高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)中霧狀偽像的識別與定位

高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)中霧狀偽像的識別與定位

1偽像定位和成像分析20世紀(jì)90年代初，國際上出現(xiàn)了一種用于治療腫瘤的高強(qiáng)度聚焦超聲（hifi）外科手術(shù)。隨著成像和定位技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍已深入到神經(jīng)科、泌尿科、眼科、腫瘤學(xué)等眾多領(lǐng)域。HIFU治療系統(tǒng)是依靠醫(yī)學(xué)影像(主要是B超圖像)定位病灶,并通過實(shí)時(shí)監(jiān)視治療中的影像變化來判斷療效、調(diào)整治療劑量。臨床使用中發(fā)現(xiàn),HIFU治療系統(tǒng)獲取的超聲圖像中存在一種新的偽像,它的形成與超聲診斷聲像圖中的傳統(tǒng)偽像(如混像、鏡像偽像、折射偽像、慧尾偽像)不同,由于其呈霧狀成片覆蓋在真實(shí)組織圖像上,故稱之為“霧狀偽像”。多數(shù)情況下,被霧狀偽像掩蓋的組織成像信息難以分辨,易造成誤診,影響了HIFU治療的安全性和有效性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要是針對超聲診斷聲像圖的傳統(tǒng)偽像,將其歸類并分析物理成因,但均未涉及霧狀偽像的形成機(jī)理。本研究分析了HIFU治療系統(tǒng)超聲成像中霧狀偽像的物理成因,建立其數(shù)學(xué)模型,依據(jù)模型歸納了偽像的特點(diǎn)并對偽像定位。定位結(jié)果與實(shí)際霧狀偽像位置相符,驗(yàn)證了成因分析和模型的正確性。對霧狀偽像的研究,有助于正確辨認(rèn)組織聲像圖,并為進(jìn)一步尋找霧狀偽像消除方案和改善B超圖像質(zhì)量提供了理論依據(jù)。2霧中偽像的起源2.1b超探傷檢測霧狀偽像的形成與B超探頭在HIFU治療系統(tǒng)中的使用環(huán)境有關(guān)。HIFU治療系統(tǒng)的超聲發(fā)射源采用組合探頭結(jié)構(gòu),組合探頭由B超成像探頭和治療探頭構(gòu)成,B超探頭被固定安裝在治療探頭的軸心線上;同時(shí),由于固定治療探頭的焦距,要對不同深度的病灶進(jìn)行高能超聲聚焦,要沿軸向移動(dòng)組合探頭以調(diào)整焦域的位置。所以,在治療過程中,B超成像探頭一般是遠(yuǎn)離體表并與治療探頭合為一體(見圖1),組合探頭和體表之間用水作耦合劑。然而,在超聲診斷儀中,僅用B超探頭作為超聲發(fā)射源,由操作人員手持B超探頭接觸體表運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)超聲檢測?？梢?B超探頭在這兩種儀器中的使用環(huán)境大不相同。因而,霧狀偽像存在于HIFU治療系統(tǒng)獲取的超聲圖像中,而不會(huì)出現(xiàn)在超聲診斷圖像中。2.2地表高次反射回波B超圖像是所有掃描線的回波經(jīng)過超聲接受裝置的波束合成處理后形成的二維圖像,所以霧狀偽像實(shí)際是由各條掃描線的霧狀偽像回波按波束掃描位置合成后的結(jié)果。任意掃描線的霧狀偽像回波的形成原理,見圖1。由于體表凹凸不平,B超探頭發(fā)出的掃描波束1會(huì)在體表處發(fā)生漫反射,其中一部分漫反射回波會(huì)到達(dá)治療探頭表面,而治療探頭表面很光滑,因而這些漫反射回波會(huì)在該表面發(fā)生鏡面發(fā)射。若觀察其中一個(gè)方向的漫反射回波,如波束2,則其鏡面反射回波為波束3,它再次返回體表并發(fā)生二次反射,其中沿成像探頭方向的漫反射回波(波束4)能被探頭接收。體表的二次反射回波也可能經(jīng)過治療探頭表面的反射再次返回體表,形成3次甚至更高次的回波。由于體表是外界與體內(nèi)組織的分界面,超聲波在體表的反射最強(qiáng),所以體表的多次反射回波是霧狀偽像的主要來源。因此,各條掃描波束在體表的2次和高次回波經(jīng)過波束合成后形成了霧狀偽像。