CN113038901A - 在医学介入中的同时传感器跟踪 - Google Patents

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Abstract

一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的控制器(120)包括使所述控制器(120)执行过程的电路(121‑181)。由所述电路(121‑181)执行的所述过程包括分别从在所述医学介入中使用的第一无源超声传感器和第二无源超声传感器(S2)接收第一信号和第二信号。所述第一信号和所述第二信号分别包括指示所述第一无源超声传感器和所述第二无源超声传感器(S2)的相应位置的第一传感器信息和第二传感器信息。由所述电路(121‑181)执行的所述过程还包括：将所述第一信号与所述第二信号进行组合(120)以用于在仅一个通道上进行传输，以及在所述仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统(190)，所述系统确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置并且仅具有所述一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。

Description

在医学介入中的同时传感器跟踪
背景技术
能够使用将超声波束发射到介入医学设备的超声探头来跟踪诸如针之类的介入医学设备。如果介入医学设备缺乏回波生成特性并且因此在超声图像中的可见性较差，则可能会妨碍在超声图像中对介入医学设备的定位。为了解决该问题，能够将压电传感器应用在介入医学设备上或中，在用户通常对设备尖端的位置感兴趣的情况下，该压电传感器通常靠近设备尖端。压电传感器是无源超声传感器(例如，PZT、PVDF、共聚物或其他压电材料)，并且被放置在介入医学设备上或中。在超声波束扫掠诊断B模式超声成像场的视场时，无源超声传感器被动地侦听并测量超声波束的入射超声波，而不做出响应。对所得到的测量结果的分析产生对介入医学设备上的无源超声传感器在诊断B模式超声图像的视场的参考系内的位置的估计。特别地，飞行时间测量结果提供了无源超声传感器距离成像阵列的轴向/径向距离，而幅度测量结果和波束发射序列的知识提供了无源超声传感器的横向/角度位置。然后能够将设备尖端的位置叠加在超声图像上以用于增强对介入医学设备的可视化，并且能够记录位置及其历史以用于进行跟踪和其他应用。通常使用单个超声探头来跟踪介入医学设备。
在已知的系统中，超声探头发射成像波束，该成像波束扫过诸如针之类的介入医学设备的工具尖端上的无源超声传感器。超声探头对组织图像进行反馈。在通过信号处理算法确定后，提供在介入医学设备的工具尖端上的无源超声传感器的位置作为尖端位置。将尖端位置叠加在组织图像上作为叠加图像。组织图像、尖端位置和叠加图像都被显示在显示器上。
随着用于设备跟踪技术的应用程序的发展，至少最初的商业版本的设备跟踪系统是或将可能是(例如通过仅具有单个输入接口，该单个输入接口具有被设计为适应来自单个传感器的信号的单个通道)仅允许跟踪单个传感器的单通道系统。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的控制器包括使所述控制器执行过程的电路。由所述电路执行的所述过程包括：从在所述医学介入中使用的第一无源超声传感器接收具有指示所述第一无源超声传感器的位置的第一传感器信息的第一信号；以及从在所述医学介入中使用的第二无源超声传感器接收具有指示所述第二无源超声传感器的位置的第二传感器信息的第二信号。由所述电路执行的所述过程还包括：将所述第一信号与所述第二信号进行组合以用于在仅一个通道上进行传输，以及在所述仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统，所述系统确定所述第一无源超声传感器的位置和所述第二无源超声传感器的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
根据本公开内容的另一方面，一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的方法包括：从在所述医学介入中使用的第一无源超声传感器接收具有指示所述第一无源超声传感器的位置的第一传感器信息的第一信号；并且从在所述医学介入中使用的第二无源超声传感器接收具有指示所述第二无源超声传感器的位置的第二传感器信息的第二信号。所述方法还包括：将所述第一信号与所述第二信号进行组合以用于在一个且仅一个通道上进行传输；并且在所述一个且仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统，所述系统确定所述第一无源超声传感器的位置和所述第二无源超声传感器的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
