專利名稱：一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度聚焦超聲治療技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超聲治療高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，尤其涉及一種利用治療靶區(qū)圖像中的散斑分布變化來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的耐熱性比正常細(xì)胞要差，在42. 5°C以上的溫度環(huán)境下， 30分鐘內(nèi)腫瘤細(xì)胞死亡，而正常細(xì)胞損傷較輕且可逆轉(zhuǎn)。高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)就是根據(jù)腫瘤細(xì)胞的這一特點(diǎn)，以超聲波為能量源，利用其穿透性和可聚焦性，將探頭發(fā)射出的平均聲強(qiáng)較低的超聲波通過(guò)介質(zhì)耦合，經(jīng)過(guò)皮膚進(jìn)入人體腫瘤組織，聚焦或者匯聚到一個(gè)空間點(diǎn)，形成一個(gè)平均聲強(qiáng)在1000W/m2以上的焦域(焦域大小Φ3πιπιΧ8πιπι)，使該焦域瞬時(shí)(0. 1秒到5秒)產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫度升高(高于70°C )，加上其空化作用(即強(qiáng)超聲在液體中產(chǎn)生類似霧狀的氣泡，其形成和消失可以產(chǎn)生極高的溫度和壓力，從而使組織受到嚴(yán)重破壞)和機(jī)械振蕩作用，破壞焦域處的組織。通過(guò)對(duì)腫瘤進(jìn)行如此由點(diǎn)到線、由線到面、 由面到體逐點(diǎn)掃描的固化治療，從而使整個(gè)腫瘤組織固化，實(shí)現(xiàn)治療的目的。在高強(qiáng)度聚焦超聲治療的臨床應(yīng)用中，對(duì)靶區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和實(shí)時(shí)術(shù)中監(jiān)控至關(guān)重要。準(zhǔn)確定位可確保治療能量到達(dá)靶區(qū)組織而避免損傷鄰近正常組織，實(shí)時(shí)監(jiān)控可避免由于過(guò)度治療或治療劑量不夠所導(dǎo)致的治療失敗。常見的監(jiān)控方式主要分為三大類CT， MRI和超聲。CT成像分辨率高，有一定優(yōu)勢(shì)，但動(dòng)態(tài)顯示困難，而且X射線的長(zhǎng)時(shí)間照射會(huì)危害人體健康；MRI圖像分辨率高，可進(jìn)行無(wú)創(chuàng)靶區(qū)測(cè)溫，但其成像速度慢，難以應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器官的監(jiān)控，并且MRI中的強(qiáng)磁場(chǎng)與HIFU設(shè)備耦合較困難；故而該兩種監(jiān)控手段都未得到大范圍的使用。超聲因其成像速度快，無(wú)輻射，操作簡(jiǎn)單、可對(duì)運(yùn)動(dòng)器官進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，目前，已成為高強(qiáng)度聚焦超聲治療監(jiān)控最有潛力的手段。在實(shí)際應(yīng)用中，通常所述的超聲為B超。B超監(jiān)控的依據(jù)是治療前后的B超回波是否發(fā)生增強(qiáng)，當(dāng)用B超儀觀察高強(qiáng)度聚焦超聲照射過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)組織發(fā)生凝固性壞死時(shí)， 治療靶區(qū)的B超回聲會(huì)增強(qiáng)。因此認(rèn)為B超設(shè)備可作為高強(qiáng)度聚焦超聲治療的監(jiān)測(cè)裝置。 目前，在高強(qiáng)度聚焦超聲治療中判斷組織是否發(fā)生了凝固性壞死都是通過(guò)B超圖像中是否有回聲增強(qiáng)來(lái)進(jìn)行的。而在采用高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置進(jìn)行治療的過(guò)程中，判斷B超圖像是否有回聲增強(qiáng)往往是通過(guò)輻照前后聲像圖的灰度變化來(lái)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高強(qiáng)度聚焦超聲輻照結(jié)束后，即刻灰度增強(qiáng)的聲像圖面積較大，灰度增加值也最高。但是，根據(jù)組織在照射過(guò)程中聲像圖的變化規(guī)律，推測(cè)高強(qiáng)度聚焦超聲輻照后即刻的灰度增加并不是組織發(fā)生凝固性壞死的直接表現(xiàn)，灰度增強(qiáng)的主要產(chǎn)生原因是超聲熱效應(yīng)及空化效應(yīng)產(chǎn)生的大量微氣泡形成的空氣界面，隨著氣泡的散去，回聲增強(qiáng)減弱甚至消失，因此，推斷出實(shí)際損傷的區(qū)域可能并不是B超設(shè)備的聲像圖中所顯示的灰度變化的區(qū)域。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，B超設(shè)備聲像圖中的灰度變化不能正確的估計(jì)出熱損傷的范圍，治療早期的估計(jì)大多偏大，晚期又偏小，B超設(shè)備對(duì)組織熱損傷程度的估計(jì)常常不足。實(shí)際使用中，由于在治療位置前面的組織、器官的運(yùn)動(dòng)，容易造成治療前和治療后圖像的錯(cuò)誤配準(zhǔn)，形成假的灰度變化。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度聚焦超聲輻照后的組織雖然已經(jīng)發(fā)生凝固性壞死，但不一定能通過(guò)聲像圖監(jiān)控檢測(cè)或顯示出來(lái)。