专利名称：用于确定导管在脉管系统中位置的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种借助于连接在器械上的定位器，确定器械尤其是导管在脉管系统中位置的设备和方法。
包括将导管引入患者脉管系统中的医学介入的成功，需要有对导管相对于脉管布局的实际位置的精确认识。原则上，尽管能够通过使用造影剂持续X线荧光观察而获得该认识，但是考虑到暴露了患者，不能采用该方法。出于这个原因，在许多情况下，使用预先产生2D或3D脉管图，并在所述脉管图中输入借助定位装置测得的导管位置。就此而言，从US 5042486中已知一种方法，其中由磁定位装置测得导管尖端处定位器的位置并将其输入到静态脉管图中。
然而，已知方法的问题在于实际上这种转移不够精确，尤其是对于高度分支和/或卷曲血管，例如冠状血管。磁定位装置还面临受到外部磁场或磁致旋光(magnetically active)或导电材料的影响的问题，而这些材料在导管实验室中很常见。
考虑到上述背景，本发明的一个目的是提供更精确确定例如导管的器械在脉管系统中位置的工具。
该问题由具有权利要求1中特征的设备和由具有权利要求9中特征的方法来解决。在从属权利要求中描述了有益的实施例。
根据本发明的设备用于确定例如导管的器械在脉管系统中的位置。术语“脉管系统”在本文中应当理解为器械可以定位在其中的路径网络的通用术语。例如，所述器械可以是肠胃道中或技术环境中(例如，在机器中)的探头。下文中的血管系统主要用作脉管系统的例子的事实，不应限制本发明的范围。
所述设备包括如下部件一个或多个安装到器械的定位器，其空间位置能够测量。另外，将借助该(多个)定位器，测量器械截面的取向和/或形状。在实际上重要的情况中，提供至少两个空间位置可以测量的定位器，并且能够通过减法计算定位器之间的器械截面的取向。然而，即使单个定位器也可以提供其位置和取向的信息，并因而提供相关器械截面的取向信息。为了至少近似确定器械截面的形状，通常需要数个定位器，它们的测得位置代表，例如，器械布局模型的参考点。定位器的类型不受到任何先验约束限制。例如，它们可以是能够在X射线图像中定位的不透X射线的标记。优选的是允许独立于任何成像设备检测位置的所谓有源定位器(特别是非视距(non-line-of-sight)传感器)。
具有存储器的数据处理单元，脉管图存储在所述存储器中。术语“脉管图”表示在相关区域中血管布局的图像或图示；例如，该脉管图可以在手术之前由血管造影X射线照相产生。所述脉管图通常是二维或三维的。
考虑到脉管图和预定的质量维度(quality dimension)(即，取决于质量维度的定义，最小化的或最大化的)，进一步设置数据处理单元以校正测得的所述至少一个定位器的空间位置。上述质量维度包括至少两个加权成分，第一成分测量测得的定位器位置与由脉管图表现的脉管布局的偏差，第二成分测量测得的器械截面取向和/或形状与由脉管图表现的脉管布局的偏差。
已经发现特别是在例如在冠状血管中普遍的高度分支和/或卷曲的血管布局的情况下，上述类型的设备提供了定位器的校正位置和它们在脉管系统中的实际位置之间的高度一致性。特别地，该设备能够很好地补偿由于身体运动(特别是患者的运动和呼吸)而由脉管图和实际脉管分布之间的差别导致的运动伪影。这个积极效果本质上是由于以下事实测得位置与根据脉管图的脉管分布之间的距离被最小化，而同时将测得的相关器械截面的取向和/或形状与血管的取向和/或形状进行比较。
根据所述设备的一个优选实施例，至少一个定位器是组成电磁定位装置一部分的磁场传感器。在电磁定位装置中，场发生器产生在空间和/或时间上不均匀的磁场，其中能够由磁场传感器测量场强值和方向，这允许确定传感器和场发生器的相对位置和取向。然而，所述定位装置容易受外部磁场影响，定位在导管实验室中的设备经常产生所述外部磁场。然而在许多情况中，该干涉在相对较大的长度范围上变化，从而能够近似认为它是局部恒定的。结果，相互距离很小定位的两个定位器受到相同的干涉。尽管定位器的绝对位置目前经受相应大的误差，但当根据位置差计算定位器的取向时实际上抵消了所述干涉，使得能够以相对高的精确度测量它们的取向。因而，基于精确的可测量信息，在质量维度中考虑定位器的取向或器械截面的取向/形状。
