CN114269255A - 可转向多平面超声成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于基于在波束形成超声成像探头(BUIP)与被设置在所述探头(BUIP)的视场(FOV)内的超声换能器(S)之间发射的超声信号来将所述波束形成超声成像探头(BUIP)的多个相交的图像平面(PL1...n)转向的可转向多平面超声成像系统(MPUIS)。超声跟踪系统(UTS)使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过使在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面(PL1)的取向，使得第一图像平面穿过所述超声换能器(S)的位置(POS)。调整第二图像平面(PL2)的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的所述位置。

Description

可转向多平面超声成像系统
技术领域
本发明涉及可转向多平面超声成像系统。还提供了相关的方法和计算机程序产品。本发明特别应用于医学超声成像领域，并且可以与各种各样的超声成像探头一起使用。预想到本发明与经胸“TTE”超声成像探头、血管内“IVUS”超声成像探头以及经食道“TEE”超声成像探头、经鼻“TNE”超声成像探头、心内“ICE”超声成像探头和经直肠“TRUS”超声成像探头一起使用。
背景技术
多平面超声成像系统为医学从业人员提供了解剖视图以支持医学流程。与单平面超声成像相比，由多平面成像系统提供的额外视图提供了对解剖结构的改进可视化，同时避免了与全三维成像相关联的通常较低的分辨率或较低的帧速率。
在这方面，文献US 2014/013849 A1公开了多平面超声成像系统。针对第一平面和第二平面采集成像数据。该系统包括调整第一平面的第一取向并自动调整第二平面的第二取向，以便维持第二平面与第一平面之间的固定关系。文献US 2014/013849 A1公开了借助于用户接口来调整第一平面。
本发明解决了已知的多平面超声成像系统的缺陷。
发明内容
本发明试图提供改进的多平面超声成像系统。本发明由权利要求来限定。对此，一种用于基于在波束形成超声成像探头与被设置在所述探头的视场内的超声换能器之间发射的超声信号来将所述波束形成超声成像探头的多个相交的图像平面转向的可转向多平面超声成像系统包括波束形成超声成像探头和超声跟踪系统。所述波束形成超声成像探头生成定义多个相交的图像平面的超声波束，所述多个相交的图像平面包括第一图像平面和第二图像平面。所述超声跟踪系统使所述波束形成超声成像探头通过使在所述波束形成超声成像探头与所述超声换能器之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面的取向，使得第一图像平面穿过所述超声换能器的位置。所述超声跟踪系统还使所述波束形成超声成像探头调整第二图像平面的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线穿过所述超声换能器的所述位置。
通过使在成像探头与换能器之间发射的超声信号的幅值最大化来确定所设置的超声换能器的位置。然后，将该位置用作参考位置，使得图像平面的相交线通过该参考位置而相交。以这种方式利用图像平面跟踪超声换能器的位置补偿了成像探头与视场内的目标之间的相对移动，当目标移出(一个或多个)图像平面时，这种相对移动可能会导致目标消失。因此，该系统提供了更稳定的穿过该位置的平面图像，并且没有与在对整个三维视场进行成像的过程中的三维图像处理相关联的较低分辨率和/或较低帧速率的缺陷。所描述的本发明的另外的优点对于本领域技术人员来说也将是明显的。
参考权利要求描述了另外的方面。这些方面的另外的优点对于本领域技术人员来说也将是明显的。
附图说明
图1图示了包括波束形成超声成像探头BUIP的可转向多平面超声成像系统MPUIS，该BUIP具有在视场FOV内相交的图像平面PL1、PL2。
图2在图2A-图2C中图示了通过将每个图像平面相对于法向轴线NA倾斜来对波束形成超声成像探头BUIP的图像平面PL1、PL2的调整。
图3图示了基于在图像平面PL1中检测到的图像特征来对波束形成超声成像探头BUIP的图像平面PL1、PL2的调整。
图4图示了在旋转图像平面PL1、PL2的同时使用所获得的超声图像数据对三维超声图像的重建。
图5图示了其中重建的超声图像被配准到解剖模型AM的叠加图像的生成以及为了实现在解剖模型中定义的期望视图而对图像平面PL2的调整。
图6图示了可以与本公开内容的一些方面结合使用的方法MET的流程图。
具体实施方式
为了说明本发明的原理，具体参考呈TTE探头形式的波束形成超声成像探头来描述可转向多平面超声成像系统。然而，将意识到，也可以预想到使用具有替代的超声成像探头的系统，替代的超声成像探头包括但不限于：IVUS超声成像探头、TEE超声成像探头、TNE超声成像探头、ICE超声成像探头或TRUS超声成像探头。此外，具体参考作为医用针的介入设备来描述该系统与介入设备的结合使用。然而，将意识到，也预想到该系统与其他介入设备的结合使用，其他介入设备包括但不限于导管、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、静脉管道、引流管道、手术工具、组织密封设备、组织切割设备或可植入设备。
