TWI742785B

TWI742785B - 高強度聚焦超音波治療系統及其即時監測方法

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Publication number: TWI742785B
Application number: TW109125701A
Authority: TW
Inventors: 沈哲州
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2021-10-11
Also published as: TW202127060A

Abstract

高強度聚焦超音波治療系統包括第一超音波發射器以及超音波成像裝置。第一超音波發射器對目標發射高強度聚焦超音波治療信號。超音波成像裝置包括第二超音波發射器、回波接收器以及信號處理器。第二超音波發射器對目標交替地發射第一成像信號以及第二成像信號，前述兩者形成格雷互補碼對，其中格雷碼之位元週期由高能聚焦超音波之發射頻率決定。回波接收器接收第一回波信號、第二回波信號以及干擾信號。信號處理器對第一回波信號以及第二回波信號進行解碼運算動作並抑制干擾信號，以產生高品質超音波影像用以監測高強度聚焦超音波療程。

Description

高強度聚焦超音波治療系統及其即時監測方法

本發明是有關於一種超音波治療系統及其即時監測方法，且特別是有關於一種高強度聚焦超音波治療系統及其即時監測方法。

高強度聚焦超聲（High-intensity focused ultrasound，HIFU，又稱海扶）為一種非侵入式的治療技術，具有強烈的聚焦特性。通過將高聲能從體外引入體內破壞組織，並對體內特定部位進行小區塊燒灼，導致標靶組織區域凝固性壞死且不傷害到周圍健康組織器官。因此，海扶刀被廣泛用於現今的無創治療領域，如腫瘤癌症治療、止血、血腦屏障開啟(Blood-brain barrier opening)和其他非侵入性治療。

在進行海扶燒灼治療時需要搭配監測影像來輔助治療。核磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)與超音波成像均可用於HIFU治療引導。核磁共振引導海扶 (MR-gHIFU)的優點在於能量測組織的溫度變化，以及提供三維空間的任意橫截面影像資訊。但是，核磁共振設備體積龐大，成本昂貴，且需要較長的圖像採集時間，因此無法即時監測海扶治療的過程。

相反的，超音波引導海扶（US-gHIFU）具有實現在治療期間進行即時監測的潛力，並且超音波引導海扶具有更高的時間解析度、可攜性以及相對較低的成本。然而，海扶的反向散射（Backscattering）會導致干擾條紋嚴重覆蓋在整張超音波影像上，這使得難以即時監測組織消融變化，而成為實現超音波引導海扶的挑戰之一。

本發明提供一種高強度聚焦超音波治療系統及其即時監測方法，可以在超音波成像的同時提高影像訊雜比並同時抑制干擾信號。

本發明的高強度聚焦超音波治療系統包括第一超音波發射器以及超音波成像裝置。第一超音波發射器用以對目標發射高強度聚焦超音波治療信號。超音波成像裝置包括第二超音波發射器、回波接收器以及信號處理器。其中，第二超音波發射器用以對目標交替地發射第一成像信號以及第二成像信號，並且第一成像信號以及第二成像信號形成格雷互補碼對。回波接收器用以接收對應第一成像信號的第一回波信號、對應第二成像信號的第二回波信號，以及由高強度聚焦超音波治療信號所引起的干擾信號。信號處理器用以對第一回波信號、第二回波信號以及干擾信號進行解碼運算動作，以產生成像信號以及經抑制干擾信號。

本發明的高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法包括：對目標發射高強度聚焦超音波治療信號；對目標交替地發射第一成像信號以及第二成像信號，其中第一成像信號以及第二成像信號形成格雷互補碼對；接收對應第一成像信號的第一回波信號、對應第二成像信號的第二回波信號，以及由高強度聚焦超音波治療信號所引起的干擾信號；對第一回波信號、第二回波信號以及干擾信號進行解碼運算動作，以產生成像信號以及經抑制干擾信號。

基於上述，本發明可以透過發射格雷編碼來進行超音波成像以提高影像訊雜比。更進一步地，本發明還可以抑制干擾信號，以消除海扶信號對超音波影像造成的干擾條紋。因此，本發明技術可提供高影像品質與全視窗的即時超音波影像導引，並且可以維持海扶治療的效率。

