CN216135922U - 动态调整超声成像*** - Google Patents

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W·R·麦克劳克林
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Abstract

本文公开了动态调整超声成像***。例如，超声成像***可以包括超声探头、控制台和显示屏。超声探头包括超声换能器阵列，当被激活时，超声换能器将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为对应电信号以处理成超声图像。控制台被配置为执行指令，用于动态调整激活的超声换能器与预定目标或区域的距离、激活的超声换能器对预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向二者。显示屏被配置为显示图形用户界面，该图形用户界面包括由控制台根据超声信号的对应电信号处理的超声图像。

Description

动态调整超声成像***
优先权
本申请要求2020年9月8日提交的美国临时专利申请号63/075,707的优先权权益，该申请的全部内容通过引用结合到本申请中。
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，更具体地涉及动态调整超声成像***。
背景技术
超声成像是一种被广泛接受的工具，用于将诸如针的介入器械引导到人体内诸如血管或器官的目标。例如，为了使用超声成像成功地将针引导到血管，在经皮穿刺之前和之后都立即实时地监测针，以使临床医生能够确定针到血管的距离和取向，并确保成功地进入血管。然而，在超声成像期间，由于超声探头的无意移动，临床医生可能会丢失血管和针，重新找到可能很困难并且耗时。此外，通过包括垂直于超声探头的图像平面的针的针平面，通常更容易在经皮穿刺之前立即监测针的距离和取向。而且，通过针平面与图像平面平行，通常更容易在经皮穿刺后立即监测针的距离和取向。与无意中移动超声探头一样，临床医生在经皮穿刺之前和之后调整图像平面时，可能会丢失血管和针，重新找到可能很困难并且耗时。所需要的是能够动态地调整图像平面的超声成像***及其方法，以便于将介入器械引导到至少人体中的目标。
本文公开了动态调整超声成像***及其方法。
实用新型内容
本文公开了一种超声成像***，在一些实施方案中包括超声探头、控制台和显示屏。超声探头包括超声换能器阵列。超声换能器阵列的激活的超声换能器被配置为将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为超声信号的对应电信号以处理成超声图像。控制台被配置为与超声探头通信。控制台包括具有可执行指令的存储器和被配置为执行指令的处理器。指令用于动态调整激活的超声换能器与预定目标或区域的距离、激活的超声换能器对预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向二者。指令还用于将超声信号的对应电信号处理成超声图像。显示屏被配置为与控制台通信。显示屏被配置为显示包括超声图像的图形用户界面(“GUI”)。
在一些实施方案中，超声探头进一步包括磁传感器阵列。磁传感器被配置为将来自磁化医疗设备的磁信号转换为磁信号的对应电信号。控制台将电信号处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息，用于在显示屏上显示医疗设备的图像表示。
在一些实施方案中，当医疗设备接近超声探头时，激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向被调整。由激活的超声换能器建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面用于通过医疗设备进入预定目标或区域。
在一些实施方案中，激活的超声换能器相对于作为预定目标的血管的距离和取向被调整。根据血管的取向，由激活的超声换能器建立垂直或平行于血管的图像平面。
在一些实施方案中，超声成像***进一步包括通信地耦接至控制台的独立光学询问器或集成入控制台中的集成光学询问器，以及光纤管心针。光学询问器被配置为发射输入光信号，接收反射光信号，并且将反射光信号转换为光信号的对应电信号，以由控制台处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息，用于在显示器上显示医疗设备的图像表示。光纤管心针被配置为布置在医疗设备的内腔中。光纤管心针被配置为沿着光纤管心针的长度将来自光学询问器的输入光信号传送到多个光纤布拉格光栅(“FBG”)传感器。光纤管心针还被配置为将来自多个FBG传感器的反射光信号传送回光学询问器。
在一些实施方案中，当医疗设备接近超声探头时，激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向被调整。由激活的超声换能器建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面，用于通过医疗设备进入预定目标或区域。
在一些实施方案中，激活的超声换能器相对于作为预定目标的血管的距离和取向被调整。根据血管的取向，由激活的超声换能器建立垂直或平行于血管的图像平面。
在一些实施方案中，图像平面包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备包括针，图像平面在针接近时垂直于医疗设备平面，并且在使用针经皮穿刺时平行于医疗设备平面。
在一些实施方案中，超声换能器阵列是二维超声换能器(“2-D”)阵列。激活的超声换能器是由控制台在任何给定时间激活的二维超声换能器阵列的超声换能器的近似线性子集。
在一些实施方案中，超声换能器阵列是超声换能器的可移动的线性阵列。激活的超声换能器是超声换能器的子集，直至由控制台在任何给定时间激活的超声换能器线性阵列中的所有超声换能器。
在一些实施方案中，超声探头进一步包括被配置为向控制台提供位置跟踪数据的加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合。处理器进一步被配置为执行用于处理位置跟踪数据的指令，用于调整激活的超声换能器与预定目标或区域的距离、激活的超声换能器对预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向二者。
