CN103028185B - 基于实时容积超声波的自动血管介入装置、系统、及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“基于实时容积超声波的自动血管介入装置、系统、及方法”。公开了一种基于实时容积超声波的自动血管介入装置(700)，其由探测器、耦合到探测器的控制装置、及耦合到控制装置的至少一个电机组成，其中控制装置基于实时容积超声波扫描的VOI图像确定至少一个控制参数，并基于上述参数来驱动电机的操作。另外，本发明还公开了相应的基于实时容积超声波的自动血管介入系统及方法。通过本发明公开的装置、系统、及方法，可使得针状物插入的路径更加准确和稳定，从而提高血管介入过程的成功率，并显著减少操作者的负担。

Description

基于实时容积超声波的自动血管介入装置、系统、及方法
技术领域
本发明一般涉及自动血管介入装置、系统、和方法，更具体地，涉及利用实时容积超声波实现的自动血管介入装置、系统、和方法。
背景技术
当前，新生儿学中的血管介入技术(例如，PIV、PAC、PICC等)一般通过手工操作的方式来完成。然而，这种基于手工操作的新生儿血管介入技术对于血管介入操作者而言是困难的，这是因为婴儿很小也很虚弱，因此观察到他们的血管并进行手工血管介入通常需要操作者具有足够的临床经验。另外，值得注意的是，这种困难对血管不很明显的一些成年人同样存在。
在1992年12月31日申请、1995年5月16日授权公告的美国专利第5,415,177号中，公开了一种引导线(guide wire)放置装置，该装置包括一自推动装置，该装置在操作者手动地将中空针头扎入血管后，可使处于针头空腔内的引导线自动进入到期望的血管内腔中。
在2004年12月10日申请、2005年8月18日公布的美国专利申请第11/009,699号(公开号US 2005/0182295A1)中，公开了在支气管镜检查过程中引导内诊镜到达肺内预定感兴趣区的视觉辅助引导装置，其中利用了诸如HRCT等的非侵入式成像技术。
在2008年5月7日申请、2010年8月19日公布的美国专利申请第12/598,053号(公开号US 2010/0210934A1)中，公开了使用引导线辅助放置静脉导管的方法和装置，其用于导管插入及血液收集领域中。
尽管上述专利或专利申请的教导为血管介入操作提供了一定的辅助特征和启示，但它们必须实际看到血管，并在自动推进引导线之前确保手动地将针头插入血管壁。这对于新生儿的血管介入仍是一个挑战。
发明内容
本发明的目标在于无需看到血管但准确地插入针状物，即，自动地(例如，全自动地或者半自动地)完成诸如PIV、PAC、及PICC的不同类型的血管介入过程
为了解决上述及其它问题，在通过任何公知的或新的血管选择方法确定合适的候选血管之后，本发明提供了基于实时容积超声波的自动血管介入装置、系统、及方法，以自动控制针状物插入候选血管，从而完成血管介入操作。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于实时容积超声波的自动血管介入装置，其包括：配置成以实时容积超声波扫描模式生成候选血管的VOI图像的探测器；耦合到探测器的控制装置，其包括至少一个处理模块，用于基于所述VOI图像确定至少一个控制参数；以及耦合到控制装置并用于实现自动血管介入的至少一个电机，其中，控制装置进一步包括与至少一个处理模块耦合的驱动模块，其配置成基于至少一个控制参数驱动至少一个电机的操作。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于实时容积超声波的自动血管介入系统，包括：超声波扫描模块，其配置成利用与其耦合的探测器以实时容积超声波扫描模式生成候选血管的VOI图像；耦合到超声波扫描模块的控制模块，其包括至少一个处理模块，用于基于VOI图像来确定至少一个控制参数；以及，耦合到控制模块的电机驱动模块，其配置成基于至少一个控制参数驱动用于实现自动血管介入的至少一个电机的操作。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种基于实时容积超声波的自动血管介入方法，包括：a)将探测器设置为实时容积超声波扫描模式；b)通过探测器生成候选血管的VOI图像；c)基于VOI图像确定至少一个控制参数；以及d)使用至少一个控制参数自动地控制所述血管介入。