圖1A繪示為本發明的高強度聚焦超音波（High-intensity focused ultrasound，HIFU，又稱海扶）系統的信號發射的示意圖。請見圖1A，高強度聚焦超音波治療系統100包括海扶信號發射器110、成像裝置120、探頭130以及探頭140。海扶信號發射器110耦接探頭130，用以產生海扶信號T_HIFU。海扶信號T_HIFU通過探頭130傳輸到目標150以對目標150進行治療。其中探頭130可以包括治療陣列131與132。成像裝置120包括成像信號發射器121、回波接收器122以及信號處理器123。成像信號發射器121可以將編碼信號做為成像信號P以通過探頭140傳輸到目標150。其中，目標150為患部。

在圖1A中，探頭130的朝向與探頭140的朝向為相同。然而，探頭130的朝向與探頭140的朝向也可以不相同。圖1B繪示為本發明一實施例的探頭的配置示意圖。需說明的是，為了方便表示探頭130、探頭140以及目標150的相對位置，圖1B僅簡要地繪示出探頭130、探頭140以及目標150，而省略了其他元件。請見圖1B，探頭140設置於探頭130的一側。其中，探頭130的朝向與探頭140的朝向並不相同。本發明並不限制探頭140的設置位置，只要探頭140的朝向可以對準目標150即可。

圖1C繪示為本發明的高強度聚焦超音波治療系統的信號接收的示意圖。需說明的是，為了方便表示信號傳遞途徑，圖1B僅簡要地繪示出成像裝置120、探頭130、探頭140以及目標150，而省略了其他元件。請見圖1C，回波接收器122經由探頭140接收回波信號P̂，此回波信號P̂包含了反射的編碼信號，以及由海扶信號T_HIFU反像散射所引起的海扶干擾信號R_HIFU。回波接收器122將回波信號P̂傳輸至信號處理器123以進行解碼。其中，圖1C中各元件的說明可以參考圖1A中的同名元件的說明，故不再贅述。

需特別說明的是，成像信號發射器121所發出成像信號P是一組互補的格雷編碼對(Complementary Golay-encoded pair )，包括成像信號A與B。成像信號P以4^N 位元格雷編碼為主，其中N為正整數。其目的在於維持影像解析度的同時可以提供較好的信號干擾比（Signal-to-interference ratio，SIR）。本實施例的成像信號P以4位元格雷編碼為主。成像信號發射器121採用格雷編碼激發以交替地發送信號A與B，並接收對應的回波信號Â、對應的回波信號B̂與海扶干擾信號R_HIFU以傳送至信號處理器123進行解碼。需說明的是，成像信號是4位元的格雷編碼，回波信號也會是4位元的格雷編碼，並且回波信號的波形與成像信號的波形相同。

圖2繪示為回波信號Â與B̂的解碼示意圖。請見圖2，A_O表示回波信號Â與匹配濾波器A_M進行卷積（convolution）運算所產生的輸出信號，B_O表示回波信號B̂與匹配濾波器B_M進行卷積運算所產生的輸出信號。S表示為輸出信號A_O與B_O相加產生的補和（Complementary sum）信號。信號處理器123將回波信號Â與B̂分別與對應的匹配濾波器A_M與B_M進行卷積運算（convolution），並對運算結果進行相加，以產生補和信號S。信號處理器123的運算公式可表示為:

(1)

其中，回波信號Â與B̂分別被表示為

與

。匹配濾波器A_M與B_M分別被表示為

與

。實際上，匹配濾波器A_M與B_M分別是編碼信號的波形的左右翻轉。

表示卷積運算，+表示相加運算。N為位元數，

表示主瓣信號。由公式(1)可以得知，主瓣信號的能量在經過信號處理器123處理後增強2N倍。

在本實施例中。四位元回波信號Â例如為[1 -1 -1 -1]，相應的匹配濾波器A_M例如為[-1 -1 -1 1]（[1 -1 -1 -1]的時間旋轉結果）。回波信號B̂例如為[-1 -1 1 -1]，相應的匹配濾波器B_M例如為[-1 1 -1 -1] （[-1 -1 1 -1]的時間旋轉結果）。其中，「[]」內的數字表示了一序列的信號。具體來說，以回波信號Â為例，回波信號Â 共包含四個位元波形(bit waveform)，位元波形的相位依序為一個正相與三個反相。其中，位元波形的時間長度

