哈工大数字超声成像报告.

HarbinInstituteofTechnology数字超声成像课程报告热应变成像：相关回顾摘要：热应变成像(TSI)或颞应变成像是一种利用声音温度依赖性创建热（时间）应变图像的超声应用。本文提供热应变成像在生物医学应用领域的概述过去几年经常出现在文献中。本文介绍了热应变的基本原理。本文讨论了两种适用于临床应用的主要能源来源。这种方法在生物医学上的应用前景通篇都有呈现，包括组织特性与无损测温。我们也展示了这种方法的一些局限与并发症，并且包含于一些其他方法的对比。关键词：超声；热应变成像；组织分化；无创测温1.介绍从原来的A型成像到现代扫描仪生成实时的解剖结构和血流的二维和三维图像，超声成像在过去50年已经有了显著成果。它已成为一种临床诊断和治疗疾病与损伤的标准医疗工具。大概超声最知名的应用就属人体内部器官与胎儿成长的无损成像了。但其实它也在其他医学诊断中有应用，例如组织运动在体内的表征与测量。本文的目的是回顾我们的应用程序——热应变成像（TSI），代表在过去几年的文献中已经出现的技术集合。我们希望提供足够的基本理论和应用以证明其临床潜力。热应变成像是基于局部组织区域加热时对定向能量源吸收的超声组织性能变化的原理。当软组织中温度上升，组织就会扩张从而使得超声波传播速度改变而导致散射体位置分别发生明显的物理变化。后者在体温，通常37℃附近一个很大的工作范围内占据主导。散射体变化的局部时间梯度通常称为热应变，热应变与组织成分和温度直接相关。热应变成像技术在两项医疗应用得到了初步发展：无创测温以及含水脂肪组织内的脂质池识别。正如文献2阐述的，热应变成像技术可用于基于温度导致的组织传播声速的变化，对组织局部区域温度场变化分布的成像。用于加热的有向能量源的类型主要由治疗应用和监测程序的热应变成像技术决定，有助于优化能量传递以达到理想的临床效果。许多研究者认为热应变成像技术这个应用程序作为一个一般的测温工具在技术上存在着很大的局限性。然而有几个临床应用热应变成像技术很可能得到监控和优化指导的热疗法。在接下来的章节将会阐述其中的一类应用。作为比较和判断组织特征(如脂类鉴定)的热应变成像技术考虑了这样的事实：对于含水组织声速随温度的变化与脂肪组织的方向是相反的。使用声速变化的热相关成像是识别脂质池和含水脂肪组织内的一个很有潜力的无损性工具。从这项应用上看，有向能量源用于提供一个瞬时热脉冲提供一个局部化的，无损的只有1~2℃的变化。几种类型的有向能量源都已经针对热应变成像技术做过测试。我们认为有两种情况适用于医疗应用：电磁（射频、微波）和超声波。两者都已经广泛应用于迅速加速软组织的医疗应用中，两者都为可以精密控制的热源，可以应用于热应变成像技术无损检测组织特性的应用中。当向一个软组织短时施加电磁辐射时，会由于组织介电性能电磁吸收引起升温。类似的局部组织对高频压力波的吸收也可以引起加热。有向能量源引起的局部温度改变会使超声斑辐射发生明显位移，因此可用散斑跟踪估计声速的局部变化。由位移导致的热应变可用于热应变成像技术。本文的结构安排如下：第二部分介绍热应变成像技术的理论基础及描述物理方程；第三部分简要介绍热应变成像技术的有向热源种类；第四部分给出一些热应变成像技术成功应用的案例。我们首先给出基于易损动脉斑块在含水及含脂组织间的强烈对比关系的组织鉴定识别。接着介绍了在心内射频消融时，有向能量传递的热应变成像技术一篇先期性研究。我们还陈述了这种方法的局限与困难。最后，本文总结性论述了有望应用热应变成像技术得到改进的医疗应用。2.基础热应力理论TSI适用于无创测温和相位敏感的温度依赖性为基础的声速组织分化创建热（时间）应变图像。