KR20220106762A - 링-어레이형 초음파 촬상 - Google Patents

링-어레이형 초음파 촬상 Download PDF

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KR20220106762A
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하이총 장
료스케 츠무라
이촨 탕
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워세스터 폴리테크닉 인스티튜트
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Abstract

링-어레이형 전방향-보기(Ring-Arrayed Forward-viewing; RAF) 초음파 촬상 및 관리 장치는, 링 어레이를 정의하도록 원형 프레임으로 배열된 복수의 단일 요소 트랜스듀서를 포함하는 초음파(US) US 이미저, 및 복수의 렁-어레이형 트랜스듀서로 무선 주파수(RF) 데이터 획득을 수행하도록 링 어레이에 결합된 기구 자세 추적 회로를 결합한다. 바늘 홀스터는, 링 어레이에 동심으로 배치되고, 동심 바늘 홀스터에 의해 안내되는 링 어레이의 중심에 의해 정의된 축을 따라 바늘, 프로브, 또는, 추출 도구와 같은 삽입 기구를 수용하고 안내하도록 구성된다. 추적 회로는, 기구 자세 추적 및 US 촬상을 위한 명령어를 갖는 프로세서를 포함한다.

Description

링-배열 초음파 이미징
연방 지원 연구 및 개발에 대한 설명
본 발명은 국립보건원(National Institute for Health; NIH))이 수여한 보조금 DP5 OD028162에 의한 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대하여 소정의 권리를 갖는다.
의료 촬상은 비침습적 방식으로 해부학적 구조의 진단 보기를 제공한다. 임의의 종류의 침습적 절차에 앞서 해부학적 구조를 식별하고 평가할 수 있다. 이러한 기술은 일반적으로 정성적 평가를 위해 해부학적 특징을 반사하거나 굴절시키는 전파 매체를 포함한다. 통상적인 촬상 기술은, 초음파(Ultrasound; US), 컴퓨터 보조 토모그래피(Computer Assisted Tomography; CAT), 자기 공명 촬상(Magnetic Resonance Imaging; MRI), 엑스레이(X-Ray)를 포함하며, 이들 각각은 다양한 기능과 비용을 갖는다. 특히, 초음파는 저비용, 휴대성 및 임신과 같은 섬세한 환경에서 허용되는 양성 파형 매체에 유리하다.
바늘 삽입 동작과 동기화된 초음파 촬상을 볼 수 있는, 위치 맞춤이 필요 없는 초음파 유도 바늘 중재 보조 장치에 관한 것이다. 동심·링 어레이는 삽입 부위 주위에 원형 어레이로 초음파(US) 트랜스듀서들을 배치하는 반면, 음향 미러는 삽입 부위 및 바늘 경로와의 직접 정렬을 위한 신호를 포커싱하도록 US 신호를 반사한다. 링-어레이형 전방향-보기(Ring-Arrayed Forward-viewing; RAF) 초음파 촬상 시스템은, 경피 바늘이 삽입될 수 있는 링 내부의 영역 또는 개방 구멍을 갖는 프레임에 의해 정의된 트랜스듀서들의 링 어레이를 포함한다.
원형 어레이를 사용함으로써, 추가 위치 맞춤 없이 재구성된 화상의 중심에서 전방향-보기 US 화상 및 바늘 시각화를 제공한다. 전체 시스템은, 역전파 방식으로 획득된 RF 데이터에 기초하여 전방향 바늘 삽입 방향을 따라 B-모드 화상 재구성을 위한 무선 주파수(RF) 데이터 획득 수신기를 포함한다. 어레이의 중심의 삽입 부위 또는 그 근처에 배치된 음향 반사 미러는 바늘 축을 따라 추가 신호 피드백을 제공한다.
본원의 구성은, 초음파 촬상이 일부 환자에게 해로울 수 있는 자기 매체 및 방사선 매체보다는 비용, 크기 및 양성 음파 감지 매체를 포함하여 CAT, MRI, 및 엑스레이와 같은 다른 촬상 기술보다 이점을 갖는다는 관찰에 부분적으로 기초한다. 그러나, 초음파 감지에 대한 종래의 방안은, 생검 및 기타 절차를 위한 경피적 바늘 삽입과 같은 침습적 절차에 대해 수동 배치 및 정렬을 부과하는 단점이 있다. 이러한 중재 동안, 의사는, 주로 사용하는 손이 생검 바늘을 안내하기 때문에, 주로 사용하지 않는 손으로 바늘 삽입 방향을 안내하도록 US 프로브를 조작해야 하므로 바늘과 US 화상 간의 위치 관계가 의사의 경험에 의한 해석에 따라야 한다.
초음파 촬상의 안내 하에 생검 또는 절제와 같은 경괴적 바늘 중재는 많은 의학적 문제의 진단 및 치료를 위한 일반적인 절차였다. 그러나, 종래의 초음파 안내 경피적 바늘 중재는, 적절한 초음파 창을 유지하기 위해 바늘과 초음파 트랜스듀서 간의 손과 눈의 협응을 관리하는 데 고유한 어려움 때문에, 시술자 의존도가 높다. 초음파 트랜스듀서와 바늘은 두 개의 독립적인 엔티티이며, 바늘의 국부화 및 시각화가 손상되면 합병증의 위험이 증가할 수 있고 일차 효능이 감소할 수 있다. 따라서, 위치 맞춤 프로세스 없이 간단하고 직관적인 바늘 중재를 허용하는 화상 안내 장치에 대한 요구가 충족되지 않는다.
