CN103961808A - 一种基于b超图像实现hifu治疗时声空化的时空量化监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统及方法，属于HIFU声场测量技术领域。本发明的方法步骤为：一、采集体外仿体视频图像；二、截取空化泡群所在区域；三、去除B超图像干涉条纹的干扰；四、获取图像空化泡群区域轮廓，对区域轮廓内像素点计数；五、对每一帧图像均做步骤四所述操作，得空化泡群面积随时间的变化规律。本发明的系统括B超图像采集系统、信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、仿体、超声探头、三维运动平台、聚焦换能器，结构简单、便于控制。本发明去除了由B超扫描频率与HIFU脉冲频率不一致导致的干涉条纹，实现了对空化气泡群面积的精确量化，无需提升系统的复杂性也无需牺牲系统兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及HIFU声场测量技术领域，更具体地说，涉及一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统及方法。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)可以精确地将声能量集中于病人体内预先确定的治疗区域中，并且不损伤该区域周围的正常组织器官。这些特点使得HIFU在治疗肿瘤、止血和基因/药物转染等方面得到广泛应用。在HIFU治疗中，当HIFU脉冲的负声压相部分穿过液体或组织时，液体或组织中先前存在的蒸汽、气体空隙，抑或溶液中抽出的气体都能导致空化气泡的产生。研究人员指出，空化现象在HIFU治疗中可显著提高声能吸收，导致局部组织温度快速升高、血管崩溃、细胞膜瞬间穿孔等生物效应，从而对增强HIFU疗效起到重要作用。但在某些情况下，HIFU引发的空化现象也可能存在潜在的副作用。例如，不可预知的组织损伤、对正常组织的不良热损伤或不可逆的细胞损伤等。因此，为了保证HIFU治疗的安全性、有效性及可重复性，亟需发展实时监控和定量评价超声空化的相关技术。在此基础上，通过调整超声参数来实现对HIFU引发的声空化行为的诸多物理特性(如空间分布、强度、持续时间等)和空化效应的有效调控。
一维被动空化探测(PCD)技术采用一个单阵元宽带传感器来探测由空化泡剧烈塌缩时产生的宽频噪声信号，但无法提供空化泡群的空间信息。近年来提出的二维被动空化映射技术可用于监测局部声空化活动。然而，由于HIFU脉冲和监控设备在时间上存在非同步性，该二维被动空化探测装置的纵向分辨率仍然存在一定的局限，不利于空化泡群的定位。B超成像能够提供人体组织内极好的时空可视化，从而监控高回声区域的时空行为。但HIFU脉冲与成像系统扫描声波之间的干涉问题会影响B超成像监控HIFU引发的空化行为。Vaezy等(Vaezy S,Shi X,Martin R W,et al.Real-time visualization of high-intensity focused ultrasound treatment using ultrasound imaging.Ultrasound Med Biol,27:33-42(2001))通过设定触发脉冲来同步HIFU脉冲信号与超声成像扫描声波，建立了一个基于实时B超成像的HIFU治疗系统。超声成像扫描声波与HIFU脉冲信号同步之后，可以产生一个稳定而清晰(无干涉条纹)的B超成像窗口来实现对HIFU引发的空化气泡产生的高回声区域的可视化。然而，该方法必须对临床使用的B超仪器或HIFU系统进行改装以添加相应的电子同步单元，增加了系统的复 杂性且降低了系统兼容性，因而阻碍其在不同需求的临床治疗中的实际应用。
