CN105120762A - 通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开包括用于对与在第一模式和第二模式下操作的超声成像系统耦合的介入设备提供实时引导的方法。所述方法包括：在所述第一模式下，停止从超声成像装置的换能器发送超声信号，以及通过安装在介入设备的头部上的声传感器来发送超声信号，随后换能器接收所述超声信号以生成头部的位置的第一图像；在第二模式下，停止从所述声传感器发送超声信号，通过换能器发送超声信号，以及接收所发送的超声信号的回波以生成对象结构的第二图像；以及将第一图像与第二图像组合来获得第三图像，第三图像显示并突出头部在对象结构中的相对位置。

Description

通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日递交的、名称为“通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法(SystemsandMethodstoDetectandPresentInterventionalDevicesviaUltrasoundImaging)”的美国临时申请No.61/790,586的优先权和权益，该申请的全文通过引用合并于此。

技术领域

本公开一般涉及超声成像，更特别地涉及利用声传感器经由超声成像来提供对诸如针、导管等介入设备的引导的方法和系统。

背景技术

利用超声来引导涉及介入设备(例如，针或导管)的诊断或治疗侵入性操作在临床领域变得越来越普遍。介入超声需要通过超声成像精确地定位介入设备的末端或头部。一些现有的技术提议将电传感器安装到介入设备的末端上以从心脏采集电信号。然而，那些现有技术具有局限性。通常，介入设备放置在不能采集心脏信号或者采集极微弱心脏信号的目标附近，因此介入设备的末端的精确位置不能被检测到且无法以超声图像呈现。其他现有技术提议将电传感器安装到介入设备的末端上以接收从成像换能器发送的超声波脉冲，将脉冲转换成电信号，并且将信号传回到超声设备。然而，在这些现有技术下，当在图像中存在强的组织杂波而弱化超声波脉冲时，很难实现超声图像中介入设备的末端的可视化。而且，在那些现有技术中，难以精确地判定哪条被发送的声波束触发了电传感器，因此不能检测到介入设备的末端的精确位置。而且，因为在人体或动物体中行进的超声波脉冲衰减极快且变弱且不稳定，所以对于那些现有技术来说很难将噪声与介入设备末端的真实脉冲信号区分开。总之，现有技术仅能够计算介入设备末端的近似的、不精确的位置。

因此，需要开发通过超声成像来检测和呈现诸如针、导管等介入设备位置的简易精确的方法和系统以克服现有技术系统的局限性。

发明内容

本公开包括用于对与在第一模式和第二模式下操作的超声成像系统耦合的介入设备提供实时引导的示例性的方法。该方法的实施例包括，在第一模式下：停止从超声成像系统的换能器发送超声信号；通过安装在介入设备的头部上的声传感器发送超声信号；通过换能器接收所发送的超声信号；以及基于接收到的超声信号来生成头部的位置的第一图像。该方法的实施例还包括，在所述第二模式下：停止从声传感器发送超声信号；通过换能器来发送超声信号；接收从对象结构反射回的所发送超声信号的回波；以及基于接收到的回波来生成对象结构的第二图像。该方法的实施例还包括：将第一图像与第二图像组合以获得第三图像，第三图像显示出头部相对于对象结构的位置。该方法的一些实施例还包括：通过将第三图像中头部的相对位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。

根据本公开的示例性系统包括：换能器；处理器，其与换能器耦合；以及声传感器，其安装到介入设备的头部上。当所公开的系统在第一模式下操作时，换能器停止发送超声信号，声传感器发送超声信号，该超声信号随后由换能器接收且用来生成头部的位置的第一图像。当所公开的系统在第二模式下操作时，声传感器停止发送超声信号，换能器发送超声信号且接收所发送的超声信号的回波，该回波用来生成对象结构的第二图像。在一些实施例中，处理器将第一图像与第二图像组合来获得第三图像，第三图像显示出头部相对于对象结构的位置。在一些实施例中，处理器通过将第三图像中头部的相对位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。

