活檢期間針路徑的超聲引導的制作方法

活檢期間針路徑的超聲引導的制作方法
【專利摘要】描述了一種超聲成像系統，其在視覺上輔助活檢針插入。所述系統產生沿針插入的一個或多個路徑的像素的像素值。組織密度分析器響應于所述像素值，以估計沿針插入的路徑的組織密度。針路徑計算器響應于所述組織密度分析器，并建議通過被成像組織的一個或多個有利路徑，以用于所述活檢針的插入。所述系統可以結合三維導航系統使用，所述三維導航系統在3D空間中空間定位所述針和超聲圖像平面。
【專利說明】活檢期間針路徑的超聲引導

【技術領域】
[0001]本發明涉及醫學診斷成像系統，并且尤其涉及診斷超聲系統，其在活檢或其他有創流程期間提供針的視覺引導。

【背景技術】
[0002]活檢是涉及用于檢查的細胞或組織的去除的醫學流程。該流程包括組織從活體對象的醫學去除，以確定疾病的存在或程度。被切除的組織一般由病理醫師在顯微鏡下進行檢查，并且也能夠針對疾病狀態以化學方式被分析。當整個腫塊或可疑區域被去除時，該流程被稱作切除活檢。當僅去除組織的樣本，而保留組織的細胞的組織學架構時，該流程被稱作切口活檢或芯活檢。當利用針以這樣的方式去除組織或流體的樣本使得細胞被切除而不保留組織細胞的組織學架構時，該流程被稱作針吸活檢。
[0003]為了有效地將針直接插入到目標組織，優選是在諸如超聲成像的診斷成像的輔助下執行該流程。臨床醫師能夠在圖像中定位目標組織，然后按照圖像平面插入針。臨床醫師然后能夠隨著針被插入而觀察針，并自信地引導針直到針尖端進入目標組織。然后能夠通過針吸取或切除目標組織的樣本。為了更加容易且精確，該流程也能夠使用手術導航系統，例如Philips PercuNav引導系統。PercuNav系統在流程的部位周圍并通過流程的部位傳播調制的磁場。傳感器被定位在針和超聲成像探頭上，使得該系統能夠在三維空間中定位患者、手術部位、針和超聲圖像平面的位置和取向。PercuNav系統然后能夠輔助針和針尖端在超聲圖像中的更精確顯示以及其相對于圖像平面的位置和取向的更精確顯示。臨床醫師能夠在超聲圖像上指示目標組織，并且PercuNav系統將以圖形方式在顯示器上指示針要遵循以達到目標組織的路徑。
[0004]然而，由于超聲圖像平面和活檢針在整個流程中必須保持共面，以顯示實際針尖端位置，因此腫瘤貓準中的困難仍然存在。而且,Philips PercuNav系統不會建議提供最小插入阻力并避開附近敏感器官的的有利插入路徑。在許多情況中，針將隨著其在插入期間遇到堅硬或致密組織，而偏折并彎曲。結果，由于通常難以解讀針通路，而妨礙活檢流程效率，尤其針對可能要求多次重新插入的大深度的針插入。所有前面提及的困難導致活檢針的多次重新插入的額外時間，從而增加了患者的不適和病狀。因此，合乎期望的是成像系統預測針插入的最有利路徑，從而減少技術變化性和對患者的不必要的傷害。這將得到針對活檢流程的較短學習曲線，減少流程時間，避免多次活檢針插入，并實現一致可重復的活檢流程，由此減少患者的不適并改善結果。


【發明內容】

[0005]根據本發明的原理，提供一種超聲成像系統，以引導針插入流程。超聲探頭對所述流程的目標組織，以及所述針被插入通過其以進入所述目標組織的組織進行成像。隨著插入開始，采集并分析沿投影插入路徑的像素的超聲回波信息，以確定沿投影路徑的組織密度的局部變化。如果分析顯示沿預期路徑將遇到致密組織的區域，則采集并分析沿其他可能路徑的密度，并呈現可選的插入路徑以供臨床醫師考慮。臨床醫師然后能夠選擇對于流程最有效并且對于患者最舒適的插入路徑。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1以框圖形式圖示根據本發明的原理構建的用于針引導的超聲成像系統。
