專利名稱：超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割不同組織類型的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組織的治療，并且更特別地，涉及用于使用超聲治療組織的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如皮下脂肪、內(nèi)臟脂肪、脂肪瘤和腫瘤等不良組織可使用超聲進(jìn)行非侵入式治療。典型地，伴隨熱療或空化治療的聚焦超聲用于治療這樣的組織。在熱療中，超聲功率在一段短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)集中，并且組織通過強(qiáng)烈的振動(dòng)而加熱。在空化治療中，超聲能量用于以相對(duì)低強(qiáng)度的方式使組織振動(dòng)以便破壞細(xì)胞。破壞的細(xì)胞可經(jīng)由壞死或凋亡的細(xì)胞死亡而相繼死亡。在消融期間，對(duì)組織的破壞可經(jīng)由熱效應(yīng)和空化效應(yīng)的組合、通過仔細(xì)選擇超聲換能器頻率而調(diào)整超聲參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，具有頻率范圍從約IMHz到約2MHz的換能器可調(diào)整成對(duì)于主要是空化效應(yīng)的情況采用低占空比脈沖模式運(yùn)行。然而，如果占空比增大至連續(xù)波(CW)，該效應(yīng)可主要是熱效應(yīng)。不同組織的空化閾值是不同的。因此，對(duì)于空化治療，確定要治療的組織的類型并據(jù)此調(diào)整治療，這是可取的。例如，在美容消融脂肪組織的情況下，對(duì)脂肪層的位點(diǎn)有著精確確定是可取的。需要精確確定組織位點(diǎn)用于定位脂肪層以便進(jìn)行消融以及對(duì)剩余層的消融后檢查。因此，提供用于在超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割不同組織類型以用于執(zhí)行例如消融等程序的方法，這將是可取的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于對(duì)感興趣區(qū)域提供基于非侵入式超聲的治療的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括成像單元，用于對(duì)該感興趣區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)組織類型成像；圖像處理單元，其配置成識(shí)別該感興趣區(qū)域中的該一個(gè)或多個(gè)組織類型；超聲換能器，其配置成聚焦超聲束來(lái)消融已識(shí)別的組織的至少一部分；以及控制器單元，其控制超聲束至感興趣區(qū)域的輸送。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于使用超聲來(lái)治療感興趣區(qū)域的方法。該方法包括采集該感興趣區(qū)域的超聲圖像，在這些超聲圖像中識(shí)別一個(gè)或多個(gè)組織類型，在超聲圖像中分割組織類型，識(shí)別要消融的組織，聚焦超聲束來(lái)消融已識(shí)別的組織的至少一部分，以及消融已識(shí)別組織的該部分。


當(dāng)參照附圖(其中在所有圖中相似的符號(hào)代表相似的部件)閱讀下列詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)勢(shì)將變得更好理解，其中圖I是用于自動(dòng)識(shí)別和分割感興趣區(qū)域中的組織類型的超聲系統(tǒng)的示例的示意
圖2是指示包括脂肪和結(jié)締組織的不同組織類型的示例超聲圖像；圖3是用于自動(dòng)識(shí)別和分割感興趣區(qū)域中的組織類型的示例方法的流程圖；圖4是用于自動(dòng)識(shí)別和分割感興趣區(qū)域中的組織類型的示例輸入超聲圖像；圖5-6是在將本發(fā)明的方法應(yīng)用于圖4的輸入超聲圖像用于自動(dòng)識(shí)別和分割感興趣區(qū)域中的組織類型的期間在不同階段的處理的超聲圖像；圖7-10是在應(yīng)用算法用于自動(dòng)識(shí)別和分割感興趣區(qū)域中的組織類型期間，在不同迭代后的處理的超聲圖像；圖11是用于在患者上移動(dòng)單個(gè)元件換能器的示例設(shè)置的示意圖；圖12是包括相控陣、成像換能器和空化探測(cè)器的示例一體化換能器的示意圖；以及圖13是輸入超聲圖像與將本發(fā)明的方法應(yīng)用于輸入超聲圖像用于自動(dòng)識(shí)別和分割相應(yīng)的感興趣區(qū)域內(nèi)的組織類型后的處理的圖像作比較的示例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于使用超聲自動(dòng)治療組織的系統(tǒng)和方法。在治療感興趣區(qū)域的步驟之前或期間，使該感興趣區(qū)域的至少一部分成像并且在采集的超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割不同的組織類型?；谧R(shí)別和分割的不同組織類型，計(jì)劃最佳治療。例如，計(jì)劃可包括調(diào)整超聲參數(shù)(例如超聲束的形狀、大小、位點(diǎn)或方向)以在治療期間使治療效果最大化且對(duì)健康組織的破壞最小化。該治療可使用高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)來(lái)提供。