CN118217552A - 超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法和装置，方法包括以下步骤：获取超声换能器中每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置；根据每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元；分别获取每个单阵元处理单元中超声波通过非均匀介质后形成的声场分布信息；对每个单阵元处理单元的声场分布信息进行相位或幅值调整，得到超声换能器中每个超声发射阵元的修正信息。与现有技术相比，本发明能使得超声信号聚焦在同一位置，使得靶区可得到足够的超声能量，而非靶区不会有过多的能量累积。
Description
技术领域
本发明涉及超声发射技术领域，尤其是涉及超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法和装置。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)已被广泛用于治疗和手术中。治疗超声的频率在0.8MHz～5MHz的范围内时，在组织内传播的超声波长为大约为2mm-0.3mm(与上述频率相对应)。这意味着在距声源一段距离的焦平面上，可以在一个较小的区域内产生较高声压(高强度)。因此，从理论上而言，如果超声声束在通过声吸收介质时有足够的能量，就有可能仅在该区域(焦点处)获得生物学意义上的显著温升，而其他区域(非焦点区域)的温升可以忽略不计。由于超声波是机械波，所以当超声波在组织中传播时会有一定的能量损失，为了克服组织中由于声吸收和散射引起的信号损失，可将声能集中到一个小体积中而得到聚焦超声波束。当HIFU工作发射的超声波聚焦在软组织深处时，可以将聚焦处的温度提高到组织热损毁的程度，同时使其他组织部位的温度接近其原始水平，其中还包括位于焦点体积上方的超声波声束传播路径中的组织的温度。
想要达到上述将超声聚焦的效果，可以使用球面弯曲形式的治疗探头、声学透镜、反射器或相控阵来实现，即通过将与波长相比较大的声源在超声场中按照球面弯曲形式进行排列，最终可以聚焦到一个焦点大小为波长量级的点。在实际应用中，为了能够更加高效精准的对目标区域输送超声能量，会选用相控型聚焦超声换能器，即阵列型超声换能器。阵列中的超声发射单元可独立驱动，调节各单元彼此之间的相对相位及发射幅度，从而实现靶区焦点精确聚焦以及不同位置焦点的快速精准移动。结合磁共振影像引导技术可实现靶区焦点的可视化反馈。
当超声波通过人体组织，对人体内靶区施加能量时，主要目的为将更多的能量汇聚至目标靶区，而非靶区不会有过多能量通过。然而，人体组织对于超声波而言是一种非均匀介质，当超声波通过颅骨时时会发生波形相位的变化而相干波形失真，从而导致非靶区范围产生非预期的焦点。上述问题可能会导致非靶区组织的异常升温、刺激，使得非靶区产生非预期的能量干涉风险。所以，需要能够确保靶区足够的超声能量的前提下降低非靶区能量累积的系统和方法。
以超声经颅治疗为例，当超声穿透颅骨传播过程中，由于颅骨介质的非均匀性使超声通过颅骨时的传播速度发生变化从而导致超声达到颅内预期焦点处相位发生变化而产生散焦现象，如图1所示，即靶区未能够获得足够能量而必然导致非靶区能量增加。
目前对超声波相位变化常用的修正方法大概分为两种。第一种方法假设颅骨或其他非均匀组织由一个或三个均匀层组成，由于颅骨是相对于水的正相移，可以通过相移实现校正相位，从而可直接适用于临床治疗。虽然利用这种模型可以较快修正靶点聚焦效果，但从高分辨率CT图像中提取颅骨的非均匀介质特性并没有考虑其中，从而导致提升效果有限。第二种方法通过使用时间反转方法和三维有限差分数值模拟完整波动方程与颅骨的非均匀介质特性，实现了超声通过颅骨的非侵入性聚焦。然而，收敛测试表明，需要更长的时间才能获得相对较高的精确结果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法和装置，在确保靶区足够的超声能量的前提下降低非靶区能量累积。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一方面，公开了一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，包括以下步骤：
获取超声换能器中每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置；
根据每个所述超声发射阵元在拍摄影像中的位置，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元；
分别获取每个单阵元处理单元中超声波通过非均匀介质后形成的声场分布信息；
对每个单阵元处理单元的声场分布信息进行相位或幅值调整，得到超声换能器中每个超声发射阵元的修正信息。
进一步地，所述方法还包括：将每个所述超声发射阵元的修正信息反馈给超声发射阵元；每个所述超声发射阵元根据修正信息重新发射超声波至非均匀介质。
进一步地，所述非均匀介质为颅骨和/或肌肉组织，和/或所述拍摄影像为颅骨和/或肌肉组织的磁共振、超声或CT影像。