在一些实施方案中，当超声探头无意中相对于预定目标或区域移动时，激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向保持。
本文还公开了一种超声成像***的方法，包括具有可执行指令的非暂时性计算机可读介质(“CRM”)，当指令由超声成像***的控制台的处理器执行时，使超声成像***执行用于超声成像的操作集。在一些实施方案中，该方法包括激活操作、调整操作、第一处理操作和第一显示操作。激活操作包括激活通信地耦接至控制台的超声探头的超声换能器阵列的超声换能器。通过激活操作，超声换能器将生成的超声信号发射入患者，从患者接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为超声信号的对应电信号以处理成超声图像。调整操作包括动态调整激活的超声换能器与预定目标或区域的距离、激活的超声换能器对预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向二者。第一处理操作包括将超声信号的对应电信号处理成超声图像。第一显示操作包括在通信地耦接至控制台的显示屏上显示包括超声图像的GUI。
在一些实施方案中，该方法进一步包括转换操作、第二处理操作和第二显示操作。转换操作包括将来自具有超声探头的磁传感器阵列的磁化医疗设备的磁信号转换为磁信号的对应电信号。第二处理操作包括由处理器将磁信号的对应电信号处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息。第二显示操作包括在显示屏上显示医疗设备的图像表示。
在一些实施方案中，该方法进一步包括响应于磁信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备接近超声探头时，调整激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面，用于通过医疗设备进入预定目标或区域。
在一些实施方案中，该方法进一步包括响应于作为预定目标的血管的取向的调整操作。调整操作包括调整激活的超声换能器相对于血管的取向的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器建立垂直或平行于血管的图像平面。
在一些实施方案中，该方法进一步包括光信号相关操作以及第三处理操作和第三显示操作。光信号相关操作包括通过通信地耦接至控制台的独立光学询问器或集成入控制台的集成光学询问器，发射输入光信号，接收反射光信号，并且将反射光信号转换为光信号的对应电信号。光信号相关操作进一步包括沿着光纤管心针的长度将来自光学询问器的输入光信号传送到多个FBG传感器，以及将来自多个FBG传感器的反射光信号传送回光学询问器，其中光纤管心针布置在医疗设备的内腔中。第三处理操作包括由处理器将光信号的对应电信号处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息。第三显示操作包括在显示屏上显示医疗设备的图像表示。
在一些实施方案中，该方法进一步包括响应于光信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备接近超声探头时，调整激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面，用于通过医疗设备进入预定目标或区域。
在一些实施方案中，该方法进一步包括响应于作为预定目标的血管的取向的调整操作。调整操作包括调整激活的超声换能器相对于血管的取向的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器建立垂直或平行于血管的图像平面。
在一些实施方案中，建立的图像平面在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备***时平行于医疗设备平面。图像平面包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备平面包括作为医疗设备的针。
在一些实施方案中，激活操作包括激活二维超声换能器阵列的超声换能器的近似线性子集。
在一些实施方案中，激活操作包括激活的超声换能器的子集，直至可移动的超声换能器线性阵列中的所有超声换能器。
在一些实施方案中，该方法进一步包括数据提供操作和第四处理操作。数据提供操作包括从超声探头的加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合向控制台提供位置跟踪数据。第四处理操作包括利用用于调整操作的处理器处理位置跟踪数据。
在一些实施方案中，该方法进一步包括保持操作。保持操作包括当超声探头无意中相对于预定目标或区域移动时，保持激活的超声换能器相对于预定目标或区域的距离和取向。
鉴于附图和以下描述，本文提供的概念的这些和其他特征对于本领域技术人员将变得更加明显，附图和以下描述更详细地描述了这些概念的特定实施方案。
附图说明
图1示出了根据一些实施方案的超声成像***和患者。
图2示出了根据一些实施方案的超声成像***的框图。
图3A示出了根据一些实施方案的对血管进行成像的超声成像***的超声探头。
图3B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上的图3A的血管的超声图像。
图4示出了根据一些实施方案的被配置为二维超声探头的超声成像***的超声探头。
图5A示出了根据一些实施方案的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图5B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图5A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图6A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探头而未动态调整激活的超声换能器时图5A的超声探头的激活的超声换能器。
