基于超聲波測量的殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法

專利名稱：基于超聲波測量的殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法
技術領域：
本發明涉及一種殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法，尤其涉及一種基于超聲波測量的殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法。
背景技術：
在醫療康復技術上，對于殘缺肢體，主要是通過安裝人工假體，部分恢復原有生理功能。假肢主要由接受腔、脛管、假體組成，接受腔是人工肢體與患者殘體的結合部分，其結構合理性直接影響患者使用假體的舒適度。制造接受腔首先要對殘肢取型，根據殘肢數據制造接受腔。傳統的殘肢取型采用石膏復型法，這種方法存在以下缺點①精度低，石膏復型勞動強度大；②石膏復型只對皮膚外輪廓取型，無法對內部骨骼取型，骨骼和軟組織的生物力學特性被忽略。
現在的殘肢輪廓測量技術還有接觸式(包括身體測量法、浸水法和圓周測量、口型圈測量法、陰型掃描法、陰型數字測量法)和非接觸式(包括電子掃描式、激光掃描式、測面影像測量等)等數字化采集技術，盡管這些數字化采集技術可以得到數字化的殘肢外形，但也無法對內部骨骼進行測量。
利用現代醫學影像技術如X射線投影技術、斷層掃描CT技術以及磁共振MRI等可以對內部組織進行測量。常用的掃描技術是CT和MRI，它在不破壞物體的前提下，根據投影，重建物體特定斷面上的無重疊二維圖像，但這種方法價格昂貴，還會對人體產生電離輻射。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用超聲波來測量殘肢骨骼及皮膚形成二維圖像進行特征提取的方法，解決了石膏復型法精度低、CT掃描等方法對人體有輻射的不足之處，可以同時對皮膚的殘肢外形和內部骨骼進行測量。
本發明所采用的技術方案是采用超聲波測量裝置、B超診斷儀、超聲影像工作站和圖形處理系統組成超聲波測量系統，超聲波測量裝置上的探頭與B超診斷儀連接，B超診斷儀通過數據線與超聲影像工作站和圖形處理系統連接，其特征在于該方法包括以下步驟a.圖像采集探頭圍繞殘體的旋轉中心以每0°＜α°≤90°的間隔做圓周運動，同時由超聲影像工作站對超聲測量圖進行采集、存儲，得到k＝360°/α幀B超圖像，然后探頭垂直下移，殘體的旋轉中心也隨之下移，探頭又圍繞新的旋轉中心以每0°＜α°≤90°的間隔做旋轉測量，獲得k＝360°/α幀B超圖像，以此類推，即得到被測殘體各水平面的多幀二維截面斷層圖像；b.圖像二維重建第一步先確定殘體的旋轉中心，通過測量標準圓柱件確定其圓心位置，如果圓心與探頭聚焦中心重合，則該圓心即是旋轉中心；第二步將k幀圖像按各自測量時的旋轉角α繞旋轉中心旋轉到新坐標系，根據坐標旋轉原理，其變換表達式為 上式中，(x，y)是原圖像坐標系的橫縱坐標點，(u，v)是旋轉后的圖像坐標系的橫縱坐標點，再把上式寫成矩陣形式為 其中
這里，Ra是旋轉變換矩陣，(x，y)是單幀圖像的坐標系，(u，v)是復合圖像的坐標系；第三步對旋轉到新位置的k幀圖像進行疊加，設單幀測量圖像為Ak，復合圖像為Bk+1，Bk+1=Σl=1k+1Alc=Σl=1k+1aij(l)c]]>其中aij(l)表示m×n矩陣Al，m＝768，n＝576，1≤i≤m，1≤j≤n，1≤l≤k+1；第四步對像素值取整，表示為Ck+1＝{Bk+1}，其中{x}表示超過x的最小整數；第五步去噪，閾值設為128， Ck+1表示對復合后的圖像像素取整和去噪后的圖像像素矩陣，cij表示經過復合，去噪后的的圖像像素在第i行，第j列上的灰度值；c.對圖像進行處理，提取骨骼和皮膚的邊緣特征用函數f(x，y)表示圖像中任意一點的灰度，則該點的灰度變化梯度為▿f(x,y)=∂f∂x∂f∂yT=GxGyT]]>是梯度算子，T表示轉置，Gx和Gy表示在x和y方向上的灰度值的變化程度，梯度是一個矢量，其幅值為|▿f|=[Gx2+Gy2]1/2]]>表示某點圖像的邊緣強度，滿足下面三個條件既可找到圖像的邊緣點1.以該點為中心的3×3鄰域中的邊緣強度極大值小于某閥值，2.該點的邊緣強度大于沿該點梯度方向的兩個相鄰像素點的邊緣強度，
