用於獲取hifu聚焦圖像的超聲波像系統及利用該系統的超聲波像生成方法

2023-06-16 07:34:26

用於獲取hifu聚焦圖像的超聲波像系統及利用該系統的超聲波像生成方法
【專利摘要】本發明涉及超聲波像系統，其特徵在於，包括：HIFU發送波束形成器，其對具有同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換器的頻率響應帶的頻率的HIFU發送信號進行發送、聚集、延遲；HIFU變換器，其向對象物發送被發送、聚集、延遲的HIFU發送信號；超聲波像變換器，其接收從對象物收到的超聲波信號；圖像接收波束形成器，其對所接收到的超聲波信號進行接收、聚集、延遲來生成合成波束；以及超聲波像生成部，其根據所生成的合成波束來生成超聲波像，通過預先掌握HIFU能被聚集的位置，從而能夠防止通過HIFU手術使不期望的部位壞死的現象。
【專利說明】用於獲取HIFU聚焦圖像的超聲波像系統及利用該系統的 超聲波像生成方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及超聲波像系統，具體地涉及能夠預先掌握HIFU (HIGH INTENSITY F0⑶SED ULTRASOUND，高強度聚焦超聲）能聚集的位置來防止通過HIFU手術使不期望的部 位壞死的用於獲取HIFU聚焦圖像的超聲波像系統及利用該系統的超聲波像生成方法。

【背景技術】
[0002] 超聲波是一種如下所述的聲波，其振動頻率非常高，達到17,000至20, 000Hz以 上，其是不能用人類的耳朵來辨認的不能聽到的聲振動，是在每一秒鐘振動2萬次以上的 聲波。即，超聲波不是電場或頻譜（spectrum)，而是聲波。最近，使用基於這種超聲波的治 療的範圍逐漸擴大。
[0003] 已知人體組織在其部位的溫度達到60?85攝氏度時壞死。高強度聚焦超聲波 (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)治療是一種利用這種現象來將超聲波能聚集 在一點（焦點）從而利用熱凝固（Thermal Coagulation)以及機械能（Cavitation)使癌組 織壞死的技術。隨著超聲波治療的發展，為了有效地治療多種疾病尤其是腫瘤（Tumor )，特 定的超聲波治療尤其是HIFU用於破壞性劑量（Damaging dose)。
[0004] 與現有的外科手術以及化學療法（Chemotherapy)相比，HIFU治療能夠更加減小 患者的外傷且實現非侵入性治療（Noninvasivetreatment)。從而，HIFU的臨床應用得到了 快速的發展。這種症狀包括肝癌（Liver cancer)、骨肉瘤（Bone sarcoma)、乳腺癌（Breast cancer)、膜腺癌（Pancreas cancer)、腎癌（Kidney cancer)、軟組織腫瘤（Soft tissue tumor)以及盆腔腫瘤（Pelvic tumor)。
[0005] 超聲波腫瘤治療裝置通常採用球形聚集（Sphere focusing)。從所有點發射的超 聲波向著球形的中心，並成為被聚集的超聲波。超聲波治療裝置上的發射器（Emitter)從 肢體的外部向肢體的內部發射超聲波，其在釋放以及傳送期間被聚集，從而形成高能量聚 集點。從而，高強度以及連續的超聲波能應用於患者（Subject)的祀區（Target region)。
[0006] 在聚集點產生的過度的熱效果（65?100°C)、空化效果（Cavitation effect)、機 械效果以及聲波化學效果用於選擇性地使發生病變的組織產生凝固性壞死（Coagulative necrosis),並且阻止腫瘤的擴散（Proliferation)、侵入（Invasion)以及轉移 (Metastasis)。
