一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法及系统，对被动超声原始射频信号进行延时补偿处理后，分别通过两个互补的方波变迹函数和幅度相干系数得到互相关系数矩阵和被动幅度相干波束合成能量矩阵，二者点乘后得到高分辨被动超声成像结果；通过相变微泡群振动模型构造相变微泡群母小波，利用该母小波对主动超声原始射频信号延时叠加后所得的主动波束合成射频信号进行连续小波变换得到高对比主动超声成像结果；对高分辨被动与高对比主动超声成像结果复合之后得到复合图像。本发明专利技术能对聚焦超声辐照相变纳米液滴过程中的空化活动及辐照停止时的残留相变微泡进行全过程监控。

An active passive ultrasonic composite imaging method and system for phase change nanodroplets irradiated by focused ultrasound

【技术实现步骤摘要】
一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法及系统
本专利技术属于超声检测与超声成像领域，具体涉及一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法及系统。
技术介绍
近年来，相变纳米液滴已被广泛地应用于超声治疗与诊断成像方面，相比超声造影剂，相变纳米液滴的尺寸足够小，可以通过扩散作用穿过肿瘤血管内皮细胞间隙从而达到肿瘤组织，然后结合体外聚焦超声辐照可实现超声靶向治疗肿瘤的目的；另外，相变纳米液滴具有很高的稳定性，能在血液循环中长时间存在。聚焦超声联合相变纳米液滴治疗的安全性依赖于监控成像技术的发展，即以低成本的超声成像技术实现对治疗过程进行动态的监控。聚焦超声联合相变纳米液滴治疗的主要物理机制是聚焦超声辐照相变纳米液滴过程中产生的空化活动。空化活动的产生与治疗效果直接相关，因此对于空化活动的实时监控至关重要。近年来发展的被动超声成像技术通过将超声成像换能器设置在只接收而不发射的模式，被动接收聚焦超声作用过程中产生的声辐射信号，然后通过图像重建算法得到空化图像，从而实现空化活动的实时监控。然而传统的被动超声成像方法由于算法本身限制、成像换能器接收带宽及孔径限制以及组织非均一性等，会形成较高的成像伪影，降低了成像的空间分辨性能，从而造成空化活动空间信息的不准确估计，因此不利于聚焦超声辐照相变纳米液滴过程中空化活动的监控。在聚焦超声停止辐照相变纳米液滴的间隙(根据占空比确定1个脉冲周期内的辐照时间和停止辐照时间)，残留的相变微泡对于空化的产生起着双重作用，一方面，相变微泡可对聚焦超声的传播形成遮挡，从而引起空化活动的改变；另一方面，相变微泡也可以作为空化核使得下一次聚焦超声辐照过程中的空化活动更容易发生。因此对于相变微泡的动态监控同样重要，相变微泡的空间分布可通过将超声成像换能器设置在既发射又接收的模式来实现，即采用主动超声成像技术来获得相变微泡的空间分布。目前最常用的B模式超声成像方法就是主动超声成像的一种，但由于多次线扫描导致成像帧率较低。基于平面波的主动超声成像方法可以在单次发射的情况下获得整幅超声图像，成像帧率得到有效提高，但由于平面波本身不聚焦且发射能量低，导致成像对比度较低，因此不利于聚焦超声辐照相变纳米液滴停止之后残留的相变微泡的高灵敏度检测。此外，使用被动超声成像只能对聚焦超声辐照相变纳米液滴过程中的空化活动进行监控，而不能得到相变微泡的空间分布，而使用主动超声成像技术则只能实现对聚焦超声辐照相变纳米液滴停止后相变微泡的监控。因此，单一的被动或主动超声成像不能实现聚焦超声辐照相变纳米液滴的全过程监控。鉴于此，亟待提出一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的高分辨被动与高对比主动超声复合成像方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的高分辨被动与高对比主动超声复合成像方法，包括以下步骤：1)通过控制聚焦超声辐照和原始射频信号采集的时序，分别获得被动超声原始射频信号和主动超声原始射频信号，其中，被动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照相变纳米液滴的过程中线阵换能器被动接收的由空化活动所产生的声辐射信号，主动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照停止间隙内线阵换能器在发射超声波后接收到的残留相变微泡的回波信号；2)针对被动超声成像区域内任意一目标点，对步骤1)所得被动超声原始射频信号进行延时和补偿处理，得到每个阵元的延时补偿信号，通过两个互补的方波变迹函数对每个阵元的延时补偿信号进行阵元变迹处理并分别将两个方波变迹函数处理的结果进行叠加，得到两个半孔径波束合成信号，计算两个半孔径波束合成信号的归一化互相关系数并作阈值化处理，得到对应目标点的互相关系数；由被动超声成像区域内各目标点的互相关系数构成互相关系数矩阵；3)针对所述被动超声成像区域内任意一目标点，利用步骤2)所得的在对应目标点下每个阵元的延时补偿信号计算全孔径波束合成信号以及所有阵元延时补偿信号的平方和，然后通过计算幅度相干系数得到全孔径幅度相干波束合成信号，对该信号的平方进行积分，得到对应目标点的能量输出值；由被动超声成像区域内各目标点的能量输出