本發(fā)明屬于醫(yī)療領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能兒科穿刺系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

嬰幼兒和兒童的皮下肌肉組織較薄弱，當(dāng)患有胸腹腔積液病癥需抽取積液時，用常規(guī)穿刺針穿刺由于深淺不易控制，易導(dǎo)致肝臟損壞，或者穿刺后固定不良從而導(dǎo)致穿刺失效，不能抽放積液，再次操作則增加患者的痛苦。特別進(jìn)行腦部穿刺手術(shù)時，不能看到腦內(nèi)實(shí)時動態(tài)圖像，很難確定正確的穿針部位深度，增加了手術(shù)難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多功能兒科穿刺系統(tǒng)，旨在解決進(jìn)行腦部穿刺手術(shù)時，不能看到腦內(nèi)實(shí)時動態(tài)圖像，很難確定正確的穿針部位深度，增加了手術(shù)難度的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種多功能兒科穿刺系統(tǒng)，該多功能兒科穿刺系統(tǒng)包括：CT檢測模塊、CT顯像模塊、穿針模塊、錄像記錄模塊；

CT檢測模塊的輸出端與CT顯像模塊的輸入端連通，錄像記錄模塊通過不同方位攝像頭全程記錄手術(shù)過程，CT顯像模塊為穿刺模塊提供圖像支持;

所述的錄像記錄模塊包括：攝像頭、存儲模塊;

所述的穿針模塊包括：穿刺針、蝶形固定裝置；所述的穿刺針上設(shè)有刻度標(biāo)記，蝶形固定裝置上設(shè)有卡槽;

所述CT顯像模塊內(nèi)置圖像處理模塊，該圖像處理模塊包括：

圖像采集單元，所述圖像采集單元用于獲取圖像，具體包括檢測發(fā)生器、初步探測模塊，細(xì)分探測模塊，數(shù)據(jù)收集模塊；

數(shù)據(jù)獲取單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元用于獲取與所述圖像對應(yīng)的拍攝信息，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、目標(biāo)圖像獲取模塊、非負(fù)圖像獲取模塊、分解模塊、稀疏化處理模塊和重建模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊將接受的信號傳輸?shù)教幚砥髂K，所述數(shù)據(jù)采集模塊獲取CT掃描采集的投影數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集模塊、目標(biāo)圖像獲取模塊、非負(fù)圖像獲取模塊、分解模塊和重建模塊依次連接；

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元用于將所述拍攝信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；

標(biāo)識圖形生成單元，所述標(biāo)識圖形生成單元用于根據(jù)所述數(shù)字信息生成標(biāo)識圖形；

圖像處理單元，所述圖像處理單元用于在所述圖像的設(shè)定區(qū)域形成所述標(biāo)識圖形；

對處理后的圖像進(jìn)行優(yōu)化的檢測優(yōu)化模塊；

所述穿針模塊設(shè)置有心電波智能分析模塊、情緒感知模塊，該心電智能分析模塊包括智能分析單元及與所述智能分析單元連接的心電信號噪聲分析單元、T 波交替散點(diǎn)圖法心電信號分析單元。

進(jìn)一步，所述的圖像處理單元內(nèi)設(shè)置有圖像濾波模塊，該圖像濾波模塊包括：

獲取模塊，用于獲取圖像中的待濾波像素以及所述待濾波像素的參考像素；

組合模塊，用于將所述參考像素的像素值按處理器一次性能夠處理的數(shù)據(jù)量進(jìn)行組合得到組合數(shù)據(jù)；

濾波模塊，用于基于所述組合數(shù)據(jù)對所述待濾波像素進(jìn)行并行濾波。

進(jìn)一步，所述檢測優(yōu)化包括：

前一幀圖像通過單幀圖像方法進(jìn)行圖像檢測，提取檢測出的矩形框的坐標(biāo)并保存；單幀圖像采用劃分區(qū)域遍歷式方法，把圖像從上到下依次分為上、中上、中下、下四個區(qū)域，并用不同比例的掃描窗口依次對每一區(qū)域進(jìn)行匹配；

根據(jù)前一幀圖像檢測的結(jié)果對下一幀圖像進(jìn)行跟蹤和識別，具體為：通過改變前一幀矩形框的橫縱坐標(biāo)值使矩形框放大一定的比例作為當(dāng)前幀的感興趣區(qū)域,當(dāng)前幀圖像只需對感興趣區(qū)域通過的單幀圖像的方法進(jìn)行掃描窗口遍歷匹配，并且根據(jù)掃描窗口的下邊界區(qū)域判斷窗口是否會增大。

