CN110248606B - 气穴定位 - Google Patents

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Abstract

用于检测由超声换能器发射的超声波导致的微泡气穴的各种方法包括将至少一个时域参考信号与微泡气穴相关联；使换能器发射一个或多个超声脉冲；响应于发射的超声脉冲在时域中从微泡获取回波信号；基于它们之间的相似性，将至少一部分回波信号与时域参考信号的至少相应部分相关联；基于参考信号的相应部分检测微泡气穴。

Description

气穴定位
技术领域
本发明的领域一般涉及超声系统，更具体地，涉及在超声过程期间检测和定位由微泡引起的气穴的系统和方法。
背景技术
聚焦超声(即，频率大于约20千赫兹的声波)可用于对患者体内的内部身体组织进行成像或治疗。例如，超声波可用于涉及切除肿瘤的应用中，从而消除了对侵入式手术、靶向给药、血脑屏障控制、凝块溶解和其他外科手术的需要。在肿瘤切除期间，压电陶瓷换能器放置在患者外部，但紧邻待切除的组织(即，靶)。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，从而产生声波的发射。换能器可以设置几何形状并与其他这样的换能器一起定位，使得它们发射的超声能量共同在对应于靶组织区域(或在靶组织区域内)的“聚焦区”处形成聚焦波束。可选地或另外地，单个换能器可以由多个单独驱动的换能器元件形成，换能器元件的相位可以各自独立地控制。这种“相控阵”换能器有助于通过调节换能器之间的相对相位将聚焦区引导到不同的位置。如本文所用，术语“元件”表示阵列中的单个换能器或单个换能器的可独立驱动的部分。磁共振成像(MRI)可用于使患者和靶可视化，从而引导超声波束。
在聚焦超声过程或超声成像期间，在靶组织的液体部分中可能会产生小气泡(或“微泡”)，例如，由于由传播的超声波产生的负压引起的应力和/或由于加热液体的破裂及其气体/蒸汽的积聚。取决于来自声场的所施加的应力的幅度，微泡可能塌陷(该机制被称为“气穴”)并且在靶和/或其周围组织中引起各种热效应。例如，在低声压下，可以诱发微泡的稳定气穴以增强超声聚焦区域处的能量吸收。稳定气穴可以使聚焦区域内的组织比不存在微泡时更快和更有效地加热。然而，在高声压下，可以诱发微泡的不稳定(或惯性)气穴，并且这可能导致不希望的生物效应，例如出血、细胞死亡和超出靶的大范围组织损伤。
因此，需要检测和监测由治疗超声波产生的微泡气穴，以便调整治疗计划，以在不损伤非靶组织的情况下实现对靶组织的期望的治疗生物效应。
发明内容
本发明提供用于检测和定位在超声过程(例如超声治疗或成像)期间发生的微泡气穴的系统和方法。在各种实施例中，参考信号库使用模拟简化组织模型(例如，水)中或者聚焦在更深靶区上的超声波束将通过的非均匀组织中的声压的物理模型来获得。附加地或替代地，响应于来自超声换能器阵列的超声信号的发射，基于接收来自微泡的回波信号(波或脉冲)来建立所述库。在一个实施方式中，从换能器阵列发送的超声信号是编码脉冲(例如，线性调频信号)。由此产生的接收回波信号在频域中转换成多个频率的信号，由适当的滤波器滤波，然后在时域中重建，以提高参考信号的分辨率和/或信噪比。参考信号覆盖可以使用例如超声设备、气穴检测器设备和/或成像设备识别的各种类型的预期微泡气穴。在一些实施例中，基于超声信号发射和从微泡气穴接收回波信号之间经过的时间来确定与每个参考信号相关联的气穴位置。关于气穴的类型和/或位置的信息可以与其相应的参考信号一起存储。应当注意，在一些实施例中，所述库包括参考信号的与微泡气穴类型相关联但不与其位置相关联的部分，以降低存储要求。
在超声处理或成像期间，检测响应于从换能器阵列发送到靶区的超声信号而接收的时域中的回波信号。可以将接收的回波信号与库中的参考信号进行比较和匹配，以确定它们之间的信号相似性。一旦识别出最佳匹配的参考信号，就认为已经发生了微泡气穴事件，且与最佳匹配参考信号相关联的气穴的类型和/或位置被认为是在超声过程期间发生的气穴的类型和/或位置。因此，与传统气穴检测方法相比，本发明允许根据微泡的独特非线性响应来检测气穴。另外，本发明通过在时域中直接比较接收的回波信号和参考信号显著降低了信号处理时间和复杂度的要求，而不需要将接收的回波信号转换为频域分量然后过滤频率分量并分析它们以便确定微泡气穴的存在和/或位置。
在各种实施例中，所述库包括参考信号的与微泡气穴类型相关联但不与其位置信息相关联(即，没有或有限的关于经过时间的信息)的部分。在超声处理或成像期间，响应于超声传输的所接收的回波信号的每个部分与所述库中的参考信号进行比较和匹配。如果接收的回波信号的一部分与参考信号匹配，则与匹配参考信号相关联的气穴类型被认为是在超声过程期间发生的气穴类型。然后可以基于超声发射与匹配参考信号的回波信号部分的开始时间之间的经过时间来计算气穴位置。
因此，在一个方面，本发明涉及一种检测由换能器发射的超声波产生的微泡气穴的方法。在各种实施例中，所述方法包括将一个或多个时域参考信号与微泡气穴相关联；使换能器发射一个或多个超声脉冲(例如，啁啾脉冲)；响应于发送的超声脉冲在时域中从微泡获取回波信号；基于它们之间的相似性，将回波信号的一个或多个部分与时域参考信号的一个或多个相应部分相关联；基于参考信号的相应部分检测微泡气穴。在一个实施方式中，关联步骤包括在传输超声脉冲前获取参考信号；所获取的参考信号可以响应于先前的超声脉冲。
在各种实施例中，所述方法还包括基于参考信号的相应部分确定气穴类型和/或气穴位置。将参考信号在数据库中与指定气穴类型、气穴位置和/或超声脉冲传输开始与回波信号的与参考信号的相应部分相关的部分的接收时间之间的经过时间的信息相关联。另外，可以使用匹配的滤波器将回波信号与参考信号的对应部分相关联。参考信号的对应部分可以是回波信号的一部分。
