CN112566556A - 相对于超声图像平面跟踪介入设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定介入设备(11)相对于由超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置的系统(10)。所述位置是基于在所述超声成像探头(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。图像重建单元(IRU)提供重建超声图像(RUI)。位置确定单元(PDU)基于最大检测强度(ISmax)超声信号的飞行时间(TOFSmax)来计算所述超声换能器(15)相对于所述图像平面(12)的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)。所述位置确定单元(PDU)还计算所述超声换能器(15)与所述图像平面(12)之间的平面外距离(Dop)。计算所述平面外距离(Dop)涉及将所述最大检测强度(ISmax)与描述平面内最大检测强度(ISmaxInplane)随飞行时间的预期变化的模型(MO)进行比较。
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图像平面的位置。
背景技术
由于诸如医用针、导管和外科手术工具之类的介入设备的反射具有镜面性质(特别是在不利的入射角下)，因此通常难以在超声图像中对这些介入设备进行可视化。
在这方面中，文献WO 2011138698 A1、WO 2015101949 A1和WO 2016009350 A1描述了用于利用被安装到器械的超声接收器在超声场中跟踪器械的系统。随后在与超声场相对应的超声图像中显示超声接收器的位置。
文献US 2016/038119 A1涉及一种超声系统，该超声系统包括超声单元，该超声单元包括：超声探头和传感器控制台，该超声探头用于采集人体的解剖图像并用于相对于所述图像来定位医学器械，该超声探头包括第一组成像换能器元件和第二组定位换能器元件，其中，第一组成像换能器元件与第二组定位换能器元件不同并且不相交，其中：第一组成像换能器元件被配置为：产生进入人体的超声成像发射，其中，超声成像发射被聚焦到图像扫描平面中，并且接收超声成像发射的反射以用于生成与图像扫描平面相对应的二维解剖图像；并且其中，第二组定位换能器元件被配置为产生进入人体的超声定位发射以用于相对于解剖图像来定位医学器械，其中，超声定位发射延伸到图像扫描平面之外，并且其中，来自所述第二组的至少两个换能器元件在垂直于图像扫描平面的方向上彼此间隔开；该传感器控制台用于接收来自所述换能器的与定位发射相对应的信号；其中，超声系统被配置为处理接收到的信号，以基于接收到的信号来确定医学器械在人体内相对于超声探头的位置。
另一文献US 2017/202625 A1涉及一种用于跟踪器械的系统。该系统包括沿着器械的长度设置并与相邻传感器间隔开的两个或更多个传感器。解读模块被配置为根据这两个或更多个传感器的位置从三维图像体积中选择并更新图像切片。该三维图像体积包括两个或更多个传感器相对于体积中的目标的位置。图像处理模块被配置为生成指示图像切片中的参考位置的重叠物。该参考位置包括两个或更多个传感器的位置以及与显示器中的图像切片的相对偏移，以提供反馈信息而用于器械的定位和定向。
然而，当这样的系统中的超声接收器位于图像平面之外时(即，处于“平面外”)，确定超声接收器的位置以及最终确定介入设备的位置可能会很困难。
在这方面中，文献WO 2018060499 A1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所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在距介入设备特征预定距离处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介入设备特征的位置。图标提供单元提供第一图标，该第一图标指示具有与预定距离相对应的半径的圆形区。第一图标被显示在融合图像中，该融合图像包括来自波束形成超声成像系统的重建超声图像。在该文献中，基于针对所确定的范围内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，用于确定介入设备相对于超声成像平面的位置的技术仍存在改进的空间。
发明内容
为了寻求提供对介入设备的改进的跟踪，提供了一种用于确定介入设备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，所述介入设备的所述位置是基于在所述超声成像探头与被附接到所述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超声成像探头限定的图像平面相对应的重建超声图像。所述位置确定单元基于在所述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图像平面的横向位置。所述位置确定单元还基于所述最大检测强度超声信号的强度和所述飞行时间来计算所述超声换能器与所述图像平面之间的平面外距离。计算所述平面外距离包括将所述最大检测强度与描述在所述最大检测强度超声信号的飞行时间时处的平面内最大检测强度随飞行时间的预期变化的模型进行比较。所述位置确定单元随后在所述重建超声图像中指示所述平面外距离。
因此，用于计算平面外距离的模型描述了平面内最大检测强度随飞行时间的预期变化。平面内检测强度在不同的超声成像探头之间会表现出低的可变性，因此，相同的模型可以用于相同类型的超声成像探头。此外，该模型仅需要一维校准数据(即，强度随飞行时间的变化)，这仅需要有限数量的校准数据。此外，由于仅需要在一个维度(即，飞行时间)上进行搜索，因此在使用中可以以低延迟的方式确定平面外距离。
根据一个方面，指示所述平面外距离包括在所计算的横向位置处提供第一图标，所述第一图标指示具有与所述平面外距离相对应的半径的圆形区。在所计算的位置处使用具有指示平面外距离的圆形区的图标，会基于圆是增大还是缩小而向用户直观地指示介入设备是朝向图像平面前进还是远离图像平面后退。这允许改进对介入设备的引导。
根据另一方面，所述半径是基于将所述最大检测强度缩放到在所述最大检测强度超声信号的所述飞行时间处的预期的平面内最大检测强度来确定的。随着平面外距离Dop的增大，最大检测强度通常会减小。然而，这种随平面外距离的变化的性质可能取决于飞行时间；换句话说，在超声成像探头与超声检测器之间的范围。基于将最大检测强度缩放到预期的平面内最大检测强度来确定半径，会实现定性地指示平面外距离。这样的指示为用户提供了足够的反馈，以便用户将介入设备准确地导航到图像平面，并且不需要完整的三维校准数据，否则可能需要使用完整的三维校准数据来确定确切的平面外距离以及与搜索这样的三维数据以确定平面外距离相关联的延迟。
