CN116077087A - 用于启用人工智能的超声关联的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于启用人工智能的超声关联的系统和方法。超声成像系统包括超声探测器，其具有超声换能器阵列，该超声换能器阵列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。该系统包括具有执行逻辑的处理器的控制台，当执行时，该逻辑导致操作包括：在第一时间捕获患者的目标插入区域的第一超声图像和第二超声图像，生成并引起呈现指示第一超声图像和第二超声图像的比较结果的通知。该操作还可以包括经由机器学习模型确定第二超声图像是否以至少阈值量对应于第二超声图像，以及提供应用已训练的机器学习模型的结果的视觉指示。

Description

用于启用人工智能的超声关联的系统和方法
优先权
本申请要求2021年11月5日提交的美国临时申请第63/276,497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，更具体地涉及用于启用人工智能的超声关联的系统和方法。
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两者，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，当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两者，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。
发明内容
本文公开了一种超声成像系统，包括：超声探测器，该超声探测器包括超声换能器阵列，该超声换能器阵列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，以及控制台，配置为与超声探测器通信，该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，该逻辑导致操作。该操作可以包括在第一时间捕获患者的目标插入区域的第一超声图像，在第二时间捕获目标插入区域的第二超声图像，生成并引起呈现指示第一超声图像和第二超声图像的比较结果的通知。在一些实施方案中，超声探测器包括压电超声换能器阵列。在其他实施方案中，超声探测器包括微机电系统(MEMS)声学发射(AE)传感器。在一些实施方案中，超声探测器包括压电MEMS(压电-MEMS)传感器。
在一些实施方案中，第一时间在执行消毒程序以对目标插入区域周围的环境进行消毒之前，并且第二时间在消毒程序之后。在一些实施方案中，比较视图显示包括以水平排布定位的第一超声图像和第二超声图像。在一些实施方案中，比较视图显示包括以垂直排布定位的第一超声图像和第二超声图像。
在一些实施方案中，比较视图显示包括(i)覆盖在第二超声图像上的第一超声图像，或(ii)覆盖在第一超声图像上的第二超声图像。在一些实施方案中，该操作还包括：识别第一超声图像和第二超声图像中的一个或多个脉管，以及在比较视图显示中提供一个或多个脉管的视觉指示。在一些实施方案中，该操作还包括：通过应用已训练的机器学习模型确定第二超声图像是否以至少阈值量对应于第二超声图像，以及提供应用已训练的机器学习模型的结果的视觉指示。在一些实施方案中，已训练的机器学习模型包括卷积神经网络。
本文还公开了提供上述超声成像系统的方法，并提供指令以导致执行上述操作。此外，本文公开了一种其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由处理器执行时，该逻辑导致执行上面讨论的操作。
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
在所附附图的图中通过举例而非限制的方式示出了公开文本的实施方案，其中，相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：
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在进入血管之前在未消毒环境300中对患者P的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在超声成像系统的显示屏上的图3A的血管的超声图像；
图4A示出了根据一些实施方案的在进入血管之前和/或在进入血管时在无菌环境中对患者P的血管进行成像的超声成像系统的超声探测器；
图4B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4A的血管的超声图像；
图5A示出了根据一些实施方案的包括在图1的超声成像系统的显示屏上呈现的预扫描超声图像和实时扫描图像的比较的第一显示屏；
图5B示出了根据一些实施方案的包括垂直延伸的参考线的图5A的第一显示屏；
图5C示出了根据一些实施方案的包括在图1的超声成像系统的显示屏上呈现的预扫描超声图像和实时扫描图像的比较的第二显示屏；以及
图6提供了示出根据一些实施方案的在患者P的目标插入区域的第一时间捕获第一超声图像和在目标插入区域消毒后的第二后续时间捕获第二超声图像，执行图像的比较以确定消毒后超声探测器的放置是否处于正确位置和定向的示例性方法的流程图。
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。
