CN111671398A - 一种多模态成像评估关节压力的系统及其方法 - Google Patents

一种多模态成像评估关节压力的系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：包括光声发射组件、微波发射组件、超声探头、放大采集模块、信号处理模块；所述光声发射组件和微波发射组件向关节处交替发射光信号和微波信号，所述超声探头用于检测所述关节处产生的光声信号和微波热声信号；所述放大采集模块用于放大和采集所述光声信号和微波热声信号，并传输至信号处理模块；所述信号处理模块将所述光声信号和微波热声信号生成光声图像和热声图像，并将所述光声图像和热声图像叠加重建为多模态图像，能够消除微波热成像模糊对关节评估带来的影响，也能够获得更准确的关节内的局部压力以及磨损等关节内的信息。

Description

一种多模态成像评估关节压力的系统及其方法
技术领域
本发明涉及关节疾病预后评估技术领域，具体涉及一种多模态成像评估关节压力的系统及其方法。
背景技术
关节内压力异常变化是很多疾病的原因，比膝关节骨关节炎为例，先天或者后天的原因导致膝关节局部压力变大，导致了在日常行为中的过度磨损，从而导致软骨的磨损，进而形成了骨关节炎。
现有技术中用来评估关节疾病的方法有MRI、CT以及X射线等方式得到关节及其软组织图像，然而，不管是CT还是X射线均利用X射线的穿透时的灰度代表软组织或者骨头对X射线吸收的差异，其空间分辨率较低，对病变组织不够敏感；而MRI成像尽管空间分辨率较高，其时间分辨率并不高，对质子密度低的结构显示差，而且还涉及磁性对比剂的使用，其价位昂贵，不便于应用到关节疾病预后评估中。
同时，在医疗临床过程中也并没有一种可以量化这种关节内压力的工具，如果可以直接通过无创的办法测定关节内的压力，并得出规律和正常值范围，那么不仅可以预测疾病的发生发展，还可以作为是否做手术及手术方式选择的一个依据，并可以评价骨骼矫形手术的效果，现有技术中，微波热成像作为一种新型的无创性医学影像学检查技术，在关节炎性疾病的早期诊断、疗效监测以及药物治疗监测方面有临床应用价值，由于组织吸收效应，在组织运动时会产生相关噪声，存在微波热成像得到的图像变得模糊，无法准确评估关节实际情况。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多模态成像评估关节压力的系统及其方法，采用光声成像跟微波热成像结合应用到关节的评估，通过多模态成像技术来间接反映关节内的压力。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多模态成像评估关节压力的系统，包括光声发射组件、微波发射组件、超声探头、放大采集模块、信号处理模块；所述光声发射组件和微波发射组件向关节处交替发射光信号和微波信号，所述超声探头用于检测所述关节处产生的光声信号和微波热声信号；所述放大采集模块用于放大和采集所述光声信号和微波热声信号，并传输至信号处理模块；所述信号处理模块将所述光声信号和微波热声信号生成光声图像和热声图像，并将所述光声图像和热声图像叠加重建为多模态图像。
优选的，所述光声发射组件包括光源、光传输线及其光转接口；所述微波发射组件包括微波源、波导线及其微波转接口。
优选的，所述光传输线及其波导线都连接切换开关，所述切换开关连接通用转接口，所述切换开关可采用继电器控制，所述通用转接口可同时用于光传播以及微波传导。
优选的，所述光转接口、微波转接口或者通用转接口均螺纹连接有带有开口的环形卡箍，所述环形卡箍用于固定于所述关节处，所述开口用于固定光转接口、微波转接口、通用转接口，所述开口呈喇叭状，在挨近关节处开口大，连接所述各种转接口处开口小。
优选的，所述关节在接收到激光照射或者微波能量后均会产生超声波，所述超声探头也设置于所述环形卡箍上。
优选的，所述放大采集模块包括信号放大模块和信号采集模块，所述信号放大模块用于放大超声信号以便于采集，所述信号采集模块连接信号放大模块以采集放大后的超声信号并将该超声信号传输至信号处理模块。
优选的，所述信号处理模块用于生成光声图像以及热声图像，所述光声图像采用延迟叠加算法实现图像重建，所述热声图像重建采用滤波反投影算法实现，所述多模态重建是指在重建后的热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，并在光声图像中找出相对应的多个特征点后进行配准，采用图像融合算法实现融合处理。
优选的，所述特征分析采用SIFT角点检测算法，确定在第一阶段中找到的所有关节点位的位置和比例，根据关节点位的稳定性选择关节点位，稳定的关节点位可以抵抗图像失真。
优选的，所述图像融合算法具体实现方式为：首先，将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号，再对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数，最后，通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
