CN112334073A - 相对设备取向确定 - Google Patents

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CN112334073A CN201980040169.0A CN201980040169A CN112334073A CN 112334073 A CN112334073 A CN 112334073A CN 201980040169 A CN201980040169 A CN 201980040169A CN 112334073 A CN112334073 A CN 112334073A
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F·G·G·M·维尼翁
K·维迪雅
R·Q·埃尔坎普
S·巴拉特
A·K·贾殷
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Abstract

一种用于确定介入医学设备的取向的控制器包括：存储指令的存储器；以及运行所述指令的处理器。当由所述处理器运行时，所述指令使所述控制器运行包括以下各项的过程：控制由超声探头进行的多个波束的发射，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射；基于在所述介入医学设备上的位置处的传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应而确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合，以及基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。

Description

相对设备取向确定
背景技术
在2D或3D探头(例如，超声探头)的指导下使用针流程的情况已经非常广泛并且正在不断增长。这样的流程可以包括活检、消融、麻醉等。当前，配备有单个超声传感器的工具(例如，针)能够用于跟踪工具的端部的位置，但是没有关于工具的投影路径的信息。了解投影路径有助于改善工作流程并防止对敏感的解剖结构造成不必要的损伤。工具的取向是对投影工具的路径有用的信息的一个方面。工具的取向可以是工具的相对物理位置，并且可以基于或包括工具的形状(包括工具的前面、后面、背面、侧面、顶部、底部和其他几何方面)。在诸如针之类的工具的情况下，工具的形状可以包括作为主体的轴杆以及在前面的端部，该端部可以被大体地定向为朝向工具的投影路径。
超声跟踪技术通过当来自超声探头的成像波束扫过视场时分析由无源超声传感器接收到的信号来估计无源超声传感器(例如，PZT、PVDF、共聚物或其他压电材料)在诊断超声B模式图像的视场(FOV)中的位置。无源超声传感器是声压传感器，并且这些无源超声传感器以“InSitu”机制用于确定无源超声传感器的位置。飞行时间测量提供了无源超声传感器与超声探头的成像阵列之间的轴向/径向距离，而幅度测量和对直接波束发射序列的了解提供了无源超声传感器的横向/角度位置。
图1图示了用于使用无源超声传感器来跟踪介入医学设备的已知系统。在图1中，超声探头102发射扫过介入医学设备105的端部上的无源超声传感器104的成像波束103。组织107的图像由超声探头102反馈。在通过信号处理算法确定后，将无源超声传感器104在介入医学设备105的端部上的位置提供为端部位置108。端部位置108被叠加在组织107的图像上作为叠加图像109。组织107的图像、端部位置108和叠加图像109都被显示在显示器100上。
导波已经用于无损检测(NDT)领域以确定材料的属性。波导的属性、周围的介质，声处理的频率和角度决定了导波的出现。
如上文所建议的，对介入医学设备105的取向的了解有助于临床医生看到投影路径，这能够有助于防止不必要组织破裂并提供重新定向介入医学设备105以避开障碍物的方式，从而改善了工作流程。然而，使用无源超声传感器104来确定取向需要多个无源超声传感器104并使用来自超声探头102的直接影响无源超声传感器104的成像波束。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，一种用于确定介入医学设备的取向的控制器包括：存储指令的存储器；以及运行所述指令的处理器。当由所述处理器运行时，所述指令使所述控制器运行包括以下各项的过程：控制由超声探头进行的多个波束的发射，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射；基于在所述介入医学设备上的位置处的传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应而确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；以及基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
根据本公开内容的另一方面，一种用于确定介入医学设备的取向的方法包括：由包括运行指令的处理器的控制器控制由超声探头进行的多个波束的发射，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射；由所述控制器基于在所述介入医学设备上的位置处的传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应来确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；并且由所述处理器基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
根据本公开内容的另一方面，一种用于确定介入医学设备的取向的系统包括传感器、超声探头和控制器。所述传感器在所述介入医学设备上的位置处。所述超声探头发射多个波束，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射。所述控制器包括存储指令的存储器和运行所述指令的处理器。当由所述处理器运行时，所述指令使所述控制器运行包括以下各项的过程：控制由所述超声探头进行的所述多个波束的发射；基于在所述传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应而确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；以及基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述将最好地理解示例实施例。需要强调的是，各个特征不一定是按比例绘制的。实际上，为了讨论清楚，可以任意增大或减小尺寸。在适用和实用的地方，相同的附图标记表示相同的元件。
图1图示了根据代表性实施例的用于使用无源超声传感器进行的介入医学设备跟踪的已知系统。
图2A图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的超声系统。
图2B图示了根据代表性实施例的用于相对装置取向确定的另一超声系统。
图3是根据代表性实施例的通用计算机系统的说明性实施例，在该通用计算机系统上能够实施相对设备取向确定的方法。
图4图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的过程。
图5图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的另一过程。