进一步地，所述将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元的方法，包括：
设置虚拟接收层，所述非均匀介质位于超声发射阵元与虚拟接收层之间；
根据所述超声发射阵元数量，一一对应的分割拍摄影像，获取多个单阵元处理单元；
每个所述单阵元处理单元包括一个超声发射阵元、与所述超声发射阵元对应的非均匀介质图像和虚拟接收层。
进一步地，每个所述虚拟接收层，对应一个单阵元处理单元。
进一步地，所述超声换能器阵列每个阵元的修正信息的获取过程具体为：
从一所述虚拟接收层中选取一位置的声压信号作为参考信号；
获取剩余每个虚拟接收层对应位置的声压信号与所述参考信号之间的时间延迟矩阵，基于时间延迟矩阵获取对应的超声换能器阵列的阵元的相位修正信息。
进一步地，所述相位修正信息的获取方法包括：
式中，为所需修正的相位矩阵，f为超声换能器的发射频率，为时间延迟矩阵，n为超声换能器阵列中阵元的编号。
进一步地，所述声场分布信息的计算过程包括：在单阵元处理单元中分别构建动量守恒方程、质量守恒方程和物态方程，得到声波方程组，根据该方程组构建二阶波动方程，对该二阶波动方程求解，得到虚拟接收层的声场分布信息。
进一步地，所述声场分布信息的计算过程中，以声波通过均匀的无损流体介质的情况，进行声场分布信息的计算；
所述动量守恒方程的计算表达式为：
式中，为声场中质点振速，p为声压，ρ0为声场中没有声扰动时介质的静态密度，t为时间；
所述质量守恒方程的计算表达式为：
式中，ρ为声场中的密度；
所述物态方程的计算表达式为：
p＝c0 2ρ
式中，c0为介质中的声传播速度。
进一步地，所述二阶波动方程的计算表达式为：
进一步地，所述以声波通过均匀的无损流体介质的情况，进行声场分布信息的计算的方法，包括：
假设为均匀无损介质，则二阶波动方程为：
通过进行空间傅里叶变换，然后使用二阶精确中心差分对时间求导数，可以得出伪谱解，即为虚拟接收层中声场分布信息：
其中，为k空间的变量，/>Δt为时间步长。
进一步地，每个虚拟接收层与对应的超声发射阵元之间的距离相等。
本发明的第二方面，公开了一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序代码，处理器调用所述程序代码执行如上所述的方法的步骤。
本发明的第三方面，公开了一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上储存有程序代码，所述程序代码被处理器执行如上任一项所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明针对超声换能器阵列中的每个阵元，分别在含非均匀介质的待处理对象中的对应位置建立单阵元处理单元，计算超声波通过后形成的虚拟接收层的声场分布信息，实现声学信号的接收，将各单阵元处理单元的声学信号进行计算处理实现相位或幅值调整，实现整体超声换能器阵列的修正，各阵元的超声信号能聚焦在同一位置，使得靶区可得到足够的超声能量，而非靶区不会有过多的能量累积。
(2)本发明通过为每个单阵元处理单元建立对应的虚拟接收层，经过非均匀介质的超声信号都可以被记录，并进行各阵元之间的统一修正，修正信息更精确。
(3)预设区域较小，即超声发射阵元与虚拟接收层之间区域，更高效。
(4)各单阵元处理单元可独立运行互不干扰，进一步提升效率。
附图说明
图1为本发明背景技术中提供的一种未经过相位修正，在焦点处发生散焦的超声经颅聚焦状态示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种经过相位修正后，在焦点处发生散焦的超声经颅聚焦状态示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种单阵元处理单元划分结果示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种超声发射阵元及在虚拟接收层接收的计算过程示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法的流程示意图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
为了能够将更多的能量聚焦在靶区，本实施例提出可通过相控型超声换能器，通过修正相控阵中每一个超声发射阵元相位实现超声经颅后靶区的重新聚焦，如图2所示，图中换能器阵列中每个圆片为一个超声发射阵元。
具体地，本实施例提供一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，包括以下步骤：
获取超声换能器中每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置；
根据每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元；
分别获取每个单阵元处理单元中超声波通过非均匀介质后形成的声场分布信息；
对每个单阵元处理单元的声场分布信息进行相位或幅值调整，得到超声换能器中每个超声发射阵元的修正信息。
可选的，上述方法还包括：将每个超声发射阵元的修正信息反馈给超声发射阵元；每个超声发射阵元根据修正信息重新发射超声波至非均匀介质，以实现声能集中在目标靶区。
