用于導(dǎo)管的x射線成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)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(jī)器人導(dǎo)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(jī)器人導(dǎo)管的位置和取向的方 法。更進(jìn)一步，本發(fā)明涉及對用于確定所述導(dǎo)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(jì)算機(jī)程序。
【背景技術(shù)】
[0002] US 8046054 B2公開了一種安裝在與手術(shù)機(jī)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(shù)儀器的基于雙平面成像的三維建模。依其申述，通過使用 預(yù)先規(guī)劃的移動(dòng)路徑以及三維模型，來完成對手術(shù)機(jī)器人的導(dǎo)航。與依賴于熒光透視的已 知成像系統(tǒng)有關(guān)的總體問題是患者遭受大劑量的X射線輻射，從而導(dǎo)致增加的細(xì)胞損傷風(fēng) 險(xiǎn)。
[0003] 所述雙平面成像系統(tǒng)使用相對高的輻射劑量，這被認(rèn)為是不利的?，F(xiàn)有技術(shù)未解 決的另外的問題是這樣的環(huán)境，其中，導(dǎo)管在進(jìn)入患者的身體后可能具有未知的扭矩量，并 且導(dǎo)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(gè)目的是提供用于機(jī)器人導(dǎo)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(shí)，允許對所述導(dǎo)管的取向和位置的準(zhǔn)確并且可靠 的確定。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種確定在患者內(nèi)部的機(jī)器人導(dǎo)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(shí)，提供對所述導(dǎo)管的取向和位置的 準(zhǔn)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(jī)器人導(dǎo)管的X射線成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括機(jī)器人導(dǎo)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(jī)器人導(dǎo)管，其中，所述處理單元適 于：
[0007] a)接收一個(gè)或多個(gè)輔助信息項(xiàng)目，所述一個(gè)或多個(gè)輔助信息項(xiàng)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(dǎo)管優(yōu)選地通過所述第二數(shù)據(jù)接口中的至少一 個(gè)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(gè)或多個(gè)輔助信息項(xiàng)目來確定 所述導(dǎo)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(xiàng)：
[0009] c)繪制所述導(dǎo)管的所述可能取向和位置的集合中的至少一個(gè)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(gè)的圖像，并且將所述圖像提供到可視 化設(shè)備；并且
[0010] d)將反饋提供到所述機(jī)器人導(dǎo)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(jì)算機(jī)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(chǔ)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(dāng)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(shí)其也能夠工作，但是已經(jīng)基于一個(gè)單幅或多幅二維X射線圖像實(shí)現(xiàn)了對所述導(dǎo)管的取 向和位置的檢測。代替使用X射線輻射的多個(gè)另外的患者掃描，輔助信息項(xiàng)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(xiàng)目由所述處理單元使用以確定所 述導(dǎo)管的取向和位置。這些輔助信息項(xiàng)目在沒有另外的X射線掃描的情況下被提供，因此 降低進(jìn)入到患者環(huán)境的輻射劑量?；谶@一信息，獲得取向和位置的集合。取向集可以包 括所述導(dǎo)管的一個(gè)或多個(gè)取向和位置。一旦已經(jīng)確定了所述導(dǎo)管的位置和取向，所述處理 單元就能夠用于單獨(dú)對所述導(dǎo)管進(jìn)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(dǎo)管進(jìn)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(jī)器人 導(dǎo)管的、根據(jù)所述導(dǎo)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(dòng)生成。