图6图示了根据代表性实施例的导波的产生以及导波在相对设备取向确定中的结果表现。
图7图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中的介入医学设备操作的几何形状。
图8图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中具有不同取向的介入医学设备的预先校准的结果。
图9图示了根据代表性实施例的作为介入医学设备上的入射角的函数的导波幅度的图表。
图10图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中波束上的孔径变化。
图11图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的几何形状。
图12图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中的另一介入医学设备操作的几何形状。
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。可以省去已知的系统、设备、材料、操作方法和制造方法的描述，以避免使代表性实施例的描述不清楚。尽管如此，在本领域普通技术人员的能力范围内的系统、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来使用。应当理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并非旨在进行限制。所定义的术语是在本教导的技术领域中通常理解和接受的定义术语的科学技术含义之外的含义。
应当理解，虽然在本文中可以使用术语第一、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到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一元件或部件。因此，在不脱离本文描述的(一个或多个)发明构思的教导的情况下，下面讨论的第一元件或部件也可以被称为第二元件或部件。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并不旨在进行限制。如说明书和权利要求书中所使用的术语“一”、“一个”和“该”的单数形式旨在包括单数形式和复数形式这两者，除非上下文另有明确规定。另外，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”和/或类似术语指定存在所记载的特征、元件和/或部件，但并不排除存在或增加一个或更多其他特征、元件、部件和/或其组。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项目的任何组合和所有组合。
除非另有说明，否则当说元件或部件被“连接到”、“耦合到”或“邻近”另一元件或部件时，将理解的是，该元件或部件能够被直接连接或耦合到另一元件或部件，或者可以存在中间元件或部件。也就是说，这些术语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，当说元件或部件被“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，本公开内容通过其各个方面、实施例和/或特定特征或子部件中的一个或多个，旨在带来如下具体指出的优点中的一个或多个优点。为了解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的示例实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。然而，与本文中公开的具体细节背离的与本公开内容一致的其他实施例仍在权利要求的范围内。此外，可以省去对众所周知的装置和方法的描述，以避免使示例实施例的描述不清楚。这样的方法和装置在本公开内容的范围内。
如下所述，相对设备取向确定能够包括确定在医学介入设备中引起导波的声处理角度。然后，能够基于测试中的类似的介入医学设备中的导波的预定特性，使用导波和对应的声处理角度来计算取向角度。
图2A图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的超声系统。
在图2A中，超声系统200包括具有处理器251和存储器252的中心站250、触摸面板260、监视器280、通过导线232A连接到中心站250的成像探头230以及通过导线212A连接到中心站250的介入医学设备205(IMD)。成像探头230是超声探头。无源超声传感器S被固定到介入医学设备205，但是无源超声传感器S也可以被固定到介入医学设备205的一个部分并且能相对于介入医学设备205的另一部分移动(例如当无源超声传感器S被固定到在护套内移动的导线时)。无源超声传感器S能够但不一定必须被提供在介入医学设备205的任何部分的末端处。
通过说明的方式，在医学流程期间将介入医学设备205从内部放置到患者体内。能够使用无源超声传感器S来跟踪介入医学设备205的位置。介入医学设备205和无源超声传感器S中的每个的形状可以与图2A和图2B所示的形状有很大不同。
例如，无源超声传感器S可以接收超声跟踪波束以帮助确定无源超声传感器S的位置。本文描述的超声跟踪波束可以是否则将用于获得超声图像的超声成像波束，或者可以是与超声成像波束分开(例如，分开的频率、分开的传输定时)的超声跟踪波束。无源超声传感器S可以被动地或主动地用于响应于接收到的超声跟踪波束。如本文所述，能够将超声成像波束和/或与超声成像波束分开的超声跟踪波束用于选择性地、典型地或始终获得无源超声传感器S的位置。然而，如本文中还指出的，能够使用超声成像波束中的任一者或两者或完全分开的超声跟踪波束来执行跟踪。
在图2A中，导线212A和导线232A用于将介入医学设备205和成像探头230连接到中心站250。对于成像探头230，导线232A可能不会引起太大的关注，但是导线232A可能仍会分散注意力。对于介入医学设备205，当介入医学设备205用于捕获图像时，导线212A可以用于发送回例如图像。然而，导线212A可能更令人关注，因为介入医学设备205被至少部分插入患者体内。因此，利用无线连接代替导线232A和导线212A可以提供一些益处。
图2B图示了根据代表性实施例的用于相对装置取向确定的另一超声系统。
在图2B中，导线232A被替换为无线数据连接232B，并且导线212A被替换为无线数据连接212B。另外，图2B中的超声系统200包括与图2A中相同的具有处理器251和存储器252的中心站250、触摸面板260、监视器280、成像探头230以及介入医学设备205。无源超声传感器S与介入医学设备205一起移动。
在图2B中，超声系统200可以是具有介入医学设备205的布置，介入医学设备205具有在板上的无源超声传感器S。介入医学设备205可以包括例如在其端部处或端部附近的具有无源超声传感器S的针。无源超声传感器S还可以被配置为监听和分析来自跟踪波束的数据，使得从成像探头230“发送”跟踪波束与无源超声传感器S“监听”跟踪波束得到同步。在实施例中可以提供使用与成像波束分开的跟踪波束，但这不一定是本公开内容的(一个或多个)主要实施例，在相对设备取向确定主要使用仅具有成像波束的实施例的情况下就是如此。