对此，图1图示了包括波束形成超声成像探头BUIP的可转向多平面超声成像系统MPUIS，该BUIP具有在视场FOV内相交的图像平面PL1、PL2。可转向多平面超声成像系统MPUIS还包括超声跟踪系统UTS，并且可以任选地包括所图示的单元中的一项或多项：图像重建单元IRU，其生成与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的重建的超声图像；图像配准单元IREGU，其生成其中所重建的超声图像被配准到解剖模型的叠加图像；以及显示器DISP，其显示与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的图像和/或解剖模型。图1中的各个单元都如连接线所指示的那样彼此通信。
图1中的可转向多平面超声成像系统MPUIS被配置为生成和操纵多个相交的图像平面，例如，由波束形成超声成像探头BUIP的图像平面PL1、PL2所例示的图像平面。如图1所示，图像平面PL1、PL2横切相交。在一些实施方式中，图像平面PL1、PL2正交相交。图像平面各自由在其内发射和接收超声信号(特别是超声成像信号)的多个波束来定义。可以利用从超声领域中已知的波束转向技术将图像平面PL1、PL2转向(即，可以调整图像平面PL1、PL2的取向)。这样的技术对由波束形成超声成像探头BUIP的超声换能器元件的二维阵列的元件发射和接收的超声成像信号应用相对延迟。可以例如使用例如在文献US 2014/013849 A1中公开的那些波束转向技术。波束形成超声成像探头BUIP可以包括电子电路和/或与存储器结合的处理器或者由电子电路和/或与存储器结合的处理器来控制，该处理器运行在存储器中存储的指令，并且该指令与前述波束形成和转向技术中的一种或多种技术相对应。可以提供与这两个图示的图像平面PL1、PL2不同的额外图像平面并且以相似的方式将其转向。
参考图1，超声换能器S被设置在波束形成超声成像探头BUIP的视场FOV内。视场FOV表示波束形成超声成像探头BUIP可以在其中发射和接收超声成像信号并由此生成超声图像的区域。超声换能器S可以是超声传感器、超声发射器，或者实际上既能够感测超声信号又能够发射超声信号。将超声换能器设置在视场FOV内允许换能器S接收由波束形成超声成像探头BUIP发射的超声信号，并且/或者，反之亦然，允许波束形成超声成像探头BUIP接收由换能器S发射的超声信号。预想到针对超声换能器S使用压电换能器或电容式微机械超声换能器(即，CMUT换能器)。预想到使用硬的和软的压电材料。特别地，可以使用聚偏二氟乙烯，其也被称为PVDF，其机械性能和制造工艺使其本身附着到弯曲表面(例如，医用针)。替代的压电材料包括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))。替代地，针对超声换能器S也可以使用其他非压电材料。在一些实施方式中，超声换能器S可以被设置在介入设备上，该介入设备可以例如是医用针或另一介入设备。介入设备可以具有细长轴线。超声换能器可以缠绕介入设备的细长轴线，以便提供围绕该细长轴线的超声感测和/或发射，但这并不是必需的。
图1中的超声跟踪系统UTS包括电子电路和/或与存储器结合的处理器，该处理器运行在存储器中存储的指令，并且该指令与以下方法步骤相对应：
使波束形成超声成像探头BUIP通过使在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值最大化来调整第一图像平面PL1的取向，使得第一图像平面穿过超声换能器S的位置；并且
使波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2的取向，使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的所述位置。
最终，图像重建单元IRU可以生成与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的重建的超声图像，并且显示器DISP可以显示与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的图像。
在一些实施方式中，所重建的图像可以被显示为实况图像，并且在其他实施方式中，所重建的图像的显示可以与特定的心动周期或呼吸周期同步，并且所显示的图像数据仅针对周期的预定相位。这种心脏“选通”可以例如用于在相继的打开状态或关闭状态中“冻结”二尖瓣，从而允许医学从业人员专注于解剖结构的特定部分。预想到使用从诸如心电图传感器(即，ECG传感器)、超声传感器、应变传感器、相机或运动传感器等传感器接收到的基于图像的分割或心脏/呼吸传感器数据来确定相关周期。Pace,D等人的文献“An open-source real-time ultrasound reconstruction system for four-dimensionalimaging of moving organs”(http://hdl.handle.net/10380/3083)提供了用于重建3D体积的ECG选通的4D超声的示例。因此，在该实施方式中，图1中的超声跟踪系统UTS可以包括图像重建单元IRU和显示器DISP，该图像重建单元IRU被配置为生成与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的重建的超声图像，该显示器DISP显示与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的图像。电子电路和/或与图1中的超声跟踪系统UTS的存储器组合的处理器还可以被配置为运行在存储器中存储的指令，该指令与以下方法步骤相对应：接收与在探头(BUIP)的视场(FOV)内的对象相对应的心动周期数据或呼吸周期数据，识别该周期数据内的预定相位，并且选通对所重建的超声图像的显示，使得仅显示在该周期的预定相位处的与图像平面PL1、PL2中的每个图像平面相对应的图像。
