CN102727257A

CN102727257A - 穿刺针可视化方法和装置

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Publication number: CN102727257A
Application number: CN2011100935142A
Authority: CN
Inventors: 郭建军; N·哈尔曼; 杨嘉久; J·鲍曼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: US8956300B2; JP6081710B2; DE102012102736A1; CN102727257B; US20130261432A1; JP2012213629A

Abstract

本发明公开了一种穿刺针可视化方法和装置。本发明穿刺针可视化方法包括以一定时间间隔一个组织帧一个穿刺针帧交替地采集以形成帧序列；对所述帧序列进行空间复合；输出空间复合后的图像帧。本发明穿刺针可视化装置包括采集单元、空间复合单元和输出单元。由于本发明采取一个组织帧一个穿刺针帧地采集以形成帧序列，从而使得穿刺针帧与组织帧是均匀的间隔，因此达到了实时显示穿刺针的效果。

Description

穿刺针可视化方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及医疗超声成像领域，尤其涉及一种穿刺针可视化方法和装置。

背景技术

由于超声成像设备能够对人体血管、血流等进行清晰地成像，所以能够在手术过程中，尤其是对于诸如心脏介入术等手术起到很好的定位和辅助作用，使得医生能够清晰地看到病人病变部位的情况以及手术的每一点点的进展，从而对手术的成功进行起到很重要的作用。

对于需要介入神经以及血管等的手术而言，需要采用穿刺针探入，能够实时且高质量地看到穿刺针图像是至关重要的。因此，需要超声成像设备能够实时且高质量地显示行进的穿刺针的图像。

当前超声成像系统的穿刺针可视化技术主要有B steer(偏转B模式)、SteerXBeam(偏转扫查模式)和Expanded SteerXBeam(扩展偏转扫查模式)等等。美国文献US3556079、US4249539、US4431006、US4407294、US4428379公开了穿刺针中的超声换能器。Kurohiji等人公开了题为“Motion marking in color Doppler ultrasound needle andcatheter visualization”(J Ultrasound Med，9：243-245，1990)的多普勒方法。美国文献US5095910公开了题为“Applying mechanical vibrationto the needle combined with Doppler method”的使穿刺针可视的技术。文献US4869259、US4977897和EP1132049等等也公开了修改穿刺针以增强声反射的技术。MKE公开了在穿刺针尖附连电磁装置的技术。Uhercik等人的Multi-resolution parallel integral projection for fastlocalization of a straight electrode in 3D ultrasound images，ISBI 2008公开了基于振幅信息的图像分技术。文献EP0952462公开了调整扫描角度的技术。另外，美国文献US6524247公开了一种针可视化的扫查技术。

上述技术最通常采用的方式是在人体组织帧(下面简称组织帧)中加入格外的用以探测穿刺针的帧(下面简称穿刺针帧)，例如每显示5个组织帧后显示一个穿刺针帧，虽然这些技术能够在超声图像中呈现出穿刺针的图像，但是所显示的穿刺针的图像是有延迟的，也即医生操作一下穿刺针后需等待一时间段后才能在超声图像中显示出当前穿刺针所处人体中的位置。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是提供一种能够实时均匀地示出穿刺针的穿刺针可视化方法和装置。

为了解决上述问题，本发明穿刺针可视化的技术方案包括步骤：

以一定时间间隔一个组织帧一个穿刺针帧交替地采集以形成帧序列；

对所述帧序列进行空间复合；

输出空间复合后的图像帧。

对于组织帧而言，对相同解剖空间以若干规则角度采集若干个组织帧。

对于穿刺针帧而言，以比采集组织帧的所有规则角度都大的角度来采集。

所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均。

此外，所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值取最大值。

优选地，所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

将所取的一定数目的连续帧中的组织帧空间复合成一个新的组织帧；

把穿刺针帧和该新的组织帧中相同位置处的值按照随深度增加而增大的比例进行选取后求和，所述深度指超声探头扫查的深度。

其中，所述一定数目的连续帧可以包括若干个组织帧和若干个穿刺针帧。

另外，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和一个最新采集的穿刺针帧。

相应地，本发明穿刺针可视化装置的技术方案包括：

采集单元，用于以一定时间间隔一个组织帧一个穿刺针帧交替地采集以形成帧序列；

空间复合单元，用于对所述帧序列进行空间复合；

输出单元，用于输出空间复合后的图像帧。

所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均的单元。

另外，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于对所取数目的连续帧的相同位置处的值取最大值的单元。

优选地，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于将所取的一定数目的连续帧中的组织帧空间复合成一个新的组织帧的单元；

