用于跟踪对象的运动的超声系统和方法

技术领域

本发明涉及超声成像领域，更具体地，涉及使用超声跟踪在身体内接收的诸如工具的对象的领域。

背景技术

例如对于某些微创介入，通常需要对在身体内接收的对象(例如，诸如针或导管的医学工具)的精确可视化。通常还使用相对于成像解剖结构的对象的实时定位。

超声(US)成像是用于工具引导应用的最流行的成像系统之一。超声成像可以用于对用于近距离放射治疗的诸如针、腹腔镜、支架和放射性种子等工具进行成像。例如，超声成像可以用于麻醉学、组织消融或活检引导中的针引导，因为针用于采集组织样本，并将药物或电能递送至患者体内的目标组织。在这些过程中，对针及其尖端的可视化非常重要，以最大限度地减少对患者的风险并改善健康结果。

市场上有各种超声系统，它们利用一些方法来跟踪对象在患者的身体内的位置。此类系统具有共同属性，即每个检测到的对象的位置以数字方式表示在系统中，允许显示位置，并且位置通常与主动扫描相结合周期性地更新，使得实时超声图像显示还能够示出检测到的被跟踪对象的位置。

一些系统提供一种显示检测到的图像中的对象的路径的方式，或者作为历史记录(对象来自哪里)，或者作为未来的推断(如果以相同方向运动，它将去哪里)，或两者兼而有之。生成这样的投影路径通常是通过本领域熟知的方法。一种方法是包括机械固定装置，如安装在超声探头上的针引导，其简单地限制对象遵循预定路径，即，在插入对象时在物理上限制对象相对于超声探头的路径。其他方式包括通过对象相对于超声探头位置的类似感测的位置的磁性或电磁(EM)感测来定位设备。在其他范例中，能够使用基于超声的位置传感器来跟踪针位置。该传感器被耦合到针的插入部分，并且，或者检测从US探头接收的US能量以确定变化的路径距离，或者将能量反射回探头，然后探头基于此确定变化的路径距离。

通常，2D或3D超声引导用于在手术正在进行时对对象进行可视化。

在超声手术期间跟踪的对象的范例是针。

在针活检和一些介入治疗期间，临床医生将针插入受试者(如身体)以达到目标质量。对于区域麻醉，针用于将麻醉剂递送到身体内的目标神经束附近，通常是为外科手术做准备。通常，超声成像用于针插入过程的实况监测。为了执行安全且成功的插入，需要在引导的超声图像中准确定位针。

已知超声跟踪程序的一个具体障碍是，尽管对象的位置在所显示的超声图像中连续并且准确地定位，但超声探头本身可能会相对于对象旋转或平移，这会导致成像视场(FOV)或成像平面的偏移。因此，这实际上是在其中被跟踪的对象的坐标系的偏移。视场的偏移与对象本身在被扫描的介质中的运动在很大程度上无法区分，因此导致对象位置跟踪的不准确。

之前已经提出了一种方法来缓解这个问题。WO 2018/149671提出了一种方法，其中，响应于检测到的探头的运动，所跟踪的对象位置的计算被暂时抑制，以防止导致计算不准确的视场偏移。

然而，对象跟踪的这种间歇性抑制会导致检测到的位置的准确性或精度降低。

尽管这对于对象跟踪的某些应用是可接受的，但对于其他应用，则需要更准确的位置知识。例如，对于用于血管通路(VA)的针尖端(NTT)，与用于区域麻醉(RA)时的NTT相比，针通常具有更大的斜面长度。这导致针尖端与超声传感器在针上的位置之间的更大的距离，这导致(围绕所跟踪的超声传感器位置的)可能的尖端位置的更大的圆。

另一文件US 6733458 B1公开了一种具有集成的侵入式医学设备引导系统的诊断医学超声系统。引导系统从超声系统获得图像切片几何形状和其他图像参数，以优化侵入式医学设备和受试者的成像部分的引导计算和视觉表示。此外，超声系统获得指示相对位置的引导数据，即，侵入式医学设备相对于换能器和成像平面的位置和/或取向，以优化成像平面和超声射束特征，以自动地优选地对受试者的成像部分和侵入式医学设备二者进行成像。

另一文件US 2018/0168537 A1公开了一种针引导系统，包括穿刺设备、超声换能器、第一取向检测器、第二取向检测器、接近检测器和处理器。所述超声换能器被配置为获得超声图像。事实上第一取向检测器被设置在所述穿刺设备上，并且所述第二取向检测器被设置在所述超声换能器上。所述接近检测器被设置在所述穿刺设备和所述超声换能器中的至少一个上，其被配置为获得所述穿刺设备与所述超声换能器之间的相对距离。所述处理器被配置为通过使用所述第一取向检测器、所述第二取向检测器和所述接近检测器来获得所述穿刺设备与所述超声换能器之间的空间关系，并根据所述空间关系来预测所述穿刺设备在所述超声图像中的轨迹。

