置和姿勢可能產(chǎn)生非常不同 的結(jié)果圖像，從而導(dǎo)致觀察者將其從視覺上和精神上與腫瘤的實(shí)際形狀聯(lián)系起來是非常困 難的。其結(jié)果是，手術(shù)后的超聲圖像不能提供是否需要額外的補(bǔ)救過程的可靠的準(zhǔn)確評估。 因此，需要提供一種使得成像位置和探頭姿勢在介入手術(shù)前后保持一致的方法，使得手術(shù) 前后的超聲圖像可W進(jìn)行完善的對比。
[0040] 盡管=維（3D)超聲造影成像技術(shù)現(xiàn)在是可行的，但由運(yùn)些技術(shù)產(chǎn)生的=維超聲圖 像通常是與常規(guī)超聲技術(shù)所獲得的二維(2D)超聲圖像單獨(dú)顯示的。此外，3D超聲圖像通常 聚焦在目標(biāo)區(qū)域的小區(qū)域，而不是整個(gè)目標(biāo)區(qū)域。因此，對于觀察者來說，將3D圖像和2D圖 像在視覺上和精神上關(guān)聯(lián)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。有些時(shí)候，能夠獲得=維超聲圖 像的四維(4D)的時(shí)間序列來顯示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化(例如，血液流動(dòng)）。手術(shù)前后的四 維超聲圖像在視覺上和精神上關(guān)聯(lián)對于觀察者來說是更為有挑戰(zhàn)性的事。此外，將使用不 同的技術(shù)得到的超聲圖像在視覺上相關(guān)起來也是困難的。
[0041] 有時(shí)，也可W使用其它影像設(shè)備，如CT/MRI斷層掃描設(shè)備來執(zhí)行手術(shù)后的評估。然 而，在運(yùn)些設(shè)備上成像是費(fèi)時(shí)的，并不能滿足臨床手術(shù)環(huán)境的及時(shí)性需求。例如，在手術(shù)結(jié) 束前，CT/MRI評估無法在介入手術(shù)后立即執(zhí)行。此外，運(yùn)些成像技術(shù)也不能在介入手術(shù)前后 提供的腫瘤=維體積的定量比較。先前的研究的重點(diǎn)主要集中在=維超聲數(shù)據(jù)與CT，MRI及 其他3D數(shù)據(jù)之間的注冊算法，或介入手術(shù)期間的針引導(dǎo)。傳統(tǒng)上，大多數(shù)超聲裝置在任何給 定時(shí)刻只允許瀏覽一個(gè)單相的=維超聲圖像。
[0042] 如本文所述，根據(jù)一些實(shí)施例的，一種示例性的引導(dǎo)超聲成像系統(tǒng)包括一個(gè)導(dǎo)航 系統(tǒng)及一個(gè)超聲成像系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)可選地是基于磁性導(dǎo)航系統(tǒng)或基于其他技術(shù)的導(dǎo)航系 統(tǒng)，例如光學(xué)相機(jī)，光學(xué)干設(shè)，基于光學(xué)或電磁信號傳播到已知位置標(biāo)記的=角測量等等。 超聲成像系統(tǒng)能夠執(zhí)行2D組織成像，3D增強(qiáng)成像(例如CEUS)，或二者兼而有之。
[0043] 該示例性系統(tǒng)可W用于臨床腫瘤學(xué)干預(yù)，既可W在對病人的解剖結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域 進(jìn)行介入手術(shù)之前使用，也可在對目標(biāo)區(qū)域的介入手術(shù)之后使用。介入手術(shù)前，導(dǎo)航系統(tǒng)記 錄該超聲圖像采集期間超聲波探頭的位置和姿勢信息。在對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行介入手術(shù)之后， 示例性系統(tǒng)提供給使用者音頻/視覺引導(dǎo)，使超聲波探頭重新定位到手術(shù)前的相同位置和/ 或相同的姿勢，從而使得可W W與手術(shù)前的超聲圖像相應(yīng)的相同的探頭位置和/或姿勢來 獲得手術(shù)后的超聲圖像。
[0044] 在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置信息及圖像處理技術(shù)可W被用來關(guān)聯(lián)在手 術(shù)前后分別獲取的兩組圖像數(shù)據(jù)。一旦建立起手術(shù)前后圖像的關(guān)聯(lián)性，腫瘤的測量可被進(jìn) 行。腫瘤形狀和大小的評估，W及消融區(qū)域是否已涵蓋整個(gè)腫瘤區(qū)域和安全邊緣的評估，可 在腫瘤切除手術(shù)正式結(jié)束之前進(jìn)行。可選地，在手術(shù)正式結(jié)束之前，如果用戶基于上述評估 判斷腫瘤尚未完全去除，或者如果足夠的安全邊緣尚未實(shí)現(xiàn)，他或她可W繼續(xù)執(zhí)行補(bǔ)救程 序來填補(bǔ)任何遺漏區(qū)域。運(yùn)種實(shí)時(shí)的補(bǔ)救過程有助于避免冗長的術(shù)后CT/MRI評估而導(dǎo)致的 后續(xù)手術(shù)的延遲。