由于灰度值差異的大小和實(shí)際的組織損傷沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，故而在臨床治療中，需要操作醫(yī)生具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)，即對(duì)醫(yī)生所具有的臨床經(jīng)驗(yàn)依賴性較大，不利于高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)的推廣。綜上可知，從B超設(shè)備聲像圖的灰度變化直接判斷組織是否發(fā)生凝固性壞死十分困難，而且也不準(zhǔn)確，因此醫(yī)療工作者希望能采用一種在進(jìn)行高強(qiáng)度聚焦超聲治療時(shí)能更有效的判斷靶區(qū)是否發(fā)生凝固性壞死的治療裝置。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中利用高強(qiáng)度聚焦超聲治療前后靶區(qū)圖像的灰度變化來(lái)判斷治療靶區(qū)是否發(fā)生凝固性壞死所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用治療靶區(qū)圖像中的散斑分布變化來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，從而可大幅度提高判斷靶區(qū)是否發(fā)生凝固性壞死的準(zhǔn)確率，并且不受人為因素影響。根據(jù)本發(fā)明的目的，提供一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，所述裝置具有超聲換能器，用于向治療靶區(qū)發(fā)射高強(qiáng)度聚焦超聲波；圖像采集裝置，用來(lái)定位治療靶區(qū)并且采集治療靶區(qū)的圖像；驅(qū)動(dòng)單元，與所述超聲換能器連接，驅(qū)動(dòng)上述超聲換能器向治療靶區(qū)發(fā)射超聲波；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與所述超聲換能器連接，使超聲換能器和圖像采集裝置一同移動(dòng)，對(duì)治療靶區(qū)進(jìn)行掃描，同時(shí)，該高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置還具有信號(hào)處理單元，與所述圖像采集裝置連接，包括圖像存儲(chǔ)模塊，用于接收并存儲(chǔ)治療前圖像采集裝置采集的以一定時(shí)間間隔的至少一個(gè)原始聲圖像，以及在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過(guò)程中，接收并存儲(chǔ)圖像采集裝置所采集的某時(shí)刻的實(shí)時(shí)聲圖像；配準(zhǔn)模塊，用于提取圖像存儲(chǔ)模塊中的上述原始聲圖像以及實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息，再將所提取到的原始聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息與實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相位配準(zhǔn)，根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算找出與實(shí)時(shí)聲圖像對(duì)應(yīng)的原始聲圖像；判斷處理模塊，用于根據(jù)配準(zhǔn)模塊中原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑分布情況來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果；控制單元，分別與信號(hào)處理單元、驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，當(dāng)信號(hào)處理單元中的判斷處理模塊判斷已達(dá)到治療要求時(shí)，用于控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作，當(dāng)信號(hào)處理單元中的判斷處理模塊判斷還沒(méi)有達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。其中，信號(hào)處理單元的判斷處理模塊中設(shè)定有既定的靶區(qū)分布變化值，若從所述實(shí)時(shí)聲圖像的散斑分布中得到的靶區(qū)分布變化值達(dá)到或超過(guò)所述既定的靶區(qū)分布變化值時(shí)，判斷處理模塊判斷已達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作；若靶區(qū)分布變化值沒(méi)有達(dá)到所述既定的靶區(qū)分布變化值時(shí)，則判斷處理模塊判斷還沒(méi)有達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。在本發(fā)明中，所述配準(zhǔn)模塊是通過(guò)提取原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像散斑中心和組織邊緣位置，形成相應(yīng)的二值圖像，通過(guò)計(jì)算它們的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行配準(zhǔn)。相關(guān)系數(shù)，用R表示，反映了兩個(gè)圖像矩陣的相關(guān)程度，其定義式為R=C(IjyyIau)CUJ)其中C(i，j)，C(i，i)，C(j，j)分別是圖像像素(i，j)，(i，i)，(j，j)的協(xié)方差矩陣。相關(guān)系數(shù)R最大的圖像為匹配圖像。本發(fā)明的判斷處理模塊還可通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像的散斑分布相關(guān)系數(shù)來(lái)判斷判斷凝固性壞死，在判斷處理模塊中計(jì)算出相關(guān)系數(shù)R，當(dāng)0< |R| <ι時(shí)，表示前后兩圖像中的變量存在一定程度的相關(guān)|R| < 0.4為低度相關(guān)；0.4 < R| <0.7為顯著性相關(guān)；0.7彡Rl <1為高度相關(guān)。