CN104168837A - 用手持图像设备对组织进行全面检查的方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于筛查一定体积的组织的扫描完整性审核系统，包括：具有成像探头的手动图像扫描设备；位置跟踪系统，其被配置成跟踪和记录成像探头在使用期间的位置；以及与记录系统和手动图像扫描设备通信的控制器，所述控制器被配置成电子地接收和记录来自手动图像扫描设备的扫描图像，以及分别测量扫描序列内的扫描图像之间以及扫描序列之间的图像到图像间隔和扫描到扫描间隔。扫描完整性审核系统还适于在图像到图像或扫描到扫描间隔超过可接受值的情况下向操作员提供警告。

Description

用手持图像设备对组织进行全面检查的方法、装置和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月10日提交的美国专利申请号61/545,278的优先权，通过引用将其公开内容结合在此。
通过引用的结合
本说明书中提及的所有公开和专利申请通过引用结合在此的程度就好像每个单独的公开或专利申请被具体且单独地指出通过引用结合在此。
技术领域
所描述的实施例通常涉及医学成像以及用于确保被扫描和记录的图像的优质和覆盖的方法和设备。在另一方面，所描述的实施例涉及减少来自成像会话或程序的被扫描和记录的图像的复查时间。
背景技术
由于基于放射的成像技术来观察人体的内部结构在历史上的使用，医学成像通常被称为放射学。传统上，放射学的起源被归功于一位德国物理学家wilhem Rontgen，他在1895年在其对阴极射线管的研究中发现了X射线(0.01～10纳米的电磁辐射，能级范围从100eV到100KeV)。Rontgen博士发现从阴极射线管发出的辐射能够穿过具有不同吸收程度的某些形式的人体组织，而且X射线能够使照相胶片曝光。他的首次实验之一是如今著名的他的妻子的手的图像，在图像显示出的手骨上，她的结婚戒指像一个光环悬浮围绕在无名指的近节指骨上。观察人体内部结构的医学含义不言而喻，Rontgen博士在1901年获得了诺贝尔物理学奖。
观察内部结构使得放射科医生无需探查性外科手术，或者在病情恶化并进一步危害患者健康之前就能检查并诊断病情。随着成像技术的进步，医学成像的应用得到了发展。除了单一的X射线图像之外，对于放射科医生来说，多层计算机断层(CT)X射线图像现在是标准工具。采用其他能量源的成像技术也拓展了放射科医生在诊断和检查生理状态的能力，这些技术诸如有磁共振成像(MRI)、辐射闪烁检查、超声波等等。
对于这些设备和方法展示对医学成像器的实用性的进步而言，即对于将要采用到放射学实践中的这些新设备和/或方法而言，它们必须展示出有效性和效率。
对于设备或方法来说，有效性是对内部结构成像并且将内部结构的充分信息呈现给图像观察者以作出医学判断的能力。如果放射科医生希望检查抱怨病痛的患者的膝关节，则有效的成像设备或方法将能够以下面的方式区分该膝盖的内部结构，即允许放射科医生确定该抱怨的实质。如果是骨折，图像必须以某种方式显示该骨头和折断。如果是半月板撕裂，则图像必须以某种方式显示具有附接的半月板的骨结构以及半月板中的撕裂。
效率是执行有效程序所需的资源的度量。如果设备或方法能够复制现有设备或方法的有效性，并且由于材料、制造方法的进步或其他因素降低了设备成本，那么执行相同功能的过程中降低的成本或效率的增加是该进步的有用特征。如果设备或方法能够复制现有设备或方法的有效性，并且由于功能设计中的进步能够减少执行程序所需的总体时间，或者如果进步能够将时间要求从较为训练有素和熟练的人员转移到没那么训练有素和熟练的人员，则资源转移是效率提高，这是进步的有用特征。
在此描述的实施例提供了用于记录人工获取的医学图像使得这些图像在之后能被复查的设备和方法。术语“人工”是非限制性的并且包括利用这样的设备，其中图像检测机构被设计成在由人手持时使用。一部分实施例意在解决记录扫描的问题，该记录扫描充分地捕获医师或其他受训复查者所需的信息以正确地筛选或诊断患者。例如，一些实施例提供了设备和方法，用于在被扫描图像之间的距离超过最大距离的情况下警告超声操作员。在这类情况下，操作员会被警告重新扫描以确保成像的完整性。
另外的实施例提供了有效和高效的设备和方法，其允许从扫描纪录的图像在医师不可能由于与患者交互或仪器调整而分心的环境中被训练有素的医师复查，这提高了诊断的准确性和医师的检测能力。在操作员不是扫描的最终复查者的情况下，所描述的一些实施例通过减少用于复查的图像数量或在复查中为每个图像分配的时间量而减少所花费的复查时间。在这类情况下，这些设备和方法允许更训练有素的图像复查者从图像获取的耗时方面中摆脱出来，专心于与图像解释相关联的任务，并且允许操作员受益于更高度熟练人员所消耗的时间减少。
存在许多用于医学成像的应用，但是在这个领域中，癌症筛选和诊断是显著的应用。临床证据清楚地表明，癌症病变的早期检查能挽救生命，并且在患者情况表现出症状之前，医学成像是用来发现癌症病变的最先方法之一。所描述的实施例提供了设备和方法，用于记录和复查医学图像以便诊断和筛选图像复查。所述实施例的应用包括在筛选和诊断许多癌症类型(诸如前列腺癌、肝癌、胰腺癌等等)中的使用。尽管下面的论述可能参考乳腺癌检查来描述本发明的实施例和各方面，然而应当理解，该设备也能用于其他类型的癌症的早期发现，并且论述中省略了那些癌症并不限制本发明的范围。另外，所述实施例适用于一般的医学成像并且不受限于在此作为示例提供的任何特定的应用。
据估计，八个妇女中就有一个会在其生命中某一时段面临乳腺癌，并且对于年龄在40-55的妇女来说，乳腺癌是致死的病因。尽管检查和治疗乳腺癌的方法一开始较粗略且不精细，然而现在有先进的仪器和程序可用于为患者提供更积极的结果。
例如，数项研究已经表明在身体呈现之前(即，在发现明显肿块之前或者在乳房形状或外观的物理变化出现之前)检测乳腺癌肿瘤的能力已经将乳腺癌相关的死亡率降低了30％(Tabar L,Vitak B,Chen HH等人,The Swedish Two-County Trial twenty years later:updated mortalityresults and new insights from long-term follow-up.Radiol Clin North Am2001；38:625–51--IARC Working Group on the Evaluation of CancerPrevention Strategies.Handbooks of Cancer Prevention,vol.7,BreastCancer Screening.Lyon,France:IARC Press,2002.
--Tabar L,Yen MF,Vitak B,Chen HH,Smith RA,Duffy SW.Mammography service screening and mortality in breast--Shapiro S,Venet W,Strax P,Venet L,Roeser R(1982)Ten to14-year effect ofscreening on breast cancer mortality.J Natl Cancer Inst69:349–355)。Duffy展示了在发现时肿瘤的大小与生存率之间清晰的相关性(Stephen W.Duffy,MSc,CStat,*Laszlo Tabar,MD,Bedrich Vitak,MD,and JandWarwick,PhD,“Tumor Size and Breast Cancer Detection:What Might Bethe Effect of a Less Sensitive Screening Tool Than Mammography？”TheBreast Journal,Volume12Suppl.1,2006S91–S95)。
早期检测导致更积极结果的一部分原因是因为较小的肿瘤对诸如化疗和放射疗法之类的医学治疗的响应更为积极，而且较小的肿瘤不太可能转移到淋巴结和较远的器官结构。另外，较小的肿瘤更容易被全部切除，从而降低残留的活体内癌细胞倍增到可能发生转移的阶段的概率。
在肿瘤检测程序中的进步已经从根本上改变了对于肿瘤的诊断和治疗过程。随着诸如乳房X光检查之类的成像设备的出现，疑似肿瘤可以在其尺寸相对较小的时候就被定位。当今，肿瘤检查中的护理标准通常包括乳房X光检查和身体检查，这考虑到大量的风险因素，包括家族病史和过往病史(prior occurrences)。乳房X光成像的技术改进包括乳房实质组织更好的可视化而更少地暴露在辐射下，胶片质量和处理的改善，数字技术的引入，改善的成像技术，癌症诊断的更佳指导方针以及更多可用的训练有素的乳房X光摄影员。随着成像技术中的这些进步，可以检测到15毫米或更小的疑似肿瘤。这可与平均尺寸为25mm的肿瘤相比较，其中平均尺寸为25mm的肿瘤通过物理触诊或其他症状展示而被发现。更近的实质性进展已经在磁共振成像(MRI)和超声成像的技术规范中被证明。这些设备和方法已经展示了减小在检测到肿瘤时的平均尺寸的能力。在乳房癌症筛查领域，这些减小量通常已被减小到10mm以下的平均值。随着这些进步，病变位置在诊断或治疗程序执行时是可观察到的。
由于几个原因，超声已经展示在乳腺癌检测中的特殊功用。因为该技术是发射-反射检测技术而非发射-吸收检测技术(乳房X光检查正是这种情况)，并且因为声音能量源以多个频率发射，每个频率不同地与组织相互作用，所以超声不会经受如X射线一样的阴影现象(shadowingphenomenon)。超声也是最突出的手动成像技术之一。即，不是通过其他结构机械固定到位的能量发射和检测结构，而是发射和检测机构被封装在单个可以持于人类手中的设备中。该设备的便携性和小尺寸意味着其可以在地理学和解剖学上用在对于诸如X射线和MRI之类的较大的更昂贵的成像设备来说较困难的各地点。
由于相比于乳房X光检查，超声在区分腺体组织与脂肪的比率较大的女性乳房(这种情况被称为“致密乳房”)中的良性腺体组织和恶性腺体组织方面的优秀能力，超声展示了其在这些患者的癌症检测和诊断中的更大功用。Kolb(Kolb TM,Lichy J,Newhouse JH(1998)Occult cancer inwomen with dense breasts:detection with screening US—diagnostic yieldand tumor characteristics.Radiology207:191–199and)、Kaplan(KaplanSS(2001)Clinical utility of bilateral whole-breast US in the evaluation ofwomen with dense breast tissue.Radiology221:641–649)、Berg(WendieA.Berg；Jeffrey D.Blume；Jean B.Cormack；et al.,Mammography vs.Mammography Alone in Women at Combined Screening With Ultrasoundand Elevated Risk of Breast Cancer,JAMA.2008；299(18):2151-2163(doi:10.1001/jama.299.18.2151)和Kelly(Kevin M.Kelly,MD,Judy Dean,MD,W.Scott Comulada,Sung-Jae Lee,“Breast cancer detection usingautomated whole breast ultrasound and mammography inradiographically dense breasts”,Eur Radiol(2010)20:734–742)都展示了相对于乳房X光检查，在具有致密乳房的女性人群中癌症数量有引人注目且显著的增长。
医学成像应用通常可认为落入三类之一：(1)无症状患者的筛查，(2)症候患者的诊断评价(即，表现出通过筛查过程发现的症状的那些人，或者因为未参与筛查程序或筛查程序不成功而在筛查过程之外的那些人)，和(3)对治疗程序的指导(即，通过诊断测试程序确认症状从而需要某些形式的治疗的那些患者)。对这些应用中的每一个的临床需求有很大不同，如同在这三种程序中使用的成像技术的需求、应用和方法那样。
在诊断和指导程序中，会怀疑特殊的异常可能是恶性的，并且该异常的状态必须被澄清(在诊断程序之前即是这种情况)，或者确认异常是恶性的，并且该异常必须被治疗(治疗的情况)。在两种情况下，对异常位置进行映射的能力都是关键性的，而对周围组织的位置进行映射的能力却没那么关键。在两种情况下，都存在患者组织中的异物的积极识别，并且随后采取的行动是检查异物而不是检查正常的周围组织。
在诊断检查中，医师已经关心之前被表征为“异常”的特殊组织并希望对其进行表征。在疑似乳腺癌的情况下，疑似异常通常是身体发现的结果，诸如乳房特定位置的肿块的身体触诊，乳房特定位置的病痛抱怨，一定程度畸形的出现，诸如皮肤变厚、皮肤变形，异常的乳头溢液、或者诸如乳房X光检查之类的筛查成像检查上的异常结构的出现。在诊断检查之前，感兴趣的区域通常只被识别为“疑似”，而不是癌症。诊断检查的目的是确定感兴趣的“异常”区域是良性还是恶性，或者批准进一步的检查来更彻底地表征。因为结构的位置之前已经通过早先描述的一个或多个各种各样的方法而被识别，因此其位置是已知的。因此，医师期望找到该异常。
在诊断检查中，医师不关心除了识别的感兴趣区域以外的结构。在乳腺癌的示例中，诊断检查不仅仅被限制到识别出异常的特定乳房，而且还被限制到发现异常的特定乳房的一个特定象限。在其他七个象限中可能存在异常(每个乳房有四个象限)。甚至在其他七个象限中也存在癌症，然而诊断检查的目的不在于找出那些有可能、但之前未被识别的病变。诊断检查的目的在于表征已知位置的已知病变。
筛查检查不同于诊断检查，这是因为(1)它在无症状患者(即，被认为健康的患者)身上执行，所以医师期望所有内部组织都是正常的，和(2)它在整个结构上，而不只是在有预定异常的局部区域上执行。如此处所述，医师由于患者没有症状而期望正常组织，但是由于绝大部分患者没有异常，他或她也期望正常组织。在美国的乳腺癌筛查的情况下，每1,000个筛查患者中只有3到5个患者患癌。10人中仅一人有被认为足够“非正常”从而要批准进一步检查的任何组织结构。
筛查和诊断之间的对比可以在乳房X光检查过程中举例说明。因为期待是没有癌症，所以不会暗示癌症更可能在一个象限而非另一象限中。在筛查检查中，乳房X光摄影员会在两板之间压紧乳房组织，以将乳房尽可能多得拉离胸壁，从而把其组织带入X射线源和X射线检测器的区域内。X射线源和X射线检测器被固定在空间中，而患者组织被固定在曝光区域内。该过程需要很多患者操作和组织变形，以便将乳房组织拉得尽可能足够远，使其进入X射线辐射发射和检测成像设备的视野中。因为X射线辐射在对检测器曝光之前穿过整个乳房，图像是乳房内结构的“阴影”的集合，乳房的整个三维结构被简化为单个二维图像。放射科医生通过简单观察就能说出该乳房X光照片是否表示整个乳房。
在诊断乳房X光检查中，对于乳房X光摄影员来说，只压紧乳房中包含感兴趣区域的一部分是很普遍的。这些“点压缩”经常伴随有放大，结果是只有乳房的一部分出现在图像中。然而，因为放射科医生在诊断检查中不关心这些其他区域，所以图像没有呈现的组织没有意义。
与医学成像设备的所有描述一致的是映射各种组织结构的位置的概念。映射图像的能力是关键性的，因为如果识别出异常，但是医师不知道它在患者解剖结构内何处，那么该设备实际上不是有效的。三维物体的不同部分可以在不同的离散图像中看到。如果在获得图像时，患者与成像设备的相对位置是已知的，则只知道切片的相对位置。映射可以与识别出X射线对哪个肢体进行了成像一样简单，也可以与识别出小结构在完整解剖结构的复杂结构中的三维位置一样尖锐。
然而，不可能将所有结构“映射”为单个二维视图，这是因为人体解剖结构和人体组织结构是三维的。例如，如果X射线揭示两个阴影或感兴趣区域，则设备无法确定两个阴影中的哪一个最接近能量发射器，哪一个更接近能量检测器。典型的乳房X光照片包含两个图像，每个图像通过在不平行的平板上压缩乳房而获得，使得病变的位置可以通过立体定位计算来确定。具体地，感兴趣区域的位置通常被描述为它在乳头上方还是下方，以及它在乳头中间还是侧面。例如，“上外”象限中的病变是位于乳房的一个部分中的病变，该部分最接近肩膀、在头尾位视图(cranio-caudadview)上显示为在乳头侧面(“外”)、且在内外斜位视图(medial-lateral-oblique view)上显示在乳头上方(“上”)。
成像设备的另一个家族通过将顺序的平行平面上的超过一个图像作为机器人要素来映射细胞组织，将成像设备平移到待研究的患者解剖结构的一部分上方。每个图像是待成像的细胞组织的区域的一个切片或截面。
计算机断层X射线(CT)和磁共振成像(MRI)对解剖结构的多个“切片”或截面成像。每个切片或帧是离散图像，该离散图像描述该截面内包含的所有结构，但没有描述相邻切片中包含的信息。计算机断层X射线(CT)系统使用一机构在患者整个身体上方移动X射线源和检测器。磁共振成像设备要求患者在被确实地整体移动经过成像结构时，固定地以可能的卧姿躺下。该移动的平移速率由机械机构控制。这些设备都使用某种形式的机器人来控制成像设备向患者的平移、或者患者向成像设备的平移，使得每个图像可以被映射。机器人控制被设计成包含实时反馈机构来引导扫描和接收机构的路径、以及指引扫描和接收机构平移的速度。这种实时控制的目的是确保存在完全覆盖(路径遵循所指引的过程)并且图像被均匀地隔开(为了确保适当的分辨率)。控制速度的首要目的是大多数记录设备以规律的时间间隔进行记录。由恒定平移速度(例如，毫米/秒)划分的恒定的记录间隔(例如，帧/秒)会导致图像的规律间隔(例如，帧/毫米)。
