CN112292076A - 用于确定物品在管状结构之内的位置的位置确定设备 - Google Patents

用于确定物品在管状结构之内的位置的位置确定设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定长形的物品(4)在管状结构之内的位置的位置确定设备(5)，其中位置确定设备(5)包括第一提供单元(6)，用于提供沿着在管状结构之内的路径在多个第一部位处的曲率值的第一分布。位置确定设备(5)还包括：第二提供单元(7)，用于提供沿着物品(4)在多个第二部位处的应变值或曲率值的第二分布；和位置确定单元(8)，用于基于所述第一和第二分布确定物品(4)相对于路径的位置。

Description

用于确定物品在管状结构之内的位置的位置确定设备
技术领域
本发明涉及一种位置确定设备、一种方法和一种计算机程序，用于确定长形的物品，尤其是医疗器械，例如是导管、支气管镜或导针在管状结构，例如是血管或呼吸道之内的位置。本发明还涉及一种成像系统，所述成像系统包括位置确定设备，以及一种成像方法和一种成像计算机程序。
背景技术
在医疗应用中已知位置确定设备，所述位置确定设备使用基于电磁形状测量(EM)或光学形状测量(“optical shape sensing”，OSS)的跟踪技术来确定介入器械在患者体内的位置。光学形状测量典型地借助于多个光学曲率传感器的评估进行，所述曲率传感器又由围绕纤维的横截面同心地设置的应变传感器构成。EM和OSS跟踪技术然而由于在曲率信息的内插和积分的情况下的电磁场或误差的例如不均匀性可能是相对不准确的。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种位置确定设备、一种方法和一种计算机程序，其能够实现更好地确定长形的物品在管状结构之内的位置。本发明的另一目的是，提供一种包括位置确定设备的成像系统以及一种成像方法和一种成像计算机程序。
所述目的通过一种用于确定长形的物品，尤其是医疗器械在管状结构之内的位置的位置确定设备来实现，其中所述位置确定设备包括：
-第一提供单元，用于提供沿着在管状结构之内的路径在多个第一部位处的曲率值的第一分布；
-第二提供单元，用于提供沿着物品在多个第二部位处的应变值或曲率值的第二分布；
-位置确定单元，用于基于第一和第二分布来确定物品相对于路径的位置。
沿着管状结构在多个第一部位处的第一分布的曲率值和沿着物品在多个第二部位处的第二分布的应变值或曲率值是局部值。通过基于这些局部信息而不是基于全局信息来确定物品在管状结构之内的位置可以明显改善位置确定的准确性，因为这些方法对于测量误差是不太敏感的。例如，相对于全局测量误差、如漂移、场不均匀性等的位置确定的准确性可以是不太敏感的并且尤其是完全不敏感的。此外，可以确定物品的位置，而例如不需要基于例如第二分布的曲率值对物品的形状的重建。
第一提供单元可以是存储单元，在所述存储单元中存储第一分布的曲率值，其中第一提供单元可以适合用于提供第一分布的存储的曲率值。第一提供单元然而也可以是接收单元，所述接收单元用于从例如第一确定单元接收第一分布的曲率值和用于提供第一分布的接收到的曲率值。此外，第一提供单元本身也可以是第一确定单元。第二提供单元也可以是存储单元或接收单元。此外，第二提供单元可以是第二确定单元。
第一分布的曲率值优选是预设的。所述曲率值可以基于管状结构的图像、例如计算机断层扫描图像、磁共振断层扫描图像或其他图像来确定。第一分布的曲率值也能够以其他方式确定。例如，在前一方法中一个或多个曲率传感器可以在管状结构之内运动，使得所述曲率传感器位于管状结构之内的已知的第一部位处，而管状结构的曲率借助于曲率传感器测量。用于产生曲率值的另一实例是医疗物品在从图像数据中提取的管状结构之内的位置的模拟。
管状结构例如可以是血管系统、呼吸系统或其他分支的管状结构。管状结构也可以是工程管状结构，例如管道系统、隧道系统、线缆通道系统等。物品优选是医疗器械，例如导针、导管或支气管镜。物品然而也可以是非医疗物品，所述非医疗物品例如在管道系统、隧道系统、线缆通道系统等中运动。
在一个优选的实施方式中，第一分布和第二分布的曲率值是标量的。因此，物品在管状结构之内的位置无需使用方向相关的曲率信息就可以确定。在一个实施方式中，可以在相应的部位处确定沿两个不同方向，例如沿横轴方向和竖轴方向的两个局部曲率，并且这两个局部曲率可以组合成标量的曲率值，所述标量的曲率值对于在相应的部位处的局部曲率是指示性的。例如，可以确定标量的平均曲率值或标量的高斯总曲率值。曲率值然而也可以是矢量的。例如，这两个局部曲率、如相对于竖轴的曲率和相对于横轴的曲率可以视为在相应的部位处的二分量的曲率值。
优选的是，第一提供单元调整为，提供沿着在管状结构之内的路径的曲率值的标量的分布作为第一分布。第二提供单元那么优选调整为，提供沿着物品在多个第二部位处的标量的应变值的分布作为第二分布，使得位置确定单元基于第一分布的标量的曲率值和第二分布的标量的应变值来确定物品相对于路径的位置。因为在此情况下仅需要标量的应变值，所以需要相对少的技术耗费，以便确定物品在管状结构之内的位置。
此外优选的是，第二提供单元调整为，基于光学应变传感器的光学信号确定第二分布，所述光学应变传感器沿着物品设置。光学应变传感器优选集成到单个光学单核纤维中。在沿着物品的每个部位处优选分布存在仅一个应变传感器。这能够实现与曲率传感器相比用进一步减小的技术耗费确定标量的应变值的第二分布，这对于用户是相对易于操作的。
如果在另一实施方式中，第二分布是曲率值的分布，那么所述第二分布可以例如借助于OSS曲率传感器或EM或RFID传感器的组来确定。关于在传感器组之内的其他传感器的相对位置对于EM或RFID传感器的组而言足以计算局部曲率。
