（物理电子学专业论文）基于b超图像处理的hifu有效治疗区域确定及增强方法研究.pdf

中文摘要 高强度聚焦超声( m f u ) 技术作为一种非侵入式肿瘤治疗新方法， 可一次成功且无毒副作用，已成为国际超声治疗领域的研究热点。 h i f u 治疗中的实时监控是确保h i f u 治疗安全高效的关键。目前利 用b 超监控治疗过程时，主要由医生凭经验依据b 超图像来判定有 效治疗区域及治疗程度，缺乏客观性和科学性。 在h i f u 与b 超配合使用的实验条件下，本文利用图像处理技术， 研究了h i f u 治疗时生物组织损伤区域自动检测及增强方法。所做的 工作主要有： 1 ) 对h i f u 辐照前后获得的b 超图像进行灰度变换、归一化、 裁剪和减影处理，将迭代数学形态学方法应用于减影图像去噪处理。 结果表明：该算法在去除“斑点 噪声的同时很好地保留了组织损伤 区域信息。 2 ) 根据h i f u 监控图像特点和实际应用需求，采用多种图像分割 方法自动检测生物组织损伤区域。结果表明：基于灰度期望值的阈值 法确定的阈值大小合适，检测到的损伤区域比l o g 算子和o t s u 法 与实际损伤区域更加吻合，可以在临床治疗中为医生确定分割阈值提 供参考；将动态灰度梯度算子用于区域生长时定位种子点，增强了定 位能力，取得了较好的检测效果，该方法非常适合于多点辐照且变性 区域不重合的情况；将自适应加权均值滤波应用于f c m 算法，比传 统f c m 算法具备更强的抗噪能力，检测到的损伤区域轮廓清晰，也 保留了边缘细节，大小与实际情况基本吻合。 3 1 改进了传统空间域灰度级一彩色变换法的线形变换函数，应 用于增强组织损伤区域。结果表明：该方法比传统空间域灰度级彩 色变换法分辨率更高，而且保持了图像原始灰度等级；建立灰度变化 与彩色对应关系的色标图，为医生半定量直观分析b 超图像提供了可 靠依据。 本文围绕h i f u 治疗中实时监控及损伤区分析做了大量的研究工 作，这些工作对推动h i f u 技术的应用和发展具有重要意义。 关键词：高强度聚焦超声；b 超图像；有效治疗区域；实时监控 a b s t i 认c t a san e wn o n d e s t r u c ti v ec a n c e rt r e a t m e n tm e t h o d ，h ig 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 ( h i f u ) t h e r a p y ，w h i c hc a ns u c c e e d a f t e ro n l yo n et i m et r e a t m e n ta n dh a sn os i d e e f f e c t s ，h a s b e c o m eah o t s p o ti ni n t e r n a t i o n a lu l t r a s o u n dt r e a t m e n tf i e l d r e a l t i m em o n i t o r i n gd u r i n gh i f ut r e a t m e n ti sak e yp r o b l e m t oa s s u r eh i g he f f i c i e n c ya n ds a f e t y a tp r e s e n t ，w h e n t r e a t m e n tp r o c e s si sm o n i t o r e db yb m o d eu l t r a s o n i ce q u i p m e n t ， t h ed e g r e ea n da r e ao fl e s i o n sa r ed e t e r m i n e dm a i n l yb yt h e d o c t o rb a s e do nb m o d eu l t r a s o n i ci m a g e s ，w h i c hi sl a c ko f o b j e c t i v i t ya n da c c u r a c y u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a th i f ua n db m o d eu l t r a s o n i cd e v i c e a r ec o m b i n e dt ou s ei ne x p e r i m e n t s ，h o wt od e t e c ta n de n h a n c e d a m a g er e g i o n sa u t o m a t i c a l l yb yi m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s d u r i n gh i f ut h e r a p yi s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nd o n e w o r ki sa sf 0 1 l o w s ： 1 ) b - m o d eu l