CN116019486A - 使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声 - Google Patents

使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声 Download PDF

Info

Publication number
CN116019486A
CN116019486A CN202211311327.1A CN202211311327A CN116019486A CN 116019486 A CN116019486 A CN 116019486A CN 202211311327 A CN202211311327 A CN 202211311327A CN 116019486 A CN116019486 A CN 116019486A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasound
blood vessel
image
orientation
medical device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211311327.1A
Other languages
English (en)
Inventor
S·索厄德斯
A·K·米森纳
W·R·麦克劳克林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bard Access Systems Inc
Original Assignee
Bard Access Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bard Access Systems Inc filed Critical Bard Access Systems Inc
Publication of CN116019486A publication Critical patent/CN116019486A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0833—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures
    • A61B8/0841—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures for locating instruments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0833—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0833—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures
    • A61B8/085—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving detecting or locating foreign bodies or organic structures for locating body or organic structures, e.g. tumours, calculi, blood vessels, nodules
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0891—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings for diagnosis of blood vessels
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4245—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4245—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient
    • A61B8/4254—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient using sensors mounted on the probe
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/54—Control of the diagnostic device
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

本申请涉及使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声。动态调整超声成像系统包括超声探测器、控制台和显示屏。超声探测器包括超声换能器阵列，当被激活时，超声换能器阵列将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为对应电信号，以便处理为超声图像。控制台被配置为执行指令，以基于血液图像的形状限定相对于血管的图像平面的定向，并进一步经由多普勒超声限定相对于血管内的血液流动的方向的图像平面的定向。可以通过超声图像与存储器中存储的对应超声图像的比较来限定图像平面的定向。该系统可以自动重新定位图像平面，以与血管对准。

Description

使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声
优先权
本申请要求2021年10月25日提交的美国临时申请第63/271,621号的优先权，该申请的全部内容通过引用结合到本申请中。
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，更具体地涉及使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声。
背景技术
超声成像是一种被广泛接受的工具，用于将诸如针的介入器械引导到诸如人体中的血管或器官的目标。例如，为了使用超声成像成功地将针引导到血管，在经皮穿刺之前和之后都立即实时地监测针，以使临床医生能够确定针到血管的距离和定向，并确保成功地进入血管。然而，在超声成像期间，由于超声探测器的无意移动，临床医生可能会丢失血管和针头二者，重新找到可能很困难并且耗时。此外，在使用包括垂直于超声探测器的图像平面的针的针平面时，通常更容易在经皮穿刺之前立即监测针的距离和定向。而且，在针平面平行于图像平面时，通常更容易在经皮穿刺后立即监测针的距离和定向。与无意地移动超声探测器一样，临床医生在经皮穿刺之前和之后调整图像平面时，可能会丢失血管和针头二者，重新找到可能很困难并且耗时。所需要的是超声成像系统及其方法，其能够动态地调整图像平面，以促进将介入器械引导到至少人体中的目标。
多普勒超声是一种非侵入性的方法，通过循环红细胞反射高频声波(超声波)来估计通过你的血管的血液流动。多普勒超声可以通过测量其音调(频率)的变化率来估计血液流动的速度。多普勒超声可以作为更具侵入性的手术的替代(诸如血管造影)来执行，这涉及向血管注射染料，以便在X射线图像上清楚地显示出来。多普勒超声可以帮助诊断许多情况，包括血凝块、腿部静脉瓣膜功能不良(这可以导致血液或其他液体在腿部聚集)、心脏瓣膜缺陷和先天性心脏病、动脉阻塞(动脉闭塞)、腿部血液循环减少(外周动脉疾病)、动脉膨出(动脉瘤)和动脉狭窄，诸如颈部(颈动脉狭窄)。多普勒超声还可以检测血管内血液流动的方向。
本文公开了用于将超声成像与多普勒超声相结合以建立超声图像平面相对于超声图像内血管的定向的系统和方法。
发明内容
本文公开了一种超声成像系统，在一些实施方案中，超声成像系统包括超声探测器，该超声探测器具有超声换能器阵列，其中，超声换能器阵列的激活超声换能器被配置为将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为超声信号的对应电信号，以便处理为超声图像。该系统还包括控制台，其被配置为与超声探测器通信，其中，控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，该逻辑引起系统操作。该操作包括：(i)根据超声探测器的图像平面限定血管的超声图像，(ii)确定血管与图像平面之间的未对准，(iii)响应于确定未对准而提供通知，以及(iv)在系统的显示器上呈现血管的超声图像。在一些实施方案中，通知是触觉、听觉、视觉或其任何组合。在又进一步实施方案中，操作还包括调整激活超声换能器的定向，以使图像平面垂直于血管定向。
在一些实施方案中，血管的超声图像限定椭圆形状，并且在进一步实施方案中，确定未对准包括：(i)识别椭圆形状的长度和宽度，(ii)计算和长度与宽度之间的差有关的参数，以及(iii)将计算的参数与存储器中存储的参数限值进行比较。
在一些实施方案中，超声探测器包括多普勒超声能力，并且操作还包括基于多普勒超声数据确定血管内的血液流动相对于图像平面的方向。在进一步实施方案中，呈现血管的超声图像包括在血管的超声图像的顶部叠加标记，其中，该标记指示血液流动的方向。
该操作可还包括：(i)将血管的超声图像与存储器中存储的血管的一个或多个超声图像进行比较，其中，一个或多个超声图像涉及限定的医疗过程；以及(ii)当作为比较的结果，确定血管的超声图像的图像平面的定向与一个或多个超声图像的对应图像平面的定向相反时，提供通知。在一些实施方案中，比较超声图像包括将血管的超声图像中血管相对于相邻解剖元素的空间定位与一个或多个超声图像中对应血管相对于对应相邻解剖元素的空间定位进行比较。
在一些实施方案中，超声探测器可还包括磁传感器阵列，磁传感器阵列被配置为将来自磁化的医疗设备的磁信号转换为磁信号的对应电信号，以便由处理器处理为相对于血管的距离和定向信息，用于在显示屏上显示医疗设备的图像表示。在一些实施方案中，调整激活超声换能器相对于血管的距离和定向，使得当医疗设备开始靠近超声探测器时，由激活超声换能器建立的设备图像平面垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，用于使用医疗设备进入血管。