在某些實(shí)施例中，最佳治療基于對(duì)感興趣區(qū)域中的脂肪組織、血管和結(jié)締組織的識(shí)別和分割來(lái)計(jì)劃。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)締組織層可在脂肪組織或肌肉之前被識(shí)別。不同組織類型的識(shí)別可采用多種方式來(lái)進(jìn)行。例如，識(shí)別可以基于反向散射的反射的強(qiáng)度和/ 或區(qū)域的紋理特性來(lái)進(jìn)行。另外，在識(shí)別之前，可使用例如但不限于血管增強(qiáng)濾波器、相干增強(qiáng)濾波器等圖像增強(qiáng)濾波器的任何組合來(lái)增強(qiáng)圖像特征。在一個(gè)示例中，在感興趣區(qū)域包括脂肪和肌肉的情況下，可在任何兩個(gè)相鄰結(jié)締組織層之間分割該區(qū)域，并且這些組織層可歸類為兩個(gè)類別(即脂肪和肌肉)中的一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，HIFU聚焦斑可引導(dǎo)于脂肪組織并且結(jié)締組織可免于被破壞。為了更清楚和簡(jiǎn)要地描述要求權(quán)利的本發(fā)明的主旨，對(duì)專用術(shù)語(yǔ)提供下列定義， 這些術(shù)語(yǔ)在下列描述和附上的權(quán)利要求書中使用。在整個(gè)說(shuō)明書中，專用術(shù)語(yǔ)的范例應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是非限制性示例。如本文使用的，“空化”指主要利用空化機(jī)制來(lái)治療組織(例如脂肪組織)。然而， 空化或形成空化還具有對(duì)組織的熱效應(yīng)。組織可通過空化或熱效應(yīng)而破壞?？烧{(diào)整HIFU 參數(shù)使得對(duì)組織破壞的大部分本質(zhì)上是空化作用，但可存在對(duì)組織的熱效應(yīng)或破壞。如本文使用的，“熱療”指主要利用本質(zhì)上是熱的機(jī)制來(lái)治療組織。然而，熱療可能具有空化效應(yīng)。如本文使用的，“脂肪組織”指的是主要由脂肪細(xì)胞構(gòu)成的皮下組織、內(nèi)臟組織或其它組織。脂肪組織還可包括結(jié)締組織、血管和其它結(jié)構(gòu)。脂肪組織可以是白色脂肪組織或棕色脂肪組織。如本文使用的，“結(jié)締組織”或“結(jié)締組織層”在脂肪組織或在環(huán)繞脂肪組織的皮膚
4中發(fā)現(xiàn)。如本文使用的，“患者”或“對(duì)象”指的是接收使用超聲換能器組件療法的人或生物體。術(shù)語(yǔ)“患者”和“對(duì)象”可在整個(gè)申請(qǐng)中能互換地使用。如本文使用的，“感興趣區(qū)域”指的是與導(dǎo)向?yàn)榻邮寨煼ǖ幕颊呦嚓P(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)部位。感興趣區(qū)域可連同療法治療一起成像或可不連同療法治療而成像。感興趣區(qū)域可包括，但不限于，例如內(nèi)臟脂肪等內(nèi)部(更深)治療區(qū)、感興趣皮下區(qū)和/或在患者內(nèi)的內(nèi)部治療區(qū)和/或皮下區(qū)之間的任何其它感興趣區(qū)域。如本文使用的，“療法換能器”指為治療目的產(chǎn)生要輸送至感興趣區(qū)域的超聲能量的超聲換能器。如本文使用的，“用戶”指的是操作該系統(tǒng)的至少一部分來(lái)向患者提供療法的一個(gè)或多個(gè)人(例如，技術(shù)人員或醫(yī)師)。在某些實(shí)施例中，超聲系統(tǒng)包括用于采集超聲圖像的成像單元和用于自動(dòng)分析這些超聲圖像的圖像處理單元。在一個(gè)示例中，低能量超聲可用于采集圖像。對(duì)超聲圖像進(jìn)行分析以識(shí)別并隨后分割圖像中的不同組織類型?；谠摲治?，可計(jì)劃最佳治療。計(jì)劃該治療可包括確定超聲參數(shù)，以及確定需要治療的組織的位點(diǎn)和無(wú)需治療的鄰近組織的位點(diǎn)。超聲系統(tǒng)包括控制器單元，其與圖像處理單元聯(lián)合作用以基于組織類型的識(shí)別和分割來(lái)輸送計(jì)劃的治療至感興趣區(qū)域。在一個(gè)示例中，控制器單元可基于組織識(shí)別便于調(diào)整超聲換能器的治療區(qū)域(聚焦斑)的位點(diǎn)?？刂破鲉卧膳渲贸烧{(diào)整三維中的超聲聚焦斑位點(diǎn)。超聲聚焦斑的位點(diǎn)可通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)或電子調(diào)整來(lái)調(diào)整?？蛇x地，超聲系統(tǒng)包括反饋控制單元， 其可進(jìn)一步調(diào)整聚焦斑。在一個(gè)示例中，在感興趣區(qū)域的低能量成像后，可利用反饋控制單元進(jìn)一步調(diào)整聚焦斑?？蛇x地，空化探測(cè)器可用于探測(cè)空化的數(shù)量。在一個(gè)示例中，成像單元可配置成作為空化探測(cè)器操作。例如，如果成像單元包括成像超聲換能器，該成像換能器可配置成起到成像換能器和空化探測(cè)器的雙重作用。在一個(gè)實(shí)施例中，一旦探測(cè)到空化，反饋控制單元可用于調(diào)整超聲參數(shù)。這些超聲參數(shù)可調(diào)整成使用最小功率地保持治療區(qū)中的空化以大致上減小對(duì)皮膚燒灼(其否則可由于熱作用加熱而被引起)的可能性。圖I是用于在超聲圖像中識(shí)別和分割不同組織類型的超聲系統(tǒng)10的示例的框圖。 