CN112533542B - 使用超声信号进行介入设备定位 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定介入设备(11)相对于成像场(B1..k)的位置的系统，所述成像场(B1..k)与当前连接到超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)相对应。所述位置是基于在波束形成超声成像探头(13)与被附接到介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定的。图像重建单元(IRU)提供与成像场(B1..k)相对应的重建的超声图像(RUI)。位置确定单元(PDU)接收指示当前连接到超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)的输入。位置确定单元(PDU)还计算超声换能器(15)相对于成像场(B1..k)的位置(LAPTOFSmax,θIPA)。计算所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)包括从与多个成像探头类型(T1..n)相对应的波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列。
Description
技术领域
本发明涉及确定介入设备相对于波束形成超声成像探头的成像场的位置。
背景技术
诸如医学针、导管和外科手术工具之类的介入设备由于其反射率的镜面性质，特别是在不利的入射角下，常常难以在超声图像中可视化。
在这方面，文献WO2011138698A1、WO2015101949A1和WO2016009350A1描述了用于利用被安装到器械上的超声接收器在超声成像场中跟踪所述器械的系统。随后在对应于超声成像场的超声图像中显示超声接收器的位置。
在平面超声成像系统中，当超声接收器位于图像平面外部时，即在“平面外”时，确定这样的超声接收器相对于平面的位置变得特别具有挑战性。
在这方面，文献WO2018060499A1描述了一种用于指示介入设备的介入设备特征相对于由波束形成超声成像系统的超声成像探头限定的图像平面的位置的系统，其中，基于在超声成像探头与以在距介入设备特征的预定距离处附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定介入设备特征的位置。图标提供单元提供第一图标，所述第一图标指示具有与预定距离相对应的半径的圆形区域。第一图标被显示在融合图像中，所述融合图像包括来自波束形成超声成像系统的重建的超声图像。在该文献中，基于针对确定的范围的信号强度变化与平面外距离Dop的模型来计算平面外距离。
尽管有这些解决方案，但是仍然存在用于确定介入设备相对于超声成像场的位置的改进技术的空间。
发明内容
为了寻求提供对介入设备的经改进的跟踪，提供了一种用于确定介入设备相对于成像场的位置的系统，所述成像场与当前连接到超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型相对应，并且其中，所述介入设备的位置是基于在波束形成超声成像探头与被附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定的。所述系统包括：图像重建单元和位置确定单元。所述图像重建单元提供与由波束形成超声成像探头限定的成像场相对应的重建的超声图像。所述位置确定单元接收指示当前连接到所述超声成像系统的所述波束形成超声成像探头的类型的输入。所述位置确定单元还基于在所述波束形成超声成像探头与所述超声换能器之间传输的最大检测强度超声信号的飞行时间来计算所述超声换能器相对于所述成像场的位置。计算所述位置包括从与多个成像探头类型相对应的波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列。所述位置确定单元还在重建的超声图像中指示位置。
在本发明中，所述介入设备的位置是基于在所述波束形成超声成像探头与被附接到所述介入设备的所述超声换能器之间传输的超声信号来确定的。更具体而言，以最大强度检测到所传输的超声信号的波束，即“在波束形成超声成像探头与超声换能器之间传输的最大检测强度超声信号”，识别了超声换能器位于其中的波束，并且因此识别了换能器相对于超声成像探头的角度位置。
波束形成超声成像探头通常按类型来识别。可以在诸如弯曲或线性的一般级别上定义所述类型，并且更具体而言，可以包括制造商的名称，并且最终包括诸如型号等的细节。通常，超声成像场(即，在其之内超声信号被探头传输和检测以便提供重建的超声图像的区域)是特定于探头类型的。此外，位置确定单元可以使用描述探头的波束序列的信息，即传输其波束中的每个波束的时间次序，以便将检测到的超声信号与传输的那些超声信号在时间上进行匹配，并且由此经由最大检测强度的超声信号来确定超声换能器位于哪个波束中。
在本发明中，从波束序列的组中选择与当前连接到所述超声成像系统的所述波束形成超声成像探头的类型相对应的波束序列。在所述组中的每个波束序列与特定的成像探头类型相对应。所检测到的超声信号然后被分配给所选择的波束序列。以这种方式获得当前连接到所述超声成像系统的所述超声成像探头的波束序列意味着能够将检测到的超声信号与正确的传输的波束可靠地相关联。此外，其允许位置确定单元与多种不同的探头类型一起操作。在一些实现方式中，每个检测到的超声信号的强度可以任选地被映射到通用多维阵列中，这随后由通用算法进行分析以确定最大强度。为所有探头类型提供通用数据结构，所述探头类型可以由通用算法来分析，以例如确定最大检测强度超声信号，减轻针对每种探头类型的不同算法的需求。通用算法还提供了针对不同的探头类型的结果的一致性。因此，针对多种类型的超声成像探头，能够可靠地确定在所述波束形成超声成像探头与所述超声换能器之间传输的最大检测强度超声信号。
