高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)消融手術(shù)作為體外治療腫瘤的醫(yī)療技術(shù),具有無創(chuàng)性、治療效果顯著、副作用小、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點,符合現(xiàn)代醫(yī)療的理念并已經(jīng)逐步應(yīng)用在臨床治療腫瘤領(lǐng)域。在HIFU手術(shù)治療過程中,超聲圖像監(jiān)視系統(tǒng)為醫(yī)生提供可視化的手術(shù)環(huán)境,指導(dǎo)醫(yī)生進行手術(shù),然而現(xiàn)有的超聲圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要起著視頻監(jiān)控的作用,手術(shù)過程中仍然需要醫(yī)生依靠自己的個人經(jīng)驗識別腫瘤的位置和邊緣輪廓,然后使用HIFU超聲刀逐點消融腫瘤組織,治療過程過度依賴醫(yī)生的個人經(jīng)驗,主觀性較大。HIFU超聲引導(dǎo)系統(tǒng)是對HIFU超聲圖像監(jiān)視系統(tǒng)的進一步發(fā)展,其主要思想是使用超聲圖像處理技術(shù)對腫瘤的位置和邊緣輪廓進行精確提取,醫(yī)生根據(jù)計算機識別的腫瘤邊緣信息進行HIFU消融手術(shù)。然而受超聲成像機制的限制,超聲圖像往往具有嚴重的灰度低對比度,導(dǎo)致超聲圖像分辨率低,腫瘤邊緣不清晰,給后續(xù)的HIFU超聲圖像精確分割增加了難度。本論文主要針對HIFU超聲圖像的斑點噪聲降噪方法和分割方法進行研究,旨在為HIFU超聲引導(dǎo)系統(tǒng)提供精確的腫瘤組織目標邊緣輪廓信息。論文詳細分析了基于HIFU超聲圖像的各向異性擴散濾波算法和基于水平集方法的活動輪廓模型分割算法,并提出了相應(yīng)的改進模型,具體包括以下幾個方面:(1)在HIFU超聲圖像降噪方法方面,本文提出了一種改進的各向異性擴散濾波SRAD(Speckle Reducing Anisotropic Diffusion)模型。使用雙曲正切函數(shù)構(gòu)建原始SRAD模型的擴散濾波系數(shù),消除了傳統(tǒng)SRAD模型在圖像均勻區(qū)域產(chǎn)生的板塊分區(qū)問題;通過設(shè)置衰減因子提高了濾波模型在結(jié)構(gòu)性區(qū)域的衰減速度,對圖像細節(jié)信息具有更好的保持能力;使用絕對偏差中值來估計斑點噪聲尺度函數(shù)的初始門限,避免了人工設(shè)置參數(shù)帶來的不確定性;通過使用相對平滑指數(shù)(Relative Smooth Index,RSI)自適應(yīng)的終止迭代濾波過程,避免了由于人為設(shè)置迭代次數(shù)帶來的濾波效果不穩(wěn)定。濾波結(jié)果表明:改進的SRAD濾波模型能夠有效的消除板塊分區(qū)問題,在有效濾除超聲圖像斑點噪聲的同時,提高了對圖像細節(jié)信息的保留能力,其濾波性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的濾波算法。(2)在研究區(qū)域信息水平集活動輪廓模型的基礎(chǔ)上,針對經(jīng)典的全局區(qū)域信息水平集活動輪廓模型和局部區(qū)域信息的水平集活動輪廓模型各自的優(yōu)缺點,提出了全局區(qū)域信息和局部區(qū)域信息相結(jié)合的水平集活動輪廓模型。該模型使用原始圖像的差異圖像來構(gòu)造演化模型的全局信息,在保留全局性能的基礎(chǔ)上引入了圖像的邊緣信息,并與局部區(qū)域信息相結(jié)合來構(gòu)建演化模型的能量泛函。實驗結(jié)果表明:該組合模型繼承了全局信息模型和局部信息模型的共同優(yōu)點,消除了兩類模型各自的缺陷,降低了初始曲線的設(shè)置限制,對灰度不均勻的HIFU超聲圖像具有精確的分割結(jié)果。(3)在HIFU超聲圖像分割方面,針對HIFU超聲圖像存在偽邊緣的情況,提出了基于偽邊緣抑制的改進 ODRLSE(Oriented Distance Regularized Level Set Evoluton)演化模型。針對原始DRLSE模型難以區(qū)分偽邊緣和目標邊緣的缺陷,改進的ODRLSE模型通過給定初始曲線的向內(nèi)法向量方向與圖像目標邊緣梯度方向的對應(yīng)關(guān)系,重構(gòu)原始圖像的邊緣圖,并以新的邊緣圖來構(gòu)建演化模型的邊緣檢測函數(shù)。實驗結(jié)果表明:ODRLSE模型能夠?qū)D像中真實組織構(gòu)成的偽邊緣進行有效的抑制,進而對目標腫瘤邊緣輪廓進行準確分割。(4)在HIFU超聲圖像分割方面,針對HIFU超聲圖像存在弱邊緣的情況,提出了基于多尺度濾波方法的MS-DRLSE演化模型。該模型依據(jù)一定的間隔設(shè)置多組高斯標準差構(gòu)建多幅尺度圖像,沿著尺度下降的方向,根據(jù)相鄰尺度像素間的梯度矢量關(guān)系對梯度矢量進行修正。該多尺度濾波方法在有效濾波的同時,對圖像邊緣細節(jié)有一定的增強能力,同時避免了人為選擇高斯標準差所帶來的不足;針對氣球力因子的單向演化缺陷,使用多尺度濾波下的拉普拉斯算子來重構(gòu)氣球力因子,在實現(xiàn)雙向演化的同時,提高了模型對弱邊緣的檢測能力。實驗結(jié)果表明:改進的多尺度濾波MS-DRLSE模型對具有弱邊緣和邊緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超聲圖像依然能取得良好的分割效果。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R445.1;R73;TP391.41
【部分圖文】：