3.這一點的相位值φ(x,y)=arctan(GyGx)]]>值小于45°，其中，圖像矩陣每個點f(x，y)，離散化成f(i，j)，記為fi，j，梯度Gx，Gy離散化為Gx＝[fi-1，j-1+2fi，j-1+fi+1，j-1]-[fi-1，j+1+2fi，j+1+fi-1，j+1]Gy＝[fi+1，j-1+2fi+1，j+fi+1，j+1]-[fi-1，j-1+2fi-1，j+fi-1，j+1]算子的模板為Gx=-101-202-101,Gy=121000-1-2-1]]>經過以上步驟就完成對圖像的骨骼和皮膚的特征提取。
本發明的有益效果是本發明利用超聲波成像原理，對殘肢的骨骼及皮膚進行超聲波測量，可以同時對皮膚外輪廓和內部骨骼進行測量，其中的圖像采集，既可獲得不同層面的圖像，而且在同一層面上可得到多角度的圖像，提高了測量的精確度，與同類技術相比，極大地降低了成本、減少了輻射，圖像的重建及骨骼和皮膚的特征提取為殘肢的三維CAD的建立奠定了基礎。


圖1是超聲測量系統的結構示意圖；圖2是圖像復合原理圖；圖3是內輪廓精度檢驗，其中圖3a是內圓柱復合圖像，圖3b是輪廓精度檢驗；圖4是外輪廓精度檢驗，其中圖4a是外輪廓復合圖像，圖4b是外輪廓精度檢驗；圖5是重建的豬腿中間部位的截面圖像，其中5a是一截面的圖像，5b是一截面的圖像，5c是一截面的圖像；圖6是圖像特征提取得到的骨骼與皮膚輪廓。
圖中，1.超聲波測量裝置，2.探頭，3.儲液桶，4.B超診斷儀，5.超聲影像工作站，6.圖形處理系統。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
參見圖1，采用超聲波測量裝置1、B超診斷儀4、超聲影像工作站5和圖形處理系統6組成超聲波測量系統，超聲波測量裝置1上的探頭2與B超診斷儀4連接，B超診斷儀4通過數據線與超聲影像工作站5和圖形處理系統6連接，其特征在于該方法包括以下步驟a.圖像采集探頭2圍繞殘體的旋轉中心以每0°＜α°≤90°的間隔做圓周運動，同時由超聲影像工作站5對超聲測量圖進行采集、存儲，得到k＝360°/α幀B超圖像，然后探頭2垂直下移，殘體的旋轉中心也隨之下移，探頭2又圍繞新的旋轉中心以每0°＜α°≤90°的間隔做旋轉測量，獲得k＝360°/α幀B超圖像，以此類推，即得到被測殘體各水平面的多幀二維截面斷層圖像，參見圖2；b.圖像二維重建第一步先確定殘體的旋轉中心，通過測量標準圓柱件確定其圓心位置，如果圓心與探頭聚焦中心重合，則該圓心即是旋轉中心；第二步將k幀圖像按各自測量時的旋轉角α繞旋轉中心旋轉到新坐標系，根據坐標旋轉原理，其變換表達式為
上式中，(x，y)是原圖像坐標系的橫縱坐標點，(u，v)是旋轉后的圖像坐標系的橫縱坐標點，再把上式寫成矩陣形式為 其中 這里，Ra是旋轉變換矩陣，(x，y)是單幀圖像的坐標系，(u，v)是復合圖像的坐標系；第三步對旋轉到新位置的k幀圖像進行疊加，設單幀測量圖像為Ak，復合圖像為Bk+1，Bk+1=Σl=1k+1Alc=Σl=1k+1aij(l)c]]>其中aij(l)表示m×n矩陣Al，m＝768，n＝576，1≤i≤m，1≤j≤n，1≤l≤k+1；第四步對像素值取整，表示為Ck+1＝{Bk+1}，其中{x}表示超過x的最小整數；第五步去噪，閾值設為128， Ck+1表示對復合后的圖像像素取整和去噪后的圖像像素矩陣，cij表示經過復合，去噪后的的圖像像素在第i行，第j列上的灰度值；c.