本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理、超聲波溫度成像，射頻燒灼
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及用于射頻燒灼手術(shù)中，基于窗口調(diào)制Nakagami成像和高斯多項式擬合的監(jiān)測射頻消融設(shè)備及算法研究。
背景技術(shù)：
：在醫(yī)學(xué)研究上，超聲波圖像主要應(yīng)用于胎兒產(chǎn)檢、乳房超聲波檢測[1]、觀測血管中血液流動和觀察內(nèi)臟器官的運(yùn)動[2,3]等；超聲波儀器的換能器中心頻率介于5MHz到15MHz之間。其中用于圖像監(jiān)控的主要的成像方式包括A模式(amplitudemodulation)、B模式(brightnessmodulation)、M模式(motionmodulation)與多普勒模式；其中尤以B模式的應(yīng)用最為廣泛。超聲波圖像的工作原理主要是由換能器發(fā)送超聲波信號，然后超聲波信號由器官組織反射之后，再由脈沖反射技術(shù)(pulseechotechnique)將這些超聲波反射信號回傳至超音波換能器，經(jīng)由換能器然后經(jīng)過算法處理之后在儀器上成像。原發(fā)性肝癌是最目前最常見的肝臟惡性腫瘤，其發(fā)病率在世界范圍內(nèi)日益增加，因?yàn)橐倚秃捅透窝撞《靖腥镜陌l(fā)病率越來越高。手術(shù)切除和肝移植被認(rèn)為是目前治療肝細(xì)胞癌的主要治療方法。然而，只有少數(shù)患者適合手術(shù)。因此，制定一個有效的和安全的治療肝癌的治療策略是至關(guān)重要的[1-3]。射頻消融療法(radiofrequencyablation)是一種創(chuàng)傷小、造價低、并應(yīng)用于臨床的最成功的治療原發(fā)性肝癌的熱治療法之一[4]。在治療的過程中，醫(yī)生會把一個消融電極插入到病人的癌變部位，然后通過儀器控制功率來對病人的癌變部位治療。因此在治療過程中觀察電極加熱的范圍的大小至關(guān)重要，必須把加熱范圍控制到最合適的范圍才能保證對病人造成最小的術(shù)后創(chuàng)傷。而Nakagami成像方式是現(xiàn)在監(jiān)測視頻消融的成像方法中的精度較高的一種成像算法。超聲Nakagami參數(shù)圖的有效描述了肝組織的統(tǒng)計性質(zhì)，之前的研究也充分驗(yàn)證了使用在Nakagami圖像上使用滑動窗口來監(jiān)測射頻消融的方法的可行性。同時，基于Nakagami分布統(tǒng)計模型的Nakagami成像也是一種有效補(bǔ)充常規(guī)B模型的方法[5]。之前有過研究采用Nakagami成像結(jié)合多項式逼近法成功地應(yīng)用于監(jiān)測射頻消融。但是該方法存在著很多受限的地方[6]。首先，雖然多項式應(yīng)用Nakagami圖像可以有效的擬合射頻消融區(qū)域，但是不可避免的會影響射頻區(qū)域的檢測。因此，我們應(yīng)該對其他擬合方法如高斯近似和最小二乘近似的可行性進(jìn)行評估。其次，此研究應(yīng)用的是傳統(tǒng)Nakagami成像算法，因?yàn)槭褂玫拇翱谳^大，傳統(tǒng)的Nakagami影像不提供高圖像分辨率和平滑，導(dǎo)致手術(shù)中監(jiān)測圖像質(zhì)量差。參考文獻(xiàn)：1.H.Tsukuma,T.Hiyama,S.Tanaka,M.Nakao,T.Yabuuchi,T.Kitamura,K.Nakanishi,I.Fujimoto,A.Inoue,H.YamazakiandT.Kawashima,“Riskfactorsforhepatocellularcarcinomaamongpatientswithchronicliverdisease,”NEnglJMed.,328(25):1797-801,1993。2.F.X.Bosch,J.Ribes,M.DíazandR.Cléries,“Primarylivercancer:worldwideincidenceandtrends,”Gastroenterology,127:S5-S16,2004。3.F.X.Bosch,J.Ribes,M.DíazandR.Cléries,“Primarylivercancer:worldwideincidenceandtrends,”Gastroenterology,127:S5-S16,2004。4.TonyHsiu-Hsi,C.,Chien-Jen,C.,Ming-Fang,Y.,Sheng-Nan,L.,Chien-An,S.,&GuanTarn,H.,etal.