超声可定位外科手术导丝系统和方法与流程

超声可定位外科手术导丝系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年5月18日提交的题为“超声可定位手术导丝系统和方法”的美国临时申请号63/026537的权益，该申请通过引用结合于此。
技术领域
3.本公开总体涉及利用超声技术来定位物体的系统和方法。更具体地，本公开涉及利用超声技术的系统和方法，尤其用于定位亚波长大小的物体。


背景技术：

4.每年有数千万人接受某种形式的神经外科手术。这些手术中的大多数包括创伤性脑损伤、中风、脑积水和癫痫以及动脉瘤和动脉粥样硬化疾病的治疗。这些外科手术通常需要使用导丝和导管，导丝和导管穿过身体复杂的血管网络以到达大脑中的患病区域。一旦导丝到达所需位置，受损组织的修复就通过夹住、切除和去除斑块来完成。将导丝穿过身体需要连续成像以导航到病变处并防止损伤身体各处的许多脆弱组织。
5.当前在神经外科手术过程中可视化导丝的方法利用基于x射线的成像、荧光透视，这可能使患者暴露于过量的辐射水平。在重复或漫长的过程中，暴露尤其令人担忧。过度的辐射暴露会导致对组织的急性和长期副作用，同时增加多种癌症的风险。它还需要使用对比成像剂，这可能导致威胁生命的副作用。实时mri成像是神经血管手术中导丝成像的新兴替代方法，并且不会使患者暴露于辐射或造影剂。虽然实时mri的使用正在流行，但它很昂贵，增加了整个手术的时间，并且没有被用于复杂的神经血管手术。
6.超声波用于在外科手术中引导针头和导管已经有约40年了。超声是一种安全(非电离)、经济、便携且广泛可用的成像方式。超声的弱点是软组织对比度差，以及气体和金属或骨头对超声波的阻抗。超声使用通常在1-10mhz范围内的高频声音，低频(1-3mhz)用于更深的结构，例如肝脏或心脏，而高频(5-10mhz)用于皮肤附近的成像。
7.超声图像是通过换能器将超声脉冲发送到物体中，并在同一换能器上测量所产生的返回波而产生的。返回波被遇到的材料和界面反射、衰减、散射和延迟，产生的返回波携带幅度、延迟、相移和频移的信息。例如，每个返回脉冲的时间延迟是到达反射波的表面的传播时间的两倍。衰减指定了脉冲穿过的材料，这给出了允许计算距离的声速。通常，脉冲每秒发送30次，然后测量返回波，直到下一次发送。
8.单个换能器产生的图像最初近似为一列，然后随着深入物体而变宽(a模式)。当多个换能器彼此相邻放置以产生2d图像时，称为b模式。
9.超声的分辨率受到其波长的限制，而波长取决于超声探头的频率及其穿过的组织。分辨率极限在500微米(μm)到150微米之间变化。活检针、注射针和导管很容易看到，因为它们远高于分辨率极限。然而，用于神经外科手术(例如动脉瘤)的血管导丝通常具有小于100微米的直径。低于分辨率限制时，目标会散射声音，产生散斑假象。超声图像布满散斑，这降低了检测低对比度和/或小尺寸目标的能力。人体中的组织由许多小于超声波长的
结构构成，这是在超声图像中表现为散斑的大多数噪声的原因。物体材料的薄(亚波长)部分可以产生至少多个像素的显著散斑图案强度，但它可能与周围组织的背景散斑难以区分，尤其是在骨骼附近。在非移动换能器和非移动物体的情况下，散斑图案不会改变，因此很难将小的亚波长物体的存在与散斑噪声区分开。
10.从组织的变化中分离小结构的散斑是有问题的。因此，超声不是亚波长物体成像的选择。使用类似尺寸的导丝的其他类型的血管内手术会遇到类似的问题。
11.因此，需要能够利用超声技术来识别诸如导丝的小物体，与x射线相比，超声技术降低了健康风险，并且比磁共振成像(mri)技术更便宜。


技术实现要素：

