CN111479511A - 超声辅助设备和方法、医学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声辅助设备(20)、包括这样的超声辅助设备的超声设备、包括这样的超声辅助设备的医学系统(100)以及对应的方法和对应的软件产品。根据本发明，获得对第一图像数据(例如，MRI数据)分割结果以及变形信息，而变形信息可以被显式地或隐式地获得(例如从所使用的仪器的一般信息获得和/或从第一图像数据/对第一个图像数据的分割结果获得)。这样的变形信息用于针对可调节超声探头(30、30')的调节(例如自动调节或包括向用户反馈的引导调节)，然后使用对第一图像数据的分割结果来分割由这样的经调节的超声探头采集的超声图像。

Description

超声辅助设备和方法、医学系统

技术领域

本发明涉及超声辅助设备、包括这样的超声辅助设备的超声设备、包括这样的超声辅助设备的医学系统以及对应的方法和对应的软件产品。

背景技术

能够利用磁共振成像(MRI)来诊断前列腺癌。为了获得最优的MRI图像质量，通常使用直肠内线圈(ERC)。为了确认在MRI上识别的任何可疑病变，通常会提供超声(US)引导的活检。然而，仅使用超声在当前并不能以足够的准确性示出前列腺癌。因此，期望对MRI图像与US图像进行共配准和融合，以便(例如使用飞利浦UroNav，这是一种对前列腺进行MRI-US融合成像的系统(飞利浦Invivo，盖恩斯维尔，佛罗里达州))将US引导的活检引向MRI病变。

由MRI ERC引入的前列腺变形通常与由US探头引入的变形不同，从而难以进行准确的MRI-US融合。

另外，US前列腺自动分割是一项艰巨的任务，而MRI前列腺自动分割因具有更好的MRI图像分辨率和组织对比度而更容易实现。通常需要分割以完成准确的融合成像。由于前列腺的MRI图像与US图像之间具有不同的变形，因此通常不能使用现有的MRI前列腺分割在US图像中创建或初始化对应的分割。

Andriy Fedorov等人的文章“Prototype Design and Phantom Evaluation of aDevice for Co-registered MRI/TRUS Imaging of the Prostate”(在Erdt M.等人(编辑)的“Clinical Image-Based Procedures”(医学成像的转化研究，CLIP2013，计算机科学讲义，第8361卷，Springer，Cham，第125-133页，2013年))解决了磁共振成像(MRI)与经直肠超声(TRUS)的结合使用的问题，它们均用于对疑似患有和患有前列腺癌的男性的成像介入中以进行诊断和处置。空间配准的MRI/TRUS数据被讨论为可以为前列腺组织表征和介入指导提供最优组合。为了提供这样的空间对齐的数据，该文章的作者提出了一种在维持稳定的前列腺形态(形状)的同时支持对MRI数据和TRUS数据的共配准采集的设备。提出了一种定制套管的设计和评价，该套管能够经直肠引入并且能够容纳TRUS探头和直肠内MRI探头。在体模上进行的实验表明：利用该套管进行的成像不会损害对内部结构的区分能力，也不会影响MR采集的质量。然而，在TRUS数据中观察到并量化了信号和对比度的降低。讨论了对进行可能的患者研究所需的设备的进一步评价和修改。

需要使套管就位意味着MRI和TRUS扫描或多或少是直接相继地进行的，并且不允许独立执行MRI和TRUS扫描，这与当前的临床工作流程相反。

WO 2015/086848A1涉及一种用于在介入流程期间对生物体内的感兴趣区域进行成像的介入成像系统。在介入流程之前，通过使用第一超声内窥镜来生成第一超声图像，并且生成另外的介入前图像(即，MRI)，同时在生物体内布置具有与第一超声内窥镜相同的外部尺寸的元件。在介入流程期间，通过使用第二超声内窥镜来生成第二超声图像，将第二超声图像与第一超声图像配准，从而确定变形，并且根据所确定的变形使另外的介入前图像变形。这样得到了介入前图像，该介入前图像根据感兴趣区域的当前结构而变形，并且能够用于在介入流程期间准确地指导医生。

类似于以上讨论的文章，WO 2015/086848A1的方法并不对应于当前的临床工作流程，当前的临床工作流程将例如在医院中提供介入前的MRI扫描，经过一段时间后例如在泌尿科医生的办公室里进行活检。关于WO2015/086848A1的公开内容的另一关注点是提供了额外的介入前超声扫描，这会给患者带来额外的压力。

发明内容

本发明的目的是为超声成像的使用提供辅助，特别是在如用于介入流程(例如，活检或近距离放射治疗)的超声成像的背景下，与未经辅助的分割相比，本发明允许以更高质量分割超声图像，同时还避免了如上所述的已知方法(特别是在允许与现有的临床工作流程整合时)所涉及的缺点，同时还对于获得用于辅助的额外数据维持了一定的自由度，同时还避免了对患者执行额外流程。

在本发明的第一方面中，提出了一种超声辅助设备，所述超声辅助设备包括：获得单元，其用于获得对生物体内的感兴趣区域的第一图像数据的分割结果，所述第一图像数据是借助于使用与超声不同的模态的探头来采集的，并且所述获得单元用于获得指示由所述探头在采集所述第一图像数据时对所述生物体引起的第一变形的变形信息；调节单元，其用于确定和输出针对可调节超声探头的调节数据，使得在借助于所述超声探头来采集超声图像数据时，与所述第一变形相对应的第二变形被提供给所述生物体；以及分割单元，其用于使用用于初始化的对所述第一图像数据的所述分割结果来分割采集的超声图像。

本发明所基于的考虑因素包括以下内容：

常规获得的前列腺MRI图像和常规获得的US图像会发生不同的变形，这使得MRI-US融合成像具有挑战性并限制了融合准确性，可能会导致利用例如US引导的活检无法对在MRI中识别出的可疑病变进行正确采样。另外，不同的变形使得难以使用MRI前列腺分割，该MRI前列腺分割能够(例如利用飞利浦DynaCad软件)被自动生成而用于对难以自动生成的超声分割进行初始化、自动化或改进。这使得需要用于创建超声分割的额外的手动步骤，减慢了工作流程，并且可能会限制超声分割的准确性。

本发明人的目标是这样一种方法，其中超声探头的形状因数和成像几何被设计为模仿作为用于获得其他模态的设备的例如MRI ERC的形状因数，因此在MRI和US成像期间创建相似的前列腺变形。当融合图像时，MRI前列腺分割结果能够用于初始化US分割，因此改善了工作流程并提高了融合成像过程的准确性。

根据本发明，获得对第一图像数据(例如，MRI数据)分割结果以及变形信息，而变形信息可以被显式地或隐式地获得(例如从所使用的仪器的一般信息获得和/或从第一图像数据/对第一个图像数据的分割结果获得)。这样的变形信息用于针对可调节超声探头的调节(例如自动调节或包括向用户反馈的引导调节)，然后使用对第一图像数据的分割结果来分割由这样的经调节的超声探头采集的超声图像。

利用具有与对应的MR线圈(几乎)相同宽度(形状因数)的超声探头获得超声图像具有若干优点。特别地，它以与MR线圈相同的方式使组织变形，因此使得在简单的刚性配准或具有少量自由度(例如，N<10)的弹性配准之后，可以最优地匹配MR图像和US图像中的图像特征。

可以注意到，本发明并不暗示或要求提供完全匹配的解剖外观(这通常由于例如(i)膀胱充盈、(ii)直肠形状变化、(iii)因球囊的不同局部变形引起的靠近直肠壁的褶皱变化而难以完全实现)。因此，应当注意，本发明并不要求使US和MRI之间的解剖外观完全相同，但是仍然允许显著提高它们的相似性。本发明的目标是实现两种模态之间的前列腺外观的相似性，发明人认为上面给出的残余外观差异的示例可以忽略不计，并且在实践中确实可以忽略不计。

在优选实施例中，所述获得单元被布置为接收所述第一图像数据并对所述第一图像数据执行分割处理以获得所述第一图像数据的所述分割结果。

虽然可以规定将对第一图像数据的分割结果输入到超声辅助设备中(例如由于已经规定与采集第一图像数据本身直接相关并且在对第一图像数据进行单独处理之后)，但是获得单元也可以(额外地或替代地)被布置用于基于输入的第一图像数据来提供分割。

在优选实施例中，所述获得单元被布置为处理所述分割结果和/或所述第一图像数据以获得所述变形信息。

变形信息可以以隐式形式被提供给超声辅助设备(除了明确提供之外或者作为对明确提供的替代)，即，变形信息是从所提供的数据导出的。具体地，可以从图像数据和/或分割结果获得引起变形的探头的尺寸。

