CN110770599B - 用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列 - Google Patents

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Abstract

一种用于跟踪患者中的介入医学设备的方法，包括由位于所述患者外部的成像探头将成像波束和跟踪波束的脉冲序列进行交错以获得交错脉冲序列。所述方法还包括将所述交错脉冲序列从所述成像探头发送到所述患者中的所述介入医学设备。所述方法还包括基于对从所述介入医学设备上的传感器接收的所述跟踪波束的响应来确定所述传感器在所述患者中的位置。

Description

用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列
背景技术
通常，超声系统被用于发射超声波作为来自成像探头的成像波束。成像波束的回波被接收并用于在显示器上创建超声图像。可以通过跟踪患者中的介入医学设备的位置使侵入性医学流程较不侵入性，并且经修改的常规超声系统可以被用于仅使用常规超声成像波束(即，在其他情况下被用于执行超声成像)执行这样的位置跟踪。超声传感器可以被放置在介入医学设备上并且专有地使用超声成像波束定位。当超声成像探头利用超声成像波束扫掠成像介质时，可以估计超声传感器的位置。
专有地使用超声成像波束的跟踪可能不是最佳的。例如，用于超声成像的超声扫描频率可以在介入医学设备上的超声传感器的带宽的边缘上。而且，专有地使用超声成像波束来跟踪区域限制于成像视场。额外关注包括被用于超声成像波束的所有波束形成参数(例如，波束位置、重复和波形特性)必须被提供例如用于跟踪中。
发明内容
一种用于跟踪患者中的介入医学设备的方法，包括：由患者外部的成像探头交错成像波束和跟踪波束的脉冲序列以获得交错脉冲序列。所述方法还包括：将所述交错脉冲序列从所述成像探头发送到所述患者中的介入医学设备。所述方法还包括：基于从所述介入医学设备上的传感器接收到的跟踪波束的响应来确定所述患者中的传感器的位置。
一种用于跟踪患者中的介入医学设备的系统，包括：所述患者外部的成像探头，其交错成像波束和跟踪波束的脉冲序列以获得交错脉冲序列，并且其将所述交错脉冲序列发送到所述患者中的介入医学设备。所述系统还包括响应于对来自所述成像探头的跟踪波束的响应的介入医学设备上的传感器。所述系统基于对所述跟踪波束的响应来确定所述患者中的传感器的位置。
附图说明
根据当结合附图考虑时下文呈现的代表性实施例的以下详细描述最好地理解范例实施例。应强调，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了讨论的清晰，可以任意增加或较小尺寸。在无论何处适用和实际的情况下，相似附图标记指代相似元件。
图1A图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的超声系统；
图1B图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一超声系统；
图1C是根据代表性实施例的可以实施用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的方法的通用计算机系统的说明性实施例；
图2图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的过程；
图3图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程；
图4图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程；
图5A图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例中的成像探头的相对视场；
图5B图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例中的成像探头的相对视场；
图6A图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例的定时图；
图6B图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例的定时图；
图7图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程；
图8A-8C图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的跟踪波束和成像波束的相对方向性；
图9A图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例中的成像探头的用于成像和跟踪的相对区域；
图9B图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例中的成像探头的用于成像和跟踪的相对区域；
图10A图示了根据代表性实施例的用于交错成像和跟踪序列的介入医学设备的框图；并且
图10B图示了根据代表性实施例的用于交错成像和跟踪序列的传感器的框图。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的代表性实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。可以省略对已知系统、设备、材料、操作方法和制造方法的描述，以避免模糊对代表性实施例的描述。尽管如此，在本领域普通技术人员的知识范围内的系统、设备、材料和方法在本教导的范围内，并且可以根据代表性实施例使用。应注意，本文使用的术语仅用于描述实施例的目的，而不旨在为限制。所定义的术语是如在本就教导的技术领域中通常理解和接受的所定义的术语的技术和科学含义的补充。
将理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一个元件或部件。因此，在不脱离创造性构思的教导的情况下，下面讨论的第一元件或部件可以被称为第二元件或部件。
