CN220655593U - 超声成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及超声成像系统。该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和定向系统，其中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，以便处理成超声图像和识别解剖目标，并且其中定向系统被配置为获得超声探测器的定向信息，以便确定超声探测器所需的将超声探测器放置在解剖目标上方相对于超声探测器的位置处的移动方向。

Description

超声成像系统

优先权

本申请要求2022年7月8日提交的美国临时申请第17/861,031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，更具体地涉及超声成像系统。

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，当针平面与图像平面平行时，通常更容易在经皮穿刺之后立即监测针的距离和定向。与无意中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。

实用新型内容

本文公开了一种超声成像系统，其包括：超声探测器，该超声探测器包括超声换能器阵列和定向系统，其中，超声换能器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，并将反射超声信号转换为超声信号的对应电信号以便处理成超声图像和识别解剖目标，并且其中，定向系统配置为获得超声探测器的定向信息，以便确定所述超声探测器所需的将所述超声探测器放置在所述解剖目标上方相对于所述超声探测器的位置处的移动方向。该技术方案提供了一种具备成像和定位功能的超声探测器，解决了现有技术中存在的问题。

在一个实施方案中，可以额外地包括控制台，其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，该逻辑引起包括如下的操作：获得定向信息；对超声信号执行识别过程以识别解剖目标(例如，目标脉管)；基于定向信息，确定超声探测器所需的将超声探测器放置在相对于解剖目标的预定位置(例如，使超声探测器在解剖目标上方居中)处的移动方向；以及开始向超声探测器的用户提供反馈，指示使超声探测器在解剖目标上方居中超声探测器所需的移动方向。

在一些实施方案中，定向信息指示超声探测器相对于患者的皮肤表面在笛卡尔坐标系上的定位。在一些实施方案中，超声探测器包括惯性测量单元，该惯性测量单元配置为获得定向信息。在一些实施方案中，超声探测器包括具有一个或多个芯纤维的光纤，其中，一个或多个芯106中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的多个传感器，并且多个传感器中的每个传感器配置为(i)基于接收到的入射光反射不同光谱宽度的光信号，和(ii)改变反射光信号的特性以用于确定光纤的物理状态。

在一些实施方案中，操作还包括向光纤提供宽带入射光信号，接收宽带入射光的反射光信号，其中，该反射光信号从患者体内的红细胞反射，以及处理反射光信号以确定定向信息。在一些实施方案中，识别过程包括应用经训练的机器学习模型，该机器学习模型配置为检测超声图像内的解剖特征并在解剖目标周围提供边界框。在一些实施方案中，超声探测器的第一侧提供触觉反馈，其中，第一侧对应于使超声探测器在解剖目标上方居中超声探测器所需的移动方向。在一些实施方案中，该系统包括针，该针包括第二定向系统，该第二定向系统配置为获得针定向信息。在具有第二定向系统的情况下，可以基于针定向信息确定针相对于超声探测器的定向，确定针的轨迹，以及生成示出针的轨迹的显示屏。

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，该逻辑引起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案，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灭菌环境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5示出了根据一些实施方案的如图3A中所示的超声探测器106，其还包括惯性测量单元(“IMU”)158；

图6A示出了根据一些实施方案的修改为包括多芯光纤的超声探测器106；

图6B示出了根据一些实施方案的图6A的超声探测器106、针606和示例性针轨迹；

图7示出了根据一些实施方案的固定地联接到机械臂700的超声探测器106，该机械臂具有沿着患者P的臂长度的一系列已知位置点；

图8示出了根据一些实施方案的包括替代现实功能的超声成像系统800；

图9A示出了根据一些实施方案的对患者P的目标脉管成像并配置为向临床医生提供反馈的超声探测器106，该临床医生指导探测器106的移动，使探测器106在目标脉管上方居中；

图9B是示出根据一些实施方案的实时超声成像的显示屏的第一实施方案，包括超声探测器106的中心线和移动探测器106以使探测器106在目标脉管上方居中的方向的视觉指示；

