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哈工大数字超声成像报告.doc

哈工大数字超声成像报告

風起_吹散誰的容顏
2018-11-24 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《哈工大数字超声成像报告doc》,可适用于医药卫生领域

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  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℃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~℃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。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表示局部坐标系表示软组织到换能器表面的深度组织所在处初始温度为声速分布场为。处散射体回波的全程时间延迟为:在经历一些温度变化后由于热应力扩张到z温度分布变为。考虑组织的一维热应力扩张其中为热扩展的线性系数为温度变化。温度变化导致新的声速分布因此新的时间延迟为:或者用表达式为:因此组织加热或冷却导致的时间变化为上面方程给出了由温度变化产生在深度附近每单位长度的回波时间差作为一阶估计假设声速与温度间存在线性关系。这一关系在接近度的足够大的温度变化范围内已经证实(约℃)它可以准确描述由于差分温度变化导致的差分速度变化。根据公式其中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。当代入上述方程可得或因此根据以上公式可推导出变化率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范围从到含脂组织的λ范围从到在正常体温附近。若假设升温℃且不考虑热扩张含水组织的热应变接近含脂组织的热应变接近。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℃附近λ为正值且至少大于β一个阶次。然而当温度达到℃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℃及℃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为中心的图像i及以为中心的图像i计算如下式核维度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()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)其中是在像素的毫米级位移是在像素的毫米级位移。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。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。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。估计产生能量瓦。在微波加热期间波束辐射数据用采样频率为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。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毫米的球形截面。工作频率为MHz。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℃s且与预测值非常吻合。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℃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。在文献中阐述了诱导末梢区域血管如颈动脉的组织构成特性温度上升足够高上可以办到的在秒内用与成像系统同样的合理的工作循环即可。射频消融治疗心内应用导管为基础的干预已成为治疗对许多心律失常的选择。目前在这些程序中最常使用的能源是单极射频能量通常为至千赫并允许靶向组织的精确破坏。目的是成功的关键组织内消融心动过速电路或焦点但避免局部并发症和相邻的解剖结构的间接损害。如下一章节所示一个心导管监测心脏消融可以使用热应变成像技术帮助引导程序。消融和射频损伤形成的生物替代能源可以在其他文献中找到本文不再赘述。讨论在测温的应用中加热源主要由治疗的流程确定。