根据另一方面，所述第一图标包括周界。所述第一图标的外观被配置为：如果i)所述最大检测强度与在所述最大检测强度超声信号的所述飞行时间处的所述预期的平面内最大检测强度的比率或ii)所述最大检测强度位于预定范围内，则基于所述最大检测强度与在所述最大检测强度超声信号的所述飞行时间处的所述预期的平面内最大检测强度的比较而改变。改变周界的外观具有向用户指示在预定位置处的介入设备相对于成像平面的位置的效果。该特征允许向用户快速指示介入设备相对于成像平面的一般位置。例如，当最大检测强度或其比率指示接近预期的平面内最大检测强度的值时，图标的颜色可以为绿色；而对于邻接范围内的值，图标的颜色可以为红色；而对于该范围以外的位置，图标的颜色可以为白色。这向用户快速指示了介入设备当前是否在平面内。
根据另一方面，与所述平面外距离相对应的半径具有最小值。如果i)所述最大检测强度与在所述最大检测强度超声信号的所述飞行时间处的所述预期的平面内最大检测强度的比率或ii)所述最大检测强度超过预定值，则所述位置确定单元将所述半径限制为所述最小值。用户通常对将介入设备定位在成像平面中这一过程感兴趣；因此，在该实施方式中，例如当图标恰好在成像平面中的预定范围内时，图标可以改变。这样，当介入设备被足够好地定位时，用户可以在某种程度上放松他们的注意力。这避免了用户不断微调介入设备的位置，从而使他们专注于其他任务。
根据另一方面，如果i)所述最大检测强度与在所述最大检测强度超声信号的所述飞行时间处的所述预期的平面内最大检测强度的比率或ii)所述最大检测强度降至预定值以下，则所述位置确定单元禁止在所述重建超声图像中提供所述第一图标。如果这些参数中的任一个参数降至预定值以下，则系统可能不够灵敏而无法可靠地指示介入设备相对于成像平面的位置。弱检测的超声信号可能会被电磁干扰或噪声所混淆。在这种情况下，优选地，禁止在重建超声图像中提供第一图标，以便避免指示可能不准确的位置。
根据另一方面，所述介入设备包括特征(例如，所述介入设备的远端)。所述超声换能器在距所述介入设备特征预定距离处被附接到所述介入设备。所述位置确定单元还被配置为在所述重建超声图像中提供第二图标，所述第二图标指示具有与所述超声换能器与所述介入设备特征之间的所述预定距离相对应的半径的圆形区。所述第一图标与所述第二图标共享公共中心，即在所计算的横向位置处。第二图标指示介入设备的特征(例如，远端)的可能位置的范围。在重建超声图像中提供这两个图标有益地指示了介入设备的特征相对于图像平面的位置。现在说明两种极端场景，以便指示提供这两个图标的益处。
在第一场景中，介入设备特征和超声换能器均位于图像平面中。重建超声图像包括指示平面外位置并以超声换能器的位置为中心的第一图标。如上所述，第一图标指示换能器在图像平面中。介入设备特征位于由重叠的第二图标指示的圆形区的周界周围的某个位置；这是因为圆形区的半径对应于超声换能器与介入设备特征之间的预定距离。因此，在平面内流程期间，当圆重叠时，图标的周界指示介入设备特征的位置。基于用户的进针进度和大致轨迹，用户还将大致了解到医用针的远端实际上位于圆形区的周界的哪个部分。此外，用户将根据医用针11的轴杆的间歇性重建超声图像而知晓该轨迹。因此，用户能够在精神上增强由第一图标提供的信息，以便更精确地识别出介入设备特征位于圆形区的周界上的哪个位置。
在第二场景中，介入设备特征位于图像平面中，而超声换能器位于通常相对于沿着穿过该特征的线的图像平面之上或之下。这里，重建超声图像包括第一图标，该第一图标以超声换能器被投影到图像平面上的位置为中心。这样的投影能够涉及：i)在法向于图像平面的方向上投影超声换能器的位置，或者ii)将超声成像探头与超声换能器之间的范围投影到图像平面上，或者iii)在垂直于超声成像探头与超声换能器之间的范围的方向上投影超声换能器的位置。第一图标指示平面外距离。由于超声换能器相对于超声图像平面的正常定位，第二图标的中心指示了介入设备的特征(即，远端)的位置。当第一图标与第二图标重叠时(即，当它们指示相同的距离时)，介入设备特征刚刚到达该图像平面。
在中间场景中，介入设备特征位于由第二图标指示的圆形区的中心与其圆形区的周界之间的某个位置。
因为已知介入设备特征在由第二图标限定的圆形区的周界上或内，所以提供了介入设备特征相对于图像平面的改进的定位。换句话说，系统的用户对于介入设备特征不会影响位于该圆形区之外的图像特征是有信心的。有利地，能够仅使用单个超声换能器来提供定位，从而简化了介入设备的制造。
根据另一方面，当所述平面外距离小于或等于所述预定距离时，所述位置确定使所述第一图标和所述第二图标中的至少一个的外观改变。这样，在前述的平面外流程期间，向用户警告介入设备特征处于图像平面的中心这一事实。
根据另一方面，所述第一图标的半径的最小值等于所述第二图标的半径，并且其中，当所述平面外距离小于或等于所述预定距离时，所述第一图标的半径被限制为所述最小值。如上所述，通过在介入设备接近图像平面时如此限制第一图标的尺寸，在平面外流程中，当第一图标达到最小尺寸而使用户知道已经达到足够的定位准确度时，用户可以在某种程度上放松他们的注意力。
根据其他方面，提供了可以与该系统结合使用的方法和对应的计算机程序产品。
应当注意，可以将关于该系统描述的各个方面进行组合以提供进一步的有利效果。此外，可以将该系统的各个方面与该方法互换使用，反之亦然。
附图说明
图1图示了与平面内介入设备11组合的波束形成超声成像系统14以及呈系统10的形式的本发明的实施例。
图2图示了与被设置在平面外距离Dop处的介入设备11组合的波束形成超声成像系统14以及呈系统10的形式的本发明的实施例。
图3图示了描述平面内最大检测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化的模型MO。
图4A、图4B、图4C各自图示了重建超声图像RUI，该重建超声图像RUI包括感兴趣区域ROI和第一图标Cop，该第一图标Cop指示具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区。
图5A、图5B、图5C各自图示了重建超声图像RUI，该重建超声图像RUI包括感兴趣区域ROI、第一图标Cop和同心的第二图标Cde，该第二图标Cde指示具有与超声换能器15与介入设备特征11a之间的距离Lp相对应的半径的圆形区。