根据另一方面，设置数据处理单元以根据点到点校正计算局部连续的变换。这意味着将各个校正向量作为内插或外插变换图的参考点。借助于该变换，实质上能够为所覆盖区域中的任意点计算相对于脉管图的校正。所述变换图可以用任何新计算出的校正向量进一步刷新，并因而持续更新。
根据本发明的一个优选实施例，至少两个定位器在已知相互相关的相对位置连接到器械。特别地，通过例如将定位器连接到器械的刚性截面的不同端，能够预定两个定位器的间距并将其保持恒定。另外，在这个情形中，当计算校正值时，将数据处理单元设置成考虑所述相对位置。所述相对位置代表甚至已校正位置都必须满足的空间条件。因而，通过使用该信息能够改善校正的质量。可以在所述(扩展的)质量维度的最佳化时或可选地在跟随有质量维度评估的单独校正步骤中隐含地考虑所述相对位置。
在上面提及的第二备选方案的上下文中，在数据处理装置的一个优选实施例中，在考虑根据脉管图的脉管布局的同时，进一步校正由质量维度评估(预)校正的至少一个定位器的位置，从而使定位器的最终校正位置同样采用给出的相对位置。例如，在质量维度的评估之后，可以将校正位置中的一个沿着脉管布局移动，从而与另一校正位置保持预定距离。
根据再一方面，数据处理单元设置成在定位器的校正位置暗示器械截面的取向和/或形状偏离测得取向和/或形状超过预定极限值时输出警告。如上所解释的那样，定位器或器械截面的取向在许多情形中是能够以相对高度可靠性确定的信号。如果校正的和测得的取向之间的差别太大，这可能预示存在潜在的问题。例如，可能存在导管损伤或穿透血管壁的风险。
该设备优选地还包括能够验证定位器相对于脉管图的位置的装置。通过使用这些装置，定位器在脉管布局中的实际位置能够确定至少一次。考虑到质量维度，经过验证的结果而后能够用作随后校正测得位置的起始点。
特别地，上面提及的装置可以包括成像装置，例如(旋转)X-射线单元，X-射线CT或磁共振断层摄影装置。使用这样的成像装置，不仅能够验证定位器的位置，还能够产生脉管图。
本发明还涉及一种借助于连接到器械的至少一个定位器和借助于脉管图确定器械在脉管系统中位置的方法，所述方法包括如下步骤
a)测量定位器的空间位置和器械截面的取向和/或形状。
b)在考虑到(最佳化)质量维度的同时，校正测得的空间位置，所述质量维度包括加权成分，一方面测量定位器测得位置的偏差，另一方面测量器械截面的测得取向和/或形状与根据脉管图的脉管布局的偏差。
在其一般形式中，该方法包括能使用上述类型设备执行的步骤。因而上述描述适用关于该方法的细节、优点和更多方面。
根据该方法的再一方面，基于如上所述计算的各个校正确定空间连续变换。而后，所述空间连续变换允许对基本上在任意点测得的位置值进行校正。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面是显然的，并将被阐明。
在附图中
图1是根据本发明用于定位导管的设备的结构的图形表示；图2示出了根据本发明在脉管布局中校正测得位置时的几何关系。
在图1的图形表示中，可以看出成像设备为C形X-射线单元1，借助于该单元能够产生患者2身体的二维或三维图像。本描述基于的应用，是借助于导管6检查患者2的冠状血管。为准备这样一个检查，在注射造影剂之后首先产生相关血管的血管造影投影，并且在所连接的数据处理单元7(工作站)的存储器中存储为(2D或3D)脉管图。另外，数据处理单元可以结合通常的计算机部件，例如中央处理器、非易失性和易失性存储器(RAM，硬盘，CD，……)等。其还进一步包括用于执行下面将更详细阐述的数据评估步骤的合适程序。
