一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法及系统：设置时间门控区间并对该区间内的信号进行处理得到时间门控能量图，对时间门控能量图进行阈值化处理后对像素进行聚簇得到全局像素簇，对局部能量图进行阈值化处理后对像素进行聚簇得到局部像素簇并从中寻找主簇得到单空化源能量图以分离单个空化源，将像素峰值小于阈值的单空化源能量图剔除后进行高斯拟合以定位单个空化源，根据空化源坐标估计不确定度和拟合优度的阈值检测空化源的定位是否正常，计算正常定位的空化源的定位分布图并进行叠加得到超分辨成像结果。本发明专利技术大幅度提高了超声被动空化成像的分辨率，实现了对小区域内空化源空间分布的精细解析。间分布的精细解析。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法及系统


[0001]本专利技术属于超声检测与超声成像
，涉及一种通过对单空化源进行分离和定位以获得小区域内空化源空间分布的精细解析的超分辨超声被动空化成像方法及系统。

技术介绍

[0002]声空化是指在空化激励超声换能器发射的超声波的激励下介质中空化泡形成、膨胀收缩和溃灭的物理现象，其增强了超声波与生物体之间的相互作用，是肿瘤消融、血栓溶解、药物释放等治疗超声应用的核心物理基础。空化的检测有助于监控超声治疗过程并进一步澄清其背后的物理机制，最常用的手段有光学检测和声学检测方法。高速摄影、声致发光等光学检测方法可以直观地观察空化变化过程且具有高的空间分辨率，但其受到介质透明度的限制，不能用于检测生物组织中的空化。声学检测方法则可以对生物组织中空化的声学特性进行定量分析，根据检测换能器的工作模式分为主动检测和被动检测，其中后者具有在超声波激励过程中同步地对空化进行检测的优势。被动声学检测方法根据检测换能器的种类进一步分为单阵元检测和阵列检测(即超声被动空化成像)，其中后者弥补了前者无法提供空化空间位置和分布信息的缺陷，近年来得到广泛关注。
[0003]超声被动空化成像一般是对阵列超声换能器被动接收到的空化信号进行基于相对渡越时间信息的波束合成处理并根据所得信号计算声能量，其空间分辨性能取决于阵列超声换能器的衍射模式(包括孔径和接收带宽等因素)。目前实施超声被动空化成像的阵列超声换能器主要有常用于临床诊断的换能器(如线阵、相控阵等)和专用于经颅成像的半球阵换能器，其中前者适用于人体不同部位，具有更为广泛的应用前景。但诊断用换能器有限的孔径会限制空化图像的空间分辨率(尤其是轴向分辨率)，同时组织异质性、源相互作用等因素的影响使得空化图像中往往伴随着高水平的干扰伪迹。目前研究人员主要通过改进和优化成像方法来提高图像质量。一类典型的成像方法采用了自适应波束合成技术，包括基于信号二阶或高阶统计特性的波束合成和基于协方差矩阵特征分解的波束合成等，其对施加到各阵元的权重系数进行优化并据此进行波束合成，从而使得干扰伪迹得到明显消除，增强了成像分辨率。除此之外，研究人员也通过对波束合成信号施加幅度/相位相干权因子，对信号中心频率正负两侧增量相等的两个频率处的幅度进行耦合相乘，对延时信号进行符号开方、耦合相乘及叠加，以及对阵列信号进行互补变迹处理并以互相关因子对波束合成信号加权等方式对成像方法进行改进，研究表明这些方法均有助于成像分辨率的提高。
[0004]尽管目前发展的多种成像方法表现出良好的性能，但其并不能从根本上克服成像换能器衍射限制的问题，以至于成像分辨率难以得到突破性的提高。而在声空化及相关的治疗超声应用中，局部小区域空间范围内空化的检测对于研究声空化物理现象本身以及解释和澄清相关的生物物理机制至关重要。鉴于此，亟待提出一种能够对小区域内空化源空间分布进行精细解析的超分辨超声被动空化成像方法及系统，而这也是超声被动空化成像
领域一直以来亟待攻克的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法及系统。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，包括以下步骤：
[0008]1)建立成像坐标系并规划时间门控能量图的像素网格，根据该像素网格中每个像素坐标到空化激励超声换能器表面中心坐标处切线或切面的距离和每个像素坐标与阵列超声换能器各阵元坐标之间的距离计算双程延时，以双程延时为时间门控区间的初始时刻并设置时间门控区间的时间长度，得到各阵元的时间门控区间，根据各阵元的时间门控区间从阵列超声换能器被动接收所得的每帧原始射频信号中提取各阵元的时间门控信号，对各阵元的时间门控信号沿阵元方向叠加，得到时间门控合成信号，将时间门控合成信号的平方沿采样点方向叠加，得到每帧原始射频信号对应的时间门控能量图；
