CN109259822A - 基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统及方法 - Google Patents

基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统及方法。系统包括可编程数字化超声成像平台、三维被动空化数据采集模块、聚焦超声治疗模块、三维数据处理与显示模块和高精度六轴机械臂；三维被动空化数据采集模块包括超高帧率并行通道数据采集子模块和超声面阵换能器；聚焦超声治疗模块包括聚焦超声换能器、任意波形发生器和功率放大器；三维数据处理与显示模块包括边界提取子模块、滤波子模块、三维被动空化检测成像子模块、三维坐标转换子模块、椭圆拟合子模块、空化剂量计算子模块、空化能量计算子模块和三维可视化显示与分析子模块。本发明实现了对聚焦超声治疗的三维自动引导及动态实时监控。

Description

基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时 监控系统及方法
技术领域
本发明属于生物医学超声仪器与设备领域，具体涉及一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统与方法。
背景技术
聚焦超声治疗是将从体外发射的超声波聚焦于体内靶向区域，利用聚焦超声的热机制和机械机制使病变组织形成损伤，从而实现对病变组织的精准切除。由于聚焦超声治疗通过聚焦超声换能器将能量聚焦在焦域处，而不损伤焦域之外的正常组织，因此是一种无创的病灶精准切除技术。同时，聚焦超声治疗还具有成本低廉、操作简单等优点，目前已在子宫肌瘤、骨肉瘤、乳腺癌和肝癌治疗方面取得了积极进展。
目前聚焦超声治疗在临床应用中面临的问题是缺少聚焦超声治疗的精准引导和动态实时监控方法。聚焦超声治疗的精准性是建立在对聚焦超声准确引导的基础上的。研究表明磁共振图像能够准确地显示组织的解剖结构，可用于引导聚焦超声治疗；由于磁共振参数本身对温度比较敏感，因此在组织发生损伤之前可检测到温度的升高，从而通过预先估计焦域温度使得聚焦超声焦域局限于靶向区域。但是磁共振成像设备价格极为昂贵，成像时间长，且对于一些体内有金属植入物(如心脏起搏器)的病患、孕妇等人群并不适用。当前，聚焦超声治疗的监控方法有两种：磁共振成像和B模式超声成像。磁共振成像技术具有较高的图像分辨率，对组织温度的变化较为敏感，且与聚焦超声治疗过程互不干扰，但其主要关注组织结构的变化，对空化瞬态物理过程不敏感；而空化则是聚焦超声治疗的重要物理基础，且聚焦超声治疗过程中的空化活动与治疗效果直接相关，因此磁共振成像技术并不适用于空化诱导的聚焦超声治疗监控。传统的B模式超声图像中的高回声区域可以反映聚焦超声治疗后形成的组织损伤，但治疗所用的聚焦超声信号会严重干扰图像，因此只能在聚焦超声发射完毕后或不连续的聚焦超声发射的间隙提供监控图像，无法实现对治疗过程中空化活动的实时监控成像。以平面波为发射方式的超声成像虽然大幅度提高了成像帧频，但是聚焦超声信号依然和平面波超声成像的发射脉冲相互干扰，因此也无法对空化活动进行实时监控成像。因此，为了实现精准超声治疗并推进聚焦超声治疗在临床中的应用，有必要发展一种聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控的系统与方法。
目前，国内外兴起了一种被动空化检测成像技术，该技术通过设置诊断超声换能器工作在不发射只接收的模式，来接收空化信号并得到被动空化检测图像，对聚焦超声治疗过程中的空化活动具有较高的检测灵敏度，能实现对聚焦超声治疗(尤其是空化诱导的超声治疗)的实时监控。由于被动空化检测成像本身不需要发射成像脉冲，不会和治疗所用的聚焦超声信号相互干扰，因此能够克服磁共振成像和B模式超声成像在监控聚焦超声治疗中的缺陷，真正意义上实现对治疗过程的动态实时监控。同时，在单个聚焦超声短脉冲作用下组织中可产生空化，但并不会对组织形成不可逆损伤，因此可以通过单个聚焦超声短脉冲作用下形成的被动空化检测图像对超声治疗的位置和范围进行定征，进而实现聚焦超声治疗前的精准引导。随着对被动空化检测成像算法的不断研究，目前已经能够获得较高的图像质量。然而，现有的二维被动空化检测成像技术只能提供空化在某一平面的分布，无法满足临床中对三维靶向区域的引导和实时监控的需求。
中国专利(ZL201510158723.9)公开了一种“基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统及方法”，其存在的不足之处在于：
1)高强度聚焦超声治疗引导系统需要医生手动勾画治疗位点，存在一定的主观性误差，并且只规划了治疗的路径，并没有在治疗前对治疗进行准确的引导，因此容易对正常组织形成意外损伤，存在一定的安全隐患，并不能实现真正意义上的治疗引导。
2)使用B模式超声图像监控聚焦超声治疗过程，但是由于聚焦超声治疗信号会严重干扰B模式超声图像的质量，因此只能在治疗的间隙或结束后获取监控图像，而不能对聚焦超声治疗过程中的空化进行实时监控，因此只适用于基于热机制的如组织热消融等治疗模式的监控，而不适用于空化诱导的聚焦超声治疗监控。B模式三维超声成像是利用相控阵换能器或线阵换能器得到某一位置B模式平面图像，然后通过手动控制机械臂移动到下一扫描位置，最后进行图像重建来实现的；但是，一方面，手动控制机械臂会对图像三维重建造成较大的误差；另一方面，多次扫描严重降低了时间分辨率。
3)适用于体内较大尺寸(厘米级)病灶的治疗，但在较大尺寸病灶的治疗过程中仍然会引发安全性问题，对于较小尺寸(毫米级)病灶的治疗则更不适用。
因此，目前亟待提出一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统及方法。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统及方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统，该系统包括可编程数字化超声成像平台、三维被动空化数据采集模块、聚焦超声治疗模块、三维数据处理与显示模块以及高精度六轴机械臂；所述三维被动空化数据采集模块包括超高帧率并行通道数据采集子模块和超声面阵换能器；所述聚焦超声治疗模块包括聚焦超声换能器、任意波形发生器和功率放大器；所述任意波形发生器分别与可编程数字化超声成像平台及功率放大器相连，聚焦超声换能器与功率放大器相连，超声面阵换能器及高精度六轴机械臂分别与可编程数字化超声成像平台相连；
所述任意波形发生器用于在驱动聚焦超声换能器工作的同时，向可编程数字化超声成像平台发送同步信号；
所述可编程数字化超声成像平台用于控制超声面阵换能器的工作模式，并在超声面阵换能器工作在发射接收模式时输出B模式三维超声图像，或者在超声面阵换能器工作在不发射只接收模式时，利用超高帧率并行通道数据采集子模块同步(根据同步信号)采集超声面阵换能器被动接收的空化原始通道数据；
所述三维数据处理与显示模块包括边界提取子模块、滤波子模块、三维被动空化检测成像子模块、三维坐标转换子模块、椭圆拟合子模块、空化剂量计算子模块、空化能量计算子模块和三维可视化显示与分析子模块；
所述边界提取子模块用于提取聚焦超声治疗前基于人体基本轴的B模式三维超声图像中治疗靶向区域的边界坐标和聚焦超声治疗后基于人体基本轴的B模式三维超声图像中损伤区域的边界坐标；
所述滤波子模块用于对空化原始通道数据进行滤波以获得稳态空化数据和惯性空化数据；
所述三维被动空化检测成像子模块用于处理空化原始通道数据或处理所述稳态空化数据和惯性空化数据以获得相对应的三维图像；
所述三维坐标转换子模块用于将可编程数字化超声成像平台输出的B模式三维超声图像或由三维被动空化检测成像子模块获得的三维图像转换为相对应的基于人体基本轴的三维图像；
所述椭圆拟合子模块用于对基于人体基本轴的空化三维图像在冠状面、矢状面及横断面上的空化切面图像进行椭圆拟合；
所述空化剂量计算子模块用于根据空化原始通道数据计算聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量；