12.本公开提供了一种用于使用广泛可用的超声成像的系统和方法，以克服对导丝和在尺寸上相对于相关介质中的超声波长可能是亚波长的其他较小物体进行成像的限制。该系统和方法可以减少x射线的使用和暴露于辐射的危险影响，并避免mri技术的费用。可以使用这里描述的多种方法和相关联的系统来检测亚波长物体，例如导丝，包括该物体以一定频率改变位置，从反射的超声波创建比物体第一状态下的超声图像更亮的物体超声图像。在一些实施例中，小物体的移动导致了与物体本身在其他情况下所生成的不同的散斑特征。在其他实施例中，对由于物体的固定形状的渐进移动而引起的散斑图案变化进行分析可以形成可检测到的物体。因此，来自移动物体的动态散斑可被识别并用于定位在周围组织或其他介质内的物体。
13.本公开提供了一种用于利用超声成像技术来检测物体的系统，该超声成像技术通过从超声系统产生超声波来成像，该超声波具有对应超声波长的频率，该系统包括物体，其在配置为暴露于超声波的波前的第一状态位置处具有第一状态，并且通过将物体移动到不同于第一状态位置的第二状态位置而具有第二状态，其中超声波从第一状态位置和第二状态位置反射，以产生比该物体在第一状态的超声图像更亮的该物体在第二状态的超声图像。
14.本公开还提供了一种利用超声成像技术来检测物体的方法，该超声成像技术通过从超声系统产生具有对应超声波长的频率的超声波来成像，该方法包括：将能够至少部分反射超声波的物体放置到至少部分传导超声波的物质中，该物体在第一状态位置具有第一状态；将物体移动到不同于第一状态位置的第二状态位置处的第二状态；允许来自超声系统的超声波在第一状态位置和第二状态位置从物体反射；以及创建比物体在第一状态下的超声图像更亮的物体在第二状态下的超声图像。
附图说明
15.图1a是超声系统的实施例的示意图，其具有处于第一状态的合适的待检测物体的示例，例如丝。
16.图1b是物体处于第二状态的图1a的实施例的示意图。
17.图1c是用于向图1b的物体施加能量的说明性脉冲形式。
18.图2a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
19.图2b是物体处于第二状态的图2a的实施例的示意图。
20.图2c是用于向图2b的物体施加能量的说明性脉冲形式。
21.图3a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
22.图3b是物体处于第二状态的图3a的实施例的示意图。
23.图3c是用于向图3b的物体施加能量的说明性脉冲形式。
24.图4a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
25.图4b是物体处于第二状态的图4a的实施例的示意图。
26.图4c是用于向图4b的物体施加能量的说明性脉冲形式。
27.图5a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
28.图5b是物体处于第二状态的图5a的实施例的示意图。
29.图6a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
30.图6b是物体处于第二状态的图6a的实施例的示意图。
31.图7a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
32.图7b是物体处于第二状态的图7a的实施例的示意图。
33.图8a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
34.图8b是物体处于第二状态的图8a的实施例的示意图。
35.图9a是来自端视图的说明性超声图像，示出了没有物体的物质中的通道，以近似身体组织中的超声响应。
36.图9b是图9a在不同时间的超声图像，具有附加的散斑，示出了已经进入超声系统范围的物体。
37.图9c是图9a在另一不同时间的超声图像，其中散斑示出了与图9b相比在通道的不同位置的物体。
具体实施方式
38.上面描述的附图和下面具体结构和功能的书面描述并不限制申请人已经发明的范围或所附权利要求的范围。相反，提供附图和书面描述是为了教导本领域技术人员制造和使用寻求专利保护的发明。本领域技术人员将理解，为了清楚和理解，没有描述或示出本发明的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还将意识到，结合本公开的各方面的实际商业实施例的开发将需要许多特定于实施方式的决定，以实现开发者对商业实施例的最终目标。这种特定于实施方式的决定可以包括，并且可能不限于，符合与系统相关的、与商业相关的、与政府相关的以及其他约束，这些约束可以随着特定的实施方式或位置或者随着时间而变化。虽然从绝对意义上来说，开发者的努力可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这种努力将是例行的任务。必须理解的是，这里公开和教导的发明容易有许多不同的修改和替代形式。单数术语的使用，例如但不限于“一个”，并不旨在限制项目的数量。此外，该系统的各种方法和实施例可以彼此结合地被包括，以产生所公开的方法和实施例的变型。单数元素的讨论可以包括复数元素，反之亦然。对至少一个项目的引用可以包括一个或多个项目。此外，实施例的各个方面可以彼此结合使用，以实现本公开的理解目标。除非上下文另有要求，术语“包括”及其变体应被理解为暗示至少包括所述元素或步骤或者元素或步骤组或者其等同物，而不排除更大的数值或任何其他元素或步骤或者元素或步骤组或者其等同物。术语“被联接”、“联接”、“联接器”及类似术语在本文中
被广泛使用，并且可以包括用于将一件或多件构件固定、结合、粘结、紧固、附接、接合、插入其中、在其上或其中形成、连通或以其他方式与中间元件直接或间接地关联在一起的任何方法或装置，并且还可以包括但不限于以一体的方式将一个功能构件与另一个功能构件一体地形成。联接可以发生在任何方向，包括旋转方向。该装置或系统可以用于多个方向和方位。除非特别限定，步骤的顺序可以各种顺序出现。这里描述的各种步骤可以与其他步骤结合，插入所述步骤，和/或分成多个步骤。为了简单起见，一些元件由装置名称来命名，并且将被理解为包括系统或部分，例如控制器将包含处理器和相关部件的系统，这些部件对于本领域普通技术人员来说是已知的，并且可能不被具体描述。在说明书和附图中提供了执行各种功能的各种示例，这些示例在形状、尺寸、描述方面是非限制性的，但用作示例性结构，根据本文包含的教导，本领域普通技术人员将会知道这些示例性结构可以变化。这种示例有时在形容词使用中与术语“示例性”一起被称为非限制性示例。术语“亚波长”在本文中是指用来表示正交于超声波脉冲波前的横截面长度的尺寸，并且该长度小于可放置物体进行检测的介质中的超声波长。例如，但不限于，圆形亚波长导丝的横截面尺寸(而不是导丝的纵向长度)的直径小于放置物体进行检测的介质中的超声波长。平坦亚波长导丝将具有在法线方向上的横截面尺寸的宽度，该宽度暴露于超声波脉冲的波前，该超声波脉冲小于导丝可被放置在其中进行检测的介质中的超声波长。
39.本公开提供了一种系统和方法以用于使用广泛可用的超声成像来克服对导丝和相对于相关介质中的超声波长在尺寸上可能是亚波长的其他小物体进行成像的限制。该系统和方法可以减少x射线的使用和暴露于辐射的危险影响，并避免mri技术的费用。可以使用这里描述的多种方法和相关系统来检测亚波长物体，例如导丝，这包括物体以一定频率改变位置，该频率从反射的超声波产生比物体第一状态下的超声图像更亮的物体第二状态下的超声图像。在一些实施例中，小物体的移动导致了与物体本身产生的不同的动态散斑特征。在其他实施例中，对由于物体的固定形状的渐进移动而引起的散斑图案变化的分析可以产生可检测的物体。因此，来自移动物体的动态散斑可被识别并用于定位周围组织或其他介质内的物体。