在图2A或图2B中，成像探头230可以发送成像波束的脉冲序列。接下来说明中心站250、成像探头230和无源超声传感器S之间的关系。在这方面，图2A和图2B中的中心站250可以包括波束形成器(未示出)，该波束形成器被时钟(未示出)同步的以在发射模式中将适当延迟的信号发送到成像探头230中的成像阵列的元件。在接收模式中，波束形成器可以对来自成像探头230中的成像阵列的个体元件的信号进行适当的延迟和求和。超声成像本身是使用成像探头230执行的，并且可以与中央工作站250的波束形成器执行的波束形成一致。
成像探头230可以发射成像波束作为撞击在无源超声传感器S上的跟踪波束(即，当无源超声传感器S在跟踪波束的视场中时)。无源超声传感器S可以接收跟踪波束的能量并将其转换成信号，使得无源超声传感器S、介入医学设备205、成像探头230或中心站250能够确定无源超声传感器S相对于成像探头230的成像阵列的位置。能够基于由无源超声传感器S接收的接收到的跟踪波束来以几何方式计算无源超声传感器S的相对位置，并且当介入医学设备205被部署在患者体内时，该相对位置能够用于识别介入医学设备205的取向。介入医学设备205的取向是介入医学设备的取向角度。
如本文中所描述的，当接收到的跟踪波束直接撞击无源超声传感器S时，该接收到的跟踪波束可以被认为是直接波束。直接波束可以直接撞击无源超声传感器S，并且可以被认为是直接波，但是在下文中将被称为直接波束。然而，也能够在介入医学设备205中/上生成导波，例如沿着针的轴杆向下行进的导波。导波是对直接波束的接收的响应，并且可以唯一地对应于“临界”角并识别“临界”角，在临界角中，直接波束到达介入医学设备205并引发导波的生成。能够在知道引发导波(例如，在无源超声传感器S处接收到的导波中具有最高强度的导波)的直接波束的发射角度和将在介入医学设备205中/上生成这样的导波的临界角的情况下确定介入医学设备205的取向。因此，在相对设备取向确定中，无源超声传感器S用于检测导波，而不仅仅是检测来自成像探头230的直接波束，并且该导波能够用于识别(隔离)引发导波的特定直接波束。
因此，成像探头230在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备205发射跟踪波束。例如，跟踪波束可以发射30秒、60秒、120秒、180秒或包括多个不同时间点的任何其他时间段。成像探头230可以以发射时间和相对于成像探头230(超声探头)的发射角度的有序组合来发射跟踪波束。可以周期性地(例如，每秒或每1/10秒)收集跟踪波束(直接波束)和导波的能量(各自由直接波束中的一个或多个直接波束的子集引发)作为对直接波束和导波的响应。对跟踪波束的响应可以是由无源超声传感器S反射的反射能量。替代地，对跟踪波束的响应可以是由无源超声传感器S生成的有源信号，例如，对跟踪波束的接收能量的读数。对导波的响应通常基于对导波的接收能量的读数。
基于对跟踪波束的响应，处理器251可以例如确定无源超声传感器S在一时间段内的多个不同时间点的绝对位置。可以基于对临界角的了解，使用和与一个发射角度相对应的一个直接波束的识别相匹配的一个绝对位置以及与一个直接波束相对应的导波的接收来确定介入医学设备205的取向。结果，能够确定介入医学设备205的取向。下面结合其他附图来描述如何识别一个波束的若干实施例的细节。
中心站250可以被认为是控制成像探头230的控制单元或控制器。如图2A和图2B所示，中心站250包括连接到存储器252的处理器251。中心站250还可以包括时钟(未示出)，该时钟提供时钟信号以使成像探头230与无源超声传感器S同步。此外，中心站250的一个或多个元件可以被独立地认为是控制单元或控制器。例如，处理器251和存储器252的组合可以被认为是控制器，该控制器运行软件以执行本文描述的过程，即，当介入医学设备205被部署在患者体内时，使用无源超声传感器S的位置和与特定发射角度相对应的直接波束来确定介入医学设备205的取向。
成像探头230适于扫描包括介入医学设备205和无源超声传感器S的感兴趣区域。当然，如对于超声成像探头已知的那样，成像探头230还使用超声成像波束逐帧提供图像。成像探头230还能够使用单独的跟踪波束来获得无源超声传感器S的位置。
在单向关系中，无源超声传感器S可以适于将由成像探头230提供的跟踪波束转换成电信号。无源超声传感器S可以被配置为直接地或间接地(例如经由位于介入医学设备205的近端的发射器或中继器)向中心站250提供原始数据或者经部分或完全处理的数据(例如，计算出的传感器位置)。取决于这些数据的处理程度，它们要么被中心站250用来确定无源超声传感器S的位置(和无源超声传感器S所附接到的介入医学设备205的远端的位置)，要么用于向中心站250提供无源超声传感器S的位置(和无源超声传感器S所附接到的介入医学设备205的远端的位置)。
如本文所述，无源超声传感器S的位置由中心站250来确定或者被提供给中心站250。处理器251能够使用无源超声传感器S的位置来将无源超声传感器S的位置和介入医学设备205的取向叠加到图像帧上以用于在监视器280上显示。
广义地，在操作中，处理器251通过成像探头230发起扫描。扫描能够包括跨感兴趣区域发射作为跟踪波束的成像波束。成像波束用于形成帧的图像；并且作为跟踪波束而用于确定无源超声传感器S的位置。能够意识到，来自成像波束的图像是由双向传输序列形成的，其中，感兴趣区域的图像是通过子波束的透射和反射形成的。另外，在单向关系中，作为跟踪波束的成像波束入射在无源超声传感器S上并且可以被转换成电信号(即，不是反射跟踪波束或者额外于反射跟踪波束)。在双向关系中，作为跟踪波束的成像波束被无源超声传感器S反射，使得成像探头230使用反射的跟踪波束来确定无源超声传感器S的位置。
如上所述，取决于要确定的位置在哪里，用于确定无源超声传感器S的位置的数据可以是或包括原始数据、经部分处理的数据或经完全处理的数据。取决于处理程度，能够将这些数据提供给处理器251以用于运行在存储器252(即，中心站250的存储器)中存储的指令，从而确定无源超声传感器S在来自波束形成器的超声图像的坐标系中的位置。替代地，这些数据可以包括无源超声传感器S在如下坐标系中的所确定的位置：当运行在存储器252中存储的指令以将无源超声传感器S的位置和介入医学设备205的取向叠加在监视器280中的超声图像上时，处理器251会使用该坐标系。为此，中心站250的波束形成器可以处理经波束形成的信号以用于显示为帧的图像。能够将来自波束形成器的输出提供给处理器251。来自无源超声传感器S的数据可以是原始数据，在这种情况下，处理器251运行存储器252中的指令以确定无源超声传感器S在图像的坐标系中的位置。或者，可以由无源超声传感器S、介入医学设备205或成像探头230处理来自无源超声传感器S的数据，以确定无源超声传感器S在图像的坐标系中的位置。无论哪种方式，处理器251都被配置为将无源超声传感器S的位置和介入医学设备205的取向叠加在监视器280上的图像上。例如，来自作为跟踪波束的成像波束的合成图像可以包括组织图像和无源超声传感器S的实际位置或叠加位置以及介入医学设备205的取向，从而向临床医生提供关于无源超声传感器S(和介入医学设备205的远端)的位置和介入医学设备205相对于感兴趣区域的取向的实时反馈。
如关于图2A和图2B所描述的，用于相对设备取向确定的超声系统能够用于提供配备有单个传感器的医学设备的取向。只要超声波撞击针的轴杆而引起导波以与直接波束行进通过组织的速度不同的速度传播通过针的轴杆，这些导波就能够用于识别超声直接波束与针之间的特定相对角度何时是临界角。检测这些导波的存在有助于确定针的取向。能够以多个角度发射超声直接波束以引发这些导波。因此，使用响应于已知角度的波束对轴杆传播的导波的检测以及基于针的旋转方向性的预先校准数据来确定针的取向。
