CN116270217A - 基于断层超声的针灸在体可视化方法 - Google Patents

基于断层超声的针灸在体可视化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医学和医学技术领域。具体涉及断层超声在针灸可视化中的应用。具体的公开了，在人体“得气”状态下获得针刺穴位的体内组织超声断层及三维重建结构，可清晰显示进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置等，提高了穴位定位的精确性，可有效地改善传统针灸穴位检测中的解剖参考点不清晰、定位精度较低等缺陷，实现经络穴位的可视化和针灸穴位的精确定位。同时为针灸穴位的标准化研究奠定了基础，为相关研究者提供一种有效可靠的客观可量化的穴位定位方法，有利于针灸可视化和标准化技术的推广。

Description

基于断层超声的针灸在体可视化方法
技术领域
本发明涉及生物医学和医学技术领域。具体涉及断层超声在针灸可视化中的应用。
背景技术
针灸作为中国古老的一项医学技艺，因其操作简单，成本较低，较为安全，一直以来得到广泛的应用。随着2010年中国针灸被列入人类非物质文化遗产代表作名录，针灸更受世界瞩目。传统的针灸取穴主要根据手指同身寸法定位穴位，通过医师的手感技能、受试者的“得气”状态来掌握针刺深度、速度和力度，被认为是一门经验科学。由于人体解剖结构复杂，不同个体的结构差异较大，这种方法往往存在解剖参考点不清晰、定位精度较低等缺陷。针灸医师在每次进针时部位无法得到严格的确定，这使得针刺操作存在一定的不安全性和不标准化，所以，一些医师从而常常对某些危险穴位弃而不用，或用而不敢达到一定深度，从而影响了疗效。这对推动现代针灸在国内及国际上的广泛临床应用和研究带来极大的阻碍。当前，还没有一个确切的被中医学界普遍认可的经穴定位的定量的科学的标准或依据。因此，如何实现针灸经络穴位的可视化和标准化，提高针灸疗效和保证针灸研究结果的可靠性和一致性，寻找和使用科学而准确的经络穴位定位方法显得尤为重要。
随着成像技术的发展，基于影像学方法的直观性、可视性等特点，大量医学影像技术(如放射性核素示踪显像、CT、MRI、正电子断层扫描等)应用于经络穴位可视化的研究。但是，核素、正电子断层扫描示踪剂不能与组织结合，不能实现对示踪轨迹组织进行准确定位。CT软组织对比度较低，无法显示较为精密细小的组织结构，无法观察针刺周围相关解剖结构；MRI具有较高的软组织成像精度，但是禁忌金属成像，会形成远比针具尺寸千倍以上的伪影和潜在的抛射伤害。此外，大部分应用于经络穴位示踪显示的影像技术只能应用示踪剂进行二维平面显示，无法显示示踪轨迹与周围组织的三维结构。因此，探寻一种客观显示经络穴位轨迹的新技术方法，揭示穴位的形态结构和物质基础，探讨其与经络功能的相关性，以期探索解决以往影像技术用于经络穴位可视化局限性的突破点。
超声断层成像(Ultrasonic Tomography,UT)作为一种新的成像模式，可以在人体“得气”状态下获得针刺穴位的体内组织超声断层及三维重建结构，可清晰显示进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置等。此外，由于其采用了类似于CT和MRI的自动标准化扫描模式，可避免常规超声在移动探头时造成的人为操作误差和不确定性；图像重建后，医生可对图像进行放大、旋转、切割及透视化处理，从不同角度观察针刺穴位组织结构。超声断层成像提高了穴位定位的精确性，可有效地改善传统针灸取穴中的解剖参考点不清晰、定位精度较低等不足。
