CN105120760B - 用于通过应力测量在成像期间测量超声探头上的力和扭矩的系统 - Google Patents
用于通过应力测量在成像期间测量超声探头上的力和扭矩的系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种超声系统采用超声探头(31)、应力传感器(33)以及工作站(20)。所述超声探头(31)包括用于采集解剖区域的超声图像(40)的超声换能器。所述应力传感器(33)被布置在超声探头(31)上，以在超声换能器采集解剖区域的超声图像(40)时测量由解剖区域施加于超声探头(31)的纵向应力。所述应力传感器(33)环绕超声探头(31)的纵向轴，并且相对于超声探头(31)的纵向轴与超声换能器间隔开。所述工作站(20)根据由超声换能器采集的超声图像(40)来重建超声体积(41)，并且响应于由应力传感器(33)测得的纵向应力而在超声换能器采集解剖区域的超声图像(40)时确定由解剖区域施加于超声探头(31)的轴向力和/或弯曲力。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于医学流程(尤其是用于前列腺活检和近距离治疗流程)的徒手超声成像。本发明具体涉及对通过超声探头而被施加于解剖目标(尤其是前列腺)的一致力(consistent force)的监测和控制。
背景技术
参考图1，在超声引导的活检和治疗流程(例如，前列腺活检和近距离治疗)的大部分期间，来自感兴趣解剖结构的全部扫掠被采集以重建解剖结构的三维(“3D”)体积41。具体地，超声成像通常经由被附接到超声探头31的手柄32以徒手的方式来执行，所述超声探头31具有(一个或多个)二维(“2D”)超声换能器(未示出)。电磁位置传感器或光学位置传感器(未示出)被附接到超声探头31，并且2D B-扫描的集合40连同其在电磁跟踪器框架或光学跟踪器框架28的参考坐标系中的相对坐标一起被采集。所述2D图像的集合40被重建成规则的3D体积41以用于可视化、引导和分析。
在徒手成像期间，操作者将超声探头31按压在患者10的皮肤或内部组织的表面上，同时调节超声探头31的位置和取向，以找到期望的图像平面。在该处理中，超声探头31与患者10的皮肤或组织之间的接触力使下层组织变形。例如，在前列腺的经直肠超声(“TRUS”)成像中，超声探头31将会被推在直肠壁上，这引起前列腺的显著变形。变形的量与所施加的力的量以及组织构成相关。
重建的图像体积41可以用于不同的应用，例如，解剖结构分割25和多模态图像融合与配准26。然而，来自徒手超声探头31的体积重建24易于发生由超声探头压力诱发的伪影。具体地，要求超声探头31的(一个或多个)2D超声换能器与感兴趣体积的表面紧密接触，以避免在采集的图像中引起阴影伪影的空气间隙。在3D扫掠期间，正被扫描的组织暴露在可变量的力下，并且每幅采集的2D图像40在不同的探头压力下被从组织捕捉。因此，在图像采集期间由操作者施加于组织的压力的量可以显著地影响在徒手方式的数据采集23期间采集的图像40的质量。作为结果，线性切片运动和非线性组织变形累积，并且针对3D体积41产生混淆的图像伪影。
此外，由变化的接触力引起的组织几何形状的变化是超声图像40难于重复产生的原因。即使对患者10的相同区域执行成像，但是归因于力(探头压力)和/或组织的生物力学属性的改变，组织变形的量无疑也将是不同的。
在自动图像分割25(例如，前列腺分割)的背景中，体积重建24中的这样的变形和失真的影响是相当显著的。此外，图像分割中的误差将会转化成配准26中的误差(例如，对超声图像的磁共振成像)，并且因此将影响活检和近距离治疗准确性。
发明内容
本发明提供了一种用于对通过超声探头31而被施加于患者10的感兴趣解剖结构的一致力的监测和控制的力/扭矩管理27。
本发明的一种形式是采用超声探头和应力传感器的医学仪器。所述超声探头包括用于采集解剖区域的超声图像的超声换能器。所述应力传感器被布置在所述超声探头上，以在所述超声换能器采集所述解剖区域的图像时测量由所述解剖区域施加在所述超声探头上的纵向应力。所述应力传感器环绕所述超声探头的纵向轴，并且相对于所述超声探头的所述纵向轴与所述超声换能器间隔开。
本发明的第二形式是采用前述的医学仪器和工作站的超声系统，所述工作站能用于根据由(一个或多个)所述超声换能器采集的所述超声图像来重建超声体积，并且响应于由所述应力传感器测得的所述纵向应力而在所述超声换能器采集所述解剖区域的超声图像时确定由所述解剖区域施加于所述超声探头的轴向力和/或弯曲力。