该系统可还包括：(1)通信地联接至控制台的独立光学询问器或集成入控制台的集成光学询问器，其中，光学询问器被配置为(i)发射输入光信号，(ii)接收反射光信号，以及(iii)将反射光信号转换为光信号的对应电信号，以便由处理器处理为相对于血管的距离和定向信息，用于在显示器上呈现医疗设备的图像表示；以及(2)光纤管心针，其被配置为沿着光纤管心针的长度将来自光学询问器的输入光信号传送至多个光纤布拉格光栅(“FBG”)传感器，并且将来自多个FBG传感器的反射光信号传送回光学询问器，该光纤管心针配置为布置在医疗设备的内腔内。
在一些实施方案中，该系统可还包括加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合，加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合被配置为向控制台提供位置跟踪数据，并且处理器进一步被配置为执行用于处理位置跟踪数据的指令，以调整激活超声换能器与血管的距离、激活超声换能器到血管的定向、或激活超声换能器相对于血管的距离和定向二者。在进一步实施方案中，当超声探测器相对于血管无意地移动时，保持激活超声换能器相对于血管的距离和定向。
本文还限定了一种由超声成像系统执行的方法，该超声成像系统包括具有可执行指令的非暂时性计算机可读介质(“CRM”)，当由超声成像系统的控制台的处理器执行时，该指令使超声成像系统执行用于超声成像的一组操作。根据一些实施方案的方法包括：(i)激活通信地联接至控制台的超声探测器的超声换能器阵列的超声换能器，由此超声换能器将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为超声信号的对应电信号，以便处理为超声图像，(ii)根据超声探测器的图像平面限定血管的超声图像，(iii)确定血管与图像平面之间的未对准，(iv)响应于确定未对准而提供通知，以及(v)在与控制台联接的显示器上呈现血管的超声图像。在该方法的一些实施方案中，通知是触觉、听觉、视觉或其任何组合。
在该方法的一些实施方案中，血管的超声图像限定椭圆形状，并且在进一步实施方案中，确定未对准包括识别椭圆形状的长度和宽度，计算和长度与宽度之间的差有关的参数，以及将计算的参数与存储器中存储的参数限值进行比较。
该方法可还包括调整激活超声换能器的定向，以使图像平面垂直于血管定向。
在该方法的一些实施方案中，超声探测器包括多普勒超声能力，并且该方法还包括基于多普勒超声数据确定血管内的血液流动相对于图像平面的方向。
在该方法的一些实施方案中，呈现血管的超声图像包括在血管的超声图像的顶部叠加标记，其中，该标记指示血液流动的方向。
该方法可还包括：(i)将血管的超声图像与存储器中存储的血管的一个或多个超声图像进行比较，一个或多个超声图像涉及限定的医疗过程；以及(ii)当作为比较的结果，确定血管的超声图像的图像平面的定向与一个或多个超声图像的图像平面的定向相反时，提供通知。在该方法的一些实施方案中，比较超声图像包括将血管的超声图像中血管相对于相邻解剖元素的空间定位与一个或多个超声图像中对应血管相对于对应相邻解剖元素的空间定位进行比较。
在一些实施方案中，该方法还包括：(i)通过超声探测器的磁传感器阵列将来自磁化的医疗设备的磁信号转换为磁信号的对应电信号，(ii)通过处理器将磁信号的对应电信号处理为相对于血管的距离和定向信息；以及(iii)在显示器上呈现医疗设备的图像表示。
在一些实施方案中，该方法还包括：(i)通过通信地联接至控制台的独立光学询问器或集成入控制台的集成光学询问器发射输入光信号，接收反射光信号，并且将反射光信号转换为光信号的对应电信号，(ii)沿着光纤管心针的长度将来自光学询问器的输入光信号传送至多个光纤布拉格光栅(“FBG”)传感器，并且将来自多个FBG传感器的反射光信号传回光学询问器，其中，该光纤管心针布置在医疗设备的内腔内，(iii)通过处理器将光学信号的对应电信号处理为相对于血管的距离和定向信息，以及(iv)在显示器上呈现医疗设备的图像表示。
在一些实施方案中，该方法还包括当医疗设备开始靠近超声探测器时，调整激活超声换能器相对于血管的距离和定向，从而由激活超声换能器建立的设备图像平面垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，用于使用医疗设备进入血管。
在一些实施方案中，该方法还包括：从超声探测器的加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合向控制台提供位置跟踪数据；以及通过处理器处理位置跟踪数据，以调整激活超声换能器与血管或区域的距离、激活超声换能器到血管的定向、或激活超声换能器相对于血管的距离和定向二者。
在一些实施方案中，该方法还包括当超声探测器相对于血管移无意地动时，保持激活超声换能器相对于血管的距离和定向。
考虑到更详细地描述这些概念的特定实施方案的所附附图和以下具体实施方式，本文提供的概念的这些和其他特征对于本领域技术人员将变得更显而易见。
附图说明
图1示出了根据一些实施方案的超声成像系统和患者。
图2示出了根据一些实施方案的图1的超声成像系统的控制台的框图。
图3A示出了根据一些实施方案的对血管进行成像的超声成像系统的超声探测器。
图3B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上的图3A的血管的超声图像。
图4示出了根据一些实施方案的被配置作为二维超声探测器的超声成像系统的超声探测器。
图5A示出了根据一些实施方案的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图5B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图5A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图6A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探测器而不动态调整激活超声换能器时图5A的超声探测器的激活超声换能器。
图6B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图6A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图7A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探测器动态调整激活超声换能器时图5A的超声探测器的激活超声换能器。
图7B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图7A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图8A示出了根据一些实施方案的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图8B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图8A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图9A示出了根据一些实施方案的在平移超声探测器而不动态调整激活超声换能器时图8A的超声探测器的激活超声换能器。
图9B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图9A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图10A示出了根据一些实施方案的在平移超声探测器动态调整激活超声换能器时图10A的超声探测器的激活超声换能器。
图10B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图10A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图11示出了根据一些实施方案的垂直于磁化的医疗设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图12示出了根据一些实施方案的在偏航医疗设备并动态调整激活超声换能器之后，垂直于磁化的医疗设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图13示出了根据一些实施方案的在偏航医疗设备并动态调整激活超声换能器之后，垂直于磁化的医疗设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图14示出了根据一些实施方案的被配置作为线性超声探测器的超声成像系统的超声探测器。
图15A示出了根据一些实施方案的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图15B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图15A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图16A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探测器而不动态调整激活超声换能器时图15A的超声探测器的激活超声换能器。
图16B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图16A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图17A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探测器动态调整激活超声换能器时图15A的超声探测器的激活超声换能器。