中国专利CN 211461229 U公开了一种超声针灸装置，其包括L型超声探头和针灸针，L型超声探头包括握持把、超声探头和穿刺孔，超声探头的正中部设置有穿刺孔，针灸针可以穿过该孔进行垂直针刺。但该二维探头成像区域局限，且垂直进针时属于平面外进针，穿刺针与换能器的方位关系是针的显像为一短轴(横截面)图像，该方法仅能显示进入体内的针具的很小一部分，无法追踪针在体内走形及观察针与周围组织结构关系。同时传统超声会受到各向异性造成的伪像影响；由于皮肤表面的不平整，传统超声扫查时，探头局部压迫组织，会不可避免地造成组织结构的变形和偏移。而容积超声断层成像技术可规避传统超声的上述缺点，能采集到环形换能器成像区城内成像对象的全方位信息，成像算法不仅限B型超声的形态学图像，还可以得到成像对象的声衰减和声速度功能学图像，得到针刺穴位周围体内的超声断层图像，可以进行三维重建。
目前的超声断层成像系统主要临床应用研究集中在乳腺癌的早期筛查，根据乳腺生物力学和形态学特性检测和表征乳腺肿块，实现对乳腺肿块的定量诊断。中国专利CN112353420A公布了一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，涉及MEMS传感器领域，该系统包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床。CMUT柱面阵包围在乳房四周进行三维全自动电子扫查。
发明内容
针对当前针灸在临床应用中的可视化技术局限，在前期研究中，通过扫查受检者的肢体超声断层影像，经过计算机后期处理，建立针刺穴位“得气”状态下针及周围组织断层成像及三维重建数据，探索得到适合软组织精密成像的方法，实现了对针灸可视化。在此基础上，完成了本发明。
第一方面，本发明提供一种针灸可视化成像系统，所述可视化成像系统包括成像模块、图像集成处理模块，所述成像模块包括但不限于成像操作界面台、计算机控制系统、超声换能器、传感器、扫描区域固定装置、检测台等。
进一步的，所述传感器优选全景环形探头，可实现实时的、全方位的、动态扫描。
进一步的，所述扫描区域固定装置是指可以盛装耦合剂的容器。
进一步的，所述耦合剂可优选水，即为脱气水。
进一步的，所述容器是可以实现传感器可对针灸的肢体或部位在容器中的全方位扫描。
进一步的，所述图像集成处理模块是基于计算机控制系统和图像处理软件的组合。
进一步的，所述针灸的可视化成像是基于针刺穴位“得气”状态下的成像。
进一步的，所述成像可包括针刺穴位周围的肌肉、筋膜、神经等结构关系的成像。
进一步的，所述成像还可包括进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置。
第二方面，本发明提供一种可视化成像的针灸治疗仪，所述针灸治疗仪包含有第一方面所述的针灸可视化成像系统。
进一步的，可视化成像的针灸治疗仪还包括用于针灸的针具及连接导线。
第三方面，本发明提供一种针灸可视化成像系统，所述成像系统由如下方法获得：
S1.针灸医师对受试者进行针灸操作，完成针灸操作后，受试者将扎针的肢体或部位置于耦合介质装置内保持不动，进行断层扫描；
S2.调制好扫描技术参数后进行探测仪自动扫描并存储所扫描的影像；
S3.将上述断层扫描后得到原始图像数据，在系统内进行重建，得到受试者针刺穴位体内毫针及周围软组织结构的断层影像；
S4.使用Amira软件重建出肢体和针具的透视三维模型。
进一步的，所述扫描区域固定装置是指可以盛装耦合剂的容器。
进一步的，所述容器是可以实现传感器可对针灸的肢体或部位在容器中的扫描得任意材质和/或形状。
进一步的，所述传感器优选为全景环形探头，可实现实时的、全方位的、动态扫描。
进一步的，所述扫描技术参数的调试包括声速值、螺旋扫描层厚(1mm)、成像质量等级、电机移速。
其中声速值为1475m/s，螺旋扫描层厚为1mm，成像质量等级为4级，扫描时间为180±3s、电机移速为11mm/s。