[0009]2)对每帧时间门控能量图进行阈值化处理后根据所有非零值像素建立全局像素集合，根据设置的闭邻域半径和闭邻域像素数目阈值，通过重复初始化像素簇及扩展像素簇过程，对全局像素集合中的像素进行聚簇，得到每帧时间门控能量图的全局像素簇；
[0010]3)针对每帧时间门控能量图的每个全局像素簇划定局部聚簇窗，利用局部聚簇窗对时间门控能量图进行框选，得到局部能量图，对局部能量图进行阈值化处理后根据所有非零值像素建立局部像素集合，根据设置的闭邻域半径和闭邻域像素数目阈值，通过重复初始化像素簇及扩展像素簇过程，对局部像素集合中的像素进行聚簇，得到局部像素簇，从局部像素簇中寻找局部像素主簇并将局部能量图中不包含在局部像素主簇中的所有像素的像素值置为零，得到单空化源能量图，从而实现单空化源的分离；
[0011]4)提取所有单空化源能量图的像素峰值，根据设置的像素峰值阈值对其中每个单空化源能量图的像素峰值进行判断，由像素峰值小于像素峰值阈值的单空化源能量图建立单空化源能量图集合；
[0012]5)在成像坐标系中建立高斯分布函数，对单空化源能量图集合中的每个单空化源能量图进行高斯拟合以定位单个空化源，得到高斯分布函数中参数的估计值，其中高斯分布峰值位置的估计值为空化源坐标的估计值，将参数的估计值代入到高斯分布函数中计算高斯拟合结果，计算给定置信水平下的空化源坐标估计不确定度，根据单空化源能量图及单空化源能量图的高斯拟合结果计算拟合优度；
[0013]6)根据所有空化源的空化源坐标估计不确定度和拟合优度建立空化源坐标估计不确定度集合和拟合优度集合，对各集合中元素分别进行升序排列并计算升序排列后的各集合中元素的四分位数和四分位距，根据四分位数和四分位距设置空化源坐标估计不确定度的阈值和拟合优度的阈值，利用设置的空化源坐标估计不确定度的阈值和拟合优度的阈值检测出正常定位的空化源；
[0014]7)规划超分辨成像的像素网格并针对每个正常定位的空化源建立定位分布函数，计算该像素网格中每个像素坐标的定位分布函数值，得到每个正常定位的空化源的定位分布图，对所有正常定位的空化源的定位分布图进行叠加，然后进行归一化及对数化处理，得
到超分辨成像结果。
[0015]优选的，所述步骤1中，双程延时的计算公式表示为：
[0016][0017]其中，为时间门控能量图的像素网格中的任意一像素坐标(x,z)到空化激励超声换能器表面中心坐标处切线或切面的距离，为所述像素坐标(x,z)与阵列超声换能器第i个阵元的坐标(x
i
,0)之间的距离，i＝1,2,...,N
SE
，N
SE
为阵列超声换能器的阵元数目，c为声传播速度；
[0018]当空化激励超声换能器的中轴线在阵列超声换能器的成像平面内时，为所述像素坐标(x,z)到空化激励超声换能器表面中心坐标(x
E
,y
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,z
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)处切线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)建立成像坐标系并规划时间门控能量图的像素网格，根据该像素网格中每个像素坐标到空化激励超声换能器表面中心坐标处切线或切面的距离和每个像素坐标与阵列超声换能器各阵元坐标之间的距离计算双程延时，以双程延时为时间门控区间的初始时刻并设置时间门控区间的时间长度，得到各阵元的时间门控区间，根据各阵元的时间门控区间从阵列超声换能器被动接收所得的每帧原始射频信号中提取各阵元的时间门控信号，对各阵元的时间门控信号沿阵元方向叠加，得到时间门控合成信号，将时间门控合成信号的平方沿采样点方向叠加，得到每帧原始射频信号对应的时间门控能量图；2)对每帧时间门控能量图进行阈值化处理后根据所有非零值像素建立全局像素集合，根据设置的闭邻域半径和闭邻域像素数目阈值，通过重复初始化像素簇及扩展像素簇过程，对全局像素集合中的像素进行聚簇，得到每帧时间门控能量图的全局像素簇；3)针对每帧时间门控能量图的每个全局像素簇划定局部聚簇窗，利用局部聚簇窗对时间门控能量图进行框选，得到局部能量图，对局部能量图进行阈值化处理后根据所有非零值像素建立局部像素集合，根据设置的闭邻域半径和闭邻域像素数目阈值，通过重复初始化像素簇及扩展像素簇过程，对局部像素集合中的像素进行聚簇，得到局部像素簇，从局部像素簇中寻找局部像素主簇并将局部能量图中不包含在局部像素主簇中的所有像素的像素值置为零，得到单空化源能量图；4)提取所有单空化源能量图的像素峰值，根据设置的像素峰值阈值对其中每个单空化源能量图的像素峰值进行判断，由像素