CN117074529A - 一种高度集成的空化和温度监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高度集成的空化和温度监测方法和系统，该方法通过在发射聚焦超声波的脉冲序列过程中，在脉冲输出时间内通过B超探头接收反射回的空化信号；并对空化信号进行分析处理提取相关参数用于仿真程序，预测整个声场信息；在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到温度值；输出得到的空化信息和温度值；所述温度值为靶区温度；该方法高度集成的空化监测和温度监测系统，这对比目前现有的需要独立操作的设备来分别进行空化和温度监测，大大降低了操作的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及聚焦超声设备技术领域，特别是一种高度集成的空化和温度监测方法和系统。
背景技术
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)作为一种新型非侵入式肿瘤治疗技术，其原理是，当超声波在组织中传播时，一部分超声能量被组织吸收并转化为热能，使焦点处组织温度快速升高到60℃以上，高温导致蛋白质发生不可逆的变性从而达到治疗效果。并且HIFU能够精确地将超声能量集中到预先确定的靶区位置，最大限度地减少对正常组织的损伤。HIFU在治疗过程中，由于组织吸收声能量而产生的热效应，以及超声波作用于组织时，组织中存在的蒸汽、气体空隙等可能在超声负压作用下发生空化效应，这两种效应是HIFU治疗过程中最重要的两种物理机制。在HIFU治疗过程中，空化和温度相互影响，并且都可作为治疗过程中损伤监测的重要手段，为治疗参数优化和治疗进程提供实时反馈。实时监测空化和温度可有效提高HIFU治疗的有效性和安全性。
被动空化检测(Passive Cavitation Detection,PCD)是最常用的空化检测方法之一，其原理是利用一个或多个具有一定带宽的接收传感器来接收空化声发射信号。测温选择方面，超声热应变测温，具有很高的时间分辨率以及无创性等特点。其原理是，由于组织温度的改变会使组织发生膨胀，且改变声波在组织中的传播速度，从而使B超接收到的回波信号发生时移，通过回波信号发生的时移计算组织温度。超声热应变测温方法可以利用成像设备的高时间分辨率来达到相对实时的温度监测的目的B超探头。
目前，已有多种声场模拟工具被广泛发应用，例如COMSOL和K-Wave等。但是，这些已有的声场模拟工具并不能很好的模拟空化发生时的声场，由于空化区域的气泡与气泡，气泡与声场之间相互影响，很难利用COMSOL和K-Wave来计模拟空化区域的声场。此外，由于目前的空化和温度监测的技术和设备都是独立的，需要单独操作且操作过于复杂，这大大增加了操作难度。
因此，开发一套高度集成的空化和温度监测方法和系统非常重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高度集成的空化和温度监测方法和系统，该方法结合计算机仿真，大大提高了HIFU治疗的安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的高度集成的空化和温度监测方法，包括以下步骤：
设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
在脉冲输出时间内通过B超探头被动接收靶区发射的声信号，并对这段声信号进行分析处理提取空化信号；
在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到温度值；
输出得到的空化信号和温度值。
进一步，将所述B超探头采集到的相关参数信息输入仿真程序中，通过仿真程序来预测整个HIFU的声场信息。
进一步，所述空化信号按照以下步骤进行：
对一个脉冲输出时间内采集到的空化信号x(n)，n＝0,1,…,N-1；
其中，N表示一个采样周期T内的采样点数；n表示第n个脉冲；
首先进行梳状滤波，滤除1/2次谐波，基波，超谐波和高次谐波得到x'(n)，利用以下公式计算出宽带噪声均方根值：
其中，URMS表示宽带噪声均方根值；
x'(i)表示进行上述滤波以后的声信号；
i表示第i个点；
然后对x(n)进行快速傅里叶变换(FFT)得到X(k)：
其中，k表示第k段信号；
最后，根据此结果找到1/2次谐波的幅值，用于表征稳态空化。
进一步，所述超声热应变测温方法按照以下公式计算：
其中，λ为特定系数；Δθ(z0)表示组织温度的变化；λ(z)表示深度为z处的特定系数值；Δt(z0)表示回波时间延迟；t表示时间；z表示组织深度。
本发明提供的高度集成的空化和温度监测系统，包括HIFU换能器、B超探头、控制端；
所述HIFU换能器，用于发射聚焦超声波；
所述B超探头，用于PCD检测和超声成像；
所述控制端，用于控制HIFU换能器超声波的发射，控制B超探头进行热应变成像和被动接收空化声发射信号，计算并输出空化预测信息和温度值。