[0014] 優(yōu)選地，所述輔助信息項(xiàng)目表示以下中的至少一個(gè)：所述導(dǎo)管的部分的或所述整 個(gè)導(dǎo)管的彎曲、先前發(fā)送到所述導(dǎo)管的操縱命令、所述導(dǎo)管的先前取向/位置/彎曲、由所 述導(dǎo)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(jié)構(gòu)邊界信息?？梢?通過分析導(dǎo)管的當(dāng)前操縱設(shè)置，來確定所述導(dǎo)管的或所述導(dǎo)管的部分的彎曲。任選地，由所 述導(dǎo)管檢測并且發(fā)送的力反饋信號被考慮用于預(yù)測導(dǎo)管彎曲。尤其是當(dāng)所述導(dǎo)管由于其彎 曲設(shè)置而接觸所述患者環(huán)境的邊界壁，例如血管壁時(shí)，檢測力反饋信號。一旦被預(yù)測，能夠 由所述處理單元將所述導(dǎo)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(dǎo)管的 彎曲。應(yīng)用這一彎曲匹配技術(shù)將傳輸所述導(dǎo)管的一個(gè)、兩個(gè)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(yīng)當(dāng)清楚，所述輔助信息項(xiàng)目也提供對所述導(dǎo)管的所述取向和位置 的準(zhǔn)確確定。具體而言，對諸如所述導(dǎo)管的彎曲、先前位置以及操縱命令的導(dǎo)管相關(guān)的信息 項(xiàng)目的共同或獨(dú)立的使用，消除了在插入到身體中之后與沿所述導(dǎo)管存在的初始扭矩以及 傾斜相關(guān)的不確定性。對力反饋信號以及解剖結(jié)構(gòu)邊界條件的使用，從當(dāng)所述導(dǎo)管在"無邊 界"環(huán)境中時(shí)，即在所述患者外部并且不受限制時(shí)，所述操縱控制將影響的內(nèi)容中，消除了 與所述導(dǎo)管的取向的未知偏離相關(guān)的不確定性。實(shí)現(xiàn)了在確定所述導(dǎo)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(xiàng)目表示以下中的至少一個(gè)：先前發(fā)送到所述導(dǎo)管的操縱 設(shè)置、以及所述導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)管的普通導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。
[0016] 最可能的取向通過分別地考慮所述導(dǎo)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(shí)別出與先前建立的姿態(tài)時(shí)間上最一致的一個(gè)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(gè)點(diǎn)與所述點(diǎn)在先前建立的姿態(tài)中的最接近對應(yīng)點(diǎn)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(shè)備的情況下，所述用戶輸入 表示由所述可視化設(shè)備顯示的對所述導(dǎo)管的所述可能取向和位置的集合中的一個(gè)的用戶 選擇。這一實(shí)施例使得所述用戶能夠人工確認(rèn)或選擇由所述系統(tǒng)推薦的若干取向和位置中 的一個(gè)。
[0018] 所述用戶輸入優(yōu)選地表示用于移動(dòng)所述導(dǎo)管的一個(gè)或多個(gè)命令。用于移動(dòng)所述導(dǎo) 管的所述命令優(yōu)選地顯示在顯示器坐標(biāo)，或圖像坐標(biāo)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(shè)備優(yōu)選地適于將所述用戶輸入傳達(dá)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(jī)器人導(dǎo)管。由所述處理單元來將要被傳送到所述機(jī)器人導(dǎo)管的所述操縱命令從輸入 "顯示器"坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為"世界"坐標(biāo)，即，所述導(dǎo)管系中的坐標(biāo)。
[0020] 備選地，所述處理單元優(yōu)選地適于將所述導(dǎo)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(gè)或多個(gè)輔助信息項(xiàng)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(jī)器人 導(dǎo)管。在不必需要用戶輸入來確定所述導(dǎo)管的取向和位置的情況下，并且在例如由規(guī)劃軟 件預(yù)先確定述導(dǎo)管導(dǎo)航的情況下，所述系統(tǒng)在這一實(shí)施例中自動(dòng)將操縱信息反饋到所述機(jī) 器人導(dǎo)管，以在預(yù)先規(guī)劃的路徑上推進(jìn)。
[0021] 優(yōu)選地，導(dǎo)管尖端適于沿預(yù)定路徑執(zhí)行小的移動(dòng)，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(dòng)，以從所述移動(dòng)推出所述導(dǎo)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(dǎo)管尖 端的小的移動(dòng)（所謂的導(dǎo)管擺動(dòng)）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(dǎo)管的哪一取向和位置是最可能的。這對于其中所述導(dǎo)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