[0007]圖2圖示沿活檢針的投影插入路徑的一列像素。
[0008]圖3圖示超聲探頭對身體中的目標組織以及通過其進入目標的組織進行成像。
[0009]圖4圖示對用于活檢流程的針和插入的投影路徑的定位。
[0010]圖5圖示圖4的成像狀態，其具有沿插入的投影路徑的組織密度的指示。
[0011]圖6圖示圖4的成像狀態，其具有在針插入的投影路徑中的致密解剖結構。
[0012]圖7圖示圖6的成像狀態，其具有建議的可選插入路徑。

【具體實施方式】
[0013]首先參考圖1，以框圖形式示出用于輔助針引導的超聲成像系統。超聲探頭10包含陣列換能器12，以對在換能器前方的區域進行掃描并成像。所述換能器陣列能夠為一維(ID)陣列，以掃描在探頭前方的平面，但優選地所述換能器為二維(2D)陣列換能器12，其在體積區域上發射電子操縱和聚焦的束，并響應于每個發射的束接收單個或多個接收束。利用2D陣列12，所述探頭能夠掃描圖像平面和在所述圖像平面的任一立面側上的組織。所述陣列中毗鄰的換能器元件的組(被稱作“片”或“子陣列”)由探頭12中的微波束形成器(UBF)整體操作，所述微波束形成器執行對接收的回波信號的部分波束形成，并由此減少所述探頭與主機超聲系統之間的線纜中導體的數目。在美國專利6419633 (Robinson等人)和美國專利6368281 (Solomon等人)中描述了合適的二維陣列。在美國專利5997479 (Savord等人)和6013032 (Savord)中描述了微波束形成器。所述陣列發射束特性由波束發射器16控制，波束發射器16令所述陣列的變跡孔徑元件在期望方向上將期望寬度的聚焦束發射通過身體的體積區域。借助于發射/接收開關14，將發射脈沖從波束發射器16耦合到所述陣列的元件。由陣列元件接收并由微波束形成器響應于發射波束部分波束形成的回波信號被耦合到系統波束形成器18，在這里響應于發射波束對部分波束形成的回波信號進行處理，以形成完全波束形成的單個或多個接收束。在前文提及的Savord的'032專利中描述了用于此目的的合適的波束形成器。
[0014]由波束形成器18形成的接收束被耦合到信號處理器12，信號處理器12執行諸如濾波和正交解調的功能。沿所述接收束的回波信號被檢測并被處理成沿每個束的一連串像素，所述像素被儲存為3D數據集28。B模式超聲圖像一般是由在灰度值范圍內的像素形成的，灰度值與接收的回波信號的強度成比例。血液和非常軟的組織將返回相對弱的回波信號，這產生相對低的灰度值，其在B模式超聲圖像中被呈現為較暗的陰影。血管中的血液將被再現為暗的，幾乎為黑色的陰影。但硬且致密的物質，例如硬的囊腫和致密組織以及鏡面反射體將返回相對強的回波信號。從這些位置顯示的相對高像素值的像素被顯示為亮的，幾乎為白色的像素。不同組織類型之間的邊界，例如器官的邊界，也將返回強回波信號，其被顯示為亮像素。因此像素值為局部組織密度和器官邊界的指示符。
