CN113952031A - 磁跟踪超声探头及生成其3d可视化的***、方法和设备 - Google Patents

磁跟踪超声探头及生成其3d可视化的***、方法和设备 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种用于跟踪超声探头以创建三维可视化的基于磁的跟踪***。***包括：包括参考磁体的参考装置；超声探头，该超声探头包括获取超声图像的超声声学换能器或声学阵列以及检测由参考磁体生成的磁场的磁力计。超声探头将第一超声图像与第一磁场强度联接，其中，在第一时间第一超声图像被接收并且第一磁场强度被检测；以及包括处理器和非暂时性计算机可读介质的控制台，非暂时性计算机可读介质上存储有多个处理器执行的逻辑模块，逻辑模块执行包括以下各项的操作：接收和记录超声图像和检测到的磁场强度的多个联接；以及通过根据对应的检测到的磁场强度校准超声图像来从超声图像生成3D可视化。

Description

磁跟踪超声探头及生成其3D可视化的***、方法和设备
优先权
本申请要求2020年7月21日提交的美国临时申请号63/054,622的优先权权益，此临时申请的全部内容通过引用结合到本申请。
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，更具体地涉及磁跟踪超声探头及生成其3D可视化的***、方法和设备。
发明内容
简而言之，本文公开的实施方案涉及用于磁跟踪超声探头的***、方法和装置，以及磁跟踪超声探头以生成目标血管的3D可视化的用途。
在一些患者中，血管插管可能是困难的。伴随血管插管经常出现的一个问题是难以可视化目标血管和对于插管重要的其他细节，包括血管移动、血管大小、深度、到非意图结构的接近度或甚至目标血管内的障碍(包括瓣膜、狭窄、血栓形成等)。
在一些实施方案中，一种用于跟踪超声探头以创建三维(3D)可视化的基于磁的跟踪***包括：参考装置，所述参考装置包括参考磁体；超声探头，所述超声探头包括磁力计，所述磁力计被配置为检测由所述参考磁体生成的磁场，其中，所述超声探头被配置为将第一超声图像与第一磁场强度联接(couple)，并且其中，所述第一超声图像是在第一时间接收的，并且所述第一磁场强度是在所述第一时间检测的。所述***还包括控制台，所述控制台包括处理器和非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质上存储有多个逻辑模块，所述多个逻辑模块在由所述处理器执行时被配置为执行包括以下各项的操作：接收超声图像和检测到的磁场强度的多个联接；记录超声图像和检测到的磁场强度的所述多个联接；并且通过根据对应的检测到的磁场强度校准(align)所述超声图像中的每个超声图像来从所述超声图像生成所述3D可视化。
在一些实施方案中，所述基于磁的跟踪***包括：其中所述参考装置是卷绕(wraparound)待成像的身体区段的袖带状(cuff like)结构。
在一些实施方案中，所述基于磁的跟踪***包括：其中所述参考装置是U形结构并且被配置为允许将所述身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
还公开了一种用于跟踪超声探头以创建三维(3D)可视化的基于磁的跟踪***，所述基于磁的跟踪***包括：参考装置，所述参考装置包括磁力计，所述磁力计检测由参考磁体生成的磁场并且针对磁场强度读数创建时间戳；超声探头，所述超声探头包括获取超声图像并针对每个特定超声图像创建时间戳的超声声学换能器或声学阵列，以及被配置为生成磁场的参考磁体。所述***还包括控制台，所述控制台包括处理器和非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质上存储有多个逻辑模块，所述多个逻辑模块在由所述处理器执行时被配置为执行包括以下各项的操作：接收多个超声图像和检测到的磁场强度；将多个超声图像和检测到的磁场强度通过其时间戳进行联接；记录超声图像和检测到的磁场强度的所述多个联接；并且通过根据对应的检测到的磁场强度校准所述超声图像中的每个超声图像来从所述超声图像生成所述3D可视化。
在一些实施方案中，所述基于磁的跟踪***包括：其中所述参考装置是卷绕待成像的身体区段的袖带状结构。
在一些实施方案中，所述基于磁的跟踪***包括：其中所述参考装置是U形结构并且被配置为允许将所述身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
还公开了一种使用用于跟踪超声探头的基于磁的跟踪***来创建3D图像的方法，所述方法包括：在待成像的身体区段周围配置所述参考装置；在待成像的身体区段的皮肤表面上推进超声探头；捕获带时间戳超声图像，同时由磁力计检测参考磁体的带时间戳磁场强度；确定参考磁体与磁力计之间的距离；以及使用磁场强度数据和时间戳将超声图像拼接在一起以创建3D图像。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中配置所述参考装置包括所述参考装置是袖带状结构并且包括参考磁体。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中推进所述超声探头包括所述超声探头包括磁力计。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中配置所述参考装置包括所述参考装置是U形结构并且被配置为允许将所述身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中将所述超声图像拼接在一起包括仅使用所述磁场强度数据。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中配置所述参考装置包括所述参考装置是袖带状结构并且包括磁力计。
在一些实施方案中，所述方法包括：其中推进所述超声探头包括所述超声探头包括所述参考磁体。
鉴于更详细地公开了概念的特定实施方案的附图和以下描述，本文提供的这种概念的这些和其他特征对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
附图说明