優(yōu)選地，當(dāng)R低于0.85時(shí)判斷已經(jīng)發(fā)生了凝固性壞死。優(yōu)選的是，在判斷處理模塊中設(shè)有相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值，當(dāng)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值小于或等于所述相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷已發(fā)生凝固性壞死，判斷處理模塊控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作；當(dāng)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值大于所述相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷未發(fā)生凝固性壞死，判斷處理模塊控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。優(yōu)選所述判斷處理模塊中的相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值為0. 85。同樣，本發(fā)明的判斷處理模塊還可通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中各階子波的變化來(lái)判斷凝固性壞死。優(yōu)選地，當(dāng)?shù)碗A子波的變化超過(guò)15%，可判斷發(fā)生凝固性壞死。同樣，本發(fā)明的配準(zhǔn)模塊還可通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中各階矩的變化來(lái)判斷凝固性壞死。優(yōu)選地，當(dāng)?shù)碗A矩變化10%，可判斷發(fā)生了凝固性壞死。同理，本發(fā)明可采用相關(guān)系數(shù)、小波變化系數(shù)和圖像階矩的聯(lián)合參數(shù)的變化進(jìn)行判斷凝固性壞死。 因此，在本發(fā)明中，處理超聲圖像分布變化的方法很多，可采用的有分析各階子波的變化來(lái)進(jìn)行、采用分析散斑的各階矩來(lái)進(jìn)行、根據(jù)原始聲圖像和經(jīng)過(guò)治療的圖像的相關(guān)系數(shù)變化來(lái)進(jìn)行判斷，或者以上方法的任意組合使用來(lái)進(jìn)行判定。在本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用中，治療前圖像采集裝置采集圖像所利用的一定時(shí)間間隔為至少一個(gè)呼吸周期，同時(shí)所述高強(qiáng)度聚焦超聲治療過(guò)程中的某一時(shí)刻是指治療對(duì)象至少進(jìn)行一次呼吸周期后的某一時(shí)刻，超聲換能器對(duì)治療靶區(qū)進(jìn)行至少一次掃描運(yùn)動(dòng)之后的時(shí)刻。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，采用本發(fā)明高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置進(jìn)行治療，相對(duì)于傳統(tǒng)的通過(guò)利用灰度變化來(lái)進(jìn)行判斷的治療裝置而言，大幅度提高了凝固性壞死判斷的準(zhǔn)確率，而且不受人為因素的影響，非常適合推向臨床使用。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)于發(fā)明，無(wú)論前面的概述還是下面的詳細(xì)說(shuō)明都是范例和說(shuō)明性的，旨在對(duì)所主張的本發(fā)明提供說(shuō)明，而非對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行限制。


附圖提供對(duì)本發(fā)明更進(jìn)一步的理解，并組成本申請(qǐng)的一部分。本發(fā)明的具體實(shí)施例與說(shuō)明書一起用以闡明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在附圖中圖1示出了本發(fā)明裝置的各部件之間的連接關(guān)系構(gòu)造示意圖；圖2示出了利用本發(fā)明裝置的第一實(shí)施例的工作流程圖；圖3示出了利用本發(fā)明裝置的第二實(shí)施例的工作流程圖；圖4示出了利用本發(fā)明裝置的第三實(shí)施例的工作流程圖；圖5示出了利用本發(fā)明裝置的第四實(shí)施例的工作流程圖，在此實(shí)施例中，采用小波變換的方法進(jìn)行圖像處理。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)描述。發(fā)明人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，要準(zhǔn)確判斷凝固性壞死的區(qū)域和程度，需要使用治療后穩(wěn)定的超聲圖像進(jìn)行判斷，而穩(wěn)定后超聲圖像較治療前的回波增強(qiáng)，主要來(lái)源于兩個(gè)原因，一是變性后的組織與周圍組織形成的邊界反射，二是組織變性區(qū)域內(nèi)的微小粒子變化產(chǎn)生的增強(qiáng)回波。當(dāng)變性后的組織與周圍組織形成的邊界聲阻抗邊界小時(shí)，邊界產(chǎn)生的回波增強(qiáng)實(shí)際很弱，另外，組織變性區(qū)域內(nèi)的微小粒子變化既可能使回波增強(qiáng)，也可能使回波變小， 同時(shí)，也可能僅僅只是微小粒子的分布發(fā)生變化。由于判斷回波是否增強(qiáng)需要避免超聲傳感器噪聲的影響，需要灰度變化量達(dá)到一定的閾值。