在MR线圈用于采集第一图像数据的示例性情况下，可以从MR图像自动提取MR线圈宽度，例如通过将可变半径的圆拟合到MR图像中的接近前列腺的黑暗的充满流体(即，充满液体或充满气体)的区来自动提取MR线圈宽度。

类似地，能够通过将圆拟合到超声图像中的接近前列腺的黑暗的充满流体的区来从超声图像提取受影响的超声探头宽度(例如包括球囊)。替代地，可以从探头的设计直接获得受影响的超声探头宽度，或者从直接或间接地测量宽度的传感器(例如通过测量进入包围探头的球囊中的流体的流量)来获得受影响的超声探头宽度。

在优选实施例中，所述变形信息包括指示用于采集所述第一图像数据的所述探头的尺寸的信息。

在优选实施例中，对所述调节数据的所述输出包括以下各项中的至少一项：向所述超声辅助设备的用户输出调节值；确定所述可调节超声探头的当前调节量并指示所述当前调节量与根据所确定的调节数据的调节量之间的差异，以及根据所述调节数据来控制所述可调节超声探头。

可以向用户提供(即，指示或显示)调节数据，以便允许用户通过适当的手段来提供对超声探头的调节，例如，手动调节。

另外，代替(或除了)输出绝对调节的指示之外，还可以向用户提供关于当前调节量与所确定的符合变形信息的调节量之间的偏差的指示。

此外，还可以预见，对超声探头的调节是由超声辅助设备自动完成的。

例如，可调节超声探头可以被提供有超声兼容的球囊，其中，能够基于所测量的流体注入体积和宽度-体积校准或者基于被附接到球囊的表面的(例如电阻、超声或电磁)传感器向用户显示球囊的宽度。

能够使用软件控制的泵注入流体来自动完成流体填充，直到达到所需的宽度w为止。替代地，流体填充能够是手动的，其中，软件在显示器上向用户提供关于球囊的当前宽度和/或期望宽度的反馈。

在优选实施例中，所述超声辅助设备还包括：配准单元，其用于基于所述第一图像数据和所述超声图像来配准图像并基于所述配准来输出融合图像。

与例如单独地并行显示图像相比，融合图像允许从业人员更容易地掌握来自超声成像和先前获得的第一图像数据的组合信息。

在优选实施例中，所述第一图像数据是借助于磁共振成像来采集的，并且所述探头包括MRI线圈。

优选地，第一图像模态是MRI或者包括MRI，但是其他模态(例如，CT)也是可能的。

在优选实施例中，所述感兴趣区域是前列腺，所述探头是直肠内探头，并且所述超声探头是经直肠超声探头。

已经发现，本发明特别有益于在关于前列腺的成像背景中使用，其中，超声成像用于引导活检流程和/或近距离放射治疗流程，然而，其他应用也是可能的。

本发明可以例如用于飞利浦UroNav或PercuNav系统，并且可以用于采用涉及利用腔内探头或影响正被成像的器官的几何形状或变形的探头采集的图像的多模态的配准的其他应用。

在优选实施例中，提供了一种超声设备，所述超声设备包括根据本发明的超声辅助设备以及可调节超声探头。

在优选实施例中，所述可调节超声探头被提供被流体填充或者能被流体填充的可膨胀球囊和/或作用在柔性护套上的一个或多个可控制机械元件。

在另外的实施例中，可调节超声探头可以包括至少两个彼此可拆卸地连接的零件：固定的顶部零件，其包含面向前列腺的超声换能器阵列，以及在相对的一侧的可互换的底部零件，其用于增加探头的整体大小以拟合由第一成像模态引起的变形。底部零件能够从一组不同大小的预制零件中选择，或者能够基于从第一成像模态获得的信息进行3D打印。

在本发明的另外的实施例中，提出了一种超声辅助方法，所述超声辅助方法包括以下步骤：获得对生物体内的感兴趣区域的第一图像数据的分割结果，所述第一图像数据是借助于使用与超声不同的模态的探头来采集的；获得指示由所述探头在采集所述第一图像数据时对所述生物体引起的第一变形的变形信息；确定针对可调节超声探头的调节数据，使得在借助于所述超声探头来采集超声图像数据时，与所述第一变形相对应的第二变形被提供给所述生物体；输出所述调节数据；并且使用用于初始化的对所述第一图像数据的所述分割结果来分割采集的超声图像。

在本发明的又一方面中，提出了一种用于超声辅助的软件产品，所述软件产品包括程序代码单元，当在根据本发明的超声辅助设备上运行所述软件产品时，所述程序代码单元用于使所述超声辅助设备执行根据本发明的方法的步骤。

应当理解，根据权利要求1所述的超声辅助设备、根据权利要求12所述的超声辅助方法和根据权利要求13所述的软件产品具有相似和/或相同的优选实施例，特别是与从属权利要求所限定的相似和/或相同的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或以上实施例与相应的独立权利要求的任意组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的医学系统，

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的MR成像线圈和两个可调节超声探头，

图3示出了基于图像对直肠内线圈宽度的确定的图示，并且

图4示出了图示根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的医学系统。

根据本实施例的医学系统100包括MR成像系统10、包括超声辅助设备20的超声设备以及可调节超声探头30。

超声辅助设备20包括获得单元22、调节单元24、分割单元26以及配准单元28。

MR成像系统10被配置为利用直肠内线圈(ERC)对前列腺成像(参见图2a)。

超声探头30是可调节的，使得其能够呈现一定的成像几何形状和形状因数而允许以与在MRI成像期间对前列腺的基本相同的变形来采集前列腺超声图像。

由医学系统100实施的工作流程包括：MR成像系统10使用具有ERC的MRI对前列腺进行成像。另外，MR成像系统10在MR图像中分割前列腺。

之后，超声设备被布置为利用超声探头30对前列腺进行成像，超声探头30由于调节而具有与ERC基本相同的形状因数。

超声辅助设备20(更具体地讲，分割单元26)将MRI分割结果进一步映射在超声图像上以初始化超声分割，并且基于MRI初始化在US图像中自动分割前列腺。

此外，超声辅助设备20(更具体地讲，配准单元28)基于分割结果来配准MR图像与超声图像，并且使用经配准的MRI/US图像来执行融合成像或融合活检引导。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的MR成像线圈和两个可调节超声探头。

图2a)图示了包括MR线圈的常规已知的直肠内探头12。该探头的直径d大于用于前列腺应用的通常已知的超声探头的直径。由于这样的直肠内MR探头是技术人员所公知的，因此不再提供进一步的讨论。

图2b)图示了根据本发明的实施例的可调节超声探头30。探头30包括超声成像阵列32并且在与成像阵列32相对的一侧(即，背对成像方向)还被提供有柔性护套34，柔性护套34通过探头30的翼部36而变形，其中，探头30的直径因此可以被调节。

图2c)图示了根据本发明的实施例的另一可调节超声探头30'。可调节探头30'还包括超声成像阵列32'，然而，远侧部分(即，所图示的部分)被填充有流体38的可调节球囊34'围住。通过调节被提供在球囊34'内部的流体38的量，可以调节球囊34'的直径。正因如此，包括球囊的这样的可调节超声探头是已知的，因此可能不需要对其进行进一步的解释。

根据本发明，可调节超声探头被提供为使得在操作中包含成像阵列的有源端部的直径d与在MR成像期间使用的直肠内MR成像线圈的直径相同。在超声扫描期间，US成像探头与组织的接触将因此引起与在MR成像期间相同/相似的组织变形。为了能够使用利用可变宽度d的线圈获得的MR图像，超声探头例如能够与能够膨胀到与MR成像线圈的宽度d相同的宽度的被流体填充的或者能被流体填充的球囊相拟合。

能够关于流体填充体积来校准球囊宽度，从而给出作为所注入的流体体积的函数的宽度d。基于所使用的MR线圈宽度，用户能够注入所期望的流体体积以达到宽度d。

图3示出了基于图像对直肠内线圈宽度的确定的图示。从图3中能够看到，能够通过将圆拟合到因所使用的探头产生的暗区来确定探头的直径。

图4示出了图示根据本发明的实施例的方法的流程图。

在这种情况下，该方法开始于获得(51)对生物体内的感兴趣区域的第一图像数据的分割结果，其中，第一图像数据是先前借助于MRI探头(直肠内线圈)来获得的。

另外，该方法包括获得(52)指示由探头在采集第一图像数据时对生物体引起的第一变形的变形信息。

基于变形信息，该方法还包括确定(53)针对可调节超声探头的调节数据，使得在借助于超声探头来采集超声图像数据时，与第一变形相对应的第二变形被提供给生物体。

然后使用调节数据来控制(54)可调节超声探头。

然后使用用于初始化的对第一图像数据的分割结果来分割(55)使用经调节的超声探头采集的超声图像。

此外，基于第一图像数据和超声图像来生成或配准(56)融合图像，然后输出(57)融合图像。

为了进行准确的融合成像和其他临床任务(例如，确定前列腺体积)，期望分割前列腺的3维超声(3D US)图像。前列腺的形状以及因此分割结果取决于由超声探头在前列腺上引起的变形。基于对之前的MRI体积已经执行的分割结果，能够使用包括利用直肠内线圈(ERC)获得3D MRI，获得3D MRI中的前列腺分割，利用尺寸与ERC尺寸匹配的超声探头获得3D US扫描，将MRI分割映射在3D US上以便初始化自动化的3D US分割以及调节分割以拟合3D US中的前列腺轮廓的工作流程来准确且鲁棒地提取超声分割结果。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个处理器、设备或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

诸如分割、计算、确定、输出、处理等的操作能够被实施为计算机程序的程序代码单元和/或专用硬件。

计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是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的电信系统分布。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种超声辅助设备(20)，包括：

获得单元(22)，其用于获得对生物体内的感兴趣区域的第一图像数据的分割结果，所述第一图像数据是借助于使用与超声不同的模态的探头(12)来采集的，并且所述获得单元用于获得指示由所述探头(12)在采集所述第一图像数据时对所述生物体引起的第一变形的变形信息，

调节单元(24)，其用于确定和输出针对可调节超声探头(30、30')的调节数据，使得在借助于所述超声探头(30、30')来采集超声图像数据时，与所述第一变形相对应的第二变形被提供给所述生物体，以及

分割单元(26)，其用于使用用于初始化的对所述第一图像数据的所述分割结果来分割采集的超声图像。

2.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，所述获得单元(22)被布置为接收所述第一图像数据并对所述第一图像数据执行分割处理以获得所述第一图像数据的所述分割结果。

3.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，所述获得单元(22)被布置为处理所述分割结果和/或所述第一图像数据以获得所述变形信息。

4.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，所述变形信息包括指示用于采集所述第一图像数据的所述探头(12)的尺寸的信息。

5.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，对所述调节数据的所述输出包括以下各项中的至少一项：

向所述超声辅助设备的用户输出调节值；

确定所述可调节超声探头的当前调节量并指示所述当前调节量与根据所确定的调节数据的调节量之间的差异，以及

根据所述调节数据来控制所述可调节超声探头(30、30')。

6.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，还包括：

配准单元(28)，其用于基于所述第一图像数据和所述超声图像来配准图像并基于所述配准来输出融合图像。

7.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，所述第一图像数据是借助于磁共振成像来采集的，并且所述探头(12)包括MRI线圈。

8.根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，

其中，所述感兴趣区域是前列腺，所述探头是直肠内探头(12)，并且所述超声探头是经直肠超声探头(30、30')。

9.一种超声设备，包括：

根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)，以及

可调节超声探头(30、30')。

10.根据权利要求9所述的超声设备，

其中，所述可调节超声探头(30，30')被提供有：

被流体填充或者能被流体填充的可膨胀球囊(34')，和/或

作用在柔性护套(34)上的一个或多个可控制机械元件(36)。

11.一种医学系统(100)，包括：

根据权利要求1所述的超声设备，以及

磁共振成像设备(10)，

其中，所述磁共振成像设备(10)包括具有MRI线圈的探头(12)并被布置为向所述超声辅助设备(20)的所述获得单元提供磁共振成像数据。

12.一种超声辅助方法，包括以下步骤：

获得(51)对生物体内的感兴趣区域的第一图像数据的分割结果，所述第一图像数据是借助于使用与超声不同的模态的探头(12)来采集的，

获得(52)指示由所述探头(12)在采集所述第一图像数据时对所述生物体引起的第一变形的变形信息，

确定(53)针对可调节超声探头(30、30')的调节数据，使得在借助于所述超声探头(30、30')来采集超声图像数据时，与所述第一变形相对应的第二变形被提供给所述生物体，

输出(54)所述调节数据，并且

使用用于初始化的对所述第一图像数据的所述分割结果来分割(55)采集的超声图像。

13.一种用于超声辅助的软件产品，所述软件产品包括程序代码单元，当在根据权利要求1所述的超声辅助设备(20)上运行所述软件产品时，所述程序代码单元用于使所述超声辅助设备(20)执行根据权利要求12所述的方法的步骤。

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