基于超聲散射回波的組織損傷程度監(jiān)測方法

明 文，錢盛友，趙新民，丁亞軍

（湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410081）

0 引 言

高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）因其獨(dú)特的軟組織穿透性能和生物效應(yīng)，被認(rèn)為是腫瘤治療的重要手段之一，在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用.HIFU是基于高溫?zé)嵝?yīng)對組織損傷的原理，因而對治療過程中組織損傷程度的監(jiān)測非常重要［1，2］.生物組織在超聲聚焦作用下，組織溫度升高，組織損傷程度從無凝固性熱損傷發(fā)生、產(chǎn)生熱損傷但未達(dá)到治療效果到過損傷，損傷程度逐漸加深［3］，超聲波各特性參數(shù)（如超聲散射回波能量、聲衰減系數(shù)、聲阻抗率、散射系數(shù)、彈性系數(shù)等）隨著組織損傷程度的加深逐漸產(chǎn)生變化［4，5］.已有研究表明，HIFU治療中獲取的B超監(jiān)控圖像特征能反映組織損傷程度的變化［6，7］.相對于超聲圖像，回波信號的提取會更直接.本文嘗試通過對離體實(shí)驗(yàn)中獲取的HIFU輻照前后的超聲回波信號進(jìn)行分析，提取超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)并借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測生物組織損傷程度.

1 基本理論

1.1 超聲散射回波能量

超聲與生物組織的相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，HIFU擊打生物組織后引起組織的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，從而影響生物組織的超聲散射回波幅度［8，9］.令Esignal為組織超聲散射回波的幅值平方值，即超聲散射回波能量，Ereference為基準(zhǔn)溫度時(shí)的超聲散射回波能量，則組織超聲散射回波能量的相對變化為：（Esignal－Ereference）／Ereference，利用該式計(jì)算超聲散射回波能量的相對變化，可分析超聲散射回波信號幅值相對變化與組織損傷程度的關(guān)系.

1.2 聲衰減系數(shù)

生物組織的聲衰減系數(shù)與組織成分、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)有密切關(guān)系［10］.超聲波在生物組織中的衰減系數(shù)大致為頻率的指數(shù)函數(shù)，HIFU源擊打豬肉組織后返回的兩個(gè)界面反射回波設(shè)為y1（t）和y2（t），則有

對式（1）取功率譜，則

由此可計(jì)算出衰減系數(shù)

由式（3）可知，通過計(jì)算前后界面回波功率譜對數(shù)的差即可求得某個(gè)頻率對應(yīng)的衰減系數(shù).本文側(cè)重分析中心頻率（f＝3.5 MHz）分量的衰減特征.

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of BP neural network

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差反向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入－輸出模式映射關(guān)系，因其對訓(xùn)練對象具有很好的記憶功能和外推能力而獲得廣泛的應(yīng)用.在BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，以圖1所示的單隱層網(wǎng)絡(luò)（即3層BP網(wǎng)）應(yīng)用最為普遍.

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，層與層之間全連接，每層內(nèi)部任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互不相連，其神經(jīng)元之間的傳遞函數(shù)為非線性函數(shù)，最常用的是logsig和tansig函數(shù)，有的輸出層也采用線性函數(shù)（purelin）.BP網(wǎng)絡(luò)輸出為：q＝f（Wy＋b），其中f為傳遞函數(shù)，W為神經(jīng)元之間連接的權(quán)值，b為閾值，BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程由信號的正向傳播與誤差的反向傳播兩個(gè)過程組成，在不斷的學(xué)習(xí)過程中，網(wǎng)絡(luò)間的連接權(quán)值W和閾值b不斷得到修正，從而改變網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到預(yù)期的誤差值.一般采用newff函數(shù)構(gòu)建BP網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)建方式為

式中：net為構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)名，minmax（p）為輸入數(shù)據(jù)的范圍，hidden為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，outnum為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，logsig為輸入層與隱含層之間的傳遞函數(shù)，purelin為隱含層與輸出層之間的傳遞函數(shù)，trainlm為訓(xùn)練函數(shù)，對于隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)目n，一般根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，參照公式n＝＋a確定，ni為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，n0為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，a為1～10之間的常數(shù).

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)所用凹球面自聚焦HIFU換能器工作頻率為1 319 k Hz，幾何焦距為16 cm.B超探頭工作頻率為3.5 MHz，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用去皮新鮮離體豬肉作為組織樣本，置于HIFU換能器的正下方，相距8 cm.T型熱電偶為銅－康銅材質(zhì)，吸聲大水槽四周和底部均裝有吸聲橡膠.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set－up

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，吸聲水槽的初始溫度為30℃，組織初始溫度為37℃，實(shí)驗(yàn)采用HIFU換能器單點(diǎn)手動控制連續(xù)擊打豬肉組織，每次擊打完畢后采集信號并切片對組織損傷程度進(jìn)行鑒定，采樣頻率為20 MHz，將測溫傳感器一端插入組織，一端連接數(shù)字溫度顯示器，記錄不同溫度和組織損傷程度下對應(yīng)的豬肉組織超聲散射回波信號.B超設(shè)備以M模式工作，信號通過A／D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，通過改變HIFU源功率以及擊打方式重復(fù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，然后用MATLAB自編程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 信號預(yù)處理

表1 實(shí)驗(yàn)采用HIFU劑量及組織損傷級數(shù)Tab.1 HIFU dosage used in the experiment and its tissue damage degree

