DE102016210801A1

DE102016210801A1 - Positionierung eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE102016210801A1
Application number: DE102016210801.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Malte Berndt; Benedikt Geißler
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs (11) in einer Pose (P) relativ zu einem medizintechnischen bildgebenden Gerät (2) mittels eines Roboterarms (10), der eine Anzahl von Gelenken (12, 13, 14, 16, 18, 19) aufweist, das folgende Schritte umfasst. In einem ersten Schritt wird eine Anzahl von möglichen Gelenkkonstellationen (C) für eine Anzahl von möglichen Posen (P) ermittelt. In einem zweiten Schritt wird zumindest ein kollisionsfreier Pfad für jede Gelenkkonstellation (C) berechnet. In einem dritten Schritt werden eine Gelenkkonstellation (C) und ein für die Gelenkkonstellation (C) berechneter Pfads ausgewählt. Folgend wird in einem vierten Schritt der Roboterarm (10) nach Maßgabe der ausgewählten Gelenkkonstellation (C) und des ausgewählten Pfads positioniert. Außerdem werden eine Steuerungseinrichtung (33) und eine medizintechnische bildgebende Anlage (1) mit einer solchen Steuerungseinrichtung (33) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs sowie eine Steuerungseinrichtung dafür und eine medizintechnische bildgebende Anlage mit einer solchen Steuerungseinrichtung.
Roboter sind heutzutage ein aus der industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenkendes Hilfsmittel, das die Produktion automatisiert und dadurch beschleunigt und präzisiert. Zum Beispiel in der Autoindustrie durchlaufen Roboter bei einem Fertigungsschritt immer wieder denselben Bewegungszyklus, der bereits im Rahmen der Produktionsplanung festgelegt und in höchstem Maße optimiert wurde. Es ist jedoch klar, dass dieses Konzept nicht auf das Gebiet der Medizintechnik übertragen werden kann, in dem von Patient zu Patient unterschiedliche Rahmenbedingungen vorherrschen.
Aus der Medizintechnik ist der „Da-Vinci-Roboter“ bekannt. Mit diesem Roboter kann ein Operateur einen interventionellen bzw. minimal-invasiven Eingriff vornehmen, indem er den Roboter direkt mit einer eigens dafür entwickelten Bedienvorrichtung kontrolliert. Dies ermöglicht es, die Eingriffe quasi ferngesteuert vorzunehmen. Da der Roboter jedoch unter Verwendung einer endoskopischen Kamera direkt vom Operateur gesteuert wird, erfolgt hierbei keine vollautomatische Positionierung des Werkzeugs.
Bei interventionellen bzw. invasiven Eingriffen mit Hilfe von bildgebenden Verfahren ist zunächst meist nur der Zielpunkt des Eingriffs bekannt, also beispielsweise der Ort in einem Organ, an dem im Rahmen einer Biopsie eine Probe entnommen werden soll. Auf Basis von weiteren Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Lage von Gefäßen oder den übrigen Organen bzw. dem kürzesten Weg zur Körperoberfläche kann folgend ein Interventionspfad bestimmt werden. Dies erfolgt zum Beispiel dadurch, dass von dem behandelnden Personal zunächst ein Einstichpunkt festgelegt wird. Dabei ergibt sich der Interventionspfad bzw. der Zielvektor aus der, oft geradlinigen, Verbindung von Einstichpunkt und Zielpunkt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der Interventionspfad beispielsweise auf Basis der vorgenannten Rahmenbedingungen automatisch optimiert berechnet wird.
Wenn der Interventionspfad bzw. der Interventionsvektor vorgegeben ist, sind also Einstichpunkt und Einstichrichtung bestimmt. Nicht festgelegt ist jedoch der Rotationsfreiheitsgrad um den Interventionsvektor. Für die Positionierung eines Werkzeugs, das sich am freien Ende eines Roboterarms befindet, ergeben sich bereits hieraus unendlich viele Möglichkeiten. Selbst, wenn die Pose des Werkzeugs, d. h. dessen Position und Orientierung, vollständig festgelegt ist, bleiben im allgemeinen Fall eines Mehrachsenroboters unendlich viele Lösungen, da auch verschiedene Winkelstellungen der Achsen das Werkzeug zur selben Pose führen können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zur Positionierung eines Werkzeugs mittels eines Roboterarms anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Positionierung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Bestimmung einer Pose gemäß Patentanspruch 9, eine Steuerungseinrichtung gemäß Patentanspruch 10 sowie durch eine medizintechnische bildgebende Anlage gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Das eingangs genannte Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs in einer Pose relativ zu einem medizintechnisch bildgebenden Gerät mittels eines Roboterarms, der eine Anzahl von Gelenken aufweist, umfasst folgende Schritte: Zunächst wird in einem ersten Schritt eine Anzahl von möglichen Gelenkkonstellationen für eine Anzahl von möglichen Posen ermittelt. Folgend wird in einem zweiten Schritt für jede Gelenkkonstellation zumindest ein kollisionsfreier Pfad berechnet. In einem dritten Schritt werden eine Gelenkkonstellation und ein für die Gelenkkonstellation berechneter Pfad ausgewählt. Schließlich wird in einem vierten Schritt der Roboterarm nach Maßgabe der ausgewählten Gelenkkonstellation und des ausgewählten Pfads positioniert.
Das Werkzeug, der sog. Effektor, ist mit dem ersten Armglied bzw. dem ersten Gelenk an einem freien Ende des Roboterarms mit diesem verbunden. Das Werkzeug ist allgemein ein Hilfsmittel, das die Funktion des Roboterarms modular erweitert. Es kann sich dabei beispielsweise um ein medizintechnisches Instrument oder auch eine Halterung oder Führung für ein solches Instrument handeln. Das Werkzeug soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Pose gebracht werden. Eine Pose kennzeichnet dabei die räumliche Lage und wird im technischen Zusammenhang auch als Kombination von Position und Orientierung eines Objekts bezeichnet. Die Pose ist dabei nicht von vorneherein definiert, sondern wird erst im Verlauf des Verfahrens festgelegt. Wesentliche Freiheitsgrade der Pose sind allerdings bevorzugt bereits zu Beginn des Verfahrens mittels eines Interventionsvektors bestimmt, wie im Folgenden näher erläutert wird. Der Interventionsvektor ist dabei identisch mit einem Interventionspfad, also einem geplanten Pfad, dem ein Interventionsinstrument im Rahmen einer Intervention folgen soll. Die Intervention selbst ist als medizinischer Eingriff nicht von dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst, sondern erfolgt nach der bzw. im Anschluss an die Positionierung des Werkzeugs.
