研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)作为一种新兴的无创治疗手段,已用于临床治疗肝癌、肾癌、骨肿瘤、乳腺癌、胰腺癌、子宫肌瘤等实体肿瘤及非肿瘤疾病当中,并展示出良好的治疗效果。其机制是将体外低能量的超声波聚焦到体内,通过焦点处高能量超声波产生的热效应、空化效应及机械效应等,使焦域内温度瞬时升高到60℃以上,导致靶区细胞蛋白质变性、不可逆损伤和组织凝固性坏死,从而达到杀灭靶区病变组织的目的。影像监控对HIFU治疗成功与否至关重要,如果HIFU在组织内的焦点相当于一把手术刀的刀尖,那么影像监控就相当于持刀医生的眼睛,只有精确掌握组织生理病理结构并实时把握HIFU在组织中形成损伤的程度和范围,才能达到安全、高效的治疗。目前HIFU肿瘤治疗的监控方法主要是B超监控和MRI监控,其中B超监控实时性比较好,且方法简单,与HIFU系统的兼容性好,但不能实时测温。而MRI监控可以通过准实时测温获得靶区温度和凝固性坏死的范围,但是MRI系统与HIFU系统兼容比较困难,且造价昂贵。因此,有必要探索新的HIFU治疗的监控手段和疗效评价手段。HIFU形成的组织损伤主要表现在细胞核碎裂或者固缩、蛋白质变性、细胞结构破坏以及周围组织水肿等方面。这些组织病理变化直接导致了组织弹性的改变,表现为HIFU热消融区域组织的硬度明显大于周围正常组织。因此,弹性成像在监控HIFU疗效方面具有良好的发展前景。以往的研究已经证实弹性成像可以检测到HIFU在离体组织内形成的凝固性坏死,并能反映凝固性坏死的大小和边界[19,20]。与以往的研究主要集中在HIFU形成的凝固性坏死不同,本研究中采用了强度较低的聚焦超声(Focused Ultrasound, FUS),用较低的辐照剂量在生物组织内形成损伤,并用准静态弹性成像成功检测到了组织内的损伤。实验中采取了一系列的算法改进,用来提高准静态弹性成像运动估计的精度,从而得到了比较理想的成像效果。目的1.优化准静态弹性成像的算法,提高运动估计的精度,从而优化成像效果。2.开展仿体实验研究,验证弹性成像的效果,并比较不同压缩率对成像效果的影响。3.开展准静态弹性成像监控FUS形成的组织损伤的研究,验证其可行性。方法1.优化准静态弹性成像的算法1.1采用二维互相关算法,减少组织横向位移带来的数据解相关的情况。1.2采用抛物线拟合插值,求得非整数个点上的位移值。1.3采用分段线性拟合的算法,剔除了位移数据中的局部解相关点(奇异点)。1.4采用二维中值滤波,使得位移数据在轴向更加平滑,降低高频噪声。1.5采用数字低通滤波器和基于小波变换的数字低通差分算法,有效降低在位移数据轴向差分过程中高频噪声对差分结果的干扰。2.开展仿体实验,验证准静态弹性成像的效果。2.1制作包含有柱状硬物的仿体和包含有软层的三层仿体,并开展准静态弹性成像实验研究。2.2通过标准仿体(CIRS Model 049A)比较不同压缩率对弹性成像效果的影响。3.应用CZF妇科聚焦超声治疗系统(重庆海扶)让FUS在猪肌肉中形成凝固性坏死,然后用Sonix RP B超设备(Ultrasonics Co.)开展准静态弹性成像监控FUS引起的组织损伤的研究,并与B超图像和实际损伤的剖面图进行比较,分析准静态弹性成像监控FUS产生的组织损伤的效果和可行性。结果1.采用二维互相关算法可以有效减少组织横向位移带来的数据解相关的情况,得到比较理想的位移曲线。抛物线拟合插值能够提高位移估计的精度,减小系统性的误差。分段线性拟合算法可以有效剔除位移数据中的奇异点,并用线性拟合结果取而代之。二维中值滤波能够有效降低位移数据的高频噪声,平滑轴向位移曲线。数字低通滤波器和基于小波变换的数字低通差分算法可以有效降低位移数据中的高频噪声对应变估计的干扰,较之直接差分算法能够得到更加理想的应变估计结果,其中基于小波变换的低通数字差分算法效果更加理想。2.仿体实验证明,准静态弹性成像可以检测到B超图像无法分辨的仿体硬包含物,并能分辨出包含有硬物的三层仿体的中间软层。标准仿体实验表明,不同的压缩率对仿体实验结果具有重要影响,必须选择合适的压缩率才能得到比较理想的实验结果,一般应采用0.5%-0.8%的压缩率会有比较好的效果。3.生物组织实验表明,准静态弹性成像可以成功监控到B超图像无法分辨的FUS形成的组织损伤,且准静态弹性成像显示的损伤大小和形状与实际损伤的剖面图基本一致,损伤区域内的应变分布可以反映损伤程度的差别。总结1.通过一系列的算法改进,可以有效提高准静态弹性成像中运动估计的精度,改善成像的质量。2.准静态弹性成像可以成功监控到B超图像无法分辨的FUS在生物组织内形成的损伤,并能清晰的显示损伤的形态和大小。弹性图像甚至还可以反映FUS在组织内形成的损伤的程度差别。