實(shí)驗(yàn)過程中保持測試條件不變，組織初始溫度為37℃，即為基準(zhǔn)溫度.實(shí)驗(yàn)共采用了7種不同HIFU劑量，如表1所示.通過改變HIFU源功率、擊打時(shí)間、擊打間隔和擊打次數(shù)，收集了194例離體豬肉組織經(jīng)HIFU輻照后的超聲散射回波信號，在每例實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過切片計(jì)算損傷區(qū)域?qū)M織損傷程度進(jìn)行鑒定，將損傷程度分為三級：一級損傷為無凝固性熱損傷發(fā)生，二級損傷為產(chǎn)生熱損傷但未達(dá)到治療效果，三級損傷為過損傷，不同樣本對應(yīng)的HIFU劑量及組織損傷級數(shù)如表1所示.運(yùn)用MATLAB編程對回波信號進(jìn)行預(yù)處理，截取有效信號、去均值和溢出點(diǎn)，然后再從中提取超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)參量信息.

3.2 基于單個(gè)參數(shù)的HIFU損傷級辨識

從194組樣本數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取80組組織樣本的超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)相對值分別作為訓(xùn)練樣本，根據(jù)第二章所介紹的構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，構(gòu)建3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識別.作為輸入層與隱含層之間的傳遞函數(shù)，純線性函數(shù)（pruelin）作為隱含層和輸出層的傳遞函數(shù)，目標(biāo)向量為其對應(yīng)的損傷級數(shù).

訓(xùn)練完成后，將剩余114組組織樣本（樣本編號1～24為一級損傷組織、樣本編號25～89為二級損傷組織、樣本編號90～114為三級損傷組織）的超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)相對值分別輸入到各自訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，對其損傷級數(shù)進(jìn)行辨識，輸出用1，2，3分別表示一級損傷、二級損傷及三級損傷.觀察其輸出值如圖3，圖4所示，圖中“o”表示一級損傷，“＋”表示二級損傷；“＊”表示三級損傷，橫坐標(biāo)表示樣本編號.

圖3 基于回波能量的組織損傷級辨識Fig.3 Recognition of tissue damage degree based on echo energy

圖4 基于聲衰減系數(shù)的組織損傷級辨識Fig.4 Recognition of tissue damage degree based on attenuation coefficient

圖3，圖4中豎直線為一級損傷組織、二級損傷組織和三級損傷組織的樣本分界線，比較兩個(gè)參量對不同損傷級數(shù)樣本的辨識效果，由圖3，圖4可知，針對一級損傷組織，基于回波能量的辨識效果較好（有5例被誤判為二級損傷）；針對二級損傷組織，基于衰減系數(shù)辨識效果更好（5例被誤判為一級損傷，2例被誤判為三級損傷）；針對三級損傷組織，基于聲衰減系數(shù)有更好的辨識效果（8例被誤判為二級損傷）.114組組織樣本損傷級數(shù)辨識正確的分別有88例、93例，總辨識率分別為77.2%和81.6%.

圖5 基于雙參數(shù)的組織損傷級辨識Fig.5 Recognition of tissue damage degree based on double parameters

3.3 基于雙參數(shù)的HIFU損傷級辨識

為進(jìn)一步提高生物組織損傷級數(shù)的辨識效果，結(jié)合超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)兩個(gè)參量構(gòu)建了3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識別.將上述80組樣本的超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)相對值組成一個(gè)2＊80矢量矩陣作為訓(xùn)練樣本，將其輸入后進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練樣本的目標(biāo)向量為其對應(yīng)的損傷級數(shù)，在經(jīng)過132次訓(xùn)練后達(dá)到目標(biāo)誤差0.05.

訓(xùn)練完成后，同上，將剩余114組組織樣本的超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)相對值輸入到已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，觀察其輸出值，如圖5所示，圖中“o”表示一級損傷，“＋”表示二級損傷，“＊”表示三級損傷，圖中豎直線為一級損傷組織、二級損傷組織和三級損傷組織的樣本分界線，橫坐標(biāo)表示樣本編號.

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組織損傷級數(shù)辨識，一級損傷組織（樣本編號1～24）有4例被誤判為二級損傷，二級損傷組織（樣本編號25～89）有7例被誤判（其中4例被誤判為一級損傷，3例被誤判為三級損傷），三級損傷組織（樣本編號90～114）有4例被誤判為二級損傷，114組組織樣本損傷級數(shù)辨識正確的有99例，總的辨識率達(dá)到86.8%.實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)合兩個(gè)參量建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對于僅使用某種特征參數(shù)而言對各級損傷組織的辨識率均有所提高，尤其在組織損傷嚴(yán)重時(shí)其優(yōu)勢更明顯.

4 結(jié) 論

本文從信號處理的角度研究了HIFU治療中組織損傷程度的監(jiān)測方法，為HIFU治療過程監(jiān)控提供了一種新的思路.通過對194例新鮮離體豬肉組織在HIFU輻照前后獲得的B超回波信號進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)各自都能反映組織損傷級的變化，綜合超聲散射回波能量和聲衰減系數(shù)特征并輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可獲得更好的辨識效果，尤其在組織損傷嚴(yán)重時(shí)優(yōu)勢更明顯.通過監(jiān)測HIFU治療中生物組織的損傷情況，有助于及時(shí)調(diào)整HIFU治療劑量，對HIFU療效評價(jià)也能提供一定的參考.由于離體實(shí)驗(yàn)的低信噪比及樣本數(shù)等局限，辨識效果會受到一定的影響，此研究結(jié)果應(yīng)用于腫瘤治療還需要獲取更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究.

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