根据一个方面，所述超声成像探头的所述成像场包括图像平面，并且计算所述超声换能器相对于所述成像场的位置包括：确定在所述超声换能器与所述图像平面之间的平面外距离。所述平面外距离是基于最大检测强度超声信号的强度和飞行时间来确定的。此外，确定所述平面外距离包括：从一组模型中选择与当前连接到所述超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型相对应的模型。所述模型描述平面内最大检测强度随飞行时间的预期变化。确定所述平面外距离还包括：在最大检测强度超声信号的飞行时间处，将最大检测强度与所选择的模型进行比较。在重建的超声图像中指示位置还包括在重建的超声图像中指示平面外距离。
当成像场是平面时，用户常常感兴趣的是确定所述介入设备相对于所述图像平面的位置。借助于超声成像平面的有限厚度，所述超声成像场在图像平面的任一侧延伸短距离，即，短的平面外距离。在本发明的该方面中，在该平面外区域中的超声信号能够用于确定介入设备的位置。所述位置确定单元以与上述相同的方式，即基于在超声成像探头与超声换能器之间传输的超声信号来计算所述超声换能器相对于所述成像场的位置，该位置现在是相对于图像平面的横向位置。此外，在重建的超声图像中也指示了平面外距离。用于确定所述平面外距离的模型描述平面内最大检测强度随飞行时间的预期变化。已经发现这种变化对于相同类型的成像探头是可重复的，并且有利地仅对一维(即，飞行时间)的变化进行建模。所述平面外距离是通过在最大检测强度超声信号的飞行时间处比较(例如缩放)最大检测强度与所选择的模型来确定的。这提供了平面外距离的定性指示。此外，由于仅需要在一个维度(即，飞行时间)中进行查找，因此能够快速地提供在使用中的平面外距离。通过从一组模型中选择适当的模型，提供了所述系统能够利用不同类型的超声成像探头可靠地操作。
根据另一方面，仅在当前连接到所述波束形成超声成像系统的探头的类型与在两个或更多个支持的探头类型的组中的探头的类型相对应时，所述位置确定单元才指示位置。因此，尽管所述超声成像系统可以利用多种不同的探头类型来操作，但是可以防止针对位置确定单元不支持的探头类型而显示不正确的位置。
根据其他方面，提供了可以与所述系统结合使用的方法以及对应的计算机程序产品。
应当注意，关于所述系统所描述的各个方面可以被组合以提供进一步的有利效果。此外，所述系统的各方面可以与所述方法互换地使用，并且反之亦然。
附图说明
图1图示了与具有平面内超声换能器15的介入设备11相组合的波束形成超声成像系统14以及系统10形式的本发明的实施例。
图2图示了重建的超声图像RUI，其中，经由圆圈C1指示了介入设备的计算位置LAPTOSFmax,θIPA。
图3图示了与具有设置在平面外距离DOP处的平面外超声换能器15的介入设备11相组合的波束形成超声成像系统14以及系统10形式的本发明的实施例。
图4图示了模型MO1，其描述平面内最大检测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化。
图5A、图5B、图5C各自图示了重建的超声图像RUI，所述RUI包括感兴趣区域ROI和图标Cop，所述图标Cop指示具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区域。
图6图示了适合于与系统10一起使用的介入设备11。
图7图示了可以与系统10一起使用的方法的各种方法步骤。
具体实施方式
为了图示本发明的原理，描述了各种系统，其中，介入设备(例如医学针)的位置相对于由2D波束形成超声成像探头的线性阵列限定的图像平面进行了指示。此外，在一些示例中，医学设备的特征的位置也被跟踪。所述特征可以例如是其远端。
然而，应当意识到，本发明还发现与其他介入设备的应用，诸如但不限于：导管、导丝、探头、内窥镜、电极、机器人、过滤设备、球囊设备、支架、二尖瓣夹、左心耳闭合设备、主动脉瓣、起搏器、静脉注射线、排水线、手术工具、组织密封设备、组织切割设备或可植入设备。这样的介入设备的跟踪特征可以示例性地包括介入设备的远端、介入设备的活检采样点、介入设备的切削刃、介入设备中通道的开口，介入设备的传感器(例如，用于感测流量、压力、温度等)、集成在介入设备中的手术工具(例如刮板)、介入设备的药物递送点、或者介入设备的能量递送点。
此外，应当意识到，2D波束形成超声成像探头的示例性线性阵列仅仅是其中可以使用本发明的波束形成超声成像系统的超声收发器阵列的一个示例。本发明还发现在其他类型的波束形成的超声成像系统中的应用，其相关联的超声收发器阵列示例性地包括3D成像探头的2D阵列(或者在双平面视图中)、“TRUS”经直肠超声检查探头、“IVUS”血管内超声探头、“TEE”经食道探头、“TTE”经胸廓探头、“TNE”经鼻探头、“ICE”心内探头。
图1图示了与具有平面内超声换能器15的介入设备11相组合的波束形成超声成像系统14以及系统10形式的本发明的实施例。在图1中，波束形成超声成像系统14包括2D波束形成超声成像探头13，其与图像重建单元IRU、成像系统处理器ISP、成像系统接口ISI和显示器DISP通信。单元IRU、ISP、ISI和DISP通常位于与2D波束形成超声成像探头13进行有线通信的控制台中。还设想到了，例如使用光学、红外或RF通信链路的无线通信可以替代有线链路。还设想到了，一些单元IRU、ISP、ISI和DISP可以替代地被并入在2D波束形成超声成像探头13之内，如在例如Philips Lumify超声成像系统中。在图1中，2D波束形成超声成像探头13包括线性超声收发器阵列16，其在截断感兴趣体积VOI的超声场内发送和接收超声能量。所述超声场在图1中是扇形的，并且包括限定图像平面12的多个超声波束B1..k。注意，在图1仅出于图示说明目的而图示了扇形波束，并且本发明并不限于特定形状的超声场。波束形成超声成像系统14还可以包括电子驱动器和接收器电路(未示出)，其被配置为放大和/或调整由2D波束形成超声成像探头13发送或接收的信号的相位，以便生成并且检测波束B1..k中的超声信号。所述电子驱动器和接收器电路因此可以被用于操纵所发射和/或接收的超声波束方向。
