超聲治療系統的控制系統及控制方法

2023-09-14 11:28:50 1

專利名稱：超聲治療系統的控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及超聲治療技術領域，尤其涉及一種超聲治療系統的控制系統及控制方法。
背景技術：
超聲治療技術是一種利用超聲作用於生物體病變組織的無創治療技術，目前已用於治療多種疾病。但是，這種技術存在技術要求高、學習難度大、使用不方便等問題。以下，以高強度聚焦超聲治療技術為例進行說明。高強度聚焦超聲治療技術是近年來逐漸發展起來一種無創治療腫瘤的技術，它利用聚焦超聲波，安全有效、無創地破壞腫瘤細胞，治癒病人。因為是無創治療，所以除了治療本身是無創的，還要求治療的監控也是無創的，也就是說，醫生不能用肉眼直接看到體內的腫瘤的情況，也不能直接看到治療後腫瘤被破壞的情況。現在的超聲治療一般是通過超聲成像設備(一般是B超成像機)所獲得的超聲圖像(一般是B超圖像)來作為治療時的監控圖像，要求醫生能夠根據超聲圖像來對超聲治療過程進行監控，例如，根據超聲圖像的即刻灰度變化進行療效判斷、根據超聲圖像判斷病人的治療區。因此，這種治療技術與傳統的開刀手術有很大的不同，因此，醫生需要較長時間來適應，而且，技術要求較高，學習難度也較大，因而，限制了這種技術的推廣和應用。目前能熟練應用的專家人才還很有限，需要較長的時間來培養。即使是有經驗的人，也需要時常回顧做過的手術，進行經驗總結和分析問題，從而提升自己的技術水平。此外，超聲成像設備的圖像質量一般比較差，尤其是超聲成像設備被集成到治療設備中後，在治療過程中圖像質量可能進一步降低，這是因為在超聲治療過程中，為保護B超探頭和防止B超探頭對超聲的阻檔，治療時B超探頭都是遠離病人皮膚的，這會造成B超探頭表面與人體皮膚之間有一段反射距離，這段反射距離將會導致超聲監控圖像出現重影等偽像。這種情況下的超聲圖像將會影響醫生對治療區和療效的判斷。此外，有時採用傳統的攝像機來記錄手術全過程，以用於醫生之間的交流學習、回顧和經驗總結，但存在需要另外增加設備和人手的問題，而且傳統的攝像機的攝像解析度往往不高，這對以圖像作為監控的無創治療來說影響很大，稍差的圖像對判斷治療區和治療的有效性存在很大的影響。此外，通過傳統的攝像機拍攝的圖像不能方便地進行數位化分析，而且需要人工維護拍攝的視頻文件和病人的對應關係，不但不方便，也可能出錯。也就是說，現有的超聲治療技術缺乏可提供量化分析的記錄與回放功能。在標題為「 Use of contrast agents to increase the effectiveness of highintensity focused ultrasound therapy」 的美國專利 US7686763B2 中提出了一種利用超聲造影來提高超聲治療效果的方法，但是，該方法只是提供了即刻的療效分析，缺乏量化分析，並且所提到超聲造影的圖像只是用於顯示，並沒有在治療設備上加以記錄，因此不能作為治療有效的證據，也不能用於以後的學習分析和經驗總結
發明內容
、
為了解決上述問題，本發明提供一種超聲治療設備的控制系統及控制方法，以實現超聲治療過程的數位化分析、錄製和回放，從而降低超聲治療的技術要求，便於醫生進行問題分析和經驗總結。為了實現以上目的，本發明提供一種超聲治療系統的控制方法，所述超聲治療系統包括用於獲得超聲圖像的超聲探頭、超聲成像機和圖像採集卡、用於控制治療頭和各種子系統的系統控制器、顯示器和圖形用戶接口，所述方法包括根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值；判斷所述面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。、優選地，按照以下步驟根據超聲圖像計算治療區的面積在顯示器上分別顯示當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像，並由操作者在這兩幅圖像中的任何一副圖像中手動勾畫治療區輪廓，然後，根據這兩幅圖像的坐標差值自動在另一幅圖像中勾畫出相應的治療區輪廓，或者，利用圖像分割算法分別識別出當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓；然後按照以下公式(I)計算治療區的面積A = pSum*pS*pS (I)其中，A為治療區的面積，pSum為治療區輪廓內的像素個數，PS為超聲圖像上每一個像素對應的空間尺寸大小，並且，按照以下公式(2)或(3)計算治療區的體積V = (A1+A2+.+An)*T (2)V = —(Al + An+ 4^ A2j +2^A2J+1)(3)