被定義為位元週期（bit period）。並且，設計者可以依據成像需求來選定成像信號的中心頻率與週期數（cycle）。

請再次參照圖2，回波信號Â（[1 -1 -1 -1]）與相應的匹配濾波器A_M（[-1 -1 -1 1]）進行卷積運算後可以得到輸出信號A_O（[-1 0 1 4 1 0 -1]）。回波信號B̂（[-1 -1 1 -1]）與相應的匹配濾波器B_M（[-1 1 -1 -1]）進行卷積運算後可以得到輸出信號B_O（[1 0 -1 4 -1 0 1]）。可以看到的是，輸出信號A_O與B_O中的主瓣信號的振幅增加到4，並且輸出信號A_O中的旁瓣信號（[-1 0 1 1 0 -1]）與B_O中的旁瓣信號（[1 0 -1 -1 0 1]）的位元波形是相反的。因此，輸出信號A_O與輸出信號B_O相加後，主瓣信號的振幅增加至8，而旁瓣信號被抵消了。簡單來說，回波信號Â與B̂經信號處理器123處理後可增強主瓣信號並同時完全消除旁瓣之信號，達到脈衝壓縮的效果。

在在本發明的第一實施例中，指定了成像信號的格雷位元碼週期與海扶信號週期的比值，如公式(2)所示：

(2)

其中，

表示成像信號（格雷碼）的位元週期，T_HIFU 代表海扶信號的週期，a代表自然數。當a為0時，

=1/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的1/4（即0.25）倍。當a為1時，

=3/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的3/4（即0.75）倍。當a為2時，

=5/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的5/4（即1.25）倍。a為大於或等於3的狀況可以依此類推。

在本發明的第二實施例中，指定了成像信號的格雷位元碼週期與海扶信號週期的比值，如公式(3)所示：

(3)

當a為0時，

=2/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的2/4（即0.5）倍。當a為1時，

=4/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的4/4（即1.0）倍。當a為2時，

=6/4*T_HIFU ，表示成像信號的格雷位元碼週期為海扶信號週期的6/4（即1.5）倍。a為大於或等於3的狀況可以依此類推。

換言之，a值的選擇決定了成像信號的格雷碼位元週期，也因此決定了成像信號的工作頻率。當超音波成像信號的工作頻率被調低時，可以獲得更深的影像穿透深度。當超音波成像信號的工作頻率被調高時，則可以獲得較高的影像解析度。

圖3A繪示為本發明第一實施例的海扶干擾信號R_HIFU、回波信號Â與B̂的對應圖。請見圖3A，回波信號Â與B̂的格雷位元碼週期T_Golay 為海扶干擾信號週期T_HIFU 的1/4（即0.25）倍。此時回波信號Â與B̂的四個位元週期分別對應海扶干擾信號之相位角度0°、90°、180°和270°（分別對應端點P1~端點P4）。因此，該海扶干擾信號對於回波信號Â與B̂的四個位元而言可以序列[1]、[j]、[-1]和[-j]依序表示。如圖3A所示，本實施例中回波信號Â與B̂之編碼分別為[1 -1 -1 -1]與[-1 -1 1 -1]。

圖3B繪示為本發明第二實施例的海扶干擾信號R_HIFU、回波信號Â與B̂的對應圖。請見圖3B，回波信號Â與B̂的格雷位元碼週期T_Golay 為海扶干擾信號週期T_HIFU 的1/2（即0.5）倍。此時回波信號Â與B̂的四個位元週期分別對應海扶干擾信號之相位角度0°、180°、360°和540°（分別對應端點P5~端點P8），因此該海扶干擾信號對於回波信號Â與B̂的四個位元而言可以序列[1]、[-1]、[1]、[-1]依序表示。如圖3B所示，本實施例中的回波信號Â與B̂之編碼分別為[-1 1 -1 -1]與[1 1 1 -1]。

