一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)與方法，其成像系統(tǒng)包括主控設(shè)備、功率放大器、無創(chuàng)功率換能器、超聲檢測與成像換能器、全數(shù)字化超聲設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、樣品、圖像采集設(shè)備、指示燈、微創(chuàng)功率換能器、透光水槽和三維移動設(shè)備；本發(fā)明采用克服微泡覆蓋和上部強回聲區(qū)域遮擋的超聲回波統(tǒng)計參量成像方法監(jiān)測熱凝固的形成過程，實現(xiàn)了熱凝固起始的提早檢測，增強了熱凝固下部的顯示，提高熱消融過程中熱凝固微泡比增強了熱凝固監(jiān)測對比度。
【專利說明】一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)與方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲檢測和監(jiān)控成像技術(shù)，涉及生物醫(yī)學和信息領(lǐng)域，具體涉及一種 用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)與方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 以溫度升高引起蛋白非可逆性熱凝固為機制的熱消融技術(shù)具有無創(chuàng)或微創(chuàng)、快 速、副作用小等優(yōu)勢，國內(nèi)外使用射頻、微波、超聲、激光等"綠色"物理能量實現(xiàn)的熱消融技 術(shù)在生物、醫(yī)學、化學和工業(yè)等領(lǐng)域取得了令人鼓舞的成果，特別在國內(nèi)使用高強度聚焦超 聲熱消融技術(shù)治療腫瘤方面取得了開創(chuàng)性的成果。熱凝固過程的檢測與監(jiān)控成像是實現(xiàn)高 效和安全熱消融的基礎(chǔ)和保障。超聲和磁共振成像是目前常見的監(jiān)控成像方式。超聲由于 其成本低、實時性好、適用范圍廣和易于與諸多熱消融技術(shù)結(jié)合等優(yōu)勢已成為目前使用較 廣的檢測與監(jiān)控成像方式。已有國內(nèi)外的專利使用傳統(tǒng)超聲B模式圖像對熱消融過程進行 監(jiān)控成像，例如美國專利US6425867B1和中國專利CN1565671A等。在熱消融過程中除了引起 蛋白非可逆性熱凝固外，還會出現(xiàn)空化汽化引起的微泡。B超圖像實際得到的是組織背向散 射信息，熱消融引起的熱凝固區(qū)域的背向散射信號與熱消融前變化并不大，B超圖像觀測到 的信息大部分是空化汽化引起的氣泡的散射信息。因此，B超圖像用于熱凝固過程的檢測與 監(jiān)控成像具有一定的局限性。許多學者開展了其他超聲成像技術(shù)在熱凝固過程的檢測與監(jiān) 控成像的研究，包括超聲溫度估計與成像、超聲組織定征參量監(jiān)控成像、彈性成像等。
[0003] 由于受消融過程中空化汽化微泡及強回聲區(qū)域的影響，熱消融過程中凝固起始與 凝固底部的檢測與監(jiān)控成像具有一定的困難。超聲回波統(tǒng)計參量成像方法依賴于背向散射 回波包絡的統(tǒng)計分布，受回波幅度的影響較小。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 針對上述檢測與監(jiān)控中的不足，本發(fā)明涉及一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計 參量成像系統(tǒng)與方法。該發(fā)明同步監(jiān)測熱消融過程中的超聲背向散射信號和超聲統(tǒng)計參 量;并利用超聲統(tǒng)計參量圖像和B模式超聲圖像對目標區(qū)域進行同步動態(tài)成像監(jiān)控。
[0005] 為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：
[0006] -種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，包括主控設(shè)備;所述的主控 設(shè)備上連接有功率放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像采集設(shè)備和三維移動設(shè)備;其中，所述的功 率放大器的輸出端連接有無創(chuàng)功率換能器和微創(chuàng)功率換能器;所述的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入 端連接有全數(shù)字化超聲設(shè)備，全數(shù)字化超聲設(shè)備的輸入端連接有超聲檢測與成像換能器； 所述的三維移動設(shè)備用于調(diào)節(jié)樣品在透光水槽中的空間位置;所述的圖像采集設(shè)備用于采 集樣品熱消融動態(tài)圖像；
