一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统。对空化声散射信号进行滤波，得到稳态、惯性空化信号；基于高分辨相干系数对现有被动声学成像算法进行修正，从而得到高分辨的稳态、惯性空化图像；对空化图像进行筛选并去除附加空化能量，然后通过主成分分析得到稳态、惯性空化特征图像，在此基础上得到了稳态和惯性空化的时空分布。本发明专利技术可以克服主动超声成像只能得到空化微泡分布而不能得到空化活动时空分布，以及被动声学成像分辨率差且缺乏有效的空化时空分布计算方法的问题，为空化瞬态物理过程研究和聚焦超声治疗评价提供了一种有效手段，更为推进超声引导及监控的聚焦超声治疗系统在临床中的应用奠定了基础。

A Real-time High Resolution Spatiotemporal Distribution Imaging Method and System for Focused Ultrasound Cavitation

The invention provides a real-time high resolution spatiotemporal distribution imaging method and system for focused ultrasound cavitation. The steady-state and inertial cavitation signals are obtained by filtering the acoustic scattering signals; the existing passive acoustic imaging algorithms are modified based on the high-resolution coherence coefficient to obtain high-resolution steady-state and inertial cavitation images; the cavitation images are filtered and the additional cavitation energy is removed, and then the steady-state and inertial cavitation characteristic images are obtained by principal component analysis. The spatial and temporal distributions of steady state and inertial cavitation are obtained. The invention can overcome the problem that active ultrasound imaging can only obtain the distribution of cavitation microbubbles but not the spatial and temporal distribution of cavitation activities, and that passive acoustic imaging has poor resolution and lacks an effective calculation method of spatial and temporal distribution of cavitation. It provides an effective means for the study of cavitation transient physical process and the evaluation of focused ultrasound therapy, and further promotes focused ultrasound therapy guided and monitored by ultrasound. Therapeutic system has laid a foundation for clinical application.

【技术实现步骤摘要】
一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统
本专利技术属于超声空化物理与应用及超声成像
，具体涉及一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统。
技术介绍
