组织B型超声图像灰度与其温度相关性研究
第五章 B型超声系统-第三次
第五章B型超声系统B型超声诊断仪器简称B超，属于是亮度调制(Brightness Modulation)型成像。
B超是用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。
B超得到的是脏器或病变的断层图像，并可以实时动态观察。
它还能与其它形式的超声设备复合成更先进的超声诊断系统。
工作原理：利用某种方法将换能器很快地在一个平面中沿某直线移动，在移动的过程中，换能器在不同的位置上发射超声脉冲，并接收相应的回波信号。
用回波信号的幅度调制显示器的灰度，并按扫描线逐行显示随深度变化的回波信号，从而构成一幅断面的图像。
B型与A型相比相同：发射和接收通道与A型完全相同，两者的工作原理基本上是相同的。
不同: 显示方式。
A超用幅度调制显示，X代表超声波的传播时间，相当于深度探测，Y轴代表回波信号幅度；B超X轴为探头位置，Y 轴为深度探测。
B型与M型相比相同：都采用亮度调制显示方式，回波信号在放大后施加在CRT显示器的电子枪上，不同幅度的回波信号在显示器上显示成不同亮度的光点，回声越强光点越亮；两者Y轴为探测深度，表示反射界面的深度信息。
不同：是探头工作方式，M型的超声换能器固定，而B超的超声换能器移动扫描探测。
B超的扫描方式B超的扫描形式按其提出的时间顺序先后包括：手动扫描、机械扫描、线性电子扫描、相控阵电子扫描和频率扫描。
手动扫描和机械扫描是指探头或声束的移动是靠手动操作或机械控制的，其扫描速度较慢，实时成像困难。
随着电子技术的发展，在线阵式和面阵式探头研制成功后，电子扫描技术得到广泛应用，扫描速度大大增加，实时成像成为现实。
手动扫描手持式B超通过对人体不同位置的手动扫描，或者在同一位置进行的旋转扫描实现对人体组织成像。
缺点：成像速度慢，难以用于探查心脏等部位的动态变化，图像质量依赖操作者完成同步扫描的技巧。
目前，手动扫描超声成像系统基本被淘汰，但其基本扫描原理仍是发展起来的的多种扫描方式的基础。
机械扫描机械扫描：它由单个或多个换能器晶片进行高速机械转动或摆动实现快速扫描。
凭借弹性与B型双模态超声的前列腺癌辅助诊断
第３９卷第５期２０１８年５月自㊀动㊀化㊀仪㊀表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ ３９Ｎｏ ５Ｍａｙ．２０１８收稿日期：２０１７⁃０７⁃２１基金项目：河南省高等学校重点科研基金资助项目（１６Ａ４６００２７）作者简介：熊竞宇（１９９３ ），男，在读硕士研究生，主要从事医学图像模式识别方向的研究，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｙｘｉｏｎｇ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ；张麒（通信作者），男，博士，副教授，主要从事医学图像模式识别方向的研究，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｑ＠ｔ．ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ凭借弹性与Ｂ型双模态超声的前列腺癌辅助诊断熊竞宇，张㊀麒（上海大学通信与信息工程学院，上海２００４４４）摘㊀要：前列腺癌的无创诊断对于患者的治疗具有重要意义㊂Ｂ型和弹性超声是目前常用的前列腺癌无创诊断方法㊂为此，提出了一种基于弹性与Ｂ型双模态超声图像的前列腺癌计算机辅助诊断技术㊂首先，分别提取Ｂ型和弹性图像的量化特征，包括灰度共生矩阵特征㊁一阶统计量特征㊁二值图像特征和分区特征；然后，利用典型相关分析融合Ｂ型特征和弹性特征；最后，采用支持向量机对前列腺病变进行分类㊂对１０３例（恶性４７例，良性５６例）前列腺病变患者的３１３幅前列腺双模态超声图像进行试验㊂试验结果表明，提取的量化特征在良恶性间有显著差异，分类敏感性㊁特异性和准确率分别达到７８．７％㊁８５．７％㊁８２．５％㊂该方法有望应用于前列腺癌的临床无创诊断㊂关键词：前列腺；超声弹性成像；Ｂ型超声；多模态；典型相关分析中图分类号：ＴＨ⁃７７；ＴＰ３９１㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１０００⁃０３８０．２０１７０７００７３㊀Ｃｏｍｐｕｔｅｒ⁃ＡｉｄｅｄＤｉａｇｎｏｓｉｓｏｆＰｒｏｓｔａｔｅＣａｎｃｅｒｂｙＵｓｉｎｇＥｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄＢ⁃ＭｏｄｅＤｕａｌ⁃ＭｏｄａｌＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＸＩＯＮＧＪｉｎｇｙｕ，ＺＨＡＮＧＱｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｐｒｏｓｔａｔｅｃａｎｃｅｒｉｓｏｆｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｐａｔｉｅｎｔｓ．Ｂ⁃ｍｏｄｅｕｌｔｒａｓｏｕｎｄａｎｄｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙａｒｅｃｕｒｒｅｎｔｌｙｕｓｅｄｉｎｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｐｒｏｓｔａｔｅｃａｎｃｅｒ．Ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｃｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｐｒｏｓｔａｔｅｃａｎｃｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌ⁃ｍｏｄａｌｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｎａｍｅｌｙｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄＢ⁃ｍｏｄｅｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆＢ⁃ｍｏｄｅｉｍａｇｅｓａｎｄｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｉｃｉｍａｇｅｓｉｓｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒａｙ⁃ｌｅｖｅｌｃｏ⁃ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｍａｔｒｉｃｅｓ，ｆｉｒｓｔ⁃ｏｒｄｅｒｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓ，ｂｉｎａｒｙｉｍａｇｅｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｃａｎｏｎｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｕｓｅｄｔｏｆｕｓｅＢ⁃ｍｏｄｅａｎｄｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｉｃｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅｉｓｕｓｅｄｆｏｒｐｒｏｓｔａｔｅｄｉｓｅａｓｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｎ３１３ｐｒｏｓｔａｔｅｄｕａｌ⁃ｍｏｄａｌｉｍａｇｅｓｆｒｏｍ１０３ｐａｔｉｅｎｔｓｗｉｔｈｐｒｏｓｔａｔｉｃｄｉｓｅａｓｅｓ（４７ｍａｌｉｇｎａｎｔａｎｄ５６ｂｅｎｉｇｎ）ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｍａｌｉｇｎａｎｃｙａｎｄｂｅｎｉｇｎａｎｃｙ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｒｅ７８．７％，８５．７％ａｎｄ８２．５％．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅｕｓｅｄｆｏｒｃｌｉｎｉｃａｌｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｐｒｏｓｔａｔｅｃａｎｃｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｓｔａｔｅ；Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ；Ｂ⁃ｍｏｄｅｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；Ｍｕｌｔｉ⁃ｍｏｄａｌ；Ｃａｎｏｎｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ０㊀引言前列腺癌是男性泌尿生殖系统中常见的恶性肿瘤㊂由于前列腺癌涉及饮食㊁激素㊁Ｘ染色体等因素，且发病机制复杂，目前仍然难以治愈㊂早期的诊治能减少前列腺癌对人体的侵害，提升治愈率，降低术后风险［１］㊂因此，有效地区分前列腺病变的良恶性，及早地确诊前列腺癌，对于前列腺癌患者的治愈具有极其重要的意义㊂前列腺癌的诊断目前仍以活检病理作为金标准㊂但前列腺活检是有创检查，有发生严重并发症的风险㊂超声图像是前列腺肿瘤无创诊断的重要依据㊂其中，Ｂ型超声是较早运用于肿瘤诊断的超声技术，其特点是方便㊁快捷㊂超声弹性成像是一种测量生物组织弹性的超声检查方法［２］㊂当前列腺发生病变时，正常组织㊁良性病变组织和恶性肿瘤之间的硬第５期㊀凭借弹性与Ｂ型双模态超声的前列腺癌辅助诊断㊀熊竞宇，等度和弹性具有较大的差异；同时，在前列腺病变的过程中，组织弹性的变化一般要早于形态学的变化㊂因此，Ｂ型超声和超声弹性成像技术可作为前列腺癌无创诊断依据㊂与此同时，超声图像的分析仍然建立在医生判断的基础上，过度依赖于医生的经验性判断，具有很强的主观性，且耗时耗力㊂因此，需要计算机辅助诊断（ｃｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ＣＡＤ），以减少医生的工作量并增强客观性和准确性［３］㊂本文设计了一种基于双模态超声图像的前列腺病变良恶性判别的ＣＡＤ系统㊂１㊀诊断方法１．１㊀图像采集本文样本包括复旦大学附属华山医院的１０３例男性前列腺病变病例㊂其中，良性病变５６例，恶性病变４７例，均经过１０针活检的病理学验证㊂每例患者采集如图１所示的多幅双模态超声图像，共计３１３幅㊂超声成像仪采用日本日立（ＨＩＴＡＣＨＩ）公司生产的ＥＵＢ⁃７５００成像设备，探头采用经直肠双平面探头，频率为７ １２ＭＨｚ㊂采集的图像为Ｂ型超声（图１右）和弹性超声（图１左）双幅显示的图像㊂在超声弹性图像中，弹性感兴趣区域（ｒｅｇｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＲＯＩ）由表示组织硬度的ＲＧＢ图像与Ｂ型灰阶图像叠加构成㊂图１㊀弹性（左）和Ｂ型（右）图像Ｆｉｇ．１㊀Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ（ｌｅｆｔ）ａｎｄＢ⁃ｍｏｄｅ（ｒｉｇｈｔ）ｉｍａｇｅｓ１．