1、 基金项目重庆市自然科学基金面上项目(C S T B N S C Q M S X ).第一作者章欣(),女,江西南昌人,在读硕士.研究方向:超声成像与参数影像监控.E m a i l:x i n_z h a n g c o m 通信作者周小伟,重庆医科大学生物医学工程学院 超声医学工程国家重点实验室,;国家药品监督管理局超声手术设备质量评价重点实验室,.E m a i l:z h o u x i a o w e i c q m u e d u c m 收稿日期 修回日期 实验研究N a k a g a m i G a mm as t a t i s t i c a lm o d e l p a
2、 r a m e t e r i m a g i n gf o rc h a r a c t e r i z i n g t h e r m a l i n j u r y i n d u c e db yh i g h i n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d:I n v i t r os t u d yZHANGX i n,Y ANGK u n,ZHO UX i a o w e i,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fU l t r a s o u n di nM e d i c i n ea
3、n dE n g i n e e r i n g,C o l l e g e o fB i o m e d i c a lE n g i n e e r i n g,C h o n g q i n gM e d i c a lU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g ,C h i n a;NMP AK e yL a b o r a t o r yf o rQ u a l i t yE v a l u a t i o n o fU l t r a s o n i cS u r g i c a lE q u i p m e n t,W u h a n ,C h i
4、 n a;S c h o o l o fM i c r o e l e c t r o n i c s,T i a n j i nU n i v e r s i t y,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c tO b j e c t i v e T oe x p l o r et h ee f f e c to fN a k a g a m i G a mm as t a t i s t i c a lm o d e lp a r a m e t e r i m a g i n gf o rc h a r a c t e r i z i n gt h e
5、 r m a l i n j u r y i n d u c e db yh i g h i n t e n s i t y f o c u s e du l t r a s o u n d(H I F U)M e t h o d s I n v i t r oH I F Ut h e r m a l a b l a t i o no fp o r c i n el o i nt i s s u ew a sp e r f o r m e d D a t ao fu l t r a s o u n dr a d i o f r e q u e n c yw e r ea c q u i r e
6、 d i n i n t e r v a l so fH I F Ur a d i a t i o na n da p p l i e d i naN a k a g a m i G a mm as t a t i s t i c a lm o d e l t oe s t i m a t ep a r a m e t e r s f o r f o r m i n gp a r a m e t e r i m a g e s,a n dt h e l o g a r i t h m i cd i f f e r e n c e sc o m p a r e dw i t hr e f e r
7、 e n c ef r a m ew e r ec a l c u l a t e d T h e nc o n v e n t i o n a lu l t r a s o n i cg r a y s c a l ei m a g e sa n dg r a y s c a l ed i f f e r e n c em a p sw e r ec o n s t r u c t e ds i m u l t a n e o u s l ya n dc o m p a r e dw i t hN a k a g a m i G a mm a l o g a r i t h m i cd i
8、 f f e r e n c em a p s T h ec o n t r a s t t o n o i s er a t i o(C N R)b e t w e e nt h e r m a l l yd a m a g e da r e a a n d t h e s u r r o u n d i n g t i s s u ew a su s e d t oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo f t h i sm o d e l R e s u l t sT h ep r o p o s e d m e t h o dd e t
9、e c t e dt h eo c c u r r e n c eo ft h e r m a ld a m a g ew h e nn oa p p a r e n tm a n i f e s t a t i o no ft h e r m a l d a m a g ew a ss h o w no mg r a y s c a l ei m a g e s,a n dt h ec o n t r a s to fa b l a t i o na r e aw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d C N Ro fN a k a g a