应理解的是，上述概述和下面的详述仅是示例性和说明性的，不限制如权利要求所主张的发明。

附图说明

图1示出了与本公开一致的示例性系统的框图。

图2是示出图1的示例性系统的实施例的框图。

图3是示出图2的实施例中的示例性过程流的功能图。

图4是示出图2的实施例中的另一示例性的过程流的功能图。

图5示出了示例性的传感器图像。

图6示出了示例性的超声图像。

图7示出了将图5的传感器图像与图6的超声图像组合的示例性增强可视化图像。

图8示出了实时生成的一系列示例性增强可视化图像。

图9是表示利用声传感器通过超声成像对介入设备提供引导的示例性的方法的流程图。

具体实施方式

现在将具体参考在附图中示出的示例性的实施例。在全部图中仅可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

本文所公开的方法和系统解决了上述需求。例如，示例性的实施例包括安装到诸如针、导管等介入设备的头部上的声传感器。声传感器用作信标。本文所公开的声传感器将是超声成像系统的一部分用于发送声脉冲，而非从心脏接收电信号或者从成像换能器接收声脉冲。在超声成像系统的第一模式下，成像换能器本身不发送声脉冲或者发送功率为零。相反，该系统指示声传感器发送带时序的声脉冲，就好像其位于成像换能器的发送孔隙的中央而形成传感器图像一样。发送孔隙包括一个或多个换能器元件。形成二维(“2D”)或三维(“3D”)图像的传感器图像，就好像换能器正在发送一样。作为结果，可以在传感器图像上看到声传感器的单向点扩散函数("PSF")。由于单程特性，成像深度应当乘以二。该传感器图像能够与对象结构的超声图像组合来获得增强的可视化图像，该可视化图像显示出介入设备的头部相对于对象结构的位置。本文公开的声传感器所发送的声脉冲比换能器元件所发送的声波束和该波束的回波更强且更稳定，且能够容易地、精确地检测到和记录在传感器图像中。本文所公开的方法和系统在进行现场超声成像时提供了介入设备的头部的实时的、精确的位置。

图1示出了与本公开一致的示例性的系统100的框图。示例性的系统100可以是任意类型的系统，其在诊断或治疗侵入性操作中通过超声成像来提供对介入设备的实时引导。示例性的系统100除了其他组件外可以包括：超声装置100A，其具有超声成像场120；以及声传感器112，其安装到与超声装置100A耦合的介入设备110的头部上。声传感器112能够直接地或者通过介入设备110与超声装置100A耦合。

超声装置100A可以是任何利用超声来检测和测量位于超声成像场120的范围内的对象且在超声图像中呈现所测量对象的设备。超声图像可以是灰阶的、彩色的或者其组合，且可以是2D或3D的。

介入设备110可以是任何在诊断或治疗侵入式操作中使用的设备。例如，介入设备110可设置为针、导管或者任何其他诊断或治疗设备。

声传感器112可以是任何发送从电脉冲转换而来的声脉冲或信号(即，超声脉冲或信号)的设备。例如，声传感器112可以是一种微机电系统(“MEMS”)。在一些实施例中，声传感器112还能够接收从另一设备发送的声脉冲。

图2是更详细地示出示例性的系统100内的超声装置100A的框图。超声装置100A包括显示器102、超声换能器104、处理器106和超声波束成形器108。图示的超声装置100A的构造仅为示例性的，本领域普通技术人员将理解到图示的各元件可以设置为离散的元件或者可以组合，且设为硬件和软件的任意组合。

参考图2，超声换能器104可以是任何具有将电脉冲转换成待发送的声波束以及接收所发送的声波束的回波的多个压电元件的设备。所发送的声波束传播到受验者(如人体或动物体)中，其中来自具有不同声阻抗的对象结构(如人体或动物体内的组织)之间的界面的回波被反射回到换能器。换能器元件将回波转换成电信号。基于声波发送时间和回波接收时间之间的时间差，能够生成对象结构的图像。

