DE102014108055A1

DE102014108055A1 - Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung

Info

Publication number: DE102014108055A1
Application number: DE102014108055.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wendler
Original assignee: SURGICEYE GmbH
Current assignee: SURGICEYE GmbH
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015185665A1

Abstract

Eine Vorrichtung 1 zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten umfasst: einen Roboterarm 20 mit einer Mehrzahl von Gelenken 22, 24 und einem mittels der Gelenke 22, 24 um mindestens drei Freiheitsgrade bewegbaren Endeffektor 25, wobei die Gelenke ein distales Gelenk 24 umfassen; eine Nuklearsonde 100 mit einem Nukleardetektor 110 zur Detektion von radioaktiver Strahlung und einem Koppelelement 130 zum Koppeln der Nuklearsonde in einer definierten Stellung an den Endeffektor 25 des Roboterarms; ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde 100 angeben; und eine Kontrolleinheit 40. Die Nuklearsonde 100, der Endeffektor 25 und das distale Gelenk 24 sind sterilisierbar und derart dimensioniert, dass die Nuklearsonde 100, der Endeffektor und das distale Gelenk vollständig in den Körper 2 des Patienten einführbar sind und im Körper 2 des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten mittels einer Nuklearsonde, die derart an einen Roboterarm koppelbar ist, dass die Nuklearsonde und ein Teil des Roboterarms in den Patienten eingeführt werden können. Aspekte der Erfindung beziehen sich insbesondere auf eine solche Vorrichtung, die die Nuklearsonde nachführt und die eine Ziel-Position und -Orientierung der Nuklearsonde derart bestimmt, dass die Bildqualität eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds verbessert wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Qualitativ hochwertige Bilderzeugung ist von großem Interesse für einen weiten Bereich von Anwendungen. Insbesondere im medizinischen Bereich, wo die Gesundheit eines Patienten davon abhängen kann, ist eine bestmögliche Bilderzeugung beispielsweise als Basis für Operationen am Patienten erforderlich.
Für gewöhnlich werden medizinische Bilder entweder präoperativ erzeugt, wie etwa durch Computertomographie (CT), Kernspintomographie (NMR, MR, MRI, MRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Einzelphotonen-Emission-Tomographie (SPECT), Ultraschall (US) – oder andererseits intraoperativ (io) erzeugt, wie etwa durch io CT, io MRI, io US, oder Freihand SPECT. Derartige medizinische Bilder können beispielsweise bei Tumoroperationen helfen, anhand der kombinierten anatomischen und funktionellen Information zu entscheiden, welche Gewebeteile herauszuschneiden sind. Wünschenswert sind möglichst aktuelle und hochwertige Bilder, da so vermieden werden kann, gesundes Gewebe zu schädigen oder krankes aus Versehen nicht zu entfernen.
Hochwertige Bilder zu erzeugen stellt hohe Anforderungen an Detektordaten zur Bilderzeugung und an ein Auswertesystem, das diese Daten verarbeiten muss. Das gilt besonders für die Verarbeitung von Detektordaten mit beweglichen Detektoren, die beispielsweise in der Hand getragen/geführt werden.
Der Stand der Technik im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise in US 6,602,488 , US 6,456,869 , US 6,317,622 , US 6,167,296 oder DE 10 2011 053 708 A1 offenbart und ermöglicht das Tracking (die Nachverfolgung) der handgehaltenen Sonden als übliche Diagnosegeräte, insbesondere während eines chirurgischen Eingriffs, sowie Trackingsysteme (Nachverfolgungssysteme) zur Bestimmung der Position und Orientierung von Operationsinstrumenten und Bildgebungsgeräten.
Die Idee des Trackings (Nachführens) von Nuklearsonden wurde beispielsweise in US 6,510,336 und US 6,021,341 offenbart. Wie weiterhin in US 6,643,538 und in US 2004/204646 A1 offenbart, können Nuklearsonden konstruktionsgemäß mit einer Kamera integriert werden.
Das Ausgabesignal von Nuklearsonden ist in der Regel lediglich ein eindimensionales Signal, das zeitlich nicht konstant ist. Die Hauptvorteile solcher Vorrichtungen sind die Tragbarkeit, Einfachheit, und die Möglichkeit ihrer Miniaturisierung zur Untersuchung von Hohlräumen, beispielsweise wenn auf Endoskopen montiert. Da jede Messung darüber hinaus nicht auf eine bestimmte Position bezüglich der vorherigen beschränkt ist, ermöglichen Sonden des Weiteren die Abtastung beliebiger Oberflächen mit einer räumlichen Genauigkeit, die nur durch die Größe des Sensors und die Reichweite der detektierten Nuklearstrahlung begrenzt wird.
Frei bewegbare Nuklearsonden, wie z. B. Gamma- und Beta-Sonden, können den radioaktiven Zerfall von Radionukliden in Tracern messen, die dem Patienten vor dem Eingriff injiziert werden. Der Nachteil dieser Nuklearsonden ist die Tatsache, dass es sich nur um Punktmessungen handelt. Dies erschwert die Wägung des physikalischen Werts auf einer Oberfläche, wenn er sich mit der Position erheblich verändert. Ein weiteres Problem dabei ist die Schwankung der Messergebnisse, welche auf der statistischen Natur des Zerfalls- und Detektionsprozesses basiert, was die Interpretation der Messdaten schwierig und potenziell unzuverlässig macht. Weitere mögliche Ungenauigkeiten können erschwerend hinzukommen, etwa beim Tracking.
Die Verwendung derartiger Sonden zur Kombination von Positions- und Orientierungstracking mit Oberflächenrekonstruktion und Visualisierung wurde in der WO 2007/131561 A2 beschrieben. Dieses Verfahren ist als Freihand-SPECT bekannt und wird bereits bei offen-chirurgischen Eingriffen eingesetzt. Es beinhaltet unter anderem eine Messung der Emission des Zielgewebes, also typischerweise eines im Gewebe des Patienten befindlichen (injizierten) radioaktiven Tracers, der sich in einem Tumor akkumuliert hat, durch eine frei bewegliche Nuklearsonde. Die Nuklearsonde wird durch einen Bediener, d. h. durch Menschenhand, geführt und an verschiedene Positionen bewegt und in verschiedene Orientationen gedreht wird. Durch einen Abgleich der gemessenen Strahlungsintensitäten mit Positionsinformationen über die Sonde selbst werden Informationen über die dreidimensionale Strahlungsverteilung gesammelt, die genutzt werden können, um eine dreidimensionale Strahlungsverteilung zu rekonstruieren.
Die bekannten Nuklearsonden sind in der Regel für Messungen außerhalb des Körpers des Patienten ausgelegt und werden daher über dessen Körperoberfläche geführt, wodurch die zugänglichen Perspektiven für die Strahlungsmessung relativ zum Zielgewebe stark eingeschränkt sind. In der DE 10 2011 121 708 A1 ist darüber hinaus eine als längliches Endoskop ausgestaltete Nuklearsonde beschrieben, deren eines Ende entlang der Längsachse der Nuklearsonde in eine Körperöffnung eingeführt werden kann und somit auch Messungen im Körperinneren erlaubt. Dennoch sind auch hier die Bewegungsmöglichkeiten der Sonde eingeschränkt.
Vor diesem Hintergund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und Verfahren zur intrakorporalen Bildgebung bereitzustellen, insbesondere bei computergeführten Operation mit Nuklearsonden, das gegenüber bekannten Verfahren eine verbesserte Bildqualität und/oder eine verkürzte Detektionszeit liefert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben angesprochenen Probleme werden zumindest teilweise gelöst durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Roboterarm mit einer Mehrzahl von Gelenken (umfassend ein distales Gelenk) und einem mittels der Gelenke um mindestens drei Freiheitsgrade bewegbaren Endeffektor; eine Nuklearsonde mit einem Nukleardetektor zur Detektion von radioaktiver Strahlung und einem Koppelelement zum Koppeln der Nuklearsonde in einer definierten Stellung an den Endeffektor des Roboterarms; ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde angeben; und eine Kontrolleinheit. Die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk sind sterilisierbar und derart dimensioniert, dass die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk vollständig in den Körper des Patienten einführbar sind und im Körper des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind. Die Kontrolleinheit weist auf: ein Pose-Modul, das mit dem Nachführsystem verbunden ist, um die Pose-Daten mit den Informationen über die Position und Orientierung der Nuklearsonde zu empfangen; ein Strahlungs-Modul, das mit der Nuklearsonde verbunden ist, um Strahlungs-Daten mit Information über die detektierte radioaktive Strahlung zu empfangen; ein Synchronisations-Modul zur Synchronisieren der Pose-Daten mit den Strahlungs-Daten; und ein Bilderzeugungs-Modul zum wiederholten Berechnen eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds aus den synchronisierten Pose-Daten und Strahlungs-Daten.
