CN103235041B - 基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法 - Google Patents

Abstract

基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，先由信号发生器发射同步信号给空化能量源及全数字化超声成像设备，能量源以连续可变能量激励媒介产生空化，同时全数字化超声成像设备发射平面波并接收空化回波信号；回波信号通过合成孔径延时、相干系数自适应波束合成以及帧间解相关SSD实现空时高分辨、高信噪比的空化泡分布成像序列；从序列图像中进行区域分割并提取子区域能量强度曲线PIC，在PIC曲线中设置一个强度阈值，强度阈值所对应的能量作为空化起始阈值，在获得每个子区域的起始阈值后经过伪彩编码重建空化起始阈值空间分布；本发明为不同能量、不同参数作用下的空化泡分布情况提供了直观图像分析，为不同媒介空化分析提供了依据。

Description

基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法

技术领域

本发明涉及超声检测与超声成像技术领域，特别涉及到基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，该方法以结合宽波束合成孔径成像和相干系数最小方差自适应波束合成的空时高分辨、高信噪比的超声主动空化成像为基础，提出一种空化起始阈值空间分布的高频超声重建方法。

背景技术

空化是指液体中的空化核在外加能量（热/力）的作用下被激活，表现为微小泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程，是生物医学领域中药物释放、基因转染、体外碎石、溶栓、止血、热疗以及肿瘤热消融等方面的主要机制。空化形成过程伴随着空化泡的产生，空化泡或保持稳定的非线性径向振荡，或在迅速增长后随之被急剧压缩至崩溃，两种情况分别对应稳态空化和瞬态空化。使液体产生空化的最小能量值称为空化起始阈值，空化起始阈值的大小取决于媒介液体静态压、初始温度、液体本身的结构状态以及液体中外加的多样性空化核，这使得液体媒介中空化的产生具有一定的随机性。为更好地理解不同媒介空化的产生机制并更好地控制空化的产生，空化检测成像及空化阈值检测的研究受到越来越多的关注。

现有的空化检测成像主要有光学检测方法和声学检测方法。光学检测成像通过高速/超高速摄影拍摄观察空化泡的行为，具有直观、同步性好、时间分辨率高的优点，缺点是对媒介透光性要求很高、不适用于原位研究。声学检测方法根据接收方式可分为被动空化检测方法和主动空化检测方法，其中被动空化检测基于空化过程中产生的声信息，包括谐波、次谐波、超谐波和宽带噪声等，通过换能器被动接收并提取不同信息分量反映空化状态（稳态空化对应次谐波分量、谐波分量及高次谐波分量；瞬态空化对应宽带噪声），又可分为被动空化检测（PassiveCavitationDetection,PCD）和被动空化成像(PassiveCavitationImaging,PCI)。PCD在各个领域的空化研究中被广泛使用，通常使用聚焦单阵元超声换能器来提高空化检测的灵敏度，信号获取简便，但是不能反映空化泡分布的空间信息；PCI是在PCD基础上发展起来的，通过阵列换能器被动接收和通道信号波束合成及重建得到空化泡的空间分布，重建算法复杂且空间分辨率不高。PCD和PCI只能在能量场作用下空化泡处于活动状态时进行，受能量场干扰明显。

主动空化检测由换能器主动发射声信号作用于目标区域，通过检测空化泡的背向散射回波反映空化状态，最基本的方法是B超成像，B超扫描成像过程决定了B超图像的准实时性，即每帧图像的不同扫描线不是同一时刻获得的，同时成像帧率也被限制在几十赫兹，不能实现空化泡瞬态行为的获取。法国INSERM的Fink小组提出平面波复合快速超声成像法用于空化成核的检测成像，该方法通过平面波发射实现高帧率实时成像，并提出不同角度相干波复合提高成像信噪比，但是信噪比的提高在一定程度上牺牲了成像帧率。

空化阈值较多的是理论建模方面的研究，包括空化的起始（稳态空化）以及空化的坍塌（瞬态空化），实验方面局限于针对空化起始的光学高速/超高速摄影以及针对空化坍塌的声致发光/声致化学发光的研究，这两者均都受到介质透明度的限制。也有用PCD法检测宽带噪声信号来研究空化坍塌阈值，但是PCD不能提供空间分布信息且不能用于空化起始阈值的检测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布的高频超声重建方法，将宽波束合成孔径成像和相干系数最小方差自适应波束合成相结合用于主动空化成像，具有空时高分辨、高信噪比的成像特点且成像不受媒介透明度的限制，在此基础上实现的高频超声空化起始阈值分布重建具有较高的检测灵敏度及空间分辨率。

为实现上述任务，本发明给出如下的技术解决方案：

基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，包括以下步骤：

步骤一、在源能量温度或压力连续可调的情况下激励空化的产生，并对空化信号进行检测：空化的产生装置包括产生能量场的源装置和控制时序的同步信号发生器；空化信号的检测装置包括可编程发射宽波束的高频阵列换能器和并行通道数据采集及存储单元，同步信号发生器产生同步信号分别控制能量源装置和阵列换能器，能量源装置产生连续可变能量激励空化的产生，同时阵列换能器发射宽波束对空化进行检测，得到的空化回波信号由并行通道数据采集及存储单元采集存储；

步骤二、通过PC机上高分辨、高信噪比的成像软件对步骤一中采集到的空化信号进行成像：首先选定空化成像区域中的某个目标点，根据目标点的位置计算有效孔径及延时得到对目标点进行接收聚焦后的通道信号；然后对通道信号进行相干系数最小方差自适应波束合成，实现目标点通道信号的最优幅度变迹及相干系数加权，得到目标点最优输出；遍历所有目标点得到整个空化成像区域的射频数据；最后通过解相关SSD及射频信号成像算法，实现空时高分辨、高信噪比的超声主动空化成像；对步骤一中得到的连续可变能量源激励下的空化信号分别进行成像即可得到随能量变化的空化序列图像；

步骤三、对步骤二中得到的随能量变化的空化序列图像进行空化起始阈值提取并实现空化起始阈值分布的重建：首先对各空化图像进行区域分割，计算每个子区域的图像强度，提取各子区域图像强度随序列变化的曲线即能量强度曲线（PIC曲线）；然后在PIC曲线上设置一个强度阈值，达到强度阈值时对应的能量值即为该子区域空化起始阈值；最后在得到每个子区域的起始阈值后经过伪彩编码重建空化起始阈值的空间分布。

步骤二中所述的相干系数最小方差自适应波束合成，具体方法为：

（1）、选定目标点并根据目标点位置计算波束合成的有效孔径（有效阵元数）大小，记为M；

（2）、根据目标点位置对M个阵元通道信号计算延时，得到延时后的信号，记为X(t)：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_0\left(t\right)\\ X_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ X_{M-1}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

（3）、把阵元数为M的阵列分为长度为L的子阵，子阵的总数为M-L+1，计算X(t)空间平均相关矩阵R(t)：

$R\left(t\right)=\frac{1}{M-L+1}\underset{l=1}{\overset{M-L+1}{\mathrm{\Σ}}}{X}^l\left(t\right)X^l{\left(t\right)}^H---\left(2\right)$

（4）、用R(t)+γI来代替R(t)，实现对角线加载，其中I为单位矩阵，γ=Δ·trace{R(t)}，trace{R(t)}为相关矩阵的迹，Δ为算法加入的空间噪声与信号功率比；

（5）、取为单位向量，并用（1）式的R(t)计算最优加权系数w(t)：

$w\left(t\right)=\frac{R{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}{{\stackrel{\→}{a}}^{H}R{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}---\left(3\right)$

（6）、计算X(t)的相干系数（CoherenceFactor,CF），CF定义为相干方向的能量与阵元信号总能量的比值，如下式：

$\mathrm{CF}\left(t\right)=\frac{{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}X(m,t)\right|}^2}{M\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X(m,t)\right|}^2}---\left(4\right)$

（7）、通过式（2）、式（3）、式（4）计算该目标点的最优输出

（8）重复步骤(1）-(7），计算所有目标点最优输出，最终得到整个空化成像区域的射频信号。

本发明通过宽波束发射实现空化成像的时间高分辨，通过相干系数最小方差自适应波束合成实现空化成像空间高分辨及高信噪比。本发明提出的空时高分辨超声主动空化成像方法，为不同能量、不同参数下媒介的空化泡分布情况提供了直观图像分析。

