CN110022786B - 用于确定器械在管状结构内的位置的位置确定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定器械在管状结构内的位置的位置确定装置。位置确定装置(5)包括：第一曲率值提供单元(6)，其用于提供第一曲率值，该第一曲率值指示管状结构在沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率；以及第二曲率值提供单元(7)，其用于提供第二曲率值，该第二曲率值指示器械(4)在沿着器械(4)的若干第二定位处的第二曲率。位置确定单元(8)基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械(4)在管状结构内的位置。

Description

用于确定器械在管状结构内的位置的位置确定装置

本发明涉及用于确定器械例如导管在管状结构内的位置的位置确定装置、方法和计算机程序。本发明还涉及包括位置确定装置的成像系统以及成像方法和成像计算机程序。

在医疗应用中，已知使用电磁(EM)跟踪技术或光学形状感测(OSS)跟踪技术来确定介入器械在患者体内的位置的位置确定装置。然而，分别由于例如EM场的不均匀性以及对曲率信息进行插值和积分中的误差，EM跟踪技术和OSS跟踪技术可能相对不准确。

因此，本发明的一个目的是提供位置确定装置、方法和计算机程序，其使对器械在管状结构内的位置的确定得到改善。本发明的另一个目的是提供包括位置确定装置的成像系统以及成像方法和成像计算机程序。

在本发明的第一方面，提出了一种位置确定装置，用于确定器械在管状结构内的位置，其中，位置确定装置包括：

第一曲率值提供单元，用于提供第一曲率值，该第一曲率值指示管状结构在沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率；

第二曲率值提供单元，用于提供第二曲率值，该第二曲率值指示器械在沿着器械的若干第二定位处的第二曲率；

位置确定单元，用于基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械在管状结构内的位置。

沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率和沿着器械的若干第二定位处的第二曲率是局部曲率。通过基于该局部信息而不是全局信息来确定器械在管状结构内的位置，可以显著提高确定位置的准确性，这是因为它对测量误差不太敏感。例如，确定位置的准确性可能对全局测量的误差例如漂移、场不均匀性等不太敏感，特别地，完全不敏感。此外，位置确定单元可以适于确定器械的位置，而不需要例如重建器械的形状。因此，局部第一曲率值集合和局部第二曲率值集合，即第一曲率值和第二曲率值，可以用于确定器械相对于管状结构的位置，而不需要基于第二曲率值来重建器械的形状。

位置确定单元优选地适于：基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械在管状结构内的定位以及器械相对于管状结构的旋转位置。特别地，位置确定单元可以适于：针对器械的若干段，基于第一曲率值和第二曲率值来确定相对于管状结构的旋转位置和相应定位。因此，术语“位置”优选地包括器械相对于管状结构的旋转位置或取向以及定位。

第一曲率值提供单元可以是存储第一曲率值的存储单元，其中，第一曲率值提供单元可以适于提供存储的第一曲率值。然而，第一曲率值提供单元还可以是接收单元，其用于接收来自例如第一曲率值确定单元的第一曲率值并且用于提供所接收的第一曲率值。此外，第一曲率值提供单元还可以是第一曲率值确定单元本身。同样，第二曲率值提供单元可以是存储单元或接收单元。此外，第二曲率值提供单元可以是第二曲率值确定单元。

优选地预先确定第一曲率值。它们可能已经基于管状结构的诊断图像例如计算机断层扫描图像或其他诊断图像被确定。第一曲率值也可以以其他方式确定。例如，在前面的过程中，可以在管状结构内移动一个或若干个曲率传感器，使得它们位于管状结构内的已知第一位置处，同时通过使用一个或若干个传感器测量管状结构的曲率。

管状结构可以是例如血液的血管系统、呼吸系统、非医疗管道系统、非医疗供应线系统、非医疗隧道系统等。

在优选实施方式中，曲率值是一维的。因此，可以在不使用方向相关的曲率信息的情况下确定器械在管状结构内的位置。特别地，在相应的定位处，可以在两个不同的方向上定义两个局部曲率，例如俯仰(pitch)曲率和横摆(yaw)曲率，并且这两个局部曲率可以组合成指示相应定位处的局部曲率的一维曲率值。例如，可以确定一维平均曲率值或一维总高斯曲率值。然而，曲率值也可以是二维的。例如，诸如俯仰曲率和横摆曲率的两个局部曲率可以被视为是在相应定位处的二维曲率值。

在实施方式中，第一曲率值提供单元和第二曲率值提供单元适于提供一维第一曲率值和二维第一曲率值以及一维第二曲率值和二维第二曲率值，其中，位置确定单元适于基于一维第一曲率值和一维第二曲率值来确定器械在管状结构内的位置，其中，位置确定单元还适于基于二维第一曲率值和二维第二曲率值来确定由位置确定单元确定的器械的位置与器械的实际位置之间的旋转偏差。由于首先通过仅考虑一维曲率值来确定所确定的位置，该一维曲率值与方向无关即不包括旋转信息如扭转信息或扭曲信息，因此可以正确地确定器械在管状结构内的定位，但是在整个器械或器械的部分即段的实际旋转位置与确定的旋转位置之间可能存在偏差，这可能是由于例如器械的扭转造成的，其中，旋转位置与器械围绕其纵轴的旋转有关。可以通过考虑二维第一曲率值和二维第二曲率值来确定该旋转偏差。特别地，可以将偏差测量如均方根偏差测量应用于二维第一曲率值和二维第二曲率值以确定旋转偏差。如果旋转偏差大于偏差阈值，则这可以通过输出单元输出。例如，可以使用所确定的位置向用户或另一装置发出警告。

优选地，位置确定单元还适于校正所确定的器械的位置，使得确定的旋转偏差减小。特别地，位置确定单元适于在其确定的位置中模拟地旋转整个器械和/或器械的部分，使得旋转偏差减小，特别是最小化。