空化是指液体中的空化核在外加物理场(如超声场、激光场等)等作用下所呈现出的振荡、生长、收缩以致溃灭的一系列动力学过程，在诸如基因转染、体外碎石、药物释放、止血、溶栓及肿瘤热消融等领域中均有应用。根据气泡的不同动力学行为可以将空化分为稳态空化和惯性空化两种，其中稳态空化主要是指微泡在较低声压作用下的非线性振动行为，而惯性空化主要指微泡在较高声压下瞬间破裂，并形成高温、高压和冲击波等极端物理现象。空化的检测对于聚焦超声治疗的监控和治疗效果的评价都具有重要的意义。最常用的空化检测方法是采用声学方法来检测聚焦超声作用过程中空化的声散射信号，例如次谐波、谐波、超谐波和宽带噪声等。早期主要利用单阵元聚焦超声换能器来发射脉冲并接收回波以实现主动检测，或不发射脉冲只被动接收声散射信号以实现被动检测，但这两种方法只能提供一维的时间信息而无法提供二维的空间分布。之后基于诊断超声换能器(如线阵和相控阵)发展了基于阵列的成像技术，最常用的则是传统的B模式超声成像；但该技术是通过逐线扫描得到，同一帧图像中不同扫描线之间存在一定的时间差，导致成像帧率较低，不能很好地描述空化的瞬态行为，且聚焦波会对空化微泡造成破坏。为了实现高帧率的成像，又发展了基于平面波发射的超快速超声成像技术，该技术可大大提高成像帧率，但由于平面波本身不聚焦且声压较低，导致成像分辨率低且信噪比低。近年来，有学者提出微秒时间分辨的超声空化微泡成像技术，该技术在传统B模式超声成像的基础上通过控制同步触发每次仅发射一次声脉冲，对空化微泡的辐射力作用几乎可以忽略，同时所得到的图像扫描线之间不存在时间差，时间分辨率可达到微秒，但是该技术对介质的可重复空化微泡分布要求严格，也就是说只能应用于液体或空腔等特殊环境中而不能用于生物软组织中，且扫描过程较为复杂。值得注意的是，以上方法都是在发射/接收的基础上实现的，都属于主动超声成像，而为了避免聚焦超声信号的干扰，只能选择在聚焦超声作用完成或者聚焦超声作用间歇来进行成像，因而这些方法成像的目标是聚焦超声作用后产生的空化微泡，而并非聚焦超声作用过程中的空化活动。事实上，聚焦超声作用过程中的空化活动直接反映了当聚焦超声施加在介质上时介质所产生的响应，对此类空化活动的检测更有必要也更有意义。近年来，有学者提出了基于阵列换能器的被动声学成像技术，该技术是被动空化检测技术的拓展，通过关闭阵列换能器的脉冲发射而只被动接收聚焦超声焦域处的空化信号，再通过图像重建算法即可实现聚焦超声作用过程中空化活动的实时监控，目前已被广泛应用于实时监控热消融、碎石、组织损毁、超声溶栓和血脑屏障开放等方面。另外，聚焦超声作用过程中的空化活动随着时间和空间的联合变化，即空化的时空分布的研究也有着重要意义，一方面空化时空分布是研究治疗中空化瞬态物理过程的有效手段，另一方面空化时空分布也可用来实时定量观测治疗区域的变化。然而，现有的基于时间曝光声学的被动声学成像算法由于微泡间相互作用、阵列换能器缺陷、有限的阵列孔径和带宽等因素，导致其空间分辨性能极差；同时目前也缺乏有效的空化活动时空分布的计算方法，无法满足聚焦超声治疗实时监控系统的临床需求。鉴于以上内容，亟待提出一种基于被动声学成像的聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法与系统。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，包括以下步骤：步骤一：利用线阵换能器被动接收聚焦超声辐照介质F次过程中对应产生的F帧空化声散射信号，对每一帧空化声散射信号通过滤波提取得到稳态空化信号和/或惯性空化信号；步骤二：对由每一帧空化声散射信号中提取得到的稳态空化信号和/或惯性空化信号进行延时及补偿，得到稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号，通过Hilbert变换分别计算稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号的瞬时相位并根据对应瞬时相位的标准差计算相位相干系数，根据利用相位相干系数加权后所得的波束合成输出计算得到高分辨相干系数，对利用高分辨相干系数加权后所得的波束合成输出的平方进行积分，得到稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果，由F帧空化声散射信号对应的稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果构成稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列。还包括以下步骤：步骤三：针对所述稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列，分别根据其中每帧空化图像的空化能量最大值所对应成像位置是否在焦域内，对对应空化图像时间序列进行筛选，然后去除由前一次辐照对后一次辐照的影响而形成的附加空化能量，得到F帧纯净稳态空化图像和/或F帧纯净惯性空化图像；步骤四：按照步骤一至步骤三进行多次重复实验，得到多次重复实验下的纯净稳态空化图像和/或纯净惯性空化图像；对多次重复实验下的同一帧纯净稳态空化图像和/或纯净惯性空化图像分别进行主成分分析，并根据主成分分量的方差对主成分分量进行加权，得到F帧稳态空化特征图像和/或F帧惯性空化特征图像；步骤五：对F帧稳态空化特征图像和/或F帧惯性空化特征图像，分别根据对应F帧空化特征图像中各帧图像的空化能量最大值所对应成像位置得到轴向和横向最大能量分布曲线，并根据能量分布曲线半高宽确定的两轴向坐标和横向坐标计算得到横向和轴向平均能量分布；将F帧稳态空化特征图像的横向平均能量分布和轴向平均能量分布分别进行组合，得到稳态空化的横向时空分布图像和轴向时空分布图像，将F帧惯性空化特征图像的横向平均能量分布和轴向平均能量分布分别进行组合，得到惯性空化的横向时空分布图像和轴向时空分布图像。