图9C是示出根据一些实施方案的实时超声成像的显示屏的第二实施方案，包括超声探测器106的中心线和移动探测器106以使探测器106在目标脉管上方居中的方向的视觉指示；

图9D示出了根据一些实施方案的超声探测器106对患者P的目标脉管进行成像并配置为当探测器106位于目标脉管上方居中时向临床医生提供反馈；

图10A和图10B是根据一些实施方案的用于将针朝向患者体内的脉管引导的引导系统的超声探测器的简化视图；

图11A和图11B示出了根据一些实施方案的用于在引导系统的显示器上描绘的可能的屏幕截图，其示出了针的位置和定向；以及

图12是示出根据一些实施方案的用于将针引导至患者体内的期望目标的方法的各个阶段的流程图。

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。可以参考图1-图2进行下面的讨论。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，用于动态调整激活超声换能器148与预定目标(例如，血管)或区域的距离、激活超声换能器148到预定目标或区域的定向、或激活超声换能器148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的电信号处理成超声图像。动态调整激活超声换能器148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那些超声换能器。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，包括无意中的动脉穿刺、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两者的电信号，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又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处理成相对于目标的距离和定向信息，用于当被带入目标附近时动态调整激活超声换能器148的距离、激活超声换能器148的定向，或者激活超声换能器148相对于目标或医疗设备的距离和定向两者。

例如，激活超声换能器148的距离和定向可以相对于作为目标的血管调整。实际上，根据血管的定向，可以由激活超声换能器148建立的图像平面垂直或平行于血管。如本文所使用的，术语“定向信息”可以指探测器106(或其他医疗器械)相对于固定轴在三维中的定位。在一些实施方案中，固定轴可以指从患者P的表面向远侧延伸的垂直轴(例如，其可以代表笛卡尔坐标系的Z轴)。因此，探测器106的定向信息提供了超声探测器相对于患者P的皮肤表面的角度的几何视图。另外，定向信息可以提供关于超声探测器106相对于患者P的目标脉管是保持在横向定向还是纵向定向的指示。

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中所见，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包括嵌入在超声探测器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处理成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的探测器头114布置成环形结构，尽管可以理解，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顿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，尽管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。

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，用于调整激活超声换能器148与目标的距离、激活超声换能器148到目标的定向、或激活超声换能器148相对于目标的距离和定向两者，以在超声探测器106无意中相对于目标移动时，保持激活超声换能器148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它合适的针材料。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，用于动态调整激活超声换能器148相对于磁化的医疗设备的距离、激活超声换能器148相对于磁化的医疗设备的定向，或激活超声换能器148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，可以使用以下美国专利第5,775,322号、第5,879,297号、第6,129,668号、第6,216,028号和第6,263,230号中的一个或多个专利的教导来跟踪针112，这些专利中的每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。这又使得超声成像系统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，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。

在超声成像系统100的操作期间，超声探测器106的探测器头114贴靠患者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无意中移动，但如图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灭菌环境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(“预扫描图像”)的血管的超声图像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的适当放置和定向。

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，从而导致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，应用经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，以使用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经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，使得经训练的机器学习模型配置为输出图像，其包括图像内检测到的对象周围的边界框。

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(“实时扫描图像”)的血管的超声图像。

可以在第二时间获得实时扫描图像406，该第二时间是在围绕患者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的适当放置和定向，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，从而导致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。

现在参考图5，根据一些实施方案，示出了如图3A中所示的超声探测器106，其还包括惯性测量单元(“IMU”)158。如上所述，IMU 158配置为从选自加速度计160、陀螺仪162和磁强计164的一个或多个部件中的任何一个获得惯性测量。基于所获得的惯性测量，IMU158配置为向控制台102提供超声探测器106的位置跟踪数据，从而实现探测器106的空间感知。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，用于在超声探测器106无意中相对于目标移动时，调整激活超声换能器148与目标的距离、激活超声换能器148到目标的定向、或激活超声换能器148相对于目标的距离和定向两者，以保持激活超声换能器148相对于目标的距离和定向。

