利用二維成像探頭的三維針定位的制作方法
【專利摘要】一種成像系統和方法包括醫療設備（102），所述醫療設備具有安裝于其上的跟蹤元件（106）。換能器的陣列（109）被彼此間隔開，以在受試者中在所述跟蹤元件與所述換能器的陣列之間交換能量。三邊測量模塊（104）被配置為解讀在所述跟蹤元件與所述換能器的陣列之間感測到的信號，以計算與所述陣列中的所述換能器相關聯的信號飛行時間，使得在至少二維中確定所述跟蹤元件的位置，以在可視圖像中定位所述醫療設備的位置。
【專利說明】利用二維成像探頭的三維針定位
【技術領域】
[0001]本公開涉及醫療設備和程序，更具體而言，涉及用于使用一維或二維成像探頭在三維中進行醫療設備定位的系統和方法。
【背景技術】
[0002]通常在超聲引導下執行針插入，例如用于活體檢查、引流、神經阻滯、血管進入等。已經基于大致垂直于針桿的導向成像束成功地實施了針可視化技術(使用例如針可視化增強軟件)。
[0003]在大量情況下，由于組織的不均勻性和斜面不對稱性，針會偏離成像平面。不管針可視化增強軟件如何智能，處于面外的針都會消失，因為針根本接收不到超聲能量。于是，臨床醫師必須移動成像換能器尋找針，并且經常失去原始目標平面。此外，臨床醫師不知道針相對于成像平面的位置，因此沒有如何移動換能器以尋找針的指示。
【發明內容】
[0004]根據本發明原理，一種成像系統和方法包括醫療設備，所述醫療設備具有安裝于其上的跟蹤元件。換能器的陣列具有彼此間隔開的換能器，以在受試者中在所述跟蹤元件與所述換能器的陣列之間交換能量。三邊測量模塊被配置為解讀在跟蹤元件與所述換能器的陣列之間感測到的信號，以計算與所述陣列中的所述換能器相關聯的信號飛行時間，使得至少在二維中確定跟蹤元件的位置，以在可視圖像中定位所述醫療設備的位置。
[0005]通過結合附圖閱讀本公開的說明性實施例的下文詳細描述，本公開的這些以及其他目的、特征和優點將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]本公開將參考下面的附圖詳細介紹下文對優選實施例的描述，其中:
[0007]圖1是根據一個說明性實施例的示出了用于對醫療設備成像的一種系統/方法的框圖/流程圖；
[0008]圖2A是根據一個說明性實施例的示出了發源于探頭的換能器陣列元件的飛行時間球的側視圖的圖示；
[0009]圖2B是根據一個說明性實施例的示出了發源于探頭的陣列元件的飛行時間球的正視圖并示出了真實與對稱交點的圖示；
[0010]圖3是根據本發明原理的示出了三個相交球以演示三邊測量的透視圖；
[0011]圖4是根據本發明原理的具有針的三維繪制的二維超聲圖像；
[0012]圖5A是根據一個實施例的示出了被聚焦/波束形成以形成虛擬發射器元件的物理陣列的元件的示意圖；
[0013]圖5B是根據另一實施例的示出了在物理陣列之后形成的虛擬元件的示意圖；
[0014]圖5C是根據另一實施例的示出了被波束形成以基于信號延遲形成了虛擬接收器元件的物理陣列的元件的示意圖；并且
[0015]圖6是根據另一說明性實施例的示出了用于對醫療設備成像的一種系統/方法的框圖/流程圖。
【具體實施方式】
[0016]根據本發明原理，需要同時對醫療設備的目標平面、相對位置和(例如，相對于目標平面的目標解剖結構的)軌跡同時成像，以避免與在程序期間失去平面外針的圖像相關的問題。在臨床介入的廣闊范圍中，使用一維(1D)超聲探頭實現相對于解剖結構的針的二維(2D)可視化。然而，當針和工具位于成像平面以外時無法評估針和工具的位置。提供本系統和方法以對平面外的針進行跟蹤和可視化，而不失去目標解剖結構圖像。在一個實施例中，這是使用簡單的一維(1D)探頭(用于2D成像)而實現的或者使用二維(2D)探頭用于3D成像而實現的。還提供了用于使用1D陣列評估針相對于成像平面的3D位置的方法。
[0017]將超聲元件(無源和有源的)嵌入到被跟蹤的工具中，例如，嵌入到工具的頂端。在三維(3D)三角測量或三邊測量例程當中使用在被跟蹤的元件與成像探頭的多個元件之間的超聲信號飛行時間，以得到被跟蹤的元件的位置。因此，不需要昂貴的額外裝置(例如，矩陣式陣列)就極大地方便了超聲引導針的介入。
[0018]還應當理解，將就醫療儀器而言來描述本發明；然而，本發明的教義要寬得多，并適用于在跟蹤或分析復雜 生物或機械系統中采用的任何儀器。具體而言，本發明原理適用于生物系統的內部跟蹤程序，在諸如肺、胃腸道、排泄器官、血管的所有身體區域中的程序等。在附圖中描繪的元件可以通過各種硬件和軟件的組合來實施，并提供可以組合到單個元件或多個元件中的功能。
[0019]能夠通過使用專用硬件以及能夠與適當的軟件結合的來執行軟件的硬件，來提供附圖所示的各種元件的功能。當由處理器提供功能時，能夠由單個專用處理器、單個共享處理器或者多個獨立處理器(其中一些能夠被共享)提供功能。此外，不應將術語“處理器”或“控制器”的明確使用解釋為排他性地指代能夠執行軟件的硬件，而是能夠隱含地包括但不限于數字信號處理器(DSP)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、非易失性存儲設備等。
[0020]此外，文中所有詳述本發明的原理、方面和實施例以及其具體范例的陳述旨在包含其結構和功能等價物。此外，使這樣的等價物旨在包括當前已知的等價物，以及未來開發的等價物(即，所開發出的執行相同功能的元件，而不管其結構如何)。因而，例如，本領域技術人員將認識到，文中呈現的框圖表示體現本發明的原理的說明性系統部件和/或電路的概念圖。類似地，應當認識到，任何流程表、流程圖等均表示實質上可以在計算機可讀存儲介質中表示，因而可以由計算機或處理器執行的各種過程，而不管是否明確示出了這樣的計算機或處理器。
[0021]此外，本 發明的實施例能夠采取計算機程序產品的形式，所述計算機程序產品可從提供程序代碼的計算機可用或計算機可讀存儲介質被訪問，以由計算機或任何指令執行系統使用或者與計算機或任何指令執行系統結合使用。就本說明書的目的而言，計算機可用或計算機可讀存儲介質能夠是任何可以包括、存儲、通信、傳播或發送由指令執行系統、裝置或設備使用或與指令執行系統、裝置或設備結合使用的程序的裝置。所述介質能夠是電子、磁、光學、電磁、紅外或半導體系統(或裝置或設備)或傳播介質。計算機可讀介質的范例包括半導體或固態存儲器、磁帶、可移除計算機盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、剛性磁盤和光盤。當前的光盤的范例包括壓縮盤一只讀存儲器(CD-ROM)、壓縮盤一讀 / 寫(CD-R/W)和 DVD。
[0022]現在參考附圖，其中，類似的附圖標記表示相同或類似的元件，首先參考圖1，說明性地示出了一種用于執行醫療程序的系統100。系統100可以包括對程序進行監督和管理的工作站和控制臺112。程序可以包括任何包括但不限于活體檢查、消融、藥物注射等的程序。工作站112優選包括一個和多個處理器114以及用于存儲程序和應用的存儲器116。應當理解，可以將系統100的功能和部件集成到一個或多個工作站或系統中。
[0023]存儲器116可以存儲設備感測模塊115，設備感測模塊115被配置為解讀來自醫療設備102的電磁、光學和/或聲學反饋信號。感測模塊115被配置為使用所述信號反饋(以及任何其他反饋)提供位置或者在醫療圖像中描繪出醫療設備102。醫療設備102可以包括(例如)針、導管、導絲、內窺鏡、探頭、機器人、電極、過濾設備、氣囊設備或其他醫療部件等。工作站112可以包括用于使用成像系統110顯示受試者的內部圖像的顯示器118。成像系統110可以包括諸如超聲、熒光透視、光聲等的成像模態。成像系統110還可以包括(例如)磁共振成像(MRI)系統、熒光透視系統、計算機斷層攝影(CT)系統、超聲系統或其他系統。顯示器118還可以允許用戶與工作站112及其部件和功能交互。這進一步由接口 120促進，接口 120可以包括鍵盤、鼠標、操縱桿或允許用戶與工作站112進行交互的任何其他外周裝置或控制器。
[0024]可以將一個或多個傳感器/換能器106合并到(一個或多個)設備102中，從而能夠在(一個或多個)設備102處探測來自于能量源125的跟蹤信息。
[0025]應當理解，盡管本說明性范例將按照(設備102上的)被跟蹤元件106為接收器，而(成像陣列109的)跟蹤元件或換能器107為發射器而進行描述的，但是也可以提供相反的配置。例如，可以通過使用(設備102上的)被跟蹤元件106作為發射器來測量相同的飛行時間，而(陣列109的)跟蹤元件/換能器107則可以充當接收器。
`[0026]能量源125不必是從身體/受試者148外部的源提供的，并且可以來自內部源或者來自另一成像設備110。在一個實施例中，所述能量源是超聲源。可以采用傳感器/元件106探測電磁能或聲能(或者發射所述能量)。這允許將用于解釋設備102的位置和/或取向的能量的交換。將采用所述信號作為反饋以進行調整或以其他方式執行所述醫療程序。換能器107可以包括一個或多個超聲傳感器(設置在探頭中)或其他傳感器或發射設備。
[0027]可以提供成像系統110，以收集實時的術中成像數據。可以在顯示器118上顯示所述成像數據。感測模塊115可以基于傳感器/元件106測得的能量確定傳感器/元件106在實時圖像中的位置，因此確定設備102在實時圖像中的位置。這可以包括采用將在文中描述的三邊測量或三角測量方法/模塊104。能夠顯示(使用反饋信號)對醫療設備102的數字繪制，以了解設備102相對于實時圖像(跟蹤)的位置。可以通過圖像處理模塊117生成所述數字繪制。
[0028]應當理解，使用超聲系統的跟蹤和成像可以同時或者依次發生。在優選實施例中，換能器的成像陣列與換能器的跟蹤陣列相同。能夠使用成像束進行跟蹤，或反之(使用跟蹤束成像)。然而，文中描述的跟蹤束可能不適于超聲成像。在這種情況下，成像幀和跟蹤幀可以是交錯的(交替的)。如果被跟蹤元件是發射器，那么其帶寬需要與成像脈沖的帶寬分離，或者可以在接收來自被跟蹤元件的信號期間將掃描中斷。也可以采用其他技術確保實時地執行兩種操作(例如，跟蹤和成像)。
[0029]在一個實施例中，成像系統110包括超聲系統，并且發射實質上是聲音。在這種情況下，(一個或多個)傳感器106包括超聲傳感器，其探測由布置在超聲探頭111上的陣列109中的超聲換能器107生成的聲信號。以這種方式，能夠同時顯示解剖圖像和設備圖像兩
者。
[0030]在另一有用的實施例中，介入應用包括在受試者148體內使用兩個或更多醫療設備。例如，一個設備102可以包括置于一點上的引導導管，另一個設備102可以包括用于在沿導管長度的固定/不同點上執行消融或活體檢查的針。也預見到設備的其他組合。
[0031]根據一個尤其有用的實施例，將一個或多個超聲傳感器106安裝到被跟蹤工具或設備102上。使用用于跟蹤設備102的位置的傳感器106跟蹤工具102。提供1D成像陣列109，以根據傳感器106對工具102成像。陣列109可以包括換能器(接收器或發射器)107的線，以形成一維陣列109。所述一維陣列可以包括換能器107的直線布置(線)或者可以包括設置在曲線路徑(弧)上的換能器107。
[0032]在一個實施例中，可以使用波束形成技術來采用物理上平面的陣列，以使發源于物理陣列元件107的飛行時間球的原點發生空間移動。通過將若干物理元件聚焦到一個空間位置上(使用適當的時間延遲)，聚焦位置將變為虛擬元件。
[0033]感測模塊115包括跟蹤處于工具102上的超聲元件106的三維(3D)三邊測量例程。在一個實施例中，顯示器118提供疊加在2D超聲圖像上的對被跟蹤工具102的3D繪制。將如參考圖2A-2B說明性描述地確定工具102的位置。
[0034]參考圖2A和2B，這些圖示出了頂端具有元件208(例如，用于發射或接收的超聲元件)的被跟蹤工具206 (例如，針)，所述元件被描繪在曲線陣列(2D探頭或1D陣列)超聲探頭220的附近，所述探頭具有多個超聲(US)換能器或元件222 (用于發射或接收)。根據本發明原理，使用探頭220中的換能器222的1D陣列評估工具206相對于成像平面的3D位置。將超聲元件208 (無源或有源的)嵌入到被跟蹤工具206中，例如，嵌入在其頂端。在3D三角測量或三邊測量例程(圖1中的104)中使用被跟蹤元件208和成像探頭220的多個換能器222之間的超聲信號飛行時間，以得到被跟蹤元件208的位置。應當理解，可以在工具206上采用多個元件208。可以使用本發明原理對每個傳感器的位置進行跟蹤，以在程序期間描述其位置。
[0035]被跟蹤元件208與成像陣列的若干換能器222之間的超聲信號的飛行時間三邊測量能夠得到3D定位，只要所使用的成像陣列換能器222相對于元件208不共線。被跟蹤元件208的位置處于至少三個球226、228、230的交點上，所述三個球以(所述陣列的)跟蹤換能器222為中心，且半徑由被跟蹤元件208與跟蹤換能器222之間的測得飛行時間確定。只要所述三個球的中心相對于被跟蹤元件208不共線，三個球226、228、230的相交就會得到兩個點(例如，真實交點231和對稱交點232)(兩個球的相交為環，最后一個球于環相交得到兩個點)。
[0036]采用三邊測量確定被跟蹤元件208的位置，因此確定針或工具206的位置。三邊測量是使用球或三角形的幾何結構通過距離測量而確定點的絕對或相對位置的過程。與三角測量相比，其不涉及角度測量，雖然也可以采用三角測量技術。
[0037]在二維空間中，使用兩個參考點通常足以只保留確定位置的兩種可能性，并且可以通過包含第三參考點或其他信息而打破平等局面。類似地，在三維空間內，使用三個參考點也只留下了兩種可能性，并且可以通過包含第四參考點或者其他信息而打破平等局面。
[0038]參考圖3，通過針對三個未知量x、y、z為三個球面226、228和230構建方程，繼而解所述三個方程而找到解。可以將所述三個球的方程表達為:
【權利要求】
1.一種成像系統，包括:醫療設備(102)，其具有安裝于其上的至少一個跟蹤元件(106)；彼此間隔開的換能器的陣列(109)，其用于在受試者中在所述至少一個跟蹤元件與所述換能器的陣列之間交換能量；以及三邊測量模塊(104)，其被配置為解讀在所述至少一個跟蹤元件與所述換能器的陣列之間感測到的信號，以計算與所述陣列中的所述換能器相關聯的信號飛行時間，使得在至少二維中確定所述至少一個跟蹤元件的位置，以在可視圖像中定位所述醫療設備的位置。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述醫療設備(102)包括針、導管、探頭和電極中的至少一個。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述換能器的陣列(109)被設置到沿直線和弧線之一的一維陣列中。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述換能器的陣列(109)包括超聲換能器，并且所述至少一個元件包括超聲換能器元件。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述三邊測量模塊(104)通過尋找具有由來自所述換能器的飛行時間定義的半徑的球(226、228、230)之間的真實交點來確定所述至少一個元件的位置。
6.根據權利要求5所述的系統，其中，所述球(226、228、230)具有相對于所述至少一個元件非共線的中心。
7.根據權利要求1所述的系統，還包括額外換能器(236)元件，其被配置為提供區分真實交點和對稱交點的信息。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述至少二維包括三維，使得所述醫療設備的三維圖像在二維圖像中被跟蹤。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，所述換能器的陣列(109)包括被波束形成以避免所述信號飛行時間的共線原點的虛擬元件。
10.一種工作站，包括:成像探頭(111)，其具有彼此間隔開的換能器的陣列(109)，所述換能器的陣列用于與受試者中的被跟蹤醫療設備(102)交換能量；處理器(114);以及耦合至所述處理器的存儲器(116)，所述存儲器包括三邊測量模塊(104)，所述三邊測量模塊被配置為接收信號并協同所述處理器計算相對于所述被跟蹤醫療設備上的至少一個跟蹤元件的所述陣列中的所述換能器的信號飛行時間，使得在至少二維中確定所述至少一個跟蹤元件的位置，使得在可視圖像內同時提供所述醫療設備和所述受試者的圖像。
11.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述醫療設備(102)包括針、導管、探頭和電極中的至少一個。
12.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述換能器的陣列(109)被設置到沿直線或弧線之一的一維陣列中。
13.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述換能器的陣列(109)包括超聲換能器，并且所述至少一個元件(106)包括超聲換能器元件。
14.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述三邊測量模塊(104)通過尋找具有由來自所述換能器的飛行時間定義的半徑的球(226、228、230)之間的真實交點來確定所述至少一個元件的位置。
15.根據權利要求14所述的工作站，其中，所述球(226、228、230)具有相對于所述至少一個元件非共線的中心。
16.根據權利要求10所述的工作站，還包括額外換能器(236)，其被配置為提供區分真實交點和對稱交點的信息。
17.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述至少二維包括三維，使得在二維圖像中跟蹤所述醫療設備的三維圖像。
18.根據權利要求10所述的工作站，其中，所述換能器的陣列(109)包括被波束形成以避免所述信號飛行時間的共線原點的虛擬元件。
19.一種用于對醫療設備成像的方法，包括:將醫療設備引入(402)到受試者中，所述醫療設備包括用于交換能量的至少一個元件;與所述至少一個元件交換(404)來自被布置在陣列中的多個換能器的信號；確定(406)所述換能器與所述至少一個元件之間的所述信號的飛行時間；確定(408)具有由所述飛行時間定義的半徑的球的真實交點；并且對所述真實交點與所述受試者進行成像(410)，以跟蹤所述醫療設備的位置。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述醫療設備包括針、導管、探頭和電極中的至少一個。
21.根據權利要求19所述的方法，其中，所述換能器的陣列被設置在一維陣列中，并且所述成像步驟包括使用所述至少一個元件相對于至少三個換能器的三邊測量，在三維中對所述醫療設備進行成像(414)。
22.根據權利要求19所述的方法，其中，所述三邊測量被采用以確定所述真實交點。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述球具有相對于所述至少一個元件非共線的中心。
24.根據權利要求19所述的方法，還包括提供(416)被配置為區分所述真實交點和對稱交點的額外換能器。
25.根據權利要求19所 述的方法，還包括對來自一個或多個發射器的發射信號進行波束形成(418)，以提供發射/接收信號的新原點。
【文檔編號】A61B8/13GK103747729SQ201280039408
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年6月6日 優先權日:2011年6月13日
【發明者】A·K·賈殷, F·G·G·M·維尼翁 申請人:皇家飛利浦有限公司