WO1999030618A1 - Process and device for obtaining 3d ultrasonic data - Google Patents

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WO1999030618A1
WO1999030618A1 PCT/DE1998/003051 DE9803051W WO9930618A1 WO 1999030618 A1 WO1999030618 A1 WO 1999030618A1 DE 9803051 W DE9803051 W DE 9803051W WO 9930618 A1 WO9930618 A1 WO 9930618A1
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ultrasound
ultrasonic transducer
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Ralf Wichard
Volker Paul
Ludwig Michael Auer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G03B42/00—Obtaining records using waves other than optical waves; Visualisation of such records by using optical means
    • G03B42/06—Obtaining records using waves other than optical waves; Visualisation of such records by using optical means using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0808—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings for diagnosis of the brain
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/10—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for obtaining 3D ultrasound data, in particular for imaging in the field of minimally invasive surgery during neurosurgical interventions.
  • image-based surveillance of the operating area during a surgical procedure is an important aid.
  • intraoperative monitoring can only be carried out today with considerable expense or considerable additional strain on the patient.
  • X-ray computed tomography is known as another method of imaging in medicine. However, due to the resulting radiation exposure for surgeons and patients, this method cannot be used in the area of intraoperative imaging.
  • Another imaging technique using ultrasound has so far only been able to be used continuously during operations on the open skull.
  • the ultrasound device In the case of minimally invasive surgery, on the other hand, the ultrasound device must alternately be guided through a trepanation hole with the use of the surgical instruments, so that the guidance of the surgical instruments cannot be observed during the operation.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a device and a method for obtaining 3D ultrasound data, in particular for imaging during neurosurgical interventions, with which data for image display of the operating area are continuously obtained during a minimally invasive intervention on the brain become.
  • the device should also be inexpensive to implement.
  • the ultrasound transducer can be inserted and placed through the surgical opening (trephination hole) at the beginning of the procedure.
  • the ultrasound transducer can remain in its position during the entire duration of the operation, so that a permanent scanning of the operating area - including the instruments - and its visual representation are made possible.
  • the operation can thus be tracked on the screen during a minimally invasive procedure using simple means without using extremely expensive and complex magnetic resonance tomographs.
  • the use of the device and the method is not limited to neurosurgical interventions.
  • the invention can initially be used in all minimally invasive interventions. Even in the non-medical field, in processes in which there is only limited access to areas to be imaged through small openings, and in which simultaneous access to the imaging and operating system is desired, the use of the device and the method offer corresponding advantages.
  • the imaging can be given when working on machine parts that are difficult to access in the area of mechanical engineering.
  • a device with one or more extremely flat ultrasound transducers is used, which can be located laterally next to the trepanation hole between the dura mater and the brain and can remain there during the operation without access through the
  • the converter is fixed via a connecting web connected to the fixing device, which is thus connected to the
  • transducer Connected transducer is that the transducer can be pushed laterally under the dura mater after insertion through the trephine hole.
  • the imaging device comprises at least one ultrasound transducer, a fixing device for locally fixing the ultrasound transducer relative to the region to be imaged, and a connecting web which connects the ultrasound transducer to the fixing device.
  • the connecting web is with an edge area of the
  • Ultrasonic transducer connected and forms an essentially perpendicular angle with the transducer plane.
  • the angle is chosen so that the function of the device to keep large areas of the opening free even after the transducer has been inserted is ensured.
  • the thickness of the layer in which the opening is present plays a role in this. For thin layers, there is a greater deviation from the 90 ° angle (e.g. angle between 70 ° and 110 °) acceptable than for thicker layers.
  • the inner (geometric) shape of the layer as explained below, can also influence the possible angular range.
  • an angle above 90 ° preferably between 90 ° and 100 °, can be advantageous, in particular due to the spherical skull cavity, so that the ultrasound transducer lies completely against the top of the skull after insertion.
  • the dimensions of the ultrasound transducer are selected such that it can be inserted into a trephine hole in the skull of a patient and inserted between the meninges and the brain.
  • a trepanation hole usually has a diameter of 15 to 25 mm.
  • the thickness of the connecting web is chosen so that the connecting web only a small part, i.e. less than 25% of the cross-section of the trephine hole covered.
  • the connecting web advantageously has a maximum thickness of 3 mm and a length of approximately 15-20 mm.
  • the dimensions of the ultrasonic transducer are preferably at most 3 mm perpendicular to the transducer plane (thickness of the transducer).
  • the fixing device can be formed by a converter shaft, for example in the form of a handle.
  • this fixing device for fixing the ultrasound transducer is rigidly connected to the fixing device for the patient's head.
  • the connecting bridge has the function of mechanically connecting the ultrasonic transducer to the fixing device and to be electrically connected to the primary electronics and / or the evaluation electronics. It must therefore be suitable for accepting electrical connections (eg thin wires or conductor tracks). Furthermore, it must be mechanically stiff enough to ensure a rigid connection between the transducer and the fixing device, so that blur-free images of the area to be imaged can be delivered.
  • the connecting web is as flat or thin as possible so that it only fills the opening to a small extent. Preferred dimensions of the connecting web for use in neurosurgical interventions are given in the exemplary embodiment.