由于上述技术方案以自动方式替代手工操作，因此血管介入过程可通过根据本发明的装置、系统、及方法在具有或甚至没有人工监测的情况下来完成。使用本发明的血管介入装置、系统、和方法可以使得针状物插入的路径更加准确和稳定，从而提高血管介入过程的成功率。换句话说，本发明的技术方案至少可能达到以下的技术效果：缩短血管介入的时间、降低被执行血管介入者可能经受的痛苦、以及减轻血管介入操作者的负担。
另外，由于根据本发明优选实施例的基于实时容积超声波的自动血管介入装置、系统、及方法支持以全自动方式实现血管介入，因此在医护人员紧缺的情况下特别有用，例如在出现灾害的情况下。
此外，根据本发明实施例的自动血管介入装置采用可买到的普通电机来实现，成本也较低。
附图说明
本发明的这些和其他特征、方面和优势在参照附图阅读下面详细描述时将被更好地理解。在附图中：
图1是设置实时体积扫描模式的示意图；
图2A示出了生成血管图像侧视图的示范过程；
图2B示出了生成血管图像俯视图的示范过程；
图3示出了根据本发明实施例的、通过血管位置计算用于血管介入的装置控制参数的示意图；
图4示出根据本发明实施例的、插入针状物后的血管图像示意图，其中血管介入过程已至少部分地基于图3中计算的参数进行了调整；
图5是根据本发明实施例的、通过实时血管介入图像实现半自动血管介入的半自动血管介入装置的示意图；
图6是根据本发明实施例的、通过实时血管介入图像实现全自动血管介入的全自动血管介入系统的功能框图；以及
图7是根据本发明实施例的、全自动血管介入装置的示意图。
具体实施方式
本文中提到的术语“血管介入”包括但不限于静脉注射、动脉注射、以及将物质或装置放置到血管内的任何过程。另外，本文中提到的术语“自动”包括“全自动”(即，几乎不存在人工干预)和“半自动”(即，存在一定的人工干预)。即，在本文中单独使用“自动”表示在血管介入过程中可能存在一定程度人工操作，也可能不存在人工操作。此外，本文中提到的“针状物”包括但不限于用于注射用针头、带有导管等装置的中空针管、以及用于实现血管接入的任何可穿透人体组织的任何合适物体。
首先参见图1，其中描述了如何进行实时体积扫描。在图1的右侧示出了示意性探测器10和使用探测器10以超声波扫描中的CF(彩色血流)模式和B模式进行实时体积扫描的示意性结果。具体来说，在每一个选定时刻都通过探测器10以B模式或CF模式对目标(例如，婴儿手臂中的血管13)进行实时体积扫描，其中探测器10的扫描方向优选地与血管13的长轴方向基本平行。在一个优选实施例中，在探测器10的扫描范围中间的绝大多数部分中以B模式执行扫描，其结果是一组灰度图像，用于显示血管和/或针状物(将在下文中更详细地描述)的图像；除此以外，仅在探测器10的最大扫描角度附近以CF模式(CFM)执行扫描，所得的彩色图像可用来显示血管中血流的信息(例如，蓝色意味着远离探测器流动，红色则意味着朝向探测器流动)，进而可确定血管的种类(例如，动脉、静脉等)。
在图1的左侧，示出了根据本发明一个优选实施例的2维(2D)CFM平面图像11，该平面图像通过将使用图1中的探头10在平面14的位置截取CF模式下实时体积扫描的图像而形成，这将在下文结合图2A-图2B进行更详细地说明。由于在投影11的中间显示的血管13是有颜色的(例如，红色或蓝色)，因此，可基于此颜色来辨别血管的类型。通过平面投影11分析计算确定了血管13的位置和厚度，就可以定义感兴趣区(VOI)。只有在VOI之内的扫描数据才是有意义的。优选地，只对VOI之内的数据进行存储和显示。
接下来，结合图2A-图2B，简要说明如何将包含血管图像的VOI投影成为2D平面投影。在图2A中，示出了从确定VOI向左侧投影形成血管侧视图的过程，其中使用了侧方向的最小强度投影；在图2B中，示出了从确定VOI自上向下投影形成血管俯视图的过程，其中使用了自上向下的最小强度投影。
上面的描述以实时容积超声波扫描的B模式和CF模式为例，说明了利用探测器获得期望的血管的俯视图图像和侧视图图像的示例性过程。但本领域技术人员将意识到，上面的描述只是示例性地，扫描的模式选择、血管类型的确定、以及具体投影的方式等均可以在本发明的范围内做出合适的改进和变更。
