專利名稱：用于評估脊柱側(cè)凸的三維(3d)超聲成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于評估脊柱側(cè)凸的三維(3D)超聲成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脊柱側(cè)凸是患者脊柱從一側(cè)向另一側(cè)彎曲并且還可能旋轉(zhuǎn)的醫(yī)學(xué)狀態(tài)。X射線評估通常用于確定脊柱側(cè)凸。用來確定脊柱側(cè)凸的其他技術(shù)包括莫爾條紋映射、基于光柵的系統(tǒng)、360°軀干輪廓掃描和立體攝影測量系統(tǒng)。根據(jù)X射線圖像測量CcAb角是用于脊柱側(cè)凸評估的主要方法。在治療或監(jiān)控周期內(nèi)，必須獲取脊柱側(cè)凸患者的許多射線照片，這導(dǎo)致患者高劑量暴露于放射線中。因此， 這種技術(shù)并不適合兒童和青少年。而且，解讀來自射線照片的結(jié)果也非常主觀?？赡茈y于識別扭曲的脊柱的傾斜投影，并且CcAb角根據(jù)X射線束與患者的夾角而變化巨大。此外，在計(jì)算CcAb角時，已經(jīng)報(bào)道過評估者之間的變化量和評估中的變化量分別為3至5°和6至7°。此外，脊柱旋轉(zhuǎn)可能影響CcAb角的大小，但是旋轉(zhuǎn)角度無法得到考慮，因?yàn)橥ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)胸部X射線無法獲取旋轉(zhuǎn)信息。X射線檢查要求專用房間以及受過訓(xùn)練的專業(yè)人員來操作X射線設(shè)備。這些因素限制了 X射線在脊柱側(cè)凸檢查方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，脊柱側(cè)凸篩查依賴于Adam前向混合測試(FBT)。FBT并沒有對脊柱變形提供量化描述。因此，不同的方案已經(jīng)研發(fā)出來，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更精確客觀的篩查結(jié)果。脊柱側(cè)凸測量計(jì)是類似尺子的手持工具。它是一種傾角計(jì)，來測量軀干非對稱性或者軸向軀干旋轉(zhuǎn)(ATR)，這也稱為肋骨突起變形。脊柱側(cè)凸測量計(jì)為評估脊柱側(cè)凸程度提供了量化測量。不同研究工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，脊柱側(cè)凸測量計(jì)的測量結(jié)果在ATR值方面導(dǎo)致較高的評估者之間和評估者內(nèi)變化以及較高的假陽性率。此外，脊柱側(cè)凸測量計(jì)測量結(jié)果與 Cobb方法的相關(guān)性并不好。更早期的研究已經(jīng)建議，脊柱側(cè)凸測量計(jì)不應(yīng)當(dāng)唯一地用作診斷工具。莫爾條紋映射用于獲取患者背部的3D形狀。通過投影在目標(biāo)上的光柵產(chǎn)生莫爾條紋。條紋的圖像被視頻系統(tǒng)捕獲。物體的輪廓線系統(tǒng)和截面形狀然后利用計(jì)算機(jī)自動再現(xiàn)并顯示在監(jiān)視器上。莫爾條紋映射可以產(chǎn)生分辨度高達(dá)10微米的非常精確的數(shù)據(jù)。當(dāng)條紋密度變得過于致密時，處于較大傾角處的表面無法測量。此外，患者位置、體格和脂肪折層是導(dǎo)致表面形貌不精確的其他因素。鑒于這種技術(shù)缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)，所以被觀測身體以及隱含的脊柱側(cè)凸之間關(guān)聯(lián)性較差。使用五維脊柱成像系統(tǒng)在英國很普遍。五維脊柱成像系統(tǒng)基于莫爾形貌學(xué)以及光柵立體攝影。這種系統(tǒng)使用光柵立體攝影來建立條紋圖案的圖像并且投影到患者背上。這種系統(tǒng)然后產(chǎn)生Q角，它是量化從患者圖像反映的冠狀非對稱性的冠狀平面測量結(jié)果。但是，這種系統(tǒng)復(fù)雜而且依賴作為誤差影響因素的表面形貌。攝影測量方法系統(tǒng)建立在激光掃描或攝影技術(shù)的基礎(chǔ)之上。激光掃描和視頻系統(tǒng)提供脊柱側(cè)凸變形的快速精確3D測量結(jié)果，該測量結(jié)果可以在一分鐘內(nèi)空間地記錄。數(shù)字3D模型的輸出提供了高達(dá)Imm的分辨度。利用該3D模型，可以推算脊柱變形信息，諸如CcAb角。這些系統(tǒng)提供非侵入式和非接觸式的測量結(jié)果。但是，所有這些技術(shù)都建立在表面形貌的基礎(chǔ)上，并且它們都不是便攜式的或者移動式的。OrthoScan Technologies研發(fā)的Ortelius系統(tǒng)是無輻射空間數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)， 以診斷和監(jiān)控脊柱變形。在檢查過程中，檢查者觸診患者背部，以定位每個脊椎的棘突 (spinous process)并且利用3D空間傳感器記錄全部脊椎的棘突位置。數(shù)據(jù)然后再現(xiàn)為計(jì)算機(jī)模型，用于計(jì)算脊柱變形指標(biāo)。但是，橫突的位置無法獲得。脊柱旋轉(zhuǎn)無法考慮在內(nèi)。 此外，在檢查過程中，患者需要被重復(fù)觸診，并且該過程可能導(dǎo)致一定程度的不適。即使利用3D空間傳感器記錄了橫突的位置，它也是由操作者根據(jù)身體表面觸診來手動確定的，并且這是主觀性質(zhì)的。

發(fā)明內(nèi)容
在第一優(yōu)選方面，提供了一種用于評估脊柱結(jié)構(gòu)問題的三維(3D)超聲成像系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括捕獲超聲圖像的超聲掃描儀。該系統(tǒng)還包括記錄被捕獲的超聲圖像的位置和取向的空間傳感器。該系統(tǒng)還包括在被捕獲的超聲圖像中標(biāo)記脊椎的特征的軟件模塊，并且被標(biāo)記特征用線連接，以便計(jì)算被標(biāo)記特征之間的夾角和距離，用于根據(jù)計(jì)算得到的夾角和距離計(jì)算CcAb角和脊柱旋轉(zhuǎn)角。被標(biāo)記特征是脊椎表面的回波(reflection)。軟件模塊可以包括圖像增強(qiáng)模塊來增強(qiáng)被捕獲的圖像中的骨骼表面細(xì)節(jié)。軟件模塊可以包括圖像標(biāo)記模塊，以識別包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。軟件模塊可以包括圖像放大模塊，以放大被捕獲的圖像，用于識別脊椎的特征。軟件模塊可以包括圖像去除模塊，用于去除不包含被標(biāo)記特征的被捕獲圖像。脊椎的特征可以包括邊緣、棘突和橫突的頂點(diǎn)。軟件模塊可以包括虛擬模型生成器，以便用線連接被標(biāo)記特征，以形成基于幀的脊柱骨架虛擬模型。虛擬模型生成器可以根據(jù)脊椎的特征在3D空間中縮放或者放置對應(yīng)的脊椎節(jié)段。所述超聲掃描儀可以具有掃略患者背部的探頭。所述探頭的寬度大約為10到20厘米，以允許在單次掃略中掃描全部棘突?？臻g傳感器可以包括發(fā)射器和接收器，并且所述接收器可操作地連接到探頭。所述空間傳感器可以包括發(fā)射器和接收器，并且所述發(fā)射器可操作地連接到所述探頭。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括胸板。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括高度可調(diào)的扶欄，以幫助患者保持穩(wěn)定位置。在第二方面，提供了一種評估脊柱結(jié)構(gòu)問題的方法。所述方法包括捕獲超聲圖像。 所述方法還包括記錄被捕獲超聲圖像的位置和取向。所述方法還包括在被捕獲超聲圖像中標(biāo)記脊椎特征，并且用線連接被標(biāo)記特征，以便計(jì)算被標(biāo)記特征之間的夾角和距離，用于根據(jù)所計(jì)算的夾角和距離計(jì)算CcAb角和脊柱旋轉(zhuǎn)角。所述被標(biāo)記特征是脊椎表面的回波。所述方法可以進(jìn)一步包括增強(qiáng)被捕獲的圖像中的骨骼表面細(xì)節(jié)。所述方法可以進(jìn)一步包括識別包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。
所述方法可以進(jìn)一步包括放大被捕獲的圖像，用于識別脊椎的特征。所述方法可以進(jìn)一步包括去除不包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。所述方法可以進(jìn)一步包括利用連接被標(biāo)記特征的線形成基于幀的脊柱骨架虛擬模型。所述方法可以進(jìn)一步包括根據(jù)脊椎的特征在3D空間內(nèi)縮放和放置對應(yīng)的脊椎節(jié)段。所述方法可以進(jìn)一步包括在3D空間內(nèi)顯示被標(biāo)記特征的投影圖像和所述超聲圖像。所述方法可以進(jìn)一步包括在3D空間中組合X射線投影圖像和超聲圖像。脊柱結(jié)構(gòu)問題可以包括脊柱側(cè)凸。在第三方面，提供了一種計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法，用于自動標(biāo)記脊椎的特征，以評估脊柱側(cè)凸，所述方法包括從被捕獲的超聲圖像提取骨骼回波或者通過應(yīng)用圖像處理而去除除了骨骼回波之外的圖像的全部特征；和在圖像中定位骨骼的位置并且用標(biāo)識標(biāo)記所述位置；其中所述圖像處理包括從以下構(gòu)成的組群中選擇任一項(xiàng)最大強(qiáng)度回波、最大梯度、活動輪廓或者圖像對正。所述方法可以進(jìn)一步包括如果沒有檢測到骨骼回波則拋棄所述圖像。所述方法可以進(jìn)一步包括針對相同的突起分析所述標(biāo)記的位置，并根據(jù)由所述標(biāo)識形成的3D輪廓檢測所述突起的峰值。與組織深度最小的脊椎的特征對應(yīng)的標(biāo)識被認(rèn)為是所述突起的峰值。具有優(yōu)勢的是，所述3D超聲系統(tǒng)定位全部棘突并且提供與橫突有關(guān)的信息。被定位的全部突起都處于精確的幾何級別和維度。本發(fā)明具有優(yōu)勢地提供了在評估脊柱側(cè)凸時不受限制的使用頻率。針對兒童的現(xiàn)場篩查和大規(guī)模篩查也成為可能，因?yàn)椴恍枰猉射線。本發(fā)明對脊柱側(cè)凸治療提供了長期的監(jiān)控。本發(fā)明較之傳統(tǒng)評估脊柱側(cè)凸的技術(shù)更安全更精確。本發(fā)明也節(jié)省成本，因?yàn)樗灰髮ｉT的輻射設(shè)備或者高技能和經(jīng)驗(yàn)的操作者。本發(fā)明也緊湊并且可以配裝在小型診所內(nèi)。


現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的示例，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的3D超聲系統(tǒng)的方塊圖；圖2是由圖1所示系統(tǒng)捕獲的一組超聲圖像，它們進(jìn)行預(yù)處理以識別界標(biāo)；圖3是從圖2所示識別出的界標(biāo)形成的患者脊柱的虛擬模型；圖4是圖1所示系統(tǒng)產(chǎn)生的最終結(jié)果，示出了患者脊柱的CcAb角、脊柱旋轉(zhuǎn)和角度和脊柱圖像；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于脊柱側(cè)凸評估的方法的過程流程圖；圖6是一組兩幅圖像，左側(cè)的圖像是原始B模式圖像，而右側(cè)的圖像是增強(qiáng)的圖像，其中骨骼表面利用骨骼表面提取濾波器進(jìn)行增強(qiáng)；圖7是從由圖1所示系統(tǒng)捕獲的原始圖像集合中選擇的全部候選圖像；圖8是B模式圖像，示出了帶有放置于頂點(diǎn)的標(biāo)識的脊椎；圖9是一系列帶有界標(biāo)的圖像，所述界標(biāo)標(biāo)記在圖像上；圖10是帶有連接一幅圖像內(nèi)的界標(biāo)的線的一系列圖像；圖11是3D空間中一組帶有被標(biāo)記特征的投影圖像；以及圖12是橫靠超聲圖像的一組投影圖像。
具體實(shí)施例方式參照圖1，提供了一種用于脊柱側(cè)凸評估的3D超聲系統(tǒng)10。系統(tǒng)10 —般包括帶有超聲亮度模式(us B模式)探頭12的超聲掃描儀11、3D空間傳感器控制單元13、框架 14和計(jì)算機(jī)15?？蚣?4高度可調(diào)，并且能方便地拆解。胸板16可操作地連接到框架14。胸板16 是空間傳感器13的基準(zhǔn)，允許確定胸板16和空間傳感器13的發(fā)射器1 之間的物理距離。該距離的值用于驗(yàn)證校準(zhǔn)空間傳感器13的內(nèi)部參數(shù)。而且，胸板16為患者提供了倚靠的支靠表面。在利用探頭12掃描的過程中，患者可以借助檢查者的作用力而向前移動。 如果發(fā)生這種情況，胸板16幫助防止患者過多地向前移動，并因此使獲取的測量值誤差最小。提供了扶欄17，它可以可操作地連接到框架14，以幫助患者在檢查過程中保持穩(wěn)定位置。超聲掃描儀11具有寬型探頭12 (IOcm或以上)。它允許檢查者經(jīng)由在患者脊柱上的單次掃略而獲取一組脊柱圖像。相反，檢查者使用普通探頭(寬度大約5cm或以下)需要掃略2至3次以捕獲覆蓋全部棘突和橫突的一組完整圖像。系統(tǒng)10利用空間傳感器13測量脊柱角度和維度的真實(shí)值，而非從胸部或脊柱X 射線底片的投影測量。這將更加精確，因?yàn)樗鼈儾皇窍鄬χ怠Ｒ部梢栽谕淮螜z查中獲取脊柱旋轉(zhuǎn)的角度?？臻g傳感器控制單元13能在任何時刻確定探頭12的位置。單元13由小立方體形狀的發(fā)射器13B和小花生米大小的接收器13A構(gòu)成，接收器通常連接到探頭12。 作為替代，發(fā)射器13B可以可操作地連接到探頭12上。發(fā)射器1 在空間中產(chǎn)生磁場。接收器13A感知磁場強(qiáng)度以及磁場的幅值變化。結(jié)果由空間傳感器控制單元13處理，以計(jì)算接收器13A的位置和取向?？臻g信息周期性地發(fā)送到計(jì)算機(jī)15。利用專用計(jì)算方法和空間信息計(jì)算探頭12的位置。執(zhí)行獲取探頭12的位置和取向信息及其在真實(shí)世界里產(chǎn)生的B 模式圖像像素的計(jì)算方法、一系列剛性變換。在這樣做之前，探頭12必須校準(zhǔn)，以獲取探頭 12和接收器13A之間的空間和取向關(guān)系。這是第一剛性變換矩陣。而且，定義了第二剛性變換矩陣，該矩陣可以在任何位置和取向進(jìn)行選擇。該矩陣稱為系統(tǒng)剛性變換?？臻g控制單元13提供最終剛性變換矩陣，該最終剛性變換矩陣定義發(fā)射器1 和接收器13A之間的當(dāng)前位置和取向。通過相乘這些矩陣，獲得探頭12的位置和取向信息。它的B模式圖像像素通過相對于B模式圖像相乘像素的坐標(biāo)來獲得。新型超聲掃描流程、圖像處理技術(shù)(諸如高斯)、索貝爾濾波、3D可視化方法(諸如OpenGL和Visualization Toolkit)，以及角度計(jì)算方案一起用于計(jì)算脊柱在真實(shí)距離和角度方面的變形程度，而非從標(biāo)準(zhǔn)胸部X射線底片進(jìn)行近似或預(yù)測。B模式圖像中的全部像素可以變換到真實(shí)世界的位置和取向。如果在任何B模式圖像中測量兩個像素之間的距離，則獲得了由這些像素所表示的物體之間的真實(shí)距離。同樣，獲得了兩條選定的線42之間的角度，這兩條線每一條可以由兩個像素來限定。參照圖5，通過將框架14部署在一個位置，并且將超聲掃描儀11、空間傳感器13 和計(jì)算機(jī)15定位，將系統(tǒng)10建立起來(50)。請患者站在正確的位置并且由檢查者給出指令。超聲耦合凝膠或液體涂覆在患者身上，覆蓋待掃描的身體區(qū)域。凝膠盤或液體包也可以用來覆蓋身體區(qū)域，并且超聲掃描可以在凝膠盤或液體包的表面上方進(jìn)行。當(dāng)覆蓋骨骼的軟組織層很薄時，這樣做特別有用。調(diào)整超聲掃描儀13的設(shè)置，諸如觀察深度、亮度、對焦、增益、發(fā)射功率等。將空間傳感器13激活。捕獲B模式圖像以及對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給計(jì)算機(jī)14。利用掃描儀11的B模式探頭12掃描患者的脊柱(51)，以捕獲超聲圖像。掃描從脊柱的L5開始進(jìn)行到Tl，或者脊柱上任何選定的部分。根據(jù)彎曲的區(qū)域，掃描長度可以縮短。掃描圖像的總數(shù)大約為500到1500。在掃描過程中，請患者站立不動，并屏住呼吸。被捕獲的圖像經(jīng)由視頻或USB接口由運(yùn)行在計(jì)算機(jī)15上的軟件模塊21實(shí)時處理。在捕獲圖像時，圖像實(shí)時顯示在計(jì)算機(jī)14屏幕上的3D空間中(52)。在圖2中描繪被捕獲的圖像的顯示。這些圖像形成長的圖像疊層。檢查者對圖像連貫性進(jìn)行預(yù)先檢查。如果圖像良好，則患者可以離開。否則，患者必須再次站立，進(jìn)行再次掃描?？梢岳酶鞣N圖像處理濾波器19對被捕獲的這一組超聲圖像進(jìn)行預(yù)處理。為了增強(qiáng)超聲圖像中脊椎的骨骼表面，在圖像上應(yīng)用實(shí)時濾波器18。實(shí)時濾波器18增強(qiáng)圖像中的骨骼表面并且增強(qiáng)的圖像引導(dǎo)檢查者方便地移動探頭12以使脊椎在圖像上定位于正確的位置。圖6中左側(cè)圖像是原始超聲圖像，而圖6中右側(cè)圖像是經(jīng)過實(shí)時濾波器18增強(qiáng)后的左側(cè)圖像。實(shí)時濾波器18通過增強(qiáng)垂直方向(A模式方向)上像素的最大或梯度變化來提取有用的骨骼形狀。進(jìn)而，可以使用偽色編碼來增強(qiáng)脊椎的顯象，使得骨骼界面被選定的顏色突出出來，而其他區(qū)域用灰度表示。這種增強(qiáng)使得在圖像捕獲過程中更容易識別界標(biāo)。例如，圖6中的脊椎形狀可以利用手動或自動標(biāo)記過程來識別，以發(fā)現(xiàn)個別圖像中棘突和橫突的頂點(diǎn)。可以利用計(jì)算機(jī)14經(jīng)由軟件模塊21的自動標(biāo)記模塊沈來實(shí)施自動標(biāo)記過程。 自動標(biāo)記模塊26從圖像中提取骨骼(脊椎表面)回波，或者利用圖像處理技術(shù)去除圖像上除了骨骼回波之外的全部特征。這些圖像處理技術(shù)包括最大強(qiáng)度回波、最大梯度、活性輪廓或者圖像對正。自動標(biāo)記模塊26然后定位骨骼位置并且自動標(biāo)記它們。如果在圖像中未檢測到骨骼回波，則拋棄該圖像，因?yàn)樵搱D像中不存在有用信息。在拋棄沒有界標(biāo)的圖像之后，一個棘突仍將對應(yīng)一系列圖像。分析同一個棘突的不同圖像中的界標(biāo)的位置，并且根據(jù)所述界標(biāo)形成的3D輪廓自動檢測棘突的頂點(diǎn)。一種方案是使用界標(biāo)的深度作為標(biāo)準(zhǔn)。具有最小組織深度的界標(biāo)為該棘突的頂點(diǎn)。在獲取全部脊椎的棘突后，自動計(jì)算CcAb角和旋轉(zhuǎn)角，如下所述。選擇包含界標(biāo)的被捕獲的圖像(53)。它們稱為候選圖像，因?yàn)樗鼈兪前辽僖粋€界標(biāo)的圖像。通過觀察圖像疊層選擇可能包含界標(biāo)的候選圖像。使用者可以使用計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)屏幕上自由地操縱圖像疊層。選擇的候選圖像被檢查者放大以更好地觀察， 其可以在圖像所在的地方顯示或者在由圖像30所描繪的一個單獨(dú)的位置顯示，如圖2中右下角所示。如果檢查者發(fā)現(xiàn)候選圖像，則他可以通過點(diǎn)擊它而從圖像疊層中選擇。所選的候選圖像被高亮。使用者可以重復(fù)這一過程，直到在圖像疊層中發(fā)現(xiàn)全部候選圖像為止。但是，如果使用者在單獨(dú)操縱圖像疊層來定位候選圖像時遇到困難，則工具設(shè)計(jì)成幫助觀察圖像疊層，諸如體積切片、再次切片和預(yù)覽平面。雖然如此，使用者仍可以拋棄圖像疊層中未選擇的圖像。被捕獲的不帶界標(biāo)的圖像被拋棄(54)以節(jié)省存儲空間?？赡馨棺淀旤c(diǎn)或界標(biāo)的候選圖像存儲到磁盤。因此，有用數(shù)據(jù)的尺寸被最小化，并且提高了系統(tǒng)10的操作速度。由掃描儀11最初捕獲的這一組圖像尺寸非常大，因?yàn)樗鼈兪歉叻直媛蕡D像。不帶界標(biāo)的圖像被軟件模塊21的圖像去除模塊22去除。剩下的是包含界標(biāo)的圖像，如圖7所示。選擇每一個候選圖像(55)。識別圖像中的界標(biāo)并用標(biāo)識41來標(biāo)記，如圖3所示。 界標(biāo)代表脊椎的重要特征，包括邊緣、棘突和橫突。每個脊椎諸如cl、c2、c3等，可以包含多個界標(biāo)，通常2至5個界標(biāo)。系統(tǒng)10要求來自每個脊椎的大約2或3個界標(biāo)，目的是產(chǎn)生虛擬模型44。在系統(tǒng)10中標(biāo)記的界標(biāo)與實(shí)際骨骼表面關(guān)聯(lián)。界標(biāo)的實(shí)際物理位置從空間傳感器13提供的信息中可以獲知。知曉實(shí)際物理位置，允許對脊椎幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建精確的虛擬模型44。與此同時，基于虛擬模型44，精確測量脊柱的CcAb角和旋轉(zhuǎn)角。檢查者必須確定被標(biāo)記的界標(biāo)是否視覺清晰(56)。如果它們不清晰，則使用不同的成像方法來增強(qiáng)圖像質(zhì)量并凸顯界標(biāo)?？梢赃M(jìn)一步使用各種非實(shí)時濾波器20來增強(qiáng)圖像中的頂點(diǎn)。參照圖8，在一些圖像中，所述頂點(diǎn)非常明顯，它們讓進(jìn)行任何的非實(shí)時濾波 20不再必要。如果應(yīng)用濾波器(57)，則計(jì)算機(jī)14增強(qiáng)圖像和界標(biāo)。濾波器(諸如亮度濾波器、對比度濾波器和邊緣濾波器)可以用于增強(qiáng)個別圖像或者全部候選圖像的質(zhì)量。濾波過程重復(fù)進(jìn)行，直到獲得期望的圖像為止。通過檢查者在計(jì)算機(jī)14上選擇圖像界標(biāo)指示來標(biāo)記界標(biāo)(58)。然后，球體或者任何形狀的標(biāo)識41放置在界標(biāo)的3D位置上。該步驟重復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)現(xiàn)圖像中的全部界標(biāo)為止。球體41指示圖像中存在界標(biāo)以及界標(biāo)的位置。參照圖9，以界標(biāo)標(biāo)記了全部候選圖像。在一些情況下，可以在一系列圖像中觀察到一個棘突。在這些情況下，可以選擇有代表性的圖像，諸如該系列中位于中部的一幅圖像，或者可以形成局部體積圖像，并且可以在該局部體積圖像中識別所述突起的峰值。軟件模塊21的圖像標(biāo)記模塊M允許檢查者識別包含標(biāo)識41的圖像。軟件模塊21還包括圖像放大模塊25，以協(xié)助檢查者在圖像標(biāo)記過程中識別界標(biāo)。在標(biāo)記所選擇的全部圖像中的全部界標(biāo)之后(59)，將它們顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。這樣保證了能發(fā)現(xiàn)來自脊柱的全部突起。將圖像疊層隱藏(60)，以便僅顯示標(biāo)識41。圖中的標(biāo)識41以線條42連接，以便利用軟件模塊21的虛擬模型生成器23形成基于幀的骨架虛擬模型44，如圖3、4和10所示。通過隱藏B模式圖像，全部界標(biāo)暴露在虛擬3D空間內(nèi)，并且可以被檢查者方便地看到。 來自同一幅B模式圖像的界標(biāo)依次以線條42連接。線條42和標(biāo)識41變成患者脊柱基于幀的骨架虛擬模型44。因?yàn)?，利用空間傳感器和計(jì)算獲得了實(shí)際維度和角度。全部標(biāo)識擺正到它們的精確位置。界標(biāo)之間的距離以及由界標(biāo)形成的線條42之間的夾角則可以根據(jù)每個選定的界標(biāo)的空間信息進(jìn)行測量。然后可以手動或自動計(jì)算CcAb角度。此外，界標(biāo)41 的信息可以用于在3D空間內(nèi)縮放和放置對應(yīng)的虛擬脊椎節(jié)段，以增強(qiáng)視覺效果。虛擬模型生成器23可以利用這些信息在3D空間內(nèi)縮放和放置相應(yīng)的脊椎節(jié)段。通過檢查者點(diǎn)擊來自斜度差最大的不同脊椎的成對界標(biāo)，測量界標(biāo)之間的角度 (61)。根據(jù)需要，該過程可以由計(jì)算機(jī)14自動執(zhí)行。Cobb角是平行于骨縫上方的一個脊椎的上端板畫出的直線與平行于骨縫下一個級別的脊椎的下端板畫出的直線之間形成的角度。在成對界標(biāo)中，從最大傾斜角計(jì)算CcAb 角(6 。因?yàn)镃cAb角定義為脊柱從矢狀平面的彎曲角度的投影，所以在可以計(jì)算CcAb角度之前，該角度仍然需要計(jì)算并投影到固定平面上。來自同一個脊椎的橫突的界標(biāo)相連以形成3D矢量線，該同一個脊椎是來自脊柱不同端部的兩個最傾斜的脊椎。類似地，該矢量通過連接來自脊柱另一端的另一個最傾斜的脊椎的橫突的界標(biāo)而獲得。這種情況在圖4示出。這些3D矢量線42然后投影到矢狀平面上。新形成的投影矢量線42則可以用于通過向量點(diǎn)積計(jì)算它們之間的夾角。如果是從胸部X射線獲得的，獲得的夾角等同于CcAb角。 在計(jì)算得出CcAb角時，將其連同脊柱旋轉(zhuǎn)和夾角以及患者脊柱的虛擬模型44 一起顯示給檢查者，如圖4所示。由于系統(tǒng)10不需要有害輻射來操作，所以它可以用于任何患者而不需限制時間或頻率。系統(tǒng)10是無輻射系統(tǒng)，這意味著它不需要防輻射室、昂貴的X射線設(shè)備或者認(rèn)證過的X射線技術(shù)人員。用于脊柱側(cè)凸評估的初始成本和操作成本顯著下降。系統(tǒng)10不受使用場地和時間的限制。因此，使用率上升，并且允許現(xiàn)場大規(guī)模篩查。系統(tǒng)10在小型非防輻射室內(nèi)的操作利用系統(tǒng)10而變得可以看見。這是因?yàn)槌晵呙鑳x11和空間傳感器13足夠小，能到處移動或者用手?jǐn)y帶。框架14也可以組裝和拆解，從而移動到小型房間內(nèi)。由任何受過訓(xùn)練的工作人員在任何地方操作都是安全的。為了處理大量的超聲圖像，更快速的圖像卡、更快速且基于多核的處理器以及容量更大的存儲器在性能方面提供了改進(jìn)。參照圖11和12，連同3D空間內(nèi)被捕獲的原始超聲圖像的界標(biāo)一起觀察投影X射線圖像，可能非常有用。因?yàn)閭鹘y(tǒng)X射線評估僅提供投影圖像，而系統(tǒng)10可以獲得有經(jīng)驗(yàn)的檢查者的更大的接受度(如果它還可以提供投影圖像的話)。X射線評估和系統(tǒng)10可以一起使用，其中系統(tǒng)10常常用于長期研究。因此，系統(tǒng)10有能力隨同超聲圖像一起觀察被標(biāo)記特征的投影圖像。此外，系統(tǒng)10有能力將X射線圖像與超聲測量融合或組合在一起。雖然描述了脊柱側(cè)凸，但是本發(fā)明也適用于評估由傳統(tǒng)中醫(yī)從業(yè)者提供的按摩/ 正骨或理療的結(jié)果。3D超聲成像系統(tǒng)10提供了一種工具，以潛在地測量不同類型的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)和脊柱結(jié)構(gòu)問題，諸如駝背、過度后彎、脊柱后側(cè)凸和脊柱前彎。雖然描述了電磁空間傳感器，但是預(yù)見到也可以使用其他類型的空間感測技術(shù)。 這些技術(shù)包括利用光學(xué)可見光或紅外線相機(jī)進(jìn)行標(biāo)識跟蹤、聲學(xué)定位和利用多關(guān)節(jié)接頭進(jìn)行機(jī)械空間定位等等。雖然附圖是黑白圖，但是計(jì)算機(jī)屏幕上的實(shí)際圖像包括更容易識別界標(biāo)和計(jì)算出的信息的顏色。每月、每周或者每天評估脊柱側(cè)凸將成為可能。在治療脊柱側(cè)凸的過程中，連續(xù)監(jiān)控結(jié)果非常重要。相反，標(biāo)準(zhǔn)X射線評估將連續(xù)評估之間的時間限制到3至9個月，原因在于輻射危害。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離如這里寬泛地描述的本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可以對具體實(shí)施例中所示的本發(fā)明進(jìn)行許多變化和/或修改。因此，目前的實(shí)施例在各個方面都應(yīng)該認(rèn)為是示例性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于評估脊柱結(jié)構(gòu)問題的三維(3D)超聲成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 捕獲超聲圖像的超聲掃描儀；記錄被捕獲的超聲圖像的位置和取向的空間傳感器；和在被捕獲的超聲圖像中標(biāo)記脊椎的特征的軟件模塊，并且被標(biāo)記特征用線連接，以便計(jì)算被標(biāo)記特征之間的夾角和距離，用于根據(jù)計(jì)算得到的夾角和距離計(jì)算CcAb角和脊柱旋轉(zhuǎn)角，其中被標(biāo)記特征是脊椎表面的回波。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件模塊包括圖像增強(qiáng)模塊來增強(qiáng)被捕獲的圖像中的骨骼表面細(xì)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件模塊包括圖像標(biāo)記模塊，以識別包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件模塊包括圖像放大模塊，以放大被捕獲的圖像，用于識別脊椎的特征。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件模塊包括圖像去除模塊，用于去除不包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述脊椎的特征包括邊緣、棘突和橫突的頂點(diǎn)ο
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件模塊包括虛擬模型生成器，以便用線連接被標(biāo)記特征，以形成基于幀的脊柱骨架虛擬模型。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬模型生成器根據(jù)所述脊椎的特征在3D空間中縮放和放置對應(yīng)的脊椎節(jié)段。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲掃描儀具有掃略患者背部的探頭。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述探頭的寬度大約為10到20厘米，以允許在單次掃略中掃描全部棘突。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空間傳感器包括發(fā)射器和接收器，并且所述接收器可操作地連接到所述探頭。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空間傳感器包括發(fā)射器和接收器，并且所述發(fā)射器可操作地連接到所述探頭。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括胸板。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括高度可調(diào)的扶欄，以幫助患者保持穩(wěn)定位置。
