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WO2015185665A1 - Vorrichtung zum detektieren einer nuklearen strahlungsverteilung - Google Patents

Vorrichtung zum detektieren einer nuklearen strahlungsverteilung Download PDF

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WO2015185665A1
WO2015185665A1 PCT/EP2015/062452 EP2015062452W WO2015185665A1 WO 2015185665 A1 WO2015185665 A1 WO 2015185665A1 EP 2015062452 W EP2015062452 W EP 2015062452W WO 2015185665 A1 WO2015185665 A1 WO 2015185665A1
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WO
WIPO (PCT)
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nuclear
nuclear probe
probe
end effector
coupling
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2015/062452
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wendler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SURGICEYE GmbH
Original Assignee
SURGICEYE GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SURGICEYE GmbH filed Critical SURGICEYE GmbH
Publication of WO2015185665A1 publication Critical patent/WO2015185665A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
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    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/54—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis
    • A61B6/547—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis involving tracking of position of the device or parts of the device

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for detecting a nuclear transmission disorder in a patient by means of a nuclear probe coupleable to a robot arm such that the nuclear probe and a part of the robotic arm can be introduced into the patient.
  • aspects of the invention relate to such a device which tracks the nuclear probe and which determines a target position and orientation of the nuclear probe so as to improve the image quality of a nuclear radiation distribution three-dimensional nuclear image.
  • High quality imaging is of great interest to a wide range of applications. Particularly in the medical field, where the health of a patient may depend on it, the best possible imaging is required, for example, as a basis for operations on the patient.
  • medical images are either generated preoperatively, such as computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (NMR, MRI, MRI), positron emission tomography (PET), single photon emission tomography (SPECT), ultrasound (US) or otherwise intraoperatively (io), such as by io CT, io MRI, io US, or freehand SPECT.
  • CT computed tomography
  • NMR magnetic resonance imaging
  • MRI positron emission tomography
  • PET single photon emission tomography
  • US ultrasound
  • io intraoperatively
  • such medical images may help in tumor surgery to decide which tissue pieces to excerpt from the combined anatomical and functional information. It is desirable to have the most up-to-date and high-quality images, as this can avoid harming healthy tissue or accidentally removing it by accident.
  • Image generation and an evaluation system that has to process this data is especially true for the processing of detector data with movable detectors, which are carried in the hand, for example.
  • the prior art in connection with the present invention is disclosed, for example, in US 6,602,488, US 6,456,869, US 6,317,622, US 6,167,296 or DE 10 201 1 053 708 AI and enables tracking (tracking) of the hand-held probes as conventional diagnostic equipment, especially during of a surgical procedure, as well as tracking systems for determining the position and orientation of surgical instruments and imaging devices.
  • nuclear probes can be structurally integrated with a camera.
  • the output signal from nuclear probes is usually just a one-dimensional signal that is not constant over time.
  • the main advantages of such devices are the portability, simplicity, and the possibility of their miniaturization for examining cavities, for example when mounted on endoscopes. Further, because each measurement is not limited to a particular position with respect to the previous one, probes allow the sampling of arbitrary surfaces with spatial accuracy limited only by the size of the sensor and the range of the detected nuclear radiation.
  • Freely movable nuclear probes such.
  • Gamma and beta probes can measure the radioactive decay of radionuclides in tracers injected into the patient prior to the procedure.
  • the disadvantage of these nuclear probes is the fact that they are only point measurements. This makes it difficult to weigh the physical value on a surface if it changes significantly with position.
  • Another problem is the fluctuation of the measurement results, which is based on the statistical nature of the decay and detection process, making the interpretation of the measurement data difficult and potentially unreliable.
  • Other possible inaccuracies can be added to aggravating, such as tracking.
  • the known nuclear probes are usually designed for measurements outside the patient's body and are therefore guided over the body surface, whereby the accessible perspectives for the radiation measurement relative to the target tissue are severely limited.
  • DE 10 201 1 121 708 AI beyond designed as an elongated endoscope nuclear probe is described, one end of which along the longitudinal axis of the nuclear probe in a compassionöff can be introduced and thus also allows measurements inside the body. Nevertheless, the movement possibilities of the probe are also limited here.
  • the object of the present invention is to provide a system and method for intracorporeal imaging, especially in computer-guided operation with nuclear probes, which provides improved image quality and / or a shortened detection time over known methods.
  • the device comprises a robotic arm having a plurality of joints (comprising a distal joint) and an end effector movable by at least three degrees of freedom by the joints: a nuclear probe with a nuclear detector for detecting radioactive radiation and a coupling element for coupling the nuclear probe in a defined position on the end effector of the robot arm; a tracking system for determining pose data indicating a position and orientation of the nuclear probe; and a control unit.
  • the nuclear probe, the end effector and the distal joint can be sterilized and dimensioned so that the nuclear probe, the end effector and the distal joint are completely insertable into the body of the patient and in the patient's body in a defined position are coupled to each other.
  • the control unit includes: a pose module connected to the tracking system for receiving the pose data with the position and orientation of the nuclear probe; a radiation module connected to the nuclear probe for receiving radiation data containing information about the detected radioactive radiation; a synchronization module for synchronizing the pose data with the radiation data; and a bi generation module! for repeatedly calculating a nuclear radiation distribution three-dimensional nuclear image from the synchronized pose data and radiation data.
  • Fig. 1 shows schematically a device according to an embodiment on an operating table
  • Fig. 2a and 2b respectively show a schematic side view of a nuclear probe of a respective embodiment form; 3 shows possible states of motion of a robotic arm with a nuclear probe according to an embodiment;
  • Fig. 6a shows a perspective view of a nuclear probe according to an embodiment
  • Fig. 6b shows a schematic cross-sectional view of the coupling element of the nuclear probe of Figure 6a together with an associated coupling mechanism of the robot arm.
  • FIG. 6c shows a perspective view of a nuclear probe together with an associated coupling mechanism according to another embodiment
  • FIG. 6d shows a schematic cross-sectional view of the coupling element of the nuclear probe of FIG. 6c;
  • Fig. 7 shows a perspective view of a coupling element together with an associated coupling mechanism according to another embodiment
  • FIG. 10 shows schematic cross-sectional views of respective coupling mechanisms according to further embodiments.
  • FIG. 11a and 11b show views of a nuclear probe (FIG. 11a) and of the nuclear probe together with an associated coupling mechanism (FIG. 11b) according to a further embodiment;
  • FIGS. 12a and 12b as well as 13a and 13b show views analogous to those of FIGS. 11a and 11b for nuclear probes and associated coupling mechanisms according to further embodiments.
  • Fig. 14 shows possible configurations of coupling elements according to further embodiments; and Fig. 15 shows schematically the control unit of one embodiment of the device.
  • the methods described herein use computer software to calculate various types of image information from detected information.
  • the methods and algorithms used are either known or can be known to the person skilled in the art be readily written using its standard expertise based on the information provided herein. They are therefore not dealt with in detail.
  • modules and subsystems described herein are interfaced to at least one evaluation unit, output unit, and / or each other.
  • evaluation unit e.g., nuclear probe, camera, robotic arm, control unit, etc.
  • output unit e.g., a laser scanner
  • means for the purpose of calculating 3-D images, transformations, synchronization means, etc. are generally implemented here as commercial computer systems (personal computers or workstations) on which algorithms in the form of computer programs are implemented according to the exemplary embodiments are.
  • Embodiments relate to a device for detecting a nuclear radiation distribution in a patient (preferably a human patient, but the invention is also applicable to animals), in which a nuclear probe is coupled via a coupling in a defined position to the end effector of a robot arm.
  • a defined position is understood to mean a precisely defined relative arrangement of end effector and nuclear probe by the geometry of the coupling element.
  • the defined position is preferably uniquely predetermined, or at least one of a few discrete possible positions, for example of a maximum of four, particularly preferably of a maximum of two possible positions.
  • the robotic arm permits movement of the nuclear probe by at least three degrees of freedom, preferably in all six degrees of freedom, and more preferably even allows redundant movement, i.
  • a position of the nuclear probe is achievable by more than one position of the robotic arm. This allows high flexibility of movement, even in the presence of obstacles to the robot arm.
  • the distal articulation unit of the robotic arm i.e., the end effector and the distal articulation, the distal articulation unit corresponding to a wrist, English "wrist" preferably allows rotational movement about all three spatial axes.
  • the nuclear probe can be inserted uncoupled from the robot arm into the body of the patient and can only be coupled to the robot arm in the body of the patient.
  • the nuclear probe may be fully insertable into the body of the patient according to a preferred but not mandatory aspect, and the robot arm can be introduced into the body of the patient at least from its distal joint unit, for example via an operating opening during a surgical procedure on a patient.
  • the nuclear probe, the end effector and the distal joint may in particular be dimensioned such that they can be inserted completely into the body of the patient even when coupled. This includes both the case in which these units are already coupled to one another during insertion and can be inserted into the surgical opening in the coupled state, as well as the case that they are coupled only after uncoupled, separate insertion into the body of the patient.
  • the apparatus includes a tracking system for determining pose data indicating a position and orientation of the nuclear probe.
  • pose is understood here as indicating the (3D) position of an object in space as well as its orientation
  • the pose is generally expressible by six coordinates (3 position coordinates for the position and 3 solid angles for the orientation).
  • the tracking system determines this pose data preferably from the position of the robot arm, more precisely from the position of the end effector, which can be calculated from the state of motion (diffraction state) of the robot joints by means of corresponding sensors or servomotors in a known manner.
  • Knowledge of the position of the robot arm is sufficient for the pose calculation of the nuclear probe, since the nuclear probe is due to the coupling element according to the invention in a defined (known) position relative to the end effector.
  • the tracking system can also be provided independently of the robot arm, for example by an electromagnetic tracking system which monitors the position of the nuclear probe or the end effector.
  • the nuclear probe for the ing track is equipped with an electromagnetic sensor.
  • a (visible) tracked portion of the robotic arm (eg, above the end effector) is provided with optical markers for tracking.
  • the pose of the nuclear probe is then calculated from the pose of the tracked part and the position of those robot joints that connect the tracked part with the nuclear sensor.
  • the tracking system may also include a fixed or sensed camera system and an image recognition system.
  • the image recognition system is configured to detect the nuclear probe in a camera image taken by the camera system and to calculate the pose of the nuclear probe from the camera image.
  • the nuclear probe includes a recognition pattern attached (eg, engraved or painted or attached) to a defined position of the nuclear probe, and the image recognition system is configured to recognize the recognition pattern.
  • the image recognition system can also be set up to recognize an image of the nuclear probe in the camera image and to determine a pose of the nuclear probe from the detected image.
  • the image recognition system can additionally be set up to also recognize at least one section of the robot arm and to calculate its pose, for example by recognizing a further identification feature attached to a defined position of the robot arm section.
  • the pose data in one aspect, is synchronized with the radiation data obtained by the nuclear detector, and the resulting pose-dependent measured radiation intensities allow a three-dimensional nuclear image to be calculated by a reconstruction algorithm in a manner known to those skilled in the art.
  • a device 1 for detecting a nuclear radiation distribution distribution in a patient 2 is shown.
  • the patient 2 lies on an operating table 4.
  • the device 1 comprises a robot arm 20 which is mounted on a base 5 located opposite the operating table in a defined position.
  • the robotic arm 20 has arm joints 22 and a wrist (distal hinge assembly) 24 which allows at least partial rotation about all three solid angles.
  • On a distal side of the wrist 24 is the end effector 25.
  • the end effector 25 is movable by means of the hinges 22 and 24 by all six degrees of freedom.
  • FIG. 1 shows a control unit 40, which is operatively connected to the robot arm 20 and to the nuclear probe 100.
  • another nuclear detector 4a may be operatively connected to the control unit 40.
  • the further nuclear detector 4a is stationary mounted on the operating table, such as below the operating table.
  • the further nuclear detector 4a may optionally have a collimator and / or a nuclear camera to perform a spatially resolved nuclear measurements.
  • the control unit 40 is equipped to synchronize detector data of the further nuclear detector 4a with the detector data of the nuclear probe 100 and to reconstruct a three-dimensional nuclear image from both detector data, for example by means of a PET reconstruction method or a Compton camera reconstructing method. In this way, with the aid of the nuclear detector 4a, an even more accurate or less noise-generating or rapidly generated image of the three-dimensional radiation distribution can be obtained.
  • the end effector 25, or the nuclear probe 100 coupled in a defined manner is in embodiments tracked by a tracking system, i. a pose of them is continuously recorded.
  • the tracking system typically detects the pose in a coordinate system relative to the operating table 4. In order for the patient 2 to assume a defined position in the coordinate system, it is preferable for the patient to remain stationary relative to the operating table 4 for the duration of the measurement.
  • At least one marker can be fixed to the patient 20 as a patient reference.
  • the position of this patient reference is determined during the application of the method according to the invention via means for determining the reference pose of the patient reference relative to the coordinate system of the tracking system (for example via an optical tracking system).
  • a coordinate transformation of the nuclear probe pose is then performed into an effective coordinate system which is fixed relative to the patient reference and thus to the location of the patient 2 (the at least one marker).
  • the nuclear probe 100 is shown in greater detail in FIG. 2a.
  • the nuclear probe 100 has a sheath 140 of a nuclear radiation shielding material, such as tungsten for gamma radiation, on.
  • a detector 116 for Detection of radioactive radiation appropriate.
  • the detector 116 and thus the nuclear probe 100 is typically designed for the detection of gamma radiation, beta radiation, or both.
