基于超聲RF 信號熵分析的聲空化時空監(jiān)測方法*

宋人杰 袁紫燕 張琪 于潔3) 薛洪惠 屠娟4)? 章東4)

1) (南京大學(xué)物理學(xué)院,近代聲學(xué)教育部重點實驗室,南京 210093)

2) (中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所,蘇州 215163)

3) (江蘇省中醫(yī)院,南京 210029)

4) (中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,聲場聲信息國家重點實驗室,北京 100190)

高強度聚焦超聲(HIFU)治療過程中劇烈的空化效應(yīng)可能損傷靶區(qū)周圍健康組織,因此,亟需開發(fā)可對生物組織內(nèi)部聲空化效應(yīng)進行高精度時空定量監(jiān)測的新型技術(shù)手段,方能確保臨床安全和有效.相對于傳統(tǒng)的商用超聲灰度值信號,超聲射頻(RF)信號可以更好地保留聲波散射信號更多的細節(jié)信息.而信息熵作為非基于數(shù)學(xué)函數(shù)模型的統(tǒng)計參數(shù),可以表征由聲空化效應(yīng)引發(fā)的組織內(nèi)部散射體無序度演變狀態(tài).因此,本文提出了一種基于超聲RF 信號熵分析的聲空化實時監(jiān)測成像系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上實時評估HIFU 引發(fā)的超聲空化區(qū)域時空演化行為.首先,通過改制后的B 超系統(tǒng)獲取凝膠生物仿體內(nèi)部由HIFU 引發(fā)的空化泡群產(chǎn)生的散射回波原始RF 信號,利用二維均值濾波方法抑制HIFU 強聲束對聲空化監(jiān)測成像回波信號的干擾后,通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理擴展RF 信號的動態(tài)變化范圍,再基于滑動窗信息熵分析重建熵值圖像,經(jīng)過二值化處理后即可實現(xiàn)對HIFU 作用下組織內(nèi)部聲空化區(qū)域的時空監(jiān)測.實驗結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)B 超灰度成像法,基于RF 信號熵分析的聲空化監(jiān)測成像算法可以更靈敏且精確地確定空化發(fā)生的起始時間和空間位置,有助于更好地保障HIFU 臨床治療的安全性和有效性.本文的工作為HIFU 治療過程中組織內(nèi)部聲空化區(qū)域的時空監(jiān)測提供一種具有極大應(yīng)用前景的技術(shù)手段,為聲空化生物效應(yīng)量-效評估體系的建立奠定了良好的理論和實驗基礎(chǔ).

1 引言

高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound,HIFU)作為一種無輻射、易操作、費用較為低廉、可準(zhǔn)確聚焦于深部組織病灶的非侵入治療手段,在醫(yī)學(xué)超聲臨床治療領(lǐng)域日益獲得重視[1,2].由于生物組織中通常含有很多微小氣核或空穴,當(dāng)HIFU 聲束在組織中傳播時,在聲波的負(fù)聲壓相,這些氣核會發(fā)生膨脹生成空化泡.在聲波驅(qū)動下,空化泡會產(chǎn)生振蕩、膨脹、收縮以及內(nèi)爆等一系列動力學(xué)過程.在此過程中,聲場能量可以被集中(聚焦)起來,伴隨空化泡崩潰瞬間,在液體中的極小空間內(nèi)將其高度集中的能量釋放出來,形成高溫、高壓、強沖擊波、或射流等物理條件,由此產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)導(dǎo)致組織溫度迅速升高形成凝固性壞死,或使處于空化核周圍的組織細胞壁和細胞膜被擊穿,導(dǎo)致細胞膜聲穿孔(sonoporation)[3-5].因此,聲空化效應(yīng)是HIFU 治療在腫瘤消融[6]、體外碎石[7]、止血[8]、溶栓[9]和組織毀損侵蝕[10]等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的重要作用機理.盡管如此,在HIFU 治療過程中,由于劇烈的瞬態(tài)空化效應(yīng)引發(fā)的快速升溫和劇烈機械效應(yīng)也可能會對靶區(qū)附近的正常組織產(chǎn)生不可逆損傷[11],必須對HIFU 治療過程中產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)進行實時量化監(jiān)控,方可達到安全、高效的治療效果.