57=1y=i其中，V為治療區的體積，Ai為按照公式(I)計算的治療區以預定厚度劃分的各個層面的面積，其中，i = 1,2,3,... n，n為治療區以預定厚度劃分的層數，T為每個層面的厚度，或者，按照以下公式(4)計算治療區的體積V = 4/3*A* (ff+H) /2 = 2/3*A* (ff+H)(4)其中，V為治療區的體積，A為按照公式(I)計算的治療區的最大切面輪廓的面積，H和W分別為治療區輪廓的最大高度尺寸和最大寬度尺寸W = pSl*pS(5)H = pS2*pS(6)其中，pSl和pS2分別為治療區輪廓在水平方向和垂直方向上的最多像素個數，並且，將當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓內的所有像素的灰度平均差值作為所述灰度差值。優選地，所述方法還包括在整個或部分治療過程中以預定時間間隔循環執行以下步驟，直到錄製完成對圖像採集卡當前採集的超聲圖像進行壓縮，並將壓縮的超聲圖像、通過系統控制器獲得的治療頭和各子系統的狀態信息以及通過圖形用戶接口獲得的操作者的操作信息組合成一個信息幀保存到錄像文件中；和從錄製的錄像文件中讀出信息幀，並通過圖形用戶接口按照從信息幀中分離出的圖像信息、狀態信息和操作信息在顯示器上還原超聲圖像、治療頭和各子系統的狀態及操作者的操作。優選地，所述方法還包括根據兩個不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像或者特定時間錄製的錄像文件中的超聲圖像與圖像採集模塊當前採集的超聲圖像計算兩個不同時間的治療區的面積和/或體積；判斷所述面積和/或體積的變化是否大於預定值，如果是，則判斷治療後的療效很好，否則判斷治療效果不好。優選地，所述方法還包括利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行三維重建或者圖像融合。相應地，本發明提供一種超聲治療系統的控制系統，所述控制系統包括圖像採集模塊，其用於獲取由圖像採集卡採集的超聲圖像；和即刻療效評價模塊，其用於根據當前採 集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值；判斷所述面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。優選地，所述控制系統還包括過程錄製模塊，其用於在整個或部分治療過程中以預定時間間隔循環執行以下步驟，直到錄製完成對圖像採集模塊當前採集的超聲圖像進行壓縮，並將壓縮的超聲圖像、通過系統控制器獲得的治療頭和各子系統的狀態信息以及通過圖形用戶接口獲得的操作者的操作信息組合成一個信息幀保存到錄像文件中；和過程回放模塊，其用於從過程錄製模塊錄製的錄像文件中讀出信息幀，並通過圖形用戶接口按照從信息幀中分離出的圖像信息、狀態信息和操作信息在顯示器上還原超聲圖像、治療頭和各子系統的狀態及操作者的操作。優選地，所述控制系統還包括非即刻療效評價模塊，其用於根據兩個不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像或者特定時間錄製的錄像文件中的超聲圖像與圖像採集模塊當前採集的超聲圖像分別計算兩個不同時間的治療區的面積和/或體積；判斷所述面積和/或體積的變化是否大於預定值，如果是，則判斷治療後的療效很好，否則判斷治療效果不好。優選地，所述控制系統還包括三維重建模塊，其用於利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行三維重建，和/或圖像融合模塊，其用於利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行圖像融合。優選地，超聲成像機為造影B超聲機。通過以上技術方案，本發明可獲得以下技術效果(1)實現超聲治療的療效的量化分析；(2)通過將超聲治療系統狀態信息和操作者的操作信息與超聲圖像整合到一起進行記錄，不僅便於以後的學習分析和經驗總結，而且還可利用整合的這些信息實現三維重建和圖像融合，從而提高治療時的定位準確性，提高治療的安全性。以上這些技術效果均降低了超聲治療的技術要求和學習難度，有利於超聲治療技術的推廣和應用。


圖I是根據本發明的高強度聚焦超聲治療系統的結構圖；圖2是根據本發明的控制系統的結構圖；圖3是根據本發明的即刻療效評價方法的流程圖4是根據本發明的過程錄製方法的流程圖；圖5是根據本發明的過程回放方法的流程圖；圖6是根據本發明的手動勾畫不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像中的治療區輪廓的方法的流程圖；圖7是根據本發明的三維重建方法的流程圖；圖8是根據本發明的圖像融合方法的流程圖。
具體實施例方式以下，將參照附圖和實施例對本發明進行描述。在以下將描述的實施例中，以高 強度聚焦超聲治療系統進行說明，但是，應該理解，本發明並不限於高強度聚焦超聲治療系統，而是可同樣地應用於其它類型的超聲治療系統。(第一實施例)本實施例的技術構思在於，在治療過程中自動根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域(即，當前實際治療過的區域)的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值，並根據所計算的面積比值和/或體積比值以及灰度差值來判斷當前治療的療效，從而實現即刻療效的量化分析，為醫生提供即刻療效判斷的有效依據。圖I是根據本發明的高強度聚焦超聲治療系統的結構圖。