图6图示了适合用于与系统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个方法步骤。
具体实施方式
为了说明本发明的原理，描述了各种系统，其中，相对于由2D超声成像探头的线性阵列限定的图像平面来指示以医用针为例的介入设备的位置。此外，在一些示例中，还跟踪医学设备的特征(例如，远端)的位置。
然而，应当理解，本发明还可以应用于其他介入设备，例如但不限于导管、导丝、探头、内窥镜、电极、机器人、过滤器设备、球囊设备、支架、二尖瓣夹、左心耳封堵设备、主动脉瓣、起搏器、静脉输液管、引流管、外科手术工具、组织密封设备、组织切割设备或可植入设备。这样的介入设备的被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、介入设备的切口边缘、介入设备中的通道的开口、介入设备的传感器(例如用于感测流量、压力、温度等)、被集成在介入设备中的外科手术工具(例如，刮刀)、介入设备的药物输送点或介入设备的能量输送点。
此外，应当理解，2D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。本发明还在其他类型的波束形成超声成像系统中得以应用，这些其他类型的波束形成超声成像系统的相关联的超声收发器阵列示例性地包括3D成像探头的(或在双平面视图中的)2D阵列、“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”经胸探头、“TNE”经鼻探头、“ICE”心内探头。
图1图示了与平面内介入设备11组合的波束形成超声成像系统14和呈系统10的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超声成像探头13，该2D超声成像探头13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超声成像探头13有线通信的控制台中。还可以预想到，可以使用例如光学、红外或RF通信链路代替有线链路来进行无线通信。还可以预想到，替代地，例如在Philips Lumify超声成像系统中，可以将单元IRU、ISP、ISI和DISP中的一些单元并入2D超声成像探头13中。在图1中，2D超声成像探头13包括线性超声收发器阵列16，该线性超声收发器阵列16在拦截感兴趣体积VOI的超声场内发射和接收超声能量。超声场在图1中是扇形的并包括限定图像平面12的多个超声波束B1..k。注意，在图1中仅出于说明目的而图示了扇形波束，并且本发明不限于特定形状的超声场。波束形成超声成像系统14还可以包括未示出的电子驱动器和接收器电路，该电子驱动器和接收器电路被配置为放大和/或调节由2D超声成像探头13发射或接收的信号的相位，以便生成并检测波束B1..k中的超声信号。因此，电子驱动器和接收器电路可以用于操纵所发射和/或所接收的超声波束方向。
在使用中，以以下方式操作波束形成超声成像系统14。操作者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就会触发成像系统处理器ISP以运行特定于应用的程序，这些程序会生成和解读由2D超声成像探头13发射和检测的信号。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。存储器可以例如存储超声波束控制软件，该超声波束控制软件被配置为控制由超声成像探头13发射和/或接收的超声信号的序列。图像重建单元IRU(其可以替代地形成成像系统处理器ISP的部分)将从超声成像探头13接收到的数据重建成与图像平面12相对应的图像(该图像因此拦截了感兴趣体积VOI)，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。重建超声图像RUI因此可以包括感兴趣区域ROI。重建图像可以例如是超声亮度模式“B模式”图像，或者被称为“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中还图示了作为介入设备的示例的医用针11以及本发明的实施例——系统10，系统10可以用于指示介入设备11(即，医用针)相对于超声成像探头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。如互连箭头所图示的那样，这些单元相互通信。还可以预想到，单元PDU、IRU中的一个或多个可以并入波束形成超声成像系统14的存储器或处理器内，例如并入也提供单元ISP的功能的存储器或处理器内。被跟踪的医用针11包括超声换能器15，该超声换能器15可以被定位在距介入设备11的远端11a预定距离Lp处。
在使用中，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相对于图像平面12的位置，或更具体地为被附接到介入设备11的超声换能器15相对于图像平面12的位置。
在一种配置中，超声换能器15是接收与波束B1..k相对应的超声信号的检测器。位置确定单元PDU通过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相关(即，比较)来识别超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAP。更具体地，这种相关基于i)由超声换能器15检测到的对应于每个波束B1..k的超声信号的强度和ii)基于每个波束B1..k的发射时间与其被超声换能器15检测到的时间之间的时间延迟(即，飞行时间)来确定超声换能器15相对于图像平面12的最佳拟合位置。可以如下说明这种情况。当超声换能器15在图像平面12附近时，将以相对较大的强度检测从波束B1..k中最接近的波束到换能器的超声信号，而将以相对较小的强度检测距离较远的波束。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。换句话说，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(来自波束B1..k)的发射时间与其随后被检测到的时间之间的飞行时间指示了超声收发器阵列16与超声换能器15之间的范围。因此，以最大检测强度ISmax检测到的波束中的超声信号的时间延迟(即，TOFSmax)是从所有波束的超声信号中选择的超声信号。因为飞行时间指示该范围，所以在极坐标中，超声换能器15相对于图像平面12的横向位置可以由LAPTOFSmax,θIPA来表示。如果需要，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进行发射。在这样的跟踪帧中，超声收发器阵列16可以仅以接收模式操作，在该接收模式中，超声收发器阵列16监听源自于图像平面12附近的超声信号。因此，超声收发器阵列16被配置为仅单向接收的波束形成器。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检测到的超声信号来识别(一个或多个)脉冲源自于波束B1..k中的哪个波束。当在上述配置中时，位置确定单元PDU可以使用相关流程，该相关流程以相同的方式基于以最大强度检测到的超声信号及其飞行时间来识别最接近的波束并因此识别发射超声信号的点(即，超声信号的横向位置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)流程来确定针对每个跟踪帧的相对于图像平面12的最佳拟合位置。
