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Volume 5 | Article ID 0037 |
https://spj.science.org/doi/epdf/10.34133/bmef.0037![]()
近日，华中科技大学集成电路学院光电子实验室朱本鹏教授联合复旦大学附属华东医院肿瘤科HIFU中心在Science 合作刊BMEF上发表题为“Real-Time Reconstruction of HIFU Focal Temperature Field Based on Deep Learning ”的文章。高强度聚焦超声（High-Intensity Focused Ultrasound，HIFU）是一种非侵入性的治疗方法，利用超声波的热效应和空化效应，HIFU能够精准地作用于病变组织，导致其产生凝固性坏死，从而达到治疗目的。这种治疗方法能有效避免对周围正常组织的损伤，大大降低了治疗的副作用，因此成为一种常见的无创肿瘤消融技术。然而，HIFU技术的实施并非易事，由于非均匀生物介质（骨骼、肌肉、脂肪和血管等）的复杂性，一般很难准确地计划有效的超声剂量（如声功率和治疗持续时间等）。
准确实时监测HIFU病灶区域内的温度对临床癌症治疗具有重要的科学意义和实用价值。前人的研究主要通过纯理论建模方法、热电偶温度测量方法以及MRI温度监测技术等进行监测，但对HIFU焦域内温度分布的精确和实时监测仍然挑战性巨大。为了解决HIFU在临床应用中的遇到的困难，本研究朱本鹏教授团队提出了一种基于深度多模态Teacher-Student（Multi-Modal Teacher-Student，MMTS）模型的温度分布重建策略（图1），研究团队分别在仿真模型、体外和体内实验中评估了MMTS模型的性能，通过研究仿真模型、体外和体内超声回波信号与温度之间的关系，成功地实现了HIFU聚焦二维温度场区域的实时重建，且模型精度与热电偶相当，最大温度误差小于2.5°C。![]()
图1 MMTS模型框架。
首先，研究团队进行HIFU治疗期间仿真模型温度场的重建，本文构建了一个诊断-治疗-温度测量集成的HIFU系统（图2A），以评估实时温度场重建能力。该系统收集HIFU治疗过程中的超声回波信号和温度变化，基于MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较，选择五个时间节点来重建HIFU聚焦区域内的时空温度分布。随着HIFU治疗时间的增加，温度场范围逐渐扩大，热尺度图逐渐增强(图2D-2M)。![]()
图2 HIFU治疗过程中模型的实时温度场重建。(a) 实验系统。(b) 模型中热电偶的分布。TC1-TC4表示热电偶编号。(c) MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较。(d)-(h) HIFU治疗期间不同时间节点的B模式超声图像。(i)-(m) MMTS在HIFU治疗期间在不同时间节点重建的二维温度场。(n) 基于(i)-(m)的焦域的轴向和横向插值剖面。
下一步，研究团队进行了HIFU治疗期间的体外温度场重建，以评估离体组织中温度场的重建能力（图3）。同样地，基于MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较，选择五个时间节点来重建HIFU聚焦区域内的温度分布。随着HIFU治疗时间的增加，温度场范围逐渐扩大，热尺度图逐渐增强，温度场逐渐呈椭圆形。病灶区域的凝固性坏死会导致组织移位，MMTS可以有效整合多模态数据，显著减轻组织位移引起的温度场畸变。![]()
图3 HIFU治疗期间体外实时温度场重建。集成换能器的正视图(a)和侧视图(b)。(c) MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较。(d)-(h) HIFU治疗期间不同时间节点的B模式超声图像。(i)-(m) MMTS在HIFU治疗期间在不同时间节点重建的二维温度场。(n) 基于(i)-(m)的焦域的轴向和横向插值剖面。最后，研究团队通过分析HIFU治疗过程中活体组织内的温度分布，验证了对HIFU治疗期间体内温度场重建（图4）。与体模和体外实验不同，体内实验涉及闭环HIFU治疗过程，包括加热和冷却阶段。研究团队基于MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较，选择八个时间节点来重建HIFU聚焦区域内的温度分布，实验结果进一步证实了MMTS在动物二维温度场重建中的可行性和准确性。![]()
图4 HIFU治疗过程中的体内实时温度场重建。(a) 体内实验示意图。(b) 热损伤区域和热电偶插入位置。(c) MMTS预测温度与热电偶测量温度的比较。(d)-(h) HIFU治疗期间不同时间节点的B模式超声图像。(i)-(m) MMTS在HIFU治疗期间在不同时间节点重建的二维温度场。(n) 基于(i)-(m)的焦域的轴向和横向插值剖面。
在这项研究中，研究团队提出了一种深度MMTS模型，它能够快速准确地重建HIFU治疗中的焦域温度场，从而避免了在HIFU治疗过程中因热电偶侵入组织而引起的癌症细胞转移以及组织汽化导致的超声图像干扰。MMTS模型具有良好的可推广性（适用于金属植入患者、孕妇和儿童等）、实时性（0.1s-0.2s）、非侵入性和通用性，有效地提高了HIFU热疗研究的可重复性和可扩展性。本研究结果和MMTS模型为未来个性化治疗剂量规划奠定了基础，并为无创、非电离癌症治疗做出了重大贡献。 本文的通讯作者是华中科技大学光学与电子信息学院朱本鹏教授（国家级青年人才、湖北省杰青），主要从事面向生物医学的超声理论与技术研究，以第一/通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等国际权威期刊发表学术论文60余篇，多篇入选ESI高被引论文和热点论文。
审核：孙敏轩、刘萍萍
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0037
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BMEF (《生物医学工程前沿》)是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET CAS)与美国科学促进会(AAAS)/Science合作出版的开放获取国际学术期刊。期刊旨在为生物医学工程这一交叉学科提供一个高效的交流平台，以推动领域内的科学家、工程师和临床医学专家及时地交流，共同促进人类健康。期刊关注在致病机理研究和疾病预防、诊断、治疗及评估方面取得的突破性进展，包括概念、设备、材料、组织、过程和方法等。目前，BMEF 已陆续被DOAJ、CNKI、INSPEC、PubMed Central、Scopus、ESCI、Ei Compendex等知名学术数据库收录，并将于2024年获得首个影响因子。https://spj.science.org/journal/bmef/https://www.editorialmanager.com/bmef/