２㊀预处理ＲＯＩ包含了前列腺病变及其周边的组织信息㊂在ＲＯＩ中，通过有经验的医生手工勾勒出前列腺外腺，作为后续定量分析的区域㊂对ＲＯＩ自适应阈值化，得到二值图像㊂由于弹性图像是复合图像，需要减去Ｂ型图像［４］㊂对于弹性超声图像而言，不同的颜色代表不同的组织硬度，因此可以将超声弹性图像的ＲＧＢ值转变为色调（Ｈｕｅ，Ｈ）值［５］㊂Ｈ＝θＢɤＧ３６０－θＢ＞Ｇ{（１）θ＝ｃｏｓ－１［（Ｒ－Ｇ）＋（Ｒ－Ｂ）］２［（Ｒ－Ｇ）２＋（Ｒ－Ｂ）（Ｇ－Ｂ）］{}（２）Ｈ值越高，表示组织越硬㊂１．３㊀特征提取利用计算机自动算法，分别从Ｂ型超声和超声弹性图像中的前列腺外腺提取量化特征㊂根据特征的物理意义，每个模态均含以下几类特征㊂①一阶统计量特征包括：均值（ｍｅａｎ）㊁中值（Ｍｅｄｉａｎ）㊁标准差（ＳＤ）㊁变异系数（ＣｏＶ）㊁偏度（Ｓｋｅｗ）㊁亮度熵（ＥｔＢｒｔ）等㊂②灰度共生矩阵（ｇｒａｙｌｅｖｅｌｃｏ⁃ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｍａｔｒｉｘ，ＧＬＣＭ）特征包括：对比度（Ｃｏｎｔ）㊁能量（Ｅｎｅｒ）㊁均一度（Ｈｏｍｏ）和熵（Ｅｎｔｒ）［６］㊂③二值图像特征［７］包括：二值图中取１的像素占整个前列腺外腺面积的比值（ＡＲ）；中心偏离度（ＣＤＤ），表示取值为１的像素到外腺中心的归一化平均距离；离散度（ＤＤ）与径向偏离度（ＲＤＤ），分别表示像素值为１的点到取值为１的像素区域中心的归一化距离均值与标准差㊂④分区特征［８］：将外腺及其周边区域分解为不同分区，如图２所示㊂外腺轮廓往内缩１３，两层轮廓围成的区域即为 外腺内边缘１３分区（ＱｔＢＩ１３）㊂同理可得 外腺外边缘１３分区（ＱｔＢＯ１３）㊁ 外腺中间 分区（ＱｔＭ１３）㊁ 外腺核心 分区（ＱｔＩ１３）等㊂图２㊀外腺及其周边的不同分区Ｆｉｇ．２㊀Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｇｌａｎｄａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｔｉｓｓｕｅ１．４㊀特征融合本文提取了两种模态的超声图像的特征信息，其中Ｂ型超声表征前列腺组织的声阻抗差异特性，而弹性超声则提供前列腺组织的弹性信息㊂因此，可将双模态特征进行融合，以达到信息互补的目的㊂本文采用两种特征融合方式㊂第一种为直接法，是指将双模态特征直接串联成９８６维的特征向量，输入分类器中进行训练和测试；另一种是典型相关分㊃１６㊃自㊀动㊀化㊀仪㊀表第３９卷析［９］（ｃａｎｏｎｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ＣＣＡ）法，如图３所示㊂给定两组向量ｘɪＲｎ，ｙɪＲｎ㊂考察两组向量的关系，可以将ｘ和ｙ表示成各自特征间的线性组合：图３㊀典型相关分析图Ｆｉｇ．３㊀Ｃａｎｏｎｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｕ＝ａＴｘ（３）ｖ＝ｂＴｙ（４）则相关系数ρ为：ρ＝Ｅ［ｕｖ］Ｖａｒ［ｕ］Ｖａｒ［ｖ］（５）当相关系数最大时，此时的ｕ和ｖ即为一组典型变量，记作：ｕ１＝ａＴ１ｘ（６）ｖ１＝ｂＴ１ｙ（７）与此类似，接下来的每组典型变量在满足相关系数最大的同时，还要与已有典型变量不相关，即：Ｃｏｒｒ（ｕ１，ｕ２）＝０Ｃｏｒｒ（ｖ１，ｖ２）＝０以此类推，求出所有的典型变量（ｕ１，ｖ１），（ｕ２，ｖ２）， ，（ｕｎ，ｖｎ），则所有的典型变量分别组合成新的向量ｘᶄ与ｙᶄ：ｘᶄ＝（ｕ１，ｕ２， ，ｕｎ）＝（ａＴ１ｘ，ａＴ２ｘ， ，ａＴｎｘ）＝（ａＴ１，ａＴ２， ，ａＴｎ）ｘ＝ωＴｘｘ（８）ｙᶄ＝（ｖ１，ｖ２， ，ｖｎ）＝（ｂＴ１ｘ，ｂＴ２ｘ， ，ｂＴｎｘ）＝（ｂＴ１，ｂＴ２， ，ｂＴｎ）ｙ＝ωＴｙｙ（９）由ｘᶄ与ｙᶄ加权求和得到最终的融合向量ｚ：ｚ＝ｋｘᶄ＋（１－ｋ）ｙᶄ（１０）式中：ｋ为典型变量ｘᶄ的权重㊂１．５㊀分类器设计支持向量机（ｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ，ＳＶＭ）是一种常用的模式识别算法［１０］㊂本文利用ＳＶＭ实现对前列腺病变的良恶性判别㊂使用留一法对１０３例患者的分类性能进行验证，分别得出Ｂ型㊁弹性单一模态特征㊁双模态特征直接融合法及双模态特征ＣＣＡ融合法四种情况下的敏感性（Ｓｅｎ）㊁特异性（Ｓｐｃ）㊁准确率（Ａｃｃ）和约登指数（Ｙｉ）㊂２㊀结果与分析本文的所有算法均通过ＭＡＴＬＡＢ实现㊂２．１㊀预处理对１０３个病例的３１３幅超声图进行有效的分割，得到双模态的ＲＯＩ㊁外腺轮廓㊁重建的纯弹性图及其二值化图像㊂比较可知，重建后的弹性图像红蓝对比更加明显，有利于区分前列腺的组织硬度㊂图像预处理结果如图４所示㊂图４㊀图像预处理结果图Ｆｉｇ．４㊀Ｉｍａｇｅｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ２．２㊀特征提取对３１３幅图片进行特征提取，对同一患者多幅图像的特征取平均值，得到每个患者单一模态４９３个量化特征，双模态共９８６个特征㊂同时对提取的特征作ｔ检验，根据ｐ值分析特征对前列腺良恶性病变进行区分㊂选取部分典型特征如表１所示㊂结合均值和标准差，根据ｐ值可以发现，弹性特征对前列腺病变良恶性的区分效果要优于Ｂ型特征㊂其中，Ｂ型特征中ＲＳＤ㊁Ｍｅａｎ㊁ＣｏＶ㊁Ｓｋｅｗ和ＱｔＭ１３都有显著差异性（ｐ＜０．０５）；弹性特征中ＲＳＤ和ＣｏＶ有显著差异性（ｐ＜０．０５），ＭｅａｎＶ㊁Ｓｋｅｗ和ＱｔＭ１３有很强的显著差异性（ｐ＜０ ００１）㊂㊃２６㊃第５期㊀凭借弹性与Ｂ型双模态超声的前列腺癌辅助诊断㊀熊竞宇，等表１㊀部分Ｂ型特征和弹性特征的ｐ值Ｔａｂ．１㊀ＴｈｅｐｖａｌｕｅｓｏｆｐａｒｔｉａｌＢ⁃ｍｏｄｅａｎｄｅｌａｓｔｉｃｆｅａｔｕｒｅｓ特征Ｂ型超声ｐ值良性恶性弹性超声ｐ值良性恶性ＲＳＤ０．００２０．２９ʃ０．０５０．２６ʃ０．０５０．００５０．３０ʃ０．０５０．２７ʃ０．０５ｍｅａｎ０．００６０．３５ʃ０．０６０．３１ʃ０．