CN110075430A - 一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统，属于超声空化监测领域。本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，首先对仿体进行超声辐射，再利用数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，而后通过数据采集器处理空化气泡群的数据得到重新构建的熵值图像，并通过重新构建的熵值图像判断空化气泡群的时空行为。本发明的目的在于克服现有技术中，声空化监控的技术不能精确地表示声空化气泡群的生成过程以及演变情况的不足，提供了一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统，可以实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，进一步提高了声空化监测的准确性及有效性。

Description

一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统

技术领域

本发明涉及超声空化监测技术领域，更具体地说，涉及一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统。

背景技术

超声由于其聚焦性好、穿透性强、治疗无侵入性等特点，近年来成为肿瘤治疗领域的研究热点。HIFU(High Intensity Focused Ultrasound)，高强度聚焦超声，治疗源为超声波，与太阳灶聚焦阳光在焦点处产生巨大能量原理类似，该技术将体外低能量超声波聚焦于体内靶区，在肿瘤内产生瞬态高温(60℃以上)、空化、机械作用等生物学效应，共同作用杀死靶区内的肿瘤细胞。高强度聚焦超声可以精确地将声能量集中于病人体内预先确定的治疗区域中，最大限度地避免了损伤该区域周围的正常组织器官。这些特点使得HIFU在治疗肿瘤、止血和基因药物转染等方面得到广泛应用。在HIFU治疗中，当超声脉冲的负声压相位部分穿过液体或组织时，先前组织中已存在的蒸汽、气体空隙，或溶液中抽出的气体都可能在超声作用下发生空化。研究人员指出，空化现象在HIFU治疗中可显著提高声能吸收，导致局部组织温度快速升高、血管崩溃、细胞膜瞬间穿孔等生物效应，从而对增强疗效起到重要作用。但在某些情况下，HIFU引发的空化现象也存在潜在的副作用。例如，不可预知的组织损伤、对正常组织的不良热损伤或不可逆的细胞损伤等。因此，为了保证超声治疗的安全性、有效性及可重复性，亟需发展实时监控和定量评价超声空化的相关技术。在此基础上，在临床实际治疗时给予医生以及时反馈，通过调整超声参数来实现对HIFU引发的声空化行为的诸多物理特性(如空间分布、产生时间、强度、持续时间等)和空化效应的有效调控，避免不必要的损伤。

一维被动空化探测(PCD)技术采用一个单阵元宽带传感器来探测由空化泡剧烈塌缩时产生的宽频噪声信号，但无法提供空化泡群的空间信息；近年来提出的二维被动空化映射技术可用于监测局部声空化活动，然而，由于HIFU脉冲和监控设备的非同步性，该技术的纵向分辨率仍然存在一定的局限。

B超成像技术能够极好地提供人体组织内时空变化情况，所以空化气泡通过B超成像后，能够提供空化气泡的时空行为，从而能够监控超声治疗中高回声区域的时空行为，但超声脉冲与B超成像系统扫描声波之间的干涉问题会影响B超成像系统监控超声引发的空化行为的活动，造成B超成像对于声空化产生阈值的灵敏度较低，B超成像的灰度图片不能很好地反映声空化产生阈值；Vaezy等通过同步HIFU脉冲信号与超声成像扫描声波，建立了关于超声治疗的实时B超成像系统，信号同步之后，可以产生一个稳定而清晰(无干涉条纹)的B超成像窗口来实现对超声引发的产生的高回声区域的可视化，然而，该方法具有一定缺陷，必须对临床使用的B超仪器或超声辐射系统进行改装以添加相应的电子同步单元，增加了整套系统的复杂性且降低了系统之间各设备的兼容性，因而阻碍系统在不同需求的临床治疗中的实际应用不具有可扩展性。