在附图的图中通过举例而非限制性的方式展示了公开文本的实施方案，在附图中相似的附图标记指示类似的元件，并且在附图中：
图1展示了描绘根据一些实施方案的用于超声探头和其他医疗部件来创建3D图像的基于磁的跟踪***的各种元件的框图；
图2A展示了根据一些实施方案的包括图1的超声探头的基于磁的跟踪***的俯视图；
图2B展示了根据一些实施方案的包括远程控制止血器(tourniquet)、远程控制加热元件和图1的超声探头的基于磁的跟踪***的俯视图；
图3A展示了根据一些实施方案的包括图2A的超声探头的基于磁的跟踪***的侧视图；
图3B展示了根据一些实施方案的包括图2A的超声探头和控制台的基于磁的跟踪***的前视图；
图4展示了根据一些实施方案的包括图3的超声探头的基于磁的跟踪***的侧视图；
图5是展示了根据一些实施方案的用于使用图1的超声探头的基于磁的跟踪***来创建3D图像的示例性方法的流程图；
图6展示了描绘根据一些实施方案的用于超声探头和其他医疗部件来创建3D图像的基于磁的跟踪***的各种元件的框图；
图7展示了根据一些实施方案的包括图6的超声探头的基于磁的跟踪***的俯视图；
图8展示了根据一些实施方案的包括图7的超声探头的基于磁的跟踪***的侧视图；
图9展示了根据一些实施方案的包括图8的超声探头的基于磁的跟踪***的侧视图；以及
图10是展示了根据一些实施方案的用于使用图6的超声探头的基于磁的跟踪***来创建3D图像的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在更详细地公开一些特定实施方案之前，应当理解，本文公开的特定实施方案并不限制本文所提供的概念的范围。还应当理解，本文公开的特定实施方案可以具有可以容易地与特定实施方案分离并且可以任选地与本文公开的多个其他实施方案中的任何一个的特征组合或被替代的特征。
关于本文使用的术语，还应当理解，这些术语是出于描述一些特定实施方案的目的，并且这些术语不限制本文所提供的概念的范围。序数(例如，第一、第二、第三等)通常被用于区分或标识一组特征或一组步骤中的不同特征或不同步骤，并且不提供序列或数字限制。例如，“第一”、“第二”和“第三”特征或步骤不必以该顺序出现，并且包括此类特征或步骤的特定实施方案不必局限于这三个特征或步骤。比如“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”等标签是为了方便起见而被使用的，而不是旨在暗示例如任何特定的固定位置、取向或方向。相反，此类标签被用于反映例如相对位置、取向或方向。单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。
例如，关于本文公开的探头的“近侧”、“近侧部分”或“近端部分”包括当探头被用在患者身上时预期靠近临床医生的探头部分。同样地，例如，探头的“近侧长度”包括当探头被用在患者身上时预期靠近临床医生的探头的长度。例如，探头的“近端”包括当探头被用在患者身上时预期靠近临床医生的探头的一端。探头的近侧部分、近端部分或近侧长度可以包括探头的近端；然而，探头的近侧部分、近端部分或近侧长度不需要包括探头的近端。即，除非上下文另有说明，否则探头的近侧部分、近端部分或近侧长度不是探头的末端部分或末端长度。
例如，关于本文公开的探头的“远侧”、“远侧部分”或“远端部分”包括当探头被用在患者身上时预期靠近患者或在患者体内的探头部分。同样地，例如，探头的“远侧长度”包括当探头被用在患者身上时预期靠近患者或在患者体内的探头的长度。例如，探头的“远端”包括当探头被用在患者身上时预期靠近患者或在患者体内的探头的一端。探头的远侧部分、远端部分或远侧长度可以包括探头的远端；然而，探头的远侧部分、远端部分或远侧长度不需要包括探头的远端。即，除非上下文另有说明，否则探头的远侧部分、远端部分或远端长度不是探头的末端部分或末端长度。
术语“逻辑”可以表示被配置为执行一个或多个功能的硬件、固件或软件。作为硬件，术语逻辑可以指或包括具有数据处理和/或存储功能的电路***。此类电路***的实施例可以包括但不限于或不限制于硬件处理器(例如，微处理器、一个或多个处理器核、数字信号处理器、可编程门阵列、微控制器、专用集成电路“ASIC”等)、半导体存储器或组合元素。
另外地或可替代地，术语逻辑可以指或包括比如一个或多个进程、一个或多个实例、(多个)应用编程接口(API)、(多个)子例程、(多个)功能、(多个)小程序、(多个)小服务程序、(多个)例程、源代码、目标代码、共享库/动态链接库(dll)、甚至一个或多个指令等软件。此软件可以存储在任何类型的合适的非暂时性存储介质或暂时性存储介质中(例如，电、光、声或其他形式的传播信号，比如，载波、红外信号或数字信号)。非暂时性存储介质的实施例可以包括但不限于或不限制于可编程电路、比如易失性存储器等非永久性存储装置(例如，任何类型的随机存取存储器“RAM”)、或比如非易失性存储器等永久性存储装置(例如，只读存储器“ROM”、有电源支持的RAM、闪存、相变存储器等)、固态驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器或便携式存储器装置。作为固件，逻辑可以存储在永久性存储装置中。
参照图1，示出了根据本发明的一个示例实施方案的描绘用于跟踪超声探头1140和生成三维(3D)图像的基于磁的跟踪***1110的各种元件的框图。如图所示，***1110总体上包括控制台1120、超声探头1140和参考装置800，其中探头1140和参考装置800中的每一个被配置为通信地联接到控制台1120。控制台1120被示出为包括一个或多个处理器1122、通信接口1142、显示器1130和非暂时性计算机可读介质(“存储器”)1150。存储器1150被配置为存储包括超声探头数据接收逻辑1152和磁力计数据接收逻辑1156的逻辑模块。进一步地，存储器1150可以包括数据存储，比如，超声探头数据1154、磁力计数据1158和关系数据1160。
在一些实施方案中，包括例如比如EEPROM等非易失性存储器的处理器1122被包括在控制台1120中，以用于在***1110的操作期间控制***功能，从而用作控制处理器。本实施方案中的显示器1130可以被集成到控制台1120中，并且用于在使用超声探头1140时向临床医生显示信息。在另一个实施方案中，显示器1130可以与控制台1120分开。
