（计算机应用技术专业论文）高强度聚焦超声治疗系统应用软件设计与实现.pdf

摘要 高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，i - i i f u ) 是近年来发展较快 的肿瘤无创治疗技术。它利用超声波特有的深穿透能力、强方向性和可聚焦性， 将超声波聚焦于靶区组织，在短时间内造成靶区病变组织的急性热损伤，最终导 致组织凝固性坏死，从而达到肿瘤治疗的目的。 本课题根据市场上已有的h i f u 系统存在的缺陷，创造性地设计了一种h i f u 治疗系统的应用软件系统，它主要由护士工作站和医生工作站组成。 护士工作站实现服务器功能，包括图像处理和运动控制两个方面的服务。其 中，图像处理包括b 超图像采集、b 超图像预处理和b 超图像的传送。运动控制 实现手术过程中治疗参数、治疗指令的传送。 医生工作站作为客户端与护士工作站相连，通过护士站提供的各种服务，实 现了b 超图像的术前处理、手术规划和手术控制三个主要功能。医生工作站对护士 站传送的b 超图像进行肿瘤组织的边缘检测与提取，实现图像的术前处理。本文采 用一种结合手动识别和边缘检测的计算机半自动识别技术来检测肿瘤组织的边 缘。医生根据图像的术前处理结果确定治疗点，制定手术规划，进行手术控制， 最终达到治疗肿瘤的目的。 关键词：高强度聚焦超声；肿瘤治疗；图像处理；运动控制 分类号：t p 3 1 a bs t r a c t a bs t r a c t h i g hi 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 i so n eo ft h ep r o m i s i n gr e s u l t si n n o n - i n v a s i v et h e r m a la b l a t i o nt e c h n i q u e so ft u m o ri nr e c e n ty e a r s s i n c eu l t r a s o u n d c a np e n e t r a t ei n t os o f tt i s s u e s ，u s i n gt h eu l t r a s o u n dp e c u l i a rc a p a b i l i t yo f p e n e t r a t i o n , o r i e n t a t i o na n df o c u s i n g , h i f ui sam e t h o do ff o c u s i n gu l t r a s o u n dw a v e so na p a r t i c u l a ra r e a ，w h i c hc a l lc a u s ea c u t ec e l li m p a i r m e n tw i t hh i l g ht e m p e r a t u r ei na l i t t l e t i m ea n df i n a l l yl e a dt i s s u ed e a t hd u et oc o a g u l a t en e c r o s i s b a s e do nt h el i m i t a t i o n so fh i f ue x i s t i n gi nt h em a r k e t t h i sr e s e a r c hd e s i g n sa c o m p u t e ra p p l i c a t i o ns y s t e mi nt h eh i f ut h e r a p ys y s t e m i tm a i n l yc o n s i s t so ft w o m a i nc o m p o n e n t s ：n u r s ew o r k s t a t i o nf n w ) a n dd o c t o rw o r k s t a t i o n ( d w ) n u r s ew o r k s t a t i o n r e a l i z e st h es e r v e rf u n c t i o n s i n c l u d i n gi m a g e p r o c e s s i n ga n dm o v ec o n t r 0 1 i nn w ：i m a g ep r o c e s s i n gd e a l sw i t hc a p t u r i n gb - s c a n i m a g e ，p r e - p r o c e s s i n gb - s c a ni m a g ea n dt r a n s m i t t i n gb - s c a ni m a g e m o v ec o n t r o l r e a l i z e st r a n s m i s s i o no ft h e r a p yp a r a m e t e r sa n dt h e r a p yi n s t r u c t i