图6B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图6A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图7A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探头且动态调整激活的超声换能器时图5A的超声探头的激活的超声换能器。
图7B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图7A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图8A示出了根据一些实施方案的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图8B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图8A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图9A示出了根据一些实施方案的在平移超声探头而未动态调整激活的超声换能器时图8A的超声探头的激活的超声换能器。
图9B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图9A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图10A示出了根据一些实施方案的在平移超声探头且动态调整激活的超声换能器时图10A的超声探头的激活的超声换能器。
图10B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图10A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图11示出了根据一些实施方案的垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图12示出了根据一些实施方案的在横摆医疗设备并动态调整激活的超声换能器之后，垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图13示出了根据一些实施方案的在横摆医疗设备并动态调整激活的超声换能器之后，垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图14示出了根据一些实施方案的被配置为线性超声探头的超声成像***的超声探头。
图15A示出了根据一些实施方案的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图15B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图15A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图16A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探头而未动态调整激活的超声换能器时图15A的超声探头的激活的超声换能器。
图16B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图16A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图17A示出了根据一些实施方案的在旋转超声探头且动态调整激活的超声换能器时图15A的超声探头的激活的超声换能器。
图17B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图17A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图18A示出了根据一些实施方案的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图18B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图18A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图19A示出了根据一些实施方案的在平移超声探头而未动态调整激活的超声换能器时图18A的超声探头的激活的超声换能器。
图19B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图19A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图20A示出了根据一些实施方案的在平移超声探头且动态调整激活的超声换能器时图20A的超声探头的激活的超声换能器。
图20B示出了根据一些实施方案的在超声成像***的显示屏上用图20A的激活的超声换能器获得的图3A的血管的超声图像。
图21示出了根据一些实施方案的垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图22示出了根据一些实施方案的在横摆医疗设备并动态调整激活的超声换能器之后，垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
图23示出了根据一些实施方案的在横摆医疗设备并动态调整激活的超声换能器之后，垂直于磁化医疗设备的医疗设备平面的超声探头的超声换能器阵列的激活的超声换能器。
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不限制本文提供的概念的范围。还应该理解，本文公开的特定实施方案可以具有能够容易地从特定实施方案中分离出来的特征，并且可选地与本文公开的许多其他实施方案中的任何一个的特征相结合或替代。
