一種基於b超圖像實現hifu治療時聲空化的時空量化監控系統及方法

2023-06-01 12:16:01 2

一種基於b超圖像實現hifu治療時聲空化的時空量化監控系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統及方法，屬於HIFU聲場測量【技術領域】。本發明的方法步驟為：一、採集體外仿體視頻圖像；二、截取空化泡群所在區域；三、去除B超圖像幹涉條紋的幹擾；四、獲取圖像空化泡群區域輪廓，對區域輪廓內像素點計數；五、對每一幀圖像均做步驟四所述操作，得空化泡群面積隨時間的變化規律。本發明的系統括B超圖像採集系統、信號發生器、功率放大器、阻抗匹配電路、仿體、超聲探頭、三維運動平臺、聚焦換能器，結構簡單、便於控制。本發明去除了由B超掃描頻率與HIFU脈衝頻率不一致導致的幹涉條紋，實現了對空化氣泡群面積的精確量化，無需提升系統的複雜性也無需犧牲系統兼容性。
【專利說明】—種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及HIFU聲場測量【技術領域】，更具體地說，涉及一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統及方法。
【背景技術】
[0002]高強度聚焦超聲(HIFU)可以精確地將聲能量集中於病人體內預先確定的治療區域中，並且不損傷該區域周圍的正常組織器官。這些特點使得HIFU在治療腫瘤、止血和基因/藥物轉染等方面得到廣泛應用。在HIFU治療中，當HIFU脈衝的負聲壓相部分穿過液體或組織時，液體或組織中先前存在的蒸汽、氣體空隙，抑或溶液中抽出的氣體都能導致空化氣泡的產生。研究人員指出，空化現象在HIFU治療中可顯著提高聲能吸收，導致局部組織溫度快速升高、血管崩潰、細胞膜瞬間穿孔等生物效應，從而對增強HIFU療效起到重要作用。但在某些情況下，HIFU引發的空化現象也可能存在潛在的副作用。例如，不可預知的組織損傷、對正常組織的不良熱損傷或不可逆的細胞損傷等。因此，為了保證HIFU治療的安全性、有效性及可重複性，亟需發展實時監控和定量評價超聲空化的相關技術。在此基礎上，通過調整超聲參數來實現對HIFU引發的聲空化行為的諸多物理特性(如空間分布、強度、持續時間等)和空化效應的有效調控。
[0003]一維被動空化探 測(PCD)技術採用一個單陣元寬帶傳感器來探測由空化泡劇烈塌縮時產生的寬頻噪聲信號，但無法提供空化泡群的空間信息。近年來提出的二維被動空化映射技術可用於監測局部聲空化活動。然而，由於HIFU脈衝和監控設備在時間上存在非同步性，該二維被動空化探測裝置的縱向解析度仍然存在一定的局限，不利於空化泡群的定位。B超成像能夠提供人體組織內極好的時空可視化，從而監控高回聲區域的時空行為。但HIFU脈衝與成像系統掃描聲波之間的幹涉問題會影響B超成像監控HIFU引發的空化行為。Vaezy 等(Vaezy S，Shi X, Martin R ff, et al.Real-time visualizationof high-1ntensity focused ultrasound treatment using ultrasound imaging.Ultrasound Med Biol, 27:33-42 (2001))通過設定觸發脈衝來同步HIFU脈衝信號與超聲成像掃描聲波，建立了一個基於實時B超成像的HIFU治療系統。超聲成像掃描聲波與HIFU脈衝信號同步之後，可以產生一個穩定而清晰(無幹涉條紋)的B超成像窗口來實現對HIFU引發的空化氣泡產生的高回聲區域的可視化。然而，該方法必須對臨床使用的B超儀器或HIFU系統進行改裝以添加相應的電子同步單元，增加了系統的複雜性且降低了系統兼容性，因而阻礙其在不同需求的臨床治療中的實際應用。