  • the ultrasonic transducer itself preferably has a coin-like shape with a thickness of less than 1 cm. It is connected via the connecting web to primary electronics (e.g. amplifiers, multiplexers, etc.), which is provided in the region of the end of the connecting web opposite the ultrasound transducer.
  • the primary electronics can, for example, be integrated in the converter shaft. However, it is also possible to integrate at least part of the primary electronics in the ultrasound transducer itself.
  • the signals obtained by the ultrasound transducer are forwarded to an image processing unit, so that they can be displayed on a monitor, for example.
  • the ultrasound transducer preferably consists of a plurality of transducer elements arranged in an array in one plane, which form an electronically controllable two-dimensional phase array.
  • the entire area to be imaged can be scanned with the ultrasound beam by controlling the individual transducer elements with a phase shift. This way it is possible without mechanical Movement of the transducer to obtain the data for a complete picture of the area to be imaged.
  • the ultrasound transducer can also be designed as an electronically controllable linear array. If this linear array is arranged in a thin tube, the array can be pivoted about its longitudinal axis by a mechanical drive. This also scans the entire area.
  • a device with an ultrasound transducer which is connected to a fixing device via a thin connecting web and forms an angled shape with the connecting web.
  • An example of such a device is the subject of claim 1.
  • the device is inserted through the opening, pushed laterally next to it below the opening, fixed by means of the fixing device and subsequently operated to provide data for the image display of the area. Due to the special shape of the device, the majority of the opening for the introduction of further devices remains accessible almost without hindrance after it has been fixed.
  • Fig. 1 shows an example of a device for imaging according to the invention in side view
  • FIG. 1 shows a side view of an example of the imaging device (1) according to the invention, in which a miniaturized ultrasound transducer (2) is connected to a transducer shaft (4) via a connecting web (3).
  • the electronics (5) close to the transducer are attached to the transducer shaft (4).
  • This electronics includes the primary electronics (preamplifier,
  • the ultrasonic transducer is connected to an image processing / image display unit (not shown) via the connecting web, the transducer shaft with the primary electronics and a connecting cable (6).
  • image processing / image display unit not shown
  • the flat shape of the ultrasonic transducer (2) can be clearly seen, on the edge of which
  • Connecting web (3) is attached perpendicular to the transducer level, so that the connecting web and transducer together form an "L" shape.
  • the connecting web (3) is also very flat in this side view.
  • the ultrasound transducer preferably has a diameter or a width / length of approximately 20 mm and a maximum thickness of 3 mm.
  • the connecting web here preferably has a length of approximately 15-20 mm, a width of approximately 10-15 mm and a thickness of 2-3 mm.
  • the converter material as well as the material of the connecting web are of course selected in terms of biocompatibility and sterilizability.
  • Figure 2 shows the use of this device in a minimally invasive procedure on the brain (7) of a patient.
  • a trephination hole (8) is first made, which penetrates the scalp (9), the skull bone (10) and the meninges (11, dura mater).
  • the surgical instruments (12, eg endoscope, ..) are guided through the trepanation hole (8) to the brain (7).
  • the ultrasound transmitter (2) of the device (1) is guided through the trepanation bore (8) before the start of the operation or of the section of the operation to be observed and is pushed flat to the side of the bore between the brain (7) and the meninges (11).
  • the device remains there during the operation, so that ultrasound data from the operating area can be continuously supplied and used for image display on a monitor. Due to the mutual arrangement and shape of the connecting web (3) and ultrasound transmitter (2), the majority of the trepanation opening (8) remains free in this case, so that the introduction of the surgical instruments is not hindered.
  • the ultrasound transducer can be implemented as a purely electronically controllable phase array, a matrix-like arrangement of many small elementary transducers. With such an ultrasonic transducer, free control of the direction of the ultrasound can be achieved without mechanical movement of the transducer.
  • the phase array can be dimensioned so large that it is almost the entire insertion Cross-section of the trepanation opening claimed, but then disappears laterally under the meninges.
  • the ultrasound transducer can also be implemented as a linear array a few millimeters wide, which enables two-dimensional scanning. Arranging the transducer in a thin tube enables the linear array to be pivoted perpendicular to its scanning plane. The volume of interest can thus also be completely scanned. In a preferred embodiment, this
  • the device and the method according to the invention can also be used in other surgical techniques.

Abstract

A process and device are disclosed for obtaining 3D ultrasonic data, in particular for imaging during neurosurgery interventions in the field of minimally invasive surgery. The device has an ultrasonic transducer (5), a fixing device (4) for locally fixing the ultrasonic transducer (2) relative to a region to be sensed and a connecting strip (3( which links the ultrasonic transducer to the fixing device (4). The connecting strip (3) is joined to an edge of the ultrasonic transducer (2) and encloses a substantially right angle with the plane of the transducer (2). The device makes it possible to obtain ultrasonic data during a minimally invasive intervention.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten Device and method for obtaining 3D ultrasound data
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten, insbesondere für die Bildgebung im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie bei neurochirurgischen Eingriffen. Auf dem Gebiet der Medizin ist die bildgestützte Überwachung des Operationsbereiches während eines chirurgischen Eingriffs (intraoperatives Monitoring) ein wichtiges Hilfsmittel. Bei Operationen am Gehirn ist intraoperatives Monitoring allerdings heutzutage nur unter erheblichem Kostenaufwand oder erheblicher zusätzlicher Belastung für den Patienten durchführbar.The present invention relates to a device and a method for obtaining 3D ultrasound data, in particular for imaging in the field of minimally invasive surgery during neurosurgical interventions. In the field of medicine, image-based surveillance of the operating area during a surgical procedure (intraoperative monitoring) is an important aid. In the case of operations on the brain, however, intraoperative monitoring can only be carried out today with considerable expense or considerable additional strain on the patient.