t r a s o n i ci m a g e so b t a i n e db e f o r ea n da f t e rh i f u r a d i a ti o na r eg r a y s c a l et r a n s f o r m e d ，n o r m a l iz e d ，c u ta n d s u b t r a c t e d t h e nt h es u b t r a c ti o ni m a g e isd e n o is e d b y i t e r a t i v em a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ym e t h o d ，w h i c hr e m o v e st h e n o i s ea n dh o l d st h ei n f o r m a t i o no fl e s i o n ss i m u l t a n e o u s l y i i i 2 ) v a r i e t yo fi m a g es e g m e n t a t i o nm e t h o d sa r et e s t e dt o d e t e c td a m a g er e g i o n sa c c o r d i n gt ot h ei m a g ec h a r a c t e r i s t i c s o fh i f ua n dr e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n c o m p a r e d t ol o go p e r a t o ra n do t s um e t h o d ，t h et r e a t e dr e g i o nd e t e c t e d b yt h r e s h o l dm e t h o db a s e do n t h ee x p e c t e dv a l u ei sm o r e c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，s oi tc a np r o v i d e r e f e r e n c e sf o rt h ed o c t o rt od e t e r m i n et h es e g m e n t a ti o n t h r e s h o l di nt h ec l i n i c a lt r e a t m e n t p o s i t i o n i n gc a p a b i l i t y o fr e g i o ng r o w i n gm e t h o db a s e do nd y n a m i cs h a d e so fg r a yt o d e t e r m i n es e e dp o i n t si si m p r o v e d ，s oi t sr e s u l ti sg o o d w h e n l e s i o n si nb i o l o g i c a lt i s s u ea r em u l t i p o i n t sa n dd e n a t u r e d r e g i o n sd on o to v e r l a p ，t h i sm e t h o di sv e r y f i t t h e f c m a l g o r i t h mw h i c ht a k e st h es p a t i a li n f o r m a t i o ni n t oa c c o u n th a s s t r o n g e ra n t i n o i s ea b i l i t yt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e t h e d a m a g er e g i o nd e t e c t e db yt h i sm e t h o dh a s ac l e a ro u t l i n e ( r e t a i n i n gt h ed e t a i l s ) ，a n di t ss i z ei sc o n s i s t e n tw i t ht h e a c t u a ls i t u a t i o nb a s i c a l l y 3 ) t h el i n e a rt r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n o ft r a d i t i o n a l s p a ti a lg r a y c o l o rt r a n s f o r m a ti o nm e t h o dism o d i f i e d ，a n di t isa p p lie dt oe n h a n c et h ed e s t r u c ti v ea r e a t h ism e t h o dh