CN1307944C - 数字异物定位仪 - Google Patents

Abstract

一种对人体组织内异物探测、定位的数字异物定位仪，主要由高压发生器1、X射线管2、准直器3、影像增强器4、数字CCD5、计算机数字成像系统6、图像显示器7、机械支架8组成，高压发生器1通过电缆与X射线管2相连，准直器3位于X射线管2的后端，X射线管2通过机械支架8与影像增强器4相连，影像增强器4的后端安装有数字CCD5，数字成像模块装置控制数字CCD5进行采集信号并将信号输入到数字成像装置进行实时处理，处理后的信号输出到图像显示器7显示。本发明准确定位，整机小型机动，操作简便。

Description

数字异物定位仪

                        技术领域

本发明涉及一种医疗器械，尤其是一种对人体组织内部异物探测、定位的数字异物定位仪。

                        背景技术

以往国内外对异物的传统定位方法主要有：1、正侧位法：根据正位(即前后位或后前位)观察金属异物居于内侧或外侧，以及侧位观察金属居于腹侧或背侧的情况，判断异物的位置和深度，同时作皮肤标记以便手术摘除，一般需要采取透视与摄片相结合办法达到准确定位；2、插针法：多用于配合外科医师四肢软组织内的异物定位和摘除，先在透视下转动患者，找到异物距体表最近的一点，然后进行局部消毒及麻醉，再在透视下由此点将针插向异物，触及异物后，立即注入示踪剂，然后沿示踪剂方向将异物摘除，上述方法都须借助于X光片或在X线直接透视下对异物进行定位。其主要缺点为：①机动性较差，目前各医院装备的X光机体积较大，不仅机动性差，而且由于现场电源既难保证，也不稳定，因而难以摄制优质照片；②操作复杂，耗时费力：由于异物定位大多需要胶片作业，故须配备暗室。而医院除放射科以外的单位多无暗室，即使有也为临时构成，既暗化不良，也费时费水。若使用干板照片，虽可省略暗室，但曝光电压必须提高到10～15千伏，使机器损耗增大，而且操作过程不易流水化，因此不能完全取代胶片；③智能化程度低：由于现有异物定位大多采用普通X光机进行，因而不仅智能化程度低，分辨率也差，不易发现微小破片而造成漏诊误诊；④不能提供量化信息：传统定位方法对异物位置的判断大多是凭肉眼观察、主观判定，无法获得准确的量化数字信息。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种对生物体内金属或非金属异物进行快速、准确定位，操作简便，能克服现有定位方法机动性差、操作复杂、智能程度低、异物定位无法定量之缺陷的数字异物定位仪。

为了达到上述目的，本发明由高压发生器、X射线管、准直器、影像增强器、数字CCD、计算机数字成像系统、图像显示器、机械支架组成，其中计算机数字成像系统主要由计算机主机以及基于计算机主机的数字成像装置和数字成像模块装置组成，准直器位于X射线管的后端，X射线管通过机械支架与影像增强器相连，数字CCD也通过机械支架固定于影像增强器的后端，高压发生器通过电缆与X射线管相连，数字CCD通过电缆与计算机数字成像系统相连，计算机数字成像系统通过电缆与图像显示器相连，数字成像装置和数字成像模块装置均安装于计算机主机中，数字成像模块装置控制数字CCD进行采集信号并将信号输入到数字成像装置进行实时处理，处理后的信号输出到图像显示器显示。

