準靜態(tài)彈性成像及其監(jiān)控聚焦超聲致組織損傷的研究.pdf

1、研究背景：
　　 高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)作為一種新興的無創(chuàng)治療手段,已用于臨床治療肝癌、腎癌、骨腫瘤、乳腺癌、胰腺癌、子宮肌瘤等實體腫瘤及非腫瘤疾病當中,并展示出良好的治療效果。其機制是將體外低能量的超聲波聚焦到體內,通過焦點處高能量超聲波產(chǎn)生的熱效應、空化效應及機械效應等,使焦域內溫度瞬時升高到60℃以上,導致靶區(qū)細胞蛋白質變性、不可逆損傷和組織凝固性壞死

2、,從而達到殺滅靶區(qū)病變組織的目的。
　　 影像監(jiān)控對HIFU治療成功與否至關重要,如果HIFU在組織內的焦點相當于一把手術刀的刀尖,那么影像監(jiān)控就相當于持刀醫(yī)生的眼睛,只有精確掌握組織生理病理結構并實時把握HIFU在組織中形成損傷的程度和范圍,才能達到安全、高效的治療。目前HIFU腫瘤治療的監(jiān)控方法主要是B超監(jiān)控和MRI監(jiān)控,其中B超監(jiān)控實時性比較好,且方法簡單,與HIFU系統(tǒng)的兼容性好,但不能實時測溫。而MRI監(jiān)控可以通過準實

3、時測溫獲得靶區(qū)溫度和凝固性壞死的范圍,但是MRI系統(tǒng)與HIFU系統(tǒng)兼容比較困難,且造價昂貴。因此,有必要探索新的HIFU治療的監(jiān)控手段和療效評價手段。
　　 HIFU形成的組織損傷主要表現(xiàn)在細胞核碎裂或者固縮、蛋白質變性、細胞結構破壞以及周圍組織水腫等方面。這些組織病理變化直接導致了組織彈性的改變,表現(xiàn)為HIFU熱消融區(qū)域組織的硬度明顯大于周圍正常組織。因此,彈性成像在監(jiān)控HIFU療效方面具有良好的發(fā)展前景。
　　 以往

4、的研究已經(jīng)證實彈性成像可以檢測到HIFU在離體組織內形成的凝固性壞死,并能反映凝固性壞死的大小和邊界[19,20]。與以往的研究主要集中在HIFU形成的凝固性壞死不同,本研究中采用了強度較低的聚焦超聲(Focused Ultrasound,FUS),用較低的輻照劑量在生物組織內形成損傷,并用準靜態(tài)彈性成像成功檢測到了組織內的損傷。實驗中采取了一系列的算法改進,用來提高準靜態(tài)彈性成像運動估計的精度,從而得到了比較理想的成像效果。
　

5、　 目的：
　　 1.優(yōu)化準靜態(tài)彈性成像的算法,提高運動估計的精度,從而優(yōu)化成像效果。
　　 2.開展仿體實驗研究,驗證彈性成像的效果,并比較不同壓縮率對成像效果的影響。
　　 3.開展準靜態(tài)彈性成像監(jiān)控FUS形成的組織損傷的研究,驗證其可行性。
　　 方法：
　　 1.優(yōu)化準靜態(tài)彈性成像的算法
　　 1.1采用二維互相關算法,減少組織橫向位移帶來的數(shù)據(jù)解相關的情況。
　　 1.

6、2采用拋物線擬合插值,求得非整數(shù)個點上的位移值。
　　 1.3采用分段線性擬合的算法,剔除了位移數(shù)據(jù)中的局部解相關點(奇異點)。
　　 1.4采用二維中值濾波,使得位移數(shù)據(jù)在軸向更加平滑,降低高頻噪聲。
　　 1.5采用數(shù)字低通濾波器和基于小波變換的數(shù)字低通差分算法,有效降低在位移數(shù)據(jù)軸向差分過程中高頻噪聲對差分結果的干擾。
　　 2.開展仿體實驗,驗證準靜態(tài)彈性成像的效果。
　　 2.1制作包含

7、有柱狀硬物的仿體和包含有軟層的三層仿體,并開展準靜態(tài)彈性成像實驗研究。
　　 2.2通過標準仿體(CIRS Model049A)比較不同壓縮率對彈性成像效果的影響。
　　 3.應用CZF婦科聚焦超聲治療系統(tǒng)(重慶海扶)讓FUS在豬肌肉中形成凝固性壞死,然后用Sonix RP B超設備(Ultrasonics Co.)開展準靜態(tài)彈性成像監(jiān)控FUS引起的組織損傷的研究,并與B超圖像和實際損傷的剖面圖進行比較,分析準靜態(tài)彈性成

8、像監(jiān)控FUS產(chǎn)生的組織損傷的效果和可行性。
　　 結果：
　　 1.采用二維互相關算法可以有效減少組織橫向位移帶來的數(shù)據(jù)解相關的情況,得到比較理想的位移曲線。拋物線擬合插值能夠提高位移估計的精度,減小系統(tǒng)性的誤差。分段線性擬合算法可以有效剔除位移數(shù)據(jù)中的奇異點,并用線性擬合結果取而代之。二維中值濾波能夠有效降低位移數(shù)據(jù)的高頻噪聲,平滑軸向位移曲線。數(shù)字低通濾波器和基于小波變換的數(shù)字低通差分算法可以有效降低位移數(shù)據(jù)中的高頻

9、噪聲對應變估計的干擾,較之直接差分算法能夠得到更加理想的應變估計結果,其中基于小波變換的低通數(shù)字差分算法效果更加理想。
　　 2.仿體實驗證明,準靜態(tài)彈性成像可以檢測到B超圖像無法分辨的仿體硬包含物,并能分辨出包含有硬物的三層仿體的中間軟層。標準仿體實驗表明,不同的壓縮率對仿體實驗結果具有重要影響,必須選擇合適的壓縮率才能得到比較理想的實驗結果,一般應采用0.5％-0.8%的壓縮率會有比較好的效果。
　　 3.生物組織實

10、驗表明,準靜態(tài)彈性成像可以成功監(jiān)控到B超圖像無法分辨的FUS形成的組織損傷,且準靜態(tài)彈性成像顯示的損傷大小和形狀與實際損傷的剖面圖基本一致,損傷區(qū)域內的應變分布可以反映損傷程度的差別。
　　 總結：
　　 1.通過一系列的算法改進,可以有效提高準靜態(tài)彈性成像中運動估計的精度,改善成像的質量。
　　 2.準靜態(tài)彈性成像可以成功監(jiān)控到B超圖像無法分辨的FUS在生物組織內形成的損傷,并能清晰的顯示損傷的形態(tài)和大小。彈性