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1、摘 要 I 生物组织温度场的超声无损检测及可视化表达 摘生物组织温度场的超声无损检测及可视化表达 摘 要 要 高强度聚焦超声治疗技术(HIFU)是当前肿瘤治疗的重要手段之一，它将高声强超声能量聚焦于肿瘤内部，局部产生瞬间高温，使癌细胞的蛋白质达到凝固温度致其死亡，以达到治疗的目的。为了杀死癌细胞而又不损伤正常组织，温度监控将直接影响到治疗的效果，故在HIFU治疗期间对组织损伤评价及组织温度的监测十分重要。传统的有损测温的方法会给病人带来痛苦且容易引起肿瘤转移，因此其应用受到很大限制。超声无损测温方法因其相对低的成本，且易与治疗系统兼容而倍受关注。 本文充分利用HIFU和监控数字B超建立了一套适
2、用于HIFU治疗的测温系统，并用该系统参照实际治疗条件进行了大量的离体实验，通过用不同方法对HIFU辐照下组织的B超图像进行分析， 探讨组织温度与B超图像各参数的相关性，其主要工作有： (1)在超声测温原理分析的基础上设计均匀缓慢加热无损测温实验系统，研究生物组织超声图像与其温度的相关性。该系统主要由B超仪，恒温加热水箱，数字热电偶采集仪，图像采集卡和计算机组成。 (2)设计编写了适用于无损测温的软件系统，软件系统功能包括：HIFU源发射控制，实验图像采集存储，数字热电偶温度采集存储，图像摘 要 II 处理，数据处理和分析，结果的可视化显示，及阈值设定与报警。实现了肿瘤热疗中的实时温度无损检测
3、与显示。 (3)以新鲜的离体猪肉和鸡心为研究对象，研究了水浴加热中生物组织B超特征参数的变化。通过大量实验数据分析了B超图像的灰度特征与组织温度的关系。研究发现：当生物组织的温度在60以内时，生物组织感兴趣部位的灰度变化和温度变化基本呈线性关系，达到温度无损测控的可能性。 (4)以新鲜的离体猪肉为研究对象，研究了HIFU加热中生物组织温升区域的变化。通过维纳滤波，灰度阈值，腐蚀膨胀，伪彩色增强的图像处理手段，实现了组织温度场的可视化表达。在一定程度上反映了组织消融情况，据此可监测热凝固区的变化和评估疗效。 关键词：关键词：超声无损检测，超声热疗，高强度聚焦超声，温度场 ABSTRACT III
4、 Noninvasive Ultrasound Estimation and Visualization of Tissues Temperature Field ABSTRACT Nowadays high-intensity focused ultrasound (HIFU) therapy is a significant technology in cancer treatment, which focuses ultrasound energy to the focal point of cancer. When focused ultrasound energy shoots on
5、 the biological tissue, the local temperature will rapidly raise up to the cancer cells concretionary degree to kill the cancer for the treatment. In order to kill cancer cell and do not destroy normal tissue, it is vital for one to monitor the temperature during HIFU therapy. So temperature monitor
6、ing becomes very important during the process of HIFU therapy. Traditional invasive temperature estimation can bring patient pain and transfer cancer cell easily, so this method is limited for the application in clinic. For the low cost and good compatibility, Ultrasound noninvasive temperature esti
7、mation is especially concerned. Made the best use of HIFU and digital B ultrasound, we set up a HIFU therapy and temperature measurement system and had done abundant experiments in vitro. The different techniques of ultrasound temperature ABSTRACT IV estimation were discussed by B-mode image process
8、ing. The main work can be divided as following. According to the principles of ultrasound temperature estimation, the noninvasive ultrasound temperature estimation system was established as hyperthermia experimental set-up and HIFU experimental set-up, in order to study the correlation between bio-t
9、issues B-mode images and temperature. The system mainly consists of high intensity focused ultrasound, B-mode ultrasound, constant temperature heating water tank, digital thermal couple instrument, image capture card and computer. Designed noninvasive temperature estimation software system, which fu
10、nctionally consists of B-mode image capture and save, digital thermal couples temperature capture and save, image processing and analyzed result display. Then the temperature can be noninvasively measured and displayed in the software system. Fresh porcine tissue and chicken in vitro were subjects i
11、n the research, and the changes of the parameters for tissues B-mode ultrasound when heating up in hot water was studied. Through vast data, relationship between gray scale in B-mode ultrasonic image and tissue temperature was analyzed. Research indicated, when the tissues temperature rose up to 60,
12、 a linear relationship between the gray scale of tissues area of interest and its ABSTRACT V temperature was showed. So it is possible to achieve noninvasive temperature estimated and control. Degassed water, fresh porcine tissue in vitro used as subject, the change of area where the tissues tempera
13、ture in HIFU rose was studied. Through image processing methods such as Wiener filtering, gray threshold, corrosion expansion, pseudo color enhancing, the visual expression of the tissues temperature in focus area was achieved. To an extent, tissue ablation was reflected and thats can be used to det
14、ect the change of tissue coagulation and estimate therapy effect. Keywords: Noninvasive ultrasound estimation, Hyperthermia, High intensity focused ultrasound, Temperature field 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进
15、行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：李威 指导教师签名：萧翔麟 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名
16、：李威 日期：2009 年 2 月 2 日 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 超声诊断在现代医学中的应用和发展超声诊断在现代医学中的应用和发展 超声诊断学1是一门新兴的技术， 它起源于 40 年代初期， 50 年代实际用于临床，近十多年来有了很大的发展。现在由于电子技术的进步，根据临床上需要和超声的物理特性制出了多种类型的诊断仪器， 探察方法也不断改进和增加， 已广泛用于眼、 脑、心血管、肾、肝、脾、胆囊和子宫等各种疾病的诊断和鉴别诊断，对许多疾病具有实用价值，弥补了 X 射线诊断和同位素诊断的某些不足，而且有其独到之处，日益成为临床上重要的现代诊断方法之一。 最早应用超声探察疾病的是 K.T.Dussik1， 在 1942 年使用连续式 A 型超声仪， 用穿透法诊断脑颅疾病，经过试验研究，穿透法取得的进展不大，至 1950 年各国的学者开始研究利用 A 型脉冲式超声诊断仪，用反射法探察疾病，先后用于探察胆结石、乳腺脓肿、肾脏肿
