专利名称：一种医学吞咽影像采集装置及其影像处理方法
技术领域：
本发明涉及医学检测研究领域，特别涉及一种医学吞咽影像采集装置及其影像处理方法。
背景技术：
吞咽是指食物经咀嚼而形成的食团由口腔运送入胃的动作或整个过程，这一运动历时极短，一般在Is内即可完成。常规的临床体检很难全面评价吞咽功能，容易造成误吸(食团进入喉前庭达到声门以下)等重度吞咽障碍的漏诊，尤其对误吸后不引发咳嗽等明显症状的隐性误吸临床体检很难发现。长期以来，分析口咽期吞咽运动的生理过程被认为是极具挑战性的。吞咽造影(TheVideo Fluoroscophic Swallowing Study , VFSS)是目前吞咽障碍评估中临床最常用的仪器检查方法，该方法通过透视观察患者在吞咽不同体积和粘稠度的含钡食团时唇、腭、咽、舌、喉的结构及其运动情况，以及食团各期运动时程，环咽肌的开放程度，吞咽后口腔、会厌谷、梨状窝的食物残留，误吸量及清除吸入物的能力以及吸入与吞咽的关系等，以评估口咽结构、肌肉活动的协调性，从而确定吞咽的有效性与安全性。自美国西北大学Logemann JA 1975首次应用以来，经不断改进已在全世界广泛使用，成为检测吞咽功能障碍的“金标准”。但此方法虽然可实时观测吞咽问题发生的部位及症状，但只能够采取描述性的方法进行评价，由经验丰富的医师进行诊断，不能定量分析口咽部生物力学的资料，并且不能将治疗前后反映疗效的情况进行量化，如咽收缩力和食团内压、环咽肌的开放程度及吞咽持续时间等均不能进行数值计算。而由于缺乏足够的量化循证医学证据，严重制约了相关吞咽障碍治疗技术进一步的推广和应用。另外，因吞咽过程复杂，涉及的神经与肌肉较多，目前还没有形成规范的评价标准和统一的实施方案，所选择的参数定义也不尽一致。因此目前临床研究中评估方法差异较大，不同单位之间的结果可 比性不强，难以进行统一评价，多数是简单的治疗前后的定性的疗效评价。这已成为深入进行吞咽功能研究的“瓶颈”。有些在辅助分析时需要同时使用多个图像分析软件，过程繁琐复杂，需耗费大量的时间与精力。同时，目前吞咽造影多是采用数字胃肠之类的影像设备进行，这种设备目前只能够保存若干副图像，采集精度只有10-15帧/秒，且图像失真严重，且不精准，采集的时间较短，不能长时间采集，影响之后进一步图像分析。因此，提供一种在检测吞咽过程时，能够实时清晰地采集吞咽影像，并能够从影像中提取并测量关键部位位置的装置和方法在医学上具有重大的应用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种医学吞咽影像采集装置，该装置能够实时采集数字胃肠设备显示的影像，并将影像进行显示和进一步分析后处理，具有采集精度高、处理速度快、操作简单的优点。
本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于上述医学吞咽影像采集装置的影像处理方法。该方法具有处理速度快、提取精确高，且能够定量分析数据的优点。本发明的目的通过以下技术方案实现:一种医学吞咽影像采集装置，包括数字采集卡、计算机和显示器，数据采集卡插入在计算机的PC1-E的插槽中，通过PC1-E接口与计算机相连，数据采集卡的数据线与用于检测吞咽部位的数字胃肠设备相连接，数据采集卡实时地将采集到的数字胃肠设备的影像数据发送到计算机，计算机与显示器连接，计算机还包括用于存储影像数据的存储器和用于对影像进行处理的处理模块。本发明装置的工作过程是:数字采集卡通过数据线采集数字胃肠设备的吞咽图像数据，然后将数据实时地上传到计算机，计算机将数据存储到存储器上，在医生需要诊断病情时，则可从存储器上读取出数据，然后利用计算机上的处理模块对数据进行压缩、解压缩、剪切、特征提取等操作，上述对图像处理的过程均由医生通过显示器完成。相较于现有技术中，设备上仅仅保留静态图像，本发明能够提供更加精准的影像资料，由于病人的吞咽、咀嚼过程动作相对较快，采用传统的图像采集设备仅仅能够保留一小部分的图片，不能够对整个吞咽的动作进行完整记录，而本发明装置可以采集下来吞咽视频，进而完整记录整个吞咽动作，吞咽过程中涉及到的器官活动的时序性，均能精确分析，从而为临床医生提供更精准的诊断参考及量化的数据。本发明装置采用了 0K_M20A(-E)系列高分辨黑白图像采集卡，采集的方式是通过微软DIRECTSH0W标准对数字视频信号进行采集。采用这种类型的数据采集卡，可以实现30-60帧/秒的采集精度，相较于现有技术采集精度只有10-15帧/秒，且图像失真严重，本发明更为精确和清晰。优选的，所述PC1-E接口和计算机存储器之间设有编码器，计算机中的存储器和处理模块之间设有解码器。由于数字采集卡上采集的吞咽图像数据非常大，采集的时间一般超过30分钟，因此需要设置一种编码器，对图像进行压缩存储，在进行图像分析时，通过解码器进行解码。