如圖I所示，該高強度聚焦超聲治療系統包括超聲探頭2、超聲成像機3、治療頭4、多子系統5、系統控制器6、圖像採集卡7、控制系統8、⑶I (圖形用戶接口)9和顯示器10，其中，超聲探頭2、超聲成像機3、治療頭4、多子系統5、系統控制器6、圖像採集卡7、GUI (圖形用戶接口)9和顯示器10屬於現有的高強度聚焦超聲治療系統，本發明的改進之處在於增加了一個控制系統8。在現有的高強度聚焦超聲治療系統中，超聲探頭2安裝在治療頭4的上方，一起作用於病人I，並且超聲探頭2作為超聲成像機3的一部分與超聲成像機3直接連接，在超聲成像機3的控制下獲得病人的超聲圖像。圖像採集卡7通過VGA、DVI連接線或複合同軸視頻線與超聲成像機3連接，實時地將採集的超聲圖像發送到治療工作站(未顯示)。多子系統5至少包括用於對治療頭4的運動進行控制的運動控制子系統。由於超聲探頭2安裝在治療頭4的上方，所以通過控制治療頭4的運動，即可控制超聲探頭2的運動，從而獲得病人不同區域的超聲圖像。此外，根據應用需要，多子系統5還可包括能量控制子系統和水處理子系統等各種子系統。系統控制器6通過控制總線與多子系統5連接，對多子系統5中的各個子系統進行控制，並實時地將各個子系統5的狀態信息(包括空間位置信息和其它狀態信息)反饋給治療工作站。根據本發明的控制系統8則利用圖像採集卡7採集的超聲圖像和系統控制器6反饋的治療頭4和各子系統的狀態信息進行控制，它可以硬體(例如，單片機)或軟體的形式嵌入高強度聚焦超聲治療系統或治療工作站中，或者也可外掛於高強度聚焦超聲治療系統或治療工作站中。圖2是根據本發明的控制系統8的結構圖。如圖2中實線框所示，控制系統8包括圖像採集模塊801和即刻療效評價模塊802，其中，圖像採集模塊801用於通過圖像採集卡7採集超聲圖像；即刻療效評價模塊802用於根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域(即，當前實際治療過的區域)的面積比值(即，當前治療區中與治療前治療區相比像素的灰度發生變化的區域的面積與治療前治療區的面積的比值)和/或體積比值(即，當前治療區中與治療前治療區相比像素的灰度發生變化的區域的體積與治療前治療區的體積的比值)以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值；判斷所計算的面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。此時，⑶I 9用於將圖像採集模塊801採集的超聲圖像、通過系統控制器6獲得的治療頭4和各子系統的狀態信 息以及操作者的操作(即，治療頭4的移動)表達到顯示器10上，而且，也可通過⑶I 9獲得操作者的操作信息。這裡，由於超聲探頭2固定安裝在治療頭4的上方，並且由於超聲圖像由超聲探頭2生成，所以一般的B超機的圖像參考點就在超聲探頭2的上表面中心，所以可以以超聲探頭2的坐標位置作為超聲圖像的坐標位置，因此，可僅提供超聲探頭2的空間坐標位置，就可獲得治療頭4的空間坐標位置、超聲圖像的坐標位置和實現圖像坐標到空間坐標的轉換，所以所述狀態信息可包括超聲探頭2的空間坐標位置信息、治療頭4的工作狀態和所需要的各子系統的狀態信息等。圖3是由即刻療效評價模塊802執行的即刻療效評價方法的流程圖。如圖3所示，首先，在步驟S301中，在當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中找出治療區的輪廓。在具體實現時，可先在顯示器10上分別顯示通過圖像採集模塊801採集的當前超聲圖像和治療前採集的超聲圖像，並由操作者在這兩幅超聲圖像中的任何一副圖像中手動勾畫治療區輪廓，然後，根據這兩幅超聲圖像的坐標差值自動在另一幅圖像中勾畫出相應的治療區輪廓以用於比較，其中，如上所述，可以以超聲探頭2的坐標位置作為超聲圖像的坐標位置，因此，兩幅超聲圖像的坐標差值就可通過計算其各自相應的超聲探頭2的坐標位置之差而得到。此時，可以保證，在這兩幅超聲圖像中所勾畫出的治療區的輪廓的面積是相同的。或者，可利用圖像分割算法直接在當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中進行分割並識別出治療區輪廓，例如使用區域增長算法或者閾值分割進行圖像分割，再利用輪廓跟蹤算法得到治療區輪廓。這裡指出，在超聲圖像中勾畫或識別的治療區並不一定是病變區，在良性疾病治療時，治療區往往小於病變區，而在惡性疾病治療時，治療區可能會大於病變區。因此，還可在超聲圖像中勾畫或識別出病變區。由於以下計算面積比值和/或體積比值時僅需進行灰度變化比較，因此，只需要標出治療區的輪廓即可。接著，在步驟S302中，根據治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓計算治療前治療區的面積和/或體積，並根據當前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比像素的灰度發生變化的區域(即，當前實際治療過的區域)的面積和/或體積。對比計算的面積和體積，可以得出實際的治療範圍，例如，治療前的治療區的體積為200ml，而實際治療過的體積(即，當前治療區中灰度發生變化的區域的體積)為180ml，則在體積上，治療範圍=180/200*100%= 90%。