第 3 期胡琦龙等 : 高强度聚焦超声热疗中组织损伤的一种监测方法 281 间分辨率差, 费用高, 且存在电磁兼容问题 ; 红外摄像只能测量浅表温度 ; 电阻抗法则无法提供有效的空间分辨率而超声无损测温对人体危害小抗电磁干扰能力强, 并且可以测量生物组织的二维温度场, 因此备受关注利用超声进行

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曰寿兑崔
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1 第 29 卷第 3 期声学技术 Vol.29, No 年 6 月 Technical Acoustics Jun., 2010 高强度聚焦超声热疗中组织损伤的一种监测方法胡琦龙, 李威, 陶侃, 萧翔麟, 牛金海 ( 上海交通大学生物医学工程系, 上海 ) 摘要 : 用特定频率和功率的高强度聚焦超声 (HIFU) 照射离体猪肉组织, 研究了焦点区域的 B 超图像变化与 HIFU 导致的组织损伤之间的关系, 并研究了 M 超信号变化和温度的相关性结果表明 : 逐渐增加 HIFU 照射次数, 焦点区域组织变性,B 超图像发生明显改变靶区内灰度超过设定的阈值的区域面积增大, 区域内灰度升高, 两者均与照射次数成近似线性关系 ; 模拟加热实验中 M 超信号也随温度升高而变化, 其变化较 B 超更显著与以往的方法相比, 实验系统可以实时地检测到组织损伤的程度和范围, 提供了一种新的可视化的 HIFU 治疗实时监测方法关键词 : 高强度聚焦超声 ;B 超图像 ;M 超信号 ; 组织损伤 ; 无损测温中图分类号 :R318 文献标识码 :A 文章编号 : (2010) DOI 编码 : /j.issn Ultrasonic tissue lesion monitoring in HIFU hyperthermia HU Qi-long, LI Wei, TAO Kan, XIAO Xiang-lin, NIU Jin-hai (Biomedical Engineering Department of Shanghai Jiaotong University, Shanghai , China) Abstract: An experimental study of ultrasonic tissue lesion monitoring has been conducted. The high intensity focused ultrasound (HIFU) of specific power and frequency is focused on porcine tissue in vitro, and meanwhile the B-scan ultrasonic images of the focusing area are acquired and processed to find out the relationship between the image change and the tissue lesion and a method for monitoring the tissue lesion with B-scan ultrasonic image is provided. In the simulative experiment, M-mode signals are acquired and temperatures measured by probes, and the correlation between them are studied. It is proved that after HIFU irradiation the tissue in the focusing area degenerates and the gray level rises significantly, and that more signal changes are found in M-mode than B-scan. Compared with the former methods, the experimental system could be a new visible real-time one to monitor the tissue lesion in HIFU hyperthermia. Keywords: HIFU; B-scan ultrasonic image; M-mode signal; tissue lesion; noninvasive temperature estimation 1 引言高强度聚焦超声 (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 是在常规热疗的基础上发展起来的一门新兴学科, 它将高强度的超声波聚焦在生物组织 ( 如肿瘤 ) 中的一点, 产生 65 以上的高温, 使肿瘤或其他病变组织变性并凝固坏死, 从而达到治疗的目的 [1] HIFU 治疗癌症是一种非介入性疗法, 创伤小, 减少了癌细胞转移的风险, 没有放疗和化疗的毒副作用, 另外坏死的病灶组织由周围正常组织吸收, 一定程度上可以增强病人的机体免疫力 [2] 在治疗过程中, 如果 HIFU 强度或剂量过大, 会对肿瘤周围正常的机体组织产生损伤 ; 但是剂量不够或者时间太短, 则不足以使肿瘤变性坏死, 达不到理收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 上海大学生创新活动计划资助项目 (IAP1043) 作者简介 : 胡琦龙 (1986-), 男, 山东寿光人, 本科, 研究方向为超声无损测温和图像处理通讯作者 : 牛金海, jhniu@sjtu.edu.cn 想的治疗效果因此, 为使 HIFU 安全有效地应用于临床并得到推广, 需要在治疗时实时地获得焦点区域的温度及组织损伤信息, 并以此对治疗进行监控引导和疗效评价 2 原理及方法 2.1 HIFU 治疗中的测温技术长期以来, 国内外很多学者对 HIFU 治疗中的测温方法, 尤其是如何获得焦点区域组织的温度及损伤情况做了很多探讨, 并提出了一系列的方法 [3] : 如 Chung [4] 等基于 MRI 获得表示温度分布的热图像,Markowitz [5] 等采用电阻抗法测定温度场, 另外还有采用测温探针的方法 [6], 声学反演法 [7], 基于红 [8] 外线和超声散射回波的测量方法等等但是, 这些测温方法大都存在一些缺陷, 限制了它们的应用 : 基于测温探针的有损测温法给病人带来很大痛苦, 且探针的移动会产生癌细胞医源性扩散的风险 ;MRI 可以提供高质量的诊断和引导信息, 但时