本文使用的术语仅用于描述实施例的目的，而不旨在是限制性的。如说明书和权利要求中所使用的，单数形式的术语“一”、“一个”和“所述”旨在包括单数和复数形式两者，除非上下文另有明确规定。此外，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”和/或类似术语指定陈述的特征、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其他特征、元件、部件和/或其组的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的全部组合。
除非另行指出，否则当元件或部件被称为“连接到”、“耦合到”或“邻近于”另一元件或部件时，将理解所述元件或部件可以直接连接或耦合到其他元件或部件，或者可以存在中介元件或部件。也就是说，这些和类似术语涵盖可以采用一个或多个中间元件或部件来连接两个元件或部件的情况。然而，当元件或部件被称为“直接连接”到另一元件或部件时，这仅涵盖两个元件或部件彼此连接而没有任何中间或中介元件或部件的情况。
鉴于前述内容，因此本公开通过其各个方面、实施例和/或特定特征或子部件中的一个或多个旨在呈出如下面具体指出的优点中的一个或多个。出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的范例实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。然而，与本公开一致的脱离本文公开的具体细节的其他实施例保持在权利要求的范围内。此外，可以省略对公知装置和方法的描述，以免模糊对范例实施例的描述。这样的方法和设备在本公开的范围内。
如本文所描述的，时间交错成像帧和跟踪帧(或成像波束和跟踪波束)均可以定制到其特定目的：成像或跟踪。跟踪波束可以具有优化用于跟踪的跟踪波束的特性(例如，形状、位置、波形)。
图1A图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的超声系统。在图1中，超声系统100包括具有处理器151和存储器152的中心站150、触摸面板160、监测器180、通过接线131连接到中心站150的成像探头130、以及通过接线111连接到中心站的介入医学设备110。传感器120在介入医学设备110上。
通过解释，介入医学设备110在医学流程期间内部地放置到患者中。可以使用传感器120跟踪介入医学设备110的位置。例如，除使用超声成像波束来帮助确定传感器120的位置的最新近常规能力之外，传感器120可以接收并且使用跟踪波束来帮助确定传感器120的位置。传感器120可以有源地或无源地被用于响应于接收到的超声跟踪波束。如本文所描述的，交错成像和跟踪序列被用于选择性地、通常地或总是以交错顺序提供不同的成像和跟踪波束。然而，还如本文所指出的，可以使用成像波束和跟踪波束中的任一或两者来执行跟踪。
在图1A中，接线111和接线131被用于将介入医学设备110和成像探头130连接到中心站150。对于成像探头130，接线131可以不呈现许多关注，但是接线131仍然能够使人分心。对于介入医学设备110，接线111可以被用于例如当介入医学设备110被用于捕获图像时将图像传送回来。然而，接线111能够具有更多关注，其中，介入医学设备110至少部分地被插入在患者中。因此，利用无线连接替换接线131和接线111将提供一些益处。
图1B图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一超声系统。在图1B中，接线131利用无线数据连接132来替换，并且接线111利用无线数据连接112来替换。以其他方式，图1B中的超声系统100包括与图1A中相同的中心站150，即，其具有处理器151和存储器152、触摸板160、监测器180、成像探头130、介入医学设备110和传感器120。
在图1B中，超声系统100可以是具有板载的传感器120的介入医学设备110的布置。介入医学设备110可以是例如在其尖端处具有传感器120的针。传感器120可以被配置为听取并且分析来自于来自成像探头130的跟踪波束的数据。跟踪波束从成像探头130的“传送”和由传感器120对跟踪波束的“听取”被同步。
在图1A或图1B中，成像探头130可以传送成像波束和跟踪波束的交错脉冲序列。脉冲序列可以包括成像波束和跟踪波束两者。下面在本文中描述了用于交错的机制。
中心站150、成像探头130和传感器120之间关系的解释如下。在该方面中，图1A和1B中的中心站150可以包括波束形成器(未示出)，所述波束形成器由时钟(未示出)同步以在发送模式中将适当延迟的信号传送到成像探头130中的成像阵列的元件。在接收模式中，波束形成器可以适当地对来自成像探头130中的成像阵列的个体元件的信号进行延迟和求和。本文所描述的交错使用成像探头130来执行，并且可以是根据由中心站150的波束形成器执行的波束形成的。
在备选示范性单向关系中，成像探头130可以省略入射在传感器120上的跟踪波束(即，当传感器120在跟踪波束的视场中时)。传感器120可以将跟踪波束的能量接收并且转换为信号，使得传感器120或甚至介入医学设备110可以确定传感器120相对于成像探头130的成像阵列的位置。传感器120的相对位置可以基于由传感器120接收的接收到的跟踪波束几何地计算。
中心站150可以被认为是控制成像探头130的控制单元。如在图1A和1B中所描述的，中心站150包括连接到存储器152的处理器151。中心站150还可以包括时钟(未示出)，所述时钟提供时钟信号以将成像探头130与传感器120同步。
成像探头130适于扫描包括介入医学设备110和传感器120的感兴趣区域。当然，如对于超声成像探头已知的，成像探头130使用超声成像波束以在逐帧基础上提供图像。成像探头130还可以使用单独的跟踪波束来获得传感器120的位置。
如所指示的，在单向关系中，传感器120可以适于将由成像探头130提供的跟踪波束转换为电学信号，并且要么直接要么间接(例如，经由位于介入医学设备110的近端端部中的发射器或中继器)将要么来自传感器120的原始信号要么来自传感器120的部分或完全处理数据(例如，计算的传感器位置)提供到中心站150。取决于其处理程度，这些数据由中心站150用于要么确定传感器120的位置和传感器120被附接到的介入医学设备110的远端端部的位置，要么向中心站150提供传感器120的位置和传感器120被附接到的介入医学设备110的远端端部的位置。