针对上述B超成像技术的应用，现有技术中也提出了一些解决方案，例如发明创造名称为：一种基于图像处理的超声空化效应测量装置及方法(申请日：2011年4月8日；申请号：201110087901.5)，该方案公开了一种基于图像处理的超声空化效应测量装置及方法，利用基于图像处理的超声空化效应测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：(1)向透光水槽中加入适量的水，并将整个超声换能器置于透光水槽的底部，浸于反应液体水中，固定其位置；(2)调整图像采集装置，使其与透光水槽相对固定，保证每次采集气泡图像的区域相同，并位于最易于进行图像采集的位置；(3)将图像采集装置与对图像信号进行处理的计算机相连；(4)信号发生装置产生的信号经功率放大装置放大后驱动超声换能器，其中功率放大装置不能空载；(5)调节信号发生装置的频率属性，使其与超声换能器的固有频率匹配；(6)设定功率放大装置输出功率，在空化稳定时，采集液体气泡图像信号；(7)图像采集装置采集的液体气泡图像信号后，将视频信号数字化并转化为光信号后通过光缆传输到图像采集卡，转化为数字图像后以RGB-24bits格式的数字图像信息读入计算机，计算机的图像信号处理模块根据数字信号提取气泡数量等图像特征参数；(8)维持测量条件不变，改变功率放大装置输出功率，重复步骤(6)和步骤(7)，采集不同功率下空化效应产生的液体气泡图像信息；(9)分析并处理采集得到的液体气泡图像信息，得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系并建立模型，其中，气泡图像信息分析处理的步骤为：a、图像分割；b、对分割后的图像进行处理；c、找出气泡或气泡群以及位于图像边界处的气泡；d、检测出相接的气泡组；e、计算出独立的气泡数目。该方法通过工业摄像机对超声空化发生时的可见气泡进行记录，原理简单，可操作性强，但是存在一定缺陷：在医院临床超声治疗时，给每一台治疗设备配备额外的高速相机将大幅提高成本，且该方法对环境的采光有一定要求，实际不易实现；在图像分割时需要人为设定划定区域，如此人为设定存在一定主观性，该人为设定可能引入系统误差，降低整套系统的检测效果；另外只通过MATLAB已有程序来对图像进行处理以及直接选取亮点作为空化后的气泡，不能达到精确的处理效果；最后，该方法无法实时反映超声空化的水平及情况，仅仅用图像中的气泡数量不能精确表示监测空化泡群的生成过程及演变情况，并不能起到很好的监测作用。

综上所述，现有的对超声治疗时声空化监控的技术并不能实现精确的声空化监测，不能精确地表示声空化气泡群的生成过程以及演变情况，从而降低了监测效果，不利于实施，并不能保证超声治疗的安全性、有效性及可重复性。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有技术中，声空化监控的技术不能精确地表示声空化气泡群的生成过程以及演变情况的不足，提供了一种基于信息熵的超声空化实时监测方法及系统，可以实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，进一步提高了声空化监测的准确性及有效性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，首先对仿体进行超声辐射，再利用数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，而后通过数据采集器处理空化气泡群的数据得到重新构建的熵值图像，并通过重新构建的熵值图像判断空化气泡群的时空行为。

更进一步地，具体步骤为：步骤一、对仿体进行辐射，对仿体进行超声辐射；步骤二、数据采集及处理，通过数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到重新构建的熵值图像；步骤三、熵值图像处理，根据熵值的大小在每一帧熵值图像中选取感兴趣区和正常参考区；步骤四、计算相对熵值H_relative，将每一帧熵值图像中感兴趣区的像素熵值的平均值与正常参考区的像素熵值的平均值进行比较，并计算相对熵值H_relative；H_relative代表每一帧熵值图像的声空化强度；步骤五、判断空化气泡群的时空行为，根据每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative判断空化气泡群的时空行为。

更进一步地，步骤二的具体步骤为：通过数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到包络图像，而后对包络图像进行对数压缩得到B模式成像灰度值矩阵，再通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像。

更进一步地，步骤三的具体步骤为：根据熵值大小在每一帧熵值图像中选取熵值的平均值最大的矩形区域为感兴趣区，并根据感兴趣区的矩形区域选取面积大小形状相同的矩形区域为正常参考区。

更进一步地，利用下列公式计算相对熵值H_relative：

其中，H_ROI表示感兴趣区中像素熵值的平均值，H_RR表示正常参考区中像素熵值的平均值。

更进一步地，步骤五的具体步骤为：将每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative与设定的显著性水平α进行比较判断空化气泡群的时空行为；当H_relative<α时，该帧熵值图像对应的时间点为发生声空化的时间阈值；当H_relative≥α时，该帧熵值图像对应的时间点还未发生声空化；其中，0≤α≤1。