a s h i g h e r r e s o l u t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e ，a n di th a s m a i n t a i n e dt h eo r i g i n a lb r i g h t n e s sl e v e l t oe s t a b l i s ht h e i v c o l o rp l o t t i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a ys c a l ea n dc o l o r ， i tp r o v i d e sar e l i a b l eb a s i sf o rd o c t o r ss e m i q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s al o to fr e s e a r c hw o r kf o c u s e do nr e a l ti m em o n it o r i n g d u r i n gh i f ut h e r a p yh a sb e e n d o n ei nt h i sp a p e r ，a n di t i s h e l p f u lf o rp r o m o t i n gt h ea p p li c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fh i f u t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：h i g hi n t e n si t yf o c u s e du l t r a s o u n d ( h i f u ) ： m o d ebu l t r a s o n i ci m a g e ：e f f e c ti v et r e a t e da r e a ； r e a l t i m em o n it o r i n g v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄l 冲易z 。p 年歹月巧日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大 学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以呆用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密仞。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：2 口9 年岁月习 日 日期：如巾年p月5d 日 基丁b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 1 1 超声治疗发展概况 第一章绪论 肿瘤热疗利用如射频、超声波和微波等各种物理能量在组织中 沉积所产生的热效应，使组织温度上升至有效治疗温度区域( 4 3 。c 以上) ，并维持定时间，直到既杀死病变组织周围健康结构又不受 到损伤【。随着肿瘤热疗法的发展，加热手段越来越丰富，如超声波、 微波、射频、红外线、热灌注和循环体液加热等。治疗方式也多种 多样，从全身加热到局部加热，从介入治疗到体外加热，都已有了 相应的产品问世【2 1 。 超声因具有可聚焦、可侵入等特点，越来越多的人开始关注超 声热疗技术。超声热疗早在1 9 3 2 年就被f r e u n d l i c h 提出来了，此后 以攻克癌症为目的，许多学者对超声热疗展开研究，超声温热疗法、 高强度聚焦超声疗法和热疗机理等是研究的重点【3 1 。超声温热疗法基 于加热时细胞缓慢死亡现象，通过超声加热使靶区温度上升到 4 3 。c 4 6 。c ，并持续一段时间直致肿瘤细胞坏死。1 9 3 3 年此方法首次 应用于动物肿瘤治疗，这一技术于1 9 4 4 年首次在人体试验中使用。 细胞存活率会随着以一定温度连续加热的时间均匀降低 4 1 ，这就 是细胞的耐热性。若以低温持续加热，则细胞会在未充分杀死之前 获得耐热性，导致细胞致死温度随之上升。为了使治疗充分，必须 使温度在短时间内达到4 3 。c 以上。用超声温热疗法治疗肿瘤时，要 想获得理想效果的同时避免损伤健康组织，需要在较长时间内将治 硕+ 学位论文 疗区温度控制在4 3 4 6 。c 之间。但是组织的损伤程度与温度并不成 线性关系。因此，超声温热疗法一般作为放疗和化疗的辅助治疗手 段，起到增强疗效的作用【5 】o 高强度聚焦超声( h i f u ) 将超声能量聚焦于体内某一靶区，能使 靶区组织温度在短时间内( 1 秒左右) 升至6 5 。c 以上，从而使病变组织 发生不可逆性坏死，同时空化效应产生的高能量也会将肿瘤细胞直 接蒸发 ，由此达到治疗目的 6 】 7 】【8 1 。高强度聚焦超声能用于治疗深 部肿瘤，可以一次成功且对人体无创，该技术在治疗肿瘤方面很有应 用潜力。 