[0015]所掃描體積的平面的像素被耦合到2D圖像處理器34，在那里它們被處理，以形成所述體積的掃描平面的二維超聲圖像。用于從3D數據集形成2D圖像的技術通常是已知的，并且為多平面重新格式化(MPR)。MPR技術為在共同平面中的圖像數據的數據值尋址，所述數據值然后被處理以形成所選平面的2D圖像。或者，能夠以時間交錯的方式獨立地掃描所掃描體積的平面，如在美國專利6497663 (Fraser等人)中描述的，這能夠得到具有較高幀速率的2D顯示。臨床醫師通過其控制所述超聲系統的操作的控制面板20包括控制器，所述臨床醫師通過所述控制器選擇并定位MRP或被掃描的2D圖像的平面。2D圖像平面一般與二維陣列換能器的中心對齊，這有利地意味著在圖像平面兩側上的區域均被掃描，以產生在圖像平面中的像素值，以及立面(elevat1n)維度中在圖像平面的任一側上的像素值。然而，根據本發明，也能夠使用偏離所述換能器的中心的平面，并且所述平面能夠正交于所述換能器或以非正交的角度傾斜于所述換能器陣列。經處理的2D圖像被耦合到顯示處理器，在那里其與來自圖形生成器36的圖形重疊，并然后被顯示在圖像顯示器48上。
[0016]上述超聲系統能夠與諸如PercuNav系統的導航系統一起使用，所述超聲系統的元件示于圖1中。PercuNav系統具有場生成器46，場生成器46輻射滲透進流程的部位和周圍空間的電磁場。傳感器44位于探頭10、活檢針(未示出)和患者(未示出)上，所述探頭、所述活檢針和所述患者與所述電磁場相互作用并產生信號，所述信號被用于計算所述探頭、所述活檢針和針尖端以及所述患者的2D圖像平面的位置和取向。該計算是由PercuNav系統的坐標生成器42完成的，坐標生成器42被示為從針和圖像平面接收信號，并且還出于場配準的目的被耦合到所述場生成器。針和圖像平面的坐標信息被耦合到圖形生成器36，圖形生成器36響應于坐標信息并響應于來自控制面板20的操作者控制信號來產生針路徑圖形，如下文所述。
[0017]根據本發明的原理，提供組織密度分析器52，組織密度分析器52接收3D數據集28的像素數據。使用來自坐標生成器42的針插入的投影路徑的坐標信息，所述組織密度分析器選擇出并分析沿投影針路徑的像素。這些像素能夠全部在相同平面中，例如在由2D圖像處理器34產生的2D圖像的平面中。優選地，像素為一組三維的3D數據集的像素(體素)，如圖2中所圖示的。該圖示出了 3X3XN的像素集合，其中，N為占據針60的尖端62之間在D方向上的距離的一些或全部的像素的數目。在該范例中，所述針的尖端與像素的這一集合的中間列對齊，所述中間列與所述針的投影路徑對齊。該中間列在所有方向上被八個毗鄰的像素列圍繞。因此，在χ-y平面中的像素的每個集合均包括投影針路徑上的中心像素和來自路徑周圍空間的像素。盡管能夠使用單列像素，但三維集合是優選的，因為其對針路徑和路徑周圍的像素空間進行采樣。在該范例中，組織密度分析器52平均或合計每個χ-y平面中的九個像素的值，并產生表示所述集合沿所述針路徑在距離D處的組織密度的值。例如，如果在給定像素平面處存在致密的、高反射性解剖結構，則沿所述路徑的該位置的組合像素的值將相對高，從而指示可能阻礙針插入的致密物質。沿所述路徑的器官邊界一般也將返回較強的回波信號。如果一位置僅包括柔軟組織，則所述組合值將相對低，從而指示應被針容易穿透的較不致密的物質。如此在D方向上計算的密度估計的序列被轉發到針路徑計算器54。所述組織密度分析器也針對毗鄰投影針路徑的可能針路徑執行該操作。例如，能夠在具有相同的I和D坐標，但X增加了三的另一像素集合上執行所述計算，從而識別緊鄰第一集合的類似的3X3XN的像素集合。針對該毗鄰像素集合類似地計算密度估計的序列。能夠通過遞增地使用沿D方向的不同X坐標，來尋址毗鄰但非平行的集合，這將提供針對毗鄰但不平行于初始投影路徑的可能插入路徑的密度估計。當針路徑計算器54接收針對投影路徑和若干可選毗鄰路徑的相繼密度估計時，其能夠選擇為針插入造成最小危險和阻力的一個路徑。例如，所述針路徑計算器能夠選擇具有最低峰值密度的密度序列。或者，所述針路徑計算器能夠合計或平均每個路徑的相繼密度值，并選擇具有最低組合或平均密度的一個路徑。然后，將已被識別為對于針插入更有利的一個或多個可選路徑的坐標耦合到所述圖形生成器，以用于在所顯示的圖像中的指示。
