TWI406684B - 非侵入式超音波即時溫度量測裝置及其方法 - Google Patents
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Description
本發明為一種即時溫度量測系統，特別是一種使用超音波之非侵入式即時超音波溫度量測系統。
近年在臨床治療領域中，非侵入式治療已受到高度重視，而其中之熱治療(Thermal Therapy)更是一種被廣泛應用於癌細胞控制、組織燒灼等非侵入式之醫療行為。故而非侵入性已成為超音波熱治療的最大特色，且於醫療上具有無可取代之優勢。
在熱治療的醫療過程中，為監控加熱程度以避免傷害週遭的正常細胞組織，具有可提供即時區域溫度變化分佈的量測系統便顯得相當重要。倘無此類監控加熱系統，臨床醫師便無法精確掌握體內組織的詳細溫度變化，除了增加治療行為困難以及手術危險度增加，更使得熱治療在臨床的應用上備受限制。
目前已知之相關量測技術，包括人體阻抗溫度量測法、磁振造影量測法、紅外線溫度量測法及超音波組織溫度量測法等方法以達到組織溫度之量測監控，但各式技術仍有其缺點。如人體阻抗溫度量測法有空間解析度度不佳且變異性過大的缺點，且再臨床應用上亦較為少見。而磁核造影量測法雖能提供較高的空間解析度，但受限於掃描速度過慢而無法達到即時性量測，且因設備系統購置成本昂貴、系統體積龐大，不亦與其他溫度療法整合，所以在臨床熱治療上的實用性並不佳。而紅外線溫度量測法則無法提供深層組織之溫度變化，因此不適合作為熱治療過程中之溫度變化監控設備。
然而在過程中對於組織內部溫度資訊的不足卻成為最大的限制，傳統的技術雖然利用超音波取得溫度分布資訊，但其所需操作時間過長，且無法即時取得，故不合乎臨床醫療使用。
故而在臨床上，以超音波作為診斷疾病的工具，已經使用得相當廣泛，安全性更被受信賴，其主要的優點有：非侵入式量測、即時影像掃描、系統機動性強、系統價格低廉等優點。因此，倘能利用超音波系統以開發非侵入式，且具有較大面積的組織溫度分布監測系統，更可結合其他醫療系統，如超音波影像系統，可大幅增加臨床熱治療的應用範圍以及相關醫療安全性。
本發明提供超音波溫度量測技術，具有能夠快速分析超音波射頻(RF)訊號之溫度估測數學演算法，取代傳統演算法無法即時擷取溫度資訊之缺點。
本發明組件中包括了：超音波熱燒灼模組、即時化溫度監控訊號處理模組、超音波訊號干擾模組、電腦圖形介面化系統控制程式。
本發明之超音波熱燒灼模組包含了：訊號輸入源和放大電路裝置及超音波探頭裝置，可產生一高功率強度之聚焦超音波以作為加熱燒灼用。
本發明之訊號處理流程包含了：超音波射頻(RF)訊號之溫度量測演算法、前置濾波器及後置濾波器之設計。
本發明提出理論上之數學模型，該數學模型相較於傳統之演算法，可大幅縮減計算時間，達到即時化之目的，倘若配合超音波影像儀之使用，更可得到即時化之溫度分布影像。
本發明之目的，可將及時化超音波熱燒灼與溫度監控系統整合，配合圖形化使用介面之設計，整合後成為有效之熱治療系統。
本發明所使用方法，係在不同溫度下，利用聲速之改變，使得超音波回波訊號在時間軸土產生相位差，進而反推出溫差變化，而得到溫度量測結果。
如第1圖中所示為本發明之系統裝置完整架構圖。其中本發明之超音波熱燒灼模組，提供熱燒灼功能，包括了第一訊號產生器11，功率放大器13，聚焦式超音波第一探頭(即超音波換能器)14且其探頭14可調整聚焦位置，以及電腦17。
而如第1圖中所示，本發明之超音波訊號干擾模組，其功能為避免產生熱燒灼現象，包括了第一訊號產生器11，第二訊號產生器12，脈衝產生/接收器15，以及聚焦式第二超音波探頭16。
如第1圖中所示之本發明即時化溫度監控模組，包含了一前置濾波器110於第一訊號產生器11內，一後置濾波器120於第一訊號產生器12內。
於本發明之加熱模組中，使用第一訊號產生器11產生工作頻率，搭配第二訊號產生器12以產生叢集波後，送入功率放大器13，調整超音波之輸出功率，送至聚焦式超音波第一探頭14(即第一探頭14)以產生聚焦，作為加熱來源。
於本發明之溫度量測模組中，以超音波脈衝產生/接收器15驅動測量用聚焦式超音波第二探頭16(即第二探頭16)，發射超音波訊號，使其穿過加熱系統中前述聚焦式超音波第一探頭14之焦點，也就是加熱中心位置，並接收反射回來之回波訊號，再以電腦17中的訊號截取卡，將所收到之超音波回波訊號轉成數位訊號並儲存在電腦17中進行分析。
如第2圖所示之本發明程式控制流程圖。於本發明中，使用電腦以整合控制，且以連續弦波驅動加熱用聚焦式超音波第一探頭14並聚焦於生物仿體內，進而達到加熱之目的。且為避免環境中充滿加熱用訊號，影響量測探頭對訊號之發出與接收之干擾，造成回波嚴重干擾。因此於本發明流程中，在進行參數設定21後，進行加熱22，即每啟動加熱系統3秒後關閉0.5秒，待系統環境穩定後，進行擷取訊號23，即由測量系統完成資料接收，期間大約費時0.5秒。並進行計算輸出24，之後反覆循環，進行檢查加熱時間25，直到設定之總加熱時間到達，即進行停止加熱26，便不再啟動加熱系統。其後，進行擷取訊號27，依然每4秒擷取一次訊號作為降溫時之紀錄，且進行計算輸出28，進行檢查降溫時間29，而總降溫時間為加熱時間之2倍，在將電腦中所有訊號儲存，最後進行系統關閉30。
當流程結束，待生物仿體回復正常溫度後，將此流程重複，但將超音波擷取系統換成電熱偶溫度量測器，以記錄實際溫度變化以便比對。
第3圖所示為本發明之訊號處理流程，即為本發明中之超音波溫度檢測技術與干擾迴避機制。首先如第3圖標示31，進行以前置濾波方式，濾去第一雜波訊號。使溫度量測的效果更佳，在系統中先將擷取之超音波射頻(RF)訊號作第一次之濾波處理，目的在於濾除環境中如因為震動等外在因素所造成之雜訊，以減少在分析過程中的誤差，其濾波器之設計為帶通濾波器，而截止頻率為量測用超音波探頭之中心頻率，之後可加減500KHz。
之後，如第3圖標示32，進行瞬時頻率分析，將過濾後之訊號，利用數學演算法分析，以得到其瞬時角頻率之變化。
接著，如第3圖標示33，進行取得相位差程序，故得到與參考溫度點之相位差。但由於相位差受到熱透鏡效應之影響，在末端部分表現並不穩定，在加熱點後相對位置上所表現之相位並不如預期中為線性累積，導致所得之相位差呈現上下震盪之狀態。
跟著，如第3圖標示34，設計了零相位濾波器以改善相位差呈現上下震盪之現象，即進行後置濾波程序，濾去第二雜波訊號。
最後，在第3圖標示35中，以微分方式取得溫度值，即將處理後之相位差做一次微分，可得到良好之溫度量測。
本發明係利用數學演算法進行相關運算，即使用超音波射頻訊號之溫度量測演算法。首先，假設初始溫度時的超音波回波訊號及溫度改變後之超音波回波訊號分別如下：S i
(x
,t
)＝A
(x
,t
)cos(w 0
(t
)t
(x
)) (1)S t
(x
,t
)＝A
(x
,t
)cos(w 0
(t
)t
(x
)＋w 0
(t
)δt
(x
)) (2)
本發明假設對同一個量測物之超音波訊號而言，當溫度變化時，所造成回波訊號之相位差可看成為時域訊號被壓縮之結果。
換言之，時域上被壓縮的現象，當表現在頻域上的變化即為：瞬時角頻率產生改變。因此，時域的相位差便可看成頻域上的順時頻率偏移量。
若將第1式及第2式使用複數形式表示，而虛數部分為實數部分經希伯特轉換後，所得之結果，其定義如下：
其中z(t)為複數形式之回波訊號；，為回波訊號之包絡線，表示回波能量強度之函數；，為回波訊號之瞬時相位角，而經改寫後的回波訊號如下：S i
(x
,t
)＝A
(x
,t
)(cos(w 0
(t
)t
(x
))＋i
sin(w 0
(t
)t
(x
))) (3)
根據定義，分別取得第3式與第4式之相位角分布：
根據假設，時域的相位差可等效於頻域之瞬時頻率之偏移。因此分別將瞬時相位角θ i
與θ t
對時間t做一次微分後，得到si
(x,t)與st
(x,t)之順時角頻率並相減，經過整理後發現可以得到δt(x)：
其中w0
(t)＝2πf0
t且f0
為超音波訊號之主頻，而瞬時相位角θ在經過一次偏微分後，則變成瞬時角頻率。
從第3式可以證明先前的假設，於是便可將第3式所得之δt(x)代入以下之第6式中，即：
便可得溫度δT(x)：
將所得之超音波射頻訊號，使用第3式之演算法分析所得結果，已證實利用第3式作為溫度估測之演算法是可行的，即此種可進行快速分析超音波射頻(RF)訊號之溫度量測數學演算法可做為非侵入式溫度檢測技術。
如第4圖所示，本發明使用一種可避開加熱訊號干擾的機制，將加熱訊號所使用的連續正弦波，改成正弦叢集波。若將加熱訊號改用叢集波，便不需要利用重複的切換訊號產生器的輸出，便可製造出沒有干擾的時間，供給量測溫度所需的超音波訊號使用。可省下下達指令與儀器反應的時間，並且可利用叢集波循環(cycles)數的設計，達到最短暫停時間，使得加熱訊號在巨觀上可呈現連續加熱的特性。因加熱訊號為一個連續的正弦波，且為產生無干擾的量測用超音波訊號環境，需要不斷的切換訊號的開關，且在切換時，指令的下達與儀器的反應都會產生時間延遲的累積。
