CN108472009A - 用于介入性声学成像的装置 - Google Patents

Abstract

一种可连接到成像系统的声学探针。该声学探针具有一种带有第一主要表面和第二主要表面的衬底、包括从第一主要表面贯穿衬底到第二主要表面的开口的至少一个装置插入端口以及由该衬底支撑并设置在至少一个装置插入端口的周围的声学换能器元件的阵列。该声学探针包括设置在该装置插入端口内的器械引导件，该器械引导件被构造成选择性地允许介入装置在该装置插入端口内自由地移动，并且响应于经由连接到声学探针的用户界面装置的用户输入将介入装置选择性地锁定在该装置插入端口内。

Description

用于介入性声学成像的装置

技术领域

本发明涉及声学(例如，超声)成像，并且特别地涉及一种用于与介入手术相结合的声学成像的装置和方法。

背景技术

声学(例如，超声)成像系统正越来越多地应用在多种应用和背景中。例如，超声成像正越来越多地应用于微创手术的背景中。这包括基于针的手术，例如绒毛穿刺取样(CVS)、基于针的活组织检查以及用于局部麻醉的神经阻滞。现今，通常在微创介入手术中使用的成像探针具有与在诊断成像中使用的探针的成像阵列构造相同的成像阵列构造。

在使用现有的声学探针和成像系统的这些手术中所采用的一个或多个介入装置(例如，手术器械)的可视化在许多情况下是具有挑战性的，并且在手术期间常常需要手动地重新定位该声学探针以维持足够的图像品质。百分比数量相当大的CVS手术被医师描述为是困难的，并且甚至更大百分比被报告为已经涉及不止一个插件。

为了解决这些问题，具有增强可视化的特定介入装置(例如回声针)成功地投入市场，并且以适度的额外成本提供了有限的改进。基于磁跟踪或具有光学基准的立体相机，针可视化方面的更多进展已经以针迹技术的形式作出。这些可视化技术同样可应用于其它介入装置。

即使有了这些改进，由于对现有声学成像探针和系统的某些限制，导致某些临床应用(例如，深度神经阻滞)也仍保持在很大程度上或完全是无法触及的。在许多情况下，介入部位处的解剖特征不能被充分地进行分辨，特别是对于在皮肤表面下方的更大深度处实施的手术来说更是这样。例如，声学成像引导被用在浅表神经阻滞(例如，直到3cm的深度)，并且能够在这种手术中使神经可视化。声学成像也用于深度神经，但因为现有系统不能使这些神经可视化，因此医师使用解剖标志作为引导，从而使得深度阻滞更难实施。由于装置表面的镜面反射，因器械可视化同样可能是很差的。此外，在超声引导的介入手术期间，人们并不想必须操纵成像探针的位置。

显然，已经存在用于介入超声的许多现有应用，并且可以利用装置和解剖可视化中以及在操作特征中的改进来实现附加应用。这种应用可包括癌症切除术、CVS、胎儿外科手术/介入手术(例如，改变双胎输血综合症(TTTS)中的血流模式)、肝活组织检查以及深度神经阻滞术。

用于声学成像系统和方法的期望属性包括：超声图像中的器械的精确可视化；介入位置处的增强的成像分辨率；以及声学探针的免提操作。

文献US 2005/0101868公开了一种包括超声换能器壳体的超声装置，该超声换能器壳体具有被构造成容置探针的贯穿其中的通道。

发明内容

因此，所期望的是提供一种能够在介入手术期间提供增强的声学成像能力的超声系统、声学探针和方法。

在本发明的一方面中，一种系统包括：声学探针，其具有：具有第一主要表面和第二主要表面的衬底，并且还具有至少一个装置插入端口，其包括从第一主要表面贯穿衬底到第二主要表面的锥形开口，以及由衬底支撑并设置在至少一个装置插入端口的周围的声学换能器元件的阵列；以及声学成像机，其被连接到声学探针并被构造成向至少一些声学换能器元件提供传输信号，以致使声学换能器元件的阵列将声学探测信号传输到目标区域，并且进一步被构造成响应于从声学探针接收到的一个或多个信号并响应于由声学探针从目标区域接收到的声学回波产生目标区域的声学图像。

在一些实施例中，声学成像机还被构造为从设置于穿过该装置插入端口到目标区域中的介入装置的远端处的声学接收器接收反馈信号。

在这些实施例的一些方案中，声学成像机还被构造成使用来自声学接收器的反馈信号以配准声学接收器相对于由该声学探针接收到的声学回波的位置，并使用该配准来减轻声学图像中的像差伪影。

在一些实施例中，衬底具有凹盘的形状，并且由声学换能器元件的阵列所限定的衬底的有效区域具有至少约12cm的直径。

在这些实施例的一些方案中，该系统被构造成在给定时间提供至少约10cm的有效声学孔隙，并且还被构造成随着时间的流逝使有效声学孔隙在垂直方向中以及在横向方向中滑过至少约2cm的范围。

在这些实施例的一些方案中，声学探测信号的中心频率为约3.5MHz，并且至少一些声学换能器元件具有约0.44cm的尺寸。

在本发明的另一方面中，一种方法包括：提供一种声学探针，其包括被构造成被应用到受治疗者的皮肤的衬底，该衬底具有直径为至少约12cm的第一主要表面和第二主要表面以及与施加声学探针的皮肤的形状相一致的凹盘形状，声学探针进一步具有至少一个装置插入端口，其包括从第一主要表面贯穿衬底到第二主要表面的开口，以及由衬底支撑并设置在至少一个装置插入端口的周围的声学换能器元件的阵列；向至少一些声学换能器元件提供传输信号；声学换能器元件的阵列响应于传输信号向受治疗者体内的目标区域传输声学探测信号；在声学探针处从目标区域接收声学回波；从设置于穿过该装置插入端口的介入装置的远端处的声学接收器接收反馈信号；使用来自声学接收器的反馈信号来配准声学接收器相对于由声学探针接收到的声学回波的位置；响应于从声学探针接收到的一个或多个信号并响应于接收到的声学回波产生目标区域的声学图像；以及使用声学接收器相对于声学回波的位置的配准以减轻声学图像中的像差伪影。

在一些实施例中，声学探测信号的中心频率为约3.5MHz，其中，目标区域包括位于皮肤下方约8cm的区域。

在这些实施例的一些方案中，方法还包括声学探针选择性地允许介入装置在装置插入端口内自由地移动，并且响应于经由与声学探针相关联的用户界面装置的用户输入将介入装置锁定在装置插入端口内。

在这些实施例的一些方案中，方法还包括经由用户界面装置从用户接收目标位置中在用于待定位的介入装置的目标区域的指示；计算设置在装置插入端口中的器械引导件的定向，其将使穿过装置插入端口的介入装置能够达到目标位置；并且将器械引导件操纵到计算出的定向。

在这些实施例的一些方案中，一种控制器控制器械引导件以将器械引导件自动地操作到器械引导件的计算出的定向。

在这些实施例的一些方案中，方法还包括当用户将器械引导件操纵到计算出的定向时，经由设置在声学探针上的一个或多个照明元件向用户提供关于器械引导件的计算出的定向与器械引导件的当前定向之间的对准的反馈。

在这些实施例的一些方案中，该方法还包括响应于经由被附接到器械引导件的操纵杆的用户输入将器械引导件操纵到计算出的定向。

在本发明的再一方面，声学探针包括：衬底，其具有凹盘形状并具有第一主要表面和第二主要表面，并且还具有至少一个装置插入端口，其包括从第一主要表面贯穿衬底到第二主要表面的锥形开口；以及由衬底支撑并设置在至少一个装置插入端口的周围的声学换能器元件的阵列。

在一些实施例中，由声学换能器元件的阵列所限定的衬底的有效区域具有至少约12cm的直径。

在一些实施例中，装置插入端口具有一尺寸，使得具有1cm的直径的介入装置可由此通过。

在一些实施例中，声学探针还包括设置在装置插入端口内的器械引导件，该器械引导件被构造成选择性地允许介入装置在装置插入端口内自由地移动，以及响应于经由被连接到声学探针的用户界面装置的用户输入将介入装置选择性地锁定在装置插入端口内。

在这些实施例的一些方案中，器械引导件包括编码器，其表示器械引导件在装置插入端口内的定向。

在这些实施例的一些方案中，器械引导件包括：一种具有用于器械由此穿过的孔的球结构；以及至少部分地环绕球结构的可调节夹具，该可调节夹具被安装到装置插入端口的内表面，该夹具具有球形内表面，其中当松开可调节夹具时，球可在可调节夹具内自由地旋转，并且可以调节介入装置在器械引导件内的插入深度，并且当拧紧可调节夹具时，球结构被固定在可调节夹具内，并且锁定住介入装置在器械引导件内的插入深度。

在这些实施例的一些方案中，球结构上设置有光学图案，并且可调节夹具中设置有光学探测器，用于读取光学图案并提供表示球结构在可调节夹具内的定向的输出信号。

在一些实施例中，声学探针还包括至少一个第二装置插入端口，其包括从第一主要表面贯穿衬底到第二主要表面的至少一个第二开口。

在一些实施例中，装置插入端口包括细长切口。

附图说明

图1示出了一种带有声学成像机和声学探针的系统的一个示例。

图2A和图2B示出了声学探针的一个示例性实施例。

图3示出了声学探针及穿过该声学探针中的装置插入端口的介入装置的示例性实施例。

图4示出了声学探针的另一示例性实施例。

图5示出了声学探针的再一示例性实施例。

图6示出了介入装置的一个示例性实施例，该介入装置的远端设置有声学接收器。

图7示出了一种声学成像方法的一个示例性实施例的流程图。

图8示出了一种用于声学探针的装置插入端口的器械引导件的示例性实施例。

图9示出了一种声学探针的示例性布置结构，该声学探针具有装置插入端口及设置在该装置插入端口中的器械引导件。

图10示出了将设置在声学探针的装置插入端口中的器械引导件定向成将介入装置末端定位于期望位置的示例性操作。

图11示出了声学探针的再一示例性实施例，该声学探针具有装置插入端口及设置在该装置插入端口中的器械引导件。

图12示出了一种在将设置在声学探针的装置插入端口中的器械引导件定向成将介入装置末端定位于期望位置的同时，提供用户反馈的过程。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更为全面地描述本发明，在附图中，示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以不同的形式实施并且不应被解释为受限于本文中所阐述的实施例。相反，这些实施例被提供为本发明的教导示例。在本文中，当某物被称为“大致”或“约”为某值时，它意指处于该值的10％内。

图1示出了声学成像系统100的一个示例，该声学成像系统100包括声学成像机110和声学探针120。声学成像机110包括处理器(及相关的存储器)112、用户界面装置114、显示器116及可选择地接收器界面装置118。

在多种实施例中，处理器112可包括微处理器(及相关存储器)、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字电路和/或模拟电路的多种组合。与处理器112相关联的存储器(例如，非易失性存储器)可在其中存储致使处理器112的微处理器执行算法以控制系统100实施以文中更为详细描述的一个或多个操作或方法的计算机可读指令。在一些实施例中，微处理器可执行操作系统。在一些实施例中，微处理器可执行经由用户界面装置114和显示器116向系统100的用户呈现图形用户界面(GUI)的指令。

在多种实施例中，用户界面装置114可包括键盘、键区、鼠标、跟踪球、输入笔/触摸笔、操纵杆、话筒、扬声器、触屏、一个或多个开关、一个或多个旋钮、一个或多个灯等的任何组合。在一些实施例中，处理器112的微处理器可执行一种软件算法，该软件算法经由用户界面装置114的话筒提供用户命令的语音识别。

显示器装置116可包括任何便利技术的显示屏(例如，液晶显示器)。在一些实施例中，显示屏可以是一种同样形成用户界面装置114的一部分的触屏装置。

在一些实施例中，声学成像机110可包括接收器界面装置118，该接收器界面装置118被构造成从外部声学接收器(例如设置于介入装置的远端(末端)或其附近的声学接收器)接收一个或多个电信号，如下文中具体参照图4更为详细地描述的那样。

当然，所理解的是，声学成像机110可包括图1中未示出的多个其它元件，例如用于从AC电网接收电力的电源系统、用于在处理器112与声学探针120之间的通信的输入/输出端口、用于与其它外部装置和系统(例如，经由无线、以太网和/或互联网连接)通信的通信子系统等。

图2A和图2B示出了声学探针200的一个示例性实施例。声学探针200可以是系统100中的声学探针120的一个实施例。

声学探针200包括衬底210，该衬底210具有第一主要表面212和第二主要表面214并且还具有装置插入端口230，该装置插入端口230包括从第一表面212贯穿衬底210到第二表面214的锥形开口。声学探针200还包括声学换能器元件222的阵列，该阵列由衬底210支撑并被设置在装置插入端口230的周围。插入端口230的锥形开口在第一表面212处具有第一直径(d1)并在第二表面214处具有第二直径(d2)，其中，第二直径小于其第一直径。锥形开口的直径从第一直径逐渐地变化到第二直径，同时从第一主要表面212贯穿衬底210到第二主要表面214。该锥形开口提供了插入端口230的呈锥形形状的内表面，从而能够更为灵活地找到用于将介入装置插入到受治疗者的组织中的适用的轨迹，而无需重新定位声学探针。锥形插入端口230允许用户改变介入装置相对于受治疗者的组织表面的插入轨迹。轨迹变化的程度(或介入装置相对于受治疗者的表面的最大插入角度)将会取决于锥形开口的第一直径与第二直径之间的比值(d1/d2)和/或衬底210的厚度。在给定的衬底厚度下，最大插入角度随着所述比值的增大而增大。在本发明的一个方面中，第二直径为第一直径的两倍小。在图2A中所示的示例中，由锥形开口的第一直径和第二直径所限定的表面区域同心地形成于衬底的相应的第一表面和第二表面处。在一些应用中，可能有益的是，插入端口230包括在相应表面处具有彼此并不同心的两个表面区域的开口。以这种方式，已经来自介入手术的开始的介入工具轨迹可被根据受治疗者的解剖结构给予预定方向。

在本发明的适用于本文中所公开的所有公开实施例的一个方面中，声学换能器元件的阵列可被设置于探针的更为靠近(或设置于)第二主要表面的一侧。在这种情况下，由于第二直径存在相对于第一直径的减小值，导致可相对于声学阵列更为精确地限定介入工具的插入位置。

声学探针200可选择地包括可用于(例如，经由维可牢)附接弹性带的一对挂钩或附接件240，该弹性带可围绕受治疗者的背部行进以将声学探针200附接于该受治疗者。

与声学探针200相关联的可以是侧部安装的扁平探针线缆205，该探针线缆205可在受治疗者的超声成像检查期间被绑缚(tape)于受治疗者的皮肤，以帮助进一步稳定住声学探针200的位置。探针线缆205的另一端可被附接到声学成像机(例如，图1的声学成像机110)，用于在声学探针120和声学成像系统之间传送电信号。

有益地，声学探针200并且具体为包括第一主要表面212和第二主要表面214的衬底210具有一种盘的形状因子或形状，该盘是凹入弯曲的以适合于受治疗者的腹部解剖结构。

装置插入端口230被构造成容置介入装置(例如，外科手术器械)以从第一主要表面212贯穿到第二主要表面214并随后在治疗部位进入受治疗者的身体。

图3示出了一种声学探针200及穿过该声学探针200的装置插入端口230的介入装置310的布置结构300的示例性实施例。在一些实施例中，装置插入端口230可具有一尺寸，使得直径为1cm的介入装置310可由此穿过。在该实施例中，锥形开口的第二直径为至少1cm，而第二直径可大于1cm或大致为2cm。

尽管声学探针200包括单个装置插入端口230，但在其它实施例中，声学探针可包括两个或多个装置插入端口230。同样，尽管在声学探针200中，装置插入端口230具有大致呈圆形的形状并被设置于衬底210的中心，但在其它实施例中，装置插入端口可具有不同的形状和/或可位于衬底上的不同位置中。

例如，图4示出了声学探针400的另一示例性实施例，该声学探针400包括装置插入端口430，该装置插入端口430具有细长径向狭缝或切口的形状，而非为衬底210中心处的孔，一旦将声学探针200固定于受治疗者，该孔仅提供单次固定的皮肤进入点。在该实施例中，插入端口430包括具有细长径向形状的锥形开口。该细长径向形状可由两个半径进行表征：最大半径和最小半径。细长径向形状可以是椭圆。细长径向切口430可提供更大的灵活性以找到用于在无需重新定位声学探针400的情况下将介入装置插入到受治疗者的组织中的适用的皮肤插入点和轨迹。插入端口430的锥形开口具有处于第一主要表面212的第一表面区域(s1)和处于第二主要表面214处的第二表面区域(s2)，其中，第二区域小于第一区域。开口的每个表面区域均由开口的相应直径(或半径)限定。与先前示例中一样，锥形开口的表面区域从第一表面区域(以及限定所述表面半径)逐渐地改变到第二表面区域，同时从第一主要表面212贯穿衬底210到第二主要表面214。插入端口430的锥形形状进一步允许用户不仅改变介入装置的插入轨迹，而且在选择插入位置方面具有更大的自由度。轨迹变化的程度(或介入装置相对于受治疗者的表面的最大插入角度)将会取决于锥形开口的第一表面积和第二表面积(s1/s2)之间的比值和/或衬底210的厚度。在给定的衬底厚度下，最大插入角度随着所述比值的增大而增大。插入端口430(以及230)的锥形内表面允许改变介入工具的定向及端口430的开口的细长形状，其在所述工具到受治疗者的组织中的工具进入点方面提供了附加的灵活性。在本发明的一个方面中，第二直径为第一直径的两倍小。

图5示出了声学探针500的再一示例性实施例，该声学探针500具有装置插入端口530，该装置插入端口530呈锥形细长狭缝或切口的形状。在其它实施例中，声学探针可包括从衬底210的中心径向延伸的多个细长狭缝或切口。在其它实施例中，声学探针可包括呈“x形”锥形切口或狭缝的形状的一个或多个装置插入端口，其可允许介入装置在插入端口内沿两个(例如，正交的)方向中移动，以达到期望的插入位置。

有益地，声学探针200(及声学探针400和500)可包括具有成像孔隙的大型换能器阵列，该阵列环绕介入装置的插入位置。例如，在一些方案中，衬底210的由声学换能器元件222的阵列限定的有效面积可具有至少为约12cm的直径。有益地，衬底210可具有为约1cm的厚度。有益地，衬底210可以是刚性的或半刚性的。

声学探针200的一些方案可被用于深度为约8cm处的腹部介入手术。落入到这一类中的介入手术可包括绒毛穿刺取样和胎儿介入术，例如改变双胎输血综合症(TTTS)中的血流模式。声学探针200的一些方案可被与声学成像机(例如，声学成像机110)一起使用，以分辨8cm深度处的神经纤维。

在操作方面，为了获得深度为8cm处的足够的信号，系统100的超声中心频率可被选择为是足够低的，例如约为3.5MHz或更小。有益地，在目标区域已知接近8cm深并且相对靠近声学换能器元件222的阵列的中心轴线定位的情况下，可仅需要小转向角度。在这种情况下，声学换能器元件222的尺寸可能是相对大的，并且声学探针200可以类似于线性阵列的方式操作。

有益地，声学换能器元件222具有约为一个波长的尺寸，例如当声学探针由声学成像机进行控制以便在约3.5MHz下进行操作时为约0.44cm。在这种情况下，在一些方案中，声学探针200可具有环绕装置插入端口230的填充衬底210的约60000个声学换能器元件。

如果声学探针200与允许跟踪的系统(例如，系统100)一起使用，则声学成像机110获知介入装置末端的位置并且可仅需要对位于该末端的周围的小目标区域进行成像。在一些实施例中，可通过在目标区域中、在穿过声学探针200的装置插入端口230的介入装置300的远端处或其附近设置无源声学接收器来实现跟踪。

图6示出了介入装置600的一个示例性实施例，该介入装置600具有设置在其远端处的声学接收器(例如，无源声学接收器)610。介入装置600可以是介入装置300的一个实施例，并且因此可被构造成穿过声学探针200的装置插入端口230。尽管仅示出了用于介入装置600的一个声学接收器610，但介入装置的其它实施例可包括两个或多个声学接收器610。

为了实时引导在介入手术中使用的介入装置，在某些情况下，仅对在介入装置600的末端处包括2×2cm的X-平面的目标区域进行成像可能是足够的。这可通过在任何给定时间形成至少约为10cm的有效声学孔隙，并随着时间的推移使其在横向方向和竖直方向中在2cm的范围上滑过来实现。阵列的有效孔隙由换能器的面积限定，这些换能器在用于传输事件的给定时刻被同时激活。