然後，根據所計算的當前實際治療過的區域的面積和/或體積以及治療前治療區的面積和/或體積來計算所述面積比值和/或體積比值。接著，在步驟S303中，對當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓內的所有像素進行逐一對比，計算每個像素的灰度值的差值，然後將計算的差值累加再除以治療區輪廓內的像素個數，得到灰度平均差值作為前述用於判斷療效的灰度差值。或者，可分別計算當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓內的所有像素的平均灰度值，然後計算這兩個平均灰度值的差值作為前述用於判斷療效的灰度差值。最後，在步驟S304中，在顯示器10上顯示在步驟S302和S303中計算的面積比值和/或體積比值和灰度差值，並顯示根據這些結果得到的本次治療的評價結果，以供操作者作為療效判斷和治療成功與否的依據。具體來講，假設治療過的區域與治療前治療區的面積比值為Rarea、體積比值為Rvol、灰度差值為Dgray,根據醫生的經驗,如果局部Dgray>=5以上，就可以判定治療局部有效；如果Rarea >= 40%或者RVol >= 30%，則可判斷本次治療是有一定效果的；如果Rarea >= 90%或者RVo >= 80%，則可判斷本次治療是非常有效的；如果RVol < 30%，則可判定治療無效，需要繼續治療或者再次治療。這裡，應該理解，以上流程僅僅是示例性的，步驟S302和S303可同時並行執行，也可僅執行其中的一個步驟，或者在步驟S302中可僅計算面積或體積。
以下，將對根據超聲圖像計算治療區的面積和體積的方法進行說明。首先，可通過例如搜索法統計超聲圖像中治療區輪廓內的像素個數pSum、治療區輪廓在水平方向和垂直方向上的最多像素個數PS I和pS2。接著，按照以下公式(I)計算治療區的面積A = pSum*pS*pS (I)其中，A為治療區的面積，pS為圖像上每一個像素對應的空間尺寸大小，這個被稱為像素空間(pixel spacing)。因為B超圖像上都有一個標尺，通過這個標尺，可以計算出像素空間的值PS，如在IOmm長度上有40圖像點，則像素空間pS為10/40 = 0. 2。同樣，可計算出治療區輪廓的最大高度尺寸和最大寬度尺寸W = pSl*pS(2)H = pS2*pS(3)接著,計算體積。第一種體積計算方法是根據治療區的最大切面輪廓來近似計算。此時，只需要一個最大的輪廓即可，然後可以利用球的體積來近似計算。具體地講，球的體積為V =4/3*PI*R~3，其中，V為球的體積，PI為圓周率，R為球的半徑，而球的面積為S = PI*R~2，則V = 4/3*S*R。其中R可以取高度H和W的平均值，則最終的體積計算式如下V = 4/3*A* (ff+H) /2 = 2/3*A* (ff+H) (4)第二種體積計算方法是根據治療區的所有層面(按照預定厚度T劃分)的輪廓進行較為精確的計算。首先利用公式(I)計算出各個層面的治療區輪廓的面積Ai (i = 1,2,3，…，n)，因為每個層面都有一定厚度(即，T)，則計算體積的方法如下V = (A1+A2+.+An)*T (5)或者，可採用複合辛卜生法計算，結果會更準確一些，其計算公式如下
Tniln/2-1V = -(Al + An + 4^ A2j +2^ A2J+X)(6)
-3 j=\ j=\在利用第二種方法計算體積時，圖像的層面也可以利用治療計劃時以一定間距劃分的多層圖像，以這些圖像作為依據，計算出體積。通過以上體積計算，可得到實際治療體積，從而用於確定治療範圍和作為總體治療劑量的參考。這裡指出，在利用公式(I)計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積或體積以計算所述面積比值或體積比值時，pSum為當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化區域的像素的個數。(第二實施例)本實施例在第一實施例的基礎之上增加了手術過程的錄製與回放功能。在錄製功能中，不僅錄製超聲圖像，而且還將系統狀態信息(可通過系統控制器6反饋得到，包括超聲探頭2的空間坐標位置、治療頭4的工作狀態和各子系統的狀態信息)和操作者的操作信息(如上所述，可通過⑶I 9獲得)與超聲圖像整合到一起，形成錄像文件進行保存。在回放功能中，根據錄像文件中所包含的圖像信息、狀態信息和操作信息進行還原。通過這種錄製與回放功能，在回放時不僅可還原先前記錄的重要過程的監控圖像，而且還可與圖像一起還原當時相應的系統狀態信息和操作信息，這樣不僅便於對比分析，而且還可用於以、後醫生之間的互相學習、經驗總結與提高。為了實現以上目的，如圖2所示，根據本發明的控制系統8還包括過程錄製模塊803和過程回放模塊804。以下，將分別對過程錄製模塊803和過程回放模塊804進行詳細描述。(一 )過程錄製模塊803過程錄製模塊803用於在整個或部分治療過程中以預定時間間隔循環執行以下步驟，直到錄製完成對圖像採集模塊801當前採集的超聲圖像進行壓縮，並將壓縮的超聲圖像、通過系統控制器6獲得的治療頭和各子系統的狀態信息以及通過GUI 9獲得的操作者的操作信息組合成一個信息幀保存到錄像文件中。