关于本文使用的术语，还应当理解，这些术语是为了描述一些特定实施方案，并且这些术语不限制本文提供的概念的范围。序数(例如，第一、第二、第三等)通常用于区分或识别一组特征或步骤中的不同特征或步骤，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，并且包括这种特征或步骤的特定实施方案不必限于这三个特征或步骤。诸如“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”等标签是为了方便而使用的，并不意味着例如任何特定的固定位置、取向或方向。相反，这种标签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”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。
关于“近侧”，例如，本文公开的导管的“近侧部分”或“近端部分”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管的部分。类似地，例如，导管的“近侧长度”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管的长度。例如，导管的“近端”包括当导管用于患者时旨在靠近临床医生的导管的端部。导管的近侧部分、近端部分或近侧长度可以包括导管的近端；然而，导管的近侧部分、近端部分或近侧长度不需要包括导管的近端。也就是说，除非上下文另有说明，否则导管的近端部分、近端部分或近侧长度不是导管的末端部分或末端长度。
关于“远侧”，例如，本文公开的导管的“远侧部分”或“远端部分”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管的部分。类似地，例如，导管的“远侧长度”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管的长度。例如，导管的“远端”包括当导管用于患者时旨在靠近患者或在患者体内的导管的端部。导管的远侧部分、远端部分或远侧长度可以包括导管的远端；然而，导管的远侧部分、远端部分或远侧长度不需要包括导管的远端。也就是说，除非上下文另有说明，否则导管的远端部分、远端部分或远侧长度不是导管的末端部分或末端长度。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
如上所述，需要能够动态调整图像平面的超声成像***及其方法，以便于将介入器械引导到至少人体中的目标。本文公开了动态调整超声成像***及其方法。
超声成像***
图1示出了根据一些实施方案的超声成像***100、针112和患者P。图2示出了根据一些实施方案的超声成像***100的框图。图3A示出了根据一些实施方案的在进入患者P的血管之前对血管进行成像的超声成像***100的超声探头106。图3B示出了根据一些实施方案的具有针112的图像表示的超声成像***100的显示屏104上的图3A的血管的超声图像。
如图所示，超声成像***100包括控制台102、显示屏104和超声探头106。超声成像***100用于在使用针112经皮穿刺之前对例如患者P体内的血管或器官的目标进行成像，以将针112或另一医疗设备***目标并进入目标。实际上，在基于超声的医疗过程中，超声成像***100在图1中以与患者P的一般关系示出，以通过由针112经皮穿刺产生的皮肤***部位S将导管108放置到患者P的血管***中。应当理解，超声成像***100可用于除导管***之外的各种基于超声的医疗过程。例如，可以使用针112执行经皮穿刺，以对患者P的器官组织进行活检。
控制台102容纳超声成像***100的各种部件，并且应当理解控制台102可以采取各种形式中的任何一种。在控制台102中包括处理器116和存储器118，例如随机存取存储器(“RAM”)或非易失性存储器(例如，电可擦除可编程只读存储器[“EEPROM”])，用于控制超声成像***100的功能，以及在超声成像***100的操作期间根据存储在存储器118中以供处理器116执行的可执行指令120，执行各种逻辑操作或算法。例如，控制台102被配置为通过指令120实例化一个或多个处理，用于动态调整激活的超声换能器149与预定目标(例如，血管)或区域的距离、激活的超声换能器149到预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和取向二者，以及将来自超声探头106的电信号处理成超声图像。动态调整激活的超声换能器149使用了由控制台102接收的超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合，用于激活的超声换能器148的二维阵列中的某些超声换能器或移动超声换能器148的线性阵列中已经激活的那些超声换能器。数字控制器/模拟接口122也包括在控制台102中，并且与处理器116和其他***部件通信，以管理超声探头106和本文所述的其他***部件之间的接口。
超声成像***100进一步包括用于与附加部件连接的端口124，例如包括打印机、存储介质、键盘等的可选部件126。端口124可以是通用串行总线(“USB”)端口，尽管其他类型的端口可以用于此连接或本文示出或描述的任何其他连接。控制台102包括电源连接128，以实现到外部电源130的可操作连接。内部电源132(例如，电池)也可以与外部电源130一起使用或在没有外部电源130时使用。电源管理电路134包括在控制台102的数字控制器/模拟接口122中，以调节电源的使用和分配。
可选地，独立光学询问器154可以通过端口124之一通信地耦接至控制台102。可替代地，控制台102可以包括集成入控制台102中的集成光学询问器。这种光学询问器被配置为通过超声成像***100将输入光信号发射到用于形状感测的配套光纤管心针156中，该光纤管心针156又被配置为***到诸如针112的医疗设备的内腔中，并沿着光纤管心针156的长度将来自光学询问器154的输入光信号传送到多个FBG传感器。光学询问器154还被配置为接收由光纤管心针156传送的从多个FBG传感器反射的反射光信号，该反射光信号指示光纤管心针156的形状。光学询问器154还被配置为将反射光信号转换为对应电信号，以便由控制台102处理成相对于目标的距离和取向信息，用于动态调整当接近目标时相对于目标或医疗设备激活的超声换能器149的距离、激活的超声换能器149的取向，或者激活的超声换能器149的距离和取向二者。例如，激活的超声换能器149的距离和取向可以相对于作为目标的血管被调整。实际上，根据血管的取向，可以由激活的超声换能器149建立垂直或平行于血管的图像平面。在另一示例中，当诸如针112的医疗设备接近超声探头106时，可以由激活的超声换能器149建立图像平面，该图像平面垂直于包括如图11至图13和图21至图23所示的包括医疗设备的医疗设备平面或平行于包括医疗设备的医疗设备平面，以通过医疗设备进入目标。图像平面可以在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备***时平行于医疗设备平面(例如，用针112经皮穿刺)。距离和取向信息还可用于在显示器上显示医疗设备的图像表示。
