基于超声图像数据挖掘的HIFU无损监控关键技术研究毕业论文.doc

1、I 摘 要 超 声 引 导 的 H I F U 治 疗 系 统 以 其 无 损 ， 无 辐 射 ， 价 格 相 对 低 廉 等 独 特 的 优 点 ， 在 肿 瘤 临 床 治 疗 中 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。 作 为 H I F U 相 关 技 术 中 的 热 点 问 题 ， 对 无 损 监 控 及 检 测 治 疗 效 果 的 研 究 ， 虽 然 引 起 广 泛 关 注 ， 并 取 得 了 一 定 的 研 究 成 果 ， 但 仍 未 见 成 熟 的 、 可 应 用 于 临 床 的 方 法 问 世 。 目 前 基 于 超 声 信 号 及 超 声 图 像 的 无 损 测 温 、 测

2、组 织 损 伤 程 度 方 法 ， 多 建 立 在 理 想 化 的 声 场 或 温 场 模 型 基 础 上 ， 并 要 求 预 知 各 种 组 织 的 声 特 性 ， 给 方 法 的 实 施 带 来 很 大 困 难 。 而 从 大 量 的 、 不 完 全 的 、 有 噪 声 的 、 模 糊 的 实 际 应 用 数 据 中 ， 提 取 隐 含 在 其 中 的 、 人 们 事 先 不 知 道 的 、 但 又 是 潜 在 有 用 的 信 息 和 知 识 的 数 据 挖 掘 技 术 ， 在 医 学 数 据 分 析 、 内 在 规 律 找 寻 的 研 究 中 表 现 出 越 来 越 强 的 优 越 性

3、。 对 本 课 题 的 核 心 研 究 内 容 为 ： 挖 掘 对 超 声 图 像 中 蕴 含 的 可 以 辅 助 监 控 、 检 测 H I F U 治 疗 效 果 的 信 息 ， 寻 找 其 中 的 规 律 ， 最 终 形 成 易 于 理 解 和 接 受 的 、 可 量 化 的 H I F U 治 疗 效 果 评 价 。 作 为 一 种 高 温 热 疗 手 段 ， 治 疗 过 程 中 靶 区 的 温 度 是 临 床 所 关 注 的 一 个 主 要 参 数 。 论 文 对 H I F U 超 声 图 像 信 息 中 与 温 度 相 关 信 息 的 挖 掘 建 立 在 组 织 受 热 会 导

4、致 超 声 图 像 纹 理 发 生 改 变 这 一 假 设 的 基 础 上 。 采 用 多 种 纹 理 包 括 灰 度 共 生 矩 阵 、 分 形 盒 维 数 方 法 、 小 波 分 解 等 分 析 方 法 ， 分 别 提 取 H I F U 辐 照 后 各 个 温 度 下 组 织 超 声 原 始 图 像 ， 及 其 与 基 准 温 度 （ 3 7 ） 下 的 超 声 图 像 之 间 的 减 影 图 像 的 纹 理 参 数 。 结 果 表 明 ： 超 声 原 始 图 像 纹 理 参 数 与 温 度 间 不 存 在 明 显 的 、 易 于 量 化 的 函 数 关 系 ； 但 是 超 声 减 影

5、图 像 的 纹 理 参 数 与 温 度 间 均 表 现 出 了 较 好 的 相 关 性 。 对 其 中 优 选 参 数 进 行 与 温 度 间 的 回 归 分 析 表 明 ， H I F U 焦 域 中 心 温 度 与 超 声 减 影 图 像 的 灰 度 共 生 矩 阵 参 数 中 的 四 个 参 数 与 小 波 分 解 系 数 能 量 参 数 在 4 0 8 0 之 间 存 在 线 性 关 系 。 采 用 8 个 与 温 度 存 在 线 性 关 系 的 纹 理 参 数 进 行 基 于 主 成 分 分 析 的 多 元 线 性 回 归 ， 4 0 7 0 以 下 ， 回 归 方 程 的 精 度