进一步的，所述重建是分析断层影像的解剖结构时，采用三维成像技术，将扫描到的针与肢体组织结构数据进行重建，得到肢体和毫针的三维模型，实现对针灸的可视化。
第四方面，本发明提供一种针灸可视化系统在确定针灸穴位的“得气”状态的位置的用途。
进一步的，所述成像是指针刺穴位“得气”状态下包括针刺穴位周围的肌肉、筋膜、神经等结构关系的成像。
进一步的，所述成像还可包括进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置。
进一步的，所述用途是指指导行针的操作者可以通过可视化清晰的看到患者针刺穴位“得气”状态下，进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置，便于了解针灸穴位与体内神经脉络的关系。
进一步的，所述针灸穴位与体内神经脉络的关系包括针刺位置和/或进针角度和/或针刺穴位深度等在肌肉、筋膜、神经等结构的关系。
进一步的，当针刺穴位是手五里(LI 13)、曲池(LI 11)、手三里(LI 10)、下廉(LI8)穴位(手阳明大肠经)时，通过针灸可视化系统，指导其针刺到达的位置可以优选桡神经主干及分支周围。
进一步的，当针刺穴位是足三里(ST36)、上巨虚(ST37)、条口(ST38)、下巨虚(ST39)穴位(足阳明胃经)时，通过针灸可视化系统，指导其针刺到达的位置可以优选腓深神经主干及分支周围。
有益效果：
本发明在人体“得气”状态下获得针刺穴位的体内组织超声断层及三维重建结构，可清晰显示进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置等，提高了穴位定位的精确性，可有效地改善传统针灸穴位检测中的解剖参考点不清晰、定位精度较低等缺陷，实现经络穴位的可视化和针灸穴位的精确定位。同时为针灸穴位的标准化研究奠定了基础，为相关研究者提供一种有效可靠的客观可量化的穴位定位方法，有利于该针灸可视化和标准化技术的推广。
附图说明
图1为装置原理示意图
图2为针灸穴位示意图
图3为MRI、UT对人体右前臂软组织成像的精准度和分辨率比较示意图(a为MRI冠状面；b为UT冠状面；c，d为MRI横截面；e，f为UT横截面)。
图4为MRI、UT对针刺软组织成像效果比较示意图(a,b为MRI金属伪影，a为扎针的猪肉实物图；b为a所成的MRI图像，可见针具周围一圈黑色伪影，伪影有白色边缘；c,d为针灸猪蹄在UT中的成像，可以清晰辨别针在猪蹄中的位置，且无伪影干扰)。
图5为针灸穴位(手五里、曲池)影像可视化(包括MRI、二维超声、超声断层)解剖图谱(超声断层图中黄色圆圈标示为针尖到达位置及与周围组织结构关系)。
图6为针灸穴位(LI13、LI11、LI10、LI8)MRI、超声断层对照图；(a为人体右前臂针刺LI13、LI 11、LI10、LI8的UT冠状面；b为MRI冠状面(鱼肝油标记体表穴位)；c，d为UT横截面(体表黄色圆圈为针刺穴位处)；e，f为MRI横截面(鱼肝油标记体表穴位；LI13、LI11、LI10、LI8(手阳明大肠经)在UT、MRI断层成像解剖结构对应，MRI显示穴位仅能在体表定位(图b)，UT成像可显示皮下针尖走形及针尖位置(图a)，成像发现针刺点在桡神经(主干及分支)周围(图c，d中标示1为针尖位置周围为桡神经主干；标示2为针尖位置周围为桡神经分叉处；标示3为针尖位置周围为桡神经深支；标示4为针尖位置周围为桡神经深支)。层厚1mm断层图比较：UT(图d)成像分辨率较MRI(图e)良好，3mm断层图比较:MRI成像(图f)分辨率较UT(图d)好。
图7为针灸穴位(LI13、LI11、LI10、LI8)超声断层三维重建图(图a-f中1标示为尺神经，2标示为正中神经，3标示为桡神经)。