所述多模态图像重建了与骨相关的结构，由软骨覆盖的关节面通过多模态图像被呈现，根据手术前后的软骨和关节面的介电特性的变化间接反映关节压力的变化，进而实现评估骨骼矫形手术的效果。
为了更进一步的说明如何利用多模态图像以更好的实现关节压力的评估，本发明还公开了一种多模态成像评估关节压力的方法，步骤如下：
步骤一、获取待评估关节处的热声信号和光声信号；
步骤二、根据所述热声信号采用滤波反投影算法重建热声图像，根据所述光声信号采用延迟叠加算法重建光声图像；
步骤三、在所述热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，在所述光声图像中找出相对应的多个特征点进行配准，采用图像融合算法得到融合后的多模态图像；
步骤四、获取不同方向的待评估关节处的热声信号和光声信号，重复步骤二和步骤三以获取不同方向待评估关节处的多模态图像；
步骤五、根据待评估关节处不同方向的所述多模态图像反映的软骨和关节面的介电特性来评估关节压力的变化。
优选的，所述步骤一中的获取待评估关节处的热声信号和光声信号实现方式为：交替获取同一方向的待评估关节处的热声信号和光声信号，以减少超声探头移动带来的误差。
优选的，所述步骤三中的图像融合算法具体包括如下步骤：
步骤3-1、将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号；
步骤3-2、对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数；
步骤3-3、通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
本发明通过光声成像跟微波热成像融合能够获取多模态图像进而消除单纯的微波热成像由于组织吸收效应而变得模糊对关节评估带来的影响，也能够通过设置光声成像跟微波热成像相互参考以获得更准确的关节内的局部压力以及磨损等关节内的信息；本发明采用SIFT角点检测算法得到特征点后进行配准，进而采用图像融合算法获取多模态图像，能够使得光声图像和光热图像能够在相同方向的关节点位准确配准后进行融合，能够有效消除误差以及图像模糊现象。
附图说明
图1为一种实施例一中的多模态成像评估关节压力的系统示意图；
图2为实施例一中的光声发射组件和微波发射组件的具体实现框图；
图3为一种实施例二中的多模态成像评估关节压力的系统示意图；
图4为实施例二中的光声发射组件和微波发射组件的具体实现框图；
图5为实施例三中的实现多模态成像评估关节压力的步骤图；
图6为实施例三中的实现步骤三的步骤图。
在图1-6中：1光声发射组件、2微波发射组件、3超声探头、4放大采集模块、5信号处理模块、1-1光源、1-2光传输线、1-3光转接口、2-1微波源、2-2波导线、2-3微波转接口、6切换开关、7通用转接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-2，一种多模态成像评估关节压力的系统，包括光声发射组件1、微波发射组件2、超声探头3、放大采集模块4、信号处理模块5；所述光声发射组件1和微波发射组件2向关节处交替发射光信号和微波信号，所述超声探头3用于检测所述关节处产生的光声信号和微波热声信号；所述放大采集模块4用于放大和采集所述光声信号和微波热声信号，并传输至信号处理模块5；所述信号处理模块5将所述光声信号和微波热声信号生成光声图像和热声图像，并将所述光声图像和热声图像叠加重建为多模态图像。
所述光声发射组件1包括光源1-1、光传输线1-2及其光转接口1-3；所述微波发射组件2包括微波源2-1、波导线2-2及其微波转接口2-3。
所述光转接口1-3、微波转接口2-3均螺纹连接有带有开口的环形卡箍，所述环形卡箍用于固定于所述关节处，所述开口用于固定光转接口1-3、微波转接口2-3、通用转接口7，所述开口呈喇叭状，在挨近关节处开口大，连接所述各种转接口处开口小。
所述关节在接收到激光照射或者微波能量后均会产生超声波，所述超声探头3也设置于所述环形卡箍上。所述光转接口1-3、微波转接口2-3采用同一接口尺寸，能够分别接入环形卡箍上的同一开口处。
所述放大采集模块4包括信号放大模块和信号采集模块，所述信号放大模块用于放大超声信号以便于采集，所述信号采集模块连接信号放大模块以采集放大后的超声信号并将该超声信号传输至信号处理模块5。
所述信号处理模块5用于生成光声图像以及热声图像，所述光声图像采用延迟叠加算法实现图像重建，所述热声图像重建采用滤波反投影算法实现，所述多模态重建是指在重建后的热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，并在光声图像中找出相对应的多个特征点后进行配准，采用图像融合算法实现融合处理。
