DE102016119579B4 - Positionsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur - Google Patents

Positionsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur Download PDF

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Abstract

Positionsbestimmungsvorrichtung (5) zum Bestimmen einer Position eines Instruments (4) innerhalb einer röhrenförmigen Struktur, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung (5) umfasst:- eine erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (6) zum Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur,- eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (7) zum Bereitstellen von zweiten Krümmungswerten, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments (4) an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments (4),- eine Positionsbestimmungseinheit (8) zum Bestimmen der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist:- für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument (4) an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und- die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsvorrichtung, ein Verfahren und Computerprogramm zum Bestimmen einer Position eines Instruments wie eines Katheters innerhalb einer röhrenförmigen Struktur. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bildgebungssystem, das die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst, und ein Bildgebungscomputerprogramm.
  • Die japanische Patentanmeldung JP 2016 508399 A1 offenbart ein interventionelles System zum Detektieren der Atembewegung des Herzens eines Patienten. Das interventionelle System umfasst eine Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen von Positionen eines Teils eines interventionellen Elements, das sich in Übereinstimmung mit der Atembewegung des Patienten bewegt.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 2014/028400 A1 offenbart ein Kathetersystem mit einem länglichen flexiblen Katheter und einer Stützstruktur, die auf dem Katheter befestigt ist. Die Stützstruktur umfasst ein erstes Ausrichtungsmerkmal und ein zweites Ausrichtungsmerkmal. Das System umfasst des Weiteren eine erste Sensorkomponente, die dem ersten Ausrichtungsmerkmal zugeordnet ist, und eine zweite Sensorkomponente, die dem zweiten Ausrichtungsmerkmal zugeordnet ist. Die erste Sensorkomponente ist an der Stützstruktur mittels des ersten Ausrichtungsmerkmals relativ zu der zweiten Sensorkomponente bezüglich zumindest eines Freiheitsgrades fixiert.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 2014/191 262 A2 offenbart eine Assistenzvorrichtung zum Assistieren eines Benutzers beim Bewegen eines chirurgischen Elements zu einem Zielelement innerhalb eines Patienten. Die Assistenzvorrichtung umfasst eine Zielelementbild-Bereitstellungseinheit zum Bereitstellen eines Zielelementbildes, das das Zielelement zeigt, und eine Zielelementrepräsentations-Erzeugungseinheit zum Erzeugen einer Zielelementrepräsentation, die das Zielelement innerhalb des Patienten in seiner dreidimensionalen Position, seiner dreidimensionalen Orientierung und mit seiner Größe basierend auf dem Zielelementbild repräsentiert. Das Zielelement umfasst zumindest eine Öffnung, wobei die Zielelementrepräsentations-Erzeugungseinheit angepasst ist, eine Zielelementrepräsentation zu erzeugen, die zumindest einen Ring aufweist, der die zumindest eine Öffnung des Zielelements innerhalb des Patienten in der dreidimensionalen Position, der dreidimensionalen Orientierung und der Größe der zumindest einen Öffnung des Zielelements repräsentiert. Die Assistenzvorrichtung umfasst zudem eine Trackingeinheit, das heißt eine Nachverfolgungseinheit, zum Nachverfolgen einer dreidimensionalen Position des chirurgischen Elementes innerhalb des Patienten, während das chirurgische Element zu dem Zielelement bewegt wird, wobei das nachverfolgte chirurgische Element zumindest eine Öffnung aufweist. Die Assistenzvorrichtung umfasst auch einen Monitor zum Anzeigen des zumindest einen Rings der Zielelementrepräsentation und zumindest eines Rings, der die zumindest eine Öffnung des chirurgischen Elements repräsentiert
  • In medizinischen Anwendungen sind Positionsbestimmungsvorrichtungen bekannt, die elektromagnetische (EM) oder auf optischer Formmessung (Optical Shape Sensing, OSS) basierende Verfolgungstechniken zum Bestimmen einer Position eines interventionellen Instruments innerhalb eines Körpers eines Patienten einsetzen. Die EM- und OSS-Verfolgungstechniken können jedoch aufgrund von beispielsweise Inhomogenitäten des EM-Felds bzw. Fehlern bei der Interpolation und Integration von Krümmungsinformationen verhältnismäßig ungenau sein.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionsbestimmungsvorrichtung, ein Verfahren und Computerprogramm bereitzustellen, die eine verbesserte Bestimmung einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bildgebungssystem, das die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst, sowie ein Bildgebungsverfahren und ein Bildgebungscomputerprogramm bereitzustellen.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Positionsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur offenbart, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst:
    • - eine erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit zum Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur,
    • - eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit zum Bereitstellen von zweiten Krümmungswerten, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments,
    • - eine Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte, wobei die Positionsbestimmungseinheit geeignet ist:
    • - für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und
    • - die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen.
  • Die ersten Krümmungen an den mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur und die zweiten Krümmungen an den mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments sind lokale Krümmungen. Durch Bestimmen der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage dieser lokalen Informationen und nicht auf Grundlage globaler Informationen kann die Genauigkeit der Bestimmung der Position erheblich verbessert werden, da diese Methode weniger empfindlich für Messfehler ist. Beispielsweise kann die Genauigkeit der Bestimmung der Position gegenüber globalen Messfehlern wie Drift, Feldinhomogenitäten usw. weniger empfindlich und insbesondere überhaupt nicht empfindlich sein. Darüber hinaus kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, die Position des Instruments zu bestimmen, ohne das z. B. eine Rekonstruktion der Form des Instruments notwendig ist. Somit können ein Satz von lokalen ersten Krümmungswerten und ein Satz von lokalen zweiten Krümmungswerten, d. h. die ersten und zweiten Krümmungswerte, zum Bestimmen der Position des Instruments relativ zu der röhrenförmigen Struktur verwendet werden, ohne dass eine Rekonstruktion der Form des Instruments auf Grundlage der zweiten Krümmungswerte notwendig ist.
  • Die Positionsbestimmungseinheit ist vorzugsweise geeignet, die räumliche Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur und die Drehstellung des Instruments relativ zu der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen. Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, für mehrere Segmente des Instruments die jeweilige räumliche Position und Drehstellung relativ zu der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen. Daher beinhaltet der Begriff „Position“ vorzugsweise die räumliche Position (nachfolgend auch: „Stelle“) und die Drehstellung oder Orientierung des Instruments relativ zu der röhrenförmigen Struktur.
  • Die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit kann eine Speichereinheit sein, in der die ersten Krümmungswerte gespeichert werden, wobei die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit geeignet sein kann, die gespeicherten ersten Krümmungswerte bereitzustellen. Die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit kann jedoch auch eine Empfangseinheit zum Empfangen der ersten Krümmungswerte von beispielsweise einer ersten Krümmungswerte-Bestimmungseinheit und zum Bereitstellen der empfangenen ersten Krümmungswerte sein. Darüber hinaus kann die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit auch selbst die erste Krümmungswerte-Bestimmungseinheit sein. Auch die zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit kann eine Speichereinheit oder eine Empfangseinheit sein. Weiterhin kann die zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit eine zweite Krümmungswerte-Bestimmungseinheit sein.
  • Die ersten Krümmungswerte sind vorzugsweise vorgegeben. Sie können auf Grundlage eines Diagnosebilds der röhrenförmigen Struktur wie beispielsweise eines Computertomographie-Bilds oder eines anderen Diagnosebilds bestimmt worden sein. Die ersten Krümmungswerte können auch auf andere Weise bestimmt werden. Beispielsweise können in einem vorherigen Verfahren ein oder mehrere Krümmungssensoren innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt werden, sodass sie sich an bekannten ersten Positionen innerhalb der röhrenförmigen Struktur befinden, während die Krümmungen der röhrenförmigen Struktur mit Hilfe von einem oder mehreren Sensoren gemessen werden.
  • Die röhrenförmige Struktur kann beispielsweise ein Blutgefäßsystem, ein Atmungssystem, ein nicht-medizinisches Röhrensystem, ein nicht-medizinisches Versorgungsleitungssystem, ein nicht-medizinisches Tunnelsystem usw. sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Krümmungswerte eindimensional. Daher kann die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur ohne Verwendung von richtungsabhängigen Krümmungsinformationen bestimmt werden. Insbesondere können an einer bestimmten Stelle die beiden lokalen Krümmungen in zwei verschiedenen Richtungen definiert werden - beispielsweise in Quer- und Vertikalachsenrichtung -, und diese beiden lokalen Krümmungen können zu einem eindimensionalen Krümmungswert kombiniert werden, der indikativ ist für die lokalen Krümmungen an der jeweiligen Stelle. Beispielsweise kann ein eindimensionaler mittlerer Krümmungswert oder ein eindimensionaler Gauß'scher Gesamtkrümmungswert bestimmt werden. Die Krümmungswerte können jedoch auch zweidimensional sein. Beispielsweise können die beiden lokalen Krümmungen wie die Krümmung relativ zur Vertikalachse und die Krümmung relativ zur Querachse als die zweidimensionalen Krümmungswerte an der jeweiligen räumlichen Position angesehen werden.