图3是根据代表性实施例的通用计算机系统的说明性实施例，在该通用计算机系统上能够实施相对设备取向确定的方法。
计算机系统300能够包括一组指令，该组指令能够被运行以使计算机系统300执行本文公开的方法或基于计算机的功能中的任何一个或多个。计算机系统300可以作为独立设备操作，也可以例如使用网络301被连接到其他计算机系统或外围设备。
计算机系统300能够被实施为或并入各种设备，例如，固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、膝上型计算机、平板计算机、超声系统、超声探头、无源超声传感器S、介入医学设备205、成像探头230、中心站250、控制器或能够运行指定要由该机器(顺序地或以其他方式)采取的动作的一组指令的任何其他机器。计算机系统300能够被结合为或并入以下设备：该设备继而又在包括额外设备的集成系统中。在实施例中，计算机系统300能够使用提供语音、视频或数据通信的电子设备来实施。另外，虽然计算机系统300被示为单个系统，但是术语“系统”也应被认为包括独立或联合运行一组或多组指令以执行一种或多种计算机功能的系统或子系统的任何集合。
如图3所示，计算机系统300包括处理器310。用于计算机系统300的处理器是有形且非瞬态的。本文中使用的术语“非瞬态”不应被解读为永恒的状态特性，而应被解读为将持续一定时段的状态的特性。术语“非瞬态”特别否认短暂的特性，例如在任何时间任何地方仅短暂存在的载波或信号或其他形式的特性。处理器是制造品和/或机器部件。用于计算机系统300的处理器被配置为运行软件指令以执行如本文的各个实施例中所描述的功能。用于计算机系统300的处理器可以是通用处理器，也可以是专用集成电路(ASIC)的部分。用于计算机系统300的处理器还可以是微处理器、微型计算机、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设备。用于计算机系统300的处理器还可以是逻辑电路(包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)之类的可编程门阵列(PGA))，或者是包括离散门和/或晶体管逻辑单元的另一种类型的电路。用于计算机系统300的处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或这两者。另外，本文描述的任何处理器可以包括多个处理器、并行处理器或这两者。多个处理器可以被包括在单个设备或多个设备中，或者被耦合到单个设备或多个设备。
此外，计算机系统300包括能够经由总线308彼此通信的主存储器320和静态存储器330。本文描述的存储器是能够存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在将指令存储在存储器中的时间期间是非瞬态的。本文中使用的术语“非瞬态”不应被解读为永恒的状态特性，而应被解读为将持续一定时段的状态的特性。术语“非瞬态”特别否认短暂的特性，例如在任何时间任何地方仅短暂存在的载波或信号或其他形式的特性。本文描述的存储器是制造品和/或机器部件。本文描述的存储器是计算机能够从中读取数据和可执行指令的计算机可读介质。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)、闪速存储器、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘、磁带、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)、软盘、蓝光碟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300还可以包括视频显示单元350，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)。另外，计算机系统300可以包括输入设备360(例如，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部)和光标控制设备370(例如，鼠标或触敏输入屏幕或垫)。计算机系统300还能够包括磁盘驱动器单元380、信号生成设备390(例如，扬声器或遥控器)以及网络接口设备340。
在实施例中，如图3所示，磁盘驱动器单元380可以包括计算机可读介质382，在该计算机可读介质382中能够嵌入一组或多组指令384(例如，软件)。能够从计算机可读介质382读取该一组或多个指令384。另外，指令384在由处理器运行时能够用于执行本文描述的方法和过程中的一个或多个。在实施例中，指令384在由计算机系统300运行期间可以完全或至少部分地驻留在主存储器320、静态存储器330和/或处理器310中。
在替代实施例中，能够构造专用硬件实施方式(例如，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方法。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的互连硬件模块或设备来实施功能，这两个或更多个特定的互连硬件模块或设备具有能够在模块之间并通过模块进行通信的相关控制和数据信号。因此，本公开内容涵盖软件、固件和硬件实施方式。本申请中的任何内容都不应被解读为仅(能)利用软件而不利用硬件(例如，有形的非瞬态处理器和/或存储器)来实施。
根据本公开内容的各种实施例，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。另外，在示例性非限制性实施例中，实施方式能够包括分布式处理、部件/对象分布式处理以及并行处理。能够构造虚拟计算机系统处理以实施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。
本公开内容设想了一种计算机可读介质382，其包括指令384或者响应于传播的信号而接收并运行指令184，使得连接到网络101的设备能够通过网络301来传输语音、视频或数据。另外，可以经由网络接口设备340在网络301上发送或接收指令384。
在平面外(OOP)流程中，无源超声传感器S可以位于超声平面之外，而对于平面内流程，无源超声传感器S能够结合二维成像探头230来用于相对设备取向确定。在平面外流程中，来自由无源超声传感器S接收的直接波束的能量可能处于可检测的阈值以下，并且导波响应将是唯一可检测到的响应，并且将需要矩阵探头来产生高度方向上的跟踪波束。此外，即使对于平面内流程，在超声引导的流程中也可能难以看见介入医学设备205，特别是在大多数徒手流程(例如，软组织活检、消融等)中使用的倾斜插入角度处的情况。取向有助于临床医生确定能够帮助防止不必要的组织破裂的投影路径并提供对介入医学设备205重新定向以避开障碍物的方式，从而改善了工作流程。如本文所述的仅使用一个传感器来预测仪器的路径的能力能够降低成本并且在临床社区中可以看到很高的接受度。计算机系统300可以使用处理器310来处理数据和指令，包括来自无源超声传感器S的读数、包括已知临界角的介入医学设备205的预定特性以及由成像探头230发射的直接波束的序列的发射定时和发射角度的知识。结果，能够确定介入医学设备205的取向并将其用于帮助临床医生投影介入医学设备205的路径。
相对设备取向确定可以使用具有单个传感器的仪器来提供导航，从而降低了制造成本。相对设备取向确定还凭借路径预测来实现更快的流程，从而改善了工作流程。此外，相对设备取向确定能够通过提供介入医学设备205的投影路径的知识来帮助防止敏感解剖结构的破裂。
