医学介入的支持的制作方法

1.本发明涉及一种用于支持医学介入的系统、一种用于输出反馈信号的方法以及一种计算机程序产品。


背景技术：

2.消融、活检和穿刺属于医学介入期间最常见的方法，在该方法中，介入器械由使用者(例如医生)插入患者体内。介入器械例如可以是针。例如，借助活检针提取组织样本，在另外的流程中对该组织样本进行分析。为了安全并且有效地执行这种手术，需要连续监视针的引导，直至应当提取组织样本的位置为止。在手术之前，仔细地规划针在进入点(例如，皮肤表面)与目标身体部位之间的预期路径。
3.一旦定义了路径，则必须确保针遵循该预先给定的路径。由于通常手动地插入针并由人手控制，因此针的位置可能与指定的路径略微偏差，并且因此必须不断对其进行监视。例如，利用成像设备(例如，磁共振设备)生成磁共振图像，其成像区域包含路径，使得针在正确插入并遵循所规划的路径的情况下始终在磁共振图像上可见。
4.在手术期间，使用者尝试通过使用者手动调整针的轨迹来将针始终保持在路径上(并使其在磁共振图像上可见)。为了实现这一点，通常在屏幕上显示磁共振图像，并且使用者通过观看屏幕来控制针侵入到患者体内的进程。
5.通常，在此实时显示一个层，该层包含针在进入点与目标区域之间的规划的路径。在此可能的是，针脱离了所规划的路径并且因此在屏幕上不再可见。在这种情况下，使用者将不得不尝试将针再次带回到路径上。这通常通过使用者抽出针并尝试另外的路径，同时该使用者尝试再次在显示器上看到针来完成。该处理方法可能容易出错、费时、费力并且最重要的是使患者不舒服。
6.此外，这种方法一方面要求对患者的身体和针进行连续的视觉观察，并且另一方面要求对屏幕显示进行连续的视觉观察。这要求使用者的眼睛持续聚焦或散焦。这也可能费力且容易出错。此外，在插入针与观察显示器的活动之间的切换减慢了过程并增加了使用者的疲劳感。


技术实现要素：

7.值得期望的是，使用者可以将他的注意力更多地集中在介入器械的操作上。该技术问题通过本发明的特征来解决。在本发明中描述了有利的设计方案。
8.因此，提出了一种用于支持医学介入的系统。该系统包括反馈设备和控制设备，反馈设备用于向介入器械的使用者输出反馈信号，控制设备用于控制该反馈设备。在此，控制设备被构建为用于接收介入器械的实际位置和介入器械的目标位置；用于确定实际位置与目标位置的偏差；并且用于依据偏差控制反馈设备的反馈信号的输出。在此，反馈信号是非视觉反馈信号。
9.该系统、特别是反馈设备优选地被构建为实时输出反馈信号。特别地，控制设备被
构建为用于实时接收介入器械的实际位置；用于确定实际位置与目标位置的偏差；并且用于依据偏差实时控制反馈设备的反馈信号的输出。优选地，介入器械的实际位置是介入器械、特别是实时采集的介入器械的当前实际位置。在此，“实时”优选地是指，用于接收介入器械的实际位置的可能的采集时间和用于输出反馈信号的可能的处理时间都如此短，以至于使用者不会感知到在介入器械的实际位置变化与相应改变的反馈信号之间存在明显的延迟。
10.介入器械的实际位置尤其可以是介入器械的当前实际位置。介入器械的目标位置尤其可以是介入器械的预先给定的目标位置。
11.例如可以在医学介入之前已经确定了、特别是规划了目标位置。目标位置尤其可以包括介入器械的目标(例如患者体内的目标区域和/或目标点)和/或介入器械在患者身体表面上的进入点。介入器械的目标位置尤其可以包括介入器械的路径。路径尤其可以是起点(例如介入器械在患者身体表面上的进入点)到目标(特别是患者体内的目标区域和/或目标点)之间的路径。
12.介入器械例如可以是针、特别是手术针和/或活检针。