在使用中，波束形成超声成像系统14以以下方式来操作。操作员可以经由成像系统接口ISI来规划超声流程。一旦选择了操作流程，成像系统接口ISI就触发成像系统处理器ISP以执行专用程序，所述专用程序生成和解读由2D波束形成超声成像探头13发送和检测的信号。波束形成超声成像系统14还可以包括存储器(未示出)以用于存储这样的程序。所述存储器可以例如存储超声波束控制软件，所述超声波束控制软件被配置为控制由波束形成超声成像探头13发送和/或接收的超声信号的序列。图像重建单元IRU(其可以备选地形成成像系统处理器ISP的部分)将从波束形成超声成像探头13接收到的数据重建为与成像场B1..k(即图像平面12，并且因此其截断了感兴趣体积VOI)相对应的图像，并且随后将该图像显示在显示器DISP上。通过感兴趣体积VOI的平面截面在本文中被称为感兴趣区域ROI。重建的超声图像RUI因此可以包括感兴趣区域ROI。重建的图像可以例如是超声亮度模式“B模式”图像，否则被称为“2D模式”图像、“C模式”图像或多普勒模式图像、或者实际上是任何超声平面图像。
在图1中也示出了作为介入设备的示例的医学针11，以及本发明的实施例的系统10，其可以被用于指示介入设备11(即医学针)、或者更具体而言指示附接到其上的超声换能器15相对成像场B1..k(即，波束形成超声成像探头13的图像平面12)的位置。该实施例(系统10)包括图像重建单元IRU和位置确定单元PDU。这些单元相互通信，如由互连箭头所指示的。还设想到了，单元PDU、IRU中的一个或多个单元可以被并入在波束形成超声成像系统14的存储器或处理器内，例如被并入在也提供单元ISP的功能的存储器或处理器内。被跟踪的医学针11包括超声换能器15，超声换能器15可以被定位在距介入设备11的远端11a的预定距离Lp处。
在使用中，通过位置确定单元PDU基于在超声收发器阵列16与超声换能器15之间传输的超声信号来计算介入设备11相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的位置，或者更具体而言附接到其上的超声换能器15的位置。随后可以在重建的超声图像RUI中指示计算出的位置，如在图2所见到的，其图示了重建的超声图像RUI，其中，经由圆圈C1指示了介入设备的计算出的位置LAPTOSFmax,θIPA。
在一种配置中，超声换能器15是检测器，其接收与波束B1..k相对应的超声信号。位置确定单元PDU通过关联(即，将由超声收发器阵列16发射的超声信号与由超声换能器15检测到的超声信号进行比较)来识别超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的横向位置LAP。更具体而言，该相关性基于：i)与由超声换能器15检测到的每个波束B1..k相对应的超声信号的强度，以及ii)基于在由超声换能器15对每个波束B1..k的发射与其检测之间的时间延迟(即，飞行时间)，来确定超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的最佳适合位置。这可以如下图示说明。当超声换能器15在成像场B1..k(即，图像平面12)附近时，将以相对较大的强度检测到从最近的波束B1..k到换能器的超声信号，而将以相对较小的强度检测到更远的波束。通常，以最大检测强度检测到的波束被识别为最接近超声检测器15的波束。换言之，最大检测强度ISmax超声信号识别在超声收发器阵列16与超声换能器15之间的平面内角度ΘIPA。在该波束(从波束B1..k)的发射与其随后的检测之间的飞行时间指示了在超声收发器阵列16与超声换能器15之间的范围。因此，以最大检测强度ISmax(即，TOFSmax)检测到的波束中的超声信号的时间延迟是从所有波束的超声信号中选择出的超声信号。因为飞行时间指示范围，所以在极坐标中，超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的横向位置可以由LAPTOFSmax,θIPA来表示。如果需要，则可以通过将时间延迟乘以超声传播的速度来确定范围。
在另一种配置中，超声换能器15是发射一个或多个超声脉冲的发射器。这样的脉冲可以例如在超声成像系统14的普通成像帧之间交错的跟踪帧期间发射。在这样的跟踪帧中，超声收发器阵列16可以以仅接收模式来操作，在该模式中，超声收发器阵列16侦听源自成像场B1..k(即，图像平面12)附近的超声信号。因此，超声收发器阵列16被配置为单向仅接收波束形成器。位置确定单元PDU基于由超声换能器15发射的超声信号和由超声收发器阵列16检测到的那些超声信号来识别(一个或多个)脉冲源自波束B1..k中的哪个波束。如在上述配置中，位置确定单元PDU可以使用相关流程，所述相关流程基于以最大强度检测到的超声信号以及其飞行时间，以相同的方式来识别最近的波束，并且因此识别发射超声信号的点，即其横向位置LAPTOFSmax,θIPA。因此，当超声换能器15是发射器时，可以再次使用相关(即，比较)流程来确定其相对于成像场B1..k(即，针对每个跟踪帧的图像平面12)的最佳拟合位置。
在另一种配置中，超声换能器15可以被配置为既充当接收器又充当发射器，或者包括接收器和发射器两者。在这种配置中，在接收到来自超声收发器阵列16的超声信号时，超声换能器15可以被触发以发射一个或多个超声脉冲；任选地，遵循等于超声成像系统14的一个或多个帧时段的延迟。通过这种方式，由超声收发器阵列16在对应于触发波束B1..k的角度位置(即，在图像线中)在重建的超声中以回波形式接收由超声换能器15在成像模式期间发射的脉冲。因此，超声换能器15在重建图像中显示为亮斑。位置确定单元PDU可以随后在重建图像中识别该亮斑，并且因此再次计算超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的位置LAPTOSFmax,θIPA。
