三维中超声引导的活检

摘要

一种超声系统包括3D成像探头和附着到所述探头的针引导，所述针引导用于对到能够由所述3D成像探头扫描的体积区域中的针插入的引导。所述针引导通过识别用于由所述探头扫描的平面，响应于针通过所述引导的所述插入，所述平面为所述针在插入期间将穿过的插入平面。所述插入平面的取向被传达到所述探头，以令所述探头扫描识别的平面，并且随着所述针行进通过所述插入平面而产生所述针的图像。

说明书

技术领域

本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体涉及使能够对活检针插入的 实时可视化与引导的超声诊断成像系统。

背景技术

超声成像一直用于对活检针和其他侵入设备的插入路径进行成像，使 得临床医师能视觉观察针朝向并且到要被活检的靶解剖结构的插入。常规 地，这是利用二维(2D)超声成像和被配备有针引导的2D成像探头来完 成的。在美国专利6203499(Imling等人)中图示了一种这样的针引导。针 引导的目的是保持针与超声探头的2D图像的平面对齐，使得针的插入连续 地在由超声探头连续地成像的该平面之内发生。针引导夹持到探头上，使 得引导中的孔或缝(通过所述孔或槽插入针)与探头的图像平面固定对齐。 这将针插入限制到两个位置——探头的一端或另一端。临床医师操纵探头 直到靶解剖结构在图像平面的视野中。临床医师然后通过引导并且以一倾 斜度插入针，所述斜度将引起针的尖端朝向靶解剖结构被插入并且进入靶 解剖结构。然后能够通过针的内腔提取靶解剖结构的样本。

在针活检中常常遇到的困难是保持针的插入路径恒定地与探头的图像 平面对齐。该困难有两个来源。一个来源在于，必须利用一只手握持探头 使其固定以将图像平面保持在固定位置，同时利用另一只手操纵并插入针。 另一个来源在于，针随着其被插入而能够弯曲和偏斜，并且随着其穿透身 体的组织而遇到不同密度和硬度的组织。这能够引起针随着其被插入而从 单个平面改变。因此，可期望的将是具有靶解剖结构和针插入路径的较宽 的视场，例如由三维(3D)超声成像所提供的。进一步可期望的将是使能 够从多个位置而不是仅从探头的端部插入针。

三维超声成像将提供针插入的较宽的视场。然而，许多临床医师不喜 欢3D超声成像中的杂乱以及对深度常常是模糊的感知。他们偏好清楚并且 容易理解的二维图像。适应该期望的一种方式是使用具有多平面重建 (MPR)的3D成像。利用MPR，3D探头将扫描在探头前方的包括靶解剖 结构的三维体积，然后选择体积中的一个平面来将其重建为2D图像。这使 临床医师能够握持3D探头使其固定，并且调节MPR平面位置以适应改变 的针插入平面。遗憾的是，这在实践中是个三手流程：一只手握持探头， 一只手插入针，并且第三只手调节MPR平面的位置。可期望的是改进该流 程，使得将在3D体积中连续地成像针，在这种情况下，一只手握持探头并 且另一只手插入针。

发明内容

根据本发明的原理，一种诊断超声系统具有带有针引导的3D成像探 头，所述针引导自动地将被显示的超声图像的平面与针插入的平面对齐。 被附着到所述成像探头的针引导产生一信号，所述信号识别针插入的所述 平面在能够由所述探头扫描的体积区域中的位置。所述超声系统优选地通 过双平面成像(通过所述双平面成像，仅扫描所识别的一个或多个平面) 来产生所识别的平面的图像。在一个实施例中，能够识别多个针的插入平 面，这便于本发明的超声系统针对诸如使用多个针的射频消融的流程的使 用。在另一实施例中，能够识别并且可视化不同程度地倾斜的针的插入平 面。