超声探头1140使用超声声学换能器或声学阵列来产生和接收可以被转换成图像的回波。例如，在一些实施方案中，超声探头可以包括超声生成装置，所述超声生成装置包括超声声学堆叠或超声生成的其他各种形态(例如，基于微机电***(MEMS)等)。在一些实施方案中，在基于磁的跟踪***内，超声探头1140可以另外包括用于测量磁场强度的磁力计。在一些实施方案中，超声探头1140可以包括参考磁体。
参考装置800是在一些实施方案中包含基于磁的跟踪***1110的参考磁体700的装置。在一些实施方案中，参考装置800可以是包含参考磁体700并且卷绕待成像的身体区段(例如，身体附肢、躯干、中间区段、胸部等)的袖带状结构。在其他实施方案中，参考装置800可以包括U形结构，所述U形结构包含参考磁体700并且被配置为允许将身体附肢放置在U形结构内以用于成像。在其他实施方案中，参考装置800可以包括磁力计。
图2A展示了根据一些实施方案的包括图1的超声探头1140的基于磁的跟踪***1110的俯视图。超声探头1140是与参考装置800结合采用的，以便在探头1140围绕患者的表面移动时跟踪所述探头的定位。如图所示，探头1140被配置为沿着患者的身体附肢1222的表面(即，皮肤)1220移动。参考装置800可以被部署在距身体附肢1222的阈值距离内。在一些实施方案中，参考装置800可以包括配置为“U形”(比如图1中所示)的硬质塑料外壳，其中，内部由所述配置的凸形部分形成。在这种情况下，身体附肢1222(例如，手臂)可以被放置在内部内。
在一些实施方案中，基于磁的跟踪***1110可以用于准备将针和/或导管***脉管***中。具体地，***1110采用探头1140和参考装置800的组合来跟踪探头1140相对于参考装置800的参考磁体700的定位。通过跟踪探头1140相对于参考磁体700的定位，***1110能够使由探头1140获得的每个超声图像与探头1140在身体附肢1222上的定位相关。通过使超声图像与附肢1222上的定位相关，***1110然后可以将超声图像的组拼接在一起以形成身体附肢1222的3D可视化。这种3D可视化给予了实时3D超声引导，并且帮助减少通常与这种引入相关联的并发症，包括无意的动脉穿刺、血肿、气胸等。
在一些实施方案中，超声探头1140包括头部1180，所述头部容纳超声声学换能器或声学阵列1144，当所述头部抵靠患者的皮肤1220放置时，所述超声声学换能器或声学阵列用于产生超声波脉冲并且用于在由患者的身体反射之后接收其回波，其中，每个回波可以被转换成图像。超声声学换能器或声学阵列1144可以与控制台1120可操作地通信以用于存储超声图像。在一些实施方案中，超声探头1140包括传感器部件(比如，磁力计1192)以用于在超声成像程序(比如，以上所描述的那些)期间检测参考磁体700的位置。如以下将进一步详细描述的，磁力计1192可以嵌入在超声探头1140的头部1180内。磁力计1192被配置为检测与参考磁体700相关联的磁场并且使***1110能够在参考磁体700与磁力计1192相关联时跟踪所述参考磁体。在本实施方案中，磁力计1192以平面配置布置在超声探头1140的头部1180中，但应理解的是，磁力计1192可以其他配置布置在超声探头1140内。磁力计1192可以与超声声学换能器或声学阵列1144以成对的纵向配置存在。在其他实施方案中，磁力计1192可以与超声声学换能器或声学阵列1144以成对的横向配置、成对的圆形配置或其组合存在。
在一些实施方案中，磁力计1192可以包括成配置地布置以跟踪参考磁体700的一系列磁力计。在一个实施方案中，磁力计1192包括三个正交的传感器线圈，以便使得能够在三个空间维度(未显示)中检测磁场。3D磁传感器的实施例是由新泽西莫里斯敦的Honeywell Sensing and Control制造的3D磁传感器。进一步地，在一个实施方案中，磁力计1192被配置作为霍尔效应传感器，但是可以采用其他类型的磁传感器。
磁力计1192可以与控制台1120通信，以用于存储关于磁力计1192相对于参考磁体700的位置的信息，这将在本文更详细地描述。
在一些实施方案中，如图2A和图2B中所展示的，参考磁体700生成可以使用磁力计1192检测和测量的磁场。随着超声探头1140沿着身体附肢1222的表面1220移动，由磁力计1192检测到的磁场的强度改变。检测到的磁场强度与由探头1140捕获的超声图像一起被记录，其中两者都被传送到控制台1120以用于存储和处理，所述存储和处理可以包括生成包括多个超声图像的3D图像。在一些实施方案中，参考磁体700包括联接到电力供应器(未显示)的电磁体。在这种实施方案中，可以增加磁场的强度，这允许在距参考磁体700更远的距离处使用超声探头1140。
图2A示出了被支承在参考装置800的内部内的身体附肢1222。可以理解的是，身体附肢1222可以是任何身体附肢并且进一步理解的是，具有各种大小的参考装置可以与***1110一起部署(即，以便使得***能够用于不同的附肢)。在一些实施方案中，参考装置可以具体地被配置用于特定附肢(例如，手臂、腿)或其他身体部分(例如，躯干)。此外，一些参考装置可以具体地被配置用于儿童，而其他参考装置被配置用于成人，其中成人大小的参考装置通常具有比配置用于儿童的那些参考装置更大的大小。在一些实施方案中，身体附肢1222可以包括但不限于下臂、上臂、小腿、大腿或脚。
在一些实施方案中，参考装置800可以被配置为配合身体区段，比如，躯干、多条腿、或多个手臂。在一些实施方案中，参考装置800可以是可重复使用的并且可以由耐用材料(比如，尼龙、其他聚酯或硬化塑料)制成。在如图2A中所展示的一些实施方案中，参考装置800可以被配置为围绕身体附肢的多个侧面，其中，身体附肢1222可以穿过参考装置800的开放侧***，其中附肢1222不受阻碍地用于成像。