然而,傳統(tǒng)的激光散射方法和高速攝影方法雖然可在實驗中對液體或仿體中的聲空化動力學(xué)行為進行觀測,但無法應(yīng)用于活體組織[12,13].常用的被動空化測量方法(passive cavitation detection,PCD)雖然靈敏度較高,但無法提供空化泡群的二維空間分布信息[14].而現(xiàn)有的商用B 超雖然可被用來觀測體內(nèi)高強度聚焦超聲聚焦區(qū)域,并根據(jù)其灰度的變化來評估空化泡的產(chǎn)生時間和范圍,但由于B 超灰度圖像經(jīng)過濾波、平滑等后處理程序,已丟失了很多有效信息(如相位變化等),由此生成的聲空化圖像解析度和精度都較低[15,16].因此,亟需開發(fā)可對HIFU 治療過程產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)進行高精度時空定量監(jiān)測的新型技術(shù)手段,并在此基礎(chǔ)上建立精確的聲空化生物效應(yīng)量-效評估體系,以確保臨床安全和有效.

近年來人們傾向于利用超聲原始射頻(radio frequency,RF)信號來提取和分析組織內(nèi)部散射體的微觀結(jié)構(gòu)特征[17-19].同時,研究顯示,聲空化效應(yīng)的發(fā)生會改變生物組織內(nèi)散射體的排列,形成不同的組織微觀結(jié)構(gòu),增強其時空無序度,并導(dǎo)致該區(qū)域超聲回波信號的統(tǒng)計參量發(fā)生改變[20].而統(tǒng)計學(xué)研究表明,系統(tǒng)中隨機產(chǎn)生的不確定行為及其無序程度可以用信息熵的形式加以量化評估.作為概率密度的函數(shù),熵與統(tǒng)計模型的參數(shù)及包絡(luò)統(tǒng)計量相關(guān)[21],能夠反映肌肉組織[22]、眼球晶狀體[23]、人體肝部[24]等不同散射介質(zhì)的結(jié)構(gòu).我們前期關(guān)于B 超RF 信號的研究也表明,利用RF 信號的熵值圖像可以有效定征乳腺結(jié)節(jié)的良惡性[25].相比于經(jīng)過后處理的B 超灰度圖像信號,原始RF 信號未經(jīng)過檢波、對數(shù)壓縮、圖像后處理等操作,保留了完整的回波信息,也避免了不同檢波方法產(chǎn)生不同包絡(luò)統(tǒng)計量所帶來的誤差,由此可極大程度地提高特征數(shù)據(jù)提取和表征的標(biāo)準(zhǔn)化程度[26].

本文提出了一種基于超聲RF 信號的信息熵統(tǒng)計分析算法,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了新型的HIFU聲空化時空監(jiān)測系統(tǒng).在實驗中,采用凝膠仿體模擬人體組織散射環(huán)境,通過改制的商用B 超系統(tǒng)獲取HIFU 治療過程中聲空化區(qū)域產(chǎn)生的RF 回波信號.利用二維均值濾波方法有效抑制HIFU 強聲波干擾,并通過滑動窗處理RF 信號重建出組織熵值圖像.隨后,利用二值化方法區(qū)分空化與非空化區(qū)域,量化分析不同驅(qū)動聲壓條件對聲空化區(qū)域時間演化行為的影響,并討論了RF 信號熵值成像法在聲空化時空監(jiān)測方面優(yōu)于傳統(tǒng)B 超灰度檢測方法的原因.本文的研究結(jié)果顯示,基于超聲RF 信號的熵值成像方法可以更精準(zhǔn)地反映HIFU治療過程中生物組織內(nèi)部聲空化區(qū)域的時空演化行為,由此可在HIFU 臨床治療策略的制定及反饋控制等方面展現(xiàn)出重要的研究價值和應(yīng)用前景.

2 材料與方法

2.1 凝膠仿體制備

本實驗采用同類實驗中廣泛應(yīng)用的聚丙烯酰胺凝膠作為組織模擬仿體.100 mL 聚丙烯酰胺凝膠的組成包括71.61 mL 蒸餾水、0.84 mL 10%(體積比)過硫酸銨(Ammonium Peroxodisulfate,APS)、10 mL 三羥甲基甲烷氨(Tris(hydroxymethyl)aminomethane,TRIS,1 mol/L,pH=8.0)、0.05 mL四甲基乙二胺(N,N,N,N-Tetramethyl-Ethylenediamine,TEMED)和17.5 mL 的40% (體積比)丙烯酰胺(acrylamide).在制備過程中,將以上所有成分的混合物倒入一個70 mL 的方形塑料槽中,輕輕攪拌10 min,然后靜置,直到凝固并冷卻[27].