在各种实施例中，参考信号存储为具有多个频率的多个分量的频谱特征。多个频率包括与超声脉冲相关联的频率的子谐波频率、谐波频率和/或超谐波频率。在一个实施例中，所述方法还包括将信号滤波器(例如，窗函数)应用于频谱特征的每个分量。可以至少部分地基于与所述分量相关联的频率来缩放信号滤波器。另外，在信号滤波后，可以将频谱特征转换为时域中的重建信号。
所述方法还可以包括将换能器分成多个子区域，每个子区域具有多个换能器元件。在一个实施例中，超声脉冲由第一子区域发射，回波信号由第二子区域测量；第一子区域与第二子区域不同。在另一实施例中，超声脉冲由换能器的第一子区域发射，并且随后回波信号由第一子区域获取。
在一些实施例中，关联步骤包括至少部分地基于物理模型来获取参考信号。物理模型预测微泡对超声脉冲(可以是诸如啁啾脉冲的编码脉冲)的非线性响应。此外，非线性响应的信号被建模为：
Figure BDA0002139939090000031
其中f1和f2表示啁啾的频率边界，T表示啁啾的周期，t*表示没有时间延迟的时间变量且范围从0到T，且K表示非线性响应的阶数(例如，1/2)。
另外，所述方法还可以包括选择时域参考信号的对应部分；基于它们之间的相似性，回波信号的部分与参考信号的所选对应部分相关联。在各种实施例中，所述相关联步骤包括沿着回波信号移位时域参考信号的所选对应部分，以确定它们之间的相似性。另外，所述方法还包括基于沿着回波信号的时域参考信号的所选对应部分的移位量来确定气穴位置。此外，所述相关联步骤可以包括同时或顺序地沿着回波信号移位两个或更多个时域参考信号的部分。
另一方面，本发明涉及一种检测微泡气穴的系统。在各种实施例中，所述系统包括超声换能器；计算机存储器，包括将一个或多个时域参考信号与微泡气穴相关联的数据库；和控制器，配置为：使换能器发射一个或多个超声脉冲；响应于发射的超声脉冲，在时域中从微泡获取回波信号；基于它们之间的相似性，将回波信号的一个或多个部分与来自数据库的时域参考信号的一个或多个相应部分相关联；基于参考信号的相应部分使用数据库检测微泡气穴。在一个实施方式中，所述控制器还配置为在发送超声脉冲前获取参考信号；所获取的参考信号可以响应于先前的超声脉冲。
在各种实施例中，所述控制器还配置为基于参考信号的对应部分确定气穴类型和/或气穴位置。将参考信号在数据库中与指定气穴类型、气穴位置和/或超声脉冲传输开始与回波信号的与参考信号的相应部分相关的部分的接收时间之间的经过时间的信息相关联。另外，所述控制器还可以配置为使用匹配的滤波器将回波信号与参考信号的对应部分相关联。参考信号的对应部分可以是回波信号的一部分。在一些实施例中，所述系统包括气穴检测设备。所述控制器还配置为向数据库添加条目；每个条目包括由气穴检测设备接收的时域信号和与之相关的识别的微泡气穴类型。
在各种实施例中，参考信号存储为具有多个频率的多个分量的频谱特征。多个频率包括与超声脉冲相关联的频率的子谐波频率、谐波频率和/或超谐波频率。在一个实施例中，所述控制器配置为将信号滤波器(例如，窗函数)应用于频谱特征的每个分量。所述控制器还配置为至少部分地基于与所述分量相关联的频率来缩放应用于每个分量的信号滤波器。另外，所述控制器配置为在应用信号滤波器后将频谱特征转换为时域中的重建信号。
所述控制器可以配置为将换能器分成多个子区域，每个子区域具有多个换能器元件。在一个实施例中，超声脉冲由第一子区域发射，回波信号由第二子区域测量；第一子区域与第二子区域不同。在另一实施例中，超声脉冲由换能器的第一子区域发射，并且随后回波信号由第一子区域获取。
在一些实施例中，所述控制器还配置为至少部分地基于物理模型来获取参考信号。物理模型预测微泡对超声脉冲(可以是诸如啁啾脉冲的编码脉冲)的非线性响应。此外，非线性响应的信号被建模为：
Figure BDA0002139939090000041
其中f1和f2表示啁啾的频率边界，T表示啁啾的周期，t*表示没有时间延迟的时间变量且范围从0到T，且K表示非线性响应的阶数(例如，1/2)。
另外，所述控制器可以配置为选择时域参考信号的对应部分；基于它们之间的相似性，回波信号的部分与参考信号的所选对应部分相关联。在各种实施例中，所述控制器还配置为沿着回波信号移位时域参考信号的所选对应部分，以确定它们之间的相似性。另外，所述控制器配置为基于沿着回波信号的时域参考信号的所选对应部分的移位量来确定气穴位置。进一步，所述控制器可以配置为同时或顺序地沿着回波信号移位两个或更多个时域参考信号的部分。
本发明的另一方面涉及一种检测由换能器发射的超声波产生的微泡气穴的方法。在各种实施例中，所述方法包括将多个时域参考信号中的每一个与不同类型的微泡气穴相关联；使换能器发射一个或多个超声脉冲；响应于发送的超声脉冲，在时域中从微泡获取回波信号；基于所获取的回波信号和参考信号之间的相似度计算与每个参考信号相关联的匹配分数，并确定匹配分数是否高于阈值；如果是，则基于具有高于阈值的匹配分数的参考信号确定与微泡相关联的气穴类型；如果否，则重复步骤(a)-(d)。
如本文所用，术语“基本上”是指±10％，在一些实施例中，为±5％。说明书中提及的“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或“一实施例”表示与描述该实例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实例中。因此，本说明书中在各个地方出现的短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”不一定都指代相同的示例。此外，特定特征、结构、程序、步骤或特性可以以任何合适的方式组合在本技术的一个或多个示例中。本文提供的标题仅是为了方便，并不旨在限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1示出了根据各种实施例的聚焦超声系统；
图2A描绘了根据各种实施例，传递到靶组织区域的超声波束且因此导致在组织中产生微泡；