如本文所描述的，传感器120的位置由中心站150确定或被提供到中心站150。传感器120的位置可以由处理器151用于将传感器120的位置叠加到用于在监测器180上显示的图像帧上，并且因此介入医学设备110相对于图像帧的远端端部。在另一代表性实施例中，被存储在存储器152中的指令由处理器151运行以确定传感器120相对于图像帧的位置，并且叠加传感器120的位置，并且因此相对于图像帧的介入医学设备110的远端端部。
宽广地，在操作中，处理器151通过成像探头130发起扫描。扫描可以包括跨感兴趣区域的交错成像波束和跟踪波束。成像波束被用于形成帧的图像；并且跟踪波束被用于确定传感器120的位置。如可以意识到的，来自成像波束的图像由双向传输序列形成，其中，感兴趣区域的图像由子波束的透射和反射形成。相比之下，在单向关系中，跟踪波束入射在传感器120上，传感器120将跟踪波束转换为电学信号(即，而不是反射跟踪波束或者除反射跟踪波束之外)。在双向关系中，跟踪波束由传感器120反射，使得成像探头130使用反射的跟踪波束确定传感器120的位置。
如上所述，取决于在何处位置要被确定，用于确定传感器120的位置的数据可以包括原始数据、部分处理数据、或完全处理数据。取决于处理的程度，这些数据可以被提供到处理器151，处理器151用于运行被存储在存储器152(即，中心站150的)中的指令以确定传感器120在来自波束形成器的超声图像的坐标系中的位置。备选地，这些数据可以包括传感器120在坐标系中的所确定的位置，其由当运行被存储在存储器152中的指令时的处理器151使用以将传感器120的位置叠加在监测器180中的超声图像上。为此目的，中心站150的波束形成器可以处理波束形成信号以显示为帧的图像。来自波束形成器的输出可以被提供给处理器151。来自传感器120的数据可以是原始数据，在这种情况下，处理器151运行存储器152中的指令以确定传感器120在图像的坐标系中的位置；或者来自传感器120的数据可以由介入医学设备110处理以确定传感器120在图像的坐标系中的位置。任一方式，处理器151被配置为将传感器120的位置叠加在监测器180上的图像上。例如，合成图像可以包括基于成像波束的帧(例如，最后帧)的图像，并且该帧中的传感器120的交叠位置向临床医师提供传感器120的位置和相对于感兴趣区域的介入医学设备110的远端端部的实时反馈。如可以意识到的，传感器120的位置的交叠可以针对每个帧重复以实现相对于帧的合成图像的传感器120的位置的完整实时原位交叠。
图1C是可以实施用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的方法的通用计算机系统的说明性实施例。计算机系统1100可以包括可以运行以使计算机系统1100执行本文所公开的基于方法或计算机的功能中的任何一个或多个的一组指令。计算机系统1100可以操作为独立设备或可以例如使用网络1101连接到其它计算机系统或外围设备。图1C中的计算机系统110的任何或全部元件和特性可以表示图1A和1B中的中心站150、成像探头130或甚至传感器120的元件和特性。
在联网部署中，计算机系统110可以在服务器-客户端用户网络环境中以客户端的能力操作。计算机系统110还可以完全或部分被实施为各种设备或并入各种设备中，诸如中心站、成像探头、图像波束接收器、跟踪波束接收器、固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、或能够运行指定要由改机器采取的动作的一组指令(顺序的或以其他方式)的任何其他机器。计算机系统1100可以并入为继而在包括额外设备的集成系统中的设备，或在其中。在实施例中，计算机系统1100可以使用提供视频或数据通信的电子设备实施。此外，尽管图示了计算机系统1100，但是术语“系统”还应当被理解为包括个体或联合运行一组或多组指令以执行一个或多个计算机功能的系统或子系统的任何集合。
如图1C图示的，计算机系统1100包括处理器1110。用于计算机系统1100的处理器1110是有形的和非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。本文描述的任何处理器是制品和/或机器部件。用于计算机系统1100的处理器被配置为运行软件指令以执行如本文的各种实施例中描述的功能。用于计算机系统1100的处理器可以是通用处理器，或者可以是专用集成电路(ASIC)的一部分。用于计算机系统1100的处理器还可以是微处理器、微计算机、处理器芯片、控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机或可编程逻辑器件。用于计算机系统1100的处理器也可以是逻辑电路，包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的可编程门阵列(PGA)，或包括离散门和/或晶体管逻辑的另一类型的电路。用于计算机系统1100的处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者。此外，本文描述的任何处理器可包括多个处理器、并行处理器或两者。多个处理器可以包括在单个设备或多个设备中，或者耦合到单个设备或多个设备。
此外，计算机系统1100包括主存储器1120和静态存储器1130，其可以经由总线1108彼此通信。本文描述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在指令存储在其中的时间期间是非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。本文描述的存储器是制品和/或机器部件。本文描述的存储器是计算机可读介质，可以由计算机从其读取数据和可执行指令。本文描述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除磁盘、磁带、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用磁盘(DVD)、软盘、蓝光光盘或本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储器可以是易失性的或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。