40.在至少一个方面，该系统和方法可以表征来自移动物体的散斑变化(横向和/或纵向于预期的行进路径),并且应用滤波器，其被设计或训练成分离由移动引起的与周围背景散斑相比的散斑图案并且定位物体。此外，亚波长物体以明显的不同声速从周围介质向前移动，会引起强烈的散斑散射，并降低物体远离源和检测器一侧的信号强度。来自物体平移移动的散斑不同于来自物体横向移动的散斑。通过表征物体平移移动的散斑，可以进行一些识别，并且进一步结合物体的任何横向移动的散斑，可以产生对物体的更精确的分析。此外，来自给定物体的不同形状的散斑图案(例如平的或圆的)会产生不同的散斑图案。物体的不同组合(例如与绞合线相比的平行线)可以产生不同的散斑图案，并且可被检测和表征以便识别。
41.用于超声检测的物体的示例是具有至少一个横截面的物体，该横截面相对于穿过物体可能存在于其中的介质的超声波的波长是亚波长。物体的长度可以等于或大于超声波的波长。该物体可以是可用于外科手术和其他医疗程序的丝，例如导丝。丝是说明性的，并且在附图中被示出和描述为物体，应当理解，该物体不限于丝，并且这里的教导可以应用于其他物体。因此，说明书和附图将使用和示出丝，应该理解这些原理适用于其他物体。此外，
这里的原理可以应用于横截面大于亚波长的物体。因为这种较大的物体可以用典型的超声系统和方法检测，所以本发明特别有助于亚波长物体检测，尽管较大物体也可以受益于这里描述的原理。
42.导丝位置和工具和/或有效载荷的超声波检测将减少当前连续x射线荧光技术的辐射暴露，以引导由手动方式插入的导管等物体。当治疗需要进行锐角或困难转弯的治疗情况时，该系统和方法非常有用。能够检测亚波长物体的超声系统的优点包括：
43.改善了到治疗部位的导航，
44.减少到达治疗部位的时间，这将增加患者的成功治疗和存活率，
45.通过采用导丝的超声成像减少患者和医生的x射线/电离辐射暴露，
46.更便宜、更便携、在农村/偏远地区随时可以获得技术，以及
47.自动化和/或远程控制动脉导航的能力，用于偏远地区的治疗，比如战场和农村地区。
48.亚波长物体可以由与软组织相比具有高绝热压缩性和密度值的材料制成，以增加超声成像对物体的可检测性。例如，镍-钛(镍钛诺)合金不仅具有弹性，而且具有形状记忆能力，作为形状记忆合金(sma)，使其能够在一温度下变形，然后在另一温度下恢复到其原始形状。通常，可以施加电流形式的能量来产生激活形状变形的温度。出于这种应用的目的，除了镍钛诺、形状记忆聚合物和铁磁sma之外，sma材料还包括其他sma。镍钛诺材料将在本文中用于实施例的各种描述中，但该原理适用于其他sma并且在本发明的范围内。例如，该物体可以是细导丝，其具有由镍钛诺制成的亚波长横截面，例如但不限于20μm、50μm、75μm、100μm、125μm、150μm、250μm等。绝热压缩性与材料的体积模量成反比，体积模量是软组织和金属的标准列表值，因此对于镍钛诺与软组织，约为κs≈0.1κ。就密度而言，镍钛诺的密度约为软组织的6.5倍。使用这些值，小的镍钛诺丝看起来与7个波长的物体具有相同的有效大小。
49.横向运动
50.丝的横向运动会导致镍钛诺丝的散斑发生变化，但不会改变背景，从而在高度限定的区域产生潜在的明显的“闪烁”像素。在至少一些实施例中，通过利用sma转变温度，可以在镍钛诺丝中诱发运动。可以刚好在体温之上选择改变镍钛诺形状的一个或多个转变温度。可以沿着丝发送小电脉冲，以引起刚好足够的热量增加来转变和改变丝的形状。在至少一些实施例中，在电脉冲之后，丝可以在血流中冷却，以在低于激活温度的较低温度下转变回其原始形状或配置。脉冲可以使丝以振动模式来回移动。所产生的振动可以实现期望的运动，该运动在更大的区域上为更易检测的物体产生超声反射。
51.该运动的两个方面可以增强超声图像像素变化的大小和显著性。首先，丝的运动速度是可变的。例如，如果超声每秒测量30次，丝可以1/30秒的整数倍加热和冷却，产生的闪烁像素可以与图像同步，变得更加明显。超声和同步的其他频率也是可能的。不同整数倍可用于表征最明显的闪烁。其次，丝过渡到的形状可能对散射具有深刻影响。例如，sma线圈成像特别好。
52.说明性横向系统实施例
53.使用这里至少一些用于引起横向运动的原理，可以设计物体来最大化超声成像中的返回波强度。这种物体可以包括但不限于丝，例如导丝、导丝尖端、器械和其他末端执行
