相对于超声图像平面的介入设备定位的制作方法

本发明涉及一种确定介入设备相对于射束成形超声成像探头的图像平面的位置。

背景技术：

由于诸如医学针、导管和外科手术工具之类的介入设备的反射的镜面性质，特别是在不利的入射角下，其通常难以在超声图像中进行可视化。

在此方面，文献WO2018060499A1描述了一种用于指示介入设备的介入设备特征相对于由射束成形超声成像系统的超声成像探头限定的图像平面的位置的系统，其中，基于在超声成像探头与距介入设备特征预定距离处被附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定介入设备特征的位置。图标提供单元提供第一图标，所述第一图标指示具有与预定距离相对应的半径的圆形区域。第一图标被显示在融合图像中，所述融合图像包括来自射束成形超声成像系统的重建超声图像。

文献US 2016/0324501 A1、WO2011138698A1、WO2015101949A1和WO2016009350A1也描述了用于利用被安装在仪器上的超声接收器在超声场中跟踪仪器的系统。超声接收器的位置随后被显示在对应于超声场的超声图像中。

尽管有这些解决方案，仍存在用于确定介入设备相对于超声成像平面的位置的改进技术的空间。

技术实现要素：

为了寻求改进介入设备相对于射束成形超声成像探头的图像平面的定位，提供一种用于确定介入设备相对于由射束成形超声成像系统的超声成像探头限定的图像平面的位置的系统，其中，基于在超声成像探头与被附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定介入设备的位置。所述系统包括图像重建单元和位置确定单元。图像重建单元提供与由超声成像探头限定的图像平面相对应的重建超声图像。位置确定单元基于在超声成像探头与超声换能器之间传输的最大探测强度超声信号的飞行时间来计算超声换能器相对于图像平面的位置；并且在重建超声图像中指示计算出的位置。此外，如果满足以下条件中的至少一个，则所述位置确定单元抑制对计算出的位置的指示：

计算出的位置的变化速率超过第一预定速率；

超声信号中的干扰信号超过第一预定值；

最大探测强度小于第一预定阈值；

最大探测强度的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平。

本发明的发明人已经发现的问题是，由位置确定单元确定的位置可能容易出错。通过监测上述参数，能够可靠地确定潜在的不准确位置的可能性。通过在上述条件下抑制对计算出的位置的指示，避免指示潜在的不准确位置。

根据一个方面，位置确定单元持续抑制对计算出的位置的指示，直到已经在预定的时间段内满足以下对应条件中的至少一项：

计算出的位置的变化速率小于第二预定速率；

超声信号中的干扰信号小于第二预定值；

最大探测强度超过第二预定阈值；

最大探测强度的信号噪声比或信号干扰比超过第二预定水平。

第二预定速率、第二预定值、第二预定阈值和第二预定水平可以等于或不同于对应的第一预定参数。通过持续抑制对计算出的位置的指示直到在预定的时间段内满足对应条件，进一步改进系统的可靠性，因为确保不会再次指示计算出的位置，直到位置随时间稳定。可选的不同的阈值的使用增加做出决策过程中的滞后。这样做提供更可靠的系统。

根据一个方面，用于抑制对计算出的位置的指示的条件基于超声信号中的干扰信号超过第一预定值。位置确定单元在连续的成像帧周期之间测量超声信号中的干扰和/或噪声信号。在连续的帧周期之间，存在“安静”周期，在“安静”周期期间，预期由超声成像探头传输的超声信号可忽略，并且预期不会探测到反射的超声信号。因此，该安静周期表示仅能够可靠地测量由系统探测到干扰和/或噪声的时间。

根据一个方面，用于抑制对计算出的位置的指示的条件基于超声信号中的干扰信号超过第一预定值。位置确定单元测量连续的图像线周期之间的超声信号中的干扰和/或噪声信号。图像线通常连续地传输，并且包括传输阶段和接收阶段，在所述传输阶段和接收阶段期间，超声成像探头传输超声信号，并且随后接收反射的超声信号。在一条成像线的接收阶段结束与随后的图像线的传输阶段之间，存在“安静”周期，在所述安静周期内，预期没有反射。因此，该安静周期表示仅能够可靠地测量由系统探测到干扰和/或噪声的时间。

根据其他方面，提供一种可以与系统结合使用的方法和相应的计算机程序产品。

应当注意，可以组合关于系统描述的各个方面，以提供更有利的效果。此外，系统的各方面可以与方法互换使用，反之亦然。

附图说明

图1示出了与平面内介入设备11和以系统10形式的本发明的实施例相结合的射束成形超声成像系统14。

图2示出了与在平面外距离Dop处设置的介入设备11和以系统10形式的本发明的实施例相结合的射束成形超声成像系统14。

图3示出了重建超声图像RUI，其中指示了计算出的介入设备的位置LAPTOFSmax,θIPA。

图4示出了对重建超声图像RUI的一系列周期性更新RUI’、RUI”。

图5示出了包括多条图像线L1..n的重建超声图像RUI，每条线对应于超声图像中的飞行时间或深度尺寸。

图6示出了模型MO，其描述平面内最大探测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化。

图7示出了一系列重建超声图像RUI，其中，借助于在计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的第一图标Cop指示平面外距离Dop。