o n sd u r i n go p e r a t i o n d o c t o rw o r k s t a t i o n ( d 哪c o n n e c t sw i t hn wa sa c l i e n t , u s i n gs e r v i c e sp r o v i d e d b yn w t or e a l i z et h r e ef u n c t i o n s ：b - s c a ni m a g ep r o c e s sb e f o r eo p e r a t i o n , o p e r a t i o n p l a nm a k i n ga n do p e r a t i o nc o n t r 0 1 d wd e t e c tt u n l o re d g ei nu l t r a s o u n di m a g e t r a n s m i t t e df r o mn wt or e a l i z ei m a g e p r o c e s sb e f o r eo p e r a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p sa n e wm e t h o do fc o m b i n a t i o no fm a n u a lr e c o g n i t i o na n dc o m p u t e rh a l f - a u t o m a t i c r e c o g n i t i o nt od e t e c ta n de d g e so ft u m o ri m a g e s a c c o r d i n gt ot h ee d g e di m a g e s ，t h e c u r ep o i n t sc a nb ep o s i t i o n e d ，w h i c hr e a l i z e st h ep u r p o s eo fc u r i n gt u m o r k e y 、；v o r d s ：h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ；t u m o rt r e a t m e n t ；i m a g e p r o c e s s i n g ；m o v ec o n t r o l c i a s s n o ：t p 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：尹昔颧 签字日期：力。幺年6 月箩日 新繇执 签字日期：扣略年厂月年日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 中张 签字日期：二d o 子年多月f 日 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师胡秉谊副教授的悉心指导下完成的，胡秉谊副教 授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的 关心和帮助，其严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在 此衷心感谢二年来胡秉谊老师对我的关心和指导。 生物医学工程系的教授们及论文开题答辩组的教授们对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王晶、李源、王叔阳、盛艳等同学对我论文 中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢河南迈松医用设备制造有限公司的管理人员和工程技术人员，为本文的 工作提供优良的实验环境及技术支持。 另外也由衷感谢我的家人，特别是我父母和刘宁，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 1 1 引言 第一章绪论 超声医学是现代医学中一个十分活跃的领域，主要包括超声诊断和超声治疗 两部分。超声诊断主要以探查和提取人体信息为目的，是超声医学的主流。随着 超声诊断技术的不断完善，人们开始考虑超声应用于人体的安全性，刺激了超声 对生物组织影响的研究，为超声治疗技术的发展奠定了医学基础。 高强度聚焦超声( h i g hf o c u s e du l t r a s o u n d ，h i f u ) 技术是近年来兴起的一种无 创性、非介入性的局部超声治疗技术，可用于良、恶性肿瘤的治疗。由国家食品 药品监督管理局提出的行业标准“高强度聚焦超声( h i f u ) 肿瘤治疗系统 已经报 批，该标准对高强度聚焦超声肿瘤治疗系统做了明确定义：由单元换能器或多元换 能器阵列构成的聚焦超声声源，发出的超声通过传声媒质后，以人体正常组织可 接受的声强透过患者体表，将能量聚集到靶组织上，使其产生凝固性坏死的治疗 系统【。 