高强度聚焦超声治疗中组织特性变化监测及其对加热影响研究

High intensity focused ultrasound (HIFU) irradiation of biological tissue can make its temperature rise rapidly, which results in the change of tissue properties until the emergence of coagulative necrosis. It is very significant to monitor the dynamic change of tissue properties for evaluation of the curative effect and optimization of treatment plan. The change characteristics of tissue properties in the course of HIFU treatment will be investigated using signal processing and image processing technology in this project, including the influence of various factors such as temperature, HIFU power and irradiation time on biological tissue properties especially on its acoustic properties of attenuation, scattering and nonlinearity etc. The properties of biological tissue at different time and different position will be distinguished in order to find out the appropriate parameter for monitoring its change, and the characteristic changes will be indicated quantitatively according to the test results of the artificial samples with known acoustic parameters. On the other hand, HIFU echo signal will be analyzed to explore the possibility of monitoring the change of tissue properties with harmonics under HIFU irradiation. At the same time, the simulation model will be set up according to experimental results, and the bio-heat transfer equation and the wave equation will be solved together. Then the influence of tissue properties change in the course of HIFU treatment on heating effect will be studied, and its influence on effective treatment area will be analyzed for different heating modes.

高强度聚焦超声(HIFU)辐照生物组织会使其温度迅速升高，从而导致组织特性改变直至出现凝固性坏死。监测组织特性动态变化，对评价HIFU疗效和优化治疗方案均有重要意义。本项目利用信号处理与图像处理技术，研究HIFU治疗过程中组织特性的变化规律，包括温度、HIFU强度和辐照时间等因素对生物组织特性特别是声衰减、声散射、声的非线性效应等声学特性的影响，分析不同时刻及不同位置生物组织特性的差异，寻找监测组织特性变化的合适参量；依据已知声学参数的模拟样品的测试结果，实现组织特性变化的定量表示。项目还将对HIFU辐照产生的回波信号进行分析，探索HIFU辐照的同时依据谐波特性直接监测组织特性变化的可能性；同时根据实验结果建立计算模型，通过联动求解生物热传导方程和波动方程，研究HIFU治疗过程中组织特性的改变对加热效果带来的影响，分析不同加热方式时组织特性变化对有效治疗区域的影响程度。

高强度聚焦超声（HIFU）治疗是通过声聚焦作用将超声波聚集到生物组织中的病变区域，因为生物组织吸收声能转化为热能，从而导致病变组织特性发生变化直至出现凝固性坏死，达到无创治疗的目的。监测HIFU治疗过程中组织特性的变化，对确保治疗安全和高效有重要作用。本项目通过实验分别从信号和图像处理角度，研究HIFU治疗中组织特性变化的监测方法。基于超声回波信号，研究了小波熵、功率谱信息熵、多尺度排列熵等信号特征与组织损伤的关系，提出了一种基于变分模态分解与多尺度排列熵的生物组织变性识别方法。基于超声图像，研究了HIFU辐照前后超声图像的配准，分析了图像灰度均值、条件熵、相关系数、小波系数Hu矩、灰度梯度共生矩阵等图像特征参数与组织特性变化的关系；将LDA及SVM用于组织变性识别，探索了组织变性特别是凝固性坏死时图像特征参数阈值的确定；提出了一种HIFU所致组织损伤的自动检测方法，该方法通过搜索灰度极大区域自动定位图像中的亮斑，根据亮斑中心至边缘轮廓的欧式距离获取损伤候选区，最后利用SVM来判定其是否发生变性。本项目还从理论上通过数值仿真，研究了生物组织特性参数的动态变化对HIFU加热的影响。考虑到生物组织中热传导的非傅里叶特性，利用热波模型研究了脉动血流及热驰豫时间对组织温度升高和热损伤区的影响。基于Westervelt方程和Pennes生物传热方程提出了一种声热耦合模型，研究了单个组织特性参数和多个组织特性参数动态变化对HIFU加热的影响。研究发现，动态声衰减系数导致较高的焦点温度和较大的热损伤区域；动态血液灌注导致较低的焦点温度和损伤区缩小；使用固定参数仿真会低估焦点温度和热损伤区域。本项目的研究为HIFU治疗过程的监测提供了新途径，对治疗方案的制定具有指导意义。