-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Bereitstellen
einer automatisierten Detektion von Wirbelsäulenverkrümmungen, und spezieller Systeme
und Verfahren zum Bereitstellen einer automatisierten Detektion
von Wirbelsäulenverkrümmungen
unter Verwendung von Bildern des Spinals und Winkelmessungen.
-
Die
Wirbelsäule
besteht aus 24 Wirbeln, die durch Bandscheiben getrennt sind. Die
normalen Verläufe der
Wirbelsäule
geben der Wirbelsäule
Eigenschaften wie Flexibilität,
Elastizität
und Stoßdämpfung.
Die Rückgratverkrümmung ist
eine Skelettmuskelkrankheit, bei der eine abnormale Lateralverkrümmung der
Wirbelsäule
vorliegt, wodurch die Wirbelsäule
nach links oder rechts gebogen wird. Verschiedene Studien haben
die Rückgratverkrümmung als
Lateralabweichung von der normalen vertikalen Linie der Wirbelsäule definiert,
die, wenn durch Röntgenstrahlen
gemessen, größer als
10 Grad ist. Wenn der Körper
direkt von hinten betrachtet wird, hat dagegen eine normale Wirbelsäule die
Erscheinung einer geraden Linie, wobei eine Wirbelsäule mit Rückgratverkrümmung den
Buchstaben S oder C bildet, aufgrund der abnormalen Krümmung. Die
Rückgratverkrümmung beginnt,
wenn die Wirbelsäule
nicht ihre normalen Vor-zu-Rück-Bögen entwickelt,
was ein ungewöhnliches
Gewicht verursacht, das auf den Bandscheiben lastet. Das Zentrum
bestimmter Bandscheiben verschiebt sich zu einer Seite und die Wirbelspitze
zu der anderen. Diese Fehlausrichtung, die Subluxation genannt wird,
verursacht eine Biegung der Wirbelsäule nach links oder rechts.
Um diese Biegung zu kompensieren, kippt die Wirbelsäule mit
einem anderen Niveau zu der anderen Seite und das Ergebnis ist Rückgratverkrümung.
-
Die
Rückgratverkrümmung kann
in jedem Alter auftreten, jedoch tritt sie öfter im frühen Jugendalter auf. Ein Screening
ist nützlich,
wenn eine Früherkennung
das Starten einer Behandlung ermöglicht,
was den Verlauf der Deformierung aufhalten kann. Die Rückgratverkrümmungsforschungsgesellschaft
und die amerikanische Akademie für
Orthopäden
haben Schulscreeningprogramme befürwortet, um Rückgratverkrümmungsverläufe zu detektieren,
bevor sie fortgeschritten sind. Um den Zustand zu diagnostizieren,
kann ein Arzt Röntgenstrahlen
verwenden, um die Wirbelsäule
(Spinal) besser zu betrachten. In einem Röntgenbild wird der Verlauf
der Rückgratverkrümmung normalerweise
gemessen durch Betrachten einer Rückansicht der Wirbelsäule und
durch Messen des Winkels, der durch die oberen und unteren Wirbel
der Kurve gebildet wird. Diese Messung wird als der Cobb-Winkel
bezeichnet.
-
Kyphose
ist eine Spinalverformung, die im Zusammenhang mit der Rückgratverkrümmung gesehen werden
kann. Kyphose in dem Brustspinal bedeutet einen übermäßigen Kyphosewinkel von der
normalen Kyphosekurve des Spinals. Eine Wirbelsäule, die durch Kyphose beeinträchtigt ist,
zeigt sich durch eine Vorwärtskrümmung des
Wirbels in dem oberen Rückenbereich,
was zu einer „Rundrücken"-Erscheinung führt. Die Rückgratverkrümmungsforschungsgesellschaft
definiert Kyphose als eine Krümmung
der Wirbelsäule,
die 25 Grad oder größer auf
einem Röntgenbild
misst. Die normale Wirbelsäule
hat nur ungefähr
20 bis 25 Grad Krümmung
in dem oberen Rückenbereich.