峰值小于像素峰值阈值的单空化源能量图建立单空化源能量图集合；5)在成像坐标系中建立高斯分布函数，对单空化源能量图集合中的每个单空化源能量图进行高斯拟合，得到高斯分布函数中参数的估计值，其中高斯分布峰值位置的估计值为空化源坐标的估计值，将参数的估计值代入到高斯分布函数中计算高斯拟合结果，计算给定置信水平下的空化源坐标估计不确定度，根据单空化源能量图及单空化源能量图的高斯拟合结果计算拟合优度；6)根据所有空化源的空化源坐标估计不确定度和拟合优度建立空化源坐标估计不确定度集合和拟合优度集合，对各集合中元素分别进行升序排列并计算升序排列后的各集合中元素的四分位数和四分位距，根据四分位数和四分位距设置空化源坐标估计不确定度的阈值和拟合优度的阈值，利用设置的空化源坐标估计不确定度的阈值和拟合优度的阈值检测出正常定位的空化源；7)规划超分辨成像的像素网格并针对每个正常定位的空化源建立定位分布函数，计算该像素网格中每个像素坐标的定位分布函数值，得到每个正常定位的空化源的定位分布图，对所有正常定位的空化源的定位分布图进行叠加，然后进行归一化及对数化处理，得到超分辨成像结果。2.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所述步骤1中，双程延时的计算公式表示为：
其中，为时间门控能量图的像素网格中的任意一像素坐标(x,z)到空化激励超声换能器表面中心坐标处切线或切面的距离，为所述像素坐标(x,z)与阵列超声换能器第i个阵元的坐标(x
i
,0)之间的距离，N
SE
为阵列超声换能器的阵元数目，c为声传播速度；当空化激励超声换能器的中轴线在阵列超声换能器的成像平面内时，为所述像素坐标(x,z)到空化激励超声换能器表面中心坐标(x
E
,y
E
,z
E
)处切线的距离：当空化激励超声换能器的中轴线与阵列超声换能器的成像平面相交且与阵列超声换能器的阵元方向垂直时，为所述像素坐标(x,z)到空化激励超声换能器表面中心坐标(x
E
,y
E
,z
E
)处切面的距离：其中，α为空化激励超声换能器中轴线与阵列超声换能器中轴线的夹角，|
·
|表示取绝对值。3.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所述步骤1中，时间门控区间的时间长度为空化激励超声换能器发射脉冲的脉冲长度。4.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所述步骤2或步骤3中，闭邻域半径以像素数目为单位且设置为闭邻域像素数目阈值设置为2；所述步骤2或步骤3中，初始化像素簇的条件为：从全局像素集合或局部像素集合中任选一未被判断的像素，若所选像素的闭邻域中像素的数目小于闭邻域像素数目阈值，则重新选择，直至所选像素的闭邻域中像素的数目大于等于闭邻域像素数目阈值，此时所选像素为核心像素，并初始化一个像素簇；所述步骤2或步骤3中，扩展像素簇具体包括以下步骤：2.1)将从全局像素集合或局部像素集合中选择并确定为核心像素的像素聚入到所述像素簇中；2.2)将所述核心像素的去心闭邻域中的所有像素归入到一待判断像素集合中；2.3)在待判断像素集合中任选一未被判断的像素，若所选像素是核心像素，则将该像素去心闭邻域中未被判断的像素归入到所述待判断像素集合中，并转至步骤2.4；若所选像素不是核心像素，则直接转至步骤2.4；2.4)若步骤2.3所选像素未被聚簇，则将该像素聚入到所述像素簇中；2.5)重复步骤2.3和2.4，直至遍历完所述待判断像素集合中的所有像素，从而生成一个全局像素簇或局部像素簇。5.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所述步骤3中，局部聚簇窗的中心为全局像素簇的质心对应的像素，局部聚簇窗的尺寸根据点扩散函数确定；所述步骤3中的阈值化处理所用的阈值系数小于步骤2中
的阈值化处理所用的阈值系数；所述步骤3中，从局部像素簇中寻找局部像素主簇具体包括以下步骤：设置标签像素为全局像素簇的质心对应的像素，则包含标签像素的某一局部像素簇为局部像素主簇。6.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所述步骤4中，像素峰值阈值为所有单空化源能量图的像素峰值的最大值的0.4～0.6倍。7.根据权利要求1所述一种基于单空化源分离及定位的超分辨超声被动空化成像方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：路舒宽，苏瑞波，万明习，万春野，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：