Echte intraoperative Bildgebung in der Neurochirurgie ist bisher nur unter Einsatz von sehr aufwendigen "open-MRI"- Systemen möglich. Das sind spezielle Kernspintomographen, bei denen der Operateur samt Instrumentarium im Untersuchungsfeld des Tomographen arbeitet . Die Anschaffungskosten für diese Geräte sind jedoch extrem hoch, und ihr Einsatz erfordert eine komplett neue Ausstattung mit nichtmagnetischen Instrumenten. Des weiteren sind in der Reσel bauliche Voraussetzungen notwendig, deren Ausführung einem Neubau des Operationsgebäudes gleichkommt.True intraoperative imaging in neurosurgery has so far only been possible using very complex "open MRI" systems. These are special magnetic resonance tomographs in which the surgeon and all the instruments work in the examination area of the tomograph. However, the purchase costs for these devices are extremely high and their use requires a completely new equipment with non-magnetic instruments. Furthermore, there are structural in the Reσel Requirements necessary, the execution of which equates to a new construction of the operating building.
Als weiteres Verfahren der Bildgebung in der Medizin ist Röntgen-Computertomographie bekannt. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der resultierenden Strahlenbelastung für Operateur und Patient im Bereich der intraoperativen Bildgebung nicht einsetzbar.X-ray computed tomography is known as another method of imaging in medicine. However, due to the resulting radiation exposure for surgeons and patients, this method cannot be used in the area of intraoperative imaging.
Eine weitere Bildgebungstechnik mittels Ultraschall kann bisher nur bei Operationen am offenen Schädel kontinuierlich während der Operation angewendet werden. Bei minimalinvasiver Operation hingegen muß das Ultraschallgerät alternierend mit dem Einsatz der Operationsinstrumente durch eine Trepanationsbohrung geführt werden, so daß die Führung der Operationsinstrumente während der Operation nicht beobachtet werden kann.Another imaging technique using ultrasound has so far only been able to be used continuously during operations on the open skull. In the case of minimally invasive surgery, on the other hand, the ultrasound device must alternately be guided through a trepanation hole with the use of the surgical instruments, so that the guidance of the surgical instruments cannot be observed during the operation.
Möglich ist auch die Verwendung einer zweiten zusätzlichen Trepanationsbohrung zum Scannen per Ultraschall. Dies ist jedoch mit erheblicher zusätzlicher Belastung für den Patienten verbunden und wird deshalb nicht praktiziert. Ein Einsatz extrakorporaler Ultraschallscanner ist bei minimalinvasiven Gehirnoperationen nicht möglich, da der Schädelknochen zusammen mit den darüber und darunter befindlichen Schichten (Kopfhaut, Dura mater) den Ultraschall nahezu vollständig reflektiert bzw. absorbiert.It is also possible to use a second additional trepanning hole for ultrasound scanning. However, this is associated with considerable additional stress for the patient and is therefore not practiced. The use of extracorporeal ultrasound scanners is not possible with minimally invasive brain operations, since the skull bone, together with the layers above and below it (scalp, dura mater), reflects or absorbs the ultrasound almost completely.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten insbesondere für die Bildgebung bei neurochirurgischen Eingriffen anzugeben, mit denen während eines minimalinvasiven Eingriffs am Gehirn kontinuierlich Daten zur Bilddarstellung des Operationsbereiches gewonnen werden. Die Vorrichtung soll darüberhinaus kostengünstig realisierbar sein.The present invention is therefore based on the object of specifying a device and a method for obtaining 3D ultrasound data, in particular for imaging during neurosurgical interventions, with which data for image display of the operating area are continuously obtained during a minimally invasive intervention on the brain become. The device should also be inexpensive to implement.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 14 gelöst.The object is achieved with the device and the method according to the features of claims 1 and 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the device are the subject of the dependent claims.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich der oder die Ultraschallwandler zu Beginn des Eingriffs durch die Operationsöffnung (Trepanationsbohrung) einführen und plazieren. Der Ultraschallwandler kann während der gesamten Operationsdauer in seiner Position verbleiben, so daß ein permanentes Scannen des Operationsbereiches - einschließlich der Instrumente - und dessen bildliche Darstellung ermöglicht werden. Mit dieser Vorrichtung kann somit die Operation ohne Rückgriff auf extrem teure und aufwendige Kernspintomographen mit einfachen Mitteln am Bildschirm während eines minimalinvasiven Eingriffs verfolgt werden.With the device according to the invention and the method according to the invention, the ultrasound transducer (s) can be inserted and placed through the surgical opening (trephination hole) at the beginning of the procedure. The ultrasound transducer can remain in its position during the entire duration of the operation, so that a permanent scanning of the operating area - including the instruments - and its visual representation are made possible. With this device, the operation can thus be tracked on the screen during a minimally invasive procedure using simple means without using extremely expensive and complex magnetic resonance tomographs.