根据本公开内容的又一方面，一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的系统包括：第一无源超声传感器；第二无源超声传感器；以及控制器，其包括使所述控制器执行过程的电路。由所述控制器执行的所述过程包括：从在所述医学介入中使用的所述第一无源超声传感器接收具有指示所述第一无源超声传感器的位置的第一传感器信息的第一信号；并且从在所述医学介入中使用的所述第二无源超声传感器接收具有指示所述第二无源超声传感器的位置的第二传感器信息的第二信号。由所述控制器执行的所述过程还包括：将所述第一信号与所述第二信号进行组合以用于在一个且仅一个通道上进行传输；并且在所述一个且仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统，所述系统确定所述第一无源超声传感器的位置和所述第二无源超声传感器的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以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。在适用和实用的情况下，相同的附图标记表示相同的元件。
图1A图示了根据代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的系统。
图1B图示了根据代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图2图示了根据实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的定时。
图3图示了根据图2的代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图4图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图5图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图6图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图7图示了根据另一代表性实施例的针对来自超声探头的发射脉冲的压力读数。
图8图示了根据图7的代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图9图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
图10图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
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。可以省去对已知的系统、设备、材料、操作方法和制造方法的描述，以避免使对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，应当理解，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。
如本文所述，在医学介入中的同时传感器跟踪允许在跟踪系统上跟踪多个设备，该跟踪系统仅具有一个用于传入的传感器信号的通道(例如，A/D转换的通道)。这将允许最初地开发单输入通道跟踪系统，即使该单通道跟踪系统保留一个且仅一个通道以接收来自无源超声传感器的信号，也能够随后启用该单输入通道跟踪系统以针对跟踪多个设备进行调整。能够通过对最初的单输入通道跟踪系统进行改造来实现随后的调整以允许多设备跟踪。因此，同时的传感器跟踪医学介入增强了用于图像引导的治疗的设备跟踪和导航设备可视化。
图1A图示了根据代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的系统。
在图1A中，超声系统100A具有包括第一无源超声传感器S1的第一介入医学设备101，包括第二无源超声传感器S2的第二介入医学设备102，包括第三无源超声传感器S3的第三介入医学设备103，以及包括第四无源超声传感器S4的第四介入医学设备104。图1A的超声系统100A中的介入医学设备中的任何介入医学设备可以包括一个以上的无源超声传感器。另外，医学介入可以包括使用任何数量的(包括仅一个)第一介入医学设备101、第二介入医学设备102、第三介入医学设备103和第四介入医学设备104。例如，在本文中描述的大多数实施例仅包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102。本文教导的重点更多地放在诸如第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2之类的无源超声传感器上，而不是放在任何特定的介入医学设备上。
在图1A中，超声探头110发射超声波束，该超声波束被介入医学设备上的无源超声传感器中的任何无源超声传感器检测到。无源超声传感器中的每个无源超声传感器通过有线或无线连接将传感器数据发送到信号组合器120。无源超声传感器基于检测到的来自超声探头110的超声波束来生成传感器数据。
在图1A中，信号组合器120将来自无源超声传感器的信号组合成组合的传感器数据以获得组合的传感器数据。信号组合器120还从超声探头110接收成像数据以及线和帧触发物。图1A中的信号组合器120表示实施本文中描述的特征的控制器，并且根据不同的实施例可以包括各种电路。因此，信号组合器120可以是控制器，或者可以是控制器的元件，如该术语在本文中所使用的那样。
单通道跟踪系统包括与采集电子器件198接口连接的第一接口191和与显示设备199接口连接的第二接口192。单通道跟踪系统190还可以包括采集电子器件198和/或显示设备199器或者与之接口连接。信号组合器120将来自无源超声传感器的组合的传感器数据发送到第一接口191。信号组合器120还将来自超声探头110的成像数据以及线和帧触发物发送到第一接口191。