可基于組織類型的識(shí)別和分割來(lái)計(jì)劃治療。超聲系統(tǒng)10可配置成非侵入式地輸送療法和 /或經(jīng)由探頭外殼使感興趣區(qū)域12成像。該感興趣區(qū)域12可以是三維區(qū)域。具有病變組織或不良組織的該感興趣區(qū)域12位于患者體內(nèi)。在一個(gè)示例中，療法輸送可包括通過加熱或者通過誘發(fā)空化來(lái)破壞感興趣區(qū)域12內(nèi)的病變組織或不良組織。探頭外殼包括一體化換能器14，其包括療法換能器和成像換能器。包括成像換能器和療法換能器的一體化換能器14可設(shè)置在探頭外殼中。雖然關(guān)于一體化換能器14描述了系統(tǒng)10，應(yīng)當(dāng)注意，單獨(dú)的療法和成像換能器可在系統(tǒng)10中使用。在單獨(dú)的療法和成像換能器的情況下，一個(gè)換能器或兩個(gè)換能器可設(shè)置在探頭外殼內(nèi)。一體化換能器14可耦合于傳送/接收開關(guān)電路16、傳送器18和(可選擇地)接收器20。一體化換能器14的成像換能器需要該接收器20。當(dāng)成像換能器結(jié)合療法換能器一起使用時(shí)，接收器20可用于采集來(lái)自感興趣區(qū)域的反向散射的聲能用于成像目的。成像信號(hào)從例如脂肪組織、肌肉組織、血細(xì)胞、靜脈或體內(nèi)對(duì)象(例如，導(dǎo)管或針) 等體內(nèi)的生理結(jié)構(gòu)反向散射來(lái)產(chǎn)生返回至成像換能器的回聲。成像換能器可在不同時(shí)間接收反向散射波，這依賴于反向散射波返回的在組織內(nèi)的距離以及它們返回時(shí)的關(guān)于成像換能器的表面的角度。換能器元件將來(lái)自反射散射波的超聲能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后這些電信號(hào)通過T/R開關(guān)電路16路由至接收器20。接收器20對(duì)接收到的信號(hào)放大并數(shù)字化，并提供例如增益補(bǔ)償?shù)绕渌δ?。在該示例中，?duì)應(yīng)于反向散射波的數(shù)字化的接收信號(hào)由每個(gè)換能器元件在各個(gè)時(shí)間接收，并保存反向散射波的幅度和相位信息。反向散射信號(hào)或回聲由接收器20接收用于成像目的。接收的回聲提供給處理信號(hào)的圖像處理單元26。處理的數(shù)據(jù)可傳送至控制器單元24、存儲(chǔ)器28或數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)30用于暫時(shí)或永久存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)30可配置成接收數(shù)據(jù)并與成像工作站32交互。處理器30 可耦合于遠(yuǎn)程連接子系統(tǒng)34，其包括web服務(wù)器36和遠(yuǎn)程連接接口 38。圖像處理單元26 用于在超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割不同的組織類型。療法或成像換能器可包括一個(gè)或多個(gè)換能器元件、一個(gè)或多個(gè)匹配層，以及聚焦部件，例如透鏡。換能器元件可采用間隔關(guān)系設(shè)置，例如，但不限于，一維或二維換能器陣列、相控陣或環(huán)形陣列。在相控陣或環(huán)形陣列(在z方向上)的情況下，換能器14可允許 HIFU元件或電子操縱裝置的機(jī)械平移。換能器14可采用單個(gè)通道或多個(gè)通道用于傳輸。在相控陣療法換能器的情況下，換能器元件可連接至控制器單元24并由其控制。 控制器單元24可能夠獨(dú)立地激活并控制每個(gè)元件。通過適當(dāng)?shù)貙?duì)個(gè)體元件操縱和定相，可形成會(huì)聚波陣面。備選地，機(jī)械透鏡可設(shè)置在單個(gè)元件換能器前面以引起相位延遲。相控陣列換能器可用于獲得不同的相圖或不同的焦點(diǎn)。相控陣可同時(shí)用于操縱和聚焦。環(huán)形陣列換能器可用于更大的聚焦深度。在某些實(shí)施例中，利用控制器單元24控制一體化換能器14的操作。具體而言，換能器14操作地耦合于控制器單元24來(lái)控制超聲束的參數(shù)。超聲參數(shù)的非限制性示例可包括超聲束的形狀、大小、位點(diǎn)或方向。在一個(gè)實(shí)施例中，換能器或換能器元件可沿著或圍繞 x、y或z方向中的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整超聲束的參數(shù)。例如，換能器可圍繞z方向旋轉(zhuǎn)， 或者換能器可沿X或y方向橫向地移位。療法換能器可在根據(jù)可取的療法的頻率范圍中操作。例如，治療換能器可在從約 250KHz到約3MHz的頻率范圍中，或者在從約500kHz到約IMHz頻率范圍中操作用于空化目標(biāo)組織(例如病變組織或脂肪組織)。在一個(gè)示例中，成像換能器可包括換能器元件的二維或三維陣列。成像換能器可在從約IMHz到約15MHz的范圍中操作，最佳地在從約IMHz到約IOMHz或從2MHz到約7MHz的范圍中。成像換能器可在施加療法之前或者施加療法之后或者在施加療法時(shí)使感興趣區(qū)域成像。在一個(gè)示例中，療法換能器生成一個(gè)或多個(gè)超聲頻率用于空化和/或熱處理感興趣區(qū)域，并且成像換能器可接收一個(gè)或多個(gè)頻率以使感興趣區(qū)域成像。療法換能器和/或成像換能器可配置成在多個(gè)感興趣區(qū)域中操作，同時(shí)使探頭外殼在對(duì)象上保持相同物理位點(diǎn)。療法換能器可選擇性地采用低功率模式或高功率模式操作。相應(yīng)地，成像換能器可采用成像模式(傳送和接收)或接收模式(以使HIFU束可視化)這兩個(gè)模式中的一個(gè)操作。療法換能器的高功率模式可用于組織消融。在療法換能器以低功率傳送脈沖并且成像換能器充當(dāng)接收器的情況下，療法換能器的低功率模式可用于使HIFU聚焦可視化。聚焦的超聲的圖像可疊加在組織的超聲圖像上。