０７＜０．００１０．３７ʃ０．０６０．４２ʃ０．０７ＣｏＶ０．００２０．３９ʃ０．０７０．４４ʃ０．１００．００８０．４８ʃ０．０９０．４３ʃ０．０９Ｓｋｅｗ０．００４０．４２ʃ０．４７０．６８ʃ０．４２＜０．００１－０．１３ʃ０．３４－０．４５ʃ０．４１ＱｔＭ１３０．００２０．３５ʃ０．０７０．３０ʃ０．０８＜０．００１０．３６ʃ０．０８０．４３ʃ０．１０２．３㊀分类ＳＶＭ分类结果如表２所示㊂表２㊀ＳＶＭ分类结果Ｔａｂ．２㊀ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＳＶＭ方法ＳｅｎＳｐｃＡｃｃＹｉＢ型特征０．５７４０．７３２０．６６００．３０７弹性特征０．４６８０．７１４０．６０２０．１８２直接融合法０．６６００．７１４０．６８９０．３７４ＣＣＡ融合法０．７８７０．８５７０．８２５０．６４４㊀㊀根据表２的分类结果可知，使用单一模态的Ｂ型特征（Ａｃｃ＝６６．０％）或弹性特征（Ａｃｃ＝６０．２％）进行分类的效果并不理想；而利用直接法融合两个模态的特征后分类结果有所提高（Ａｃｃ＝６８．９％）；利用ＣＣＡ对双模态特征进行融合后，分类准确率进一步提高（Ａｃｃ＝８２．５％），同时敏感性㊁特异性和约登指数均达到较高值㊂由此可认为，ＣＣＡ在多模态超声前列腺癌的临床诊断上具有一定的前景㊂３㊀结束语本文首先分别从前列腺的Ｂ型超声图像和弹性超声图像中提取量化特征，然后利用ＣＣＡ融合Ｂ型特征和弹性特征，最后采用ＳＶＭ对前列腺病变进行分类㊂分类的敏感性㊁特异性和准确率分别达到７８ ７％㊁８５ ７％㊁８２．５％㊂本文方法有望应用于前列腺癌的临床诊断㊂参考文献：［１］孙颖浩．我国前列腺癌的研究现状［Ｊ］．中华泌尿外科，２００４，２５（２）：７７⁃８０．［２］ＬＥＧＵÉＨＥＮＮＥＣＬ，ＬＡＹＲＯＬＬＥＰ，ＤＡＣＵＬＳＩＧ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓａｎｄｆｉｂｒｉｎｓｅａｌａｎｔ［Ｊ］／／ＥｕｒｏｐｅａｎＣｅｌｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＥＣＭ），２００４．［３］ＬＥＨＡＩＲＥＪ，ＦＬＡＭＡＲＹＲ，ＲＯＵＶＩＥＲＥＯ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｒｏｓｔａｔｅｃａｎｃｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｉｎｇｌｅａｒｎｅｄｄｉｃｔｉｏｎａｒｉｅｓａｎｄｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１４：２２５１⁃２２５５．［４］ＺＨＡＮＧＱ，ＬＩＣ，ＨＡＮＨ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒａｓｔａｇｅｎｔｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃｐｌａｑｕｅｉｎｃｏｎｔｒａｓｔ⁃ｅｎｈａｎｃｅｄｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｉｍａｇｅｓｅｑｕｅｎｃｅｓ［Ｊ］．ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４，１３（１）：５０⁃６１．［５］ＳＨＡＲＭＡＧ，ＴＲＵＳＳＥＬＬＨＪ．Ｄｉｇｉｔａｌｃｏｌｏｒｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００１，６（７）：９０１⁃９３２．［６］ＹＡＮＧＸ，ＴＲＩＤＡＮＤＡＰＡＮＩＳ，ＢＥＩＴＬＥＲＪ，ｅｔａｌ．ＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＧＬＣＭｔｅｘｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎ⁃ｉｎｄｕｃｅｄｐａｒｏｔｉｄ⁃ｇｌａｎｄｉｎｊｕｒｙｉｎｈｅａｄａｎｄｎｅｃｋｃａｎｃｅｒｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ：ａｎｉｎｖｉｖｏｓｔｕｄｙｏｆｌａｔｅｔｏｘｉｃｉｔｙ［Ｊ］．ＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，２０１２，３９（９）：５７３２⁃５７３９．［７］张麒，戴伟，韩红，等．淋巴结超声造影图像序列的特征提取［Ｊ］．自动化仪表，２０１５，３６（１０）：４０⁃４３．［８］ＺＨＡＮＧＱ，ＣＡＩＹ，ＨＵＡＹ，ｅｔａｌ．ＳｏｎｏｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙｓｈｏｗｓｔｈａｔＡｃｈｉｌｌｅｓｔｅｎｄｏｎｓｗｉｔｈｉｎｓｅｒｔｉｏｎａｌｔｅｎｄｉｎｏｐａｔｈｙａｒｅｈａｒｄｅｒｔｈａｎａｓｙｍｐｔｏｍａｔｉｃｔｅｎｄｏｎｓ［Ｊ］．ＫｎｅｅＳｕｒｇｅｒｙＳｐｏｒｔｓＴｒａｕｍａｔｏｌｏｇｙＡｒｔｈｒｏｓｃｏｐｙ，２０１６：１⁃１０．㊀㊀㊀［９］ＨＡＲＤＯＯＮＤ，ＳＺＥＤＭＡＫＳ，ＳＨＡＷＥＪ．Ｃａｎｏｎｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ：ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｌｅａｒｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＮｅｕｒａｌＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２００３，１６（１２）：２６３９⁃２６６４．［１０］ＶＡＰＮＩＫＶＮ．Ｔｈｅｎａｔｕｒｅｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｅａｒｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋｓ，１９９９，１０（５）：９８８⁃９９９．㊃３６㊃。