图2B-2D描绘了根据各种实施例，执行气穴检测方法的换能器元件的各种配置；
图3A描绘了根据各种实施例，由超声换能器阵列产生的编码脉冲；
图3B-1和3B-2描绘了根据各种实施例，响应于所产生的编码脉冲的接收的声信号；
图3C-1和3C-2描绘了根据各种实施例，频域中的接收的声信号；
图3D-1和3D-2描绘了根据各种实施例，时域中的重建参考信号；
图4为示出根据各种实施例的用于基于声信号测量建立信号库的方法的流程图；
图5为示出根据各种实施例的用于基于物理模型预测建立信号库的方法的流程图；
图6描绘了根据各种实施例，用于基于气穴位置生成各种参考信号的方法；
图7A描绘了根据各种实施例，用于将接收的声信号与信号库中的参考信号进行比较的方法；
图7B为示出根据各种实施例的用于检测微泡气穴的存在并确定与其相关联的类型和/或位置的方法的流程图；
图8A描绘了根据各种实施例，用于将接收的声信号与信号库中的参考信号进行比较的方法；和
图8B为示出根据各种实施例的用于检测微泡气穴的存在并确定与其相关联的类型和/或位置的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于通过颅骨将超声聚焦到患者大脑内的示例性超声系统100。然而，本领域普通技术人员将理解，本文描述的超声系统100可以应用于人体的任何部分。在各种实施例中，系统100包括换能器元件104的相控阵列102、驱动相控阵列102的波束形成器106、与波束形成器106通信的控制器108，以及向波束形成器106提供输入电子信号的频率发生器110。在各种实施例中，所述系统还包括成像器112，例如磁共振成像(MRI)设备、计算机断层摄影(CT)设备、正电子发射断层摄影(PET)设备、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)设备或超声波扫描设备，用于确定患者116的颅骨114的解剖学特征。超声系统100和/或成像器112可用于检测与微泡气穴相关的存在、类型和/或位置。附加地或替代地，在一些实施例中，该系统还包括气穴检测设备(例如水听器或合适的替代物)113，以检测与微泡气穴相关的信息。
阵列102可以具有适合于将其放置在颅骨114的表面上或除颅骨之外的身体部分上的弯曲(例如，球形或抛物线形)形状，或者可以包括一个或多个平面或其它形状的部分。其尺寸可根据应用在毫米和数十厘米之间变化。阵列102的换能器元件104可以是压电陶瓷元件，并且可以安装在硅橡胶或任何其它适于阻尼元件104之间的机械连接的材料中。也可以使用压电复合材料，或通常任何能够将电能转换成声能的材料。为了确保向换能器元件104传递最大的功率，元件104可以配置为用于50Ω的电谐振，匹配输入连接器阻抗。
换能器阵列102连接到波束形成器106，波束形成器106驱动各个换能器元件104，使得它们共同产生聚焦的超声波束或场。对于n个换能器元件，波束形成器106可以包含n个驱动器电路，每个电路包括放大器118和相位延迟电路120或者由放大器118和相位延迟电路120组成；驱动电路驱动换能器元件104中的一个。波束形成器106从频率发生器110接收射频(RF)输入信号，通常在0.1MHz至1.0MHz的范围内，频率发生器110可以是例如可从斯坦福研究系统(Stanford Research Systems)获得的DS345型发生器。对于波束形成器106的n个放大器118和延迟电路120，输入信号可以分成n个通道。在一些实施例中，频率发生器110与波束形成器106集成在一起。射频发生器110和波束形成器106配置为以相同的频率但以不同的相位和/或不同的幅度驱动换能器阵列102的各个换能器元件104。
所述波束形成器106施加的放大或衰减因子α1-αn和相移a1-an用于通过患者的颅骨114发送和聚焦超声波能量到患者大脑的选定区域，并考虑颅骨114和软脑组织中引起的波失真。使用控制器108计算放大因子和相移，控制器108可以通过软件、硬件、固件、硬接线或其任何组合来提供计算功能。例如，控制器108可以利用以常规方式用软件编程的通用或专用数字数据处理器，且无需过多的实验，以便确定获得所需焦点或任何其它所需空间场模式所需的相移和放大因子。在某些实施例中，计算是基于关于颅骨114的特征(例如，结构、厚度、密度等)的详细信息以及它们对声能传播的影响。这样的信息可以从成像器112获得，如以下进一步所述。图像采集可以是三维的，或者，成像器112可以提供一组适合于重建颅骨114的三维图像的二维图像，从中可以推断出厚度和密度。图像处理功能可以在成像器112中、在控制器108中或在单独的设备中实施。
可以在本发明的范围内以各种方式对系统100进行修改。例如，对于诊断应用，系统还可以包括常规超声检测器设备(例如水听器)122，其测量发射或反射的超声波，并且可以将其接收的信号提供给控制器108以进行进一步处理。反射和传输信号还可以用作波束形成器106的相位和幅度调整的反馈。系统100可以包含定位器，用于相对于患者的颅骨114布置换能器元件104的阵列102。为了将超声治疗应用于除脑之外的身体部位，换能器阵列102可采用不同的(例如，圆柱形)形状。在一些实施例中，换能器元件104可移动地且可旋转地安装，提供可利用的机械自由度以改善聚焦特性。这种可移动的换能器可以通过传统致动器进行调节，传统致动器可以由控制器108的部件或单独的机械控制器驱动。
