通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法
【专利说明】通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月15日递交的、名称为“通过超声成像来检测和呈现介入设备的系统和方法(Systems and Methods to Detect and Present Intervent1nalDevices via Ultrasound Imaging) ”的美国临时申请N0.61/790，586的优先权和权益，该申请的全文通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本公开一般涉及超声成像，更特别地涉及利用声传感器经由超声成像来提供对诸如针、导管等介入设备的引导的方法和系统。
【背景技术】
[0004]利用超声来引导涉及介入设备(例如，针或导管)的诊断或治疗侵入性操作在临床领域变得越来越普遍。介入超声需要通过超声成像精确地定位介入设备的末端或头部。一些现有的技术提议将电传感器安装到介入设备的末端上以从心脏采集电信号。然而，那些现有技术具有局限性。通常，介入设备放置在不能采集心脏信号或者采集极微弱心脏信号的目标附近，因此介入设备的末端的精确位置不能被检测到且无法以超声图像呈现。其他现有技术提议将电传感器安装到介入设备的末端上以接收从成像换能器发送的超声波脉冲，将脉冲转换成电信号，并且将信号传回到超声设备。然而，在这些现有技术下，当在图像中存在强的组织杂波而弱化超声波脉冲时，很难实现超声图像中介入设备的末端的可视化。而且，在那些现有技术中，难以精确地判定哪条被发送的声波束触发了电传感器，因此不能检测到介入设备的末端的精确位置。而且，因为在人体或动物体中行进的超声波脉冲衰减极快且变弱且不稳定，所以对于那些现有技术来说很难将噪声与介入设备末端的真实脉冲信号区分开。总之，现有技术仅能够计算介入设备末端的近似的、不精确的位置。
[0005]因此，需要开发通过超声成像来检测和呈现诸如针、导管等介入设备位置的简易精确的方法和系统以克服现有技术系统的局限性。
【发明内容】
[0006]本公开包括用于对与在第一模式和第二模式下操作的超声成像系统耦合的介入设备提供实时引导的示例性的方法。该方法的实施例包括，在第一模式下:停止从超声成像系统的换能器发送超声信号；通过安装在介入设备的头部上的声传感器发送超声信号；通过换能器接收所发送的超声信号；以及基于接收到的超声信号来生成头部的位置的第一图像。该方法的实施例还包括，在所述第二模式下:停止从声传感器发送超声信号；通过换能器来发送超声信号；接收从对象结构反射回的所发送超声信号的回波；以及基于接收到的回波来生成对象结构的第二图像。该方法的实施例还包括:将第一图像与第二图像组合以获得第三图像，第三图像显示出头部相对于对象结构的位置。该方法的一些实施例还包括:通过将第三图像中头部的相对位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。
[0007]根据本公开的示例性系统包括:换能器；处理器，其与换能器耦合；以及声传感器，其安装到介入设备的头部上。当所公开的系统在第一模式下操作时，换能器停止发送超声信号，声传感器发送超声信号，该超声信号随后由换能器接收且用来生成头部的位置的第一图像。当所公开的系统在第二模式下操作时，声传感器停止发送超声信号，换能器发送超声信号且接收所发送的超声信号的回波，该回波用来生成对象结构的第二图像。在一些实施例中，处理器将第一图像与第二图像组合来获得第三图像，第三图像显示出头部相对于对象结构的位置。在一些实施例中，处理器通过将第三图像中头部的相对位置加亮、将该位置着色或者用文本或符号标记该位置来突出显示该位置。
[0008]应理解的是，上述概述和下面的详述仅是示例性和说明性的，不限制如权利要求所主张的发明。
【附图说明】
[0009]图1示出了与本公开一致的示例性系统的框图。
[0010]图2是示出图1的示例性系统的实施例的框图。
[0011 ]图3是示出图2的实施例中的示例性过程流的功能图。
[0012]图4是示出图2的实施例中的另一示例性的过程流的功能图。
[0013]图5示出了示例性的传感器图像。
[0014]图6示出了示例性的超声图像。
[0015]图7示出了将图5的传感器图像与图6的超声图像组合的示例性增强可视化图像。
[0016]图8示出了实时生成的一系列示例性增强可视化图像。
[0017]图9是表示利用声传感器通过超声成像对介入设备提供引导的示例性的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]现在将具体参考在附图中示出的示例性的实施例。在全部图中仅可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
[0019]本文所公开的方法和系统解决了上述需求。例如，示例性的实施例包括安装到诸如针、导管等介入设备的头部上的声传感器。声传感器用作信标。本文所公开的声传感器将是超声成像系统的一部分用于发送声脉冲，而非从心脏接收电信号或者从成像换能器接收声脉冲。在超声成像系统的第一模式下，成像换能器本身不发送声脉冲或者发送功率为零。相反，该系统指示声传感器发送带时序的声脉冲，就好像其位于成像换能器的发送孔隙的中央而形成传感器图像一样。发送孔隙包括一个或多个换能器元件。形成二维(“2D”)或三维(“3D”)图像的传感器图像，就好像换能器正在发送一样。作为结果，可以在传感器图像上看到声传感器的单向点扩散函数("PSF")。由于单程特性，成像深度应当乘以二。该传感器图像能够与对象结构的超声图像组合来获得增强的可视化图像，该可视化图像显示出介入设备的头部相对于对象结构的位置。本文公开的声传感器所发送的声脉冲比换能器元件所发送的声波束和该波束的回波更强且更稳定，且能够容易地、精确地检测到和记录在传感器图像中。本文所公开的方法和系统在进行现场超声成像时提供了介入设备的头部的实时的、精确的位置。
[0020]图1示出了与本公开一致的示例性的系统100的框图。示例性的系统100可以是任意类型的系统，其在诊断或治疗侵入性操作中通过超声成像来提供对介入设备的实时引导。示例性的系统100除了其他组件外可以包括:超声装置100A，其具有超声成像场120 ;以及声传感器112，其安装到与超声装置100A耦合的介入设备110的头部上。声传感器112能够直接地或者通过介入设备110与超声装置100A耦合。
[0021]超声装置100A可以是任何利用超声来检测和测量位于超声成像场120的范围内的对象且在超声图像中呈现所测量对象的设备。超声图像可以是灰阶的、彩色的或者其组合，且可以是2D或3D的。
[0022]介入设备110可以是任何在诊断或治疗侵入式操作中使用的设备。例如，介入设备110可设置为针、导管或者任何其他诊断或治疗设备。
[0023]声传感器112可以是任何发送从电脉冲转换而来的声脉冲或信号(即，超声脉冲或信号)的设备。例如，声传感器112可以是一种微机电系统(“MEMS”)。在一些实施例中，声传感器112还能够接收从另一设备发送的声脉冲。
[0024]图2是更详细地示出示例性的系统100内的超声装置100A的框图。超声装置100A包括显示器102、超声换能器104、处理器106和超声波束成形器108。图示的超声装置100A的构造仅为示例性的，本领域普通技术人员将理解到图示的各元件可以设置为离散的元件或者可以组合，且设为硬件和软件的任意组合。
[0025]参考图2，超声换能器104可以是任何具有将电脉冲转换成待发送的声波束以及接收所发送的声波束的回波的多个压电元件的设备。所发送的声波束传播到受验者(如人体或动物体)中，其中来自具有不同声阻抗的对象结构(如人体或动物体内的组织)之间的界面的回波被反射回到换能器。换能器元件将回波转换成电信号。基于声波发送时间和回波接收时间之间的时间差，能够生成对象结构的图像。
[0026]超声波束成形器108可以是任何实现声信号发送或接收的方向或空间可选择性的设备。特别地，超声波束成形器108将待发送声波束集中以指向相同方向，并且对被接收作为来自不同对象结构的反射的回波信号进行集中。在一些实施例中，超声波束成形器108使到达不同元件的回波信号延迟且对回波信号进行对齐以形成等相面。超声波束成形器108随后对延迟的回波信号进行相干求和。在一些实施例中，超声波束成形器108可以对从回波信号转换而来的电信号或数字信号进行波束成形。
[0027]处理器106可以是任何控制和协调