B型超声诊断仪
B型超声诊断仪1、B型超声诊断仪工作原理：B型超声诊断仪又称灰阶超声显像仪。
它采用辉度调制（Brightness modulation），辉度英文第一个字母是B，故称为B型，简称B超。
B型超声诊断仪的工作原理与A超基本相同，所不同的是反射波不是在扫描的相应位置上以幅度形式显示，而是使扫描线在相应位置上以增辉形式显示。
反射波越强，光点越亮，这就是辉度调制。
当超声换能器移动探测时，扫描线也作相应运动，这样就可以得到换能器运动轨迹、反射波先后次序和反射光波强弱分布。
B型超声诊断仪的时基电路接在y轴，反射波信号接在显像管阴极。
2、B型超声诊断仪的结构及电路：如何实现上述探头沿水平方向的快速移动，即采用什么快速扫描方式，是B超断层成像的关键。
B超常用的扫描方式有：线性电子扫描、机械扇形扫描和电子扇形扫描方式。
这些快速扫描方式都能得到实时图像。
（1）实时成像原理：实时成像单就时间来说，是指当物体运动到某一状态的瞬间立即把它拍照下来或快速扫描显像，结果就留下物体运动到此状态的图像。
如果像放电影一样，把每一个运动状态的图像依次显示出来，则成为连续图像。
B超的实时成像是在x、y两个坐标所组成的平面内、通过x方向的快速同步扫描实现的，所以是一种二维的实时成像。
（2）线性电子扫描：将N个晶片排列在一条直线上，组成N个单位的线阵换能器，用电子开关按顺序切换，使发射的超声波束线性平移，构成了线性电子扫描波束。
线性电子扫描B超的机构是在A超的基础上发展起来的。
线阵换能器组由电子开关按一定程序控制每个换能器单元的发射和接收，并使每个换能器单元对应荧光屏上一根扫描线，每个换能器接受到的反射波信号，经过放大和处理后，加到显像管调辉，这样就在扫描线的响应位置上显出光电。
有规律的同步切换换能器单元和移动扫描线，荧光屏上就组成了一幅超声断层图像。
（3）机械扇形扫描：B超在用于心脏的断层成像时，因肺和肋骨阻碍了超声波的传播，使胸部声窗变得很小，残性扫描难以得到理想和完整的心脏断层图像，而扇形扫描所使用的换能器很小，可置于肋间声窗上处，所以心脏部位的断层图形多采用扇形扫描成像。
不同浸润程度乳腺癌的鉴别：基于B型超声灰度图像直方图分析方法的定量研究
欢迎关注本刊公众号《肿瘤影像学》2021年第30卷第4期Oncoradiology 2021 Vol.30 No.4288·论 著·不同浸润程度乳腺癌的鉴别：基于B型超声灰度图像直方图分析方法的定量研究栾 云1，朱建国2，吴意赟1，李宏波1，张 芹11. 江苏省中医院（南京中医药大学附属医院）超声医学科，江苏 南京 210029；2. 南京医科大学第二附属医院放射科，江苏 南京 210011［摘要］ 目的：评价基于B型超声灰度图像直方图分析（histogram analysis，HA）方法在鉴别不同浸润程度乳腺癌中的效能和价值。
方法：收集224例经手术后病理学检查证实的乳腺癌患者，回顾并分析术前超声图像。
采用美国GE公司的Omni-Kinetics软件对超声图像进行处理，于肿瘤区和正常乳腺腺体区勾画感兴趣区，分别生成18个HA定量参数。
采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）对2名观测者测量参数的信度进行评价。
为消除个体差异，采用相对值（瘤区/对照区）的形式进行统计分析比较。
3组间（无浸润、早期浸润、浸润）的比较采用非参数检验（Kruskal-Wallis H 检验），将组间差异有统计学意义的参数纳入多元有序logistic回归模型进一步分析处理。
结果：所有18个直方图定量参数一致性良好，ICC为0.799~0.997。
除最小值（Min intensity）和平均差（Mean deviation）之外，其余16个参数的相对值差异均有统计学意义。
多元有序logistic回归分析显示平均值（Mean intensity），偏度（Skewness），均质度（Uniformity），5%（Quantile5）、10%（Quantile10）、75%（Quantile75）、90%（Quantile90）分位数的相对值有助于不同浸润程度乳腺癌的组间鉴别。
超声诊断学教学课件(图文版)
基本检查方法： A型、B型、D型、M型、
超声成像(ultrasonograghy) 定义：
利用超声波的物理特性和人体组织器官 的声学特性相互作用而产生的信息，经处理 后形成图形和曲线，借此进行疾病诊断的一 种物理检查方法。
40年代 探索阶段 50年代 A型、M型超声仪 70年代 灰阶实时超声（B型）
低回声 生理：心肌 病理：甲减 高回声 生理：包膜 病理：葡萄胎 强回声 生理：气体 病理：结石
腹水 胆汁
液性无回声
结石 声影 衰减性无回声
均质性无回声 淋巴瘤
低 回 声
高 回 声
集合系统 强 回 声
超声诊断学的内容
1.形态学诊断 2.功能性检测 3.介入性超声
USG 分 析 与 诊 断
1. 外形 2. 边界和边缘回声 3. 内部结构 4. 后壁及后方回声 5. 周围回声强度 6. 毗邻关系 7. 量化分析 8. 功能性检测
特点：一维－时间运动曲线图 用途：分析心脏和大血管的运动幅度
三维(three-dimensional ultrasound imaging)
用机械或电子方法采 集一系列B型超声图像， 由计算机重建三维 （立体）像，有表面 三维、血管树三维、 透视三维和多平面重 投影等多种显示方法。 三维成像提供直观的 立体信息,比二维的空 间信息更丰富.