Grundsätzlich ist die Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens jedoch nicht auf neurochirurgische Eingriffe begrenzt. Die Erfindung kann zunächst bei sämtlichen minimalinvasiven Eingriffen Anwendung finden. Auch im nichtmedizinischen Bereich, bei Vorgängen, bei denen nur ein begrenzter Zugang zu abzubildenden Bereichen durch kleine Öffnungen besteht, und bei denen ein gleichzeitiger Zugang von bildgebendem und agierendem System erwünscht ist, bieten der Einsatz der Vorrichtung bzw. des Verfahrens entsprechende Vorteile. Als Beispiel kann hierzu die Bildgebung bei Arbeiten an schwer zugänglichen Maschinenteilen im Bereich des Maschinenbaus angeführt werden. Bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung im Bereich der Neurochirurgie wird eine Vorrichtung mit einem oder mehreren extrem flachen Ultraschallwandlern eingesetzt, die seitlich neben der Trepanationsbohrung zwischen Dura mater und Gehirn Platz finden und dort während der Operation verbleiben können, ohne den Zugang durch dieIn principle, however, the use of the device and the method is not limited to neurosurgical interventions. The invention can initially be used in all minimally invasive interventions. Even in the non-medical field, in processes in which there is only limited access to areas to be imaged through small openings, and in which simultaneous access to the imaging and operating system is desired, the use of the device and the method offer corresponding advantages. As an example, the imaging can be given when working on machine parts that are difficult to access in the area of mechanical engineering. In the preferred application of the invention in the field of neurosurgery, a device with one or more extremely flat ultrasound transducers is used, which can be located laterally next to the trepanation hole between the dura mater and the brain and can remain there during the operation without access through the
Trepanationsbohrung zu behindern.To obstruct trephination drilling.
Die Fixierung des Wandlers erfolgt über einen mit der Fixiereinrichtung verbundenen Verbindungssteg, der so mit demThe converter is fixed via a connecting web connected to the fixing device, which is thus connected to the
Wandler verbunden ist, daß sich der Wandler nach Einführung durch die Trepanationsbohrung seitlich unter die Dura mater schieben läßt .Connected transducer is that the transducer can be pushed laterally under the dura mater after insertion through the trephine hole.
Durch eine vorzugsweise flache, bandartige Ausführung des Verbindungssteges wird dabei nur ein minimaler Anteil derThrough a preferably flat, band-like design of the connecting web, only a minimal proportion of the
Öffnung beansprucht, so daß nahezu der gesamte Querschnitt der Trepanationsbohrung für die Führung derOpening claimed, so that almost the entire cross section of the trepanning hole for guiding the
Operationsinstrumente erhalten bleibt.Surgical instruments are retained.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bildgebung umfaßt mindestens einen Ultraschallwandler, eine Fixiereinrichtung zur örtlichen Fixierung des Ultraschallwandlers relativ zum abzubildenden Bereich, und einen Verbindungssteg, der den Ultraschallwandler mit der Fixiereinrichtung verbindet. Der Verbindungssteg ist mit einem Randbereich desThe imaging device according to the invention comprises at least one ultrasound transducer, a fixing device for locally fixing the ultrasound transducer relative to the region to be imaged, and a connecting web which connects the ultrasound transducer to the fixing device. The connecting web is with an edge area of the
Ultraschallwandlers verbunden und bildet mit der Wandlerebene einen im wesentlichen senkrechten Winkel. Der Winkel ist so gewählt, daß die Funktion der Vorrichtung, weite Bereiche der Öffnung auch nach Einführung des Wandlers frei zu halten, gewährleistet ist. Es versteht sich von selbst, daß hierzu die Dicke der Schicht, in der die Öffnung vorliegt, eine Rolle spielt. Bei dünnen Schichten ist aus geometrischen Gründen eine stärkere Abweichunσ vom 90° -Winkel (z.B. Winkel zwischen 70° und 110°) vertretbar als bei dickeren Schichten. Auch die innere (geometrische) Form der Schicht kann, wie nachfolgend ausgeführt, den möglichen Winkelbereich beeinflussen.Ultrasonic transducer connected and forms an essentially perpendicular angle with the transducer plane. The angle is chosen so that the function of the device to keep large areas of the opening free even after the transducer has been inserted is ensured. It goes without saying that the thickness of the layer in which the opening is present plays a role in this. For thin layers, there is a greater deviation from the 90 ° angle (e.g. angle between 70 ° and 110 °) acceptable than for thicker layers. The inner (geometric) shape of the layer, as explained below, can also influence the possible angular range.