在另一配置中，超声换能器15可以被配置为既充当接收器又充当发射器，或者既包括接收器又包括发射器。在这种配置中，一旦接收到来自超声收发器阵列16的超声信号，超声换能器15就会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的一个或多个帧周期的延迟。以这种方式，超声收发器阵列16接收由超声换能器15在成像模式期间发射的脉冲，该脉冲呈处于与触发波束B1..k相对应的平面内角位置(即，在图像线中)处的重建超声中的回波的形式。因此，超声换能器15在重建图像中显示为明亮斑点。位置确定单元PDU随后可以在重建图像中识别该明亮斑点并因此再次计算超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAPTOFSmax,θIPA。
在又一配置(未示出)中，超声成像探头13还可以包括被附接到超声成像探头13的至少三个超声发射器。这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被配置为基于在被附接到超声成像探头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超声成像探头13的位置，或者更具体地是超声换能器15在三个维度上相对于图像平面12的位置，因为至少三个发射器被附接到超声成像探头13。随后可以将三维位置映射到图像平面12并因此再次由LAPTOFSmax,θIPA来表示。在该配置中，超声发射器是优选的，因为当发射器接近容易获得电源的超声成像探头13时，向发射器供应在大范围内进行准确定位所必需的大功率超声信号更容易。因此，与将大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，由位置确定单元PDU基于在这至少三个发射器与超声换能器15之间传输的超声信号再次计算介入设备11相对于图像平面12的横向位置，或更具体地为被附接到介入设备11的超声换能器15相对于图像平面12的横向位置。
总而言之，在其中超声换能器15在图像平面中的这种平面内布置中，可以在以上任何配置中使用图1所示的位置确定单元PDU以基于在超声成像探头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相对于图像平面12的横向位置。
当超声换能器15被设置为远离图像平面(即，在平面外)时，可以使用相同的流程来确定超声换能器15的横向位置，即，被投影到图像平面12上的位置。也使用利用最大检测强度ISmax超声信号的强度ISmax和飞行时间TOFSmax的额外流程来估计超声换能器15与图像平面12的距离。在这方面中，图2图示了与被设置在平面外距离Dop处的介入设备11组合的波束形成超声成像系统14以及呈系统10的形式的本发明实施例。虽然超声成像探头13的波束B1.k被示为在平面12中，但是该平面具有有限的厚度，并且对于较小的平面外位移，通常能够检测到减小的超声信号。在本发明中，这些信号用于估计超声换能器15的平面外距离Dop。
为此，图3图示了描述平面内最大检测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化的模型MO。由实曲线指示的模型MO表明：随着飞行时间TOF(即，进入组织的深度)的增大，检测到的超声信号的平面内最大检测强度ISmaxInplane首先缓慢减小，然后更快地减小，然后更慢地减小。该模型的形状受超声信号衰减的影响，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结果或经验测量结果来确定。模型MO仅取决于飞行时间，并且不随平面内角度θIPA而变化。注意，模型MO没有将最大检测强度ISmaxInplane建模为平面外距离的函数。因此，模型MO仅需要有限数量的(即，一维)校准数据。与例如三维模型相比，由于只需要在一个维度(即，飞行时间维度)中进行搜索，因此在使用中可以利用具有低延迟的模型MO来确定平面外距离。已经发现，经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用于相同类型的波束形成超声成像探头。
参考图2和图3，在使用中，计算平面外距离Dop包括将最大检测强度ISmax与模型MO进行比较。随后可以在重建超声图像RUI中指示平面外距离Dop。可以例如以数字方式指示平面外距离，或者可以将平面外距离表示为根据Dop而变化的图标尺寸或颜色。
将最大检测强度ISmax与模型MO进行比较可以例如涉及确定检测强度ISmax与在与所计算的横向位置LAPTOFSmax相对应的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane之间的差或比率。在一个示例性实施方式中，因此可以将在与超声换能器的所计算的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的最大检测强度ISmax缩放为在与所计算的横向位置LAPTOFSmax,θIPA相对应的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane。随后可以在重建超声图像RUI中指示平面外距离的定性指示。例如，可以显示图标，该图标的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。