通常通過(guò)圖像相減得到灰度變化，如果每個(gè)像素平均相差5個(gè)灰階，可判斷發(fā)生凝固性壞死，當(dāng)灰度變化量不大時(shí)，凝固性壞死無(wú)法檢測(cè)。其中，進(jìn)行圖像相減的步驟如下選取治療前后的B超圖像，將兩圖像中對(duì)應(yīng)像素的灰度進(jìn)行相減，得到治療前后的灰度差分布，其中灰度差數(shù)值大于5的區(qū)域就是凝固性壞死區(qū)域，然后將其在顯示器上顯示出來(lái)即可。由于凝固性壞死發(fā)生時(shí)導(dǎo)致組織所發(fā)生的變化主要表現(xiàn)為組織內(nèi)散射子性質(zhì)、位置的變化，而在組織內(nèi)的每一瞬時(shí)的回波是B超脈沖在這一瞬時(shí)的分辨體積內(nèi)的所有散射子的超聲散射的總和，這種散射子的總和產(chǎn)生的分布，就是超聲散斑分布。所謂散斑就是指微波、光波、聲波入射粗糙界面后，其散射場(chǎng)呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則分布的斑紋結(jié)構(gòu)。具體到超聲散斑是指超聲散射波相互干涉，在介質(zhì)空間中形成相位、振幅或強(qiáng)度起伏變化隨機(jī)分布的散斑。超聲散斑的形成一般有兩種情況，一是超聲在介質(zhì)傳播過(guò)程中不斷被具有不同聲阻抗的粒子散射而形成散斑，二是超聲入射粗糙界面時(shí)，其散射波在空間發(fā)生干涉而形成散斑，B超圖像中的散斑現(xiàn)象屬于前者。在人體組織中，存在著大量的散射顆粒，這些散射顆粒之間產(chǎn)生的散射波無(wú)固定的相位關(guān)系，所以超聲波對(duì)人體組織成像時(shí)得到的是一種散斑圖像，散斑在B超圖像中顯示為一個(gè)個(gè)或亮或暗的點(diǎn)，是由一個(gè)超聲波波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在的多個(gè)散射子散射的回波相互疊加而形成的。散斑的存在降低了 B超圖像的分辨率，但同時(shí)也提供了分析組織運(yùn)動(dòng)的依據(jù)。在散斑分析中，散斑的分布與物質(zhì)性質(zhì)和散射子之間的關(guān)系密切相關(guān)，而不是散斑強(qiáng)度變化與組織性質(zhì)和組織內(nèi)散射子的分布密切相關(guān)，因此，在超聲圖像中，組織的性質(zhì)和散射子的分布也與散斑分布非常密切的相關(guān)。當(dāng)組織發(fā)生熱消融后(即對(duì)組織進(jìn)行超聲輻照后)，其內(nèi)部的散射顆粒大小及其之間的位置關(guān)系必定會(huì)發(fā)生變化，因此其超聲圖像的散斑分布也一定發(fā)生了相應(yīng)的變化，因此，可以通過(guò)對(duì)組織輻照前后超聲圖像中散斑的分布變化進(jìn)行比較，從而判斷治療靶區(qū)是否發(fā)生凝固性壞死。另外，在治療中，為了找出病灶區(qū)域聲像圖的分布參數(shù)變化，需要對(duì)治療前和治療后的兩個(gè)聲像圖進(jìn)行精確相位配準(zhǔn)。所述的配準(zhǔn)是利用檢測(cè)的對(duì)象物圖像和模板圖像重合部分之間的相似度，從而可根據(jù)相似度為最大或超過(guò)某一閾值來(lái)確定對(duì)象物是否存在的一種圖像處理方法。在本發(fā)明中，所述對(duì)象物圖像為治療后的實(shí)時(shí)聲圖像，而模板圖像為治療前的原始聲圖像。
但是，當(dāng)組織器官在自身運(yùn)動(dòng)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)超聲圖像的配準(zhǔn)是非常困難的，因?yàn)槌晥D像存在很強(qiáng)的散斑噪聲，同時(shí)在超聲治療中還存在很強(qiáng)的偽影，這些偽影也隨運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，一般的配準(zhǔn)方法無(wú)圖像相關(guān)計(jì)算難于得到理想的效果，因此，必須對(duì)配準(zhǔn)的圖像進(jìn)行預(yù)處理，從而在本發(fā)明中采用呼吸門控找到不同呼吸狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖像，或通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中首先提取圖像的散斑中心和組織邊緣位置，并利用散斑中心和組織邊緣位置構(gòu)成的二值圖像進(jìn)行相關(guān)，通過(guò)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相位相關(guān)配準(zhǔn)，得到相關(guān)系數(shù)。需要說(shuō)明的是，找出圖像變化指標(biāo)優(yōu)選地是通過(guò)治療前后兩個(gè)相同呼吸狀態(tài)的圖像來(lái)評(píng)估，而某時(shí)刻是否產(chǎn)生凝固性壞死，是將在這時(shí)刻的聲圖像與治療前對(duì)應(yīng)呼吸狀態(tài)的那幅聲圖像進(jìn)行比較。為了體現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，現(xiàn)依照附圖對(duì)本發(fā)明裝置的構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置具有超聲換能器、圖像采集裝置、驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理單元和控制單元。其中超聲換能器用于向治療靶區(qū)發(fā)射高強(qiáng)度聚焦超聲波。圖像采集裝置安裝在超聲換能器上，用來(lái)定位治療靶區(qū)并且采集治療靶區(qū)的圖像，可采用現(xiàn)有的成像設(shè)備，比如B 超設(shè)備。驅(qū)動(dòng)單元，與所述超聲換能器連接，在控制單元的控制下，驅(qū)動(dòng)超聲換能器向治療靶區(qū)發(fā)射超聲波；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與超聲換能器連接，在控制單元的控制下，使超聲換能器和圖像采集裝置一同移動(dòng)。