圖像分析裝置和圖像分析方法
【專利說明】圖像分析裝置和圖像分析方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于在2014年11月19日提交的日本專利申請N0.2014-234537并要求其優(yōu)先權(quán)益;該專利申請N0.2014-234537全文通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本文所描述的實施例一般地涉及圖像分析裝置和圖像分析方法。
【背景技術(shù)】
[0004]用于根據(jù)通過在對形成于膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等中的骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)行手術(shù)之前以普通X射線拍攝關(guān)節(jié)而獲得的二維圖像來估計骨骼之間的三維位置關(guān)系的技術(shù)是眾所周知的。
[0005]例如，日本專利申請?zhí)亻_N0.2006-263241公開了用于基于計算機斷層掃描(CT)圖像或磁共振(MR)圖像而生成包括患者的骨骼與植入構(gòu)件之間的相對適合度在內(nèi)的評價函數(shù)的方法。日本專利申請?zhí)亻_N0.2006-263241還公開了使用該評價函數(shù)來選擇適合于患者的植入體并制定手術(shù)方案的方法。
[0006]實際的人類骨骼受到由附著于它們上的肌肉產(chǎn)生的肌張力的作用，并且肌張力改變作用于關(guān)節(jié)上的應(yīng)力。但是，常規(guī)的技術(shù)并沒有在對肌肉的作用力予以考慮的情況下估計應(yīng)力，由此未能準(zhǔn)確計算作用于實際患者的關(guān)節(jié)上的應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]實施例的目的是提供能夠準(zhǔn)確計算作用于關(guān)節(jié)上的應(yīng)力的圖像分析裝置。
[0008]根據(jù)一種實施例，圖像分析裝置包含第一獲取器、構(gòu)造器、第一計算器、第二計算器和第三計算器。第一獲取器被配置為獲取有關(guān)被攝體的關(guān)節(jié)以及與該關(guān)節(jié)連接的骨骼的圖像信息。構(gòu)造器被配置為根據(jù)圖像信息來構(gòu)造骨骼和關(guān)節(jié)的三維形狀，以及骨骼及關(guān)節(jié)中的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性。第一計算器被配置為計算與關(guān)節(jié)連接的骨骼之間的位置關(guān)系。第二計算器被配置為基于該位置關(guān)系來計算肌肉作用于與關(guān)節(jié)連接的骨骼上的作用力。第三計算器被配置為基于三維形狀、關(guān)系特性和作用力來計算作用于關(guān)節(jié)上的第一應(yīng)力。
[0009]根據(jù)上文所描述的圖像分析裝置，能夠準(zhǔn)確計算作用于關(guān)節(jié)上的應(yīng)力。
【附圖說明】
[0010]圖1是圖像分析裝置的配置圖；
[0011 ]圖2是第一力學(xué)模型的示意圖；
[0012]圖3是分析圖像的不意圖；
[0013]圖4是另一分析圖像的不意圖；
[0014I圖5是又一個分析圖像的示意圖；
[0015]圖6是又一個分析圖像的示意圖；
[0016]圖7是圖像分析過程的流程圖；
[0017]圖8是圖像分析裝置的配置圖；
[0018]圖9示出了人工關(guān)節(jié)模型；
[0019]圖10是分析圖像的示意圖；
[0020]圖11是另一分析圖像的不意圖；
[0021]圖12是又一個分析圖像的示意圖；?0022]圖13是又一個分析圖像的示意圖；
[0023]圖14是圖像分析過程的流程圖；
[0024]圖15是圖像分析裝置的配置圖；
[0025]圖16是外部裝置的示意圖；
[0026]圖17是圖像分析過程的流程圖；以及
[0027]圖18是圖像分析裝置的硬件配置的圖。
【具體實施方式】
[0028]第一實施例
[0029]下面參照附圖更詳細(xì)地描述圖像分析裝置、圖像分析方法和計算機程序的示例性實施例。
[0030]圖1是根據(jù)實施例的圖像分析裝置10的配置圖。根據(jù)本實施例的圖像分析裝置10分析被攝體的關(guān)節(jié)。
[0031]圖像分析裝置10與外部裝置18連接。外部裝置18提供待由圖像分析裝置10分析的圖像信息。待分析的圖像信息是有關(guān)被攝體的關(guān)節(jié)以及與該關(guān)節(jié)連接的骨骼的圖像信息。特別地，待分析的圖像信息包括被攝體的關(guān)節(jié)、與關(guān)節(jié)連接的骨骼及肌肉。肌肉包括肌肉組織。
[0032]例如，外部裝置18使用X射線或磁性來掃描被攝體，由此獲得被攝體的時間序列的計算機斷層掃描(CT)圖像信息或時間序列的磁共振(MR)圖像信息。圖像分析裝置10可以包含外部裝置18。
[0033]下面描述其中根據(jù)本實施例的待分析的圖像信息為CT圖像信息的情形。待分析的圖像信息并不限定于CT圖像信息。待分析的圖像信息可以是例如MR圖像信息或超聲回波圖像信息。