超声波束成形器108可以是任何实现声信号发送或接收的方向或空间可选择性的设备。特别地，超声波束成形器108将待发送声波束集中以指向相同方向，并且对被接收作为来自不同对象结构的反射的回波信号进行集中。在一些实施例中，超声波束成形器108使到达不同元件的回波信号延迟且对回波信号进行对齐以形成等相面。超声波束成形器108随后对延迟的回波信号进行相干求和。在一些实施例中，超声波束成形器108可以对从回波信号转换而来的电信号或数字信号进行波束成形。

处理器106可以是任何控制和协调超声装置100A的其他部件的操作、处理数据或信号、生成超声图像以及将所生成的超声图像输出到显示器的设备。在一些实施例中，处理器106可以将所生成的超声图像输出到打印机或者通过数据网络输出到远程设备。例如，处理器106可以是中央处理单元(CPU)、微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、印刷电路板(PCB)、数字信号处理器(DSP)，等等。

显示器102可以任何显示超声图像的设备。例如，显示器102可以是监视器、显示面板、投影仪或任何其他显示设备。在某些实施例中，显示器102可以是用户能够通过触摸与其交互的触摸屏显示器。在一些实施例中，显示器102可以是用户能够通过远程姿势与其交互的显示设备。

图3是示出在第一模式下操作的示例性的系统100中用于生成传感器图像的示例性的过程的功能图。在第一模式下，系统100进行一帧或容积成像，其中超声换能器104的发送功率为零。然而，该系统将发送信号送到声传感器112，声传感器112可被视为换能器的元件用于发送超声信号。该帧或容积用于声传感器的可视化。因此，在第一模式下，超声换能器104不发送超声信号，而是声传感器112发送超声信号且超声换能器104接收它们。本领域普通技术人员将理解，图示的过程流可以被改变来修正步骤，删除步骤，或者包括附加步骤。

在接收到超声装置100A所提供(302)的电脉冲之后，声传感器112将从电脉冲转换而来的声脉冲(超声信号)发送(304)到超声换能器104。该转换可通过声传感器112或另一组件来进行。在接收到(304)从声传感器112发送的声脉冲时，超声换能器104将接收到的声脉冲转换成电信号，该电信号被转送(306)到超声波束成形器108。在一些实施例中，电信号被转换成数字信号，然后转送(306)给超声波束成形器108用于波束成形。

在波束成形过程之后，超声波束成形器108将处理后的电信号或数字信号发送(308)到处理器106，处理器106处理信号以生成声传感器112的单向点扩散函数(“PSF”)的图像。图5示出了处理器106生成的示例性的传感器图像500。如图5所示，亮点502指示声传感器112的单向PSF的图像，其也是安装有声传感器112的介入设备110的头部的位置。

参考图3，不同于声信号在换能器与对象之间往返的常规超声成像，在形成传感器图像时，声脉冲从声传感器112单向传输到超声换能器104。因此，在生成传感器图像时，应当使声脉冲的深度(其指示换能器104与声传感器112之间的距离)或速度加倍。

在一些实施例中，传感器图像可以包括用于后来取回和关联目的的独特标识符(图像ID)。在一些实施例中，传感器图像可以存储在存储设备或数据库中，用于随后的处理。

图4是示出在第二模式下操作的示例性的系统100中用于生成超声图像的示例性的过程的功能图。在第二模式下，声传感器112不发送超声信号，而是超声换能器104发送超声信号以及接收其回波。本领域普通技术人员将理解，图示的过程可以改变以修正步骤，删除步骤或者包括附加的步骤。

在超声波束成形器108的波束成形控制(402)下，超声换能器104发送(404)超声信号且接收(406)从位于超声成像场120中的对象结构(例如，人体或动物体的组织、器官、骨、肌肉、肿瘤等)反射的回波信号。超声换能器104将接收到的回波信号转换成电信号，电信号被传递(408)到超声波束成形器108。在一些实施例中，电信号转换成数字信号，然后传递(408)到超声波束成形器108以便于波束成形。