虽然早在上世纪五十年代f 巧等就提出将高强度超声用于外科 手术，但当时由于监控和定位技术不够发达，此项研究并没有得到 很好的发展。自上世纪九十年代，国内外学者在h i f u 治疗机理、 h i f u 设备及h i f u 动物试验等方面开展了大量的工作。上海交通大 学王鸿樟等在国内率先开展此项研究【舛，北京医科大学何申戎等研制 的h i f u 设备首先用于临床。重庆医科大学王智彪等提出了生物学 焦域的概念 1 0 】【】，并在临床方面开展了大量的研究，获得了满意的 效果，其推出的“j c a 型聚焦超声肿瘤治疗设备”已成为商品机。目 前国内已有重庆海扶、上海爱申、北京源德、深圳普罗惠仁等多家 企业与高校联合推出的h i f u 设备获得了认证。在近年召开的几届 国际超声治疗学会( i s t u ) 会议上，英、美、法、德、日等国的专家 也报道了他们在h i f u 设备研制和应用方面取得的最新进展。目前 我国在h i f u 临床应用方面发展很快，处于国际前列。h i f u 应用取 基丁b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 得的令人鼓舞的成果及巨大的市场潜力吸引了众多厂家的投入。 1 2 f u 治疗监控方式 由于高温情况下正常组织和病变组织受损差异消失，因此治疗 前的准确定位和治疗中的疗效监控是确保h i f u 治疗安全高效的关 键。h i f u 治疗前的定位和治疗中的监控都需要对病变区域进行成 像，目前h i f u 治疗中的定位和监控方式主要有以下几种： 1 ) c t 。y a n g 等人用h i f u 对2 0 只兔肝进行体外处理后，分别 用超声、c t 观测发现，对于靶区增强c t 显示为低密度区，对应声 像图上显示为高回声。进行病理对照发现c t 描述及声像图上观察 到的靶区大小与病理标本间有很好的相关性【1 2 】。赵建农等人用h i f u 治疗肝癌时发现，h i f u 治疗后靶区密度较治疗前明显降低1 3 】。由此 可见c t 能用于h i f u 术中监控。 2 ) m r i 。自2 0 世纪9 0 年代以来，m 刚在h i f u 引导中得到很 快发展。从1 9 9 4 年开始，d r h y n y n e n 等人用m r i 引导的h i f u 系 统辐照动物脑组织，通过m 观察到凝固性坏死区域【1 4 】_ 1 9 】，但是他 们评价的仅仅是温热组织，且坏死区域面积不大。最近，i n s i g h t e c h 生产的m r i 引导的h i f u 设备已用于治疗子宫肌瘤【2 0 】，打开了基于 m r j 的h i f u 系统治疗其他组织肿瘤的新局面，目前这套设备被三 十多个国家和地区采用。c h r i s t a k i sd a m i a n o u 等人用h i f u 辐照新鲜 离体羊脑组织和活体兔脑组织后，通过m 砌观测到大面积的损伤区 埘2 1 1 。r o l a n d 等人在实验及临床过程中通过m r j 观察h i f u 辐照后 硕十学位论文 各个阶段的影像，发现从图像角度观察到的组织损伤情况与实际情 况基本符合【2 2 】。 3 ) b 超。h a a r 用h i f u 辐照离体猪肝组织后，通过二维实时超 声检测到其中的损伤区域，发现靶区产生强回声【2 3 1 。v a e z y 等研究 认为，声像图上观察到的靶区回声强度与h i f u 辐照剂量( 即时间 和声强) 有关。笔者在用h i f u 设备进行离体生物组织试验时，观 察到h i f u 辐照后靶区的b 超图像会出现灰度增强，并且区域大小 与生物组织损伤的最大剖面基本一致。a l iz i a d l o o 等将4 du s 作为 h i f u 监控设备，通过实时3 d 图像观察到鸡胸组织损伤情况与实际 解剖结果基本相符2 4 1 。 目前，超声、c t 及m r i 是国内外用来引导和监控h i f u 治疗常 用的方法，m r i 和c t 两者的成像清楚，分辨力高，测定病灶的位 置、大小精确性较超声高，并且能对图像进行定量分析，具有自身 独特的优点。但是c t 具有放射性，会对人体产生副作用；m r i 具 有昂贵、实时性差和对带有心脏起搏器者等特殊人群不适用等缺点， 都不是理想的监控方式。而b 超成像方式成本低廉，易与h i f u 探 头机械兼容，便于h i f u 技术推广应用，因此b 超是h i f u 治疗中 定位和监控的重要设备【2 5 】【2 6 】。 1 3hif 0 治疗中测温和疗效评价 h i f u 治疗过程监控包括治疗中测温、疗效评价等方面。虽然相 关研究较多，但突破甚少。此领域的研究仍是热点和难点，也是h i f u 基丁b 超幽像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强力法研究 技术发展中亟待解决的关键问题。 利用热电偶等对治疗区进行有限点的有损测温，不仅会给病人 带来痛苦，而且可能引起肿瘤细胞扩散，实际应用中并不可行。无 损测温的研究较多，主要有核磁共振测温、电阻抗成像测温、c t 测 温、超声测温和温度场的计算机模拟等。目前仅核磁共振测温技术 趋于成熟，但成本太高。超声测温技术多年来一直受到关注，其原 理是利用组织的某些声学特性与温度的相关性来获取温度信息。