine Ultraschalluntersuchung des Körperteils ermöglicht wird, falls das zu untersuchende Körperteil in eine Flüssigkeit getaucht wird, welche keine wesentliche Attenuation von Ultraschallwellen bewirkt. Der Ultraschallkopf ist dadurch vom Körperteil entfernt, wodurch insbesondere auf eine verletzte Extremität kein Druckschmerz ausgeübt werden kann.First, it has been recognized according to the invention that an ultrasound examination of the body part is made possible if the body part to be examined is immersed in a liquid which does not cause significant attenuation of ultrasonic waves. The ultrasound head is thereby removed from the body part, whereby no pressure pain can be exerted, in particular on an injured limb.
Der Flüssigkeitsbehälter lässt sich in besonders geeigneter Weise mit Wasser, Gel oder einer anderen Flüssigkeit befüllen, welche die vorgenannten Eigenschaften aufweist.The liquid container can be filled in a particularly suitable manner with water, gel or another liquid having the aforementioned properties.
Während der Verschwenkbewegung des Flüssigkeitsbehälters und des darin angeordneten und ggf. positionierbaren/adjustierbaren Ultraschallkopfes ist die Position und die Lage des Ultraschallkopfes im Bezug auf die zu untersuchende Extremität stets genau bekannt bzw. bestimmbar.During the pivoting movement of the liquid container and the ultrasound head arranged therein and optionally positionable / adjustable, the position and the position of the ultrasound head with respect to the extremity to be examined are always exactly known or determinable.
Da die Bestimmung der Position und der Lage des Schallkopfes innerhalb des Flüssigkeitsbehälters aufgrund der Anordnung des Ultraschallkopfes im Flüssigkeitsbehälter und der damit hergestellten mechanischen Verbindung stets möglich ist, ist eine Positionsbestimmung des Ultraschallkopfes selbst dann weitgehend problemlos, falls dieser in Bezug auf den Flüssigkeitsbehälter zusätzlich mehrere translatorische sowie rotatorische Freiheitsgrade aufweist.Since the determination of the position and the position of the transducer within the liquid container due to the arrangement of the ultrasound head in the liquid container and the mechanical connection made therewith is always possible, a position determination of the ultrasound head is then largely problematic, if this in addition to the liquid container more translational and rotational degrees of freedom.
Erfindungsgemäß ist damit eine höchstmögliche Genauigkeit der Positionsbestimmung (Tracking) des Ultraschallkopfes erreicht.According to the invention, the highest possible accuracy of the position determination (tracking) of the ultrasound head is thus achieved.
Wie bereits erwähnt, ist die Etablierung einer exakten Relation zwischen Bilddaten, welche durch den Ultraschallkopf aufgenommen werden, und der genauen Position des Ultraschallkopfes, in der die jeweiligen Bilddaten gewonnen werden, eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige dreidimensionale Rekonstruktion der Knochenoberfläche mittels Ultraschalldaten.As already mentioned, the establishment of an exact relation between image data taken by the ultrasound head and the exact position of the ultrasound head in which the respective image data are obtained is a prerequisite for a reliable three-dimensional reconstruction of the bone surface by means of ultrasound data.