Kyphose wird angezeigt in lateralen Röntgenbildern der Wirbelsäule durch
den Kyphosewinkel, der der obere Winkel ist, der gebildet wird durch
Kreuzen von zwei Linien, die auf einem lateralen Thoraxradiogramm
gezeichnet werden, tangential zu den vorhergehenden Rändern der
zweiten und elften Wirbelsäulenbandscheibenräume.
-
Unter
Verwendung gegenwärtiger
Verfahren wird der Cobb-Winkel von Hand berechnet. 1 verdeutlicht die Handberechnung des
Cobb-Winkels in einer Koronalansicht der Wirbelsäule. Wie in 1 gezeigt, liegt der erste Schritt darin,
die Endwirbel zu finden, die die Wirbel der oberen und unteren Grenze
der Kurve sind, die sich am stärksten
in Richtung Wölbung
der Kurve neigt. Sobald diese Wirbel ausgewählt worden sind, wird eine
Linie entlang der oberen Endplatte des oberen Körpers und entlang der unteren
Endplatte des unteren Körpers
gezeichnet, wie in 1 gezeigt.
Der Kyphosewinkel wird auch von Hand bestimmt. Er ist definiert
in der gleichen Weise wie der Cobb-Winkel, wird aber aus lateralen
Bildern berechnet. Die Qualität eines
Bilds der Wirbelsäule
kann schlecht sein, was es schwierig macht, wenn nicht unmöglich, die
Grenzen der Wirbel zu lokalisieren, wenn beispielsweise das Bild
ein Röntgenbild
der Wirbelsäule
ist.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum automatischen
Detektieren der Krümmung
einer Wirbelsäule
und der Berechnung spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule. Das
Verfahren enthält
ein automatisches An zeigen der Krümmung der Wirbelsäule als eine
Linie in einem Bild der Wirbelsäule;
und ein Berechnen mindestens eines Winkels von einem ersten Winkel
und einem zweiten Winkel basierend auf der Linie der Krümmung der
Wirbelsäule.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
ein System zum Bereitstellen einer automatischen Detektion der Krümmung einer
Wirbelsäule
und zum Berechnen der spezifischen Winkel in Bildern der Wirbelsäule eine
Speichervorrichtung zum Speichern eines Programms; einen Prozessor
in Kommunikation mit der Speichervorrichtung, wobei der Prozessor
mit dem Programm arbeitet zum automatischen Anzeigen der Krümmung der
Wirbelsäule
als eine Linie in einem Bild der Wirbelsäule; und Berechnen mindestens
eines Winkels von einem ersten Winkel und einem zweiten Winkel basierend
auf der Linie der Krümmung
der Wirbelsäule.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Verfahren zum Bereitstellen einer automatischen Detektion der
Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen eines Cobb-Winkels oder Kyphosewinkels in einem
Röntgenbild
der Wirbelsäule
ein automatisches Detektieren, ob das Röntgenbild eine Lateralansicht
der Wirbelsäule
oder eine Koronalansicht der Wirbelsäule ist; ein Detektieren der
Wirbelsäule
in dem Röntgenbild
der Wirbelsäule;
ein Bestimmen der Krümmung
der Wirbelsäule
in dem Röntgenbild
der Wirbelsäule;
und wenn bestimmt, dass das Röntgenbild
eine Koronalansicht der Wirbelsäule
ist, Berechnen des Cobb-Winkels, und wenn bestimmt wird, dass das
Röntgenbild
eine Lateralansicht der Wirbelsäule
ist, Berechnen des Kyphosewinkels.
-
Die
vorliegende Erfindung wird für
Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlicher, wenn die Beschreibungen
der Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gelesen werden.
-
1 zeigt
die Berechnung des Cobb-Winkels von Hand in einer Koronalansicht
der Wirbelsäule.
-
2 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur automatischen Detektion
der Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
3 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum automatischen Anzeigen
der Krümmung
der Wirbelsäule
als eine Linie in dem Bild der Wirbelsäule gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
4 zeigt
eine Anzeige der Kurve und des Cobb-Winkels in einer Koronalansicht
eines Röntgenbilds der
Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
5A bis 5C zeigen
Schritte zum Detektieren des oberen Schnittpunkts gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
6 zeigt
eine Koronalansicht und eine Vorauswahl der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
7 zeigt
eine Verbesserung des Kontrasts von Wirbeln der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
8A bis 8E zeigen
die Erzeugung der Maske der Wirbelsäule für Koronalbilder gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
9A bis 9C zeigen
die Erzeugung der Maske der Wirbelsäule für Lateralbilder gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Die 10A bis 10C zeigen
Darstellungen der Krümmung
der Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
11 zeigt
eine Berechnung des Winkels eines Punkts in einer Kurve gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Die 12A und 12B zeigen
Kurven der Wirbelsäule
und den Cobb-Winkel in einem Koronalbild bzw. einem Lateralbild
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
-
13 zeigt
eine Randdetektion mit einem Gabor-Filter von zwei Wirbeln, die
in einem Koronalbild von Interesse sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
14 zeigt
ein Computersystem zur Implementierung eines Verfahrens zur automatischen
Detektion der Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen der spezifischen Winkel in Bildern der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
15 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bereitstellen einer automatischen
Detektion der Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen eines Cobb-Winkels oder Kyphosewinkels in einem Röntgenbild
der Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
-
2 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum automatischen Detektieren
der Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Bezugnehmend auf 2,
wird in einem optionalen Schritt 210 automatisch bestimmt,
ob das Bild eine erste Ansicht oder eine zweite Ansicht der Wirbelsäule ist.
Die erste Ansicht kann beispielsweise eine laterale Ansicht der
Wirbelsäule
sein, und die zweite Ansicht kann eine Koronalansicht der Wirbelsäule sein.
Beispiele von Bildern umfassen Röntgenbilder,
Positronenemissionstomographie(PET)-Bilder, Computertomographie(CT)-Bilder,
Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Bilder, und Einzelphotonenemissions-CT(SPECT)-Bilder,
etc.
-
In
Schritt 220 wird die Krümmung
der Wirbelsäule
automatisch als eine Linie in einem Bild der Wirbelsäule angezeigt. 3 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum automatischen Anzeigen
der Krümmung
der Wirbelsäule
als eine Linie in dem Bild der Wirbelsäule zeigt, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 3 wird in
einem optionalen Schritt 310 das Bild vorverarbeitet, um
einen Kontrast des Bilds zu verbessern.
-
In
Schritt 320 wird die Wirbelsäule in dem Bild isoliert. Wenn
das Bild eine erste Ansicht der Wirbelsäule ist, kann das Isolieren
der Wirbelsäule
in der ersten Ansicht der Wirbelsäule ein Bestimmen eines oberen Schnittpunkts
und eines unteren Schnittpunkts enthalten, wobei der obere Schnittpunkt
dem Anfang der Wirbelsäule
und der untere Schnittpunkt dem Ende der Wirbelsäule entspricht. Der Schritt
des Bestimmens des oberen Schnittpunkts kann ein Detektieren eines
Kopfs in der ersten Ansicht des Bilds enthalten. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
das Detektieren des Kopfs in der ersten Ansicht der Wirbelsäule ein
Ausgleichen eines Histogramms, ein Schwellenwerten und ein Segmentieren
des Kopfs.
-
Die 5A bis 5C verdeutlichen
ein Verfahren zum Detektieren des oberen Schnittpunkts gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird das Histogramm ausgeglichen.
Wie in 5A gezeigt, kann das Histogramm
auf fünf
Grauwerte begrenzt wer den, um das Bild zu vereinfachen. Durch einen
Schwellenwert von beispielsweise der Hälfte des neuen Histogramms,
wie in 5B gezeigt, kann der Kopf segmentiert
werden. Wie in 5C gezeigt, ergibt die Summe
der Kopfpixel für
jede Reihe dieses Bilds eine Kurve, in der das Minimum dem unteren
Ende des Kopfs entspricht. Basierend auf dem Ort des unteren Endes
des Kopfs kann der Anfang der Wirbelsäule detektiert werden, der
zu dem oberen Schnittpunkt wird.
-
Der
Schritt des Bestimmens des unteren Schnittpunkts kann ein Detektieren
eines Beckens in der ersten Ansicht des Bilds enthalten. Der untere
Schnittpunkt kann bestimmt werden durch das gleiche Verfahren, das
zur Bestimmung des oberen Schnittpunkts verwendet worden ist.
-
6 zeigt
eine Koronalansicht der Wirbelsäule
und verdeutlicht die Vorauswahl der Wirbelsäule gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt,
wird ein Bereich jeder Seite des Originalbilds entfernt, und der
Kopf und das Becken werden entfernt. Wenn die Wirbelsäule ungefähr in der
Mitte des Bilds lokalisiert ist, kann beispielsweise ein Viertel
des Bilds auf jeder Seite des Bilds entfernt werden. Der Kopf und
das Becken können
entfernt werden, indem das Originalbild an dem oberen Schnittpunkt bzw.
unteren Schnittpunkt geschnitten wird. Die Vorauswahl der Wirbelsäule resultiert
in einem Bild mit kleineren Abmessungen als das Originalbild, und
das primär
die Wirbelsäule
zeigt. In dem Fall einer Lateralansicht der Wirbelsäule enthält die Vorauswahl
ein Entfernen des Beckens, jedoch braucht der Kopf nicht entfernt
zu werden.
-
In
Schritt 330 wird der Kontrast des Bilds der Wirbelsäule verbessert.
In einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung enthält
das Verbessern des Kontrasts des Bilds der Wirbelsäule ein
Erzeugen einer Maske der Wirbelsäule
und ein Verbessern des Kontrasts der Wirbel der Wirbelsäule. 7 verdeutlicht
die Verbesserung des Kontrasts der Wirbel der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Erzeugen einer Maske der Wirbelsäule kann
ein Auffinden einer interessierenden Region und ein Erzeugen einer
Maske enthalten, um ein Entfernen von Artefakten zu ermöglichen.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
das Finden einer Region, die von Interesse ist, ein Teilen des Bilds
in eine Mehrzahl von Schnitten, so dass die Breite jedes Schnitts
gleich der Breite des Bilds ist, und die Höhe jedes Schnitts ist eine
vorbestimmte Anzahl kleiner als die Höhe des Bilds. Beispielsweise
wird das Bild in Schnitte geteilt, die die gleiche Breite wie das
Bild haben und eine Höhe,
die zwanzigmal kleiner als die Bildhöhe ist. Für jeden Schnitt wird das Histogramm
ausgeglichen, um die Intensitätsverteilung
zu spreizen, und ein Schwellenwert eines vorbestimmten Prozentsatzes
einer maximalen Intensität
verwendet, um den Kontrast zu verbessern. Für jeden Schnitt wird beispielsweise
das Histogramm ausgeglichen, um die Intensitätsverteilung zu spreizen und
ein Schwellenwert von 75 % der maximalen Intensität wird verwendet,
um den Kontrast zu verbessern, wie in 7 gezeigt.
Verschiebe jeden der Schnitte um ein Zehntel der Höhe des Schnitts;
und Wiederholen der Schritte des Teilens, Ausgleichens und Verschiebens
eine vorbestimmte Anzahl oft, um einen Satz von Ergebnissen zu erhalten.
Nimm den Mittelwert des Satzes von Ergebnissen.
-
Wenn
das Bild eine Koronalansicht der Wirbelsäule ist, kann das Erzeugen
der Maske ein Erzeugen einer binären
Darstellung des Bilds enthalten; ein Verwenden eines morphologischen
Schließens
zum Füllen von
Lücken
mit einem kleinen runden Strukturelement in der Binärdarstellung
des Bilds; und Durchführen
eines Regionenmarkierens und eines Auswählens einer Region, die von
Interesse ist, in der Binärdarstellung
des Bilds. Einschränkungen
der Breite der Maske können
verwendet werden, um die Maske zu verbessern.
-
Die 6A bis 6E verdeutlichen
die Erzeugung der Maske der Wirbelsäule für Koronalbilder gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann die Maske der Wirbelsäule erzeugt
werden, um ein Entfernen im Wesentlichen aller Artefakte von den
Rippen zu ermöglichen.
Die folgenden Schritte können
verwendet werden für
Koronalbilder der Wirbelsäule.