6、为 3 。 H I F U 监 控 所 关 注 的 另 一 个 参 数 是 辐 照 对 组 织 实 际 形 成 的 损 伤 程 度 。 本 文 提 出 一 种 亚 象 素 级 基 于 超 声 图 像 的 H I F U 束 损 伤 监 控 方 I I 法 ， 通 过 追 踪 特 征 点 的 位 移 及 变 化 ， 并 针 对 变 化 程 度 ， 定 义 了 相 关 距 离 加 以 量 化 ， 来 实 现 对 H I F U 束 损 伤 等 级 的 评 估 。 对 温 度 与 组 织 损 伤 程 度 、 剂 量 与 组 织 损 伤 程 度 、 组 织 损 伤 程 度 与 相 关 距 离 的 关

7、系 进 行 了 分 析 。 实 验 结 论 为 ： 温 度 与 组 织 损 伤 等 级 ， 剂 量 与 组 织 损 伤 等 级 间 的 关 系 难 以 量 化 ； 而 辐 照 前 后 ， H I F U 焦 域 相 关 距 离 与 H I F U 束 损 伤 等 级 之 间 表 现 出 相 关 性 ， H I F U 束 损 伤 等 级 随 相 关 距 离 的 增 大 而 增 大 。 采 用 支 持 向 量 机 S V M 分 类 方 法 ， 设 计 分 类 器 ， 分 类 结 果 表 明 算 法 可 有 效 识 别 H I F U 束 损 伤 的 等 级 。 可 为 H I F U 临 床

8、剂 量 的 选 取 提 供 参 考 。 除 了 针 对 温 度 ， 组 织 损 伤 程 度 的 监 控 研 究 外 ， 本 文 还 针 对 如 何 在 高 噪 声 的 超 声 图 像 中 ， 自 动 挖 掘 可 以 辅 助 诊 断 H I F U 治 疗 结 束 后 所 产 生 的 有 效 治 疗 区 域 做 了 方 法 上 的 研 究 。 本 文 提 出 一 种 基 于 双 零 双 速 度 水 平 集 的 算 法 ， 利 用 超 声 图 像 灰 度 的 变 化 信 息 ， 完 成 零 水 平 集 的 自 动 初 始 化 ， 并 从 高 噪 声 H I F U 超 声 图 像 信 息 中 提

9、取 H I F U 有 效 治 疗 范 围 边 缘 信 息 及 器 官 边 缘 信 息 。 通 过 三 维 重 建 给 出 可 反 映 H I F U 有 效 治 疗 范 围 的 大 小 及 形 状 的 三 维 信 息 ， 有 望 成 为 H I F U 临 床 辅 助 治 疗 系 统 功 能 的 有 益 补 充 。 关 键 词 ： 高 强 度 聚 焦 超 声 ( H I F U ) ， 数 据 挖 掘 ， 无 损 测 温 ， 组 织 热 损 伤 无 损 监 控 ， 支 持 向 量 机 I I I A B S T R A C T W i t h i t s a d v a n t a g e

10、s o f n o n - i n v a s i v e , n o r a d i a t i o n a n d l o w c o s t , u l t r a s o u n d g u i d e d H I F U i s s u p p o s e d t o b e a p r o m i s i n g t h e r a p y m e t h o d f o r t u m o r . A s o n e o f t h e k e y p r o b l e m s i n H I F U r e l a t e d t e c h n i q u e , u l

11、t r a s o u n d - b a s e d t e m p e r a t u r e a n d H I F U e f f e c t e s t i m a t i o n h a v e b e e n a t t r a c t i n g m a n y r e s e a r c h e r s a t t e n t i o n . B u t t h e r e i s s t i l l n o r e s o l u t i o n w h i c h i s m a t u r e e n o u g h f o r c l i n i c u s e .

12、B y n o w , m o s t u l t r a s o u n d s i g n a l o r i m a g e - b a s e d n o n - i n v a s i v e t e m p e r a t u r e o r H I F U e f f e c t e s t i m a t i o n m e t h o d s a r e b a s e d o n i d e a l s o u n d f i e l d a n d n e e d t o k n o w s o m e s o n i c c h a r a c t e r s o f

13、t i s s u e f i r s t . T h a t i s a v e r y d i f f i c u l t c o n d i t i o n t o a c h i e v e . D a t a m i n i n g t e c h n o l o g y w h o s e a i m i s a n a l y z i n g d a t a f r o m d i f f e r e n t p e r s p e c t i v e s a n d s u m m a r i z i n g i t i n t o u s e f u l i n f o r

