專利名稱：醫(yī)學圖象的計算機化的邊界估定的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般是關于醫(yī)學圖象處理，更具體而言，是關于為自動切除前列腺而使用徑向底部凹凸(RBR)法的內手術超聲掃描，該方法能夠快速和可靠地提取經(jīng)尿道成象中的前列腺邊界，依照本發(fā)明，該方法用來自動地勾畫出前列腺邊界區(qū)域，超聲圖象處理的結果用于經(jīng)尿道自動地切除前列腺。
在過去的十年中，機器人外科手術的進程變得十分活躍，在90年代，發(fā)展了許多外科手術機器人和它們當中的一些已在外科實驗中嘗試過，在由Ng Wan Sing和Davies B，L等人在1993年3月在IEEEEngineering in Medicine and Biological magazine的12(1)頁120-125中發(fā)表的“機器人外科手術-在TURP的第一手經(jīng)驗”的文章中已經(jīng)公開了作為有源機器人外科手術的實例，自動的前列腺切除工作，該文建議，前列腺的尿道切除法是目前解除膀胱的尿外流障礙的最常用的方法。該過程包括經(jīng)尿道引進切割器，延伸切割器進入前列腺，在那里順序的切割能被執(zhí)行以移去腺瘤，該腺瘤是前列腺體增大部分。作為男性隨年令增長的一部分，前列腺的腺體增大不可避免地發(fā)生了，這就造成了排尿障礙?？拷返南倭霰匦柰ㄟ^手術去除以緩解障礙，被稱為“SARP”一前列腺切除的外科手術輔助機器人-的裝置被使用執(zhí)行自動的前列腺切除術。SARP是特例，在該特例中發(fā)展了適合運動學的配置的特殊的安全架，以在前列腺內產生多個園錐狀或桶狀的切洞，不象許多其它系統(tǒng)，SARP是有源的外科手術機器人。由SARP的機器人操作引出的優(yōu)點是定位可靠和節(jié)省時間。這些優(yōu)點在手術中是重要的，這是因為(i)定位可靠確保了切除將在不是不知道的情況下指向不希望的區(qū)域和可靠位置是在內部或外部傳感器確定的(作為內部傳感器的例子可以是固定在每一結合電機上的光學編碼器，作為外部傳感器的例子可以是光/磁跟蹤裝置)；和(ii)時間的減少可以通過遙控地例如重復地檢測重要的標志或特點，和仔細地觀察作為新的未折疊的切割結果的一些的組織紋理；和連續(xù)地記憶周圍解剖的視覺圖象來實現(xiàn)(由高速電機實現(xiàn)的時間的節(jié)省直接減少了病人在麻醉的時間和麻醉劑的吸收量)。
在自動的前列腺切除系統(tǒng)中，手術醫(yī)師通常和系統(tǒng)的三個部件相互作用；(1)計算機和它的輔助監(jiān)視顯示器；(2)內窺鏡顯示單元和(3)開關庫和光發(fā)射二極管顯示。在自動的前列腺切除系統(tǒng)內，為了讓機器人系統(tǒng)看到內窺鏡提供的直接環(huán)境以外的內容，超聲波圖象和作為手術的機器人系統(tǒng)一塊使用，超聲波探頭，經(jīng)尿道型的，被前進到刀刃的頸部和然后在精確的步驟下退回，在這些步驟中有前列腺的來回掃描，前列腺的邊界被標出，囊/腺瘤的邊界，即囊和放大的組織之間的邊界位于前列腺的邊界之內，囊/腺瘤的邊界在前邊接觸前列腺的邊界和略微離它向后。
因為掃描之間的間隔是公知的和超聲探頭軸是它們公共的，能夠執(zhí)行三維空間的再現(xiàn)。實時獲得和顯示三維空間體積數(shù)據(jù)的三維空間的超聲系統(tǒng)被描述和圖示在“帶有真實世界的邊緣虛擬目標在病人體內看超聲圖象”一文當中，該文是由Michael Bajura，Henry Fuchs和Ryutarou Ohbuchi發(fā)表在由R Taylor編輯的計算機綜合外科手術中，在1996年出版，該文公開了，(1)獲得和透視具有已知位置的實時超聲波數(shù)據(jù)和由外部傳感器跟蹤定位的算法，(2)產生工作虛擬環(huán)境，該虛擬環(huán)境實時獲得和顯示三維超聲波數(shù)據(jù)，和(3)恢復從超聲數(shù)據(jù)特別是為體積透視的結構信息。隨后，依據(jù)最大化的切除可以計劃切割的對策，以此能產生多個錐狀或桶狀的凹處，在確定量的腺瘤的后面留下充足的地方以獲得可接收的后手術的執(zhí)行。
在計算機的輔助之下，許多圖象方法均是可行的，例如CT，MRI和超聲。和CT和MRI圖象或從顯微鏡照的照片圖象相比較，超聲圖象處理更困難，這是因為火花，噪音的存在和較差的分辨率。提取邊界信息或者其它特征，例如瘤的超聲圖象分段早已經(jīng)是研究的主題。然而，超聲圖象優(yōu)于其它形態(tài)。作為CT和MRI形態(tài)，為了獲得高分辨率的圖象這要花大量的時間。最初和維修花費是非常高的。沒有精心措施它們是不能在手術中方便和安全的使用。當前經(jīng)尿道的超聲圖象手序是高度手工的情況下是費勞力的。因為掃描是在手術前做的，當機器人在病人身上使用時，寄存手術之前和在手術之中的數(shù)據(jù)這有極大的困難。在SARP中已經(jīng)使用超聲，這是因為它相對低的費用和便利，因為它可以很方便地引入手術室，和因為它沒有引起病人的不良反應。
由SARP使用的超聲圖象和處理系統(tǒng)是配有7MHz和5.5MHz探頭的B&K型1846型掃描器。該圖象系統(tǒng)是診斷型掃描器并且最初至SARP中使用以確定前列腺的大小。通過手術前順序來回地掃描前列腺完成確定尺寸。連續(xù)橫向掃描的連續(xù)疊層在IBM計算機上再現(xiàn)以形成前列腺的三維模型。
為了快速地實現(xiàn)前列腺的邊界的估定，包括計算地再現(xiàn)三維模型和基于該模型的順序切除計劃，本發(fā)明的發(fā)明人避開了通常的逐個象素分析和引入徑向底部凹凸方法。底部凹凸是在照像中使用的暗室技術，在由Langhord，M寫的New York “Alhred A Knopl公司出的”逐步引導學照象術的參考書中已經(jīng)公開了在照象術中使用的底部凹凸方法。依照本發(fā)明，在估定前列腺的邊界或其它組織時，徑向底部凹凸(RBR)方法被發(fā)現(xiàn)是有用的。通過疊加正象到負象完成了底部凹凸圖象，微出寄存器，以及印出的象有如從一側照亮的很低的凹凸雕刻。產生的圖象將被簡化為線的模型和片的色調。這樣方式的圖象邊緣能被突出。
本發(fā)明是醫(yī)學圖象(特定是超聲)處理方法，該方法可以獲得精確的前列腺(使用前列腺為例)的大小。依照本發(fā)明，它也公開了一種簡單的方法去使用計算機去估定前列腺的邊界。依照本發(fā)明優(yōu)選的實施例，使用機器人系統(tǒng)完成前列腺切除術的超聲掃描方法，該外科機器人包括有頭軸，計算機，4軸運動控制器，超聲波掃描儀，和穿過固定在所說外科手術機器人上的切除器的經(jīng)尿道型超聲探頭，該方法包括以下步驟(a)連接所說的切除器到懸在原樣的參考位置(被稱為精阜位置)的均衡的門型架的所說機器人上；
(b)通過移動固定有所說超聲探頭的所說外科手術機器人的頭軸掃描病人的前列腺；(c)將在步(b)獲得的掃描圖象饋送給所說幀提取器和數(shù)字化所說的圖象以提供計算圖象處理；和(d)由計算機勾畫出前列腺依照本發(fā)明，使用徑向底部凹凸方法的超聲圖象的計算機化的估計進而包括以下步驟(a)翻轉前列腺的超聲圖象以獲得翻轉的圖象；(b)在正交方向上成比例地放大所說翻轉的圖象以獲得放大的圖象；(c)把在f步獲得的所說放大的圖象加到在權利要求1所獲得的所說超聲圖象以產生具有加強邊緣信息的灰度級的底部凹凸圖象；(d)雙重化在(g)步獲得的底部凹凸圖象以移去灰度級；(e)膨脹和侵蝕(h)雙重圖象以獲得前列腺邊界圖的輪廓；和(f)薄化膨脹或侵蝕的(i)步的圖象以提供骨架輪廓線。
以此，囊的邊界這樣由前列腺的邊界確定了。
依此，本發(fā)明的目的是提供超聲圖象處理方法，其中手術的切除器和掃描的超聲探頭由機器人攜帶，使它們能共亨作為機器人的相同的參考幀。
本發(fā)明的另一個目的是提供一自動進行前列腺切除法的超聲圖象處理方法，其中通過共同地參考圖象系統(tǒng)和機器人可以免去精細的病人的記錄(手術前和手術中數(shù)據(jù)的匹配)。
本發(fā)明的另一個目的是提供自動前列腺切除法的超聲圖象處理的方法，其中捕獲和處理每一個掃描所用的時間縮短了。
本發(fā)明的另一個目的是提供自動前列腺切除法的超聲圖象處理的方法，其中使用均衡門型架使得設立機器人的步驟極大的簡化了。
通過對說明書，附加權利要求和相伴的附圖的說明，本發(fā)明的這些和其它的特點，有關方面和優(yōu)點將被進一步的理解。


圖1示出了依本發(fā)明的計算機輔助的超聲圖象裝置的配置；
圖2示出了依本發(fā)明的對選出的用于泌尿紊亂的外科醫(yī)生輔助機器人的外型圖；圖3示出了依本發(fā)明的經(jīng)尿道的前列腺的典型的橫向超聲掃描；圖4示出了依本發(fā)明的圖3的簡單反向圖象；圖5示出了依照本發(fā)明把圖4的圖象加到圖3的圖象而獲得的象；圖6示出了依照本發(fā)明的圖5的雙重(binarised)圖象；圖7示出了依照本發(fā)明通過膨脹和侵蝕平滑圖6的象；圖8示出了依照本發(fā)明提取的囊邊界的圖象；和圖9示出了依照本發(fā)明的典型的囊/腺瘤的x-y坐標公式。
參看圖1，這里示出了被稱為對選擇性泌尿紊亂的外科醫(yī)生輔助機器人或“SARUD”的計算機輔助超聲圖象系統(tǒng)的概圖。該系統(tǒng)包括個人計算機10，配有高速幀提取器(12)和配有硬件實施圖象處理功能，例如反向，增加和放大或縮小的母板，4軸運動控制器14，外科手術機器人16，超聲掃描器18和經(jīng)直腸或經(jīng)尿道的探頭20。超聲掃描器18可以從Bruel和Kjoer型1846掃描器或Krez組合型430中選取。以均衡懸掛的在本發(fā)明優(yōu)選實施例的機器人16能夠夾持經(jīng)直腸的超聲探頭或經(jīng)尿道的超聲探頭20。4軸運動控制器14提供4個軸的運動，即頭運動軸(線性軸)，環(huán)軸(旋轉)，弧軸(旋轉)和擺動中心長度驅動軸(線性的)。軸不是按這個順序固定。圖2示意性地示出了依本發(fā)明的機器人16的圖。圖中d1水平移動附加電纜長度；d2垂直和旋轉移動的附加電纜長度；a快速釋放電纜連接器；b通信路徑；c運動控制器；H主機；T1用于使該醫(yī)用裝置的緊固機械靈活的覆蓋諸電纜的柔韌；T2用于外科機器人的主控制電纜的信號和柔韌導管；T3接地導管。依圖2所示，經(jīng)尿道的探頭20通過切除器22的外皮。(未示出的)適配器被用以提供切除器22到機器人16上的鋼性固定。和切除器22的中心軸有偏移的不同的適配器(未示出)被用來作為經(jīng)直腸探頭。如圖2所示，當參考位置(解剖的標志被稱為陰阜)被內窺鏡發(fā)現(xiàn)和不受干擾時，切除器被連接到機器人16上，機器人16掛在均衡門架上和特定設計的工具保持器被用于固定，在對病人執(zhí)行手術以前，使用帶有SARUD的經(jīng)尿道的超聲掃描或使用帶有SARUD的經(jīng)直腸超聲掃描對前列腺進行掃描。僅當機器人16的頭軸運動以運載機器人臂的其余部份包括水平固定的超聲探頭20和它的適配器(未示出)，使得大量腺的橫斷面被掃描，并從刀片頸部開始指向陰阜。