在图1A和本文中的其他附图中，单个通道是信号组合器120与单通道跟踪系统190之间的通道。该单个通道可以引用单个端口、单个输入部或将单通道跟踪系统190限制为处理仅一个无源超声传感器的信号但用于本公开内容的教导的单通道跟踪系统190的各方面。因此，单通道可以是从信号组合器120(或在后面的实施例中详细描述的电路)到单通道跟踪系统190(例如到第一接口191)的通道。
第一接口191与采集电子器件198接口连接以基于组合的传感器数据来采集传感器位置数据。第一接口191将成像数据以及线和帧触发物从超声探头110发送到第二接口192。第一接口191还将所采集的传感器位置数据从采集电子器件198发送到第二接口192。第二接口192与显示设备199接口连接。显示设备199基于成像数据来显示超声图像，并且基于所采集的传感器位置数据来显示被叠加在成像数据上的传感器位置。基于来自超声探头的线和帧触发物来对超声图像和传感器位置进行同步。
信号组合器120在图1A中被示为通用块，但是代表在下面的各个实施例中示出的包括电路元件的电路。信号组合器120在一个且仅一个通道上将至少来自第一无源超声传感器S1的第一信号和来自第二无源超声传感器的第二信号提供给单通道跟踪系统190。单通道跟踪系统190基于第一信号和第二信号来确定第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2的位置。单通道跟踪系统190还具有一个且仅一个通道来接收第一信号和第二信号，或者，替代地，即使有一个以上的通道可用，单通道跟踪系统190也会使用一个且仅一个通道来接收第一信号和第二信号。
在图1B中，能够通过对来自多个介入医学设备中的每个介入医学设备的信号进行独特的编码来创建单个信号，在所述多个介入医学设备中的每个介入医学设备中或上安装有无源超声传感器。单通道跟踪系统稍后能够(任选地利用通信协议)对组合的信号进行解码。信号组合器120的物理实施方式可以是盒子(例如，运送给客户的附加模块)，其中，盒子的一端连接到介入医学设备和超声探头110，而另一端连接到单通道跟踪系统190。
图1B图示了根据代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图1B中，超声系统100B包括中央站113，在中央站113中提供有单通道跟踪系统190。中央站113可以包括控制器，该控制器包括如图1A中的信号组合器120。信号组合器120可以是这样的模块，该模块被附接到图1B中的中央站113，与图1B中的中央站113集成在一起，或者以其他方式被实施在图1B中的中央站113中，以其他方式被实施在图1B中的中央站113上或者以其他方式与图1B中的中央站113一起实施。也就是说，制造商可以将信号组合器120与中央站113分开提供，或者信号组合器120可以是与单通道跟踪系统190的一个且仅一个通道接口连接的电路的附加模块。信号组合器120可以是控制器或者可以包括控制器，该控制器包括使该控制器执行如本文所述的过程的电路。
中央站113还包括触摸屏114、监视器119。超声系统100B还包括通过数据连接106(例如，有线或无线数据连接)被连接到中央站113的第一介入医学设备101以及通过数据连接107被连接到中心站113的第二介入医学设备102。超声探头110包括存储指令的存储器111和执行指令的处理器112。在图1B的背景中，在信号组合器120与第一介入医学设备101、第二介入医学设备102和单通道跟踪系统190接口连接并且经由单通道跟踪系统190与超声探头110和监视器119更加间接地接口连接的情况下，控制器由信号组合器120来实施，在信号组合器120中实施，或者在信号组合器120上实施。
可以通过修改现有系统或现有类型的系统或者通过提供新的系统或新的类型的系统(例如，独立模块)来以各种形式实施关于图1B和本文中的其他实施例所描述的控制器。
第一介入医学设备101可以被提供在导线或类似仪器的端部处。在由人类介入学家管理的医学介入期间，第一介入医学设备101被插入到患者体内。虽然为了本描述的目的，来自第一介入医学设备101上的无源超声传感器S1的传感器信号是相对于第一介入医学设备101的感兴趣信号，但是第一介入医学设备101也可以是例如产生超声影像的血管内超声探头。第二介入医学设备102也可以被提供在导线或类似仪器的端部处。在由人类介入学家管理的医学介入期间，第二介入医学设备102被插入到患者体内。为了本描述的目的，第二介入医学设备102可以是例如具有第二无源超声传感器S2的针，该第二无源超声传感器S2被设置在尖端上以提供相对于第二介入医学设备102的感兴趣信号。
更特别地，在图1B的实施例中，来自第一无源超声传感器S1的无源超声传感器信号与来自超声探头110的超声影像进行同步。飞行时间测量结果提供了第一无源超声传感器S1距超声探头110的轴向/径向距离。幅度测量结果和波束发射序列的知识可以提供第一无源超声传感器S1的横向位置。由于相位能够对应于飞行时间，因此只要相位可以提供更高的测量精度，就可以使用相位来代替飞行时间。另外，在图1B的实施例中，来自第二无源超声传感器S2的无源超声传感器信号与来自超声探头110的超声影像进行同步。飞行时间测量结果提供了第二无源超声传感器S2距超声探头110的轴向/径向距离。幅度测量结果和波束发射序列的知识可以提供第二无源超声传感器S2的横向位置。同样，由于相位能够对应于飞行时间，因此只要相位可以提供更高的测量精度，就可以使用相位来代替飞行时间。
