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ES2246529T3 - Sistema para visualizar una imagen ultrasonica 2d en un entorno de vision 3d. - Google Patents

Sistema para visualizar una imagen ultrasonica 2d en un entorno de vision 3d.

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Publication number
ES2246529T3
ES2246529T3 ES98909711T ES98909711T ES2246529T3 ES 2246529 T3 ES2246529 T3 ES 2246529T3 ES 98909711 T ES98909711 T ES 98909711T ES 98909711 T ES98909711 T ES 98909711T ES 2246529 T3 ES2246529 T3 ES 2246529T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
transducers
dimensional
image
mobile
coordinates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES98909711T
Other languages
English (en)
Inventor
Ivan Vesely
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sonometrics Corp
Original Assignee
Sonometrics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sonometrics Corp filed Critical Sonometrics Corp
Application granted granted Critical
Publication of ES2246529T3 publication Critical patent/ES2246529T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Abstract

UN SISTEMA PARA LA VISUALIZACION DE UNA IMAGEN DE ULTRASONIDOS BIDIMENSIONAL EN UN ENTORNO DE VISUALIZACION TRIDIMENSIONAL. EN EL PROPIO ENTORNO DE VISUALIZACION TRIDIMENSIONAL, SE PUEDEN RASTREAR Y VISUALIZAR VARIOS INSTRUMENTOS QUIRURGICOS CORRELACIONANDO DE ESTE MODO UNA OPERACION QUIRURGICA VIRTUAL TRIDIMENSIONAL CON UNA FORMACION DE IMAGENES DE ULTRASONIDOS PARA SU VERIFICACION. HAY UN ALOJAMIENTO DESMONTABLE (220) QUE CONTIENE UNOS TRANSDUCTORES DE POSICIONES (222) ACOPLADO A UNA CABEZA DE FORMACION DE IMAGENES DE ULTRASONIDOS BIDIMENSIONALES CONVENCIONAL (200) PARA OBTENER DATOS DE POSICION DE UN PLANO DE FORMACION DE IMAGENES GENERADO POR UN TRANSDUCTOR DE IMAGENES (204).

Description

Sistema para visualizar una imagen ultrasónica 2D en un entorno de visión 3D.
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a un sistema para generar imágenes y, más particularmente, a un sistema para visualizar una imagen ultrasónica bidimensional en un entorno de visión tridimensional.
Antecedentes de la invención
Un gran número de procedimientos diagnósticos y quirúrgicos se realiza con la ayuda de técnicas de obtención de imágenes de eco 2D convencionales. En este sentido, el médico manipula un instrumento quirúrgico (por ejemplo, una sonda o catéter) dentro del cuerpo del paciente y, al mismo tiempo, inclina el cabezal de obtención de imágenes de la máquina de eco hasta que el haz ultrasónico atraviesa el instrumento y el instrumento se vuelve visible en una pantalla de visualización. Muy a menudo, los instrumentos se localizan tras una búsqueda considerable, y el propio proceso es bastante engorroso. Este procedimiento se emplea frecuentemente en el caso de la amniocentesis y las biopsias. En cada caso, se insertan agujas o herramientas de "picadura" bajo el guiado de la obtención de imágenes por ultrasonido. En el caso de la amniocentesis, un médico inserta una aguja a través del abdomen en el útero, mientras que al mismo tiempo, un ayudante sujeta la sonda de ultrasonidos para que no se mueva, asegurándose de que atraviesa la aguja de amniocentesis de modo que pueda visualizarse la aguja.
La ecocardiografía 2D convencional proporciona información poco adecuada al médico puesto que las estructuras cardiacas, tales como la válvula mitral, son muy complejas y su forma es difícil de interpretar a partir de estas imágenes. La ecocardiografía 3D tiene el potencial de resolver muchos de los problemas actuales de visualización de la anatomía cardiaca. Sin embargo, a medida que se ha desarrollado una eco 3D, ha resultado evidente que existe un nuevo conjunto de problemas. Los primeros problemas tratan de la capacidad de adquirir los datos en un marco temporal razonable. El asunto fundamental es el tiempo de propagación del ultrasonido. En cuanto a esto, para obtener imágenes del corazón, el ultrasonido debe enviarse al interior del tejido hasta una profundidad de 15 cm y de vuelta otra vez. Dado que la velocidad del sonido en el tejido cardiaco es de aproximadamente 1500 m/s, ese proceso tarda 0,2 ms. Para obtener una buena imagen, se necesitan 200 líneas. Esto da como resultado una velocidad de obtención de imágenes de 25 Hz. Puesto que esta velocidad es tan sólo apenas lo suficientemente alta para 2D, ha habido un esfuerzo en la tecnología para alcanzar velocidades de 30 Hz o de 50 Hz. Para obtener volúmenes ultrasónicos 3D, deben adquirirse aproximadamente 100 de las imágenes 2D. Esto significa que, mediante el uso de tecnologías convencionales, se adquiere un nuevo volumen cada 2 ó 3 segundos. Este proceso puede generar buenas imágenes 3D para la mayoría de órganos internos y otras estructuras estáticas, tales como la próstata o un feto, pero no sirve para el corazón, el cual se está moviendo constantemente.