控制器單元24用于基于一個(gè)或多個(gè)換能器參數(shù)或療法命令控制向治療位點(diǎn)輸送療法。換能器參數(shù)的示例包括，但不限于，聚焦區(qū)深度、聚焦區(qū)大小、接收療法的感興趣區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)的消融時(shí)間、療法信號(hào)的能量水平和療法會(huì)話期間ROI內(nèi)聚焦區(qū)的移動(dòng)速率。 換能器參數(shù)還可包括療法超聲信號(hào)的頻率或強(qiáng)度、功率、峰值稀疏分壓、脈沖重復(fù)頻率和長(zhǎng)度、占空比、景深、所用的波形、束移動(dòng)速度、束密度、療法脈沖序列和成像脈沖序列參數(shù)。而且，療法命令可包括解剖學(xué)參數(shù)，例如脂肪組織和非脂肪組織的位點(diǎn)、形狀、厚度和取向。解剖學(xué)參數(shù)還可包括脂肪組織和非脂肪組織的密度。此外，療法參數(shù)包括在療法會(huì)話期間所用的探頭的類型?；颊叩哪挲g、性別、體重、種族、遺傳或病史也可以是療法命令。在已對(duì)感興趣區(qū)域施加療法后，系統(tǒng)10或操作者/用戶可在對(duì)相同感興趣區(qū)域12再次施加療法或者對(duì)新的感興趣區(qū)域施加療法之前調(diào)整療法參數(shù)。療法命令可包括可由系統(tǒng)10確定的任何因子或值，或者可包括可由用戶鍵入、影響施加到感興趣區(qū)域的療法的任何輸入。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)10可自動(dòng)提供不同組織類型的虛擬分割。在分割不同的組織類型之后，可確定用于治療的感興趣的組織位點(diǎn)。在一個(gè)示例中，感興趣組織可包括脂肪。在另一個(gè)實(shí)施例中，感興趣組織可以是腫瘤、血管或需要被破壞(例如，消融)的任何其它組織。在皮下脂肪消融的情況下，可識(shí)別可改變HIFU的結(jié)締組織，并且可修改消融以在結(jié)締組織的HIFU 范圍上進(jìn)行處理。備選地，可降低HIFU的強(qiáng)度來(lái)避免對(duì)結(jié)締組織的任何破壞。在治療內(nèi)臟脂肪的實(shí)施例中，可選擇路徑使得該路徑允許治療區(qū)和任何器官或主要血管之間的最大距離。控制器單元24可基于組織類型的識(shí)別和分割來(lái)控制HIFU束的移動(dòng)。在一個(gè)示例中，換能器14可使感興趣區(qū)域成像來(lái)確定關(guān)于脂肪組織和非脂肪組織的療法參數(shù)。這些療法參數(shù)可由控制器單元24生成并傳送至傳送器18或射束形成器22?？刂破鲉卧?4配置成控制消融、HIFU束成像、組織成像和探頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)間序列?？刂破鲉卧?4還識(shí)別目標(biāo)組織的位點(diǎn)和HIFU當(dāng)前聚焦，并計(jì)算參數(shù)以機(jī)械地或電子地操縱HIFU聚焦。控制器單元24 還可在任何消融程序期間控制聚焦超聲的消融參數(shù)?？衫每刂破鲉卧?4控制的超聲束的其它參數(shù)可包括功率水平、占空比、用于 HIFU成像、組織成像、消融和探頭移動(dòng)的功率時(shí)間序列、超聲束的聚焦深度。功率水平可通過改變超聲系統(tǒng)的電壓設(shè)置而改變。占空比可通過調(diào)整超聲脈沖的間隔和長(zhǎng)度中的一個(gè)或兩個(gè)而調(diào)整。超聲束的聚焦深度可通過機(jī)械地調(diào)整換能器相對(duì)于感興趣區(qū)域的位置而調(diào)
難
iF. O可選地，系統(tǒng)可采用空化探測(cè)器(未示出)來(lái)估計(jì)空化數(shù)量?？栈綔y(cè)器可以是單個(gè)元件或者多元件換能器或隔水聽診器。空化探測(cè)器可配置成在約IMHz到約15MHz的范圍中操作。在一個(gè)示例中，成像換能器的元件可用作寬帶空化探測(cè)器。空化探測(cè)可通過在時(shí)域或頻域中采集時(shí)域(A掃描)信號(hào)和探測(cè)信號(hào)中的寬帶噪聲和次諧波來(lái)進(jìn)行。典型地，較高的噪聲表示空化的數(shù)量。在消融程序期間，空化可通過空化探測(cè)器來(lái)驗(yàn)證。控制器單元24可根據(jù)查閱表和來(lái)自操作者的預(yù)治療輸入計(jì)劃，調(diào)整換能器的功率以在最小功率或時(shí)間上保持空化。控制器單元24可連接至例如鼠標(biāo)、鍵盤等用戶界面40，并控制探頭外殼的操作。 例如，控制器單元24可耦合于用戶界面40以允許用戶基于在例如監(jiān)視器等顯示器42上顯示的數(shù)據(jù)與超聲系統(tǒng)10接合。具有HIFU束定位的分割的超聲圖像可使用顯示器42來(lái)顯示，用于驗(yàn)證和治療計(jì)劃制定。用戶界面可用于接受或拒絕所顯示的計(jì)劃。例如，如果超聲束在顯示的圖像中處于期望的位點(diǎn)，用戶可接受治療計(jì)劃。