根据结合附图阅读的本发明的各种实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将将变得更加明显。详细描述和附图仅仅图示了本发明而非进行限制，本发明的范围由权利要求及其等同物来定义。
附图说明
图1图示了根据本发明的超声系统的示范性实施例。
图2A图示了根据本发明的超声探头的示范性实施例。
图2B图示了如图2所示的超声探头的横截面视图。
图3A图示了在对解剖目标的扫描期间由在图2A中示出的超声探头生成的示范性力。
图3B图示了如图3A所示的超声探头的横截面视图。
图4图示了表示根据本发明的扫描方法的示范性实施例的流程图。
图5图示了表示根据本发明的校准方法的示范性实施例的流程图。
图6A和图6B图示了根据本发明的示范性校准曲线图。
具体实施方式
参考图1，超声系统采用工作站20，所述工作站20具有计算机21、监视器22和输入设备(未示出)、一包软件/固件模块23-27以及参考跟踪器28。为了本发明的目的，计算机21在本文中被广泛地定义为被配置具有用于处理2D超声图像40以支持医学流程(例如，前列腺活检和近距离治疗流程)的硬件/电路(例如，(一个或多个)处理器、存储器等)的任何计算机结构。为此目的，模块23-27被编程并且被安装在计算机21上，以在对医学流程的支持中提供各种功能。
首先，图像采集模块23涵盖用于经由被附接到超声探头31的一个或多个传感器/标记器接收并存储来自超声探头31的2D超声图像40的数据集的(一个或多个)已知方法，其中2D超声图像40的每次存储包括该图像在(例如，电磁或光学)跟踪器28的参考坐标系之内的位置。
其次，体积重建模块24涵盖用于根据2D超声图像40的相对位置来生成3D体积41的(一个或多个)已知方法。
第三，图像分割模块25涵盖用于在重建之前划分2D超声图像40或用于根据视觉属性(例如，灰度级、纹理或颜色)将3D体积41划分成不相交的节段的集合以支持对3D体积41的更加容易的分析的(一个或多个)已知方法。
第四，图像配准模块26涵盖用于将2D超声图像40的数据集和另一成像模态(例如，磁共振成像或计算机断层摄影)的数据集变换到一个坐标系中的(一个或多个)已知方法。
第五，应力测量模块27涵盖用于确定在由解剖区域(例如，前列腺)的超声探头31的扫描期间由患者10的解剖区域施加在超声探头31上的轴向力和弯曲力的本发明的(一个或多个)方法。为此目的，计算机21接收在由解剖区域的超声探头31的扫描期间由患者10的解剖区域施加在超声探头31上的纵向应力的、由应力传感器33进行的测量结果，并且模块27处理应力测量结果以确定轴向力和弯曲力。
为了本发明的目的，应力传感器33在本文中被广泛地定义为在结构上被配置用于测量由目标施加在仪器上的纵向应力(尤其用于测量在超声扫描期间由解剖区域施加于超声探头31的纵向应力)的任何传感器。而且为了本发明的目的，纵向应力在本文中被广泛地定义为平行于超声探头31的纵向轴或具有平行于超声探头31的纵向轴的分量的任何应力。
在实践中，应力传感器33可以以促进在超声扫描期间测量由解剖区域施加于超声探头31的纵向应力的方式被布置在超声探头31上。例如，应力传感器33可以在应力传感器33的近端处或邻近应力传感器33的近端被粘附到超声探头31或与超声探头31集成在一起。通过另外的范例，应力传感器33可以被安装在紧密地位于超声探头31的近端处或邻近超声探头31的近端的一次性壳体上。
而且在实践中，应力传感器33可以采用一个(1)或多个任何来类型(例如，单轴、三轴、平面等)的应力计SG，所述应力计SG以有益于在超声扫描期间由患者10的解剖区域施加在超声探头31上的纵向应力的实际测量的方式被布置在超声探头31上。例如，(一个或多个)应力计可以被纵向地布置在超声探头31的近端处或邻近超声探头31的近端，尤其是以用于采用多个应力计中的两个(2)的网格型式。额外地，应力传感器33可以采用一个(1)或多个虚设的应力计以用于对归因于温度变化的应力补偿。
以下是对由模块27所利用的应力传感器33的示范性实施例的描述，所述描述之后跟随有对由模块27实施的本发明的扫描方法和校准方法的示范性实施例的描述。
图2A示出了采用超声探头31和被附接到超声探头31的近端的手柄32的医学仪器30。超声探头31采用用于对患者10的解剖区域进行超声成像的超声换能器(未示出)。所述超声换能器被布置在超声探头31的远端处，取决于超声换能器相对于超声探头31的远端的取向，所述超声换能器通常在虚线圆圈35之内。