参考图2A，在各种实施例中，由换能器元件104发射的声能可能高于阈值，从而导致在组织中包含的液体中产生气泡或小气泡群(或“微泡”)202。由于传播的超声波或脉冲产生的负压或当加热的液体破裂并充满气体/蒸汽时或当温和的声场施加在含有气穴核的组织上时，可以形成微泡。通常，在相对低的声功率(例如，高于微气泡产生阈值1-2瓦)下，所产生的微气泡经历的振荡具有相等大小的压缩和和稀疏(rarefaction)，因此微泡通常保持不破裂。微泡的声学响应在该低声功率下是线性的，并且从微泡发射的超声的频率与入射超声波的频率(即，基频或基本谐波频率)相同或是其谐波。在较高的声功率(例如，高于微泡产生阈值10瓦以上)时，产生的微泡经历的稀疏比压缩大，这可能导致气穴和微泡的非线性声学响应。从气穴事件返回的声信号可以包括基频处的频率和/或基频的谐波、超谐波和/或子谐波。如这里所使用的，术语“基”频或“基础谐波”频率f0指的是从换能器阵列102发射的超声波/脉冲的频率(或时间上变化的频率)；术语“谐波”是指基频的整数(例如，2f0、3f0、4f0等)；术语“超谐波”是指两个非零整数谐波之间的分数频率(例如，3f0/2、5f0/4等)；术语“子谐波”是指基频和第一谐波之间的分数(例如，f0/2、f0/3、f0/4等)。
可以使用检测器设备122测量来自微泡202的超声反射/发射，然后检测器设备122将得到的信号发送到控制器108。或者，换能器元件104可具有发射和检测能力。参考图2B，在一个实施例中，每个单独的换能器元件104在将超声信号发送到微泡和从其接收超声信号之间交替。例如，所有的换能器元件104可基本上同时将超声波发射到微泡202并随后从其接收回波信号。参照图2C，在一个实施例中，换能器阵列被分成多个子区域212；每个子区域212包括换能器元件104的一维或二维阵列(即，行或矩阵)。子区域212可以是单独可控制的，即，它们各自能够(i)以与其它子区域212的幅度和/或相位无关的幅度、频率和/或相位发射超声波/脉冲，和(ii)测量来自微泡202的声波。在一个实施例中，子区域212分配有彼此不同的幅度、频率和/或相位，并且一次一个地激活，以将超声波发送到微泡202并从微泡202接收回波信号。参考图2D，在另一个实施例中，换能器阵列被分成发射区域214和接收区域216；发射区域214中的换能器元件发射超声波/脉冲，而接收区域216中的换能器元件接收来自微泡202的回波/脉冲。然后将接收的波/脉冲发送到控制器108用于分析。换能器阵列的发射区域214和接收区域216在换能器阵列的各个位置处可以以不同的图案和形状配置。
在超声过程期间可能出现各种类型的微泡气穴，并且每种类型的气穴可具有其自身的频谱“特征”，表示气泡的独特的非线性响应。例如，在中间声功率(例如，高于微泡产生阈值5瓦)引起的稳定气穴可以产生强的子谐波响应(即，在子谐波频率处具有更多分量和/或具有子谐波频率的更大的振幅)；而在高声功率(例如，高于微泡产生阈值10瓦)引起的惯性气穴可能产生宽带噪声。因此，通过检测和分析从微泡发射的声信号，可以确定在超声过程期间在组织中引起的气穴的存在和/或类型。
在各种实施例中，基于在先前超声波递送期间获取的测量结果，“学习”与每种类型的气穴相关联的频谱特征。例如，在先前的超声程序期间，超声系统100、成像器112和/或气穴检测器113可以检测和监测组织中的气穴发生事件。如果检测到一种类型的气穴，则使用至少其中一些换能器元件104和/或单独的检测器设备122来测量从微泡发射的超声波；可以将得到的信号发送到控制器108，以获得与微泡气穴相关的频谱信息。因此，可以建立各种类型的气穴事件及其频谱特征之间的映射。
或者，可以在患者的早期治疗时序期间建立各种气穴事件及其相关频谱特征之间的映射。例如，肿瘤的聚焦超声消融可以在两个或更多个阶段中进行：第一阶段，其中对肿瘤的中心区域靶向，以及一个或多个后续阶段，其中肿瘤的外周区域暴露于超声波。由于随着治疗的进行，肿瘤周围的健康组织的风险增加，因此需要准确地检测气穴。因此，可以在第一阶段期间执行如上所述的气穴检测和频谱分析，以获得患者组织中的气穴类型及其相关频谱特征之间的特定映射。该映射可以存储在库中并用于在后期阶段检测气穴事件。
在一个实施例中，在映射建立过程期间，来自换能器元件104的超声波/脉冲以固定频率发射。然而，响应于固定频率波/脉冲来自气穴事件的回波信号有时可能具有低分辨率和/或信噪比。为了改善所接收的回波信号的质量，在一些实施例中，射频发生器110和波束形成器106配置为驱动各个换能器元件104以产生编码脉冲。例如，编码脉冲可以是频率随时间增大或减小的啁啾信号(或扫描信号)。参照图3A，在一个实施方式中，换能器元件产生100μs频率调制(FM)脉冲302，其从620kHz线性扫描到720kHz，生成周期为1毫秒。在发射脉冲320之后，至少其中一些换能器元件104和/或单独的检测器设备122可以检测从换能器元件与其周围介质之间的界面反射的校准信号304，以及从微泡气穴反射/发射的回波信号306(如图3B-1和3B-2所示)。在一些实施例中，快速傅里叶变换(FFT)方法用于分别在频域中将测量的校准信号304和回波信号306转换为频谱特征308和310(如图3C-1和3C-2所示)。校准信号304可以在驱动频率312仅具有一个频率峰值，而来自气穴的回波信号306可以在驱动频率312及其谐波314和超谐波316频率处具有频率峰值。
可选地，在各种实施例中，频谱特征308、310中的每个频率分量由合适的滤波器滤波以改善其质量。例如，滤波器可以是窗口函数318。在一个实施方式中，窗口函数是汉宁窗(Hanning window)，其定义如下：
汉宁窗
Figure BDA0002139939090000091
其中f表示接收的回波信号的频率分量，f1和f2分别是编码脉冲的起始频率和结束频率。例如，用于滤波FM脉冲302的回波信号的f1和f2的值分别为620kHz和720kHz。
在一些实施例中，控制器110计算滤波信号308、310与发送信号302的互相关。例如，这可以通过将滤波信号308、310与发送信号302的共轭和时间反转版本进行卷积来实现。然后在时域中重建所得到的信号，如图3D-1和3D-2所示。例如，重建校准信号308和回波信号310以分别在时域中形成信号320和322。如图所示，由微泡气穴产生的重建回波信号322可具有比原始接收信号306更高的信噪比。然后可以将回波信号322存储在库中并用作参考信号，用于在超声过程期间检测微泡气穴的存在。