進(jìn)一步，所述的檢測優(yōu)化還包括：

將采集到的圖像建立圖像的顯著模型，所述建立圖像的顯著性模型包括：

利用預(yù)定過分割算法對所述圖像進(jìn)行過分割，和模板參數(shù)提取，對整個輸入圖像，以8*8個像素為單元，計算每個單元的平均灰度值和每個單元的最大灰度值，得到至少一個區(qū)域，同一個所述區(qū)域中各個像素點(diǎn)的顏色值相同；

確定每個所述區(qū)域的顏色值和質(zhì)心；

根據(jù)各個區(qū)域所對應(yīng)的顏色值以及各個區(qū)域的質(zhì)心，建立顯著性模型。

進(jìn)一步，檢測優(yōu)化模塊還用于計算出每一個像素的梯度及角度值φ，將0°-180°平均分成9 個區(qū)間，根據(jù)計算的每一個像素的梯度和角度φ，按照線性距離的概念投影到這9 個區(qū)間，每個像素對所影響的上下兩個區(qū)間的權(quán)重分別定義為幅度* 該角度到區(qū)間中心角度的歸一化線性距離。

進(jìn)一步，所述目標(biāo)圖像獲取模塊還用于基于CT圖像的成像模型，獲得依據(jù)所述投影數(shù)據(jù)計算目標(biāo)圖像的迭代模型，所述迭代模型的公式表示為：

其中，X為所述目標(biāo)圖像，M 為系統(tǒng)矩陣，G為所述投影數(shù)據(jù)，i表示迭代次數(shù)，Xi表示第 i次迭代后得的迭代結(jié)果 ；λ表示收斂系數(shù)，且λ∈(0,1)，MT表示對矩陣 M 的轉(zhuǎn)置；設(shè)置所述目標(biāo)圖像的初始值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的迭代次數(shù)利用所述迭代模型對所述目標(biāo)圖像中的每個像素點(diǎn)進(jìn)行迭代更新，獲取最終的目標(biāo)圖像，所述迭代模型中的像素點(diǎn)的當(dāng)前灰度值與前次迭代的灰度值一致逼近。

進(jìn)一步，所述的情緒感知模塊測量緊張情緒的緊張值T=k1×E1(HRV)+k×E(P)+k×E(R)，其中，

k₁+ k₂+ k₃=1 ；

E₁(HRV)=φ(HRV)/H₀，0<E₁(HRV)<1；

φ(HRV)=HRV(t-2)+HRV(t-1)+HRV(t)；

E₂(P)=(P(t)- P(t-1))/P₀，0<E2(P)<1；

E₃(R)=(A–R(t))/A，0<E₃(R)<1 ；

HRV、P 和R 分別代表心率變化值、血壓值和表皮導(dǎo)電阻值，k₁，k₂，k₃為加權(quán)系數(shù)，分別體現(xiàn)心率變化、血壓和表皮導(dǎo)電性對情緒緊張程度度量值的貢獻(xiàn)，E₁ (HRV)為根據(jù)心率變化計算出的情緒緊張程度，E₂(P)為根據(jù)血壓變化計算出的情緒緊張程度，E₃ (R)為根據(jù)皮膚導(dǎo)電性變化計算出的情緒緊張程度，t 為當(dāng)前時刻，t-1 為當(dāng)前時刻的前一時刻，t-2 為當(dāng)前時刻的前兩時刻，φ(HRV) 為t-2 時刻、t-1 時刻與當(dāng)前時刻的心率變化值之和，HRV(t-2)為t-2 時刻的心率變化值，HRV(t-1) 為t-1 時刻的心率變化值，HRV(t) 為當(dāng)前時刻的心率變化值，H0 為被測對象正常情緒狀態(tài)下的心率值，P(t) 為當(dāng)前時刻的血壓值，P(t-1) 為t-1時刻的血壓值，P0 為被測對象在正常情緒狀態(tài)下的血壓值，A為被測對象預(yù)先測量的皮膚電阻參考值，R(t) 為當(dāng)前時刻皮膚電阻值。

進(jìn)一步，T 波交替散點(diǎn)圖法心電信號分析單元計算T 波交替幅度值：

對心電信號中N 個連續(xù)ST-T 心動周期的一組采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT 快速傅里葉變換分析，其功率譜的計算公式如下：

其中，l 為整數(shù)，且0 ≤ l ≤ 127，N ＝ 128，m=7，b_i 為第i 個樣點(diǎn)的值。

本發(fā)明提供的多功能兒科穿刺系統(tǒng)，通過對穿刺部位做CT檢測，在檢測的同時將內(nèi)部圖像顯示到CT顯像模塊上，然后醫(yī)務(wù)人員就可以直觀的用穿刺針對患者做穿刺手術(shù)，整個過程有專門的錄像記錄模塊全程記錄，為其他學(xué)者提供學(xué)習(xí)的機(jī)會也為患者保留一份記錄材料，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，CT顯像模塊、心電波智能分析模塊、情緒感知模塊全程監(jiān)控手術(shù)過程中體征，有利于穿刺手術(shù)的順利完成，有利于穿刺手術(shù)的順利完成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的多功能兒科穿刺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的多功能兒科穿刺系統(tǒng)穿刺針結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、CT檢測模塊；2、CT顯像模塊；3、穿針模塊；3-1、刻度標(biāo)記；3-2、卡槽；3-3、蝶形固定裝置；3-4、穿刺針；4、錄像記錄模塊。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖1、附圖2及具體實(shí)施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種多功能兒科穿刺系統(tǒng)，該多功能兒科穿刺系統(tǒng)包括：CT檢測模塊1、CT顯像模塊2、穿針模塊3、錄像記錄模塊4；

CT檢測模塊1的輸出端與CT顯像模塊2的輸入端連通，錄像記錄4模塊通過不同方位攝像頭全程記錄手術(shù)過程，CT顯像模塊2為穿刺模塊3提供圖像支持。

錄像記錄模塊4包括：攝像頭、存儲模塊。

穿針模塊3包括：穿刺針3-4、蝶形固定裝置3-3；所述的穿刺針3-4上設(shè)有刻度標(biāo)記3-1，蝶形固定裝置3-3上設(shè)有卡槽3-2。

所述CT顯像模塊內(nèi)置圖像處理模塊，該圖像處理模塊包括：

圖像采集單元，所述圖像采集單元用于獲取圖像，具體包括檢測發(fā)生器、初步探測模塊，細(xì)分探測模塊，數(shù)據(jù)收集模塊；

數(shù)據(jù)獲取單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元用于獲取與所述圖像對應(yīng)的拍攝信息，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、目標(biāo)圖像獲取模塊、非負(fù)圖像獲取模塊、分解模塊、稀疏化處理模塊和重建模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊將接受的信號傳輸?shù)教幚砥髂K，所述數(shù)據(jù)采集模塊獲取CT掃描采集的投影數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集模塊、目標(biāo)圖像獲取模塊、非負(fù)圖像獲取模塊、分解模塊和重建模塊依次連接；

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元用于將所述拍攝信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；

標(biāo)識圖形生成單元，所述標(biāo)識圖形生成單元用于根據(jù)所述數(shù)字信息生成標(biāo)識圖形；

圖像處理單元，所述圖像處理單元用于在所述圖像的設(shè)定區(qū)域形成所述標(biāo)識圖形；

對處理后的圖像進(jìn)行優(yōu)化的檢測優(yōu)化模塊；

所述穿針模塊設(shè)置有心電波智能分析模塊、情緒感知模塊，該心電智能分析模塊包括智能分析單元及與所述智能分析單元連接的心電信號噪聲分析單元、T 波交替散點(diǎn)圖法心電信號分析單元。

進(jìn)一步，所述的圖像處理單元內(nèi)設(shè)置有圖像濾波模塊，該圖像濾波模塊包括：

獲取模塊，用于獲取圖像中的待濾波像素以及所述待濾波像素的參考像素；

組合模塊，用于將所述參考像素的像素值按處理器一次性能夠處理的數(shù)據(jù)量進(jìn)行組合得到組合數(shù)據(jù)；

濾波模塊，用于基于所述組合數(shù)據(jù)對所述待濾波像素進(jìn)行并行濾波。

進(jìn)一步，所述檢測優(yōu)化包括：

前一幀圖像通過單幀圖像方法進(jìn)行圖像檢測，提取檢測出的矩形框的坐標(biāo)并保存；單幀圖像采用劃分區(qū)域遍歷式方法，把圖像從上到下依次分為上、中上、中下、下四個區(qū)域，并用不同比例的掃描窗口依次對每一區(qū)域進(jìn)行匹配；

根據(jù)前一幀圖像檢測的結(jié)果對下一幀圖像進(jìn)行跟蹤和識別，具體為：通過改變前一幀矩形框的橫縱坐標(biāo)值使矩形框放大一定的比例作為當(dāng)前幀的感興趣區(qū)域,當(dāng)前幀圖像只需對感興趣區(qū)域通過的單幀圖像的方法進(jìn)行掃描窗口遍歷匹配，并且根據(jù)掃描窗口的下邊界區(qū)域判斷窗口是否會增大。

進(jìn)一步，所述的檢測優(yōu)化還包括：

將采集到的圖像建立圖像的顯著模型，所述建立圖像的顯著性模型包括：

利用預(yù)定過分割算法對所述圖像進(jìn)行過分割，和模板參數(shù)提取，對整個輸入圖像，以8*8個像素為單元，計算每個單元的平均灰度值和每個單元的最大灰度值，得到至少一個區(qū)域，同一個所述區(qū)域中各個像素點(diǎn)的顏色值相同；

確定每個所述區(qū)域的顏色值和質(zhì)心；

根據(jù)各個區(qū)域所對應(yīng)的顏色值以及各個區(qū)域的質(zhì)心，建立顯著性模型。

進(jìn)一步，檢測優(yōu)化模塊還用于計算出每一個像素的梯度及角度值φ，將0°-180°平均分成9 個區(qū)間，根據(jù)計算的每一個像素的梯度和角度φ，按照線性距離的概念投影到這9 個區(qū)間，每個像素對所影響的上下兩個區(qū)間的權(quán)重分別定義為幅度* 該角度到區(qū)間中心角度的歸一化線性距離。

進(jìn)一步，所述目標(biāo)圖像獲取模塊還用于基于CT圖像的成像模型，獲得依據(jù)所述投影數(shù)據(jù)計算目標(biāo)圖像的迭代模型，所述迭代模型的公式表示為：

其中，X為所述目標(biāo)圖像，M 為系統(tǒng)矩陣，G為所述投影數(shù)據(jù)，i表示迭代次數(shù)，Xi表示第 i次迭代后得的迭代結(jié)果 ；λ表示收斂系數(shù)，且λ∈(0,1)，MT表示對矩陣 M 的轉(zhuǎn)置；設(shè)置所述目標(biāo)圖像的初始值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的迭代次數(shù)利用所述迭代模型對所述目標(biāo)圖像中的每個像素點(diǎn)進(jìn)行迭代更新，獲取最終的目標(biāo)圖像，所述迭代模型中的像素點(diǎn)的當(dāng)前灰度值與前次迭代的灰度值一致逼近。

進(jìn)一步，所述的情緒感知模塊測量緊張情緒的緊張值T=k1×E1(HRV)+k×E(P)+k×E(R)，其中，

k₁+ k₂+ k₃=1 ；

E₁(HRV)=φ(HRV)/H₀，0<E₁(HRV)<1；

φ(HRV)=HRV(t-2)+HRV(t-1)+HRV(t)；

E₂(P)=(P(t)- P(t-1))/P₀，0<E2(P)<1；

E₃(R)=(A–R(t))/A，0<E₃(R)<1 ；

HRV、P 和R 分別代表心率變化值、血壓值和表皮導(dǎo)電阻值，k₁，k₂，k₃為加權(quán)系數(shù)，分別體現(xiàn)心率變化、血壓和表皮導(dǎo)電性對情緒緊張程度度量值的貢獻(xiàn)，E₁ (HRV)為根據(jù)心率變化計算出的情緒緊張程度，E₂(P)為根據(jù)血壓變化計算出的情緒緊張程度，E₃ (R)為根據(jù)皮膚導(dǎo)電性變化計算出的情緒緊張程度，t 為當(dāng)前時刻，t-1 為當(dāng)前時刻的前一時刻，t-2 為當(dāng)前時刻的前兩時刻，φ(HRV) 為t-2 時刻、t-1 時刻與當(dāng)前時刻的心率變化值之和，HRV(t-2)為t-2 時刻的心率變化值，HRV(t-1) 為t-1 時刻的心率變化值，HRV(t) 為當(dāng)前時刻的心率變化值，H0 為被測對象正常情緒狀態(tài)下的心率值，P(t) 為當(dāng)前時刻的血壓值，P(t-1) 為t-1時刻的血壓值，P0 為被測對象在正常情緒狀態(tài)下的血壓值，A為被測對象預(yù)先測量的皮膚電阻參考值，R(t) 為當(dāng)前時刻皮膚電阻值。

進(jìn)一步，T 波交替散點(diǎn)圖法心電信號分析單元計算T 波交替幅度值：

對心電信號中N 個連續(xù)ST-T 心動周期的一組采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT 快速傅里葉變換分析，其功率譜的計算公式如下：

其中，l 為整數(shù)，且0 ≤ l ≤ 127，N ＝ 128，m=7，b_i 為第i 個樣點(diǎn)的值；

設(shè)定0.46 ～0.49 周期/ 心拍內(nèi)的噪聲視為背景噪聲，其平均頻率值用Sn 表示；0.5 周期/ 心拍處的頻率值用S_0.5 表示，T 波交替的功率值記作S_TWA，S_TWA 的計算公式如下：S_TWA=S_0.5-Sn；

當(dāng)S_TWA<0 時，說明0.5 周期/ 心拍處的頻率值小于背景噪聲頻率值，S_0.5 完全被背景噪聲覆蓋，則T 波交替幅度值V_TWA=0，判定T 波交替不存在；當(dāng)S_TWA>0，T 波交替幅度值為

；

判定T 波交替存在。

腦電波感知模塊將采集到的模擬腦電波信號進(jìn)行放大和濾波處理得到0.5Hz-100Hz 范圍內(nèi)的包括α波、β波、θ波和δ波的模擬腦電波信號；將模擬腦電波信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字腦電波信號后進(jìn)行傅里葉變換分別得到α波、β波、θ波和δ波的傅里葉譜，將信號從空間域變換至頻率域； 對包括α波、β波、θ波和δ波的數(shù)字腦電波信號進(jìn)行凱澤窗處理, 經(jīng)幅值分析、時間域分析和頻率域分析得到腦電波信號的各項指標(biāo)參數(shù)。

在本發(fā)明的其中一些實(shí)施例中，在開始 CT 掃描前，根據(jù)被掃描物體的性質(zhì)來設(shè)定掃描參數(shù)，被掃描物體的性質(zhì)可以是尺寸大小、密度、組成元素等物理性質(zhì)，例如，被掃描物體可以金屬工件、人體、昆蟲、動物、植物、電路板等不同性質(zhì)的物體。因此對于不同的被掃描物體，需要設(shè)定不同的掃描參數(shù)，掃描參數(shù)包括投影放大比、探測器的數(shù)據(jù)采集方式、射線源的電壓以及功率等，并且所有的掃描參數(shù)在后續(xù)的數(shù)據(jù)采集過程中保持不變。例如，如果被掃描物體是老鼠，則設(shè)定投影放大比為 1：1，探測器的數(shù)據(jù)采集方式為連續(xù)，射線源的電壓為 80kv，功率為 15w；如果被掃描物體是螞蟻，則設(shè)定投影放大比為1：10，探測器的數(shù)據(jù)采集方式為連續(xù)，射線源的電壓為 20kv，功率為 10w。

分別采集暗場圖像及亮場圖像，并通過求和平均得到平均暗場圖像和平均亮場圖像。成像視場中不放置被掃描物體，不打開光源獲取若干幅暗場圖像，例如可采集5 ～10幅暗場圖像，對暗場圖像按照對應(yīng)像素灰度值疊加求和并取平均得到平均暗場圖像。打開光源采集若干幅亮場圖像，并對亮場圖像按照像素灰度疊加求和并取平均得到平均亮場圖像，通過暗場圖像及亮場圖像有效地降低了重建圖像中噪聲的影響。

醫(yī)務(wù)人員為患者做頭部穿針手術(shù)時，打開系統(tǒng)后，通過CT檢測模塊1為患者穿刺部位進(jìn)行實(shí)時檢測，然后在CT顯像模塊2的幫助下實(shí)時進(jìn)行穿刺手術(shù)，通過穿針模塊3的穿刺針3-4進(jìn)行深度定位，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確度和成功率，大大降低了患者的痛苦，整個過程有專門的錄像記錄模塊4全程記錄，為其他學(xué)者提供學(xué)習(xí)的機(jī)會也為患者保留一份記錄材料，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，CT顯像模塊、心電波智能分析模塊、情緒感知模塊全程監(jiān)控手術(shù)過程中體征，有利于穿刺手術(shù)的順利完成。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。