[0007] 所述的主控設(shè)備控制功率放大器驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器和/或微創(chuàng)功率換能器對樣 品發(fā)射能量;全數(shù)字化超聲設(shè)備通過超聲檢測與成像換能器采集超聲回波射頻數(shù)據(jù)，并通 過數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入到主控設(shè)備進行存貯與處理。
[0008] 所述的圖像采集設(shè)備分辨率為1280X1024的高清攝像機，其設(shè)置于樣品側(cè)面。
[0009] 還包括受主控設(shè)備的時序控制、在圖像采集設(shè)備采集到的動態(tài)圖像中表征時間的 指示燈。
[0010] 所述的無創(chuàng)功率換能器為聚焦超聲熱消融輻射器;所述的微創(chuàng)功率換能器為微波 熱消融輻射器、射頻熱消融輻射器或激光熱消融輻射器；
[0011] 所述的透光水槽為透明的玻璃或有機玻璃水槽;所述的三維移動設(shè)備為微米級掃 描精度且可編程的全數(shù)字化三維掃描移動設(shè)備。
[0012] -種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：
[0013] 1)主控設(shè)備控制三維移動設(shè)備調(diào)節(jié)樣品的空間位置，將樣品放置于無創(chuàng)功率換能 器和/或微創(chuàng)功率換能器的有效輻射區(qū)內(nèi)；
[0014] 2)主控設(shè)備控制功率放大器驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器和/或微創(chuàng)功率換能器發(fā)射能 量，作用于樣品；
[0015] 3)將超聲檢測與成像換能器對準樣品；
[0016] 4)主控設(shè)備控制全數(shù)字化超聲設(shè)備通過超聲檢測與成像換能器采集超聲回波射 頻數(shù)據(jù)；
[0017] 5)超聲檢測與成像換能器采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入到 主控設(shè)備并存貯在主控設(shè)備上；
[0018] 6)主控設(shè)備上的超聲回波射頻數(shù)據(jù)按照超聲回波統(tǒng)計參量算法得到樣品中的超 聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化過程。
[0019] 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像 方法，其特征在于，還包括：
[0020] 7)由步驟5)中得到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)和步驟6)中得到的超聲回波統(tǒng)計參量數(shù) 據(jù)同步構(gòu)建動態(tài)變化的超聲回波統(tǒng)計參量圖像和B模式超聲圖像；
[0021] 8)由步驟5)中得到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)和步驟6)中得到的超聲回波統(tǒng)計參量數(shù) 據(jù)，提取熱凝固區(qū)域和微泡區(qū)域的回波幅值和超聲回波統(tǒng)計參量，按照熱凝固微泡比的計 算方法得到熱凝固微泡比值及其動態(tài)變化過程。
[0022] 作為本發(fā)明方進一步改進，步驟6)具體為基于Nakagami統(tǒng)計模型統(tǒng)計超聲回波射 頻數(shù)據(jù):按照預定將射頻數(shù)據(jù)劃分為多個目標區(qū)域，選取組織中單個區(qū)域內(nèi)的超聲回波射 頻數(shù)據(jù)按照Nakagami參量的算法計算得到該區(qū)域內(nèi)的超聲回波統(tǒng)計分析的Nakagami參量； 對每個區(qū)域的射頻數(shù)據(jù)單獨處理，同時對多個區(qū)域的超聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化進行 檢測。
[0023]作為本發(fā)明方進一步改進，采用基于Nakagam i參量的超聲回波統(tǒng)計參量圖像對目 標區(qū)域進行成像:超聲回波統(tǒng)計參量成像首先確定選取的估計方法及滑動窗尺寸，使滑動 窗以單像素點為步長在成像平面被進行縱向及橫向滑動，每滑動一個像素點，利用選取的 估計方法計算滑動窗被回波信號包絡的統(tǒng)計參量值，并將該值賦給滑動窗的中心像素點， 遍歷整個成像區(qū)域以得到超聲回波統(tǒng)計參量圖像。作為本發(fā)明方進一步改進，構(gòu)建超聲回 波統(tǒng)計參量圖像時首先對超聲回波射頻信號進行去噪處理，基于最大似然估計Nakagami參 量成像的去噪方法為：
[0024]首先，將采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)分別加入兩次隨機白噪聲，得到有噪聲的信 號S1和S2,加入的白噪聲幅值等于系統(tǒng)白噪聲幅值，系統(tǒng)白噪聲幅值由無回聲區(qū)超聲信號 估計所得；
[0025]其次，以脈沖寬度作為采樣窗寬寬計算S1和S2的局部相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩 陣；
[0026]接著，以80 %作為閾值，找出相關(guān)系數(shù)矩陣中小于80 %的值，將它們對應的值全部 設(shè)置為回波射頻信號的最小值，得到去系統(tǒng)白噪聲后的射頻信號；
[0027] 最后，將判斷為噪聲的點置為回波信號中的最小值，將y小于0.25對應的統(tǒng)計參量 值置為〇,將y大于0.2的對應的統(tǒng)計參量值按照最大似然估計算法進行求解。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點：
[0029] 本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)由主控設(shè)備及連接在主控設(shè)備上的功率放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè) 備、圖像采集設(shè)備和三維移動設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，本發(fā)明檢測多區(qū)域的超聲統(tǒng) 計參量，實現(xiàn)了不同方式熱消融過程中超聲統(tǒng)計參量同步檢測、熱凝固微泡比同步檢測與 損傷動態(tài)變化同步檢測。
[0030] 與現(xiàn)有熱凝固檢測與監(jiān)控成像技術(shù)相比，本發(fā)明的方法對超聲回波射頻數(shù)據(jù)按照 超聲回波統(tǒng)計參量算法得到超聲回波統(tǒng)計參量，通過分析超聲回波統(tǒng)計參量的動態(tài)變化和 超聲統(tǒng)計參量成像，可以克服熱消融過程中空化汽化微泡的覆蓋和上部強回聲區(qū)域的遮 擋，將超聲統(tǒng)計參量成像方法用于不同方式熱消融過程中凝固的檢測與監(jiān)控成像，實現(xiàn)熱 凝固起始的提早檢測，增強凝固下部顯示，優(yōu)化熱凝固過程的檢測與監(jiān)控成像效果。
[0031] 進一步，與現(xiàn)有熱凝固檢測與監(jiān)控成像技術(shù)相比，本發(fā)明還提高了熱凝固微泡比 增強了圖像的對比度。 【【附圖說明】】
[0032] 圖1是本發(fā)明提出的用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量監(jiān)控系統(tǒng)的框圖。
[0033] 圖2是熱消融過程所中超聲回波統(tǒng)計參量及回波幅值同步檢測與成像系統(tǒng)與方法 控制的流程圖。
[0034]圖3是改進的基于最大似然估計的Nakagami參量圖像去噪及成像算法流程圖。
[0035] 圖4是熱消融過程熱凝固起始超聲回波統(tǒng)計參量圖像、B模式圖像同步監(jiān)測的結(jié) 果。
[0036] 圖5是熱消融過程中出現(xiàn)上部強回聲區(qū)域遮擋時超聲回波統(tǒng)計參量圖像與B模式 圖像同步監(jiān)測及統(tǒng)計參量與回波幅值動態(tài)變化結(jié)果。
[0037] 圖6是熱消融過程中超聲回波統(tǒng)計參量及B模式同步監(jiān)測與圖像熱凝固微泡比動 態(tài)變化的結(jié)果。
[0038] 其中，1、為主控設(shè)備;2、功率放大器;3、無創(chuàng)功率換能器;4、超聲檢測與成像換能 器;5、全數(shù)字化超聲設(shè)備;6、數(shù)據(jù)采集設(shè)備;7、樣品;8、圖像采集設(shè)備;9、指示燈；10、微創(chuàng)功 率換能器;11、透光水槽;12、三維移動設(shè)備。 【【具體實施方式】】
[0039] 為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖及實施方式作進一步的詳細說明：
[0040] -種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)。