如图所示，计算机系统1100还可以包括视频显示单元1150，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器或阴极射线管(CRT)。此外，计算机系统1100可以包括输入设备1160，诸如键盘/虚拟键盘或触敏输入屏幕或具有语音识别的语音输入，以及光标控制设备1170，诸如鼠标或触敏输入屏幕或垫。计算机系统1100还可以包括磁盘驱动器单元1180、信号生成设备1190、例如扬声器或遥控器，以及网络接口设备1140。
在实施例中，如图1C中所描绘的，磁盘驱动单元1180可以包括计算机可读介质1182，其中，可以嵌入一组或多组指令1184，例如，软件。可以从计算机可读介质1182读取多组指令1184。此外，指令1184在由处理器运行时可以用于执行如本文所描述的方法和过程中的一个或多个。在实施例中，指令1184可在由计算机系统1100运行期间完全或至少部分地驻留在主存储器1120、静态存储器1130和/或处理器1110内。
在备选实施例中，可以构造专用硬件实施方式，诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列和其他硬件部件，以实施本文描述的方法中的一个或多个。本文描述的一个或多个实施例可以使用两个或更多个特定互连硬件模块或设备利用可以在模块之间和通过模块通信的相关控制和数据信号来实施功能。因此，本公开涵盖软件、固件和硬件实施方式。本申请中的任何内容都不应被解释为仅仅利用软件而不利用诸如有形非瞬态处理器和/或存储器的硬件实施或可实施。
根据本公开的各种实施例，可以使用运行软件程序的硬件计算机系统来实施本文描述的方法。此外，在示范性非限制性实施例中，实施方式可以包括分布式处理、部件/对象分布式处理和并行处理。可以构造虚拟计算机系统处理以实施如本文描述的方法或功能中的一个或多个，并且本文描述的处理器可以用于支持虚拟处理环境。
本公开预期包括指令1184或者响应于传播信号而接收并且运行指令1184的计算机可读介质1182；使得连接到网络1101的设备可以通过网络1101传递视频或者数据。此外，指令1184可以经由网络接口设备1140通过网络1101发送或接收。
图2图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的过程。在图2中，过程通过设置脉冲序列开始于S222。脉冲序列用于交错成像波束和跟踪波束。在S222处，脉冲序列基于特定类型的介入医学设备110、传感器120和/或成像探头130来设置。因此，要使用的脉冲序列可以通过不同类型的介入医学设备110、传感器120和/或成像探头130来变化，并且在S222处，脉冲序列可以通过例如输入或检测哪些类型正被使用来设置。
在S224处，跟踪波束的波形基于传感器120的带宽特性来匹配。即，不同类型的传感器120将具有不同带宽特性，并且跟踪波束的波形可以基于带宽特性来匹配。
在S226处，交错脉冲序列的发送和由传感器120对跟踪波束的接收预先同步。即，预先建立预期的定时图案，因为跟踪波束的接收是由超声系统100造成的交错的预计目的。因此，预先建立用于发送交错脉冲序列和由传感器120接收跟踪波束的发送/接收/发送/接收定时序列。
在S228处，脉冲序列利用成像波束和跟踪波束交错。在本文中将关于图6A和6B来描述特定交错图案的若干范例。
在S230处，发送交错脉冲序列。根据图1A和1B，成像探头130发射交错脉冲序列，并且介入医学设备110和传感器120接收交错脉冲序列。交错脉冲序列的成像波束将实现由成像探头130检测到的成像结果。实际上，在S226处的同步预期跟踪波束由传感器120接收，而反射的成像波束由成像探头130交替地接收。
在S234处，接收对跟踪波束的响应。在本文中所描述的大多数情况下，跟踪波束与成像波束不同，诸如当跟踪波束具有基于传感器120的带宽特性匹配的波形时。如贯穿本公开指出的，跟踪波束实现患者中的传感器120和介入医学设备110的跟踪位置。
在S250处，基于成像结果来显示患者的图像，并且基于对跟踪波束的响应来显示传感器120的位置。因此，传感器120的位置可以被显示为例如超声图像上的亮斑以示出传感器120相对于患者近似或确切地在何处。
图3图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程。在图3中，在S310处，在没有交错或跟踪波束的情况下，初始地发送成像波束。在图3的实施例中，如本文所解释的，使用跟踪波束的跟踪仅选择性地被使用。
在S312处，做出由传感器120接收到的成像波束中的信噪比是否低于预定阈值的检查。如果信噪比高于阈值(S312＝否)，则过程在不使用跟踪波束或交错的情况下在循环中继续。换句话说，超声可以以常规方式使用，除非并且直到由传感器120接收到的成像波束中的信噪比低于预定阈值，并且成像波束然后被用于单向配置中的跟踪目的。当例如信噪比反映介入医学设备110和传感器120可能不在其被假定为之处时，启用跟踪波束，如由来自由传感器120接收到的成像波束的出乎意料地低信噪比所示。在另一实施例中，基于由成像探头130接收到的回波的成像结果中的信噪比水平还可以或备选地被用于确定何时使用跟踪波束选择性地开始。
在S326处，交错脉冲序列的发送与由传感器120对跟踪波束的接收同步，并且在S328处，成像波束和跟踪波束在脉冲序列中交错。在S330处，发送交错脉冲序列，并且在S332处，从成像波束接收成像结果，并且在S334处，接收对跟踪波束的响应。在S350处，基于成像结果和对跟踪波束的响应来显示患者的图像和传感器120的位置。换句话说，从S326到S350的过程与从S226到S250的过程相同。然而，在S350处，过程返回到在S310处在没有交错或跟踪波束的情况下发送成像波束，以查看信噪比是否已经改进，使得传感器120的位置可以暂时使用仅如现有技术中的成像波束可靠地建立。如果在S312处在传感器120处接收到的成像波束中的信噪比(并且任选地来自成像波束的脉冲-回波信噪比)再次低于阈值，则过程将使用交错和跟踪波束恢复。