也就是說，過程錄製模塊803不僅可錄製治療全過程(即，全程錄像)，而且還可錄製一部分重要過程(即，部分錄像)。全程錄像時，醫生完成病人準備、啟動治療工作站中的治療軟體、進入治療計劃後，即啟動過程錄製模塊803進行全程錄像，實時採集超聲圖像，並通過過程錄製模塊803將壓縮的超聲圖像與包括位置和其它狀態的系統狀態信息及醫生的操作記錄錄製到錄像文件中。部分錄像時，醫生根據需要，啟動過程錄製模塊803進行錄像，也可以在需要時停止錄像。部分錄像甚至可以根據某些特徵自動進行。例如，使用超聲都卜勒功能和彩超功能以及超聲造影功能時，顯示的圖像不全是黑白色的灰度圖像，而是部分變成彩色的圖像。在這種情況下，可通過自動檢測這些功能的圖像特徵，如果圖像特徵滿足要求時，立即開始自動錄像功能，如果圖像特徵不滿足，隨即停止錄像功能。檢測圖像是否為彩色的方法很簡單。根據彩色圖像原理可知，彩色由紅藍綠即RGB三原色形成，圖像中的任一點有三個分量RGB，每個分量的數值範圍在0到255之間，對於黑白灰度圖像上任一點來說，其三個分量是相等的，也就是R = G = B，而對彩色圖像，三個分量值就不會全部相等了，而會存在一定的差值。因此，可通過檢測圖像上的點的三個分量的差值是否大於一個特定值，如R-B > 16，就可判定圖像為彩色了。圖4是由過程錄製模塊803執行的過程錄製方法的流程圖。在錄製過程中，需要在磁碟中創建一個錄像文件，錄像文件的路徑放在當前病人的治療文件夾下，治療文件夾可在治療計劃時創建，一般以病人姓名和ID來創建。錄像文件名可以由醫生指定，也可以利用計算機的系統時間自動生成，為了不影響醫生的其它操作，一般採用後者自動生成錄像文件名，如「2010-9-20_10_23:15」。此外，還需要將圖像大小、色彩、圖像的編碼質量等初始信息寫入錄像文件的文件頭中。如圖4所示，首先，在步驟S401中，進行初始化設置，包括對圖像的大小、色彩、圖像的編碼質量等進行設定。然後，在步驟S402中，打開錄像文件，並將設定的圖像大小、色彩、圖像的編碼質量等初始信息作為文件頭寫入錄像文件中。
接著，在步驟S403中，利用圖像採集模塊801獲得採集的超聲圖像。因為大量的圖像會佔用很大的磁碟空間，一般都需要對原始圖像進行壓縮編碼，生成編碼後的圖像。因此，接著，在步驟S404中，對獲得的超聲圖像進行壓縮編碼。編碼的方法可以採用無損壓縮，如zip壓縮，也可以採用有損壓縮如按jpeg2000標準進行編碼，甚至也可以採用視頻編碼，如H. 264, mpeg2, mpeg4等編碼。無損壓縮編碼可以保證圖像質量不變，但壓縮率不高。有損壓縮圖像質量會受到影響，但壓縮率高一些。而視頻壓縮的圖像質量雖然也會受到影響，但由於具有前後圖像的相關性檢測算法，在同等質量下視頻壓縮比圖像的有損壓縮可以獲得更高的壓縮比。在對實時B超圖像進行處理時，建議採用視頻壓縮方式，如基於mpeg4的xvid壓縮，xvid是一個開源的編碼模塊,在保證圖像質量的情況下可以達到很高的壓縮比。接著，在步驟S405中，通過系統控制器6獲取系統狀態信息，這些信息包括超聲探頭2的坐標位置、治療頭4的工作狀態，甚至可包含水處理系統等子系統的一些信息。這些信息放在一個結構體中，其中的多個變量分別記錄這些信息。這個結構被用來形成一個信息包。接著，在步驟S406中，通過GUI 9獲得操作者的操作信息，操作者的各種操作被依次編號，如治療頭2的水平移動操作可以被編為操作1，而移動的位置被放在操作碼的後面，治療頭2的垂直移動操作可以被編為操作2，依次類推，可以對醫生的所有操作進行編號，形成操作碼，再附上操作的具體數據如移動的距離，封裝成一個操作包。接著，在步驟S407中，將壓縮編碼後的圖像、信息包、操作包組合成一個信息幀，並在步驟S408中將信息幀寫入磁碟錄像文件中保存。接著，由於錄製是一個不斷進行的過程，所以在記錄完成之前，錄製不停在採集圖像和信息寫入磁碟錄像文件之間循環，因此，在步驟S409中判斷錄製是否完成，錄製完成的標誌可以是醫生手動停止，也可以是整個治療結束時。如果錄製完成，則在步驟S410中關閉錄像文件，停止循環錄製過程，否則跳轉到步驟S403。另外，錄像時，信息幀之間是有時間間隔的，一般來說，每秒鐘16幀左右即可滿足要求，當然如果要求實時性高的話，可以達到24幀每秒以上，幀率提高的基本條件是計算機的性能要足夠好，具有多核處理器的計算機是必須的。( 二)過程回放模塊804過程回放模塊804用於從過程錄製模塊803錄製的錄像文件中讀出信息幀，並通過⑶I 9按照從信息幀中分離出的圖像信息、狀態信息和操作信息在顯示器10上還原超聲圖像、治療頭4和各子系統的狀態及操作者的操作。圖5是由過程回放模塊804執行的過程回放方法的流程圖。如圖5所示，首先，在步驟S501中，進行初始化設置，包括⑶I界面的初始化。然後，在步驟S502中，打開錄像文件，可以根據指定的病人，從病人文件夾下自動搜索出錄像文件，也可以由操作者指定錄像文件，打開錄像文件後，讀出文件頭，得到錄製時的一些信息，如圖像大小、色彩等。為防止文件是空的情況，在步驟S503中判斷是否已到達文件最後，如果到達最後，則在步驟S504中關閉錄像文件，停止回放。如果不是尾部，則在步驟S505中從打開的錄像文件中讀取一個信息幀。