Weitere Merkmale, Aspekte und Details, die mit hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, werden in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen offenbart.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Damit die zuvor aufgeführten Merkmale im Detail besser verstanden werden können, wird eine speziellere Beschreibung mit Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung gegeben. Die beigefügten Abbildungen beziehen sich auf Ausführungsformen der Erfindung und werden im folgenden kurz beschrieben:
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform an einem Operationstisch;
2a und 2b zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht einer Nuklearsonde einer jeweiligen Ausführungsform;
3 zeigt mögliche Bewegungszustände eines Roboterarms mit Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform;
4 und 5 zeigen Abmessungen und Freiheitsgrade eines Roboterarms mit Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform;
6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform;
6b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Koppelelements der Nuklearsonde von 6a gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus des Roboterarms;
6c zeigt eine perspektivische Ansicht eines Nuklearsonde gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6d zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Koppelelements der Nuklearsonde von 6c;
7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Koppelelements gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 und 9a–9b zeigen schematische Querschnittsansichten jeweiliger Koppelelemente gemäß weiterer Ausführungsformen;
10 zeigt schematische Querschnittsansichten von jeweiligen Koppelmechanismuen gemäß weiterer Ausführungsformen;
11a und 11b zeigen Ansichten einer Nuklearsonde (11a) sowie der Nuklearsonde gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus (11b) gemäß einer weiteren Ausführungsform;
12a und 12b sowie 13a und 13b zeigen Ansichten analog zu denen der 11a und 11b für Nuklearsonden und zugehörige Koppelmechanismen gemäß weiterer Ausführungsformen.
14 zeigt mögliche Gestaltungen von Koppelelementen gemäß weiterer Ausführungsformen; und
15 zeigt schematisch die Kontrolleinheit einer Ausführungsform der Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Allgemeine Aspekte
Die hier beschriebenen Verfahren benutzen Computersoftware zur Berechnung von verschiedenen Arten von Bildinformationen aus detektierten Informationen. Die dabei eingesetzten Verfahren und Algorithmen sind dem Fachmann entweder bekannt oder können ohne weiteres unter Einsatz seines Standard-Fachwissens auf Basis der hierin gemachten Angaben geschrieben werden. Sie werden daher nicht im Detail behandelt.
Ferner sind die hierin beschriebenen Module und Teilsysteme (z. B. Nachführsystem, Nuklearsonde, Kamera, Roboterarm, Kontrolleinheit etc.) über Schnittstellen mit mindestens je einer Auswertungseinheit, Ausgabeeinheit und/oder miteinander verbunden. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Schnittstellen können über kabellose Funksysteme oder per Kabel verbunden sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Ferner sind hier genannte Mittel zum Zweck der Berechnung von 3D-Bildern, von Transformationen, Mittel zur Synchronisierung, etc., im allgemeinen als handelsübliche Rechnersysteme (Personal Computer bzw. Workstation) realisiert, auf denen entsprechend den Ausführungsbeispielen Algorithmen in Form von Computerprogrammen realisiert sind.
Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten (bevorzugt einem menschlichen Patienten, die Erfindung ist jedoch auch für Tiere anwendbar), bei der eine Nuklearsonde über ein Koppelelement in einer definierten Stellung an den Endeffektor eines Roboterarms gekoppelt ist. Unter einer definierten Stellung wird eine durch die Geometrie des Koppelelements präzise definierte relative Anordnung von Endeffektor und Nuklearsonde verstanden. Die definierte Stellung ist vorzugsweise eindeutig vorgegeben, oder zumindest eine von wenigen diskreten möglichen Stellungen, etwa von maximal vier, besonders bevorzugt von maximal zwei möglichen Stellungen. Der Roboterarm erlaubt eine Bewegung der Nuklearsonde um mindestens drei Freiheitsgrade, bevorzugt in allen sechs Freiheitsgraden, und erlaubt besonders bevorzugt sogar eine redundante Bewegung, d. h. eine Position der Nuklearsonde ist durch mehr als eine Stellung des Roboterarms erreichbar. Dadurch ist eine hohe Flexibilität der Bewegung möglich, sogar in Gegenwart von Hindernissen für den Roboterarm. Die distale Gelenkeinheit des Roboterarms (d. h. der Endeffektor und das distale Gelenk, die distale Gelenkeinheit entsprechicht einem Handgelenk, englisch „wrist”) erlaubt bevorzugt eine Drehbewegung um alle drei Raumachsen.
Die Nuklearsonde ist gemäß einem Aspekt ungekoppelt von dem Roboterarm in den Körper des Patienten einführbar und erst in dem Körper des Patienten an den Roboterarm koppelbar. Dadurch wird eine erhöhte Flexibilität bei der Einführung in den Körper, und insbesondere eine Einführung sogar durch minimale Operationsöffnungen ermöglicht (z. B. eine Einführung des Roboterarms durch einen Trocar). Die Nuklearsonde kann gemäß einem bevorzugten, aber nicht zwingenden Aspekt vollständig in den Körper des Patienten einführbar sein, und der Roboterarm kann zumindest ab seiner distalen Gelenkeinheit in den Körper des Patienten einführbar sein, etwa über eine Operationsöffnung während eines operativen Eingriffs an einem Patienten. Die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk können insbesondere derart dimensioniert sein, dass sie auch in gekoppeltem Zustand vollständig in den Körper des Patienten einführbar sind. Dies beinhaltet sowohl den Fall, dass diese Einheiten bereits beim Einführen aneinander gekoppelt sind und in gekoppeltem Zustand in die Operationsöffnung einführbar sind, als auch den Fall, dass sie erst nach dem ungekoppelten separaten Einführen im Körper des Patienten gekoppelt werden.
Dadurch ist eine hohe Flexibilität der Bewegung sogar im Körperinneren des Patienten möglich, und die Anzahl der erreichbaren Positionen und Orientierungen im Körperinneren ist erhöht, insbesondere aufgrund des beweglichen einführbaren distalen Gelenks (Handgelenks) des Roboterarms.
Gemäß einem Aspekt weist die Vorrichtung ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde angeben. Der Begriff „Pose” wird hierbei verstanden als sowohl die (3D-)Position eines Objekts im Raum angebend, als auch dessen Orientierung. Die Pose ist im Allgemeinen durch sechs Koordinaten ausdrückbar (3 Lagekoordinaten für die Position und 3 Raumwinkel für die Orientierung).
Das Nachführsystem ermittelt diese Pose-Daten bevorzugt aus der Stellung des Roboterarms, genauer aus der Stellung des Endeffektors, die aus dem Bewegungszustand (Beugungszustand) der Robotergelenke mittels entsprechender Sensoren oder Servomotoren auf bekannte Weise errechnet werden kann. Kenntnis der Stellung des Roboterarms ist ausreichend für die Poseberechnung der Nuklearsonde, da sich die Nuklearsonde aufgrund des erfindungsgemäßen Koppelelements in einer definierten (bekannten) Stellung relativ zu dem Endeffektor befindet.
Alternativ oder zusätzlich kann das Nachführsystem auch unabhängig von dem Roboterarm vorgesehen sein, z. B. durch ein elektromagnetisches Trackingsystem, welches die Lage der Nuklearsonde oder des Endeffektors überwacht. In diesem Fall ist die Nuklearsonde für das Tracking mit einem elektromagnetischen Sensor versehen. In einer weiteren Ausführungsform ist ein (sichtbarer) nachgeführter Teil des Roboterarms (z. B. oberhalb des Endeffektors) mit optischen Markern für die Nachführung versehen. Die Pose der Nuklearsonde errechnet sich dann aus der Pose des nachgeführten Teils sowie der Stellung derjenigen Robotergelenke, die das nachgeführte Teil mit dem Nuklearsensor verbinden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Nachführsystem auch ein ortsfestes oder nachgeführtes Kamerasystem und ein Bilderkennungssystem umfassen. Das Bilderkennungssystem ist eingerichtet, um die Nuklearsonde in einem von dem Kamerasystem aufgenommenen Kamerabild zu erkennen und aus dem Kamerabild die Pose der Nuklearsonde zu errechnen. Bevorzugt umfasst die Nuklearsonde ein Erkennungsmuster, welches an einer definierten Position der Nuklearsonde angebracht (z. B. eingraviert oder aufgemalt oder befestigt) ist, und das Bilderkennungssystem ist eingerichtet, um das Erkennungsmuster zu erkennen. Alternativ kann das Bilderkennungssystem auch eingerichtet sein, um ein Abbild der Nuklearsonde im Kamerabild zu erkennen, und aus dem erkannten Abbild eine Pose der Nuklearsonde zu ermitteln.
Optional kann das Bilderkennungssystem zusätzlich eingerichtet sein, um zumindest einen Abschnitt des Roboterarms ebenfalls zu erkennen und seine Pose zu berechnen, etwa durch Erkennen eines weiteren, an einer definierten Position des Roboterarm-Abschnittes angebrachten Erkennungsmerkmals.