更进一步地，通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像的具体步骤为：

1)在B模式成像灰度值矩阵中设置一个小窗，并获取小窗内的射频信号；

2)对射频信号的幅值做归一化处理；

3)根据归一化处理后的射频信号数据计算概率密度函数ω(y)，并根据下列公式计算基于原始射频信号的对应熵值H，并将熵值H作为该小窗中心位置的新像素值；

上式中，y代表超声背散射信号f(t),y_max和y_min分别表示小窗所占区域中灰度值的最大值和最小值，ω(y)表示该小窗所占区域数据的概率密度函数；

4)在B模式成像灰度值矩阵中滑动小窗，当小窗覆盖到所有射频数据后，得到一帧图像的像素点的熵值，再根据熵值选取颜色标尺得到重新构建的熵值图像。

本发明的一种采用上述一种基于信息熵的超声空化实时监测方法的监测系统，包括水槽、信号单元和采集单元，水槽内设置有仿体、强聚焦换能器和超声探头，信号单元与强聚焦换能器电连接；采集单元与超声探头电连接；其中，信号单元通过强聚焦换能器对仿体进行超声辐射，采集单元通过超声探头采集仿体中空化气泡群的数据。

更进一步地，信号单元包括信号发生器和阻抗匹配单元，信号发生器通过放大器与阻抗匹配单元电连接，阻抗匹配单元与强聚焦换能器电连接。

更进一步地，采集单元包括数据采集器和控制系统，数据采集器与控制系统电连接，控制系统与超声探头电连接。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，利用数据采集器采集数据并重构熵图来表征记录空化气泡群的时空行为，从而实现对HIFU治疗声空化进行监测，进一步提高了监测的准确性；同时选取感兴趣区和正常参考区进行对比，并且引入一个相对熵值作为衡量声空化产生阈值的参量，更具客观性，降低了现有技术中由于主观性引入的误差，进一步提高了监测准确性；

(2)本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，采用原始射频信号做一系列分析处理，保留了尽可能多的有效信息，能够真正实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，监测准确性高，适用场景广泛，并保证了超声辐射过程的安全性、有效性及可重复性；

(3)本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测系统，利用超声探头对仿体进行超声辐射，并利用数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，用实时处理出来的熵值图像更为清晰和具体地看到仿体中发生的变化，从而可以对超声空化进行监测；本发明的监测系统不需要在超声治疗系统中增加额外电子仪器，在临床治疗中的实际应用实现更为方便简易，具有较强的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法的流程示意图；

图2为本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测系统的结构示意图；

图3为实施例1中感兴趣区和正常参考区的示意图。

示意图中的标号说明：

100、水槽；110、仿体；120、强聚焦换能器；130、超声探头；

200、信号单元；210、信号发生器；220、放大器；230、阻抗匹配单元；

300、采集单元；310、数据采集器；320、控制系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1所示，本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，首先对仿体110进行超声辐射，再利用数据采集器310采集仿体110中空化气泡群的数据，而后通过数据采集器310处理空化气泡群的数据得到重新构建的熵值图像，并通过重新构建的熵值图像判断空化气泡群的时空行为。值得说明的是，仿体110指的是在人工实验时用于模仿人体声学环境所制作的一种凝胶，本实施例中的仿体110由丙烯酰胺凝胶制成。此外，这里的空化气泡群的时空行为指的是在某个时间点仿体110中是否发生了空化。值得进一步说明的是，本发明选取信息熵衡量超声空化水平的相关参数，由于熵是不基于任何统计模型的统计学参数，使得熵适用于任何超声系统的硬件及软件下的条件，大大增加了本发明方法的普适性及临床推广性；在公开发表的现有知识中，信息熵被广泛应用于区分微小结构的散射体信号，从理论上支持了本发明选取熵作为反映超声空化水平的科学性，对后续进一步优化及开发熵的应用提供了理论保障和指导。进一步地，本实施例数据采集器310采用的是RF数据采集器，利用RF数据采集器观测并重新构建熵值图像来表征记录空化气泡群的时空行为，从而对空化气泡群的时空行为进行观测，实现对HIFU治疗声空化进行监测，进一步提高了监测的准确性。

本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，具体步骤如下：

步骤一、对仿体110进行辐射

对仿体110进行超声辐射，本实施例中通过强聚焦换能器120对仿体110进行超声辐射。

步骤二、数据采集及处理

通过数据采集器310采集仿体110中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到重新构建的熵值图像；具体地，通过数据采集器310采集仿体110中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到包络图像；本实施例中针对每一帧的数据，将背散射射频信号的希尔伯特变换取绝对值,组建得到信号的包络图像；而后对包络图像进行对数压缩得到B模式成像灰度值矩阵，本实施例中选取动态范围为40dB对包络图像进行对数压缩,形成对应的B模式成像灰度值矩阵。值得说明的是，为去除超声辐射过程中的声波干扰对图像造成的影响，本发明选取合适的灰度阈值，该灰度阈值为连续三帧图像中除感兴趣区之外的其它区域中的最高灰度值，且不高于空化气泡群的最小灰度值。动态范围的设定限制了不同超声系统产生的信号幅值差异,利用灰度值去除干涉条纹增强了成像的对比度，进一步提高了监测的准确性以及该方法的普适性；进一步地，再通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像。