[0004]經檢索，中國專利申請號200610041834.2，申請日為2006年2月27日，發明創造名稱為:基於超高速攝影技術的超聲場中微泡行為分析系統和方法，該申請案公開了一種基於超高速攝影技術的生物醫學超聲場(包括醫學診斷、控制藥物釋放、聲化學反應、加熱治療、超聲碎石以及高強度聚焦超聲場)中微泡(空化微泡和造影微泡)行為分析的系統和方法。具體包括:提出了用於觀察超聲場中微泡群的超高速攝影系統以及用於觀察單個微泡的顯微超高速攝影系統；給出了分析微泡在自由場、組織附近、微管內行為的方法；並在對微泡群分析的基礎上提出了控制微泡群產生和破裂的方法，在獲得的單個微泡高速攝影圖像的基礎上提出了微泡應變估計的方法。該申請案不失為一種研究空化氣泡的好方法，但該申請案重點在於利用超高速攝影系統全面分析生物醫學超聲場中微泡行為，不能很好地解決由於HIFU脈衝和監控設備在時間上存在非同步性而導致的空化泡群定位、量化不準確的問題。

【發明內容】

[0005]1.發明要解決的技術問題
[0006]本發明的目的在於克服現有監控高強聚焦超聲(HIFU)空化現象的方法由於HIFU脈衝和監控設備在時間上存在非同步性而導致的空化泡群定位、量化不準確的問題，提供了一種測量準確，容易實 施的基於B超圖像實現高強聚焦超聲(HIFU)治療時聲空化的時空量化監控方法。本發明通過B超成像技術實現了對局部空化活動的檢測，並通過圖像處理算法去除了由B超掃描頻率與HIFU脈衝頻率不一致導致的幹涉條紋，實現了對空化氣泡群面積的精確量化，且無需提升系統的複雜性或犧牲系統兼容性。
[0007]2.技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
[0009]本發明的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，其步驟為:
[0010]步驟一、對體外仿體進行HIFU輻射，並使用B超圖像採集系統採集體外仿體視頻圖像；
[0011]步驟二、截取步驟一採集視頻圖像的目標區域，所述的目標區域為空化泡群所在區域；
[0012]步驟三、對步驟二所得B超圖像進行灰度處理，去除圖像中幹涉條紋以及非空化泡群區域的幹擾；
[0013]步驟四、獲取步驟三所得圖像中一幀圖像的空化泡群區域輪廓，對所述區域輪廓內像素點進行計數，以區域輪廓內像素點個數量化空化泡群面積；
[0014]步驟五、對步驟三所得圖像的每一幀圖像均做步驟四所述操作，生成空化泡群面積隨幀數變化曲線，再將所述幀數以B超圖像採集系統掃描幀頻率表示，即得空化泡群面積隨時間的變化規律。
[0015]更進一步地，步驟二所述的目標區域為以空化泡群為中心，半徑為3~5cm的區域。
[0016]更進一步地，步驟三所述對B超圖像進行灰度處理，去除圖像中幹涉條紋以及非空化泡群區域幹擾的具體步驟為:
[0017]a、提取經步驟二處理後視頻圖像中最後三幀連續圖像的像素點坐標和灰度值；
[0018]b、確定最佳灰度閾值，該灰度閾值為所述連續三幀圖像中幹涉條紋和非空化泡群區域的最高灰度值，且不能高於空化泡群區域的最小亮度值；
[0019]C、確定最佳灰度閾值後，從所述視頻圖像的第一幀圖像開始，以兩幀連續圖像為一組，將兩幀連續圖像中灰度值小於最佳灰度閾值的像素點灰度值設為O，其他像素點灰度值不變，並增強處理後兩幀連續圖像的圖像對比度；
[0020]d、將經步驟c處理後兩幀連續圖像對應坐標相同的像素點灰度值開根號後相乘，合成一新圖像，該新圖像經5x5高斯濾波平滑處理後替換所述兩幀連續圖像的前一幀圖像，後一幀圖像保持不變並作為下一組兩幀連續圖像中的前一幀；
[0021]e、重複步驟c和d中對所述兩幀連續圖像的操作過程，對視頻圖像進行處理，生成濾除幹擾後的視頻圖像。
[0022]本發明的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統，包括信號發生器、功率放大器、聚焦換能器和水槽，還包括B超圖像採集系統、阻抗匹配電路、仿體、超聲探頭和三維運動平臺，所述的信號發生器、功率放大器、阻抗匹配電路和聚焦換能器依次相連，功率放大器將信號發生器輸出的波形信號放大，經阻抗匹配電路後驅動聚焦換能器激發聲場；所述的聚焦換能器和仿體位於水槽內部；所述的B超圖像採集系統與三維運動平臺相連，該B超圖像採集系統控制三維運動平臺帶動超聲探頭在仿體表面輻照。
[0023]3.有益效果
[0024]採用本發明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下顯著效果:
[0025](I)本發明的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，通過B超成像技術實現了對局部空化活動的檢測，並通過圖像處理算法去除了由B超掃描頻率與HIFU脈衝頻率不一致導致的幹涉條紋，從而實現了對空化氣泡群面積的精確量化；與已有的技術相比，該方 法無需提升系統的複雜性也無需犧牲系統的兼容性，在臨床治療的實際應用中實現更為方便；
[0026](2)本發明的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統，結構簡單、便於控制，測量準確度高、容易實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明實時成像監控空化效應的實驗裝置示意圖；
[0028]圖2是本發明截取空化泡群所在目標區域的圖像處理過程示意圖；
[0029]圖3是本發明去除B超圖像中的幹涉條紋以及非空化泡群區域幹擾的圖像處理過程不意圖；
[0030]圖4中的(a)和(b)是本發明監控空化效應得到的結果圖，圖中Pixel表示像素。[0031 ] 不意圖中的標號說明:
[0032]1、B超圖像採集系統；2、信號發生器；3、功率放大器；4、阻抗匹配電路；5、聚焦換能器；6、仿體；7、超聲探頭；8、三維運動平臺；9、水槽。
【具體實施方式】
[0033]為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
[0034]實施例1
[0035]結合附圖，本實施例的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，具體步驟如下:
[0036]步驟一、使用聚焦換能器5對體外仿體6進行HIFU輻射，並使用B超圖像採集系統I觀測並記錄仿體6中空化氣泡群的時空行為，本實施例基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統如圖1所示。
[0037]本實施例使用1.12MHz的聚焦換能器5 (直徑為10.0cm,幾何焦距為10.0cm)進行HIFU輻照。由任意波形信號發生器2 (Agilent 33250A,美國)產生一個1.12MHz正弦脈衝信號，脈衝重複頻率(PRF)設定為100Hz。該信號經功率放大器3 (ENI A150，美國)放大後，經過阻抗匹配電路4後驅動聚焦換能器5。將製備好的凝膠仿體固定在一個可調平臺上，並浸沒於注滿除氣水的水槽9中。然後，將可攜式醫用超聲探頭7 (Terason t3000,美國)安裝在三維運動平臺8(Velmex-Unislide，美國)上並置於水槽9頂部。在輻照過程中，通過可攜式超聲探頭7自帶的控制程序實時採集超聲圖像，記錄頻率為30幀/秒。B超圖像採集系統I通過軟體控制三維運動平臺8的移動。系統結構簡單、便於控制，測量準確度高、容易實施。
[0038]值得說明的是，為了獲得更好地試驗效果，本實施例採用自製的凝膠仿體，該自製凝膠仿體的聲參數與生物組織接近，因此可以較好的模擬組織中生物效應的生成過程。該凝膠仿體相關參數參看表1。
[0039]表1模擬生物組織材料的凝膠配方 [0040]
每100mL凝膠組成成分_齊[!量(ml)
除氣水74.5
40%體矛只比的丙j:希酉先月安(acrylamide) 7jC溶液_24.8_
10%過硫酸銨(amnoniuin peroxodisulfate)水溶液 0.5
面早基乙二胺(TEMED)|θ.2
[0041]
[0042]步驟二、將B超圖像採集系統I記錄下來的視頻傳到電腦中，採用MatLab軟體進行後續離線圖像處理。從B超成像得到的視頻中，取出HIFU輻照結束時刻所對應的一幀圖像(因為空化泡群會隨著超聲能量的累積而變大，所以HIFU輻照結束時刻所對應的圖像通常為空泡響應較強的時刻)，以確保能在圖像上看到空化泡群的位置，並顯示像素點坐標。然後，在該結束時刻對應的一幀圖像中截取一塊以空化泡群位置為中心的足夠大區域作為目標區域，以縮減運算量。對每一幀圖像均截取與所述目標區域同樣位置和大小的區域。最後，生成截取目標區域後的B超圖像視頻文件，處理過程如圖2所示。
[0043]步驟三、讀取步驟二處理後生成的視頻圖像中可見空化泡群的最後三幀連續圖像，並顯示像素點坐標和灰度值。然後，選取一個最佳的灰度閾值:該閾值應該是幹涉條紋和其他由生物組織結構變化產生灰色區域(即非空化泡群區域)的最高灰度值，並且不能高於空化泡群區域的最小亮度值，本實施例對灰度閾值進行限定可以儘量降低幹涉條紋對空化泡群監測的影響。其次，從視頻圖像的第一幀圖像開始，讀入兩幀連續圖像，將兩幀連續圖像中灰度值小於上述灰度閾值的像素點的灰度設為O (黑色)，其他的像素點灰度值不變，並且基於Matlab數字圖像處理程序庫中的對比度增強程序來增強圖像對比度。如此處理後，圖像中還剩幹涉條紋中較亮的部分。由於相鄰兩幀之間的幹涉條紋位置都不同，而空化區域的面積是隨時間增大的，因此可以將兩幀圖像對應點的灰度開根號後相乘(俗稱將兩幅圖像相乘)，本實施例將兩幅圖像相乘，意在將兩幅圖中都顯不為聞売的區域才認定為空化泡群，如此因為幹擾或者其它因素產生的隨機亮斑區則不會在兩幅圖中都存在，開根號相乘後，隨機亮斑區可以被很好消除。兩幅圖像相乘後獲得的新圖像基於Matlab數字圖像處理程序庫中的濾波程序做5x5高斯濾波平滑處理，濾波處理後新圖像替換兩幀連續圖像的前一幀圖像，再次縮小目標區域，做增大圖片對比度的處理。後一幀圖像保持不變並作為下一組兩幀連續圖像中的前一幀。以此類推，對每一幀圖片均做上述處理，生成濾除幹擾後的視頻文件，這樣空化氣泡群區域即得以突出，處理過程參見圖3。
[0044]步驟四、讀入步驟三處理後視頻文件，設定灰度閾值，該閾值應該是幹涉條紋和其他灰色區域的最高灰度值，並且不能高於空化泡群區域的最小亮度值。通過Matlab圖像處理算法獲取空化泡群區域的輪廓數據。然後，對該區域內包圍的像素點個數進行統計，以像素點個數量化空化泡群的面積。對每一幀圖像都做如上處理，最後生成每幀圖像對應的空化泡群區域包含像素點個數隨幀數變化曲線。再通過B超掃描幀頻率對橫坐標(幀數)進行坐標變換(即將圖像記錄時間乘以掃描幀頻率)，即可獲得空化泡群面積隨時間的變化規律。
[0045]本實施例控制HIFU換能器的工作頻率和脈衝重複頻率分別固定在
1.12MHz和IOOHz，通過調節驅動聲壓(P- = 6.25，7.50and8.75MPa)或脈衝寬度(2000, 3000, 4000and6000cycles)來改變輻照聲能量。在不同聲能量輻照下，對仿體6中由超聲空化產生的高亮區域的生成速度和面積大小進行了研究。實驗結果如圖4中的(a)和(b)所示，圖中Pixel表示像素，本實施例通過像素點數目來反映空化區域面積大小。圖4中的(a)顯示了不同超聲驅動聲壓下，B超圖像中高亮區域面積隨時間變化的情況。在B超監控開始後10秒開始發射HIFU脈衝信號，經過50秒輻照後關閉HIFU信號。從圖中可以清楚看到在最高聲能量輻照下(P- = 8.75MPa，PL = 2000CyCleS)，大約經過25秒HIFU輻照後，B超高亮區域清晰可見(意味著產生穩定的空化泡群)，且隨著輻照時間的增加，高亮區域面積不斷變大。當HIFU輻照停止時，高亮區域面積達到峰值(約500像素)。HIFU輻照停止後，高亮區域面積逐漸縮小，意味著HIFU引發的空化泡慢慢消散。圖4中的(a)的結果還顯示當聲壓下降時，由於聲能量的降低，能產生的空化活動強度較低，因此對應的高亮區域的面積也相應縮小。當聲壓降低到P- = 6.25MPa時，高亮區域面積最大值約為200像素，相較P- = 8.75MPa時產生的空化泡群面積縮小了約50%。除此之外，輻照聲能量的降低不但導致空化泡群面積縮小，還會顯著延遲空化泡群的生成時間。當P- = 8.75MPa時，僅需25秒左右即可觀察到空化區域，而當P-降低到6.25MPa時，需要經過45秒左右才能監測到清晰可見的空化泡群。圖4中的(b)的數據就顯示了聲壓固定時，不同脈衝寬度HIFU脈衝輻照下仿體中空化泡群生成情況。可以看出隨著脈衝寬度增加，高亮區域面積不斷增加，且空化泡群生成時間也顯著縮短。當P- = 7.5MPa時，對應於最大脈衝寬度Pl=eOOOcycles，高亮區域面積峰值可達到1000像素以上，而空化泡群初始生成時間可縮短到20秒以內。本實施例可以實時定量監測超聲作用下空化泡群的生成過程及演變情況，並可以排除幹涉條紋或其它隨機噪聲對監控結果的幹擾，更精確的反應空化泡的的位置和大小。