  • In einer Ausführungsform sind die erste und zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit geeignet, ein- und zweidimensionale erste Krümmungswerte und ein- und zweidimensionale zweite Krümmungswerte bereitzustellen, wobei die Positionsbestimmungseinheit geeignet ist, die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der eindimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen, wobei die Positionsbestimmungseinheit weiterhin geeignet ist, auf Grundlage der zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte eine Drehabweichung zwischen der Position des Instruments gemäß der Bestimmung durch die Positionsbestimmungseinheit und der tatsächlichen Position des Instruments zu bestimmen. Da die bestimmte Position zunächst nur anhand der eindimensionalen Krümmungswerte bestimmt wird, die richtungsunabhängig sind, d. h. keine Drehinformationen wie Torsions- oder Verdrehungsinformationen umfassen, kann die räumliche Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur korrekt bestimmt werden; es kann jedoch eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Drehstellung des gesamten Instruments oder eines Teils, d. h. eines Segments, des Instruments und der bestimmten Drehstellung auftreten, die beispielsweise durch Verdrehungen des Instruments verursacht wird, wobei sich die Drehstellung auf eine Drehung des Instruments um seine Längsachse bezieht. Diese Drehabweichung kann anhand der zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte bestimmt werden. Insbesondere kann ein Abweichungsmaß wie eine Quadratwurzel der mittleren quadratischen Abweichung (Standardabweichung) zur Bestimmung der Drehabweichung auf die zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte angewendet werden. Wenn die Drehabweichung größer ist als ein Abweichungsschwellenwert, kann dieses durch eine Ausgabeeinheit ausgegeben werden. Beispielsweise kann ein Anwender oder eine andere Vorrichtung, die die bestimmte Position verwendet, eine Warnung erhalten.
  • Die Positionsbestimmungseinheit ist vorzugsweise weiterhin geeignet, die bestimmte Position des Instruments so zu korrigieren, dass die bestimmte Drehabweichung reduziert wird. Insbesondere ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, das gesamte Instrument und/oder Teile des Instruments in seiner bestimmten Position virtuell so zu drehen, dass die Drehabweichung reduziert und insbesondere minimiert wird.
  • Das Instrument ist vorzugsweise ein interventionelles Instrument, das während eines medizinischen Eingriffs im Inneren eines Patienten verwendet wird. Das Instrument kann jedoch auch ein anderes Instrument sein, insbesondere ein nicht-medizinisches Instrument, das innerhalb der röhrenförmigen Struktur verwendet wird. Vorzugsweise umfasst das Instrument Sensoren an den mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments, die geeignet sind, die zweiten Krümmungswerte, welche indikativ sind für die lokalen Krümmungen des Instruments an diesen zweiten Stellen, zu messen. Diese Sensoren sind beispielsweise OSS-Krümmungssensoren oder Gruppen von EM- oder RFID-Sensoren. Die relative Position in Bezug zu anderen Sensoren innerhalb der Sensorgruppe ist für diese Gruppen von EM- oder RFID-Sensoren ausreichend, um die lokalen Krümmungen zu berechnen.
  • Die Positionsbestimmungseinheit ist geeignet, a) für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und b) die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Insbesondere definiert jede Kandidatenposition, welche erste Stelle mit welcher zweiten Stelle übereinstimmt, wobei die Positionsbestimmungseinheit geeignet ist, für jede Kandidatenposition einen Positionswert so zu bestimmen, dass dieser von Abweichungen der jeweiligen ersten und zweiten Krümmungswerte relativ zueinander an übereinstimmenden ersten und zweiten Stellen abhängt. Beispielsweise ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, für jede Kandidatenposition einen Positionswert in Abhängigkeit von einer Summe von quadrierten Differenzen zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Krümmungswerten an übereinstimmenden ersten und zweiten Stellen zu bestimmen. Die Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage dieser Positionswerte kann zu einer weiter verbesserten Genauigkeit der Bestimmung dieser Position führen.
  • Die Positionsbestimmungseinheit kann geeignet sein, die Abweichungen zu gewichten und für jede Kandidatenposition einen Positionswert so zu bestimmen, dass dieser von den gewichteten Abweichungen abhängt. Insbesondere ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, die Abweichungen an übereinstimmenden distalen Stellen so zu gewichten, dass diese einen größeren Einfluss auf den Positionswert haben als die Abweichungen an anderen übereinstimmenden Stellen. Die zweiten Krümmungswerte an den distalen Abschnitten des Instruments können daher einen größeren Einfluss als die zweiten Krümmungswerte an anderen zweiten Stellen entlang des Instruments erhalten. Weiterhin können die Gewichtungen für zweite Krümmungswerte an bestimmten zweiten Stellen entlang des Instruments auch Null sein. Dies kann besonders dann nützlich sein, wenn bekannt ist, dass die zweiten Krümmungswerte an ein oder mehreren zweiten Stellen inkorrekt sein könnten. Durch Verwendung dieser Gewichtung kann die Genauigkeit der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur weiter verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, für die Gewichtung der Abweichungen zeitlich veränderliche Gewichtungen zu verwenden. Die jeweilige zeitlich veränderliche Gewichtung kann von zumindest einem Element aus der folgenden Liste abhängen: a) dem zweiten Krümmungswert an derjeweiligen zweiten Stelle, b) einem oder mehreren zweiten Krümmungswerten an benachbarten zweiten Stellen, c) der Historie des zweiten Krümmungswerts an derjeweiligen zweiten Stelle, d) der Historie des zweiten Krümmungswerts an benachbarten jeweiligen zweiten Stellen. Beispielsweise können alle Gewichtungen anfangs den gleichen vorgegebenen Wert haben, wobei die Gewichtung an einer jeweiligen zweiten Stelle reduziert werden kann, wenn der zweite Krümmungswert an dieser jeweiligen Stelle und ein oder mehrere zweite Krümmungswerte an einer oder mehreren benachbarten zweiten Stellen gleich sind. Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, die Gewichtung an einer oder mehreren zentralen zweiten Stellen innerhalb einer Gruppe von benachbarten zweiten Stellen zu reduzieren, wenn die zweiten Krümmungswerte bei der Gruppe von benachbarten zweiten Stellen gleich sind. Darüber hinaus kann in einem weiteren Beispiel die Gewichtung an einer jeweiligen zweiten Stelle reduziert werden - insbesondere auf Null reduziert werden -, wenn die Historie der zweiten Krümmungswerte an dieser zweiten Stelle darauf hinweist, dass die Schwankungen kleiner sind als ein vorgegebener erster Schwellenwert oder größer als ein zweiter Schwellenwert, der größer ist als der erste Schwellenwert. Für die Historie wird vorzugsweise nur eine vorgegebene Anzahl von vorherigen zweiten Krümmungswerten verwendet, sodass sich die Historie im Zeitverlauf erheblich ändern kann. Wenn beispielsweise nach einer gewissen Zeit die sich aus der Historie ergebenden Schwankungen zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert liegen, kann die jeweilige Gewichtung wieder erhöht werden.
  • Bei der röhrenförmigen Struktur kann es sich um eine verzweigte Struktur handeln, sodass es mehrere mögliche Routen durch die röhrenförmige Struktur gibt, wobei die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein kann, i) für jede mögliche Route a) für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang der jeweiligen möglichen Route auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und b) den größten Positionswert unter diesen Positionswerten zu bestimmen, und ii) die Kandidatenposition, für die der größte Gesamtpositionswert unter den größten Positionswerten, die für die möglichen Routen bestimmt wurden, bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand, wenn die röhrenförmige Struktur mehrere Zweige umfasst.
  • In einer Ausführungsform bilden die Positionswerte und die entsprechenden Kandidatenpositionen eine Funktion, deren Eingaben die Kandidatenpositionen und deren Ausgaben die Positionswerte sind, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung ferner eine Qualitätsbewertungseinheit zum Bestimmen eines Qualitätswerts auf Grundlage einer Breite eines maximalen Peaks der Funktion und/oder einer Anzahl von Peaks, die einen Schwellenwert überschreiten, umfasst, welcher indikativ ist für die Qualität der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur. Die Qualitätsbewertungseinheit kann geeignet sein, auf Grundlage der Breite des maximalen Peaks der Funktion einen ersten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Präzision der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur. Weiterhin kann die Qualitätsbewertungseinheit geeignet sein, auf Grundlage der Anzahl der Peaks, die den Schwellenwert überschreiten, einen zweiten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Robustheit der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur. Dies ermöglicht es einem Anwender wie einem Arzt, die Positionsbestimmung zu bewerten, wobei der Anwender beispielsweise entscheiden kann, ob die Positionsbestimmung für ihn präzise und/oder robust genug ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, a) die Positionswerte für die Kandidatenpositionen für unterschiedliche Zeiten zu bestimmen, sodass für eine jeweilige Zeit ein jeweiliger Satz von Positionswerten, die den Kandidatenpositionen entsprechen, bestimmt wird, b) eine größte zusammenhängende Gruppe von Positionswerten, die einen Schwellenwert überschreiten, in einem Raum, der durch die Kandidatenpositionen und die Zeit definiert wird, zu bestimmen und c) für jede Zeit den größten Positionswert innerhalb der größten zusammenhängenden Gruppe von Positionswerten zu bestimmen, wobei die Kandidatenposition, für die dieser größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zur jeweiligen Zeit bestimmt wird. Dies kann zu einer weiter verbesserten Genauigkeit der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur führen.