在操作中，可以通过例如倾斜或者旋转或者平移图像平面来调整第一图像平面和第二图像平面的取向。波束形成超声成像探头BUIP可以包括具有正交轴线NA的换能器元件的二维阵列，并且调整第一图像平面PL1或第二图像平面PL2的取向可以包括以下各项中的至少一项：i)相对于正交轴线NA倾斜相应的图像平面PL1、PL2，ii)绕正交轴线NA旋转相应的图像平面PL1、PL2，以及iii)相对于正交轴线NA垂直地平移相应的图像平面PL1、PL2。
图2示出了根据上述方法步骤对图像平面PL1、PL2的调整的示例，图2在图2A-图2C中图示了通过相对于正交轴线NA调整每个图像平面对波束形成超声成像探头BUIP的图像平面PL1、PL2的调整。在图2A中，第一图像平面PL1与第二图像平面PL2之间的相交线AZ最初并不穿过超声换能器S的位置POS。这可以被认为表示在跟踪换能器S的位置之前的初始布置。然后，如图2A中的箭头所指示的，通过倾斜第一图像平面PL1并且直到如图2B中所指示的那样第一图像平面PL1穿过超声换能器S的位置来调整第一图像平面PL1。这是通过使在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值最大化来实现的。如图2B所指示的，因此在第一图像平面PL1中识别出平面内位置POS1。为了使第一图像平面PL1与第二图像平面PL2之间的相交线AZ穿过超声换能器的位置，如在图2B中的箭头所指示的那样倾斜图像平面PL2，以提供在图2C中指示的布置，其中，相交线AZ穿过超声换能器的位置。如在图2C中所指示的，因此可以在第二图像平面PL2上识别出平面内位置POS2，POS2与POS1是重合的。
随后，连续测量在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅度，并且以相同方式连续调整图像平面PL1、PL2，使得图像平面PL1、PL2的相交线与超声换能器S的后续位置继续相交。
在一些实施方式中，超声换能器S是超声传感器，而在其他实施方式中，超声换能器S是超声发射器。此外，超声信号可以是由波束形成超声成像探头发射的超声成像信号，或不是用于成像目的的专用超声跟踪信号。该跟踪信号可以是由在视场FOV内的波束形成超声成像探头BUIP发射的有向波束，或由换能器S发射的全向信号。在一些实施方式中，多个超声发射器或接收器被设置在波束形成超声成像探头BUIP上，并且这些发射器或接收器相应地发射或接收超声跟踪信号。
因此，在这方面预想到以下内容：i)超声换能器S是超声传感器，并且超声信号是由波束形成超声成像探头BUIP发射的并由超声传感器S接收的超声成像信号；ii)超声换能器S是超声传感器，并且超声信号是由波束形成超声成像探头BUIP发射的超声跟踪信号，所述超声跟踪信号被交织在超声成像信号之间，并且所述超声跟踪信号由超声传感器S来接收；或者iii)超声换能器S是超声传感器，并且超声信号是由被设置在波束形成超声成像探头BUIP上的多个超声发射器中的每个超声发射器发射的超声跟踪信号，所述超声跟踪信号由超声传感器S来接收；或者iv)超声换能器S是超声发射器，并且超声信号由超声发射器来发射并由波束形成超声成像探头BUIP来接收；或者iv)超声换能器S是超声发射器，并且超声信号由超声发射器来发射并由被设置在波束形成超声成像探头BUIP上的多个超声接收器中的每个超声接收器来接收。
使波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2的取向而使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的位置的方法步骤可以与调整第一图像平面PL1的取向的方法步骤同时执行或在其之后执行。这可以基于超声换能器S的位置POS来实现。
在一些实施方式中，第一图像平面PL1和第二图像平面PL2是通过以下操作而被调整的：
同时调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2，使得在第一图像平面上生成的最大电信号被最大化；并且
独立于第一图像平面PL1而调整第二图像平面PL2，使得在第二图像平面PL2上生成的最大电信号被最大化。
在已经调整了图像平面PL1、PL2而使得相交线AZ穿过超声换能器S的位置之后，超声跟踪系统UTS可以通过以下操作来继续跟踪超声换能器S到多个新位置中的每个新位置的移动：调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2的取向，使得第一图像平面PL1与第二图像平面PL2之间的相交线AZ穿过超声换能器S的每个新位置。为了做到这一点，可以分别在相对于第一图像平面PL1和第二图像平面PL2的相应平面的横向相对方向上交替地调整(即，抖动(dither))第一图像平面PL1和第二图像平面PL2，以便搜索以下新位置：针对所述新位置，在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值是最大的。可以连续地、周期性地或响应于在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值的变化来进行这种调整。
在一些实施方式中，超声跟踪系统UTS可以通过以下操作来跟踪超声换能器S到多个新位置中的每个新位置的移动：调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2的取向，使得第一图像平面PL1与第二图像平面PL2之间的相交线AZ穿过超声换能器S的每个新位置；并且如果在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值降低到预定阈值(该阈值可以例如指示不可靠的位置或者指示超声换能器已经被过快地移动到平面外位置而无法跟踪)以下，则超声跟踪系统UTS还可以使波束形成超声成像探头BUIP重复以下步骤：