不同于机器人设备，当手动成像设备获得图像时，该设备的位置并不由外部机械结构控制。如果设备不知道握住设备的手在空间中的哪里，则设备不知道成像部件在空间中的哪里。因此，设备不知道图像在空间中的哪里。解决该问题的一种方式是用提供图像的空间信息的位置传感器改进手动设备。例如，使用获得覆盖期望区域的规律间隔的图像的手动扫描，以便用人类操作员代替机器人控制、并使用来自位置传感器的信息在人类扫描时动态地且实时地引导他或她，从而在探头在患者身上平移时调整探头的位置、角度和速度。如果用户实际上对提示作出响应并且实时调整他或她的平移动作，则探头将以恒定速度在皮肤上平移并且图像将以规律的间隔被记录。然而，该方法的一个缺点是没有质量控制来确保用户适当地对提示作出响应并且图像实际上以规律的间隔被记录。如果程序仅仅假定用户做出了调整，保存处于假定位置的图像，并且并不确认图像的实际间隔，则情况会加重。该方法的另一个缺点是对于操作员来说，不断被提示调整关于扫描的参数可能是恼人的。如此，存在着对允许手动扫描而无需操作员以恒定速度扫描目标区域的方法、设备和系统的需求。此外，存在着对于一种系统和方法的需求，该系统和方法在扫描程序期间与操作员交互以便动态或非动态地提供反馈，不需要操作员在扫描期间改变扫描技巧。而是，向操作员提供反馈以便在程序过程中而不是必须在实际扫描迭代过程中重复或重新扫描。
如果离散图像显示特定的感兴趣区域，则具有该离散图像的绝对映射信息是有用的。如果特定感兴趣区域的位置是所需的全部，则没有必要知道图像组内的每个离散图像的相对位置和方向。然而，如果希望重建图像组的三维映射，则相对定位信息是关键性的。一个离散图像可能不平行于相邻图像的方向，或者就此而言，不平行于该图像组中的任何图像。一个离散图像和另一个之间的间隔可能与该图像组内任何其他对离散图像之间的间隔不相同。如果图像程序的目的仅仅是使用图像信息来映射一个区域，则这些不一致并不重要。仅仅必须确定的是该图像组内的所有离散图像内的每个像素的位置。如果希望根据覆盖和分辨率来确定映射的质量是否足够，则这些不一致是重要的，如在本发明的说明书中稍后描述的那样。
在任何筛查程序的功效中考虑的另一因素是分辨率、或者操作员在成像技术的限制内解析期望大小的图像的能力。熟悉图像复查技术的大多数操作员很熟悉在描述二维图像时分辨率的概念，诸如那些呈现在电视屏幕上的图像。例如，在二十世纪，标准电视广播呈现在x-y网格中显示的图像、或光源、或像素，所述图像是704x480像素、有4比3的纵横比(即，屏幕宽度比高度大1/3)。每个像素是色彩均匀的一个点。如果电视图像具有70.4cm x48cm的结构并且显示在704x480像素的屏幕上，则每个像素描述大小为1mm x1mm的图像部分。在这些条件下，这些图像区分或“解析”如人类头发(0.2mm)之类的较小结构的能力是不可能的。与用照相机在物体上放大相反，在图像上放大不会改变分辨率。如果扩展屏幕的四分之一来适应整个屏幕的大小，则整个屏幕只会包含171x120像素的信息。显示将仍是704x480像素，但是扩展的图像不会包含更多信息，较小图像中的单色的单像素会被呈现为四个相邻的像素，分别具有相同的颜色。实际上，通过使屏幕的该部分更大，单独的小像素会被较大“像素”替代，而分辨率不会改变。现代高清晰度(HD)电视呈现1920x1080像素格式的图像。当进行调整从而改变纵横比(用16:9代替4:3)时，现代电视图像能够解析比20世纪的704x480像素广播模式小2.5倍的结构。现代的高清晰度电视能够区分或解析人类头发。
解析x-y呈现中的较小结构的能力会影响操作员解释二维图像的能力。甚至当分辨率足以用一些方式呈现小物体的时候，操作员也不能区别该小物体的精确性质，除非分辨率还能够呈现关于该物体的形状和纹理的更多细节(即更小的特征)。医学图像一般有很宽范围的分辨率要求，并且那些要求经常是技术状态的函数。早期的超声设备在线性阵列中封装64个成像元素，并且不能解析小于2mm的特征。这些设备在各式各样的医学成像性能方面发挥功效。现代超声设备有256个成像元素并且能够容易地解析亚毫米特征，且该设备的功效随着增长的分辨率性能已经扩展。
分辨率水平能够沿维度轴变化。例如，标准超声系统(美国马萨诸塞州安多佛的Philips Healthcare的iU22)的一个制造商从在52mm长的阵列上具有256个活动元件的超声换能器产生图像。该系统可以设置成对组织的可变深度成像。该系统的设计允许它每个元件产生超过一个的像素，且该图像以600像素x400像素的格式被显示在视频监视器上，每个像素表示图像平面空间中的独一组织结构。因此，以5cm的深度设置从该系统获取的超声图像在横轴或X轴中具有11.5像素/mm的分辨率，在深度或Y轴中具有8.0像素/mm的分辨率。将深度设置变为4cm会把Y像素分辨率变为10.0像素/mm(X像素密度保持不变)。
在三维成像中，平移分辨率可能与每个离散图像的平面展示中呈现的分辨率大不相同。即使任何一个离散图像的X-Y展示的分辨率足以区分1mm的结构，如果离散图像之间的间隔或“Z”向量大于1mm，则也有可能整个丢失1mm的结构。如果假设感兴趣区域为球形并且要求的Z间隔向量的间隔是成像设备的X-Y分辨率的函数，则用最现代的成像设备，如果离散图像之间的间隔小于用于感兴趣区域检测的最小要求的尺寸的1/2，则假定至少一个离散图像将呈现尺寸大到能在该离散图像的X-Y展示上被解析的病变的截面是合理的。通过举例的方式，如果操作员希望查看1mm的感兴趣区域，且离散图像之间的间隔大于0.5mm，则该1mm感兴趣区域的最小截面展示是0.86mm。如果图像的X-Y分辨率小于0.86mm(这是采用最现代化的手持成像设备(诸如超声)时的情况)，则图像内分辨率是足够的。早期的CT设备有8个离散图像。尽管任何单个X-Y切片能解析小至毫米的病变，然而切片间的间隔使得小于8.6mm的病变的分辨率不可靠。现代的64切片CT设备具有0.5mm的切片间间隔，这使得诊断毫米级病变的能力成为可能。
此处在一些实施例中所用的个体图像切片被称为“离散图像”，而在单个扫描序列中获得的离散图像组被称为“离散图像组”或“扫描轨迹”。此外，在一些实施例中，“扫描”或“扫描序列”或“扫描路径”或“离散图像组”被用来指代当手持成像探头被放置为接触患者并且从患者一个部位移动到另一个部位时顺序记录的多个图像。
当映射组织图像和确定分辨率时，绝对和相对坐标几何的清楚理解是基本的。因为离散图像通常以二维格式呈现，所以无论在纸上或者在视频屏幕上，该格式的映射通常以兼容于笛卡尔坐标系的X和Y轴的方式被呈现。例如，之前描述的Philips超声设备在视频监视器上以600像素x400像素的格式显示图像。因此，以5cm的深度设置从该系统(具有宽度为5.2cm的探头)获取的超声图像在X轴上是0.087mm/像素，且在Y轴上是0.125mm/像素。
该序列中的第二图像也表示5.2cm x5cm的组织切片。对应像素是在两个图像中处于相同的X-Y坐标的像素。一个图像的第一行的第一像素的X-Y位置对应于第二图像的第一行的第一像素的X-Y位置；第一行的第二像素的X-Y位置对应于第一行的第二像素的X-Y位置，以此类推，直到第一图像的最后一行的最后像素的X-Y位置对应于第二图像的最后一行的最后像素的X-Y位置。
手持成像设备依赖人类操作员在待检查组织上平移成像探头，并且呈现与机器人设备大不相同的分辨率挑战。单个图像的X-Y分辨率可以与别的方法可比较。例如，现代超声系统中的像素间隔是0.125mm，大约与乳房X光检查相同。手持设备功效中的首要挑战是映射单独图像的能力，在图像组中的离散图像之间进行解析的能力，以及确定图像组的族是否表示结构的完全覆盖的能力。
如早先所述，筛查检查要求用户对组织的“全部”成像。看见组织的“全部”更多的是覆盖功能，而非分辨率功能。覆盖或视野是对成像区域的范围的描述，而不是成像质量。仅成像肾脏一半的肾脏X射线可以具有良好细节的分辨率，但是它没有覆盖整个肾脏。因此，整个乳房的模糊的乳房X光照片“覆盖”整个乳房，但是无法具有足够的分辨率从而成为有用的检查。
此处用到的术语“覆盖”并非意在被限制到任何特殊含义。该术语宽泛地至少包括在医学成像会话过程中被成像的距离、表面、体积、区域等等。例如，确定扫描覆盖将包括评价在两个或多个扫描轨迹组中(之间)包含的图像的相对位置中是否存在任何间隙(例如，扫描到扫描间隔或距离)。作为比较，分辨率至少描述每个单独图像的X-Y和x-y-z分辨率，以及单个扫描轨迹内的离散图像的相对间隔(例如，图像到图像间隔或距离)。
用X射线或MRI或CT扫描，单个图像或切片将趋于覆盖尺寸可能为30cm或更大的截面中的所有组织。然而，典型的超声探头的尺寸是4cm到6cm。它将需要6cm的超声探头的五个或更多的平行扫描轨迹组来包围相同的组织体积，该组织体积能够用单个30cm的乳房X光摄影来成像。
机器人设备已经被用来在之前实现覆盖，因为预先确定了期望视野并且系统能够计算适当的平移扫描路径以包围该视野，并且系统被编程为沿着预先确定的路径平移能量扫描和接收元件。相反，手动成像设备基于人类操作员的技术经验和主观判断来操作。被扫描的记录图像的质量、特别是覆盖取决于操作员变化很大。例如，如果操作员扫描得过快，则扫描序列中的图像可能隔开太远而不能显示潜在的癌症区域。类似地，如果操作员将两个扫描序列分隔开太远，则在扫描行之间可能存在未被扫描用于复查的区域。如此，所述的一些实施例提供了方法、设备和系统，用于记录图像以确保在手动扫描会话过程中记录的图像具有足够的覆盖。
在一些实施例中，此处用到“扫描轨迹”指的是通过医学成像方法、设备或系统记录的任何离散图像组。该离散图像组可以用任何方法或设备获得。在一些情况下，当操作员(1)将探头置于患者身上时，(2)开始记录图像时，(3)平移探头越过皮肤表面时，(4)停止记录图像时，获得该离散图像组。在其他实施例中，扫描轨迹是在个体离散图像之间具有独一的相对间隔的连续离散图像组。在这样的情况下，该离散图像组可以包围与成像探头设计所容许的一样宽，与成像探头容许进入组织一样深，以及与在跨皮肤平移探头时记录图像的动作能完成的一样长的体积。
传统的乳房X光检查或机器人设备与传统的手持成像技术之间的另一个不同是，乳房X光检查和机器人设备取决于将成像过程分成两个步骤，(1)记录图像，和(2)复查图像。用手持设备，图像可以实时呈现，使得复查者可以动态地复查结构。当实时执行程序时，熟练的操作员可以相信他或她能训练有素地适当地平移探头以完全覆盖乳房以及以适当的速度平移探头，并且可以相信他或她不需要实时反馈来实现这些目标。当实时图像被一个操作员记录以便供另一个人随后复查时(这是解决与筛查相关联的时间限制所必需的)，在适当情况下，复查者不具有确认图像位置的能力，他或她也不具有确认相邻图像之间的间隔的能力。复查者不具有确定“z”平面中的分辨率的能力。因为该复查者不知道离散图像的每个扫描轨迹组的相对位置，所以复查者不具有关于这些组构成的族是否表示完全覆盖的概念。
为了此讨论的目的，假设卡迪尔坐标系的X和Y轴被用来定义包含大量像素的超声扫描派生图像的二维阵列，其中术语像素指的是视频屏幕图像的基本单位并且可以由定义了X和Y坐标的零位置的任何预定坐标系中的X和Y坐标值来定义。这些二维超声图像由包括线性扫描阵列的超声探头产生。现代的高端扫描阵列由封装在超声探头中的256个发射和接收换能器组成，所述换能器线性阵列的宽度为38mm到60mm。这些换能器线性阵列产生相邻像素之间的间隔在0.06mm到1mm的图像。超声派生的平面图像内的每个单独像素由独一的X和Y坐标值定义。每个超声扫描派生的二维图像内的二维分辨率或二维像素密度(即，图像的每平方厘米的像素数量)是恒定的，并且是超声系统硬件的函数，并且对于扫描过程中的每个相邻图像来说都保持相同。该分辨率允许例行识别小至1mm到5mm的组织异常(例如，癌症)。
三维重建中的首要挑战是XYZ卡迪尔坐标系的第三轴(即Z轴)中的相邻像素之间的间隔，以及在扫描过程中获得的离散图像组的族的相对位置。
沿Z轴的间隔部分地取决于在任何两个顺序且相邻的二维图像的产生之间超声探头的位置和角度的变化率。两个顺序二维图像之间的间隔的变化取决于五个因素：
第一因素是超声系统硬件和软件能够处理反射的超声信号以及重建二维图像的速率(即，每秒完成的二维超声扫描的数量)。
第二因素是被显示图像能够例如由数字帧捕捉卡记录的速率。通过举例的方式，如果超声系统每秒显示10个离散图像，而帧捕捉卡每秒能记录20帧，则记录的图像组将有20个图像，但是事实上只有10个离散图像，每个图像有一个副本。又例如，如果超声系统每秒显示40帧，而帧捕捉器每秒记录20帧，则记录的图像组将具有20个离散图像，但是将无法记录额外的20个离散图像。
第三因素是超声探头沿扫描路径平移的速率。通过举例的方式，操作员移动超声探头越快，Z方向上的间隔就越大，和/或超声系统硬件和软件能够处理反射的超声信号并构建二维图像以及图像记录硬件能存储处理后的图像的组合速率就越慢(即，每秒记录和存储的已完成二维超声扫描的速率越慢)，Z方向的间隔越大。相反地，如果操作员更慢地移动超声探头，则Z方向中的间隔就越小。
第四因素是扫描过程期间手持探头的相对方向。因为探头并不由机械机构刚硬地握持，所以相邻帧之间的平移距离并不恒定。例如，如果图像组内的离散图像完美地平行，则对于两个离散图像中的每一对对应像素来说，对应像素之间的Z间隔相同。如果探头沿横轴旋转(枢转或倾斜)，则一对图像顶端的对应像素的Z间隔将不同于一对图像底端的对应像素的Z间隔。如果探头沿其纵轴旋转(滚动)，则一对图像左侧上的对应像素的Z间隔将不同于一对图像右侧上的对应像素的Z间隔。
第五因素与探头沿其垂直轴的旋转(左右摇摆)相关联。如果当垂直轴上的旋转不同时记录了两个图像，则该图像对中的两个对应像素之间的距离不同。
除了确定扫描轨迹组内的离散图像之间的间隔之外，理解扫描轨迹组的族内的单独的扫描轨迹组之间的相对关系也很重要，其中扫描轨迹组的族描述了完全扫描。这个变量是覆盖功能中的一个重要因素。如果单个扫描轨迹内获得的图像充分覆盖了组织，则无需第二扫描轨迹。如果单个扫描轨迹在宽度或长度上过小以至于不能覆盖整个组织结构，则需要第二扫描轨迹。因为每个扫描轨迹都有其自己的离散图像组，并且因为每个离散图像都有其自己的映射位置坐标，则可能的是，确定两个单独的扫描轨迹是表示组织的正好同一区域，还是有一部分重叠的相邻组织区域，还是没有重叠的相邻组织区域，还是之间有一些间隙的相邻组织区域，还是彼此无解剖学关系的组织区域。
如果任何两个相邻扫描轨迹之间的扫描轨迹可被重建以形成覆盖中无间隙的连续图像区域，并且如果重建范围包含了待成像的整个组织结构，则多个扫描轨迹的重建可以描述覆盖区域。
如之前所述，现有技术依赖于机器人机械来计算扫描轨迹的数量、方向和范围(长度)，其中所述扫描轨迹被需要用来进行完全覆盖和控制扫描变量((1)图像刷新率，(2)图像记录速率，(3)探头平移速度，(4)探头沿横轴和纵轴的旋转，和(5)探头沿垂直轴的旋转)，使得所得到的扫描轨迹的族包含的图像具有进行组织的“完整”检查所需的覆盖和分辨率。
超声成像的机器人方法需要使用昂贵的机械装备，该机械装备还经受定期服务和校准以保证机器驱动的超声探头处于保证实际上已经达成目标活体组织的完整及系统的诊断超声扫描所需的假定位置和计算方向。
本发明的目的是按照覆盖区域和该覆盖区域内的图像的相对间隔的分辨率实现和保证目标组织(例如人体乳房)的超声诊断扫描的完整性，而无需机器人机械系统对超声探头的支撑、平移和计算方向控制。一些实施例使得能够使用手持诊断超声探头扫描方法，同时保证实现目标组织的完整扫描。
与成像要求对于实现实用筛查技术一样重要的是，时间限制也会影响设备的实用性，从而影响其功效。Berg等人描述了执行双乳的手动超声筛查检查的平均时间是19分钟，且中值时间是20分钟(Wendie A.Berg；Jeffrey D.Blume；Jean B.Cormack；et al.,Mammography vs.Mammography Alone in Women at Combined Screening With Ultrasoundand Elevated Risk of Breast Cancer,JAMA.2008；299(18):2151-2163(doi:10.1001/jama.299.18.2151)。该时间没有考虑到放射科医生从读取室走到超声检查室所花的时间、与患者交互所花费的时间、或者从超声检查室回到读取室所花费的时间。
查看实际图像所需的时间要短得多。通过举例的方式，标准筛查超声检查涉及在根据许多扫描规范之一扫描的一系列行中获得的2,000到5,000个图像。如果记录的图像被重建并且作为影片(其是一组离散图像的顺序显示，如电影一般)观看，使得该查看体验与操作员实时地执行手持程序所经历的体验一样，那么复查时间将短至200秒(小于4分钟)。影片展示的概念可追溯到一个多世纪之前的爱迪生，但是Freeland在1992年描述了使用影片观看技术来复查超声图像(5,152,290)。
对于训练有素的放射学技师来说，执行大多数放射程序的成像功能是标准做法。技师的责任是获得优质图像并将其呈现给放射科医生来解释。用举例的方式，获得并记录标准的4视图乳房X光照片所需的平均时间是10分钟到15分钟，而放射科医生可以在小于两分钟内解释那些图像。