Otros sistemas conocidos buscan aumentar la velocidad de datos en un factor de 100 para que puedan obtenerse volúmenes en vez de tan sólo imágenes 2D. Un sistema tal se describe en la patente estadounidense nº 4.949.310 (en lo sucesivo la patente 4.949.310). Este sistema intenta producir imágenes ultrasónicas 3D en tiempo real a través de un ejercicio de equilibrio y optimización de muchos parámetros que afectan a la velocidad de adquisición de imágenes ultrasónicas. Algunos de estos sistemas implican recibir datos de varios canales a la vez, a través de un enfoque dinámico, y reducir la resolución de las imágenes tanto espacial como temporalmente.
Sin embargo, una vez que se adquieren estos conjuntos de imágenes 3D, el siguiente asunto consiste en cómo visualizar la información. En este sentido, la umbralización de volúmenes y la representación de superficies han resultado ser extremadamente difíciles en imágenes ultrasónicas, puesto que inherentemente son muy ruidosas. No pueden extraerse fácilmente superficies 3D, puesto que es preciso realizar un procesamiento de imágenes considerable de los conjuntos de datos. Tal postprocesamiento puede implicar arreglos tales como (i) la dilatación de puntos semilla, (ii) la esqueletización de estructuras más grandes y (iii) la comprobación y llenado de continuidades para generar algunas superficies 3D de aspecto razonable. Actualmente, nada de esto puede realizarse en tiempo real, aunque los datos ultrasónicos 3D puedan adquirirse con la tecnología descrita en la patente 4.949.310.
El sistema descrito en la patente 4.949.310 emplea una visualización multiplano. Con respecto a esto, los conjuntos de datos volumétricos en tiempo real son intersecados por varios planos, y la intersección del conjunto de datos volumétricos con ese plano se "aplica" sobre ese plano. Si el plano se coloca en una dirección ortogonal a los ejes del conjunto de datos, entonces la aplicación del plano de datos sobre el plano de visualización es relativamente sencilla. En este sentido, de un conjunto 3D se extrae una matriz 2D de pixeles apropiada. Si el plano está inclinado con respecto a los ejes originales, entonces es necesario realizar una extracción de imágenes y una interpolación de pixeles. Existen varios algoritmos establecidos para este proceso. Por tanto, el sistema de la patente 4.949.310 hace uso de múltiples planos de visión atravesados por el conjunto de datos 3D, sobre los que "aplican textura" las imágenes 2D apropiadas utilizando el soporte físico adecuado. Tal soporte físico de aplicación de textura puede encontrarse en muchos ordenadores de gama alta, tales como los de Silicon Graphics, Inc.
La publicación internacional PCT nº WO91/
03792 describe un sistema y un método para transformar señales bidimensionales de un transductor sectorial portátil en señales tridimensionales para facilitar el cálculo de un área o volumen de objeto. Al igual que con la patente 4.949.310, este sistema utiliza un subsistema de obtención de imágenes por ultrasonido para producir señales representativas de imágenes de sección del objeto a ver. La información representativa de las señales de imagen, la posición del transductor y la orientación del transductor, obtenida durante la exploración de una sección de objeto asociada, se deriva y almacena en matrices de valores de pixel, y tales matrices de valores de pixel se proyectan entonces en ubicaciones de almacenamiento de vóxeles.
Una alternativa más sencilla al sistema 3D de ultrasonidos en tiempo real es una en la que se acumulan imágenes durante un marco temporal largo y luego se reproducen de una manera para visualizar el conjunto de datos. En el caso del corazón, pueden adquirirse imágenes de alta resolución del corazón latiendo durante muchos ciclos cardiacos. Si un conjunto de datos volumétricos ha de contener 100 cortes del corazón, entonces estos cortes pueden adquirirse en 100 latidos del corazón, suponiendo que el sistema 2D de ultrasonidos adquiere datos 30 veces por segundo y que cada latido del corazón dura un segundo. Durante el primer latido del corazón, el transductor de obtención de imágenes por ultrasonido está situado en una posición de visión, tal como la punta del corazón, y registra 30 imágenes durante el latido del corazón. Por tanto, se obtiene un corte del corazón, representado 30 veces por obtención de imágenes durante el latido del corazón. En el siguiente latido del corazón, el transductor de obtención de imágenes por ultrasonido está colocado en un plano de obtención de imágenes ligeramente separado, al lado del primer plano de obtención de imágenes, y se obtienen otras 30 imágenes durante el segundo latido del corazón. Este proceso se repite para adquirir 100 planos de obtención de imágenes adyacentes durante 100 ciclos cardiacos. En cada caso, cada conjunto de 30 imágenes describe el movimiento del corazón en esa ubicación de corte particular. En total, se ha representado todo el corazón en 100 secciones durante 30 puntos temporales en el ciclo cardiaco. Estas imágenes se reformatean luego de manera que se expresen, no como 100 conjuntos de datos de 30 imágenes, sino en su lugar como 30 conjuntos de 100 imágenes. Cada conjunto de imágenes es una instantánea del volumen 3D del corazón en un instante particular en el ciclo cardiaco, y ahora hay 30 copias de este conjunto de datos 3D mientras cambia a lo largo del ciclo cardiaco. Este ciclo cardiaco puede reproducirse entonces en una pantalla de ordenador en algún formato apropiado.