我们首先用一种通用热源解释这一理论，然后具体分析了几种特殊的有向能量源。用z表示局部坐标系，0z表示软组织到换能器表面的深度，组织所在处初始温度为0，声速分布场为00,zc。0z处散射体回波的全程时间延迟为：000000','2zzcdzt在经历一些温度变化后，0z由于热应力扩张到z，温度分布变为0~zz。考虑组织的一维热应力扩张，00000000001'''1dzzzdzdzzzzzz其中，0z为热扩展的线性系数，000zz为温度变化。温度变化导致新的声速分布00,,~~zzczzc因此新的时间延迟为：zzzcdzzt0','~~'2~或者用0z表达式为：0000000'','''12~0dzzzczzztztz因此，组织加热或冷却导致的时间变化为000000000000'',1','''120dzzczzczzztztztz上面方程给出了由温度变化产生在0z深度附近每单位长度的回波时间差，00000000,1,12zczzczzztdzd作为一阶估计，假设声速与温度间存在线性关系。这一关系在接近37度的足够大的温度变化范围内已经证实(约10℃)，它可以准确描述由于差分温度变化导致的差分速度变化。根据公式，000000,1,zczzzzc其中，00000000,,1zzzzczcz是决定声速温度变化关系的线性系数。通常，λ自己也是温度函数。当100zz，代入上述方程可得0000000,2zczzzztdzd或00000002,1ztdzdzczzz因此00002/,dtzcdz，根据以上公式，可推导出00000zzzztt变化率00ztt有时间应变的形式，因此叫热应变来表示热源的明显变化导致的超声波脉冲回波信号。含水组织的λ范围从3107.0到3103.1，含脂组织的λ范围从3103.1到3102，在正常体温附近。若假设升温1℃且不考虑热扩张，含水组织的热应变接近3101，含脂组织的热应变接近3107.1。正如下面所示在合理温度范围内可以忽略热扩展，但是在浸水组织中通常用于温热疗法且热扩展必须考虑。根据上式可以看出热应变与温度变量呈现明显的线性关系。比例恒定且与声速对温度的依赖性直接相关。含水组织由温度引起的声速变化与水的影响模式、性质完全相同。在37℃附近，λ为正值且至少大于β一个阶次。然而，当温度达到50℃以上时声速不会再继续上升且λ也变为一个极小的负值。在这一点上，热扩展导致的物理位移与速度变化处于同一等级。图1表示声速温度函数在血液、牛肝中的函数曲线。这些曲线的顶点通常处在45℃及55℃之间。正如上面讨论的，这一有趣的性质有潜质用于调节心内射频消融的能量传递。图1声速函数在血液、牛肝中的温度函数曲线理论上为了生成热应变成像超声散点图案在介质加载热脉冲前后立即测量。实际上实时超声成像需要施加热脉冲之前，之中，之后持续且立即地测量。斑点构造与统计特性直接与潜在组织微观结构有关，可用空间标记追踪组织运动。二维ST用于根据这些图像的精细结构（散斑图）之间的相似性的对图像之间的位移进行量化。在二维ST中，有一个复杂的关联系数函数R，代表源自射频图像分析信号的散点结构的相似性，以00,mb为中心的图像i及以00,mb为中心的图像i+1，计算如下式BBbMMmiBBbMMmiBBbMMmiimbjmmkbbsmmbbsjmmkbbsmmbbsjkR200120000100*,,,,0,,00核维度MB直接关系到空间分辨率和信噪比(SNR)。权衡值有两个，它们分别是精度（即较小的方差）与空间分辨率。核维度越小，空间分辨率越大。然而，当核维度减小到超声脉冲的自相关宽度以下时，变化量会增大。大内核的大小代表几个斑点，应变解信号和空间分辨率和精度降低。