  • Weiterhin kann der Suchraum für nachfolgende Zeitpunkte unter Berücksichtigung der zeitlichen Kontinuität auf eine Umgebung der aktuell erfassten Position des Instruments eingeengt werden. Dies kann zu einer reduzierten Rechenzeit für die Berechnung der übereinstimmenden ersten und zweiten Krümmungswerte führen. Beispielsweise kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, für jede Zeit die Bestimmung des größten Positionswerts innerhalb der bestimmten größten zusammenhängenden Gruppe von Positionswerten auf Kandidatenpositionen innerhalb eines Bereichs von Kandidatenpositionen einzuschränken, der die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert für die vorherige Zeit bestimmt wurde, umfasst. Die Größe dieses Bereichs kann vorgegeben sein. Der Bereich kann um die Kandidatenposition zentriert sein, für die der größte Positionswert für die vorherige Zeit bestimmt wurde. In einer Ausführungsform ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, die Geschwindigkeit einer Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der für die verschiedenen Zeiten bestimmten Positionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Daher kann nicht nur die Position des Instruments, sondern auch die Geschwindigkeit relativ zu der röhrenförmigen Struktur genau bestimmt werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Positionsbestimmungseinheit geeignet, für jede Zeit die Bestimmung des größten Positionswerts innerhalb der bestimmten größten zusammenhängenden Gruppe von Positionswerten auf Kandidatenpositionen innerhalb eines Bereichs von Kandidatenpositionen einzuschränken, der durch die vorherige Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, sowie die vorherige Bewegungsrichtung definiert ist. Beispielsweise kann die vorherige Bewegungsrichtung auf Grundlage der Positionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur, die für verschiedene vorherige Zeiten bestimmt wurden, bestimmt werden, d. h. auf Grundlage der Kandidatenpositionen während vorheriger Zeiten, für die der größte Positionswert zur jeweiligen vorherigen Zeit bestimmt wurde. Anhand dieser Bewegungsrichtung vom letzten Zeitpunkt und einer Kontinuitätsannahme für die Bewegung des Instruments kann der Bereich um die erwartete Position des Instruments zentriert werden, d. h. die Position, an der sich das Instrument befände, wenn es sich gleichförmig mit der erfassten Geschwindigkeit des vorherigen Zeitpunkts bewegen würde.
  • Die röhrenförmige Struktur kann eine Verzweigungsstelle umfassen, wobei die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein kann, einen erwarteten Weg innerhalb der röhrenförmigen Struktur bereitzustellen, eine Abweichung zwischen den ersten Krümmungswerten entlang des erwarteten Wegs hinter der Verzweigungsstelle und den zweiten Krümmungswerten des Instruments hinter der Verzweigungsstelle zu bestimmen und auf Grundlage der bestimmten Abweichung zu bestimmen, ob das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang des erwarteten Wegs bewegt wird. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer Rückmeldung für einen Anwender, während der Anwender das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt. Der erwartete Weg kann durch den Anwender über eine grafische Benutzerschnittstelle auf Grundlage eines Bilds der röhrenförmigen Struktur festgelegt werden, oder er kann automatisch oder halbautomatisch festgelegt werden. Beispielsweise kann ein Anwender die gewünschte Endposition der Spitze in dem Bild angeben, und der erwartete Weg kann dann automatisch auf Grundlage der angegebenen gewünschten Endposition der Spitze und des Bilds der röhrenförmigen Struktur bestimmt werden.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bildgebungssystem offenbart, wobei das Bildgebungssystem umfasst:
    • - eine Positionsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur nach Anspruch 1,
    • - eine bildgebende Einheit zum Bereitstellen eines Bilds der röhrenförmigen Struktur,
    • - eine Visualisierungserzeugungseinheit zum Erzeugen einer Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Positionsbestimmungsverfahren zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur offenbart, wobei das Positionsbestimmungsverfahren umfasst:
    • - Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur, durch eine erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit,
    • - Bereitstellen von zweiten Krümmungswerten, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments, durch eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit, und
    • - Bestimmen der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte durch eine Positionsbestimmungseinheit, wobei für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte bestimmt werden, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und wobei die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur bestimmt wird.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm zur Positionsbestimmung offenbart, wobei das Computerprogramm zur Positionsbestimmung ein Programmcodemittel zum Veranlassen einer Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst, das Positionsbestimmungsverfahren nach Anspruch 16 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Positionsbestimmungsvorrichtung ausgeführt wird.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bildgebungscomputerprogramm offenbart, wobei das Bildgebungscomputerprogramm Programmcodemittel zum Veranlassen eines Bildgebungssystems nach Anspruch 15 umfasst, das folgende Bildgebungsverfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm im Bildgebungssystem ausgeführt wird:
    • - Bereitstellen eines Bilds der röhrenförmigen Struktur durch eine bildgebende Einheit,
    • - Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur durch eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1, und
    • - Erzeugen einer Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position durch eine Visualisierungserzeugungseinheit.
  • Es versteht sich, dass die Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1, das Bildgebungssystem nach Anspruch 15, das Positionsbestimmungsverfahren nach Anspruch 16, das Computerprogramm zur Positionsbestimmung nach Anspruch 17 und das Bildgebungscomputerprogramm nach Anspruch 18 insbesondere ähnliche und/oder identische bevorzugte Ausführungsformen aufweisen, wie sie in den abhängigen Ansprüchen definiert sind.
  • Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eine beliebige Kombination der abhängigen Ansprüche oder der obigen Ausführungsformen mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch sein kann.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung sind offenbar und erläutert mit Bezugnahme auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen.
  • In der folgenden Zeichnung zeigen:
    • 1 schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform eines Bildgebungssystems,
    • 2 ein Flussdiagramm, das beispielhaft eine Ausführungsform eines Bildgebungsverfahrens darstellt.
    • 3 beispielhaft eine Form einer röhrenförmigen Struktur,
    • 4 beispielhaft eindimensionale erste Krümmungswerte für mehrere erste Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur,
    • 5 beispielhaft eine Filterantwort für eine bestimmte Zeit,
    • 6 beispielhaft eine Filterantwort im Zeitverlauf,
    • 7 beispielhaft eine bestimmte Position eines Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur im Zeitverlauf, und
    • 8 beispielhaft eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur.
  • 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform eines Bildgebungssystems 1, das eine Positionsbestimmungsvorrichtung 5 zum Bestimmen einer Position eines Instruments 4 innerhalb einer röhrenförmigen Struktur, eine bildgebende Einheit 10 zum Bereitstellen eines Bilds der röhrenförmigen Struktur und eine Visualisierungserzeugungseinheit 11 zum Erzeugen einer Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position umfasst. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei der röhrenförmigen Struktur um eine Blutgefäßstruktur eines Patienten 3, der auf einer Patientenliege 2 liegt. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 umfasst eine erste Krümmungswerten-Bereitstellungseinheit 6 zum Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur, wobei die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 6 in dieser Ausführungsform geeignet ist, die ersten Krümmungswerte auf Grundlage des von der bildgebenden Einheit 10 bereitgestellten Bilds zu bestimmen. Insbesondere ist die bildgebende Einheit 10 geeignet, ein dreidimensionales Bild der röhrenförmigen Struktur wie z. B. ein Computertomographie-Bild oder ein Magnetresonanz-Bild bereitzustellen, welches vor der Einführung des Instruments 4 in den Patienten 3 aufgenommen worden sein kann, d. h. das bereitgestellte Bild kann ein präinterventionelles dreidimensionales Bild sein. Die erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 6 kann geeignet sein, die Gefäßstruktur innerhalb des bereitgestellten Bilds zu segmentierten und die ersten Krümmungswerte auf Grundlage der Segmentierung der Gefäßstruktur in dem Bild zu bestimmen.
  • In dieser Ausführungsform ist das Instrument 4 ein Katheter, der an mehreren zweiten Stellen entlang des Katheters 4 OSS-Sensoren aufweist. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 umfasst eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 7 zum Bereitstellen auf Grundlage von optischen Signalen, die von den OSS-Sensoren empfangen wurden, der zweiten Krümmungswerte, die indikativ sind für Krümmungen des Instruments 4 an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments 4. Daher ist in dieser Ausführungsform die zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 7 geeignet, die zweiten Krümmungswerte auf Grundlage der optischen Signale zu bestimmen, die von den OSS-Sensoren, welche entlang des Instruments 4 angeordnet sind, empfangen werden. Die ersten und zweiten Krümmungswerte sind indikativ für die Krümmungen an den jeweiligen ersten und zweiten Stellen und sind daher lokale Krümmungswerte.
  • Die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 umfasst weiterhin eine Positionsbestimmungseinheit 8 zum Bestimmen der Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte. In dieser Ausführungsform sind die ersten und zweiten Krümmungswerte eindimensionale Krümmungswerte. Insbesondere können an einer bestimmten räumlichen Position die beiden lokalen Krümmungen in zwei verschiedenen Richtungen definiert werden, und diese beiden lokalen Krümmungen können zu einem eindimensionalen Krümmungswert kombiniert werden, der indikativ ist für die lokalen Krümmungen an der jeweiligen räumlichen Position. Beispielsweise kann gemäß der folgenden Gleichung ein eindimensionaler mittlerer Krümmungswert bestimmt werden: K m = 1 2 ⋅ ( k 1 + k 2 ) ,
    Figure DE102016119579B4_0001
    wobei Km der eindimensionale mittlere Krümmungswert ist und k1 und k2 die lokalen Krümmungen in den beiden unterschiedlichen Richtungen sind. Außerdem kann ein (Gauß'scher) Krümmungswert Kt gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: K t = k 1 k 2
    Figure DE102016119579B4_0002
  • Die Variablen k1 und k2 können als die Hauptkrümmungen beispielsweise der röhrenförmigen Struktur angesehen werden, d. h. die Eigenwerte des Formoperators der röhrenförmigen Struktur an der jeweiligen Stelle.
  • Die Positionsbestimmungseinheit 8 ist geeignet, für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument 4 an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als eine Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Die Kandidatenpositionen sowie die zu bestimmende Endposition sind relative Positionen, d. h. Positionen des Instruments 4 relativ zu der röhrenförmigen Struktur oder umgekehrt. Diese Positionen können durch die Position der distalen Spitze oder eines anderen Teils des Instruments 4 entlang eines Wegs innerhalb der röhrenförmigen Struktur definiert sein. Wenn die röhrenförmige Struktur eine verzweigte röhrenförmige Struktur ist, muss auch der jeweilige Weg innerhalb der röhrenförmigen Struktur definiert werden, um die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu definieren. Im Fall einer verzweigten röhrenförmigen Struktur können daher die mehreren Kandidatenpositionen und die schließlich zu bestimmende Position durch den jeweiligen Weg und eine Position eines festgelegten Teils des Instruments wie der distalen Spitze des Instruments entlang des jeweiligen Wegs definiert werden.