优选地，第一提供单元调整为，a)将相异性量度应用于针对物品相对于路径的不同的可能的候选位置的第一分布和第二分布，其中相异性量度调整为，针对物品相对于路径的每个候选位置提供相异性值，所述相异性值对于在相应的候选位置中的两个分布的相异性是指示性的；和b)基于针对不同的候选位置确定的相异性值来确定物品相对于路径的位置。在一个实施方式中，位置确定单元调整为，确定候选位置作为物品相对于路径的位置，针对所述候选位置已确定最小的相异性值。这可能已经得出物品相对于路径的位置的相对准确的确定。
此外，位置确定设备优选调整为，针对在管状结构之内的由结构的分支产生的多个路径，提供曲率值的多个第一分布，其中位置确定单元调整为，基于第一分布和第二分布来确定物品相对于这些路径中的一个路径的位置。尤其是，位置确定单元调整为，a)针对每个路径确定用于物品相对于相应的路径的不同候选位置的相异性值的分布，和b)基于针对不同的路径和不同的候选位置确定的相异性值来确定物品相对于所述路径中的一个路径的位置。当管状结构具有多个其中可能存在物品的可能的路径时，这会造成物品相对于所述路径中的一个路径的位置的准确的确定。
此外优选的是，第二提供单元调整为，针对不同的时间点提供沿着物品的多个第二分布，其中多个第二分布对应于物品相对于管状结构的路径的多个位置，其中位置确定单元调整为，a)针对每个路径和针对每个时间点分别确定对于物品相对于相应的路径的不同的候选位置的相异性值的分布；和b)基于针对不同的路径、不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值来确定物品相对于所述路径中的一个路径的位置。尤其是，针对不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值可理解为地图，其中针对通过相应的时间点和候选位置确定的不同地点，在地图中分别绘制相异性值，其中位置确定单元调整为，a)提供路程量度，所述路程量度为穿过相应的地图的路程提供路程值，所述路程在针对最晚的时间点的候选位置处终止并且在针对较早时间点的候选位置处起始，所述路程值与沿着相应的路程的相异性值相关；b)针对每个路径借助于路程量度来确定穿过相应的地图的路程，针对所述路程确定最小路程值，使得针对不同的路径进而针对不同的地图分别求取最优路程；和c)在考虑针对最优路程确定的路程值的情况下，基于针对不同的路径求取的最优路程确定物品相对于所述路径中的一个路径的位置。位置确定单元优选调整为，提供路程量度，所述路程量度具有随着沿着相应的路程的相异性值的总和增加而变大的分量。在一个实施方式中，位置确定单元调整为，确定如下位置作为物品相对于所述路径中的一个路径的位置，所述位置由所有最优路程中的具有最低路程值的路程限定。这会得出物品在管状结构之内的位置的进一步改进的确定。
然而也优选的是，位置确定单元调整为，a)针对不同的时间点，求取最优路程，使得针对不同的时间点和不同的路径分别确定具有相应的路程值的最优路程，其中为了针对一个路径和一个确定的时间点来确定具有相应的路程值的最优路程，使用针对确定的时间点和针对较早的时间点和针对候选位置求取的相异性值，所述相异性值可理解为针对相应的路径和确定的时间点的地图；b)在求取的最优路程的每个时间点选择最优路程，针对该最优路程已确定最小路程值，其中在选择具有最小路程值的最优路程之前，针对如下最优路程提高路程值，针对所述最优路程与针对其他最优路程已确定的路程值相比在较早的时间点没有确定最小的路程值；和c)作为物品相对于所述路径中的一个路径的位置确定如下位置，所述位置由选择的最优路程限定。这会得出物品在管状结构之内的位置的确定的进一步改善的准确性。
位置确定单元可以调整为，应用相异性量度，其方式为：a)确定第一分布的空间的第一梯度分布；b)确定第二分布的空间的第二梯度分布；c)针对沿着物品的每个地点，将第二分布的相应的梯度与第一分布的相应的曲率梯度比较，其中相应的候选位置限定，在相应的地点处将第二分布的哪个相应的梯度与第一分布的哪个相应的曲率梯度比较，其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度(
Figure BDA0002797152800000051
β)，所述子-相异性量度与i)梯度相对于彼此的方向和/或ii)第一分布的梯度的数值和第二分布的梯度的数值相关，其中通过应用子-相异性量度针对每个地点确定子-相异性值；和d)针对候选位置确定的子-相异性值相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。在一个实施方式中，子-相异性量度随着两个梯度的方向相对于彼此的相似性增加而减小。这种减小可以是单调的和/或连续的。此外，在一个实施方式中，当第一分布的梯度的数值小于第一数值阈值并且第二分布的梯度的数值小于第二数量阈值时，子相异性量度提供第一值；而当第一分布的梯度的数值不小于第一数量阈值和/或第二分布的梯度的数值不小于第二数值阈值时，子相异性量度提供第二值，其中第一值小于第二值。子相异性量度也可以具有两个分量，也就是说：第一分量，所述第一分量提供随着梯度的相似性增加而减小的值；和第二分量，当第一分布的梯度的数值小于第一数值阈值并且第二分布的梯度的数值小于第二数值阈值时，所述第二分量提供较小的值，而在其他情况下所述第二分量提供较大的值。第一分量和第二分量例如可以线性地组合，这也包含简单的相加。这两个分量也可以非线性地组合。在一个实施方式中，将这两个分量相乘地组合。这些组合的结果是用于子相异性量度的标量的值。
在另一实施方式中，子相异性量度的值随着第一和第二分布的梯度的数值减小而减小。也就是说，当两个梯度的两个数值减小时，所述值减小。所述减小可以是单调的和/或连续的。所述值也可以与之前提到的第一分量的值线性地或非线性地组合。例如，所述值可以与上文提到的第一分量的值相乘或这些值可以相加。