[0045] 此外，與手術(shù)前后圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的定量對準(zhǔn)信息(例如，定量的相對的探頭位置 和方向信息)可用于與一種或其它圖像配準(zhǔn)技術(shù)(例如，剛體平移，回歸和交互式配準(zhǔn)等)相 結(jié)合，W促進(jìn)性能和提高手術(shù)前后圖像數(shù)據(jù)的圖像配準(zhǔn)的精確度。
[0046] 圖1示出了示例性環(huán)境的原理框圖，其中示例性的用于提供引導(dǎo)超聲圖像采集的 系統(tǒng)100能夠提供用于手術(shù)后快速評估和評價(jià)的引導(dǎo)的超聲圖像采集。有問題的過程可能 是臨床腫瘤學(xué)治療手術(shù)，例如腫瘤的熱消融介入手術(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可W理解，也可能是 其它微創(chuàng)介入手術(shù)。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還能意識到，本文介紹的系統(tǒng)和技術(shù)的許多方面 可W廣泛的適用于其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如需要采集和比較相同的感興趣對象(例如，對動(dòng)物， 設(shè)備、機(jī)械部件、地面物體等等的解剖)在不同的時(shí)間和/或在不同狀態(tài)的超聲圖像。因此， 盡管本文的很多示例性實(shí)施例都是關(guān)于對病人的解剖結(jié)構(gòu)的介入手術(shù)前后發(fā)生的動(dòng)作，但 運(yùn)些動(dòng)作同樣普遍適用于前后發(fā)生物理狀態(tài)改變(例如，容量、形狀、尺寸等等的變化)的需 要成像的感興趣目標(biāo)。
[0047] 在一些實(shí)施例中，示例性系統(tǒng)100執(zhí)行介入手術(shù)前后獲取的圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)， 并顯示基于來自兩個(gè)數(shù)據(jù)集獲得的相關(guān)信息的超聲圖像。在一些實(shí)施例中，在獲取圖像數(shù) 據(jù)集的同時(shí)收集的對準(zhǔn)信息被使用W提高數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。
[0048] 如圖1所示，示例性系統(tǒng)100包括導(dǎo)航系統(tǒng)102、超聲成像系統(tǒng)104和數(shù)據(jù)采集和分 析系統(tǒng)106。在一些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106由計(jì)算機(jī)，或工作站、手持設(shè)備，或其 他計(jì)算設(shè)備(例如，一個(gè)或一個(gè)W上集成電路或忍片)提供。導(dǎo)航系統(tǒng)102與數(shù)據(jù)采集和分析 系統(tǒng)106相連，例如通過一個(gè)或多個(gè)集成的連接，有線連接和/或無線連接，并通過導(dǎo)航系統(tǒng) 102的一個(gè)或更多的探頭提供位置信息（例如，位置和方向）給數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106。類 似的，超聲成像系統(tǒng)104與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106相連，例如通過一個(gè)或多個(gè)集成的連接， 有線連接和/或無線連接，并將通過超聲成像系統(tǒng)104的一個(gè)或更多的探頭獲得的超聲圖像 數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106。