然而，这种大有效孔隙通常容易受到像差伪影的影响。

有益地，在一些实施例中，这种伪影可通过声学成像机110的处理器112利用由接收器界面装置118从介入装置600上的一个或多个无源声学接收器610接收到的反馈加以减轻。

利用适当的像差校正，这可在不牺牲成像分辨率的情况下允许在约为常规声学探针的深度的两倍处成像。通常，在不损失大量可用信号的情况下，在两倍深度处成像需要将声学探测信号的中心频率降低两倍。同时，在保持相同成像频率的情况下，在不牺牲分辨率的情况下在两倍深度处成像需要保持相同的F数，这意味着有效孔隙必须跨越两倍的波长。结合这两种效应，有效孔隙的尺寸应为2×2＝4倍大，以在两倍深度处保持相同的成像分辨率。因此，在8cm深度处具有10cm的有效孔隙的声学换能器元件222的阵列的分辨率将会能够与在4cm深度处以7MHz的频率利用具有2.5cm的声学孔隙的常规阵列进行的成像相比较。此外，通过对来自较大数量的声学换能器元件222的信号相干求和，可提高信噪比(SNR)。

图7示出了一种声学成像方法700的一个示例性实施例的流程图。为了提供具体的描述，参考图1的系统100和声学探针200进行说明。然而，应该理解的是，通常，该方法可由一种与系统100具有不同构造并且与声学探针200(例如，声学探针400和500)具有不同构造的系统来实施。

操作710可包括提供声学探针200，该声学探针200包括被构造为被施加到受治疗者的皮肤的衬底210，其中，该衬底具有直径至少为约12cm以及形状为凹盘的第一主要表面212和第二主要表面214，该形状与施加声学探针200的皮肤的形状相一致。这里，声学探针200还具有至少一个装置插入端口230，该至少一个装置插入端口230包括从第一主要表面212贯穿衬底210到第二主要表面214的开口以及由衬底210支撑并被设置在装置插入端口230的周围的声学换能器元件222的阵列。声学探针200可在需要实施介入手术的区域被施加到受治疗者的皮肤，并经由穿过附接件240的一个或多个带(例如利用维可牢)固定在适当位置。同样，一个或多个介入装置(例如，介入装置600)可被穿过装置插入端口230插入到受治疗者的组织中。在一些实施例中，处理器112可确定定向或对准，其将能够使穿过装置插入端口230的介入装置达到受治疗者的身体中的用于介入手术的目标位置。在这种情况下，在将介入装置插入到装置插入端口230之前或同时，该介入装置可与目标位置对准或相对于其定向。下文中将更为详细地描述用于这种定向或对准的装置和方法的实施例。

在操作720中，声学成像机110的处理器112可响应于经由用户界面装置114接收到的用户指令和/或存储在存储器中的程序指令，将信号传输到声学探针200的至少一些声学换能器元件122。

在操作730中，响应于从声学成像机110接收到的信号，声学探针200的声学换能器元件122可形成声学探测束并将该声学探测束传输到目标区域，例如人体中的待实施介入手术的区域。

在操作740中，声学探针200的一些或全部声学换能器元件122可响应于该声学探测信号从目标区域接收声学回波。响应于这些声学回波，声学探针200可将一个或多个信号传输到声学成像机110的处理器112。

在操作750中，声学成像机110可在接收器界面装置118处接收来自声学接收器(例如，声学接收器610)的反馈信号，该声学接收器设置于穿过声学探针200的装置插入端口230的介入装置(例如，介入装置600)的远端。

在操作760中，声学成像机110并且特别是处理器112可使用来自声学接收器610的反馈信号以相对于由声学探针2从目标区域接收到的声学回波配准声学接收器的位置，以及因此配准介入装置600的末端的位置。也就是说，声学成像机110通过反馈信号确定介入装置600的末端的位置，使得它可跟踪该末端并且由此它可仅对该末端周围的小区域成像。换句话说，声学成像机被布置成跟踪该介入装置相对于目标区域的相对位置。在一些实施例中，可基于介入装置600的末端的预期位置来优化该跟踪协议。例如，可仅选择换能器元件222的子集以声穿透声学接收器610，从而基于声学接收器610的方向性配置文件确保声学接收器610上的最大信号。这可有助于提高跟踪灵敏度和信噪比。

在操作770中，声学成像机110并且特别是处理器112可响应于从目标区域接收到的声学回波，响应于从声学探针200接收到的一个或多个信号产生目标区域的声学图像。包括介入装置的位置的这些声学图像可在显示器116上显示给医师，用于引导正由医师在正被成像的目标区域中所执行的介入手术。

在操作780中，声学成像机110并且特别是处理器112可使用声学接收器610的相对于声学回波的位置的配准，以减轻声学图像中的像差伪影。

如上所述，用于声学成像系统和方法的一个期望属性是声学探针的免提操作。

特别地，当使用超声成像在微创外科手术中引导一个或多个介入装置(例如，外科手术工具)时，想要进行声学探针的免提操作，使得除了医师/外科医生之外，不需要超声检查工作者。然而，在一个手术期间，可能存在一个时刻，其中将该介入装置保持于期望位置处的外科医生想要或需要使用她/他的手进行不同的任务，而并不干扰介入装置的位置。这可能例如涉及到操纵第二介入装置的位置、操纵成像机上的设定或插入导丝。