经检索，中国专利申请号200610041834.2，申请日为2006年2月27日，发明创造名称为：基于超高速摄影技术的超声场中微泡行为分析系统和方法，该申请案公开了一种基于超高速摄影技术的生物医学超声场(包括医学诊断、控制药物释放、声化学反应、加热治疗、超声碎石以及高强度聚焦超声场)中微泡(空化微泡和造影微泡)行为分析的系统和方法。具体包括：提出了用于观察超声场中微泡群的超高速摄影系统以及用于观察单个微泡的显微超高速摄影系统；给出了分析微泡在自由场、组织附近、微管内行为的方法；并在对微泡群分析的基础上提出了控制微泡群产生和破裂的方法，在获得的单个微泡高速摄影图像的基础上提出了微泡应变估计的方法。该申请案不失为一种研究空化气泡的好方法，但该申请案重点在于利用超高速摄影系统全面分析生物医学超声场中微泡行为，不能很好地解决由于HIFU脉冲和监控设备在时间上存在非同步性而导致的空化泡群定位、量化不准确的问题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有监控高强聚焦超声(HIFU)空化现象的方法由于HIFU脉冲和监控设备在时间上存在非同步性而导致的空化泡群定位、量化不准确的问题，提供了一种测量准确，容易实施的基于B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控方法。本发明通过B超成像技术实现了对局部空化活动的检测，并通过图像处理算法去除了由B超扫描频率与HIFU脉冲频率不一致导致的干涉条纹，实现了对空化气泡群面积的精确量化，且无需提升系统的复杂性或牺牲系统兼容性。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，其步骤为：
步骤一、对体外仿体进行HIFU辐射，并使用B超图像采集系统采集体外仿体视频图像；
步骤二、截取步骤一采集视频图像的目标区域，所述的目标区域为空化泡群所在区域；
步骤三、对步骤二所得B超图像进行灰度处理，去除图像中干涉条纹以及非空化泡群区域的干扰；
步骤四、获取步骤三所得图像中一帧图像的空化泡群区域轮廓，对所述区域轮廓内像素点进行计数，以区域轮廓内像素点个数量化空化泡群面积；
步骤五、对步骤三所得图像的每一帧图像均做步骤四所述操作，生成空化泡群面积随帧数变化曲线，再将所述帧数以B超图像采集系统扫描帧频率表示，即得空化泡群面积随时间的变化规律。
更进一步地，步骤二所述的目标区域为以空化泡群为中心，半径为3～5cm的区域。
更进一步地，步骤三所述对B超图像进行灰度处理，去除图像中干涉条纹以及非空化泡群区域干扰的具体步骤为：
a、提取经步骤二处理后视频图像中最后三帧连续图像的像素点坐标和灰度值；
b、确定最佳灰度阈值，该灰度阈值为所述连续三帧图像中干涉条纹和非空化泡群区域的最高灰度值，且不能高于空化泡群区域的最小亮度值；
c、确定最佳灰度阈值后，从所述视频图像的第一帧图像开始，以两帧连续图像为一组，将两帧连续图像中灰度值小于最佳灰度阈值的像素点灰度值设为0，其他像素点灰度值不变，并增强处理后两帧连续图像的图像对比度；
d、将经步骤c处理后两帧连续图像对应坐标相同的像素点灰度值开根号后相乘，合成一新图像，该新图像经5x5高斯滤波平滑处理后替换所述两帧连续图像的前一帧图像，后一帧图像保持不变并作为下一组两帧连续图像中的前一帧；
e、重复步骤c和d中对所述两帧连续图像的操作过程，对视频图像进行处理，生成滤除干扰后的视频图像。
