CN112004477A - 基于传感器的形状识别 - Google Patents

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CN112004477A CN201980027220.4A CN201980027220A CN112004477A CN 112004477 A CN112004477 A CN 112004477A CN 201980027220 A CN201980027220 A CN 201980027220A CN 112004477 A CN112004477 A CN 112004477A
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R·Q·埃尔坎普
S·巴拉特
K·维迪雅
A·托尔耶森
M·L·弗莱克斯曼
A·K·贾殷
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Abstract

一种用于确定介入设备的形状的控制器包括存储指令的存储器和执行指令的处理器。当由处理器执行时，指令使得控制器执行包括以下操作的过程：控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束。该过程还包括基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状，所述第一传感器相对于在所述时间段内在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间沿着所述介入医学设备移动。

Description

基于传感器的形状识别
背景技术
InSitu技术通过分析当超声成像探头的波束扫掠声穿透场时由无源超声传感器接收到的信号来估计无源超声传感器在已知的诊断B模式超声图像的视场中的位置。飞行时间测量结果提供了无源超声传感器距成像阵列的轴向/径向距离，而幅度测量结果和波束击发序列的知识提供了无源超声传感器的横向/角度位置。
图1图示了用于使用无源超声传感器来跟踪介入医学设备的已知***。在图1中，超声探头102发射成像波束103，成像波束103扫过介入医学设备105的工具尖端上的无源超声传感器104。组织107的图像由超声探头102反馈。在通过信号处理算法进行确定后，在介入医学设备105的工具尖端上的无源超声传感器104的位置被提供为尖端位置108。尖端位置108被叠加在组织107的图像上作为叠加图像109。组织107的图像、尖端位置108和叠加图像109全部被显示在显示器100上。
发明内容
根据本公开的方面，一种用于确定介入设备的形状和/或路径的控制器包括存储指令的存储器以及执行指令的处理器。当由处理器执行时，指令使控制器执行包括以下操作的过程：控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束。该过程还包括：基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状和/或路径，所述第一传感器相对于在所述时间段内在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间沿着所述介入医学设备移动。
根据本公开的另一方面，一种用于确定介入设备的形状和/或路径的方法包括：由执行存储在存储器中的指令的处理器控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束。该方法还包括：基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状和/或路径，所述第一传感器相对于在所述时间段内在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间沿着所述介入医学设备移动。
根据本公开的又一方面，一种用于确定介入设备的形状和/或路径的控制器包括存储指令的存储器以及执行指令的处理器。当由处理器执行时，指令使控制器执行包括以下操作的过程：控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束。由控制器执行的该过程还包括：基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状和/或路径，所述第一传感器相对于在所述时间段期间在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间固定在所述介入医学设备上。
附图说明
当结合附图阅读时，将从以下详细描述最好地理解示例实施例。要强调，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，可以任意增加或减小尺寸。在任何适用和实际之处，相似附图标记指代相似元件。
图1图示了根据代表性实施例的用于使用无源超声传感器进行介入医学设备跟踪的已知***。
图2A图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的超声***。
图2B图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的另一超声***。
图2C是根据代表性实施例的通用计算机***的说明性实施例，在其上可以实施基于传感器的形状识别的方法。
图3图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备。
图4A图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的另一介入医学设备。
图4B图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的操作。
图4C图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的操作。
图4D图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的另一操作。