ＨＩＦＵ無創(chuàng)治療技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在９０司和美國聚焦外科公司分別研發(fā)出了治療前列腺癌Ｓｏｎａｂｌａｔｅ５００），圖１表示Ａｂｌａｔｈｅｒｍ型ＨＩＦＵ設(shè)備示意４年將“ＨＩＦＵ技術(shù)治療腫瘤”列為全世界重要的前沿科學(xué)醫(yī)療監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備主要是基于超聲圖像或者核磁共振（Ｍ過施加某種特定的射頻脈沖，具有較高的組織分辨率和接成像更有利于顯示腫瘤區(qū)域以及周邊組織的解剖結(jié)構(gòu)度變化。目前市場上成熟的基于ＭＲＩ圖像監(jiān)視的ＨＩＦＵ００型ＨＩＦＵ醫(yī)療設(shè)備［２２丨和Ｓｏｎａｌｌｅｖｅ型ＨＩＦＵ醫(yī)療設(shè)備［２３列ＩｎＳｉｇｈｔｅｃ公司共同研制而成，后者由荷蘭Ｐｈｉｌｉｐｓ公，乳腺癌等病癥的臨床治療［２２，２５］。然而由于ＭＲＩ圖像，而且基于ＭＲＩ圖像監(jiān)視系統(tǒng)的ＨＩＦＵ設(shè)備體積大，價進一步推廣。??Ｉ??

為首的科研團隊，研發(fā)出基于超聲圖像為監(jiān)視手段的ＪＣ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備［２８］。同年，??國家藥品監(jiān)督管理局正式通過了重慶醫(yī)科大學(xué)自主研發(fā)的“ＪＣ－Ａ型聚焦超聲腫瘤治??療設(shè)備”的相關(guān)技術(shù)鑒定，并批準生產(chǎn)。ＪＣ－Ａ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖１．２??所示，該設(shè)備現(xiàn)已應(yīng)用在英國牛津大學(xué)丘吉爾醫(yī)院，西班牙ＨＭＴ醫(yī)院，歐洲腫瘤研??宄所，香港大學(xué)瑪麗醫(yī)院，日本千葉醫(yī)院，解放軍總醫(yī)院等，目前臨床用于治療的病??癥主要包括治療胰腺癌，乳腺癌，子宮肌瘤，肝癌等［？３３］。其良好的市場反應(yīng)和臨床??應(yīng)用使我國在高強度聚焦超聲的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。??圖１．２?ＪＣ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備??高強度聚焦超聲治療腫瘤的原理如圖１．３所示，利用超聲波的能量沉積性和組織??穿透性，高強度聚焦超聲技術(shù)將體外產(chǎn)生的超聲波束能量聚焦于體內(nèi)的腫瘤病變組??織，利用聚焦超聲所產(chǎn)生的瞬時高溫直接破壞體內(nèi)的病變組織，聚焦超聲在焦點區(qū)??域，可使腫瘤目標組織的溫度瞬間上升到６０°Ｃ至１００°Ｃ，從而使腫瘤組織蛋白固化??變質(zhì)

為首的科研團隊，研發(fā)出基于超聲圖像為監(jiān)視手段的ＪＣ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備［２８］。同年，??國家藥品監(jiān)督管理局正式通過了重慶醫(yī)科大學(xué)自主研發(fā)的“ＪＣ－Ａ型聚焦超聲腫瘤治??療設(shè)備”的相關(guān)技術(shù)鑒定，并批準生產(chǎn)。ＪＣ－Ａ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖１．２??所示，該設(shè)備現(xiàn)已應(yīng)用在英國牛津大學(xué)丘吉爾醫(yī)院，西班牙ＨＭＴ醫(yī)院，歐洲腫瘤研??宄所，香港大學(xué)瑪麗醫(yī)院，日本千葉醫(yī)院，解放軍總醫(yī)院等，目前臨床用于治療的病??癥主要包括治療胰腺癌，乳腺癌，子宮肌瘤，肝癌等［？３３］。其良好的市場反應(yīng)和臨床??應(yīng)用使我國在高強度聚焦超聲的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。??圖１．２?ＪＣ型ＨＩＦＵ治療設(shè)備??高強度聚焦超聲治療腫瘤的原理如圖１．３所示，利用超聲波的能量沉積性和組織??穿透性，高強度聚焦超聲技術(shù)將體外產(chǎn)生的超聲波束能量聚焦于體內(nèi)的腫瘤病變組??織，利用聚焦超聲所產(chǎn)生的瞬時高溫直接破壞體內(nèi)的病變組織，聚焦超聲在焦點區(qū)??域，可使腫瘤目標組織的溫度瞬間上升到６０°Ｃ至１００°Ｃ，從而使腫瘤組織蛋白固化??變質(zhì)
【參考文獻】

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本文編號：2845337