Erfindungsgemäß kann demnach auf störanfällige und unzuverlässige optische oder magnetische Trackingsysteme für die Positionsbestimmung des Schallkopfes verzichtet werden.According to the invention, interference-prone and unreliable optical or magnetic tracking systems can therefore be dispensed with for determining the position of the transducer.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Knochenoberflächenerkennung mit Sequenzen von B-Mode-Ultraschallbildern ermöglicht. Dazu lassen sich von der in Flüssigkeit eingetauchten Extremität in bestimmten zeitlichen und/oder räumlichen abgestimmten Schritten verschiedene Scans mit einem oder mehreren Ultraschallköpfen aufnehmen. Dabei sind erfindungsgemäß für jeden einzelnen Scan die genauen Positionsdaten des Schallkopfes bekannt. Die Diagnostik einer Knochenfraktur wird z. B. an distalen Bereichen der Extremitäten valide und reproduzierbar möglich. Es lassen sich jedoch auch proximale Bereiche mit guten Ergebnissen scannen. Ionisierende Strahlen werden dabei nicht mehr benötigt.With the device according to the invention, the bone surface recognition is enabled with sequences of B-mode ultrasound images. For this purpose, different scans with one or more ultrasound heads can be picked up from the limb immersed in the fluid at specific time and / or spatially coordinated steps. In this case, the exact position data of the transducer are known according to the invention for each individual scan. The diagnosis of a bone fracture is z. B. at distal areas of the extremities valid and reproducible. However, you can also scan proximal areas with good results. Ionizing radiation is no longer needed.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch die anatomische dreidimensionale Messung der Achsen von Extremitäten möglich. Diese können auch ohne vorhergegangene Fraktur bei den Extremitäten detektiert und vermessen werden. Da eine Fraktur auch mit Achsfehlstellungen einhergehen kann, kann eine Fraktur einer Extremität evtl. auch indirekt detektiert und vermessen werden.With the device according to the invention, the anatomical three-dimensional measurement of the axes of extremities is possible. These can also be detected and measured in the extremities without previous fracture. Since a fracture can also be accompanied by axial misalignments, a fracture of a limb may also be indirectly detected and measured.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein handelsüblicher Ultraschallkopf zum Einsatz kommen, wodurch die Vorrichtung preisgünstig bereitstellbar ist.In the device according to the invention, a commercial ultrasonic head can be used, whereby the device is inexpensive to provide.
Zur Akquisition von Bilddaten von Extremitäten kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt ausgebildet sein und daher überall (auch mobil) zum Einsatz kommen.For the acquisition of image data of extremities, the device according to the invention can be designed to be very compact and therefore used everywhere (including mobile).
Der Verzicht auf den Einsatz von ionisierenden Strahlen hat neben den gesundheitlichen auch einen vorteilhaften ökonomischen Effekt, so müssen weniger Röntgenaufnahmen erstellt werden, was neben der direkten Kosteneinsparung auch einen geringeren logistischen Aufwand (Geräteaufstellung, Energieversorgung, Wartung, Personalschulung, Bildarchivierung etc.) bedeutet. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Schwangeren eingesetzt werden, so dass auch hier eine weiterführende Gerätediagnostik möglich wird, falls der Verdacht auf das Vorliegen einer Fraktur besteht. Die Vorrichtung kann beliebig oft am Menschen angewandt werden, weil eben die Verwendung von ionisierenden Strahlen entfällt. Deshalb kann sie bspw. auch zur mehrmaligen Therapiekontrolle von Repositionsmanövern bei dislozierten Frakturen verwendet werden.The absence of the use of ionizing radiation has in addition to the health and a beneficial economic effect, so less X-ray images must be created, which in addition to the direct cost savings and a lower logistical effort (equipment installation, energy supply, maintenance, staff training, Picture archiving etc.) means. Furthermore, the device according to the invention can also be used in pregnant women, so that a further device diagnosis is also possible here, if there is a suspicion of the presence of a fracture. The device can be used as often as human, because it eliminates the use of ionizing radiation. Therefore, it can also be used, for example, for repeated therapy control of reduction maneuvers in dislocated fractures.