图4图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程。在图4中，过程通过发送交错脉冲序列开始于S430。在S434处，接收对跟踪波束的响应，并且在S435处，过程基于对跟踪波束的响应来测量传感器120的深度。换句话说，传感器120的深度是基于根据对跟踪波束的响应导出的传感器120的位置来测量的。
在S436处，跟踪波束的焦点被调节到在S435处测量的传感器120的深度。在S450处，基于成像结果和对跟踪波束的响应来显示患者的图像和传感器120的位置。在S452处，做出脉冲序列是否已经结束的检查，并且如果是这样的话(S452＝是)，则过程在S490处结束。如果脉冲序列尚未结束(S452＝否)，则在S454处序列的计数增大，并且过程返回到在S430处发送交错脉冲序列。
图4的过程示出了要注意的两个方面。第一个在于，跟踪波束的焦点可以匹配到传感器120的深度。第二个在于，序列可以通过计数例如成像帧、跟踪帧、成像/跟踪超帧和脉冲序列的其他特性来跟踪。当子过程(诸如调节焦点)被执行时，在S454处的计数可以被用于跟踪脉冲序列的结束。
图5A图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例中的成像探头的相对视场。在图5A中，成像探头130发射成像视场138中的成像波束，以及跟踪视场139中的跟踪波束。如可以看到，跟踪视场139延伸超过成像视场138。跟踪视场139示出跟踪波束可以在成像波束未被引导到的方向上引导，其意指传感器120可以甚至当介入医学设备不在成像视场139中时定位并且将不出现在图像中。例如，图5A适用于二维(2D)探头。
当使用成像波束专有地执行跟踪时，传感器120的跟踪限于成像视场。然而，如图5A和5B中所示，使用单独的跟踪波束跟踪成像视场外部将是可能的。
例如，跟踪成像视场外部可以有用于导引具有二维(2D)曲线或线性探头的针，其中，仅使用成像波束，导引针不可见，直到进入组织中几厘米。在另一范例中，在平面外跟踪针可以甚至当仅平面使用2D阵列成像时是有用的。对于针导引范例，跟踪波束可以扩展以通过转向覆盖较大的视场。对于平面外跟踪，跟踪体积可以甚至当仅平面使用2D阵列成像时使用。
图5B图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例中的成像探头的相对视场。在图5B中，针对单个成像视场138示出多个跟踪视场139。例如，图5B适用于三维(3D)探头。
成像波束的帧率当成像波束和跟踪波束交错时降低。因此，可以优化成像波束和跟踪波束中的每一个的帧率。跟踪波束特性的优化可以允许将单个跟踪序列与作为特定于特定组织的预设成像设置的多个或所有所谓的成像组织特异性预设(TSP)交错。这继而消除将许多波束参数从扫描模块发送到跟踪模块的任何要求。
一般情况下，对于跟踪波束的分辨率不必与对于成像波束一样高，因为仅在跟踪波束的接收信号中寻找空间峰。跟踪性能就准确度而言比分辨率更好表征，并且分辨率仅其次影响准确度。换句话说，成像波束的专有现有用途的性能取决于发送成像波束的形状和密度，但是相关性不是直接的并且由处理算法影响以从跟踪波束的信号获得位置。因此，一般而言，低分辨率发送波束(即，宽波束)可以被用于维持帧率。
此外，发送波束重建可以在接收到的信号上执行以改进分辨率。因此，具有平面波或发散波束的超快跟踪序列可以被用于改进跟踪帧率。相反地，如果跟踪的灵敏度要优化，则过采样发送波束序列可以被用于增强信噪比。
为了最大化跟踪灵敏度，跟踪波束的波形可以匹配到介入医学设备110上的传感器120的带宽特性。例如，如果介入医学设备110是针，并且传感器120具有5MHz特性，则跟踪信噪比将在用于不同组织的预设之间广泛变化，其中，成像频率可以在从4MHz到7MHz的范围。另外，适于“穿透”的跟踪波束可以使用较大循环数、较低频率和编码激励。这样的跟踪波束可以重复或强交叠以最大化信噪比。经验观察结果揭示这些波形变化通常在灵明度改进中比在准确度的退化中使跟踪获益更多。由于跟踪可以限于搜索接收数据中的空间峰，因而与成像分辨率相比较，准确度可以被牺牲为次要关注。
如关于图4所指出的，跟踪波束还可以通过例如通过利用超声成像波束跟踪传感器位置并且将该信息反馈到发送波束形成器测量传感器深度来聚焦于传感器120的深度处。通过将跟踪波束聚焦于传感器120的深度处，信噪比和准确度可以最大化用于跟踪。此外，用于跟踪帧的焦点深度可以独立于用于成像帧的发送焦点深度而维持，使得独立地设置用于成像中的每个和用于跟踪的焦点深度可以是优选的。
在实施例中，可以使用帧交错，其中，一个或多个成像帧与一个或多个跟踪帧交错。然而，帧交错可以在成像帧与跟踪帧之间引入滞后，其可以是非常低成像/跟踪速率(<10Hz)处可检测的。当波束交错备选地使用时，成像波束在帧内与跟踪波束交错。帧交错对波束交错被图示并且下面在图6A和6B中解释更多。使用要么帧交错要么波束交错，可以调整成像帧与跟踪帧或成像波束与跟踪波束的比。
图6A图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例的定时图。图6A示出了帧交错的范例。在图6A中，成像帧605和跟踪帧610在脉冲序列中交替地并且顺序地发射。成像帧605中的成像波束被示出比跟踪帧610中的跟踪波束更细。如所示，水平轴在时间维度上，因此成像帧605、跟踪帧610、成像帧605、跟踪帧610的顺序发射在时间维度上是顺序的。
图6B图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例的定时图。图6B示出了波束交错的范例。在图6B中，成像/跟踪超帧655跟随有另一成像/跟踪超帧665。再次，水平轴在时间维度上，因此成像/跟踪超帧655、成像/跟踪超帧665的顺序发射在时间维度上是顺序的。成像/跟踪超帧655、665中的每个包括两个成像波束、一个跟踪波束、两个成像波束、一个跟踪波束的交替序列。