請再次參照圖1，成像裝置120的成像信號發射器121可以觸發海扶信號發射器110發射海扶信號T_HIFU，藉此達成回波信號Â與B̂與海扶干擾信號R_HIFU之間的同步性。由於成像與治療之間的同步性，導致每次所接收到的海扶干擾信號序列皆會相同。

由於成像信號的格雷位元碼週期與海扶信號週期之間具有特定的比值（如公式(2)與公式(3)所示），海扶干擾信號序列可以有效地被抑制。圖4A繪示為第一實施例的海扶干擾信號解碼細節的示意圖。請見圖4A，海扶干擾信號R_HIFU會分別經過匹配濾波器A_M與B_M的卷積處理後相加。在本實施例中，海扶干擾信號R_HIFU例如為[1 j -1 -j 1 j … 1 j -1 -j]，匹配濾波器A_M與B_M例如為[-1 -1 -1 1]以及[-1 1 -1 -1]。海扶干擾信號R_HIFU經過匹配濾波器A_M的卷積處理可以得到輸出信號HIFU_A。類似地，海扶干擾信號R_HIFU經過匹配濾波器B_M的卷積處理可以得到輸出信號HIFU_B。由於本發明所屬領域中具有通常知識者皆熟知卷積運算，故不再贅述。輸出信號HIFU_A與HIFU_B相加可以得到經抑制的海扶干擾信號R_HIFU’。可以看到的是，與海扶干擾信號R_HIFU相較，經抑制的海扶干擾信號R_HIFU’除了頭尾兩端還有些許的殘留強度之外，其餘部分都被抵消為零了。這樣的干擾消除能力已足以在進行海伏治療時提供足夠深度範圍的無海扶干擾的超音波影像。

圖4B繪示為第二實施例的海扶干擾信號解碼細節的示意圖。請見圖4B，類似地，海扶干擾信號R_HIFU會分別經過匹配濾波器A_M與B_M的卷積處理後相加。在本實施例中，海扶干擾信號R_HIFU例如為[1 -1 1 -1 1 -1 … 1 -1 1 -1]，匹配濾波器A_M與B_M例如為[-1 -1 1 -1]以及[-1 1 1 1]。海扶干擾信號R_HIFU經過匹配濾波器A_M的卷積處理可以得到輸出信號HIFU_A。類似地，海扶干擾信號R_HIFU經過匹配濾波器B_M的卷積處理可以得到輸出信號HIFU_B。輸出信號HIFU_A與HIFU_B相加可以得到經抑制的海扶干擾信號R_HIFU’。可以看到的是，與海扶干擾信號R_HIFU相較，經抑制的海扶干擾信號R_HIFU’除了頭尾兩端還有些許的殘留強度之外，其餘部分都被抵消為零了。這樣的干擾消除能力已足以在進行海伏治療時提供足夠深度範圍的無海扶干擾的超音波影像。並且，第一實施例的干擾消除能力與第二實施例的干擾消除能力相當。

本發明並不限制成像信號P只能採用4位元格雷編碼。在本發明中，成像信號P可採用4^N 位元格雷編碼，N可為任何非負正整數。前述4^N 位元格雷編碼可由格雷配對阿達瑪矩陣（Golay-paired Hadamard matrix）習得。以N=2為例，成像信號即為16位元格雷編碼，此時匹配濾波器A_M與B_M也會是16位元。作為第一實施例的延伸實施例，匹配濾波器A_M例如為[-1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1]，匹配濾波器B_M例如為[-1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 ]。作為第二實施例的延伸實施例，匹配濾波器A_M例如為[-1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1]，匹配濾波器B_M例如為[-1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 ]。類似地，經抑制的海扶干擾信號R_HIFU’除了頭尾兩端還有些許的殘留強度之外，其餘部分都會被抵消為零。