在掃描開始以前，在手動的控制下把機器人16的頭移向前，從陰阜到刀片頸測量的前列腺的長度將通過內窺鏡獲得。上述的方法利用了機器人16的工具夾持器同時固定了手術的切除器和掃描的超聲探頭20。切除器的外殼在掃描和切除過程中始終留在病人的尿道內。這就確定了，圖象的參考軸落入在環(huán)型軸的線內，并且和機器人16的頭軸平行，作為相同的被使用做切除的結果，寄存手術前和手術間的數(shù)據(jù)就沒有必要了，在手術間做了掃描和圖象參考幀和機器人的參考幀是相同的。
當掃描完成時，切割部件(未示出)被引進和附到切除器22的外殼上，并不打擾目標位置和機器人16，它們均有效剛性地固定在使用均衡門架和結構上。
在掃描期間，超聲圖象被饋送到幀提取器(12)，它的數(shù)字超聲圖象能夠用于計算機圖象處理。每一個斷面掃描被捕獲和顯示在監(jiān)視器上和作為文件保留的目的而被存儲。
通過使用光筆，或引入自動的囊描繪程序去畫輪廓，所有的前列腺邊界均能由外科醫(yī)生或受過訓練的人員(它控制和監(jiān)視計算機的操作)勾畫出。
重要的是減少TURP的時間，使病人將不經(jīng)受過長時間的麻醉。同樣麻藥吸收的減少將避免象呼吸困難和血液稀釋的復雜情況。進而這也減少血液損失。手工勾畫囊的邊界，這是非常費時間的，特別是外科醫(yī)生對讀聲譜儀沒有經(jīng)驗時。這取決于前列腺的長度和所需的精度和分辨率，這很容易超過10個斷面，每一個斷面都需要描繪囊的邊界。由于這種趨向，機器人16應在少于30分鐘內完成整個手術，那末就極希望，掃描在5至8分鐘內完成，留下足夠的時間供手術用。
依照本發(fā)明，我們的希望是看到，在計算機的幫助下的勾畫輪廓任務的自動的解決方案。在照象技術中公知的所謂底部凹凸法的新穎變化被發(fā)展了，它允許從通過尿道拍的斷面圖象中迅速和可靠地提取前列腺的邊界。底部凹凸是一個過程，通過該過程三維效果能夠加到底片上，為了在計算機的存儲器中給出清楚的圖象，和所希望的輪廓一塊被檢測出的不希望的部分被去除?；卩徑糠值膾呙?，靠近前列腺輪廓的所需要的得不到的信息將被推斷出。
圖3示出了經(jīng)尿道拍攝的典型的前列腺斷面超聲掃描。前列腺的邊界用白箭頭標出。囊/腺瘤的邊界，囊和放大的組織(“腺瘤”)的界限位于在前列腺的邊界之內。腺瘤用外科手術移去。如圖中所示，這很明顯，這里存在著一物體，即石頭，在標有“X”的地方有足夠的密度。圖4示出了圖3超聲圖象的反向圖象。該反向圖象在正交方向被成比例地放大。該放大的反向圖象然后加到最初的圖象。加的結果在圖5中示出，從圖5中可以看出，圍繞著邊緣的帶由于反向面大于原始的圖象，這就是RBR方法的結果。使用被稱為雙重化的最基本的數(shù)字圖象操作，圖象進一步被處理以移去灰度電平。雙重圖象示于圖6。為了獲得囊的較平滑的輪廓線，雙重的圖象經(jīng)受了所謂的“膨脹”和“侵蝕”的運算。該操作在輪廓帶補上了許多“小洞”(如圖7所示)以使下一個稱為骨架化或薄化的操作變得容易。圖8示出了在薄化后提取的囊的邊界。該“膨脹”和侵蝕操作，和骨架化操作可以使用圖象處理軟件包，例如可從Bioscan公司購得的“Optimas”完成。
