用于導管的x射線成像系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于檢測在患者環(huán)境內(nèi)部的機器人導管的位置和取向的X射線 成像系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種確定在所述患者環(huán)境內(nèi)部的機器人導管的位置和取向的方 法。更進一步，本發(fā)明涉及對用于確定所述導管的所述取向和位置的所述系統(tǒng)的用途，以及 一種用于執(zhí)行所述方法的計算機程序。
【背景技術】
[0002] US 8046054 B2公開了一種安裝在與手術機器人合作的環(huán)形框架上的X射線熒光 成像系統(tǒng)。該專利解決了對手術儀器的基于雙平面成像的三維建模。依其申述，通過使用 預先規(guī)劃的移動路徑以及三維模型，來完成對手術機器人的導航。與依賴于熒光透視的已 知成像系統(tǒng)有關的總體問題是患者遭受大劑量的X射線輻射，從而導致增加的細胞損傷風 險。
[0003] 所述雙平面成像系統(tǒng)使用相對高的輻射劑量，這被認為是不利的。現(xiàn)有技術未解 決的另外的問題是這樣的環(huán)境，其中，導管在進入患者的身體后可能具有未知的扭矩量，并 且導管是柔性的，這使得更加難以正確地評估其位置和取向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個目的是提供用于機器人導管的X射線成像系統(tǒng)，所述X射線成像系 統(tǒng)在限制患者對X射線輻射的暴露的同時，允許對所述導管的取向和位置的準確并且可靠 的確定。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種確定在患者內(nèi)部的機器人導管的取向和位置的 方法，所述方法在限制患者對X射線輻射的暴露的同時，提供對所述導管的取向和位置的 準確并且可靠的確定。
[0006] 在本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于機器人導管的X射線成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括機器人導管以及處理單元，所述處理單元能夠優(yōu)選地通過第一數(shù)據(jù)接口連接到用于接 收患者環(huán)境的優(yōu)選為二維X射線圖像數(shù)據(jù)的X射線圖像數(shù)據(jù)的X射線圖像數(shù)據(jù)源。所述 處理單元還能夠優(yōu)選地通過第二數(shù)據(jù)接口連接到所述機器人導管，其中，所述處理單元適 于：
[0007] a)接收一個或多個輔助信息項目，所述一個或多個輔助信息項目是從所述數(shù)據(jù)源 優(yōu)選地通過所述第一數(shù)據(jù)接口以及從所述導管優(yōu)選地通過所述第二數(shù)據(jù)接口中的至少一 個接收的，
[0008] b)根據(jù)所述的優(yōu)選為二維的圖像數(shù)據(jù)以及所述一個或多個輔助信息項目來確定 所述導管的（相對于所述患者環(huán)境的）可能三維取向和位置的集合。此外，所述處理單元 適于執(zhí)行以下中的至少一項：
[0009] c)繪制所述導管的所述可能取向和位置的集合中的至少一個與所述患者環(huán)境的 所述的優(yōu)選二維的圖像數(shù)據(jù)和三維表示中的至少一個的圖像，并且將所述圖像提供到可視 化設備；并且
[0010] d)將反饋提供到所述機器人導管，所述反饋是根據(jù)所述可能取向和位置的集合 的。
[0011] X射線圖像數(shù)據(jù)源優(yōu)選地是C型臂裝置，并且備選地也能夠是計算機斷層攝影裝 置。
[0012] 如果相對于患者環(huán)境的三維表示繪制圖像，那么優(yōu)選地或者直接由所述圖像數(shù)據(jù) 源或者借助常規(guī)數(shù)據(jù)存儲模塊，來以電子形式提供所述表示?？赡芤呀?jīng)通過對所述患者環(huán) 境的先前掃描提供了所述三維表示。
[0013] 本發(fā)明的核心益處是，盡管當使用三維數(shù)據(jù)作為針對所述第一數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)輸 入時其也能夠工作，但是已經(jīng)基于一個單幅或多幅二維X射線圖像實現(xiàn)了對所述導管的取 向和位置的檢測。代替使用X射線輻射的多個另外的患者掃描，輔助信息項目可以通過所 述第二數(shù)據(jù)接口被提供到所述處理單元，所述輔助信息項目由所述處理單元使用以確定所 述導管的取向和位置。這些輔助信息項目在沒有另外的X射線掃描的情況下被提供，因此 降低進入到患者環(huán)境的輻射劑量。基于這一信息，獲得取向和位置的集合。取向集可以包 括所述導管的一個或多個取向和位置。一旦已經(jīng)確定了所述導管的位置和取向，所述處理 單元就能夠用于單獨對所述導管進行可視化，或者與所述患者環(huán)境的二維或三維表示相組 合來對所述導管進行可視化。利用這一可視化的幫助，所述系統(tǒng)能夠提供針對所述機器人 導管的、根據(jù)所述導管取向和位置的反饋。所述反饋可以由用戶輸入觸發(fā)或者可以由所述 處理單元自動生成。