Im Ergebnis ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Bilddaten von knöchernen Strukturen realisiert, welche den Einsatz einer Ultraschallvorrichtung zur Akquisition von Bilddaten erlaubt, wobei gleichzeitig die Qualität der mit der Vorrichtung gewinnbaren Bilddaten eine zuverlässige dreidimensionale Rekonstruktion der Knochenoberfläche ermöglicht.As a result, a device for obtaining image data of bony structures is realized, which allows the use of an ultrasound device for the acquisition of image data, while at the same time the quality of the image data obtainable with the device enables a reliable three-dimensional reconstruction of the bone surface.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform fällt die Drehachse des Flüssigkeitsbehälters mit der Mittelachse der Extremität zusammen. Damit bleibt der Abstand des im Flüssigkeitsbehälter angeordneten Ultraschallkopfes von der zu untersuchenden Extremität während der Verschwenkbewegung im Wesentlichen konstant. Des Weiteren ist so die Gewinnung besonders aufschlussreicher Bilddaten zur Beurteilung einer etwaigen Fraktur ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Flüssigkeitsbehälter bis zu einer vollständigen Kreisbahn um die Extremität herum verschwenkbar sein. So können einerseits Bilddaten der gesamten Knochenoberfläche gewonnen werden. Andererseits lässt sich der Ultraschallkopf dabei in jede denkbare Position bewegen und kann jeden beliebigen Aufnahmewinkel in Bezug auf die Extremität einnehmen, so dass optimale Bilddaten gewinnbar sind.In a first advantageous embodiment, the axis of rotation of the liquid container coincides with the central axis of the extremity. Thus, the distance of the arranged in the liquid container ultrasonic head of the limb to be examined during the pivoting movement remains substantially constant. Furthermore, it is possible to obtain particularly informative image data for the evaluation of a possible fracture. Alternatively or additionally, the liquid container may be pivotable around the extremity up to a complete circular path. On the one hand image data of the entire bone surface can be obtained. On the other hand, the ultrasound head can be moved to any conceivable position and can assume any desired angle of acceptance with respect to the extremity, so that optimum image data can be obtained.
Zur Ermöglichung einer Verschwenkbarkeit des Flüssigkeitsbehälters kann dieser auf einem Drehtisch angeordnet sein. Die Winkellage des Drehtisches lässt sich dabei sehr genau bestimmen, so dass die Verschwenklage des Flüssigkeitsbehälters stets mit größtmöglicher Genauigkeit bekannt ist. Des Weiteren kann der Drehtisch antreibbar ausgestaltet und mit einer geeigneten Steuerungseinheit verbunden sein. So kann der Drehtisch als Stellglied fungieren und den Flüssigkeitsbehälter nach Wahl des Bedieners oder automatisiert in eine genau festlegbare Verschwenklage bringen.To enable a pivoting of the liquid container this can be arranged on a turntable. The angular position of the turntable can be determined very accurately, so that the Verschwenklage the liquid container is always known with the greatest possible accuracy. Furthermore, the turntable can be designed drivable and connected to a suitable control unit. Thus, the turntable can act as an actuator and bring the liquid container at the choice of the operator or automatically in a precisely definable Verschwenklage.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist der Ultraschallkopf innerhalb des Flüssigkeitsbehälters positionierbar und/oder adjustierbar. Dabei kann insbesondere die Höhe des Ultraschallkopfes und/oder der Abstand des Ultraschallkopfes und/oder dessen Rotations-/Winkellage zu der zu untersuchenden Extremität verstellbar sein. Durch eine innerhalb des Flüssigkeitsbehälters realisierte Höhenverstellbarkeit, welche insbesondere mit einer Linearführung erreichbar ist, lassen sich Orte vermuteter Knochenfrakturen besonders genau anfahren und größere Bereiche des zu untersuchenden Knochens beurteilen. Des Weiteren kann der Ultraschallkopf näher an das Körperteil heranrückbar oder von diesem entfernbar sein, so dass auch diesbezüglich die Akquisition optimaler Bilddaten ermöglicht ist.In a particularly preferred development of the inventive concept, the ultrasound head can be positioned and / or adjusted within the liquid container. In particular, the height of the ultrasound head and / or the distance of the ultrasound head and / or its rotational / angular position to the limb to be examined can be adjustable. By a realized within the liquid container height adjustment, which can be achieved in particular with a linear guide, places of suspected bone fractures can be approached particularly accurately and assess larger areas of the bone to be examined. Furthermore, the ultrasound head can be moved closer to or removable from the body part, so that the acquisition of optimal image data is also possible in this regard.