图17B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图17A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图18A示出了根据一些实施方案的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图18B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图18A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图19A示出了根据一些实施方案的在平移超声探测器而不动态调整激活超声换能器时图18A的超声探测器的激活超声换能器。
图19B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图19A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图20A示出了根据一些实施方案的在平移超声探测器动态调整激活超声换能器时图20A的超声探测器的激活超声换能器。
图20B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统的显示屏上用图20A的激活超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图21示出了根据一些实施方案的垂直于磁化的医疗设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图22示出了根据一些实施方案的在偏航医疗设备并动态调整激活超声换能器之后，垂直于磁化的医疗设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图23示出了根据一些实施方案的在偏航医疗设备并动态调整激活超声换能器之后，垂直于磁化医疗的设备的医疗设备平面的超声探测器的超声换能器阵列的激活超声换能器。
图24A示出了根据一些实施方案的放置在患者身上的图1的超声探测器的俯视图，其中，超声探测器相对于血管旋转。
图24B示出了根据一些实施方案的从图24A的超声探测器放置产生的血管的超声图像。
图24C示出了根据一些实施方案的放置在患者身上的图1的超声探测器的侧视图，其中，超声探测器相对于血管倾斜。
图24D示出了根据一些实施方案的从图24C的超声探测器放置产生的血管的超声图像。
图25A示出了根据一些实施方案的放置在患者身上的图1的超声探测器的侧视图，其中，超声探测器相对于静脉和动脉布置在第一定向。
图25B示出了根据一些实施方案的从图25A的超声探测器放置产生的静脉和动脉的超声图像。
图25C示出了根据一些实施方案的放置在患者身上的图1的超声探测器的侧视图，其中，超声探测器布置在与图25A的第一定向相反的第二定向。
图25D示出了根据一些实施方案的从图25C的超声探测器放置产生的静脉和动脉的超声图像。
具体实施方式
在更详细地公开一些特定实施方案之前，应当理解，本文公开的特定实施方案不限制本文提供的概念的范围。还应该理解，本文公开的特定实施方案可以具有能够容易地从特定实施方案中分离出来的特征，并且可选地与本文公开的许多其他实施方案中的任何一个的特征相结合或替代。
关于本文使用的术语，还应当理解，这些术语是为了描述一些特定实施方案，并且这些术语不限制本文提供的概念的范围。序数(例如，第一、第二、第三等)通常用于区分或识别一组特征或步骤中的不同特征或步骤，并且不提供序列或数字限制。例如，“第一”、“第二”和“第三”特征或步骤不必以该顺序出现，并且包括这种特征或步骤的特定实施方案不必限于这三个特征或步骤。诸如“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”等的标签是为了方便而使用的，并不意味着例如任何特定的固定位置、定向或方向。相反，这种标签用于反映例如相对位置、定向或方向。除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数形式。
关于“近侧”，例如，本文公开的导管的“近侧部分”或“近端部分”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管的部分。类似地，例如，导管的“近侧长度”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管长度。例如，导管的“近端”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管端部。导管的近侧部分、近端部分或近侧长度可以包括导管的近端；然而，导管的近侧部分、近端部分或近侧长度不需要包括导管的近端。即，除非上下文另有说明，否则导管的近侧部分、近端部分或近侧长度不是导管的终端部分或终端长度。
关于“远侧”，例如，本文公开的导管的“远侧部分”或“远端部分”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管的部分。类似地，例如，导管的“远侧长度”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管长度。例如，导管的“远端”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管端部。导管的远侧部分、远端部分或远侧长度可以包括导管的远端；然而，导管的远侧部分、远端部分或远侧长度不需要包括导管的远端。即，除非上下文另有说明，否则导管的远侧部分、远端部分或远侧长度不是导管的终端部分或终端长度。
除非另有限定，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
如上所述，需要超声成像系统及其方法，其能够动态地调整图像平面，以促进将介入器械引导到至少人体中的目标。本文公开了动态调整超声成像系统及其方法。
超声成像系统
图1示出了根据一些实施方案的超声成像系统100、针112和患者P。图2示出了根据一些实施方案的超声成像系统100的框图。图3A示出了根据一些实施方案的在进入患者P的血管之前对血管进行成像的超声成像系统100的超声探测器106。图3B示出了根据一些实施方案的具有针112的图像表示的超声成像系统100的显示屏104上的图3A的血管的超声图像。
如图所示，超声成像系统100包括控制台102、显示屏104和超声探测器106。超声成像系统100用于在用针112经皮穿刺之前对诸如患者P体内的血管或器官的目标进行成像，以将针112或另一医疗设备插入目标并进入目标。实际上，在基于超声的医疗过程期间，超声成像系统100在图1中以与患者P的一般关系示出，以通过由针112经皮穿刺产生的皮肤插入部位S将导管108放置到患者P的血管系统中。应当理解，超声成像系统100可用于除导管插入之外的各种基于超声的医疗过程。例如，可以使用针112执行经皮穿刺，以对患者P的器官组织进行活检。
控制台102容纳超声成像系统100的各种部件，并且应当理解，控制台102可以采取各种形式中的任何一种。在控制台102中包括处理器116和存储器118，诸如随机存取存储器(“RAM”)或非易失性存储器(例如，电可擦除可编程只读存储器[“EEPROM”])，用于控制超声成像系统100的功能，以及在超声成像系统100的操作期间根据存储在存储器118中以供处理器116执行的可执行逻辑120执行各种逻辑操作或算法。例如，控制台102被配置为通过逻辑120实例化一个或多个过程，以动态调整激活超声换能器149与预定目标(例如，血管)或区域的距离、激活超声换能器149到预定目标或区域的定向、或激活超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和定向二者，以及将来自超声探测器106的电信号处理为超声图像。动态调整激活超声换能器149使用由控制台102接收的超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合来激活超声换能器148的二维阵列中的某些超声换能器或移动超声换能器148的线性阵列中已经激活的超声换能器。数字控制器/模拟接口122也包括在控制台102中，并且与处理器116和其他系统部件二者通信，以管理超声探测器106与本文所述的其他系统部件之间的接口。
超声成像系统100还包括用于与附加部件连接的端口124，诸如包括打印机、存储介质、键盘等的可选部件126。端口124可以是通用串行总线(“USB”)端口，尽管其他类型的端口可以用于此连接或本文示出或描述的任何其他连接。控制台102包括电源连接128，以实现到外部电源130的可操作连接。内部电源132(例如，电池)也可以与外部电源130一起使用或不与外部电源130一起使用。电源管理电路134包括在控制台102的数字控制器/模拟接口122中，以调节电源的使用和分配。
显示屏104集成入控制台102，以在诸如由超声探测器106获得的目标或患者P的一个或多个超声图像期间为临床医生提供GUI和显示信息。此外，超声成像系统100使得诸如针112的磁化的医疗设备的距离和定向能够实时叠加在目标的超声图像之上，从而使得临床医生能够准确地将磁化的医疗设备引导到预定目标。尽管如此，可替代地，显示屏104可以与控制台102分离并通信地联接至控制台。包括在超声探测器106上的控制台按钮接口136和控制按钮110(见图1)可用于由临床医生立即将所需模式调出到显示屏104，以在基于超声的医疗过程中提供帮助。在一些实施方案中，显示屏104是LCD设备。
超声探测器106与诸如血管(见图3A)的目标的基于超声的可视化结合使用，以准备将针112或另一医疗设备插入目标中。这种可视化给出实时超声引导，并有助于减少通常与这种插入相关联的并发症，包括无意动脉穿刺、血肿、气胸等。如下面更详细地描述的，超声探测器106被配置为向控制台102提供对应于超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合二者的电信号，用于实时超声引导。
