專利名稱：動態(tài)分析散射子分布變化的方法及其應用的制作方法
動態(tài)分析散射子分布變化的方法及其應用
技術領域：
本發(fā)明是關于一種動態(tài)分析超音波散射子的方法及其應用，尤其是一種利用機率密度函數(shù)搭配移動窗口技巧的動態(tài)分析散射子的方法及其應用。
背景技術：
近年來非侵入式治療已受到相當?shù)闹匾暎渲懈吣芫劢故匠舨ㄋl(fā)的局部熱燒灼治療是輔助性外科切除患部相當有潛力的新工具。但臨床醫(yī)生僅通過傳統(tǒng)超音波B模式(B-mode)影像不易判斷出燒灼區(qū)域及燒灼程度，因而增添醫(yī)療過程的危險性。目前有學者研究整合式的超音波溫度影像與彈性影像用于高能聚焦式超音波熱燒灼的監(jiān)控，但由于其相關分析算法速度耗時，因此限制其實時化分析的功能。美國專利申請?zhí)?00801M131，揭示一種增加燒灼區(qū)域可見度的方法，包括取得燒灼區(qū)域的輸入影像數(shù)據(jù)，其中影像數(shù)據(jù)包含逆散射子(backscatterer)的濃度，并依據(jù)影像數(shù)據(jù)使用一動態(tài)增益曲線以得到一輸出信號以增加燒灼區(qū)域可見度。然而，其仍無法做到動態(tài)分析監(jiān)控燒灼區(qū)域。綜合上述，目前亟需一種可實時檢測及分析監(jiān)控燒灼區(qū)域的方法。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的之一為提供動態(tài)分析散射子的方法，其可通過利用機率密度函數(shù)搭配移動窗口技巧，實時分析超音波數(shù)據(jù)散射子分布的變化。本發(fā)明的運算量相當?shù)?，因此可以達成實時化的成像。依據(jù)本發(fā)明的一實施例，一種動態(tài)分析散射子分布變化的方法，包含下列步驟依序取得一樣品之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；搭配移動窗口技巧，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點在移動窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布；以及比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，以動態(tài)分析樣品的散射子分布和濃度改變情形。本發(fā)明的另一目的，是利用上述散射子分布的變化以進行實時動態(tài)檢測燒灼區(qū)域及分析燒灼程度，并可用以動態(tài)控制燒灼強度。依據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種實時動態(tài)檢測和分析燒灼區(qū)域的方法，包含依序取得一燒灼區(qū)域之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；搭配移動窗口技巧，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點在對應移動窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布；以及比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，實時動態(tài)分析造影區(qū)域的散射子分布和濃度改變情形以檢測確切燒灼區(qū)域及動態(tài)分析燒灼程度。依據(jù)本發(fā)明的再一實施例，一種動態(tài)控制燒灼強度的方法，包含以一燒灼裝置燒灼之一燒灼區(qū)域；依序取得燒灼區(qū)域之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；搭配移動窗口技巧，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點在對應移動窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布；比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，以動態(tài)分析燒灼區(qū)域的散射子分布改變情形及燒灼程度；以及依據(jù)燒灼區(qū)域的燒灼程度動態(tài)控制燒灼裝置的強度。本發(fā)明上述及其它態(tài)樣、特性及優(yōu)勢可由附圖及實施例的說明而可更加了解。

圖1為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)分析散射子分布變化的方法。圖2為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)檢測燒灼區(qū)域及分析燒灼程度的方法。圖3為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)控制燒灼強度的方法。圖4為圖式顯示Nakagami參數(shù)m的統(tǒng)計分布。圖5為折線圖顯示窗口大小與分辨率的關系。附件1及2為圖標顯示本發(fā)明一實施例的實驗結果。主要組件符號說明S10-S16動態(tài)分析散射子分布變化的方法步驟S20-S26動態(tài)檢測燒灼區(qū)域及分析燒灼程度的方法步驟S30-S39動態(tài)控制燒灼強度的方法步驟