10、m i G a mm al o g a r i t h m i cd i f f e r e n c e m a p s(d B)w e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to fg r a y s c a l ed i f f e r e n c em a p s(d B,t ,P ),w i t ha no v e r a l lr e l a t i v ei n c r e a s eo f C o n c l u s i o nN a k a g a m i G a mm as t a t i s t i c a
11、lm o d e l c o u l db eu s e dt oc h a r a c t e r i z e t h e r m a l i n j u r y i n d u c e db yH I F UK e y w o r d st h e r m a l i n j u r y;h i g h i n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n da b l a t i o n;N a k a g a m i G a mm as t a t i s t i c a lm o d e l;s w i n eD O I:/j i s s n
12、 N a k a g a m i G a mm a统计模型参数成像表征高强度聚焦超声致热损伤:体外研究章欣,杨昆,周小伟,(重庆医科大学生物医学工程学院 超声医学工程国家重点实验室,重庆 ;国家药品监督管理局超声手术设备质量评价重点实验室,湖北 武汉 ;天津大学微电子学院,天津 )摘要目的观察基于N a k a g a m i G a mm a统计模型参数成像表征高强度聚焦超声(H I F U)致热损伤的效果.方法对离体猪里脊组织行H I F U热消融,于辐照间隙采集超声射频数据,以N a k a g a m i G a mm a统计模型估计参数并形成参数图,计算其与参考帧的对数差分;同步构建
13、传统灰阶声像图和灰阶超声差分图,与N a k a g a m i G a mm a对数差分图对比,中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o根据热损伤区与周围组织的对比度噪声比(C N R)评价模型性能.结果利用N a k a g a m i G a mm a模型可在灰阶声像图无明显相应表现时监测热损伤,且能明显提高消融区对比度.N a k a g a m i G a mm a对数差分图的C N R()d B 明显高于灰阶超声差分图()d B(t ,P ),整体相对提升 .结论N a k a g a m i
14、 G a mm a统计模型可用于表征H I F U致热损伤.关键词热损伤;高强度聚焦超声;N a k a g a m i G a mm a统计模型;猪 中图分类号T P ;R 文献标识码A 文章编号 ()高 强 度 聚 焦 超 声(h i g h i n t e n s i t y f o c u s e du l t r a s o u n d,H I F U)通过在焦点处产生热量而使局部组织发生凝固性坏死,在无创治疗肿瘤的同时可减少对于周围组织的损伤.传统灰阶超声能对组织声阻抗差进行表征.确保治疗的安全性和准确性,H I F U治疗中需要及时观察,以监控组织损伤,即出现弥漫性高回声区 ,但
15、存在声像图中尚未出现高回声区、而实际上损伤已经形成的情况,可能与损伤区域与周围组织之间的对比度较低有关,易致过度治疗.定量超声技术可分析及量化超声背向散射回波信号中的各种声学参数,如声速、声衰减等,获取多维度信息以表征组织特性,现已用于监控各种物理治疗过程 .利用N a k a g a m i统计模型参数可表征热消融过程中组织散射子浓度变化,基于N a k a g a m i参数成像已用于监测 消 融 多 种 组 织.N a k a g a m i统 计 分 布 属 于G a mm a统计分布族,通过对N a k a g a m i模型加以转换可获得N a k a g a m i G a mm
16、 a统计模型,利用其参数可特异性地表征H I F U所致组织热损伤.本研究通过体外实验观察N a k a g a m i G a mm a统计参数成像表征H I F U所致热损伤的效果.材料与方法 N a k a g a m i统计模型及分布转换 构建N a k a g a m i统计模型N a k a g a m i统计模型为组织超声回波包络统计中的常用模型,可根据公式()计算超声背向散射回波包络振幅(R)的概率密度函数f(R):f R()mmRm m()me x pmRU R()()式中,表示伽马函数,U表示单位阶跃函数;R代表背向散射包络.根据公式()可计算得出统计参数,其中E代表统计期
17、望.E(R)()N a k a g a m i参数m为形状参数,与目标区域内散射子浓度有关,用以表征H I F U热损伤.根据公式()、(),以最大似然法可估算近似得出m,结果以mG D表示.mG D y yy,y y yy yy(),y()yl n(NiRi)N()构建N a k a g a m i G a mm a统计模型通过将N a k a g a m i转换为其他分布可稳定其参数并减少独立参数个数.N a k a g a m i分布与G a mm a分布之间存在直接关系.G a mm a分布为常见概率分布,其概率密度函数如公式()所示;其中为形状参数,为尺度参数,参照文献 方法可推导得
18、出分布转换:f g;,()()g eg()若背向散射包络R符合N a k a g a m i分布,令GRG a mm a m,m,则Rg.将公式()的概率密度函数转换为公式():f R()m()mmRm emR()经 由 公 式()、()可 实 现 分 布 转 换.转 换N a k a g a m i分 布 时 存 在 导 数,约 定 遵 循 转 换 协 议 为f R()f g()d Rd g:f g()m()mmgm emgg()f g()m()mmgm emg()通过以上计算得出N a k a g a m i G a mm a参数/m,m.以最大似然估计法求解时,为使结果最大化,可令xm.
