超声波热治疗中非侵入式温度成像与弹性成像关键技术研究

The focused ultrasound could focus its energy in the deep body tissues without injuring the shallow ones, while the key point of the thermal treatment is to monitor temperature changes during ablation and the thermal treatment profile in order to ensure an accurate and appropriate thermal dose. In order to solve the inaccuracy problem of the measured temperature the topics in this study basing on basic theories of thermal imaging and strain imaging are mainly organized as follows: (1) The temperature monitoring methods on the basis of ultrasonic time-echo shifts, by combining signal processing methods to conduct the tissue motion correction to build a real-time thermal mapping platform.(2) The CBE-based (Change in the backscattered energy) temperature imaging methods to evaluate tissue temperature distribution during non-uniform focused ultrasound ablation and to reduce or remove the CBE-imaging dependency on the reference temperature.(3) Constructing strain images to evaluate the thermal lesion profile. The study performs HIFU-ablation-experiments on a precise three-axis platform, with a high-intensity focused ultrasonic transducer as the heating source and a linear ultrasound imaging system to obtain tomographic images and echo signals of the lesion location, thereby monitoring the temperature changes and evaluating ablation areas.The research results possess a promising application in the clinical cancer surgery of the focused ultrasound treatment.

聚焦式超声波热治疗是将能量聚焦至组织深部，非侵入式地杀死肿瘤细胞，该治疗过程的关键在于如何准确监测加热部位的温度变化和组织烧灼区域以控制合适的热剂量。本项目拟针对传统测温方法未考虑组织器官蠕动、散射子逆散射能量变化（CBE）等因素导致温度测量不准确的局限，基于超声波温度影像与组织弹性影像理论，重点研究如下内容：（1）分析组织蠕动特征，研究蠕动数学模型及其校正方法，提出基于超声波回波信号时间偏移的温度测量方法，搭建超声波即时温度监测平台；（2）分析超声波非均匀加热下的组织温度分布，研究降低或去除CBE温度影像建立过程中对参考温度值依赖性的方法，以及参考散射子的选择标准，提出基于CBE的温度测量方法；（3）分析互相关算法求解过程及不同压缩角度下的弹性影像，研究灼烧区域三维立体模型，提出基于互相关的弹性影像算法，实现烧灼区域估测。项目研究成果在聚焦式超声波热治疗肿瘤临床手术中具有广阔的应用前景。

本项目以局部热消融过程中超声波探头接收的回波数据为对象，围绕温度成像与消融面积估计进行研究，在大量高能聚焦超声波（HIFU）与射频消融（RFA）实验的基础上，针对局部热消融过程中传统方法适用温度范围窄以及阴影效应等局限，开展了如下几个方面研究：.首先，深入研究了HIFU消融过程中传统超声回波信号时间偏移、背向散射能量变化（CBE）影像并重现其结果，结果显示这两种传统方法可用于HIFU过程中温度监控，表明后续实验基础的正确性。.其次，针对RFA过程中传统超声波回波信号时间偏移方法适用温度范围窄的问题，提出一种基于回波信号偏移检测的自适应超声波温度成像方法，该方法不再将 参数作为一个常数，结果显示该方法在温度高于50℃时有更好的温度追随特性。.第三，针对RFA过程中传统CBE方法必须进行回波信号偏移的追踪和补偿以及无法描述非均匀热疗下的组织温度分布轮廓问题，提出改进的基于滑动窗口和最佳多项式拟合的 CBE 成像方法，该方法结合滑动窗与多项式拟合，具有更好的实时性，同时可显示局部热消融轮廓；针对滑动窗口超声波CBE影像中消融针下方出现严重假影问题，提出单相CBE方法，该方法仅提取出正CBE值，结果显示该方法可使温度分布影像更加准确， CBE值更好地追踪温度曲线，同时改进了面积估计的相关性；针对时域CBE方法无法较好地可视化HIFU消融过程中热点问题，提出频域CBE温度成像方法，该方法可得到高对比度影像，同时频域CBE值与温度具有较高相关性。.第四，在RFA过程中弹性成像理论适用情况不明确的情况下，进行了高功率压迫性超声弹性成像与电极位移弹性影像研究，实验中调节电极压缩位移、扫描角度以及消融电极长度等参数，结果表明，压迫性超声弹性成像可以用于高功率消融，高功率下电极位移弹性影像可评估1 mm的电极压缩位移、较低成像扫描角度以及电极位移弹性影像可以描绘不同消融电极长度下的消融区域。.第五，针对RFA过程中传统超声Nakagami-m成像方法存在声道阴影效应问题，提出改进的多窗口混合Nakagami-m（window-modulated compounding Nakagami imaging，简称WMC Nakagami-m）成像方法来消除声道阴影效应，该方法提取多个滑动窗口影像，通过求和取平均来成像，可以准确定位消融区域。.结合上述方法，可以构建一套完整的用于指导临床热消融