Zuerst finde die Region, die von Interesse ist. Teile das Bild in
Schnitte, beispielsweise mit der gleichen Breite wie das Bild und
einer Höhe,
die zwanzigmal kleiner als die Bildhöhe ist. Für jeden Schnitt gleiche das
Histogramm aus, um die Intensitätsverteilung
zu spreizen, und verwende einen Schwellenwert, beispielsweise 75
% der maximalen Intensität,
um den Kontrast zu verbessern. Als zweites erzeuge eine Maske. Erzeuge
eine Binärdarstellung
des Bilds, beispielsweise jedes nicht schwarze Pixel wird Wahr,
ansonsten Falsch, wie in 8A gezeigt.
Verwende ein morphologisches Schließen (Dilation + Erosion), um
die Lücken
mit kleinen runden Strukturelementen zu füllen, wie in 8B gezeigt.
-
-
Führe ein
Regionenmarkieren durch und ein Auswählen der Region, die von Interesse
ist, wie in 8C gezeigt. Erweitere, wie in 8D gezeigt.
Verwende Einschränkungen
der Breite der Maske, um die Maske zu verbessern, wie in 8E gezeigt.
Fülle die
schwarzen Teile (Breite gleich Null). Entferne die Löcher (Breite
kleiner als die Durchschnittsbreite). Entferne Erhebungen (Breite
größer als
die Durchschnittsbreite).
-
Die 9A bis 9C verdeutlichen
die Erzeugung der Maske der Wirbelsäule für Lateralbilder gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wenn das Bild ein Lateralbild der Wirbelsäule ist, enthält das Erzeugen
der Maske ein Erzeugen einer Binärdarstellung
des Bilds; ein Durchführen
eines Regionenmarkierens und ein Auswählens einer Region, die von
Interesse ist, in der Binärdarstellung
des Bilds; ein getrenntes Extrahieren einer rechten Grenze und einer
linken Grenze der Region als Vektoren; ein Auswählen der geglätteten Kurve;
und Zeichnen einer Maske, die der Kurve folgt und Hinzufügen eines
vorbestimmten Werts, der eine Breite der Wirbelsäule darstellt.
-
Bezugnehmend
auf die 9A bis 9C, für Lateralbilder:
Erzeuge eine Binärdarstellung
des Bilds. Führe
ein Regionenmarkieren durch und ein Auswählen der Region, die von Interesse
ist, wie in 9A gezeigt. Extrahiere die rechte
und die linke Grenze der Region getrennt als Vektoren. Wähle die
geglättete
Kurve und verwende sie zur Darstellung des Rückens, wie in 9B gezeigt.
Zeichne eine Maske, die der Kurve folgt, und Hinzufügen der
Breite der Wirbelsäule,
die willkürlich
definiert werden kann, wie in 9C gezeigt.
-
Durch
die Isolation der Wirbelsäule
ist es einfacher, den Kontrast der Wirbel zu verbessern. Extrahiere einen
Abschnitt am unteren Ende des Bilds. Für jeden Abschnitt verwende
ein Histogrammausgleichen und -strecken. Wenn beispielsweise ein
Bild einen Bereich einen Grauwert zwischen g1 und
g2 hat, ist es möglich, den Kontrast zu verbessern,
indem ein größerer Bereich
von Werten verwendet wird: Von 0 bis 255. Wenn x = Originalgrauwertskala
des Bilds und y = resultierende Grauwertskala, kann die Transformation
ausgedrückt werden
durch y = 255x(x-gi)/(g2-gi).
-
Extrahiere
in jedem Abschnitt die resultierende Mittellinie und verschiebe
das Band um eine Zeile nach oben. Diese Technik funktioniert für das Histogramm
lokal in dem Bild und kann einen verbesserten Kontrast zur Folge
haben.
-
In
Schritt 340 werden die Grenzen der Wirbelsäule aus
dem verbesserten Bild detektiert. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung enthält
das Detektieren der Grenzen der Wirbelsäule aus dem verbesserten Bild
ein Verwenden eines Schwellenwerts für das kontrastverbesserte Bild,
ein Durchführen
eines Regionenmarkierens des Binärbilds
und ein Auswählen
der Wirbelsäule,
zusammen mit jeder Reihe der Wirbelsäulenregion; ein Speichern der
minimalen und maximalen x-Koordinaten in zwei rechten und linken Vektoren;
und Glätten
der zwei Vektoren mit der minimalen und maximalen x-Koordinate unter
Verwendung eines Glättungsfensters
mit vorbestimmter Höhe.
Beispielsweise kann die vorbestimmte Höhe ein Zehntel der Bildhöhe sein.
In Schritt 350 wird eine Mittellinie angezeigt in der Wirbelsäule, die
die Krümmung
der Wirbelsäule
in dem Bild darstellt.
-
Die
10A bis
10C zeigen
Darstellungen der Krümmung
der Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Detektiere die Grenzen der Wirbelsäule aus
dem verbesserten Bild durch Erzeugen einer Binärdarstellung des Bilds gefolgt
durch ein Regionenmarkieren und ein Extrahieren der Region, die
von Interesse ist, wie in
10A gezeigt.
Dann extrahiere separat die rechte und die linke Grenze als Vektoren
(vecRight und vecLeft) wie in
10B gezeigt.
Glätte
diese zwei Vektoren mit einer großen Breite (einem Zehntel der
Höhe des
Bilds). Das Glättungsarray
R eines Vektors A kann ausgedrückt
werden durch
wobei N = Anzahl der Elemente
in A, W = Breite der Glättungsoperation.
-
Extrahiere
die Mittellinie dieser zwei Vektoren. Für jede Reihe e des Bilds: vecCurve
(i) = [vecRight(i) + vecLeft(i)]/2. Durch Umwandeln dieses resultierenden
Vektors (vecCurve) in eine Linie in dem Bild wird eine Darstellung
der Kurve der Wirbelsäule
gewonnen, wie in 10C gezeigt. Die 12A und 12B verdeutlichen
Kurven der Wirbelsäule
und den Cobb-Winkel
in einem Koronalbild bzw. einem Lateralbild gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung.
-
Wie
in 2 gezeigt, wird in Schritt 230 der erste
Winkel oder der zweite Winkel basierend auf der Linie der Krümmung der
Wirbelsäule
berechnet. Beispielsweise kann der erste Winkel der Cobb-Winkel
sein, der für
Koronalbilder berechnet wird, und der zweite Winkel kann der Kyphosewinkel
sein, der für
Lateralbilder berechnet wird.
-
4 zeigt
eine Darstellung der Kurve und des Cobb-Winkels in einer Koronalansicht
eines Röntgenbilds
der Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Cobb-Winkel kann berechnet werden
als die Summe der zwei größten Winkel
zwischen der Kurve der Wirbelsäule
und einer horizontalen Linie, wie in 4 gezeigt.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der erste Winkel der Cobb-Winkel, und das Berechnen
des Cobb-Winkels, die auf der Krümmung
der Wirbelsäule
basiert, enthält
ein Bestimmen der globalen Kurve der Wirbelsäule; ein Finden des maximalen
positiven und negativen Winkels aus der Kurve durch Berechnen eines
Winkels bei jedem Punkt der Kurve; und Berechnen des Cobb-Winkels
durch Summieren des absoluten Werts des negativsten und des positivsten
Winkels der Kurve. Das Berechnen des Winkels bei jedem Punkt der
Kurve kann ein Berechnen des Winkels unter Verwendung einer Tangente
der Kurve an einem bestimmten Punkt und einer horizontalen Linie,
ein lokales Verwenden einer Gaborfilterung entlang der Richtung,
die durch den berechneten Winkel eingestellt wird, ein Schätzen einer
Orientierung von Endplatten der Wirbel basierend auf der Gaborfilterung,
und ein Setzen der Orientierung als Cobb-Winkel enthalten. 13 verdeutlicht
die Randdetektion mit dem Gaborfilter von zwei Wirbeln, die in einem
Koronalbild von Interesse sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der zweite Winkel der Kyphosewinkel, und
das Berechnen des Kyphosewinkels, der auf der Krümmung der Wirbelsäule basiert,
enthält
ein Bestimmen einer globalen Kurve der Wirbelsäule; ein Finden des maximalen
positiven und negativen Winkels von der Kurve durch Berechnen eines
Winkels an jedem Punkt der Kurve; und ein Berechnen des Kyphosewinkels durch
Summieren des absoluten Werts des negativsten und des positivsten
Winkels der Kurve. Das Berechnen eines Winkels an jedem Punkt der
Kurve kann ein Berechnen des Winkels enthalten unter Verwendung einer
Tangente der Kurve an dem bestimmten Punkt und einer horizontalen
Linie; lokales Verwenden einer Gaborfilterung entlang der Richtung,
die durch den berechneten Winkel gesetzt wird; ein Schätzen einer
Orientierung von Endplatten der Wirbel basierend auf dem Gaborfiltern;
und Setzen der Orientierung als den Kyphosewinkel.
