基于仿体与频域单相位CBE的HIFU热点成像方法与流程

本发明属于医学图像研究领域，涉及一种高强度聚焦超声热点成像方法。

背景技术：

高强度聚焦超声(hifu)是一种无针，非电离，热消融工具。尽管早在20世纪50年代就报道了hifu的潜在临床应用，但精确定位是一个主要问题^[1]。第一个获得美国食品和药物管理局(fda)批准的hifu申请是磁共振(mr)引导的子宫纤维消融术，于2004年开始实施。从那时起，hifu引起了越来越多的关注，并且发生了显着的技术改进。

尽管mr-hifu具有积极的临床经验，并且正在进行新系统和适应症的临床试验，但超声波图像引导在简单性，便携性，可访问性和成本方面仍然特别有吸引力。声波可用于无创温度监测，因为温度的变化会影响散射介质的特性，从而改变超声波传播的声学特性，包括声速，衰减和反向散射能量。在过去的十多年中，由声速变化引起的回声偏移受到了最多的关注^[2,3]。温度变化可以通过估计接收到的回波的时间偏移来推断。此外，声衰减效应随温度而变化，可应用于组织的温度监测。与回声偏移和声衰减效应方法相比，超声逆散射能量变化(cbe)可能更适用于hifu焦斑的超声定位。cbe主要是由散射体的反向散射系数的热效应引起的；它几乎单调变化，温度从37到50℃。传统上，通过计算每个温度下的反向散射能量相对于每个像素处的参考的比率来获得cbe图像^[4]。因此，cbe成像不会累积帧间误差^[5]。基于像素到像素的cbe成像对散斑运动和超声反向散射信号的特征变化敏感；但是，如果cbe成像仅定位于可视化温度变化区域，则可能不需要运动跟踪和补偿^[6]。研究探索了使用cbe成像监测hifu的可行性，证明了cbe在hifu焦点定位中的潜力^[5]。然而，cbe成像伴随着在监测hifu时在焦斑下方发生的尾形伪影，在一定程度上降低了图像对比度^[7]。因此，考虑到cbe伪影的存在和不可避免性，我们必须努力增强cbe成像对比度以有益于hifu焦斑的定位而不牺牲表示温度变化的准确性。

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技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于cbe超声温度影像的hifu灼烧仿体成像方法，为克服cbe温度影像在hifu消融中存在的热区与背景区对比度低以及热点下方的伪影问题提供了仿真基础，技术方案如下：

一种基于仿体和频域单相位cbe的hifu热点成像方法，包括下列步骤：

1)制作石墨仿体；

2)对仿体进行hifu灼烧实验，获取rfdata矩阵；

3)利用滑窗操作将rfdata矩阵分为数个小窗；

4)将每个窗口内的信号进行傅里叶变换，获得其频域信号；

5)经过带通滤波器，截取频率范围在2.5-3.5mhz之间的频域信号；

6)找出该频域信号的最大幅值，平方后为逆散射信号的能量值；

7)通过计算与参考温度下信号能量的比值求得频域cbe值；

8)令频域cbe小于零的部分等于零，保留cbe值大于0的部分。

9)将各个点的cbe值进行插值，得到频域单相位cbe影像。

实验结果表明，与传统空间域cbe相比，频率域单相位cbe提升了热区与背景区的对比度，并且部分去除了热点下方的假影，为实现消除热点下方伪影提供了解决思路。

附图说明

附图1hifu灼烧过程中传统cbe影像

附图2hifu灼烧过程中频域单相位cbe影像

具体实施方法

本发明针对hifu灼烧仿体实验，基于传统cbe影像发展而来。通过频率域以及单相位的处理，不仅提升了cbe影像的对比度，而且部分消除了热点下方的伪影。截取特定频域范围内的信号消除了噪声的影响，取正向cbe值，有效减弱热点下方的伪影。