如下面将更详细描述的，在***1110中包括参考磁体700和磁力计1192提供了优于当前超声***的许多优点，特别是关于基于所获得的超声数据生成可视化。简而言之，参考磁体700生成可由超声探头1140中的磁力计1192检测的磁场。由于参考磁体700在超声探头1140的使用期间相对于患者的附肢保持静止，所以参考磁体700用作超声探头1140的参考点。因此，超声探头1140可以具体地被配置为将检测到的磁场强度与特定超声图像(被接收为回波)相关联。进一步地，超声探头1140可以被配置为将检测到的磁场的强度与获得的超声图像连续地相关联。相关联的{检测到的磁场强度，超声图像}对可以被提供给控制台1130，使得所述控制台的逻辑可以通过基于与每个超声图像相关联的磁场强度将超声图像拼接在一起来生成3D可视化。换言之，控制台1130的逻辑可以基于与每个超声图像相关联的检测到的磁场强度来适当地校准超声图像。具体地，检测到的磁场强度提供患者附肢上相对于静止参考磁体700的位置的指示，所述指示用于校准超声图像。
在一个特定实施方案中，参考装置800可以完全围绕身体附肢1222，例如，完全包围待成像的身体附肢1222的套筒状结构。在这种实施方案中，参考装置800可以由布、氯丁橡胶或网状材料构造而成，并且可以通过使参考装置800在待成像的附肢1222上滑动而附连在适当位置。在一些实施方案中，参考装置800可以被配置为围绕并紧固至待成像的身体附肢1222。例如，参考装置800可以完全卷绕上臂，靠近肘部，并且通过第一片临时粘合剂(比如，双面胶带或Velcro)来紧固到上臂(参见图3A)。
在一些实施方案中，如图2B中所展示的，参考装置800可以与远程控制止血器870通信以压紧身体附肢1222并且与远程控制加热元件872通信以在使用期间使血管充血。
参照图3A，示出了根据一些实施方案的包括图2的超声探头1140的基于磁的跟踪***1110的侧视图。在一些实施方案中，随着超声探头1140在皮肤1220的表面上移动，超声声学换能器或声学阵列1144正在捕获图像，而磁力计1192测量由参考磁体700生成的检测到的磁场的强度，并且将磁场强度信息与捕获到的超声图像一起中继回控制台1120。换言之，随着超声探头1140沿着患者的身体附肢移动，超声探头1140传送超声波脉冲并且接收回波，所述回波被转译成用于呈现在身体附肢上的特定位置处接收的回波的二维(2D)图像的信息。如本文公开的，随着超声探头1140传送超声波脉冲并且接收回波，磁力计1192并发地检测由参考磁体700生成的磁场并且记录其强度，其中并发意味着在时间上至少部分地重叠。因此，超声探头1140捕获用于在沿着身体附肢的特定位置处创建2D超声图像的信息，并且记录在该位置处检测到的磁场的强度。超声信息和磁场强度被联接并被传送到控制台1110以用于存储和处理。例如，多个超声信息和磁场强度联接可以用于通过基于磁场强度数据将从超声信息创建的2D图像拼接在一起来创建身体附肢的至少一部分的3D可视化。具体地，通过分析磁场强度数据，磁场强度数据可以用于基于参考点(例如，参考磁体700的位置)来校准2D超声图像。
如图3A中所展示的，超声探头1140使用超声声学换能器或声学阵列1144获得血管1226的第一超声图像900，而磁力计1192记录由参考磁体700生成的检测到的磁场的第一强度902。超声探头1140使用超声声学换能器或声学阵列1144获得血管1226的第二超声图像904，而磁力计1192记录由参考磁体700生成的检测到的磁场的第二强度906。进一步地，超声探头1140使用超声声学换能器或声学阵列1144获得血管1226的第三超声图像908，而磁力计1192记录由参考磁体700生成的检测到的磁场的第三强度910。第一图像900和第一强度902、第二图像904和第二强度906以及第三图像908和第三强度910分别被联接并被发送到控制台1120以用于存储和处理。具体地，控制台1120可以创建或添加{超声图像，磁场强度}对的数据库。数据库然后可以用于以将在本文更详细地描述的方式来构造3D图像。
图3B提供了如图1至图2中所展示的参考装置800的替代实施方案的图示。例如，在图1至图2中，参考装置800被展示为袖带状装置，其中，身体附肢可以被接收在参考装置800的内部处。相比之下，图3B的参考装置300被展示为可穿戴装置(例如，臂带)，参考磁体700被结合在所述可穿戴装置中。应当理解，图1至图5中所讨论的参考装置的各种实施方案在所描述的功能性中可互换，尤其是关于将捕获到的超声图像与检测到的磁场强度相关联。
如以上所提及的，在本实施方案中，***1110可以被配置为检测超声探头1140的位置和移动。具体地，探头1140中的磁力计1192被配置为检测由参考磁体700生成或以其他方式与所述参考磁体相关联的磁场。在一些实施方案中，当磁力计1192包括多个磁力计时，磁力计中的每个磁力计可以被配置为在三维空间中空间地检测磁场。因此，在***1110的操作期间，由磁力计1192中的每个磁力计感测的参考磁体700的磁场强度数据被转发到处理器(比如，控制台1120的处理器1122(图1))，所述处理器与逻辑(比如，控制台1120的磁力计数据接收逻辑1156(图1))结合来实时地计算超声探头1140相对于参考磁体700的位置以及参考磁体700与超声探头1140之间的距离。
图4展示了根据一些实施方案的包括图3A的超声探头1140的基于磁的跟踪***1110的侧视图。在各种实施方案中，参考装置800内的参考磁体700可以被配置在相对于磁力计1192和超声探头1140的不同位置处。例如，在第一实施方案中，参考磁体700可以与超声探头1140成直线地定位，或者在如图4中所展示的第二实施方案中，参考磁体700可以与超声探头1140不成直线地定位。
参照图5，示出了根据一些实施方案的用于使用图1的基于磁的跟踪***创建3D图像的示例性方法的流程图。图5中所展示的每个框表示在使用图1的基于磁的跟踪***创建3D图像的方法500中执行的操作。在一个实施方案中，在检测参考磁体与探头中的磁力计的接近度之前，假设基于磁的跟踪***包括具有主体和磁力计的探头以及参考装置中的已被配置为生成磁场的参考磁体。进一步假设磁力计被配置为检测由参考磁体生成的磁场。最后，假设基于磁的跟踪***包括逻辑，所述逻辑被存储在非暂时性计算机可读介质上，并且当由一个或多个处理器执行时致使执行与本文公开的接近度检测相关联的操作。
作为方法500中的初始步骤，在待成像的身体附肢周围配置参考装置(框502)。如所理解的，参考装置可以完全或部分地围绕待成像的身体附肢。在一些实施方案中，参考装置可以固定至身体附肢并且可以放置在身体附肢上方或下方用于增强成像。