-
Zum
Berechnen des ersten oder zweiten Winkels (beispielsweise Cobb oder
Kyphose), sind zwei Winkel notwendig: Der positive und der negative
Winkel, die am meisten neigen. 9 verdeutlicht
eine Berechnung des Winkels eines Punkts in einer Kurve gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Für
jeden Punkt i der Kurve berechne den Winkel (α) zwischen der Tangente und
der horizontalen Linie. Dann separiere die positiven Winkel (αP)
von den negativen (αN). Bestimme die zwei Maximalwerte und das
Summieren dieser Werte gibt den spezifischen Winkel: Spezifischer
Winkel = max (αP) + |max(αN)|
-
14 verdeutlicht
ein Computersystem zum Implementieren eines Verfahrens zur automatischen Detektion
der Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Beispiele von Bildern umfassen Röntgenbilder,
Positronenemissionstomographie (PET)-Bilder, Computertomogramm(CT)-Bilder,
Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Bilder, Einzelphotonenemissionscomputertomogramm
(SPECT)-Bilder, etc.
-
Wie
in 14 gezeigt, kann ein Computersystem 101 zum
Implementieren eines Verfahrens zur automatischen Detektion einer
Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule u.a.
eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 109, einen Speicher 103 und
eine Eingabe/Ausgabe (I/O)-Schnittstelle 104 enthalten.
Das Computersystem 101 ist im Allgemeinen durch die I/O-Schnittstelle 104 an
eine Anzeige 105 und ver schiedene Eingabevorrichtungen 106,
wie eine Maus und eine Tastatur gekoppelt. Die Unterstützungsschaltungen
können
Schaltungen enthalten wie einen Cache, Energieversorgung, Taktschaltungen
und Kommunikationsbus. Der Speicher 103 kann einen Zufallszugriftsspeicher
(RAM), einen Nurlesespeicher (ROM), ein Plattenlaufwerk, ein Bandlaufwerk,
etc. oder eine Kombination davon enthalten. Die vorliegende Erfindung
kann als eine Routine 107 implementiert werden, die in
dem Speicher 103 gespeichert und durch die CPU 109 ausgeführt wird,
um das Signal von der Signalquelle 108 zu verarbeiten.
Als solches ist das Computersystem 101 ein Allzweckcomputersystem,
das zu einem Spezialzweckcomputersystem wird, wenn die Routine 107 der
vorliegenden Erfindung ausgeführt
wird.
-
Die
Computerplattform 101 kann auch ein Betriebssystem und
einen Mikroanweisungscode enthalten. Die verschiedenen Prozesse
und Funktionen, die hier beschrieben werden, können entweder Teil des Mikroanweisungscodes
oder Teil des Anwendungsprogramms (oder eine Kombination davon)
sein, welche durch das Betriebssystem ausgeführt werden. Zusätzlich können verschiedene
Peripheriegeräte
mit der Computerplattform verbunden sein, wie beispielsweise ein
zusätzlicher
Datenspeicher und eine Druckvorrichtung.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
ein System zur Bereitstellung einer automatischen Detektion einer
Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen spezifischer Winkel in Bildern der Wirbelsäule eine
Speichervorrichtung (103) zum Speichern eines Programms,
und einen Prozessor (109), der mit der Speichervorrichtung
(103) in Kommunikation steht. Der Prozessor (109)
ist mit dem Programm betreibbar zum automatischen Anzeigen der Krümmung der
Wirbelsäule
als eine Linie in einem Bild der Wirbelsäule, und zum Berechnen mindestens
eines ersten Winkels oder eines zweiten Winkels basierend auf der
Linie der Krümmung
der Wirbelsäule.
Der Prozessor (109) kann ferner mit dem Programmcode betreibbar
sein zum automatischen Detektieren, ob das Bild eine Lateralansicht
der Wirbelsäule
oder eine Koronalansicht der Wirbelsäule ist.