이에 따라, 본원의 구성은, 트랜스듀서에 대한 바늘 이동의 위치와 축을 정의하기 위해 원형 어레이의 중심에 있는 바늘 삽입 슬리브 둘레에 트랜스듀서들의 원형 어레이를 갖는 안내 장치를 제공함으로써 종래의 수동 프로브의 단점을 실질적으로 극복한다. 이에 따라 바늘 삽입은 바늘 삽입 경로를 따라 재구성 평면의 시각화를 허용하기 위해 트랜스듀서와의 고정 위치 맞춤에 이점이 있다. 시각화된 경로는, 수술 타겟을 향해 진행하는 바늘의 삽입 경로를 표시하는 렌더링된 화상의 축 위치와 상대 회전 모두를 정의하도록 인코더에 의해 또는 링 어레이와의 다른 맞물림에 의해 회전 가능하다.
스캐닝된 조직의 화상을 생성하기 위한 시스템, 방법, 및 장치는, 트랜스듀서들이 배치된 원형 프레임에 의해 트랜스듀서들의 원형 어레이가 정의되도록 원형 어레이로부터 신호들의 세트를 수신한다. 회전 인코더는 원형 어레이의 회전 위치에 의해 정의된 재구성 평면을 식별하고, 추적 및 촬상 회로는, 재구성 평면 상의 복수의 위치 각각에 대해, 원형 프레임 상의 트랜스듀서들의 각각으로부터 수신된 신호들의 세트에 있는 신호에 기초하여 대응 픽셀을 재구성함으로써, 수신된 신호들의 세트에 기초하여 화상을 생성한다.
본 발명의 상술한 목적, 특징, 이점, 및 다른 목적, 특징, 이점은, 동일한 참조 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 가리키는 첨부 도면에 예시된 바와 같이 본 발명의 특정 실시예에 대한 다음 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다.
도 1은 본원의 구성과 함께 사용하기에 적합한 의료 진단 환경의 시스템 컨텍스트 도면이다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 환경에서 초음파(US) 트랜스듀서의 위치를 도시한다.
도 3은 도 2a와 도 2b의 트랜스듀서에 의한 촬상을 위한 재구성 평면을 도시한다.
도 4는 도 1의 환경에서 도 2a, 도 2b, 및 도 3의 트랜스듀서를 사용하는 촬상 시스템을 도시한다.
도 5는 도 4의 시스템에서 촬상의 예시적인 포인트 타겟을 도시한다.
도 6은 도 4의 시스템을 사용하여 촬상하기 위한 흐름도를 도시한다.
도 7은 트랜스듀서들의 동심 링들을 사용하여 도 2a와 도 2b의 트랜스듀서의 대체 배열을 도시한다.
도 8a와 도 8b는 도 4의 시스템에서 바늘 축을 따라 촬상을 향상시키기 위해 음향 미러를 사용하는 대체 구성을 도시한다.
도 9는 화상을 생성하기 위한 도 8a와 도 8b의 음향 미러의 조작을 도시한다.
이하의 설명은, 표피에 배치된 RAF 장치와 함께 수술용 바늘, 통상적으로 경피용 바늘의 삽입 경로를 따라 평면을 정의하는 화상 데이터를 재구성하기 위한 RAF 장치의 일례를 제시한다. 도 1은 본원의 구성과 함께 사용하기에 적합한 의료 진단 환경(100)의 시스템 컨텍스트 도면이다. 도 1을 참조하면, 의사, 간호사, 또는 의료 기술자와 같은 조작자(101)가 삽입용 바늘(110)을 조작한다. 바늘 삽입용 RAF 장치(장치)(120)는 환자(114)의 표피면(112) 상에 안착된다. 회전가능한 원형 프레임(150)은, 수술 타겟(134)을 포함하는 재구성된 평면 화상(132)을 표시하는 초음파 신호를 수집하고, 신호를 처리 및 렌더링하고 바늘(110) 삽입의 시각적 피드백을 위해 모니터링 장치(142) 상에 화상(140)를 렌더링하고 수술 타겟(134)을 향하여 조준하도록, 회전한다. 프레임(150)은, 바늘(110)을 수술 타겟(134)으로 안내하기 위해 프레임(150)의 중심에 있는 외피(130)를 둘러싼다.
모니터링 장치(142)는 수술 타겟(134)의 화상(140)의 렌더링을 허용하여, 수술 타겟(134)이 재구성 평면(132) 상에 위치하고 바늘 삽입 외피(130)에 의해 정의된 궤적 상의 바늘과 정렬된 삽입 부위에 기초한다. 바늘 경로가 트랜스듀서들 간의 중심에 있으므로, 재구성된 평면 화상(132)은 재구성된 평면 화상(132)의 임의의 회전에서의 경로를 포함한다. 수술 타겟(134)은, 예를 들어, 생검 샘플을 검색하기 위한 영역 또는 성장일 수 있거나, 재구성된 평면(132)은 단순히 추가 촬상을 위한 진단 영역을 정의할 수 있다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 환경에서 초음파(US) 트랜스듀서의 위치를 도시한다. 도 1과 도 2를 참조하면, 장치(120)는 US 트랜스듀서들(트랜스듀서)(152-1...152-8(일반적으로 152)의 원형 프레임(150)을 포함한다. 적절한 수의 트랜스듀서를 사용할 수 있으며, 설명의 편의를 위해 8개가 도시되어 있지만, 실제 RAF 어레이는, 약 300개의 요소를 가질 수 있으며, 단지 충분한 해상도를 갖는 인코더를 사용하면 된다.
