[發明專利]一種基于信息熵的超聲空化實時監測方法及系統

有效

• 申請號: 201910349530.X
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN110075430B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 屠娟;宋人杰;章東
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: A61N7/00
• 分類號: A61N7/00
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 金龍

本發明公開了一種基于信息熵的超聲空化實時監測方法及系統，屬于超聲空化監測領域。本發明的一種基于信息熵的超聲空化實時監測方法，首先對仿體進行超聲輻射，再利用數據采集器采集仿體中空化氣泡群的數據，而后通過數據采集器處理空化氣泡群的數據得到重新構建的熵值圖像，并通過重新構建的熵值圖像判斷空化氣泡群的時空行為。本發明的目的在于克服現有技術中，聲空化監控的技術不能精確地表示聲空化氣泡群的生成過程以及演變情況的不足，提供了一種基于信息熵的超聲空化實時監測方法及系統，可以實現對聲空化的生成過程以及演變情況的精確監測，進一步提高了聲空化監測的準確性及有效性。

技術領域

本發明涉及超聲空化監測技術領域，更具體地說，涉及一種基于信息熵的超聲空化實時監測方法及系統。

背景技術

超聲由于其聚焦性好、穿透性強、治療無侵入性等特點，近年來成為腫瘤治療領域的研究熱點。HIFU(High Intensity Focused Ultrasound)，高強度聚焦超聲，治療源為超聲波，與太陽灶聚焦陽光在焦點處產生巨大能量原理類似，該技術將體外低能量超聲波聚焦于體內靶區，在腫瘤內產生瞬態高溫(60℃以上)、空化、機械作用等生物學效應，共同作用殺死靶區內的腫瘤細胞。高強度聚焦超聲可以精確地將聲能量集中于病人體內預先確定的治療區域中，最大限度地避免了損傷該區域周圍的正常組織器官。這些特點使得HIFU在治療腫瘤、止血和基因藥物轉染等方面得到廣泛應用。在HIFU治療中，當超聲脈沖的負聲壓相位部分穿過液體或組織時，先前組織中已存在的蒸汽、氣體空隙，或溶液中抽出的氣體都可能在超聲作用下發生空化。研究人員指出，空化現象在HIFU治療中可顯著提高聲能吸收，導致局部組織溫度快速升高、血管崩潰、細胞膜瞬間穿孔等生物效應，從而對增強療效起到重要作用。但在某些情況下，HIFU引發的空化現象也存在潛在的副作用。例如，不可預知的組織損傷、對正常組織的不良熱損傷或不可逆的細胞損傷等。因此，為了保證超聲治療的安全性、有效性及可重復性，亟需發展實時監控和定量評價超聲空化的相關技術。在此基礎上，在臨床實際治療時給予醫生以及時反饋，通過調整超聲參數來實現對HIFU引發的聲空化行為的諸多物理特性(如空間分布、產生時間、強度、持續時間等)和空化效應的有效調控，避免不必要的損傷。

一維被動空化探測(PCD)技術采用一個單陣元寬帶傳感器來探測由空化泡劇烈塌縮時產生的寬頻噪聲信號，但無法提供空化泡群的空間信息；近年來提出的二維被動空化映射技術可用于監測局部聲空化活動，然而，由于HIFU脈沖和監控設備的非同步性，該技術的縱向分辨率仍然存在一定的局限。

B超成像技術能夠極好地提供人體組織內時空變化情況，所以空化氣泡通過B超成像后，能夠提供空化氣泡的時空行為，從而能夠監控超聲治療中高回聲區域的時空行為，但超聲脈沖與B超成像系統掃描聲波之間的干涉問題會影響B超成像系統監控超聲引發的空化行為的活動，造成B超成像對于聲空化產生閾值的靈敏度較低，B超成像的灰度圖片不能很好地反映聲空化產生閾值；Vaezy等通過同步HIFU脈沖信號與超聲成像掃描聲波，建立了關于超聲治療的實時B超成像系統，信號同步之后，可以產生一個穩定而清晰(無干涉條紋)的B超成像窗口來實現對超聲引發的產生的高回聲區域的可視化，然而，該方法具有一定缺陷，必須對臨床使用的B超儀器或超聲輻射系統進行改裝以添加相應的電子同步單元，增加了整套系統的復雜性且降低了系統之間各設備的兼容性，因而阻礙系統在不同需求的臨床治療中的實際應用不具有可擴展性。