专利名称：用于同时进行的侵入性设备可视化和脉管系统成像的双路径彩色多普勒成像系统和方法
用于同时进行的侵入性设备可视化和脉管系统成像的双路 径彩色多普勒成像系统和方法 本发明涉及用于在超声成像系统中创建彩色多普勒图像的系统和方法，并更具体
地涉及用于利用针对成像组织或者侵入性(介入性)医疗设备(例如针)而优化的两个单 独的彩色多普勒处理模式来创建彩色多普勒图像的系统和方法。 超声成像通常用于对体内的侵入性医疗设备和装置的插入、使用或者操作来成
像。例如，细针穿剌(FNA)、穿剌活检、射频消融(RFA)或者无水酒精注射(PEI)都是需要将
侵入性设备插入患者内的程序。当执行例如射频消融时，医生必须能够使目标(例如，将要
被消融的肝细胞癌)、针接近目标和围绕目标的任意脉管系统可视化。对脉管系统的成像是
确保在针插入期间没有大脉管被剌破以及确保没有其它出血发生的关键。 当前，医师使用灰度成像(B型)使目标可视化，并利用彩色多普勒(彩色血流)
成像使脉管系统可视化。彩色血流图像是B型(灰度)图像与作为彩色多普勒图像而覆盖
的血流的合成。B型图像示出了被检查区域中的组织结构以及其它静止目标和组织。彩色
多普勒图像通过这样形成随时间获取沿着图像中的每条线的多普勒数据的集合，利用沿
着该线在每个点上的数据的集合来估计多普勒偏移，以及形成脉管系统的彩色图像，其中
沿着该线上的每个点的颜色取决于在那一点处的采样体积的流速。以这一方式，在以B型
图像结构示出的周围组织和血管中，通过颜色对以多普勒模式显示的血流进行功能上地描
述。典型的，B型成像也用于对侵入性设备成像。理论上，当侵入性设备接近目标时，彩色
多普勒成像也可以用于对侵入性设备成像，并且至少一个评论员已经建议这样做。然而实
际上，为了对脉管系统中的血流有效成像所必需的彩色多普勒设置与用于使缓慢移动的针
更好地可视化的彩色多普勒设置是很不相同的。因此，现有技术的超声成像设备中的B型
和彩色多普勒成像的组合只能够允许医师有效地使针或者脉管血流可视化。 因此需要一种超声成像系统，其允许对脉管血流和侵入性设备的同时并有效的多
普勒可视化。 根据本发明的原理，提供一种用于在侵入过程期间对侵入性设备成像的超声系
统。利用具有不同设置的多普勒模式来对血流和侵入性设备成像，一种设置对于血流最优
化而另一种设置优化以使侵入性设备可视化。不同的多普勒模式例如可是对于血流的速度
成像和对于侵入性设备的能量多普勒。另一实施例可使用彩色血流多普勒或者能量多普勒
以对血流和侵入性设备两者成像，但使用不同的彩色图。
图1是根据本发明一个示例的超声成像系统的透视图； 图2是根据本发明原理构造的超声成像系统的方框图； 图3是图示了经胸廓换能器探头对心脏中的侵入性设备进行超声成像的示意图；
图4是描述了根据本发明实施例的双路径彩色多普勒处理方法的处理流程图表 的流程图。 图1图示了根据本发明一个示例的超声成像系统10。该系统10包括包含了系统 10的大部分电子电路的底盘12。该底盘12可安装于推车14上，并且显示器16安装于底 盘12上。成像探头20可通过电缆22与底盘12上的三个连接器26中的一个连接。底盘12包括大致由附图标记28指示的键盘和用户控制器，以使超声医师操作超声系统10并输 入关于患者或者被操作的检查类型的信息。在控制面板28后部是触屏显示器18，可编程软 键可显示在触屏显示器18上以在控制系统10的操作中对键盘和控制器28进行补充。底 盘12通常也包括例如跟踪球的定点设备，该设备可例如用于操纵显示屏上的指针。底盘12 也可包括一个或多个可在操纵显示屏上的指针之后按下或者单击的按钮(未示出)。这些 操作与和计算机一起使用的鼠标类似。 在操作时，成像探头20靠放在患者的皮肤上(未示出)并固定保持以采集皮肤下 的二维或者三维区域中的血液或者组织的图像。