专利名称:用于评估脊柱侧凸的三维(3d)超声成像系统的制作方法脊柱侧凸是患者脊柱从一侧向另一侧弯曲并且还可能旋转的医学状态。X射线评估通常用于确定脊柱侧凸。用来确定脊柱侧凸的其他技术包括莫尔条纹映射、基于光栅的系统、360°躯干轮廓扫描和立体摄影测量系统。根据X射线图像测量CcAb角是用于脊柱侧凸评估的主要方法。在治疗或监控周期内,必须获取脊柱侧凸患者的许多射线照片,这导致患者高剂量暴露于放射线中。因此, 这种技术并不适合儿童和青少年。而且,解读来自射线照片的结果也非常主观。可能难于识别扭曲的脊柱的倾斜投影,并且CcAb角根据X射线束与患者的夹角而变化巨大。此外,在计算CcAb角时,已经报道过评估者之间的变化量和评估中的变化量分别为3至5°和6至7°。此外,脊柱旋转可能影响CcAb角的大小,但是旋转角度无法得到考虑,因为通过标准胸部X射线无法获取旋转信息。X射线检查要求专用房间以及受过训练的专业人员来操作X射线设备。这些因素限制了 X射线在脊柱侧凸检查方面的应用。传统上,脊柱侧凸筛查依赖于Adam前向混合测试(FBT)。FBT并没有对脊柱变形提供量化描述。因此,不同的方案已经研发出来,目标是实现更精确客观的筛查结果。脊柱侧凸测量计是类似尺子的手持工具。它是一种倾角计,来测量躯干非对称性或者轴向躯干旋转(ATR),这也称为肋骨突起变形。脊柱侧凸测量计为评估脊柱侧凸程度提供了量化测量。不同研究工作已经发现,脊柱侧凸测量计的测量结果在ATR值方面导致较高的评估者之间和评估者内变化以及较高的假阳性率。此外,脊柱侧凸测量计测量结果与 Cobb方法的相关性并不好。更早期的研究已经建议,脊柱侧凸测量计不应当唯一地用作诊断工具。莫尔条纹映射用于获取患者背部的3D形状。通过投影在目标上的光栅产生莫尔条纹。条纹的图像被视频系统捕获。物体的轮廓线系统和截面形状然后利用计算机自动再现并显示在监视器上。莫尔条纹映射可以产生分辨度高达10微米的非常精确的数据。当条纹密度变得过于致密时,处于较大倾角处的表面无法测量。此外,患者位置、体格和脂肪折层是导致表面形貌不精确的其他因素。鉴于这种技术缺乏临床经验,所以被观测身体以及隐含的脊柱侧凸之间关联性较差。使用五维脊柱成像系统在英国很普遍。五维脊柱成像系统基于莫尔形貌学以及光栅立体摄影。这种系统使用光栅立体摄影来建立条纹图案的图像并且投影到患者背上。这种系统然后产生Q角,它是量化从患者图像反映的冠状非对称性的冠状平面测量结果。但是,这种系统复杂而且依赖作为误差影响因素的表面形貌。摄影测量方法系统建立在激光扫描或摄影技术的基础之上。激光扫描和视频系统提供脊柱侧凸变形的快速精确3D测量结果,该测量结果可以在一分钟内空间地记录。数字3D模型的输出提供了高达Imm的分辨度。利用该3D模型,可以推算脊柱变形信息,诸如CcAb角。这些系统提供非侵入式和非接触式的测量结果。但是,所有这些技术都建立在表面形貌的基础上,并且它们都不是便携式的或者移动式的。OrthoScan Technologies研发的Ortelius系统是无辐射空间数据捕获系统, 以诊断和监控脊柱变形。在检查过程中,检查者触诊患者背部,以定位每个脊椎的棘突 (spinous process)并且利用3D空间传感器记录全部脊椎的棘突位置。数据然后再现为计算机模型,用于计算脊柱变形指标。但是,横突的位置无法获得。脊柱旋转无法考虑在内。 此外,在检查过程中,患者需要被重复触诊,并且该过程可能导致一定程度的不适。即使利用3D空间传感器记录了横突的位置,它也是由操作者根据身体表面触诊来手动确定的,并且这是主观性质的。
在第一优选方面,提供了一种用于评估脊柱结构问题的三维(3D)超声成像系统。 该系统包括捕获超声图像的超声扫描仪。该系统还包括记录被捕获的超声图像的位置和取向的空间传感器。该系统还包括在被捕获的超声图像中标记脊椎的特征的软件模块,并且被标记特征用线连接,以便计算被标记特征之间的夹角和距离,用于根据计算得到的夹角和距离计算CcAb角和脊柱旋转角。被标记特征是脊椎表面的回波(reflection)。软件模块可以包括图像增强模块来增强被捕获的图像中的骨骼表面细节。软件模块可以包括图像标记模块,以识别包含被标记特征的被捕获的图像。软件模块可以包括图像放大模块,以放大被捕获的图像,用于识别脊椎的特征。软件模块可以包括图像去除模块,用于去除不包含被标记特征的被捕获图像。