信號(hào)處理單元，與所述圖像采集裝置連接，其包括圖像存儲(chǔ)模塊，用于接收并存儲(chǔ)治療前圖像采集裝置采集的以一定時(shí)間間隔，例如至少一個(gè)呼吸周期的原始聲圖像，以及在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過(guò)程中，接收并存儲(chǔ)圖像采集裝置所采集的某時(shí)刻的實(shí)時(shí)聲圖像；配準(zhǔn)模塊，配準(zhǔn)模塊，利用圖像處理分別提取圖像存儲(chǔ)模塊中的上述原始聲圖像以及實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息，再將所提取到的原始聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息與實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相位配準(zhǔn)，根據(jù)匹配結(jié)果找出與實(shí)時(shí)聲圖像對(duì)應(yīng)原始聲圖像；判斷處理模塊，用于根據(jù)配準(zhǔn)模塊中原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑分布變化情況來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果?？刂茊卧謩e與信號(hào)處理單元、驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，接收與處理從信號(hào)處理單元中得到的評(píng)判結(jié)果，然后根據(jù)該評(píng)判結(jié)果控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)單元的工作。為了進(jìn)一步體現(xiàn)本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，現(xiàn)描述其工作流程。圖2示出了利用本發(fā)明裝置的第一實(shí)施例的工作流程圖。在本實(shí)施例中，信號(hào)處理單元中的配準(zhǔn)模塊中采用計(jì)算變化參量(散斑二值圖像)的方式對(duì)圖像進(jìn)行處理。在本裝置中，圖像采集裝置首先在至少一個(gè)呼吸周期內(nèi)采集治療前的原始聲圖像，并將所述原始聲圖像存儲(chǔ)在信號(hào)處理單元中的圖像存儲(chǔ)模塊中，然后對(duì)病灶進(jìn)行治療，并利用圖像采集裝置在至少一個(gè)呼吸周期內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)聲圖像采集，并將之存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)模塊中，利用配準(zhǔn)模塊對(duì)所存儲(chǔ)的原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像分別進(jìn)行原始聲圖像以及實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息的提取，并將所述原始聲圖像轉(zhuǎn)換為原始聲圖像的散斑二值圖像，實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)聲圖像的散斑二值圖像，再將原始聲圖像的散斑二值圖像與實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑二值圖像做相位相關(guān)，計(jì)算出最大相位相關(guān)系數(shù)(此時(shí)兩圖像的狀態(tài)最相似)時(shí)的配準(zhǔn)位移值，使實(shí)時(shí)聲圖
8像中的散斑二值圖像按計(jì)算出的位移值移動(dòng)后與原始散斑二值圖像實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)，也就是說(shuō)， 找出兩個(gè)時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)相位相同的圖像，即實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相位配準(zhǔn)，根據(jù)匹配結(jié)果找出與實(shí)時(shí)聲圖像對(duì)應(yīng)的原始聲圖像，計(jì)算出靶區(qū)分布變化值，隨后利用判斷處理模塊，根據(jù)其內(nèi)設(shè)定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值(可在判斷處理模塊中設(shè)定一個(gè)靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值，該值為某個(gè)具體的數(shù)值，根據(jù)所得到的靶區(qū)分布變化值與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)靶區(qū)分布變化值是否大于或小于此基準(zhǔn)值，來(lái)確定是否發(fā)生凝固性壞死)，來(lái)判斷配準(zhǔn)模塊中原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑分布變化情況，若超過(guò)所設(shè)定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值時(shí)， 判斷處理模塊判斷已達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止輻照工作；若靶區(qū)分布變化值沒(méi)有達(dá)到所設(shè)定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷處理模塊判斷還沒(méi)有達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)輻照工作。