어레이(160)는, 트랜스듀서들(152)의 원형 어레이(160)로부터 신호들의 세트를 수신하는 단계를 포함하는 스캐닝된 조직의 화상을 생성하는 방법에 사용되며, 여기서 원형 어레이(160)는, 트랜스듀서들(152)이 배치된 원형 프레임(150)에 의해 정의된다. 인코더(아래에서 설명됨)로부터의 위치 입력에 기초하여, 원형 어레이(160)의 회전 위치에 의해 정의된 재구성 평면(132)이 식별된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 개별 트랜스듀서(152-1, 152-8, 152-5)는 음파 펄스(252-1, 252-8, 252-5)를 각각 방출한다. 화상(140)은, 재구성 평면(132) 상의 복수의 위치 각각에 대해, 트랜스듀서들(152) 각각으로부터 수신된 신호들의 세트(252')의 신호에 기초하는 대응 픽셀을 재구성함으로써, 화살표(252'-1...252'-8 및 252'-5(일반적으로 252')로 표시된 수신된 신호들의 세트에 기초하여 생성된다.
재구성 평면(132)의 식별은, 생성된 화상(140) 상에 표시된 타겟 위치(134)로 바늘을 안내하기 위해 바늘(110)을 슬라이딩 가능하게 수용하도록 구성된 바늘 위치설정 외피(130)에 기초하여 원형 어레이의 중심(164)과 재구성 평면을 정렬하는 것을 포함한다. 이는, 타겟 위치 및 바늘(110)이 재구성 평면(132)과 정렬되고 생성된 화상(140) 상에서 시각화되는 것을 보장한다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 트랜스듀서에 의한 촬상을 위한 재구성 평면(132)을 도시한다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 원형 트랜스듀서 어레이(160)와 재구성 평면(132)의 관계는, 삽입 부위 둘레의 프레임(150)의 이동에 기초하여 회전 위치(166)를 측정함으로써 트랜스듀서(152)의 중심(164) 내로의 바늘(110)의 삽입을 추적하여 관절형 바늘 자세에 대응하는 전방향-보기를 시각화하는 촬상 시스템(102)에 도시되어 있다. 좌표 평면(168) 및 회전 위치에 의해 정의된 각도 값에 기초한 연산은, 재구성 평면(132)에 기초하여 렌더링된 화상(140) 및 이러한 화상의 임의의 수술 타겟(134)을 연산한다. 수평 회전(166')은, 또한, 아래에서 더 설명하는 외피(130)를 약간 기울임으로써 달성될 수 있다.
재구성 평면을 생성하고 화상(140)을 텐더링할 때, 트랜스듀서 신호(252)가 방출되고, 재구성 평면(132)에 위치하는 조직으로부터 초음파 신호(252')가 복귀된다. 일반적으로, 복귀 신호(252)는 렌더링된 화상(140)에서 다양한 음영으로서 표시될 수 있는 조직의 상대 밀도를 나타낸다. 통상적인 핸드헬드 프로브의 종래의 선형 트랜스듀서 어레이와는 달리, 신호는 방출되어 원형 패턴으로 트랜스듀서(152)로 복귀되며, 따라서 이러한 원형 패턴은 신호가 수신되는 프레임(150)의 각도에 기초하여 가변한다.
개별 트랜스듀서로부터의 복귀 신호는 소위 A-모드 또는 A-라인 데이터를 정의한다. A-모드 복귀 신호(252')는, 예를 들어, 피하 지방과 근육이 만나는 두 개의 상이한 조직의 계면에서 스파이크 또는 피크를 갖는 파형을 생성한다. B-모드는 기본 조직의 2차원 화상을 스캐닝하는 반면 A-모드는 다르다. A-모드(진폭 모드)는 가장 단순한 유형의 초음파이다. A-모드에서, 단일 트랜스듀서는 깊이의 함수로서 발생하는 에코와 함께 신체를 통해 라인을 스캐닝한다. 2D 또는 (밝기 모드) 트랜스듀서들의 선형 어레이라고도 하는 B-모드는, 스크린 상에서 2차원 화상으로서 볼 수 있는 신체를 통해 평면을 동시에 스캐닝한다.
추적된 바늘 자세에 기초하여 전방향-보기 렌더링된 화상(140)을 시각화하기 위해, 빔포밍 기술을 이용하여 링-어레이형 단일 요소 트랜스듀서(152)에 의해 획득된 RF A-라인 데이터로 US 화상을 재구성한다. 합성 애퍼처 촬상과 평면파 촬상은, 한 번에 한 라인씩 순차적인 US 화상 데이터를 제공할 수 있는 종래의 재구성 방법이다. 예를 들어, 모노스태틱 합성 애퍼처 및 평면파 촬상 모두는, 화상의 효과적인 동적 범위 및 해상도를 제공할 수 있는 송신기 및 수신기와 동일한 트랜스듀서(152) 요소를 호출함으로써 간단한 데이터 획득을 수행하는 데 사용될 수 있다. 본원의 구성은, 모노스태틱 합성 애퍼처 촬상을 확장하여, 링-어레이형 단일 요소 트랜스듀서(152)에 기초하여 전방향-보기 렌더링된 화상(140)의 시각화를 가능하게 한다.