Al igual que en el sistema de la patente 4.949.310 analizado anteriormente, el formato que se escoge a menudo es proyectar una parte del conjunto de datos sobre en un plano que corta a través del conjunto de datos y reproducir el ciclo cardiaco una y otra vez. Las patentes estadounidenses n^{os} 5.454.371 y 5.562.095 describen un medio de adquisición y visualización de imágenes ultrasónicas 3D. El sistema para visualizar las imágenes 3D funciona de la siguiente manera. En la pantalla de ordenador se representa en perspectiva un cubo de datos, teniendo cada una de las 6 caras el correspondiente plano de datos de imágenes ultrasónicas aplicado sobre ellas. Estas caras pueden empujarse interactivamente al interior del cubo moviendo un ratón de ordenador. A medida que la cara del cubo se mueve hacia dentro, se calcula un nuevo plano de intersección del conjunto de datos, correspondiente a la posición de la cara, y se aplica la imagen apropiada sobre ese plano. Durante este proceso, las caras visibles del cubo representan las imágenes ultrasónicas en movimiento, ya que todo el conjunto de datos 3D se reproduce una y otra vez a lo largo del único ciclo cardiaco reconstruido a partir de los muchos ciclos cardiacos originales. Al igual que el sistema de la patente 4.949.310 descrito anteriormente, este enfoque hace uso de la aplicación de un plano de obtención de imágenes particular de un conjunto de datos adquirido previamente sobre un cierto plano que el usuario elige visualizar en ese momento. La caja de modelo de alambres que describe la posición y orientación del conjunto de datos 3D original y del plano actual es muy útil para ayudar a orientar al usuario del sistema en cuanto a la posición anatómica de la imagen que está visualizándose. A este respecto, la figura 1A ilustra un corte ortogonal, y la figura 1B ilustra un corte oblicuo.
Una de las desventajas de este sistema es que sólo puede mostrar una reproducción del conjunto de datos ultrasónicos adquirido previamente. También debe comprenderse que un esquema de visualización sólo proporciona un plano de obtención de imágenes a la vez. El usuario selecciona el plano de obtención de imágenes y observa la reproducción del conjunto de datos. Aunque un usuario puede empujar el plano de obtención de imágenes hacia atrás y hacia delante y ladearlo para ver planos de obtención de imágenes alternativos, sólo se muestra un plano de obtención de imágenes a la vez. La utilidad de este formato de visualización es que el usuario retiene información en su mente sobre dónde estaba situado el plano de obtención de imágenes anterior y cómo cambian las estructuras a medida que el plano de obtención de imágenes se mueve e inclina. En última instancia, el modelo 3D de la estructura se forma en la mente del usuario a medida que el usuario manipula los planos 2D y acumula interactivamente suficiente información en la cabeza del usuario. En realidad, no resulta necesario todo el volumen de información, sólo la capacidad de ver un plano arbitrario en un instante determinado (véase la figura 2).
Se sabe que, mediante el uso del principio del tiempo de propagación de ondas sonoras de alta frecuencia, resulta posible medir con precisión distancias en un medio acuoso, tal como dentro del cuerpo de un ser vivo, durante una intervención quirúrgica. El sonido de alta frecuencia, o ultrasonido, se define como una energía vibracional que oscila en frecuencia desde 100 kHz hasta 10 MHz. El dispositivo empleado para obtener mediciones tridimensionales usando ondas sonoras se conoce como sonomicrómetro. Habitualmente, un sonomicrómetro consiste en un par de transductores piezoeléctricos (es decir, un transductor actúa como transmisor, mientras que el otro transductor actúa como receptor). Los transductores se implantan en un medio y se conectan a circuitos electrónicos. Para medir la distancia entre los transductores, el transmisor se excita eléctricamente para producir un ultrasonido. La onda sonora resultante se propaga entonces por el medio hasta que es detectada por el receptor.
Normalmente, el transmisor adopta la forma de un cristal piezoeléctrico que es excitado por un pico de alta tensión o una función de pulso que dure menos de un microsegundo. Esto provoca la oscilación del cristal piezoeléctrico a su propia frecuencia de resonancia característica. La envolvente de la señal del transmisor decae rápidamente con el tiempo, produciendo normalmente un tren de seis o más ciclos que se propagan alejándose del transmisor por el medio acuoso. La energía sonora también se atenúa con cada interfase con la que se encuentra.
