基于B超成像的HIFU治疗组织损伤评价方法

发布时间：2020-08-11 08:06

【摘要】：高强度聚焦超声技术(high intensity focused ultrasound,HIFU)是一种在肿瘤治疗过程中采取了非侵入性方式的治疗技术。因为非侵入性的特点,造就了它在临床上用来治疗肿瘤的广泛性和实用性。高强度聚焦超声实现体外无创或微创治疗肿瘤的原理,主要基于它的高强度性和准确性。超声能够准确地在肿瘤靶区位置聚焦能量,使其产生瞬时高温,从而使得靶区组织产生不可逆的凝固性坏死或变性。在HIFU治疗过程中,组织损伤程度是评价该技术疗效的一项重要指标。本文研究以HIF U辐照新鲜离体猪肉组织的实验来模拟其体外治疗肿瘤的过程。通过B超设备,获取治疗前后猪肉组织的超声图像,研究其图像特征的变化,并对HIFU治疗造成的组织损伤程度进行疗效评价。所做的主要工作如下。第一,建立在大量实验的基础上,详细地研究和分析了所获取的图像数据,包括对图像数据进行的筛选和预处理。从图像特征的角度出发,验证了不同剂量的HIFU治疗对生物组织损伤程度形成的一般规律。第二,提取预处理后图像的三个灰度特征,包括灰度均值、方差、和矩不变量Hu矩,并引入机器学习方法支持向量机,对治疗后的组织细胞变性与否进行了定性的二分类判别。同时也提出了将小波变换与特征参数结合,从而引入小波系数均值、小波系数方差和小波系数Hu矩三个特征参数。结果表明小波系数Hu矩的总辨识率和小波系数方差相差不大,这两种参数的辨识效果在六个参数中是比较好的。第三,介绍了三分类组织损伤等级判定方法,为进行二次HIFU辐照提供数据的理论支持。不同的HIFU剂量对靶区组织细胞可造成不同程度的损伤面积,根据实际损伤面积可划分为三个等级,分别为未发生凝固性热损伤,凝固性损伤区域与焦域基本吻合和过度损伤。第四,提取图像的灰度均值和小波系数均值,并引入K均值聚类方法,即可根据特征参数将组织损伤自动判别为三个等级。此外,还对基于单参数和双参数的聚类效果进行了比较,结果表明:在组织损伤等级的总辨识率上,基于双参数的聚类方法较单参数聚类方法有所提高,更能准确地判定组织的损伤等级。第五,对三分类判定法作了拓展研究,提出根据参数值分布情况进行三分类判定,而不是依靠人为测量的损伤面积进行划分。首先提取差值图像的灰度均值和小波系数均值,再进行奇异值分解(singular value decomposition,SVD)处理,最后经过AP(affinity propagation,AP)聚类算法,即能实现更为客观的组织损伤级别的划分。本文从图像处理的角度出发,结合机器学习算法,实现了对HIFU治疗后组织损伤程度的评价,为今后的研究提供了新的方向,对提高HIFU疗效具有一定的实际意义。
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R454.3;TP391.41
【图文】：

支持向量,样本分类,图形描述,最优分类

种常用的监督型机器学习方法丨４３，４４］。支持向量机从字面上理解，可以逡逑拆分成“支持向量”和“机”。“支持向量”是指分布在分界面边缘的训逡逑练样本，而“机”可以解释为算法，其图形描述如图２．１所示。逡逑ＳＶＭ算法的关键之处在于准确找出符合样本分类要求的最优分类逡逑面，从而根据最优分类面对线性可分的待测数据进行归类。以二分类逡逑为例，给定一组训练样本（而，沾），《＝１，２，．－．，２，0：３螅В玻嶝｛±１｝，最优超平逡逑面如式（２．１９）所示。逡逑（ｗ邋－邋ｘ）邋＋邋ｂ邋＝邋０逦（２．１９）逡逑

分类间隔,固有缺陷,机器学习,支持向量机

图２．２邋ＳＶＭ算法图形描述逡逑

实验系统

§３．１实验系统设计逡逑实验系统主要部分是装有ＨＩＦＵ源的Ｂ超成像仪器，通过计算机控制逡逑系统辅助完成实验数据的收集。如图３．１所示。ＨＩＦＵ源产自深圳普罗惠逡逑仁医疗科技公司，其中心频率为１．３８ＭＨｚ，几何焦距为１６ｃｍ，最大输出逡逑声功率为３００ｗ。Ｂ超成像仪器产自ＰＨＩＬＩＰＳ公司，经由Ｂ超获取的图像经逡逑过ＰＣＩ８００１图像采集卡送入计算机系统进行保存。放置在ＨＩＦＵ源正下方逡逑的猪肉离体组织样品需要被具有吸声功能的橡胶包围，以便准确地安全逡逑地进行ＨＩＦＵ辐照。逡逑Ｉ逦超声亨头逦｜逦｜超声诊断系统逡逑／邋１邋＾逡逑去氧水邋媝吸Ｐｔｔｅ逦Ｉ逦丨邋Ｉ邋＿逦｜逡逑图３．１实验系统逡逑§３．２实验方案逡逑实验实际设备如图３．２所示，图３．２⑷为ＨＩＦＵ换能器，图３．２（６）为Ｂ超成逡逑像仪器，图３．３为计算机中ＨＩＦＵ治疗软件界面，具体实验操作步骤如下。逡逑

【参考文献】