  • Jede Kandidatenposition definiert, welche erste Stelle entlang der röhrenförmigen Struktur mit welcher zweiten Stelle entlang des Instruments 4 übereinstimmt, wobei die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet ist, für jede Kandidatenposition einen Positionswert zu bestimmen, der von Abweichungen der jeweiligen ersten und zweiten Krümmungswerte relativ zueinander an übereinstimmenden ersten und zweiten Stellen abhängt. Vorzugsweise ist die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet, für jede Kandidatenposition einen Positionswert in Abhängigkeit von einer Summe von quadrierten Differenzen zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Krümmungswerten an den jeweiligen übereinstimmenden ersten und zweiten Stellen zu bestimmen.
  • Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann geeignet sein, die Abweichungen zu gewichten und für jede Kandidatenposition einen Positionswert so zu bestimmen, dass dieser von den gewichteten Abweichungen abhängt. Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet sein, die Abweichungen an übereinstimmenden distalen Stellen so zu gewichten, dass diese einen größeren Einfluss auf die Positionswerts haben als die Abweichungen an anderen übereinstimmenden Stellen.
  • Die Bestimmung der Positionswerte auf Grundlage der Kandidatenpositionen durch Verwendung der Gewichtung der Abweichungen kann als Filterung angesehen werden, wobei ein Filter auf die jeweilige Kandidatenposition angewendet und für jede Kandidatenposition der jeweilige Positionswert als die Filterantwort bereitgestellt wird.
  • Wenn die röhrenförmige Struktur eine verzweigte Struktur ist, sodass es mehrere mögliche Routen durch die röhrenförmige Struktur gibt, kann die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet sein, für jede mögliche Route a) für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang der jeweiligen möglichen Route auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument 4 an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und b) den größten Positionswert unter diesen Positionswerten zu bestimmen. Weiterhin kann die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet sein, die Kandidatenposition, für die der größte Gesamtpositionswert unter den größten Positionswerten bestimmt wurde, die für die möglichen Routen bestimmt wurden, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Daher kann die Filterantwort, d. h. die Positionswerte, für alle möglichen Routen durch die verzweigte röhrenförmige Struktur berechnet werden, wobei eine zusätzliche Max-Operation, d. h. die Auswahl der Route mit maximaler Filterantwort, verwendet werden kann, nachdem die Filterantwort für alle möglichen Routen bestimmt wurde.
  • Die Positionswerte und die entsprechenden Kandidatenpositionen können als Funktion angesehen werden, die als Eingaben die Kandidatenpositionen und als Ausgaben die Positionswerte aufweist. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 umfasst ferner eine Qualitätsbewertungseinheit 9 zum Bestimmen eines Qualitätswerts, welcher indikativ ist für die Qualität der Bestimmung der Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur, auf Grundlage einer Breite eines maximalen Peaks der Funktion und/oder einer Anzahl von Peaks, die einen Schwellenwert überschreiten. Insbesondere ist die Qualitätsbewertungseinheit 9 geeignet, auf Grundlage der Breite des maximalen Peaks der Funktion einen ersten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Präzision oder Genauigkeit der Bestimmung der Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur, und auf Grundlage der Anzahl der Peaks, die den Schwellenwert überschreiten, einen zweiten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Robustheit der Bestimmung der Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur. Wenn die Positionswerte als eine Filterantwort zu den Kandidatenpositionen angesehen werden, kann auch der erste Qualitätswert als auf Grundlage der Breite des maximalen Filterantwort-Peaks bestimmt angesehen werden, und der zweite Qualitätswert kann als auf Grundlage der Anzahl der Peaks der Filterantwort, die einen Schwellenwert überschreiten, bestimmt angesehen werden.
  • Der erste Qualitätswert kann unmittelbar die Breite des maximalen Peaks der Funktion oder ein anderer Wert sein, der von der Breite des maximalen Peaks der Funktion abhängt. Weiterhin kann der zweite Qualitätswert unmittelbar gleich der Anzahl der Peaks, die den Schwellenwert überschreiten, oder ein anderer Wert sein, der von der Anzahl der Peaks, die den Schwellenwert überschreiten, abhängt. Der Schwellenwert ist vorzugsweise vorgegeben sein und kann durch den Anwender mit Hilfe einer Eingabeeinheit 12 wie eine Tastatur, einer Computermaus, einem Touchpad usw. modifizierbar sein.
  • Die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 kann geeignet sein, die Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen, während das Instrument 4 nicht innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt wird, d. h. in einer stationären Situation, und die Positionsbestimmungsvorrichtung 5 kann geeignet sein, die Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen, während das Instrument 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt wird, d. h. in einer dynamischen Situation. Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinheit 8 der Positionsbestimmungsvorrichtung 5 geeignet sein, die Positionswerte für die Kandidatenpositionen für unterschiedliche Zeiten zu bestimmen, sodass für eine jeweilige Zeit ein jeweiliger Satz von Positionswerten, die den Kandidatenpositionen entsprechen, bestimmt wird, wobei eine größte zusammenhängende Gruppe von Positionswerten, die einen Schwellenwert überschreiten, in einem Raum, der durch die Kandidatenpositionen und die Zeit definiert wird, bestimmt wird. Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann weiterhin geeignet sein, für jede Zeit den größten Positionswert innerhalb der bestimmten größten zusammenhängenden Gruppe von Positionswerten zu bestimmen, wobei die Kandidatenposition, für die dieser größte Positionswert bestimmt wurde, als eine Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur zur jeweiligen Zeit bestimmt wird.
  • Die Visualisierungserzeugungseinheit 11 ist geeignet, die Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur so zu erzeugen, dass die bestimmte Position des Instruments in dem bereitgestellten Bild oder in einem weiteren Bild, das aus dem von der bildgebenden Einheit bereitgestellten Bild gewonnen wurde und die gewünschten Strukturen innerhalb des Patienten zeigt, visualisiert wird. Das Bildgebungssystem 1 umfasst weiterhin eine Ausgabeeinheit 13 wie ein Display zur Anzeige der Visualisierung für einen Anwender. Während sich das Instrument 4 daher innerhalb der röhrenförmigen Struktur des Patienten 3 befindet, kann der Anwender genau sehen, wo genau sich das Instrument 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur befindet, was für den Anwender eine Hilfe bei der Verwendung des Instruments 4 innerhalb des Patienten darstellt. Beispielsweise kann das Instrument 4 über Erkennungs- und/oder Behandlungsfähigkeiten verfügen, und die angezeigte Visualisierung kann den Anwender bei der Durchführung von Erkennungs- und/oder Behandlungsverfahren unterstützen, indem die exakte Position beispielsweise der Spitze des Instruments 4 relativ zu der röhrenförmigen Struktur auf der Ausgabeeinheit 13 angezeigt wird.
  • Im Folgenden ist eine Ausführungsform eines Bildgebungsverfahrens beispielhaft mit Bezug auf das in 2 gezeigte Flussdiagramm beschrieben.
  • In Schritt 101 wird ein Bild der röhrenförmigen Struktur von der bildgebenden Einheit 10 bereitgestellt, und in Schritt 102 werden die ersten Krümmungswerte, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur, von der ersten Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 6 bereitgestellt. Diese ersten Krümmungswerte können vor, während oder nach der Einführung des Instruments 4 in die röhrenförmige Struktur des Patienten 3 bereitgestellt werden. Nachdem das Instrument 4 in die röhrenförmige Struktur des Patienten 3 eingeführt wurde, werden in Schritt 103 zweite Krümmungswerte, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments 4 an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments 4, von der zweiten Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 6 bereitgestellt. In Schritt 104 wird die Position des Instruments 4 innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte durch die Positionsbestimmungseinheit 8 bestimmt, und in Schritt 105 wird eine Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position durch die Visualisierungserzeugungseinheit 11 erzeugt, wobei die erzeugte Visualisierung in Schritt 106 auf der Ausgabeeinheit 13 angezeigt wird. Die Schritte 102 bis 104 können als Schritte eines Positionsbestimmungsverfahrens zum Bestimmen einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur angesehen werden.
  • Bekannte Verfolgungssysteme, die in Krankenhäusern eingesetzt werden, stellen globale Positionsinformationen bereit, d. h. sie geben die Position der verfolgten Instrumente oder Personen im euklidischen Raum an. Diese globalen Informationen sind gegenüber Messfehlern aufgrund von beispielsweise Inhomogenitäten des elektromagnetischen Felds im Fall eines EM-Verfolgungssystems oder der Interpolation und Integration von Krümmungsinformationen im Fall eines OSS-Verfolgungssystems empfindlich. Darüber hinaus erfordern diese bekannten Verfolgungssysteme eine Kalibrierung, um beispielsweise dreidimensionale Bilder des Patienten mit der aktuellen Orientierung des Patienten in Einklang zu bringen, damit die aktuellen Positionen der Instrumente innerhalb des Patienten die jeweilige Orientierung aufweisen. Diese Kalibrierung ist gegenüber Bewegungen des Patienten äußerst empfindlich und erfordert eine verhältnismäßig hohe globale Positionierungsgenauigkeit des Verfolgungssystems.