监视器119可以显示第一无源超声传感器S1的二维位置和第二无源超声传感器S2的二维位置。监视器119还可以基于来自超声探头110的超声影像来显示超声图像。也就是说，监视器119还显示使用超声探头(例如，超声探头110)以其他方式获得的常规影像，包括人类解剖结构的感兴趣区域的超声影像和/或第一介入医学设备101和第二介入医学设备102的超声影像。
第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2可以各自或者两者都包括一个或多个压电元件(例如，PZT)。当包括多个压电元件时，能够对来自多个压电元件的测量结果求平均以提供对应的介入医学设备的总体位置。另外，由于可以知道多个压电元件的相对位置布置，因此还能够根据相对测量结果来确定对应的介入医学设备的总体相对姿态、3维方向性，甚至是预测的轨迹。
通过说明的方式，在医学流程中将第一介入医学设备101和第二介入医学设备102从内部放置到患者体内。能够在根据来自超声探头110的超声图像信号生成的影像上看到第一介入医学设备101和第二介入医学设备102的位置。
图2图示了根据实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的定时。
无源超声传感器(例如，第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2)使用单向声束传播，因为来自超声探头110的声束被接收到，但是来自第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2的传感器数据是通过有线或无线数据连接来提供的。也就是说，双向声束传播涉及反射以生成在超声探头110处的超声影像，而用于传感器跟踪的单向声束传播不会使用反射来进行传感器跟踪。因此，在从来自超声探头110的一个超声波束发射到来自超声探头110的下一个波束发射的时间窗口中，只有前一半时间包含相关的跟踪信息，而另一半时间将没有声学信号。
在两个无源超声设备被跟踪的情况下，来自第二无源超声传感器S2的传感器信号能够被延迟，使得其将落在未使用的信号区中。在图2中图示出这种情况。在没有延迟线的情况下，来自第二无源超声传感器S2的信号将出现在由上半部分中的虚线所示的较小椭圆处，在该较小椭圆处，来自第二无源超声传感器S2的信号会干扰来自第一无源超声传感器S1的信号。然而，添加延迟线会将来自第二无源超声传感器S2的信号向下移动到由下半部分中的虚线所示的较小椭圆。现在，这两个信号将不会发生干扰，并且关于什么峰属于第一无源超声传感器S1和什么峰属于第二无源超声传感器S2也不会不明确。
图3图示了根据图2的代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图3中，超声系统100C包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第二放大器122的输出被提供给模数转换器123，模数转换器123继而将数字输出提供给延迟元件124，延迟元件124继而将输出提供给数模转换器125。第一放大器121和数模转换器125的输出被提供给求和器127。
第一放大器121放大来自第一无源超声传感器S1的传感器信号。第二放大器122放大来自第二无源超声传感器S2的传感器信号。模数转换器123将来自第二放大器122的经放大的模拟信号数字化。延迟元件124将延迟添加到来自模数转换器123的经数字化的放大信号。数模转换器125将经延迟的数字化的放大信号转换回模拟信号。来自第一放大器121和数模转换器125的模拟信号被提供给求和器127，求和器127将该模拟信号作为来自第一无源超声传感器S1的第一信号与来自第二无源超声传感器S2的第二信号进行组合，并且在一个且仅一个通道上将组合信号提供给单通道跟踪系统190的第一接口191。
另外，图3中的线触发物提取电路126从超声探头110提供的信号中提取线触发物。该线触发物被提供给延迟元件124，以确保来自第二无源超声波传感器S2的传感器数据被适当延迟，以便不会干扰第一无源超声传感器S1的传感器数据。
在图3的实施例中，针对第二无源超声传感器S2的延迟线具有可编程的持续时间，并且可以被设置为波束到波束时间范围的一半或接近例如波束到波束时间范围的45％至55％内的某个值。在图3中，延迟是通过以下操作来实施的：将来自第二无源超声传感器S2的信号转换为数字，将经转换的信号存储在诸如用作延迟元件124的循环缓冲器之类的缓冲存储器中，从缓冲存储器中以数字方式读出经延迟的转换信号，并且将经延迟的转换信号转换回模拟输出。
如上面所解释的，该过程包括延迟元件124将延迟插入到来自模数转换器123的经数字化的放大信号。该延迟被插入到来自第一放大器121的第一信号和来自第二放大器122的第二信号(即，被插入到来自图3中的第二放大器122的第二信号)中的一个(且仅一个)。在单通道跟踪系统190能够基于来自第一放大器121的第一信号和来自第二放大器122的经延迟的第二信号来确定第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2的位置的情况下，能够由单通道跟踪系统190去除该延迟。
图4图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图4中，超声系统100D包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第一放大器121的输出和第二放大器122的输出被提供给最大电路131，最大电路131识别来自第一无源超声传感器S1的第一信号和来自第二无源超声传感器S2的第二信号中的每个(即，这两个)的峰值幅值。