Habitualmente, el receptor también adopta la forma de un cristal piezoeléctrico (con características similares a las del cristal piezoeléctrico del transmisor) que detecta la energía sonora producida por el transmisor y comienza a vibrar en respuesta a la misma. Esta vibración produce una señal electrónica del orden de los milivoltios, que puede amplificarse mediante unos circuitos de receptor adecuados.
La velocidad de propagación del ultrasonido en un medio acuoso está bien documentada. Por tanto, la distancia recorrida por un pulso de ultrasonido puede medirse simplemente registrando el retardo temporal entre el instante en el que se transmite el sonido y cuándo se recibe. A partir de la medida de la distancia pueden determinarse coordenadas tridimensionales. La patente estadounidense nº 5.515.853 describe un método y un aparato para la medición simultánea de múltiples distancias por medio de transductores piezoeléctricos conectados en red. Este aparato define el retardo de propagación entre la activación de un transductor ultrasónico y la recepción por parte de transductores similares mediante el uso de contadores digitales de alta frecuencia. El aparato sigue y triangula posiciones tridimensionales para cada transductor alternando el ciclo de trabajo entre modos de transmisión y de recepción.
La presente invención aplica los principios anteriores para superar las desventajas de los sistemas de obtención de imágenes de eco bidimensional para proporcionar un sistema que permita la manipulación de imágenes ultrasónicas 2D en un espacio 3D, en un sistema de coordenadas que proporciona un marco de referencia. Esto le permite al usuario formar interactivamente una representación mental de la estructura que está analizándose.
Sumario de la invención
Según la presente invención, se proporciona un sistema de obtención de imágenes de eco para visualizar una imagen ultrasónica 2D en un entorno 3D de visión.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de obtención de imágenes de eco en el que el usuario tenga la capacidad de visualizar la posición y avance de instrumentos quirúrgicos.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de obtención de imágenes de eco que proporcione una respuesta y verificación por imágenes de que la estructura corporal deseada está siendo operada.
Es otro objeto más de la presente invención proporcionar un dispositivo desmontable para modificar un cabezal de obtención de imágenes por ultrasonido 2D convencional para que incluya una capacidad de seguimiento 3D.
Es otro objeto más de la presente invención proporcionar un dispositivo que se puede sujetar a un cabezal de obtención de imágenes por ultrasonido 2D convencional para proporcionar la posición 3D de la imagen ultrasónica 2D.
A los expertos en la técnica les resultarán evidentes aún más objetos y ventajas de la invención al leer y comprender la siguiente descripción detallada, dibujos adjuntos y reivindicaciones adjuntas.
En un aspecto de la invención, se proporciona un método para generar una imagen ultrasónica bidimensional en un entorno de visión tridimensional, incluyendo el método montar una pluralidad de medios transductores móviles en un medio transductor de imágenes ultrasónicas adaptado para generar un plano de imagen de eco bidimensional; montar una pluralidad de medios transductores de referencia en una pluralidad respectiva de ubicaciones fijas; generar coordenadas tridimensionales de los medios transductores móviles relativas a un marco de referencia establecido por la pluralidad de medios transductores de referencia; registrar el plano de imagen de eco bidimensional con las coordenadas tridimensionales; visualizar el plano de imagen de eco bidimensional en las coordenadas tridimensionales en relación con el marco de referencia establecido por la pluralidad de medios transductores de referencia; montar una pluralidad de medios transductores móviles en un medio instrumental quirúrgico; generar coordenadas tridimensionales de los medios transductores móviles montados en el medio instrumental quirúrgico relativas al marco de referencia establecido por la pluralidad de medios transductores de referencia; generar una imagen de contorno del medio instrumental quirúrgico a partir de las coordenadas tridimensionales de los medios transductores móviles montados en el medio instrumental quirúrgico; y visualizar la imagen de contorno del medio instrumental en relación con el marco de referencia establecido por la pluralidad de medios transductores móviles.
En otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema para generar una imagen ultrasónica bidimensional en un entorno de visión tridimensional, incluyendo dicho sistema un medio transductor de imágenes para generar un plano 2D de imagen de eco, medios transductores móviles montados en el medio transductor de imágenes, una pluralidad de medios transductores de referencia situados en una pluralidad respectiva de ubicaciones fijas, en el que la pluralidad de medios transductores de referencia establece un marco de referencia; comprendiendo dicho sistema: un medio de generación de coordenadas para generar coordenadas tridimensionales de los medios transductores móviles relativas al marco de referencia; un medio de registro para registrar el plano de imagen de eco bidimensional con las coordenadas tridimensionales; un medio de visualización para visualizar el plano de imagen de eco bidimensional en las coordenadas tridimensionales en relación con el marco de referencia; una pluralidad de medios transductores móviles automáticos adaptados para fijarse a un medio instrumental quirúrgico asociado; un medio de generación de coordenadas para generar coordenadas tridimensionales de al menos uno de la pluralidad de medios transductores móviles montados en el medio instrumental quirúrgico relativas al marco de referencia establecido por dicha pluralidad de medios transductores móviles; y un medio de generación de contornos para generar una imagen de contorno del medio instrumental quirúrgico a partir de las coordenadas tridimensionales de los medios transductores móviles montados en el medio instrumental quirúrgico y para visualizar la imagen de contorno del medio instrumental quirúrgico en dicho medio de visualización en relación con el marco de
referencia.