具體實施方式本發(fā)明的目的之一是利用機率密度函數(shù)(probability density function, PDF) 搭配移動窗口(Moving Window)技巧分析超音波數(shù)據(jù)的二維或三維散射子分布。其中，機率密度函數(shù)(probability density function，PDF)為描述隨機變量的機率分布。在統(tǒng)計理論之中，連續(xù)隨機變量的機率密度函數(shù)用以描述在一觀察空間之內的一特定點其發(fā)生隨機變量的相對可能性。在移動窗口部分，本發(fā)明依超音波影像系統(tǒng)的分辨率先定義一窗口大小，接著移動窗口，并利用機率密度函數(shù)計算窗口范圍內的統(tǒng)計參數(shù)，以計算窗口區(qū)域內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布，進而分析散射子分布變異。以下更加詳述本發(fā)明的實施方式。請參照圖1，其為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，包括首先在步驟S10，依序取得一樣品之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點。超音波數(shù)據(jù)(指的是第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù))具有一定的分辨率，而相對應的坐標點通常指的是產生超音波數(shù)據(jù)的超音波系統(tǒng)所具有的分辨率，較佳為依據(jù)分辨率的每一像素作為每一坐標點以進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。然而，為增加系統(tǒng)運算速度，亦有可能依固定間隔的坐標點進行運算。超音波數(shù)據(jù)是由斑點所構成。斑點為影像中多個亮暗不定的點，其形成為當超音波在身體組織中傳遞，在產生散射的地方，也就是散射子(Scatterer)，由于散射子CN 102379721 A
說明書
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的大小比超音波的波長短得許多，而不均勻處數(shù)量眾多時就會產生散射現(xiàn)象。當超音波遇到散射子時，其散射出來的聲波是往四面八方傳遞，而沿著原來入射方向反向折回 (backscattering)的散射波，便是構成超音波影像的主要信號。斑點的成因則是由于超音波影像的分辨率有限無法具有無限小的取樣體積，因此，在一個取樣體積中，通常包含了數(shù)十個以上的散射子，這使得原本系統(tǒng)的聲波打到單一散射子的響應，要考慮到在同一取樣體積中的其它散射子，并把這些散射子的散射效應加總起來呈現(xiàn)。超音波數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)為射頻(radio frequency, RF)數(shù)據(jù)，經后續(xù)基頻解調 (baseband demodulation)可產生包絡數(shù)據(jù)(envelop data)，并可進一步處理為影像數(shù)據(jù)。 由于包絡數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較射頻數(shù)據(jù)小，因此本發(fā)明所用的超音波數(shù)據(jù)主要利用包絡數(shù)據(jù)進行處理，然而亦可使用射頻數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)轉換為包絡數(shù)據(jù)以進行后續(xù)處理。此外，超音波數(shù)據(jù)可為二維或是三維的超音波影像。接著在步驟S12，定義一窗口(window)的尺寸。步驟S12為進行移動窗口技巧的準備步驟。其中，窗口的大小及形狀會直接影響后續(xù)機率密度函數(shù)的分辨率及準確度。其中使用小的窗口可改善分辨率，但是包含的封包信息太少會影響利用機率密度函數(shù)所估算窗口區(qū)域的統(tǒng)計參數(shù)的準確度。大的窗口則會使分辨率下降。所以為了同時兼顧影像分辨率與統(tǒng)計參數(shù)的準確度，必須先找出適當?shù)拇翱诖笮?，在本發(fā)明之后續(xù)實施例之中，會舉例說明最佳化窗口的大小及形狀。接著在步驟S14，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點在對應移動窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布。統(tǒng)計參數(shù)可為一個或多個，例如平均值、標準差值等等。步驟S14即為搭配移動窗口技巧，利用機率密度函數(shù)計算窗口數(shù)據(jù)內的統(tǒng)計參數(shù)，也就是每一坐標點在窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布。常見的機率密度函數(shù)可包括Nakagami分布、Rayleigh模式、Gaussian模式、Blackman模式及K分布模式等。散射子依排列性質可分為隨機排列的散射子(incoherent scatterer)及周期排列的散射子(coherent scatterer)，其可能因為光、熱、音波或其它能量而相互轉換，進而影響其散射值、其分布排列與濃度以及斑點的信號大小。來自組織的超音波逆散射信號，其機率密度函數(shù)與組織內部散射子的個數(shù)與排列有關。換言的，描述回波信號的逆散射統(tǒng)計分布可應用至組織特性定量，并在臨床診斷具有極大的發(fā)展空間與潛力。最后在步驟S16，比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)， 以動態(tài)分析散射子分布和濃度的改變。統(tǒng)計參數(shù)的比對方法最簡易的方式為相減，然而亦可使用其它增益的方式，以達到更高的對比。此外，亦可設定一統(tǒng)計參數(shù)參考值，將每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)與統(tǒng)計參數(shù)參考值相比較，藉此比較差異。此外在一實施例之中，可利用每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)的比較結果形成統(tǒng)計差數(shù)差異影像(differential image), 以利動態(tài)分析散射子分布變化的區(qū)域。本發(fā)明的實時動態(tài)分析散射子的方法是利用機率密度函數(shù)搭配移動窗口分析超音波包絡數(shù)據(jù)，由于本發(fā)明可以分析適當大小的移動窗口之內的數(shù)據(jù)量以及包絡數(shù)據(jù)量較射頻數(shù)據(jù)小，因此可控制并維持低計算量，因此可以達成實時分析(每秒30數(shù)據(jù)框以上) 的運算。對于熟知本項技術人士而言，上述的范例及方法步驟可通過客制化的電路或硬件執(zhí)行，亦可通過具有處理器的系統(tǒng)(例如一般用途或是特殊用途的計算機)以適當?shù)某绦虼a執(zhí)行。上述搭配移動窗口技巧的機率密度函數(shù)計算功能可通過中央處理器(Central Processing Unit,CPU)或是圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)實時實現(xiàn)。應注意的是，本發(fā)明的部分或是全部步驟可以以不同順序或是實質上同時處理(也就是平行處理)的不同實施方式執(zhí)行。此外，上述功能可以用多種程序語言實現(xiàn)，例如但不限于C++ 或Java。熟知本項技術人士可了解這些程序代碼可儲存或轉存于一或多種有形的、機器可讀的媒介，例如內存、主機或是遠程硬盤、光盤(CD或DVD)，或其它媒介，以便由具有處理器的系統(tǒng)存取以執(zhí)行儲存的程序代碼。如上所述，散射子的排列及散射性質可能由于受熱或燒灼而有所改變，因此請參照圖2，其為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)檢測及分析燒灼區(qū)域的方法。在步驟 S20，依序取得一燒灼區(qū)域之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；步驟 S22定義一窗口的尺寸；步驟S24，搭配移動窗口技巧，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點在窗口內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布；以及步驟 S26，比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，通過動態(tài)分析造影區(qū)域中的散射子分布改變情形來檢測確切燒灼區(qū)域及進一步分析燒灼程度，并可用以形成一統(tǒng)計參數(shù)差異影像，以利比較。其中，燒灼區(qū)域不論是否有氣泡產生，皆可利用本發(fā)明檢測燒灼區(qū)域及分析燒灼程度。此外燒灼區(qū)域可能由化學藥品(例如酒清、液態(tài)氮等)、超音波或激光等因子所造成。此外，本發(fā)明亦可用于非侵入式組織燒灼的監(jiān)控，以達到受控的加熱區(qū)域及加熱程度，進而減少醫(yī)療過程所產生的危險性。請參照圖3，其為流程圖顯示依據(jù)本發(fā)明一實施例的動態(tài)控制燒灼強度的方法，包含步驟S30，以一燒灼裝置燒灼的一燒灼區(qū)域；步驟S32， 依序取得燒灼區(qū)域的一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中第一超音波數(shù)據(jù)及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；步驟S34， 定義一窗口的尺寸；步驟S36，利用一機率密度函數(shù)計算每一坐標點的一統(tǒng)計參數(shù)，統(tǒng)計參數(shù)表示每一坐標點的窗口之內的斑點信號大小的統(tǒng)計分布；步驟S38 比較第一和第二超音波每一相對應的坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，以分析燒灼區(qū)域的散射子分布改變情形及燒灼程度；以及步驟40，依據(jù)燒灼區(qū)域的燒灼程度控制燒灼裝置的強度。其中燒灼裝置可為侵入式和非侵入式，其中非侵入式的燒灼裝置例如可為一高能聚焦超音波(High-intensity focusedultrasound therapy, HIFU)或一激光。以下通過具體實施例配合附圖詳加說明，可更容易了解本發(fā)明的目的、技術內容、 特點及所達成的功效，并據(jù)以實施，但不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。Nakagami機率密度函數(shù)在Nakagami機率密度函數(shù)下，超音波逆散射(back-scattered)封包統(tǒng)計分布模型服從以下公式
權利要求
1.一種動態(tài)分析散射子分布變化的方法，包含下列步驟依序先后取得一樣品的一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中該第一及第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；利用一機率密度函數(shù)計算每一所述坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，該統(tǒng)計參數(shù)表示每一所述的坐標點在該窗口內的所述斑點信號大小的統(tǒng)計分布；以及比較該第一及第二超音波數(shù)據(jù)中每一所述相對應的坐標點的所述統(tǒng)計參數(shù)，以分析該樣品的所述散射子分布改變情形。
2.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該第一及第二超音波數(shù)據(jù)為一包絡數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該包絡數(shù)據(jù)是由一射頻數(shù)據(jù)或一影像數(shù)據(jù)所轉換。
4.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該第一及第二超音波為二維或三維超音波數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該機率密度函數(shù)為Nakagami分布。
6.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該機率密度 0數(shù)為Rayleigh模式、Gaussian模式、Blackman模式或K分布模式。
7.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，該相對應的坐標點為該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)的每一像素。
8.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)分析散射子分布變化的方法，其特征在于，更包含形成一統(tǒng)計參數(shù)差異影像，其基于每一所述相對應的坐標點的所述統(tǒng)計參數(shù)的比較結^ ο
9.一種動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，包含依序先后取得一燒灼區(qū)域之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其中該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；利用一機率密度函數(shù)計算每一所述坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，該統(tǒng)計參數(shù)表示每一所述相對應的坐標點在該窗口內的所述斑點信號大小的統(tǒng)計分布；以及比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一所述相對應的坐標點的所述統(tǒng)計參數(shù)，以通過分析該燒灼區(qū)域的所述散射子分布改變情形來檢測確切燒灼位置及分析燒灼程度。
10.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)為一包絡數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權利要求10所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該包絡數(shù)據(jù)是由一射頻數(shù)據(jù)或一影像數(shù)據(jù)所轉換。
12.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該第一及第二超音波為二維或三維超音波數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該機率密度函數(shù)為Nakagami分布。
14.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該機率密度函數(shù)為Rayleigh模式、Gaussian模式、Blackman模式或K分布模式。
15.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，該燒灼區(qū)域可有氣泡或沒有氣泡產生。
16.根據(jù)權利要求9所述的動態(tài)檢測確切燒灼區(qū)域和分析燒灼程度的方法，其特征在于，更包含形成一統(tǒng)計參數(shù)差異影像，其系基于每一所述相對應的坐標點的所述統(tǒng)計參數(shù)的比較結果。
17.一種動態(tài)控制燒灼強度的方法，包含以一燒灼裝置燒灼之一燒灼區(qū)域；依序先后取得該燒灼區(qū)域之一第一超音波數(shù)據(jù)及一第二超音波數(shù)據(jù)，其特征在于，該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)分別具有多個相對應的坐標點及由多個散射子所形成的多個斑點；定義一窗口的尺寸；利用一機率密度函數(shù)計算每一所述坐標點的統(tǒng)計參數(shù)，該統(tǒng)計參數(shù)表示每一所述坐標點在該窗口內的所述斑點信號大小的統(tǒng)計分布；比較第一和第二超音波數(shù)據(jù)中每一所述相對應的坐標點的所述統(tǒng)計參數(shù)，以分析所述散射子分布改變情形的該燒灼區(qū)域及其燒灼程度；以及依據(jù)該燒灼區(qū)域的燒灼程度控制該燒灼裝置的強度。
18.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)為一包絡數(shù)據(jù)。
19.根據(jù)權利要求18所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該包絡數(shù)據(jù)是由一射頻數(shù)據(jù)或一影像數(shù)據(jù)所轉換。
20.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該第一及第二超音波為二維或三維超音波數(shù)據(jù)。
21.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該機率密度函數(shù)為Nakagami分布。
22.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該機率密度函數(shù)為Rayleigh模式、Gaussian模式、Blackman模式或K分布模式。
23.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，所述相對應的坐標點為依據(jù)該第一超音波數(shù)據(jù)及該第二超音波數(shù)據(jù)的每一像素。
24.根據(jù)權利要求17所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該燒灼裝置可為侵入式或非侵入式。
25.根據(jù)權利要求21所述的動態(tài)控制燒灼強度的方法，其特征在于，該燒灼裝置為一高能聚焦超音波或一激光。
全文摘要
一種動態(tài)分析散射子分布變化的方法系利用機率密度函數(shù)搭配移動窗口(moving window)技巧來分析超音波數(shù)據(jù)的二維或三維空間中散射子分布及濃度變化情形。本發(fā)明的運算量相當?shù)?，因此可以達成實時化的成像。此外亦揭示一種動態(tài)檢測燒灼區(qū)域及分析燒灼程度的方法以及一種動態(tài)控制燒灼強度的方法，其可達成非侵入式檢測及燒灼。
文檔編號A61B19/00GK102379721SQ20101027477
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者劉浩澧, 李夢麟, 黎大維 申請人:國立清華大學