值得说明的是，通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像的具体步骤如下：

1)在B模式成像灰度值矩阵中设置一个小窗，并获取小窗内的射频信号；本实施例中小窗为方形窗口，且小窗的边长为超声探头130所发射脉冲波长的三倍，从而可以保证统计参数的稳定性，进一步提高了监测的准确性。

2)对射频信号的幅值做归一化处理；具体地，由于不同的超声系统有不同的动态范围，需要对射频信号的幅值做归一化(即归于-1到1之间)，以方便后续的统一处理；

3)根据归一化处理后的射频信号数据计算概率密度函数ω(y)，并根据下列公式计算基于原始射频信号的对应熵值H，并将熵值H作为该方形窗口中心位置的新像素值；

上式中，y代表超声背散射信号f(t),y_max和y_min分别表示小窗所占区域中数据的最大值和最小值，ω(y)表示该小窗所占区域数据的概率密度函数；具体地，

值得说明的是，考虑到小窗移动过程会使图像边缘缩小的问题，本实施例中采用线性插值法补足边处的缺陷，做出修正。

本实施例的线性插值法公式如下所示：

y＝(1-β)y₀+βy₁

其中(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x，y)分别表示当前小窗(含边线)中心点像素的横坐标及像素值、被小窗包含的该帧图像边线上对应像素点横坐标及像素值、所需得到插值点位的像素点横坐标及像素值。其中β为一阶均差。此处线性插值法取边缘小窗的中点与帧图像边线上对应点得到图像外的插值，补齐了边缘处的小窗内的全部像素点值，使图像边缘处的所有点位均能得到对应熵值；该线性插值计算消耗低，采样精度高，能够确保成像的完整性和准确性。本发明将每次计算所得到的熵值作为小窗中心的熵值，使重新构建的熵值图像上的像素点更为客观，数值更为精确，进一步提高了监测的准确性。

4)在B模式成像灰度值矩阵中滑动小窗，当小窗覆盖到所有射频数据后，得到一帧图像的像素点的熵值，再根据熵值选取颜色标尺得到重新构建的熵值图像。值得说明的是，本实施例中小窗以50％的重叠率在B模式成像灰度值矩阵中滑动，从而保证了每一帧上所有的数据均被涉及并合理重复利用增大了熵值图像的成像像素密度，增加了最终熵值图像的成像精度，进一步提高了监测的准确性。进一步地，利用作图软件根据熵值对应选取颜色标尺，本实施例中的作图软件为MATLAB。

步骤三、熵值图像处理

根据熵值的大小在每一帧熵值图像中选取感兴趣区和正常参考区(如图3所示)；具体地，根据熵值大小在每一帧熵值图像中选取熵值的平均值最大的矩形区域为感兴趣区，并根据感兴趣区的矩形区域在感兴趣附近选取面积大小形状均相同的矩形区域为正常参考区。值得说明的是，同时选取感兴趣区和正常参考区进行对比，更具客观性，避免了由于个体差异引起的测量不准确，降低了现有技术中由于主观性引入的误差。

步骤四、计算相对熵值H_relative

计算每一帧熵值图像中感兴趣区的像素熵值的平均值与正常参考区的像素熵值的平均值，值得说明的是，采用算术平均的手段表征每个区域的熵值，能够降低由人为选区造成的误差，提升空化与未空化的区分度，进一步提高了监测准确性。

而后计算相对熵值H_relative；H_relative代表每一帧熵值图像的声空化强度；具体地，利用下列公式计算相对熵值H_relative：

其中，H_ROI表示感兴趣区中像素熵值的平均值，H_RR表示正常参考区中像素熵值的平均值。同时选取感兴趣区和正常参考区进行对比，并且引入一个相对熵值作为衡量声空化产生阈值的参量，更具客观性，降低了现有技术中由于主观性引入的误差，进一步提高了监测准确性。

