WO2023082303A1

WO2023082303A1 - 椎骨钉道血管成像方法、系统及椎骨钉道创建引导装置

Info

Publication number: WO2023082303A1
Application number: PCT/CN2021/131480
Authority: WO
Inventors: 徐依雯; 邵维维; 崔崤峣; 焦阳; 李索远; 沈军
Original assignee: 苏州国科昂卓医疗科技有限公司
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2023-05-19
Also published as: CN114041826B; CN114041826A

Abstract

一种椎骨钉道血管成像方法、系统及椎骨钉道创建引导装置，该成像方法包括以下步骤：1)采集多帧重复频率的回波时间序列数据；2)分割成相邻之间有一定重叠率的多个深度窗；3)将时序信号转变成声谱图；4)提取最大多普勒频移曲线，计算该深度窗的加强功率谱指数；5)输出加强功率谱指数曲线；6)获取一周内各个角度位置的加强功率谱指数曲线；7)综合所有的加强功率谱指数曲线，得到二维血流图像，提取得到椎骨钉道外周的血管位置信息。采用多普勒功率谱并提取相关指数，通过滑动深度窗获取加强功谱勒指数曲线，反映血流信号强度随深度的变化，能检测到被骨壁衰减后的血流信号，可获得骨壁后血流的位置信息。

Description

椎骨钉道血管成像方法、系统及椎骨钉道创建引导装置

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，特别涉及一种椎骨钉道血管成像方法、系统及椎骨钉道创建引导装置。

背景技术

多种脊柱疾病需采用脊柱融合固定手术进行治疗，此类手术中椎弓根螺钉被广泛应用。在临床实践中螺钉错位容易引起并发症，为了降低错位风险，临床上采用了多种导航技术，以提高螺钉放置的准确率。临床上常用的方法有C-arm、C导航、3D X光透视检查等，但这些技术存在辐射高、兼容性低、成本高等缺点，而超声具有实时性强、应用范围广、操作性强、成本低、无辐射等优点，是未来脊柱固定手术导航的一种更有前景的选择。目前超声在脊柱固定术中的应用主要为术中钉道完整度评估，即在钉道打通后未置入螺钉前以二维超声图像评估钉道是否破损，来判断置入螺钉是否会压迫或穿破脊柱周边主要血管——椎动脉。然而，在打通钉道的过程中，钉道走向全凭术前预案和医师的经验手法，如何预防椎动脉被直接穿破或局部点破是个极大的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种椎骨钉道血管成像方法、系统及椎骨钉道创建引导装置，其原理是利用高重复频率的脉冲回波获取动脉血流的多普勒信息，通过功率谱加强的方式补偿超声穿过骨壁的衰减，在骨壁足够薄的条件下可以测量椎动脉血流信息，以得到椎骨钉道外周的血管位置信息。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种椎骨钉道血管成像方法，包括以下步骤：

1)通过超声探头以一个固定角度在钉道内采集多帧重复频率的回波时间序列数据；

2)将步骤1)得到的回波时间序列数据进行距离选通处理，在深度方向上分割成相邻之间有一定重叠率的多个深度窗；

3)对步骤2)得到的多个深度窗取其中一个，进行脉冲多普勒信号处理，将时序信号转变成声谱图；

4)从步骤3)得到的声谱图中提取最大多普勒频移曲线，并在此基础上计算该深度窗的加强功率谱指数；

5)滑动深度窗，重复所述步骤3)-步骤4)，依次获得所有的深度窗的加强功率谱指数，从而得到采集的回波时间序列数据在不同深度上的加强功率谱指数，然后输出加强功率谱指数曲线；

6)每次将超声探头旋转一定的角度，重复步骤1)-步骤5)，得到下一个角度位置的加强功率谱指数曲线，直至超声探头旋转360°，得到一周内各个角度位置的加强功率谱指数曲线；