更进一步的，所述编码器、解码器具体为支持H264或MPEG4格式的编码器和解码器。采用这种方式，可以提高数据的传输速度，高质量的保存吞咽视频，能够保存长时间大数据量的本地存储。一种基于上述医学吞咽影像采集装置的影像处理方法，包括以下步骤:(I)采集影像，并将采集的影像压缩后传送到计算机进行存储；(2)读取存储的影像中包含的吞咽过程中的图像，并进行解压缩；(3)提取出吞咽过程中的关键帧图像；(4)对同一幅关键帧图像上不同关键部位之间的点、线、面积进行测量分析，并对不同关键帧图像中相同关键部位处的点、线、面积变化进行比较与计算，计算出相关吞咽关键数据。具体的，所述步骤(I)和(2)中的图像压缩和解压缩采用H264或MPEG4的编码格式。在实际应用中，关键巾贞图像提取、关键巾贞图像上的关键部位均可由临床医生根据其经验进行操作，也可根据关键部位的特征在图像中进行检索然后自动提取。
所述步骤(4)中，进行点、线、面积测量的步骤是:(4-1)对于点:在图像上选择标志点位置,此点在图像上的坐标即为点的位置；(4-2)对于线:在图像上选择待检测距离的两点，根据两点在图像上的坐标值即得到两点之间线段的长度；(4-3)对于面积:在图像上选择待检测区域周围多点，这些点形成一首尾相接的一个区域，根据这些点在图像上的坐标值即得到这些点所围成区域的像素个数。所述步骤(4)中，吞咽关键数据包括:食团在口腔、咽、食管通过时间；侧位下咽区放松及最大收缩时的面积；舌骨放松时的位置及吞咽时的最大位移；UES (UpperEsophageal Sphincter,食管上端括约肌)开放时的前后径长度；患者发音时,舌及下颌活动范围，声襞闭合的程度与范围，声带的长度与厚度。临床医生在实际应用时，也可以根据自己需要进行不同选择。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:1、本发明能够实时采集吞咽过程中的影像，且影像的精度能够达到30-60帧/秒，在保存后可反复显示，从而为临床医生重现第一手的现场数据。相较于现有技术中，医生只凭记忆即需马上对吞咽影像进行病情判断不同，本发明装置和方法能够为临床医生提供定量化的参考数据，从而帮助提高临床医生诊断的准确率和效率。2、本发明能够对采集的视频进一步进行后处理，提取得到关键帧图像，并识别图像中的关键部位，去除了大量的冗余信息，避免了其干扰，从而更便于医生在此基础上进行诊断。3、本发明能 够完成从图像的采集、处理、分析到报告、存储、输出，自动测量与计算吞咽过程的一些参数如吞咽启动时间、速度、食团的运送等。实现测量过程智能化，减少手动测量产生的较大误差。为医生节省时间与精力，大大提高工作效率。4、本发明能够提供影像视频现场数据，根据采集的影像数据进行剪辑、分析、图像后处理，获得精确量化的医学临床分析数据，为临床医生提供更加详细的病人资料。5、本发明中计算机包括存储器，从而可以通过计算机管理技术，把病人资料通过计算机进行统一归档管理。临床医师可以方便地随时调用患者的图像资料，进行再次评估和进行治疗前、后的疗效对比，以及利用英特网或局域网进行多学科、多家医疗机构的网上疑难病例会诊。
图1是本发明方法的流程示意图。图2是本发明实施例1中根据图像进行诊断的流程图。图3是本发明对点进行检测的示意图。图4是本发明对线进行检测的示意图。图5是本发明对面积进行检测的示意图。图6是本发明装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1本实施例采用的医学吞咽影像采集装置，如图6所示，包括数字采集卡、计算机、编码器、解码器和显示器，计算机与显示器连接，包括用于存储影像数据的存储器和用于对影像进行处理的处理模块。数据采集卡插入在计算机的PC1-E的插槽中，通过PC1-E接口与计算机相连，数据采集卡的数据线与用于检测吞咽部位的数字胃肠设备相连接，编码器和PC1-E接口相连，对数据采集卡所采集到的数字胃肠设备的影像数据进行编码，对图像进行压缩后发送到计算机中的存储器，在需要对数据进行处理时，存储器和处理模块之间的解码器对数据进行解码，然后处理模块对影像进行分析处理，分析处理的结果存储在存储器上，并显示在显示器上。本实施例中，所述编码器、解码器具体为支持H264或MPEG4格式的编码器和解码器。目前MPEG4和H264是世界上最流行的编码格式，其中H264编码器是压缩比最高、视频质量最好、网络带宽要求最低的一种编码，考虑到本实施例所述装置采集数据大，如果不压缩存储，势必会给本地的存储造成很大的浪费，因此本装置缺省是支持H264编码压缩。但是H264编码器对CPU要求较高，因此还提供另一种质量较好、CPU要求相对较低的一种编码解决方案，即采用MPEG4编码，通过这两种编码进行压缩后，视频图像文件大小大大降低，便于文件的传输和储存。在实际应用中，编码器、解码器既可以用芯片的形式通过硬件来实现，也可以采用软件的方式在计算机内部通过程序来实现。只要能够实现编码、解码的功能即可。本发明装置采用了 0K_M20A(_E)系列高分辨黑白图象采集卡，采集的方式是通过微软DIRECTSH0W标准，对数字视频信号进行采集。如图1所示，本实施例给出了一种基于上述医学吞咽影像采集装置的影像处理方法，包括以下步骤:( 1)采集影像，并将采集的影像压缩后传送到计算机进行存储。(2)读取存储的影像中包含的吞咽过程中的图像，并进行解压缩。(3)提取出吞咽过程中的关键帧图像。把采集录制的整个吞咽过程中的视频图像调阅出来，通过拖动进度条，显示每一帧图像影像，由于医生采集录制视频的时候，时间较长，同时中间的时间间隔有相当一部分是没有病人的吞咽影像，因此需要对一些无用的、冗余的视频进行删除，本实施例可对视频像文本文件那样，进行剪辑、删除或提取，进而留下最重要的、最有价值的吞咽视频图像，即关键帧图像。(4)对同一幅关键帧图像上不同关键部位之间的点、线、面积进行测量分析，并对不同关键帧图像中相同关键部位处的点、线、面积变化进行比较与计算，计算出相关吞咽关键数据。通过调阅多帧的关键帧图像，进行静态图像分析，静态图像分析主要是基于对静态图像的点、线、面积测量分析，对于不同关键帧图像中关键部位处的点、线、面积测量计算比较，使医生可精确得出吞咽故障点，为临床医生的诊断与评估提供有力依据。常见的吞咽关键数据包括:①食团在口腔、咽、食管通过时间；②侧位下咽区放松及最大收缩时的面积；③舌骨放松时的位置及吞咽时的最大位移； UES开放时的前后径长度；⑤患者发音时，舌及下颌活动范围，声襞闭合的程度与范围，声带的长度与厚度。下面以部分参数为例，具体说明在实际操作中，针对不同关键部位，信息如何测量。(I)以吞咽时舌骨位移测量为例，此测量方法是:通过在不同关键帧图像中对标志点进行标记，然后计算两帧图像中，标志点的位移得到，具体处理流程如图2所示，分别标出移动前后图像中舌骨所在位置，然后根据坐标点得到舌骨位移偏移量，此参数反映了吞咽相关肌群功能及食道入口开放功能。吞咽障碍患者此参数数值下降，有效治疗后数值上升。实例具体如图3所示，图3A为舌骨休息位时标志点位置，其中显示舌骨(Hyoid)位置坐标为(X1，Y1)，第四颈椎位置坐标为(C4X1，C4Y1)，图3B为舌骨向前向上移动到最大位移时标志点位置，当中显示的舌骨位置坐标为(X2, Y2),第四颈椎位置坐标为(C4X2, C4Y2),通过公式计算相关数据。I)舌骨向前位移 X:X= (X2 - XI) - (C4X2 — C4X1)；2)舌骨向上位移 Y:Y= (Υ2 — Yl) — (C4Y2 — C4Y1)；其中:X1表示第一张关键帧舌骨 的X坐标值；Y1表示第一张关键帧舌骨的Y坐标值；C4X1表示第四颈骨的X坐标值；C4Y1表示第四颈骨的Y坐标值；X2表示第二张关键帧舌骨的X坐标值；Y2表示第二张关键帧舌骨的Y坐标值；C4X2表示第二张第四颈骨的X坐标值；C4Y2表示第二张第四颈骨的Y坐标值。(2)以食管上括约肌最大开放幅度测量为例，此测量方法是:在同一关键帧图像上选择待检测距离的两点，根据两点在图像上的坐标值即得到两点之间线段的长度。如图4所示，食管上括约肌最大开放幅度，即在颈骨处水平食管上括约肌开放最大时，此参数反映食道开放以容纳食团的功能。吞咽障碍患者此参数数值下降，有效治疗后数值上升。此处可由医生通过肉眼自行判断，然后手动选择两点来进行检测，也可以根据此处灰度、形状等信息实现自动检测提取。(3)以咽收缩率(Pharygeal Constriction Ratio, PCR)测量为例，此测量方法是:在图像上选择待检测区域周围多点，这些点形成一首尾相接的一个区域，根据这些点在图像上的坐标值即得到这些点所围成区域的像素个数。咽收缩率这一参数反映咽部肌肉收缩及推进食团的功能。吞咽障碍患者此参数数值下降，有效治疗后数值上升，具体如图5所示，采用上述方法在图5 (A)中提取出咽最大收缩区(Pharygeal Area Maximum,PAmax),即咽部达到最大收缩或口咽及下咽区域达到最小时的面积，采用上述方法在图5 (B)中提取出咽静息区(Pharygeal Area Holding, PAhold)，即将食团保持在口腔中准备吞咽时口咽及下咽区域的面积。那么咽收缩率PCR即可采用以下公式计算:PCR=PAmax/PAhold。根据上述方法，在实际应用中，临床医生可根据自己需要，随时从计算机存储器中提取出其需要的患者图像资料，然后对其认为的关键区域中的关键部位进行测量，操作便捷，效率高。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种医学吞咽影像采集装置，其特征在于，包括数字采集卡、计算机和显示器，数据采集卡插入在计算机的PC1-E的插槽中，通过PC1-E接口与计算机相连，数据采集卡的数据线与用于检测吞咽部位的数字胃肠设备相连接，数据采集卡实时地将采集到的数字胃肠设备的影像数据发送到计算机，计算机与显示器连接，计算机还包括用于存储影像数据的存储器和用于对影像进行处理的处理模块。
2.根据权利要求1所述的医学吞咽影像采集装置，其特征在于，所述PC1-E接口和计算机存储器之间设有编码器，计算机中的存储器和处理模块之间设有解码器。
3.根据权利要求2所述的医学吞咽影像采集装置，其特征在于，所述编码器、解码器具体为支持H264或MPEG4格式的编码器和解码器。
4.一种基于权利要求1所述医学吞咽影像采集装置的影像处理方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)采集影像，并将采集的影像压缩后传送到计算机进行存储； (2)读取存储的影像中包含的吞咽过程中的图像，并进行解压缩； (3)提取出吞咽过程中的关键帧图像； (4)对同一幅关键帧图像上不同关键部位之间的点、线、面积进行测量分析，并对不同关键帧图像中相同关键部位处的点、线、面积变化进行比较与计算，计算出相关吞咽关键数据。
5.根据权利要求4所述的医学吞咽影像处理方法，其特征在于，所述步骤(I)和(2)中的图像压缩和解压缩采用H264或MPEG4的编码格式。
6.根据权利要求4所述的医学 吞咽影像处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，进行点、线、面积测量的步骤是: (4-1)对于点:在图像上选择标志点位置，此点在图像上的坐标即为点的位置； (4-2)对于线:在图像上选择待检测距离的两点，根据两点在图像上的坐标值即得到两点之间线段的长度； (4-3)对于面积:在图像上选择待检测区域周围多点，这些点形成一首尾相接的区域，根据这些点在图像上的坐标值即得到这些点所围成区域的像素个数。
7.根据权利要求4所述的医学吞咽影像处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，吞咽关键数据包括:食团在口腔、咽、食管通过时间；侧位下咽区放松及最大收缩时的面积；舌骨放松时的位置及吞咽时的最大位移；UES开放时的前后径长度；患者发音时，舌及下颌活动范围，声襞闭合的程度与范围，声带的长度与厚度。
全文摘要
本发明公开了一种医学吞咽影像采集装置及其影像处理方法，该装置包括数字采集卡、计算机和显示器，数据采集卡插入在计算机的PCI-E的插槽中，并通过数据线与数字胃肠设备相连接，数据采集卡实时地将采集到的数字胃肠设备的影像数据发送到计算机。计算机还包括用于存储影像数据的存储器和用于对影像进行处理的处理模块。该方法是读取吞咽过程中的影像；提取出吞咽过程中的关键帧图像；根据吞咽过程中各关键部位在关键帧图像上的差异识别各部位的状况。本发明装置采集精度高，且通过图像数据处理能够对吞咽的动态过程进行详细的量化分析，测量与计算各关键参数，并可随时调用图像资料,以用于进行再次评估和疗效对比。
文档编号G06T7/00GK103202703SQ201310093008
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者兰月, 窦祖林, 罗院龙 申请人:广州龙之杰科技有限公司