目前，高强度聚焦超声技术被国内外专家称之为“2 1 世纪肿瘤无创治疗新技 术 ，它改变了传统的肿瘤治疗方法，使肿瘤局部治疗从有创的外科手术和介入 治疗直接跨入无创性治疗这一前沿领域，为现代肿瘤治疗提供了一种全新的设备 和手段。 早在1 9 世纪4 0 年代初期，研究学者就发现高强度聚焦超声能产生组织焦斑， 焦域内组织在超声照射下发生不可逆转的凝固性坏死，而不损坏其周边组织【2 l 。 1 9 4 2 年，美国哥伦比亚大学j g l y n n t 3 】首次提出高强度聚焦超声的概念。5 0 年代， i l l i n o i s 大学的f r a n c i sf r y 4 】设计了第一个h i f u 设备，用于临床治疗帕金森症。1 9 6 6 年所进行的用超声治疗帕金森综合症是在开颅基础上进行的，治疗耗时约1 4 4 , 时， 受治疗者症状消失，结果令人鼓舞。 随着聚焦技术的完善、超声成像技术以及计算机控制技术的发展与改进，对 聚焦超声生物学效应的研究和应用在上世纪8 0 9 0 年代成为研究热点，严格意义上 的h i f u 开始形成，并应用于研究工作，一系列体外、体内实验开始进行，如肝、 前列腺、乳腺肿瘤等。8 0 年代，c o l e m a n 和l i z z i 大规模的研究运用h i f u 治疗青 光眼，从而使美国食品药物管理局批准了h i f u 的临床使用。8 0 年代后期，体外 冲击波碎石( e s w l ) 治疗肾结石的临床和经济上的成功，兴起了人们利用h i f u 进 行非侵入性治疗疾病的研究。最近十年来，这个领域中更产生了许多振奋人心的 冲击波碎石( e s w l ) 治疗肾结石的临床和经济上的成功，兴起了人们利用h i f u 进 新发展。目前，人们在努力将高强度聚焦超声推广到更为广泛的领域。 1 2 高强度聚焦超声治疗的基本原理与特点 1 2 1h i f u 系统的基本治疗原理 h i f u 技术是现代工程技术和医学相结合并发展的产物，其是利用超声波的生 物学效应以及组织穿透性和可聚焦性等物理特点，通过一定技术手段，将体外发 射的高强度能量超声通过皮肤聚焦于体内病变组织。由于焦点区高能量超声产生 的瞬态高温，组织内温度瞬间即可上升n 6 5 以上，可达到定向破坏病变组织的 目的，如图1 1 所示。这种技术既可达到精确外科所要求的精确“切除 病变组织 之目的，还无需采用侵入性手段即可将机体内病变组织破坏，因而称为h i f u 无创 外科。这将大大减轻对机体正常组织不必要的损伤。 超声源 目标组织 皮肤表面 图1 - 1h i f u 治疗的原理图 f i g u r e l - 1p r i n c i p a li m a g eo f h i f ut h e r a p y h i f u 目前在临床上最广泛的应用是在肿瘤治疗方面。现在普遍认为，对生物 组织所产生的热效应、机械效应和空化效应，是h i f u 的应用理论基础。 ( 1 ) 热效应 一定强度的超声波穿过人体组织时，由于组织对声能量有吸收作用，一部分 有序的声波振动能量会转变为热能使组织温度升高。单位体积组织吸收的热能可 以通过声压来计算，如式( 1 1 ) 所示。 2 如脚) ：掣 式中p 为超声声压，为超声组织中吸收系数，它与超声频率厂近似成正比， z = 胪为超声阻抗，q b ，y ，z ) 为在一定超声声压下单位组织吸收的热能。由此可 见，组织升温与超声的频率、声强、组织吸收系数密切相关。 区别于低功率聚焦超声，h i f u 将高强度的超声能聚焦于治疗区域，并能在0 5 秒内能迅速将目标区域组织温度骤升至6 5 以上，使细胞内蛋白迅速出现不可逆 的凝固性坏死( 肿瘤细胞致死温度的临界点在4 2 5 4 3 o o ，而正常细胞则为 4 5 ，对于肝脏组织而言，局部温度超过5 8 即可致组织凝固性坏死) ，达到治疗 目的。 ( 2 ) 机械效应 当超声波在人体中传播时，不论其强度大小都产生机械振动。人体细胞及组 织在这变化的力学环境中振动，其功能和状态都会受到很大的影响，会产生辐射 压力、辐射扭力和声流等非线性现象。它们可以使细胞产生平动和转动，有时使 细胞溶解，细胞功能改变等。人体组织在h i f u 作用下，机械机制不太明显，通常 与热效应和空化效应共同作用于组织。 ( 3 ) 空化效应 超声空化在超声非热效应中占有重要的地位，超声空化是指生物组织及其液 体中的微小气泡核在超声波的作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩 及崩溃等一系列动力学过程。在强度较高的声场中，声压幅值很大，而且正负压 交替出现，在负压期间作用于物质微元之间的拉力会把组织撕破，造成空化泡， 而在声波正压期间又使刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。因此处在空化中心附 近的细胞等生物体会受到严重的损伤乃至破坏嗍。 ( 4 ) 其它效应 除直接的杀伤效应外，h i f u 还可在一定程度上刺激机体对肿瘤的免疫功能， 抑制肿瘤结节的生长，即可部分达到外科手术+ 生物治疗之效果。 1 2 2h i f u 治疗系统的特点 h i f u 在靶区组织产生凝固性坏死灶或损伤灶，与其它物理治疗肿瘤的方法相 比较，h i f u 技术具有下列优点【6 7 】： ( 1 ) 无创性，能定位于深部组织，不需手术暴露或穿刺介导，而不必对病人 进行开刀手术。 ( 2 ) 当适量提升聚焦强度，h i f u 系统可以在短时间内( 1 1 0 秒) 将焦区的温 度提升到较高温度，同时保证周边组织温度保持在安全水平上。 ( 3 ) 超声波是一种非电离辐射的机械波，在治疗区域与其以外的区域产生一 条清楚的过渡带。对靶区组织起直接杀伤破坏作用，而对其周围组织无损伤或损 伤较轻，不损伤病灶区周围正常组织。 ( 4 ) h i f u 系统可以清晰地区分组织界线并对其产生可预见的焦斑。每一焦斑 的大小和形状都与超声束的尺度、位置强度以及照射时间有关。 ( 5 ) 不论肿瘤的形状及所处的位置如何，都可以进行适形治疗。一旦将各个 焦斑以一个矩阵格式组合起来，则可以形成一个所希望的尺寸和形状的较大焦斑 区。 ( 6 ) 实时治疗，h i f u 设备可以对被治疗的肿瘤进行实时、准确地定位，并可 实时判断治疗效果，通过计算机监控系统调整超声波治疗剂量。 1 3 高强度聚焦超声系统的关键技术 1 3 1 硬件系统的关键技术 对于高强度聚焦超声系统而言，由于超声进入人体组织时会发生反射、折射， 以及人体组织的非线性，必然使得超声的焦斑发散以及位置发生变化，致使组织 内温度分布不合理，严重的情况下，会损害到正常的组织，给病人带来极大的痛 苦。 因此，为了能使超声深入人体深部组织而使正常组织不受到损伤，同时保证 被辐照部位( 靶区) 的能量沉积足够高，就对h i f u 治疗系统的超声探头的结构等硬 件技术提供了具体的要求。具体来说，h i f u 系统的硬件技术设备必须满足以下两 方面的条件： ( 1 ) 保证声波在组织内的良好穿透性和聚焦性，形成的焦域边界应 比较锐利；( 2 ) 是理论上应能满足于将声波聚焦于人体内任何深度之组织，形成 的焦域形态大小应可根据需要调节。 1 3 2 软件系统的关键技术 在h i f u 应用软件系统中存在着几个难点问题，如应用软件系统结构的设计、 肿瘤组织的识别与图像处理、手术方案的制定等。 ( 1 ) 应用软件系统结构的设计 4 目前，应用最为广泛的h i f u 系统是由重庆海扶( h i f u ) 技术有限公司和重庆医 科大学在2 0 0 0 年合作推出的“海扶刀 j c 型聚焦超声肿瘤治疗系统 8 1 。 海扶刀的应用软件系统即计算机分析与控制系统( 包括定位成像子系统、计算 机中央控制子系统、p l c 实时控制子系统) 的所有功能集中在一台机器上完成。这 种结构设计导致控制端负担过重，极易出现响应缓慢甚至死机的情况。当h i f u 硬 件系统出现差错时，无法及时响应并作差错控制，从而影响肿瘤治疗的效果，甚 至对人体造成不可逆的损伤。 另外，所有控制功能集中在一台机器上完成还导致无法实现多机会诊。而肿 瘤的治疗过程通常需要多名专家进行会诊，因此，可以实现多机会诊的h i f u 治疗 设备是十分必需的。 ( 2 ) 肿瘤组织的识别与提取 在h i f u 系统中，只有在检测出肿瘤的形态、大小、位置的情况下，才能避免 误治和漏治，以达到最佳的治疗效果，因此，肿瘤组织的识别图像处理技术的研 究一直是重点和难点。 目前常用的肿瘤识别技术有：( 1 ) 椭球体肿瘤模型法【9 1 们，假设肿瘤以椭圆的形 式出现。虽然这种方式计算速度较快，但是对于治疗形状各异的肿瘤组织来讲， 偏差太大；( 2 ) 手动肿瘤识别【l l 1 2 l ”，用光笔在采入计算机的实时超声图像上圈出肿 瘤边界，根据这个边界计算治疗点。采用这种识别方式要求医护人员有丰富的临 床经验和医学知识，能够精确的圈出肿瘤轮廓，而且手术操作过程繁琐；( 3 ) 半自 动化识别n 4 1 ，由医护人员确定关心区域后，然后根据b 超图像中肿瘤区域与正常组。 织之间的灰度突变来检测肿瘤的边缘，比如通过模糊模式识别中f c m 聚类法或边 界链式搜索法对b 超图像的二维直方图进行检测【1 5 1 。与前面两种方法比较，该方式 计算机运算速度较慢，但自动化程度强。因此，如果能够设计出一种更高效、更 自动的图形处理方式，对h i f u 计算机分析与控制系统在技术上的改进会有很大的 帮助。 此外，在治疗过程中如何实时监控治疗部位的情况，实时调整放射剂量也能 提高高强度聚焦超声的治疗效果也是一个比较关键的问题。因此，一个完善、精 确、有效的手术系统是设计h i f u 设备的关键。 1 4 课题的提出与内容安排 1 4 1 本课题的提出 h i f u 系统用于治疗肿瘤需要在保证安全性的前提下、在影像学监控下使整个 5 j e 塞交道太堂亟堂僮论塞 肿瘤发生完全不可逆性坏死，而且涉及医学、工学、理学和它们的交叉，是一个 相当复杂的系统。 首先，h i f u 系统中应用软件的结构设计的合理性直接影响着肿瘤的治疗过程。 如果结构设计不合理，不仅直接削弱了治疗肿瘤的效果，甚至会对人体正常组织 造成损伤。而且，在设乇- - h i f u 系统应用软件的结构时，还应该考虑多机连接、多 专家会诊的可能性。 其次，由于高强度聚焦超声的破坏性极强，以及肿瘤的形状、大小及所在部 位具有多样性和复杂性，如果h i f u 设备定位不当，将会产生严重的后果。