另一文件US 2010/0298704 A1公开了一种超声系统，其具有装备有位置标记的超声换能器和装备有位置标记的针。所述位置标记允许确定换能器和针的位置和取向。显示器描绘了经由换能器采集的超声图像和表示针的纵轴在超声图像的平面上的投影的图形元素。监测来自所述位置标记的位置和取向信息的质量，并且当质量低于质量阈值时，显示器指示该事实。

另一文件US 2017/0172539 A1涉及一种超声接收波束成形器，其被配置为用于使用单向延迟的透射超声的仅单向波束成形。在一些实施例中，接收波束成形用于实时跟踪感兴趣区域的图像内的导管、针或其他手术工具。所述工具能够已经在其尖端处嵌入用于发射或接收所述透射超声的小型超声发射器或接收器。可选地，沿着所述工具固定额外的换能器以提供工具的取向。

另一文件WO 2018/149671 A1公开了一种用于确定对象的投影轨迹的方法，包括通过位置的周期性比较来测量检测到的对象点在视场中的逐帧的运动，外推周期性检测到的对象点的轨迹，并且通过向位置序列中的线性度计算并应用阈值以及向强度的一致性计算并应用阈值来限定轨迹。所述方法还通过在其上包括呈现多条线作为在一个或多个超声图像上的路径轨迹指示符并当用户以最小距离在受试者的感兴趣区域内移动所跟踪的对象时显示对象的投影轨迹来产生多个超声图像。所述方法还包括利用具有探头的运动传感器来抑制对投影轨迹的计算和显示。

一种改进的超声对象跟踪方法将是有价值的，其中解决了超声探头位置偏移的问题，并且其中提供了改进的位置检测精度。

发明内容

本发明通过权利要求限定。

根据本发明一方面的范例，提供一种用于跟踪在身体中接收的对象的运动的超声系统，包括

超声换能器单元，其具有超声成像视场FOV；

运动检测器，其适于检测超声换能器单元相对于身体的运动；以及

控制器，其与超声换能器单元和运动检测器可操作地耦合，并被配置为：

使用来自运动检测器的数据来检测和跟踪所述视场相对于身体随时间的运动；

检测和跟踪所跟踪的对象在视场内随时间的位置；

基于检测到的对象位置在FOV内随时间的历史，并考虑到所检测和跟踪的所述FOV相对于身体随时间的运动，生成对象通过身体随时间的运动的方向的估计；

与以下项进行通信：i)包含在要被跟踪的所述对象中的超声传感器，所述超声传感器用于检测由所述超声换能器单元传输到所述身体内的超声信号，或者ii)包含在要被跟踪的所述对象中的超声发射器，所述超声发射器用于在所述身体内发射在跟踪所述对象位置中使用的超声信号以供所述超声换能器单元检测；

跟踪对象上的指定点(35)，例如对象的尖端的位置；并且

基于所述指定点与包含在对象中的相应i)超声传感器或ii)超声发射器之间的已知距离，并且基于所跟踪的对象的位置来确定所述对象的指定点在视场内的可能的当前位置的范围或跨度。

本发明的实施例基于提供其他运动检测器，如被耦合到超声探头的IMU(惯性测量单元)或其他运动传感器，并且使用该传感器来保持超声图像平面与对象位置的历史之间的参考。

例如，超声换能器单元可以被配置为用于采集2D或3D超声数据。在使用3D超声成像的情况下，通过一种范例方法，对象跟踪可以包括跟踪对象在3D视场内的一个或多个2D成像平面内的位置。

本发明的实施例有利于以两种方式改进对象跟踪的准确性。

首先，通过额外地跟踪超声换能器单元(例如超声探头)随时间的运动，并使用它来确定视场随时间的运动，视场的运动能够作为因素被考虑到对对象的运动的估计中，即补偿或解释(account for)视场偏移(结合检测到的视场内的对象的运动)。这两个参数一起允许克服视场中的偏移，而不会损害对象运动跟踪的准确性。

其次，本发明的实施例具有导出针对对象运动的方向信息，而不仅仅是对象的当前位置的特征。正如将要解释的，这种方向数据提供了一种更准确地定位身体内的对象位置的手段。结合FOV运动数据，在手术期间，根据所跟踪的对象随时间的位置的历史导出对象的方向信息。根据这些数据，能够绘制和导出估计的对象随时间的运动的最终方向(或对象通过身体的轨迹)。一旦知道对象的方向，就可以导出更窄范围的可能的对象的位置，并将其提供给用户。方向信息还具有作为准确的对象跟踪的一部分的其他潜在用途。