7)综合所有的加强功率谱指数曲线，得到二维血流图像，提取得到椎骨钉道外周的血管位置信息。

优选的是，所述步骤1)中，所述超声探头发出的超声信号的脉冲重复频率为1k至5K，深度上覆盖全部感兴趣区域。

优选的是，所述超声探头为侧视微型低频超声探头，其发射的频率范围至少覆盖1MHz至4MHz。

优选的是，所述超声探头的尺寸不大于5mm。

优选的是，在所述声谱图中，横轴为时间信息，纵轴为多普勒频移信息。

优选的是，所述声谱图由N条不同时间点输出的频谱线组成，从所述声谱图中提取加强功率谱指数的方法包括以下步骤：

4-1)提取最大多普勒频移曲线，记为

每条频谱线有一个最大多普勒频移，多个最大多普勒频移值连接形成最大多普勒频移曲线；

4-2)提取功率谱密度曲线：Ψ _n(f)，将每条频谱计算转变为功率谱密度曲线，Ψ _n(f)随n变化；

4-3)对每条频谱线求最大多普勒频移之下的功率谱密度积分；

4-4)对N条频谱线，求功率谱密度积分平均值，记为ESPI，ESPI即为加强功率谱指数，具体公式如下：

本发明还提供一种椎骨钉道血管成像系统，其采用如上所述的方法对椎骨钉道外周的血管进行超声成像。

本发明还提供一种椎骨钉道创建引导装置，其包括如上所述的椎骨钉道血管成像系统、导航预警模块以及侧视微型低频超声探头。

优选的是，钻孔器进行椎骨钉道创建过程中，所述侧视微型低频超声探头采集椎骨钉道的超声图像，所述椎骨钉道血管成像系统实现椎骨钉道外周的血管进行超声成像，得到血管位置信息并标注在超声图像上，所述导航预警模块结合得到的血管位置信息对钻孔器的椎骨钉道创建方向进行导航，当钻孔器与血管距离小于阈值时，导航预警模块发出预警信号，以对钻孔器的方向进行引导。

本发明的有益效果是：

本发明提供的椎骨钉道血管成像方法，采用多普勒功率谱并提取相关指数，通过滑动深度窗获取加强功谱勒指数曲线，反映血流信号强度随深度的变化，能检测到被骨壁衰减后的血流信号，通过超声成像可获得骨壁后血流的位置信息；

本发明提供的椎骨钉道创建引导装置通过椎骨钉道血管成像系统获取椎骨钉道外周的血管位置信息，在钻孔器进行椎骨钉道创建过程中，能够对钻孔器的行进方向进行引导，可械避开血管位置，能大大降低术中直接破坏椎动脉导致大出血的概率；并且可减少容纳椎动脉的骨通道被穿破概率，保证了骨通道完整性，有利于患者术后恢复，进一步的骨壁未破损就可避免骨愈合过程中对椎动脉形成压迫，因此降低了二次手术发生的可能性；椎骨钉道创建引导装置不需要手术者掌握足够的经验，血管位置信息直接标注在超声图像上，且钻孔器与血管距离小于阈值时，导航预警模块能发出预警信号，易于操作使用。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的椎骨钉道血管成像方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例1中的声谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

参照图1，本实施例的一种椎骨钉道血管成像方法，包括以下步骤：

1)通过超声探头以一个固定角度在钉道内采集多帧高脉冲重复频率的回波时间序列数据；脉冲重复频率为1k至5K，深度上覆盖全部感兴趣区域(可预先设定包括一定深度范围内的血管的区域作为感兴趣区域)。

在优选的实施例中，超声探头采用侧视微型低频超声探头，超声探头的尺寸不大于5mm(直径方向的尺寸，因为一般钉道直径不超过6mm，需保证超声探头可深入钉道)。

2)将步骤1)得到的回波时间序列数据进行距离选通处理，在深度方向上分割成相邻之间有一定重叠率的多个深度窗。

3)对步骤2)得到的多个深度窗取其中一个，进行脉冲多普勒信号处理，将时序信号转变成声谱图；声谱图中，横轴为时间信息，纵轴为多普勒频移信息。

4)从步骤3)得到的声谱图中提取最大多普勒频移曲线，并在此基础上计算该深度窗的加强功率谱指数。

5)滑动深度窗，重复步骤3)-步骤4)，依次获得所有的深度窗的加强功率谱指数，从而得到采集的回波时间序列数据在不同深度上的加强功率谱指数，然后输出加强功率谱指数曲线。

6)每次将超声探头旋转一定的角度，重复步骤1)-步骤5)，得到下一个角度位置的加强功率谱指数曲线，直至超声探头旋转360°，得到一周内各个角度位置的加强功率谱指数曲线。

在优选的实施例中，声谱图由N条不同时间点输出的频谱线组成，从声谱图中提取加强功率谱指数的方法包括以下步骤：

4-1)提取最大多普勒频移曲线，记为

4-3)对每条频谱线求声包络下也即最大多普勒频移之下的功率谱密度积分；参照图2,；

4-4)对N条频谱线，求功率谱密度积分平均值，记为ESPI(Enhanced Spectral Power Index)，ESPI即为加强功率谱指数，具体公式如下：

实施例2

本实施例提供一种椎骨钉道血管成像系统，其采用实施例1的方法对椎骨钉道外周的血管进行超声成像。

实施例3

本实施例提供一种椎骨钉道创建引导装置，其包括实施例2的椎骨钉道血管成像系统、导航预警模块以及侧视微型低频超声探头。

在优选的实施例中，该椎骨钉道创建引导装置的工作步骤为：钻孔器进行椎骨钉道创建过程中，侧视微型低频超声探头采集椎骨钉道的超声图像，椎骨钉道血管成像系统实现椎骨钉道外周的血管进行超声成像，得到血管位置信息并标注在超声图像上，导航预警模块结合得到的血管位置信息对钻孔器的椎骨钉道创建方向进行导航，当钻孔器与血管距离小于阈值时，导航预警模块发出预警信号，以对钻孔器的方向进行引导，械避开血管方向，以降低术中直接破坏椎动脉导致大出血的概率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

一种椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过超声探头以一个固定角度在钉道内采集多帧重复频率的回波时间序列数据；

2)将步骤1)得到的回波时间序列数据进行距离选通处理，在深度方向上分割成相邻之间有一定重叠率的多个深度窗；

3)对步骤2)得到的多个深度窗取其中一个，进行脉冲多普勒信号处理，将时序信号转变成声谱图；

4)从步骤3)得到的声谱图中提取最大多普勒频移曲线，并在此基础上计算该深度窗的加强功率谱指数；

5)滑动深度窗，重复所述步骤3)-步骤4)，依次获得所有的深度窗的加强功率谱指数，从而得到采集的回波时间序列数据在不同深度上的加强功率谱指数，然后输出加强功率谱指数曲线；

6)每次将超声探头旋转一定的角度，重复步骤1)-步骤5)，得到下一个角度位置的加强功率谱指数曲线，直至超声探头旋转360°，得到一周内各个角度位置的加强功率谱指数曲线；

7)综合所有的加强功率谱指数曲线，得到二维血流图像，提取得到椎骨钉道外周的血管位置信息。
根据权利要求1所述的椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述超声探头发出的超声信号的脉冲重复频率为1k至5K，深度上覆盖全部感兴趣区域。
根据权利要求2所述的椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，所述超声探头为侧视微型低频超声探头，其发射的频率范围至少覆盖1MHz至4MHz。
根据权利要求1所述的椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，所述超声探头的尺寸不大于5mm。
根据权利要求3所述的椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，在所述声谱图中，横轴为时间信息，纵轴为多普勒频移信息。
根据权利要求5所述的椎骨钉道血管成像方法，其特征在于，所述声谱图由N条不同时间点输出的频谱线组成，从所述声谱图中提取加强功率谱指数的方法包括以下步骤：

4-1)提取最大多普勒频移曲线，记为
每条频谱线有一个最大多普勒频移，多个最大多普勒频移值连接形成最大多普勒频移曲线；

4-2)提取功率谱密度曲线：Ψ _n(f)，将每条频谱计算转变为功率谱密度曲线，Ψ _n(f)随n变化；

4-3)对每条频谱线求最大多普勒频移之下的功率谱密度积分；

4-4)对N条频谱线，求功率谱密度积分平均值，记为ESPI，ESPI即为加强功率谱指数，具体公式如下：
一种椎骨钉道血管成像系统，其特征在于，其采用如权利要求1-6中任意一项所述的方法对椎骨钉道外周的血管进行超声成像。
一种椎骨钉道创建引导装置，其特征在于，其包括如权利要求7所述的椎骨钉道血管成像系统、导航预警模块以及侧视微型低频超声探头。
根据权利要求1所述的椎骨钉道创建引导装置，其特征在于，钻孔器进行椎骨钉道创建过程中，所述侧视微型低频超声探头采集椎骨钉道的超声图像，所述椎骨钉道血管成像系统实现椎骨钉道外周的血管进行超声成像，得到血管位置信息并标注在超声图像上，所述导航预警模块结合得到的血管位置信息对钻孔器的椎骨钉道创建方向进行导航，当钻孔器与血管距离小于阈值时，导航预警模块发出预警信号，以对钻孔器的方向进行引导。