CN1194134A - 医学图象的计算机化的边界估定 - Google Patents

Abstract

公开了称为径向底部凹凸的在医用图象的计算机化边界估定技术(使用***为例),该图象探头能被机器人载运和共享作为机器人的相同的参考帧。***被扫描和超声图象被馈送到进行计算图象处理的计算机。使用这样的方法以允许迅速和可靠地提取用经尿道或其它方法拍摄的断面图象的感兴趣的边界。

Description

医学图象的计算机 化的边界估定

本发明一般是关于医学图象处理，更具体而言，是关于为自动切除***而使用径向底部凹凸(RBR)法的内手术超声扫描，该方法能够快速和可靠地提取经尿道成象中的***边界，依照本发明，该方法用来自动地勾画出***边界区域，超声图象处理的结果用于经尿道自动地切除***。

在过去的十年中，机器人外科手术的进程变得十分活跃，在90年代，发展了许多外科手术机器人和它们当中的一些已在外科实验中尝试过，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)页120-125中发表的“机器人外科手术-在TURP的第一手经验”的文章中已经公开了作为有源机器人外科手术的实例，自动的***切除工作，该文建议，***的尿道切除法是目前解除膀胱的尿外流障碍的最常用的方法。该过程包括经尿道引进切割器，延伸切割器进入***，在那里顺序的切割能被执行以移去腺瘤，该腺瘤是***体增大部分。作为男性随年令增长的一部分，***的腺体增大不可避免地发生了，这就造成了排尿障碍。靠近精阜的腺瘤必需通过手术去除以缓解障碍，被称为“SARP”一***切除的外科手术辅助机器人-的装置被使用执行自动的***切除术。SARP是特例，在该特例中发展了适合运动学的配置的特殊的安全架，以在***内产生多个园锥状或桶状的切洞，不象许多其它***，SARP是有源的外科手术机器人。由SARP的机器人操作引出的优点是定位可靠和节省时间。这些优点在手术中是重要的，这是因为(i)定位可靠确保了切除将在不是不知道的情况下指向不希望的区域和可靠位置是在内部或外部传感器确定的(作为内部传感器的例子可以是固定在每一结合电机上的光学编码器，作为外部传感器的例子可以是光/磁跟踪装置)；和(ii)时间的减少可以通过遥控地例如重复地检测重要的标志或特点，和仔细地观察作为新的未折叠的切割结果的一些的组织纹理；和连续地记忆周围解剖的视觉图象来实现(由高速电机实现的时间的节省直接减少了病人在麻醉的时间和麻醉剂的吸收量)。

在自动的***切除***中，手术医师通常和***的三个部件相互作用；(1)计算机和它的辅助监视显示器；(2)内窥镜显示单元和(3)开关库和光发射二极管显示。在自动的***切除***内，为了让机器人***看到内窥镜提供的直接环境以外的内容，超声波图象和作为手术的机器人***一块使用，超声波探头，经尿道型的，被前进到刀刃的颈部和然后在精确的步骤下退回，在这些步骤中有***的来回扫描，***的边界被标出，囊/腺瘤的边界，即囊和放大的组织之间的边界位于***的边界之内，囊/腺瘤的边界在前边接触***的边界和略微离它向后。

因为扫描之间的间隔是公知的和超声探头轴是它们公共的，能够执行三维空间的再现。实时获得和显示三维空间体积数据的三维空间的超声***被描述和图示在“带有真实世界的边缘虚拟目标：在病人体内看超声图象”一文当中，该文是由Michael Bajura，Henry Fuchs和Ryutarou Ohbuchi发表在由R Taylor编辑的计算机综合外科手术中，在1996年出版，该文公开了，(1)获得和透视具有已知位置的实时超声波数据和由外部传感器跟踪定位的算法，(2)产生工作虚拟环境，该虚拟环境实时获得和显示三维超声波数据，和(3)恢复从超声数据特别是为体积透视的结构信息。随后，依据最大化的切除可以计划切割的对策，以此能产生多个锥状或桶状的凹处，在确定量的腺瘤的后面留下充足的地方以获得可接收的后手术的执行。

在计算机的辅助之下，许多图象方法均是可行的，例如CT，MRI和超声。和CT和MRI图象或从显微镜照的照片图象相比较，超声图象处理更困难，这是因为火花，噪音的存在和较差的分辨率。提取边界信息或者其它特征，例如瘤的超声图象分段早已经是研究的主题。然而，超声图象优于其它形态。作为CT和MRI形态，为了获得高分辨率的图象这要花大量的时间。最初和维修花费是非常高的。没有精心措施它们是不能在手术中方便和安全的使用。当前经尿道的超声图象手序是高度手工的情况下是费劳力的。因为扫描是在手术前做的，当机器人在病人身上使用时，寄存手术之前和在手术之中的数据这有极大的困难。在SARP中已经使用超声，这是因为它相对低的费用和便利，因为它可以很方便地引入手术室，和因为它没有引起病人的不良反应。

由SARP使用的超声图象和处理***是配有7MHz和5.5MHz探头的B&K型1846型扫描器。该图象***是诊断型扫描器并且最初至SARP中使用以确定***的大小。通过手术前顺序来回地扫描***完成确定尺寸。连续横向扫描的连续叠层在IBM计算机上再现以形成***的三维模型。

为了快速地实现***的边界的估定，包括计算地再现三维模型和基于该模型的顺序切除计划，本发明的发明人避开了通常的逐个象素分析和引入径向底部凹凸方法。底部凹凸是在照像中使用的暗室技术，在由Langhord，M写的New York “Alhred A Knopl公司出的”逐步引导学照象术的参考书中已经公开了在照象术中使用的底部凹凸方法。依照本发明，在估定***的边界或其它组织时，径向底部凹凸(RBR)方法被发现是有用的。通过叠加正象到负象完成了底部凹凸图象，微出寄存器，以及印出的象有如从一侧照亮的很低的凹凸雕刻。产生的图象将被简化为线的模型和片的色调。这样方式的图象边缘能被突出。

本发明是医学图象(特定是超声)处理方法，该方法可以获得精确的***(使用***为例)的大小。依照本发明，它也公开了一种简单的方法去使用计算机去估定***的边界。依照本发明优选的实施例，使用机器人***完成***切除术的超声扫描方法，该外科机器人包括有头轴，计算机，4轴运动控制器，超声波扫描仪，和穿过固定在所说外科手术机器人上的切除器的经尿道型超声探头，该方法包括以下步骤：