值构成被动幅度相干波束合成能量矩阵，将该矩阵与步骤2)所得的互相关系数矩阵进行点乘运算之后进行对数压缩，得到高分辨被动超声成像结果；4)根据聚焦超声辐照所导致的相变微泡内的饱和蒸汽压升高程度对Keller-Miksis模型进行修正，并基于微泡之间的相互作用建立相变微泡群振动模型，利用四阶龙格库塔算法求解该模型得到每个相变微泡振动半径的时变曲线并计算每个相变微泡的散射回波，将所有相变微泡的散射回波叠加并通过带通滤波和归一化处理构造得到相变微泡群母小波；5)对步骤1)所得的主动超声原始射频信号中与主动超声成像区域内各目标点对应的有效孔径中的阵元接收信号进行延时处理，得到延时信号，对延时信号进行窗函数加权叠加，得到主动波束合成射频信号；利用步骤4)所得相变微泡群母小波对主动波束合成射频信号按照不同的小波变换尺度参数进行连续小波变换，对所得小波相关性系数矩阵进行希尔伯特包络检波后计算小波相关性系数包络检波矩阵的对比度，然后对所述对比度最高时对应的小波相关性系数包络检波矩阵进行对数压缩，得到高对比主动超声成像结果；6)对步骤3)所得的高分辨被动超声成像结果与步骤5)所得的高对比主动超声成像结果分别进行插值、标准化和RGB转换处理，然后对高分辨被动超声RGB图像做透明化处理并叠加到高对比主动超声RGB图像上，得到被动与主动超声复合图像。优选的，所述线阵换能器发射的超声波为平面波。优选的，所述原始射频信号采集的时序为：自聚焦超声辐照相变纳米液滴的触发时刻开始，经过延时T1后，触发工作在不发射只接收模式的开放式超声成像平台采集被动超声原始射频信号；自聚焦超声辐照相变纳米液滴的触发时刻开始，经过延时T2后，触发工作在既发射又接收模式的开放式超声成像平台采集主动超声原始射频信号。优选的，所述两个互补的方波变迹函数分别表示为：其中，A选自2,4,8,...,N/4中的某一个数值，N为线阵换能器的阵元数目。优选的，所述变迹处理是指将方波变迹函数与被动超声成像区域内某一目标点下线阵换能器各阵元的延时补偿信号相乘。优选的，所述归一化互相关系数的计算公式表示为：其中，Cov[·]表示求两个信号的协方差，Av[·]表示求信号的方差，RX1(x,z,t)和RX2(x,z,t)分别为被动超声成像区域内某一目标点(x,z)处的两个半孔径波束合成信号。优选的，所述阈值化处理中阈值参数的取值范围为10-6～10-3。优选的，所述幅度相干系数的计算公式表示为：其中，S(x,z,t)为被动超声成像区域内某一目标点(x,z)处将每个阵元的延时补偿信号叠加得到的全孔径波束合成信号，SQS(x,z,t)为被动超声成像区域内某一目标点(x,z)处所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)通过控制聚焦超声辐照和原始射频信号采集的时序，分别获得被动超声原始射频信号和主动超声原始射频信号，其中，被动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照相变纳米液滴的过程中线阵换能器(5)被动接收的由空化活动所产生的声辐射信号，主动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照停止间隙内线阵换能器(5)在发射超声波后接收到的残留相变微泡的回波信号；/n2)针对被动超声成像区域内任意一目标点，对步骤1)所得的被动超声原始射频信号进行延时和补偿处理，得到每个阵元的延时补偿信号，通过两个互补的方波变迹函数对每个阵元的延时补偿信号进行阵元变迹处理并分别将两个方波变迹函数处理的结果进行叠加，得到两个半孔径波束合成信号，计算两个半孔径波束合成信号的归一化互相关系数并作阈值化处理，得到对应目标点的互相关系数；由被动超声成像区域内各目标点的互相关系数构成互相关系数矩阵；/n3)针对所述被动超声成像区域内任意一目标点，利用步骤2)所得的在对应目标点下每个阵元的延时补偿信号计算全孔径波束合成信号以及所有阵元延时补偿信号的平方和，然后通过计算幅度相干系数得到全孔径幅度相干波束合成信号，对该信号的平方进行积分，得到对应目标点的能量输出值；由被动超声成像区域内各目标点的能量输出值构成被动幅度相干波束合成能量矩阵，将该矩阵与步骤2)所得的互相关系数矩阵进行点乘运算之后做对数压缩，得到被动超声成像结果；/n4)根据聚焦超声辐照所导致的相变微泡内的饱和蒸汽压升高程度对Keller-Miksis模型进行修正，并基于微泡之间的相互作用建立相变微泡群振动模型，利用四阶龙格库塔算法求解该模型得到每个相变微泡振动半径的时变曲线并计算每个相变微泡的散射回波，将所有相变微泡的散射回波叠加并通过带通滤波和归一化处理构造得到相变微泡群母小波；/n5)对步骤1)所得的主动超声原始射频信号中与主动超声成像区域内各目标点对应的有效孔径中的阵元接收信号进行延时处理，得到延时信号，对延时信号进行窗函数加权叠加，得到主动波束合成射频信号；利用步骤4)所得的相变微泡群母小波对主动波束合成射频信号按照不同的小波变换尺度参数进行连续小波变换，对所得小波相关性系数矩阵进行希尔伯特包络检波后计算小波相关性系数包络检波矩阵的对比度，然后对所述对比度最高时对应的小波相关性系数包络检波矩阵进行对数压缩，得到主动超声成像结果；/n6)对步骤3)所得的被动超声成像结果与步骤5)所得的主动超声成像结果分别进行插值、标准化和RGB转换处理，然后对被动超声RGB图像做透明化处理并叠加到主动超声RGB图像上，得到被动与主动超声复合图像。/n...