图8为针灸足阳明胃经部分穴位(ST36、ST37、ST38、ST39)超声断层及三维重建图(a为针刺下肢穴位在体表的定位；b为针灸下肢穴位“得气”在体状态；c为鱼肝油体表定位下肢穴位的MRI成像，d为UT成像三维重建结果；e为MRI在四个穴位处的横截面；f为UT在四个穴位处的横截面；g为UT三维重建图，显示针在各穴位处皮下针尖位置在腓深神经主干及分支周围，其中DPN为腓深神经，SPN为腓浅神经；e，f，g三组图像为纵向对比关系)。
具体实施方式
本发明技术在人体“得气”状态下获得针刺穴位的体内组织超声断层及三维重建结构，可清晰显示进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置等，实现针刺穴位在“得气”状态下的三维可视化，为中医针灸的诊疗提供科学可视化支持，从而实现准确针刺，提高针灸效果。
在一种实施方式中，本发明的超声断层成像针灸穴位可视化系统，包括超声断层成像装置、针灸针和基于PC的三维可视化图像集成处理平台。超声断层成像装置包括成像操作界面台，计算机控制系统，传感器及扫描区域固定装置，检测床。
在另一种实施方式中，超声断层成像装置包括成像操作界面台，计算机控制系统、探头、扫描区域固定装置，其扫描区域固定的装置可以任何形式、任何形状的容器，一切可用盛装耦合剂的容器都可以作为本发明的扫描区域固定装置。
在一种实施方式中，水作为耦合剂，水中声速与人体组织相近，并且对信号衰减较小，可以有效的将传感器发出的声信号传入组织中，其成像效果较好。
在一种实施方式中，本发明的成像装置传感器选择大孔径全景环形探头，采集肢体360°全散射信息，能以最小1mm的厚度断层扫描肢体，高分辨率显示肌肉、筋膜、神经等结构。相较于MRI由于针干扰了主磁场均匀性导致针具及其周围组织结构无法观察而言，超声断层成像对针显示清晰，可更好地追踪针刺穴位的局部组织解剖结构。此外，由于其采用了类似于CT和MRI的自动标准化扫描模式，可避免常规超声在移动探头时造成的人为操作误差和不确定性；图像重建后，医生可对图像进行放大、旋转、切割及透视化处理，从不同角度观察针刺穴位组织结构。
在一种实施方式中，是通过针灸可视化，在LI13、LI11、LI10、LI8(手阳明大肠经)的针刺穴位，进针位置可以选择在桡神经主干及分支周围。
在一种实施方式中，是通过针灸可视化，ST36、ST37、ST38、ST39(足阳明胃经)的针刺穴位，进针位置可以选择在腓深神经主干及分支周围。
在一种实施方式中，扫描参数的调试包括声速值、螺旋扫描层厚(1mm)、成像质量等级、电机移速。
其中声速值为1475m/s，螺旋扫描层厚为1mm，成像质量等级为4级，扫描时间为180±3s、电机移速为11mm/s。
声速值一般是1475m/s，代表水中声速值，水温越高声速越高，反之越低；声速值反映在图像上是图像的聚焦，只有合适的声速值才可以使图像聚焦，否则图像模糊。
螺旋扫描层厚指断层超声工作时采用类似X-CT的螺旋扫描方式时，每张图像对应的探头移动量，本发明为1mm。
成像质量等级是指成像时，断层超声系统有不同的工作模式，不同模式下有不同的清晰度和成像速度，并且二者成反比；成像质量等级分为七级，等级越高，成像时间越长，图像越清晰；反之成像时间越短，图像越模糊。最佳等级为3级，可以在满足成像清晰度的情况下最快速度扫描，扫描时间约90±5s。成像等级4为较高清晰度，但是扫描时间稍长，需要约180±3s。
电机移速指探头扫描时的速度，与层厚和成像速度有关，当成像质量等级为3时，电机移速约为22mm/s；成像质量等级为4时电机移速约为11mm/s。
实施例1针刺四肢穴位超声断层成像
本发明的超声断层成像针灸穴位可视化系统，包括超声断层成像装置、针灸针和基于PC的三维可视化图像集成处理平台。超声断层成像装置包括成像操作界面台，计算机控制系统，全景环形探头及扫描区域固定环形桶，检测床，水用作“柔性”耦合剂(见图1)。