在波束成形过程之后，超声波束成形器108将处理后的电信号或数字信号发送(410)到处理器106，处理器106处理信号以生成对象结构的超声图像。图6示出了对象结构的示例性的超声图像600。如图6所示，在超声图像600中可见对象结构602。

还参考图3，在一些实施例中，对象结构的超声图像可以包括用于随后取回和关联目的的独特标识符(图像ID)。在一些实施例中，超声图像可存储在存储设备或数据库中，用于后期处理。

处理器106将在第一模式下生成的传感器图像与在第二模式下生成的超声图像组合以获得增强的可视化图像，该增强的可视化图像被输出(412)到显示器102。在一些实施例中，处理器106基于图像ID来取回存储在存储设备或数据库中的传感器图像，该图像ID对应于超声图像的图像ID，从而获得增强的可视化图像。在一些实施例中，增强的可视化图像可以包括用于后期取回和关联目的的独特标识符(图像ID)。在一些实施例中，增强的可视化图像能够存储在存储设备或数据库中，用于后期处理。

由于传感器图像具有与超声图像相同的尺寸，在一些实施例中，处理器106基于传感器图像和超声图像的对应的坐标的像素值之和来获得增强的可视化图像。例如，处理器106能够进行逐像素求和。也即，处理器106将传感器图像的坐标处的像素值与超声图像的对应坐标处的像素值相加以获得增强的可视化图像的像素值，然后，以类似方式计算增强的可视化图像的下一像素值，等等。

在其他实施例中，处理器106基于传感器图像和超声图像的对应坐标处的像素值的加权逐像素求和来获得增强的可视化图像。例如，在进行像素求和之前，处理器106将权重值应用于传感器图像的像素值且将另一权重值应用于超声图像的对应像素值。

在一些实施例中，处理器106基于计算传感器图像和超声图像的对应像素的最大值来获得增强的可视化图像。例如，处理器106通过将传感器图像的坐标处的像素值与超声图像的对应坐标处的像素值进行比较来确定最大值，并且使用最大值作为增强的可视化图像的像素值。然后，处理器106以类似方式计算增强的可视化图像的下一像素值，等等。

参考图4，增强的可视化图像显示出声传感器112相对于对象结构的位置(即，介入设备110的头部的位置)。在一些实施例中，增强的可视化图像通过例如将该位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。

图7示出了将图5的传感器图像500与图6的超声图像600组合的示例性的增强可视化图像700。如图7所示，增强的可视化图像700显示并突出了介入设备110的头部相对于对象结构602的位置。

图8示出了一系列示例性为通过超声成像提供对介入设备110的实时引导，而生成的一系列增强可视化图像700。如图8所示，在每个时点，超声装置100A将超声图像600与之前生成的传感器图像500组合以获得增强的可视化图像700，并且将超声图像600与下一生成的传感器图像500(如果存在)进行组合以获得下一增强可视化图像700。在一些实施例中，超声装置100A取回传感器图像500且基于图像ID将传感器图像500与超声图像600相关联。例如，超声装置100A取回图像ID为“N”的超声图像600和图像ID为“N-1”的传感器图像500以获得图像ID为“M”的增强可视化图像700。类似地，超声装置100A将图像ID为“N”的超声图像600与图像ID为“N+1”的传感器图像500组合以获得图像ID为“M+1”的增强可视化图像700，等等。这样，能够通过现场超声成像来提供对介入设备110的实时引导。在其他实施例中，可以使用其他方法来取回所生成的传感器图像和超声图像以获得增强的可视化图像。

图9是表示使用声传感器通过超声成像来对介入设备提供引导的示例性的方法的流程图。本领域技术人员将理解的是，可以改变图示的操作来删除步骤、改变步骤次序或者包括附加的步骤。

在初始启动步骤之后，超声装置在第一模式下操作，并且停止(902)从其换能器发送超声信号。在第一模式下，超声装置命令安装在介入设备头部上的声传感器发送(904)超声信号，并且指示换能器接收(906)超声信号。超声装置生成声传感器的第一图像，指示头部的位置。