在未图示的又一配置中，波束形成超声成像探头13还可以包括附接到波束形成超声成像探头13的至少三个超声发射器。至少三个超声发射器与位置确定单元PDU通信。此外，位置确定单元PDU被配置为基于在附接到波束形成超声成像探头13的至少三个超声发射器与超声换能器15之间传输的超声信号来计算超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的位置。在该配置中，位置确定单元PDU基于由每个发射器发射的超声信号的飞行时间来确定在每个发射器与超声换能器15之间的范围。随后使用三角测量法来确定超声换能器15的三维位置。这提供了超声换能器15在三个维度上相对于波束形成超声成像探头13的位置，或者更具体而言相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的位置，因为至少三个发射器被附接到波束形成超声成像探头13。所述三维位置可以随后被映射到成像场B1..k，即图像平面12，并且因此再次由LAPTOFSmax,θIPA来表示。在该配置中，超声发射器是优选的，因为当发射器靠近易于使用电源的波束形成超声成像探头13时，对于在大范围上精确定位必要地向发射器提供高功率超声信号是更容易的。因此，与将高功率发射器定位在介入设备11上相比，该布置是优选的。因此，在使用中，通过位置确定单元PDU基于在至少三个发射器与超声换能器15之间传输的超声信号，来再次计算介入设备11(或者更具体而言，附接到其上的超声换能器15)相对于成像场1..k(即，图像平面12)的横向位置。
因此，在图1中所图示的位置确定单元PDU可以在以上配置中的任何配置中使用，以基于在波束形成超声成像探头13与超声换能器15之间传输的超声信号来计算超声换能器15相对于成像场B1..k(即，图像平面12)的位置。更一般地，尽管在上文已经使用图像平面12作为示例，但是可以使用相同的原理来确定超声换能器15相对于成像场B1..k的位置，即，当提供体积(即，三维)成像场B1..k时。
波束形成超声成像探头通常由一种类型来识别，在此被表示为T1..n，其中，n大于或等于二。类型T1..n可以在一般级别上定义，诸如弯曲或线性，并且更具体而言可以包括制造商的名称以及最终的型号。通常，图1中的超声成像场B1..k，即，成像探头13在其之内发送和检测超声信号以便提供重建的超声图像RUI的区域，是特定于探头类型的。此外，位置确定单元PDU可以使用描述探头的波束序列的信息，即，其波束中的每个波束被发送的时间次序，以便将检测到的超声信号与发送的那些超声信号进行匹配，从而经由最大检测强度的超声信号来确定超声换能器位于哪个波束中。
在本发明中，位置确定单元PDU接收指示当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n的输入，并且从波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型T1..n相对应的波束序列。在所述组中的每个波束序列都与特定的成像探头类型T1..n相对应。参数n大于或等于二，并且因此所述组包括至少两个波束序列。此外，可能存在与每种探头类型相关联的超过一个波束序列。波束序列表示所生成的波束形成超声成像探头13的波束以及其生成的次序。考虑到需要对预定视场进行成像或者在特定区域处提供聚焦，波束序列通常特定于成像探头类型T1..n。因此，例如，针对弯曲探头的波束序列可以不同于针对线性探头的波束序列。然后将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列。更具体而言，将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列的时间上对应的波束。指示类型T1..n的输入可以自动地接收，例如通过位置确定单元接收存储在成像探头13中的代码，或者手动地接收，例如经由成像系统接口ISI，其中，用户可以从两个或更多个支持探头类型的列表中选择探头类型。备选地，可以经由读取器设备接收输入，诸如，例如读取被存储在成像探头13上的对应代码的条形码读取器或RFID读取器。
与成像探头类型T1..n相对应的波束序列组可以示例性地被存储为数据库或库，并且因此从中进行选择。这可以由存储器提供。所述存储器可以例如被包含在位置确定单元内或超声成像系统14的另一部分内；例如，在成像系统处理器ISP的存储器中。
总之，并且参考图1和图2，提供了系统10，其用于确定介入设备11相对于成像场B1..k的位置，所述成像场B1..k与当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n相对应，并且其中，基于在波束形成超声成像探头13与被附接到介入设备11上的超声换能器15之间传输的超声信号来确定介入设备11的位置。系统10包括图像重建单元IRU和位置确定单元PDU。图像重建单元IRU提供与成像场B1..k相对应的重建的超声图像RUI，并且其由波束形成超声成像探头13来限定。位置确定单元PDU：
接收指示当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n的输入；
基于在波束形成超声成像探头13与超声换能器15之间传输的最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax来计算超声换能器15相对于成像场B1..k的位置LAPTOSFmax,θIPA，其中，计算所述位置LAPTOSFmax,θIPA包括从与多个成像探头类型T1..n相对应的波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头的类型T1..n相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列；以及
在重建的超声图像RUI中指示位置LAPTOFSmax,θIPA。
获得当前连接到超声成像系统的超声成像探头的波束序列，并且以这种方式向其分配检测到的信号，这意味着能够将检测到的超声信号与正确的发送的波束B1..k可靠地相关联。此外，其允许位置确定单元PDU与多种不同的探头类型一起操作。
在一些实现方式中，每个检测到的超声信号的强度可以任选地被映射到通用多维阵列中，随后由通用算法对其进行分析以确定最大强度。二维阵列可以示例性地具有波束或图像线数和飞行时间的索引，而三维阵列可以示例性地具有针对帧号的额外索引。在阵列中，所述波束序列可以从检测波束的次序重新排序，使得在重建的超声图像中的相邻图像线在阵列中彼此相邻。如在本文中所定义的图像线是在飞行时间(即，深度维度)中的重建的超声图像RUI中的相邻切片。为所有探头类型提供通用数据结构，可以通过通用算法进行分析以确定例如最大检测强度超声信号ISmax减轻了每种探头类型对不同算法的需求。通用算法还提供了针对不同的探头类型T1..n的结果的一致性。因此，对于多种类型的超声成像探头，能够可靠地确定在波束形成超声成像探头12与超声换能器15之间传输的最大检测强度超声信号ISmax。