参考图6A，根据一些实施方案，示出了被修改为包括多芯光纤的超声探测器106。图6A的超声探测器106包括多芯光纤600，该多芯光纤从控制台102到探测器106延伸系绳的长度。此外，多芯光纤600可以在探测器106的远端604处配置为预定的几何形状602。预定的几何形状使得控制台102的逻辑能够执行形状感测操作，从而能够检测探测器106的定向。更具体地，由于在部署探测器106之前已知预定的几何形状602相对于换能器148的定向，所以可以用某些信息(例如，镜像协调校正信息、颜色编码信息、目标脉管的突出显示(见图9A-图9D))来增强在显示器104上显示的超声图像，并且探测器106可以经由触觉反馈来提供方向指令。在不知道探测器106的定向的情况下，不能提供这样的信息。

参考图6B，根据一些实施方案，示出了图6A的超声探测器106、针606和示例性针轨迹。图6B示出了定位在患者P的皮肤表面上以便对脉管302进行成像的探测器106。图6B进一步示出了紧邻插入部位S的针606，旨在于目标部位608处进入目标脉管302。此外，基于经由光纤数据获得的定向信息(例如，从沿着多芯光纤600的长度布置的光栅返回的反射光信号)，控制台102的逻辑可以估计针606的轨迹610。轨迹610连同超声图像(和/或脉管302的三维渲染)可以显示在显示器104上。

在一些实施方案中，针还可以包括多芯光纤612，该多芯光纤从控制台102或探测器106延伸针606的长度。在这样的实施方案中，可以基于多芯光纤612的形状感测来确定针606的定向，该多芯光纤通过系绳延伸到探测器106(可选的多芯光纤612′)或通过系绳延伸到控制台102(可选的多芯光纤612″)。根据探测器106和针606的定向，可以生成由探测器106捕获的成像的呈现、目标部位608和针轨迹610，并在显示器104上显示。此外，除了这样的信息之外，人体解剖的知识使得能够生成用于在显示器104上显示的三维图形(例如，类似于图6B的理论图示)。

如下面将参考图9A-图9B描述的，在某些情况下，可以通过探测器106向临床医生提供反馈。例如，如下面进一步讨论的，探测器106可以配置为向临床医生提供触觉反馈，指示移动探测器106的方向，以使探测器106在目标脉管302上方居中(并且可选地在插入部位608上方)。探测器106还可以提供某些反馈以指示针606的移动(例如，在任何方向上，包括偏航和/或俯仰)。也可以经由参考图10A-图12讨论的方法来确定针的定向。例如，探测器上的发光二极管(LED)(图9A、图9D)可以提供移动针的方向的指示。在探测器106上可以包括来自图9A、图9D中所示的那些附加LED。

参考图7，根据一些实施方案，示出了固定地联接到机械臂700的超声探测器106，该机械臂具有沿着患者P的臂长度的一系列已知位置点。机械臂700可以包括一系列臂部件701和关节，该关节将臂部件701与固定到最远侧臂部件的远端的超声探测器(例如，探测器106)铰接在一起。在一些实施方案中，一系列位置点704A-704D可以是已知的，例如，在每个关节处、在探测器106的近端处以及在探测器106的远端处，使得可以相对于固定点(例如，控制台102)来确定机械臂700和探测器106的定向和定位。在一些实施方案中，光纤706(例如，具有一个或多个芯纤维)可以从控制台102延伸到探测器106，其向控制台102提供反射光信号，从而能够确定机械臂700和探测器106的定位、定向和形状，如上所述。例如，如图6B中所示，光纤706在探测器106远端处可以包括预定的几何形状602，以便确定探测器106的定向。通过使用机械臂700获得的定向、定位和配置信息可以以与通过如上所述在探测器106内部署IMU 158获得的数据相同的方式使用。

参考图8，根据一些实施方案，示出了包括替代现实功能的超声成像系统800。该超声成像系统800包括图1的超声成像系统100的许多部件，其中，将不详细讨论在系统100、800之间共同保持的部件。系统800包括执行增强现实(AR)功能的能力以及向临床医生提供AR数据的部件。如本文所使用的，术语“增强现实”可以指增强现实(例如，用计算机生成的信息覆盖的真实世界图像的增强)和虚拟现实(例如，用沉浸在计算机生成的虚拟环境中来替换用户的视图)。