[0041] 參見圖1，本發(fā)明的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)包括:主控 設(shè)備1、功率放大器2、無創(chuàng)功率換能器3、超聲檢測與成像換能器4、全數(shù)字化超聲設(shè)備5、數(shù) 據(jù)采集設(shè)備6、樣品7、圖像采集設(shè)備8、指示燈9、微創(chuàng)功率換能器10、透光水槽11和三維移動 設(shè)備12;在主控設(shè)備1上連接有功率放大器2、數(shù)據(jù)采集設(shè)備6、圖像采集設(shè)備8、指示燈9和三 維移動設(shè)備12;其中，主控設(shè)備1的輸出端與功率放大器2的控制端相連，功率放大器2的輸 出端與無創(chuàng)功率換能器3和微創(chuàng)功率換能器10的輸入端相連，無創(chuàng)功率換能器3和微創(chuàng)功率 換能器10設(shè)置在透光水槽11的周向；主控設(shè)備1的輸出端與數(shù)據(jù)采集設(shè)備6的控制端相連， 數(shù)據(jù)采集設(shè)備6的輸入端與全數(shù)字化超聲設(shè)備5的輸出端相連，全數(shù)字化超聲設(shè)備5的輸入 端與超聲檢測與成像換能器4的輸出端相連;主控設(shè)備1的輸出端與三維移動設(shè)備12的控制 端相連，三維移動設(shè)備12用于調(diào)節(jié)樣品7在透光水槽11的空間位置。
[0042] 該系統(tǒng)通過主控設(shè)備1控制功率放大器2驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器3和/或微創(chuàng)功率換 能器10發(fā)射能量;該系統(tǒng)通過主控設(shè)備1控制全數(shù)字化超聲設(shè)備5通過超聲檢測與成像換能 器4采集超聲回波射頻數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備6輸入到主控設(shè)備1并存貯在主控設(shè)備1 上;圖像采集設(shè)備6進行采集，指示燈9受主控設(shè)備1控制，在采集到的動態(tài)圖像中表征時間。 [0043]其中，主控設(shè)備1為時間序列和能量輸出雙重控制與具備數(shù)據(jù)存貯及處理的多功 能主控設(shè)備，其中，主控設(shè)備1能夠?qū)β史糯笃?能量輸出的時間和幅度同步時空控制，并 對全數(shù)字化超聲設(shè)備5通過超聲檢測與成像換能器4采集的超聲回波射頻數(shù)據(jù)進行存貯與 處理。
[0044] 所述的無創(chuàng)功率換能器3為聚焦超聲熱消融輻射器;所述的微創(chuàng)功率換能器10為 微波熱消融輻射器;所述的微創(chuàng)功率換能器10為射頻熱消融輻射器;所述的微創(chuàng)功率換能 器10為激光熱消融福射器；
[0045] 所述的透光水槽11為透明的玻璃或有機玻璃水槽;所述的三維移動設(shè)備12為微米 級掃描精度且能夠編程的全數(shù)字化三維掃描移動設(shè)備。
[0046]所述的圖像采集設(shè)備8分辨率為1280X1024的高清攝像機，其設(shè)置于樣品7側(cè)面。
[0047] -種克服微泡覆蓋反映熱凝固起始階段的超聲回波統(tǒng)計參量檢測方法，具體步驟 如下：
[0048] 本發(fā)明檢測熱消融過程中凝固起始目標區(qū)域的超聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化 過程，見圖2。主控設(shè)備1控制三維移動設(shè)備12調(diào)節(jié)樣品7使其處于無創(chuàng)功率換能器3和/或微 創(chuàng)功率換能器10的有效輻射區(qū)內(nèi)；同時將超聲檢測與成像換能器4對準換能器的有效輻射 區(qū)內(nèi)的目標區(qū)域;系統(tǒng)通過預設(shè)熱消融參數(shù)控制功率放大器2驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器3和/或 微創(chuàng)功率換能器10發(fā)射能量，作用于樣品；系統(tǒng)控制全數(shù)字化超聲設(shè)備通過超聲檢測與成 像換能器4采集目標區(qū)域熱消融凝固起始的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。
[0049] 系統(tǒng)使用全數(shù)字化超聲設(shè)備5采集超聲回波射頻數(shù)據(jù)，按照預定將射頻數(shù)據(jù)劃分 為多個目標區(qū)域，對每個區(qū)域的射頻數(shù)據(jù)單獨處理，同時對多個區(qū)域的超聲回波統(tǒng)計參量 及其動態(tài)變化進行檢測。本發(fā)明中使用Nakagami統(tǒng)計模型統(tǒng)計超聲背向散射信號。選取組 織中單個區(qū)域內(nèi)的超聲回波射頻數(shù)據(jù)按照Nakagami參量的算法計算得到該區(qū)域內(nèi)的超聲 回波統(tǒng)計分析的Nakagami參量。用于獲取Nakgami參量的估計量的方法有很多，大致可以分 為基于矩估計的參數(shù)估計方法和基于最大似然估計的參數(shù)估計方法。
[0050] -種克服微泡覆蓋提早檢測熱凝固起始的超聲回波統(tǒng)計參量成像方法，具體步驟 如下：
[0051] 本發(fā)明同時使用B模式圖像和超聲回波統(tǒng)計參量圖像對熱消融凝固起始進行檢測 與監(jiān)控成像。主控設(shè)備1通過預設(shè)參數(shù)控制功率放大器2驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器3和/或微創(chuàng)功 率換能器10發(fā)射能量，作用于樣品7;同時控制全數(shù)字化超聲設(shè)備5通過超聲檢測與成像換 能器4采集目標區(qū)域熱消融凝固起始的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。使用采集到的超聲回波射頻數(shù) 據(jù)同步構(gòu)建動態(tài)變化的超聲回波統(tǒng)計參量圖像和B模式超聲圖像。
[0052] 常規(guī)B模式圖像反應的目標區(qū)域的超聲背向散射信息，反應了組織內(nèi)部聲阻抗差 的差異，是目前較為成熟的超聲成像方法。熱消融過程中會產(chǎn)生空化汽化微泡，空化汽化微 泡與損傷在B模式圖像中均表現(xiàn)為高回聲，從而導致熱消融凝固起始檢測具有一定的困難。 Nakagmi統(tǒng)計模型中，不同散射子分布得到的Nakagami參量不同，Nakagmi參量圖像具有分 辨不同散射子濃度的能力，并且不受回波幅值的影響。
[0053] 為了克服熱消融凝固起始空化汽化微泡遮擋的影響，采用基于Nakagami參量的超 聲回波統(tǒng)計參量圖像對目標區(qū)域進行成像。超聲回波統(tǒng)計參量成像首先確定選取的估計方 法及滑動窗尺寸，使滑動窗以單像素點為步長在成像平面被進行縱向及橫向滑動，每滑動 一個像素點，利用選取的估計方法計算滑動窗被回波信號包絡的統(tǒng)計參量值，并將該值賦 給滑動窗的中心像素點，遍歷整個成像區(qū)域以得到超聲回波統(tǒng)計參量圖像。由于熱凝固組 織和微泡的散射子濃度不同，因此可以通過超聲回波統(tǒng)計參量圖像對熱凝固起始檢測與監(jiān) 控成像。
[0054] 一種克服上部強回聲區(qū)域遮擋反映熱凝固下部的超聲回波統(tǒng)計參量檢測方法，具 體步驟如下：
[0055] 本發(fā)明監(jiān)測熱消融過程中凝固底部目標區(qū)域的超聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化 過程。主控設(shè)備1控制三維移動設(shè)備12調(diào)節(jié)樣品7使其處于無創(chuàng)功率換能器3和/或微創(chuàng)功率 換能器10的有效輻射區(qū)內(nèi)；同時將超聲檢測與成像換能器4對準換能器的有效輻射區(qū)內(nèi)的 目標區(qū)域;系統(tǒng)通過預設(shè)熱消融參數(shù)控制功率放大器驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器3和/或微創(chuàng)功率 換能器7發(fā)射能量，作用于樣品；系統(tǒng)控制全數(shù)字化超聲設(shè)備通過超聲檢測與成像換能器采 集目標區(qū)域熱消融凝固底部被遮擋時的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。
[0056] 隨著熱消融時間的增加，由于損傷上部分強散射系數(shù)組織及微泡的影響，下部超 聲嚴重衰減，使得損傷難以觀察，超聲回波統(tǒng)計參量圖像可以有效的抑制超聲散射回波中 的上部強回聲區(qū)域遮擋效應，可以識別B模式圖像不能描述的較弱信號。由于無回聲區(qū)的白 噪聲會影響超聲回波統(tǒng)計參量圖像檢測熱凝固區(qū)域，需要在回波散射波形不變的情況下取 出白噪聲。NCA去噪方法在基于矩估計的Nakagami參量成像中取得較好效果。NCA去噪方法 直接將噪聲點置為〇,基于矩估計的超聲回波統(tǒng)計參量成像算法中，超聲回波統(tǒng)計參量通過 利用回波射頻數(shù)據(jù)包絡R的k階矩以1^十算而得，令E( ·)表示期望，則，
[0057] yk = E(Rk)
[0058] 因此矩估計的超聲回波統(tǒng)計參量成像算法中將噪聲點置為零可以實現(xiàn)較好的去 噪效果，但是基于最大似然估計的統(tǒng)計參量成像算法中
[0059]
[0060]
[0061 ] w ,的NCA去噪方法，噪聲點被置為0，會導致計算其他點的m值
時，只要滑動窗包含該點，就會導致G = 0,同時導致y趨向于無窮大，導致計算出的m值無意 義，本發(fā)明提出了一種改進的基于最大似然估計的Nakagami圖像去噪方法。參見圖3,首先， 將采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)分別加入兩次隨機白噪聲，得到有噪聲的信號S1和S2,加入 的白噪聲幅值等于系統(tǒng)白噪聲幅值，由無回聲區(qū)超聲信號估計所得;其次，以脈沖寬度作為 采樣窗寬計算S1和S2的局部相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣;接著，以80%作為閾值，找出相 關(guān)系數(shù)矩陣中小于80 %的值，將它們對應的值全部賦值為回波射頻信號的最小值，得到去 系統(tǒng)白噪聲后的射頻信號。將判斷為噪聲的點置為回波信號中的最小值，這樣會導致計算 出來的y值遠遠小于其正常值，因此將y小于〇. 2對應的統(tǒng)計參量值置為0，將y大于0.2的對 應的統(tǒng)計參量值按照最大似然估計算法進行求解?？梢赃_到較好的去噪效果。