显示屏104集成入控制台102中，以在诸如由超声探头106获得的目标或患者P的一个或多个超声图像期间为临床医生提供GUI和显示信息。此外，超声成像***100使得诸如针112的磁化医疗设备的距离和取向能够实时叠加在目标的超声图像之上，从而使得临床医生能够准确地将磁化医疗设备引导到预定目标。尽管如此，可替代地，显示屏104可以与控制台102分离并通信地耦接至控制台102。包括在超声探头106上的控制台按钮接口136和控制按钮110(见图1)可用于由临床医生立即将所需模式调出到显示屏104，以在基于超声的医疗过程中提供帮助。在一些实施方案中，显示屏104是LCD设备。
超声探头106与诸如血管(见图3A)的目标的基于超声的可视化结合使用，以准备将针112或另一医疗设备***目标中。这种可视化给出实时超声引导，并有助于减少通常与这种***相关联的并发症，包括无意的动脉穿刺、血肿、气胸等。如下面更详细地描述的，超声探头106被配置为向控制台102提供对应于超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合的电信号，用于实时超声引导。
图4示出了根据一些实施方案的被配置为二维超声探头的超声成像***100的超声探头106。图14示出了根据一些实施方案的被配置为线性超声探头的超声成像***100的超声探头106。
超声探头106包括探头114，探头容纳超声换能器148的安装和可移动(例如，可沿中心轴平移或可旋转)线性阵列或超声换能器148的二维阵列，其中超声换能器148是压电式换能器或电容式微机械超声换能器(“CMUT”)。当超声探头106配置有超声换能器148的二维阵列时，根据超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合，根据超声成像所需线性激活的超声换能器148的子集，以将目标保持在图像平面中或切换到包括目标的不同图像平面(例如，从垂直于医疗设备平面到平行于医疗设备平面)。(例如，见图5A、图7A、图10A、图12或图13的激活的超声换能器149)当超声探头106配置有超声换能器148的可移动线性阵列时，已经激活用于超声成像的超声换能器148(例如，超声换能器148的子集，直至所有超声换能器148)在根据超声成像数据、磁场数据、形状感测数据或其组合的超声成像所需的可移动线性阵列上一起移动，以将目标保持在由激活的超声换能器149建立的图像平面中或切换到包括目标的不同图像平面(例如，见图15A、图17A、图20A、图22或图23的激活的超声换能器149)。
探头114被配置为紧贴患者P的皮肤放置，靠近预期的针***部位，其中探头114中的激活的超声换能器149可以产生并以多个脉冲向患者P发射生成的超声信号，通过患者P的身体对生成的超声脉冲的反射，从患者P接收反射超声信号或超声回波，并且将反射超声信号转换为对应电信号，以通过与超声探头106通信地耦接的控制台102处理成超声图像。以这种方式，临床医生可以使用超声成像***100来确定合适的***部位并使用针112或其他医疗设备建立血管通路。
超声探头106进一步包括控制按钮110，用于在基于超声的医疗过程期间控制超声成像***100的某些方面，从而消除了临床医生伸出患者P周围的无菌场来控制超声成像***100的需要。例如，控制按钮110的控制按钮可以被配置为在准备将针112或另一医疗设备***目标中时，当被按下以可视化目标时选择或锁定在目标上(例如，血管、器官等)上。这样的控制按钮还可以被配置为取消选择目标，无论目标是通过控制按钮还是通过其他方式选择，例如通过将超声探头106保持在目标上方以选择目标、发出语音命令以选择目标等，这都是有用的。
图2示出超声探头106进一步包括用于控制按钮和超声探头操作的按钮和存储器控制器138。按钮和存储器控制器138可以包括非易失性存储器(例如，EEPROM)。按钮和存储器控制器138与控制台102的探头接口140可操作地通信，探头接口140包括用于与超声换能器148接口的输入/输出(“I/O”)组件142和用于与按钮和存储器控制器138接口的按钮和存储器I/O组件144。
同样如图2和图3A所见，超声探头106可以包括磁传感器阵列146，用于在基于超声的医疗过程期间检测诸如针112的磁化医疗设备。磁传感器阵列146包括嵌入或包括在在超声探头106的壳体上的多个磁传感器150。磁传感器150被配置为当磁化医疗设备靠近磁传感器阵列146时，检测磁场或磁场中的扰动作为与磁化医疗设备相关联的磁信号。磁传感器150还被配置为将来自磁化医疗设备(例如，针112)的磁信号转换为电信号，以供控制台102处理成磁化医疗设备相对于预定目标的距离和取向信息，以及用于在显示屏104上显示磁化医疗设备的图像表示。(见图3A中针112的磁场B。)因此，磁传感器阵列146使超声成像***100能够跟踪针112等。
尽管这里被配置为磁传感器，但应当理解，磁传感器150可以是其他类型和配置的传感器。此外，尽管它们在本文中被描述为包括在超声探头106中，但是磁传感器阵列146的磁传感器150可以包括在与超声探头106分离的部件中，例如超声探头106***其中的套管或甚至单独的手持设备中。磁传感器150可以围绕超声探头106的探头114布置成环形结构，尽管可以理解，磁传感器150可以布置成其他结构，例如成拱形、平面或半圆形布置。
磁传感器150的每个磁传感器包括三个正交的传感器线圈，用于实现三个空间维度中的磁场的检测。例如，可以从Morristown，NJ的Honeywell Sensing and Control公司购买这种三维(“3-D”)磁传感器。此外，磁传感器150被配置为霍尔效应传感器，尽管可以采用其他类型的磁传感器。此外，代替三维传感器，可以根据需要包括和布置多个1维(“1-D”)磁传感器以实现一维、二维、或三维检测能力。
