[发明专利]一种超声空化的微秒级多尺度时空成像及特征图谱计算方法与系统

说明书

本发明公开了一种超声空化的微秒级多尺度时空成像及特征图谱计算方法与系统：沿X和Y方向规划感兴趣成像位置；对二维超声面阵换能器检测的时空三维空化信号进行延时处理，沿阵元方向叠加后得到空化背向散射信号，对空化背向散射信号进行小波包分解得到空化背向散射有效尺度信号，对其进行希尔伯特变换后计算空化瞬时强度，遍历所有感兴趣成像位置得到X和Y方向的微秒级空化时空成像结果；在此基础上计算空化特征指标沿X和Y方向的分布，遍历所有有效尺度得到X和Y方向的空化特征图谱。本发明可实现微秒时间分辨下超声空化的多尺度时空成像及特征图谱的计算，适用于超声空化的瞬态物理机制研究及精细调控。

技术领域

本发明属于超声检测与超声成像技术领域，具体涉及一种超声空化的微秒级多尺度时空成像及特征图谱计算方法与系统。

背景技术

聚焦超声波作用于生物组织中会激发出空化效应，即从微泡成核、生长到最后坍塌的物理过程。低强度下空化微泡的振动可使得血脑屏障可逆地开放，有助于药物传输；高强度下空化的强烈机械作用可直接粉碎细胞，从而实现目标组织的均匀毁损，有助于肿瘤组织的精准切除。然而空化效应本身的随机性可能会造成意外的组织损伤，这就需要对空化活动进行准确的实时影像监控。在聚焦超声尤其是脉冲聚焦超声作用下，单个脉冲内空化的动力学过程以及相邻脉冲之间的交互作用机制是脉冲聚焦超声治疗方案优化的重要物理基础；而由于聚焦超声频率本身为兆赫兹级，因此微秒级时间分辨率下空化随时间和空间变化的瞬态物理过程的监控至关重要。

目前，最为常见的空化声学监控手段是一种使超声换能器工作在不发射只接收模式的被动检测方法，该方法由于不受到聚焦超声声场的干扰，可实现超声空化的实时监控。根据所使用的超声换能器类型又可分为单阵元被动检测和多阵元被动成像，其中单阵元被动检测可对空化强度的时间变化进行量化，但其不能提供空化的空间分布；在单阵元被动检测的基础上发展而来的多阵元被动成像通过对各阵元同时接收到的空化信号进行波束合成处理，从而可对空化的空间位置及空间分布进行定征。然而，多阵元被动成像主要通过对聚焦超声辐照一段时间内的空化能量进行累计，从而得到这段时间内空化活动的总体空间位置，但无法对该段时间内空化的时空瞬态物理过程进行成像和定征。

中国发明专利ZL201410834392.1提供了一种微秒分辨空化时空分布的三维空化定量成像方法，该方法中超声成像换能器单次发射宽波束，待介质中空化核分布恢复之后移动超声成像换能器再次发射宽波束，从而得到空化微泡(空化成核后演变而来)的空间分布。但该方法在实时性、检测灵敏度、可操作性以及介质适用性方面存在缺陷：(1)为了避开聚焦超声信号的干扰，超声成像换能器必须在聚焦超声作用停止一段时间(例如，1ms)之后发射宽波束，此时检测到的是已经形成的空化微泡，而并非聚焦超声作用过程中产生的空化活动，即不能实现空化的实时监控；(2)超声成像换能器发射宽波束后，在检测到空化微泡的同时也会检测到生物组织的信号，当空化微泡信号比较微弱时，该方法的检测灵敏度会降低；(3)该专利中提到利用Plane-by-plane宽波束检测空化以实现微秒时间分辨率；然而，该专利中超声成像换能器每次发射宽波束后需要等待一段足够长的时间(例如，2秒)以恢复介质中的空化核分布，而实际聚焦超声作用过程中介质中的空化核分布瞬息万变且可能难以恢复到初始状态，因此该方法并不能实现真正意义上的瞬态监控；(4)该方法通过机械扫描装置带动一维超声成像换能器来实现空化微泡的空间定征，可操作性较差，在实际应用中具有局限性；(5)该方法要求介质中的空化核分布可通过一定方式恢复到初始状态，适用于液体组织或充满液体的腔室但不适用于其他组织。

此外，空化信号中的次谐波、谐波、超谐波以及宽带噪声分别表征了不同的空化类型(稳态空化或惯性空化)，不同频率成分(即不同尺度)下的空化活动所发挥的作用不同，因此，多尺度下空化的时空成像也非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声空化的微秒级多尺度时空成像及特征图谱计算方法与系统。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：