在上面的第一實(shí)施例中，可實(shí)現(xiàn)其配準(zhǔn)模塊功能的模塊有多種，第一實(shí)施例中采用的是通過(guò)散斑相位相關(guān)配準(zhǔn)方式進(jìn)行配準(zhǔn)的配準(zhǔn)模塊，實(shí)際上本實(shí)施例中也可以采用具有歸一化相關(guān)功能方式、特征匹配方式、局部熵差方式、互信息等方式進(jìn)行配準(zhǔn)的配準(zhǔn)模塊。圖3示出了利用本發(fā)明裝置的第二實(shí)施例的工作流程圖。在圖3中第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，在利用配準(zhǔn)模塊對(duì)所存儲(chǔ)的原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像分別進(jìn)行原始聲圖像以及實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息的提取，將所提取到的原始聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息與實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息進(jìn)行配準(zhǔn)，在配準(zhǔn)模塊中，將原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣位置構(gòu)成的二值圖像以計(jì)算相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)用R來(lái)表示，相關(guān)系數(shù)R反映了兩個(gè)圖像矩陣的相關(guān)程度，其定義式為R a,j) =C(i,j)/^C{i,i)CU,j)其中C(i，j)，C(i，i)，C(j，j)分別是圖像像素(i，j)，(i，i)，(j，j)的協(xié)方差矩陣。其中，相關(guān)系數(shù)中采用的各圖像像素與進(jìn)行灰度變化判斷凝固性壞死時(shí)采用的圖像像素相同。圖像像素(i，j)表示圖像在水平方向和垂直方向上某點(diǎn)的坐標(biāo)值。相關(guān)系數(shù)R最大的圖像為匹配圖像(即此時(shí)圖像狀態(tài)最相似)，得到與實(shí)時(shí)聲圖像對(duì)應(yīng)的治療前圖像，利用它們計(jì)算相關(guān)系數(shù)R。本發(fā)明的判斷處理模塊可通過(guò)將實(shí)時(shí)聲圖像與對(duì)應(yīng)的原始聲圖像的散斑分布相關(guān)系數(shù)來(lái)判斷是否發(fā)生凝固性壞死，當(dāng)0< IRI <1時(shí)，表示治療前后兩圖像中的變量存在一定程度的相關(guān)I Rl <0.4為低度相關(guān)；0.4彡Rl < 0. 7為顯著性相關(guān)；0. 7彡|R| < 1 為高度相關(guān)。事實(shí)上，當(dāng)相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值低于0. 85時(shí)就可以判斷病灶已經(jīng)發(fā)生了凝固性壞死。選擇一塊血管及纖維結(jié)締組織較少的新鮮牛肝(離體后不超過(guò)6小時(shí))，在超聲換能器工作前先由本實(shí)施例高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置中的圖像采集裝置采集靶區(qū)的原始聲像圖，再由驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)超聲換能器對(duì)靶區(qū)進(jìn)行輻照(輻照功率為90W)，治療完畢后，圖像采集裝置繼續(xù)采集此靶區(qū)的實(shí)時(shí)聲圖像。與此同時(shí)，對(duì)此靶區(qū)治療前后的聲圖像進(jìn)行灰度處理和判斷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該靶區(qū)中，輻照后有凝固性壞死發(fā)生且有明顯灰度變化時(shí)，相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值小于0. 58，輻照后有凝固性壞死發(fā)生且無(wú)明顯灰度變化時(shí)，相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值小于0. 75。
從上面的實(shí)驗(yàn)可看出，本發(fā)明高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置對(duì)發(fā)生凝固性壞死的判斷相對(duì)于利用灰度變化來(lái)判斷凝固性壞死的裝置而言，其判斷靈敏度更高，具有很高的判斷穩(wěn)定性。圖4示出了利用本發(fā)明裝置的第三實(shí)施例的工作流程。從圖4中可以看出，它是第二實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)。在此實(shí)施例中同樣采用計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方式來(lái)判定病灶是否發(fā)生了凝固性壞死。不同的是，圖像采集模塊獲取了治療前的圖像和治療后不同時(shí)刻的多個(gè)圖像(如即刻、lmin，2min, —，5min)，并利用配準(zhǔn)模塊分別提取這些圖像的散斑中心和組織邊緣信息，用治療后的多個(gè)實(shí)時(shí)圖像的散斑中心和組織邊緣信息分別與治療前的原始聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，找出各自對(duì)應(yīng)的原始圖像，并分別計(jì)算相關(guān)系數(shù)，利用支撐矢量機(jī)(support vector machine，SVM)，根據(jù)找出的相關(guān)系數(shù)值的集合， 計(jì)算出相關(guān)系數(shù)集合的判斷函數(shù)，并以此判斷函數(shù)來(lái)判定病灶是否發(fā)生了凝固性壞死，從而決定本發(fā)明裝置的超聲換能器根據(jù)所述判斷函數(shù)進(jìn)行工作與否。