所述的数字成像装置包括：

PCI图像传输机构，用于接受和传输输入的数字视频信号；

亮度信号处理机构，对输入的数字视频信号进行图像指数、γ校正，输出图像至视频数据总线VBUS；

递归滤波机构，对视频数据总线VBUS输出的X线图像进行实时去噪处理后输入到递归视频数据总线RBUS；

主机接口，采用ISA总线访问方式，连接视频数据总线VBUS、递归视频数据总线RBUS、主机总线ISABUS和传输总线PBUS；

数模转换机构，接受传输总线PBUS输出的信号；

所述的数字成像模块装置由硬件控制机构、流程操作机构以及系统软件模块机构构成，所述的系统软件模块包括：

用户交互控制，完成功能调用成像任务；

数据管理，流程调用、数据操作；

流程操作，功能调用，获取状态；

用户交互控制直接与流程操作机构传递信号或通过数据管理传递信号，流程操作机构通过硬件控制机构控制硬件设备；

所述的数字成像模块装置中的流程操作机构包括：

图像采集机构，对透视图像进行视频采集；

实时处理机构，对采集的图像进行实时增强和递归降噪处理；

异物定位机构，以标志物为基准进行几何标定，测量异物在三维空间的坐标并提供量化信息。

本发明中高压发生器产生数十千伏电压作用于X射线管使之发射X射线，经准直器以减少射线的散射，穿过被检物体的射线被影像增强器转变为可见光并对该信号进行放大增强，数字CCD首先将可见光信号转变为模拟电信号，然后把模拟电信号转变为数字图像信号传入计算机数字成像系统，数字成像装置对所采集的数字图像进行实时校正和递归降噪处理以达到清晰的显示效果，数字成像模块装置采用模块化设计，主要包括硬件控制、流程控制、数据管理和用户交互控制，硬件控制模块驱动所有与X线成像有关的硬件，其中又分为若干子模块，与硬件的功能划分基本一致。流程控制模块建立在硬件控制模块的基础之上，利用其提供的基本功能实现图像采集、存储、分析测量和回调等流程，数据管理模块的操作对象主要是病人数据，接受用户交互模块的命令，并使用流程控制模块来传送数据流。用户交互模块向用户报告系统状态和数据信息，同时将用户的要求转换成控制命令发送给数据管理控制模块和流程控制模块。

本发明的优点是：

1、与现有定位法所涉及的传统X线摄影相比，本机采用的数字成像技术具有如下优势：①传统X线成像以胶片作为介质，集图像采集、显示、存储和传递功能于一体，因此限制了其中某单一功能的改进。数字成像技术则将这些功能分解成不同的独立部分，从而可对每一功能进行单独优化。②传统X线成像方式对于X线能量的利用率不高。其量子检测效率仅为20～30％，而数字化成像系统可达60％以上，因此后者成像所需的辐射剂量可大幅度降低。③传统X线成像的动态范围远较数字化成像狭窄。前者仅在2个数量级呈线性变化，而后者则可在5个数量级中保持线性变化，因此数字化成像可以获得较高的密度分辨率及较大的曝射宽容度。④传统X线成像所得的图像不能进行成像后处理。若图像质量由于种种原因达不到诊断要求，因不能进行改善图像的处理而只能重复检查，数字化成像则可进行窗宽窗位调节、边缘增强、灰度变换等一系列后处理技术，大大增加了诊断信息；⑤具有实时成像、明室操作、分辨率高、定量分析的特点。

2、采用数字CCD进行光电耦合，实现检测信号的前端数字化，极大地减低图像信号传输过程中的损失和噪声。

3、实时递归滤波机构能对所采集的图像进行实时硬件自适应递归滤波处理，降低射线系统引入的噪声，大大提高成像效率和质量，无需软件后处理即可获得高清晰度的图像显示。

4、数字成像系统分析软件采用模块化设计，中文界面，操作简便。特别是能对异物的三维空间位置给出定量描述和图形化直观表达，计算异物的几何尺寸(直线长度、区域周长、区域面积等)。根据实际需要可选取某一区域进行特殊处理(如线性拉伸、分段显示、分段着色、伪彩处理等)。在完成诊断后将所有诊断图像以bmp或pg格式存储以备后期分析处理，并提供图文报告。