Die Pose-Daten werden gemäß einem Aspekt mit den von dem Nukleardetektor gewonnenen Strahlungs-Daten synchronisiert, und die dadurch gewonnenen Pose-abhängigen gemessenen Strahlungsintensitäten erlauben das Berechnen eines dreidimensionalen Nuklearbilds durch einen Rekonstruktionsalgorithmus auf dem Fachmann bekannte Weise.
Systemkomponenten
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten 2 gemäß Ausführungsbeispielen gezeigt. Der Patient 2 liegt auf einem Operationstisch 4. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Roboterarm 20, der auf einem gegenüber dem Operationstisch in einer definierten Stellung befindlichen Sockel 5 montiert ist. Der Roboterarm 20 weist Armgelenke 22 und ein Handgelenk (distale Gelenkgruppe) 24 auf, welches eine zumindest partielle Drehung um alle drei Raumwinkel erlaubt. Auf einer distalen Seite des Handgelenks 24 befindet sich der Endeffektor 25. Der Endeffektor 25 ist mittels der Gelenke 22 und 24 um alle sechs Freiheitsgrade bewegbar.
An den Endeffektor 25 des Roboterarms 20 ist eine Nuklearsonde 100 gekoppelt. Der Endeffektor und das distale Gelenk 24 des Roboterarms 20 sowie die Nuklearsonde 100 sind durch eine nicht dargestellte Operationsöffnung vollständig in den Körper 2 des Patienten eingeführt, etwa durch einen Trocar (nicht gezeigt).
Weiter ist in 1 eine Kontrolleinheit 40 dargestellt, welche operativ mit dem Roboterarm 20 und mit der Nuklearsonde 100 verbunden ist. Optional kann, wie in 4a dargestellt, ein weiterer Nukleardetektor 4a mit der Kontrolleinheit 40 operativ verbunden sein. Der weitere Nukleardetektor 4a ist stationär an dem Operationstisch angebracht, etwa unterhalb des Operationstisches. Der weitere Nukleardetektor 4a kann optional einen Kollimator und/oder eine Nuklearkamera aufweisen, um ein ortsaufgelöste Nuklearmessungen vorzunehmen. Die Kontrolleinheit 40 ist ausgestattet, um Detektordaten des weiteren Nukleardetektors 4a mit den Detektordaten der Nuklearsonde 100 zu synchronisieren und aus beiden Detektordaten ein dreidimensionales Nuklearbild zu rekonstruieren, etwa mittels eines PET Rekonstruktionsverfahrens oder eines Compton-Kamera-Rekonstuktionsverfahrens. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Nukleardetektors 4a ein noch genaueres bzw. rauschärmeres bzw. rasch generiertes Bild der dreidimensionalen Strahlungsverteilung gewonnen werden.
Der Endeffektor 25 bzw. die auf definierte Weise damit gekoppelte Nuklearsonde 100 wird in Ausführungsformen durch ein Nachführsystem nachgeführt, d. h. eine Pose derselben wird fortlaufend erfasst. Das Nachführsystem erfasst die Pose in der Regel in einem Koordinatensystem relativ zu dem Operationstisch 4. Damit der Patient 2 eine definierte Lage in dem Koordinatensystem einnimmt, ist es bevorzugt, dass der Patient für die Dauer der Messung relativ zum Operationstisch 4 unbewegt bleibt.
Um kleine Bewegungen des Patienten auszugleichen, kann in Ausführungsbeispielen auch mindestens ein Marker als Patienten-Referenz an dem Patienten 20 fixiert werden. Die Position dieser Patienten-Referenz wird während der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über Mittel zum Bestimmen der Referenz-Pose der Patienten-Referenz relativ zu dem Koordinatensystem des Nachführsystems bestimmt (etwa über ein optisches Trackingsystem). Unter Verwendung der Referenz-Pose wird sodann eine Koordinatentransformation der Pose der Nuklearsonde in ein effektives Koordinatensystem durchgeführt, welches relativ zu der Patienten-Referenz und somit zur Lage des Patienten 2 (dem mindestens einen Marker) ortsfest ist.
Nuklearsonde
Die Nuklearsonde 100 ist in größerem Detail in 2a dargestellt. Die Nuklearsonde 100 weist eine Ummantelung 140 aus einem gegenüber Nuklearstrahlung abschirmenden Material, z. B. Wolfram für Gamma-Strahlung, auf. Innerhalb der Ummantelung ist ein Detektor 116 zur Detektion von radioaktiver Strahlung angebracht. Der Detektor 116 und somit die Nuklearsonde 100 ist dabei typischerweise zur Detektion von Gamma-Strahlung, Beta-Strahlung, oder beidem ausgelegt.
Der Detektor 16 umfasst als detektierendes Element z. B. einen Szintillator-Kristall und einen Photomultiplier, der vom Szintillator erzeugtes Licht in Elektrizität umwandelt. Durch ein Kabel 102 ist der Photomultiplier mit der Außenwelt verbunden. Durch eine Öffnung in der Ummantelung 140 kann Nuklearstrahlung zum Detektor gelangen und von diesem detektiert werden. Die Öffnung definiert ein Sichtfeld 115 um eine Sichtachse A des Detektors. Die Ummantelung 114 umgibt den Detektor 116 derart, dass der Detektor 16 im Wesentlichen nur für Nuklearstrahlung aus dem Sichtfeld empfindlich ist.
Alternativ kann der Detektor auch nur durch einen Szintillator gebildet sein und durch eine optische Faser mit einem außerhalb der Nuklearsonde liegenden Photomultiplier verbunden sein. Als weitere Alternative kann der Detektor auch vom Typ „Direct Conversion” sein, der etwa Gammastrahlung direkt (ohne den Zwischenschritt über einen Photodetektor) in ein elektrisches Signal umwandelt. Dies ist etwa bei einem CdZnTe Detektor der Fall.
Die Nuklearsonde 100 von 2a weist außerdem ein Koppelelement 130 zum Koppeln der Nuklearsonde 100 in einer definierten Stellung an den Endeffektor 25 des Roboterarms (s. 1). Das Koppelelement ist in 2a lediglich schematisch dargestellt und weiter unten genauer beschrieben.
Die Nuklearsonde 100 ist in der schematischen Zeichnung von 2a rechteckig dargestellt. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Nuklearsonde kantenlos gestaltet ist, z. B. im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist.
2b zeigt weitere optionale Details der Nuklearsonde 100, für die ansonsten die Beschreibung der 2a gilt. Die Nuklearsonde 100 kann einen Kollimator 112 aufweisen, der aus einem gegenüber Nuklearstrahlung abschirmenden Material, z. B. Wolfram, hergestellt ist. Der Kollimator definiert in diesem Fall die oben beschriebene Sicht und die Sichtachse A. Der Kollimator 112 kann ein Pinhole-Kollimator mit einer einzigen Öffnung oder ein Multi-Hole-Kollimator wie etwa in 2b dargestellt sein, z. B. vom Typ Multi-Pinhole, Parallel-Hole, Converging, Diverging, und/oder Aperture-Coded.
Gemäß einem Aspekt kann die Nuklearsonde auch mehrere Detektoren umfassen, etwa als ein Array (Nuklearkamera) oder als ein Detektorstapel von Detektoren.
Der Kollimator 112 entspricht der Öffnung von 2a und hat ein Sichtfeld 115 mit einer Sichtachse A, wobei die Sichtachse A des Sichtfelds parallel zu einer Achse (Längsachse) der Nuklearsonde 100 bzw. ihrer Ummantelung 114 gerichtet ist. Der Kollimator 112 ist jedoch nicht zwingend. Alternativ ist es möglich, die Nuklearsonde auch ohne Kollimator vorzusehen, um etwa bei einer Koinzidenz- und Energiemessung mittels eines Detektorpaares. Hierbei ist der in der Nuklearsonde umfasste Detektor ein erster Detektor des Detektorpaares, und ein weiterer Detektor des Detektorpaares ist außerhalb der Nuklearsonde angebracht, etwa als weiter unten beschriebener optionaler Detektor 4a.
Optional ist weiter eine optische Kamera 9 starr an der Nuklearsonde 100 angebracht. Die Kamera kann eine endoskopische Kamera sein, etwa für (nicht-limitierend) ein Laparoskop, ein Laryngoskop, ein Rynoskop, ein Arthroskop, ein Epiduroskop, ein Ösophagoskop, ein Gastroskop, ein Enteroskop, ein Anoskop, ein Rektoskop, ein Colonoskop, ein Symodoiskop, ein Proktoskop, ein Zystoskop, ein Gynoskop, ein Kolposkop, ein Histeroskop, ein Falloposkop, ein Bronchoskop, ein Thorakoskop, ein Mediastinoskop, ein Otoskop, oder ein Duktoskop. Eine optische Achse der Kamera ist vorzugsweise parallel zur Achse A ausgerichtet.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Ultraschallgeber und -sonde an der Nuklearsonde angebracht sein, um zusätzliche Bildinformation aus Ultraschallmessungen zu generieren.