[0007] 為了在應用HIFU治療的期間成功治療（Treatment)，聚集點的準確、安全且有效 的定位（Localization)成為必須條件，並且需要進一步提高用於定位祀（Target)的操作 的便利性。由此，能夠在不損傷重要的血管以及器官的情況下，通過HIFU信號來實施手術， 此時必須確認能夠提高HIFU手術的穩定性以及準確性的HIFU治療信號的準確的焦點。
[0008] 然而，當用於HIFU手術的高強度超聲波能聚集在不期望的部位的情況下，存在使 非病變部位的其他組織壞死的問題。


【發明內容】

[0009] 從而，本發明所要解決的第一課題在於，提供一種能夠利用不對人體產生影響的 範圍的超聲波能來預先掌握HIFU能（energy)被聚集的位置的超聲波像系統。
[0010] 本發明所要解決的第二課題在於，提供一種預先掌握HIFU能被聚集的位置，從而 能夠防止通過HIFU手術使不期望的部位壞死的超聲波像生成方法。
[0011] 另外，本發明所要解決的另一課題在於，提供一種存儲用於在計算機上執行上述 方法的程序的計算機能夠讀取的存儲介質。
[0012] 為了解決上述第一課題，本發明提供一種超聲波像系統，包括：HIFU發送波束形 成器，其對具有同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換器的頻率響應帶的頻率 的HIFU發送信號進行發送、聚集、延遲；HIFU變換器，其向對象物發送上述發送、聚集、延遲 的HIFU發送信號；超聲波像變換器，其接收從上述對象物接收到的超聲波信號；圖像接收 波束形成器，其對上述接收的超聲波信號進行接收、聚集、延遲而生成合成波束；以及超聲 波像生成部，其根據上述生成的合成波束來生成超聲波像。
[0013] 根據本發明的一實施例，優選地，上述HIFU發送信號具有上述超聲波像變換器的 中心頻率。另外，優選地，上述圖像接收波束形成器和上述超聲波像生成部所使用的中心頻 率與上述HIFU發送信號的頻率相同。
[0014] 根據本發明的另一實施例，根據上述HIFU發送信號來產生諧波分量的情況下，能 夠利用上述HIFU發送信號的中心頻率或者上述諧波分量來生成上述超聲波像。
[0015] 根據本發明的再一實施例，能夠與上述超聲波像系統生成掃描線的時刻同步地向 對象物發送上述HIFU發送信號。
[0016] 另外，還能夠與上述超聲波像系統生成幀的時刻同步地向對象物發送上述HIFU 發送信號。
[0017] 為了解決上述第二課題，本發明提供一種超聲波像生成方法，包括：對具有同時屬 於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換器的頻率響應帶的頻率的HIFU發送信號進行發 送、聚集、延遲的步驟；向對象物發送上述發送、聚集、延遲的HIFU發送信號的步驟；接收從 上述對象物接收到的超聲波信號的步驟；將上述接收到的超聲波信號接收、聚集、延遲而生 成合成波束的步驟；以及根據上述生成的合成波束生成超聲波像的步驟。
[0018] 為了解決另一課題，本發明提供一種存儲用於在計算機上執行上述方法的程序的 計算機能夠讀取的存儲介質。
[0019] 發明效果
[0020] 根據本發明，能夠利用不對人體產生影響的範圍的超聲波能來預先掌握HIFU能 被聚集的位置。另外，根據本發明，預先掌握HIFU能被聚集的位置，從而能夠防止通過HIFU 手術使不期望的部位壞死的情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是根據本發明的一個優選實施例的超聲波像系統的構成圖。
[0022] 圖2是表示根據本發明的一個實施例的超聲波像系統的HIFU變換器110和超聲 波像變換器120的頻率響應的圖。
[0023] 圖3是根據本發明的一個優選實施例的超聲波像生成方法的流程圖。