  • the detector 16 comprises as a detecting element e.g. a scintillator crystal and a photomultiplier which converts light generated by the scintillator into electricity. Through a cable 102, the photomultiplier is connected to the outside world. Through an opening in the casing 140, nuclear radiation can reach the detector and be detected by it. The aperture defines a field of view 15 about a viewing axis A of the detector. The jacket 1 14 surrounds the detector 16 so that the detector 16 is substantially only sensitive to nuclear radiation from the field of view.
  • the detector may also be formed only by a scintillator and be connected by an optical fiber to a photomultiplier located outside the nuclear probe.
  • the detector may also be of the "direct conversion" type, which converts gamma radiation directly (without the intermediate step via a photodetector) into an electrical signal, as is the case with a CdZnTe detector.
  • FIG. 2a also has a coupling element 130 for coupling the nuclear probe 100 in a defined position to the end effector 25 of the robot arm (see FIG.
  • the coupling element is shown in Fig. 2a only schematically and described in more detail below.
  • the nuclear probe 100 is shown in the schematic drawing of Fig. 2a rectangular. However, it is preferred that the nuclear probe is edgeless, e.g. is designed substantially cylindrical.
  • FIG. 2b shows further optional details of the nuclear probe 100 for which the description of FIG. 2a otherwise applies.
  • the nuclear probe 100 may include a collimator 12 made of a nuclear radiation shielding material such as tungsten.
  • the collimator in this case defines the view described above and the line of sight A.
  • the collimator 112 may be a pinhole collimator with a single aperture or a multi-hole collimator such as shown in Fig. 2b, eg of the multi-pinhole type , Parallel-Hole, Converging, Diverging, and / or Aperture-Coded.
  • the nuclear probe may also include multiple detectors, such as an array (nuclear camera) or a detector stack of detectors.
  • the collimator 112 corresponds to the opening of Fig. 2a and has a field of view 115 with a viewing axis A, wherein the visual axis A of the field of view is directed parallel to an axis (longitudinal axis) of the nuclear probe 100 and its casing 114.
  • the collimator 1 12 is not mandatory.
  • the detector included in the nuclear probe is a first detector of the detector pair, and another detector of the detector pair is mounted outside the nuclear probe, such as optional detector 4a described further below.
  • an optical camera 9 is further attached rigidly to the nuclear probe 100.
  • the camera may be an endoscopic camera, such as for (non-limiting) a laparoscope, a laryngoscope, a rynoscope, an arthroscope, an epiduroscope, an esophagoscope, a gastroscope, an enteroscope, an anoscope, a rectoscope, a colonoscope, a symodoiscope , a proctoscope, a cystoscope, a gynecoscope, a colposcope, a hysteroscope, a falloposcope, a bronchoscope, a thoracoscope, a mediastinoscope, an otoscope, or a ductoscope.
  • An optical axis of the camera is preferably aligned parallel to the axis A.
  • an ultrasound transducer and probe may be attached to the nuclear probe to generate additional image information from U 1 traschal l horren.
  • a maximum diameter dmax of the nuclear probe 100 (without cable) is less than 3 cm.
  • dmax is the largest diameter in any direction, or the nuclear probe 100 fits completely into an imaginary sphere of diameter dmax.
  • the nuclear probe has a longitudinal axis, and the viewing axis A of the collimator extends parallel to the longitudinal axis.
  • a length 1 of the nuclear probe (along the longitudinal axis or the visual axis A) is less than 4 cm.
  • a maximum transverse diameter h of the nuclear probe (transverse to the longitudinal axis or to the visual axis A) is less than 5 cm.
  • an aspect ratio Lmax / Lmin of the nuclear probe is between 1 and 2 (the maximum extent Lmax being in the direction of the largest maximum extent Lmax and the minimum extent Lmin in the direction of the smallest maximum extent Lmin is measured).
  • Robot Arm, Movement Figure 3 illustrates the possibilities of movement of the nuclear probe 100 through the robotic arm 20 inserted through an operative opening 2b inside the body 2 of the patient.
  • the robot arm allows positioning of the nuclear probe 100 in a wide range. This is possible in particular in that the end effector 25 and preferably also the distal joint 24 are completely insertable into the body 2 of the patient, and can be coupled to one another in the body 2 of the patient in a defined position.
  • the robotic arm allows positioning on different sides of the target tissue 2a and thus viewing of the target tissue by the nuclear probe 100 from different sides. This allows optimized imaging. This positioning is achieved by the high number of degrees of freedom of the distal joint 24 and by the compact dimensions of the nuclear probe 100.
  • FIG. 4 and Fig. 5 Dimensions and configurations of the robotic arm and the nuclear probe, which allow a particularly favorable viewing of the target tissue are shown in Fig. 4 and Fig. 5. Illustrated by these figures, some general preferred aspects of the invention will now be described in terms of dimensions and configurations of the robotic arm and the nuclear probe.
  • the robotic arm is designed such that an angle between an axis of the end effector 25 (defined by a central connecting line between the distal joint 24 (or its center of motion) and the coupling mechanism 23) and a visual axis A of the Nuclear probe 100 is less than 60 ° and preferably less than 45 °. It is another preferred aspect that the end effector 25 and / or the distal hinge 24 and / or the coupled nuclear probe 100 at no point have a cross section (transverse to the connecting line) with a diameter of more than 8 cm. It is a further preferred aspect that a distance dl between the distal joint 24 (more precisely, its center of motion) and the nuclear probe 100 (more precisely, its Visual axis) is less than 6 cm.
  • a distance d2 between the distal joint and the further joint in front of it is between 5 cm and 20 cm (distance between the respective movement centers of the joints).
  • the end effector 25 has a length of less than 7 cm and / or a maximum transverse diameter of less than 2 cm.
  • the above-mentioned distal joint 24 may also be formed by a joint group.
  • the distal joint group has at least one hinge and preferably allows rotation about two or even three independent solid angles.
  • the swivel joint permits rotation about a maximum angle of rotation ⁇ of at least 180 °, at least by one solid angle (see FIG. 5).
  • the hinge allows at least two independent solid angles to rotate through a maximum angle of rotation ⁇ of at least 90 ° or even 180 ° (see FIG. 5).
  • the pivot about each of the three independent space angle allows rotation about a maximum angle of rotation ⁇ of at least 60 °.
  • Fig. 6a shows a perspective view of a nuclear probe 100.
  • the nuclear probe 100 has a cylindrical housing with axis A, which at the same time also represents the visual axis of the nuclear detector (see Fig. 2a, 2b).
  • the nuclear probe 100 has a coupling element 130 which is formed by a profiled rear end portion of the nuclear probe.
  • the coupling mechanism is here formed by a gripper 230 with two fingers 232a, 232b.
  • it is a gripper of the minimally invasive da VinciCD system.
  • the fingers 232a, 232b are pivotable towards and away from each other about an axis toward and away from each other.
  • the coupling element 130 is designed to be gripped by fingers 232a, 232b of the gripper 230.
  • the coupling element 130 on two parallel to the axis A extending gripping portions 132a, 132b.
  • the Grei sections 132 a, 132 b define respective planes that intersect in a line extending outside the nuclear probe 100 parallel to the axis A extending straight line.
  • Figs. 6c and 6d show a possible embodiment of the structure shown in Fig. 6b in greater detail.
  • the gripping portions 132a (not visible in Figs. 6c) and 132b of the coupling member 130 are mounted in a respective recess of the nuclear probe 100, and these recesses define a unique longitudinal position for the gripper 230 or its fingers 232a, 232b along the axis A (see Figs Fig. 6a).
  • the coupling daemon 130 further has on each of the gripping portions 132a, 132b a projection member 136 which is designed to engage with an opening 236 of the corresponding finger 232a and 232b, respectively.
  • the opening 236 is configured as a slot
  • the projection element 136 is designed to engage in a distal end of the slot. This ensures that the Nuklcarsonde 100 can be securely gripped by the gripper 230 and fixed in a unique position.
  • the coupling element 130 is designed such that the axis A of the nuclear probe 100 perpendicular to a central axis of the gripper 230 (central axis of the lines defined by the fingers 232a, 232b) runs.
  • FIG. 7 illustrates an alternative embodiment in which the axis A of the nuclear probe 100 is parallel to the central axis of the gripper 230.
  • the embodiment of Fig. 7 has the advantage that the field of view of the nuclear probe 100 is intuitively easy for the user to grasp, as it is directed forward with respect to control of the gripper.
  • the angle between the axis A of the nuclear probe 100 and the central axis of the gripper 230 is less than 45 °, preferably even less than 30 °, and more preferably the two axes are substantially parallel (ie, less than 10 ° deviation ).
  • the coupling element 130 is designed mirror-symmetrical, as can be seen in Fig. 6d.
  • FIGS. 8 and 9a-9b schematically show possible variations of the coupling element 130 of FIG. 6d, in which the projection element 136 is varied or replaced.
  • one projection member 136a is provided on one of the two gripping portions, and two projection members 136b are provided on the other.
  • the coupling element 130 is no longer designed mirror-symmetrically.
  • the fingers of the gripper have recesses complementary to the projection elements 136a, 136b, so that the gripper can grip the coupling element in exactly one orientation, whereas the other orientation is excluded.
  • the projection elements of the coupling element 130 are replaced by recesses 137, and the fingers of the gripper (not shown) have to the recesses 137 complementary Vorsprungsel em duck on.
  • a combination of recesses and Vorsprungsel elements on the coupling element 130 is possible.
  • Fig. 9b shows a possible arrangement of recesses 137 in a plan view of a gripping portion 132 (corresponding to the gripping portion 132a and / or 132b shown in Figs. 6a-d).
  • the defined position of the nuclear probe relative to the coupling mechanism has a tolerance of less than 1 mm, ie the defined position is reproducible within this tolerance.
  • FIG. 10a-10c show schematic cross-sectional views of respective coupling mechanisms that can be used interchangeably or even in combination in any embodiment according to one aspect of the invention, with the coupling elements of the nuclear probe 100 then being adjusted accordingly.
  • the arrows in Figs. 10a-10h illustrate the movement of elements of the respective coupling mechanism for fixing the nuclear probe 100.
  • Fig. 10a illustrates the gripper 230 already shown in Fig. 6b with two pivotal fingers 232a, 232b.
  • Fig. 10b illustrates Variation thereof, in which the fingers 232a, 232b are aligned parallel to each other and can be moved to fix the nuclear probe 100 laterally to each other. Accordingly, the gripping portions of the nuclear probe 100 are arranged parallel to each other.
  • the gripper 230 shown in Fig. 10a, 10b is thus provided with gripping areas on the inner sides of the fingers 232a, 232b, which may have an adhesion-enhancing coating and / or texture.
  • the inner grippers 250 shown in Figs. 10c and 1d0 are variations of the grippers of Figs. 10a and 10b in which the nuclear probe 100 is fixed by moving the fingers 252a, 252b apart from each other.
  • the coupling element 130 is designed as an opening with two zuwei nanderwei send gripping portions
  • the inner hook 250 is designed to retract into the opening and by moving apart the fingers 252 a, 252 b can be pressed from the inside against the gripping portions.
  • the inner hook shown in Fig. 10c, l OD 250 is thus provided with gripping areas on the outsides of the fingers 252a, 252b, which may have a laterally increasing coating and / or texture.
  • the general aspect illustrates that the fingers 252a, 252b need not be straight but may also have kinks or, more generally, a curved shape.
  • This aspect is also shown in FIG. 10e-g for the gripper 230.
  • the gripping portions of the coupling element 130 are correspondingly curved to contact the fingers, so that the coupling is fixed by the curvature and kept stable.
  • Fig. 10h shows a further variation in which the Grei it is replaced by a screw coupling mechanism 260.
  • the coupling member 130 has a through hole
  • the screw coupling mechanism 260 has a nut.
  • a screw 262 can be screwed through the through hole on the screwable coupling mechanism echani smus 260 and thus fix the coupling member 130 on the screw coupling mechanism 260.
  • Figs. 10a-10g only one of the fingers may be movable and the other finger may be rigid. Any releasable attachment can be used as a coupling mechanism.
  • the coupling mechanism is couplable and releasable within the patient's body (which, for example, does not apply to the screwable coupling mechanism 260 of FIG. 10h, for which reason the other embodiments are even more preferred).
  • Fig. 1 la shows a nuclear probe 100 with a coupling element 130, which is adapted to the coupling mechanism 230 of FIG. 1 Ob.
  • Fig. 1 l b this nuclear probe is shown in a lateral cross section together with the coupling mechanism 230 of Fig. 10b.
  • the coupling element 130 has two gripping sections 132a, 132b, which are arranged flat and parallel to one another in order to be gripped by the fingers 232a, 232b of the coupling mechanism 230.
  • FIGS. 12a and 12b show a further embodiment of a nuclear probe 100 with coupling element 134 (FIG. 12a) and an associated coupling mechanism 240 (FIG. 12b).
  • the coupling element 134 is designed as an opening (more accurately as a blind hole) in the nuclear probe 100, and the coupling mechanism 240 is designed to be complementary to the opening, so that the coupling mechanism 240 can be introduced into the coupling element 134 and, in the fully inserted state, the nuclear probe 100 in a unique manner Relation holds.
  • the coupling element 134 and the coupling mechanism 240 on a fixing device (not shown) for fixing the fully inserted into the coupling element 134 coupling mechanism 240.
  • the fixing device can be about a mechanical snap device or a hydraulic fixing device (in which the coupling element 134 and / or the coupling mechanism 240 for clamping / releasing the fixation can change their volume) or a permanent magnet and / or El ektromagneten comprehensive magnetic device.