除非另有定义，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。
现在参考图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。下面的讨论可以参考图1-图2进行。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，以及在插入过程期间对目标进行成像以提供针112的确认。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的脉管系统中。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。处理器可以根据存储在存储器118中供处理器116执行的可执行逻辑(“指令”)120，在超声成像系统100的操作期间执行各种逻辑操作或算法。例如，控制台102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两者，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和其他系统部件通信，以管理超声探测器106和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集成到控制台102中，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分离并通信地联接到控制台。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之一通信地联接到控制台102。可替代地，控制台102可以包括集成到控制台102中的集成光学询问器。这种光学询问器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的输入光信号传送到多个FBG传感器。光学询问器154还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两者。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。
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。因此，磁传感器阵列146使超声成像系统100能够跟踪针112等。
尽管这里配置作为磁传感器，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。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配置作为霍尔效应传感器，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一维(“1-D”)磁传感器以实现一维、二维、或三维检测能力。
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两者，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两者。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，这些专利中每一个通过引用整体并入本申请。
在一些实施方案中，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。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，磁化的医疗设备的整个长度的仅一部分被磁化，并且因此被超声成像系统100跟踪。
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。(见图3A，图4A。)尽管超声探测器106无意地移动，但是如图3B，图4B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。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 InsertionGuidance 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。
图3A示出了根据一些实施方案的在进入血管之前在未消毒环境300中对患者P的血管进行成像的超声成像系统100的超声探测器106。在图3A中执行的成像可以称为预扫描成像。图3B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统100的显示屏104上的图3A的血管的超声图像(“预扫描图像”)306。
可以在准备患者P和周围区域进行消毒之前的第一时间获得预扫描图像306，其中，预扫描图像306可以存储在控制台102的存储器118中。获得预扫描图像306的预期目的是允许临床医生使用超声探测器106获得目标脉管302的图像，而无需为保持无菌环境而施加任何限制。如下面将要讨论的，然后可以将预扫描图像用作参考图像，以与在无菌场中拍摄的实时扫描图像进行比较，从而允许临床医生确认超声探测器106的正确放置和定向。