通过使在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值最大化来调整第一图像平面PL1的取向，使得第一图像平面穿过超声换能器S的位置；并且
使波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2的取向，使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的位置。
以这种方式利用图像平面PL1、PL2跟踪超声换能器S的位置POS提供了穿过位置POS的平面图像，并且还补偿了波束形成超声成像探头BUIP与视场FOV内的目标之间的相对移动。因此，提供了更稳定的穿过该位置的平面图像，而没有与在对整个三维视场进行成像的过程中的三维图像处理相关联的较低分辨率和/或较低帧速率的缺陷。
在一些实施方式中，图1中的超声跟踪系统UTS可以识别针对第一图像平面PL1的最大信号超声波束Bmax。该最大信号超声波束Bmax被定义为以下超声波束：针对所述超声波束，针对第一图像平面PL1的在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值是最大的。在该实施方式中，使波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2而使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的位置可以包括：使第二图像平面PL2与最大信号超声波束Bmax相交。当超声跟踪系统使用超声成像波束时，能够容易地识别最大信号超声波束Bmax。该波束因此提供了第二图像平面PL2可以与之对准的简单的参考波束。
例如，在实施方式中，超声换能器S是超声传感器，并且其中，超声信号由波束形成超声成像探头BUIP来发射并由超声传感器S来接收，在这种情况下，超声跟踪系统UTS还可以被配置为：
接收由超声传感器S响应于由波束形成超声成像探头BUIP发射的超声信号而生成的电信号；
接收来自波束形成超声成像探头BUIP的同步信号，所述同步信号与所发射的超声信号的发射时间相对应；并且
基于接收到的电信号和接收到的同步信号来识别最大信号超声波束Bmax。
同步信号标识由波束形成超声成像探头BUIP发射的每个波束。针对第一图像平面PL1将响应于每个发射波束而生成的电信号的幅值进行比较以确定其中所生成的电信号为最大的波束。其中所生成的电信号为最大的波束标识最接近传感器S的位置的波束。该波束限定传感器S相对于该平面的平面内角度。任选地，可以额外地计算与最大电信号的生成时间与产生最大电信号的超声信号的发射时间之间的时间差相对应的飞行时间，以便确定传感器S与波束形成超声成像探头BUIP之间的距离(即，射程(range))。该流程使得能够确定传感器S被设置在其中的波束和/或传感器S的射程。
在替代的超声跟踪系统UTS(其可以特别用在具有多个被设置在波束形成超声成像探头BUIP上的超声发射器或接收器的实施方式中)中，可以使用三角测量来确定超声换能器S相对于波束形成超声成像探头BUIP的位置。这种跟踪系统(通常被称为超声微测量系统)可以根据被设置在波束形成超声成像探头BUIP上的每个超声发射器/接收器与超声换能器S之间的超声信号的飞行时间来确定相应的发射器/接收器与换能器S之间的距离。通过使用三角测量和超声信号的传播速度，可以使用超声换能器S与至少三个发射器/接收器之间的距离来在相对角度方面确定超声换能器S的位置POS，并且任选地确定波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间的距离(即，射程)。
在已经调整了图像平面PL1、PL2而使得相交线AZ穿过超声换能器S的位置之后，在一些实施方式中，超声跟踪系统UTS还可以使波束形成超声成像探头BUIP基于图像特征来调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2中的至少一项。可以例如使用已知的图像分割技术或已知的模型拟合技术(例如，基于特征的目标分割或3D加强的模型配准)在相应的平面内检测图像特征。Mozaffari,M.H和Lee,W的标题为“3D Ultrasound image segmentation:A Survey”的文献(https://arxiv.org/abs/1611.09811)公开一些合适的技术。该技术同时使第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ保持穿过超声换能器S的位置。
在图3中图示了这种情况，图3图示了基于在图像平面PL1中检测到的图像特征来对波束形成超声成像探头BUIP的图像平面PL1、PL2的调整。在图3中，图像特征是医用针NL，其在图像平面PL1中被分割。在本示例中通过旋转图像平面PL1来调整图像平面PL1的取向，以便通过旋转图像平面PL1而使得其平行于医学针NL的纵向轴线并穿过医用针NL的纵向轴线而使医用针NL的经分割的区最大化。在替代的实施方式中，可以旋转图像平面PL1而使得其垂直穿过医用针NL的纵向轴线。因此可以通过使预期的图像形状与在该图像平面中分割的形状之间的对应关系最大化来调整(一个或多个)图像平面。在形状是医用针的情况下，可以旋转图像平面，直到经分割的形状变得尽可能接近圆或直线为止；圆和直线正交于医用针的横截面形状。同样，以类似的方式，可以通过旋转图像平面PL1直到通过分割提供了目标横截面形状为止来提供医用针NL的纵向轴线与图像平面PL1之间的其他交叉角度，其后对图像平面PL1做出调整以保持目标横截面形状。同样，可以旋转图像平面PL2以及实际上未在图3中示出的任何其他图像平面，以便使图像平面PL1相对于相交线AZ的相互角度关系保持恒定或者保持不调整它们的图像平面。