器，以及尺寸适合特定应用的对超声波不透明的其他物体。
54.图1a是超声系统的实施例的示意图，其具有处于第一状态的合适的待检测物体的示例，例如丝。示例性系统2包括超声系统6和物体激活子系统30，其可以通过物质4获得物体20的图像。非限制性地，物体20可以是丝，例如可以在医疗手术中使用的导丝。作为介质的物质4可以是超声波可以穿过的身体组织或其他材料。物质4通常具有物体可以通过的通道。具有环绕壁的通道在附图中被示出和描述为物质4的本文示例，并且有时在这里被称为“通道4”,应当理解，该物质不限于通道，并且本发明可以在没有通道的应用中起作用。
55.系统2通常可以包括普遍接受的部件，包括换能器8，该换能器8根据超声波的频率(以及波长)将超声波发射到物质4中的不同深度。正交于波的横截面宽度通常是反射表面。如果物体的实际宽度不正交于波前，则可以确定考虑到与波前的角度失准的投影宽度。(在图中，宽度“w”是从旋转平面到换能器产生波的方向的角度示出的，以示出2d图中的变化的宽度，并且可以在概念上旋转到图中以面向入射波的方向，即正交于波的方向)。在该实施例中，第一宽度w1是指从超声波前的法线方向观察时，没有有意激活的物体的宽度。控制器10控制来自电源12的电力(通常以能量脉冲的形式)施加到发射器/接收器开关，用于将能量脉冲发送到换能器8并用于接收来自换能器的反射和/或透射波。控制器10还可以包括处理器，用于处理产生的波并将信息提供给结果的输出14，通常是视觉图像的显示器。
56.物体激活子系统30可以包括控制器32，用于控制从电源34向物体20施加能量，以激活物体，如下所述。在图1a中，物体20可以处于零能级36，也就是说，处于没有施加能量或施加一定量的能量而不会引起物体的设计移动的能级。在零能级，物体可以处于具有第一状态位置44的第一状态。物体20可以手动、自动、远程和通过其他方法推进到物质4中。
57.图1b是物体处于第二状态的图1a的实施例的示意图。图1c是用于向物体提供能量的说明性脉冲形式。物体可以在第一状态位置处于零能级，在该第一状态位置，物体没有被激活到设计的sma运动。从物体20的零能级36，物体激活子系统30可以向物体20施加激活能级38，以引起变形到具有第二状态位置46的第二状态。能量脉冲可以在激活能级下引起变形。停止或至少减少能量允许物体返回到零能级的第一状态，这允许物体返回到第一状态位置44。物体移动发生在宽度w2大于物体在零能级时占据的宽度w1的区域上。利用重复的能量脉冲，物体移动在第一状态位置44和第二状态位置46之间发生多个循环。取决于移动和超声波的频率，超声波可以在第一状态位置44和第二状态位置46遇到物体。来自物体移动的第一状态位置和第二状态位置的超声反射可用于创建比物体在第一状态下的超声图像更亮的物体在第二状态下的超声图像。在这样的实施例中，包含第一状态位置和第二状态位置之间的移动的较大宽度w2可以成为由超声波成像的物体的表观宽度。因此，物体在第一状态位置和第二状态位置之间的移动可以创建更亮的图像。
58.如上所述，特定频率的能量脉冲有利于获取物体移动的益处。当相对于超声波频率定时时，可以对物体的较大移动进行成像。重复的图像增加了更清楚地检测物体的能力。
59.图2a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。在该实施例中，功能和系统类似于上面的描述。然而，物体20和物体激活系统30与图1a和1b的实施例的不同之处在于，丝可以由双向sma材料制成。双向sma材料具有同一物体20的两种激活形状，图示为丝，在不同的温度下处于不同的能量水平。可以使丝在不同的温度下向不同的方向移动。虽然未示出，但可以使丝的不同部分在不同温度下变形。因此，物体激活