因此，自相关核维度应该取大约散斑的最佳应变估计。在信噪比的额外增益可能通过空间滤波的相关函数在几个斑点，以减低的空间分辨率为代价。二维位移(1,dda)最初是通过寻找的峰值位置的空间滤波相关系数函数使用抛物线拟合。轴向位移ad，然后通过计算的相位过零的位置的峰值相关系数，进一步细化。由于没有横向方向的相位信息，横向位移估计远大于轴向的方差。总体上，二维ST在每个图像像素产生三种输出：轴向位移，侧向位移和顶点位置的自相关系数幅值R，这一幅值可用于可以用作相关过程的相似/质量度量。方程中的热应变可以从每个图像点的二维ST过程位移输出估计得（即视位移）dnnmbdnmbdmbmbstrainthermalaaa2,,,,其中，nmbda,是在nmb,像素的毫米级位移；nmbda,是在nmb,像素的毫米级位移。d是采样系统在空间范围（毫米）的像素。用于计算最终应变的窗口大小应该是过滤器关于相关函数的大小。热应变成像技术在空间的分辨率最终由n确定。热应变与力学应变形式相同，当有大的力学应变出现时可能会使二者混淆。正如以上讨论，使用热应变成像技术方法时要尽最大努力使力学应变不会对热应变的测量造成混淆干扰。下面第四节中给出了这种算法在几项相关应用上的结果。3.加热源精确控制的热源是热应变成像技术系统的关键环节。尽管从商业角度超声波加热更方便加入超声检测成像系统的整体，我们还是对电磁加热与超声加热都做出了调查研究。3.1微波诱导加热在早期研究工作中，基于热应变成像技术的组织识别(当时叫做微波诱导热应变)被广泛认可。电磁波辐射用于诱导加热，然后由温度变化引起的局部声速变化用基于自相关的相位敏感器ST模拟。在同一课题组的后期研究中，热应变成像技术用于血管成像的导尿管组织模型。最终目标是设计一个适合的有向能量源以对冠状动脉提供控制加热源，用热应变成像技术区分冠状动脉斑块特点。例如，一个微带环形散热器设计优化效率在915兆赫提供连续微波辐射组织等效模型。它创立了与天线表面平行的一致平面辐射模式。估计产生能量70瓦。在微波加热期间，波束辐射数据用采样频率为50兆赫的火山学视觉图像系统收集。尽管对微波加热的概念做出成功阐释，可以注意到有一些实际应用的局限。首先，由于用于研究的天线不能聚焦所以最基本的问题是对表面的过度加热。在一个能聚焦在目标区域加热的更复杂的天线阵列设计出来前，这种方式还不能临床应用。3.2用医疗成像换能器实现的超声诱导热应变成像一个热应变成像技术应用的简单精确控制热源成功设计出用于二元共焦点换能器。作为这项研究的扩展，以一个513个元构成的二维医疗相控阵与一个常用超声扫描仪组合。相控阵用于做加热源，相控阵为几何半径150毫米的球形截面。工作频率为1MHz。通过对驱动信号元素施加合适的相角变化，可以设计出对目标区域(ROI)特定延伸方向一致加热几秒的脉冲序列。通过设计的超声加热束形式及脉冲序列，ROI目标在合理的低峰值密度下加热几秒，考虑到此项研究中的力学指数(MI)较高，但是仍低于联邦药监局指标，同样的升温值可由更高频率的超声换能器产生。据估计，热应变成像技术在橡胶模目标区域产生的热量为3.2℃/s且与预测值非常吻合。3.3单换能器超声诱导热应变成像最近研究表明单一超声阵列诱导的热应变成像是可行的。用一个超声驱动的线性阵列探针对一个直径为3毫米的橡胶夹杂的明胶模型加热并成像。基于热应变成像技术，内含物在1.1秒加热以后就被确定为含脂材料。根据含脂组织的λ值，内容物温度上升速率以1℃/s的速率上升。当超声扫描操作在医疗模式，短脉冲透射用于成像，它可以维持所有像素点的MI低于0.96。在文献中阐述了诱导末梢区域血管，如颈动脉的组织