CN106264607B - 基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学图像处理、超声波温度成像，射频烧灼技术领域，为提供实时超声波温度成像算法。通过自适应性系数k的变化，使得当温度T超过43℃时，温度图像仍然能很好的监控射频烧灼。并且当温度T低于43℃时，自适应性系数k能够对温度图像进行补偿，充分发挥回波信号偏移法高解析度的优势。为此，本发明采用的技术方案是，基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法及设备，包括超音波换能器、计算机，超音波换能器产生的图像信号经计算机上图像处理模块处理后在屏幕上成像；图像处理模块的处理步骤是，通过回音讯号偏移法的公式，推出完整随时间信号偏移变化的系数k曲线。本发明主要用于医学图像处理、超声波温度成像。

Description

基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法及设备

技术领域

本发明涉及医学图像处理、超声波温度成像，射频烧灼技术领域，特别是涉及用于射频烧灼手术中，基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法及设备。

背景技术

一般用于医学诊断的超音波影像有胎儿产检、乳房超音波检测[1]、多普勒血液流量测量或观察心脏瓣膜的运动[2,3]等；其换能器中心频率介于5MHz到15MHz之间。其中用于图像监控的主要的成像方式包括A-Mode(amplitude modulation)、B-Mode(brightnessmodulation)、M-Mode(motion modulation)与多普勒模式；其中尤以B-Mode被广泛应用。超音波影像主要系利用换能器产生超音波脉冲，传入人体后，在器官边缘与组织内产生回音频号，再藉由脉冲回音技术(pulse echo technique)将这些回音讯号回传至超音波换能器，经由换能器侦测并于内部讯号处理之后于仪器上成像。

传统的超声波影像因具有实时性、操作方便与非侵入性等优点，于射频烧灼术中扮演的角色通常是指引电极插入路径或肿瘤位置[4,5]，但仅能以回波讯号强度来产生灰阶影像(gray scale image)，故无法显示温度的分布，若要得到温度分布则必须利用不同的物理特性将回波讯号加以处理方能达到；包括频率依衰减系数随温度的改变(changesin frequency dependent attenuation)[6]，逆散射功率随温度改变(backscatteredpower)[7]，超音波声速随温度变化[8,9]，随温度组织产生热膨胀效应，以及声速改变与热膨胀效应结合行为等。目前较主流之超声波实时温度像的方法有三种，分别为时间信号偏移法(echo shift)、衰减系数法(attenuation coefficient)与逆散射能量变化法(changein backscattered energy)。

讯号偏移法主要是利用当温度改变时，声速会随之改变，且伴随组织的热膨胀现象[10-13]，两种原因结合，造成回波讯号的偏移(echo shift)，藉此现象计算出温度改变量；但不同组织有不同组织特性，故声速与热膨胀系数也不尽相同，如何事先获得大量相关参数遂成为此方法的一大课题。

由于近年来计算器的快速发展，效能大幅提升，某程度上能够克服短时间内的大量运算，遂有许多研究以数值方法进行温度估测、仿真[14-15]。

参考文献：

1.E.A.Sickles,R.A.Filly,and P.W.Callen,"Benign Breast-Lesions-Ultrasound Detection and Diagnosis."Radiology,1984.151(2):p.467-470.

2.Tsuneo Yoshida,Masayoshi Mori,Yasuharu Nimura,Gen-ichi Hikita,Shinpachi Takagishi,Katsumi Nakanishi,and Shigeo Satomura,"Analysis of HeartMotion with Ultrasonic Doppler Method and Its Clinical Application."AmericanHeart Journal,1961.61(1):p.61-75.

3.T.Loupas,J.T.Powers,and R.W.Gill,"An Axial Velocity Estimator forUltrasound Blood Flow Imaging,Based on a Full Evaluation of the DopplerEquation by Means of a Two-Dimensional Autocorrelation Approach."IEEETansactions on Ultrasonics,1995.42(4):p.672-688.