Im Folgenden werden, durch 2a und 2b illustriert aber nicht auf die darin dargestellten Ausführungsformen beschränkt, bevorzugte Aspekt in Bezug auf die Gestaltung und Dimensionierung der Nuklearsonde beschrieben. Gemäß einem Aspekt ist ein maximaler Durchmesser dmax der Nuklearsonde 100 (ohne Kabel) kleiner als 3 cm. Mit anderen Worten ist dmax der größte Durchmesser in irgendeiner Richtung bzw. die Nuklearsonde 100 passt vollständig in eine gedachte Kugel vom Duchmesser dmax. Gemäß einem Aspekt hat die Nuklearsonde eine Längsachse, und die Sichtachse A des Kollimators erstreckt sich parallel zur Längsachse. Gemäß einem Aspekt beträgt eine Länge 1 der Nuklearsonde (entlang der Längsachse bzw. der Sichtachse A) weniger als 4 cm. Gemäß einem Aspekt beträgt ein maximaler Querdurchmesser h der Nuklearsonde (quer zur Längsachse bzw. zur Sichtachse A) weniger als 5 cm. Gemäß einem Aspekt ist ein Seitenverhältnis Lmax/Lmin der Nuklearsonde zwischen 1 und 2 (wobei die Maximalausdehnung Lmax in Richtung der größten Maximalausdehnung Lmax und die Minimalausdehnung Lmin in Richtung der kleinsten Maximalausdehnung Lmin gemessen ist).
Roboterarm, Bewegung
3 illustriert die Möglichkeiten der Bewegung der Nuklearsonde 100 durch den Roboterarm 20, der durch eine operative Öffnung 2b ins Innere des Körpers 2 des Patienten eingeführt ist. Obwohl die Bewegungsmöglichkeiten des Roboterarms durch die Öffnung 2b stark eingeschränkt sind, erlaubt der Roboterarm eine Positionierung der Nuklearsonde 100 in einem weiten Bereich. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass der Endeffektor 25 und vorzugsweise auch das distale Gelenk 24 vollständig in den Körper 2 des Patienten einführbar sind, und im Körper 2 des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind.
Auch erlaubt der Roboterarm eine Positionierung auf verschiedenen Seiten des Zielgewebes 2a und somit eine Betrachtung des Zielgewebes durch die Nuklearsonde 100 von verschiedenen Seiten. Hierdurch ist eine optimierte Bildgebung möglich. Diese Positionierung wird durch die hohe Anzahl von Freiheitsgraden des distalen Gelenks 24 und durch die kompakten Maße der Nuklearsonde 100 erreicht.
Dimensionen und Ausgestaltungen des Roboterarms und der Nuklearsonde, die eine besonders günstige Betrachtung des Zielgewebes erlauben, sind in 4 und 5 dargestellt. Illustriert durch diese Figuren werden im Folgenden einige allgemeine bevorzugte Aspekte der Erfindung im Hinblick auf Dimensionen und Ausgestaltungen des Roboterarms und der Nuklearsonde beschrieben.
Es stellt einen bevorzugten Aspekt dar, dass der Roboterarm derart gestaltet ist, dass ein Winkel zwischen einer Achse des Endeffektors 25 (definiert durch eine mittige Verbindungslinie zwischen dem distalen Gelenk 24 (bzw. seinem Bewegungszentrum) und dem Kopplungsmechanismus 23) und einer Sichtachse A der Nuklearsonde 100 weniger als 60° und vorzugsweise weniger als 45° beträgt. Es stellt einen weiteren bevorzugten Aspekt dar, dass der Endeffektor 25 und/oder das distale Gelenk 24 und/oder die darangekoppelte Nuklearsonde 100 an keiner Stelle einen Querschnitt (quer zur Verbindungslinie) mit Durchmesser von mehr als 8 cm aufweist.
Es stellt einen weiteren bevorzugten Aspekt dar, dass ein Abstand d1 zwischen dem distalen Gelenk 24 (genauer seinem Bewegungszentrum) und der Nuklearsonde 100 (genauer ihrer Sichtachse) weniger als 6 cm beträgt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt ist ein Abstand d2 zwischen dem distalen Gelenk und dem davor liegenden weiteren Gelenk zwischen 5 cm und 20 cm (Abstand zwischen den jeweiligen Bewegungszentren der Gelenke). Gemäß einem weiteren Aspekt hat der Endeffektor 25 eine Länge von weniger als 7 cm und/oder einen maximalen Querdurchmesser von weniger als 2 cm.
Das oben genannte distale Gelenk 24 kann auch durch eine Gelenkgruppe gebildet sein. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt hat die distale Gelenkgruppe zumindest ein Drehgelenk und erlaubt bevorzugt eine Drehung um zwei oder sogar drei unabhängige Raumwinkel. Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk zumindest um einen Raumwinkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 180° (siehe 5). Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk zumindest um zwei unabhängige Raumwinkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 90° oder sogar 180° (siehe 5). Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk um jeden der drei unabhängigen Raumwinkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 60°.
Koppelelement und Kopplungsmechanismus
Im Folgenden werden mit Bezug auf 6–14 weitere Details zu dem Koppelmechanismus 23 und dem Koppelelements 130 beschrieben. 6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Nuklearsonde 100. Die Nuklearsonde 100 hat ein zylindrisches Gehäuse mit Achse A, die gleichzeitig auch die Sichtachse des Nukleardetektors darstellt (s. 2a, 2b). Zusätzlich weist die Nuklearsonde 100 ein Koppelelement 130 auf, das durch einen profilierten hinteren Endabschnitt der Nuklearsonde gebildet wird.
Wie in 6b im Querschnitt dargestellt ist, wird der Koppelmechanismus hier durch einen Greifer 230 mit zwei Fingern 232a, 232b gebildet. In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich um einen Greifer des minimalinvasiven da Vinci^®-Systems. Die Finger 232a, 232b sind zum Greifen und Loslassen um eine Achse zueinander hin und voneinander weg schwenkbar. Das Koppelelement 130 ist gestaltet, um durch Finger 232a, 232b des Greifers 230 gegriffen zu werden. Hierzu weist das Koppelelement 130 zwei sich parallel zur Achse A erstreckende Greifabschnitte 132a, 132b auf. Die Greifabschnitte 132a, 132b definieren jeweilige Ebenen, die sich in einer außerhalb der Nuklearsonde 100 parallel zur Achse A verlaufenden Geraden schneiden.
6c und 6d zeigen eine mögliche Ausführung des in 6b dargestellten Aufbaus in größerem Detail. Die Greifabschnitte 132a (nicht sichtbar in 6c) und 132b des Koppelelements 130 sind in einer jeweiligen Vertiefung der Nuklearsonde 100 angebracht, und diese Vertiefungen definieren eine eindeutige Längsposition für den Greifer 230 bzw. dessen Finger 232a, 232b entlang der Achse A (s. 6a).
Das Koppelelement 130 weist weiter an jedem der Greifabschnitte 132a, 132b ein Vorsprungselement 136 auf, welches gestaltet ist, um mit einer Öffnung 236 des entsprechenden Finger 232a bzw. 232b einzugreifen. In dem in 6c dargestellten Beispiel ist die Öffnung 236 als Langloch ausgestaltet, und das Vorsprungselement 136 ist gestaltet, um in ein distales Ende des Langlochs einzugreifen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Nuklearsonde 100 sicher von dem Greifer 230 gegriffen und in einer eindeutigen Position fixiert werden kann.
Bei der in 6a–6d dargestellten Nuklearsonde 100 ist das Koppelelement 130 derart gestaltet, dass die Achse A der Nuklearsonde 100 senkrecht zu einer Mittelachse des Greifers 230 (Mittelachse der durch die Finger 232a, 232b definierten Linien) verläuft. 7 stellt eine alternative Ausführung dar, bei der die Achse A der Nuklearsonde 100 parallel zu der Mittelachse des Greifers 230 verläuft. Die Ausführung von 7 hat den Vorteil, dass das Sichtfeld der Nuklearsonde 100 für den Benutzer intuitiv einfach zu erfassen ist, da es in Bezug auf eine Steuerung des Greifers nach vorne gerichtet ist. Gemäß eines bevorzugten Aspekts beträgt der Winkel zwischen der Achse A der Nuklearsonde 100 und der Mittelachse des Greifers 230 weniger als 45°, vorzugsweise sogar weniger als 30°, und besonders bevorzugt sind die beiden Achsen im Wesentlichen parallel (d. h. Abweichung von weniger als 10°). Ein weiterer allgemeiner Aspekt ist, dass das Koppelelement 130 spiegelsymmetrisch gestaltet ist, wie etwa in 6d zu sehen ist.