但是对于组织特性研究加热源非侵入性的系统优于传统的易于集成的超声成像系统。超声加热用阵列换能器集中于目标区域比其他有向能量源传播更多可控热量。并且一个超声加热成像体制系统用单一的超声探针连接到一个商业超声扫描可以提供很强的系统实用性而且它并不需要特别设计电磁屏蔽室。总之电磁与超声加热都用于阐释TSI的可行性。未来的热应变成像技术医疗设备应用会广泛地应用超声加热除非医疗目的的电磁加热设备已经完成一体化设计。热应变成像生物医学的应用菌斑表征和含脂组织的远程检测冠心病影响到了亿千万美国人的生活大约每年造成万美国人死亡。大多数急性冠脉事件的基本机制是冠状动脉粥样硬化斑块的释放凝血物质导致血栓形成的破坏。易破裂斑块在冠状动脉或脆弱斑块通常包括一个大的富含脂质的核心偏心增厚的中央部分内膜和一个薄的纤维帽。识别这些潜在致命斑块并尽早中断在他们的临床上是可取的并有助于预测心血管风险引导治疗。含脂与含水组织热应变成像技术特征之间的强烈对比因为他们在℃附近参数符号相反。因此热应变成像技术有在一个脆弱的斑块内识别一个充满脂质的游泳池的潜力。我们已经使用种类型的高分辨率成像系统探索了热应变成像技术这个应用程序:分别是基于导管的血管内超声和超声显微镜。动脉血管壁作为一种比较新的方法基于IVUS导管成像利用高频(兆赫)探头提供的横截面断层的船只的角度并允许实时在空间中的管腔面积和斑块大小的测量超越常规美国成像的决议。它是动脉粥样硬化性疾病的重要工具诊断和影像引导下的介入手术如血管成形术。然而标准IVUS显示低灵敏度检测内皮下斑块成分如脂质丰富的病变关键在于斑块稳定性评价。容器壁力学性能的研究应变和弹性成像表明可能包含斑块弹性性质与组成。血管内超声射频数据分析还表明IVUS有在体内斑块分类的希望。所有这些技术显示提高IVUS应用检测冠状动脉高危斑块有很大潜力。施表明作为一个附加的方法能加强热应变成像技术潜力对易损斑块的血管内超声表征。在最初的实验中施等在TSI对易损斑块的特征温度不热均匀性试验天线的扩散和相对距离。三次B超扫描分别在加热的开始中间和结束时表示在图上的左边。在右边的图像相应的热应变图像叠加在B超并且显示在一个范围为~为更好的对比图像。橡胶和明胶的加热过程中可以从应变图像的可视化。正如所料橡胶具有正的热应变和明胶具有负应变。在图中轮廓明胶是突出显示了个虚线基于应变对比。内外圆的直径分别为和毫米。他们与实际尺寸(和毫米)匹配的很好。微波天线在图中也可见附近的相关性被发现较差建议在天线附近区域过热。金评价斑块缺点的一个小的温度变化(度)高分辨率显微镜研究使用超声TSI。使用一个MHz的单元素聚焦超声换能器产生的离体主冠状动脉高分辨率图像定制显微镜热应变成像技术。样品被放置在一个温度控制的水室进行横向和纵向扫描。热水一倒在外培养皿观察组织温度的单调缓慢上升。时间(热)应变估计在该地区的温度单调上升。累积热应变图象重叠到引用的B超图如图。蓝色(底部白色箭头)表示负时间应变由于声音的速度与温度相关红色(顶部黑色箭头)表示正时间应变下降的声音速度。横向和纵向的TSI图像比较与扫描动脉体结构包括内膜、外膜的介质和脂肪组织。一个扩展区域的平均热应变估计为±的脂肪组织包括外膜±在内膜和中膜分别表示温度上升±c和±c。注意平均值用λ(℃–)含水性组织(℃–)脂肪组织。温度用热电偶监测组织内的变化是℃。这表明了高分辨率二维相敏自相关热应变成像技术的可行性。明确区分含水分组织中的含脂组织测得温度变化与热应变成像技术温度估计吻合。大多数临床应用都需要感兴趣组织区的远程加热和成像。作为最初的测试TSI能够远程检测含脂深层组织采用常规设备加热和成像一组实验证明了该方法可在公斤新西兰白兔的肾脏可以正常的进行。图(a)表现了对肾脏的B超扫描。显示器呈现了与加热束方向垂直的径向切片图红色箭头(从左至右)显示了我们加热的传播方向蓝色箭头(从上到下)标识热成像的传播方向。这个低回声的模式反映了采集系统小高回声内代表脂肪。图(b)描绘我们的相关系数ST在两个图像帧之间加热前后的变化。除了一个斑点外可能是血管图片的整体相关性很好。最终在收集系统外的脂肪组织识别的效果很好热应变图片与解剖结构相匹配正如(c)(e)图所示。最后为了测试超声诱导TSI对于损伤血小板特性的远距离测量一个带有脂肪组织的大主动脉在内腔里准备好。把TSI图覆盖在B超图上如图(b)(e)。图(c)(f)代表超声ST在加热前后的结构自相关系数。热应变成像技术与解剖图在横向纵向都匹配的很好虽然在动脉的正下方有人工干扰尤其在横向扫描外边界处有凝胶。观察到这一区域低回声对应较低的相关性。总体而言初步结果在模型和体外组织样品展示TSI突出高血脂浓度的区域的潜力或是含水组织。除了与超声显微镜在热水传递热量研究在这一段中所示的结果均为定向能的实验系统源和成像系统进行同步但物理解耦。