[0046]綜上所述:實施例1提供的基於B超圖像實現聞強聚焦超聲(HIFU)治療時聲空化的時空量化監控方法，通過B超成像技術實現了對局部空化活動的檢測，並通過圖像處理算法去除了由B超掃描頻率與HIFU脈衝頻率不一致導致的幹涉條紋，從而實現對空化氣泡群面積的精確量化，該方法可以實現對聲空化的時空量化監控，操作簡便，實用性強。
【權利要求】
1.一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，其步驟為: 步驟一、對體外仿體進行HIFU輻射，並使用B超圖像採集系統採集體外仿體視頻圖像； 步驟二、截取步驟一採集視頻圖像的目標區域，所述的目標區域為空化泡群所在區域； 步驟三、對步驟二所得B超圖像進行灰度處理，去除圖像中幹涉條紋以及非空化泡群區域的幹擾； 步驟四、獲取步驟三所得圖像中一幀圖像的空化泡群區域輪廓，對所述區域輪廓內像素點進行計數，以區域輪廓內像素點個數量化空化泡群面積； 步驟五、對步驟三所得圖像的每一幀圖像均做步驟四所述操作，生成空化泡群面積隨幀數變化曲線，再將所述幀數以B超圖像採集系統掃描幀頻率表示，即得空化泡群面積隨時間的變化規律。
2.根據權利要求1所述的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，其特徵在於:步驟二所述的目標區域為以空化泡群為中心，半徑為3~5cm的區域。
3.根據權利要求2所述的一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控方法，其特徵在於:步驟三所述對B超圖像進行灰度處理，去除圖像中幹涉條紋以及非空化泡群區域幹擾的具體步驟為: a、提取經步驟二處理後視頻圖像中最後三幀連續圖像的像素點坐標和灰度值； b、確定最佳灰度閾值，該灰度閾值為所述連續三幀圖像中幹涉條紋和非空化泡群區域的最高灰度值，且不能高於空化泡群區域的最小亮度值； C、確定最佳灰度閾值後，從所述視頻圖像的第一幀圖像開始，以兩幀連續圖像為一組，將兩幀連續圖像中灰度值小於最佳灰度閾值的像素點灰度值設為O，其他像素點灰度值不變，並增強處理後兩幀連續圖像的圖像對比度； d、將經步驟c處理後兩幀連續圖像對應坐標相同的像素點灰度值開根號後相乘，合成一新圖像，該新圖像經5x5高斯濾波平滑處理後替換所述兩幀連續圖像的前一幀圖像，後一幀圖像保持不變並作為下一組兩幀連續圖像中的前一幀； e、重複步驟c和d中對所述兩幀連續圖像的操作過程，對視頻圖像進行處理，生成濾除幹擾後的視頻圖像。
4.一種基於B超圖像實現HIFU治療時聲空化的時空量化監控系統，包括信號發生器(2)、功率放大器(3)、聚焦換能器(5)和水槽(9)，其特徵在於:還包括B超圖像採集系統(1)、阻抗匹配電路(4)、仿體(6)、超聲探頭(7)和三維運動平臺(8)，所述的信號發生器(2)、功率放大器(3)、阻抗匹配電路(4)和聚焦換能器(5)依次相連，功率放大器(3)將信號發生器(2)輸出的波形信號放大，經阻抗匹配電路(4)後驅動聚焦換能器(5)激發聲場；所述的聚焦換能器(5)和仿體(6)位於水槽(9)內部；所述的B超圖像採集系統⑴與三維運動平臺(8)相連，該B超圖像採集系統(I)控制三維運動平臺(8)帶動超聲探頭(7)在仿體(6)表面輻照。
【文檔編號】A61N7/00GK103961808SQ201410229614
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】屠娟, 章東, 陳楚怡, 於潔, 王蕭峰 申請人:南京大學