                        附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中数字成像装置的原理框图；

图3是本发明中数字成像模块装置中流程操作机构原理图；

图4是本发明中数字成像模块装置中系统软件模块原理图；

图5是本发明中数字CCD5的原理图；

图6是本发明中数字成像模块装置中流程操作机构流程图。

                      具体实施方式

见图1可知：本发明主要由高压发生器1、X射线管2、准直器3、影像增强器4、数字CCD5、计算机数字成像系统6、图像显示器7、机械支架8组成，其中高压发生器1通过电缆与X射线管2相连，准直器3位于X射线管2的后端，X射线管2通过机械支架8与影像增强器4相连，影像增强器4的后端安装有数字CCD5，数字CCD5通过电缆与计算机数字成像系统6相连，计算机数字成像系统6通过电缆与图像显示器7相连，计算机数字成像系统6由计算机主机以及基于计算机主机的数字成像装置和数字成像模块装置组成，其中数字成像模块装置控制数字CCD5进行采集信号并将信号输入到数字成像装置进行实时处理，处理后的信号输出到图像显示器7显示。在此结构中高压发生器1产生数十千伏电压作用于X射线管2使之发射X射线，经准直器3以减少射线的散射，穿过被检物体的射线被影像增强器4转变为可见光并对该信号进行放大增强，数字CCD5首先将可见光信号转变为模拟电信号，然后把模拟电信号转变为数字图像信号传入计算机数字成像系统6，数字成像装置对所采集的数字图像进行实时校正和递归降噪处理以达到清晰的显示效果，数字成像模块装置采用模块化设计，主要包括硬件控制、流程控制、数据管理和用户交互控制，硬件控制模块驱动所有与X线成像有关的硬件，其中又分为若干子模块，与硬件的功能划分基本一致。流程控制模块建立在硬件控制模块的基础之上，利用其提供的基本功能实现图像采集、存储、分析测量和回调等流程，数据管理模块的操作对象主要是病人数据，接受用户交互模块的命令，并使用流程控制模块来传送数据流。用户交互模块向用户报告系统状态和数据信息，同时将用户的要求转换成控制命令发送给数据管理控制模块和流程控制模块。

见图2可知：所述的数字成像装置包括：

PCI图像传输机构，用于接受和传输输入的数字视频信号；

亮度信号处理机构，对输入的数字视频信号进行图像指数、γ校正，输出图像至视频数据总线VBUS；

递归滤波机构，对视频数据总线VBUS输出的X线图像进行实时去噪处理后输入到递归视频数据总线RBUS；

主机接口，采用ISA总线访问方式，连接视频数据总线VBUS、递归视频数据总线RBUS、主机总线ISABUS和传输总线PBUS。

数模转换机构，接受传输总线PBUS输出的信号。

所述的数字成像装置还包括：

图像帧存，对亮度信号处理机构输入至视频数据总线VBUS的输出图像信号进行实时存储；

递归滤波帧存机构，对实时去噪处理后的X线图像进行实时存储；

主机接口帧存机构，对主机接口的图像信号实时存储；

图像存储器，对数模转换机构接受的信号进行实时存储，并与主机总线ISABUS之间传输信号。

其中在数模转换机构与图像存储器之间连接有图像控制器，在图像帧存与视频数据总线VBUS之间连接有帧存控制器。

本发明的数字CCD摄像机产生的连续实时X线图像数字视频信号通过PCI高速数字图像传输卡传至亮度信号处理机构，进行图像指数校正、γ校正后，输出8bits图像数据至视频总线VBUS；递归滤波器进行X线图像实时去噪处理；图像帧存为64Mbytes，支持实时图像存储；图像存储器用于在输出图像上叠加文字、符号注释和图形。主机接口采用ISA总线访问方式，通过连接视频数据总线VBUS、递归视频数据总线RBUS、主机总线ISA BUS和传输总线PBUS存储和回调图像数据。

见图3、图6可知：本发明中数字成像模块装置中的流程操作机构包括：

初始化机构，进行初始化；启动软件并进行初始化。

病员信息浏览机构，对不需要进行透视检查的，直接进入病员信息浏览；如不需进行透视检查，直接进入病员信息浏览；如需进行透视检查，则进入下一步骤。

透视机构，开始透视使图象采集系统处于等待状态；开始透视，图像采集系统处于等待状态；踩下定位仪脚闸，使高压发生器、X射线管和影像增强器处于工作状态。

图像采集机构，对透视图像进行视频采集；对影像增强器后端的光能量进行光电转换、视频采集(25帧/秒)和传输。

实时处理机构，对采集的图像进行实时增强和递归降噪处理；对采集的图像进行实时增强和递归降噪处理。

图像存储机构，保存透视后的图像；停止透视，保存末帧图像。

查看机构，对仅需透视观察的病员个人信息进行保存；如仅需进行透视观察，进入“查看”步骤，通过调节窗宽、窗位突出病灶细节，然后保存病员个人信息和透视图像；如需进行异物定位，进入“异物定位”步骤。