在另一示例性实施方式中，参考图3，图标的颜色可以被配置为基于最大检测强度ISmax相对于在飞行时间TOFSmax处的ISmaxInplane的值而改变。例如，参考图3；表示ISmax的预定范围或ISmax相对于ISmaxInplane的比率的预定范围的区I、II和III可以限定在重建超声图像中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应用于图标。
因此，总而言之，参考图1-图3，系统10用于指示介入设备11相对于由波束形成超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置，其中，介入设备11的位置是基于在超声成像探头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，系统10包括：
图像重建单元IRU，其提供与由超声成像探头13限定的图像平面12相对应的重建超声图像RUI；以及
位置确定单元PDU，其进行以下操作：
基于在超声成像探头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相对于图像平面12的横向位置LAPTOFSmax,θIPA；并且
基于最大检测强度ISmax超声信号的强度ISmax和飞行时间TOFSmax来计算超声换能器15与图像平面12之间的平面外距离Dop；其中，计算平面外距离Dop包括将最大检测强度ISmax与描述在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane随飞行时间的预期变化的模型MO进行比较；并且
在重建超声图像RUI中指示平面外距离Dop。
在一些示例性实施方式中，可以借助于具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区来指示平面外距离Dop。为此，图4A、图4B、图4C各自图示了重建超声图像RUI，该重建超声图像RUI包括感兴趣区域ROI和第一图标Cop，该第一图标Cop指示圆形区，该圆形区的半径对应于平面外距离Dop。参考图4，指示平面外距离Dop可以包括在所计算的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处提供第一图标Cop，该第一图标Cop指示具有与该平面外Dop相对应的半径的圆形区。图4还指示了感兴趣区域ROI，并且在该感兴趣区域ROI内确定了超声换能器15的横向位置LAP。在图4A中，超声传感器15与图像平面12相距一定距离，该距离如圆Cop的半径所指示的那样。在整个图4B和图4C中，超声换能器15被移近图像平面12，引起圆Cop的半径对应地减小。尽管在图4中指示了圆，也可以以相同的方式使用除了完整的圆之外的并且同样指示圆形区的其他图标，包括例如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)等。在所计算的位置处使用具有指示平面外距离的圆形区的图标，会基于圆是增大还是缩小而向用户直观地指示介入设备是朝向图像平面前进还是远离图像平面后退。这允许改进对介入设备的引导。
在一些示例性实施方式中，基于将最大检测强度ISmax缩放为在最大检测强度ISmax超声信号的飞行TOFSmax处的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，如以上参考图3所描述的，图4中的圆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。
从图3能够看出，最大检测平面内强度ISmaxInplane通常随着飞行时间TOF的增大而减小。然而，这种随平面外距离而变化的性质也可以取决于飞行时间。基于将最大检测强度ISmax缩放到预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane来确定半径，会实现定性地指示平面外距离并避免围绕强度ISmax的平面外变化的问题。这样的指示足以使用户将介入设备准确地导航到图像平面，并且不需要完整的三维校准数据，否则可能需要使用完整的三维校准数据来确定确切的平面外距离以及与搜索这样的三维数据以确定平面外距离相关联的延迟。
在一些示例性实施方式中，第一图标Cop具有周界，并且第一图标Cop的外观被配置为基于最大检测强度ISmax与在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比较而改变。如果i)最大检测强度ISmax与在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比率或ii)最大检测强度ISmax位于预定范围内，则第一图标Cop的外观可以通过以下各项中的至少一项来改变：
改变第一图标Cop的周界的颜色；
改变第一图标Cop的周界的对比度；
利用点或虚线来指示第一图标Cop的周界；
使第一图标Cop的周界随时间而脉动；
图标的其他特征也可以同样地改变，例如，在这些条件下，第一图标Cop可以采取部分透明的圆形区的形式。
改变周界的外观具有向用户指示在预定位置处的介入设备相对于成像平面的位置的效果。该特征允许向用户快速指示介入设备相对于成像平面的一般位置。例如，参考图3中的区I-III，当最大检测强度或其比率指示接近预期的平面内最大检测强度(即，在区I中)的值时，图标的颜色可以为绿色，而对于邻接范围内(即，在区II中)的值，图标的颜色可以为红色，而对于在范围之外(即，在区III中)的位置，图标的颜色可以为白色。
在一些示例性实施方式中，与平面外距离Dop相对应的半径具有最小值。此外，如果i)最大检测强度ISmax与在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比率或ii)最大检测强度ISmax超过预定值，则位置确定单元可以将半径限制为最小值。预定值可以例如是期望的平面内最大检测强度ISmaxInplane的90％或95％，或者在预定毫伏或毫瓦范围内。
用户通常对将介入设备定位在成像平面中这一过程感兴趣；因此，在该实施方式中，例如，当第一图标Cop在恰好在成像平面中的预定范围内时，第一图标Cop可以被限制为最小半径。这样，当介入设备被足够好地定位时，用户可以在某种程度上放松他们的注意力。这避免了用户不断微调介入设备的位置，从而使他们专注于其他任务。
在一些示例性实施方式中，如果i)最大检测强度ISmax与在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期的平面内最大检测强度ISmaxInplane的比率或ii)最大检测强度ISmax降至预定值以下，则位置确定单元PDU可以禁止在重建超声图像RUI中提供第一图标Cop。如果这些参数中的任一个参数降至预定值以下，则系统可能不够灵敏而无法可靠地指示介入设备相对于成像平面的位置。弱检测的超声信号可能会被电磁干扰或噪声所混淆。在这种情况下，优选地，禁止在重建超声图像中提供第一图标，以便避免指示可能不准确的位置。