图5图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的过程。
图6图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的另一过程。
图7图示了根据代表性实施例的序列，在所述序列中，固定传感器可以用于隔离针对基于传感器的形状识别的探头运动。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的代表性实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。可以省略对已知***、设备、材料、操作方法和制造方法的描述，从而避免模糊对代表性实施例的描述。尽管如此，在本领域普通技术人员的知识范围内的***、设备、材料和方法在本教导的范围内，并且可以根据代表性实施例使用。应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在为限制。所定义的术语是如在本就教导的技术领域中通常理解和接受的所定义的术语的技术和科学含义的补充。
将理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一元件或部件。因此，在不脱离创造性构思的教导的情况下，下面讨论的第一元件或部件可以被称为第二元件或部件。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在是限制性的。如说明书和权利要求中所使用的，单数形式的术语“一”、“一个”和“所述”旨在包括单数和复数形式两者，除非上下文另行明确规定。此外，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”和/或类似术语指定陈述的特征、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其他特征、元件、部件和/或其组的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
除非另行指出，否则当元件或部件被称为“连接到”、“耦合到”或“邻近于”另一元件或部件时，将理解所述元件或部件可以直接连接或耦合到其他元件或部件，或者可以存在中介元件或部件。也就是说，这些和类似术语涵盖可以采用一个或多个中间元件或部件来连接两个元件或部件的情况。然而，当元件或部件被称为“直接连接”到另一元件或部件时，这仅涵盖两个元件或部件彼此连接而没有任何中间或中介元件或部件的情况。
鉴于前述内容，因此本公开通过其各个方面、实施例和/或特定特征或子部件中的一个或多个旨在呈出如下面具体指出的优点中的一个或多个。出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的范例实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。然而，与本公开一致的脱离本文公开的具体细节的其他实施例保持在权利要求的范围内。此外，可以省略对公知装置和方法的描述，以免模糊对范例实施例的描述。这样的方法和装置在本公开的范围内。
如本文所描述的，可以使用诸如InSitu传感器的一个或多个无源超声传感器来识别导线或设备的形状。在实施例中，第一无源超声传感器可沿第一设备相对于固定位置移动，并且可移动传感器和固定位置被用于识别导线或设备的形状。在实施例中，在固定位置处的第二无源超声传感器用作固定参考标记，例如以补偿组织和/或探头运动。
图2A图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的超声***。
在图2A中，超声***200包括带有处理器251和存储器252的中心站250、触摸面板260、监测器280、通过导线232A连接到中心站250的成像探头230以及通过导线212A连接到中心站的介入医学设备205。图2A中的介入医学设备205包括护套S和导线W。可移动传感器MS可与介入医学设备205的导线W的端部处的工具T一起移动。传感器MS可与介入医学设备205的导线W的端部处的工具T一起移动，但不一定必须与工具T一起提供为与介入医学设备205可区分，或者在介入医学设备205的任何部分的末端处。固定位置F被设置在介入医学设备205的护套S上或作为其部分，并且可以是视觉标记、固定传感器或可以用于帮助确定传感器MS的相对移动的其他形式的固定物。
通过说明，在医学流程期间将介入医学设备205在内部放置到患者中。可以使用可移动传感器MS和固定位置F来跟踪介入医学设备205的位置。此外，可移动传感器MS与固定位置F之间的关系可以用于确定介入医学设备205的形状。介入医学设备205、工具T、可移动传感器MS和固定位置F之间的关系可能与图2A和图2B所示的关系有很大的不同。类似地，介入医学设备205、工具T、可移动传感器MS和固定位置F中的每个的形状可能与图2A和图2B所示的形状有很大不同。
例如，可移动传感器MS可以接收超声跟踪波束以帮助确定可移动传感器MS的位置。本文描述的超声跟踪波束可以是否则用于获得超声图像的超声成像波束，或者可以是与超声成像波束分开的超声跟踪波束(例如，分开的频率、分开的传输定时)。可移动传感器MS可以被动地或主动地用于对接收到的超声跟踪波束做出响应。如本文所述，超声成像波束和/或与超声成像波束分开的超声跟踪波束可以选择性地、通常地或总是用于获得可移动传感器MS的位置。然而，还如本文还指出的，可以使用超声成像波束或完全分开的超声跟踪波束之一或两者来执行跟踪。
在图2A中，导线212A和导线232A被用于将介入医学设备205和成像探头230连接到中心站250。对于成像探头230，导线232A能够并不呈现很多影响，但导线232A仍然能够分心。对于介入医学设备205，当介入医学设备205用于捕获图像时，导线212A可以用于传送回例如图像。然而，导线212A能够有更多影响，其中，介入医学设备205至少部分地***在患者中。因此，用无线连接代替导线232A和导线212A可以提供一些益处。