附图说明

在附图中：

图1图示了通过探头把手握持的3D超声探头，在这种情况下，本发明 的针引导被附着到探头的远端。

图2为图1的3D探头的面的视图，在这种情况下，针引导被附着到并 且环绕探头的远端。

图3图示了图1和图2的探头和针引导的参考平面位置和插入平面位 置。

图4示出了被附着到探头的端部的针引导，在这种情况下，探头具有 环绕的针位置编码器和无线通信器。

图5a图示了本发明的采用光学针位置编码器的针引导。

图5b图示了本发明的采用电阻式针位置编码器的针引导。

图6图示了针插入的平面与双平面的位置之间的关系，在所述双平面 中，相对于能够由3D成像探头扫描的体积区域来定位插入平面。

图7以框图形式图示了根据本发明的原理构建的具有针引导的超声系 统。

图8和图9图示了本发明的具有用于针插入的多个倾斜角度的针引导。

图10图示了对用于微波消融流程的多个针的超声显示。

具体实施方式

首先参考图1，示出了3D超声成像探头12，所述3D超声成像探头在 其近(缆线)端处被握持，本发明的针引导14被附着到探头的远(声学窗 口)端。针引导通过与诸如其探头取向标记的探头的区别性特征对齐来以 固定的取向附着到探头。探头取向标记是通常被定位在探头的远端一侧上 的特征，临床医师使用所述探头取向标记以将探头在对象上的取向与解剖 结构在超声图像中的取向联系起来。例如，参见美国专利5255682 (Pawluskiewicz等人)。在所构建的实施例中，探头12具有被形成为投影 的取向标记，所述投影与针引导的内周中的接合槽口对齐，从而保证能够 仅以一种已知的取向将针引导附着到探头。当被恰当地附着时，针引导的 面与探头的透镜71的面对齐，如图2中的两个部件的面的平面视图中所示。 所图示的针引导为环型结构，具有被定位在引导周围的多个成角度的孔40。 孔略大于引导想要与之一起使用的针的大小，足够小以约束针的插入路径， 但又足够大以允许临床医师随着针被插入而移动和引导所述针。在所图示 的针引导中，有三十六个均匀间隔的孔40，围绕环型引导的周长每10°一 个。孔成角度使得被插入的针的路径被导向在透镜71之下，并且行进到探 头的孔径中。在所图示的实施例中，孔以关于法向于探头透镜的面的轴为 20°成角度。探头12为3D成像探头，所述3D成像探头优选地具有二维 阵列的换能器元件，通过所述换能器元件，能够通过电子射束操控来扫描 透镜前方的锥形或梯形体积。也能够使用机械扫描3D探头。随着通过针引 导将针引导到对象中，将针的插入路径引导到能够由3D探头12成像的体 积区域中。图3图示了法向于透镜71的面并且正交于2D阵列探头的端部 来投影的参考平面42。该图示示出了孔40(出于图示的目的而被放大)， 能够通过所述孔40插入针并且沿着探头的成像平面中的插入路径送进针， 所述成像平面关于参考平面42成θ角度。

图4图示了具有旋转编码器44的针引导14，所述旋转编码器44识别 在引导周围的孔(针通过所述孔被插入)的位置。当通过在图4中的引导 14的八点钟位置处的孔插入针时，编码器识别在关于参考平面42为θ的位 置处的扫描平面，能够在所述扫描平面中对针插入路径进行成像。例如， 如果通过在四点钟位置处的孔插入针，则编码器将识别在为-θ位置处的扫 描平面，能够在所述扫描平面中对插入路径进行成像。通过有线连接或无 线连接(例如蓝牙通信链路60)，将所识别的扫描平面传达到操作探头的超 声系统。用于编码器的功率能够由有线连接或蓄电池62来提供。

能够以多种方式构建编码器。一种方式是使用光学编码，如图5a中所 示。在该实施例中，有多个光发射器，例如LED 46，所述多个光发射器将 光跨过孔40导向到在孔的另一侧上的光探测器。当通过具体的孔插入针时， 针将阻挡来自针对该孔的探测器的光，并且探测器信号然后将该具体的孔 及其对应的扫描平面识别为针正通过其被插入的一个。超声探头和超声系 统将然后对所识别的扫描平面和正在该平面中被插入的针进行成像。如图 5a中所图示的，当通过在针引导的八点钟位置处的孔40插入针时，光学探 测器信号将扫描平面θ识别为针插入路径的扫描平面。

在图5b中图示了使用电阻式编码器的另一编码器实施方式。在该实施 方式中，编码器44具有带有一个或多个孔或槽84的外滑动环，能够通过 所述孔或槽84插入针。外滑动环58能够围绕内环56旋转，所述内环56 具有在环周围的电阻路径48。外滑动环具有与滑动环58的孔或槽74的位 置为已知关系的滑动接触82，所述滑动接触为与电阻路径48的电接触。滑 动接触和电阻路径从而作为电位计操作，使得对被电连接到滑动接触82和 电阻路径的端部的“+”与“-”端子之间的电测量将识别孔或槽在环型结 构周围的位置。将该位置信息报告给超声系统，以识别要被探头和超声系 统扫描的针插入路径的平面。能够通过将额外的串联电阻与相应的端子连 接来单独地识别多个孔或槽，使得针对一个孔所报告的电阻值的范围不与 针对其他孔的电阻值的范围重叠。