为了限制患者(和工作人员)暴露于X-射线和造影剂，在整个导管检查期间没有X-射线监视。代替地，借助于有源定位器4、5观察导管6的当前位置，所述定位器的空间位置(或坐标)和取向可以用相关的定位装置测量。在所示的情形中，定位装置是带有场发生器3的电磁定位装置，场发生器3产生时间和空间上不均匀的磁场。由于由场发生器2产生磁场原则上是已知的，连接到导管6尖端作为定位器的磁场传感器4、5的测量信号允许确定它们的空间位置和取向。由定位器4、5输出的测量信号传送到数据处理单元7，在数据处理单元7中从这些信号获得定位器4、5相对于存储的脉管图的位置。而后，脉管图K能够与检测到的位置一起显示在监视器7上以简化医生对导管的导航。
但是，如上所述的方法的缺点在于定位器4、5的测得位置通常面临较大或较小的不精确性。特别地，在所示的导管实验室的情况中，存在主要由X-射线系统1的C结构中的图像放大器引起的场畸变导致的干涉。
在图2中更详细地示出测量信号经受的上述问题。其示出了根据脉管图的血管8的布局，血管的中心线C由虚线指示。测得的近侧位置传感器5的位置r1或测得的远侧位置传感器4的位置r2能基于公知的校准参数分别输入到脉管图中。在此处上下文中，假设首先能够实现脉管图和定位器4、5之间的精确配准(例如借助于导管的X-射线图像)。由于导管经由血管进一步推进，前面的定位器4将首先进入到具有受扰磁场的区域中，导致相应不正确的测得位置。然而，实验显示定位器的取向受到的影响相对较小，通常为1.5+/-2.2°。因而该取向能够作为相对精确的测量结果使用，借助于其能够确定导管在脉管图上的最可能“真实”的位置。为了更详细地说明，作为上述干涉的结果，图2中在脉管布局之外示出了测得的位置r1、r2。既然该位置不可能是正确的，就需要校正测得的值。
代替经由最短的可能路径将测得的位置r1、r2换位到脉管图的脉管布局中，在此采用了更不同的程序。对两个校正向量k1和k2’进行计算以分别将测得位置r1、r2转换为校正位置r1’、r2’。这些校正向量k1、k2’的计算伴随着质量维度Q的最佳化，其同时考虑了测得位置r1、r2与脉管布局的距离和测得的定位器或定位器之间的取向。定位器之间的取向通过测得位置(离开最终标准)的差值(r2-r1)确定。例如，满足如上所述条件的通常的质量维度Q由以下函数规定Q＝Q(ρ1，ρ2)＝w1((r1-ρ1)2+(r2-ρ2)2)+w2((r2-r1)-(ρ2-ρ1))2其中w1、w2是可由用户预设的加权因子，例如，通常值是w1∈
和w2∈
。位置向量ρ1和ρ2是来自脉管布局的任意向量。对于假设Q为最小值，位置向量ρ1＝r1’并且ρ2＝r2’，代表r1和r2所需的校正值。根据这些，也可以得知相关校正向量k1＝r1’-r1和k2’＝r2’-r2。
在质量维度Q的另一公式中，第二项能够另外包括或作为选择包括考虑由定位器直接测得的(各个)取向的成分。另外或作为替代，Q可以包括评估导管的测得路线和根据脉管图的脉管布局之间的形状误差的成分。例如，导管路线能够通过使用导管模型(例如样条函数)根据多个定位器(例如，4个)的测得位置确定，并且Q能够包含导管路线和脉管布局之间差值的积分。
如图2所示的情形示出的那样，在质量维度Q中包含取向(因子w2)具有这样的结果，即测得位置r1、r2定向地移动到脉管布局的一截面中，该截面的取向对应于测得取向(r2-r1)。
可选地，可以采取进一步的校正步骤。通过如上所述那样分别计算位置r1’和r2’或校正向量k1和k2’，仅(因此相对精确地)已经获得相对于脉管布局的横向校正。另一方面，血管纵向上的位置校正仍然相当不精确，因为测得的取向数据还不清楚，并且从脉管图获得的取向数据还有容差。这能导致在脉管图的一些部分中，特别是在血管曲率相对较小的那些点，出现一些显著的误差。
为了校正脉管布局的纵向(沿着血管的中心线C)上的位置，使用了如下事实两个定位器4、5彼此相距恒定距离d地定位在导管6上。前面的定位器4的(预校正)位置r2’沿着血管的中心线C移动直到其与另一定位器5的(预校正)位置r1’的距离等于预设恒定距离d。该过程产生前面的定位器4的最终校正位置r2”，而后可以根据其确定最终校正向量k2＝r2”-r2。而后可以将得到的校正向量k1和k2(作为相关位置r1和r2的函数)存储起来。
如果最终校正取向(r2”-r1’)和测得的取向(r2-r1)之间的角度超出预定值，则数据处理装置7能够向用户输出可视或可听见的警告以警告他可能存在损伤或穿透血管壁的风险。
如上所述用于两个测得位置r1、r2的校正方法还能够用于局部计算脉管布局中相关区域的连续变换图。可以将用于校正向量k1、k2的计算得的参考点r1、r2之间的距离处理为由用户设置的参数，特别是根据干涉场波动的最小长度范围对其进行选择。定位器4、5在导管6上的选定距离d应该也取决于场干涉的长度范围。
使用合适的内插和外推方法，可以根据测得的参考点计算脉管系统的整个相关体积的密集变换图。该变换可以随每个新获得的测得值刷新。这样，该方法甚至可以适用于缓慢波动干涉。另一方面，通过仅仅重新开始上述方法并且使用导管6和脉管布局之间的更新的初始配准，就可以很好地处理干涉场的较快变化。
权利要求
1.一种用于确定器械(6)在脉管系统(8)中位置的设备，包括-至少一个安装到该器械(6)的定位器(4，5)，所述定位器的空间位置(r1，r2)可以测量，并且借助于所述定位器，能够测得器械截面的取向(r2-r1)和/或形状；-数据处理单元(7)，具有存储脉管图(K)的存储器，所述数据处理单元设置成考虑到脉管图(K)和质量维度，校正测得的定位器(4，5)的空间位置(r1，r2)，所述质量维度包括加权成分，所述加权成分测量所述测得的位置与由脉管图(K)表示的脉管布局(8)的偏差，以及测得的器械截面取向和/或形状与由脉管图(K)表示的脉管布局(8)的偏差。
2.如权利要求1所要求的设备，其特征在于所述定位器包括电磁定位装置的磁场传感器(4，5)。
3.如权利要求1所要求的设备，其特征在于对所述数据处理单元设置成根据各个校正值(k1，k2)计算局部连续变换。
4.如权利要求1所要求的设备，其特征在于所述至少两个定位器(4，5)以已知相对位置(d)连接到所述器械(6)，并且其特征在于将数据处理单元(7)设置成当校正所述测得位置(r1，r2)时考虑该相对位置(d)。
5.如权利要求4所要求的设备，其特征在于进一步将所述数据处理单元(7)设置成校正根据脉管图(K)的脉管布局在考虑质量维度的同时校正的至少一个定位器(4)的位置(r2’)，从而最终校正位置(r1’，r2”)同样采用所述已知相对位置(d)。
6.如权利要求1所要求的设备，其特征在于，所述数据处理单元(7)设置成如果定位器(4，5)的校正位置(r1’，r2”)包括偏离测得取向(r2-r1)和/或形状大于预定极限值的器械截面取向(r2”-r1’)和/或形状，所述数据处理单元(7)输出警告。
7.如权利要求1所要求的设备，其特征在于允许验证定位器(4，5)相对于脉管图(K)的位置的装置(1)。
8.如权利要求1所要求的设备，其特征在于用于产生脉管图(K)的成像装置(1)。
9.一种借助于至少一个连接到器械(6)的定位器(4，5)并借助于脉管图(K)，确定器械(6)在脉管系统(8)中位置的方法，包括如下步骤a)测量定位器(4，5)的空间位置(r1，r2)和器械截面的取向(r2-r1)和/或形状；b)参考脉管图(K)和质量维度校正测得的空间位置(r1，r2)，所述质量维度包括加权成分，所述加权成分一方面测量定位器(4，5)的测得位置与根据脉管图(K)的脉管布局(8)的偏差，另一方面测量器械截面的测得取向和/或形状与根据脉管图(K)的脉管布局(8)的偏差。
10.如权利要求9所要求的方法，其特征在于基于各个校正值(k1，k2)计算空间连续变换。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定导管在脉管系统(8)中位置的设备和方法。其中，在最佳化质量维度时，导管尖端两个磁定位器的测得位置(r
文档编号A61B5/06GK1925787SQ200580005126
公开日2007年3月7日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月18日
发明者S·克吕格尔, H·蒂明格尔, J·萨布琴斯基, J·博尔格特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司