19、以背向散射回波振幅包络R代入其中的变量x,此时R表示背向散射回波信号强度.实验系统与数据采集 实验系统以海扶刀聚焦超声肿瘤治疗系统(J C 型,重庆海扶医疗设备有限公司)对已脱气的新鲜离体猪里脊组织进行消融(图).设置H I F U中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o图实验系统装置图A实验装置示意图;B实验系统场景图图行H I F U辐照及采集超声数据时序图换能器中心频率为 k H z,与超 声 换 能 器 共 轴 放 置.以V a n t a g e超声成像数据采集系统(V a n t a g e
20、H I F U超声研究平台,V e r a s o n i c s公司)采集超声回波射频(r a d i of r e q u e n c y,R F)数据,设置采样率为 MH z、帧频 ,所用换能器为C (中心频率为 MH z),行 个角度发散波复合成像.采集超声数据治疗前以V a n t a g e系统采集组数据作为参考.设置治疗功率为 W,略低于临床所用功率范围(W).于每个功率下行组以上辐照,每组辐照轮、每轮持续s,共辐照 s,之后设 s静息期,系统于静息期采集超声数据,每轮采集 帧(图).治疗结束后切开组织并拍摄照片.数据处理 算法处理流程对所获超声射频信号行带通滤波以去除系统噪声,
21、再对其进行H i l b e r t变换处理,以获得解析信号;利用多角度复合发散波波束合成算法合成解析信号,并提取包络数据,每次处理 帧,并进行平均及合一;为保证估计参数的稳定性和鲁棒性,以窗口调制复合法 处理平均合一后的包络信号,得到N a k a g a m i G a mm a统计参数():将滑动窗口设置为由小到大的不同倍数波长,以个像素为步长在倍波长之间移动,计算参数并进行平滑处理,形成N a k a g a m i G a mm a参数图;对参数图进行对数差分,最终得到N a k a g a m i G a mm a对数差分图(以下简称为“对数差分图”).见图.以R F数据同步构建灰
22、阶声像图及灰阶超声差分图,均以辐照前采集图像为参考.计算对数差分本研究以对数差分公式()对N a k a g a m i G a mm a统计模型参数图进行处理,以增强对于轻微损伤所致变化的识别效果:d i f(l n(a f)l n(b e f)()式中,b e f为辐照前参考 帧的N a k a g a m i G a mm a参数值,a f为辐照后参数值.评估方法H I F U消融后分别于相同深度热损伤区(A)及周围正常区(N)选取个大小相同的R O I,计算其像素均值(M)和标准差(S).根据对比度噪声比(c o n t r a s t t o n o i s er a t i o,C
23、 N R)定量分析对数差分图与灰阶超声差分图,见公式():C N RMAMNSASN()结果 H I F U消融后灰阶声像图和N a k a g a m i G a mm a统计模型参数图以功率 W及 W辐照后,灰阶图中未出现明显高亮区域,灰阶超声差分图亦未见清晰损伤特征,而对数差分图可明确识别损伤.随辐照功率增加,灰阶声像图中的高回声区域逐渐明显,灰阶超声差分图中出现明显高亮表征,对数差分图中亦见相应高亮区域.见图.中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o图超声数据处理流程图图灰阶声像图、灰阶超声差分图
24、、对数差分图及组织照片显示以不同功率行H I F U消融所致组织损伤中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o将对数差分图以彩色编码方式与灰阶声像图进行叠加,发现用于监测治疗进程时对数差分图较灰阶声像图更为灵敏(图):以功率 W进行消融时,于s、s和 s个治疗间隔所获灰阶声像图中未见损伤表现,而基于N a k a g a m i G a mm a统计模型参数成像的彩色编码图显示,辐照第s时,对焦域处组织已发生坏死.C N RH I F U消融过程中,热损伤区与周围正常组织的对数差分图的总体C N R()d
25、B高于灰阶超声差分图()d B(t ,P ),整体提升 ,见图.不同功率下,对数差分图的C N R均明显高于灰阶超声差分图(P均 );且随治疗时间延长,对数差分图C N R大致呈上升趋势(图).讨论灰阶超声常难以准确判断H I F U所致热损伤,只有当辐照功率较大、焦点处被激发而出现空化气泡时,灰阶声像图中方出现高亮强回声.为表征H I F U致热损伤,本研究提出基于N a k a g a m i G a mm a统计模型的定量超声方法.N a k a g a m i统计模型是组织超声回波包络统计中的常用模型,常用于超声组织定征;利用其参数m可对H I F U热损伤进行表征,且对小面积损伤更为
26、有效;而N a k a g a m i G a mm a统计模型的参数通常表示背向散射信号平均强度的局部变化.本研究采用参数,旨在利用背向散射回波振幅变化、结合m参数对回波振幅进行加权处理,以弱化空化气泡活动带来的强回声的影响,显示损伤区形状及大小更加图灰阶声像图及N a k a g a m i G a mm a对数差分叠加图显示以功率 W行H I F U消融所致热损伤图H I F U治疗过程中热损伤区(R O I)与周围正常组织(R O I)的C N R的动态变化A、B提取相同深度下个相同大小正方形R O I的灰阶超声差分图幅值(A)及对数差分图参数值(B);C C N R总体对比图中国医学