位置确定单元然而也可以调整为，应用相异性量度，其方式为：a)确定第一分布的局部最大值；b)确定第二分布的局部最大值；c)将第一分布的每个局部最大值与第二分布的局部最大值相关联，使得在相关联的局部最大值之间的所有空间间距的总和是最小的，其中第二分布的每个局部最大值与第一分布的仅一个局部最大值相关联；和d)将在第一分布的相关联的局部最大值和第二分布的相关联的局部最大值之间的空间间距相加。此外，位置确定单元调整为，应用相异性量度，其方式为a)针对沿着物品的每个地点将第二分布的相应的值与第一分布的相应的值比较，其中相应的候选位置限定，在相应的地点处将第二分布的哪个相应的梯度与第一分布的哪个相应的曲率梯度比较，其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度，当i)第一分布的相应的值高于预设的第一阈值或ii)第一分布的相应的值低于第一阈值并且第二分布的相应的值低于预设的第二阈值时，所述子-相异性量度为零，而在其他情况下子-相异性量度具有正值；和b)将针对候选位置确定的子-相异性值相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。已发现，在使用所述相异性量度时可以进一步改进物品在管状结构中的位置的确定。然而当然也可行的是，使用其他相异性量度。
位置确定单元也可以调整为，应用相异性量度，其方式为：针对相应的候选位置，将交叉相关性，尤其是标准化的交叉相关性应用于第一分布和第二分布。尤其是，位置确定单元调整为，根据下式计算第二分布的应变值或曲率值的平均值ED、第一分布的曲率值的平均值ET、第二分布的应变值或曲率值的标准偏差σD或第一分布的曲率值的标准偏差σT和最后计算标准化的交叉相关性：
Figure BDA0002797152800000061
其中n是第一分布的曲率值的数量和第二分布的应变值或曲率值的数量，其中指数i表示第一分布的各个曲率值和第二分布的各个应变值和曲率值，其中D(i)表示第二分布的相应的应变值或曲率值并且T(i)表示第一分布的相应的曲率值。第二分布的应变值或曲率值D(i)和第一分布的曲率值T(i)分别是第i个值，其在相应的候选位置处上下相叠。因为针对不同的候选位置，第一分布和第二分布相对于彼此不同地移动，所以针对不同的候选位置，第一分布的不同的第一部位和第二分布的不同的第二部位上下相叠，由此第二分布的不同的应变值或曲率值和第一分布的曲率值也通常上下相叠并且据此针对不同的候选位置得到不同的标准化的交叉相关性。已发现，在使用所述基于标准化的交叉相关性的相异性量度时可以进一步改进物品在管状结构中的位置的确定。
上述目的还通过一种成像系统来实现，其中成像系统具有：
-根据权利要求1的用于确定长形的物品在管状结构之内的位置的位置确定设备；
-用于提供管状结构的图像的成像单元；
-用于基于所提供的图像和确定的位置来生成所述管状结构的可视化的可视化生成单元。
此外，上述目的通过一种位置确定方法来实现，其中所述方法包括：
-通过第一提供单元，提供沿着管状结构之内的路径在多个第一部位处的曲率值的第一分布；
-通过第二提供单元，提供沿着物品在多个第二部位处的应变值或曲率值的第二分布；
-通过位置确定单元，基于第一和第二分布来确定物品相对于路径的位置。
此外，前述目的通过一种成像方法来实现，其中成像方法包括：
-通过成像单元提供管状结构的图像；
-通过根据权利要求1的位置确定设备来确定长形的物品在管状结构之内的位置；以及
-通过可视化生成单元基于所提供的图像和确定的位置来生成管状结构的可视化。
此外，上述目的通过一种用于确定长形的物品的位置的计算机程序来实现，其中计算机程序具有程序代码机构，所述程序代码机构调整为，当所述计算机程序在位置确定设备上运行时，推动根据权利要求1的位置确定设备执行根据权利要求16的位置确定方法。
此外，上述目的通过一种成像计算机程序来实现，所述成像计算机程序包括程序代码机构，当计算机程序在成像系统上运行时，所述程序代码机构推动根据权利要求15的成像系统运行根据权利要求17的成像方法。
应理解的是，根据权利要求1的位置确定设备、根据权利要求15的成像系统、根据权利要求16的位置确定方法、根据权利要求17的成像方法、根据权利要求18的计算机程序和根据权利要求19的成像计算机程序具有与尤其在从属权利要求中所限定的类似的或相同的实施方式。
附图说明
下面，参照下面的附图描述本发明的实施方式，其中
图1示意性地且示例性地示出成像系统的实施方式；
图2示出流程图，所述流程图示例性地示出成像方法的实施方式；
图3示例性地示出管状结构的图像；
图4示例性地示出血管图，所述血管图代表管状结构并且从在图3中示出的图像中提取；
图5示例性地示出针对在管状结构之内的不同路径的曲率值的不同的第一分布；
图6示例性地示出用于不同的候选位置和路径的相异性值的分布；
图7示例性地示出针对在管状结构之内的路径针对不同的候选位置和时间的相异性值，其中由此形成地图；
图8示例性地示出穿过在图7中示出的地图的最优路程；以及
图9示例性地示出不同的成本曲线。
具体实施方式
图1示意性地且示例性地示出成像系统1的一个实施方式，所述成像系统包括：用于确定器械4在管状结构之内的位置的位置确定设备5；用于提供管状结构的图像的成像单元10；用于基于所提供的图像和确定的位置生成管状结构的可视化的可视化生成单元11。在本实施方式中，管状结构是平躺在检查台2上的患者3的血管结构。位置确定设备5包括第一提供单元6，用于提供曲率值，所述曲率值对于沿着管状结构在多个第一部位处的管状结构的曲率是指示性的，其中第一提供单元6在本实施方式中适合于，基于由成像单元10提供的图像来确定曲率值。尤其地，成像单元10适合于，提供管状结构的三维图像，例如计算机断层扫描图像或磁共振图像，所述三维图像可以在将器械4引入到患者3中之前记录，即所提供的图像可以是介入前三维图像。第一提供单元6可以适合于，将所提供的图像之内的管状结构分区并且基于图像中的管状结构的分区来确定曲率值。所述曲率值是局部曲率值并且形成第一分布。