进一步地，本实施例将感兴趣区域和正常参考区域的熵值H作为参数输入到皮尔逊相关系数检验算法中。皮尔逊相关系数是用来反映两个变量线性相关程度的统计量，相关系数用r表示，r描述的是两个变量间线性相关强弱的程度。r的绝对值越大表明相关性越强；该检验可通过MATLAB软件Pearson相关性检验程序和计算得到，操作方便快速，能够验证熵值与空化情况的关系，保证了该方法的科学性，准确性。

步骤五、判断空化气泡群的时空行为

根据每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative判断空化气泡群的时空行为。具体地，将每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative与设定的统计学显著性水平α进行比较判断空化气泡群的时空行为；

当H_relative<α时，该帧熵值图像对应的时间点为发生声空化的时间阈值；

当H_relative≥α时，该帧熵值图像对应的时间点还未发生声空化；

其中，0≤α≤1。

通过将H_relative与α进行比较判断空化气泡群的时空行为，从而提高了监测的准确性。

本发明的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，采用原始射频信号做一系列分析处理，保留了尽可能多的有效信息，能够真正实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，监测准确性高，适用场景广泛，并保证了超声辐射过程的安全性、有效性及可重复性。

结合图2所示，本发明的一种采用上述一种基于信息熵的超声空化实时监测方法的超声空化实时监测系统，包括水槽100、信号单元200和采集单元300，水槽100内设置有仿体110、强聚焦换能器120和超声探头130，其中，强聚焦换能器120设置于仿体110的一侧；信号单元200与强聚焦换能器120电连接；具体地，信号单元200包括信号发生器210和阻抗匹配单元230，信号发生器210通过放大器220与阻抗匹配单元230电连接，阻抗匹配单元230与强聚焦换能器120电连接，信号单元200通过强聚焦换能器120对仿体110进行超声辐射。值得说明的是，本实施例中仿体110为自制凝胶仿体，信号发生器210为任意波形信号发生器，放大器220为功率放大器，阻抗匹配单元230为阻抗匹配电路。进一步地，采集单元300与超声探头130电连接；具体地，采集单元300包括数据采集器310和控制系统320，数据采集器310与控制系统320电连接，控制系统320与超声探头130电连接，采集单元300通过超声探头130采集仿体110中空化气泡群的数据。本实施例中，数据采集器310为RF数据采集器，控制系统320为计算机控制三维立体支架平台系统。

值得说明的是，在进行实时监测时，将水槽100注满除气水，并将仿体110浸没在水槽100中；放大器220将信号发生器210输出的波形信号放大，经阻抗匹配单元230匹配后驱动高强度强聚焦换能器120激发出声场；同时控制系统320带动超声探头130对仿体110进行超声辐射，并利用数据采集器310采集仿体110中空化气泡群的数据，用实时处理出来的熵值图像更为清晰和具体地看到仿体110中发生的变化，从而可以对超声空化进行监测。本发明的监测系统不需要在超声治疗系统中增加额外电子仪器，在临床治疗中的实际应用实现更为方便简易，具有较强的适用性。

实施例2

本实施例的内容基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的信号发生器210采用美国Agilent 33250A，放大器220采用美国ENI A1502，强聚焦换能器120采用直径为10.0cm，几何焦距为10.0cm的超声换能器，超声探头130采用美国Terason t3000，控制系统320采用美国Velmex-Unislide8；信号发生器210作为超声信号源用于超声信号的发射，放大器220将信号发生器210的输出信号放大，该输出信号经过阻抗匹配单元230后驱动强聚焦换能器120，强聚焦换能器120激发声场，数据采集器310通过控制系统320控制超声探头130对仿体110进行辐射，实现对超声辐射方案中设定的目标区域进行超声辐射，便携式B超自带的控制程序实时采集超声图像，记录频率为14帧/秒，并通过数据采集器310采集仿体110中空化气泡群的数据，即通过数据采集器310实时采集该空化气泡群的图像，并记录实时射频信号的原始数据，形成空化气泡群连续帧矩阵数据资料，从而可以对超声空化进行监测。在本实施例中，强聚焦换能器120的工作频率和脉冲重复频率分布固定在1.12MHz和100Hz，通过调节驱动声压(如P_—＝7.50)或脉冲宽度(如脉冲宽度为3000cycles)来改变超声探头130所发出辐照声能量，在不同声能量辐照下，对仿体110中由超声空化产生的高亮区域的产生时间、强度、达峰时间以及ROC曲线下方面积大小等参数进行研究。