27、影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o图不同功率H I F U消融所致热损伤的C N R对比图A W;B W;C W;D W;E W;F总对比图贴近实际,进而实现表征H I F U所致热损伤.本研究结果显示,相同辐照条件下,利用N a k a g a m i G a mm a统计模型能较准确表征低功率下(W及 W)未发生空化现象组织的损伤状态,其C N R高于灰阶超声;出现空化气泡时(W及 W),N a k a g a m i G a mm a统计模型亦能较为准确地表征组织损伤,其性能与传统灰阶超声接近;损伤表
28、征灵敏度的提升使该方法更具有普适性,可弥补灰阶超声仅能表征高功率消融、特别是出现空化现象后的损伤的缺陷.以较大功率进行H I F U消融时,受空化气泡的影响,治疗前后超声回波幅值变化过大,尽管参数m对此有一定调节作用,参数图中损伤区域的形状及边界仍与实际情况存在一定差异;此外,组织不均匀性及组织内小筋膜均可致所 获参数图 存在一定噪声,后续降噪处理可使参数成像更加清晰.本研究还发现,尽管对数差分图表征的损伤与真实损伤存在一定相关性,但并不能完全准确地表征损伤,可能与辐照时组织受到挤压、组织经切片后摆放定位差异等有关.综上所述,N a k a g a m i G a mm a统计模型对于可视化热
29、损伤具有一定潜力,可用于监控和表征H I F U治疗所致热损伤,特别是在未出现空化现象的情况下.但目前N a k a g a m i G a mm a统计模型尚存在不足,如其参数图存在噪声、影响表征损伤的准确性,有待后续加以完善.参考文献 欧霞 邹建中敭高强度聚焦超声生物学效应的研究进展 J 敭中国医学影像技术 敭 VA E Z YS S H IX MA R T I NRW e t a l 敭 R e a l t i m ev i s u a l i z a t i o no fh i g h i n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n dt
30、 r e a t m e n tu s i n gu l t r a s o u n di m a g i n g J 敭U l t r a s o u n dM e dB i o l 敭 L A F O NC B O U C H O U X G S O U C H O N R e ta l 敭M o n i t o r i n ga n df o l l o wu po fH I F Ul e s i o n sb yu l t r a s o u n d E B O L 敭 敭 h t t p s i e e e x p l o r e 敭i e e e 敭 o r g d o c u m
31、 e n t 敭 邹建中 龚晓波 贺雪梅 等敭高强度聚焦超声辐照离体组织靶区无灰度变化有坏死现象的研究 J 敭临床超声医学杂志 敭 YU E W WAN G S WAN G B e t a l 敭 U l t r a s o u n d g u i d e dp e r c u t a n e o u s m i c r o w a v e a b l a t i o n o f b e n i g n t h y r o i d n o d u l e s S a f e t ya n d i m a g i n gf o l l o w u pi n p a t i e n t s J 敭
32、E u rJR a d i o l e e 敭 Z HAN GS WAN M Z HON G H e ta l 敭D y n a m i cc h a n g e so fi n t e g r a t e d b a c k s c a t t e r a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n t a n d b u b b l ea c t i v i t i e s d u r i n g h i g h i n t e n s i t y f o c u s e d u l t r a s o u n d H I F U t r e a t m
33、 e n t J 敭U l t r a s o u n dM e dB i o l 敭 吴水才 王月 周著黄 等敭基于超声组织定征技术的肿瘤热疗无创监测方 法 研 究 进 展 J 敭北 京 工 业 大 学 学 报 敭 Z HAN GS S HAN G S HAN Y e ta l 敭E xv i v oa n di nv i v om o n i t o r i n g a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o ft h e r m a ll e s i o n s b y h i g h i n t e n s i t y f o c u s e d u