可选地，独立光学询问器154可以通过端口124之一通信地联接至控制台102。可替代地，控制台102可以包括集成入控制台102的集成光学询问器。这种光学询问器被配置为将输入光信号发射到用于与超声成像系统100一起进行形状感测的配套光纤管心针156中，该光纤管心针156进而被配置为插入到诸如针112的医疗设备的内腔内，并沿着光纤管心针156的长度将来自光学询问器154的输入光信号传送至多个FBG传感器。光学询问器154还被配置为接收由光纤管心针156传送的从多个FBG传感器反射的反射光信号，该反射光信号指示光纤管心针156的形状。光学询问器154还被配置为将反射光信号转换为对应电信号，以便由控制台102处理为相对于目标的距离和定向信息，以当被带入目标附近时动态调整激活超声换能器149相对于目标或医疗设备的距离、激活超声换能器149相对于目标或医疗设备的定向，或者激活超声换能器149相对于目标或医疗设备的距离和定向二者。例如，可以调整激活超声换能器149相对于作为目标的血管的距离和定向。实际上，根据血管的定向，可以由激活超声换能器149建立的图像平面垂直或平行于血管。在另一个实施方案中，当诸如针112的医疗设备被带入超声探测器106附近时，可以由激活超声换能器149建立图像平面，该图像平面垂直于包括如图11-图13和图21-图23所示的医疗设备平面或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，以用医疗设备进入目标。图像平面可以在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备插入时平行于医疗设备平面(例如，用针112经皮穿刺)。距离和定向信息还可用于在显示器上显示医疗设备的图像表示。
图4示出了根据一些实施方案的被配置作为二维超声探测器106的超声成像系统100的超声探测器106。图14示出了根据一些实施方案的被配置作为线性超声探测器106的超声成像系统100的超声探测器106。
超声探测器106包括探头114，该探头容纳超声换能器148的安装和可移动(例如，可沿中心轴平移或可旋转)线性阵列或超声换能器148的二维阵列，其中，超声换能器148是压电换能器或电容微机械超声换能器(“CMUT”)。当超声探测器106配置有超声换能器148的二维阵列时，根据超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合，按照超声成像所需线性激活超声换能器148的子集，以将目标保持在图像平面中或切换到包括目标的不同图像平面(例如，从垂直于医疗设备平面到平行于医疗设备平面)。(例如，参见图5A、图7A、图10A、图12或图13的激活超声换能器149。)当超声探测器106配置有超声换能器148的可移动线性阵列时，已经激活用于超声成像的超声换能器148(例如，超声换能器148的子集直到所有超声换能器148)根据超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合，按照超声成像所需在可移动线性阵列上一起移动，以将目标保持在由激活超声换能器149建立的图像平面中或切换到包括目标的不同图像平面。(例如，参见图15A、图17A、图20A、图22或图23的激活超声换能器149。)
探头114被配置用于抵靠患者P的皮肤放置，靠近预期的针插入部位，其中，探头114中的激活超声换能器149可以生成超声信号并以多个脉冲向患者P发射生成的超声信号，通过患者P的身体对生成的超声脉冲的反射，从患者P接收反射超声信号或超声回波，并且将反射超声信号转换为对应电信号，以通过与超声探测器106通信地联接的控制台102处理为超声图像。以这种方式，临床医生可以采用超声成像系统100来确定合适的插入部位并用针112或另一医疗设备建立血管通路。
超声探测器106还包括控制按钮110，用于在基于超声的医疗过程期间控制超声成像系统100的某些方面，从而消除了临床医生伸出患者P周围的无菌场来控制超声成像系统100的需要。例如，控制按钮110的控制按钮可以被配置为在准备将针112或另一医疗设备插入目标中时，当被按下以可视化目标时选择或锁定在目标上(例如，血管、器官等)上。这样的控制按钮还可以被配置为取消选择目标，无论目标是通过控制按钮还是通过其他手段选择，诸如通过将超声探测器106固定在目标上方以选择目标、发出语音命令以选择目标等，这都是有用的。
图2示出超声探测器106还包括用于控制按钮和超声探测器106操作的按钮和存储器控制器138。按钮和存储器控制器138可以包括非易失性存储器(例如，EEPROM)。按钮和存储器控制器138与控制台102的探测器接口140可操作地通信，该探测器接口包括用于与超声换能器148接口的输入/输出(“I/O”)部件142和用于与按钮和存储器控制器138接口的按钮和存储器I/O部件144。
同样如图2和3A所见，超声探测器106可以包括磁传感器阵列146，用于在基于超声的医疗过程期间检测诸如针112的磁化的医疗设备。磁传感器阵列146包括嵌入超声探测器106的壳体内或包括在超声探测器106的壳体上的多个磁传感器150。磁传感器150被配置为当磁化的医疗设备靠近磁传感器阵列146时，检测磁场或磁场中的扰动作为与磁化的医疗设备相关联的磁信号。磁传感器150还被配置为将来自磁化的医疗设备(例如，针112)的磁信号转换为电信号，以供控制台102处理为磁化的医疗设备相对于预定目标的距离和定向信息，以及用于在显示屏104上显示磁化的医疗设备的图像表示。(参见图3A中针112的磁场B。)因此，磁传感器阵列146使超声成像系统100能够跟踪针112等。
尽管这里被配置为磁传感器，但是应当理解，磁传感器150可以是其他类型和配置的传感器。此外，尽管它们在本文中被描述为包括在超声探测器106中，但是磁传感器阵列146的磁传感器150可以包括在与超声探测器106分离的部件(诸如超声探测器106插入其中的套管或甚至单独的手持设备中)中。磁传感器150可以围绕超声探测器106的探头114布置成环形配置，但是可以理解，磁传感器150可以布置成其他配置，诸如成拱形、平面或半圆形布置。
磁传感器150的每个磁传感器包括三个正交的传感器线圈，用于实现三个空间维度中的磁场的检测。例如，可以从新泽西州莫里斯敦的霍尼韦尔传感和控制公司购买这种三维(“3-D”)磁传感器。此外，磁传感器150被配置为霍尔效应传感器，但是可以采用其他类型的磁传感器。此外，代替三维传感器，可以根据需要包括和布置多个1维(“1-D”)磁传感器以实现一维、二维、或三维检测能力。
五个磁传感器150包括在磁传感器阵列146中，以便能够在三个空间维度(例如，X、Y、Z坐标空间)上检测诸如针112的磁化的医疗设备，以及磁化的医疗设备本身的俯仰和偏航定向。当磁化的医疗设备被带入超声探测器106附近时，根据前述的磁化的医疗设备的检测允许动态地调整激活超声换能器149相对于目标或磁化的医疗设备的距离、激活超声换能器149相对于目标或磁化的医疗设备的定向、或激活超声换能器149相对于目标或磁化的医疗设备的距离和定向二者。例如，可以调整激活超声换能器149相对于作为目标的血管的距离和定向。实际上，根据血管的定向，可以由激活超声换能器149建立的图像平面垂直或平行于血管。在另一示例中，如图11-图13和图21-图23中所示，当磁化的医疗设备被带入超声探测器106附近时，可以由激活超声换能器149建立图像平面，该图像平面垂直于包括磁化的医疗设备的医疗设备平面，以用磁化的医疗设备进入目标。尽管未示出，但是也可以通过激活超声换能器149建立图像平面，该图像平面平行于包括磁化的医疗设备的医疗设备平面，以诸如在医疗设备插入患者体内之后，用磁化的医疗设备进入目标。注意，在一些实施方案中，两个或更多个磁传感器150的正交感测部件使得能够确定磁化的医疗设备的俯仰和偏航姿态，这使得能够以相对高的精度进行跟踪。在其他实施方案中，磁传感器阵列146中可以采用磁传感器150的少于五个或多于五个的磁传感器。更一般地，应当理解，磁传感器阵列146的磁传感器150的数量、尺寸、类型和位置可以与本文明确示出的不同。
如图2所示，超声探测器106可以还包括惯性测量单元(“IMU”)158或其用于选自加速度计160、陀螺仪162和磁强计164的惯性测量的任何一个或多个部件，该加速度计160、陀螺仪162和磁强计164被配置为向控制台102提供超声探测器106的位置跟踪数据以用于图像平面的稳定。处理器116进一步被配置为执行用于处理位置跟踪数据的逻辑120，以调整激活超声换能器149与目标的距离、激活超声换能器149到目标的定向、或激活超声换能器149相对于目标的距离和定向二者，以在超声探测器106相对于目标无意地移动时，保持激活超声换能器149相对于目标的距离和定向。
可以理解，可磁化材料的医疗设备使得医疗设备(例如，针112)能够被磁化器磁化，如果还没有磁化，并且当磁化的医疗设备在基于超声的医疗过程期间被带入磁传感器阵列146的磁传感器150附近或插入患者P的身体中时，由超声成像系统100跟踪。磁化的医疗设备的这种基于磁的跟踪通过将表示针112的实时距离和定向的模拟针图像叠加在磁化的医疗设备正在进入的患者P的身体的超声图像上，帮助临床医生将其远侧尖端放置在所需的位置，诸如血管的内腔内。这样的医疗设备可以是不锈钢，诸如SS 304不锈钢；然而，也可以采用能够被磁化的其他合适的针材料。如此配置，针112等可以产生磁场或在可由超声探测器106的磁传感器阵列146检测为磁信号的磁场中产生磁扰动，以便使磁化的医疗设备的距离和定向能够由超声成像系统100跟踪，以动态调整激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的距离、激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的定向，或激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的距离和定向二者。
在超声成像系统100的操作期间，超声探测器106的探头114抵靠患者P的皮肤放置。产生超声束152，以便对目标的一部分(诸如患者P的皮肤表面下方的血管)进行超声成像。(参见图3A)尽管超声探测器106无意移动，但是如图3B所示，血管的超声图像可以在超声成像系统100的显示屏104上描绘和稳定。实际上，这在图5A、图5B、图7A、图7B、图8A、图8B、图10A和图10B中示出，用于配置有超声换能器148的二维阵列的超声探测器106，以及在图15A、图15B、图17A、图17B、图18A、图18B、图20A和图20B中示出，用于配置有超声换能器148的可移动线性阵列的超声探测器106。