因此，本发明的实施例能够提供关于对象的更准确或精确的位置和方向信息，而无需增加被跟踪对象本身中包括的部件的数量。例如，没有必要在被跟踪对象内包括多个不同的跟踪传感器来提高跟踪准确性，被跟踪对象内包括多个不同的跟踪传感器会增加对象的大小，潜在地损害或复杂化正在使用对象执行的程序。

对象的运动方向在某些情况下可以随时间而改变。控制器因此可以适配为导出在每个当前时刻或点处的瞬时运动方向和/或可以确定对象随时间通过身体的完整运动路径或轨迹。

可以使用由超声换能器单元生成的超声数据来执行检测和跟踪被跟踪的对象在视场内随时间的位置。

例如，所述视场随时间的运动的检测和跟踪可以基于对由超声换能器单元生成的超声数据的分析。例如在一些范例中，可以(例如实时)执行图像处理，图像处理包括用于检测和跟踪被跟踪对象在所生成的视场的超声图像内的位置的对象检测程序。

在其他范例中，被跟踪对象在视场内随时间的位置的检测和跟踪可以基于对耦合到正在被跟踪的对象的附加超声传感器的使用，所述传感器被配置为检测所传输的超声能量并与控制器通信以方便追踪。这将在下面更详细地解释。在又一些范例中，被跟踪对象在视场内随时间的位置的检测和跟踪可以基于对耦合到正在被跟踪的对象的超声发射器的使用，所述发射器被配置为发射用于由超声单元检测的超声能量并与控制器通信以方便跟踪。

对对象运动方向的估计，同时考虑在视场中的运动，可以包括响应于检测到的视场的运动而执行一个或多个坐标系变换。可以在这些过程中转换视场相对于身体的坐标系，以补偿或校正超声换能器单元的运动。

本发明的实施例的主要益处在于平面内和平面外的对象运动都能够跟踪。平面内是指在其中对象运动与由换能器单元扫描的2D成像平面平行或基本平行的对象跟踪。平面外对象跟踪指的是在其中对象运动不平行，例如横向或垂直于由换能器单元扫描的2D成像平面的对象跟踪。对于平面外跟踪，通常扫描或倾斜探头以移动成像平面跟随被跟踪对象通过身体。由于在对象位置跟踪中会跟踪并自动考虑视场(例如成像平面)的任何运动，因此能够适应这些跟踪方法(平面内或平面外)中的任何一种。

超声换能器单元可以是超声探头，例如，手持式超声成像探头。超声换能器单元包括一个或多个可操作以发射和接收超声信号的超声换能器。超声换能器单元优选地是2D超声单元。

在范例中，运动检测器可以是加速度计。可以附加地或可选择地使用陀螺仪和/或磁力计。在范例中，可以假设身体相对于地面静止，从而可以假设由加速度计检测到的任何运动是超声换能器单元相对于身体的运动。

控制器还可以被配置为生成用于调整超声换能器单元或对象的定位的引导信息。

引导信息可以用于引导操作者将对象向目标位置移动，例如，用于检测或刺穿对象或用于接收对象的目标血管。例如，对象可以是工具，例如超声引导的针。引导信息可以用于引导用户在成像视场内对准对象以改进对对象的可视化。

例如，引导信息可以用于引导用户调整超声换能器单元的(例如初始)定位，以移动由换能器单元采集的2D成像平面与对象的位置重合(即为了调整2D成像平面的位置以包含正在被跟踪的对象)。如果没有这种引导，用户可能不知道对象(例如针的尖端)最初是在成像平面位置的前面还是后面。因此，可能更难以获得用于捕捉被跟踪对象的正确的成像平面位置。

控制器还可以被配置为例如基于所导出的在不同时间点处的运动方向来确定对象随时间通过身体的轨迹或运动路径。

要跟踪的对象可以包括用于与控制器通信以促进对随时间的对象位置的跟踪的超声传感器。超声传感器包括用于从超声换能器单元接收超声信号的超声接收器。它可以与控制器可操作地耦合。至少部分地基于来自超声传感器的传感器输出，控制器可以确定超声随时间在身体内的位置。例如，控制器可以比较超声信号发射(通过换能器单元)与超声传感器处的信号接收的时间，并且使用它来促进对对象随时间的位置的估计。

