一種超聲實時無損人體測溫裝置及測溫方法

2023-04-29 06:54:51 1

專利名稱：一種超聲實時無損人體測溫裝置及測溫方法
技術領域：
本發明涉及一種測溫裝置及方法，具體涉及一種超聲實時無損人體測溫 裝置及測溫方法。
技術背景目前，人體內溫度測量的方法主要有有損測溫和無損測溫兩類。有損測溫法是把熱電偶等溫度傳感器插入待測部位直接進行測量，這種 測量方法受外界幹擾大，對組織有嚴重損傷，且得到的只是檢測點的溫度， 難以測得實際的溫度分布。因此，有損測溫技術在實際臨床應用中受到很大 的限制，在惡性腫瘤熱療溫度監控應用中還會引起癌變組織擴散。因此，基 於超聲波可實現的無損測溫對臨床體內溫度監控有十分重要的意義。無損測溫方法主要有微波測溫、核磁共振測溫、電阻抗測溫、溫度場制 計算和超聲測溫等方法。前幾種方法都存在著高成本，計算複雜，不能實時 檢測等不足，而超聲在醫學診斷和治療方面都有著廣泛的應用，它具有成本 低，穿透力強，時空解析度高，實時性強，無輻射等優點。因此，基於超聲 聲學特性參數與溫度的相關性來獲取組織溫度信息的溫度測溫裝置有望成為 主流人體內部無損測溫裝置。超聲無損測溫是醫學超聲領域的熱點和難點，很多研究者都在研究開發 新的測量溫度和治療監控的無損測溫技術，如與頻率相關的衰減分析，背向 散射功率譜技術，聲速和熱膨脹等方法，這些超聲測溫方法各有其優點，但 目前還都處於實驗階段，距臨床應用還有著較大的距離。利用聲速的溫度特性測量溫度對於均勻介質可得到較滿意的結果(S&g/2五"g/"em'"g /" Me血/"e Soc/砂他/z a""wa/ /"欣"加'owa/0 "/we"ce，7VewDe/械/"^3，朋50-M5A)，但對於實際生物組織，其散射 特性複雜且難於估計，測量結果就會受到很大影響，且難於解決；Aft7/wp (7Vfl。wz' M/〃e〃 C. 5flwZ)e': /廳g/wg c /" 7^w戸-齒^e-/"ciwc^/ ￡"c/wSlfr。/w: 7Ve/z'附/"" w'的5!fw辦to爿wew Feos/M/(y々r GW(i/wg Focused W/msow"d5^取oV^. W msow"d/w7W^. c& 5/o/.， 20似，.. 345-356.)等人 利用超聲應變的溫度特性來預測組織溫升，給出了應變受熱變化曲線而躲避 了組織溫度特性參數定徵的困難，這是一種溫度間接估計方法，軟組織中的聲衰減係數的溫度係數比聲速溫度係數大10倍以上(Ge加^爐，恥W/2/"gto"W，附/sow BC， W W/msow"d /附餵'"g q/" / mwa/ Aera;^ /" vz7ro //ver /i/7. W/raTO柳d /" MW/c/"e aw/歷o/ogK "卵，24(7」:7023-7052 )，由於受到組織散 射和折射的影響，使得組織聲衰減係數測量精度很低；利用超聲的非線性參 數的溫度特性，通過準確檢測非線性參數進行溫度估計的方法(FM^7'to t/c"o 57， ^Fwn^a ^V， ef7Vow/"vosz've fe附p6rafwr6 meosw/iew^^ ws/wg "//rosowwd<563-6d5.)需要附加一個較大的超聲聲壓擾動，實驗表明超聲非線性參數的》顯 度係數比聲速的溫度係數大，因而可能獲得較高的測量精度。超聲諧波頻率的變化(回波頻移)與生物組織溫度的變化線性相關，/ze加'wgW5,"g血g/ o幼'c w/ msow"<i Trara萬M ￡■， 7995， ^2(8」.'S2S-S3久)等人通過對超聲信號進行AR譜估計來求取組織溫度變化引起的回 波頻移Af，從而估計出組織溫度分布，^w/m' "// 7Vo^W爿w/m'， ￡5". ^"a/^/s 7kr/m/^es/77. 7，rara 5M￡， 2005， 520 . 2"-22&)等研究小組提 出了一種基於狀態協方差理論的高解析度諧波估計方法，來提高回波頻移分 辨率，從而提高溫度估計的精度；近年來，利用生物組織的超聲背向散射回 波時移(回波信號的位置在時間軸上發生的位移)的溫度相關性進行溫度估 計方法成為一種很有潛力的無損測溫方法，5Vwow(&'mo" C， F""tore"屍rrara 6^F屍C, /卯& " W . )診斷超聲初步實現了均勻介質的二維溫度場分布檢測，檢測精度達0.25°(:,空間解析度達7附附。T^"決/ew (M^/z/ew P， M/cfe3g/ Z1 ， Jere附y 5.， & a/. 7^附/ eraft/re Esft'附加'o" t/57'"g L^msom.c Cowjww" i 7hms L^FFC， 20(94,606-6".)在此基礎上採用複合成像的方法增加成像序列圖象減少熱聲透效 應，擴大了溫度顧及區域，提高了大區域範圍內的溫度精度。國內學者王鴻樟(王鴻樟，超聲無損測溫和相關研究，聲學技術，2000(2)， 50-52。)開展超聲無損測溫研究較早，所提出的透射超聲的無損測溫精度在 0.25。C以上。上述這些超聲測溫方法在實驗仿真方法中都取得了一些有益成果，但也 都面臨著很大的難題需要解決，如回波時移方法中的熱-聲透鏡效應，採用目 前基於超聲的方法都不能完全消除。又如超聲測溫前必須先測量相關組織的 聲特性和溫度特性，而組織聲特性和溫度特性因人、組織不同而不同，這些 問題嚴重的阻礙了超聲無損測溫技術的進一步發展，對這些組織聲、熱特性 參數的準確定徵也是當前生物傳熱學領域的一個研究熱點問題。 發明內容本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種能夠將獲取的 溫度信息與診斷超聲獲得的組織結構信息融合成像以圖像的方式同時得到體
內組織結構成像及相應位置的溫度分布的超聲實時無損人體測溫裝置及測溫 方法。為達到上述目的，本發明的裝置包括用於測量人體溫度及圖像的超聲探 頭以及與超聲探頭相連接的用於接收超聲探頭的超聲回波信號的超聲診斷 儀，超聲診斷儀的輸出分別接溫度檢測系統和信息融合處理系統，且溫度檢 測系統的輸出還與信息融合處理系統的輸入相連，信息融合處理系統的輸出 端與圖像顯示系統相連。本發明的測溫方法為首先，超聲診斷儀接收來自超聲探頭的帶有溫度 信息和圖像信息的超聲回波信號，並將結構圖像信息傳輸到信息融合處理系 統作為信息融合的一個元素，同時將帶有溫度信息的回波信號送至溫度檢測 系統作為計算溫度的數據依據；其次，由於人體內組織溫度變化與回波的時移和頻移存在以下關係轉)4formula see original document page 7式(1)中，c5T(z)是溫度分布值，W(z;)是溫度改變引起的超生回波漂移 的距離，c。W是溫度改變前位置z處的超聲速度，^乃是溫度改變引起的超聲回波時移，"(z)是組織材料熱膨脹係數，"(z)-(i/丄)^:/^r a為組織尺度)， 其數值對人體脂肪、血管、肌肉等組織接近於ixio-4rc， p(z)是聲速的熱膨脹係數，-W—l/c^c/Sr,其值比"(z)略大一些；式(2)中Ar是溫度改變量，d。是組織平均散射子間距，A是諧波階次， "(z)、 c。含義同上，c(r)為溫度為r時的超聲速度；通過在人體體表層中建立i^""^生物熱傳導方程(S/Z7E)，採用基於非
線性醫學超聲場的數值計算方法(如有限元法/有限差分法)，實時動態標定 深層組織的溫熱係數"(z)和/ (z),即組織材料熱膨脹係數和聲速的熱膨脹系 數，在此基礎上，溫度檢測系統提取回波時移或頻移的信息，根據(1)、 (2) 式得到Z處溫度的變化，溫度檢測系統將檢測到的各點的溫度信息送至信息 融合處理系統與之前的結構圖像融合，通過圖像顯示系統顯示。