进一步，所述控制端包括脉冲序列生成模块、被动空化检测模块、热应变图像计算模块；
所述脉冲序列生成模块，用于设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
所述被动空化检测模块，用于在脉冲输出时间内通过B超探头接收反射回的空化信号；并对空化信号进行分析处理；
所述热应变图像计算模块，用于在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到靶区温度。
进一步，所述控制端包括声场预测模块，所述声场预测模块用于将B超探头得到的相关参数信息用于仿真程序，用于预测整个HIFU声场。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种高度集成的空化和温度监测方法和系统，该方法结合计算机仿真，预测HIFU治疗过程中的声场信息，仿真结果能够指导HIFU剂量的投放，这大大提高了HIFU治疗的安全性。该方法具有预测能力，利用B超探头同时作为HIFU治疗过程中的空化监测和温度监测设备，以及利用声场仿真程序来预测HIFU治疗过程中靶区声场信息。
本系统中包含的声场模拟程序，能够提前预测HIFU治疗过程中的空化活动，为系统监控提供一定程度的预判，指导HIFU剂量的投放，这大大提高了HIFU治疗的安全性。
本系统高度集成的空化监测和温度监测系统，这对比目前现有的需要独立操作的设备来分别进行空化和温度监测，大大降低了操作的复杂度。
本系统大大降低了空化监测和温度监测的复杂度，有望为高强度聚焦超声临床治疗中靶组织损伤程度和治疗效果的监测提供一种有效的方法，并且还能够为未来研究空化效应和热效应之间的关系提供一种可行的方案选择。重要的是，本系统还结合计算机仿真程序，可提前预测HIFU治疗过程的空化活动，这为HIFU治疗过程中的HIFU剂量投放提供一定的参考，指导后续的系统监控方案，这有效提高了HIFU治疗的安全性。
本系统同时利用空化和温度信息，这为HIFU治疗治疗效果的评估提供参考，同时这些信息还可用来优化仿真参数。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为高度集成的空化和温度监测方法流程图。
图2为高度集成的空化和温度监测时序图。
图3为高度集成的空化和温度监测系统图。
图4为高度集成的空化和温度监测系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供的一种高度集成的空化和温度监测方法，包括以下步骤：
设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
在脉冲输出时间内通过B超探头接收反射回的空化信号；并对空化信号进行分析处理得到空化预测信息；
在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到温度值；
输出得到的空化预测信息和温度值；所述温度值为靶区温度；
本实施例中的反射回的空化信号是指B超探头能够被动接收待检测部位发出的声信号，从这段接收到的信号分析提取出来的信号，能够表征空化活动。且分析得到的空化信号的一些参数信息能够用于仿真程序，而仿真程序能够通过数值计算，预测整个HIFU声场，本实施例中的提取空化信息按照以下步骤进行：
对一个脉冲输出时间内采集到的空化信号x(n)(n＝0,1,…,N-1)(N：一个采样周期T内的采样点数)首先进行梳状滤波，滤除1/2次谐波，基波，超谐波和高次谐波得到x'(n)，然后根据公式：
计算出宽带噪声均方根值，用于表征惯性空化；
然后对x(n)进行快速傅里叶变换(FFT)
得到X(k)，然后根据此结果找到1/2次谐波的幅值，用于表征稳态空化。
其中，n表示第n个脉冲，
URMS表示宽带噪声均方根值；
x'(i)表示进行梳状滤波，滤除1/2次谐波，基波，超谐波和高次谐波后的信号；
i表示第i个数据点；
X(k)表示对原始信号x(n)做完快速傅里叶变换(FFT)后的结果；
x(n)表示表示原始信号；
k表示第k个数据点；
本实施例中的超声热应变测温方法按照以下步骤进行：
超声热应变成像的基本原理为，由于组织温度的改变会导致声波在组织中的传播速度发生改变，从而使得B超探头主动发射的声波的回波发生时移。组织温度的变化Δθ(z0)与回波时间延迟Δt(z0)的一阶导数之间的关系可以表示为
其中，λ为特定系数；
Δθ(z0)表示组织温度的变化；
λ(z)表示深度为z处的特定系数值；
Δt(z0)表示回波时间延迟；
t表示声波传播时间；
z表示组织深度；
上式，描述了热应变和温度之间的线性关系，其中，z为组织深度，λ为特定系数，先前的研究工作中已经针对不同类型的组织给出了相应的取值范围。
本实施例中对空化信号进行分析处理得到空化预测信息；即声场预测模块按照以下步骤进行：
在发生空化的区域，考虑到气泡与声场之间的相互作用，用如下方程来描述：
对于没有发生空化的区域，采用Westervelt方程来描述：
式中：表示Laplace算子，且有/>p表示空化云中总的声压；cl表示介质中的声速；/>α为介质的声吸收系数；ω为声波的角频率；N表示气泡数密度；R，/>和/>表示气泡半径，半径对时间的一阶导和二阶导，β为非线性系数。
空化区域气泡运动采用Keller-Miksis方程来描述：
式中：M表示气泡壁马赫数，且有p与前文一致，表示环境中总的声压；ρl表示介质密度，tR≡R/cl；pl表示气泡壁外液体的压强，表达式如下：
式中：pg表示气泡壁内压强，且R0为气泡初始半径；k为气体指数；η为液体剪切粘度，σ为液体表面张力。
耦合求解声波方程和气泡动力学方程即可获得整个声场的信息，B超探头采集到的空化相关信息，可以用于设置仿真程序中的参数。
本实施例中分别对B超探头被动接收到的空化信号和热应变图像进行后续数据处理。对于每一个脉冲持续时间的空化信号，控制端经过快速傅里叶变换(FFT)和滤波处理，提取次谐波幅值和计算宽带噪声均方根值(root mean square，RMS)。对于热应变图像，根据目前的已经发表过的算法计算靶区的温度。
如图1所示，图1为流程图，本实施例中提供的方法，可以利用C++编程语言编写出一套可以模拟空化发生时的声场的程序，对没有发生空化的区域，利用Westervelt方程来描述，而在发生空化的区域，通过耦合气泡动力学方程和空化云中的非线性声波方程来描述；声场模拟能够预测HIFU治疗过程中的声场信息，对HIFU治疗过程以及系统监控起到一定的预判作用，具体包括以下步骤：
脉冲超声输出前；
控制端电脑运行声场仿真程序；
控制端电脑保存声场模拟结果；
利用数据处理软件分析声场模拟结果；
脉冲超声开始输出，如图2所示；
本实施例中空化计算可以根据通过复现参考文献中的算法得到。目前大多数的空化计算都是针对单气泡的计算，并没有考虑到空化多泡之间的相互作用以及气泡与声场之间的相互作用。本实施例中的声场仿真考虑了气泡与气泡之间的相互作用，气泡与声场之间的相互作用。
脉冲输出时间：控制程序控制B超探头被动接收空化信号；控制端电脑对B超探头采集到的空化信号进行FFT和滤波处理，提取次谈波和宽带噪声；控制端电脑自动计算次谐波幅值和宽带噪声均方根值；
脉冲停止时间：控制程序控制B超探头主动发射声信号；控制端电脑对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像；控制端电脑自动根据热应变图像计算靶区的温度；
控制端电脑实时显示次谐波幅值、宽带噪声均方根值和靶区温度值曲线。
此外，由于目前的空化和温度监测的技术和设备都是独立的，需要单独操作且操作过于复杂，这大大增加了操作难度。本方法利用两个不同的脉冲时序阶段将空化和温度监测方法集中到同一套系统中，并且在此系统中结合计算机仿真，预测HIFU治疗过程中的声场信息，仿真结果能够指导HIFU剂量的投放，这大大提高了HIFU治疗的安全性。
实施例2
如图3和图4所示，本实施例提供的一种高度集成的空化和温度监测系统，包括HIFU换能器、B超探头、控制端；
所述HIFU换能器，用于发射聚焦超声波；
所述B超探头，用于PCD检测和超声成像；
所述控制端，用于控制HIFU换能器超声波的发射，控制B超探头进行热应变成像和被动接收空化声发射信号，计算并输出空化预测信息和温度值；
本实施例中的控制端包括脉冲序列生成模块、空化预测信息计算模块、热应变图像计算模块；
所述脉冲序列生成模块，用于设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
所述空化预测信息计算模块，用于在脉冲输出时间内通过B超探头接收反射回的空化信号；并对空化信号进行分析处理得到空化预测信息；
所述热应变图像计算模块，用于在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到靶区温度；
本实施例中通过超声成像系统形成的热应变图像计算温度值，根据声信号提取次谐波信号和宽带噪声信号，最后经过计算并将计算结果实时显示在电脑屏幕。
本实施例中的方法可以用于提前预测HIFU治疗过程中的声场信息，为系统监控提供一定的指导和预判。
本实施例还包括以下步骤：
在脉冲超声输出之前，利用计算机运行提前编写好的声场仿真程序，将仿真结果保存，并利用数据分析软件对仿真结果进行数据分析。数据分析结果可预测脉冲超声输出后的声场，这对系统监控有一定的指导和预判作用。
本实施例中在仿真数据分析完成后，开始输出脉冲超声，脉冲超声输出后又分为两个部分，一个是脉冲输出时间，一个是脉冲停止时间，这两过程B超探头需要分别完成两个任务。脉冲输出时间，B超探头作为PCD设备，被动接收空化信号，而脉冲停止时间，B超探头作为成像设备主动发射超声信号用于热应变成像。控制端电脑根据脉冲超声的输出和停止(时序图如图3所示)自动控制B超探头的工作。
本实施例通过B超探头可以被动接收声信号的特点，利用被动接收声信号来实现被动空化检测设备，同时利用主动发射声信号这点用来进行超声热应变成像。因此，在脉冲超声发射的时间利用B超探头进行被动接收空化声发射信号，而在脉冲停止时间利用B超探头进行，这样能够相对实时的对空化和温度进行监测，结合现有的理论模型，得到能够预测HIFU治疗过程中声场信息的系统。利用B超探头对于空化和温度的监测结果可用来优化仿真参数，而仿真结果可用来优化治疗方案。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种高度集成的空化和温度监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
在脉冲输出时间内通过B超探头被动接收靶区发射的声信号，并对这段声信号进行分析处理提取空化信号；
在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到温度值；
输出得到的空化信号和温度值。
2.如权利要求1所述的高度集成的空化和温度监测方法，其特征在于：将所述B超探头采集到的相关参数信息输入仿真程序中，通过仿真程序来预测整个HIFU的声场信息。
3.如权利要求1所述的高度集成的空化和温度监测方法，其特征在于：所述空化信号按照以下步骤进行：
对一个脉冲输出时间内采集到的空化信号x(n)，n＝0,1,…,N-1；
其中，N表示一个采样周期T内的采样点数；n表示第n个脉冲；
首先进行梳状滤波，滤除1/2次谐波，基波，超谐波和高次谐波得到x'(n)，利用以下公式计算出宽带噪声均方根值：
其中，URMS表示宽带噪声均方根值；
x'(i)表示进行上述滤波以后的声信号；
i表示第i个数据点；
然后对x(n)进行快速傅里叶变换(FFT)得到X(k)：
其中，k表示第k段信号；
最后，根据此结果找到1/2次谐波的幅值，用于表征稳态空化。
4.如权利要求1所述的高度集成的空化和温度监测方法，其特征在于：所述超声热应变测温方法按照以下公式计算：
其中，λ为特定系数；Δθz0)表示组织温度的变化；λ(z)表示深度为z处的特定系数值；Δt(z0)表示回波时间延迟；t表示时间；z表示组织深度。
5.一种高度集成的空化和温度监测系统，其特征在于：包括HIFU换能器、B超探头和控制端；
所述HIFU换能器，用于发射聚焦超声波；
所述B超探头，用于PCD检测和超声成像；
所述控制端，用于控制HIFU换能器超声波的发射，控制B超探头进行热应变成像和被动接收空化声发射信号，计算并输出空化预测信息和温度值。
6.如权利要求5所述的高度集成的空化和温度监测系统，其特征在于：所述控制端包括脉冲序列生成模块、被动空化检测模块、热应变图像计算模块；
所述脉冲序列生成模块，用于设置发射聚焦超声波的脉冲序列，所述脉冲需要包括脉冲输出时间和脉冲停止时间；
所述被动空化检测模块，用于在脉冲输出时间内通过B超探头接收反射回的空化信号；并对空化信号进行分析处理；
所述热应变图像计算模块，用于在脉冲停止时间内控制B超探头主动发射声信号；并对B超探头接收到主动发射的声信号的回波信号进行热应变成像得到靶区温度。
7.如权利要求5所述的高度集成的空化和温度监测系统，其特征在于：所述控制端包括声场预测模块，所述声场预测模块用于将B超探头得到的相关参数信息用于仿真程序，用于预测整个HIFU声场。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311047465.8A CN117074529A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种高度集成的空化和温度监测方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311047465.8A CN117074529A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种高度集成的空化和温度监测方法和系统 |
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| CN117074529A true CN117074529A (zh) | 2023-11-17 |
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| CN (1) | CN117074529A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117761671A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-03-26 | 上海移视网络科技有限公司 | 超声作用区域监测方法及装置 |
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2023
- 2023-08-18 CN CN202311047465.8A patent/CN117074529A/zh active Pending
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