在一些示例性实现方式中，当成像场B1..k包括图像平面12时，波束形成超声成像探头的类型T1..n可以另外地用于提供超声换能器15距图像平面12的距离(即，平面外距离)的特定于探头类型的定性指示。因此，使用探头类型T1..n再次促进利用不同探头的系统的操作。
另外，图3图示了与具有被设置在平面外距离DOP处的平面外超声换能器15的介入设备11相组合的波束形成超声成像系统14以及系统10形式的本发明的实施例。与图1相反，在图3中，超声换能器15远离图像平面来设置，即“平面外”。对于这样的平面场，对于用户来说知道平面外距离是有用的，以便允许他们将介入设备11导航到图像平面12。在这方面，可以使用与上述相同的流程来确定超声换能器15相对于图像平面12的位置，该位置现在是横向位置，即到图像平面12上的投影位置。使用最大检测强度ISmax超声信号的强度ISmax和飞行时间TOFSmax的额外流程随后可以被用于提供平面外距离Dop的定性指示。图3中的图像平面12具有有限的厚度，并且在较小的平面外位移处以减小的强度可检测到由波束形成超声成像探头13传输的超声信号。以相同的方式，波束形成超声成像探头13对在小的平面外位移处发生的超声反射敏感。这些信号在本发明中用于提供超声换能器15的平面外距离Dop的定性指示。
另外，图4图示了模型MO1，其描述平面内最大检测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化。模型MO1是来自一组这样的模型MO1..n中的一个模型，模型MO1..n与n个不同的探头类型中的每一个相对应，其中，n大于或等于二。可以将模型组存储为数据库或库，并且因此从中进行选择。这可以由存储器来提供。所述存储器可以被包含在位置确定单元内或超声成像系统14的另一部分内；例如，在成像系统处理器ISP的存储器中。模型MO1由实曲线指示，并且图示了随着飞行时间TOF(即，进入组织的深度)的增加，检测到的超声信号的平面内最大检测强度ISmaxInplane最初缓慢地降低，然后更快地降低，并且然后再次缓慢地降低。模型的形状受超声信号的衰减的影响，并且可以根据在组织或对应物质中获得的平面内最大强度的理论计算或经验测量来确定。模型MO1仅取决于飞行时间，并且不随平面内角度θIPA变化。注意，模型MO1并未根据平面外距离来对最大检测强度ISmaxInplane建模。因此，模型MO1仅需要有限量(即，一维)校准数据。与三维模型相反，由于需要仅在一个维度(即，飞行时间)中进行搜索，因此可以以低延迟利用模型MO1确定使用中的平面外距离。已经发现建模的平面内最大检测强度ISmaxInplane可靠地表示相同类型的不同波束形成超声成像探头，这意味着相同模型可以被用于相同类型的波束形成超声成像探头。此外，在不同类型的探头之间可能存在显著差异，并且因此，在一些实现方式中，波束形成超声成像探头的类型T1..n被用于在计算平面外距离时将不同的模型MO1..n分配给对应的探头类型。
参考图3和图4，在使用中，计算平面外距离Dop包括针对对应的探头类型T1将最大检测强度ISmax与模型MO1进行比较。随后，可以在重建的超声图像RUI中指示平面外距离Dop。所述平面外距离可以例如以数字指示，或者被指示为根据Dop变化的图标的尺寸或颜色。
例如，将最大检测强度ISmax与模型MO1进行比较可以涉及确定在检测强度ISmax与对应于计算出的横向位置LAPTOFSmax的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane之间的差或比率。在一个示例性实现方式中，因此，在超声换能器的计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的最大检测强度ISmax可以被缩放为在对应于计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane。平面外距离的定性指示随后可以在重建的超声图像RUI中指示。例如，可以显示图标，其尺寸根据下式而变化：
并且其中，k1和k2是常数，并且k1可以包括零。
在另一示例性实现方式中，图标的颜色可以被配置为基于关于在飞行时间TOFSmax的ISmaxInplane的最大检测强度ISmax的值而改变。例如，参考图4；表示ISmax的预定范围或相对于ISmaxInplane的比率的预定范围的区域I、II和III可以定义在重建的超声图像RUI中所显示的图标的不同颜色，每种颜色在最大检测强度ISmax位于各自的范围内时被应用于图标。
因此，总之，并且参考图3和图4，当成像场B1..k包括图像平面12时，计算超声换能器15相对于成像场B1..k的位置LAPTOSFmax,θIPA可以任选地还包括基于强度ISmax和最大检测强度超声信号的飞行时间TOFSmax来确定在超声换能器与图像平面之间的平面外距离Dop。确定平面外距离Dop包括从模型MO1..n的组中选择与当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n相对应的模型，所述模型描述平面内最大检测强度ISmaxInplane随飞行时间的预期变化，并且在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处将最大检测强度ISmax与所选择的模型进行比较。指示重建的超声图像RUI中的位置LAPTOFSmax,θIPA还包括在重建的超声图像RUI中指示平面外距离Dop。
通过从预定模型MO1..n的组中选择适当的模型，系统10能够在平面外位置中利用不同类型的超声成像探头可靠地操作。
