CN105324078A - 对介入器械的不依赖扫描器的跟踪 - Google Patents

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Abstract

一种用于利用超声来跟踪器械的系统，包括用于发射和接收超声能量的探头(122)，以及与所述探头相关联并且被配置为在使用期间与所述探头一起移动的换能器(130)。医学器械(102)包括被配置为对从所述探头接收到的所述超声能量做出响应的传感器(120)。控制模块(124)被存储在存储器中并且被配置为解读从所述探头和所述传感器接收到的所述超声能量，以确定所述医学器械的三维定位，并且被配置为将来自所述换能器的信号注入到所述探头以在图像中突出显示所述传感器的位置。

Description

对介入器械的不依赖扫描器的跟踪
技术领域
本公开内容涉及医学器械，并且具体涉及对医学设备的不依赖扫描器的超声跟踪。
背景技术
针、导管以及其他介入工具归因于它们的镜面反射性质和不适宜的入射角度而常常难以在超声下可视化。一种用于在超声引导下标记针尖端的解决方案是在针的尖端处嵌入小的超声传感器。这样的传感器接收随着来自超声成像探头的成像波束扫掠视场而撞击在传感器上的直接超声信号。已经提出了使用这些信号在超声图像中突出显示换能器的位置的不同方法。这些方法依赖超声从成像探头到传感器的飞行时间来估计传感器的距离坐标，并且依赖随着成像波束扫掠视场而接收到的信号的强度来重新获得横向坐标。为了估计飞行时间，必须能够利用扫描器的线触发器事件，并且为了估计横向坐标，必须能够利用帧触发器事件并且能够利用成像波束的坐标和转向角。
发明内容
根据本发明的原理，一种用于利用超声来跟踪器械的系统，包括：探头，其用于发射和接收超声能量；换能器，其与所述探头相关联并且被配置为在使用期间与所述探头一起移动；以及医学仪器，其包括被配置为对从所述探头接收到的所述超声能量做出响应的传感器。控制模块被存储在存储器中并且被配置为解读从所述探头和所述传感器接收到的所述超声能量，以确定所述医学器械的三维定位并将来自所述换能器的信号注入到所述探头以在图像中突出显示所述传感器的位置。
一种用于确定器械的位置的方法，包括：估计成像探头的帧率；分析探测窗口内的踪迹以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值，以确定到达时间；使用所述成像探头上的换能器将声学反馈信号注入到所述成像探头中，以模拟从被安装在所述器械上的所述传感器返回的回波；并且在图像中显示所述回波以识别所述器械的所述位置。
一种用于确定器械的位置的方法，包括：估计成像探头的帧率；将图像划分成个体波束以确立个体波束在所述图像中的定位；分析踪迹以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值，以确定到达时间；计算以下中的至少一项：使用从所述探头的发射时间和在所述传感器处的接收时间来计算的所述传感器的定位，以及计算所述传感器的所述定位位于其上的波束号以确定所述传感器的所述位置；并且将指示符重叠在所述图像上以视觉地指示所述器械的所述定位。
根据要与附图结合阅读的本公开内容的说明性实施例的以下详细描述，本公开内容的这些和其他目的、特征以及优点将变得明显。
附图说明
本公开内容将参考以下附图来详细呈现对优选实施例的以下描述，其中：
图1为示出根据一个实施例的用于利用超声来跟踪器械的系统的方框/流程图；
图2为示出根据一个实施例的用于利用超声来跟踪器械的系统的概念图；
图3为示出根据一个实施例的用于估计帧率的超声脉冲的幅度对时间的标绘图；
图4为示出根据一个实施例的用于确定探测时间的超声脉冲的幅度对时间的标绘图；
图5为示出根据一个实施例的发生在探头上的换能器与器械上的传感器之间的事件的事件时间线；
图6为示出根据本发明的原理的安装在探头上的换能器的两个实施例的俯视图，；
图7A-7I示出了根据本发明的原理的用于将换能器安装在探头上的多种配置；
图8描绘了把持探头的用户上的手套，根据本发明的原理该手套具有被安装于其上的换能器；
图9为示出根据另一实施例的用于利用超声来跟踪器械的系统的概念图；
图10为根据本发明的原理的通过对应于超声波束的线而被划分的图像；
图11为示出根据一个说明性实施例的用于利用超声来跟踪器械的方法的流程图；并且
图12为示出根据另一说明性实施例的用于利用超声来跟踪器械的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的原理，系统和方法准许对传感器的位置进行突出显示而较少依赖扫描器。不再需要帧触发器、线触发器以及波束形成参数。这允许装备超声的工具为自容式的(不需要与扫描器的低层接口连接)，因此允许它们可与来自任何供应商的超声机器的广泛安装基础一起使用。在一个实施例中，该系统能够对来自成像扫描器的关键性参数进行在飞行中的(on-the-fly)反向工程研究，所述关键性参数例如为帧率和线触发器位置、到扫描器的接收信号路径的模拟声学信号注入等。
根据本发明的原理的智能设备能够探测超声(US)波束在何时被射出；并且额外地正好在探头头部处注入信号。该智能设备能够被半永久性地或永久性地附接到探头。备选地，由于大多数介入使用手套以保持无菌，因此诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚(偏二氟乙烯-co-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))的压电材料能够被集成到一次性手套中。由于PVDF条能够以超低成本来制作，因此这两种选择都有吸引力。额外地，该手套能够由单个条构成或者能够利用多个条以实现更高的分辨率。
除了PVDF条以外，在针或器械上还提供一个或多个无源声学传感器。该传感器能够由锆钛酸铅(PZT)或压电聚合物或任何其他压电材料制成。随着未知的US探头射出其波束，控制盒(或计算机)将从设备上的传感器以及从探头上的PVDF条两者接收信号。算法将一起计算个体波束被发送出去的时间、信号在针或器械处被接收的时间，以及因此针或器械的3D定位。为了在图像中标记针的定位，控制盒将使用探头上的PVDF条将小的信号“注入”到US探头中。该注入的声学信号将被扫描器感知，作为对其自身声学场的响应。该信号将被扫描器的波束形成管线处理，并且最终被可视化在US图像上(突出显示针或设备定位)。多个条的实施例将准许通过将不同信号注入到不同波束中并且具有不同相位来对注入的信号的质量进行精细调谐。
应当理解，本发明将关于针来进行描述；然而，本发明的教导要宽泛得多并且可应用于通过声学能量跟踪的任何医学器械或其他器械。在一些实施例中，本发明的原理被采用在跟踪或分析复杂的生物系统或机械系统中。尤其地，本发明的原理可应用于生物系统的内部跟踪流程，在诸如肺、胃肠道、排泄器官、血管等的身体的全部区中的流程。附图中描绘的元件可以以硬件与软件的各种组合来实施，并且提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。本发明的实施例可以被采用在器械在超声引导下被插入身体中的任何时间，这包括针流程(活检、消融、麻醉、疼痛管理、脓疡引流等)以及导管流程(心脏修复、电生理学等)。
能够通过使用专用硬件以及能够运行与适当的软件相关联的软件的硬件来提供附图中示出的各种元件的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器(它们中的一些能够被共享)来提供。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够运行软件的硬件，并且能够隐含地包括而不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等。
此外，在本文中记载本发明的原理、各方面和实施例以及其特定范例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能上的等价物。额外地，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及未来开发的等价物(即，执行相同功能的所开发的任何元件而无论其结构如何)。因此，例如，本领域技术人员应当认识到，在本文中呈现的方框图表示实施本发明的原理的图示性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应当认识到，任何流程图表、流程图等表示基本上可以被表示在计算机可读存储媒介中并且因此可以由计算机或处理器来运行的各种过程，而无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
此外，本发明的实施例能够采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质存取，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供用于由计算机或任何指令运行系统使用或者与计算机或任何指令运行系统结合使用的程序代码。出于本说明书的目的，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、通信、传播或输送用于由指令运行系统、装置或设备使用或与指令运行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。所述介质能够是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体存储器或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)、Blu-RayTM以及DVD。
现在参考附图并且首先参考图1，图示性地示出根据一个实施例的系统100，在附图中，同样的附图标记表示相同或相似的元件。系统100可以包括工作站或控制台112，从所述工作站或控制台112能够监督和/或管理流程。工作站112优选地包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储被配置为处理来自超声扫描器125的信号的图像处理模块115。模块115被配置为将US信号用于重建与医学设备、器械或工具102和/或其周围区域相关联的结构变形、偏斜以及其他改变。医学设备102可以包括针、导管、导丝、探头、内窥镜、机器人、电极、过滤设备、球囊设备，或其他医学部件等。
将声学传感器(或接收器、换能器)120安装在要被突出显示的医学设备102上，并且将第二换能器(或传感器)130安装在诸如US探头122的探头122上。为了易于引用，探头122上的传感器将被称作换能器130，并且设备102上的传感器将被称作传感器120。将探头122连接到US扫描器125，所述探头122发射和接收在患者或对象160中提供的US能量。探头122的表面能够进行接收(以感测由探头122进行的信号发出，因此有效地对线触发器信息进行反向工程研究)并且能够进行发射，因此实现了在探头122处将声学信号直接注入到波束形成信号路径中。在探头122处接收到的信号被耦合到简单数据分析与控制模块124，所述简单数据分析与控制模块124被存储在存储器116中并且能够在算法/程序123(例如，快速傅里叶变换(FFT)、最大识别、任选的曲线拟合等)中进行一定量的信号处理。
在一个实施例中，超声传感器120被放置在诸如针的医学器械102的尖端处。随着来自对成像探头122的视场的扫掠的波束，传感器120感测超声信号。分析这些超声信号以提取帧重复周期T，以及最大信号在传感器120处的到达时间t0。同时，(在探头表面处的)超声换能器130感测由探头122发出的波束，所述波束实际上相当于线触发器信息。最强波束的到达时间(t0)与该波束被发出时的时间之间的差分时间td为从探头122到被跟踪的传感器120的超声飞行时间。一个或两个帧之后，在探头表面处的换能器130被开启并在t0+T+td(或t0+2T+td)时直接将脉冲发出到探头122中。被连接到探头122的扫描器125将该脉冲解读为来自传感器120的位置的高回波，因此甚至是在轻微的平面外对准的情况下将该脉冲突出显示在图像150上。
当设备102被插入US区域内部时，可以运行一次性校准步骤，以估计正被使用的成像模式的帧率(T)。通过分析由在探头表面处的换能器130(例如，PVDF材料)接收到的信号来捕捉线触发器事件的时间选择(timing)。寻找由传感器120接收到的信号的时间最大值(t0)，并且在t0与紧接着的前一线触发器之间的差分时间td对应于从探头122到设备102上的传感器120的声音行进时间。在随后的帧上(在t0+nT+td时，n为整数)注入信号创建了在后续的帧处似乎来自设备102上的传感器位置的声学信号(需要插入为td的额外延迟，以模拟从设备102返回到探头122的超声传播)。
应当理解，已经描述了用于同步帧率的两种方法。如所描述的，这些方法包括：1)将不对称条(压电)放置在成像探头122上。以此方式甚至能够识别分帧线的开始，并且2)在相对长的时间段内听取在工具102上的传感器120上接收到的信号，并通过傅立叶分析来估计帧率。第二种方法需要器械已经在身体内部以用于帧率估计，并且即使帧率是已知的，启动该帧的波束也是未知的。
显示器118示出来自传感器定位的回波。显示器118也可以准许用户与工作站112及其部件和功能进行交互，或者与系统100内的任何其他元件进行交互。这通过接口140得到进一步促进，所述接口140可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备，或用于准许来自工作站112的用户反馈和与工作站112的交互的任何其他外围设备或控制设备。
在另一实施例中，来自扫描器125的视频信号输出、具有传感器120(例如，一个或多个PVDF条)的器械102以及被附接到US探头122的换能器130用于计算器械102在任何给定时间时的3D定位。视频输出信号是可在商业扫描器上容易获得的，并被流到计算工作站112中。裁切和分割合适的图像以识别左右波束/界限。在任何给定的时刻时，US探头122上的PVDF条或换能器130在US波束中的任一个已经被射出时提供信号(A)。该信号来到控制模块124。额外地，具有(一个或多个)声学传感器120的器械102也接收该声波，并将该声波转化成电信号(B)，所述电信号也来到控制模块124。控制模块124自身被包括在计算工作站112中。当系统启动时，仅A-信号被测量并用于识别波束间时间和帧间时间。
在初始校准步骤之后，已经知晓波束数目(NB)、波束间时间和帧间时间。US探头122的实时视频输出图像现在用于分割出US视场，所述US视场然后被划分以识别每个波束在图像中的位置。如在图10中所描绘的，对于大多数扫描器/图像，将图像150相等地划分成NB条扫描线152将是足够的。当将器械102插入时，器械102接收基于其在图像内部的定位的信号。能够基于最大插值信号来自动探测包含传感器120的主要波束。校准后，传感器120的距离/深度也能够根据波束的发射(信号-A)与波束击中传感器120(信号-B)之间的时间差来计算。应当注意，该信息现在是可获得的，这是因为信号-A与信号-B由于它们被连接到相同的控制模块124而被时间同步。额外地，由于已经确立了视频图像中的波束位置，因此现在能够将器械(传感器120)位置实时显示在US图像之上。
能够在每一次在视频输出图像中探测到改变时重新校准波束参数。额外地，器械102可以具有超过一个的被植入的传感器，并且来自传感器的信号能够用于估计器械102的平面外位置。器械102优选地利用PZT或PVDF或P(VDF-TrFE)，尽管聚合物更方便使用。该实施例的变型能够包括不同的可视化(例如，回波的图像可以被成形为任何期望的形状或方便的形状)或者多个安装实施例。此外，为了使该方法更容易实施，能够使PVDF条由两个条组成——一个在左并且另一个在右。这将打破波束射出样式的对称性，并且帮助区分图像帧的开始(一个条上的第一个波束)与结束(另一个条上的最末一个波束)，从而测量帧率而无需分析来自传感器120的信号。备选地，能够以非对称的方式切割条，以随着所射出的波束从左到右移动而生成非对称的轮廓。该条既能够被制成为一次性的也能够被制成为永久性的。
参考图2，概念图示出了根据一个说明性实施例的部件之间的相互作用。利用换能器130在探头122的表面处执行信号注入。传感器120被放置在要被突出显示的设备102的尖端处。示出范例信号136、137，所述范例信号136、137由该传感器120在一个成像帧期间接收到，并且然后由来自探头的延迟波束接收到。系统100识别最大值的位置及其相对于标绘图144和146(在延迟之后)中的线触发器信息的时间选择，所述线触发器信息是由探头122处的传感器130搜集的。一个帧周期138之后，信号141被在探头122处的换能器130以合适的时间选择注入，以生成亮回波142，所述亮回波142似乎来自传感器120所位于的地方，并且在显示器118上是可见的。
参考图3，需要估计成像探头的帧率T。在一个实施例中，这是通过在相对长的时间T估计(例如四分之一秒，以用于例如以40Hz记录10个帧)内听取接收到的信号并针对该信号的主导周期分析该信号(即，通过傅立叶分析)来完成的。在图3中描绘接收到的踪迹202。在踪迹202上，个体脉动204对应于击中传感器(设备102上的120)的不同的波束(幅度随着波束接近传感器120并且然后远离传感器120而变化)。然后随着在连续序列中采集若干相同的帧，重复该样式若干次。由传感器(120)在时间T估计期间接收到的踪迹202能够用于估计系统的帧率T。这完成后，接收器系统分析长度为T探测(理想地，T<T探测<2T)的踪迹。备选地，能够通过将非对称布置的换能器130放置在探头122上来估计帧率。由换能器130随着探头122发出跨越视场的波束而收集到的信号将呈现对应于帧率的周期性，并且能够估计帧的开始的时间选择。
参考图4，脉冲204中的一个被示为具有所描绘的长度T探测的踪迹210。应当注意，对这些踪迹210的采集并不必与帧率同步。系统搜索该踪迹的时间最大值t0。该最大值对应于来自被最佳地与传感器120对准的发射事件的脉冲到达传感器120时的时刻。由传感器120在时间T探测(例如，这里T探测＝1.2T)期间接收到的踪迹用于寻找在大多数同轴发射到达传感器120时的时间t0。t0简单地为踪迹的时间最大值。
代替用于识别最接近传感器120的波束和到达时间的简单峰值探测，可以有利的是，拟合曲线或踪迹210(例如，由传感器120在T估计期间接收到的信号)并将到个体脉冲的局部最大值的曲线210拟合到简单信号模型，例如，高斯。
接下来，将声学信号注入回成像探头122中，以创建似乎来自传感器位置的人工回波。所注入的声学信号闪烁(短的“注入开启”时期与“注入关闭”时期交替)也可以是期望的。人眼对闪烁信号更为敏感。如果视频流被捕捉并被同步到信号采集与注入设置，则能够生成差分图像以突出显示所注入的信号(从“闪亮”图像减去“闪灭”图像)。差分图像能够在完整图像处理链中被增强并被叠加在原始图像上，所述完整图像处理链仅要求对来自扫描器的视频数据的访问。显示器图像中的标记物的形状可以采取任何形状，并且也可以采用其他视觉效果。
设想两个实施例：在探头处的换能器为应答器(其能够利用慢T/R开关被切换成发射模式)，或者在探头表面处放置两个换能器，一个用于感测并且一个用于发出。以任一种方式应用在图5中描绘的事件的序列。
参考图5，图示性地示出了针对帧率估计、峰值脉冲探测以及脉冲注入的事件的序列。在工具102上的传感器120处的事件被示于上方区域，并且在探头122上的换能器130处的事件被示于下方区域。相对长的T估计(足够长以舒适地跨越几十个帧)用于估计成像系统的帧率。然后，在工具处的峰值探测/在探头处的线触发器探测周期220与在探头处的信号注入周期222交替。如果在时间t0时在工具上探测到信号峰值，信号在t0+T+td时被注入，则这创建了在对信号峰值的探测之后的一个帧时在应答器的位置处的人工回波。探测事件224被描绘为圆形端部，注入事件226为箭头，并且线触发器228为直线段。
在对信号的到达时间t0的探测之后，在时间t0+nT+td时从应答器或发射器发送脉动，其中，n为整数，优选地n＝1，并且td为(如由在探头122处的换能器130感测到的)波束发射与在t0时由传感器120进行的接收之间的差分时间。信号在t0+nT+td时到探头122中的注入具有以下作用：即，创建了在探测帧之后的n个帧时似乎来自传感器120位置的人工回波。重复这些步骤以现实化传感器120的位置。也可以周期性地重复帧率估计，以考虑由于用户改变成像设定(成像模式、设定以及深度全部可以影响帧率)而可能的参数改变。图5的时间线描绘了针对该实施例的事件的序列。应当注意，外部系统的时钟完全独立于扫描器的时钟。
参考图6，可以采用针对在探头122处的换能器130或在器械102上的传感器120的许多实施例。在探头112处的(一个或多个)换能器130应当不干扰扫描器的成像操作。换能器130可以由跨越孔径的部分的一薄片PVDF箔或条212(例如，5MHzPVDF箔)或者接近探头122的中心元件的小PZT换能器制成。这些换能器130优选地出于灭菌流程的目的而被集成为用于缠绕探头122的特殊无菌盖的部分。PVDF条212能够被集成到一次性鞘结构215中，并且在许多情况中可以用于灭菌。声学匹配层214能够被集成到条212中。一种形式的胶水或耦合介质216能够被集成到条212中以用于无气泡地结合到探头(或鞘215)。胶水216能够为临时性的或永久性的。如图6中所例示的，条212能够完全覆盖探头表面，或者部分地覆盖探头表面，或者被放置在不同区域中，图6示出针对探头122上的条212的不同配置。
参考图7A-7I，针对被放置在探头122的表面处的线触发器探测器/信号注入器的可能实施例包括以下内容。在图7A中示出了探头122的主视图。图7B示出了沿探头122的边缘延伸的箔212。图7C示出了仅沿探头的高度上的边缘延伸的PVDF箔212。图7D示出了横穿探头122的中心元件的PVDF箔212。图7E示出了沿探头122的第一个元件和最末一个元件的PVDF箔212。图7F示出了在探头122的中心元件的顶部处和底部处的PVDF或小PZT箔212。图7G示出了覆盖探头122的整个表面的PVDF箔212。图7H示出了在探头122的表面处的n≥2个PVDF条212(以打破左右对称性)。图7I示出了横穿探头表面以补偿波束形成效应的多个PVDF条212。
一个或多个条212可以用于探测个体波束的射出，或者用于注入信号，或者用于以上两者。PVDF条212能够由多个子条组成，提供来自探头122的声学场的更好的粒度。这对于识别扇形探头或更大的探头中的“第一”波束从而估计帧率和“起始帧”信号而言能够是有用的。多个子条能够以时间延迟被射出，并且被切趾(apodization)以优化图像上的标记物响应。
参考图8，在另一实施例中，条212被安装在一次性手套230上。手套230被用户采用以把持探头122，并且因此具有条212的手套230提供与上述针对条212描述的功能相同的功能。
参考图9并继续参考图1，概念图示出了根据另一说明性实施例的部件之间的相互作用。超声传感器120被放置在例如针的尖端处的器械102上。该传感器120随着来自成像探头(122)的波束扫掠视场而感测超声信号，同时换能器130(PVDF)随着每个波束被射出而探测每个波束。视频输出信号可从扫描器125获得，并被流到计算工作站112中。
合适的图像302被裁切并被分割以识别图像中对应于由扫描器125射出的左波束和右波束的部分。图像处理是由图像处理模块115(图1)执行的。在任何给定时刻时，US探头122上的换能器130(例如，PVDF条)在US波束中的任一个被射出时提供信号(A)。该信号来到控制模块124。额外地，(具有(一个或多个)PVDF传感器的)器械102也接收该声波，并将该声波转化成电信号(B)，所述电信号(B)也来到控制模块124。控制模块124被连接到计算工作站112或为计算工作站112的部分。
当系统启动时，仅A-信号被测量并用于识别波束间时间和帧间时间。运行一次性校准步骤以估计正被使用的成像模式的帧率(T)。使用被建立在条130中的某种不对称性，将对应于帧的开始的波束与对应于帧的结束的波束区分开。识别每个波束并对波束的数目进行计数。在该步骤之后，知晓波束数目(NB)、波束间时间和帧率。
额外地，由于大多数US扫描器也提供视频输出，因此能够与US信号一起地分析视频输出信号，以定量地估计图像中的波束位置。US探头122的实时视频输出图像用于裁切US图像。如在图10中所示，针对大多数扫描器/图像，将图像150相等地划分成NB个扫描线152将是足够的。
当工具或器械102被插入到患者或视场中时，器械102接收基于其在图像内部的定位的信号。能够基于最大插值信号来自动探测包括传感器120的主要波束。由于在校准之后，波束时间选择是已知的，因此也能够根据波束的发射(信号-A峰)与到达传感器120的声波(信号-B峰)之间的时间差来计算传感器120的距离/深度。应当注意，由于信号-A和信号-B因它们被连接到相同的控制模块124而被时间同步，因此该信息是可获得的。额外地，由于已经确立了视频图像303中的波束位置，因此现在能够将器械102位置实时显示在US图像之上。
在一个实施例中，第一步骤是估计成像探头122的帧率T。能够完成该步骤的一种方式是通过在相对长的时间T估计(例如，四分之一秒，允许以40Hz记录10个帧)内听取接收到的信号并针对该信号的主导周期分析该信号(即，通过傅立叶分析)。接收到的踪迹202可以看起来像是在图3中所描绘的。在该踪迹202上，个体脉动对应于击中传感器120的不同波束(幅度随着波束接近传感器120并且然后远离传感器120而变化)。然后随着在连续序列中采集若干相同的帧，重复该样式若干次。为了使算法简单且鲁棒，(传感器120上的)多个条能够被部署为区分帧的开始与帧的结束。备选地，不对称条能够用于创建该区分。
如在图10中所描绘的，在校准完成后，视频图像被划分成个体波束。这将确立个体波束在US图像内部的定位。该操作完成后，接收系统(例如，工作站112)分析来自器械102上的传感器120的踪迹。应当注意，在校准之后，现在使对这些踪迹的采集与帧率同步。工作站112搜索该踪迹(踪迹210)的时间最大值t0。该最大值对应于来自被最佳地与传感器120对准的发射事件的脉冲到达传感器120时的时刻(参见图4，其中，由传感器接收到的跟踪用于寻找大多数同轴发射到达传感器时的时间t0。t0在该情况中简单地为踪迹210的时间最大值)。
在该点处，工作站112能够通过使用声学脉冲在探头处被发射时(信号-A峰)的时间和在US脉冲在器械102处被接收时(信号-B峰)的时间乘以组织中的平均声速(例如，1540m/s)来计算传感器120的深度。额外地，由于根据连续信号-A踪迹已知帧的第一波束，因此工作站112也能够计算传感器120位于其上的波束号。以上步骤一起提供传感器120和/或针尖端在US图像中的准确位置。如图像303中所示，这能够被重叠在US图像302之上以用于准确可视化。
应当注意，可以通过迭代遍及多个帧或者对每几个帧重新进行校准来改进波束形成参数。由于本发明的原理不改变US扫描器的成像管线中的任何东西，并且能够实时地完成全部分析，因此能够甚至在每一个个体帧中完成校准。
在一些实施例中，能够在每一次在视频输出图像中探测到改变时重新校准波束参数。额外地，器械或针102可以具有超过一个的被植入其中的传感器，来自所述传感器的信号能够用于估计传感器的平面外位置。此外，为了使方法更容易实施，换能器130可以包括PVDF或PZT条，并且可以由两个或更多个条制成，例如一个在左而另一个在右。这将打破波束射出样式的对称性，并且帮助区分图像帧的开始(一个条上的第一个波束)与结束(另一个条上的最末的波束)。备选地，条能够以非对称的方式被切割，以随着所射出的波束从左到右移动而生成非对称的轮廓。
工作站112也能够尝试确证针尖端102在视频输出US图像303上的响应与已经由系统自身跟踪的位置。在大多数情况中，这些将具有强的相关性，示出系统的正确性。如果该校正开始漂移，则系统将自动触发对其校准参数的自我核查。代替用于识别最接近传感器的波束和到达时间的简单峰值探测，可以有利的是拟合图3的曲线(由传感器在T估计期间接收到的信号)，并将个体脉冲的局部最大值的曲线拟合到简单信号模型，例如，高斯。也可以期望的是，所注入的信号在针102的位置被示于图像303上的同时闪烁。如果视频流被捕捉并被同步到信号采集与注入设置，则能够生成差分图像以突出显示所注入的信号(从“闪亮”图像减去“闪灭”图像)。差分图像能够在完整图像处理链中被增强并被叠加在原始图像上，所述完整图像处理链仅需要访问来自扫描器125的视频数据。变型也能够包括不同的可视化(形状等)或者多个安装实施例。
参考图11，示出了根据一个实施例的用于确定器械的位置的方法。在方框402中，估计成像探头的帧率。在方框404中，估计帧率可以包括在一时间段内听取接收到的信号，并且分析接收到的信号以确定该信号的主导周期。在方框405中，不对称压电条可以被放置在成像探头上。估计帧率可以包括听取来自探头上的不对称压电条的接收到的信号，并且分析接收到的信号以确定该信号的主导周期。以此方式甚至能够识别分帧线的开始。
在方框406中，分析踪迹以确定它们是否在探测窗口内，以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值来确定到达时间。探测窗口包括探测时间T探测，所述探测时间T探测可以在T与2T之间，其中，T为帧率；然而，如果T是已知的，则在与帧开始信号同步时在时间T内进行听取是足够的。如果T不是已知的，任选地，在略久一点(例如，1.2T)的时间内进行听取以确保能够进行波束插值。
在方框408中，使用成像探头上的换能器将声学反馈信号注入到成像探头中，以模拟从被安装在器械上的传感器返回的回波。在方框410中，声学反馈信号在t0+nT+td时被注入帧中，其中，t0为由传感器接收到的信号的时间最大值，td为被插入以用于模拟从传感器返回的回波的延迟，T为帧率并且n为整数。
在方框412中，在图像中显示回波以识别器械的位置。在方框414中，在图像中显示回波可以包括引起回波在图像中闪烁。也可以采用其他图像效果(形状等)。
参考图12，示出了根据另一实施例的用于确定器械的位置的方法。在方框502中，估计成像探头的帧率。在方框504中，估计帧率可以包括在一时间段内听取接收到的信号，并且分析接收到的信号以确定该信号的主导周期。在方框505中，不对称压电条可以被放置在成像探头上。估计帧率可以包括听取来自探头上的不对称压电条的接收到的信号，并且分析接收到的信号以确定该信号的主导周期。以此方式甚至能够识别分帧线的开始。
在方框506中，将图像划分成个体波束以确立个体波束在图像中的定位。在方框508中，分析踪迹以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值，以确定到达时间。这可以包括在方块510中使踪迹与帧率同步。在方框512中，计算以下中的至少一项：使用从探头的发射时间和在传感器处的接收时间来计算传感器的定位，以及计算传感器的位置位于其上的波束号以确定传感器的位置。在方框514中，将指示符重叠在图像上以视觉地指示器械的定位。在方框516中，显示指示符包括在图像中显示闪烁的指示符。也可以采用其他图像效果(形状等)。
在解读权利要求时，应当理解：
a)词语“包括”不排除在给定的权利要求中列出的元件或动作之外的其他元件或动作；
b)元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同的项目或硬件或实施结构或功能的软件来表示；并且
e)除非明确指示，否则并不旨在要求动作的特定顺序。
已经描述了用于对介入器械的不依赖扫描器的跟踪的优选实施例(其旨在是图示性的而非限制性的)，应当注意，本领域技术人员在以上教导的启示下能够做出修改和变型。因此应当理解，可以在本文中如权利要求书概括的那样的公开的实施例的范围内，对所公开的公开内容的特定实施例做出改变。因此已经描述了专利法所要求的细节和特性，在权利要求书中阐述了由专利证书所要求并期望保护的内容。

Claims (20)

1.一种用于利用超声来跟踪器械的系统，包括：
换能器(130)，其与探头(122)相关联并且被配置为在使用期间与所述探头一起移动，其中，所述探头被配置用于发射和接收超声能量；以及