[0024] 優選實施方式
[0025] 為了便於理解，在說明本發明的具體內容之前，首先描述本發明所要解決的課題 的解決方案的概要內容或核心技術思想。
[0026] 根據本發明的一個實施例的超聲波像系統包括：HIFU發送波束形成器，其將具有 同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶與HIFU變換器的頻率響應帶的頻率的HIFU發送信號 發送、聚集、延遲；HIFU變換器，其向對象物發送上述發送、聚集、延遲的HIFU發送信號；超 聲波像變換器，其從上述對象物接收超聲波信號；圖像接收波束形成器，其將上述接收的超 聲波信號接收、聚集、延遲來生成合成波束；以及超聲波像生成部，其根據上述生成的合成 波束來生成超聲波像。
[0027] 下面，參照附圖，詳細說明本發明所屬【技術領域】的技術人員能夠容易地實施本發 明的優選實施例。但是，所屬【技術領域】的技術人員能夠容易理解，這些實施例用於進一步具 體說明本發明，而並不用於對本發明的範圍加以限制。

【具體實施方式】
[0028] 參照附圖，並根據本發明的優選實施例，詳細說明用於解決本發明所要解決的課 題的解決方案的發明構成。首先需要在此加以說明的是，在對附圖的構成元素賦予附圖標 記時，即使位於不同的附圖中，但是對相同的構成元素還是賦予相同的附圖標記，當說明該 附圖時，根據需要能夠引用其他附圖的構成元素。並且，詳細說明本發明的優選實施例的動 作原理時，在判斷為對於與本發明相關的公知功能或構成的具體說明以及除此之外的各種 內容會對本發明的宗旨加以混淆的情況下，省略其詳細說明。
[0029] 此外，在說明書整體中，描述為某部分與另一部分"連接"時，不僅包括"直接連接" 的情況，還包括在其之間設置有另一元件而"間接連接"的情況。在本說明書中，除非有特 別加以說明的除外，單數詞語還包括複數的情況。在說明書中所使用的"包括（comprises)" 和/或"包括的（comprising)"並不排除所提及的構成元素、步驟、動作和/或元件包括一 個以上的另一構成元素、步驟、動作和/或元件的存在或者增加。
[0030] 為了病變（Lesion)形成，需要發送具有高能的HIFU發送信號，因此，通常發送具 有HIFU變換器的共振頻率的HIFU發送信號。但是，在未確認準確的焦點位置而發送HIFU 發送信號的情況下，可能會發生使不期望的組織壞死的情況。從而，在本發明中，想要提出 一種在發送具有高能的HIFU發送信號之前，通過超聲波像能夠確認HIFU發送信號的焦點 位置的方法。
[0031] 圖1是根據本發明的一個優選實施例的超聲波像系統的構成圖。
[0032] 如圖1所示，根據本實施例的超聲波像系統由HIFU發送波束形成器（Beam former) KKKHIFU變換器110、超聲波像變換器120、圖像接收波束形成器130、超聲波像生 成部140、顯示部150、焦點控制部160以及輸入部170構成。
[0033] 在對象物內，HIFU發送波束形成器100根據想要將HIFU發送信號聚集的位置，以 每個HIFU變換器110為單位，將可變延遲時間應用於HIFU發送信號。尤其，優選地，HIFU 發送波束形成器100將具有超聲波像變換器120的中心頻率的HIFU發送信號發送、聚集、 延遲。
[0034] HIFU變換器110將被發送、聚集、延遲的HIFU發送信號發送到對象物，即病變部 位。發送到對象物的HIFU發送信號發生後向散射（back scattering)。根據本發明的一實 施例的HIFU發送信號，其頻率應該同時在超聲波像變換器120的頻帶與HIFU變換器的頻 帶內。
[0035] 另外，儘量使HIFU發送信號脈衝的長度短(例如，5個周期以內），以保證軸向分辨 率。優選地，儘可能將HIFU發送信號脈衝的最大值（amplitude)設得短，以便不會對HIFU 發送信號聚集位置的組織帶來壞處。即，必須利用不會對人體產生影響的範圍的超聲波能 (例如，200W/cm2以下）來預先掌握HIFU能被聚集的位置。
[0036] 超聲波像變換器120從對象物接收後向散射的超聲波信號。
[0037] 圖像接收波束形成器130以每個超聲波像變換器120為單位，將可變延遲時間應 用於所接收的超聲波信號，從而生成合成波束。
[0038] 超聲波像生成部140根據所生成的合成波束生成超聲波像。
[0039] 使超聲波像系統在圖像以及信號處理過程中所使用的中心頻率設為與HIFU發送 信號的頻率（f〇 :基本頻率）相同。
[0040] 另外，根據HIFU發送信號產生多種諧波分量(例如，2&，3&，，…）的情況下，不 僅能夠利用基本頻率分量獲得聚焦圖像，而且還能夠利用諧波分量來獲得聚焦圖像。
[0041] 顯示部150顯示所生成的超聲波像。
[0042] 顯示部150從超聲波像生成部140接收信號來在畫面中顯示所生成的圖像。顯示 部150可以是液晶顯示器（IXD)、等離子顯示面板（PDP)或者有機發光元件器件（0LED)等。
[0043] 焦點控制部160進行如下的控制，S卩，其根據超聲波像生成部140所生成的超聲波 像，比較通過HIFU信號治療的位置和原本想要治療的目標位置，從而改變HIFU發送波束形 成器100的HIFU信號發送聚集位置，即焦點。
[0044] 輸入部170接收用戶所輸入的焦點改變信號，以便用戶從顯示部150判斷通過 HIFU信號治療的位置和原本想要治療的目標位置之差，來改變焦點。
[0045] 另一方面，用於根據HIFU發送信號形成超聲波像的同步方法如下。
[0046] 第一，在超聲波像系統生成掃描線的時刻，同步地向對象物發送HIFU發送信號的 方法。
[0047] 這是一種每當超聲波像系統生成掃描線時，發送HIFU發送信號並接收超聲波信 號後，利用這些信號來形成一個幀的HIFU聚焦圖像的方法。HIFU聚焦圖像是指，發送HIFU 信號並接收超聲波信號來聚集而成的圖像。
[0048] 第二，在超聲波像系統生成幀的時刻，同步地向對象物發送HIFU發送信號的方 法。
[0049] 能夠在向對象物發送一次HIFU發送信號後，形成超聲波像所需的數量的掃描線 來形成一個幀的HIFU聚焦圖像。
[0050] 圖2是表不根據本發明的一個實施例的超聲波像系統的HIFU變換器110和超聲 波像變換器120的頻率響應的圖。
[0051] 在圖2中示出了 HIFU變換器110的頻率響應和超聲波像變換器120的頻率響應。
[0052] 用於病變形成的HIFU發送信號的中心頻率是1. 1Hz，用於獲取通常的超聲波像的 超聲波發送信號的中心頻率是3. 3MHz。
[0053] 另外，將HIFU發送變換器110的共振頻率設為1. 1MHz，將超聲波像變換器120的 共振頻率設為3. 3MHz。
[0054] 從而，根據本發明的實施例的HIFU發送信號的頻率同時包含在超聲波像變換器 120的頻帶與HIFU變換器的頻帶內，尤其優選頻率在1. 1MHz?3. 3MHz區間。尤其，優選 HIFU發送信號的頻率為超聲波像變換器120的中心頻率，即3. 3MHz。
[0055] 為了獲取用於確認焦點位置的HIFU聚焦圖像，需要發送具有與超聲波像變換器 120的中心頻率（3. 3MHz)相同的中心頻率的HIFU發送信號。此時，由於HIFU變換器110 的頻率響應具有抑制3. 3MHz的信號的性質，因此發送弱的HIFU發送信號。
[0056] 然後，利用超聲波像變換器120接收超聲波信號，並通過信號處理過程，從而能夠 得到超聲波像。
[0057] 通常，為了獲得超聲波像，利用超聲波像變換器來發送和接收具有與超聲波像變 換器的中心頻率相同的中心頻率的超聲波信號。但是，根據本發明的一個實施例，其不同點 在於，利用HIFU發送變換器110發送具有超聲波像變換器120的中心頻率的HIFU發送信 號後，利用超聲波像變換器120來接收超聲波信號，由此獲得HIFU聚焦圖像。
[0058] 圖3是根據本發明的一個優選實施例的超聲波像生成方法的流程圖。
[0059] 如圖3所示，根據本實施例的超聲波像生成方法由在圖1所示的超聲波像系統中 根據時間序列處理的步驟構成。從而，在下面，即使省略了內容，但是關於圖1所示的超聲 波像系統在上面的內容還適用於根據本實施例的超聲波像生成方法。
[0060] 步驟300,超聲波像系統將具有同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換 器的頻率響應帶的頻率的HIFU發送信號發送、聚集、延遲。
[0061] 在步驟310,超聲波像系統將上述發送、聚集、延遲的HIFU發送信號發送給對象 物。此時，優選發送具有與超聲波像變換器120的中心頻率（3. 3MHz)相同的中心頻率的 HIFU發送信號。
[0062] 在步驟320,超聲波像系統接收來自上述對象物的超聲波信號。
[0063] 在步驟330,超聲波像系統將上述接收的超聲波信號接收、聚集、延遲來生成合成 波束。
[0064] 在步驟340,超聲波像系統根據上述生成的合成波束生成超聲波像。上述超聲波像 包括彩色圖像或者B模式圖像。
[0065] 如圖1所示，超聲波像生成部140生成患者的治療部位的超聲波圖像。為了生成 治療部位移動的連續的圖像，超聲波像生成部140能夠使用視頻編碼解碼器。
[0066]另外，超聲波像生成部140接收從治療部位被反射過來的超聲波信號，利用基於 治療經過的深度之差，提供治療部位的空間以及時間變化，從而能夠生成彩色視頻信號。為 了導出上述治療部位的空間以及時間變化，測定平均都卜勒頻率或者平均相位值。將平均 相位值作為變量，能夠預先設定存儲互相不同的彩色，在各個圖像點上的平均相位值轉換 為根據該大小以及方向的顏色，從而顯示在畫面上。即，利用超聲波都卜勒系統，都卜勒現 象是指在聲波源與接收方之間存在相對移動的情況下，所接收的聲波的頻率與該移動的速 遞成比例地變化的物理現象。實時調查基於被檢測體內的治療經過的深度差，並利用該深 度差能夠形成彩色圖像。
[0067] 另一方面，在判斷為基於治療經過的深度差不大的圖像點上，超聲波像生成部140 能夠形成B模式圖像。其中，B模式（Brigtness mode)是指將進入到人體的回波（echo)的 大小以亮度顯示於畫面的模式，亮點意味著在人體內部有強反射體，暗點表示存在低回聲 (hypoechoic)區域。
[0068]另外，超聲波像生成部140能夠生成將B模式圖像以及彩色圖像結合的集成圖像 信號。超聲波像生成部140能夠比較各個圖像點的B模式圖像信號和彩色圖像信號，從而 決定選哪一種信號。例如，在彩色圖像信號的功率比B模式圖像信號大小的一定比率大的 情況下，能夠以選擇彩色圖像信號的方式執行。
[0069] 本發明的實施例能夠以通過多種計算機方法來實施的程序指令方式體現並存儲 在計算機可讀介質中。上述計算機可讀介質能夠包括單獨的程序指令、數據文件、數據結構 或其組合。存儲在上述介質的程序指令可以是專門為了本發明而設計並構成的，或者計算 機軟體領域的技術人員所熟知的可使用的程序指令。計算機可讀存儲介質的例子包括硬 盤、軟盤以及磁帶等磁介質（magnetic media), O)R0M、DVD等光存儲介質（optical media), 光磁碟（floptical disk)等磁光介質（magneto optical media)以及只讀存儲器（ROM)、 隨機存取存儲器（RAM)、快閃記憶體等專門構成為存儲並執行程序指令的硬體裝置。程序指令的例 子不僅包括通過編譯器形成的機械代碼，還包括能夠使用解釋器等通過計算機執行的高級 語言代碼。為了執行本發明的動作，上述的硬體裝置能夠構成為作為一個以上的軟體模塊 來工作，反之亦然。