所述空化能量计算子模块用于根据基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像计算聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化能量和惯性空化能量以及稳态空化总能量和惯性空化总能量；
所述三维可视化显示与分析子模块包括聚焦超声治疗三维引导界面、聚焦超声治疗动态实时监控界面、聚焦超声治疗多参量监控界面和聚焦超声治疗效果分析评价界面，所述聚焦超声治疗三维引导界面根据聚焦超声治疗前B模式三维超声图像的治疗靶向区域边界计算治疗靶向区域的质心坐标、根据处理空化原始通道数据得到的空化三维图像所对应各空化切面图像的椭圆拟合计算空化发生坐标，并根据治疗靶向区域的质心坐标及空化发生坐标规划高精度六轴机械臂的移动路径，实现聚焦超声治疗前的三维引导，使得空化发生在治疗靶向区域的质心位置，聚焦超声治疗动态实时监控界面根据基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及相对应的稳态空化切面图像和惯性空化切面图像，来实现聚焦超声治疗过程中的动态实时监控，聚焦超声治疗多参量监控界面根据计算得到的聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量、惯性空化剂量、稳态空化能量和惯性空化能量生成对应的空化剂量、空化能量随时间变化的曲线，从而实现聚焦超声治疗过程的多参量监控，聚焦超声治疗效果分析评价界面对基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别进行叠加得到稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像、获取稳态空化总能量和惯性空化总能量，并根据治疗前后分别提取的B模式三维超声图像中的边界信息计算治疗靶向区域、损伤区域的体积，从而用于实现聚焦超声治疗效果的分析评价。
优选的，所述聚焦超声治疗模块中，任意波形发生器将治疗引导波形或治疗波形发送至功率放大器，由功率放大器驱动聚焦超声换能器工作，所述治疗引导波形是指在聚焦超声治疗前用于驱动聚焦超声换能器的单脉冲。
优选的，所述超高帧率并行通道数据采集子模块使用并行通道同时采集多个通道的射频数据。
优选的，所述高精度六轴机械臂上安装有由所述聚焦超声换能器和超声面阵换能器组成的复合换能器。
优选的，所述高精度六轴机械臂一方面反馈复合换能器的姿态数据到三维坐标转换子模块，三维坐标转换子模块根据姿态数据得到超声面阵换能器的坐标轴和人体基本轴之间的坐标转换矩阵，高精度六轴机械臂另一方面根据所述移动路径进行移动。
优选的，所述复合换能器安装在高精度六轴机械臂的第六轴，通过密封除气水囊耦合于治疗靶向区域的体表，聚焦超声换能器和超声面阵换能器的组合方式为：将超声面阵换能器设置在聚焦超声换能器的中心圆孔内，使超声面阵换能器和聚焦超声换能器内表面相切。
一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，包括以下步骤：
1)基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导
利用聚焦超声治疗前获得的治疗靶向区域的B模式三维超声图像确定治疗靶向区域的质心坐标；利用三维被动空化检测成像算法对在较低功率的单脉冲聚焦超声作用下产生的空化原始通道数据进行处理得到空化三维图像，根据该空化三维图像得到空化切面图像，对空化切面图像做椭圆拟合，并根据拟合结果计算得到聚焦超声的空化发生坐标；根据治疗靶向区域的质心坐标和聚焦超声的空化发生坐标完成聚焦超声治疗前的三维引导；
2)基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及治疗效果分析
在聚焦超声治疗过程中采集空化原始通道数据，根据该空化原始通道数据获取聚焦超声治疗过程中实时的稳态空化剂量和惯性空化剂量；通过滤波、三维被动空化检测成像算法对所述空化原始通道数据进行处理，获取聚焦超声治疗过程中实时的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，根据稳态空化三维图像和惯性空化三维图像获取稳态空化切面图像和惯性空化切面图像并计算实时的稳态空化能量和惯性空化能量；聚焦超声治疗结束后计算稳态空化总能量、惯性空化总能量，通过稳态空化总能量、惯性空化总能量以及损伤区域体积占治疗靶向区域体积的百分比对聚焦超声治疗效果做分析评价。
优选的，所述基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导，具体包括以下步骤：
1.1)令患者平躺于治疗床，利用高精度六轴机械臂移动由上述聚焦超声换能器和超声面阵换能器组成的复合换能器，使复合换能器通过密封除气水囊耦合于治疗靶向区域的体表；
1.2)利用可编程数字化超声成像平台控制所述超声面阵换能器工作在发射接收模式，然后将可编程数字化超声成像平台获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像；
1.3)通过高精度六轴机械臂调整复合换能器的位置和角度，使治疗靶向区域位于基于人体基本轴的B模式三维超声图像的中央部位，然后利用边缘检测获得该B模式三维超声图像中治疗靶向区域的边界坐标，根据该边界坐标计算治疗靶向区域的质心坐标；
1.4)利用可编程数字化超声成像平台控制所述超声面阵换能器工作在不发射只接收模式，采集在聚焦超声换能器发射低功率(该功率应尽可能低，但不能低于空化阈值)的单脉冲时产生的空化原始通道数据，并通过三维被动空化检测成像算法对该空化原始通道数据进行处理，得到空化三维图像，将该空化三维图像转换为基于人体基本轴的空化三维图像，然后获得对应于该空化三维图像的基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像(各空化切面图像由基于人体基本轴的空化三维图像中的像素最大值所在坐标来确定)；
1.5)对步骤1.4)所得基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像做椭圆拟合，分别根据各空化切面图像经拟合后所得椭圆中的二次项系数值和一次项系数值计算各空化切面图像的中心坐标，根据各空化切面图像的中心坐标计算椭圆拟合平均坐标；
1.6)重复步骤1.4)和1.5)M次，然后计算椭圆拟合平均坐标的均值，得到空化发生坐标，根据该空化发生坐标和步骤1.3)得到的治疗靶向区域的质心坐标规划高精度六轴机械臂的移动路径，根据移动路径利用高精度六轴机械臂带动复合换能器移动，使空化发生坐标与治疗靶向区域的质心坐标重合；
1.7)利用可编程数字化超声成像平台再次控制所述超声面阵换能器工作在发射接收模式，然后将可编程数字化超声成像平台获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像。
优选的，所述空化切面图像的椭圆拟合具体包括以下步骤：首先对各空化切面图像做阈值化处理，得到各空化切面图像的阈值坐标；然后根据空化切面图像的所有阈值坐标构造对应空化切面图像的椭圆拟合的目标函数，分别对目标函数中的二次项系数、一次项系数和常数项系数求一阶偏导数，并分别令各系数对应的一阶偏导数为零，得到线性方程组，利用奇异值分解法求得该线性方程组的最小二乘解，从而得到拟合后的椭圆。由于空化切面图像本身呈现不规则的几何分布，而在阈值化处理后则呈现类似椭圆的分布形状，因此需要先对空化切面图像做阈值化处理，从而更准确地计算各空化切面图像的中心坐标，进一步实现空化发生坐标的准确估计。
优选的，所述空化发生坐标计算中，从M个椭圆拟合平均坐标中剔除异常的椭圆拟合平均坐标，取其余椭圆拟合平均坐标的均值作为空化发生坐标，所述异常的椭圆拟合平均坐标是指某椭圆拟合平均坐标在任意坐标轴方向的坐标值与M个椭圆拟合平均坐标在该方向坐标值的均值的偏差大于M个椭圆拟合平均坐标在该方向的坐标值的标准差。剔除异常的椭圆拟合平均坐标的目的是最大程度地降低空化的随机性对确定空化发生坐标所造成的影响，M一般选择30～40，以满足统计学分析的样本量需求。
