通過超聲成像來檢測和呈現(xiàn)介入設備的系統(tǒng)和方法
【專利說明】通過超聲成像來檢測和呈現(xiàn)介入設備的系統(tǒng)和方法
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月15日遞交的、名稱為“通過超聲成像來檢測和呈現(xiàn)介入設備的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods to Detect and Present Intervent1nalDevices via Ultrasound Imaging) ”的美國臨時申請N0.61/790，586的優(yōu)先權和權益，該申請的全文通過引用合并于此。
技術領域
[0003]本公開一般涉及超聲成像，更特別地涉及利用聲傳感器經(jīng)由超聲成像來提供對諸如針、導管等介入設備的引導的方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]利用超聲來引導涉及介入設備(例如，針或導管)的診斷或治療侵入性操作在臨床領域變得越來越普遍。介入超聲需要通過超聲成像精確地定位介入設備的末端或頭部。一些現(xiàn)有的技術提議將電傳感器安裝到介入設備的末端上以從心臟采集電信號。然而，那些現(xiàn)有技術具有局限性。通常，介入設備放置在不能采集心臟信號或者采集極微弱心臟信號的目標附近，因此介入設備的末端的精確位置不能被檢測到且無法以超聲圖像呈現(xiàn)。其他現(xiàn)有技術提議將電傳感器安裝到介入設備的末端上以接收從成像換能器發(fā)送的超聲波脈沖，將脈沖轉換成電信號，并且將信號傳回到超聲設備。然而，在這些現(xiàn)有技術下，當在圖像中存在強的組織雜波而弱化超聲波脈沖時，很難實現(xiàn)超聲圖像中介入設備的末端的可視化。而且，在那些現(xiàn)有技術中，難以精確地判定哪條被發(fā)送的聲波束觸發(fā)了電傳感器，因此不能檢測到介入設備的末端的精確位置。而且，因為在人體或動物體中行進的超聲波脈沖衰減極快且變弱且不穩(wěn)定，所以對于那些現(xiàn)有技術來說很難將噪聲與介入設備末端的真實脈沖信號區(qū)分開?？傊?，現(xiàn)有技術僅能夠計算介入設備末端的近似的、不精確的位置。
[0005]因此，需要開發(fā)通過超聲成像來檢測和呈現(xiàn)諸如針、導管等介入設備位置的簡易精確的方法和系統(tǒng)以克服現(xiàn)有技術系統(tǒng)的局限性。

【發(fā)明內容】

[0006]本公開包括用于對與在第一模式和第二模式下操作的超聲成像系統(tǒng)耦合的介入設備提供實時引導的示例性的方法。該方法的實施例包括，在第一模式下:停止從超聲成像系統(tǒng)的換能器發(fā)送超聲信號；通過安裝在介入設備的頭部上的聲傳感器發(fā)送超聲信號；通過換能器接收所發(fā)送的超聲信號；以及基于接收到的超聲信號來生成頭部的位置的第一圖像。該方法的實施例還包括，在所述第二模式下:停止從聲傳感器發(fā)送超聲信號；通過換能器來發(fā)送超聲信號；接收從對象結構反射回的所發(fā)送超聲信號的回波；以及基于接收到的回波來生成對象結構的第二圖像。該方法的實施例還包括:將第一圖像與第二圖像組合以獲得第三圖像，第三圖像顯示出頭部相對于對象結構的位置。該方法的一些實施例還包括:通過將第三圖像中頭部的相對位置加亮、將該位置著色或者用文本或符號標記該位置來突出顯示該位置。
[0007]根據(jù)本公開的示例性系統(tǒng)包括:換能器；處理器，其與換能器耦合；以及聲傳感器，其安裝到介入設備的頭部上。當所公開的系統(tǒng)在第一模式下操作時，換能器停止發(fā)送超聲信號，聲傳感器發(fā)送超聲信號，該超聲信號隨后由換能器接收且用來生成頭部的位置的第一圖像。當所公開的系統(tǒng)在第二模式下操作時，聲傳感器停止發(fā)送超聲信號，換能器發(fā)送超聲信號且接收所發(fā)送的超聲信號的回波，該回波用來生成對象結構的第二圖像。在一些實施例中，處理器將第一圖像與第二圖像組合來獲得第三圖像，第三圖像顯示出頭部相對于對象結構的位置。在一些實施例中，處理器通過將第三圖像中頭部的相對位置加亮、將該位置著色或者用文本或符號標記該位置來突出顯示該位置。
[0008]應理解的是，上述概述和下面的詳述僅是示例性和說明性的，不限制如權利要求所主張的發(fā)明。
【附圖說明】
[0009]圖1示出了與本公開一致的示例性系統(tǒng)的框圖。
[0010]圖2是示出圖1的示例性系統(tǒng)的實施例的框圖。
[0011 ]圖3是示出圖2的實施例中的示例性過程流的功能圖。
[0012]圖4是示出圖2的實施例中的另一示例性的過程流的功能圖。
[0013]圖5示出了示例性的傳感器圖像。
[0014]圖6示出了示例性的超聲圖像。
[0015]圖7示出了將圖5的傳感器圖像與圖6的超聲圖像組合的示例性增強可視化圖像。
[0016]圖8示出了實時生成的一系列示例性增強可視化圖像。
[0017]圖9是表示利用聲傳感器通過超聲成像對介入設備提供引導的示例性的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]現(xiàn)在將具體參考在附圖中示出的示例性的實施例。在全部圖中僅可能使用相同的附圖標記來指代相同或相似的部件。
[0019]本文所公開的方法和系統(tǒng)解決了上述需求。例如，示例性的實施例包括安裝到諸如針、導管等介入設備的頭部上的聲傳感器。聲傳感器用作信標。本文所公開的聲傳感器將是超聲成像系統(tǒng)的一部分用于發(fā)送聲脈沖，而非從心臟接收電信號或者從成像換能器接收聲脈沖。在超聲成像系統(tǒng)的第一模式下，成像換能器本身不發(fā)送聲脈沖或者發(fā)送功率為零。相反，該系統(tǒng)指示聲傳感器發(fā)送帶時序的聲脈沖，就好像其位于成像換能器的發(fā)送孔隙的中央而形成傳感器圖像一樣。發(fā)送孔隙包括一個或多個換能器元件。形成二維(“2D”)或三維(“3D”)圖像的傳感器圖像，就好像換能器正在發(fā)送一樣。作為結果，可以在傳感器圖像上看到聲傳感器的單向點擴散函數(shù)("PSF")。由于單程特性，成像深度應當乘以二。該傳感器圖像能夠與對象結構的超聲圖像組合來獲得增強的可視化圖像，該可視化圖像顯示出介入設備的頭部相對于對象結構的位置。本文公開的聲傳感器所發(fā)送的聲脈沖比換能器元件所發(fā)送的聲波束和該波束的回波更強且更穩(wěn)定，且能夠容易地、精確地檢測到和記錄在傳感器圖像中。本文所公開的方法和系統(tǒng)在進行現(xiàn)場超聲成像時提供了介入設備的頭部的實時的、精確的位置。
[0020]圖1示出了與本公開一致的示例性的系統(tǒng)100的框圖。示例性的系統(tǒng)100可以是任意類型的系統(tǒng)，其在診斷或治療侵入性操作中通過超聲成像來提供對介入設備的實時引導。示例性的系統(tǒng)100除了其他組件外可以包括:超聲裝置100A，其具有超聲成像場120 ;以及聲傳感器112，其安裝到與超聲裝置100A耦合的介入設備110的頭部上。聲傳感器112能夠直接地或者通過介入設備110與超聲裝置100A耦合。
[0021]超聲裝置100A可以是任何利用超聲來檢測和測量位于超聲成像場120的范圍內的對象且在超聲圖像中呈現(xiàn)所測量對象的設備。超聲圖像可以是灰階的、彩色的或者其組合，且可以是2D或3D的。
[0022]介入設備110可以是任何在診斷或治療侵入式操作中使用的設備。例如，介入設備110可設置為針、導管或者任何其他診斷或治療設備。
[0023]聲傳感器112可以是任何發(fā)送從電脈沖轉換而來的聲脈沖或信號(即，超聲脈沖或信號)的設備。例如，聲傳感器112可以是一種微機電系統(tǒng)(“MEMS”)。在一些實施例中，聲傳感器112還能夠接收從另一設備發(fā)送的聲脈沖。
[0024]圖2是更詳細地示出示例性的系統(tǒng)100內的超聲裝置100A的框圖。超聲裝置100A包括顯示器102、超聲換能器104、處理器106和超聲波束成形器108。圖示的超聲裝置100A的構造僅為示例性的，本領域普通技術人員將理解到圖示的各元件可以設置為離散的元件或者可以組合，且設為硬件和軟件的任意組合。
[0025]參考圖2，超聲換能器104可以是任何具有將電脈沖轉換成待發(fā)送的聲波束以及接收所發(fā)送的聲波束的回波的多個壓電元件的設備。所發(fā)送的聲波束傳播到受驗者(如人體或動物體)中，其中來自具有不同聲阻抗的對象結構(如人體或動物體內的組織)之間的界面的回波被反射回到換能器。換能器元件將回波轉換成電信號?；诼暡òl(fā)送時間和回波接收時間之間的時間差，能夠生成對象結構的圖像。
[0026]超聲波束成形器108可以是任何實現(xiàn)聲信號發(fā)送或接收的方向或空間可選擇性的設備。特別地，超聲波束成形器108將待發(fā)送聲波束集中以指向相同方向，并且對被接收作為來自不同對象結構的反射的回波信號進行集中。在一些實施例中，超聲波束成形器108使到達不同元件的回波信號延遲且對回波信號進行對齊以形成等相面。超聲波束成形器108隨后對延遲的回波信號進行相干求和。在一些實施例中，超聲波束成形器108可以對從回波信號轉換而來的電信號或數(shù)字信號進行波束成形。
[0027]處理器106可以是任何控制和協(xié)調