2.2 實驗儀器及設(shè)備

實驗裝置框圖如圖1 所示.使用1.12 MHz 的聚焦換能器(直徑為10.0 cm,幾何焦距為10.0 cm,—6 dB 焦域大小為4 mm)進行HIFU 輻照.在實驗過程中,由任意波形發(fā)生器(Agilent 33250A,USA)產(chǎn)生一個1.12 MHz 正弦脈沖信號,脈沖重復(fù)頻率設(shè)定為100 Hz.為了研究驅(qū)動聲壓對聲空化時空演化行為的影響,在不同的實驗組中,聲壓的峰值負(fù)壓P被分別設(shè)置為6.25 和8.75 MPa.該信號經(jīng)過一個53 dB 的功率放大器(2200L,Electronics and Innovation,Ltd.,NY)放大后,經(jīng)阻抗匹配電路驅(qū)動HIFU 換能器.將仿體浸沒于注滿除氣水的水槽中,并固定在一個可調(diào)平臺上.隨后,將改造后可獲取原始RF 信號的便攜式B 超系統(tǒng)(EC50 A,ECARE,珠海,中國)的配套線陣探頭

圖1 實驗原理圖Fig.1.Diagram of experimental schematic.

(L12-5,ECARE,珠海,中國)固定在三維計算機控制運動系統(tǒng)(Newport ESP7000,USA)支架上并置于凝膠頂部.主控計算機通過Labview 軟件(NI Corp.,TX,USA)控制三維機械運動平臺的移動.經(jīng)三維空間校準(zhǔn)后,使探頭平行于HIFU 聚焦聲束的中軸線,其單元陣列(128 單元)位于HIFU 焦點上方,確保B 超掃描平面貫穿HIFU 聲束軸線.

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

在超聲脈沖輻照下,仿體中對應(yīng)于HIFU 焦域的位置處將迅速產(chǎn)生空化泡群.與此同時,由B 超采集系統(tǒng)接收空化泡群產(chǎn)生的超聲散射信號,并通過自帶的控制程序以30 幀/s 的幀率實時采集HIFU 輻照過程中每一幀RF 數(shù)據(jù),持續(xù)約65 s.同時,安裝在B 超系統(tǒng)內(nèi)的屏幕錄制軟件會同步啟動,以相同幀率錄制相同時間段內(nèi)的B 超灰度影像[28].因為HIFU 焦域位置較為固定,經(jīng)多次預(yù)實驗后,可以基本確定空化泡群在仿體中的發(fā)生位置,為節(jié)省運算量,提高數(shù)據(jù)處理時間分辨率,對于單幀信號,僅在B 超視野中選取足以包含空化發(fā)生區(qū)域的部分?jǐn)?shù)據(jù)(深度15 mm,寬度38 mm).對B 超影像,選取固定位置相應(yīng)尺寸的數(shù)據(jù)為130 ×475 像素矩陣;對RF 信號,則選取對應(yīng)的721 ×191 數(shù)據(jù)矩陣.

2.3.2 基于傳統(tǒng)B 超灰度圖像的空化監(jiān)測方法

為盡量降低HIFU 干涉條紋的影響,對基于傳統(tǒng)B 超灰度圖像的空化監(jiān)測方法(簡稱灰度值法)做了進一步改善,具體數(shù)據(jù)處理的算法框圖如圖2 所示.為反映聲場空間信息,超聲RF 信號經(jīng)過B 超系統(tǒng)內(nèi)置的波束形成軟件得到波束形成后RF 數(shù)據(jù)(beam formed RF data,BFRF).對每幀BFRF 數(shù)據(jù),通過檢波及對數(shù)壓縮處理得到初步的B 模式圖像,再經(jīng)過圖像后處理得到系統(tǒng)屏幕所示的B 超影像(圖2 中該部分方法示意圖引用本實驗室前期的工作[29]).通過(1)式把連續(xù)多幀B 超影像進行二維均值濾波[30],以盡量消除干擾條紋的影響:

圖2 基于B 超灰度圖像與RF 信號熵分析監(jiān)測HIFU 空化區(qū)域算法示意圖Fig.2.The algorithmic scheme designed for cavitation monitoring imaging based on B-mode and RF entropy images.