图3示出了根据本发明一个实施例的、分别基于显示血管位置的血管侧视图和血管俯视图，来计算用于血管介入的装置控制参数的示意图。在图3的各视图中，粗虚线30表示在进行血管介入时的针状物引导线，即针状物或针头(在图4中示出)将沿引导线30插入血管，而血管上的同心圆表示针状物插入的参考位置。具体地，图3的左侧视图(血管侧视图)示出了如何确定与针状物相关联的参数——针状物插入角度31和针状物插入距离32；图3的右侧视图(血管俯视图)示出了如何确定与探测器相关联的参数——探测器平移位移33和探测器旋转角34。如图所示选择了探测器旋转角34，以控制探测器(例如，探测器10)，从而使得其输出的实时容积超声波图像中的血管与引导线30平行；而所选择的探测器平移位移33确保：在按照平移位移33移动后的探测器输出的血管图像中，引导线30处于血管的中间。另一方面，如图所示选择了针状物插入角度31，以控制针状物旋转(在图4中示出)，从而达到所需的插入角度；而针状物插入距离32则控制了针状物的移动，从而使其达到所需的插入距离。本领域技术人员可以意识到的是，图3中选择的与针状物相关联的参数和与探测器相关联的参数只是示例性质的，可以根据实际需要选择更多、更少或变化的与针状物相关联的参数和/或与探测器相关联的参数，只要这些参数的结合或单独使用足以将相应的探测器/针状物控制到所需的位置即可。例如，当探测器一端固定在需探测的目标(例如，婴儿的手臂)的正上方时，可仅选择探测器摆动角度作为探测器的控制参数。
图4分别示出根据本发明实施例的、插入针状物后的血管侧视图和血管俯视图。在图4右侧的示图(俯视图)可见，由于探测器已基于例如图3中计算的与探测器相关联的参数进行了调整，因此在由探测器输出的2D血管俯视图中，引导线30(以及沿引导线30插入的针状物)处于血管的中间位置。同时，图4左侧的示图(侧视图)则更清楚地显示了沿引导线正插入的针状物和血管的相对位置关系。在实际操作中，优选地同时显示和/或存储含有针状物的血管俯视图和血管侧视图。
以上结合图3-4，描述了基于实时容积超声波的自动血管介入过程，其基于VOI图像中的控制参数来调整探头和针状物的位置，以达到正确血管介入的目的。下面将结合图5-7描述自动血管介入系统和装置的一些示例。
图5是根据本发明实施例的、通过实时血管介入图像实现半自动血管介入的半自动血管介入装置的示意图。图5上方分别示出了采用探测器51输出的血管扫描图像的侧视图(左侧)和俯视图(右侧)，其中针状物沿着预定的引导线朝向血管插入；图5下方分别示出了放置在支架53上的探测器51和针状物52的侧视图(左侧)和俯视图(右侧)。
在本发明的一个优选实施例中，可使用图5中的半自动血管介入装置进行血管接入的半自动操作。具体地，操作者首先根据实时血管俯视图调整(例如，旋转、平移)探测器51的位置，以确保在由调整完毕的探测器51输出的实时血管俯视图中，引导线30位于血管中央，如图5右上方的示图中所示。然后，操作者根据由探测器51输出的实时血管侧视图调整和插入针状物52，以确保针状物沿引导线30插入到位。图5的左上方示图示出了针状物沿引导线30插入一段距离的示意图，并且其中示出的圆点54表示针状物最终插入血管的位置。
以上结合图5的装置，描述了如何在操作者的干预下完成半自动血管介入的过程。本领域技术人员可以理解的是，上文描述的介入方式只是示意性的，可根据需要适当调整、增加、删除若干介入步骤。例如，可基于探测器平移位移33和探测器旋转角34(见图3)来使用例如步进电机(未示出)的定位装置控制探测器51的位置，从而省略了操作者根据实时血管俯视图调整探测器51的位置的步骤，以获得更快速和准确的探测器定位效果。在此情况下，也可以不对外显示实时血管俯视图。进一步地，可将实现上述功能的可执行代码(例如，计算机程序)及实时血管俯视图存储在存储器(未示出)中，并将存储器与用于控制定位装置的任何合适的控制系统耦合。在需要时，控制系统利用存储器中的可执行代码并使用存储的实时血管俯视图数据，计算得到探测器平移位移33和探测器旋转角34，并基于它们调整探测器到位。存储器非限定地包括ROM存储器、RAM存储器等。类似的其它变化对本领域技术人员是容易想到的。