4.S.N.Goldberg,G.S.Gazelle,and P.R.Mueller,"Thermal Ablation Therapyfor Focal Malignancy:A Unified Approach to Underlying Principles,Techniques,and Diagnostic Imaging Guidance."Am J Roentgenol,2000.174(2):p.323-331.

5.D.E.Malone,L.Lesiuk,A.P.Brady,D.R.Wyman,and B.C.Wilson,"HepaticInterstitial Laser Photocoagulation:Demonstration and Possible Clin-IcalImportance of Intravascular Gas."Radiology,1994.193:p.233-237.

6.S.Ueno and M.Hashimoto,"Ultrasound Thermometry in Hyperthermia."Ultrasonic Symposium,1990.3:p.1645-1652.

7.W.L.Straube and R.M.Arthur,"Theoretical Estimation of theTemperature Dependence of Backscattered Ultrasonic Power for NoninvasiveThermometry."Ultrasound in Med.&Biol,1994.20(9):p.915-922.

8.R.L.Nasoni,T.Bowen,and W.G.Connor,"In Vivo Temperature Dependenceof Ultrasound Speed in Tissue and Its Application to Noninvasive TemperatureMonitoring."Ultrasonic Imaging,1979.1(1):p.34-43.

9.U.Techavipoo,T.Varghese,Q.Chen,and T.A.Stiles,"TemperatureDependence of Ultrasonic Propagation Speed and Attenuation in Excised CanineLiver Tissue Measured Using Transmitted and Reflected Pulses."AcousticalSociety of America,2004.115(6):p.2859-2865.

10.R.M.Morenoa and C.A.Damianou,"Noninvasive Temperature Estimationin Tissue Via Ultrasound Echo-Shifts.Part I.Analytical Model."AcousticalSociety of America,1996.100(4):p.2514-2521.

11.C.Simon,P.VanBaren,and E.S.Ebbini,"Two-Dimensional TemperatureEstimation Using Diagnostic Ultrasound."IEEE transactions on ultrasonics,1998.45(4):p.1088-1099.

12.R.Seip,P.VanBaren,C.Simon,and E.S.Ebbini,"Non-Invasive Spatio-Temporal Temperature Estimation Using Diagnostic Ultrasound."IEEE UltrasonicsSymposium,1995.95(6):p.1613-1616.

13.D.Liu and E.S.Ebbini,"Real-Time Two-Dimensional TemperatureImaging Using Ultrasound."Annual International Conference of the IEEE EMBS,2009:p.1971-1974.

14.C.A.Damianou,N.T.Sanghvi,and F.J.Fry,"Ultrasonic Attenuation ofDog Tissues as a Function of Temperature."IEEE Ultrasonics Symposium,1995.95(6):p.1203-1206.

16.C.Rieder,T.Kroger,and C.Schumann,"Gpu-Based Real-TimeApproximation of the Ablation Zone for Radiofrequency Ablation."IEEE TransVis Comput Graph,2011.17(12):p.1812-1821。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于时间信号偏移的实时超声波温度成像算法。通过自适应性系数k的变化，使得当温度T超过43℃时，温度图像仍然能很好的监控射频烧灼。并且当温度T低于43℃时，自适应性系数k能够对温度图像进行补偿，充分发挥回波信号偏移法高解析度的优势。为此，本发明采用的技术方案是，基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法，步骤如下：

假设组织初始温度为T₀，考虑位于轴向深度z处，回音讯号的时间延迟t_c(z)如(1-1)式:

其中，T(ξ)＝T₀+δT(ξ)，为深度ξ的温度；d为微分符号，而c(ξ,T(ξ))代表深度为ξ与温度为T(ξ)时的声速，下标c代表目前只考虑温度造成的声速变化，接着再加入考虑组织的热膨胀影响；定义一个热膨胀系数α(thermal expansion coefficient)，dξ＝(1+α(ξ)δT(ξ))dξ，代入(1-1)得下式:

初始条件知道当时间＝0时，因此在深度ξ处的时间偏移等于下式:

将两边对深度变数z微分可得:

若假设温度改变造成的声速改变为线性关系，则可得下式:

c(z,T(z))＝c₀(z)(1+β(z)δT(z)) (1-5)

其中，c₀(z)＝c(z,T₀)，根据(1-4)、(1-5)与假设|β(z)δT(z)|＜＜1可求得δT(z)如下式:

再令代入(1-6)，最后得到:

此即为回音讯号偏移法的公式；其中δ为差分符号，T(z)为温度，c₀(z)为初始声速，为时间偏移对轴向的微分，k(z)则为两种效应的共同作用效果。

延伸(1-6)式，能够反推出k值随温度变化的方法；由于烧灼电极尖端有热电偶，理论上能够得知此点任一时间的温度，合理假设此点温度总是温度分布的最大值，并且令k为时间信号偏移值的函数，由此点即可推出k值，依此类推，随着电极位置温度持续上升，推出完整随时间信号偏移变化的系数k曲线，电极位置以外的区域便可以套用此系数k曲线，得到空间平面完整的k值分布。

基于时间信号偏移的实时超声波温度成像设备，包括超音波换能器、计算机，超音波换能器产生的图像信号经计算机上图像处理模块处理后在屏幕上成像；图像处理模块的处理步骤是：

假设组织初始温度为T₀，z为轴向深度，回音讯号的时间延迟t_c(z)如(1-1)式:

其中，T(ξ)＝T₀+δT(ξ),为深度ξ的温度，而c(ξ,T(ξ))代表深度为ξ与温度为T(ξ)时的声速。下标c代表目前只考虑温度造成的声速变化。接着再加入考虑组织的热膨胀影响；定义一个热膨胀系数α(thermal expansion coefficient)，dξ＝(1+α(ξ)δT(ξ))dξ，代入(1-1)得下式:

初始条件知道当时间t＝0时，因此在深度ξ处的时间偏移等于下式,令δt(z)＝t(z)-t₀(z)代表时间信号的偏移值，则有:

将两边对深度变数z微分可得:

其中为偏微分符号，若假设温度改变造成的声速改变为线性关系，则可得下式:

c(z,T(z))＝c₀(z)(1+β(z)δT(z)) (1-5)

其中，c₀(z)＝c(z,T₀)，根据(1-4)、(1-5)与假设|β(z)δT(z)|＜＜1可求得δT(z)如下式:

再令代入(1-6)，最后得到:

此即为回音讯号偏移法的公式；其中δ为差分符号，T(z)为温度，c₀(z)与T₀为初始声速与初始温度，为时间偏移对轴向的微分，k(z)则为声速变化和热膨胀两种效应的共同作用而得到的参数。

本发明的特点及有益效果是：

温度45℃以下，能够反应温度改变与分布，但温度超过45℃时，自适性k值计算的结果与热电偶的匹配程度较佳，加热中心不再随温度提升而发生位移，展现其能自我修正的特性，而对于只需要给予初始温度与热源处热电偶读数便能进行实时的温度估测，为此方法的一大优点。

附图说明：

图1为:本算法的计算流程图。

具体实施方式

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于时间信号偏移的实时超声波温度成像算法。通过自适应性系数k的变化，使得当温度T超过43℃时，温度图像仍然能很好的监控射频烧灼。并且当温度T低于43℃时，自适应性系数k能够对温度图像进行补偿，充分发挥回波信号偏移法高解析度的优势。

本发明所采用的技术方案是基于回波信号的自适应性超声波温度成像算法。具体包括以下步骤：

假设组织初始温度为T₀，考虑位于轴向深度z处，回音讯号的时间延迟t_c(z)如(1-1)式:

其中，T(ξ)＝T₀+δT(ξ)；为深度ξ的温度，而c(ξ,T(ξ))代表深度为ξ与温度为T(ξ)时的声速。下标c代表目前只考虑温度造成的声速变化。接着再加入考虑组织的热膨胀影响；定义一个热膨胀系数α(thermal expansion coefficient)，dξ＝(1+α(ξ)δT(ξ))dξ，代入(1-1)可得下式:

初始条件知道当时间＝0时，因此在深度ξ处的时间偏移等于下式:

将两边对深度变数z微分可得:

若假设温度改变造成的声速改变为线性关系，则可得下式:

c(z,T(z))＝c₀(z)(1+β(z)δT(z)) (1-5)

其中，c₀(z)＝c(z,T₀)。根据(1-4)、(1-5)与假设|β(z)δT(z)|<<1可求得δT(z)如下式:

再令代入(1-6)，最后得到:

此即为回音讯号偏移法的公式；T(Z)为温度，c₀(z)与T₀为初始声速与初始温度，为时间偏移对轴向的微分，k(z)则为声速变化和热膨胀两种效应的共同作用而得到的参数。

由(1-7)中，k(z)代表温度变化造成的声速变化与温度变化造成的热膨胀两者间的作用结合在一起，温度提高造成声速上升的效应使回音讯号产生提前；但若产生远离换能器方向的热膨胀则造成回音讯号延迟，k(z)即代表两相抗衡的结果。这两个效应造成的回音讯号延迟目前并无法有效拆解，故无法得知熟为声速上升所产生的讯号延迟，目前信息仅显示温度约在43℃之前声速变化的效应远大于热膨胀的效应，k值约为一常数，因此能够有效估测此阶段的温度变化；一旦温度超过此一阶段，热膨胀的效应明显加剧，k值不再为常数且随时间变化，若仍用一常数代入k值，估测会产生严重错误。因此若要估测超过43℃之后的温度变化，势必要重新定义k值。

在本研究中，提出一个延伸(1-7)式，能够反推出k值随温度变化的方法；由于烧灼电极尖端有热电偶，理论上能够得知此点任一时间的温度，合理假设此点温度总是温度分布的最大值，并且令k为时间信号偏移值的函数，由此点即可推出k值。依此类推，随着电极位置温度持续上升，可推出完整随时间信号偏移变化的系数k曲线，电极位置以外的区域便可以套用此系数k曲线，得到空间平面完整的k值分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是于温度45℃以下，能够反应温度改变与分布，但温度超过45℃时，自适性k值计算的结果与热电偶的匹配程度较佳，加热中心不再随温度提升而发生位移，展现其能自我修正的特性，而对于只需要给予初始温度与热源处热电偶读数便能进行实时的温度估测，为此方法的一大优点。

下面结合附图对本发明进一步说明。依照前面章节所述的回音讯号偏移法，可将超音波系统截取的RF讯号经由一维空间互相关分析方法转化成温度影像，其程序流程大约如下:

A.将两个时间点t1与t2收取到的RF讯号经过适当内差之后，得到m×n大小之矩阵；称为data1与data2。

B.定义一滑动窗口(sliding window)大小为m′×1，其中m′<m，将滑动窗口内data1′与data2′做互相关分析后即可得到该部分的时间信号偏移(echo shift)。

C.然后由滑动窗口完整扫描整个m×n矩阵后，经过单位转换即得到时间偏移分布(time shift map)。

D.依据理论模型将时间偏移分布对轴向微分。

E.再将D之结果带入ButterWorth 8阶低通滤波器进行轴向与侧向滤波。

依据理论模型；将D之结果乘上常数k并加上初始温度后即可得到温度分布。但如同先前所述，k值在温度超过43℃之后，由于热膨胀效应加剧，k值不再为常数，因此必须重新计算相对应的k值，以下即为计算k值的流程:

回顾(1-7)式:

F.考虑电极所在位置(xx,zz)，xx和zz分别为超声波图像的横纵坐标，令第一个时间点的电极尖端温度为T1；第二个时间点的电极尖端温度为T2，则δT_1,2(xx,zz)＝T2-T1。

G.δT_1,2(xx,zz)由步骤F已知；(xx,zz)处的时间偏移也已算出；初始声速C₀设为1540m/s。

H.由以上条件即可求出k1，依此类推可得k2、k3…，即可得到完整k值关于时间偏移信号的曲线。

Claims (3)

1.一种基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法，其特征是，步骤如下：

假设组织初始温度为T₀，考虑位于轴向深度z处，回音讯号的时间延迟t_c(z)如(1-1)式：

其中，T(ξ)＝T₀+δT(ξ)，为深度ξ的温度；d为微分符号，而c(ξ，T(ξ))代表深度为ξ与温度为T(ξ)时的声速，下标c代表目前只考虑温度造成的声速变化，接着再加入考虑组织的热膨胀影响；定义一个热膨胀系数α(thermal expansion coefficient)，dξ＝(1+α(ξ)δT(ξ))dξ，代入(1-1)得下式：

初始条件直到当时间＝0时，因此在深度ξ处的时间偏移等于下式：

将两边对深度变数z微分可得：

若假设温度改变造成的声速改变为线性关系，则可得下式：

c(z，T(z))＝c₀(z)(1+β(z)δT(z)) (1-5)

其中，c₀(z)＝c(z，T₀)，根据(1-4)、(1-5)与假设|β(z)δT(z)|＜＜1可求得δT(z)如下式：

再令代入(1-6)，最后得到：

此即为回音讯号偏移法的公式；其中δ为差分符号，T(z)为温度，c₀(z)为初始声速，为时间偏移对轴向的微分，k(z)则为声速变化和热膨胀两种效应的共同作用而得到的参数。

2.如权利要求1所述的基于时间信号偏移的实时超声波温度成像方法，其特征是，延伸(1-6)式，能够反推出k值随温度变化的方法；由于烧灼电极尖端有热电偶，理论上能够得知此点任一时间的温度，合理假设此点温度总是温度分布的最大值，并且令k为时间信号偏移值的函数，由此点即可推出k值，依此类推，随着电极位置温度持续上升，推出完整随时间信号偏移变化的系数k曲线，电极位置以外的区域套用此系数k曲线，得到空间平面完整的k值分布。

3.一种基于时间信号偏移的实时超声波温度成像设备，其特征是，包括超音波换能器、计算机，超音波换能器产生的图像信号经计算机上图像处理模块处理后在屏幕上成像；图像处理模块的处理步骤是：

假设组织初始温度为T₀，z为轴向深度，回音讯号的时间延迟t_c(z)如(1-1)式：

其中，T(ξ)＝T₀+δT(ξ)，为深度ξ的温度，而c(ξ，T(ξ))代表深度为ξ与温度为T(ξ)时的声速，下标c代表目前只考虑温度造成的声速变化，接着再加入考虑组织的热膨胀影响；

定义一个热膨胀系数α(thermal expansion coefficient)，dξ＝(1+α(ξ)δT(ξ))dξ，代入(1-1)得下式：

初始条件直到当时间t＝0时，因此在深度ξ处的时间偏移等于下式，令δt(z)＝t(z)-t₀(z)代表时间信号的偏移值，则有：

将两边对深度变数z微分可得：

其中为偏微分符号，若假设温度改变造成的声速改变为线性关系，则可得下式：

c(z，T(z))＝c₀(z)(1+β(z)δT(z)) (1-5)

其中，c₀(z)＝c(z，T₀)，根据(1-4)、(1-5)与假设|β(z)δT(z)|＜＜1可求得δT(z)如下式：

再令代入(1-6)，最后得到：

此即为回音讯号偏移法的公式；其中δ为差分符号，T(z)为温度，c₀(z)与T₀为初始声速与初始温度，为时间偏移对轴向的微分，k(z)则为声速变化和热膨胀两种效应的共同作用而得到的参数。