其中Bi為軟件采集到的第i幀圖像,Sk為二維均值濾波后新的第k幀圖像,(2n+1)為參與一次均值濾波的圖像幀數(shù)(本文選取n=2).得到新的圖像幀數(shù)據(jù)后,HIFU 干擾所呈現(xiàn)的條紋亮度相對空化區(qū)域獲得顯著降低,基于此設(shè)置合適的閾值(閾值亮度應(yīng)高于干擾條紋而低于空化區(qū)域),將低于閾值的圖像幅值設(shè)為0(即黑點)可以去除HIFU條紋的干擾.對去干擾后的圖像數(shù)據(jù)使用最大類間方差法(OTSU)[31]進行二值化分割處理[32],得到只含0 和1 的二值圖像,其中黑色部分(值為0)代表非空化區(qū)域,白色部分(值為1)代表空化區(qū)域,統(tǒng)計白色像素的數(shù)量來定量表征空化區(qū)域的面積.

2.3.3 基于RF 信號的熵值圖像空化監(jiān)測方法

另一方面,提出了基于RF 信號熵分析構(gòu)建聲空化時空圖像的創(chuàng)新算法(簡稱熵值法),如圖2 紅色虛線框中的流程圖所示,針對BFRF 以相同的二維均值濾波濾方法去除HIFU 干擾后,通過以下步驟構(gòu)建聲空化熵值圖像.1)在去干擾后BFRF數(shù)據(jù)幀上設(shè)置一個大小合適的滑動窗來重新計算各像素點幅值.為確保統(tǒng)計參數(shù)的穩(wěn)定和精度,根據(jù)前人研究將滑動窗的邊長設(shè)置為三倍的脈沖長度[33].再將數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使其信號幅值限制在0—1 之間,便于統(tǒng)一比較[34].2)計算標(biāo)準(zhǔn)化后滑動窗中數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)(probability density function,PDF),用(2)式計算對應(yīng)熵值[33]:

其中ymax和ymin代表了滑動窗中幅值的最大值和最小值,w(y) 是該處數(shù)據(jù)的PDF.由(2)式所得熵值構(gòu)成滑動窗中心位置新像素值.3)滑動窗以50%[34]的覆蓋率在BFRF 數(shù)據(jù)幀上滑動.重復(fù)步驟1)和2)直至滑動窗遍歷整幅數(shù)據(jù)幀,依此得到完整的熵值圖像.4)由于滑動窗的處理會使新構(gòu)建的圖像尺寸縮小,需要通過線性插值的方法對圖像進行補償使其恢復(fù)到原始大小.此后,對熵值圖像進行與傳統(tǒng)B 超影像同樣的二值化分割處理得到空化區(qū)域的面積.所有數(shù)據(jù)處理均在科學(xué)軟件MATLAB(Mathworks,Natick,MA,USA)中進行.