備選地，如果超聲束太靠近鄰近的結(jié)締組織使得鄰近組織可在超聲束傳送時(shí)被不期望地消融，治療計(jì)劃可以由用戶使用用戶界面40修改或者拒絕。用戶界面40可包括對(duì)于用戶(例如操作者)的觸摸屏，以為治療計(jì)劃提供輸入。用戶界面40可以是觸摸屏，其允許操作者或用戶通過觸摸顯示的圖形、 圖標(biāo)等來(lái)選擇選項(xiàng)。盡管對(duì)于肌肉空化的閾值顯著高于脂肪組織，作為防止對(duì)肌肉組織的破壞和隨后的疼痛的附加安全措施，希望避免肌肉組織。使用顯示器42觀察指示不同組織類型的分割的超聲圖像使用戶能夠識(shí)別出非期望的組織可能非常接近皮膚、肌肉和其它器官組織，例如脂肪界面的肌肉和/或皮膚。備選地，反饋控制單元可配置成向用戶或控制器單元24報(bào)警來(lái)修改治療以避免任何不期望的影響。超聲系統(tǒng)10傳送超聲能量至患者內(nèi)的感興趣區(qū)域12以使感興趣區(qū)域成像，和/ 或治療感興趣區(qū)域，并接收和處理從患者反向散射的超聲信號(hào)來(lái)形成并顯示圖像。使用圖像處理單元26處理超聲圖像來(lái)識(shí)別和分割組織類型。圖像處理單元26然后傳送命令數(shù)據(jù)至控制器單元24?？刂破鲉卧?4在從圖像處理單元26接收命令數(shù)據(jù)時(shí)促進(jìn)生成傳送參數(shù)來(lái)形成具有例如形狀、大小、深度、功率和位點(diǎn)等期望的參數(shù)的射束。傳送參數(shù)從控制器單元24輸送至傳送器18。傳送器18利用傳送參數(shù)來(lái)對(duì)信號(hào)適當(dāng)?shù)鼐幋a以便通過T/R開關(guān)電路16發(fā)送至換能器14。這些信號(hào)關(guān)于彼此以某些水平和相位設(shè)置，并傳送至換能器 14的換能器元件。傳送的信號(hào)激發(fā)換能器元件發(fā)射具有相同相位和水平關(guān)系的超聲波。因此，當(dāng)換能器14通過使用例如超聲凝膠或水而聲耦合于患者的療法部位時(shí)，傳送的超聲能量束沿掃描線路引導(dǎo)于患者的該療法部位。圖像處理單元26適于根據(jù)關(guān)于采集的超聲信息的多個(gè)可選擇的超聲模態(tài)來(lái)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)處理操作。采集的超聲信息可在接收回聲信號(hào)時(shí)在掃描或療法會(huì)話期間實(shí)時(shí)處理。另外或備選地，超聲信息可在掃描會(huì)話期間暫時(shí)性地存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器28中，并在現(xiàn)場(chǎng)或離線操作中近于實(shí)時(shí)地處理。在一個(gè)示例中，圖像存儲(chǔ)器44可用于存儲(chǔ)沒有立即顯示的采集的超聲信息的處理幀。圖像存儲(chǔ)器44可包括任何公知的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，例如，暫時(shí)或永久性存儲(chǔ)介質(zhì)或可移除存儲(chǔ)介質(zhì)。可選地，系統(tǒng)10可包括位置跟蹤模塊46，其跟蹤探頭的位置或HIFU束的聚焦斑。 位置感測(cè)裝置可操作地耦合于換能器或探頭外殼以準(zhǔn)確確定換能器14的位置。跟蹤的位置可傳送至系統(tǒng)的其它部件，例如控制器單元24?？上鄬?duì)于患者身上或附近的參照點(diǎn)/界標(biāo)、標(biāo)記等來(lái)跟蹤探頭的位置。在一個(gè)示例中，探頭位置可用于向用戶指示已經(jīng)治療過、正在治療中或尚待治療的患者區(qū)域。在對(duì)感興趣區(qū)域28內(nèi)的面積提供療法之后或之時(shí)，用戶或系統(tǒng)10可確定對(duì)于感興趣區(qū)域28的療法是否完成，以及超聲束的聚焦斑是否應(yīng)移動(dòng)至患者內(nèi)的另一個(gè)點(diǎn)。 對(duì)于治療空間是否已經(jīng)充分治療或完成的自動(dòng)確定可通過例如但不限于彈性圖像方法 (elasto-graphic method)等方法來(lái)確定。備選地，用戶或反饋模塊48可確定療法是否完成。反饋模塊48還可鏈接至位置跟蹤模塊46以確定聚焦斑是否處于期望的位置。反饋模塊48可耦合于控制器單元24或圖像處理單元26。另外，雖然沒有圖示，反饋模塊48還可耦合于顯示器42、存儲(chǔ)器28、圖像存儲(chǔ)器44和用戶界面40中的一個(gè)或多個(gè)。反饋模塊48可將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出作比較。實(shí)際輸出指輸送至感興趣區(qū)域的療法結(jié)果。實(shí)際輸出可提供作為顯示的圖像或者存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器28或44中的圖像，或者與顯示或存儲(chǔ)的圖像相關(guān)的數(shù)據(jù)。期望輸出可由用戶規(guī)定。例如，期望輸出可由用戶根據(jù)待治療的組織的數(shù)量來(lái)規(guī)定。反饋模塊48可將實(shí)際輸出與期望輸出作比較，且如果需要的話通知/警告系統(tǒng)