在第二模式下，超声装置停止(908)从声传感器发送超声信号，并且命令换能器发送超声信号且接收(910)从对象结构反射回的回波信号。基于接收到的回波信号，超声装置生成第二图像，第二图像是对象结构的超声图像。

超声装置随后将第一图像与第二图像组合(912)以获得第三图像，第三图像显示出介入设备的头部相对于对象结构的位置。超声装置如前所述的执行组合操作。

超声装置显示(914)第三图像，第三图像可以突出显示介入设备的头部在对象结构中的位置。该过程随后结束。

本文所公开的方法可以实现为计算机程序产品，即在非暂态信息载体(例如，在机器可读存储设备中)或者有形的非暂态计算机可读介质中有形地实施的计算机程序，例如由数据处理装置执行或者控制数据处理装置的操作，数据处理装置例如可编程处理器、计算机或多台计算机。计算机程序可以任何形式的编程语言来编写，包括汇编或解释语言，可以任何形式来部署计算机程序，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子程序或适合用于计算环境的其他单元。计算机程序可以部署成在一个地点或者在多个地点上分布的一台计算机或多台计算机上执行，并且通过通信网络互连。

本文公开的部分或全部方法还可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、印刷电路板(PCB)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑组件和可编程互连的组合、单个中央处理单元(CPU)芯片、组合在主板上的CPU芯片、通用计算机、或任何其他本文公开的能够为耦合到超声成像系统的介入设备提供实时引导。

在前面的说明书中，参考具体的示例性实施例描述了本发明。然而，显然，可以进行各种改进和改变，而不偏离如随附的权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围。因此，说明书和附图视为示例性的，而不是限制性的。通过考量本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (20)

1.一种在第一模式和第二模式下操作的超声成像系统，包括：

换能器；

处理器，其与所述换能器耦合；以及

声传感器，其安装在介入设备的头部上；

其中在所述第一模式下，所述换能器停止发送超声信号，所述声传感器发送超声信号，所述超声信号随后由所述换能器接收且用来生成所述头部的位置的第一图像；

其中在所述第二模式下，所述声传感器停止发送超声信号，所述换能器发送超声信号且接收所发送的超声信号的回波，所述回波用来生成对象结构的第二图像；以及

其中所述处理器将所述第一图像与所述第二图像组合以取得显示出所述头部相对于所述对象结构的位置的第三图像。

2.如权利要求1所述的超声成像系统，其中所述介入设备是针、导管或者任何其他在诊断或治疗侵入性操作中使用的设备。

3.如权利要求1所述的超声成像系统，其中所述处理器生成显示所述声传感器的单向点扩散函数的所述第一图像。

4.如权利要求1所述的超声成像系统，其中所述处理器基于对所述第一图像和第二图像中的对应像素的值进行逐像素求和来生成所述第三图像的像素从而获得所述第三图像。

5.如权利要求1所述的超声成像系统，其中所述处理器基于如下获得所述第三图像：

将第一权重值应用于所述第一图像的像素值来获取所述第一图像的加权像素值；

将第二权重值应用于所述第二图像的对应像素值来获取所述第二图像的对应的加权像素值；以及

对所述第一图像的加权像素值和所述第二图像的对应的加权像素值进行逐像素求和来生成所述第三图像的像素。

6.如权利要求1所述的超声成像系统，还包括：

图像数据库，用于将所述第一图像与所述第二图像相关联地加以存储，其中所述第一图像通过独特标识所述第一图像的第一独特标识符来与所述第二图像相关联，

其中基于所述第一独特标识符来获得独特的标识所述相关联的第二图像的第二独特标识符。

7.如权利要求1所述的超声成像系统，其中所述处理器通过将所述头部在所述第三图像中的相对位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。