2 第 3 期胡琦龙等 : 高强度聚焦超声热疗中组织损伤的一种监测方法 281 间分辨率差, 费用高, 且存在电磁兼容问题 ; 红外摄像只能测量浅表温度 ; 电阻抗法则无法提供有效的空间分辨率而超声无损测温对人体危害小抗电磁干扰能力强, 并且可以测量生物组织的二维温度场, 因此备受关注利用超声进行 HIFU 治疗的监控, 既可利用回波分析法, 也可采用影像学的方法目前, 回波分析的方法已被深入研究, 主要有 : 基于时移的无损测温技术法, 以波群分解和分层声速模型为基础的时频分析法, 基于能量的超声无损测温技术, 基于声压谱的最优化测温技术如超声反演法由于生物组织的多样性, 以及临床上的条件与实验差异很大, 所以上述的方法难以在临床上实现实时稳定精确地测温, 因而大都未进入临床应用相比而言, 利用超声影像学监控具有以下优点 : 对病灶和周围组织的显示良好, 可同时用于引导 HIFU 准确定位 ; 对患者和医护人员无辐射损伤, 可进行连续性监控这使得超声影像学的方法具有良好的发展前景 2.2 生物组织温度与超声信号的相关性超声波在生物组织中的声学参量与组织温度之间存在相关性 [9], 超声波在生物组织中的声速衰减系数以及非线性参量 B/A 等都会随温度变化而变化 B 超探测仪采用基于超声回波强度决定亮度的成像机理, 这些声学参量的变化将会影响组织的 B 超图像和 M 超信号超声波反射系数由式 (1) 决定 : Z1 Z2 r = (1) Z1 + Z2 式 (1) 中 r 为反射系数,Z 1 和 Z 2 为超声波在反射面前后两种介质中的声特性阻抗声特性阻抗由 Z=ρ c 决定而利用 HIFU 进行肿瘤热疗时, 焦点区域肿瘤组织温度显著升高, 声速 c 改变 [9], 组织凝固坏死, 变性组织的性状如密度 ρ 也会发生变化因而在 HIFU 治疗中, 焦点区域的组织声学特性, 尤其是声特性阻抗的改变使得其回波强度发生变化, 这在 B 超图像和 M 超信号中反映为灰度的变化 2.3 装置和方法 HIFU 加热实验实验建立了一套由 B 超探测仪 HIFU 换能器功放计算机及相关控制电路和实验容器组成的模拟 HIFU 热疗和检测装置其中功放的功率可手动设置, 功放的开关可以通过软件由继电器控制,B 超图像和 M 超信号通过图像采集卡采集到计算机中, 另外还可以在软件中设置 HIFU 照射的持续时间和间隔以及次数, 从而控制剂量 HIFU 换能器和 B 超探头集成在一起组成组合探头实验材料采用新鲜的猪肉组织, 实验前用去气的生理盐水浸泡约 60min 自聚焦 HIFU 换能器工作频率设置在 1275KHz,HIFU 功放的工作电压设置在 21V( 实验系统通过调节电压增益调节功率 ), B 超探测仪的工作频率设置在 8MHz 实验进行时, 组合探头和猪肉组织均浸没在充满去气水的吸声容器中, 实验在室温下进行, 见图 1 Fig.1 图 1 组合探头和实验容器示意图 Schematic of the combined probe and the container 模拟加热实验采用基于热电偶探针的温度采集系统记录温度, 并编写相应的软件读取温度信息到计算机中实验发现,HIFU 对基于热电偶探针的温度采集系统有很大的干扰, 使温度的测量不够准确, 同时热电偶探针的声反射性很强, 在 B 超图像上将影响周围组织的超声信号故实验采用模拟 HIFU 加热离体猪肉组织并用热电偶探针检测温度, 同时用实验软件采集相应的 B 超图像和 M 超信号, 并重点分析 M 超信号的变化 3 实验结果及数据分析 3.1 B 超图像处理实验前设置 B 超探测仪的各项参数, 如适当的灰度增益和焦点位置通过软件设置 HIFU 剂量 : 每照射 0.4s, 中断 0.8s, 则 HIFU 占空比 33.3%, 照射 20 次, 总时间 24s 中断期间采集实验组织的 B 超图像和 M 超信号传输到计算机中, 采集的图像示例如图 2 共进行 23 组实验, 在处理和分析所得的图像和数据中, 选取其中一组实验为例做如下讨论焦点及其附近的小范围区域, 是 HIFU 生物学效应明显的区域, 称为 AOI(Area of Interest) 实验

