[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于超声检测与超声成像技术领域，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。

背景技术

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。由于空化效应瞬时、随机、不可控，因此对脑部聚焦超声治疗中的空化效应进行实时监控是非常必要的。

近年来，国内外研究表明，磁共振引导的经颅聚焦超声技术成为脑部超声治疗的新手段。磁共振监控的优势主要体现在较高的图像分辨率、对组织温度实时变化的敏感性以及与聚焦超声治疗过程互不干扰等方面，然而常规的磁共振成像主要关注组织结构的变化，难以实现对空化瞬态物理过程的实时检测与监控。传统以聚焦波为发射方式的B模式超声成像在脑部监控存在超声信号衰减、探测深度以及检测灵敏度等相互制约的矛盾。且为了保证B模式成像与聚焦超声信号互不影响，B模式成像只能在聚焦超声脉冲发射之后或者不连续的聚焦超声激励下提供反馈图像信息，无法对聚焦超声作用过程中的空化进行监控，因此B模式成像也无法实现对脑部超声治疗过程中空化的实时监控成像。以平面波为发射方式的超声成像极大地提高了成像帧频，但是也只能对聚焦超声治疗完成之后的空化进行快速的监控，依然无法与聚焦超声治疗信号做到同步。

因此，为了克服上述问题，近年来兴起了基于诊断超声换能器的无源成像技术。无源成像技术是使诊断超声换能器不发射脉冲信号只接收聚焦超声换能器焦点处的空化信号，因此可以对聚焦超声作用过程中的空化效应进行实时监控且相比主动超声成像技术具有更高的检测灵敏度。无源成像技术根据无源波束合成方法获得空化源的空间分布，以此来对聚焦超声治疗进行实时监控。聚焦超声治疗监控的准确性取决于无源波束合成方法的性能。当前，脑部聚焦超声空化的无源成像技术主要是根据CT数据获取成像区域有效声速，然后使用基于延时-叠加-积分的时间曝光声学(Time Exposure Acoustic,TEA)方法进行成像。由于受成像深度及换能器孔径的限制，此方法的横向/轴向分辨率较差，且微泡间的相互作用会形成严重的成像伪影。在非脑部聚焦超声空化的无源成像中，鲁棒的Capon波束合成(Robust Capon Beamformer,RCB)方法通过对每个成像位置的导向矢量重新估计并计算加权矢量，可以有效地消除微泡相互作用产生的伪影并同时提高横向/轴向分辨率，但成像分辨率依然较差且成像伪影依然不能被完全消除。且当前无源成像技术均基于一维线阵超声换能器，只能提供脑部治疗过程中空化效应的平面分布，不能得到空化的三维空间分布，无法满足脑部聚焦超声治疗实时监控的临床需求。

鉴于以上内容，很有必要提出一种针对脑部聚焦超声空化实时监控的三维无源成像方法。