US 신호는, 투과 및 반사 파면이며, A-라인 RF 데이터를 정의하고, 각 트랜스듀서(152-N) 위치에서 수신되어, x-z 평면 B-모드 화상이 라인별로 형성된다. 한편, 링-어레이(150)에서, 재구성된 평면(132)과 RF A-라인 데이터를 수신하는 각 트랜스듀서(152) 위치 간의 위치 관계는 원형 배열 때문에 종래의 선형 어레이와는 다르다. 따라서, 단일 요소 트랜스듀서(152)의 링-어레이형 위치는 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pct00001
여기서 ei는 L개의 단일 요소 트랜스듀서의 수에서 제i 트랜스듀서의 위치를 나타낸다. 또한, r은 원형 어레이, 즉, 프레임(150)의 반경을 나타낸다.
링-어레이형 단일 요소 트랜스듀서에 의해 보정된 RF A-라인 데이터를 실시간으로 통합하기 위해, 역전파 방안이 적용되며, 아래의 도 5에 더 도시되어 있다. 이 방안은, 수집된 A-라인 데이터를 타겟 슬라이스를 시각화하는 데 사용되는 미리 정의된 2D 필드로 다시 투영할 수 있다. 역전파를 이용한 재구성은 다음과 같이 공식화될 수 있다.
Figure pct00002
여기서 ybf는 재구성된 총 RF 데이터이고, ybfe는 각 트랜스듀서 위치로부터 재구성된 RF 데이터이며, ypre는 수신된 원시 RF 데이터이고, m과 n은 재구성 화상에서 측 방향과 축 방향의 픽셀 정보를 각각 나타낸다. 미리 빔포밍된 데이터를 수집할 때 사용된 거리는 d이고, 트랜스듀서 위치는 e이다. 수신된 신호 거리는, 다음과 같이 재구성 화상의 픽셀 위치와 트랜스듀서 위치 사이의 유클리드 거리로 계산될 수 있다.
Figure pct00003
pm,n은 3D 세계 좌표계에서 m×n 매트릭스의 픽셀 위치를 나타내며, 이는 방사 방향으로 재구성 화상의 슬라이스 각도에 의존한다.
또한, 사이드 로브의 영향을 줄이기 위해, 초점 품질의 메트릭으로서 사용되는 코히어런트 인자가 적용된다. 이는 어레이 전체에 걸쳐 코히어런트 합과 인코히어런트 합 간의 비로서 정의된다. 코히어런트 인자는 높은 값과 낮은 값이 높은 품질과 낮은 품질의 화상을 각각 나타내도록 수행한다. 역전파 방안에 코히어런트 인자를 적용함으로써, 식 (2)가 다음과 같이 대체될 수 있다.
Figure pct00004
도 4는 도 1의 환경에서 도 2a, 도 2b, 및 도 3의 트랜스듀서를 사용하는 촬상 시스템을 도시한다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 링-어레이형 전방향-보기(Ring-Arrayed Forward-viewing; RAF) 초음파 촬상 및 투여 장치(102)가 더 자세히 도시되어 있다. 장치(102)는, 링 어레이(160)를 정의하기 위해 원형 프레임(150)에 배열된 복수의 단일 요소 트랜스듀서(152)를 포함하는 초음파(US) US 이미저(104), 및 복수의 링-어레이형 트랜스듀서(152)로 무선 주파수(RF) 데이터 획득을 수행하도록 링 어레이(160)의 각 트랜스듀서(152)에 결합된 초음파 촬상 및 추적 회로(170)를 포함한다. 촬상 로직(172)은, 신호(252)에 기초하여 화상(140)을 렌더링하기 위해 전술한 촬상을 수행하기 위한 프로세서 기반 명령어들의 세트를 포함한다.
바늘 홀스터(130)는, 링 어레이(160)에 동심으로 배치되고, 링 어레이(160)의 중심(164)에 의해 정의되고 수술 타겟(134)과 정렬되거나 거의 정렬된 축(111)을 따라 바늘(110)과 같은 삽입 기구를 수용하고 안내하도록 구성된다. 회전 인코더(174)는 추적 회로(170)에 회전 위치를 제공하도록 링(150)의 회전에 응답한다. 회전을 식별하고 보고하기 위한 임의의 적절한 메커니즘이 제공될 수 있다.