从 信号处理角度来看，超声测温方法主要有：利用回波信号的时移测 温、利用回波信号的频移测温和基于回波信号能量的测温等2 7 】【2 8 】【2 9 】。 组织温度变化时，其声速会发生变化。基于时移的测温技术在理论 上比较简单，但在实际应用中比较困难，因为超声信号在时间点上 的精确测定比较困难。基于频移的测温方法受数据段的截取影响明 显，基于能量的测温方法空间分辨率较差。有人还研究了声衰减系 数及非线性参数与组织温度的关系。从图像处理角度来看，目前的 研究主要通过分析超声回波图像的灰度变化来提取温度信息【3 0 】【3 1 1 。 h i f u 治疗中b 超是通过治疗后焦区的回声增强现象来进行监控成 像的，因此空化气泡的散射及组织内声阻抗、散射系数的差异等多 种因素都会影响图像的灰度。超声诊断中图像纹理分析方面的研究 很多【3 2 1 ，但h i f u 治疗中图像特征提取及其与组织特性和温度的关 系研究较少。目前上述方法离实际应用均尚有很大距离。 h i f u 治疗中的疗效评价是监控技术中不可或缺的一个重要方 面，但此方面的研究尚处于初级阶段3 3 1 。治疗中组织的损伤程度不 硕 ：学何论文 只依赖于温度，还与热剂量有判3 4 1 。n p a r m a r 等利用透射声成像研 究了图像灰度与媒质的声衰减系数的关系，并依据图像灰度变化分 析了温度变化对媒质声衰减特性的影响。近期的一些研究表明h i f u 辐照后组织损伤引起声衰减特性及弹性力学特性变化较为明显 【3 5 】【3 6 】。超声衰减成像和弹性成像在h i f u 疗效评价方面有一定优势 【3 7 1 ，但衰减成像精度不够，弹性成像不易在体内实现，且均难实现 实时。 h i f u 治疗的靶区组织往往是一个“体”而不是一个“点”，由 于h i f u 一次只能消融一个“点 ，因此h i f u 治疗是一个动态连续 的过程，术中的监控显得尤为重要。目前治疗过程中，利用b 超监 控靶区组织是否变性以及变性程度时，有的由医生凭经验依据b 超 图像来判定，有的停留于医生手工分割和阈值分割法【3 8 1 ，缺乏客观 性和准确性。如何通过图像处理技术自动而准确地实现变性区域的 检测是一项重要且必需的工作。 1 4hlf u 治疗监控图像的分割 实验和临床病例表明：h i f u 辐照后靶区会产生回声增强现象， 表现在对应的b 超图像中就是灰度增强区域，并且区域大小与h i f u 损 伤的最大剖面一致，这就说明超声图像中蕴含了可以反映h i f u 损伤 发生的位置、形状和大小的信息，但是如何通过图像分割技术从b 超 图像中精确检测出损伤区域有很大的难度。 医学图像分割依据区域内的相似性和区域间的相异性从图像中 基丁b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 把感兴趣区域分离出来，帮助医生对病变组织或治疗区域进行定性或 定量分析，从而提高诊断的准确性和科学性3 9 1 。 现在国内外广泛使用的医学图像分割方法主要有边缘检测法、阈 值法、区域生长法、基于模糊技术的分割方法和基于遗传算法的分割 方法等。 阈值分割方法是一种常见的并行区域技术，用一个或几个阈值将 灰度图像划分为二个或多个区域以达到分割目的。显然，阈值分割方 法的重点和难点是如何决定用以区分不同类的灰度值，即“阈值”。而 实际应用中，噪声、成像环境和成像设备自身参数都会影响图像的灰 度，这就加大了确定阈值的难度。阂值法直接利用图像的灰度特性， 计算简单明了，是一种实用而有效的方法。特别在不同物体或结构之 间强度对比很大的情况下，能够得到很好的效果。但是阈值法一般只 考虑像素本身的值，而忽略了图像的空间特性，这样就导致对噪声很 敏感，而且最简单形式的阈值法只能产生二值图像来区分两个不同的 类。针对它的不足，近年来许多经典阂值法的更新算法被提出来了4 0 1 ， 其中自适应阈值法、模糊阈值法和类间阈值法是几种改进较成功的算 法。 边缘检测法是人们研究最多的方法之一，它通过检测相邻像素特 征值的突变来获得不同区域之间的边缘，因为不同区域之间的边缘上 特征值变化往往比较剧烈。目前应用较多的边缘检测方法主要包括如 r o b e r t s 算子、s o b e l 算子等局部微分算子，二维二进小波算法，主动 轮廓方法，多分辨率方法和边界曲线拟合法等。有的文献还将几种方 硕i ：学位论文 法的优势结合起来，提取了理想的图像边缘。边缘定位准确、运算时 间短是边缘检测法的优点。但是实验表明：边缘检测方法获得的边缘 信息往往会因为图像信息本身不够突出而不能形成包围物体的封闭 曲线；在高细节区域存在大量的碎边缘，难以形成大区域。单独的边 缘检测只能检测出边缘点，必需后续处理或与其他方法结合方能达到 分割目的。另外，边缘检测法对噪声敏感，分割噪声大的图像时会产 生伪边缘，这种现象在分割医学超声图像时尤为常见【4 1 1 。 顾名思义，区域生长是根据预先定义的生长准则来把像素或子区 域集合成较大区域的处理方法。基本处理方法是从一组种子点开始， 将那些预定义属性( 如灰度级或颜色) 类似于种子的邻域像素附加到 每个种子上，由此来提取图像中相连接的区域。区域生长法一般放在 一系列处理过程中，不单独使用，很多时候用于描绘诸如肿瘤和伤口 等小而且简单的结构。