CN111000627A - 基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置 - Google Patents

基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，根据获得的组织在微波消融过程中的约化散射系数(μ's)实时估测出组织的硬度(杨氏模量，E)。本发明首先通过搭建离体猪肝微波消融约化散射系数和杨氏模量实时同步采集系统，获得大量微波消融过程中的μ's和E同步变化数据；然后，通过数据拟合建立多组E‑μ's关系方程，以各组方程的决定系数(拟合优度)作为权重，获得最终的E‑μ's关系模型。本发明建立了μ's和E之间的关联，可通过测量组织的约化散射系数进而计算出组织的硬度参数。本发明对评判肿瘤微波消融的实时疗效具有重大意义，对建立多模态肿瘤微波消融疗效评估体系有重要价值。

Description

基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及 其装置
技术领域
本发明涉及微波消融疗效评估领域，尤其涉及一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置。
背景技术
微波热消融疗法因其疗效明显、微创、毒副作用小、并发症少等优势，被认为是继手术、化疗、放疗、免疫治疗等后又一类新型有效的恶性肿瘤治疗的方法，在临床肿瘤治疗中已经发挥了巨大的作用，已经广泛用于肝癌、肺癌、肾癌、甲状腺癌、肠癌、子宫肌瘤等常见肿瘤。但是，微波肿瘤热消融中仍存在许多需要解决的科学及技术问题，其中最主要的之一就是微波消融治疗中实时疗效评估问题。目前临床上主要把约化散射系数作为肿瘤细胞灭活的判定因子，还不能正确反应肿瘤组织的消融程度，仅约化散射系数测量也无法实时获取消融过程中肿瘤组织的其他相关参数，包括蛋白质凝固程度、组织硬度、酶活性等。寻找更为准确的多参数综合评估因子实现疗效实时评估成为精准消融的关键
微波消融下生物组织的热损伤是与约化散射系数和时间有关的动态变化过程，其本质上是消融过程中蛋白质变性并逐步凝固的过程。生物组织的约化散射系数(μ's)和硬度(杨氏模量E)在组织因热损伤而逐渐凝固过程中也随细胞形态和蛋白质三级结构的改变而动态变化。越来越多的学者使用降低的散射系数(μ's)和杨氏模量(E)来评估微波消融的功效。目前临床上杨氏模量实时测量主要通过多普勒彩色超声仪实现，但由于仪器价格昂贵，体积庞大，并不能大面积推广。利用微创功能近红外光谱技术可实现消融过程中约化散射系数(μ's)的实时测量，光纤光谱仪和光纤等测量设备价格低廉、体积小巧且便于操作。
已有研究表明，组织的约化散射系数与密度有关，甚至在某些组织中成正相关。杨氏模量是评价组织弹性的物理量，杨氏模量的计算公式为E＝3ρC2，ρ为被测组织的密度，C为剪切波在被测组织中的传播速度。μ's和E都与组织密度有关，两者之间必定存在一定的关联。
目前尚没有微波消融过程中约化散射系数和杨氏模量的有效关系模型。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置，该方法建立了一种有效的E-μ's关系模型。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，根据获得的组织在微波消融过程中的约化散射系数μ's实时估测出组织的硬度E，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融约化散射系数和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的μ's和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-μ's关系方程，以各组方程的决定系数，即拟合优度作为权重；
S4、利用获得的多组关系方程和决定系数，得到最终的E-μ's关系模型；
S5、检验所建立的模型，确定误差范围。
进一步的，所述步骤S1中搭建的E和μ's微波消融同步采集系统包括：微波消融模块、约化散射系数测量模块、杨氏模量测量模块、数据存储模块。
进一步的，微波消融模块包括微波源8和消融针6；约化散射系数测量模块包括光纤5、光纤光谱仪1和光源4；杨氏模量测量模块包括彩色多普勒超声仪10和超声探头9；数据存储模块包括主控板2和PC机3。
进一步的，所述微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；约化散射系数测量模块包括Y型光纤、USB2000光纤光谱仪和HL2000卤素光源；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC。
进一步的，所述步骤S2中，不同消融剂量即选择不同的消融功率和时间组合，搭配不同的光纤与消融针间距；在开始消融的同时启动功能近红外测量模块和杨氏模量测量模块。
进一步的，在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min；光纤与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；任意搭配消融功率、时间和距离，在开始消融的同时启动功能近红外测量模块和杨氏模量测量模块。
进一步的，所述步骤S3中，每一组实验数据的E-μ's关系方程及其决定系数利用多项式拟合的方法得到，参与拟合的实验组数为k，k组实验获得k个E-μ's关系方程及k个E-μ's关系方程的决定系数，关系方程记做yn(n＝1,2,3,...k)，其中：yn为第n组实验获得的第n个E-μ's关系方程，决定系数记做
Figure BDA0002303265360000031
其中：
Figure BDA0002303265360000032
为第n组实验获得的第n个关系方程的决定系数，且
Figure BDA0002303265360000033
第n个方程的权重wn计算公式如下：
Figure BDA0002303265360000034
进一步的，所述步骤S4中，E-μ's关系模型Y的计算公式如下：
Y＝ynwn(n＝1,2,3……k)。
进一步的，所述步骤S5中，模型检验是指利用未参与模型建立的样本检验所建立E-μ's模型方程的可靠性，确定最大绝对误差，最小绝对误差和平均绝对误差。
一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的装置，包括依次连接的光纤5、光谱仪1、主控板2和PC机3，还包括依次连接的消融针6和微波源8；所述光纤5还与光源4相接；所述光纤5和微波消融针6插入离体猪肝7内，所述贴于离体猪肝7表面的超声探头9，所述超声探头9与多普勒超声仪10相接。
进一步的，所述光纤5和消融针6在离体猪肝7内平行设置。
优选地，所述光纤5为Y型光纤，所述光谱仪1为USB2000光纤光谱仪，所属光源4为HL2000卤素光源，所述超声探头9为L11-3U线阵超声探头，所述微波消融针6为KY-2450-B1微波消融针，所述微波源8为2450MHZ微波源，所述多普勒超声仪10为Resona7彩色多普勒超声仪。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明建立了一种有效的E-μ's关系模型，可通过实时获取的组织约化散射系数估测出组织的硬度参数即杨氏模量，在不具备多普勒彩色超声仪的条件下通过价格低廉操作简便的近红外光学设备也可获得较为准确的杨氏模量。
2、本发明对微波热消融术中实时疗效评估有重要的参考价值，对建立多参数微波热消融术中实时疗效评估体系有重要的参考意义。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法流程图；
图2是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法所涉及的离体猪肝微波消融约化散射系数和杨氏模量实时同步采集装置的原理图；
图3是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中一组消融实验E与μ's数据实时变化及拟合示例；
图4是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中所构建的E与μ's关系模型方程曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的流程图，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融约化散射系数和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的μ's和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-μ's关系方程，以各组方程的决定系数(拟合优度)作为权重；
S4、利用获得的多组关系方程和决定系数，得到最终的E-μ's关系模型；
S5、检验所建立的模型，确定误差范围，具体地讲，所述步骤S5中，模型检验是指利用未参与模型建立的样本检验所建立E-μ's模型方程的可靠性，确定最大绝对误差，最小绝对误差和平均绝对误差。
如图2所示是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法所涉及的离体猪肝微波消融约化散射系数和杨氏模量实时同步采集装置的原理图；优选地，1为USB2000光纤光谱仪，2为主控板，3为PC机，4为HL2000卤素光源，5为Y型光纤，6为KY-2450-B1微波消融针，7离体猪肝，8为2450MHZ微波源，9为L11-3U线阵超声探头，10为Resona7彩色多普勒超声仪。
微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；约化散射系数测量模块包括Y型光纤、USB2000光纤光谱仪和HL2000卤素光源；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC。
在实验前，将微波消融针6插入肝脏8cm，以确保整个消融区在肝实质内；将光纤5插入7cm并与微波消融针6平行放置；将超声探头9靠近猪肝的上表面放置，并且超声探头9的中心与光纤5的前端重合；在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min。光纤与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；在开始消融的同时启动约化散射系数测量模块和杨氏模量测量模块。
如图3所示是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中某一组消融实验E与μ's数据实时变化(图3A)及拟合示例(图3B)；所述每一组实验数据的E-μ's关系方程及其决定系数R2(0<R2<1)可以利用多项式拟合的方法得到，拟合结果表明E与μ's在三阶多项式拟合上具有相对最高的拟合优度(R2更接近1)；图3即消融功率为50w，消融时间为5min，距离消融针能量辐射点0.5cm处的E和μ's实时变化(图3A)和拟合得到的关系方程曲线(图3B)，其通过多项式数据拟合出的公式为：
y＝0.2312x3-6.6779x2+64.4183x-126.3347
R2＝0.9797，其中：x为μ's，y为E。
如图4所示是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中所构建的E与μ's关系模型方程曲线；所述E-μ's关系模型Y计算公式如下：
Y＝ynwn(n＝1,2,3……k)
代入k组实验获得的k个三阶关系方程和权重，即可得到最终的E-μ's关系模型方程；
本发明基于30组实验得到E-μ's关系模型通用方程Y如下：
y＝0.084x3-2.136x2+23.15x-30
如表1所示是本发明的实施例所提供的一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的某一组测试数据的模型检验误差示例。根据我们以前的研究，当μ's值在2～6cm-1范围内时，组织处于正常状态(正常区域)。当值在6～16cm-1范围内时，组织处于充血状态(过渡区域)。当该值在16～19cm-1范围内时，组织处于凝固状态(凝固区域)；根据同步测量的E和μ's数据，可以得出每组实验中三个区域的E平均值，即正常组织的E平均值，充血组织的E平均值和凝固组织的E平均值。