也就是说，最大电路131执行的功能包括：隔离第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值，以及过滤峰值小于第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值的信号分量。结果，最大电路131仅将具有第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值的信号分量提供给单通道跟踪系统190。然后，单通道跟踪系统190能够确定第一无源超声传感器S1的位置和第二无源超声传感器S2的位置。
最大电路131包括至少一个模拟滤波器，以对小于第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值的信号分量进行滤波。最大电路131还可以包括模数转换器和数模转换器以及诸如处理器(例如，微处理器或专用集成电路或ASIC)之类的逻辑元件。逻辑元件可以用于将第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值与具有较小峰值的信号分量以逻辑方式隔离。
通过说明的方式，在图2和图3的实施例中，包括第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2的多个无源超声传感器各自发射传感器信号。将所有传感器信号添加到求和器127中。如果峰值被充分分离，则能够检测到各个设备峰值。然而，如果传感器信号中的旁瓣很大并且信号分离度很小，则会出现重叠的旁瓣，并且重叠的旁瓣加起来可能会大于来自各个传感器的第一信号和第二信号的峰值，从而导致错误峰值。在图4的实施例中，仅第一信号的最大峰值和第二信号的最大峰值被传输到下游硬件。如果第一信号的峰值幅值和第二信号的峰值幅值是相当的，则即使这些峰值非常接近，也能够提供良好的峰值分离度。
此外，即使第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2具有不同的传感器几何形状并因此具有不同的灵敏度，也能够使用放大器来调节针对第一无源超声传感器S1或第二无源超声传感器S2的放大器增益以获得相似的峰值信号。可以自动执行调节，其方法例如为利用模拟滤波器监视一个或多个成像帧上的峰值信号，然后最大电路131(或另一元件)逐渐调节针对第一信号和第二信号中的一个的放大器增益以达到期望的峰值信号。放大器增益的这种调节还可以减少对下游硬件的动态范围的需求，并且允许更宽范围的传感器灵敏度。因此，能够调节第一信号和第二信号中的一个且仅一个的放大器增益，使得具有经调节的放大器增益的第一信号或第二信号具有在幅值上更接近于第一信号和第二信号中的另一个的最大峰值的最大峰值。
图5图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图5中，超声系统100E包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第一放大器121的输出和第二放大器122的输出再次被提供给最大电路131，最大电路131识别来自第一无源超声传感器S1的第一信号和来自第二无源超声传感器S2的第二信号中的每个(即，这两个)的峰值幅值。然而，在图5的实施例中，还提供了签名生成器141以及求和器127。
特别地，在图5中，签名生成器141和求和器127用于确定在第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2中的检测到的什么峰属于什么设备。一直都知道哪个无源超声传感器当前正在产生最大信号，并且该信息能够被传输到签名生成器141。签名生成器141根据哪个无源超声传感器具有最大信号来创建独特的信号。然后该信号被添加到最大传感器信号，以供下游硬件随后进行解码。
在图5的实施例中，签名信号不应干扰峰值检测。能够根据如何捕获到第一信号和第二信号(例如通过RF信号或包络检测)来解决该问题。例如，能够为RF信号添加与设备有关的DC偏移。对于包络检测到的数据，能够添加在传感器信号的带宽之外的高频签名。替代地，能够通过向签名信号添加时间延迟来避免干扰，使得签名信号被放置在未使用的数据部分中，这类似于图2和图3的实施例。
如上所述，在图5的实施例中，由包括签名生成器141和求和器127的控制器执行的过程能够包括：识别第一信号来自第一无源超声传感器S1，并且向第一信号添加独特的电子签名。结果，单通道跟踪系统190(即，确定第一无源超声传感器的位置和第二无源超声传感器的位置)能够将第一信号识别为来自第一无源超声传感器S1。控制器能够向所述第一信号添加直流(DC)偏移作为独特的电子签名。替代地，控制器能够添加在第一信号的带宽之外的频率下的签名作为独特的电子签名。作为另一种替代方案，控制器能够将延迟插入到第一信号作为独特的电子签名，使得由控制器执行的过程包括将延迟插入到第一信号作为独特的电子签名。
图6图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图6中，超声系统100E包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第一放大器121的输出和第二放大器122的输出再次被提供给最大电路131，最大电路131识别来自第一无源超声传感器S1的第一信号和来自第二无源超声传感器S2的第二信号中的每个(即，这两个)的峰值幅值。然而，在图6的实施例中，非线性电路151和多路复用器152被添加到该电路。