讀出信息幀後，在步驟S506中，從信息幀中分離出圖像信息、狀態信息和操作信息，再在步驟S507中對圖像信息進行解碼，解碼的算法應與編碼時的算法對應，例如，使用了 xvid進行編碼，則解碼時也應該使用xvid進行解碼，解碼後的圖像通過⑶I 9顯示到顯示器10的⑶I窗口上。接著，分別在步驟S508和S509中將狀態信息和操作信息解析出來，通過⑶I 9顯 示到顯示器10的⑶I窗口上。例如在顯示器10上的⑶I界面上的運動控制窗口中顯示狀態信息中的超聲探頭2和治療頭4的坐標位置，同時通過運動控制窗口上的水平運動控制項和垂直運動控制項來表現操作信息，例如，操作者水平移動了治療頭，則運動控制窗口上的水平運動控制項應該動作一下。回放也是一過程，其結束是受錄像文件控制的，如果已回放到了文件的最後，則回放就完成了。因此，跳轉到步驟S503，判斷是否已到達錄像文件的最後。回放的幀與幀之間與錄製時一樣，也是有時間間隔的，這個間隔可以與錄製時相同，也可以根據操作者的需要加快或減慢回放。(第三實施例)本實施例在第二實施例的基礎上增加了非即刻療效評價功能，S卩，利用錄製的錄像文件對非即刻的療效進行對比分析，以供醫生進行問題分析和經驗總結。為了實現這個目的，如圖2所示，根據本發明的控制系統8還包括非即刻療效評價模塊805，其與即刻療效評價模塊802的不同之處在於評價對象變為兩個不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像或者特定時間錄製的錄像文件中的超聲圖像與當前採集的超聲圖像，具體來講，根據兩個不同時間的超聲圖像計算這兩個不同時間的治療區的面積和/或體積；判斷所述面積和/或體積的變化是否大於預定值，如果是，則判斷治療後的療效很好，否則判斷治療效果不好。更具體來講，由最近期的圖像計算出的治療區的面積和/或體積與由較早的圖像計算出的治療區的面積和/或體積相比較，如果近期的數據比此前的數據明顯變小(面積減小8%以上或體積減小10%及以上)，則表明治療後的療效很好，如果出現明顯增大的情況(面積增加8%以上或體積增加10%及以上)，則表明治療後的療效很差，可能需要再次治療，如果數據變化不明顯，則可能需要繼續觀察以確定最終療效。圖6是根據本實施例的手動勾畫不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像中的治療區輪廓的方法的流程圖。如圖6所示，首先，在步驟S601中，操作者選定兩個錄像文件。然後，在步驟S602中，自動讀取其中一個文件(即，第一個文件)中的一個信息幀，或者也可由操作者選擇一個信息幀，然後從該信息幀中得到圖像信息和狀態信息，再對圖像信息進行解碼，並從狀態信息中提取出位置。然後，在步驟S603中，通過⑶I 9在顯示器10上的⑶I窗口的左側顯示第一個文件中的圖像(即，第一個圖像)和位置。
接著，在步驟S604中，讀取選定的錄像文件中的另一文件(即，第二個文件)中的信息幀，並進行搜索，找到信息幀中的超聲圖像的坐標位置(即，超聲探頭2的坐標位置)與第一個圖像的坐標位置位於同一平面內的幀，然後對這個幀的圖像進行解碼。接著，在步驟S605中在⑶I窗口的右側顯示第二個文件中的圖像(第二個圖像)和位置。最後，在步驟S606中，操作者通過滑鼠操作，在左側圖像(即，第一個圖像)或者右側圖像(即，第二個圖像)上勾畫出治療區輪廓，然後自動根據這兩個圖像的坐標差值，在另一側的圖像上勾畫出相應的治療區輪廓以用於比較。在將錄像文件中的超聲圖像與當前採集的超聲圖像進行對比的情況下，可首先通過圖像採集模塊801獲取當前圖像及其位置，並在⑶I窗口的左側或右側顯示當前圖像，然後執行步驟S604至步驟S605。在分別在不同時間的超聲圖像中找到不同時間的治療區之後，分別計算這兩個不同時間的治療區的面積和/或體積，由根據最近期的圖像計算出的治療區的面積和/或體積與根據較早的圖像計算出的治療區的面積和/或體積相比較，如果近期的數據比較，如果明顯縮小，則表明療效很好，如果明顯示增大，表明療效很差。因此，本實施例可用於跟蹤病人的長期治療效果。例如，在某個腫瘤病人在治療結束後半年後回訪檢查時，可根據其之前治療時錄製的錄像文件中的超聲圖像和現在採集的超聲圖像對比腫瘤的體積，如果治療有效的話，則可以發現治療半年後，已壞死的腫瘤的體積明顯比治療前小。(第四實施例)本實施例在第二實施例的基礎上增加了三維重建功能，以將錄像文件中記錄的不同位置的超聲圖像組合成一個三維圖像，從而便於醫生對治療區的空間位置有更加直觀的認識，加快定位過程。為了實現這個目的，如圖2所示，根據本發明的控制系統8還包括三維重建模塊806，其用於利用過程錄製模塊803錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行三維重建，通過重建的三維圖像，可更直觀地看到治療區(例如，腫瘤)的空間位置。圖7是由三維重建模塊806執行的三維重建方法的流程圖。如圖7所示，首先，在步驟S701中，選定一個錄像文件，然後在步驟S702中，在錄像文件中搜索出同一方向上的圖像層面的位置範圍，如沿Z軸方向搜索垂直於Z軸的所有平面的Z軸的範圍。