在超声主动空化成像基础上，本发明提出的高频超声空化起始阈值分布重建具有较高的检测灵敏度及空间分辨率，且不受媒介透明度的限制，为不同媒介空化分析提供了依据。

附图说明

图1是本发明的空时高分辨、高信噪比的主动空化成像原理框图。

图2是本发明空化激励与主动空化成像时序图。

图3是本发明的宽波束合成孔径及相干系数最小方差自适应波束合成的流程图。

图4是本发明以HIFU作为能量源，短脉冲激励非透明腔室中空化泡发展过程结果示意图，脉冲长度20us，占空比0.5%，电功率150W，箭头所指为HIFU作用方向。

图5是本发明空化起始阈值检测及空间分布重建的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，包括以下步骤：

步骤一、在源能量温度或压力连续可调的情况下激励空化的产生，并对空化信号进行检测，空化的产生装置包括产生能量场的源装置和控制时序的同步信号发生器；空化信号的检测装置包括可编程发射宽波束的高频阵列换能器和并行通道数据采集及存储单元，同步信号发生器产生同步信号分别控制能量源装置和阵列换能器，能量源装置产生连续可变能量激励空化的产生，同时阵列换能器发射宽波束对空化进行检测，得到的空化回波信号由并行通道数据采集及存储单元采集存储；

步骤二、通过PC机上高分辨高信噪比的成像软件对步骤一中采集到的空化信号进行成像：首先选定空化成像区域中的某个目标点，根据目标点的位置计算有效孔径及延时得到对目标点进行接收聚焦后的通道信号；然后对通道信号进行相干系数最小方差自适应波束合成实现目标点通道信号的最优幅度变迹及相干系数加权，得到目标点最优输出；遍历所有目标点得到整个空化成像区域的射频数据；最后通过解相关SSD及射频信号成像算法，实现空时高分辨、高信噪比的超声主动空化成像，对步骤一中得到的连续可变能量源激励下的空化信号分别进行成像即可得到随能量变化的空化序列图像；

步骤二中所述的通过PC机上高分辨高信噪比的成像软件对步骤一中采集到的空化信号进行成像，参照图1，图1是超声主动空化成像原理框图。以高强度聚焦超声（HighIntensityFocusedUltrasound，HIFU）作为能量源为例，空化产生模块主要有双通道任意波形发生器、功率放大器和HIFU换能器组成。双通道任意波形发生器的一个通道输出脉冲调制正弦波，经过功率放大器放大为HIFU超声换能器提供激励，另一个通道输出上升沿方波信号连接到全数字化开放式超声成像系统作为同步触发信号。全数字化开放式超声成像系统可编程实现阵列换能器的128通道同时发射平面波覆盖整个目标区域，目标区域散射回波信号由并行通道数据采集单元接收并存储后传送到PC机，此时得到的回波信号是原始的波束合成前的射频数据；空化信号波束合成及成像在PC机上通过高分辨高信噪比的成像软件实现，主要包括平面波合成孔径数据延时的计算、基于自适应波束合成的最优幅度变迹加权值的计算、相干系数的计算、帧间解相关SSD算法的实现以及射频数据成像的实现。

以HIFU空化为例，空时高分辨，高信噪比的超声主动空化成像方法的具体实施步骤如下：

（1）系统的搭建：将HIFU换能器固定于水槽侧壁，超声成像系统阵列换能器固定于水槽上方并使之与HIFU换能器共焦，水槽另一边侧壁及底部固定吸声材料避免多次反射现象，水槽中加入除气水，共焦区用三维装置固定好空化发生媒介，接好BNC连接线，接通电源，各设备开机。

（2）同步信号的编写：参照图2，按照图2的时序编写双通道任意波形发生器两个通道的输出信号，通道1作为激励，为脉冲调制正弦波（1.2MHz）信号；通道2作为同步，为上升沿方波信号，Vpp设置为2V；为了避免HIFU信号的干扰，T_delay设置为1ms，T_PRF按照成像时间分辨率的需要设置（如设为200us时，对应成像帧率为5kHz）。

（3）空化信号发生及采集：将功率放大器和全数字化开放式超声成像系统都设为外触发状态，打开双通道任意波形发生的两个通道，手动触发，HIFU工作产生空化，同时阵列换能器发射平面波检测空化泡信号并由并行通道数据采集单元采集存储数据后传送到PC机。

（4）空化信号成像：如图3的流程图，

（a）设置成像基本参数，包括阵列换能器阵元参数、采样频率、声速、扫描线数、每条扫描线上点数、f值、有效孔径等；

(b)建立坐标系，选取目标点，根据目标点位置计算有效孔径及对应的延时;