超声聚 焦的准确定位不仅跟超声换能器探头等硬件设备有关，而且与系统软件所承担的 图像采集技术和图像处理技术相关。要应用h i f u 技术必须做到准确无误地对准肿 瘤组织，而尽量不损伤正常组织细胞，就要求肿瘤组织边缘能够准确的定位与识 别。 总之，建立一个完善、精确、有效的h i f u 应用软件系统是十分必需的。 本文在前人工作经验的基础上，利用目前先进的软硬件条件，运用h i f u 治疗 的原理和数字图像处理技术，针对h i f u 治疗系统中b 超图像的特性，设计并编制 了一个h i f u 治疗系统的应用软件系统，旨在优化系统结构、及时进行出错管理， 提高图像处理和肿瘤治疗的效果，达到便于医生快捷、准确地诊断和治疗的目的。 1 4 2 本课题的研究内容与安排 本文中的高强度聚焦超声系统是由北京交通大学和河南省迈松医用设备制造 有限公司合作开发。本文主要研究的是h i f u 治疗系统中的应用软件系统医护 工作站( 包括医生工作站和护士工作站) 。 本文主要研究了以下几个方面的内容： ( 1 ) 应用软件系统结构的设计与搭建； ( 2 ) 应用软件系统中护士工作站的功能实现，包括：采集b 超图像，根据b 超 图像特性与数字图像处理理论，对采集来的b 超图像进行滤波、增强处理等操作， 使图像清晰化。 ( 3 ) 应用软件系统中医生工作站的功能实现，包括：对清晰化的特定肿瘤图像 进行边缘检测与提取，确定肿瘤轮廓。然后对肿瘤图像进行定位，确定出肿瘤的 治疗扫描路径。 ( 4 ) 应用软件系统中医生工作站与护士工作站以及病历库管理系统的连接与 通信。 本论文的主要内容安排如下： 6 第一章绪论，综述高强度聚焦超声技术的发展历史及关键技术，介绍其基本 治疗原理和特点，提出课题的研究内容。 第二章给出了本课题中高强度聚焦超声( h i f u ) 治疗设备的应用软件系统的 总体架构设计，并对其中的各个部分作了说明。最后描述了课题开发的软硬件环 境。 第三章对h i f u 治疗系统中护士工作站进行了设计。包括完成了图像服务器中 的图像采集、图像处理和图像传输服务，以及部分运动服务器的服务功能。 第四章对h i f u 治疗系统中医生工作站进行了设计。包括完成了图像的边缘识 别和提取，提出了一种结合手动识别技术和边缘检测的计算机半自动边缘识别技 术，设计了基本的手术治疗模式，实现了与各个服务器的通信。 第五章论述了h i f u 治疗系统应用软件的实现与实验结果，包括b 超图像的采 集与显示、预处理、边缘识别与提取、手术治疗基本模式、医生工作站与护士工 作站和病历库管理系统的连接与通信的实现与结果。 第六章得出相关结论，并展望本课题的未来研究方向。 7 第二章h i f u 应用软件系统的总体架构设计 2 1 应用软件系统的主要功能 h i f u 治疗系统是一个集自动控制、机械、医学图像处理、计算机技术和生物 医学效应等多种技术为一体的综合系统。 其应用软件部分实现的主要功能有： ( 1 ) 将超声图像信息采集到计算机中，并在屏幕上显示。 ( 2 ) 将计算机采集到的超声图像进行处理，得到病灶信息。 ( 3 ) 根据输入的治疗参数进行术前手术规划，结合病灶超声图确定合适的焦点 扫描起点、终点和扫描路径。 ( 4 ) 控制功率放大器的输出功率、强度等参数。 ( 5 ) 利用术中图像引导，计算机自动控制焦点扫过整个肿瘤发病部位。 ( 6 ) 根据病人及超声图像所反馈的信息，实时的调整治疗参数。 ( 7 ) 出错控制，当仪器故障和执行非法操作时，提示出错信息，进行出错处理。 ( 8 ) 猜历管理，完成治疗信息存档、病人资料查询等功能。 2 2 应用软件系统的设计与搭建 与已有系统相比，北京交通大学设计研发的h i f u 治疗设备的应用软件系统的 结构为： 应用软件系统分为护士工作站和医生工作站两个既相互独立又相互联系的子 系统。护士工作站实现服务器功能，包括图像处理和运动控制两个方面的服务。 医生工作站作为客户端与护士工作站相连，通过护士站提供的各种服务，实现了b 超图像的术前处理、手术规划和手术控制三个主要功能。护士工作站和医生工作 站共同构成应用软件系统，实现对h i f u 系统其它子系统( 如三维运动系统等) 的 控制。如图2 1 所示，方框内的系统即为h i f u 应用软件系统。 9 图2 1h i f u 系统结构图 f i g u r e2 - 1f r a m e o fh i f us y s t e m 根据以上设计，可以进行h i f u 应用软件系统的结构搭建，如图2 2 所示。 阪雀1 j 作站1护士t ：作站 b 超仪 图2 - 2h i f u 应用软件系统：_ 作模式 f i g u r e2 - 2w o r km o d eo f a p p l i c a t i o ns y s t e mo fh i f u 具体来说，考虑到设备的兼容性，采用b 超仪器作为成像设备。通常情况下， 超声显像探头与h i f u 治疗探头安装在一起，并置于换能器中央。b 超仪得到病灶 b 超图像，护士工作站与b 超仪相连，采集并显示b 超图像。多个医生工作站作 为客户端与护士工作站连接，请求护士工作站提供服务，包括图像传输，治疗控 制参数、控制指令的传输等。