8 und 9a–9b zeigen schematisch mögliche Variationen des Koppelelements 130 von 6d, in denen das Vorsprungselement 136 variiert bzw. ersetzt ist. In 8 sind auf einem der beiden Greifabschnitte ein Vorsprungselement 136a, und auf dem anderen zwei Vorsprungselemente 136b vorgesehen. Somit ist das Koppelelement 130 nicht mehr spiegelsymmetrisch gestaltet. Die Finger des Greifers (nicht dargestellt) weisen zu den Vorsprungselementen 136a, 136b komplementär gestaltete Aussparungen auf, so dass der Greifer das Koppelelement nur in genau einer Orientierung greifen kann, wogegen die andere Orientierung ausgeschlossen ist.
In 9a sind die Vorsprungselemente des Koppelelements 130 durch Aussparungen 137 ersetzt, und die Finger des Greifers (nicht dargestellt) weisen zu den Aussparungen 137 komplementäre Vorsprungselemente auf. Auch ist eine Kombination aus Aussparungen und Vorsprungselementen am Koppelelement 130 möglich.
9b zeigt eine mögliche Anordnung von Aussparungen 137 in einer Draufsicht auf einen Greifabschnitt 132 (der dem in 6a–d dargestellten Greifabschnitt 132a und/oder 132b entspricht). Hier sind drei kreisförmige Aussparungen zu sehen. Diese Figur illustriert, dass die Aussparungen (und/oder Vorsprünge) in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sein können, das nicht auf einer einzigen Linie liegt. Dadurch lässt sich die eindeutige Anordnung der Nuklearsonde gegenüber dem Kopplungsmechanismus in noch stabilerer und präziserer Weise realisieren. Gemäß einem Aspekt hat die definierte Stellung der Nuklearsonde gegenüber dem Kopplungsmechanismus eine Toleranz von weniger als 1 mm, d. h. die definierte Stellung ist innerhalb dieser Toleranz reproduzierbar.
10a–10h zeigen schematische Querschnittsansichten von jeweiligen Koppelmechanismen, die gemäß einem Aspekt der Erfindung austauschbar oder sogar in Kombination in jeder Ausführungsform verwendet werden können, wobei die Kopplungselemente der Nuklearsonde 100 dann entsprechend angepasst sind. Die Pfeile in 10a–10h zeigen die Bewegung von Elementen des jeweiligen Kopplungsmechanismus zum Fixieren der Nuklearsonde 100 dar.
10a stellt den bereits in 6b gezeigten Greifer 230 mit zwei schwenkbaren Fingern 232a, 232b dar. 10b stellt eine Variation desselben dar, bei der die Finger 232a, 232b parallel zueinander ausgerichtet sind und zum Fixieren der Nuklearsonde 100 lateral zueinander hin verschoben werden können. Ensprechend sind auch die Greifabschnitte der Nuklearsonde 100 parallel zueinander angeordnet. Der in 10a, 10b gezeigte Greifer 230 ist somit mit Greifbereichen an den Innenseiten der Finger 232a, 232b ausgestattet, die eine hafterhöhende Beschichtung und/oder Textur aufweisen können.
Die in 10c und 10d dargestellten Innengreifer 250 sind Variationen der Greifer von 10a und 10b, bei denen die Nuklearsonde 100 durch Auseinanderbewegen der Finger 252a, 252b fixiert wird. Zu diesem Zweck ist das Koppelelement 130 als Öffnung mit zwei zueinanderweisenden Greifabschnitten ausgeführt, und der Innengreifer 250 ist gestaltet, um in die Öffnung eingefahren und durch Auseinanderbewegen die Finger 252a, 252b von Innen gegen die Greifabschnitte gepresst werden können. Der in 10c, 10d gezeigte Innengreifer 250 ist somit mit Greifbereichen an den Außenseiten der Finger 252a, 252b ausgestattet, die eine hafterhöhende Beschichtung und/oder Textur aufweisen können.
Weiter ist in 10c der allgemeine Aspekt illustriert, dass die Finger 252a, 252b nicht gerade sein müssen, sondern auch Knicke oder allgemeiner eine gekrümmte Form aufweisen können. Dieser Aspekt ist in 10e–g auch für den Greifer 230 gezeigt. Die Greifabschnitte des Koppelelements 130 sind entsprechend gekrümmt, um die Finger zu kontaktieren, so dass die Kopplung durch die Krümmung fixiert und stabil gehalten wird.
10h zeigt eine weitere Variation, in der der Greifer durch einen schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 ersetzt ist. Das Koppelelement 130 weist ein Durchgangsloch auf und der schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 weist eine Schraubenmutter auf. Eine Schraube 262 kann durch das Durchgangsloch hindurch am schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 festgeschraubt werden und somit das Koppelelement 130 am schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 fixieren.
Weitere Variationen sind möglich. Beispielsweise kann in einer Variation der 10a–10g nur einer der Finger bewegbar und der andere Finger starr sein. Jegliche lösbare Befestigungsart kann als Kopplungsmechanismus herangezogen werden. Vorzugsweise ist der Kopplungsmechanismus innerhalb des Patientenkörpers koppel- und lösbar (was beispielsweise nicht für den schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 von 10h gilt, weswegen die übrigen Ausführungsformen noch mehr bevorzugt sind).
11a zeigt eine Nuklearsonde 100 mit einem Koppelelement 130, welches an den Koppelmechanismus 230 der 10b angepasst ist. In 11b ist diese Nuklearsonde in einem seitlichen Querschnitt gemeinsam mit dem Koppelmechanismus 230 der 10b dargestellt. Das Koppelelement 130 weist zwei Greifabschnitte 132a, 132b dar, die flächig und parallel zueinander angeordnet sind, um von den Fingern 232a, 232b des Kopplungsmechanismus 230 gegriffen zu werden.
12a und 12b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Nuklearsonde 100 mit Koppelelement 134 (12a) und eines zugehörigen Koppelmechanismus 240 (12b). Das Koppelelement 134 ist als Öffnung (genauer als Sackloch) in der Nuklearsonde 100 ausgebildet, und der Koppelmechanismus 240 ist komplementär zu der Öffnung gestaltet, so dass der Koppelmechanismus 240 in das Koppelelement 134 einführbar ist und in vollständig eingeführtem Zustand die Nuklearsonde 100 in einer eindeutigen Relation festhält.
Zusätzlich weist das Koppelelement 134 und der Koppelmechanismus 240 eine Fixiervorrichtung (nicht dargestellt) zum Fixieren des in das Koppelelement 134 vollständig eingeführten Koppelmechanismus 240 auf. Die Fixiervorrichtung kann etwa eine mechanische Einschnapp-Vorrichtung oder eine hydraulische Fixiervorrichtung (bei der das Koppelelement 134 und/oder der Koppelmechanismus 240 zum Festklemmen/Lösen der Fixierung ihr Volumen ändern können) oder eine Permanentmagneten und/oder Elektromagneten umfassende magnetische Vorrichtung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Koppelelement 134 ein (para- oder ferro-)magnetisierbares Material, und der Kopplungsmechanismus 240 umfasst einen Elektromagneten (eine Magnetspule), der derart angeordnet ist, dass bei eingeschaltetem Elektromagneten der in das Koppelelement 134 eingesetzte Kopplungsmechanismus 240 durch den Elektromagneten darin festgehalten wird, und bei ausgeschaltetem Elektromagneten das Festhalten gelöst wird. Alternativ kann der Elektromagnet statt in dem Kopplungsmechanismus 240 auch in dem Koppelelement 134 angebracht sein; dies hat den Vorteil, dass die Stromversorgung der Nuklearsonde 100 auch für den Elektromagneten benutzt werden kann.
13a und 13b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Nuklearsonde 100 mit Koppelelement 135 (13a) und eines zugehörigen Koppelmechanismus 250 (13b). Hier ist die Anordnung umgekehrt zur Ausführung von 12a und 12b: Der Koppelmechanismus 250 weist eine Öffnung 254 (genauer ein Sackloch) auf, und das Koppelelement 135 ist komplementär zu der Öffnung gestaltet, so dass das Koppelelement 135 in die Öffnung 254 einführbar ist und in vollständig eingeführtem Zustand in einer eindeutigen Relation festgehalten wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kopplungsmechanismus 250 ein (para- oder ferro-)magnetisierbares Material, und umfasst das Koppelelement 135 einen Elektromagneten, der derart angeordnet ist, dass bei eingeschaltetem Elektromagneten das in die Öffnung 254 des Kopplungsmechanismus eingesetzte Koppelelement 135 durch den Elektromagneten darin festgehalten wird, und bei ausgeschaltetem Elektromagneten das Festhalten gelöst wird; dies hat den Vorteil, dass die Stromversorgung der Nuklearsonde 100 auch für den Elektromagneten benutzt werden kann. Alternativ kann der Elektromagnet statt in dem Koppelelement 135 auch in dem Kopplungsmechanismus 250 angebracht sein.