在一些实施方案中，在获得、捕获和可选地存储预扫描图像的操作之后，可以由处理器116执行脉管识别逻辑200，从而执行操作以识别预扫描图像306内的目标脉管302的视觉表示(诸如图3B的目标脉管图像308)和/或检测预扫描图像306的其他特征。检测到的其他特征可以包括通常在超声图像中可见的那些解剖特征，诸如血管、骨骼、肌肉、肌腱、韧带、神经、关节等。
在由处理器116执行时，脉管识别逻辑200可以配置为使得执行操作，包括通过机器学习操作(例如，应用已训练的机器学习模型)对预扫描图像306进行计算机化的自动化分析，以识别目标脉管图像308。例如，计算机化的自动化分析可以包括包含对象识别的操作，诸如对象检测方法，其中，脉管识别逻辑200解析预扫描图像306，以通过边界框定位一个或多个对象(例如，目标脉管302)的存在，并对边界框内的对象进行分类(标记)。为了执行这样的操作，脉管识别逻辑200可以包括通过使用标记的数据集的监督机器学习训练的机器学习模型。例如，标记的数据集可以包括先前捕获的超声图像(“历史数据”)，这些超声图像也已经例如由另一已训练的机器学习模型和/或由主题专家标记。然后在标记的历史数据上训练机器学习模型，以便在训练完成时，机器学习模型可以检测新图像(例如，预扫描图像306和下面关于图4A-图4B讨论的实时扫描图像)内的对象，在图像周围放置边界框并对图像进行分类。注意，在一些实施方案中，可以跳过分类步骤，使得已训练的机器学习模型配置为输出图像，包括图像内检测到的对象周围的边界框。
在一些实施方案中，机器学习模型是卷积神经网络(CNN)。众所周知，CNN通过在整个图像中滑动“窗口”(X×Y像素集)(例如，从左到右和从上到下)来分析图像，并利用图像的像素值的加权和来产生次要图像，这发生在一个卷积层中。基于包括CNN的卷积层的数量，跨图像(或后续图像)滑动窗口(“卷积”)的这个过程可以发生几次。
在一些实施方案中，超声探测器106可以配置用于多普勒超声，使得可以确定捕获的脉管的血液流动方向。当临床医生在视觉上比较预扫描图像和实时扫描图像时，多普勒超声图像可能是有利的。在一些实施方案中，本文描述的系统和方法可以不包括脉管识别逻辑200或图像比较逻辑202(下面讨论)，因此，可能无法向临床医生提供关于实时扫描图像是否匹配(或大致匹配)预扫描图像的自动确定。然而，本文描述的不包括脉管识别逻辑200或图像比较逻辑202的系统和方法可以在显示器上呈现预扫描图像和实时扫描图像，使得临床医生能够在视觉上比较两者以确定超声探测器106是否处于正确位置。在这样的实施方案中，多普勒超声图像是有利的，因为血液流动方向的指示为临床医生提供了在确定实时扫描图像和预扫描图像是否匹配时要考虑的附加参数。
如本文所使用的，对第一图像“匹配”(或大致匹配)第二图像的引用是指第一图像的像素的值在第二图像的像素的值的阈值内。在一些实施方案中，这可以指第一图像的每个像素与第二图像的对应像素的阈值比较。在一些实施方案中，对应值的百分比在阈值内以便匹配(例如，对应像素之间的值的75％、80％、90％等在阈值内)。在其他实施方案中，第一图像和第二图像可以被划分为对应的区域(M×N个像素)，其中，平均每个区域内的像素的值，并且将第一图像的每个区域与第二图像的对应区域进行比较，其中，对应区域的值在彼此的值的阈值内。更一般地，术语“匹配”可以指第一超声图像与第二超声图像之间的对应程度。
图像比较逻辑202可以配置为在由处理器116执行时，导致执行将第一图像与第二图像进行比较以确定第一图像是否匹配(或大致匹配)第二图像的操作。例如，图像比较逻辑202可以配置为在由处理器116执行时，导致执行将实时扫描图像与预扫描图像进行比较以确定实时扫描图像是否匹配预扫描图像的操作。基于比较实时扫描图像是否匹配预扫描图像的操作，图像比较逻辑202可以提供关于是否发生匹配(或大致匹配)的通知。这样的通知可以帮助临床医生理解超声探测器106是否被正确定位，例如，在与捕获预扫描图像时的定位匹配的位置。
图4A示出了根据一些实施方案的在进入血管之前和/或在进入血管时在无菌环境400中对患者P的血管进行成像的超声成像系统100的超声探测器106。在图4A中执行的成像可以称为实时扫描成像。图4B示出了根据一些实施方案的在超声成像系统100的显示屏104上的图4A的血管的超声图像(“实时扫描图像”)。
可以在第二时间获得实时扫描图像406，该第二时间在围绕患者P上的插入部位(或者通常是患者P上的区域)创建消毒区域402之后。实时扫描图像406也可以存储在控制台102的存储器118中。如上所述，本文公开的系统和方法可以包括获得预扫描图像306，其预期目的是允许临床医生使用预扫描图像306作为参考图像，以与(在无菌场中拍摄的)实时扫描图像406进行比较，从而允许临床医生在实时扫描过程期间确认超声探测器106的正确放置和定向，该过程可以对应于医疗设备(诸如针112)的插入。
在一些实施方案中，在获得、捕获和可选地存储实时扫描图像406的操作之后，可以由处理器116执行脉管识别逻辑200，从而执行操作以识别实时扫描图像406内的目标脉管302的视觉表示(诸如目标脉管图像308)和/或检测实时扫描图像406的其他特征。检测到的其他特征可以包括通常在超声图像中可见的那些解剖特征，诸如血管、骨骼、肌肉、肌腱、韧带、神经、关节等。
