[發明專利]微秒分辨空化時空分布的三維空化定量成像方法

有效

• 申請號: 201410834392.1
• 申請日: 2014-12-27
• 公開（公告）號: CN104535645A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 萬明習;丁婷;胡虹;楊淼;郭世放
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及空化物理與應用及超聲成像技術領域，該方法結合陣列Plane-by-plane寬波束空化檢測，寬波束最小方差自適應波束合成以及Nakagami參量成像算法，實現穩態自由場和脈動流條件下微秒分辨空化三維時空分布成像和空化微泡密度的定量成像。

背景技術

空化是指液體中的空化核在外加能量(熱/力)的作用下被激活，出現微小泡核的振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程，是生物醫學領域中藥物釋放、基因轉染、體外碎石、溶栓、止血、熱療以及腫瘤熱消融等方面的主要機制?？栈倪^程包括以下幾個階段：空化成核、空化泡線性和非線性振動，空化泡生長、空化急速收縮至坍塌破裂以及空化泡消散，可分為以非慣性空化為特點的穩態空化和慣性空化為特點的瞬態空化。在液體介質中，產生空化的最小能量值稱為空化起始閾值，其大小取決于媒介液體靜態壓、初始溫度、液體本身的結構狀態以及液體中外加的多樣性空化核，因此液體媒介中空化的產生具有一定的隨機性，但相同環境以及空化能量作用時，其空化泡群形狀及分布具有可重復性。目前，為更好地研究不同媒介空化的產生機制以便更好地控制和利用空化，需要研究有效的空化檢測與成像方法。

現有的空化檢測與成像主要有光學和聲學方法。光學檢測成像主要包括通過高速/超高速攝影、聲致發光以及聲致化學發光等，可拍攝觀察空化泡的行為以及時空動態特性，具有直觀、同步性好、時間分辨率高的優點，缺點是一方面對媒介透光性要求很高且不適用于原位研究，另一方面所得圖像是沿光穿透方向信息的重疊。聲學檢測方法是基于空化過程中或空化微泡產生的聲信息，包括諧波、次諧波、超諧波和寬帶噪聲等，其中得到最廣泛應用的就是被動空化檢測(Passive?Cavitation?Detection,PCD)和主動空化檢測(Active?Cavitation?Detection,ACD)。PCD利用換能器被動接收由空化微泡所產生的聲散射信號，而ACD采用低壓脈沖回波探測可能發生空化的區域，但PCD和ACD由于一般采用單陣元換能器，受限于有限的空間檢測區域，無法提供空化微泡的空間分布。

在PCD和ACD基礎上，使用二維陣列換能器作為空化檢測換能器，發展出被動空化成像(Passive?Cavitation?Imaging,PCI)和主動空化成像(Active?Cavitation?Imaging,ACI)。由于超聲空化具有瞬態特性，空化微泡的振動、坍塌破裂以及消散的時間都是微秒級，因此空化成像方法的時間分辨率需要達到微秒。同時，針對空化的瞬態特性，有必要得到空化微泡的時空分布，包括不同空化能量源作用時間和空化消散隨時間的序列時空空化分布。PCI通過陣列換能器被動接收和通道信號源重建得到空化泡的二維空間分布，重建算法復雜且空間分辨率不高。ACI包括常規的B超成像和超快速主動空化成像方法。由于B超圖像是通過逐線掃描得到的，同一幀圖像不同掃描線之間存在時間差，且時間分辨率無法達到微秒級。而超快速主動空化成像由于發射的是平面波，其靈敏度以及橫向分辨率有待改進，且其時間分辨率為幾百個微秒，無法滿足研究空化瞬態分布的要求。

在空化成像的基礎上需要對空化泡進行定征，包括空化量化、空化尺寸及密度分布等。當前的空化量化方法主要有慣性空化劑量和非慣性空化劑量，是通過計算特定頻段內寬帶噪聲或次諧波幅度的均方根值作為空化強度的一種相對度量，可分別衡量瞬態空化和穩態空化的相對大小，但一般針對PCD所采集到的一維射頻數據，這種量化方法無法反應空化強度分布?，F有的空化密度檢測方法有激光相位多普勒法，該方法主要針對空化泡在不同尺寸上的分布，而關于空化泡在不同空間位置的密度分布還沒有研究，無法提供空間信息。

目前已有的空化檢測與成像方法局限于一維和二維，實際中空化泡的分布區域遍布整個焦域甚至更大，而且在臨床應用中如聚焦超聲治療時，其聲波傳播路徑上可能存在其他組織介質，使得聲場分布發生變化而出現不對稱性，因此有必要發展一種微秒分辨空化三維時空分布成像和空化微泡密度的定量成像方法。此外，對于流動條件尤其是脈動流條件下的空化研究相對較少，而人體的血流是一種脈動流，因此有必要研究其條件下的三維時空空化分布尤其是脈動流周期內不同時間點的三維空化分布。

發明內容

針對上述現有技術的缺陷以及微秒分辨空化時空分布的三維定量成像的必要性，本發明的目的在于提供一種穩態自由場和脈動流條件下具有微秒分辨空化時空分布的三維空化定量成像方法。

為了實現上述目的，本發明采取了如下的技術方案：