Statt eines Elektromagneten wie oben beschrieben können auch andere lösbare Verbindungsmittel verwendet werden, etwa ein einrastbarer Klick-Verschluss.
Die Querschnittsform der in 12a, 12b gezeigten Öffnung 134 ist dreieckig. 14 zeigt mögliche weitere Gestaltungen der Öffnung 134, die alternativ eingesetzt werden können, etwa eine Trapezform (14a), eine Dreiecksform wie in 12a (14b), eine Kreisform (14c) oder eine ovale Form (14d). Der Kopplungsmechanismus 240 ist dann komplementär gestaltet und weist die analoge Querschnittsform auf. Die Ausführungsform der 13a, 13b ist analog anpassbar.
Im Folgenden werden, durch 6–14 illustriert aber nicht auf die darin dargestellten Ausführungsformen beschränkt, weitere mögliche allgemeine Aspekt in Bezug auf die Gestaltung und Dimensionierung des Koppelmechanismus 23 und des Koppelelements 130 beschrieben. Gemäß einem Aspekt weist der Endeffektor 25 einen Koppelmechanismus 23 auf, der zum Wechselwirken (etwa Eingreifen) mit dem Koppelelement ausgestaltet ist derart, dass die definierte Stellung der Nuklearsonde an den Endeffektor durch die Wechselwirkung zwischen Koppelmechanismus 23 und dem Koppelelement 130 festgelegt wird.
Der Koppelmechanismus kann, wie in 6–11 dargestellt, durch eine Greifhand 230 des Endeffektors realisiert. Es kann sich beispielsweise um die Greifhand des DaVinci (Markenname) Operationsroboters handeln. Das Koppelelement 130 ist durch ein an der Nuklearsonde befestigtes Halteelement realisiert, welches derart geformt ist, dass das Halteelement 130 durch die Greifhand in genau einer Stellung stabil gehalten wird. Das Halteelement 130 kann eine Protrusion umfassen; es kann alternativ auch durch eine Mehrzahl von Einkerbungen in der Nuklearsonde gebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Wechselwirkung zwischen dem Koppelmechanismus 23 und dem Koppelelement 130 durch eine Schraubverbindung, eine magnetische Verbindung, eine Steckverbindung, mittels Unterdruck, Klemmen, oder durch eine Kombination daraus erfolgen. Die Wechselwirkung kann kraftschlüssig oder formschlüssig sein. Vorzugsweise weisen Koppelelement 130 und Koppelmechanismus 23 mechanische Eingriffs- bzw. Anschlagselemente auf, die eine eindeutige Relativlage zwischen Nuklearsonde und Endeffektor definieren.
Vorzugsweise sind Koppelelement 130 und Koppelmechanismus 23 asymmetrisch gestaltet. Das Koppelelement 130 kann beispielsweise auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Nuklearsonde 100 jeweils ein Profil für einen Eingriff mit dem Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) aufweisen. Die die Profile auf den beiden gegenüberliegenden Seiten können sich voneinander unterscheiden. Zumindest eines der Profile und vorzugsweise beide Profile können eine Erhebung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Aussparung des Koppelmechanismus, und/oder eine Aussparung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Erhebung des Koppelmechanismus aufweisen. Umgekehrt kann auch der Koppelmechanismus ein solches Profils mit Erhebung(en) und/oder Aussparung(en) aufweisen.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt ist die Verbindung zwischen Roboterarm bzw. Koppelmechanismus 23 und Nuklearsonde bzw. Koppelelemente 130 lösbar, vorzugsweise sogar im Inneren des Patientenkörpers 2 lösbar.
Kontrolleinheit und Bildrekonstruktion
15 zeigt die in 1 dargestellte Kontrolleinheit 40, weitere Elemente und Verbindungen dazwischen in größerem Detail. Die Nuklearsonde 100 und der Roboterarm 20 sind wie in 1 beschrieben. Ferner sind eine Robotersteuerung 55 und ein Nachführsystem 56 dargestellt.
Die Robotersteuerung 55 ist zum Senden von Steuerbefehlen an Aktuatoren, die eine Bewegung der Gelenke 22, 24 des Roboterarms veranlassen, ausgestattet. Das Nachführsystem 56 ist zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde 100 angeben, ausgestattet. Als Mittel zum Bestimmen der Position und Orientierung der Sonde 100 kommen unterschiedliche Techniken in Betracht, etwa ein optisches oder ein magnetisches Tracking-System. Bevorzugt ist ein System, welches den Bewegungszustand (Beugungszustand) der Gelenke des Roboterarms abruft und daraus die Pose des Effektuators bzw. der Nuklearsonde ermittelt. Dieses Nachführsystem 56 kann in der Robotersteuerung integriert sein. Die Darstellung in 15 zeigt zwar verschiedene funktionelle Einheiten als verschiedene Kästen, dies bedeutet jedoch nicht, dass es sich um verschiedene physikalische oder programmiertechnische Einheiten handeln muss. Vielmehr können zwei in 15 als verschieden dargestellte Einheiten innerhalb der gleichen Hardware- oder Software-Komponente bereitgestellt sein.
Weiter ist in 15 die Kontrolleinheit 40 dargestellt. Die Kontrolleinheit 40 hat ein Pose-Modul 50, ein Strahlungs-Modul 60, ein Synchronisations-Modul 70, ein Bilderzeugungs-Modul 80, ein Qualitätswerts-Modu 190, und ein Zielpose-Modul 95.
Das Pose-Modul 50, ist mit dem Nachführsystem 56 verbunden, um die Pose-Daten mit den Informationen über die Position und Orientierung der Nuklearsonde 100 zu empfangen. Das Strahlungs-Modul 60 ist mit der Nuklearsonde 100 (genauer mit dem in 2a gezeigten Detektor 16) verbunden, um Strahlungs-Daten mit Information über die detektierte radioaktive Strahlung bzw. deren Intensität zu empfangen. Beide Module 50 und 60 sind ausgestattet, um die jeweils empfangenen Daten mit einer zugehörigen Zeit-Information abzulegen. Das Synchronisations-Modul 70 ist mit den Modulen 50, 60 verbunden, um die Pose-Daten mit den Strahlungs-Daten zu synchronisieren, d. h. gleichzeitige Mess-Informationen (Pose-Daten und Strahlungs-Daten) einander zuzuordnen. Als Ergebnis liefert das Synchronisations-Modul 70 daher Datenpaare von Strahlungs-Daten (Intensitäten) mit zugehörigen Pose-Daten der Nuklearsonde 100.
Das Bilderzeugungs-Modul 80 ist mit dem Synchronisations-Modul 70 zum Empfangen dieser Datenpaare verbunden und konfiguriert zum wiederholten Berechnen eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds aus den Datenpaaren. Das Bilderzeugungs-Modul ist gemäß einer Ausführungsform zum iterativen Bestimmen einer dreidimensionalen Strahlungsverteilung konfiguriert, welche maximal konsistent ist mit den gemessenen Strahlungs-Daten. Ein solches Programm ist dem Fachmann bekannt (etwa die eingangs erwähnte Freihand-SPECT-Bildrekonstruktion) und beispielsweise in der DE 10 2011 053 708 A1 und den darin zitierten Referenzen beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird aus den Pose-Daten (d. h. unter Verwendung von und in Abhängigkeit von den Pose-Daten) ein (hierin bedeutet „ein” immer mindestens ein) Qualitätswert Q errechnet, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt. Dies geschieht gemäß einer Ausführungsform während der typischerweise kontinuierlich durchgeführten Messung der detektierten Strahlungsintensität durch die Nuklearsonde. Der Begriff „Qualitätswert”, hier allgemein mit Q bezeichnet, repräsentiert einen im Kontext dieser Anmeldung verwendeten Parameter, der geeignet ist, die Qualität der hierin behandelten Bild-Darstellung der ermittelten Strahlungsverteilung zu repräsentieren und in rechnergestützten Verfahren verarbeitet zu werden. Beispiele für den Qualitätswert sind weiter unten angeführt. Der derart definierte Qualitätswert ist auch direkt aus den Daten des Synchronisations-Modul berechenbar, ohne zwingend ein Bild zu rekonstruieren.
Dieser Parameter Q kann dann zur Optimierung des Bilds benutzt werden, etwa um den Nutzer darauf hinzuweisen, dass er die Sonde noch an eine andere Lage/Position bewegen sollte zur Verbesserung der aufgenommenen Datenbasis. In einer weiteren Variante kann die Qualitätsbeurteilung dazu benutzt werden, dem Benutzer gezielt eine bestimmte (oder mehrere verschiedene/alternative) neue Position/Lage der Sonde vorzuschlagen, um durch eine gezielte Positions- und oder Lageveränderung der Sonde durch den Nutzer die Qualität des aus den Sondendaten ermittelten 3D-Bildes zu erhöhen; ferner kann der Qualitätswert dazu benutzt werden, die Position der Sonde ohne Zutun eines Nutzers durch Aktuatoren zu verändern, etwa durch Ansteuerung eines Roboterarms, der die Nuklearsonde führt.
Die Darstellung der Bildqualität durch Q erlaubt es, eine Ziel-Pose (Ziel-Position und Ziel-Orientierung) der Nuklearsonde unter der Nebenbedingung zu bestimmen, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt. Bevorzugt dient hierzu ein Prognosewert für Q als Funktion der Pose, der in Abhängigkeit der Pose (und optional von bisher eingenommenen Posen) simuliert wird. Die Ziel-Pose ist dann diejenige Pose, die gemäß einem Optimierungsalgorithmus – optional mit weiteren Randbedingungen – den Prognosewert für Q optimiert. Die Ansteuerung der Ziel-Pose führt somit zu einer Erhöhung des Qualitätswerts Q, welche wiederum eine Steigerung der Bildqualität bzw. -Zuverlässigkeit zur Folge hat.
Im Anschluss an das Bestimmen der Ziel-Pose kann gemäß Ausführungsbeispielen folgen: das Ausgeben einer binären Information – ob die Sonde weiter bewegt werden soll oder nicht; oder das Ausgeben einer oder mehrerer möglicher Bewegungen des Roboterarm, welche die Nuklearsonde zu der Ziel-Pose führen bzw. ihr näher bringen sollen; und/oder die Ausgabe von Zielkoordinaten der Ziel-Pose. Die Ausgabe kann etwa an eine Steuerung des Roboterarms erfolgen oder an einen Benutzer, der den Roboterarm manuell oder halbautomatisch steuert. Die Ziel-Pose kann auch die Pose der Nuklearsonde nur indirekt bestimmen, indem die Ziel-Pose etwa durch Koordinaten des Effektors beschrieben ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Kontrolleinheit 40 ein Qualitätswerts-Modul 90 mit einem Programm zum Ermitteln aus den Pose-Daten mindestens eines Qualitätswerts Q, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt; und ein Zielpose-Modul zum Bestimmen einer Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde unter der Nebenbedingung, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt.
Das Qualitätswerts-Modul 90 ist zum Ermitteln mindestens eines Qualitätswerts Q konfiguriert, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt.
Der Parameter Q kann z. B. die Anzahl der detektierten Strahlungsereignisse (Counts) aus einem bestimmten Raumvolumen oder Raumwinkelelement und einer bestimmten Richtung berücksichtigen, unter Einbeziehung der Positions- und Lagedaten (= Pose) der Sonde. Sind etwa aus einem bestimmten Raumvolumen und einer bestimmten Richtung deutlich weniger Ereignisse erfasst als aus einem benachbarten Raumwinkelelement in der bestimmten Richtung, ist der für das erste Element berechnete Strahlungsverteilung mit einem höheren statistischen Fehler belastet, bzw ist die erzielbare Auflösung für das erste Element geringer. Alternativ oder ergänzend können bei der Berechnung von Q die bisher abgedeckten Posen relativ zum Zielgewebe berücksichtigt werden. Ist beispielsweise eine Perspektive auf das Zielgewebe noch überhaupt nicht eingenommen worden, so ist durch Einnahme dieser Perspektive eine erhebliche Verbesserung der Informationslage zu erwarten.
Der Qualitätswert bzw. -parameter Q kann je nach Verfahren z. B. ein Skalar, ein Vektor, ein Skalarfeld, ein Vektorfeld, ein Tensor oder eine 3D-Matrix sein. Als Skalarfeld kann Q beispielsweise verschiedenen Posen das zu erwartende Verbesserungspotential zuordnen, das bei (weiterer) Messung für eine vorgegebene Zeit in dieser Pose zu erwarten wäre.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für das Berechnen des Qualitätswerts Q durch das Qualitätswerts-Modul 90. Q kann z. B. ausdrücken, wie groß die Varianz zwischen den Zählraten aus unterschiedlichen Raumwinkelelementen für jeweils unterschiedlichen Richtungen ist. Je größer also Q in diesem Fall ist, desto höher ist die Varianz der Qualität der erfassten Daten zwischen unterschiedlichen Raumwinkeln oder Teilvolumina aus bestimmten Richtungen, was im allgemeinen nicht wünschenswert ist, da dann bestimmte Teilvolumina z. B. eine zu geringe Bildauflösung bzw. ein zu hohes Bildrauschen aufweisen. Dies würde auch bedeuten, dass für mindestens eines der betrachteten Raumwinkelelemente die Aufnahmezeit deutlich geringer ist im Verhältnis zu anderen Bereichen, dort also die Qualität der Darstellung geringer ist. Ist also die Varianz Q in diesem Fall auf das Gesamtbild bezogen zu groß, entscheidet die Auswertungseinheit 60, dass Daten nacherhoben werden müssen. Der Bereich, für den dies zutrifft, ist dann aus der vorigen Berechnung bekannt. Somit kann die Auswertungseinheit berechnen, in welcher Ziel-Richtung, bezogen auf die Ist-Position der Nuklearsonde, noch Daten erhoben werden sollten, um die Bildqualität zu verbessern bzw gleichzeitig Q zu senken.
Ein Programm zur Berechnung möglicher Qualitätswerte ist etwa in DE 10 2011 121 708 A1 , Absätze [038]–[046] beschrieben, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Verweis komplett einbezogen ist. Weitere Verfahren zur Bestimmung von Qualitätswertn Q eines computergenerierten Bilds aus einer Nuklearsonde sind in der DE 10 2008 025 151 A1 auf den Seiten 37 bis 42 beschrieben, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Verweis komplett einbezogen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Qualitätswerts-Modul 90 ausgestattet, um Q in Abhängigkeit von einer Pose zu berechnen, d. h. für mehrere Pose-Werte (oder zumindest für mehrere Orientierungs- und/oder Positions-Werte) zu berechnen.
Das Zielpose-Modul 95 ist mit dem Qualitätswerts-Modul 90 zum Empfangen von Q verbunden. Aus Q bestimmt das Zielpose-Modul 95 eine Ziel-Pose (Ziel-Position und Ziel-Orientierung). Hierbei wird die Ziel-Pose unter der Nebenbedingung bestimmt, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt. Beispielsweise wenn Q ein Pose-abhängiges Informationsdefizit ausdrückt, kann eine Ziel-Pose als Pose mit maximalem Q (optional unter weiteren Nebenbedingungen) definiert werden. Eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde an dieser Pose wird voraussichtlich zu einer Verbesserung (bzw. optimalen Verbesserung, d. h. stärkeren Verbesserung als irgendeine andere der betrachteten Posen) des Qualitätswerts Q führen, da der Wert Q (das Informationsdefizit) dort am stärksten sinken wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch statt einer absoluten Ziel-Pose lediglich eine Ziel-Richtung (Variation der Pose) bestimmt werden, etwa als die Pose-Veränderung, bei der der ermittelte Gradient von Q extremal ist. Das im Folgenden für die Ziel-Pose beschriebene kann analog auch für eine Ziel-Richtung abgewandelt werden.
Zur Bestimmung der genannten Ziel-Werte für die Pose der Nuklearsonde 100 können mehrere Informationen benutzt werden, wie etwa das Bewegungsvolumen, in dem die Nuklearsonde bewegt werden kann, die möglichen Richtungen, in die die Nuklearsonde gerichtet werden kann (u. a. abhängig von der durch die präoperativen Bilddaten bekannte Anatomie des Patienten), die Lage bzw. Pose des Patienten und der Organe im Körper, die erwartete Radioaktivitätsverteilung im Körper, etc. Diese Informationen können aus präoperativen Daten des Patienten (registriert oder nicht), statistischen Modellen, Informationen der Bewegung der Nuklearsonde oder weiterer endoskopischer Instrumente, etc., gewonnen werden. Diese Informationen können zum Beispiel benutzt werden, um die Plausibilität der Ziel-Werte zu überprüfen, oder sie zu wichten. So muss etwa sichergestellt sein, dass nicht eine Pose vorgeschlagen wird, bei der sich der Ort der Sonde mit einem Organ überschneiden würde.
Aus der Ziel-Pose kann nun eine Handlungsanweisung abgeleitet werden. Die Anweisung wird von dem Zielpose-Modul 90 entweder an den Roboterarm 20 bzw. dessen Steuerung 55 ausgegeben, oder sie wird an einen Nutzer ausgegeben. Als Anweisungen können gegeben werden: Signalisierung, ob weitere Bewegung erfolgen soll oder nicht; Ausgabe von ein oder mehreren neuen Ziel-Posen; Ausgabe von Bewegnugsabläufen (z. B. Vektoren), die zu diesen Posen führen; oder Ansteuerungsbefehle für den Roboterarm bzw. für einen oder mehrere Aktuatoren desselben zur Bewegung der Sonde.
Im Fall der Ausgabe an einen Nutzer wird aus den aus Q abgeleiteten Informationen nun eine Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde 100 berechnet; wie oben beschrieben mit der Nebenbedingung, dass eine entsprechende Positionsänderung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des Qualitätswerts Q führt. Mittels eines Ausgabesystems, z. B. eines optischen Displays, werden die berechneten Ziel-Informationen, nach Umwandlung in Anweisungen zum Bewegen des Roboterarms, an einen Benutzer ausgegeben. Eine mögliche entsprechende Darstellung ist in 15 gezeigt. Das Ausgabesystem 90 ist typischerweise ein Bildschirm, kann aber auch eine Vielzahl anderer Varianten umfassen, z. B. ein Sprachausgabesystem oder eine haptische Ausgabe mittels Kraft-Rückkopplung an Bedienelementen der Robotersteuerung. Auf diese Weise kann der Nutzer gemäß den übermittelten Informationen die Sonde an die Ziel-Position und Ziel-Orientierung bewegen, so dass zusätzliche Ereignisse die Zählrate für den betreffenden Raumwinkel verbessern können.
Gemäß einem Aspekt ist das Ausgabesystem zum Ausgeben einer Repräsentation des Nuklearbilds sowie der darin eingebetteten Position und Orientierung der Nuklearsonde, sowie optional der Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde vorgesehen.
Im Fall der Ausgabe als Ansteuerungsbefehle für den Roboterarm werden die entsprechenden Bewegungen durch den Roboterarm ausgeführt, um so die Bildgebung durch die Nuklearsonde 100 zu verbessern. Optional können die Ansteuerbefehle zunächst durch die Robotersteuerung weiterverarbeitet und ggf. angepasst werden. Die Anpassung kann unter Verwendung von Sensordaten und/oder anatomischen Modelldaten erfolgen. Beispielsweise kann die Nuklearsonde und/oder der Endeffektor einen Ultraschall-Sensor aufweisen, und die Anpassung erfolgt unter Verwendung von Sensordaten des Ultraschall-Sensors. Die Anpassung kann das Unterdrücken oder Modifizieren von Bewegungsabläufen umfassen, die mit Patientengewebe interferieren würden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform geben die Ansteuerbefehle eine Ziel-Pose an, und die Anpassung umfasst das Berechnen eines Weges, der unter Berücksichtigung zusätzlicher Bedingungen (z. B. aus Sensordaten und/oder anatomischen Modelldaten) einen optimalen Weg errechnet, um den Nuklearsensor der Ziel-Pose möglichst nahe zu bringen. Hierbei ist es von Vorteil, dass der Roboterarm redundante Freiheitsgrade aufweist, also eine vorgegebene Pose der Nuklearsonde durch mehrere Stellungen des Roboterarms erreichen kann. Diese Redundanz erlaubt eine erhöhte Anzahl von Optionen bei der Berechnung des optimalen Weges.
Falls die Nuklearsonde eine optische Kamera 190 aufweist, wie in 2b dargestellt, kann gemäß einem weiteren Aspekt die Kontrolleinheit 40 eine Erweiterte-Realität-Engine (nicht dargestellt) umfassen. Die Erweiterte-Realität-Engine ist mit dem Bilderzeugungs-Modul 80 verbunden, um ein zweidimensionales Abbild des dreidimensionalen Nuklearbilds in einer Perspektive der optischen Kamera wiederzugeben, und ist mit der der optischen Kamera 190 verbunden, um ein optisches Bild von der optischen Kamera mit dem zweidimensionalen Abbild zu überlagern, so dass das überlagerte Abbild ein Erweiterte-Realität-Abbild darstellt.
Alternativ kann eine derartige Erweiterte-Realität-Engine auch mit einer von der Nuklearsonde entkoppelten nachgeführten Kamera realisiert werden. Die Kamera kann somit, statt wie in 2b dargestellt an der Nuklearsonde angebracht zu sein, an einem anderen Teil des Roboterarms 20 oder an einem separaten nachgeführten System (etwa einem separaten Laparoskop) vorgesehen sein.
Während das Vorangehende auf Ausführungsformen der Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung durch Kombinationen der beschriebenen aufgestellt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6602488 [0005]
US 6456869 [0005]
US 6317622 [0005]
US 6167296 [0005]
DE 102011053708 A1 [0005, 0093]
US 6510336 [0006]
US 6021341 [0006]
US 6643538 [0006]
US 2004/204646 A1 [0006]
WO 2007/131561 A2 [0009]
DE 102011121708 A1 [0010, 0103]
DE 102008025151 A1 [0103]

Claims

Vorrichtung (1) zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten, die Vorrichtung umfassend: – Einen Roboterarm (20) mit einer Mehrzahl von Gelenken (22, 24) und einem mittels der Gelenke (22, 24) um mindestens drei Freiheitsgrade bewegbaren Endeffektor (25), wobei die Gelenke ein distales Gelenk (24) umfassen; – Eine Nuklearsonde (100) mit einem Nukleardetektor (110) zur Detektion von radioaktiver Strahlung und einem Koppelelement (130) zum Koppeln der Nuklearsonde in einer definierten Stellung an den Endeffektor (25) des Roboterarms; – Ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde (100) angeben; und – Eine Kontrolleinheit (40), wobei die Nuklearsonde (100), der Endeffektor (25) und das distale Gelenk (24) sterilisierbar und derart dimensioniert sind, dass die Nuklearsonde (100), der Endeffektor und das distale Gelenk vollständig in den Körper (2) des Patienten einführbar sind und im Körper (2) des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind, und wobei die Kontrolleinheit (40) aufweist: – ein Pose-Modul (50), das mit dem Nachführsystem verbunden ist, um die Pose-Daten mit den Informationen über die Position und Orientierung der Nuklearsonde (10) zu empfangen; – ein Strahlungs-Modul (60), das mit der Nuklearsonde verbunden ist, um Strahlungs-Daten mit Information über die detektierte radioaktive Strahlung zu empfangen; – ein Synchronisations-Modul (70) zur Synchronisieren der Pose-Daten mit den Strahlungs-Daten; und – ein Bilderzeugungs-Modul (80) zum wiederholten Berechnen eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds aus den synchronisierten Pose-Daten und Strahlungs-Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Endeffektor (25) mittels der Gelenke (22, 24) um mindestens fünf und bevorzugt um sechs Freiheitsgrade bewegbar ist, wobei besonders bevorzugt der Roboterarm derart gestaltet ist, um eine vorgegebene Position und Orientierung der Nuklearsonde in gekoppeltem Zustand durch mehrere verschiedene Stellungen des Roboterarms zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die distale Gelenkeinheit (24) des Roboterarms eine unabhängige Veränderung der drei Raumwinkel und vorzugsweise eine Veränderung aller sechs Freiheitsgrade erlaubt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nachführsystem mit dem Roboterarm verbunden ist, um die Position und Orientierung der Nuklearsonde (10) anhand einer Pose und Orientierung des Endeffektors (25), bevorzugt anhand der jeweiligen Bewegungszustände der Gelenke (22, 24) des Roboterarm (20), zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Endeffektor (25) des Roboterarms einen Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) aufweist, der zum Wechselwirken mit dem Koppelelement (130) ausgestaltet ist derart, dass die definierte Stellung der Nuklearsonde an den Endeffektor durch die Wechselwirkung zwischen Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) und dem Koppelelement (130) eindeutig festgelegt wird, wobei der Koppelmechanismus bevorzugt durch eine Greifhand (230) des Endeffektors realisiert ist, und das Koppelelement (130) besonders bevorzugt durch ein an der Nuklearsonde befestigtes Halteelement realisiert ist, welches geformt ist, um durch die Greifhand (230) in genau einer Stellung gehalten zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (130) auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Nuklearsonde (100) jeweils ein Profil für einen Eingriff mit dem Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) aufweist, wobei die Profile auf den beiden gegenüberliegenden Seiten sich vorzugsweise voneinander unterscheiden, und wobei vorzugsweise zumindest eines der Profile zumindest eines der Folgenden aufweist: eine Erhebung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Aussparung des Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260), und Eine Aussparung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Erhebung des Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (130) so an der Nuklearsonde angeordnet ist, dass eine entlang einer Detektionsachse (A) der Nuklearsonde verlaufende Gerade durch das Koppelelement (130) hindurch verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in gekoppeltem Zustand ein Abstand (d1) zwischen dem distalen Gelenk (24) und der Nuklearsonde (100) höchstens 6 cm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nuklearsonde (100) eine Längsachse hat und ein größter quer zur Längsachse verlaufender Durchmesser weniger als 2 cm, vorzugsweise weniger als 1,5 cm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) und das Koppelelement (130) zum magnetischen Koppeln aneinander ausgestaltet sind, wobei vorzugsweise der Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) eine Magnetspule aufweist und das Koppelelement (130) zum Koppeln durch die Magnetspule magnetisierbar ist.