TWI444210B - 一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用方法 - Google Patents

一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用方法 Download PDF

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Description

一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用方法
本發明係有關於一種高能聚焦式超音波裝置及其使用方法，特別是一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用方法。
近年來，在臨床醫學的治療上已越來越重視非侵入式的治療方式，而又以「超音波熱治療(Ultrasound thermal therapy)」的技術趨近成熟，且因超音波在人體組織中具有相當良好之穿透性，可以將能量傳至深層部位，故可廣泛應用於組織燒灼以進行癌細胞的控制，以及腫瘤細胞抑制等非侵入式的醫療方式；而其中例如「高能聚焦超音波療法」(High-intensity focused ultrasound therapy，簡稱HIFU)便是一種「超音波熱治療」技術，基本上係利用聚焦高能超聲波，將超聲波的能量集中後，瞬間將焦點區的組織溫度提高到70 o C以上，細胞的蛋白質在此溫度會產生變性(Denature)，故能燒灼腫瘤，從而將病態的組織殺死，達到殺滅癌細胞的目的。
在「超音波熱治療」的過程中，為能夠有效監控加熱程度以避免傷害細胞週遭的正常組織，且能夠了解加熱後所造成的焦斑大小以及相關位置，提供大面積的溫度變化的評估系統及加熱後的燒灼範圍，能夠進行估測的量測系統更顯得重要。倘若在無量測系統的情況下進行「熱治療」，臨床醫生無法準確判斷組織內部的加熱位置與溫度變化，亦無法辨識加熱後組織燒灼所造成的焦斑，故而會增加醫療過程的危險度，更使得熱治療的應用在臨床上受到限制。
目前在有關「超音波熱治療」技術的量測系統中，已存有「超音波溫度影像技術」與「超音波彈性影像技術」等兩種技術已可做為「超音波熱治療」的量測系統。
其中「超音波溫度影像技術」係使用近似線性範圍內的超音波像為偏移量，進而估測溫度變化；但倘若溫差過大且物體發生形變時，則無法正確估測所燒灼的焦斑位置，且當組織進行熱膨脹時，聲速變化與溫度變化的變化並非屬於線性變化時，亦無法準確量測溫度。而使用回波時間位移的追蹤方式，可以動態且即時的取得「高能聚焦超音波療法」治療程序中的熱燒灼溫度變化。但限制條件是溫度不得超過聲速溫度的線性比率區(即小於50℃)，當溫度越過臨界，伴隨而來的永久性組織破壞、聲熱透鏡效應等等許多物理特性都將導致溫度估測失去應有的準確性。
而「超音波彈性影像技術」係使用組織受擠壓或震盪，進而估測其組織內部彈性特性，故於量測時，組織週遭會產生較大的雜訊。而「超音波彈性影像技術」對於組織彈性變異偵測的高靈敏度，使得該技術非常適合標示經由熱燒灼後所產生的壞死區域；但受限於「超音波彈性影像技術」的抗雜訊能力較差，目前限制只能在確認組織已壞死的情況下，比對壞死組織前後的彈性變化，且只能在硬度差異較明顯時才能估測出焦斑的位置與大小，並無法如溫度估測般具有在整個治療程序中持續監控的能力。
故而能夠提高溫度量測，且為了能夠進行彈性量測，進而產生更有效率的超音波溫度與彈性量測，故極需要開發新式之超音波技術，藉以提高超音波溫度與彈性效率且能夠降低研發的時間與相關製造成本。
本發明的目的在於提供一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用的方法，藉以提高顯影與量測的性能。
本發明使用超音波回波訊號溫度估測系統，以溫度造成超音波的聲速變化作互相關分析法與瞬時頻率量測技術。
本發明使用超音波彈性影像技術，在熱治療前後，以壓縮方式造成超音波在不同組織相位偏移量，作互相關分析法量測燒灼前後組織應變。
本發明使用整合超音波溫度影像和超音波彈性影像，評估組織初始加熱的溫升正確位置，在溫升超過估測範圍(近似線性區域以外)，因組織被燒灼後變性且變應，可利用彈性影像進行加熱後被燒灼組織的焦斑範圍。
本發明使用可將溫度與彈性估測的結果，應用於臨床使用之影像超音波上，在進行熱手術中，不僅可得到目前技術可達成的組織斷層影像，亦可透過演算技術，使其同時具有位置檢測、溫度監控與彈性估測的功能，並可大幅的增加超音波儀整合超音波溫度與彈性估測。
本發明一方面當加溫過程中，可知被燒灼的位置及初始溫升；另一方面在燒灼結束可估測燒灼焦斑；經整合該兩種技術後，可以提高估測燒灼焦斑大小的準確性。
本技術利用相同的一套演算技術核心，可進行超音波溫度估測與超音波彈性估測，並整合溫度與彈性估測的結果，增加被燒灼面積估測的準確性。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及附圖式解說來得到進一步的瞭解。
本發明為一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置及其使用方法，係採用整合方式，故可提高超音波的溫度與彈性效果，進而可提昇量測效能。
本發明一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置如第1圖所示，其中主要分為加熱系統及量測系統兩部分，量測系統包含溫度影像資料擷取以及彈性影像擷取兩個部份。
本發明一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置如第1圖所示，其具有水槽100，高能聚焦式超音波(High intensity focused ultrasound,HIFU)探頭101，功率放大器(Power Amplifier)102，訊號產生器(Function Generator)103，超音波影像探頭104，超音波成像系統(Ultrasound Image System)105，以及電腦106。其中高能聚焦式超音波探頭101連接功率放大器(Power Amplifier)102，再連接訊號產生器(Function Generator)103而形成加熱系統。而超音波影像探頭104，連接超音波成像系統(Ultrasound Image System)105，再連接電腦106以形成量測系統，該量測系統與該加熱系統相互連接；前述之超音波加熱探頭101與超音波影像探頭104皆置放於水槽100中以供使用。
本發明之水槽100內需放入經處理過的去氣水以避免發生空穴效應而影響結果，並將水溫控制在30℃左右。且本發明係將所產生的弦波能量累積至聚焦點處，以達到加熱效果。
本發明之連接係使用介面匯流排(GPIB)傳輸裝置連接高能聚焦式超音波探頭101，其中該探頭的中心頻率為2MHz，探頭聚焦深度為5 nm；功率放大器102，訊號產生器103，電腦106，超音波成像系統105與超音波影像探頭104；且以裝設於電腦106內的「Matlab電腦程式」軟體控制訊號產生器103以產生訊號，該訊號經過功率放大器102後以驅動高能聚焦式超音波探頭101，故可以進行調整超音波之輸出功率，而使高能聚焦式超音波探頭101之聚焦點產生高溫而對水槽100內之「待測物」進行加熱。
本發明之「超音波影像系統」係以具有128個陣元(Elements)的線性影像探頭104，即以超音波影像探頭104結合搭配超音波成像系統(Terason T3000 image system)105，故可精確量測超音波熱治療時之燒灼位置(即待測物)的「斷層影像」與「回波訊號」，經分別取得橫向切面之超音波影像，並取得影像的各條訊號，在每個溫度時間下加以分析，以各影像所對應之「A-line」訊號所造成之相位偏移，進而得到二維溫度影像的估測，故可進行訊號的垂直壓縮，其中可達到最小壓縮刻度為0.01毫米(mm)，故可以準確地控制壓縮位移量以進行彈性量測。
當本發明使用高性能聚焦式超音波探頭101(簡稱為加熱探頭)進行局部加熱的同時，該高性能聚焦式超音波探頭101的超音波訊號會與前述「超音波影像系統」所產生的訊號，在兩者同時進行運作時，產生互相間之射頻訊號干擾，故為避免加熱時與資料存取時的干擾，須以間斷加溫的方式，分別啟動高性能聚焦式超音波探頭101與超音波影像探頭104兩個超音波源，使得待測物能達到加熱的效果，同時能得到每個溫度點所回傳之超音波回波資訊。
本發明之使用方法如第1圖所示，首先使用電腦106控制訊號產生器103以產生叢集波，經由功率放大器102將叢集波能量放大，傳送至高性能聚焦式超音波探頭101以對「待測物」進行聚焦加溫，且在聚焦加溫的燒灼後，壓縮超音波影像探頭104(此時時間約5秒鐘，水槽100內之水溫固定於30℃)以收取影像訊號，再傳至超音波成像系統105以傳回電腦106進行影像處理。
本發明之間斷加熱存取資料的方法如第2圖所示，首先進行系統初始化201；接著進行加熱202，其時間約1.8秒；繼續進行存取資料203，其時間約1.2秒，此時加熱會停止；然後到達加熱時間204，以上之步驟為加熱探頭之運作步驟。
仍如第2圖所示，繼續進行存取資料205，其時間約3秒；接著到達冷卻時間206；進行壓縮以存取資料207，其時間約5秒；最後為系統停止的步驟208，以上之步驟為影像探頭之運作步驟。
如第3圖所示之本發明間斷加溫存取資料方法的詳細實施例說明，即在進行加熱1.8秒後，接著停止1.2秒，成為一個循環。於停止加熱時進行擷取影像，共計進行20個循環，故而總時間為60秒。降溫時間為每3秒擷取一筆資料；總流程包含加熱與降溫，總共有60個循環。
而本發明之數學計算原理詳述於下列說明：因於傳統技術上，已知應力會造成超音波回波訊號偏移，故可定義超音波傳遞時間與應力的關係式：
其中F(ξ)=Fo +δF(ξ)表示在深度ξ時所受到的應力，Fo 為初始所受到的應力、δF(ξ)則為深度ξ時所受到的應力；c(ξ,F(ξ))即為在深度ξ和F(ξ)時之聲速；z則為傳導路徑之長度。然而在(式2)中的路徑z並未考慮由於應力而產生出之Δz位移，為了修正產生的差距，因而假設介質對於應力會呈現一種線性關係，於是將(式2)中的dξ重新修正為(1+α(ξ)δF(ξ))dξ，其中α(ξ)被定義為在深度ξ時介質對於軸向應力之線性係數。故將此修正之dξ代入(式2)後得到：
已知當介質中的因應力產生變化，在軸向深度z上便可觀察到被散射體的回波訊號產生時間位移。於是可以根據(式3)來找出時間的偏移量為：
若將式(式4)在深度為z之條件下，將等式兩邊同時對z作一次微分，則可以得到：
當已知時間偏移量後，從式2.5中可知尚有應力與超音波傳播速度之間的關係式為未知，因此定義(式5)中的聲速為：
其中β(z)為聲速受應力變化係數，最後將(式6)代回(式5)後可推導出：
由(式7)中可看出應變與超音波傳遞時間的變化成正比，利用時間偏移量來計算應變在物理意義上變得很有價值。例如：在溫度估測方面量視同為組織溫度升高時波速改變所造成超音波訊號偏移量，兩者在物理意義上都是代表著回波訊號之時間差，可將應力(F)造成超音波時間偏移等效於溫度(T)造成時間偏移，壓縮效應等效於熱膨脹(熱收縮)效應，於是可將式(式4)改寫成(式8)所示，將(式7)改寫成(式9)；
其中T(ξ)為深度ξ時的溫度，由於|β(z)δT(z)|1因此可被忽略，而在此將用K(z)替換以簡化方程式，K(z)之意義為熱膨脹與溫度造成之聲速變化交互作用。熱膨脹效應會造成回波訊號之延遲，而相反的，溫度上升卻會造成聲速加快，造成回波訊號提前。故K值便可代表兩者拉距結果，表示回波訊號提前或延後之總量；而不同之介質對於熱膨脹效應與聲速變化皆不同，固K值也不同，但是在介質材料為均勻材質的情況下K值是可由實驗獲得。如此在有K值及初始聲速下(式9)便可表示溫差與回波訊號時間差之間的關係，進而推導出溫度分布。
根據(式9)，若假設在單位長度L下的溫度改變為常數，即在L的範圍下每一深度溫度的改變量相同，則(式9)便可改寫為：
此時由於溫度升高造成超音波回波訊號在穿越單位長L時的傳遞時間變短了Δt，則與Δt間的關係式便可以下式表示：
觀察(式11)可以發現其中δt(x)為單位長L時所量得之超音波回波訊號偏移量，因此便表示為超音波回波訊號的單位偏移速率，若將總偏移量Δt除以單位長L亦為單位偏移速率即。而(式11)便可改寫為：
其中K、c0 皆為常數，可透過實驗方式取得，再配合互相關分析法分析所量得之超音波回波訊號便可得到Δt，如此一來便可求得溫差，進而推算出溫度分布。