[0018]根據本發明實施的流程能夠如下進行。臨床醫師通過其手柄40握持超聲成像探頭30，并將探頭32的遠端(其包含所述換能器陣列)放置為與身體的表面80接觸。隨著建立的與皮膚的聲學接觸，所述探頭將對身體的內部進行成像，如由2D扇形區域84所圖示的，其被示為包含超聲圖像。身體中被成像的所述區域包含要被活檢的目標組織86。臨床醫師操縱控制面板20的目標圖標控制器，以將目標圖形定位在圖像中的如在圖4中由圓形圖形92所示的目標組織上。所述導航系統識別圖像84中的所述圓形圖形的位置，并使用針在電磁場中的位置和取向的坐標，在超聲圖像上產生圖形90，圖形90描繪了針60的插入路徑。如圖4所示，由與針60和目標圖形92成一條線的點線90以圖形方式識別針60在該范例中的投影路徑。當臨床醫師繼續在該取向中插入針時，針的路徑將遵循點線90，并到達由目標圖形92識別的目標組織。
[0019]由于現在由點線90識別了投影針路徑，則組織密度分析器52能夠訪問沿投影路徑的像素，并分析它們以確定沿所述路徑的組織密度。在圖5的范例中，所述針路徑計算器已經令沿所述路徑的密度估計的序列被以圖形方式顯示為相對于零基線的曲線94。在該范例中，曲線94示出組織密度相對低并且從淺深度到目標組織86基本上均勻，其中，目標組織的固體團塊導致密度曲線94的顯著增加。臨床醫師可能對沿插入的投影路徑的組織的這些特性滿意，并且然后可以沿點線90插入針，以活檢團塊86。
[0020]圖6圖示不同情形，其中，存在半固體團塊88，例如針插入路徑中的囊腫。當所述組織密度分析器和所述針路徑計算器生成針對該插入路徑的曲線時，曲線94被見為具有第二峰值95，其指示由囊腫88造成的所述路徑中的較大密度。在該范例中，臨床醫師決定由點90建議的插入路徑是不可接受的，并且請求所述系統建議更合乎期望的插入路徑。臨床醫師啟動控制面板20上的控制器，其令組織密度分析器和針路徑計算器迭代地識別、分析并建議可選的插入路徑，如上所述。在該范例中，針路徑計算器已經找到并識別兩個可選的插入路徑，它們在超聲圖像上由虛線97和99以圖形方式指示。所建議的插入路徑97相對于當前插入路徑90略向左傾斜，并且所建議的插入路徑99位于所述當前插入路徑右邊，并且從探頭30的另一側進入。當臨床醫師遵循這些可選插入路徑之一移動或重新插入針尖端時，所述導航系統令點線90遵循建議路徑移動，并且密度曲線94將改變并顯示沿新對齊路徑的密度。臨床醫師然后能夠選擇被認為最適合執行活檢流程的插入路徑。
[0021]盡管以上范例圖示了對組織密度曲線94的顯示，但在構建的實施例中能夠省略曲線的顯示。所述系統則將僅示出可選的插入路徑。另一種可能的實施方式為通過數值(例如密度值的序列的的平均值或峰值或中位值)來圖示沿插入路徑的組織密度。再另一種可能是省略建議的插入線97和99，并隨著針被移動到各個可能的插入位置，僅示出與針成一條線的虛線插入路徑的密度曲線或值。臨床醫師也可以偏好采用針引導，以輔助引導針插入。隨著針被插入，所述系統能夠監測插入的路徑，將其與推薦插入路徑進行比較，并關于是否正遵循所指定的路徑或者插入是否不同于所指定的路徑而建議臨床醫師。上述范例的其他變型對本領域技術人員而言將是顯而易見的。
【權利要求】