在本文中使用的术语平行和垂直指在完全平行和完全垂直的±5度的范围内。
通过保持这种跟踪并且还通过基于图像特征来提供图像平面，可以提供期望的视图。通常，图像特征可以是解剖结构的部分，或介入设备上附接有超声换能器的部分，或在波束形成超声成像探头的视场内的第二介入设备的部分。
在一些实施方式中，可以响应于图像特征的移动而同时调整图像平面PL1、PL2和可能存在的任何额外的图像平面，同时保持恒定的交叉角度。这有利地允许例如根据解剖特征并同时使图像平面保持在参考点(特别是超声换能器S的位置)处相交。在一些实例中，可以基于用户输入(例如基于从用户接口(包括图像特征的菜单)接收到的用户输入或者基于呈对所重建的图像中与图像平面PL1相对应的部分的用户选择的形式的输入)来确定对图像特征的选择。
在示例性实施方式中，可以通过以下操作而基于图像特征来调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2中的至少一项：
计算与图像特征相对应的图像质量度量的值；并且
调整第一图像平面PL1和第二图像平面PL2中的至少一项，以使图像质量度量的值最大化。
图像质量度量可以例如是i)在相应的图像平面PL1、PL2中对图像特征的分割的完整度或ii)模型的分割结果与图像特征的拟合紧密度。例如，如果图像特征是主动脉瓣的部分，则图像质量度量可以表示的完整度，即，与主动脉瓣相对应的经分割的环形图像特征的像素的强度和/或连续度。这里，环形特征用作所期望的解剖区域的模型。通过使分割结果的完整度最大化，可以连续地或周期性地调整第一图像平面的取向，以保持主动脉瓣在第一图像平面中具有最完整的图像。该特征可以在诸如TAVI(经导管主动脉瓣植入)和其他结构性介入之类的应用中证明是有益的。这有利地防止了用户必须不断调整对成像探头的定位以便实现期望的视图的情况。
参考图4并且参考图1，在一些实施方式中，在已经调整了图像平面PL1、PL2而使得相交线AZ穿过超声换能器S的位置之后，图像重建单元IRU可以通过以下操作来重建三维超声图像：旋转图像平面PL1...n中的一个或多个图像平面，同时保持图像平面与超声换能器的位置相交。在图4中图示了这种情况，图4图示了使用在旋转图像平面PL1和PL2的同时获得的超声图像数据对三维超声图像的重建。在图4中，波束形成超声成像探头BUIP(其可以用来代替在图1中具有相同附图标记的项目)被图示为生成针对图像平面PL1、PL2中的每个图像平面的图像数据(针对每个图像平面借助于粗实线来表示)。在保持相交线AZ穿过传感器S的位置的同时，将这两个图像平面绕相交线AZ旋转90度并生成和记录在多个旋转角度中的每个旋转角度下的图像数据。然后，将该图像数据绘制成三维图像。替代地，在这样的三维图像重建中可以提供和使用仅来自一个平面(例如，图像平面PL1)的数据。例如，可以在将平面旋转180度或另一角度的同时记录和绘制针对图像平面PL1的数据。在这方面也预想到使用与这些示例不同的其他数量的图像平面和其他旋转角度。在一些实施方式中，可能需要在旋转开始和结束时生成的图像数据的一些叠加物，以便提供冗余的叠加图像数据，从而匹配在旋转开始和结束时获得的图像数据。因此，在一些实施方式中，可以使用略大于360°/2n的角度，其中，n是图像平面数。
因此，在这种实施方式中，图1中的可转向多平面超声成像系统MPUIS还包括图像重建单元IRU，该图像重建单元IRU基于由波束形成超声成像探头BUIP针对多个图像平面(例如，图像平面PL1、PL2)中的每个图像平面生成的超声图像数据来重建超声图像。超声跟踪系统UTS也可以使波束形成超声成像探头BUIP通过绕第一图像平面PL1与第二图像平面PL2之间的相交线AZ旋转(一个或多个)图像平面来调整图像平面PL1、PL2中的一个或多个图像平面，并且基于在旋转期间的与多个相交的图像平面中的至少一个相交的图像平面相对应的超声图像数据来重建三维超声图像。
参考图5并且参考图1，在一些实施方式中，后在已经调整了图像平面PL1、PL2而使得相交线AZ穿过超声换能器S的位置之后，可以调整图像平面PL1、PL2中的至少一个图像平面，以便提供在解剖模型中定义的期望视图。在这些实施方式中，图1中的可转向多平面超声成像系统MPUIS可以包括图像重建单元IRU和图像配准单元IREGU，该图像配准单元IREGU生成其中重建的超声图像被配准到解剖模型的叠加图像。在图5中，波束形成超声成像探头BUIP(其可以用来代替在图1中具有相同附图标记的项目)被图示为生成针对图像平面PL1、PL2中的每个图像平面的图像数据(针对每个图像平面借助于粗实线来表示)。图5还包括解剖模型AM(借助于立方体参考帧内的经分割的结构来表示)，该模型与视场FOV内的解剖区域相对应。解剖模型AM可以被存储在包括能基于用户输入来选择的解剖模型的库的存储器中。来自图像平面PL1、PL2中的一个或多个图像平面的超声图像被配准到解剖模型AM。图像配准单元IREGU生成叠加图像，在所述叠加图像中，(一幅或多幅)所重建的超声图像被配准到解剖模型。如图5A与图5B之间的差异所示，超声跟踪系统UTS使波束形成超声成像探头BUIP调整图像平面PL1，以便实现在解剖模型中定义的期望视图。