在一些实施方案中，可以经由自动化的计算机化方法来执行预扫描图像和实时扫描图像的比较。在一些实施方案中，这种方法可以包括机器学习技术(例如，人工智能)。如上所述，控制台102的指令120可以包括图像比较逻辑202，其可以配置为在由处理器116执行时，导致执行将第一图像(例如，预扫描图像306)与第二图像(例如，实时扫描图像406)进行比较以确定预扫描图像306是否匹配(或大致匹配)实时扫描图像406的操作。这样的通知可以帮助临床医生理解超声探测器106是否被正确定位，例如，在与捕获预扫描图像时的定位匹配的位置。
在一些实施方案中，用于执行将实时扫描与预扫描进行比较的自动化的计算机化方法的一些机器学习技术可以包括但公开文本不限于或限制于：关键点检测和匹配；和/或确定表示实时扫描图像和预扫描图像的图像向量之间的欧几里得距离。在一些实施方案中，图像比较逻辑202可以在比较之前利用去噪自动编码器，以便去除噪声。
然而，本文公开的系统和方法的其他实施方案可以不包括比较预扫描图像和实时扫描图像的自动化的计算机化方法，而是以各种方式将图像提供给临床医生，这些方式有利地使临床医生能够确定实时扫描图像是否匹配预扫描图像，从而允许临床医生在实时扫描过程期间确认超声探测器106的正确放置和定向。在下面讨论的图5A-图5B中提供了由本文公开的系统和方法生成的预扫描图像和实时扫描图像的比较的视觉表示的实施例。
现在参考图5A，示出了根据一些实施方案的包括在图1的超声成像系统100的显示屏104上呈现的预扫描超声图像和实时扫描图像的比较的第一显示屏的图示。图5A示出指令120可以包括生成显示器500并导致在控制台102的显示屏104上呈现这种显示器的逻辑。具体地，显示器500包括预扫描图像306和实时扫描图像406，其允许临床医生执行视觉比较以确定图像是否匹配(或大致匹配)，并因此确定超声探测器106在当前状态(例如，在实时扫描过程期间)的定位和定向是否匹配(或大致匹配)在捕获预扫描图像306时的超声探测器106的定位和定向。
在图5A的这个实施方案中，图像垂直对齐。然而，图5A并不旨在限制图像，使得可以以其他定向(例如，水平(未示出))对齐。参考图5B，示出了根据一些实施方案的包括垂直延伸的参考线的图5A的第一显示屏。可选地视觉对准标记502提供关于目标脉管图像308、408的对齐的视觉指示，从而简化临床医生确定图像306、406是否匹配(或大致匹配)的工作。
现在参考图5C，示出了根据一些实施方案的包括在图1的超声成像系统100的显示屏104上呈现的预扫描超声图像和实时扫描图像的比较的第二显示屏的图示。在图5C中的显示屏104上呈现的显示器504提供了一个图像叠加在另一图像上的图示(例如，作为预扫描图像306上的叠加的实时扫描图像406，或者反之亦然)。在一些实施方案中，叠加使用的图像的不透明度可以小于100％(例如，部分不透明度)，这可以增加查看每个图像的特征(例如，目标脉管图像306、406)的容易性。因此，与其他图像中的其他对应特征相比，临床医生可以更容易地查看一个图像中的某些特征的位置。在图5C的示例图示中，临床医生可以容易地看到这两个图像非常相似(例如，匹配或大致匹配)，并因此确定超声探测器106(对应于实时扫描图像406)的当前定位和定向与捕获预扫描图像306时超声探测器106的定位和定向大致相似。
另外，在一些实施方案中，诸如执行用于比较图像的自动化的计算机化方法的实施方案中，可以使结果的通知呈现在显示屏104上。如图所示，通知506指示这两个图像98％匹配。该百分比可以与图像内匹配的每个像素的百分比有关(例如，在彼此的阈值内，诸如在特定数量的颜色或灰度值内)，或者可以是由机器学习技术提供的图像匹配(或者在一些实施方案中不匹配)的置信度。
在图5A-图5B中的任何一个的一些实施方案中，可以用不同的颜色显示这两个图像，以便容易地在图像之间进行区分。另外，在一些实施方案中，超声探测器106可以配置为执行多普勒超声过程，从而描绘脉管内的血液流动方向。当图像内存在多个大小相似的脉管时，这可能是有利的，由此临床医生可以容易地确定两个图像内对应的脉管对。
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和捕获操作、处理操作和显示操作。
激活和捕获操作包括激活通信地联接到控制台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。另外，捕获操作可以包括将超声图像保存到诸如存储器118的非暂时性计算机可读介质中。
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。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。
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(例如，在将针112插入患者P之后，在显示屏104上示出针112的图像表示)。
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的输入光信号传送到多个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。