用于磁传感器150的五个磁传感器包括在磁传感器阵列146中，以便能够在三个空间维度(例如，X、Y、Z坐标空间)上检测诸如针112的磁化医疗设备，以及磁化医疗设备本身的俯仰和偏航取向。当磁化医疗设备接近超声探头106时，根据前述的磁化医疗设备的检测，允许动态地调整相对于目标或磁化医疗设备的激活的超声换能器149的距离、激活的超声换能器149的取向、或激活的超声换能器149的距离和取向二者。例如，激活的超声换能器149的距离和取向可以相对于作为目标的血管而调整。实际上，根据血管的取向，可以由激活的超声换能器149建立垂直或平行于血管的图像平面。在另一示例中，如图11至图13和图21至图23中所示，当磁化医疗设备接近超声探头106时，可以由激活的超声换能器149建立垂直于包括磁化医疗设备的医疗设备平面的图像平面，以通过磁化医疗设备进入目标。尽管未显示，但也可以通过激活的超声换能器149建立平行于包括磁化医疗设备的医疗设备平面的图像平面，以例如在医疗设备***患者体内之后通过磁化医疗设备进入目标。注意，在一些实施方案中，两个以上磁传感器150的正交感测部件使得能够确定磁化医疗设备的俯仰和偏航姿态，这使得能够以相对高的精度进行跟踪。在其他实施方案中，磁传感器阵列146中可以采用磁传感器150的少于五个或多于五个的磁传感器。更一般地，应当理解，磁传感器阵列146的磁传感器150的数量、尺寸、类型和位置可以与本文明确显示的不同。
如图2所示，超声探头106可以进一步包括惯性测量单元(“IMU”)158或选自加速度计160、陀螺仪162和磁强计164的用于惯性测量的其任何一个或多个部件，被配置为向控制台102提供超声探头106的位置跟踪数据以用于图像平面的稳定。处理器116进一步被配置为执行用于处理位置跟踪数据的指令120，用于调整激活的超声换能器149与目标的距离、激活的超声换能器149到目标的取向、或激活的超声换能器149相对于目标的距离和取向二者，以在超声探头106无意中相对于目标移动时，保持激活的超声换能器149相对于目标的距离和取向。
可以理解，如果还没有被磁化，可磁化材料的医疗设备使得医疗设备(例如，针112)能够被磁化器磁化，并且当磁化的医疗设备在基于超声的医疗过程期间接近磁传感器阵列146的磁传感器150或***患者P的身体中时，由超声成像***100跟踪。磁化医疗设备的这种基于磁的跟踪通过将表示针112的实时距离和取向的模拟针图像叠加在磁化医疗设备正在进入的患者P的身体的超声图像上，帮助临床医生将其远端放置在所需的位置，例如血管内腔中。这样的医疗设备可以是不锈钢，例如SS 304不锈钢；然而，也可以采用能够被磁化的其它合适的针材料。如此配置，针112等可以产生磁场或在可由超声探头106的磁传感器阵列146检测为磁信号的磁场中产生磁扰动，以便使磁化医疗设备的距离和取向能够由超声成像***100跟踪，用于相对于磁化医疗设备动态调整激活的超声换能器149的距离、激活的超声换能器149的取向，或激活的超声换能器149的距离和取向二者。
在超声成像***100的操作期间，超声探头106的探头114贴靠患者P的皮肤放置。产生超声束152，以便对目标的一部分(例如患者P的皮肤表面下方的血管)进行超声成像。(见图3A)尽管超声探头106无意中移动，但如图3B所示，血管的超声图像可以在超声成像***100的显示屏104上描绘和稳定。实际上，这在图5A、图5B、图7A、图7B、图8A、图8B、图10A和图10B中示出，用于配置有超声换能器148的二维阵列的超声探头106，以及在图15A、图15B、图17A、图17B、图18A、图18B、图20A和图20B中示出，用于配置有超声换能器148的可移动线性阵列的超声探头106。
图5A和图5B示出了根据一些实施方案的超声探头106的超声换能器148的二维阵列的激活的超声换能器149。图15A和图15B示出了根据一些实施方案的超声探头106的超声换能器148的可移动线性阵列的激活的超声换能器149。如图7A所示，在超声探头106可能因超声探头106的无意移动而发生旋转时，发生激活的超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括停用某些超声换能器和激活某些其他超声换能器以保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这稳定了超声图像，如图7B所示(比较图7B与图5B)。如果没有这种动态调整如图6A所示，则不能保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这导致如图6B所示的不同的超声图像(比较图6B与图5B)。同样地，如图17A所示，在超声探头106可能因超声探头106的无意移动而发生旋转时，发生激活的超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括自动旋转超声换能器148的可移动线性阵列(在探头114内)以保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这稳定了超声图像，如图17B所示(比较图17B与图15B)。如果没有这种动态调整如图16A所示，则不能保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这导致如图16B所示的不同的超声图像(比较图16B与图15B)。
图8A和图8B示出了根据一些实施方案的超声探头106的超声换能器148的二维阵列的激活的超声换能器149。图18A和图18B示出了根据一些实施方案的超声探头106的超声换能器148的可移动线性阵列的激活的超声换能器149。如图10A所示，在超声探头106可能因超声探头106的无意移动而发生平移时，发生激活的超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括停用某些超声换能器和激活某些其他超声换能器以保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这稳定了超声图像，如图10B所示(比较图10B与图8B)。如果没有这种动态调整如图9A所示，则不能保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这导致如图9B所示的不同的超声图像(比较图9B与图8B)。同样地，如图20A所示，在超声探头106可能因超声探头106的无意移动而发生平移时，发生激活的超声换能器149的动态调整以将目标保持在图像平面中。这种动态调整包括自动平移超声换能器148的可移动线性阵列(在探头114内)以保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这稳定了超声图像，如图20B所示(比较图20B与图18B)。如果没有这种动态调整如图19A所示，则不能保持激活的超声换能器149到目标的距离和取向，这导致如图19B所示的不同的超声图像(比较图19B与图18B)。