图5A和图5B示出了根据一些实施方案的超声探测器106的超声换能器148的二维阵列的激活超声换能器149。图15A和图15B示出了根据一些实施方案的超声探测器106的超声换能器148的可移动线性阵列的激活超声换能器149。如图7A所示，在超声探测器106可能因超声探测器106的无意移动而发生旋转时，发生激活超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括停用某些超声换能器和激活某些其他超声换能器以保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这稳定了超声图像，如图7B所示。(将图7B与图5B进行比较。)如果没有如图6A所示的这种动态调整，则不能保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这导致如图6B所示的不同的超声图像。(将图6B与图5B进行比较。)同样地，如图17A所示，在超声探测器106可能因超声探测器106的无意移动而发生旋转时，发生激活超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括自动旋转超声换能器148的可移动线性阵列(在探测器114内)以保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这稳定了超声图像，如图17B所示。(将图17B与图15B进行比较。)如果没有如图16A所示的这种动态调整，则不能保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这导致如图16B所示的不同的超声图像。(将图16B与图15B进行比较。)。
图8A和图8B示出了根据一些实施方案的超声探测器106的超声换能器148的二维阵列的激活超声换能器149。图18A和图18B示出了根据一些实施方案的超声探测器106的超声换能器148的可移动线性阵列的激活超声换能器149。如图10A所示，在超声探测器106可能因超声探测器106的无意移动而发生平移时，发生激活超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括停用某些超声换能器和激活某些其他超声换能器以保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这稳定了超声图像，如图10B所示。(将图10B与图8B进行比较。)如果没有如图9A所示的这种动态调整，则不能保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这导致如图9B所示的不同的超声图像。(将图9B与图8B进行比较。)同样地，如图20A所示，在超声探测器106可能因超声探测器106的无意移动而发生平移时，发生激活超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括自动平移超声换能器148的可移动线性阵列(在探测器114内)以保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这稳定了超声图像，如图20B所示。(将图20B与图18B进行比较。)如果没有如图19A所示的这种动态调整，则不能保持激活超声换能器149到目标的距离和定向，这导致如图19B所示的不同的超声图像。(将图19B与图18B进行比较。)。
超声成像系统100被配置为通过磁传感器150或形状感测光纤管心针156检测医疗设备的距离和定向。作为示例，超声探测器106的磁传感器阵列146被配置为检测磁化的医疗设备的磁场或由于磁化的磁性设备而导致的磁场中的扰动。磁传感器阵列146中的磁传感器150的每个磁传感器被配置为在3维空间中空间检测针112。(参见图3A)因此，在超声成像系统100的操作期间，由磁传感器150的每个磁传感器感测到的医疗设备的磁场的磁场强度数据被转发到控制台102的处理器116，该控制台实时计算磁化的医疗设备的距离和定向，用于动态调整激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的距离、激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的定向或激活超声换能器149相对于磁化的医疗设备的距离和定向二者。同样，磁化的医疗设备的距离和定向也用于在显示屏104上的图形显示。
超声成像系统100可以使用由磁传感器150感测的磁场强度数据来确定在坐标空间中沿着磁化的医疗设备的整个长度的任意点相对于磁传感器阵列146的距离或定向。此外，还可以确定针112的俯仰和偏航。超声成像系统100的超声探测器106、控制台102或其他部件的合适电路可以提供对于这种距离或定向所需的计算。在一些实施方案中，可以使用以下一个或多个美国专利的教导来跟踪针112：第5,775,322号；第5,879,297号；第6,129,668号；第6,216,028号；和第6,263,230号，这些专利中的每一个通过引用整体并入本申请。
由超声成像系统100确定的距离和定向信息，连同由超声成像系统100已知或输入到超声成像系统100中的磁化的医疗设备的整个长度，使得超声成像系统100能够精确地确定磁化的医疗设备的整个长度(包括其远侧尖端)相对于磁传感器阵列146的距离和定向。这进而使得超声成像系统100能够将针112的图像叠加在显示屏104上由超声探测器106的超声束152产生的超声图像上，以及动态地调整激活超声换能器149。例如，在显示屏104上描绘的超声图像可以包括对患者P的皮肤表面和针112可进入的皮下血管的描绘，以及对由超声成像系统100检测到的磁化的医疗设备及其对脉管的定向的描绘。超声图像对应于由超声探测器106的超声束152获取的图像。应当理解，仅磁化的医疗设备的整个长度的一部分被磁化，并且因此被超声成像系统100跟踪。
注意，关于超声成像系统100的结构和操作的进一步细节可以在标题为“Apparatus for Use with Needle Insertion Guidance System”的美国专利第9,456,766号中找到，该专利通过引用整体并入本申请。
在一些实例中，超声成像系统100确定目标血管的定向并建立垂直于血管定向的超声图像平面可能是有利的，如上述图3B所示。在一些实例中，超声探测器106在最初放置在患者身上时，可以相对于患者定向，使得包括超声图像平面的超声探测器106相对于目标血管以一定角度布置。例如，如图6A、图16A所示，包括图像平面的探测器106可旋转成与目标血管不对准，使得超声图像中的血管的形状为椭圆形。因此，超声成像系统100自动检测超声探测器106相对于目标血管的未对准，使得探测器106可以由临床医生手动重新定向，或者使得149…可以被自动调整以建立与目标血管垂直对准的超声图像平面的定向，这可能是有利的。
图24A示出了超声探测器106相对于患者P的手臂A旋转(例如，围绕超声探测器106的纵向轴)的第一实例中的超声探测器106的俯视图。因此，图像平面2404布置在相对于目标静脉2401的第一未对准定向上，即，图像平面2404未布置在相对于目标静脉2401的垂直定向上。
图24B示出了根据图24A的未对准的第一实例可在超声图像2407中描绘的目标静脉图像2401A的图像。作为图像平面2404的未对准的第一实例的结果，目标静脉2401的2维目标静脉图像2401A在超声图像2407中具有水平定向的椭圆形状。
图24C示出了超声探测器106相对于患者P的手臂A倾斜的第二实例中的超声探测器106的侧视图。因此，图像平面2404布置在相对于目标静脉2401的第二未对准定向上，即，图像平面2404未布置在相对于目标静脉2401的垂直定向上。
图24D示出了根据图24C的未对准的第二实例可在超声图像2408中描绘的目标静脉图像2401B的图像。作为图像平面2404的未对准的第二实例的结果，目标静脉2401的2维目标静脉图像2401B在超声图像2408中具有竖直定向的椭圆形状。
在图24A-图24D的第一未对准实例和第二未对准实例及其组合中，目标静脉图像2401A、2401B各自限定椭圆形状的长度2411和宽度2412。在所示实施方案中，逻辑120检测长度2411和宽度2412，并计算与图像平面2404的未对准相关的参数。在一些实施方案中，参数可以是长度2411相对于宽度2412的比率(例如，长度2411除以宽度2412)。在其他实施方案中，例如，参数可以是长度2411和宽度2412的任何其他算术计算，诸如长度2411与宽度2412之间的差。然后，逻辑120可以将计算的参数与存储器中存储的参数限值进行比较，并且作为比较的结果，当计算的参数超过存储器中的参数限值时，确定超声图像平面相对于目标静脉2401未对准(即，未垂直定向)。
在一些实施方案中，逻辑120可以向临床医生提供关于对准状态的通知。通知可以是听觉、触觉和/或视觉。在一些实施方案中，通知可以指示未对准的幅度。例如，听觉通知可以根据未对准的幅度改变音量或音调。作为另一示例，视觉通知可以包括叠加在超声图像上的标记2420，诸如计算的未对准的角度指示。在一些实施方案中，临床医生可以操纵超声探测器106的定向以与目标静脉2401对准，即，使得目标静脉图像是圆形的和/或使得通知指示充分对准。
在一些实施方案中，逻辑120还可以自动地将超声图像与目标静脉2401旋转对准。例如，如图7A所示，在检测到图像平面2404的未对准时，逻辑120可以调整激活超声换能器149(参见图7A)以使图像平面2404与目标脉管2401旋转对准。这种调整可以包括停用某些超声换能器和激活某些其他超声换能器，以建立激活超声换能器149相对于目标静脉2401的定向。同样，如图17A所示，在检测到超声探测器106的未对准时，逻辑120可以调整激活超声换能器149以使图像平面与目标脉管2401旋转对准。这种调整包括自动旋转超声换能器148的可移动线性阵列(在探头114内，参见图17B)以建立激活超声换能器149到目标静脉2401的定向。