与图5相对，图6是根据本发明实施例的、通过实时血管介入图像实现全自动血管介入的全自动血管介入系统的功能框图600。在图6示出的功能框图中，包括配备有4D探测器601、用于生成实时超声波扫描图像的主机602，其通过诸如USB总线603的链接耦合到自动血管介入系统604，并向自动血管介入系统604传送实时超声波扫描图像。具体地，自动血管介入系统604的控制模块605通过接口装置(未示出)接收来自USB总线603的实时超声波扫描图像，并通过控制模块605的处理模块(未示出，包括但不限于DSP、MCU、CPU等)对其中的超声波扫描图像进行计算，以获得与针状物相关联的参数和与探测器相关联的参数(统称为控制参数)。本领域技术人员可以理解的是，通过接口装置的接收还可以包括对实时超声波扫描图像进行信号处理，例如进行模数转换、滤波等，以获得适于控制模块605识别并继续处理的数据。根据本发明的另一个优选实施例，可仅通过USB总线603传输VOI的，以节省传输带宽。
根据本发明的再一个优选实施例，控制模块605可进一步包括选择模块，用于根据用户输入的指示(例如，通过与控制模块605耦合的输入装置(未示出)输入)来对超声波模块602进行配置，以使超声波模块在B模式和/或CF模式下执行实施容积超声波扫描。另外，上述控制参数的具体类型、计算方式等已结合图3进行了详细描述，在此省略。
在控制模块605中的处理模块计算得到相应的控制参数之后，耦合到控制模块605的电机驱动模块(例如，步进电机驱动模块606)基于上述控制参数来控制相应的电机，从而控制探测器601和针状物(未示出)的空间位置和插入深度等。步进电机驱动模块606优选地集成在自动血管介入系统604之内，但也可以是分离的装置。在本发明的一个优选实施例中，步进电机驱动模块606驱动四个步进电机，以分别控制探测器的旋转607、探测器的平移608、针状物的旋转609、以及针状物的插入610。
图7示意性地根据本发明实施例的全自动血管介入装置700。全自动血管介入装置700包括：探测器703，其配置成以实时容积超声波扫描模式生成候选血管的实时超声波扫描图像(优选是VOI图像)；与探测器703耦合的控制装置(未示出)，其中包含多个处理模块，用于根据实时超声波扫描图像确定用于全自动血管介入的多个控制参数；以及，与控制装置耦合的多个电机，它们在控制装置的控制下具体执行全自动血管介入。
在结合图7描述的一个优选实施例中，处理模块和电机的数量都是4个，并且一一对应。4个处理模块分别用于计算4个控制参数，即，探测器旋转角、探测器平移偏移、针状物插入角度、以及针状物插入距离。具体地，该四个处理模块分别耦合并控制相应的电机：计算探测器旋转角的处理模块耦合并控制用于控制所述探测器的旋转的探测器旋转电机702；计算探测器平移偏移的处理模块耦合并控制用于控制所述探测器的平移的探测器平移电机701；计算针状物插入角度的处理模块耦合并控制用于控制所述针状物的旋转的针状物旋转电机706；以及计算针状物插入距离的处理模块耦合并控制用于控制所述针状物的插入的针状物插入电机708。
下面结合图7中示出的全自动血管介入装置700的示意图，来描述根据本发明一个实施例的全自动血管介入过程的一个具体实现：首先，使用与探测器相关联的参数(计算方式结合图3进行了描述，优选地通过例如上文所述的4个处理模块分别计算)控制探测器平移电机701和探测器旋转电机702的操作，使得4D探测器703相对放置在手臂托架705上得婴儿手臂704定位，定位的具体要求例如结合图3-4描述的那样；然后，根据成功定位后的4D探测器703输出的实时容积超声波图像，控制装置(未示出)得到与针状物相关联的参数(例如，包括针状物插入角度31和针状物插入距离32)；接着，如在右侧放大视图中示出的，以针状物插入角度31控制针状物旋转电机706，使针状物707旋转到与针状物引导线重合；最后，以针状物插入距离32，控制针状物插入电机708，使针状物707最终能够插入到位。
本领域技术人员将理解，上述及其它自动血管介入过程可以控制装置可识别和处理的可执行代码的形式(例如，计算机程序)预先存储在与控制装置耦合的存储器(未示出)中，以在需要时通过控制装置调用存储器中的可执行代码来实现自动血管介入过程。存储器非限定地包括ROM存储器、RAM存储器等。