在患者的皮肤表面上推进超声探头以对目标血管成像(框504)。如所理解的，探头可以定位在皮肤表面上，使得能够将超声束朝向目标血管投射以用于成像目的(参见图4)。在一些实施方案中，推进步骤包括在皮肤的表面上沿任何方向推进超声探头。
随着超声探头朝向目标血管推进，在探头的头部内的超声声学换能器或声学阵列捕获目标血管的图像(框506)。在一些实施方案中，捕获步骤包括将超声图像捕获到位于控制台上的数据库。
同时，探头的磁力计检测由被包括在参考装置中的参考磁体生成或与所述参考磁体相关联的磁场强度(框508)。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，检测步骤包括使用所有磁力计来检测磁场。
逻辑至少部分地基于磁场强度来确定在参考磁体与探头的磁力计之间的距离(框510)。如以上所讨论的，逻辑可以存储在控制台、探头或替代电子装置上。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，逻辑可以使用距每个磁力计的距离来确定距离。
一旦确定了参考磁体与探头的磁力计之间的磁场强度，就将数据配置到数据库中，所述数据库将参考磁体与磁力计之间的距离与在确切距离处记录的超声图像相关联(框512)。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，可以将距每个磁力计的距离数据配置为存储到数据库中。
最后，响应于将参考磁体与磁力计之间的磁场强度与在该确切距离处记录的超声图像相关联，逻辑使用与每个特定图像相关联的磁场强度来将多个超声图像拼接在一起，以将图像顺序地拼接在一起(框514)。将多个超声图像拼接在一起提供了目标的3D图像。
参照图6，示出了根据本发明的一个示例实施方案的描绘用于跟踪超声探头1146和生成三维(3D)图像的基于磁的跟踪***1112的各种元件的框图。如图所示，***1112总体上包括控制台1120、超声探头1146和参考装置802，其中探头1146和参考装置802中的每一个被配置为通信地联接到控制台1120。控制台1120被示出为包括一个或多个处理器1122、通信接口1142、显示器1130和非暂时性计算机可读介质(“存储器”)1150。存储器1150被配置为存储包括磁力计数据接收逻辑1156和超声探头数据接收逻辑1152的逻辑模块。进一步地，存储器1150可以包括数据存储，比如，磁力计数据1158、超声探头数据1154和关系数据1160。在一些实施方案中，当前在控制台1120中的逻辑将执行来自超声图像数据的时间戳与来自磁场强度数据的时间戳的关联。对于超声图像的时间戳和对于磁场强度数据的时间戳可以包括在本文讨论的其他实施方案中，包括用于在从超声探头1146和参考装置802到控制台1120的传输错误的情况下确认超声图像和磁场强度关联的目的。
在一些实施方案中，包括例如比如EEPROM等非易失性存储器的处理器1122被包括在控制台1120中，以用于在***1110的操作期间控制***功能，从而用作控制处理器。本实施方案中的显示器1130可以被集成到控制台1120中，并且用于在使用超声探头1140时向临床医生显示信息。在另一个实施方案中，显示器1130可以与控制台1120分开。
在一些实施方案中，如图6中所展示的，参考装置802包括磁力计1194和为磁力计1194供电的电源1162。在一些实施方案中，超声探头1146包括超声声学换能器或声学阵列1148以及可以被配置在超声探头1146的头部1182中的参考磁体702。如图6中所示的磁力计1194以与上文关于图1至图4的磁力计1192所讨论的类似的方式执行。然而，图6的磁力计1194被结合到参考装置802中，其中具有磁力计1192的参考装置802检测参考磁体702强度数据并将其传送到控制台1120。如图6中所示的参考磁体702以与上文关于图1至图4的参考磁体700所讨论的类似的方式执行。然而，图6的参考磁体702被结合到超声探头1146中，其中超声探头1146不收集磁场强度数据。
在一些实施方案中，基于磁的跟踪***1112包括参考装置802和超声探头1146，所述参考装置还包括磁力计1194，所述超声探头包括参考磁体702，其中，参考磁体702可以经由探头手柄1200周围的套筒附接到超声探头1146或以其他方式附接。这个实施方案允许参考磁体702与不包括在超声探头1146的头部1182内部配置的参考磁体的各种超声探头一起使用。
图7展示了根据一些实施方案的包括图6的超声探头1146的基于磁的跟踪***1112的俯视图。超声探头1146是与参考装置802结合采用的，以便在超声探头1146围绕患者1220的皮肤表面移动时跟踪所述超声探头的定位。如图所示，探头1146被配置为沿着患者的身体附肢1222的表面(即，皮肤)1220移动。参考装置802可以被部署在距身体附肢1222的阈值距离内。在一些实施方案中，参考装置802可以包括配置为“U形”(比如图6中所示)的硬质塑料外壳，其中，内部由所述配置的凸形部分形成。在这种情况下，身体附肢1222(例如，手臂)可以被放置在内部内。
在一些实施方案中，基于磁的跟踪***1112可以用于准备将针和/或导管***脉管***中。具体地，***1112采用探头1146、包括磁力计1194的参考装置802的组合来跟踪超声探头1146相对于超声探头1146内的参考磁体702的定位。通过跟踪探头1146相对于参考磁体702的定位，***1112能够使由探头1146获得的每个超声图像与探头1146在身体附肢1222上的定位相关。通过使超声图像与附肢1222上的定位相关，***1112然后可以将超声图像的组拼接在一起以形成身体附肢1222的3D可视化。这种3D可视化给予了实时3D超声引导，并且帮助减少通常与这种引入相关联的并发症，包括无意的动脉穿刺、血肿、气胸等。
在一些实施方案中，超声探头1146包括头部1182，所述头部容纳超声声学换能器或声学阵列1148，当头部1182抵靠患者的皮肤1220放置时，所述超声声学换能器或声学阵列用于产生超声波脉冲并且用于在由患者的身体反射之后接收其回波，其中，每个回波可以被转换成图像。超声声学换能器或声学阵列1148可以与控制台1120可操作地通信以用于存储超声图像。在一些实施方案中，超声探头1146包括参考磁体702以用于在超声成像程序(比如，以上所描述的那些)期间提供超声探头1146的位置。如下面将进一步详细描述的，参考磁体702可以嵌入在超声探头1146的头部1182内。在本实施方案中，参考磁体702以平面配置布置在超声探头1146的头部1182中，但应理解的是，参考磁体702可以其他配置布置在超声探头1146内。参考磁体702可以与超声声学换能器或声学阵列1148以成对的纵向配置、成对的横向配置、成对的圆形配置或其组合存在。
