基于高斯過程回歸高強度聚焦超聲儀器采集圖像的層間測距算法

高洪玉

(齊魯醫(yī)藥學(xué)院計算機教研室，山東 淄博 255000)

1 引 言

高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)是一種治療實體腫瘤的新興技術(shù)手段，采用非介入式方法通過高強度的超聲能量消融腫瘤[1-2]。在HIFU治療中一個關(guān)鍵的問題是對腫瘤的準(zhǔn)確定位。在手術(shù)過程中，需要對腫瘤的位置進行實時定位，才能保證正確地消融腫瘤而不傷害健康的組織[3]。HIFU治療中，由步進電機控制探頭，按照一定的間距對組織器官進行掃描，通過超聲成像，將治療焦點定位于靶區(qū)。雖然治療中的傳感器可以精確獲取位置數(shù)據(jù)，但是在治療過程中，人體內(nèi)的組織器官不可能保持完全靜止，另外呼吸也會造成器官的蠕動，引起治療目標(biāo)的運動或變形，使得步進電機記錄的位移產(chǎn)生偏差。因此，如果僅依賴于術(shù)前制定好的治療坐標(biāo)，勢必會造成一定的誤差[4-5]。此外，目前國內(nèi)外的層間測距算法應(yīng)用的測距范圍均在1 mm以內(nèi)，而在HIFU治療中，步進機控制探頭移動的距離最小是1 mm,因而限制了在HIFU圖像中的應(yīng)用[6-7]。針對這些問題，本研究提出基于高斯過程回歸的層間測距算法。對斑塊特征和層間間距之間的關(guān)系直接建模，通過對已知樣本的訓(xùn)練，求解模型的參數(shù)，得到回歸器，用于層間測距。

2 實驗材料與實驗參數(shù)

2.1 實驗材料

本研究中所使用的HIFU超聲圖像均來源于我院的JC200型聚焦超聲腫瘤治療儀器，該儀器由中國重慶海扶醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)，其所用超聲成像探頭采用百勝PA230e相控陣探頭，該探頭包含128陣元，為平面探頭，壓電晶片的整體尺寸為22 mm×15 mm，主頻率3.5 MHz，增益43%，聚焦深度均位于樣本中心。

訓(xùn)練材料包括1塊牛肝組織和1塊豬肉組織；測試材料包括1塊豬肉組織，1塊牛肝組織和1塊牛肉組織。

圖1實驗所用樣本

Fig1Sampleusedintheexperiment

2.2 實驗參數(shù)

通過步進電機控制超聲探頭的位移對樣本進行序列掃查，每次位移為1 mm。每個樣本組織采集的序列圖像包含層間方向從-45～45 mm的間距為1 mm的91幀圖像。因此，訓(xùn)練集包括2組超聲圖像，共182幅圖像。測試集包含3組超聲圖像，共273幅圖像。實驗過程所用的訓(xùn)練樣本和測距樣本之間沒有交集，以證實本方法的普適性和穩(wěn)定性。由于實驗所用材料是靜止的，因此，同一序列中相鄰兩幀圖像的間距即可認(rèn)為是超聲探頭一次位移的距離1 mm，我們將步進電機記錄的位移距離作為測距的理論值，衡量本研究測距算法的準(zhǔn)確性。

2.3 訓(xùn)練過程

如圖2所示，在超聲圖像中選擇6個不同位置，每個圖塊含有20×20個像素點。這6個平面內(nèi)的位置從上到下，從左到右依次被記為pos1,pos2,...,pos6。對于各個位置的回歸器，訓(xùn)練過程采用訓(xùn)練集中各幀圖像在該位置處的圖塊的特征。需要進行6次回歸訓(xùn)練，得到相應(yīng)位置的6個回歸器。

圖2 回歸器的位置Fig 2 Position of regressor

針對位置為posi處的回歸器，訓(xùn)練過程包括：(1)選擇訓(xùn)練集圖像中相應(yīng)位置的斑塊；(2)對于每一個選取的斑塊，這里稱為參考斑塊。根據(jù)傅里葉方向矯正算法進行方向矯正，提取其所在平面幀內(nèi)特征；對于距離d{0，1,2,3,4,5}，在層間方向，分別找出與其相對應(yīng)的斑塊，與參考斑塊的間隔距離分別為0、1、2、3、4、5 mm。這樣得到了6組斑塊對；對于每一對斑塊，計算幀間特征ρ，幀間特征與幀內(nèi)特征一起構(gòu)成了特征向量f，并記錄其之間相對的距離d；這樣，對應(yīng)于這一選定斑塊得到了6組特征向量和6個與之對應(yīng)的目標(biāo)值d，d{0,1,2,3,4,5}，這六組特征向量的幀內(nèi)特征是相同的，只有幀間特征ρ不同。(3)將訓(xùn)練集特征向量集合作為輸入，相應(yīng)的距離作為輸出，投入到高斯過程回歸訓(xùn)練中，訓(xùn)練得到位置posi對應(yīng)的回歸器，記為regi，將以上三步針對位置1～6重復(fù)6次，得到6個回歸器，分別記為reg1,reg2,…，reg6。

2.4 測距過程

3 測距結(jié)果與分析

從統(tǒng)計結(jié)果來看，測量絕對誤差均值相對較小，在1～3 mm的范圍內(nèi)。絕對誤差均值均低于0.5 mm，而且相對誤差的均值保持在10%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差比較穩(wěn)定，浮動不大。而在4 mm和5 mm處測量誤差相對較大，絕對誤差均值在1 mm左右，相對誤差也會出現(xiàn)變大的趨勢。但總體的相對誤差在25%內(nèi)。

表1 層間測距誤差分析

4 結(jié)論

從以上實驗結(jié)果分析，本研究提出的基于高斯過程回歸的方法在1～3 mm的范圍內(nèi)，具有良好的測距結(jié)果。在一定程度上可以證明該方法的合理性和有效性。當(dāng)距離超過3 mm時，測距誤差相對較大。關(guān)于該問題有兩方面的原因，一方面是，本研究所用的超聲探頭分辨率為2 mm左右，根據(jù)斑點解相關(guān)原理，斑點的相關(guān)性源于分辨單元的交疊，根據(jù)分辨單元的大小，這種相關(guān)性，只存在于幾個mm的范圍內(nèi)，當(dāng)超過該范圍時，斑點的相關(guān)性就會減弱，或者消失。另一方面，由于生物組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，組織內(nèi)部的散射環(huán)境也是非常復(fù)雜的。對于真實的生物組織，由于相干散成分的存在，其斑點解相關(guān)曲線的解相關(guān)率會變慢，而且在超過一定范圍后，解相關(guān)曲線不再呈現(xiàn)單調(diào)性和規(guī)律性。目前層間測距算主要適用于測距范圍在1 mm以內(nèi)，主要有基于斑點檢測的層間測距,其相對誤差大約為25%[8]，自適應(yīng)的斑點解相關(guān)的方法，相對誤差范圍為10%～20%[9]，學(xué)習(xí)式解相關(guān)曲線的測距方法，相對誤差范圍同樣是10%～20%[10]。從測距相對誤差來看，我們的方法，與目前國內(nèi)外的研究成果水平相當(dāng)，但是我們的方法主要用于大于1 mm的范圍，表明該算法在大距離范圍內(nèi)層間測距中具有良好的效果。

本研究提出的算法在1～3 mm的范圍內(nèi)有著良好的效果，但是在超過3 mm的范圍內(nèi)還存在一定的誤差，在一定程度上說明，斑點的解相關(guān)性只在一定的范圍內(nèi)適用。另外，在一定的條件下斑點在橫向和層間的解相關(guān)規(guī)律表現(xiàn)是一致的，如果可以通過紋理特征來表征具有這種特性的圖塊，那么就可以將橫向解相關(guān)規(guī)律直接用于測距。在以后的研究中可以對這些問題做進一步的研究。