例如，控制台可以在显示器104上呈现AR显示屏802。AR显示屏802可以包括某些可视化，作为由超声探测器106获得的超声图像上的覆盖。例如，AR显示屏802可以包括突出显示在超声图像(例如，脉管)内检测到的某些解剖特征的覆盖。在一些实施方案中，目标脉管可以在视觉上与所有检测到的解剖特征区分开(例如，目标脉管以特定颜色出现，出现在边界框内等)。可以显示的附加AR数据包括方向指示器(例如，“R”/“L”或“右”/“左”)，其在适用时帮助临床医生正确地表征超声探测器106的镜像协调。此外，可以在超声图像上覆盖中心线，以及指示临床医生关于移动超声探测器106的方向的箭头，以使超声探测器106在目标脉管上方居中，这将目标脉管放置在显示器104上显示的超声图像的中心。公开文本还旨在公开超声探测器106在替代目标脉管(或解剖目标，例如，器官、脉管阻塞、心脏内的腔室或器官内的位置等)的中心的位置处的定位。例如，将超声探测器放置在离目标脉管中心特定距离处可能是有利的，以便允许针正确地进入插入部位。

此外，系统800包括AR设备804，其提供辅助AR数据作为AR显示屏802的替代。AR设备804提供用于观看AR数据的第二选项(例如，模态)，而第一和辅助AR数据可以相同或大致相同。如图8中所示，由执行超声程序的临床医生佩戴的一副AR眼镜804表示AR设备804。AR眼镜804可以配置为在AR眼镜804的显示屏上显示辅助AR数据806。在图8的图示中，第一和辅助AR数据大致相同(例如，大致相同的显示)。然而，辅助AR数据806可被临床医生视为直接覆盖在患者身体上。例如，当对插入部位S进行成像时，临床医生可以通过AR眼镜806观察插入部位S，使得包括检测到的解剖特征和/或方向或定向标记的任何突出的超声图像也以增强的方式出现。因此，当通过AR眼镜806观察患者身体时，临床医生直接在患者身体上观察增强的超声图像。有利地，AR眼镜806使临床医生能够在患者身体的成像区域上保持眼睛接触，并且增强的超声图像可以校正在显示器104上观看超声图像时以其他方式出现的任何镜像协调。

现在参考图9A，根据一些实施方案，示出了对患者P的目标脉管成像并配置为向临床医生提供反馈的超声探测器106，该临床医生指导探测器106的移动，使探测器106在目标脉管上方居中。探测器106可以配置有提供触觉反馈900的振动技术(例如，致动器901A-901B；线性谐振致动器(LRA)或压电致动器)。另外，或者作为替代，探测器106可以配置有视觉指示器(例如，灯)，该视觉指示器配置为通过致动器901A-901B提供类似的反馈。致动器901A-901B可以被激活以提供触觉反馈，该触觉反馈指示临床医生关于移动探测器106的方向以使探测器106在目标脉管904上方居中。

图9A示出了多个脉管：目标脉管904；和辅助脉管905(例如，非目标脉管)。因此，控制台102可以从探测器106获得超声图像，并且脉管识别逻辑200可以执行如上所述的脉管识别过程以识别目标脉管904以及检测目标脉管904在超声图像内的位置(例如，相对于超声探测器106)。然后，控制台102可以激活致动器以提供触觉反馈，指示临床医生在特定方向上移动探测器106，以使探测器106在目标脉管904上方居中(例如，探测器106右侧上的振动指示临床医生将探测器106向右移动)。结果，临床医生不需要将他或她的眼睛从患者身体和探测器106上移开来查看控制台102的显示器104上的超声图像并确定移动探测器106的方向。类似地，探测器106可以配置有灯902A、902B，该灯以与致动器901A、901B相同的方式操作(例如，在探测器106的右侧的灯指示临床医生将探测器106向右移动)。

