基于仿体实验与频域声学干扰影像的HIFU热点定位方法与流程

本发明属于医学图像研究领域，涉及一种以频域声学干扰信号成像的hifu热点定位方法。

背景技术：

高强度聚焦超声(hifu)作为一种非侵入性手术工具的潜力已经在许多环境中得到证实，包括治疗肝脏，肾脏，乳房，骨骼，子宫和胰腺肿瘤，治疗心脏传导缺陷，用于手术止血，以及缓解恶性肿瘤的慢性疼痛，是一种很有前景的医疗工具。

成功的hifu手术需要准确的监控手段，以确保hifu能量传递到目标组织，同时避免对相邻健康结构的损坏^[1]。各种商业化的hifu系统使用诊断超声波进行瞄准和检测，原因在于超声的成本低廉，且具有快速采集和动态检测的能力^[2-3]。目前，很多学者利用超声参数与温度的关系建立超声温度影响算法以实现对hifu热点的影像监控，如衰减系数法、回波时移法以及逆散射能量变化法^[4-5]。然而使用温度条件的限制以及热透镜效应产生的假影问题导致现有的超声温度影像难以准确的定位hifu的聚焦位置。

除了温度影像的监控外，也有学者尝试利用hifu的声学干扰对hifu的焦点进行定位^[6]。以超声波灰阶影像对hifu的声学干扰进行观察，影像中波束的汇聚处即为hifu的聚焦位置。同时，该处的信号强度会强于周围的组织信号。然而，若利用信号强度这一参数实现聚焦位置的自动化追踪，则会受到影像中强反射信号物质造成的影响。因此，就现有的方法而言，仍必须辅以视觉观察，以hifu声学干扰的汇聚处作为验证，定位hifu的聚焦位置。

参考文献

[1]bohrisc,jennejw,rastertr,etal.mrmonitoringoffocusedultrasoundsurgeryinabreasttissuemodelinvivo[j].magneticresonanceimaging,2001,19(2):167-175.

[2]vaezys,shix,martinrw,etal.real-timevisualizationofhigh-intensityfocusedultrasoundtreatmentusingultrasoundimaging[j].ultrasoundinmedicine&biology,2001,27(1):33-42.

[3]arthurrm,straubewl,starmanjd,etal.noninvasivetemperatureestimationbasedontheenergyofbackscatteredultrasound[j].medicalphysics,2003,30(6):1021-1029.

[4]worthingtonae,sherarmd.changesinultrasoundpropertiesofporcinekidneytissueduringheating[j].ultrasoundinmedicine&biology,2001,27(5):673-682..

[5]arthurrm.temperatureimagingusingultrasound[j].echoes,2012,15(20):25.

[6]wucc,chencn,homc,etal.usingtheacousticinterferencepatterntolocatethefocusofahigh-intensityfocusedultrasound(hifu)transducer[j].ultrasoundinmedicine&biology,2008,34(1):137-146.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于hifu灼烧仿体实验的频域声学干扰影像的hifu热点仿真定位方法，为克服hifu灼烧时组织中强反射物质对hifu热点判断的影响提供仿真基础，技术方案如下：

一种基于仿体实验和频域声学干扰影像的hifu热点定位方法，包括下列步骤：

1)制作仿体；

2)对仿体进行hifu灼烧实验；

3)利用超声影像系统获取超声逆散射信号，即rfdata；

4)利用滑动窗口的方法将原始数据矩阵分割为数个小窗，无需进行位移补偿；

5)利用傅里叶变换将空间域信号转换至频率域，并截取频率范围为2.12±0.12mhz信号，其中2.12mhz为hifu的发射频率；

6)取出此信号的最大振幅并将其平方，即为最大声学干扰能量；

7)根据各个窗的最大振幅的平方值，得到整张影像的声学干扰能量值，进行插值成像。

实验结果表明，与灰阶影像相比，频域声学干扰影像减弱了强反射组织对于hifu热点判断的干扰，提高了影像焦点区与非焦点区的对比度，利于hifu焦点的定位。此方法不同于超声温度影像，其适用于hifu开启阶段，因此实验中无需关闭hifu以采集数据，利于焦点区的快速升温。

附图说明

附图1仿体图。

附图2实验设置图。

附图3超声波灰阶影像上的成像。

附图4为本发明的算法流程图。

附图5为频域声学干扰影像与传统灰阶影像对比度的比较图。

具体实施方法

本发明在传统灰阶影像的基础上发展而来，提升了焦点区与背景区对比度，有效的抑制了组织中强反射物质对于hifu焦点判断的影响，便于hifu焦点的定位与追踪。此发明成像过程需在hifu开启时完成，故无需中断hifu加热以采集数据，这有利于焦点处的快速升温，缩短加热时间。

本研究通过截取hifu频率范围内的信号，将声学干扰信号与组织强反射信号区分开，以建立声学干扰影像。利用声学干扰影像，得以清楚地观察声学干扰的分布。而声学干扰呈现有如沙漏状一般，随深度变化先会聚而后发散。

具体实施步骤如下：

1)制备实验所需仿体；

2)进行hifu灼烧仿体实验；

3)利用terason3000超声影像系统获取超声逆散射信号，即rfdata；

4)利用滑动窗口的方法将影像分割为数个小窗，无需进行位移补偿；

5)利用傅里叶变换将空间域信号转换至频率域，并截取频率范围为2.12±0.12mhz信号，其中2.12mhz为hifu的发射频率；

6)取出此信号的最大振幅并将其平方，即为最大声学干扰能量；

7)根据各个窗的最大振幅的平方值，得到整张影像的声学干扰能量值，进行插值成像。

实施例如下：

本发明通过hifu灼烧石墨仿体实验进行验证，石墨仿体的制备流程如下：

1)取200ml的去气泡水倒入烧杯，并添加2g的洋菜胶。

2)加入10g的石墨粉，使其散射子浓度约为128scatterers/mm³，并投入磁石搅拌子。

3)将烧杯放置于加热器上，加热并搅拌直至溶液沸腾。

4)待溶液沸腾后，用搅拌棒去除气泡，以避免气泡造成超声波扫描时的误差。

5)关闭加热器并持续搅拌溶液，等待其冷却。

6)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，即完成仿体的制备。

将制备好的仿体进行hifu灼烧实验，将仿体放入水箱中，并将热电偶插入仿体中进行温度监测。成像换能器也浸入水中并定位在仿体上方。在实验之前，需对实验装置进行调整和校准，以允许热电偶和hifu焦点共焦并落入成像平面。当仿体的初始温度达到33℃时开始实验。设定hifu的频率为2.12mhz，输出功率为10w。hifu系统开启后，每2秒使用超声成像系统获取原始图像数据。原始图像数据由128个反向散射rf信号组成，采样率为12mhz。使用本发明的频域声学干扰算法对获取的原始图像数据进行测算并成像。计算影像中焦点区与背景区的对比度，并与传统灰阶影像进行比较，可发现频域声学干扰影像的对比度有明显提高。