图8示出了适于与系统10一起使用的介入设备11。

图9示出了可以与系统10一起使用的方法的各种方法步骤。

具体实施方式

为了说明本发明的原理，描述了各种系统，其中，相对于由2D超声成像探头的线性阵列限定的图像平面来指示以医用针为例的介入设备的位置。此外，在一些示例中，还跟踪医学设备的特征(例如，远端)的位置。

然而，应当理解，本发明还可以应用于其他介入设备，例如但不限于导管、导丝、探头、内窥镜、电极、机器人、过滤器设备、球囊设备、支架、二尖瓣夹、左心耳封堵设备、主动脉瓣、起搏器、静脉输液管、引流管、外科手术工具、组织密封设备、组织切割设备或可植入设备。这样的介入设备的被跟踪特征可以示例性地包括介入设备的远端、介入设备的活检采样点、介入设备的尖端、介入设备中的通道的开口、介入设备的传感器(例如用于感测流量、压力、温度等)、被集成在介入设备中的外科手术工具(例如，刮刀)、介入设备的药物输送点或介入设备的能量输送点。

此外，应当理解，2D超声成像探头的示例性线性阵列仅仅是其中可以使用本发明的射束形成超声成像系统的超声收发器阵列的一个示例。本发明还在其他类型的射束形成超声成像系统中得以应用，这些其他类型的射束形成超声成像系统的相关联的超声收发器阵列示例性地包括3D成像探头的(或在双平面视图中的)2D阵列、“TRUS”经直肠超声检查探头、“IVUS”血管内超声探头、“TEE”经食道探头、“TTE”经胸探头、“TNE”经鼻探头、“ICE”心内探头。

图1图示了与平面内介入设备11和以系统10的形式的本发明的实施例相结合的射束形成超声成像系统14。在图1中，射束形成超声成像系统14包括2D超声成像探头13，该2D超声成像探头13与图像重建单元IRU、成像系统处理器ISP、成像系统接口ISI和显示器DISP通信。单元IRU、ISP、ISI和DISP通常位于与2D超声成像探头13有线通信的控制台中。还可以预想到，可以使用例如光学、红外或RF通信链路的无线通信代替有线链路。还可以预想到，替代地，例如在Philips Lumify超声成像系统中，可以将单元IRU、ISP、ISI和DISP中的一些单元并入2D超声成像探头13中。在图1中，2D超声成像探头13包括线性超声收发器阵列16，该线性超声收发器阵列16在截获感兴趣体积VOI的超声场内发射和接收超声能量。在图1中，超声场是扇形的，并且包括限定图像平面12的多个超声射束B1..k。注意，在图1中仅出于说明目的而图示了扇形射束，并且本发明不限于特定形状的超声场。射束形成超声成像系统14还可以包括电子驱动器和接收器电路(未示出)，该电子驱动器和接收器电路被配置为放大和/或调节由2D超声成像探头13发射或接收的信号的相位，以便生成并探测射束B1..k中的超声信号。因此，电子驱动器和接收器电路可以用于操纵所发出和/或所接收的超声射束方向。

在使用中，以以下方式操作射束形成超声成像系统14。操作者可以经由成像系统接口ISI来规划超声流程。一旦选择了操作流程，成像系统接口ISI就会触发成像系统处理器ISP以运行特定于应用的程序，这些程序生成和解读由2D超声成像探头13发射和探测的信号。射束形成超声成像系统14还可以包括存储器(未示出)以用于存储这样的程序。存储器可以例如存储超声射束控制软件，该超声射束控制软件被配置为控制由超声成像探头13发射和/或接收的超声信号的序列。图像重建单元IRU(其可以替代地形成成像系统处理器ISP的部分)将从超声成像探头13接收到的数据重建成与图像平面12相对应的图像(该图像因此截获感兴趣体积VOI)，并且随后将该图像显示在显示器DISP上。通过感兴趣体积VOI的平面截面在本文中被称为感兴趣区域ROI。重建超声图像RUI因此可以包括感兴趣区域ROI。重建图像可以例如是超声亮度模式“B模式”图像，或者被称为“2D模式”图像、“C模式”图像或多普勒模式图像，或者实际上是任何超声平面图像。

在图1中还图示了作为介入设备的示例的医用针11以及本发明的实施例系统10，系统10可以用于指示介入设备11(即，医用针)相对于超声成像探头13的图像平面12的位置。该实施例(系统10)包括图像重建单元IRU和位置确定单元PDU。如互连箭头所图示的那样，这些单元相互通信。还可以预想到，单元PDU、IRU中的一个或多个可以并入射束形成超声成像系统14的存储器或处理器内，例如并入也提供单元ISP的功能的存储器或处理器内。被跟踪的医用针11包括超声换能器15，该超声换能器15可以被定位在距介入设备11的远端11a预定距离Lp处。

在使用中，位置确定单元PDU基于在超声收发器阵列16与超声换能器15之间传输的超声信号来计算介入设备11相对于图像平面12的位置，或更具体地为被附接到介入设备11的超声换能器15相对于图像平面12的位置。