1.一種在視覺上引導諸如針的有創設備的插入的超聲成像系統，包括: 超聲探頭，其具有陣列換能器，以對包含目標組織的組織區域進行成像，并產生接收的信號; 超聲系統，其處理由所述超聲探頭接收的信號，以產生一組空間識別的像素，所述像素具有與所接收的信號成比例的像素值； 響應于所述像素值的圖像處理器，其產生超聲圖像； 顯示器，其顯示所述超聲圖像； 響應于所述像素值的組織密度分析器，其產生對沿有創設備插入的路徑的組織密度的估計， 其中，對組織密度的所述估計被顯示在所述顯示器上。
2.如權利要求1所述的超聲成像系統，還包括響應于所述組織密度分析器的針路徑計算器，所述針路徑計算器計算有創設備插入的路徑， 其中，所計算的有創設備插入的路徑與所述超聲圖像空間配準地被顯示。
3.如權利要求1所述的超聲成像系統，其中，對組織密度的所述估計被顯示為沿有創設備插入的路徑的相對組織密度的曲線。
4.如權利要求1所述的超聲成像系統，其中，對組織密度的所述估計以數值方式被顯/Jn ο
5.如權利要求1所述的超聲成像系統，還包括空間導航系統，所述空間導航系統識別針相對于所述目標組織的位置和取向， 其中，所述導航系統能用于識別針插入相對于所述針的所述位置和所述取向的投影路徑， 其中，針插入的所述投影路徑與所述超聲圖像空間配準地被顯示。
6.如權利要求5所述的超聲成像系統，其中，所述組織密度分析器能用于使用與所述投影路徑配準的所述像素值來產生對沿針插入的所述投影路徑的組織密度的估計。
7.如權利要求1所述的超聲成像系統，其中，所述超聲圖像還包括2D超聲圖像；并且 其中，所述組織密度分析器使用所述2D超聲圖像的所述像素值來產生對組織密度的估計。
8.如權利要求1所述的超聲成像系統，其中，所述陣列換能器還包括由所述探頭使用的2D陣列換能器，以掃描組織的體積區域； 其中，所述體積區域包括所述2D超聲圖像的平面；并且 其中，所述組織密度分析器使用表示三維區域的像素的集合來產生對組織密度的估計。
9.如權利要求8所述的超聲成像系統，其中，所述集合的所述像素中的一些與所述2D超聲圖像的所述平面一致。
10.如權利要求8所述的超聲成像系統，其中，所述組織密度分析器產生沿針插入的路徑的組織密度估計的序列， 其中，每個估計均是從像素的二維陣列產生的，所述二維陣列在維度的每個中均具有至少兩個像素。
11.如權利要求2所述的超聲成像系統，其中，所述組織密度分析器能用于產生沿針插Λ的多個可能路徑的對組織密度的估計， 其中，所述針路徑計算器還能用于計算針插入的多個建議路徑， 其中，所述建議路徑中的一個與所述超聲圖像空間配準地被顯示。
12.如權利要求11所述的超聲成像系統，其中，多個建議路徑與所述超聲圖像空間配準地被顯示。
13.如權利要求1所述的超聲成像系統，還包括圖形生成器，所述圖形生成器產生用于與所述超聲圖像重疊顯示的圖形， 其中，所述圖形生成器產生指示針插入的路徑的圖形。
14.如權利要求13所述的超聲成像系統，還包括用戶控制，所述用戶控制被啟動以在所述超聲圖像中指示目標組織的位置， 其中，所述圖形 生成器響應于所述用戶控制，以產生與所述超聲圖像配準的目標組織圖形。
15.如權利要求13所述的超聲成像系統，還包括響應于所述組織密度分析器的針路徑計算器，所述針路徑計算器計算針插入的路徑， 其中，所述圖形生成器響應于所述針路徑計算器，以產生表示針插入的建議路徑的圖形。
【文檔編號】A61B19/00GK104053403SQ201380005802
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年1月17日 優先權日:2012年1月18日
【發明者】S·R·庫達維利, R·S·班達盧 申請人:皇家飛利浦有限公司