为此，图8示出了用于声学探针(例如，声学探针200)的装置插入端口(例如，装置插入端口230)的器械引导件800的示例性实施例。

图9示出了声学探针200的布置结构900、设置在装置插入端口230中的器械引导件800及被设置成穿过器械引导件800的介入装置300的示例性实施例。应该理解的是，可为声学探针400和500以及为具有一个或多个装置插入端口的不同构造的其它声学探针提供类似的布置结构。也应该理解的是，器械引导件800可与声学探针200集成在一起并且因此被视为是声学探针的一部分，或者可以是一种被可移除地插入在装置插入端口230中的单独元件。

器械引导件800包括：

具有用于介入装置300穿过的圆柱形(或另一形状)孔823的插入端口结构820；以及具有至少部分地环绕球结构820的锁定单元的功能的可调节夹具810。夹具810具有球形内表面并被安装到装置插入端口230的内表面。插入端口结构820可以是球形的或具有锥形形状，以便与插入端口的锥形开口的形状在结构上是更为兼容的。夹具810也可以具有椭圆形。在一些方案中，圆柱形孔823具有允许直径为至少约1.5mm的介入装置300由此穿过的直径。球结构820可包括多个较大的半软的可变形区段822和较小的刚性区段824。在一些方案中，区段822可由多孔的聚四氟乙烯制成，并且区段824可由不锈钢制成。有益地，可调节夹具810具有足够宽松配合的球形内表面，使得球结构820可自由地旋转并且介入装置300可自由地滑入和滑出器械引导件800。

在操作中，器械引导件800允许插入其中的介入装置300自由运动，直到它通过锁定单元处于锁定模式中，并且当锁定时，介入装置300被固定地保持在适当位置(处于固定位置)。更具体地，当松开可调节夹具310时，球结构820则可在可调节夹具810内自由地旋转，并且可以调节介入装置300在器械引导件800内的插入深度。然而，当拧紧可调节夹具810时，球结构820则被固定在可调节夹具810内，并且锁定了介入装置300在器械引导件800内的插入深度。

为了将介入装置300锁定在器械引导件800中，可调节夹具810可被从定位有通孔812的突出端挤压在一起。在多种实施例中，这例如可以被利用螺母/螺栓结构、类似于与自行车缆线一起使用的机构、电磁致动器等来实现。当可调节夹具810受到挤压时，它将球结构820锁定在适当位置，并且也将区段824推靠在介入装置300上以锁定该插入深度。

在一些实施例中，可由用户(例如，医师/外科医生)采用脚踏板来选择性地拧紧和松开可调节夹具810以锁定和解锁器械引导件800。在其它实施例中，声学成像机110可响应于来自用户的语音命令以选择性地拧紧和松开可调节夹具810，从而锁定和解锁器械引导件800。在另外的其它实施例中，可调节夹具810的锁定可由声学(超声)扫描仪启动，以避免将介入装置锁定在某些关键区域中。

器械引导件及包括器械引导件的声学探针的许多变型和不同实施例是可能的。

在一些实施例中，器械引导件中的孔的形状和/或尺寸可适用于待插入的特定介入装置的形状和/或尺寸。

在一些实施例中，一种器械引导件可通过利用电磁铁对它进行磁化而被固定在适当位置。

在一些实施例中，一种声学探针可具有多个器械端口，并且一些或所有的器械端口可配备有器械引导件。

在一些实施例中，一种器械引导件可包括一次性球结构，以协助维持手术环境中的无菌性。

在一些实施例中，一种器械引导件可被构造成为介入装置插入其中的器械引导件中的孔的定向或方向提供单独的、独立的锁定以及为插入在孔内的介入装置提供锁定。

当将插入在器械引导件内的介入装置插入在声学探针的装置插入端口中时，确定介入装置达到声学图像中的某一解剖目标位置所需的正确定向或角度可能是具有挑战性的。

因此，下文中描述的是一种系统和声学探针，其包括装置插入端口及编码和可调节的器械引导件，该器械引导件可与声学成像机通信以自动地确定用于介入装置的最佳插入定向；以及一种的方法，其用于自动或手动地优化器械引导件的定向，使得在该定向中插入穿过该器械引导件的介入装置将与声学图像中的用户限定的目标解剖位置相交。这可降低重复装置插入的发生率，从而减少对受治疗者的创伤，改进临床工作流程，并且能够更为准确的介入。

图10示出了定向一种被设置在声学探针的装置插入端口中的器械引导件以将介入装置末端定位于受治疗者体内的正对其进行声学成像的目标区域内的期望目标位置的示例性操作。为了提供具体的描述，参考图1的系统100和布置结构1000进行说明，该布置结构1000为声学探针200、器械引导件800和操纵杆1010的组合。然而，应该理解的是，通常，该操作可由一种与布置结构1000具有不同构造并且与声学探针200(例如，声学探针400和500)具有不同构造的布置结构来实施。

图10示出了声学成像平面50和可被用于将器械引导件800操纵到期望定向的操纵杆1010，该期望定向可以已经通过声学成像机110的处理器112进行计算，以将介入装置的末端放置于目标位置15。