Alternativ oder zusätzlich können innerhalb des Flüssigkeitsbehälters mehrere Ultraschallköpfe vorgesehen sein. Der gleichzeitige Einsatz mehrerer Ultraschallköpfe ist besonders bevorzugt. So lassen sich gleichzeitig aus mehreren Positionen bzw. Aufnahmewinkeln Bilddaten der Knochenstruktur gewinnen. Dazu kann beispielsweise ein Ultraschallkopf in Längsrichtung und ein Ultraschallkopf in Querrichtung positioniert sein. Anhand der Qualität der von den verschiedenen Ultraschallköpfen gewonnenen Bilddaten kann manuell oder sogar automatisch eine Auswahl desjenigen Ultraschallkopfes erfolgen, der derzeit die geeignetsten Bilddaten liefert. Durch die Verwendung mehrerer Ultraschallköpfe werden Geschwindigkeit, Genauigkeit, Robustheit und Darstellbarkeit verbessert.Alternatively or additionally, a plurality of ultrasound heads can be provided within the liquid container. The simultaneous use of multiple ultrasound heads is particularly preferred. Thus, image data of the bone structure can be obtained simultaneously from several positions or recording angles. For this purpose, for example, an ultrasound head can be positioned in the longitudinal direction and an ultrasound head in the transverse direction. On the basis of the quality of the image data obtained from the different ultrasound heads, it is possible to manually or even automatically select the ultrasound head which currently supplies the most suitable image data. The use of multiple ultrasonic heads improves speed, accuracy, robustness and portability.
In einer weiteren, besonders zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ultraschallkopf in Bezug auf die Extremität zusammen mit der übergelagerten Verschwenkbarkeit des Flüssigkeitsbehälters mit insgesamt sechs Freiheitsgraden positionier- und adjustierbar. Mit anderen Worten wird innerhalb dieser Ausgestaltung mit drei translatorischen sowie drei rotatorischen Freiheitsgraden des Ultraschallkopfes bzw. mehrerer Ultraschallköpfe eine beliebige Anordenbarkeit des Ultraschallkopfes erreicht, und zwar sowohl was die Position als auch die Rotations-/Winkellage des Ultraschallkopfes betrifft. Diese umfassende Positionierbarkeit trägt der Erfahrung Rechnung, dass allein die translatorische Positionierung des Ultraschallkopfes im Bereich des interessierenden Körperabschnitts oft nicht ausreicht, um Bilddaten geeigneter Qualität zu gewinnen, sondern dass hierzu regelmäßig auch die Winkellage des Ultraschallkopfes in Bezug auf die Extremität variiert werden muss. Sofern man die aus der Robotertechnik bekannte Definition von Freiheitsgraden heranzieht, wo durch überlagerte Bewegungsmöglichkeiten mehr als sechs Freiheitsgrade erreichbar sind, lässt sich im Rahmen der oben beschriebenen Ausführungsform auch eine Vorrichtung bereitstellen, welche definitionsgemäß einen Ultraschallkopf mit mehr als sechs Freiheitsgraden aufweist. Entscheidend ist jedoch, dass innerhalb dieser Ausführungsform die oben dargelegte beliebige Anordenbarkeit des Ultraschallkopfes erreicht ist.In a further, particularly expedient embodiment of the device according to the invention, the ultrasound head can be positioned and adjusted with respect to the extremity together with the superposed pivotability of the fluid container with a total of six degrees of freedom. In other words, any desired applicability of the ultrasound head is achieved within this embodiment with three translational and three rotational degrees of freedom of the ultrasound head or a plurality of ultrasound heads, both as regards the position and the rotational / angular position of the ultrasound head. This comprehensive positioning ability takes into account the experience that only the translational positioning of the ultrasound head in the region of the body part of interest is often insufficient to obtain image data of suitable quality, but that the angular position of the ultrasound head with respect to the limb regularly has to be varied. If one uses the well-known from robotics definition of degrees of freedom, where more than six degrees of freedom can be achieved by superimposed movement possibilities, can be provided in the context of the embodiment described above, a device which by definition has an ultrasound head with more than six degrees of freedom. It is crucial, however, that within this embodiment, the above-stated arbitrary applicability of the ultrasound head is reached.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der Ultraschallkopf innerhalb des Flüssigkeitsbehälters manuell positionierbar und/oder adjustierbar ist. Es ist möglich, dass der Ultraschallkopf der Knochenoberflächennormalen folgen kann. The device may be configured such that the ultrasound head can be manually positioned and / or adjusted within the liquid container. It is possible that the ultrasound head may follow the bone surface normal.