此外，处理操作可以包括比较经由激活和捕获操作捕获的两个图像。例如，可以比较在第一时间捕获的第一图像和在第二(后续)时间捕获的第二图像，以确定图像是否匹配(或大致匹配)。在一些实施方案中，第一图像可以是在任何消毒之前的患者P的目标插入区域，并且第二图像可以是在消毒过程之后的目标插入区域。因此，可以在第一时间捕获第一图像，临床医生可以在捕获第二图像时移动超声探测器、消毒该区域并更换超声探测器。为了确保在正确位置更换超声探测器，将第一图像和第二图像进行比较，以确定图像是否匹配(或大致匹配)，这指示超声探测器是否在同一位置和从同一定向成像。如上所述，比较可以包括诸如生成图像的视觉图示的操作(例如，以水平或垂直方式并排，或彼此重叠)。例如，替代实施方案可以包括使用机器学习技术比较图像的自动化的计算机化方法。
显示操作包括在通信联接到控制台102的显示器104上显示图像，包括超声图像。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。此外，显示操作包括引起呈现图像的视觉图示(例如，以水平或垂直方式并排，或彼此重叠)和/或对比较图像的自动化的计算机化方法的结果的指示。
参考图6，示出了根据一些实施方案的在患者P的目标插入区域的第一时间捕获第一超声图像和在目标插入区域消毒后的第二后续时间捕获第二超声图像，执行图像的比较以确定消毒后超声探测器的放置是否处于正确位置和定向的示例性方法的流程图。图6中所示的每个方框表示方法600的操作。应当理解，并不是图6中所示的每个操作都是必需的。实际上，某些操作可以是可选的，以完成方法600的各个方面。对方法600的操作的讨论可以参考先前描述的任何图来进行。在开始方法600之前，可以假设临床医生能够进入图1的超声成像系统100。
当超声探测器定位在患者P的目标插入区域附近并且捕获第一超声图像时(方框602)，方法600开始。例如，如图3A中所见，超声探测器106可以大致定位在目标脉管上方，其中，目标脉管是医疗设备(例如，针)要插入的预定脉管。如图3B中所示，可以在超声成像系统100的控制台的显示屏上显示捕获的超声图像。可以在目标插入区域周围的环境尚未消毒时捕获第一图像。因此，第一图像可以是由临床医生在目标插入区域消毒之前获得的“预扫描”图像，以便允许临床医生确定超声探测器的定位和定向，而不受在无菌环境中这样做的限制(例如，没有覆盖物、无菌手套、长袍、口罩等，这可能会使获得超声探测器的定位和定向过程变得困难)。
在捕获第一图像之后，移除超声探测器并且对目标插入区域周围的环境进行消毒(方框604)。如上所述，消毒过程可能包括放置覆盖物、穿戴个人防护设备(PPE)以及清洁要在插入过程中使用的医疗设备。在消毒之后，超声探测器在捕获第一图像时的超声探测器的位置和定向中再次定位在目标插入区域附近(方框606)。因此，通过在捕获第一图像时对超声探测器进行初始定位和定向，临床医生获得了超声探测器的正确(期望)位置和定向的想法。然后捕获第二超声图像，其中，超声探测器被定位和定向在临床医生认为与捕获第一图像时的超声探测器相同的位置和定向。
可以在两个路径中的任一个或两者中继续方法600。在捕获第二图像之后，方法600可以包括执行导致在比较视图中呈现第一超声图像和第二超声图像的操作(方框610)。上面讨论了比较视图的实施例，并且在图5A-图5C中示出了一些比较视图的实施例。
此外，在捕获第二图像之后，方法600可以包括执行包括比较第一图像和第二图像以确定它们之间的对应关系(例如，第一图像和第二图像是否匹配或大致匹配)的计算机化方法的操作(方框612)。上面讨论了用于比较第一图像和第二图像的计算机化方法的实施方案的操作。随后，可以呈现用于比较第一图像和第二图像的方法的结果以供临床医生查看(方框614)。例如，见图5C。
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意图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 (23)

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：
在第一时间捕获患者的目标插入区域的第一超声图像，
在第二时间捕获所述目标插入区域的第二超声图像，
生成指示所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较结果的通知，并且
引起呈现所述通知。
2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述第一时间在执行消毒程序以对所述目标插入区域周围的环境进行消毒之前，并且所述第二时间在所述消毒程序之后。
3.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述通知包括：以水平排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
4.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述通知包括：以垂直排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
5.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中所述通知包括比较视图显示，所述比较视图显示包括(i)覆盖在所述第二超声图像上的所述第一超声图像或(ii)覆盖在所述第一超声图像上的所述第二超声图像。
6.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：
识别所述第一超声图像和所述第二超声图像中的一个或多个脉管，并且