本发明的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统，包括信号发生器、功率放大器、聚焦换能器和水槽，还包括B超图像采集系统、阻抗匹配电路、仿体、超声探头和三维运动平台，所述的信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路和聚焦换能器依次相连，功率放大器将信号发生器输出的波形信号放大，经阻抗匹配电路后驱动聚焦换能器激发声场；所述的聚焦换能器和仿体位于水槽内部；所述的B超图像采集系统与三维运动平台相连，该B超图像采集系统控制三维运动平台带动超声探头在仿体表面辐照。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，通过B超成像技术实现了对局部空化活动的检测，并通过图像处理算法去除了由B超扫描频率与HIFU脉冲频率不一致导致的干涉条纹，从而实现了对空化气泡群面积的精确量化；与已有的技术相比，该方法无需提升系统的复杂性也无需牺牲系统的兼容性，在临床治疗的实际应用中实现更为方便；
(2)本发明的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统，结构简单、便于控制，测量准确度高、容易实施。
附图说明
图1是本发明实时成像监控空化效应的实验装置示意图；
图2是本发明截取空化泡群所在目标区域的图像处理过程示意图；
图3是本发明去除B超图像中的干涉条纹以及非空化泡群区域干扰的图像处理过程示意图；
图4中的(a)和(b)是本发明监控空化效应得到的结果图，图中Pixel表示像素。
示意图中的标号说明：
1、B超图像采集系统；2、信号发生器；3、功率放大器；4、阻抗匹配电路；5、聚焦换能器；6、仿体；7、超声探头；8、三维运动平台；9、水槽。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合附图，本实施例的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，具体步骤如下：
步骤一、使用聚焦换能器5对体外仿体6进行HIFU辐射，并使用B超图像采集系统1观测并记录仿体6中空化气泡群的时空行为，本实施例基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统如图1所示。
本实施例使用1.12MHz的聚焦换能器5(直径为10.0cm，几何焦距为10.0cm)进行HIFU辐照。由任意波形信号发生器2(Agilent 33250A,美国)产生一个1.12MHz正弦脉冲信号，脉冲重复频率(PRF)设定为100Hz。该信号经功率放大器3(ENI A150，美国)放大后，经过阻抗匹配电路4后驱动聚焦换能器5。将制备好的凝胶仿体固定在一个可调平台上，并浸没于注满除气水的水槽9中。然后，将便携式医用超声探头7(Terason t3000，美国)安装在三维运动平台8(Velmex-Unislide,美国)上并置于水槽9顶部。在辐照过程中，通过便携式超声探头7自带的控制程序实时采集超声图像，记录频率为30帧/秒。B超图像采集系统1通过软件控制三维运动平台8的移动。系统结构简单、便于控制，测量准确度高、容易实施。
值得说明的是，为了获得更好地试验效果，本实施例采用自制的凝胶仿体，该自制凝胶仿体的声参数与生物组织接近，因此可以较好的模拟组织中生物效应的生成过程。该凝胶仿体相关参数参看表1。
表1模拟生物组织材料的凝胶配方
| 每100ml凝胶组成成分 | 剂量(ml) |
| 除气水 | 74.5 |
| 40％体积比的丙烯酰胺(acrylamide)水溶液 | 24.8 |
| 10％过硫酸铵(ammonium peroxodisulfate)水溶液 | 0.5 |
| 四甲基乙二胺(TEMED) | 0.2 |
步骤二、将B超图像采集系统1记录下来的视频传到电脑中，采用MatLab软件进行后续离线图像处理。从B超成像得到的视频中，取出HIFU辐照结束时刻所对应的一帧图像(因为空化泡群会随着超声能量的累积而变大，所以HIFU辐照结束时刻所对应的图像通常为空泡响应较强的时刻)，以确保能在图像上看到空化泡群的位置，并显示像素点坐标。然后，在该结束时刻对应的一帧图像中截取一块以空化泡群位置为中心的足够大区域作为目标区域，以缩减运算量。对每一帧图像均截取与所述目标区域同样位置和大小的区域。最后，生成截取目标区域后的B超图像视频文件，处理过程如图2所示。
步骤三、读取步骤二处理后生成的视频图像中可见空化泡群的最后三帧连续图像，并显示像素点坐标和灰度值。然后，选取一个最佳的灰度阈值：该阈值应该是干涉条纹和其他由生物组织结构变化产生灰色区域(即非空化泡群区域)的最高灰度值，并且不能高于空化泡群区域的最小亮度值，本实施例对灰度阈值进行限定可以尽量降低干涉条纹对空化泡群监测的影响。其次，从视频图像的第一帧图像开始，读入两帧连续图像，将两帧连续图像中灰度值小于上述灰度阈值的像素点的灰度设为0(黑色)，其他的像素点灰度值不变，并且基于Matlab数字图像处理程序库中的对比度增强程序来增强图像对比度。如此处理后，图像中还剩干涉条纹中较亮的部分。由于相邻两帧之间的干涉条纹位置都不同，而空化区域的面积是随时间增大的，因此可以将两帧图像对应点的灰度开根号后相乘(俗称将两幅图像相乘)，本实施例将两幅图像相乘，意在将两幅图中都显示为高亮的区域才认定为空化泡群，如此因为干扰或者其它因素产生的随机亮斑区则不会在两幅图中都存在，开根号相乘后，随机亮斑区可以被很好消除。两幅图像相乘后获得的新图像基于Matlab数字图像处理程序库中的滤波程序做5x5高斯滤波平滑处理，滤波处理后新图像替换两帧连续图像的前一帧图像，再次缩小目标区域，做增大图片对比度的处理。后一帧图像保持不变并作为下一组两帧连续图像中的前一帧。以此类推，对每一帧图片均做上述处理，生成滤除干扰后的视频文件，这样空化气泡群区域即得以突出，处理过程参见图3。
步骤四、读入步骤三处理后视频文件，设定灰度阈值，该阈值应该是干涉条纹和其他灰色区域的最高灰度值，并且不能高于空化泡群区域的最小亮度值。通过Matlab图像处理算法获取空化泡群区域的轮廓数据。然后，对该区域内包围的像素点个数进行统计，以像素点个数量化空化泡群的面积。对每一帧图像都做如上处理，最后生成每帧图像对应的空化泡群区域包含像素点个数随帧数变化曲线。再通过B超扫描帧频率对横坐标(帧数)进行坐标变换(即将图像记录时间乘以扫描帧频率)，即可获得空化泡群面积随时间的变化规律。
本实施例控制HIFU换能器的工作频率和脉冲重复频率分别固定在1.12MHz和100Hz， 通过调节驱动声压(P-＝6.25,7.50and8.75MPa)或脉冲宽度(2000,3000,4000and6000cycles)来改变辐照声能量。在不同声能量辐照下，对仿体6中由超声空化产生的高亮区域的生成速度和面积大小进行了研究。实验结果如图4中的(a)和(b)所示，图中Pixel表示像素，本实施例通过像素点数目来反映空化区域面积大小。图4中的(a)显示了不同超声驱动声压下，B超图像中高亮区域面积随时间变化的情况。在B超监控开始后10秒开始发射HIFU脉冲信号，经过50秒辐照后关闭HIFU信号。从图中可以清楚看到在最高声能量辐照下(P-＝8.75MPa，PL＝2000cycles)，大约经过25秒HIFU辐照后，B超高亮区域清晰可见(意味着产生稳定的空化泡群)，且随着辐照时间的增加，高亮区域面积不断变大。当HIFU辐照停止时，高亮区域面积达到峰值(约500像素)。HIFU辐照停止后，高亮区域面积逐渐缩小，意味着HIFU引发的空化泡慢慢消散。图4中的(a)的结果还显示当声压下降时，由于声能量的降低，能产生的空化活动强度较低，因此对应的高亮区域的面积也相应缩小。当声压降低到P-＝6.25MPa时，高亮区域面积最大值约为200像素，相较P-＝8.75MPa时产生的空化泡群面积缩小了约50％。除此之外，辐照声能量的降低不但导致空化泡群面积缩小，还会显著延迟空化泡群的生成时间。当P-＝8.75MPa时，仅需25秒左右即可观察到空化区域，而当P-降低到6.25MPa时，需要经过45秒左右才能监测到清晰可见的空化泡群。图4中的(b)的数据就显示了声压固定时，不同脉冲宽度HIFU脉冲辐照下仿体中空化泡群生成情况。可以看出随着脉冲宽度增加，高亮区域面积不断增加，且空化泡群生成时间也显著缩短。当P-＝7.5MPa时，对应于最大脉冲宽度Pl＝6000cycles，高亮区域面积峰值可达到1000像素以上，而空化泡群初始生成时间可缩短到20秒以内。本实施例可以实时定量监测超声作用下空化泡群的生成过程及演变情况，并可以排除干涉条纹或其它随机噪声对监控结果的干扰，更精确的反应空化泡的的位置和大小。
综上所述：实施例1提供的基于B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控方法，通过B超成像技术实现了对局部空化活动的检测，并通过图像处理算法去除了由B超扫描频率与HIFU脉冲频率不一致导致的干涉条纹，从而实现对空化气泡群面积的精确量化，该方法可以实现对声空化的时空量化监控，操作简便，实用性强。
Claims (4)
1.一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，其步骤为：
步骤一、对体外仿体进行HIFU辐射，并使用B超图像采集系统采集体外仿体视频图像；
步骤二、截取步骤一采集视频图像的目标区域，所述的目标区域为空化泡群所在区域；
步骤三、对步骤二所得B超图像进行灰度处理，去除图像中干涉条纹以及非空化泡群区域的干扰；
步骤四、获取步骤三所得图像中一帧图像的空化泡群区域轮廓，对所述区域轮廓内像素点进行计数，以区域轮廓内像素点个数量化空化泡群面积；
步骤五、对步骤三所得图像的每一帧图像均做步骤四所述操作，生成空化泡群面积随帧数变化曲线，再将所述帧数以B超图像采集系统扫描帧频率表示，即得空化泡群面积随时间的变化规律。
2.根据权利要求1所述的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，其特征在于：步骤二所述的目标区域为以空化泡群为中心，半径为3～5cm的区域。
3.根据权利要求2所述的一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控方法，其特征在于：步骤三所述对B超图像进行灰度处理，去除图像中干涉条纹以及非空化泡群区域干扰的具体步骤为：
a、提取经步骤二处理后视频图像中最后三帧连续图像的像素点坐标和灰度值；
b、确定最佳灰度阈值，该灰度阈值为所述连续三帧图像中干涉条纹和非空化泡群区域的最高灰度值，且不能高于空化泡群区域的最小亮度值；
c、确定最佳灰度阈值后，从所述视频图像的第一帧图像开始，以两帧连续图像为一组，将两帧连续图像中灰度值小于最佳灰度阈值的像素点灰度值设为0，其他像素点灰度值不变，并增强处理后两帧连续图像的图像对比度；
d、将经步骤c处理后两帧连续图像对应坐标相同的像素点灰度值开根号后相乘，合成一新图像，该新图像经5x5高斯滤波平滑处理后替换所述两帧连续图像的前一帧图像，后一帧图像保持不变并作为下一组两帧连续图像中的前一帧；
e、重复步骤c和d中对所述两帧连续图像的操作过程，对视频图像进行处理，生成滤除干扰后的视频图像。
4.一种基于B超图像实现HIFU治疗时声空化的时空量化监控系统，包括信号发生器(2)、功率放大器(3)、聚焦换能器(5)和水槽(9)，其特征在于：还包括B超图像采集系统(1)、阻抗匹配电路(4)、仿体(6)、超声探头(7)和三维运动平台(8)，所述的信号发生器(2)、功率放大器(3)、阻抗匹配电路(4)和聚焦换能器(5)依次相连，功率放大器(3)将信号发生器(2)输出的波形信号放大，经阻抗匹配电路(4)后驱动聚焦换能器(5)激发声场；所述的聚焦换能器(5)和仿体(6)位于水槽(9)内部；所述的B超图像采集系统(1)与三维运动平台(8)相连，该B超图像采集系统(1)控制三维运动平台(8)带动超声探头(7)在仿体(6)表面辐照。
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