CN1413560A - B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置 - Google Patents

B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置。本发明应用计算机图像处理技术直接对B超诊断图像进行分析处理，采用压力传感器可使B超探头自动进退以预设压力跟踪病人皮肤表面，通过位移传感器检测位置偏差，计算机运算后自动控制电动位移装置运行，准确控制治疗装置的焦点与病人体内结石重合。定位过程只需操控鼠标点击几下；免去人为在B超上读取数据、在计算机上输入数据的人机交互过程；缩短定位时间提高就诊效率，减轻医务人员的劳动强度。本发明应用于通过B超可以观察到的人体内结石、肿瘤等多种疾病的诊断定位。

Description

B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置
技术领域
本发明涉及体外碎石机的定位方法及装置。
背景技术
目前临床应用中，采用B超定位体外碎石机对结石定位大部分靠医务人员观察B超扫描病人体内结石的图像、人为按动按钮操作电动位移装置以逐步逼近的方式完成对病人体内结石的定位操作后进行碎石治疗。B超定位体外碎石机由B超(B型超声诊断仪)、治疗装置、病床床面、能够在立体空间移动的电动或手动的位移装置等组成。B超由B超主机及B超探头构成；B超探头发射超声波并接收人体内组织反射回波经B超主机内部转换后成像于B超主机的显示器上供医务人员观察诊断。治疗装置的特点是能够重复将大功率脉冲能量聚焦于一个焦点上，该焦点对准体内结石即可进行碎石治疗。病床床面设置于治疗装置上方供结石病人躺卧接受治疗。B超探头锁紧于手动控制进退的机械装置上；该装置在确保B超探头所发射超声波束的中心轴线始终对准治疗装置的焦点的前提下与治疗装置刚性连接。手动控制进退的机械装置上标有刻度，可直接读出B超探头的探测表面在当前位置至治疗装置焦点间的距离。而治疗装置则被固定在三维自由度的位移装置上由人为控制做X、Y、Z坐标移动，以便在B超探头的探测下人为将治疗装置的焦点对准人体内结石即可进行体外碎石治疗。医务人员操作该设备时，首先操作控制进退的机械装置调整B超探头的探测表面与人体皮肤接触，然后通过位移装置人为调整X、Y、Z坐标位置，直至结石的清晰图像显示于B超主机的显示器画面的垂直中心线上，此时X坐标完成位置调整。而后操纵B超主机显示器画面中的光标与待粉碎结石的最佳粉碎点重叠并点击，读取B超主机输出的深度数据若与手动控制进退的机械装置上所显示刻度不一致则反复调整Y、Z坐标位置及B超探头进退位置，直至两读数一致，即焦点与结石粉碎点重合；此后即可进行碎石治疗。例如，1994年3月2日公告的公告号为CN2157746Y的实用新型专利所公开的一种利用B超定位进行结石破碎的“体外激波碎石机的B超定位机构”；其作用原理与以上叙述基本相仿。此类设备在对目标的定位过程中医务人员需观察B超图像，人为操作机械装置以逐步逼近的方式调整至B超深度读数与手动控制探头进退的机械装置上所显示刻度一致时，即焦点与结石粉碎点重合完成定位操作。定位操作过程烦琐费时且医务人员劳动强度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置。
本发明通过计算机对B超诊断病人体内结石产生的平面图像等数据进行数学分析，确定结石的立体坐标位置，并自动控制电动位移装置将治疗装置的焦点移动到与病人体内结石重合的位置后进行治疗。
本发明的B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置包括：
能重复将治疗用大功率脉冲能量聚焦于一个焦点的治疗装置，治疗装置安装于X、Y、Z三坐标可移动的电动位移装置上；用于诊断的B超，B超由B超主机与B超探头组成；治疗装置刚性连接圆弧形导轨，圆弧形导轨的圆弧圆心与治疗装置的焦点重合。电动弧线位移装置可沿圆弧形导轨做弧线摆动。B超探头电动进退装置有固定端与进退端两个安装位置，固定端安装于电动弧线位移装置上，安装需确保与进退端相连接的B超探头所发射超声波束的中心轴线始终对准治疗装置的焦点。供病人接受治疗的病床床面设置于治疗装置上方，静止不动。