Breve descripción de los dibujos
La invención puede adoptar forma física en ciertas partes y disposiciones de partes, de la cual se describirán en detalle una realización y un método preferidos en esta memoria descriptiva y se ilustrarán en los dibujos adjuntos, que forman parte de la misma y en los que:
Las figuras 1A y 1B son visualizaciones ejemplo proporcionadas por un sistema de ultrasonidos 3D convencional;
la figura 2 es una visualización ejemplo de la información utilizable proporcionada por un sistema de ultrasonidos 3D convencional;
la figura 3 es un diagrama de bloques de un sistema de obtención de imágenes y seguimiento por ultrasonido 3D según una realización preferida de la presente invención;
la figura 4 es una vista en perspectiva de un cabezal de obtención de imágenes por ultrasonido, con un gancho de seguimiento desmontable sujeto al mismo, según una realización preferida de la presente invención:
la figura 5 es una vista en despiece del cabezal de obtención de imágenes por ultrasonido y el gancho de seguimiento desmontable sujeto al mismo mostrados en la figura 4; y
la figura 6 es una escena 3D que muestra un marco de referencia, un ubicación y una dirección de un instrumento quirúrgico y de una imagen de sector de ultrasonidos.
Descripción detallada de la realización preferida
Con referencia ahora a los dibujos, en los que lo que se muestra sólo tiene como fin ilustrar una realización preferida de la invención y no tiene como fin limitar la misma, la figura 3 muestra un sistema 100 de obtención de imágenes y seguimiento tridimensional (3D) para el uso en relación con el sistema de obtención de imágenes de eco de la presente invención. El sistema 100 de obtención de imágenes y seguimiento 3D comprende generalmente un sistema 110 informático, transductores 132 móviles, transductores 134 de referencia, un instrumento 130 y un subsistema 140 de robótica opcional.
El sistema 110 informático se compone generalmente de un sistema 112 de seguimiento 3D, un sistema 114 de modalidad de obtención de imágenes, un sistema 116 de registro de imágenes, un sistema 118 de distorsión y transformación geométrica de imágenes ("sistema de distorsión"), una interfaz 120 de usuario y una pantalla 122. Debería apreciarse que el sistema 112 de seguimiento 3D puede adoptar la forma de un sistema basado en el sonido o un sistema basado en el electromagnetismo. Para determinar una distancia pueden emplearse tanto un tiempo de propagación como relaciones de fase. Preferiblemente, el sistema 112 de seguimiento 3D adopta la forma del sistema de seguimiento ultrasónico 3D descrito en la patente estadounidense nº 5.515.853 y en la solicitud PCT nº W098/31753.
El instrumento 130 puede adoptar la forma de un catéter, una sonda, un sensor, una aguja, un escalpelo, un fórceps u otro dispositivo o instrumento empleado en un procedimiento quirúrgico o diagnóstico. Los transductores 132 móviles y los transductores 134 de referencia pueden adoptar la forma de un transductor ultrasónico o de un transductor electrónico. Sin embargo, con el fin de ilustrar una realización preferida de la presente invención, los transductores 132 y 134 adoptarán la forma de transductores ultrasónicos (es decir, cristales piezoeléctricos).
En el instrumento 130 está instalada una pluralidad de transductores 132 móviles. Uno o más transductores 134 de referencia proporcionan una posición de referencia en relación con a los transductores 132 móviles. En este sentido, los transductores 134 de referencia pueden situarse, para proporcionar un marco de referencia interno, dentro del cuerpo de un paciente, o en la superficie del cuerpo de un paciente para proporcionar un marco de referencia externo.
Tal como se ha indicado anteriormente, los transductores 134 de referencia pueden ser transmisores, transceptores o receptores que pueden generar radiación ultrasónica o electromagnética que pueda ser detectada por los transductores 132 móviles.
