[发明专利]声学外科跟踪系统和方法

说明书

公开了使用声能来获取和提供关于身体的外科特征的信息的系统、设备和方法。在一些方面，声学外科跟踪系统包括便携式声学换能器，以获得外科位置信息，从而用于将所述信息馈送到用于手术操作的外科手术系统。

相关申请的交叉引用

本专利文件要求2015年10月8日提交的美国临时专利申请第62/239,169号的优先权。上述专利申请的全部内容通过引用并入本文作为本申请公开的一部分。

技术领域

本专利文献涉及使用声能进行诊断和治疗的系统、装置和处理。

背景技术

声学成像是采用声波通过介质传播的特性来呈现(render)视觉图像的成像模式。高频声学成像数十年已在各种生物医学领域中用作成像模式，以查看动物和人类的内部结构和功能。生物医学成像中使用的高频声波可以以不同的频率操作，例如，在1至20MHz之间的频率，或者甚至更高的频率，并且通常被称为超声波。基本上，超声成像操作的原理与声音导航和测距(SONAR)相同，其中一个或多个声波的发射引起来自结构的、被接收和处理以形成图像的一个或多个回波。包括不充分的空间分辨率和组织分化的一些因素可能导致使用常规超声成像技术的低于期望的图像质量，这可能限制其用于许多临床适应症或应用。与其他成像模式相比，超声成像的实时、非离子化、便携性和相对低成本特性使其对生物医学应用具有吸引力。

发明内容

公开了使用声能来获取和提供关于身体的外科特征的信息的系统、设备和方法。在一些方面，声学外科跟踪系统包括便携式声学换能器，以获得外科位置信息，从而用于将该信息馈送到用于手术操作的外科手术系统。

在本技术的一些方面，声学外科跟踪系统(OTS)包括工程声学阵列和支撑结构，其中声学阵列提供声学耦合介质，因其涉及换能器结构以及感兴趣的身体部位。例如，声学阵列结构的多个超声换能器发射并接收用于实时跟踪骨骼的形状、位置和运动的超声波。所接收的超声回波被处理以估计骨骼的六自由度(6DoF)位置坐标，这在一些实施方式中可以与3D层析成像信息相结合。由声学OTS提供的信息可用于医疗计划、医疗程序、手术程序、全自动手术、机器人辅助手术和生物识别技术中。

在一些方面，用于外科跟踪的方法包括从多个超声换能器发射(例如，一次一个顺序地、同时地、或以错时(time-staggered)或延时(time-delayed)的方式)超声脉冲。每个发射伴随着对应于单个发射的、一个或多个换能器元件上的声学回波的接收。接收到的回波被放大、滤波并充分时间采样，以保留与来自软组织和骨骼的回波对应的所有相关频谱信息，正如奈奎斯特(Nyquist)采样定理所规定的。接收到的回波被数字采样并被存储以用于处理。在一些实施例中，所使用的波形包括扩展频谱波形，所述波形是对于有害因素(诸如频率和深度相关的衰减、电子噪声、相邻通道之间的串扰以及声学混响)高度稳健的波形。由于骨骼反射的镜面性质，相比于来自软组织的回波和来自骨骼本身内的回波，来自组织-骨骼交界的回波将呈现出不同的并且可识别的回波特征。所有骨骼(例如，股骨和胫骨)在骨骼长度上具有唯一的截面图案。将在骨骼上的一个或多个点处采样的、来自骨骼的镜面声学回波图案与根据阵列几何结构采样的图案库相匹配，以确定骨骼的形态，并且因此，根据换能器相对于空间中固定点的位置，在6DoF坐标空间中估计骨骼的定向。信号处理被应用于接收到的射频(RF)回波中存在的幅值和相位信息，以确定图案匹配并识别正被跟踪的骨骼的6DoF坐标、对沿每个换能器的轴的组织和骨骼速度和加速度的估计、还有与图案匹配相关的参数、以及对所识别的6DoF坐标的不确定性的估计。