双功能超声仪（ B型+频谱） 80年代 彩色多普勒超声仪
（ B型 + 彩色 + 频谱） 90年代 新技术
（超声造影、谐波成像、超高频探头、 三 维超声等）
A超(Amplitude mode)
即幅度调制型。此法以波幅 的高低代表界面反射信号的 强弱，可探测脏器径线及鉴 别病变的物理特性。由于此 法过分粗略，目前巳基本淘 汰。
B型超声的原理和应用
B型超声的原理和应用一、B型超声的原理B型超声波成像技术是一种无创检查方法，通过高频声波在人体组织中传播和反射的特性，来获得图像化的人体内部结构信息。
其原理主要包括以下几个方面：1.超声波的产生：B型超声波是由超声波探头发射的高频声波。
探头内的压电晶体在电流的作用下发生振动产生超声波信号。
2.超声波的传播：超声波具有高频、短波长和高频率的特点，可以在人体内部组织中传播。
它在不同组织界面上的反射会产生不同的回波信号。
3.回波信号的接收：探头同步相应接收回波信号，并将其转化为电信号传输至超声设备。
设备通过对信号进行放大和滤波等处理，最终形成图像。
4.图像的形成：超声设备将接收到的回波信号按照不同灰度值进行显示，形成灰度图像。
二、B型超声的应用B型超声波成像技术广泛应用于医学领域，包括但不限于以下方面：1.妇科检查：B型超声可以用于妇科检查，例如孕妇产前检查、卵巢肿瘤检查等。
通过B超图像可以观察胎儿的发育情况、检查子宫、附件等。
2.消化系统检查：B型超声可以用于检查消化系统内脏器官的结构，例如肝脏、胰腺、胆囊等。
通过B超图像可以观察肝脏病变、胰腺肿瘤等情况。
3.心脏检查：B型超声可以用于心脏检查，例如观察心脏结构、检查心脏功能等。
通过B超图像可以观察心脏病变、瓣膜功能等情况。
4.泌尿系统检查：B型超声可以用于检查泌尿系统内脏器官的结构，例如肾脏、膀胱等。
通过B超图像可以观察肾脏结石、膀胱肿瘤等情况。
5.乳腺检查：B型超声可以用于乳腺检查，例如乳腺肿块、乳腺增生等。
通过B超图像可以观察乳腺病变的位置和范围。
6.血管检查：B型超声可以用于检查血管的情况，例如动脉硬化、静脉血栓等。
通过B超图像可以观察血管的通畅程度和异常情况。
7.其他医学应用：B型超声还可用于肌肉骨骼系统检查、肿瘤检查、神经系统检查等。
通过B超图像可以观察软组织肿块、骨折、神经损伤等情况。
以上仅为B型超声在医学领域部分常见应用，实际上B型超声还有更多用途，不同科室的医生可以根据实际需求进行使用。
B超基础知识专题知识
▪ 3、扇形探头：用于成人心脏、小儿心脏检 查
▪ 4、腔内探头：经食管探头用于心脏检验； 经阴道探头用于妇产科检验；经直肠探头 用于直肠及泌尿系检验。
▪ 5、三维探头：用于三维重建技术，尤其是 妇产科方面。
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三、医学超声技术
▪ 1、A型超声：为振幅调制，属于一维波形图。当前仍可应用在：眼 球、胸腔积液、心包积液、肝脓肿探测。
▪ 4、D型超声：即多普勒超声，该技术包含了频谱多普勒及彩色多普 勒，可无创观察人体血流及组织运动速度及方向。
▪ 5、三维超声
▪ 6、超声造影
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二维图像（B超）
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M型超声
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彩色多普勒（CDFI）
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尤其注意：
超声造影
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四、人体组织反射类型
1.无回声型：
①液性无回声： 生理：胆汁、尿液、羊水
病理：胸腹水 、脓液
②衰减性无回声：生理：骨骼后
病理：纤维化、脂肪变性、声影
③均质性无回声：生理：淋巴结、眼球玻璃体
病理：淋巴瘤 、神经鞘膜瘤
2. 低回声型:
生理：肝、肾、脾、心肌、瓣膜
.
③组织特征检测：经过超声组织弹性成像、声衰减、声阻抗等方法可
行组织特征分析。
④介入超声检测：在超声引导下进行诊疗和治疗。
⑤医学超声治疗：包含传统超声理疗及高强度聚焦超声治疗疾病等
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二、超声探头种类与临床应用
▪ 1、凸阵探头：用于腹部、妇产科检验
B超影像实验
B超影像实验【实验目的】1、学习B型超声诊断仪的使用；2、用B型超声诊断仪观测实体的图像；3、用B型超声诊断仪测量距离；【仪器与器材】便携式超声诊断仪台1台，水槽1个，带孔乒乓球1个，皮蛋1个，铁块2个。
【原理与说明】超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在20000赫兹（Hertz，Hz）以上。
超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。
40年代初就已探索利用超声检查人体，50年代已研究、使用超声使器官构成超声层面图像，70年代初又发展了实时超声技术，可观察心脏及胎儿活动。
超声诊断由于设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因之，在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。
不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。
本教材只介绍灰阶超声成像（grey scale ultrasonic tomography）。
一、超声的物理特性超声是机械波，由物体机械振动产生。
具有波长、频率和传播速度等物理量。
用于医学上的超声频率为2.5～10MHz，常用的是2.5～5MHz。
超声需在介质中传播，其速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。
在人体软组织中约为150m/s。
介质有一定的声阻抗，声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积。
超声在介质中以直线传播,有良好的指向性.这是可以用超声对人体器官进行探测的基础。
当超声传经两种声阻抗不同相邻介质的界面时其声阻抗差大于0.1%,而界面又明显大于波长,即大界面时,则发生反射,一部分声能在界面后方的相邻介质中产生折射,超声继续传播,遇到另一个界面再产生反射,直至声能耗竭。
反射回来的超声为回声。
声阻抗差越大，则反射越强，如果界面比波长小，即小界面时，则发生散射。
超声在介质中传播还发生衰减，即振幅与强度减小。
B型超声检查技术
5.0MHz Linear Probe 80 elements, L74605
BIOPSY
BIOP及其他
➢ 频率: 2-12MHz ➢ 宽带 4 段变频 ➢ 电子凸阵 ➢ 高频线阵 ➢ 微凸阵
一. 超声诊断仪的种类
(一) 仪器种类