图4图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的过程。
在S410处，针对要由超声探头发射的直接波束设置(预先确定)发射时间和相对于超声探头(例如，成像探头230)的发射角度的组合。能够针对每个特定的医学设备(例如，介入医学设备205)以及对患者的每个不同介入设置发射时间和发射角度的这些组合。能够针对每种组合测量医学设备的结果得到的响应。换句话说，在图4的过程中，可以通过在医学设备与直接波束之间的一定已知角度范围内进行声处理来预先表征医学设备。测试可能涉及使不同的医学设备经受来自不同的相对角度的数十个、数百个甚至数千个直射波束，以生成针对每个医学设备的方向性曲线。可以将针对不同医学设备的方向性曲线作为查找表而存储在存储器中，并且在将医学设备用作介入医学设备205时将其作为用于动态相对设备取向确定的参考。当然，对于任何特定的医学设备而言最重要的方向性曲线的特定信息是：哪个相对角度会得到来自引发的导波的最高强度信号(最高强度)，因为这是本文描述的临界角。在预测试中，针对所有角度记录与作为对所发射的直接波束的子集的响应的沿着介入医学设备205(例如，针)的轴杆传播的导波相对应的信号强度，使得能够针对每个不同的医学设备预先确定该信息。以这种方式，能够使用提供无源超声传感器S的2D位置的InSitu技术来确定以一定已知角度范围发射的直接波束的起源，从而基于传播通过轴杆的导波来引起响应。检测对直接波束的响应并记录与生成沿着轴杆传播的导波的(一个或多个)直接波束相对应的角度。该角度和医学设备的预定响应用于估计取向。通过使用无源超声传感器S在介入医学设备205上的2D位置以及介入医学设备205的取向，可以在超声(B模式)图像上绘制投影路径。
在S420处，控制由超声探头进行的直接波束的顺序发射。可以以数十个、数百个或数千个个体直接波束的已知序列来发射直接波束，每个个体直接波束以发射时间和发射角度的有差别的组合进行发射。另外，当超声探头具有多个孔径(在几乎任何实施例中都可能是这种情况)时，可以针对每个发射的定向波束或一组发射的直接波束专门选择特定的孔径。因此，作为在S420处的控制的结果而发射的直射波束的完整序列可以从单个孔径或者从针对直射波束的子集中的每个直射波束专门选择的不同孔径发射。
在S430处，在介入医学设备205上的无源超声传感器S处接收直接波束和导波。提醒一下，导波是对一个或多个直接波束的子集的一种响应形式，在无源超声传感器S处接收到的来自直接波束的直接撞击/接收的能量也是如此。无源超声传感器S可以周期性地(例如，每1/10秒，每1/100秒或以与发射直接波束的速率相同的速率)测量信号强度。可以将作为在S420处的控制的结果的直接波束的发射与在无源超声传感器S处对直接波束和导波的接收进行间接同步，因为基于本文描述的逻辑过程，每个接收到的或测得的/检测到的直接波束或导波都可以与发射的直接波束相匹配。
在S440处，从无源超声传感器S接收对直接波束的响应。如所指出的，响应可以是由无源超声传感器S直接检测到的直接波束的测量结果，或者是沿着介入医学设备205的轴杆传播的导波的测量结果。可以将每个检测到的直接波束或导波的测量结果或其他特性从无源超声传感器S发送到超声探头。也就是说，能够将在无源超声传感器S处测得的或以其他方式检测到的响应与对正在测试的相似的介入医学设备的测试中测得的或以其他方式检测到的响应的已知特性进行比较。可以识别在无源超声传感器S处接收到的、反映沿着介入医学设备205的轴杆向下行进的导波的最高强度的响应作为感兴趣响应。可以将所有测得的响应或少于所有测得的响应与发射时间和发射角度的预定组合进行比较，以查看哪些测得的响应可能对应于哪个特定的直接波束。然而，与对处于发射时间和发射角度的其他组合的其他直接波束的响应相比，感兴趣响应是具有最高强度的响应。因此，可以通过将对直接波束中的一个直接波束的响应与对直接波束中的其他直接波束的响应进行比较来识别被识别为具有最高强度的响应。感兴趣响应可以对应于预先确定的所谓的“临界”角，并且能够将关于波束的哪个发射角度引起感兴趣响应的知识与预先确定的临界角的知识一起用于识别介入医学设备205的取向。临界角可以是所有发射角度中将引起感兴趣响应的一个且仅一个临界发射角度。
此外，如本文所述，沿着介入医学设备205(例如，针)的轴杆传播的导波可以具有专门用途，只要该导波可以对应于特定的直接波束并且当检测到导波时该直接波束与介入医学设备205的取向之差可以是临界角即可。
在S450处，能够基于对在无源超声传感器S处接收到的直接波束中的一个或多个直接波束的子集的响应(导波和/或撞击直接波束的能量)来确定发射时间和相对于超声探头的发射角度的组合。如本文反复提到的，沿着介入医学设备205的轴杆行进的导波可能具有特殊意义，因为该导波可能对应于以在S410处已经预先确定的特定的相对发射角度(例如，临界角)发射的直接波束。
在S460处，基于直接波束的子集中的一个直接波束的发射时间和相对于超声探头的发射角度来确定介入医学设备205的取向。也即是说，预定的临界角可以用于确定介入医学设备205的相对取向，因为识别了直接波束的发射角度，识别了直接波束的发射时间，并且沿着介入医学设备205的轴杆行进的导波可以具有足够的强度以指示直接波束以相对于介入医学设备205的预定临界角进行发射。因此，当检测到沿着介入医学设备205的轴杆行进的导波时，能够将其与引起该导波的那个发射的直接波束关联起来，继而能够将其与临界角一起用于导出介入医学设备205的取向。
图5图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的另一过程。
在S505处，识别针对介入医学设备205相对于超声探头的每个取向的特性作为已知特性。可以例如在实验室中使用测试模式来系统地执行在S505处的识别。能够将该特性存储为针对每个取向的数据表。如本文所述，特别感兴趣的特性是临界角，该临界角引起沿着介入医学设备205的轴杆向下传播的导波，因为只有一个这样的临界角会产生具有最大强度的导波。
在S510处，针对要由超声探头发射的直接波束设置(预先确定)发射时间和相对于超声探头的发射角度的组合。也就是说，可以预先设置发射模式，使得(例如以预定间隔)以不同的发射角度系统地发射直接波束。随后能够针对每种组合测量医学设备的结果得到的响应。如已经说明的那样，可以通过以医学设备与超声直接波束之间的一定已知角度范围的声处理来预先表征医学设备。针对所有角度记录与作为对所发射的直接波束的子集的响应的沿着介入医学设备205(例如，针)的轴杆传播的导波相对应的信号强度。可以生成针对不同医学设备的方向性曲线并将其作为查找表二存储在存储器中。
更详细地，通过使用InSitu技术，能够识别无源超声传感器S的2D位置。识别引起沿着介入医学设备205的轴杆向下传播的合适波的所发射的直接波束提供了所发射的直接波束的发射角度。参考在S505处获得的预定特性可以提供临界角，该临界角能够与发射角度一起用于识别介入医学设备205的取向。然后，通过使用无源超声传感器S在介入医学设备205上的2D位置以及介入医学设备205的取向，可以将投影路径叠加在超声图像上。
在S520处，控制由超声探头进行的直接波束的顺序发射，并且在S530处，在介入医学设备205上的无源超声传感器S处接收直接波束和导波。S520和S530处的操作可以与关于图4中的对应编号的操作所说明的操作相同或相似，因此不再重复对这些内容的描述。