如前所述，尽管当训练有素的熟练的操作员亲自执行手动检查时，他们无法客观地确定覆盖区域的完整性和扫描的分辨率(根据相邻图像之间的相对间隔)，但是他们也可能主观地相信覆盖和分辨率是充足的。然而，如果复查者正在观察由另一个操作员记录的一组图像，复查者不可能有任何可防御的手段来确定覆盖区域是否表示整个组织，或者确定用图像之间的间隔表示的分辨率满足用户需要的最小标准。如在此处的一些实施例中所述，映射图像以及计算所得到的图像组的分辨率和覆盖提供了划分成像和复查任务的能力，从而提供了与按照由一个人记录且由另一个人复查并且仍能提供关于前述分辨率和覆盖的某种置信度水平的方式执行程序相关联的时间节省。
为了分辨率和覆盖来映射图像也使影片复查过程能够加速进行。加速复查减少了放射科医生的时间需求，从而为操作员提供了实用性。标准的影片复查快速连续地、但是以恒定的时间间隔(帧/秒，或fps)呈现一系列离散图像，其中每个帧的停留时间是该时间间隔的函数。通过举例的方式，如果检查中的期望的帧到帧分辨率是1mm，并且图像正好以1mm间隙被记录，并且如果以10fps复查那些帧，每一帧的停留时间是0.1秒/帧，则复查10cm的离散图像(100个图像)的扫描轨迹的时间是10秒。如果图像正好以0.1mm的间隔被记录(1,000个图像)，则复查时间是100秒。尽管那900个额外图像中存在额外的信息，然而对于医生复查该轨迹的额外的1.5分钟时间来说，可能不能保证患者照护的渐增改善。如果考虑到对于每个乳房存在多达16个这类扫描轨迹，则时间差将是320秒(刚超过6分钟)比3,200秒(刚超过1小时)。
通过改变连续离散图像之间的停留时间并且将该停留时间作为相邻图像之间的距离的函数来计算，所述的一些实施例提供了系统和方法来提供加速的复查时间。所得到的展示将以覆盖距离/秒(dcps)而非帧/秒来提供。通过举例的方式，如果系统记录了19个图像，那些图像的Z平面位置是0.0mm、0.7mm、0.9mm、1.9mm、2.5mm、2.8mm、3.6mm、3.7mm、4.0mm、4.7mm、5.1mm、5.6mm、6.6mm、7.0mm、7.6mm、8.2mm、8.5mm、9.5mm和10.0mm，那么以10fps(停留时间0.1秒/帧)对那19个图像的复查时间是1.8秒。如果用基于每秒成像的组织的量和离散图像之间的间隔的标准为各个单独的停留时间分配独一的值，则复查时间将被大大地缩短。通过举例的方式，如果早些所述的19个图像的停留时间分别被改变为0.07秒、0.02秒、0.1秒、0.06秒、0.03秒、0.08秒、0.01秒、0.03秒、0.07秒、0.04秒、0.05秒、0.1秒、0.04秒、0.06秒、0.06秒、0.03秒、0.1秒和0.05秒，则复查时间是1.00秒。
一些实施例还提供了通过只显示那些提供操作员认为有用的增量信息的图像来加速复查时间的方法。例如，如果用户选择图像之间的1.0mm的最佳分辨率，并且如果在那1.0mm间隔中有超过一个的图像，则额外的图像是冗余的。该系统和方法可以选择不显示那些冗余图像。进一步通过前一段落中所述图像的示例，如果操作员选择1.0mm的最佳图像间隔，则系统将只显示那些在0.0mm、0.9mm、1.9mm、2.8mm、3.7mm、4.7mm、5.6mm、6.6mm、7.6mm、8.5mm、9.5mm和10.0mm记录的图像。在0.7mm、2.5mm、3.7mm、4.0mm、5.1mm、7.0mm和8.2mm记录的图像将被剔除。如果保留的图像以10fps显示(0.1秒/帧的停留时间)，则图像复查时间是1.1秒，而不是复查所有图像所需的1.8秒。
用于减少放射科医生所需的复查时间的另一系统和方法将剔除其信息完全被包含在另一组离散图像内的图像。举例来说，如果操作员正在复查包含12组离散图像的乳房扫描，每个图像发自乳头并以12钟点位置的每一钟点位置径向地延伸到乳房基部，在那些离散扫描组的一部分内将存在这样的图像，即其图像组织结构与其他图像或图像组重叠或者部分地或完全地被其成像。举例来说，如果因为覆盖半径随着扫描离乳头越近而减少，当正在执行12点钟扫描的5mm的探头离乳头仅1cm时探头从10点钟延伸至2点钟，并且当正在执行3点钟扫描的探头离乳头仅5mm时探头从1点钟延伸至5点钟，则在这两个扫描之间有大量且可能完全的重叠，并且通过在离乳头5mm的1点钟扫描和离乳头5mm的2点钟扫描所记录的图像包含了冗余信息。如果从复查组中移除那些图像，则结果是时间节省。该系统和方法教导了一种区分扫描中哪些图像包含有在来自其他离散图像组的一个或多个图像中完全或部分包含的信息、并且将那些图像从复查组中移除的手段。图像中的信息的重叠可以是从大约10％到大约100％的范围中的任何位置。在一些实施例中，具有80％到100％与其他图像重叠的信息的图像从复查图像组中被移除。
发明内容
所描述的一些实施例提供了方法、装置和系统，用于在对诸如人体乳房之类的目标人体组织的手持成像扫描中，确定离散图像组或扫描序列内的离散图像的图像到图像间隔的分辨率或间隔，并确定多个离散图像组或扫描序列的覆盖。在一个实施例中，每个扫描序列内的图像到图像分辨率的范围是大约0.01mm到10.0mm。在另一个实施例中，每个扫描序列内的图像到图像分辨率是大约0.1mm到0.4mm。在又一个实施例中，每个扫描序列内的图像到图像分辨率是大约0.5mm到2.0mm。
在另一个实施例中，每个扫描序列内的图像到图像分辨率的范围是在9,000和180,000,000像素/立方厘米之间的像素密度。在其他实施例中，像素密度在22,500和18,000,000像素/立方厘米之间。在另外的实施例中，像素密度在45,000和3,550,000像素/立方厘米之间。
在一些实施例中，用相邻扫描轨迹的边界的重叠表示的覆盖范围在约-50.0mm到+50.0mm之间(其中负的重叠值表示相邻扫描轨迹的边界之间的正的间隙值或间隔)。在其他实施例中，相邻扫描轨迹的边界的重叠在大约-25.0mm到+25.0mm之间(负的重叠值表示相邻扫描轨迹的边界之间的正的间隙值或间隔)。在另一些实施例中，相邻扫描轨迹的边界的重叠是大约-10.0mm到+10.0mm(负的重叠值表示相邻扫描轨迹的边界之间的正的间隙值或间隔)。
手持成像程序的示例包括但不限于超声检查。达到用户定义的覆盖和分辨率水平的客观确定是关键的，特别是当一个临床医生在手持扫描过程中执行记录功能的时候，以及当在记录程序中不在场的其他医生复查那些预先记录的图像的时候。覆盖和图像到图像分辨率或间隔的客观确定对于训练有素的临床专家在扫描程序后对被记录图像的后续复查是很关键的，以便确保后续的复查不会由于无意中遗漏了目标组织体积的一些区域而导致错误的负面评估。这种遗漏可能由下列情况导致：意在覆盖组织结构的连续手持扫描之间的无意中的过大间隔，单次手持扫描内的过大的图像到图像间隔，该过大的图像到图像间隔可能起因于在扫描诸如人体乳房的目标组织体积的过程中手持成像探头的平移速率变化和/或手持成像探头的过大的方向变化率。
通过在相对于手持成像探头成像元件的设计几何形状的预定位置处在超声探头的主体上附装位置传感器可以实现手持成像探头的位置和计算出的方向的跟踪。三个或更多传感器被附装到手持成像探头，以实现手持成像探头成像元件的位置(即x、y、z坐标)的计算以及手持成像探头主体的纵轴的方向的计算。所述方向与图像的轴(例如射入被询问组织的平面超声波束)重合。
根据一些实施例，手持成像探头的成像元件的位置的精确且动态的计算使得能够确定沿组织表面完成的手动扫描顺序路径的实际空间位置和计算出的方向。沿着组织表面的每个手动扫描顺序路径的计算出的位置和计算出的方向、结合有关每个记录图像的空间尺寸的信息，使得能够进一步计算扫描序列之间的物理间隔或距离。该计算可以在手动扫描过程或程序的过程中快速完成，并且可视和可选的可听提示以及图像被提供以示出所完成的扫描序列的路径，从而识别哪里需要重新扫描。这种相邻扫描序列之间的距离的程序内(intra-procedure)计算可以确定用手持成像探头是否实现了目标组织体积的完整覆盖。因此，通过保证各个扫描序列重叠或被可接受的距离隔开，该相邻扫描序列之间的距离的这种程序内计算可以保证完成的扫描序列覆盖了目标组织结构。
另外，根据本发明的教导，手持成像探头的成像元件的位置的精确且动态的计算使得能够确定沿着组织的目标限定体积的组织表面完成的顺序手动扫描路径内的每个图像的实际空间位置和计算出的方向。通过使用每个手动扫描顺序路径的计算出的位置和计算出的方向、以及有关每个记录图像的空间尺寸的信息，可以确定被扫描路径中的离散图像之间的物理间隔。该计算可以在手动扫描过程期间快速完成，并且可视和可选的可听提示以及图像被提供以示出被完成扫描序列的路径，从而识别哪里需要重新扫描。通过识别无意中被不可接受的大距离隔开的被完成离散扫描图像之间的距离，相邻扫描序列之间的距离的这种程序内计算可以确定用手持成像探头是否达到了目标组织区域的图像到图像分辨率。
另外，根据一些实施例，通过使得能够对于任意两个连续的时间步长计算在被扫描组织的最大深度处的平面图像之间的弦长度，手持成像探头的纵轴的方向(因此是其发射的平面成像波束的方向)的精确且动态的计算(基于三个或多个传感器的位置)使得能够计算图像到图像分辨率或间隔，其中在任意两个连续的时间步长中，在沿组织表面的任何手动扫描序列过程中获得并记录图像。在沿组织表面的手动扫描序列过程中手持成像探头的计算出的方向变化率(从附装到该手持成像设备的位置传感器导出)使得能够进一步计算扫描序列过程中的两个连续时间步长之间的平面超声扫描之间的物理间隔(即，弦长度)。对于任何两个连续的时间步长获取并记录的手持成像平面扫描之间的弦距离的这种程序内计算可以保证按照图像到图像分辨率或间隔实现目标组织区域的完整的手持成像扫描。这通过位置变化计算来实现，从而识别出任何这样的已完成扫描序列，在该已完成扫描序列中，相邻离散图像之间的在最大询问深度处的弦距离不可接受的大。
另外，根据一些实施例，通过使得能够对于任意两个连续的时间步长计算从组织表面到被扫描组织的最大深度的两个平面图像的边之间的弦长度，手持成像探头的横轴的方向(因此是其发射的平面成像波束的方向)的精确且动态的计算(基于三个或多个传感器的位置)使得能够计算图像到图像分辨率，其中在任意两个连续的时间步长中，在沿组织表面的任何手动扫描序列过程中获得并记录图像。在沿组织表面的手动扫描序列过程中手持成像探头的计算出的方向变化率(从附装到手持成像设备的位置传感器导出)使得能够进一步计算扫描序列过程中的两个连续时间步长之间的平面超声扫描之间的物理间隔(即，弦长度)。对于任何两个连续时间步长获取并记录的手持成像平面扫描之间的弦距离的这种程序内计算可以保证按照图像到图像分辨率实现了目标组织区域的完整的手持成像扫描。这通过位置变化计算来实现，从而识别出任何这样的已完成扫描序列，在该已完成扫描序列中，相邻离散图像之间的在最大询问深度处的弦距离不可接受的大。
一种用于按照图像到图像分辨率/间隔来保证任何个体扫描序列(例如，在乳房的乳头开始并在乳房边界的周边以外的胸部表面结束而扫描的任何个体路径)的完整性的替代性方法涉及计算扫描序列的扫描体积内的每单位体积中的像素密度。在乳房的超声检查的情况下，扫描序列的扫描体积是通过以下参数来定义的体积：(a)超声波束的宽度，由超声换能器阵列的长度定义(例如，5cm)；(b)超声波束渗透进入目标活体组织的记录深度(例如，5cm)；和(c)在个体扫描序列中横越的总长度(例如，15cm)。然后把该总体积(此示例中为375立方厘米)细分成单位体积(例如，尺寸为1.0cm x1.0cm x1.0cm的立方体积)。对于本示例，扫描体积会被细分成375个单位体积。该单位体积内的超声像素的数量是每个离散超声图像的被限定为处于单位体积的三维边界内的部分中的像素总数量。计算每个单位体积中包含的超声扫描像素的数量，然后将这个数值与预定的最小像素密度数值进行比较。如果扫描体积内的任何单位体积(即，本示例中的375个单位体积中的任意一个)内的计算出的像素密度小于最小像素密度，则在扫描序列结束时警告操作员：刚完成的扫描序列是不完整的并且必须被重复，该警告包括改善扫描方法的指示(例如，减小手持超声探头在重复的扫描序列期间的扫描速度和/或方向变化率)的显示。
除了把空间上布置的位置传感器附装在手持及手动应用的成像探头上之外，另一个实施例还提供了接收设备来检测和数字地记录并存储一组数字化的数值，其表示在每个时间步长中手持成像探头的位置和计算出的方向以及与所述位置和计算出的方向相关联的时间(即，加上时间标记的位置和计算出的方向数据)。此外，数字数据存储设备提供了每秒多次地记录手持成像图像数据，图像也被加上时间标记以便由能够对手持成像图像进行专业分析的个人或软件进行后续复查，以检测目标组织体积内的疑似病变的存在。
一旦已确认手持成像扫描的完整性(并且如果目标组织体积内的任何区域未被扫描，则重复扫描序列)，则可以通过以规律的时间步长(例如，每秒6到12帧)回放被记录的图像来复查完整的一组连续手持成像图像。
根据本发明的一个方面，提供了一种成像系统，用于获取由像素阵列I(x,y,z)表示的目标体积的二维图像序列，该成像系统包括：[a]手持成像探头，用于沿着可以被预先确定或者可以在操作员执行程序时动态地确定的路径扫描所述目标体积，并且生成表示沿所述扫描路径分隔开的多个平面上的所述目标体积的截面的数字化二维图像的序列；所述扫描路径可以是由扫描人员确定的任何几何路径并且无需是线性的；[b]数据存储媒介，用于存储与数字化二维图像序列中的每个二维图像的每个像素相关联的数字数据、以及其他相关图像数据，所述其他相关图像数据定义所述二维图像在所述存储器中的位置、以及定义与所述二维图像内的像素的相对位置和所述目标体积内的相邻二维图像中的像素的相对位置相关的解释信息；以及[c]软件算法，用以确定所述目标体积内的相邻二维图像中的像素的相对位置是否超过预定限制。
根据本发明的另一方面，提供了一种成像系统，用于获取由像素阵列I(x,y,z)表示的目标体积的两个或更多二维图像序列，该成像系统包括：[a]手持成像探头，用于沿着可以被预先确定或者可以在操作员执行程序时动态地确定的两个或更多扫描路径扫描所述目标体积，并且生成表示沿所述扫描路径分隔开的多个平面上的所述目标体积的截面的两个或更多数字化二维图像序列；所述扫描路径可以是由扫描人员确定的任何几何路径并且无需是线性的；[b]数据存储媒介，用于存储与所述数字化二维图像序列相关联的数字数据、以及其他相关图像数据，所述其他相关图像数据定义所述二维图像在所述数据存储媒介中的位置、以及与所述二维图像边缘处的像素的相对位置和相邻扫描序列的边缘处的一个或多个相邻二维图像中的像素的相对位置有关的空间和时间信息；以及[c]软件算法，用以确定所述目标体积内的相邻二维图像中的像素的相对位置是否超过预定限制。
根据本发明的又一方面，提供了一种成像系统，用于获取由像素阵列I(x,y,z)表示的目标体积的两个或多个二维图像序列，该成像系统包括：[a]手持成像探头，用于沿着可以被预先确定或者可以在操作员执行程序时动态地确定的两个或更多扫描路径扫描所述目标体积，并且生成表示沿所述扫描路径分隔开的多个平面上的所述目标体积的截面的两个或更多数字化二维图像序列；所述扫描路径可以是由扫描人员确定的任何几何路径并且无需是线性的；[b]数据存储媒介，用于存储与所述数字化二维图像序列相关联的数字数据、以及其他相关图像数据，所述其他相关图像数据定义所述二维图像在所述数据存储媒介中的位置并构造所述像素位置的三维阵列；以及[c]软件算法，用以确定预定体积内的像素密度是否大于预定限制。
本发明的另一实施例包括用于光学识别的方法、装置和系统(例如使用附装到手持成像探头组件的唯一标志的红外波长检测)，以便替代电磁射频位置传感器的使用，来连续不断地检测手持超声探头组件的位置和方向。在一些实施例中，基于光学识别的位置和方向检测方法、装置和系统精确地确定每个二维超声扫描图像的位置，并由此确定每个二维超声扫描图像内的每个像素的时间和空间位置。
本发明的另一实施例包括方法、装置和系统，用于优化在医师这方面的图像复查时间。记录的图像作为一系列静止图像被复查，这些图像被呈现固定的一段时间(例如，每个图像呈现0.1秒)。待复查的图像越多，医师需要的复查时间就越长。由于优化(即，减少)复查时间是任何图像复查程序的重要方面，因此必须注意复查是彻底的但不是过度的。因为图像将用手持探头来记录，所以相邻图像的相对间隔发生变化是可能的。一些图像可能间隔非常近，使得它们实际上是冗余的，而其他图像可能间隔开太远，使得有可能遗漏重要结构。本申请的前面部分描述了用于处理后一情况的方法。一些描述的实施例会通过两种方法之一来优化医师复查时间：
1.系统将选择最佳图像间隔参数和最大容许图像间隔参数。将计算相对图像之间的最大间隔，将保存相对间隔最接近最佳间隔参数的图像，并将中间图像剔除。例如，如果操作员改变其扫描使得图像在0.0mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.7mm、4.0mm、4.3mm、4.7mm、5.0mm、5.5mm和6.0mm处被记录，并且复查时间是每个图像0.1秒，则复查这些图像的时间是1.5秒。如果操作员决定检测小病变的最佳间隔是1.0mm，则那些在1.5mm、2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.7mm、4.3mm、4.7mm和5.5mm处记录的图像对于发现小病变不是必需的。它们是冗余的且向复查时间增加了0.8秒。通过剔除这些图像(图1)，图像复查时间可以被减半，从1.5秒减为0.7秒。在超声读取程序期间，对于患者来说，复查时间可以被显著地减少。例如，复查时间可以被减少多过一半，例如从15分钟减为7分钟。
2.系统将基于图像的间隔改变其回放时间。计算机和计算机显示系统使得在回放图像时改变被显示图像的停留时间相对容易。在上面提到的示例中，第一图像(0.0mm)会被显示0.1秒，而四个后续图像(1.0mm、1.5mm、2.0mm和2.8mm)将被显示0.05秒，并且复查覆盖该区域的图像的时间将是0.3秒。在本示例中，如果对于在3.2mm、3.5mm、3.7mm、4.0mm处记录的图像的停留时间是0.025秒，且对于在4.3mm、4.7mm和5.0mm处记录的图像的停留时间是0.033333秒，且对于在5.5mm和6.0mm处记录的图像的停留时间是0.05秒，则从0.0mm到0.6mm的总复查时间会是0.7秒，与已经剔除冗余图像的情况一样。
在一些实施例中，待检查的组织结构是人体躯干。在其他实施例中，待检查的组织结构是人体乳房。在另一些实施例中，待检查的组织结构是女性人类乳房。
一些实施例提供了一种用于筛查限定体积的组织的扫描完整性系统，其具有：包括成像探头的手动图像扫描设备；包括三个或更多与图像扫描设备耦接的位置传感器的系统；从图像扫描设备接收一组离散图像的接收器；对于所述一组离散图像中的每个图像从包括三个或更多位置传感器的定位系统接收位置数据的接收器；用以确定所述限定体积内的组织的该组离散图像的相对分辨率的图像位置跟踪算法；以及用于确定组织的该组离散图像相对于所述限定体积内的组织的另一组离散图像的相对覆盖的位置跟踪算法。在另一些实施例中，手动图像扫描设备是超声扫描设备，且成像探头是超声探头。在其他实施例中，手动图像扫描设备是利用超声波衍生的特性的成像设备，包括但不限于彩色多普勒和弹性成像。
在其他实施例中，位置传感器可以是发出磁或电磁信号的设备，且定位系统可以包括感测该磁或电磁信号的源的相对位置的设备。在又一些实施例中，位置传感器可以是反射可由光学照相机检测的可见光谱中的或者波长在750nm和390nm之间的电磁辐射的寄存器(register)，并且定位系统可以表示三个或更多光学照相机，其能够记录寄存器和照相机之间的相对位置。
在另一个实施例中，位置传感器可以是反射可由红外照相机检测的红外光谱中的或者波长在100,000nm和750nm之间的电磁辐射的寄存器，并且定位系统可以包括三个或更多红外照相机，其能够记录寄存器和照相机之间的相对位置。在又一实施例中，位置传感器可以是反射可由紫外照相机检测的紫外光谱中的或者波长在390nm和10nm之间的电磁辐射的寄存器，并且定位系统可以表示三个或更多紫外照相机，其能够记录寄存器和照相机之间的相对位置。
在一些实施例中，系统包括存储离散图像数据的存储设备。在另一实施例中，系统包括存储与每个离散图像相对应的位置传感器数据的存储设备。另外的实施例包括显示离散图像的观察器，其中该观察器可以提供所述离散图像的顺序显示。
在一些实施例中，相对图像分辨率算法测量一个离散图像中的像素和顺序获取的图像组中记录的第二图像的相同位置处的像素之间的三维间隔。在其他实施例中，可听信号在图像分辨率不在用户定义的限制内的情况下被发出。在另外的实施例中，可视信号在图像分辨率不在用户定义的限制内的情况下被发出。在一些实施例中，可视信号标识出图像分辨率不在用户定义的限制内的离散图像序列。
在另外的实施例中，通过在相邻图像上叠加三维体积边界、确定哪些图像具有在该边界内描述的离散图像子集、把在该边界内描述的每个图像子集的各部分分开、以及计算在被描述的图像子集部分内的像素，图像分辨率算法生成一组离散图像子集。
在一些实施例中，图像覆盖算法测量一组顺序记录的图像与第二组顺序记录的图像的边缘边界的三维位置的三维空间距离。
其他实施例提供了一种采用图像扫描设备筛查限定体积的组织的方法，包括下列步骤：使用手动成像探头扫描限定体积内的组织；使用与成像探头耦接的三个或更多位置传感器检测该成像探头的位置；从图像扫描设备接收一组离散图像；对于所述一组离散图像中的每个图像从包括三个或更多位置传感器的定位系统接收位置数据；应用位置跟踪算法确定所述限定体积内的组织的所述一组离散图像的分辨率；以及应用位置跟踪算法确定组织的所述一组离散图像相对于所述限定体积内的组织的另一组离散图像的相对覆盖。在一些实施例中，手动图像扫描设备是超声扫描设备，且成像探头是超声探头。在一些实施例中，使用观察器来显示离散图像，提供所述离散图像的顺序显示。
一些实施例包括一个或多个微处理器，以便通过计算一个离散图像中的像素和顺序获取的图像组中记录的第二图像的相同位置处的像素之间的三维间隔来计算图像分辨率。
一些实施例提供了使用一个或多个微处理器以便通过在相邻图像上叠加三维体积边界、确定哪些图像具有在该边界内描述的离散图像子集、把在该边界内描述的每个图像子集的各部分分开、以及计算在被描述的图像子集部分内的像素，来生成一组离散图像子集。
在一些实施例中，在图像分辨率不在用户定义的限制内的情况下，定位系统发出一个或多个可听信号以警告操作员获得额外的离散图像。在一些实施例中，在图像分辨率不在用户定义的限制内的情况下，定位系统发出一个或多个可视信号以警告操作员获得额外的离散图像。在另一些实施例中，可视信号标识出图像分辨率不在用户定义的限制内的离散图像序列，以便把操作员指引到限定体积内的需要一个或多个额外离散图像的位置。
在一些实施例中，一个或多个微处理器测量一组顺序记录的图像与第二组顺序记录的图像的边缘边界的三维位置的三维空间距离。
一些实施例描述了显示组织的顺序图像的方法，其中每个图像具有分配的空间坐标，离散图像显示算法计算离散图像之间的相对间隔、并修改被记录的离散图像的显示速率，以便在连续离散图像之间提供均匀的空间-时间显示间隙。其他实施例描述了显示组织的顺序图像的方法，其中每个图像具有分配的空间坐标，使用离散图像显示算法来确定多个图像是否在关于图像间隔的用户定义的间隙内被描述。另外的实施例提供了不把在关于图像间隔的用户定义的间隙内描述的多个图像中的一个或多个作为该组离散图像的一部分进行显示。
另外的实施例描述了显示组织的多组顺序图像的方法，其中每个图像具有被分配的空间坐标，使用离散图像显示算法以便在一个或多个离散图像的平面落入一组或多组其他顺序图像的边界内时不显示该一个或多个离散图像。
本发明的其他目的将在下文中变得明显并且部分地出现。因此，本发明包括方法、系统和装置，其具有在以下详细说明中举例说明的构造、元件的组合、部件和步骤的配置。为了更充分地理解本发明的本质和目的，应该参考结合附图给出的以下详细说明。
附图说明
将在随后的权利要求书中用特性阐述本发明的新颖特征。参考阐述利用了本发明的原理的说明性实施例的以下详细描述和附图，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，在附图中：
图1是包括所公开系统的各种子系统部件的该系统的示意图。
图2示出包括附装的位置传感器的手持超声探头组件。
图3示出揭示出第一和第二支撑构件的手持超声探头组件的分解视图，所述第一和第二支撑构件包住手持超声探头并装入位置传感器。
图4示出图3中示出的第一支撑构件的侧视图。
图5示出图3中示出的第一支撑构件的第一横截面视图，揭示出用于装入位置传感器和导线的导管。
图6示出图3中示出的第一支撑构件的第二横截面视图，揭示出用于装入位置传感器和导线的导管。
图7示出人体乳房的第一截面视图，其包括在扫描序列的过程期间被示出处于各种位置的手持超声探头组件。
图8A示出扫描序列中的离散图像。
图8B示出人体乳房的第一截面视图，其包括在扫描序列的过程期间被示出处于各种位置的手持超声探头组件。
图9示出人体乳房和超声扫描序列的透视图，其包括在扫描序列的过程期间被示出处于一个位置的手持超声探头组件。
图10A示出人体乳房的第一顶视图，示出14个扫描序列的位置。
图10B示出人体乳房的第二顶视图，示出13个扫描序列的位置。
图10C示出人体乳房的透视图，示出2个扫描序列的位置和两个扫描序列内包括的组织的体积。
图10D示出具有多个扫描序列的人体乳房的第三顶视图。
图10E示出具有多个扫描序列的人体乳房的第四顶视图。
图10F示出两个径向扫描序列。
图10G至图10L示出两个扫描序列中的离散图像。
图10M示出两个径向扫描序列。
图11A至图11F如其上标记地那样组合示出与所描述的实施例相关联的过程的流程图。
图12A示出两个顺次的二维超声扫描图像上的单个组分体积单元的叠加。
图12B示出两个顺次的二维超声扫描图像的两个平面的每个拐角处的四个组分体积单元的叠加。
图13是包括其各个子系统部件的以基于光学的位置感测为基础的所公开系统的示意图。
图14A至图14C示出包括附装的在光学上唯一的位置传感器的手持超声探头组件。
图15示出揭示出第一和第二支撑构件的手持超声探头组件的分解视图，所述第一和第二支撑构件包住手持超声探头并装入在光学上唯一的位置传感器。
图16A至图16B示出作为组织内的超声图像的深度的函数，相邻的超声扫描图像之间的间距。
图17A至图17B示出具有重叠的多个扫描序列的顶视图。
具体实施方式
如上面简述的那样，所考虑的实施例提供了能够与人工成像技术一起使用的方法、设备、系统，以便针对患者的目标区域确保扫描程序的满意质量和足够的完整性。一些实施例采用附装到现有手持成像系统(例如，诊断超声系统以及相关联的手持成像探头)上的快速响应位置传感器或者快速成像光学寄存器。举例来说，能够与所述的一些实施例一起使用的一种类型的超声系统是具有手持的L12-50毫米宽带线性阵列换能器的飞利浦iU22xMatrix超声系统(安多弗，马萨诸塞州)。此外，一种市售的系统作为时间的函数提供针对多个传感器的精确的x、y、z位置坐标，以快速的跟踪速率提供所述位置信息，这种系统例如是Ascension Technology3D Guidance trakSTAR(伯灵顿，佛蒙特州)。
参考图1，其示出两个主要的子系统。第一子系统是手持成像系统12，其包括手持成像监视器控制台18，显示器17，手持成像探头14和连接电缆16。根据本发明，第二系统(下文中称为“扫描完整性审核系统”)总体以10表示。扫描完整性审核系统10包括数据采集和显示模块/控制器40，其包括微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41、显示器3和脚踏板或其它控制11。脚踏板11通过电缆15和可拆卸地附装的连接器13而连接到微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41。扫描完整性审核系统10还包括位置跟踪系统20，其包括例如位置跟踪模块22和诸如磁场发射器24之类的位置传感器定位器。另外，扫描完整性审核系统10还包括附装到手持成像探头14上的多个位置传感器32a、32b和32c。虽然手持成像系统12被示出为与扫描完整性审核系统10分离的子系统，但是在一些实施例中，两个系统是同一整体系统的一部分。在某些情况下，成像设备可以是扫描完整性审核系统的一部分。
仍参考图1，手持成像系统12经由数据传输电缆46连接到数据采集和显示模块/控制器40，以使图像数据的各帧(典型地每帧包含约10百万像素)能够由手持成像系统12的微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41接收，其频率是微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41的记录能力和图像数据传输能力的函数，不管是原始图像数据还是处理过的图像数据的视频输出。来自多个位置传感器32a、32b和32c的位置信息经由传输电缆48发送到数据采集和显示模块/控制器40。电缆46利用可拆卸地附装的连接器43可拆卸地附装到数据采集和显示模块/控制器40的微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41，并且利用连接器47可拆卸地连接到诊断超声系统12。与手持成像过程相关联的连续扫描被存储并受到计算算法的处理，以评估诊断超声扫描过程的完整性，如在随后的说明书中更详细地描述的那样。
仍参见图1，位置跟踪模块22经由数据传输电缆48连接到数据采集和显示模块/控制器40，其中电缆48利用连接器45可拆卸地附装到数据采集和显示模块/控制器40的微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41，并且利用连接器49可拆卸地连接到位置跟踪模块。诸如磁场发射器24之类的位置传感器定位器经由电缆26利用可拆卸地附装的连接器25连接到位置跟踪模块22。在图1中示出的手持成像探头组件30包括例如位置传感器32a-32c，其被附装到手持成像探头14，并分别经由导线34a-34c以及可拆卸地附装的连接器36a-36c，将位置数据传送给位置跟踪模块22。如在图1中看到的那样，可以使用电缆支撑夹5a-5f在多个位置将位置传感器电缆34a-34c可拆卸地附装到超声系统电缆16。
现在参考图2，更详细地描述装备有位置传感器的手持成像探头。在手持探头组件30的一个实施例中，手持成像探头14分别被围在第一和第二“蛤壳”型支撑构件42和44内。第一支撑构件42包含三个凸脊35a-35c，其分别提供用于位置传感器32a-32c和位置传感器电缆34a-34c的三个导管(未示出)。
如图3所示，在手持探头组件30的分解视图中还示出了另一实施例。所述第一支撑构件42分别包括前面提及的凸脊35a-35c及关联的导管33a-33c，导管33a-33c分别容纳位置传感器32a-32c以及它们相应的电缆34a-34c。第一支撑构件42还包含延伸耳36a和36b，每个延伸耳均具有钻孔，以使得能够牢固地机械附装到第二支撑构件44。所述第二支撑构件44同样包含延伸耳38a和38b，每个延伸耳均具有与第一支撑构件中的钻孔匹配的钻孔，以使得能够分别用螺钉39a和39b牢固地机械附装到第二支撑构件42。第一和第二支撑构件可以使用非铁磁性金属或合金或者优选地使用注模塑料来制造。第一和第二支撑构件42和44的内部轮廓和尺寸被设计成与装配有位置传感器32a-32c的现成的手持超声探头的特定轮廓和尺寸相匹配。因此，第一和第二支撑构件42和44的轮廓和尺寸将根据手持超声探头设计而变化。位置传感器32a-32c相对于手持成像探头的端面处的超声换能器阵列(未示出)的精确位置将相应地对于每一组第一和第二支撑构件而言是已知的，因为它们被设计为附装到特定的手持超声探头并与之结合进行操作。
第一支撑构件42的附加特征在图4、5和6中被揭示，其在侧视图(参见图4)和截面视图(参见图5和6)中在沿着第一支撑构件42的长度的两个位置示出第一支撑构件42的实施例。如图4中看到的那样，凸脊35a沿着第一支撑构件42的大部分长度延伸。而且，可看到延伸耳36a处于第一支撑构件42的一端。参见提供第一支撑构件42的横截面视图的图5和6，其揭示出导管33a、33b和33c。导管33a-33c的尺寸被选择为分别容纳位置传感器32a-32c以及它们相应的电缆34a-34c。举例而言，位置传感器是市售的，其具有标称2毫米或更小的直径。因此，一个所述的实施例提供尺寸可容纳2毫米直径位置传感器的导管33a-33c。如图2、3、5和6中所看到的那样，位置传感器32a-32c以及它们相应的电缆34a-34c可以使用粘结剂(例如，环氧树脂或氰基丙烯酸酯(cyanoacrylate))附装到导管33a-33c内。
返回图2，举例而言，手持超声探头14的典型尺寸提供如下：
W1＝1.5～2.5英寸
L1＝3～5英寸
D1＝0.5～1英寸
因此，如前面段落中所规定的，第一和第二支撑构件42和44的尺寸被设置为对应于特定手持超声探头设计的具体轮廓和尺寸。对于注模塑料(例如，生物相容级别的聚碳酸酯)的情况，所述第一和第二支撑构件42和44的内部尺寸被设计成紧密地匹配手持超声探头14的外部尺寸。注模塑料支撑构件42和44的壁厚度t1(参见图5)优选地在从0.05至0.10英寸的范围内。
针对人体乳房60的手持超声检查的情况使用所描述实施例的示例如图7所示。在图7中看到的示例中，具有附装的位置传感器的手持超声探头组件30被示出处于人体乳房60上的与乳头64和乳晕62相邻的起始位置。在人体乳房60的示例手持超声扫描过程中，手持超声探头组件30在乳头的正上方开始并且径向地前进，遵循人体乳房的轮廓，如与手持超声探头组件30的连续位置30a、30b和30c对应的平移向量52a-52b和52b-52c所示，其中后两个位置30b和30c以“幻影”格式示出。在扫描序列期间，超声换能器阵列57被保持与皮肤直接接触，通常有一个超声耦合凝胶的中间层。通常使用超声耦合凝胶(例如，Aquasonics100，Parker Laboratories公司，费尔菲尔德，新泽西州)以便通过在超声换能器阵列和皮肤之间提供改善的声学路径来提高超声询问。
举例而言，手持超声探头组件30由操作者使用人工技术沿着图7所示的路径移动，该路径在这里被称为单次扫描序列，起始于乳头64并且当超声换能器阵列已达到乳房60的周边以外的胸部61的表面时结束，或者开始于胸壁并且当超声换能器已经到达乳头时结束。如果在手持超声探头组件30的平移速度和方向变化率的可接受范围内执行此示例扫描序列，那么该扫描序列将被验证为一个完整的扫描序列。如图7中看到的那样，平面超声波束50a-50c被发射并且在手持超声探头组件30的每个瞬间位置30a-30c处获得相应的超声波图像。当手持超声探头组件30沿图7中示出的扫描序列路径平移时，以每秒约10至40次(或帧)的范围内的速率，发射超声波束并接收图像，构成单个图像帧。一个典型的帧可以包含400×600像素的图像数据或每帧240,000像素的阵列。以每秒约10至40帧的速率获得新的帧。