具体步骤如下：

1)制作石墨仿体；

2)对仿体进行hifu灼烧实验，获取rfdata；

3)滑窗操作将影像分为数个小窗；

4)将每个窗口内的信号进行傅里叶变换，获得其频域信号；

5)经过带通滤波器，截取频率范围在2.5-3.5mhz之间的频率信号；

6)找出信号的最大幅值，平方后为逆散射信号的能量值；

7)通过计算与参考温度下信号能量的比值求得频率cbe值；

8)令频率域cbe小于零的部分等于零，利用其大于零的部分进行插值成像。

实施例如下：

本实验所使用的hifu，是先由信号发生器生成2.12mhz的连续波，接着经过功率放大器将信号放大，最后把放大后的信号送往hifu探头。同时，该信号也会一并送往功率计，以监测hifu的输出功率。为了观察在不同温升下逆散射能量的变化，实验中分别调整信号产生器的振幅为130mvpp、170mvpp、210mvpp，使得hifu的输出功率控制在5w、10w、15w，以达到不同的温升范围。而每种输出功率分别收集五组仿体烧灼数据，来加以处理、分析。

诊断超声波的部分，选用terason3000，并搭配弧形探头来获取射频信号。探头之中心频率为3mhz，脉冲长度为0.7mm。在本发明中，为了能精准的监测仿体内部的温度变化，这边使用热电偶温度计，将其直接刺入仿体中，以观察热点位置的温度变化。

由于超声波需要通过介质来传递，本发明选用水做为介质来进行实验。同时，为了避免水中的微小气泡对于声波传递造成的影响，使用去气水来进行实验。因此，我们取用一个大水槽，里面装满去气水，并将仿体、hifu探头与诊断超声波探头三者，浸于水当中来进行实验。同时，为了确保每次实验的初始温度皆相同，将恒温器一并放入水槽之中，以控制水温保持在32℃。

本实验为了仿真人体软组织，以洋菜胶仿制出定量的样本，并添加石墨粉，作为仿真组织内之散射子使用。

石墨仿体的制作流程如下：

1.取200ml去气水倒入烧杯，并添加2g的洋菜胶，再加入10g之石墨粉，使其散射子浓度约为128scatterers/mm³。

2.投入磁石搅拌子并将烧杯放置于加热器上，加热并搅拌直至溶液沸腾。

3.待溶液沸腾后，将气泡以搅拌棒去除，以避免气泡造成超声波扫描时的误差。

4.关闭加热器并持续搅拌溶液，等待其冷却。

5.待溶液冷却至约30℃，将溶液倒入仿体盒，并放入冰箱冷藏，使其凝固，即完成仿体的备制。

由于为了比较超声波影像与仿体温度变化的关系，需要取得超声波射频信号以及温度信息。然而，当热电偶刺入仿体中时，由于热电偶本身材质为金属，因此在超声波灰阶影像上会出现阴影假影(shadowingartifact)，因而导致在以该射频信号进行计算时，所获得的影像与信号强度会有所偏差。

为了解决温度信息与射频信号无法同时取得之问题，本实验将分作两阶段来进行，各个阶段将分别使用hifu进行仿体的非均匀加热。第一阶段的实验中，在未置入热电偶的情况下取得超声波射频信号。在第二阶段时，刺入热电偶后再纪录仿体温度变化。并在各个阶段前，静置仿体，使其降温至背景温度32℃。

为了观察超声波影像在不同情况下的变化趋势，整个加热流程可分为三个阶段：

·第一阶段为未加热时期。在实验刚开始的30秒内，hifu尚未开启，而此时所获得的射频信号，可作为后续计算参考影像。

·第二阶段为加热期间。在实验开始后31～90秒内，此时会开启hifu来进行仿体加热，而hifu每开启十秒便关闭两秒，重复此循环五次，总计一分钟。当关闭hifu时，则是可以获得无干扰的信号，方便后续以此信号进行温度影像的计算。

·第三阶段为冷却时期。在实验开始后91～360秒内，此时hifu保持关闭，以获得仿体由高温逐渐降温的信号。

根据定义，散射能量的上升与下降，在cbe值上分别表现为正值与负值。根据频域单相位逆散射能量变化影像算法，通过取出的部分，来获得单相位逆散射能量变化影像，并能有效减少部分假影对于逆散射能量变化影像的影响。