HIFU治療系統(tǒng)中B超圖像的霧狀偽像分析

1、HIFU治療系統(tǒng)中B超圖像的霧狀偽像分析    作者：宋志勇 文玉梅 徐穎 李平 【關(guān)鍵詞】 HIFU治療系統(tǒng)；,B超圖像；,霧狀偽像, 摘 要： 分析了高能聚焦超聲（HIFU）治療系統(tǒng)中B超圖像特有的霧狀偽像的物理成因，建立了霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此分析了霧狀偽像的主要運(yùn)動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧狀偽像的自動(dòng)定位。對(duì)大量臨床圖像的實(shí)驗(yàn)表明，分析結(jié)果與臨床圖像中的霧狀偽像性質(zhì)吻合，驗(yàn)證了霧狀偽像成因分析與數(shù)學(xué)模型的正確性。 關(guān)鍵詞： HIFU治療系統(tǒng)； B超圖像； 霧狀偽像    高能聚焦超聲（HIFU）技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)性，倍

2、受醫(yī)學(xué)界關(guān)注1。隨著超聲影像學(xué)的發(fā)展，B超成像因其實(shí)時(shí)、可靠、方便等特點(diǎn)，已經(jīng)成為了HIFU治療系統(tǒng)中的監(jiān)控和實(shí)時(shí)療效評(píng)價(jià)的主要方法2。但是，B超圖像中的偽像，特別是大范圍存在于HIFU治療系統(tǒng)特定應(yīng)用環(huán)境下B超圖像中云霧狀分布的霧狀偽像，掩蓋了真實(shí)組織成像，影響了HIFU治療系統(tǒng)在臨床中的應(yīng)用，因此研究霧狀偽像的成因，并提出有效的消除方案，是HIFU技術(shù)應(yīng)用需要解決的問(wèn)題。由于霧狀偽像的形成與HIFU治療系統(tǒng)組合探頭的特殊結(jié)構(gòu)和特定的使用環(huán)境有關(guān)，而現(xiàn)有的文獻(xiàn)僅分析了存在于通用B超中的各種偽像（如回響偽像、彗尾偽像、振鈴偽像，聲影等）形成的物理機(jī)制及其臨床表現(xiàn)8，1012，而沒(méi)有涉及霧狀偽像

3、。本研究通過(guò)分析霧狀偽像的物理成因，建立了霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型，并以此分析霧狀偽像的主要運(yùn)動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧狀偽像的自動(dòng)定位。對(duì)霧狀偽像的物理成因及其主要運(yùn)動(dòng)特征的研究，為正確辨識(shí)B超圖像和進(jìn)一步提出有效的霧狀偽像消除方案提供了理論依據(jù)。 1 霧狀偽像的成因分析 通用B超診斷儀是單一探頭結(jié)構(gòu)，在使用中，B超探頭緊貼人體體表，所以通用B超診斷儀的B超圖像中不存在霧狀偽像，霧狀偽像僅存在于HIFU治療系統(tǒng)的B超圖像中，它的形成與HIFU治療系統(tǒng)組合探頭的特殊結(jié)構(gòu)和其特定的使用環(huán)境有關(guān)。 11 組合探頭的結(jié)構(gòu)與使用環(huán)境使用高強(qiáng)度聚焦超聲進(jìn)行治療，要求盡量減小對(duì)正常組織的傷害。所以在實(shí)施治療前，要確定病

4、灶的位置和形態(tài)；在治療中，能實(shí)時(shí)觀測(cè)治療的效果，調(diào)整治療劑量和適時(shí)中斷治療。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，HIFU治療系統(tǒng)采用了組合探頭結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。與B超診斷儀僅有B超成像探頭不同，組合探頭由發(fā)生治療超聲波的治療探頭和B超顯像探頭組成3，其中治療探頭由聲透鏡和壓電片組成，B超探頭被固定安裝在治療探頭的軸心線上，保證治療探頭的焦域落在B超探頭的掃描平面內(nèi)。 圖1 組合探頭結(jié)構(gòu)示意圖略 由于組合探頭尺寸較大，為了減小超聲波在從外界進(jìn)入人體組織過(guò)程中的反射，所以在HIFU治療系統(tǒng)中，整個(gè)組合探頭浸泡在作為耦合劑的真空脫氣水中3。當(dāng)實(shí)施治療時(shí)，患者平躺或俯臥于組合探頭上方的平床上，皮膚通過(guò)平床上的大孔與耦合劑耦