在各种实施例中，在重建参考信号322时包括检测到的回波信号306的频谱特征310中的谐波314、超谐波316和/或子谐波(未示出)。在一个实施方式中，每个谐波、超谐波和/或子谐波由其对应的滤波器处理。例如，与基频的第k阶谐波相关联的滤波器可以定义如下：
Figure BDA0002139939090000092
其中，A1(f)和φ1(f)表示基频滤波器的幅度和相位，k可以是整数或分数。因此，通过基于谐波的阶数(即，k)缩放与基频相关联的滤波器来计算与第k阶谐波相关联的滤波器。该缩放的谐波频率滤波器可以改善谐波、超谐波和/或子谐波信号的分辨率和/或信噪比，这对于检测例如谐波强烈的稳定气穴和/或宽带噪声增加且出现更高阶的谐波频率的惯性气穴可能特别有用。
图4描绘了根据本发明的各种实施例的用于建立信号库的方法400，该信号库包括多个参考信号，每个参考信号与气穴类型相关联。在第一步骤402中，超声系统、气穴检测器和/或成像设备112用于检测气穴事件的存在并基于上述标准确定气穴的类型。在第二步骤404中，如果检测到一种类型的气穴，则使用至少一些换能器元件104和/或单独的检测器设备122来测量从微泡气穴发射的信号。在第三步骤406中，接收的信号发送到控制器108以获得与其相关联的频谱信息。在第四步骤408中，对频谱信息进行滤波并与从换能器元件104发送的超声信号互相关。在第五步骤410中，利用重建方法(诸如逆傅立叶变换)将滤波后的频谱信息转换为时域中的参考信号。在第六步骤412中，将参考信号和气穴类型存储在信号库中。因为不同类型的气穴可以具有不同的频谱特征并且因此具有不同的参考信号，所以可以针对每种类型的气穴迭代地执行步骤402-412，直到映射完成为止——即，获取所有类型的气穴及其相应的信号并存储在信号库中。
应当注意，每个参考信号可以仅包括由微泡气穴发射的信号的一部分，只要这部分信号足以检测气穴和/或与对应于其它类型的气穴的其它参考信号充分不同。例如，如果在特定气穴类型的特定阶段期间获得的气穴信号的一部分具有与任何气穴类型的任何阶段的任何信号不同的独特频谱特征，则仅这部分气穴信号可足以检测特定气穴类型的存在，且因此可以丢弃在其它阶段获得的气穴信号的其它部分。信号部分(或信号)必须有效地作为特定气穴模式的代理，与其它参考信号有多么不同，取决于检测灵敏度和与正匹配相关的所需置信水平。例如，参考信号可以通过可用的检测器电路可靠地区分，在这种情况下，足够的置信水平是固有的。如果临床目的不需要相邻参考信号(及其相关的气穴模式)之间的精细区分，则可以放宽置信水平以反映对识别中的微小不准确性的容忍度。
再次参考图2A，在各种实施例中，信号库存储在存储器206中的数据库204中。存储器206可以包括或基本上由一个或多个易失性或非易失性存储设备组成，例如，诸如DRAM、SRAM等随机存取存储器(RAM)设备，只读存储器(ROM)设备，磁盘，光盘，闪存设备和/或其它固态存储设备。存储器206的全部或一部分可以远离超声系统100和/或成像器112定位，例如，作为经由网络(例如，以太网、WiFi、蜂窝电话网络、因特网，或任何能够支持数据传输和通信的局域网或广域网或网络组合)连接到超声系统100和/或成像器112的一个或多个存储设备。如本文所使用的，术语“存储”广泛地意味着任何形式的数字存储，例如光学存储、磁存储、半导体存储等。数据库204可以存储参考信号和各种类型的微泡气穴(或指向其的指针)。例如，数据库204可以组织为一系列记录，每个记录将参考信号(即，频谱特征)分类为特定类型的气穴，并且可以包含指向以合适的方式编码参考信号的文件的指针，例如，作为未压缩的二进制文件、.wav文件、压缩的信号文件等。此外，该记录可以包含用于其他信息(或其指针)的字段，包括例如位置和/或者与每个参考信号相关的气穴的经过时间，如下面进一步描述的。
在各种实施例中，预测物理模型用于在递送超声波/脉冲前预测与微泡气穴相关的频谱特征(例如，气穴的类型和/或位置)。物理模型可以表示微泡对特定声学传输模式(例如，啁啾信号)的非线性响应和/或模拟声学传播。例如，传输模式可以是如下定义的啁啾信号：
Figure BDA0002139939090000111
其中f1和f2为啁啾的频率范围，T为啁啾的周期，t为时间。微泡对啁啾信号的非线性响应可以建模如下：
Figure BDA0002139939090000112
其中t*为没有时间延迟的时间变量，其范围从0到T，K为非线性响应阶数(例如，对于f0/2子谐波响应，K＝1/2)。另外，物理模型可以基于存储的关于换能器元件104的几何形状以及它们相对于靶区域的位置和定向以及将要从换能器元件104传输的超声波的幅度、频率和相位的信息来预测组织中的超声波束路径。另外，物理模型可以考虑由于例如换能器元件104在制造、使用和修理期间从其预期位置移动或移位造成的和/或由于元件104因受热而变形的换能器输出误差。例如，在美国专利No.7,535,794中提供了确定换能器输出误差的方法，其内容通过引用并入本文。
另外，物理模型可以包括参数，例如沿着波束路径的材料特性(例如，组织的能量吸收、组织的液体含量，或在所采用的频率下的声速)。可以使用如上所述的成像器112和/或其它合适的设备来收集材料特性。例如，如果靶周围和由超声波穿过的组织是患者的颅骨，计算机断层扫描(CT)成像可用于提取颅骨的解剖学特征(例如颅骨厚度、局部骨密度和/或方向或几何特征，包括相对于表面区域的法线)。例如，在美国专利公开No.2010/0179425中描述了创建颅骨区域216的局部几何模型或映射的方法，其全部公开内容通过引用并入本文。此外，可以使用可在颅骨的微观结构水平量化的指标来表征颅骨的结构不均匀性；所述指标基于在使用成像器112获取的图像中测量的颅骨密度来确定。在美国专利公开No.2016/0184026中描述了合适的方法，其全部公开内容通过引用并入本文。