Im Hinblick auf eine möglichst rasche und fehlerfreie Akquisition von Bilddaten ist jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der Mittel zur automatischen Positionierung und/oder Adjustierung vorgesehen sind. Dabei kann es sich insbesondere um einen Elektro-, Stell- oder Servomotor, einen entsprechend angetriebenen Seilzug oder ein solches Gestänge handeln. Im Hinblick auf eine Translation oder Rotation des Ultraschallkopfes in verschiedenen Freiheitsgraden können dazu mehrere unabhängige Stellglieder vorgesehen sein. Diese können von einer Steuerungseinheit angesteuert und kann deren augenblickliche Position abgefragt werden.However, in view of the fastest possible and error-free acquisition of image data, an embodiment is preferred in which means for automatic positioning and / or adjustment are provided. This may in particular be an electric, servo or servo motor, a correspondingly driven cable or such a linkage. With regard to a translation or rotation of the ultrasound head in different degrees of freedom, a plurality of independent actuators may be provided for this purpose. These can be controlled by a control unit and their current position can be queried.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Ultraschallkopf innerhalb des Flüssigkeitsbehälters an einem Verstellbügel angeordnet, ggf. wobei der Verstellbügel Montagepositionen für weitere Ultraschallköpfe aufweist. Der Verstellbügel kann dabei die zu untersuchende Extremität im Wesentlichen in Form eines Kreisbogens umgeben. Die Länge des Bügels kann dabei bspw. ca. 1/4 des Kreisumfangs aufweisen. Auf einem Verstellbügel in Form eines Kreisbogenabschnitts lassen sich mehrere benachbarte Ultraschallköpfe anordnen. Des Weiteren lassen sich auf einem Verstellbügel sämtliche bereits beschriebene Positionier- und Adjustiermöglichkeiten für den Ultraschallkopf realisieren.In a further expedient embodiment, the ultrasound head is arranged inside the liquid container on an adjusting yoke, possibly where the adjusting yoke has mounting positions for further ultrasound heads. The adjustment bar can surround the limb to be examined substantially in the form of a circular arc. The length of the bracket may, for example, have approximately 1/4 of the circumference. On an adjusting bracket in the form of a circular arc section, several adjacent ultrasonic heads can be arranged. Furthermore, all already described positioning and adjustment possibilities for the ultrasound head can be realized on an adjustment bar.
Die Vorrichtung kann einen Linearschallkopf, insbesondere einen im Bereich von 5–9 MHz arbeitenden Linearschallkopf, aufweisen. Ein solcher Linearschallkopf kann dabei als Bilddaten eine Echointensität detektieren, welche im B-Mode in eine Helligkeit eines Bildsignals umsetzbar ist. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere sector-array- oder phased-array-Ultraschallköpfe oder andere Ultraschallköpfe vorgesehen sein.The device may have a linear sound head, in particular a linear sound head operating in the range of 5-9 MHz. Such a linear sound head can detect an echo intensity as image data which can be converted into a brightness of an image signal in B-mode. Alternatively or additionally, one or more sector-array or phased-array ultrasound heads or other ultrasound heads may be provided.