在S535处，感测沿着介入医学设备205向下行进的导波的特性。例如，能够测量信号的最大幅度，能够记录最大幅度的时间等。如前所述，由无源超声传感器S测量的响应可以是由无源超声传感器S直接检测的直接波束的测量结果，或者是沿着介入医学设备205的轴杆传播的并由无源超声传感器S感测到的导波的测量结果。在S535处感兴趣特性是沿着介入医学设备205向下行进的导波的特性。无源超声传感器S发送对直接波束的响应，并且在S540处，在成像探头230处接收来自无源超声传感器S的对直接波束的响应。
在S550处，例如在中心站250处识别沿着介入医学设备205向下行进的导波的特性。中心站250可以接收来自无源超声传感器S的所有数据读数，或者接收基于达到最小阈值的信号的一组有限数据。最小阈值是预先确定的预定阈值。在S553处，将沿着介入医学设备205向下行进的导波的特性与针对介入医学设备205的每个取向的已知特性进行比较。替代地，可以参考针对介入医学设备205的已知临界角，因为具有已知发射角度的特定直接波束与介入医学设备205的取向之差可以近似等于或完全等于临界角。
在S555处，当将导波的特性与在S505处识别的已知特性进行比较时，确定是否找到匹配。如果没有找到匹配(S555＝否)，则该过程返回到S520。如果找到匹配(S553＝是)，则在S560处确定介入医学设备205的取向。
作为与图5的教导一致的实施例的示例，该过程包括预备过程，该预备过程包括确定对于介入医学设备205(例如，针)来说导波最强的临界角(作为预先校准的部分)。该预备过程包括在S505处的识别，并且可以包括本文描述的其他过程。动态过程可以包括确定最优孔径，该最优孔径将用于以多个不同的发射角度对无源超声传感器S进行声处理，然后从无源超声传感器S获得测量结果以区分对应于直接波束的测量结果(“一个斑点”)与对应于导波的测量结果(“多个斑点”)。能够根据对应于导波的测量结果和对应的直接波束的角度来确定飞行时间。然后能够在动态处理中使用预定的临界角，并且能够将该预定的临界角与对与具有峰值信号强度的导波相对应的直接波束的识别一起用于在S560处确定针的取向。
如上所述，用于确定介入医学设备205的取向的系统可以包括介入医学设备205，例如，在端部附近配备有一个无源超声传感器S的医学仪器。过程可以分为预备过程和动态过程。在预备过程中，能够对不同的介入医学设备(例如，针)进行表征，使得处于多个角度的波束的响应范围(即，包括导波)是已知的。响应能够包括针对在预备过程中使用的每个不同的相对角度的信号强度。然后能够在预备过程中基于响应范围(例如通过识别与在无源超声传感器S处接收到的具有最高信号强度的导波相对应的直接波束的角度)来确定临界角。如前所述，在对应的直接波束撞击无源超声传感器S之前，导波行进到无源超声传感器S。就导波是对接收到一个或多个直接波束的子集的响应而言，能够将在动态过程中接收到导波的时间与接收到对应的直接波束的时间进行比较。仅当接收到对直接波束的一个响应(例如，导波)的时间在接收到对直接波束的其他响应(即，在无源超声传感器S处接收到的直接波束的能量)的时间之前时，才会选择性地执行在动态过程中对与临界发射角度相对应的直接波束的子集中的一个波束的发射时间和相对于超声探头的发射角度的组合的确定。该系统可以包括用于区分来自由直接波束进行的撞击的传感器响应与来自导波的传感器响应的单元，并且该单元可以包括运行软件指令以处理来自无源超声传感器S的信息的处理器。该系统还可以包括用于控制换能器的元件而使得能够从期望的孔径发射跨多个角度的转向波束的单元。可以选择性地识别孔径以优化发射转向波束的多个角度中的一个或多个角度。
图6图示了根据代表性实施例的导波的产生以及导波在相对设备取向确定中的结果表现。
当超声直接波束中的一个超声直接波束与诸如针的轴杆之类的介入医学设备205交叉并(以大于在组织中的速度的速度)行进通过针的轴杆并去往无源超声传感器S时，会产生导波。导波沿着介入医学设备205向下行进并且具有可测量的强度。沿着介入医学设备205向下行进的、具有响应于直接波束而生成的导波的最高强度的导波被识别为感兴趣响应，并且最终用于识别哪个取向的哪个直接波束引起与由其他直接波束引起的响应相比具有最高强度的导波。如前所述，引起具有已知特性的响应(导波)的临界角的知识可以是预先确定的一组已知特性的部分，并且对应于介入医学设备205相对于超声探头的不同取向。如图6所示，该响应在由初级响应产生的斑点之前显现出来。由于已知以在超声直接波束与介入医学设备205的取向之间以非常特定的角度产生导波，因此能够使用该临界角和斑点的起源的知识来确定介入医学设备205的取向。因此，介入医学设备205的取向是基于直接波束的子集中的一个直接波束的相对于成像探头230的发射角度和介入医学设备205的临界角而确定的介入医学设备205的取向角度。
图7图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中的介入医学设备操作的几何形状。
在图7中，在预先校准步骤中使用几何形状来确定临界角。在预备过程中，能够在受控水箱实验中执行校准，在该实验中，将针(作为介入医学设备205的示例)固定到旋转的镜台上。调节针的位置，使得相同的超声直接波束在每一个旋转位置处对针进行声处理。记录的传感器响应是在行进通过水之后直接撞击无源超声传感器S的直接波束与撞击针的轴杆而引发作为表面波的处于特定角度的行进通过轴杆的导波的直接波束的组合。能够通过补偿直射波束在时间偏移内穿过的水路来处理所收集的数据。数据被重建为导波行进通过针的距离的函数。通过在时间偏移之后重新对齐数据，能够计算出行进通过轴杆的导波的速度。在这样一个实验室实验中，检测到两个表面波。一个检测到的表面波以大致3250m/s的速度行进，而另一个检测到的表面波以1400m/s的速度行进。较快的波是导波，并且在直接波束撞击无源超声传感器S之前到达无源超声传感器S。通过对无源超声传感器S的数据进行阈值化处理以仅允许与导波有关的响应，能够估计在收集的数据集中产生最强响应的发射角度和针旋转角度。
在一定角度范围内以受控设置对针进行声处理，并且记录来自无源超声传感器S的响应。重新计算无源超声传感器S的数据以补偿在组织中行进的路径。导波的到达时间t(到达的时间)被表示为在水中行进的距离和在针中行进的距离的函数：
Figure BDA0002835792000000191
其中，R′是在水中的行进的距离，c是水中的声速，D是在针中行进的距离，并且cg是在针中的导波的速度。
正弦定理得到：
Figure BDA0002835792000000201
通过使用该公式，能够在使用对应于在水中行进的距离的偏移来对迹线进行时间调节之后，针对每次采集(每个针角度β和每个波束角度α)绘制作为在针中行进的距离D的函数的接收迹线。
对来自所有采集的所有迹线进行相干平均得到图8，图8表示这样的预先校准步骤。
图8图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中具有不同取向的介入医学设备的预先校准的结果。
能够根据入射角γ来估计导波的强度。再次使用正弦定理，针对每个实验的角度γ(在针中行进的每个距离D)已知：
Figure BDA0002835792000000202
对于所有产生大量导波的实验，在(快)导波和(慢)直接波束周围绘制时间窗口，并且记录在该时间窗口内的导波的最大幅度，以产生如下所示的图9中的图表。
图9图示了根据代表性实施例的作为介入医学设备上的入射角的函数的导波幅度的图表。
在图9中，示出了作为入射角的函数的处于2MHz的快(左)导波和慢(右)直接波束的幅度。快导波在～62°达到峰值，而慢直接波束在～69°达到峰值。