基于预测的声束路径和沿着波束路径的材料特性，物理模型可以执行声学和/或热模拟以估计不同区域如何反射和/或吸收不同量的超声波/脉冲并且具有不同的结果声压施加于此。随后，物理模型可以基于预测的声压和材料特性来预测气穴事件的存在及其相关的频谱特征(例如频率分量及其权重)。然后，物理模型可以组合来自频率分量的各种贡献，并且利用例如逆傅立叶变换来生成预期由正在考虑的声束路径和幅度生成的气穴事件的预测参考信号。因为不同的声压和/或材料特性可能导致不同类型的气穴，所以在一个实施例中，物理模型产生多个参考信号，每个参考信号与一种类型的气穴相关联。然后将预测的参考信号及其相关的气穴类型存储在数据库204中的信号库中。同样，每个参考信号可以仅包括预测信号的一部分，其可以充分地识别气穴事件的存在和类型。
图5描绘了根据本发明的各种实施例，利用预测物理模型用于建立信号库的方法500，该信号库具有多个参考信号，每个参考信号与气穴类型相关联。在第一步骤502中，物理模型基于靶位置和关于换能器元件104的几何形状及其相对于靶的位置和定向的信息来预测组织中的超声波束路径。在第二步骤504中，物理模型-自动地或通过操作员输入-获取沿着波束路径的组织的材料特性。在第三步骤506中，物理模型基于微泡的特性和在步骤502、504中生成/获得的信息，预测沿着波束路径的各种类型的微泡气穴的频谱和/或时域特征。在第四步骤508中，物理模型基于预测的频谱特征生成与各种类型的气穴相关联的时域参考信号。在第五步骤510中，将生成的参考信号及其相关的气穴类型存储在数据库204中的信号库中。
在各种实施例中，基于由物理模型预测的频谱特征和使用换能器元件和/或单独的检测器设备测量的频谱特征来生成与时域中的各种气穴类型相关联的参考信号。例如，物理模型可以首先预测频谱特征并且随后基于由换能器元件和/或单独的检测器设备122获取的测量的回波信号来调整频谱特征中的一个或多个频率和/或它们的权重。然后可以将调整后的频谱特征转换为时域中的参考信号，用于气穴检测/识别。
在优选实施例中，参考信号还包括气穴的位置信息。在一个实施例中，超声波/脉冲发射的时间与来自气穴的回波信号的接收之间的经过时间Δt被引入时域中的参考信号以指示气穴的位置。可以基于如上所述的测量和/或模型预测来确定经过的时间；每个经过的时间对应于气穴位置。例如，参照图6，在位置A、B和C处出现的气穴可以是相同类型的，且因此具有参考信号602的相同的结构。但是，由于其位置上的差异，在位置A、B和C出现的气穴可分别具有不同的经过时间Δt1、Δt2和Δt3。在各种实施例中，为了包括在参考信号602中的位置上的信息，参考信号602在其时域中的开始时间604前由包括的经过时间Δt1、Δt2和Δt3“扩展”，从而产生与分别在位置A、B和C处出现的气穴相关的新参考信号606、608、610。因此，参考信号606、608、610提供关于气穴类型(通过结合参考信号602)和气穴位置(通过结合经过时间Δt1、Δt2和Δt3)的信息。在各种实施例中，基于对应参考信号中的经过时间和组织中的声速来计算每个气穴位置。然后可以将位置信息与其相应的参考信号一起存储在数据库204中的信号库中。
从微泡气穴发射并由换能器元件接收的回波信号在穿过其间的组织时可以衰减。对于不同波频率和/或在不同组织类型中，衰减率可以不同。如上所述，气穴响应通常包括几个频率分量；因此，每个频率分量可以具有一衰减率。另外，穿过各种类型组织的频率分量也可以具有不同的衰减率。因此，在各种实施例中，基于沿着回波路径的波/脉冲频率和/或材料特性，通过考虑声波/脉冲从气穴位置到换能器元件的衰减，预测物理模型调整与气穴相关联的预测频谱特征(且从而调整参考信号)。因此，可以生成多个参考信号，每个参考信号与特定位置处的特定类型的气穴相关联(例如，根据气穴事件和换能器之间的距离来定义)。同样，这些参考信号可以存储在数据库204中的信号库中。
应当强调，尽管可以生成并利用多个参考信号来检测如上所述的微泡气穴的各种位置，但是一个参考信号602可足以实现相同的目标-例如，使用如下所述的“移动窗口”方法。
在随后的超声程序期间使用在上述步骤中构建的信号库用于实时检测和/或定位微泡气穴。这意味着在一些实施例中在靶治疗开始前完成用于构建信号库的步骤。在其它实施例中，特定治疗序列的构建步骤在较早的治疗序列期间进行。在各种实施例中，在超声过程期间，以不连续的方式连续地或重复地检测从微泡发射/反射的声信号。使用例如匹配滤波器(使用互相关实现)或任何其它合适的技术将接收的回波信号与存储在信号库中的参考信号进行比较。为每个参考信号分配匹配分数；如果其分数高于预定阈值，则认为参考信号与接收的回波信号匹配。如果不止一个参考信号具有高于阈值的匹配分数，则具有最高匹配分数的参考信号被识别为最接近匹配的参考信号。一旦识别出最接近匹配的参考信号，该信号表明其相关的气穴类型存在，并且可以从先前确定的与该参考信号相关联的位置信息容易地推断出气穴的位置。
例如，参照图7A，信号库700可以包括参考信号702-710，每个参考信号对应于一个位置处的一种类型的气穴。可以将在超声过程期间在时间t1处从微泡接收的声信号712与参考信号702-710进行比较，以确定任何参考信号是否与接收信号712匹配。如果分配给参考信号702-710的所有匹配分数都低于阈值，则可以假设当前不存在与参考信号702-710相关联的类型的气穴。搜索匹配的该过程可以在超声过程期间继续。例如，在时间t2，可以识别出与接收信号714最佳匹配的参考信号706(即，具有高于阈值的最高匹配分数)；因此可以推断出与参考信号706相关的气穴类型和位置已经出现。
因此，与使用频域中的信号检测气穴的存在和/或位置的传统方法不同，本发明直接比较来自微泡的接收回波信号和时域中的参考信号以推断来自最佳匹配参考信号的气穴事件的存在、类型和/或位置；时域中的信号比较是一个相对较短的过程，从而节省了信号处理时间。另外，本发明有利地降低了传统方法中所需信号处理的复杂性，其中时域中的接收回波信号必须转换成频域中的频率分量，然后将每个频率分量与数据库204中存储的记录进行比较，以便确定微泡气穴的存在和/或位置。