15.一種用于評估脊柱結(jié)構(gòu)問題的方法，所述方法包括 捕獲超聲圖像；記錄被捕獲的超聲圖像的位置和取向；在被捕獲的超聲圖像中標(biāo)記脊椎特征，并且用線連接被標(biāo)記特征，以便計(jì)算被標(biāo)記特征之間的夾角和距離，用于根據(jù)所計(jì)算的夾角和距離計(jì)算CcAb角和脊柱旋轉(zhuǎn)角； 所述被標(biāo)記特征是脊椎表面的回波。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括增強(qiáng)被捕獲的圖像中的骨骼表面細(xì)節(jié)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括識別包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括放大被捕獲的圖像，用于識別所述脊椎的特征。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括去除不包含被標(biāo)記特征的被捕獲的圖像。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括利用連接被標(biāo)記特征的線形成基于幀的脊柱骨架虛擬模型。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)脊椎特征在3D空間內(nèi)縮放和放置對應(yīng)的脊椎節(jié)段。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在3D空間內(nèi)顯示被標(biāo)記特征的投影圖像和所述超聲圖像。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在3D空間中組合X射線投影圖像和所述超聲圖像。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述脊柱結(jié)構(gòu)問題包括脊柱側(cè)凸。
25.一種計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法，用于自動標(biāo)記脊椎的特征，以評估脊柱側(cè)凸，所述方法包括從被捕獲的超聲圖像提取骨骼回波或者通過應(yīng)用圖像處理而去除除了骨骼回波之外的圖像的全部特征；和在圖像中定位骨骼的位置并且用標(biāo)識標(biāo)記所述位置；其中所述圖像處理包括從以下構(gòu)成的組群中選擇任一項(xiàng)最大強(qiáng)度回波、最大梯度、活動輪廓或者圖像對正。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括如果沒有檢測到骨骼回波則拋棄所述圖像。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括 針對相同的突起分析所述標(biāo)識的位置，和根據(jù)由所述標(biāo)識形成的3D輪廓檢測所述突起的峰值；與組織深度最小的脊椎的特征對應(yīng)的標(biāo)識被認(rèn)為是所述突起的峰值。
全文摘要
一種用于評估脊柱結(jié)構(gòu)問題的三維(3D)超聲成像系統(tǒng)(10)，包括捕獲超聲圖像的超聲掃描儀(11)；記錄被捕獲的超聲圖像的位置和取向的空間傳感器(13)；以及在被捕獲的超聲圖像中標(biāo)記脊椎的特征的軟件模塊(21)。被標(biāo)記特征(41)用線(42)連接，以便計(jì)算被標(biāo)記特征(41)之間的夾角和距離，用于根據(jù)計(jì)算得到的夾角和距離計(jì)算Cobb角和脊柱旋轉(zhuǎn)角，其中被標(biāo)記特征(41)是脊椎表面的回波。
文檔編號A61B5/107GK102497821SQ201080040696
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者詹姆士·忠偉·張, 鄭永平 申請人:香港理工大學(xué)