异物定位机构，以标志物为基准进行几何标定，测量异物在三维空间坐标并提供量化信息；进行异物定位，即以金属标志物为基准进行几何标定，测量异物的三维空间坐标并提供量化信息。

信息存储机构，保存病员的个人信息、透视图像以及异物的定位信息；保存病员的个人信息、透视图像以及异物的定位信息。

图文打印机构，打印病员报告；打印病员报告(图文信息)。病员信息浏览机构，对不需要进行透视检查的，直接进入病员信息浏览；

本发明中实时处理机构：在X线数字成像系统中，不可避免的存在各种噪声，如X射线系统、CCD摄像系统及A/D转换引入的噪声，导致输出的图像效果不佳，影响异物的识别与提取。本异物定位仪采用图像增强和自适应递归滤波来实现实时数字成像过程中系统噪声的有效消除，从而获取高清晰度、高信噪比的数字图像。

图像增强的目的是增加观察对象表现的对比度。其原理是基于通用线性滤波技术，如下式所示：

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{P}_i$

其中P_i＝一个n幅图像的序列，i＝图像的采集时刻，W_i＝P_i中每个像素的权系数，P＝处理的结果图像，经增强处理的图像噪声明显降低。

递归滤波算法的原理是利用相邻图像的相关性叠加平均去除高斯图像噪声。经滤波处理生成的图像实质上是当前图像及以前图像在时间上的积累，递归系数越大，递归深度越深，噪声的除去效果越好，但同时对图像运动的敏感程度也随之增加，其后果是造成运动目标的伪影，影响观察效果。本异物定位仪采用变系数递归的方法改进滤波效果，即先进行区域分割，计算运动区域的运动系数，再根据计算结果实施系数不同的递归滤波，运动区域越高，系数越小。本系统采用的自适应递归滤波算法如下：

g_n(x，y)＝f_n(x，y)+T(q(M(x，y(g_n-1(x，y)-f_n(x，y))))

其中g_n(x，y)，f_n(x，y)分别为递归处理后图像和当前输入图像，M(x，y)为运动检测模板，q(r)和T(r)分别为运动系数量化函数和运动量化系数到递归系数的映射函数。通常，M(x，y)为16×16到64×64大小的模板，q(r)产生6级左右的量化运动系数，T(r)最大值为0.75，最小值为0。递归滤波机构的设置包括递归系数、递归图像尺寸和递归图像消隐控制，其中递归图像尺寸和递归图像消隐由系统完全控制，而且系统有足够的高速存储器实现系统所能达到的任意尺寸的递归滤波，因而自适应递归滤波不需要主机设置系数，由硬件自主产生，其实时处理能力达50M像素/秒，可以完成水平1024像素垂直1249行的实时同步的递归滤波。

本发明中异物定位机构：异物在生物体内的三维空间定位需要确定异物相对于参照坐标系在XOY投影平面上距参照坐标轴OX的垂直距离l_x、距参照坐标系原点的直线距离l_xy以及在Z轴上的垂直投影距离l_Z。以水平、垂直方向长度均为10mm的十字状金属标志物作为几何标定基准和参照坐标系，置于伤口附近，检测伤病员体内异物时，先将待检部位以冠状面垂直于射线方向的体位置于X射线源与影像增强器之间，开机后将递归滤波参数置于自适应状态，调整十字状金属标志物使之与异物处于同一视场中，此时所采集的图像为异物在XOY平面的投影，然后将X射线源-影像增强器旋转90°，所采集的图像为异物在XOZ平面的投影。利用金属标志物的刻度进行几何定标后，从异物的几何中心分别向参照坐标系的X、Z轴引出两条垂直线段l_x、l_Z，向原点引出直线l_xy，软件自动计算出这三条线段的长度，由此获得异物在参照坐标系中的数量化三维定位信息。

本发明中图像采集机构由数字CCD组件完成，本发明采用高性能的大面阵科学级CCD芯片与多区域光纤面板耦合及全系统12Bit的数字化处理等技术和工艺，使该组件具有光电转换效率高、能量等级分辨率高、信噪比高、多路信号一致性好及高速实时等特点。该数字CCD组件采用独特的计算机供电设计，使其只需一根电缆与PCI高速数字传输卡相连即可工作，使用灵活、方便。

