TWI443319B - 超音波測溫系統與方法 - Google Patents

Description

超音波測溫系統與方法

本申請案是有關於一種測溫系統與方法，且特別是有關於一種超音波測溫系統與方法。

近來在臨床治療領域中，非侵入式治療已受到高度重視，而其中之熱治療更是一種被廣泛應用於癌細胞控制、組織燒灼等非侵入式之醫療行為。故而非侵入式已成為超音波熱治療的最大特色。

在熱治療的醫療過程中，為監控加熱程度以避免傷害週遭的正常細胞組織，具有可提供即時區域溫度變化分佈的量測系統便顯得相當重要。倘無此類監控加熱系統，臨床醫師便無法精確掌握體內組織的詳細溫度變化，除了增加治療行為困難以及手術危險度增加，更使得熱治療在臨床的應用上備受限制。

目前已知之相關量測技術，包括人體阻抗溫度量測法、磁振造影量測法、紅外線溫度量測法及超音波組織溫度量測法等方法，其用以達到組織溫度之量測監控。但各式技術仍有其缺點，如人體阻抗溫度量測法有空間解析度不佳且變異性過大的缺點，且在臨床應用上亦較為少見。而磁核造影量測法雖能提供較高的空間解析度，但受限於掃描速度過慢而無法達到即時性量測，且因設備系統購置成本昂貴、系統體積龐大，不易與其它溫度療法整合。而紅外線溫度量測法則無法提供深層組織之溫度變化，因此不適合作為熱治療過程中之溫度變化監控設備。

傳統的技術係利用超音波取得溫度分佈資訊，其優點為：非侵入式量測、即時影像掃描、系統機動性強、系統價格低廉等優點，然其準確性不足卻成為最大的限制。

所以，存在一種需求，如何可以使得利用超音波取得溫度分佈資訊，同時提升溫度準確性，實為目前研究發展之一重要方向。

本申請案係有關於一種超音波測溫系統與方法，其藉由結合互相關演算法(cross-correlation algorithm)與零點交叉演算法(zero-crossing algorithm)之精髓，提高超音波溫度量測之精確度。

根據本發明之一方面，提出一種超音波測溫系統，用以量測一目標物體之一溫度，包括超音波探頭與處理模組。超音波探頭係用以針對該目標物體擷取一第一影像與一第二影像。處理模組係以零點交叉演算法處理該第一影像以擷取複數個第一零交叉點，並依據該些第一零交叉點以互相關演算法處理該第一影像與該第二影像以獲得複數個偏移量。其中該處理模組更依據該些偏移量計算出該溫度。

根據本發明之另一方面，提出一種超音波測溫方法，用以量測一目標物體之一溫度，包括：針對該目標物體擷取一第一影像與一第二影像；以零點交叉演算法處理該第一影像以擷取複數個第一零交叉點；依據該些第一零交叉點以互相關演算法處理該第一影像與該第二影像，以獲得複數個偏移量；以及依據該些偏移量計算出一溫度。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式予以充份描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行之人士可修改在本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因此，須瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。

請參照第一圖，其根據本發明一實施例繪示超音波測溫系統100之系統架構圖。於本發明的實施例中，超音波測溫系統100至少包括一超音波探頭110與一處理模組120。於一實施例中，超音波測溫系統100可更包括影像模組130。

超音波探頭110，例如是測量用聚焦式超音波探頭，於一實施例中，可以一超音波脈衝產生器驅動超音波探頭110發射超音波訊號至物體S，並接收反射回來之回波訊號。也就是說，超音波探頭110可用以針對目標S擷取影像。

處理模組120，例如是一微處理器，用以處理所接收之訊號。於一實施例中，處理模組120可更包括一儲存裝置，內存有互相關演算法與零點交叉演算法等，可將所接收之訊號依據內存於儲存裝置的演算法進行演算。然於另一實施例中，互相關演算法與零點交叉演算法等可以硬體實現於處理模組120，以加速演算速度。

影像模組130，例如是一顯示螢幕，用以顯示影像供使用者觀賞，例如是顯示物體之溫度。於一實施例中，影像模組130例如是可為一投影模組，可將影像投影於一平面上。

請參照第二圖，其根據本發明一實施例繪示超音波測溫方法200之流程圖，其用以量測目標物體S之溫度。請同時參照第一圖。

於步驟S210中，超音波探頭110針對目標物體S擷取一第一影像與一第二影像。舉例來說，利用超音波測溫系統100來偵測目標物體S之溫度，由於物體S之溫度上升，所以超音波探頭110所擷取之第一與第二影像之資訊有所不同。請參照第三圖，其繪示針對目標物體S所擷取之數據的振幅與深度對應圖，第一數據例如是第三圖中的M1，第二數據例如是第三圖中的M2，其中第一與第二數據係處理模組120處理第一與第二影像所得。於一實施例中，第一影像可為該目標物體S溫度變化前所擷取，該第二影像可為該目標物體S溫度變化後所擷取。

其中，比較溫度變化前後的兩組數據，可以看到在溫度開始升高的位置，例如是第三圖中的三角點▼位置，開始有訊號延遲現象。這個延遲現象起因於聲波在介質中的傳遞速度會隨介質的溫度變化而有所改變。一般來說，在介質中溫度較高的地方，聲波傳遞速度較快。

於步驟S220中，處理模組120以零點交叉演算法處理第一影像以擷取複數個第一零交叉點。舉例來說，請參照第四圖，其繪示第一與第二數據M1、M2與X軸相交示意圖，其中第一與第二數據例如是處理模組120處理第一與第二影像所得。於一實施例中，處理模組120例如是處理第一影像獲得第一數據M1後，以零點交叉演算法處理第一數據M1而擷取複數個第一零交叉點，例如是第四圖中的Z1、Z2、Z3。雖於此以三個零交叉點為例來作說明，然本發明不限於此，只要是依據第一影像獲得之零交叉點，皆屬於本發明之範圍。

於步驟S230中，處理模組120依據該些第一零交叉點以互相關演算法處理該第一影像與該第二影像，以獲得複數個偏移量。舉例來說，請參照第四圖，第一數據M1係依據第一影像所得，處理模組120可將第一影像中的第一零交叉點Z1、Z2與Z3之個別相關區域，與其對應第二影像中第二數據M2之對應區域，以互相關演算法進行處理，可獲得複數個偏移量，例如是D1、D2與D3。

於一實施例中，此些偏移量係依據第一數據M1中鄰近第一零交叉點Z1~Z3之一特定範圍內之數值，與第二影像中對應此些第一零交叉點Z1~Z3之特定範圍內之數值，以互相關演算法所計算出。舉例來說，此特定範圍例如是25個畫素(pixel)，鄰近第一零交叉點Z1之25個畫素內之數值例如是R1，則處理模組120可以互相關演算法計算出第一影像與第二影像於R1範圍內之偏移量，同理可計算出R2、R3範圍內之偏移量。雖於此以25個畫素為例作為說明，然本發明不限於此，只要係以一特定範圍，無論此範圍為多少，或是此範圍為零交叉點前一第一數值(例如是前5個畫素)與零交叉點後一第二數值(例如是後45個畫素)，皆屬於本發明之範圍。

於步驟S240中，處理模組120依據此些偏移量計算出一溫度。舉例來說，由於超音波測溫系統100所計算出之偏移量係對應到聲速的變化量，故處理模組120可依據聲波傳遞速度和介質溫度的相對關係，回推溫度的變化量，如此即可推得目標物體S的溫度。

一般來說，互相關演算法與零點交叉演算法各有其限制。舉例來說，互相關演算法是利用兩個數據的「相似度」來計算相對的偏移量，局部區域如有雜訊破壞兩訊號的相似度，可能會造成誤算；另一可能產生誤算的情況是比對到另一個相似位置；由於超音波訊號是類似正弦波訊號，比對區域如果訊號特徵不夠強，有可能會比對到錯誤的區域；此外，互相關演算法的計算量較大，計算時間較長，也是另一個缺點。然而，互相關演算法同時也具有能較精確的比對之優點。

零點交叉演算法是利用兩訊號通過X軸來計算偏移量。理想上來說，兩組訊號通過X軸的零交叉點之數目應為相同，而藉由一對一比對，即可得到各區域的偏移量。然而實際情況中，兩組訊號的零交叉點數目不會相同，常常會有遣漏的情形。另一個情況是當偏移量大過正弦波的一個周期，零交叉點的比對會變得更為困難。換句話說，當溫度過高時，偏移量變大，零交叉點演算法即可能失效。

然而，本發明所提出之超音波測溫系統與方法，藉由結合互相關演算法與零點交叉演算法之精髓，可具有兩演算法之優點，也就是同時具有零交叉點演算法之簡易計算之特徵，與互相關演算法之較精確比對結果之優點。

此外，於一實施例中，第二圖所示之超音波測溫方法可更包括一提升精確性之步驟。舉例來說，請參照第五圖，其根據本發明一實施例繪示提升精確性方法500之流程圖。於步驟S510中，處理模組120以零交叉點演算法處理該第二影像以擷取複數個第二零交叉點。舉例來說，請參照第四圖，處理模組120處理第二影像以獲得第二數據M2並擷取第二零交叉點Z’1~Z’3。

於步驟S520中，處理模組120將該些第一與第二零交叉點Z1~Z3、Z’1~Z’3依據各點斜率分為上升交叉群組與下降交叉群組。舉例來說，Z1與Z’1係由振幅為正區域穿過X軸至振幅為負區域，所以Z1與Z’1點之斜率為負，故分類為下降交叉群組。同理Z3與Z’3也被分類為下降交叉群組。相對的，由於Z2與Z’2係由振幅為負區域穿過X軸至振幅為正區域，所以Z2與Z’2被分類為上升交叉群組。

於步驟S530中，處理模組120依據該些偏移量判斷該些第一零交叉點與所個別對應的該些第二零交叉點是否屬於同一群組。

於步驟S540中，處理模組120刪除不屬於同一群組的該些第一零交叉點所對應之偏移量。

舉例來說，由於此些第一零交叉點Z1~Z3加上各別之偏移量，理論上係對應至第二零交叉點Z’1~Z’3。然而，由於實際擷取出數據時，數據的波形圖並非如第三、第四圖所繪示般完美，因受雜訊影響，即可能與X軸有許多交叉點。而若第一零交叉點加上其偏移量所對應之第二零交叉點，與所對應之第一零交叉點並非屬於同一群組，則此第一零交叉點極可能是為受雜訊影響而與X軸相交，並非為真正之交叉點，故可刪除。

而藉由第五圖所繪示之方法，由於可刪除非正確之交叉點之偏移量，故可減少雜訊之影響，可提升溫度計算之精確性。

於另一實施例中，或是可結合第五圖所示之方法，處理模組120可更計算出該些偏移量的一中位數，並刪除與該中位數差距過大之偏移量。舉例來說，若處理模組120計算出該些偏移量的中位數為5，若有一偏移量與鄰近偏移量之差距相當大，且與中位數之差距也相當大，此偏移量例如是15，則處理模組120可刪去此明顯受到雜訊影響之偏移量，以確保溫度計算之精確性。

此外，於計算出偏移量後，例如是步驟S240之後，無論是否有施以精確化之步驟，例如是前述中位數之方法或是第五圖所示之方法，無論是否有刪除部分不精確之偏移量，處理模組120皆可以內差法依據該些剩餘偏移量，計算出該第二影像相對於該第一影像的一各點偏移量。

再來，於計算出該第二影像相較於該第一影像之各點偏移量後，計算模組120可針對各點偏移量微分以取得目標物體S之溫度與變化位置。

舉例來說，請參照第三圖，若依據第一零交叉點Z2所計算出偏移量係不精確，例如是與中位數之差距過大，則刪除依據第一零交叉點Z2所計算出之偏移量。而第一零交叉點Z1與Z3之間的各點偏移量，可依據第一零交叉點Z1所計算出之偏移量，與依據第一零交叉點Z3所計算出之偏移量，以內差法求得。

而目標物體S之溫度與變化位置之取得方式，舉例來說，請參照第六圖，其繪示未加熱物體、加熱一次物體、以及加熱兩次物體之偏移量與溫度關係圖。其中，左側第一張係處理模組120處理超音波探頭110針對未加熱物體所擷取影像所得之數據，第二張係處理模組120處理超音波探頭110針對加熱一次之物體所擷取影像所得之數據，第三張係處理模組120處理超音波探頭110針對加熱二次之物體所擷取影像所得之數據。

而藉由超音波測溫系統100及其方法處理後之偏移量，例如是第六圖中央三圖，其各別對應至未加熱、加熱一次與加熱兩次之目標物體S，可明顯發現第六圖中央第一張並未有任何偏移量，可理解其係因並未有加熱動作加諸於目標物體S上。而當目標物體S加熱一次時，如第六圖中央第二張所示，於加熱點後，各點偏移量累積至一定程度時，後續之畫素即維持此偏移量。而當目標物體S加熱兩次時，如第六圖中央第三張所示，偏移量即會對應加熱點而跳升兩次。

而藉由對偏移量執行微分之動作，如第六圖右側三張圖所示，即可推得溫度的變化量與變化位置。

總結來說，由於本發明所揭露之超音波測溫系統與方法擷取互相關演算法(cross-correlation algorithm)與零點交叉演算法(zero-crossing algorithm)各別之優點，使得推算出來之溫度具有較高之精確性。如第七圖所示，其繪示各別使用CCR、ZCT與ZCT+CCR三種演算法所計算出來的偏移量，可明顯得知，單純使用CCR或ZCT得到的偏移量，會有較多的誤算產生，而使用ZCT+CCR所得到的偏移量相較平滑。

綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．超音波測溫系統

110．．．超音波探頭

120．．．處理模組

130．．．影像模組

M1．．．第一數據

M2．．．第二數據

S210~S240、S510~S540．．．流程步驟

Z1~Z3．．．第一零交叉點

Z’1~Z’3．．．第二零交叉點

第一圖為根據本發明一實施例繪示超音波測溫系統之系統架構圖。

第二圖為根據本發明一實施例繪示超音波測溫方法之流程圖。

第三圖為繪示針對目標物體S所擷取之數據的振幅與深度對應圖。

第四圖為繪示第一與第二數據M1、M2與X軸相交示意圖。

第五圖為根據本發明一實施例繪示提升精確性方法之流程圖。

第六圖為繪示未加熱物體、加熱一次物體、以及加熱兩次物體之偏移量與溫度關係圖。

第七圖係繪示各別使用CCR、ZCT與ZCT+CCR三種演算法所計算出來的偏移量。

100．．．超音波測溫系統

110．．．超音波探頭

120．．．處理模組

130．．．影像模組

Claims (13)

1. 一種超音波測溫系統，用以量測一目標物體之一溫度，包括：一超音波探頭，用以針對該目標物體擷取一第一影像與一第二影像；以及一處理模組，以零點交叉演算法處理該第一影像以擷取複數個第一零交叉點，並依據該些第一零交叉點以互相關演算法處理該第一影像與該第二影像以獲得複數個偏移量；其中該處理模組更依據該些偏移量計算出該溫度；其中該處理模組更以零交叉點演算法處理該第二影像以擷取複數個第二零交叉點，將該些第一與第二零交叉點依據各點斜率分為上升交叉群組與下降交叉群組，依據該些偏移量判斷該些第一零交叉點與所個別對應的該些第二零交叉點是否屬於同一群組，並刪除不屬於同一群組的該些第一零交叉點所對應之偏移量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測溫系統，其中該第一影像係於該目標物體溫度變化前所擷取，該第二影像係於該目標物體溫度變化後所擷取。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測溫系統，其中該些偏移量係依據在該第一影像中鄰近該些第一零交叉點之一特定範圍內之數值，與該第二影像中對應該些第一零交叉點之該特定範圍內之數值，以互相關演算法所計算出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測溫系統，其中該處 理模組更計算出該些偏移量的一中位數，且刪除與該中位數差距過大之偏移量。
5. 如申請專利範圍第1或第4項所述之測溫系統，其中該處理模組以內差法依據該些剩餘偏移量，計算出該第二影像相對於該第一影像的一各點偏移量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之測溫系統，其中該處理模組針對該各點偏移量微分以取得該溫度，該測溫系統更包括：一影像模組，該影像模組顯示該溫度。
7. 一種超音波測溫方法，用以量測一目標物體之一溫度，包括：針對該目標物體擷取一第一影像與一第二影像；以零點交叉演算法處理該第一影像以擷取複數個第一零交叉點；依據該些第一零交叉點以互相關演算法處理該第一影像與該第二影像，以獲得複數個偏移量；依據該些偏移量計算出一溫度；以零交叉點演算法處理該第二影像以擷取複數個第二零交叉點；將該些第一與第二零交叉點依據各點斜率分為上升交叉群組與下降交叉群組；依據該些偏移量判斷該些第一零交叉點與所個別對應的該些第二零交叉點是否屬於同一群組；以及刪除不屬於同一群組的該些第一零交叉點所對應之偏移量。
8. 如申請專利範圍第7項所述之測溫方法，其中該些偏移量係依據在該第一影像中鄰近該些第一零交叉點之一特定範圍內之數值，與該第二影像中對應該些第一零交叉點之該特定範圍內之數值，以互相關演算法所計算出。
9. 如申請專利範圍第7項所述之測溫方法，更包括：計算出該些偏移量的一中位數；以及刪除與該中位數差距過大之偏移量。
10. 如申請專利範圍第7或第9項所述之測溫方法，更包括：以內差法依據該些剩餘偏移量，計算出該第二影像相對於該第一影像的一各點偏移量。
11. 如申請專利範圍第10項所述之測溫方法，更包括：針對該各點偏移量微分以取得該溫度。
12. 如申請專利範圍第8項所述之測溫方法，其中該特定範圍係25個畫素。
13. 如申請專利範圍第7項所述之測溫方法，其中該第一影像係於該目標物體溫度變化前所擷取，該第二影像係於該目標物體溫度變化後所擷取。