интервенционная навигация с использованием трехмерного ультразвука с контрастным усилением

Формула изобретения

1. Способ интервенционной навигации с помощью 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) во время интервенционной процедуры с помощью инструмента, содержащий этапы, на которых:

вводят средство усиления контрастности в отслеживаемую ткань, включающую требуемую часть анатомии;

получают, во время периода действия средства усиления контрастности, опорный 3D CEUS объем и информацию слежения для требуемой части и изображения в реальном времени отслеживаемой ткани;

формируют мультипланарную реконструкцию изображения (MPR) с контрастным усилением (CEUS), по меньшей мере, для одного из полученных изображений в реальном времени, как функцию опорного 3D CEUS объема и информации слежения;

отображают полученные изображения в реальном времени, показывающие инструмент в пределах требуемой части, и соответствующие изображения MPR CES для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

2. Способ по п.1, в котором этап получения включает в себя одновременное получение, по меньшей мере, одного CEUS изображения и изображения в реальном времени отслеживаемой ткани как пары изображений.

3. Способ по п.2, в котором пара изображений включает в себя по меньшей мере исходное CEUS изображение и соответствующее исходное изображение в реальном времени отслеживаемой ткани, захватываемые, по существу, одновременно и автоматически регистрируемые друг с другом.

4. Способ по п.1, в котором интервенционная процедура включает в себя первую часть, которая имеет место до истечения периода действия усиления контрастности, и вторую часть, которая имеет место после истечения периода действия усиления контрастности.

5. Способ по п.1, в котором изображения MPR CEUS пространственно регистрируются с соответствующими изображениями в реальном времени.

6. Способ по п.1, в котором изображение в реальном времени и соответствующее изображение MPR CEUS отображаются рядом друг с другом.

7. Способ по п.1, в котором изображение в реальном времени и соответствующее опорное изображение MPR CEUS отображаются вместе на одном устройстве отображения.

8. Способ по п.7, в котором изображение в реальном времени и соответствующее изображение MPR CEUS отображаются в виде структуры с наложением таким образом, что одно изображение наложено на другое изображение.

9. Способ по п.8, в котором в упомянутой структуре с наложением одно изображение является полупрозрачным по отношению к другому изображению.

10. Способ по п.1, в котором этап получения включает в себя:

отслеживание 2D ультразвукового зонда,

развертывание отслеживаемого 2D ультразвукового зонда над требуемой для получения последовательности 2D контрастного изображения и изображения ткани и соответствующих данных слежения;

осуществляют потоковую передачу полученной последовательности 2D контрастного изображения и изображения ткани и соответствующих данных слежения на рабочую станцию, и

реконструируют опорный 3D CEUS объем на рабочей станции на основе полученной последовательности 2D контрастного изображения и изображения ткани и соответствующих данных слежения.

11. Способ по п.1, в котором этап получения содержит этап отслеживания положения ультразвукового зонда, используемого при получении опорного 3D CEUS объема с помощью системы слежения для определения местоположения и ориентации опорного 3D CEUS объема и отслеживания полученных изображений ткани во время интервенционной процедуры.

12. Способ по п.11, дополнительно содержащий этап, на котором корректируют движение ткани в пределах требуемой части анатомии, возникающее между временем получения опорного 3D CEUS объема и временем получения, по меньшей мере, одного изображения в реальном времени.

13. Способ по п.12, в котором этап коррекции включает в себя этап, на котором используют основанную на изображении регистрацию между парой изображений, включающей изображение в реальном времени и изображение CEUS.

14. Способ по п.1, в котором опорный 3D CEUS объем содержит временную последовательность 3D CEUS объемов, и в котором изображение MPR CEUS содержит временную последовательность изображений MPR CEUS, и в котором этап отображения дополнительно включает в себя этап, на котором совместно отображают изображения MPR CEUS и изображения в реальном времени в качестве данных временной последовательности.

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором:

обрабатывают данные временной последовательности для создания объемной карты, и совместно отображают объемную карту с изображениями MPR CEUS и изображениями в реальном времени.

16. Способ по п.15, в котором на объемной карте представлена, по меньшей мере, постоянная времени притока средства контрастности.

17. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

сегментируют из опорного 3D CEUS объема требуемую часть, имеющую области с наиболее интенсивным усилением ткани;

отображают сегмент поперечного сечения требуемой части, вместо изображения MPR CEUS, который соответствует отображаемому изображению в реальном времени отслеживаемой ткани; и выполняют наложение сегмента поперечного сечения на отображаемое изображение в реальном времени.

18. Способ интервенционной навигации с помощью 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) во время интервенционной процедуры с помощью инструмента, содержащий этапы, на которых:

вводят средство усиления контрастности в отслеживаемую ткань, включающую требуемую часть анатомии;

получают, во время периода действия средства усиления контрастности, опорный 3D CEUS объем и информацию слежения для требуемой части и изображения в реальном времени отслеживаемой ткани;

формируют мультипланарную реконструкцию изображения (MPR) с контрастным усилением (CEUS), по меньшей мере, для одного из полученных изображений в реальном времени, как функцию опорного 3D CEUS объема и информации слежения, причем изображение MPR CEUS пространственно регистрируется с соответствующими полученными изображениями в реальном времени;

отображают полученные изображения в реальном времени, показывающие инструмент в пределах требуемой части и соответствующие изображения MPR CEUS для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

19. Система для интервенционной навигации с помощью 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) во время интервенционной процедуры с помощью инструмента, содержащая:

ультразвуковой сканер, выполненный с возможностью:

ввода средства усиления контрастности в отслеживаемую ткань, включающую требуемую часть анатомии;

получения, во время периода действия средства усиления контрастности, опорного 3D CEUS объема и информации слежения для требуемой части и изображений в реальном времени отслеживаемой ткани; и формирования, по меньшей мере, одной соответствующей мультипланарной реконструкции изображения (MPR) с контрастным усилением (CEUS), по меньшей мере, для одного из полученных изображений в реальном времени, как функции опорного 3D CEUS объема и информации слежения; и