而為使能較輕易操作本發明之系統，可使用Labview軟體以建立Graphics User Interface(GUI)控制程式，即電腦圖形介面化系統控制程式。GUI是一種電腦圖形化介面，透過在電腦上執行，使用者可以看到圖形化之操作介面，故如第5圖所示，為本發明之圖形化操作介面。其中包括：(a)加熱系統控制：包括對加熱探頭所需訊號之頻率的設定、射頻放大器的放大倍率、以及配合功率偵測器對輸出功率監控，並反應於介面中。
(b)實驗流程控制：此部份主要在設定實驗流程，包括加熱時間、降溫時間、組織深度、資料擷取頻率以及原始超音波訊號儲存位置。
(c)演算法參數設定：根據不同組織特性以及所以用之探測探頭中心頻率不同，超音波溫度估測演算法中所以用之參數也有所不同，其中包括：前濾波器之參數、組織衰弱係數、後濾波器之參數等各項在演算法中所需之變數。
(d)結果輸出：此部份則是將所求得之溫度分佈圖即時輸出，使用者可即時在介面中看到當有溫升或溫降時，在組織中溫度的空間分佈。
參閱第6圖及第7圖，為從本發明實際操作時所擷取之片段畫面，從圖中可以看到本發明在即時溫度估測上之結果。在本發明中為使用單一通道之超音波探頭作為量測工具，因此僅能得到一維之溫度變化。
在第8圖及第9圖中，使用診療用多通道超音波探頭作為量測工具，可得到二維之溫度分布圖，從圖中可以觀察從加熱開始後的溫度上升變化，以及加熱停止後，溫度下降的各式變化。
本發明以分析超音波回波訊號，形成非侵入式組織溫度量測技術，其主要原理係以溫度造成超音波訊號衰弱，以及溫度造成超音波傳遞速度改變兩種方式所形成的超音波回波訊號。
根據研究所示，由於溫度的升高會使得組織中大分子吸收超音波能量的能力下降，不同的回波訊號會得到不同的回波訊號強度，因此可透過回波訊號能量的分析來估測溫度變化。而超音波傳遞速度在不同溫度下亦有不同的傳遞速率，不同的傳遞介質在溫度改變時所造成超音波傳導速度變化的程度亦有所不同。
例如人體各臟器在溫度提高時超音波傳遞速度幾乎都會隨著不同程度的上升；體內脂肪卻相反，隨著溫度的上升，傳遞速度卻有著顯著的下降。故利用超音波回訊號能量的分析方法，必須量得回波訊號能量之微小變化，因此需要較高解析度之類比/數位轉換，對於臨床用超音波儀器而言較不易偵測。利用超音波傳遞速度改變的方法來做為溫度估測之手段，在硬體需求上的要求便相對低很多，故通常只要量測兩個超音波回波訊號之間的相位差，便可得到溫度變化。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
11．．．第一訊號產生器
12．．．第二訊號產生器
13．．．功率放大器
14．．．聚焦式超音波探頭
15．．．脈衝產生/接收器
16．．．探頭
17．．．電腦
第1圖中所示為本發明之系統裝置完整架構圖第2圖所示之本發明程式控制流程圖第3圖所示為本發明之訊號處理流程第4圖所示為本發明之連續正弦波與叢集波圖第5圖所示為本發明之圖形化操作介面第6圖為本發明實際操作時所擷取之片段畫面第7圖為本發明實際操作時所擷取之片段畫面第8圖為二維溫度分布圖第9圖為二維溫度分布圖
11．．．第一訊號產生器
12．．．第二訊號產生器
13．．．功率放大器
14．．．第一聚焦式超音波探頭
15．．．脈衝產生/接收器
16．．．第二聚焦式超音波探頭
17．．．電腦
Claims (1)
- 一種具有可操作超音波射頻訊號溫度量測方法之非侵入式超音波即時溫度量測裝置，至少包含：一超音波熱燒灼模組，具有一第一訊號產生器裝置，一放大器裝置，一第一超音波換能器裝置，以及具有可操作一超音波射頻訊號之一溫度量測方法，其中該操作該超音波射頻訊號之該溫度量測方法，包含：使用S (x ,t )=A (x ,t )(cos(w 0 (t )t (x ))+i sin(w 0 (t )t (x )))之運算方法，S (x ,t )係一超音波回波訊號，其中係一瞬時相位角，係一瞬時角頻率；以及使用之運算方法，其係以一頻率差的變化得知一溫度變化，其中δT (x )係一溫度變化，係一常數，f o 係超音波訊號之一主頻；一即時化溫度監控模組，具有一前置濾波器裝置；以及一後置濾波器裝置；一超音波訊號干擾模組，具有該第一訊號產生器裝置，一第二訊號產生器裝置，一脈衝產生/接收器裝置，以及一第二超音波換能器裝置；以及一電腦圖形介面化系統控制程式，藉以形成該非侵 入式超音波即時溫度量測裝置。
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