專利名稱：基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的測量方法，特別是一種基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法。
背景技術(shù)：
對生物組織的實(shí)時(shí)無損溫度測量是生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。熱療中溫度測量的實(shí)時(shí)性和精度將直接影響到腫瘤熱療的療效?，F(xiàn)有的無損溫度測量方法包括在時(shí)域、頻域，或者能量域上從超聲回波信號(hào)提出溫度信息，進(jìn)行無損測溫。由于生物組織的差異性以及在不同溫度區(qū)域表現(xiàn)的特性不同，試圖在所有溫度段，用單一的方法實(shí)現(xiàn)無損測溫是非常困難的。高精度，高分辨率，實(shí)時(shí)性仍是人們努力的目標(biāo)。
對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Zhigang Sun，Hao Ying在“A multi-gatetime-of-flight technique for estimation of temperature distribution inheatedtissue”(通過多門時(shí)間技術(shù)對加熱組織進(jìn)行溫度分布的估測)，theoryand computer simulation Ultrasonics 37(1999)107-122(超聲波理論及超聲波電腦模擬)中提出了基于時(shí)移的溫度提取方法非常直觀，但在實(shí)際操作中該方法很難實(shí)現(xiàn)，主要原因包括該方法需要在組織中存在兩個(gè)以上相對靜止的反射介質(zhì)，這在臨床操作當(dāng)中并不容易獲得；時(shí)間點(diǎn)上的精確測量比較困難；溫度分辨率低，它將兩個(gè)反射介質(zhì)間真正的溫度分布和由溫度引起的聲速差異取了平均。
由Ralf Seip，Emad S.Ebbini在“Noninvasive Estimation of TissueTemperature Response to Heating Fields Using Diagnostic Ultrasound”(通過診斷用超聲波針對組織對加熱場的溫度反應(yīng)進(jìn)行非侵入性估測)，1995 IEEETransactions on Biomedical Engineering Vol.42，No.8(IEEE生物醫(yī)學(xué)工程會(huì)報(bào))中提出的基于頻移的無損測溫技術(shù)是現(xiàn)有技術(shù)中比較經(jīng)典的方法之一。但其在實(shí)際應(yīng)用中有很多問題生物組織與實(shí)驗(yàn)樣品有很大差異，生物組織散射粒子規(guī)則性較差，規(guī)則散射較弱；自相關(guān)譜中共振峰不太明顯且受數(shù)據(jù)長度和階次的影響較大。這些特性都阻礙了該方法在實(shí)際測量中的應(yīng)用。
此外，由牛金海，張紅煊，王鴻章等在“基于離散隨機(jī)介質(zhì)平均散射聲功率的無損測溫方法”聲學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26(3)247-250中提出的基于能量的超聲無損測溫技術(shù)，雖然能夠有效解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，但其缺點(diǎn)是空間分辨率較差。
上述現(xiàn)有技術(shù)中的無損測溫方法存在的一個(gè)共同的缺點(diǎn)即試圖在所有溫度測溫范圍內(nèi)采用單一方法進(jìn)行估計(jì)組織溫度。這是非常困難的，因?yàn)樯锝M織具有很大的差異性，而且不同的溫度生物組織的超聲特性也不同(如，B超圖像的灰階，A超的散射特性等)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法。使其取代以往的溫度測量方法，對生物組織特性進(jìn)行分類，對測溫的組織區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，對于不同的加熱區(qū)域采用不同的組織特征參數(shù)進(jìn)行溫度估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對組織體精確、無損和實(shí)時(shí)測溫。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明通過采用醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備取得組織體的實(shí)時(shí)圖像，獲取溫度區(qū)域下的組織特征參數(shù)。在實(shí)時(shí)測溫前，使用這些已知的測量參數(shù)，對該組織特征參數(shù)-組織溫度進(jìn)行線性擬合，得到擬合參數(shù)；在實(shí)施無損測溫過程中，利用擬合參數(shù)，以及組織溫度-組織特征參數(shù)關(guān)系，從B超圖像或者A超散射信號(hào)中反推分析得到組織溫度。最終通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示二維溫度分布圖像。