系统30可以提供和控制两个激活能级。如图所示，在第一状态中，物体20可以在第一状态位置44处于第一状态的零能级。因此，宽度w1是面向换能器产生的超声波(即正交于波的方向)的物体横截面的宽度，并且可能难以通过来自超声系统6的波来确定。
60.图2b是物体处于第二状态的图2a的实施例的示意图。图2c是用于向图2b的物体施加能量的说明性脉冲形式。物体可以由物体激活子系统30从第一状态的零能级36激励到第一激活能级38或更低的第二激活能级40，以改变到第二状态。取决于激活能级，物体的形状可以从图2a中的第一状态改变到第二状态，导致第二状态位置46a或第二状态位置46b，如图2b所示。在至少一个实施例中，第一激活能级38和第二激活能级40之间的交替脉冲可以沿相反方向横向移动丝，以产生比第一状态下的w1大的表观宽度w2，并且其中物体可以从更宽的区域反射超声波。在第二状态下从反射的超声波产生的超声图像看起来比在第一状态下的物体的超声图像更亮。施加的能量水平可以根据特定的sma材料而变化。
61.图3a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。在该实施例中，功能和系统类似于上面的描述。然而，物体20和物体激活系统30与上述实施例的不同之处在于，物体20可以由多根丝制成，图示为两根丝20a和20b。每根丝在相同或不同的激活能级下可以具有记忆形状。因此，物体激活系统30可以单独地或与其他丝结合地为每根丝提供和控制激活能级。如图所示，在第一状态中，物体20可以在第一状态位置44处于零能级36。因此，第一宽度w1是物体在正交于超声波的方向上跨过多根丝20a和20b的组合截面的宽度，并且具有第一宽度w1的物体可能难以通过来自超声系统6的波来确定。
62.图3b是物体处于第二状态的图3a的实施例的示意图。图3c是用于向图3b的物体施加能量的说明性脉冲形式。物体激活子系统30可以通过激励丝20a和20b中的至少一个，例如丝20a，来激励物体20从零能级36到激活能级38。随着激活，丝20a的形状可以从图3a中的第一状态改变到具有图3b中所示的第二状态位置46a的第二状态。物体激活子系统30可以停止向丝20a提供能量，并将丝20b从零能级36激励到激活能级38。随着激活，丝20b的形状可以从图3a中的第一状态改变到具有图3b中所示的第二状态位置46b的第二状态。丝20a和20b可以在相反的方向上横向移动，以增加物体的表观宽度w2，从而获得更大的超声响应，并增加第一和第二状态之间的物体超声图像的差异。可替代地，物体激活子系统30可以同时激活丝20a和20b，用于同时移动，因此图3c中的脉冲形式将是同步的。
63.图4a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。该实施例类似于图1a和1b中描述的实施例。在该实施例中，物体20可以形成为在激活时扭曲成螺旋线圈。物体20可以处于具有第一状态位置44的零能级的第一状态。当物体20在通道4中纵向前进时，超声系统可能难以定位和显示物体20，该物体20在超声波的法线方向上具有丝横截面的第一宽度w1。
64.图4b是物体处于第二状态的图4a的实施例的示意图。图4c是用于向图4b的物体施加能量的说明性脉冲形式。物体激活子系统30可以向物体施加能量，使得物体被激活到第二状态。物体20可以扭曲成具有第二状态位置46的螺旋线圈，使得形状为线圈的物体的表观宽度w2更容易被超声系统6检测为更亮。
65.图4a-4c中的实施例还示出了第二状态可以出现在沿着物体长度的一个或多个部分，并且不限于物体的前部或前尖端。
66.图5a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。
该实施例包括物体超声子系统16，以与针对具有换能器8的超声系统6所描述的类似方式来控制和操作具有换能器22的物体20。具有换能器的物体20在第一状态位置44处于第一状态，该位置可能远离换能器8，因此可能没有足够的能量被超声系统6感测以确定物体。