这样搭建起来的医生工作站和护士工作站即为应用 1 0 软件系统，发送控制指令给控制子系统，控制子系统继而控制h i f u 设备的其他子 系统，如三维运动系统、聚焦超声源系统、水处理系统等。 护士工作站和医生工作站的具体连接实现如图2 3 所示。 医争工作站 图2 3 医护工作站 f i g u r e2 - 3d o c t o r - n u r s ew o r k s t a t i o n 由图2 3 中可知，护士工作站包括图像服务器和运动服务器，医生工作站包括 图像处理模块、手术规划模块和通信接口模块。图像服务器提供b 超图像的传送 等服务，服务于医生站的图像处理模块。运动服务器提供运动控制信息的传送等 服务，服务于医生站的手术规划模块。医生站的通信接口模块除实现与护士站的 通信外，还实现与病历服务器的通信。 需要说明的是，以上所提到的“图像服务器 和“运动服务器是指运行在 护士工作站上的图像处理程序和运动控制程序，并非独立于护士站的两个单独的 硬件系统。病历服务器实际上是一个病历库接口，可以运行于医院的另外一台主 机上，实现h i f u 系统与医院病历数据库的连接。 2 3 软硬件环境 2 3 1 硬件环境 硬件设备：b 型超声诊断仪阿洛卡花仙子3 7 6 、彩色图像采集卡o k - c 2 0 。 由于常规b 超成像不仅成本较低，还具有无损、实时等优点，而且与超声治疗 系统有一定的相容性，所以常规b 超成像成为h i f u 研究中运用最j “的成像方式。 本h i f u 治疗设备选择了阿洛卡花仙子3 7 6 作为超声图像显示设备。该超声诊断仪是 一种高分辨率超声仪器，能够提供高质量的图像及多种测量功能。 护士工作站中用于采集b 超图像的彩色图像采集卡选用o k 系列的o k - c 2 0 。该 图像卡支持即插即用标准，一机多卡同时操作，逐帧并行处理。该卡可以实时传 送数字视频信号到显示存储其或系统存储器。输入的彩色视频信号，通过p c i 总线 传到v g a 卡实时显示或传到计算机内存实时存储。 2 3 2 软件环境 软件开发环境：w i n d o w sx p 操作系统，m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i oc + 十n e t2 0 0 3 开发软件。系统使用微软公司的v i s u a ls t u d i oc + + n e t 编程工具进行开发。v i s u a l s t u d i o c + + n e t 是v i s u a lc + + 6 0 的新版本，继承了老版本的优良特性，并增加了 许多新的特性，是一套完整的可视化软件开发工具，从而可以高效率的开发出各 种应用程序。 2 4 本章小结 本章针对已有h i f u 应用软件系统的缺陷，设计并搭建了一种新的h i f u 应用 软件系统结构，主要包括护士工作站和医生工作站。 与已有系统相比，本h i f u 应用软件系统的结构有两点改进： ( 1 ) 控制器从h i f u 应用软件系统中分离出来，作为一个单独的系统控制 子系统。应用软件系统发送控制指令给控制子系统，控制子系统进而控制h i f u 探 头的运动等。 在这种结构中，应用软件系统无需直接控制其它h i f u 子系统，减轻了应用软 件系统的负担，减小了死机的概率。当其他h i f u 子系统发生故障时，可以及时响 应并做出差错控制，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 应用软件系统中，护士工作站独立提供服务器功能。这种结构允许多个医 生站与护士工作站连接，请求护士站提供服务，从而可以实现多机会诊，结合多 个专家的意见，更有效的进行肿瘤的治疗。 1 2 本课题的主要创新点就体现在这两点改进上。 最后介绍了课题开发的软硬件环境。其中，医护工作站是本课题将在后续章 节展开描述的主要设计与实现部分。 第三章h i f u 治疗系统中护士工作站的设计 本系统中，护士工作站主要包括图像服务器和运动服务器两个部分。本课题 主要在搭建好的护士工作站平台上设计图像服务器和运动服务器。本文中，图像 服务器代指护士工作站中的图像处理系统，运动服务器代指护士工作站中的运动 控制系统，而并非单独的硬件系统。 图像服务器的主要功能是采集b 超图像、对采集到的b 超图像进行预处理后 保存在计算机缓存中，然后通过图像服务器与医生工作站之间的连接与通讯，将 预处理后的b 超图像传送到医生工作站。该服务器可以分为三个模块：b 超图像 采集模块、b 超图像预处理模块和b 超图像传送模块。图像服务器的工作模式如 图3 1 所示。 一 一 b 趟圈厂、 像传送 医生 ib 超仪p 酥憎三l 图像采集卡p 科翻孥 图像预处理 工作站 b 超幽像采集模块预处理模块传送模块 图3 1 图像服务器工作框架图 f i g u r e3 - 1f r a m eo fi m a g es e r v e r 3 1b 超图像 3 1 1b 超图像特性分析 超声影像由人体脏器超声回波图像和附属的背景图像构成。超声波，在人体 组织脏器中传播到两相邻组织的声阻差人于0 1 时，即可形成界面，发生反射、 散射和声衰减。