在一些示例性实现方式中，平面外距离Dop可以借助于具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区域来指示。此外，图5A、图5B、图5C均图示了重建的超声图像RUI，其包括感兴趣区域ROI和图标Cop，所述图标Cop指示具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区域。参考图5，指示平面外距离Dop可以包括在计算出的横向位置LAPTOSFmax,θIPA处提供图标Cop，所述图标Cop指示具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区域。图5还指示了感兴趣区域ROI，并且在其之内已经确定了超声换能器15的横向位置LAP。在图5A中，超声传感器15与图像平面12相距一定距离，如由圆圈Cop的半径所指示的。在图5B和图5C中，超声换能器15被移动得更靠近图像平面12，从而导致圆圈Cop的半径对应减小。尽管在图5中图示了圆圈，但是可以以相同的方式使用除了完整圆圈之外的并且同样指示圆形区域的其他图标，包括例如斑点或虚线的圆形布置、径向线或箭头的圆形布置(其尖端指示圆形区域)等等。在计算出的位置使用带有指示平面外距离的圆形区域的图标，可以基于圆圈是增大还是缩小而直观地向用户指示介入设备是朝向图像平面前进还是远离。这允许改善对介入设备的引导。
在一些示例性实现方式中，在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处，基于将最大检测强度ISmax缩放为期望的平面内最大检测强度ISmaxInplane，来确定与平面外距离Dop相对应的半径。因此，如上文参考图3所描述的，在图5中的圆圈Cop的半径将随着超声换能器15朝向和远离图像平面12移动而改变。
在一些示例性实现方式中，图标Cop具有周长，并且图标Cop的外观被配置为基于在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处将最大检测强度ISmax与预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比较而变化。图标Cop的外观可能通过以下中的至少一种而变化：
改变图标Cop的周长的颜色；
图标Cop的周长的对比度；
带斑点或长划线的图标Cop的周长；
使图标Cop的周长随着时间而脉动；
如果i)在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处最大检测强度ISmax与预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比率，或者ii)最大检测强度ISmax，在预定范围内之内。图标的其他特征也可以类似地变化，例如，在这些条件下，图标Cop可以采取部分透明的圆形区域的形式。
改变周长的外观具有向用户指示介入设备相对于成像平面的预定位置处的位置的效果。该特征允许向用户快速地指示介入设备相对于成像平面的一般位置。例如，参考图4中的区域I-III，当最大检测强度或者其比率指示的值接近在预期的平面内最大检测强度时，即在区域I中，图标的颜色可能为绿色；而在邻近范围内(即，在区域II中)时，为红色；以及在该范围外部的位置(即，在区域III中)时，为白色。
图6图示了适合于在系统10内使用的介入设备11。超声换能器15可以被附接到距特征(即，介入设备11的远端11a)预定距离Lp处。超声换能器15可以通过各种手段(包括利用粘合剂)附接到介入设备11。还示出了将电信号从超声换能器11载送到位置确定单元PDU的电导体，但是如上所述，设想到了备选地使用无线链路使换能器信号与位置确定单元PDU进行通信。
上文参考图1、图3和图6所描述的超声换能器15可以由多种压电材料来提供。硬和软压电材料均适用。微机械机电结构(即，MEMS设备，诸如电容式机械超声换能器设备，即CMUT)也是适合的。当超声换能器是检测器时，其优选由聚偏二氟乙烯(也被称为PVDF)形成，其机械性能和制造工艺使其自身附接到弯曲表面(诸如医学针)上。备选材料包括PVDF共聚物(诸如聚偏二氟乙烯三氟乙烯)、PVDF三元共聚物(诸如P(VDF-TrFE-CTFE))。优选地，所述超声换能器缠绕在介入设备的轴周围，以便提供围绕轴旋转360度的感测，但是并非总是如此。
在一些示例性实现方式中，位置确定单元PDU可以使图像重建单元IRU显示所述类型T1..n。可以在重建的超声图像中向用户提供该确认，并且提供自动确定的探头类型已经被正确地配准的保证。
在一些示例性实现方式中，位置确定单元PDU仅在类型T1..n与两个或更多个支持的探头类型的组中的探头的类型相对应时才指示计算出的位置LAPTOSFmax,θIPA。因此，尽管超声成像系统可以利用多种不同的探头类型来操作，但是可以防止针对位置确定单元不支持的探头类型显示不正确的位置。
图7图示了可以与系统10一起使用的方法的各个方法步骤。参考图7，该方法用于确定介入设备11相对于成像场B1..k的位置，所述成像场B1..k与当前连接到波束形成超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n相对应，并且其中，介入设备11的位置是基于在波束形成超声成像探头13与被附接到介入设备11的超声换能器15之间传输的超声信号来确定的，所述方法包括以下步骤：
生成GENRUI，其是与由波束形成超声成像探头13限定的成像场B1..k相对应的重建的超声图像RUI；
接收指示波束形成超声成像探头13的类型T1..n的输入RECINP；
基于在波束形成超声成像探头13与超声换能器15之间传输的最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax来计算超声换能器15相对于成像场B1..k的CPOS位置LAPTOFSmax,θIPA，其中，计算所述位置LAPTOSFmax,θIPA包括从与多个成像探头类型T1..n相对应的波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n相对应的波束序列；以及