图2B图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的另一超声***。
在图2B中，导线232A以无线数据连接232B来替换，并且导线212A以无线数据连接212B来替换。否则，图2B中的超声***200包括与图2A中相同的中心站250，即具有处理器251和存储器252、触摸面板260、监测器280、成像探头230和介入医学设备205。图2B中的介入医学设备205还包括护套S和导线W。可移动传感器MS可与介入医学设备205的导线W的端部处的工具T一起移动。
在图2B中，超声***200可以是具有介入医学设备205的布置，板上有可移动传感器MS和固定位置F。介入医学设备205可以包括例如在其尖端处或附近具有可移动传感器MS的针。可移动传感器MS还可以被配置为侦听和分析来自跟踪波束的数据，使得来自成像探头230的跟踪波束的“传送”与由可移动传感器MS对跟踪波束的“侦听”是同步的。在实施例中可以提供与成像波束分开的跟踪波束的使用，但不是本公开的(一个或多个)主要实施例，只要基于传感器的形状识别主要使用仅具有成像波束的实施例。
在图2A或图2B中，成像探头230可以传送成像波束的脉冲序列。对中心站250、成像探头230和可移动传感器MS以及固定位置F之间的关系的说明在下面。在这方面，图2A和图2B中的中心站250可以包括波束形成器(未示出)，其由时钟(未示出)同步以以发射模式将适当延迟的信号传送至成像探头230中的成像阵列的元件。在接收模式中，波束形成器可以适当地对来自成像探头230中的成像阵列的个体元件的信号进行延迟和求和。超声成像本身是使用成像探头230执行的，并且可以根据由中心站250的波束形成器执行的波束形成。
成像探头230可以发射成像波束作为跟踪波束，该跟踪波束撞击在可移动传感器MS上(即，当可移动传感器MS在跟踪波束的视场中时)。可移动传感器MS可以接收跟踪波束的能量并将其转换成信号，使得可移动传感器MS或甚至介入医学设备205可以确定可移动传感器MS相对于成像探头230的成像阵列的位置。可移动传感器MS的相对位置可以基于由可移动传感器MS接收的接收到的跟踪波束以几何方式来计算，并且在一段时间内的相对位置可以用于识别介入医学设备205在其部署于患者中时的形状。
固定位置F可以是例如在护套上固定于固定位置处的视觉标记。视觉标记可以与组织可区分，例如当视觉标记由将以与组织反射和/或吸收来自成像波束的能量的方式可区分的方式反射和/或吸收来自成像波束的能量的材料制成时。以这种方式，可以通过根据超声图像进行图像处理来自动识别视觉标记。然而，固定位置F也可以是诸如无源超声传感器的固定传感器。当固定传感器在作为跟踪波束的成像波束的视场中时，来自成像探头230的成像波束可以撞击在固定位置F处的固定传感器上。固定位置F处的固定传感器可以接收作为跟踪波束的成像波束的能量并将其转换为信号，使得固定位置F处的固定传感器或甚至介入医学设备205可以重复地确定固定位置F处的固定传感器相对于成像探头230的成像阵列的位置。因此，在包括多个不同时间点的时间段内，成像探头230向介入医学设备205发射跟踪波束。例如，跟踪波束可以在30秒、60秒、120秒、180秒或包括多个不同时间点的任何其他时间段内发射。可以周期性地收集对跟踪波束的响应，例如每秒或每1/10秒。对跟踪波束的响应可以是由可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器反射的反射能量。备选地，对跟踪波束的响应可以是由可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器生成的有源信号，例如接收到的跟踪波束的能量的读数。
固定位置F还可以是在超声成像中可以与组织可区分的视觉标记。固定位置F还可以是这样的标记：其在空间中的位置可相对于解剖结构通过诸如X射线成像、计算机断层摄影成像、MRI成像、光学成像或直接可视化的备选成像模态检测。固定位置F可以是这样的标记：其在空间中的位置可相对于解剖结构通过诸如多普勒超声、电磁跟踪或激光跟踪的备选感测方法检测，其中，未明确生成图像。最后，固定位置F可以是未被外部模块直接检测到的位置，但是其在空间中的位置始终相对于解剖结构已知。
在其他实施例中，不是通过上述机构来跟踪固定位置F(即，除了无源超声传感器)，而是可以通过这样的模块来跟踪移动传感器MS。在这些实施例中，固定位置F可以是或包括由例如Insitu跟踪的无源超声传感器。
基于对跟踪波束的响应，处理器251可以确定例如可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器在该时间段期间的多个不同时间点中的每个时间点处的绝对位置。作为结果，可以确定可移动传感器MS相对于在固定位置F处的固定传感器的移动。该移动揭示了可移动传感器MS相对于固定位置F的路径。并且该路径揭示了介入医学设备205的形状，只要可移动传感器MS相对于在固定位置F处的固定传感器的移动可以对应于***或以其他方式移动到患者体内的介入医学设备205的形状。因此，或例如，当可移动传感器MS位于作为工具T的针或导线上时，可移动传感器MS可以与针或导线一起从护套S移动，使得可移动传感器MS相对于介入医学设备上的固定位置F移动。
中心站250可以被认为是控制成像探头230的控制单元或控制器。如图2A和图2B所描述的，中心站250包括连接到存储器252的处理器251。中心站250还可以包括时钟(未示出)，其提供时钟信号以将成像探头230与可移动传感器MS同步。此外，中心站250的一个或多个元件可以个体地被认为是控制单元或控制器。例如，处理器251和存储器252的组合可以被认为是控制器，其执行软件以执行本文所述的过程，即，使用可移动传感器MS的位置来确定当在患者中部署介入医学设备205时介入医学设备205的形状。
成像探头230适于扫描包括介入医学设备205、可移动传感器MS和固定位置F的感兴趣区域。当然，如对于超声成像探头已知的，成像探头230使用超声成像波束在逐帧基础上提供图像。成像探头230还可以使用独立的跟踪波束来获得可移动传感器MS的位置和固定位置F。