14、m a t i o n , h a s i t s a d v a n t a g e s i n m e d i c a l d a t a a n a l y s i s a n d r e s e a r c h T h i s t h e s i s c o n c e n t r a t e s o n : D a d a m i n i n g p a r a m e t e r s f r o m u l t r a s o u n d i m a g e s w h i c h c a n h e l p t o m o n i t o r H I F U t h e r a

15、p y e f f e c t ; F i n d i n g t h e r u l e s a n d g i v i n g t h e u n d e r s t a n d a b l e a n d a c c e p t a b l e e v a l u a t i o n o f H I F U e f f e c t . T e m p e r a t u r e i s a v e r y i m p o r t a n t p a r a m e t e r n e e d t o b e m o n i t o r e d d u r i n g H I F U t

16、h e r a p y . D a t a m i n i n g t e m p e r a t u r e r e l a t e d u l t r a s o u n d i m a g e t e x t u r e p a r a m e t e r i s b a s e d o n t h e h y p o t h e s i s t h a t t e x t u r e w i l l c h a n g e w i t h t i s s u e t e m p e r a t u r e . G r a y L e v e l C o - O c c u r r e

17、n c e M a t r i x ( G L C M ) , b o x f r a c t a l d i m e n s i o n , w a v e l e t m e t h o d s w e r e u s e d t o e x t r a c t t e x t u r e p a r a m e t e r s f r o m u l t r a s o u n d i m a g e s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a n d t h e i r s u b t r a c t i o n w i t h u

18、l t r a s o u n d i m a g e a t b a s i c t e m p e r a t ur e ( 3 7 ) . R e s u l t s s h o w t h a t o r i g i n a l u l t r a s o u n d i m a g e s t e x t u r e h a s n o o b v i o u s r e l a t i o n s h i p w i t h t e m p e r a t u r e o f t i s s u e , b u t s o m e G L C M t e x t u r e p a

19、 r a m e t e r s a n d w a v e l e t c o e f f i c i e n t e n e r g y p a r a m e t e r s o f s u b t r a c t i o n i m a g e s h a v e l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t h t e m p e r a t u r e o f t i s s u e f r o m 4 0 t o 8 0 . E i g h t p a r a m e t e r s h a v e l i n e a r r e l a t

20、 i o n s h i p w i t h t e m p e r a t u r e w e r e u s e d t o c o n s t r u c t p r i n c i p a l c o m p o n e n t s a n a l y s i s b a s e d m u l t i p l e r e g r e s s i o n p r e d i c t i o n m o d e l . T h e r e g r e s s i o n f o r m u l a s p r e c i s i o n i s 3 a t t e m p e r a t

21、 u r e u n d e r 7 0 . A n o t h e r w a y t o e s t i m a t e H I F U e f f e c t i s m o n i t o r i n g l e s i o n o f t i s s u e . A I V s u b - p i x e l u l t r a s o u n d i m a g e b a s e d m e t h o d i s p r o p o s e d i n t h i s t h e s i s a n d c o r r e l a t i o n d i s t a n c e

22、 w a s d e f i n e d f o r q u a n t i z a t i o n o f f e a t u r e d p o i n t s m o v e m e n t a n d c h a n g e i n H I F U l e s i o n a r e a i m a g e . R e s u l t s s h o w t h a t t e m p e r a t u r e h a s n o q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p w i t h l e s i o n d e g r e

23、 e , n e i t h e r d o s e , b u t s u b - p i x e l c r o s s - c o r r e l a t i o n v e c t o r f i e l d c a n r e f l e c t t h e a b l a t i o n l e s i o n s p o s i t i o n a n d c o r r e l a t i o n d i s t a n c e i s h e l p f u l f o r d e t e c t i n g t h e d e g r e e o f t h e b e a

24、 m a b l a t i o n l e s i o n s . C o r r e l a t i o n d i s t a n c e b a s e d S V M c l a s s i f i c a t i o n m e t h o d c a n h e l p t o d e t e c t H I F U l e s i o n d e g r e e a u t o m a t i c a l l y a n d e f f i c i e n t l y . B e s i d e s r e s e a r c h o n m o n i t o r i n g

25、 t e m p e r a t u r e a n d H I F U l e s i o n , a n o t h e r t h e m e o f t h i s t h e s i s i s t o f i n d a w a y w h i c h c a n a u t o m a t i c a l l y p r o v i d e t h e H I F U l e s i o n a r e a s s h a p e a n d p o s i t i o n a f t e r t h e r a p y . D a t a m i n i n g e d g e