在操作中，一旦声学探针1000已被满意地设置在介入手术的受治疗者上，则临床医生/外科医生可在声学图像平面50的目标区域内限定目标位置15，例如通过在超声图像上经由用户界面装置114和显示器118点击一个点或绘制出目标位置或区域来实现。处理器112可随后从声学扫描仪获取目标位置15。由于器械引导件800被附接到并且因此被配准到声学探针200的声学换能器元件222的阵列，因此处理器112可自动地计算使介入装置300能够达到目标区域15所需要的器械引导件800的定向。

在一些实施例中，器械引导件800的定向可由一种设置有器械引导件800的编码器所限定。

在编码器的一个实施例中，球结构820可具有其上提供的独特空间变化的光学图案，这些光学图案可被使用嵌置在可调节夹具810中的高分辨率微型相机读取。例如，这种图案可以是一种由线厚度取决于经度坐标和纬度坐标的纬线和经线构成的网格。为了进一步区分，经线也可具有与纬线不同的颜色。这种布置结构可提供用于移动球结构820的三个自由度(即，翻倒/倾斜/旋转)。在这种情况下，处理器112可计算器械引导件800的期望定向及相关编码器值，并且可通过将实际编码器值与计算出的编码器值相比较而自动地操纵器械引导件800以经由反馈得到计算出的定向。在一些实施例中，这可以在将介入装置通过器械引导件800引入之前完成。可以使用可被包括在探针线缆205中的有线连接使处理器112和器械引导件800之间能够进行电子通信。一旦已将器械引导件800调节到期望定向，就可根据需要插入该介入装置。

一些实施例可将附外编码用于在受治疗者体内的目标位置15处插入介入装置的过程。例如，在一些实施例中，该介入装置可具有一个或多个长度标记以及用于长度粗略估计和锁定该介入装置的小沟槽。基于这些长度标记和/或小沟槽的长度测量值和角度测量值可被用于接近介入装置的定向和位置。

在另一实施例中，处理器112可计算器械引导件800及相关编码器值的期望定向，并且用户可(例如，经由操纵杆1010)手动地操纵器械引导件800以匹配计算出的编码器值。

为了协助对器械引导件800进行手动调节，操纵杆1010可被暂时连接到器械引导件800。一旦该定向/调节过程完成，操纵杆1010就可被移除并由介入装置取代。在另一实施例中，操纵杆1010可具有介入装置可插入通过的中空通道，其可允许在无需移除操纵杆1010的情况下实施介入手术。作为选择，操纵杆1010可在对准定向中被永久地附接到器械引导件800，但相对于介入装置的插入点略微地平移，以允许介入装置的插入。

在器械引导件800的手动调节期间，投影的工具路径25可被显示在显示装置118上，并且可被连续地更新，使得用户也可用此作为反馈以正确地对准器械引导件800。在某些情况下，如果所需的调节处于图像平面50之外，则不可能仅使用基于图像的反馈来对准器械引导件800。

为了协助进行平面外调节，图11示出了一种具有装置插入端口230及设置在装置插入端口230中的器械引导件800的声学探针1100的再一示例性实施例。该实施例的探针还包括使用户能够将位于器械引导件内的介入装置朝向目标位置定位的用户反馈布置结构。环绕装置插入端口230的声学探针1100的衬底210的上表面装配有具有不同颜色的光元件1100的三个圆形同心环(例如，向用户提供视觉反馈的发光二极管(LED))。例如，在一些实施例中，LED的最内环1112可以是黄色的，中间环114可以是绿色的，而最外环1116可以是红色的。在用户正在将器械引导件800操纵到装置插入端口230中的期望定向时，这些LED灯可作为引导件。在一些实施例中，在任何给定的时间，可仅照亮一个LED以指示用户应该操纵器械引导件800所沿的方向。

图12示出了一种在定向设置在声学探针1100的装置插入端口230中的器械引导件800以将介入装置末端定位于期望位置15的同时，提供用户反馈的过程。

一旦处理器112计算了用于器械引导件800的编码器值，就可以如下启动用于指示适当定向的LED。首先，可以在确定方向中启动最内环1112的黄色LED，从而向用户表明需要在该方向中枢转器械引导件800。一旦用户已经将器械引导件800枢转了由处理器112所确定的正确量，就可以停用最内环1112的黄色LED，并且可以启动中间环1114的绿色LED，从而表明器械引导件800处于由处理器112所确定的最佳定向。如果用户超调该目标并使器械引导件800枢转过多，则可停用中间环1114的绿色LED，并且可启动最外环1116的红色LED，从而表明用户已经使器械引导件800枢转过多。可选择地，在该阶段，也可启动位于径向相反的位置中的黄色LED，从而表明用户现在必须在相反方向中枢转回器械引导件800以达到最佳定向。

如在通过处理器112对器械引导件800进行自动定向的情况下，一旦已将器械引导件800调节到期望定向，器械引导件800可被如上所述在期望定向中保持稳定，并且可以根据需要插入该介入装置。

在一些实施例中，上文中参照图12描述的基于LED的工作流程可被用于器械引导件800的定向的粗调，并且当前编码器值(以及期望的最佳编码器值)也可以被显示在显示器118上，以允许用户在需要的情况下进一步对器械引导件800的定向进行细调。在一些实施例中，声学成像机110可为用户提供音频反馈(例如，哔哔声)，以表示已经达到了器械引导件800的最佳定向。