在所述控制台的显示屏上，在所述通知中提供所述一个或多个脉管的视觉指示。
7.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：
通过应用已训练的机器学习模型，确定所述第二超声图像是否以至少阈值量对应于所述第一超声图像，并且
提供应用所述已训练的机器学习模型的结果的视觉指示。
8.根据权利要求7所述的超声成像系统，其中所述已训练的机器学习模型包括卷积神经网络。
9.一种执行超声程序的方法，包括：
提供超声探测器，所述超声探测器包括超声换能器阵列，所述超声换能器阵列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；
提供控制台，所述控制台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，所述逻辑引起操作；和
指示使用所述超声探测器和所述控制台，以引起所述控制台的处理器的执行，以便执行包括如下的操作：
在第一时间捕获患者的目标插入区域的第一超声图像，
在第二时间捕获所述目标插入区域的第二超声图像，
生成指示所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较结果的通知，并且
引起呈现所述通知。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一时间在执行消毒程序以对所述目标插入区域周围的环境进行消毒之前，并且所述第二时间在所述消毒程序之后。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述通知包括：以水平排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述通知包括：以垂直排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述通知包括比较视图显示，所述比较视图显示包括(i)覆盖在所述第二超声图像上的所述第一超声图像或(ii)覆盖在所述第一超声图像上的所述第二超声图像。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述操作还包括：
识别所述第一超声图像和所述第二超声图像中的一个或多个脉管，并且
在所述控制台的显示屏上，在所述通知中提供所述一个或多个脉管的视觉指示。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述操作还包括：
通过应用已训练的机器学习模型，确定所述第二超声图像是否以至少阈值量对应于所述第一超声图像，并且
提供应用所述已训练的机器学习模型的结果的视觉指示。
16.一种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，所述逻辑引起执行包括如下的操作：
在第一时间捕获患者的目标插入区域的第一超声图像，
其中所述第一超声图像是通过超声探测器获得的，所述超声探测器包括超声换能器阵列，所述超声换能器阵列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；和
在第二时间捕获所述目标插入区域的第二超声图像；
生成指示所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较结果的通知；和
引起呈现所述通知。
17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一时间在执行消毒程序以对所述目标插入区域周围的环境进行消毒之前，并且所述第二时间在所述消毒程序之后。
18.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述通知包括：以水平排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
19.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述通知包括：以垂直排布显示的所述第一超声图像和所述第二超声图像的比较视图显示。
20.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述通知包括比较视图显示，所述比较视图显示包括(i)覆盖在所述第二超声图像上的所述第一超声图像或(ii)覆盖在所述第一超声图像上的所述第二超声图像。
21.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
识别所述第一超声图像和所述第二超声图像中的一个或多个脉管，并且
在控制台的显示屏上，在所述通知中提供所述一个或多个脉管的视觉指示。
22.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
通过应用已训练的机器学习模型，确定所述第二超声图像是否以至少阈值量对应于所述第一超声图像，并且
提供应用所述已训练的机器学习模型的结果的视觉指示。
23.根据权利要求22所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述已训练的机器学习模型包括卷积神经网络。
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