优选的，所述步骤1.2)、1.3)及1.7)中获得的基于人体基本轴的B模式三维超声图像，步骤1.4)中获得的基于人体基本轴的空化三维图像，步骤1.5)中获得的基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像的椭圆拟合结果，步骤1.3)中获得的治疗靶向区域的质心坐标，步骤1.6)中获得的空化发生坐标，以及根据所述质心坐标和空化发生坐标规划的高精度六轴机械臂的移动路径可以通过可编程数字化超声成像平台进行显示。
优选的，所述基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及治疗效果分析，具体包括以下步骤：
2.1)利用边缘检测获得步骤1.7)中所得的基于人体基本轴的B模式三维超声图像中治疗靶向区域的边界坐标；
2.2)在聚焦超声治疗中，利用可编程数字化超声成像平台控制所述超声面阵换能器工作在不发射只接收模式，并根据采集的所述治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据，计算所述治疗过程中对应时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量，然后将稳态空化剂量和惯性空化剂量随时间变化的曲线通过可编程数字化超声成像平台进行显示；
2.3)对所述治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据，通过滤波及三维被动空化检测成像算法处理，得到对应时刻下的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，将该稳态空化三维图像和惯性空化三维图像分别转换为基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，然后分别获得对应于该稳态空化三维图像和惯性空化三维图像的基于人体冠状面、矢状面和横断面的稳态空化切面图像和惯性空化切面图像(各稳态空化切面图像和各惯性空化切面图像分别由基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像中的像素最大值所在坐标来确定)，将基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及所述稳态空化切面图像和惯性空化切面图像通过可编程数字化超声成像平台进行显示；
2.4)根据不同时刻下基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像计算对应时刻下的稳态空化能量和惯性空化能量，根据对应时刻下的稳态空化能量和惯性空化能量，将稳态空化能量和惯性空化能量随时间变化的曲线通过可编程数字化超声成像平台进行显示；
2.5)所述治疗结束后，根据所述治疗过程中不同时刻所得的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别叠加得到的稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像，分别计算稳态空化总能量和惯性空化总能量；
2.6)利用可编程数字化超声成像平台控制所述超声面阵换能器工作在发射接收模式，并获取治疗结束后的B模式三维超声图像，然后将获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像，然后采用上述边缘检测获得该B模式三维超声图像中治疗靶向区域在治疗后形成的损伤区域的边界坐标；根据损伤区域边界坐标和步骤2.1)所得治疗靶向区域边界坐标计算损伤区域体积和治疗靶向区域体积，然后计算损伤区域体积占治疗靶向区域体积的百分比；
2.7)将步骤2.5)中获得的稳态空化总能量和惯性空化总能量以及步骤2.6)中获得的治疗靶向区域体积、损伤区域体积、损伤区域体积占治疗靶向区域体积的百分比通过可编程数字化超声成像平台进行显示。
优选的，所述步骤2.5)中获得的稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像以及步骤1.7)和步骤2.6)分别获得的治疗前后的基于人体基本轴的B模式三维超声图像可以通过可编程数字化超声成像平台进行显示。
优选的，所述边缘检测具体包括以下步骤：通过边缘检测算子计算基于人体基本轴的B模式三维超声图像中所有像素点的梯度幅值，若某像素点的梯度幅值大于设定的阈值，则将该像素点标记为边缘像素点，将标记的所有边缘像素点的坐标作为边界坐标(治疗靶向区域或损伤区域)。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过使用B模式三维超声图像获取治疗靶向区域的质心坐标，利用三维被动检测成像技术获取空化发生坐标，同时结合高精度六轴机械臂，聚焦超声治疗前按规划的移动路径移动，解决临床中聚焦超声治疗的三维引导的问题；此外，使用三维被动空化检测技术可获得聚焦超声治疗中不同时刻的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，同时计算与空化相关的多个参量，可实现对聚焦超声治疗的动态实时监控以及治疗效果分析。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图；图中：1-三维数据处理与显示模块、2-六轴机械臂、3-可编程数字化超声成像平台、4-并行通道数据采集子模块、5-超声面阵换能器、6-聚焦超声换能器、7-任意波形发生器、8-功率放大器、9-复合换能器、10-密封除气水囊、11-治疗靶向区域。
图2为本发明中基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导的流程图。
图3为本发明中基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及多参量监控的流程图。
图4为本发明的三维数据处理与显示模块中所包含的滤波子模块(a)、三维被动空化检测成像子模块(b)、三维坐标转换子模块(c)、椭圆拟合子模块(d)、空化剂量计算子模块(e)和空化能量计算子模块(f)的流程图。
图5为本发明的三维数据处理与显示模块中所包含的三维可视化显示与分析子模块的显示界面；其中：(a)聚焦超声治疗三维引导界面；(b)聚焦超声治疗动态实时监控界面；(c)聚焦超声治疗多参量监控界面；(d)聚焦超声治疗效果分析评价界面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明提出一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统。该系统由可编程数字化超声成像平台3、三维被动空化数据采集模块、聚焦超声治疗模块、三维数据处理与显示模块1和高精度六轴机械臂2组成；所述三维被动空化数据采集模块由超高帧率并行通道数据采集子模块4和超声面阵换能器5组成；所述聚焦超声治疗模块由聚焦超声换能器6、任意波形发生器7和功率放大器8组成；所述三维数据处理与显示模块1包括边界提取子模块、滤波子模块、三维被动空化检测成像子模块、三维坐标转换子模块、椭圆拟合子模块、空化剂量计算子模块、空化能量计算子模块和三维可视化显示与分析子模块；所述高精度六轴机械臂2上安装由所述超声面阵换能器5和聚焦超声换能器6组成的复合换能器9，所述任意波形发生器7分别连接可编程数字化超声成像平台3和功率放大器8，聚焦超声换能器6连接功率放大器8，超声面阵换能器5连接可编程数字化超声成像平台3，超高帧率并行通道数据采集子模块4安装在可编程数字化超声成像平台3上。三维数据处理与显示模块1运行于可编程数字化超声成像平台3，同时借助该平台实现界面显示，可编程数字化超声成像平台3与高精度六轴机械臂2连接。