控制模块(124)，其被配置为解读由所述换能器和传感器从所述探头接收到的所述超声能量以确定医学器械(102)的三维定位，其中，所述传感器被包括在所述医学器械上并且被配置为对从所述探头接收到的所述超声能量做出响应。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块被配置为将来自所述换能器的信号注入到所述探头，以在图像中突出显示所述传感器的位置。
3.如权利要求2所述的系统，其中，被注入到所述探头(122)的所述信号在t0+nT+td时被注入帧中，其中，t0为由所述传感器接收到的信号的时间最大值，td为被插入以模拟从所述传感器返回的回波的延迟，T为帧率并且n为整数。
4.如权利要求2所述的系统，还包括显示器(118)，所述显示器被配置为显示使用所述探头收集的图像，所述图像包括基于被注入到所述探头的所述信号的亮区。
5.如权利要求1所述的系统，其中，换能器(130)被安装在所述探头上。
6.如权利要求1所述的系统，其中，换能器(130)被安装在覆盖所述探头的鞘上。
7.如权利要求1所述的系统，其中，换能器(130)被安装在手套上，并且所述手套被用户采用以在使用期间把持所述探头。
8.如权利要求1所述的系统，其中，换能器(130)包括一个或多个压电条。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块(124)估计所述图像中的波束位置，并且基于所述波束位置通过计算帧率和发射的超声信号中的波束的数目来确定所述医学设备的位置。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述换能器(130)提供指示波束在何时被射出的信号；并且所述传感器(120)提供所述波束何时到达所述传感器的信号，使得能够做出对所述器械的位置的确定。
11.一种用于确定器械的位置的方法，包括：
估计(402)成像探头的帧率；
分析(408)探测窗口内的踪迹以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值，以确定到达时间；并且
使用所述成像探头上的换能器将声学反馈信号注入(408)到所述成像探头中，以模拟从被安装在所述器械上的所述传感器返回的回波。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在图像中显示(412)所述回波，以识别所述器械的所述位置。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在图像中显示所述回波包括引起(414)所述回波在所述图像中闪烁。
14.如权利要求11所述的方法，其中，估计(402)所述帧率包括在一时间段内听取(404)接收到的信号，并且分析所述接收到的信号以确定所述接收到的信号的主导周期。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述探测窗口包括探测时间T探测或超过一个的帧率，其中，T为所述帧率。
16.如权利要求11所述的方法，其中，注入所述声学反馈信号包括在t0+nT+td时将所述声学反馈信号注入(410)到帧中，其中，t0为由所述传感器接收到的信号的时间最大值，td为被插入以模拟从所述传感器返回的回波的延迟，T为帧率并且n为整数。
17.如权利要求11所述的方法，其中，估计(402)所述帧率包括听取(405)来自所述探头上的不对称压电条的接收到的信号，分析所述接收到的信号以确定所述接收到的信号的主导周期。
18.一种用于确定器械的位置的方法，包括：
估计(502)成像探头的帧率；
将图像划分(506)成个体波束以确立个体波束在所述图像中的定位；
分析(508)踪迹以寻找最佳地匹配被安装在器械上的传感器的位置的时间最大值，以确定到达时间；并且
计算(512)以下中的至少一项：使用从所述探头的发射时间和在所述传感器处的接收时间来计算所述传感器的定位，或者计算所述传感器的所述定位位于其上的波束号以确定所述传感器的所述位置。
19.如权利要求16所述的方法，还包括将指示符重叠(514)在所述图像上，以视觉地指示所述器械的所述定位。
20.如权利要求19所述的方法，其中，估计所述帧率包括在一时间段内听取(504)来自所述探头上的不对称压电条的接收到的信号，并且分析所述接收到的信号以确定所述接收到的信号的主导周期，其中，分析踪迹包括使所述踪迹与所述帧率同步，并且其中，重叠包括在所述图像中显示(516)闪烁的指示符。
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