由于超聲波在介質(zhì)表面的反射特性與光相似,根據(jù)Phong的反射模型,體表上任意點(diǎn)P的漫反射回波強(qiáng)度IP和入射超聲的強(qiáng)度Ii滿足以下關(guān)系IP=Ii·SP(1)SP=C[cos(i)·(1-d)+d]+w(i)[cos(s)]n(2)式中,C為體表的反射系數(shù),i為入射角,d為環(huán)境漫反射系數(shù),w(i)為鏡面反射回波與入射超聲的比例系數(shù),是入射角的函數(shù),s為漫反射回波方向與鏡面反射方向的夾角,n與體表的鏡面反射性質(zhì)有關(guān),取值在1~10之間。在超聲成像中,不存在環(huán)境漫反射,所以d=0,(2)式簡化為SP=C·cos(i)+w(i)[cos(s)]n(3)而超聲波從耦合劑到體表的反射系數(shù)約為0.02,隨著漫反射次數(shù)的增加,回波能量逐漸減弱。2次以上的漫反射回波能量很弱,因此考慮霧狀偽像的模型時(shí),可以忽略高次回波的影響。3偽像定位原理依據(jù)超聲成像原理和霧狀偽像成因,偽像信號是由B超探頭發(fā)射的脈沖掃描信號經(jīng)過時(shí)延和幅度變化形成的。其中,幅度變化是體表的2次反射、治療探頭表面的鏡面反射以及系統(tǒng)對回波信號的時(shí)間增益補(bǔ)償這三者共同作用的結(jié)果。由于治療探頭的表面很光滑,可近似認(rèn)為其反射系數(shù)為1。因此,任意掃描線上的偽像信號a(t)的數(shù)學(xué)模型為a(t)=m∑j=1Τ(tj)δ(t-tj)SQ(α?βj)SΜj(γj?ξj)(4)a(t)=∑j=1mT(tj)δ(t?tj)SQ(α?βj)SMj(γj?ξj)(4)其中,點(diǎn)Q是發(fā)射超聲與體表的交點(diǎn),j表示點(diǎn)Q漫反射回波的第j個(gè)方向,m為Q點(diǎn)漫反射回波的方向數(shù),點(diǎn)Mj是點(diǎn)Q第j個(gè)方向的漫反射回波在體表發(fā)生二次反射的位置;t是時(shí)間,tj是偽像信號相對于脈沖掃描信號的時(shí)延;T(tj)是時(shí)間增益補(bǔ)償參數(shù),它是時(shí)延tj的增函數(shù);α,γj分別是超聲波在Q點(diǎn)和Mj點(diǎn)的入射角,βj,ξj分別是超聲波在Q點(diǎn)和Mj點(diǎn)的漫反射回波方向與法線的夾角;SQ,SMj分別是超聲波在Q點(diǎn)和Mj點(diǎn)的漫反射系數(shù),可由(3)式確定,即SQ(α,βj)=C·cos(α)+w(α)[cos|α-βj|]n(5)SMj(γj,ξj)=C·cos(γj)+w(γj)·[cos|γj-ξj|]n(6)(4)式中,T,SQ,SMj三者的乘積是偽像信號的幅度,而時(shí)延tj則描述了偽像的位置。為了定位偽像,假設(shè)超聲波在介質(zhì)中沿直線傳播,B超探頭的發(fā)射源為點(diǎn)源,并以它為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。如圖2所示,虛線框表示B超掃描的扇形區(qū)域,區(qū)域邊界與體表的交點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)、(x2,y2),由于體表的曲率變化較平緩,采用二次曲線以擬和掃描區(qū)域內(nèi)的體表曲線,其方程為y=ax2+bx+cx1≤x≤x2(7)治療探頭表面用圓弧表示,左、右邊界點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x3,y3)、(x4,y4),根據(jù)治療探頭的焦距r可確定圓心坐標(biāo)(x0,y0),則治療探頭表面的方程為(x-x0)2+(y-y0)2=r2x3≤x≤x4(8)依據(jù)超聲成像原理,為了計(jì)算偽像的時(shí)延tj,需要確定體表的二次反射回波的聲程。假設(shè)超聲發(fā)射方向?yàn)棣?體表的一次反射回波聲線的傾角為φ,則體表的二次回波路徑為OA→AP→PB→BO,利用A,P,B三點(diǎn)的坐標(biāo)即能得出二次回波的總聲程。發(fā)射超聲的聲線方程為y=tanθ·x聯(lián)立(7)、(9)式,可求出A點(diǎn)的坐標(biāo)(xA,yA)為{xA=tanθ-b√(b-tanθ)2-4ac2ayA=tanθ?xA(10){xA=tanθ?b(b?tanθ)2?4ac√2ayA=tanθ?xA(10)而一次回波AP的傾角為φ,則其聲線方程為y-yA=tanφ·(x-xA)(11)與(8)式聯(lián)立,得到點(diǎn)P的坐標(biāo)(xP,yP){xΡ=-G-√G2-4(1+tanφ)Η2(1+tanφ)yΡ=yA+tanφ?