参考图5，在一些示例性实施方式中，介入设备11包括特征11a。为此，图5A、图5B、图5C各自图示了重建超声图像RUI，该重建超声图像RUI包括感兴趣区ROI、第一图标Cop和同心的第二图标Cde，该第二图标Cde指示具有与超声换能器15与介入设备特征11a之间的距离Lp相对应的半径的圆形区。如图1所例示的那样，该特征可以是介入设备的远端11a。此外，超声换能器15在距介入设备特征11a预定距离Lp处被附接到介入设备11。在这样的实施方式中，位置确定单元PDU在重建超声图像RUI中提供第二图标Cde，该第二图标Cde指示圆形区，该圆形区具有与超声换能器15与介入设备特征11a之间的预定距离Lp相对应的半径。此外，第一图标Cop和第二图标Cde共享公共中心。
参考图5，在图5中，超声换能器15从图5A-图5C朝向图像平面12逐渐前进，图标Cop的尺寸逐渐减小，而第二图标Cde的尺寸是固定的。在图5C中，两个图标重叠。
第二图标Cde限定图像平面12的与介入设备特征11a的可能位置的范围相对应的部分。如上所述，由于已知介入设备特征11a在由第二图标Cde限定的圆形区的周界上或内，因此提供了介入设备特征相对于图像平面的改进的定位。换句话说，系统的用户对于介入设备特征不会影响位于该圆形区之外的图像特征是有信心的。此外，能够仅使用单个超声换能器来提供定位，从而简化了介入设备的制造。
可以以类似的方式指示介入设备11的替代特征的位置，例如但不限于，介入设备的活检采样点、介入设备的切口边缘、介入设备中的通道的开口、介入设备的传感器(例如用于感测流量、压力、温度等)、被集成在介入设备中的外科手术工具(例如，刮刀)、介入设备的药物输送点或介入设备的能量输送点。
在这方面中，图6图示了适合用于在系统10内使用的介入设备11。超声换能器15被附接在距特征(即，介入设备11的远端11a)预定距离Lp处。可以通过包括使用粘合剂的各种方式将超声换能器15附接到介入设备11。还示出了将电信号从超声换能器11传送到位置确定单元PDU的电导体，但是如上所述，可以预想到替代地使用无线链路将换能器信号传送到位置确定单元PDU。
上面参考图1、图2和图6描述的超声换能器15可以由多种压电材料来提供。硬的和软的压电材料均适用。微机械机电结构(即，MEMS设备)(例如，电容式微机械超声换能器(即，CMUT))也适用。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)来形成，PVDF的机械性能和制造工艺使其自身附接到弯曲表面(例如，医用针)。替代材料包括PVDF共聚物(例如，聚偏二氟乙烯三氟乙烯)、PVDF三元共聚物(例如，P(VDF-TrFE-CTFE))。优选地，超声换能器缠绕在介入设备的轴线周围，以便提供绕轴线旋转360度的感测，但并非总是如此。
在一些示例性实施方式中，当平面外距离Dop小于或等于预定距离Lp时，位置确定单元PDU可以使第一图标Cop和/或第二图标Cde的外观改变。在预想到流程期间，用户主要对将介入设备的特征11a定位在图像平面中这一过程感兴趣。因此，当最大检测强度ISmax对应于估计的平面外距离Dop＝Lp时，第一图标Cop和/或第二图标Cde的外观变化提醒用户发生这种情况。这样，例如在平面外流程期间，通过外观改变来提醒用户介入设备特征在图像平面的中心这一事实。第一图标Cop和第二图标Cde可以示例性地各自具有周界。此外，第一图标Cop和第二图标Cde中的至少一个的外观可以通过以下各项中的至少一项来改变：改变第一图标Cop或第二图标Cde的周界的颜色；改变第一图标Cop或第二图标Cde的周界的对比度；利用点或虚线来指示第一图标Cop或第二图标Cde的周界；使第一图标Cop或第二图标Cde的周界随时间而脉动；使第一图标Cop和第二图标Cde合并成公共图标；禁止在重建超声图像RUI中提供第一图标Cop或第二图标Cde。
在一些示例性实施方式中，当平面外距离Dop小于或等于预定距离Lp时，第一图标Cop的半径的最小值等于第二图标Cde的半径，并且第一图标Cop的半径可以被限制为最小值。如上所述，通过在介入设备接近图像平面时如此限制第一图标的尺寸，在平面外流程中，当第一图标达到最小尺寸而使用户知道已经达到足够的定位准确度时，用户可以在某种程度上放松他们的注意力。
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7，一种方法确定介入设备11相对于由波束形成超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置，其中，介入设备11的位置是基于在超声成像探头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；该方法包括以下步骤：
生成GENRUI与由超声成像探头13限定的图像平面12相对应的重建超声图像RUI；
基于在超声成像探头13与超声换能器15之间传输的超声信号的最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax来计算CLP超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAPTOFSmax,θIPA；
基于最大检测强度ISmax超声信号的强度ISmax和飞行时间TOFSmax来计算CDOP超声换能器15与图像平面12之间的平面外距离Dop；其中，计算平面外距离包括将最大检测强度ISmax与描述在最大检测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax处的平面内最大检测强度ISmaxInplane随飞行时间的预期变化的模型进行比较；并且
在重建超声图像RUI中指示INDOP平面外距离Dop。
应当注意，该方法的其他实施方式可以额外地并入关于该系统的实施方式描述的一个或多个方面。
图7所示的方法步骤(任选地包括本文描述的其他方法步骤)可以作为能由处理器运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能够与适当的软件相关联地运行软件的硬件来提供计算机程序产品。当由处理器提供功能时，功能能够由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个体处理器(其中一些个体处理器能够被共享)来提供。此外，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，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用可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，该计算机程序产品提供由计算机或任何指令执行系统使用或与之结合使用的程序代码。为了这种描述的目的，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、装置或设备使用或与之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”、硬磁盘和光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器“CD-ROM”、压缩盘-读/写“CD-R/W”、Blu-RayTM和DVD。
在这方面中，还提供了与系统10一起使用的计算机程序产品。该计算机程序产品包括指令，该指令当在系统10的处理器上被运行时使处理器执行前述方法步骤，系统10用于确定介入设备11相对于由波束形成超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置，其中，介入设备11的位置是基于在超声成像探头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。
总而言之，已经描述了一种用于确定介入设备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，介入设备的位置是基于在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。该系统包括图像重建单元和位置确定单元。图像重建单元提供与由超声成像探头限定的图像平面相对应的重建超声图像。位置确定单元基于在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的飞行时间来计算超声换能器相对于图像平面的横向位置。位置确定单元还基于最大检测强度超声信号的强度和飞行时间来计算超声换能器与图像平面之间的平面外距离。计算平面外距离涉及将最大检测强度与描述在最大检测强度超声信号的飞行时间处的平面内最大检测强度随飞行时间的预期变化的模型进行比较。位置确定单元还在重建超声图像中指示平面外距离。
虽然已经在附图和前面关于医用针的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应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被解释为对本发明的范围的限制。此外，应当理解，可以将本文所示的各种示例、实施方式和实施例进行组合，以提供用于确定介入设备相对于波束形成超声成像系统的图像平面的位置的各种系统和方法。
Claims (15)
1.一种用于确定介入设备(11)相对于由波束形成超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置的系统(10)，其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述超声成像探头(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超声成像探头(13)限定的图像平面(12)相对应的重建超声图像(RUI)；
位置确定单元(PDU)，其被配置为：
基于在所述超声成像探头(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)相对于所述图像平面(12)的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)；
基于所述最大检测强度超声信号的强度(ISmax)和所述飞行时间(TOFSmax)来计算所述超声换能器(15)与所述图像平面(12)之间的平面外距离(Dop)；其中，计算所述平面外距离(Dop)包括将所述最大检测强度(ISmax)与描述在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)随飞行时间的预期变化的模型(MO)进行比较；并且
在所述重建超声图像(RUI)中指示所述平面外距离(Dop)。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，指示所述平面外距离(Dop)包括在所计算的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)处提供第一图标(Cop)，所述第一图标(Cop)指示具有与所述平面外距离(Dop)相对应的半径的圆形区。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述半径是基于将所述最大检测强度(ISmax)缩放到在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的预期的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)来确定的。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的系统(10)，其中，所述第一图标(Cop)包括周界，并且其中，所述第一图标(Cop)的外观被配置为基于所述最大检测强度(ISmax)与在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的所述预期的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)的比较而改变；所述第一图标(Cop)的所述外观被配置为：如果i)所述最大检测强度(ISmax)与在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的所述预期的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)的比率或ii)所述最大检测强度(ISmax)位于预定范围内，则通过以下各项中的至少一项来改变：
改变所述第一图标(Cop)的所述周界的颜色；
改变所述第一图标(Cop)的所述周界的对比度；
利用点或虚线来指示所述第一图标(Cop)的所述周界；
使所述第一图标(Cop)的所述周界随时间而脉动。
5.根据权利要求2-4中的任一项所述的系统(10)，其中，所述半径具有最小值，并且其中，所述位置确定单元还被配置为：如果i)所述最大检测强度(ISmax)与在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的所述预期的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)的比率或ii)所述最大检测强度(ISmax)超过预定值，则将所述半径限制为所述最小值。
6.根据权利要求2-5中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)还被配置为：如果i)所述最大检测强度(ISmax)与在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的所述预期的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)的比率或ii)所述最大检测强度(ISmax)低于预定值，则禁止在所述重建超声图像(RUI)中提供所述第一图标(Cop)。
7.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述介入设备(11)包括特征(11a)，并且其中，所述超声换能器(15)在距所述介入设备特征(11a)预定距离(Lp)处被附接到所述介入设备(11)；并且
其中，所述位置确定单元(PDU)还被配置为在所述重建超声图像(RUI)中提供第二图标(Cde)，所述第二图标(Cde)指示具有与所述超声换能器(15)与所述介入设备特征(11a)之间的所述预定距离(Lp)相对应的半径的圆形区；并且
其中，所述第一图标(Cop)与所述第二图标(Cde)共享公共中心。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述第二图标(Cde)限定所述图像平面(12)的与所述介入设备特征(11a)的可能位置的范围相对应的部分。
9.根据权利要求7-8中的任一项所述的系统(10)，其中，所述介入设备特征(11a)是以下各项中的一项：
所述介入设备(11)的远端；
所述介入设备(11)中的通道的开口；
所述介入设备(11)的活检采样点；
所述介入设备(11)的切口边缘；
所述介入设备(11)的传感器；
被集成在所述介入设备(11)中的外科手术工具；
所述介入设备(11)的药物输送点；
所述介入设备(11)的能量输送点。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)还被配置为当所述平面外距离(Dop)小于或等于所述预定距离(Lp)时使所述第一图标(Cop)和所述第二图标(Cde)中的至少一个的外观改变。
11.根据权利要求10所述的系统(10)，其中，所述第一图标(Cop)和所述第二图标(Cde)各自具有周界，并且其中，所述第一图标(Cop)和所述第二图标(Cde)中的至少一个的外观被配置为通过以下各项中的至少一项来改变：
改变所述第一图标(Cop)或所述第二图标(Cde)的周界的颜色；
改变所述第一图标(Cop)或所述第二图标(Cde)的周界的对比度；
利用点或虚线来指示所述第一图标(Cop)或所述第二图标(Cde)的周界；
使所述第一图标(Cop)或所述第二图标(Cde)的周界随时间而脉动；
使所述第一图标(Cop)和所述第二图标(Cde)合并成公共图标；
在重建超声图像(RUI)中禁止提供所述第一图标(Cop)或所述第二图标(Cde)。
12.根据权利要求6-11中的任一项所述的系统(10)，其中，所述第一图标(Cop)的半径的最小值等于所述第二图标(Cde)的半径，并且其中，当所述平面外距离(Dop)小于或等于所述预定距离(Lp)时，所述第一图标(Cop)的半径被限制为所述最小值。
13.根据任一前述权利要求所述的系统(10)，还包括介入设备(11)，所述介入设备上附接有超声换能器(15)。
14.一种确定介入设备(11)相对于由波束形成超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置的方法，其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述超声成像探头(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；所述方法包括以下步骤：
生成(GENRUI)与由所述超声成像探头(13)限定的像平面(12)相对应的重建超声图像(RUI)；
基于在所述超声成像探头(13)与具有最大检测强度(ISmax)的所述超声换能器(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(CLP)所述超声换能器(15)相对于所述图像平面(12)的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)；
基于所述最大检测强度超声信号的强度(ISmax)和所述飞行时间(TOFSmax)来计算(CDOP)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，计算所述平面外距离包括将所述最大检测强度(ISmax)与描述在所述最大检测强度(ISmax)超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的平面内最大检测强度(ISmaxInplane)随飞行时间的预期变化的模型进行比较；并且
在所述重建超声图像(RUI)中指示(INDOP)所述平面外距离(Dop)。
15.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令当在系统(10)的处理器上运行时使所述处理器执行根据权利要求14所述的方法的步骤，所述系统用于确定介入设备(11)相对于由波束形成超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置，其中，所述介入设备(11)的所述位置是基于在所述超声成像探头(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。
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