在图6的实施例中，代替如在图5的实施例中添加独特的签名信号，通过发送传感器信号而使其经过经由非线性电路151进行的非线性变换来修改传感器信号本身。这里，同样地，最大电路131检测第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2中的哪个正在产生最大信号，但是现在它正在控制多路复用器152。来自第一无源超声传感器S1和第二无源超声传感器S2的信号各自经过独特的/不同的变换，并且多路复用器152选择传感器的具有最大的原始的未经转换的幅值的经变换的传感器信号。第一信号和第二信号都被放大，但是多路复用器152MUX仅选择来自最大电压传感器的信号。如果无源超声传感器S1具有最大电压，则无源超声传感器S1的经放大的信号将未经修改地通过。如果无源超声传感器S2具有最大电压，则无源超声传感器S2的经放大的信号在通过之前通过非线性电路151进行非线性变换。这种非线性变换会改变经放大的信号的谱内容，从而允许下游硬件检测到该信号来自哪个无源超声传感器。这还允许单通道跟踪系统还对经适当放大的信号执行逆变换。针对图6的实施例的可用的非线性变换的若干示例包括：
频移
对数放大器
绝对值(零偏移整流电路)
在图6的实施例中，包括非线性电路151和多路复用器152的控制器通过以独特的非线性变换处理第一信号来修改第一信号。控制器能够确定第一信号的最大峰值的幅值大于第二信号的最大峰值的幅值，并且仅基于确定第一信号的最大峰值的幅值大于第二信号的最大峰值的幅值而以独特的非线性变换处理第一信号来修改第一信号。当第二信号的最大峰值的幅值大于第一信号的最大峰值的幅值时，不通过独特的非线性变换来修改第二信号。
图7图示了根据另一代表性实施例的针对来自超声探头的发射脉冲的压力读数。
作为针对在图7中示出的特征的背景，来自超声探头110的发射脉冲常常是不对称的。峰值负压具有无法超过的调控极限，但是峰值正压能够更高。在图7中图示了由超声探头110(例如，用水听器记录的水箱中的线性探头)生成的压力脉冲。当涉及两个无源超声传感器时，能够通过反转其中一个无源超声传感器的极性来利用正压相比于负压的不对称性。
图8图示了根据图7的代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图8中，超声系统100F包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第一放大器121的输出被直接提供给最大电路131，并且第二放大器122的输出经由极性反转电路161被间接提供给最大电路131。
类似于图5的实施例，在图7和图8的实施例中，选择具有最高电压的传感器信号以将其传输到下游硬件。然而，这里，针对第二传感器的信号的极性反转了。结果，能够在下游硬件中比较峰值正电压和峰值负电压，并且如果峰值正电压较高，则信号来自无源超声传感器S1，否则信号来自无源超声传感器S2。
如上所述，在图7和图8的实施例中，包括极性反转电路161和最大电路131的控制器将第一信号和第二信号中的一个且仅一个的极性反转。单通道跟踪系统190基于第一信号和第二信号中的哪个具有正的峰值最大值来识别第一信号和第二信号。
图9图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图9中，超声系统100G包括第一介入医学设备101、第二介入医学设备102、第三介入医学设备103和第四介入医学设备104，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2，在第三介入医学设备103中或上设置有第一无源超声传感器S3，在第四介入医学设备104中或上设置有第一无源超声传感器S4。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。第三无源超声传感器S3经由数据连接被连接到第三放大器173，并且第四无源超声传感器S4经由数据连接被连接到第四放大器174。在图9的实施例中，第一放大器121的输出、第二放大器122的输出、第三放大器173的输出和第四放大器174的输出都被提供给多路复用器176。另外，帧触发物提取电路129用于向多路复用器176提供帧触发物。
在图9的实施例中，多路复用器176循环通过无源超声传感器，并且降低跟踪帧速率以适应多个无源超声传感器。所提取的帧触发物用于将多路复用器176MUX从一个无源超声传感器推进到下一个无源超声传感器。多路复用器176的输入之一可以是完美的0信号(接地或GND)，因为这有助于下游硬件确定随时连接哪个无源超声传感器。图9的实施例将跟踪帧速率降低了一个因子，该因子对应于一加上设备数量(对于图9所示的四个无源超声传感器而言，因子为5)。因此，由图9中的控制器执行的过程包括使用多路复用器176一次循环来自第一放大器121的第一信号和来自第二放大器122的第二信号和来自第三放大器173的第三信号和来自第四放大器174的第四信号中的一个。可以基于针对第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中的每个的所提取的帧触发物来执行循环。
替代地，能够消除帧触发物，使得以固定速率推进多路复用器176，并且因此以固定速率执行循环。通过检测由开关引起的信号中的规则间隔的阶跃变化的位置，能够在下游硬件中检测开关时间。通过缩短多路复用器176用于GND输入的时间跨度，能够额外地提高帧速率(虽然是略微提高帧速率)。也可以完全跳过GND输入，然后能够在未使用的数据时间窗口中添加同步脉冲。