非均匀介质为肌肉、脂肪、骨骼、器官等非均匀组织，如颅骨，对应的拍摄影像可选为颅骨、肌肉等非均匀组织的磁共振、超声或CT影像。
该方法主要用于实现超声发射单元/阵列对于超声通过颅骨(非均匀介质)时引起的相位变化进行的修正，从而在实时高效的实现靶区最大能量沉积，该方法的修正相位可以通过仿真计算得到。在方法实施过程中，将CT获取的颅骨信息根据超声换能器阵列每个阵元所对应部分进行计算单元划分，如图3所示：每个虚线框为一个单阵元处理单元。
可选的，如图4所示，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元的方法，包括：
设置虚拟接收层，非均匀介质位于超声发射阵元与虚拟接收层之间；
根据超声发射阵元数量，一一对应的分割拍摄影像，获取多个单阵元处理单元；
每个单阵元处理单元包括一个超声发射阵元、与超声发射阵元对应的非均匀介质图像和虚拟接收层。
虚拟接收层为超声发射阵元发出的超声波通过非均匀介质后的声学信息所在区域内的一个平面。每个虚拟接收层，对应一个单阵元处理单元。
优选的，各虚拟接收层与对应超声发射阵元之间的距离均相等，以便于后续进行相位或幅值修正。
每个单阵元处理单元可以对应一个或多个虚拟接收层，设置多个虚拟接收层时，可以对与对应超声发射阵元相同距离的虚拟接收层，计算对应的修正信息，从而获取与对应超声发射阵元不同距离的虚拟接收层的多组修正信息，从而进行修正信息的误差优化，获取更准确的修正信息用于超声发射阵元的修正。
可选地，超声换能器阵列每个阵元的修正信息的获取过程具体为：
从一虚拟接收层中选取一位置的声压信号作为参考信号；
获取剩余每个虚拟接收层对应位置的声压信号与参考信号之间的时间延迟矩阵，基于时间延迟矩阵获取对应的超声换能器阵列的阵元的相位修正信息。
通过将各个声压信号与参考信号之间的时间延迟进行修正，实现各单阵元处理单元的声场分布信息的相位或幅值统一，以实现声能集中在目标靶区。
可选地，相位修正信息的获取方法包括：
式中，为所需修正的相位矩阵，f为超声换能器的发射频率，为时间延迟矩阵，n为超声换能器阵列中阵元的编号。
将获得的相位输入超声换能器阵列进行超声能量发射，靶区即可得到足够的超声能量的而非靶区不会有过多的能量累积。
可选的，声场分布信息的计算过程包括：在单阵元处理单元中分别构建动量守恒方程、质量守恒方程和物态方程，得到声波方程组，根据该方程组构建二阶波动方程，对该二阶波动方程求解，得到虚拟接收层的声场分布信息。
可选的，计算过程中，可在理想的小振幅声波通过均匀的无损流体介质传播的情况下，进行声场分布信息的计算，对应的一阶方程如下：
动量守恒方程：
质量守恒方程：
物态方程：
p＝c0 2ρ (3)
其中，为声场中质点振速，p为声压，ρ为声场中的密度，ρ0为声场中没有声扰动时介质的静态密度，c0为介质中的声传播速度。通过以上方程组可得到二阶波动方程：
以均匀无损介质的二阶波动方程为例，写成有限差分的形式即为：
通过进行空间傅里叶变换，然后使用二阶精确中心差分对时间求导数，可以得出伪谱解：
其中，为k空间的变量，/>Δt为时间步长。通过解上述方程可以得到虚拟接收层中声场分布信息。
更具体地，下面介绍上述超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法的一个具体处理流程，如图5所示，包括以下步骤：
S1：获取颅骨CT图像并传送至系统终端；
S2：系统终端会对该图像进行信息化处理；
S3：获取超声换能器中每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置，根据每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元；针对超声换能器中每个单一阵元分块建立该颅骨区域的超声传播计算环境；
S4：分别获取每个单阵元处理单元中超声波通过非均匀介质后，在对应的虚拟接收层形成的声场分布信息；
S5：对每个单阵元处理单元的声场分布信息进行相位或幅值调整，得到超声换能器中每个超声发射阵元的修正信息；
S6：最后将统一后的相位/幅值信息反馈至各超声发射阵元；
S7：每个超声发射阵元根据统一后的相位/幅值信息重新发射超声波至非均匀介质，以实现声能集中在目标靶区。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本发明方案进行进一步说明。
本实施例还涉及一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序代码，处理器调用所述程序代码执行如上所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法的步骤。
需要说明的是，本申请的装置具体内容和有益效果可参见上述方法实施例，在此不再赘述。
另外，本实施例还涉及一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上储存有程序代码，所述程序代码被处理器执行如上所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法的步骤。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读存储介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (14)