在一些实施方案中，磁力计1194可以包括成配置地布置以跟踪参考磁体702的一系列磁力计。在一个实施方案中，磁力计1192包括三个正交的传感器线圈，以便使得能够在三个空间维度(未显示)中检测磁场。3D磁传感器的实施例是由新泽西莫里斯敦的Honeywell Sensing and Control制造的3D磁传感器。进一步地，在一个实施方案中，磁力计1192被配置作为霍尔效应传感器，但是可以采用其他类型的磁传感器。
磁力计1194可以与控制台1120通信，以用于存储关于参考磁体702相对于磁力计1194的位置的信息，这将在本文更详细地描述。
磁力计1194被配置为检测与参考磁体702相关联的磁场并且使***1112能够在参考磁体702与磁力计1194相关联时跟踪所述参考磁体。
参照图8，示出了根据一些实施方案的包括图7的超声探头1146的基于磁的跟踪***1112的侧视图。在一些实施方案中，随着超声探头1146在皮肤1220的表面上移动，超声声学换能器或声学阵列1148正在捕获图像，而参考装置802中的磁力计1194测量由超声探头1146中的参考磁体702生成的检测到的磁场的强度，并且将磁场强度信息与捕获到的超声图像一起中继回控制台1120。
换言之，随着超声探头1194沿着患者的身体附肢移动，超声探头1146传送超声波脉冲并且接收回波，所述回波被转译成用于呈现在身体附肢上的特定位置处接收的回波的二维(2D)图像的信息并且使其带时间戳(time stamped)。如本文公开的，随着超声探头1146传送超声波脉冲并且接收回波，参考装置802内的磁力计1194并发地检测由超声探头1146内的参考磁体702生成的磁场并且记录其强度并且使磁场强度带时间戳，其中并发意味着在时间上至少部分地重叠。因此，超声探头1146捕获用于在沿着身体附肢的特定位置处创建2D超声图像的信息，并且磁力计1194记录在该位置处检测到的磁场的强度。包括时间戳的超声信息和磁场强度和时间戳被联接并被传送到控制台1110以用于存储和处理。例如，多个超声信息、磁场强度和时间戳联接可以用于通过基于磁场强度数据和时间戳将从超声信息创建的2D图像拼接在一起来创建身体附肢的至少一部分的3D可视化。具体地，通过分析磁场强度数据，磁场强度数据和并发时间戳可以用于基于参考点(例如，参考磁体702的位置)来校准2D超声图像。
如图8中所展示的，超声探头1146使用超声声学换能器或声学阵列1148获得血管1226的带时间戳的第一超声图像912，而参考装置802中的磁力计1194记录由超声探头1146内的参考磁体702生成的检测到的磁场的带时间戳的第一强度914。超声探头1146使用超声声学换能器或声学阵列1148获得血管1226的带时间戳的第二超声图像916，而磁力计1194记录由参考磁体702生成的检测到的磁场的带时间戳的第二强度918。进一步地，超声探头1146使用超声声学换能器或声学阵列1148获得血管1226的带时间戳的第三超声图像920，而磁力计1194记录由参考磁体702生成的检测到的磁场的带时间戳的第三强度922。第一图像912和第一强度914、第二图像916和第二强度918以及第三图像920和第三强度922分别被联接并被发送到控制台1120以用于存储和处理。具体地，控制台1120可以创建或添加{(超声图像，时间戳)(磁场强度，时间戳)}对的数据库。数据库然后可以用于以将在本文更详细地描述的方式来构造3D图像。
图9展示了根据一些实施方案的包括图8的超声探头1146和参考装置802的基于磁的跟踪***1112的侧视图。参考装置802内的磁力计1194可以被配置在相对于参考磁体702和超声探头1146的多个位置处。例如，磁力计1194可以与超声探头1146和参考磁体702成直线地定位，或者磁力计1194可以与超声探头1146和参考磁体702不成直线地定位(如图4中所展示的)。
参照图10，示出了根据一些实施方案的用于使用图6的基于磁的跟踪***1112创建3D图像的示例性方法600的流程图。图10中所展示的每个框表示在使用图6的基于磁的跟踪***创建3D图像的方法1000中执行的操作。在一个实施方案中，在检测超声探头中的参考磁体与参考装置中的磁力计的接近度之前，假设基于磁的跟踪***包括具有主体和被配置为生成磁场的参考磁体的探头以及参考装置中的已被配置为检测由参考磁体生成的磁场的磁力计。最后，假设基于磁的跟踪***包括逻辑，所述逻辑被存储在非暂时性计算机可读介质上，并且当由一个或多个处理器执行时致使执行与本文公开的接近度检测相关联的操作。
作为方法600中的初始步骤，在待成像的身体附肢周围配置参考装置(框602)。如所理解的，参考装置可以完全或部分地围绕待成像的身体附肢。在一些实施方案中，参考装置可以固定至身体附肢并且可以放置在身体附肢上方或下方用于增强成像。
在患者的皮肤表面上推进超声探头以对目标血管1226成像(框604)。如所理解的，探头可以定位在皮肤表面上，使得能够将超声束朝向目标血管投射以用于成像目的(参见图9)。在一些实施方案中，推进步骤包括在皮肤的表面上沿任何方向推进超声探头。
随着超声探头朝向目标血管推进，在探头的头部内的超声声学换能器或声学阵列捕获目标血管的图像(框606)。在一些实施方案中，捕获步骤包括将超声图像捕获到位于控制台上的数据库。
同时，参考装置的磁力计检测由被包括在超声探头中或上的参考磁体生成或与所述参考磁体相关联的磁场强度(框608)。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，检测步骤包括使用所有磁力计来检测磁场。
逻辑至少部分地基于磁场强度来确定在探头的参考磁体与参考装置的磁力计之间的距离(框610)。如以上所讨论的，逻辑可以存储在控制台、探头或替代电子装置上。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，逻辑可以使用距每个磁力计的距离来确定距离。