所述的組織特征，是指被測肝臟，肌肉，脂肪等組織的生理特征。
所述的組織特征參數(shù)，是指超聲波速度、溫度-灰度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所述的線性擬合，是指根據(jù)被測組織的不同生理特征，將其中相同類的組織在不同溫度下測得的超聲散射系數(shù)、超聲速度系數(shù)、超聲吸收系數(shù)、B超灰度級(jí)別系數(shù)分別對應(yīng)組織溫度，獲得不同組織溫度與上述系數(shù)之間的線性關(guān)系，即組織特征參數(shù)＝擬合參數(shù)A×溫度+擬合參數(shù)B。
所述的溫度區(qū)域，是指焦點(diǎn)區(qū)域，近焦區(qū)域，遠(yuǎn)焦區(qū)域。
其中焦點(diǎn)區(qū)域，是大于100℃加熱的焦點(diǎn)區(qū)域，溫度最高；近焦區(qū)域，是75℃-55℃，溫度次之；遠(yuǎn)焦區(qū)域，是45℃-37℃。溫度最低。
測量溫度區(qū)域的超聲散射系數(shù)、超聲速度、超聲吸收、B超灰度級(jí)與組織溫度的關(guān)系，擬合得到組織溫度-組織特征參數(shù)的關(guān)系參數(shù)。
所述的通過擬合和反推的方法，是指無損測溫過程中，首先，通過B超圖像可以得到組織灰度級(jí)等，針對大于100℃，75℃-55℃，45℃-37℃不同溫度范圍，得到溫度-組織特征的關(guān)系參數(shù)。擬合關(guān)系表達(dá)式為組織特征參數(shù)＝擬合參數(shù)A×溫度+擬合參數(shù)B擬合實(shí)現(xiàn)方法為通過實(shí)驗(yàn)可以得到，N組溫度-組織特征參數(shù)的關(guān)系樣本，(組織特征參數(shù)0，溫度0)，(組織特征參數(shù)1，溫度1)，(組織特征參數(shù)2，溫度2)，…(組織特征參數(shù)N，溫度N)。代入上式，得到下面方程組組織特征參數(shù)0＝擬合參數(shù)A×溫度0+擬合參數(shù)B組織特征參數(shù)1＝擬合參數(shù)A×溫度1+擬合參數(shù)B組織特征參數(shù)2＝擬合參數(shù)A×溫度2+擬合參數(shù)B……組織特征參數(shù)N＝擬合參數(shù)A×溫度N+擬合參數(shù)B求解上述方程組，可以得到最優(yōu)的擬合參數(shù)A以及擬合參數(shù)B。
其次，在無損測溫實(shí)施過程中，使用上述得到的擬合參數(shù)A，以及擬合參數(shù)B。
同時(shí)，所述的反推，是指當(dāng)從B超圖像得到組織特征參數(shù)，組織溫度-組織特征關(guān)系式中，只有組織溫度是未知的，對組織溫度-組織特征關(guān)系做變換，得到組織溫度的反推公式組織溫度＝(組織特征參數(shù)-擬合參數(shù)B)/擬合參數(shù)A這樣，就得到組織溫度信息，最后得到一幅被測組織的二維溫度分布圖，通過計(jì)算機(jī)顯示屏幕上。
本發(fā)明首先根據(jù)被測組織的不同生理特征進(jìn)行分類，將其中相同類的組織在不同溫度下測得的超聲散射、超聲速度、超聲吸收、B超灰度級(jí)別系數(shù)，分別按照其對應(yīng)組織溫度進(jìn)行排列，得出溫度與系數(shù)的線型關(guān)系，即組織特征參數(shù)＝擬合參數(shù)A×溫度+擬合參數(shù)B。通過對其進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)擬合參數(shù)A(斜率)及擬合參數(shù)B(補(bǔ)償)。按照溫度進(jìn)行空間分區(qū)測量焦點(diǎn)區(qū)、近焦點(diǎn)區(qū)、遠(yuǎn)焦點(diǎn)區(qū)三個(gè)區(qū)域，建立超聲散射、超聲速度、超聲吸收、B超灰度級(jí)系數(shù)與組織溫度的關(guān)系。擬合得到溫度-組織特征參數(shù)的關(guān)系參數(shù)。通過擬合參數(shù)反推，在無損測溫實(shí)施過程中，通過B超圖像可以得到組織灰度級(jí)等，針對大于100℃，75℃-55℃，45℃-37℃不同溫度范圍，獲得組織溫度信息，通過顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上的二維溫度分布圖，用于實(shí)際腫瘤熱療。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠在無損組織的情況下，獲得較高的精度和較快的實(shí)時(shí)性。對于不同特征的組織以及不同加熱區(qū)域，選擇不同組織特征參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以保證較高的測溫精度，測溫精度將達(dá)到0.5℃。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例效果圖具體實(shí)施例下面對本發(fā)明做詳細(xì)說明，本實(shí)例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)例。
如圖1所示，整個(gè)實(shí)例實(shí)現(xiàn)過程如下(以肝臟組織，灰度測溫為例)具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)測試不同生物組織(如，各個(gè)年齡段人體肝臟，脂肪，病變腫瘤等組織)，在不同溫度段(如，大于100℃，75℃-55℃，45℃-37℃)的組織特征參數(shù)，如超聲散射系數(shù)，灰度值，超聲衰減系數(shù)等，獲得這些參數(shù)與溫度的關(guān)系。以B超灰度為例，表達(dá)式為Y＝A×X+B (1)其中Y是超聲圖像灰度級(jí)，A，B是擬合參數(shù)，X是組織溫度。通過大量實(shí)驗(yàn)測試Y與X的值，通過擬合可以得到表達(dá)Y與X的關(guān)系的參數(shù)A和B。在臨床實(shí)際測溫過程中Y(超聲圖像的灰度級(jí))是已知的(可以從B超圖像中得到)。根據(jù)公式(1)擬合得到組織溫度與灰度的關(guān)系曲線以及擬合系數(shù)，本例肝臟組織的灰度-溫度關(guān)系曲線擬合系數(shù)為A＝2.000，B＝40.000。于是得到公式(1)在本實(shí)例中的表達(dá)為Y＝2.000×X+40.000。
通過公式(1)，以及實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)A，B，就可以反推出組織的溫度X，實(shí)現(xiàn)無損測溫。不同組織的超聲參數(shù)(如超聲速度，吸收系數(shù)等)，在沒有獲得人體組織第一手參數(shù)之前，哺乳動(dòng)物的參數(shù)可做參考，如下表1所示表1、哺乳動(dòng)物的超聲組織特征參數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)，測量不同生物組織(本例為肝臟組織)，在不同溫度段(本例為45℃-27℃)的組織特征參數(shù)(本例為超聲圖像灰階參數(shù))。
表2溫度-灰度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)根據(jù)腫瘤熱療加熱方式不同(如，聚焦加熱)，把生物組織在空間上進(jìn)行分區(qū)為a)焦點(diǎn)區(qū)域，b)近焦點(diǎn)區(qū)域，以及c)遠(yuǎn)焦點(diǎn)區(qū)域，如圖1。
以高強(qiáng)度聚焦超聲為例a)焦點(diǎn)區(qū)域大約為半徑3mm的圓心區(qū)域，焦點(diǎn)區(qū)域的溫度最高達(dá)到100℃以上，這個(gè)區(qū)域定義為焦點(diǎn)區(qū)域；b)焦點(diǎn)區(qū)域外圍環(huán)狀半徑在3mm-10mm之間的區(qū)域?yàn)?，為近焦區(qū)域，溫度在75℃左右；c)半徑大于10mm區(qū)域溫度在45℃-37℃之間為遠(yuǎn)焦區(qū)域，參見圖1。從B超聲儀讀取得被測組織的無損實(shí)時(shí)圖像，從圖像中可以知道被測組織的灰度，本例為112，即Y＝112。
3)將1)得到的大于100℃的高溫區(qū)域的組織特征參數(shù)(A，B)用于焦點(diǎn)區(qū)域，75℃-55℃的中溫區(qū)域參數(shù)(A，B)用于近焦點(diǎn)區(qū)域，45℃-37℃的低溫區(qū)域參數(shù)(A，B)用于遠(yuǎn)焦點(diǎn)區(qū)域，通過公式(1)，可以計(jì)算出不同區(qū)域的溫度X，并用于溫度控制。具體實(shí)現(xiàn)方法公式(1)中不同溫度區(qū)域的參數(shù)A，B的值，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得，為先驗(yàn)參數(shù)。Y為圖像的灰度，可以從B超圖像得到，且是已知量，通過公式(1)可以估計(jì)出組織的溫度X，具體公式如下。
X＝(Y-B)/A (2)根據(jù)公式(2)可以得到，遠(yuǎn)焦點(diǎn)區(qū)的溫度信息。組織的溫度X＝(Y-B)/A＝(112-40)/2＝36.0℃。重復(fù)上述步驟，可以得到整個(gè)B超圖像區(qū)域范圍內(nèi)的溫度分布。將得到的溫度值繪制成二維溫度分布圖。得到二維實(shí)時(shí)組織溫度分布圖，最終顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，用于腫瘤熱療的溫度監(jiān)控。如附圖1所示。
權(quán)利要求
1.一種基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征在于，通過采用醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備取得組織體的實(shí)時(shí)圖像，獲取組織特征和溫度區(qū)域下的組織特征參數(shù)，通過線性擬合，得到組織溫度-組織特征的關(guān)系參數(shù)，在實(shí)時(shí)測溫時(shí)，使用這些已知的擬合參數(shù)，通過組織溫度-組織特征的關(guān)系，從B超圖像或者A超散射信號(hào)反推分析得到組織溫度，最終通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示二維溫度分布圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的組織特征，是指被測組織的超聲溫度生理特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的組織特征，其參數(shù)是指超聲波速度、溫度-灰度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的線性進(jìn)行擬合，是指根據(jù)被測組織的生理特征，將其中相同類的組織在不同溫度下測得的超聲散射、超聲速度、超聲吸收、B超灰度級(jí)別系數(shù)分別對應(yīng)組織溫度，獲得不同組織溫度與上述參數(shù)之間的關(guān)系參數(shù)，組織特征參數(shù)＝擬合參數(shù)A×溫度+擬合參數(shù)B。