Der Zielvektor bzw. der Interventionspfad ergibt sich dabei aus dem Pfad, also der Verbindung, zwischen einem Einstichpunkt und einem Zielpunkt. Der Zielpunkt kennzeichnet die Position, die mit dem Instrument erreicht werden soll, also beispielsweise die Stelle in einem Organ, an der im Rahmen einer Biopsie eine Probe entnommen werden soll. Der Einstichpunkt wird dabei so gewählt, dass sich ein möglichst günstiger Pfad ergibt. Dies ist im Allgemeinen der Fall, wenn der Interventionspfad möglichst kurz ist, also die direkte geradlinige Verbindung, wobei Randbedingungen wie beispielsweise die Position von Gefäßen oder anderen Organen berücksichtigt werden. Über den Einstichpunkt sind bereits die translatorischen Freiheitsgrade der Pose im Wesentlichen festgelegt, d. h. die Position des Werkzeugs ist bereits bestimmt, wobei das Werkzeug auch in einem definierten Abstand zum Einstichpunkt angeordnet sein kann. Ebenso sind über dem Interventionsvektor bereits zwei Freiheitsgrade der Orientierung des Werkzeugs definiert. Es bleibt bevorzugt also lediglich der Rotationsfreiheitsgrad um den Interventionsvektor zur Bestimmung im Verlauf des Verfahrens frei.
Bei dem medizintechnisch bildgebenden Gerät handelt es sich beispielsweise um ein MRT-Gerät (Magnetresonanztomographie), ein Röntgengerät, ein Angiographiegerät oder ein Ultraschallgerät. Bevorzugt wird jedoch ein Computertomographiegerät als medizintechnisch bildgebendes Gerät im Sinne der Erfindung verstanden, weswegen dieser Begriff im Folgenden ohne Beschränkung darauf auch stellvertretend für andere medizintechnisch bildgebende Geräte verwendet wird. Erfindungsgemäß wird die Pose des Werkzeugs im Verhältnis zu diesem Gerät definiert, wie später noch näher erläutert wird.
Das Werkzeug wird mittels eines Roboterarms bzw. eines Manipulators positioniert, der eine Anzahl von Gelenken sowie vorzugsweise eine Anzahl von Armgliedern, Motoren sowie Mittel zu deren Ansteuerung umfasst. Die Gelenke stellen dabei grundsätzlich eine bewegliche Verbindung zwischen zwei Elementen her und können beispielsweise als Drehgelenk, Schubgelenk, Kugelgelenk, Kardangelenk und dergleichen ausgeführt sein. Die Gelenke verbinden also jeweils zwei Armglieder miteinander, wobei ihre Stellung, d. h. die Position und Orientierung zueinander, im Rahmen der Freiheitsgrade des jeweiligen Gelenks motorisch ausgerichtet werden kann.
Eine Gelenkkonstellation bezeichnet eine Gesamtanordnung der Gelenke und deren Stellung, also insbesondere Achsenstellungen der Gelenke bzw. Winkelstellungen der Armglieder zueinander. In einer „möglichen“ Gelenkkonstellation ist das Werkzeug entsprechend dem Zielvektor angeordnet bzw. positioniert. Wie vorher bereits beschrieben, ergibt sich hierfür im Allgemeinen eine Vielzahl von möglichen Posen. Für eine später noch näher definierte Anzahl dieser Posen wird im ersten Schritt des Verfahrens eine Anzahl von möglichen Gelenkkonstellationen ermittelt. Dabei liegt eine weitere Randbedingung für eine mögliche Gelenkkonstellation darin, dass die Gelenkkonstellation kollisionsfrei ist. Das heißt, dass kein Teil des Roboterarms und auch nicht das Werkzeug in Berührung mit Objekten wie z. B. anderen Komponenten des Roboterarms, dem medizintechnisch bildgebenden Gerät, dem Untersuchungsobjekt und/oder einem Anwender kommen.
Die Ermittlung einer Gelenkkonstellation auf Basis der Pose des Effektors bzw. des Werkzeugs wird allgemein als inverse Kinematik bezeichnet. Im Fall eines Roboters mit mehreren Gelenken bzw. Achsen existieren unendlich viele Lösungen, die zur selben Pose führen. Daher gibt es für die Berechnung einer solchen inversen Kinematik auch kein allgemein anwendbares Verfahren. Generell sind dem Fachmann aber die drei grundsätzlichen Herangehensweisen mittels algebraischer, geometrischer und numerischer Methoden beispielsweise aus „Integrative Mehrroboterbewegungssteuerung für redundante Kinematiken", als Masterthesis gedruckt, Aachen: Shaker, 2000, bekannt. Um schnelle Berechnungen und somit eine gute Performanz des Systems sicherzustellen, wird meist ein speziell für den jeweiligen Roboterarm konzipiertes Rechenverfahren verwendet. Hierzu wird beispielsweise die freie Softwareplattform „Robotic Operating System“ genutzt. Diese umfasst auch Module, die mittels zumindest eines Zufallselements unterschiedliche Lösungen der inversen Kinematik zu einer Pose berechnen. Wird im Rahmen dieses Schrittes keine mögliche, d. h. kollisionsfreie, Gelenkkonstellation gefunden, so kann die Ermittlung mit geänderten Randbedingungen, z. B. einem geänderten Interventionspfad, wiederholt werden.