13.代替根据现有技术的视觉屏幕显示，通过使用非视觉反馈信号，使用者可以更好地专注于介入本身。优选地，该系统可以实现不基于图像的针引导。
14.介入器械的实际位置优选地包括借助成像设备、特别是借助磁共振设备、计算机断层成像设备、x射线设备和/或超声设备所采集的位置数据。优选地，实际位置可以通过这种位置数据来描述。
15.优选地，实际位置可以根据图像数据来确定，这些图像数据借助成像设备、特别是借助磁共振设备、计算机断层成像设备、x射线设备和/或超声设备来采集。可以有利地实时地采集和/或分析这种图像数据。
16.优选地，反馈信号包括声学信号和/或触觉信号。有利地，这种信号不会或仅在很小的程度上使使用者的注意力从介入本身中偏移。
17.声学信号优选地是可借助声波传输的信号。声学信号有利地是可被介入器械的使用者的听觉器官感知的信号。
18.触觉信号优选地是作用在介入器械的使用者的身体、特别是皮肤上的压力信号。
19.优选地，反馈信号具有信号模式，该信号模式取决于所确定的偏差。
20.信号模式有利地适合于将关于所确定的偏差的信息传达给使用者。信号模式尤其具有编码，通过该编码可以将消息传达给使用者。
21.优选地，反馈信号包括声学信号，该声学信号依据实际位置与目标位置的偏差具有音高变化和/或音量变化和/或不同长度的中断。有利地，可以借助音高变化和/或不同长度的中断将关于实际位置与目标位置的偏差的信息传达给使用者。
22.音高变化尤其可以包括声学信号的频率从起始频率到终止频率的连续变化。这也可以被称为频率扫描。音高变化还可以包括从第一频率到另外的频率的跳变。
23.音量变化尤其可以包括声学信号的幅度从起始幅度到终止幅度的连续变化。这也可以被称为幅度扫描。音量变化还可包括从第一幅度到另外的幅度的跳变。
24.优选地，反馈信号包括触觉信号，该触觉信号依据偏差具有压力变化和/或不同长度的中断。
25.优选地，反馈信号包括可被介入器械的使用者区分的多个部分反馈信号。有利地，由此可以同时向使用者传达更多的信息。因此，反馈信号优选地包括可被介入器械的使用者同时感知的多个部分反馈信号。
26.优选地，反馈设备包括具有第一声音转换器和第二声音转换器的耳机，其中，多个部分反馈信号中的第一部分反馈信号可以通过第一声音转换器输出，并且多个部分反馈信号中的第二部分反馈信号可以通过第二声音转换器输出。
27.例如，第一声音转换器可以定位在使用者的右耳处，使得多个部分反馈信号中的第一部分反馈信号可被使用者的右耳感知。对应地，第二声音转换器例如可以定位在使用者的左耳处，使得多个部分反馈信号中的第二部分反馈信号可被使用者的左耳感知。
28.优选地，以如下方式区分第一和第二部分反馈信号，即，对于使用者可以从差异中推导出关于介入器械的实际位置的信息。
29.优选地，实际位置与目标位置的偏差可以通过多个偏差坐标来描述，其中多个部分反馈信号取决于多个偏差坐标的值。
30.例如，偏差坐标是n维坐标系、特别是二维或三维坐标系的坐标。例如，可以依据目标位置确定这种坐标系的定向。特别地，可以依据描述介入器械的目标位置的路径来确定这种坐标系的定向。
31.特别地，坐标系可以包括张开平面的坐标轴，路径的至少一部分、特别是路径的目标位于该平面中。
32.特别地，坐标系可以包括穿过介入器械的目标和/或介入器械的进入点的坐标轴。
33.优选地，实际位置与目标位置的偏差可以通过多个偏差坐标来描述，其中，多个部分反馈信号中的每一个与多个偏差坐标中的一个相关联。优选地，反馈信号取决于多个偏差坐标。特别地，每个部分反馈信号取决于与其相关联的偏差坐标。
34.此外，提出了一种医学成像设备，该医学成像设备包括用于支持医学介入的先前所描述的系统。