在图9的实施例中，包括帧触发物提取电路和多路复用器176的控制器基于针对第一信号和第二信号中的每个的所提取的帧触发物来使用多路复用器176一次一个地循环第一信号和第二信号。替代地，控制器使用多路复用器176以固定速率一次一个地循环第一信号和第二信号。
图10图示了根据另一代表性实施例的用于在医学介入中的同时传感器跟踪的另一系统。
在图10中，超声系统100G包括第一介入医学设备101和第二介入医学设备102，在第一介入医学设备101中或上设置有第一无源超声传感器S1，在第二介入医学设备102中或上设置有第二无源超声传感器S2。第一无源超声传感器S1经由数据连接被连接到第一放大器121，并且第二无源超声传感器S2经由不同的数据连接被连接到第二放大器122。在图10的实施例中，第一放大器121的输出和第二放大器122的输出均被提供给最大电路181。
在图10中，检测第一信号和第二信号中的最大信号并将其传送到下游硬件。另外，最大电路用作最大信号检测器，并且识别哪个无源超声传感器正在生成最大信号，并且创建数字代码(例如，指示该无源超声传感器的二进制代码)。然后，通过数字总线将该二进制代码传输到下游硬件。图10中的实施例的实施方式可能需要对下游硬件进行小的修改以经由一个且仅一个通道接受除了传感器信号之外的数字信号。然而，对单通道跟踪系统190的修改可能很小，并且能够使用针对通用串行总线(USB)转换器的数字输入部并将其放在下游硬件上的额外USB插槽中来完成。
在图10的实施例中，对于仅两个无源超声传感器，二进制代码可以只是一位。例如，对于第一无源超声传感器S1，二进制代码可以是0，而对于第二无源超声传感器S2，二进制代码可以是1。数字总线可以只是一条信号线。即使有八个无源超声传感器，也只需要3位代码即可，该3位代码既可以通过3根导线并行传输，也可以在一条信号线上或者在标准串行总线(例如，RS232)上串行传输。此外，当仅使用下游硬件上的现有输入部时，甚至可以使用音频/麦克风输入部，并且能够调制频率或幅度以指示无源超声传感器。
在医学介入中的同时传感器跟踪使得能够在针对各种各样的临床应用的超声引导下同时跟踪多个设备。例如，消融设备能够具有独立的叉头，它们各自被定位用于消融设备的最佳放置。在处置心房颤动时，能够在超声条件下同时跟踪消融导管和套索导管。通过如本文所述用信号组合器120对这些最初的系统进行改造，甚至能够利用仅具有单个传感器输入部的最初的跟踪系统来执行同时跟踪。这样的改造能够是成本有效的，并且不需要技术人员的来访或对仅具有单个传感器输入部的跟踪系统的修改。
本文中所描述的控制器通过电路的元件、部件和设备的不同组合来实施。然而，控制器也可以通过执行指令的处理器与存储指令的存储器的组合来实施，只要控制器能够与单通道跟踪系统190接口连接并组合来自多个无源超声传感器的信号即可。
虽然已经参考若干示例性实施例描述了在医学介入中的同时传感器跟踪，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。如目前记载和修改的那样，可以在权利要求的范围内做出改变，而不会脱离在医学介入中的同时传感器跟踪这方面的范围和精神。虽然已经参考特定的手段、材料和实施例描述了在医学介入中的同时传感器跟踪，但是在医学介入中的同时传感器跟踪并不旨在限于所公开的细节。相反，在医学介入中的同时传感器跟踪扩展到例如在权利要求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 (18)

1.一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的控制器(120)，包括：
电路(121-181)，其使所述控制器(120)执行包括以下步骤的过程：
从在所述医学介入中使用的第一无源超声传感器(S1)接收具有指示所述第一无源超声传感器(S1)的位置的第一传感器信息的第一信号；
从在所述医学介入中使用的第二无源超声传感器(S2)接收具有指示所述第二无源超声传感器(S2)的位置的第二传感器信息的第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行组合(120)以用于在一个且仅一个通道上进行传输；以及
在所述一个且仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统(190)，所述系统确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
2.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
将延迟(图3)插入到所述第一信号和所述第二信号中的一个且仅一个。
3.根据权利要求2所述的控制器(120)，
其中，所述延迟由确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置的所述系统(190)来去除。
4.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
隔离所述第一信号的最大峰值和所述第二信号的最大峰值(图4)；
过滤峰值小于所述第一信号的最大峰值和所述第二信号的最大峰值的信号分量；以及
仅向所述系统(190)提供具有所述第一信号的最大峰值和所述第二信号的最大峰值的信号分量，所述系统确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置。