为了减少帧率上的来自跟踪波束的影响，跟踪波束可以仅在传感器120的期望位置周围的成像体积的子区域中发送。传感器120的预期位置可以基于传感器120的历史位置，或者通过处理来自成像波束的传感器数据。来自成像帧的数据可以被用于提供使用跟踪波束细化的粗略位置估计。
此外，为了减少帧率上的来自跟踪波束的影响，跟踪波束可以限于成像波束未已经传送的方向。例如，在图5A和5B中的扩展视场中，额外波束可以限于超过其中成像视场不交叠跟踪视场的表面的法线。
本文所描述的大多数实施例使用跟踪帧和交错。然而，当例如成像波束作为默认被用于跟踪时，跟踪波束和/或交错的使用可以选择性地激活作为备份。下面描述了这一点的范例，并且图7的实施例描述了跟踪波束的这样的选择性使用。
备选地，交错成像波束和跟踪波束均可以单独地被用于跟踪介入医学设备110上的传感器120。单独地使用交错成像波束和跟踪波束两者具有以下优点：跟踪帧率未丢失，而肯定地获得可以要么在扩大视场中要么具有更多灵敏度的额外的测量结果。可以以若干方式使用跟踪波束的高置信度测量结果和成像波束的较低置信度测量结果。例如，低通或卡尔曼滤波器可以跨波束或帧用作滤波器。卡尔曼滤波器可以将跟踪波束的测量结果比成像波束的测量结果加权更多。类似地，可以对工具轨迹进行建模，并且模型可以利用跟踪波束的测量结果和所有测量结果上的模型的误差的估计来约束。不同模态可以被用于移除来自成像波束的测量结果的伪影。例如，如果针对成像和跟踪测量结果计算的位置过多不同，则成像结果中的最大峰可以使用在由跟踪波束的测量结果播种的区域中。
当视场扩大时，基于跟踪波束的测量结果的一些实例能够导致当基于成像波束的测量结果仅是噪声时的确信估计。在这些情况下，丢弃来自成像波束的测量结果。丢弃可以基于信噪比的阈值。例如，跟踪波束的测量结果中的高信噪比和成像波束的测量结果中的较低信噪比可能反映传感器120在跟踪视场中但是在成像视场外部。
图7图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一过程。在图7的实施例中，使用高灵敏度跟踪波束或帧的扩大视场可以仅当基于成像结果的测量结果反映提出成像波束的信号已经有效丢失的低信噪比时被激活。低信噪比导致信号被传送到系统用于跟踪介入医学设备以开始搜索传感器120，即，以激活跟踪波束/帧。这导致折中，其中，成像帧率暂时降低，但是这将仅持续直到传感器120再次发现并且返回到用于成像波束的视场中。当传感器120再次发现并且返回到用于成像波束的视场中时，特殊跟踪帧关断并且跟踪返回到仅使用成像波束的默认。当成像信噪比再次下降时，跟踪波束或帧的使用选择性地重新开始。
在图7中，过程在S701处开始。在S702处，使用具有跟踪波束和成像波束的脉冲序列。在S704处，做出成像结果(即，来自成像波束)中的信噪比是否高于阈值的检查。如果信噪比高于阈值(S704＝是)，则在S706处仅成像序列连同显示标记一起发射。成像序列和显示标记重复地发射直到信噪比下降回到低于S708处的检查中的阈值，在那时，使用跟踪波束和成像波束。
在S704处，如果信噪比当使用跟踪波束和成像波束时不高于阈值(S704＝否)，则在S710处针对跟踪序列中的信噪比做出检查。如果跟踪序列中的信噪比高于阈值(S710＝是)，则在S712处显示标记并且过程返回S702。如果在S710处跟踪序列中的信噪比不高于阈值(S710＝否)，则在S714处不显示标记，并且过程返回到S702处的使用跟踪波束和成像波束。
根据图7的实施例，跟踪和成像使用直到成像序列中的信噪比降至低于S704或S708处的阈值。此外，如果在S704处信噪比低于阈值，则过程检查跟踪序列中的信噪比是否低于阈值，因此如果成像序列(S704＝否)和跟踪序列(S710＝否)两者中的信噪比都太低，则甚至并不显示用于传感器120的标记。
图7的实施例表示交错脉冲序列中的跟踪波束的高效使用。跟踪波束的选择性使用仅当成像序列不能够检测传感器120时被激活。因此，图7的实施例帮助将介入医学设备110和传感器120放回到视场中。
图8A-8C图示了根据代表性实施例的用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的跟踪波束和成像波束的相对方向性。在图8A中，成像探头130在水平线下顺时针115°的方向上发射跟踪波束。在图8B中，成像探头130在水平线下顺时针80°的方向上发射第一成像波束。在图8C中，成像探头130在水平线下顺时针78°的方向上发射第二成像波束。换句话说，图8A-8C图示了跟踪波束和成像波束可以居中在不同方向上，甚至分开20°或更多。跟踪波束和成像波束的方向上的发散可以用于甚至跟踪波束和成像波束的立即相邻/顺序发射。
图9A图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的实施例中的成像探头的成像和跟踪的相对区域。在图9A中，成像区域被示出为完全地在成像探头130下面延伸，而跟踪区域被示出为在成像区域的子区域内延伸。在图9A中，跟踪子区域在成像区域的左边。
图9B图示了根据代表性实施例的来自用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的另一实施例中的成像探头的成像和跟踪的相对区域。在图9B中，成像区域被示出为再次完全地在成像探头130下面延伸，而跟踪区域被示出为再次在成像区域的子区域内但是在成像区域的右边延伸。
图10A图示了根据代表性实施例的用于交错成像和跟踪序列的介入医学设备的框图。在图10A中，介入医学设备1010包括图像波束接收器1012、输入/输出收发器1018、处理器101和存储器1016。在图10A中，介入医学设备1010因此是逻辑器件。然而，在本文所描述的几乎所有实施例中，介入医学设备1010不必是逻辑器件，并且相反可以是简单的针等。
图10B图示了根据代表性实施例的用于交错成像和跟踪序列的传感器的框图。在图10B中，传感器1020包括跟踪波束接收器1022、输入/输出收发器1028、处理器1024、和存储器1026。在图10B中，传感器1020因此是逻辑器件。传感器1020可以是要么无源要么有源的，其中，传感器1020可以无源地反映接收到的跟踪波束以响应于跟踪波束，或者可以有源地处理接收到的跟踪波束并且逻辑生成对接收到的跟踪波束的响应。如果传感器1020是逻辑器件，则处理器1024可以运行被存储在存储器1026中的指令，以响应于使用输入/输出收发器1028的接收到的跟踪波束。