  • the coupling element 134 comprises a (para- or ferro-) magnetizable material
  • the coupling mechanism 240 comprises an electromagnet (a solenoid), which is arranged such that when the electromagnet is turned on, the coupling mechanism 240 inserted into the coupling element 134 through the Electromagnet is held in it, and with the electromagnet off, the holding is released.
  • the electromagnet may also be mounted in the coupling element 134 instead of in the coupling mechanism 240; This has the advantage that the power supply of the nuclear probe 100 can also be used for the electromagnet.
  • Figures 13a and 13b show another embodiment of a nuclear probe 100 with coupling element 135 (Figure 13a) and an associated coupling mechanism 250 ( Figure 13b).
  • the coupling mechanism 250 has an opening 254 (more precisely a blind hole) and the coupling element 135 is designed to be complementary to the opening so that the coupling element 135 can be inserted into the opening 254 is and is recorded in a completely established state in a unique relation.
  • Mechanism 250 is a (para- or ferro-) magnetizable material, and the coupling element 135 comprises an electromagnet which is arranged such that when El ektromagneten the inserted into the opening 254 of the coupling mechanism coupling element 135 is held by the electromagnet therein, and the detent is released when the electromagnet is switched off;
  • the electromagnet may also be mounted in the coupling mechanism 250, instead of in the coupling element 135.
  • FIG. 14 shows possible further configurations of the opening 134 which may alternatively be used, such as a trapezoidal shape (FIG. 14a), a triangular shape as in FIG. 12a (FIG. 14b), a circular shape (FIG. 14c) or an oval shape (Fig. 14d).
  • the coupling mechanism 240 is then made complementary and has the analogous cross-sectional shape.
  • FIGS. 3a, 13b can be adapted analogously.
  • the end effector 25 has a coupling mechanism 23 configured to interact (eg, engage) with the coupling member such that the defined position of the nuclear probe to the end effector is determined by the interaction between the coupling mechanism 23 and the coupling member 130.
  • the coupling mechanism can, as shown in Fig. 6- 1 1, realized by a gripping hand 230 of the end effector. It may, for example, be the grasping hand of the DaVinci (brand name) surgical robot.
  • the coupling element 130 is realized by a holding element fastened to the nuclear probe, which is shaped such that the holding element 130 is held stable in exactly one position by the gripping hand.
  • the holding member 130 may include a protrusion; it may alternatively be formed by a plurality of notches in the nuclear probe.
  • the interaction between the Koppelmechani smus 23 and the coupling element 130 by a screw connection, a magnetic connection, a plug connection, by means of negative pressure, terminals, or by a combination thereof.
  • the interaction may be non-positive or positive.
  • coupling element 130 and Koppelm echan i smus 23 mechanical engagement or stop elements, which define a clear relative position between the nuclear probe and end effector.
  • coupling element 130 and coupling mechanism 23 are designed asymmetrically.
  • the coupling element 130 may, for example, have a profile for engagement with the coupling mechanism (23, 230, 240, 250, 260) on two mutually opposite sides of the nuclear probe 100, respectively.
  • the profiles on the two opposite sides may differ from each other.
  • At least one of the profiles and preferably both profiles may be a survey for engagement with a corresponding recess of the Coupling mechanism, and / or have a recess for engagement with a corresponding elevation of the coupling mechanism.
  • the coupling mechanism may have such a profile with survey (s) and / or recess (s).
  • the connection between robot arm or coupling mechanism 23 and nuclear probe or coupling elements 130 is releasably, preferably even in the interior of the patient's body 2 solvable.
  • Fig. 15 shows the control unit 40 shown in Fig. 1, further elements and connections therebetween in greater detail.
  • the nuclear probe 100 and the robot arm 20 are as described in FIG. Furthermore, a robot controller 55 and a tracking system 56 are shown.
  • the robot controller 55 is equipped to send commands to actuators that cause movement of the joints 22, 24 of the robot arm.
  • the tracking system 56 is equipped to determine pose data indicating a position and orientation of the nuclear probe 100.
  • various techniques may be considered, such as an optical or a magnetic tracking system. Preferred is a system which retrieves the state of motion (diffraction state) of the joints of the robot arm and determines therefrom the pose of the effectuator or of the nuclear probe.
  • This tracking system 56 may be integrated in the robot controller.
  • the control unit 40 has a pose module 50, a radiation module 60, a synchronization module 70, an imaging module 80, a quality value module 90, and a target pose module 95.
  • the pose module 50 is identical to the Tracking system 56 is connected to receive the pose data with the information about the position and orientation of the nuclear probe 100.
  • the radiation module 60 is connected to the nuclear probe 100 (more precisely to the one shown in FIG Detector 16) connected to receive radiation data with information about the detected radioactive radiation or their intensity. Both modules 50 and 60 are equipped to store the respective received data with associated time information.
  • the synchronization module 70 is connected to the modules 50, 60 to synchronize the pose data with the radiation data, ie to associate simultaneous measurement information (pose data and radiation data). As a result, the synchronization module 70 therefore provides data pairs of radiation data (intensities) with associated pose data of the nuclear probe 100.
  • the imaging module 80 is coupled to the synchronization module 70 for receiving these data pairs and configured to repeatedly compute a nuclear radiation distribution three-dimensional nuclear image from the data pairs.
  • the imaging module is configured, in one embodiment, to iteratively determine a three-dimensional radiation distribution that is at most consistent with the measured radiation data.
  • a program is known to the person skilled in the art (for example the freehand SPECT image reconstruction mentioned at the beginning) and described, for example, in DE 10 201 1 053 708 A1 and the references cited therein.
  • a (always "at least") quality value Q is calculated which indicates an image quality of the calculated three-dimensional nuclear image
  • the term "quality value”, generally referred to herein as Q represents a parameter used in the context of this application that is capable of improving the quality of the images discussed herein. Examples of the quality value are given below: The quality value thus defined can also be calculated directly from the data of the synchronization module, without necessarily reconstructing an image.
  • This parameter Q can then be used to optimize the image, for example, to alert the user that he should move the probe to another location / position to improve the recorded database.
  • the quality assessment can be used to specifically suggest to the user a particular (or several different / al ternati ve) new position / location of the probe to pass through a targeted position and / or position change of the probe by the user to increase the quality of the determined from the probe data 3 D image;
  • the quality value can be used to change the position of the probe without actuation of a user by actuators, such as by driving a robot arm that guides the nuclear probe.
  • the representation of the image quality by Q allows a target pose (target position and target orientation) of the nuclear probe to be determined under the constraint that a corresponding placement of the nuclear probe results in an improvement of the at least one quality value Q.
  • a prognosis value for Q serves as a function of the pose, which is simulated as a function of the pose (and optionally of previously taken poses).
  • the target pose is then the pose that optimizes the forecast value for Q according to an optimization algorithm-optionally with further boundary conditions. The activation of the target pose thus leads to an increase in the quality value Q, which in turn results in an increase in image quality or reliability.
  • the target pose may follow: outputting a binary information - whether the probe should be moved further or not; or outputting one or more possible movements of the robotic arm which should drive the nuclear probe towards the target pose or bring it closer to it; and / or the output of target coordinates of the target pose.
  • the output may be for instance to a controller of the robot arm or to a user controlling the robot arm manually or semi-automatically.
  • the target pose can also indirectly determine the pose of the nuclear probe only by describing the target pose as by coordinates of the effector.
  • control unit 40 comprises a quality value module 90 with a program for determining from the pose data at least one quality value Q which indicates an image quality of the calculated three-dimensional nuclear image; and a target pose module for determining a target position and target orientation of the nuclear probe under the constraint that a corresponding placement of the nuclear probe results in an improvement of the at least one quality value Q.
  • the quality value module 90 is configured to determine at least one quality value Q indicating an image quality of the calculated three-dimensional nuclear image.
  • the previously covered poses relative to the target tissue can be taken into account. If, for example, a perspective on the target tissue has not yet been taken at all, a considerable improvement in the information situation can be expected by taking this perspective.
  • the quality value Q may vary depending on the method, e.g. a scalar, a vector, a scalar field, a vector field, a tensor, or a 3 D matrix.
  • Q can associate different poses with the expected improvement potential that would be expected for a given time in this pose when (further) measuring.
  • Q may e.g. Express how large the variance between the count rates from different solid angle elements for each different directions.
  • the larger Q in this case the higher the variance of the quality of the data acquired between different solid angles or partial volumes from certain directions, which is generally undesirable, because then certain sub-volumes e.g. have too low image resolution or too high image noise.
  • the recording time is significantly lower in relation to other areas, so where the quality of the presentation is lower.
  • the evaluation unit 60 decides that data has to be retrieved. The range for which this is true is then known from the previous calculation.
  • the evaluation unit can calculate in which target direction, based on the actual position of the nuclear probe, data should still be collected in order to improve the image quality or at the same time to lower Q.
  • a program for calculating possible quality values is described, for example, in DE 10 201 1 121 708 A1, paragraphs [038] - [046], the teaching of which in this respect is hereby complete by reference is involved. Further methods for determining quality values Q of a computer-generated image from a nuclear probe are described in DE 10 2008 025 151 A1 on pages 37 to 42, the relevant teaching of which is hereby incorporated by reference in its entirety.
  • the quality value module 90 is equipped to calculate Q as a function of a pose, ie to calculate for multiple pose values (or at least for multiple orientation and / or position values).
  • the target pose module 95 is connected to the quality value module 90 for receiving Q. From Q, the target pose module 95 determines a target pose (target position and target orientation). Here, the target pose is determined under the constraint that a corresponding placement of the nuclear probe leads to an improvement of the at least one quality value Q. For example, if Q expresses a pose-dependent information deficit, a target pose may be defined as a pose with maximum Q (optional under other constraints). Corresponding placement of the nuclear probe on this pose is likely to result in an improvement (or better enhancement, i.e., greater improvement than any other of the considered poses) of the quality value Q, since the value Q (the information deficit) will fall the most there.
  • a target direction (variation of the pose) can be determined, for example as the pose change, in which the determined gradient of Q is extremal.
  • the following described for the target pose can be analogously modified for a target direction.
  • the stated target values for the pose of the nuclear probe 100 can be determined, such as the amount of movement in which the nuclear probe can be moved, the possible directions in which the nuclear probe can be directed (inter alia, depending on the preoperative image data known anatomy of the patient), the position or pose of the patient and the organs in the body, the expected radioactivity distribution in the body, etc.
  • This information can be from preoperative data of the patient (registered or not), statistical models, information of the movement of Nuclear probe or other endoscopic instruments, etc., to be won.
  • This information can be used, for example, to check the plausibility of the target values, or to weight them. So must be ensured be that a pose is not proposed in which the location of the probe would overlap with an organ.
  • the instruction is output from the target pose module 90 either to the robot arm 20 or its controller 55, or it is output to a user.
  • the instruction can be given: signaling whether further movement is to take place or not; Issuing one or more new target poses; Output of motion sequences (e.g., vectors) leading to these poses; or control commands for the robot arm or for one or more actuators thereof for movement of the probe.
  • a target position and target orientation of the nuclear probe 100 is now calculated from the information derived from Q; As described above with the Maubedi tion that a corresponding change in position of the nuclear probe leads to an improvement of the quality value Q.
  • an output system e.g.
  • the calculated target information after being converted into instructions for moving the robot arm, is output to a user.
  • a possible corresponding representation is shown in FIG.
  • the output system 90 is typically a screen, but may also include a variety of other variants, e.g. a voice output system or a haptic output by means of force feedback to controls of the robot controller.
  • the user can move the probe to the target position and target orientation so that additional events can improve the count rate for the particular solid angle.
  • the output system is for outputting a representation of the nuclear image and the embedded position and orientation of the nuclear probe, and optionally the target position and target orientation of the nuclear probe.
  • the corresponding movements are performed by the robot arm so as to improve the imaging by the nuclear probe 100.
  • the control commands can initially be further processed by the robot controller and adjusted if necessary.
  • the adaptation can be done using sensor data and / or anatomical model data.
  • the nuclear probe and / or the end effector may include an ultrasonic sensor, and the fitting is done using sensor data from the ultrasonic sensor.
  • the Adaptation may include suppressing or modifying motions that would interfere with patient tissue.
  • the drive commands specify a target pose
  • the adaptation includes calculating a path that calculates an optimal path, taking into account additional conditions (eg, sensor data and / or anatomical model data), to maximize the target's nuclear sensor to bring close.
  • additional conditions eg, sensor data and / or anatomical model data
  • the robot arm has redundant degrees of freedom, that is to say it can reach a predetermined pose of the nuclear probe through a plurality of positions of the robot arm. This redundancy allows for an increased number of options in calculating the optimal path.
  • the control unit 40 may comprise an augmented reality engine (not shown).
  • the augmented reality engine is connected to the image generation module 80 to reproduce a two-dimensional image of the three-dimensional nuclear image in a perspective of the optical camera, and is connected to the optical camera 190 to form an optical image of the optical camera superimpose two-dimensional image, so that the superimposed image represents an augmented reality image.
  • such an augmented reality engine can also be realized with a tracking camera decoupled from the nuclear probe.
  • the camera may be provided on another part of the robotic arm 20 or on a separate tracking system (such as a separate laparoscope).

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Abstract

Eine Vorrichtung (7) zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten umfasst: einen Roboterarm (20) mit einer Mehrzahl von Gelenken (22,24) und einem mittels der Gelenke (22, 24) um mindestens drei Freiheitsgrade bewegbaren Endeffektor (25), wobei die Gelenke ein distales Gelenk (24) umfassen; eine Nuklearsonde (100) mit einem Nukleardetektor (110) zur Detektion von radioaktiver Strahlung und einem Koppelelement (130) zum Koppeln der Nuklearsonde in einer definierten Stellung an den Endeffektor (25) des Roboterarms; ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde (100) angeben; und eine Kontrolleinheit (40). Die Nuklearsonde (100), der Endeffektor (25) und das distale Gelenk (24) sind sterilisierbar und derart dimensioniert, dass die Nuklearsonde (100), der Endeffektor und das distale Gelenk vollständig in den Körper (2) des Patienten einführbar sind und im Körper (2) des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind.

Description

Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen S trah 1 ungs vertei 1 ung in einem Patienten mittels einer Nuklearsonde, die derart an einen Roboterarm koppelbar ist, dass die Nuklearsonde und ein Teil des Roboterarms in den Patienten eingeführt werden können. Aspekte der Erfindung beziehen sich insbesondere auf eine solche Vorrichtung, die die Nuklearsonde nachfuhrt und die eine Ziel-Position und - Orientierung der Nuklearsonde derart bestimmt, dass die Bildqualität eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds verbessert wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Qualitativ hochwertige Bilderzeugung ist von großem Interesse für einen weiten Bereich von Anwendungen. Insbesondere im medizinischen Bereich, wo die Gesundheit eines Patienten davon abhängen kann, ist eine bestmögliche Bilderzeugung beispielsweise als Basis für Operationen am Patienten erforderlich.
Für gewöhnlich werden medizinische Bilder entweder präoperativ erzeugt, wie etwa durch Computertomographie (CT), Kernspintomographie (NMR, MR, MRI, MRT), Positronen- Emissions-Tomographie (PET), Einzelphotonen-Emissions-Tomographie (SPECT), Ultraschall (US) - oder andererseits intraoperativ (io) erzeugt, wie etwa durch io CT, io MRI, io US, oder Freihand SPECT. Derartige medizinische Bilder können beispielsweise bei Tumoroperationen helfen, anhand der kombinierten anatomischen und funktionellen Information zu entscheiden, welche Gewebeteile herauszuschneiden sind. Wünschenswert sind möglichst aktuelle und hochwertige Bilder, da so vermieden werden kann, gesundes Gewebe zu schädigen oder krankes aus Versehen nicht zu entfernen.
Hochwertige Bilder zu erzeugen stellt hohe Anforderungen an Detektordaten zur
Bilderzeugung und an ein Auswertesystem, das diese Daten verarbeiten muss. Das gilt besonders für die Verarbeitung von Detektordaten mit beweglichen Detektoren, die beispielsweise in der Hand getragen/geführt werden. Der Stand der Technik im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise in US 6,602,488, US 6,456,869, US 6,317,622, US 6,167,296 oder DE 10 201 1 053 708 AI offenbart und ermöglicht das Tracking (die Nachverfolgung) der handgehaltenen Sonden als übliche Diagnosegeräte, insbesondere während eines chirurgischen Eingriffs, sowie Track ingsysteme (Nachverfolgungssysteme) zur Bestimmung der Position und Orientierung von Operationsinstrumenten und B i ldgebungsgeräten .
Die Idee des Trackings (Nachführens) von Nuklearsonden wurde beispielsweise in US 6,510,336 und US 6,021 ,341 offenbart. Wie weiterhin in US 6,643,538 und in US 2004/204646 AI offenbart, können Nuklearsonden konstruktionsgemäß mit einer Kamera integriert werden.
Das Ausgabesignal von Nuklearsonden ist in der Regel lediglich ein eindimensionales Signal, das zeitlich nicht konstant ist. Die Hauptvorteile solcher Vorrichtungen sind die Tragbarkeit, Einfachheit, und die Möglichkeit ihrer Miniaturisierung zur Untersuchung von Hohlräumen, beispielsweise wenn auf Endoskopen montiert. Da jede Messung darüber hinaus nicht auf eine bestimmte Position bezüglich der vorherigen beschränkt ist, ermöglichen Sonden des Weiteren die Abtastung beliebiger Oberflächen mit einer räumlichen Genauigkeit, die nur durch die Größe des Sensors und die Reichweite der detektierten Nuklearstrahlung begrenzt wird.
Frei bewegbare Nuklearsonden, wie z. B. Gamma- und Beta-Sonden, können den radioaktiven Zerfall von Radionukliden in Tracern messen, die dem Patienten vor dem Eingriff injiziert werden. Der Nachteil dieser Nuklearsonden ist die Tatsache, dass es sich nur um Punktmessungen handelt. Dies erschwert die Wägung des physikalischen Werts auf einer Oberfläche, wenn er sich mit der Position erheblich verändert. Ein weiteres Problem dabei ist die Schwankung der Messergebnisse, welche auf der statistischen Natur des Zerfalls- und Detektionsprozesses basiert, was die Interpretation der Messdaten schwierig und potenziell unzuverlässig macht. Weitere mögliche Ungenauigkeiten können erschwerend hinzukommen, etwa beim Tracking.
Die Verwendung derartiger Sonden zur Kombination von Positions- und Orientierungstracking mit Oberflächenrekonstruktion und Visualisierung wurde in der WO 2007/131561 A2 beschrieben. Dieses Verfahren ist als Freihand-SPECT bekannt und wird bereits bei offen-chirurgischen Eingriffen eingesetzt. Es beinhaltet unter anderem eine Messung der Emission des Zielgewebes, also typischerweise eines im Gewebe des Patienten befindlichen (injizierten) radioaktiven Tracers, der sich in einem Tumor akkumuliert hat, durch eine frei bewegliche Nuklearsonde. Die Nuklearsonde wird durch einen Bediener, d.h. durch Menschenhand, geführt und an verschiedene Positionen bewegt und in verschiedene Orientationen gedreht wird. Durch einen Abgleich der gemessenen Strahlungsintensitäten mit Positionsinformationen über die Sonde selbst werden Informationen über die dreidimensionale Strahl ungsverteilung gesammelt, die genutzt werden können, um eine dreidimensionale S trahl ungs vertei 1 ung zu rekonstruieren.
Die bekannten Nuklearsonden sind in der Regel für Messungen außerhalb des Körpers des Patienten ausgelegt und werden daher über dessen Körperoberfläche geführt, wodurch die zugänglichen Perspektiven für die Strahlungsmessung relativ zum Zielgewebe stark eingeschränkt sind. In der DE 10 201 1 121 708 AI ist darüber hinaus eine als längliches Endoskop ausgestaltete Nuklearsonde beschrieben, deren eines Ende entlang der Längsachse der Nuklearsonde in eine Körperöff ung eingeführt werden kann und somit auch Messungen im Körperinneren erlaubt. Dennoch sind auch hier die Bewegungsmöglichkeiten der Sonde eingeschränkt.
Vor diesem Hintergund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und Verfahren zur intrakorporalen Bildgebung bereitzustellen, insbesondere bei computergeführten Operation mit Nuklearsonden, das gegenüber bekannten Verfahren eine verbesserte Bildqualität und/oder eine verkürzte Detektionszeit liefert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben angesprochenen Probleme werden zumindest teilweise gelöst durch eine Vorrichtung zum Delektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Roboterarm mit einer Mehrzahl von Gelenken (umfassend ein distales Gelenk) und einem mittels der Gelenke um mindestens drei Freiheitsgrade bewegbaren Endeffektor: eine Nuklearsonde mit einem Nukleardetektor zur Detektion von radioaktiver Strahlung und einem Koppelelement zum Koppeln der Nuklearsonde in einer definierten Stellung an den Endeffektor des Roboterarms; ein Nachfuhrsystem zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde angeben; und eine Kontrolleinheit. Die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk sind sterilisierbar und derart dimensioniert, dass die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk vollständig in den Körper des Patienten einführbar sind und im Körper des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind. Die Kontrolleinheit weist auf: ein Pose-Modul, das mit dem Nachführsystem verbunden ist, um die Pose-Daten mit den Informationen über die Position und Orientierung der Nuklearsonde zu empfangen; ein Strahlungs-Modul, das mit der Nuklearsonde verbunden ist, um Strahlungs-Daten mit Information über die detektierte radioaktive Strahlung zu empfangen; ein Synchronisations-Modul zur Synchronisieren der Pose-Daten mit den Strahlungs-Daten; und ein Bi Iderzeugungs-Modu! zum wiederholten Berechnen eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds aus den synchronisierten Pose- Daten und Strahlungs-Daten.
Weitere Merkmale, Aspekte und Details, die mit hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, werden in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen offenbart.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Damit die zuvor aufgeführten Merkmale im Detail besser verstanden werden können, wird eine speziellere Beschreibung mit Bezug auf Aus iührungs formen der Erfindung gegeben. Die beigefügten Abbildungen beziehen sich auf Ausfuhrungsformen der Erfindung und werden im folgenden kurz beschrieben:
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform an einem Operationstisch;
Fig. 2a und 2b zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht einer Nuklearsonde einer jeweiligen Ausführungs form ; Fig. 3 zeigt mögliche Bewegungszustände eines Roboterarms mit Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 4 und 5 zeigen Abmessungen und Freiheitsgrade eines Roboterarms mit Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Nuklearsonde gemäß einer Ausführungsform; Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Koppel elements der Nuklearsonde von Fig. 6a gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus des Roboterarms;
Fig. 6c zeigt eine perspektivische Ansicht eines Nuklearsonde gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus gemäß einer weiteren Aus ührungs form : Fig. 6d zeigt eine schematische Querschni ttsansi cht des Koppelelements der Nuklearsonde von Fig. 6c;
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Koppelelements gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform;
Fig. 8 und 9a-9b zeigen schematische Querschnittsansichten jeweiliger Koppelelemente gemäß weiterer Ausführungsformen;
Fig. 10 zeigt schematische Querschnittsansichten von jeweiligen Koppelmcchanismuen gemäß weiterer Ausführungsformen;
Fig. I Ia und 1 1 b zeigen Ansichten einer Nuklearsonde (Fig. 1 1 a) sowie der Nuklearsonde gemeinsam mit einem zugehörigen Koppelmechanismus (Fig. 1 lb) gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 12a und 12b sowie 13a und 13b zeigen Ansichten analog zu denen der Fig. I Ia und 1 lb für Nuklearsonden und zugehörige Koppelmechan i sm en gemäß weiterer Ausführungsformen.
Fig. 14 zeigt mögliche Gestaltungen von Koppelelementen gemäß weiterer Ausführungsformen; und Fig. 15 zeigt schematisch die Kontrolleinheit einer Ausführungsform der Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Allgemeine Aspekte
Die hier beschriebenen Verfahren benutzen Computersoftware zur Berechnung von verschiedenen Arten von Bildinformationen aus delektierten Informationen. Die dabei eingesetzten Verfahren und Algorithmen sind dem Fachmann entweder bekannt oder können ohne weiteres unter Einsatz seines Standard-Fachwissens auf Basis der hierin gemachten Angaben geschrieben werden. Sie werden daher nicht im Detail behandelt.
Ferner sind die hierin beschriebenen Module und Teilsysteme (z.B. Nachführsystem, Nuklearsonde, Kamera, Roboterarm, Kontrolleinheit etc.) über Schnittstellen mit mindestens je einer Auswertungseinheit, Ausgabeeinheit und/oder miteinander verbunden. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Schnittstellen können über kabellose Funksysteme oder per Kabel verbunden sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Ferner sind hier genannte Mittel zum Zweck der Berechnung von 3 D-Bildern, von Transformationen, Mittel zur Synchronisierung, etc., im allgemeinen als handelsübliche Rechnersysteme (Personal Computer bzw. Workstation) realisiert, auf denen entsprechend den Ausführungsbeispielen Algorithmen in Form von Computerprogrammen realisiert sind.
Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung zum Detektieren einer nuklearen Strahlungsverteilung in einem Patienten (bevorzugt einem menschlichen Patienten, die Erfindung ist jedoch auch für Tiere anwendbar), bei der eine Nuklearsonde über ein Koppel dement in einer definierten Stellung an den Endeffektor eines Roboterarms gekoppelt ist. Unter einer definierten Stellung wird eine durch die Geometrie des Koppelelements präzise definierte relative Anordnung von Endeffektor und Nuklearsonde verstanden. Die definierte Stellung ist vorzugsweise eindeutig vorgegeben, oder zumindest eine von wenigen diskreten möglichen Stellungen, etwa von maximal vier, besonders bevorzugt von maximal zwei möglichen Stellungen. Der Roboterarm erlaubt eine Bewegung der Nuklearsonde um mindestens drei Freiheitsgrade, bevorzugt in allen sechs Freiheitsgraden, und erlaubt besonders bevorzugt sogar eine redundante Bewegung, d.h. eine Position der Nuklearsonde ist durch mehr als eine Stellung des Roboterarms erreichbar. Dadurch ist eine hohe Flexibilität der Bewegung möglich, sogar in Gegenwart von Hindernissen für den Roboterarm. Die distale Gelenkeinheit des Roboterarms (d.h. der Endeffektor und das distale Gelenk, die distale Gelenkeinheit entsprechicht einem Handgelenk, englisch„wrist") erlaubt bevorzugt eine Drehbewegung um alle drei Raumachsen.