图7B示出了根据各种实施例使用如上所述构建的信号库用于确定微泡气穴的实时存在、类型和/或位置的方法720。在第一步骤722中，在超声过程期间，使用换能器阵列的一部分和/或单独的检测设备122来检测从组织发射/反射的声信号。在第二步骤724中，将接收的声信号与信号库中的参考信号进行比较，并识别最接近的匹配。一旦识别出匹配的参考信号，就可以从先前确定的与参考信号相关联的气穴类型和位置容易地推断出微泡气穴的类型和位置(步骤726)。
在各种实施例中，信号库包括作为接收的声信号的一部分的一个或多个参考信号；每个部分对应于一种类型的气穴。应当理解，信号的“一部分”可以指信号的一部分或整个信号，但是为了计算效率，期望使用实现与检测到的信号可靠匹配所必需的最小量的信号，以揭示气穴的类型。例如，信号部分可以是参考信号的最独特或可靠地表征气穴类型的部分。在从微泡接收到回波信号时，参考信号用作可以沿接收信号移动的“窗口”，以确定气穴的存在和类型。例如，参照图8A，信号库800可以包括参考信号802、804，每个参考信号对应于一种类型的气穴。可以将在超声过程期间在时间t1从微泡接收的声回波信号806与参考信号802、804进行比较，以确定任何参考信号是否匹配接收信号806的任何部分。如果没有发现参考信号与接收信号806的任何部分匹配，则可以推断当前不存在与参考信号802、804相关联的类型的气穴。如果接收的声回波信号(例如，在时间t2接收的信号808)包括被识别为与参考信号802匹配的部分810，则表明与参考信号802相关联的气穴类型已经出现。另外，在各种实施例中，基于组织介质中的声速和超声发射开始与匹配参考信号804的部分810的开始时间812之间的经过时间来计算与接收信号808相关联的气穴位置。
因为对于具有不同频率和/或穿过具有不同材料特性的组织的波/脉冲，声衰减可能不同，所以在超声过程之前识别参考信号中的所有气穴特征有时可能是具有挑战性的。通过消除将位置信息编码到参考信号中的必要性，使用参考信号的部分作为“移动窗口”降低了复杂性。更具体地，可以使用飞行时间方法-即，使用由换能器元件传输信号的时间、由换能器元件检测匹配部分810的时间以及通过受影响的组织的声速，来识别气穴位置。因为气穴位置的这种实时确定反映了变化的组织特性对回波束路径的影响，所以它可以提供比基于例如使用通用声速的估计的技术更准确的位置信息。
图8B示出了根据各种实施例，用于使用具有对应于各种类型的气穴的参考信号的部分的信号库来确定微泡气穴的实时存在、类型和/或位置的方法820。在第一步骤822中，在超声过程期间，使用换能器阵列的一部分和/或单独的检测设备122来检测从组织反射的发射的声信号。在第二步骤824中，参考信号的一个或多个部分用作沿接收的声信号移动的窗口；识别接收信号中与参考信号的一部分最匹配的部分。换句话说，每种类型的气穴与指示该类型的气穴的信号的一部分相关联，并且以移动窗口的方式针对多个信号部分同时或顺序地分析接收的信号，以确定多个气穴类型中的哪一个可能存在。再一次，每个部分可以是指示特定气穴类型的单个参考信号或多于一个参考信号。
一旦识别出与参考信号的其中一个部分内的信号匹配的接收信号的一部分，就可以假设微泡气穴的类型对应于与参考信号相关联的气穴类型(在第三步骤826中)。另外，可以基于组织介质中的声速和超声发射与匹配参考信号的信号部分的开始时间之间的经过时间来确定气穴的位置(在第四步骤828中)。
通常，用于检测和/或定位组织中的微泡气穴的功能，包括响应于从换能器阵列发送的超声分析从微泡接收的信号，基于声信号测量值和/或物理模型预测获取与各种气穴类型和/或位置相关联的参考信号，建立信号库，在超声过程期间识别库中与接收信号匹配的参考信号，从识别的匹配参考信号推断出气穴类型和/或位置，和/或基于组织介质中的声速和经过的时间计算气穴位置，如上所述，无论是集成在成像器的控制器内、气穴检测设备113内和/或超声系统内，还是由单独的外部控制器或其它计算实体提供，可以在以硬件、软件或两者的组合实现的一个或多个模块中构造。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在靶计算机(例如，控制器)上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实施。
另外，这里使用的术语“控制器”广泛地包括用于执行如上所述的任何功能的所有必要的硬件组件和/或软件模块；所述控制器可以包括多个硬件组件和/或软件模块，并且功能可以在不同的组件和/或模块之间传播。
以上描述了本发明的某些实施例。然而，明确指出，本发明不限于这些实施例；相反，对本文明确描述的内容的添加和修改也包括在本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种检测微泡气穴的系统的操作方法，所述微泡气穴是从换能器发射的超声波产生的，所述方法包括：
存储将至少一个时域参考信号与微泡气穴相关联的数据库；
使换能器发射至少一个超声脉冲；
获取在时域中的响应于发射的超声脉冲的回波信号；
基于回波信号和时域参考信号之间的相似性，将回波信号的至少一部分与时域参考信号的至少相应部分相关联；以及