该器械优选地是要在医疗过程中在患者体内使用的介入器械。然而，器械也可以是要在管状结构内使用的其他器械，尤其是非医疗器械。优选地，器械包括在沿着器械的若干第二定位处的传感器，传感器适于测量指示器械在这些第二定位处的局部曲率的第二曲率值。这些传感器是例如OSS曲率传感器或EM或RFID传感器组。对于这些EM或RFID传感器组，相对于传感器组内的其他传感器的相对位置足以计算局部曲率。

优选地，位置确定单元适于：a)针对器械在管状结构内的若干候选位置，基于第一曲率值和第二曲率值来确定位置值，该位置值指示器械被布置在相应候选位置处的可能性；以及b)将已经确定了最大位置值的候选位置确定为管状结构内的位置。特别地，每个候选位置定义哪个第一定位与哪个第二定位匹配，其中，位置确定单元适于针对每个候选位置确定位置值，使得该位置值取决于在匹配的第一定位和第二定位处相应的第一曲率值和第二曲率值相对于彼此的偏差。例如，位置确定单元适于针对每个候选位置确定位置值，该位置值取决于在匹配的第一定位和第二定位处的相应第一曲率值与第二曲率值之间的平方差之和。基于这些位置值确定器械在管状结构内的位置可以导致进一步提高确定该位置的准确性。

位置确定单元可以适于对偏差进行加权并且针对每个候选位置确定位置值，使得该位置值取决于加权的偏差。特别地，位置确定单元适于对匹配的远端定位处的偏差进行加权，使得它们比其他匹配的定位处的偏差对位置值有更大的影响。因此，可以向器械的远端部分处的第二曲率值赋予比沿着器械的其他第二定位处的第二曲率值更高的影响。此外，沿着器械的某些第二定位处的第二曲率值的权重也可以为零。这可以特别有用，如果已知在一个或若干个第二定位处第二曲率值可能不正确。通过使用该加权，可以进一步提高确定器械在管状结构内的位置的准确性。

在实施方式中，位置确定单元适于使用时变的权重来对偏差进行加权。相应的时变的权重可以取决于以下列表中的至少一个成员：a)相应第二定位处的第二曲率值；b)相邻第二定位处的一个或若干个第二曲率值；c)相应第二定位处的第二曲率值的历史；d)相邻的相应第二定位处的第二曲率值的历史。例如，最初所有权重可以具有相同的预定义值，其中，如果相应定位处的第二曲率值和一个或若干个相邻第二定位处的一个或若干个第二曲率值相同，则可以减小该相应第二定位处的权重。特别地，位置确定单元可以适于：如果一组相邻的第二定位处的第二曲率值相同，则减小该组相邻的第二定位内的一个或若干个中心第二定位处的权重。此外，在另一示例中，如果该第二定位处的第二曲率值的历史指示波动小于预定义第一阈值或大于比第一阈值大的第二阈值，则可以减小相应第二定位处的权重，特别地减小至零。对于历史，优选地仅使用预定义数量的先前第二曲率值，使得历史可以随时间显著改变。如果例如在一段时间之后由历史指示的波动在第一阈值和第二阈值内，则可以再次增加相应的权重。

管状结构可以是分支结构，使得存在通过管状结构的不同可能路线，其中，位置确定单元可以适于：i)针对每条可能路线a)针对器械在管状结构内沿着相应的可能路线的若干候选位置，基于第一曲率值和第二曲率值来确定位置值，该位置值指示器械被布置在相应候选位置处的可能性，以及b)确定这些位置值中的最大位置值；以及ii)将已经确定了针对可能的路线确定的最大位置值中的总体最大位置值的候选位置确定为管状结构内的位置。如果管状结构包括若干个分支，则这使得能够以相对低的计算工作量准确地确定器械在管状结构内的位置。

在实施方式中，位置值和相应的候选位置形成以候选位置作为输入并且以位置值作为输出的函数，其中，位置确定装置还包括：质量评估单元，用于基于函数的最大峰的宽度和/或超过阈值的峰的数量来确定质量值，质量值指示对器械在管状结构内的位置进行的确定的质量。质量评估单元可以适于基于函数的最大峰的宽度来确定第一质量值，该第一质量值指示对器械在管状结构内的位置进行的确定的准确度。此外，质量评估单元可以适于基于超过阈值的峰的数量来确定第二质量值，该第二质量值指示对器械在管状结构内的位置进行的确定的稳健性(robustness)。这使得用户如医师能够评估位置确定，其中，例如，用户可以决定位置确定对他/她而言是否足够精确和/或稳健。

在优选实施方式中，位置确定单元适于a)针对不同时间确定针对候选位置的位置值，使得针对相应时间来确定对应于候选位置的相应位置值集合；b)在由候选位置和时间定义的空间中确定超过阈值的位置值的最大连接组；以及c)针对每个时间确定所确定的位置值的最大连接组内的最大位置值，其中，将已确定了该最大位置值的候选位置确定为在相应时间处器械在管状结构内的位置。这可以导致进一步提高确定器械在管状结构内的位置的准确性。

此外，考虑到时间连续性，针对随后时间点的搜索空间可以缩小至当前检测到的器械位置的邻域。这可以导致用于计算匹配的第一曲率值和第二曲率值的计算时间减少。例如，位置确定单元可以适于针对每个时间将对所确定的位置值的最大连接组组内的最大位置值的确定限定到候选位置的区域内的候选位置，该区域包括针对先前时间已经确定了最大位置值的候选位置。可以预定义区域的大小。该区域可以以针对先前时间已经确定了最大位置值的候选位置为中心。在实施方式中，位置确定单元适于基于针对不同时间确定的器械在管状结构内的位置来确定器械在管状结构内的移动速度。因此，不仅可以准确地确定器械的位置，还可以准确地确定其相对于管状结构的速度。

在实施方式中，位置确定单元适于针对每个时间将对所确定的位置值的最大连接组内的最大位置值的确定限定到候选位置的区域内的候选位置，该区域由已经确定了最大位置值的先前候选位置和先前运动方向来限定。例如，可以基于针对不同的先前时间确定的器械在管状结构内的位置，即基于在相应的先前时间处已经确定了最大位置值的先前时间内的候选位置来确定先前的运动方向。利用从上个时间点开始的该运动方向和器械运动的连续性假设，该区域可以以预期的器械位置——即如果器械始终以先前时间点的检测到的速度移动，则器械将位于的位置——为中心。