在重建的超声图像RUI中指示INDPOS位置LAPTOFSmax,θIPA。
应当注意，所述方法的其他实现方式可以额外地并入关于系统的实现方式所描述的一个或多个方面。
在图7中所图示的方法步骤任选地包括在本文中所描述的其他方法步骤，可以作为能由处理器执行的指令而被存储在计算机程序产品上。可以通过专用硬件或者能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来提供计算机程序产品。当由处理器提供时，功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器、或者由多个单独的处理器来提供，其中的一些可以被共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解释为专门指代能够执行软件的硬件，而是能够隐含包括但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”、非易失性存储设备等。此外，本发明的实施例能够采取能从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，以供计算机或任何指令执行系统使用或者与其结合使用。出于本描述的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或者与其结合使用的任何装置。介质能够是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统，或者装置或设备，或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器“RAM”、只读存储器“ROM”、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括光盘——只读存储器“CD-ROM”、光盘读/写“CD-R/W”，蓝光TM和DVD。
在这方面中，还公开了一种与系统10一起使用的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括指令，所述指令当在系统10的处理器上执行时，用于确定介入设备11相对于成像场B1..k的位置，所述成像场B1..k与当前连接到波束形成超声成像系统14的波束形成超声成像探头13的类型T1..n相对应，并且其中，介入设备11的位置是基于在波束形成超声成像探头13与被附接到介入设备11的超声换能器15之间传输的超声信号确定的；使所述处理器执行上述方法步骤。
总之，提供了一种用于确定介入设备相对于成像场的位置的系统，所述成像场与当前连接到超声成像探头的波束形成超声成像探头的类型相对应，并且其中，所述介入设备的位置是基于在波束形成超声成像探头与被附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定的。所述系统包括：图像重建单元和位置确定单元。所述图像重建单元提供与由所述波束形成超声成像探头限定的成像场相对应的重建的超声图像。所述位置确定单元接收指示当前连接到超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型的输入。所述位置确定单元还基于在所述波束形成超声成像探头与所述超声换能器之间传输的最大检测强度超声信号的飞行时间来计算所述超声换能器相对于所述成像场的位置。计算所述位置包括从与多个成像探头类型相对应的波束序列的组中选择与当前连接到超声成像系统的波束形成超声成像探头的类型相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列。所述位置确定单元还在重建的超声图像中指示位置。
尽管已经在附图和前述涉及医学针的描述中详细图示和描述了本发明，但是这些图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制本发明的范围。此外，应当理解，在本文中所示的各种示例、实现方式和实施例可以组合，以便提供用于确定介入设备相对于波束形成超声成像系统的位置的各种系统和方法。
Claims (11)
1.一种用于确定介入设备(11)相对于成像场(B1..k)的位置的系统(10)，所述成像场与当前连接到超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)相对应，并且其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述波束形成超声成像探头(13)与被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定的，所述系统(10)包括：
图像重建单元(IRU)，其被配置为提供与由所述波束形成超声成像探头(13)限定的所述成像场(B1..k)相对应的重建的超声图像(RUI)；以及
位置确定单元(PDU)，其被配置为：
接收指示当前连接到所述超声成像系统(14)的所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)的输入；
基于在所述波束形成超声成像探头(13)与所述超声换能器(15)之间传输的最大检测强度(ISmax)超声信号的飞行时间(TOFSmax)来计算所述超声换能器(15)相对于所述成像场(B1..k)的位置(LAPTOFSmax,θIPA)，其中，计算所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)包括从与多个成像探头类型(T1..n)相对应的波束序列的组中选择与当前连接到所述超声成像系统(14)的所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列；并且
在所述重建的超声图像(RUI)中指示所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述成像场(B1..k)包括图像平面(12)，并且其中，计算所述超声换能器(15)相对于所述成像场(B1..k)的所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)还包括：基于所述最大检测强度超声信号的所述强度(ISmax)和所述飞行时间(TOFSmax)来确定在所述超声换能器(15)与所述图像平面(12)之间的平面外距离(Dop)；