3 實驗結(jié)果

3.1 二維均值濾波去干擾及熵值圖像對空化監(jiān)測靈敏度的增強效果

由于BFRF 數(shù)據(jù)幅值范圍過大,無法在屏幕上呈現(xiàn),為直觀觀察,本文使用BFRF 數(shù)據(jù)經(jīng)過檢波及對數(shù)壓縮所得的初步B 模式圖像展示仿體中空化泡群隨時間演化行為.圖3(a)給出了一組實驗 中HIFU 啟動后5.8,10,15 s 時仿體 的初步B 模式圖像.在t=5.8 s 時尚無代表空化區(qū)域的高亮區(qū)域出現(xiàn),而隨著HIFU 輻照時間增加,仿體中空化泡群產(chǎn)生的范圍逐漸擴大,B 模式圖像上逐漸出現(xiàn)了更多的不規(guī)則亮區(qū),表示劇烈的空化效應(yīng)改變了仿體內(nèi)部散射體的分布情況.圖3(a)中可明顯觀察到,HIFU 輻照過程中每幀圖像上都存在不斷漂移的高亮度干涉條紋,在t=15 s 時橫向6 mm 處的條紋甚至遮蓋了部分空化的亮區(qū),對量化監(jiān)測空化面積形成巨大干擾.圖3(b)為經(jīng)二維均值濾波去干擾處理后三個時間點相應(yīng)的初步B 模式圖像.結(jié)果顯示,經(jīng)過二維均值濾波處理后,由高聲壓HIFU 聲束引發(fā)的高亮度干涉條紋可獲得有效消除,圖像上僅留下連續(xù)且較為完整的空化區(qū)域便于后續(xù)的統(tǒng)計處理.圖3(c)給出了去干擾后BFRF 數(shù)據(jù)經(jīng)過滑動窗算法得到的不同時刻熵值圖像,圖中明顯可見,空化泡群所在區(qū)域往往對應(yīng)于熵值較大區(qū)域,而其周圍未發(fā)生空化區(qū)域的熵值通常較小.這表示在HIFU 作用下產(chǎn)生的隨機分布的空化氣泡的振動不斷改變著仿體的內(nèi)部結(jié)構(gòu):在HIFU 焦點處空化泡最集中的位置散射體分布最為混亂,而遠離空化泡群中心處逐漸平穩(wěn)[35].為明顯區(qū)分空化區(qū)域,對空化熵值圖像進行二值化處理后的結(jié)果如圖3(d)所示,隨著HIFU 輻照時間增加,二值化熵值圖像中空化范圍也隨之增加.值得注意的是,t=5.8 s 時無論是否進行二維均值濾波去干擾處理,初步B 模式圖像中均無法監(jiān)測到散射亮點出現(xiàn),依此判斷空化尚未開始,而此時在熵值圖像及其二值化圖像中則已經(jīng)出現(xiàn)了較小面積的亮區(qū)(深度33 mm,橫向10 mm 附近),表示出現(xiàn)了微弱的空化及結(jié)構(gòu)變化,這意味著在熵值評估中細微的空化現(xiàn)象也不會被低估或遺漏.縱向?qū)Ρ雀鲿r間點圖像可見,相同時刻下熵值圖像相比于初步B 模式圖像所顯示的空化區(qū)域范圍更大,表明熵值圖像能夠更全面地監(jiān)測空化泡群發(fā)生范圍,由此可推斷本文提出的熵值監(jiān)測方法可以更敏銳地評估HIFU 過程中組織空化的時空演化狀態(tài).

圖3 不同時刻治療區(qū)域的圖像 (a) 初步B 模式圖像;(b) 去干擾后初步B 模式圖像;(c) 熵值圖像;(d) 經(jīng)二值化處理后的熵值圖像Fig.3.Images at different treatment moments: (a) Preliminary B-mode images;(b) preliminary B-mode images after de-interference;(c) entropy images;(d) binary images at different treatment moments.

3.2 RF 信號幅值標(biāo)準(zhǔn)化處理對空化區(qū)域熵值圖像的影響

在實際應(yīng)用中,不同B 超系統(tǒng)會對原始RF 信號動態(tài)范圍進行調(diào)整(即ymax-ymin),由此可能對分析結(jié)果的一致性產(chǎn)生影響.針對這一問題,對RF 信號幅值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理以規(guī)范信號幅值動態(tài)調(diào)整范圍[34],在重建熵值圖像過程中對BFRF 數(shù)據(jù)進行了標(biāo)準(zhǔn)化的操作(中心為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1)[21].圖4(a)和圖4(c)分別給出了基于原始BFRF 和標(biāo)準(zhǔn)化后的BFRF 數(shù)據(jù)所形成的熵值圖像.對比發(fā)現(xiàn),基于原始BFRF 數(shù)據(jù)的熵值圖像中幅值區(qū)分度較小,而經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的熵值圖像則明顯包含更寬的動態(tài)變化范圍,能夠較好展現(xiàn)仿體內(nèi)部不同程度的空化情況.將標(biāo)準(zhǔn)化前后熵值圖像中所有像素點的熵值繪制成直方圖,圖4(b)給出了基于原始BFRF 數(shù)據(jù)所成熵值的分布統(tǒng)計,熵值大多集中分布在0.8—1.0 之間.其中大于0.8 的熵值占據(jù)總數(shù)的68.9%,但其中也可能包含一些非劇烈空化區(qū)域,如整塊亮區(qū)的邊緣部分,可能是因空化泡群邊緣振動導(dǎo)致仿體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微的瞬時變化而產(chǎn)生的熵值變化.因此,如果選擇0.8 以上的參數(shù)作為分割閾值,即使微小的偏差都會對最終判定的范圍有巨大影響,導(dǎo)致閾值選擇的容錯率極低.而圖4(d)顯示經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的熵值分布范圍明顯展寬,可更靈敏地反映同一時刻不同程度的空化行為,方便研究者根據(jù)臨床需要靈活地設(shè)置閾值,對不同強度的空化強度進行更細致的分級評估.