在本实施方式中，器械4是导管，所述导管沿着导管4在多个第二部位处具有光学应变传感器。位置确定设备5包括第二提供单元7，所述第二提供单元用于基于由应变传感器接收到的光学信号来提供应变值。应变值是标量的并且对于在相应的第二部位处的应变是指示性的进而是局部的应变值。
位置确定设备5还包括用于基于第一曲率值和第二应变值来确定器械4在管状结构之内的位置的位置确定单元8。在本实施方式中，所述第一和第二值是标量的。尤其是，在特定的空间部位处可以沿两个不同的方向确定管状结构的两个局部曲率并且这两个局部曲率可以组合成标量的曲率值，所述曲率值对于在相应的空间部位处的局部曲率是指示性的。例如，根据下述方程可以确定标量的平均曲率值：
Figure BDA0002797152800000091
其中Km是标量的平均曲率值并且k1、k2是沿两个不同方向的局部曲率。此外，可以根据下述方程计算(高斯)曲率值Kt：
Kt＝k1k2 (2)
变量k1和k2可以视作为例如管状结构的主曲率，即管状结构在相应的部位处的形状算子的特征值。
位置确定单元8调整为，将相异性量度应用于针对导管4相对于路径的不同的可能的候选位置的第一分布和第二分部，其中相异性量度调整为，针对导管4相对于路径的每个候选位置提供相异性值，所述相异性值对于在相应的候选位置中的两个分布的相异性是指示性的。位置确定单元8还调整为，基于针对不同的候选位置确定的相异性值来确定导管4相对于路径的位置。位置确定单元8例如可以调整为，作为导管4相对于路径的位置确定候选位置，针对所述候选位置确定最小的相异性值。
位置确定设备还调整为，如果管状结构具有多个路径，那么也确定导管4在管状结构中的位置。尤其是，第一提供单元6调整为，针对在管状结构之内的多个路径提供曲率值的多个第一分布，其中位置确定单元8调整为，基于第一分布和基于第二分布来确定导管4相对于所述路径中的一个路径的位置。优选地，位置确定单元8调整为，针对每个路径确定用于导管4相对于相应的路径的不同的候选位置的相异性值的分布，和基于针对不同的路径和不同的候选位置确定的相异性值来确定导管4相对于所述路径中的一个路径的位置。
此外，第二提供单元7调整为，针对不同的时间点提供沿着导管4的多个第二分布，其中多个第二分布对应于导管4相对于管状结构的路径的多个位置。位置确定单元8调整为，针对每个路径和针对每个时间点分别确定用于医疗器械相对于相应的路径的不同的候选位置的相异性值的分布，和基于针对不同的路径、不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值来确定导管4相对于所述路径中的一个路径的位置。尤其是，针对不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值可理解为地图，其中针对通过相应的时间点和候选位置确定的不同地点，在地图中分别绘制相异性值。位置确定单元8随后调整为，提供路程量度，所述路程量度为穿过相应的地图的路程提供路程值，所述路程在针对最晚的时间点的候选位置处终止并且在针对较早的时间点的候选位置处起始，所述路程值与沿着相应的路程的相异性值相关。位置确定单元8还调整为，针对每个路径借助于路程量度来确定穿过相应的地图的路程，针对所述路程量度确定最小路程值，使得针对不同的路径分别求取最优路程。此外，位置确定单元8调整为，基于针对不同的路径求取的最优路程，在考虑针对所述最优路程确定的路程值的情况下，确定导管4相对于所述路径中的一个路径的位置。
位置确定单元8尤其调整为，提供路程量度，所述路程量度随着沿着相应的路程的相异性值的总和增加而变大。此外，位置确定单元8优选调整为，作为导管4相对于路径的位置确定如下位置，所述位置由所有最优路程中的具有最低路程值的路程限定。
位置确定单元8还优选调整为，针对不同的时间点求取最优路程，使得针对不同的时间点和针对不同的路径分别确定具有相应的路程值的最优路程，其中，为了针对一个路径和一个确定的时间点确定具有相应的路程值的最优路程，使用针对确定的时间点和针对较早的时间点和针对候选位置求取的相异性值，所述相异性值可理解为用于相应的路径和确定的时间点的地图。此外，位置确定单元8优选调整为，在每个时间点从求取的最优路程中选择如下最优路程，针对该最优路程已确定最小路程值，其中在选择具有最小路程值的最优路程之前，针对如下最优路程提高路程值，针对所述最优路程与针对其他最优路程已确定的路程值相比在较早的时间点没有确定最小的路程值。此外，位置确定单元8优选调整为，作为导管4相对于所述路径中的一个路径的位置确定如下位置，所述位置由选择的最优路程限定。
为了确定相异性值，位置确定单元8可以调整为，计算测量的应变传感器特征曲线的梯度和管状结构的曲率特征曲线的梯度。位置确定单元8因此可以调整为，应用相异性量度，其方式为：确定第一分布的空间的第一梯度分布和第二分布的空间的第二梯度分布。位置确定单元8随后还调整为，针对沿着导管4的每个地点，将第二分布的相应的梯度与第一分布的相应的曲率梯度比较，其中相应的候选位置限定，在相应的地点处将第二分布的哪个相应的梯度与第一分布的哪个相应的曲率梯度比较，并且其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度，所述子-相异性量度随着梯度的方向相对于彼此的相似性增加而减小。随着相似性增加的所述减小例如可以是单调的。替选地或附加地，当第一分布的梯度的数值小于预设的第一数值阈值并且第二分布的梯度的数值小于预设的第二数值阈值时，子-相异性量度可以提供较小的值，而在其他情况下提供较大的值。子-相异性量度据此可以具有至少一个或至少两个分量，其中第一分量提供随着梯度的方向的相似性增加而减小的值；和/或其中当第一分布的梯度的数值小于预设的第一数值阈值并且第二分布的梯度的数值小于预设的第二数值阈值时，第二分量提供较小的值，而在其他情况下提供较大的值。也就是说，针对所有相对应的梯度值计算惩罚项，当a)两个梯度指向相异的方向和/或b)两个梯度均不小时，所述惩罚项是高的，其中借助于与相应的数值阈值的比较确定：相应的梯度值是否是小的。
