用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法及系统。在对颅骨遮挡导致的空化信号失真进行校准的基础上，对面阵两个方向的阵元做鲁棒的Capon波束合成以大幅度抑制来自其他方向的干扰和空化微泡间的相互作用；并基于空化信号相位间的差异引入相位相干系数对波束合成算法进行修正，从而在抑制成像伪影的同时提高成像分辨率；最后对三维空化体数据阈值化、平滑等处理。本发明专利技术可以克服传统磁共振和主动超声成像监控方法对空化的检测灵敏度不足、主动超声成像监控无法实现实时监控以及传统无源成像方法性能受限等问题，为临床提供了一种脑部聚焦超声治疗过程中空化效应的实时监控手段，使得脑部治疗的实时反馈与控制成为可能。

【技术实现步骤摘要】
用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法及系统
本专利技术属于超声检测与超声成像
，特别涉及一种适用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法及系统。
技术介绍
空化效应是指介质中的空化核在一些外加物理场(例如超声场、激光场、微波场)的作用下产生的膨胀、收缩、塌陷的动力学过程。脑部聚焦超声治疗主要是利用包膜微泡在超声激励下的空化效应来达到治疗脑部疾病的目的。已有研究表明，聚焦超声联合微泡开放血脑屏障的主要机制是空化效应，在较低声压下微泡发生稳态空化，此时与大脑毛细血管尺寸相当的微泡在振动过程中与毛细血管相互作用，将构成血脑屏障的内皮细胞分开，从而有利于血脑屏障的开放。另外，空化效应已被证实为超声溶栓的主要机理，超声空化效应使栓塞部位的包膜微泡发生振动及瞬间破裂，血栓表面变软，通过损坏栓块中的纤维蛋白结构，有利于血栓的崩溃瓦解，增加溶栓药物与栓块的结合位点，从而加速溶栓。作为一种人工空化核，包膜微泡可以极大地降低空化阈值从而减少脑组织的额外损伤。然而，微泡在诊断超声声压下的惯性收缩力也可能会导致微泡坍塌，从而对脑部细胞结构产生破坏或者对血管壁形成不必要的损伤。由于空化效应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：计算超声面阵换能器每个阵元方向上超声波的有效声速；步骤二：利用拉格朗日插值法对超声面阵换能器接收的聚焦超声换能器焦点区域的空化信号进行插值，然后根据步骤一所得有效声速对空化信号进行延时；步骤三：构造超声面阵换能器每列阵元经插值及延时后的空化信号的协方差矩阵，然后基于鲁棒的Capon波束合成方法计算最优加权系数；对所述每列阵元经插值及延时后的空化信号进行二值化并计算位相干系数；根据该最优加权系数以及相位相干系数，计算所述每列阵元的空化源强度波束合成信号；步骤四：根据步骤三计算的超声面阵换能器各列阵元的空化源强度...

【技术特征摘要】
1.一种用于脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：计算超声面阵换能器每个阵元方向上超声波的有效声速；步骤二：利用拉格朗日插值法对超声面阵换能器接收的聚焦超声换能器焦点区域的空化信号进行插值，然后根据步骤一所得有效声速对空化信号进行延时；步骤三：构造超声面阵换能器每列阵元经插值及延时后的空化信号的协方差矩阵，然后基于鲁棒的Capon波束合成方法计算最优加权系数；对所述每列阵元经插值及延时后的空化信号进行二值化并计算位相干系数；根据该最优加权系数以及相位相干系数，计算所述每列阵元的空化源强度波束合成信号；步骤四：根据步骤三计算的超声面阵换能器各列阵元的空化源强度波束合成信号构造协方差矩阵，然后基于鲁棒的Capon波束合成方法计算最优加权系数；对所述各列阵元的空化源强度波束合成信号进行二值化并计算相位相干系数；步骤五：根据所述各列阵元的空化源强度波束合成信号以及步骤四所得最优加权系数和相位相干系数计算超声面阵换能器所有阵元的空化源强度波束合成信号和每个成像位置的空化源能量，得到空化源三维体数据，然后进行脑部聚焦超声空化的三维显示。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，每个阵元方向上超声波的有效声速按照以下公式计算：其中K为除颅骨以外不同介质的数目，Li,j为空化信号到达超声面阵换能器阵元(i,j)的距离，Di,j,k和ci,j,k分别为空化信号到达阵元(i,j)的声传播路径上除颅骨以外不同介质的厚度和声速，Di,j,s为空化信号到达阵元(i,j)的声传播路径上颅骨对应位置的厚度，ci,j,s为空化信号到达阵元(i,j)的声传播路径上颅骨对应位置的声速。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在颅骨孔隙度经验模型的基础上计算ci,j,s：ci,j,s＝c1Φi,j,s+c2(1-Φi,j,s)其中Φi,j,s为颅骨对应位置的孔隙度，c1为超声波在水中的传播速度，c2为超声波在颅骨中的最大传播速度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下步骤：(2.1)设置超声面阵换能器的阵元变迹，使超声面阵换能器工作在不发射脉冲信号只接收信号的模式，同步触发聚焦超声换能器和超声面阵换能器，由超声面阵换能器采集聚焦超声换能器作用过程中的焦点处空化的三维射频信号pi,j，其中i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,N；M和N分别为超声面阵换能器y和x方向的阵元数目；(2.2)根据以下拉格朗日插值多项式对每个阵元采集到的射频信号进行插值：其中，为插值后的空化信号，ki,j(tl,t)为拉格朗日基本多项式，pi,j(tl)为空化信号采样点，P为采样点个数；(2.3)根据三维成像区域和成像精度，对步骤(2.2)中所得信号进行延时处理，得到延时后的信号si,j(x,y,z,t)：其中di,j(x,y,z)为成像位置(x,y,z)到超声面阵换能器阵元位置的空间距离，ci,j为阵元方向上超声波的有效声速。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三具体包括以下步骤：(3.1)在一定的时间区间[T0,T0+ΔT]内构造协方差矩阵Rj：其中sj(x,y,z,t)为第j列M个阵元经插值及延时后的空化信号矩阵，[·]T代表矩阵的转置；(3.2)对步骤(3.1)所得协方差矩阵做特征值分解：其中Vj为特征值矩阵，Uj中第i列为Vj中对角线上第i个元素对应的特征向量，i＝1,2,...,M；(3.3)根据步骤(3.2)中所得特征值矩阵Vj和特征向量矩阵Uj以及拉格朗日迭代法计算每个成像位置的导向矢量其中为M行1列预设导向矢量，λ为拉格朗日乘数，I为M行M列单位矩阵；(3.4)基于鲁棒的Capon波束合成方法并利用步骤(3.1)所得协方差矩阵Rj和步骤(3.3)所得导向矢量计算最优加权系数wj：其中||·||代表欧几里得范数，[·]-1代表矩阵的逆；(3.5)将第j列阵元经插值及延时后的空化信号si,j(x,y,z,t)中大于零的点置为1，小于等于零的点置为-1，得到二值化信号bi,j(x,y,z,t)，然后计算相位相干系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：万明习，路舒宽，余先波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61