管状结构可包括分支点，其中，位置确定单元可以适于提供管状结构内的预期路径；确定沿着预期路径在分支点后面的第一曲率值与器械的在分支点后面的第二曲率值之间的偏差；以及基于所确定的偏差来确定器械是否在管状结构内沿着预期路径移动。这使得能够在用户在管状结构内移动器械时向用户提供反馈。可以由用户基于管状结构的图像经由图形用户接口来定义预期路径，或者可以自动或半自动地定义预期路径。例如，用户可以指示图像中的期望的最终尖端位置，然后可以基于所指示的期望的最终尖端位置和管状结构的图像来自动确定预期路径。

在本发明的另一方面，提出了一种成像系统，其中，成像系统包括：

根据权利要求1所述的位置确定装置，用于确定器械在管状结构内的位置；

图像提供单元，用于提供管状结构的图像；

可视化生成单元，用于基于所提供的图像和所确定的位置来生成管状结构的可视化。

在本发明的另一方面，提出了一种用于确定器械在管状结构内的位置的位置确定方法，其中，该位置确定方法包括：

通过第一曲率值提供单元提供第一曲率值，第一曲率值指示管状结构在沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率；

通过第二曲率值提供单元提供第二曲率值，第二曲率值指示器械在沿着器械的若干第二定位处的第二曲率；以及

通过位置确定单元基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械在管状结构内的位置。

在本发明的另一方面，提出了一种成像方法，其中，成像方法包括：

通过图像提供单元提供管状结构的图像；

通过根据权利要求1所述的位置确定装置确定器械在管状结构内的位置；以及

通过可视化生成单元基于所提供的图像和所确定的位置生成管状结构的可视化。

在本发明的另一方面，提出了一种位置确定计算机程序，其中，位置确定计算机程序包括程序代码装置，程序代码装置用于在计算机程序在根据权利要求1所述的位置确定装置上运行时，使该位置确定装置执行根据权利要求17所述的位置确定方法。

在本发明的另一方面，提出了一种成像计算机程序，其中，成像计算机程序包括程序代码装置，程序代码装置用于在计算机时程序在根据权利要求1所述的成像系统上运行时，使该成像系统执行根据权利要求18所述的成像方法。

应当理解的是，权利要求1的位置确定装置、权利要求16的成像系统、权利要求17的位置确定方法、权利要求18的成像方法、权利要求19的位置确定计算机程序和权利要求20的成像计算机程序具有类似和/或相同的优选实施方式，特别是如从属权利要求中所限定的实施方式。

应当理解的是，本发明的优选实施方式还可以是从属权利要求或上面的实施方式与相应独立权利要求的任何组合。

参照下文描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并得以阐明。

在下面的附图中：

图1示意性并示例性地示出了成像系统的实施方式，

图2示出了示例性地示出成像方法的实施方式的流程图，

图3示例性地示出了管状结构的形状，

图4示例性地示出了沿着管状结构的若干第一定位的一维第一曲率值，

图5示例性地示出了特定时间的滤波器响应，

图6示例性地示出了随时间推移的滤波器响应，

图7示例性地示出了随时间推移器械在管状结构内的确定位置，以及

图8示例性地示出了器械在管状结构内的移动速度。

图1示意性并示例性地示出了成像系统1的实施方式，该成像系统1包括：用于确定器械4在管状结构内的位置的位置确定装置5、用于提供管状结构的图像的图像提供单元10以及用于基于所提供的图像和所确定的位置生成管状结构的可视化的可视化生成单元11。在该实施方式中，管状结构是躺在患者台2上的患者3的血管结构。位置确定装置5包括：第一曲率值提供单元6，用于提供第一曲率值，该第一曲率值指示管状结构在沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率，其中，在该实施方式中，第一曲率值提供单元6适于基于由图像提供单元10提供的图像来确定第一曲率值。特别地，图像提供单元10适于提供管状结构的三维图像，如计算机断层摄影图像或磁共振图像，该图像可能是在将器械4引入患者3之前获取的，即所提供的图像可以是介入前的三维图像。第一曲率值提供单元6可以适于分割所提供的图像内的血管结构，并且基于图像中的血管结构的分割来确定第一曲率值。

在该实施方式中，器械4是在沿着导管4的若干第二定位处具有OSS传感器的导管。位置确定装置5包括：第二曲率值提供单元7，用于基于从OSS传感器接收的光信号提供第二曲率值，该第二曲率值指示器械4在沿着器械4的若干第二定位处的曲率。因此，在该实施方式中，第二曲率值提供单元7适于基于从沿着器械4的长度布置的OSS传感器接收的光信号来确定第二曲率值。第一曲率值和第二曲率值指示相应的第一定位和第二定位处的曲率，并且因此是局部曲率值。

位置确定装置5还包括：位置确定单元8，用于基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械4在管状结构内的位置。在该实施方式中，第一曲率值和第二曲率值是一维曲率值。特别地，在相应定位处，可以在两个不同方向上定义两个局部曲率，并且这两个局部曲率可以组合成指示相应定位处的局部曲率的一维曲率值。例如，可以例如根据下面的等式来确定一维平均曲率值：

其中，K_m是一维平均曲率值，并且k₁和k₂是两个不同方向上的局部曲率。还可以计算根据下面的等式的总(高斯)曲率值K_t：

K_t＝k₁k₂ (2)

变量k₁和k₂可以被认为是例如管状结构的主曲率，即管状结构在相应定位处的形状算子的特征值。

位置确定单元8适于：针对器械4在管状结构内的若干个候选位置，基于第一曲率值和第二曲率值来确定指示器械4被布置在相应候选位置处的可能性的位置值；以及将已经确定了最大位置值的候选位置确定为管状结构内的位置。候选位置以及待确定的最终位置是相对位置，即器械4相对于管状结构的位置，反之亦然。这些位置可以由器械4的远端尖端或另一部分沿着管状结构内的通路的位置来限定。如果管状结构是分支管状结构，则还需要限定管状结构内的相应通路，以限定器械在管状结构内的位置。因此，在分支管状结构的情况下，若干个候选位置和待最终确定的位置可以由相应的通路和器械的指定部分例如器械的远端尖端沿着相应的通路的位置来限定。