5、合，首先通過(guò)B超顯像探頭成像，觀察病患部位的準(zhǔn)確位置和具體形態(tài)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的三維步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)組合探頭運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確定位治療探頭的焦域于病患部位，實(shí)施治療。所以與B超診斷儀中B超探頭緊貼人體體表成像不同，組合探頭中的B超探頭成像時(shí)，距離人體體表較遠(yuǎn)。綜上所述， HIFU治療系統(tǒng)的組合探頭在結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境上與B超診斷儀的單一B超探頭不同，這也是霧狀偽像僅存在于HIFU治療系統(tǒng)的B超圖像中的主要原因。 12 霧狀偽像的成因分析B超顯像探頭一般采用超聲反射回波法成像4。超聲反射回波法就是利用了人體組織的不均勻性而引起的反射作用，通過(guò)檢查反射回波，對(duì)組織進(jìn)行定位，并檢測(cè)組織的特性。由于超聲波在人體組

6、織內(nèi)傳播的復(fù)雜性，所以霧狀偽像的形成非常復(fù)雜，受到很多因素的影響。但由于體表是外界媒質(zhì)與體內(nèi)組織的分界面，超聲波在體表反射最強(qiáng)，所以在體表產(chǎn)生的漫反射（圖2）是霧狀偽像產(chǎn)生的主要來(lái)源。盡管采用耦合劑減小了外界媒質(zhì)與體內(nèi)組織聲阻抗的差別，但是入射超聲的一部分能量仍會(huì)在體表以漫反射回波的形式反射回來(lái)。同時(shí)，治療探頭位于超聲顯像探頭的下側(cè)，所以漫反射回波會(huì)在光滑的治療探頭表面3產(chǎn)生完全的鏡面反射。為了更好的說(shuō)明，觀察某一掃描線上超聲的漫反射現(xiàn)象，如見(jiàn)圖3。AB為入射超聲波，入射超聲在體表B的點(diǎn)產(chǎn)生漫反射，BC為其中一個(gè)方向的漫反射回波，漫反射回波在治療探頭表面的C點(diǎn)發(fā)生完全的鏡面反射，CD為鏡面反射

7、回波，鏡面反射回波會(huì)在體表的D點(diǎn)發(fā)生二次漫反射，沿DA方向的二次漫反射回波被探頭接收到。與B點(diǎn)處的沿BA方向的一次漫反射回波(組織的真實(shí)成像回波)相比，二次漫反射回波在時(shí)間上有一個(gè)延遲。所以所有超聲掃描線上的二次，甚至更高次的漫反射回波形成了B超圖像中的霧狀偽像。 圖2圖3 略 超聲波在介質(zhì)表面的反射特性與光相似4，可以采用簡(jiǎn)化的PHONG漫反射模型表示漫反射超聲回波能量Ir與入射超聲能量Ii的關(guān)系6，7：Ir=Ii×SpSp=Cpcos(i) W(i)cos(s)n(1)    其中Cp為物體在p點(diǎn)的反射系數(shù)，i為入射角，W(i)是鏡面反射超

8、聲與入射超聲的比例系數(shù)，它是入射角的函數(shù)，s為漫反射方向與鏡面反射方向的夾角，n則與體表的反射性質(zhì)有關(guān)。聲波從耦合劑到體表的反射系數(shù)約為0.023，隨著漫反射次數(shù)的增加，回波能量大大減弱，所以在霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型中可以忽略二次以上的回波產(chǎn)生的霧狀偽像信號(hào)。 2 霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)特征分析 為了進(jìn)一步研究霧狀偽像的特征，根據(jù)對(duì)霧狀偽像的成因分析，建立霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)B超顯像探頭為點(diǎn)源，超聲波沿直線傳播。根據(jù)超聲成像的基本原理，超聲激勵(lì)脈沖信號(hào)(t)通過(guò)在時(shí)間上的延遲和幅度上的衰減產(chǎn)生了組織信號(hào)與偽像信號(hào)5，所以任意超聲掃描線上體表的二次漫反射偽像信號(hào)a(t)可以表示為