67.图5b是物体处于第二状态的图5a的实施例的示意图。当物体换能器22在通道中纵向移动到超声系统6附近时，来自物体换能器22的超声波具有足够的能量被在第二状态位置46处于第二状态的超声系统6感测到。换能器22声波更容易被超声系统6作为输入信标信号接收。从第一状态位置到第二状态位置的移动以及在第二状态下来自物体换能器22的超声波的伴随发射产生来自超声系统6的物体的比第一状态下的物体的超声图像更亮的超声图像。
68.纵向运动
69.导丝的纵向运动能够以与横向移动相似的方式引起动态散斑变化。物体的检测可以独立于施加到物体上的激活能量。超声系统可以检测周围组织、骨骼等的结构，但小物体可以示出为分散的散斑并且是不确定的。然而，通过比较在物体的第一状态和第二状态之间的不同移动时间的散斑输出，动态散斑可以用于检测小物体，其中散斑图案在物体进入超声系统的视场之前是均匀的。
70.说明性纵向系统实施例
71.图6a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。在该实施例中，物体20的检测独立于施加到物体的激活能量。物体20可以包括沿着物体长度的可变截面形状。这些丝可以沿着丝的长度以设定的周期扭绞。在超声成像中，横截面会随着物体的纵向运动(向前或向后)而变化，反射也会变化。如图6a所示，处于第一状态位置44的第一状态中的物体在用于检测的超声系统6下方呈现出狭窄的横截面宽度w1，但在该尺寸下可能难以检测。
72.图6b是物体处于第二状态的图6a的实施例的示意图。当物体20纵向移动到通道4中的第二状态位置46的第二状态时，物体的横截面增加。在第二状态位置46，向超声系统6呈现更大的宽度w2，其不同于在第一状态位置44的第一宽度w1，并且在第二状态的超声图像中更容易被检测到。
73.图7a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。在该实施例中，物体20的检测独立于施加到物体的激活能量。物体20可以保持相同的宽度。在物体20纵向移动并在第一状态位置44的第一状态下进入换能器的视场之前，散斑可以是均匀的。如果物体在视场中，但在第一状态位置的第一状态下静止，则散斑可以是恒定的。在潜在的第一状态和第一状态位置的任何一种情况下，散斑都不能提供足够的信息来检测或表征物体。
74.图7b是物体处于第二状态的图7a的实施例的示意图。当物体20在具有第二状态位置46的第二状态下移动到超声系统6的视野中时，渐进图像之间的比较可以显示来自否则不确定的散斑的散斑变化。当物体引导部分(比如丝尖端)纵向移动并接近超声换能器时，来自次级波瓣散斑散射的闪烁可能会在超声输出上引起潜在的显著影响。最后，一旦尖端进入视野，就会产生不同的散斑图案。这种动态散斑图案可被检测和表征，从而用于定位物体。随着物体继续纵向前进，对渐进图像的后续分析可以检测由物体和位置以及其他特征方面引起的散斑。
75.物体20的往复前后纵向运动增强了反射超声波的差异，并增加了由此产生的超声图像的亮度。
76.图8a是超声系统的另一实施例的示意图，其中示例性待检测物体处于第一状态。在该实施例中，可以通过在超声系统6中使用多普勒超声来检测物体20。多普勒超声是一种使用超声波来测量通常通过通道(例如动脉和静脉)的血液或其他流体流42的测试。在该实施例中，物体可以在第一状态位置44的第一状态下远离超声系统6的换能器区域。可以在第一状态下检测通过通道4的流体流42，而不会有物体接近会影响流动的超声系统6的视野。第一状态下的超声图像可能不会显示物体，因为对流体流42没有可辨别的影响。
77.图8b是物体处于第二状态的图8a的实施例的示意图。在第二状态中，物体20可以在第二位置46被推进到超声系统6的视野中，其中流体流42a被分成围绕物体20的流。流动路径中物体的横截面积导致的流动面积的减少导致流速的增加。在流过流动面积不再受物体限制的尖端之后，流动迅速收敛。在全流动面积的情况下，流体速度变慢。物体在第一状态位置44和第二状态位置46之间的移动的差异导致了对尖端(或适当地，物体20的其他前沿)的存在的多普勒超声确定。