1. A型
2. B型
3. M型
1. 断(切)面图 2. 明暗不同的灰度表示回声强弱 3. 实时显示 4. 受气体和脂肪干扰 5. 显示范围小
二. 超声图象的描述
1、回声强度的描述 无回声：超声经过的区域没有反射，成为无回声的暗 区（黑影） 形成原因：1）液性暗区----均质的液体，声阻抗无差 别或差别很小，不构成反射界面，形成液性暗区。如 血液、胆汁、羊水、尿液等，病理性积液如腹水、肾 盂积水和含液体的囊性肿物。2）衰减暗区----肿瘤， 由于肿瘤对于超声的吸收，造成明显的衰减而没有明 显的回声。
五. 正常肾脏声像图
六. 肾脏疾病
1. 肾脏肿瘤 2. 肾盂积液 3. 慢性肾小球肾炎 ４．肾囊肿
肾脏手术摘除证实
肾脏疾病
肾囊肿
肾盂扩张
肾结石
七. 正常膀胱声像图
八.膀胱疾病
1. 膀胱结石 2. 膀胱肿瘤 3.膀胱炎
膀胱结石
膀胱肿瘤
膀胱炎
九. 正常子宫声像图
二. 超声图象的描述
2、回声形态的描述 7）光环：回声呈环状、边亮中暗，常见癌结节的周 围 8）网状：多个环状回声构成网眼状 9）云雾状：见于声学造影 10）声影：由于声能在声学界面（软组织和气体之间， 软组织与骨骼、结石之间）衰减或反射、折射而丧失， 声能不能达到的区域（暗区），即特强回声下方的无 回声区
强回声： 1）较强回声：组织致密，反射增强，表现为密集的 光点或光团（灰白影） 2）强回声：结构致密，与临近的软组织或液体有明 显的声阻抗差，引起强反射。主要见于骨质、结石、 钙化，表现为白影 3）极强回声：含气器官如肺、充气的胃肠，显示的 影象为极强光带
超声诊断仪基本原理和结构
江西中医学院计算机学院08生物医学工程2班黄月丹学号5047超声诊断仪原理及其基本结构超声成像检查技术是指运用超声波的物理特性，通过高科技电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析处理和显像，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态作出判断的一种非创性检查技术。
超声诊断技术的发展历程20世纪50年代建立，70年代广泛发展应用的超声诊断技术，总的发展趋势是从静态向动态图像(快速成像)发展，从黑白向彩色图像过渡，从二维图像向三维图像迈进，从反射法向透射法探索，以求得到专一性、特异性的超声信号，达到定量化、特异性诊断的目的。
80年代介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用扩大了诊断范围，也提高了诊断水平，90年代的血管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。
二．超声诊断仪的种类(一) A型这是一种幅度调制超声诊断仪，把接收到的回声以波的振幅显示，振幅的高低代表回声的强弱，以波型形式出现，称为回声图，现已被B型超声取代，仅在眼科生物测量方面尚在应用，其优点是测量距离的精度高。
(二) B型这是辉度调制型超声诊断仪，把接收到的回声，以光点显示，光点的灰度等级代表回声的强弱。
通过扫描电路，最后显示为断层图像，称为声像图。
B型超声诊断仪由于探头和扫描电路的不同，显示的声像图有矩形、梯形和扇形。
矩形声像图和梯形声像图用线阵探头实现，适用于浅表器官的诊断；扇形声像图用的探头有多种，机械扇扫探头、相控阵探头和凸阵探头均显示扇形声像图。
前二种探头可由小的声窗窥见较宽的深部视野，适用于心脏诊断；后一种探头浅表与深部显示均宽广，适用于腹部诊断，有一种曲率半径小的凸阵探头，也可用小的声窗，窥见深部较宽的视野。
(三) M型 M型超声诊断仪是B型的一种变化，介于A型和B型之间，得到的是一维信息。
在辉度调制的基础上，加上一个慢扫描电路，使辉度调制的一维回声信号，得到时间上的展开，形成曲线。
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第23卷 第2期2004年 6月北京生物医学工程Beijing Biomedical Engineering Vol 23 No 2Jun. 2004组织B 型超声图像灰度与其温度相关性研究任新颖 吴水才 杜旭 白燕萍摘 要 本文研究了生物组织B 型超声图像灰度与其温度的相关性。
以新鲜的离体猪肝为研究对象,采集离体猪肝在不同温度(28 ~45 )下的B 超图,再利用图像处理技术提取不同温度下的B 超图像灰度值,从而确定猪肝组织B 超图像灰度与其温度的相关性。
实验结果表明:猪肝B 超图像中AOI (area of interest)的平均灰度与温度存在明显的相关性,当猪肝温度发生变化时,其B 超图像灰度也发生变化。
利用生物组织B 超图像灰度的温度相关性可无创检测癌微波热疗中的组织温度。
关键词 B 型超声 图像灰度 温度相关性中图分类号 R318 04文献标识码A文章编号1002 3208(2004)02 0116 03The Study on the Relativ ity of B mode U ltrasound Image Gray and Temperature in Tissue RE N Xinying ,WU Shuicai ,DU Xu ,BAI Yan pin g . Biomedical En gineering Center ,Bei j ing University of Technology ,Beijin g 100022Abstract ! In this paper,we s tudy the relativity of B mode ul trasound i mage gray and te mperature in Ti ssue.The e xperiments arecarried out on the i n vitro fres h li ver tis sues of pig duri ng the temperature range from 28 -45 ,and a series of B mode ultrasound images of li ver are obtained in different temperature.It has been found that the mean gray level of AOI (Area of Interest)in B mode ultrasound i mages of liver are c orrelated with the temperature.The gray level vary in accordance with the temperature changes in tiss ues.So i t may be us ed to estimate the heated ti ssue te mperature i n hyperthermia by using the relati vi ty of i mage gray and te mperature.Key w ords ! B mode ul trasound Image gray Temperature relativity基金项目:北京市教委基金(KP0608200201)和北京市优秀人才基金(KW5800200351)资助项目。
