一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统与方法，其成像系统包括主控设备、功率放大器、无创功率换能器、超声检测与成像换能器、全数字化超声设备、数据采集设备、样品、图像采集设备、指示灯、微创功率换能器、透光水槽和三维移动设备；本发明专利技术采用克服微泡覆盖和上部强回声区域遮挡的超声回波统计参量成像方法监测热凝固的形成过程，实现了热凝固起始的提早检测，增强了热凝固下部的显示，提高热消融过程中热凝固微泡比增强了热凝固监测对比度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声检测和监控成像技术，涉及生物医学和信息领域，具体涉及一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统与方法。
技术介绍
以温度升高引起蛋白非可逆性热凝固为机制的热消融技术具有无创或微创、快速、副作用小等优势，国内外使用射频、微波、超声、激光等“绿色”物理能量实现的热消融技术在生物、医学、化学和工业等领域取得了令人鼓舞的成果，特别在国内使用高强度聚焦超声热消融技术治疗肿瘤方面取得了开创性的成果。热凝固过程的检测与监控成像是实现高效和安全热消融的基础和保障。超声和磁共振成像是目前常见的监控成像方式。超声由于其成本低、实时性好、适用范围广和易于与诸多热消融技术结合等优势已成为目前使用较广的检测与监控成像方式。已有国内外的专利使用传统超声B模式图像对热消融过程进行监控成像，例如美国专利US6425867B1和中国专利CN1565671A等。在热消融过程中除了引起蛋白非可逆性热凝固外，还会出现空化汽化引起的微泡。B超图像实际得到的是组织背向散射信息，热消融引起的热凝固区域的背向散射信号与热消融前变化并不大，B超图像观测到的信息大部分是空化汽化引起的气泡的散射信息。因此，B超图像用于热凝固过程的检测与监控成像具有一定的局限性。许多学者开展了其他超声成像技术在热凝固过程的检测与监控成像的研究，包括超声温度估计与成像、超声组织定征参量监控成像、弹性成像等。由于受消融过程中空化汽化微泡及强回声区域的影响，热消融过程中凝固起始与凝固底部的检测与监控成像具有一定的困难。超声回波统计参量成像方法依赖于背向散射回波包络的统计分布，受回波幅度的影响较小。【专利
技术实现思路
】针对上述检测与监控中的不足，本专利技术涉及一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统与方法。该专利技术同步监测热消融过程中的超声背向散射信号和超声统计参量；并利用超声统计参量图像和B模式超声图像对目标区域进行同步动态成像监控。为了实现上述任务，本专利技术采取如下的技术方案：一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，包括主控设备；所述的主控设备上连接有功率放大器、数据采集设备、图像采集设备和三维移动设备；其中，所述的功率放大器的输出端连接有无创功率换能器和微创功率换能器；所述的数据采集设备的输入端连接有全数字化超声设备，全数字化超声设备的输入端连接有超声检测与成像换能器；所述的三维移动设备用于调节样品在透光水槽中的空间位置；所述的图像采集设备用于采集样品热消融动态图像；所述的主控设备控制功率放大器驱动无创功率换能器和/或微创功率换能器对样品发射能量；全数字化超声设备通过超声检测与成像换能器采集超声回波射频数据，并通过数据采集设备输入到主控设备进行存贮与处理。所述的图像采集设备分辨率为1280×1024的高清摄像机，其设置于样品侧面。还包括受主控设备的时序控制、在图像采集设备采集到的动态图像中表征时间的指示灯。所述的无创功率换能器为聚焦超声热消融辐射器；所述的微创功率换能器为微波热消融辐射器、射频热消融辐射器或激光热消融辐射器；所述的透光水槽为透明的玻璃或有机玻璃水槽；所述的三维移动设备为微米级扫描精度且可编程的全数字化三维扫描移动设备。一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统的成像方法，包括以下步骤：1)主控设备控制三维移动设备调节样品的空间位置，将样品放置于无创功率换能器和/或微创功率换能器的有效辐射区内；2)主控设备控制功率放大器驱动无创功率换能器和/或微创功率换能器发射能量，作用于 样品；3)将超声检测与成像换能器对准样品；4)主控设备控制全数字化超声设备通过超声检测与成像换能器采集超声回波射频数据；5)超声检测与成像换能器采集到的超声回波射频数据通过数据采集设备输入到主控设备并存贮在主控设备上；6)主控设备上的超声回波射频数据按照超声回波统计参量算法得到样品中的超声回波统计参量及其动态变化过程。根据权利要求7所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统的成像方法，其特征在于，还包括：7)由步骤5)中得到的超声回波射频数据和步骤6)中得到的超声回波统计参量数据同步构建动态变化的超声回波统计参量图像和B模式超声图像；8)由步骤5)中得到的超声回波射频数据和步骤6)中得到的超声回波统计参量数据，提取热凝固区域和微泡区域的回波幅值和超声回波统计参量，按照热凝固微泡比的计算方法得到热凝固微泡比值及其动态变化过程。作为本专利技术方进一步改进，步骤6)具体为基于Nakagami统计模型统计超声回波射频数据：按照预定将射频数据划分为多个目标区域，选取组织中单个区域内的超声回波射频数据按照Nakagami参量的算法计算得到该区域内的超声回波统计分析的Nakagami参量；对每个区域的射频数据单独处理，同时对多个区域的超声回波统计参量及其动态变化进行检测。作为本专利技术方进一步改进，采用基于Nakagami参量的超声回波统计参量图像对目标区域进行成像：超声回波统计参量成像首先确定选取的估计方法及滑动窗尺寸，使滑动窗以单像素点为步长在成像平面被进行纵向及横向滑动，每滑动一个像素点，利用选取的估计方法计算滑动窗被回波信号包络的统计参量值，并将该值赋给滑动窗的中心像素点，遍历整个成像区域以 得到超声回波统计参量图像。作为本专利技术方进一步改进，构建超声回波统计参量图像时首先对超声回波射频信号进行去噪处理，基于最大似然估计Nakagami参量成像的去噪方法为：首先，将采集到的超声回波射频数据分别加入两次随机白噪声，得到有噪声的信号S1和S2，加入的白噪声幅值等于系统白噪声幅值，系统白噪声幅值由无回声区超声信号估计所得；其次，以脉冲宽度作为采样窗宽宽计算S1和S2的局部相关系数，得到相关系数矩阵；接着，以80％作为阈值，找出相关系数矩阵中小于80％的值，将它们对应的值全部设置为回波射频信号的最小值，得到去系统白噪声后的射频信号；最后，将判断为噪声的点置为回波信号中的最小值，将y小于0.25对应的统计参量值置为0，将y大于0.2的对应的统计参量值按照最大似然估计算法进行求解。本专利技术与现有技术相比，具有下列优点：本专利技术的监控系统由主控设备及连接在主控设备上的功率放大器、数据采集设备、图像采集设备和三维移动设备构成，结构简单，功能完善，本专利技术检测多区域的超声统计参量，实现了不同方式热消融过程中超声统计参量同步检测、热凝固微泡比同步检测与损伤动态变化同步检测。与现有热凝固检测与监控成像技术相比，本专利技术的方法对超声回波射频数据按照超声回波统计参量算法得到超声回波统计参量，通过分析超声回波统计参量的动态变化和超声统计参量成像，可以克服热消融过程中空化汽化微泡的覆盖和上部强回声区域的遮挡，将超声统计参量成像方法用于不同方式热消融过程中凝固的检测与监控成像，实现热凝固起始的提早检测，增强凝固下部显示，优化热凝固过程的检测与监控成像效果。进一步，与现有热凝固检测与监控成像技术相比，本专利技术还提高了热凝固微泡比增强了图像的对比度。【附图说明】图1是本专利技术提出的用于热凝固监测的超声回波统计参量监控系统的框图。图2是热消融过程所中超声回波统计参量及回波幅值同步检测与成像系统与方法控制的流程图。图3是改进的基于最大似然估计的Nakagami参量图像去噪及成像算法流程图。图4是热消融过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：包括主控设备(1)；所述的主控设备(1)上连接有功率放大器(2)、数据采集设备(6)、图像采集设备(8)和三维移动设备(12)；其中，所述的功率放大器(2)的输出端连接有无创功率换能器(3)和微创功率换能器(10)；所述的数据采集设备(6)的输入端连接有全数字化超声设备(5)，全数字化超声设备(5)的输入端连接有超声检测与成像换能器(4)；所述的三维移动设备(12)用于调节样品(7)在透光水槽(11)中的空间位置；所述的图像采集设备(8)用于采集样品(7)热凝固动态图像；所述的主控设备(1)控制功率放大器(2)驱动无创功率换能器(3)和/或微创功率换能器(10)对样品(7)辐射能量；全数字化超声设备(5)通过超声检测与成像换能器(4)采集超声回波射频数据，并通过数据采集设备(6)输入到主控设备(1)进行存贮与处理。

【技术特征摘要】
1.一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：包括主控设备(1)；所述的主控设备(1)上连接有功率放大器(2)、数据采集设备(6)、图像采集设备(8)和三维移动设备(12)；其中，所述的功率放大器(2)的输出端连接有无创功率换能器(3)和微创功率换能器(10)；所述的数据采集设备(6)的输入端连接有全数字化超声设备(5)，全数字化超声设备(5)的输入端连接有超声检测与成像换能器(4)；所述的三维移动设备(12)用于调节样品(7)在透光水槽(11)中的空间位置；所述的图像采集设备(8)用于采集样品(7)热凝固动态图像；所述的主控设备(1)控制功率放大器(2)驱动无创功率换能器(3)和/或微创功率换能器(10)对样品(7)辐射能量；全数字化超声设备(5)通过超声检测与成像换能器(4)采集超声回波射频数据，并通过数据采集设备(6)输入到主控设备(1)进行存贮与处理。2.根据权利要求1所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：所述的图像采集设备(8)分辨率为1280×1024的高清摄像机，其设置于样品(7)侧面。3.根据权利要求1所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：还包括受主控设备(1)的时序控制、在图像采集设备(8)采集到的动态图像中表征时间的指示灯(9)。4.根据权利要求1所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：所述的无创功率换能器(3)为聚焦超声热消融辐射器；所述的微创功率换能器(10)为微波热消融辐射器、射频热消融辐射器或激光热消融辐射器。5.根据权利要求1所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统，其特征在于：所述的透光水槽(11)为透明的玻璃或有机玻璃水槽；所述的三维移动设备(12)为微米级扫描精度且可编程的全数字化三维扫描移动设备。6.基于权利要求1所述的一种用于热凝固监测的超声回波统计参量成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：1)主控设备(1)控制三维移动设备(12)调节样品(7)的空间位置，将样品(7)放置于无创功率换能器(3)和/或微创功率换能器(10)的有效辐射区内；2)主控设备(1)控制功率放大器(2)驱动无创功率换能器(3)和/或微创功率换能器(10)发射能量，作用于样品(7)；3)将超声检测与成像换能器(4)对准样品(7)；4)主控设备(1)控制全数字化超声设备(5)通过超声检测与成像换能器(4)采集超声回波射频数据；5)超声检测与成像换能器(4)采集到的超声回波射频数据通过数据采集设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思远，朱兴广，韩玉强，黄国静，尚少强，徐田奇，万明习，段君博，钟徽，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61