9、：a(t)=n    i=1T(ti)(t-ti)Sp0(0,i)Sp1(i,0)(2)其中的Sp0(0,i)是指由簡(jiǎn)化的PHONG漫反射模型(1)式確定的體表p0點(diǎn)處的漫反射系數(shù)，它是入射角0和第i個(gè)漫反射方向與鏡面反射方向夾角i的函數(shù)，Sp1(i,0)是在體表p1處的二次漫反射系數(shù)，T(ti)是為了補(bǔ)償超聲傳播過(guò)程中的衰減的TGC時(shí)間增益參數(shù)，因?yàn)殡S著組織深度的增加，超聲信號(hào)的衰減增大，所以T(ti)是霧狀偽像信號(hào)相對(duì)于發(fā)射脈沖信號(hào)的延時(shí)ti的增函數(shù)4。    圖4 霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型略 為了描述偽像的位置，需

10、要確定延時(shí)ti。以B超顯像探頭為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，如圖4。因?yàn)槿梭w體表的曲率變化比較平緩，所以二階擬合曲線與體表的形態(tài)已經(jīng)能較好的吻合，即體表曲線方程可以表示為：k=al2 bl c(3)任意選取一個(gè)超聲波發(fā)射方向0，B超探頭的成像范圍決定0滿足：    403    4。所以方向角為0的超聲聲線方程為：k=tg(0)l(4)連立(3)式和(4)式，體表的超聲入射點(diǎn)P0的坐標(biāo)(lskin, kskin)為：lskin=(tan(0)-b)-(b-tan(0)2-4ac    

11、2a(5)kskin=tan(0)lskin(6)入射超聲在體表P0點(diǎn)產(chǎn)生的任意方向的漫反射超聲聲線方程可以表示為：k-kskin=s1(l-lskin)(7)其中s1=tan(lskin,kskin)，lskin,kskin表示在體表P0點(diǎn)某一方向漫反射回波的方向角。從圖4中可以知道，lskin,kskin滿足：llskin,kskinr(8)其中l(wèi)=arctan(kskin-kl    lskin-ll)，r= arctan(kskin-kr    lskin-lr)漫反射回波會(huì)在治療探頭的表面發(fā)生完全的鏡面反

12、射，反射點(diǎn)可以通過(guò)治療探頭截面方程與漫反射回波聲線方程確定。聚能器截面用圓方程表示：(l-lc)2 (k-kc)2=r2    ll所以二次漫反射回波信號(hào)的總聲程：len=len1 len2 len3 len4(15)其中l(wèi)enn表示第n段聲路的聲程：len1=lskin2 kskin2(16)len2=(lskin-ltran)2 （kskin-ktran)2(17)len3=(l2skin-ltran)2 （k2skin-ktran)2(18)len4=l2skin2 k2skin2(19)所以延時(shí)ti：ti=len   

13、; v0(20)其中v0是超聲在組織中的平均傳播速度。根據(jù)超聲成像的基本原理，組織的真實(shí)成像回波相對(duì)于發(fā)射脈沖信號(hào)的延時(shí)t0可以表示為：t0=2len1    v0(21)所以霧狀偽像信號(hào)相對(duì)于組織真實(shí)成像信號(hào)的時(shí)延t：t=ti-t0=len2 len3 len4-len1    v0（22）當(dāng)探頭到體表的距離增大時(shí)，len2 len3 len4-len1顯著增大，所以時(shí)延t也會(huì)增加，在圖像中的表現(xiàn)是：當(dāng)探頭到體表的距離變化時(shí)，偽像移動(dòng)的幅度大于組織真實(shí)成像移動(dòng)的幅度；同時(shí)，由于T(ti)是ti的增函數(shù)，

14、當(dāng)探頭遠(yuǎn)離體表時(shí)，ti增大，所以時(shí)間增益參數(shù)T(ti)也增大，在圖像中的表現(xiàn)是：當(dāng)探頭到體表的距離變大時(shí)，偽像的強(qiáng)度增加。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證霧狀偽像數(shù)學(xué)模型和其特征分析的正確性，對(duì)JC型HIFU腫瘤治療系統(tǒng)采集的大量臨床圖像進(jìn)行霧狀偽像定位和運(yùn)動(dòng)特征分析。 31 定位結(jié)果以一幅腫瘤患者肝部的臨床B超圖像（圖5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)為例，B超成像參數(shù)為：成像超聲頻率為2.5MHZ，掃描方式為扇掃 ，掃描線數(shù)為192線，掃描方向?yàn)閺挠抑磷?，最大掃描深度?7CM。從圖5中可以看到，肝部的真實(shí)組織成像被霧狀偽像遮蓋。根據(jù)探頭的實(shí)際尺寸以及霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型，對(duì)霧狀偽像定位，結(jié)果如圖6。將霧狀偽像的定位結(jié)果

15、與臨床圖像重疊，如圖7，定位結(jié)果與臨床圖像中的霧狀偽像區(qū)域吻合。 圖5圖7 略 32 霧狀偽像的運(yùn)動(dòng)特征針對(duì)同一患者，將組合探頭逐漸遠(yuǎn)離體表，并按相同間隔距離，采用與定位實(shí)驗(yàn)相同的成像參數(shù)采集一組圖像（圖8）進(jìn)行分析。因?yàn)楦尾空鎸?shí)組織被霧狀偽像遮蓋，所以我們以體表組織的成像作為參考，分析霧狀偽像的運(yùn)動(dòng)特征。霧狀偽像在臨床圖像中的表現(xiàn)與通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析的運(yùn)動(dòng)特征基本一致：在探頭遠(yuǎn)離體表的過(guò)程中，霧狀偽像與體表組織成像的間距增加，表明霧狀偽像的移動(dòng)速度大于組織成像移動(dòng)的速度； 在探頭遠(yuǎn)離體表的過(guò)程中，霧狀偽像的強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。    圖8 探頭到體表不同距離

16、(d)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果略 4 總結(jié) B超圖像中的偽像的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，不同的影響因素會(huì)形成不同的偽像。本研究就HIFU治療儀器中B超圖像中特有的霧狀偽像進(jìn)行物理成因分析，建立了霧狀偽像的數(shù)學(xué)模型，并在MALTAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧狀偽像的自動(dòng)定位。通過(guò)定位霧狀偽像位置以及對(duì)偽像運(yùn)動(dòng)特征的分析，并與臨床圖像中的偽像區(qū)域比較，驗(yàn)證了霧狀偽像物理成因及其數(shù)學(xué)模型的正確性，有助于在診斷和治療的過(guò)程中正確辨識(shí)B超圖像和減少誤診，也為下一步提出有效的霧狀偽像消除方案提供了理論依據(jù)。(致謝：感謝重慶海扶技術(shù)有限公司提供的實(shí)驗(yàn)B超圖像；感謝林濤、吳丹丹和王明勝等人在研究過(guò)程中提供的幫助和支持。) 參 考

17、文 獻(xiàn) 1 馮若高強(qiáng)聚焦超聲無(wú)創(chuàng)性外科的興起臨床超聲醫(yī)學(xué)雜志，1999，2：6567 2 盧岷，鄒建中高強(qiáng)度聚焦超聲治療腫瘤的術(shù)中影像學(xué)監(jiān)控和療效評(píng)價(jià)中華超聲影像學(xué)雜志，2001，7：438440 3 王芷龍，王智彪，伍烽，白晉高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤掃描治療系統(tǒng)中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?8100283. 81998 4 上海市超聲醫(yī)學(xué)研究組超聲診斷學(xué)上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1976，7 5 范毅明，范世忠，李祥杰醫(yī)用B超儀與超聲多普勒系統(tǒng)上海：第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，1999，28 6 白凈超聲成像原理北京：清華大學(xué)出版社，2000，107 7 桑農(nóng)，張?zhí)煨?，汪?guó)有景象間灰度變化的物理校正方法研究數(shù)據(jù)采集與處理，1997，3：230233 8 仇慧超聲診斷聲像圖中產(chǎn)生偽像的物理因素分析數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志，2004，1：6263 9 Skifstad K，Jain Ramesh . Illumination independent change detection for real world image sequence. CVGIP, 1989, 46:387399    10 Ziski