每个候选位置定义沿管状结构的哪个第一定位与沿着器械4的哪个第二定位匹配，其中，位置确定单元8适于针对每个候选位置确定位置值，该位置值取决于在匹配的第一定位和第二定位处相应的第一曲率值和第二曲率值相对于彼此的偏差。优选地，位置确定单元8适于针对每个候选位置确定位置值，该位置值取决于在相应的匹配的第一定位和第二定位处的相应的第一曲率值与第二曲率值之间的平方差之和。

位置确定单元8可以适于对偏差进行加权并且针对每个候选位置确定位置值，使得该位置值取决于经加权的偏差。特别地，位置确定单元8可以适于对匹配的远端定位处的偏差进行加权，使得远端定位处的偏差与其他匹配定位处的偏差相比对位置值有更大的影响。

通过使用偏差的加权来基于候选位置确定位置值可以被视为滤波，其中，滤波器被应用于相应的候选位置，并且对于每个候选位置，提供相应的位置值作为滤波器响应。

如果管状结构是分支结构，使得存在通过管状结构的不同可能路线，则位置确定单元8可以适于：针对每条可能的路线，a)针对器械4在管状结构内沿着相应的可能路线的若干个候选位置，基于第一曲率值和第二曲率值来确定位置值，该位置值指示器械4被布置在相应的候选位置处的可能性；以及b)确定这些位置值之中的最大位置值。此外，位置确定单元8可以适于将已经确定了针对可能路线确定的最大位置值之中的总体最大位置值的候选位置确定为管状结构内的位置。因此，可以针对通过分支管状结构的所有可能路线来计算滤波器响应，即位置值，其中，在已经针对所有可能路线确定了滤波器响应之后，可以使用额外的最大操作，即选择具有最大滤波器响应的路线。

位置值和相应的候选位置可以被视为形成以候选位置作为输入并且以位置值作为输出的函数。位置确定装置5还包括：质量评估单元9，其用于基于函数的最大峰的宽度和/或超过阈值的峰的数量来确定质量值，该质量值指示对器械4在管状结构内的位置进行的确定的质量。特别地，质量评估单元9适于基于函数的最大峰的宽度来确定第一质量值，该第一质量值指示对器械4在管状结构内的位置进行的确定的准确度或准确性，并且适于基于超过阈值的峰的数量来确定第二质量值，该第二质量值指示对器械4在管状结构内的位置进行的确定的稳健性。如果位置值被视为是对候选位置的滤波器响应，则第一质量值也可以被视为是基于最大滤波器响应峰的宽度而确定的，并且第二质量值可以被视为是基于滤波器响应中的超过阈值的峰的数量确定的。

第一质量值可以直接是函数的最大峰的宽度，或者它可以是取决于函数的最大峰的宽度的其他值。此外，第二质量值可以直接是超过阈值的峰的数量，或者它可以是取决于超过阈值的峰的数量的其他值。阈值优选地被预定义，并且可以由用户通过使用输入单元12例如键盘、计算机鼠标、触摸板等来修改。

位置确定装置5可以适于在器械4在管状结构内不移动即处于静止状态时，确定器械4在管状结构内的位置，并且位置确定装置5可以适于在器械4在管状结构内移动即处于动态状态时，确定器械4在管状结构内的位置。特别地，位置确定装置5的位置确定单元8可以适于针对不同时间确定针对候选位置的位置值，使得针对相应时间确定相应的位置值集合，该位置值集合对应于候选位置，其中，确定在由候选位置和时间定义的空间中超过阈值的位置值的最大连接组。位置确定单元8还可以适于针对每个时间确定所确定的位置值的最大连接组内的最大位置值，其中，已经确定了该最大位置值的候选位置被确定为相应时间处器械4在管状结构内的位置。

可视化生成单元11适于基于所提供的图像和所确定的器械在管状结构内的位置来生成管状结构的可视化，使得所确定的器械位置在所提供的图像中或在其他图像中可视化，所提供的图像或其他图像是从图像提供单元提供的图像获得的，并且显示患者体内的期望结构。成像系统1还包括：输出单元13例如显示器，用于向用户显示可视化。因此，在器械4位于患者3的管状结构内时，用户可以准确地看到器械4确切地位于管状结构内的何处，从而在患者体内使用器械4时帮助用户。例如，器械4可以具有感测和/或治疗能力，并且所示的可视化可以通过在输出单元13上示出例如器械4的尖端相对于管状结构的确切位置来在执行感测和/或治疗过程时帮助用户。

在下文中，将参照图2中示出的流程图示例性地描述成像方法的实施方式。

在步骤101中，通过图像提供单元10提供管状结构的图像，并且在步骤102中，通过第一曲率值提供单元6提供第一曲率值，第一曲率值指示管状结构在沿着管状结构的若干第一定位处的第一曲率。可以在将器械4引入到患者3的管状结构中之前、期间或之后提供这些第一曲率值。在步骤103中，在已经将器械4引入到患者3的管状结构中之后，通过第二曲率值提供单元6提供第二曲率值，第二曲率值指示器械4在沿着器械4的若干第二定位处的第二曲率。在步骤104中，通过位置确定单元8基于第一曲率值和第二曲率值来确定器械4在管状结构内的位置，并且在步骤105中，通过可视化生成单元11基于所提供的图像和所确定的位置来生成管状结构的可视化，其中，在步骤106中，在输出单元13上示出所生成的可视化。步骤102至104可以被视为是用于确定器械在管状结构内的位置的位置确定方法的步骤。

在医院中使用的已知跟踪系统提供全局位置信息，即它们提供欧几里德空间中被跟踪的器械或人的位置。该全局信息对由于例如EM跟踪系统的情况下的EM场不均匀性或OSS跟踪系统的情况下曲率信息的插值和积分引起的测量误差敏感。此外，这些已知的跟踪系统需要校准，以例如将三维患者图像与当前患者取向融合，并且因此与器械在具有相应取向的患者内的当前位置融合。该校准对患者移动非常敏感，并且需要跟踪系统的相对高的全局定位准确性。