[0014] 優(yōu)選地，所述輔助信息項目表示以下中的至少一個：所述導管的部分的或所述整 個導管的彎曲、先前發(fā)送到所述導管的操縱命令、所述導管的先前取向/位置/彎曲、由所 述導管檢測并且發(fā)送的力反饋信號、以及來自患者的三維模型的解剖結構邊界信息?？梢?通過分析導管的當前操縱設置，來確定所述導管的或所述導管的部分的彎曲。任選地，由所 述導管檢測并且發(fā)送的力反饋信號被考慮用于預測導管彎曲。尤其是當所述導管由于其彎 曲設置而接觸所述患者環(huán)境的邊界壁，例如血管壁時，檢測力反饋信號。一旦被預測，能夠 由所述處理單元將所述導管的彎曲匹配到如由所述處理單元繪制在所述圖像中的導管的 彎曲。應用這一彎曲匹配技術將傳輸所述導管的一個、兩個或有限數(shù)量的可能位置和取向 的集合。根據(jù)上述內(nèi)容應當清楚，所述輔助信息項目也提供對所述導管的所述取向和位置 的準確確定。具體而言，對諸如所述導管的彎曲、先前位置以及操縱命令的導管相關的信息 項目的共同或獨立的使用，消除了在插入到身體中之后與沿所述導管存在的初始扭矩以及 傾斜相關的不確定性。對力反饋信號以及解剖結構邊界條件的使用，從當所述導管在"無邊 界"環(huán)境中時，即在所述患者外部并且不受限制時，所述操縱控制將影響的內(nèi)容中，消除了 與所述導管的取向的未知偏離相關的不確定性。實現(xiàn)了在確定所述導管位置和取向中的整 體精確度。
[0015] 優(yōu)選地，所述輔助信息項目表示以下中的至少一個：先前發(fā)送到所述導管的操縱 設置、以及所述導管的先前取向/位置/彎曲。通過考慮諸如上述內(nèi)容的先前確定的參數(shù)， 所述系統(tǒng)能夠在所述可能取向和位置的集合中選擇針對所述導管的最可能的取向和位置。 這能夠通過從所述集合消除與已經(jīng)可能由所述導管的普通導航獲取的先前建立的位置和 取向偏離過多的這些取向和位置而實現(xiàn)。
[0016] 最可能的取向通過分別地考慮所述導管的先前建立的彎曲，即姿態(tài)來被選擇，并 且優(yōu)選地使用相似度度量來被確定。因此，所述處理單元從所述可能取向和位置的集合中 識別出與先前建立的姿態(tài)時間上最一致的一個姿態(tài)。然后選擇具有最高相似度度量的姿 態(tài)。通過生成針對測試姿態(tài)中的每個點與所述點在先前建立的姿態(tài)中的最接近對應點的歐 幾里得距離的總和，來執(zhí)行優(yōu)選的相似度度量。
[0017] 優(yōu)選地，在所述系統(tǒng)包括適于接收用戶輸入的輸入設備的情況下，所述用戶輸入 表示由所述可視化設備顯示的對所述導管的所述可能取向和位置的集合中的一個的用戶 選擇。這一實施例使得所述用戶能夠人工確認或選擇由所述系統(tǒng)推薦的若干取向和位置中 的一個。
[0018] 所述用戶輸入優(yōu)選地表示用于移動所述導管的一個或多個命令。用于移動所述導 管的所述命令優(yōu)選地顯示在顯示器坐標，或圖像坐標中，并且例如可以作為命令由所述用 戶輸入，以向左、向右、向上、向下、向前、向后彎曲，這些全部是相對于所顯示的圖像的。
[0019] 所述輸入設備優(yōu)選地適于將所述用戶輸入傳達到所述處理單元，所述處理單元適 于將所述用戶輸入處理為操縱命令的集合，并且所述反饋是將所述操縱命令的集合提供到 所述機器人導管。由所述處理單元來將要被傳送到所述機器人導管的所述操縱命令從輸入 "顯示器"坐標轉換為"世界"坐標，即，所述導管系中的坐標。
[0020] 備選地，所述處理單元優(yōu)選地適于將所述導管的相對于所述患者環(huán)境的、根據(jù)所 述二維圖像數(shù)據(jù)以及所述一個或多個輔助信息項目的所述三維取向和位置（一旦被建 立），處理為操縱命令的集合，其中，所述反饋是將所述操縱命令的集合提供到所述機器人 導管。在不必需要用戶輸入來確定所述導管的取向和位置的情況下，并且在例如由規(guī)劃軟 件預先確定述導管導航的情況下，所述系統(tǒng)在這一實施例中自動將操縱信息反饋到所述機 器人導管，以在預先規(guī)劃的路徑上推進。
[0021] 優(yōu)選地，導管尖端適于沿預定路徑執(zhí)行小的移動，并且所述處理單元適于從一系 列二維X射線圖像數(shù)據(jù)或者所述患者環(huán)境檢測所述移動，以從所述移動推出所述導管的取 向。優(yōu)選地通過X射線圖像數(shù)據(jù)源，例如C型臂獲得一系列X射線圖像數(shù)據(jù)。對所述導管尖 端的小的移動（所謂的導管擺動）的連續(xù)檢測，使得所述系統(tǒng)能夠確定在可能取向和位置 的集合中所述導管的哪一取向和位置是最可能的。這對于其中所述導管的彎曲（基本上） 平行于觀察平面，即所述二維X射線圖像的情況而言尤其適合。然后難以魯棒地選擇最可 能的