1.一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取超声换能器中每个超声发射阵元在拍摄影像中的位置；
根据每个所述超声发射阵元在拍摄影像中的位置，将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元；
分别获取每个单阵元处理单元中超声波通过非均匀介质后形成的声场分布信息；
对每个单阵元处理单元的声场分布信息进行相位或幅值调整，得到超声换能器中每个超声发射阵元的修正信息。
2.根据权利要求1所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，还包括：将每个所述超声发射阵元的修正信息反馈给超声发射阵元；每个所述超声发射阵元根据修正信息重新发射超声波至非均匀介质。
3.根据权利要求1所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述非均匀介质为颅骨和/或肌肉组织，和/或所述拍摄影像为颅骨和/或肌肉组织的磁共振、超声或CT影像。
4.根据权利要求1所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述将含非均匀介质的待处理对象划分为多个单阵元处理单元的方法，包括：
设置虚拟接收层，所述非均匀介质位于超声发射阵元与虚拟接收层之间；
根据所述超声发射阵元数量，一一对应的分割拍摄影像，获取多个单阵元处理单元；
每个所述单阵元处理单元包括一个超声发射阵元、与所述超声发射阵元对应的非均匀介质图像和虚拟接收层。
5.根据权利要求4所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，每个所述虚拟接收层，对应一个单阵元处理单元。
6.根据权利要求4所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述超声换能器阵列每个阵元的修正信息的获取过程具体为：
从一所述虚拟接收层中选取一位置的声压信号作为参考信号；
获取剩余每个虚拟接收层对应位置的声压信号与所述参考信号之间的时间延迟矩阵，基于时间延迟矩阵获取对应的超声换能器阵列的阵元的相位修正信息。
7.根据权利要求6所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述相位修正信息的获取方法包括：
式中，为所需修正的相位矩阵，f为超声换能器的发射频率，为时间延迟矩阵，n为超声换能器阵列中阵元的编号。
8.根据权利要求1所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述声场分布信息的计算过程包括：在单阵元处理单元中分别构建动量守恒方程、质量守恒方程和物态方程，得到声波方程组，根据该方程组构建二阶波动方程，对该二阶波动方程求解，得到虚拟接收层的声场分布信息。
9.根据权利要求8所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述声场分布信息的计算过程中，以声波通过均匀的无损流体介质的情况，进行声场分布信息的计算；
所述动量守恒方程的计算表达式为：
式中，为声场中质点振速，p为声压，ρ0为声场中没有声扰动时介质的静态密度，t为时间；
所述质量守恒方程的计算表达式为：
式中，ρ为声场中的密度；
所述物态方程的计算表达式为：
p＝c0 2ρ
式中，c0为介质中的声传播速度。
10.根据权利要求9所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述二阶波动方程的计算表达式为：
11.根据权利要求10所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，所述以声波通过均匀的无损流体介质的情况，进行声场分布信息的计算的方法，包括：
假设为均匀无损介质，则二阶波动方程为：
通过进行空间傅里叶变换，然后使用二阶精确中心差分对时间求导数，可以得出伪谱解，即为虚拟接收层中声场分布信息：
其中，为k空间的变量，/>Δt为时间步长。
12.根据权利要求4所述的超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正方法，其特征在于，每个虚拟接收层与对应的超声发射阵元之间的距离相等。
13.一种超声通过非均匀介质时引起相位变化的修正装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序代码，处理器调用所述程序代码执行如权利要求1至12任一所述的方法的步骤。
14.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上储存有程序代码，所述程序代码被处理器执行如权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |