CN112535516A - 监测碎石机和患者之间的界面的耦合质量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于连续监测治疗设备的声能源和患者的身体表面区域之间的耦合界面的耦合质量的方法，包括以下步骤：(f)获取耦合界面的至少一个预定第一区域的多个图像；(g)提取所述多个图像的预定第一图像的至少一个第一图像特征；(h)提取所述多个图像的至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征，所述至少一个第二图像在时间上与所述预定第一图像间隔开；(i)确定对应于所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征与所述至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征之间的差异的定量参数，以及(j)如果所述定量参数超过预定参考阈值，则启用一信号。

Description

监测碎石机和患者之间的界面的耦合质量的方法和设备

技术领域

本发明总体上涉及利用声能的治疗设备的领域，尤其涉及监测耦合质量和检测治疗设备的治疗头与患者的身体之间的耦合质量变化的过程。更具体地，本发明涉及体外冲击波碎石术(ESWL)和用于监测冲击波治疗头和患者的身体之间的声耦合界面的耦合质量的自动方法。

背景技术

在体外冲击波碎石术(ESWL)中，诸如举例来说泌尿结石或胆结石的凝块被聚焦的冲击波分解。现在，ESWL是尿石症领域的标准疗法，主要与输尿管肾镜术和经皮肾镜取石术作为替代疗法竞争。利用其他声能源的治疗设备，比如例如来说聚焦或高强度超声波，可以用于治疗其他医学疾病或用于美容目的。

图1示出了典型碎石机治疗头15的简化示意图，该碎石机治疗头尤其包括冲击波源12，该冲击波源包括冲击波聚焦元件(例如声透镜)14、成像单元(例如超声波成像系统，未示出)以及冲击波源12和患者的身体18之间的耦合设备16。

在治疗期间，通常以1Hz至2Hz的频率传送两千至三千个冲击波，因此，总治疗持续时间约为30min至40min。聚焦元件14(即声透镜)将冲击波聚焦在焦点20处，其中焦点20的焦距由声透镜的几何形状固定，通常距声透镜14在140mm和180mm之间。在启用冲击波源12之前，患者的身体18内的目标22(例如泌尿结石)与声透镜14的焦点20对准。一旦被启用，冲击波从冲击波源12经由充水的波纹管或衬垫(即耦合设备)16传输到患者的身体18中，以将其能量集中到目标22上。通过简单地增加波纹管或衬垫16内的压力，波纹管或衬垫16被压到与患者的身体18接触。诸如耦合凝胶的耦合介质24被施加到波纹管或衬垫16的接触表面，从而“桥接”波纹管或衬垫16和患者的身体18的皮肤表面之间的界面，并因此改善冲击波的声耦合。

各种研究表明，即使耦合凝胶24中的若干气泡26(或耦合界面27中的其它干扰)可能会大大降低冲击波的功效。由于其显著较低的阻抗，空气完全阻挡了冲击波，并引起场的扰动，导致焦点处能量的显著损失。实际上，在由制造商提供时，这些气泡26可能已经在耦合凝胶24中。更常见的是，在应用过程中，当耦合凝胶24被挤出其容器时，气泡可能进入耦合凝胶24。此外，当将波纹管或衬垫16布置成与患者的身体18接触时，气泡26可能在治疗开始的初始设置时或者在治疗期间波纹管或衬垫16和患者的身体18之间的接触暂时中断的情况下被截留在耦合界面27中。除了气泡26被截留在耦合凝胶24中之外，如果波纹管或衬垫16之间的接触压力太低和/或如果患者身体18和波纹管或衬垫16之间只有部分接触，耦合界面27可能被干扰。如果波纹管或衬垫16没有紧贴患者的身体18，导致波纹管或衬垫接触表面中的褶皱或折叠，则可能出现其他潜在的严重干扰。耦合界面27的进一步干扰可能是由被截留在波纹管或衬垫16和患者的身体18之间的任何衣物或床单引起的。

一旦治疗头15(即包括波纹管或衬垫16)被布置成与患者的身体18接触，通常不可能视觉检查耦合界面27的表面。因此，一些市售碎石机可以包括监视相机28(即视频相机)，其通常集成在冲击波源12内，允许显示在监测器30(例如Dornier

)上的耦合界面27的感兴趣区域(ROI)的可视化(即成像)。可以提供光源29(例如聚光灯)来照亮耦合界面27。光源29可以是任何合适的光源(例如白色LED)，并且可以定位成与相机28分开，以便提供期望的照明特性。通过监视相机28，操作者可以监测耦合界面27并检测干扰，例如，截留的气泡26、不完全耦合或波纹管或衬垫16接触表面的折叠/褶皱等。并且操作者可以通过简单地擦拭波纹管或衬垫16的接触表面来消除任何这些干扰。

可选地，可以使用在线超声波扫描仪，即集成到冲击波源12中的诊断超声波换能器来监测耦合界面27。然而，在线超声波扫描仪仅允许在实际扫描平面中进行检测，因此对于耦合界面27的整个区域的完整扫描需要超声波换能器旋转180°，其中视频相机28允许对耦合界面27的整个区域进行即时和实时的检查。

在使用中，应该检查耦合界面27的耦合质量，尤其是在初始治疗设置完成之后，即患者相对于治疗头15被适当定位，并且波纹管或衬垫16与患者的身体18接触。通常，耦合界面27的耦合质量在实际治疗期间保持不受影响，然而，耦合界面27的耦合质量可能被无意的患者移动、或者为了调整冲击波目标位置而重新定位患者、或者由于任何原因改变耦合设置所干扰。

因此，至关重要的是操作者在整个治疗持续时间期间定期检查耦合界面27。然而，由于典型的治疗可以持续30分钟至40分钟，所以对耦合界面27的定期检查可能是相当劳累的任务，尤其是因为干扰可能只是偶尔发生。

目前可用的监测系统基于图像处理，通过区分代表空气的区域和代表不是空气的区域来评估在耦合凝胶中被空气夹杂物阻挡的耦合区域的尺寸，使得如果空气夹杂物的尺寸高于某个阈值，操作者可能会被警告。然而，这种方法带来了相当大的实际问题。例如，代表空气的像素和代表凝胶的像素之间的区别不是微不足道的，并且在很大程度上取决于当前的图像对比度、耦合界面的照明、相机的设置、所应用的耦合凝胶的颜色甚至患者的肤色。此外，头发、色素痣或纹身可能会影响评估。此外，耦合设备16的波纹管或衬垫用于适应不同的穿透深度，即改变相机28和耦合界面27之间的距离，使得空气夹杂物的图像尺寸随着相机28和耦合界面27之间的距离的变化而不同，使得难以确定空气夹杂物的绝对值。此外，当描述对传输的影响时，截留空气的量仅具有有限的用途，即已知冲击波中心轴附近的气泡比更远离中心轴的气泡对传输的影响更大，因为传输冲击波能量通量密度在中心轴线处最大。此外，许多小气泡可能比相同尺寸的单个气泡对传输的影响更大，因为气泡的散射表面比气泡本身大。

因此，本发明的目的是提供一种用于监测碎石机和患者之间的耦合界面27的耦合质量的改进方法和设备。特别地，本发明的目的是提供对耦合界面27的耦合质量的基于图像的自动监视，同时提高对操作者的可靠性和易用性。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于连续监测治疗设备的声能源和患者身体表面区域之间的耦合界面的耦合质量的方法，包括以下步骤：

(a)获取耦合界面的至少一个预定第一区域的多个图像；

(b)提取所述多个图像的预定第一图像的至少一个第一图像特征；

(c)提取所述多个图像的至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征，所述至少一个第二图像在时间上与所述预定第一图像间隔开；

(d)确定对应于所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征与所述至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征之间的差异的定量参数，以及