(2002).Ultrasoundscreeningandriskfactorsfordeathfromhepatocellularcarcinomainahighriskgroupintaiwan..InternationalJournalofCancerJournalInternationalDuCancer,98(2),257–261。5.H.C.Holfman,StatisticalMethodsonRadioWavePropagation,NewYork:PergamonPress,1960。6.C.Y.Wang,X.Geng,T.S.Yeh,H.L.LiuandP.H.Tsui,“MonitoringradiofrequencyablationwithultrasoundNakagamiimaging,”Med.Phys.,40:072901,2013。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種提高監(jiān)測射頻消融手術(shù)電極位置和加熱范圍的分辨率的方法。該方法可以有效提高監(jiān)測射頻消融手術(shù)中加熱范圍，提高了射頻消融手術(shù)的殺死癌細(xì)胞范圍的準(zhǔn)確性，有效改善監(jiān)測效果。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，窗口調(diào)制結(jié)合高斯多項式擬合監(jiān)測射頻消融設(shè)備，在超聲波儀器的換能器上設(shè)置有如下模塊：(1)幀數(shù)據(jù)設(shè)置模塊，通過超聲波成像系統(tǒng)得到M幀超聲波信號數(shù)據(jù)，并且設(shè)置第一幀數(shù)據(jù)為j＝1；(2)包絡(luò)圖像獲取模塊，通過希爾伯特轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，取轉(zhuǎn)換信號的絕對值，從而得到消融組織的射頻信號的包絡(luò)圖像；(3)Nakagami圖像形成模塊，利用N個窗來形成Nakagami圖像：假設(shè)W(x,y)為Nakagami圖像，x和y分別代表Nakagami圖像的橫縱坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為左上角，并且Wj1(x,y),Wj2(x,y),Wj3(x,y),…,和WjN(x,y)代表第j個數(shù)據(jù)幀中，滑動窗從1增加到N倍的換能器的脈沖長度計算得到的Nakagami影像。然后，第j幀的窗口復(fù)合Nakagami圖像Wjm(x,y)通過以下公式獲得：Wjm(x,y)=1NΣi=1NWji(x,y)---(1)]]>(4)復(fù)合Nakagami圖像獲取模塊，用于在j從2增加到M，重復(fù)調(diào)用模塊(2)和(3)，然后就得到了M幀窗口復(fù)合Nakagami圖像:W1m(x,y),W2m(x,y),W3m(x,y),…,和WMm(x,y)；(5)時間復(fù)合圖像ImgT(temporalcompoundingimage)獲取模塊，是通過將所有的由(4)步得到的窗口復(fù)合Nakagami圖像相加并求均值得到時間復(fù)合圖像ImgT；(6)對得到的時間復(fù)合圖像ImgT應(yīng)用一維高斯多項式進(jìn)行后處理，得到的圖像用來監(jiān)測射頻消融。窗口調(diào)制結(jié)合高斯多項式擬合監(jiān)測射頻消融方法，步驟是，(1)通過超聲波成像系統(tǒng)得到M幀超聲波信號數(shù)據(jù)，并且設(shè)置第一幀數(shù)據(jù)為j＝1；(2)通過希爾伯特轉(zhuǎn)換，取轉(zhuǎn)換信號的絕對值，從而得到消融組織的射頻信號的包絡(luò)圖像；(3)利用N個窗來形成Nakagami圖像：假設(shè)W(x,y)為Nakagami圖像，并且Wj1(x,y),Wj2(x,y),Wj3(x,y),…,和WjN(x,y)代表第j個數(shù)據(jù)幀窗口邊長Nakagami影像從1增加到N倍的換能器的脈沖長度，W代表第j個數(shù)據(jù)幀的Nakagami圖像，并且伴隨著窗口寬度從1增加到N倍的換能器脈沖長度，然后，第j幀的窗口復(fù)合Nakagami圖像Wjm(x,y)可以通過公式(1)獲得.(4)j從2增加到M，重復(fù)步驟(2)和(3)，然后就得到了M幀窗口復(fù)合Nakagami圖像:W1m(x,y),W2m(x,y),W3m(x,y),…,和WMm(x,y)；(5)時間復(fù)合圖像ImgT(temporalcompoundingimage)是通過將所有的由(4)步得到的窗口復(fù)合Nakagami圖像相加并求均值得到；(6)對得到的時間復(fù)合圖像ImgT應(yīng)用一維高斯多項式進(jìn)行后處理，得到的圖像用來監(jiān)測射頻融。