Zu jeder aufgefundenen und möglichen Gelenkkonstellation wird zumindest ein kollisionsfreier Pfad berechnet. Dabei ist „kollisionsfrei“ so wie oben definiert. Als Pfad wird dabei der motorisch gesteuerte Bewegungsablauf verstanden, mit dem der Roboterarm als Gesamtheit seiner Glieder und Gelenke zwischen einer vorherrschenden Ausgangsgelenkkonstellation und der ermittelten möglichen Gelenkkonstellation bewegt wird. Die Berechnung bzw. Planung dieses Pfads ist zwar nicht trivial, kann jedoch mit Hilfe von Methoden bewerkstelligt werden, die dem Fachmann geläufig sind. Gibt es zu einer möglichen Gelenkkonstellation keinen kollisionsfreien Pfad, so scheidet diese als mögliche Gelenkkonstellation aus und wird aus der Anzahl möglicher Gelenkkonstellationen gestrichen.
Aus den ermittelten bzw. verbleibenden möglichen Gelenkkonstellationen wird zur Durchführung der Positionierung eine Gelenkkonstellation mit einem ihr zugeordneten Pfad ausgewählt. Die Auswahl kann grundsätzlich auch durch Zufall erfolgen, bevorzugt wird sie jedoch anhand von später noch näher definierten Kriterien getroffen.
Schließlich wird der Roboterarm nach Maßgabe der ausgewählten Gelenkkonstellation und des ausgewählten Pfads positioniert. Dafür werden die Motoren des Roboterarms so angesteuert, dass sie die Gelenke und Glieder gemäß dem über den Pfad definierten Bewegungsablauf bewegen.
Das eingangs genannte Verfahren zur Bestimmung einer Pose relativ zu einem medizintechnisch bildgebenden Gerät weist folgende Schritte auf: In einem ersten Schritt wird ein Zielvektor unter Verwendung von Daten ermittelt, die mit Hilfe des medizintechnisch bildgebenden Geräts erzeugt wurden. In einem zweiten Schritt wird ein Posenwinkel zwischen dem Zielvektor und einer Achsenrichtung des medizintechnisch bildgebenden Geräts ermittelt. Folgend wird ein Normalenvektor aus dem Zielvektor und der Achsenrichtung in einem dritten Schritt berechnet. Schließlich wird die Pose in einem vierten Schritt relativ zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät durch den normalen Vektor und den Posenwinkel bestimmt.
Wie oben bereits erläutert, stellt der Zielvektor vorzugsweise einen Vektor ausgehend von einem Einstichpunkt und endend in einem Zielpunkt dar. Zu seiner Ermittlung werden Daten genutzt, die mit Hilfe des medizintechnisch bildgebenden Geräts erzeugt wurden. Dabei kann es sich insbesondere um Bilddaten vom Inneren eines Untersuchungsobjekts, Schichtbilddaten, Daten aus einem rekonstruierten dreidimensionalen Volumen und dergleichen handeln. Auf Basis dieser Daten kann der Zielvektor unter Berücksichtigung der oben bereits geschilderten Rahmenbedingungen festgelegt werden.
Bei medizintechnisch bildgebenden Geräten ist für die Bildakquisition meist bereits ein Koordinatensystem mit systemrelevanten Achsen definiert. Zum Beispiel erstreckt sich bei einem Computertomographiegerät eine z-Achse in einer Richtung senkrecht zu einer Rotationsebene der Gantry. Eine y-Achse erstreckt sich in einer vertikalen Richtung und eine x-Achse in einer Richtung senkrecht zu den beiden anderen Achsen. Der Posenwinkel beschreibt nun den Winkel zwischen einer der, zum Beispiel zuvor genannten, systemrelevanten Achsen dieses Systems, vorzugsweise der z-Achse, und dem Zielvektor. Aus der Achsenrichtung, die vorzugsweise mittels eines Einheitsvektors beschrieben wird, und dem Zielvektor kann nun der Normalenvektor berechnet werden.
Der Normalenvektor ist ein Vektor, der senkrecht bzw. orthogonal auf dem Zielvektor und dem Einheitsvektor der Achsrichtung steht. Mit anderen Worten steht der Normalenvektor senkrecht zu der Fläche, die zwischen dem Zielvektor und dem Einheitsvektor aufgespannt wird. Mit Hilfe des Normalenvektors und des Posenwinkels kann nun die Orientierung der Pose eindeutig bestimmt werden. Das heißt, über die Position, den Normalenvektor und den Posenwinkel liegt eine eindeutige Definition der Pose im Verhältnis zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät vor. Dabei können der Posenwinkel und der Normalenvektor in einem auch „Quaternion“ genannten vierdimensionalen Vektor zusammengefasst werden. Dabei erweitern die Quaternionen im Allgemeinen das Zahlensystem der komplexen Zahlen um zwei komplexe Dimensionen und werden dazu genutzt, Orientierungen und Rotationen von Objekten in drei Dimensionen zu beschreiben.
Das geschilderte Verfahren zur Bestimmung einer Pose kann als eigenständige Idee unabhängig von dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionierung genutzt werden kann. Besondere synergetische Effekte ergeben sich jedoch, wenn das Verfahren zur Bestimmung einer Pose in Kombination mit dem Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs angewendet wird.
Zur Positionierung eines Werkzeugs in einer Pose relativ zu einem medizintechnischen bildgebenden Gerät umfasst eine Steuerungseinrichtung für einen Roboterarm mit einer Anzahl von Gelenken zumindest eine Ermittlungseinheit, eine Berechnungseinheit, eine Auswahleinheit und eine Positionierungseinheit, die so ausgebildet sind, dass sie die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung ausführen.
Eine medizintechnisch bildgebende Anlage umfasst ein medizintechnisch bildgebendes Gerät, vorzugsweise ein Computertomographiegerät, eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung und einen Roboterarm. Mit der medizintechnisch bildgebenden Anlage können Daten eines Untersuchungsobjekts, insbesondere eines Patienten, erfasst werden. Im Vorhinein akquirierte Daten können dafür genutzt werden, einen Zielvektor für das erfindungsgemäße Positionierungsverfahren zu bestimmen. Der Erfolg des Positionierungsverfahrens und des sich ggf. daran anschließenden interventionellen Eingriffs kann mit im Nachhinein erfassten Daten vorteilhafterweise kontrolliert werden.
Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil – insbesondere, wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht – in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise, wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung Teil eines Benutzerterminals bzw. eines Rechnersystems einer medizintechnisch bildgebenden Anlage sein.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuerungseinrichtung auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuerungseinrichtung einer medizintechnisch bildgebenden Anlage ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuerungseinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Zum Transport zur Steuerungseinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuerungseinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Bildrekonstruktionseinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z. B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionierung wird eine Pose zum Ermitteln möglicher Gelenkkonstellationen bevorzugt um einen Zielvektor gedreht. Die Drehung erfolgt dabei bevorzugt schrittweise mit einem definierten Winkelinkrement, besonders bevorzugt in 10°-Schritten. Wie oben bereits beschrieben, ist die Pose in ihrem Rotationsfreiheitsgrad um den Zielvektor grundsätzlich nicht beschränkt. Um den Roboterarm mit einer möglichst optimalen Gelenkkonstellation zu positionieren, werden also Gelenkkonstellationen zu unterschiedlichen Posen ermittelt, aus denen folgend die beste Gelenkkonstellation ausgewählt wird. Die Anzahl der einbezogenen Posen ist dabei grundsätzlich beliebig und wird vorzugswese unter Berücksichtigung der Performanz des Systems gewählt.
Bevorzugt scheiden bei der Auswahl nach einem ersten Kriterium Gelenkkonstellationen aus, in denen ein Teil des Roboterarms in einem Strahlengang des medizintechnisch bildgebenden Geräts angeordnet ist. Befindet sich ein Teil des Roboterarms beim Prozess der Bildgebung in dem Strahlengang, so wird die Datenakquisition in der Regel so erheblich gestört, dass die Ergebnisse unbrauchbar sind. Es ist also unbedingt zu vermeiden, dass sich während der Bildgebung ein Teil des Roboterarms in dem Strahlengang befindet. Das heißt jedoch nicht, dass sich Teile des Roboterarms zu keiner Zeit im Strahlengang befinden dürfen. Während der Positionierung dürfen in Zwischenstellungen Komponenten des Roboterarms durchaus auch Positionen im Strahlengang durchfahren, solange der Strahlengang in der Endstellung freibleibt.
Bei der Auswahl scheiden vorzugsweise Gelenkkonstellationen aus, in denen Gelenke in Stellungen angeordnet sind, die gemäß vordefinierten Auswahlkriterien nicht optimal sind. Dabei heißt „nicht optimal“ beispielsweise, dass die Zugänglichkeit zu dem Werkzeug beeinträchtigt ist. Ferner kann bei einer nicht optimalen Stellung die Wahl des Werkzeugs beispielsweise hinsichtlich seiner Größe eingeschränkt sein. Andersherum betrachtet, schränkt die Größe des Werkzeugs die Auswahl der Gelenkkonstellationen ein. Gelenkkonstellationen mit nicht optimalen Stellungen stellen also grundsätzlich zwar valide Lösungen für die Positionierung dar, sie bringen jedoch Einschränkungen mit sich, von denen die ausgewählte Gelenkkonstellation nach Möglichkeit frei sein sollte. Nach welchen vordefinierten Auswahlkriterien die Auswahl erfolgt, wird im Folgenden genauer erläutert.
Ein bevorzugtes zweites Auswahlkriterium ist, dass zumindest ein Teil der Gelenke in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zueinander angeordnet ist. Insbesondere in den Bereichen des Roboterarms, in denen die Gelenke nah beieinander bzw. nah am Werkzeug angeordnet sind, ist es vorteilhaft, die Bewegungsbereiche der Gelenke im Verhältnis zueinander einzuschränken, da so vorteilhafterweise eine größere Freiheit bei der Wahl des Werkzeugs gewährleistet wird, also beispielsweise ein längeres Interventionswerkzeug gewählt werden kann. Dieses Kriterium betrifft also zumindest nicht direkt die Positionen der Gelenke in Relation zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät, sondern nur die Positionen bzw. Stellungen der Gelenke relativ zueinander.
Ein bevorzugtes drittes Auswahlkriterium ist, dass zumindest ein Teil der Gelenke in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zu einem Untersuchungsobjekt angeordnet ist. Bei dem Untersuchungsobjekt handelt es sich bevorzugt um einen Patienten. Dessen Position ist üblicherweise im Verhältnis zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät festgelegt. Dieses Auswahlkriterium betrifft also Stellungen der Gelenke im Verhältnis zu einem Koordinatensystem, das im Wesentlichen durch das medizintechnisch bildgebende Gerät definiert ist. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, wenn das letzte Glied des Roboterarms verglichen mit den anderen Gliedern den geringsten Abstand zum Untersuchungsobjekt aufweist. Dadurch wird zum einen nur ein möglichst geringer Teil des Roboterarms in die Nähe und den Einflussbereich des Patienten gebracht. Zum anderen wird dadurch der bestmögliche Einsatz des am ersten Glied des Roboterarms befindlichen Werkzeugs gewährleistet, indem vermieden wird, dass sich andere Komponenten des Roboterarms zwischen Werkzeug und Untersuchungsobjekt befinden.
Weiterhin ist ein bevorzugtes viertes Auswahlkriterium, dass zumindest ein Teil der Gelenke in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zu einem Anwender angeordnet ist. Der Anwender ist dabei beispielsweise Bedienpersonal, das das Verfahren zur Positionierung kontrolliert und ggf. durch zusätzliche Eingaben beeinflusst. Der Anwender kann sich dabei im Verhältnis zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät in der Regel frei positionieren. Für das Auswahlkriterium bedeutet dies, dass die Position des Anwenders erfasst werden muss. Nimmt der Anwender für das Positionierungsverfahren und den ggf. nachfolgenden interventionellen Eingriff eine feste Position ein, so kann diese mittels einer Eingabe zu Beginn des Positionierungsverfahrens erfasst werden. Alternativ ist auch eine Erfassung der Position des Anwenders mit anderen bekannten Verfahren möglich, wie zum Beispiel eine Videoerfassung, insbesondere mittels einer Stereokamera, eine Erfassung mittels RFID-Chips oder dergleichen.
