[發明專利]基于雙約束魯棒Capon波束合成和多重變跡互相關的被動空化成像方法及系統

有效

• 申請號: 202010066167.3
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111265245B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 路舒寬;萬明習;趙巖;張博
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種基于雙約束魯棒Capon波束合成和多重變跡互相關的被動空化成像方法及系統：對線陣被動接收的空化信號進行延時并構造協方差矩陣，利用Newton迭代法求解雙約束魯棒Capon波束合成的最優解隱性簡化方程，然后計算最優加權向量并對各陣元延時信號進行加權；構造正母交叉變跡模式和反母交叉變跡模式各自的子變跡函數，對各陣元延時加權信號進行變跡處理，然后計算所得正變跡合成信號和反變跡合成信號兩兩之間的Pearson相關系數并取平均值；利用相關系數平均值對雙約束魯棒Capon波束合成信號加權，最后計算聲能量，并經歸一化和對數化后得到被動空化圖像。本發明可有效消除被動空化成像的干擾偽影。

技術領域

本發明屬于超聲檢測與超聲成像技術領域，具體涉及一種基于雙約束魯棒Capon波束合成和多重變跡互相關的時域被動空化成像方法及系統。

背景技術

聚焦超聲由于其成本低、組織穿透性強和副作用小等優勢可實現非侵入性的無創治療，在腫瘤熱消融、超聲溶栓，藥物釋放等方面已得到了廣泛而深入的研究并取得了積極的研究成果。研究表明，無論何種治療方式，空化活動都是聚焦超聲治療的重要物理機制。空化本身是一種隨機的物理現象，其可能導致治療的區域的不可預測性，因此要保證聚焦超聲能夠安全而有效地應用于臨床中，必須發展可靠的影像引導與監控手段。

采用諸如高速攝影和聲致發光等手段來觀察介質中微泡從成核、振動到最后坍塌的空化動力學過程，但光學方法只能用于空化的基礎物理研究，不能用來監控不透明生物組織的治療過程。磁共振成像對治療過程中組織溫度變化比較敏感，可用于腫瘤熱消融監控，但由于時間分辨率差導致其不適用于空化瞬態物理研究，另一方面磁共振設備成本高且對于某些病患可能不適用。主動超聲成像由于其發射的成像脈沖會與聚焦超聲治療信號相互干擾，一般用于治療結束后的損傷檢測，并不能對治療過程中的空化進行實時成像。被動空化檢測技術通過使用單陣元超聲換能器被動感知空化信號，可對空化成分(穩態空化或慣性空化)及其強度進行實時定量監控，但無法獲得治療中的空化空間分布。

超聲被動空化成像技術是發展自單陣元被動空化檢測的影像監控技術，通過使用臨床上常用的超聲診斷成像換能器(例如線陣換能器)或者自定義的換能器(例如稀疏半球陣換能器)被動接收空化信號，然后使用被動波束合成算法進行處理，從而得到空化的二維乃至三維空間分布并彌補了單陣元被動空化檢測技術的不足，可有效地對超聲治療過程進行實時定量監控。自超聲被動空化成像技術誕生以來，針對其在超聲治療中的應用得到了廣泛的研究。當前普遍使用的是一種基于時間曝光聲學算法的被動空化成像方法。研究表明，對于半球陣換能器來說，該算法可以得到很好的圖像質量；但使用線陣換能器作為接收陣列時，該算法會在線陣衍射模式受限的基礎上對圖像產生嚴重的干擾偽影：一方面，當成像換能器長時間使用后，某些陣元的位置和靈敏度可能發生偏差，使得接收信號發生畸變，導致偽影的產生；另一方面，生物組織的非均一性使得超聲波在介質中傳播的速度不一致，在波束合成處理過程中會出現誤差，也會造成一定程度的干擾。此外，空化往往是以小區域內的微泡云的形式出現，這些微泡的不均勻分布及其之間相互作用也會使得圖像干擾偽影增強。事實上，在偽影區域并不存在任何真實的空化源，當偽影的能量較高時會對空化源位置和空化源數目造成誤判，以至于不能對聚焦超聲治療過程中的空化時空演變做出準確監控。由于使用線陣換能器可同時用于病灶觀察和治療監控，在臨床上更有應用前景，因此如何消除線陣被動空化成像的干擾偽影從而提高圖像質量是亟待解決的一個關鍵問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于雙約束魯棒Capon波束合成和多重變跡互相關的被動空化成像方法及系統。

為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種被動空化成像方法，該被動空化成像方法包括以下步驟：

步驟一：利用并行通道數據采集設備對被動接收超聲換能器(例如，超聲線陣換能器)接收的空化信號(由聚焦超聲換能器發射的聚焦超聲波作用于介質后所產生)進行采集，得到原始通道信號；然后設置被動空化成像的成像區域并劃分像素網格；