这种回声信号由探头接收，经计算机处理后，显示的图像称声像 图。人体脏器超声回波扇形图像是由b 型超声换能器在发射逻辑电路控制下，按相 控扫描次序发射超声脉冲波，它通过皮肤进入人体照射到被测脏器，由于脏器的 声阻抗不均匀性，形成超声反射。反射波由超声换能器接收，经放大、解调后在 显示屏上以亮度形式显示出一条条反映组织各部位的反射强度的灰度线来组成超 声回波扇形图像，这一过程的重复进行则形成了超声动态图像。 b 超诊断仪主要是针对人体内脏器官进行诊断，利用相邻组织的声阻差所决定 的超声回波强弱来显示图像，且主要以灰度图像的形式显示。由于正常组织之间， 正常组织与病灶之间均存在声阻抗差，经界面反射后产生有一定规律的声图像。 e 塞交道厶堂亟堂位论塞 如图3 2 显示的是一幅子宫内膜肿瘤图像，图像中肿瘤组织j 正常组织之问的灰度 变化比较明显。结合解剖、生理、病理知识，分析总结其规律，就可对病变部位、 范围、性质等做出判断。 图3 2b 超图像：子宫内膜肿瘤 f i g u r e3 - 2b s c a ni m a g e ：e n d o m e t r i u mt u m o r 但由于人体生理结构复杂，所以，b 超显示的图像较复杂，信息量大，各目标 景物的轮廓界限不清楚，且有相互重叠现象，表现为前景和背景物体的灰度差较 小。另外，超声图像还受斑点噪声和随机白噪声等噪声影响。斑点噪声是所有相 十成像系统中固有的噪声，在超声成像系统中，当人体组织结构的尺寸与入射超 声波波长相近或小于波长时，超声束发生散射，相位不同的散射回波相互干涉产 生斑点噪声。它降低了超声图像的质量，使对比度较低的软组织中的j f 常组织和 肿瘤病变不易分别。这些都要求我们在传送b 超图像前需要对采集到的超声图像进 行预处理。 3 1 2b 超图像数学描述 b 超图像呈超声回波扇形 17 1 ( 如图3 3 ) 。b 超图像的近区部分由于受换能器发 射波形的振铃影响形成盲区，换言之，盲区部分没有诊断价值；b 超图像的远区部 分由于离换能器的距离较长，且超声在人体内的衰减与距离成指数关系，从远区 返回的脏器组织超声反射信号很微弱，所以远区超声图像信噪比较低，图像质疑 较差，临床诊断时习惯于将被检测脏器置于图像中部，以取得好的图像效果。 r 图3 3b 超图像的数学描述图 f i g u r e3 - 3a l g e b r a i cd e s c r i p t i o no fb - s c a ni m a g e 区 超声扇形图像的边缘呈规则形状，它可用简单的数学方程来描述。利用该方 程可方便地把梯形图像从整个图像中分离出来，以图3 3 为例，其数学描述如下 以图像的左顶点o 为原点，图像上边缘为x 轴，图像左边缘为y 轴，建立笛卡 尔坐标系。由于超声扇形图像呈轴对称，若己知梯形( 延伸段) 顶点d t ，坐标为 阪，h ，l ，且与中线的夹角为。 。 ，。 二 则，这时左侧边缘直线厶方程参见式( 3 1 ) ： y = 咏詈g 一吃) + 吩 右侧边缘直线方程三，方程参见式( 3 - 2 ) ： y = 一c 留罢g 一吃) + b ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 从上述数学描述可知，只要找到图像的边缘点，就可求出它的轮廓方程，从 而把它从整个超声扇形图像中分离出来。 3 2b 超图像采集模块 b 超图像采集模块的主要功能就是通过图像采集卡将模拟图像信号转换为数 字图像信号并读取到计算机缓存，为图像处理和传输做好准备工作。 b 超图像的计算机采集，主要由图像采集卡完成。在本系统中，b 超仪器作为 成像设备，通过视频图像采集卡与计算机相连。超声探头与超声换能器整合在一 1 7 j 匕躯盆垣厶堂亟堂位论塞 起，u 以同时移动，便于手术过程中观察治疗情况。由超声诊断仪接收的图像信号 输入到图像采集卡中，采集卡根据采样定理和b 超图像的特性，制定一定的采样频 率，再经过a d d 转换成数字信号输入到计算机中。 刚采集到的原始超声图像比较大，而且原始超声图像的四周又存在诸如医院 名称、图像保存时间、超卢探测深度、超声探测部位等与后续图像处理无关的信 息，而本系统要求在护士工作站和医生工作站所显示的b 超图像大小是5 1 2 * 5 1 2 ， 因此为了满足系统要求，需要对原始图像进行裁剪。 在本系统中，由于一台b 超仪所形成的原始超声图像的周边文字信息位置是固 定的，所以，本系统首先确定起始左上角的截取像素点位置，然后根据固定的位 置关系截取中l 、自j 区域大小为5 1 2 5 1 2 像素的有效图像，然后将该图像以8 位狄度图 的力式保存并显示。 本h i f u 系统的图像采集模块取b 超影像的有效病灶区部分作为保留区，编程 实现对原始超声图像的自动裁剪，并将自动裁剪后的图像快速采集到内存，并以 位图的方式存储在采集缓存中，得到几乎无损的b 超图像后，再将之进行预处理。 原始子宫内膜肿瘤超声图像如图3 4 所示，采集到的超声图像如图3 5 所示。 