在～60度的入射角处可以清楚地看到快导波的峰值。这里，入射角被定义为超声直接波束与针之间的角度，使得90度将为法线入射角。这类似于在实验室中通常观察到的情况，即，当针与水平线成～30度时会出现峰值。在～70度的入射角处可以看到慢直接波束的峰值。重要的是要注意，这些结果将根据所使用的针和其他因素(如超声频率)而变化。
图10图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中波束上的孔径变化。
如背景技术部分所述，InSitu技术用于估计无源超声传感器S的位置。基于该估计，使用适当的孔径来利用处于多个角度的转向波束对针进行声处理，使得针的轴杆暴露于尽可能多的波束中(如图10所示)。
使用在背景部分中描述的InSitu方法来确定与直接波束相对应的针的位置。使用时间窗口对无源超声传感器S的数据进行阈值化处理以排除来自(一个或多个)直接波束的响应。数据的其余部分可以是或包括来自导波的响应。
一种更为精细的用于确定响应来源的方法是如在预先校准步骤中所描述的估计引发对应斑点的波的速度。
图11图示了根据代表性实施例的用于相对设备取向确定的几何形状。
在图11中，根据实施例估计针的取向。使用已知的InSitu方法来确定与直接波束相对应的针的位置。使用时间窗口对无源超声传感器S的数据进行阈值化处理以排除来自直接波束的响应。现在，该数据可以是或包括导波响应。该响应的峰值的起源可以追溯到引发它的直接波束。如图11所示，直射波束的角度为θt。临界角θc是使用预先校准步骤来确定的。如图11所示，取向角度θor是使用公式θor＝90-(θc+θt)来计算的，其中，θor是取向角度，θc是临界角，并且θt是转向角。
图12图示了根据代表性实施例的在相对设备取向确定中的另一介入医学设备操作的几何形状。
在图12中，根据实施例能够计算导波的入射角。在图12的实施例中，直接波束响应和导波响应这两者的位置都用于获得取向角度的估计结果。给定(t,θ)和(t′,θ′)并假定第一斑点(t,θ)对应于直接波束的到达并且第二斑点(t′,θ′)对应于导波的到达，则能够计算出对应于导波的直接波束的入射角γ。在图12的实施例中，t是第一斑点的到达时间，并且t′是第二斑点的到达时间。如果入射角γ接近最大导波生成的值(～60°)，则第二斑点很可能是导波。
Al Kashi的余弦定律给出：
D2＝R2+R′2-2RR′cos(α)
其中，D是在针中行进的距离。第二斑点的到达时间被表示为：
Figure BDA0002835792000000211
其中，c、c’分别是直接波束在组织中的速度和导波在针中的速度。将
Figure BDA0002835792000000221
替换到上面的第一表达式(Al Kashis定律)中，即可获得D中的二阶多项式，能够对其求解D。请注意，R是从对第一斑点分析中已知的，而α是第一斑点和第二斑点的测量角度之差(α＝θ-θ′)。一旦知晓D，就能够再次使用正弦定理来确定入射角γ：
Figure BDA0002835792000000222
在另一实施例中，能够检查在(t,θ)处识别的第二斑点是否是与该导波相关联的直接波束的到达。该实施例假定第一斑点被识别为(t′,θ′)，例如当使用第一到达算法来识别第一斑点时就是如此。在该实施例中，检查将确定在(t,θ)处识别的第二斑点是否是与该导波相关联的直接波束的到达。从某种意义上说，这与上面刚刚描述的方法相反，并且能够进行类似的几何推导。
因此，相对设备取向确定使得能够使用在诸如针、套管或其他跟踪工具之类的介入医学设备205上的单个无源超声传感器S。相对设备取向确定在诸如监视器280之类的用户接口上提供了对取向的反馈。能够以本文描述的不同方式来执行基于导波的取向信息的产生。
相对设备取向确定能够应用于使用基于传感器的医学设备的大多数领域，包括但不限于用于疼痛管理的局部麻醉、活检、消融和血管疏通流程。即使在最难看到介入医学设备205(例如，针)的最具挑战性的解剖结构的情况下，也能够执行相对设备取向确定。另外，相对设备取向确定能够应用于1D阵列换能器和2D阵列换能器这两者，并且在2D阵列换能器中能够估计医学设备的3D取向。
虽然已经参考若干示例性实施例描述了相对设备取向确定，但是应当理解，已经使用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。如目前陈述和修改的，可以在权利要求的范围内进行改变，而在其各个方面不脱离相对设备取向确定的范围和精神。虽然已经参考特定的手段、材料和实施例描述了相对设备取向确定，但是相对设备取向确定并不旨在限于所公开的细节；相反，相对设备取向确定扩展到例如在权利要求的范围内的所有功能上等效的结构、方法和用途。
如上所述，只要预先确定介入医学设备205的特性响应(包括波束与介入医学设备205之间的哪个相对角度将引起具有最大强度的导波)，就能够使用单个无源超声传感器S来完成相对设备取向确定。其他方面(例如区分导波与直射波束的能力)有助于提高相对设备取向确定的准确度。诸如孔径选择之类的其他方面能够用于优化将直接撞击介入医学设备205的超声直接波束的数量。此外，本文描述的总体方法可以包括预备步骤(例如确定不同介入医学设备的特性响应)和动态步骤(例如使用被插入患者体内的介入医学设备205上的无源超声传感器S来动态确定相对设备取向)。
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一般理解。这些图示并不旨在用作对本文描述的本公开内容的所有元件和特征的完整描述。在回顾了本公开内容之后，许多其他实施例对于本领域技术人员而言会是显而易见的。可以利用其他实施例并从本公开内容中导出其他实施例，使得可以在不脱离本公开内容的范围的情况下做出结构和逻辑上的替换和改变。另外，这些图示仅是代表性的，并且可能并没有按比例绘制。图示中的某些比例可能被放大，而其他比例可能被最小化。因此，本公开内容和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。
可以仅出于方便的目的而将本文公开的一个或多个实施例独立地和/或共同地称为术语“发明”，但这并不意味着将本申请的范围限制为任何特定的发明或发明构思。此外，虽然在本文中已经图示和描述了特定实施例，但是应当理解，被设计为实现相同或相似目的的任何后续布置都可以代替所示的特定实施例。本公开内容旨在覆盖各种实施例的任何和所有随后的修改或变化。通过回顾说明书，以上实施例的组合以及本文中未具体描述的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
所提供的本公开内容的摘要符合37C.F.R.§1.72(b)，并且在提交摘要时应当理解，摘要并不用于解读或限制权利要求的范围或含义。另外，在前面的详细描述中，为了简化本公开内容，各种特征可以被组合在一起或者被描述在单个实施例中。本公开内容不应被解读为反映了以下意图：所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征。相反，如以下权利要求所反映的，发明主题可以指向少于所公开的实施例中的任一个实施例的所有特征。因此，以下权利要求被并入详细描述中，其中，每个权利要求独立定义要求保护的主题。
提供对所公开的实施例的前述描述以使得任何本领域技术人员能够实践本公开内容中描述的构思。正因如此，以上公开的主题应被认为是说明性的，而不是限制性的，并且权利要求旨在覆盖落入本公开内容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，本公开内容的范围将由以下权利要求及其等同物的最广泛的允许解读来确定，并且不应局限于或限制于前述详细描述。

Claims (16)

1.一种用于确定介入医学设备的取向的控制器，包括：
