High Intensity Focused Ultrasound Treatment and Image-based Tracking with Periodic Tumor Motion

超音波熱治療手術為一種非侵入式手術，利用機械波的震動與聚焦造成組織溫度的升高，而其中陣列換能器由於具備振幅與相位的可調性，其聚焦點可經由電子式控制而改變聚焦位置。以超音波熱治療時，必須準確地將熱劑量送至異常組織以避免造成對正常組織傷害。近年來，許多論文探討以核磁共振攝影引導超音波熱治療觀測溫升變化，透過影像可得知異常組織位置與溫度。 然而由於內臟器官會因呼吸所引起橫隔膜運動而帶動其做立體空間的運動，這些運動會導致超音波無法準確聚焦在目標區域上。同時在硬體方面無論影像系統或者是治療系統本身，都需要驅動時間與運算時間，所以系統延遲是必然的。因此必須以預測運算來減少聚焦點與目標物間之距離誤差，以達到熱劑量準確送達異常組織之目的。 本論文中，以CCD影像模擬醫學影像，利用馬達帶動平台運動模擬由呼吸所引起的內臟運動軌跡，再利用相位陣列換能器動態聚焦的能力對運動中的目標物進行追蹤加熱。透過簡易的系統架構，瞭解實務上將會遇到的問題，以利克服日後系統整合上的困難。Image guidance in hyperthermia offers the potential for precise thermal dose delivery to a moving tumor. MR-Image guided ultrasound thermal therapy has been investigated in many studies recently. MR-Image offers not only the temperature field in the tissue but also the other information, for instance, perfusion…etc. Phased array transducer has the ability to change the focus position and patterns by tuning the phase and power per element on array transducer. The main system is to combine CCD image system used to simulate image acquired by medical image(MRI, Ultrasound Image, diagnostic x-ray imaging ) with HIFU(High Intensity Focus Ultrasound). Putting tissue on the movable plane controlled by servo-motor simulates the organ motion by respiration. To integrate motion system, image sensor and sonic-system is the main operation for solving "locked on target" through image detection. However, the delivery of a treatment plan through sonic beam tracking requires adequate consideration of treatment system latencies, including image acquisition, image processing, communication delays, control system processing, inductance within the motor, mechanical damping, etc. Regular respiratory motion fitted by Fourier series is ordered to overcome system delay.目錄 第一章 序論 1 1.1 考慮腫瘤運動狀態下之超音波熱治療 2 1.2 研究動機 7 1.3 研究目的 8 1.4 論文章節 9 第二章 超音波熱治療之理論分析 10 2.1 雷利-薩瑪菲爾德繞射積分式 11 2.2 焦點控制 12 2.3 溫度場與熱劑量理論分析 14 2.4 度卜勒效應 16 2.5 移動換能器於加熱組織之效果 18 2.6 小結 20 第三章 影像處理之理論分析 21 3.1 二維互關係運算 21 3.2 邊緣偵測法 23 3.2.1 過濾原始圖片中的雜訊 23 3.2.2 影像梯度求邊線強度 24 3.2.3 邊線方向角度 25 3.2.4 細化邊緣線 26 3.2.5 延伸邊緣線 27 3.3小結 28 第四章 週期性腫瘤運動之影像追蹤與超音波熱治療 29 4.1曲線契合之預測演算法 29 4.2實驗系統概論 32 4.2實驗步驟說明 37 4.3系統整合介面簡介 39 4.4平台運動 40 4.5影像擷取 42 4.5.1 像素尺寸大小 43 4.5.2 歸零 45 4.5.3 軌跡記錄 46 4.6 驅動功率放大器 47 4.7換能器限制-動態聚焦點之壓力場比較 48 4.8簡易聚焦壓力檢測法 53 4.9小結 55 第五章 實驗結果 56 5.1定點加熱治療 56 5.1.1 控制聚焦點 57 5.1.2 定點加熱於天然聚焦點 64 5.1.3 定點加熱於聚焦點偏移-3cm 67 5.2組織來回等速運動之加熱治療 70 5.2.1 振幅5mm之來回等速運動 70 5.2.2 振幅10mm之來回等速運動 73 5.3影像追蹤組織之加熱治療 75 第六章 討論與結論 83 參考文獻 8