本發明以人體組織和穿越其中的超聲聲束的熱學特性與聲束路徑上的溫 度增量在緩變時有較好的相關性，從而建立溫度增量與回波信號在時域或頻域的關係模型，並且通過在人體結構模型中建立戶e"""生物熱傳導方程 (萬//7￡)，採用基於非線性醫學超聲場的數值計算方法(如有限力有限差分法)，對深層組織的溫熱係數進行實時動態標定，解決組織溫度特性參數多變 的困難，採取數值計算與超聲檢測結合的方法消除熱-聲透鏡問題，採取溫度 信息與組織結構信息融合成像的方法直觀地顯示體內溫度分布和結構分布。


圖l是本發明檢測裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 參見圖l，本發明包括用於接受帶有有用信息回波信號的超聲探頭l以及 與超聲探頭l相連接的用於利用超聲探頭l的回波信號進行組織成像的超聲診斷儀2，超聲診斷儀2的輸出分別接基於回波信號進行溫度檢測的系統3和信息 融合處理系統4，且溫度檢測系統3的輸出還與信息融合處理系統4的輸入相 連，信息融合處理系統4的輸出端與圖像顯示系統5相連。
本發明的測溫方法為首先，超聲診斷儀2接收來自超聲探頭1的帶有溫 度信息和圖像信息的超聲信號，並將結構圖像信息傳輸到信息融合處理系統4 作為信息融合的一個元素，同時向人體組織發射超聲波並接受回波，並將此
回波送至溫度檢測系統3作為計算糹顯度的數據依據；其次，由於人體內組織溫度變化與回波的時移存在以下關係formula see original document page 9式(1)中，W(z)是溫度分布值，似(z)是溫度改變引起的超生回波漂移的 距離，c。(z)是溫度改變前位置z處的超聲速度，A(》是溫度改變引起的超聲回波時移，是一個比超聲回波信號周期還要小1 2個數量級的高頻微弱信號，它的估計值對檢測精度影響很大，本發明採用對超聲回波復自相關函數的過 零點位置的檢測，精確分辨出溫升變化引起的超聲回波信號時間漂移，提高時間漂移估計的抗幹擾能力；"(z)是組織材料熱膨脹係數formula see original document page 9 (L 為組織尺度)，其數值對人體脂肪、血管、肌肉等組織接近於lxlO，C。珠)是聲速的熱膨脹係數，Mz)"i/c。;^/3r，其值比"w略大一些，這兩個與聲速和材料密切相關的參數對於各種基於超聲的無損測溫方法都是很重要的參 數， 一般可以通過給定模型溫度，再測量聲束特性參數的方法預先標定，本 發明採用預先粗標定，檢測過程中通過基於組織結構模型的生物傳熱方程的 數值計算來精確標定。 上述基於時間域的測溫方法對超聲聲速變化不大的情況下是有效的，但在HIFU應用中由於病變組織凝結壞死，引起加熱區聲傳播特性失真，產生所謂 的熱-聲透鏡效應，使病變組織後邊的區域溫度測量出現很大的波動，現有的 濾波方法、多角度複合成像方法減輕這種波動的效果並不明顯。在離散散射子模型中假設回波信號是由各個散射子對射入脈衝的反射、漫 射信號疊加形成的，當分辨單元中存在散射子時，回波信號的功率譜在與平 均散射子間距相關的諧波頻率處存在峰值，當組織溫度發生變化時，其溫度 變化量與諧波頻移有如下面所示的正比關係formula see original document page 10式Ar是溫度改變量，中d。是組織平均散射子間距，A是諧波階次，"(z)、 c。含義同上，c(r)為溫度為r時的超聲速度。在時域和頻域得到溫度變化的方法各有優劣，因此對同一待測區域分別 使用兩種方法，並綜合兩種方法的結果，得出更加準確的溫度變化值，達到 優化的目的。通過在人體體表層中建立i^"""生物熱傳導方程(B//7E)，採用基於非線性醫學超聲場的數值計算方法(如有限元法/有限差分法)，可實時動態標定深層組織的溫熱係數"(z)和/ (z)，即組織材料熱膨脹係數和聲速的熱膨脹係數。在此基礎上，溫度檢測系統3提取回波時移或頻移的信息根據(i)、(2)式得到z處溫度的變化，溫度檢測系統3將檢測到的各點的溫度信息送 至信息融合處理系統4與之前的結構圖像融合，通過圖像顯示系統5顯示。