对于包括超声传感器，可选择地或附加地，要跟踪的对象可以包括用于与控制器通信以促进对对象随时间的位置的跟踪的超声发射器。超声发射器发射用于由超声换能器单元检测的超声信号。换言之，所发射的信号可以具有可由超声换能器单元检测的频率。发射器可以与控制器可操作地耦合，所述控制器可以例如提供用于生成所发射的超声信号的电信号。超声发射器因此可以充当超声信标，当超声发射器设置在其视场内时，超声换能器单元可以检测从其发射的超声信号。至少部分地基于由超声换能器单元检测到的超声信号，例如基于飞行时间和从形成超声换能器单元的视场的射束中选择的在其中检测到超声信号的射束，控制器可以确定超声发射器随时间在身体内的位置。例如，控制器可以比较由超声发射器发射的超声信号与在超声换能器单元处的信号接收的时间，并使用它来促进对对象随时间的位置的估计。在其他范例中，可以以与由超声换能器单元检测到的超声成像信号相同的方式处理超声信号，即使用其成像管线，并且因此，从超声发射器检测到的超声信号在超声图像中呈现为一个明亮的点。

因此，系统的控制器可以适配为与包含在要跟踪的对象中的超声传感器进行通信，所述超声传感器用于检测由超声换能器单元发射到身体中的超声信号。超声传感器用于跟踪对象位置。它包括超声信号接收器。它包括例如一个或多个超声换能器。

可选择地或附加地，系统的控制器可以适配为与包含在要跟踪的对象中的超声发射器进行通信，所述超声发射器用于发射用于由超声换能器单元检测的在身体内的超声信号。超声发射器用于跟踪对象位置。它包括超声信号检测器。它包括例如一个或多个超声换能器。

对在超声传感器处接收到的信号的处理可以在超声传感器处本地执行或在不同范例中由控制器来执行。

控制器可以适配为跟踪对象上指定点的位置，例如对象的尖端，例如针的尖端。

在超声传感器/发射器用于促进对象跟踪的情况下，被跟踪对象上的位置可以与对象内的超声传感器/发射器的位置不同。这可能导致指定点的准确位置中的一些不确定性，因为通常只有超声传感器/发射器的位置是直接可检测的。

控制器可以适配为基于所述指定点与包含在对象中的超声传感器/发射器之间的已知距离，并且基于所跟踪的对象的位置来确定视场内的对象的所述指定点的可能的当前位置的范围或跨度。这可以可能位置的一个圆圈。

更优选地，这是视场内的可能位置的一个弧，并且是部分基于所确定的对象的运动方向来确定的。通过将所导出的对象的运动方向考虑在内，能够将被跟踪点的可能位置的范围缩小(缩窄)到仅一个圆弧，或者仅一个圆圈的扇形或一个较小的圆圈。

控制器被配置为生成可能位置的所述确定的范围或跨度的视觉表示，以输出到用于显示给用户的显示单元。控制器可以在屏幕上(例如，用线)呈现对象的历史轨迹的图形表示，并且显示指示对象上的指定的跟踪点(例如尖端)的可能位置的圆圈、弧或圆扇形。

显示单元可以是并非所提供的超声系统的一部分的外部单元，或者它可以是超声系统的一部分。

控制器可以被配置为例如生成用于控制显示设备显示对象的运动方向和/或导出轨迹的视觉表示的控制信号。

在范例中，对对象的运动方向的估计可以包括拟合通过对象位置历史的直线。

在有利的应用中，对象可以是针，系统被配置为跟踪针的尖端的运动。

在某些实施例中，所提供的超声系统可以包括要跟踪的对象。对象可以包含i)用于检测由超声探头发射到身体内的超声信号的超声传感器，或ii)用于发射用于由超声探头检测的身体内的超声信号的超声发射器。这种超声传感器/发射器可以适配为与系统的控制器进行通信(以用于跟踪对象位置)。

根据本发明另一方面的范例提供一种在跟踪身体中接收的对象的运动的超声处理方法，

方法利用具有成像视场的超声换能器单元，并且

方法包括：

检测超声换能器单元相对于身体随时间的运动，并基于所述检测到的运动检测和跟踪视场相对于身体的运动；

检测和跟踪被跟踪对象在视场内随时间的位置；并且

基于在FOV内检测到的对象位置随时间的历史，并且基于所检测和跟踪的所述FOV相对于身体随时间的运动，生成对对象随时间通过身体的运动方向的估计。

方法还可以包括基于所述指定点与i)包含在对象中并被配置为检测由超声换能器单元发射到身体中的超声信号的超声传感器，或与ii)包含在对象中并被配置为发射用于由超声换能器单元检测的在身体内的超声信号的超声发射器之间的已知距离，并且基于所跟踪的对象的位置来确定在视场内的对象的所述指定点的可能的当前位置的范围或跨度。

方法优选地是计算机实施的方法。在这种情况下，一个或多个，优选所有步骤都由计算机执行和/或控制。计算机因此可以具有被配置为控制或执行方法步骤的控制器。

根据本发明的另一方面的范例，提供一种包括指令的计算机程序产品，当程序由计算机执行时，所述指令使计算机执行本文描述的任何范例方法的步骤。

计算机程序产品可以是可存储的或可从网络下载的，或者可以从这样的网络执行，例如通过基于云的操作，或者可以存储在诸如磁性硬盘、光盘、固态存储器的计算机可读介质上。计算机程序产品可以存储在超声系统上的存储器中。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并被阐明。

附图说明

为了更好地理解本发明，以及更清楚地显示如何实施本发明，现在将仅通过范例的方式参考附图，其中：

图1示出了根据一个或多个实施例的范例超声系统；

图2示出使用中的范例超声系统；

图3和图4分别示出了在平面内和平面外运动过程中使用的范例超声系统；

图5示出了导出用于对象的指定点的可能位置的圆圈；以及

图6和7示出了使用本发明的实施例将可能位置的范围缩小到位置的一个弧。

具体实施方式

将参考附图描述本发明。

应当理解，详细描述和具体范例虽然指示了装置、系统和方法的范例性实施例，但仅旨在用于说明的目的，并非旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些及其他特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中得到更好的理解。应当理解，附图仅是示意性的并且未按比例绘制。还应当理解，整个附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供了一种用于使用超声跟踪在身体内接收的对象的系统和方法，其中，能够校正(有意的或偶然的)跟踪对象的超声探头的位置的偏移。所述方法包括使用超声换能器单元来跟踪对象通过身体的位置，以及使用物理耦合的运动传感器来感测超声换能器单元的运动。根据超声换能器单元的运动，能够确定其视场的运动。基于所跟踪的对象通过视场的位置的历史以及所跟踪的视场相对于身体的运动，能够导出对象通过身体的运动的方向。

在某些实施例中，这能够用于更准确地估计对象上的特定点，例如对象的尖端的位置。

本发明的实施例发现了用于跟踪插入身体内的医学工具的位置的有利应用。一个范例是超声引导的针。针尖端追踪(NTT)是众所周知的领域，用于例如为了实施区域麻醉或为了血管通路(VA)跟踪插入受试者身体内的针的尖端。血管通路是指一种将设备或化学品引入血流或从血流中去除的快速、直接的方法。

如上所述，对当前方法的一个主要挑战是跟踪对象的2D超声探头能够对于身体移动。当2D探头移动时，超声图像平面会相应地移动，并且所跟踪的对象位置的历史失去它们相对于身体的参考。检测身体内位置的准确性受到影响。

此外，另外的挑战是在对象轨迹与超声探头成像视场不完全对齐的情况下调节对象跟踪。通常，视场是2D平面。如果对象的运动与该平面不平行对齐，则对象在其通过身体时将移进和移出视场。这使得在不偏移视场的情况下难以跟踪其在视场内的位置，这会导致如上所述的不准确。

一个相关的挑战是调节对象的平面外(OOP)运动。这意味着在其中对象在与超声探头的2D成像平面不平行(例如，垂直或横向)的方向上运动的过程。在OOP过程中，超声探头通常在插入期间运动以跟随对象。同样，由于对象不在固定的视场内运动，因此很难确定针相对于身体的运动方向。

本发明的实施例提供了一种包含在超声换能器单元中的运动检测器，以检测和监测换能器单元(相对于身体)的运动。这允许跟踪视场的运动。实施例是考虑到所跟踪的对象通过FOV的位置和所跟踪的FOV本身的运动两者来估计对象通过身体的运动的方向。因此，能够改善与探头位置偏移(上文讨论的)相关的挑战。

图1示意性示出了根据一个或多个实施例的范例超声系统。超声系统10用于跟踪在身体16中接收的对象14的运动。例如，身体是正在经历需要将医学工具插入身体的轻微介入的受试者或患者的身体。对象可以是医学工具，例如用于执行局部麻醉递送或用于血管通路的针。

所述系统包括超声换能器单元20。超声换能器单元可以是超声探头，例如手持超声探头。它包括一个或多个超声换能器。它优选地包括换能器阵列。换能器单元优选地可操作为在整个2D超声成像平面上执行2D超声成像。

超声换能器单元20具有成像视场(FOV)24。在一些范例中，成像视场可以是三维的，例如它在形状上可以是近似角锥体(或截头角锥体)，或者是圆锥体(或截头圆锥体)。然而，形状对于本发明不是必要的，并且任何其他形状都是可能的。在使用中，换能器单元位于被检测的身体16的表面处(例如，在受试者的身体的皮肤处)、在要接收对象14的身体中的位置上方。超声信号通过换能器单元20在跨视场24被传输到身体中。

超声换能器单元可以被配置为采集表示整个视场或视场的3D体积部分的3D超声数据。备选地，换能器单元可以采集一个或多个2D成像平面。被采集的具体成像平面可以随时间变化，例如被采集的成像平面在身体中的深度可以变化，以能够在多个深度进行成像。这些仅代表范例，并且普通技术人员将意识到执行2D和3D超声成像的许多不同的方法。

还提供运动检测器或传感器26，其适于检测超声换能器单元20相对于身体16的运动。在本范例中，运动检测器包含在超声换能器单元内。它可以包括例如加速度计、陀螺仪和/或磁力计。

还提供控制器30，其与超声换能器单元20和换能器单元的运动检测器26可操作地耦合。

控制器30被配置为执行处理步骤以导出对对象14(的至少一部分)的位置和/或运动的方向的估计。现在将概述这些步骤。

控制器30被配置为使用来自运动检测器26的数据来检测和跟踪视场24相对于身体16随时间的运动。这将在下面更详细地描述。简而言之，来自运动传感器的传感器输出信号由控制器转换为相应的FOV的最终运动。

控制器30还被配置为使用由超声换能器单元20生成的超声数据来检测和跟踪所跟踪的对象14在视场24内随时间的位置。

控制器30被配置为基于所检测的对象位置26在FOV 24内随时间的历史，并且基于所检测和跟踪的所述FOV相对于身体的随时间的运动，生成对对象14通过身体16随时间的运动的方向的估计。

检测和跟踪对象在视场24内随时间的位置能够以不同的方式来完成。在有利的范例中，要被跟踪的对象14包括超声传感器/发射器36，其用于与控制器30进行通信以有助于对随时间的对象位置的跟踪。该范例示出在图1中。

超声传感器/发射器36包括超声接收器/发射器，其包括一个或多个超声换能器，用于接收/发射来自超声换能器单元的/由超声换能器单元检测的超声信号。它可以与控制器30可操作地耦合。至少部分地基于i)来自超声传感器的传感器输出，或ii)由超声换能器单元响应于由超声发射器发射的超声信号而检测到的超声信号，控制器可以确定超声传感器在身体内随时间的位置。例如，控制器可以比较超声信号传输(通过换能器单元/超声发射器)和超声传感器/换能器单元处的信号接收的时间，并且使用它来帮助对随时间的对象的位置的估计。

该范例中的控制器30至少与被跟踪的对象14的超声传感器36可操作地耦合。超声传感器检测由超声换能器单元传输到身体16中的超声信号。基于例如信号的检测的时间，能够通过控制器30来确定超声传感器36的估计位置。然后可以将该位置作为对象14在身体内的位置的表示。同样，当使用超声发射器时，超声发射器在身体内发射超声信号，并且，超声发射器36的估计位置可以基于例如超声信号的检测的时间和在其中检测到超声信号的超声换能器单元的射束由控制器30来确定。

在某些范例中，信号可以从位于跨换能器单元20的输出表面上的不同位置处的多个不同的换能器或换能器子集顺序进行传输。然后可以基于对在超声传感器36处的每个被传输的信号的接收时间(或飞行时间)的分析，更明确地确定超声传感器36在FOV 24内的位置。在一些范例中可以使用三角测量过程，其使用从多个换能器单元中的每一个(例如，顺序)传输的和在超声传感器处接收的信号。

超声传感器本身在一些范例中可以被配置为传输超声信号，用于在多个超声换能器单元中的每一个处进行接收。分析这些信号中的每一个到相应超声换能器的飞行时间可以使得能够更精确地确定所跟踪的对象的位置，例如利用三角测量或任何其他方法。

尽管在图1的范例中，所跟踪的对象包括超声传感器/发射器36以帮助进行跟踪，但这并不是必需的。对对象14的跟踪可以仅基于对从超声换能器单元接收或导出的图像数据或图像的分析来执行。例如，可以使用形状匹配来识别对象在使用超声数据生成的每个图像帧内的位置，以及在一系列帧上跟踪的位置，从而跟踪随时间的位置。

在某些范例中，控制器30可以适于跟踪对象14上的指定点34的位置，例如对象的尖端的位置。这示出在图1中。

例如，指定点34可以是对象的尖端，例如针的尖端。这示出在图1中，其中示出的对象是具有以尖端结束的倾斜远端33的针，并且示出指定点34对应于针的尖端。在针尖端跟踪(NTT)中，确定并跟踪针尖端的位置。

指定点34通常可以是在对象14上与超声传感器/发射器36的位置不同的位置处。例如在图1中，尖端被示出在距超声传感器/发射器36的距离为D的位置处。因此，在这种情况下跟踪尖端位置需要从直接导出的超声传感器/发射器的位置外推尖端位置。这意味着，一般来说，该点的位置的知识限于可能位置的圆52，其以超声传感器/发射器36为中心，并且半径等于超声传感器/发射器与指定点之间的距离D。这示出在图5中，并且稍后将更详细地进行讨论。上述进一步导出的运动方向信息能够用于缩小指定点的可能位置的范围。这也将在后面更详细地进行讨论。

本发明涉及估计对象通过身体的随时间的运动方向。

推导出对象的运动方向考虑到了换能器单元FOV24内的对象位置的历史以及所检测的视场的运动。

这能够利用不同的特定方法来完成。在高级别上，控制器30被配置为执行视场24与对象位置的历史的配准。

这可以包括检测和跟踪视场24(相对于身体16)的位置的偏移，以及执行视场坐标系的变换以补偿或校正运动。相对于该视场坐标系记录检测到的随时间的对象位置。通过适当地变换坐标系以校正视场的任何运动，维持了所记录的对象位置与视场之间的正确配准。因此，所记录的对象位置保持与身体坐标系的配准，从而实现准确的对象在身体内的位置的历史。

使用包含在超声换能器单元20中的运动传感器26来检测成像视场24的位置的偏移。由该传感器检测的运动直接对应于成像视场中的运动。

运动传感器26能够采用不同的形式。例如，它可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计或这些中的两个或多个的组合。其他范例也是可能的，例如基于图像的运动检测(基于对从探头超声数据导出的超声图像的分析来检测运动偏移)。可以使用任何合适的运动检测手段。

可以应用预先存储的算法将来自运动传感器的原始传感器输出信号转换成对应的视场中的最终空间位移。在简单的范例中，查找表可以备选地用于此任务。

来自被耦合到超声探头20的运动传感器26的额外运动信息使得能够以更高的准确性和确定性建立对象14通过身体16的运动的方向。这继而使得能够以更大的准确性建立对象通过身体的路径或轨迹。

在一些范例中，可以导出对应于不同的时间点(例如，适应方向随时间的变化)的对象14的运动的一系列局部或瞬时方向。在每个时间点处，可以基于对象位置的历史的局部/区域子集导出运动的瞬时方向。

额外地或备选地，可以基于对象14的位置的完整历史来导出单个平均或整体运动方向。这可以例如在每个新的时间点处循环进行更新。

对象14通过身体16的轨迹可以基于对象的所跟踪位置的历史来导出。可以导出对应于通过身体的平均轨迹的单个直线轨迹。这条线的方向性对应于对象的运动的平均或整体方向。备选地，可以导出对象通过身体的历史运动的路径，所述路径可以是弯曲的或结合不同方向的部分。对象运动的这种路径可以结合对应于不同时间点的运动的多个局部或瞬时方向。

可以基于对通过对象(或至少它们的子集)的位置的历史的轨迹线进行拟合来导出对象14的运动的方向或轨迹。控制器30可以应用预先存储的算法来执行该任务。优选地，由控制器应用以导出对象通过身体的轨迹的算法可以包括用于排除或管理异常位置点的特征或步骤。

图2示意性示出了使用中的范例超声系统10。为了便于说明，图2中未示出控制器30。

在该范例中要被跟踪的对象14是针。针由操作者经由近端手柄15来操纵。在使用中，超声换能器单元20被放置在用于插入针的位置上方的受试者的皮肤上，并且由操作者将针从皮肤表面插入受试者的身体16中。当它移动进入身体时，针遵循(在本示意图中)通过身体的近似线性轨迹。控制器30使用来自超声换能器单元20的超声数据以及(如果提供了超声传感器/发射器)还可选地来自包含在针中的超声传感器/发射器的数据来跟踪针(例如，包括在针的近远端部分处的超声传感器/发射器)的移动位置。控制器记录对象14在超声换能器单元的成像视场24内的位置28的历史。对象位置28的历史由图2中的十字表示。控制器可以跟踪针的尖端34通过身体的位置。

如图2所示，控制器30基于历史位置28来确定针14通过身体16的位置的轨迹线，并且使用来自运动传感器26的运动数据来补偿超声探头20的任何运动。控制器30可以绘制对象14通过身体的外推的未来轨迹路径(由图2中的虚线指示)。

如上所述，超声系统10可以有利地应用于平面内对象14插入过程和平面外对象插入过程两者。平面内是指在其中对象的运动的方向与超声换能器单元20的成像平面24(即2D成像视场24的平面)对齐或平行的情况。平面外是指在其中对象的运动与成像平面倾斜或不平行的情况。

图3示意性示出了在平面内过程期间跟踪针通过身体14的范例系统10的使用。针被引导向目标血管42。在该范例中，针通过身体的轨迹平行于(在平面内)超声换能器单元20的视场24。