10。在減脂的情況下，反饋模塊48可使用由用戶提供給系統(tǒng)10的治療命令來(lái)確定脂肪組織減少及熱療的可接受水平，并因此當(dāng)超過或接近這樣的限制時(shí)通知該系統(tǒng)。在一個(gè)示例中，例如，如果待空化的脂肪組織的確定的限制超過或者將要達(dá)到更靠近由分割指示的邊界，反饋模塊48可通過蜂鳴聲或在監(jiān)視器上閃爍信號(hào)來(lái)警告系統(tǒng)以便提醒用戶。在一個(gè)實(shí)施例中，反饋模塊48可以具有內(nèi)置智能，其可改變治療參數(shù)以改善正提供的療法。反饋模塊48可從處理單元26、所顯示的圖像(在顯示器42上)或存儲(chǔ)器28或 44的圖像獲得數(shù)據(jù)作為輸入，并做出數(shù)據(jù)或圖像是否可接受的決定。例如，反饋模塊48可利用顯示的圖像來(lái)確定感興趣區(qū)域12中空化的脂肪組織的數(shù)量是否足以停止感興趣區(qū)域 12中的療法。反饋模塊48可在療法完成后或者在療法期間提供反饋。在一個(gè)示例中，通過比較空化的脂肪組織的實(shí)際數(shù)量和使用治療參數(shù)計(jì)算的脂肪組織值，反饋模塊48可驗(yàn)證從給定部分減少的脂肪組織的數(shù)量是否可接受。如果，例如，消融的脂肪組織的深度超過或者將要超過確定值，反饋模塊48可配置成發(fā)出例如連續(xù)蜂鳴聲等警告，直到用戶確認(rèn)接收了蜂鳴聲(例如通過用戶界面40的方式)。然后用戶可回顧來(lái)自反饋模塊48的信息。以這種方式，反饋模塊48可避免否則可能發(fā)生的無(wú)心的用戶錯(cuò)誤。系統(tǒng)10的控制器單元24、圖像處理單元26和其它模塊以及單元可利用具有單個(gè)處理器或多個(gè)處理器的現(xiàn)貨PC來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中功能性操作分布在這些處理器之間。部件可以是專用的硬件元件，例如具有數(shù)字信號(hào)處理器的電路板，或者可以是在例如商業(yè)的、現(xiàn)貨個(gè)人電腦(PC)等通用計(jì)算機(jī)或處理器上運(yùn)行的軟件。各種部件可根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例來(lái)結(jié)合或分離。超聲系統(tǒng)10是示例，并且本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不受到該具體系統(tǒng)配置的限制。在一個(gè)示例中，脂肪層可由本發(fā)明的超聲系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和分割。在一個(gè)示例中，可自動(dòng)識(shí)別和分割對(duì)于腹部區(qū)的組織的超聲圖像中的脂肪層。圖2圖示了來(lái)自腹部區(qū)的組織的超聲圖像，其中已經(jīng)識(shí)別出各種細(xì)胞層。脂肪層72楔入纖維結(jié)締組織的兩個(gè)層74和76 之間。在一個(gè)實(shí)施例中，可基于組織的紋理和/或平均強(qiáng)度值來(lái)識(shí)別組織類型。在大多數(shù)實(shí)例中，脂肪層具有由稀疏分布的對(duì)角線條紋定義的特性紋理。在某些實(shí)施例中，該生理表現(xiàn)可在開發(fā)用于描繪超聲圖像中的脂肪層的自動(dòng)圖像處理算法中使用。圖3是用于在超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割組織類型的示例方法的流程圖。在步驟 80，該方法通過將超聲探頭置于患者上而開始。可選地，在步驟80之前，在步驟78，醫(yī)師或技術(shù)人員可測(cè)量并輸入感興趣區(qū)域中的脂肪的近似厚度。而且，可選地，作為前置程序步驟，在步驟82，可在治療之前向系統(tǒng)提供感興趣區(qū)域的磁共振(MR)、X射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)或雙能量X射線(DXA)圖像。這些MR、X射線、CT或DXA圖像可用作比較由超聲系統(tǒng)在該程序期間的隨后階段獲取的圖像的參考。用戶可向系統(tǒng)提供與感興趣區(qū)域相關(guān)的信息連同前置程序圖像。例如，由用戶提供的信息可包括關(guān)于患者的基本信息，和患者內(nèi)的感興趣區(qū)域的位點(diǎn)，以及存在于感興趣區(qū)域中的組織類型。在一個(gè)示例中，用戶可輸入正在成像的區(qū)域是腹部并且人的腹部依次具有皮膚層、脂肪和肌肉的信息。在步驟84，系統(tǒng)采集感興趣區(qū)域的超聲圖像。脂肪和肌肉界線的圖像可通過一體化探頭來(lái)采集，該一體化探頭還稱為兩用探頭，其可包括HIFU探頭和成像探頭。備選地，單獨(dú)的超聲成像探頭可用于采集圖像。在步驟86，在確定用于提供治療的位點(diǎn)之后但在提供治療之前，圖像由信號(hào)處理軟件處理。在一個(gè)示例中，圖像處理單元可包括信號(hào)處理軟件。信號(hào)處理軟件可使用用于實(shí)行圖像數(shù)據(jù)分析的一個(gè)或多個(gè)算法來(lái)尋找組織(脂肪、肌肉、結(jié)締組織等)邊界。采集的超聲圖像中的例如脂肪、結(jié)締組織和肌肉等不同的組織類型可使用算法來(lái)自動(dòng)識(shí)別和分割。在一個(gè)示例中，可基于界標(biāo)和公知的組織結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別不同的組織類型?？蛇x地，已識(shí)別和分割的組織部分可被標(biāo)示以指示在處理圖像的不同段中存在的組織類型(步驟87)。 界標(biāo)可以基于組織類型的先驗(yàn)知識(shí)。在一個(gè)示例中，該先驗(yàn)知識(shí)可通過學(xué)習(xí)框架而合并， 該學(xué)習(xí)框架包括訓(xùn)練圖像集，其中不同的組織類型由用戶(例如經(jīng)過訓(xùn)練的臨床醫(yī)生)通過人工標(biāo)記而指示。