超声成像***100被配置为通过磁传感器150或形状感测光纤管心针156检测医疗设备的距离和取向。作为示例，超声探头106的磁传感器阵列146被配置为检测磁化医疗设备的磁场或由于磁化磁性设备而导致的磁场中的扰动。磁传感器阵列146中的磁传感器150的每个磁传感器被配置为在3维空间中空间检测针112(见图3A)。因此，在超声成像***100的操作期间，由磁传感器150的每个磁传感器感测到的医疗设备的磁场的磁场强度数据被转发到控制台102的处理器116，处理器实时计算磁化医疗设备的距离和取向，用于相对于磁化医疗设备动态调整激活的超声换能器149的距离、激活的超声换能器149的取向或激活的超声换能器149的距离和取向二者。同样，磁化医疗设备的距离和取向也用于在显示屏104上的图形显示。
超声成像***100可以使用由磁传感器150感测的磁场强度数据，来确定在坐标空间中沿磁化医疗设备的整个长度的任意点相对于磁传感器阵列146的距离或取向。此外，还可以确定针112的俯仰和偏航。超声成像***100的超声探头106、控制台102或其他部件的合适电路可以提供对于这种距离或取向所需的计算。在一些实施方案中，可以使用以下一项或多项美国专利的教导来跟踪针112：第5,775,322号；第5,879,297号；第6,129,668号；第6,216,028号；和第6,263,230号,其中每一项通过引用将其全部并入本申请。
由超声成像***100确定的距离和取向信息，连同由超声成像***100已知或输入到超声成像***100中的磁化医疗设备的整个长度，使得超声成像***100能够精确地确定磁化医疗设备的整个长度(包括其远尖端)相对于磁传感器阵列146的距离和取向。这又使得超声成像***100能够将针112的图像叠加在显示屏104上由超声探头106的超声束152产生的超声图像上，以及动态地调整激活的超声换能器149。例如，在显示屏104上描绘的超声图像可以包括对患者P的皮肤表面和针112可进入的皮下血管的描绘，以及对由超声成像***100检测到的磁化医疗设备及其对血管的取向的描绘。超声图像对应于由超声探头106的超声束152获取的图像。应当理解，磁化医疗设备的整个长度的仅一部分被磁化，并且因此被超声成像***100跟踪。
注意，关于超声成像***100的结构和操作的进一步细节可以在美国专利第9,456,766号中找到，标题为“Apparatus for Use with Needle Insertion GuidanceSystem”，其通过引用整体并入本申请。
方法
上述超声成像***的方法包括在超声成像***中实施的方法。例如，超声成像***100的方法包括具有存储在其上的指令120的非暂时性CRM(例如，EEPROM)，当指令120由控制台102的处理器116执行时，使得超声成像***100执行用于超声成像的操作集。该方法包括激活操作、调整操作、第一处理操作和第一显示操作。
激活操作包括激活通信地耦接至控制台102的超声探头106的超声换能器148阵列的超声换能器。通过激活操作，超声换能器148将生成的超声信号发射到患者P体内，从患者P接收反射超声信号，并且将反射超声信号转换为对应电信号以处理成超声图像。激活操作可以包括激活的超声换能器148的二维阵列的超声换能器148的近似线性子集。可替代地，激活操作可以包括激活的超声换能器148的子集，直至超声换能器148的可移动的线性阵列中的所有超声换能器148。
调整操作包括动态调整激活的超声换能器149与预定目标或区域的距离、激活的超声换能器149到预定目标或区域的取向、或激活的超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和取向二者。例如，调整操作可以响应于作为预定目标的血管的取向。调整操作包括调整激活的超声换能器149相对于血管的取向的距离和取向，从而由激活的超声换能器149建立垂直或平行于血管的图像平面。
第一处理操作包括将超声信号的对应电信号处理成超声图像。
第一显示操作包括在通信地耦接至控制台102的显示屏104上显示包括超声图像的GUI。
对于磁信号相关操作，该方法可以包括转换操作、第二处理操作和第二显示操作。转换操作包括将来自具有超声探头106的磁传感器阵列146的磁化医疗设备(例如，针112)的磁信号转换为对应电信号。第二处理操作包括由处理器116将磁信号的对应电信号处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息。第二显示操作包括在显示屏104上显示医疗设备的图像表示。
该方法进一步包括响应于磁信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备接近超声探头106时，调整激活的超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器149建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面，用于通过医疗设备进入预定目标或区域。建立的图像平面可以在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备***时平行于医疗设备平面。图像平面可以包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备平面可以包括作为医疗设备的针112。