在一些实施方案中，超声成像系统100可以被配置为检测超声探测器106/图像平面2404相对于目标血管的180度未对准。在一些实例中，可以根据医疗过程来限定针相对于血管的血液流动的方向的定向。例如，静脉导管通常在血液流动的方向上(即，朝向患者的心脏)插入。因此，系统100在插入针之前检测目标血管内的血液流动的方向可能是有利的。
图25A示出了放置在患者P的手臂A上的超声探测器106的俯视图。示出了沿着手臂A延伸的目标静脉2501和动脉2502。根据第一实例，超声探测器106相对于患者P的手臂A定向，使得探测器106的前侧2521背对患者P，并且探测器106的后侧2522面向患者P。因此，图像平面2504相对于目标静脉2501和动脉2502以第一定向布置，使得图像平面2504的前侧2505相对于目标静脉2501内的血液流动面向上游，并且相对于动脉2502内的血液流动面向下游。类似地，图像平面2504的后侧2506相对于目标静脉2501内的血液流动面向下游，并且相对于动脉2502内的血液流动面向上游。在一些实例中，超声探测器106的定向和所得图像平面2504可以与医疗过程(诸如外周插入的中央导管(PICC)的放置)一致。
图25B示出了目标静脉2501和相邻动脉2502的超声图像2507，包括目标静脉图像2501A和动脉图像2502A。在一些实施方案中，图像平面2504的前侧2505可以与显示器104的屏幕一致。换句话说，在显示器104上的目标静脉图像2501A和动脉图像2502A的视图与从图像平面2504的前侧2505观察目标静脉2501和相邻动脉2502的视图一致。因此，目标静脉图像2501A是目标静脉2501的下游视图，并且动脉图像2502A是动脉2502的上游视图。换言之，相对于目标静脉图像2501A的血液流动的方向在显示器104的屏幕之内，并且相对于动脉图像2502A的血液流动的方向在显示器104的屏幕之外。
图25C、图25D类似于图25A、图25B，除了根据超声探测器106的第二放置实例，图25C、图25D中的超声106的定向相对于图25A、图25B中的超声探测器106的定向翻转180度(相反)。根据第二实例，超声探测器106相对于患者P的手臂A定向，使得探测器106的后侧2522背对患者P，并且探测器106的前侧2521面向患者P。因此，图像平面2504相对于目标静脉2501和动脉2502以第二定向布置，使得图像平面2504的后侧2506相对于目标静脉2501内的血液流动面向上游，并且相对于动脉2502内的血液流动面向下游。类似地，图像平面2504的前侧2505相对于目标静脉2501内的血液流动面向下游，并且相对于动脉2502目标静脉2501内的血液流动面向上游。此外，类似地，相对于目标静脉图像2501B的血液流动的方向在显示器104的屏幕之外，并且相对于动脉图像2502B的血液流动的方向在显示器104的屏幕之内。
在所示实施方案中，超声探测器106包括多普勒超声能力。因此，超声探测器106可以生成与在超声图像中呈现的血管内的血液流动有关的多普勒超声数据，即，图25B和图25D的目标静脉图像2501A、2501B和动脉图像2502A、2502B。逻辑120可以根据多普勒超声数据确定目标静脉2501和动脉2502内的血液流动的方向和/或速度。更具体地，逻辑120可以确定相对于图25A中的目标静脉图像2501A的血液流动被引导到显示器104的屏幕中，并且相对于动脉图像2502A的血液流动被引导到显示器104的屏幕外。类似地，逻辑120可以确定相对于图25B中的目标静脉图像2501B的血液流动被引导到显示器104的屏幕外，并且相对于动脉图像2502B的血液流动被引导到显示器104的屏幕中。
在确定了目标静脉2501的血液流动的方向之后，逻辑120可以用超声图像2504向临床医生提供相对于目标静脉图像2501A的血液流动的方向的通知。例如，逻辑120可以在图25B的超声图像2507的顶部叠加标记2511，该标记指示引导到显示器104的屏幕中的血液流动，该血液流动与目标静脉2501内的从超声探测器106的前侧朝向超声探测器106的后侧的血液流动的方向一致。类似地，逻辑120可以在图25D的超声图像2508的顶部叠加标记2512，该标记指示引导到屏幕外的血液流动。以类似的方式，逻辑120可以在图25B的超声图像2507的顶部叠加标记2513，该标记指示引导到屏幕外的血液流动，并且在图25D的超声图像2508的顶部叠加标记2514，该标记指示引导到屏幕中的血液流动。尽管标记2512、2513被示为箭头，但是标记可以采取适用于指示血液流动的方向的任何形式，包括彩色标记。
在一些实施方案中，标记可以与医疗过程的期望条件相联系。例如，在过程包括沿下游方向将针插入目标静脉的实例中，当逻辑120确定相对于目标静脉图像的血液流动的方向进入屏幕时，标记可以指示允许针的插入。相反，在相同的实例中，当逻辑120确定相对于目标静脉图像的血液流动的方向在屏幕之外时，标记可以指示不允许针的插入。
进一步参考图25A-图25D，逻辑120可以被配置为基于解剖感知(诸如目标血管相对于其他血管或解剖元素的空间感知)来区分静脉和动脉。类似地，逻辑120可以基于解剖感知区分目标血管和相邻血管。在一些实施方案中，解剖感知可以包括目标静脉2501比动脉2502更靠近皮肤的感知。例如，医疗过程可以包括将外周插入的中心导管针(PICC)插入肱静脉内。根据PICC医疗过程，该逻辑可以将图25B的超声图像2507与存储在存储器118中的肱静脉的一个或多个超声图像进行比较，其中，一个或多个超声图像包括肱静脉相对于其他解剖元素(诸如动脉2502)的空间定位。作为比较的结果，逻辑20可以确定目标静脉图像2501A确实是肱静脉的图像的置信度(例如，百分比概率)。作为另一个实施方案，医疗过程可以包括在下游方向将针插入肱静脉内。逻辑120可以将图像2507与存储在存储器118中的一个或多个超声图像进行比较。作为比较的结果，逻辑120可以确定相对于目标静脉图像2501B的血液流动的方向在屏幕之外的置信度。因此，在一些实例中，超声图像2508可以指示目标静脉图像2501B从目标静脉图像(例如，图25B的目标静脉图像2501A)的期望定向旋转180度。在一些实施方案中，进一步响应于该比较，逻辑120可以在图25D的超声图像2508的顶部叠加标记(例如，标记2512)该标记指示相对于目标静脉图像2501B的血液流动的方向。
方法
上述超声成像系统的方法包括在超声成像系统中实施的方法。例如，超声成像系统100的方法包括具有存储在其上的逻辑120的非暂时性CRM(例如，EEPROM)，当逻辑120由控制台102的处理器116执行时，使得超声成像系统100执行用于超声成像的一组操作。这种方法通常可以包括激活操作、调整操作、处理操作和显示操作。
激活操作包括激活通信地联接至控制台102的超声探测器106的超声换能器148阵列的超声换能器。通过激活操作，超声换能器148将生成的超声信号发射到患者P体内，从患者P接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为对应电信号，以便处理为超声图像。激活操作可以包括激活超声换能器148的二维阵列的超声换能器148的近似线性子集。可替代地，激活操作可以包括激活超声换能器148的子集，直到可移动的超声换能器148线性阵列中的所有超声换能器148。
调整操作包括调整(包括动态调整)激活超声换能器149与预定目标或区域的距离、激活超声换能器149到预定目标或区域的定向、或激活超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和定向二者。例如，动态调整操作可以响应于血管(诸如预定目标)的定向。调整操作包括调整激活超声换能器149相对于血管的定向的定向和距离，从而由激活超声换能器149建立的图像平面垂直或平行于血管。
处理操作包括将超声信号的对应电信号(包括多普勒超声信号)处理为超声图像。
显示操作包括在通信地联接到控制台102的显示器104上显示图像，包括超声图像。
处理操作可还包括确定在超声图像内呈现的目标血管的形状。例如，该确定还可以包括识别椭圆目标血管图像的长度和宽度，并且还包括计算和长度与宽度之间的差相关的参数，诸如比率。处理操作可还包括将计算的参数与存储在存储器118中的参数限值进行比较，并且作为比较的结果，该操作可还包括提供计算的参数超过参数限值(即，图像平面未充分垂直于血管对准)的通知。通知可以是视觉、触觉、听觉或其任何组合。
在一些实施方案中，处理操作可以包括根据计算的参数确定目标血管与和图像平面之间的未对准的角度。调整操作还可以包括相对于血管的定向调整激活超声换能器149的定向，从而由激活超声传感器149响应于计算的参数与目标血管对准(即，垂直于血管)建立图像平面。
处理操作可以包括基于解剖感知(诸如目标血管相对于其他血管或解剖元素的空间感知)来区分超声图像内的静脉图像和动脉图像。类似地，该操作可以包括基于解剖感知区分目标血管和相邻血管。在一些实施方案中，逻辑120可以将目标血管图像与存储在存储器118中的一个或多个超声图像进行比较。作为比较的结果，逻辑120可以基于目标血管相对于相邻解剖元素(诸如血管、骨骼等)的解剖空间感知来确定目标血管图像确实是目标血管的图像的置信度(例如，百分比概率)。在一些实施方案中，逻辑120可以至少部分地基于目标血管的解剖感知，相对于目标血管的超声图像来确定目标血管内的血液流动的方向。
显示操作可还包括在显示器上结合血管图像呈现标记，其将血管图像识别为目标血管的图像。
处理操作可还包括从超声探测器106接收多普勒超声数据，并处理多普勒超声数据，以确定指示相对于超声图像平面的目标血管内的方向和/或速度。然后，显示操作可以在显示器104上结合目标血管的超声图像呈现标记，其中，标记指示相对于目标血管图像的血液流动的方向。
对于磁信号相关操作，该方法可以包括转换操作。该转换操作包括通过超声探测器106的磁传感器阵列146将来自磁化的医疗设备(例如，针112)的磁信号转换为对应电信号。处理操作还包括通过处理器116将磁信号的对应电信号处理为相对于预定目标或区域的距离和定向信息。显示操作还包括在显示屏104上显示医疗设备的图像表示。