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的溫度區(qū)域，是指焦點(diǎn)區(qū)域，近焦區(qū)域，遠(yuǎn)焦區(qū)域；焦點(diǎn)區(qū)域，是大于100℃加熱的焦點(diǎn)區(qū)域；近焦區(qū)域，是75℃-55℃；遠(yuǎn)焦區(qū)域，是45℃-37℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者5所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，測量溫度區(qū)域的超聲散射、超聲速度、超聲吸收、B超灰度級(jí)與組織溫度的關(guān)系，擬合得到溫度-組織特征參數(shù)的關(guān)系參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的通過擬合和反推的方法，是指無損測溫過程中，首先，通過B超圖像可以得到組織灰度級(jí)等，針對大于100℃，75℃-55℃，45℃-37℃不同溫度范圍，得到溫度-組織特征的關(guān)系參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者7所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的通過擬合和反推的方法，其關(guān)系表達(dá)式為組織特征參數(shù)＝擬合參數(shù)A×溫度+擬合參數(shù)B。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者7所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的擬合，其實(shí)現(xiàn)方法為通過實(shí)驗(yàn)可以得到N組，組織特征參數(shù)-溫度的關(guān)系樣本組織特征參數(shù)0，溫度0，組織特征參數(shù)1，溫度1，組織特征參數(shù)2，溫度2，…組織特征參數(shù)N，溫度N，代入上式，得到下面方程組組織特征參數(shù)0＝擬合參數(shù)A×溫度0+擬合參數(shù)B組織特征參數(shù)1＝擬合參數(shù)A×溫度1+擬合參數(shù)B組織特征參數(shù)2＝擬合參數(shù)A×溫度2+擬合參數(shù)B……組織特征參數(shù)N＝擬合參數(shù)A×溫度N+擬合參數(shù)B求解得到最優(yōu)的擬合參數(shù)A以及擬合參數(shù)B，無損測溫實(shí)施過程中，使用上述得到的擬合參數(shù)A，以及擬合參數(shù)B。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或者7所述的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，其特征是，所述的反推，是指當(dāng)從B超圖像得到組織特征參數(shù)，組織溫度-組織特征關(guān)系式中，只有組織溫度是未知的，對組織溫度-組織特征關(guān)系做變換，得到組織溫度的反推公式組織溫度＝(組織特征參數(shù)-擬合參數(shù)B)/擬合參數(shù)A這樣，就得到組織溫度信息，最后得到一幅被測組織的二維溫度分布圖，通過計(jì)算機(jī)顯示屏幕上。
全文摘要
一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的基于組織特征的分段式實(shí)時(shí)無損溫度測量方法，通過采用醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備取得組織體的實(shí)時(shí)圖像，獲取組織特征和溫度區(qū)域下的組織特征參數(shù)，通過線性擬合，得到組織溫度－組織特征的關(guān)系參數(shù)。在實(shí)時(shí)測溫時(shí)，使用這些已知的擬合參數(shù)，通過組織溫度－組織特征的關(guān)系，從B超圖像或者A超散射信號(hào)反推分析得到組織溫度，最終通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示二維溫度分布圖像。本發(fā)明能夠在無損組織的情況下，獲得較高的精度和較快的實(shí)時(shí)性。對于不同特征的組織以及不同加熱區(qū)域，選擇不同組織特征參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以保證較高的測溫精度，測溫精度將達(dá)到0.5℃。
文檔編號(hào)G01K11/24GK101055213SQ20071004148
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者牛金海, 蕭翔麟, 王清宇, 李威, 陶侃, 喬木 申請人:上海交通大學(xué)