ITTO20130527A1 - Sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici. - Google Patents
Sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici.Info
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SISTEMA DI NAVIGAZIONE ECOGRAFICA ASSISTITA DA CALCOLATORE, IN PARTICOLARE PER FORNIRE ASSISTENZA AL PERSONALE MEDICO DURANTE INTERVENTI DIAGNOSTICI E/O TERAPEUTICIâ€
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici.
STATO DELL’ARTE
Come à ̈ noto, i sistemi di visione ecografica permettono di ottenere immagini di organi interni di un paziente senza comportare alcun pericolo (anche solo potenziale) per il paziente stesso e per l’operatore del sistema di visione in quanto le onde che incidono sul corpo umano sono assolutamente innocue a causa della loro bassa frequenza (in particolare non sono generate radiazioni ionizzanti). Le immagini ecografiche, tipicamente, sono però poco intellegibili e presentano una bassa risoluzione.
Per ottenere una risoluzione più elevata à ̈ necessario utilizzare radiazioni con frequenza superiore quali le radiazioni (raggi X) che vengono utilizzate nei sistemi di Tomografia Computerizzata o TC. Le radiazioni utilizzate (di tipo ionizzante), secondo alcuni autori, potrebbero essere potenzialmente pericolose; per tale motivo i sistemi TC non possono essere utilizzate per lunghi periodi sullo stesso soggetto.
Una normale TC rilascia infatti qualche decina di mSv, mentre una TAC full-body può rilasciare fino a 100mSv (Per le normative di radioprotezione sui posti di lavoro, un operatore esposto non può essere soggetto a radiazioni ionizzanti per più di 20mSv all’anno.)
E’ pertanto sentito il problema di realizzare un sistema che integri le informazioni provenienti in tempo reale da un sistema di visione ecografica con immagini più dettagliate dello stesso distretto anatomico precedentemente prelevate mediante un sistema di Tomografia Computerizzata oppure un sistema a risonanza magnetica RM.
Sul mercato esistono alcuni sistemi (ad esempio il sistema MyLab della ditta ESAOTE) che sono in grado di integrare immagini ottenute da un sistema di visione ecografica con immagini prelevate mediante un sistema di Tomografia Computerizzata.
OGGETTO E RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema che migliora l’efficacia della fusione delle immagini ecografiche / TC rispetto a quanto previsto dall’arte nota realizzando una metodologia di calibrazione spaziale e volumetrica.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un sistema ed un metodo di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici definiti come nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
- la Figura 1 mostra in forma schematica un sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici, secondo una prima forma di realizzazione;
- la Figura 2 mostra in forma schematica un sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici, secondo una seconda forma di realizzazione;
- la Figura 3 illustra una serie di operazioni svolte dal sistema di navigazione ecografica secondo la presente invenzione; e
- la figura 4 illustra un particolare del sistema delle figure 1 e 2.
DESCRIZIONE
Le Figure 1 e 2 mostrano un sistema di navigazione ecografica assistita da calcolatore, in particolare per fornire assistenza al personale medico durante interventi diagnostici e/o terapeutici 100 realizzato secondo la presente invenzione. Il sistema 1 comprende una stazione strumentale 1; un sensore di tracciamento (“tracking sensor†) 20, di tipo noto, ad infrarossi (figura 1) o elettromagnetico (figura 2), configurato per cooperare con la stazione strumentale 1. Una sonda ecografica 3 opera con un dispositivo ecografico 4 interfacciato con la stazione strumentale 1; la sonda ecografica 3 à ̈ di tipo impugnabile ed à ̈ accoppiata con un sensore 22, provvisto di primi elementi marcatori M-I-U ad infrarossi o elettromagnetici M-E-U per cooperare con il sensore di tracciamento 20 di tipo ad infrarossi o elettromagnetico (come meglio descritto in seguito).
Con particolare riferimento alla figura 4, il sensore 22 comprende una cornice anulare atta ad alloggiare una porzione centrale della sonda 3 ed una staffa che si estende radialmente dalla cornice anulare. La staffa porta un primo ed un secondo braccio rettilinei allineati tra di loro ed un terzo braccio perpendicolare ai primi due ed avente lunghezza inferiore a quella dei primi due. Ciascun braccio porta alla sua estremità un corpo sferico riflettente alle radiazioni infrarosse, oppure nella versione elettromagnetica, la cornice anulare à ̈ provvista di due sensori (marcatori) elettromagnetici.
Uno strumento chirurgico 25 (oppure diagnostico) Ã ̈ provvisto di secondi elementi marcatori 26 strumento M-I-S ad infrarossi o elettromagnetici M-E-U per cooperare con il sensore di tracciamento ad infrarossi/ad onde elettromagnetiche 20 (come meglio descritto in seguito).
In particolare, lo strumento chirurgico 25 (nell’esempio di figura 1 un tool operatorio, nell’esempio di figura 2 un tool endoscopico) comprende una porzione prossimale 25a, impugnabile, ed una porzione distale 25b, operativa; il marcatore strumento 26 à ̈ accoppiato ad una porzione intermedia, lasciando libera la porzione distale 25b. Si fa qui notare che le dimensioni relative degli elementi mostrati nelle figure 1 e 2 non sono tra loro in proporzione, per maggior chiarezza di rappresentazione.
La stazione strumentale 1 (figure 1 e 2) comprende un’unità di elaborazione 4p, ad esempio un elaboratore di tipo noto provvisto di un microcontrollore 5 e di una memoria 7, collegati tra loro; una interfaccia utente di inserimento dati (“data input user interface†) 6, ad esempio includente una tastiera e mouse; una interfaccia di visualizzazione 8, ad esempio un monitor LCD ad elevata risoluzione; un’interfaccia di rete 10, configurata per supportare una connessione ad una rete privata e/o pubblica 11 (ad esempio ad una rete di tipo Ethernet).
La stazione strumentale 1 comprende inoltre una connessione di alimentazione 12, configurata per fornire alla stazione strumentale 1 l’alimentazione elettrica tramite una presa di alimentazione a muro 13; un ingresso di tracciamento 15, configurato per supportare un collegamento 17 (indifferentemente di tipo senza fili “wireless†o cablato “wired†) tra la stazione strumentale 1 e il sensore di tracciamento 20 di tipo ad infrarossi o elettromagnetico ed il dispositivo ecografico 4; ed una unità di immagazzinamento di energia 18, ad esempio una batteria, collegata alla presa a muro 13 tramite la connessione di alimentazione 12 e configurata per alimentare temporaneamente la stazione strumentale 1 in caso di interruzione dell’alimentazione fornita dalla presa di alimentazione a muro 13.
Secondo la forma di realizzazione illustrata, l’unità di elaborazione 4p à ̈ un personal-computer (PC), comprendente un corpo protettivo esterno alloggiato su un ripiano della stazione strumentale 1 e solidale alla stazione strumentale 1 durante un eventuale movimento di quest’ultima sulle ruote 2.
Il personal computer 4p comprende istruzioni codificate (software descritto in dettaglio seguito) basati su algoritmi per la fusione di immagini che sono configurati per unire le informazioni provenienti in tempo reale dalla sonda ecografica 3 con immagini prelevate precedentemente (e quindi memorizzate) da un sistema diagnostico di Tomografia computerizzata (TC) oppure Risonanza Magnetica (RM). Il risultato dell’elaborazione fornita da tale software à ̈ una immagine che fonde l’immagine ecografica prelevata in tempo reale con le immagini memorizzate che vengono adattate all’immagine ecografica, istante per istante.
Nella versione elettromagnetica (figura 2) o ad infrarossi (figura 1), i marcatori sopra illustrati svolgono il ruolo di identificatori sia della rotazione che dello spostamento dei relativi elementi solidali con essi (sonda ecografica 3 e 26 strumento chirurgico).
La seguente trattazione, perciò, à ̈ indifferente se si considera la versione facente uso i raggi infrarossi o quella facente uso di onde elettromagnetiche.
Le operazioni del sistema 100 verranno ora descritte con riferimento al flow chart di figura 3.
Inizialmente si perviene ad un blocco 200 in cui vengono importate nella memoria 7 una pluralità di immagini bidimensionali di un paziente ottenute mediante tecnica radiografica o risonanza magnetica. L’importazione può essere realizzata utilizzando cavetto di rete collegato con una presa USB o Ethernet del personal computer 4p oppure utilizzando un supporto informatico quale, ad esempio, un CD ROM.
Le immagini bidimensionali sono preferibilmente in formato DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine, immagini e comunicazione digitali in medicina) che – come à ̈ noto - definisce i criteri per la comunicazione, la visualizzazione, l'archiviazione e la stampa di informazioni di tipo biomedico quali ad esempio immagini radiologiche. Lo standard DICOM à ̈ pubblico, nel senso che la sua definizione à ̈ accessibile a tutti. La sua diffusione si rivela estremamente vantaggiosa perché consente di avere una solida base di interscambio di informazioni tra apparecchiature di diversi produttori, server e PC, specifica per l'ambito biomedico.
Le immagini bidimensionali importate sono relative ad una scansione completa di un distretto anatomico di interesse (ad esempio addome).
Il blocco 200 à ̈ seguito da un blocco 210, che partendo dalle immagini bidimensionali importate, effettua (utilizzando tecniche note) una ricostruzione tridimensionale molto accurata (immagine A) in base a scansioni dell’intero volume anatomico di interesse.
Il blocco 210 Ã ̈ seguito da un blocco 220 che trasforma la ricostruzione tridimensionale (A) elaborata dal blocco 210 in una immagine tridimensionale pseudo Ultra-Sound (immagine B) utilizzando metodi noti [1],[2],[3],[4].
[1] W.Wein et al., Automatic CT-Ultrasound Registration for Diagnostic Imaging and Image-guided Intervention, Medical Image Analysis 12(5), pp 577-585, October 2008
[2] J.L. Dillenseger et al., Fast simulation of ultrasound images from a CT volume, Computers in Biology and Medicine 2009
[3] P. Leroy et al., Rigid Registration of Freehand 3D Ultrasound and CT-Scan Kidney Images, International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2007
[4] S. Gill et al., Group-wise registration of ultrasound to CT images of human vertebrae, Medical Imaging 2009
Le immagini tridimensionali A e B sono riferite allo stesso sistema di riferimento.
L’immagine tridimensionale pseudo ultrasound à ̈ formata da un pluralità di immagini bidimensionali pseudo ultra sound (B-2D).
Successivamente vengono prelevate direttamente dal paziente delle immagini bidimensionali ultrasoniche mediante il dispositivo ecografico 4.
La presenza del sensore 22, a raggi infrarossi o di tipo elettromagnetico, accoppiato al probe ad ultrasuoni, permette di rilevare la posizione del sensore nel sistema di riferimento del sensore di tracciamento 20 e quindi di orientare nello spazio l’immagine ultrasonica rilevata (immagine C-2D).
L’immagine bidimensionale ad ultrasuoni rilevata viene selezionata e memorizzata nella memoria dell’unità di elaborazione, insieme alle coordinate spaziali che la definiscono nel sistema di riferimento del visore 20.
Successivamente si procede ad un blocco 235 successivo al blocco 230 che effettua una operazione di confronto immagini al fine di ritrovare l’immagine bidimensionale pseudo ultrasound (immagine B-2D) che sia quanto più somigliante all’ immagine ecografica (C-2D) precedentemente memorizzata.
Il confronto e la ricerca della somiglianza tra le immagini B-2D e C-2D viene svolto dall’operatore medico grazie alla sua esperienza oppure mediante algoritmi noti basati su metodi di correlazione.
L’immagine pseudo ultra sound B-2D selezionata dalle operazioni di confronto viene anch’essa memorizzata con le coordinate definite nel dominio DICOM.
La successiva fase di allineamento, o registrazione, inizia con un blocco 250 successivo al blocco 235.
Nel blocco 250 un operatore seleziona manualmente almeno tre punti caratteristici sull’immagine bidimensionale C-2D ad ultrasuoni prelevata dal paziente tramite la sonda ad ultrasuoni e memorizzata precedentemente ed individua corrispondenti punti caratteristici sulla immagine bidimensionale pseudo U-S B-2D anch’essa memorizzata in precedenza in seguito alle operazioni di selezione del blocco 235.
L’individuazione dei punti caratteristici può essere basata sulla esperienza dell’operatore, così facendo il sistema di elaborazione à ̈ in grado di riconoscere forme di tipo noto in grado di individuare regioni di interesse dell’immagine ad esempio aventi contrasto elevato rispetto a zone adiacenti o forme regolari e differenziate rispetto alle adiacenze.
Il blocco 250 à ̈ seguito da un blocco 260 in cui viene svolta una operazione di riallineamento tra il sistema di riferimento dell’immagine tridimensionale pseudo ultra sound (immagine B) e quindi dell’immagine A e quello dello spazio operativo in cui opera il probe ad ultrasuoni, in modo tale che i punti caratteristici individuati coincidano nei rispettivi sistemi di riferimento della due immagini bidimensionali. L’operazione di riallineamento, o registrazione, viene svolta utilizzando algoritmi di rototraslazione noti in letteratura che – in base ai punti caratteristici selezionati - calcolano una matrice di rototraslazione che allinea il sistema di riferimento immagine pseudo ultra sound (immagine B) con il sistema di riferimento della ricostruzione grafica tridimensionale ad ultrasuoni relativa al volume associato alle immagini bidimensionali ad ultrasuoni (insieme delle immagini C-2D) prelevate dal paziente. Successivamente al blocco 260 viene svolta una fase operativa (blocco 270 successivo al blocco 260) in cui la ricostruzione tridimensionale (immagine A) elaborata dal blocco 210 viene visualizzata sul monitor 8.
Contestualmente sul monitor 8 viene presentata:
- l’immagine bidimensionale ecografica acquisita in tempo reale dal dispositivo ecografico 4 mediante la sonda ecografica 3 ad ultrasuoni; e
- la corrispondente immagine bidimensionale RM/TM appartenente alla ricostruzione tridimensionale (immagine A) grazie all’operazione di allineamento o registrazione essendo allineati i rispettivi sistemi di riferimento; le immagini– in base alle operazioni svolte dal blocco 260 e 270 – risulteranno perciò perfettamente sovrapponibili.
Qualora lo strumento chirurgico 26 sia sensorizzato (come sopra descritto), à ̈ possibile incorporare secondo modalità di realtà virtuale l’immagine dello strumento chirurgico 25 nella immagine bidimensionale visualizzata sul monitor 8 in base ai dati provenienti dal sensore di tracciamento 20 secondo i metodi esposti nel brevetto EP09425116.
L’invenzione permette di avere un†̃apparecchiatura di facile utilizzo per il medico orientata all’interventistica mini invasiva in grado di visualizzare contestualmente l’immagine proveniente da tomografia computerizzata o Risonanza Magnetica insieme all’immagine ad ultrasuoni in tempo reale.
In alternativa a quanto sopra illustrato le operazioni dei blocchi 250 e 260 (fase di riallineamento) possono comprendere le seguenti operazioni:
Vengono prelevate una pluralità di immagini bidimensionali ad ultrasuoni del distretto anatomico di interesse (solitamente addome, ma non solo) muovendo manualmente la sonda ad ultrasuoni 3 rispetto il distretto anatomico di interesse.
Tali immagini bidimensionali sono anche visualizzate in tempo reale sul monitor 8.
Le immagini bidimensionali acquisite sono elaborate mediante algoritmi noti di Ultra-Sound Compound al fine di ottenere una ricostruzione grafica tridimensionale (immagine C) molto accurata.
La presenza di un sensore 22 ad infrarossi o elettromagnetico accoppiato al probe a ultrasuoni 3 permette di applicare un algoritmo di riduzione rumore (NRA) al fine di comporre i piani di scansione bidimensionali in un volume tridimensionale con la tecnica degli algoritmi mediani.
L’operatore seleziona un piano di scansione P1 sull’immagine tridimensionale Ultrasound Compound (immagine C) ed individua uno o più punti caratteristici su tale piano P1 (i punti caratteristici individuano una struttura anatomica evidenziabile sull’immagine). Viene lanciata una prima procedura di segmentazione che individua selettivamente ed automaticamente su una pluralità di piani Pn di scansione diversi da quello (P1) selezionato corrispondenti punti caratteristici (e cioà ̈ punti che rappresentano su diversi piani la stessa struttura anatomica). Viene così fornita una pluralità di punti Pi che definiscono la struttura anatomica nello spazio sulla immagine C.
L’operatore seleziona un piano di scansione P2 sulla ricostruzione grafica tridimensionale pseudo ultrasound (immagine B) ed individua analoghi punti caratteristici su tale piano (i punti caratteristici individuano la stessa struttura anatomica sopra detta, ma rappresentata nel dominio pseudo ultrasound).
Viene lanciata una seconda procedura di segmentazione che individua selettivamente ed automaticamente su una pluralità di piani Pk di scansione diversi da quello (P2) selezionato corrispondenti punti caratteristici (e cioà ̈ punti che rappresentano su diversi piani la stessa struttura anatomica).
Viene così fornita una pluralità di punti Pj che definiscono la struttura anatomica nello spazio sulla immagine B.
L’operazione di riallineamento viene svolta utilizzando algoritmi di roto-traslazione noti in letteratura che – in base alla prima pluralità di punti Pi ed alla seconda pluralità di punti Pj - calcolano una matrice di roto-traslazione che allinea il sistema di riferimento immagine pseudo ultra sound (B) con il sistema di riferimento della ricostruzione grafica tridimensionale ultrasound compound (C).
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1.- Sistema di navigazione ecografica assistito da calcolatore (100), caratterizzato dal fatto di comprendere una unità strumentale (1) cooperante con: - un dispositivo ecografico (4) provvisto di una sonda ecografica (3) per prelevare una pluralità di immagini ecografiche bidimensionali di un distretto di interesse; - un sensore di tracciamento (20), ad infrarossi o elettromagnetico atto a rilevare la posizione di un sensore (22) accoppiato alla sonda ecografica e provvisto di elementi marcatori (M-I-U) ad infrarossi o elettromagnetici (M-E-U); detta unità strumentale essendo configurata per rilevare la posizione del sensore nel sistema di riferimento del sensore di tracciamento (20) ed orientare nello spazio le immagine ultrasoniche rilevate (immagine C-2D).
- 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui il detto calcolatore à ̈ configurato per realizzare: mezzi di importazione (200) in cui vengono importate nella memoria (7) del calcolatore una pluralità di immagini bidimensionali ottenute mediante tecnica radiografica tomografica TC o risonanza magnetica RM e relative ad una scansione completa di un distretto anatomico di interesse; le dette immagini bidimensionali sono preferibilmente in formato DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine, immagini e comunicazione digitali in medicina); primi mezzi di ricostruzione (210), che partendo dalle immagini bidimensionali importate, effettuano una ricostruzione tridimensionale dell’intero distretto anatomico di interesse generando una immagine tridimensionale ricostruita A; mezzi di trasformazione (220) che trasformano la detta immagine tridimensionale A in una immagine tridimensionale pseudo Ultra-Sound B formata da un pluralità di immagini bidimensionali pseudo ultra sound (B-2D); mezzi di scansione (230) con cui viene prelevata almeno una immagine (e) bidimensionale ad ultrasuoni del distretto anatomico di interesse muovendo manualmente la detta sonda ecografica (3) rispetto il distretto di interesse; detti mezzi di scansione (230) essendo inoltre atti a rilevare la posizione del sensore (22) accoppiato alla sonda nel sistema di riferimento del sensore di tracciamento (20) orientando nello spazio l’immagine ultrasonica bidimensionale rilevata che viene memorizzata; mezzi di confronto (235) configurati per estrarre l’immagine bidimensionale pseudo ultrasound (immagine B-2D) più somigliante alla detta immagine ecografica (C-2D) memorizzata; mezzi di selezione (250) di punti caratteristici sulla detta immagine bidimensionale (C-2D) ad ultrasuoni prelevata rilevata e memorizzata precedentemente ed sulla immagine bidimensionale pseudo Ultra Sound (B-2D) estratta; mezzi di allineamento (250,260) in cui, in base ai punti caratteristici selezionati, viene svolta una operazione di ri-allineamento tra il sistema di riferimento dell’immagine tridimensionale pseudo ultra sound (immagine B) e quindi dell’immagine A e quello dello spazio operativo in cui opera la sonda ecografica ad ultrasuoni, in modo tale che i punti caratteristici individuati coincidano nei rispettivi sistemi di riferimento della due immagini bidimensionali. 3.- Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui l’individuazione e la selezione dei punti caratteristici viene svolta manualmente da un operatore. 4.- Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui l’individuazione e la selezione dei punti caratteristici viene svolta mediante un algoritmo di riconoscimento forme. 5.- Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui son previsti: mezzi di visualizzazione operativa (270) in cui su un monitor (8) del detto calcolatore sono visualizzate contestualmente: - l’immagine bidimensionale ecografica acquisita in tempo reale dal dispositivo ecografico (4) mediante la sonda ecografica (3) ad ultrasuoni; e - la corrispondente immagine bidimensionale RM/TM appartenente alla immagine tridimensionale ricostruita A; dette immagini– in base alle detta operazione di riallineamento– essendo sovrapponibili. 6.- Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui, uno strumento chirurgico à ̈ provvisto di elementi marcatori strumento ad infrarossi o elettromagnetici per cooperare con il sensore di tracciamento (20); detto calcolatore (100) essendo configurato per visualizzare – utilizzando modalità di realtà virtuale -l’immagine dello strumento chirurgico (26) nella immagine bidimensionale visualizzata sul monitor (8) in base ai dati provenienti dal sensore di tracciamento (20). 7.- Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui i detti mezzi di riallineamento sono configurati per : - prelevare una pluralità di immagini bidimensionali ad ultrasuoni del distretto anatomico di interesse; - elaborare dette immagini prelevate mediante algoritmi noti di Ultra-Sound Compound al fine di ottenere una ricostruzione grafica tridimensionale, detta immagine ultra sound compound C; selezionare un piano di scansione P1 sull’immagine tridimensionale Ultrasound Compound ed individuare uno o più punti caratteristici su tale piano P1; attivare una prima procedura di segmentazione che individua selettivamente ed automaticamente su una pluralità di piani Pn di scansione diversi da quello (P1) selezionato corrispondenti punti caratteristici fornendo una pluralità di punti Pi che definiscono la struttura anatomica nello spazio sulla immagine ultra sound compound; selezionare un piano di scansione P2 sulla ricostruzione grafica tridimensionale pseudo ultrasound (immagine B) ed individuare analoghi punti caratteristici su tale piano P2 ; attivare una seconda procedura di segmentazione che individua selettivamente ed automaticamente su una pluralità di piani Pk di scansione diversi da quello (P2) selezionato corrispondenti punti caratteristici fornendo una pluralità di punti Pj che definiscono la struttura anatomica nello spazio sulla immagine tridimensionale pseudo ultra sound (B); utilizzare algoritmi di roto-traslazione che – in base alla prima pluralità di punti Pi ed alla seconda pluralità di punti Pj - calcolano una matrice di roto-traslazione che allinea il sistema di riferimento immagine pseudo ultra sound (B) con il sistema di riferimento della ricostruzione grafica tridimensionale ultrasound compound (C).
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