도시된 바와 같은 구성에서, 원형 어레이(150)는 각각의 트랜스듀서(152)에 대한 반경(180)을 정의하는 중심 축(111)을 갖는다. 복수의 트랜스듀서(152)는 원형 어레이(160)를 정의하도록 원형 프레임(150)에 배치되어, 트랜스듀서들(152)은 바늘 축(111)을 정의하는 바늘 삽입 외피(130) 둘레의 중심에 위치한다. 추적 회로(170)는, 거리가 반경에 기초하여 계산되도록 재구성 평면(132) 상의 위치로부터 각각의 개별 트랜스듀서(152)까지의 거리(136)에 기초한 값으로부터 렌더링된 화상(140) 상의 각 픽셀을 연산한다. 픽셀에 대응하는 각각의 위치는 트랜스듀서(152)로부터의 각도(137) 및 깊이(138)도 가지며, 이는 재구성 평면(132) 상의 위치를 정의하는 각도(137) 및 거리(136)의 함수이다. 원형 어레이(160)에서, 반경은 각각의 트랜스듀서에 대해 동일할 것이지만, 대체 구성에서, 원형 프레임(150)은 장축과 단축을 더 포함하는 타원형 또는 계란형 형태를 취할 수 있다. 어레이(150)를 타겟(134)에 대한 실제 수직 또는 법선 경로로부터 벗어나게 하는 외피(130)의 기울어짐에 기초하는 타원형을 또한 고려할 수 있다.
도 5는 도 4의 시스템에서 촬상의 예시적인 포인트 타겟을 도시한다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 원형 어레이(160)의 트랜스듀서(152) 위치(160')는 0도의 회전을 정의하는 재구성 평면(132)의 최상 경계와 정렬된 것으로 도시되어 있다. 감지 위치는, 타겟 깊이의 범위(165)에 기초하여 깊이가 증가하는 촬상된 위치의 하향 나선(161)으로서 도시된다. 추적 회로(170)는, 회전 신호가 원형 프레임(150)과 회전 통신하는 인코더(174)에 기초하도록 회전 신호를 수신한다. 회전에 따라, 추적 회로(170)는, 재구성 평면(132)에 대한 상대 트랜스듀서 위치가 하나 이상의 트랜스듀서 위치(160')를 이동시킴에 따라 회전 신호에 기초하여 제2 재구성 평면을 식별할 수 있다. 이어서, 추적 회로(170)는 하나 이상의 트랜스듀서 위치(160)의 시프트를 나타내는 제2 재구성 평면에 기초하여 화상(140)을 렌더링한다.
도 6은 도 4의 시스템을 사용하여 촬상하기 위한 흐름도를 도시한다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 흐름도(600)는 화상(140)을 생성하기 위한 시퀀스를 도시한다. 단계(601)에서, 촬상 장치(104)는, 장치(104)를 장착하기 위한 타겟 위치(134) 위로 간주되는 위치에서 환자(114) 상에 배치된다. 장치(104)를 장착한 후, RF 데이터는, 단계(603)에 도시된 바와 같이 장치(104)를 회전시킴으로써 바늘 자세가 설정되는 동안 단계(602)에 도시된 링-어레이형 트랜스듀서(152)로부터 연속적으로 수집된다. 전방향-보기 US 화상(140)은, 원형 어레이(160) 둘레의 각각의 트랜스듀서(152)로부터의 초음파(US) 빔의 방출에 기초하여 단계(604)에 개시된 바와 같이 바늘 자세에 기초하여 재구성되고 렌더링된다. 렌더링된 화상(140)은, 단계(605)에 도시된 (회전) 바늘 자세를 변경하거나 신체 표면(112) 상의 장치를 슬라이딩 가능한 방식으로 시프트함으로써 허용가능한 삽입 경로를 직접 평가하는 데 사용될 수 있으며, 이는 단계(605)에 도시되고 허용가능한 경로 축(111)이 발견될 때까지 반복적으로 수행된다. 일단 허용가능한 바늘(110) 삽입 경로가 발견되면, 단계(606)에 도시된 바와 같이 바늘 각도가 고정되고 삽입이 시작된다. 렌더링된 전방향-보기 화상(140)은, 단계(608)에 도시된 바와 같이 바늘이 축(111)을 따라 타겟(134)을 향해 전진함에 따라 바늘 위치(607)를 추적하기 위해 바늘 삽입 동안 실시간으로 지속적으로 업데이트된다. 추적 회로(170)는, 단계(609)에서 타겟에 도달할 때까지 바늘 삽입의 전방향을 따라 생성된 화상을 계속 렌더링한다.
동작 중에, 장치(304)가 위치하고 바늘(110)이 전진함에 따라, 트랜스듀서들(152)은 각각의 방출 트랜스듀서 또는 방출 트랜스듀서에 근접한 다중 트랜스듀서들의 조합에서 복귀 신호를 방출 및 수신한다. 각 트랜스듀서는 US 신호의 송수신을 위해 동작가능한 단일 요소 트랜스듀서이다. 추적 회로(170)는, 재구성 평면(132) 상의 복수의 위치 각각에 기초하여, 복수의 트랜스듀서(152)로부터의 복귀 신호에 기초하여 대응하는 픽셀에 대한 값을 연산한다. 다시 말하면, 트랜스듀서는 재구성 평면(132)의 깊이 및 폭에 대해 반복적인 방식으로 신호(252)를 방출하고 신호(252')를 수신한다. 재구성 평면 상의 각각의 스캐닝되거나 촬상된 위치에 대해, 추적 회로는, 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이 렌더링된 화상(140)에서 대응하는 픽셀의 값을 연산하기 위해 복귀 신호(252')를 수신하고 평가한다. 추적 회로(170)는, 생성된 화상(140)의 각 픽셀의 대응하는 픽셀에 대한 값의 연산을 재구성 평면(132) 상의 복수의 위치에 대해 반복한다. 각각의 트랜스듀서(152)는, 각각의 트랜스듀서(152)로부터의 재구성 평면(132) 상의 대응하는 위치에 대한 깊이, 거리 및 각도에 기초하여 복귀 신호(252')를 수신한다.