In einer weiteren zweckdienlichen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens weist die Vorrichtung zusätzlich eine Steuerungseinheit für die Positionierung und/oder Adjustierung des Ultraschallkopfes und/oder für die Verschwenkung des Flüssigkeitsbehälters auf. So kann eine Steuerungseinheit in geeigneter und bereits beschriebener Weise auf Bedieneingaben oder vollautomatisch eine Positionierung und Adjustierung eines Ultraschallkopfes oder mehrerer Ultraschallköpfe vornehmen. So lässt sich eine Positionierung/Adjustierung des Ultraschallkopfes oder der Ultraschallköpfe mit bis zu sechs Freiheitsgraden (oder, je nach Definition, mit mehr als sechs Freiheitsgraden) ohne manuellen Eingriff in den Flüssigkeitsbehälter vornehmen oder sogar vollautomatisch durchführen. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit eine Ausrichtung des Ultraschallkopfes anhand der Qualität der augenblicklich gewonnenen Bilddaten vornehmen, unter Umständen im Zusammenspiel mit einer weiter unten beschriebenen Bildbearbeitungseinheit. So vermag die Steuerungseinheit eigenständig die derzeit optimale Position des Ultraschallkopfes zu bestimmen und diesen in die geeignete Position zu überführen. Sind mehrere Ultraschallköpfe vorgesehen, kann eine Steuerungseinheit eine automatische Auswahl desjenigen Schallkopfes vornehmen, der derzeit die besten Bilddaten liefert, so dass diese Daten zur Rekonstruktion der Knochenoberfläche verwendet werden können.In a further expedient embodiment of the inventive idea, the device additionally has a control unit for the positioning and / or adjustment of the ultrasound head and / or for the pivoting of the liquid container. Thus, a control unit in a suitable and already described manner on operator inputs or fully automatically make a positioning and adjustment of an ultrasound head or more ultrasonic heads. Thus, positioning / adjustment of the ultrasound head or the ultrasound heads with up to six degrees of freedom (or, depending on the definition, with more than six degrees of freedom) without manual intervention in the liquid container or perform fully automatic. For example, the control unit can perform an alignment of the ultrasound head based on the quality of the image data currently obtained, possibly in conjunction with an image processing unit described below. Thus, the control unit can autonomously determine the currently optimal position of the ultrasound head and to transfer this into the appropriate position. If multiple ultrasound heads are provided, a control unit can automatically select that transducer that currently provides the best image data so that this data can be used to reconstruct the bone surface.
Zur Steuerung (Synchronisierung) und Beurteilung von Bilddaten mehrerer Ultraschallköpfe kann eine geeignete Software-Architektur implementiert sein. Das Koordinatensystem kann dabei im Tracking-Navigationssystem festlegbar sein.For control (synchronization) and evaluation of image data of several ultrasound heads, a suitable software architecture can be implemented. The coordinate system can be defined in the tracking navigation system.
Eine Anbindung an verschiedene andere Messsysteme, beispielsweise mechanische, optische und elektromagnetische Messsysteme, ist darüber hinaus herstellbar.A connection to various other measuring systems, such as mechanical, optical and electromagnetic measuring systems, is also produced.
Innerhalb der Software-Architektur kann ein lernfähiges Expertensystem implementiert sein, welches neugewonnenes Wissen auf eine Wissensbasis abbilden kann. Die Vorrichtung kann damit lernfähig ausgestaltet werden.Within the software architecture, an adaptive expert system can be implemented, which can map newly acquired knowledge to a knowledge base. The device can thus be designed to be able to learn.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich eine Bildbearbeitungseinheit auf. Innerhalb der Bildbearbeitungseinheit können die Bilddaten so vorverarbeitbar sein (Bildrestauration), dass die Ränder von Regionen hervorgehoben werden, bspw. indem eine Kantenverstärkung in Kombination mit einer Konnektivitätsanalyse genutzt wird.In a particularly preferred embodiment, the device additionally has an image processing unit. Within the image processing unit, the image data may be preprocessed (image restoration) so that the edges of regions are highlighted, for example, by using edge enhancement in combination with connectivity analysis.
Innerhalb der Bildbearbeitungseinheit kann eine geeignete Modellanpassung vorgenommen werden. Innerhalb eines Datenmanagements kann eine Datensuppression sowie eine Transparenz-Darstellung fester Objekte mittels Interaction Modality umgesetzt sein.Within the image processing unit, a suitable model adaptation can be made. Within data management, a data suppression and a transparency representation of fixed objects can be implemented by means of interaction modality.
In der Bildbearbeitungseinheit kann eine Segmentierung und Klassifikation durch führbar sein, um Artefakte zu unterdrücken. Solche Segmentierungs- und Klassifikationsmethoden können statistische Informationen über die Geometrie der zu rekonstruierenden Ränder, ihre lokalen Zusammenhangskomponenten sowie die Physik der Ultraschallbildgebung nutzen.In the image processing unit, segmentation and classification may be feasible to suppress artifacts. Such segmentation and classification methods can use statistical information about the geometry of the edges to be reconstructed, their local contextual components, and the physics of ultrasound imaging.