(a)连接所说的切除器到悬在原样的参考位置(被称为精阜位置)的均衡的门型架的所说机器人上；

(b)通过移动固定有所说超声探头的所说外科手术机器人的头轴扫描病人的***；

(c)将在步(b)获得的扫描图象馈送给所说帧提取器和数字化所说的图象以提供计算图象处理；和

(d)由计算机勾画出***依照本发明，使用径向底部凹凸方法的超声图象的计算机化的估计进而包括以下步骤：

(a)翻转***的超声图象以获得翻转的图象；

(b)在正交方向上成比例地放大所说翻转的图象以获得放大的图象；

(c)把在f步获得的所说放大的图象加到在权利要求1所获得的所说超声图象以产生具有加强边缘信息的灰度级的底部凹凸图象；

(d)双重化在(g)步获得的底部凹凸图象以移去灰度级；

(e)膨胀和侵蚀(h)双重图象以获得***边界图的轮廓；和

(f)薄化膨胀或侵蚀的(i)步的图象以提供骨架轮廓线。

以此，囊的边界这样由***的边界确定了。

依此，本发明的目的是提供超声图象处理方法，其中手术的切除器和扫描的超声探头由机器人携带，使它们能共亨作为机器人的相同的参考帧。

本发明的另一个目的是提供一自动进行***切除法的超声图象处理方法，其中通过共同地参考图象***和机器人可以免去精细的病人的记录(手术前和手术中数据的匹配)。

本发明的另一个目的是提供自动***切除法的超声图象处理的方法，其中捕获和处理每一个扫描所用的时间缩短了。

本发明的另一个目的是提供自动***切除法的超声图象处理的方法，其中使用均衡门型架使得设立机器人的步骤极大的简化了。

通过对说明书，附加权利要求和相伴的附图的说明，本发明的这些和其它的特点，有关方面和优点将被进一步的理解。

图1示出了依本发明的计算机辅助的超声图象装置的配置；

图2示出了依本发明的对选出的用于泌尿紊乱的外科医生辅助机器人的外型图；

图3示出了依本发明的经尿道的***的典型的横向超声扫描；

图4示出了依本发明的图3的简单反向图象；

图5示出了依照本发明把图4的图象加到图3的图象而获得的象；

图6示出了依照本发明的图5的双重(binarised)图象；

图7示出了依照本发明通过膨胀和侵蚀平滑图6的象；

图8示出了依照本发明提取的囊边界的图象；和

图9示出了依照本发明的典型的囊/腺瘤的x-y坐标公式。

参看图1，这里示出了被称为对选择性泌尿紊乱的外科医生辅助机器人或“SARUD”的计算机辅助超声图象***的概图。该***包括个人计算机10，配有高速帧提取器(12)和配有硬件实施图象处理功能，例如反向，增加和放大或缩小的母板，4轴运动控制器14，外科手术机器人16，超声扫描器18和经直肠或经尿道的探头20。超声扫描器18可以从Bruel和Kjoer型1846扫描器或Krez组合型430中选取。以均衡悬挂的在本发明优选实施例的机器人16能够夹持经直肠的超声探头或经尿道的超声探头20。4轴运动控制器14提供4个轴的运动，即头运动轴(线性轴)，环轴(旋转)，弧轴(旋转)和摆动中心长度驱动轴(线性的)。轴不是按这个顺序固定。图2示意性地示出了依本发明的机器人16的图。图中：d1：水平移动附加电缆长度；d2：垂直和旋转移动的附加电缆长度；a：快速释放电缆连接器；b：通信路径；c：运动控制器；H：主机；T1用于使该医用装置的紧固机械灵活的覆盖诸电缆的柔韧；T2：用于外科机器人的主控制电缆的信号和柔韧导管；T3：接地导管。依图2所示，经尿道的探头20通过切除器22的外皮。(未示出的)适配器被用以提供切除器22到机器人16上的钢性固定。和切除器22的中心轴有偏移的不同的适配器(未示出)被用来作为经直肠探头。如图2所示，当参考位置(解剖的标志被称为***)被内窥镜发现和不受干扰时，切除器被连接到机器人16上，机器人16挂在均衡门架上和特定设计的工具保持器被用于固定，在对病人执行手术以前，使用带有SARUD的经尿道的超声扫描或使用带有SARUD的经直肠超声扫描对***进行扫描。仅当机器人16的头轴运动以运载机器人臂的其余部份包括水平固定的超声探头20和它的适配器(未示出)，使得大量腺的横断面被扫描，并从刀片颈部开始指向***。

在扫描开始以前，在手动的控制下把机器人16的头移向前，从***到刀片颈测量的***的长度将通过内窥镜获得。上述的方法利用了机器人16的工具夹持器同时固定了手术的切除器和扫描的超声探头20。切除器的外壳在扫描和切除过程中始终留在病人的尿道内。这就确定了，图象的参考轴落入在环型轴的线内，并且和机器人16的头轴平行，作为相同的被使用做切除的结果，寄存手术前和手术间的数据就没有必要了，在手术间做了扫描和图象参考帧和机器人的参考帧是相同的。

当扫描完成时，切割部件(未示出)被引进和附到切除器22的外壳上，并不打扰目标位置和机器人16，它们均有效刚性地固定在使用均衡门架和结构上。

在扫描期间，超声图象被馈送到帧提取器(12)，它的数字超声图象能够用于计算机图象处理。每一个断面扫描被捕获和显示在监视器上和作为文件保留的目的而被存储。

通过使用光笔，或引入自动的囊描绘程序去画轮廓，所有的***边界均能由外科医生或受过训练的人员(它控制和监视计算机的操作)勾画出。

重要的是减少TURP的时间，使病人将不经受过长时间的麻醉。同样麻药吸收的减少将避免象呼吸困难和血液稀释的复杂情况。进而这也减少血液损失。手工勾画囊的边界，这是非常费时间的，特别是外科医生对读声谱仪没有经验时。这取决于***的长度和所需的精度和分辨率，这很容易超过10个断面，每一个断面都需要描绘囊的边界。由于这种趋向，机器人16应在少于30分钟内完成整个手术，那末就极希望，扫描在5至8分钟内完成，留下足够的时间供手术用。