在单向关系中，可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器可以适于将由成像探头230提供的跟踪波束转换成电信号。可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器可以被配置为直接或间接(例如，经由位于介入医学设备205的近端端部处的发射器或中继器)向中心站250提供原始数据或部分或完全处理的数据(例如，计算的传感器位置)。取决于其处理程度，这些数据由中心站250用于确定可移动传感器MS的位置(以及可移动传感器MS附接到的介入医学设备205的远端端部的位置)和在固定位置F处的固定传感器的位置，或者向中心站250提供可移动传感器MS的位置(以及可移动传感器MS附接到的介入医学设备205的远端端部的位置)和在固定位置F处的固定传感器的位置。来自在时段内的不同时间处的多个不同读数的位置被用于确定介入医学设备205的形状并且是准确的，只要通过减去或以其他方式分解在固定位置F处的固定传感器的位置来考虑成像探头230或组织的移动。
如本文所描述的，可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置由中心站250确定或被提供给中心站250。可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置可以由处理器251使用，以将可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置叠加到图像帧上以在监测器280上显示。作为结果，可移动传感器和因此介入医学设备205的远端端部随着时间相对于在固定位置F处的固定传感器的移动示出在工具T随导线W的端部移动时介入医学设备205的形状。在固定位置F处的固定传感器的位置可以用于调节可移动传感器MS的位置，诸如以分解影响可移动传感器MS在绝对坐标系中的位置的组织的移动。换句话说，除了可移动传感器MS与导线W的端部处的工具T的操作移动，可移动传感器MS可以基于与可移动传感器MS接触的组织的移动相对于固定位置F移动。在另一代表性实施例中，由处理器251执行存储在存储器252中的指令，以确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器相对于图像帧的位置，并叠加可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置。因此，当工具T与导线W的端部一起移动时，根据可移动传感器MS相对于在固定位置F处的固定传感器的变化位置来导出介入医学设备205的形状。再次，可以分解在固定位置F处的固定传感器的位置以考虑影响可移动传感器MS在绝对坐标系中的感知位置的组织的移动或者甚至成像探头230的移动。
广泛地，在操作中，处理器251起始成像探头230的扫描。该扫描可以包括跨感兴趣区域发射作为跟踪波束的成像波束。成像波束用于形成帧的图像，并作为跟踪波束以确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置。当在一段时间内可移动传感器MS相对于固定位置F移动时，位置继而用于确定形状。如可以意识到的，来自成像波束的图像由双向传输序列形成，其中，感兴趣区域的图像由子波束的透射和反射形成。此外，在单向关系中，作为跟踪波束的成像波束入射在可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器上，并且可以被转换成电信号(即，不同于反射跟踪波束或除此之外)。在双向关系中，作为跟踪波束的成像波束由可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器反射，使得成像探头230使用反射的跟踪波束确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置。
如上所述，用于确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置的数据可以包括原始数据、部分处理的数据或完全处理的数据，这取决于要确定的位置在何处。取决于处理的程度，可以将这些数据提供给处理器251，以执行存储在存储器252(即中心站250)中的指令，从而确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器在来自波束形成器的超声图像的坐标系中的位置。备选地，这些数据可以包括可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器在当执行存储于存储器252中的指令时由处理器251所使用的坐标***中的确定位置，以将可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置叠加在监测器280中的超声图像上。为此，中心站250的波束形成器可以处理波束形成的信号以显示为帧的图像。可以将来自波束形成器的输出提供给处理器251。来自可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的数据可以是原始数据，在这种情况下，处理器251执行存储器252中的指令以确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器在图像的坐标系中的位置；或者可以由介入医学设备205处理来自可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的数据，以确定可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器在图像的坐标系中的位置。无论哪种方式，处理器251被配置为将可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的位置叠加在监测器280上的图像上。例如，来自作为跟踪波束的成像波束的合成图像可以包括组织的图像以及可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的实际或叠加位置，从而向临床医师提供可移动传感器MS(以及介入医学设备205的远端端部)和在固定位置F处的固定传感器的位置和历史的实时反馈，每个相对于感兴趣区域和相对于彼此。如可以意识到的，可移动传感器MS的位置在历史位置的背景下以及在固定位置F处的固定传感器的背景下的叠加实现介入医学设备205的形状的完整的实时原位可视化，因为可移动传感器MS利用例如导线W或工具T从介入医学设备中凸出。