(c)取延时后通道数据，进行相干系数最小方差自适应波束合成得到目标点输出；

(d)遍历整个目标区域，得到一帧图像的波束合成后的射频矩阵；

(e)重复(b)(c)(d),得到射频信号矩阵序列。

(5)相邻帧或与参考帧之间进行解相关SSD计算，并通过射频成像算法得到空时高分辨空化图像序列；

(6)通过空时高分辨空化图像序列分析不同参数下空化泡群分布的变化情况。

步骤二中所述的相干系数最小方差自适应波束合成，具体方法为：

（1）选定目标点并根据目标点位置计算波束合成的有效孔径（有效阵元数）大小，记为M；

（2）根据目标点位置对M个阵元通道信号计算延时，得到延时后的信号，记为X(t)：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_0\left(t\right)\\ X_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ X_{M-1}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

（3）把阵元数为M的阵列分为长度为L的子阵，子阵的总数为M-L+1，计算X(t)空间平均相关矩阵R(t)：

$R\left(t\right)=\frac{1}{M-L+1}\underset{l=1}{\overset{M-L+1}{\mathrm{\Σ}}}{X}^l\left(t\right)X^l{\left(t\right)}^H---\left(2\right)$

（4）用R(t)+γI来代替R(t)，实现对角线加载，其中I为单位矩阵，γ=Δ·trace{R(t)}，trace{R(t)}为相关矩阵的迹，Δ为算法加入的空间噪声与信号功率比；

（5）取为单位向量，并用（1）式的R(t)计算最优加权系数w(t)：

$w\left(t\right)=\frac{R{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}{{\stackrel{\→}{a}}^{H}R{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}---\left(3\right)$

（6）计算X(t)的相干系数（CoherenceFactor,CF），CF定义为相干方向的能量与阵元信号总能量的比值，如下式：

$\mathrm{CF}\left(t\right)=\frac{{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}X(m,t)\right|}^2}{M\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X(m,t)\right|}^2}---\left(4\right)$

（7）通过式（2）、（3）、（4）计算该目标点的最优输出

（8）重复步骤(1）-(7），计算所有目标点最优输出，最终得到整个空化成像区域的射频信号。

以上方法的主要应用有：1）研究超声等能量源作用下形成稳定空化泡群时相关参数设置；2）研究能量源持续时间和作用强度对空化泡群分布及消散的影响；3）研究能量源在空蚀脉冲作用下形成稳定空化泡群时的脉冲个数、脉冲占空比及相关参数设置；4）研究能量源空蚀脉冲作用下脉冲间空化泡群消散与再发生的动态平衡。

图4为HIFU脉冲（脉冲持续时间20us，占空比0.5%）作用下，电功率为150W时非透明腔室中空化泡群的发展过程。从图中可以看出，脉冲波作用下空化泡群有一个发生发展过程，起先泡群分布很小，然后慢慢增长，在19个脉冲作用后基本形成了稳定的空化泡群。

步骤三、对步骤二中得到的随能量变化的空化序列图像进行空化起始阈值提取并实现空化起始阈值分布的重建。首先对各空化图像进行区域分割，计算每个子区域的图像强度，提取各子区域图像强度随序列变化的曲线即能量强度曲线（PIC曲线）；然后在PIC曲线上设置一个强度阈值，达到强度阈值时对应的能量值即为该子区域空化起始阈值；最后在得到每个子区域的起始阈值后经过伪彩编码重建空化起始阈值的空间分布。

参照图5，附图5是本发明空化起始阈值分布重建的原理图，重建过程如下：

（1）根据试验媒介的空化产生情况，设置能量源初始能量p₀及能量变化梯度Δp；

（2）编写同步激励信号，激励能量源以梯度Δp连续产生空化，同时进行主动空化检测成像；

（3）将目标区域进行分割，每个子区域分别计算图像强度I随能量p变化的曲线即能量强度曲线（PIC）；

（4）提取每个子区域的空化起始阈值，空化起始阈值定义如下：阈值能量下对应的子区域空化图像强度大于背景强度均值加上3倍的背景强度均方根值；

（5）对每个子区域的起始阈值进行伪彩编码，得到整个起始阈值分布。

以上方法的主要应用有：1）不同能量源下液体媒介空化起始阈值分布重建；2）研究液体媒介本身结构状态（气体含量，粘弹性等）对空化起始阈值分布的影响；3）研究液体媒介在不同静态压/初始温度下的空化起始阈值分布重建；4）研究液体媒介在加入不同类型空化核后对空化起始阈值分布的影响；5）研究不同液体媒介在相同外加参数下空化起始阈值分布的差异性。