参考图9B，根据一些实施方案，示出实时超声成像的显示屏的第一实施方案，包括超声探测器106的中心线和移动探测器106以使探测器106在目标脉管上方居中的方向的视觉指示。图9B示出了显示屏906，其可以伴随上述探测器106的反馈能力，或者作为上述探测器106的反馈能力的替代方案。显示屏906可以被呈现在控制台102的显示器104上，并且示出由探测器106捕获的超声图像(或一部分)。显示屏906可以包括所识别的解剖特征的视觉指示(例如，目标脉管图像904’和辅助脉管图像905’)以及中心线908和方向箭头指示器910，其中，方向箭头指示器910指示临床医生移动探测器106的方向，以使超声探测器106在目标脉管上方居中。

参考图9C，根据一些实施方案，示出实时超声成像的显示屏的第二实施方案，包括超声探测器106的中心线和移动探测器106以使探测器106在目标脉管上方居中的方向的视觉指示。图9C提供了图9B的替代方案，其中，视觉指示器提供了超声成像中可能发生的明确的镜像协调校正。因此，在解剖特征(例如，目标脉管904和辅助脉管905)的识别之后，控制台102可以呈现包括目标脉管图像904’和辅助脉管图像605’以及中心线908的显示屏906。此外，可以显示镜像协调校正指示器912(“右”、“左”和相应的箭头)，其指示移动探测器106的方向，以使探测器106在目标脉管904(或辅助脉管905)上方居中。注意，图9C中所示的特征可以与图9B中的特征相结合。

参考图9D，根据一些实施方案，示出了超声探测器106对患者P的目标脉管进行成像并配置为当探测器106位于目标脉管上方居中时向临床医生提供反馈。图9D示出了关于图9A所讨论的探测器106，同时示出了当探测器106在目标脉管904上方居中时可能反馈的实施方案。以虚线形式示出中心线908仅仅是为了说明探测器106的中心。在一些实施方案中，一旦探测器106在目标脉管904上方居中(例如，如通过脉管识别逻辑200对超声图像的分析所确定的，并且可选地鉴于经由上述任何模态获得的定向和定位数据(例如，经由光纤、IMU等的形状感测))，可以向临床医生提供反馈，该反馈包括来自探测器106两侧的触觉反馈和/或两个灯(例如，发光二极管、LED)902A、902B的照明。在一些情况下，触觉反馈可以不同于当不在目标脉管904上方居中时提供的触觉反馈(例如，当不居中时，可以从单侧提供短脉冲，但是当居中时，可以从两侧提供一个长脉冲)。类似地，灯902A、902B可以在一种情况下闪烁，而在另一种情况下保持稳定。此外，在每次使用之前，由探测器106提供的反馈可以是可定制的和/或动态调整的。例如，本文公开的任何系统都可以在医疗设施(例如，医院、诊所、紧急护理设施等)内使用，使得多个临床医生可以常规地使用控制台102和探测器106。在一些实施方案中，控制台102可以包括临床医生登录到特定简档的功能，其中，每个临床医生简档存储定制的(或默认的)反馈集。

参考图10A和图10B，根据一些实施方案，用于将针朝向患者体内的脉管引导的引导系统的超声探测器的简化视图。图10A-图10B示出了系统100的超声探测器106和针1020(其可以包括在系统100中)就位并准备好将其插入穿过患者P的皮肤表面以进入目标内部身体部分。具体地，探测器106被示出为其头部1004抵靠患者皮肤放置并产生超声束1006，以便对患者P的皮肤表面下方的脉管1008的一部分进行超声成像。可以在控制台102的显示器104上描绘脉管1008的超声图像。