所述系统中的可编程数字化超声成像平台3可以控制超声面阵换能器5工作在发射接收模式以实现B模式三维超声成像，若控制超声面阵换能器5工作在不发射只接收模式，则可以借助三维被动空化检测成像子模块实现三维被动空化成像；同时，外接的超高帧率并行通道数据采集子模块4可以提高三维被动空化成像的时间分辨率。
所述系统中的超高帧率并行通道数据采集子模块4有别于传统的超声设备使用串行通道依次采集数据的方式，其使用并行通道同时采集多个阵元接收的射频数据，减少了数据采集时间，可获得超高帧率的超声成像，可提高三维被动空化成像的时间分辨率。
所述系统中的可编程数字化超声成像平台3自带超声换能器，但一般为一维阵列换能器或相控阵换能器，因此在超声面阵换能器5连接可编程数字化超声成像平台3时，需设置相关参数以实现超声面阵换能器5和可编程数字化超声成像平台3的匹配。超声面阵换能器5匹配可编程数字化超声成像平台3的方式为：依据超声面阵换能器5的中心频率、带宽、频谱特性、电功率和额定工作电压等参数，修改可编程数字化超声成像平台3上的换能器驱动参数。
所述系统中的任意波形发生器7用于编辑聚焦超声治疗引导波形(包括波形形状和脉冲持续时间)和治疗波形(包括波形形状、声功率、脉冲重复频率、脉冲持续时间和脉冲个数等)，是聚焦超声治疗模块的驱动部件，其中，治疗引导波形为单个短脉冲，用于在聚焦超声治疗前对聚焦超声换能器6的焦域(其范围小于治疗靶向区域，参见图1中治疗靶向区域质心处的灰色区域，)位置进行精确定位。任意波形发生器7在驱动功率放大器8工作的同时，向可编程数字化超声成像平台3发送同步信号，从而使得超高帧率并行通道数据采集子模块4采集超声面阵换能器5各阵元被动接收的空化原始通道数据，采集的空化原始通道数据由三维数据处理与显示模块1进行处理。
所述系统中的功率放大器8接收任意波形发生器7发出的治疗引导波形或治疗波形，将治疗波形放大至聚焦超声治疗所需的功率，将治疗引导波形放大至较低功率(该功率应尽可能低，但不能低于空化阈值)，并发送至聚焦超声换能器6。断开功率放大器8和聚焦超声换能器6的连接或停止功率放大器8的工作即可停止聚焦超声治疗模块的工作。
所述系统中的聚焦超声换能器6将电功率转换为声功率，发射超声波并聚焦到焦域位置，是聚焦超声治疗模块的直接作用部件。
所述系统中的高精度六轴机械臂2上安装由所述超声面阵换能器5和聚焦超声换能器6组成的复合换能器9。高精度六轴机械臂2一方面反馈复合换能器9的姿态数据到三维坐标转换子模块，以实现机械臂坐标系下的图像到基于人体基本轴的图像的转换；另一方面根据利用治疗靶向区域11(例如，病灶或病灶内局部位置)的质心坐标和空化发生坐标所规划的在x,y,z方向上的移动路径进行移动，以实现对聚焦超声治疗的三维引导，即在治疗前将聚焦超声换能器6的焦域移动至治疗靶向区域11的质心。
所述三维数据处理与显示模块1中，边界提取子模块用于提取聚焦超声治疗前B模式三维超声图像中治疗靶向区域的边界坐标和聚焦超声治疗后B模式三维超声图像中损伤区域的边界坐标；滤波子模块用于对空化原始通道数据进行滤波以获得稳态空化数据和惯性空化数据；三维被动空化检测成像子模块用于处理空化原始通道数据或处理空化原始通道数据经滤波后所得的稳态空化数据、惯性空化数据以分别获得机械臂坐标系下的空化三维图像、稳态空化三维图像和惯性空化三维图像；三维坐标转换子模块用于将机械臂坐标系下的B模式三维超声图像、空化三维图像、稳态空化三维图像和惯性空化三维图像分别转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像、空化三维图像、稳态空化三维图像和惯性空化三维图像；椭圆拟合子模块用于对基于人体基本轴的空化三维图像在矢状面、冠状面及横断面上的空化切面图像进行椭圆拟合；空化剂量计算子模块用于计算治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量；空化能量计算子模块用于计算治疗过程中不同时刻的稳态空化能量和惯性空化能量以及稳态空化总能量和惯性空化总能量；三维可视化显示与分析子模块包括聚焦超声治疗三维引导界面、聚焦超声治疗动态实时监控界面、聚焦超声治疗多参量监控界面和聚焦超声治疗效果分析评价界面，分别用于实现聚焦超声治疗前的三维引导、聚焦超声治疗过程中的动态实时监控、聚焦超声治疗过程的多参量监控以及聚焦超声治疗效果的分析评价。
所述复合换能器9安装在高精度六轴机械臂2的第六轴，通过密封除气水囊10耦合于治疗靶向区域11的体表。聚焦超声换能器6和超声面阵换能器5的组合方式为：将超声面阵换能器5放置在聚焦超声换能器6的中心圆孔内，使超声面阵换能器5表面和聚焦超声换能器6内表面相切，由几何关系可知，超声面阵换能器的扫描范围包含聚焦超声换能器的焦域。
所述三维被动空化数据采集模块各部件的连接方式为：超高帧率并行通道数据采集子模块4安装在可编程数字化超声成像平台3上，超声面阵换能器5连接并匹配可编程数字化超声成像平台3。
所述聚焦超声治疗模块各部件的连接方式为：聚焦超声换能器6连接至功率放大器8的输出端口，任意波形发生器7的同步信号端口连接可编程数字化超声成像平台3的外触发接口，任意波形发生器7的波形输出端口连接至功率放大器8的外触发接口，设置功率放大器8工作在外触发模式。
所述三维被动空化数据采集模块和聚焦超声治疗模块的同步方式为：任意波形发生器7的波形输出端口连接功率放大器8的外触发接口，同步信号端口连接可编程数字化超声成像平台3的外触发接口，设置功率放大器8和可编程数字化超声成像平台3工作在外触发模式。任意波形发生器7驱动聚焦超声治疗模块工作的同时，向可编程数字化超声成像平台3发送同步信号(对于聚焦超声治疗前引导而言，为单个短脉冲；对于聚焦超声治疗过程监控而言，则根据聚焦超声治疗波形的脉冲重复频率、脉冲持续时间、脉冲个数等参数进行编辑)，采集空化原始通道数据。
本发明还提出一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，具体步骤为：
1.参见图2，基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导，具体包括以下步骤：
(1.1)令患者平躺于治疗床，通过高精度六轴机械臂2移动复合换能器9，使复合换能器9通过密封除气水囊10耦合于治疗靶向区域11的体表；
(1.2)设置超声面阵换能器5的工作模式为发射接收模式，设置可编程数字化超声成像平台3的触发模式为内触发模式；
(1.3)在可编程数字化超声成像平台3上调节增益补偿、壁滤波器、焦点个数和焦点位置等参数，获得机械臂坐标系下的B模式三维超声图像，通过三维坐标转换将其转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像；
(1.4)通过高精度六轴机械臂2调整复合换能器9的位置和角度，使得治疗靶向区域11位于基于人体基本轴的B模式三维超声图像的中央部位且图像上无空腔、骨骼等强反射干扰；
(1.5)通过边缘检测算子(例如，Roberts算子)计算步骤(1.4)所得的B模式三维超声图像中所有像素点的梯度幅值，若某像素点的梯度幅值大于阈值(例如，阈值为0.8～0.9)，则将该像素点标记为边缘像素点，提取边缘像素点的坐标为治疗靶向区域11的边界坐标，根据该边界坐标计算治疗靶向区域11的质心坐标；
(1.6)在任意波形发生器7上编辑治疗引导波形(为单个短脉冲，以最大程度避免聚焦超声对正常组织的意外损伤)，编辑同步信号为单个短脉冲，使用示波器检查治疗引导波形和同步信号，设定功率放大器8的电功率为低功率(该功率应尽可能低，以最大程度避免聚焦超声对正常组织的意外损伤，但不能低于空化阈值)，设置超声面阵换能器5的工作模式为不发射只接收模式，设置可编程数字化超声成像平台3的触发模式为外触发模式；
(1.7)按下任意波形发生器7的发射按钮，开始采集空化原始通道数据，然后通过三维被动空化检测成像算法处理得到空化三维图像，通过三维坐标转换将其转换为基于人体基本轴的空化三维图像，并通过该空化三维图像获得基于人体冠状面(x-z平面)、矢状面(y-z平面)和横断面(x-y平面)的空化切面图像(各空化切面图像由基于人体基本轴的空化三维图像中的像素最大值所在坐标来确定)；
(1.8)对步骤(1.7)所得基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像做椭圆拟合，分别根据各空化切面图像经拟合后所得椭圆中的二次项系数值和一次项系数值计算各空化切面图像的中心坐标(冠状面中心坐标为x1和z1，矢状面中心坐标为y2和z2，横断面中心坐标为x3和y3)，然后计算椭圆拟合平均坐标
(1.9)重复步骤(1.7)和(1.8)M(M一般取为30～40，以满足统计学分析的样本量需求)次，从M个椭圆拟合平均坐标剔除异常坐标(若某个椭圆拟合平均坐标在x,y,z任一方向的值与M个椭圆拟合平均坐标在该方向的值的平均值的偏差大于M个椭圆拟合平均坐标在该方向的值的标准差，则认为该椭圆拟合平均坐标为异常坐标)，取其余椭圆拟合平均坐标的均值作为空化发生坐标；剔除异常的椭圆拟合平均坐标的目的是最大程度地降低空化的随机性对确定空化发生坐标所造成的影响；
(1.10)根据步骤(1.9)所得空化发生坐标与步骤(1.5)所得治疗靶向区域11的质心坐标在x,y,z方向的差值规划移动路径，然后高精度六轴机械臂2带动复合换能器9按照规划好的移动路径进行移动，使空化发生坐标与质心坐标重合，即使空化发生在治疗靶向区域11的质心处；
(1.11)重复步骤(1.2)和(1.3)，在B模式三维超声图像中观察聚焦超声换能器6的声传播方向上是否有空腔、骨骼等强反射干扰，若无，则聚焦超声治疗前的三维引导结束；若有，则在保持治疗靶向区域11的质心坐标和空化发生坐标重合的同时，微调高精度六轴机械臂2的角度使得聚焦超声换能器6的声传播方向上无强反射干扰，聚焦超声治疗前的三维引导结束。
2.参见图3，基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及多参量监控，具体包括以下步骤：
(2.1)采用与所述步骤(1.5)相同的方法测量步骤(1.11)得到的三维引导结束后(即治疗前)的基于人体基本轴的B模式三维超声图像中治疗靶向区域11的边界坐标；
(2.2)根据聚焦超声治疗的参数要求，在任意波形发生器7上编辑聚焦超声治疗波形，根据该波形的脉冲重复频率、脉冲持续时间和脉冲个数等参数编辑同步信号，使用示波器检查治疗波形和同步信号，设定功率放大器8的电功率，设置超声面阵换能器5的工作模式为不发射只接收模式，设置可编程数字化超声成像平台3的触发模式为外触发模式；
(2.3)按下任意波形发生器7的发射按钮，开始进行聚焦超声治疗，采集治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据；
(2.4)根据步骤(2.3)所得治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据，计算治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量(用以表征聚焦超声治疗过程中分别产生的稳态空化信号和惯性空化信号的强度)，获取稳态空化剂量和惯性空化剂量随时间变化的曲线；
(2.5)对步骤(2.3)所得治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据进行滤波得到对应时刻的稳态空化数据和惯性空化数据，利用三维被动空化检测成像算法对稳态空化数据和惯性空化数据进行处理，分别得到机械臂坐标系下的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，通过三维坐标转换分别将其转换为不同时刻下基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，并通过该稳态空化三维图像和惯性空化三维图像获得基于人体冠状面、矢状面和横断面的稳态空化切面图像和惯性空化切面图像(各稳态空化切面图像和各惯性空化切面图像分别由基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像中的像素最大值所在坐标来确定)；
(2.6)根据步骤(2.5)所得不同时刻下的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像分别计算治疗过程中不同时刻下的稳态空化能量和惯性空化能量(用以表征聚焦超声治疗过程中在三维空间分别产生的稳态空化分布场和惯性空化分布场的能量)，分别获取稳态空化能量和惯性空化能量随时间变化的曲线；
(2.7)将步骤(2.5)所得不同时刻下的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别叠加得到稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像，并分别计算稳态空化总能量和惯性空化总能量(用以表征整个聚焦超声治疗过程中在三维空间分别产生的稳态空化分布场和惯性空化分布场的总能量)；
(2.8)治疗结束后，重复步骤(1.2)和(1.3)，获取治疗后的基于人体基本轴的B模式三维超声图像，采用与所述步骤(1.5)相同的方法测量治疗后形成的损伤区域的边界坐标；
(2.9)分别根据步骤(2.1)所得治疗靶向区域11和步骤(2.8)所得损伤区域的边界坐标来计算治疗靶向区域11体积和损伤区域体积，并计算损伤区域体积占治疗靶向区域11体积的百分比；
(2.10)根据步骤(2.7)所得稳态空化总能量和惯性空化总能量来分别评价聚焦超声治疗过程中稳态空化和惯性空化对于损伤形成所做出的贡献，同时结合步骤(2.9)所得的损伤区域体积占治疗靶向区域11体积的百分比评价聚焦超声治疗的治疗程度。
3.三维数据处理与显示模块在聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控流程中的具体作用
边界提取子模块利用边缘检测算子计算治疗靶向区域(治疗前)在B模式三维超声图像中的边界坐标以及损伤区域(治疗后)在B模式三维超声图像中的边界坐标，边界提取子模块用于执行步骤(1.5)、(2.1)及(2.8)中相应边界坐标的计算；滤波子模块根据设计的不同的滤波器组，从所采集到的空化原始通道数据中提取稳态空化数据和惯性空化数据，滤波子模块用于执行步骤(2.5)中对空化原始通道数据的滤波；三维被动空化检测成像子模块在某一成像位置下计算超声面阵换能器所有阵元的延时数据，将所有阵元的延时数据叠加得到波束合成数据，对波束合成数据的平方进行积分，得到该成像位置的源能量，对所有成像位置的源能量进行计算，从而得到成像结果，三维被动空化检测成像子模块用于执行步骤(1.7)中对空化原始通道数据的处理，得到空化三维图像，也用于执行步骤(2.5)中对稳态空化数据和惯性空化数据的处理，得到稳态空化三维图像和惯性空化三维图像；三维坐标转换子模块结合高精度六轴机械臂2反馈的姿态数据计算坐标转换矩阵，利用该坐标转换矩阵对机械臂坐标系下的三维图像进行处理，得到基于人体基本轴的三维图像，三维坐标转换子模块用于执行步骤(1.3)中对B模式三维超声图像的三维坐标转换，也用于执行步骤(1.7)和(2.5)中对空化三维图像、稳态空化三维图像和惯性空化三维图像的三维坐标转换；椭圆拟合子模块首先对空化三维图像所转化的空化切面图像进行阈值化处理，然后对根据所有阈值坐标构造的目标函数中的各系数求一阶偏导数并分别令各系数对应的一阶偏导数为零，得到线性方程组，利用奇异值分解法求得该线性方程组的最小二乘解，从而得到拟合后的椭圆，椭圆拟合子模块用于执行对步骤(1.9)中M次椭圆拟合平均坐标计算所依据的空化切面图像的椭圆拟合；空化剂量计算子模块将所采集到的空化原始通道数据转换到频域，分别选择与稳态空化和惯性空化相对应的频带，计算频带内信号的均方根值，根据均方根值计算得到稳态空化剂量和惯性空化剂量，空化剂量计算子模块用于执行步骤(2.4)中对稳态空化剂量和惯性空化剂量的计算；空化能量计算子模块根据像素最大值下降到一半时在x,y,z方向分别对应的长度选择感兴趣三维区域，根据基于人体基本轴的稳态空化三维图像、惯性空化三维图像或稳态空化三维叠加图像、惯性空化三维叠加图像中感兴趣三维区域的像素数目和像素值，分别计算得到稳态空化能量、惯性空化能量、稳态空化总能量和惯性空化总能量，空化能量计算子模块用于执行步骤(2.6)中对稳态空化能量和惯性空化能量以及步骤(2.7)中对稳态空化总能量和惯性空化总能量的计算；三维可视化显示与分析子模块根据B模式三维超声图像的治疗靶向区域边界坐标计算治疗靶向区域的质心坐标(步骤(1.5))、根据处理空化原始通道数据所得空化三维图像的各空化切面图像的椭圆拟合结果计算空化发生坐标(步骤(1.8)和步骤(1.9))和根据治疗靶向区域的质心坐标及空化发生坐标规划高精度六轴机械臂的移动路径(步骤(1.10))，将移动路径发送至高精度六轴机械臂；根据处理空化原始通道数据得到的空化三维图像及稳态空化三维图像、惯性空化三维图像，生成在冠状面、矢状面及横断面上的空化切面图像；将不同时刻下的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别叠加；生成与空化相关的多个参量(空化剂量、空化能量)随时间变化的曲线；以及计算治疗靶向区域体积、损伤区域体积和损伤区域体积占治疗靶向区域体积的比例等。
结合图4、图5对相应子模块的具体处理流程进一步说明如下：
(3.1)参见图4(a)，所述滤波子模块的具体流程为：
(3.1.1)根据多个巴特沃斯带通滤波器构成的带通滤波器组，从空化原始通道数据中提取各次谐波和各超谐波分量，将各次谐波和各超谐波分量相加得到稳态空化数据；
(3.1.2)根据多个巴特沃斯带阻滤波器构成的带阻滤波器组，从空化原始通道数据中提取宽带噪声，得到惯性空化数据。
(3.2)参见图4(b)，所述三维被动空化检测成像子模块(三维被动空化检测成像算法)的具体流程为：
(3.2.1)计算某一成像位置到所有阵元的三维空间距离，根据该三维空间距离计算时间延时，对所有阵元的数据(空化原始通道数据、稳态空化数据或惯性空化数据)做延时处理，得到所有阵元的延时数据；
(3.2.2)对步骤(3.2.1)所得所有阵元的延时数据进行叠加，得到波束合成数据；
(3.2.3)在数据采集时间区间内对步骤(3.2.2)所得波束合成数据的平方进行积分得到某一成像位置处的源能量；
(3.2.4)对于所有成像位置，重复步骤(3.2.1)～(3.2.3)，得到每个成像位置的源能量。
(3.3)参见图4(c)，所述三维坐标转换子模块的具体流程如下：
(3.3.1)从高精度六轴机械臂2反馈的姿态数据中获取位置信息，从而得到超声面阵换能器5的坐标轴(即机械臂坐标系)和人体基本轴的位置关系，以人体的基本轴为基准，计算x,y,z方向的坐标平移矩阵；
(3.3.2)从高精度六轴机械臂2反馈的姿态数据中获取角度信息，从而得到超声面阵换能器5的坐标轴和人体基本轴的角度关系，以人体的基本轴为基准，计算x,y,z方向的坐标旋转矩阵；
(3.3.3)将步骤(3.3.1)所得x,y,z方向的坐标平移矩阵和步骤(3.3.2)所得x,y,z方向的旋转矩阵相乘，分别得到x,y,z方向的坐标转换矩阵；
(3.3.4)利用步骤(3.3.3)所得x,y,z方向的坐标转换矩阵对机械臂坐标系下的三维图像(B模式三维超声图像、空化三维图像、稳态空化三维图像或惯性空化三维图像)进行处理，得到转换后的基于人体基本轴的三维图像(B模式三维超声图像、空化三维图像、稳态空化三维图像或惯性空化三维图像)。
(3.4)参见图4(d)，所述椭圆拟合子模块的具体流程为：
(3.4.1)对空化三维图像所转化的空化切面图像做阈值化处理(例如，阈值为图像中最大像素值的0.5～0.8倍，大于或等于该阈值的像素值保持不变，小于该阈值的像素值置为0)，从而得到空化切面图像的所有阈值坐标(像素值等于阈值的像素点的坐标)；
(3.4.2)根据步骤(3.4.1)所得所有阈值坐标来构造椭圆拟合的目标函数(所有阈值坐标到拟合椭圆对应坐标的残差平方和)；
(3.4.3)分别对步骤(3.4.2)所得目标函数中的二次项系数、一次项系数和常数项系数求一阶偏导数，并分别令各系数对应的一阶偏导数为零，得到线性方程组；
(3.4.4)利用奇异值分解法求得步骤(3.4.3)所得线性方程组的最小二乘解，从而得到拟合后的椭圆(由最小二乘解中的二次项系数值、一次项系数值和常数项系数值来确定)。
(3.5)参见图4(e)，所述空化剂量计算子模块的具体流程为：
(3.5.1)对治疗过程中某时刻下某阵元的空化原始通道数据做傅里叶变换，得到频谱，从整个频带中选取次谐波和超谐波频带，计算得到该阵元的次谐波和超谐波频带中信号的均方根值；
(3.5.2)重复步骤(3.5.1)，得到所有阵元的次谐波和超谐波频带中信号的均方根值，取所有阵元的均方根值的最大值的0.2倍为阈值，计算高于该阈值的阵元的均方根值的均值作为该时刻的稳态空化剂量；
(3.5.3)根据步骤(3.5.1)所得的频谱，从整个频带中选取宽带噪声，计算得到该阵元的宽带噪声中信号的均方根值；
(3.5.4)重复步骤(3.5.3)，得到所有阵元的宽带噪声中信号的均方根值，取所有阵元的均方根值的最大值的0.2倍为阈值，计算高于该阈值的阵元的均方根值的均值作为该时刻的惯性空化剂量。
(3.6)参见图4(f)，所述空化能量计算子模块的具体流程为：
(3.6.1)根据像素最大值下降到一半时在x,y,z方向分别对应的长度选择感兴趣三维区域；
(3.6.2)提取基于人体基本轴的稳态空化三维图像、惯性空化三维图像或稳态空化三维叠加图像、惯性空化三维叠加图像中感兴趣三维区域内的像素数目和像素值，将所有像素值相加并除以像素数目，分别得到稳态空化能量、惯性空化能量、稳态空化总能量或惯性空化总能量。
(3.7)参见图5，所述三维可视化显示与分析子模块包括聚焦超声治疗三维引导界面、聚焦超声治疗动态实时监控界面、聚焦超声治疗多参量监控界面和聚焦超声治疗效果分析评价界面，各界面具体显示内容及功能为：
(3.7.1)参见图5(a)，所述聚焦超声治疗三维引导界面显示内容包括基于人体基本轴的B模式三维超声图像、空化三维图像、各空化切面图像(包括冠状面、矢状面和横断面)的椭圆拟合、治疗靶向区域11的质心坐标、空化发生坐标和高精度六轴机械臂2的移动路径规划，用于实现聚焦超声治疗前的三维引导；
(3.7.2)参见图5(b)，所述聚焦超声治疗动态实时监控界面显示内容包括某时刻的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及各稳态空化切面图像和各惯性空化切面图像(包括冠状面、矢状面和横断面)，用以对聚焦超声治疗过程进行动态实时监控；
(3.7.3)参见图5(c)，所述聚焦超声治疗多参量监控界面显示内容包括稳态空化剂量和惯性空化剂量随时间变化的曲线以及稳态空化能量和惯性空化能量随时间变化的曲线，用以对聚焦超声治疗过程进行多参量监控；
(3.7.4)参见图5(d)，所述聚焦超声治疗效果评价界面显示内容包括稳态空化三维叠加图像、惯性空化三维叠加图像、治疗前B模式三维超声图像、治疗后B模式三维超声图像、稳态空化总能量和惯性空化总能量、治疗靶向区域11体积、损伤区域体积以及损伤区域体积占治疗靶向区域11体积的比例，用以对聚焦超声治疗效果进行分析评价。
本发明具有以下优点：
(1)本发明中对聚焦超声治疗前的引导和对聚焦超声治疗过程的监控均是基于聚焦超声辐照产生的空化效应以及三维被动空化检测成像算法来实现的，治疗前的准确三维引导保证了治疗的准确性和安全性，治疗过程中的动态实时监控则能够对治疗方案进行调整和优化；本发明将治疗前引导、治疗过程中监控以及治疗后分析评价结合起来，能实现对整个治疗过程的有效把控，从而达到更好的治疗效果。
(2)本发明针对临床中对聚焦超声治疗三维引导的需求，基于三维被动空化检测成像提出高强度聚焦超声治疗前的三维引导系统与方法，首先利用边缘检测算子处理得到B模式三维超声图像中治疗靶向区域的质心坐标，然后利用三维被动空化检测成像算法得到低功率的单个短脉冲作用下的空化三维图像，再通过椭圆拟合得到准确的空化发生坐标，依据空化发生坐标和治疗靶向区域的质心坐标规划高精度六轴机械臂的移动路径，使得空化能够准确地发生在治疗靶向区域的质心处，因此在聚焦超声治疗前能够实现准确的引导，从而为精准治疗奠定基础；另外，本发明采用低功率的单个短脉冲，在引导过程中并不会使得蛋白变性，能够有效地避免组织不可逆损伤的形成，因此引导过程的安全隐患得到最大程度的降低。
(3)本发明针对临床中对聚焦超声治疗监控实时性的需求以及目前磁共振成像与B模式超声成像在聚焦超声治疗过程中无法实现动态实时监控的不足，提出利用超声面阵换能器和三维被动空化检测成像技术，来获取聚焦超声治疗过程中的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及与空化相关的多个参量，从而实现对治疗过程的动态实时监控及多参量监控。而由于在组织热消融中也有空化效应的存在，因此本发明同时适用于基于热机制和空化机制的聚焦超声治疗的动态实时监控及多参量监控。
(4)本发明中，直接使用超声面阵换能器得到B模式超声三维图像，不存在手动控制机械臂所带来的图像重建误差并有效节省了时间。
(5)本发明中，由于在治疗前通过引导将空化完全锁定在治疗靶向区域的质心处，因此适用于小尺寸病灶(毫米、亚毫米甚至微米级)的治疗，如微小血管溶栓、血脑屏障开放、药物控制释放等对安全性和精度要求非常高的精准治疗方面，同时也适用于大尺寸病灶的治疗，如肝脏肿瘤、骨肿瘤和子宫肌瘤等的热消融方面。
(6)本发明所述系统可结合实际需求选择不同类型的可编程数字化超声成像平台、超声面阵换能器、聚焦超声换能器、任意波形发生器和功率放大器等来构建，从而实现对聚焦超声治疗的三维引导和动态实时监控，因此容易实现推广应用。

Claims (10)

1.一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统，其特征在于：该系统包括可编程数字化超声成像平台(3)、三维被动空化数据采集模块、聚焦超声治疗模块、三维数据处理与显示模块(1)以及六轴机械臂(2)；所述三维被动空化数据采集模块包括并行通道数据采集子模块(4)和超声面阵换能器(5)；所述聚焦超声治疗模块包括聚焦超声换能器(6)、任意波形发生器(7)和功率放大器(8)；所述任意波形发生器(7)分别与可编程数字化超声成像平台(3)及功率放大器(8)相连，聚焦超声换能器(6)与功率放大器(8)相连，超声面阵换能器(5)及六轴机械臂(2)分别与可编程数字化超声成像平台(3)相连；
所述任意波形发生器(7)用于在驱动聚焦超声换能器(6)工作的同时，向可编程数字化超声成像平台(3)发送同步信号；
所述可编程数字化超声成像平台(3)用于控制超声面阵换能器(5)的工作模式，并在超声面阵换能器(5)工作在发射接收模式时输出B模式三维超声图像，或者在超声面阵换能器(5)工作在不发射只接收模式时，利用并行通道数据采集子模块(4)同步采集超声面阵换能器(5)被动接收的空化原始通道数据；
所述三维数据处理与显示模块(1)包括边界提取子模块、滤波子模块、三维被动空化检测成像子模块、三维坐标转换子模块、椭圆拟合子模块、空化剂量计算子模块、空化能量计算子模块和三维可视化显示与分析子模块；所述边界提取子模块用于提取聚焦超声治疗前基于人体基本轴的B模式三维超声图像中治疗靶向区域(11)的边界坐标和聚焦超声治疗后基于人体基本轴的B模式三维超声图像中损伤区域的边界坐标；所述滤波子模块用于对空化原始通道数据进行滤波以获得稳态空化数据和惯性空化数据；所述三维被动空化检测成像子模块用于处理空化原始通道数据或所述稳态空化数据和惯性空化数据以获得相对应的三维图像；所述三维坐标转换子模块用于将可编程数字化超声成像平台(3)输出的B模式三维超声图像或将由三维被动空化检测成像子模块获得的三维图像转换为相对应的基于人体基本轴的三维图像；所述椭圆拟合子模块用于对基于人体基本轴的空化三维图像在冠状面、矢状面及横断面上的空化切面图像进行椭圆拟合；所述空化剂量计算子模块用于根据空化原始通道数据计算聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量；所述空化能量计算子模块用于根据基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像计算聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化能量和惯性空化能量以及稳态空化总能量和惯性空化总能量；
所述三维可视化显示与分析子模块包括聚焦超声治疗三维引导界面、聚焦超声治疗动态实时监控界面、聚焦超声治疗多参量监控界面和聚焦超声治疗效果分析评价界面，所述聚焦超声治疗三维引导界面用于根据聚焦超声治疗前B模式三维超声图像的治疗靶向区域边界计算治疗靶向区域(11)的质心坐标、根据处理空化原始通道数据得到的空化三维图像所对应各空化切面图像的椭圆拟合计算空化发生坐标，并根据治疗靶向区域(11)的质心坐标及空化发生坐标规划六轴机械臂(2)的移动路径，实现聚焦超声治疗前的三维引导，使得空化发生在治疗靶向区域(11)的质心位置，聚焦超声治疗动态实时监控界面用于根据基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及相对应的稳态空化切面图像和惯性空化切面图像，实现聚焦超声治疗过程中的动态实时监控，聚焦超声治疗多参量监控界面用于根据计算得到的聚焦超声治疗过程中不同时刻的稳态空化剂量、惯性空化剂量、稳态空化能量和惯性空化能量生成对应的空化剂量、空化能量随时间变化的曲线，实现聚焦超声治疗过程的多参量监控，聚焦超声治疗效果分析评价界面用于对基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别进行叠加得到稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像、获取稳态空化总能量和惯性空化总能量，并根据治疗前后分别提取的B模式三维超声图像中的边界信息计算治疗靶向区域(11)、损伤区域的体积，实现聚焦超声治疗效果的分析评价。
2.根据权利要求1所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统，其特征在于：所述聚焦超声治疗模块中，任意波形发生器(7)将治疗引导波形或治疗波形发送至功率放大器(8)，由功率放大器(8)驱动聚焦超声换能器(6)工作，所述治疗引导波形是指在聚焦超声治疗前用于驱动聚焦超声换能器(6)的单脉冲。
3.根据权利要求1所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统，其特征在于：所述并行通道数据采集子模块(4)使用并行通道同时采集多个通道的射频数据。
4.根据权利要求1所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控系统，其特征在于：所述六轴机械臂(2)上安装有由所述聚焦超声换能器(6)和超声面阵换能器(5)组成的复合换能器(9)；所述六轴机械臂(2)反馈复合换能器(9)的姿态数据到三维坐标转换子模块，三维坐标转换子模块根据姿态数据得到超声面阵换能器(5)的坐标轴和人体基本轴之间的坐标转换矩阵，六轴机械臂(2)根据所述移动路径进行移动；所述复合换能器(9)通过密封除气水囊(10)耦合于治疗靶向区域(11)的体表，聚焦超声换能器(6)和超声面阵换能器(5)的组合方式为：将超声面阵换能器(5)设置在聚焦超声换能器(6)的中心圆孔内，使超声面阵换能器(5)和聚焦超声换能器(6)内表面相切。
5.一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导
利用聚焦超声治疗前获得的治疗靶向区域(11)的B模式三维超声图像确定治疗靶向区域(11)的质心坐标；利用三维被动空化检测成像算法对在较低功率的单脉冲聚焦超声作用下产生的空化原始通道数据进行处理得到空化三维图像，根据该空化三维图像得到空化切面图像，对空化切面图像做椭圆拟合，并根据拟合结果计算得到聚焦超声的空化发生坐标；根据治疗靶向区域(11)的质心坐标和聚焦超声的空化发生坐标完成聚焦超声治疗前的三维引导；