3 282 声学技术 2010 年加热的区域, 统计每一幅原始图像中该区域的平均灰度随 HIFU 剂量的变化, 见图 5 可见, 被 HIFU 加热区域的平均灰度随剂量的增加而增加图 2 实验采集到的猪肉组织的 B 超图像 ( 左 ) 和 M 超信号 ( 右 ) Fig.2 B-scan ultrasonic image of porcine tissue 中, 截取焦点区域 (50 60 像素 ) 的图像对截取的图像经过中值滤波剪影灰度门限法检测边界等处理, 得到灰度变化明显的区域, 并将边界标记在原始图像中, 见图 3( 按时间顺序横向排列, 每照射一次采集一幅图像 ), 对上述区域进行像素统计, 得到区域面积的曲线如图 4 所示图 3 灰度变化明显的区域 ( 按时间顺序横向排列 ) Fig.3 Regions with remarkable gray change (horizontally arranged in chronological order) 图 5 区域平均灰度的变化随 HIFU 剂量的变化 Fig.5 The average gray of the region versus HIFU dose 检测到图像的灰度变化从几个到十几个灰度等级, 这样的变化在 B 超图像上用肉眼观测, 效果并不理想实验软件对剪影图像进行灰度增强和伪彩色处理, 可以实现良好的显示效果, 可实时判断焦点区域组织图像的变化, 见图 6 实验后, 沿 B 超平面剖开经过 HIFU 照射的猪肉组织, 发现焦点区域有白色的焦斑, 而邻近的组织以及 HIFU 经过的路径上, 均没有变性或凝固坏死现象产生, 说明 HIFU 治疗的指向性较好经过多次实验, 反复比较实验后的猪肉组织与图像并使用 B 超的测量功能, 可以确定灰度变化明显的区域与组织损伤程度的对应关系组织性状分为 : 正常 (normal) 受损 (lesion) 变性(degenerated) 过热(overheat) 四个等级, 用不同的颜色表示在伪彩色图像中, 可以用于疗效评价和治疗的监控, 见图 6 实验后猪肉组织照片如图 7 所示将全部 23 组实验的数据和图像都按照相应的程序进行处理统计结果显示 :17 次实验如上所述, 系统检测到组织损伤并与试验后解剖结果相吻合 ; 图 4 灰度变化明显区域的面积随 HIFU 剂量的变化 Fig.4 Area of the regions with remarkable gray change versus HIFU dose 由图 3 和图 4 可见, 灰度有明显变化的区域随着 HIFU 剂量 ( 照射次数 ) 的增加而逐渐变大, 显示了受 HIFU 加热的区域的增长过程选定图 3 中最后一幅图的边界, 边界内为整个实验过程中受到 HIFU 图 6 实验软件中的显示结果 ( 按时间顺序横向排列 ) Fig.6 Visual results on the software (horizontally arranged in chronological order)