  • Durch Verwendung lokaler Krümmungen, d. h. der ersten und zweiten Krümmungswerte, zur Verfolgung einer Position eines Instruments innerhalb einer röhrenförmigen Struktur, können diese Nachteile überwunden werden. Beispielsweise ist es nicht notwendig, das Koordinatensystem der Umgebung zu verwenden, sondern es kann stattdessen ein patientenspezifisches Koordinatensystem verwendet werden, das auf der röhrenförmigen Struktur innerhalb des Patienten basiert. Dieses Koordinatensystem ist invariant gegenüber Bewegungen des Patienten, d. h. es ist keine entsprechende Kalibrierung notwendig. Weiterhin sind keine globalen Verfolgungsinformationen notwendig. Eine direkte Messung der lokalen Krümmungen, wie mit Hilfe von OSS ausgeführt, reicht aus. Diese lokalen Krümmungen werden mit im Voraus bestimmten Krümmungen der röhrenförmigen Struktur verglichen, um einen Abgleich zwischen den aktuellen Krümmungsinformationen und dem vorhandenen Wissen über die Krümmungen der röhrenförmigen Struktur durchzuführen, woraus sich die aktuelle Position der Sensoren und des Instruments relativ zu der röhrenförmigen Struktur ergibt. Die Verwendung von lokalen Informationen führt zu kleineren Messungenauigkeiten im Vergleich zur Verwendung globaler Verfolgungsmethoden und verhindert prinzipiell die normalerweise dominierenden Fehlerquellen wie einen inkorrekten Bewegungsausgleich (Ausgleich für Herzschlag- und Atembewegungen) und globale Positionierungsungenauigkeiten (großes Messfeld) der globalen Verfolgungsmethoden. Eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Messpunkten entlang der bewegten Struktur, d. h. entlang des Instruments, ist ausreichend, um eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit zu erreichen.
  • Bevor die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur bestimmt wird, insbesondere bevor das Instrument in die röhrenförmige Struktur eingeführt wird, wird die röhrenförmige Struktur vorzugsweise auf Grundlage dreidimensionaler Bilder wie Computertomografie-Bilder, Magnetresonanz-Bilder, biplanarer Angiographie usw. analysiert, sodass die röhrenförmige Struktur, bei der es sich um eine verzweigte röhrenförmige Struktur handeln kann, insbesondere die Längen, Formen und lokalen Krümmungen einzelner röhrenförmiger Segmente der röhrenförmigen Struktur, im Voraus bekannt sind. 3 zeigt beispielhaft eine Form 20 einer zweidimensionalen röhrenförmigen Struktur in einem zweidimensionalen räumlichen Koordinatensystem mit den Achsen x und y. Auf Grundlage dieser Form 20 können die lokalen Krümmungen berechnet werden, wobei die lokalen Krümmungen, d. h. die ersten Krümmungswerte, in diesem Beispiel eindimensional sind. In einem anderen Beispiel jedoch können die ersten Krümmungswerte auch zweidimensional sein und Krümmungswerte in Quer- und Vertikalachsenrichtung beinhalten, oder es können mittlere Krümmungen, die invariant gegenüber Verdrehungen (torsion invariant) sind, in drei Dimensionen sein. 4 zeigt beispielhaft die eindimensionalen ersten Krümmungswerte c1 in Abhängigkeit von den ersten Stellen x entlang der röhrenförmigen Struktur.
  • Nachdem das Instrument in die röhrenförmige Struktur eingeführt wurde, werden die zweiten Krümmungswerte an den zweiten Stellen entlang des Instruments gemessen, wobei diese gemessenen lokalen zweiten Krümmungswerte mit den lokalen ersten Krümmungswerten verglichen werden, um die Position des Instruments innerhalb und relativ zu der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen. Insbesondere werden für jede mögliche Position des Instruments und daher der lokalen Krümmungssensoren, d. h. für die mehreren Kandidatenpositionen, die erfassten lokalen zweiten Krümmungswerte mit den im Voraus aufgezeichneten lokalen ersten Krümmungswerten anhand einer Metrik für den Abstand zwischen entsprechenden im Voraus aufgezeichneten lokalen ersten Krümmungswerten und erfassten lokalen zweiten Krümmungswerten verglichen, wodurch Positionswerte erzeugt werden. Diese Erzeugung der Positionswerte kann als Anwendung eines Filters angesehen werden, der die Metrik für den Abstand zwischen den im Voraus aufgezeichneten lokalen ersten Krümmungswerten und den erfassten lokalen zweiten Krümmungswerten verwendet, wobei die Positionswerte als die Filterantwort angesehen werden können. 5 zeigt schematisch und beispielhaft eine solche Filterantwort F in Abhängigkeit von den Kandidatenpositionen x des Instruments relativ zu der röhrenförmigen Struktur.
  • In 5 ergibt sich bei der Kandidatenposition 0.3 die höchste Filterantwort. Diese Kandidatenposition kann daher als die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur bestimmt werden.
  • Wenn die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur bestimmt wird, während das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt wird, kann die Filterantwort als eine Art Heatmap in einem x-t-Diagramm dargestellt werden, wobei x die relative Position, d. h. jeweilige Kandidatenposition, innerhalb der röhrenförmigen Struktur und t die Zeit ist. Die lokalen Krümmungsinformationen können so im Zeitverlauf kontinuierlich erfasst werden, d. h. die zweiten Krümmungswerte können kontinuierlich bestimmt werden, während das Instrument und somit die Sensoren in der röhrenförmigen Struktur bewegt werden, wobei die Filterantwort, d. h. die Positionswerte, für jeden Zeitschritt berechnet werden können und wobei die Filterantworten für jeden Zeitschritt in dem x-t-Diagramm zusammengeführt werden können. 6 zeigt beispielhaft ein solches Diagramm, wobei in diesem Beispiel das Instrument mit einer durch die Funktion 1 + sin(t) beschriebenen Geschwindigkeit innerhalb der röhrenförmigen Struktur bewegt wurde. Es ist möglich, dass für einen einzelnen Zeitschritt und für mehrere verschiedene Kandidatenpositionen hohe Filterantworten berechnet werden. Im Zeitverlauf sollte jedoch für nur eine Kandidatenposition eine hohe Filterantwort bestimmt werden, die im x-t-Diagramm als Linie, die kurvenförmig sein kann, erkennbar ist. Die Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur im Zeitverlauf kann daher als die Identifikation der „längsten Linie“ im x-t-Diagramm, die den momentanen Zeitpunkt erreicht, verstanden werden. Die Erkennung der längsten Linie kann beispielsweise durch Berechnung der größten Komponente im x-t-Diagramm, die einen vorgegebenen Schwellenwert für die Filterantwort überschreitet, ausgeführt werden, wobei die wahre Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur für einen bestimmten Zeitpunkt durch Erkennung des zum jeweiligen Zeitpunkt maximalen Peaks innerhalb dieser Komponente bestimmt werden kann. 7 zeigt beispielhaft die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur im Zeitverlauf, die auf diese Weise bestimmt wurde. Die Positionsbestimmungsvorrichtung kann geeignet sein, die Geschwindigkeit der Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage dieser bestimmten Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur im Zeitverlauf zu bestimmen. Insbesondere kann die Steigung der bestimmten zeitabhängigen Position berechnet werden, um die Geschwindigkeit v zu bestimmen. Eine Geschwindigkeit des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur, die auf diese Weise bestimmt wurde, wird beispielhaft in 8 gezeigt.
  • Die Qualitätsbewertungseinheit 9 kann geeignet sein, die Präzision oder Genauigkeit der bestimmten zeitabhängigen Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der Breite der im x-t-Diagramm erkannten „längsten Linie“ sowie die Zuverlässigkeit der bestimmten zeitabhängigen Position auf Grundlage der Anzahl der „langen Linien“ im x-t-Diagramm zu bestimmen.
  • Das Instrument kann die Krümmungen der röhrenförmigen Struktur modifizieren, wenn sich das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur befindet und im Verhältnis zur Steifigkeit der röhrenförmigen Struktur steif genug ist. Diese Modifikation der Krümmungen der röhrenförmigen Struktur und daher der ersten Krümmungswerte kann die Genauigkeit der Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur reduzieren. Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann daher geeignet sein, diese Modifikation bei der Bestimmung der Position des Instruments zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet sein, z. B. ein Modell der Interaktion von Sensoren und röhrenförmiger Struktur und eine numerische Simulation der erwarteten Modifikation der röhrenförmigen Struktur zu verwenden, wobei angenommen wird, dass die Steifigkeit der röhrenförmigen Struktur und die Steifigkeit des Instruments bekannt sind. Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann jedoch auch geeignet sein, bei der Bestimmung der Position des Instruments andere Methoden zur Berücksichtigung dieser Modifikation zu verwenden, z. B. eine Variationssuchmethode.
  • Die intratubuläre Navigation auf Grundlage lokaler Krümmungen sieht ein bewegliches Koordinatensystem für die röhrenförmige Struktur vor. Das bedeutet, dass die Position in Bezug auf die röhrenförmige Struktur nach größeren Bewegungen wie Atembewegungen oder Herzschlagbewegungen immer noch gültig und aussagekräftig ist. Außerdem sind alle oder ein großer Teil der lokalen Krümmungsinformationen, die vor dem Eingriff gewonnen wurden, nach solchen Bewegungen immer noch unverändert. Dies stellt einen Vorteil gegenüber alternativen Herangehensweisen dar, die externe Bezugskoordinatensysteme verwenden wie die EM-Navigation, die durchleuchtungsbasierte Navigation usw., die eine zusätzliche Verfolgung der röhrenförmigen Struktur erfordern, um präzise und aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.