本發明通過檢測診斷超聲回波信號，分別在時域和頻域對其進行分析， 利用回波時移和諧波頻移與組織溫度的相關性，從較精細組織模型入手，研 究生物組織傳熱學理論和組織溫度無損檢測與數值計算方法，解決人體組織 溫熱特性參數實時動態定徵等關鍵問題，最終構建一套完整的超聲無損檢測 深層組織溫度的實驗應用系統。本發明採用診斷超聲無損測量溫度分布是建立在如下事實基礎之上的生物組織是由離散的散射子組成，組織中的平均散射子間距是組織溫度的函 數。組織溫度改變會引起散射子位置的改變，而傳播媒質的熱擴散又會引起 局部組織的物理位移，其作用共同表現為穿越組織的超聲波束的回波在時間 域上表現為沿聲束傳播方向上回波信號發生的時間漂移，在頻率域上則表現 為諧波頻率極值位置的偏移。
本發明的診斷超聲實時無損溫度分布檢測的裝置，預期能實現溫度測量精度達到0.25°(^以上，空間解析度lmm以上，為臨床上各種深層組織熱治療 方法提供一套切實可行的溫度分布、結構損傷形狀的實時監控手段和設備， 使進一步定量研究人體組織傳熱特性和傳熱機製成為可能。
權利要求
1、一種超聲實時無損人體測溫裝置，包括用於測量人體溫度及圖像的超聲探頭(1)以及與超聲探頭(1)相連接的用於接收超聲探頭(1)的超聲回波信號的超聲診斷儀(2)，其特徵在於超聲診斷儀(2)的輸出分別接溫度檢測系統(3)和信息融合處理系統(4)，且溫度檢測系統(3)的輸出還與信息融合處理系統(4)的輸入相連，信息融合處理系統(4)的輸出端與圖像顯示系統(5)相連。
2、 一種基於超聲實時無損人體測溫裝置的方法，其特徵在於首先，超聲診斷儀(2)接收來自超聲探頭(1)的帶有溫度信息和圖像 信息的超聲回波信號，並將結構圖像信息傳輸到信息融合處理系統(4)作為 信息融合的一個元素，同時將帶有溫度信息的回波信號送至溫度檢測系統(3) 作為計算溫度的數據依據；其次，由於人體內組織溫度變化與回波的時移和頻移存在以下關係formula see original document page 2式(1)中，W(z)是溫度分布值，必(z)是溫度改變引起的超生回波漂移 的距離，c。(z)是溫度改變前位置z處的超聲速度，鹼z)是溫度改變引起的超聲回波時移，"(z)是組織材料熱膨脹係數，"(z)=(i/￡)^/^r a為組織尺度)，其數值對人體脂肪、血管、肌肉等組織接近於lx10-VC， / (z)是聲速的熱膨 脹係數，/ (z) = (l/c。)5C/3r，其值比"(z)略大一些；式(2)中Ar是溫度改變量，d。是組織平均散射子間距，A是諧波階次， "(z)、 c。含義同上，c(r)為溫度為r時的超聲速度； 通過在人體體表層中建立/^/w^生物熱傳導方程(B7/7E)，採用基於非線性醫學超聲場的數值計算方法(如有限元法/有限差分法)，實時動態標定深層組織的溫熱係數"(z)和，即組織材料熱膨脹係數和聲速的熱膨脹係數，在此基礎上，溫度檢測系統(3)提取回波時移或頻移的信息，根據(1)、 (2)式得到z處溫度的變化，溫度檢測系統(3)將檢測到的各點的溫度信 息送至信息融合處理系統(4)與之前的結構圖像融合，通過圖像顯示系統(5)
全文摘要
一種超聲實時無損人體測溫裝置及測溫方法，以人體組織和穿越其中的超聲聲束的熱學特性與聲束路徑上的溫度增量在緩變時有較好的相關性，從而建立溫度增量與回波信號在時域或頻域的關係模型，並且通過在人體結構模型中建立Pennes生物熱傳導方程(BHTE)，採用基於非線性醫學超聲場的數值計算方法(如有限元/有限差分法)，對深層組織的溫熱係數進行實時動態標定，解決組織溫度特性參數多變的困難，採取數值計算與超聲檢測結合的方法消除熱-聲透鏡問題，採取溫度信息與組織結構信息融合成像的方法直觀地顯示體內溫度分布和結構分布。
文檔編號G06F17/11GK101125088SQ200710018649
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月11日 優先權日2007年9月11日
發明者周秦武, 張大龍, 張曉博, 斌 王, 邱俊莉 申請人:西安交通大學