然而对于大多数临床应用用于成像的相同的设备将最有可能用于定向能源提供控制加热的正如章节中描述的那样。为了使人工扰对TSI的影响最小化急需一种高效率的超声能源传播升温方法。图为猪冠状动脉的热应变成像热应变成像覆盖在B超上并测量mm宽mm高。传感器被放置在图像的顶部。图(a)为横向视图图(b)为纵向视图。图中蓝色(下部白色箭头)代表暂时的舒张(声音速度增加)而红色(上部黑色箭头)代表暂时收缩(声音速度下降)。热应变成像技术影像的显示色标度为正负千分之五。图(a)中平均收紧区域被*毫米的区域显示图(b)中平均收紧区域被*毫米的区域显示二者均以最大收紧处为中心。图为基于超声成像原理的离体的兔子肾脏的热应变成像技术图像图(a)为B超图像。红框内呈现的是受热体积中的一个面积为*mm的横截面的图像。图中由左向右的红色箭头代表被激发的超声的的传播方向而由上至下的蓝色箭头代表成像的方向。框内脂肪(超声回波强的)被以基于水的超声回波弱的收集系统包围着。图(b)为超声激励前后的两张超声图像的超声散斑跟踪的相关系数。在脂肪右上方的低相关的斑点造成了应变图像图c到图e中轻微的伪假象并被确定为血管。在超声激励秒秒和秒后的不同的热应变图在面板的底部呈现这些图像和图(a)中的解剖视图很好地匹配。在节中曾描述过为了减少运动伪假象可以混淆热应变成像(将会在小节中更详细地讨论)期望在一个心动周期内将有效的超声能量传递使其达到理想的温度。心脏内部射频消融过程中能量的传递规律射频消融术是用于电生理程序释放射频电流导致局部心内膜及心内膜下心肌凝固型坏死达到阻断快速心率失常异常传导束和起源点的技术。调节功率以最大限度的提高安全性和能源利用的有效性是结果成功的重要标志。目前散斑追踪传递的结果可以通过对电阻电图振幅组织在电生理学的表现和电极尖端的温度的实时监测分析间接的监控。其中组织温度与射频消融手术的成功与否有着极为密切的关系。为了确保损伤不可逆组织的温度必须达到℃左右。观测到要产生一个心传导阻滞需要的最低温度为℃。使组织温度显著的超过这个温度是没有必要的并且可能导致并发症的出现。鉴于温度监控的重要性在心内射频消融术的过程中会用到一个独立的热电偶或者一个嵌入到电极中的热敏电阻。在能量传递的过程中电极的一端与组织接触另一端与周围的血液接触。热电偶记录的电极温度反映了由射频场在附近组织产生的热量和对周围血液和其他组织传递过程中流失的热量的复杂关系。由于热量传递中的流失热电偶所记录的温度应该始终小于组织中温度最高点处的温度这会误导手术者增加热量的传递。例如光纤荧光温度探针可用于增加成本可降低速度的敏感测量中。在一般情况下温度传感器是额外的需要处理的设备并且需要安装在一个已经很饱和的导管尖端中。由于可以用低成本提供二维实时温度信息的潜能超声技术被用于温度成像更具有吸引力。基于超声波的温度测量范围很大然而由于在显著高于℃的情况下声速的敏感率变化比较低。如果考虑一个非常高的温度(组织温度℃或者更高)在这种情况下高强度聚焦超声的作用是双重的:一是声速随温度的变化敏感度降低二是组织发生状态的变化会从根本上改变超声反向散射体的散射信号特征。此外有限的数据可供分析温度和声速在活泼组织中的关系尤其是在高于℃的情况下。声速随温度的变化明显转变了散射体的位置介质的热膨胀改变了散射体的物理位置变化。超过℃后热膨胀不再是微不足道的热膨胀将有助于改变总回波唯一或造成应变的计算延时。因此热应变成像在基于精密温度测量的消融检测中将不再可用因为它所能敏感的微小的温度变化是在℃以下。然而对于治疗心律失常的消融术更需要的是一个组织坏死的重现性指标而不是绝对的温度检测。尤其重要的是要知道组织温度什么时候已经达到或超过℃并停止消融。考虑将热引起的应变看做消融过程的时间函数我们假设热引起的应变中有一个点的斜率接近为。也就是说就在开始消融之前通过连续跟踪一个参考系热应变将会始终保持平稳状态因为声速作为温度的函数已经达到了它的峰值。在这一部分提出的信号检测方法发展为通过确定热应变曲线上斜率的幅度显著下降的一个点来研究检测消融治疗的可行性斜率的幅值的降低主要是由较小的声速随温度的变化而引起的。消融检测方法的可行性将通过使用动物模型在体内进行试验。幼猪被用于进行这些研究。试验中将心电图的电极连接到猪的身上进行标准的三点记录。心电图的输出将作为IrvineBiomedicalInc进行改进的动力。一个兼容超声波和心脏内部射频消融系统被整合到以F为原型的前置线性心腔内超声导管中并可实现同时成像和消融右心房壁。与此同时电极内部的热电偶被拉出去接触组织以进行热应变的验证。图显示了此装置的大致几何结构。信号为聚焦为毫米频率为兆赫的信号。在荧光透视法的指引和引导消融导管并进行综合成像的同时进行消融治疗。

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