El sistema 112 de seguimiento 3D transforma las múltiples mediciones de distancia entre todos los transductores 132, 134 en coordenadas XYZ en relación con un eje de referencia, tal como se ha descrito en detalle anteriormente. Debería apreciarse que el marco de referencia proporcionado por los transductores 134 de referencia debe ser autodeterminante, es decir, si el marco de referencia se distorsiona, es necesario que esta distorsión sea detectada por los transductores 134 de referencia. La detección se realiza normalmente utilizando transceptores que pueden determinar la distancia entre cualquier combinación de dos transductores y, por tanto, sus coordenadas espaciales relativas en un espacio 3D. En cuanto a esto, la posición de los transductores se obtiene en 3D a partir de las imágenes adquiridas de la estructura corporal (por ejemplo, un tejido/órgano), que muestran "puntos" en los que están situados los transductores, y también de los propios transductores, cuando están en la estructura corporal. Si existe alguna discrepancia entre las distancias entre todas las combinaciones de transductores, entonces la estructura corporal debe de haberse deformado (es decir, "distorsionado") tras la obtención de las imágenes. Para especificar con exactitud cómo corregir el conjunto de imágenes y compensar la distorsión, puede utilizarse una transformación matemática de coordenadas. La distancia entre cualquier combinación de dos transductores se determina haciendo que cada transductor envíe una señal a todos los demás transductores. De este modo, se conocen todas las distancias entre los transductores. A partir de estas distancias, las coordenadas XYZ pueden calcularse en referencia a algún transductor como el origen.
El sistema 114 de modalidad de seguimiento adquiere conjuntos de datos de imágenes 2D, 3D o 4D de una fuente de obtención de imágenes, tal como un dispositivo MRI (obtención de imágenes por resonancia magnética), CT (tomografía computarizada) o de ultrasonido 2D o 3D, para proporcionar una "plantilla" a través de o contra la cual puede visualizarse la forma, la posición y el movimiento del instrumento 130 que se está siguiendo. Normalmente, la plantilla adopta la forma de una imagen del entorno que rodea al instrumento (por ejemplo, una estructura corporal). Debería observarse que si se adquieren múltiples volúmenes (3D) en distintos intervalos de tiempo, se obtiene una imagen 4D (es decir, una imagen 3D que cambia con el tiempo).
El sistema 116 de registro de imágenes registra la posición del instrumento 130 en las coordenadas espaciales del conjunto de datos de imágenes proporcionado por el sistema 114 de modalidad de seguimiento. La posición del instrumento 130 la proporciona el sistema 112 de seguimiento 3D. El sistema 116 de registro de imágenes proporcionará una visualización del instrumento 130 en su ubicación 3D apropiada dentro de la estructura corporal y una orientación en relación con la propia estructura corporal. Debería apreciarse que el sistema 116 de registro de imágenes puede ser asistido por el usuario o completamente automatizado, si se implementan algoritmos de procesamiento para detectar automáticamente las ubicaciones espaciales de los transductores (normalmente, los transductores de referencia) en el conjunto de datos de imágenes.
El sistema 118 de distorsión es un sistema basado en soporte lógico que transforma o "distorsiona" los conjuntos de datos de imágenes por los valores apropiados para que se correspondan a una deformación que ha tenido lugar en el marco de referencia entre el tiempo en el que se adquirió el conjunto de datos de imágenes y el tiempo en el que ha de implementarse el procedimiento durante la cirugía. Por consiguiente, el sistema 118 de distorsión normalmente se compone de una rutina de transformación matricial que aplica la geometría deformada sobre el conjunto de datos de imágenes original y la distorsiona adecuadamente.
La interfaz 120 de usuario le permite a un usuario interactuar con el sistema 110 informático, incluyendo programar el sistema 110 informático para realizar una función deseada. Por ejemplo, puede seleccionarse una vista particular para visualizarse. Pueden activarse instrumentos 130 (por ejemplo, sondas o catéteres) empleando la interfaz 120 de usuario. La pantalla 122 le muestra al usuario imágenes registradas proporcionadas por el sistema 116 de registro de imágenes.
El sistema 140 de robótica opcional se compone en general de un sistema 142 de control de robótica y un sistema 144 manipulador robótico. El sistema 142 de control de robótica controla el sistema 144 manipulador robótico para que siga una trayectoria programada que puede cambiarse apropiadamente basándose en el desplazamiento, la distorsión o los cambios en la forma de una estructura corporal en el momento de la cirugía. El sistema 144 manipulador robótico mueve físicamente los instrumentos 130 según ordene el sistema 142 de control de robótica.
La presente invención está destinada a un sistema de obtención de imágenes de eco que visualice una imagen ultrasónica 2D en un entorno de visión 3D. En este sentido, varios transductores de referencia se colocan sobre la espalda y/o el abdomen del paciente, y en la pantalla del ordenador se genera un sencillo sistema de coordenadas que muestra la dirección hacia la cabeza y los pies, los lados izquierdo y derecho del paciente y la parte delantera y la parte trasera. Inicialmente, esto aparecería en la pantalla como una caja vacía con gráficos o flechas simples, así como los transductores de superficie mostrados gráficamente. En el cabezal de obtención de imágenes por ultrasonido de una sonda de obtención de imágenes se monta una pluralidad de transductores móviles de "posición". Por consiguiente, cuando la sonda de obtención de imágenes se coloca sobre el pecho o el abdomen, la ubicación y el ángulo del plano de obtención de imágenes que está siendo adquirido por el transductor de obtención de imágenes del cabezal de obtención de imágenes puede visualizarse en un entorno 3D. Esta escena 3D puede visualizarse desde cualquier punto de vista simplemente con mover el ratón y girar la escena visual en la pantalla del ordenador.
La realización preferida de un sistema de obtención de imágenes de eco según la presente invención se describirá ahora detalladamente con referencia a las figuras 3-5. Un cabezal 200 de obtención de imágenes por ultrasonido de máquina de eco tiene un componente portátil de plástico con un cable 210 que se conecta a una unidad principal (no mostrada). El cabezal 200 de obtención de imágenes tiene una ventana a través de la cual se transmite el ultrasonido y se recibe por un transductor 204 ultrasónico. El cabezal 200 de obtención de imágenes por ultrasonido está equipado con un alojamiento 220 de transductores que adopta la forma de un gancho de seguimiento desmontable que puede sujetarse al cabezal 200 de obtención de imágenes. En la figura 5 se muestra una vista en despiece ordenado.
El alojamiento 220 de transductores contiene tres o más transductores 222 de posición, que forman un plano perpendicular al haz de obtención de imágenes. Por tanto, los transductores 222 de posición residen entre el cabezal 200 de obtención de imágenes y la piel con la que hace contacto el cabezal 200 de obtención de imágenes. Debería apreciarse que aunque en las figuras 4 y 5 se muestran cuatro transductores 222 de posición, sólo se necesitan tres transductores 222 de posición para medir todos los ángulos. En la piel del paciente (por ejemplo, la espalda y el pecho) se montan unos transductores 224 de referencia (véase la figura 6).
A medida que el cabezal 200 de obtención de imágenes se inclina y orienta mientras se presiona contra el abdomen, las coordenadas de los transductores 222 de posición definen un plano que es perpendicular al haz de obtención de imágenes por ultrasonido. Por consiguiente, las coordenadas 3D del plano de obtención de imágenes se determinan a partir de las coordenadas de los transductores 222 de posición. Debería observarse que el alojamiento 220 de transductores hace contacto con el abdomen. Alternativamente, el cabezal de obtención de imágenes puede articularse en relación con el plano de transductores por medio de un cardan equipado con potenciómetros electrónicos que puede relacionar el ángulo del plano de obtención de imágenes en relación con el plano de transductores que se desliza plano sobre la piel del paciente. Una vez que la posición y la orientación del plano de obtención de imágenes se conocen en el espacio 3D en relación con el sistema de coordenadas del paciente, la exploración típica de sectores circulares producida por el cabezal 200 de obtención de imágenes por ultrasonido puede insertarse en la escena 3D del paciente. Puesto que la escena 3D contendrá por tanto una representación en perspectiva del marco de referencia del paciente, la imagen ultrasónica de la exploración de sectores circulares está orientada adecuadamente en la escena 3D, tal como se muestra en la figura 6.
La imagen ultrasónica puede mostrarse en tiempo real, en perspectiva, mediante la aplicación de textura de la señal de vídeo sobre un polígono de sectores circulares dibujado en la escena 3D. La generación actual de ordenadores gráficos permite este tipo de transformación de imágenes en tiempo real. Debería observarse que la ubicación de todos los transductores unos con respecto a otros puede determinarse de la manera analizada anteriormente. Una de las ubicaciones de transductor se elige como el origen, otra, como el eje x, y una tercera, como el eje y, y una cuarta, como el eje z. El usuario puede definir el sistema de coordenadas. La orientación del plano de obtención de imágenes se calcula a partir del ángulo de los cuatro transductores 222 de posición del cabezal de obtención de imágenes, y el sistema de coordenadas es definido por los transductores de referencia montados en el cuerpo del paciente.
Mediante la visualización de la ubicación del plano de obtención de imágenes en relación con el instrumento quirúrgico insertado, el cabezal 200 de obtención de imágenes puede manipularse más rápidamente e inclinarse hasta que corte un instrumento quirúrgico (por ejemplo, una aguja de amniocentesis). En cuanto a esto, en el instrumento quirúrgico se montan transductores móviles a fin de proporcionar un gráfico de contorno del instrumento y su posición actual en relación con los transductores de referencia. Además, la sombra del instrumento quirúrgico se vuelve visible en la imagen ultrasónica en tiempo real, aplicada con textura, y el gráfico de contorno del instrumento puede mostrarse atravesando la imagen ultrasónica en la que la sombra es visible. Por consiguiente, un médico puede determinar inmediatamente en qué dirección inclinar el cabezal 200 de obtención de imágenes o mover el instrumento quirúrgico para obtener una orientación adecuada en la escena visual (figura 6). En consecuencia, la presente invención permite procedimientos quirúrgicos más seguros, más rápidos y más precisos.
La invención se ha descrito con referencia a una realización preferida. Obviamente, a otras personas se les ocurrirán modificaciones y alteraciones al leer y entender esta memoria descriptiva. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas podrían sustituir las ondas sonoras como medio para determinar la posición. Por consiguiente, los transductores ultrasónicos se sustituyen adecuadamente por transductores electromagnéticos. Se pretende que todas las modificaciones y alteraciones tales estén incluidas siempre y cuando estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas o de los equivalentes de las mismas.