  • Die erste und zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit 6, 7 können geeignet sein, ein- und zweidimensionale erste Krümmungswerte und ein- und zweidimensionale zweite Krümmungswerte bereitzustellen, wobei die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet sein kann, die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der eindimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen, wobei die Positionsbestimmungseinheit 8 weiterhin geeignet sein kann, auf Grundlage der zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte eine Drehabweichung zwischen der Position des Instruments gemäß der Bestimmung durch die Positionsbestimmungseinheit 8 und der tatsächlichen Position des Instruments zu bestimmen. Da die bestimmte Position durch Berücksichtigung nur der eindimensionalen Krümmungswerte, die richtungsunabhängig sind, d. h. keine Drehinformationen wie Verdrehungs- oder Verwindungsinformationen umfassen, bestimmt wird, kann die räumliche Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur korrekt bestimmt werden; es kann jedoch eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Drehstellung des gesamten Instruments oder eines Teils, d. h. eines Segments, des Instruments und der bestimmten Drehstellung auftreten, die beispielsweise durch Torsionen des Instruments verursacht werden kann. Die Drehstellung bezieht sich hierbei auf die Drehung des Instruments um seine Längsachse. Diese Drehabweichung kann anhand der zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte bestimmt werden. Insbesondere kann ein Abweichungsmaß wie eine Quadratwurzel der mittleren quadratischen Abweichung (Standardabweichung) zur Bestimmung der Drehabweichung auf die zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte angewendet werden. Wenn die Drehabweichung größer ist als ein Abweichungsschwellenwert, kann dieses durch die Ausgabeeinheit 13 ausgegeben werden. Beispielsweise kann über die Ausgabeeinheit 13 eine Warnung an einen Anwender ausgegeben werden. Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann weiter geeignet sein, die bestimmte Position des Instruments so zu korrigieren, dass die bestimmte Drehabweichung reduziert wird. Insbesondere ist die Positionsbestimmungseinheit 8 geeignet, das gesamte Instrument und/oder Teile des Instruments in seiner bestimmten Position virtuell so zu drehen, dass die Drehabweichung reduziert und insbesondere minimiert wird. Die Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur kann somit in zwei Schritten bestimmt werden, wobei in einem ersten Schritt die räumliche Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur nur anhand der eindimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte bestimmt wird und in einem zweiten Schritt die Drehstellung jedes Segment des Instruments so bestimmt wird, dass die Drehabweichung minimiert wird.
  • Die Positionsbestimmungseinheit kann weiterhin geeignet sein, entlang eines Teils des Instruments, der sich außerhalb der röhrenförmigen Struktur befindet, gemessene zweite Krümmungswerte zusammen mit der Position des Endes der röhrenförmigen Struktur, das zu dieser Außenseite gerichtet ist, zu verwenden, um die Form dieses Teils des Instruments außerhalb der röhrenförmigen Struktur zu rekonstruieren. Somit kann der Abgleich der zweiten Krümmungswerte des Teils des Instruments, das sich innerhalb der röhrenförmigen Struktur befindet, und der ersten Krümmungswerte der röhrenförmigen Struktur mit einer Formrekonstruktion, bei der dieses Abgleichverfahren für den Teil des Instruments, der sich innerhalb der röhrenförmigen Struktur befindet, beispielsweise innerhalb eines Gefäßes, verwendet wird, und einer Formrekonstruktion des Teils außerhalb der röhrenförmigen Struktur, beispielsweise innerhalb einer Herzkammer, kombiniert werden, wobei der Bezugspunkt für die Formrekonstruktion am Ende der röhrenförmigen Struktur ist. In bekannten Formrekonstruktionssystemen sind Verdrehungen und Rotationen des Instruments häufige Fehlerquellen. Wenn eine Verdrehung des Instruments nicht erkannt und daher bei der Formrekonstruktion nicht berücksichtigt wird, wird die Rekonstruktion in einer „falschen Richtung“ fortgeführt. Wie oben erläutert, kann die Positionsbestimmungseinheit 8 eine solche Verdrehung/Verwindung des Instruments erkennen, indem die zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte miteinander verglichen werden, um die oben erwähnte Drehabweichung zu bestimmen. Weiterhin kann die Drehabweichung wie oben erläutert minimiert werden, insbesondere eliminiert werden, woraufhin eine hochwertige Formrekonstruktion durch die Positionsbestimmungseinheit 8 ausgeführt werden kann.
  • Die bereitgestellten ersten Krümmungswerte an den ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur können durch eine vorherige Inspektion der röhrenförmigen Struktur gewonnen worden sein, sodass die Position des Instruments, die bei der momentanen intratubulären Untersuchung erfasst wird, im Verhältnis zu den während der früheren Inspektion, insbesondere während einer früheren Untersuchung, bestimmten Positionen des gleichen oder eines anderen Instruments mit sehr hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden kann, sofern die gleiche röhrenförmigen Struktur erreicht wurde.
  • Das Instrument mit den an den zweiten Stellen entlang des Instruments angeordneten Sensoren kann kalibriert werden, indem das Instrument mit den Sensoren in einer Geometrie mit bekannten Krümmungen positioniert wird, um mögliche Fertigungs- und/oder Montageabweichungen auszugleichen. Die unmittelbare Verwendung der lokalen zweiten Krümmungen, die von den jeweiligen Signalsensoren erfasst wurden, für den Abgleich stellt einen 1-zu 1-Abgleich zwischen einer erfassten und einer erwarteten Krümmung dar, was die Ableitung von sensorspezifischen Ausgleichsfaktoren für die lokale Krümmung erlaubt. Diese Ausgleichsfaktoren können während des eigentlichen Verfahrens zur Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zusammen mit beispielsweise den OSS-Signalen, die für die jeweiligen Sensoren erzeugt werden, zur Bestimmung der zweiten Krümmungswerte genutzt werden.
  • Die Positionsbestimmungseinheit kann so ausgelegt sein, dass die Gewichtungen, die während der Berechnung der Filterantwort verwendet werden, für die einzelnen Sensoren, die zur Bestimmung der zweiten Krümmungswerte an den zweiten Stellen verwendet werden, im Zeitverlauf variieren. Die Gewichtungen können jedoch auch unveränderlich sein. Insbesondere können Sensoren, die aufgrund eines Schadens und/oder Mangels dazu neigen, inkorrekte lokale zweite Krümmungswerte zu liefern, deaktiviert werden. Weiterhin ist es so möglich, den Sensoren entlang des Instruments individuelle Gewichtungen zu geben, um für einen größeren Einfluss des distalen Teils, d. h. des Teils in der Nähe der Spitze des Instruments, auf die Filterantwort zu sorgen.
  • Wenn die lokalen zweiten Krümmungswerte im Zeitverlauf aufgezeichnet werden, kann eine bessere Rekonstruktion der dreidimensionalen Form des erfassten Teils des Instruments gewonnen werden. Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, die dreidimensionale Form des erfassten Teils des Instruments zu rekonstruieren, wobei - sobald ein Teil der röhrenförmigen Struktur von mehr als einem Sensor erreicht wurde - die Sensorinformationen aller Sensoren, die diesen Teil der röhrenförmigen Struktur erreicht haben, kombiniert werden können, d. h. beispielsweise gemittelt werden können, und dieses kombinierte Ergebnis kann für die Rekonstruktion der dreidimensionalen Form verwendet werden.
  • Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann geeignet sein, einen erwarteten Weg innerhalb der röhrenförmigen Struktur bereitzustellen, eine Abweichung zwischen den ersten Krümmungswerten entlang des erwarteten Wegs hinter einer Verzweigungsstelle der röhrenförmigen Struktur und den zweiten Krümmungswerten des Instruments hinter der Verzweigungsstelle zu bestimmen und auf Grundlage der bestimmten Abweichung zu bestimmen, ob das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang des erwarteten Wegs bewegt wird. Die Positionsbestimmungseinheit 8 kann also geeignet sein zu bestimmen, ob die Spitze des Instruments an einer Verzweigungsstelle in die richtige Richtung bewegt wird, während das Instrument in die röhrenförmige Struktur eingeführt wird. Beispielsweise kann ein Abweichungsmaß wie eine Standardabweichung auf die ersten Krümmungswerte entlang des erwarteten Wegs hinter der Verzweigungsstelle und auf die zweiten Krümmungswerte des Instruments hinter der Verzweigungsstelle angewendet werden. Wenn dies zu einem Abweichungsergebnis führt, das größer ist als ein Schwellenwert, der vorgegeben sein kann, kann dies dem Anwender als Hinweis dienen, dass die Spitze wahrscheinlich in eine falsche Richtung bewegt wurde. Der Schwellenwert kann ebenfalls von einer Abweichung der ersten und zweiten Krümmungswerte vor der Verzweigungsstelle abhängen. Beispielsweise kann der Schwellenwert als eine zulässige absolute oder relative Differenz der Abweichungen vor und hinter der Verzweigungsstelle definiert sein.
  • Die Visualisierungserzeugungseinheit kann geeignet sein, die Visualisierung so zu erzeugen, dass ein vorheriges zwei- oder dreidimensionales Bild wie ein intravaskuläres Ultraschall- (IVUS), CT- oder MR-Bild, das von der bildgebenden Einheit bereitgestellt wird, um die berechnete Position der Spitze des Instruments oder entlang der Positionen mit abgeglichenen zweiten Krümmungen angezeigt wird, um eine virtuelle Endoskopie oder Umgebungsansicht zu erhalten. Dies kann bei Eingriffen nützlich sein, wo komplexe Informationen aus vorherigen zwei- oder dreidimensionalen Abbildungsscans verfügbar sind.
  • Die Positionsbestimmungsvorrichtung kann geeignet sein, zusätzlich Verfolgungs-, Navigations- und Positionierungsinformationen von weiteren Vorrichtungen zur Verfolgung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu verwenden. Wenn beispielsweise zum Messen der zweiten Krümmungswerte an den mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments OSS-Sensoren eingesetzt werden, kann es sich bei einerweiteren Vorrichtung um eine Verfolgungseinrichtung zum Verfolgen der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur durch eine EM-Verfolgungsmethode oder Durchleuchtung handeln. Beispielsweise kann ein Röntgen-C-Bogen zum Erfassen eines oder mehrerer Validierungsbilder verwendet werden, die von der Positionsbestimmungseinheit der Positionsbestimmungsvorrichtung zur Erhöhung des Vertrauensniveaus, dass eine bestimmte Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur von dem Instrument erreicht wurde, verwendet werden können. In einem weiteren Beispiel können Positionsinformationen von einer Robotersteuerungseinheit zum Steuern des Instruments von der Positionsbestimmungseinheit der Positionsbestimmungsvorrichtung verwendet werden, um das Vertrauensniveau, dass eine bestimmte Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur von dem Instrument erreicht wurde, zu erhöhen.