通过应用子-相异性量度，针对每个地点确定子-相异性值。位置确定单元8还调整为，将针对候选位置确定的子-相异性值相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。因此也就是说，所有惩罚项的总和是表示应变传感器特征曲线与曲率特征曲线一致的量度。
位置确定单元8也可以调整为，应用另外的相异性量度，其方式为：确定第一分布的局部最大值和第二分布的局部最大值。也就是说，位置确定单元8可以调整为，找到应变传感器特征曲线和曲率特征曲线中的所有局部最大值。位置确定单元8于是还调整为，将第一分布的每个局部最大值与第二分布的局部最大值相关联，使得在相关联的局部最大值之间的所有空间间距的总和是最小的，其中第二分布的每个局部最大值与第一分布的仅一个局部最大值相关联。为此，位置确定单元8可以调整为，例如使用暴力法进行关联。位置确定单元8于是还调整为，将第一分布的相关联的局部最大值和第二分布的相关联的局部最大值之间的空间间距相加，以便确定相异性值。
位置确定单元8然而也可以调整为，应用相异性量度，其方式为：针对沿着导管4的每个地点将第二分布的相应的值与第一分布的相应的值比较，其中相应的候选位置限定，在相应的地点处将第二分布的哪个相应的值与第一分布的哪个相应的值比较，其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度，当a)第一分布的相应的值高于预设的第一阈值或b)第一分布的相应的值低于第一阈值并且第二分布的相应的值低于预设的第二阈值时，所述子-相异性量度为零，而在其他情况下所述子-相异性量度提供正值。这基于如下观察，即在第一分布中的曲率的零点造成在应变测量中的相应的零点。所述相异性量度也可以考虑作为单射的零点比较，其中计算在小的曲率和小的应变值之间的二元卷积。针对候选位置确定的子-相异性值又相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。
位置确定单元8也可以调整为，应用相异性量度，其方式为：针对相应的候选位置将交叉相关性，尤其是标准化的交叉相关性应用于第一分布和第二分布。尤其是，位置确定单元8可以调整为，根据下式计算第二分布的应变值的平均值ED、第一分布的曲率值的平均值ET、所述应变值的标准偏差σD，所述曲率值的标准偏差σT和最后计算标准化的交叉相关性：
Figure BDA0002797152800000121
其中n是曲率值的数量进而在本实例中也是应变值的数量，其中指数i表示各个曲率值和各个应变值，其中D(i)表示相应的应变值和T(i)表示相应的曲率值。应变值D(i)和曲率值T(i)分别是第i个值，其在相应的候选位置处上下相叠。因为针对不同的候选位置，第一分布和第二分布相对于彼此不同地移动，所以针对不同的候选位置，第一分布的不同的第一部位和第二分布的不同的第二部位上下相叠，由此通常不同的应变值和曲率值也上下相叠并且据此针对不同的候选位置得到不同的标准化的交叉相关性。在本实例中，相异性量度是标准化的交叉相关性或者与所述标准化的交叉相关性相关。
可视化生成单元11适合于，基于器械4在管状结构之内的确定的位置和所提供的图像来生成所述管状结构的可视化，使得器械4的确定的位置在所提供的图像中或在另一图像中可视化，所述另一图像从由成像单元提供的图像中获得并且示出在患者内部的期望的结构。成像系统1还包括：输出单元13，如显示器，用于显示用于用户的可视化；和输入单元12，如键盘、计算机鼠标、触摸板等。因此，在器械4位于患者3的管状结构之内期间，用户可以准确地看到，器械4在管状结构之内精确地位于何处，这是在患者内部使用器械4时对用户的辅助。例如，器械4可以具有探测和/或处理特性，并且所显示的可视化可以在执行探测和/或处理方法时辅助用户，其方式为：例如器械4的尖部相对于管状结构的精确位置在输出单元13上显示。
下面，成像方法的一个实施方式示例性地参照在图2中示出的流程图描述。
在步骤101中由成像单元10提供管状结构的图像，并且在步骤102中由第一提供单元6提供曲率值，所述曲率值对于在沿着管状结构的多个第一部位处的管状结构的曲率是指示性的。第一提供单元6据此提供第一分布。所述曲率值可以在将器械4引入到患者3的管状结构中之前、期间或之后提供。在将器械4引入到患者3的管状结构中之后，在步骤103中由第二提供单元6提供应变值，所述应变值对于器械4在沿着器械4的多个第二部位处的应变是指示性的。第二提供单元7因此提供第二分布。在步骤104中，通过位置确定单元8基于第一和第二分布确定器械4在管状结构之内的位置，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确定的位置生成管状结构的可视化，其中所生成的可视化在步骤106中在输出单元13上显示。步骤102至104可以视作为用于确定器械在管状结构之内的位置的位置确定方法的步骤。
上述位置确定设备能够实现基于应变特征曲线的管内导航，所述管内导航例如借助于光纤应变传感器确定，所述光纤应变传感器可以集成到医疗器械，如导管、导针、支气管镜或其他医疗器械中。