针刺四肢穴位超声断层成像实验步骤：
1.针灸医师对受试者进行针灸操作，在保证所有需要针刺部位都完成针灸操作后，在受检者保持针具在体内“得气”状态下，将扎针的肢体置于装有水的环形桶中保持不动；
2.由超声医师操控容积超声断层成像系统，使用环形超声探头自动平移扫描针刺部位，通过预扫描图像质量评估后进行扫描参数的调试，所述扫描参数调试有：声速值，螺旋扫描层厚，电机移速，成像质量等级等。获得最佳扫描参数后正式进行断层扫描，环形超声探头自动平移扫描针刺部位肢体，获得针刺状态下的原始超声断层图像，并对原始超声图像进行人工标记追踪，标识出原始超声图像中的组织和生理结构以及毫针结构；
3.行断层扫描后得到原始数据，在系统内进行重建，得到受试着针刺穴位体内毫针及周围软组织结构的断层影像；
4.完成超声断层成像之后，由针灸医师拔出针灸针即可。
5.分析断层影像的解剖结构，采用三维成像技术，将扫描到的针与肢体组织结构数据进行重建，得到肢体和毫针的三维模型，实现对针灸的可视化。
6.图像重建后，医生可对图像进行放大、旋转、切割及透视化处理，从不同角度观察针刺穴位组织结构。
实验结果：
通过获取针灸四肢经络穴位的二维超声、MRI、UT及三维重建图，获得四肢部分经络穴位(a.手阳明大肠经-LI13、LI11、LI10、LI8等穴位；b.足阳明胃经-ST36、ST37、ST38、ST39等穴位)影像可视化(MRI、二维超声、超声断层)解剖图谱，图2展示部分经络的穴位示意图。
在人体“得气”状态下获得针刺穴位的体内组织超声断层及三维重建结构，可清晰显示进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置等。此外，由于其采用了类似于CT和MRI的自动标准化扫描模式，可避免常规超声在移动探头时造成的人为操作误差和不确定性；扫描时，探头与组织不直接接触，因而避免了因为接触而带来组织形变误差和接触针具的潜在危险性。图像重建后，图像可进行放大、旋转、切割及透视化处理，从不同角度观察针刺穴位组织结构，且可得到周围神经的清晰成像。
(1)MRI对人体右前臂软组织成像的精准度和分辨率好，UT对肌肉、神经成像效果良好(见图3)：MRI和UT的手臂成像结果对比，说明UT可以较为清晰地展示软组织结构和骨骼位置，对比可见UT成像清晰度较高。
(2)由于针具属于金属，干扰了主磁场的均匀性产生伪像，MRI无法显示针尖；而UT对软组织内针尖成像具有明显优势(见图4：a，b为MRI金属伪影，a为扎针的猪肉实物图；b为a所成的MRI图像，可见针具周围一圈黑色伪影，伪影有白色边缘；c，d为针灸猪蹄在UT中的成像，可以清晰辨别针在猪蹄中的位置，且无伪影干扰)。
(3)针灸穴位(手五里、曲池)影像可视化(包括MRI、二维超声、超声断层)解剖图谱(见图5：超声断层图中黄色圆圈标示为针尖到达位置及与周围组织结构关系)
(4)LI13、LI11、LI10、LI8(手阳明大肠经)在MRI、UT断层成像解剖结构对应，MRI显示穴位仅能在皮肤定位，UT成像可显示皮下针尖走形及针尖位置，成像发现针刺点在桡神经(主干及分支)周围(见图6：LI13、LI11、LI10、LI8(手阳明大肠经)在UT、MRI断层成像解剖结构对应，MRI显示穴位仅能在体表定位(图b)，UT成像可显示皮下针尖走形及针尖位置(图a)，成像发现针刺点在桡神经(主干及分支)周围(图c，d中标示1为针尖位置周围为桡神经主干；标示2为针尖位置周围为桡神经分叉处；标示3为针尖位置周围为桡神经深支；标示4为针尖位置周围为桡神经深支)。层厚1mm断层图比较：UT(图d)成像分辨率较MRI(图e)良好，3mm断层图比较MRI成像(图f)分辨率较UT(图d)好。a为人体右前臂针刺LI13、LI 11、LI10、LI8的UT冠状面；b为MRI冠状面(鱼肝油标记体表穴位)；c，d为UT横截面(体表黄色圆圈为针刺穴位处)；e，f为MRI横截面(鱼肝油标记体表穴位))。(5)UT三维重建发现针刺手阳明大肠经部分穴位，皮下针尖位置在桡神经主干及分支周围，显示针刺穴位可能与神经相关(见图7：图a-f中1标示为尺神经，2标示为正中神经，3标示为桡神经)。