基于参考信号的相应部分检测微泡气穴。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于参考信号的相应部分确定气穴类型或气穴位置中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述参考信号在数据库中与指定(i)气穴类型、(ii)气穴位置或(iii)超声脉冲发射开始与回波信号的与参考信号的相应部分相关的部分的接收时间之间的经过时间的至少其中一个的信息相关联。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使用匹配的滤波器将回波信号与参考信号的相应部分相关联。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关联步骤包括在发射所述至少一个超声脉冲前获取所述至少一个参考信号，所获取的参考信号响应于先前的超声脉冲。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个参考信号存储为具有在多个频率处的多个分量的频谱特征。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述多个频率包括与所述至少一个超声脉冲相关联的频率的子谐波频率、谐波频率或超谐波频率中的至少一个。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：将信号滤波器应用于频谱特征的每个分量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述信号滤波器包括窗口函数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中应用于每个分量的信号滤波器至少部分地基于与所述分量相关联的频率缩放。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：在信号滤波后，将频谱特征转换为时域中的重建信号。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述换能器分成多个子区域，每个子区域包括多个换能器元件，其中所述超声脉冲由第一子区域发射，且所述回波信号由第二子区域测量，所述第一子区域不同于所述第二子区域。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述换能器分成多个子区域，每个子区域包括多个换能器元件，其中所述超声脉冲由所述换能器的第一子区域发射，且所述回波信号随后由所述第一子区域获取。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声脉冲为啁啾脉冲。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考信号的相应部分为所述回波信号的一部分。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关联步骤包括至少部分地基于物理模型来获取所述至少一个参考信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述物理模型预测所述微泡对所述超声脉冲的非线性响应。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述超声脉冲包括编码脉冲。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述编码脉冲为啁啾。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述非线性响应的信号建模为：
Figure FDA0003540895040000021
其中f1和f2表示啁啾的频率边界，T表示啁啾的周期，t*表示没有时间延迟的时间变量且范围从0到T，K表示非线性响应的阶数。
21.根据权利要求20所述的方法，其中K＝1/2。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括：选择所述至少一个时域参考信号的相应部分，其中所述回波信号的至少一部分与所述参考信号的所选相应部分基于它们之间的相似性相关联。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述相关联步骤包括沿着所述回波信号移位所述至少一个时域参考信号的所选的相应部分，以确定它们之间的相似性。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：基于沿着所述回波信号所述至少一个时域参考信号的所选的相应部分的移位量来确定气穴位置。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述相关联的步骤包括沿着所述回波信号同时移位至少两个时域参考信号的所述部分。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述相关联的步骤包括沿着所述回波信号顺序地移位至少两个时域参考信号的所述部分。
27.一种检测微泡气穴的系统，所述系统包括：
超声换能器；
计算机存储器，其包括将至少一个时域参考信号与微泡气穴相关联的数据库；和
控制器，其配置为：
使换能器发射至少一个超声脉冲；
在时域中，响应于发射的超声脉冲，从微泡获取回波信号；
将回波信号的至少一部分与来自数据库的时域参考信号的至少相应部分基于它们之间的相似性相关联；以及
基于参考信号的相应部分使用数据库检测微泡气穴。
28.一种检测微泡气穴的系统的操作方法，所述微泡气穴是从具有多个换能器元件的换能器发射的超声波产生的，所述方法包括：
(a)存储将多个时域参考信号中的每一个与不同类型的微泡气穴相关联的数据库；
(b)使换能器发射至少一个超声脉冲；
(c)获取在时域中的响应于发射的超声脉冲的回波信号；
(d)基于所获取的回波信号和参考信号之间的相似性计算与每个参考信号相关联的匹配分数，并确定匹配分数是否高于阈值；且
如果是，则基于具有高于阈值的匹配分数的参考信号确定与微泡相关联的气穴类型；
如果否，重复步骤(a)-(d)。
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