26、 i n f o r m a t i o n o f R O I ( r e g i o n o f i n t e r e s t ) f r o m h i g h - n o i s e u l t r a s o u n d i m a g e s i s t h e k e y . W e p r o p o s e d a d o u b l e z e r o l e v e l s e t , d o u b l e s p e e d a p p r o a c h t o e x t r a c t t h e o r g a n a n d l e s i o n a r

27、 e a s c o n t o u r . G r a y l e v e l c h a n g e w a s u s e d t o i n i t i a l z e r o s e t a u t o m a t i c a l l y S e r i a l “ s l i c e ” c o n t o u r s w e r e u s e d t o r e c o n s t r u c t t h r e e d i m e n s i o n ( 3 D ) H I F U l e s i o n a r e a s i n t h e s a m p l e . R

28、 e s u l t : E x p e r i m e n t s s h o w t h a t l e v e l s e t c o n t o u r e x t r a c t i o n m e t h o d b a s e d 3 D r e c o n s t r u c t i o n i s h e l p f u l i n m o n i t o r i n g t h e s i z e , s h a p e a n d l o c a t i o n o f H I F U l e s i o n . K E Y W O R D S ： h i g h i n

29、 t e n s i t y f o c u s e d u l t r a s o u n d ( H I F U ) , d a t a m i n i n g , n o n - i n v a s i v e t e m p e r a t u r e m o n i t o r , n o n - i n v a s i v e t i s s u e l e s i o n m o n i t o r , s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e ( S V M ) V 目 录 第 一 章 引 言 . . . . . . . . . . . .

30、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 H I F U 技 术 及 其 工 作 原 理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 H I F U 治 疗 作 用 和 机 制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31、 . . . . . 2 1 . 3 H I F U 治 疗 的 优 点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 . 4 H I F U 治 疗 效 果 的 监 控 和 检 测 机 制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 . 4 . 1 温 度 监 控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 . 4 . 2 组 织 损 伤 程 度 监 控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 . 4 . 3 治 疗 区 域 的 无 损 检 测 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 . 5 本 文 研 究 的 目 的 意 义 和 主 要 任 务 . . . . . . .

33、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 . 5 . 1 意 义 和 目 的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 . 5 . 2 本 文 的 主 要 任 务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 第 二 章 基 于 超 声 无 损 探 测 组 织 温 度 及

34、 损 伤 程 度 模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 生 物 组 织 模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 . 1 生 物 组 织 离 散 随 机 介 质 模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 . 2 生 物 组 织 分 层 介 质 模 型

35、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 2 基 于 超 声 信 号 的 无 损 监 控 方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 . 1 基 于 超 声 信 号 无 损 测 温 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 . 1 . 1 后 向 散 射 时 移

36、 测 温 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 . 1 . 2 后 向 散 射 频 移 测 温 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 . 2 . 1 . 3 后 向 散 射 能 量 测 温 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 . 2 . 1 . 4 超 声 非 线 性 参 数 测 温 法 . .

37、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 . 2 . 1 . 5 声 学 反 演 法 测 温 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 . 2 . 1 . 6 超 声 回 波 时 频 图 分 割 无 损 测 温 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 . 2 . 2 基 于 超 声 信 号 的 组 织 损 伤 程 度 无 损 监 控 . . . . . . . .

38、 . . . . . . . . . . . 1 5 2 . 3 基 于 B 超 图 像 的 无 损 监 控 方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 . 3 . 1 基 于 B 超 图 像 像 素 位 移 的 测 温 方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 . 3 . 2 基 于 B 超 图 像 半 衰 期 组 织 损 伤 检 测 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39、 . . . 1 6 2 . 3 . 3 基 于 B 超 图 像 平 均 灰 度 信 息 的 测 温 方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 3 . 4 基 于 B 超 图 像 纹 理 信 息 的 测 温 方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 4 本 章 小 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40、 . . . 1 7 V I 第 三 章 温 度 相 关 的 组 织 超 声 图 像 纹 理 参 数 数 据 挖 掘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 . 1 数 据 挖 掘 技 术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 . 1 . 1 数 据 挖 掘 定 义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 . 1 . 2 数 据 挖 掘 任 务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 . 1 . 3 数 据 挖 掘 过 程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .