CN109567929B - 一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，可以有效提高微波消融过程中超声监测的准确性，为临床微波消融术提供可靠有效的监测评估。本发明利用超声换能器采集微波消融组织的超声背散射信号；分离背散射信号的基、谐波成分，解调获取超声谐波包络信号；使用多尺寸窗口及加权级值计算谐波定征参数；采用单步步进遍历的方法获取消融组织的谐波加权定征参数像素集；利用差分集合形式获取消融组织增强型谐波加权定征参数图像。本发明解决了消融后期监测响应迟钝以及图像分辨率差的问题。

Description

一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法

技术领域

本发明涉及一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，属生物医学超声定量检测技术领域。

背景技术

癌症严重威胁着人类的健康和生命。为了提高治愈率与生存率的同时有效降低患者的痛苦，研究人员利用微波消融技术进行微创的热疗方法得到了医学家们的肯定，目前微波消融已经成为原发性和继发性癌症的常规治疗方法。然而在微波消融的治疗过程中，存在着热疗剂量的问题。因此在治疗过程中检测消融组织的消融区域与温度成为了微波消融临床治疗过程中的重要问题。

目前，临床上无创监测微波消融的有效技术主要有核磁共振成像技术和超声成像技术两种。但是核磁共振成像设备的成本昂贵，消融设备与核磁共振系统也需要集成化，同时核磁共振成像的测温延时较大。超声检测技术相比于核磁共振技术，检测的成本低廉，同样没有电离辐射，并且可以进行实时的扫描成像处理，由此超声检测是最理想的用于监测微波消融组织的实时监测技术。在微波消融过程中，我们可以计算平均散射体间距，声辐射力，弹性模量，剪切模量，回波的偏移时间，衰减系数，以及背向散射能量等指标以推断消融组织的变性程度。同时也有研究利用参数统计对微波消融组织进行检测，如Nakagami模型参数。然而现行方法存在以下不足之处：(1)在微波消融的后期阶段监测结果随温度变化不敏感；(2)采集的用于定量参数统计分析的超声信号都是基于基波分量。

针对上述存在的问题，本发明提出一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，利用超声谐波包络信号加权定征参数差分的成像方法，以实现高精度、高灵敏度、标准化的临床微波消融监测。

经文献检索，未发现与本发明技术方案相同的与微波消融监测有关的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微波消融监测技术的不足，准确测量微波消融组织的热损伤情况，克服消融后期的监测误差，改善微波消融的实时监测效果，为临床医学微波消融治疗提供可靠和有力的检测保障。

为实现上述目的，本发明采用一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，具体包括以下步骤：

1)采集并存储微波消融组织的超声回波信号。由超声换能器发射正弦激励超声波进入到微波消融组织中进行超声扫描，发射完毕后换能器由发射模式转换为接收模式，接收从组织中返回的携带消融组织信息的超声回波信号以进行后续算法分析。

2)分离背散射信号的基、谐波成分，解调获取超声谐波包络信号。对于存储的超声探测回波信号，利用巴特沃斯高通滤波器将基、谐波成分分离以获得谐波分量：

其中，D是信号的频率；D0是截止频率；n是滤波器的阶数。利用该滤波器将低于截止频率的成分过滤掉，留下所需要的超声谐波分量。此后，再利用Hilbert函数解调超声谐波射频信号f(t)：

重构解析射频信号：

利用模运算：

得到超声谐波包络信号。

3)使用多尺寸窗口及加权级值计算谐波加权定征参数。选取多帧谐波包络信号，以不同尺寸窗口在不同谐波包络信号中进行窗口采样，根据Nakagami模型公式(12)和(13)计算不同尺寸窗口下的形状因子及缩放因子的定征参数值。背散射谐波包络信号r的Nakagami函数模型概率：

其中，Γ(g)是伽马函数；ω是缩放因子；μ是形状因子。令E(g)代表期望算式，则两个因子由

ω＝E(r²) (12)

和

计算，并存储窗口内以起始位置窗宽为λ范围内两定征参数值。进一步，采用加权级值对不同尺寸窗口计算出的谐波定征参数进行加权量值统计，反映不同尺寸窗口在Nakagami函数定征中的可靠量度。

本发明专利中的经过加权级值加权的Nakagami函数参数值的表达式为：

和

其中，x表示用于采样谐波包络信号的窗口宽度；λ表示超声换能器入射脉冲长度；b表示加权级值最高处的窗宽；c表示标准方差。

4)采用单步步进遍历获取消融组织的谐波加权定征参数像素集。将采样窗口在多帧谐波包络信号内以λ步长单步步进移动，按照上述计算存储过程依次计算每步长范围内的谐波加权定征参数，将计算得出的定征参数信号作为窗口内的像素数据点，直至窗口遍历整个包络信号，分别获得谐波加权形状因子参数图像5及谐波加权缩放因子参数图像6。

5)利用差分集合形式获取消融组织增强型谐波加权定征参数图像。获取一对微波消融加权定征参数数据集，基于微波消融前的谐波加权定征参数图像S07、8，以及微波消融期间的谐波加权定征参数图像S05、6，利用差分法：

S_μd＝S_μ-S_μ0 (16)

和

S_ωd＝S_ω-S_ω0 (17)

得到消融组织相对于未消融组织的增强型谐波加权定征参数图像9、10、附图4。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1)在消融组织的参数成像中，定征参数的估计准确率以及图像的分辨率取决于于窗口大小决定，本发明采用加权多尺寸叠加窗口，使得组织的微波热损伤情况被准确监测。

2)利用差分集合形式，获取消融谐波定征参数相对于未消融谐波定征参数的差值，使消融区域内的组织变性特性得以增强，使微波热损伤情况的量化误差最小。

本发明所使用的超声换能器、微波消融仪及信号传输电缆等硬件器材均由市场购买，回波信号存储、滤波、解调以及Nakagami模型的参数计算方法为公开技术。

附图说明

图1为本发明的信号处理流程图。

图2为消融组织基、谐波分离B超图像。

图3为消融组织图。

图4为本发明的热损伤组织的谐波定征参数差分成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明的具体实施步骤包括：

1)采集并存储微波消融组织的超声回波信号。利用超声换能器稳定、准确的对图3所示的微波消融组织进行超声扫描，发射并接收从组织中返回的携带消融组织信息的超声回波信号，接收时间为2秒，依照标准化超声成像过程形成原始微波消融组织的B超图像1。利用开放式超声检测系统对背散射信号采样，并存储背散射信号的射频信号成分，用以后续算法研究分析。

2)分离背散射信号的基、谐波成分，解调获取超声谐波包络信号。对于存储于超声检测平台的消融组织的超声探测射频背散射信号，通过巴特沃斯高通滤波器将基、谐波成分分离以获得谐波分量，方法如下：

其中，D是信号的频率；D0是截止频率；n是滤波器的阶数。本实施例中，超声换能器的发射中心频率设置为5MHz，滤波器的截止频率选定为8.5MHz，滤波器的阶数为8阶。利用该滤波器将低于截止频率的成分过滤掉，以获得稳定滤波的谐波射频分量，依照标准化超声成像过程形成消融组织的超声谐波B超图像2、附图2的图像b以及超声基波B超图像3、附图2的图像a。由附图2所示，微波消融的中心点位置21、22可观察于谐波图像的局部白色阴影中，然而消融区域的轮廓很难准确显示于B超图像中。

进一步，将滤波得到的谐波射频分量f(t)通过Hilbert函数解调：

重构解析射频信号：

利用模运算：

得到超声谐波包络信号以分析计算定征参数。

3)使用多尺寸窗口及加权级值计算谐波加权定征参数。选取多帧谐波包络信号，利用不同尺寸窗口在不同谐波包络信号中进行窗口采样，根据Nakagami模型公式(23)和(24)分别计算多帧信号下不同尺寸窗口的形状因子及缩放因子的定征参数值。背散射谐波包络信号r的Nakagami函数模型概率：

其中，Γ(g)是伽马函数；ω是缩放因子；μ是形状因子。令E(g)代表期望算式，则两个因子由

ω＝E(r²) (23)

和

计算，并存储窗口内以起始位置窗宽为λ范围内两定征参数值。进一步，采用加权级值对不同尺寸窗口计算出的定征参数进行加权量值统计，反映不同尺寸窗口在Nakagami函数定征中的可靠量度。本发明专利中的经过加权级值加权的Nakagami函数参数值的表达式为：

和

其中，x表示用于采样谐波包络信号的窗口宽度；b表示加权级值最高处的窗宽；c表示标准方差。本实施例中，用于计算Nakagami模型定征参数的窗口采样分别涉及16×1,32×2,48×3,以及64×4个数据点。尺寸为32×2的窗口占用最高权重，其他尺寸窗口依次获得较低权重级值，以此分配获得较高的图像分辨率以及计算精度。

4)采用单步步进遍历获取消融组织的谐波加权定征参数像素集。将采样窗口在多帧谐波包络信号内以λ的步长沿纬度与经度单步步进移动，按照计算存储过程3)依次计算每步长范围内的加权定征参数，将计算得出的定征参数信号作为窗口内的像素数据点，直至窗口遍历整个包络信号。本实施例中，根据3)、4)所述方法获得消融组织的Nakagami形状因子谐波加权定征参数图像5、缩放因子谐波加权定征参数图像6，以及消融前组织的Nakagami形状因子谐波加权定征参数图像7及缩放因子谐波加权定征参数图像8。用于下一步计算谐波加权定征参数差分图像，排除正常组织的定征参数成像对热损伤组织的定征参数的干扰。

5)利用差分集合形式获取消融组织增强型谐波加权定征参数图像。获取一对微波消融加权定征参数数据集，用微波消融阶段中的谐波加权定征参数集与微波消融前的谐波加权定征参数集结对。基于微波消融前的谐波加权定征参数图像S07、8，以及微波消融期间的谐波加权定征参数图像S05、6，利用差分法：

S_μd＝S_μ-S_μ0 (27)

和

S_ωd＝S_ω-S_ω0 (28)

得到消融组织相对于未消融组织的增强型谐波加权定征参数图像9、10、附图4。本实施例中，以微波天线放置位置41为中心，获得了微波消融组织轮廓为长轴18.5mm，短轴16.0mm的椭圆形区域，如附图3所示。与本发明中得到的加权定征参数图像(附图4)相比较，消融区域相对于周围组织呈高亮显示。形状因子图像围绕消融区域中心点51得到长轴20.5mm，短轴17.2mm的热损伤区域，热损伤组织计算得到的最高谐波加权定征参数值与周边正常组织谐波加权定征参数值之差53为0.25。缩放因子图像围绕消融区域中心点52得到长轴22.1mm，短轴19.4mm的热损伤区域，热损伤组织计算得到的最高谐波加权定征参数值与周边正常组织谐波加权定征参数值之差54为0.06。

综上所述，本发明涉及一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，可以有效监测微波消融组织的热损伤情况。

Claims (2)

1.一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，利用开放式超声检测系统采集并存储微波消融组织的超声回波信号；由超声换能器发射正弦激励超声波进入到微波消融组织中进行超声扫描，发射完毕后换能器由发射模式转换为接收模式，接收从组织中返回的携带消融组织信息的超声回波信号以进行后续算法分析；

步骤2，分离背散射信号的基、谐波成分，解调获取超声谐波包络信号；

步骤3，基于Nakagami模型，使用多尺寸窗口及加权级值计算谐波加权定征参数；采用加权级值对不同尺寸窗口计算出的定征参数进行加权量值统计，反映不同尺寸窗口在Nakagami函数定征中的可靠量度；

所述加权级值量度1的表达式为：

其中，Q(x)表示用于窗口参数的加权级值；λ表示超声换能器入射脉冲长度；b表示加权级值最高处的窗宽；c表示标准方差；

步骤4，采用单步步进遍历获取消融组织的谐波加权定征参数像素集；

步骤5，利用差分集合形式获取消融组织增强型谐波加权定征参数图像；获取一对微波消融谐波加权定征参数数据集，用微波消融阶段中的谐波定征参数与微波消融前的谐波定征参数结对差分：

S_μd＝S_μ-S_μ0 (2)

和

S_ωd＝S_ω-S_ω0 (3)

得到谐波Nakagami定征参数的形状因子及缩放因子的差分增强信号集，以获得增强型谐波加权定征参数图像。

2.根据权利要求1所述的一种超声谐波加权定征参数差分成像的微波消融监测方法，其特征是，使用多尺寸窗口单步步进遍历计算谐波Nakagami定征参数；在每移动λ步长的遍历范围内，利用不同尺寸窗口连续采样多帧谐波包络信号，根据Nakagami模型公式(5)和(6)分别计算多帧谐波包络信号下不同尺寸窗口的形状因子及缩放因子的定征参数值；

背散射谐波包络信号r的Nakagami函数模型概率：

其中，Γ(g)是伽马函数；ω是缩放因子；μ是形状因子；令E(g)代表期望算式，则两个因子由

ω＝E(r²) (5)

和

计算，存储以参数起始位置窗宽为λ窗内两定征参数值；

进一步，在多帧谐波包络信号内，将窗口以λ步长单步步进移动，按上述计算存储过程计算下一个λ窗内的谐波定征参数信号，将计算得出的谐波定征参数信号作为窗口内的像素数据点，直至窗口遍历整个包络信号。

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