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化操作前后熵值圖像及幅值分布圖 (a) 未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到的熵值圖像;(b) 未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化得到的熵值分布直方圖;(c) 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理得到的熵值圖像;(d) 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化得到的熵值分布直方圖Fig.4.Entropy image and amplitude distribution before and after standardization: (a) Entropy image obtained without normalization;(b) histogram of entropy distribution obtained without normalization;(c) entropy image obtained with normalization;(d) histogram of entropy distribution obtained with normalization.

3.3 HIFU 輻照過程中空化區(qū)域的時間演化行為

在本文的研究工作中,參考前期文獻中采用的二值化分割方法[29]對灰度值法和熵值法獲得的空化監(jiān)測圖像進行逐幀處理,由此判定空化發(fā)生范圍,并在此基礎(chǔ)上研究了不同驅(qū)動聲壓(如P—=6.25 MPa 和P—=8.75 MPa)對HIFU 輻照過程中仿體內(nèi)部的空化區(qū)域的時間演化行為的影響,結(jié)果如圖5 所示.可以看出,無論采用灰度值法還是熵值法,在同一時刻,較高的HIFU 聲壓可以在更大范圍內(nèi)誘發(fā)空化行為,這一結(jié)果與前期觀察相符合[29],表明較高的發(fā)射聲能可以誘發(fā)更劇烈的空化活動.對比兩種聲壓條件下,熵值法獲得的空化監(jiān)測結(jié)果可見,高聲壓下的空化起始時刻比低聲壓下提前了約7.7 s,且空化區(qū)域擴大的速率更快,但也更快進入平臺期(空化區(qū)域范圍在40 s 后即趨向穩(wěn)定).HIFU 停止照射后,空化面積隨時間減少,表示空化氣泡可能部分溶解.

圖5 不同聲壓下分別基于灰度值法與熵值法得到的實時空化范圍趨勢圖Fig.5.Real-time cavitation range trend based on gray value method and entropy value method respectively under different sound pressure.

對比傳統(tǒng)灰度值法和熵值法監(jiān)測獲得的仿體中空化時空演化曲線,不難發(fā)現(xiàn),兩種聲壓條件下測得的空化面積隨時間演化曲線均會出現(xiàn)明顯高于周圍幅值的異常值,這一現(xiàn)象在HIFU 輻照前期(10—20 s)和后期(40—60 s)尤為頻繁,出現(xiàn)這一問題的主要原因是灰度值法的信噪比及空間分辨率較低,導(dǎo)致其對在空化監(jiān)測過程中的靈敏度和穩(wěn)定性都有所欠缺.而熵值法則較好地修正了這一問題.在高聲壓下,熵值法監(jiān)測到的空化起始時刻為HIFU 啟動后5.7 s,而灰度值法測得的數(shù)據(jù)則延后0.3 s,相當(dāng)于10 幀圖像的差距;較小聲壓下差距為0.16 s,即5 幀圖像的時間長度.在整個HIFU 治療過程中,熵值法所得空化區(qū)域面積均大于灰度值法所得,這與圖3 中的結(jié)果符合.該面積差距隨著時間呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢.以上結(jié)果表明,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的BFRF 信號具有更豐富的動態(tài)信息,空化探測敏感度和分辨率都較高,可以更為準(zhǔn)確地表現(xiàn)空化隨時間的變化趨勢,更早地探測到空化發(fā)生的時間及空間起點,而且隨著聲壓增大,熵值法的空化起始時刻指示提前量也隨之增大,可以更有效地保障高強度HIFU 治療中的臨床安全性.僅當(dāng)聲空化累積時空劑量足夠高時,兩種方法的差距方能逐漸縮小.