  • Somit kann die Positionsbestimmungseinheit geeignet sein, die ersten und zweiten Krümmungswerte zum Bestimmen der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu verwenden und diese Positionsinformationen mit anderen Verfolgungs- und/oder Navigations- und/oder Positionsinformationen zu kombinieren, um eine optional angepasste Position des Instruments zu bestimmen. Dies kann durch Gewichtung des Einflusses verschiedener Quellen auf Grundlage des Vertrauens in die bereitgestellten Positionsinformationen geschehen. Somit kann für jede Informationsquelle ein Vertrauensgrad angegeben werden, und die Positionsbestimmungseinheit kann geeignet sein, die Informationsquellen in Abhängigkeit von den angegebenen Vertrauensgraden zu gewichten, wenn diese Informationsquellen zur Anpassung der bestimmten Position des Instruments kombiniert werden. Beispielsweise können die Positionsinformationen, die durch eine klare Erkennung des Instruments in einem Röntgenbild gewonnen wurden, einen verhältnismäßig hohen Vertrauensgrad aufweisen; insbesondere kann der Vertrauensgrad höher sein als der Vertrauensgrad möglicherweise grober Navigationsinformationen von einer Robotersteuerungseinheit.
  • Die Positionsbestimmungseinheit kann ebenfalls geeignet sein, EM-Verfolgungsinformationen, die indikativ sind für die Position der Instrumentenspitze innerhalb der röhrenförmigen Struktur, mit OSS-Informationen zu kombinieren, die zur Bestimmung der zweiten Krümmungswerte an den zweiten Stellen entlang des Instruments verwendet werden können, um ergänzende Informationen bereitzustellen. Wenn die EM-Verfolgungsinformationen beispielsweise darauf hinweisen, dass sich die Spitze des Instruments in Bezug auf ein EM-Koordinatensystem, das durch die EM-Verfolgungseinrichtung definiert ist, bewegt, aber die Krümmungsinformationen darauf hinweisen, dass sich das Instrument in Bezug auf die röhrenförmige Struktur nicht bewegt, kann die Positionsbestimmungseinheit feststellen, dass die Bewegung auf eine Bewegung des Patienten wie Atembewegungen oder Herzschlagbewegungen und nicht auf eine Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zurückzuführen ist. Die Positionsbestimmungseinheit kann daher geeignet sein, auf Grundlage der Krümmungsinformationen und auf Grundlage der weiteren Verfolgungsinformationen ergänzende Informationen wie z. B. die Information, ob eine Bewegung des Patienten und nicht eine Bewegung des Instruments in Bezug auf die röhrenförmige Struktur vorliegt, bereitzustellen. In diesem Fall kann die Positionsbestimmungseinheit oder eine andere Einheit weiterhin geeignet sein, auf Grundlage der weiteren Verfolgungsinformationen die Bewegung des Patienten, beispielsweise die Atembewegung und/oder Herzschlagbewegung, zu bestimmen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Instrument, insbesondere die Spitze des Instruments, eine bildgebende Einheit wie eine intravaskuläre Ultraschall-Einheit (IVUS-Einheit). Die Visualisierungserzeugungseinheit kann geeignet sein, auf Grundlage von eindimensionalen Rotationsbildern, die von der bildgebenden Einheit während der Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur aufgenommen wurden, und auf Grundlage der jeweiligen Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur, wobei die Position auch die Drehstellung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur beinhaltet, ein zweidimensionales Bild zu erstellen. Die Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt also zu jedem Zeitpunkt die Position entlang eines Wegs durch die röhrenförmige Struktur sowie die Drehstellung des Instruments, sodass zu jedem Zeitpunkt die räumliche Orientierung der bildgebenden Einheit in Bezug zu der röhrenförmigen Struktur bekannt ist. Diese Informationen werden von der Visualisierungserzeugungseinheit zur Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bilds auf Grundlage der eindimensionalen Rotationsbilder, die von der bildgebenden Einheit aufgenommen wurden, benutzt. Es ist daher möglich, das zweidimensionale Bild beispielsweise während einer Rückzugsbewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu erzeugen, ohne dass dazu eine konstante Rückzugsgeschwindigkeit oder die Vermeidung von Drehungen notwendig wäre, wie es üblicherweise bei zweidimensionalen Bildrekonstruktionen auf Basis einer Rückzugsbewegung der Fall ist. Da in dieser Ausführungsform die Positionsbestimmungsvorrichtung die Position des Instruments entlang eines Wegs innerhalb der röhrenförmigen Struktur sowie die Drehstellung des Instruments in Bezug zu der röhrenförmigen Struktur bestimmt, kann die Positionsbestimmungsvorrichtung darüber hinaus auch Informationen überdie momentane Orientierung des Instruments, insbesondere der Spitze des Instruments, in Bezug zu benachbarten Gefäßteilen bereitstellen, wenn es sich bei der röhrenförmigen Struktur um eine Gefäßstruktur handelt, die die benachbarten Gefäßteile beinhaltet. In dieser Situation kann die zweidimensionale Bildrekonstruktion auch auf nicht-parallelen Koordinaten entlang der gekrümmten Mittellinie der röhrenförmigen Struktur basieren und so genauer werden und die Drehbewegung der Instrumentenspitze ausgleichen. In einer anderen Ausführungsform kann die Visualisierungserzeugungseinheit geeignet sein, auf Grundlage von zweidimensionalen Bildern, die von der bildgebenden Einheit während der Bewegung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur aufgenommen wurden, und auf Grundlage der jeweiligen Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur, wobei die Position auch die Drehstellung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur beinhaltet, ein dreidimensionales Bild zu erstellen.
  • Die Verfolgung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur einschließlich der Drehstellung des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der Krümmungsinformationen kann verwendet werden, um das Instrument innerhalb der röhrenförmigen Struktur wie gewünscht in reproduzierbarer Weise zu positionieren, wobei nicht nur die Position entlang des jeweiligen Wegs innerhalb der röhrenförmigen Struktur, d. h. die räumliche Position, sondern auch die Drehstellung des Instruments in Bezug auf die röhrenförmige Struktur in reproduzierbarer Weise eingestellt werden kann. Wenn beispielsweise eine gewünschte Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur gegeben ist, bei der es sich um die gleiche Position handeln kann, die bei einem früheren Eingriff verwendet wurde, kann das Instrument durch Verwendung nur eindimensionaler Krümmungswerte für die Berechnung der momentanen Position des Instruments zunächst so innerhalb der röhrenförmigen Struktur angeordnet werden, dass seine räumliche Position der gewünschten räumlichen Position entspricht. Das Instrument kann dann virtuell so gedreht werden, dass Abweichungen zwischen den zweidimensionalen zweiten Krümmungswerten des Instruments und den zweidimensionalen Krümmungswerten, die die gewünschte Drehstellung angeben, minimiert werden. Die zweidimensionalen Krümmungswerte, die die gewünschte Drehstellung angeben, können die zweidimensionalen zweiten Krümmungswerte des Instruments sein, die vorlagen, als das Instrument bei einem früheren Eingriff, der reproduziert werden soll, an der gewünschten Position war. Das klinisch relevante Problem der Gewährleistung reproduzierbarer Bilder, die von einer bildgebenden Einheit des Instruments aufgenommen werden, insbesondere der Gewährleistung reproduzierbarer IVUS-Untersuchungen, kann daher ohne eine weitere Navigationshilfe oder externe Bildaufnahmesteuerung gelöst werden. Die Positionsbestimmungseinheit, die Visualisierungserzeugungseinheit oder eine andere Einheit des Bildgebungssystems können sogar geeignet sein, den Anwender, bei dem es sich um einen Arzt, der den Eingriff durchführt, handeln kann, zu warnen, dass ein falscher Gefäßzweig erreicht wurde, wenn die Robustheit und Präzision des Abgleichs der ersten und zweiten Krümmungswerte entlang des erwarteten Wegs des Instruments zu klein ist.
  • Durch Verwendung eines lokalen, patientenspezifischen Koordinatensystems kann die Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur im Wesentlichen unabhängig von der globalen Position möglicherweise verfolgter Vorrichtungen und/oder Personen erfolgen. Die Bewegungen des Patienten, die Bewegungen von Geräten während eines Eingriffs, das Umlegen und der Transport eines Patienten usw. beeinträchtigen daher nicht die Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur. Darüber hinaus können Verfolgungsmethoden verwendet werden, die eine unzureichende globale Genauigkeit, aber eine ausreichende lokale, relative Genauigkeit bieten, d. h. die globale, GPS-ähnliche Positionsbestimmung ist irrelevant, solange die lokalen Informationen, der Abstand und der Winkel von beispielsweise benachbarten Positionssensoren, präzise für eine lokale Krümmungsberechnung bestimmt werden können. Insbesondere kann eine Gruppe von wenigstens drei Positionssensoren, die an einer bestimmten Stelle angeordnet ist, zur Bestimmung eines Krümmungswerts für nur diese Stelle auf Grundlage der relativen Positionsinformationen verwendet werden, d. h. auf Grundlage der Positionen der Positionssensoren der Gruppe relativ zueinander. Im Fall von OSS-Sensoren kann ein einzelner OSS-Sensor pro Stelle entlang des Instruments ausreichend sein, um einen Krümmungswert für die jeweilige Stelle zu bestimmen.
  • Da die Positionsbestimmung auf dem Messen von lokalen Krümmungen entlang des Instruments basiert, kann eine Fehlerakkumulation aufgrund einer Integration der Krümmungsmessungen entlang des Instruments vermieden werden. Wenn die Krümmungen darüber hinaus auf eine zeitlich kontinuierliche Weise gemessen werden, kann eine stabilere Positionsbestimmung erreicht werden und Qualitätskennzahlen, die die Qualität der Positionsbestimmung kennzeichnen, können abgeleitet werden. Darüber hinaus führen Messfehler und Deformationen der röhrenförmigen Struktur aufgrund des Abgleichs der ersten und zweiten Krümmungswerte nicht notwendigerweise zu Positionierungsfehlern, da sie durch ein „Best-Fit“-Verfahren ausgeglichen werden können.
  • Andere Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen können von Fachleuten verstanden und ausgeführt werden durch ein Praktizieren der beanspruchten Erfindung nach einem Studium der Zeichnung, der Beschreibung und der angefügten Ansprüche.
  • In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
  • Eine einzelne Einrichtung oder Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angeführter Objekte erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen angeführt sind, gibt nicht an, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen zum Vorteil verwendet werden kann.
  • Verfahren, wie etwa die Bestimmung der Position des Instruments innerhalb der röhrenförmigen Struktur, die Bestimmung von Qualitätswerten usw., die durch eine oder mehrere Einrichtungen oder Vorrichtungen durchgeführt werden, können durch eine beliebige andere Anzahl von Einrichtungen oder Vorrichtungen durchgeführt werden. Diese Verfahren und/oder die Steuerung des Bildgebungssystems gemäß dem Bildgebungsverfahren und/oder die Steuerung der Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß dem Positionsbestimmungsverfahren können als Programmcodemittel eines Computerprogramms und/oder als dedizierte Hardware ausgeführt sein.
  • Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium gespeichert/geliefert sein, wie etwa einem optischen Speichermedium oder einem Festkörpermedium, geliefert zusammen mit oder als Teil anderer Hardware, kann aber auch in anderen Formen geliefert sein, wie etwa über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme.
  • Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als Einschränkung des Geltungsbereichs ausgelegt werden.

Claims (18)

  1. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) zum Bestimmen einer Position eines Instruments (4) innerhalb einer röhrenförmigen Struktur, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung (5) umfasst: - eine erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (6) zum Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur, - eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (7) zum Bereitstellen von zweiten Krümmungswerten, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments (4) an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments (4), - eine Positionsbestimmungseinheit (8) zum Bestimmen der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist: - für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument (4) an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und - die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen.
  2. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 1, wobei jede Kandidatenposition definiert, welche erste Stelle mit welcher zweiten Stelle übereinstimmt, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist, für jede Kandidatenposition einen Positionswert so zu bestimmen, dass dieser von Abweichungen der jeweiligen ersten und zweiten Krümmungswerte relativ zueinander an übereinstimmenden ersten und zweiten Stellen abhängt.
  3. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 2, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist, die Abweichungen zu gewichten und für jede Kandidatenposition einen Positionswert so zu bestimmen, so dass dieser von den gewichteten Abweichungen abhängt.
  4. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 3, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist, zeitlich veränderliche Gewichtungen zum Gewichten der Abweichungen zu verwenden.
  5. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die röhrenförmige Struktur eine verzweigte Struktur ist, sodass es verschiedene mögliche Routen durch die röhrenförmige Struktur gibt, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist: - für jede mögliche Route a) für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang der jeweiligen möglichen Route auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte zu bestimmen, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument (4) an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und b) den größten Positionswert unter diesen Positionswerten zu bestimmen, - die Kandidatenposition, für die der größte Gesamtpositionswert unter den größten Positionswerten, die für die möglichen Routen bestimmt wurden, bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen.
  6. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Positionswerte und die entsprechenden Kandidatenpositionen eine Funktion bilden, deren Eingaben die Kandidatenpositionen und deren Ausgaben die Positionswerte sind, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung (5) ferner eine Qualitätsbewertungseinheit (9) zum Bestimmen eines Qualitätswerts umfasst, welcher indikativ ist für die Qualität der Bestimmung der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur, auf Grundlage einer Breite eines maximalen Peaks der Funktion und/oder einer Anzahl von Peaks, die einen Schwellenwert überschreiten.
  7. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 6, wobei die Qualitätsbewertungseinheit (9) geeignet ist, auf Grundlage der Breite des maximalen Peaks der Funktion einen ersten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Präzision der Bestimmung der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur.
  8. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 6 und 7, wobei die Qualitätsbewertungseinheit (9) geeignet ist, auf Grundlage der Anzahl der Peaks, die den Schwellenwert überschreiten, einen zweiten Qualitätswert zu bestimmen, der indikativ ist für die Robustheit der Bestimmung der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur.
  9. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist: - die Positionswerte für die Kandidatenpositionen für unterschiedliche Zeiten zu bestimmen, sodass für eine jeweilige Zeit ein jeweiliger Satz von Positionswerten, die den Kandidatenpositionen entsprechen, bestimmt wird, - eine größte zusammenhängende Gruppe von Positionswerten, die einen Schwellenwert überschreiten, in einem Raum, der durch die Kandidatenpositionen und die Zeit definiert wird, zu bestimmen und - für jede Zeit den größten Positionswert innerhalb der bestimmten größten zusammenhängenden Gruppe von Positionswerten zu bestimmen, wobei die Kandidatenposition, für die dieser größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur zur jeweiligen Zeit bestimmt wird.
  10. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 9, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist, die Geschwindigkeit einer Bewegung des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der für die verschiedenen Zeiten bestimmten Positionen des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur zu bestimmen.
  11. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, wobei die bereitgestellten ersten und zweiten Krümmungswerte eindimensionale Werte sind.
  12. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste und zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (6, 7) geeignet sind, ein- und zweidimensionale erste Krümmungswerte und ein- und zweidimensionale zweite Krümmungswerte bereitzustellen, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist, die Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der eindimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) weiterhin geeignet ist, eine Drehabweichung zwischen der Position des Instruments gemäß der Bestimmung durch die Positionsbestimmungseinheit (8) und der tatsächlichen Position des Instruments (4) auf Grundlage der zweidimensionalen ersten und zweiten Krümmungswerte zu bestimmen.
  13. Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 12, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) weiter geeignet ist, die bestimmte Position des Instruments (4) so zu korrigieren, dass die Drehabweichung reduziert wird.
  14. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13, wobei die röhrenförmige Struktur eine Verzweigungsstelle umfasst, wobei die Positionsbestimmungseinheit (8) geeignet ist: - einen erwarteten Weg innerhalb der röhrenförmigen Struktur bereitzustellen, - eine Abweichung zwischen den ersten Krümmungswerten entlang des erwarteten Wegs hinter der Verzweigungsstelle und den zweiten Krümmungswerten des Instruments (4) hinter der Verzweigungsstelle zu bestimmen, und - auf Grundlage der bestimmten Abweichung zu bestimmen, ob das Instrument (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur entlang des erwarteten Wegs bewegt wird.
  15. Bildgebungssystem (1), umfassend: - eine Positionsbestimmungsvorrichtung (5) zum Bestimmen einer Position eines Instruments (4) innerhalb einer röhrenförmigen Struktur nach Anspruch 1, - eine bildgebende Einheit (10) zum Bereitstellen eines Bilds der röhrenförmigen Struktur, - eine Visualisierungserzeugungseinheit (11) zum Erzeugen einer Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position.
  16. Positionsbestimmungsverfahren zum Bestimmen einer Position eines Instruments (4) innerhalb einer röhrenförmigen Struktur, wobei das Positionsbestimmungsverfahren umfasst: - Bereitstellen von ersten Krümmungswerten, die indikativ sind für erste Krümmungen der röhrenförmigen Struktur an mehreren ersten Stellen entlang der röhrenförmigen Struktur, durch eine erste Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (6), - Bereitstellen von zweiten Krümmungswerten, die indikativ sind für zweite Krümmungen des Instruments (4) an mehreren zweiten Stellen entlang des Instruments (4), durch eine zweite Krümmungswerte-Bereitstellungseinheit (6), und - Bestimmen der Position des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte durch eine Positionsbestimmungseinheit (8), wobei für mehrere Kandidatenpositionen des Instruments (4) innerhalb der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage der ersten und zweiten Krümmungswerte Positionswerte bestimmt werden, die indikativ sind für die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument (4) an der jeweiligen Kandidatenposition angeordnet ist, und wobei die Kandidatenposition, für die der größte Positionswert bestimmt wurde, als die Position innerhalb der röhrenförmigen Struktur bestimmt wird.
  17. Computerprogramm zur Positionsbestimmung, umfassend ein Programmcodemittel zum Veranlassen einer Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 1, das Positionsbestimmungsverfahren nach Anspruch 16 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Positionsbestimmungsvorrichtung (5) ausgeführt wird.
  18. Bildgebungscomputerprogramm, umfassend Programmcodemittel zum Veranlassen eines Bildgebungssystems (1) nach Anspruch 15, das folgende Bildgebungsverfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Bildgebungssystem (1) ausgeführt wird: - Bereitstellen eines Bilds der röhrenförmigen Struktur durch eine bildgebende Einheit (10), - Bestimmen einer Position eines Instruments (4) innerhalb einer röhrenförmigen Struktur durch eine Positionsbestimmungsvorrichtung (5) nach Anspruch 1, und - Erzeugen einer Visualisierung der röhrenförmigen Struktur auf Grundlage des bereitgestellten Bilds und der bestimmten Position durch eine Visualisierungserzeugungseinheit (11).
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