發(fā)布時(shí)間：2020-10-17 21:25

　　 高強(qiáng)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(diǎn),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(jìn)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)識(shí)別腫瘤的位置和邊緣輪廓,然后使用HIFU超聲刀逐點(diǎn)消融腫瘤組織,治療過程過度依賴醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),主觀性較大。HIFU超聲引導(dǎo)系統(tǒng)是對(duì)HIFU超聲圖像監(jiān)視系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,其主要思想是使用超聲圖像處理技術(shù)對(duì)腫瘤的位置和邊緣輪廓進(jìn)行精確提取,醫(yī)生根據(jù)計(jì)算機(jī)識(shí)別的腫瘤邊緣信息進(jìn)行HIFU消融手術(shù)。然而受超聲成像機(jī)制的限制,超聲圖像往往具有嚴(yán)重的灰度低對(duì)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(duì)HIFU超聲圖像的斑點(diǎn)噪聲降噪方法和分割方法進(jìn)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(biāo)邊緣輪廓信息。論文詳細(xì)分析了基于HIFU超聲圖像的各向異性擴(kuò)散濾波算法和基于水平集方法的活動(dòng)輪廓模型分割算法,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)模型,具體包括以下幾個(gè)方面:(1)在HIFU超聲圖像降噪方法方面,本文提出了一種改進(jìn)的各向異性擴(kuò)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(kuò)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(duì)圖像細(xì)節(jié)信息具有更好的保持能力;使用絕對(duì)偏差中值來估計(jì)斑點(diǎn)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(duì)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(jìn)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(diǎn)噪聲的同時(shí),提高了對(duì)圖像細(xì)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(dòng)輪廓模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)經(jīng)典的全局區(qū)域信息水平集活動(dòng)輪廓模型和局部區(qū)域信息的水平集活動(dòng)輪廓模型各自的優(yōu)缺點(diǎn),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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn),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(duì)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(duì)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(jìn) ODRLSE(Oriented Distance Regularized Level Set Evoluton)演化模型。針對(duì)原始DRLSE模型難以區(qū)分偽邊緣和目標(biāo)邊緣的缺陷,改進(jìn)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(biāo)邊緣梯度方向的對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:ODRLSE模型能夠?qū)D像中真實(shí)組織構(gòu)成的偽邊緣進(jìn)行有效的抑制,進(jìn)而對(duì)目標(biāo)腫瘤邊緣輪廓進(jìn)行準(zhǔn)確分割。(4)在HIFU超聲圖像分割方面,針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)梯度矢量進(jìn)行修正。該多尺度濾波方法在有效濾波的同時(shí),對(duì)圖像邊緣細(xì)節(jié)有一定的增強(qiáng)能力,同時(shí)避免了人為選擇高斯標(biāo)準(zhǔn)差所帶來的不足;針對(duì)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(shí)現(xiàn)雙向演化的同時(shí),提高了模型對(duì)弱邊緣的檢測能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)的多尺度濾波MS-DRLSE模型對(duì)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(jí)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(jià)進(jìn)一步推廣。??Ｉ??

為首的科研團(tuán)隊(duì)，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(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)高溫直接破壞體內(nèi)的病變組織，聚焦超聲在焦點(diǎn)區(qū)??域，可使腫瘤目標(biāo)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(tuán)隊(duì)，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(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)高溫直接破壞體內(nèi)的病變組織，聚焦超聲在焦點(diǎn)區(qū)??域，可使腫瘤目標(biāo)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳俊;汪源源;陳悅;余錦華;龐蕓;;基于同質(zhì)區(qū)域自動(dòng)選取的各向異性擴(kuò)散超聲圖像去噪[J];光學(xué)精密工程;2014年05期

2 宋爽;任洪娥;官俊;;基于Sobel梯度模板的多閾值實(shí)時(shí)邊緣檢測方法[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2015年23期

3 付志豪;武倫;喬正榮;周世驥;李生偉;;高強(qiáng)度聚焦超聲治療對(duì)肝癌細(xì)胞裸鼠移植瘤低氧誘導(dǎo)因子表達(dá)和細(xì)胞凋亡的影響[J];基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床;2014年05期

4 尚長春;馬宏偉;安靜宇;;基于改進(jìn)Canny算子的煤礦井下物體圖像邊緣檢測方法研究[J];計(jì)算機(jī)工程與科學(xué);2014年03期

5 李軼鵬;黃春明;黃超;李睿;;ICE超聲圖像斑點(diǎn)噪聲的統(tǒng)計(jì)分析[J];電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào);2013年01期

6 閔加艷;鄒建中;郭宇;王冬;;造影條件下聲像圖紋理分析評(píng)價(jià)HIFU消融兔VX2乳腺腫瘤的價(jià)值[J];中國超聲醫(yī)學(xué)雜志;2012年07期

7 劉麗燕;王理偉;;高強(qiáng)度聚焦超聲治療胰腺癌的研究現(xiàn)狀[J];臨床腫瘤學(xué)雜志;2012年04期

8 張學(xué)蘭;楊潔;;超聲造影在HIFU治療原發(fā)性肝癌療效評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值[J];中國超聲醫(yī)學(xué)雜志;2012年03期

9 李燦飛;王耀南;肖昌炎;盧笑;;用于超聲斑點(diǎn)噪聲濾波的各向異性擴(kuò)散新模型[J];自動(dòng)化學(xué)報(bào);2012年03期

10 陸惠玲;周濤;;超聲圖像的特性研究進(jìn)展[J];臨床合理用藥雜志;2012年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李忠兵;聚焦超聲無創(chuàng)治療腫瘤的超聲圖像分割方法研究[D];武漢大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2845337