其中，确定所述平面外距离(Dop)包括：从一组模型(MO1..n)中选择与当前连接到所述超声成像系统(14)的所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)相对应的模型，所述模型描述平面内最大检测强度(ISmaxInplane)随飞行时间的预期变化，并且在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处，将所述最大检测强度(ISmax)与所选择的模型进行比较；并且
其中，在所述重建的超声图像(RUI)中指示所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)还包括在所述重建的超声图像(RUI)中指示所述平面外距离(Dop)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为接收来自所述波束形成超声成像探头(13)的所述输入。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为使所述图像重建单元(IRU)显示所述类型(T1..n)。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元被配置为仅在所述类型(T1..n)与在支持的探头类型的组中的探头类型相对应时才指示所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)。
6.根据任一前述权利要求所述的系统(10)，还包括所述超声成像系统(14)，并且其中，所述图像重建单元(IRU)被包含在所述超声成像系统(14)内。
7.根据任一前述权利要求所述的系统(10)，还包括波束形成超声成像探头(13)。
8.根据任一前述权利要求所述的系统(10)，还包括介入设备(11)，所述介入设备具有被附接到其的超声换能器(15)。
9.一种确定介入设备(11)相对于成像场(B1..k)的位置的方法，所述成像场与当前连接到波束形成超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)相对应，并且其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述波束形成超声成像探头(13)与被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定的，所述方法包括：
生成(GENRUI)与由所述波束形成超声成像探头(13)限定的所述成像场(B1..k)相对应的重建的超声图像(RUI)；
接收指示所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)的输入(RECINP)；
基于在所述波束形成超声成像探头(13)与所述超声换能器(15)之间传输的最大检测强度(ISmax)超声信号的飞行时间(TOFSmax)来计算(CPOS)所述超声换能器(15)相对于所述成像场(B1..k)的位置(LAPTOFSmax,θIPA)，其中，计算所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)包括从与多个成像探头类型(T1..n)相对应的波束序列的组中选择与当前连接到所述超声成像系统(14)的所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)相对应的波束序列，并且将检测到的超声信号分配给所选择的波束序列；并且
指示(INDPOS)在所述重建的超声图像(RUI)中的所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述成像场(B1..k)包括图像平面(12)，并且其中，计算(CPOS)所述超声换能器(15)相对于所述成像场(B1..k)的所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)还包括：基于所述最大检测强度超声信号的所述强度(ISmax)和所述飞行时间(TOFSmax)来确定在所述超声换能器(15)与所述图像平面(12)之间的平面外距离(Dop)；
其中，确定所述平面外距离(Dop)包括：从一组模型(MO1..n)中选择与当前连接到所述超声成像系统(14)的所述波束形成超声成像探头(13)的所述类型(T1..n)相对应的模型，所述模型描述平面内最大检测强度(ISmaxInplane)随飞行时间的预期变化，并且在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处，将所述最大检测强度(ISmax)与所选择的模型进行比较；并且
其中，指示(INDPOS)在所述重建的超声图像(RUI)中的所述位置(LAPTOFSmax,θIPA)还包括在所述重建的超声图像(RUI)中指示所述平面外距离(Dop)。
11.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令当在系统(10)的处理器上执行时，用于确定介入设备(11)相对于成像场(B1..k)的位置，所述成像场与当前连接到波束形成超声成像系统(14)的波束形成超声成像探头(13)的类型(T1..n)相对应，并且其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述波束形成超声成像探头(13)与被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定的；使所述处理器执行根据权利要求9或权利要求10所述的方法的步骤。
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