图6为对3D成像探头12、可以被探头扫描的体积100以及探头的图 像场104被定位于其中的选定的扫描平面102之间的关系的图示。当通过 针引导14中的孔或槽插入针110时，针被约束到进入探头的声学窗口下方 的视图中的路径。由于探头为3D成像探头，因此所述探头能够扫描体积 100中的众多平面取向。针引导14的旋转编码器识别具体的孔(通过所述 孔插入针)，所述孔对应于能够由3D成像探头成像的具体的扫描平面取向 102。探头12然后对所识别的扫描平面取向进行成像，如由平面102中的 扇形扫描区104所图示的。临床医师然后能够随着沿着扇形扫描区104中 的插入路径插入针110而跟随针110前进，直到针的尖端112进入靶解剖结 构。

图7图示了根据本发明的原理构建的超声探头、针引导以及超声系统。 超声系统10由两个子系统构成——前端采集子系统10A和显示子系统 10B。3D超声探头12被耦合到采集子系统，所述采集子系统包括二维矩阵 阵列换能器70和微型射束形成器72。所述微型射束形成器包含电路，所述 电路控制被应用到阵列换能器70的元件的组(“片”)的信号，并且进行一 些对由每组元件接收的回波信号的处理。探头中的微型射束形成有利地减 少了探头与超声系统之间的缆线中的导体的数目，并且在美国专利5997479 (Savord等人)和美国专利6436048(Pseque)中得到描述，并且提供对在 发射和接收时的射束的电子操控，以用于高帧率实时(实况)2D或3D成 像。

探头12被耦合到超声系统的采集子系统10A。所述采集子系统包括射 束形成控制器74，所述射束形成控制器74响应于用户控制36和针对本发 明的门信号——所述用户控制和所述门信号提供对微型射束形成器72的控 制信号，关于发射和接收射束的时间安排、频率、方向以及聚焦要被那些 射束扫描的一个或多个平面来指挥探头。通过射束形成器对模数(A/D)转 换器18和射束形成器20的控制，射束形成器也控制由采集子系统接收的 回波信号的系统波束形成。从探头接收的部分射束形成的回波信号被采集 子系统中的前置放大器和TGC(时间增益控制)电路16放大，然后被A/D 转换器18数字化。所数字化的回波信号然后被主系统射束形成器20形成 为完全操控和聚焦的波束。然后由图像处理器22处理回波信号，所述图像 处理器22执行数字滤波、B模式探测和M模式探测以及多普勒处理，并且 也能够执行其他信号处理，例如谐波分离、散斑减少以及其他期望的图像 信号处理。

由采集子系统10A产生的回波信号被耦合到显示子系统10B，所述显 示子系统处理回波信号以用于以期望的图像格式来显示。由图像线处理器 24处理回波信号，所述图像线处理器24能够对回波信号进行采样，将射束 的段拼接成完整的线信号，并且对线信号进行平均以用于信噪比改善或流 持续性(flow persistence)。由扫描转换器26将针对2D图像的图像线扫描 转换成期望的图像格式，所述扫描转换器26执行如本领域已知的R-θ转换。 扫描转换器因此能够格式化直线的或扇形的图像格式。然后将图像储存在 图像存储器28中，能够从所述图像存储器将图像显示在显示器38上。也 将存储器中的图像与要与图像一起显示的图形相叠加，所述图形是由图形 生成器34生成的，所述图形生成器响应于用户控制36，使得产生的图新与 显示器的图像相关联。能够在图像循环或序列的捕获期间将个体图像或图 像序列储存在电影存储器30中。

针对实时体积成像，显示子系统10B也包括3D图像绘制处理器32， 所述3D图像绘制处理器从图像线处理器24接收图像线，以用于对实时三 维图像的绘制。3D图像能够在显示器38上被显示为实况(实时)3D图像， 或者被耦合到图像存储器28来用于对3D数据集的储存，以用于以后的复 查和诊断。

根据本发明，将由针引导14产生的扫描平面识别信号耦合到平面ID 处理器52，所述扫描平面识别信号识别通过针引导插入的针将通过其中并 且能够被成像的扫描平面。将由平面ID处理器产生的平面识别信号耦合到 产生门信号的触发信号生成器54，所述门信号命令射束形成器控制器74以 控制对期望的扫描平面的扫描，针插入路径被定位在所述期望的扫描平面 中的一个。射束形成器控制器74控制微型射束形成器72，以扫描所期望的 扫描平面，并且从所期望的平面的扫描产生回波信号，由微型射束形成器 部分射束形成所述回波信号，并且将所述回波信号耦合到系统射束形成器 20，以用于完成在所期望的平面中对扫描线的射束形成。由图像线处理器 24处理平面的扫描线，并且将所述扫描线扫描转换成所识别的平面的二维 图像，在显示器38上显示所述二维图像。能够将所识别的扫描平面成像为 在探头和系统的海拔分辨率之内的单个薄平面，但是也能够将所识别的扫 描平面成像为平面厚度大于单个薄平面的厚度的厚切片图像，如在美国专 利申请号US2010/0168580A1(Thiele等人)中描述的。厚切片成像的使用 使能够在图像中连续地可视化针，即使针的插入路径从优选的直线变化， 只要路径保持在厚切片图像的厚度之内。

图8和图9图示了本发明的另一针引导，能够通过所述另一针引导以 不同的倾斜角度α、β以及γ插入针110。图8的横截面视图示出了通过针 引导的不同的孔40插入的三个针110、110’以及110”，所述孔40沿着分别 以角度γ、β以及α倾斜的插入路径引导针。在引导周围的具体旋转位置处 的每个三个孔的集都将沿着在相同的扫描平面中的插入路径导向针，在与 中心参考平面42有关的图9中示出了所述扫描平面中的两个θ₁和θ₂。图8 和图9的针引导14使临床医师能够以在探头下方的不同深度进入靶解剖结 构，同时识别每个插入路径的扫描平面。

在给定的侵入流程中，可以期望同时利用若干个侵入器械进入身体中 的解剖结构。如图4和图9所图示的，能够同时在不同的识别的扫描平面 (例如，θ1和θ2或者+θ和–θ)中插入多个针。当使用通过引导的两个插 入路径时，引导将把对两个不同的扫描平面取向的识别报告给平面ID处理 器，所述平面ID处理器将令超声系统10交替地扫描不同的平面。可以针 对对靶解剖结构的微波消融使用两个不同的器械，例如，在这种情况下临 床医师将想要视觉引导两个消融针到靶，使得它们的尖端与要被消融的解 剖结构接触。图10图示了超声显示器，所述超声显示器示出了使用本发明 的针引导的侵入程序的四个不同的图像。在该范例中，同时使用三个不同 的针110α、110β以及110γ并对其进行成像。在针110α的插入路径扫描平 面的超声图像202中示出针110α，并且将该图像的边缘着色为独特的颜色， 例如蓝色，以区分针110α的图像。能够通过分割技术来执行在超声图像中 识别并着色针，所述分割技术在图像中从针的周围组织特异性地识别针， 如在美国专利公开号2004/0002653(Greppi等人)和例如S.Cheung等人 的“Enhancement of Needle Visibility in Ultrasound-guided Percutaneous  Procedures”(Ultrasound in Med.&Biol.，vol.30，no.5，2004年，第617-24 页)的文章中所描述的。类似地，在针110β和110γ的插入路径的相应的 2D图像204和206中示出了针110β和110γ，并且以区别性颜色204a和206a (例如红色和黄色)描画针110β和110γ的轮廓。图像201为流程的区域的 完全的3D体积图像，所述图像201示出了正被全部三个针进入的靶解剖结 构。在3D图像中，将每个针着色为其区别性的颜色，蓝色、红色或黄色， 使得临床医师能够容易地将3D图像中的每个针与其自己的2D插入平面图 像联系起来。以时间交错的方式扫描每个2D图像平面和完全的3D体积， 在这种情况下，以比3D图像更大的重复率(以及因此显示器的实时帧速率) 扫描个体插入平面。一旦针处于其在靶解剖结构中的期望位置，则能够将 个体2D图像冻结在屏幕上，使得将完全的采集时间贡献于3D成像，并且 能够继续以实况3D对在靶解剖结构处的流程进行成像。

能够通过其他引导来辅助本发明的针引导和超声系统的实施方式，以 帮助临床医师规划和实施针插入流程，例如在针插入中引导临床医师，以 避开硬组织和关键解剖结构，如在2012年1月18日递交的标题为 “ULTRASONIC GUIDANCE OF A NEEDLE PATH DURING BIOPSY” (Kudavelly等人)的美国专利申请号61/587784中所描述的。在插入路径 中对硬组织的避开能够帮助防止针在插入期间的偏斜和弯曲。该引导辅助 能够用于在流程之前规划插入路径，或者用于随着针正被插入而提供引导。