圖5繪示為高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法的步驟流程圖。請同時參照圖1與圖5，高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法包括：接收回波信號P̂（步驟S510），其中回波信號P̂包括海扶干擾信號R_HIFU以及回波信號Â或回波信號B̂；對回波信號為Â時以匹配濾波器A_M進行卷積運算（步驟S520），產生第一成像信號以及經卷積運算的第一海扶干擾信號（步驟S540）；同時，對回波信號為B̂時以匹配濾波器B_M進行卷積運算（步驟S530），產生第二成像信號以及經卷積運算的第二海扶干擾信號（步驟S550）；將上述運算結果相加，可以得到增強的成像信號以及經抑制的海扶干擾信號（步驟S560）。

下面以圖6A與6B來分別展現第一實施例與第二實施例對於HIFU干擾信號的抑制效果。圖6A繪示為針對第一實施例的經格雷解碼前與後的對照示意圖。請見圖6A，橫軸表示格雷編碼的位元週期T_Golay 與海扶信號週期T_HIFU 的比值，縱軸表示海扶干擾信號振幅。線段601顯示影像探頭接所接收到的原始的海伏干擾信號振幅。曲線602顯示出在不同比值下經過4位元格雷解碼之經抑制海伏干擾信號的振幅的變化。由圖6A可以看出，在比值為0.25、0.75、1.25時，也就是在格雷編碼的位元週期與的海扶信號週期的比值為1/4、3/4、5/4的情況下，海伏干擾信號幾乎被抑制到0，得到最佳的干擾消除效果。

圖6B繪示為針對第二實施例的經格雷解碼前與後的對照示意圖。請見圖6B，類似地，橫軸表示格雷編碼的位元週期T_Golay 與海扶信號週期T_HIFU 的比值，縱軸表示海扶干擾信號振幅。線段603顯示影像探頭接所接收到的原始的海伏干擾信號振幅。曲線604顯示出在不同比值下經過4位元格雷解碼之經抑制海伏干擾信號的振幅的變化。由圖6B可以看出，在比值為0.5、1.0、1.5時，也就是在格雷編碼的位元週期與的海扶信號週期的比值為2/4、4/4、6/4的情況下，海伏干擾信號幾乎被抑制到0，得到最佳的干擾消除效果。

綜上所述，本發明可以透過發射格雷編碼來進行超音波成像以提高影像訊雜比。更進一步地，本發明還利用格雷編碼的位元週期與的海扶信號週期的特定比值（如公式(2)與公式(3)所示）來進一步消除海扶信號對超音波影像造成的干擾條紋。因此，本發明可提供高影像品質與全視窗的即時超音波影像導引，並且可以維持海扶治療的效率。

100:高強度聚焦超音波治療系統 110:海扶信號發射器 120:成像裝置 121:成像信號發射器 122:回波接收器 123:信號處理器 130、140:探頭 131、132:治療陣列 150:目標 601、603:線段 602、604:曲線 A、B:成像信號

、

:回波信號 A_M、B_M:匹配濾波器 A_O、B_O:輸出信號 HIFU_A、HIFU_B:輸出信號 P:成像信號 P1~P8:端點

:回波信號 R_HIFU:海扶干擾信號 R_HIFU’:經抑制的海扶干擾信號 S:補和信號 S510~S560:步驟 S_HIFU:海扶干擾信號 T_HIFU :海扶干擾信號週期 T_Golay :格雷位元碼週期 T_HIFU:海扶信號

圖1A繪示為本發明的高強度聚焦超音波治療系統的信號發射的示意圖。圖1B繪示為本發明一實施例的探頭的配置示意圖。圖1C繪示為本發明的高強度聚焦超音波治療系統的信號接收的示意圖。圖2繪示為回波信號Â與B̂的解碼示意圖。圖3A繪示為本發明第一實施例的海扶干擾信號R_HIFU、回波信號Â與B̂的對應圖。圖3B繪示為本發明第二實施例的海扶干擾信號R_HIFU、回波信號Â與B̂的對應圖。圖4A繪示為第一實施例的海扶干擾信號解碼細節的示意圖。圖4B繪示為第二實施例的海扶干擾信號解碼細節的示意圖。圖5繪示為高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法的步驟流程圖。圖6A繪示為針對第一實施例的經格雷解碼前與後的對照示意圖。圖6B繪示為針對第二實施例的經格雷解碼前與後的對照示意圖。

100:高強度聚焦超音波治療系統

110:海扶信號發射器

120:成像裝置

121:成像信號發射器

122:回波接收器

123:信號處理器

130:探頭

140:探頭

131、132:治療陣列

150:目標

A、B、P:成像信號

T_HIFU:海扶信號

Claims

一種高強度聚焦超音波(HIFU)治療系統，包括：一第一超音波發射器，用以對一目標發射一高強度聚焦超音波治療信號；以及一超音波成像裝置，包括：一第二超音波發射器，用以對該目標交替地發射一第一成像信號以及一第二成像信號，其中，該第一成像信號以及該第二成像信號形成一格雷(Golay)互補碼對；一回波接收器，用以接收對應該第一成像信號的一第一回波信號、對應該第二成像信號的一第二回波信號，以及由該高強度聚焦超音波治療信號所引起的一干擾信號；以及一信號處理器，用以對該第一回波信號、該第二回波信號以及該干擾信號進行一解碼運算動作，以產生一成像信號以及一經抑制干擾信號，其中該第一成像信號的位元週期長度以及該第二成像信號的位元週期長度為該高強度聚焦超音波治療信號的週期長度的(2a+1)/4倍或(2a+2)/4倍，其中a為大於或等於0的整數。
如申請專利範圍第1項所述的高強度聚焦超音波治療系統，其中該第一成像信號以及該第二成像信號皆為4^N位元，其中N為正整數。
如申請專利範圍第1項所述的高強度聚焦超音波治療系統，其中該解碼運算動作包括：以一第一匹配濾波器對該第一回波信號進行一卷積運算，以產生一第一運算結果；以一第二匹配濾波器對該第二回波信號進行該卷積運算，以產生一第二運算結果；以及計算對該第一運算結果以及該第二運算結果的和，以產生該成像信號。
如申請專利範圍第3項所述的高強度聚焦超音波治療系統，其中該解碼運算動作還包括：以該第一匹配濾波器對該干擾信號進行該卷積運算，以產生一第三運算結果；以該第二匹配濾波器對該干擾信號進行該卷積運算，以產生一第四運算結果；計算對該第三運算結果以及該第四運算結果的和，以產生該經抑制干擾信號。
一種高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法，包括：對一目標發射一高強度聚焦超音波治療信號；對該目標交替地發射一第一成像信號以及一第二成像信號，其中，該第一成像信號以及該第二成像信號形成一格雷互補碼對；接收對應該第一成像信號的一第一回波信號、對應該第二成像信號的一第二回波信號，以及由該高強度聚焦超音波治療信號所引起的一干擾信號；對該第一回波信號、該第二回波信號以及該干擾信號進行一解碼運算動作，以產生一成像信號以及一經抑制干擾信號，其中該第一成像信號的位元週期長度以及該第二成像信號的位元週期長度為該高強度聚焦超音波治療信號的週期長度的(2a+1)/4倍或(2a+2)/4倍，並且a為大於或等於0的整數。
如申請專利範圍第5項所述的高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法，其中該第一成像信號以及該第二成像信號皆為4^N位元，並且N為正整數。
如申請專利範圍第5項所述的高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法，其中該解碼運算動作包括：以一第一匹配濾波器對該第一回波信號進行一卷積運算，以產生一第一運算結果；以一第二匹配濾波器對該第二回波信號進行該卷積運算，以產生一第二運算結果；以及計算對該第一運算結果以及該第二運算結果的和，以產生該成像信號。
如申請專利範圍第7項所述的高強度聚焦超音波治療系統的即時監測方法，其中該解碼運算動作還包括：以該第一匹配濾波器對該干擾信號進行該卷積運算，以產生一第三運算結果；以該第二匹配濾波器對該干擾信號進行該卷積運算，以產生一第四運算結果；計算對該第三運算結果以及該第四運算結果的和，以產生該經抑制干擾信號。