通过使用局部曲率即第一曲率值和第二曲率值来跟踪器械在管状结构内的位置，可以克服这些缺点。例如，不必使用周围的坐标系，而是可以使用基于患者体内的管状结构的特定于患者的坐标系。该坐标系对于患者移动是不变的，即不需要相应的校准。此外，全局跟踪信息不是必需的。通过使用OSS执行的对局部曲率的直接测量是足够的。将这些局部曲率与管状结构的预定曲率进行比较，以生成当前曲率信息与关于管状结构的曲率的先验知识之间的匹配，这得到传感器和器械相对于管状结构的当前位置。与使用全局跟踪技术相比，使用局部信息导致较小的测量不准确性，并且本质上防止了通常主要的误差源，如不正确的运动补偿(心跳和呼吸运动补偿)和全局跟踪技术的全局定位不准确性(大测量场)。沿着移动结构即沿着器械的相对少量的测量点就足够了，以达到相对高的准确性。

在确定器械在管状结构内的位置之前，特别是在将器械引入管状结构之前，优选地基于三维成像例如计算机断层摄影成像、磁共振成像、双平面血管造影术等来分析管状结构，使得预先已知可能是分支管状结构的管状结构，特别是管状结构的各个管状段的长度、形状和局部曲率。图3示例性地示出了在具有轴x和y的二维空间坐标系中的二维管状结构的形状20。基于该形状20，可以计算局部曲率，其中，在该示例中，局部曲率即第一曲率值是一维的。然而，在另一示例中，第一曲率值也可以是二维的，具有横摆曲率值和俯仰曲率值，或者它们可以是三维中的扭转不变的平均曲率。图4示例性地示出了取决于沿着管状结构的第一定位x的一维第一曲率值c₁。

在已经将器械引入管状结构之后，测量沿着器械的第二定位处的第二曲率值，其中，将这些测量的局部第二曲率值与局部第一曲率值进行比较，以确定器械在管状结构内的且相对于管状结构的位置。特别地，对于器械的每个可能位置，并且因此对于局部曲率传感器的每个可能位置，即对于若干个候选位置，使用对应的预先记录的局部第一曲率值与感测的局部第二曲率值之间的距离的度量将感测的局部第二曲率值与预先记录的局部第一曲率值进行比较，从而生成位置值。这样的位置值的生成可以被视为应用滤波器，该滤波器使用预先记录的局部第一曲率值与感测的局部第二曲率值之间的距离的度量，其中，位置值可以被视为是滤波器响应。图5示意性且示例性地示出了取决于器械相对于管状结构的候选位置x的这样的滤波器响应F。

在图5中，最高滤波器响应位于候选位置0.3处。因此，该候选位置可以被确定为器械在管状结构内的位置。

如果在器械在管状结构内移动时确定器械在管状结构内的位置，则滤波器响应可以被绘制为x-t图中的一种热图(heat map)，其中x是管状结构内的相对位置即相应候选位置，并且t是时间。因此，在移动管状结构内的器械并且因此移动管状结构内的传感器时，可以随时间连续地感测局部曲率信息，即可以连续地确定第二曲率值，其中，可以针对每个时间步计算滤波器响应，即位置值，并且其中，可以将针对每个时间步计算的滤波器响应组合在x-t图中。图6示例性地示出了这样的图，其中，在该示例中，在管状结构内以由函数l+sin(t)定义的速度移动器械。对于单个时间步并且对于若干个不同的候选位置，可以计算高滤波器响应。然而，对于仅一个候选位置，应该随时间确定高滤波器响应，其在x-t图中作为线可见，该线可能是弯曲的。因此，随时间对器械在管状结构内的位置的确定可以被视为是识别x-t图中达到当前时间点的“最长线”。可以例如通过计算x-t图中超过规定滤波器响应阈值的最大分量来执行这种最长线检测，其中，对于给定时间点，可以通过检测给定时间点处的该分量内的最高峰来确定器械在管状结构内的实际位置。图7示例性地示出了以这种方式确定的随时间推移器械在管状结构内的位置。位置确定装置可以适于基于随时间推移这样确定的器械在管状结构内的位置来确定器械在管状结构内的移动速度。特别地，可以计算所确定的时间相关位置的斜率，以确定速度v。在图8中示例性地示出了以这种方式确定的器械在管状结构内的速度。

质量评估单元9可以适于基于在x-t图中检测到的“最长线”的宽度来确定器械在管状结构内的所确定的时间相关位置的准确度或准确性，并且基于x-t图中“长线”的数量来确定所确定的时间相关位置的可靠性。

如果器械在管状结构内并且相对于管状结构的硬度足够硬，则器械可能修改管状结构的曲率。管状结构的曲率的这种修改并且因此第一曲率值的这种修改会降低对器械在管状结构内的位置进行的确定的准确性。因此，位置确定单元8可以适于在确定器械的位置时考虑这种修改。例如，位置确定单元8可以适于使用例如传感器-管状结构相互作用的建模和管状结构的预期修改的数值模拟，其中，假设管状结构的硬度和器械的硬度已知。然而，位置确定单元8还可以适于使用其他技术如变化搜索技术以在确定器械的位置时考虑这种修改。

基于局部曲率的管内导航为管状结构提供了移动坐标系。这意味着在如呼吸运动或心跳运动的显著运动之后，相对于管状结构的位置仍然有效且有意义。另外，在过程之前获取的局部曲率信息中的全部或大部分在这样的运动之后仍未改变。这是优于使用外部参考坐标系的替选方法例如EM导航、荧光透视导航等的优点，这些替选方法需要对管状结构的额外跟踪，以实现精确且有意义的结果。