实施例3

本实施例的内容基本同实施例1，不同之处在于：强聚焦换能器120的工作频率和脉冲重复频率分布固定在1.12MHz和100Hz，驱动声压P_—＝7.50，脉冲宽度为3000cycles，美国TerasonB超探头5C2A中心工作频率为2.5MHz，B超帧率为14帧/秒，选取第3秒中第40帧时，计算所得H_relative值为0.352，对于设定显著性水平α＝0.5，计算所得的H_relative值小于0.5，因此图像上出现了显著差异，可以认为开始出现了明显的声空化现象，而此时间点即可被定义为声空化产生阈值。与此同时，皮尔逊相关系数检验所得参数r＝0.69，假设检验参数p＝0.015，p小于0.05，即熵值与空化水平具有强相关性。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (10)

1.一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，首先对仿体进行超声辐射，再利用数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，而后通过数据采集器处理空化气泡群的数据得到重新构建的熵值图像，并通过重新构建的熵值图像判断空化气泡群的时空行为。

2.根据权利要求1所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、对仿体进行辐射

对仿体进行超声辐射；

步骤二、数据采集及处理

通过数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到重新构建的熵值图像；

步骤三、熵值图像处理

根据熵值的大小在每一帧熵值图像中选取感兴趣区和正常参考区；

步骤四、计算相对熵值H_relative

将每一帧熵值图像中感兴趣区的像素熵值的平均值与正常参考区的像素熵值的平均值进行比较，并计算相对熵值H_relative；H_relative代表每一帧熵值图像的声空化强度；

步骤五、判断空化气泡群的时空行为

根据每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative判断空化气泡群的时空行为。

3.根据权利要求2所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，步骤二的具体步骤为：通过数据采集器采集仿体中空化气泡群的数据，再对数据进行处理得到包络图像，而后对包络图像进行对数压缩得到B模式成像灰度值矩阵，再通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像。

4.根据权利要求2所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，步骤三的具体步骤为：根据熵值大小在每一帧熵值图像中选取熵值的平均值最大的矩形区域为感兴趣区，并根据感兴趣区的矩形区域选取面积大小形状相同的矩形区域为正常参考区。

5.根据权利要求2所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，利用下列公式计算相对熵值H_relative：

其中，H_ROI表示感兴趣区中像素熵值的平均值，H_RR表示正常参考区中像素熵值的平均值。

6.根据权利要求2所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，步骤五的具体步骤为：将每一帧熵值图像对应的相对熵值H_relative与设定的显著性水平α进行比较判断空化气泡群的时空行为；

当H_relative<α时，该帧熵值图像对应的时间点为发生声空化的时间阈值；

当H_relative≥α时，该帧熵值图像对应的时间点还未发生声空化；

其中，0≤α≤1。

7.根据权利要求3所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法，其特征在于，通过B模式成像灰度值矩阵得到重新构建的熵值图像的具体步骤为：

1)在B模式成像灰度值矩阵中设置一个小窗，并获取小窗内的射频信号；

2)对射频信号的幅值做归一化处理；

3)根据归一化处理后的射频信号数据计算概率密度函数ω(y)，并根据下列公式计算基于原始射频信号的对应熵值H，并将熵值H作为该小窗中心位置的新像素值；

上式中，y代表超声背散射信号f(t),y_max和y_min分别表示小窗所占区域中灰度值的最大值和最小值，ω(y)表示该小窗所占区域数据的概率密度函数；

4)在B模式成像灰度值矩阵中滑动小窗，当小窗覆盖到所有射频数据后，得到一帧图像的像素点的熵值，再根据熵值选取颜色标尺得到重新构建的熵值图像。

8.一种采用权利要求1～7任一项所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测方法的监测系统，其特征在于，包括水槽、信号单元和采集单元，所述水槽内设置有仿体、强聚焦换能器和超声探头，所述信号单元与强聚焦换能器电连接；所述采集单元与超声探头电连接；其中，信号单元通过强聚焦换能器对仿体进行超声辐射，采集单元通过超声探头采集仿体中空化气泡群的数据。

9.根据权利要求8所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测系统，其特征在于，信号单元包括信号发生器和阻抗匹配单元，信号发生器通过放大器与阻抗匹配单元电连接，阻抗匹配单元与强聚焦换能器电连接。

10.根据权利要求8或9所述的一种基于信息熵的超声空化实时监测系统，其特征在于，采集单元包括数据采集器和控制系统，数据采集器与控制系统电连接，控制系统与超声探头电连接。