一旦确定了探头的参考磁体与参考装置的磁力计之间的磁场强度，就将数据配置到数据库中，所述数据库将参考磁体与磁力计之间的距离与在确切距离处记录的超声图像和超声图像的时间戳以及磁场强度的时间戳相关联(框612)。在一些实施方案中，当磁力计包括多个磁力计时，可以将距每个磁力计的距离数据配置为存储到数据库中。
最后，响应于将参考磁体与磁力计之间的磁场强度与在该确切距离处记录的超声图像相关联，逻辑使用与每个特定图像和时间戳相关联的磁场强度来将多个超声图像拼接在一起，以将图像顺序地拼接在一起(框614)。将多个超声图像拼接在一起提供了目标的3D图像。
除了上述实施方案之外，本发明构思还可以用于另外的实施方案中，比如但不限于下述实施方案。例如，在一个实施方案中，磁力计的跟踪结构、参考磁体和超声探头用于提供旨在用针进入的解剖结构(例如，神经阻滞、引流部位、活检部位等)的3D视图/引导。
在另一个实施方案中，跟踪结构和针跟踪***的组合用于以3D方式捕获针的轨迹。在这种实施方案的进一步方案中，***1110可以记录针到目标结构(例如，脉管中心、神经束、引流部位、气胸等)的路径。在又另一个实施方案中，磁或电磁的针引导***用于在3D扫描内视觉地跟踪。
在另一个实施方案中，临床医生可以通过虚拟、增强或混合现实***来查看3D扫描。在这种实施方案的进一步方案中，临床医生可以实时评估或跟踪针、线或工具。
在一些实施方案中，跟踪结构可以与血管ID方法和多普勒能力组合以映射在扫描过程期间观察到的静脉和动脉。
在另一个实施方案中，跟踪结构可与免手持式(hands-free)超声探头组合以实现在期望***位置处的实时图像和3D预扫描图像。具有跟踪结构的组合的免手持式探头将允许临床医生同时使用双手以用于针的手术装置操纵和患者皮肤稳定或肢体伸展的交互。
在一些实施方案中，远程控制止血器可以是与参考装置800分开的袖带。在一些实施方案中，远程控制加热元件可以是与参考装置800分开的袖带。
在另一个实施方案中，跟踪结构与超声结合可以用于创建肺的基线图像和手术后扫描以识别肺中的变化(例如，与气胸相关联的滑动肺行为或改善的血流量)。为促进这种实施方案，此组合可以与附加方法组合以在3D扫描中识别或高亮感兴趣结构，比如，神经束。
在另一个实施方案中，跟踪结构可以包括根据与X射线、荧光镜检查或其组合的相关性或图像组合的不透射线标记。
虽然本文已经公开了一些特定实施方案，并且虽然已经公开了特定实施方案的一些细节，但是这些特定实施方案并不旨在限制本文提供的概念的范围。对于本领域普通技术人员来说，另外的适应和/或修改可以是显而易见的，并且在更广泛的方面，这些适应和/或修改也被涵盖。因此，在不脱离本文提供的概念的范围的情况下，可以脱离本文公开的特定实施方案。

Claims (37)

1.一种用于跟踪超声探头以创建三维(3D)可视化的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述***包括：
参考装置，其包括参考磁体；
超声探头，其包括磁力计，所述磁力计配置为检测由所述参考磁体生成的磁场，其中所述超声探头被配置为将第一超声图像与第一磁场强度联接，并且其中：
所述第一超声图像在第一时间被接收，并且
所述第一磁场强度在所述第一时间被检测到；和
控制台，其包括处理器和非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有在其上存储的多个逻辑模块，当由所述处理器执行时，所述多个逻辑模块被配置为执行包括如下的操作：
接收超声图像和检测到的磁场强度的多个联接；
记录所述超声图像和检测到的磁场强度的多个联接；并且
通过根据对应的检测到的磁场强度校准所述超声图像中的每个，从所述超声图像生成所述3D可视化。
2.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述参考装置是卷绕待成像的身体区段的袖带状结构。
3.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述参考装置是U形结构，并且被配置为允许将身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
4.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括针跟踪***，所述针跟踪***配置为捕获针在三维中的轨迹，其中所述针跟踪***被配置为记录所述针到目标结构的路径。
5.根据权利要求4所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述目标结构是脉管中心、神经束、引流部位或气胸之一。
6.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括磁或电磁的针引导***，其配置为跟踪针到目标结构的路径。
7.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述3D可视化经由虚拟、增强或混合现实***被呈现。
8.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括：
脉管识别***；和
多普勒***，其中所述脉管识别***和所述多普勒***被配置为对一个或多个静脉或者一个或多个动脉进行映射。
9.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述超声探头是免手持式超声探头。
10.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括远程控制止血器，其配置为压紧正在由所述超声探头成像的身体区段的一部分。
11.根据权利要求1所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括远程控制加热元件，其配置为使血管充血。
12.一种用于跟踪超声探头以创建三维(3D)可视化的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述***包括：
参考装置，其包括磁力计，所述磁力计检测由参考磁体生成的磁场并且针对磁场强度读数创建时间戳；