[0034]CT圖像信息可以是指示CT值的二維空間分布的切片數(shù)據(jù)或者指示CT值的三維空間分布的體數(shù)據(jù)。在下面的描述中，CT圖像信息是體數(shù)據(jù)。外部裝置18將時間序列的CT圖像信息輸出到圖像分析裝置10。圖像分析裝置10可以從例如另一個裝置或者用于將時間序列的CT圖像存儲于其內(nèi)的存儲器中獲取待分析的CT圖像信息。待由圖像分析裝置10分析的圖像信息并不限定于時間序列的圖像。在下面的描述中，待分析的圖像信息簡稱為圖像或CT圖像。
[0035]圖像分析裝置10包括控制器12、用戶接口(UI)14和存儲器16。1]114和存儲器16按照向其發(fā)送以及從其接收數(shù)據(jù)和信號的方式連接至控制器12。控制器12與外部裝置18連接。
[0036]UI 14包含輸入單元14Α和顯示器14Β。輸入單元14Α接收來自用戶的各種指令和信息。輸入單元14A例如是鍵盤、鼠標(biāo)、開關(guān)或麥克風(fēng)。
[0037]顯示器14B顯示各種類型的信息，比如CT圖像和分析結(jié)果。顯示器14B例如是陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器、有機電致發(fā)光(EL)顯示器或等離子體顯示器。
[0038]UI 14可以具有一體化地設(shè)置有輸入單元14A和顯示器14B的觸摸面板功能。
[0039]存儲器16包括各種類型的存儲介質(zhì)，比如硬盤驅(qū)動器，并且在其內(nèi)存儲各種類型的數(shù)據(jù)，比如時間序列的CT圖像。例如，存儲器16以與醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)相符的醫(yī)學(xué)圖像文件格式將時間序列的CT圖像存儲于其內(nèi)。存儲器16可以按照與時間序列的CT圖像關(guān)聯(lián)的方式將由控制器12等獲取的醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲于其內(nèi)。
[0040]控制器12控制著圖像分析裝置10?？刂破?2包含第一獲取器12A、第一計算器12B、第二計算器12C、接收器12D、構(gòu)造器12E、第三計算器12F、發(fā)生器12G和顯示控制器12H。第一獲取器12A、第一計算器12B、第二計算器12C、接收器12D、構(gòu)造器12E、第三計算器12F、發(fā)生器12G和顯示控制器12H中的一部分或全部可以由諸如中央處理單元(CPU)的處理器執(zhí)行計算機程序來提供，也就是，作為軟件。作為選擇，它們中的一部分或全部可以作為諸如集成電路(IC)的硬件或者軟件和硬件的結(jié)合來提供。
[0041]第一獲取器12A獲取與被攝體的關(guān)節(jié)以及連接于該關(guān)節(jié)的骨骼相關(guān)的圖像。根據(jù)本實施例的第一獲取器12A獲取來自外部裝置18的CT圖像，由此獲取與被攝體的關(guān)節(jié)以及連接于該關(guān)節(jié)的骨骼相關(guān)的圖像(在下文，稱為CT圖像)。存儲器16可以將被攝體的CT圖像預(yù)先存儲于其內(nèi)。在這種情況下，第一獲取器12A從存儲器16中讀取待分析的被攝體的CT圖像，由此獲取該CT圖像。
[0042]第一獲取器12A將所獲取的CT圖像輸出到第一計算器12B和構(gòu)造器12E。
[0043]構(gòu)造器12E根據(jù)由第一獲取器12A獲取的CT圖像來構(gòu)造骨骼和關(guān)節(jié)的三維形狀，以及骨骼及關(guān)節(jié)的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性。
[0044]例如，根據(jù)本實施例的構(gòu)造器12E構(gòu)造了至少指示骨骼和關(guān)節(jié)的三維形狀以及負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性的第一力學(xué)模型。第一力學(xué)模型是通過例如給指示骨骼和關(guān)節(jié)的三維形狀的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型添加骨骼及關(guān)節(jié)的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性而獲得的數(shù)據(jù)。負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性指示形變與負(fù)荷的關(guān)系。例如，負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性為硬度。
[0045]在下面的描述中，在負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性可以簡稱為“硬度”以簡化解釋。但是，根據(jù)本實施例的“硬度”是作為負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性的示例來給出的，并且關(guān)系特性并不限定于此。
[0046]特別地，構(gòu)造器12E從由第一獲取器12A獲取的CT圖像中提取出骨骼區(qū)。例如，在待分析的圖像是CT圖像的情形中，硬的骨骼具有大約1000HU的CT值;然而與除骨骼外的結(jié)締組織對應(yīng)的軟組織，比如肌腱、韌帶和肌肉，具有大約O?100HU的CT值。構(gòu)造器12E預(yù)先設(shè)定CT值的閾值，用于將骨骼與軟組織區(qū)分開。閾值可以通過例如由用戶在輸入單元14A上執(zhí)行的操作來調(diào)整。
[0047]構(gòu)造器12E從由第一獲取器12A獲取的CT圖像中提取具有大于或等于閾值的CT值的區(qū)域。因而，構(gòu)造器12E提取關(guān)節(jié)區(qū)和骨骼區(qū)以生成指示關(guān)節(jié)和骨骼的三維形狀的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型。
[0048]在圖像分析裝置10通過使用例如有限元法(FEM)執(zhí)行數(shù)值分析來分析關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)的情形中，構(gòu)造器12E生成三維有限元模型，作為關(guān)節(jié)和骨骼的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型。FEM是用于通過將待分析的區(qū)域劃分成由節(jié)點包圍的網(wǎng)狀區(qū)域(稱為單元)來近似形變的方法。
[0049]構(gòu)造器12E通過將骨骼及關(guān)節(jié)的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型來生成第一力學(xué)模型。CT值隨物理屬性而變化。要解決該問題，構(gòu)造器12E基于CT值來計算每個單元的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性，比如骨骼和關(guān)節(jié)的硬度。構(gòu)造器12E將關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上的對應(yīng)位置處的每個單元，由此生成第一力學(xué)模型。構(gòu)造器12E可以執(zhí)行過濾以從所生成的形狀模型中去除不連續(xù)的部分。
[0050 ]位移包括由剛性體位移引起的位移以及由每個部分內(nèi)的材料形變引起的位移。構(gòu)造器12E可以將由剛性體位移引起的位移與由每個部分內(nèi)的材料形變引起的位移分離，以計算每個單元的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性。
[0051]特別地，構(gòu)造器12E可以進(jìn)一步構(gòu)造除了骨骼或關(guān)節(jié)之外的活體組織的負(fù)荷和形變之間的的第二關(guān)系特性，該活體組織幾乎不會因除負(fù)荷外的因素而形變并且能夠從其中提取由負(fù)荷引起的形變。除負(fù)荷外的因素的示例包括但不限于，肌纖維內(nèi)的充血程度以及構(gòu)成肌纖維的細(xì)絲的滑動。活體組織的示例包括但不限于肌腱、韌帶和軟骨。
[0052]在這種情況下，構(gòu)造器12E通過圖像分析和跟蹤技術(shù)來計算連接或附著于包含于CT圖像內(nèi)的骨骼或關(guān)節(jié)上的肌腱、韌帶和軟骨的形變量。構(gòu)造器12E然后計算每個單元的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性(第二關(guān)系特性)。構(gòu)造器12E將骨骼和關(guān)節(jié)的關(guān)系特性以及諸如肌腱、韌帶和軟骨的活體組織的第二關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上的對應(yīng)位置處的每個單元，由此構(gòu)造第一力學(xué)模型。
[0053]圖2是第一力學(xué)模型20的示例的示意圖。第一力學(xué)模型20是通過將關(guān)節(jié)24及骨骼22的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性添加到指示關(guān)節(jié)24以及與關(guān)節(jié)24連接的統(tǒng)稱為骨骼22的骨骼22A和骨骼22B的三維形狀的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型而獲得的數(shù)據(jù)。
[0054]返回去參照圖1，根據(jù)本實施例的構(gòu)造器12E基于CT值來計算在負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性，比如骨骼和關(guān)節(jié)的硬度。構(gòu)造器12E將關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上的對應(yīng)位置處的每個單元，由此生成第一力學(xué)模型。
[0055]下面描述由構(gòu)造器12E執(zhí)行的用于計算每個單元的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性的方法的示例。
[0056]構(gòu)造器12E為骨骼和關(guān)節(jié)(可以包括活體組織，比如肌腱、韌帶和軟骨)設(shè)定肌腱和骨端的負(fù)荷條件。構(gòu)造器12E設(shè)定骨端(骨骼的端部)和關(guān)節(jié)的位移邊界條件。構(gòu)造器12E設(shè)定每個活體組織的材料本構(gòu)方程。構(gòu)造器12E執(zhí)行基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)(參考:Y.C.Fung，F(xiàn)irst Course in Continuum Mechanics(第三版))的大形變和應(yīng)力分柝。
[0057]大形變和應(yīng)力分析例如是用于通過用FEM離散化連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方程來對在每個部分上的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力和形變的物理量以及物理量的時間變化進(jìn)行數(shù)值計算的方法。大形變和應(yīng)力分析并不限定于各向同性的形變的彈性分析，而可以是在對骨骼的各向異性的形變特性予以考慮的情況下使用均質(zhì)化方法的分析。作為選擇，大形變和應(yīng)力分析可以是在考慮到了活體組織的非彈性形變特性和時間相關(guān)的形變特性的情況下的非線性分析、靜態(tài)分析或動態(tài)分析。
[0058]構(gòu)造器12E通過執(zhí)行基于由第一獲取器12A獲取的CT圖像的大形變和應(yīng)力分析來計算在骨骼和關(guān)節(jié)內(nèi)的每個單元的負(fù)荷和形變之間的關(guān)系特性。構(gòu)造器12E通過圖像分析和跟蹤技術(shù)進(jìn)一步構(gòu)造(計算)除了骨骼或關(guān)節(jié)之外的幾乎不會因除負(fù)荷外的因素而形變并且能夠從其中提取由負(fù)荷引起的形變的活體組織(例如，肌腱、韌帶和軟骨)的負(fù)荷和形變之間的第二關(guān)系特性。構(gòu)造器12E將所計算出的關(guān)系特性以及所計算出的第二關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上的對應(yīng)位置處的每個單元，由此生成第一力學(xué)模型。
[0059]構(gòu)造器12E可以將關(guān)系特性添加到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上的相應(yīng)位置處的每個單元，以構(gòu)造第一力學(xué)模型(不包括第二關(guān)系特性)。構(gòu)造器12E優(yōu)選地構(gòu)造包括第二關(guān)系特性的第一力學(xué)模型，以提高第一應(yīng)力的計算的精確性，這將在后面描述。
[0060]返回去參照圖1，第一計算器12B使用接收自第一獲取器12A的CT圖像來計算在連接于關(guān)節(jié)的骨骼之間的位置關(guān)系。
[0061]在連接于關(guān)節(jié)的骨骼之間的位置關(guān)系包括例如由與關(guān)節(jié)連接的骨骼圍繞該關(guān)節(jié)形成的角度(關(guān)節(jié)角度)、以骨骼為中心的坐標(biāo)系、慣性矩、骨骼的質(zhì)量以及肌肉雅可比陣(Jacobian)。
[0062]根據(jù)本實施例的第一計算器12B使用接收自第一獲取器12A的CT圖像來計算位置關(guān)系，由此生成肌肉骨骼模型。
[0063]肌肉骨骼模型通過將肌肉的三維形狀布置到指示關(guān)節(jié)和骨骼的三維形狀的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上并對其添加位置關(guān)系來獲得。肌肉骨骼模型可以進(jìn)一步設(shè)置有例如韌帶和肌腱的三維形狀。根據(jù)本實施例的肌肉是耦接至與關(guān)節(jié)連接的兩個骨骼的肌肉。該肌肉起始于第一骨骼上的起始部分并結(jié)束于第二骨骼上的末端部分。
[0064]肌肉骨骼模型至少指示關(guān)節(jié)與連接于該關(guān)節(jié)的骨骼之間的位置關(guān)系。肌肉骨骼模型還可以包括骨骼、關(guān)節(jié)及與骨骼耦接的肌肉的硬度、重量等。
[0065]第一計算器12B使用下面的方法根據(jù)CT圖像生成肌肉骨骼模型。
[0066]特別地，類似于構(gòu)造器12E，第一計算器12B從由第一獲取器12A獲取的CT圖像中提取具有大于或等于閾值的CT值的區(qū)域。因而，第一計算器12B提取關(guān)節(jié)區(qū)和骨骼區(qū)，以生成指示關(guān)節(jié)和骨骼的三維形狀的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型。第一計算器12B從CT圖像中提取具有軟組織(肌肉)的CT值的區(qū)域，由此提取肌肉區(qū)，并且將肌肉的三維形狀布置到骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型上。
[0067]第一計算器12B進(jìn)一步根據(jù)CT圖像來計算關(guān)節(jié)與連接于關(guān)節(jié)的骨骼之間的位置關(guān)系，比如關(guān)節(jié)角度、以骨骼為中心的坐標(biāo)系、慣性矩、骨骼的質(zhì)量和肌肉雅可比陣。
[0068]例如，第一計算器12B從所生成的骨骼-關(guān)節(jié)形狀模型中提取具有骨骼和關(guān)節(jié)內(nèi)的特性形狀的若干個點。第一計算器12B得出以這些點的重心的位置為中心的坐標(biāo)系，作為骨骼和關(guān)節(jié)各自的居中的坐標(biāo)系。
[0069]第一計算器12B