一台含有专用软件的计算机，由多个位置传感器组成的位置测量系统，一个将多个传感器的输出信号转换为数字信号后输入计算机的转换单元，一个可编程控制器，一个将B超主机输出的诊断图像传送至计算机的图像采集卡和一个专用键盘。所述的计算机运行专用软件执行以下定位方法：采用在计算机显示器屏幕上直接显示分析B超图像的方法，将该图像中结石的粉碎点的显示位置的图像像素数据转换为几何长度数据，对该图像中结石的粉碎点的显示位置与该图像垂直中心线的水平距离进行计算即可求得治疗装置的焦点与结石的粉碎点在X坐标的距离，继而控制X坐标电动位移装置按计算值进行X坐标位置移动。而分析该图像也可求得B超探头表面至结石的粉碎点的深度数据，将此数据与测量B超探头进退位置的传感器输出的长度数据和测量B超探头摆动角度的传感器输出的角度数据及其它已知数据进行数学运算即可求得治疗装置的焦点与结石的粉碎点间Y、Z坐标的距离；而后控制相应电动位移装置按计算值进行Y、Z坐标位置移动，达到自动控制治疗装置的焦点与人体内结石的粉碎点重合即定位的目的。由于在B超探头电动进退装置与B超探头间安装有力敏传感器，系统可根据该传感器的反馈信息控制B超探头进退装置带动B超探头自动进退，以预先设定的压力紧贴于病人皮肤表面。由此可防碰伤病人并利于B超持续输出诊断图像。上述定位操作可重复进行，做为定位准确否的一种校验手段。
本发明的有益效果是：发明中充分应用了计算机控制等先进技术，从而使它与已有技术相比使用方便，定位准确。直接对计算机显示的诊断图像进行分析处理，免去人为在B超上读取数据及在计算机上输入数据的人机交互过程。只需操控计算机鼠标点击几下，系统即可自动完成立体定位动作。诊断过程快捷方便，缩短定位时间提高就诊效率，减轻医务人员的劳动强度，缩短病人就诊时间。本发明适用于通过B超可以观察到的人体内的结石、肿瘤等多种疾病的诊断定位。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细具体的描述。
图1是本发明所采用的基本结构主视图；
图2是本发明所采用的基本结构侧视图；
图3是显示于计算机显示器的B超诊断图像示意图；
图4是将图2简化后的YOZ平面定位原理的示意图；
图5是计算机控制系统示意图；
图6是计算机软件流程图。
图中1.病床床面，2.Z坐标位移传感器，3.Z坐标电动位移装置，4.X坐标电动位移装置，5.X坐标位移传感器，6.结石，7.B超探头，8.力敏传感器，9.专用键盘，10.B超探头电动进退装置，11.B超探头进退位置传感器，12.Y坐标电动位移装置，13.Y坐标位移传感器，14.治疗装置，15.圆弧形导轨，16.电动弧线位移装置，17.弧线位移传感器，18.计算机，19.显示器，20.B超主机，21.图像采集卡，22.转换单元，23.可编程控制器。
具体实施方式
以下参照图1、图2和图5说明本发明的B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置。
能重复将治疗用大功率脉冲能量聚焦于焦点O的治疗装置14。一台用于诊断的B超，B超由B超主机20和B超探头7组成。治疗装置14在YOZ平面刚性连接圆弧形导轨15，连接需确保圆弧形导轨15的圆弧圆心与治疗装置14的焦点O重合。电动弧线位移装置16可沿圆弧形导轨15做弧线摆动。B超探头电动进退装置10具有进退端与固定端两个连接位置，进退端锁紧B超探头7，固定端安装在电动弧线位移装置16上，安装需确保B超探头7所发射超声波束的中心轴线始终对准焦点O。治疗装置14安装于立体位移装置上：驱动X坐标位移的X坐标电动位移装置4，驱动Y坐标位移的Y坐标电动位移装置12，驱动Z坐标位移的Z坐标电动位移装置3。病床床面1设置于治疗装置14上方，静止不动利于病人躺卧接受诊断治疗。