见图4可知：数字成像模块装置由硬件控制机构、流程操作机构以及系统软件模块机构构成，所述的系统软件模块包括：

用户交互控制，完成功能调用成像任务；

数据管理，流程调用、数据操作；

流程操作，功能调用，获取状态；

用户交互控制直接与流程操作机构传递信号或通过数据管理传递信号，流程操作机构通过硬件控制机构控制硬件设备。

本发明的系统软件模块一共分为四个层次：硬件控制、流程控制、数据管理和用户交互控制。硬件控制模块驱动所有与X线成像有关的硬件，其中又分为若干子模块，与硬件的功能划分基本一致。流程控制模块建立在硬件控制模块的基础之上，利用其提供的基本功能实现图像采集、存储、分析测量和回调等流程。数据管理模块的操作对象主要是病人数据，接受用户交互模块的命令，并使用流程控制模块来传送数据流。用户交互模块向用户报告系统状态和数据信息，同时将用户的要求转换成控制命令发送给数据管理控制模块和流程控制模块。

见图5可知：数字CCD5包括：

CCD芯片，将光能转换成与光能成正比的模拟电信号；

A/D机构，将模拟电信号转换成数字信号；

多路数字信号处理机构，将数字信号变换成适合传输的低电平差分数字信号；

LVDS接口，将低电平差分数字信号经电缆连接到PCI传输卡上；

时序控制机构，通过LVDS接口获取PCI传输卡的控制命令对A/D机构的工作状态参数进行控制；

逻辑驱动机构，从时序控制机构获取信号对CCD芯片进行驱动。

本发明中的数字CCD5是用光纤将各发光点的光能传到耦合有光纤面板的CCD，CCD将光能转换成与光能成正比的模拟电信号，经A/D变换成数字信号、再将数字信号变换成适合传输的低电平差分数字信号(LVDS，Low-voltage differential signaling)，经50芯型专用电缆连接到专门的PCI传输卡上。通过PCI传输卡，计算机系统软件将获得数字化的光能量信号并进行相应的数据处理，以还原出各路光能量信号的强度；同时，计算机系统软件也能对能量采集系统的工作状态参数进行控制(如：增益、曝光时间等)。系统工作于外触发状态时，其工作时序如图四所示：外触发脉冲的下降沿触发一帧CCD曝光信号输出，输出时间＝10ms，同时CCD处于曝光状态，该帧数据输出结束后，CCD处于等待状态，曝光继续进行，等待下一个触发脉冲的到来，以输出本次曝光所获信号。曝光时间除受外触发周期影响外，还受计算机控制，计算机控制CCD的清除时间，清除时间越短、曝光时间越长，当设置清除时间＝0，可得到最大的曝光时间。实际应用时，应优先加长曝光时间，其次才是加大放大倍数，以得到最大信噪比的信号输出。

本发明的工作原理是：高压发生器1产生数十千伏电压作用于X射线管2使之发射X射线，经准直器3以减少射线的散射，穿过被检物体的射线被影像增强器4转变为可见光并对该信号进行放大增强，数字CCD5首先将可见光信号转变为模拟电信号，然后把模拟电信号转变为数字图像信号传入计算机数字成像系统6，操作医生可根据数字成像模块装置流程对病员进行透视操作，在操作过程中数字成像装置对数字CCD5所采集的数字图像进行实时校正和递归降噪处理以达到清晰的显示效果，在显示异物的定位过程中，异物在生物体内的三维空间定位需要确定异物相对于参照坐标系在XOY投影平面上距参照坐标轴OX的垂直距离l_x、距参照坐标系原点的直线距离l_xy以及在Z轴上的垂直投影距离l_Z。以水平、垂直方向长度均为10mm的十字状金属标志物作为几何标定基准和参照坐标系，置于伤口附近，检测伤病员体内异物时，先将待检部位以冠状面垂直于射线方向的体位置于X射线源与影像增强器之间，开机后将递归滤波参数置于自适应状态，调整十字状金属标志物使之与异物处于同一视场中，此时所采集的图像为异物在XOY平面的投影，然后将X射线源-影像增强器旋转90°，所采集的图像为异物在XOZ平面的投影。利用金属标志物的刻度进行几何定标后，从异物的几何中心分别向参照坐标系的X、Z轴引出两条垂直线段l_x、l_Z，向原点引出直线l_xy，软件自动计算出这三条线段的长度，由此获得异物在参照坐标系中的数量化三维定位信息。