Claims (2)

1.基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在源能量温度或压力连续可调的情况下激励空化的产生，并对空化信号进行检测，空化的产生装置包括产生能量场的源装置和控制时序的同步信号发生器；空化信号的检测装置包括可编程发射宽波束的高频阵列换能器和并行通道数据采集及存储单元，同步信号发生器产生同步信号分别控制能量源装置和阵列换能器，能量源装置产生连续可变能量激励空化的产生，同时阵列换能器发射宽波束对空化进行检测，得到的空化回波信号由并行通道数据采集及存储单元采集存储；

步骤二、通过PC机上高分辨、高信噪比的成像软件对步骤一中采集到的空化信号进行成像：首先选定空化成像区域中的某个目标点，根据目标点的位置计算有效孔径及延时得到对目标点进行接收聚焦后的通道信号；然后对通道信号进行相干系数最小方差自适应波束合成实现目标点通道信号的最优幅度变迹及相干系数加权，得到目标点最优输出；遍历所有目标点得到整个空化成像区域的射频数据；最后通过解相关平方差值求和法(SSD)及射频信号成像算法，实现空时高分辨、高信噪比的超声主动空化成像,对步骤一中得到的连续可变能量源激励下的空化信号分别进行成像即可得到随能量变化的空化序列图像；

步骤三、对步骤二中得到的随能量变化的空化序列图像进行空化起始阈值提取并实现空化起始阈值分布的重建，首先对各空化图像进行区域分割，计算每个子区域的图像强度，提取各子区域图像强度随序列变化的曲线即能量强度曲线；然后在能量强度曲线上设置一个强度阈值，达到强度阈值时对应的能量值即为该子区域空化起始阈值；最后在得到每个子区域的起始阈值后经过伪彩编码重建空化起始阈值的空间分布。

2.根据权利要求1所述的基于超声主动空化成像的空化起始阈值分布重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二中所述的相干系数最小方差自适应波束合成，具体方法为：

(1)、选定目标点并根据目标点位置计算波束合成的有效孔径大小，记为M；

(2)、根据目标点位置对M个阵元通道信号计算延时，得到延时后的信号，记为X(t)：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_0\left(t\right)\\ x_1\left(t\right)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_{M-1}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中x₀(t)，x₁(t)，…,x_M-1(t)指延时后对应通道0,1，…,M-1的阵元通道信号，X(t)是指延时后的通道信号矩阵；

(3)、把阵元数为M的阵列分为长度为L的子阵，子阵的总数为M-L+1，计算X(t)的空间平均相关矩阵R(t)：

$R\left(t\right)=\frac{1}{M-L+1}\underset{l=1}{\overset{M-L+1}{\Σ}}{X}^l\left(t\right)X^l{\left(t\right)}^H---\left(2\right)$

公式(2)中X^l(t)表示子阵的通道信号矩阵，上标l表示对应第l个子阵，l＝1,2,...M-L+1，X^l(t)^H中的上标H指的是对矩阵的共轭运算；

(4)、计算实现对R(t)的对角线加载，其中I为单位矩阵，γ＝Δ·trace{R(t)}，trace{R(t)}为R(t)的迹，Δ为算法加入的空间噪声与信号功率比；

(5)、取为单位向量，并用步骤(4)中的计算最优加权系数w(t)：

$w\left(t\right)=\frac{\hat{R}{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}{{\stackrel{\→}{a}}^H\hat{R}{\left(t\right)}^{-1}\stackrel{\→}{a}}---\left(3\right)$

上标-1表示矩阵的逆；

(6)、计算X(t)的相干系数CF，CF定义为相干方向的能量与阵元信号总能量的比值，如下式：

$CF\left(t\right)=\frac{|\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}X(m,t){|}^2}{M\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}|X(m,t){|}^2}---\left(4\right)$

X(m,t)表示t时刻通道m对应的通道信号；

(7)通过式(2)、式(3)、式(4)计算该目标点的最优输出:

公式中w^H(t)的上标H指的是对矩阵的共轭运算；

(8)、重复步骤(1)-(7)，计算所有目标点最优输出，最终得到整个空化成像区域的射频信号。