[发明专利]基于面阵的小区域三维被动空化成像及三维复合成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，特别涉及一种适用于高分辨率、高信噪比和高效率的三维被动空化成像方法。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)换能器在聚焦声场作用下会在焦域附近产生空化效应，空化效应是指液体中的不稳定结构被破坏产生空腔(即微米级尺寸的气泡)并在外界驱动作用下产生的膨胀、收缩、塌陷的动力学过程，按其物理机制又可分为惯性空化和非惯性空化。惯性空化是指在负压相的作用下微泡急剧膨胀，在正压相的作用下则急剧收缩直至塌陷，这一过程中微泡在很小的区域内集聚了很大的能量并突然释放，因此会产生局部的高温高压、化学自由基、高速微射流和冲击波等物理和化学现象，可以对正常的细胞结构和生物体内酶的活性造成很大的破坏，同时可以对肿瘤细胞和癌变组织进行有效的杀伤从而达到用HIFU治疗的作用。随着超声造影剂研制的进展，空化效应与超声造影剂的协同作用，在基因治疗、药物传输、溶栓治栓、炎症和肿瘤的靶向显影与治疗等方面展现了巨大的应用。

基于空化微泡的声学成像技术大致有被动成像技术和主动成像技术。其中被动成像技术是利用一个换能器被动接收由于空化微泡所导致的声发射和声散射。HIFU治疗中使用核磁共振技术可实时准确监控组织温度，可防止目标区域温度过高造成不可逆的损伤，但是声学成像技术对于HIFU作用中空化瞬态过程的监控更加具备优势；作为一种被动的方法，它比磁共振成像技术可以提供更高的帧频，而且在以后的临床应用中由于廉价更加容易被医疗机构所接受。现有的被动空化成像(Passive Cavitation Imaging,PCI)技术主要是在时间域应用时间曝光声学(Time Exposure Acoustic,TEA)和通过快速的傅氏变换将接收数据转换到频率域，然后应用TEA原理进行成像。此外，稀疏解卷积、最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)以及鲁棒的Capon自适应波束合成等技术也应用到了其中。

然而这些二维的PCI算法只能得到一个平面方向的空化成像，在应用中只能从一个角度反应组织或者器官的变化，临床医生无法选择最优的成像平面来诊断。例如在监控HIFU治疗肿瘤的过程中，操作者必须有丰富的经验，而且二维的成像受操作者的主观因素影响很大。目前超声三维重建技术是对一组二维图像进行目标定位和空体素补差后进行三维重建，提供空间三维尺度上更丰富的信息量，是在二维成像基础上所做的后续处理；基于像素的三维重建算法(Pixel-Based Methods,PBM)是在已经获取二维超声图像的基础上，将图像上像素的坐标转换到三维区域中的某个体素并对其中未赋值的体素插值，但是这种方法计算速度较慢；基于体素的三维重建算法(Voxel-Based Methods,VBM)首先定义一个三维标准晶格并对其中的每一个体素进行插值，插值方法有中值滤波算法、距离加权算法、线性插值算法、基于探头轨迹的算法等等。但是这两种方法都无法实现三维实时成像，而且当二维超声图像分辨率较低时，还有可能会产生比较大的图像伪影和误差。因此，一幅三维超声成像质量的差异主要还是由二维成像来决定，它只是从二维成像到三维成像的一种量变，无法达成真正意义上的“三维”，在临床上也无法大范围的使用。

在散乱数据插值方面应用较多的径向基函数(RBF)插值方法是样条插值的一种近似，可以得到平滑的三维重建数据。径向基函数可以保证无序三维数据相应的线性方程组矩阵可逆，因此不会出现一般FBM算法解方程不稳定的问题。不过用径向基函数实现三维重建要考虑到过大的计算量问题。传统单一的RBF插值方法对原始三维体数据不做任何处理，虽然这样准确度非常高，但是三维重建速度大大减慢，在临床上根本无法实现。所以考虑在插值之前对数据进行分割预处理，从而提高计算效率。另外，B样条插值对于均匀的矩形网格数据插值效果较好，由于二维面阵采集到的空化数据本身具备这个特性，因此可以将径向基函数插值和B样条插值方法结合起来用于被动空化成像的三维重建上。如此可以在保证计算稳定性的前提下缩短计算时间并使重建图像尽可能平滑。

鉴于以上内容，很有必要提出一种针对空化微泡的三维被动成像和三维复合成像方法。

发明内容

针对二维PCI在成像角度、成像质量等方面的限制，本发明的目的在于提供一种基于面阵的小区域三维被动空化成像及三维复合成像方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：