(e)如果所述定量参数超过预定参考阈值，则启动信号。

优选地，该方法可以进一步包括以下步骤：

(f)对所述多个图像中的与所述预定第一图像和所述至少一个第二图像在时间上间隔开的至少一个其他图像重复步骤(c)至(e)。

这提供了自动客观且可靠的方法的优点，该方法用于连续且明确地监测治疗头15和患者之间的耦合界面的质量的变化。具体而言，本发明提供了检测预定图像参数中的任何变化的优点，该预定图像参数表示整个治疗期间的耦合质量，而与系统设置或个体患者的治疗设置中的任何变化无关。也就是说，对于治疗时存在的条件，检测到的变化在某种程度上是正常化的，因此，与现有的监测技术相比，使得自动方法更加准确和可靠。

有利地，所述至少一个第一图像特征可以是色调图像分布、频谱和图像特性特征中的任何一个。在一个实施例中，所述色调图像分布可以是所述多个图像中的任何一个的图像亮度的概率分布函数的直方图。优选地，所述频谱可以是所述多个图像中的任何一个的2D傅里叶频谱。

在另一个实施例中，所述图像特性特征可以是由所述多个图像中的任何一个图像内的边缘检测算法检测到的一个或多个边缘特征的长度。有利地，所述长度可以是所述一个或多个边缘特征的总长度。甚至更有利的，所述边缘检测算法可以利用索贝尔(Sobel)算子。

有利地，所述定量参数可以基于所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征和所述至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征之间的互相关。

在一个实施例中，所述定量参数在长度上可以是在所述第一图像中检测到的所述一个或多个边缘特征的长度与在所述至少一个第二图像的任何一个图像中检测到的所述一个或多个边缘特征的长度之间的差值。

有利地，所述预定参考阈值可以是所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征的最大偏差。

有利的是，所述多个图像中的所述至少一个第二图像和所述至少一个其他图像可以是在所述预定第一图像之后并且以预定时间间隔分隔开的图像的序列。

有利地，所述信号可以是视觉和/或听觉信号。

有利地，所述预定区域在使用过程中是可调节的。这提供了这样的优点，即ROI可以改变(例如尺寸)或“移动”其位置，以便优化预定区域(在患者移动的情况下)。可调节的ROI可以由图像处理器内的算法提供，其中用于ROI优化的相关参数可以由操作者设置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于连续监测治疗设备的声能源和患者的身体表面区域之间的耦合界面的耦合质量的设备，包括：

成像系统，被构造为捕获和显示耦合界面的至少一个预定第一区域的多个图像，以及

图像处理器，适于执行根据本发明的第一方面的方法。

有利地，所述成像系统可以包括光学相机和声谱仪中的任何一个。

根据本发明的又一方面，提供了一种其上包含计算机程序的计算机可读存储介质，当由计算机处理器执行时，计算机处理器被构造为执行根据本发明的第一方面的方法。

附图说明

现在将参考附图，仅以示例的方式描述本说明书的示例性实施例，其中：

图1(a)、(b)(现有技术)示出了用于患者的ESWL的治疗头和视频监测器的示意图(横截面)，该治疗头包括波纹管、声透镜和冲击波源，以及Opti

特征(视频成像系统)；

图2示出了耦合界面(感兴趣区域处的耦合凝胶层)的图像的简化示意图，(a)示出了气泡(由于不同的照明条件而变亮或变暗)以及毛发，(b)没有任何截留的气泡；

图3示出了本发明的设备和方法的简化示意图和流程图；

图4示出了耦合界面的预定参考图像和当前监测图像的简化示意图，以及所确定的特征参数的相应的图，在这种情况下，图像亮度的分布函数(直方图)；

图5示出了耦合界面的预定参考图像和当前监测图像简化示意图，以及边缘检测后的相应处理后的图像，总边缘长度为特征参数，以及

图6示出了耦合界面的预定参考图像和当前监测图像的简化示意图，以及在对每个图像应用2D傅里叶变换之后空间傅里叶频谱的相应可视化。

具体实施方式

所描述的示例性实施例涉及体外冲击波碎石术(ESWL)，尤其涉及碎石机的治疗头和患者的身体之间的耦合界面的监测/监视，以便检测耦合质量的变化，然后在变化超过预定阈值的情况下通知操作者。本领域技术人员应当理解，本发明并不局限于特定例子中描述的冲击波碎石机，而是同样适用于使用任何其他合适的声能源(例如冲击波、超声波)的其他治疗设备。