关于光信号相关操作，该方法可以包括多个光信号相关操作，以及第三处理操作和第三显示操作。光信号相关操作包括通过光学询问器154发射输入光信号，接收反射光信号，以及将反射光信号转换为光信号的对应电信号。光信号相关操作进一步包括沿着光纤管心针156的长度将来自光学询问器154的输入光信号传送到多个FBG传感器，以及将来自多个FBG传感器的反射光信号传送回光学询问器154，其中光纤管心针156布置在医疗设备的内腔中。第三处理操作包括由处理器116将光信号的对应电信号处理成相对于预定目标或区域的距离和取向信息。第三显示操作包括在显示屏104上显示医疗设备的图像表示。
该方法进一步包括响应于光信号的调整操作。调整操作包括当医疗设备接近超声探头106时，调整激活的超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和取向。调整操作通过激活的超声换能器149建立垂直或平行于包括医疗设备的医疗设备平面的图像平面，用于通过医疗设备进入预定目标或区域。同样，图像平面的建立在医疗设备接近时垂直于医疗设备平面，并且在医疗设备***时平行于医疗设备平面。图像平面包括作为预定目标或区域的血管，并且医疗设备平面包括作为医疗设备的针112。
该方法可以进一步包括数据提供操作和第四处理操作。数据提供操作包括从超声探头106的加速度计160、陀螺仪162、磁强计164或其组合向控制台102提供位置跟踪数据。第四处理操作包括利用用于调整操作的处理器116处理位置跟踪数据。
该方法可以进一步包括保持操作。保持操作包括当超声探头106无意中相对于预定目标或区域移动时，保持激活的超声换能器149相对于预定目标或区域的距离和取向。
虽然本文已经公开了一些特定的实施方案，并且已经详细公开了特定的实施方案，但是特定的实施方案并不意图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，可以出现附加的适应和/或修改，并且在更广泛的方面，这些适应和/或修改也包括在内。因此，在不脱离本文提供的概念的范围的情况下，可以偏离本文公开的特定实施方案。

Claims (12)

1.一种超声成像***，其特征在于，包括：
超声探头，其包括超声换能器阵列，所述超声换能器阵列的激活的超声换能器配置为将生成的超声信号发射入患者，从所述患者接收反射超声信号，并且将所述反射超声信号转换为所述超声信号的对应电信号以处理成超声图像；
控制台，其配置为与所述超声探头通信，所述控制台包括具有可执行指令的存储器和配置为执行所述指令的处理器，用于：
动态调整所述激活的超声换能器与预定目标或区域的距离、所述激活的超声换能器对所述预定目标或区域的取向或所述激活的超声换能器相对于所述预定目标或区域的距离和取向二者；并且
将所述超声信号的所述对应电信号处理成所述超声图像；和
显示屏，其配置为与所述控制台通信，所述显示屏配置为显示包括所述超声图像的图形用户界面(GUI)。
2.根据权利要求1所述的超声成像***，其特征在于，所述超声探头还包括：磁传感器阵列，其配置为将来自磁化医疗设备的磁信号转换为所述磁信号的对应电信号，以由所述处理器处理成相对于所述预定目标或区域的距离和取向信息，用于在所述显示屏上显示所述医疗设备的图像表示。
3.根据权利要求2所述的超声成像***，其特征在于，当所述医疗设备接近所述超声探头时，所述激活的超声换能器相对于所述预定目标或区域的距离和取向被调整，由所述激活的超声换能器建立的图像平面垂直或平行于包括所述医疗设备的医疗设备平面，用于通过所述医疗设备进入所述预定目标或区域。
4.根据权利要求2所述的超声成像***，其特征在于，所述激活的超声换能器相对于作为所述预定目标的血管的距离和取向被调整，由所述激活的超声换能器根据所述血管的取向建立的图像平面垂直或平行于所述血管。
5.根据权利要求1所述的超声成像***，其特征在于，还包括：
通信地耦接至所述控制台的独立光学询问器或集成入所述控制台的集成光学询问器，所述光学询问器配置为发射输入光信号，接收反射光信号，并且将所述反射光信号转换为所述光信号的对应电信号，以由所述处理器处理成相对于所述预定目标或区域的距离和取向信息，用于在所述显示屏上显示医疗设备的图像表示；和
光纤管心针，其配置为沿着所述光纤管心针的长度将所述输入光信号从所述光学询问器传送到多个光纤布拉格光栅传感器，并且将所述反射光信号从所述多个光纤布拉格光栅传感器传送回所述光学询问器，所述光纤管心针配置为被布置在所述医疗设备的内腔中。
6.根据权利要求5所述的超声成像***，其特征在于，当所述医疗设备接近所述超声探头时，所述激活的超声换能器相对于所述预定目标或区域的距离和取向被调整，由所述激活的超声换能器建立的图像平面垂直或平行于包括所述医疗设备的医疗设备平面，用于通过所述医疗设备进入所述预定目标或区域。
7.根据权利要求5所述的超声成像***，其特征在于，所述激活的超声换能器相对于作为所述预定目标的血管的距离和取向被调整，由所述激活的超声换能器根据所述血管的取向建立的图像平面垂直或平行于所述血管。
8.根据权利要求3所述的超声成像***，其特征在于，所述图像平面包括作为所述预定目标的血管，并且所述医疗设备包括针，所述图像平面在所述针接近时垂直于所述医疗设备平面，并且在使用所述针经皮穿刺时平行于所述医疗设备平面。
9.根据权利要求1所述的超声成像***，其特征在于，所述超声换能器阵列是二维超声换能器阵列，所述激活的超声换能器是由所述控制台在任何给定时间激活的所述二维超声换能器阵列的超声换能器的近似线性子集。
10.根据权利要求1所述的超声成像***，其特征在于，所述超声换能器阵列是可移动的超声换能器线性阵列，所述激活的超声换能器是所述超声换能器的子集，直至由所述控制台在任何给定时间激活的所述超声换能器线性阵列中的所有超声换能器。
11.根据权利要求9所述的超声成像***，其特征在于，所述超声探头还包括加速度计、陀螺仪、磁强计或其组合，其配置为向所述控制台提供位置跟踪数据，所述处理器还配置为执行用于处理所述位置跟踪数据的指令，用于调整所述激活的超声换能器与所述预定目标或区域的距离、所述激活的超声换能器对所述预定目标或区域的取向或所述激活的超声换能器相对于所述预定目标或区域的距离和取向二者。
12.根据权利要求9所述的超声成像***，其特征在于，当所述超声探头无意中相对于所述预定目标或区域移动时，保持所述激活的超声换能器相对于所述预定目标或区域的距离和取向。
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