【技术特征摘要】
1.一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)通过控制聚焦超声辐照和原始射频信号采集的时序，分别获得被动超声原始射频信号和主动超声原始射频信号，其中，被动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照相变纳米液滴的过程中线阵换能器(5)被动接收的由空化活动所产生的声辐射信号，主动超声原始射频信号是指聚焦超声辐照停止间隙内线阵换能器(5)在发射超声波后接收到的残留相变微泡的回波信号；
2)针对被动超声成像区域内任意一目标点，对步骤1)所得的被动超声原始射频信号进行延时和补偿处理，得到每个阵元的延时补偿信号，通过两个互补的方波变迹函数对每个阵元的延时补偿信号进行阵元变迹处理并分别将两个方波变迹函数处理的结果进行叠加，得到两个半孔径波束合成信号，计算两个半孔径波束合成信号的归一化互相关系数并作阈值化处理，得到对应目标点的互相关系数；由被动超声成像区域内各目标点的互相关系数构成互相关系数矩阵；
3)针对所述被动超声成像区域内任意一目标点，利用步骤2)所得的在对应目标点下每个阵元的延时补偿信号计算全孔径波束合成信号以及所有阵元延时补偿信号的平方和，然后通过计算幅度相干系数得到全孔径幅度相干波束合成信号，对该信号的平方进行积分，得到对应目标点的能量输出值；由被动超声成像区域内各目标点的能量输出值构成被动幅度相干波束合成能量矩阵，将该矩阵与步骤2)所得的互相关系数矩阵进行点乘运算之后做对数压缩，得到被动超声成像结果；
4)根据聚焦超声辐照所导致的相变微泡内的饱和蒸汽压升高程度对Keller-Miksis模型进行修正，并基于微泡之间的相互作用建立相变微泡群振动模型，利用四阶龙格库塔算法求解该模型得到每个相变微泡振动半径的时变曲线并计算每个相变微泡的散射回波，将所有相变微泡的散射回波叠加并通过带通滤波和归一化处理构造得到相变微泡群母小波；
5)对步骤1)所得的主动超声原始射频信号中与主动超声成像区域内各目标点对应的有效孔径中的阵元接收信号进行延时处理，得到延时信号，对延时信号进行窗函数加权叠加，得到主动波束合成射频信号；利用步骤4)所得的相变微泡群母小波对主动波束合成射频信号按照不同的小波变换尺度参数进行连续小波变换，对所得小波相关性系数矩阵进行希尔伯特包络检波后计算小波相关性系数包络检波矩阵的对比度，然后对所述对比度最高时对应的小波相关性系数包络检波矩阵进行对数压缩，得到主动超声成像结果；
6)对步骤3)所得的被动超声成像结果与步骤5)所得的主动超声成像结果分别进行插值、标准化和RGB转换处理，然后对被动超声RGB图像做透明化处理并叠加到主动超声RGB图像上，得到被动与主动超声复合图像。


2.根据权利要求1所述一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：所述线阵换能器发射的超声波为平面波。


3.根据权利要求1所述一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：所述原始射频信号采集的时序为：自聚焦超声辐照相变纳米液滴的触发时刻开始，经过延时T1后，触发工作在不发射只接收模式的开放式超声成像平台(3)采集被动超声原始射频信号；自聚焦超声辐照相变纳米液滴的触发时刻开始，经过延时T2后，触发工作在既发射又接收模式的开放式超声成像平台(3)采集主动超声原始射频信号。


4.根据权利要求1所述一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：所述两个互补的方波变迹函数分别表示为：






其中，A＝2,4,8,...,N/4，N为线阵换能器的阵元数目；
所述变迹处理是指将方波变迹函数与被动超声成像区域内某一目标点下线阵换能器各阵元的延时补偿信号相乘；
所述归一化互相关系数的计算公式表示为：



其中，Cov[·]表示求两个信号的协方差，Av[·]表示求信号的方差，RX1(x,z,t)和RX2(x,z,t)分别为被动超声成像区域内某一目标点(x,z)处的两个半孔径波束合成信号；
所述阈值化处理中阈值参数的取值范围为10-6～10-3。


5.根据权利要求1所述一种聚焦超声辐照相变纳米液滴的主被动超声复合成像方法，其特征在于：所述幅度相干系数的计算公式表示为：



其中，S(x,z,t)为被动超声成像区域内某一...

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