第一曲率值提供单元和第二曲率值提供单元6,7可以适于提供一维第一曲率值和二维第一曲率值以及一维第二曲率值和二维第二曲率值，其中，位置确定单元8可以适于基于一维第一曲率值和一维第二曲率值来确定器械在管状结构内的位置，其中，位置确定单元8还可以适于基于二维第一曲率值和二维第二曲率值来确定由位置确定单元8确定的器械位置与器械的实际位置之间的旋转偏差。由于通过仅考虑一维曲率值来确定所确定的位置，该一维曲率值与方向无关，即不包括旋转信息如扭转或扭曲信息，因此可以正确地确定器械在管状结构内的定位，但是在整个器械或器械的部分即段的实际旋转位置与所确定的旋转位置之间可能存在偏差，这可能是由例如器械的扭转造成的，其中，旋转位置与器械围绕其纵轴的旋转有关。可以通过考虑二维第一曲率值和二维第二曲率值来确定该旋转偏差。特别地，可以将偏差测量如均方根偏差测量应用于二维第一曲率值和二维第二曲率值以确定旋转偏差。如果旋转偏差大于偏差阈值，则其可以通过输出单元13输出。例如，可以经由输出单元13向用户发出警告。位置确定单元8还可以适于校正所确定的器械的位置，使得确定的旋转偏差减小。特别地，位置确定单元8适于在其确定的位置中模拟地旋转整个器械和/或器械的部分，使得旋转偏差减小，特别是最小化。因此，器械在管状结构内的位置可以以两步法确定，其中，在第一步骤中，通过仅使用一维第一曲率值和一维第二曲率值来确定器械在管状结构内的定位，并且其中，在第二步骤中，确定器械的每段的旋转位置，使得旋转偏差最小化。

位置确定单元还可以适于使用沿着器械的在管状结构的外部的一部分测量的第二曲率值以及管状结构的面向该外部的端部的位置来重建器械的在管状结构外部的这部分的形状。因此，可以通过针对管状结构内例如血管内的器械的一部分使用匹配方法，将管状结构内的器械的一部分的第二曲率值与管状结构的第一曲率值的匹配与形状重建相结合，以及与管状结构外例如心脏腔室内的部分的形状重建相结合，其中，用于形状重建的参考点位于管状结构的端部。在已知的形状重建系统中，扭转和器械旋转是常见的误差源。如果器械的扭曲未被检测到并因此未将其并入形状重建中，则形状重建在“错误方向”上继续进行。如上面说明的，位置确定单元8可以通过将二维第一曲率值和二维第二曲率值彼此进行比较来检测这样的器械扭转/扭曲，以确定上面提到的旋转偏差。此外，如上面说明的，可以使旋转偏差最小化，特别是消除旋转偏差，之后可以通过位置确定单元8执行高质量的形状重建。

所提供的在沿着管状结构的第一定位处的第一曲率值可以从对管状结构的先前检视获得，使得如果到达相同的管状结构，从当前的管内检查获得的器械的位置可以相对于在先前检视期间尤其是在先前检查期间确定的相同或另一器械的位置以高度可靠的方式被确定。

具有布置在沿着器械的第二定位处的传感器的器械可以通过将具有传感器的器械放置在具有已知曲率的几何形状中来校准，以补偿可能的制造和/或组装不准确性。使用由相应信号传感器直接感测的局部第二曲率进行匹配表示感测曲率与预期曲率之间的一对一匹配，这使得能够得到针对每个传感器的局部曲率的补偿因子。可以在确定器械在管状结构内的位置的实际过程期间使用这些补偿因子以及例如针对相应传感器生成的OSS信号以确定第二曲率值。

位置确定单元可以适于使得：针对用于确定第二定位处的第二曲率值的各个传感器，在计算滤波器响应时使用的权重随时间变化。然而，权重也可以是静态的。特别地，由于损坏和/或缺陷而倾向于给出不正确的局部第二曲率值的传感器可以被“停用”。此外，这使得能够向沿着器械的传感器给出单独的权重，以迫使远端部分即靠近器械尖端的部分对滤波器响应产生更大的影响。

如果随时间记录局部第二曲率值，则可以获得对器械的感测部分的三维形状的更好的重建。特别地，位置确定单元可以适于重建器械的感测部分的三维形状，其中，一旦管状结构的一部分已经被多于一个传感器访问，则通过管状结构的该部分的所有传感器的传感器信息可以被组合，即例如平均，并且该组合结果可以用于三维形状重建。

位置确定单元8可以适于提供管状结构内的预期路径；确定沿着预期路径在管状结构的分支点后面的第一曲率值与器械的在分支点后面的第二曲率值之间的偏差；以及基于确定的偏差来确定器械是否在管状结构内沿着预期路径移动。因此，在将器械插入管状结构时，位置确定单元8可以适于确定器械的尖端是否在分支点处沿正确方向移动。例如，偏差测量如均方根偏差可以应用于沿着预期路径在分支点后面的第一曲率值以及器械的在分支点后面的第二曲率值。如果这导致偏差结果大于可能预定义的阈值，则可以向用户指示尖端可能沿错误的方向移动。阈值还可以取决于分支点之前的第一曲率值和第二曲率值的偏差。例如，阈值可以被定义为分支点之前与分支点之后的偏差之间允许的绝对差或相对差。

可视化生成单元可以适于生成可视化，使得由图像提供单元提供的先前二维或三维图像如血管内超声(IVUS)、CT或MR图像在计算的器械尖端位置周围或沿着匹配的第二曲率位置显示，以产生虚拟内窥镜或环绕视图。这对于从先前的二维或三维成像扫描获得复杂信息的过程而言可能是有益的。

位置确定装置可以适于另外使用来自其他装置的跟踪、导航和定位信息，以跟踪管状结构内的器械。例如，如果为了测量第二曲率值，在沿着器械的若干第二定位处，使用OSS传感器，则另外的装置可以是通过使用EM跟踪技术或荧光透视来跟踪器械在管状结构内的位置的跟踪装置。例如，x射线C臂可用于获取一个或若干个验证图像，其可由位置确定装置的位置确定单元使用以提高器械到达管状结构内的特定位置的置信水平。在另一示例中，来自用于操纵器械的机器人操纵单元的位置信息可以由位置确定装置的位置确定单元使用，以提高器械到达管状结构内的特定位置的置信水平。