应力传感器33的实施例33a采用四个(4)应力计SG，所述四个(4)应力计SG以网格型式被布置在超声探头31上，如图2B所示，所述四个(4)应力计SG围绕超声探头31的外围以相距彼此的相等距离进行布置。应力计SG可以包括最大化金属丝的量的金属箔或遭受在纵向轴34的平行方向上的应力的箔。
在实践中，为了测量电阻的微小变化，应力计SG可以被使用在具有电压激励源(未示出)的桥构造中。桥构造的范例包括但不限于四分之一桥构造、半桥构造以及全桥构造。
额外地，如图1所示，鉴于输出电压相对较小，信号调节器36可以被采用。在一个实施例中，信号调节器36可以包括放大器来提升信号水平，以增加测量分辨率并改进信噪比。此外，应力计SG可以被定位在电噪声环境中。因此，信号调节器36也可以包括低通滤波器，以去除在大多数环境设定下普遍存在的高频噪声。
来自应力计SG或备选地信号调节器36的(一个或多个)输出信号被模块27用于确定轴向力和弯曲力，并且用于将轴向力和弯曲力的视觉表示显示在监视器22上(例如，叠加在体积41的数字和/或颜色编码的力映射)。在实践中，来自应力计SG的(一个或多个)输出信号可以通过任何已知的技术被传达给信号调节器36和/或计算机22，并且可以被进一步传达给计算机21或用于存储和显示的额外的远程设备。
图3A促进了对在超声扫描期间由超声探头31的解剖区域所施加的轴向力和弯曲力的理解。
具体地，参考图3A，在超声探头31的远侧尖端处施加于组织50(例如，前列腺)的探头力Fp具有与从组织50到超声探头31的反作用力Fr相同的幅值，但是具有与其相反的方向。为了本发明的目的，反作用力Fr被分解成两个(2)分量：轴向力Fx和弯曲力Fy。
还参考图3B，假设在点SGI、SG2、SG3和SG4处测得的应力分别为ε1、ε2、ε3和ε4，轴向力Fx和弯曲力Fy可以根据以下公式[1]和[2]来进行计算：
其中，是归因于轴向力Fx的应力，E是超声探头31的弹性模量，A是超声探头31的横截面面积，I是超声探头31的面矩，rε是超声探头31的外半径，并且l是从每个应力计SG的中心到超声探头31的远侧尖端的距离。在实践中，纵向应力测量结果是作为每个应力计SG或信号调节器36(图1)的输出的电压，所述电压与每个应力计SG的应力和位置线性有关：εi＝ksvi。
公式[1]和[2]不依赖于超声探头31围绕其纵向轴34的旋转角度，这是因为它计算总弯曲力。然而，如果弯曲力方向与应力计SG1的轴之间的角度是θa，则如图3B所示，该角度可以根据以下公式[3]来进行计算：
该角度可以用来找到弯曲力Fy在超声探头31的横截面平面上的方向。
图4图示了表示本发明的扫描方法的流程图60。流程图60的阶段S61涵盖如本文中先前结合图2和图3所描述的由应力传感器33(图1)的纵向应力测量，并且流程图60的阶段S62涵盖由轴向力Fx和弯曲力Fy的模块27(图1)根据公式[1]和[2]的计算进行的确定。结果得到的计算结果可以被显示在监视器22上(例如，叠加在3D体积41的数字和/或颜色编码的力映射)。额外地，模块27还可以计算弯曲力角度θa。
图5图示了表示本发明的校准方法的流程图70。流程图70的阶段S71涵盖如本文中先前结合图2和图3所描述的由应力传感器33(图1)进行的应力测量，并且流程图70的阶段S72涵盖由应力系数ks的模块27进行的计算。针对阶段S72，轴向力公式[1]中的系数AE和弯曲力公式[2]中的系数被确定。针对校准流程，仅要求知道每个应力计针对已知轴向力和弯曲力的输出电压。由于测得的电压与应力线性有关，因此我们可以通过添加如在各自的曲线图80(图6A)和81(图6B)中所示出的额外的系数ks来使与系数与测得的电压有关。
参考图1-6B，本领域技术人员将会认识到本发明的许多益处，包括但不限于(1)由在对解剖结构的超声探头扫掠期间由操作者运用的不可控的可变力引起的运动伪影和图像失真的减少，(2)超声图像的自动分割和模态间/内图像配准的改进，(3)通过监测和控制通过超声探头所施加的力和扭矩的跨过多个时期的一致的重新扫描，(4)通过对运用的手力提供实况反馈以能够获悉要在超声扫描期间施加的足够量的力和扭矩而用于放射科受训者的训练工具，(5)对组织在超声扫描下的生物力学属性的估计，以准确地构建组织的有限元模型(FEM)，所述组织的有限元模型(FEM)可以用于组织变形、图像配准、组织分割等的实时跟踪，以及(6)对组织的弹性的估计，以用于计算软组织的硬度或应力图像，并且检测已知相比于健康组织具有更高硬度的癌变区域。
在实践中，计算机21(图1)可以提供用于在超声扫描期间选择性地启用或禁用模块27的输入机构。
尽管已经图示并描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员应当理解，本文中所描述的本发明的实施例是图示性的，并且可以做出各种改变和修改，并且在不脱离本发明的真实范围的情况下可以用等同物来替代其元件。另外，可以做出许多修改，以在不脱离其中心范围的情况下调整本发明的教导。因此，本发明旨在不限于被公开为预期用于执行本发明的最佳模式的具体实施例，而且本发明包括落在权利要求的范围之内的所有实施例。
Claims (15)
1.一种医学仪器，包括：
超声探头(31)，其包括用于采集解剖区域的图像(40)的超声换能器；以及
应力传感器(33)，其被布置在所述超声探头(31)上，以在所述超声换能器采集所述解剖区域的超声图像(40)时测量由所述解剖区域施加于所述超声探头(31)的纵向应力，
其中，应力传感器(33)环绕所述超声探头(31)的纵向轴，并且相对于所述超声探头(31)的所述纵向轴与所述超声换能器间隔开。
2.根据权利要求1所述的医学仪器，其中，所述应力传感器(33)包括被布置在所述超声探头(31)上的至少一个应力计(SG)。
3.根据权利要求1所述的医学仪器，其中，所述应力传感器(33)包括以网格型式被布置在所述超声探头(31)上的多个应力计(SG)。
4.根据权利要求3所述的医学仪器，其中，所述多个应力计(SG)在所述网格型式之内被相等地间隔开。
5.根据权利要求1所述的医学仪器，其中，所述应力传感器(33)被布置为邻近所述超声探头(31)的近端，并且所述超声换能器被定位在所述超声探头(31)的远端处。
6.根据权利要求1所述的医学仪器，其中，在所述超声换能器采集所述解剖区域的超声图像(40)时，由所述应力传感器(33)测得的所述纵向应力促进对由所述解剖区域施加于所述超声探头(31)的轴向力和弯曲力中的至少一个的确定。
7.一种超声系统，包括：
超声探头(31)，其包括用于采集解剖区域的图像(40)的超声换能器；以及
应力传感器(33)，其被布置在所述超声探头(31)上，以在所述超声换能器采集所述解剖区域的超声图像(40)时测量由所述解剖区域施加于所述超声探头(31)的纵向应力，
其中，所述应力传感器(33)环绕所述超声探头(31)的纵向轴，并且相对于所述超声探头(31)的所述纵向轴与所述超声换能器间隔开；以及
工作站(20)，其能用于根据由所述超声换能器采集的所述超声图像(40)来重建超声体积(41)，
其中，响应于由所述应力传感器(33)测得的所述纵向应力，所述工作站(20)还能用于在所述超声换能器采集所述解剖区域的超声图像(40)时确定由所述解剖区域施加于所述超声探头(31)的轴向力和弯曲力中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述应力传感器(33)包括被布置在所述超声探头(31)上的至少一个应力计(SG)。
9.根据权利要求8所述的超声系统，其中，所述应力传感器(33)包括以网格型式被布置在所述超声探头(31)上的多个应力计(SG)。
10.根据权利要求9所述的超声系统，其中，所述多个应力计(SG)在所述网格型式之内被相等地间隔开。
11.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述应力传感器(33)被布置为邻近所述超声探头(31)的近端，并且所述超声换能器被定位在所述超声探头(31)的远端处。
12.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述轴向力是所述超声探头(31)的弹性模量和所述超声探头(31)的横截面面积中的至少一个的函数。
13.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述弯曲力是以下中的至少一个的函数：所述超声探头(31)的弹性模量、所述超声探头(31)的外半径、所述超声探头(31)的面矩以及所述应力传感器(33)的中心相距所述超声探头(31)的远侧尖端的距离。
14.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述工作站(20)还能用于显示针对由所述工作站(20)确定的所述轴向力和所述弯曲力中的至少一个的视觉表示。
15.根据权利要求14所述的超声系统，其中，所述工作站(20)还能用于确定所述弯曲力与所述应力传感器的测量轴之间的角度。
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