4 討論

采用傳統(tǒng)的商業(yè)B 超進行組織內(nèi)部空化監(jiān)測時,由于高強度HIFU 聲束的干擾會在B 超圖像上產(chǎn)生漂移的高亮度干涉條紋,而降低HIFU 干涉影響的一般做法是從HIFU 系統(tǒng)引出發(fā)射同步信號,通過同步時序控制B 超成像探頭在HIFU 脈沖工作間隙以主動空化探測(active cavitation detection,ACD)的方式對空化區(qū)域進行監(jiān)測成像,但在HIFU 占空比較大的情況下,需犧牲B 超成像的幀率來配合HIFU 治療脈沖的發(fā)射[36].而且這種做法需獲得B 超生產(chǎn)企業(yè)的特殊授權(quán)開放同步信號輸出權(quán)限,同時需要增加電子同步單元,導(dǎo)致集成系統(tǒng)的復(fù)雜度增加,兼容性降低.Yu 等[29]通過設(shè)定灰度閾值的方法盡可能去除B 超灰度影像中的HIFU 干涉條紋,在HIFU 聲壓較高、焦域距成像探頭較近的情況下,在空化起始階段會出現(xiàn)干涉條紋像素灰度幅值遠大于空化區(qū)域的像素灰度幅值的情況;在HIFU 占空比較大(如占空比大于50%)的情況下,寬幅干涉條紋會與空化高亮區(qū)域產(chǎn)生高度重疊,因此很難通過灰度閾值設(shè)定的方法來消除干擾條紋的影響.本工作考慮到HIFU 治療過程中焦域位置較為固定,而干涉條紋則在信號非同步情況下不斷產(chǎn)生位置漂移的特點,采用二維均值濾波算法不斷選取目標(biāo)信號前后多幀((2n+1)幀)數(shù)據(jù)做平均處理,極大程度削弱不斷變換位置的干擾條紋的幅值影響,可有效避免出現(xiàn)非空化區(qū)域信號強度高于空化區(qū)域信號散射強度及干擾條紋覆蓋空化區(qū)域的情況.因此,相對于簡單常數(shù)閾值設(shè)置法,二維均值濾波方法在臨床應(yīng)用中將具有更廣泛的實用性.

需要指出的是,經(jīng)二維均值濾波后的處理結(jié)果,與實際該時刻空化區(qū)域的絕對真實值有微小出入.對圖5 中每個點,取該點幅值以及與該點間隔一點處(0.06 s)的幅值,將二者做差,再與該點幅值相比.比值平均后,得到能表征間隔2 點處空化范圍變化程度的參數(shù)r,如(3)式所示:

其中A(i) 為圖5 中曲線上逐點的幅值,對圖5 而言i取值范圍為1—1953.結(jié)果顯示熵值法的空化范圍變化程度r控制在2%以內(nèi)(大聲壓下1.62%,小聲壓下1.42%),灰度值法在3%以內(nèi)(大聲壓下2.83%,小聲壓下1.84%).因此可以認(rèn)為在0.06 s的時間尺度內(nèi),二維均值濾波方法所得結(jié)果與空化區(qū)域絕對真實值的誤差在可接受范圍.

由圖3 可見,同一時刻下,熵值法獲得的空化圖像范圍通常大于灰度值法獲得的結(jié)果.這主要是因為商用B 超灰度圖像在成像過程中,為了提高運算速度,對原始RF 數(shù)據(jù)處理進行檢波和波束合成之外,還采取了降采樣和數(shù)據(jù)壓縮等處理方式,導(dǎo)致遺失了部分有效信息;經(jīng)過圖像后處理,增強了高回聲區(qū)域的影像(通常被認(rèn)為是醫(yī)生關(guān)注的重點),而抑制了低回聲處的細微變化.圖6(a)隨機選取了一幀空化圖像作為示例,在位于橫向4.5 mm 處選取單根通過空化亮區(qū)的掃描線(圖中紅色虛線),對比其原始BFRF 與檢波后數(shù)據(jù)的歸一化頻譜.由圖6(b)可見,檢波后數(shù)據(jù)的頻譜在10—15 MHz 頻段與BFRF 數(shù)據(jù)的頻譜變化趨勢近似符合,但BFRF 數(shù)據(jù)在5—10 MHz 頻段存在明顯抬升且包含更多頻率分量,因此基于BFRF數(shù)據(jù)對空化信息進行監(jiān)測可保留更多重要的細節(jié)信息,這也是熵值法空化圖像可獲得更高靈敏度和準(zhǔn)確度的重要原因之一.此外,由于無需經(jīng)過檢波等后處理,使得基于BFRF 數(shù)據(jù)的熵值法不受特定商用機檢波方法或參數(shù)的影響,針對HIFU 聲空化時空特性評估時可更好地保持不同系統(tǒng)間結(jié)果的一致性.