[0062] 一種克服上部強回聲區(qū)域遮擋增強熱凝固下部顯示的超聲回波統(tǒng)計參量成像方 法，具體步驟如下：
[0063] 本發(fā)明同時使用超聲回波統(tǒng)計參量圖像和B模式圖像對熱消融過程中出現(xiàn)上部強 回聲區(qū)域遮擋的熱凝固進行檢測與監(jiān)控成像。主控設(shè)備通過預設(shè)參數(shù)控制功率放大器驅(qū)動 無創(chuàng)功率換能器3和/或微創(chuàng)功率換能器10發(fā)射能量，作用于樣品7;同時控制全數(shù)字化超聲 設(shè)備5通過超聲檢測與成像換能器4采集目標區(qū)域熱消融凝固起始的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。
[0064] 使用采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)同步構(gòu)建動態(tài)變化的超聲回波統(tǒng)計參量圖像和B 模式超聲圖像。構(gòu)建超聲回波統(tǒng)計參量圖像的時首先對超聲回波射頻信號進行去噪處理。 在消融結(jié)束后，沿超聲檢測與成像換能器4采集切面剖開樣品，并對切面進行拍照獲取光學 圖像。將光學圖像、B模式圖像和超聲回波統(tǒng)計參量圖像進行對比分析，研究隨著熱消融時 間增加出現(xiàn)上部強回聲區(qū)域遮擋時光學圖像、B模式圖像和超聲回波統(tǒng)計參量圖像與損傷 的對應關(guān)系。
[0065] -種提高熱凝固微泡比增強熱凝固監(jiān)測對比度的超聲回波統(tǒng)計參量成像方法，包 括以下步驟：
[0066] 本發(fā)明檢測熱消融過程中目標區(qū)域的熱凝固微泡比（lesion-to-bubble ratio， LBR)及其動態(tài)變化過程。系統(tǒng)通過主控設(shè)備控制三維移動設(shè)備調(diào)節(jié)樣品使其處于無創(chuàng)功率 換能器3和/或微創(chuàng)功率換能器10的有效輻射區(qū)內(nèi)；同時將超聲檢測與成像換能4對準換能 器的有效輻射區(qū)內(nèi)的目標區(qū)域;系統(tǒng)通過預設(shè)熱消融參數(shù)控制功率放大器驅(qū)動無創(chuàng)功率換 能器和/或微創(chuàng)功率換能器發(fā)射能量，作用于樣品7;系統(tǒng)控制全數(shù)字化超聲設(shè)備通過超聲 檢測與成像換能器采集目標區(qū)域熱消融凝固底部被遮擋時的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。
[0067] LBR是指凝固與微泡散射能力的比率，定義為：
[0068]
[0069] 其中，I1(3Slcin和Ibubbl(3分別為凝固和微泡目標區(qū)域的平均幅值。利用采集到的回波 射頻數(shù)據(jù)和計算得到超聲回波統(tǒng)計參量數(shù)據(jù)。提取感興趣區(qū)域(region of interest，R0I) 的回波幅值和超聲回波統(tǒng)計參量，根據(jù)公式計算得到圖像的LBR值及其動態(tài)變化過程。
[0070] 以下是具體的實施例，但并不局限與這些實施例。
[0071] 實施例1
[0072] 參見圖4,熱消融過程中凝固起始檢測與超聲監(jiān)控成像。在熱消融治療早期，使用 超聲回波統(tǒng)計參量成像方法對熱凝固起始進行檢測與監(jiān)控成像。
[0073]本實施例中使用聚焦超聲進行熱消融治療。使用的聲功率為85W，占空比為70%， 總時間為4s，在熱消融過程中，使用圖像采集設(shè)備采集聚焦超聲熱消融治療過程中透明仿 生物組織體模中損傷的動態(tài)變化過程，如果4(a)所示。同時在熱消融過程中是用全數(shù)字超 聲設(shè)備同步采集熱消融治療過程中目標區(qū)域的超聲回波背向散射數(shù)據(jù)。使用這些采集到的 超聲回波射頻數(shù)據(jù)同步構(gòu)建超聲B模式圖像圖4(b)和超聲回波統(tǒng)計參量圖像4(c)，將熱消 融凝固起始的超聲回波統(tǒng)計參量圖像、B模式圖像和光學圖像進行對比分析，
[0074] 實施例2
[0075] 參見圖5,熱消融過程中出現(xiàn)上部強回聲區(qū)域遮擋熱時熱凝固下部超聲回波統(tǒng)計 參量動態(tài)變化與監(jiān)控成像。在熱消融過程中，對樣品多個區(qū)域的超聲回波幅值與超聲回波 統(tǒng)計參量進行同步檢測。同時同步構(gòu)建超聲回波統(tǒng)計參量圖像與超聲B模式圖像。
[0076] 本實施例中使用微波治療儀進行熱消融治療。微波熱消融參數(shù)為：消融功率為 40W，消融時間為5min，在熱消融過程中，使用全數(shù)字化超聲設(shè)備控制超聲檢測與成像換能 器采集熱消融目標區(qū)域的超聲回波射頻數(shù)據(jù)。同步構(gòu)建B模式圖像圖5(a)和超聲回波統(tǒng)計 參量圖像圖5(b)，同時選取感興趣區(qū)域分別監(jiān)測區(qū)域內(nèi)超聲回波幅值5(c)與超聲回波統(tǒng)計 參量5(d)的動態(tài)變化。
[0077] 實施例3
[0078] 參見圖6,基于提高熱凝固微泡比的超聲回波統(tǒng)計參量的熱凝固監(jiān)控成像。在熱消 融過程中，分別提取凝固區(qū)域與微泡區(qū)域的超聲回波數(shù)據(jù)與超聲回波統(tǒng)計參量數(shù)據(jù)，計算 R0I區(qū)域的平均幅值，按照公式計算得到LBR值及其動態(tài)變化，同時同步構(gòu)建超聲回波統(tǒng)計 參量圖像和B模式超聲圖像。
[0079]本實施例中使用聚焦超聲進行熱消融治療，使用聲功率為140W，連續(xù)輻射32s，在 熱消融治療過程中，使用全數(shù)字化超聲設(shè)備同步采集熱消融過程中目標區(qū)域超聲回波射頻 數(shù)據(jù)。使用這些射頻數(shù)據(jù)同步構(gòu)建熱消融過程中B模式圖像圖6(a)和超聲回波統(tǒng)計參量圖 像圖6(b)。同時利用采集到的射頻數(shù)據(jù)獲取B模式圖像和統(tǒng)計參量圖像的LBR的動態(tài)變化過 程圖6(c)，具體的方法為是分別選取凝固區(qū)域和微泡區(qū)域為R0I區(qū)域，計算R0I區(qū)域內(nèi)回波 幅值和超聲回波統(tǒng)計參量值的平均值。按照LBR值的計算方法得到LBR值及動態(tài)變化過程。 [0080]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，其特征在于：包括主控設(shè)備 (1);所述的主控設(shè)備（1)上連接有功率放大器(2)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)、圖像采集設(shè)備(8)和 三維移動設(shè)備（12);其中，所述的功率放大器(2)的輸出端連接有無創(chuàng)功率換能器(3)和微 創(chuàng)功率換能器（10);所述的數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)的輸入端連接有全數(shù)字化超聲設(shè)備(5)，全數(shù) 字化超聲設(shè)備(5)的輸入端連接有超聲檢測與成像換能器(4);所述的三維移動設(shè)備（12)用 于調(diào)節(jié)樣品（7)在透光水槽（11)中的空間位置;所述的圖像采集設(shè)備(8)用于采集樣品（7) 熱凝固動態(tài)圖像； 所述的主控設(shè)備（1)控制功率放大器(2)驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器(3)和/或微創(chuàng)功率換能 器（10)對樣品（7)輻射能量;全數(shù)字化超聲設(shè)備(5)通過超聲檢測與成像換能器(4)采集超 聲回波射頻數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)輸入到主控設(shè)備(1)進行存貯與處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，其特征 在于:所述的圖像采集設(shè)備(8)分辨率為1280X1024的高清攝像機，其設(shè)置于樣品（7)側(cè)面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，其特征 在于:還包括受主控設(shè)備（1)的時序控制、在圖像采集設(shè)備(8)采集到的動態(tài)圖像中表征時 間的指示燈(9)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，其特征 在于:所述的無創(chuàng)功率換能器(3)為聚焦超聲熱消融輻射器;所述的微創(chuàng)功率換能器（10)為 微波熱消融輻射器、射頻熱消融輻射器或激光熱消融輻射器。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)，其特征 在于:所述的透光水槽（11)為透明的玻璃或有機玻璃水槽;所述的三維移動設(shè)備（12)為微 米級掃描精度且可編程的全數(shù)字化三維掃描移動設(shè)備。6. 基于權(quán)利要求1所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像方 法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 主控設(shè)備（1)控制三維移動設(shè)備（12)調(diào)節(jié)樣品（7)的空間位置，將樣品（7)放置于無 創(chuàng)功率換能器(3)和/或微創(chuàng)功率換能器(10)的有效輻射區(qū)內(nèi)； 2) 主控設(shè)備（1)控制功率放大器（2)驅(qū)動無創(chuàng)功率換能器（3)和/或微創(chuàng)功率換能器 (10)發(fā)射能量，作用于樣品（7); 3) 將超聲檢測與成像換能器(4)對準樣品(7); 4) 主控設(shè)備（1)控制全數(shù)字化超聲設(shè)備(5)通過超聲檢測與成像換能器(4)采集超聲回 波射頻數(shù)據(jù)； 5) 超聲檢測與成像換能器(4)采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)輸入 到主控設(shè)備(1)并存貯在主控設(shè)備(1)上； 6) 主控設(shè)備（1)上的超聲回波射頻數(shù)據(jù)按照超聲回波統(tǒng)計參量算法得到樣品（7)中的 超聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化過程。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像方 法，其特征在于，還包括： 7) 由步驟5)中得到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)和步驟6)中得到的超聲回波統(tǒng)計參量數(shù)據(jù)同 步構(gòu)建動態(tài)變化的超聲回波統(tǒng)計參量圖像和B模式超聲圖像； 8) 由步驟5)中得到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)和步驟6)中得到的超聲回波統(tǒng)計參量數(shù)據(jù)，提 取熱凝固區(qū)域與微泡區(qū)域的回波幅值和超聲回波統(tǒng)計參量，按照熱凝固微泡比的計算方法 得到熱凝固微泡比值及其動態(tài)變化過程。8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成 像方法，其特征在于，步驟6)具體為基于Nakagami統(tǒng)計模型統(tǒng)計超聲回波射頻數(shù)據(jù):按照預 定將射頻數(shù)據(jù)劃分為多個目標區(qū)域，選取組織中單個區(qū)域內(nèi)的超聲回波射頻數(shù)據(jù)按照 Nakagami參量的算法計算得到該區(qū)域內(nèi)的超聲回波統(tǒng)計分析的Nakagami參量;對每個區(qū)域 的射頻數(shù)據(jù)單獨處理，同時對多個區(qū)域的超聲回波統(tǒng)計參量及其動態(tài)變化進行檢測。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像方 法，其特征在于，采用基于Nakagami參量的超聲回波統(tǒng)計參量圖像對目標區(qū)域進行成像:超 聲回波統(tǒng)計參量成像首先確定選取的估計方法及滑動窗尺寸，使滑動窗以單像素點為步長 在成像平面被進行縱向及橫向滑動，每滑動一個像素點，利用選取的估計方法計算滑動窗 被回波信號包絡的統(tǒng)計參量值，并將該值賦給滑動窗的中心像素點，遍歷整個成像區(qū)域以 得到超聲回波統(tǒng)計參量圖像。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種用于熱凝固監(jiān)測的超聲回波統(tǒng)計參量成像系統(tǒng)的成像 方法，其特征在于，構(gòu)建超聲回波統(tǒng)計參量圖像時首先對超聲回波射頻信號進行去噪處理， 基于最大似然估計Nakagami參量成像的去噪方法為： 首先，將采集到的超聲回波射頻數(shù)據(jù)分別加入兩次隨機白噪聲，得到有噪聲的信號S1 和S2，加入的白噪聲幅值等于系統(tǒng)白噪聲幅值，系統(tǒng)白噪聲幅值由無回聲區(qū)超聲信號估計 所得； 其次，以脈沖寬度作為采樣窗寬計算S1和S2的局部相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣； 接著，以80 %作為閾值，找出相關(guān)系數(shù)矩陣中小于80 %的值，將它們對應的值全部設(shè)置 為回波射頻信號的最小值，得到去系統(tǒng)白噪聲后的射頻信號； 最后，將判斷為噪聲的點置為回波信號中的最小值，將y小于0.2對應的統(tǒng)計參量值置 為〇,將y大于0.2的對應的統(tǒng)計參量值按照最大似然估計算法進行求解。
【文檔編號】A61B8/08GK106037815SQ201610326626
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張思遠, 朱興廣, 韓玉強, 黃國靜, 尚少強, 徐田奇, 萬明習, 段君博, 鐘徽
【申請人】西安交通大學