图2C是根据代表性实施例的通用计算机***的说明性实施例，可以在其上实施基于传感器的形状识别的方法。
计算机***2100可以包括可以被执行以使计算机***2100执行本文所公开的基于方法或计算机的功能中的任何一个或多个的一组指令。计算机***2100可以操作为独立设备或可以例如使用网络2101连接到其它计算机***或***设备。图1C中的计算机***2100的任何或全部元件和特性可以表示图2A和2B中的中心站250、成像探头230或甚至可移动传感器MS和在固定位置F处的固定传感器的元件和特性。
在联网部署中，计算机***2100可以在服务器-客户端用户网络环境中以客户端的能力操作。计算机***2100还可以完全或部分被实施为各种设备或并入各种设备中，诸如中心站、成像探头、无源超声传感器、固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、或能够执行指定要由该机器采取的动作的一组指令(顺序的或以其他方式)的任何其他机器。计算机***2100可以并入为继而在包括额外设备的集成***中的设备，或在其中。在实施例中，计算机***2100可以使用提供视频或数据通信的电子设备实施。此外，尽管图示了计算机***2100，但是术语“***”还应当被理解为包括个体或联合执行一组或多组指令以执行一个或多个计算机功能的***或子***的任何集合。
如图1C图示的，计算机***2100包括处理器2110。用于计算机***2100的处理器2110是有形的和非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。本文描述的任何处理器是制品和/或机器部件。用于计算机***2100的处理器被配置为执行软件指令以执行如本文的各种实施例中描述的功能。用于计算机***2100的处理器可以是通用处理器，或者可以是专用集成电路(ASIC)的部分。用于计算机***2100的处理器还可以是微处理器、微计算机、处理器芯片、控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机或可编程逻辑器件。用于计算机***2100的处理器也可以是逻辑电路，包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的可编程门阵列(PGA)，或包括离散门和/或晶体管逻辑的另一类型的电路。用于计算机***2100的处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者。此外，本文描述的任何处理器可包括多个处理器、并行处理器或两者。多个处理器可以包括在单个设备或多个设备中，或者耦合到单个设备或多个设备。
此外，计算机***2100包括主存储器2120和静态存储器2130，其可以经由总线2108彼此通信。本文描述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在指令存储在其中的时间期间是非瞬态的。如本文所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而是被解释为将在时段内持续的状态的特性。术语“非瞬态”明确地否定了稍纵即逝的特性，例如载波或信号的特性或在任何时间仅在任何地方瞬态存在的其他形式。本文描述的存储器是制品和/或机器部件。本文描述的存储器是计算机可读介质，可以由计算机从其读取数据和可执行指令。本文描述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除磁盘、磁带、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用磁盘(DVD)、软盘、蓝光光盘或本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储器可以是易失性的或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。
如图所示，计算机***2100还可以包括视频显示单元2150，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器或阴极射线管(CRT)。此外，计算机***2100可以包括输入设备2160，诸如键盘/虚拟键盘或触敏输入屏幕或具有语音识别的语音输入，以及光标控制设备2170，诸如鼠标或触敏输入屏幕或垫。计算机***2100还可以包括磁盘驱动器单元2180、信号生成设备2190、例如扬声器或遥控器，以及网络接口设备2140。
在实施例中，如图1C中所描绘的，磁盘驱动单元2180可以包括计算机可读介质2182，其中，可以嵌入一组或多组指令2184，例如，软件。可以从计算机可读介质2182读取多组指令2184。此外，指令2184在由处理器执行时可以用于执行如本文所描述的方法和过程中的一个或多个。在实施例中，指令2184可以在由计算机***2100执行期间完全或至少部分驻留在主存储器2120、静态存储器2130和/或处理器2110内。
在备选实施例中，可以构造专用硬件实施方式，诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列和其他硬件部件，以实施本文描述的方法中的一个或多个。本文描述的一个或多个实施例可以使用两个或更多个特定互连硬件模块或设备利用可以在模块之间和通过模块通信的相关控制和数据信号来实施功能。因此，本公开涵盖软件、固件和硬件实施方式。本申请中的任何内容不应被解释为仅仅利用软件而不利用诸如有形非瞬态处理器和/或存储器的硬件实施或可实施。