该图像在显示器16上呈现，并且它可由放 置在两个附加搁架30中的一个上的记录器(未示出)记录。系统10也可记录或者打印包 含文本和图像的报告。与图像相应的数据也可通过适当的数据链路，例如因特网或者局域 网下载。 图2图示了超声成像系统10的电子部件的一个示例。由超声探头的换能器阵列20 发射超声信号，并且得到的回波由换能器阵列的元件接收。由阵列元件接收的回波信号由 波束形成器214形成单独的信号或者波束。回波信号信息由正交带通滤波器(QBP)216(其 产生正交的I和Q信号分量)探测为I和Q信号分量。在美国专利no. 6， 050942中详细描 述了QBP滤波器，其通过引用并入本文。来自体内被诊断位置(采样体积)的多个这种信 号分量随着时间以集成脉冲重复频率(PRF)被采集，并应用于快速傅里叶变换(FFT)处理 器218，该处理器218估计采样体积位置处的多普勒频移。根据本发明原理，这一基本多普 勒数据由双路径彩色多普勒图像处理器220进行后处理，如以下将要更加详细描述地，该 处理器220通过诸如壁滤波和/或信号分割之类的技术而改善了数据以创建彩色多普勒图 像。概念上，双路径彩色多普勒图像处理器220沿着两个独立路径处理多普勒数据，该两个 独立路径各自具有其自己的设置和优化。因而双路径彩色多普勒图像处理器220创建两组 数据。如以下将要更加详细讨论地，图像处理器220中的一个路径的设置和优化产生适合 于脉管结构中血流的最佳可视化的图像数据，同时另一路径产生最适合于侵入性设备的可 视化的图像数据。然而应理解，对于产生适合于其它类型解剖结构或者设备的可视化的图 像所需的每个路径而言，其它设置和优化也是可能的。 在多普勒回波接收的间歇期，可接收B型回波。这些回波也可被处理成I和Q信 号分量，然后在B型图像处理器264中通过对I值和Q值的平方和取平方根而被幅值探测。 B型和彩色多普勒图像数据由图形和视频处理器230接收，在其中它们被转换为图像数据， 然后对其进行调整并覆盖至期望的显示格式，例如扇形图像或者直线形图像。也可将诸如 患者文本信息之类的图形覆盖至所显示的图像上。从所组合的图像数据，图形和视频处理
器230产生与显示器16的要求兼容的视频驱动信号。 图3图示了经胸廓换能器探头20对心脏中的侵入性设备330的超声成像。在这 一示例中，心脏300位于肋廓的左侧之后(在肋廓310,312之后以部分轮廓示出)。心脏 300的左心室302被心脏内的轮廓线和交叉影线描绘。对于超声成像，左心室可以如此访 问对于成年人患者可通过从肋骨310,312之间来扫描心脏，对于一些小儿科患者，可通过 从最低肋骨312之下向上扫描。探头20如由探头20扫描的视场中的轮廓线320所指示的 从心尖304扫描心脏。如图3所图示，从肋廓310,312之间定向的视场320可以完全包围 并扫描左心室302。
5
图3中也示出了在体内执行某一功能的侵入性设备330。在这幅图中，侵入性设备 示为导管。然而，其也可以是一些其它工具或者装置，例如针、诸如解剖装置或者吻合器或 者支架递送、电生理学或者气囊导管之类的外科工具、诸如高强度超声探头或者起搏器或 者去颤器导联之类的治疗设备、诸如IVUS或者光导管或者传感器之类的诊断或测量设备、 或者在体内操纵和/或操作的任意其它设备。正如以上讨论的消融示例，必须谨慎地监视 导管的插入和操纵并使其可视化，以防止对患者的不希望的伤害或者损伤。
尽管图3图示了以锥形的三维视场扫描区域320，但是本领域技术人员将意识到 也可以使用其它扫描格式，例如那些扫描矩形或者六角椎体视场或者二维图像平面的格 式。也将理解，除了经胸廓探头之外的探头可用于扫描，例如经食道探头、诸如阴道探头或 者直肠探头之类的腔内探头、以及诸如安装于导管上的换能器探头之类的脉管内探头。尽 管电子扫描二维阵列换能器通常对于三维成像是优选，但是机械扫描阵列对于一些例如腹 部过程的3D应用可是优选的。 图4是根据本发明实施例的双路径彩色多普勒处理方法的处理流程图。在步骤 410中，换能器阵列向患者发射超声脉冲，并接收来自被患者的血液、器官和其它组织反射 的超声能量的回波信号。如步骤420所描述，这些回波信号通常由波束形成器处理为相干 回波信号。在步骤430中，QBP滤波器用于产生回波信号的正交I和Q样本。这些信号样 本在步骤440和450中被轮流使用。在步骤450中，从I-Q信号创建B型图像数据。如步 骤440所示，该I和Q信号样本进一步由例如FFT处理器处理以产生多普勒频移估计。将 这些多普勒信号沿着双路径轮流引导至步骤460和470，以分别创建针对血流可视化和侵 入性设备可视化而优化的彩色血流图像数据。 如以上讨论，多普勒超声通过探测返回回波信号中与应用于人体的信号频率相比 较的频移而工作。可以通过利用快速傅里叶变换(FFT)或者等效信号处理技术来对返回回 波信号进行谱分析而探测这种频移。根据对这种分析的结果创建彩色血流图像数据，因为 频移与速度成比例，并且典型地，彩色图像中由那个数据形成的每个点将反映平均速度，或 者诸如那一点处的采样体积流量的流量方差之类的其它测量属性。 当对脉管系统进行成像和可视化时，在步骤460中利用适于使血流有效可视化的 设置来创建彩色血流图像数据。脉管系统的血流的有效可视化要求对从流动血液中返回的 低水平回波信号进行探测和处理。具体而言，使血流可视化要求对多普勒集合的高频内容 进行探测和处理，因为该高频内容与血流的速度成比例。此外，来自采样体积附近的回波可 包含典型地由移动肌肉或者动脉壁引起的低频、高强度伪影。这些伪影妨碍了医师使流动 情况清楚可视化的能力。 为了减轻这种伪影的影响，开发了用于信号分割的方法。信号分割是基于一个或 多个可测量标准而将信号彼此分离和区分的过程。从脉管血流的彩色多普勒图像中消除杂 波的传统方式是使用壁滤波器。壁滤波器设计为将多普勒信号的低频(例如那些从脉管壁 或者侵入性设备返回的信号)排除。这种滤波器包括具有适当的截止以排除低频信号的高 通或者带通滤波器。因而，壁滤波器基于信号的频率来区分那些信号。 信号分割的另一手段利用这一事实移动组织和侵入性设备返回的回波信号具有 比血细胞返回的回波更高的幅值。大多数被成像的侵入性设备将产生高幅值的回波信号。 因而，为了使血流的附近或者周围有效可视化，必须消除由侵入性设备的存在而引起的高幅值信号。另一方面，侵入性设备的有效可视化将要求选择这种信号而不是消除它们。
根据本发明原理，分别在步骤460和470中同时进行脉管血流有效可视化和侵入 性设备有效可视化，每者都要求其自己的处理特性、设置和优化。例如，步骤460可针对血 流可视化使用高通壁滤波器，该高通壁滤波器将消除侵入性设备和移动组织两者的较低频 率。相应地，步骤470可使用较低频率的带通壁滤波器来消除较高频率的血流信号和静止 组织杂波。作为另一示例，该两个步骤可使用不同的彩色图，即侵入性设备的运动映射至与 血流的运动完全不同的颜色范围。仍作为另一示例，可使用信号幅值分割来将所接收的回 波信号和一阈值相比较。在步骤460中将针对血流可视化而处理来自血液的较低幅值信 号，同时在步骤470中将针对侵入性设备可视化而处理较高幅值信号并将去除固定杂波。 另一优化是对于步骤460和470使用不同的FFT处理。由于侵入性装置的低频运动与更高 频的血流相比需要以较低PRF采样(样本被更大的时间间隔分隔)，因此可针对侵入性设备 FFT忽略样本，从而导致集合的样本与血流FFT所使用的相比在时间上更宽地间隔。因而， 不同FFT处理用于步骤460和470时，对于血流可视化步骤和侵入性设备可视化步骤中的 每者不同地执行FFT步骤440。本领域技术人员将意识到在对步骤460和470的输入中可 使用控制电路，以将I和Q或者多普勒信号引导至适合于每个信号特性的处理。这种控制 电路有效提供了信号分割程度。 在步骤480中，将B型、血流优化的图像数据和侵入性设备优化的图像数据相组 合，以产生并显示最终图像。在图示的实施例中，最终图像基于用户所选择的一个或多个模 式而呈现。在一个模式中，步骤480可显示只覆盖着彩色多普勒血流图像的B型组织图像。 可选择地并响应于用户另一模式的选择，显示的最终图像可包含只覆盖着彩色多普勒侵入 性设备图像的B型图像。 基于第三种模式的选择，最终图像可是所有三种图像数据的一些组合覆盖着彩 色多普勒血流图像，并进一步覆盖着彩色多普勒侵入性设备图像的B型组织图像。如之前 所提及，当以这一模式操作时更好地将血流与侵入性设备区分的一种可能性，可使用两种 不同的彩色图从而以侵入性设备自己特有的颜色来呈现其运动。例如，一系列的红色和蓝 色可用于映射血液图像，而诸如黄色之类的单独彩色图可足够显示侵入性设备。对于色彩 映射、壁滤波器截止和/或强度阈值的可调整用户控制将使用户能够为现有的信号条件调 整分割。 本领域技术人员将意识到，除了或者替代于彩色血流(速度)模式，本发明的原理
可应用于其它多普勒模式的成像，例如能量多普勒(多普勒强度)模式。 虽然已经参考所公开的示例描述了本发明，本领域技术人员将意识到在不脱离本
发明的精神和范围之内可在形式和细节上做出改变。这种修改在本领域普通技术人员的技
能范围之内是熟练的。因此，除了所附权利要求书之外，本发明并非限制性的。
权利要求
一种用于创建超声成像系统中图像域的彩色多普勒图像的方法，所述图像域包括血流和侵入性设备，所述方法包括沿着图像域中的至少一个视线发射超声脉冲的集合；从所述至少一个视线接收回波信号；利用第一设置对所述回波信号进行多普勒处理，以创建沿着所述至少一个视线的血流的彩色图像数据；利用第二设置对所述回波信号进行多普勒处理，以创建沿着所述至少一个视线的侵入性设备的彩色图像数据；以及通过选择性地将所述血流的彩色图像数据和所述侵入性设备的彩色图像数据相组合，来创建所述彩色多普勒图像。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，创建彩色多普勒图像还包括 基于所接收的回波的幅值形成B型图像；以及通过选择性地将所述血流的彩色图像数据、所述侵入性设备的彩色图像数据和所述B 型图像相组合，来创建所述彩色多普勒图像。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，选择性地组合包括将每种类型的图像数据中的一些或者所有相组合，或者不组合任一种类型的图像数据。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，对所述回波信号进行多普勒处理以创建血流的彩 色图像数据包括对所述回波信号进行多普勒处理以优化脉管血流的可视化。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，对所述回波信号进行多普勒处理以优化脉管血流 的可视化包括处理多普勒信号以将高频信号内容和低幅值信号内容中的至少一个过滤。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，对所述回波信号进行多普勒处理以创建侵入性设 备的彩色图像数据包括对所述回波信号进行多普勒处理以优化侵入性设备的可视化。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，对所述回波信号进行多普勒处理以优化侵入性设 备的可视化包括处理多普勒信号以将低频信号内容和高幅值信号内容中的至少一个过滤。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，利用不同的彩色图来创建所述血流的彩色图像数 据和所述侵入性设备的彩色图像数据中的每一个。
9. 一种超声成像系统，包括 显示器；与所述显示器耦合的处理器； 与所述处理器耦合的用户接口；与所述处理器耦合的换能器，所述换能器可操作地沿着图像平面或者体积中的至少一 个视线发射多个超声脉冲，并接收响应于所述脉冲的回波；并且其中，所述处理器可操作地使用第一设置来对所述回波进行多普勒处理，以创建沿着 所述至少一个视线的脉管血流的彩色图像数据；其中，所述处理器还可操作地使用第二设置来对所述回波进行多普勒处理，以创建沿 着所述至少一个视线的侵入性设备的彩色图像数据；并且其中，所述处理器还通过选择性地将所述脉管血流的彩色图像数据和所述侵入性设备 的彩色图像数据相组合来可操作地创建彩色多普勒图像，其中，所述用户接口可操作地改变所述第一或者第二设置中的至少一个。
10. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，所述处理器还可操作地 根据所接收的回波信号形成灰度图像；以及通过选择性地将所述脉管血流的彩色图像数据、所述侵入性设备的彩色图像数据和所 述灰度图像相组合，来创建所述彩色多普勒图像。
11. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，选择性地组合包括将每种图像数据中的 一些或者所有相组合，或者不组合任一种图像数据。
12. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，对所述回波进行多普勒处理以沿着所述 至少一个视线创建脉管血流的彩色图像数据包括对所述回波进行多普勒处理以优化脉管 血流的可视化。
13. 如权利要求12所述的超声成像系统，其中，对所述回波进行多普勒处理以优化脉 管血流的可视化包括对多普勒信号进行滤波以选择高频信号内容和低幅值信号内容中的 至少一个。
14. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，对所述回波进行多普勒处理以创建沿着 所述至少一个视线的侵入性设备的彩色图像数据包括对所述回波进行多普勒处理以优化 侵入性设备的可视化。
15. 如权利要求14所述的超声成像系统，其中，对所述回波进行多普勒处理以优化侵 入性设备的可视化包括对多普勒信号进行滤波以选择低频信号内容和高幅值信号内容中 的至少一个。
16. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，利用不同的彩色图来创建所述脉管血流 的彩色图像数据和所述侵入性设备的彩色图像数据中的每一个。
17. 如权利要求9所述的超声成像系统，其中，利用回波信号的不同集合来创建所述脉 管血流的彩色图像数据和所述侵入性设备的彩色图像数据中的每一个。
全文摘要
公开了一种用于同时创建针和脉管血流彩色多普勒成像的超声成像系统(10)。创建感兴趣解剖区域的B型图像。沿着一个多普勒图像处理路径创建针对脉管血流可视化而优化的第一组多普勒图像数据。沿着另一平行的多普勒图像处理路径创建针对针或者其它侵入性设备的可视化而优化的第二组多普勒图像数据。通过基于多个用户可选择的模式将B型图像、第一多普勒图像数据和第二多普勒图像数据中的一些或者所有相组合而创建并然后显示彩色多普勒图像。
文档编号A61B8/08GK101784235SQ200880104429
公开日2010年7月21日 申请日期2008年8月14日 优先权日2007年8月28日
发明者A·克赖顿, J·E·鲍尔斯, M·布鲁斯, R·恩特金, T·戈捷 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司