Claims (5)

1、一种数字异物定位仪，包括高压发生器(1)、X射线管(2)、准直器(3)、影像增强器(4)、图像显示器(7)、机械支架(8)，其特征在于：影像增强器(4)的后端安装有数字CCD(5)，数字CCD(5)通过电缆与计算机数字成像系统(6)相连，计算机数字成像系统(6)通过电缆与图像显示器(7)相连，计算机数字成像系统(6)由计算机主机以及基于计算机主机的数字成像装置和数字成像模块装置组成，其中数字成像模块装置控制数字CCD(5)进行采集信号并将信号输入到数字成像装置进行实时处理，处理后的信号输出到图像显示器(7)显示；

所述的数字成像装置包括：

PCI图像传输机构，用于接受和传输输入的数字视频信号；

亮度信号处理机构，对输入的数字视频信号进行图像指数、γ校正，输出图像至视频数据总线VBUS；

递归滤波机构，对视频数据总线VBUS输出的X线图像进行实时去噪处理后输入到递归视频数据总线RBUS；

主机接口，采用ISA总线访问方式，连接视频数据总线VBUS、递归视频数据总线RBUS、主机总线ISABUS和传输总线PBUS；

数模转换机构，接受传输总线PBUS输出的信号；

所述的数字成像模块装置由硬件控制机构、流程操作机构以及系统软件模块机构构成，所述的系统软件模块包括：

用户交互控制，完成功能调用成像任务；

数据管理，流程调用、数据操作；

流程操作，  功能调用，获取状态；

用户交互控制直接与流程操作机构传递信号或通过数据管理传递信号，流程操作机构通过硬件控制机构控制硬件设备；

所述的数字成像模块装置中的流程操作机构包括：

图像采集机构，对透视图像进行视频采集；

实时处理机构，对采集的图像进行实时增强和递归降噪处理；

异物定位机构，以标志物为基准进行几何标定，测量异物在三维空间的坐标并提供量化信息。

2、根据权利要求1所述的数字异物定位仪，其特征在于：所述的数字成像装置还包括：

图像帧存，对亮度信号处理机构输入至视频数据总线VBUS的输出图像信号进行实时存储；

递归滤波帧存机构，对实时去噪处理后的X线图像进行实时存储；

主机接口帧存机构，对主机接口的图像信号实时存储；

图像存储器，对数模转换机构接受的信号进行实时存储，并与主机总线ISABUS之间传输信号。

3、根据权利要求1所述的数字异物定位仪，其特征在于：在数模转换机构与图像存储器之间连接有图像控制器，在图像帧存与视频数据总线VBUS之间连接有帧存控制器；所述图像存储器和图像帧存在计算机主机内。

4、根据权利要求1所述的数字异物定位仪，其特征在于：所述的数字成像模块装置中的流程操作机构还包括：

初始化机构，进行初始化；

透视机构，开始透视使图像采集系统处于等待状态；

图像存储机构，保存透视后的图像；

查看机构，对仅需透视观察的病员的透视图像通过调节窗宽、窗位查看病灶细节，并保存病员个人信息；

信息存储机构，保存病员的个人信息、透视图像以及异物的定位信息；

图文打印机构，打印病员报告；

病员信息浏览机构，对不需要进行透视检查的，直接进入病员信息浏览。

5、根据权利要求1所述的数字异物定位仪，其特征在于：数字CCD(5)包括：

CCD芯片，将光能转换成与光能成正比的模拟电信号；

A/D机构，将模拟电信号转换成数字信号；

多路数字信号处理机构，将数字信号变换成适合传输的低电平差分数字信号；

LVDS接口，将低电平差分数字信号经电缆连接到PCI传输卡上；

时序控制机构，通过LVDS接口获取PCI传输卡的控制命令对A/D机构的工作状态参数进行控制；

逻辑驱动机构，从时序控制机构获取信号对CCD芯片进行驱动。

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