存储指令的存储器；以及
运行所述指令的处理器，
其中，当由所述处理器运行时，所述指令使所述控制器运行包括以下各项的过程：
控制由超声探头进行的多个波束的发射，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射；
基于在所述介入医学设备上的位置处的传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应而确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；以及
基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
2.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
确定作为对所述多个波束的所述子集的所述响应的沿着所述介入医学设备向下行进的波的特性，
其中，确定所述取向额外地基于作为对所述多个波束的所述子集的所述响应的沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性。
3.根据权利要求2所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
将作为对所述多个波束的所述子集的所述响应的沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性和与所述介入医学设备的不同取向相对应的已知特性集合进行比较；以及
将沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性与所述已知特性集合中的一个已知特性进行匹配，
其中，确定所述取向额外地基于所述已知特性集合中的与沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性相匹配的所述一个已知特性。
4.根据权利要求3所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
基于所述传感器感测到沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性来确定所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，预先确定与所述介入医学设备的不同取向相对应的所述已知特性集合以在所述传感器处接收到所述响应时识别所述介入医学设备的临界角，相比于接收到的其他波束，所述临界角对所述多个波束中的所述一个波束将生成具有最高强度的响应。
6.根据权利要求1所述的控制器，
其中，对所述多个波束的所述子集的所述响应包括沿着所述介入医学设备向下行进的导波，并且
沿着所述介入医学设备向下行进的所述导波具有响应于所述多个波束而生成的最高强度的导波，并且仅响应于处于所述多个波束中的包括在所述多个波束的所有发射角度中的一个且仅一个临界发射角度的波束的所述子集而生成。
7.根据权利要求1所述的控制器，
其中，所述传感器是一个且仅一个用于确定所述介入医学设备上的位置的传感器。
8.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
将作为对所述多个波束的所述子集的所述响应的沿着所述介入医学设备向下行进的波的特性和与所述介入医学设备的不同取向相对应的已知特性集合进行比较；以及
当沿着所述介入医学设备向下行进的所述波的所述特性与所述已知特性集合之间没有找到匹配时，再次控制由所述超声探头进行的所述多个波束的发射以确定所述介入医学设备的取向，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射。
9.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
将对所述多个波束的所述子集的所述响应与预定阈值进行比较，并且仅当对所述多个波束的所述子集的所述响应高于所述预定阈值时确定所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合。
10.根据权利要求9所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
将对所述多个波束的所述子集的所述响应的接收时间与对所述多个波束的另一子集的另一响应的接收时间进行比较，并且仅基于是否在对所述多个波束的所述另一响应的接收时间之前接收到对所述多个波束的所述子集的所述响应来确定所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合。
11.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
计算对所述多个波束的所述子集的所述响应而行进通过所述介入医学设备到达所述传感器的距离。
12.根据权利要求1所述的控制器，
其中，所述介入医学设备的所述取向是基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的相对于所述超声探头的发射角度而确定的所述介入医学设备的取向角度。
13.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
确定在所述介入医学设备上的所述传感器的所述位置，
其中，确定所述取向额外地基于在所述介入医学设备上的所述传感器的所述位置。
14.根据权利要求1所述的控制器，
其中，由所述控制器运行的所述过程还包括：
确定在所述传感器处接收到对所述多个波束的所述子集的所述响应的到达时间，
其中，确定所述取向额外地基于在所述传感器处对所述多个波束的所述子集的所述响应的所述到达时间，所述多个波束的所述子集相比于所述多个波束的其他子集产生具有最高强度的响应。
15.一种用于确定介入医学设备的取向的方法，包括：
由包括运行指令的处理器的控制器控制由超声探头进行的多个波束的发射，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射；
由所述控制器基于在所述介入医学设备上的位置处的传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应来确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；并且
由所述处理器基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
16.一种用于确定介入医学设备的取向的系统，包括：
传感器，其在介入医学设备上的位置处，
超声探头，其发射多个波束，每个波束以发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的不同组合进行发射，以及
控制器，其包括存储指令的存储器和运行所述指令的处理器，
其中，当由所述处理器运行时，所述指令使所述控制器运行包括以下各项的过程：
控制由所述超声探头进行的所述多个波束的发射；
基于在所述传感器处接收到对所述多个波束的子集的响应而确定所述多个波束的所述子集中的一个波束的发射时间和相对于所述超声探头的发射角度的所述组合；以及
基于所述多个波束的所述子集中的所述一个波束的所述发射时间和相对于所述超声探头的所述发射角度来确定所述介入医学设备的取向。
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