将6组未参与模型构建的样本数据中的μ's代入E-μ's关系模型公式Y，即可计算出相应区域段的E平均值。将实际的E平均值与通过关系模型公式计算出的E平均值进行比较，获得相应的误差以检验关系模型的可靠性。在6组实验数据中，正常情况下组织的实际E平均值在0～50Kpa范围内，平均为35.72Kpa。充血下组织的实际E平均值范围为50～100Kpa，平均为93.86Kpa。凝固组织的实际E平均值大于100Kpa，平均为153.32Kpa；通过计算，本发明中的E-μ's模型的最大绝对误差为29.37Kpa，最小绝对误差为0.88Kpa，平均绝对误差小于20Kpa，与Resona7彩色多普勒超声仪的SD值(标准误差值，可达到50Kpa甚至更高)相比该模型误差处于可信范围内，具体结果即表1所示。
表1
Figure BDA0002303265360000061
本发明还提出了一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的装置，包括依次连接的光纤5、光谱仪1、主控板2和PC机3，还包括依次连接的消融针6和微波源8；所述光纤5还与光源4相接；所述光纤5和微波消融针6插入离体猪肝7内，所述贴于离体猪肝7表面的超声探头9，所述超声探头9与多普勒超声仪10相接，所述光纤5和消融针6在离体猪肝7内平行设置。
优选地，所述光纤5为Y型光纤，所述光谱仪1为USB2000光纤光谱仪，所属光源4为HL2000卤素光源，所述超声探头9为L11-3U线阵超声探头，所述微波消融针6为KY-2450-B1微波消融针，所述微波源8为2450MHZ微波源，所述多普勒超声仪10为Resona7彩色多普勒超声仪。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于：根据获得的组织在微波消融过程中的约化散射系数μ's实时估测出组织的硬度E，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融约化散射系数和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的μ's和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-μ's关系方程，以各组方程的决定系数，即拟合优度作为权重；
S4、利用获得的多组关系方程和决定系数，得到最终的E-μ's关系模型；
S5、检验所建立的模型，确定误差范围。
2.根据权利要求1所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，所述步骤S1中搭建的E和μ's微波消融同步采集系统包括：微波消融模块、约化散射系数测量模块、杨氏模量测量模块、数据存储模块。
3.根据权利要求2所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于：微波消融模块包括微波源(8)和消融针(6)；约化散射系数测量模块包括光纤(5)、光纤光谱仪(1)和光源(4)；杨氏模量测量模块包括彩色多普勒超声仪(10)和超声探头(9)；数据存储模块包括主控板(2)和PC机(3)。
4.根据权利要求3所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，所述微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；约化散射系数测量模块包括Y型光纤、USB2000光纤光谱仪和HL2000卤素光源；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC。
5.根据权利要求1所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，不同消融剂量即选择不同的消融功率和时间组合，搭配不同的光纤与消融针间距；在开始消融的同时启动功能近红外测量模块和杨氏模量测量模块。
6.根据权利要求1所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min；光纤与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；任意搭配消融功率、时间和距离，在开始消融的同时启动功能近红外测量模块和杨氏模量测量模块。
7.根据权利要求2所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，每一组实验数据的E-μ's关系方程及其决定系数利用多项式拟合的方法得到，参与拟合的实验组数为k，k组实验获得k个E-μ's关系方程及k个E-μ's关系方程的决定系数，关系方程记做yn(n＝1,2,3,...k)，其中：yn为第n组实验获得的第n个E-μ's关系方程，决定系数记做
Figure FDA0002303265350000021
(n＝1,2,3,……k)，其中：
Figure FDA0002303265350000022
为第n组实验获得的第n个关系方程的决定系数，且
Figure FDA0002303265350000023
第n个方程的权重wn计算公式如下：
Figure FDA0002303265350000024
8.根据权利要求1所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，E-μ's关系模型Y的计算公式如下：
Y＝ynwn(n＝1,2,3……k)。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的装置，其特征在于，包括依次连接的光纤(5)、光谱仪(1)、主控板(2)和PC机(3)，还包括依次连接的消融针(6)和微波源(8)；所述光纤(5)还与光源(4)相接；所述光纤(5)和微波消融针(6)插入离体猪肝(7)内，所述贴于离体猪肝(7)表面的超声探头(9)，所述超声探头(9)与多普勒超声仪(10)相接。
10.根据权利要求9所述的基于约化散射系数的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的装置，其特征在于，所述光纤(5)和消融针(6)在离体猪肝(7)内平行设置。
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