Unter Berücksichtigung der Position des Anwenders werden nun Gelenkkonstellationen ausgeschlossen, die beispielsweise die Zugänglichkeit für den Anwender erschweren. Zum Beispiel sind Gelenkkonstellationen nicht optimal, in denen ein Ellenbogengelenk des Roboterarms zum Anwender weist und/oder in denen das Werkzeug vom Anwender weg weist.
Bevorzugt wird die Auswahl zumindest zum Teil gemäß nachgenannter Reihenfolge durchgeführt: Auswahl gemäß dem ersten Kriterium, Auswahl gemäß dem zweiten Kriterium, Auswahl gemäß dem dritten Kriterium und Auswahl gemäß dem vierten Kriterium. Dabei stellt die Auswahl nach dem ersten Kriterium ein besonders wichtiges, bei manchen Anwendungen sogar zwingendes, Auswahlkriterium dar, wohingegen die übrigen Kriterien „weiche“, d. h. weniger wichtige, Kriterien sind. Mittels dieser Kriterien soll also eine optimale Gelenkkonstellation gefunden werden. Kann eine Gelenkkonstellation, die alle Kriterien erfüllt, nicht gefunden werden, so wird zunächst das letzte Kriterium bei der Auswahl vernachlässigt, also nicht beachtet, dann das vorletzte Kriterium und schließlich das drittletzte Kriterium. Ist auch dann keine Gelenkkonstellation zu finden, müssen gegebenenfalls die Randbedingungen, also beispielsweise die Lage des Zielvektors, verändert werden.
Insgesamt stellt das erfindungsgemäße Verfahren also die Mittel bereit, ein Werkzeug möglichst optimal zu positionieren. Dabei werden eine Pose, eine dazugehörige Gelenkkonstellation und ein wiederum dazugehöriger kollisionsfreier Pfad ermittelt, so dass beispielsweise für einen folgenden interventionellen Eingriff die bestmöglichen Voraussetzungen geschaffen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
1 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen medizintechnischen bildgebenden Anlage,
2 eine perspektivische Ansicht eines Roboterarms für die medizintechnische bildgebende Anlage aus 1,
3 eine Detailansicht des Roboterarms aus 2 mit kenntliche gemachten Winkelbereichen,
4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung für die medizintechnisch bildgebende Anlage aus 1,
5 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Werkzeugs,
6 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Pose und
7 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Verfahrens aus 7.
In 1 ist beispielhaft und grob schematisch eine erfindungsgemäße medizintechnische bildgebende Anlage 1 als Computertomographiesystem 1 gezeigt, welches ein Benutzerterminal 30 und als medizinisch bildgebendes Gerät 2 ein Computertomographiegerät 2 umfasst. Das Computertomographiesystem 1 und das Computertomographiegerät 2 sind zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Werkzeugs 11 ausgebildet. Das Computertomographiegerät 2 umfasst einen Patiententisch 8 zur Lagerung eines Patienten 7 als Untersuchungsobjekt, welcher entlang einer Systemachse 9 verstellbar ist. Die Systemachse 9 wird im Folgenden auch als z-Achse bezeichnet, die mit dem Patienten 7 in das Messfeld verstellbar ist. Neben der z-Achse sind auch eine x-Achse und eine y-Achse als Koordinatensystem beigefügt dargestellt.
Das Computertomographiegerät 2 umfasst ferner eine Gantry mit einer um die Systemachse 9 drehbar gelagerten Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5. In einem zur Gantry benachbarten Bereich ist mittels einer geeigneten Halterung 21 ein Roboterarm 10 angeordnet, mit dem ein Werkzeug 11 (hier nicht dargestellt) relativ zum Computertomographiegerät 2 erfindungsgemäß positioniert werden kann. Die Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 4 und einen Detektor 5 auf, die einander gegenüberliegend so ausgerichtet sind, dass im Betrieb eine von dem Fokus der Röntgenstrahlungsquelle 4 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Detektor 5 trifft. Der Detektor 5 ist zur ortsaufgelösten Erfassung der Röntgenstrahlung in einzelne Pixel strukturiert, die üblicherweise zu mehreren Detektorzeilen angeordnet sind. Derzeit werden Detektoren 5 eingesetzt, die über insgesamt 64 oder mehr Zeilen verfügen und eine Ortsauflösung im Submillimeterbereich aufweisen. Zu jeder Projektion erzeugt der Detektor 5 einen Satz von Projektionsdaten. Die Projektionsdaten repräsentieren dabei die Schwächungswerte sämtlicher Pixel einer durch den Patienten 7 geschwächten Röntgenstrahlung.
Die Projektionsdaten werden an das Benutzerterminal 30 mit einer Rechnereinheit 31 weitergeleitet, die eine Bildrekonstruktionseinrichtung 32 umfasst. Darin werden die Projektionsdaten zu einem resultierenden Bild verrechnet, welches z. B. auf einer Anzeigeeinheit des Benutzerterminals 30 darstellbar ist und/oder welches in einem Speicher hinterlegt und/oder an andere Systeme versandt werden kann. Die Rechnereinheit 31 umfasst weiterhin eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 33, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionierung ausgeführt wird. Des Weiteren umfasst das Benutzerterminal 30 eine Tastatur als Eingabegerät, mit dem ein Bediener 3 bzw. Anwender 3 gegebenenfalls Werte für Parameter wie z.B. seine eigene Position für die Positionierung des Werkzeugs 11 einstellen kann.
Ein solches Computertomographiegerät 2 wird bekanntermaßen zur 3D-Bildrekonstruktion eingesetzt. Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet (Region of Interest) werden bei Rotation der Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 Projektionsdaten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation der Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patiententisches 8 in Richtung der Systemachse 9. Die Röntgenstrahlungsquelle 4 und der Detektor 5 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 7.
In 2 ist beispielhaft ein Roboterarm 10 für das Computertomographiesystem 1 aus 1 perspektivisch dargestellt. Der Roboter ist im Wesentlichen eine Kette aus Gliedern und Gelenken mit einem festen Ende und einem freien Ende, an dem ein Werkzeug 11 angeordnet ist.