根据本公开的各种实施例，可以使用执行软件程序的硬件计算机***来实施本文描述的方法。此外，在示范性非限制性实施例中，实施方式可以包括分布式处理、部件/对象分布式处理和并行处理。可以构造虚拟计算机***处理以实施如本文描述的方法或功能中的一个或多个，并且本文描述的处理器可以用于支持虚拟处理环境。
本公开预期包括指令2184或者响应于传播信号而接收并且执行指令2184的计算机可读介质2182；使得连接到网络2101的设备可以通过网络2101传递视频或者数据。此外，指令2184可以经由网络接口设备2140通过网络2101发射或接收。
图3图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备。
如图3所示，基于传感器的形状识别可以用于使用无源超声传感器来量化形状。可移动传感器MS是可沿第一设备移动以获得第一设备的形状的第一传感器。随着从护套S中拉出导线W，可移动传感器MS移动。在固定位置F处的固定传感器是位于第二设备上的第二传感器且相对于解剖结构保持静止。随着从护套S中拉出导线W，在固定位置F处的固定传感器在水平(X)平面和垂直(Y)平面两者中保持静止。在三维超声中，固定传感器在水平(X)平面、垂直(Y)平面和深度(Z)平面中保持静止，并在所有这三个平面中跟踪可移动传感器以获得三维形状。在固定位置F处的固定传感器用作固定参考标记，例如以补偿组织或探头运动。换句话说，可移动传感器MS是在一段时间内相对于固定在固定位置F处的第二传感器移动的第一传感器。在图3中，示出了可移动传感器MS以在不同的时间(即时段中的t＝1、t＝2、t＝3、t＝4和t＝5)在五个不同的位置处移动。作为第一传感器的可移动传感器MS相对于固定在固定位置F处的固定传感器的拉回或其他相关运动被跟踪，并且跟踪位置历史被整合以获得形状。可以使用诸如InSitu方法的方法来跟踪位置，该方法单独用成像波束或者用成像波束和完全分开的跟踪波束(例如交错独立的成像波束和跟踪波束)来跟踪无源超声传感器。
固定位置F还可以是视觉标记或可通过备选成像或感测模态(包括但不限于X射线成像、计算机断层摄影成像、MRI成像、光学成像、多普勒超声、电磁跟踪、激光跟踪或直接可视化)检测到的标记，或者其在空间中的位置相对于解剖结构始终已知的而无需显式感测的标记。
在图3中，包含作为第一传感器的可移动传感器MS的设备是导线，并且包含固定在固定位置F处作为第二传感器的固定传感器的设备是导管或护套。然而，倒转机构也是可能的。作为第二传感器的固定传感器也可以被称为参考传感器。
具体而言，在图3中，包含可移动传感器MS的第一设备是导线，而包含固定传感器(即参考传感器)的第二设备是导管或护套。当导线沿着护套的内部通道移动时，作为第一传感器的可移动传感器被跟踪，而作为第二传感器的固定传感器相对于解剖结构保持固定。
图3中的机构的倒转也是可能的。此处，包含作为第二传感器(即参考传感器)的固定传感器的固定导线被定位于包含作为第一传感器的可移动传感器的可移动外护套内。
图4A-图4D一起解释了可植入二尖瓣在部署期间的三维形状量化。
图4A图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备。然而图3的机构可以与任何设备的物理部署紧密集成，以允许用户容易地部署设备并在单个步骤中获得部署的形状/路径，而无需执行手动撤回，该设备的示例应用在图4A中示出，其中，机构与可植入二尖瓣集成。二尖瓣的工作通道用作护套S，其为护套和/或导管。导线W是包含作为第一传感器的可移动传感器MS的植入导丝，并且随着导线W被部署在瓣膜内，使用三维超声来跟踪形状。
类似地，图4A的机构的部署可以以允许区分组织移动和探头移动的方式来自动化。当回拉速度被控制时，可以更清楚地将探头和组织运动与部署区分。即，组织运动将导致与移动传感器MS到固定位置F处的固定传感器的受控和因此预期速度的偏差，或与测量距离的预期变化的偏差，而探头运动将不导致与此类速度或距离的预期测量结果的这种偏差。控制器可以基于第一传感器和第二传感器一起的移动以及基于第一传感器相对于第二传感器的移动来测量成像探头的移动。即，控制器可以测量何时任一个传感器与另一个一起移动或相对于另一个移动，或者何时传感器和固定位置与另一个一起移动或相对于另一个移动。
在图4A中，二尖瓣设备包括工作通道(如护套S)和导丝(如导线W)。移动传感器MS被植入在如导线W的导丝上或中，并且在固定位置F处的固定传感器位于例如护套S的工作通道上或中。
图4B图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的操作。
图4B示出，当二尖瓣设备被部署时，如导线W的导丝沿着如护套S的设备的内工作通道移动。如护套S的工作通道的远端端部包含固定参考传感器作为固定位置F处的固定传感器，并且基于导线W的向前或后拉移动来确定形状。
图4C图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的操作。在图4C中，难以在三维(3D)超声图像中直接可视化目标解剖结构A，例如二尖瓣。这图示了为什么形状的独特可视化能够是有用的，例如当通过颜色或照明突出显示解剖结构A的形状从而相对于组织的超声图像偏移解剖结构A的形状时。
图4D图示了根据代表性实施例的图4A中的用于基于传感器的形状识别的介入医学设备的另一操作。在图4D中，基于来自InSitu的形状的具有分割叠加的三维(3D)超声图像比图4C中更清晰得多示出了介入医学设备和目标解剖结构A，诸如二尖瓣。
图5图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的过程。在图5中，该过程通过发射一个或多个跟踪波束而在S510处开始。在S520处，接收对跟踪波束的响应。在S530处，基于对跟踪波束的响应在时间段内识别第二传感器的位置和/或坐标，以针对多个时间点中的每个时间点提供第二传感器的传感器位置。在S540处，基于对跟踪波束的响应在时间段内识别第一传感器的位置和/或坐标，以针对多个时间点中的每个时间点提供第一传感器的传感器位置。在S550处，基于第二传感器在该时间段内相对于第一传感器的移动来确定介入设备的形状。
图6图示了根据代表性实施例的用于基于传感器的形状识别的另一过程。