本實(shí)施例的特點(diǎn)在于， 通過(guò)對(duì)治療后多幅聲圖像分別與原始聲圖像配準(zhǔn)，從而通過(guò)對(duì)多幅實(shí)時(shí)聲圖像的變化作為判定標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)判定病灶是否發(fā)生了凝固性壞死。選擇一塊血管及纖維結(jié)締組織較少的新鮮牛肝(離體后不超過(guò)6小時(shí))，在超聲換能器工作前先由本實(shí)施例高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置中的圖像采集裝置采集某個(gè)靶區(qū)的兩幅原始聲像圖，再由驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)超聲換能器工作，對(duì)靶區(qū)進(jìn)行輻照(輻照功率為90W)，治療完畢后，圖像采集裝置繼續(xù)采集此靶區(qū)輻照后即刻和輻照后5min時(shí)的靶區(qū)聲像圖，由配準(zhǔn)模塊進(jìn)行配準(zhǔn)后，再經(jīng)判斷處理模塊處理，得到相關(guān)系數(shù)R。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中也計(jì)算輻照后即刻以及輻照后5min靶區(qū)的超聲圖像的灰度變化，以對(duì)治療前后的聲圖像進(jìn)行灰度計(jì)算和判斷。對(duì)于經(jīng)檢測(cè)發(fā)生了凝固性壞死的多個(gè)病灶樣本而言，實(shí)驗(yàn)后的判斷結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下輻照后即刻，超聲灰度圖像出現(xiàn)灰度變化的比例為51. 5%，而采用本裝置判斷發(fā)生凝固性壞死的病灶樣本的比例為76. 4% ；輻照后5min，超聲灰度圖像出現(xiàn)灰度變化的比例為22. 7%，而采用本裝置判斷發(fā)生凝固性壞死的病灶樣本的比例為94. 1%。從上述實(shí)驗(yàn)中可看出，本發(fā)明高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置的判別靈敏度明顯高于利用灰度變化來(lái)判斷凝固性壞死的裝置。同時(shí)采用本發(fā)明裝置和利用灰度變化來(lái)判斷凝固性壞死的裝置在輻照后即刻以及輻照后5min兩個(gè)時(shí)刻對(duì)66個(gè)發(fā)生了凝固性壞死的樣本組織(CN)以及34個(gè)未發(fā)生凝固性壞死的樣本組織(NCN)進(jìn)行判斷，其判斷結(jié)果比較見下面的表1(采用灰度變化來(lái)判斷的裝置的判斷結(jié)果)和表2 (采用本發(fā)明裝置的判斷結(jié)果)表 權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，具有超聲換能器，用于向治療靶區(qū)發(fā)射高強(qiáng)度聚焦超聲波；圖像采集裝置，用來(lái)定位治療靶區(qū)并且采集治療靶區(qū)的圖像；驅(qū)動(dòng)單元，與所述超聲換能器連接，驅(qū)動(dòng)上述超聲換能器向治療靶區(qū)發(fā)射超聲波；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與所述超聲換能器連接，使超聲換能器和圖像采集裝置一同移動(dòng)，對(duì)治療靶區(qū)進(jìn)行掃描，其特征在于該高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置還具有信號(hào)處理單元，與所述圖像采集裝置連接，包括圖像存儲(chǔ)模塊，用于接收并存儲(chǔ)治療前圖像采集裝置采集的以一定時(shí)間間隔的至少一個(gè)原始聲圖像，以及在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過(guò)程中，接收并存儲(chǔ)圖像采集裝置所采集的某時(shí)刻的實(shí)時(shí)聲圖像；配準(zhǔn)模塊，用于提取圖像存儲(chǔ)模塊中的上述原始聲圖像以及實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣信息，再將所提取到的原始聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息與實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑中心和組織邊緣信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相位配準(zhǔn)，根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算并找出與實(shí)時(shí)聲圖像對(duì)應(yīng)的原始聲圖像；判斷處理模塊，用于根據(jù)配準(zhǔn)模塊中對(duì)應(yīng)的原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中的散斑分布變化情況來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果；控制單元，分別與信號(hào)處理單元、驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，當(dāng)信號(hào)處理單元中的判斷處理模塊判斷已達(dá)到治療要求時(shí)，用于控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作， 當(dāng)信號(hào)處理單元中的判斷處理模塊判斷還沒(méi)有達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于所述圖像采集裝置采用B超設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于信號(hào)處理單元的判斷處理模塊中設(shè)定有既定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值，若從所述實(shí)時(shí)聲圖像的散斑分布中得到的靶區(qū)分布變化值達(dá)到或超過(guò)所述既定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值時(shí)，判斷處理模塊判斷已達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作；若靶區(qū)分布變化值沒(méi)有達(dá)到所述既定的靶區(qū)分布變化值的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷處理模塊判斷還沒(méi)有達(dá)到治療要求時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于所述配準(zhǔn)模塊是通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中首先提取圖像的散斑中心和組織邊緣位置，再利用散斑中心和組織邊緣位置構(gòu)成的二值圖像，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)圖像的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行相關(guān)配準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于在判斷處理模塊中， 將對(duì)應(yīng)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像的散斑分布的圖像計(jì)算相關(guān)系數(shù)，用R表示，相關(guān)系數(shù)R反映了兩個(gè)圖像矩陣的相關(guān)程度，其定義式為R (i’j) =C(iJV^C(U)CUJ)其中C(i，j)，C(i，i)，C(j，j)分別是圖像像素(i，j)，(i，i)，(j，j)的協(xié)方差矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于在判斷處理模塊中計(jì)算出相關(guān)系數(shù)R，當(dāng)o< |R| < Ι時(shí)，表示前后兩圖像中的變量存在一定程度的相關(guān)|R| <0.4為低度相關(guān)；0.4彡Rl < 0. 7為顯著性相關(guān)；0. 7彡|R| < 1為高度相關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于在判斷處理模塊中設(shè)有相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值，當(dāng)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值小于或等于所述相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷已發(fā)生凝固性壞死，判斷處理模塊控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器停止工作；當(dāng)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值大于所述相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值時(shí)，則判斷未發(fā)生凝固性壞死，判斷處理模塊控制驅(qū)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使超聲換能器繼續(xù)工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于所述判斷處理模塊中的相關(guān)系數(shù)的基準(zhǔn)值為0. 85。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于所述配準(zhǔn)模塊配準(zhǔn)后，判斷處理模塊通過(guò)實(shí)時(shí)聲圖像和對(duì)應(yīng)的原始聲圖像和中各階子波的變化來(lái)判斷凝固性壞死；或者，所述配準(zhǔn)模塊后，判斷處理模塊通過(guò)原始聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像中各階矩的變化來(lái)判斷凝固性壞死。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置，其特征在于治療前圖像采集裝置采集圖像所利用的一定時(shí)間間隔為至少一個(gè)呼吸周期，同時(shí)所述高強(qiáng)度聚焦超聲治療過(guò)程中的某一時(shí)刻是指治療對(duì)象至少進(jìn)行一次呼吸周期后的某一時(shí)刻，超聲換能器對(duì)治療靶區(qū)進(jìn)行至少一次掃描運(yùn)動(dòng)之后的時(shí)刻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用治療靶區(qū)圖像中的散斑分布變化來(lái)判斷是否達(dá)到治療效果的高強(qiáng)度聚焦超聲治療裝置。通過(guò)利用裝置中的配準(zhǔn)模塊提取治療前的聲圖像和實(shí)時(shí)聲圖像的散斑中心和組織邊緣，實(shí)現(xiàn)治療前后圖像的配準(zhǔn)，利用匹配圖像，計(jì)算靶區(qū)治療前后散斑分布變化的指標(biāo)來(lái)判定病灶是否產(chǎn)生了凝固性壞死。利用本發(fā)明的裝置可大幅度提高判斷靶區(qū)是否發(fā)生凝固性壞死的準(zhǔn)確率，并且不受人為因素影響。
文檔編號(hào)A61B18/00GK102166135SQ20111004677
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者王 華, 王智彪, 鄒建中 申請(qǐng)人:重慶融海超聲醫(yī)學(xué)工程研究中心有限公司