作者单位:北京工业大学生物医学工程中心(北京 100022)作者简介:任新颖(1980∀),女,硕士研究生。
近年来微波热疗成为一种重要的肿瘤治疗手段。
肿瘤热疗是指利用某种加热方法把肿瘤组织加热至超过其耐热温度(43 左右)以杀死癌细胞。
一个有效的热疗必须将被治疗组织中的温度分布控制在适宜范围内。
为了杀死癌细胞而又不损伤正常组织,对组织温度进行准确测控非常重要,它直接影响到癌热疗的效果。
目前临床上多采用有创测温技术。
有创测温法也称侵入式测量,即把热电偶、热敏电阻之类的温度传感器插入待测部位进行直接测量。
然而侵入肿瘤来进行温度测量的方法相对危险并有很多技术上的缺点。
因此,寻求有适用精度(0 5 )的无损测温方法已成为人们所面临的紧迫课题。
近年来国内外已有不少癌热疗中无创测温方面的报导。
归纳起来有以下几种方法:微波测温、核磁共振测温、电阻抗测温、温度场的计算机模拟和超声测温。
超声测温是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性来获取组织温度信息,它有如下主要优点:相对低的成本,能实时进行数据采集和处理,有较深的人体穿透能力,较高的时空分辨率。
在超声无损测温技术中,已有多种检测方法被采用:与频率相关的衰减分析,背向散射功率,声速和热膨胀。
每种超声测温方法各有其优缺点[1],目前还都处于实验研究阶段,距临床应用都还有着一定的距离。
本文目的在于探寻一种新的超声无创测温方法,通过研究生物组织(新鲜的离体猪肝)B 型超声图像灰度与其温度的相关性,以期利用这种相关性实现超声测温。
1 原理与方法1 1 实验原理声速与温度有相关性,超声波在生物组织中传播时,其速度会随组织温度的变化而发生变化。
在固体介质中超声波的纵向传播速度为:c =,(1) 式中,c 为速度; 为泊松常数; 为等温压缩率; 为密度。
以水为例,式(1)可以简化为:c #1403+5T +高次多项式(2)式中,c 为速度;T 为温度。
一系列试验发现[2]:在软组织中,超声波的传播速度随温度单调变化。
超声反射系数与温度有相关性,即超声波反射强弱随介质温度的不同而发生变化。
超声波在不同介质面传播时会发生反射,其反射系数如下:r =Z a 2-Z a 1Z a 2+Z a 1,(3)式中,r 为反射系数;Z a 1和Z a 2为超声在介质1和介质2中传播的声阻抗。
因为声阻抗由Z a = ∃c 决定。
由前面分析可知:声速c 与温度有关,可见声阻抗也与温度有关,超声波反射系数会随介质温度的变化而发生变化。
B 超图像是用超声反射回波信号对显示器进行辉度调制而形成的组织解剖结构图。
当组织温度发生变化时,具有温度相关性的超声特征参数(如:声速c 、反射系数r )必将发生变化,这直接影响超声回波信号的强弱,根据回波信号重建的B 超图像灰度必然发生变化。
由此可见:生物组织B 超图像灰度与组织温度具有相关性。
1 2 实验方法实验系统主要由基于PC 微机的B 型超声诊断仪和电热恒温水箱组成,系统结构如图1所示。
B 型超声诊断仪采用MBC I 型多媒体超声诊断仪(中国航空工业总公司623研究所高科技开发公司产品),该仪器由通用多媒体计算机、超声诊断套件(由机械扇扫探头、超声发生 接收器和图像采集接口卡组成)、专用多媒体B 超软件包组成。
该B 超仪图像可以文件形式存盘,便于后继图像分析。
电热恒温水箱为北京长风仪器仪表公司产品(HH W21 600C),水箱的温度波动度及均匀性在%0 5 以内。
所用水银温度计测温范围为0 ~50 ,精度为0 1 。
我们以新鲜的离体猪肝为研究对象,根据图1所示实验系统,B 超探头固定于盛肝脏的容器顶部,超声波由上向下发出,探头和肝脏之间用去汽水做声耦合剂。
恒温水箱从28 缓慢加热到45 ,在温度逐渐升高的过程中记录并存贮一系列不同温度下的猪肝B 超图。
然后对B 超图进行处理,从中提取不同温度下的图像灰度值,从而确定出猪肝图1 实验系统原理图B 超图灰度值的温度相关性。
2 结果与分析表1和表2给出通过实验得到的2例猪肝组织在不同温度下的B 超图像中AOI (12&12像素)的平均灰度值。
B 超图像是256灰度级的灰度图像。
在图2中给出了猪肝1的B 超图灰度与温度关系的拟合曲线。
用实验得到的散点数据做相关性分析,肝脏组织温度x ( )和其B 超图像的灰度y (级)存在明显的相关性,相关系数为r =0 9560。
用最小二乘法做线性趋势拟合,所得函数关系为:y =2 045x +41 157,R 2=0 9165,可见线性度很高。
猪肝2的拟合曲线如图3所示。
相关性分析得到肝脏组织温度x ( )和其B 超图像灰度y (级)的相关系数是r =0 8958,线性趋势拟合的函数关系为:y =1 545x +31 240,R 2=0 8557,可见灰度与温度之间也具有较好的线性关系。
图2 猪肝1超声图灰度与温度的相关性拟合曲线由上述实验结果我们不难发现:猪肝B 超图像的灰度与温度之间存在明显的相关性。
当猪肝组织温度发生变化时,其B 超图像灰度也发生变化。
变化总趋势是灰度随着温度的升高而升高,基本成线性变化。
由拟合得到的函数和曲线斜率的特性,我们计算出要达到对0 5 温度的分辨,B 超图像的灰度分辨率只需达到10-1量级。
根据我们实验得到的上述猪肝B 超图灰度与温度的相关曲线(图2和图3),若由灰度值来检测相应温度,其温∃117∃第2期组织B 型超声图像灰度与其温度相关性研究度分辨率远远满足临床上对温度精度的要求。
表1 猪肝1组织在不同温度下的B超图像灰度值温度 27 6028 4529 3030 2031 1032 0033 0033 9034 90灰度 级95 87100 36102 52104 41105 83107 42111 82110 10111 04温度 35 7536 7037 5538 4039 2041 2042 2543 1044 20灰度 级114 65114 48112 96115 51118 92122 86130 02138 54129 86表2 猪肝2组织在不同温度下的B超图像灰度值温度 27 6528 4529 3530 2031 1532 1033 0034 1035 10灰度 级74 5677 4278 0075 3180 6181 8682 5884 9485 58温度 36 1037 1538 1039 1040 1542 0543 0043 8544 70灰度 级84 7884 8190 8191 2591 9488 1195 04102 6710925图3 猪肝2超声图灰度与温度的相关性拟合曲线3 讨 论本文的理论分析和实验结果均表明:生物组织(如:猪肝)B型超声图像灰度与其温度有很大的相关性。
因此在癌微波热疗中,利用组织B超图像灰度的相关性对组织温度进行监控是有很大的可能性,这种方法可无创测量整个组织被治疗区域内温度的分布,比目前临床上广泛应用的有创侵入温度测量技术更精确,更安全。
只要建立生物组织B超图像灰度与温度的相关函数,就可通过测量组织B超图像的灰度变化来监测组织内的温度变化。
利用生物组织B超图灰度的温度相关性无创测量组织温度必须事先建立其相关函数。