圖6 原始BFRF 數(shù)據(jù)與檢波后BFRF 數(shù)據(jù)的頻譜對比 (a) 初步B 模式圖像;(b) 檢波前后數(shù)據(jù)頻譜Fig.6.Comparison of frequency spectrum of the raw BFRF data and the BFRF data after demodulation: (a) Preliminary B-mode image;(b) data frequency spectrum pre-and post-demodulation.

另一方面,傳統(tǒng)B 超灰度值法是根據(jù)像素點的灰度絕對值是否高于特定閾值來判斷每個點是否屬于空化區(qū)域,而熵值法在處理時利用滑動窗在小范圍內(nèi)分析子區(qū)域的混亂程度,具有更敏銳的分辨能力,能捕捉到更細微的組織變化.圖7 給出了一組對比案例.圖7(a)和圖7(b)分別為傳統(tǒng)B 超灰度值法測得的空化區(qū)域在去干擾前后的圖像,僅在橫向0—10 mm 范圍內(nèi)可觀察到明顯高亮區(qū),而在橫向12—20 mm 處幾乎未顯現(xiàn)任何高回聲區(qū)域,因此基于灰度值法應(yīng)判斷此區(qū)域未發(fā)生空化.圖7(c)是基于BFRF 數(shù)據(jù)形成的初步B 模式圖像,在橫向12—20 mm 區(qū)域(白色虛線圓圈處)出現(xiàn)了模糊的零星亮點.圖7(d)為去干擾后重建的BFRF 熵值圖像,除了在橫向0—10 mm 范圍內(nèi)可觀察范圍更大的熵值變化區(qū)之外,在12—20 mm區(qū)域(白色虛線圓圈處)也顯示出大塊明顯變化的熵值高亮區(qū)域,表明該區(qū)域也發(fā)生了一定程度的空化,意味著聲能量溢出到了該區(qū)域.從臨床安全性保障角度,聚焦超聲應(yīng)精準(zhǔn)局限于目標(biāo)靶區(qū),如因生物組織內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)引起聲波反射或者折射到附近非治療區(qū)域,則可能造成周邊正常組織的不可逆損傷.而本文提出的基于RF 信號的熵值法可以更敏銳地提示空化行為發(fā)生的時間及范圍,有助于及時反饋聲能量作用位置,更好地為HIFU 臨床治療提供安全性保障.

圖7 一 幀B 超影像 與熵值 圖像反 映空化 范圍的 典型例 子 (a) 一 幀B 超影像;(b) 去干擾 后B 超影像;(c) 同一幀基于BFRF 的初步B 模式圖像;(d) 同一幀熵值圖像Fig.7.A typical example of a frame of ultrasound image and entropy image reflecting the range of cavitation: (a) A frame of ultrasound image;(b) the de-interfered ultrasound image;(c) the same frame of BFRF-based preliminary B-mode image;(d) the same frame of entropy image.

5 結(jié)論

本文提出了一種基于RF 信號熵分析的聲空化探測方法,可在HIFU 治療過程中實現(xiàn)對組織內(nèi)部聲空化行為的時空監(jiān)測.實驗結(jié)果表明,二維均值濾波方法能在淺表及強聲束環(huán)境下去除HIFU強聲束干擾,突顯空化發(fā)生區(qū)域;標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理有利于擴展BFRF 信號的動態(tài)變化范圍,有助于根據(jù)臨床需求靈活調(diào)整閾值參數(shù),完成對不同程度空化行為的分級評估;熵值法能夠更靈敏且精確地確定空化發(fā)生的起始時間及空間位置,且隨著聲壓提高,熵值法可獲得的空化起始點指示提前量越大,進一步保障了高聲壓HIFU 治療的臨床安全性.因此,基于RF 信號的熵值分析法可作為一項具有極大應(yīng)用前景的技術(shù)手段用于HIFU 臨床治療中的空化區(qū)域時空演變行為的實時監(jiān)測,為HIFU 臨床治療量-效評估體系的建立奠定良好理論和技術(shù)基礎(chǔ).需要指出的是,受限于實驗條件,本文的實驗觀測均在凝膠仿體中進行.考慮到活體生物的個體差異,實際監(jiān)測應(yīng)用時可能會受到多層組織界面反射或肋骨阻隔等影響,導(dǎo)致聲空化時空監(jiān)測的信噪比和準(zhǔn)確度降低,因此需要在后續(xù)工作中進一步改進算法以克服以上困難.