도 7은 트랜스듀서들의 동심 링을 사용하여 도 2a 및 도 2b의 트랜스듀서들의 대체 배열을 도시한다. 도 1 내지 도 7을 참조하면, 원형 프레임(150)은 트랜스듀서들(152)의 다중 동심 어레이(160-1...160-N)를 가질 수 있다. 각각의 트랜스듀서(152)는 원형 프레임의 중심까지의 거리에 기초하는 반경을 정의하여, 제1 링의 모든 트랜스듀서가 동일한 반경을 갖고, 외부 링의 모든 트랜스듀서는 제1 또는 최내측 링보다 크지만 동일한 반경을 갖는다.
프레임(150)은, 원형 프레임(150) 둘레의 복수의 반경(180-1...180-2)(일반적으로 180)에 따라 트랜스듀서들(152)을 배치하고, 재구성 평면(132) 상의 복수의 위치 각각까지의 거리 및 원형 프레임으로부터 각각의 위치까지 정의된 각도(137)로부터 화상(140)을 생성한다. 따라서, 각각의 동심 링은 증분 반경에 따라 층(181-1...181-3)(일반적으로 181)을 정의한다. 도 7의 다중 링 접근 방안에서, 링 어레이 구성의 설계 매개변수는, 주로 다음과 같은 1) 홀 반경(Rh), 2) 전체 링 어레이의 외측 반경(Ro), 3) 트랜스듀서 요소의 총 수(E), 4) 링 층의 수(Ne), 5) 도 7과 같이 각 링 층의 트랜스듀서 요소의 수(Me)가 중요하다. 트랜스듀서 요소(152)가 어레이(150) 평면에서 균등하게 이격되어 있다고 가정하면, 각 트랜스듀서 요소(e)의 위치는 다음과 같이 극좌표 시스템에서 정의될 수 있다.
Figure pct00005
여기서 dr 및 dθ는 방사상 방향을 따른 각 트랜스듀서 요소의 피치 거리 및 각 링 층의 각 트랜스듀서의 피치 각도를 나타내고, ne 및 me는 링 층의 층 번호 및 트랜스듀서 요소 번호를 나타내고, dr 및 dθ는 또한 다음과 같이 결정된다.
Figure pct00006
개념적 결과는, 단지 바늘 축(111)이 중심에 위치하는 중심 공극 또는 "구멍"의 크기가 가변한다는 점이다.
도 8a 및 도 8b는 링 어레이와 함께 유사한 동작을 위해 음향 미러를 사용하고 도 4의 시스템에서 바늘 축을 따라 촬상을 더욱 향상시키는 대체 구성을 도시한다. 도 4, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 간접 트랜스듀서(852)는 프레임(150)을 가로질러 연장되는 크로스멤버(800)에 부착된다. 트랜스듀서와 미러(854)의 반사 표면은 회전 및 병진 이동하여 3D 볼륨을 캡처할 수 있고 가능하게는 어레이(160)와 함께 등가 정보를 제공할 수 있다. 음향 미러(854)는 바늘 덮개(130)에 인접한 각도(통상적으로 45°)로 배치된다. 음향 미러(854)는 원형 프레임(150)의 중심에 배치되어, 반사 미러는 미러의 각도에 기초하여 신호를 재구성 평면(132) 상으로 반사하도록 신호에 응답하는 표면을 갖는다. 미러(854)는 바늘(110)의 통과를 허용하기 위한 애퍼처 또는 구멍(855)을 갖기에 그 구멍이 충분히 작아서 방출 및 복귀 신호를 실질적으로 방해하지 않지만 바늘 축(111)과 정렬되거나 실질적으로 정렬된 신호의 방향전환(redirection)을 허용한다. 따라서, 바늘(110)은 미러의 애퍼처(855)를 통해 수용되고, 추적 회로(170)는 반사된 신호를 수신된 신호들의 세트와 합치는 것에 기초하여 화상(170)을 생성한다. 트랜스듀서(852)는, 크로스멤버(800) 상에서 또는 광섬유를 통해 결합된 미러(854)에 근접하게 배치되고, 재구성 평면(132)에 평행한 90° 반사를 달성하기 위해 45° 미러에서 신호를 수평으로 송신한다.
도 8b는 트랜스듀서(852)로부터 빔(860)으로서 방출되고 서보-동작식 미러(854)를 향하는 신호의 반사를 예시한다. 서보 모터의 활성화에 따라, 미러(854)는 빔(860)을 상이한 조직 영역으로 반사하기 위한 854' 및 854"과 같은 다양한 위치로 회전 가능하다. 특정 구성에서, 트랜스듀서(852)는, 또한, 콘 빔을 생성하기 위한 것과 같은 액추에이터에 의해 병진 이동 및 회전될 수 있다. 표피면(112) 아래의 대체 수술 타겟(134-0...134-2)은 서보 모터에 의한 회전에 응답하여 미러(854)의 위치에 기초하여 빔(869)에 의해 촬상될 수 있다. 1차원이 도시되어 있지만, 짐벌과 같은 프레임 또는 조립체에 미러(854)를 배치함으로써 2차원의 회전을 달성할 수 있다.