脊椎的特征可以包括边缘、棘突和横突的顶点。软件模块可以包括虚拟模型生成器,以便用线连接被标记特征,以形成基于帧的脊柱骨架虚拟模型。虚拟模型生成器可以根据脊椎的特征在3D空间中缩放或者放置对应的脊椎节段。所述超声扫描仪可以具有扫略患者背部的探头。所述探头的宽度大约为10到20厘米,以允许在单次扫略中扫描全部棘突。空间传感器可以包括发射器和接收器,并且所述接收器可操作地连接到探头。所述空间传感器可以包括发射器和接收器,并且所述发射器可操作地连接到所述探头。所述系统可以进一步包括胸板。所述系统可以进一步包括高度可调的扶栏,以帮助患者保持稳定位置。在第二方面,提供了一种评估脊柱结构问题的方法。所述方法包括捕获超声图像。 所述方法还包括记录被捕获超声图像的位置和取向。所述方法还包括在被捕获超声图像中标记脊椎特征,并且用线连接被标记特征,以便计算被标记特征之间的夹角和距离,用于根据所计算的夹角和距离计算CcAb角和脊柱旋转角。所述被标记特征是脊椎表面的回波。所述方法可以进一步包括增强被捕获的图像中的骨骼表面细节。所述方法可以进一步包括识别包含被标记特征的被捕获的图像。所述方法可以进一步包括放大被捕获的图像,用于识别脊椎的特征。所述方法可以进一步包括去除不包含被标记特征的被捕获的图像。所述方法可以进一步包括利用连接被标记特征的线形成基于帧的脊柱骨架虚拟模型。所述方法可以进一步包括根据脊椎的特征在3D空间内缩放和放置对应的脊椎节段。所述方法可以进一步包括在3D空间内显示被标记特征的投影图像和所述超声图像。所述方法可以进一步包括在3D空间中组合X射线投影图像和超声图像。脊柱结构问题可以包括脊柱侧凸。在第三方面,提供了一种计算机实施的方法,用于自动标记脊椎的特征,以评估脊柱侧凸,所述方法包括从被捕获的超声图像提取骨骼回波或者通过应用图像处理而去除除了骨骼回波之外的图像的全部特征;和在图像中定位骨骼的位置并且用标识标记所述位置;其中所述图像处理包括从以下构成的组群中选择任一项最大强度回波、最大梯度、活动轮廓或者图像对正。所述方法可以进一步包括如果没有检测到骨骼回波则抛弃所述图像。所述方法可以进一步包括针对相同的突起分析所述标记的位置,并根据由所述标识形成的3D轮廓检测所述突起的峰值。与组织深度最小的脊椎的特征对应的标识被认为是所述突起的峰值。具有优势的是,所述3D超声系统定位全部棘突并且提供与横突有关的信息。被定位的全部突起都处于精确的几何级别和维度。本发明具有优势地提供了在评估脊柱侧凸时不受限制的使用频率。针对儿童的现场筛查和大规模筛查也成为可能,因为不需要X射线。本发明对脊柱侧凸治疗提供了长期的监控。本发明较之传统评估脊柱侧凸的技术更安全更精确。本发明也节省成本,因为它不要求专门的辐射设备或者高技能和经验的操作者。本发明也紧凑并且可以配装在小型诊所内。现在参照附图描述本发明的示例,在附图中图1是根据本发明实施例的3D超声系统的方块图;图2是由图1所示系统捕获的一组超声图像,它们进行预处理以识别界标;图3是从图2所示识别出的界标形成的患者脊柱的虚拟模型;图4是图1所示系统产生的最终结果,示出了患者脊柱的CcAb角、脊柱旋转和角度和脊柱图像;图5是根据本发明实施例用于脊柱侧凸评估的方法的过程流程图;图6是一组两幅图像,左侧的图像是原始B模式图像,而右侧的图像是增强的图像,其中骨骼表面利用骨骼表面提取滤波器进行增强;图7是从由图1所示系统捕获的原始图像集合中选择的全部候选图像;图8是B模式图像,示出了带有放置于顶点的标识的脊椎;图9是一系列带有界标的图像,所述界标标记在图像上;图10是带有连接一幅图像内的界标的线的一系列图像;图11是3D空间中一组带有被标记特征的投影图像;以及图12是横靠超声图像的一组投影图像。
一种用于评估脊柱结构问题的三维(3D)超声成像系统(10),包括捕获超声图像的超声扫描仪(11);记录被捕获的超声图像的位置和取向的空间传感器(13);以及在被捕获的超声图像中标记脊椎的特征的软件模块(21)。被标记特征(41)用线(42)连接,以便计算被标记特征(41)之间的夹角和距离,用于根据计算得到的夹角和距离计算Cobb角和脊柱旋转角,其中被标记特征(41)是脊椎表面的回波。
用于评估脊柱侧凸的三维(3d)超声成像系统制作方法
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