根据包含器械引导件800的装置插入端口的形状，可以多种方式以用于操纵插入通过它的介入装置的不同的可用自由度(DOF)来调节器械引导件800。

例如，在器械引导件800仅可在装置插入端口(例如，装置插入端口230)内翻倒和倾斜(俯仰和偏航)但并不能平移的实施例中，将存在用于操纵该介入装置的4个DOF。

在器械引导件800可沿一个轴线(例如，装置插入端口430或539)平移的其它实施例中，则将存在用于操纵该介入装置的5个DOF。

在器械引导件800可沿两个垂直轴线平移(例如，该装置插入端口为X形狭缝或切口)的另外的其它实施例中，则将存在用于操纵该介入装置的6个DOF。

在一些实施例中，可以使用声学(例如，超声)跟踪(InSitu)完成介入装置沿插入路径25的跟踪，其中，在声学图像内跟踪介入装置的轴上的一个或多个声学传感器。介入装置在器械引导件内的插入程度也可以被使用器械引导件上的编码器(例如使用上述长度标记)予以量化。虽然该方法将并不考虑介入装置的任何弯曲，但它可作为用于介入装置的末端位置的良好初始近似值，其随后可被由诸如InSitu之类的其它跟踪方法加以利用。

虽然本文中详细地公开了优选实施例，但是保持在本发明的概念和范围内的许多变型均是可能的。在审阅本专利说明书、附图和权利要求书之后，这些变型对本领域技术人员来说将会变得清楚。因此，本发明仅受到所附权利要求的范围的限制。

Claims (16)

1.一种用于与介入装置(300)一起应用的声学探针(1000)，包括：

衬底(201)，所述衬底具有第一表面(212)和第二表面(214)，并且还具有至少一个装置插入端口(230)，所述至少一个装置插入端口包括从所述第一表面贯穿所述衬底到所述第二表面的锥形开口；和

由所述衬底支撑并限定所述衬底的区域的声学换能器元件(222)的阵列，所述阵列布置在所述至少一个装置插入端口的周围。

2.根据权利要求1所述的声学探针，其中，所述装置插入端口位于所述衬底的中心。

3.根据权利要求1所述的声学探针，其中，所述衬底具有凹盘的形状。

4.根据权利要求1所述的声学探针，其中，所述衬底的由所述声学换能器元件的阵列限定的有效区域具有至少约12cm的直径。

5.根据权利要求1所述的声学探针，其中，所述锥形开口在所述第一表面(212)处包括第一直径并在所述第二表面(214)处包括第二直径，所述第二直径小于所述第一直径。

6.根据权利要求5所述的声学探针，其中，所述锥形开口的直径从所述第一直径逐渐地变化到所述第二直径，同时从所述第一主要表面贯穿所述衬底到所述第二主要表面。

7.根据权利要求1或5所述的声学探针，其中，所述声学探针还包括设置在所述装置插入端口内的器械引导件(800)，所述器械引导件被构造成选择性地允许所述介入装置在所述装置插入端口内自由地移动。

8.根据权利要求7所述的声学探针，其中，所述器械引导件(800)包括锁定单元，所述锁定单元被构造成经由连接到所述声学探针的用户界面装置响应于用户输入将所述介入装置选择性地锁定在所述装置插入端口内。

9.根据权利要求8或7所述的声学探针，其中，所述器械引导件包括编码器，所述编码器被布置成表示所述器械引导件在所述装置插入端口内的定向。

10.根据权利要求7所述的声学探针，其中，所述器械引导件包括：

插入端口结构(820)，所述插入端口结构具有用于所述介入装置由此穿过的孔；以及

至少部分地环绕所述插入端口结构的可调节夹具(810)，所述可调节夹具被安装到所述装置插入端口的内表面，

其中，当松开所述可调节夹具时，所述插入端口结构能够在所述可调节夹具内自由地旋转，并且能够调节所述介入装置在所述器械引导件内的插入深度，以及

当拧紧所述可调节夹具时，所述插入端口结构被固定在所述可调节夹具内，并且锁定住所述介入装置在所述器械引导件内的插入深度。

11.根据权利要求10所述的声学探针，其中，所述插入端口结构包括多个相对刚性的第一区段(824)和多个相对较软的第二区段(822)。

12.根据权利要求10所述的声学探针，其中，所述球结构上设置有光学图案，并且所述可调节夹具中设置有光学探测器，用于读取所述光学图案并提供一种表示所述球结构在所述可调节夹具内的定向的输出信号。

13.根据权利要求10所述的声学探针，其中，所述声学探针还包括用户反馈布置结构，所述用户反馈布置结构能够与成像系统耦合并适于使用户能够将位于所述器械引导件内的所述介入装置朝向目标位置定向。

14.根据权利要求13所述的声学探针，其中，所述用户反馈布置结构包括被布置在位于所述衬底的至少一个表面上的所述装置插入端口的周围的光元件的圆形同心环(1110、1112、1114)。

15.根据权利要求1所述的声学探针，其中，所述声学探针还包括至少一个第二装置插入端口，所述至少一个第二装置插入端口包括从所述第一主要表面贯穿所述衬底到所述第二主要表面的至少一个第二开口。

16.根据权利要求1的声学探针，其中，所述装置插入端口包括细长的锥形切口。