在一种配置中，超声换能器15是接收与射束B1..k相对应的超声信号的探测器。位置确定单元PDU通过将由超声收发器阵列16发射的超声信号与由超声换能器15探测到的超声信号进行相关(即，比较)来识别超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAP。更具体地，这种相关基于i)由超声换能器15探测到的对应于每个射束B1..k的超声信号的强度和ii)基于每个射束B1..k的发射时间与其被超声换能器15探测到的时间之间的时间延迟(即，飞行时间)来确定超声换能器15相对于图像平面12的最佳拟合位置。可以如下说明这种情况。当超声换能器15在图像平面12附近时，将以相对较大的强度探测从射束B1..k中最接近的射束到换能器的超声信号，而将以相对较小的强度探测距离较远的射束。通常，以最大探测强度探测到的射束被识别为最接近超声探测器15的射束。换句话说，最大探测强度ISmax超声信号识别在超声收发器阵列16与超声换能器15之间的平面内角度ΘIPA。在该射束(来自射束B1..k)的发射时间与其随后被探测到的时间之间的飞行时间指示了超声收发器阵列16与超声换能器15之间的范围。因此，以最大探测强度ISmax探测到的射束中的超声信号的时间延迟(即，TOFSmax)是从所有射束的超声信号中选择的超声信号。因为飞行时间指示该范围，因此在极坐标中，超声换能器15相对于图像平面12的横向位置可以由LAPTOFSmax,θIPA来表示。如果需要，可以通过将时间延迟乘以超声传播的速度来确定范围。

在另一配置中，超声换能器15是发射一个或多个超声脉冲的发射器。这样的脉冲可以例如在超声成像系统14的普通成像帧之间交错的跟踪帧期间进行发射。在这样的跟踪帧中，超声收发器阵列16可以仅以接收模式操作，在该接收模式中，超声收发器阵列16监听源自于图像平面12附近的超声信号。因此，超声收发器阵列16被配置为仅单向接收的射束形成器。位置确定单元PDU基于由超声换能器15发射的超声信号和由超声收发器阵列16探测到的超声信号来识别(一个或多个)脉冲源自于射束B1..k中的哪个射束。当在上述配置中时，位置确定单元PDU可以使用相关流程，该相关流程以相同的方式基于以最大强度探测到的超声信号及其飞行时间来识别最接近的射束并因此识别发射超声信号的点(即，超声信号的横向位置LAPTOFSmax,θIPA)。因此，当超声换能器15是发射器时，可以再次使用相关(即，比较)流程来确定针对每个跟踪帧的相对于图像平面12的最佳拟合位置。

在另一配置中，超声换能器15可以被配置为既充当接收器又充当发射器，或者既包括接收器又包括发射器。在这种配置中，一旦接收到来自超声收发器阵列16的超声信号，超声换能器15就会被触发以发射一个或多个超声脉冲；任选地，遵循等于超声成像系统14的一个或多个帧周期的延迟。以这种方式，超声收发器阵列16接收由超声换能器15在成像模式期间发射的脉冲，该脉冲呈处于与触发射束B1..k相对应的平面内角位置(即，在图像线中)处的重建超声中的回波的形式。因此，超声换能器15在重建图像中显示为明亮斑点。位置确定单元PDU随后可以在重建图像中识别该明亮斑点并因此再次计算超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAPTOFSmax,θIPA。

在又一配置(未示出)中，超声成像探头13还可以包括被附接到超声成像探头13的至少三个超声发射器。这至少三个超声发射器与位置确定单元PDU通信。此外，位置确定单元PDU被配置为基于在被附接到超声成像探头13的至少三个超声发射器与超声换能器15之间传输的超声信号来计算超声换能器15相对于图像平面12的位置。在该配置中，位置确定单元PDU基于由每个发射器发射的超声信号的飞行时间来确定每个发射器与超声换能器15之间的范围。随后使用三角测量法来确定超声换能器15的三维位置。这提供了超声换能器15在三个维度上相对于超声成像探头13的位置，或者更具体地是超声换能器15在三个维度上相对于图像平面12的位置，因为至少三个发射器被附接到超声成像探头13。随后可以将三维位置映射到图像平面12并因此再次由LAPTOFSmax,θIPA来表示。在该配置中，超声发射器是优选的，因为当发射器接近容易获得电源的超声成像探头13时，向发射器供应在大范围内进行准确定位所必需的大功率超声信号更容易。因此，与将大功率发射器定位在介入设备11上相比，该布置是优选的。因此，在使用中，由位置确定单元PDU基于在这至少三个发射器与超声换能器15之间传输的超声信号再次计算介入设备11相对于图像平面12的横向位置，或更具体地为被附接到介入设备11的超声换能器15相对于图像平面12的横向位置。

总之，在其中超声换能器15在图像平面内的这种平面内布置中，图1所示的位置确定单元PDU可以在上述任何配置中使用，以基于在超声成像探头13与超声换能器15之间传输的超声信号来计算超声换能器15相对于图像平面12的横向位置。参考图3，其示出了重建超声图像RUI，其中，指示了计算出的介入设备的位置LAPTOFSmax,θIPA，在位置的计算之后，可以在重建超声图像RUI中指示计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA。位置LAP例如可以被指示为由范例性的圆形C1所示，其中心对应于计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA。同样可以使用替代的图标、形状和指示。尽管在图3中指示为圆形，但是可以以相同的方式使用除了完整圆形之外的，并且同样指示圆形区域的其他图标，包括例如点或虚线的圆形布置、径向线或箭头(其尖端指示圆形区域)的圆形布置、等等。在图3中的范例性圆形中，圆形的周长可以指示位置LAP的不确定性的极限，或者例如特征的可能位置的范围，所述特征以距超声换能器15预定的距离处被设置在介入设备11上。

当超声换能器15被放置为远离图像平面，即在平面外时，可以使用相同的过程来确定超声换能器15的横向位置，即投影到图像平面12上的位置。可以任选地使用具有最大探测强度的超声信号的强度ISmax和飞行时间TOFSmax的额外过程来估计超声换能器15到图像平面12的距离。在这方面，图2示出了与设置在平面外距离Dop处的介入设备11和以系统10形式的本发明的实施例相结合的射束成形超声成像系统14。尽管超声成像探头13的射束B1..k被示为在平面12内，但该平面具有有限的厚度，对于较小的平面外位移，通常可以探测降低的超声信号。在本发明中，这些信号用于估计超声换能器15的平面外距离Dop。

可以使用各种技术来确定平面外距离Dop。一种技术涉及使用换能器专用的三维映射，所述三维映射将相对于图像平面12的三维位置与预期的信号强度相关联。如上所述，已经确定了超声换能器15相对于图像平面12的横向位置LAPTOFSmax,θIPA，通过在模型中查找在该横向位置处的对应于探测强度ISmax的平面外距离来确定平面外距离。

现在参考图6描述另一种技术，图6示出了模型MO，模型MO描述了平面内最大探测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化。参考图6，由实线指示的模型MO示出了随着飞行时间TOF(即进入组织的深度的增加)，探测超声信号的平面内最大探测强度ISmaxInplane最初缓慢降低，然后更快地降低，然后再次缓慢降低。模型的形状受超声信号衰减的影响，并且可以根据在组织或对应物质中获得的平面内最大强度的理论计算或经验测量来确定。MO模型仅取决于飞行时间，并且随平面内角度θIPA是不变的。应当注意，模型MO没有将最大探测强度ISmaxInplane建模为平面外距离的函数。因此，模型MO仅需要有限数量(即，一维)的校准数据。与前述三维模型相反，在使用中，由于需要仅在一个维度(即，飞行时间)中进行搜索，因此可以利用具有低等待时间的模型MO来确定平面外距离。已经发现所建模的平面内最大探测强度ISmaxInplane可靠地表示相同类型的不同射束成形超声成像探头，这意味着相同模型可以用于相同类型的射束成形超声成像探头。

参考图2和图3，在使用中，计算平面外距离Dop包括将最大探测强度ISmax与模型MO进行比较。随后可以在重建超声图像RUI中指示平面外距离Dop。平面外距离可以例如以数字表示，或者表示为根据Dop而变化的图标的大小或颜色。参考图3，在一种实施方式中，可以借助于根据平面外距离Dop改变图3中的圆形C1的半径来指示平面外距离Dop。将最大探测强度ISmax与模型MO进行比较可以例如涉及确定探测强度ISmax与对应于计算出的横向位置LAPTOFSmax的飞行时间TOFSmax处的平面内最大探测强度ISmaxInplane之间的差或比率。在一个范例性实施方式中，在计算出的超声换能器的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的最大探测强度ISmax可以因此被缩放为在对应于计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA的飞行时间TOFSmax处的平面内最大探测强度ISmaxInplane。随后可以在重建超声图像RUI中指示平面外距离的定性指示。例如，可以显示一个图标，其大小根据以下公式变化：

并且其中，k1和k2是常数，并且k1可以包括零。

在另一范例性实施方式中，参考图3，图标的颜色可以配置为基于与在飞行时间TOFSmax处的ISmaxInplane相关联的最大探测强度ISmax的值而改变。

但是，本发明的发明人已经发现的问题是，这样确定的位置可能容易出错。所确定的位置例如可以受到高水平的噪声或干扰的存在的影响。当最大探测强度ISmax或其信号噪声比或其信号干扰比较低时，所确定的位置同样可以受到影响。错误确定位置的可能性的另一个指标是所确定的位置的高变化速率。为了减轻这种错误，在本发明中，如果满足以下条件中的至少一个，则位置确定单元PDU抑制对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示：

计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的移动速率超过第一预定速率RMax1；

超声信号中的干扰信号超过第一预定值IntThreshold1；

最大探测强度ISmax小于第一预定阈值ISmaxThreshold1；

最大探测强度ISmax的信号噪声比或信号干扰比超过第一预定水平SNRISmaxThreshold1。

因此，参考范例性图3，如果满足前述条件之一，则位置确定单元PDU可以停止显示圆形C1。

总之，参考图1、图2、图3和图6，用于确定介入设备11相对于由射束成形超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置的系统10，其中，基于在超声成像探头13与被附接到介入设备11的超声换能器15之间传输的超声信号来确定介入设备11的所述位置，所述系统10包括：

图像重建单元IRU，其提供对应于由超声成像探头13限定的图像平面12的重建超声图像RUI；以及

位置确定单元PDU，其：

基于在超声成像探头13与超声换能器15之间传输的最大探测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax来计算超声换能器15相对于图像平面12的位置LAPTOFSmax,θIPA；

在重建超声图像RUI中指示计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA；并且

如果满足以下条件中的至少一个，则抑制对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示：

计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的变化速率超过第一预定速率RMax1；

超声信号中的干扰信号超过第一预定值IntThreshold1；

最大探测强度ISmax小于第一预定阈值ISmaxThreshold1；

最大探测强度ISmax的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平SNRISmaxThreshold1。

通过这样抑制对计算出的位置的指示，避免指示潜在不准确的位置。

可以通过硬件或软件控制的处理器或硬件和软件控制的处理器的组合来测量上述条件，即，计算出的位置的变化速率、超声信号中的干扰信号、最大探测强度ISmax、最大探测强度ISmax的信号噪声比或信号干扰比。决定并实现测试所述条件的结果的位置确定单元优选地由软件控制的处理器来实现。

关于确定计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的变化速率，计算位置LAPTOFSmax,θIPA的位置确定单元PDU可以在适当的坐标空间中确定位置的变化速率。变化速率可以例如包括平面内角θIPA的角度变化速率和/或最大探测超声信号TOFSmax的飞行时间的变化速率。备选地，可以将计算出的位置的极坐标转换为笛卡尔坐标空间，以便确定变化速率。可以基于可能期望用户在图像平面12内移动介入设备的可能速率来设置第一预定速率RMax1。以范例方式，可以认为操作者不太可能以例如每秒100帧在对应于一个图像帧内的10厘米的飞行时间上通过例如45度移动介入设备11。这样的阈值可以用于设置第一预定速率RMax1。当位置确定单元指示位置的改变速率超过该速率时，可以禁止对位置的指示，例如在图3中的重建超声图像RUI中的圆形C1的提供。

关于超声信号中的干扰信号，测量技术取决于超声换能器15是否是探测器的发射器。当超声换能器15是探测器时，例如可以使用电路来确定由探测器生成的电信号中的干扰和/或噪声的均方rms值，或者备选地可以使用模数转换器来对这些电信号进行采样，从而确定该值。各种硬件或软件滤波器可以用于测量预定带宽内的噪声和/或干扰，和/或将噪声和/或干扰从同时发生的超声信号中分开。当超声换能器15是发射器并且期望用于确定探测超声信号中的干扰信号时，这可以通过分析由超声成像探头13探测到的信号来执行。处理器实现的位置确定单元PDU可以使用等效软件方法确定来自由超声成像探头13探测到的数字信号中的噪声和/或干扰。预定值IntThreshold1可以例如基于典型的测量或预期信号水平来设置。

在超声成像探头13与超声换能器15之间传输的最大探测强度ISmax超声信号的值在提供位置确定单元PDU的处理器中固有地可用，因为该值用于计算位置LAPTOFSmax,θIPA。因此，将值ISmax与第一预定阈值ISmaxThreshold1进行比较变得直截了当。第一预定阈值ISmaxThreshold1可以例如基于典型的测量或预期信号水平来设置。

最大探测强度ISmax及其对应的第一预定水平SNRISmaxThreshold1的信号噪声比或信号干扰比可以使用与最大探测强度ISmax和探测超声信号中的噪声和/或干扰信号相关联所描述的上述技术的组合来确定和设置。

在一些范例性实施方式中，位置确定单元PDU可以持续抑制对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示，直到在预定的时间段内已经满足以下对应条件中的至少一个：

计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的变化速率小于第二预定速率RMax2；

超声信号中的干扰信号小于第二预定值IntThreshold2；

最大探测强度ISmax超过第二预定阈值ISmaxThreshold2；

最大探测强度ISmax的信号噪声比或信号干扰比超过第二预定水平SNRISmaxThreshold2。

通过持续抑制对计算出的位置的指示直到在预定的时间段内满足对应条件，进一步提高了系统的可靠性，因为确保不会再次指示计算出的位置，直到位置随时间稳定。

预定时间段可以例如以秒或几分之一秒或整数个帧或图像线来测量。借由后者同步到帧速率具有实现方式不太复杂的优点。

此外，尽管持续抑制对位置的指示的相应速率、值、阈值和水平可以与触发抑制的那些速率、值、阈值和水平不同，但是在一些实施方式中，第一预定速率RMax1等于第二预定速率RMax2；并且，在一些实施方式中，第一预定值IntThreshold1等于第二预定值IntThreshold2；并且，在一些实施方式中，第一预定阈值ISmaxThreshold1等于第二预定阈值ISmaxThreshold2；并且，在一些实施方式中，第一预定水平SNRISmaxThreshold1等于第二预定水平SNRISmaxThreshold2。使用相同的对应速率、值、阈值和水平有助于不太复杂的实现方式。使用不同的阈值在做出决策过程中增加滞后现象。这样做提供了更可靠的系统。

参考图4，其示出了对重建超声图像RUI的一系列的周期性更新RUI’、RUI”，在一些范例性实施方式中，位置确定单元PDU配置为基于超声信号中的干扰信号超过第一预定值IntThreshold1来抑制对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示。可以如上所述确定干扰信号的幅度。此外，在这样的实施方式中，图像重建单元IRU配置为周期性地更新重建超声图像RUI；在对应的成像帧周期Tf期间，由超声成像探头13传输和探测与每个重建超声图像RUI相对应的超声信号。位置确定单元PDU被配置为确定连续成像帧周期之间的超声信号中的干扰信号。

在整个图4B和4C中，更新后的重建超声图像RUI’和RUI”指示在水平方向上并且朝向图的右边的位置指示圆形C1的进展。图4D指示来自射束成形超声成像探头12的对应成像信号，它们在连续的帧F、F’和F”中被传输和探测，每个帧都具有周期Tf。在连续的帧周期之间，存在由图4D中的垂直箭头指示的“安静”周期，在所述“安静”周期期间，超声成像探头传输可以忽略不计的超声信号，并且预期不会探测到反射的超声信号。因此，该安静周期表示能够可靠地测量由系统探测到的仅干扰和/或噪声的时间。干扰和/或噪声可以范例性地在每个帧之间进行测量，或者在每N个帧的连续帧之间进行测量，其中N是整数，或者在随机数目的帧之后的连续帧之间进行测量。

参考图5，其示出了重建超声图像RUI，其包括多条图像线L1..n，每条线对应于超声图像中的飞行时间或深度尺寸，在一些范例性实施方式中，位置确定单元PDU被配置为基于超声信号中的干扰信号超过第一预定值IntThreshold1来抑制对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示。在这样的实施方式中，重建超声图像RUI包括多条图像线L1..n，每条线对应于超声图像中的深度尺寸；并且其中，在对应的图像线周期T1内，由超声成像探头13传输和探测与重建超声图像RUI的每条线相对应的超声信号。位置确定单元PDU被配置为确定连续图像线周期之间的超声信号中的干扰信号。

对应于图像线的超声信号通常以图5中所示的连续方式传输，并且在图像线周期T1内包括传输阶段和接收阶段，在所述传输阶段和接收阶段中，超声成像探头传输超声信号并在随后接收反射的超声信号。在一条成像线的接收阶段的结束与后续图像线的传输阶段之间，存在由图5B中的垂直箭头指示的“安静”周期，并且在该周期中预期不会发生反射。因此，该安静周期表示能够可靠地测量由系统探测到的仅干扰和/或噪声的时间。干扰和/或噪声可以范例性地在每条线之间进行测量，或者在每M条线之后的连续线之间进行测量，其中M是整数，或者在随机数量的线之后的连续线之间进行测量，或者在连续的或每N个图像帧中的相同的两条线之间进行测量。

参考图6，其示出了模型MO，所述模型MO描述了平面内最大探测强度ISmaxInplane(dB)随飞行时间TOF的预期变化，在一些实施方式中，在重建超声图像RUI中指示计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA还可以包括：

通过将最大探测强度ISmax与描述平面内最大探测强度ISmaxInplane随飞行时间在具有最大探测强度ISmax的超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期变化的模型MO进行比较来计算超声换能器15与图像平面12之间的平面外距离Dop；以及

在重建超声图像RUI中指示平面外距离Dop。

如上所述，可以通过这种比较获得对平面外距离Dop的指示。将最大探测强度ISmax与模型MO进行比较可以例如涉及确定探测强度ISmax与平面内最大探测强度ISmaxInplane之间的差或比率。超声换能器的计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的最大探测强度ISmax可以因此被缩放为平面内最大探测强度ISmaxInplane。通过使用模型MO，可以以较低的计算量获得对平面外距离Dop的定性指示。此外，在来自超声成像探头的探测超声信号比较低的较大的平面外距离处，计算潜在不准确位置的问题可能尤其严重。因此，在前述条件下抑制所指示的位置(例如本文范例性地表示为平面内最大强度值的比例的所示最大探测强度ISmaxThreshold1)在将介入设备常规地被布置在平面外位置的实施方式中可以是特别有益的。

参考图7，其示出了一系列重建超声图像RUI，其中在这些范例性实施方式中，借助于在计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处的第一图标Cop指示平面外距离Dop，指示平面外距离Dop可以包括在计算出的横向位置LAPTOFSmax,θIPA处提供第一图标Cop，第一图标Cop指示具有与平面外距离Dop相对应的半径的圆形区域。在图7中，介入设备11在重建超声图像RUI、RUI’和RUI”中相对于图像平面12的横向位置保持恒定，并且其平面外距离Dop在图7B和图7C中在位置LAP’和LAP”处减小。因此，对应的圆形Cop’和Cop”的半径减小。可选地，可以通过将最大探测强度ISmax缩放为在具有最大探测强度ISmax的超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期平面内最大探测强度ISmaxInplane来确定第一图标Cop的半径。

图8示出了适于与系统10一起使用的介入设备11。超声换能器15可以被附接在距特征(例如介入设备11的远端11a)的预定距离Lp处。超声换能器15可以通过包括使用粘合剂的各种方式被附接到介入设备11。还示出了将电信号从超声换能器11输送到位置确定单元PDU的电导体，尽管如上所述，还可以设想备选地使用无线链路来与位置确定单元PDU通信换能器信号。

上文具体参考图1、图2和图8描述的超声换能器15可以由多种压电材料提供。硬的和软的压电材料均适用。微机械机电结构设备，即诸如电容性微机械超声换能器(即CMUT)之类的MEMS设备也是适用的。当超声换能器是探测器时，其优选地由聚偏二氟乙烯(也称为PVDF)形成，PVDF的机械性能和制造工艺使其自身附接到诸如医学用针的弯曲表面上。可选择的材料包括PVDF共聚物(例如聚偏二氟乙烯三氟乙烯)、PVDF三元共聚物(例如P(VDF-TrFE-CTFE))。优选地，超声换能器缠绕在介入设备的轴周围，以便提供围绕轴旋转的360度的感测，尽管并非总是需要如此。

图9示出了可以与系统10一起使用的方法的各个方法步骤。参考图9，一种确定介入设备11相对于由射束成形超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置的方法，其中，基于在超声成像探头13与被附接到介入设备11的超声换能器15之间传输的超声信号来确定介入设备11的位置；所述方法包括以下步骤：

生成GENRUI对应于由超声成像探头13限定的图像平面12的重建超声图像RUI；

基于在超声成像探头13与超声换能器15之间传输的最大探测强度ISmax超声信号的飞行时间TOFSmax来计算CLP超声换能器15在图像平面12上的横向位置LAPTOFSmax,θIPA；

在重建超声图像RUI中指示INDCLP计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA；以及

如果满足以下条件中的至少一个，则抑制SUP对计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的指示：

计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的变化速率超过第一预定速率RMax1；超声信号中的干扰信号超过第一预定值IntThreshold1；

最大探测强度ISmax小于第一预定阈值ISmaxThreshold1；

最大探测强度ISmax的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平SNRISmaxThreshold1。

所述方法可以可选地包括以下步骤：

通过将最大探测强度ISmax与描述平面内最大探测强度ISmaxInplane随飞行时间在具有最大探测强度ISmax的超声信号的飞行时间TOFSmax处的预期变化的模型MO进行比较，计算超声换能器15与图像平面12之间的平面外距离Dop。

在重建超声图像RUI中指示INDCLP计算出的位置LAPTOFSmax,θIPA的步骤可以可选地包括：

在重建超声图像RUI中指示平面外距离Dop。

应当注意，所述方法的其他实施方式可以附加地结合相对于系统的实施方式所描述的一个或多个方面。

可选地包括本文所述的其他方法步骤的图9中所示的方法步骤可以作为可由处理器执行的指令存储在计算机程序产品上。计算机程序产品可以通过专用硬件或能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能能够由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独的处理器(其中一些可以共享)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应解释为专门指能够执行软件的硬件，而是能够隐含地包括但不限于：数字信号处理器“DSP”硬件、用于存储软件的只读存储器“ROM”、随机存取存储器“RAM”、非易失性存储器等。此外，本发明的实施例能够采取可从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品提供用于由计算机或任何指令执行系统使用或与计算机或任何指令执行系统结合使用的程序代码。为了本说明书的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是任何装置，其可包括、存储、通信、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。介质能够是电子的、磁性的、光的学、电磁的、红外的或半导体系统、或装置或设备、或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器“RAM”、只读存储器“ROM”、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括高密度磁盘——只读存储器“CD-ROM”、高密度磁盘——读/写“CD-R/W”，Blu-RayTM和DVD。

在这方面，还提供与系统10一起使用的计算机程序产品。计算机程序产品包括指令，当这些指令在系统10的处理器上执行时，用于确定介入设备11相对于由射束成形超声成像系统14的超声成像探头13限定的图像平面12的位置，其中，基于在超声成像探头13与被附接到介入设备11的超声换能器15之间传输的超声信号来确定介入设备11的位置；使处理器执行上述方法步骤。

通过以下列举的范例举例说明本公开：

范例1.一种用于确定介入设备(11)相对于由射束成形超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置的系统(10)，其中，所述介入设备(11)的所述位置基于在所述超声成像探头(13)与被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定，所述系统(10)包括：

图像重建单元(IRU)，其被配置为提供对应于由所述超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的重建超声图像(RUI)；

位置确定单元(PDU)被配置为：

基于在所述超声成像探头(13)与所述超声换能器(15)之间传输的最大探测强度(ISmax)超声信号的飞行时间(TOFSmax)来计算所述超声换能器(15)相对于所述图像平面(12)的位置(LAPTOFSmax,θIPA)；并且

在所述重建超声图像(RUI)中指示计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)；并且

其中，位置确定单元(PDU)还被配置为，如果满足以下条件中的至少一个，则抑制对计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的指示：

计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的变化速率超过第一预定速率(RMax1)；

所述超声信号中的干扰信号超过第一预定值(IntThreshold1)；

最大探测强度(ISmax)小于第一预定阈值(ISmaxThreshold1)；

最大探测强度(ISmax)的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平(SNRISmaxThreshold1)。

范例2.根据范例1所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)还被配置为持续抑制对计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的所述指示，直到在预定的时间段内已经满足以下对应条件中的至少一个：

计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的变化速率小于第二预定速率(RMax2)；

所述超声信号中的干扰信号小于第二预定值(IntThreshold2)；

最大探测强度(ISmax)超过第二预定阈值(ISmaxThreshold2)；

最大探测强度(ISmax)的信号噪声比或信号干扰比超过第二预定水平(SNRISmaxThreshold2)。

范例3.根据范例2所述的系统(10)，其中，所述第一预定速率(RMax1)等于所述第二预定速率(RMax2)；或者其中，所述第一预定值(IntThreshold1)等于所述第二预定值(IntThreshold2)；或者其中，所述第一预定阈值(ISmaxThreshold1)等于所述第二预定阈值(ISmaxThreshold2)；或者其中，所述第一预定水平(SNRISmaxThreshold1)等于所述第二预定水平(SNRISmaxThreshold2)。

范例4.根据范例1至3中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为基于所述超声信号中的干扰信号超过第一预定值(IntThreshold1)来抑制对计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的所述指示；并且其中，所述图像重建单元(IRU)被配置为周期性地更新所述重建超声图像(RUI)；在对应的成像帧周期(Tf)期间，由所述超声成像探头(13)传输和探测与每个重建超声图像(RUI)相对应的所述超声信号；并且其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为确定连续成像帧周期之间的所述超声信号中的所述干扰信号。

范例5.根据范例1至3中的任一项所述的系统(10)，其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为基于所述超声信号中的干扰信号超过第一预定值(IntThreshold1)来抑制对计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的所述指示；并且其中，所述重建超声图像(RUI)包括多条图像线(L1..n)，每条线对应于所述超声图像中的深度尺寸；并且其中，在对应的图像线周期(Tl)期间，由所述超声成像探头(13)传输和探测与所述重建超声图像(RUI)的每条线相对应的所述超声信号；并且其中，所述位置确定单元(PDU)被配置为确定连续图像线周期之间的所述超声信号中的所述干扰信号。

范例6.根据前述范例中的任一个所述的系统(10)，其中，在所述重建超声图像(RUI)中指示计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)包括：

通过将最大探测强度(ISmax)与描述平面内最大探测强度(ISmaxInplane)随飞行时间在具有最大探测强度(ISmax)的所述超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的预期变化的模型MO进行比较来计算所述超声换能器15与所述图像平面12之间的平面外距离(Dop)；以及

在所述重建超声图像(RUI)中指示所述平面外距离(Dop)。

范例7.根据范例6所述的系统(10)，其中，指示所述平面外距离(Dop)包括在计算出的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)处提供第一图标(Cop)，所述第一图标(Cop)指示具有对应于所述平面外距离(Dop)的半径的圆形区域。

范例8.根据范例7所述的系统(10)，其中，基于将最大探测强度(ISmax)缩放到在具有最大探测强度(ISmax)的所述超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的预期平面内最大探测强度(ISmaxInplane)来确定所述半径。

范例9.根据前述范例中的任一个所述的系统(10)，其还包括介入设备(11)，其具有被附接到所述介入设备上的超声换能器(15)。

范例10.一种确定介入设备(11)相对于由射束成形超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置的方法，其中，所述介入设备(11)的所述位置基于在所述超声成像探头(13)与被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定；所述方法包括以下步骤：

生成(GENRUI)对应于由所述超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的重建超声图像(RUI)；

基于在所述超声成像探头(13)与所述超声换能器(15)之间传输的最大探测强度(ISmax)超声信号的飞行时间(TOFSmax)来计算(CLP)所述超声换能器(15)相对于所述图像平面(12)的横向位置(LAPTOFSmax,θIPA)；

在所述重建超声图像(RUI)中指示(INDCLP)计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)；以及

如果满足以下条件中的至少一个，则抑制(SUP)对计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的指示：

计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的变化速率超过第一预定速率(RMax1)；

超声信号中的干扰信号超过第一预定值(IntThreshold1)；

最大探测强度(ISmax)小于第一预定阈值(ISmaxThreshold1)；

最大探测强度(ISmax)的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平(SNRISmaxThreshold1)。

范例11.根据范例10所述的方法，还包括：

通过将最大探测强度(ISmax)与描述平面内最大探测强度(ISmaxInplane)随飞行时间在具有最大探测强度(ISmax)的所述超声信号的所述飞行时间(TOFSmax)处的预期变化的模型(MO)进行比较来计算所述超声换能器(15)与所述图像平面(12)之间的平面外距离(Dop)；并且

其中，在所述重建超声图像(RUI)中指示(INDCLP)计算出的位置(LAPTOFSmax,θIPA)的步骤还包括：

在重建超声图像(RUI)中指示所述平面外距离(Dop)。

范例12.计算机程序产品包括指令，当在系统(10)的处理器上执行时，所述指令用于确定介入设备(11)相对于由射束成形超声成像系统(14)的超声成像探头(13)限定的图像平面(12)的位置，其中，基于在所述超声成像探头(13)和被附接到所述介入设备(11)的超声换能器(15)之间传输的超声信号来确定所述介入设备(11)的所述位置；使处理器执行范例11的方法的步骤。

综上所述，已经描述了一种用于确定介入设备相对于由射束成形超声成像系统的超声成像探头限定的图像平面的位置的系统，其中，基于在超声成像探头与被附接到介入设备的超声换能器之间传输的超声信号来确定介入设备的位置。系统包括图像重建单元和位置确定单元。图像重建单元提供与由超声成像探头限定的图像平面相对应的重建超声图像。位置确定单元基于在超声成像探头和超声换能器之间传输的最大探测强度超声信号的飞行时间来计算超声换能器相对于图像平面的位置。位置确定单元还指示重建超声图像中的计算出的位置。此外，如果满足以下条件中的至少一个，则位置确定单元抑制对计算出的位置的指示：

计算出的位置的变化速率超过第一预定速率；

超声信号中的干扰信号超过第一预定值；

最大探测强度小于第一预定阈值；

最大探测强度的信号噪声比或信号干扰比小于第一预定水平。

尽管已经在附图和前述关于医学用针的描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或范例性的而不是限制性的。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。此外，应当理解，本文所示的各种范例、实施方式和实施例可以进行组合，以提供用于确定介入设备相对于射束成形超声成像系统的图像平面的位置的各种系统和方法。