4 第 3 期胡琦龙等 : 高强度聚焦超声热疗中组织损伤的一种监测方法 283 Fig.7 图 7 实验后变性组织 Degenerated tissue after the experiment 图 9 测温探针采集到的温度信息 Fig.9 Temperature acquires by the probe 3 次实验中, 没有检测到明显的损伤 ;3 次检测到的组织损伤与实验后解剖发现的结果存在较大差异另外, 实验系统没有检测到损伤的 3 次实验中, 有两次解剖发现了组织损伤, 另外一次没有发现组织损伤由此估计检测的准确率约为 91% 3.2 模拟加热中 M 超信号与温度设置实验软件的采样频率和温度采集系统的采样频率, 设置合适的加热功率实验使得猪肉组织的温度在 5min 的时间里从室温上升到 80 采集到 202 幅图像和 278 次温度信息由于采样存在很大的冗余, 各自等间距地提取两者中的 50 个数据, 研究温度与 M 超信号变化的关系经软件分析, 检测到测温探针所在的位置的 M 超信号灰度的变化见图 8, 并将各数据点拟合 (Matlab 7.1) 对应的测温探针采集的温度信息如图 9 由于 M 超信号的变化范围 ( 大于 20 个灰阶 ) 比 B 超信号 (10 个灰阶左右 ) 大, 所以用 M 超信号估计温度比 B 超信号有更好的分辨率但实验发现, 由于 HIFU 发射的高强度聚焦超声波对实验中使用的测温探针存在严重的干扰, 难以用测温探针在 HIFU 加热时测到准确温度如果找到合适的 ( 有损 ) 测温方法, 能够在不受 HIFU 加热干扰的情况下获得准确的温度信息, 结合相应的 M 超信号变化, 则可以进一步验证 M 超信号与温度的相关性, 这将有助于超声精确无损测温的实现 4 结论理论分析和实验结果均表明 : (1) 经过一定时间的 HIFU 照射, 焦点区域组织变性, 其 B 超图像发生改变, 表现为灰度显著升高 ; (2) 实验系统中,M 超信号的变化比 B 超的更显著, 若用 M 超信号测温, 可以期望获得更高的测温分辨率, 在检测损伤的同时提供温度参考 ; (3) 实验用软件可以实时地检测到焦点区域组织 B 超图像的改变, 从而检测到组织损伤, 这提供了一种 HIFU 治疗的损伤检测和治疗监控方法实验证明了 HIFU 热疗中, 利用组织的 B 超图像和 M 超信号进行组织损伤检测和温度估计的可行性事实上, 由于 HIFU 治疗肿瘤属于高热疗法, HIFU 照射导致病变组织变性和凝固坏死, 因此, 监控的重点是癌组织是否全部被损毁, 以及正常组织尤其是超声波经过的皮肤和皮下组织是否受到损伤而精确的无损测温很难实现, 也不是监控的根本目的本实验设计的系统可以实现损伤检测, 并辅助以一定精度的温度估计, 具有一定的实用和推广价值 5 问题与展望 Fig.8 图 8 测温探针所在位置的 M 超信号 M-mode signals at the position where probe locates 用 B 超图像对 HIFU 治疗进行实时的无创监控, 可以显著提高 HIFU 治疗肿瘤等疾病的安全性, 可视化的界面使治疗效果更加形象, 操作更加方便实验系统可以动态地观测到组织损伤区域随 HIFU 剂量的增加而扩大, 可以检测出变性组织的面积实验也探索了用 M 超信号辅助检测温度的可行性

5 284 声学技术 2010 年提供了一种基于超声检测 HIFU 热疗中组织损伤的方法, 对其进一步的研究, 尤其是测温精度及可靠性的提高有助于促进该方法的应用和推广参考文献 [1] Kennedy J E. High intensity focused ultrasound: surgery of the future[j]. The British Journal of Radiology( ), 2003, 76(909): [2] 霍彦明, 陈亚珠. HIFU 技术的研究 [J]. 声学技术, 2000, 19(1): HUO Yanming, CHEN Yazhu. The study of HIFU technique[j]. Technical Acoustics, 2000, 19(1): [3] 姜立新, 胡兵. 高强度聚焦超声作用下的组织温度场测量技术的研究进展 [J]. 声学技术, 2006, 25(1): JIANG Lixin, HU Bing. Review of measurement techniques of tissue temperature heated by high intensity focused ultrasound[j]. Technical Acoustics, 2006, 25(1): [4] Chung A H, Jolesz F A, Hynynen K. Thermal dosimetry of a focused ultrasound beam in vivo by magnetic resonance imaging[j]. Med Phys ( ), 1999, 26(9): [5] Markowitz M J, Paulsen K D, Ryan T P, et al. Temperature filed estimation using electrical impedance profiling methods. II. Experimental system description and phantom results[j]. Int J Hyperthermia ( ), 1994, 10(2); [6] 李发琪, 王智彪, 杜永红, 等. 高强度聚焦超声生物学焦点区域温场研究 [J]. 中国生物医学工程学报, 2003, 22(4): LI Faqi, WANG Zhibiao, DU Yonghong, et al. Investigation on temperature field of biological focal region induced by high intensity focused ultrasound[j]. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2003, 22(4): [7] Qian Z W, Xiong L. Noninvasive thermometer for HIFU and its scaling[j]. Ultrasonics ( X), 2006, 44(Supplement 1): e [8] 宋平, 钱盛友. 基于超声散射回波分析的测温方法研究 [J]. 微计算机信息, 2007, 23(31): SONG Ping, QIAN Shengyou. Research on the methods of temperature measurement based on the backscattered ultrasonic echoes[j]. Control & Automation, 2007, 23(31): [9] 卢莹, 刘晓宙. 生物组织中声学参量与温度的关系研究 [A]. 中国声学学会 2003 年青年学术会议 [C]

1 引言

1 引言 P P 第 40 卷 Vol.40 第 7 期 No.7 计算机工程 Computer Engineering 014 年 7 月 July 014 开发研究与工程应用文章编号 :1000-348(014)07-081-05 文献标识码 :A 中图分类号 :TP391.41 摘基于图像识别的震象云地震预测方法谢庭,