利用N個窗來形成Nakagami圖像即窗口調(diào)制復(fù)合Nakagami成像(WMCNakagamiimaging)步驟具體是，在Nakagami分布中，逆散射信號包絡(luò)R的概率密度函數(shù)的定義如下：f(R)=2mmR2m-1Γ(m)Ωmexp(-mΩR2)U(R)---(2)]]>Γ和U分別是gamma函數(shù)和單位步進(jìn)函數(shù)，Ω為縮放參數(shù)，m是與Nakagami分布相關(guān)的自定義參數(shù)，如果E代表期望，那么Ω和與m由下式得到：Ω＝E(R2)(3)和m=E2(R2)Var(R2)---(4)]]>在獲取縮放參數(shù)Ω和Nakagami參數(shù)m后，采用Nakagami模型來描述超聲波逆散射子的分布情況。使用一個正方形窗來掃描整個超聲波信號包絡(luò)圖像，然后把正方形窗口的計算值作為正方形窗所在位置的像素，窗口長度是換能器脈沖長度的3倍能得到較好的效果。高斯多項式擬合具體是，Nakagami影像擁有眾多的行和列，對于任何一行或列包含n個數(shù)據(jù)點(diǎn)，表示為坐標(biāo)形式：(xi,yi),i＝1,2,3…,n，其中xi,yi分別為第i個數(shù)據(jù)點(diǎn)橫縱坐標(biāo)軸的坐標(biāo)，如果一個隨機(jī)變量X服從高斯分布，并且均值和方差分別為μ和σ2，μ∈R和σ>0，并且X具有連續(xù)分布的概率密度函數(shù)yi:yi=A×exp(-(xi-μ)22σ2)---(5)]]>A代表高斯函數(shù)的振幅，對(5)式兩邊取自然對數(shù)得：lnyi=(lnA-μ22σ2)+xiμσ2-xi22σ2---(6)]]>令然后方程(7)可以用矩陣形式表示：z1z2...zn=1x1x121x2x22.........1xnxn2b0b1b2---(8)]]>簡寫為：Z＝XB(9)其中矩陣Z,X和B分別為為式(7)的矩陣簡寫形式。線性方程(9)的最小二乘解為：B＝(XTX)-1XTZ(10)一維高斯分布的μ和σ可以通過式(7)和(10)的結(jié)合得到。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：因而本發(fā)明可以有效提高監(jiān)測射頻消融手術(shù)中加熱范圍，提高射頻消融手術(shù)的殺死癌細(xì)胞范圍的準(zhǔn)確性，手術(shù)中監(jiān)測圖像質(zhì)量良好，有效改善監(jiān)測效果。附圖說明：圖1為:改進(jìn)的監(jiān)測射頻消融算法流程圖。圖2為：實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明采取的技術(shù)方案是窗口調(diào)制Nakagami成像和高斯多項式擬合相結(jié)合的監(jiān)測射頻消融算法。1.1窗口調(diào)制復(fù)合Nakagami成像Nakagami分布模型最初是用來描述雷達(dá)回波的統(tǒng)計，之后，Hampshire提出了利用Nakagami統(tǒng)計模型的參數(shù)分析超聲逆散射信號。在Nakagami分布中，逆散射信號包絡(luò)R的概率密度函數(shù)的定義如下：f(R)=2mmR2m-1Γ(m)Ωmexp(-mΩR2)U(R)---(11)]]>Γ和U分別是gamma函數(shù)和單位步進(jìn)函數(shù)，Ω為縮放參數(shù)，m是與Nakagami分布相關(guān)的自定義參數(shù)。如果E代表期望，那么Ω和與m由下式得到：Ω＝E(R2)(3)和m=E2(R2)Var(R2)---(4)]]>逆散射信號的統(tǒng)計特性取決于散射子的特性。當(dāng)傳感器的分辨率單元含有大量隨機(jī)分布的散射子，那么概率密度函數(shù)符合瑞利分布。如果分辨率單元包含散射子擁有的隨機(jī)變化的散射截面和較高程度的方差，那么概率密度函數(shù)符合前瑞利分布。當(dāng)分辨率單元包含周期性的散射子和隨機(jī)分布的散射子的時候，那么概率密度函數(shù)符合后瑞利分布。Nakagami參數(shù)從0到1的變化展現(xiàn)了包絡(luò)的概率密度函數(shù)從前瑞利分布到后瑞利分布的變化過程。因此Nakagami模型完全可以用來描述超聲波逆散射子的分布情況。之前的研究中，都會使用一個正方形窗來掃描整個超聲波信號包絡(luò)圖像，然后把正方形窗口的計算值作為正方形窗所在位置的像素。大窗可以有穩(wěn)定的Nakagami參數(shù)(m)估計并提高圖像的平滑性，但是同時會損失大量的圖像分辨率，相對而言小窗口可以提高圖像的分辨率。綜合來講，窗口長度是換能器脈沖長度的3倍能得到相對而言較好的效果。1.2高斯多項式擬合得到窗口調(diào)制的Nakagami影像之后，我們使用一維高斯多項式對其進(jìn)行擬合，期望得到更好的成像效果，從而完成對消融區(qū)域更加精確的估計。高斯多項式擬合是基于多項式擬合的方法，包括在軸向和橫向方向分別找到最佳的高斯函數(shù)。