標有“X”的物體將產生在徑向方向與所有有用信息交叉的回聲。還在圖8中看到作為短的分技(有時也是長的分枝)，它們從所希望的邊界中導出。應用推斷和一些類型分枝以獲得圖9所示的輪廓。進而，整了尺寸將不得不用適當?shù)牧窟M行定標以補償反向的放大，依照本發(fā)明，徑向底部凹凸能從通常的圖象預處理例如灰度電平標準化等等(在感興趣的被定義的區(qū)域逐個象素處理)中獲益。在沒有機器人平臺的情況下徑向底部凹凸處理將不工作。
這很明顯，對醫(yī)用圖象方法可以做各種的變化和修改，但這些變化和修改在不脫離所附權利要求書中確定的發(fā)明的精神和范圍內可以做出。
權利要求
1.使用徑向底部凹凸方法，以在醫(yī)用圖象中進行邊界估定的方法，該方法包括帶有頭軸的外科機器人，配有幀提取器的計算機，4軸移動控制器，超聲掃描器和經(jīng)尿道型或經(jīng)直腸型超聲探頭，該探頭通過固定在所說機器人上的切除器外皮，該方法包括(a)連接所說的切除器到掛在不受打擾位置(稱為陰阜)上的均衡的門架上的所說機器人上；(b)通過移動已經(jīng)固定有所說超聲探頭的所說外科機器人的頭軸對病人的目標組織進行掃描；其特征是，在(b)中獲得的掃描的圖象被饋送到所說的幀提取器，所說目標組織圖象然后被數(shù)字化以提供圖象處理和由計算機勾畫出輪廓。
2.權利要求1的使用徑向底部凹凸方法對醫(yī)用圖象進行邊界估定的方法進一步包括以下步驟(c)反轉目標組織的醫(yī)用圖象以獲得反向的圖象；(d)在正交方向上按比例放大所說反向的圖象以獲得放大的圖象；(e)加(d)中獲得的所說放大的圖象到權利要求1中獲得的所說醫(yī)用圖象以產生帶有增強的邊緣信息的灰度級的底部凹凸圖象；(f)雙重化在(e)中所獲得所說底部凹凸圖象以移去灰度級；(g)膨脹和侵蝕在(f)獲得的雙重圖象以獲得目標組織邊界的較平滑的輪廓；和(h)薄化在(g)中膨脹或侵蝕的圖象以提供骨架化的輪廓。
3.權利要求1或2的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，目標組織的邊界是使用光筆在監(jiān)視器屏幕上被勾畫出的。
4.權利要求1或2的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，目標組織邊界是由自動囊描繪程序勾畫出的。
5.權利要求1或2的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，切割元件是引進的和附在切除器的外皮上。
6.權利要求1或2的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，目標組織是前列腺。
7.權利要求3的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，目標組織是前列腺。
8.權利要求4的使用徑向底部凹凸方法在醫(yī)用圖象中進行計算機化的邊界估定的方法，其中，目標組織是前列腺。
全文摘要
公開了稱為徑向底部凹凸的在醫(yī)用圖象的計算機化邊界估定技術(使用前列腺為例),該圖象探頭能被機器人載運和共享作為機器人的相同的參考幀。前列腺被掃描和超聲圖象被饋送到進行計算圖象處理的計算機。使用這樣的方法以允許迅速和可靠地提取用經(jīng)尿道或其它方法拍攝的斷面圖象的感興趣的邊界。
文檔編號G06F17/00GK1194134SQ9711164
公開日1998年9月30日 申請日期1997年3月24日 優(yōu)先權日1997年3月24日
發(fā)明者伍云升, 張明勇 申請人:伍云升, 張明勇