一个含专用软件的计算机18，用于显示图像和数据的显示器19；由用于X、Y、Z坐标测量治疗装置(14)的焦点O位置的X、Y、Z坐标位移传感器5、13、2，用于测量B超探头7摆动角度的弧线位移传感器17，用于测量B超探头7进退位置的B超探头进退位置传感器11组成的位置测量系统；用以检测B超探头7与人体皮肤间的压力的力敏传感器8；将传感器输出的电量信号转换为标准的数字信号输入计算机的转换单元22；对传输信息进行逻辑控制的可编程控制器23；将B超主机20输出的诊断图像传送至计算机18的图像采集卡21；用于人为发送指令及手动控制位移的专用键盘9。计算机18按预先输入的程序计算出治疗装置14的焦点O与结石6的粉碎点间的位置差，控制可编程控制器23驱动相应的电动位移装置，位移后使治疗装置14的焦点O与结石6的粉碎点重合。上述位移开始前B超探头电动进退装置10进入自动跟踪状态，可带动B超探头7自动进退，以预先设定的压力始终紧贴于病人皮肤表面，以利B超主机持续显示诊断图像。
以下就本发明进行详细阐述。医务人员操作专用键盘9调控X、Y、Z坐标电动位移装置4、12、3将治疗装置14的焦点O移至躺卧于病床床面1上的病人患结石区域，结合操作专用键盘9将B超探头电动进退装置10置于手动状态调控B超探头电动进退装置10、电动弧线位移装置16直至在B超主机20及显示器19上观察到清晰的待粉碎结石6的图像：该图像为超声波碰到结石6的较强反射波。图3是显示器19显示的B超诊断图像示意图，医务人员直接分析该图像并确定待粉碎结石6的最佳粉碎点。图中所示BD线段为该图像垂直中心线，含B点的圆弧为B超探头7的超声波发射接收端的外表面在该图像中的成像。A点为医务人员分析该图像后，确定的对结石6的最佳粉碎点，操作计算机18的鼠标点击A点。假设由粉碎点A做水平线相交于该图像垂直中心线BD的D点形成线段AD。由于安装时令B超探头7的超声波扇形扫描阵例呈水平放置，故线段AD就是焦点O与粉碎点A间在该图像中X坐标的距离，线段BD则为B超探头7接触病人皮肤表面至粉碎点A间在该图像中的深度距离。在这里要说明的是计算机显示器显示的图像均以横向的列坐标及纵向的行坐标构成的像素点组成，列与行像素点间均以固定间距排列。图像中同一坐标中任意两像素点间的像素点数加一乘相邻两像素点的平均间距就是这两个像素点间的尺寸。所以计算机18可测量所显示图像上任一像素点的坐标位置也可计算任意两像素点间距离；再乘以实际尺寸与图像尺寸间的比例因数即是实际尺寸；计算机18进行以下运算：
AD＝m1×(a+1)×n1
BD＝m2×(b+1)×n2式中，m1为列像素点的平均间距，
a为A点与D点间的列像素点数，
n1为横向实际尺寸与相应图像列尺寸间的比例因数，
m2为行像素点的平均间距，
b为B点与D点间的行像素点数，
n2为纵向实际尺寸与相应图像行尺寸间的比例因数。
计算机18通过可编程控制器23令X坐标电动位移装置4带动治疗装置14依AD线段的实际尺寸做位移后，结石6的最佳粉碎点在图3中，由点A移到点D，完成了对结石6在X坐标的定位。
完成对X坐标定位后，立体定位问题就转化为对YOZ平面的定位了。见图4：结石6的最佳粉碎点在点D，需要将治疗装置14的焦点O移至点D。线段CO机械设计时已确定，为已知；线段BD为B超探头(7)所接触病人皮肤表面到病人体内结石(6)的粉碎点D间的深度，已计算求得；线段CB由B超探头7、力敏传感器8的固定长度加B超探头电动进退装置10的当前长度确定，可通过对B超探头进退位置传感器11输出信号换算求得；∠α由弧线位移传感器17输出信号换算求得；计算条件已满足，计算机18进行以下运算：
DO＝CO-CB-BD
DDy＝DO×cos∠α
DDz＝DO×sin∠α
计算机18通过可编程控制器23令Y坐标电动位移装置12按线段DDy长度进行位移，令Z坐标电动位移装置3按线段DDz长度进行位移后，治疗装置14的焦点O移至D点，即焦点O与结石6的粉碎点重合完成定位操作。以上全部计算结果可同时显示于显示器19的屏幕上供医务人员阅读。
X、Y、Z坐标自动位移前B超探头电动进退装置10进入自动跟踪状态，可带动B超探头7自动进退，以预先设定的压力紧贴于病人皮肤表面。由于B超探头电动进退装置10与B超探头7间安装有力敏传感器8，用以检测B超探头7与人体皮肤间的压力。通过软硬件手段预设该压力范围。计算机18通过转换单元22将力敏传感器8的反馈信息与预设压力范围进行比较：反馈信息若超出预设压力范围则通过可编程控制器23控制B超探头电动进退装置10动作，达到预设压力范围内B超探头电动进退装置10停止动作，反馈信息若大于预设压力范围的上限，计算机18将令可编程控制器23同时强迫X、Y、Z坐标电动位移装置4、12、3处于暂停状态。由此B超探头7与病人皮肤表面的压力保持在预设范围内，有利于B超主机20及显示器19持续显示诊断图像。
完成定位操作后，仍可重复上述定位过程；若此时X、Y、Z坐标电动位移装置4、12、3均无动作，则证明定位准确通过校验。当然可在B超探头电动进退装置10上安装一刻度标尺，用以指示B超探头7的超声波发射接收端外表面至焦点O即线段BO的长度尺寸，若该尺寸与显示器19显示线段BD尺寸一致，也可证明定位准确通过校验。
按照上述定位方法确定了计算机18的专用软件，其流程如图6所示。
参见图6，运行该软件执行初始化步骤S01，将传感器2、5、8、11、13和17输出信号转换为长度数据显示于显示器19屏幕上，将B超探头电动进退装置10置于手动状态。步骤S02由医务人员通过B超找到结石6后操作计算机18的鼠标点击显示器19屏幕中结石6的图像中的最佳粉碎点A，计算机获取点A坐标位置。步骤S03将B超探头电动进退装置10置于自动跟踪状态，将力敏传感器8的反馈信息与预设压力范围进行比较，同时检测B超探头进退位置传感器11的位移信号。步骤S04根据预设公式计算图3中点A至点D间的距离。步骤05根据AD计算长度输出X坐标位移信号至可编程控制器23，驱动X坐标电动位移装置4带动治疗装置14移动，同时检测X坐标位移传感器5位移信号。步骤S06根据预设公式计算图4中焦点O至点D间Y、Z坐标的位移行程。步骤S07输出Y、Z坐标位移信号至可编程控制器23，驱动Y、Z坐标电动位移装置12、3带动治疗装置14移动，同时检测Y、Z坐标位移传感器13、2位移信号，最终将焦点O移至点D，两点重合完成定位。步骤S08分析定位结果如需进行校验则返回步骤S02，否则进入步骤S09结束本次定位操作。
实施本发明就硬件方面讲：目前国内现有大部分B超定位体外碎石机稍加改进，如增设位移、力敏传感器及计算机控制系统后即可采用本发明。位移传感器可选择电位器、直线电位器、光栅编码器、电涡流、超声波等多种类型；力敏传感器选用微压力型；转换单元需与上述传感器输出信号相匹配。图像采集卡分辨率采用640×480或更高。计算机选用市面流行的机型也可选用工控机以提高可靠性。根据本发明思路设计新机型将取得最佳效果。
就软件方面谈：整个自动定位过程中，定位方法与计算公式在本文中已经有明确具体的阐述；只需将上述定位方法、计算公式、位移传感器反馈信息按软件流程编入计算机运行程序中，编程语言不限。

Claims (5)

1.一种B超定位体外碎石机的自动立体定位方法及装置，它包括一个能重复将治疗用脉冲能量聚焦于一个焦点O的治疗装置(14)，治疗装置(14)安装于X、Y、Z三坐标可移动的电动位移装置(4)、(12)、(3)上，用于诊断的B超由B超主机(20)与B超探头(7)组成，治疗装置(14)在YOZ平面刚性连接圆弧形导轨(15)，连接需确保圆弧形导轨(15)的圆弧圆心与焦点O重合，电动弧线位移装置(16)可沿圆弧形导轨(15)做弧线摆动，B超探头电动进退装置(10)的进退端锁紧B超探头(7)，其固定端安装在电动弧线位移装置(16)上，安装需确保B超探头(7)所发射超声波束的中心轴线始终对准焦点O，供病人接受治疗的病床床面(1)设置于治疗装置(14)上方，其特征在于包括：一台含有专用软件的计算机(18)，用于显示图像和数据的显示器(19)，由多个位置传感器组成的位置测量系统，一个力敏传感器(8)，一个将多个传感器的输出信号转换为数字信号后输入计算机(18)的转换单元(22)，一个将传输信息进行逻辑控制的可编程控制器(23)，一个将B超主机(20)输出的诊断图像传送至计算机的图像采集卡(21)和一个专用键盘(9)；计算机(18)运行专用软件执行以下定位方法：采用在计算机显示器(19)屏幕上直接显示分析B超图像的方法，将计算机显示器(19)图像中结石(6)的粉碎点的显示位置的图像像素数据转换为几何长度数据，通过数学计算求得治疗装置(14)的焦点O与结石(6)的粉碎点在X坐标的距离及B超探头(7)表面至结石(6)的粉碎点间的深度数据，进而计算出治疗装置(14)的焦点O与结石(6)的粉碎点间Y、Z坐标的距离；而后控制相应电动位移装置按计算值进行X、Y、Z坐标自动位移，达到自动控制治疗装置(14)的焦点O与人体内结石(6)的粉碎点重合即定位的目的；X、Y、Z坐标自动位移前，B超探头电动进退装置(10)进入自动跟踪状态，可带动B超探头(7)自动进退，以预先设定的压力紧贴于病人皮肤表面。