然后使用可用的學(xué)習(xí)方法中的任何一個(gè)，例如但不限于概率增加樹 (probabilistic boosting tree),從這些訓(xùn)練圖像學(xué)習(xí)與每個(gè)組織類型有關(guān)的特征。對(duì)于減脂程序，脂肪的位點(diǎn)可在分割的超聲圖像中確定。在其它治療的情況下，例如腫瘤、血管等待治療的相應(yīng)組織的位點(diǎn)可在分割的超聲圖像中確定。在步驟88，處理的超聲圖像可發(fā)送至具有界標(biāo)識(shí)別的治療驗(yàn)證軟件并顯示?？娠@示具有界標(biāo)識(shí)別的結(jié)構(gòu)的區(qū)域中組織結(jié)構(gòu)的綜合地圖。顯示的圖像可圖示被識(shí)別和分割的不同組織類型。由系統(tǒng)生成的顯示圖像可包括示出各種組織層連同它們相應(yīng)的厚度測(cè)量的標(biāo)示圖像?？蛇x地，具有組織識(shí)別的顯示圖像還可包括HIFU聚焦斑位點(diǎn)的識(shí)別?？上蛴脩羰境鼍哂胁僮髡哒{(diào)整的附加選項(xiàng)的該顯示圖像。在步驟90，測(cè)試脈沖由HIFU形成并由成像換能器接收。HIFU束的該圖像可以與處理的圖像一起顯示。在步驟92，待治療的組織的位點(diǎn)和體積可由用戶驗(yàn)證?？苫诖委煹慕M織的體積、組織質(zhì)量和位點(diǎn)以及所期望的程序時(shí)間來(lái)計(jì)算初始治療計(jì)劃。在皮下脂肪消融的情況下，可識(shí)別可改變HIFU的結(jié)締組織，并且消融治療可相應(yīng)地修改成在結(jié)締組織之上(或之下)治療以避免治療被輸送至結(jié)締組織。在治療內(nèi)臟脂肪時(shí)，可選擇治療路徑使得允許在治療區(qū)域和任何器官或主要血管之間的最大可能距離?；诜指?，可計(jì)劃消融并且HIFU的聚焦可相應(yīng)地調(diào)整來(lái)治療感興趣區(qū)域。HIFU的聚焦可使用電子地操縱HIFU或換能器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的相控陣、通過對(duì)患者和換能器之間的隔距進(jìn)行擴(kuò)大或壓縮來(lái)調(diào)整。在一個(gè)示例中，HIFU可在低能量下短暫脈動(dòng)，并且HIFU可利用成像換能器成像。在該示例中，成像換能器和治療換能器可處于相同的頻率或諧波。在提供治療之后，可使感興趣區(qū)域成像來(lái)確定輸送的治療的數(shù)量，并由系統(tǒng)或用戶做出繼續(xù)或停止治療的決定。在該程序期間，提供治療的探頭的位置可通過光學(xué)追蹤、EM追蹤、陀螺追蹤或經(jīng)由機(jī)器人或?qū)к壍臋C(jī)械手段來(lái)追蹤?？刹捎糜糜谠诔晥D像中識(shí)別組織類型、例如識(shí)別脂肪層94和結(jié)締組織層96等的算法來(lái)提供分割。算法中的第一步可包括探測(cè)結(jié)締組織層。在探測(cè)結(jié)締組織層之前，可執(zhí)行圖像增強(qiáng)程序。輸入的超聲圖像可使用配置成分割結(jié)締組織的結(jié)締組織增強(qiáng)濾波器來(lái)增強(qiáng)。結(jié)締組織增強(qiáng)濾波器用于增強(qiáng)超聲圖像中的脊?fàn)顖D像特征，其加亮突出超聲圖像中的結(jié)締組織層。該增強(qiáng)的圖像可呈現(xiàn)給用戶(例如，臨床醫(yī)生)用于增強(qiáng)各種組織層的可視化。結(jié)締組織增強(qiáng)濾波器可采用用于增強(qiáng)圖像中的管狀結(jié)構(gòu)(結(jié)締組織層)的基于 Hessian的測(cè)量。對(duì)于圖像I, Hessian H利用二階偏導(dǎo)數(shù)定義為
'd2! d2I —
TT dx2 dxdyH ==
d2! a2/
dxdy dy2通過提取Hessian的本征值,分解局部二階結(jié)構(gòu)的主方向。如果該Hessian矩陣的本征值表示為A1 &入2。那么，對(duì)于2D圖像上的理想管狀結(jié)構(gòu)，需要滿足公式2。公式 22D血管測(cè)量如公式3中表示的那樣可在尺度s定義。V(S) = |θ, (β-(^/^)2/2β2 )(1 —廠(々)j，如果 λ 2 > 0 公式 3其中，β是說(shuō)明偏離團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的因子。因子c因?yàn)檫@些噪聲像素典型地具有相等的本征值而允許排除噪聲像素。結(jié)締組織增強(qiáng)圖像以多個(gè)尺度生成并且結(jié)果累加以生成最終圖像。對(duì)于圖4的輸入圖像對(duì)應(yīng)的結(jié)締組織增強(qiáng)圖像的示例在圖5中描繪。如圖示的， 通過增強(qiáng)濾波器提供了結(jié)締組織層的粗分割。接著，可使用包括后跟納入主動(dòng)輪廓框架中的曲線演化的閾值處理的方案從增強(qiáng)的圖像中分割結(jié)締組織層。利用主動(dòng)輪廓方法來(lái)分割結(jié)締組織層。主動(dòng)輪廓方法由于該技術(shù)能夠克服小邊界不連續(xù)并且還適于變化的拓?fù)涠m合于結(jié)締組織層分割。然而，主動(dòng)輪廓模型對(duì)于輪廓初始化是敏感的，并且良好的初始化對(duì)于最終的會(huì)聚是必要的。在一些實(shí)施例中，分割作為兩步過程來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中第一步包括確定主動(dòng)輪廓初始化，并且第二步包括傳播該輪廓來(lái)捕捉結(jié)締組織邊界。這兩個(gè)步驟中的每個(gè)的詳細(xì)描述將在下文描述。對(duì)于輪廓初始化，可通過利用k均值強(qiáng)度閾值程序來(lái)分割血管增強(qiáng)圖像而獲取結(jié)締組織層的近似位點(diǎn)。由于通常結(jié)締組織層比它的周圍具有高得多的強(qiáng)度，它在分割圖像中容易可視化。然而，由于結(jié)締組織層中的不均質(zhì)和/或由于其它成像偽影的存在，探測(cè)的區(qū)域可能具有若干不連續(xù)，因此該分割僅僅是近似的。如圖6中圖示的，在分割之后，分割的結(jié)締組織層的邊界用于初始化主動(dòng)輪廓。輪廓對(duì)(大括號(hào)97中)在探測(cè)的結(jié)締組織層之上或之下被初始化。對(duì)于基于主動(dòng)輪廓框架的輪廓傳播，結(jié)締組織層的邊界可通過使由如下文表示的公式4定義的能量函數(shù)最小化而獲取
b gb fb coΕ{/^,μχ,μ2,μ^) = \]{ -μλ)2+\\{ ~μ2)2 +\\{ -μ2)2
a fa 0a g公式4
b __ b _ b+ Kmooth { V1 +(/')2 + Kmooth J ^ + (s'T + ^width j (W ~ (f ^ S)f
aaa其中，f和g是傳播輪廓，μ ρ μ 2和μ 3分別是區(qū)域1、2和3的平均強(qiáng)度，λ s_th 是控制演化輪廓的平滑度的參數(shù)，W是結(jié)締組織層寬度的估計(jì)，并且λ width是防止輪廓脫離或互相折疊到對(duì)方上的懲罰因子。公式5-6表示Mumford-Shah函數(shù)，并且可通過如下迭代梯度下降方法而最小化
1權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)感興趣區(qū)域提供基于非侵入式超聲的治療的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括成像單元，用于使所述感興趣區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)組織類型成像；圖像處理單元，其配置成識(shí)別所述感興趣區(qū)域中的所述一個(gè)或多個(gè)組織類型；超聲換能器，其配置成聚焦超聲束以消融已識(shí)別組織的至少一部分；以及控制器單元，其控制所述超聲束到所述感興趣區(qū)域的輸送。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述成像單元包括成像換能器，其與所述超聲換能器成一體。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括空化探測(cè)器。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述空化探測(cè)器配置成在約IMHz到約15MHz的范圍中操作。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括在操作上與控制器相關(guān)聯(lián)的反饋控制單J Li ο
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述圖像處理器單元包括結(jié)締組織增強(qiáng)濾波器，其配置成分割所述結(jié)締組織。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器是高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)換能器。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述圖像處理單元包括組織圖表集。
9.一種使用超聲治療感興趣區(qū)域的方法，其包括采集所述感興趣區(qū)域的超聲圖像；識(shí)別所述超聲圖像中的一個(gè)或多個(gè)組織類型；分割所述超聲圖像中的所述組織類型；識(shí)別待消融的組織；聚焦超聲束以消融已識(shí)別組織的至少一部分；以及消融所述已識(shí)別組織的所述一部分。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中識(shí)別所述感興趣區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)不同的組織類型包括識(shí)別所述一個(gè)或多個(gè)不同組織類型的紋理。
全文摘要
本發(fā)明涉及超聲圖像中自動(dòng)識(shí)別和分割不同組織類型的系統(tǒng)和方法。提供了用于對(duì)感興趣區(qū)域提供基于非侵入式超聲的治療的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于使感興趣區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組織類型成像的成像單元；圖像處理單元，其配置成識(shí)別感興趣區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組織類型；超聲換能器，其配置成聚焦超聲束以消融已識(shí)別組織的至少一部分；以及控制器單元，其控制超聲束到感興趣區(qū)域的輸送。
文檔編號(hào)A61N7/02GK102580260SQ20111046323
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者C·E·L·戴維斯, G·斯瓦米, H·W·林, N·蘇布拉馬尼亞姆, N·蘇布拉馬尼安, 范穎 申請(qǐng)人:通用電氣公司