在下面的描述中使用的某些术语只是为了方便，而不是限制。具体而言，应当理解，术语“确定”、“计算”和“核算”及其变体可以互换使用，并且包括任何类型的方法、过程、数学运算或技术。术语“生成”和“适应”也可以互换使用，描述任何类型的计算机图像处理。此外，术语“像素”被理解为表示数字图像元素，或者可以被控制的显示存储器的最小单元。

此外，除非另有说明(例如通过提供时间顺序)，序数形容词的使用，例如，“第一”、“第二”、“第三”等。仅仅表示引用了相似对象的不同实例，并不意味着如此描述的对象必须在时间上、空间上、等级上或以任何其他方式处于给定的顺序中。

现在参考图1至图3，示意性地示出了商用碎石机系统的一部分(即治疗头)。该布置适于检测耦合界面27的质量，并提供本发明的方法。特别地，图1(a)示出了当治疗头15可操作地连接到患者身体18时，治疗头的横截面。治疗头15包括冲击波源12，冲击波源包括声透镜14(通常浸没在水浴13中)和耦合设备，例如衬垫或波纹管16(通常充满水13)。耦合凝胶24被均匀地施加到波纹管16的与患者的身体18形成耦合界面27的接触表面。边沿25表示与波纹管16的接触表面的边界。视频相机28被定位成获取耦合界面27的感兴趣区域的图像(例如数字图像)。典型地，视频相机28被集成到冲击波源12中，以便允许连续监测耦合界面27。提供监测器30以显示视觉检查的实时图像(快照或视频)。光源31(例如白色LED)设置在透镜14的边沿处。在该特定示例中，光源31可以与相机28径向间隔开(例如90°)，以便提供相对不均匀的照明，从而显示出现的相对亮或暗的气泡。当在本发明的方法中识别或检测气泡时，这种不均匀照明可能是有利的。

在治疗设置期间，治疗头15被定位成使得目标区域22位于声透镜14的焦点20内。波纹管16(带有施加的耦合凝胶24)然后膨胀，以移动到与患者的身体18接触，形成耦合界面27，优选地没有截留的气泡26或其他干扰。操作者视觉检查耦合界面27的图像的任何有害干扰(例如气泡24、毛发29、折叠或褶皱等)。并且可以擦拭波纹管16的接触表面，以便去除这种截留的气泡26和/或折叠。

感兴趣区域(ROI)可以由操作者来确定(例如用户定义的)或图像处理算法来确定(取决于操作者设置的图像参数)。所确定的ROI可以在操作期间是静态的(例如设定的窗口大小)，但是也可以在操作期间进行调整(例如图像处理功能可以根据界面27的预设参数在操作期间调整ROI的尺寸和/或位置)。

一旦耦合质量是可接受的，冲击波治疗开始，通常持续30min至40min，在此期间，患者无意的运动可能导致耦合界面27的耦合质量的改变，例如，空气再次被截留在耦合凝胶24中，身体毛发29可能被布置成提供干扰，或者波纹管16接触表面中的折叠或褶皱可能被该运动影响。

如本领域技术人员可以理解的那样，很难从单个图像中确定耦合质量是否足以满足整个治疗过程。此外，可能仅存在通过耦合压力(即波纹管16内的压力)不足引起的部分耦合或可归因于特定治疗情况的干扰(例如当治疗幼儿时)。在不同的照明下，色素痣或毛发可能难以与截留的气泡26区分开来。取决于当前的照明，并且与耦合凝胶24相比，被截留的气泡26的亮度可以在单独气泡之间变化(即相对于背景，一些气泡显得更亮，而另一些气泡显得更暗)。

如图3所示，本发明提供了一种方法，用于自动且明确地监测耦合界面27，并检测耦合界面27的耦合质量的任何变化，以及在检测到的变化超过预定阈值时视觉和/或听觉指示当前设置或治疗情况关，而不考虑干扰的性质。

在操作期间(即当初始耦合质量是可接受的并且冲击波治疗已经开始时)，从耦合界面27获得至少一个第一参考图像(即存储在合适的存储介质中)，并且对其进行图像处理32以提取至少一个图像特征34，比如举例来说一个或多个特征参数和/或一个或多个特征函数。参考图像36可以在预定时间(优选第一图像)被选择和/或基于所选择的图像特征具有预定的最小耦合质量。所利用的图像特征可以是亮度的分布函数(直方图)、在图像中检测到的总边缘长度或空间傅里叶频谱中的任何一个。

在治疗期间，以预定的时间间隔从耦合界面27连续获得后续图像，并且每个图像都经过图像处理32，以便提取至少一个图像特征(例如总边缘长度、亮度直方图或傅里叶光谱等)。然后使用比较器将提取的图像特征34与预定参考图像36的图像特征进行比较。此外，比较器38包括来自任一可选择的图像特征的最大偏差的特定值，任一可选的图像特征可以用于确定来自参考图像的显著变化。因此，在任何一个后续图像的图像特征超过与参考图像的图像特征的最大偏差的情况下，触发一信号以通知操作者40。该信号可以是听觉或视觉警报中的任何一种。

后续图像之间的时间间隔可以简单地是视频相机28的频率，或者可以由操作者设定的特定的时间间隔，例如，获得的后续图像的时间间隔可以与冲击波的频率一致，或者任何其他适于连续监测耦合界面27并检测耦合质量的显著变化的间隔。

此外，本领域技术人员可以理解，操作者可以在治疗开始之前选择任何一个可用的图像特征，用于检测耦合界面27的耦合质量的变化。此外，每个可用图像特征的最大偏差可以由操作者单独设定和/或可以在制造期间在比较器中预先设定。

图4示出了当使用(例如预选)亮度分布函数(直方图)时的本发明的方法。图4(a)表示参考图像，图4(b)表示后续获得的图像之一。使用的参考数字与图3所示的方法一致，即监测器30上显示的图像、参考图像36和后续图像34的提取的图像特征以及比较器38的动作。该图显示了一个椭圆形耦合界面，其左侧被聚光灯照亮。参考图像的左侧显示了一个小气泡，这对于操作者来说是可以接受的，因为它不在冲击波的中心轴线。参考图像还包括毛发29。如前文所述，系统的图像处理单元计算亮度的直方图。直方图的x轴表示图像亮度(0＝黑色，255＝白色)，而直方图的y轴表示像素的数目。黑色背景通过将黑色像素数设置为零来抑制。然而，操作者可以限定相关的感兴趣区域。如本领域技术人员所理解的，本发明的方法不要求参考图像没有任何干扰。获得的后续图像显示了额外的干扰，例如截留的气泡26。提取的直方图不同于用于参考图像的直方图。特别地，参考图像的相当平滑的亮度分布在随后获得的图像的直方图中显示了额外的最大值和最小值。比较器例如通过使用已知的互相关技术来识别差异。

图5说明了当使用总边缘长度作为图像特征时的方法。具体地，图像处理单元应用边缘检测滤波器来增强在图像内表示边缘的那些图像像素，例如气泡或毛发显示边缘。边缘检测与背景(即耦合凝胶)的亮度变化无关。同样，本发明的方法不要求参考图像没有任何干扰(即边缘)。在这个特定的例子中，水平和垂直的索贝尔(Sobel)卷积核与图像数据进行了卷积。图5(a)表示参考图像，图5(b)表示后续获得的图像之一。在后续图像中发现的额外边缘呈现出额外的干扰(例如气泡26)，其由比较器识别，例如通过对表示边缘的像素(即亮度高于设定阈值的像素)的数量进行计数。如果像素的总数或边缘的总长度超过来自参考图像的边缘的预定的最大偏差，则触发视觉和/或听觉信号来通知操作者。

图6说明了当使用空间傅里叶频谱作为图像特征时的方法。这里，图像处理器对图像数据应用例如二维傅里叶变换(FFT)。傅里叶变换包含所有的图像信息，其中图像变化被转换成空间频率。在这个特定的例子中，低频位于FFT表示的图像中心。图6(a)表示参考图像，图6(b)表示后续图像之一。后续图像中显示的额外干扰会导致FFT的频率分布发生变化。FFT的变化可以通过比较器来识别，特别是通过使用对附加干扰最敏感的傅里叶系数的范围。

本领域技术人员将会理解，以上实施例仅通过示例的方式进行了描述，而没有任何限制意义，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，各种改变和修改是可能的。特别地，本领域技术人员可以理解，任何其他合适的图像特征可以用于监测和检测耦合界面(图像)的耦合质量的变化。此外，本发明不仅仅限于冲击波治疗，而是同样适用于使用声能源的任何其他治疗设备，包括体外冲击波(ESWs)、压力波(PWs)以及超声波(US)。

Claims (17)

1.一种用于连续监测治疗设备的声能源和患者的身体表面区域之间的耦合界面的耦合质量的方法，包括以下步骤：

(a)获得耦合界面的至少一个预定第一区域的多个图像；

(b)提取所述多个图像的预定第一图像的至少一个第一图像特征；

(c)提取所述多个图像的至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征，所述至少一个第二图像在时间上与所述预定的第一图像间隔开；

(d)确定对应于所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征与所述至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征之间的差异的定量参数，以及

(e)如果所述定量参数超过预定参考阈值，则启用信号。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

(f)对所述多个图像中的与所述预定第一图像和所述至少一个第二图像在时间上间隔开的至少一个其他图像重复步骤(c)至(e)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个第一图像特征是色调图像分布、频谱和图像特性特征中的任一个。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述色调图像分布是所述多个图像中的任何一个的图像亮度的概率分布函数的直方图。

5.根据权利要求3和4中任一项所述的方法，其中所述频谱是所述多个图像中的任一个的2D傅里叶频谱。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中所述图像特性特征是由所述多个图像中的任一个图像内的边缘检测算法检测到的一个或多个边缘特征的长度。

7.根据权利要求6的方法，其中所述长度是所述一个或多个边缘特征的总长度。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的方法，其中所述边缘检测算法利用Sobel算子。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述定量参数基于所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征与所述至少一个第二图像的所述至少一个第一图像特征之间的互相关。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述定量参数是在所述第一图像中检测到的所述一个或多个边缘特征的长度与在所述至少一个第二图像中的任一个中检测到的所述一个或多个边缘特征的长度之间的差值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预定参考阈值是与所述预定第一图像的所述至少一个第一图像特征的最大偏差。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个图像中的所述至少一个第二图像和所述至少一个其他图像是在所述预定第一图像之后并且以预定时间间隔分隔开的图像的序列。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述信号是视觉和/或听觉信号。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预定区域在使用期间是可调节的。

15.一种用于连续监测治疗设备的声能源和患者的身体表面区域之间的耦合界面的耦合质量的设备，包括：

成像系统，被构造为捕获和显示耦合界面的至少一个预定第一区域的多个图像；

图像处理器，适于执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述成像系统包括光学相机和声谱仪中的任何一个。

17.一种其上包含计算机程序的计算机可读存储介质，当由计算机处理器执行时，该计算机处理器被构造为执行权利要求1至14中任一项所述的方法。

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