78.因为诸如通道的物质4通常具有恒定的位置，所以散斑的变化可以指示物体20的位置和移动，即使物体20在各个图像上可能是不确定的。这种确定可能不容易通过人眼视觉检查来完成。本发明设想一种扫描仪来扫描多个数字图像或其他输入设备的数字地图，并且数字地比较地图的不同部分的值，例如渐进图像之间的相同地图坐标中的像素或像素组来比较部分。示出变化的散斑路径的差异，尤其是渐进差异，提供了物体20的检测和表征的更大可能性。这个方面可以应用于这里作为示例描述的任何实施例，并且更一般地应用于本发明。
79.在至少一个实施例中，该系统可以包括机器人控制的外科导丝，用于治疗神经血管疾病，例如中风和癌症。该系统还可以在耦合到导丝的尖端内包括多个传感器，例如压力、声学、电学、化学和光学传感器。例如，压力传感器可以用于检测凝块或肿瘤，而电传感器可以引起电诱导的化学反应来溶解凝块并破坏肿瘤。
80.图9a是来自端视图的说明性超声图像，示出了没有物体的物质中的通道，以近似身体组织中的超声响应。图9b是图9a在不同时间的超声图像，具有附加的散斑，示出了已经进入超声系统范围的物体。图9c是图9a在另一不同时间的超声图像，散斑示出了与图9b相比在通道的不同位置的物体。概念测试是在主要是明胶/水的混合物中进行的，其中形成有通道以模拟身体组织物质4。将物体20(在这些测试中具体为导丝)插入到物质中，其中上述超声系统定位成在物体20前进到超声系统的视野中时记录物体20。用于这些测试的说明性实施例通常对应于图7a和7b中讨论的系统和方法。通道显示为端视图。图9a中的图像示出了来自独立于物体的物质的反射散斑18。该物体在第一状态下可能太远离超声波感测，或者在第一状态下太小而无法被检测到。在图的方向上，在通道的顶部和底部(即12点钟和6点钟的位置)示出了作为散斑的内部反射18。因为在图9a、9b和9c中12点钟和6点钟位置的内部反射保持一致，所以当物体前进到观察范围内时，对图像中的任何差异的分析将有可能实现物体检测，并且这些差异可以用于表征物体。在图9b中，散斑与图9a的不同之处在于，在邻近通道内壁的3点钟位置处有一组集中的散斑。在图9c中，散斑与图9a和9b的不同之处在于，在靠近通道壁的11点钟位置处有一组集中的散斑。
81.值得注意的是，所有这些图像都是在四分之一英寸(0.6cm)的通道内使用100μm丝的小亚波长物体以7.5mhz的频率产生的。在丝周围的物质中，7.5mhz的波长约为200μm。丝的100μm横截面大约是超声波长的一半，但超声系统能够检测到丝。该测试也是用125、150和250μm截面的较大丝进行的，并且可以预见至少与较小的100μm截面丝一样好。
82.总之，该系统可被设计成检测来自以其他方式不可辨别的物体的超声反射，包括使用散斑图案，或者使用多普勒流来定位甚至亚波长的物体。
83.此外，这里描述的原理可以应用于血管内导航，如通道和身体的其他部分，以及其他成像形式中的分辨率。这些原理可以应用于有助于超声波检测的其他物质，甚至非有机物质。在各种优点中，提高精度可以提高导航速度，同时最小化或消除对其他组织的损伤。
84.在不脱离权利要求中限定的所公开的发明的情况下，可以设计出利用上述发明的一个或多个方面的其他和进一步的实施例。例如，其他实施例可以包括其他亚波长物体、非均匀横截面、尖端和导丝之间的材料变化、引起横向和纵向运动的方法变化以及除了权利要求范围内的上述具体公开的变化之外的变化。
85.已经在优选和其他实施例的上下文中描述了本发明，并且没有描述本发明的每个实施例。本领域普通技术人员可以对所描述的实施例进行显而易见的修改和变更。公开和未公开的实施例并不旨在限制或约束申请人构思的本发明的范围或适用性，而是，依照专利法，申请人旨在完全保护落入以下权利要求范围内的所有这些修改和改进。