도 8b에서, 854'에 의해 정의된 각도로의 미러의 회전은 빔(860')을 수술 타겟(134-1)으로 반사한다. 유사하게, 참조번호(854")에 의해 정의된 각도에 의해 더 단단한(더 예리한) 각도가 달성되어 빔(860")을 수술 타겟(134-2)을 향해 반사한다. 더 큰 스캔 영역은, 빔(860)의 화상 영역을 134-0, 134-1 및 134-2와 같이 연속적으로 가짐으로써 더 적은 수의 트랜스듀서로 덮일 수 있다.
트랜스듀서(852)의 병진 이동과 회전을 전동화하고 초음파 빔을 구부려 음향 미러(854)를 반사기로서 사용하여 의도된 재구성 영역을 덮음으로써, 추가 향상을 달성할 수 있다. 반사 미러는, 전방향으로 발사된 US 빔을 반사하는 각도로 어레이의 앞에 위치한다. 따라서, 1D 어레이와 반사 미러 사이의 상대 각도가 45°로 설정되면, 전방향으로 발사된 US 빔은 90° 반사될 수 있다. 이러한 방안은 어레이와 반사기 사이의 상대 각도 및 위치의 조정에 기초하여 가변 각도 B-모드 슬라이스를 제공하며, 체적 화상은 1D 어레이와 반사기의 병진 운동과 회전 운동을 통해 연속적으로 획득되는 직렬 B-모드 슬라이스의 구성으로서 형성될 수 있다. 이 구성에서 평면외 합성 애퍼처 빔포밍을 통합함으로써 고해상도 3D 촬상을 달성할 수 있다.
도 9는 화상을 생성하기 위한 도 8a 및 도 8b의 음향 미러의 조작을 도시한다. 미러(854)는, 1D 선형 어레이 트랜스듀서(852')를 이용하여 US 빔 및 음향 반사기(854)를 방출 및 수신함으로써 바늘 삽입의 전방향-보기의 시각화를 향상시킨다. 도시된 예에서, 트랜스듀서(852')는 전술한 152에서와 같이 단일 요소일 수 있거나, 어레이일 수 있다. 방출된 빔은, 먼저 바늘 축(111)에 수직인 수평 경로를 따라 예비 미러(854')에 의해 반사된 후, 바늘 축(111)을 따라 미러(854)에 의해 바늘(110)에서 다시 반사되어, 바늘(110)이 애퍼처(855)를 통과하여 수술 타겟(134)으로 계속 향한다. 미러의 기동된 이동과 각도(회전)는, 트랜스듀서 빔이 촬상된 영역 위로 방향전환함에 따라 더 큰 영역의 촬상을 허용한다.
통상의 기술자는, 본원에 정의된 프로그램 및 방법이 a) ROM 장치와 같은 기입불가 저장 매체에 영구적으로 저장된 정보, b) 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 및 미디어, 플래시 드라이브, 플로피 디스크, 자기 테이프, CD, RAM 장치, 기타 자기 및 광학 매체와 같은 기입가능한 비일시적 저장 매체에 변경 가능하게 저장된 정보, 또는 c) 인터넷이나 전화 모뎀 회선과 같은 전자 네트워크에서와 같이 통신 매체를 통해 컴퓨터에 전달되는 정보를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 형태로 사용자 처리 및 렌더링 장치에 전달될 수 있다는 점을 쉽게 인식할 것이다. 동작 및 방법은, 가상 기계 및 하이퍼바이저 피제어 실행 환경을 포함하는 명령어에 응답하는 프로세서에 의한 실행을 위한 소프트웨어 실행가능 객체 또는 인코딩된 명령어들의 세트로 구현될 수 있다. 대안으로, 본원에 개시된 동작 및 방법은, 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuits; ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGA), 상태 기계, 제어기 또는 기타 하드웨어 구성요소 또는 장치와 같은 하드웨어 구성요소, 또는 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어 구성요소들의 조합을 사용하여 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다.