所述特征分析采用SIFT角点检测算法，确定在第一阶段中找到的所有关节点位的位置和比例，根据关节点位的稳定性选择关节点位，稳定的关节点位可以抵抗图像失真。
所述图像融合算法具体实现方式为：首先，将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号，再对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数，最后，通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
所述多模态图像重建了与骨相关的结构，由软骨覆盖的关节面通过多模态图像被呈现，根据手术前后的软骨和关节面的介电特性的变化间接反映关节压力的变化，进而实现评估骨骼矫形手术的效果。
实施例二
参照附图3-4，一种多模态成像评估关节压力的系统，包括光声发射组件1、微波发射组件2、超声探头3、放大采集模块4、信号处理模块5；所述光声发射组件1和微波发射组件2通过信号处理模块5控制的切换开关6向关节处交替发射光信号和微波信号，所述超声探头3用于检测所述关节处产生的光声信号和微波热声信号；所述放大采集模块4用于放大和采集所述光声信号和微波热声信号，并传输至信号处理模块5；所述信号处理模块5将所述光声信号和微波热声信号生成光声图像和热声图像，并将所述光声图像和热声图像叠加重建为多模态图像。
所述光声发射组件1包括光源1-1、光传输线1-2；所述微波发射组件2包括微波源2-1、波导线2-2。
所述光传输线1-2及其波导线2-2都连接切换开关6，所述切换开关6连接通用转接口7，所述切换开关6可采用继电器受信号处理器5的控制，所述通用转接口7可同时用于光传播以及微波传导。
通用转接口7螺纹连接有带有开口的环形卡箍，所述环形卡箍用于固定于所述关节处，所述开口用于固定通用转接口7，所述开口呈喇叭状，在挨近关节处开口大，连接所述各种转接口处开口小。
所述关节在接收到激光照射或者微波能量后均会产生超声波，所述超声探头3也设置于所述环形卡箍上。
所述放大采集模块4包括信号放大模块和信号采集模块，所述信号放大模块用于放大超声信号以便于采集，所述信号采集模块连接信号放大模块以采集放大后的超声信号并将该超声信号传输至信号处理模块5。
所述信号处理模块5用于生成光声图像以及热声图像，所述光声图像采用延迟叠加算法实现图像重建，所述热声图像重建采用滤波反投影算法实现，所述多模态重建是指在重建后的热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，并在光声图像中找出相对应的多个特征点后进行配准，采用图像融合算法实现融合处理。
所述特征分析采用SIFT角点检测算法，确定在第一阶段中找到的所有关节点位的位置和比例，根据关节点位的稳定性选择关节点位，稳定的关节点位可以抵抗图像失真。
所述图像融合算法具体实现方式为：首先，将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号，再对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数，最后，通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
所述多模态图像重建了与骨相关的结构，由软骨覆盖的关节面通过多模态图像被呈现，根据手术前后的软骨和关节面的介电特性的变化间接反映关节压力的变化，进而实现评估骨骼矫形手术的效果。
实施例三
为了更进一步的说明如何利用多模态图像以更好的实现关节压力的评估，本发明还公开了一种多模态成像评估关节压力的方法，步骤如下：
步骤一、获取待评估关节处的热声信号和光声信号；
步骤二、根据所述热声信号采用滤波反投影算法重建热声图像，根据所述光声信号采用延迟叠加算法重建光声图像；
步骤三、在所述热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，在所述光声图像中找出相对应的多个特征点进行配准，采用图像融合算法得到融合后的多模态图像；
步骤四、获取不同方向的待评估关节处的热声信号和光声信号，重复步骤二和步骤三以获取不同方向待评估关节处的多模态图像；
步骤五、根据待评估关节处不同方向的所述多模态图像反映的软骨和关节面的介电特性来评估关节压力的变化。
优选的，所述步骤一中的获取待评估关节处的热声信号和光声信号实现方式为：交替获取同一方向的待评估关节处的热声信号和光声信号，以减少超声探头移动带来的误差。
优选的，所述步骤三中的图像融合算法具体包括如下步骤：
步骤3-1、将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号；
步骤3-2、对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数；
步骤3-3、通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