(x-xA)(12)???xP=?G?G2?4(1+tanφ)H√2(1+tanφ)yP=yA+tanφ?(x?xA)(12)其中,G=-[2x0+2(tanφ)2xA-2tanφ·yA+2tanφ·y0],H=x2020+(tan?·xA-yA+y0)2-r2根據(jù)P點(diǎn)的坐標(biāo)可計(jì)算出鏡面反射回波PB的傾角為ψ=2arctan(y0-yΡx-xΡ)-φ(13)ψ=2arctan(y0?yPx?xP)?φ(13)則鏡面反射回波的聲線方程為y-yP=tanψ·(x-xP)(14)與體表的曲線方程(7)式聯(lián)立,得出B點(diǎn)坐標(biāo)(xB,yB){xB=tanψ-b-√(b-tanψ)2-4a(c+tanψ?xΡ-yΡ)2ayB=tanψ?(xB-xΡ)+yΡ(15){xB=tanψ?b?(b?tanψ)2?4a(c+tanψ?xP?yP)√2ayB=tanψ?(xB?xP)+yP(15)所以,二次反射回波的總聲程l為l=lOA+lAP+lPB+lBO(16)其中,lΟA+√x2A+y2A,lAΡ=√(xΡ-xA)2+(yΡ-yA)2?lBΟ+√x2B+y2B?lΡB=√(xB-xΡ)2+(yB-yΡ)2。lOA+x2A+y2A???????√,lAP=(xP?xA)2+(yP?yA)2???????????????????√?lBO+x2B+y2B???????√?lPB=(xB?xP)2+(yB?yP)2???????????????????√。設(shè)超聲在介質(zhì)中的傳播速度為v,則偽像信號相對于發(fā)射脈沖信號的時(shí)延為tj=lv(17)tj=lv(17)組織成像信號相對于發(fā)射脈沖的時(shí)延t0為t0=2lΟAv(18)t0=2lOAv(18)由(16)、(17)、(18),可得偽像相對于組織成像的時(shí)延ΔtjΔtj=tj-t0=lAΡ+lΡB+lBΟ-lΟAv(19)Δtj=tj?t0=lAP+lPB+lBO?lOAv(19)在探頭遠(yuǎn)離體表的過程中,l、lAP+lPB+lBO-lOA會(huì)逐漸增加,由(17)、(19)式可知,tj和Δtj均會(huì)逐漸增大。tj增大時(shí),時(shí)間增益參數(shù)T(tj)也隨之增大,則偽像的強(qiáng)度變大;同時(shí),Δtj的增加則說明偽像對組織圖像的相對位移在增加。因此,霧狀偽像的動(dòng)態(tài)特征可歸納為:在探頭遠(yuǎn)離體表時(shí),偽像逐漸變強(qiáng),且其移動(dòng)速度大于組織圖像的移動(dòng)速度。4移動(dòng)速度sqp法霧狀偽像的動(dòng)態(tài)特征說明,在探頭遠(yuǎn)離體表的過程中,偽像的移動(dòng)速度大于組織圖像的移動(dòng)速度。所以,只要用人眼觀測此過程中采集的圖像序列,就能大致判斷實(shí)際圖像中的霧狀偽像分布。為驗(yàn)證霧狀偽像成因分析和數(shù)學(xué)模型的正確性,分別對JC型高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)采集的臨床圖像中的霧狀偽像進(jìn)行定位并觀察其動(dòng)態(tài)特征在圖像中的表現(xiàn)。4.1符號和圖像區(qū)域以一幅肝癌患者的臨床圖像(圖3)為例,對霧狀偽像的定位結(jié)果進(jìn)行分析。在臨床圖像中,標(biāo)號1的區(qū)域是人眼判斷的霧狀偽像位置。在圖4中,標(biāo)號2、3分別表示擬和的體表曲線和組合探頭,而標(biāo)號1則表示根據(jù)模型得出的霧狀偽像位置。圖5是疊加偽像定位結(jié)果的臨床圖像,它說明模型對霧狀偽像的定位與臨床圖像中霧狀偽像的分布是一致的。4.2序列圖像中霧狀偽像的特點(diǎn)對同一患者,用JC型高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)采集探頭遠(yuǎn)離體表過程中的序列圖像。圖6為探頭到體表不同距離時(shí)獲取的B超圖像,其中標(biāo)號1的區(qū)域是人眼依據(jù)霧狀偽像特征判斷出的霧狀偽像位置,標(biāo)號2的區(qū)域是人體的皮膚組織。觀察序列圖像中的霧狀偽像,發(fā)現(xiàn)在探頭遠(yuǎn)離體表的過程中,霧狀偽像具有以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)偽像相對于組織(如皮膚)成像的位移在增大,即偽像的移動(dòng)速度大于組織的移動(dòng)速度;