该方法的主要缺点是必须为每个需要提取的区 域人工给出一个种子点，多个区域就必须给出多个种子点；对噪声很 敏感，会造成孔状甚至不连续的区域，局部且大量的影响会导致过生 长。为了减少这些缺点，必需对传统的区域生长法加以改进。 由于生物医学成像设备在时间、空间和参数分辩率等方面的局限 性以及其它物理限制等方面的许多因素，导致获取的图像数据具有内 在的不确定性。而模糊技术正是为了处理事物的不确定性而诞生的， 因此模糊技术得以在图像分割中得到广泛应用。模糊技术不仅能很好 地处理医学图像内在的模糊性，而且对噪声不敏感。模糊分割技术主 要包括模糊阈值、模糊聚类和模糊边沿检测等。近年来模糊聚类技术， 基丁b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 特别是模糊c 均值( f c m ) 聚类技术成为研究的热点。f c m 方法是一种 非监督分割方法，可以很好地处理图像模糊和噪声问题，非常适合于 医学图像中存在的不确定性和模糊性。近来又有众多改进的f c m 算法 如快速模糊分割( f f c m ) 、自适应f c m 算法等问世。2 0 0 3 年l i e w 等人 提出一种对3 维m 对进行分割的自适应空间f c m 算法【4 2 1 。 遗传算法( e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ) 是建立在自然选择和群体遗 传学机理基础上的随机、迭代和进化，是一种简单、并行处理、具有 鲁棒性和广泛适用性的搜索方法。该方法常用来确定分割阈值，与传 统的o t s u 法相比：图像的灰度直方图不呈双峰时，用o t s u 法效果不是 很理想，而用遗传算法可以通过有效地搜索特征参数基因串，得到大 小合适的图像分割阈值；o t s u 法计算次数随门限个数增多呈指数增 长，而遗传分割算法的运算时间仅与适应度函数有关。由于遗传算法 全局搜索能力强，不擅长于局部搜索，所以常把遗传算法和其它算法 结合起来使用。曾妍婷等人将遗传算法和灰度直方图熵结合起来p 3 1 ， 并用精英策略和模拟退火思想修正之，在分割效果和运算时间双方面 取得了明显效果。 医学图像分割是图像分割的一个特殊领域，其发展趋势除了自 动、精确、快速和自适应以外，还有临床上的应用。尽管全自动的分 割方法永远取代不了医生的地位，但已经在计算机辅助诊断中显示出 了独特优势，渐渐成为医学图像分析中的重要部分。相信随着时间的 推进，在大家的共同努力下，医学图像分割的方法会越来越多、越来 越成熟。 9 硕士学位论文 基于b 超的h i f u 治疗监控系统中，采集到的b 超图像不仅包涵损 伤组织信息，也受到特有“斑点 噪声的污染。在对b 超图像进行分 割以确定组织损伤区域时，上述方法取得的效果往往不理想。本文针 对h i f u 监控图像的特点改进了一些图像分割方法，并对分割效果进 行比较，验证了这些算法的有效性。 1 5 本文主要工作及内容安排 高强度聚焦超声具有优越聚焦、能量可控和精确定位等特性， 可以实现安全高效的治疗，因此在肿瘤治疗中得到广泛应用。针对 上述h i f u 治疗过程中b 超监控方式存在的问题，本文将在基于b 超设备的实验系统上开展h i f u 辐照生物组织实验，通过图像处理 技术自动确定并增强损伤区域，从而为h i f u 临床治疗提供参考。 具体内容如下： 第一章概述超声治疗的发展历史及现状，比较h i f u 治疗中的 各种监控方式的优势和劣势，介绍h i f u 治疗中测温和疗效评价的 基本情况，并说明b 超监控方式存在的问题，最后详细介绍医学图 像分割的目的、意义、方法和发展趋势。 第二章重点介绍实验系统的组成和使用方法，并详细阐述具体 的数据采集方法及实验时的注意事项。 第三章是图像预处理部分，具体包括b 超图像彩色灰度转化、 归一化处理、r o i 提取、减影和去噪等，为后续图像分割做好准备。 第四章是本文的关键部分，为了实现损伤区域的精确提取，采 基丁b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 用基于灰度期望值的阂值法、基于动态灰度梯度确定种子点的区域 生长法和顾及空间信息的f c m 算法对减影图像进行分割，取得了较 好的效果。 第五章采用改进的空间域灰度级一彩色变换法对损伤区域进行 增强，不仅使损伤区域更直观地显现出来，而且为医生半定量评价 提供了依据。 第六章总结本文所做的主要工作，进一步提出后续工作，对 h i f u 治疗中实时监控技术今后的研究方向和发展趋势做了展望。 硕十学位论文 2 1 实验系统 第二章实验系统与方法 根据实际研究情况，利用深圳普罗惠仁医学有限公司的设备和 环境条件，设计了一套实验用h i f u 治疗实时监控系统。该系统主 要包括循环脱气水装置、高频功率源、床体定位系统、组合治疗头、 计算机控制系统和成像监控系统等。整个实验装置框图如图2 1 所 示，远景图如图2 2 所示。 图2 - 1 实验装置框图 循环脱气水装置用于排除实验用水中的空气，以减少超声能量 在空气中的损耗，此装置控制面板如图2 3 所示。高频功率源控制 界面如图2 4 所示，通过功率源面板上的按钮能够直接控制实验时 的功率大小和探头工作频率。床位控制系统如图2 5 所示，像一位 母亲双手深情托住婴儿，通过操纵杆控制床体向6 个方向的移动实 现对病变组织的精确定位及实验中床体的准确移动。组合治疗头的 外观如图2 - 6 所示，截面如图2 7 所示，其中治疗用h i f u 探头由上 基r b 超蹦像处理的h i f u 有救i f ，区域确定及增强办法研究 海交通大学自主研制，聚焦方式为凹球面白聚焦，其几何焦距为 1 3 c m ，中心频率是11 8 m h z ，在位( 1 ns i t e ) 声功率约为9 0 0 w c m 2 ； 位于截面中心的是用于成像监控的b 超探头，为如图2 - 8 所示 p h i l i p s 公司生产的m 2 5 4 0 a 型e n v i s o r 系列b 超诊断系统，其频 率为3 5 m h z 。由于治疗探头和监控探头同为b 超系统，因此易于集 成，这样不仅共焦，而且治疗中同步移动，为术中监控带来极大方 便。 实验前，将测试用生物组织样品置于如图2 - 9 所示的水槽中， 其底部和四周都装有吸声橡胶，用来吸收未被生物组织吸收的超声 能量，以防止超声反射干扰。水槽的尺寸为 5 0 c m ( h ) + 6 0 c m ( w ) + 1 3 0 c m 0 ) ，注满经循环脱气水装置除气后的自来 水，离体生物组织与b 超探头的距离为9 c m 1 l c m 。实验时，通过 图像采集卡将b 超仪得到的h i f u 辐照前后组织超声图像输送给计 算机进行处理。 图2 - 2 实验装置远景图捌2 - 3 循环脱气水装置控制面板 顿l 学侍论立 r i r l ! ：叠蝴敞 幽2 4 高频功率源控制面板 幽2 - 8p h i l i p sb 超诊断系统 蚓2 - 9 实验用水槽 22 数据采集方法 采集图像信号时，超声诊断系统工作在b 模式。图像信号实时 显示在b 超诊断系统的显示器上，并直接从b 超仪的图像输出口通 基j 。b 超图像处理的h i f u 有被治厅区域确定及增强方法研究 过数据线送入加载了图像采集卡的计算机中。图像采集卡是如图 2 1 0 所示的广东天敏公司生产的s d k - 2 0 0 0 系列产品，其视频输出 控制界面如图2 - 1 1 所示。 圈2 1 0 天敏s d k 一2 0 0 0 图像采集卡 国2 - 1 1 天敏s d k - 2 0 0 0 控制界面 实验中，当需要采集b 超图像时，按下控制面板上的“保存图 像”按钮，即可将当前显示的图像保存到计算机指定位置。 h i f u 辐照生物组织后，相应位置的温度芨生变化导致组织的声 阻抗、共振频率随之发生改变，从而引起超声波在组织内的传输速 硕十学位论文 度变化，这种变化引起的回波声强变化反映在超声图像中就是特征 参数的变化。因此，组织的损伤情况可以通过分析b 超图像的特征 参数进行推断。 2 3 实验过程及要求 实验前，为了使实验效果更好，应先将生物组织样品用塑料食 品袋包好放在3 7 。c 的温水中一段时间，直到生物组织的温度与水温 达到一致。然后利用循环脱气水装置制造一定量的除气自来水，在 将实验用水注入水槽时，为了防止外面空气溶入水中，应将水管紧 靠水槽内壁，使实验用水沿玻璃内壁缓慢流下，直至淹没h i f u 探 头顶部1 0 c m 以上。接着将实验组织样品固定在水槽中，移动床体调 节水槽和h i f u 探头的相对位置，使h i f u 声轴和焦点落在实验样品 的适当位置。 一切准备工作就绪后，启动高频功率源、b 超监控系统和计算 机控制系统，打开h i f u 控制程序，设置好当次实验h i f u 功率源的 辐照功率、辐照时间、间隔时间和辐照次数，并做好记录。 实验开始后，根据实际情况手动控制h i f u 源的辐照，并同步 采集h i f u 打击前后样品组织的b 超图像。实验后，对组织样品进 行切片，观察生物组织是否变性，如果产生变性，贝, t j n 量损伤区域 的大小，并记录好相关数据。 实验中需要注意如下事项：必须设置好实验软件相关参数， 使成像监控探头所在平面和h i f u 探头声轴所在平面一致。实验过 基丁b 超图像处理的h 1 f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 程中，如果h i f u 探头暴露在空气中工作，超声换能器的压电材料 会由于高能量而被损坏，因此必须保证h i f u 辐照在水中进行。 h i f u 源发射的声波会对b 超回波信号产生强烈的干扰，当声波强 度足够大时有用信号会被掩盖，因此应该在h i f u 源击打组织样品 后采集b 超图像。为了精确定位辐照面，在组织样品放入水槽前 划一刻痕，并插上大头针做标记。辐照时将h i f u 焦点移至大头针 所在的组织截面，每完成一处组织辐照便沿截面方向移动床体，从 而在大头针所在截面上形成多个凝固区域。实验结束后沿刻痕进行 切片就可以看到组织损伤情况，这样不仅提高了实验速度和精度， 也减少了误操作。对多次实验进行总结发现：保证每次实验生物组 织样品的体积、类型基本一致有利于提高实验效率和效果。每次组 织定点辐照后会移动床体，如果幅度过大则会引起水体振动，导致 组织样品移位，过小则会使相邻两个组织损伤区域重合，不利于实 验后的切片观察。 通过有规律地改变h i f u 辐照的功率、时间和次数，对不同类 型的组织样品进行了大量的实验，建立了h i f u 辐照前后生物组织 的b 超图像数据库。图2 1 2 为实验中采集的h i f u 辐照后猪肉组织 的b 超图像。 图2 1 3 所示为图2 1 2 对应的h i f u 连续辐照猪肉组织某一截面 后发生凝固性坏死的数码相片，可以很清楚地看到：凝固区域颜色 乳白，而周围组织颜色鲜红，两者有非常明显的界线。凝固区最大 横截面与相应的b 超图像中均匀灰度中的那块增强区域对应。我们 用测量尺量得这圆形凝固区域的直径约为1 5 c m 左右，与声焦斑 区域对应。 幽2 1 4 h i f u 打m 前的b 超凹像图2 1 5 h i f o 打击后的b 超雌像 本文将分别对这些图像进行预处理，接着对预处理得到的图像 进行分割以确定h i f u 有效治疗区域，最后对图像分割确定的区域 进行伪彩色增强，以突出h i f u 损伤区域。 8 基丁| b 超图像处理的h i f u 有效治疗区域确定及增强方法研究 2 4 本章小结 本章详细说明了h i f u 治疗实时监控系统的构成及功能、数据 采集方法和实验过程。首先重点介绍了该系统的组成、各部分的功 能和整体工作流程。接着介绍了b 超诊断系统和图像采集系统，对 b 超图像的采集过程进行了详细描述。最后叙述实验时的具体操作， 对实验中的注意事项做了强调。 硕士学位论文 第三章图像预处理 3 1 图像归一化及减影处理 实验中采集到的b 超图像是2 4 位r g b 真彩图像，但是r 、g 、 b 值均相等，为了便于计算需对其进行灰度转换，即将真彩图像转 化为灰度图像，转换规贝, j j p n 式( 3 1 ) 所示。 q = r xo 3 + gx0 5 9 + bxo 1 1 ( 3 1 ) 式中，g 。为某像素点的灰度值，r 为该点的红色分量，g 为该 点的绿色分量，召为该点的蓝色分量。 由于采集的b 超图像的灰度值受b 超诊断系统参数、环境亮度 等因素的影响，因此需要对图像进行归一化处理，公式如式( 3 2 ) 所示： g p = ( g p g p i n i l i ) g p 。 ( 3 - 2 ) 其中g p 为归一化后每个像素点的灰度值，嘭为归一化前每个像 素点的灰度值，g p 袖为归一化前整幅图像的最小灰度值，q 一为归 一化前整幅图像的最大灰度值。经过归一化处理后，影响图像灰度 值的因素被屏蔽，便于后续图像处理效果的横向比较。 为了便于观察和加快计算机处理速度，需从实验采取的图像中 提取感兴趣区域( r o i ) ，一般而言，其大小为以焦点为中心的6 4 * 6 4 像素范围。分别对图2 1 4 和图2 1 5 依次进行灰度变换、归一化处理 和r o i 提取，结果如图3 1 ( a ) 和( b ) 所示。 基丁b 超幽像处理的h i f u 有效 f i 疗区域确定五增强方法研究 h i f u 辐照后，组织损伤处的声阻抗、共振频率发生改变引起b 超图像上相应位置的回声增强，但是成像区域内的其他高回声组织 会导致损伤难以识别。将辐照前后的两幅灰度图像进行减影可以得 到两者之间的差异，由此消除其他高回声组织的影响，同时可以消 除噪声和突出组织变性区域。绝对差值法( a d ) 、绝对差值求和法 ( s a d ) 和平方差值求和法( s s d ) 足常用的图像减影法，其中最简单的 是绝对差值法，即将两幅灰度图像做差后取绝对值，计算规则如下： e ( z ，x ) = i s i z ，x ) 一s ( z ，j ) i( 3 3 ) 式中，s ( z ，。) 是辐照前的灰度图像，z 是深度，x 是扫描方向，s i ) 是辐照后的灰度图像，( ) 是减影图像。对图3 - 1 0 ) 和( b ) 进行减影 处理，结果如图3 - l ( c ) 所示。 蚕函目闺_ - ( 曲( b )( 0 图3 - 1 图像预处理结果：( a ) 对图2 1 4 归一化及r o i 提取结果； m ) 对图2 1 5 归一化及r o i 提取结果；扣) 图a ) 和图( b ) 的减影图像 32 图像去噪 321 图像去噪概述 在图像形成或传输过程中，图像难免会受到噪声污染。噪声就 是对图像源信息进行理解或分析造成妨碍的各种因素。由于噪声来 2 1 硕+ 学位论文 源的多样性和噪声对图像影响的不可预测性，一般噪声只能用概率 统计的方法去认识。 按照对图像信号的影响不同，噪声可以分为加性噪声和乘性噪 声两大类。被加性噪声污染的信号可以表示为 h ( x ，y ) = i ( x ，j ，) + ( x ，y ) ( 3 4 ) 式中，印圳是真实信号，删是噪声，删为信号受影响后的输 出。此时波形是噪声和信号的叠加，噪声与信号分离。被乘性噪声 污染的信号可以表示为 h ( x y ) = i ( x ，少) + ，( x ，j ，) 木( x ，少) ( 3 - 5 ) 坼是两部分的叠加，噪声项受删的调制，讹砂越大，则噪声 项越大。 噪声影响了图像质量，在后续处理前必需对图像进行去噪处理。 图像去噪是指利用各种滤波模型从含有噪声的图像中去掉噪声成 分。一般而言，图像去噪的方法可以分为基于统计和基于变换域两 种。有很多常规的抑制图像噪声的方法，例如均值滤波、中值滤波、 低通滤波、