(6)针刺足阳明胃经部分穴位的UT三维重建结果：足阳明胃经中的ST36、ST37、ST38、ST39在MRI、UT断层成像解剖结构对应，MRI显示穴位仅能在皮肤定位，UT可显示皮下针尖走形及针尖位置，UT及三维重建结果初步发现ST36、ST37、ST38、ST39皮下针刺点在腓深神经(主干及分支)周围，显示针刺穴位可能与腓深神经相关(见图8：a为针刺下肢穴位在体表的定位；b为针灸下肢穴位“得气”在体状态；c为鱼肝油体表定位下肢穴位的MRI成像，d为UT成像三维重建结果；e为MRI在四个穴位处的横截面；f为UT在四个穴位处的横截面；g为UT三维重建图，显示针在各穴位处皮下针尖位置在腓深神经主干及分支周围，其中DPN为腓深神经，SPN为腓浅神经；e，f，g三组图像为纵向对比关系)。

Claims (10)

1.一种针灸可视化成像系统，所述可视化成像系统包括成像模块、图像集成处理模块，所述成像模块包括但不限于成像操作界面台、计算机控制系统、超声换能器、传感器、扫描区域固定装置、检测台；所述图像集成处理模块是基于计算机控制系统和图像处理软件的组合。
2.如权利要求1所述针灸可视化成像系统，其特征在于，所述传感器优选全景环形探头，可实现实时的、全方位的、动态扫描。
3.如权利要求1所述针灸可视化成像系统，其特征在于，所述扫描区域固定装置是指可以盛装耦合剂的容器。
4.如权利要求1所述针灸可视化成像系统，其特征在于，所述针灸的可视化成像是基于针刺穴位“得气”状态下的成像。
5.一种含有权利要求1的可视化成像的针灸治疗仪，所述可视化成像的针灸治疗仪包括用于针灸的针具及连接导线。
6.一种针灸可视化成像系统，所述成像系统由如下方法获得：
S1.针灸医师对受试者进行针灸操作，完成针灸操作后，受试者将扎针的肢体置于耦合介质(脱气水)装置内保持不动，进行断层扫描；
S2.调制好扫描技术参数后进行探测仪自动扫描并存储所扫描的影像；
S3.将上述断层扫描后得到原始图像数据，在系统内进行重建，得到受试者针刺穴位体内毫针及周围软组织结构的断层影像；
S4.使用Amira软件重建出肢体和针具的透视三维模型。
7.如权利1-6所述的针灸可视化成像系统或可视化成像的针灸治疗仪在确定针灸穴位的“得气”状态的位置的用途。
8.如权利要求7所述针灸可视化成像系统或可视化成像的针灸治疗仪在确定针灸穴位的“得气”状态的位置的用途，其特征在于，所述用途是指导行针的操作者可以通过可视化清晰的看到患者针刺穴位“得气”状态下，进针角度、针刺穴位深度、针尖穿过体内组织的结构及三维位置，便于了解针灸穴位与体内神经脉络的关系。
9.如权利要求7所述针灸可视化成像系统或可视化成像的针灸治疗仪在确定针灸穴位的“得气”状态的位置的用途，其特征在于，所述用途为当针刺穴位是手五里、曲池、手三里、下廉穴位(手阳明大肠经)时，通过针灸可视化系统，指导其针刺到达的位置可以优选桡神经主干及分支周围。
10.如权利要求7所述针灸可视化成像系统或可视化成像的针灸治疗仪在确定针灸穴位的“得气”状态的位置的用途，其特征在于，所述用途为当针刺穴位是足三里、上巨虚、条口、下巨虚穴位(足阳明胃经)时，通过针灸可视化系统，指导其针刺到达的位置可以优选腓深神经主干及分支周围。
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