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《北京工业大学》 2013年
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微波热疗超声监测系统及关键技术研究

盛磊  
【摘要】:肿瘤热疗是指利用某种加热方法将肿瘤组织加热至超过其耐热温度以杀死癌细胞,治疗效果的实时无损评价是肿瘤热疗过程中一个亟需解决的问题。目前热疗监控成像主要有超声(US,Ultrasound)、核磁共振(MRI,Magnetic ResonanceImaging)、组织断层成像(CT,Computed Tomography)三种方式。CT由于对人体组织有损伤,MRI由于实时性较差、价格昂贵,且需要核磁兼容设备,都不便推广使用。超声因成本低、实时性好、与热疗设备兼容等优点,成为热疗监测的首选。本文研究了利用超声对微波热疗实时监测及相应系统设计。购置具有原始超声射频信号接口的高速超声数据采集器,搭建水浴加热实验及微波热疗实验平台,通过实验建立超声无损测温模型及超声组织定征模型,研究超声测温及生物组织热凝固区识别方法,并设计出相应微波热疗超声监测系统。主要研究内容如下: (1)实验平台的搭建。为了研究生物组织超声特征参数与温度的相关性,设计水浴实验系统。通过调节水箱温度,提取不同温度下的组织超声射频回波信号,建立超声无损测温及超声组织定征模型;为了利用超声监测微波热疗,设计微波热疗实验系统,提取热疗过程中组织超声射频回波信号,通过分析超声回波特征参数,识别热疗过程中的热凝固区;为了验证识别结果的准确性,统计微波热疗实验过程中不同加热功率和不同加热时间所获取的热凝固区大小。 (2)生物组织超声特征参数的温度相关性研究。基于水浴实验平台,提取不同温度下的超声射频和视频特征参数,分析其与温度的相关性。其中超声回波射频信号参数主要包括超声背向散射积分、超声回波中心频率、超声衰减系数。研究结果表明:超声背向散射积分、超声衰减系数随温度升高而增大,且相关性系数大于0.95,超声回波中心频率随着温度的升高而降低。超声回波视频信号主要通过自建B超图像,分析图像的纹理特征参数与温度的相关性,分析了灰度直方图、灰度共生矩阵、灰度梯度共生矩阵等31个参数。研究结果表明:具有较高温度相关性的参数有灰度直方图中的灰度均值、灰度共生矩阵中的熵及灰度梯度共生矩阵中的混合熵、逆差距、相关。结合纹理参数的温度相关性分析和比值分析,可以得到随着组织的热凝固,超声纹理特征参数改变较大的有:灰度直方图统计量中的灰度均值,灰度梯度共生矩阵中的灰度不均匀性、能量、混合熵、惯性和逆差矩。微波热疗由于温度分布的不均匀性,用超声回波检测温度误差较大,很难达到临床应用要求。 (3)组织微波热凝固区的超声无创检测研究。通过超声组织定征方法检测微波热疗过程中的热凝固区,并与实际测量的热凝固区大小对比,获取准确性最高的定征方法用于微波热疗监测系统的设计。采用的超声组织定征方法分别为超声背向散射积分、超声图像纹理特征参数、超声回波功率谱积分、散射元平均间距。研究结果表明:背向散射积分可以很好的检测出热凝固区,检测的速度较快,但由于组织的不均匀性,容易在热凝固区外获得识别结果;利用超声纹理特征参数进行热凝固区识别可以获得比较理想的结果,但由于声影的存在,检测结果只有实际消融区的一半,且纹理参数计算及神经网络的识别计算量很大,检测速度比较慢,不太适合热疗实时监测;利用超声功率谱积分值识别热凝固区,容易在热凝固区外检测到多余的组织,可能是利用频谱积分进行检测使用的数据太长,不易获得更加细节的信息;利用超声检测生物组织散射元平均间距的改变来检测热凝固区,既有较好的识别效果,又有较快的速度,可应用于肿瘤热疗的实时监测。 (4)微波热疗超声无创监测系统的设计。通过MATLAB GUI实现肿瘤热疗超声无创监测系统的设计,利用微波热疗实验所获得的超声原始射频信号,重建B超图像,通过散射元平均间距的不同检测热凝固区,并将检测结果叠加到自建的B超图像之上,这样既能利用B超进行监测,在热疗过程中观察组织的整体状况,又能够通过灰度编码获取组织在热疗过程中的热凝固区变化。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:R730.5;TP274.53

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