8.一种用于对与在第一模式和第二模式下操作的超声成像系统耦合的介入设备提供实时引导的计算机实现的方法，所述方法包括：

在所述第一模式下：

停止从所述超声成像系统的换能器发送超声信号，

通过安装在所述介入设备的头部上的声传感器来发送超声信号，

通过所述换能器来接收所发送的超声信号，以及

基于所接收到的超声信号，生成所述头部的位置的第一图像；

在所述第二模式下：

停止从所述声传感器发送超声信号，

通过所述换能器发送超声信号，

接收从对象结构反射回来的所发送的超声信号的回波，以及

基于所接收到的回波来生成所述对象结构的第二图像；以及

将所述第一图像与所述第二图像组合来获得第三图像，所述第三图像显示出所述头部相对于所述对象结构的位置。

9.如权利要求8所述的方法，其中生成所述第一图像包括显示出所述声传感器的单向点扩散函数。

10.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一图像与所述第二图像组合以获得所述第三图像包括：

对所述第一图像和所述第二图像中的对应像素的值进行逐像素求和以生成所述第三图像的像素。

11.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一图像与所述第二图像组合以获得所述第三图像包括：

将第一权重值应用于所述第一图像的像素值以获取所述第一图像的加权像素值；

将第二权重值应用于所述第二图像的对应像素值以获取所述第二图像的对应加权像素值；以及

对所述第一图像的所述加权像素值和所述第二图像的所述对应的加权像素值进行逐像素求和以生成所述第三图像的像素。

12.如权利要求8所述的方法，还包括：

与所述第二图像相关联地存储所述第一图像，其中所述第一图像通过独特地标识所述第一图像的第一独特标识符与所述第二图像相关联，

其中基于所述第一独特标识符来获得独特地标识相关联的第二图像的第二独特标识符。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

基于所述第一独特标识符和所述第二独特标识符来从存储设备提供所述第一图像和相关联的第二图像用于获得所述第三图像。

14.如权利要求8所述的方法，还包括：

通过将所述第三图像中所述头部的相对位置加亮、将所述位置着色或者用文本或符号标记所述位置来突出显示所述位置。

15.一种与介入设备耦合的超声成像装置，包括：

换能器，用于：

在第一模式下，停止发送超声信号，以及接收通过安装在所述介入设备的头部上的声传感器发送的超声信号，其中所接收到的超声信号用来生成所述头部的位置的第一图像，以及

在第二模式下，发送超声信号，以及接收从对象结构反射回来的所发送的超声信号的回波，其中所接收到的回波用来生成所述对象结构的第二图像；以及

处理器，其与所述换能器耦合以将所述第一图像与所述第二图像组合来获得第三图像，所述第三图像显示所述头部相对于所述对象结构的位置。

16.如权利要求15所述的超声成像装置，其中所述处理器生成的所述第一图像显示出所述声传感器的单向点扩散函数。

17.如权利要求15所述的超声成像装置，其中所述处理器基于对所述第一图像和所述第二图像中的对应像素值进行逐像素求和生成所述第三图像的像素来获得所述第三图像。

18.如权利要求15所述的超声成像装置，其中所述处理器基于如下来获得所述第三图像：

将第一权重值应用于所述第一图像的像素值以获取所述第一图像的加权像素值；

将第二权重值应用于所述第二图像的对应像素值以获得所述第二图像的对应加权像素值；以及

对所述第一图像的所述加权像素值和所述第二图像的对应加权像素值进行逐像素求和来生成所述第三图像的像素。

19.如权利要求15所述的超声成像装置，还包括：

图像数据库，用于将所述第一图像与所述第二图像相关联地加以存储，其中所述第一图像通过独特地标识所述第一图像的第一独特标识符来与所述第二图像相关联，

其中基于所述第一独特标识符来获得独特地标识相关联的第二图像的第二独特标识符。

20.如权利要求15所述的超声成像装置，其中所述处理器通过将所述第三图像中所述头部的相对位置加亮、将所述位置着色或用文本或符号标记所述位置来突出显示所述位置。