Im bevorzugten Anwendungsfall des neurochirurgischen Eingriffs kann insbesondere aufgrund der kugelförmigen Schädelhδhlung ein Winkel über 90°, vorzugsweise zwischen 90° und 100° , vorteilhaft sein, damit der Ultraschallwandler nach der Einführung vollständig an der Schädeldecke anliegt. Bei dieser Ausführungsform sind die Abmessungen des Ultraschallwandlers so gewählt, daß dieser in eine Trepanationsbohrung in der Schädeldecke eines Patienten eingeführt und zwischen Hirnhaut und Gehirn untergeschoben werden kann. Eine Trepanationsbohrung hat in der Regel einen Durchmesser von 15 bis 25 mm. Die Dicke des Verbindungssteges ist dabei so gewählt, daß der Verbindungssteg nach der Einführung des Wandlers nur einen geringen Teil, d.h. weniger als 25% des Querschnitts der Trepanationsbohrung verdeckt. Vorteilhafterweise weist der Verbindungssteg eine Dicke von maximal 3 mm und eine Länge von ca. 15-20 mm auf. Die Abmessungen des Ultraschallwandlers betragen bevorzugt maximal 3 mm senkrecht zur Wandlerebene (Dicke des Wandlers) .In the preferred application of the neurosurgical intervention, an angle above 90 °, preferably between 90 ° and 100 °, can be advantageous, in particular due to the spherical skull cavity, so that the ultrasound transducer lies completely against the top of the skull after insertion. In this embodiment, the dimensions of the ultrasound transducer are selected such that it can be inserted into a trephine hole in the skull of a patient and inserted between the meninges and the brain. A trepanation hole usually has a diameter of 15 to 25 mm. The thickness of the connecting web is chosen so that the connecting web only a small part, i.e. less than 25% of the cross-section of the trephine hole covered. The connecting web advantageously has a maximum thickness of 3 mm and a length of approximately 15-20 mm. The dimensions of the ultrasonic transducer are preferably at most 3 mm perpendicular to the transducer plane (thickness of the transducer).
Die Fixiereinrichtung kann durch einen Wandlerschaft, beispielsweise in Form eines Handgriffes, gebildet werden. Im Falle eines neurochirurgischen Eingriffs wird diese Fixiereinrichtung zur Fixierung des Ultraschallwandlers starr mit der Fixiervorrichtung für den Kopf des Patienten verbunden.The fixing device can be formed by a converter shaft, for example in the form of a handle. In the case of a neurosurgical intervention, this fixing device for fixing the ultrasound transducer is rigidly connected to the fixing device for the patient's head.
Der Verbindungssteg hat die Funktion, den Ultraschallwandler mechanisch mit der Fixiereinrichtung und elektrisch mit der Primärelektronik und/oder der Auswerteelektronik zu verbinden. Er muß daher zur Aufnahme elektrischer Verbindungen (z.B. dünner Drähte oder Leiterbahnen) geeignet sein. Weiterhin muß er mechanisch genügend steif sein, um eine starre Verbindung zwischen Wandler und Fixiereinrichtung zu gewährleisten, so daß verwackelfreie Bilder des abzubildenen Bereiches geliefert werden können. Der Verbindungssteg ist möglichst flach bzw. dünn ausgestaltet, damit er die Öffnung nur in geringem Maße ausfüllt. Bevorzugte Abmessungen des Verbindungssteges für die Anwendung bei neurochirurgischen Eingriffen sind im Ausführungsbeispiel angegeben.The connecting bridge has the function of mechanically connecting the ultrasonic transducer to the fixing device and to be electrically connected to the primary electronics and / or the evaluation electronics. It must therefore be suitable for accepting electrical connections (eg thin wires or conductor tracks). Furthermore, it must be mechanically stiff enough to ensure a rigid connection between the transducer and the fixing device, so that blur-free images of the area to be imaged can be delivered. The connecting web is as flat or thin as possible so that it only fills the opening to a small extent. Preferred dimensions of the connecting web for use in neurosurgical interventions are given in the exemplary embodiment.
Der Ultraschallwandler selbst hat vorzugsweise eine münzförmige Gestalt mit einer Dicke von weniger als 1 cm. Er ist über den Verbindungssteg mit einer Primärelektronik (z.B. Verstärker, Multiplexer, usw.) verbunden, die im Bereich des dem Ultraschallwandler gegenüberliegenden Endes des Verbindungssteges vorgesehen ist. Die Primärelektronik kann beispielsweise im Wandlerschaft integriert sein. Es ist jedoch auch möglich, zumindest einen Teil der Primärelektronik im Ultraschallwandler selbst zu integrieren. Die vom Ultraschallwandler gewonnenen Signale werden zu einer Bildverarbeitungseinheit weitergeleitet, so daß sie beispielsweise an einem Monitor darstellbar sind.The ultrasonic transducer itself preferably has a coin-like shape with a thickness of less than 1 cm. It is connected via the connecting web to primary electronics (e.g. amplifiers, multiplexers, etc.), which is provided in the region of the end of the connecting web opposite the ultrasound transducer. The primary electronics can, for example, be integrated in the converter shaft. However, it is also possible to integrate at least part of the primary electronics in the ultrasound transducer itself. The signals obtained by the ultrasound transducer are forwarded to an image processing unit, so that they can be displayed on a monitor, for example.
Der Ultraschallwandler besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von arrayförmig in einer Ebene angeordneten Wandlerelementen, die ein elektronisch steuerbares zweidimensionales Phasenarray bilden. Durch phasenversetzte Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente kann der gesamte abzubildende Bereich mit dem Ultraschallstrahl abgetastet werden. Auf diese Weise ist es möglich, ohne mechanische Bewegung des Wandlers die Daten für ein vollständiges Bild des abzubildenden Bereiches zu erhalten.The ultrasound transducer preferably consists of a plurality of transducer elements arranged in an array in one plane, which form an electronically controllable two-dimensional phase array. The entire area to be imaged can be scanned with the ultrasound beam by controlling the individual transducer elements with a phase shift. This way it is possible without mechanical Movement of the transducer to obtain the data for a complete picture of the area to be imaged.