34、 l t r a s o u n d a n d m i c r o w a v e a b l a t i o n u s i n gu l t r a s o n i cN a k a g a m ii m a g i n g J 敭I E E E T r a n s M e dI m a g i n g 敭中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o S HANKA R P M D UMAN E V A G E O R G E T e t a l 敭C l a s s i f i c a t i o n
35、 o f b r e a s t m a s s e si n u l t r a s o n i c B s c a n s u s i n gN a k a g a m i a n d K d i s t r i b u t i o n s J 敭P h y s n M e dB i o l 敭 A L P A R O K R E J C A R O D O L E Z A L R敭 D i s t r i b u t i o n b a s e di m a g i n gf o rm u l t i p l es c l e r o s i sl e s i o ns e g m e
36、n t a t i o nu s i n gs p e c i a l i z e df u z z y m e a n sp o w e r e db yN a k a g a m i t r a n s m u t a t i o n s J 敭A p p lS o f tC o m p u t 敭 M I T R A R M I S HR A A K C HOU B I S A T敭 M a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t eo fp a r a m e t e r so fN a k a g a m i md i s t r i b
37、u t i o n E B O L 敭 敭h t t p s i e e e x p l o r e 敭i e e e 敭 o r g d o c u m e n t 敭 C HE N W Z HU H Z HAN G L e t a l 敭 P r i m a r y b o n em a l i g n a n c y E f f e c t i v e t r e a t m e n t w i t h h i g h i n t e n s i t y f o c u s e du l t r a s o u n da b l a t i o n J 敭 R a d i o l o g
38、 y 敭 T S U IP H MA H Y Z HOU Z e ta l 敭W i n d o w m o d u l a t e dc o m p o u n d i n gN a k a g a m i i m a g i n gf o ru l t r a s o u n dt i s s u ec h a r a c t e r i z a t i o n J 敭U l t r a s o n i c s 敭 MOHANA S HANKA R P敭 A g e n e r a ls t a t i s t i c a l m o d e lf o ru l t r a s o n i
39、 cb a c k s c a t t e r i n gf r o mt i s s u e s J 敭 I E E ET r a n sU l t r a s o nF e r r o e l e c t rF r e qC o n t r o l 敭 OU Z I R N O L L I L A E VO R O B Y OV S A敭D a t a a d a p t i v es i m i l a r i t ym e a s u r e sf o rB m o d eu l t r a s o u n di m a g e su s i n gr o b u s tn o i s
40、 em o d e l s J 敭 I E E EJS e lT o p i c sS i g n a lP r o c e s s 敭 R A B K I NBA Z D E R I CV C RUM L A e ta l 敭B i o l o g i c a la n dp h y s i c a lm e c h a n i s m so fH I F U i n d u c e dh y p e r e c h oi nu l t r a s o u n di m a g e s J 敭U l t r a s o u n dM e dB i o l 敭 版中国科技期刊引证报告相关数据 中国医学影像技术由中国科学技术信息研究所主持的“中国科技论文统计结果发布会”于 年 月举行.中国医学影像技术 杂志在 版中国科技期刊引证报告(核心版)的相关数据为:文献来源量:篇;基金论文比:;核心总被引频次:;核心影响因子:;学科扩散指标:;学科影响指标:;综合评价总分:.中国医学影像技术 年第 卷第期C h i nJM e dI m a g i n gT e c h n o l,V o l ,N o