Mit einer als festes Ende wirkenden Basisplatte 20 ist der Roboterarm 10 an der Halterung 21 des Computertomographiegeräts 2 befestigt. Im Folgenden wird der Roboterarm 10 als Kette von seinem festen Ende bis zu seinem freien Ende beschrieben. Mit der Basisplatte 20 ist ein Fußflansch 19 als Drehgelenk mit einer Achse senkrecht zur Basisplatte 20 verbunden und drehbar gelagert. An den Fußflansch 19 anschließend und an diesem drehbar gelagert verbunden folgt ein Schultergelenk 18 mit einer Achse senkrecht zur Achse des Fußflanschs. Ein Oberarmglied 17 verbindet das Schultergelenk 18 in einer radialen Richtung des Schultergelenks 18 mit einem Ellenbogengelenk 16. In dem Ellenbogengelenk 16 drehbar gelagert und mit diesem verbunden, erstreckt sich in einer radialen Richtung des Ellenbogengelenks 16 ein Unterarmglied 15. An das Unterarmglied 15 schließt sich starr damit verbunden ein drittes Handgelenk 14 mit einer Achse parallel zur Achse des Schultergelenks 18 an. Damit ist drehbar ein zweites Handgelenk 13 verbunden, dessen Achse sich in einer Richtung senkrecht zu der Achse des dritten Handgelenks 14 erstreckt. Mit dem zweiten Handgelenk 13 ist wiederum ein erstes Handgelenk 12 drehbar verbunden, und die Achsen von dem zweiten Handgelenk 13 und dem Handgelenk 12 stehen senkrecht aufeinander. An das erste Handgelenk 12 anschließend und drehbar mit diesem verbunden folgt das Werkzeug 11 als freies Ende.
Die Gelenke 12, 13, 14, 16, 18, 19 in diesem Ausführungsbeispiel stellen somit einerseits Drehlager dar, deren Achse also Rotations- bzw. Drehachsen sind. Andererseits ist in ihnen jeweils ein Elektromotor integriert, der bei entsprechender Ansteuerung eine Drehbewegung des Gelenks 12, 13, 14, 16, 18, 19 antreibt. Der Roboterarm 10 befindet sich in einer Gelenkkonstellation C, in der die Gelenke 12, 13, 14, 16, 18, 19 definierte Winkelstellungen einnehmen. Dadurch wird das Werkzeug 11 in der Pose P gehalten. In der Pose P ist das Werkzeug nach Vorgabe des Interventionspfads bzw. des Zielvektors TV angeordnet. Das heißt, eine Position und eine Orientierung des Werkzeugs sind im Verhältnis zu dem Zielvektor TV bis auf einen Rotationsfreiheitsgrad um den Zielvektor TV festgelegt. Der Zielvektor TV beschreibt dabei die Strecke von einem Einstichpunkt EP, der an einer Körperoberfläche des Patienten 7 liegt, bis zu dem Zielpunkt TP, der in dem Bereich angeordnet ist, der im Rahmen des interventionellen Eingriffs erreicht werden soll.
In 3 ist ein Ausschnitt am freien Ende des Roboterarms 10 perspektivisch dargestellt. Zusätzlich dazu ist ein Rotationsbereich A1, A2 des ersten Handgelenks 12 schraffiert kenntlich gemacht. Nach einem Auswahlkriterium des anhand von 5 noch näher beschriebenen Verfahrens zur Positionierung wird eine ermittelte Gelenkkonstellation C ausgeschlossen, wenn das Werkzeug 11 in ihr in einem eingeschränkten Winkelbereich A2 positioniert ist, der benachbart zu dem dritten Handgelenk 14 angeordnet ist. Obwohl also das Werkzeug mittels des zweiten Handgelenks 13 grundsätzlich in einem Winkelbereich von 360° gedreht werden kann, werden Gelenkkonstellationen C bevorzugt, in denen das Werkzeug 11 im zulässigen Winkelbereich A1 angeordnet ist. Demgegenüber werden Gelenkkonstellationen C, in denen das Werkzeug 11 in dem eingeschränkten Winkelbereich A2, der Winkel von –20° bis +20° zur Achse des dritten Handgelenks 14 umfasst, nach Möglichkeit bei der Auswahl ausgeschlossen.
4 zeigt grob schematisch ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung 33. Die Steuerungseinrichtung 33 weist nach außen hin eine Schnittstelle 39 auf. Damit überträgt sie Steuerungssignale an und empfängt Positionssignale von dem Roboterarm 10. Zudem werden weitere Eingangsdaten, wie beispielsweise Eingaben eines Anwenders 3 und/oder Daten betreffend den Zielvektor TV, empfangen. Diese Daten werden mit Hilfe eines Busses 38 von den bzw. zu den einzelnen Komponenten 34, 35, 36, 37 der Steuerungseinrichtung 33 übertragen, wobei der Bus 38 die Komponenten 34, 35, 36, 37 untereinander und mit der Schnittstelle 39 verbindet. Die Steuerungseinrichtung 33 umfasst eine Ermittlungseinheit 34, eine Berechnungseinheit 35, eine Auswahleinheit 36 sowie eine Positionierungseinheit 37. Das Zusammenwirken der Komponenten 34, 35, 36, 37 der Steuerungseinrichtung wird nachfolgend anhand von 5 näher beschrieben.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Werkzeugs 11 als Blockdiagramm dargestellt. Das Verfahren beginnt mit einem ersten Schritt I, in dem zunächst der Zielvektor TV auf Basis von Daten ermittelt wird, die im Vorhinein mit Hilfe des Computertomographiesystems 1 erfasst wurden. Zu dem Zielvektor TV wird eine zufällige Pose P ermittelt und mit Hilfe des anhand von 6 geschilderten Verfahrens zur Bestimmung einer Pose P bestimmt. Das heißt, ihre Ausrichtung in Bezug auf den Rotationsfreiheitsgrad um den Zielvektor TV wird zufällig gewählt und in Abhängigkeit von der z-Achse des Computertomographiegeräts 2 angegeben.