上述实施例通过光声成像跟微波热成像融合能够获取多模态图像进而消除单纯的微波热成像由于组织吸收效应而变得模糊对关节评估带来的影响，也能够通过设置光声成像跟微波热成像相互参考以获得更准确的关节内的局部压力以及磨损等关节内的信息；本发明采用SIFT角点检测算法得到特征点后进行配准，进而采用图像融合算法获取多模态图像，能够使得光声图像和光热图像能够在相同方向的关节点位准确配准后进行融合，能够有效消除误差以及图像模糊现象。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：包括光声发射组件、微波发射组件、超声探头、放大采集模块、信号处理模块；所述光声发射组件和微波发射组件向关节处交替发射光信号和微波信号，所述超声探头用于检测所述关节处产生的光声信号和微波热声信号；所述放大采集模块用于放大和采集所述光声信号和微波热声信号，并传输至信号处理模块；所述信号处理模块将所述光声信号和微波热声信号生成光声图像和热声图像，并将所述光声图像和热声图像叠加重建为多模态图像。
2.根据权利要求1所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：所述光声发射组件包括光源、光传输线及其光转接口；所述微波发射组件包括微波源、波导线及其微波转接口。
3.根据权利要求1所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：光声发射组件包括光源、光传输线；所述微波发射组件包括微波源、波导线。
4.根据权利要求2所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：所述光转接口、微波转接口螺纹连接有带有开口的环形卡箍，所述环形卡箍用于固定于所述关节处，所述开口用于固定光转接口、微波转接口，所述开口呈喇叭状，在挨近关节处开口大，连接所述各种转接口处开口小。
5.根据权利要求3所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：所述光传输线及其波导线都连接切换开关，所述切换开关连接通用转接口。
6.根据权利要求5所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：所述通用转接口螺纹连接有带有开口的环形卡箍，所述环形卡箍用于固定于所述关节处，所述开口用于固定通用转接口，所述开口呈喇叭状，在挨近关节处开口大，连接所述各种转接口处开口小。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：所述信号处理模块用于生成光声图像以及热声图像，所述光声图像采用延迟叠加算法实现图像重建，所述热声图像重建采用滤波反投影算法实现，所述多模态重建是指在重建后的热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，并在光声图像中找出相对应的多个特征点后进行配准，采用图像融合算法实现融合处理。
8.一种多模态成像评估关节压力的方法，采用权利要求1-7任一项所述的一种多模态成像评估关节压力的系统，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、获取待评估关节处的热声信号和光声信号；
步骤二、根据所述热声信号采用滤波反投影算法重建热声图像，根据所述光声信号采用延迟叠加算法重建光声图像；
步骤三、在所述热声图像上分析出多个关节点位作为特征点，在所述光声图像中找出相对应的多个特征点进行配准，采用图像融合算法得到融合后的多模态图像；
步骤四、获取不同方向的待评估关节处的热声信号和光声信号，重复步骤二和步骤三以获取不同方向待评估关节处的多模态图像；
步骤五、根据待评估关节处不同方向的所述多模态图像反映的软骨和关节面的介电特性来评估关节压力的变化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤一中的获取待评估关节处的热声信号和光声信号实现方式为：交替获取同一方向的待评估关节处的热声信号和光声信号。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤三中的图像融合算法具体包括如下步骤：
步骤3-1、将图像信号通过小波变换分解成多尺度的频带信号；
步骤3-2、对每个频带信号使用局部脊波变换融合不同图像的多尺度的频带信号来获得融合的多尺度系数；
步骤3-3、通过对融合的多尺度系数进行局部脊波逆变换获得多模态图像。
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CN112971715A (zh) * 2021-01-28 2021-06-18 华南师范大学 用于热声、光声、超声共线激发和接收的成像装置及方法

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