图4示意性示出了在平面外手术期间跟踪针通过身体14的范例系统10的使用。针同样被引导向目标血管42。超声换能器单元是手动操作的超声探头20的形式。在该范例中，超声探头20的视场24(成像平面)是横向(例如，近似垂直)于对象14朝向目标血管42进入身体16的轨迹(即，从图4的透视图延伸到纸面中)。在这种情况下，当针被插入时，超声探头20相对于身体皮肤表面倾斜，以便移动成像平面24以跟随针14的远端。

如上所述，并且考虑到利用这种运动准确确定的针通过身体的运动方向来检测和跟踪探头20的倾斜以及视场24中的最终偏移。

由控制器30执行的这种处理的结果能够以不同方式使用，以向用户提供有用的信息。

可以例如在布置成与控制器30通信的显示单元上对用户可视化对象14通过身体的导出方向或运动方向。对象随时间通过身体的任何导出轨迹或路径可以被可视化。例如，这可以利用被显示出来的覆盖在已呈现的身体表示上的线来可视化。

导出的对象随时间的运动方向可以用于导出其他信息或估计值。

例如，在一些范例中，它可以用于导出对对象14上的具体指定点35的位置的更准确的估计。例如，该点可以是在对象上与用于跟踪对象在超声视场24内的位置的超声传感器/发射器36的位置的不同的位置处。这意味着，一般来说，对该点的位置的了解限于可能位置的一个圆圈，其以超声传感器/发射器36为中心，并且半径等于超声传感器/发射器36与指定点35之间的距离D。

例如，指定点35可以是对象的尖端，例如针的尖端。这示出在图5中，其中，示出的对象是针，并且示出了指定点35对应于针的尖端。在针尖端跟踪(NTT)中，确定并跟踪针尖端的位置。示出了针尖端的可能位置的圆圈52。在某些实施例中，可以在相关联的显示面板上向用户呈现和显示这种可能位置的圆圈，以帮助用户引导针通过身体16。

对于某些过程，具体地，对于使用针的血管通路(VA)，针的斜面(针的斜面远端部分)比用于某些其他过程(如局部麻醉递送)的更长。这种更长的斜面意味着超声传感器/发射器——针尖端的距离D更长，并且针尖端的不确定性更大(圆圈52的半径更大)。

对针14的运动方向的了解使得能够以更大的确定性估计对象上的指定点35的位置。

例如，在针尖端尖34是被跟踪的指定点35的情况下，知道针运动方向意味着能够假设针尖端位于朝向或平行于所导出的对象14通过身体16的线性轨迹线的点处。轨迹线可以被简单地向前外推一段距离，所述距离等于超声传感器/发射器36与针尖端34、35之间的已知距离D。这允许了解针尖端位置被缩小为仅仅是可能位置的弧线53，或仅仅是先前的可能位置的圆圈52的一个扇形部分。

这在图6和图7中示意性示出，其示出了针尖端的可能位置的圆52减小到仅仅是圆圈的一个扇形部分53或弧线。随着通过对象位置的历史28的线拟合的质量的增加，扇形部分变得更窄。线拟合的质量部分取决于形成对象位置的历史的位置点28的数量。因此，可以通过以更高的频率，即随着对象移动通过身体16以更频繁的时间间隔，检测对象位置来减小扇形部分53的大小。

根据一个或多个实施例，可以使用由控制器30执行的处理的结果来为用户生成引导信息。这可以包括用于引导操作者将对象朝向目标位置移动的信息，例如将针朝向需要进入的目标血管移动。

可以生成引导信息，以引导用户更好地将成像平面或视场24与对象运动的方向对准。这可以是用于调整超声换能器单元20的位置或取向或用于调整被移动通过身体14的对象14的运动轨迹的引导。

尽管已经根据针尖端跟踪的应用描述了上述各种范例系统，但这仅用于说明。每个所描述的范例以及本发明总体上可以应用于广泛的不同的具体应用。实施例可以应用于跟踪要被插入到身体中的任何对象。身体可以是人或动物的身体，或者可以是无生命的身体。对象可以是医学工具，或者可以是例如可植入元件或设备，或者可以是插入到非有机体中的工具。例如，系统可以跟踪检查工具通过建筑物的一部分(如墙壁或地板或天花板的空腔)或者例如通过管道的运动。

如上所述，实施例利用了控制器。控制器能够利用软件和/或硬件以多种方式实施，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个范例，所述一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微码)进行编程以执行所需的功能。但是，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以实施为用于执行一些功能的专用硬件与用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个已编程的微处理器和相关电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的范例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，如易失性和非易失性计算机存储器，如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，这些程序执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可运动的，使得存储在其上的一个或多个程序能够加载到处理器或控制器中。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域普通技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。如果上面讨论了计算机程序，则它可以存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信系统。如果在权利要求或说明书中使用术语“适配为”，应当注意，术语“适配为”旨在等同于术语“配置为”。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。