图6中的过程开始于在S610处发射跟踪波束。在S620处，接收对跟踪波束的响应。在S630处，基于对跟踪波束的响应在时间段内识别第二传感器的位置和/或坐标。在S640处，基于对跟踪波束的响应在时间段内识别第一传感器的位置和/或坐标。在S650处，存储第二传感器和第一传感器的位置和/或坐标。在S660处，显示第二传感器和第一传感器的位置和/或坐标。在S670处，确定对跟踪波束的响应是否是最后响应。如果在S620处的对跟踪波束的响应不是最后响应(S670＝否)，则该过程返回到S630，以再次基于对跟踪波束的响应在时间段内识别第二传感器的位置和/或坐标。如果在S620处的对跟踪波束的响应是最后响应(S670＝是)，则在S680处，基于第二传感器和第一传感器的存储/显示位置来确定介入设备的形状。
尽管在图6中未图示，但是可以将介入设备的确定形状与介入设备的预期形状自动或视觉地进行比较，以确保介入设备适当行进。例如，该过程可以包括在控制成像探头之前生成和投影介入医学设备的预期形状，并且然后在确定介入医学设备的形状之后将介入医学设备的形状与预期形状进行比较。类似地，该过程可以包括生成并投影介入医学设备的预期路径或移动传感器的预期路径，并且然后将介入医学设备的路径或移动传感器的路径与预期路径进行比较。
图7图示了根据代表性实施例的序列，其中，固定传感器可以用于隔离用于基于传感器的形状识别的探头运动。
对于两个传感器都是静态的情况，可以再次区分探头运动和组织运动，因为探头运动将使得两个传感器一起移动，而组织运动可能将不会(参见图7)。具体而言，当两个传感器为静态时，组织运动将导致所测量的移动至固定(moving-to-fixed)传感器距离的变化，而探头运动将不影响传感器距离。控制器可以基于第一传感器和第二传感器一起的移动以及基于第一传感器相对于第二传感器的移动来测量成像探头的移动。
对于结构性心脏应用，所描述的机构还可以用于直接确定心动周期/心脏运动。此处，当随着时间跟踪一个或两个传感器的位置曲线时，可以观察到时间曲线中的周期性模式。运动曲线的相位指示心动周期，并且位置变化的幅度可以用于估计心脏运动。值得注意的是，心脏运动不是仅由ECG提供，而是可以根据位置变化的幅度来估计。
如上所述，当两个传感器是静态时，组织运动将导致所测量的移动至固定传感器距离的变化，而探头运动将不影响传感器距离。类似地，在速度已知的自动回拉期间，组织运动将导致所测量的移动至固定速度(或所测量的距离的变化)与已知速度(或所测量的距离的变化)的偏差，而探头运动将不导致此类偏差。当回拉运动与设备部署耦合时，应用相同的原理。
作为示例，基于传感器的形状识别可以用于图像引导的治疗(IGT)***和设备并且与其一起使用。基于传感器的形状识别可以用于检查介入设备在部署期间具有正确的形状和路径，在侵入性流程(例如，隔膜穿刺或慢性总闭塞交叉)期间检测不规则路径，在组织/器官修复(例如结构性心脏修复)期间量化植入物(例如，二尖瓣植入物)的三维形状，并且甚至使用静态参考传感器直接估计心动周期/心脏运动。
尽管已经参考若干示例性实施例描述了基于传感器的形状识别，但是应理解，已经使用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。在不背离基于传感器的形状识别在其方面中的范围和精神的情况下，可以在如目前所述和经修正的所附权利要求书的范围内进行改变。尽管已经参考特定的模块、材料和实施例描述了基于传感器的形状识别，但是基于传感器的形状识别并不旨在限于所公开的细节；相反，基于传感器的形状识别扩展到诸如在所附权利要求的范围内的所有在功能上等效的结构、方法和用途。
例如，基于传感器的形状识别可以用于结构性心脏修复，例如检查以确保在设备部署期间的正确的形状/路径，检测设备在侵入性流程(诸如隔膜穿刺)期间是否已经离开期望路径，在结构性心脏修复期间量化二尖瓣和其他植入物的三维形状，使用静态参考传感器直接估计心动周期/心脏运动，和/或基于传感器之间的相对位置和速度来区分心脏运动与探头运动。检测设备在侵入性流程期间是否已经离开期望路径的示例可以涉及例如将参考标记放置在目标解剖结构的位置处。
在另一示例中，基于传感器的形状识别可以用于周围血管介入，诸如以在狭窄或闭塞交叉期间监测导线形状以检测导线屈曲，和/或检测相对于血管的导线进展以检查导线是否已经离开血管壁。
在涉及介入流程的其他示例中，基于传感器的形状识别可以用于检测深层组织活检期间的针弯曲，和/或提供将超声配准到外部成像模态(包括但不限于X射线成像、光学成像或计算机断层摄影成像)的可靠的体内二维(2D)投影或三维(3D)投影基准。
本文描述的实施例的图示旨在提供对各种实施例的结构的总体理解。这些图示并非旨在用作本文描述的公开的所有元件和特征的完整描述。在查看本公开后，许多其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。其他实施例可以利用并从本公开中导出，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下做出结构和逻辑替换和改变。另外，图示仅仅是代表性的，并且可以不按比例绘制。图示内的某些比例可能被夸大，而其他比例可能被最小化。因此，本公开和附图应被视为说明性的而非限制性的。
本文仅仅出于方便通过术语“发明”个体地和/或共同地在本文中提及本公开的一个或多个实施例，而不旨在将本申请的范围自愿地限制于任何特定发明或发明构思。此外，尽管本文已图示和描述了特定实施例，但应意识到，经设计以实现相同或相似目的的任何后续布置可替代所示的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的任何和所有后续修改或变化。在查看本说明书之后，上述实施例以及本文未具体描述的其他实施例的组合对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