Zu dieser Pose P erfolgt in einem zweiten Schritt II eine Berechnung der inversen Kinematik. Das heißt, es wird in der Ermittlungseinheit 34 der Steuereinrichtung 33 eine Gelenkkonstellation C ermittelt, in der das Werkzeug 11 in der Pose P angeordnet ist. In einem dritten Schritt III wird überprüft, ob die Gelenkkonstellation C, also die Lösung aus der Berechnung der inversen Kinematik, eine mögliche Gelenkkonstellation C darstellt. Eine solche Lösung liegt vor, wenn die Gelenkkonstellation C kollisionsfrei ist. Das heißt, die Komponenten des Roboterarms 10 dürfen weder mit sich selbst noch mit anderen Objekten in Berührung kommen. Liegt eine solche Lösung vor, so fährt das Verfahren mit der Altnative Y in einem vierten Schritt IV fort. Im vierten Schritt IV wird in der Berechnungseinheit 35 der Steuerungseinrichtung 33 eine Pfadplanung für die erhaltene Gelenkkonstellation C inklusive einer Kollisionsbetrachtung durchgeführt. Im Rahmen der Pfadplanung wird ein Bewegungsablauf ermittelt, mit dem der Roboterarm 10 aus der vorherrschenden Ausgangsstellung in die Gelenkkonstellation C überführt wird.
Im folgenden fünften Schritt V wird überprüft, ob eine valide Lösung für die Pfadplanung vorliegt, wobei im positiven Fall Y in einem sechsten Schritt VI die Kombination aus Gelenkkonstellation und dem dazugehörigen Pfad als Lösung in einem Speicher der Steuereinrichtung 33 bzw. des Benutzerterminals 30 als mögliche Lösung hinterlegt wird.
Auf den sechsten Schritt VI bzw. im negativen Fall N bei Schritt III oder bei Schritt V folgt ein siebter Schritt VII, in dem die Pose P um einen Winkel von 10° um die Achse des Zielvektors TV gedreht wird. In einem folgenden achten Schritt VIII wird überprüft, ob durch die Drehung der Pose P die Pose P wieder die anfängliche Stellung erreicht, also ob die anfängliche Pose P bereits um 360° gedreht wurde. Im negativen Fall N wird in einem neunten Schritt IX die neue Ausrichtung der Pose P mittels des Verfahrens zur Bestimmung einer Pose P gemäß 6 bestimmt. Mit dieser neuen Ausrichtung der Pose P werden nun wieder die Schritte II bis VIII durchgeführt, so lange, bis eine 360°-Drehung der Pose P erreicht wird.
In diesem Fall wird im achten Schritt VIII die positive Alternative Y gewählt und das Verfahren fährt mit einem zehnten Schritt X fort. Im zehnten Schritt X wird aus den im Verlauf des Verfahrens jeweils im sechsten Schritt VI im Speicher hinterlegten möglichen Lösungen eine Lösung mittels der Auswahleinheit 36 der Steuereinrichtung 33 ausgewählt. Dabei wird zunächst für jede der möglichen Gelenkkonstellationen geprüft, ob sich bei ihr eine Komponente des Roboterarms 10 in der Scanebene des Computertomographiegeräts 2 befindet. Gelenkstellungen, bei denen dies der Fall ist, scheiden als mögliche Lösungen aus, da es sich hierbei um ein besonders wichtiges, bei manchen Anwendungen sogar zwingendes, Kriterium für eine mögliche Lösung handelt. Als nächstes Kriterium werden Einschränkungen der Gelenke 12, 13, 14, 16, 18, 19 untereinander überprüft. Hierbei scheiden Lösungen aus, in denen das Werkzeug 11 zu nah an die Komponenten des Roboterarms 10 herangelangt; denn in diesen Gelenkkonstellationen C wäre sonst der Zugang zu dem Werkzeug 11 erschwert. Als nächstes werden die Positionen der Gelenke 12, 13, 14, 16, 18, 19 untereinander und in Relation zu dem Computertomographiegerät 2 überprüft. Hierbei wird sichergestellt, dass das erste Handgelenk 12 des Roboterarms 10 das Gelenk 12, 13, 14, 16, 18, 19 ist, das am nächsten zum Patienten 7 angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass das Werkzeug 11 in größtmöglicher Nähe zum Patienten 7 positioniert werden kann. Mit dem letzten Kriterium wird die Gelenkkonstellation C für die Position des Anwenders 3 optimiert. Hierfür wird die Position des Anwenders 3 beispielsweise über eine Eingabe an dem Benutzerterminal 30 erfasst. Unter Berücksichtigung der Position des Anwenders 3 scheiden Lösungen aus, bei denen das Ellenbogengelenk 16 zu dem Anwender weist, und solche Lösungen, in denen das Werkzeug 11 nicht zu dem Anwender 3 weist.
Verbleiben nach der Prüfung dieser Kriterien mehrere Lösungen als mögliche Lösungen, so sind die Lösungen gleichwertig und aus ihnen kann per Zufall eine Lösung ausgewählt werden. Verbleibt genau eine Lösung als mögliche Lösung, so wird diese Lösung ausgewählt. Ist nach der Prüfung aller Kriterien keine Lösung als mögliche Lösung übrig, so wird zunächst geprüft, ob es Lösungen gibt, die nur das letzte Kriterium nicht erfüllen, und aus diesen eine mögliche Lösung ausgewählt. Gibt es auch keine Lösung, die nur das letzte Kriterium nicht erfüllt, so wird die Auswahl aus den Lösungen getroffen, die das letzte und das vorletzte Kriterium nicht erfüllen. Analog wird für das letzte, nicht zwingende Kriterium verfahren.
In einem elften Schritt XI wird schließlich der Roboterarm 10 nach Maßgabe der im zehnten Schritt X ausgewählten Lösung positioniert. Das heißt, er wird mittels des ausgewählten Pfads in die ausgewählte Gelenkkonstellation C bewegt, indem die Positionierungseinheit 37 der Steuereinrichtung 33 entsprechende Steuersignale an die Motoren des Roboterarms 10 sendet, die seine Bewegung zur Positionierung antreiben.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer Pose P schematisch als Blockdiagramm dargestellt. Zur Erläuterung der Begriffe wird auch 7 herangezogen, in der schematisch ein Computertomographiegerät 2 mit einem relativ dazu angeordneten Zielvektor TV gezeigt ist.
Auf Basis von computertomographischen Daten, die mittels des Computertomographiesystems 1 akquiriert und rekonstruiert wurden, wird in einem ersten Schritt i ein Zielvektor TV bestimmt. Der Zielvektor TV ist dabei identisch einem Interventionspfad und verbindet den Einstichpunkt EP mit dem Zielpunkt TP, wie bereits anhand von 2 beschrieben. In einem zweiten Schritt ii wird ein Posenwinkel α ermittelt, der zwischen dem Zielvektor TV und der z-Achse des Computertomographiegeräts 2 eingenommen wird, indem der negative inverse Cosinus von einem Skalarprodukt aus dem Einheitsvektor in Richtung der z-Achse und dem normierten Zielvektor gebildet wird. In einem dritten Schritt iii wird ein Normalenvektor NV, der senkrecht zu der z-Achse und dem Posenwinkel α ist, mit Hilfe eines Kreuzprodukts aus dem Einheitsvektor der z-Achse und dem normierten Zielvektor TV berechnet. Schließlich wird die Pose P als ein Quaternion definiert, dessen erste drei Komponenten die Komponenten des Normalenvektors NV sind und dessen vierte Komponente der Posenwinkel α ist.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einrichtung“, „Einheit“ und „System“ nicht aus, dass die betreffende Komponente aus mehreren zusammenwirkenden Teilkomponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Integrative Mehrroboterbewegungssteuerung für redundante Kinematiken“, als Masterthesis gedruckt, Aachen: Shaker, 2000 [0014]

Claims

Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs (11) in einer Pose (P) relativ zu einem medizintechnischen bildgebenden Gerät (2) mittels eines Roboterarms (10), der eine Anzahl von Gelenken (12, 13, 14, 16, 18, 19) aufweist, umfassend folgende Schritte: – Ermitteln (II) einer Anzahl von möglichen Gelenkkonstellationen (C) für eine Anzahl von möglichen Posen (P), – Berechnung (IV) zumindest eines kollisionsfreien Pfads für jede Gelenkkonstellation (C), – Auswahl (X) einer Gelenkkonstellation (C) und eines für die Gelenkkonstellation (C) berechneten Pfads und – Positionieren (XI) des Roboterarms (10) nach Maßgabe der ausgewählten Gelenkkonstellation (C) und des ausgewählten Pfads.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Pose (P) zum Ermitteln möglicher Gelenkkonstellationen (C), vorzugsweise in 10°-Schritten, um einen Zielvektor (TV) gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Auswahl (X) Gelenkkonstellationen (C) ausscheiden, in denen ein Teil des Roboterarms (11) in einem Strahlengang des medizintechnisch bildgebenden Geräts (2) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Auswahl (X) Gelenkkonstellationen (C) ausscheiden, in denen Gelenke (12, 13, 14, 16, 18, 19) in gemäß vordefinierten Auswahlkriterien nicht optimalen Stellungen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem Auswahlkriterium, dass zumindest ein Teil der Gelenke (12, 13, 14, 16, 18, 19) in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zueinander angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem Auswahlkriterium, dass zumindest ein Teil der Gelenke (12, 13, 14, 16, 18, 19) in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zu einem Untersuchungsobjekt (7) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem Auswahlkriterium, dass zumindest ein Teil der Gelenke (12, 13, 14, 16, 18, 19) in vordefinierten nicht optimalen Stellungen zu einem Anwender (3) angeordnet ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 5 bis 7, wobei die Auswahl (X) zumindest zum Teil gemäß nachgenannter Reihenfolge durchgeführt wird: a) Auswahl gemäß Anspruch 3, b) Auswahl gemäß Anspruch 5, c) Auswahl gemäß Anspruch 6 und d) Auswahl gemäß Anspruch 7.
Verfahren zur Bestimmung einer Pose (P) relativ zu einem medizintechnisch bildgebenden Gerät (2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zur Positionierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: – Ermitteln (i) eines Zielvektors (TV) unter Verwendung von Daten, die mit Hilfe des medizintechnisch bildgebenden Geräts (2) erzeugt wurden, – Ermitteln (ii) eines Posenwinkels (α) zwischen dem Zielvektor (TV) und einer, insbesondere systemrelevanten, Achsenrichtung (Z) des medizintechnisch bildgebenden Geräts (2), – Berechnung (iii) eines Normalenvektors (NV) aus dem Zielvektor (TV) und der Achsenrichtung (Z) und – Bestimmung (iv) der Pose (P) relativ zu dem medizintechnisch bildgebenden Gerät (2) durch den Normalenvektor (NV) und den Posenwinkel (α).
Steuerungseinrichtung für einen Roboterarm (10) mit einer Anzahl von Gelenken (12, 13, 14, 16, 18, 19) zur Positionierung eines Werkzeugs (11) in einer Pose (P) relativ zu einem medizintechnischen bildgebenden Gerät (2), umfassend – eine Ermittlungseinheit (34), die so ausgebildet ist, dass sie eine Anzahl von möglichen Gelenkkonstellationen (C) für eine Anzahl von möglichen Posen (P) ermittelt, – eine Berechnungseinheit (35), die so ausgebildet ist, dass sie zumindest einen kollisionsfreien Pfad für jede Gelenkkonstellation (C) berechnet, – Auswahleinheit (36), die so ausgebildet ist, dass sie eine Gelenkkonstellation (C) und einen für die Gelenkkonstellation (C) berechneten Pfad auswählt, und – Positionierungseinheit (37), die so ausgebildet ist, dass sie den Roboterarm (10) nach Maßgabe der ausgewählten Gelenkkonstellation (C) und des ausgewählten Pfads positioniert.
Medizintechnisch bildgebende Anlage (1), insbesondere Computertomographiesystem (1) mit einem Computertomographiegerät (2), mit einer Steuerungseinrichtung (33) gemäß Anspruch 10 und einem Roboterarm (10).
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuerungseinrichtung (10) einer medizintechnisch bildgebenden Anlage (1) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuerungseinrichtung (33) der medizintechnisch bildgebenden Anlage (1) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit (31) einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit (31) ausgeführt werden.