图3 4 原始子宫内膜肿瘤超声图像 f i g u r e3 - 4u l t r a s o n i ci m a g eo fe n d o m e t r i u mt u m o r h ! e 堕逾痘丞丝虫坦工侄堂的遮让 图3 5 采集到的子宫内膜肿瘤超声图像 f i g u r e3 5c a p t u r e du l t r a s o n i ci m a g eo fe n d o m e t r i u mt u m o r 3 3b 超图像预处理模块 经采集卡输入到计算机中的b 超图像信号，由于b 超图像各目标景物的轮廓界 限不清楚，且有相互重叠现象等自身的缺点，加上s p e c k l e 噪声和随机白噪声等噪 声、超声诊断仪本身、采集卡电路工艺不合理和其他相邻的机器设备的影响，会 在图像信号中产生一些噪声点和病对图像产生畸变干扰。因此，应该在将b 超图像 传送自订应该首先对b 超图像进行预处理，即进行滤波和增强处理，尽量去除这些噪 声点，使b 超图像更为清晰，便于医生的珍断与治疗。 3 3 1b 超图像滤波处理 滤波处理图像时应该根据图像中噪声的特点来进行针对性地滤波处理，达到 既能滤除图像中的噪声信号，又可以保护图像细节的目的。低通滤波在去除噪声 的同时也会使图像的边缘变得模糊。高通滤波虽然使得图像边缘更加突出，但噪 声图像也得到了锐化。通过对比发现中值滤波在一定条件下可以做到既去除噪声 又保护图像边缘的目的。本系统中采集到的b 超图像，由于b 超图像本身的缺点， 噪声主要表现为s p e c k l e 噪声和随机白噪声的叠加。经过实验对比发现，采用图像 复原中的中值滤波的方法可以克服平滑滤波等所带来的图像细节模糊，并对脉冲 二f 扰及图像扫描噪声有良好的抑制作用，使图像更为清晰。 中值滤波是一种对于干扰脉冲和点状噪声有良好抑制作用，而对图像边缘能 较好保持的非线性图像增强技术【18 l 。在一维形式下，中值滤波器是一个含有奇数 个像素的滑动窗1 2 1 ，将原窗口中像素值重新按大小排序后，窗口像素序列为： 豫一，e 一，e ，e + ，e + ， ( 3 3 ) 其中，1 ，= ( 三一1 ) 2 ，l 为窗口长度，只为窗口像素的中值滤波输出。记作 g ，= m e d f 。一，e 一。，e ，曩+ 。，e + ， 胞d 表示取窗口中值。 如一窗口长度为5 ，原始的像素灰度值额为( 2 4 ，3 5 ，1 5 ，8 9 ，4 5 ，则 g = m e d 15 ，2 4 ，3 5 ，4 5 ，8 9 = 3 5 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 若灰度级为8 9 的像素为椒盐噪声，即黑图像上的白点或白图像上的黑点，在 经过中值滤波后即可被消除。 二维中值滤波的原理与一维中值滤波的相同。此时，选取的是某种形式的二 维窗口，将窗口内的二维像素按大小值排序，生成单调二维数据序列圯。 。类似 于一维，二维中值滤波输出为 g o ，k ) = m e d f ，。 ( 3 - 6 ) 一般来说，二维中值滤波器比一维滤波器更能抑制噪声。二维中值滤波器的 窗口形状可以有多种，如线状、方形、十字形、圆形、菱形等( 如图3 6 ) 。不同形 状的窗1 3 产生不同的滤波效果，使用中必须根据图像的内容和不同的要求加以选 择。从经验来说，方形或圆形窗1 2 1 适宜于外轮廓线较长的物体图像，而十字形窗 口优选于有尖顶角物体的图像。 图3 6 中值滤波的常用窗口 f i g u r e3 - 6c o m m o nw i n d o w so fm e d i a nf i l t e r i n g ! eu 治痘丞筮虫控佳盐的遮进 _ ，j 一一一 对于本系统中的b 超图像，分别尝试了多种窗口的中值滤波，最终证明采用3 3 的方形滑动窗口( 如图3 7 ) 进行中值滤波处理可以得到较为满意的结果。 3 3 邻域 图3 7 中值滤波 如图3 7 ，由。所围的像素值由该滑动窗口内的9 个像素的狄度值按照从小到大 的顺序排列取中值得到。对全部像素进行处理以后，就得到了去除噪声后的图像。 在本系统中，采用中值滤波方法对采集到子宫内膜肿瘤的b 超图像滤波处理前 后效果图如幽3 8 所示。 a ：中值滤波前图像 b ：中值滤被后图像 ：b c f o r c | c d i a nf i l t e r i n gb ：a f t e ri c d i a nf i i t c r i n g 幽3 8 中值滤波前后的子宫内膜肿瘤超声图像 f i g u r e3 8b e f o r ea n d a f t e rm e d i a nf i l t e r i n go fe n d o m e t r i u mt u m o r 3 3 2b 超图像的增强处理 图像增强是利用各种数学方法和变换，提高图像巾的对象与非对象的对比度 和图像的清晰度。对象是指图像中所包含的需要寻找和研究的内容，在本系统中 主要指肿瘤。图像增强技术可以分为空域增强法和频域增强法两种。空域法是直 接在图像上修改灰度的各种算法；频域法是运用变换技术，采用数字滤波技术修 改图像频谱的算法。图像增强技术的主要目标是，通过对图像的处理，使图像比 处理前更适合一个特定的应用。在图像增强中可能进行如下的处理：