[0070] 如上所述，在本發明中，通過具體構成元素等特定內容和有限的實施例以及附圖 進行了說明，但是這僅是為了有助於從進一步的整體上理解本發明而提供的。本發明並不 限於上述的實施例，所屬【技術領域】的技術人員能夠根據上述的說明對本發明實施多種修改 以及變形。
[0071 ] 從而，本發明的思想並不局限於上述所說明的實施例。應理解為，不僅權利要求書 包含在本發明的思想範圍內，而且包括與該權利要求書等效或等價的變形例的所有方案均 包括在本發明的思想範圍內。
【權利要求】
1. 一種超聲波像系統，包括： HIFU發送波束形成器，其對具有同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換器 的頻率響應帶的頻率的HIFU發送信號進行發送、聚集、延遲； HIFU變換器，其向對象物發送上述發送、聚集、延遲的HIFU發送信號； 超聲波像變換器，其接收從上述對象物收到的超聲波信號； 圖像接收波束形成器，其對上述接收到的超聲波信號進行接收、聚集、延遲而生成合成 波束；以及 超聲波像生成部，其根據上述生成的合成波束來生成超聲波像。
2. 根據權利要求1所述的超聲波像系統，其中， 上述HIFU發送信號具有上述超聲波像變換器的中心頻率。
3. 根據權利要求1所述的超聲波像系統，其中， 上述圖像接收波束形成器和上述超聲波像生成部所使用的中心頻率與上述HIFU發送 信號的頻率相同。
4. 根據權利要求1所述的超聲波像系統，其中， 根據上述HIFU發送信號來產生諧波分量的情況下，利用上述HIFU發送信號的中心頻 率或者上述諧波分量來生成上述超聲波像。
5. 根據權利要求1所述的超聲波像系統，其中， 與上述超聲波像系統生成掃描線的時刻同步地向對象物發送上述HIFU發送信號。
6. 根據權利要求1所述的超聲波像系統，其中， 與上述超聲波像系統生成幀的時刻同步地向對象物發送上述HIFU發送信號。
7. -種超聲波像生成方法，包括： 對具有同時屬於超聲波像變換器頻率響應帶和HIFU變換器的頻率響應帶的頻率的 HIFU發送信號進行發送、聚集、延遲的步驟； 向對象物發送上述發送、聚集、延遲的HIFU發送信號的步驟； 接收從上述對象物收到的超聲波信號的步驟； 對上述接收到的超聲波信號進行接收、聚集、延遲而生成合成波束的步驟；以及 根據上述生成的合成波束來生成超聲波像的步驟。
8. 根據權利要求7所述的超聲波像生成方法，其中， 上述HIFU發送信號具有上述超聲波像變換器的中心頻率。
9. 根據權利要求7所述的超聲波像生成方法，其中， 上述圖像接收波束形成器和上述超聲波像生成部所使用的中心頻率與上述HIFU發送 信號的頻率相同。
10. 根據權利要求7所述的超聲波像生成方法，其中， 根據上述HIFU發送信號來產生諧波分量的情況下，利用上述HIFU發送信號的中心頻 率或者上述諧波分量來生成上述超聲波像。
11. 根據權利要求7所述的超聲波像生成方法，其中， 與上述超聲波像系統生成掃描線的時刻同步地向對象物發送上述HIFU發送信號。
12. 根據權利要求7所述的超聲波像生成方法，其中， 與上述超聲波像系統生成幀的時刻同步地向對象物發送上述HIFU發送信號。
13. -種存儲介質，其中， 其存儲用於在計算機上執行權利要求7至12中任意一項所述的方法的程序，計算機能 夠讀取上述存儲介質。
【文檔編號】A61B18/00GK104093452SQ201280047734
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年1月13日 優先權日:2011年9月29日
【發明者】宋泰庚, 劉亮模, 張珍鎬, 宋在禧 申請人:西江大學校產學協力團