對圖像進行處理，提取骨骼和皮膚的邊緣特征用函數f(x，y)表示圖像中任意一點的灰度，則該點的灰度變化梯度為▿f(x,y)=∂f∂x∂f∂yT=GxGyT]]>是梯度算子，T表示轉置，Gx和Gy表示在x和y方向上的灰度值的變化程度，梯度是一個矢量，其幅值為|▿f|=[Gx2+Gy2]1/2]]>表示某點圖像的邊緣強度，滿足下面三個條件既可找到圖像的邊緣點1.以該點為中心的3×3鄰域中的邊緣強度極大值小于某閥值，
2.該點的邊緣強度大于沿該點梯度方向的兩個相鄰像素點的邊緣強度，3.這一點的相位值φ(x,y)=arctan(GyGx)]]>值小于45°，其中，圖像矩陣每個點f(x，y)，離散化成f(i，j)，記為fi，j，梯度Gx，Gy離散化為Gx＝[fi-1，j-1+2fi，j-1+fi+1，j-1]-[fi-1，j+1+2fi，j+1+fi-1，j+1]Gy＝[fi+1，j-1+2fi+1，j+fi+1，j+1]-[fi-1，j-1+2fi-1，j+fi-1，j+1]算子的模板為Gx=-101-202-101,Gy=121000-1-2-1]]>經過以上步驟就完成對圖像的骨骼和皮膚的特征提取。
通過測量標準圓柱件來檢驗超聲波測量的精度和圖像特征提取的精度1)內輪廓精度分析用豬肉包埋一個直徑為30mm的氟乙烯圓柱棒，將其置于儲液桶3中，設定旋轉角度為9°對其做超聲波測量，采用上述圖像二維重建的方法對得到的k＝40幀圖像進行重建，圖3a所示是重建的內圓柱橫截面圖像，提取內圓柱輪廓，測得直徑大小為30.2mm。取旋轉中心為圓心，直徑為30作一標準圓，如圖3b所示，虛線是標準圓，實線是提取的內圓柱輪廓線，輪廓線與標準圓十分吻合。兩者的最大偏差在底部，最大偏差與尺寸誤差見表1。
2)外輪廓精度分析測量一個直徑為90mm聚胺脂圓柱件，采用上述圖像二維重建的方法對其圖像進行重建，結果如圖4a所示，對圖像進行輪廓提取，測量其輪廓直徑大小為89mm，取旋轉中心為圓心，直徑為90作一標準圓，如圖4b所示，虛線是標準圓，實線是提取的外圓柱輪廓線，輪廓線與標準圓十分吻合。兩者的最大偏差處在左下側，最大偏差與尺寸誤差見表1。
表1 內外輪廓精度分析結果

綜合1)、2)可得由超聲波測量及特征提取得到的圖像輪廓與實物輪廓的最大偏差距離δ＝±1.01mm，尺寸相對誤差ε＝1.1％，如表1所示。上述的誤差結果對殘肢的CAD三維重建并不影響，超聲波測量產生δ和ε是可接受的。
實施例1選用從活體剝離的新鮮豬前腿(平均半徑約240mm，高度約160mm)作為測量對象，方法如下a.圖像采集先將豬前腿浸沒在儲滿水的儲液桶3中，下端置于托盤上并用膠泥固定，標定旋轉中心，測量旋轉角設定為9°，探頭下移距離為5mm，在每一水平方向上，探頭以每9°的間隔逆時針繞著豬腿一周作旋轉測量，得到k＝360°/9°＝40幀圖像，像素大小是768×576，垂直方向上，探頭每次下移5mm，一共測24個水平面，這樣共可測得24×40幀圖像，參見圖5；
b.圖像二維重建第一步先確定殘體的旋轉中心，通過測量標準圓柱件確定其圓心位置，如果圓心與探頭聚焦中心重合，則該圓心即是旋轉中心；第二步將k幀圖像按各自測量時的旋轉角9°繞旋轉中心旋轉到新坐標系，根據坐標旋轉原理，其變換表達式為 上式中，(x，y)是原圖像坐標系的橫縱坐標點，(u，v)是旋轉后的圖像坐標系的橫縱坐標點，再把上式寫成矩陣形式為 其中 這里，Ra是旋轉變換矩陣，(x，y)是單幀圖像的坐標系，(u，v)是復合圖像的坐標系；第三步對旋轉到新位置的40幀圖像進行疊加，設單幀測量圖像為Ak，復合圖像為Bk+1，Bk+1=Σl=1k+1Alc=Σl=1k+1aij(l)c]]>其中aij(l)表示m×n矩陣Al，m＝768，n＝576，1≤i≤m，1≤j≤n，1≤l≤k+1；第四步對像素值取整，表示為Ck+1＝{Bk+1}，其中{x}表示超過x的最小整數；第五步去噪，閾值設為128， Ck+1表示對復合后的圖像像素取整和去噪后的圖像像素矩陣，cij表示經過復合，去噪后的的圖像像素在第i行，第j列上的灰度值；c.對圖像進行處理，提取骨骼和皮膚的邊緣特征用函數f(x，y)表示圖像中任意一點的灰度，則該點的灰度變化梯度為▿f(x,y)=∂f∂x∂f∂yT=GxGyT]]>是梯度算子，T表示轉置，Gx和Gy表示在x和y方向上的灰度值的變化程度，梯度是一個矢量，其幅值為|▿f|=[Gx2+Gy2]1/2]]>表示某點圖像的邊緣強度，滿足下面三個條件既可找到圖像的邊緣點1.以該點為中心的3×3鄰域中的邊緣強度極大值小于某閥值，2.該點的邊緣強度大于沿該點梯度方向的兩個相鄰像素點的邊緣強度，3.這一點的相位值φ(x,y)=arctan(GyGx)]]>值小于45°，其中，圖像矩陣每個點f(x，y)，離散化成f(i，j)，記為fi，j，梯度Gx，Gy離散化為Gx＝[fi-1，j-1+2fi，j-1+fi+1，j-1]-[fi-1，j+1+2fi，j+1+fi-1，j+1]Gy＝[fi+1，j-1+2fi+1，j+fi+1，j+1]-[fi-1，j-1+2fi-1，j+fi-1，j+1]算子的模板為Gx=-101-202-101,Gy=121000-1-2-1]]>經過以上步驟就完成對圖像的骨骼和皮膚的特征提取。
實施例2被測物體同實施例1，方法如下a.圖像采集，先將豬前腿浸沒在儲滿水的儲液桶3中，下端置于托盤上并用膠泥固定，標定旋轉中心，測量旋轉角設定為90°，探頭下移距離為3mm，在每一水平方向上，探頭以每90°的間隔逆時針繞著豬腿一周作旋轉測量，得到K＝360°/90°＝4幀圖像，像素大小是768×576，垂直方向上，探頭每次下移3mm，一共測45個水平面，這樣共可測得45×4幀圖像。
以下步驟同實施例1。
實施例3被測物體同實施例1，方法如下a.圖像采集，先將豬前腿浸沒在儲滿水的儲液桶3中，下端置于托盤上并用膠泥固定，標定旋轉中心，測量旋轉角設定為45°，探頭下移距離為4mm，在每一水平方向上，探頭以每45°的間隔逆時針繞著豬腿一周作旋轉測量，得到K＝360°/45°＝8幀圖像，像素大小是768×576，垂直方向上，探頭每次下移4mm，一共測35個水平面，這樣共可測得35×8幀圖像。
以下步驟同實施例1。
實施例4被測物體同實施例1，方法如下a.圖像采集，先將豬前腿浸沒在儲滿水的儲液桶3中，下端置于托盤上并用膠泥固定，標定旋轉中心，測量旋轉角設定為30°，探頭下移距離為5mm，在每一水平方向上，探頭以每30°的間隔逆時針繞著豬腿一周作旋轉測量，得到K＝360°/30°＝12幀圖像，像素大小是768×576，垂直方向上，探頭每次下移5mm，一共測25個水平面，這樣共可測得25×12幀圖像。
以下步驟同實施例1。
實施例5被測物體同實施例1，方法如下a.圖像采集，先將豬前腿浸沒在儲滿水的儲液桶3中，下端置于托盤上并用膠泥固定，標定旋轉中心，測量旋轉角設定為60°，探頭下移距離為6mm，在每一水平方向上，探頭以每60°的間隔逆時針繞著豬腿一周作旋轉測量，得到K＝360°/60°＝6幀圖像，像素大小是768×576，垂直方向上，探頭每次下移6mm，一共測8個水平面，這樣共可測得8×6幀圖像。
以下步驟同實施例1。
權利要求
1.一種基于超聲波測量的殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法，采用超聲波測量裝置(1)、B超診斷儀(4)、超聲影像工作站(5)和圖形處理系統(6)組成超聲波測量系統，超聲波測量裝置(1)上的探頭(2)與B超診斷儀(4)連接，B超診斷儀(4)通過數據線與超聲影像工作站(5)和圖形處理系統(6)連接，其特征在于該方法包括以下步驟a.圖像采集探頭(2)圍繞殘體的旋轉中心以每0°＜α°≤90℃的間隔做圓周運動，同時由超聲影像工作站(5)對超聲測量圖進行采集、存儲，得到k＝360°/α幀B超圖像，然后探頭(2)垂直下移，殘體的旋轉中心也隨之下移，探頭(2)又圍繞新的旋轉中心以每0°＜α°≤90°的間隔做旋轉測量，獲得k＝360°/α幀B超圖像，以此類推，即得到被測殘體各水平面的多幀二維截面斷層圖像；b.圖像二維重建第一步先確定殘體的旋轉中心，通過測量標準圓柱件確定其圓心位置，如果圓心與探頭聚焦中心重合，則該圓心即是旋轉中心；第二步將k幀圖像按各自測量時的旋轉角α繞旋轉中心旋轉到新坐標系，根據坐標旋轉原理，其變換表達式為 上式中，x，y是原圖像坐標系的橫縱坐標點，u，v是旋轉后的圖像坐標系的橫縱坐標點，再把上式寫成矩陣形式為uv=Rα·xy]]>其中Rα=cosαsinα-sinαcosα]]>這里，Ra是旋轉變換矩陣，x，y是單幀圖像的坐標系，u，v是復合圖像的坐標系；第三步對旋轉到新位置的k幀圖像進行疊加，設單幀測量圖像為Ak，復合圖像為Bk+1，Bk+1=Σl=1k+1Alc=Σl=1k+1aij(l)c]]>其中αij(l)表示m×n矩陣Al，m＝768，n＝576，1≤i≤m，1≤j≤n，1≤l≤k+1；第四步對像素值取整，表示為Ck+1＝{Bk+1}，其中{x}表示超過x的最小整數；第五步去噪，閾值設為128， Ck+1表示對復合后的圖像像素取整和去噪后的圖像像素矩陣，cij表示經過復合，去噪后的的圖像像素在第i行，第j列上的灰度值；c.對圖像進行處理，提取骨骼和皮膚的邊緣特征用函數fx，y表示圖像中任意一點的灰度，則該點的灰度變化梯度為▿f(x,y)=∂f∂x∂f∂yT=CxCyT]]>是梯度算子，T表示轉置，Gx和Gy表示在x和y方向上的灰度值的變化程度，梯度是一個矢量，其幅值為|▿f|=[Gx2+Gy2]1/2]]>表示某點圖像的邊緣強度，滿足下面三個條件既可找到圖像的邊緣點1.以該點為中心的3×3鄰域中的邊緣強度極大值小于某閥值，2.該點的邊緣強度大于沿該點梯度方向的兩個相鄰像素點的邊緣強度，3.這一點的相位值φ(x,y)=arctan(GyGx)]]>值小于45°，其中，圖像矩陣每個點fx，y，離散化成fi，j，記為fi，j，梯度Gx，Gy離散化為Gx＝[fi-1，j-1+2fi，j-1+fi+1，j-1]-[fi-1，j+1+2fi，j+1+fi-1，j+1]Gy＝[fi+1，j-1+2fi+1，j+fi+1，j+1]-[fi-1，j-1+2fi-1，j+fi-1，j+1]算子的模板為Gx=-101-202-101]]>Gy=121000-1-2-1]]>經過以上步驟就完成對圖像的骨骼和皮膚的特征提取。
全文摘要
一種基于超聲波測量的殘肢骨骼與皮膚特征的提取方法，采用超聲波測量裝置、B超診斷儀、超聲影像工作站和圖形處理系統組成超聲波測量系統，超聲波測量裝置上的探頭與B超診斷儀連接，B超診斷儀通過數據線與超聲影像工作站和圖形處理系統連接，該方法為首先在每一水平面對殘肢進行旋轉測量，獲得多幀超聲測量圖像，然后對多幀測量圖像進行復合，重建其二維截面圖像，進而利用邊緣檢測法對骨骼與皮膚進行特征提取。本發明利用超聲波成像原理，對殘肢進行超聲波測量，解決了目前無法對殘肢骨骼和皮膚同時取型的問題，為殘肢的三維CAD建立奠定了基礎，而且極大地降低了成本、減少了輻射，為假肢康復工程和醫學圖像的重建提供了一種新的手段。
文檔編號A61B8/00GK1608589SQ20041007316
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月11日 優先權日2004年10月11日
發明者趙萬華, 盧秉恒, 鄭淑嫻, 范曉逶 申請人:西安交通大學