CN100484484C - 体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，包括有X光机、超音波扫瞄器、移动平台、监视器及结石追踪定位装置；其中，该X光机系装设于机台上，可作0度及30度的照射，以立体方式确定结石区；该超音波扫描仪，设置于移动平台下端，位于X光机、震杯的相交线上，通过其沿着病患结石部位轴向移动，将结果显示于监视器，再通过结石追踪定位装置确定结石移动位置，并配合运动控制器驱动移动平台使病患结石部位对准至震杯，使震波得以准确击中并粉碎结石。

Description

体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法

技术领域

本发明涉及一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，特别是一种包括有X光机、超音波扫瞄器、移动平台、监视器及结石追综定位装置，以X光机可作0度及30度照射的立体确定结石区；用超音波扫描仪进行扫瞄，并通过结石追综定位装置确定结石移动位置，再配合运动控制器驱动移动平台使病患结石位置对准至震杯，使震波得以准确击中并粉碎结石。

背景技术

由于经济生活提升，许多人饮食习惯趋向精致及高蛋白质含量；此外，亦由于遗传或其它不明的原因，容易造成肾结石，肾结石造成患者有疼痛、恶心、呕吐等现象，使个人蒙受健康、生命的危害，以及造成社会的损失。

近二十年来治疗人体结石的方法，大致已由传统的开刀取石方法改为体外震波碎石术。

体外震波碎石机在现今医疗院所泌尿科中运用相当广泛，举凡肾结石、输尿管结石及膀胱结石皆可由其治疗。

体外震波碎石原理在于利用爆震产生的震波，经由水和人体组织作为介质，震波运用透镜聚焦原理将震波聚焦于结石，以瞬间高压将的击碎。尔后可由人体组织自行排出碎片，以达成治愈的目的。由此可知，震波击石的命中率与治疗效果有直接而显著的关系。

但由于内脏在腹腔内会因呼吸引发运动而导致结石亦随的移动，往往结石会随着移出震波聚焦区，不但碎石无效，更容易误击而伤及组织产生其它后遗症。

发明内容

本发明的目的是提供一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，是X光机、超音波扫瞄器、移动平台、监视器及结石追踪定位装置的组合；用X光机作立体照射确定结石区，使超音波扫描仪位于X光机、机台上的震杯的相交线上，通过其沿着病患结石区轴向移动，将结果显示于监视器。

本发明的次一目的是提供一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，经初始设定、影像撷取、结石检测、影像画面比对、结石定位等步骤，以定结石移动位置，使结石得以准确被击碎。

本发明的另一目的是提供一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，设有结石阴影辅助定位装置，用以辅助确定结石的准确位置，以提升结石定位的准确率。

本发明的又一目的是提供一种体外碎石机及其结石追踪定位装置，其中该超音波扫描仪位于X光机、震杯的相交线上，可确保整体的焦点定位。

可实现上述发明目的的体外碎石机及其结石追踪定位装置，包括有X光机、超音波扫瞄器、移动平台、监视器及结石追踪定位装置；其中，该X光机装设于机台上，可作0度及30度的照射，以立体方式确定结石区；该超音波扫描仪，设置于移动平台下端，位于X光机、震杯的相交线上，通过其沿着病患结石部位轴向移动，将结果显示于监视器，再通过结石追踪定位装置确定结石移动位置，并配合运动控制器驱动移动平台使病患结石部位对准至震杯，使震波得以准确击中并粉碎结石。

附图说明

图1(A)为本发明的结构立体图；

图1(B)为本发明的电磁式震波产生器模块分解示意图；

图2为本发明的另一角度立体图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的X光机转动示意图；

图5为本发明的结石追踪定位流程图；

图5(A)为本发明的结石检测步骤流程图；

图5(B)为本发明的影像画面比对步骤流程图；

图5(C)为本发明的结石阴影辅助定位流程图；

图5(D)为本发明的结石追踪定位与结石阴影辅助定位流程图；

图6为本发明的方块图。

附图标记说明：1X光机；11转动轴臂；2超音波扫瞄器；3移动平台；4监视器；5震杯；6驱动控制装置；7电磁式震波产生器模块；71震波模块固定基座；72震波透镜固定架；73震波聚焦双凹透镜；74震波发生源组件；741高压绝缘陶瓷基座；742高压电磁线圈；743铁弗龙双面接合薄膜；744金属薄膜；745橡胶薄膜。

具体实施方式

请参阅图1(A)及图2所示的本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的结构立体图及另一角度立体图，由图中可知，本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置，包括：X光机1、超音波扫瞄器2、移动平台3、监视器4、震杯5及驱动控制装置6；其中，该X光机1装设于一转动轴臂11上，该转动轴臂11系呈半圆弧形，其下端适当位置设置震杯2，于X光机1的正垂线下端则位置设置超音波扫描仪2，该超音波扫描仪2并可受驱动控制装置6作轴向移动，以沿着病患结石部位进行扫描。

请参阅图1(B)，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的电磁式震波产生器模块分解示意图，由图中可知，该震杯5内部设有一电磁式震波产生器模块7，于震波模块固定基座71内侧设置震波透镜固定架72及震波聚焦双凹透镜73，下端再设置震波发生源组件74，且震波发生源组件74由高压绝缘陶瓷基座741、高压电磁线圈742、铁弗龙双面接合薄膜743、金属薄膜744及橡胶薄膜745组成，电流通过高压电磁线圈以产生磁场，利用磁场推动金属薄膜以拍打于震波模块固定基座中的水体，进而产生震波，达到击碎人体器官中结石的效果。

请参阅图3及图4所示的本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的侧视图及X光机转动示意图，由图中可知，该X光机1可经由驱动控制装置6，驱使转动轴臂11作0度及30度转动，达到以二维方式取得患者的正确结石区；且，X光机1、超音波扫瞄器2及震杯5中心线形成交会点，作为震碎结石的目标区。当以X光机1确定结石区后，通过控制使超音波扫瞄器2轴向移位，将结果显示于监视器4。

此外，并以运动控制器连结驱动器、马达和编码器，及设置于移动平台下端的数组驱动器、AC马达、编码器、减速器、译码器等，使移动平台可作三维空间移动，以便将患者的结石区适时移至震波目标区。

请参阅图5，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的结石追踪定位流程图，由图中可知，本发明的结石追踪定位装置的追踪定位流程步骤包括：

(A)初始设定(Initial setup)：预先配置存储器以提供结石追踪所需的影像缓冲区(Buffer)及设定各项参数的初始值，并初始化影像撷取卡等候撷取指令；

(B)影像撷取(Image grabbing)：以多流(multithread)技术撷取影像并储存至缓冲区中，同时利用事件触发(event—Driven)架构处理来自图形用户接口(graphical user interface)的各项请求，降低使用者每个动作的响应时间，并采用双缓冲区技术(Double Buffering)以避免影像流失，确保实时追踪的效果；

(C)结石检测：结石的判别于使用者定义的有效区域(region ofinterest，ROI)中进行，有效区域会随着往后判定的结石区移动；为了检测出有效区域(ROI)内可能的结石区域，须设定适当的结石判别门限值(thresholdvalue)并进行影像二元化处理；若有效区域中的影像像素(pixel)强度大于所设定的判别门限时，即视为结石候选区(stone region)，有效区域内所有候选区均被标示并储存于存储器中；

(D)影像画面比对(frame matching)：将每一次自影像撷取卡取得的影像依结石判别门限二元化处理后，与前一张影像的二元化处理结果进行比对，两张影像内白色区域重叠部份的像素给予较高加权值，非重叠部份的像素给予较低加权值，再以各加权值相加后的结果做为匹配值(matching value)；将有效区域(ROI)往各个方向移动，并计算各移动方向的匹配值，计算得出匹配值(matching value)最高的方向即为画面移动向量(translation vector)；

(E)结石定位(Stone location)：将求得的画面移动向量与先前判定的结石位置(stone position)相加，即可判断出结石移动后的位置，并选出目前画面中最接近此位置的结石候选区(stone region)，计算此结石候选区内所有像素的灰阶值质量中心，即可求得新的结石位置，并以此位置为中心定义新的有效区域(ROI)。

请参阅图5(A)，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的结石检测步骤流程图，由图中可知，本发明的结石检测步骤，如下所述：

(A)结石影像输入；

(B)使用者参与；

(C)最大化熵门限；

(D)外型简化处理程序；

(E)区域标示；

(F)结石检测结果；

(G)算出结石中心；

(H)算出结石边界。

其中，使用者参与部份仅需以鼠标标示出ROI，当ROI定义后，计算ROI中所有像素的灰阶值，并根据临床经验，画面中灰阶值较高的部份较可能为结石，判别结石的灰阶值门限，可由表达式(1)求得

$g_t=\underset{s}{\mathrm{Arg}}\left\{\underset{1\≤s\≤n}{\mathrm{Max}}\left[\mathrm{\Ψ}\left(s\right)\right]\right\}-----------\left(1\right)$

并以此门限值将POI内的影像二元化，其中白色像素视为潜在结石像素，于经过外型简化处理程序(simple morphollical processing)后得出较平整的结石轮廓，在二元化的ROI内有许多白色区域，其面积最大且未与ROI边界重叠者即为结石，当结石被检测出来后即可进而算出其中心及边界。

大部份情况下装置都可以在ROI中正确地判别出结石，但由于结石会随着人体内脏移动，造成影像中结石大小不断地改变，使结石的追踪变得极为重要。当结石区域已由第一张画面的ROI内正确判别后，接下来的目标是在后续的画面中，除了以”结石检测判别出所有可能的结石候选区外，更进行”影像画面比对”以找出结石移动后的所在位置。

请参阅图5(B)，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的影像画面比对步骤流程图，由图中可知，本发明的影像画面比对步骤，如下所述：

(A)取得前画面的ROI二元化影像；

(B)将ROI往任一方向移动；

(C)以位移的ROI取得目前画面的二元化影像；

(D)将目前画面的ROI二元化影像与前画面的ROI二元化影像比对；

(E)重复计算各方向的优值(FOM，Figure of merit)后，优值最大的方向即为结石移动的方向，并依此方向的向量排除可能造成误判的大面积明亮区域。

其过程详述如下：首先，以优值(FOM)作为判定画面中比对匹配的依据，当先前画面中结石区域的像素匹配目前画面中最大区域的像素时，给予最高优值，优值的的计算方程式如(2)，其中，P表示先前画面，C表示目前画面，W则表示权数值。

$\mathrm{FOM}=\underset{\mathrm{for\; x},\mathrm{y\; and\; i},\mathrm{j\; where\; P\; and\; C\; overlap}}{\mathrm{\Σ}}W\·\left|P_{x,y}\left(\mathrm{AND}\right)C_{i,j}\right|-----------\left(2\right)$

计算时，在目前画面中将ROI往各个方向移动并取得二元化影像，再将各个方向的二元化影像分别与先前画面的二元化影像进行比对，并以(2)算出各个方向的优值(FOM)后，优值最高的方向即为画面移动的方向。

将求得的移动向量与先前判定的结石位置(stone position)相加，即可判断出结石移动后的位置，并于目前画面中所有标示的结石候选区中，选出最接近此位置的结石候选区，于计算此结石区内所有像素的灰阶值质量中心，即可求得新的结石位置。

由此可知，藉由上述经由影像画面比对的步骤流程，可准确得出结石在人体内部的移动方向及位置，进而克服结石因人体内脏运动而移位的间题，使结石的震碎动作更加精确，也能避免其它内脏组织遭不慎震伤的情形。

为了增加结石位置判读的准确率，本发明还开发出另一套结石阴影辅助定位装置，即利用阴影来检测结石。所谓”阴影检测”是利用超音波无法穿过结石及骨头的特性，照射扫描时，在结石后方会产生长条状的阴影，也会因为超音波打到结石后会有较大反射特性来进行检测。当操作者锁定肾结石时，阴影对于有灰阶值较高的区域是否为结石可作为重要的判别依据，如果该区域有较高的灰阶值，且其后有阴影产生，此区域即可确定为结石；换句话说，如果该地区只有较高灰阶值但没有阴影时即不会被视为结石。

请参阅图5(C)，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的结石阴影辅助定位流程图，由图中可知，本发明的的结石阴影辅助定位步骤，如下所述：

(A)依扇形画面轮廓依决定搜寻路径；

(B)取得候选样本；

(C)经比对候选样本；

(D)选定阴影路径；

(E)确定结石位置。

实施时，首先定义出搜索路径，如果结石阴影和搜索线相吻合，为最佳比对结果。由于结石阴影样本有两个特征，其一是结石部份，其它为阴影部份，本发明用两个步骤来区分比对过程，第一步是找出结石可能存在的位置。第二步是在这些结石可能存在的点上进行结石阴影仿真。

当沿着搜索路径找出灰阶值最大的像素时，灰阶值最大的像素有可能是结石，也有可能是位于结石上端的人体内脏组织，而非结石。为了避免组织过于接近探头或结石上端而产生高灰阶值，当使搜索线从远离探针的位置开始时，本发明沿搜索路径判别阴影样本的结果。

阴影样本的比较法则为在每一个候选样本中，找出候选样本中最大的灰阶值，亦即灰阶峰值，然后计算区间的灰阶平均值，找出灰阶峰值与灰阶平均值之差，选出差值最大者即为最匹配影阴特征的样本，此样本中的结石位置即可作为”结石判别”的依据。

请参阅图5(D)，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的结石追踪定位与结石阴影辅助定位流程图，由图中可知，本发明的结石阴影辅助定位可与连续影像画面比对同步进行对结石判读，使结石的正确区域判定更加精确，由此，当影像于使用者定义ROI后，经由”结石检测”取得正确结石位置后，其后可依”影像画面比对”及”结石阴影辅助定位”等流程准确定位移动中结石。

请参阅图6，为本发明体外碎石机及其结石追踪定位装置的方块图，由图中可知，于实施开始时，首先激活电源，经由控制器驱动电源供应器，并通过I/O模块驱动高压电路，使X光机的转动轴臂转动0度及30度，以取得患者的正确结石区；同时，通过驱动控制器及伺服马达，驱动超音波扫描仪，对患者进行扫描，以测知结石的深度，之后，进行超音波结石影像定位程序及超音波结石影像实时追踪定位程序，经由使用者先行标定结石区，再通过该定位程序，针对现行影像与前张影像比对，以确定正确结石区及其移动向量后，同步驱动控制器及伺服马达，带动移动床台，以将患者结石区对正至目标区，经重复比对确定后，再以高压电磁震波产生单元作用，驱动震杯动作，进行结石击碎。

上列详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，该实施例并非用来限制本发明的范围，凡未脱离本发明精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，包括以下步骤：

(A)初始设定，设定各项参数的初始值，并初始化影像撷取卡等候撷取指令；

(B)影像撷取，以多流方式撷取影像并储存至缓冲区中；

(C)结石检测，结石的判别于使用者定义的有效区域中进行，设定适当的结石判别门限值并进行影像二元化处理；

(D)影像画面比对，将每一次自影像撷取卡取得的影像依结石判别门限二元化处理后，与前一张影像的二元化处理结果进行比对，并对重叠部份的像素和非重叠部份的像素给予不同加权值，以取得画面移动向量；

其中，以优值作为判定画面中比对匹配的依据，当先前画面中结石区域的像素匹配目前画面中最大区域的像素时，给予最高优值，优值的计算方程式为式(2)，其中，P表示先前画面，C表示目前画面，W则表示权数值：

而且，在目前画面中将有效区域往各个方向移动并取得二元化影像，再将各个方向的二元化影像分别与先前画面的二元化影像进行比对，于算出各个方向的优值后，优值最高的方向为画面移动的方向；

(E)结石定位，将求得的画面移动向量与步骤(C)中判定的结石位置相加，决定结石移动后的位置。

2、如权利要求1所述的体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，其中在影像撷取步骤中，利用事件触发架构处理来自图形用户接口的各项请求，降低使用者每个动作的响应时间。

3、如权利要求1所述的体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，其中在影像撷取步骤中，采用双缓冲区方式避免影像流失，确保实时追踪。

4、如权利要求1所述的体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，其中在结石检测步骤中，通过下列方程式(1)求出结石的灰阶值门限：

$g_t=\underset{s}{\mathrm{Arg}}\left\{\underset{1\≤s\≤n}{\mathrm{Max}}\left[\mathrm{\Ψ}\left(s\right)\right]\right\}-----------\left(1\right).$

5、一种体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，包括以下步骤：

(A)初始设定，设定各项参数的初始值，并初始化影像撷取卡等候撷取指令；

(B)影像撷取，以多流方式撷取影像并储存至缓冲区中；

(C)结石检测，将结石的判别用于使用者定义的有效区域中进行，设定适当的结石判别门限值并进行影像二元化处理；

(D)影像画面比对：将每一次自影像撷取卡取得的影像依结石判别门限二元化处理后，与前一张影像的二元化处理结果进行比对，并对重叠部份的像素和非重叠部份的像素给予不同加权值，以取得画面移动向量；

其中，以优值作为判定画面中比对匹配的依据，当先前画面中结石区域的像素匹配目前画面中最大区域的像素时，给予最高优值，优值的计算方程式为式(2)，其中，P表示先前画面，C表示目前画面，W则表示权数值：

而且，在目前画面中将有效区域往各个方向移动并取得二元化影像，再将各个方向的二元化影像分别与先前画面的二元化影像进行比对，于算出各个方向的优值后，优值最高的方向为画面移动的方向；

(E)结石定位，将求得的画面移动向量与步骤(C)中判定的结石位置相加，决定结石移动位置；

(F)结石阴影辅助定位，在进行结石检测步骤后，同时依扇形画面轮廓来决定搜寻路径、取得候选样本、比对候选样本、选定阴影路径、确定结石位置。

6、如权利要求5所述的体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，其中该结石阴影辅助定位流程是先定义出搜寻路径，并以结石阴影和搜寻路径相吻合为最佳比对结果，先找出结石可能存在位置，再于该结石可能存在的点上，进行结石阴影仿真。

7、如权利要求6所述的体外碎石机的结石追踪定位装置的追踪定位方法，其中该搜寻路径以距离超音波探针适当距离为起点，并沿搜寻路径后方取得候选样本，再计算候选样本中的各个灰阶平均值，及找出候选样本中最大的灰阶值，最大的灰阶值即灰阶峰值，再以灰阶峰值与灰阶平均值的差值最大者为结石。

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