Die aufgenommenen Bilder können so aufarbeitbar sein, dass ein vollständiges Bild der Knochenoberfläche erzeugbar und analysierbar werden kann. Des Weiteren können innerhalb der Bildbearbeitungseinheit 3D-Fragmente in 3D-Oberflächen rekonstruierbar sein. Dazu müssen Datensätze interpolierbar (rekonstruierbar) sein, um verlorene Informationen wieder herzustellen. Daraufhin können die 3D-Daten mit bestimmten Algorithmen gerändert (Oberflächen werden erzeugt) und zur weiteren Analyse darstellbar sein.The recorded images can be processed so that a complete image of the bone surface can be generated and analyzed can. Furthermore, within the image processing unit, 3D fragments can be reconstructed in 3D surfaces. For this purpose, records must be interpolatable (reconstructable) to restore lost information. The 3D data can then be modified with certain algorithms (surfaces are generated) and displayed for further analysis.
Innerhalb der Bildbearbeitungseinheit kann auch eine Bildanalyse zur automatischen Frakturerkennung implementiert sein.Within the image processing unit, image analysis for automatic fracture detection may also be implemented.
Zur Einrichtung und Prüfung der Steuerungs- und/oder der Bildbearbeitungseinheit kann eine Kalibrierbarkeit der Vorrichtung mittels geeigneter Kalibrierkörper, im Wesentlichen z. B. zylinderförmiger Kalibrierkörper, gegeben sein.To set up and test the control and / or the image processing unit, a calibration of the device by means of suitable calibration, essentially z. B. cylindrical calibration, be given.
Es ist zweckmäßig, dass die Analyse durch die Bedienperson (Arzt) und/oder durch das System unterstützbar ist (z. B. Matching mit anderen Modalitäten, Vergleich der geometrischen Messungen, usw.). Die Beurteilung einer Achsabweichung kann so automatisch und/oder interaktiv ermöglicht werden. Zusätzlich können in der Bildbearbeitungseinheit Matching-Verfahren verwendbar sein, um einen Vergleich mit der Gegenseite oder mit anderen Datensätzen aus anderen Modalitäten zu ermöglichen.It is appropriate that the analysis be supportable by the operator (physician) and / or by the system (eg, matching with other modalities, comparison of geometric measurements, etc.). The assessment of an axle deviation can thus be made possible automatically and / or interactively. In addition, matching methods may be used in the image processing unit to allow comparison with the far site or with other data sets from other modalities.
Es versteht sich, dass eine vorgenannte Steuerungseinheit sowie eine vorgenannte Bildbearbeitungseinheit auch innerhalb einer gemeinsamen funktionellen Umgebung implementiert sein können, ohne den erfinderischen Gedanken zu verlassen.It is understood that an aforementioned control unit and an aforementioned image processing unit can also be implemented within a common functional environment without departing from the inventive idea.
Schließlich wird eine Ausgestaltung vorgeschlagen, welche eine Ausgabeeinheit für Bildsignale, und ggf. eine Anzeigeeinheit zur Darstellung von Bildsignalen aufweist. Eine Ausgabeeinheit für Bildsignale kann dabei so eingerichtet sein, dass in geeigneter Weise – insbesondere in einer Bildbearbeitungseinheit – bearbeitete Bilddaten in einem optisch anzeigbaren Format an eine Anzeigeeinheit weiterleitbar sind. Eine optionale Anzeigeeinheit kann einen Bildschirm, insbesondere einen Flachbildschirm, aufweisen, um die Rekonstruktion der Knochenstruktur auch optisch darstellen zu können. In geeigneter Weise kann ein Anschluss für die Leitung des Ultraschallkopfes, eine Steuerungseinheit, eine Bildbearbeitungseinheit, eine Ausgabeeinheit für Bildsignale, sowie eine Anzeigeeinheit zur Darstellung von Bildsignalen in einem einzigen kompakten Gehäuse integriert sein.Finally, an embodiment is proposed which has an output unit for image signals, and possibly a display unit for displaying image signals. An output unit for image signals can be set up in such a way that processed image data can be forwarded to a display unit in an optically displayable format in a suitable manner, in particular in an image processing unit. An optional display unit can have a screen, in particular a flat screen, in order to be able to visually represent the reconstruction of the bone structure. Conveniently, a lead for the ultrasound head, a control unit, an image processing unit, an image signal output unit, and a display unit for displaying image signals may be integrated in a single compact housing.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. Sofern dabei – wie auch obenstehend – Schritte eines Verfahrens erläutert werden, welches mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar ist, werden diese Ausführungen ausdrücklich auch auf die damit einhergehende Ausgestaltung der Vorrichtung bezogen. Des Weiteren werden in Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigtThere are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, on the one hand to the subordinate claims, on the other hand, to refer to the following explanation of a preferred embodiment of the teaching of the invention with reference to the drawings. If - as above - steps of a method are explained, which can be carried out with the device according to the invention, these statements are expressly also related to the associated embodiment of the device. Furthermore, in connection with the explanation of the preferred embodiment with reference to the drawing, also generally preferred embodiments and developments of the teaching will be explained. In the drawing shows
die einzige Figur eine perspektivische, teils geschnittene und schematische Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Bilddaten von knöchernen Strukturen.the single figure is a perspective, partially cut and schematic front view of a preferred embodiment of the device according to the invention for obtaining image data from bony structures.