超声探头，其包括获取超声图像并且针对每个特定超声图像创建时间戳的超声声学换能器或声学阵列和配置为生成磁场的参考磁体；和
控制台，其包括处理器和非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有在其上存储的多个逻辑模块，当由所述处理器执行时，所述多个逻辑模块被配置为执行包括如下的操作：
接收多个超声图像和检测到的磁场强度，
将多个超声图像和检测到的磁场强度通过它们的时间戳进行联接，
记录超声图像和检测到的磁场强度的多个联接，并且
通过根据对应的检测到的磁场强度校准所述超声图像中的每个，从所述超声图像生成所述3D可视化。
13.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述参考装置是卷绕待成像的身体区段的袖带状结构。
14.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述参考装置是U形结构，并且被配置为允许将所述身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
15.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括针跟踪***，所述针跟踪***配置为捕获针在三维中的轨迹，其中所述针跟踪***被配置为记录所述针到目标结构的路径。
16.根据权利要求15所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述目标结构是脉管中心、神经束、引流部位或气胸之一。
17.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括磁或电磁的针引导***，其配置为跟踪针到目标结构的路径。
18.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述3D可视化经由虚拟、增强或混合现实***被呈现。
19.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括：
脉管识别***；和
多普勒***，其中所述脉管识别***和所述多普勒***被配置为对一个或多个静脉或者一个或多个动脉进行映射。
20.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，所述超声探头是免手持式超声探头。
21.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括远程控制止血器，其配置为压紧正在由所述超声探头成像的身体区段的一部分。
22.根据权利要求12所述的基于磁的跟踪***，其特征在于，还包括远程控制加热元件，其配置为使血管充血。
23.一种使用用于跟踪超声探头的基于磁的跟踪***而创建3D图像的方法，其特征在于，包括：
在待成像的身体区段周围配置参考装置；
在所述待成像的身体区段的皮肤表面上推进超声探头；
捕获带时间戳的超声图像，同时由磁力计检测参考磁体的带时间戳的磁场强度；
确定参考磁体与磁力计之间的距离；和
使用磁场强度数据和时间戳，将超声图像拼接在一起以创建3D图像。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，配置所述参考装置包括：所述参考装置是袖带状结构并且包括参考磁体。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，推进所述超声探头包括：所述超声探头包括磁力计。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，配置所述参考装置包括：所述参考装置是U形结构，并且被配置为允许将所述身体区段放置在所述U形结构内以用于成像。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，将所述超声图像拼接在一起包括：仅使用所述磁场强度数据。
28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，配置所述参考装置包括：所述参考装置是袖带状结构并且包括所述磁力计。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，推进所述超声探头包括：所述超声探头包括所述参考磁体。
30.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括针跟踪***，其配置为捕获针在三维中的轨迹，其中所述针跟踪***被配置为记录所述针到目标结构的路径。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述目标结构是脉管中心、神经束、引流部位或气胸之一。
32.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括磁或电磁的针引导***，其配置为跟踪针到目标结构的路径。
33.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述3D可视化经由虚拟、增强或混合现实***被呈现。
34.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
脉管识别***；和
多普勒***，其中所述脉管识别***和所述多普勒***被配置为对一个或多个静脉或者一个或多个动脉进行映射。
35.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述超声探头是免手持式超声探头。
36.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括远程控制止血器，其配置为压紧正在由所述超声探头成像的身体区段的一部分。
37.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括远程控制加热元件，其配置为使血管充血。
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