接著，在步驟S703中，根據位置範圍創建三維圖像的空間數組，具體地，根據圖像大小確定X和Y方向的範圍，結合Z軸的範圍，確定一個三維空間範圍，構建一個三維空間數組，三維數組的內容用於記錄圖像的灰度值，數組的每一維的單位可以是_，也可以為像素，一般情況下，X和Y方向的單位是像素，Z方向可以是_，可以根據要求Z方向的單位可以取l_5mm。接著，在步驟S704中，在錄像文件中以指定Z方向的間距搜索出所有滿足條件的幀，根據幀中的位置，將幀裡的圖像解碼出來，然後將圖像的像素的灰度值寫入三維圖像的空間數組中的對應位置上。接著，在步驟S705中，根據填充了像素值的三維空間數組進行體重建。三維體素重建可以在三維空間中表達出組織或器官的內部信息。三維空間數組中的每個象素點都有一定的灰度級。可以利用顯示卡的openGL中三維紋理功能(GL_TEXTURE_3D)得到體重建、結果，也可以採用光線投射算法掃描，利用CPU或GPU的功能，實現三維體重建。最後，在步驟S706中，在三維交互界面中顯示體重建結果，同時附加顯示設備單元的三維重建，如治療頭、治療床等三維重建結果，形成一個三維場景。關於步驟S705和S706的內容，可參見申請號為200510004985.6的中國專利「超聲治療設備的控制系統」。(第五實施例)本實施例在第二實施例的基礎上增加了圖像融合功能，以提高治療時的定位準確性，提高治療的安全性。為了實現這個目的，如圖2所示，根據本發明的控制系統8還包括圖像融合模塊 807，其用於利用過程錄製模塊803錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行圖像融合。圖8是由圖像融合模塊807執行的圖像融合方法的流程圖。如圖8所示，首先，在步驟S801中，選定一個錄像文件。接著，在步驟S802中，通過圖像採集模塊801獲得當前採集的超聲圖像，並通過系統控制器6獲得當前的超聲圖像的坐標位置信息(也就是超聲探頭2的坐標位置)。接著，在步驟S803中，在選定的錄像文件中搜索，查找與當前圖像位置處於同一平面的幀，並從該幀中提取圖像和位置。接著，在步驟S804中，利用二維圖像融合技術進行圖像融合。這裡所說的二維圖像融合主要是通過基於剛性的幾何變換，如平移變換和旋轉變換，將多種不同的圖像，或不同時間段獲得的同種類圖像的位置進行配準，並綜合整理成一幅高質量的二維圖像。例如，把治療前獲得並保存的包含空間坐標位置信息的超聲圖像與當前實獲取的包含空間坐標位置信息的超聲圖像進行配準，最後把治療前的圖像中的質量高部分與實時圖像中的質量高的部分組合起來，去掉兩個圖像中質量差的部分，最後整理融合成一幅高質量的二維超聲圖像。最後，在步驟S805中，在⑶I窗口上顯示出圖像融合的結果，用於指導當前手術的進行。(第六實施例)本實施例與以上實施例的不同之處在於，採用的是具有造影功能的B超機，同時使用了造影劑，以用於輔助造影B超機的成像。關於超聲造影技術的詳細內容可參見由劉吉斌和王金銳主編的《超聲造影顯像》一書中的相關部分(科技技術文獻出版社，ISBN:9787502366254)。通過實驗發現，由於造影成像的特點，使得部分錄像的應用中的非即刻療效評價和圖像融合及三維重建的效果比使用普通B超圖像有顯著的提升。以上已參照附圖和實施例對本發明進行了詳細描述，但是，應該理解，本發明並不限於以上所公開的具體實施例，任何基於本說明書所公開的技術方案的變型都應包括在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種超聲治療系統的控制方法，所述超聲治療系統包括用於獲得超聲圖像的超聲探頭、超聲成像機和圖像採集卡、用於控制治療頭和各種子系統的系統控制器、顯示器和圖形用戶接口，所述方法包括 根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值； 判斷所述面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於， 按照以下步驟根據超聲圖像計算治療區的面積 在顯示器上分別顯示當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像，並由操作者在這 兩幅圖像中的任何一副圖像中手動勾畫治療區輪廓，然後，根據這兩幅圖像的坐標差值自動在另一幅圖像中勾畫出相應的治療區輪廓，或者，利用圖像分割算法分別識別出當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓；和按照以下公式(I)計算治療區的面積 A = pSum*pS*pS (I) 其中，A為治療區的面積,pSum為治療區輪廓內的像素個數，pS為超聲圖像上每一個像素對應的空間尺寸大小， 並且，按照以下公式(2)或(3)計算治療區的體積V= (A1+A2+.