устройство отображения, соединенное с ультразвуковым сканером, и выполненное с возможностью отображения полученных изображений в реальном времени, показывающих инструмент в пределах требуемой части, и соответствующих изображений MPR CEUS для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

20. Способ интервенционной навигации с помощью 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) во время интервенционной процедуры с помощью инструмента, содержащий этапы, на которых:

вводят средство усиления контрастности в отслеживаемую ткань, включающую требуемую часть анатомии;

получают, во время периода действия средства усиления контрастности, опорный 3D CEUS объем и информацию слежения для требуемой части, и изображения в реальном времени отслеживаемой ткани;

формируют проекцию максимальной интенсивности (MIP) как функцию, по меньшей мере, полученного 3D CEUS объема и информации слежения и изображений в реальном времени;

отображают проекцию максимальной интенсивности (MIP), показывающую инструмент в пределах требуемой части, и соответствующие изображения MIP CEUS для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

Описание изобретения к патенту

По настоящей заявке испрашивается приоритет по поданной ранее предварительной заявке, озаглавленной «ИНТЕРВЕНЦИОННАЯ НАВИГАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХМЕРНОГО УЛЬТРАЗВУКА С КОНТРАСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ», Jochen Kruecker и другие, серийный номер 60/988472, поданной 16 ноября 2007 г. и переданной правопреемнику настоящего изобретения.

Настоящее изобретение было сделано во исполнение Соглашения о Кооперативном Исследовании и Развитии со Службой Здравоохранения Соединенных Штатов (CRADA No. NCI-NIHCC-01864). Правительство Соединенных Штатов может иметь определенные права на данное изобретение.

Настоящие варианты осуществления относятся в целом к системам ультразвуковой диагностической визуализации и, в частности, к способу и устройству для интервенционной навигации с использованием трехмерного (3D) ультразвука с контрастным усилением (CEUS).

Ультразвуковая визуализация является одним из основных способов наведения по изображению для множества минимально инвазивных и интервенционных процедур. В частности, в большинстве пункционных биопсий и абляций с использованием иглы выполняют наведение по ультразвуку. Преимущества ультрасонографии включают в себя способность осуществлять визуализацию в реальном времени, низкую стоимость, гибкость в применении, а также то, что не используется ионизирующее излучение. Однако неусиленный ультразвук, включая используемое обычно ультразвуковое изображение на основе шкалы уровней серого цвета, может оказаться непригодным для визуализации конкретной цели (например, новообразования) с требуемой контрастностью и, в некоторых случаях, может совсем не визуализировать цель. В этих случаях размещение иглы становится очень трудным и влечет неточности, поскольку связано с визуализацией цели с использованием разных режимов и «интеллектуальной» передачей местоположения новообразования в ультразвуковом изображении в реальном времени на основе анатомических ориентиров вблизи новообразования, идентифицированного в обоих режимах визуализации. Результатом может быть ложноотрицательная биопсия, неудачная терапия новообразования и, в общем, слабые терапевтические результаты.

Ультразвуковая визуализация с контрастным усилением (CEUS) является другой формой ультразвуковой визуализации, которая относится к ультразвуковой визуализации после внутривенной инъекции средства для контрастности ультразвука (например, Definity®, Bristol-Myers Sqibb). На современных ультразвуковых сканерах применены специфические режимы визуализации для получения преимуществ нелинейной акустической характеристики средств контрастности, таким образом, выделяя только ткань с накоплением контрастности. Получаемое, в результате, изображение называется «контрастным изображением» и имеет сильно отличающийся внешний вид по сравнению с неконтрастными изображениями. Возможна визуализация ткани после инъекции контрастности в обычном режиме на основе шкалы уровней серого цвета. В последнем случае, получаемое, в результате, изображение называется «изображением ткани» и выглядит аналогично изображениям на основе шкалы уровней серого цвета, полученным без инъекции контрастности, показывая лишь незначительное усиление в областях поглощения контрастности.

Отмечено, что CEUS может обеспечить лучшую визуализацию новообразований, васкулярности и других тканей, представляющих интерес, по сравнению с ультразвуковой визуализацией без контрастного усиления. Тем не менее, усиление контрастности после болюсной инъекции является временным явлением и обычно исчезает через несколько минут. Такое ограничение по времени в несколько минут часто оказывается недостаточным временем для выполнения требуемой процедуры (например, размещение иглы для биопсии или абляций). Другими словами, для наведения во время интервенционной процедуры, такой как размещение иглы для биопсии и удаления, временной промежуток усиления контрастности является недостаточным по сравнению со временем, требуемым для выполнения интервенционной процедуры. Возможно выполнение второй инъекции средства контрастности для пролонгации эффекта усиления, но и этого может быть по-прежнему недостаточно для завершения требуемой процедуры.

Дополнительные ограничения методик предшествующего уровня техники, связанные только с использованием предварительно полученного CEUS объема, включают в себя, например, то, что положение последующего ультразвукового изображения ткани в реальном времени, полученного в течение интервенционной процедуры, является неизвестным относительно предварительно полученного CEUS объема, и его необходимо оценивать, и, таким образом, это влечет неточности. Кроме того, движение ткани усложняет оценку местоположения цели на основе предварительно полученного CEUS объема.

Соответственно, требуются улучшенные способ и система для преодоления недостатков, существующих в уровне техники.

Фиг. 1 представляет собой частичную блок-схему системы для осуществления способа интервенционной навигации с использованием трехмерного (3D) ультразвука с контрастным усилением в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию;

Фиг. 2 представляет собой частичную блок-схему, иллюстрирующую преобразования между различными системами координат, соответствующими способу интервенционной навигации с использованием 3D CEUS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию;

Фиг. 3 представляет собой вид устройства отображения, иллюстрирующий выполняемое рядом друг с другом отображение ткани в реальном времени и соответствующего изображения мультипланарной реконструкции (MPR) CEUS в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию; и

Фиг. 4 представляет собой вид устройства отображения, иллюстрирующего отображение ткани в реальном времени и соответствующего изображения MPR CEUS с полупрозрачным наложением в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию.

На фигурах подобные цифровые ссылочные позиции относятся к подобным элементам. Кроме того, следует отметить, что фигуры могут быть нарисованы не в масштабе.

Варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию обеспечивают систему и способ использования ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) для наведения по изображению во время интервенционных процедур. В частности, варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию преимущественно обеспечивают способ и систему для использования CEUS для повышения точности наведения при интервенционных процедурах без необходимости изменения хода работы или полностью переключения на другой режим визуализации.

Система и способ, раскрытые в данном документе, включают в себя систему пространственного слежения, выполненную с возможностью отслеживания положения ультразвукового зонда. Использование системы слежения позволяет выполнять определение местоположения 3D CEUS объема в начале интервенционной процедуры. В одном варианте осуществления изобретения 3D объем ткани также получают одновременно с 3D CEUS объемом, как это будет обсуждаться далее. После этого во время интервенционной процедуры пространственное слежение ультразвукового зонда позволяет совмещать отображение текущего, получаемого в реальном времени ультразвукового изображения ткани с соответствующей мультипланарной реконструкцией (MPR) CEUS, причем соответствующую MPR получают из исходного 3D CEUS объема. Движение ткани между получением исходного 3D CEUS объема и ультразвуковой визуализацией ткани в реальном времени корректируется посредством основанной на изображении регистрации между ультразвуковым изображением ткани в реальном времени и 3D ультразвуковым объемом ткани, получаемым совместно с исходным 3D CEUS объемом. Совмещенное отображение (i) соответствующей MPR, полученной из исходного CEUS объема, и (ii) ультразвукового изображения ткани без контрастного усиления в реальном времени преимущественно позволяет совместить визуализацию положения иглы и местоположения цели и, таким образом, позволяет направлять иглу в цель во время интервенционной процедуры после завершения эффекта усиления средства контрастности.

Обращаясь к чертежам, фиг. 1 представляет собой блок-схему системы 10 для интервенционной навигации с использованием трехмерного ультразвука с контрастным усилением в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию. Система 10 содержит ультразвуковой сканер (US) 12, оборудованный и/или подсоединенный к зонду 14 ультразвуковой визуализации. В одном варианте осуществления изобретения ультразвуковой сканер 12 содержит, например, ультразвуковой сканер iU22, серийно выпускаемый Philips Medical Systems. Зонд 14 визуализации включает в себя любой подходящий зонд трехмерной ультразвуковой визуализации. Дополнительно, ультразвуковой сканер 12 включает в себя устройство 16 отображения сканера. Кроме того, ультразвуковой сканер 12 выполнен с возможностью одновременного получения контрастного изображения и изображения ткани. Ультразвуковой сканер 12 дополнительно выполнен с возможностью передачи изображений в реальном времени, например, посредством потоковой передачи данных, на рабочую станцию 18. Например, передача изображений в реальном времени может быть осуществлена с использованием ультразвукового сканера iU22 с помощью программного обеспечения «Digital Navigation Link». Несмотря на то, что иллюстрируется отдельно от ультразвукового сканера 12, рабочая станция 18 также может быть интегрирована в ультразвуковой сканер 12 и являться его частью.

Обращаясь снова к фиг. 1, рабочая станция 18 включает в себя устройство 20 отображения рабочей станции. Во время работы ультразвуковой сканер 12, зонд 14 и рабочая станция 18 используются вместе с пациентом 22, имеющим анатомию, которая представляет собой объект для данного ультразвукового диагностического исследования и/или соответствующей лечебной или медицинской процедуры, причем пациент 22 располагается на столе 24 для пациента. Ультразвуковой сканер 12 выполнен с возможностью получения контрастного ультразвукового изображения и ультразвукового изображения ткани, например, в «параллельном» режиме, соответствующем перемеженному получению контрастного кадра и кадра ткани, и отсылки обоих полученных изображений на рабочую станцию 18. Рабочей станцией 18 исполняется программное обеспечение для обеспечения рабочего процесса, как это будет обсуждаться далее.

Система 10 для интервенционной навигации с использованием трехмерного ультразвука с контрастным усилением также включает в себя отслеживание положения в соответствии с вариантами осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию. Система 10 усовершенствована посредством интеграции с внешней системой 26 отслеживания положения (TS). Внешняя система 26 отслеживания положения включает в себя генератор 28 поля слежения, выполненный с возможностью создания поля слежения, в целом обозначаемого ссылочной позицией 30. Датчик 32 присоединен к ультразвуковому зонду 14, причем благодаря тому, что датчик размещен в зоне действия поля 30 датчика, положение и ориентация датчика могут быть отслежены системой 26 слежения. В одном варианте осуществления изобретения рабочая станция 18 подсоединена к системе 26 слежения и выполнена с возможностью передачи информации слежения и/или обеспечения команд слежения между рабочей станцией 18 и системой 26 слежения в соответствии с требованиями данной интервенционной навигации или осуществления. Система 26 слежения может включать в себя любую подходящую систему слежения, например, такую как электромагнитная система «Aurora», выпускаемую компанией Northern Digital Inc., Ватерлоо, Канада. В другом варианте осуществления изобретения система 26 слежения включает в себя оптическую систему слежения, в которой генератор 28 поля слежения содержит, например, камеру для оптического отслеживания ультразвукового зонда 14 в пределах поля 30 слежения, соответствующего оптическому полю обзора. Такая оптическая система слежения может включать в себя, например, систему «Polaris», выпускаемую компанией Northern Digital Inc., Ватерлоо, Канада.

В системе 10, представленной на фиг. 1, внешняя система (TS) 26 отслеживания положения устанавливается почти или непосредственно у пациента 22. Датчик (S) 32 положения с шестью степенями свободы (6DoF) присоединяется к ультразвуковому зонду 14, а генератор 28 поля слежения располагается таким образом, чтобы положение зонда могло быть отслежено в пределах поля 30 слежения.

Рабочая станция 18 также включает в себя программное обеспечение, содержащееся на считываемом компьютером носителе данных и загружаемое в память упомянутой рабочей станции, причем программное обеспечение включает в себя команды, исполняемые процессором рабочей станции для (i) получения и сохранения, по меньшей мере, одного из 3D CEUS объема вместе с координатами системы слежения для данного объема, обеспечиваемыми датчиком 32, и (ii) получения и обработки координат датчика слежения в реальном времени, и использования координат датчика слежения в реальном времени для вычисления и отображения мультипланарных реконструкций (MPR), по меньшей мере, для одного полученного и сохраненного 3D CEUS объема таким образом, что соответствующая MPR показывает те же самые ткани, что и последнее полученное изображение ткани в реальном времени.

В одном варианте осуществления изобретения ультразвуковой сканер 12 выполнен с возможностью получения и передачи CEUS изображения/объема и изображения/объема ткани одновременно. В таком варианте осуществления изобретения программное обеспечение рабочей станции 18 дополнительно содержит команды, исполняемые процессором рабочей станции 18, для (iii) получения и сохранения одновременно полученных 3D CEUS объемов и 3D объемов ткани вместе с соответствующими координатами системы слежения для объема, обеспечиваемыми датчиком 32; и (iv) получения и обработки координат датчика слежения в реальном времени, и использования координат датчика слежения в реальном времени для основанной на изображении регистрации неконтрастного изображения ткани в реальном времени с 3D объемом ткани, полученным одновременно с 3D CEUS объемом, при этом результирующее преобразование регистрации используется для вычисления и отображения MPR для исходного полученного и сохраненного 3D CEUS объема таким образом что MPR CEUS показывает те же самые ткани, что и последнее полученное изображение ткани в реальном времени.

В одном варианте осуществления изобретения система и способ включают в себя использование ультразвукового сканера 12, выполненного с возможностью получения 3D изображений в реальном времени в контрастном режиме и режиме ткани, а также выполненного с возможностью осуществления потоковой передачи (то есть передачи в реальном времени) данных изображения на рабочую станцию 18 (или другую систему, например, посредством подходящей сети связи). В данном варианте осуществления изобретения способ предполагает, что пациент способен выполнять дыхательные команды, а также способен выполнять воспроизводимые задержки дыхания. Кроме того, программное обеспечение, работающее на рабочей станции 18, выполнено с возможностью обмена данными с различными аппаратными средствами (например, системой слежения, ультразвуковым сканером и так далее), используя передачу электронных данных в реальном времени.

В одном примере рабочего процесса пациент 22, которому предстоит операция абляции с помощью иглы с ультразвуковым наведением, располагается на столе 24 для исследования. Датчик 32 положения прикрепляется к ультразвуковому зонду 14. Передатчик/приемник 28 системы 26 слежения должен быть расположен близко к пациенту 22 таким образом, чтобы ультразвуковой зонд 14 с прикрепленным датчиком 32 положения находились в поле 30 обзора передатчика/приемника 28 во время необходимой ультразвуковой визуализации для процедуры. Ультразвуковой сканер 12 исходно сконфигурирован или установлен в режим контрастной визуализации, и внутривенная болюсная инъекция средства контрастности вводится пациенту 22. После того как усиление контрастности становится видимым на ультразвуковом изображении, отображаемом на устройстве 16 отображения, получают трехмерное (3D) CEUS сканирование, покрывающее новообразование или область, представляющую интерес. 3D CEUS объем и соответствующие данные положения зонда передаются в навигационную рабочую станцию 18. Для последующей визуализации после исчезновения усиления контрастности двухмерные или трехмерные ультразвуковые изображения ткани в реальном времени и соответствующие данные положения зонда непрерывно передаются (то есть выполняется потоковая передача) на рабочую станцию 18. На основании текущего положения зонда вычисляют положение текущего ультразвукового изображения ткани относительно исходно полученного 3D CEUS изображения (также называемого предварительно полученным 3D CEUS изображением). На устройстве 20 отображения рабочей станции текущее ультразвуковое изображение ткани в реальном времени отображается совместно с соответствующей мультипланарной реконструкцией (MPR) (или другой визуализацией) CEUS изображения. Это позволяет локализовать иглу в изображении ткани в реальном времени, а также локализовать новообразование в CEUS изображении, и, таким образом, сделать возможным наведение иглы на новообразование, причем новообразование может быть невидимым на самом изображении ткани в реальном времени.

Фиг. 2 представляет собой частичную блок-схему, иллюстрирующую преобразования между различными системами координат, соответствующими системе интервенционной навигации с использованием 3D ультразвука с контрастным усилением, представленной на фиг. 1, в соответствии с вариантами осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию. В частности, фиг. 2 представляет собой иллюстрацию преобразований между координатными системами 2D ультразвукового изображения и 3D ультразвукового изображения, датчика слежения, прикрепленного к ультразвуковому зонду, системы слежения. В одном варианте осуществления изобретения фиг. 2 иллюстрирует взаимосвязь преобразований между 6 DoF датчиком положения, системой слежения и соответствующим ультразвуковым кадром.

Преобразование Т_{слежения} описывает текущее положение и ориентацию (также называемое «позицией») датчика 14 слежения относительно системы (26, 28) слежения. Другими словами, преобразование Т_{слежения} описывает взаимосвязь между системой координат системы С_{слежения} слежения и системой координат датчика С_{датчика} слежения. Преобразование Т_{слежения} обеспечивается системой слежения и рабочая станция 18 получает его, например, непрерывно в реальном времени или по требованию для данного осуществления интервенционной процедуры в соответствии с вариантами осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию. Преобразование Т_{калибровки} описывает взаимосвязь между системой C_3DUS координат 3D ультразвукового изображения (то есть координатами вокселя) и системой С_{датчика} координат датчика 32 слежения, прикрепленного к зонду 14.

Преобразование Т_{калибровки} определяется при единовременной процедуре калибровки и остается фиксированным для данного датчика 32 слежения, жестко прикрепленного к ультразвуковому зонду 14, подвергается повторной калибровке при перестановке и/или смене датчика и/или зонда. Наконец, преобразование T _{2DUS 3DUS} описывает взаимосвязь между системой C_2DUS координат 2D ультразвукового изображения и системой C_3DUS координат 3D ультразвукового изображения (то есть координатами вокселя). То есть преобразование между системами координат для отслеженного получения 2D ультразвукового изображения и 3D ультразвукового изображения обеспечивается посредством T_{2DUS 3DUS}. Таким образом, преобразование T_{2DUS 3DUS} осуществляет преобразование координат пикселей 2D изображения в координаты вокселей 3D изображения, преобразование Т_{калибровки} осуществляет преобразование координат вокселей 3D изображения в координаты датчика, а Т_{слежения} выполняет преобразование координат датчика в координаты системы слежения. Отметим, что Т_{слежения} представляет собой информацию позиции в реальном времени датчика 32, обеспечиваемую системой (26, 28) слежения.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, получение CEUS изображения представляет собой следующий процесс. После инъекции контрастности навигационное программное обеспечение, работающее на рабочей станции, запрашивает специалиста по ультразвуковой эхографии найти положение зонда, которое визуализирует цель новообразования в 3D CEUS режиме. Все 3D изображения из сканера и все данные о положении из датчика непрерывно передаются с помощью потоковой передачи на рабочую станцию. Если получено соответствующее изображение и подтверждено на рабочей станции, то изображение будет сохранено на рабочей станции наряду с соответствующим положением Т _{слежения} зонда, предоставляемым датчиком слежения. Опорная система координат, назначенная для 3D CEUS объема, является системой координат системы слежения, которая является неподвижной в течение всей процедуры. Обращаясь к иллюстрации, представленной на фиг. 2, преобразование из 3D CEUS координат вокселя в координаты системы слежения обеспечивается следующим образом:

T _3DCEUS=Т_{калибровки} Т_{слежения,3DCEUS}

Дополнительно, варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию обеспечивают наведение по изображению следующим образом. После получения 3D CEUS ультразвуковой сканер переключается на режим 2D визуализации для наведения по изображению. Известно, что преобразование T_{2DUS 3DUS} между координатами 2D изображения и координатами 3D изображения основано на алгоритмах визуализации, используемых в ультразвуковом сканере. Таким образом, используя текущие данные Т_{слежения} слежения из датчика слежения, положение текущего 2D ультразвукового изображения ткани в пределах CEUS опорного изображения, полученного с помощью Т_{слежения, 3DCEUS} может быть определено с помощью следующего преобразования:

T_{2DUS 3DUS}=T_{2DUS 3DUS} Т_{калибровки} Т_{слежения} (T_3DCEUS)^-1

=T _{2DUS 3DUS} Т_{калибровки} Т_{слежения} (Т_{слежения,3DCEUS})^-1 (Т_{калибровки})^-1

Рабочая станция будет использовать эту взаимосвязь для получения в реальном времени MPR из 3D CEUS изображения, которое соответствует текущей позиции 2D изображения ткани. В одном варианте осуществления изобретения оба изображения отображаются одновременно, или в другом варианте осуществления изобретения отображаются с использованием полупрозрачного наложения с прозрачностью, определяемой пользователем, на устройстве 20 отображения рабочей станции. Фиг. 3 представляет собой иллюстрацию одновременного отображения 36 изображения 38 ткани в реальном времени, показывающего введенную иглу 40, и отображения 42 соответствующей MPR 44, полученной из предварительно полученного CEUS объема, показывающего цель 46, выделенную посредством усиления контрастности. Фиг. 4 представляет собой иллюстрацию полупрозрачного наложения 48 тех же самых ткани и контрастного изображения, что отмечено на фиг. 4 ссылочной позицией 50.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, способ включает в себя получение множества 3D CEUS объемов. То есть во время получения 3D CEUS объема, вместо сохранения на рабочей станции 18 только одного объема, показывающего ткань с контрастным усилением, представляющую интерес, сохраняют временную последовательность объемов и информации об их соответствующих положениях. Затем способ может определить динамику поглощения контрастности (например, приток или отток), что также является важным с точки зрения диагностики показателем. Способ дополнительно содержит (а) одновременное отображение не одиночной MPR CEUS с изображением ткани в реальном времени, а совместное отображение множества MPR полной временной последовательности в качестве «фильма». Дополнительно, способ также включает в себя (б) обработку данных временной последовательности для создания объемной карты существенных с точки зрения диагностики параметров, например, постоянной времени притока, и затем одновременное отображение MPR этой карты параметров с изображением ткани в реальном времени во время интервенционной процедуры.

В другом варианте осуществления изобретения способ включает в себя использование поочередной визуализации цели. То есть вместо одновременного отображения или наложения MPR для 3D CEUS объема на изображение ткани, целевой объем, представляющий интерес (VOI), сегментируется из 3D CEUS объема после получения CEUS. Такой целевой VOI включает в себя, например, сферу, покрывающую область с наиболее интенсивным усилением ткани в 3D CEUS объеме. В этом варианте осуществления изобретения, во время интервенционной процедуры, только соответствующее поперечное сечение VOI, определяемое текущим положением слежения, будет накладываться на изображение ткани в реальном времени.

В другом варианте осуществления изобретения способ включает в себя использование 3D визуализации в реальном времени во время выполнения наведения. То есть, вместо использования 2D визуализации для наведения, способ использует 3D наведение в реальном времени. В этом случае, вместо формирования нескольких MPR, используются другие средства визуализации, например, проекции максимальной интенсивности (MIP). Проекции MIP могут быть вычислены с использованием того же набора преобразований, описанных выше при обсуждении вариантов осуществления изобретения.

В еще одном варианте осуществления изобретения способ использует получение 3D CEUS не в реальном времени. В этом варианте осуществления изобретения, например, если 3D CEUS в реальном времени не доступен, то опорный CEUS объем также может быть сформирован посредством отслеживания 2D ультразвукового зонда, потоковой передачи на рабочую станцию всех кадров 2D изображения и соответствующих данных слежения, получения «развертки» по целевой области после инъекции контрастности, и реконструирования 3D CEUS объема на основе 2D изображений и данных слежения.

В еще одном варианте осуществления изобретения способ включает в себя использование основанной на изображении регистрации для коррекции движения. В этом варианте осуществления изобретения вышеописанное совместное отображение изображения ткани в реальном времени, соответствующей MPR 3D CEUS является точным только тогда, когда пациент или визуализируемый орган не совершает движений между получением 3D CEUS объема и получением изображения ткани в реальном времени. Для повышения точности при наличии движения ткани способ в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения дополнительно включает в себя, например, один из следующих способов коррекции движения. Первый способ коррекции включает в себя одновременное получение 3D CEUS изображения и 3D изображения ткани. Этот способ коррекции движения использует одновременное двухрежимное получение и визуализацию, например, как это возможно осуществить в реальном времени в 2D режиме на современных сканерах, таких как Philips iU22, и позволяет выполнять одновременное 3D получение не в реальном времени, как это было описано выше. Второй способ коррекции движения включает в себя основанную на изображении регистрацию текущего 2D изображения ткани (или последние 2D изображения ткани в количестве N штук, причем N является небольшой величиной, например, 10) с 3D изображением ткани, полученным одновременно с 3D CEUS изображением. Координаты слежения, связанные с 2D изображениями, служат в качестве исходного положения для регистрации (то есть предполагая, что движение органа отсутствует). Регистрация как таковая может использовать различные оптимизаторы и критерии подобия, такие как оптимизатор Гаусса-Ньютона и критерий подобия на основе суммы квадратов разностей. Результатом регистрации является преобразование T_{2DUS 3Dткань}. Поскольку 3D CEUS изображение и изображение ткани были получены одновременно, то их системы координат являются идентичными, и одинаковое преобразование может быть использовано для преобразования текущих 2D координат в 3D CEUS координаты.

Как это обсуждалось в данном документе, система и способ в соответствии с вариантами осуществления изобретения согласно настоящему изобретению используют систему пространственного слежения для отслеживания положения ультразвукового зонда и для наведения по изображению при интервенционных процедурах во время ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS). В начале интервенционной процедуры трехмерный (3D) CEUS объем получают одновременно с обычным 3D ультразвуковым изображением ткани. Во время процедуры пространственное отслеживание ультразвукового зонда позволяет совместить отображение текущего ультразвукового изображения ткани в реальном времени с соответствующей мультипланарной реконструкцией (MPR) из 3D CEUS объема, полученного в начале процедуры (также называемого в данном документе как предварительно полученный 3D CEUS объем). Движение ткани между получением 3D CEUS, полученным в начале процедуры, и визуализацией в реальном времени, полученной позднее или после начала процедуры, корректируется посредством основанной на изображении регистрации между 3D изображением ткани в реальном времени и 3D изображением ткани, совместно получаемым с 3D CEUS в начале процедуры. Совместное отображение предварительно полученного CEUS и, в частности, мультипланарной реконструкции (MPR), предварительно полученного CEUS, причем MPR соответствует данному изображению ткани в реальном времени, и неконтрастного ультразвука в реальном времени позволяет выполнять совместную визуализацию положения иглы и местоположения цели и, таким образом, позволяет направить иглу в цель. Как это обсуждалось выше, CEUS может обеспечить лучшую визуализацию новообразований, васкулярности и других тканей, представляющих интерес, по сравнению с ультразвуковой визуализацией без усиления контрастности. Как таковое, усиление контрастности после болюсной инъекции является временным явлением и обычно исчезает через несколько минут. Для наведения во время интервенционных процедур, таких как размещение иглы для биопсии и абляции, временной промежуток усиления контрастности является недостаточным. Однако варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию преимущественно обеспечивают систему и способ, преодолевающие это ограничение.

Соответственно, следует понимать, что способ интервенционной навигации с использованием 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS), раскрытый в данном документе, содержит этапы, на которых: получают опорный 3D CEUS объем и информацию слежения для требуемой части анатомии, подвергаемой интервенционной процедуре с помощью инструмента во время периода действия средства усиления контрастности, вводимого в требуемую часть анатомии; получают изображения ткани, отслеживаемое в реальном времени, во время интервенционной процедуры; формируют, по меньшей мере, одну соответствующую мультипланарную реконструкцию ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS) для, по меньшей мере, одного из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени во время интервенционной процедуры, как функцию опорного 3D CEUS объема и информации слежения; отображают, по меньшей мере, одно из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, причем отображаемое изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени, включает в себя, по меньшей мере, изображение инструмента в пределах требуемой части анатомии; и отображают, по меньшей мере, одну соответствующую мультипланарную реконструкцию ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS), которая соответствует отображаемому изображению ткани, отслеживаемому в реальном времени, причем изображение MPR CEUS включает в себя изображение MPR с контрастным усилением, полученное из опорного 3D CEUS объема, а также включает в себя целевой объем, представляющий интерес, тем самым обеспечивая одновременное отображение информации изображения с контрастным усилением и информации изображения ткани, которые являются полезными для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия средства усиления контрастности.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, получение опорного 3D CEUS объема включает в себя одновременное получение, по меньшей мере, одной пары отслеживаемых 3D ультразвукового контрастного изображения и изображения ткани. Дополнительно, по меньшей мере, одна пара отслеживаемых 3D ультразвукового контрастного изображения и изображения ткани содержит исходное ультразвуковое контрастное изображение и соответствующее исходное изображение ткани, захваченные по существу одновременно и автоматически зарегистрированные друг с другом.

В другом варианте осуществления изобретения интервенционная процедура включает в себя первую часть процедуры, которая имеет место до истечения периода действия усиления контрастности, и вторую часть процедуры, которая имеет место после истечения периода действия усиления контрастности. В еще одном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, одна соответствующая мультипланарная реконструкция ультразвукового изображения с контрастным усилением пространственно регистрируется с соответствующим одним из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени. В другом варианте осуществления изобретения, изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени, и соответствующая MPR CEUS отображаются рядом друг с другом. В еще одном варианте осуществления изобретения изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени, и соответствующее опорное изображение MPR CEUS отображаются вместе на одном устройстве отображения. В последнем случае изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени, и соответствующая MPR CEUS могут быть дополнительно отображены в виде структуры с наложением таким образом, что одно изображение накладывается на другое изображение. Далее, структура с наложением может содержать одно изображение, являющееся полупрозрачным по отношению к другому изображению.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, вместо формирования, по меньшей мере, одной соответствующей мультипланарной реконструкции ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS) для, по меньшей мере, одного из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, во время интервенционной процедуры, а также вместо отображения полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, способ содержит этапы, на которых: формируют проекцию максимальной интенсивности (MIP) как функцию, по меньшей мере, одной пары полученных 3D отслеживаемых в реальном времени ультразвукового контрастного изображения и изображения ткани; отображают проекцию максимальной интенсивности (MIP), по меньшей мере, одного из полученных 3D изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, причем отображаемая MIP изображения ткани, отслеживаемого в реальном времени, включает в себя, по меньшей мере, изображение инструмента в пределах требуемой части анатомии; и отображают, по меньшей мере, одну соответствующую проекцию максимальной интенсивности ультразвукового изображения с контрастным усилением (MIP CEUS), которая соответствует отображаемой MIP, по меньшей мере, одного полученного 3D изображения ткани, отслеживаемого в реальном времени, причем изображение MIP CEUS включает в себя изображение MIP с контрастным усилением из целевого объема, представляющего интерес, тем самым обеспечивая одновременное отображение, полезное для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

В другом варианте осуществления изобретения, при отсутствии 3D ультразвука в реальном времени, опорный 3D CEUS объем получают посредством отслеживания 2D ультразвукового зонда, получения последовательности кадров 2D контрастного изображения и 2D изображения ткани и соответствующих данных слежения при развертывании отслеживаемого 2D ультразвукового зонда над требуемой областью анатомии после введения средства усиления контрастности, выполнения потоковой передачи полученных последовательностей 2D контрастных изображений и 2D изображений ткани и соответствующих данных слежения на рабочую станцию, и реконструирования опорного 3D CEUS объема на рабочей станции на основе полученных 2D контрастных изображений и 2D изображений ткани и соответствующих данных слежения.

В еще одном варианте осуществления изобретения получение опорного 3D CEUS объема включает в себя использование системы пространственного слежения, выполненной с возможностью отслеживания положения ультразвукового зонда, используемого при получении опорного 3D CEUS объема, причем система слежения позволяет определять местоположение и ориентацию опорного 3D CEUS объема; и причем система слежения дополнительно выполнена с возможностью отслеживания полученных изображений ткани во время интервенционной процедуры. Способ дополнительно содержит этапы, на которых: корректируют движение ткани в пределах требуемой части анатомии, которое может возникнуть между (i) временем получения опорного 3D CEUS объема, и (ii) временем получения, по меньшей мере, одного изображения ткани, отслеживаемого в реальном времени. Далее, коррекция движения ткани включает в себя использование основанной на изображении регистрации между (a) 3D изображением ткани, отслеживаемым в реальном времени, и (б) ультразвуковым изображением ткани пары отслеживаемых 3D ультразвукового контрастного изображения и изображения ткани.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, получение опорного 3D CEUS объема и информации слежения включает в себя получение временной последовательности 3D CEUS объемов и соответствующей информации слежения, и в котором формирование, по меньшей мере, одного соответствующего изображения MPR CEUS включает в себя формирование временной последовательности изображений MPR CEUS, и в котором отображение полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, и отображение, по меньшей мере, одного из соответствующих изображений MPR CEUS включает в себя совместное отображение изображений MPR CEUS и изображений ткани в реальном времени в качестве данных временной последовательности. Способ дополнительно содержит этапы, на которых обрабатывают данные временной последовательности для создания объемной карты существенных с точки зрения диагностики параметров, и совместное отображение объемной карты с (i) изображениями MPR CEUS и (ii) изображениями ткани в реальном времени. Дополнительно, существенные с точки зрения диагностики параметры могут включать в себя, по меньшей мере, постоянную времени притока средства контрастности.

В еще одном варианте осуществления изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых сегментируют целевой объем, представляющий интерес, из опорного 3D CEUS объема, причем целевой объем, представляющий интерес, содержит области наиболее интенсивного усиления ткани; и отображают сегмент соответствующего поперечного сечения целевого объема, представляющего интерес, вместо отображения, по меньшей мере, одной соответствующей мультипланарной реконструкции ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS), которая соответствует отображаемому изображению ткани, отслеживаемому в реальном времени, и выполняют наложение сегмента соответствующего поперечного сечения целевого объема, представляющего интерес, на отображаемое изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, способ интервенционной навигации с использованием 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) содержит этапы, на которых: получают опорный 3D CEUS объем и информацию слежения для требуемой части анатомии, которая подвергается интервенционной процедуре с помощью инструмента, причем получение выполняется в течение периода действия средства усиления контрастности, вводимого в требуемую часть анатомии, причем получение опорного 3D CEUS объема включает в себя одновременное получение, по меньшей мере, одной пары отслеживаемых 3D ультразвукового контрастного изображения и изображения ткани; получают изображения ткани, отслеживаемые в реальном времени, во время интервенционной процедуры; формируют, по меньшей мере, одну соответствующую мультипланарную реконструкцию ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS) для, по меньшей мере, одного из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, во время интервенционной процедуры, как функцию опорного 3D CEUS объема и информации слежения, причем, по меньшей мере, одна соответствующая мультипланарная реконструкция ультразвукового изображения с контрастным усилением пространственно регистрируется с соответствующим одним из полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, отображают полученные изображения ткани, отслеживаемые в реальном времени, причем отображаемое изображение ткани, отслеживаемое в реальном времени, включает в себя, по меньшей мере, изображение инструмента в пределах требуемой части анатомии; и отображают, по меньшей мере, одну соответствующую мультипланарную реконструкцию ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS), которая соответствует отображаемому изображению ткани, отслеживаемому в реальном времени, причем изображение MPR CEUS включает в себя изображение MPR с контрастным усилением, полученное из опорного 3D CEUS объема, и включает в себя целевой объем, представляющий интерес, тем самым обеспечивая одновременное отображение информации изображения с контрастным усилением и информации изображения ткани, которые являются полезными для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

В еще одном варианте осуществления изобретения система для интервенционной навигации с использованием 3D ультразвуковой визуализации с контрастным усилением (CEUS) содержит: устройство ультразвуковой визуализации, выполненное с возможностью (i) получения опорного 3D CEUS объема и информации слежения для требуемой части анатомии, которая подвергается интервенционной процедуре с помощью инструмента, причем упомянутое устройство ультразвуковой визуализации дополнительно выполнено с возможностью получения опорного 3D CEUS объема и информации слежения в течение периода действия средства усиления контрастности, вводимого в требуемую часть анатомии, (ii) получения изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, во время интервенционной процедуры, и (iii) формирования, по меньшей мере, одной соответствующей мультипланарной реконструкции ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS) для, по меньшей мере, одного из получаемых изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, во время интервенционной процедуры, как функции опорного 3D CEUS объема и информации слежения; и устройство отображения, соединенное с упомянутым устройством ультразвуковой визуализации, и выполненное с возможностью отображения (i) полученных изображений ткани, отслеживаемых в реальном времени, причем отображаемые изображения ткани, отслеживаемые в реальном времени, включают в себя, по меньшей мере, изображение инструмента в пределах требуемой части анатомии, и (ii), по меньшей мере, одну соответствующую мультипланарную реконструкцию ультразвукового изображения с контрастным усилением (MPR CEUS), которая соответствует отображаемому изображению ткани, отслеживаемому в реальном времени, причем изображение MPR CEUS включает в себя изображение MPR с контрастным усилением, полученное из опорного 3D CEUS объема, и включает в себя целевой объем, представляющий интерес, тем самым обеспечивая одновременное отображение информации изображения с контрастным усилением и информации изображения ткани, которые являются полезными для интервенционной навигации, по меньшей мере, после истечения периода действия усиления контрастности.

Как обсуждалось в данном документе, варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию могут быть применены в основанном на ультразвуке наведении по изображению для диагностических и терапевтических медицинских процедур. Например, варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию могут улучшить наведение иглы для процедур биопсии и абляции. Дополнительно, варианты осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию преимущественно преодолевают ограничения и неудобства, существующие в основанном на ультразвуке наведении для процедур, такие как ограниченная визуализация или отсутствие визуализации некоторых новообразований/целей; низкая точность при выполнении процедуры, если местоположение цели оценивается на основе метода предварительного получения (отличного от предварительно полученного CEUS, как это было описано в отношении вариантов осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию); и короткая продолжительность усиления контрастности при визуализации с помощью CEUS, которая является недостаточной для выполнения данной интервенционной процедуры.

Несмотря на то, что были описаны только несколько примерных вариантов осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможно внести множество модификаций в примерные варианты осуществления изобретения, не выходя за рамки сущности и преимуществ вариантов осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию. Соответственно, предполагается, что все подобные модификации входят в объем притязаний вариантов осуществления изобретения согласно настоящему раскрытию, определяемый представленной далее формулой изобретения. Предполагается, что средства и функции, представленные в формуле изобретения, охватывают структуры, описанные в данном документе, как способные выполнять указанные функции, а также охватывают не только структурные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры.

Дополнительно, любые ссылочные позиции, заключенные в скобки, в одном или более пунктах формулы изобретения, не должны пониматься как ограничивающие упомянутые пункты формулы изобретения. Слова «содержащий» или «содержит» и подобные не исключают наличия элементов или этапов, отличных от тех, что представлены в любом из пунктов формулы изобретения или в описании в целом. Единичное упоминание какого-либо элемента не исключает многократного упоминания этого элемента, и наоборот. Один или более вариантов осуществления изобретения могут быть осуществлены посредством аппаратного обеспечения, включающего в себя несколько различных элементов, и/или посредством компьютера, запрограммированного соответствующим образом. В пункте формулы изобретения, в котором заявлено устройство, и в котором перечисляется несколько средств, несколько из этих средств могут быть осуществлены посредством одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Тот факт, что определенные признаки процитированы в разных зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих признаков не может быть использована для получения выгодных преимуществ.