因此，位置确定单元可以适于使用第一曲率值和第二曲率值来确定器械在管状结构内的位置，并且将该位置信息与其他跟踪和/或导航和/或位置信息进行组合，以确定器械的可选的适合的位置。这可以通过基于所提供的位置信息的置信度对来自各种源的影响进行加权来完成。因此，在组合这些信息源以调整所确定的器械位置时，对于每个信息源可以提供置信度，并且位置确定单元可以适于根据所提供的置信度对信息源进行加权。例如，通过在荧光透视图像中清楚地检测器械而获得的位置信息可以具有相对高的置信度；特别地，该置信度可以高于来自机器人操纵单元的可能粗略的导航信息的置信度。

位置确定单元还可以适于将指示器械尖端在管状结构内的位置的EM跟踪信息与可以用于确定沿着器械的第二定位处的第二曲率值的OSS进行组合，以提供补充信息。例如，如果EM跟踪信息指示器械尖端相对于由EM跟踪装置定义的EM坐标系移动，但是如果曲率信息指示器械相对于管状结构未移动，则位置确定单元可以确定移动是由于患者运动如呼吸运动或心跳运动，而不是由于器械在管状结构内的位移。因此，位置确定单元可以适于基于曲率信息并基于另外的跟踪信息来提供补充信息，例如存在患者运动还是器械相对于管状结构的运动。在这种情况下，位置确定单元或另一单元还可以适于基于其他跟踪信息来确定患者运动，例如，呼吸运动和/或心跳运动。

在实施方式中，器械，尤其是器械的尖端，包括成像单元，如血管内超声(IVUS)单元。可视化生成单元可以适于基于器械在管状结构内移动时通过成像单元获取的一维旋转图像并且基于器械在管状结构内的相应位置来构建二维图像，其中，位置还包括器械在管状结构内的旋转位置。因此，在每个时间点处，位置确定装置确定沿着通过管状结构的通路的位置和器械的旋转位置，使得在每个时间点处，成像单元相对于管状结构的空间取向是已知的。该信息由可视化生成单元使用以基于通过成像单元获取的一维旋转图像重建二维图像。因此，可以在例如器械在管状结构内的缩回运动期间生成二维图像，而不需要恒定的缩回速度或者需要避免旋转，因为通常情况下是基于缩回的二维成像重建。另外，由于在该实施方式中，位置确定装置确定器械沿着管状结构内的通路的位置和器械相对于管状结构的旋转位置，因此如果管状结构是包括相邻血管部分的血管结构，则位置确定装置还可提供关于器械特别是器械尖端相对于相邻血管部分的当前取向的信息。在这种情况下，二维图像重建还可以基于沿着管状结构的弯曲中心线的非平行坐标，并且因此可以变得更准确并补偿器械尖端的旋转运动。在另一个实施方式中，可视化生成单元可以适于基于器械在管状结构内移动时通过成像单元获取的二维图像，并且基于器械在管状结构内的相应位置来构建三维图像，其中，位置还包括器械在管状结构内的旋转位置。

基于曲率信息跟踪器械在管状结构内的位置，包括器械在管状结构内的旋转位置，可以用于根据需要以可再现的方式将器械定位在管状结构内，其中，不仅沿着管状结构内的相应通路的位置即定位，而且器械相对于管状结构的旋转位置可以以可再现的方式设定。例如，如果给定器械在管状结构内的期望位置，该期望位置可能与先前介入中使用的位置相同，则首先可以通过仅使用一维曲率值计算器械的当前位置来将器械布置在管状结构内，使得其定位对应于期望的定位。然后可以模拟地旋转器械，使得器械的二维第二曲率值与指示期望旋转位置的二维曲率值之间的偏差最小化。指示期望旋转位置的二维曲率值可以是器械的二维第二曲率值，该二维第二曲率值在器械处于要再现的先前介入中的期望位置时存在。因此，可以在没有任何其他导航辅助或外部成像控制的情况下解决以下临床相关问题：实现通过器械的成像单元获取的可再现图像，尤其是实现可再现的IVUS检查。成像系统的位置确定单元、可视化生成单元或另一单元甚至可以适于：在沿着器械的预期路径的第一曲率值和第二曲率值的匹配的稳健性和准确度太小的情况下，警告可能是临床医生以及执行已到达失常的血管分支的介入的用户。

通过使用局部特定于患者的坐标系，确定器械在管状结构内的位置可以基本上独立于可能被跟踪的装置和/或人的全局位置。因此，患者移动、介入期间的设备移动、患者的重新定位和运输等不会对器械在管状结构内的位置的确定产生不利影响。此外，可以使用提供不足的全局准确性但是提供足够的局部相对准确性的跟踪技术，即只要例如相邻位置传感器的局部信息、距离和角度可以被准确地确定用于局部曲率计算，则全局定位如GPS定位就不相关。特别地，布置在特定定位的一组至少三个位置传感器可以用于仅基于相对位置信息即基于该组中的传感器相对于彼此的位置来确定该定位的曲率值。在OSS传感器的情况下，沿着器械的每个定位仅一个OSS可足以确定相应定位的曲率值。

由于位置确定基于沿着器械测量局部曲率，因此可以避免由于沿着器械的曲率测量的积分而导致的误差累积。此外，如果以时间上连续的方式测量曲率，则可以使位置确定更稳定，并且可以得到指示确定位置的质量的质量测量。此外，由于第一曲率值和第二曲率值的匹配，因此测量误差和管状结构的变形不一定导致定位误差，这是因为它们可以通过“最佳配合”方法来补偿。

根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施方式的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或装置可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能用于获利。

通过一个或若干个单元或装置执行的操作，诸如确定器械在管状结构内的位置、确定质量值等，可以通过任何其他数量的单元或装置来执行。可以将这些操作和/或根据成像方法的成像系统的控制和/或根据位置确定方法的位置确定装置的控制实现为计算机程序的程序代码装置和/或实现为专用硬件。

计算机程序可以被存储/分布在合适的介质例如光学存储介质或固态介质上，所述介质与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供，但也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线通信系统分布。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (17)