본원에 정의된 시스템 및 방법을 이들의 실시예를 참조하여 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 통상의 기술자라면, 청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 스캐닝된 조직의 화상을 생성하는 방법으로서,
    트랜스듀서들의 원형 어레이로부터 신호들의 세트를 수신하는 단계로서, 상기 원형 어레이는 상기 트랜스듀서들이 배치된 원형 프레임에 의해 정의되는, 단계;
    상기 원형 어레이의 회전 위치에 의해 정의된 재구성 평면을 식별하는 단계; 및
    상기 재구성 평면 상의 복수의 위치 각각에 대하여, 상기 트랜스듀서들의 각각으로부터 상기 수신된 신호들의 세트에 있는 신호에 기초하여 대응 픽셀을 재구성함으로써 상기 수신된 신호들의 세트에 기초하여 화상을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 생성된 화상 상에 표시된 타겟 위치로 바늘을 안내하기 위해 바늘을 슬라이딩 가능하게 수용하도록 구성된 바늘 위치설정 외피(needle positioning sheath)에 기초하여 상기 재구성 평면을 상기 원형 어레이의 중심과 정렬하는 단계를, 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원형 어레이는, 상기 트랜스듀서들의 각각에 대한 반경을 정의하는 중심을 갖고,
    상기 재구성 평면 상의 위치로부터의 트랜스듀서까지의 거리에 기초하는 값으로부터 각 픽셀을 연산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 거리는 상기 반경에 기초하여 연산되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 복수의 트랜스듀서를 원형 프레임에 배치하여 원형 어레이를 정의하는 단계를 더 포함하고, 상기 트랜스듀서들은 바늘 삽입 외피 둘레의 중심에 있는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 원형 프레임과 회전 통신하는 인코더에 기초하는 회전 신호를 수신하는 단계;
    상기 회전 신호에 기초하여 제2 재구성 평면을 식별하는 단계; 및
    상기 제2 재구성 평면에 기초하여 화상을 렌더링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 수술 타겟의 화상을 렌더링하는 단계를 더 포함하고, 상기 수술 타겟은, 상기 재구성 평면 상에 위치하며, 상기 바늘 삽입 외피에 의해 정의된 궤적 상의 바늘과 정렬된 삽입 부위에 기초하는, 방법.
  7. 제2항에 있어서, 바늘 삽입의 전방향(forward direction)을 따라 상기 생성된 화상을 렌더링하는 단계를 더 포함하고,
    상기 원형 어레이 둘레로 상기 트랜스듀서들의 각각으로부터 초음파(ultrasonic; US) 빔을 방출하는 단계;
    방출하는 트랜스듀서에서 복귀 신호를 수신하는 단계로서, 각 트랜스듀서는 US 신호들의 송수신을 위해 동작가능한, 단계;
    상기 재구성 평면 상의 위치에 기초하여, 상기 복수의 트랜스듀서로부터의 복귀 신호에 기초하는 대응 픽셀에 대한 값을 연산하는 단계;
    상기 재구성 평면 상의 복수의 위치에 걸쳐, 상기 생성된 화상의 각 픽셀의 대응 픽셀에 대한 값을 반복적으로 연산하는 단계; 및
    각 트랜스듀서로부터 상기 재구성 평면 상의 대응 위치에 대한 깊이, 거리, 및 각도에 기초하여 상기 복귀 신호를 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 타겟 위치와 바늘은 상기 재구성 평면과 정렬되고 상기 생성된 화상 상에서 시각화되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 반사 미러의 각도에 기초하여 상기 신호들을 반사하도록 상기 신호들에 응답하는 면을 갖는 상기 반사 미러를 상기 원형 프레임의 중심에 배치하는 단계;
    상기 바늘을 상기 미러의 애퍼처를 통해 수용하는 단계; 및
    상기 반사된 신호들과 상기 수신된 신호들의 세트와 합한 것에 기초하여 화상을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 적어도 하나의 트랜스듀서를 상기 미러에 근접하게 배치하고, 상기 미러에 근접해 있는 트랜스듀서에서 상기 반사된 신호들을 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 촬상용 타겟 위치에 기초하는 각도와 위치에 기초하여 상기 미러를 기동하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제3항에 있어서, 상기 트랜스듀서들의 각각은 상기 원형 프레임의 중심까지의 거리에 기초하는 반경을 정의하고,
    상기 원형 프레임 둘레로 복수의 반경에 따라 상기 트랜스듀서들을 배치하는 단계; 및
    상기 재구성 평면 상의 복수의 위치의 각각까지의 거리 및 상기 원형 프레임으로부터 각 위치까지 정의된 각도로부터 화상을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 링-어레이형 포워드-뷰잉(Ring-Arrayed Forward-viewing; RAF) 초음파 촬상 및 관리 장치로서,
    링 어레이를 정의하도록 원형 프레임으로 배열된 복수의 단일 요소 트랜스듀서를 포함하는 초음파(ultrasonic; US) 이미저;
    복수의 링-어레이형 트랜스듀서로 무선 주파수(RF) 데이터 획득을 수행하도록 상기 링 어레이에 결합된 기구 자세 추적 회로; 및
    상기 링 어레이에 동심으로 배치되고, 상기 링 어레이의 중심에 의해 정의된 축을 따라 삽입 기구를 수용하고 안내하도록 구성된 바늘 홀스터(needle holster)를 포함하는, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 추적 회로는, 추적된 기구 자세 및 역전파 방법으로 획득된 RF 데이터에 기초하여 전방향 기구 삽입 방향을 따른 기구 자세 추적 및 US 화상 재구성을 위한 명령어를 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 바늘 홀스터는, 전진하는 삽입 기구와 재구성된 US 화상 간의 위치 관계가 운동학적으로 고정되도록 상기 링-어레이형 트랜스듀서들의 중심에 기계적으로 고정된, 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 추적 회로는, 상기 링-어레이형 트랜스듀서들을 사용하여 수집된 RF 데이터에 의해 정의된 방사형 슬라이스를 따라 B-모드 US 화상을 재구성하도록 구성되어, 상기 US 화상의 중심에 기초하는 바늘 삽입의 전방향 보기(forward-viewing)가 바늘 삽입 경로와 일치하여 재구성된 화상을 정의하는, 장치.
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