在图10A-图10B的实施方案中，系统100配置为检测针1020的位置、定向和移动。具体地，探测器106的传感器阵列1000配置为检测针1020中包括的磁性元件1024的磁场。传感器阵列1000的每个传感器1002配置为在三维空间中对磁性元件1024进行空间检测。因此，在根据图10A-图10B的实施方案的系统100的操作期间，由每个传感器1002感测的针的磁性元件1024的磁场强度数据被转发到处理器，诸如控制台102的处理器116(图2)，其实时计算磁性元件1024的位置和/或定向。具体地，并且如图10A-10B所示，可以由系统100使用由传感器1002感测的磁场强度数据来确定磁性元件1024在X、Y和Z坐标空间中相对于传感器阵列1000的位置。此外，图10A示出了也可以确定磁性元件1024的间距，而图10B示出了可以确定磁性元件的偏航。系统的探测器106、控制台120或其他部件的合适电路可以提供对于这种位置/定向所需的计算。在一些实施方案中，可以使用以下美国专利第5,775,322号、第5,879,297号、第6,129,668号、第6,216,028号、第6,263,230号和第9,456,766号中的一个或多个的教导来跟踪磁性元件1024。上述美国专利的全部内容通过引用并入本文。

由系统100确定的上述位置和定向信息，以及由系统已知或输入到系统中的套管1022的长度和磁性元件1024相对于远侧针尖的位置，使得系统100能够准确地确定针1020的整个长度相对于传感器阵列1000的位置和定向。可选地，磁性元件1024与远侧针尖之间的距离由系统100已知或输入到系统100中。这又使得系统100能够将针1020的图像叠加在由探测器106的超声束1006产生的图像上。

现在参考图11A和图11B，根据一些实施方案，示出了用于在引导系统的显示器上描绘的可能的屏幕截图，其示出了针的位置和定向。图11A和图11B示出了将针叠加到超声图像上的示例。具体地，例如，图11A和图11B各自示出了可以在控制台102的显示器104上描绘的屏幕截图1030。在图11A中，示出了超声图像1032，其包括患者P的皮肤表面和皮下脉管1008(区域1039)的描绘。例如，超声图像1032对应于图11A和图11B中所示的由超声束1006所获取的图像。屏幕截图1030还示出了表示如上所述由系统100确定的实际针1020的位置和定向的针图像1034。因为系统能够确定针1020相对于传感器阵列1000的位置和定向，所以系统能够准确地确定针1020相对于超声图像1032的位置和定向，并将其叠加在其上，以便在显示器104上描绘为针图像1034。由处理器116或系统100的其他合适部件执行的合适算法来执行针图像1034在超声图像1032上的定位的协调。

具体地，图11A示出了在一个实施方案中，系统100可以基于如针图像1034所描绘的针1020的当前位置和定向来描绘投影路径1036。投影路径1036帮助临床医生确定如显示器104上的针图像1034所示的针1020的当前定向是否将导致到达期望的内部身体部分目标，诸如脉管1008。同样，当针图像1034的定向和/或位置改变时，投影路径1036被系统100相应地修改。图11B示出了在一个实施方案中，屏幕截图1030可以配置为使得超声图像1032和针图像1034被定向为以三维方面显示。这使得能够确定针1020的角度和定向(如针图像1034所描绘的)并与超声图像1032所成像的预期目标进行比较。应当注意，屏幕截图1030仅仅是由系统100产生的用于显示的可能描绘的示例。此外，应当理解，除了视觉显示器104之外，系统100还可以采用听觉信息，诸如蜂鸣声、音调等，以在将针定位和插入患者的过程中帮助临床医生。此外，可以经由探测器106以类似于上面至少关于图9A-图9D所讨论的方式将触觉反馈提供给临床医生。

根据一个实施方案，这里给出了关于系统100在结合患者的目标内部身体部分(“目标”)的超声成像来引导针或其他医疗设备中的使用的进一步细节。当配备有磁性元件的针1020定位在远离包括传感器阵列1000的超声探测器106的适当距离(例如，两英尺或更多英尺)处时，该探测器用于对患者体内的目标进行超声成像，以便在系统100的显示器104上描绘，针打算经由经皮插入与患者体内的目标相交。在校准系统100并诸如通过用户输入、自动检测或以其他合适的方式获得或确定针1020的总长度和/或磁性元件相对于远侧针尖的位置之后，然后将针1020带入探测器106的传感器阵列1000的传感器1002的范围。每个传感器1002检测与针1020的磁性元件1024相关联的磁场强度，该磁场强度被转发到处理器116。当传感器1002检测磁场时，处理器116执行算法以计算针1020的磁性元件1024在空间中相对于探测器的预测点处的磁场强度。处理器116然后将传感器1002检测到的实际磁场强度数据与计算出的磁场强度值进行比较(该过程的细节由上述美国专利进一步描述)。

可以迭代地执行该过程，直到预测点的计算值与测量数据匹配为止。一旦发生这种匹配，磁性元件1024就已经被定位在三维空间中。使用由传感器1002检测的磁场强度数据，还可以确定磁性元件1024的俯仰和偏航(即，定向)。与针1020的已知长度和针的远侧尖端相对于磁性元件的位置一起，这使得能够由系统100精确表示针的位置和定向，并在显示器104上描绘为虚拟模型，即，针图像1034。注意，在系统100的一个实施方案中，预测值和实际检测值必须在预定公差或置信水平内匹配，以使得能够发生针描绘。如参考图10A-图12所讨论的，关于针朝向患者体内脉管的引导的进一步细节在美国专利第9,456,766号中提供，该专利的全部内容通过引用并入本文。

参考图12，根据一些实施方案，示出了流程图，其示出了用于将针引导至患者体内的期望目标的方法的各个阶段。图12中所示的每个块表示在方法1200中执行的操作，该操作开始于阶段1202，在该阶段，例如通过成像系统(诸如超声成像设备)对患者的目标内部身体部分进行成像。在阶段1204，由成像系统中包括的一个或多个传感器感测医疗部件(诸如针)的可检测特征。在本实施方案中，针的可检测特征是针1020中包括的磁性元件1024的磁场，并且传感器是超声探测器106内包括的传感器阵列1000中包括的磁性传感器。

在阶段1206，通过感测可检测特征，在至少两个空间维度上确定医疗部件相对于目标内部身体部分的位置。如上所述，在本实施方案中，这种确定由控制台1120的处理器116做出。在阶段1208，表示医疗部件的位置的图像与目标内部身体部分的图像组合，用于在显示器上描绘。在阶段1210，向临床医生提供定向反馈，指导用于捕获内部身体部分的图像的超声探测器的移动(或确认位置)。定向反馈可以是如上所述的任何反馈。阶段1212示出可以反复重复阶段1204-1208，以描绘医疗部件相对于成像目标的推进或其他移动，诸如针1020朝向脉管1008的经皮插入(图11A、图11B)。应当理解，处理器116或其他合适的部件可以计算附加方面，包括用于在显示器104上描绘的图像1039和目标1038的区域(图11A、图11B)。

虽然本文已经公开了一些特定的实施方案，并且已经详细公开了特定的实施方案，但是特定的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 (6)

1.一种超声成像系统，其特征在于，包括：

超声探测器，其包括超声换能器阵列和定向系统，其中所述超声换能器被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，以便处理成超声图像和识别解剖目标，并且其中所述定向系统被配置为获得所述超声探测器的定向信息，以便确定所述超声探测器所需的将所述超声探测器放置在所述解剖目标上方相对于所述超声探测器的位置处的移动方向。

2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其特征在于，所述定向信息指示所述超声探测器相对于所述患者的皮肤表面在笛卡尔坐标系上的定位。

3.根据权利要求1所述的超声成像系统，其特征在于，所述超声探测器包括惯性测量单元，其配置为获得所述定向信息。

4.根据权利要求1所述的超声成像系统，其特征在于，所述超声探测器包括具有一个或多个芯纤维的光纤，其中所述一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的多个传感器，并且所述多个传感器中的每个传感器被配置为(i)基于接收到的入射光，反射不同光谱宽度的光信号，以及(ii)改变反射光信号的特性，用于确定所述光纤的物理状态。

5.根据权利要求1所述的超声成像系统，其特征在于，所述超声探测器的第一侧被配置为提供触觉反馈，其中所述第一侧对应于所述超声探测器所需的将所述超声探测器放置在所述解剖目标上方相对于所述超声探测器的位置处的移动方向。

6.根据权利要求1所述的超声成像系统，其特征在于，还包括：

针，其包括第二定向系统，所述第二定向系统配置为获得针定向信息。