本公开的摘要被提供为符合37C.F.R.§1.72(b)并且被提交有以下理解，即其不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前面的具体实施方式中，各种特征可以组合在一起或在单个实施例中描述，以简单化本公开的目的。本公开内容不应被解释为反映所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的，创造性主题可以涉及少于任何所公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求被并入具体实施方式中，每个权利要求自身作为定义单独要求保护的主题。
所公开的实施例的先前描述被提供为使本领域的技术人员能够实践本公开中所描述的概念。这样一来，以上公开的主题要被认为是说明性的而非限制性的，并且权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这样的修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大范围内，本公开的范围要由权利要求及其等价方案的最宽泛的可允许解释来确定，并且不应受前述详细描述的约束或限制。

Claims (19)

1.一种用于确定介入设备的形状的控制器，包括：
存储器，其存储指令；以及
处理器，其通信地耦合到存储所述指令的所述存储器，
其中，当由所述处理器执行时，所述指令使所述控制器执行包含以下操作的过程：
控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束；
基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状，所述第一传感器相对于在所述时间段内在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间沿着所述介入医学设备移动。
2.根据权利要求1所述的控制器，
其中，所述第一传感器被固定在所述介入医学设备上的位置处；
第二传感器被固定在所述介入医学设备上的所述固定位置处，并且所述第一传感器在所述时间段期间相对于所述第二传感器移动。
3.根据权利要求2所述的控制器，
其中，当所述位置相对于所述固定位置移动时所述第一传感器相对于所述第二传感器移动。
4.根据权利要求1所述的控制器，
其中，所述介入医学设备包括第一部分和第二部分，所述第一传感器被固定在所述第一部分上，所述第二部分包括所述固定位置并且相对于所述第一部分移动。
5.根据权利要求4所述的控制器，
其中，所述第一部分和所述第一传感器在所述第二部分内移动。
6.根据权利要求4所述的控制器，
其中，所述第二部分和被固定在固定位置处的第二传感器在所述第一部分内移动。
7.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述第一部分包括导线，并且所述第二部分包括导管或护套。
8.一种用于确定介入设备的形状的方法，包括：
由执行被存储在存储器中的指令的处理器控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束；
基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状，所述第一传感器相对于在所述时间段内在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间沿着所述介入医学设备移动。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中，所述第一传感器被固定在所述介入医学设备上的位置处；
第二传感器被固定在所述介入医学设备上的所述固定位置处，并且所述第一传感器在所述时间段期间相对于所述第二传感器移动。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，当所述位置相对于所述固定位置移动时所述第一传感器相对于所述第二传感器移动。
11.根据权利要求8所述的方法，
其中，所述介入医学设备包括第一部分和第二部分，所述第一传感器被固定在所述第一部分上，所述第二部分包括所述固定位置并且相对于所述第一部分移动。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述第一部分和所述第一传感器在所述第二部分内移动。
13.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述第二部分和被固定在固定位置处的第二传感器在所述第一部分内移动。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在控制所述成像探头之前投影所述介入医学设备的预期形状；并且
在确定所述介入医学设备的所述形状之后将所述介入医学设备的所述形状与所述预期形状进行比较。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括：
从所述第一传感器和被固定在所述固定位置处的第二传感器接收对所述跟踪波束的所述响应。
16.一种用于确定介入设备的形状的控制器，包括：
存储器，其存储指令；以及
处理器，其通信地耦合到所述存储器，
其中，当由所述处理器执行时，所述指令使所述控制器执行包含以下操作的过程：
控制成像探头在包括多个不同时间点的时间段内向介入医学设备发射至少一个跟踪波束；
基于对在所述时间段内从第一传感器接收到的所述跟踪波束的响应来确定所述介入医学设备的形状，所述第一传感器相对于在所述时间段期间在所述介入医学设备上的固定位置在所述时间段期间固定在所述介入医学设备上。
17.根据权利要求16所述的控制器，
其中，所述第一传感器和被固定在固定位置处的第二传感器基于所述介入医学设备的移动一起移动，并且
所述第一传感器基于与所述介入医学设备接触的组织的移动相对于所述第二传感器移动。
18.根据权利要求16所述的控制器，
其中，所述第一传感器和被固定在固定位置处的第二传感器基于所述成像探头的移动一起移动，并且
其中，所述控制器基于所述第一传感器和所述第二传感器一起的移动来测量所述成像探头的移动。
19.根据权利要求17所述的控制器，
其中，所述控制器基于所述第一传感器相对于所述第二传感器的移动来测量所述组织的移动。
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