图7中全自动血管介入装置700可由含金属的材料制成，或者基本由塑料制成。根据本发明的一个优选实施例，用于旋转的电机(即，探测器旋转电机702和针状物旋转电机706)是200步/转的步进电机，以获得小于约2°的控制精度；用于平移和插入的电机(即，探测器平移电机701和针状物插入电机708)是50步/转的步进电机，以获得小于约0.2mm的控制精度。应该理解，上述材料和电机的选择只是示例性的，并且电机也并不一定限于步进电机。本领域技术人员可根据需要对全自动血管介入装置700做出多种改变，而并不超出本发明的精神和范围。
另外，根据本发明的进一步的实施例，也可以对全自动血管介入装置700进行修改，以形成半自动血管介入装置700’(未示出)。例如，可在全自动血管介入装置700的基础上移除探测器平移电机701和探测器旋转电机702，添加用于显示血管实时俯视图的显示器(未示出)，从而使得操作者可以根据该显示器的显示将探测器703相对于婴儿手臂704调整到位。类似地，可在全自动血管介入装置700的基础上移除针状物旋转电机706和针状物插入电机708，添加用于显示血管实时侧视图的显示器(未示出)，从而使得操作者可以根据该显示器的显示将针状物707正确插入婴儿手臂704中的候选血管中。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求来定义，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言无差别的结构要素，或如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质不同的等同结构要素，则它们规定为在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种基于实时容积超声波的自动血管介入装置(700)，包括：
探测器(703)，其配置成以实时容积超声波扫描模式生成候选血管的VOI图像；
耦合到所述探测器(703)的控制装置，其包括至少一个处理模块，所述至少一个处理模块基于所述VOI图像来确定至少一个控制参数，所述至少一个控制参数包括：与探测器相关联的参数和与针状物相关联的参数，所述与探测器相关联的参数包括探测器旋转角和探测器平移偏移，所述与针状物相关联的参数包括针状物插入角度和针状物插入距离；
以及
耦合到所述控制装置并用于实现自动血管介入的至少一个电机(701、702、706、708)，
其中，所述控制装置进一步包括与所述至少一个处理模块耦合的驱动模块，其配置成基于所述至少一个控制参数驱动所述至少一个电机(701、702、706、708)的操作；
所述VOI图像包括所述候选血管的感兴趣区的侧视图和俯视图，并且所述侧视图和俯视图通过最小强度投影方式获得；
所述处理模块用于根据所述候选血管的感兴趣区的侧视图确定所述与针状物相关联的参数，并根据所述候选血管的感兴趣区的俯视图确定所述与探测器相关联的参数。
2.如权利要求1所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，所述至少一个电机(701、702、706、708)用于完成以下动作的至少之一：控制所述探测器的平移、控制所述探测器的旋转、控制针状物的旋转、以及控制所述针状物的插入。
3.如权利要求1或2所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，所述实时容积超声波扫描模式包括B模式和CF模式中的至少一个，以及，所述控制装置进一步包括选择模块，其根据用户需求来将所述探测器(703)配置到相应的实时容积超声波扫描模式。
4.如权利要求3所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，所述控制装置进一步包括判断模块，其基于血液流动方向来确定所述候选血管。
5.如权利要求4所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，所述候选血管是动脉或静脉之一。
6.如权利要求1所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，
所述至少一个电机包括：用于控制所述探测器的平移的探测器平移电机(701)和用于控制所述探测器的旋转的探测器旋转电机(702)，
其中，在使用所述探测器平移电机(701)和所述探测器旋转电机(702)使所述探测器平移和旋转到位后，通过平移和旋转到位的所述探测器计算所述与针状物相关联的参数。
7.如权利要求6所述的自动血管介入装置(700)，其特征在于，
所述至少一个电机进一步包括：用于控制所述针状物的旋转的针状物旋转电机(706)和用于控制所述针状物的插入的针状物插入电机(708)，
在使用所述探测器平移电机(701)和所述探测器旋转电机(702)使所述探测器平移和旋转到位后，基于所述与针状物相关联的参数来控制所述针状物旋转电机(706)和所述针状物插入电机(708)的操作。
8.一种基于实时容积超声波的自动血管介入系统(600)，包括：
超声波扫描模块(602)，其配置成利用与其耦合的探测器(601)以实时容积超声波扫描模式生成候选血管的VOI图像；
耦合到所述超声波扫描模块(602)的控制模块(605)，其包括至少一个处理模块，所述至少一个处理模块基于所述VOI图像来确定至少一个控制参数，所述至少一个控制参数包括：与探测器相关联的参数和与针状物相关联的参数，所述与探测器相关联的参数包括探测器旋转角和探测器平移偏移，所述与针状物相关联的参数包括针状物插入角度和针状物插入距离；以及
耦合到所述控制模块(605)的电机驱动模块(606)，其配置成基于所述至少一个控制参数驱动用于实现自动血管介入的至少一个电机(607-610)的操作；
其中，所述VOI图像包括所述候选血管的感兴趣区的侧视图和俯视图，并且所述侧视图和俯视图通过最小强度投影方式获得；
所述处理模块用于根据所述候选血管的感兴趣区的侧视图确定所述与针状物相关联的参数，并根据所述候选血管的感兴趣区的俯视图确定所述与探测器相关联的参数。
9.如权利要求8所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，所述至少一个电机(607-610)用于完成以下动作的至少之一：控制所述探测器(601)的平移、控制所述探测器(601)的旋转、控制针状物的旋转、以及控制所述针状物的插入。
10.如权利要求8或9所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，所述实时容积超声波扫描模式包括B模式和CF模式中的至少一个，以及，所述控制模块(605)进一步包括选择模块，其根据用户需求来将所述超声波扫描模块(602)配置到相应的实时容积超声波扫描模式。
11.如权利要求10所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，所述控制模块(605)进一步包括判断模块，其基于血液流动方向来确定所述候选血管。
12.如权利要求11所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，所述候选血管是动脉或静脉之一。
13.如权利要求8所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，
所述至少一个电机包括：用于控制所述探测器的平移的探测器平移电机(608)和用于控制所述探测器的旋转的探测器旋转电机(607)，
其中，在使用所述探测器平移电机(608)和所述探测器旋转电机(607)使所述探测器平移和旋转到位后，通过平移和旋转到位的所述探测器计算所述与针状物相关联的参数。
14.如权利要求13所述的自动血管介入系统(600)，其特征在于，
所述至少一个电机进一步包括：用于控制所述针状物的旋转的针状物旋转电机(609)和用于控制所述针状物的插入的针状物插入电机(610)，
在使用所述探测器平移电机(608)和所述探测器旋转电机(607)使所述探测器平移和旋转到位后，基于所述与针状物相关联的参数来控制所述针状物旋转电机(609)和所述针状物插入电机(610)的操作。
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