1.一种位置确定装置，用于确定器械在管状结构内的位置，所述位置确定装置(5)包括：

第一曲率值提供单元(6)，其用于提供第一曲率值，所述第一曲率值指示所述管状结构在沿着所述管状结构的若干第一定位处的第一曲率；

第二曲率值提供单元(7)，其用于提供第二曲率值，所述第二曲率值指示所述器械(4)在沿着所述器械(4)的若干第二定位处的第二曲率；

位置确定单元(8)，其用于基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定所述器械(4)在所述管状结构内的位置，其中，所述位置确定单元(8)适于：

针对所述器械(4)在所述管状结构内的若干候选位置，基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定指示所述器械(4)被布置在相应候选位置处的可能性的位置值；以及

将已经确定了最大位置值的候选位置确定为所述管状结构内的位置。

2.根据权利要求1所述的位置确定装置，其中，每个候选位置定义哪个第一定位与哪个第二定位匹配，其中，所述位置确定单元(8)适于：针对每个候选位置来确定位置值，使得该位置值取决于在匹配的第一定位和第二定位处相应的第一曲率值和第二曲率值相对于彼此的偏差。

3.根据权利要求2所述的位置确定装置，其中，所述位置确定单元(8)适于：对所述偏差进行加权，并且针对每个候选位置来确定位置值，使得该位置值取决于经加权的偏差。

4.根据权利要求3所述的位置确定装置，其中，所述位置确定单元(8)适于：使用时变的权重对所述偏差进行加权。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所述管状结构是分支结构，使得存在通过所述管状结构的不同可能路线，其中，所述位置确定单元(8)适于：

针对每条可能路线，a)针对所述器械(4)在所述管状结构内沿着相应可能路线的若干候选位置，基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定指示所述器械(4)被布置在相应候选位置处的可能性的位置值，以及b)确定这些位置值中的最大位置值；

将已经确定了针对所述可能路线确定的所述最大位置值中的总体最大位置值的候选位置确定为所述管状结构内的位置。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所述位置值和相应的候选位置形成以所述候选位置作为输入并且以所述位置值作为输出的函数，其中，所述位置确定装置(5)还包括质量评估单元(9)，所述质量评估单元用于基于所述函数的最大峰的宽度和/或超过阈值的峰的数量来确定质量值，所述质量值指示对所述器械(4)在所述管状结构内的位置进行的确定的质量。

7.根据权利要求6所述的位置确定装置，其中，所述质量评估单元(9)适于：基于所述函数的最大峰的宽度来确定第一质量值，所述第一质量值指示对所述器械(4)在所述管状结构内的位置进行的确定的准确度。

8.根据权利要求6所述的位置确定装置，其中，所述质量评估单元(9)适于：基于超过所述阈值的峰的数量来确定第二质量值，所述第二质量值指示对所述器械(4)在所述管状结构内的位置进行的确定的稳健性。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所述位置确定单元(8)适于：

针对不同时间确定针对所述候选位置的位置值，使得针对相应时间确定对应于所述候选位置的相应位置值集合；

确定在由所述候选位置和所述时间定义的空间中的超过阈值的位置值的最大连接组；以及

针对每个时间来确定所确定的位置值的最大连接组内的最大位置值，其中，将已经确定了该最大位置值的候选位置确定为在相应时间处所述器械(4)在所述管状结构内的位置。

10.根据权利要求9所述的位置确定装置，其中，所述位置确定单元(8)适于：基于针对所述不同时间确定的所述器械在所述管状结构内的位置来确定所述器械在所述管状结构内的移动速度。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所提供的第一曲率值和第二曲率值是一维值。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所述第一曲率值提供单元(6)和所述第二曲率值提供单元(7)适于：提供一维第一曲率值和二维第一曲率值以及一维第二曲率值和二维第二曲率值，其中，所述位置确定单元(8)适于：基于所述一维第一曲率值和所述一维第二曲率值来确定所述器械(4)在所述管状结构内的位置，其中，所述位置确定单元(8)还适于：基于所述二维第一曲率值和所述二维第二曲率值来确定由所述位置确定单元(8)确定的所述器械的位置与所述器械的实际位置之间的旋转偏差。

13.根据权利要求12所述的位置确定装置，其中，所述位置确定单元(8)还适于：校正所确定的所述器械的位置，使得所述旋转偏差减小。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置，其中，所述管状结构包括分支点，其中，所述位置确定单元(8)适于：

提供所述管状结构内的预期路径；

确定沿着所述预期路径在所述分支点后面的所述第一曲率值与所述器械的在所述分支点后面的所述第二曲率值之间的偏差；以及

基于所确定的偏差来确定所述器械是否在所述管状结构内沿着所述预期路径移动。

15.一种成像系统，包括：

根据权利要求1所述的位置确定装置(5)，其用于确定器械(4)在管状结构内的位置；

图像提供单元(10)，其用于提供所述管状结构的图像；

可视化生成单元(11)，其用于基于所提供的图像和所确定的位置来生成所述管状结构的可视化。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序在由处理器执行时使所述处理器执行以下操作：

通过第一曲率值提供单元(6)提供第一曲率值，所述第一曲率值指示管状结构在沿着所述管状结构的若干第一定位处的第一曲率；

通过第二曲率值提供单元(7)提供第二曲率值，所述第二曲率值指示器械(4)在沿着所述器械(4)的若干第二定位处的第二曲率；以及

通过位置确定单元(8)基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定所述器械(4)在所述管状结构内的位置，

其中，基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定所述器械(4)在所述管状结构内的位置包括：

针对所述器械(4)在所述管状结构内的若干候选位置，基于所述第一曲率值和所述第二曲率值来确定指示所述器械(4)被布置在相应候选位置处的可能性的位置值；以及

将已经确定了最大位置值的候选位置确定为所述管状结构内的位置。

17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序在由处理器执行时使所述处理器执行以下操作：

通过图像提供单元(10)提供管状结构的图像；

通过根据权利要求1所述的位置确定装置确定器械(4)在所述管状结构内的位置；以及

通过可视化生成单元基于所提供的图像和所确定的位置来生成所述管状结构的可视化。

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