该方法可还包括响应于磁信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备被带入超声探测器106附近时，调整激活超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和定向。调整操作通过激活超声换能器149建立图像平面，该图像平面垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，用于使用医疗设备进入预定目标或区域。图像平面的建立可以在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备插入时平行于医疗设备平面。图像平面可以包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备平面可以包括作为医疗设备的针112。
该方法可还包括结合进一步处理和显示操作的多个光信号相关操作。光信号相关操作包括通过光学询问器154发射输入光信号，接收反射光信号，以及将反射光信号转换为光信号的对应电信号。光信号相关操作还包括沿着光纤管心针156的长度将来自光学询问器154的输入光信号传送至多个FBG传感器，以及将来自多个FBG传感器的反射光信号传送回光学询问器154，其中，光纤管心针156布置在医疗设备的内腔内。处理操作还包括通过处理器116将光信号的对应电信号处理为相对于预定目标或区域的距离和定向信息。显示操作还包括在显示器104上显示医疗设备的图像表示。
该方法可还包括响应于光信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备被带入超声探测器106附近时，调整激活超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和定向。调整操作通过激活超声换能器149建立图像平面，该图像平面垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，用于使用医疗设备进入预定目标或区域。同样，图像平面的建立在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备插入时平行于医疗设备平面。图像平面包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备平面包括作为医疗设备的针112。
该方法可以还包括结合进一步处理操作的数据提供操作。数据提供操作包括从超声探测器106的加速度计160、陀螺仪162、磁强计164或其组合向控制台102提供位置跟踪数据。处理操作还包括利用用于调整操作的处理器116处理位置跟踪数据。
该方法可以还包括保持操作。保持操作包括当超声探测器106相对于预定目标或区域无意地移动时，保持激活超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和定向。
虽然本文已经公开了一些特定实施方案，并且已经详细公开了特定实施方案，但是特定实施方案并不旨在限制本文提供的概念的范围。对于本领域普通技术人员来说，可以出现额外的适应和/或修改，并且在更广泛的方面，这些适应和/或修改也包括在内。因此，在不脱离本文提供的概念的范围的情况下，可以偏离本文公开的特定实施方案。

Claims (30)

1.一种超声成像系统，包括：
超声探测器，其包括超声换能器阵列，所述超声换能器阵列的激活超声换能器配置为将生成的超声信号发射入患者，从所述患者接收反射超声信号，并且将所述反射超声信号转换为所述超声信号的对应电信号，以便处理为超声图像；
控制台，其配置为与所述超声探测器通信，所述控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述逻辑引起包括如下的操作：
根据所述超声探测器的图像平面限定血管的超声图像；
确定所述血管与所述图像平面之间的未对准；和
响应于确定所述未对准而提供通知。
2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述血管的超声图像限定椭圆形状。
3.根据权利要求2所述的超声成像系统，其中确定所述未对准包括：
识别所述椭圆形状的长度和宽度；
计算和所述长度与所述宽度之间的差有关的参数；和
将计算出的参数与存储器中存储的参数限值进行比较。
4.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述通知是触觉、听觉、视觉或其任何组合。
5.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述操作还包括：调整所述激活超声换能器的定向，以使所述图像平面垂直于所述血管定向。
6.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中：
所述超声探测器包括多普勒超声能力；并且
所述操作还包括：基于多普勒超声数据，确定所述血管内的血液流动相对于所述图像平面的方向。
7.根据权利要求6所述的超声成像系统，其中呈现所述血管的超声图像包括：在所述血管的超声图像的顶部叠加标记，所述标记指示所述血液流动的方向。
8.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述操作还包括：
将所述血管的超声图像与存储器中存储的血管的一个或多个超声图像进行比较，所述一个或多个超声图像涉及限定的医疗过程；和
当作为所述比较的结果确定所述血管的超声图像的图像平面的定向与所述一个或多个超声图像的对应图像平面的定向相反时，提供通知。
9.根据权利要求8所述的超声成像系统，其中比较所述超声图像包括：将所述血管的超声图像中所述血管相对于相邻解剖元素的空间定位与所述一个或多个超声图像中对应血管相对于对应相邻解剖元素的空间定位进行比较。
10.根据权利要求1所述的超声成像系统，所述超声探测器还包括：磁传感器阵列，其配置为将来自磁化的医疗设备的磁信号转换为所述磁信号的对应电信号，以便由所述处理器处理为相对于所述血管的距离和定向信息，用于在显示屏上显示所述医疗设备的图像表示。
11.根据权利要求10所述的超声成像系统，其中当所述医疗设备开始靠近所述超声探测器时，调整所述激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向，由所述激活超声换能器建立的设备图像平面垂直或平行于包括所述医疗设备的医疗设备平面，用于使用所述医疗设备进入所述血管。
12.根据权利要求10所述的超声成像系统，还包括：
通信地联接至所述控制台的独立光学询问器或集成入所述控制台的集成光学询问器，所述光学询问器配置为发射输入光信号，接收反射光信号，并且将所述反射光信号转换为所述光信号的对应电信号，以便由所述处理器处理为相对于所述血管的距离和定向信息，用于在显示器上显示所述医疗设备的图像表示；和
光纤管心针，其配置为沿着所述光纤管心针的长度将来自所述光学询问器的所述输入光信号传送至多个光纤布拉格光栅传感器，并且将来自所述多个光纤布拉格光栅传感器的反射光信号传送回所述光学询问器，所述光纤管心针配置为被布置在所述医疗设备的内腔内。
13.根据权利要求1所述的超声成像系统，所述超声探测器还包括加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合，配置为向所述控制台提供位置跟踪数据，所述处理器进一步配置为执行用于处理所述位置跟踪数据的指令，以便调整所述激活超声换能器与所述血管的距离、所述激活超声换能器到所述血管的定向或所述激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向二者。
14.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中当所述超声探测器相对于所述血管无意地移动时，保持所述激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向。
15.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述操作还包括：在所述系统的显示器上呈现所述血管的超声图像。
16.一种包括非暂时性计算机可读介质的超声成像系统的方法，所述非暂时性计算机可读介质具有可执行指令，当所述指令由所述超声成像系统的控制台的处理器执行时，引起所述超声成像系统执行用于超声成像的一组操作，所述方法包括：
激活通信地联接至所述控制台的超声探测器的超声换能器阵列的超声换能器，由此所述超声换能器将生成的超声信号发射入患者，从所述患者接收反射超声信号，并且将所述反射超声信号转换为所述超声信号的对应电信号，以便处理为超声图像；
根据所述超声探测器的图像平面限定血管的超声图像；
确定所述血管与所述图像平面之间的未对准；和
响应于确定所述未对准而提供通知。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述血管的超声图像限定椭圆形状。
18.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述未对准包括：
识别所述椭圆形状的长度和宽度；
计算和所述长度与所述宽度之间的差有关的参数；和
将计算出的参数与存储器中存储的参数限值进行比较。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述通知是触觉、听觉、视觉或其任何组合。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：调整激活超声换能器的定向，以使所述图像平面垂直于所述血管定向。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述超声探测器包括多普勒超声能力，所述方法还包括：基于多普勒超声数据，确定所述血管内的血液流动相对于所述图像平面的方向。