2)基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及治疗效果分析
在聚焦超声治疗过程中采集空化原始通道数据，根据该空化原始通道数据获取聚焦超声治疗过程中实时的稳态空化剂量和惯性空化剂量；通过滤波、三维被动空化检测成像算法对所述空化原始通道数据进行处理，获取聚焦超声治疗过程中实时的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，根据稳态空化三维图像和惯性空化三维图像获取稳态空化切面图像和惯性空化切面图像并计算实时的稳态空化能量和惯性空化能量；聚焦超声治疗结束后计算稳态空化总能量、惯性空化总能量，通过稳态空化总能量、惯性空化总能量以及损伤区域体积占治疗靶向区域(11)体积的百分比对聚焦超声治疗效果做分析评价。
6.根据权利要求5所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：所述基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导，具体包括以下步骤：
1.1)令患者平躺于治疗床，利用六轴机械臂(2)移动由聚焦超声换能器(6)和超声面阵换能器(5)组成的复合换能器(9)，使复合换能器(9)通过密封除气水囊(10)耦合于治疗靶向区域(11)的体表；
1.2)利用可编程数字化超声成像平台(3)控制所述超声面阵换能器(5)工作在发射接收模式，然后将可编程数字化超声成像平台(3)获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像；
1.3)通过六轴机械臂(2)调整复合换能器(9)的位置和角度，使治疗靶向区域(11)位于基于人体基本轴的B模式三维超声图像的中央部位，然后利用边缘检测获得该B模式三维超声图像中治疗靶向区域(11)的边界坐标，根据该边界坐标计算治疗靶向区域(11)的质心坐标；
1.4)利用可编程数字化超声成像平台(3)控制所述超声面阵换能器(5)工作在不发射只接收模式，采集在聚焦超声换能器(6)发射低功率的单脉冲时产生的空化原始通道数据，并通过三维被动空化检测成像算法对该空化原始通道数据进行处理，得到空化三维图像，将该空化三维图像转换为基于人体基本轴的空化三维图像，然后获得对应于该空化三维图像的基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像；
1.5)对步骤1.4)所得基于人体冠状面、矢状面和横断面的空化切面图像做椭圆拟合，分别根据各空化切面图像经拟合后所得椭圆中的二次项系数值和一次项系数值计算各空化切面图像的中心坐标，根据各空化切面图像的中心坐标计算椭圆拟合平均坐标；
1.6)重复步骤1.4)和1.5)M次，然后计算椭圆拟合平均坐标的均值，得到空化发生坐标，根据该空化发生坐标和步骤1.3)得到的治疗靶向区域(11)的质心坐标规划六轴机械臂(2)的移动路径，根据移动路径利用六轴机械臂(2)带动复合换能器(9)移动，使空化发生坐标与治疗靶向区域(11)的质心坐标重合；
1.7)利用可编程数字化超声成像平台(3)再次控制所述超声面阵换能器(5)工作在发射接收模式，然后将可编程数字化超声成像平台(3)获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像。
7.根据权利要求6所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：所述空化切面图像的椭圆拟合具体包括以下步骤：对各空化切面图像做阈值化处理，得到各空化切面图像的阈值坐标；根据空化切面图像的所有阈值坐标构造对应空化切面图像的椭圆拟合的目标函数，分别对目标函数中的二次项系数、一次项系数和常数项系数求一阶偏导数，并分别令各系数对应的一阶偏导数为零，得到线性方程组，利用奇异值分解法求得该线性方程组的最小二乘解，得到拟合后的椭圆。
8.根据权利要求6所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：所述空化发生坐标计算中，从M个椭圆拟合平均坐标中剔除异常的椭圆拟合平均坐标，取其余椭圆拟合平均坐标的均值作为空化发生坐标，所述异常的椭圆拟合平均坐标是指某椭圆拟合平均坐标在任意坐标轴方向的坐标值与M个椭圆拟合平均坐标在该方向坐标值的均值的偏差大于M个椭圆拟合平均坐标在该方向的坐标值的标准差，M为30～40。
9.根据权利要求6所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：所述基于三维被动空化检测成像的聚焦超声治疗动态实时监控及治疗效果分析，具体包括以下步骤：
2.1)利用边缘检测获得步骤1.7)中所得的基于人体基本轴的B模式三维超声图像中治疗靶向区域(11)的边界坐标；
2.2)在聚焦超声治疗中，利用可编程数字化超声成像平台(3)控制所述超声面阵换能器(5)工作在不发射只接收模式，并根据采集的所述治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据，计算所述治疗过程中对应时刻的稳态空化剂量和惯性空化剂量，然后将稳态空化剂量和惯性空化剂量随时间变化的曲线通过可编程数字化超声成像平台(3)进行显示；
2.3)对所述治疗过程中不同时刻的空化原始通道数据，通过滤波及三维被动空化检测成像算法处理，得到对应时刻下的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，将该稳态空化三维图像和惯性空化三维图像分别转换为基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像，然后分别获得对应于该稳态空化三维图像和惯性空化三维图像的基于人体冠状面、矢状面和横断面的稳态空化切面图像和惯性空化切面图像，将基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像以及所述稳态空化切面图像和惯性空化切面图像通过可编程数字化超声成像平台(3)进行显示；
2.4)根据不同时刻下基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像计算对应时刻下的稳态空化能量和惯性空化能量，根据对应时刻下的稳态空化能量和惯性空化能量，将稳态空化能量和惯性空化能量随时间变化的曲线通过可编程数字化超声成像平台(3)进行显示；
2.5)所述治疗结束后，根据所述治疗过程中不同时刻所得的基于人体基本轴的稳态空化三维图像和惯性空化三维图像沿时间轴分别叠加得到的稳态空化三维叠加图像和惯性空化三维叠加图像，分别计算稳态空化总能量和惯性空化总能量；
2.6)利用可编程数字化超声成像平台(3)控制所述超声面阵换能器(5)工作在发射接收模式，并获取治疗结束后的B模式三维超声图像，然后将获取的B模式三维超声图像转换为基于人体基本轴的B模式三维超声图像，然后采用边缘检测获得该B模式三维超声图像中治疗靶向区域(11)在治疗后形成的损伤区域的边界坐标；根据损伤区域边界坐标和步骤2.1)所得治疗靶向区域(11)边界坐标计算损伤区域体积和治疗靶向区域(11)体积，然后计算损伤区域体积占治疗靶向区域(11)体积的百分比；
2.7)将步骤2.5)中获得的稳态空化总能量和惯性空化总能量以及步骤2.6)中获得的治疗靶向区域(11)体积、损伤区域体积、损伤区域体积占治疗靶向区域(11)体积的百分比通过可编程数字化超声成像平台(3)进行显示。
10.根据权利要求6或9所述一种基于被动空化检测成像的聚焦超声治疗三维引导与动态实时监控方法，其特征在于：所述边缘检测具体包括以下步骤：通过边缘检测算子计算基于人体基本轴的B模式三维超声图像中所有像素点的梯度幅值，若某像素点的梯度幅值大于设定的阈值，则将该像素点标记为边缘像素点，将标记的所有边缘像素点的坐标作为边界坐标。
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