35.医学成像设备例如可以包括磁共振设备、计算机断层成像设备、x射线设备和/或超声设备。优选地，医学成像设备被构建为用于采集介入器械的实际位置。
36.此外，提出了一种用于输出反馈信号的方法。所提出的方法的优点基本上相应于用于支持医学介入的系统的优点，这些优点之前已经详细说明。在此提到的特征、优点或替换的实施方式也可以被转用到方法上，反之亦然。特别地，本发明还可以以结合方法描述或要求保护的特征来扩展。
37.用于输出反馈信号的方法包括：通过控制设备接收介入器械的实际位置和介入器械的目标位置；通过控制设备确定实际位置与目标位置的偏差；以及根据所确定的偏差通过反馈设备输出非视觉反馈信号。
38.特别地，可以通过医学成像设备来采集介入器械的位置数据。特别地，可以事先确定介入器械的目标位置。
39.优选地，该方法包括确定介入器械的目标位置，其中确定介入器械的目标位置包括确定目标、特别是目标区域。目标区域例如可以是位于目标点周围直至所确定的距离的空间区域。
40.优选地，位置数据与目标位置的偏差通过至少一个偏差坐标来描述，其中，非视觉
反馈信号是声学反馈信号，其中，声学反馈信号具有音高变化、特别是时间上的音高变化，其中，音高变化依据至少一个偏差坐标来确定。
41.优选地，确定实际位置与目标位置的偏差包括：确定至少部分地包括目标的目标平面；根据介入器械的实际位置，通过将介入器械、特别是介入器械的一部分投影到目标平面上来计算投影点；以及计算目标平面中投影点与目标、特别是与目标区域的偏差。
42.介入器械例如可以是针，并且介入器械的投影部分例如可以是针的尖。
43.目标平面优选是平行于患者的表面和/或表面的切面延伸的平面。例如，目标平面可以在介入器械进入患者的点处与患者的表面相切地延伸。
44.优选地，介入器械是针、特别是笔直的针，并且以延长针的方式、特别是通过针尖来进行针的投影。
45.优选地，通过第一坐标轴的第一偏差坐标和第二坐标轴的第二偏差坐标来描述目标平面中投影点与目标、特别是与目标区域的偏差，其中，彼此不平行地、而是例如彼此垂直地定向第一坐标轴和第二坐标轴，其中，第一坐标轴和第二坐标轴被定向为平行于目标平面，其中，非视觉反馈信号的输出包括第一反馈信号的输出和第二反馈信号的输出，其中，依据第一和/或第二偏差坐标生成第一反馈信号，其中，依据第一和/或第二偏差坐标生成第二反馈信号。
46.优选地，确定位置数据与目标位置的偏差包括确定介入器械与目标平面的距离，其中，依据介入器械与目标、特别是与目标区域的距离来进行非视觉反馈信号的输出。介入器械与目标平面的距离也可以被视为第三偏差坐标。
47.优选地，非视觉反馈信号具有中断、特别是时间上的中断，其中中断依据介入器械与目标平面的距离来确定。例如，非视觉反馈信号是声学反馈信号，其中在中断中保持安静。
48.此外，提出了一种计算机程序产品，其包括程序并且可以直接加载到可编程的控制设备的存储器中并且具有程序装置、例如程序库和辅助功能，以便当在控制设备中实施计算机程序产品时实施根据本发明的方法。在此，计算机程序产品可以包括具有尚未被编译和连接或仅必须被解释的源代码的软件，或者包括仅还需要被加载到控制设备中以进行实施的可实施软件代码。
49.通过计算机程序产品，可以快速地、可相同重复地并且鲁棒地实施根据本发明的方法。计算机程序产品被配置为使得其可以借助控制设备实施根据本发明的方法步骤。
50.控制设备例如包括主存储器、显卡、处理器和/或逻辑单元，从而可以有效地实施相应的方法步骤。
51.计算机程序产品例如被存储在计算机可读的介质上，或者被存储在网络或服务器上，从那里可以将计算机程序产品加载到本地控制设备的处理器中。
52.此外，计算机程序产品的控制信息可以存储在电子可读的数据载体上。电子可读的数据载体的控制信息可以被设计为使得在控制设备中使用数据载体时，这些控制信息执行根据本发明的方法。
53.对于电子可读的数据载体的示例是dvd、磁带或usb棒，在其上存储了电子可读的控制信息、特别是软件。当从数据载体中读取这些控制信息并且将其存储在控制设备中时，则可以执行之前描述的方法的根据本发明的所有实施方式。因此，本发明还可以从上述的
计算机可读的介质和/或上述的电子可读的数据载体出发。
附图说明
54.本发明的其它优点、特征和细节从下面所描述的实施例中以及根据附图给出。在所有附图中，彼此对应的部分具有相同的附图标记。
55.附图中：
56.图1示出了具有用于支持医学介入的系统的医学成像设备；
57.图2示出了介入器械的实际位置和目标位置的空间图示；
58.图3至图10示出了依据实际位置与目标位置的偏差的不同信号模式；
59.图11示出了用于输出反馈信号的方法的流程图。
具体实施方式
60.图1示意性地示出了用于支持医学介入的系统，该系统包括：反馈设备1，其用于将反馈信号输出到下面的附图中所示的介入器械的使用者；控制设备2，其用于控制反馈设备。
61.方向f(向前)、b(向后)、l(向左)和r(向右)与下面的附图中所示的方向对应。在此，在该示例中，假定医学成像设备(在此是磁共振设备100)位于使用者的左侧。患者台101位于使用者的前面，患者102放置在患者台101上。当然也可以采用其他定向。
62.控制设备2被构建为用于接收介入器械的实际位置、用于接收介入器械的目标位置以及用于确定实际位置与目标位置的偏差。在此借助磁共振设备100确定实际位置。为此，磁共振设备100记录患者102的磁共振图像，同时介入器械至少部分地位于患者102的体内。
63.例如可以由使用者借助使用者界面3来确定、特别是来规划介入器械的目标位置、特别是目标路径。使用者界面尤其可以具有显示单元(例如屏幕)和输入单元(例如键盘)，借助输入单元可以输入信息和/或参数。
64.依据偏差，控制设备2被构建为用于控制反馈设备1的反馈信号的输出。在此，反馈信号是非视觉反馈信号。在所示的情况下，反馈设备包括耳机1，通过耳机可以将声学信号作为反馈信号来输出。耳机1包括左侧声音转换器1l和右侧声音转换器1r，经由它们可以分别输出不同的部分反馈信号。特别地，第一部分反馈信号可以由左侧声音转换器1l输出，并且第二部分反馈信号可以由右侧声音转换器1r输出。这些信号可以对应地用使用者的左耳或右耳听到。
65.还可以想到，将器械安装在使用者上作为反馈设备，该器械生成对于使用者可感知的触觉信号。例如，反馈设备可以包括绑带，其可以布置在使用者的左腿上和右腿上，以便将压力作为反馈信号施加到使用者的身体上。
66.图2中示出了以针4的形式的介入器械的实际位置及其作为目标位置的相对于预先给定路径p的相对位置的空间图示。路径p由针进入点e和目标来确定。目标由位于目标平面tp中的目标点来描述。高度为d的椭圆形目标区域t位于目标点周围。通常有必要将针尖5精确地移动到目标点，但是只要针尖在目标点附近的一定的公差内、即在目标区域t内移动就已足够。例如，在目标处，使用者想要执行活检或治疗。
67.通常，路径p被确定为针进入点e与目标之间的直线。针进入点e例如通过在患者102皮肤上的如下位置处的标记来标记：在该位置处针刺入患者102体内。
68.图2中所示的针部分地位于患者102体内，并且现在应当利用其尖端5将其带到目标。针的位置在此与路径p偏差，并且如果其进一步在当前方向上继续前进，则不会命中目标。在两个方向上示出了针4到目标平面tp的投影j的偏差、特别是针4到目标平面tp的延伸的偏差：沿着方向l或r上的水平轴为值h，并且沿着方向b或f上的垂直轴为值v。因此，值h和v表示了偏差坐标，该偏差坐标描述了实际位置与目标位置的偏差。
69.针尖5与目标平面tp之间的距离由值k来表示。因此，该值也表示描述实际位置与目标位置的偏差的偏差坐标。
70.为了将针尖5引导到目标，则必须减小偏差坐标的值，以使针尖5到达目标区域t中。
71.在介入期间，使用者经由其右耳和左耳上的耳机1分别听到部分反馈信号。通过感知通过右耳和左耳的部分反馈信号，使用者可以将部分反馈信号彼此区分开。
72.图3示出了可以以何种方式输出部分反馈信号的可能性。依据对介入器械的实际位置的必要校正，经由左侧声音转换器1l和/或右侧声音转换器1r输出适合的部分反馈信号。示出了在将针4引向目标区域t期间可能出现的九种不同的情况i至ix。这些情况代表了反馈信号的不同信号模式，这些信号模式取决于所确定的偏差。
73.实际位置相对于目标位置在方向l或r上的偏差尤其可以通过偏差坐标h来描述。如下面所阐述的，经由左侧声音转换器1l和右侧声音转换器1r输出的部分反馈信号取决于偏差坐标h。
74.在左列的情况下、即情况i、iv和vii下，仅通过左侧声音转换器1l输出部分反馈信号、特别是第一部分反馈信号，即通过右侧声音转换器没有输出部分反馈信号、特别是第二部分反馈信号。这是值h高于预先给定的阈值h
t
的情况。
75.类似地，在右列的情况下、即在情况iii、vi和ix下，仅由右侧声音转换器1r输出部分反馈信号。这是值h低于预先给定的阈值
‑
h
t
的情况。
76.在中间列的情况下、即在情况ii、v和viii下，不仅通过左侧声音转换器1l而且通过右侧声音转换器来分别输出部分反馈信号。这是值h位于
‑
h
t
与h
t
之间的公差范围内的情况。
77.如下面所阐述的，依据值v，通过耳机1输出的声学信号具有特定的音高变化。
78.在上面的行的情况下、即在情况i、ii和iii下，输出具有时间上增加的频率f的音调作为部分反馈信号。这是值v低于预先给定的阈值
‑
v
t
的情况。
79.在下面的行的情况下、即在情况vii、viii和ix下，输出具有时间上下降的频率f的音调作为部分反馈信号。这是值v高于预先给定的阈值v
t
的情况。
80.在中间的行的情况下、即在情况iv、v和vi下，输出具有时间上恒定的频率f的音调作为部分反馈信号。这是值v位于
‑
v
t
与v
t
之间的公差范围内的情况。
81.因此，依据值v是超过预先给定的阈值v
t
还是低于预先给定的阈值
‑
v
t
，输出具有时间上下降的频率f或时间上增加的频率f的声学信号。如果值v位于
‑
v
t
与v
t
之间的公差范围内，则频率保持恒定。因此，声学信号的频率特性为使用者提供了关于在方向f或b上的偏差的信息。
82.例如，情况vii的左耳中的下降音调意味着，如果在没有方向改变的条件下进一步移动针4，则针4将错过其目标，并且针4应当改为向左(即，在方向l上，因为h>h
t
)并且向后(即，在方向b上，因为v>v
t
)移动。由于使用者仅在左侧听到信号，因此对于使用者可以容易且直观地领会其应当将针4向左移动。此外，通过下降的音高，对于使用者可以容易且直观地领会其应当将针4向后、即向自己移动。类似地，在情况i中，应当由使用者执行向左(即，在方向l上，因为h>h
t
)以及向前(即，在方向f上，因为v<
‑
v
t
)的移动校正。此外，通过增加的音高，对于使用者可以容易且直观地领会其应当将针4向前、即向远离自己移动。
83.图3中所示的部分反馈信号的信号模式具有中断，这些中断根据图4至图6被更详细地描述。示例性地，图4中所示的线图在此与情况iv、v或vi中的一个对应，并且图5中所示的线图与情况i、ii或iii中的一个对应。如从图6中所示的线图中得知的，中断的长度g取决于针尖5与目标平面tp之间的距离k。如果针尖5仍处于距目标平面tp的相对较大的距离k>k
max
下，则中断的长度g为值g
max
。随着距离k在k
max
与在d/2处开始的目标区域之间变小，中断的长度g越来越短，直至中断的长度从d/2起等于零，即声学信号然后是连续的。由此，依据介入器械、特别是针尖5到目标平面tp的距离k来确定中断。通过中断的长度向使用者指示了针尖5距目标平面tp还有多远。
84.为了清楚起见，在图7至图10中示出了由所提出的系统支持的医学介入的多种场景。在此，分别在左侧示出了针4相对于目标区域t以及相对于目标平面tp处于何种位置，并且在右侧示出了在这种情况下向使用者输出何种反馈信号。为了简单起见，假设针尖5沿垂直轴、即在方向b或f上位于公差范围内，即|v|<v
t
。所示的反馈信号是由左侧声音转换器1l、还是由右侧声音转换器1r或是由两个声音转换器1l、1r输出取决于值h。例如，如果针尖5沿水平轴(即在方向b或f上)位于公差范围内，即|h|<h
t
，则由两个声音转换器1l、1r输出反馈信号。
85.在图7中所示的场景中，使用者已经将针尖5引导到目标区域t中。由此，值k<d/2，使得输出了连续的信号。在图8中所示的场景中，针仍处于到目标区域t的接近阶段，使得值k仍然相对较大。由此，信号的中断仍然还是相对较大。如图9中所示，使用者将针尖5引向得越靠近目标区域t，即值k越小，则中断也就越短。相反，图10示出了错过目标区域t从而针尖位于目标平面tp以下的情况。这例如可以通过信号在两个频率f之间来回跳跃来向使用者指示。然后，使用者尤其可以再次略微拉出针4，以使针尖5再次回到目标平面tp以上，从而再次输出通常的信号模式(如图3中所示)，并从在那里重新尝试命中目标区域t。
86.图11中描述了一种可以如何执行对医学介入的支持的方法。
87.在s1中，确定针进入点e和具有公差的目标、即目标区域t。基于该信息，规划路径p作为介入器械的目标位置。特别地，控制设备2接收介入器械的目标位置。此外，确定目标平面tp，其优选地被定向为垂直于路径p。
88.在s2中，在三维空间中确定介入器械、特别是针4的实际位置。特别地，控制设备2接收介入器械的实际位置。此外，检查插入的针4是否与目标平面tp相交，即，目标平面tp与针4是否具有交点。
89.如果针4未与目标平面tp相交，则在s3中基于针4的实际位置，通过将针4投影j到目标平面tp上来确定投影点。
90.在s4中，通过控制设备2确定介入器械、特别是针4的实际位置与其目标位置的偏
差。为此，确定偏差坐标的值h、v和k。
91.在s5中，依据偏差(特别是值h，v和k)，通过反馈设备(例如耳机1)输出非视觉反馈信号，该非视觉反馈信号例如包括两个部分反馈信号。在上面所示的示例中，这通过声音转换器1l、1r来实现。
92.如果从s2得出针4与目标平面tp相交，则在s6中检查针尖5是否位于目标区域t中。如果是这样，则该方法结束。否则，在s7中输出对应的反馈信号，该反馈信号向使用者报告其错过了目标。
93.最后，还要再次指出，上面详细描述的方法以及所示的系统、控制设备和磁共振设备仅仅是实施例，本领域技术人员可以以非常不同的方式对其进行修改，而不脱离本发明的范围。此外，不定冠词“一”或“一个”的使用不排除所涉及的特征也可以多次存在。同样地，术语“单元”不排除所涉及的组件由多个共同作用的部分组件构成，这些部分组件必要时也可以空间地分布。