依照本发明，我们的希望是看到，在计算机的帮助下的勾画轮廓任务的自动的解决方案。在照象技术中公知的所谓底部凹凸法的新颖变化被发展了，它允许从通过尿道拍的断面图象中迅速和可靠地提取***的边界。底部凹凸是一个过程，通过该过程三维效果能够加到底片上，为了在计算机的存储器中给出清楚的图象，和所希望的轮廓一块被检测出的不希望的部分被去除。基于邻近部分的扫描，靠近***轮廓的所需要的得不到的信息将被推断出。

图3示出了经尿道拍摄的典型的***断面超声扫描。***的边界用白箭头标出。囊/腺瘤的边界，囊和放大的组织(“腺瘤”)的界限位于在***的边界之内。腺瘤用外科手术移去。如图中所示，这很明显，这里存在着一物体，即石头，在标有“X”的地方有足够的密度。图4示出了图3超声图象的反向图象。该反向图象在正交方向被成比例地放大。该放大的反向图象然后加到最初的图象。加的结果在图5中示出，从图5中可以看出，围绕着边缘的带由于反向面大于原始的图象，这就是RBR方法的结果。使用被称为双重化的最基本的数字图象操作，图象进一步被处理以移去灰度电平。双重图象示于图6。为了获得囊的较平滑的轮廓线，双重的图象经受了所谓的“膨胀”和“侵蚀”的运算。该操作在轮廓带补上了许多“小洞”(如图7所示)以使下一个称为骨架化或薄化的操作变得容易。图8示出了在薄化后提取的囊的边界。该“膨胀”和侵蚀操作，和骨架化操作可以使用图象处理软件包，例如可从Bioscan公司购得的“Optimas”完成。

标有“X”的物体将产生在径向方向与所有有用信息交叉的回声。还在图8中看到作为短的分技(有时也是长的分枝)，它们从所希望的边界中导出。应用推断和一些类型分枝以获得图9所示的轮廓。进而，整了尺寸将不得不用适当的量进行定标以补偿反向的放大，依照本发明，径向底部凹凸能从通常的图象预处理例如灰度电平标准化等等(在感兴趣的被定义的区域逐个象素处理)中获益。在没有机器人平台的情况下径向底部凹凸处理将不工作。

这很明显，对医用图象方法可以做各种的变化和修改，但这些变化和修改在不脱离所附权利要求书中确定的发明的精神和范围内可以做出。

Claims (8)

1、使用径向底部凹凸方法，以在医用图象中进行边界估定的方法，该方法包括带有头轴的外科机器人，配有帧提取器的计算机，4轴移动控制器，超声扫描器和经尿道型或经直肠型超声探头，该探头通过固定在所说机器人上的切除器外皮，该方法包括(a)连接所说的切除器到挂在不受打扰位置(称为***)上的均衡的门架上的所说机器人上；(b)通过移动已经固定有所说超声探头的所说外科机器人的头轴对病人的目标组织进行扫描；其特征是，在(b)中获得的扫描的图象被馈送到所说的帧提取器，所说目标组织图象然后被数字化以提供图象处理和由计算机勾画出轮廓。

2、权利要求1的使用径向底部凹凸方法对医用图象进行边界估定的方法进一步包括以下步骤：

(c)反转目标组织的医用图象以获得反向的图象；

(d)在正交方向上按比例放大所说反向的图象以获得放大的图象；

(e)加(d)中获得的所说放大的图象到权利要求1中获得的所说医用图象以产生带有增强的边缘信息的灰度级的底部凹凸图象；

(f)双重化在(e)中所获得所说底部凹凸图象以移去灰度级；

(g)膨胀和侵蚀在(f)获得的双重图象以获得目标组织边界的较平滑的轮廓；和

(h)薄化在(g)中膨胀或侵蚀的图象以提供骨架化的轮廓。

3、权利要求1或2的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，目标组织的边界是使用光笔在监视器屏幕上被勾画出的。

4、权利要求1或2的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，目标组织边界是由自动囊描绘程序勾画出的。

5、权利要求1或2的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，切割元件是引进的和附在切除器的外皮上。

6、权利要求1或2的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，目标组织是***。

7、权利要求3的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，目标组织是***。

8、权利要求4的使用径向底部凹凸方法在医用图象中进行计算机化的边界估定的方法，其中，目标组织是***。

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