上述步骤一，具体包括以下步骤：1.1)采用聚焦超声辐照介质产生空化，采用线阵换能器被动接收聚焦超声辐照过程中的空化声散射信号，采用可编程全数字化超声成像设备的并行通道数据采集及存储模块对该线阵换能器接收的空化声散射信号进行采集；1.2)利用巴特沃斯带通滤波器从线阵换能器第i(i＝1,2,...,N)个阵元接收的空化声散射信号中分别提取谐波、次谐波和超谐波成分，将这三种谐波成分相加得到稳态空化信号；从第i个阵元接收的空化声散射信号中减去稳态空化信号，然后利用巴特沃斯带阻滤波器滤除基波，得到惯性空化信号；1.3)重复步骤1.2)，直至从线阵换能器的N个阵元接收的空化声散射信号中提取得到对应的稳态和/或惯性空化信号；1.4)重复步骤1.1)～1.3)，直至采集到F帧空化声散射信号，并从每一帧空化声散射信号中提取得到稳态空化信号和/或惯性空化信号。上述步骤二，具体包括以下步骤：2.1)对线阵换能器第i(i＝1,2,...,N)个阵元接收的空化声散射信号在经过滤波之后进行延时和补偿，延时和补偿后的输出信号(即延时补偿信号)为：其中，di(x,z)为成像位置(x,z)到第i个阵元(xi,0)的距离，η[di(x,z)]为补偿超声波球面传播衰减的接收阵列空间灵敏度补偿系数；pi(t)为第i个阵元接收的空化声散射信号在经过滤波之后得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：该成像方法包括以下步骤：步骤一：利用线阵换能器被动接收聚焦超声辐照介质F次过程中对应产生的F帧空化声散射信号，对其中每一帧空化声散射信号通过滤波提取得到稳态空化信号和/或惯性空化信号；步骤二：对由每一帧空化声散射信号中提取得到的稳态空化信号和/或惯性空化信号进行延时及补偿，得到稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号，通过Hilbert变换分别计算稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号的瞬时相位并根据对应瞬时相位的标准差计算相位相干系数，根据利用相位相干系数加权后所得的波束合成输出计算得到高分辨相干系数，对利用高分辨相干系数加权后所得的波束合成输出的平方进行积分，得到稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果，由F帧空化声散射信号对应的稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果构成稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列。

【技术特征摘要】
1.一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：该成像方法包括以下步骤：步骤一：利用线阵换能器被动接收聚焦超声辐照介质F次过程中对应产生的F帧空化声散射信号，对其中每一帧空化声散射信号通过滤波提取得到稳态空化信号和/或惯性空化信号；步骤二：对由每一帧空化声散射信号中提取得到的稳态空化信号和/或惯性空化信号进行延时及补偿，得到稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号，通过Hilbert变换分别计算稳态空化延时补偿信号和/或惯性空化延时补偿信号的瞬时相位并根据对应瞬时相位的标准差计算相位相干系数，根据利用相位相干系数加权后所得的波束合成输出计算得到高分辨相干系数，对利用高分辨相干系数加权后所得的波束合成输出的平方进行积分，得到稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果，由F帧空化声散射信号对应的稳态空化和/或惯性空化的高分辨被动声学成像结果构成稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列。2.根据权利要求1所述一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：所述成像方法还包括以下步骤：步骤三：针对所述稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列，分别根据其中每帧空化图像的空化能量最大值所对应成像位置是否在焦域内，对对应空化图像时间序列进行筛选，然后去除由前一次辐照对后一次辐照的影响而形成的附加空化能量，得到F帧纯净稳态空化图像和/或F帧纯净惯性空化图像；步骤四：按照所述步骤一至步骤三进行多次重复实验，得到多次重复实验下的纯净稳态空化图像和/或纯净惯性空化图像；对多次重复实验下的同一帧纯净稳态空化图像和/或纯净惯性空化图像分别进行主成分分析，并根据主成分分量的方差对主成分分量进行加权，得到F帧稳态空化特征图像和/或F帧惯性空化特征图像；步骤五：对F帧稳态空化特征图像和/或F帧惯性空化特征图像，分别根据对应F帧空化特征图像中各帧图像的空化能量最大值所对应成像位置得到轴向和横向最大能量分布曲线，并根据能量分布曲线半高宽确定的两轴向坐标和横向坐标计算得到横向和轴向平均能量分布；将F帧稳态空化特征图像的横向平均能量分布和轴向平均能量分布分别进行组合，得到稳态空化的横向时空分布图像和轴向时空分布图像，将F帧惯性空化特征图像的横向平均能量分布和轴向平均能量分布分别进行组合，得到惯性空化的横向时空分布图像和轴向时空分布图像。3.根据权利要求1或2所述一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下步骤：1.1)采用聚焦超声辐照介质产生空化，采用线阵换能器被动接收聚焦超声辐照过程中的空化声散射信号，采用可编程全数字化超声成像设备的并行通道数据采集及存储模块对该线阵换能器接收的空化声散射信号进行采集；1.2)利用巴特沃斯带通滤波器从线阵换能器第i(i＝1,2,...,N)个阵元接收的空化声散射信号中分别提取谐波、次谐波和超谐波成分，将这三种谐波成分相加得到稳态空化信号；从第i个阵元接收的空化声散射信号中减去稳态空化信号，然后利用巴特沃斯带阻滤波器滤除基波，得到惯性空化信号；1.3)重复步骤1.2)，直至从线阵换能器的N个阵元接收的空化声散射信号中提取得到对应的稳态和/或惯性空化信号；1.4)重复步骤1.1)～1.3)，直至采集到F帧空化声散射信号，并从每一帧空化声散射信号中提取得到稳态空化信号和/或惯性空化信号。4.根据权利要求1或2所述一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下步骤：2.1)对线阵换能器第i(i＝1,2,...,N)个阵元接收的空化声散射信号在经过滤波之后进行延时和补偿，得延时补偿信号：其中，di(x,z)为成像位置(x,z)到第i个阵元(xi,0)的距离，η[di(x,z)]为补偿超声波球面传播衰减的接收阵列空间灵敏度补偿系数；pi(t)为第i个阵元接收的空化声散射信号在经过滤波之后得到的稳态或惯性空化信号；c为介质中声传播速度；2.2)对步骤2.1)所得延时补偿信号进行Hilbert变换，得到第i个阵元的解析信号，计算第i个阵元解析信号的瞬时相位，根据瞬时相位标准差计算相位相干系数：其中，γ为调整相位相干系数加权影响的控制参数，σ[Φ(x,z,t)]为信号瞬时相位标准差，Φ(x,z,t)为N个阵元解析信号的瞬时相位形成的矩阵，σ0为均匀分布[-π,π]的标准差；2.3)利用步骤2.2)所得的相位相干系数对N个阵元对应延时补偿信号的加和信号进行加权，得波束合成输出qPCF(x,z,t)：2.4)根据步骤2.3)所得波束合成输出，计算高分辨相干系数：2.5)根据步骤2.4)所得的高分辨相干系数对N个阵元对应延时补偿信号的加和信号进行加权，得到波束合成输出qHRCF(x,z,t)：2.6)在空化声散射信号采集时间区间[t0,t0+Δt]内对步骤2.5)所得的波束合成输出qHRCF(x,z,t)的平方进行积分，得到成像区域内每个成像位置处的空化能量I(x,z)：其中，t0为空化声散射信号采集的起始时刻，Δt为空化声散射信号采集的时间长度；2.7)对步骤一所得的与每一帧空化声散射信号对应的稳态空化信号和/或惯性空化信号均按照步骤2.1)～2.6)进行处理，得到F帧稳态空化图像和/或F帧惯性空化图像。5.根据权利要求2所述一种聚焦超声空化的实时高分辨时空分布成像方法，其特征在于：所述步骤三具体包括以下步骤：3.1)测量用于辐照介质的聚焦超声换能器的声场分布；3.2)根据所述聚焦超声换能器的声场分布，计算得到所述聚焦超声换能器的焦域尺寸；分别寻找稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列中第k帧(k＝1,2,...,F)空化图像的空化能量最大值所在的成像位置，对于该成像位置位于焦域之外的对应帧空化图像，将该帧空化图像所有像素点赋值为0，从而完成对稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列的筛选；3.3)经过步骤3.2)后，对稳态空化图像时间序列和/或惯性空化图像时间序列按照以下公式去除附加的空化能量：其中，k＝2,3,.....

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