用于把穿刺针帧和该新的组织帧中相同位置处的值按照随深度增加而增大的比例进行选取后求和的单元，所述深度指超声探头扫查的深度。

其中，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和若干个穿刺针帧。

与现有技术相比，本发明穿刺针可视化方法和装置的有益效果为：

首先，由于本发明采取一个组织帧一个穿刺针帧地采集以形成帧序列，从而使得穿刺针帧与组织帧是均匀的间隔，因此达到了实时显示穿刺针的效果。

其次，本发明对穿刺针帧和该新的组织帧中相同位置处的值接照随深度增加而增大的比例进行选取的，这样在达到抑制噪声的同时，保证了组织图象的质量。

附图说明

为了对本公开内容更透彻的理解，下面参考结合附图所进行的下列描述，在附图中：

图1是现有技术穿刺针可视化方法的实施例的流程图；

图2是依据现有技术的一个实施例而得到的帧序列的示意图；

图3是依据本发明的穿刺针可视化方法的实施例的流程图；

图4是依据本发明的一个实施例而得到的帧序列的示意图；

图5是依据本发明的穿刺针可视化方法的一个实施例所采集的一个组织帧的示意图；

图6是依据本发明的穿刺针可视化方法的一个实施例所采集的一个穿刺针帧的示意图；

图7是依据本发明的穿刺针可视化方法的一个实施例的一个输出的图像帧的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，但本发明并不限于下述具体实施例。

为了清楚起见，如图1所示，先介绍一下现有技术的技术方案，其包括下述步骤：

1)以一定时间间隔若干组织帧一个穿刺针帧交替地采集以形成帧序列；

2)对该帧序列进行空间复合；

3)输出空间复合后的图像帧。

其中，若干数目一般可以采用三个，例如分别以0度、15度或者-15度进行扫描以得到组织帧，当然这仅是一个示例，还可以采用任何其它角度来进行扫描。

应当注意，也可以采用每采集4个组织帧、5个组织帧或者任何其它数目的组织帧而采集一个穿刺针帧。

如图2所示，在此例中，以三个规则角度0度、10度和-10度来对组织进行扫描，则得到组织帧(以角度来表示)：0，+10，-10，0，+10，-10，...0，+10，-10，...，其中0在此表示以0度进行扫描得到的组织帧；+10在此表示偏转10度进行扫描得到的组织帧；-10在此表示偏转-10度进行扫描得到的组织帧。对于穿刺针帧，在解剖空间中以与组织帧不同的角度，本例以+20度进行扫描得到的帧。

图2中的帧序列为F’(1)，F’(2)，F’(3)，F’(4)，F’(5)，...F’(i)，...。接着对每一定数目的帧进行空间复合。其中，一定数目可以取3，4，5等等任何数。如果一定数目为3，则对帧F’(1)，F’(2)和F’(3)进行空间复合，接着对F’(2)，F’(3)和F’(4)进行空间复合，再对帧F’(3)，F’(4)和F’(5)进行空间复合等等依次进行。若一定数目为4，则对帧F’(1)，F’(2)，F’(3)和F’(4)进行空间复合，接着对F’(2)，F’(3)，F’(4)和F’(5)，进行空间复合，再对帧F’(3)，F’(4)，F’(5)和F’(6)进行空间复合等等依次进行。复合后得到的图像帧输出给超声成像设备的显示器以显示给医生。

从图2还可以看出，该帧序列依次为未偏转的组织帧、右偏转的组织帧、左偏转的组织帧、大角度的穿刺针帧，等等。帧之间的时间间隔是相等的，即以一定时间间隔来采集帧，本例中为k毫秒。

再如图2所示，假定相邻的未偏转的组织帧和左偏转的组织帧之间的时间间隔为m；最近的未偏转的组织帧和穿刺针帧之间的时间间隔为n，最近的两个未偏转的组织帧之间的时间间隔为T。

则m＝2k，T＝4k和n＝3k。

因此，在不考虑偏转方向的情况下，帧频为1/k Hz；但是对于穿刺针帧来说，穿刺针帧频为1/n＝1/3k Hz，这导致了在超声图像中穿刺针的显示延迟。

如图3所示，在本发明的一个方面，本发明公开了一种穿刺针可视化方法，其包括：

10)以一定时间间隔一个组织帧一个穿刺针帧交替地采集以形成帧序列；

20)对所述帧序列进行空间复合；

30)输出空间复合后的图像帧。

从上述可知，本发明穿刺针可视化方法所形成的帧序列是一个组织帧序列，一个穿刺针帧，一个组织帧，一个穿刺针帧...。这样在不考虑偏转角度的情况下，两个最近的穿刺针帧之间的时间间隔与两个最近的组织帧之间的时间间隔是相等的，所以组织帧的帧频与穿刺针帧的帧频是相等的，从而消除了现有技术穿刺针可视化方法所存在的穿刺针帧延迟的问题。

其中，对于组织帧而言，对相同解剖空间以若干规则角度采集若干个组织帧，进行复合，以达到抑制图像噪声的目的。

其中，对于穿刺针帧而言，以比采集组织帧的所有规则角度都大的角度来采集。另外，所述大的角度优选与穿刺针的穿刺角度相近垂直，这样能得出穿刺针的高质量图像。

其中上述提及的角度均指在相同扫描方向上的角度。

例如，若在相同扫描方向上以3个规则角度对相同解剖空间(即，人体的同一个位置)进行扫描，例如可以以0度，+10度，-10度分别扫描得到组织帧。若以5个规则角度，例如可以以0度，+10度，-10度，+15度，-15度分别扫描得到组织帧。当然，以多少个规则角度以及以多少度的规则角度可以根据需要任意选择。

对于所述步骤20)进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均。

此外，在另一方面，所述步骤20)可以进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值取最大值。

此步骤20)的目的主要是为了去除噪声。对于空间复合而言，可以有多种已知方式。

为了防止最后得到的图像被过度增强，可以采用随深度变化而逐渐增强策略，所述深度指超声探头扫查的深度。步骤20)还可以采用下列步骤来实现：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

把穿刺针帧和该新的组织帧中相同位置处的值按照随深度增加而增大的比例进行选取后求和。

从上述可知，其是采用先将一定数目的连续帧中的组织帧空间复合成一个新的组织帧，然后对于穿刺针帧和组织帧而言，按比例来取它们相同位置处的像素点的值。例如，在深度为1-2cm时，采用3比7的比例，即取穿刺针帧的相同位置处的像素点的值的30％，取新的组织帧的相同位置处的像素点的值的70％，然后把穿刺针帧的值的30％与新的组织帧的值的70％进行相加求和。当然3比7的比例仅是一个示例，可以采用其它的比例。

其中，随深度增加而增大是指如果深度为3cm，那么，选取穿刺针帧和组织帧中相同位置处的值的比例要比深度为1-2cm的情况下的比例大，例如如果深度为2cm时此比例为3比7，则深度为3cm时此比例一定要大于3比7，例如可以为4比6等等。

另外，对于深度为5cm或者更深，则完全采用穿刺针帧的值而不考虑组织帧的值，即100％选取穿刺针帧的对应像素点的值。采用较低的增强。

另外，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和若干个穿刺针帧。对连续若干个组织帧和若干个穿刺针帧进行空间复合后得到的图像帧中的穿刺针常常不够清晰。因此也可以采用对若干个组织帧和一个最新采集的穿刺针帧进行空间复合，这样可以清晰地看到图像帧中的穿刺针。

下面以对神经执行介入手术为例，来详细描述本发明穿刺针可视化方法的技术方案。

如图4所示，其图示了依据本发明穿刺针可视化方法的一个实施例而得到的帧序列的示意图，在该例中，以3个规则角度0度，+10度，-10度分别扫描得到组织帧，对于穿刺针帧是以20度偏转角度进行扫描而得到的，采集两个帧之间的时间间隔为k，设初始采集时间为0。

在该图4中可以看出，帧序列为F(1)，F(2)，F(3)，F(4)，F(5)，...F(i)，...。其中，F(1)为在0时刻以0度采集的组织帧；F(2)为在k时刻以偏转20度采集的穿刺针帧；F(3)为在2k时刻以+10度采集的组织帧；F(4)为在3k时刻以偏转20度采集的穿刺针帧；F(5)为在3k时刻以-10度采集的组织帧；F(6)为在4k时刻以偏转20度采集的穿刺针帧；F(7)为在5k时刻以0度采集的组织帧；...。从此可以得知，从一个以0度采集的组织帧开始到下一个以0度的组织帧之间的时间间隔可以称为一个周期T，且在本例中T＝6k。

图5是所截取的一个在第一时刻以0度采集的组织帧的示意图，图6是一个在第二时刻以大角度扫查的穿刺针帧的示意图。由于穿刺针的穿刺角度较大，组织帧中没有穿刺针的信息，而对于穿刺针帧，由于扫查角度与穿刺针的穿刺角度相近垂直，所以在穿刺针帧中有较好的穿刺针针的图像质量。

接着，对该帧序列依次进行空间复合。可以采用对每连续6个帧进行空间复合，例如，对F(1)，F(2)，F(3)，F(4)，F(5)和F(6)进行空间复合；接着对F(2)，F(3)，F(4)，F(5)，F(6)和F(7)进行空间复合；等等。也就是说，每次空间复合的连续6个帧中有三个组织帧和三个穿刺针帧，但是对于三个穿刺针帧来说，是以同一偏转角度在不同时刻采集的，如果将它们复合在一起，会出现拖尾现象。因此，本例去掉两个先采集的穿刺针帧，只保留最新的穿刺针帧。这样，是对4个帧进行空间复合，例如以角度表示为：0，+10，-10，+20；+10，-10，+20，0；...；0，+10，-10，+20；...。也可以表示为：F(1)，F(3)，F(5)，F(6)；F(3)，F(5)，F(6)，F(7)；...。

本例中采用求平均的方式，也就是对F(1)，F(3)，F(5)，F(6)中的相同位置处的值求平均以得到一幅图像帧并输出，然后对F(3)，F(5)，F(6)，F(7)中的相同位置处的值求平均以得到另一幅图像帧并输出，等等依次进行。如图7所示，是所截取的一个经过空间复合后输出的图像帧的示意图，该图在不影响组织图像的同时强化了穿刺针在组织中的显示。

如下表1所示，该表列出了现有技术和采用本发明的测试数据。第一栏数据率是在超声系统前端扫查时数据更新的速率。第二栏是指后端在系统所实际处理的速率。第三栏和第四栏分别列出了在数据率相同的情况下，本发明技术和现有技术的测试数据。第五栏给出了本发明技术和现有技术的穿刺帧的刷新速率的比值，从数据分析可以看到，很发明技术的穿刺帧的刷新速率有了很大提高，在数据率是15，20帧/秒时，分别是现有技术的1.86，1.97倍；当数据率分别是20，25，30，36时，达到了现有技术的2倍。

表1

在发明的另一方面，公开了一种穿刺针可视化装置，用于超声成像设备，本发明穿刺针可视化装置包括：

空间复合单元，用于对所述帧序列进行空间复合；

输出单元，用于输出空间复合后的图像帧。

优选地，在一个方案，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均的单元。

优选地，在另一方案，所述空间复合单元可以包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

优选地，所述空间复合单元还可以进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

另外，所述一定数目的连续帧还可以是包括若干个组织帧和一个最新采集的穿刺针帧。

由于本发明穿刺针可视化装置的技术方案与本发明穿刺针可视化方法的技术方案相对应，因此在此不再对本发明穿刺针可视化装置的技术方案进行详细描述。

综上所述，本发明穿刺针可视化方法和装置采取一个组织帧一个穿刺针帧地采集以形成帧序列，从而使得穿刺针帧与组织帧是均匀的间隔，因此达到了实时显示穿刺针的效果。

另外，本发明对穿刺针帧和该新的组织帧中相同位置处的值按照随深度增加而增大的比例进行选取的，这样在达到抑制噪声的同时，保证了组织图象的质量。

虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。

Claims

1.一种穿刺针可视化方法，用于超声成像设备，其特征在于，包括步骤：

对所述帧序列进行空间复合；

输出空间复合后的图像帧。

2.如权利要求1所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，对于组织帧而言，对相同解剖空间以若干规则角度采集若干个组织帧。

3.如权利要求2所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，对于穿刺针帧而言，以比采集组织帧的所有规则角度都大的角度来采集。

4.如权利要求3所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均。

5.如权利要求3所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

对所取数目的连续帧的相同位置处的值取最大值。

6.如权利要求3所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，所述对所述帧序列进行空间复合进一步包括：

在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧；

7.如权利要求4至6任一项所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和若干个穿刺针帧。

8.如权利要求4至6任一项所述的穿刺针可视化方法，其特征在于，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和一个最新采集的穿刺针帧。

9.一种穿刺针可视化装置，用于超声成像设备，其特征在于，包括：

空间复合单元，用于对所述帧序列进行空间复合；

输出单元，用于输出空间复合后的图像帧。

10.如权利要求9所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，对于组织帧而言，对相同解剖空间以若干规则角度采集若干个组织帧。

11.如权利要求10所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，对于穿刺针帧而言，以比采集组织帧的所有规则角度都大的角度来采集。

12.如权利要求11所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于对所取数目的连续帧的相同位置处的值求平均的单元。

13.如权利要求11所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

用于对所取数目的连续帧的相同位置处的值取最大值的单元

14.如权利要求11所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，所述空间复合单元进一步包括：

用于在所述帧序列中依次取一定数目的连续帧的单元；

15.如权利要求12至14任一项所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和若干个穿刺针帧。

16.如权利要求12至14任一项所述的穿刺针可视化装置，其特征在于，所述一定数目的连续帧包括若干个组织帧和一个最新采集的穿刺针帧。