因此，用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列使能传感器120的最佳跟踪。优化可以针对不同的介入医学设备110变化，诸如针、导管和导丝等。优化还可以针对不同类型的传感器120变化，诸如压电(PZT)、聚偏氟乙烯(pvdf)。在实施例中，多个跟踪波束或帧参数可以被编程到超声系统中，例如作为跟踪帧参数设置#1、跟踪参数设置#2。因此，类似于用于组织成像的组织特异性预设(TSP)，传感器特异性预设可以针对超声系统定义。用户可以被允许选择期望的跟踪帧参数设置作为传感器特异性预设(SSP)以用于成像探头130、介入医学设备110和传感器120的给定组合。例如，如果跟踪的介入医学设备110是导丝，则传感器120是PZT并且针对12MHz优化，并且成像探头130是线性探头L12-5，可以使用针对最高频率设置(最接近于12MHz)编程的跟踪参数设置。用于跟踪设置的用户选择可以例如经由用于组织特异性预设的按钮旁边的超声系统用户接口提供。
尽管已经参考若干示范性实施例描述了用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列，但是应当理解，已经使用的词语是描述和说明的词语而不是限制的词语。在不脱离用于其方面中的基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列的范围和精神的情况下，如目前说明和修改的，可以在权利要求书的范围内做出改变。尽管已经参考特定模块、材料和实施例描述了用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列，但是用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列不旨在限于所公开的细节；相反用于基于超声的仪器跟踪的交错成像和跟踪序列扩展到诸如在权利要求书的范围内的所有功能等效的结构、方法和用途。
本文描述的实施例的图示旨在提供对各种实施例的结构的总体理解。这些图示并非旨在用作本文描述的公开的所有元件和特征的完整描述。在查看本公开后，许多其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。其他实施例可以利用并从本公开中导出，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下做出结构和逻辑替换和改变。另外，图示仅仅是代表性的，并且可以不按比例绘制。图示内的某些比例可能被夸大，而其他比例可能被最小化。因此，本公开和附图应被视为说明性的而非限制性的。
本文仅仅出于方便通过术语“发明”个体地和/或共同地在本文中提及本公开的一个或多个实施例，而不旨在将本申请的范围自愿地限制于任何特定发明或发明构思。此外，尽管本文已图示和描述了特定实施例，但应意识到，经设计以实现相同或相似目的的任何后续布置可替代所示的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的任何和所有后续修改或变化。在查看本说明书之后，上述实施例以及本文未具体描述的其他实施例的组合对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
如上文所描述的，可以通过使用单独的跟踪波束增强仪器的基于超声的跟踪。如本文所描述的，可以增强信噪比，以及特别地有用于线性阵列和平面内插入获得的较大视场。视场还可以在用于平面内和平面外针插入的仰角方向上增强。
根据本公开的方面，一种用于跟踪患者中的介入医学设备的方法，包括由位于所述患者外部的成像探头将成像波束和跟踪波束的脉冲序列进行交错以获得交错脉冲序列。所述方法还包括将所述交错脉冲序列从所述成像探头发送到所述患者中的所述介入医学设备。所述方法还包括基于对从所述介入医学设备上的传感器接收的所述跟踪波束的响应来确定所述传感器在所述患者中的位置。
根据本公开的另一方面，方法还包括基于成像波束来接收成像结果。
根据本公开的又一方面，方法还包括将发送交错脉冲序列与由传感器接收跟踪波束同步。
根据本公开的再一方面，方法包括在监测器上基于成像结果显示患者的图像并且基于对跟踪波束的响应显示患者中的传感器的位置。
根据本公开的另一方面，方法还包括通过传感器提供对跟踪波束的响应。
根据本公开的又一方面，交错脉冲序列按时间段交错。
根据本公开的又一方面，方法包括基于所述患者中当所述成像探头移动时的所述跟踪波束来在监测器上显示所述传感器的多个连续位置。
根据本公开的再一方面，所述成像波束的特性与所述跟踪波束的特性不同，所述成像波束的特性包括以下中的至少一项：形状、位置和波形。
根据本公开的另一方面，所述脉冲序列包括单个跟踪波束序列和基于被成像的特定组织而变化的多个不同预设成像波束序列。
根据本公开的又一方面，方法还包括将所述跟踪波束的波形与所述传感器的带宽特性进行匹配。
根据本公开的再一方面，方法还包括测量传感器的深度；并且将跟踪波束聚焦在传感器的深度处。
根据本公开的另一方面，所述传感器在所述成像波束的视场外部被跟踪。
根据本公开的又一方面，所述交错包括将至少一个成像帧与至少一个跟踪帧进行交错。
根据本公开的再一方面，交错包括在帧内交错成像波束和跟踪波束。
根据本公开的另一方面，发送还包括在患者的区域中发送成像波束，并且基于根据历史传感器位置预测传感器的期望位置来仅在区域的子区域中发送跟踪波束。
根据本公开的又一方面，发送包括在患者的区域中发送成像波束，并且基于处理来自成像波束的成像数据来仅在区域的子区域中发送跟踪波束。
根据本公开的又一方面，发送包括在至少一个第一方向上发送成像波束，并且在与任何至少一个第一方向不同的第二方向上发送跟踪波束。
根据本公开的另一方面，交错脉冲序列基于根据由传感器接收到的成像波束确定的相对信噪比测量结果选择性地传送。
根据本公开的又一方面，交错脉冲序列基于介入医学设备、传感器和成像探头的类型的组合而变化。