更详细地，在图5A中，解剖模型AM(即，在立方体参考帧内的经分割的结构)包括由用虚线所示的可视化平面VPL。可视化平面VPL可以例如于通过解剖结构的期望图像切片相对应。这样的切片的示例可以是用于在二尖瓣夹流程期间对二尖瓣和环进行可视化的环形平面。可以借助于经由用户输入设备接收到的用户输入(例如，用户选择的平面，即，在解剖模型的图像上的期望视图)来选择可视化平面VPL。超声跟踪系统UTS使波束形成超声成像探头BUIP通过以下操作来提供期望视图VPL：绕第一图像平面PL1与第二图像平面PL2的相交线AZ来旋转图像平面PL1、PL2中的一个或多个图像平面，使得图像平面中的一个图像平面(在该示例中为图像平面PL2)平行于可视化平面VPL。在图5中，仅旋转图像平面PL2，并且保持不调整图像平面PL1，可以使这两个图像平面PL1和PL2交替旋转，使得平面中的一个平面平行于可视化平面VPL。因此，可以旋转平面而使得它们相对于相交线AZ彼此保持恒定的相互角度关系，或者可以替代地仅旋转图像平面PL1、PL2中的一个图像平面。也可以在模型上定义与图像平面VPL不同的一个或多个额外的可视化平面，并且可以使来自可转向多平面超声成像系统MPUIS的图像平面PL1...n的其他图像平面独立旋转以提供(一个或多个)这些额外的可视化平面。
图6图示了可以与本公开内容的一些方面结合使用的方法MET的流程图。方法MET可以用于基于在波束形成超声成像探头BUIP与被设置在探头BUIP的视场FOV内的超声换能器S之间发射的超声信号来将波束形成超声成像探头BUIP的多个相交的图像平面PL1...n转向。方法MET可以特别用于参考图1-图5描述的任何系统。方法MET包括以下步骤：
生成GENB多个超声波束以定义多个相交的图像平面PL1...n，所述图像平面至少包括第一图像平面PL1和第二图像平面PL2；
使CAUOPL1波束形成超声成像探头BUIP通过使在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值最大化来调整第一图像平面PL1的取向，使得第一图像平面穿过超声换能器S的位置；
使CAUINT波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2的取向，使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的位置。
该方法可以特别用于以下配置：其中，超声换能器S是超声传感器，并且其中，超声信号由波束形成超声成像探头BUIP来发射并由超声传感器S来接收。在这种配置中，该方法还可以包括以下步骤：
识别IDBMAX针对第一图像平面PL1的最大信号超声波束Bmax，所述最大信号超声波束Bmax是以下超声波束：针对所述超声波束，针对所述第一图像平面PL1的在波束形成超声成像探头BUIP与超声换能器S之间发射的超声信号的幅值是最大的；并且
使波束形成超声成像探头BUIP调整第二图像平面PL2而使得第一图像平面与第二图像平面之间的相交线AZ穿过超声换能器S的位置还包括以下步骤：
使CAUBMAX第二图像平面PL2与最大信号超声波束Bmax相交。
此外，在方法MET中还可以包括结合系统MPUIS公开的一个或多个额外步骤。
可以以指令的形式来记录在本文中公开的方法步骤中的任何方法步骤，该指令当在处理器上被运行时使该处理器执行这样的方法的步骤。该指令可以被存储在计算机程序产品上。该计算机程序产品可以由专用硬件以及能够与适当软件相关联地运行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，这些功能能够由单个专用处理器，由单个共享处理器或由多个独立的处理器来提供，这些功能中的一些功能能够被共享。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他性地指代能够运行软件的硬件，而是能够隐含地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”、非易失性存储装置等。此外，本发明的实施例能够采用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，所述计算机可用或计算机可读存储介质提供用于供计算机或任何指令运行系统使用或与之一起使用的程序代码。出于这种说明的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是以下的任何装置：这些装置可以包括、存储、通信、传播或传输程序，以供指令运行系统、装置或设备使用或与之一起使用。该介质能够是电子、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、可移动计算机软盘、随机存取存储器“RAM”、只读存储器“ROM”、硬磁盘以及光盘。当前的光盘示例包括压缩盘-只读存储器“CD-ROM”、压缩盘-读/写“CD-R/W”，蓝光TM以及DVD。
总之，已经描述了一种用于基于在波束形成超声成像探头与被设置在所述探头的视场内的超声换能器之间发射的超声信号来将所述波束形成超声成像探头的多个相交的图像平面转向的可转向多平面超声成像系统。超声跟踪系统使所述波束形成超声成像探头通过使在所述波束形成超声成像探头与所述超声换能器之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面的取向，使得第一图像平面穿过所述超声换能器的位置。调整第二图像平面的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线穿过所述超声换能器的所述位置。
已经关于所述系统描述了各种实施例和选项，并且注意到可以组合各种实施例以实现进一步的有益效果。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于基于在波束形成超声成像探头(BUIP)与被设置在所述探头(BUIP)的视场(FOV)内的超声换能器(S)之间发射的超声信号来将所述波束形成超声成像探头(BUIP)的多个相交的图像平面(PL1...n)转向的可转向多平面超声成像系统(MPUIS)，所述系统包括：
波束形成超声成像探头(BUIP)；以及
超声跟踪系统(UTS)；
其中，所述波束形成超声成像探头(BUIP)被配置为生成定义多个相交的图像平面(PL1...n)的超声波束，所述图像平面至少包括第一图像平面(PL1)和第二图像平面(PL2)；
其中，所述超声跟踪系统(UTS)与所述波束形成超声成像探头(BUIP)通信，并且被配置为：
使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过使在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面(PL1)的取向，使得所述第一图像平面穿过所述超声换能器(S)的位置(POS)；并且
使所述波束形成超声成像探头(BUIP)调整所述第二图像平面(PL2)的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的所述位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，i)所述超声换能器(S)是超声传感器，并且其中，所述超声信号是由所述波束形成超声成像探头(BUIP)发射的并由所述超声传感器(S)接收的超声成像信号；或者ii)所述超声换能器(S)是超声传感器，并且其中，所述超声信号是由所述波束形成超声成像探头(BUIP)发射的超声跟踪信号，所述超声跟踪信号被交织在超声成像信号之间，并且所述超声跟踪信号由所述超声传感器(S)来接收；或者其中，iii)所述超声换能器(S)是超声传感器，并且其中，所述超声信号是由被设置在所述波束形成超声成像探头(BUIP)上的多个超声发射器中的每个超声发射器发射的超声跟踪信号，所述超声跟踪信号由所述超声传感器(S)来接收；或者其中，iv)所述超声换能器(S)是超声发射器，并且其中，所述超声信号由所述超声发射器来发射并由所述波束形成超声成像探头(BUIP)来接收；或者其中，iv)所述超声换能器(S)是超声发射器，并且其中，所述超声信号由所述超声发射器来发射并由被设置在所述波束形成超声成像探头(BUIP)上的多个超声接收器中的每个超声接收器来接收。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为识别针对所述第一图像平面(PL1)的最大信号超声波束(Bmax)，所述最大信号超声波束(Bmax)是以下超声波束：针对所述超声波束，针对所述第一图像平面(PL1)的在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的超声信号的所述幅值是最大的；并且
其中，使所述波束形成超声成像探头(BUIP)调整所述第二图像平面(PL2)而使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的所述位置包括：使所述第二图像平面(PL2)与所述最大信号超声波束(Bmax)相交。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述超声换能器(S)是超声传感器，并且其中，所述超声信号由所述波束形成超声成像探头(BUIP)来发射并由所述超声传感器(S)来接收；并且其中，所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为：
接收由所述超声传感器(S)响应于由所述波束形成超声成像探头(BUIP)发射的所述超声信号而生成的电信号；
接收来自所述波束形成超声成像探头(BUIP)的同步信号，所述同步信号与所发射的超声信号的发射时间相对应；并且
基于接收到的电信号和接收到的同步信号来识别所述最大信号超声波束(Bmax)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成超声成像探头(BUIP)包括具有正交轴线(NA)的换能器元件的二维阵列，并且其中，调整所述第一图像平面(PL1)或所述第二图像平面(PL2)的取向包括以下各项中的至少一项：i)相对于所述正交轴线(NA)倾斜相应的图像平面(PL1、PL2)，ii)绕所述正交轴线(NA)旋转所述相应的图像平面(PL1、PL2)，以及iii)相对于所述正交轴线(NA)垂直地平移所述相应的图像平面(PL1、PL2)。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为通过以下操作来跟踪所述超声换能器(S)到多个新位置中的每个新位置的移动：至少调整所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)的取向，使得所述第一图像平面(PL1)与所述第二图像平面(PL2)之间的所述相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的每个新位置；并且其中，
如果在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的所述超声信号的所述幅值降低到预定阈值以下，则所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为使所述波束形成超声成像探头(BUIP)重复以下步骤：
通过使在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面(PL1)的取向，使得所述第一图像平面穿过所述超声换能器(S)的位置；并且
使所述波束形成超声成像探头(BUIP)调整所述第二图像平面(PL2)的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的所述位置。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)是通过以下操作而被调整的：
同时调整所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)，使得在所述第一图像平面上生成的最大电信号被最大化；并且
独立于所述第一图像平面(PL1)而调整所述第二图像平面(PL2)，使得在所述第二图像平面(PL2)上生成的最大电信号被最大化。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为使所述波束形成超声成像探头(BUIP)：基于在所述相应的图像平面(PL1、PL2)中检测到的图像特征来调整所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)中的至少一项；同时使所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的所述相交线(AZ)保持穿过所述超声换能器(S)的所述位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述超声跟踪系统(UTS)被配置为使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过以下操作而基于所述图像特征来调整所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)中的至少一项：
计算与所述图像特征相对应的图像质量度量的值；并且
调整所述第一图像平面(PL1)和所述第二图像平面(PL2)中的所述至少一项，以使所述图像质量度量的所述值最大化。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，计算所述图像质量度量包括：i)在所述相应的图像(PL1、PL2)中分割所述图像特征，或者ii)将模型拟合到所述图像特征。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括图像重建单元(IRU)，所述图像重建单元被配置为基于由所述波束形成超声成像探头(BUIP)针对所述图像平面(PL1...n)中的每个图像平面生成的超声图像数据来重建超声图像，并且其中，所述超声跟踪系统(UTS)还被配置为：使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过绕在所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的所述相交线(AZ)旋转所述多个图像平面(PL1...n)来调整所述多个图像平面(PL1...n)，并且基于在所述旋转期间的与所述多个相交的图像平面(PL1...n)中的至少一个相交的图像平面相对应的超声图像数据来重建三维超声图像。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括图像重建单元(IRU)，所述图像重建单元被配置为基于由所述波束形成超声成像探头针对所述图像平面(PL1...n)中的每个图像平面生成的超声图像数据来重建超声图像，
并且还包括图像配准单元(IREGU)，所述图像配准单元被配置为生成叠加图像，其中，所重建的超声图像被配准到解剖模型(AM)；并且
其中，所述超声跟踪系统(UTS)被配置为使所述波束形成超声成像探头(BUIP)基于在所述解剖模型(AM)中定义的期望视图来调整所述图像平面(PL1...n)中的至少一个图像平面。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述期望视图包括可视化平面(VPL)；并且其中，所述超声跟踪系统(UTS)被配置为使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过以下操作来提供所述期望视图(VPL)：绕所述第一图像平面(PL1)与所述第二图像平面(PL2)的所述相交线(AZ)旋转所述图像平面中的至少一个图像平面，使得所述图像平面中的至少一个图像平面平行于所述可视化平面。
14.一种基于在波束形成超声成像探头(BUIP)与被设置在所述探头(BUIP)的视场(FOV)内的超声换能器(S)之间发射的超声信号来将所述波束形成超声成像探头(BUIP)的多个相交的图像平面(PL1...n)转向的方法(MET)，所述方法包括以下步骤：
生成多个超声波束以定义多个相交的图像平面(PL1...n)，所述图像平面至少包括第一图像平面(PL1)和第二图像平面(PL2)；
使所述波束形成超声成像探头(BUIP)通过使在所述波束形成超声成像探头(BUIP)与所述超声换能器(S)之间发射的超声信号的幅值最大化来调整所述第一图像平面(PL1)的取向，使得所述第一图像平面穿过所述超声换能器(S)的位置；并且
使所述波束形成超声成像探头(BUIP)调整所述第二图像平面(PL2)的取向，使得所述第一图像平面与所述第二图像平面之间的相交线(AZ)穿过所述超声换能器(S)的所述位置。
15.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令当在用于基于由被设置在波束形成超声成像探头的视场内的超声传感器探测到的超声信号来将所述探头的多个相交的图像平面转向的系统的处理器上被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。
16.一种包括根据权利要求15所述的计算机程序产品的计算机可读存储介质。
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