Claims (11)

1. Método para generar una imagen ultrasónica bidimensional en un entorno de visión tridimensional, incluyendo el método montar una pluralidad de medios transductores (132) móviles en un medio (204) transductor de imágenes ultrasónicas adaptado para generar un plano de imagen de eco bidimensional;
montar una pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia en una pluralidad respectiva de ubicaciones fijas;
generar coordenadas tridimensionales de los medios (132) transductores móviles relativas a un marco de referencia establecido por la pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia;
registrar el plano de imagen de eco bidimensional con las coordenadas tridimensionales;
visualizar el plano de imagen de eco bidimensional en las coordenadas tridimensionales en relación con el marco de referencia establecido por la pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia;
montar una pluralidad de medios (132) transductores móviles en un medio (130) instrumental quirúrgico;
generar coordenadas tridimensionales de los medios (132) transductores móviles montados en el medio (130) instrumental quirúrgico relativas al marco de referencia establecido por la pluralidad de medios (134/224) transductores móviles;
generar una imagen de contorno del medio (130) instrumental quirúrgico a partir de las coordenadas tridimensionales de los medios (132) transductores móviles montados en el medio (130) instrumental quirúrgico; y
visualizar la imagen de contorno del medio (130) instrumental en relación con el marco de referencia establecido por la pluralidad de medios (134/224) transductores móviles.
2. Método según la reivindicación 1, en el que una de dicha pluralidad de ubicaciones fijas es la espalda de un paciente y otra de dicha pluralidad de ubicaciones fijas es el abdomen de un paciente.
3. Método según la reivindicación 1, en el que la etapa de visualizar la imagen de contorno del medio (130) instrumental visualiza simultáneamente la imagen de contorno de dicho medio (130) instrumental quirúrgico en el mismo marco de coordenadas que el plano de imagen de eco bidimensional.
4. Sistema (100) para generar una imagen ultrasónica bidimensional en un entorno de visión tridimensional, incluyendo dicho sistema un medio (204) transductor de imágenes para generar un plano 2D de imagen de eco, medios (132) transductores móviles montados en el medio (204) transductor de imágenes, una pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia situados en una pluralidad respectiva de ubicaciones fijas, en el que la pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia establece un marco de referencia; comprendiendo dicho sistema (100):
un medio (112) de generación de coordenadas para generar coordenadas tridimensionales de los medios (132) transductores móviles relativas al marco de referencia;
un medio (116) de registro para registrar el plano de imagen de eco bidimensional con las coordenadas tridimensionales;
un medio (122) de visualización para visualizar el plano de imagen de eco bidimensional en las coordenadas tridimensionales en relación con el marco de referencia;
una pluralidad de medios (132) transductores móviles automáticos adaptados para fijarse a un medio (130) instrumental quirúrgico asociado;
un medio (112) de generación de coordenadas para generar coordenadas tridimensionales de al menos uno de la pluralidad de medios (132) transductores móviles montados en el medio (130) instrumental quirúrgico relativas al marco de referencia establecido por dicha pluralidad de medios (134/224) transductores móviles; y
y un medio de generación de contornos para generar una imagen de contorno del medio (130) instrumental quirúrgico a partir de las coordenadas tridimensionales de los medios (132) transductores móviles montados en el medio (130) instrumental quirúrgico y para visualizar la imagen de contorno del medio (130) instrumental quirúrgico en dicho medio (122) de visualización en relación con el marco de referencia.
5. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que una de dicha pluralidad de ubicaciones fijas es la espalda de un paciente y otra de dicha pluralidad de ubicaciones fijas es el abdomen de un paciente.
6. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que dichos medios (132) transductores móviles están dispuestos en un medio (220) de alojamiento desmontable montado en dicho instrumento (130).
7. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que dichos medios (132) transductores móviles se componen de al menos tres transductores (222) de posición para generar las coordenadas tridimensionales de un plano perpendicular a un haz de obtención de imágenes generado por dicho medio (204) transductor de imágenes.
8. Sistema (100) según la reivindicación 7, en el que el medio (204) transductor de imágenes incluye:
un cabezal (200) de obtención de imágenes que puede articularse en relación con dichos medios (132) transductores móviles; y
medios potenciómetros para relacionar el ángulo de el cabezal (200) de obtención de imágenes en relación con las coordenadas tridimensionales del plano generado por los medios (132) transductores móviles.
9. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que dicha pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia incluye al menos tres transductores ultrasónicos.
10. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que dicha pluralidad de medios (134/224) transductores de referencia incluye al menos cuatro transductores ultrasónicos.
11. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que el medio de generación de contornos visualiza simultáneamente en dicho medio (122) de visualización dicha imagen de contorno en el mismo marco de coordenadas que dicho plano de imagen de eco bidimensional.
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