2.按照权利要求1所述的方法及装置，其中所述的由多个位置传感器组成的位置测量系统包括一个在X坐标测量位移的X坐标位移传感器(5)，一个在Y坐标测量位移的Y坐标位移传感器(13)，一个在Z坐标测量位移的Z坐标位移传感器(2)，上述三个传感器用于测量治疗装置(14)的焦点O的位置；一个弧线位移传感器(17)用于测量B超探头(7)的摆动角度；一个用于测量B超探头(7)进退位置的B超探头进退位置传感器(11)。
3.按照权利要求1所述的方法及装置，其中所述的采用在计算机显示器(19)屏幕上直接显示分析B超图像的方法：将B超主机(20)输出的诊断图像通过图像采集卡(21)传送至计算机(18)后显示于显示器(19)上，医务人员直接对显示器(19)上的诊断图像进行分析后确定待粉碎结石(6)的粉碎点，计算机(18)按预先输入的计算公式对该图像数据进行数学运算。
4.按照权利要求1所述的方法及装置，其中所述的定位方法：医务人员操作专用键盘(9)调控相关电动位移装置直至在显示器(19)上观察到病人体内待粉碎结石(6)的清晰的图像，医务人员分析该图像后，确定待粉碎结石(6)的粉碎点A并操作计算机(18)的鼠标点击该粉碎点A；安装时令B超探头(7)的超声波扇形扫描阵例呈水平放置，假设由粉碎点A做水平线相交于该图像垂直中心线BD的D点形成线段AD，由于数字图像均以横向的列坐标及纵向的行坐标构成的像素点组成，所以AD间的图像列像素点数加一后乘相邻两列像素点的平均间距再乘以实际尺寸与图像尺寸间的比例因数就是焦点O与体内结石(6)的粉碎点A间在X坐标的实际距离；计算机(18)通过可编程控制器(23)令X坐标电动位移装置(4)带动治疗装置(14)依AD间的实际距离做位移后，结石(6)的最佳粉碎点由点A移到点D，完成了对结石(6)在X坐标的定位；含B点的圆弧为B超探头(7)的超声波发射接收端的外表面的成像，线段BD为B超探头(7)所接触病人皮肤表面至病人体内结石(6)的粉碎点D间的深度，BD间的图像行像素点数加一后乘相邻两行像素点的平均间距再乘以实际尺寸与图像尺寸间的比例因数就是深度BD的实际距离，线段CO为已知，线段CB由B超探头(7)与力敏传感器(8)的固定长度加B超探头电动进退装置(10)的当前长度确定，可通过对B超探头进退位置传感器(11)输出信号换算求得，∠α由弧线位移传感器(17)输出信号换算求得，线段CO减线段CB再减线段BD就是线段DO的实际尺寸，计算条件已满足，采用数学方法即可求得线段DDy、线段DDz的尺寸；计算机(18)通过可编程控制器(23)令Y坐标电动位移装置(12)按线段DDy长度进行位移，令Z坐标电动位移装置(3)按线段DDz长度进行位移后，治疗装置(14)的焦点O移至点D，即焦点O与结石(6)的粉碎点重合完成定位操作。
5.按照权利要求1所述的方法及装置，其中所述的B超探头电动进退装置(10)进入自动跟踪状态，可带动B超探头(7)自动进退，以预先设定的压力紧贴于病人皮肤表面：B超探头电动进退装置(10)与B超探头(7)中间安装有力敏传感器(8)，用以检测B超探头(7)与人体皮肤间的压力，通过软硬件手段预设该压力范围；计算机(18)通过转换单元(22)将力敏传感器(8)的反馈信息与预设压力范围进行比较，反馈信息若超出预设压力范围则通过可编程控制器(23)控制B超探头电动进退装置(10)动作，达到预设压力范围内B超探头电动进退装置(10)停止动作，反馈信息若大于预设压力范围上限，计算机(18)通过可编程控制器(23)同时强迫X、Y、Z坐标电动位移装置(4)、(12)、(3)处于暂停状态，使B超探头(7)与病人皮肤表面间压力保持在预设范围内。
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