Nakagami圖像擁有眾多的行和列，對于任何一行(或列)包含n個數(shù)據(jù)點(diǎn)，它可以表示為：(xi,yi),(i＝1,2,3…,n)。其中xi,yi分別為Nakagami圖像的矩陣坐標(biāo)表示。如果一個變量X服從高斯分布，并且均值和方差分別為μ和σ2(μ∈R和σ>0)，并且X具有連續(xù)分布的概率密度函數(shù):yi=A×exp(-(xi-μ)22σ2)---(14)]]>A代表高斯函數(shù)的振幅。對(14)式兩邊取自然對數(shù)得：lnyi=(lnA-μ22σ2)+xiμσ2-xi22σ2---(15)]]>令lnyi=zi,lnA-μ22σ2=b0,μσ2=b1,-12σ2=b2---(16)]]>然后方程(16)可以用矩陣形式表示：z1z2...zn=1x1x121x2x22.........1xnxn2b0b1b2---(17)]]>可以簡寫為：Z＝XB(18)其中矩陣Z,X和B分別為為式(17)的矩陣簡寫形式。則線性方程(18)的最小二乘解為：B＝(XTX)-1XTZ(19)因此一維高斯分布的μ和σ可以通過式(17)和(19)的結(jié)合得到。1.3改進(jìn)的監(jiān)測射頻消融算法流程下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。改進(jìn)的監(jiān)測射頻消融算法(圖1)可以分為六步來說明:1.通過超聲波成像系統(tǒng)得到M幀超聲波信號數(shù)據(jù)，并且設(shè)置第一幀數(shù)據(jù)為j＝1。2.通過希爾伯特轉(zhuǎn)換，取轉(zhuǎn)換信號的絕對值，從而得到消融組織的射頻信號的包絡(luò)圖像。3.Nakagami圖像形成模塊，利用N個窗來形成Nakagami圖像：假設(shè)W(x,y)為Nakagami圖像，x和y分別代表Nakagami圖像的橫縱坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為左上角。并且Wj1(x,y),Wj2(x,y),Wj3(x,y),…,和WjN(x,y)代表第j個數(shù)據(jù)幀中，滑動窗從1增加到N倍的換能器的脈沖長度計算得到的Nakagami影像。然后，第j幀的窗口復(fù)合Nakagami圖像Wjm(x,y)通過以下公式獲得：Wjm(x,y)=1NΣi=1NWji(x,y)---(20)]]>4.j從2增加到M，重復(fù)步驟(2)和(3)。然后我們就得到了M幀窗口復(fù)合Nakagami圖像:W1m(x,y),W2m(x,y),W3m(x,y),…,和WMm(x,y)。5.時間復(fù)合圖像ImgT是通過將所有的由(4)步得到的窗口復(fù)合Nakagami圖像相加并求均值得到。6.對得到的時間復(fù)合圖像(temporalcompoundingimage)ImgT應(yīng)用一維高斯多項式進(jìn)行后處理，得到的圖像用來監(jiān)測射頻消融。下面是一個具體實(shí)例。射頻消融治療前將豬肝臟樣品切成適當(dāng)大小，放入一個充滿生理鹽水的塑料盒，然后消融電極通過一個小孔插入到離體肝臟內(nèi)部。粘土材料被用來避免鹽水溶液泄漏。超聲波探頭被放置在肝臟和浸泡在鹽水溶液中，換能器和樣品之間的距離取決于換能器的焦距，這是可調(diào)的。因此，樣品可以位于在超聲的掃描的焦點(diǎn)區(qū)域。然后超聲波系統(tǒng)打開，就可以發(fā)現(xiàn)電極的位置。在射頻消融的過程中，超生波系統(tǒng)的換能器不停的捕獲由豬肝組織散射的逆散射信號，然后再經(jīng)由換能器捕獲之后，由超聲波自帶的軟件系統(tǒng)自動保存為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。然后我們就可以通過對這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)的處理得到超聲波圖像。射頻消融系統(tǒng)在默認(rèn)的自動模式操作，開始在50W/min，之后自動增加10W/分鐘，因?yàn)楦咦杩购蜕漕l系統(tǒng)的輸出對不同的電極長度是相同的。在加熱階段(12分鐘)，原始的RF數(shù)據(jù)分別從組織中獲得，包括256個掃描超聲逆散射信號線。采樣頻率和脈沖長度被設(shè)置為30兆赫和0.7毫米。加熱階段后，射頻消融系統(tǒng)自動停止工作。然后每個電極長度(0.5，1，和1.5厘米)和5個豬肝樣品(n＝15)再分別做一次實(shí)驗(yàn)。將所得到的超聲波數(shù)據(jù)讀取到Matlab程序中，然后按照上文所述的算法進(jìn)行處理，然后得到最后的超聲波圖像，再與試驗(yàn)過程中的實(shí)際燒灼情況進(jìn)行對比，然后驗(yàn)證此算法的可行性。當(dāng)前第1頁1 2 3