Nakagami-Gamma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.pdf
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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,
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