本发明的一个重要方面在涉及计算(或审核)每个扫描序列的完整性的图8A、8B和9中示出。此描述的方法和算法保证了任何个体扫描序列(例如，开始于乳房的乳头并结束于乳房边界的周边以外的胸部表面所扫描的任何个体路径，或者开始于胸部表面并结束于乳头处的扫描，或者开始于锁骨并结束于胸腔的底部的任何扫描，或者开始于胸腔的底部并结束于锁骨的任何扫描，或者开始于腋窝的缝隙并结束于胸腔的横向下侧的任何扫描)的帧到帧的分辨率。
在一些实施例中，测量或计算扫描序列中的个体图像之间的间距或距离可以被称为确定扫描序列中的离散图像之间的图像到图像的分辨率或间距。可替换地，帧到帧的分辨率也可以用来描述扫描序列中的图像之间的间距/距离。
举例而言并且首先参考图8A，用人手700将手持超声探头组件30平移通过皮肤的表面。该平移将遵循线性或非线性路径704，并有一系列对应的超声波束位置50s-50v，每一个位置具有对应的超声图像，如图1所描绘的，该超声图像由采集和显示模块/控制器40经由数据传输电缆46记录，以便由微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41接收，其频率是微计算机/存储器/DVD ROM记录单元41的记录能力和图像数据传输能力的函数。再次参考图8A，图像被存储为包括像素94a-94l的像素组，这些像素显示在像素的二维矩阵中，每个矩阵由水平行708a-708h和垂直列712a-712h构成。单个像素94a-94h被显示，具有唯一显示地址P(rx,cx)，其中rx是图像上像素的行，r1是顶部的行，例如708e，或者表示最接近于探头的结构的行，并且rlast为底部的行(例如708f)，或者代表最远离探头的结构的行；并且其中cx是图像上像素的列，c1是左边的列(如复查者看到的那样，例如712g)，并且clast是右边的列(如复查者所看到的那样，例如712h)。一个典型的被记录超声图像将具有在300至600个之间的水平行708以及在400至800之间的垂直列712。因此，一个典型的被记录超声图像应具有介于120,000到480,000个之间的像素94。
再次参考图8A，针对每个超声波束位置50s-50v所记录的图像将具有相同的像素格式。相应的行是在每一个图像中从顶部在垂直方向上以相同的距离显示的行708。作为离探头的距离而被测量的深度对于相应的水平行708而言应是相同的。以示例的方式，在一个图像中的第八水平行708中的信息表示这样的结构，该结构在它们被记录时离探头的距离与在另一图像中的第八水平行708中的信息在那个图像被记录时的位置相同。同样的逻辑适用于相应的垂直列712。举例而言，在一个图像中的第12个垂直列712中的信息表示这样的结构，该结构在该图像被记录时在水平方向上离探头中心的距离与在另一图像中的第12个垂直列712中的信息在那个图像被记录时的位置相同。因此，在一个图像中描述任何一个像素94的信息P(rx,cx)是与在另一个图像中的同一像素94位置处描述的信息P(rx,cx)离探头的表面(深度)相同的距离以及离探头的中心线相同的距离。在所述图像组中的离散图像的图像格式上共享共同位置的这些像素94被称为对应像素94。
用于在帧到帧的分辨率方面计算扫描序列的完整性的一个实施例是计算任何两个相邻的图像帧之间的最大距离。因为通过定义，最小可接受分辨率的概念要求建立最大可接受间距，那么如果在相邻的图像帧中的任何两个对应像素94之间的最大距离716在可接受限制内，则该分辨率要求将得到满足。由于帧是平面的，那么任何两帧之间的最大距离将出现在四个拐角之一处的对应像素94处。因此，任何两个对应帧之间的最大距离716应为(公式1)：
{任何两个对应帧之间的最大距离}＝
＝MAX(DISTANCE(P(第一行，第一列)-P'(第一行，第一列))，
DISTANCE(P(第一行，最后一列)-P'(第一行，最后一列))，
DISTANCE(P(最后一行，第一列)-P'(最后一行，第一列))，
DISTANCE(P(最后一行，最后一列)-P'(最后一行，最后一列)))
其中P和P'是两个相邻图像中的对应像素94，MAX是选择集合中的最大数字的最大值函数(在本示例中为4)，且DISTANCE(距离)是对应像素之间的绝对距离716。
示例性的距离在图8A中示出：在像素94a和相应像素94b之间的716a；在像素94b和94c之间的716b；在94c和94d之间的716c；在94e和94i之间的716d；在94f和94i之间的716e；在94g和94k之间的716f；和在94i和94l之间的716g。保证帧到帧的分辨率的这种方法可以用来保证该分辨率保持在限制之内，而无论探头的纵向平移速度、探头的横向旋转速度、探头的轴向分辨率速度或探头的垂直旋转速度如何。如果像素之间的距离超过可接受的间隔/距离，则用户可以在过程/程序期间或结束时被提示重新扫描一个区域。在一些情况下，可接受的间隔/距离是预选的或预定的值。在某些情况下，该值是用户定义的限制。在其它实施例中，系统可以基于检查的类型或患者的特性或用于扫描的目标区域，提供范围或可接受的间隔/距离以供选择。
图8B提供了保证足够的帧到帧或图像到图像间距的另一种方法。图8B示出在两个相邻位置30d和30i处的手持超声探头组件30。对于这个示例，假定以10帧/秒的速率来完成产生新的超声图像的速率。当手持超声探头组件30从具有相应超声波束50d和相应超声图像的位置30d平移到具有相应超声波束位置50i和相应超声图像的位置30i时，存在通过超声波束50e-50h所看到的4个中间位置。另外，假设在从位置30d到30i的平移期间该手持超声探头组件30的纵向旋转速率是不均匀的并且手持超声探头组件30的增加的旋转速率在超声波束50g和50h之间不经意地发生。对于图8B中所示的示例的情况，基于每秒10帧的超声扫描速率，时间步长δt是0.10秒。作为波束位置50g和50h以及相应超声图像之间的旋转速度快于允许旋转速度的结果，目标组织(在这个示例中即是人体乳房60)内的一组被省略区域70a-70e未被包含在超声扫描序列中。因此，如果可疑病变73位于被省略区域70d内，则它在诊断超声过程中不会被检测到或被记录。不可避免地，对于分析遵循超声程序的超声图像的专家(例如放射科医生)而言，将无法检测到可能危及生命的恶性病变的存在。在没有无限次超声波束50d-50i和相应超声图像的情况下，在数学上消除这些被省略区域70a-70e是不可能的，但是用户可以确定分辨率的水平，也就是区域70a-70e的最大可接受尺寸，并通知用户这些区域中的任何一个区域是否超出了该可接受限制。
仍参考图8B，用于计算在扫描过程中的图像之间的间距(例如，图像到图像的间距)的优选算法是计算以超声询问的最大期望深度(在本示例中即是乳房组织的最大深度)在连续的平面超声扫描帧之间的最大弦长或距离x。这个最大距离x可以在每个连续超声扫描帧的远端边界之间(例如，超声波束50g和50g以及相应图像之间)计算，因为在产生和记录超声扫描帧时的所有时间点处都精确地知道超声换能器阵列57的位置和手持超声探头组件30的方向。对于涉及使用Ascension Technologies公司的位置传感器产品的本发明一个实施例的情况，每个传感器的位置以每秒120次的速率被确定(在由Ascension Technologies公司销售的产品的一个示例版本(但不意欲作为限制)中，因为数据更新速率可以更高或更低)，每秒120次的速率是比超声扫描帧的重复速率更频繁的数量级。因此，超声扫描帧的精确位置，并且由此，每一个超声扫描帧内的240,000个像素的精确位置，将在三维空间中被知晓，因为每个超声扫描帧由该超声系统12产生并由数据采集和显示模块/控制器40记录。因此，知晓每个连续帧内所有像素的位置将使得能够计算出连续帧中的对应像素之间的最大距离，聚焦于连续超声波束50d-50h以及相应超声图像的已知为离开最远的那些部分，即所记录的扫描帧内的离超声换能器阵列57最远的位置。
现在参考图9，其示出用于计算手持超声探头组件30的平移速度和/或方向变化率的可接受性的另一算法。用于确保任何个体扫描序列(例如，从乳房的乳头开始并且在乳房边界的周边之外的胸部表面结束而扫描的任何个体路径)的完整性的这种替代性方法和算法涉及扫描序列i的扫描体积90内的每个单位体积96中的像素密度的计算，扫描序列i包含N个超声波束50[i,j(i)]和相关联的记录帧，其中i等于扫描序列的数量而j(i)等于每个扫描序列i的发射波束50和相关联的记录帧的数量。通过示例的方式并仍参考图9，假定手持超声探头组件30沿具有路径长度L2的扫描序列i的平移速率为1.0厘米/秒，长度L2等于15厘米，且超声系统12的扫描速率是10帧/秒并且所得图像被数据采集和显示模块/控制器40以10帧/秒记录下来。基于这些示例参数，完成扫描的总时间是15秒并且被记录的超声扫描帧的总数是150。在这个示例中，j(i)等于150。如果每个帧包含例如240,000像素，那么总体积将包括150帧x240,000像素/帧，这等于在个体扫描序列i的扫描体积90中的总共36百万像素。由于手持超声探头组件30的精确位置和计算出的方向，其超声波束50[i,j(i)]及其相关联的像素帧在每个记录帧的时刻是已知的，那么可以计算出每个像素94在扫描体积90内所驻留的平面的精确位置。
仍参考图9，根据本发明的教导，扫描序列的扫描体积90是通过(a)超声波束的宽度W2，其是由超声换能器阵列的长度来限定的(例如，5厘米)，(b)所记录的超声波束到目标生物体组织的渗透深度D2(例如，5厘米)及(c)在个体扫描序列中横跨的总长度L2(例如，15cm)来限定的。此总体积(在本示例中为375立方厘米)然后被细分成由单位体积96(例如，尺寸为1.0厘米×1.0厘米×1.0厘米的立方体积)例示的单位体积。对于这个示例，扫描体积90将被细分成375个单位体积96。包含在每个单位体积96中的超声扫描像素94的数量被计算，并且把这个数量与预定最小像素密度数值进行比较。通过举例的方式，而不是限制本发明，可以通过将包括扫描体积90的150帧中的每个超声波扫描像素94的x-y-z坐标与单位体积96的周边的边界的x-y-z坐标进行比较，来计算单位体积96内的超声扫描像素94的数量。如果超声扫描像素94的x-y-z坐标在单位体积96的周边的边界内，则它被计数。如果超声扫描像素94的x-y-z坐标在单位体积的周边的边界之外，则它不被计数。如果扫描体积90内的任何单位体积96(即，在这个示例中为375个单位体积中的任何单位体积)内所计算的像素密度小于最低像素密度，那么在扫描序列的末尾处警告操作者：刚刚完成的扫描序列是不完整的而且必须重复该扫描序列的全部或部分，或者：操作者必须接受扫描序列是不完整的。所述警告包括向操作者显示刚刚完成的扫描路径以及改善扫描方法的指示以实现完整的扫描。例如，这些指示包括：在重复的扫描序列期间降低扫描速度和/或手持超声探头的方向变化率。
在一些实施例中，每一个扫描序列内的图像到图像的分辨率(间距)的范围是介于9,000和180,000,000像素/cm3之间的像素密度。在其它实施例中，像素密度在22,500和18,000,000像素/cm3之间。在另外的实施例中，像素密度在45,000和3,550,000像素/cm3之间。
本发明的一个同样重要的方面在图10A和10B中示出，其涉及通过基于刚刚完成的扫描序列离先前完成的扫描序列的相对距离来比较刚刚完成的扫描序列来计算(或审核)组织覆盖。根据本发明的教导并参照图10A，手持超声探头的换能器阵列的位置的精确且动态的计算使得能够计算沿着组织表面完成的顺序且手动的扫描路径的实际空间位置和计算方向。通过示例，如图10A中所看到的那样，相对均匀且紧密间隔的径向扫描序列80a-80l在人体乳房60的俯视图上被叠加，其中扫描序列80跨越乳头64和从乳头沿径向向外一段距离(例如，胸部表面61)之间的距离。每个扫描序列80具有长度L和宽度W。沿着组织表面扫描的每一个顺序且手动衍生的扫描序列80a-80l的计算出的位置和计算出的方向使得能够进一步计算每个相邻和连续的扫描序列80的边界之间的物理间距。这个计算可以在手动扫描处理的过程期间迅速完成，并且提供可视与可听线索以及图像，表示已完成的扫描序列的路径，以便识别哪里需要重新扫描。相邻扫描序列80a-80l之间的距离的这种程序内计算确保了通过识别由不可接受的大距离分开的任何已完成的扫描序列来实现目标组织区域的超声扫描的完全覆盖。
现在参考图10B，径向扫描序列80a-80l在人体乳房60的顶视图上被叠加，其中扫描序列80跨越乳头64与胸部表面61之间的距离。与图10A中看到的示例相反，这个示例示出了扫描序列80d和80e之间异常大的间距。作为扫描序列80d和80e之间不经意地大间距的结果，乳房60内的组织的区域72(如在图10B中阴影区所揭示的那样)未被包括在超声诊断程序中。由于对于每个扫描序列80而言已知手持超声探头组件30的精确位置以及计算出的方向，所以可以计算连续的扫描序列之间的距离。如果扫描序列之间的间距超过连续扫描之间的预定最大距离，那么可视且可听的线索被发出并且图像被显示，示出已完成的扫描序列的路径以便识别哪里需要重新扫描。相邻扫描序列之间的距离的这种程序内计算确保了通过识别由不可接受的大距离分开的任何已完成的扫描序列来实现目标组织区域的完整的诊断超声扫描。
仍然参考图10B，连续扫描序列80d和80e之间的计算出的物理间距比预定最大间距值更大的结果是目标组织(即，在本示例中为人体乳房60)内的未扫描或被遗漏的区域72。因此，如果可疑病变73在被遗漏区域72内，则在诊断超声过程中该病变不会被检测到或被记录。不可避免地，随后分析遵循诊断超声程序的被记录超声图像的专家(例如放射科医生)将不可能检测到可能危及生命的恶性病变的存在。
类似地，图10D和10E示出相对线性的扫描序列之间的扫描到扫描的间距。图10D示出遵循跨越乳房60的基本线性的路径的扫描序列80m-80q。这些序列在3999、4001、4003和4005处示出重叠的成像。图10E在另一方面示出扫描序列1500和扫描序列1502之间的未扫描的组织的间隙。在这种情况下，所描述的实施例将被用于计算、测量或确定未扫描区域63的大小。如果该距离大于扫描到扫描间距的可接受间距，则操作者将在该过程期间被警告以便扫描区域63。
图10F和10M示出相对径向扫描序列之间的扫描到扫描间距。两个扫描序列1500和1502示出未扫描区域1504a和1504b。在这种情况下，所描述的实施例将被用于计算、测量、或确定未扫描区域的大小。如果该距离大于扫描到扫描间距的可接受间距，则操作者将在该过程期间被警告以便对该区域进行扫描。
在一些实施例中，测量或计算扫描序列之间的间距或距离可以被称为确定扫描序列之间的扫描到扫描间隔。扫描到扫描间隔是测量、计算或以其他方式确定覆盖范围的方法。如果扫描序列中的图像重叠，则存在覆盖。如果两个扫描序列之间存在间隙，则是不完整的覆盖。
参照图10G，其绘出两个相邻扫描序列2900a-2900d和2904a-2904d。测量是否存在重叠或间隙间距的一种手段是测量从一个图像的拐角像素之一(例如P(第一行,最后一列)2916)到相邻行的所有图像中处于该图像的相反侧且处于相同行的各个像素(例如P(第一行,第一列)2920a-2920d)的距离2908a-2908d。这些距离中的最短距离代表相邻行中的相邻图像之间的间距。在图10G的示例中，那将是距离2908b。如果该距离的向量(即，以2913示出的从2916到2920b的向量)与从该拐角像素发射到图像2912中的处于相反侧且处于相同行的像素的向量在大致相同的方向上，正如2916和2920b之间的向量(2913)和向量2912的情况那样，那么这两个相邻图像的拐角像素之间的距离代表重叠。换句话说，如果两个向量2912和2913之间的夹角2915小于180度，则这两个像素重叠。现在参见图10H并测量像素2948和其他图像的拐角像素2920a-2920d之间的距离，最短距离在像素2948和2920d之间。该距离的向量2945与沿着图像2944的最顶行的向量2944在大致相反的方向上，所以该距离表示间隙。换句话说，如果两个向量2944和2945之间的夹角2949大于180度，则这两个像素代表间隙。
参考图10I和10K，其绘出两个相邻的扫描序列2900a-2900d和2904a-2904d。测量是否存在重叠或间隙间距的一种手段是测量从一个图像的拐角像素之一(例如P(第一行,最后一列)2916)到相邻行的所有图像中处于该图像的相反侧且处于相同行的各个像素(例如P(第一行,第一列)2920a-2920d)的距离2908a-2908d。这些距离中的最短距离代表相邻行中的相邻图像之间的间距。在图10I和10K的示例中，那将是距离2908b。边界像素2916被认为与相邻扫描序列的图像2900a-2900b重叠，如果该像素在区域2953的边界内的话，其中所述区域2953的边界部分地通过最接近的图像2900b和相邻图像2900a的行来描述。现在参见图10J和10L并且测量像素2948和其他图像的拐角像素2920a-2920d之间的距离，最短距离在像素2948和2920d之间。边界像素2948被认为与相邻扫描序列的图像2900a-2900b具有间隙，如果该像素在区域2955的边界之外的话，其中所述区域2955的边界部分地通过最接近的图像2900d和相邻图像2900c的行来描述。
现在参考图10B和10C，使用一种替代性算法，其中基于如在上面结合图9所描述的针对每个扫描序列的、该手持超声探头组件30的已知位置和计算出的方向，把经受连续扫描序列80a-80m的体积转换成计算出的超声扫描图像像素的分布。使用这种替代性算法，针对由所有连续扫描序列限定边界的所包括的体积，可以计算出每单位体积的像素密度(例如，每立方1.0立方厘米的像素密度或每立方0.5立方厘米单位体积的像素密度)。通过示例的方式并仍参考图10B和10C，由连续扫描序列80d和80e限定边界的所包括的体积75将被细分成更小的单位体积79。然后基于每个扫描序列内的时段期间手持超声探头组件30的已知位置与计算出的方向，将计算出扫描序列80d和80e之间所包括的体积75内所有像素的计算出的位置，从而允许计算出每单位体积79内的像素密度。计算每个单位体积79中包含的超声扫描像素的数量(如在上面结合图9所描述的那样)，并且把这个数量与预定最小像素密度数值进行比较。如果在所包括的体积75内的任何单位体积79内的计算出的像素密度小于最小像素密度，那么在扫描序列的末尾处警告操作者：刚刚完成的扫描序列是不完整的而且必须重复该扫描序列，所述警告包括显示改善扫描方法的指示(例如，降低前一扫描序列与要被重复的当前扫描序列之间的间距)。
现在转到图11A到11E，流程图描述了本发明的方法和系统的一个实施例。附图标记3100表示开始，箭头3102和框3104表示继续，系统的各部件的连接性被检验。用户必须检验手持超声成像探头被连接到超声系统，位置传感器被附装到手持超声探头，位置传感器被连接到位置跟踪模块，位置跟踪模块的磁场发射器(MFT)部件在目标患者体积(例如，患者乳房)的24英寸内，在MFT的36英寸内没有电磁材料(即，与AscensionTechnology公司的位置检测产品的使用特别相关的要求)，当超声探头在目标组织体积上时超声探头的期望位置和位置跟踪模块之间有清楚的视线(即，与可视检测技术的使用特别相关的要求，诸如当红外照相机跟踪可见寄存器(visible register)时采用的可视检测技术)，位置跟踪模块被连接到数据采集于显示模块/控制器，脚踏板被连接到数据采集和显示模块/控制器。
接下来参考图11B，已经完成了初步的系统设置和初始化步骤，如箭头3118到框3120所示，操作员现在开始将手持成像探头定位在患者的目标组织部位的开始位置(例如，定位在右乳房的乳头处)。接下来，如箭头3112到框3124所示，通过在用手持超声探头组件执行的每个扫描序列的整个周期期间连续踩下脚踏板，操作员现在开始激活位置跟踪模块和相关联的数据采集和显示模块/控制器，其中发出可听的音调和/或用可视指示器确认用于手持超声探头组件的位置传感检测和记录功能当前是活动的。
一旦位置传感检测和记录功能已被激活，如箭头3126到框3128所示，操作员现在开始沿着皮肤平移手持成像探头以开始[i]个扫描序列SS[i,t]中的第一个，其中i等于将被执行的扫描序列的数量，t指的是超声波束射入组织中、然后测量返回的声音信号并将其记录在本文中称为超声扫描“帧”的数据结构中的时间周期。对于第一个扫描序列的情况(例如，参见图10A中的扫描序列80a)，i等于1。
一旦第一扫描序列(i＝1)完成，如箭头3130到框3132所示，操作员释放脚踏板来暂停(即，暂时停用)数据采集和显示模块/控制器的图像记录功能。把在数据采集和显示模块/控制器中获得的加上时间标记的手持成像探头位置和计算出的方向数据与从超声系统接收的加上时间标记的超声扫描帧相结合，以实现刚完成的扫描序列的图像到图像分辨率的快速计算。如图11B中看到的箭头3134到框3136所示，计算任何两个连续扫描帧之间的弦距离以确定它们是否在关于上述图8B所说明的预先选择的限制内。
仍然参考图11B，本发明的替代性实施例可以在框3136被替换，其利用关于图9所述的完整扫描序列的扫描体积内的成像扫描像素密度。在该替代性算法中，把在数据采集和显示模块/控制器内获得的加上时间标记的手持成像探头位置和计算出的方向数据与从超声系统接收的加上时间标记的成像扫描帧相结合，以实现刚完成的扫描序列的完整性的快速计算。然而，不是计算连续扫描帧之间的距离，而是计算扫描体积内的单位体积内的像素密度以确定计算出的像素密度是否小于预先选择的最小像素密度值。
仍然参考图11C，通过使用上述两种算法之一(即，基于扫描帧距离的计算或扫描体积的单位体积内的体积像素密度)，如果不满足预定要求(即，超过扫描帧之间的最大容许距离或者对于所有单位体积达到了最小的所需像素密度)，则经由箭头3138到达框3140。如在框3140中所见，发出可听的警告和可视的错误消息以指示操作员该扫描未能符合针对帧到帧分辨率的最小用户要求。如箭头3139和框3141所示，向用户询问他或她是否希望接受不满足用户定义的帧到帧分辨率的最小限制的这个扫描序列SS(i)。如果操作员没有选择接受不满足用户定义的帧到帧分辨率的最小限制的扫描序列SS(i)，则如箭头3160到框3120所示，操作员重复之前执行过但由于帧到帧分辨率未能满足最小用户定义要求而被确定为不完整的扫描序列。如果用户选择接受不满足用户定义的帧到帧分辨率的最小限制的扫描序列SS(i)，则经由箭头3143到达框3146。
仍然参考图11C，通过使用上述两种算法之一(即，基于扫描帧距离的计算或扫描体积的单位体积内的体积像素密度)，如果满足用户选择的预定要求(即，扫描帧之间的最大容许距离或最小要求像素密度)，则经由箭头3144到达框3146。如果这是第一扫描序列(即，i＝1)，则连续扫描序列之间的距离的计算(即，图10B中举例说明的扫描序列80d和80e中的超声扫描帧之间的最大距离)被绕过，由此经由箭头3148进行到框3164。在框3164中，将扫描序列指数增加数值1。对于这个示例描述，i的值曾是1，现在是2。
现在参考图11D，如箭头3166和框3168所示，执行计算以确定刚完成的扫描序列是否与执行的初始扫描序列基本相同，或者可替换地，确定最后的扫描序列是否已经针对目标组织体积被执行。对于具有以图10A中可见的圆形图案进行的连续径向定向的扫描序列的人体乳房的情况，最后的扫描序列在第一扫描序列被基本上重复时获得。可替换地，如果正被扫描的目标组织涉及连续扫描序列的矩形图案，则操作员在数据采集和显示模块/控制器上指明已经执行了最后的扫描序列。如果刚完成的扫描序列不是超声检查所需的最后扫描序列，则如箭头3170到框3120所示，开始针对下一个扫描序列的步骤序列。
回到图11C中的框3146，如果扫描序列i大于1，则使用上述两种算法之一(例如，两个连续扫描序列之间的距离的计算或者连续扫描序列之间所包括的体积的单位体积内的体积像素密度)来确定刚完成的两个连续扫描序列的边缘到边缘的覆盖，如框3152所指明。如果满足预定要求(即，未超过连续扫描序列中的扫描帧的相邻边缘之间的最大容许距离或者任何单位体积中的像素密度不低于最小要求的像素密度)，则经由箭头3162到达框3164。如果不满足预定要求(即，超过连续扫描序列中的扫描帧的相邻边缘之间的最大容许距离或者任何单位体积中的像素密度低于最小要求的像素密度)，则经由箭头3154到达框3156。如在框3156中所见，发出可听的警告和可视的错误消息，以指示操作员确定还不满足由连续扫描序列中的相邻边缘的用户定义的边缘到边缘间隔所定义的覆盖、或者任何单位体积中的用户定义的像素密度小于要求的像素密度。然后经由箭头3157到达框3159。向用户询问他或她是否希望接受扫描序列SS(i)，是否将要接受还不满足由连续扫描序列中的相邻边缘的用户定义的边缘到边缘间隔所定义的覆盖、或者任何单位体积中的用户定义的像素密度小于要求的像素密度。如果尽管不满足由连续扫描序列中的相邻边缘的用户定义的边缘到边缘间隔所定义的覆盖、或者任何单位体积中的用户定义的像素密度小于要求的像素密度，但是用户选择接受该扫描序列SS(i)，则经由箭头3163达到框3164。如果因为由连续扫描序列中的相邻边缘的用户定义的边缘到边缘间隔所定义的覆盖、或者任何单位体积中的用户定义的像素密度小于所需的像素密度，用户选择不接受扫描序列SS(i)，则相对于之前的扫描序列路径以更近的间隔重复该扫描序列。如图11D、图11C和图11B所示，箭头3158加入箭头3160到达框3120，其中因为由于目标组织的区域未被包括在刚获得的超声扫描帧序列中而确定之前执行的扫描序列不完整，所以操作员重复该之前执行的扫描序列。
贯穿手持成像程序，扫描序列的进展被显示在数据采集和显示模块/控制器40的显示器3的屏幕上，其中顺序的扫描指数i以类似于图10A中所示的方式被确定为与每个完成的扫描序列相邻。
回到图11E的框3174，在手持图像扫描程序和对目标组织超声扫描把所有组织包括在目标组织体积内的检验完成时(即，实现了一个完整的诊断超声扫描)，在数据采集和显示模块/控制器内执行超声扫描帧的处理。箭头3176随后达到框3178，其中按顺序方式排列扫描的图像(即，在该程序期间随着逝去的时间而进展)。在该步骤中，捕获图像数据并将其转换成容易存储且与观察者兼容的格式。
参考图11E和图11F，箭头3190加入框3192，其中向用户询问他或她是否希望在处理数据和保存程序研究(procedure study)之前查看扫描序列。观察者允许专家复查者(例如，放射科医生)以针对筛查癌症和其他异常而优化的方式回放扫描图像。如果用户选择放弃复查，则箭头3194加入框3196。
仍然参考图11F，如果用户的确选择复查扫描，则箭头3198进行到3200，其中扫描序列图像被显示在视频监视器上，诸如数字计算机监视器。在复查扫描序列之后，系统向用户询问他或她是否希望接受该研究。如进行到加入箭头3194(箭头3194进行到框3196)的箭头3204所示，对图像进行处理。如果用户选择不接受图像，则如进行到框3210的箭头3208所示，开始重新扫描序列。
仍然参考图11F，如框3196中所示，向一组完整的序列图像帧分配患者、超声仪器信息、时间和位置信息。然后，把处理后的数据存储在电子媒介(诸如DVD ROM、磁盘驱动器或闪存驱动器)上。该处理由进行到框3216的箭头3124示出。DVD-ROM(或其他适合的记录媒介)以整个目标组织体积已经被包括在所提供的数据记录中的置信度，从数据采集和显示模块/控制器被物理地转移到专家(例如，放射科医生)以便随后对诊断超声数据进行分析和评估。该最后的步骤定义了对于特定患者的诊断检查程序的结束。在数据被存储之后，成像程序被结束，如进行到框3220的箭头3218所示。
除了映射从一组二维图像记录的像素的三维位置之外，一些描述的实施例的方法、装置和系统还执行像素密度计算来提供所得的图像组的客观表征，以确定Z方向上的间隔是否足以提供目标组织体积(例如，人类女性乳房)的精确且完整的三维图像。通过举例的方式，每个超声扫描派生的二维图像i中的每个像素由二维空间中的唯一一组坐标X{i,j}和Y{i,j}指定。当两个相邻的二维图像i和i+1被组合从而形成三维体积时，每个像素的位置被变换到三维空间中并且可以由三个笛卡尔坐标Xij、Yij和Zij定义。
继续此示例并参考图12A，假定由任何两个相邻二维扫描所限定界限的整个体积被细分成更小的组分体积。通过示例的方式，所述更小的组分体积具有尺寸为2mm x2mm的两个相对的正方形侧面并且由下面列出的坐标定义，如图12A所示。为了方便表示示例组分体积的边界处的XYZ坐标，在顺序的二维超声扫描图像2200和2201之间的物理间距已被显著地增大，并且并未相对于超声扫描区域2200和2201的整体尺寸按比例绘制。
第i个二维图像2200上的正方形侧面的坐标：
X11Y11Z11(1111),X12Y12Z12(1112),X13Y13Z13(1113),X14Y14Z14(1114)，
第(i+1)个二维图像2201上的正方形侧面的坐标：
X21Y21Z21(1121),X22Y22Z22(1122),X23Y23Z23(1123),X24Y24Z24(1124)
继续该示例，通过比较沿着Z轴的以下四个距离来确定针对第一组分体积的相邻二维图像2200和2201上的2mm x2mm正方形面之间的最大间距：
{Z11–Z21},{Z12–Z22},{Z13–Z23},{Z14–Z24}
对于此示例，假定图12A中的正方形2210和2211的四个拐角之间的最大距离为{Z14-Z24}。于是计算出的第一组分体积是单位区域A与正方形面2210和2211(对于该示例为2mm x2mm)之间的最大间距的乘积：
第一组分体积＝A*{Z14–Z24}等式2
继续此示例并仍然参考图12A，通过把两个顺序的二维图像上的面2210和2211上的2mm x2mm区域A内的组合的总像素数(例如，对于两个顺序图像的组合的总共800像素，每个图像上的400像素)除以第一组分体积来给出第一组分体积的第一组分体积像素密度，在等式3中给出如下：
第一组分体积像素密度＝
(两个单位区域中的总像素数)÷(第一组分体积)  等式3
现在参考图1和图12A并且继续该示例，将等式3中获得的计算出的第一组分体积像素密度与预定的最小容许体积像素密度进行比较，所述最小容许体积像素密度被选择为确保目标组织体积内的所有区域被包括在超声扫描中。(a)针对由两个顺序的二维图像2200和2201的边界所定义的每个组分体积、以及(b)针对在筛查程序期间获取的所有由顺序二维图像构成的对，重复上述示例处理。如果任何由顺序二维超声扫描构成的对导致小于最小容许体积像素密度的组分体积像素密度，那么在数据采集和显示模块/控制器40上显示警告使得操作者能够重复刚刚完成的超声扫描序列，以便提高像素密度从而满足预定的最小容许体积像素密度的要求。通过该处理，确保了包括目标组织区域内的所有组织体积的完整超声筛查。
本发明的另一实施例利用任意两个顺序超声扫描图像的几何关系来减少为了确定[a]是否已经超过顺序的超声扫描图像之间的最大间距限制和/或[b]是否还未达到组分体积中的最小像素密度而需要分析的组分体积的数目。现在参见图12B中的示例，两个顺序的二维超声扫描图像2200和2201以间隔开的关系被示出，其中向量2320指的是从手持超声探头发出和由手持超声探头接收的已发射的和被反射的超声信号的方向。为了方便表示示例组分体积的边界处的XYZ坐标，顺序的二维超声扫描图像2200和2201之间的物理间距已被显著地增大，并且并未相对于超声扫描区域2200和2201的整体尺寸按比例绘制。
每个二维超声扫描图像(例如扫描图像2200和2201)可以被假定为采用平坦平面表面的几何形式。此外，由于任何两个顺序的二维超声扫描图像在非常短的时间段内被获取，因此将第i个二维扫描图像(例如，扫描图像2200)的边界与第(i+1)个二维扫描图像(例如，扫描图像2201)的边界对准、并且可以将其投射到第(i+1)个二维扫描图像(例如，扫描图像2201)的边界上。作为任何两个顺序二维超声扫描图像的边界及其平面几何结构被对准的结果，只有位于顺序二维超声扫描图像构成的对的四个“拐角”处的那些组分体积(如图12B中所见的)需要被分析以便确定[a]是否已经超过顺序的超声扫描图像之间的最大间距限制和/或[b]是否还未达到组分体积中的最小像素密度。
通过示例的方式并且仍然参考图12B，其详细地示出组分体积2310a的笛卡尔坐标。所述组分体积2310a由两个等腰梯形2300a和2301a组成，其中等腰梯形2300a和2301a分别对应于位于平面二维超声扫描图像2200和2201的四个拐角之一处的组分体积2310a的端面。2300a的坐标为X28Y28Z28(1128)、X29Y29Z29(1129)、X26Y26Z26(1126)、X27Y27Z27(1127)。2301a的坐标为X16Y16Z16(1116)、X17Y17Z17(1117)、X18Y18Z18(1118)、X19Y19Z19(1119)。使用定义组分体积2310a的每个等腰梯形的四个拐角的每一个拐角处的笛卡尔坐标，来确定这个等腰梯形对2300a和2301a之间的四个Z轴距离{Z16-Z26,Z17-Z27,Z18-Z28,Z19-Z29}当中的最大间距。接着使用这一相同的程序来分别确定与组分体积2310b、2310c和2310d对应的等腰梯形对2300b和2301b、2300c和2301c以及2300d和2301d之间的四个Z轴距离之间的最大间距，如图12B中所示。接下来比较四个等腰梯形对的每一对的这些最大值，以便确定四个组分体积2310a、2310b、2310c或2310d中的哪个组分体积包含沿着Z轴的最大扫描图像间间距。然后使用包含沿着Z轴的最大扫描图像间间距的那个组分体积2310，来确定是否已经达到最大容许扫描图像间间距和/或最小要求像素密度的要求。如果没有满足这些预定要求，则(例如，用指示刚刚完成的超声扫描未被正确执行的可视提示以及纠正超声扫描中检测到的缺陷的指定步骤)立即警告操作者。
通过该新颖方法，所描述的实施例极大降低了确保每个后续二维超声扫描图像满足最大容许间距和/或最小要求像素密度所需要的计算时间，并且在每个扫描路径已经完成之后能够立即警告操作者。
当二维超声扫描派生的图像按顺序正被呈现时，顺序扫描之间(即，沿着如图12A中所示的Z轴)的间距越大，对筛查图像进行复查以便精确识别并表征病变的临床医生的能力就越受损。通过示例，如果以每秒15帧正在呈现图像(这是不寻常的，因为查看者将习惯于在标准视频呈现中以每秒30帧的速度查看一连串静止图像)，那么两个顺序的相邻二维图像之间的1mm间距将代表任何不寻常结构的0.33秒的呈现时间。相反，两个顺序的相邻二维图像之间的3mm间距的情况由于图像之间的较大间距而将代表任何不寻常结构的仅仅0.07秒的呈现时间。由于大脑有能力自动检测可视环境中的不寻常变化，所以用于显示一幅“正常”图像或一系列“正常”图像接着一幅“不寻常”图像或一系列“不寻常”图像的方法、装置和系统将引起无意识的识别响应(参见Pazo-Alvarez,P.等人的Automatic Detection of Motion Directed Changes in the Human Brain2004.European Journal of Neuroscience；19:1978-1986)。对运动图片呈现的研究表明：低于15帧/秒的帧速率被更少地感知为运动，而是更多地被感知为个体图像(参见Read,P.等人的Restoration of Motion PictureFilm2000.Conservation and Museology,Butterworth-Heinemann,ISBN075062793X:24-26)。因此，以最小时间周期呈现随机结构的单个帧比以更长时间周期呈现那个结构的一系列顺序图像更易被临床医生/复查者“遗漏”。
最小化复查过程的持续时间，同时最大化识别超声筛查结果的视频呈现内的异常的能力，对于临床医生具有首要重要性以避免疲劳并且最大化临床医生时间的高效利用。超声扫描派生的图像记录是基于时间的，图像以时间均匀的方式被获得。这种方法可能出现几个问题。第一，如果图像间隔从扫描的一部分到下一部分而变化，则以空间均匀的方式呈现图像的能力会受损。一个部分可能使图像以0.01mm的中心间距隔开，而另一部分可能使图像以1mm的中心间距隔开。相比于图像以0.1mm的中心间距被记录的部分，图像以0.01mm的中心间距被记录的部分期间记录的信息会花费10倍的时间来显示扫描序列的扫描体积的同一子集。当试图在大约5mm上检测异常时，可以争论的是，与以0.1mm的中心间距进行的扫描相比，在以0.01mm的中心间距进行的扫描中没有呈现更多的真实信息。有着更紧密间隔的图像的部分可以表示观察者效率的降低，而不是程序功效的增加。
本发明的另一个实施例在图16A-16B中可见并且包括分析来自超声筛查程序的完整数据组，以识别那些二维扫描图像400a-400o，这些图像通过超声探头在扫描程序期间的平移速度以及数据采集和控制模块的图像记录速率的作用而被隔开。在一个实施例中，通过接近预定最小间隔间隙的Z轴间隔分隔开的那些图像被保存，而位于一对适当分隔开的二维扫描图像之间(因此通过比预定最小间隔间隙小得多的间隔间隙被分隔开)的任何额外的二维扫描图像从超声扫描程序的最终视频呈现中被排除。用举例的方式，如图16A中所述，如果因为扫描程序过程中的平移速度的变化，图像以0.0mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.7mm、4.0mm、4.3mm、4.7mm、5.0mm、5.5mm和6.0mm的中心间距被记录，并且如果优选的图像间隔为1.0mm，则只有以0.1mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm和6.0mm的中心间距记录的那些图像将会被显示(即，400a、400c、400d、400f、400j、400m和400o)。其他图像，15个被记录图像中的8个，将不会被显示，从而将查看时间减少超过50％(图16B)。作为本发明这个实施例的结果，临床医生能够复查最小数量的具有基本可视信息内容的图像。这种用预定图像间隔对超声筛查数据进行后处理的方法提供了在时间和空间上均匀的呈现。
本发明的另一个实施例也在图16A-16B中可见，其包括分析来自超声筛查程序的完整数据组，以识别每对相邻扫描图像之间的间隔并且以空间一致的方式而不是时间一致的方式来呈现那些图像，这是大多数视频图像呈现的习惯。图像的呈现被提供为扫描体积的函数，对于每个图像的停留时间被确定为相邻图像之间的间距的函数。用举例的方式，如图16A中所述，如果因为扫描程序过程中的平移速度的变化，图像以0.0mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.7mm、4.0mm、4.3mm、4.7mm、5.0mm、5.5mm和6.0mm的中心间距被记录，并且如果优选的图像间隔是1.0mm/秒，则对于400a而言，停留时间或者图像在下一顺序图像显示之前被显示的时间是1.0秒，这是因为400a和400b之间的距离是1.0mm。停留时间通过将帧之间的距离除以期望的空间呈现速率[1.0mm/(1.0mm/秒)]来计算。以类似的方式，对于400b的停留时间是0.5秒，因为400b和400c之间的距离是0.5mm[0.5mm/(1.0mm/秒)]。以类似的方式，对于400c的停留时间是0.8秒，对于400d是0.2秒，对于400e是0.2秒，对于400f是0.3秒，对于400g是0.2秒，对于400h是0.3秒，对于400i是0.3秒，对于400j是0.4秒，对于400k是0.3秒，对于400l是0.5秒，且对于400m是0.5秒。在此示例中，因为没有顺序帧跟随在400o后面，所以没有列出对于400o的停留时间。
参考图1和图16A-16B，如果用户在扫描序列过程中改变其速度，则在可以被记录的图像400中会存在变化的间距，如果那些图像400以规律的时间间隙被记录的话。位置跟踪模块22和数据采集和显示模块/控制器40以比期望的记录时间间隙更频繁的时间间隙轮询附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14的位置，以便关于之前记录的图像400，确定附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14何时处于代表可接受间隔的位置。当手持成像探头处于适合的间隔时，数据采集和显示模块/控制器40将记录图像。例如，在图16A-16B中，如果图像400a-400o代表以0.1秒间隙获得的附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14的位置，则数据采集和显示模块/控制器40只会在0.0秒记录图像400a(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14在其初始位置时)，在0.1秒记录另一图像400b(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于1.0mm时)，在0.3秒记录另一图像400d(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于2.0mm时)，在0.5秒记录另一图像400f(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于3.0mm时)，在0.9秒记录另一图像400j(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于4.0mm时)，在1.2秒记录另一图像400m(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于5.0mm时)，在1.4秒记录另一图像400o(在附装有多个位置传感器32a、32b和32c的手持成像探头14处于经过前一记录图像后的1.0mm时，或处于6.0mm时)。结果是7个存储的图像，如果已经以规律的时间间隙被记录的所有图像都被记录，则这些图像将在所需时间的几乎一半时间内被回放。
所述的一些实施例提供了通过在扫描过程期间考虑几个因素对成像记录处理的控制。例如，这些因素包括图像到图像间隔、探头的角度位置、和扫描到扫描间隔。这允许图像以一个或多个图像之间的不均匀或不恒定的间隔被记录。不均匀或不恒定的间隔通常是操作员将探头移动越过目标区域时变化的平移速度的结果。变化的速度造成彼此之间距离变化的图像。一些实施例允许操作员改变扫描速度，同时仍确保扫描图像的足够分辨率和覆盖。这可以通过维持最小图像到图像距离、最小扫描到扫描距离或最小像素密度来实现。
作为又一个示例，如果用户在过程中改变其平移速度使得各自具有其自身的唯一位置标识符信息的多个被纪录图像400a-400o(见图16A-16B)被不均匀地间隔开，则系统和方法可以通过计算那些图像中的哪些提供了有用信息并且应该在复查过程中被显示，以及通过计算那些图像中的哪些由于离前一或后一图像太近而不应该被显示，来减少复查时间。通过举例的方式，如果用户希望复查图16A-16B中描述的6mm的组织，并且系统已经存储了14个图像400a-400o，则系统和方法可以使用一个或多个微处理器来执行计算以确定被记录图像中的哪一些最接近期望间隔。再通过举例，如果期望间隔是1.0mm，那么仅需要图像400a、400b、400d、400f、400j、400m和400o来提供期望的分辨率。通过只选择那些最接近期望间隔参数的图像的逻辑论证，系统可以选择不显示图像400c、400e、400g、400h、400i、400k、400l和400n。
如果用户在过程中改变了他或她的平移速度使得各自具有其自身的唯一位置标识符信息的多个被纪录图像400a-400o被不均匀地间隔开，则系统和方法可以通过计算那些图像中的每一个在复查过程期间应该显示多长时间，以及通过计算哪些图像由于距离前一或后一图像太近而不应该被显示，来减少复查时间。通过举例的方式，如果用户希望复查图16A中描述的6mm的组织，并且系统已经存储了图16A中描述的14个图像400a-400o，则取决于复查者想要从虚拟的视点平移经过组织的速度，系统和方法可以执行计算来确定要显示每个图像多久。再次通过举例，如果图16中的期望间隔，图像400a和图像400b之间的间隔是1.0mm。如果复查者希望以10mm/秒复查图像，则图像400a在图像400b显示之前被显示的时间量将是0.1秒(1.0mm/(10mm/秒))。如果图像400b和400c之间的距离是0.5mm，则图像400b在图像400c显示之前被显示的时间量是0.05秒(0.5mm/(10mm/sec))。该过程将被应用于所有图像，使得相关联的停留时间或者每个图像被显示的时间为400a＝0.1秒、400b＝0.05秒、400c＝0.05秒、400d＝0.08秒、400e＝0.02秒、400f＝0.02秒、400g＝0.03秒、400h＝0.02秒、400i＝0.03秒、400j＝0.03秒、400k＝0.04秒、400l＝0.04秒、且400m＝0.05秒。用于此序列的总复查时间是0.56秒。如果图像以每秒0.1帧被复查(这是根据图像400a和400b的间隔而建议的)，则整个图像组的复查时间是1.3秒。
所描述的其他实施例提供了系统和方法，用于通过限制记录的图像数量来提供加速的复查时间。如果操作员在扫描过程期间改变其速度并且图像以规律的时间间隙被记录，则记录的图像将具有无规律的间隔。然而，系统没必要以规律的时间间隙来记录图像。通过计算图像处于空间中的哪里而不是作为时间的函数，系统可以确定何时记录图像。通过举例的方式，如果系统在一秒中记录了19个图像，且这些图像的Z平面位置在0.0秒被记录为0.0mm、在0.1秒被记录为0.7mm、在0.2秒被记录为0.9mm、在0.3秒被记录为1.9mm、在0.4秒被记录为2.5mm、在0.5秒被记录为2.8mm、在0.6秒被记录为3.6mm、在0.7秒被记录为3.7mm、在0.8秒被记录为4.0mm、在0.9秒被记录为4.7mm、在1.0秒被记录为5.1mm、在1.1秒被记录为5.6mm、在1.2秒被记录为6.6mm、在1.3秒被记录为7.0mm、在1.4秒被记录为7.6mm、在1.5秒被记录为8.2mm、在1.6秒被记录为8.5mm、在1.7秒被记录为9.5mm、且在1.8秒被记录为10.0mm，则记录那19个图像的时间是1.8秒，以每秒10帧来复查它们的时间将是1.8秒。如果系统只在图像有期望间隔时记录它们，则复查时间和图像存储需求会得到减少。通过上述举例的方式，探头在0.0秒时处于0.0mm，在大约0.21秒时处于1.0mm，在大约0.3167秒时处于2.0mm，在大约0.5125秒时处于3.0mm，在0.8秒时处于4.0mm，在大约0.975秒时处于5.0mm，在大约1.15秒时处于6.0mm，在1.3秒时处于7.0mm，在大约1.567秒时处于8.0mm，在大约1.65秒时处于9.0mm，且在1.8秒时处于10.0mm。尽管花费1.8秒来记录这11个图像，然而它们能够以每秒10帧的速度在1.0秒中被重放。
因为扫描程序是用手执行的，所以记录图像的用户有可能不止一次覆盖相同的组织体积，对于每次扫描都记录图像。这些重叠扫描可能会导致冗余图像，并且复查这些冗余图像会增加复查时间。在这种现象的最基本描述中，如果用户扫描同一区域两次，则第二次扫描是多余的。复查第二次扫描只会重复之前呈现过的信息。除了增加“第二次”复查以外，复查第二图像不会服务于临床目的。在一些实施例中，冗余图像是这样的图像，该图像内包含的所有信息都包含在其他图像中，或者其他图像的组合中。通过图17A和17B的示例的方式，乳房的两个径向扫描1600和1602在乳房60的周边开始，然后进行到乳头64。在周边不存在扫描信息的重叠，但是随着扫描趋近乳头64，重叠的确出现了。在两个扫描的边界内记录的任何额外的图像都是冗余的。在这个示例中，如果第三扫描1608在前两者之间被获得，则与其他扫描一样，在乳房60的周边不存在信息重叠。如果在扫描的该部分内捕获单个图像1612，则可能存在一些对于其他图像来说冗余的信息，但是也存在还未被成像的其他信息。因此，这个图像不是完全冗余的。然而，如果操作员继续该扫描，他或她将扫描已经由其他扫描1600和1602完全扫描的区域1610。如果单个图像1614在该区域中被捕获，则其中包含的所有信息都将是冗余的。在这个示例中，区域1610可以包含多个图像，这多个图像全部都是冗余的。大量的复查时间可以通过简单地不复查这些图像而得到节省。所描述的一些实施例提供了通过确定被扫描的一组图像中的图像之间的重叠或冗余来减少复查时间。然后，被扫描的这组图像可以被修改来去除重叠或冗余的信息。通过上述的任何方法，例如通过确定像素之间的距离或比较被扫描图像的像素密度，可以实现对冗余或重叠的确定。
在一些实施例中，措辞“均匀的时间显示或复查”宽泛地指修改扫描序列，使得复查时间满足预定时间，而不管扫描序列中的图像数量如何。在一些情况下，这是通过为扫描序列中的每一图像分配停留时间或复查时间来完成的。例如，具有10个图像的扫描序列可以对所有的10个图像具有10秒的预定复查时间。然而，分配给10图像扫描序列内的每个图像的复查时间可能在图像与图像之间变化。一些图像可以被分配1.0秒的停留时间。其他图像可以被分配0.75秒的停留时间。这类分配可以是图像之间的相对间隔的函数。在一些实施例中，均匀时间显示或复查表示复查扫描序列的总体时间基本上是相同的，而不管扫描序列内的每个离散图像的个体停留时间或复查时间如何。
在一些实施例中，措辞“均匀的空间显示或复查”宽泛地指修改扫描序列，使得扫描序列内的离散图像之间的相对间隔基本上相同。例如，扫描序列可以在0mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.2mm、2.5mm和3.0mm处具有被记录的图像。通过去除不具有优选的相对间隔的图像，这样的扫描序列可以被修改成具有均匀的空间显示或复查。相对间隔可以是例如1.0的图像到图像间隔。在这种情况下，用于复查的被记录图像将不包括1.5mm、2.2mm和2.5mm。被修改的扫描序列会提供均匀的空间显示或复查。
在一些实施例中，复查图像可以展示均匀的空间-时间显示或复查，其在复查扫描序列图像内具有均匀的空间和均匀的时间特性或一些组合。
一些实施例提供了方法、系统或设备，其允许复查者标记或注释图像以用于复查。在一些情况下，注释或标记在被扫描图像上指出可能需要被进一步复查的的位置。在其他实施例中，图像中的标记部分可以指出疑似病变或结构(例如潜在的肿瘤)的部位。
本发明的另一实施例在图13中可见，其中替代与图1到9和图11有关的前述说明中描述的电磁射频位置传感器的使用，光学识别被用于连续不断地检测手持超声探头组件230的位置和方向。如先前关于图1到9和图11所述，基于光学识别的位置和方向检测方法、装置和系统被用来精确地确定每个二维超声扫描图像的位置，并由此确定每个二维超声扫描图像内的每个像素的时间位置。
参考图13，其示出两个主要的子系统。第一子系统是诊断超声系统12，其包括超声监视器控制台18、显示器17、手持超声探头214和连接电缆16。第二系统(在下文中被称为“基于光学的超声扫描完整性审核系统”)总体以218表示。基于光学的超声扫描完整性审核系统218包括数据采集和显示模块/控制器240，其包括微计算机/存储器/DVD ROM记录单元241、显示器213和脚踏板控制212。脚踏板212经由电缆215和可拆卸地附装的连接器13连接到微计算机/存储器/DVD ROM记录单元241。基于光学的超声扫描完整性审核系统210还包括位置跟踪系统220，其包括位置跟踪模块222和两个或更多(优选地三个或更多)照相机235(例如，红外照相机)。另外，基于光学的超声扫描完整性审核系统210还包括两个或更多附装到手持超声探头214的光学上唯一的(即，可唯一识别的)位置标志(marker)232。所述的两个或更多(优选地三个或更多)照相机可以在可见光谱或红外光谱中操作。
通过举例的方式并仍参考图13，四个红外照相机235a-235d被示出处于预定的固定位置，这些固定位置的视野包含手持超声探头组件230，该手持超声探头组件230包括六个光学上唯一的位置标志，其中三个位置标志232a-232c可在手持超声探头组件230的正面看到(232d-232f处于手持超声探头组件230的背面，但未示出)。所述红外照相机经由电缆243a-234d可拆卸地连接到连接器236a-236d处的位置跟踪模块222。所述基于光学的位置检测方法、系统和装置能够以长达3米的照相机到目标的距离，每秒获得100个位置精度在小于1毫米内的位置测量值。例如，参见现成的基于光学的位置检测设备，由佛蒙特州伯灵顿市的Ascension Technology公司制造的Spotlight Tracker。
仍然参考图13，诊断超声系统12经由数据传输电缆46连接到数据采集和显示模块/控制器240，以使每一帧超声数据(通常每帧包含大约10百万像素)能够在每个单独扫描结束时由微计算机/存储器/DVD ROM记录单元241接收，其中每个单独扫描大约每0.1到0.02秒完成。电缆248利用可拆卸地附装的连接器245被可拆卸地附装到数据采集和显示模块/控制器240的微计算机/存储器/DVD ROM记录单元241，并且利用连接器47被可拆卸地连接到诊断超声系统12。与诊断超声程序相关联的连续扫描被存储并经受计算算法的处理，以评价诊断超声扫描程序的完整性，如在接下来的说明中更详细描述的那样。
仍参考图13，手持超声探头位置跟踪模块222经由数据传输电缆248被连接到数据采集和显示模块/控制器240，其中电缆248用连接器245被可拆卸地附装到数据采集和显示模块/控制器240的微计算机/存储器/DVDROM记录单元241，并且用连接器249被可拆卸地连接到位置跟踪模块。图1中所见的手持超声探头组件230包括例如六个光学上唯一的位置标志232a-232c(232d-232f在手持超声探头组件230的背面，且未示出)，它们被附装到超声手持探头214。如在图13中所示的示例配置中所见，四个红外照相机235a-235d布置在围绕手持超声探头组件230的周边的已知位置并且处于手持超声探头组件230的无阻挡的视野中。位置跟踪模块222内包含的光学识别和向量化软件优选地以0.05秒的时间间隙且更优选地以0.01秒的时间间隙，提供手持超声探头组件230的精确位置和方向。
现在参考图14A-14C并通过举例的方式，六个光学上唯一的位置标志232a-232c(232d-232f在手持超声探头组件230的背面，且未示出)被附装到手持超声探头214，如现在更详细描述的那样。这些光学位置标志可以通过反射图案的几何形状、反射波长或其组合而彼此区分开。在一些实施例中，光学标志可以通过粘结剂被附装到探头组件214。在手持探头组件230的另一个实施例中，手持超声探头214被分别围在第一和第二“蛤壳”型支撑构件242和244内。
继续此示例性实施例并参考图14A-14C，三个光学上唯一的位置标志232a-232c被附装到第一支撑构件242的外表面。另外，三个光学上唯一的位置标志232d-232f(未示出)被附装到第二支撑构件244的外表面。传感器的数量仅由产生光学上唯一的几何形状和色彩的能力以及探头上的表面区域的量来限制。参考图14B，三个照相机271a-271c分别定位三个标志232b、232h、232i。因为标志232b、232h、232i相对于探头组件230的几何形状的位置是已知的，所以探头组件230的位置和计算出的方向可以得到确定。即使一个或多个或者全部原始标志232b、232h、232i从照相机271a-271c的视线中被遮掩，探头组件230的位置和计算出的方向也可以得到确定。如图14C中所述，由于照相机271a-272c可以为被遮掩的每个标志232b、232i定位额外的标志(诸如232j、232k)，所以这可以得到实现。在一些实施例中，三个标志232h、232j、232k的位置是已知的，并且因为这三个标志232h、232j、232k相对于探头组件230的位置也是已知的，所以可以确定探头组件230的位置和方向。在其他实施例中，可以使用多个传感器/标志中任意数量的传感器/标志、或者可以使用多个传感器/标志的子集来确定探头组件的位置和方向。
如图15中所见，本发明的另一个实施例在手持探头组件230的分解视图中被进一步示出。所述第一支撑构件242包括前述的三个光学上唯一的位置标志232a-232c。第一支撑构件242还包括延伸耳236a和236b，每个延伸耳具有钻孔以实现对第二支撑构件244的牢固机械附装。所述第二支撑构件244同样包括延伸耳238a和238b，每个延伸耳具有钻孔，该钻孔匹配第一支撑构件中的钻孔，以便使得能够分别使用螺钉239a和239b牢固地机械附装到第二支撑构件242。第一和第二支撑构件可以使用金属、金属合金来制造，或者优选地使用刚性塑料材料制造。第一和第二支撑构件242和244的内部轮廓和尺寸被设计成匹配现成的配备有光学上唯一的位置标志232a-232c的手持超声探头的特定轮廓和尺寸。因此，第一和第二支撑构件242和244的轮廓和尺寸将根据手持超声探头的设计而变化。光学上唯一的位置标志232a-232c相对于手持成像探头的端面处的超声换能器阵列(未示出)的精确位置将相应地对于每一组第一和第二支撑构件而言是已知的，因为它们被设计为附装到特定的手持超声探头并与之结合进行操作。
回到图2，手持超声探头14的典型尺寸被提供如下：
W1＝1.5～2.5英寸
L1＝3～5英寸
D1＝0.5～1英寸
因此，如前面段落中所规定的，第一和第二支撑构件242和244的尺寸被设置为对应于特定手持超声探头设计的特定轮廓和尺寸。对于注模塑料(例如，生物相容级别的聚碳酸酯)的情况，所述第一和第二支撑构件242和244的内部尺寸被设计成紧密地匹配手持超声探头214的外部尺寸。注模塑料支撑构件242和244的壁厚度优选地在从0.05至0.10英寸的范围内。
尽管已经描述了某些位置和运动识别方法(例如，图13)，但是可以理解的是，任何位置和运动识别方法、软件、设备或系统可以与所述实施例一起使用。例如，可以采用声呐、雷达、微波或任何运动或位置检测手段。
此外，位置传感器可以不是添加到成像设备中的独立传感器，而可以是成像设备的几何或界标特征，例如探头的拐角。在一些实施例中，光学、红外或紫外照相机能够捕获探头的图像并将界标特征解释为成像装置上的唯一位置。而且，在一些实施例中，传感器可以无需被添加到成像装置。而是，通过使用成像装置的几何或界标特征，可以用位置和运动检测系统来跟踪成像装置的位置。例如，定位系统可以在超声成像探头跨越目标组织扫描的时候跟踪超声成像探头的拐角或边缘。
根据本发明的实施例的说明，基于电磁射频的方法、装置和系统，或者基于光学识别的方法、装置和系统可以用来在对应于任何二维超声扫描图像的时间的所有时间点检测手持超声探头的位置。该位置和方向数据被用来计算顺序的二维超声扫描图像之间的最大距离，以确定是否超过预定的最大间隔限制或者是否没有达到预定的像素密度限制。如果没有达到任何预定的要求，则利用可视显示来警告超声筛查操作员，该可视显示表明：刚完成的扫描[a]是用相对于序列中的前一扫描而言过大的间隔来执行的，和/或[b]是用太快以致于不能满足像素密度或间隔要求的平移和/或旋转速率来执行的。
图像可以被取回并用各种方式存储。通过举例的方式并作为图1的教学之一，数据采集和显示模块/控制器40的微处理器/存储器/DVD ROM记录单元41可以是具有视频帧捕捉卡的标准计算机。数据传输电缆46能够连接到手持成像系统12的视频输出端并且以各式格式记录离散图像，所述格式包括但不限于JPG、BMP、PNG。每个图像会与信息头一起存储，所述信息头包括但不限于在图像被记录时图像的位置。各个单独的图像可以存储在扫描轨迹组(set of scan tracks)中，并且扫描轨迹可作为完整检查被存储，或者图像可以使用另一数据管理协议来存储。所得的图像组可以由几千个单独的离散图像组成。
一旦对图像组进行编辑，就可以将其作为集合与位置信息和诸如患者标识之类的其他信息一起存储到便携式存储设备9(诸如DVD ROM、便携式硬盘驱动器、网络硬盘驱动器、基于云的存储器、等等)。这些数据可以在数据采集显示模块/控制器40上、或者在配备有设计成复查图像数据的软件的外部计算机上被查看。
在本发明的又一实施例中，光学图像投影仪可以被包含在超声扫描完整性审核系统或基于光学的超声扫描完整性审核系统中，以便在目标组织(例如，人类女性乳房)的表面上叠加光学信息。所述光学信息可以例如包括(一个或多个)由于过大的扫描间距而需要被重复的超声扫描路径、不充分的重叠和/或过大的扫描平移速度和/或旋转速率。所述光学信息由此能够引导额外的二维超声扫描的进行以克服任何所确定的缺陷。
因为可以在上述系统、设备和方法中做出一些改变而不脱离此处涉及的本发明的范围，所以说明书中包含的或者附图中示出的所有内容都应该被解释为是说明性的而非限制性的含义。所公开的本发明提升了本技术领域的状态并且其许多优点包括在此所述的那些优点。
对于与本发明有关的额外细节，材料和制造技术可以在相关领域技术人员的水平内被采用。关于本发明的基于方法的方面，通常采用或在逻辑上采用的额外操作也可以在相关领域技术人员的水平内被采用。此外，可预见的是，所述的本发明的变型的任何可选特征可以独立地或者与在此所述的任何一个或多个特征相结合地来阐述和要求保护。同样地，对单数项的提及包括存在相同项的复数的可能性。更具体地，在此处以及所附权利要求中所用的单数形式“一个”、“和”、“所述”、以及“该”包括复数对象，除非上下文清楚地指出相反的情况。还应当注意，权利要求可以被撰写为排除任何可选元件。由此，本声明旨在针对在权利要求元素的陈述方面诸如“单独地”、“仅”等之类的排他性术语的使用或者“否定性”限制的使用充当在先基础。除非在本文中另行定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。本发明的范围宽度不由本说明书来限制，而是仅由所采用的权利要求术语的普通意义来限制。

Claims (26)

1.一种用于筛查一定体积的组织的扫描完整性审核系统，包括：
具有成像探头的手动图像扫描设备，所述手动图像扫描设备被配置成扫描所述一定体积的组织、以及向与所述扫描设备通信的记录系统输出至少一个扫描图像；
位置跟踪系统，包括：
耦接到所述成像探头的多个位置传感器，所述位置传感器被配置成提供与所述成像探头的位置相对应的数据；和
至少一个配置成从所述位置传感器接收位置数据的接收器，所述位置跟踪系统被配置成跟踪和记录所述成像探头在使用期间的位置；以及
与所述记录系统和所述手动图像扫描设备通信的控制器，所述控制器被配置成电子地接收和记录来自所述手动图像扫描设备的扫描图像，以及测量扫描序列内的扫描图像之间的图像到图像间隔，其中所述控制器适于向操作员提供警告。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器应用图像位置跟踪算法来确定扫描序列内的扫描图像之间的相对分辨率。
3.如权利要求1所述的系统，还包括具有第一组离散图像的第一扫描序列和具有第二组离散图像的第二扫描序列，其中所述控制器记录所述扫描序列并确定所述第一和第二扫描序列之间的扫描到扫描间隔。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器应用位置跟踪算法来确定所述第一和第二扫描序列之间的相对覆盖。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成通过计算所述第一扫描序列的第一边界和所述第二扫描序列的第二边界之间的距离，来测量所述第一和第二扫描序列之间的扫描到扫描间隔。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成通过计算被筛查的所述一定体积的组织内的单位体积的像素密度、以及将算得的像素密度与最小像素密度值进行比较，来测量所述第一和第二扫描序列之间的扫描到扫描间隔，所述控制器还被配置成在所述算得的像素密度小于所述最小像素密度值的情况下，警告所述操作员重新扫描所述组织。
7.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成确定所述扫描到扫描间隔是否超过最大距离。
8.如权利要求1所述的系统，所述位置跟踪系统还包括位置定位系统，所述位置定位系统被配置成通过接收由所述多个位置传感器产生的输出信号来感测所述多个位置传感器的相对位置。
9.如权利要求8所述的系统，其中由所述多个位置传感器产生的所述输出信号是磁或电磁信号。
10.如权利要求1所述的系统，所述位置跟踪系统还包括多个光学照相机，其中所述多个位置传感器被配置成反射电磁辐射，以及所述多个照相机被配置成检测被反射的电磁辐射以确定所述位置传感器和所述照相机之间的相对位置。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成将所述图像到图像间隔与用户定义的最大距离进行比较。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过测量第一扫描图像中的第一像素和第二扫描图像中的第二像素之间的距离，来测量扫描序列内的扫描图像之间的图像到图像间隔，其中所述第一和第二扫描图像是顺序图像。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述控制器被配置成确定所述第一和第二像素之间的测量距离是否超过最大距离。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过测量多个连续的平面图像之间的距离，来测量扫描序列内的扫描图像之间的图像到图像间隔。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过测量多个连续的平面图像之间的最大弦距离，来测量扫描序列内的扫描图像之间的图像到图像间隔。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过计算被筛查的所述一定体积的组织内的单位体积的像素密度、以及将算得的像素密度与最小像素密度值进行比较，来测量扫描序列内的扫描图像之间的图像到图像间隔。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述最小像素密度值在约9,000像素/立方厘米到约180,000,000像素/立方厘米之间。
18.一种采用图像扫描设备筛查限定体积的组织的方法，包括：
使用手动成像探头扫描组织以产生包括被扫描组织的一组离散图像的扫描序列；
从所述图像扫描设备电子地接收一组离散图像；
电子地接收所述一组离散图像中的每个图像的位置数据；
测量所述扫描序列中的连续图像之间的图像到图像间隔；
确定所述图像到图像间隔是否超过最大限制；以及
如果所述图像到图像间隔超过所述最大限制，则警告操作员。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
使用所述手动探头扫描所述组织以产生另一扫描序列；
测量所述扫描序列之间的扫描到扫描间隔；
确定所述扫描到扫描间隔是否超过最大限制；以及
如果所述扫描到扫描间隔超过所述最大限制，则警告操作员。
20.如权利要求18所述的方法，其中测量所述扫描序列中的连续图像之间的图像到图像间隔的步骤包括：计算被筛查组织的单位体积的像素密度，以及将算得的像素密度与最小像素密度值进行比较。
21.如权利要求18所述的方法，其中测量连续离散图像之间的所述图像到图像间隔的步骤包括：测量连续离散图像之间的最大弦距离。
22.如权利要求18所述的方法，其中测量连续离散图像之间的所述图像到图像间隔的步骤包括：测量第一离散图像中的第一像素和第二离散图像中的第二像素之间的距离，其中所述第一离散图像和所述第二离散图像是同一扫描序列中的顺序图像。
23.一种减少被扫描组织图像的复查时间的方法：
测量扫描序列中的第一离散图像和第二离散图像之间的相对间隔；
确定第一离散图像和第二离散图像之间的所述相对间隔是否小于最小距离；
修改所述扫描序列以便仅显示所述扫描序列中具有离散图像之间的相对间隔的最小距离的离散图像；以及
提供修改后的扫描序列中的连续离散图像之间的均匀的空间-时间显示间隔。
24.一种显示组织的顺序图像的方法，包括：
确定扫描序列中的每个离散图像之间的相对间隔；
向每个离散图像分配停留时间，其中用于每个离散图像的停留时间与该个体离散图像的相对间隔相对应；
以所分配的停留时间显示所述离散图像。
25.一种减少组织的图像的复查时间的方法，包括：
扫描所述组织以产生具有多个离散图像的第一扫描序列；
扫描所述组织以产生具有多个离散图像的第二扫描序列；
确定所述第一扫描序列中的信息对于所述第二扫描序列中的信息而言是否是冗余的；
通过从所述扫描序列中的一个去除冗余来修改所述扫描序列；以及
显示修改后的扫描序列。
26.一种减少被扫描组织图像的复查时间的方法，包括：
通过记录满足预定图像到图像间隔的一组图像来产生被记录的扫描序列；
修改所述被记录的扫描序列来影响所述被记录的扫描序列中的两个或更多被记录图像之间的相对间隔；以及
提供修改后的扫描序列中的被记录离散图像之间的基本均匀的空间显示间隔。
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