22.根据权利要求21所述的方法，其中呈现所述血管的超声图像包括：在所述血管的超声图像的顶部叠加标记，所述标记指示所述血液流动的方向。
23.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将所述血管的超声图像与存储器中存储的血管的一个或多个超声图像进行比较，所述一个或多个超声图像涉及限定的医疗过程；和
当作为所述比较的结果确定所述血管的超声图像的图像平面的定向与所述一个或多个超声图像的图像平面的定向相反时，提供通知。
24.根据权利要求23所述的方法，其中比较所述超声图像包括将所述血管的超声图像中所述血管相对于相邻解剖元素的空间定位与所述一个或多个超声图像中对应血管相对于对应相邻解剖元素的空间定位进行比较。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过所述超声探测器的磁传感器阵列，将来自磁化的医疗设备的磁信号转换为所述磁信号的对应电信号；
通过所述处理器，将所述磁信号的对应电信号处理为相对于所述血管的距离和定向信息；和
在显示器上呈现所述医疗设备的图像表示。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
通过通信地联接至所述控制台的独立光学询问器或集成入所述控制台的集成光学询问器发射输入光信号，接收反射光信号，并且将所述反射光信号转换为所述光信号的对应电信号；
沿着光纤管心针的长度将来自所述光学询问器的输入光信号传送至多个光纤布拉格光栅传感器，并且将来自多个光纤布拉格光栅传感器的反射光信号传送回所述光学询问器，所述光纤管心针布置在所述医疗设备的内腔内；
通过所述处理器，将所述光信号的对应电信号处理为相对于所述血管的距离和定向信息；和
在所述显示器上呈现所述医疗设备的图像表示。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括：当所述医疗设备开始靠近所述超声探测器时，调整激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向，从而由所述激活超声换能器建立的设备图像平面垂直或平行于包括所述医疗设备的医疗设备平面，用于使用所述医疗设备进入所述血管。
28.根据权利要求16所述的方法，还包括：
从所述超声探测器的加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合向所述控制台提供位置跟踪数据；和
通过所述处理器处理所述位置跟踪数据，以调整激活超声换能器与所述血管的距离、所述激活超声换能器到所述血管的定向或所述激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向二者。
29.根据权利要求16所述的方法，还包括：当所述超声探测器相对于所述血管无意地移动时，保持激活超声换能器相对于所述血管的距离和定向。
30.根据权利要求16所述的方法，还包括：在与所述控制台联接的显示器上呈现所述血管的超声图像。
CN202211311327.1A 2021-10-25 2022-10-25 使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声 Pending CN116019486A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163271621P 2021-10-25 2021-10-25
US63/271,621 2021-10-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116019486A true CN116019486A (zh) 2023-04-28

Family

ID=84359855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211311327.1A Pending CN116019486A (zh) 2021-10-25 2022-10-25 使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230132148A1 (zh)
EP (1) EP4419011A1 (zh)
CN (1) CN116019486A (zh)
WO (1) WO2023076268A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11759166B2 (en) 2019-09-20 2023-09-19 Bard Access Systems, Inc. Automatic vessel detection tools and methods
CN114145772A (zh) 2020-09-08 2022-03-08 巴德阿克塞斯系统股份有限公司 动态调整超声成像系统及其方法
US12048491B2 (en) 2020-12-01 2024-07-30 Bard Access Systems, Inc. Ultrasound probe with target tracking capability

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5775322A (en) 1996-06-27 1998-07-07 Lucent Medical Systems, Inc. Tracheal tube and methods related thereto
US6129668A (en) 1997-05-08 2000-10-10 Lucent Medical Systems, Inc. System and method to determine the location and orientation of an indwelling medical device
US6263230B1 (en) 1997-05-08 2001-07-17 Lucent Medical Systems, Inc. System and method to determine the location and orientation of an indwelling medical device
US5879297A (en) 1997-05-08 1999-03-09 Lucent Medical Systems, Inc. System and method to determine the location and orientation of an indwelling medical device
EP2912999B1 (en) 2010-05-28 2022-06-29 C. R. Bard, Inc. Apparatus for use with needle insertion guidance system
CN106999146B (zh) * 2014-11-18 2020-11-10 C·R·巴德公司 具有自动图像呈现的超声成像系统
EP3709893B1 (en) * 2017-11-14 2024-06-12 Koninklijke Philips N.V. Ultrasound vascular navigation devices and methods
WO2019156975A1 (en) * 2018-02-07 2019-08-15 Atherosys, Inc. Apparatus and method to guide ultrasound acquisition of the peripheral arteries in the transverse plane

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023076268A1 (en) 2023-05-04
EP4419011A1 (en) 2024-08-28
US20230132148A1 (en) 2023-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3917406A1 (en) Systems and methods for tracking medical devices
US10405827B2 (en) Medical treatment system
CN116019486A (zh) 使用脉管检测进行相对定向的高保真多普勒超声
CN216221488U (zh) 超声探测器和超声系统
US12048491B2 (en) Ultrasound probe with target tracking capability
US11633170B2 (en) Systems and methods for ultrasound probe needle tracking status indicators
US20230135562A1 (en) Doppler-Based Vein-Artery Detection for Vascular Assessment
US20230138970A1 (en) Optimized Functionality Through Interoperation of Doppler and Image Based Vessel Differentiation
US20240307024A1 (en) Dynamically Adjusting Ultrasound-Imaging Systems and Methods Thereof
CN117582288A (zh) 配置用于执行插入路径近似的空间感知医疗设备
CN219323439U (zh) 超声成像系统和超声探测器装置
WO2024010940A1 (en) Systems and methods for intelligent ultrasound probe guidance
CN114173675A (zh) 超声目标点跟踪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination