介入工具的聲學(xué)3d跟蹤的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體上涉及對(duì)介入工具(例如，針、導(dǎo)管等)到由聲學(xué)成像設(shè)備(例如，具有一維(“1D”)換能器陣列的二維(“2D”)超聲探頭)生成的聲學(xué)圖像平面的相對(duì)位置的三維(“3D”)跟蹤。為了便于介入工具到聲學(xué)圖像平面的相對(duì)位置跟蹤的目的，本發(fā)明具體地涉及一種相對(duì)于介入工具(例如，被附接到或被嵌入針或?qū)Ч艿倪h(yuǎn)尖端)空間對(duì)齊的聲學(xué)傳感器，以輸出根據(jù)對(duì)聲學(xué)圖像平面的聲學(xué)感測(cè)導(dǎo)出的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形。
【背景技術(shù)】
[0002]具有ID換能器陣列的2D超聲探頭通常被用于在臨床介入的寬范圍中的目標(biāo)解剖平面的可視化。然而，估計(jì)在由2D超聲探頭生成的目標(biāo)解剖平面的聲學(xué)成像之外的介入工具(例如，針、導(dǎo)管等)的位置是挑戰(zhàn)。因此，臨床醫(yī)生可以花費(fèi)大量精力和時(shí)間來(lái)試圖將介入工具(尤其介入工具的遠(yuǎn)尖端)精確地定位在目標(biāo)解剖平面的聲學(xué)圖像內(nèi)。更具體地，對(duì)于涉及將介入工具傾斜/正交地插入目標(biāo)解剖平面的介入，已經(jīng)證明很難建立進(jìn)入目標(biāo)解剖平面的聲學(xué)圖像內(nèi)的精確時(shí)間和位置。
[0003]例如，超聲引導(dǎo)下的針插入通常被執(zhí)行用于各種介入(例如，活組織檢查、放液治療、神經(jīng)阻滯、血管通路等)。盡管已經(jīng)實(shí)施了基于近似垂直于針閥桿的轉(zhuǎn)向成像射束的針可視化技術(shù)，在大量情況下，由于組織非均勻性和/或斜角不對(duì)稱性，針偏離聲學(xué)圖像平面。基本上，平面外的針從聲學(xué)圖像平面消失，無(wú)論智能針可視化增強(qiáng)軟件的復(fù)雜度如何。然后臨床醫(yī)生必須移動(dòng)聲學(xué)圖像平面以重新采集針的圖像，但是結(jié)果是損失目標(biāo)解剖平面的聲學(xué)圖像。而且，臨床醫(yī)生不知道針相關(guān)于聲學(xué)圖像平面在哪里，并且因此臨床醫(yī)生沒(méi)有如何移動(dòng)2D超聲探頭以找到針的指示。
[0004]總之，對(duì)于聲學(xué)成像，保持對(duì)目標(biāo)解剖平面進(jìn)行成像并且同時(shí)知道針關(guān)于目標(biāo)解剖平面的相對(duì)位置是必要的操作原則。為了便于介入工具到聲學(xué)圖像平面的相對(duì)位置跟蹤的目的，本發(fā)明通過(guò)提供相對(duì)于介入工具空間(例如，被附接到或被嵌入針或?qū)Ч艿倪h(yuǎn)尖端)對(duì)齊的聲學(xué)傳感器以輸出根據(jù)對(duì)聲學(xué)圖像平面的聲學(xué)感測(cè)導(dǎo)出的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形來(lái)遵循該操作原理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的范例性實(shí)施例，兩個(gè)或更多聲學(xué)傳感器被提供相對(duì)于介入工具空間對(duì)齊(例如，附接到或嵌入針或?qū)Ч艿倪h(yuǎn)尖端)。在操作中，每個(gè)聲學(xué)傳感器被結(jié)構(gòu)地配置為輸出根據(jù)(例如，通過(guò)具有ID換能器陣列的線性或曲線的2D超聲探頭生成的)對(duì)聲學(xué)圖像平面的聲學(xué)感測(cè)導(dǎo)出的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形。每個(gè)復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形包括聲學(xué)射束感測(cè)波形的陣列。能夠提供跟蹤工作站，其被結(jié)構(gòu)地配置為跟蹤介入工具相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的位置，所述位置是根據(jù)對(duì)復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的波形輪廓分析導(dǎo)出的。
[0006]另外，根據(jù)本發(fā)明的范例性實(shí)施例，提供一種系統(tǒng)，其包括介入工具(例如，針或?qū)Ч?，和兩個(gè)或更多聲學(xué)傳感器，所述兩個(gè)或更多聲學(xué)傳感器相對(duì)于介入工具被空間對(duì)齊(例如，被附接到或嵌入針或?qū)Ч艿倪h(yuǎn)尖端)。能夠提供跟蹤工作站，其被結(jié)構(gòu)地配置為跟蹤介入工具相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的位置，所述位置是根據(jù)對(duì)復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的波形輪廓分析導(dǎo)出的。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的又另一范例性實(shí)施例，提供一種用于基于相對(duì)于介入工具的兩個(gè)或更多聲學(xué)傳感器(例如，被附接到或嵌入針或?qū)Ч艿倪h(yuǎn)尖端的聲學(xué)傳感器)的空間對(duì)齊來(lái)跟蹤介入工具的方法。所述方法涉及操作聲學(xué)成像設(shè)備(例如，具有ID陣列的線性或曲線的2D超聲探頭)以生成聲學(xué)圖像平面，并且操作每個(gè)聲學(xué)傳感器以輸出根據(jù)對(duì)聲學(xué)射束陣列的聲學(xué)感測(cè)導(dǎo)出的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形。每個(gè)復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形包括聲學(xué)射束感測(cè)波形的陣列。所述方法還涉及操作跟蹤工作站以跟蹤介入工具相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的位置，所述位置是根據(jù)對(duì)復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的波形輪廓分析導(dǎo)出的。
[0008]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明，根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述范例性實(shí)施例和其他形式以及本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)。詳細(xì)描述和附圖僅僅是圖示本發(fā)明，而不是限制，通過(guò)附加權(quán)利要求和其等價(jià)方案定義本發(fā)明的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1A和IB分別圖示了根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)聲學(xué)圖像平面的聲學(xué)傳感器的范例性俯視圖和側(cè)視圖。
[0010]圖2A-2C圖示了根據(jù)本發(fā)明的由在圖1A和IB中示出的聲學(xué)傳感器輸出的范例性聲學(xué)射束感測(cè)波形。
[0011]圖3A和3B圖示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的范例性主聲學(xué)射束感測(cè)波形。
[0012]圖4A和4B分別圖示了根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)聲學(xué)圖像平面的在介入針上空間對(duì)齊聲學(xué)傳感器的范例性俯視圖和側(cè)視圖的第一集合。
[0013]圖5A圖示了根據(jù)本發(fā)明的由在圖4A和4B中示出的聲學(xué)傳感器輸出的范例性聲學(xué)射束感測(cè)波形。
[0014]圖4C和4D分別圖示了根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)聲學(xué)圖像平面的在介入針上空間對(duì)齊的聲學(xué)傳感器的范例性俯視圖和側(cè)視圖的第二集合。
[0015]圖5B圖示了根據(jù)本發(fā)明的由在圖4C和4D中示出的聲學(xué)傳感器輸出的范例性聲學(xué)射束感測(cè)波形。
[0016]圖4F和4G分別圖示了根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)聲學(xué)圖像平面的在介入針上空間對(duì)齊的聲學(xué)傳感器的范例性俯視圖和側(cè)視圖的第三集合。
[0017]圖5C圖示了根據(jù)本發(fā)明的由在圖4E和4F中示出的聲學(xué)傳感器輸出的范例性聲學(xué)射束感測(cè)波形。
[0018]圖6圖示了實(shí)施介入過(guò)程的本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)的范例性實(shí)施例。
[0019]圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的表示介入成像方法的范例性實(shí)施例的流程圖。
[0020]圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的表示介入工具跟蹤方法的范例性實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]總體上，本發(fā)明提供以下的可操作集成:(I)介入工具，其具有被附接到所述介入工具或被嵌入所述介入工具的兩個(gè)或更多聲學(xué)傳感器，(2)聲學(xué)成像設(shè)備，其用于生成聲學(xué)圖像平面，(3)經(jīng)由介入工具的聲學(xué)傳感器相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的3D位置跟蹤，以及(4)介入工具的3D繪制的顯示，其被疊加在2D聲學(xué)圖像上。
[0022]為了本發(fā)明的目的，本文中術(shù)語(yǔ)“介入工具”被廣泛地定義為用于執(zhí)行如本領(lǐng)域已知的任何介入過(guò)程的任何工具、設(shè)備、裝備等。介入工具的范例包括但不限于，針和導(dǎo)管，以及介入過(guò)程的范例包括但不限于，活組織檢查、流體排放、神經(jīng)阻滯、血管通路等。
[0023]為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“聲學(xué)傳感器”被廣泛地定義為被結(jié)構(gòu)地配置為輸出表示聲學(xué)能量的感測(cè)的波形的任何設(shè)備。
[0024]為了本發(fā)明的目的，本文中的術(shù)語(yǔ)“聲學(xué)成像設(shè)備”被廣泛地定義為被結(jié)構(gòu)地配置用于發(fā)射聲學(xué)能量以將皮下身體結(jié)構(gòu)(例如，肌腱、肌肉、關(guān)節(jié)、脈管和內(nèi)部器官等)可視化的任何設(shè)備。聲學(xué)成像設(shè)備的范例包括但不限于，具有ID換能器陣列的線性或曲線的2D超聲探頭。
[0025]具體地，本發(fā)明的前提在于，當(dāng)介入工具被導(dǎo)航接近聲學(xué)圖像平面時(shí)，每個(gè)聲學(xué)傳感器感測(cè)來(lái)自由聲學(xué)成像設(shè)備生成的聲學(xué)射束的聲學(xué)能量的各種振動(dòng)強(qiáng)度水平。由聲學(xué)能量引起的聲學(xué)傳感器的振動(dòng)激勵(lì)每個(gè)聲學(xué)傳感器以輸出針對(duì)每個(gè)聲學(xué)射束的聲學(xué)射束感測(cè)波形，從而每個(gè)聲學(xué)射束波形具有取決于聲學(xué)傳感器到對(duì)應(yīng)聲學(xué)射束的具體振動(dòng)強(qiáng)度水平的接近度的輪廓。更具體地，，聲學(xué)射束的振動(dòng)強(qiáng)度水平隨著聲學(xué)射束傳播通過(guò)解剖區(qū)域而衰減。當(dāng)介入工具被導(dǎo)航接近聲學(xué)圖像平面時(shí)，聲學(xué)傳感器將感測(cè)聲學(xué)射束的變化的振動(dòng)強(qiáng)度水平，其中，最低振動(dòng)強(qiáng)度水平與在任何給定時(shí)刻與最遠(yuǎn)離聲學(xué)傳感器的聲學(xué)射束相關(guān)聯(lián)，并且最高振動(dòng)強(qiáng)度水平與在任何給定時(shí)刻與最靠近聲學(xué)傳感器的聲學(xué)射束相關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)由聲學(xué)射束感測(cè)波形的陣列組成的復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的波形輪廓分析便于對(duì)每個(gè)聲學(xué)傳感器相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的跟蹤信息進(jìn)行估計(jì)。
[0026]跟蹤信息包括每個(gè)聲學(xué)傳感器的平面內(nèi)位置和平面外位置以及聲學(xué)傳感器的空間對(duì)齊的角度取向。
[0027]為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“平面外位置”廣泛地被定義為在聲學(xué)圖像平面之外的聲學(xué)傳感器的任何正交位置。
[0028]為了本發(fā)明的目的，本文中的術(shù)語(yǔ)“平面內(nèi)位置”廣泛地被定義為在聲學(xué)圖像平面內(nèi)的聲學(xué)傳感器的物理位置或根據(jù)聲學(xué)傳感器的平面外位置到聲學(xué)圖像平面的正交投影導(dǎo)出的聲學(xué)圖像平面內(nèi)的聲學(xué)傳感器的投影位置。
[0029]為了本發(fā)明的目的，本文中的術(shù)語(yǔ)“角度取向”被廣泛地定義為在聲學(xué)圖像平面和與聲學(xué)傳感器的空間對(duì)齊相關(guān)聯(lián)的中心/旋轉(zhuǎn)軸之間的角度。實(shí)際上，聲學(xué)傳感器的空間對(duì)齊可以具有任何形式(例如，直線、曲線、螺旋形等)。
[0030]本發(fā)明認(rèn)識(shí)到聲學(xué)傳感器相對(duì)于介入工具的任何具體空間對(duì)齊指示在復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的輪廓中的相似性和差異性，并且在跟蹤介入工具相對(duì)于聲學(xué)圖像平面的3D位置中利用這些相似性和差異性。更具體地，對(duì)于聲學(xué)成像設(shè)備的每行觸發(fā)器，復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的輪廓形狀將在很大程度上是相似的，尤其對(duì)于聲學(xué)傳感器相對(duì)于介入工具的軸向空間對(duì)齊，并且復(fù)合聲學(xué)感測(cè)波形的輪廓范圍可以類似于或不同于取決于每個(gè)聲學(xué)傳感器的平面內(nèi)位置和平面外