Der Ultraschallwandler kann jedoch auch als elektronisch steuerbares Lineararray ausgestaltet sein. Bei einer Anordnung dieses Lineararrays in einem dünnen Röhrchen kann durch einen mechanischen Antrieb das Array um seine Längsachse geschwenkt werden. Hierdurch wird ebenfalls der gesamte Bereich abgetastet.However, the ultrasound transducer can also be designed as an electronically controllable linear array. If this linear array is arranged in a thin tube, the array can be pivoted about its longitudinal axis by a mechanical drive. This also scans the entire area.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung von 3D- Ultraschalldaten für die Bildgebung an nur über eine Öffnung erreichbaren Bereichen, wird eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler eingesetzt, der über einen dünnen Verbindungssteg mit einer Fixiereinrichtung verbunden ist und mit dem Verbindungssteg eine abgewinkelte Form bildet. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 1. Die Vorrichtung wird durch die Öffnung eingeführt, unterhalb der Öffnung seitlich neben diese geschoben, mittels der Fixiereinrichtung fixiert und nachfolgend betrieben, um Daten für die Bilddarstellung von dem Bereich zu liefern. Aufgrund der besonderen Form der Vorrichtung bleibt nach deren Fixierung der größte Teil der Öffnung zur Einführung weiterer Vorrichtungen nahezu ungehindert zugänglich.In the method according to the invention for obtaining 3D ultrasound data for imaging in areas which can only be reached via an opening, a device with an ultrasound transducer is used which is connected to a fixing device via a thin connecting web and forms an angled shape with the connecting web. An example of such a device is the subject of claim 1. The device is inserted through the opening, pushed laterally next to it below the opening, fixed by means of the fixing device and subsequently operated to provide data for the image display of the area. Due to the special shape of the device, the majority of the opening for the introduction of further devices remains accessible almost without hindrance after it has been fixed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denenThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings, in which
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildgebung in Seitenansicht, undFig. 1 shows an example of a device for imaging according to the invention in side view, and
Fig. 2 ein Beispiel für den Einsatz der Vorrichtung aus Figur 1 zeigen. Anhand von Fig. 1 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Figur 1 zeigt in Seitenansicht ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zur Bildgebung, bei der ein miniaturisierter Ultraschallwandler (2) über einen Verbindungssteg (3) mit einem Wandlerschaft (4) verbunden ist. Am Wandlerschaft (4) ist die wandlernahe Elektronik (5) angebracht. Diese Elektronik umfaßt die in unmittelbarer Nähe des Wandlers notwendige Primärelektronik (Vorverstärker,2 show an example of the use of the device from FIG. 1. A preferred embodiment of the invention will now be explained with reference to FIG. 1. FIG. 1 shows a side view of an example of the imaging device (1) according to the invention, in which a miniaturized ultrasound transducer (2) is connected to a transducer shaft (4) via a connecting web (3). The electronics (5) close to the transducer are attached to the transducer shaft (4). This electronics includes the primary electronics (preamplifier,
Sendestufen, usw.) . Durch Anbringen dieser Primärelektronik in unmittelbarer Nähe des äußeren Endes des Verbindungssteges können minimale Signalwege und damit kleinstmδgliche Störeinflüsse realisiert werden. Der Ultraschallwandler steht über den Verbindungssteg, den Wandlerschaft mit der Primärelektronik und ein Anschlußkabel (6) mit einer Bildverarbeitungs-/Bilddarstellungseinheit (nicht dargestellt) in Verbindung. In Figur 1 ist deutlich die flache Form des Ultraschallwandlers (2) zu erkennen, an dessen Rand derTransmitters, etc.). By attaching this primary electronics in the immediate vicinity of the outer end of the connecting web, minimal signal paths and thus minimal interference can be realized. The ultrasonic transducer is connected to an image processing / image display unit (not shown) via the connecting web, the transducer shaft with the primary electronics and a connecting cable (6). In Figure 1, the flat shape of the ultrasonic transducer (2) can be clearly seen, on the edge of which
Verbindungssteg (3) senkrecht zur Wandlerebene befestigt ist, so daß Verbindungssteg und Wandler zusammen eine "L"-Form bilden. Der Verbindungssteg (3) ist in dieser Seitenansicht ebenfalls sehr flach ausgestaltet. Für den im folgenden gezeigten Einsatz der Vorrichtung bei neurochirurgischen Eingriffen hat der Ultraschallwandler vorzugsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite/Länge von ca. 20 mm und eine Dicke von maximal 3 mm. Der Verbindungssteg weist hier vorzugsweise eine Länge von ca. 15-20 mm, eine Breite von ca. 10-15 mm und eine Dicke von 2-3 mm auf. Das Wandlermaterial wie auch das Material des Verbindungssteges sind hierbei selbstverständlich hinsichtlich Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit ausgewählt. Figur 2 zeigt den Einsatz dieser Vorrichtung bei einem minimalinvasiven Eingriff am Gehirn (7) eines Patienten. Bei einem solchen Eingriff wird zunächst eine Trepanationsbohrung (8) gesetzt, die die Kopfhaut (9) , den Schädelknochen (10) und die Hirnhaut (11, Dura mater) durchdringt. Bei einer