根据本公开的方面，一种用于跟踪患者中的介入医学设备的系统包括成像探头和传感器。成像探头在患者外部并且交错成像波束和跟踪波束的脉冲序列以获得交错脉冲序列。成像探头还将交错脉冲序列发送到患者中的介入医学设备。传感器在介入医学设备上并且响应于来自成像探头的跟踪波束的响应。系统基于对跟踪波束的响应来确定患者中的传感器的位置。
本公开的摘要被提供为符合37C.F.R.§1.72(b)并且被提交有以下理解，即其不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前面的具体实施方式中，各种特征可以组合在一起或在单个实施例中描述，以用于简单化本公开的目的。本公开内容不应被解释为反映所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的，创造性患者问题可以涉及少于任何所公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求被并入具体实施方式中，每个权利要求自身作为定义单独要求保护的患者问题。
所公开的实施例的先前描述被提供为使本领域的技术人员能够实践本公开中所描述的概念。这样一来，以上公开的患者问题要被认为是说明性的而非限制性的，并且权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这样的修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大范围内，本公开的范围要由权利要求及其等价方案的最宽泛的可允许解释来确定，并且不应受前述详细描述的约束或限制。

Claims (15)

1.一种用于跟踪患者中的介入医学设备的方法，包括：
由位于所述患者外部的成像探头将来自所述成像探头的成像波束发送到所述患者中的所述介入医学设备；
基于对从所述介入医学设备上的传感器接收的所述成像波束的响应，确定针对由所述传感器接收的所述成像波束的相对信噪比测量结果；
由所述成像探头将所述成像波束和跟踪波束的脉冲序列进行交错以获得交错脉冲序列；
将所述交错脉冲序列从所述成像探头发送到所述患者中的所述介入医学设备；并且
基于对从所述介入医学设备上的所述传感器接收的所述跟踪波束的响应来确定所述传感器在所述患者中的位置；并且
其中，基于根据由所述传感器接收的所述成像波束确定的所述相对信噪比测量结果来选择性地发送所述交错脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述成像波束来接收成像结果。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
对发送所述交错脉冲序列与所述传感器接收所述跟踪波束进行同步。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述患者中当所述成像探头移动时的所述跟踪波束来在监测器上显示所述传感器的多个连续位置。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述成像波束的特性与所述跟踪波束的特性不同，所述成像波束的特性包括以下中的至少一项：形状、位置和波形。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述脉冲序列包括单个跟踪波束序列和基于被成像的特定组织而变化的多个不同预设成像波束序列。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述跟踪波束的波形与所述传感器的带宽特性进行匹配。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
测量所述传感器的深度；并且
将所述跟踪波束聚焦在所述传感器的所述深度处。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述交错包括在帧内将所述成像波束与所述跟踪波束进行交错。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交错脉冲序列的所述发送包括：
将所述成像波束发送于所述患者的区域中，并且
基于根据历史传感器位置对所述传感器的期望位置进行预测来仅将所述跟踪波束发送于所述区域的子区域中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交错脉冲序列的所述发送包括：
将所述成像波束发送于所述患者的区域中，并且
基于对来自所述成像波束的成像数据进行处理来仅将所述跟踪波束发送于所述区域的子区域中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交错脉冲序列的所述发送包括：
在至少一个第一方向上发送所述成像波束，并且
在与任何至少一个第一方向不同的第二方向上发送所述跟踪波束。
13.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述交错脉冲序列基于所述介入医学设备、所述传感器和所述成像探头的类型的组合而变化。
14.一种用于跟踪患者中的介入医学设备的系统，包括：
成像探头，其在所述患者外部；
其中，所述成像探头被配置为将来自所述成像探头的成像波束发送到所述患者中的包括传感器的介入医学设备；并且
其中，所述系统被配置为基于对从所述传感器接收的所述成像波束的响应，确定针对由所述传感器接收的所述成像波束的相对信噪比测量结果；并且，
其中，所述成像探头被配置为将成像波束和跟踪波束的脉冲序列进行交错以获得交错脉冲序列，并且将所述交错脉冲序列发送到所述患者中的所述介入医学设备，并且
其中，在所述介入医学设备上的所述传感器被配置为提供响应以响应于来自所述成像探头的所述跟踪波束，
其中，所述系统被配置为基于对所述跟踪波束的所述响应来确定所述传感器在所述患者中的位置，并且
其中，所述系统被配置为令所述成像探头基于根据由所述传感器接收的所述成像波束确定的所述相对信噪比测量结果来选择性地发送所述交错脉冲序列。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括所述介入医学设备。
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