+An)*T (2)rTn/2 /2-1 V= 1(Al + An + 4j] A2j +2^A2j+l)(3 ) Jy=ii=\ 其中，V為治療區的體積，Ai為按照公式(I)計算的治療區以預定厚度劃分的各個層面的面積，其中，i = 1，2，3，. . . n，n為治療區以預定厚度劃分的層數，T為每個層面的厚度，或者，按照以下公式(4)計算治療區的體積V= 4/3*A* (ff+H)/2 = 2/3*A*(ff+H)(4) 其中，V為治療區的體積，A為按照公式(I)計算的治療區的最大切面輪廓的面積，H和W分別為治療區輪廓的最大高度尺寸和最大寬度尺寸 W = pSl*pS (5) H = pS2*pS (6) 其中，pSl和pS2分別為治療區輪廓在水平方向和垂直方向上的最多像素個數， 並且，將當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像中的治療區輪廓內的所有像素的灰度平均差值作為所述灰度差值， 在利用公式⑴計算所述面積比值和/或體積比值時，PSum為當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化區域的像素的個數。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，還包括 在整個或部分治療過程中以預定時間間隔循環執行以下步驟，直到錄製完成對圖像採集卡當前採集的超聲圖像進行壓縮，並將壓縮的超聲圖像、通過系統控制器獲得的治療頭和各子系統的狀態信息以及通過圖形用戶接口獲得的操作者的操作信息組合成一個信息幀保存到錄像文件中；和 從錄製的錄像文件中讀出信息幀，並通過圖形用戶接口按照從信息幀中分離出的圖像信息、狀態信息和操作信息在顯示器上還原超聲圖像、治療頭和各子系統的狀態及操作者的操作。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，還包括 根據兩個不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像或者特定時間錄製的錄像文件中的超聲圖像與圖像採集模塊當前採集的超聲圖像計算兩個不同時間的治療區的面積和/或體積；判斷所述面積和/或體積的變化是否大於預定值，如果是，則判斷治療後的療效很好，否則判斷治療效果不好。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，還包括 利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行三維重建或者圖像融合。
6.一種超聲治療系統的控制系統，所述超聲治療系統包括用於獲得超聲圖像的超聲探頭、超聲成像機和圖像採集卡、用於控制治療頭和各種子系統的系統控制器、顯示器和圖形用戶接口，所述控制系統包括 圖像採集模塊，其用於獲取由圖像採集卡採集的超聲圖像；和 即刻療效評價模塊，其用於根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值；判斷所述面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，還包括 過程錄製模塊，其用於在整個或部分治療過程中以預定時間間隔循環執行以下步驟，直到錄製完成對圖像採集模塊當前採集的超聲圖像進行壓縮，並將壓縮的超聲圖像、通過系統控制器獲得的治療頭和各子系統的狀態信息以及通過圖形用戶接口獲得的操作者的操作信息組合成一個信息幀保存到錄像文件中；和 過程回放模塊，其用於從過程錄製模塊錄製的錄像文件中讀出信息幀，並通過圖形用戶接口按照從信息幀中分離出的圖像信息、狀態信息和操作信息在顯示器上還原超聲圖像、治療頭和各子系統的狀態及操作者的操作。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，還包括 非即刻療效評價模塊，其用於根據兩個不同時間錄製的錄像文件中的超聲圖像或者特定時間錄製的錄像文件中的超聲圖像與圖像採集模塊當前採集的超聲圖像計算兩個不同時間的治療區的面積和/或體積；判斷所述面積和/或體積的變化是否大於預定值，如果是，則判斷治療後的療效很好，否則判斷治療效果不好。
9.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，還包括 三維重建模塊，其用於利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行三維重建， 和/或 圖像融合模塊，其用於利用錄製的錄像文件中所包含的圖像信息和狀態信息進行圖像融合。
10.根據權利要求6 9中的任何一個所述的系統，其特徵在於，超聲成像機為造影B超聲 機。
全文摘要
本發明提供一種超聲治療系統的控制方法，包括根據當前採集的超聲圖像和治療前採集的超聲圖像計算當前治療區中與治療前治療區相比灰度發生變化的區域的面積比值和/或體積比值以及當前治療區與治療前治療區之間的灰度差值；判斷所述面積比值和/或體積比值以及灰度差值是否大於預定值，如果是，則判斷當前治療有效，否則判斷當前治療無效。此外，還包括將系統狀態信息和醫生的操作信息與壓縮的超聲圖像整合到一起以生成錄像文件和根據錄像文件進行回放，同時進行非即刻的長期療效評價。相應地，提供一種控制系統。本發明可實現超聲治療的即刻療效和長期療效的量化分析，而且在回放時可將超聲圖像與其相應的系統狀態信息和操作信息一起還原。
文檔編號A61B8/08GK102728007SQ201110085349
公開日2012年10月17日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者文銀剛, 王智彪 申請人:重慶微海軟體開發有限公司