Operation am Gehirn werden die chirurgischen Instrumente (12, z.B. Endoskop,..) durch die Trepanationsbohrung (8) an das Gehirn (7) geführt. Mit der vorliegenden Vorrichtung ist es nun möglich, während der Operation, d.h. während chirurgische Instrumente in der Trepanationsbohrung geführt werden, den Einsatz dieser Instrumente im Operationsbereich des Gehirnes zu erfassen und bildlich darzustellen. Hierzu wird der Ultraschallgeber (2) der Vorrichtung (1) vor Beginn der Operation oder des zu beobachtenden Abschnittes der Operation durch die Trepanationsbohrung (8) geführt und flach seitlich neben der Bohrung zwichen das Gehirn (7) und die Hirnhaut (11) geschoben. Dort verbleibt die Vorrichtung während der Operation, so daß ständig Ultraschalldaten aus dem Operationsbereich geliefert und zur bildlichen Darstellung an einem Monitor verwendet werden können. Aufgrund der gegenseitigen Anordnung und Form von Verbindungssteg (3) und Ultraschallgeber (2) bleibt in diesem Fall der größte Teil der Trepanationsδffnung (8) frei, so daß die Einführung der chirurgischen Instrumente nicht behindert wird.Connecting web (3) is attached perpendicular to the transducer level, so that the connecting web and transducer together form an "L" shape. The connecting web (3) is also very flat in this side view. For the use of the device shown below for neurosurgical interventions, the ultrasound transducer preferably has a diameter or a width / length of approximately 20 mm and a maximum thickness of 3 mm. The connecting web here preferably has a length of approximately 15-20 mm, a width of approximately 10-15 mm and a thickness of 2-3 mm. The converter material as well as the material of the connecting web are of course selected in terms of biocompatibility and sterilizability. Figure 2 shows the use of this device in a minimally invasive procedure on the brain (7) of a patient. In such an intervention, a trephination hole (8) is first made, which penetrates the scalp (9), the skull bone (10) and the meninges (11, dura mater). During an operation on the brain, the surgical instruments (12, eg endoscope, ..) are guided through the trepanation hole (8) to the brain (7). With the present device it is now possible, during the operation, that is to say while surgical instruments are being guided in the trepanation bore, to record and depict the use of these instruments in the operating area of the brain. For this purpose, the ultrasound transmitter (2) of the device (1) is guided through the trepanation bore (8) before the start of the operation or of the section of the operation to be observed and is pushed flat to the side of the bore between the brain (7) and the meninges (11). The device remains there during the operation, so that ultrasound data from the operating area can be continuously supplied and used for image display on a monitor. Due to the mutual arrangement and shape of the connecting web (3) and ultrasound transmitter (2), the majority of the trepanation opening (8) remains free in this case, so that the introduction of the surgical instruments is not hindered.
Der Ultraschallwandler kann als rein elektronisch steuerbares Phasenarray, eine matrizenartige Anordnung vieler kleiner Elementarwandler, realisiert werden. Mit einem derartigen Ultraschallwandler kann eine freie Steuerung der Richtung des Ultraschalls ohne mechanische Bewegung des Wandlers erreicht werden. Das Phasenarray kann so groß dimensioniert sein, daß es zum Einführen nahezu den gesamten Querschnitt der Trepanationsöffnung beansprucht, danach jedoch seitlich unter der Hirnhaut verschwindet. Im Falle eines derartigen Wandlerarrays ist es von Vorteil, Teile der Primärelektronik direkt im Wandler zu integrieren. So kann insbesondere durch einen im Wandler integrierten Multiplexer die Zahl der notwendigen Verbindungen durch den Verbindungssteg deutlich reduziert werden.The ultrasound transducer can be implemented as a purely electronically controllable phase array, a matrix-like arrangement of many small elementary transducers. With such an ultrasonic transducer, free control of the direction of the ultrasound can be achieved without mechanical movement of the transducer. The phase array can be dimensioned so large that it is almost the entire insertion Cross-section of the trepanation opening claimed, but then disappears laterally under the meninges. In the case of such a converter array, it is advantageous to integrate parts of the primary electronics directly in the converter. For example, the number of necessary connections through the connecting web can be significantly reduced by a multiplexer integrated in the converter.
Der Ultraschallwandler kann auch als wenige Millimeter breites Lineararray realisiert werden, das ein zweidimensionales Scannen gestattet. Eine Anordnung des Wandlers in einem dünnen Rδhrchen ermöglicht ein Schwenken des Lineararrays senkrecht zu seiner Scanebene. Damit kann ebenfalls das interessierende Volumen vollständig abgetastet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist dasThe ultrasound transducer can also be implemented as a linear array a few millimeters wide, which enables two-dimensional scanning. Arranging the transducer in a thin tube enables the linear array to be pivoted perpendicular to its scanning plane. The volume of interest can thus also be completely scanned. In a preferred embodiment, this
Röhrchen eine Dicke von maximal 3mm und eine Länge von ca. 20 mm auf .Tubes with a maximum thickness of 3mm and a length of approx. 20 mm.
Wie bereits oben ausgeführt, können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Operationstechniken Anwendung finden. Die gleichen Vorteile bringt ein Einsatz im Bereich nichtmedizinischer Anwendungen, beispielsweise bei der Materialbearbeitung oder bei Arbeiten im Maschinenbau, allgemein in allen Bereichen in denen ein Arbeitsvorgang durch eine Öffnung hindurch erfolgt und mittels Ultraschall überwacht werden soll. As already explained above, the device and the method according to the invention can also be used in other surgical techniques. Use in the field of non-medical applications, for example in material processing or when working in mechanical engineering, generally brings the same advantages in all areas in which a working process takes place through an opening and is to be monitored by means of ultrasound.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten mit mindestens einem Ultraschallwandler, einer Fixiereinrichtung zur örtlichen Fixierung des Ultraschallwandlers relativ zu einem zu erfassenden Bereich, und einem Verbindungssteg, der den Ultraschallwandler mit der Fixiereinrichtung verbindet, wobei der Verbindungssteg mit einem Randbereich des Ultraschallwandlers verbunden ist und mit der Wandlerebene einen im wesentlichen senkrechten Winkel bildet.1. Device for obtaining 3D ultrasound data with at least one ultrasound transducer, a fixing device for local fixing of the ultrasound transducer relative to an area to be detected, and a connecting web that connects the ultrasound transducer to the fixing device, the connecting web being connected to an edge region of the ultrasound transducer and forms a substantially perpendicular angle with the transducer plane.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler Abmessungen aufweist, die die Einführung des Wandlers in eine Trepanationsbohrung in der Schädeldecke eines Patienten und das Unterschieben des Wandlers zwischen Hirnhaut und Gehirn ermöglichen, wobei die Dicke des Verbindungssteges so gewählt ist, daß der Verbindungssteg nach der Einführung des Wandlers nur einen geringen Teil des Querschnittes der Trepanationsbohrung verdeckt.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transducer has dimensions which allow the insertion of the transducer into a trephine hole in the skull of a patient and the insertion of the transducer between the meninges and the brain, the thickness of the connecting web being chosen so that the connecting bridge only covers a small part of the cross-section of the trepanation hole after the introduction of the transducer.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg eine flache, bandförmige Gestalt aufweist.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the connecting web has a flat, ribbon-like shape.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg eine Dicke von maximal 3 mm aufweist .4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting web has a maximum thickness of 3 mm.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg eine Länge von ca. 15-20 mm aufweist .5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the connecting web has a length of about 15-20 mm.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler senkrecht zur Wandlerebene Abmessungen von maximal 3 mm aufweist .6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ultrasonic transducer has dimensions of at most 3 mm perpendicular to the transducer plane.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen senkrechte Winkel zwischen Wandlerebene und Verbindungssteg zwischen 90° und 100° liegt .7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substantially vertical angle between the converter plane and the connecting web is between 90 ° and 100 °.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler über den Verbindungssteg mit einer Primärelektronik verbunden ist, die im Bereich des dem Ultraschallwandler gegenüberliegenden Endes des Verbindungssteges vorgesehen ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ultrasonic transducer is connected via the connecting web with primary electronics, which is provided in the region of the end of the connecting web opposite the ultrasonic transducer.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil einer Primärelektronik im Ultraschallwandler integriert ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least part of a primary electronics is integrated in the ultrasonic transducer.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einheit zur Weiterleitung der vom Ultraschallwandler gewonnenen Signale zu einer Bildverarbeitungseinheit aufweist .10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the device has a unit for forwarding the signals obtained by the ultrasound transducer to an image processing unit.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler eine Vielzahl von Wandlerelementen aufweist, die ein elektronisch steuerbares zweidimensionales Phasenarray bilden.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the ultrasonic transducer has a plurality of transducer elements which form an electronically controllable two-dimensional phase array.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler als elektronisch steuerbares Lineararray ausgestaltet ist.12. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the ultrasonic transducer is designed as an electronically controllable linear array.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lineararray in einem dünnen Röhrchen angeordnet und durch einen mechanischen Antrieb um seine Längsachse schwenkbar ist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the linear array is arranged in a thin tube and can be pivoted about its longitudinal axis by a mechanical drive.
14. Verfahren zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten an nur über eine Öffnung erreichbaren Bereichen, bei dem ein Ultraschallwandler, der über einen dünnen Verbindungssteg mit einer Fixiereinrichtung verbunden ist und mit dem Verbindungssteg eine abgewinkelte Form bildet, durch die Öffnung eingeführt, unterhalb der Öffnung seitlich neben diese geschoben, mittels der Fixiereinrichtung fixiert und nachfolgend betrieben wird, um Daten von dem Bereich zu liefern, während die14. A method for obtaining 3D ultrasound data in areas which can only be reached via an opening, in which an ultrasound transducer, which is connected to a fixing device via a thin connecting web and forms an angled shape with the connecting web, is introduced laterally through the opening below the opening pushed next to it, fixed by means of the fixing device and subsequently operated to provide data from the area while the
Öffnung zur Einführung weiterer Vorrichtungen nahezu ungehindert zugänglich bleibt. Opening for the introduction of further devices remains almost unhindered.
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