5.根据权利要求4所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
调节所述第一信号和所述第二信号中的一个且仅一个的放大器增益，使得具有经调节的放大器增益的所述第一信号或所述第二信号的最大峰值的幅值更接近于所述第一信号和所述第二信号中的另一个的最大峰值的幅值。
6.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
识别所述第一信号来自所述第一无源超声传感器(S1)，并且向所述第一信号添加(图5)独特的电子签名，使得确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置的所述系统(190)能够将所述第一信号识别为来自所述第一无源超声传感器(S1)。
7.根据权利要求6所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
向所述第一信号添加直流(DC)偏移作为所述独特的电子签名。
8.根据权利要求6所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
在所述第一信号的带宽之外的频率处添加签名作为所述独特的电子签名。
9.根据权利要求6所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
将延迟插入到所述第一信号作为所述独特的电子签名。
10.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
通过以独特的非线性变换处理所述第一信号来修改(图6)所述第一信号。
11.根据权利要求10所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
确定所述第一信号的最大峰值的幅值大于所述第二信号的最大峰值的幅值，并且仅基于确定所述第一信号的最大峰值的幅值大于所述第二信号的最大峰值的幅值，通过以所述独特的非线性变换处理所述第一信号来修改所述第一信号，
其中，当所述第二信号的最大峰值的幅值大于所述第一信号的最大峰值的幅值时，不通过独特的非线性变换来修改所述第二信号。
12.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
将所述第一信号和所述第二信号中的一个且仅一个的极性反转(图8)。
13.根据权利要求12所述的控制器(120)，其中，所述系统(190)基于所述第一信号和所述第二信号中的哪个具有正的峰值最大值来识别所述第一信号和所述第二信号。
14.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
基于针对所述第一信号和所述第二信号中的每个的提取的帧触发物，使用多路复用器来一次仅循环(图9)所述第一信号和所述第二信号中的一个。
15.根据权利要求1所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
使用多路复用器以固定速率一次仅循环(图9)所述第一信号和所述第二信号中的一个。
16.根据权利要求4所述的控制器(120)，其中，由所述控制器(120)执行的所述过程还包括：
确定(图10)所述第一信号和所述第二信号中的哪个较大；以及
生成并发送数字代码，所述数字代码指示所述第一信号和所述第二信号中的哪个较大。
17.一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的方法，包括：
从在所述医学介入中使用的第一无源超声传感器(S1)接收具有指示所述第一无源超声传感器(S1)的位置的第一传感器信息的第一信号；
从在所述医学介入中使用的第二无源超声传感器(S2)接收具有指示所述第二无源超声传感器(S2)的位置的第二传感器信息的第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行组合(120)以用于在一个且仅一个通道上进行传输；并且
在所述一个且仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统(190)，所述系统确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
18.一种用于在医学介入中同时跟踪多个传感器的系统(100A)，包括：
第一无源超声传感器(S1)；
第二无源超声传感器(S2)；以及
控制器(120)，其包括电路(121-181)，所述电路使所述控制器(120)执行包括以下步骤的过程：
从在所述医学介入中使用的所述第一无源超声传感器(S1)接收具有指示所述第一无源超声传感器(S1)的位置的第一传感器信息的第一信号；
从在所述医学介入中使用的所述第二无源超声传感器(S2)接收具有指示所述第二无源超声传感器(S2)的位置的第二传感器信息的第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行组合(120)以用于在一个且仅一个通道上进行传输；并且
在所述一个且仅一个通道上将所述第一信号和所述第二信号提供给系统(190)，所述系统确定所述第一无源超声传感器(S1)的位置和所述第二无源超声传感器(S2)的位置并且仅具有所述一个且仅一个通道来接收所述第一信号和所述第二信号。
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