用于通過應(yīng)力測(cè)量在成像期間測(cè)量超聲探頭上的力和扭矩的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及用于醫(yī)學(xué)流程（尤其是用于前列腺活檢和近距離治療流程）的 徒手超聲成像。本發(fā)明具體涉及對(duì)通過超聲探頭而被施加于解剖目標(biāo)（尤其是前列腺）的 一致力（consistent force)的監(jiān)測(cè)和控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 參考圖1，在超聲引導(dǎo)的活檢和治療流程（例如，前列腺活檢和近距離治療）的大 部分期間，來(lái)自感興趣解剖結(jié)構(gòu)的全部掃掠被采集以重建解剖結(jié)構(gòu)的三維（"3D"）體積41。 具體地，超聲成像通常經(jīng)由被附接到超聲探頭31的手柄32以徒手的方式來(lái)執(zhí)行，所述超聲 探頭31具有（一個(gè)或多個(gè)）二維（"2D"）超聲換能器（未示出）。電磁位置傳感器或光 學(xué)位置傳感器（未示出）被附接到超聲探頭31，并且2D B-掃描的集合40連同其在電磁跟 蹤器框架或光學(xué)跟蹤器框架28的參考坐標(biāo)系中的相對(duì)坐標(biāo)一起被采集。所述2D圖像的集 合40被重建成規(guī)則的3D體積41以用于可視化、引導(dǎo)和分析。
[0003]在徒手成像期間，操作者將超聲探頭31按壓在患者10的皮膚或內(nèi)部組織的表面 上，同時(shí)調(diào)節(jié)超聲探頭31的位置和取向，以找到期望的圖像平面。在該處理中，超聲探頭 31與患者10的皮膚或組織之間的接觸力使下層組織變形。例如，在前列腺的經(jīng)直腸超聲 ("TRUS"）成像中，超聲探頭31將會(huì)被推在直腸壁上，這引起前列腺的顯著變形。變形的 量與所施加的力的量以及組織構(gòu)成相關(guān)。
[0004] 重建的圖像體積41可以用于不同的應(yīng)用，例如，解剖結(jié)構(gòu)分割25和多模態(tài)圖像融 合與配準(zhǔn)26。然而，來(lái)自徒手超聲探頭31的體積重建24易于發(fā)生由超聲探頭壓力誘發(fā)的 偽影。具體地，要求超聲探頭31的（一個(gè)或多個(gè)）2D超聲換能器與感興趣體積的表面緊密 接觸，以避免在采集的圖像中引起陰影偽影的空氣間隙。在3D掃掠期間，正被掃描的組織 暴露在可變量的力下，并且每幅采集的2D圖像40在不同的探頭壓力下被從組織捕捉。因 此，在圖像采集期間由操作者施加于組織的壓力的量可以顯著地影響在徒手方式的數(shù)據(jù)采 集23期間采集的圖像40的質(zhì)量。作為結(jié)果，線性切片運(yùn)動(dòng)和非線性組織變形累積，并且針 對(duì)3D體積41產(chǎn)生混淆的圖像偽影。
[0005]此外，由變化的接觸力引起的組織幾何形狀的變化是超聲圖像40難于重復(fù)產(chǎn)生 的原因。即使對(duì)患者10的相同區(qū)域執(zhí)行成像，但是歸因于力（探頭壓力）和/或組織的生 物力學(xué)屬性的改變，組織變形的量無(wú)疑也將是不同的。
[0006]在自動(dòng)圖像分割25(例如，前列腺分割）的背景中，體積重建24中的這樣的變形 和失真的影響是相當(dāng)顯著的。此外，圖像分割中的誤差將會(huì)轉(zhuǎn)化成配準(zhǔn)26中的誤差（例如， 對(duì)超聲圖像的磁共振成像），并且因此將影響活檢和近距離治療準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種用于對(duì)通過超聲探頭31而被施加于患者10的感興趣解剖結(jié)構(gòu) 的一致力的監(jiān)測(cè)和控制的力/扭矩管理27。
[0008] 本發(fā)明的一種形式是采用超聲探頭和應(yīng)力傳感器的醫(yī)學(xué)儀器。所述超聲探頭包括 用于采集解剖區(qū)域的超聲圖像的超聲換能器。所述應(yīng)力傳感器被布置在所述超聲探頭上， 以在所述超聲換能器采集所述解剖區(qū)域的圖像時(shí)測(cè)量由所述解剖區(qū)域施加在所述超聲探 頭上的縱向應(yīng)力。所述應(yīng)力傳感器環(huán)繞所述超聲探頭的縱向軸，并且相對(duì)于所述超聲探頭 的所述縱向軸與所述超聲換能器間隔開。
[0009] 本發(fā)明的第二形式是采用前述的醫(yī)學(xué)儀器和工作站的超聲系統(tǒng)，所述工作站能用 于根據(jù)由（一個(gè)或多個(gè)）所述超聲換能器采集的所述超聲圖像來(lái)重建超聲體積，并且響應(yīng) 于由所述應(yīng)力傳感器測(cè)得的所述縱向應(yīng)力而在所述超聲換能器采集所述解剖區(qū)域的超聲 圖像時(shí)確定由所述解剖區(qū)域施加于所述超聲探頭的軸向力和/或彎曲力。
[0010] 根據(jù)結(jié)合附圖閱讀的本發(fā)明的各種實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述形式和 其他形式以及本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將將變得更加明顯。詳細(xì)描述和附圖僅僅圖示了本 發(fā)明而非進(jìn)行限制，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物來(lái)定義。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的超聲系統(tǒng)的示范性實(shí)施例。
[0012] 圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明的超聲探頭的示范性實(shí)施例。
[0013] 圖2B圖不了如圖2所不的超聲探頭的橫截面視圖。
[0014] 圖3A圖示了在對(duì)解剖目標(biāo)的掃描期間由在圖2A中示出的超聲探頭生成的示范性 力。
[0015] 圖3B圖示了如圖3A所示的超聲探頭的橫截面視圖。
[0016] 圖4圖示了表示根據(jù)本發(fā)明的掃描方法的示范性實(shí)施例的流程圖。
[0017] 圖5圖示了表示根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)方法的示范性實(shí)施例的流程圖。
[0018] 圖6A和圖6B圖示了根據(jù)本發(fā)明的示范性校準(zhǔn)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 參考圖1，超聲系統(tǒng)采用工作站20,所述工作站20具有計(jì)算機(jī)21、監(jiān)視器22和輸 入設(shè)備（未示出）、一包軟件/固件模塊23-27以及參考跟蹤器28。為了本發(fā)明的目的，計(jì) 算機(jī)21在本文中被廣泛地定義為被配置具有用于處理2D超聲圖像40以支持醫(yī)學(xué)流程（例 如，前列腺活檢和近距離治療流程）的硬件/電路（例如，（一個(gè)或多個(gè)）處理器、存儲(chǔ)器 等）的任何計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。為此目的，模塊23-27被編程并且被安裝在計(jì)算機(jī)21上，以在對(duì) 醫(yī)學(xué)流程的支持中提供各種功能。
[0020] 首先，圖像采集模塊23涵蓋用于經(jīng)由被附接到超聲探頭31的一個(gè)或多個(gè)傳感器/ 標(biāo)記器接收并存儲(chǔ)來(lái)自超聲探頭31的2D超聲圖像40的數(shù)據(jù)集的（一個(gè)或多個(gè)）已知方 法，其中2D超聲圖像40的每次存儲(chǔ)包括該圖像在（例如，電磁或光學(xué)）跟蹤器28的參考 坐標(biāo)系之內(nèi)的位置。
[0021 ] 其次，體積重建模塊24涵蓋用于根據(jù)2D超聲圖像40的相對(duì)位置來(lái)生成3D體積 41的（一個(gè)或多個(gè)）已知方法。
[0022] 第三，圖像分割模塊25涵蓋用于在重建之前劃分2D超聲圖像40或用于根據(jù)視覺 屬性（例如，灰度級(jí)、紋理或顏色）將3D體積41劃分成不相交的節(jié)段的集合以支持對(duì)3D 體積41的更加容易的分析的（一個(gè)或多個(gè)）已知方法。
[0023] 第四，圖像配準(zhǔn)模塊26涵蓋用于將2D超聲圖像40的數(shù)據(jù)集和另一成像模態(tài)（例 如，磁共振成像或計(jì)算機(jī)斷層攝影）的數(shù)據(jù)集變換到一個(gè)坐標(biāo)系中的（一個(gè)或多個(gè)）已知 方法。
[0024] 第五，應(yīng)力測(cè)量模塊27涵蓋用于確定在由解剖區(qū)域（例如，前列腺）的超聲探頭 31的掃描期間由患者10的解剖區(qū)域施加在超聲探頭31上的軸向力和彎曲力的本發(fā)明的 (一個(gè)或多個(gè)）方法。為此目的，計(jì)算機(jī)21接收在由解剖區(qū)域的超聲探頭31的掃描期間 由患者10的解剖區(qū)域施加在超聲探頭31上的縱向應(yīng)力的、由應(yīng)力傳感器33進(jìn)行的測(cè)量結(jié) 果，并且模塊27處理應(yīng)力測(cè)量結(jié)果以確定軸向力和彎曲力。
[0025] 為了本發(fā)明的目的，應(yīng)力傳感器33在本文中被廣泛地定義為在結(jié)構(gòu)上被配置用 于測(cè)量由目標(biāo)施加在儀器上的縱向應(yīng)力（尤其用于測(cè)量在超聲掃描期間由解剖區(qū)域施加 于超聲探頭31的縱向應(yīng)力）的任何傳感器。而且為了本發(fā)明的目的，縱向應(yīng)力在本文中被 廣泛地定義為平行于超聲探頭31的縱向軸或具有平行于超聲探頭31的縱向軸的分量的任 何應(yīng)力。
[0026] 在實(shí)踐中，應(yīng)力傳感器33可以以促進(jìn)在超聲掃描期間測(cè)量由解剖區(qū)域施加于超 聲探頭31的縱向應(yīng)力的方式被布置在超聲探頭31上。例如，應(yīng)力傳感器33可以在應(yīng)力傳 感器33的近端處或鄰近應(yīng)力傳感器33的近端被粘附到超聲探頭31或與超聲探頭31集成 在一起。通過另外的范例，應(yīng)力傳感器33可以被安裝在緊密地位于超聲探頭31的近端處 或鄰近超聲探頭31的近端的一次性殼體上。
[0027] 而且在實(shí)踐中，應(yīng)力傳感器33可以采用一個(gè)（1)或多個(gè)任何來(lái)類型（例如，單軸、 三軸、平面等）的應(yīng)力計(jì)SG，所述應(yīng)力計(jì)SG以有益于在超聲掃描期間由患者10的解剖區(qū)域 施加在超聲探頭31上的縱向應(yīng)力的實(shí)際測(cè)量的方式被布置在超聲探頭31上。例如，（一 個(gè)或多個(gè)）應(yīng)力計(jì)可以被縱向地布置在超聲探頭31的近端處或鄰近超聲探頭31的近端， 尤其是以用于采用多個(gè)應(yīng)力計(jì)中的兩個(gè)（2)的網(wǎng)格型式。額外地，應(yīng)力傳感器33可以采用 一個(gè)（1)或多個(gè)虛設(shè)的應(yīng)力計(jì)以用于對(duì)歸因于溫度變化的應(yīng)力補(bǔ)償。
[0028] 以下是對(duì)由模塊27所利用的應(yīng)力傳感器33的示范性實(shí)施例的描述，所述描述之 后跟隨有對(duì)由模塊27實(shí)施的本發(fā)明的掃描方法和校準(zhǔn)方法的示范性實(shí)施例的描述。
[0029] 圖2A示出了采用超聲探頭31和被附接到超聲探頭31的近端的手柄32的醫(yī)學(xué)儀 器30。超聲探頭31采用用于對(duì)患者10的解剖區(qū)域進(jìn)行超聲成像的超聲換能器（未示出）。 所述超聲換能器被布置在超聲探頭31的遠(yuǎn)端處，取決于超聲換能器相對(duì)于超聲探頭31的 遠(yuǎn)端的取向，所述超聲換能器通常在虛線圓圈35之內(nèi)。
[0030] 應(yīng)力傳感器33的實(shí)施例33a采用四個(gè)（4)應(yīng)力計(jì)SG，所述四個(gè)（4)應(yīng)力計(jì)SG以 網(wǎng)格型式被布置在超聲探頭31上，如圖2B所示，所述四個(gè)（4)應(yīng)力計(jì)SG圍繞超聲探頭31 的外圍以相距彼此的相等距離進(jìn)行布置。應(yīng)力計(jì)SG可以包括最大化金屬絲的量的金屬箱 或遭受在縱向軸34的平行方向上的應(yīng)力的箱。
[0031] 在實(shí)踐中，為了測(cè)量電阻的微小變化，應(yīng)力計(jì)SG可以被使用在具有電壓激勵(lì)源 (未示出）的橋構(gòu)造中。橋構(gòu)造的范例包括但不限于四分之一橋構(gòu)造、半橋構(gòu)造以及全橋構(gòu) 造。
[0032] 額外地，如圖1所示，鑒于輸出電壓相對(duì)較小，信號(hào)調(diào)節(jié)器36可以被采用。在一個(gè) 實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)節(jié)器36可以包括放大器來(lái)提升信號(hào)水平，以增加測(cè)量分辨率并改進(jìn)信噪 比。此