本發明之結果統計如第4圖所示，實燒灼範圍估測方面使用圈選燒灼區域進行面積估測，並與溫度影像、彈性影像、整合影像三者進行比較，整合後影像與切片影像近似，其R2係數為0.8084。實驗後並將組織做樣本切片，並將燒灼後變性的區域大小，經量測後與兩種技術所估測面積作比較。實驗數據顯示，整合超音波溫度影像及超音波彈性影像，能夠降低面積估測的誤差。
當「高能聚焦超音波療法」啟動後，倘若使用超音波溫度估測作為監控方式，即可取得加熱過程中的即時溫度影像；而當溫度超過線性估測範圍以及手術結束後，可利用超音波彈性影像提供壞死組織區域的確認範圍和壞死組織區域的體積估計。
而在彈性影像的分析方面，因為組織壓縮前後所造成的硬度不同，會造成組織型變的位移量的差異，亦代表著物理意義上的回波訊號時間差。而超音波時間偏移量的計算方式，以時間偏移前後的超音波的A-line進行互相關分析，相關分析主要是經過傅立葉理論估測時間位移量；首先擷取相對應的線性片段，以迴旋積分(Convolution)進行互相關分析，由最大峰值的位移可估測兩函數的時間位移量。
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。
100．．．水槽
101．．．高能聚焦式超音波探頭
102．．．功率放大器
103．．．訊號產生器
104．．．超音波影像探頭
105．．．超音波成像系統
106．．．電腦
第1圖所示為本發明之一種具有超音波溫度影像及彈性影像之高能聚焦式超音波裝置。
第2圖所示為本發明之間斷加熱存取資料的方法。
第3圖所示為本發明間斷加溫存取資料方法的詳細實施例說明。
第4圖所示為本發明之統計結果。
100．．．水槽
101．．．高能聚焦式超音波探頭
102．．．功率放大器
103．．．訊號產生器
104．．．超音波影像探頭
105．．．超音波成像系統
106．．．電腦

Claims (4)

  1. 一種於高能聚焦式超音波之加熱過程中進行溫度以及彈性診斷之運作方法，至少包含：(a)使用一電腦控制一訊號產生器以產生一叢集波；(b)經由一功率放大器放大該叢集波並傳送至一高性能聚焦式超音波探頭；(c)使用一聚焦式超音波以一間斷加熱方式分別啟動一高能聚焦式超音波探頭與一超音波影像探頭以加熱一待測物，且同時量測該待測物的一超音波斷層影像，以及構成該超音波斷層影像上之各橫向切面回波訊號，於每個加熱時間下進行分析，以該各橫向切面回波訊號所對應之一相位偏移得到二維溫度影像的估測；(d)停止該聚焦式超音波之該間斷加熱方式且使用該影像超音波探頭垂直壓縮該待測物，於壓縮過程同時量測該待測物的該超音波斷層影像，以及構成該超音波斷層影像上之各橫向切面回波訊號，於該每個加熱時間下進行分析，以該各橫向切面回波訊號所對應之該相位偏移得到二維彈性影像的估測；(e)傳送該超音波斷層影像訊號至一超音波成像系統；以及(f)傳回該超音波斷層影像訊號至該電腦以進行影像處理，包含一分析方法，係以所表示，其中c 0 為常數，K為分別校正溫度或外加應力導致之應變相關常 數，△t為傳遞時間，L為單位長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之運作方法，其中於(c)步驟與(d)步驟中之該相位偏移皆使用相同之一相位偏移估測方法。
  3. 一種使用第1項之運作方法的高能聚焦式超音波裝置，至少包含：一高能聚焦式超音波探頭；一功率放大器；一訊號產生器，其中該高能聚焦式超音波探頭連接該功率放大器，連接該訊號產生器而形成一加熱系統；一超音波影像探頭；一超音波成像系統；以及一電腦，該電腦內具有一電腦程式軟體以控制該訊號產生器，其中該超音波影像探頭連接該超音波成像系統，連接該電腦以形成一量測系統，該量測系統與該加熱系統相互連接，該超音波加熱探頭與該超音波影像探頭置放於一水媒介物中以供使用。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該電腦程式軟體內包含一可進行超音波相位偏移之分析處理程式軟體。
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