Die einzige Figur zeigt in einer perspektivischen, teils geschnittenen und schematischen Vorderansicht eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von ultraschallbasierten Bilddaten von knöchernen Strukturen, insbesondere zur 3D-Rekonstruktion von Knochenoberflächen.The single figure shows in a perspective, partially cut and schematic front view of a preferred embodiment of the device according to the invention for obtaining ultrasound-based image data of bony structures, in particular for the 3D reconstruction of bone surfaces.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Flüssigkeitsbehälter
In erfindungsgemäßer Weise ist der Flüssigkeitsbehälter
Da die Verschwenklage des Flüssigkeitsbehälters
Um die Verschwenkbarkeit des Flüssigkeitsbehälters
Innerhalb des Flüssigkeitsbehälters
Der Ultraschallkopf
Der Ultraschallkopf
Besonders bevorzugt ist im Ergebnis, dass der Ultraschallkopf
Bevorzugt sind dabei Mittel zur automatischen Positionierung und/oder Adjustierung des Ultraschallkopfes
Der Ultraschallkopf
Der Ultraschallkopf
Des Weiteren können innerhalb der Steuerungseinheit
Zusätzlich ist eine Bildbearbeitungseinheit
Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Ausgabeeinheit für Bildsignale und/oder eine Anzeigeeinheit zur Darstellung von Bildsignalen aufweisen, welche hier nicht dargestellt sind.Furthermore, the device may have an output unit for image signals and / or a display unit for displaying image signals, which are not shown here.
Es versteht sich, dass mehrere der oder sämtliche vorgenannten datenverarbeitenden oder -weiterleitenden Einrichtungen in eine gemeinsame apparative Umgebung integriert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It is understood that several or all of the aforementioned data processing or forwarding devices can be integrated into a common apparatus environment, without departing from the scope of the invention.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.With regard to further advantageous embodiments of the device according to the invention, reference is made to avoid repetition to the general part of the specification and to the appended claims.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.Finally, it should be expressly understood that the above-described embodiment of the device according to the invention is only for the purpose of discussion of the claimed teaching, but this does not limit the embodiment.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Flüssigkeitsbehälterliquid container
- 22
- Extremitätextremity
- 33
- Ultraschallkopfultrasound probe
- 44
- Drehachse (Flüssigkeitsbehälter)Rotation axis (liquid container)
- 55
- Drehtischturntable
- 66
- VerstellbügelAdjustment frame
- 77
- Montagepositionmounting position
- 88th
- Linearführunglinear guide
- 99
- Abstandsverstellungdistance adjustment
- 1010
- Steuerungseinheitcontrol unit
- 1111
- BildbearbeitungseinheitImage processing unit
Liste von Vorveröffentlichungen List of pre-releases
-
1.
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2.
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3.
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4.
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5.
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6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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EP10807434A EP2515763A1 (en) | 2009-12-21 | 2010-12-02 | Device for obtaining image data of osseous structures, in particular in order to diagnose bone fractures |
PCT/DE2010/001397 WO2011076163A1 (en) | 2009-12-21 | 2010-12-02 | Device for obtaining image data of osseous structures, in particular in order to diagnose bone fractures |
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