[0049] 在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)102、超聲成像系統(tǒng)104,和數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106在 物理上是經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)有線或無線連接相互通信的獨(dú)立系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，超聲系 統(tǒng)104和導(dǎo)航系統(tǒng)102形成一個(gè)具有共同的控制單元(例如，一個(gè)或多個(gè)集成電路或忍片）的 集成系統(tǒng)，并與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)（例如，計(jì)算機(jī)，手持式裝置等)進(jìn)行通信。在一些實(shí)施 例中，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106可選地與導(dǎo)航系統(tǒng)102的一部分和/或超聲成像系統(tǒng)104的一 部分集成，因此運(yùn)部分可W封裝在相同的殼體內(nèi)作為數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106。在一些實(shí)施 例中，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106、導(dǎo)航系統(tǒng)102和超聲成像系統(tǒng)104被集成為單個(gè)設(shè)備。
[0050] 如圖1所示，在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)102是一個(gè)磁性導(dǎo)航系統(tǒng)。在一些實(shí)施例 中，導(dǎo)航系統(tǒng)102包括場發(fā)生器108(例如，磁場發(fā)生器），W及一個(gè)或多個(gè)磁傳感器(例如，導(dǎo) 航探測器110和參考探頭112)。操作時(shí)，場發(fā)生器108產(chǎn)生一個(gè)場114(例如，磁場），它包括足 夠大的覆蓋病人的身體116 W包圍超聲波探頭118的橫向范圍的區(qū)域。導(dǎo)航探測器110和參 考探頭112與場114進(jìn)行交互，W在場114內(nèi)產(chǎn)生可由導(dǎo)航系統(tǒng)102的場感測元件(例如，可嵌 入在場發(fā)生器108)感測到的擾動(dòng)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)102基于在場114中的變化確 定導(dǎo)航探測器110和參考探頭112的相應(yīng)的當(dāng)前位置。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)102還能夠 在=維空間確定探頭110和112的方位(例如，角度，指向，方位等）。例如，在一些實(shí)施例中， 探頭110和112是足夠小，且每個(gè)在場114中僅提供一個(gè)相應(yīng)的點(diǎn)位置。在一些實(shí)施例中，探 頭110和112各自具有足夠的尺寸W容納多個(gè)探頭元件(例如，磁性線圈），并在場114中每個(gè) 被檢測為線段，具有相應(yīng)的形狀和尺寸的面積，或具有相應(yīng)的形狀和尺寸的體積。
[0051] 在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)可選地使用其它導(dǎo)航技術(shù)來跟蹤導(dǎo)航探頭的當(dāng)前位 置。例如，導(dǎo)航系統(tǒng)可選地使用光學(xué)方法(例如，光學(xué)設(shè)備，CCD或紅外線攝像機(jī)）、導(dǎo)航標(biāo)記 (例如，小的反射光學(xué)地標(biāo)(1 andmark)，EM-信號感應(yīng)地標(biāo)）、和/或計(jì)算手段(例如，S角測量 法，視差，時(shí)差定位法等)來確定導(dǎo)航探頭的當(dāng)前位置和/或方向。
[0052] 在一些實(shí)施例中，與導(dǎo)航系統(tǒng)102的每個(gè)探頭相關(guān)聯(lián)的相對位置和方向信息在靜 態(tài)參照系中表示，例如，基于場發(fā)生器108的固定位置建立起來的參照系。在一些實(shí)施例中， 基于參考探頭112的位置確定動(dòng)態(tài)參考系。基于導(dǎo)航探頭110和參考探頭112之間的相對位 置和方向，在動(dòng)態(tài)參照系中表達(dá)導(dǎo)航探頭110的位置和方向。在一些實(shí)施例中，參考探頭112 被固定(例如，通過粘合表面或粘合膠帶)在患者的身體116的表面且位于介入手術(shù)的目標(biāo) 區(qū)域124的附近。盡管患者的身體116的表面可能在手術(shù)過程中稍微移動(dòng)，例如由于呼吸，無 意識的運(yùn)動(dòng)，和底層組織和器官的變化等原因，當(dāng)導(dǎo)航探頭110的位置和方向在基于參考探 頭112的位置和方向的動(dòng)態(tài)參照系中表達(dá)時(shí)，由運(yùn)些微小的變動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差可W有效 地消除或減少。在一些實(shí)施例中，參考探頭112足夠小，并作為在動(dòng)態(tài)參照系中的單一的參 考點(diǎn)（例如，原點(diǎn)）。在一些實(shí)施例中，參考探頭112具有足夠的尺寸W容納多個(gè)探頭元件(例 如，磁性線圈），并在動(dòng)態(tài)參照系中提供多個(gè)參考點(diǎn)，運(yùn)些參考點(diǎn)構(gòu)成一維參考線段，二維參 考面或=維參考體積。
[0053] 在一些實(shí)施例中，超聲成像系統(tǒng)104包括超聲波探頭118。在一些實(shí)施例中，超聲波 探頭118包括用于產(chǎn)生具有特定波特性(例如，頻率，方向等）的超聲波發(fā)射器，及超聲波接 收器。操作時(shí)，超聲波探頭118發(fā)射的超聲波被位于超聲波探頭118的波場(未示出）中的對 象120(例如，內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu))反射。當(dāng)反射波被接收元件捕捉之后，由運(yùn)些接收波產(chǎn)生的 電信號可W用來重建對象120的圖像。在一些實(shí)施例中，超聲波探頭118具有排列在多個(gè)不 同形狀的陣列中的發(fā)送和接收元件。在一些實(shí)施例中，超聲波探頭118W不同的相位、方向， 和頻率發(fā)射并接收超聲波，W得到成像物體的2D、3D和/或4D圖像數(shù)據(jù)。
[0054] 在一些實(shí)施例中，操作時(shí)，超聲波探頭118被操縱到的病人的身體116上靠近介入 手術(shù)的目標(biāo)區(qū)域124的不同的位置，位于超聲波的視野內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的超聲圖像數(shù)據(jù)由超 聲成像系統(tǒng)104獲得。在一些實(shí)施例中，2D組織圖像通過超聲波探頭118獲得，其中每個(gè)2D圖 像代表成像區(qū)域的相應(yīng)的2D橫截面。在一些實(shí)施例中，造影促進(jìn)劑被注入到目標(biāo)區(qū)域，3D增 強(qiáng)超聲圖像通過超聲波探頭118獲得，其中每一 3D圖像表示一特殊時(shí)間點(diǎn)的成像區(qū)域。在一 些實(shí)施例中，可W得到相同的區(qū)域的3D圖像的時(shí)間序列（即，4D圖像數(shù)據(jù)），W顯示該區(qū)域隨 著時(shí)間推移的變化。
[0055] 在一些實(shí)施例中，操作時(shí)，導(dǎo)航探頭110固定連接到超聲波探頭118, W使得導(dǎo)航探 頭110可和超聲波探測器118-起被操縱(例如，線性地移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，搖動(dòng)，傾斜等）圍繞患者 的身體，超聲波探頭118的位置和/或方位可W根據(jù)任意給定時(shí)間的導(dǎo)航探頭110的位置和/ 或方位確定和/或近似估計(jì)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航探頭110通過一個(gè)夾持結(jié)構(gòu)、或其它類似 的機(jī)械緊固方式固定連接到超聲波探頭119。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航探頭110的殼體被設(shè)計(jì) 為具有槽，該槽腔用W容納超聲波探頭118。在一些實(shí)施例中，超聲波探頭118的殼體被設(shè)計(jì) 為具有槽，其槽腔用W容納導(dǎo)航探頭110。
[0056] 在一些實(shí)施例中，在操作超聲成像系統(tǒng)104時(shí)，導(dǎo)航探頭110的位置和方向信息(及 參考探頭112的位置和方向信息)被從導(dǎo)航系統(tǒng)102實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106。數(shù) 據(jù)采集和分析系統(tǒng)106基于導(dǎo)航探頭110相對于參考探頭112的當(dāng)前位置和方向W確定超聲 波探頭118的當(dāng)前位置和方向。數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)106從而將任意給定時(shí)間的圖像數(shù)據(jù)與 給超聲波探頭118所確定的對應(yīng)的位置和方向信息相關(guān)聯(lián)。如本文所述，超聲波探頭118的 位置可選地包