-
Der
Prozessor (109) kann betreibbar sein mit dem Programmcode
zum Isolieren der Wirbelsäule
in dem Bild; Verbessern des Kontrasts des Bilds der Wirbelsäule; Detektieren
von Grenzen der Wirbelsäule
aus dem verbesserten Bild; und Anzeigen einer Mittellinie in der
Wirbelsäule,
die die Krümmung
der Wirbelsäule in
dem Bild darstellt.
-
Der
Prozessor (109) kann mit dem Programmcode betreibbar sein
zum Teilen des Bilds in eine Mehrzahl von Schnitten oder Abschnitten,
wobei eine Breite jedes Schnitts oder Abschnitts gleich einer Breite
des Bilds ist, und wobei eine Höhe
jedes Schnitts oder Abschnitts einen vorbestimmten Wert kleiner
als eine Höhe des
Bilds ist; für
jeden Schnitt oder Abschnitt Ausgleichen eines Histogramms, um die
Intensitätsverteilung
zu spreizen, und Verwenden eines Schwellenwerts eines vorbestimmten
Prozentsatzes einer maximalen Intensität, um einen Kontrast anzuheben;
Verschieben jedes der Schnitte um einen Zehntel der Höhe des Schnitts; und
Wiederholen der Schritte des Teilens, Ausgleichens und Verschiebens
eine vorbestimmte Anzahl oft, um einen Satz von Ergebnissen zu gewinnen;
und Berechnen eines Mittelwerts des Satzes der Ergebnisse.
-
Der
Prozessor (109) kann mit dem Programmcode betreibbar sein
zum Erzeugen einer Binärdarstellung
des Bilds; Durchführen
eines Regionenmarkierens und Auswählen einer Region, die von
Interesse ist, in der Binärdarstellung
des Bilds; separaten Extrahieren einer rechten Grenze und einer
linken Grenze der Region als Vektoren; Auswählen der geglätteten Kurve;
und Zeichnen einer Maske, die der Kurve folgt und einen vorbestimmten
Wert hinzufügt,
der eine Breite der Wirbelsäule
darstellt.
-
Es
ist zu verstehen, da einige der Systemkomponenten und der Verfahrensschritte,
die in den Figuren gezeigt sind, in Software implementiert werden
können,
dass tatsächliche
Verbindungen zwischen den Systemkomponenten (oder den Prozessschritten)
anders sein können
in Abhängigkeit
von der Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung programmiert
ist. Durch die gegebenen Lehren der vorliegenden Erfindung, wie sie
hier bereitgestellt werden, kann ein Fachmann auf diesem Gebiet
diese und ähnliche
Implementierungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
in Erwägung
ziehen.
-
15 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zeigt zum Bereitstellen einer
automatischen Detektion einer Krümmung
einer Wirbelsäule
und zum Berechnen eines Cobb-Winkels oder eines Kyphosewinkels in
einem Röntgenbild
der Wirbelsäule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Wie
in 15 gezeigt, wird in Schritt 1510 automatisch
bestimmt, ob das Röntgenbild
eine Lateralansicht der Wirbelsäule
oder eine Koronalansicht der Wirbelsäule ist. In Schritt 1520 wird
die Wirbelsäule
in einem Röntgenbild
der Wirbelsäule
detektiert. In Schritt 1530 wird die Krümmung der Wirbelsäule in dem
Röntgenbild
der Wirbelsäule
bestimmt. In Schritt 1540, wenn bestimmt wird, dass das
Röntgenbild
eine Koronalansicht der Wirbelsäule
ist, wird der Cobb-Winkel berechnet, und wenn bestimmt wird, dass
das Röntgenbild
eine Lateralansicht der Wirbelsäule
ist, wird der Kyphosewinkel berechnet.
-
Obwohl
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
zur Verdeutlichung beschrieben wurden, soll verstanden werden, dass
die erfinderischen Prozesse und Systeme nicht darauf beschränkt sind.
Es ist offensichtlich, dass ein Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene
Modifikationen der oben genannten Ausführungsbeispiele vornehmen kann,
ohne den Bereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, mit Äquivalenten
der Ansprüche, die
darin enthalten sind, zu verlassen.