所描述的位置确定设备还有位置确定方法优选调整为，使得其能够实现应变测量与给定的管道形状的结构，也就是说管状结构的实时相关性。管道形状的结构优选从介入前的图像数据中提取，其中基于所提取的管道形状的结构针对穿过管道形状的结构的每个可能的路径来确定医疗器械的标量的曲率特征曲线。这例如可以通过提取相应的血管中线或在血管中预期的器械位置的生物物理模拟进行。所述在多个路径处的多个曲率特征曲线随后作为第一分布提供给介入中映射步骤(intra-interventionellen Mappingschritt)。
在介入期间，确定医疗器械的应变特征曲线，也就是说第二分布，并且与之前确定的曲率特征曲线，即第一分布相关联。在此，在应变特征曲线和相应的曲率特征曲线之间的间距量度，即相异性量度优选选择为，使得考虑曲率和应变之间的非线性的相互关系。
当作为第二分布使用沿着医疗器械的应变特征曲线时，不需要的是，基于至少两个应变特征曲线来确定曲率特征曲线，以便基于曲率特征曲线例如确定医疗器械的三维形状，所述三维形状随后可以映射到管状结构上。因此，具有应变传感器的单个光学纤维或单个光学纤维芯足以确定医疗器械的位置，所述光学纤维或光学纤维芯可低成本制造并且也能相对容易地集成到医疗器械中。
图3示例性地示出管状结构的三维图像并且图4图解说明血管图形31，所述血管图形基于在图3中示出的图像产生并且代表管状结构。血管图形31进而管状结构是分支的并且不是周期性的。
图5示例性地图解说明针对管状结构之内的四个路径的四个曲率值特征曲线32……35，其中沿着竖直轴线绘制曲率K并且沿着水平轴线绘制沿着相应的路径的相应的部位x。也就是说，针对沿着相应的路径的每个部位，基于管状结构计算局部曲率，其中由于在管状结构之内的分支得到不同的路径，所述路径也可以称作为血管树路径(GBP)。局部曲率优选沿着GBP确定。图5因此示出多个第一分布。
沿着医疗器械设置的应变传感器用于逐点地确定应变值，所述应变值可以与管状结构的曲率相关联。在此应注意的是，根据光学纤维相对于相应的路径的取向，各个局部应变传感器可以不受路径的曲率影响。这尤其是如下情况，曲率正交于应变传感器在医疗器械中的位置轴线存在。尽管如此，医疗器械在管状结构之内的位置的准确确定借助于位置确定设备和位置确定方法是可能的。
优选地，位置确定单元8在第一步骤中针对每个可能的GBP确定医疗器械的最可信的位置。为此，针对医疗器械沿着GBP的每个可能的位置，即针对每个候选位置，将沿着相应的GBP的相应的第一分布的曲率值和在医疗器械中的测量的应变值经由距离量度，即经由相异性量度比较。可考虑不同的距离量度，其中在每个可能的距离量度或相异性量度中，从曲率特征曲线和应变特征曲线中，即从第一和第二分布中提取特征，并且基于所述特征确定用于确定的候选位置的第一和第二分布的距离，即相异性值。由此，对于每GBP通过管状结构得到医疗器械沿着相应的GBP的每个可能的位置的，即每个候选位置的可信性，即相异性值。图6示例性地图解说明可信性或相异性值作为用于不同的候选位置p的不同的灰度值。
在一个实施方式中，将如下候选位置理解为医疗器械在确定的GBP中的最可信的候选位置，针对该候选位置已确定最低的相异性值，即针对所述候选位置已确定最小的距离。由于例如噪声，这种位置确定然而可以是有错误的，使得优选将关于之前的时间点的认知一起融合到可信的候选位置的确定中。因此，优选针对每个GBP和针对每个时间点分别确定用于医疗器械相对于相应的GBP的不同的候选位置的相异性值的分布，其中由此得到地图，所述地图也可以称作为能量地图(EKP)并且所述地图在图7中图解说明。
在图7中又示出具有不同的灰度值的EKP38的不同的相异性值，其中EKP38通过不同的候选位置p和不同的时间t展开。也就是说，EKP38包括对应于不同的候选位置p和不同的时间t的相异性值，这在图7中以灰度级示出。医疗器械在GBP中的最可信的位置于是优选通过穿过EKP38的最优路程得到。最优在此优选意味着，沿着穿过EKP38的路程的累积的相异性值最优地通过考虑正则性条件是最小的。最优的正则性条件例如可以考虑，穿过EKP38的路程应当是尽可能短的。也可以考虑，穿过EKP38的路程应当是尽可能直的。技术上，穿过EKP38的每个路程与一定的成本相关联，所述成本从累积的相异性值和最优的正则性中得出。具有最低成本的路程是最优路程，所述最优路程限定针对GBP和针对不同时间的医疗器械的位置。这种最优路程39在图8中示例性地示出。
现在，从每GBP的最可信的位置中确定医疗器械在整个管状结构中的位置。为此，将最优的EKP成本值，即各个GBP的最优路程的路程值相互比较。在一个实施方式中，选择具有最小的路程值的GBP和所属的最可信的位置。所述方式然而也是具有噪声的，使得这会造成有错误的错误确定，尤其因为医疗器械的最终确定的位置在GBP之间来回跳跃。为了防止这种情况，优选使用时间正则化，惩罚在GBP之间的跳跃。为此，将每GBP的最优的路程值的时间走向作为例如最优的成本曲线(OKK)存储。这种OKK40……42在图9中图解说明。图9图解说明OKK40……42，其针对不同的时间t具有不同的最优的路程值W。
时间正则化基于，所有在之前的时间点不是最小的OKK经受惩罚项。在图9中，所述惩罚项示例性地通过双箭头45表示。曲线44基于在经受惩罚项45之后的OKK41，并且曲线43基于再次在应用惩罚项之后的OKK42。惩罚项优选简单地是相加值，所述相加值是预设的并且事先例如可以在校准系统的范围内确定。上述阈值和数值阈值也可以在校准的范围内事先确定。位置确定单元因此如上文所描述的那样优选调整为，在每个时间点从求取的最优路程选择如下最优路程，针对该最优路程已确定最小路程值，其中，在选择具有最小路程值的最优路程之前，针对如下最优路程提高路程值，针对所述最优路程与针对其他最优路程已确定的路程值相比在较早的时间点没有确定最小的路程值。导管在管状结构之内的确定的当前位置在图8中用X标记。
尽管在上述实施方式中分开地示出不同的相异性量度，也可以使用这些相异性量度的组合。例如，可以将两个或更多个相异性量度线性地组合，其中随后可以将所得出的线性组合用于位置确定。
尽管在上文所提及的实施方式中，沿着医疗器械测量标量的应变值，以便确定第二分布，但是在其他实施方式中也可以在沿着医疗器械的相应的部位处确定多个应变值。也就是说，也可以沿着医疗器械在相应的部位处沿至少两个方向确定应变。位置确定于是可以基于所述多分量的应变值和曲率值的第一分布确定。此外，在另一实施方式中，第二分布也可以是曲率值的分布，使得基于曲率值的第一和第二分布确定医疗器械在管状结构之内的位置。曲率值的第二分布也可以基于提到的二分量的或多分量的应变值确定。当基于曲率值的第一和第二分布确定医疗器械在管状结构之内的位置时，这两个分布的曲率值优选是标量的。
公开的实施方式的其他变型可以由本领域技术人员在学习附图，说明书和所附权利要求之后，通过实际应用所要求保护的发明理解和实施。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一”不排除多个。
单个装置或设备可以满足多个在权利要求中提及的对象的功能。在互不相同的从属权利要求中提到特定措施这一事实并不说明，不能有利地使用这些措施的组合。
可以通过任意其他数量的装置或设备执行通过一个或多个装置或设备执行的方法，例如确定器械在管状结构之内的位置，确定相异性量度，确定路程值等。所述方法和/或根据成像方法对成像系统的控制和/或根据位置确定方法对位置确定设备的控制可以作为计算机程序的程序代码机构和/或作为专用硬件实施。
计算机程序可以在适合的介质上储存/提供，例如光学储存介质或固体介质，与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供，然而也能够以其他形式提供，例如经由互联网或其他有线的或无线的通信系统提供。
在权利要求书中的所有附图标记不应理解为对适用范围的限制。

Claims (19)

1.一种用于确定长形的物品(4)的位置确定设备，尤其是用于确定医疗器械在管状结构之内的位置的位置确定设备，其中所述位置确定设备(5)包括：
-第一提供单元(6)，用于提供沿着在所述管状结构之内的路径在多个第一部位处的曲率值的第一分布；
-第二提供单元(7)，用于提供沿着所述物品(4)在多个第二部位处的应变值或曲率值的第二分布；
-位置确定单元(8)，用于基于所述第一分布和第二分布来确定所述物品(4)相对于所述路径的位置。
2.根据权利要求1所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述第一提供单元(6)调整为，提供沿着所述管状结构之内的路径的曲率值的标量分布作为所述第一分布。
3.根据上述权利要求中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述第二提供单元(7)调整为，基于光学应变传感器的光学信号来确定所述第二分布，所述光学应变传感器沿着所述物品(4)设置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，
-将相异性量度应用于针对所述物品(4)相对于所述路径的不同的可能的候选位置的所述第一分布和所述第二分布，其中所述相异性量度调整为，针对所述物品(4)相对于所述路径的每个候选位置提供相异性值，所述相异性值对于在相应的候选位置中的两个分布的相异性是指示性的；
-基于针对不同的候选位置确定的相异性值来确定所述物品(4)相对于所述路径的位置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述第一提供单元(6)调整为，针对在所述管状结构之内的多个路径提供曲率值的第一分布，其中所述位置确定单元(8)调整为，基于所述第一分布和所述第二分布来确定所述物品(4)相对于这些路径中的一个路径的位置。
6.根据权利要求4或5所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，
-针对每个路径确定用于所述物品(4)相对于相应的路径的不同的候选位置的相异性值的分布；
-基于针对不同的路径和不同的候选位置确定的相异性值来确定所述物品(4)相对于所述路径中的一个路径的位置。
7.根据权利要求6所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述第二提供单元(7)调整为，针对不同的时间点提供沿着所述物品(4)的多个第二分布，其中所述多个第二分布对应于所述物品(4)相对于所述管状结构的路径的多个位置，其中所述位置确定单元(8)调整为，
-针对每个路径和针对每个时间点分别确定用于所述物品(4)相对于相应的路径的不同的候选位置的相异性值的分布；
-基于针对不同的路径、不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值，确定所述物品(4)相对于所述路径中的一个路径的位置。
8.根据权利要求7所述的位置确定设备，
其特征在于，
针对不同的时间点和不同的候选位置确定的相异性值可理解为地图，其中针对通过相应的时间点和候选位置确定的不同地点，在所述地图中分别绘制相异性值，其中所述位置确定单元(8)调整为，
-提供路程量度，所述路程量度为穿过相应的地图的路程提供路程值，所述路程在针对最晚时间点的候选位置处终止并且在针对较早时间点的候选位置处起始，所述路程值与沿着相应的路程的相异性值相关；
-针对每个路径借助于所述路程量度确定穿过相应的地图的路程，针对所述路程确定最小路程值，使得针对不同的路径进而针对不同的地图分别求取最优路程；和
-基于针对不同的路径求取的最优路程在考虑针对所述最优路程确定的路程值的情况下，确定所述物品(4)相对于所述路径中的一个路径的位置。
9.根据权利要求8所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，提供路程量度，所述路程量度具有随着沿着相应的路程的相异性值的总和增大而变大的分量。
10.根据权利要求8或9所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，
-针对不同的时间点求取最优路程，使得针对不同的时间点和不同的路径分别确定具有相应的路程值的最优路程，其中，为了针对一个路径和一个确定的时间点确定具有相应的路程值的最优路程，使用针对确定的时间点和针对较早的时间点和针对候选位置求取的相异性值，所述相异性值可理解为对于相应的路径和确定的时间点的地图；
-在每个时间点从求取的最优路程中选择如下最优路程，针对该最优路程已确定最小路程值，其中在选择具有最小路程值的最优路程之前，针对如下最优路程提高路程值，针对所述最优路程与针对其他最优路程已确定的路程值相比在较早的时间点没有确定最小的路程值；
-作为所述物品(4)相对于所述路径中的一个路径的位置确定如下位置，该位置由所选择的最优路程限定。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，以下述方式应用所述相异性量度：
-确定所述第一分布的空间的第一梯度分布；
-确定所述第二分布的空间的第二梯度分布；
-针对沿着所述物品(4)的每个地点，将所述第二分布的相应的梯度与所述第一分布的相应的曲率梯度比较，其中相应的候选位置限定：在相应的地点处将所述第二分布的哪个相应的梯度与所述第一分布的哪个相应的曲率梯度进行比较，其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度，所述子-相异性量度与a)梯度相对于彼此的方向和/或b)所述第一分布的梯度的数值和所述第二分布的梯度的数值相关，其中通过应用子-相异性量度针对每个地点确定子-相异性值；
-将针对候选位置确定的子-相异性值相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。
12.根据权利要求4至10中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，以下述方式应用所述相异性量度：
-确定所述第一分布的局部最大值；
-确定所述第二分布的局部最大值；
-将所述第一分布的每个局部最大值与所述第二分布的局部最大值相关联，使得在相关联的局部最大值之间的所有空间间距的总和是最小的，其中所述第二分布的每个局部最大值与所述第一分布的仅一个局部最大值相关联；
-将在所述第一分布的相关联的局部最大值和所述第二分布的相关联的局部最大值之间的空间间距相加。
13.根据权利要求4至10中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，以下述方式应用所述相异性量度：
-针对沿着所述物品(4)的每个地点，将所述第二分布的相应的值与所述第一分布的相应的值比较，其中相应的候选位置限定：在相应的地点处将所述第二分布的哪个相应的值与所述第一分布的哪个相应的值进行比较，其中针对相应的地点和针对相应的候选位置使用子-相异性量度，当a)所述第一分布的相应的值高于预设的第一阈值或b)所述第一分布的相应的值低于所述第一阈值并且所述第二分布的相应的值低于预设的第二阈值时，所述子-相异性量度为零，而在其他情况下所述子-相异性量度具有正值；
-将针对候选位置确定的子-相异性值相加，以便针对相应的候选位置确定相应的相异性值。
14.根据权利要求4至10中任一项所述的位置确定设备，
其特征在于，
所述位置确定单元(8)调整为，以下述方式应用所述相异性量度：针对相应的候选位置将交叉相关性，尤其是标准化的交叉相关性应用于所述第一分布和所述第二分布。
15.一种成像系统，所述成像系统包括：
-根据权利要求1所述的用于确定长形的物品(4)在管状结构之内的位置的位置确定设备(5)；
-用于提供所述管状结构的图像的成像单元(10)；
-用于基于所提供的图像和确定的位置生成所述管状结构的可视化的可视化生成单元(11)。
16.一种用于确定长形的物品(4)在管状结构之内的位置的位置确定方法，其中所述方法包括：
-通过第一提供单元(6)，提供沿着所述管状结构之内的路径在多个第一部位处的曲率值的第一分布；
-通过第二提供单元(7)，提供沿着所述物品(4)在多个第二部位处的应变值或曲率值的第二分布；
-通过位置确定单元(8)，基于所述第一分布和第二分布来确定所述物品(4)相对于所述路径的位置。
17.一种成像方法，所述成像方法包括：
-通过成像单元(10)提供管状结构的图像；
-通过根据权利要求1所述的位置确定设备，确定长形的物品(4)在所述管状结构之内的位置；以及
-通过可视化生成单元，基于所提供的图像和确定的位置生成所述管状结构的可视化。
18.一种用于确定长形的医疗元件的位置的计算机程序，其中所述计算机程序具有程序代码机构，所述程序代码机构调整为，当所述计算机程序在所述位置确定设备(1)上运行时，引起根据权利要求1所述的位置确定设备执行根据权利要求16所述的位置确定方法。
19.一种成像计算机程序，所述成像计算机程序包括程序代码机构，当计算机程序在成像系统上运行时，所述程序代码机构引起根据权利要求15所述的成像系统执行根据权利要求17所述的成像方法。
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