Die Nuklearsonde ist gemäß einem Aspekt ungekoppelt von dem Roboterarm in den Körper des Patienten einführbar und erst in dem Körper des Patienten an den Roboterarm koppelbar. Dadurch wird eine erhöhte Flexibilität bei der Einführung in den Körper, und insbesondere eine Einführung sogar durch minimale Operationsöffnungen ermöglicht (z.B. eine Einführung des Roboterarms durch einen Trocar). Die Nuklearsonde kann gemäß einem bevorzugten, aber nicht zwingenden Aspekt vollständig in den Körper des Patienten einführbar sein, und der Roboterarm kann zumindest ab seiner distalen Gelenkeinheit in den Körper des Patienten einfuhrbar sein, etwa über eine Operationsöffnung während eines operativen Eingriffs an einem Patienten. Die Nuklearsonde, der Endeffektor und das distale Gelenk können insbesondere derart dimensioniert sein, dass sie auch in gekoppeltem Zustand vollständig in den Körper des Patienten einführbar sind. Dies beinhaltet sowohl den Fall, dass diese Einheiten bereits beim Einführen aneinander gekoppelt sind und in gekoppeltem Zustand in die Operationsöffnung einführbar sind, als auch den Fall, dass sie erst nach dem ungekoppelten separaten Einführen im Körper des Patienten gekoppelt werden.
Dadurch ist eine hohe Flexibilität der Bewegung sogar im Körperinneren des Patienten möglich, und die Anzahl der erreichbaren Positionen und Orientierungen im Körperinneren ist erhöht, insbesondere aufgrund des beweglichen einführbaren distalen Gelenks (Handgelenks) des Roboterarms.
Gemäß einem Aspekt weist die Vorrichtung ein Nachführsystem zum Ermitteln von Pose- Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde angeben. Der Begriff„Pose" wird hierbei verstanden als sowohl die (3D-)Position eines Objekts im Raum angebend, als auch dessen Orientierung. Die Pose ist im Allgemeinen durch sechs Koordinaten ausdrückbar (3 Lagekoordinaten für die Position und 3 Raumwinkel für die Orientierung).
Das Nachführsystem ermittelt diese Pose-Daten bevorzugt aus der Stellung des Roboter arms, genauer aus der Stellung des Endeffektors, die aus dem Bewegungszustand (Beugungszustand) der Robotergelenke mittels entsprechender Sensoren oder Servomotoren auf bekannte Weise errechnet werden kann. Kenntnis der Stellung des Roboterarms ist ausreichend für die Poseberechnung der Nuklearsonde, da sich die Nuklearsonde aufgrund des erfindungsgemäßen Koppelelements in einer definierten (bekannten) Stellung relativ zu dem Endeffektor befindet. Alternativ oder zusätzlich kann das Nachführsystem auch unabhängig von dem Roboterarm vorgesehen sein, z.B. durch ein elektromagnetisches Trackingsystem, welches die Lage der Nuklearsonde oder des Endeffektors überwacht. In diesem Fall ist die Nuklearsonde für das Track ing mit einem elektromagnetischen Sensor versehen. In einer weiteren Ausführungsform ist ein (sichtbarer) nachgeführter Teil des Roboterarms (z.B. oberhalb des Endeffektors) mit optischen Markern für die Nachführung versehen. Die Pose der Nuklearsonde errechnet sich dann aus der Pose des nachgeführten Teils sowie der Stellung derjenigen Robotergelenke, die das nachgeführte Teil mit dem Nuklearsensor verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann das Nachfuhrsystem auch ein ortsfestes oder nachgefühltes Kamerasystem und ein Bilderkennungssystem umfassen. Das Bilderkennungssystem ist eingerichtet, um die Nuklearsonde in einem von dem Kamerasystem aufgenommenen Kamerabild zu erkennen und aus dem Kamerabild die Pose der Nuklearsonde zu errechnen. Bevorzugt umfasst die Nuklearsonde ein Erkennungsmuster, welches an einer definierten Position der Nuklearsonde angebracht (z.B. eingraviert oder aufgemalt oder befestigt) ist, und das Bilderkennungssystem ist eingerichtet, um das Erkennungsmuster zu erkennen. Alternativ kann das Bilderkennungssystem auch eingerichtet sein, um ein Abbild der Nuklearsonde im Kamerabild zu erkennen, und aus dem erkannten Abbild eine Pose der Nuklearsonde zu ermitteln.
Optional kann das Bilderkennungssystem zusätzlich eingerichtet sein, um zumindest einen Abschnitt des Roboterarms ebenfalls zu erkennen und seine Pose zu berechnen, etwa durch Erkennen eines weiteren, an einer definierten Position des Roboterarm- Abschnittes angebrachten Erkennungsmerkmals. Die Pose-Daten werden gemäß einem Aspekt mit den von dem Nukleardetektor gewonnenen Strahlungs-Daten synchronisiert, und die dadurch gewonnenen Pose-abhängigen gemessenen Strahlungsintensitäten erlauben das Berechnen eines dreidimensionalen Nuklearbilds durch einen Rekonstruktionsalgorithmus auf dem Fachmann bekannte Weise.
Svstemkomponentcn
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Delektieren einer nuklearen Strahl ungsvertei lung in einem Patienten 2 gemäß Ausfuhrungsbeispielen gezeigt. Der Patient 2 liegt auf einem Operationstisch 4. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Roboterarm 20, der auf einem gegenüber dem Operationstisch in einer definierten Stellung befindlichen Sockel 5 montiert ist. Der Roboterarm 20 weist Armgelenke 22 und ein Handgelenk (distale Gelenkgruppe) 24 auf, welches eine zumindest partielle Drehung um alle drei Raumwinkel erlaubt. Auf einer distalen Seite des Handgelenks 24 befindet sich der Endeffektor 25. Der Endeffektor 25 ist mittels der Gelenke 22 und 24 um alle sechs Freiheitsgrade bewegbar.
An den Endeffektor 25 des Roboteranns 20 ist eine Nuklearsonde 100 gekoppelt. Der Endeffektor und das distale Gelenk 24 des Roboterarms 20 sowie die Nuklearsonde 100 sind durch eine nicht dargestellte Operationsöffnung vollständig in den Körper 2 des Patienten eingeführt, etwa durch einen Trocar (nicht gezeigt). Weiter ist in Fig. 1 eine Kontrolleinheit 40 dargestellt, welche operativ mit dem Roboterarm 20 und mit der Nuklearsonde 100 verbunden ist. Optional kann, wie in Fig. 4a dargestellt, ein weiterer Nukleardetektor 4a mit der Kontrolleinheit 40 operativ verbunden sein. Der weitere Nukleardetektor 4a ist stationär an dem Operationstisch angebracht, etwa unterhalb des Operationstisches. Der weitere Nukleardetektor 4a kann optional einen Kollimator und/oder eine Nuklearkamera aufweisen, um ein ortsaufgelöste Nuklearmessungen vorzunehmen. Die Kontrolleinheit 40 ist ausgestattet, um Detektordaten des weiteren Nukleardetektors 4a mit den Detektordaten der Nuklearsonde 100 zu synchronisieren und aus beiden Detektordaten ein dreidimensionales Nuklearbild zu rekonstruieren, etwa mittels eines PET- Rekonstruktionsverfahrens oder eines Compton-Kamera-Rekonstuktionsverfahrens. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Nukleardetektors 4a ein noch genaueres bzw. rauschärmeres bzw. rasch generiertes Bild der dreidimensionalen Strahlungs vertei lung gewonnen werden.
Der Endeffektor 25 bzw. die auf definierte Weise damit gekoppelte Nuklearsonde 100 wird in Ausführungsformen durch ein Nachführsystem nachgeführt, d.h. eine Pose derselben wird fortlaufend erfasst. Das Nachführsystem erfasst die Pose in der Regel in einem Koordinatensystem relativ zu dem Operationstisch 4. Damit der Patient 2 eine definierte Lage in dem Koordinatensystem einnimmt, ist es bevorzugt, dass der Patient für die Dauer der Messung relativ zum Operationstisch 4 unbewegt bleibt.
Um kleine Bewegungen des Patienten auszugleichen, kann in Ausführungsbeispielen auch mindestens ein Marker als Patienten-Referenz an dem Patienten 20 fixiert werden. Die Position dieser Patienten-Referenz wird während der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über Mittel zum Bestimmen der Referenz-Pose der Patienten-Referenz relativ zu dem Koordinatensystem des Nachführsystems bestimmt (etwa über ein optisches Trackingsystem). Unter Verwendung der Referenz-Pose wird sodann eine Koordinatentransformation der Pose der Nuklearsonde in ein effektives Koordinatensystem durchgeführt, welches relativ zu der Patienten-Referenz und somit zur Lage des Patienten 2 (dem mindestens einen Marker) ortsfest ist.
Nuklearsonde Die Nuklearsonde 100 ist in größerem Detail in Fig. 2a dargestellt. Die Nuklearsonde 100 weist eine Ummantelung 140 aus einem gegenüber Nuklearstrahlung abschirmenden Material, z.B. Wolfram für Gamma-Strahlung, auf. Innerhalb der Ummantelung ist ein Detektor 116 zur Detektion von radioaktiver Strahlung angebracht. Der Detektor 116 und somit die Nuklearsonde 100 ist dabei typischerweise zur Detektion von Gamma-Strahlung, Beta- Strahlung, oder beidem ausgelegt.
Der Detektor 16 umfasst als detektierendes Element z.B. einen Szintillator-Kristall und einen Photomultiplier, der vom Szintillator erzeugtes Licht in Elektrizität umwandelt. Durch ein Kabel 102 ist der Photomultiplier mit der Außenwelt verbunden. Durch eine Öffnung in der Ummantelung 140 kann Nuklearstrahlung zum Detektor gelangen und von diesem detektiert werden. Die Öffnung definiert ein Sichtfeld 1 15 um eine Sichtachse A des Detektors. Die Ummantelung 1 14 umgibt den Detektor 1 16 derart, dass der Detektor 16 im Wesentlichen nur für Nuklearstrahlung aus dem Sichtfeld empfindlich ist.
Alternativ kann der Detektor auch nur durch einen Szintillator gebildet sein und durch eine optische Faser mit einem außerhalb der Nuklearsonde liegenden Photomultiplier verbunden sein. Als weitere Alternative kann der Detektor auch vom Typ„Direct Conversion" sein, der etwa Gammastrahlung direkt (ohne den Zwischenschritt über einen Photodetektor) in ein elektrisches Signal umwandelt. Dies ist etwa bei einem CdZnTe Detektor der Fall.
Die Nuklearsonde 100 von Fig. 2a weist außerdem ein Koppel element 130 zum Koppeln der Nuklearsonde 100 in einer definierten Stellung an den Endeffektor 25 des Roboterarms (s. Fig. 1). Das Koppelelement ist in Fig. 2a lediglich schematisch dargestellt und weiter unten genauer beschrieben. Die Nuklearsonde 100 ist in der schematischen Zeichnung von Fig. 2a rechteckig dargestellt. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Nuklearsonde kantenlos gestaltet ist, z.B. im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist.
Fig. 2b zeigt weitere optionale Details der Nuklearsonde 100, für die ansonsten die Beschreibung der Fig. 2a gilt. Die Nuklearsonde 100 kann einen Kollimator 1 12 aufweisen, der aus einem gegenüber Nuklearstrahlung abschirmenden Material, z.B. Wolfram, hergestellt ist. Der Kollimator definiert in diesem Fall die oben beschriebene Sicht und die Sichtachse A. Der Kollimator 1 12 kann ein Pinhole-Kollimator mit einer einzigen Öffnung oder ein Multi- Hole-Kollimator wie etwa in Fig. 2b dargestellt sein, z.B. vom Typ Multi-Pinhole, Parallel- Hole, Converging, Diverging, und/oder Aperture-Coded. Gemäß einem Aspekt kann die Nuklearsonde auch mehrere Detektoren umfassen, etwa als ein Array (Nuklearkamera) oder als ein Detektorstapel von Detektoren. Der Kollimator 112 entspricht der Öffnung von Fig. 2a und hat ein Sichtfeld 115 mit einer Sichtachse A, wobei die Sichtachse A des Sichtfelds parallel zu einer Achse (Längsachse) der Nuklearsonde 100 bzw. ihrer Ummantelung 114 gerichtet ist. Der Kollimator 1 12 ist jedoch nicht zwingend. Alternativ ist es möglich, die Nuklearsonde auch ohne Kollimator vorzusehen, um etwa bei einer Koinzidenz- und Energiemessung mittels eines Detektorpaares. Hierbei ist der in der Nuklearsonde umfasste Detektor ein erster Detektor des Detektorpaares, und ein weiterer Detektor des Detektorpaares ist außerhalb der Nuklearsonde angebracht, etwa als weiter unten beschriebener optionaler Detektor 4a.
Optional ist weiter eine optische Kamera 9 starr an der Nuklearsonde 100 angebracht. Die Kamera kann eine endoskopische Kamera sein, etwa für (nicht-limitierend) ein Laparoskop, ein Laryngoskop, ein Rynoskop, ein Arthroskop, ein Epiduroskop, ein Ösophagoskop, ein Gastroskop, ein Enteroskop, ein Anoskop, ein Rektoskop, ein Colonoskop, ein Symodoiskop, ein Proktoskop, ein Zystoskop, ein Gynoskop, ein Kolposkop, ein Histeroskop, ein Falloposkop, ein Bronchoskop, ein Thorakoskop, ein Mediastinoskop, ein Otoskop, oder ein Duktoskop. Eine optische Achse der Kamera ist vorzugsweise parallel zur Achse A ausgerichtet.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Ultraschallgeber und -sonde an der Nuklearsonde angebracht sein, um zusätzliche Bildinformation aus U 1 traschal lmessungen zu generieren.
Im Folgenden werden, durch Fig. 2a und 2b illustriert aber nicht auf die darin dargestellten Ausführungsformen beschränkt, bevorzugte Aspekt in Bezug auf die Gestaltung und Dimensionierung der Nuklearsonde beschrieben. Gemäß einem Aspekt ist ein maximaler Durchmesser dmax der Nuklearsonde 100 (ohne Kabel) kleiner als 3 cm. Mit anderen Worten ist dmax der größte Durchmesser in irgendeiner Richtung bzw. die Nuklearsonde 100 passt vollständig in eine gedachte Kugel vom Duchmesser dmax. Gemäß einem Aspekt hat die Nuklearsonde eine Längsachse, und die Sichtachse A des Kollimators erstreckt sich parallel zur Längsachse. Gemäß einem Aspekt beträgt eine Länge 1 der Nuklearsonde (entlang der Längsachse bzw. der Sichtachse A) weniger als 4 cm. Gemäß einem Aspekt beträgt ein maximaler Querdurchmesser h der Nuklearsonde (quer zur Längsachse bzw. zur Sichtachse A) weniger als 5 cm. Gemäß einem Aspekt ist ein Seitenverhältnis Lmax / Lmin der Nuklearsonde zwischen 1 und 2 (wobei die Maximalausdehnung Lmax in Richtung der größten Maximalausdehnung Lmax und die Minimalausdehnung Lmin in Richtung der kleinsten Maximalausdehnung Lmin gemessen ist).
Roboterarm, Bewegung Fig. 3 illustriert die Möglichkeiten der Bewegung der Nuklearsonde 100 durch den Roboterarm 20, der durch eine operative Öffnung 2b ins Innere des Körpers 2 des Patienten eingeführt ist. Obwohl die Bewegungsmöglichkeiten des Roboterarms durch die Öffnung 2b stark eingeschränkt sind, erlaubt der Roboterarm eine Positionierung der Nuklearsonde 100 in einem weiten Bereich. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass der Endeffektor 25 und vorzugsweise auch das distale Gelenk 24 vollständig in den Körper 2 des Patienten einfuhrbar sind, und im Körper 2 des Patienten in definierter Stellung zueinander koppelbar sind.
Auch erlaubt der Roboterarm eine Positionierung auf verschiedenen Seiten des Zielgewebes 2a und somit eine Betrachtung des Zielgewebes durch die Nuklearsonde 100 von verschiedenen Seiten. Hierdurch ist eine optimierte Bildgebung möglich. Diese Positionierung wird durch die hohe Anzahl von Freiheitsgraden des distalen Gelenks 24 und durch die kompakten Maße der Nuklearsonde 100 erreicht.
Dimensionen und Ausgestaltungen des Roboterarms und der Nuklearsonde, die eine besonders günstige Betrachtung des Zielgewebes erlauben, sind in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt. Illustriert durch diese Figuren werden im Folgenden einige allgemeine bevorzugte Aspekte der Erfindung im Hinblick auf Dimensionen und Ausgestaltungen des Roboterarms und der Nuklearsonde beschrieben.
Es stellt einen bevorzugten Aspekt dar, dass der Roboterarm derart gestaltet ist, dass ein Winkel zwischen einer Achse des Endeffektors 25 (definiert durch eine mittige Verbindungslinie zwischen dem distalen Gelenk 24 (bzw. seinem Bewegungszentrum) und dem Kopplungsmechanismus 23) und einer Sichtachse A der Nuklearsonde 100 weniger als 60° und vorzugsweise weniger als 45° beträgt. Es stellt einen weiteren bevorzugten Aspekt dar, dass der Endeffektor 25 und / oder das distale Gelenk 24 und/oder die darangekoppelte Nuklearsonde 100 an keiner Stelle einen Querschnitt (quer zur Verbindungslinie) mit Durchmesser von mehr als 8 cm aufweist. Es stellt einen weiteren bevorzugten Aspekt dar, dass ein Abstand dl zwischen dem distalen Gelenk 24 (genauer seinem Bewegungszentrum) und der Nuklearsonde 100 (genauer ihrer Sichtachse) weniger als 6 cm beträgt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt ist ein Abstand d2 zwischen dem distalen Gelenk und dem davor liegenden weiteren Gelenk zwischen 5 cm und 20 cm (Abstand zwischen den jeweiligen Bewegungszentren der Gelenke). Gemäß einem weiteren Aspekt hat der Endeffektor 25 eine Länge von weniger als 7 cm und/oder einen maximalen Querdurchmesser von weniger als 2 cm.
Das oben genannte distale Gelenk 24 kann auch durch eine Gelenkgruppe gebildet sein. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt hat die distale Gelenkgruppc zumindest ein Drehgelenk und erlaubt bevorzugt eine Drehung um zwei oder sogar drei unabhängige Raumwinkel. Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk zumindest um einen Raumwinkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 180° (siehe Fig. 5). Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk zumindest um zwei unabhängige Raumwinkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 90° oder sogar 180° (siehe Fig. 5). Gemäß einem Aspekt erlaubt das Drehgelenk um jeden der drei unabhängigen Raum winkel eine Drehung um einen maximalen Drehwinkel α von mindestens 60°.
Koppelelement und Kopplungsmechanismus
Im Folgenden werden mit Bezug auf Fig. 6-14 weitere Details zu dem Koppelmechanismus 23 und dem Koppelelements 130 beschrieben. Fig. 6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Nuklearsonde 100. Die Nuklearsonde 100 hat ein zylindrisches Gehäuse mit Achse A, die gleichzeitig auch die Sichtachse des Nukleardetektors darstellt (s. Fig. 2a, 2b). Zusätzlich weist die Nuklearsonde 100 ein Koppelelement 130 auf, das durch einen profilierten hinteren Endabschnitt der Nuklearsonde gebildet wird.
Wie in Fig. 6b im Querschnitt dargestellt ist, wird der Koppelmechanismus hier durch einen Greifer 230 mit zwei Fingern 232a, 232b gebildet. In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich um einen Greifer des minimalinvasiven da VinciCD-Systems. Die Finger 232a, 232b sind zum Greifen und Loslassen um eine Achse zueinander hin und voneinander weg schwenkbar. Das Koppelelement 130 ist gestaltet, um durch Finger 232a, 232b des Greifers 230 gegriffen zu werden. Hierzu weist das Koppelelement 130 zwei sich parallel zur Achse A erstreckende Greifabschnitte 132a, 132b auf. Die Grei abschnitte 132a, 132b definieren jeweilige Ebenen, die sich in einer außerhalb der Nuklearsonde 100 parallel zur Achse A verlaufenden Geraden schneiden. Fig. 6c und 6d zeigen eine mögliche Ausführung des in Fig. 6b dargestellten Aufbaus in größerem Detail. Die Greifabschnitte 132a (nicht sichtbar in Fig. 6c) und 132b des Koppelelements 130 sind in einer jeweiligen Vertiefung der Nuklearsonde 100 angebracht, und diese Vertiefungen definieren eine eindeutige Längsposition für den Greifer 230 bzw. dessen Finger 232a, 232b entlang der Achse A (s. Fig. 6a).
Das Koppel dement 130 weist weiter an jedem der Greifabschnitte 132a, 132b ein Vorsprungselement 136 auf, welches gestaltet ist, um mit einer Öffnung 236 des entsprechenden Finger 232a bzw. 232b einzugreifen. In dem in Fig. 6c dargestellten Beispiel ist die Öffnung 236 als Langloch ausgestaltet, und das Vorsprungselement 136 ist gestaltet, um in ein distales Ende des Langlochs einzugreifen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Nuklcarsonde 100 sicher von dem Greifer 230 gegriffen und in einer eindeutigen Position fixiert werden kann.
Bei der in Fig. 6a-6d dargestellten Nuklearsonde 100 ist das Koppel element 130 derart gestaltet, dass die Achse A der Nuklearsonde 100 senkrecht zu einer Mittelachse des Greifers 230 (Mittelachse der durch die Finger 232a, 232b definierten Linien) verläuft. Fig. 7 stellt eine alternative Ausführung dar, bei der die Achse A der Nuklearsonde 100 parallel zu der Mittelachse des Greifers 230 verläuft. Die Ausführung von Fig. 7 hat den Vorteil, dass das Sichtfeld der Nuklearsonde 100 für den Benutzer intuitiv einfach zu erfassen ist, da es in Bezug auf eine Steuerung des Greifers nach vorne gerichtet ist. Gemäß eines bevorzugten Aspekts beträgt der Winkel zwischen der Achse A der Nuklearsonde 100 und der Mittelachse des Greifers 230 weniger als 45°, vorzugsweise sogar weniger als 30°, und besonders bevorzugt sind die beiden Achsen im Wesentlichen parallel (d.h. Abweichung von weniger als 10°). Ein weiterer allgemeiner Aspekt ist, dass das Koppelelement 130 spiegel symmetrisch gestaltet ist, wie etwa in Fig. 6d zu sehen ist. Fig. 8 und 9a-9b zeigen schematisch mögliche Variationen des Koppelelements 130 von Fig. 6d, in denen das Vorsprungselement 136 variiert bzw. ersetzt ist. In Fig. 8 sind auf einem der beiden Greifabschnitte ein Vorsprungselement 136a, und auf dem anderen zwei Vorsprungselemente 136b vorgesehen. Somit ist das Koppelelement 130 nicht mehr spiegelsymmetrisch gestaltet. Die Finger des Greifers (nicht dargestellt) weisen zu den Vorsprungselementen 136a, 136b komplementär gestaltete Aussparungen auf, so dass der Greifer das Koppelelement nur in genau einer Orientierung greifen kann, wogegen die andere Orientierung ausgeschlossen ist. In Fig. 9a sind die Vorsprungselemente des Koppelelements 130 durch Aussparungen 137 ersetzt, und die Finger des Greifers (nicht dargestellt) weisen zu den Aussparungen 137 komplementäre Vorsprungsel em ente auf. Auch ist eine Kombination aus Aussparungen und Vorsprungsel ementen am Koppelelement 130 möglich. Fig. 9b zeigt eine mögliche Anordnung von Aussparungen 137 in einer Draufsicht auf einen Greifabschnitt 132 (der dem in Fig. 6a-d dargestellten Greifabschnitt 132a und/oder 132b entspricht). Hier sind drei kreisförmige Aussparungen zu sehen. Diese Figur illustriert, dass die Aussparungen (und/oder Vorsprünge) in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sein können, das nicht auf einer einzigen Linie liegt. Dadurch lässt sich die eindeutige Anordnung der Nuklearsonde gegenüber dem Kopplungsmechanismus in noch stabilerer und präziserer Weise realisieren. Gemäß einem Aspekt hat die definierte Stellung der Nuklearsonde gegenüber dem Kopplungsmechanismus eine Toleranz von weniger als 1mm, d.h. die definierte Stellung ist innerhalb dieser Toleranz reproduzierbar.
Fig. 10a- 1 Oh zeigen schematische Querschnittsansichten von jeweiligen Koppelmechanismen, die gemäß einem Aspekt der Erfindung austauschbar oder sogar in Kombination in jeder Ausführungsform verwendet werden können, wobei die Kopplungselemente der Nuklearsonde 100 dann entsprechend angepasst sind. Die Pfeile in Fig. 10a- 10h zeigen die Bewegung von Elementen des jeweiligen Kopplungsmechanismus zum Fixieren der Nuklearsonde 100 dar. Fig. 10a stellt den bereits in Fig. 6b gezeigten Greifer 230 mit zwei schwenkbaren Fingern 232a, 232b dar. Fig. 10b stellt eine Variation desselben dar, bei der die Finger 232a, 232b parallel zueinander ausgerichtet sind und zum Fixieren der Nuklearsonde 100 lateral zueinander hin verschoben werden können. Ensprechend sind auch die Greifabschnitte der Nuklearsonde 100 parallel zueinander angeordnet. Der in Fig. 10a, 10b gezeigte Greifer 230 ist somit mit Greifbereichen an den Innenseiten der Finger 232a, 232b ausgestattet, die eine haft erhöhende Beschichtung und/oder Textur aufweisen können.
Die in Fig. 10c und 1 Od dargestellten Innengreifer 250 sind Variationen der Greifer von Fig. 10a und 1 Ob, bei denen die Nuklearsonde 100 durch Auseinanderbewegen der Finger 252a, 252b fixiert wird. Zu diesem Zweck ist das Koppelelement 130 als Öffnung mit zwei zuei nanderwei senden Greifabschnitten ausgeführt, und der Innengreifer 250 ist gestaltet, um in die Öffnung eingefahren und durch Auseinanderbewegen die Finger 252a, 252b von Innen gegen die Greifabschnitte gepresst werden können. Der in Fig. 10c, l Od gezeigte Innengreifer 250 ist somit mit Greifbereichen an den Außenseiten der Finger 252a, 252b ausgestattet, die eine hafterhöhende Beschichtung und/oder Textur aufweisen können.
Weiter ist in Fig. 10c der allgemeine Aspekt illustriert, dass die Finger 252a, 252b nicht gerade sein müssen, sondern auch Knicke oder allgemeiner eine gekrümmte Form aufweisen können. Dieser Aspekt ist in Fig. lOe-g auch für den Greifer 230 gezeigt. Die Greifabschnitte des Koppel elements 130 sind entsprechend gekrümmt, um die Finger zu kontaktieren, so dass die Kopplung durch die Krümmung fixiert und stabil gehalten wird.
Fig. 10h zeigt eine weitere Variation, in der der Grei er durch einen schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 ersetzt ist. Das Koppelelement 130 weist ein Durchgangsloch auf und der schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 weist eine Schraubenmutter auf. Eine Schraube 262 kann durch das Durchgangsloch hindurch am schraubbaren Koppl ungsm echani smus 260 festgeschraubt werden und somit das Koppelelement 130 am schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 fixieren.
Weitere Variationen sind möglich. Beispielsweise kann in einer Variation der Fig. 10a- 10g nur einer der Finger bewegbar und der andere Finger starr sein. Jegliche lösbare Befestigungsart kann als Kopplungsmechanismus herangezogen werden. Vorzugsweise ist der Kopplungsmechanismus innerhalb des Patientenkörpers koppel- und lösbar (was beispielsweise nicht für den schraubbaren Kopplungsmechanismus 260 von Fig. 10h gilt, weswegen die übrigen Ausführungsformen noch mehr bevorzugt sind). Fig. 1 la zeigt eine Nuklearsonde 100 mit einem Koppelelement 130, welches an den Koppelmechanismus 230 der Fig. 1 Ob angepasst ist. In Fig. 1 l b ist diese Nuklearsonde in einem seitlichen Querschnitt gemeinsam mit dem Koppelmechanismus 230 der Fig. 10b dargestellt. Das Koppelelement 130 weist zwei Greifabschnitte 132a, 132b dar, die flächig und parallel zueinander angeordnet sind, um von den Fingern 232a, 232b des Kopplungsmechanismus 230 gegriffen zu werden.
Fig. 12a und 12b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Nuklearsonde 100 mit Koppelelement 134 (Fig. 12a) und eines zugehörigen Koppelmechan i smus 240 (Fig. 12b). Das Koppelelement 134 ist als Öffnung (genauer als Sackloch) in der Nuklearsonde 100 ausgebildet, und der Koppelmechanismus 240 ist komplementär zu der Öffnung gestaltet, so dass der Koppelmechanismus 240 in das Koppelelement 134 einführbar ist und in vollständig eingeführtem Zustand die Nuklearsonde 100 in einer eindeutigen Relation festhält. Zusätzlich weist das Koppelelement 134 und der Koppelmechanismus 240 eine Fixiervorrichtung (nicht dargestellt) zum Fixieren des in das Koppelelement 134 vollständig eingeführten Koppelmechanismus 240 auf. Die Fixiervorrichtung kann etwa eine mechanische Einschnapp- Vorrichtung oder eine hydraulische Fixiervorrichtung (bei der das Koppelelement 134 und/oder der Koppelmechanismus 240 zum Festklemmen / Lösen der Fixierung ihr Volumen ändern können) oder eine Permanentmagneten und/oder El ektromagneten umfassende magnetische Vorrichtung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Koppelelement 134 ein (para- oder ferro-)magnetisierbares Material, und der Kopplungsmechanismus 240 umfasst einen Elektromagneten (eine Magnetspule), der derart angeordnet ist, dass bei eingeschaltetem Elektromagneten der in das Koppelelement 134 eingesetzte Kopplungsmechanismus 240 durch den Elektromagneten darin festgehalten wird, und bei ausgeschaltetem Elektromagneten das Festhalten gelöst wird. Alternativ kann der Elektromagnet statt in dem Kopplungsmechanismus 240 auch in dem Koppelelement 134 angebracht sein; dies hat den Vorteil, dass die Stromversorgung der Nuklearsonde 100 auch für den Elektromagneten benutzt werden kann.
Fig. 13a und 13b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Nuklearsonde 100 mit Koppelelement 135 (Fig. 13a) und eines zugehörigen Koppelmechanismus 250 (Fig. 13b). Hier ist die Anordnung umgekehrt zur Ausführung von Fig. 12a und 12b: Der Koppelmechani smus 250 weist eine Öffnung 254 (genauer ein Sackloch) auf, und das Koppelelement 135 ist komplementär zu der Öffnung gestaltet, so dass das Koppelelement 135 in die Öffnung 254 einführbar ist und in vollständig eingeführtem Zustand in einer eindeutigen Relation festgehalten wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kopp! ungsmechani smus 250 ein (para- oder ferro-)magnetisierbares Material, und umfasst das Koppelelement 135 einen Elektromagneten, der derart angeordnet ist, dass bei eingeschaltetem El ektromagneten das in die Öffnung 254 des Kopplungsmechanismus eingesetzte Koppelelement 135 durch den Elektromagneten darin festgehalten wird, und bei ausgeschaltetem Elektromagneten das Festhalten gelöst wird; dies hat den Vorteil, dass die Stromversorgung der Nuklearsonde 100 auch für den Elektromagneten benutzt werden kann. Alternativ kann der Elektromagnet statt in dem Koppelelement 135 auch in dem Kopplungsmechanismus 250 angebracht sein.
Statt eines Elektromagneten wie oben beschrieben können auch andere lösbare Verbindungsmittel verwendet werden, etwa ein einrastbarer Klick-Verschluss. Die Querschnittsform der in Fig. 12a, 12b gezeigten Öffnung 134 ist dreieckig. Fig. 14 zeigt mögliche weitere Gestaltungen der Öffnung 134, die alternativ eingesetzt werden können, etwa eine Trapezform (Fig. 14a), eine Dreiecksform wie in Fig. 12a (Fig. 14b), eine Kreisform (Fig. 14c) oder eine ovale Form (Fig. 14d). Der Kopplungsmechanismus 240 ist dann komplementär gestaltet und weist die analoge Querschnittsform auf. Die Ausfuhrungsform der Fig. 3a, 13b ist analog anpassbar.
Im Folgenden werden, durch Fig. 6-14 illustriert aber nicht auf die darin dargestellten Ausfuhrungsformen beschränkt, weitere mögliche allgemeine Aspekt in Bezug auf die Gestaltung und Dimensionierung des Koppelmechanismus 23 und des Koppelelements 130 beschrieben. Gemäß einem Aspekt weist der Endeffektor 25 einen Koppelmechanismus 23 auf, der zum Wechselwirken (etwa Eingreifen) mit dem Koppelelement ausgestaltet ist derart, dass die definierte Stellung der Nuklearsonde an den Endeffektor durch die Wechselwirkung zwischen Koppelmechanismus 23 und dem Koppelelement 130 festgelegt wird.
Der Koppelmechanismus kann, wie in Fig. 6- 1 1 dargestellt, durch eine Greifhand 230 des Endeffektors realisiert. Es kann sich beispielsweise um die Greifhand des DaVinci (Markenname) Operationsroboters handeln. Das Koppelelement 130 ist durch ein an der Nuklearsonde befestigtes Halteelement realisiert, welches derart geformt ist, dass das Halteelement 130 durch die Greifhand in genau einer Stellung stabil gehalten wird. Das Halteelement 130 kann eine Protrusion umfassen; es kann alternativ auch durch eine Mehrzahl von Einkerbungen in der Nuklearsonde gebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Wechselwirkung zwischen dem Koppelmechani smus 23 und dem Koppelelement 130 durch eine Schraubverbindung, eine magnetische Verbindung, eine Steckverbi ndung, mittels Unterdruck, Klemmen, oder durch eine Kombination daraus erfolgen. Die Wechselwirkung kann kraftschlüssig oder formschlüssig sein. Vorzugsweise weisen Koppelelement 130 und Koppelm echan i smus 23 mechanische Eingriffs- bzw. Anschlagselemente auf, die eine eindeutige Relativlage zwischen Nuklearsonde und Endeffektor definieren.
Vorzugsweise sind Koppelelement 130 und Koppelmechanismus 23 asymmetrisch gestaltet. Das Koppelelement 130 kann beispielsweise auf zwei einander gegenüberl i egenden Seiten der Nuklearsonde 100 jeweils ein Profil für einen Eingriff mit dem Koppelmechanismus (23, 230, 240, 250, 260) aufweisen. Die die Profile auf den beiden gegenüberliegenden Seiten können sich voneinander unterscheiden. Zumindest eines der Profile und vorzugsweise beide Profile können eine Erhebung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Aussparung des Koppelmechanismus, und/oder eine Aussparung für einen Eingriff mit einer entsprechenden Erhebung des Koppelmechanismus aufweisen. Umgekehrt kann auch der Koppelmechanismus ein solches Profils mit Erhebung(en) und/oder Aussparung(en) aufweisen. Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt ist die Verbindung zwischen Roboterarm bzw. Koppelmechanismus 23 und Nuklearsonde bzw. Koppelelemente 130 lösbar, vorzugsweise sogar im Inneren des Patientenkörpers 2 lösbar.
Kontrolleinheit und Bildrekonstruktion
Fig. 15 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Kontrolleinheit 40, weitere Elemente und Verbindungen dazwischen in größerem Detail. Die Nuklearsonde 100 und der Roboterarm 20 sind wie in Fig. 1 beschrieben. Ferner sind eine Robotersteuerung 55 und ein Nachfuhrsystem 56 dargestellt.
Die Robotersteuerung 55 ist zum Senden von Steuerbefehlen an Aktuatoren, die eine Bewegung der Gelenke 22, 24 des Roboterarms veranlassen, ausgestattet. Das Nachführsystem 56 ist zum Ermitteln von Pose-Daten, welche eine Position und Orientierung der Nuklearsonde 100 angeben, ausgestattet. Als Mittel zum Bestimmen der Position und Orientierung der Sonde 100 kommen unterschiedliche Techniken in Betracht, etwa ein optisches oder ein magnetisches Tracking-System. Bevorzugt ist ein System, welches den Bewegungszustand (Beugungszustand) der Gelenke des Roboterarms abruft und daraus die Pose des Effektuators bzw. der Nuklearsonde ermittelt. Dieses Nachführsystem 56 kann in der Robotersteuerung integriert sein. Die Darstellung in Fig. 15 zeigt zwar verschiedene funktionelle Einheiten als verschiedene Kästen, dies bedeutet jedoch nicht, dass es sich um verschiedene physikalische oder programmiertechnische Einheiten handeln muss. Vielmehr können zwei in Fig. 15 als verschieden dargestellte Einheiten innerhalb der gleichen Hardware- oder Software-Komponente bereitgestellt sein.
Weiter ist in Fig. 15 die Kontrolleinheit 40 dargestellt. Die Kontrolleinheit 40 hat ein Pose- Modul 50, ein Strahlungs-Modul 60, ein Synchronisations-Modul 70, ein Bilderzeugungs- Modul 80, ein Qualitätswerts-Modul 90, und ein Zielpose-Modul 95. Das Pose-Modul 50, ist mit dem Nachführsystem 56 verbunden, um die Pose-Daten mit den Informationen über die Position und Orientierung der Nuklearsonde 100 zu empfangen. Das Strahlungs-Modul 60 ist mit der Nuklearsonde 100 (genauer mit dem in Fig. 2a gezeigten Detektor 16) verbunden, um Strahlungs-Daten mit Information über die detektierte radioaktive Strahlung bzw. deren Intensität zu empfangen. Beide Module 50 und 60 sind ausgestattet, um die jeweils empfangenen Daten mit einer zugehörigen Zeit-Information abzulegen. Das Synchronisations-Modul 70 ist mit den Modulen 50, 60 verbunden, um die Pose-Daten mit den Strahlungs-Daten zu synchronisieren, d.h. gleichzeitige Messinformationen (Pose-Daten und Strahlungs-Daten) einander zuzuordnen. Als Ergebnis liefert das Synchronisations-Modul 70 daher Datenpaare von Strahlungs-Daten (Intensitäten) mit zugehörigen Pose-Daten der Nuklearsonde 100.
Das Bilderzeugungs-Modul 80 ist mit dem Synchronisations-Modul 70 zum Empfangen dieser Datenpaare verbunden und konfiguriert zum wiederholten Berechnen eines die nukleare Strahlungsverteilung wiedergebenden dreidimensionalen Nuklearbilds aus den Datenpaaren. Das Bilderzeugungs-Modul ist gemäß einer Ausführungsform zum iterativen Bestimmen einer dreidimensionalen Strahlungsverteilung konfiguriert, welche maximal konsistent ist mit den gemessenen Strahlungs-Daten. Ein solches Programm ist dem Fachmann bekannt (etwa die eingangs erwähnte Freihand-SPECT-Bildrekonstruktion) und beispielsweise in der DE 10 201 1 053 708 AI und den darin zitierten Referenzen beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird aus den Pose-Daten (d.h. unter Verwendung von und in Abhängigkeit von den Pose-Daten) ein (hierin bedeutet „ein" immer mindestens ein) Qualitätswert Q errechnet, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt. Dies geschieht gemäß einer Ausführungsform während der typischerweise kontinuierlich durchgeführten Messung der detektierten Strahl ungsintensität durch die Nuklearsonde. Der Begriff „Qualitätswert'', hier allgemein mit Q bezeichnet, repräsentiert einen im Kontext dieser Anmeldung verwendeten Parameter, der geeignet ist, die Qualität der hierin behandelten Bild-Darstellung der ermittelten Strahlungsverteilung zu repräsentieren und in rechnergestützten Verfahren verarbeitet zu werden. Beispiele für den Qualitätswert sind weiter unten angeführt. Der derart definierte Qualitätswert ist auch direkt aus den Daten des Synchronisations-Modul berechenbar, ohne zwingend ein Bild zu rekonstruieren.
Dieser Parameter Q kann dann zur Optimierung des Bilds benutzt werden, etwa um den Nutzer darauf hinzuweisen, dass er die Sonde noch an eine andere Lage/Position bewegen sollte zur Verbesserung der aufgenommenen Datenbasis. In einer weiteren Variante kann die Qualitätsbeurteilung dazu benutzt werden, dem Benutzer gezielt eine bestimmte (oder mehrere verschi edene/al ternati ve) neue Position/Lage der Sonde vorzuschlagen, um durch eine gezielte Positions- und oder Lageveränderung der Sonde durch den Nutzer die Qualität des aus den Sondendaten ermittelten 3 D-Bildes zu erhöhen; ferner kann der Qualitätswert dazu benutzt werden, die Position der Sonde ohne Zutun eines Nutzers durch Aktuatoren zu verändern, etwa durch Ansteuerung eines Roboterarms, der die Nuklearsonde führt. Die Darstellung der Bildqualität durch Q erlaubt es, eine Ziel-Pose (Ziel-Position und Ziel- Orientierung) der Nuklearsonde unter der Nebenbedingung zu bestimmen, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt. Bevorzugt dient hierzu ein Prognosewert für Q als Funktion der Pose, der in Abhängigkeit der Pose (und optional von bisher eingenommenen Posen) simuliert wird. Die Ziel-Pose ist dann diejenige Pose, die gemäß einem Optimierungsalgorithmus - optional mit weiteren Randbedingungen - den Prognosewert für Q optimiert. Die Ansteuerung der Ziel-Pose führt somit zu einer Erhöhung des Qualitätswerts Q, welche wiederum eine Steigerung der Bildqualität bzw. -Zuverlässigkeit zur Folge hat.
Im Anschluss an das Bestimmen der Ziel-Pose kann gemäß Ausführungsbeispielen folgen: das Ausgeben einer binären Information - ob die Sonde weiter bewegt werden soll oder nicht; oder das Ausgeben einer oder mehrerer möglicher Bewegungen des Roboterarm, welche die Nuklearsonde zu der Ziel-Pose fuhren bzw. ihr näher bringen sollen; und/oder die Ausgabe von Zielkoordinaten der Ziel -Pose. Die Ausgabe kann etwa an eine Steuerung des Roboterarms erfolgen oder an einen Benutzer, der den Roboterarm manuell oder halbautomatisch steuert. Die Ziel-Pose kann auch die Pose der Nuklearsonde nur indirekt bestimmen, indem die Ziel-Pose etwa durch Koordinaten des Effektors beschrieben ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Kontrolleinheit 40 ein Qualitätswerts-Modul 90 mit einem Programm zum Ermitteln aus den Pose-Daten mindestens eines Qualitätswerts Q, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt; und ein Zielpose-Modul zum Bestimmen einer Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde unter der Nebenbedingung, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt.
Das Qualitätswerts-Modul 90 ist zum Ermitteln mindestens eines Qualitätswerts Q konfiguriert, welcher eine Bildqualität des berechneten dreidimensionalen Nuklearbilds angibt. Der Parameter Q kann z.B. die Anzahl der detektierten Strahlungsereignisse (Counts) aus einem bestimmten Raumvolumen oder Raumwinkelelement und einer bestimmten Richtung berücksichtigen, unter Einbeziehung der Positions- und Lagedaten (=Pose) der Sonde. Sind etwa aus einem bestimmten Raumvolumen und einer bestimmten Richtung deutlich weniger Ereignisse erfasst als aus einem benachbarten Raumwinkelelement in der bestimmten Richtung, ist der für das erste Element berechnete Strahl ungs vertei 1 ung mit einem höheren statistischen Fehler belastet, bzw ist die erzielbare Auflösung für das erste Element geringer. Alternativ oder ergänzend können bei der Berechnung von Q die bisher abgedeckten Posen relativ zum Zielgewebe berücksichtigt werden. Ist beispielsweise eine Perspektive auf das Zielgewebe noch überhaupt nicht eingenommen worden, so ist durch Einnahme dieser Perspektive eine erhebliche Verbesserung der Informationslage zu erwarten.
Der Qualitätswert bzw. -parameter Q kann je nach Verfahren z.B. ein Skalar, ein Vektor, ein Skalarfeld, ein Vektorfeld, ein Tensor oder eine 3 D-Matrix sein. Als Skalarfeld kann Q beispielsweise verschiedenen Posen das zu erwartende Verbesserungspotential zuordnen, das bei (weiterer) Messung für eine vorgegebene Zeit in dieser Pose zu erwarten wäre.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für das Berechnen des Qualitätswerts Q durch das Qualitätswerts-Modul 90. Q kann z.B. ausdrücken, wie groß die Varianz zwischen den Zählraten aus unterschiedlichen Raumwinkel elementen für jeweils unterschiedlichen Richtungen ist. Je größer also Q in diesem Fall ist, desto höher ist die Varianz der Qualität der erfassten Daten zwischen unterschiedlichen Raumwinkeln oder Teilvolumina aus bestimmten Richtungen, was im allgemeinen nicht wünschenswert ist, da dann bestimmte Teilvolumina z.B. eine zu geringe Bildauflösung bzw. ein zu hohes Bildrauschen aufweisen. Dies würde auch bedeuten, dass für mindestens eines der betrachteten Raumwinkelelemente die Aufnahmezeit deutlich geringer ist im Verhältnis zu anderen Bereichen, dort also die Qualität der Darstellung geringer ist. Ist also die Varianz Q in diesem Fall auf das Gesamtbild bezogen zu groß, entscheidet die Auswertungseinhei t 60, dass Daten nacherhoben werden müssen. Der Bereich, für den dies zutrifft, ist dann aus der vorigen Berechnung bekannt. Somit kann die Auswertungseinheit berechnen, in welcher Ziel-Richtung, bezogen auf die Ist-Position der Nuklearsonde, noch Daten erhoben werden sollten, um die Bildqualität zu verbessern bzw gleichzeitig Q zu senken.
Ein Programm zur Berechnung möglicher Qualitätswerte ist etwa in DE 10 201 1 121 708 AI , Absätze [038] -[046] beschrieben, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Verweis komplett einbezogen ist. Weitere Verfahren zur Bestimmung von Qualitätswertn Q eines computergenerierten Bilds aus einer Nuklearsonde sind in der DE 10 2008 025 151 AI auf den Seiten 37 bis 42 beschrieben, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Verweis komplett einbezogen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Qualitätswerts-Modul 90 ausgestattet, um Q in Abhängigkeit von einer Pose zu berechnen, d.h. für mehrere Pose-Werte (oder zumindest für mehrere Orientierungs- und / oder Positions- Werte) zu berechnen.
Das Zielpose-Modul 95 ist mit dem Qualitätswerts-Modul 90 zum Empfangen von Q verbunden. Aus Q bestimmt das Zielpose-Modul 95 eine Ziel-Pose (Ziel-Position und Ziel- Orientierung). Hierbei wird die Ziel-Pose unter der Nebenbedingung bestimmt, dass eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des mindestens einen Qualitätswerts Q führt. Beispielsweise wenn Q ein Pose-abhängiges Informationsdefizit ausdrückt, kann eine Ziel-Pose als Pose mit maximalem Q (optional unter weiteren Nebenbedingungen) definiert werden. Eine entsprechende Platzierung der Nuklearsonde an dieser Pose wird voraussichtlich zu einer Verbesserung (bzw. optimalen Verbesserung, d.h. stärkeren Verbesserung als irgendeine andere der betrachteten Posen) des Qualitätswerts Q führen, da der Wert Q (das Informationsdefizit) dort am stärksten sinken wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch statt einer absoluten Ziel-Pose lediglich eine Ziel- Richtung (Variation der Pose) bestimmt werden, etwa als die Pose- Veränderung, bei der der ermittelte Gradient von Q extremal ist. Das im Folgenden für die Ziel-Pose beschriebene kann analog auch für eine Ziel-Richtung abgewandelt werden.
Zur Bestimmung der genannten Ziel-Werte für die Pose der Nuklearsonde 100 können mehrere Informationen benutzt werden, wie etwa das Bewegungsvolumen, in dem die Nuklearsonde bewegt werden kann, die möglichen Richtungen, in die die Nuklearsonde gerichtet werden kann (u.a. abhängig von der durch die präoperativen Bilddaten bekannte Anatomie des Patienten), die Lage bzw. Pose des Patienten und der Organe im Körper, die erwartete Radioaktivitätsverteilung im Körper, etc. Diese Informationen können aus präoperativen Daten des Patienten (registriert oder nicht), statistischen Modellen, Informationen der Bewegung der Nuklearsonde oder weiterer endoskopischer Instrumente, etc., gewonnen werden. Diese Informationen können zum Beispiel benutzt werden, um die Plausibilität der Ziel-Werte zu überprüfen, oder sie zu wichten. So muss etwa sichergestellt sein, dass nicht eine Pose vorgeschlagen wird, bei der sich der Ort der Sonde mit einem Organ überschneiden würde.
Aus der Ziel-Pose kann nun eine Handlungsanweisung abgeleitet werden. Die Anweisung wird von dem Zielpose-Modul 90 entweder an den Roboterarm 20 bzw. dessen Steuerung 55 ausgegeben, oder sie wird an einen Nutzer ausgegeben. Als Anweisungen können gegeben werden: Signalisierung, ob weitere Bewegung erfolgen soll oder nicht; Ausgabe von ein oder mehreren neuen Ziel-Posen; Ausgabe von Bewegnugsabläufen (z.B. Vektoren), die zu diesen Posen führen; oder Ansteuerungsbefehle für den Roboterarm bzw. für einen oder mehrere Aktuatoren desselben zur Bewegung der Sonde. Im Fall der Ausgabe an einen Nutzer wird aus den aus Q abgeleiteten Informationen nun eine Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde 100 berechnet; wie oben beschrieben mit der Nebenbedi ngung, dass eine entsprechende Positionsänderung der Nuklearsonde zu einer Verbesserung des Qualitätswerts Q führt. Mittels eines Ausgabesystems, z.B. eines optischen Displays, werden die berechneten Ziel-Informationen, nach Umwandlung in Anweisungen zum Bewegen des Roboterarms, an einen Benutzer ausgegeben. Eine mögliche entsprechende Darstellung ist in Fig. 15 gezeigt. Das Ausgabesystem 90 ist typischerweise ein Bildschirm, kann aber auch eine Vielzahl anderer Varianten umfassen, z.B. ein Sprachausgabesystem oder eine haptische Ausgabe mittels Kraft-Rückkopplung an Bedienelementen der Robotersteuerung. Auf diese Weise kann der Nutzer gemäß den übermittelten Informationen die Sonde an die Ziel-Position und Ziel-Orientierung bewegen, so dass zusätzliche Ereignisse die Zählrate für den betreffenden Raumwinkel verbessern können.
Gemäß einem Aspekt ist das Ausgabesystem zum Ausgeben einer Repräsentation des Nuklearbilds sowie der darin eingebetteten Position und Orientierung der Nuklearsonde, sowie optional der Ziel-Position und Ziel-Orientierung der Nuklearsonde vorgesehen.
Im Fall der Ausgabe als Ansteuerungsbefehle für den Roboterarm werden die entsprechenden Bewegungen durch den Roboterarm ausgeführt, um so die Bildgebung durch die Nuklearsonde 100 zu verbessern. Optional können die Ansteuerbefehle zunächst durch die Robotersteuerung weiterverarbeitet und ggf. angepasst werden. Die Anpassung kann unter Verwendung von Sensordaten und/oder anatomischen Modelldaten erfolgen. Beispielsweise kann die Nuklearsonde und/oder der Endeffektor einen Ultraschall-Sensor aufweisen, und die Anpassung erfolgt unter Verwendung von Sensordaten des Ultraschall-Sensors. Die Anpassung kann das Unterdrücken oder Modifizieren von Bewegungsabläufen umfassen, die mit Patientengewebe interferieren würden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform geben die Ansteuerbefehle eine Ziel-Pose an, und die Anpassung umfasst das Berechnen eines Weges, der unter Berücksichtigung zusätzlicher Bedingungen (z.B. aus Sensordaten und/oder anatomischen Modelldaten) einen optimalen Weg errechnet, um den Nuklearsensor der Ziel- Pose möglichst nahe zu bringen. Hierbei ist es von Vorteil, dass der Roboterarm redundante Freiheitsgrade aufweist, also eine vorgegebene Pose der Nuklearsonde durch mehrere Stellungen des Roboterarms erreichen kann. Diese Redundanz erlaubt eine erhöhte Anzahl von Optionen bei der Berechnung des optimalen Weges. Falls die Nuklearsonde eine optische Kamera 190 aufweist, wie in Fig. 2b dargestellt, kann gemäß einem weiteren Aspekt die Kontrolleinheit 40 eine Erweiterte-Realität-Engine (nicht dargestellt) umfassen. Die Erweiterte-Realität-Engine ist mit dem Bilderzeugungs-Modul 80 verbunden, um ein zweidimensionales Abbild des dreidimensionalen Nuklearbilds in einer Perspektive der optischen Kamera wiederzugeben, und ist mit der der optischen Kamera 190 verbunden, um ein optisches Bild von der optischen Kamera mit dem zweidimensionalen Abbild zu überlagern, so dass das überlagerte Abbild ein Erweiterte-Realität-Abbild darstellt.
Alternativ kann eine derartige Erweiterte-Realität-Engine auch mit einer von der Nuklearsonde entkoppelten nachgeführten Kamera realisiert werden. Die Kamera kann somit, statt wie in Fig. 2b dargestellt an der Nuklearsonde angebracht zu sein, an einem anderen Teil des Roboterarms 20 oder an einem separaten nachgeführten System (etwa einem separaten Laparoskop) vorgesehen sein.
Während das Vorangehende auf Ausführungsformen der Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung durch Kombinationen der beschriebenen aufgestellt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

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