微秒分辨空化时空分布的三维空化定量成像方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及空化物理与应用及超声成像技术领域，该方法结合阵列Plane-by-plane宽波束空化检测，宽波束最小方差自适应波束合成以及Nakagami参量成 像算法，实现稳态自由场和脉动流条件下微秒分辨空化三维时空分布成像和空化微泡密度 的定量成像。
【背景技术】
[0002] 空化是指液体中的空化核在外加能量（热/力）的作用下被激活，出现微小泡核 的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程，是生物医学领域中药物释放、基因转染、 体外碎石、溶栓、止血、热疗以及肿瘤热消融等方面的主要机制。空化的过程包括以下几个 阶段：空化成核、空化泡线性和非线性振动，空化泡生长、空化急速收缩至坍塌破裂以及空 化泡消散，可分为以非惯性空化为特点的稳态空化和惯性空化为特点的瞬态空化。在液体 介质中，产生空化的最小能量值称为空化起始阈值，其大小取决于媒介液体静态压、初始温 度、液体本身的结构状态以及液体中外加的多样性空化核，因此液体媒介中空化的产生具 有一定的随机性，但相同环境以及空化能量作用时，其空化泡群形状及分布具有可重复性。 目前，为更好地研宄不同媒介空化的产生机制以便更好地控制和利用空化，需要研宄有效 的空化检测与成像方法。
[0003] 现有的空化检测与成像主要有光学和声学方法。光学检测成像主要包括通过高 速/超高速摄影、声致发光以及声致化学发光等，可拍摄观察空化泡的行为以及时空动态 特性，具有直观、同步性好、时间分辨率高的优点，缺点是一方面对媒介透光性要求很高且 不适用于原位研宄，另一方面所得图像是沿光穿透方向信息的重叠。声学检测方法是基于 空化过程中或空化微泡产生的声信息，包括谐波、次谐波、超谐波和宽带噪声等，其中得到 最广泛应用的就是被动空化检测（PassiveCavitationDetection，PO))和主动空化检测 (ActiveCavitationDetection,ACD)。PCD利用换能器被动接收由空化微泡所产生的声散 射信号，而ACD采用低压脉冲回波探测可能发生空化的区域，但PCD和ACD由于一般采用单 阵元换能器，受限于有限的空间检测区域，无法提供空化微泡的空间分布。
[0004] 在P⑶和A⑶基础上，使用二维阵列换能器作为空化检测换能器，发展出被动 空化成像（PassiveCavitationImaging,PCI)和主动空化成像（ActiveCavitation Imaging，ACI)。由于超声空化具有瞬态特性，空化微泡的振动、坍塌破裂以及消散的时间 都是微秒级，因此空化成像方法的时间分辨率需要达到微秒。同时，针对空化的瞬态特性， 有必要得到空化微泡的时空分布，包括不同空化能量源作用时间和空化消散随时间的序列 时空空化分布。PCI通过阵列换能器被动接收和通道信号源重建得到空化泡的二维空间分 布，重建算法复杂且空间分辨率不高。ACI包括常规的B超成像和超快速主动空化成像方 法。由于B超图像是通过逐线扫描得到的，同一帧图像不同扫描线之间存在时间差，且时间 分辨率无法达到微秒级。而超快速主动空化成像由于发射的是平面波，其灵敏度以及横向 分辨率有待改进，且其时间分辨率为几百个微秒，无法满足研宄空化瞬态分布的要求。
[0005] 在空化成像的基础上需要对空化泡进行定征，包括空化量化、空化尺寸及密度分 布等。当前的空化量化方法主要有惯性空化剂量和非惯性空化剂量，是通过计算特定频段 内宽带噪声或次谐波幅度的均方根值作为空化强度的一种相对度量，可分别衡量瞬态空化 和稳态空化的相对大小，但一般针对PCD所采集到的一维射频数据，这种量化方法无法反 应空化强度分布。现有的空化密度检测方法有激光相位多普勒法，该方法主要针对空化泡 在不同尺寸上的分布，而关于空化泡在不同空间位置的密度分布还没有研宄，无法提供空 间f目息。
[0006] 目前已有的空化检测与成像方法局限于一维和二维，实际中空化泡的分布区域遍 布整个焦域甚至更大，而且在临床应用中如聚焦超声治疗时，其声波传播路径上可能存在 其他组织介质，使得声场分布发生变化而出现不对称性，因此有必要发展一种微秒分辨空 化三维时空分布成像和空化微泡密度的定量成像方法。此外，对于流动条件尤其是脉动流 条件下的空化研宄相对较少，而人体的血流是一种脉动流，因此有必要研宄其条件下的三 维时空空化分布尤其是脉动流周期内不同时间点的三维空化分布。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术的缺陷以及微秒分辨空化时空分布的三维定量成像的必要性， 本发明的目的在于提供一种稳态自由场和脉动流条件下具有微秒分辨空化时空分布的三 维空化定量成像方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
[0009] -种稳态自由场下微秒分辨空化时空分布的三维空化成像和空化密度定量成像 方法，其原理是：
[0010] 在稳态自由场条件下，采用Plane-by-plane宽波束检测空化，克服同帧空化 图像空间不同步的缺点，每次宽波束检测空化后，阵列换能器移动一个单元位置，并 等待足够长的时间使得介质空化核分布恢复到空化能量源作用之前的初始状态，再 在同样的空化能量激励下，再次宽波束检测空化，以此逐步得到不同单元位置的系列 二维空化原始射频数据，再结合宽波束最小方差自适应波束合成（Synnevag，J.F.，A. Austeng,etal. (2007) ?"Adaptivebeamformingappliedtomedicalultrasound imaging.〃IeeeTransactionsonUltrasonicsFerroelectricsandFrequencyControl 54 (8) : 1606-1613)、Nakagami参量成像和三维重建算法，得到稳态自由场下微秒分辨空化 时空分布的三维空化图像和和空化微泡密度的定量图像。
[0011] 步骤一、采用阵列Plane-by-plane宽波束检测空化，在源能量温度或压力连续可 调的情况下激励空化的产生，采集空化信号：空化的产生装置包括产生能量场的能量源装 置和控制时序的同步信号发生器；空化信号的检测装置包括可编程发射宽波束的阵列换能 器和并行通道数据采集及存储单元；同步信号发生器产生同步信号分别控制能量源装置 和阵列换能器，能量源装置产生连续可变能量激励空化的产生，阵列换能器发射宽波束对 空化进行检测，得到的空化回波信号由并行通道数据采集及存储单元采集存储；等待一个 足够长的时间使得媒介空化核分布恢复到初始状态，通过三维机械扫描装置控制阵列换能 器沿垂直于阵列放置方向移动一个单元位置，相同参数的空化能量源再次激励产生空化， 同步阵列换能器发射宽波束采集空化射频数据；重复以上过程，可得到相同参数的空化能 量源条件下，沿垂直于阵列放置方向不同单元位置的一系列二维空化分布图像原始射频数 据。
[0012] 步骤二、采用宽波束最小方差自适应波束合成对采集到的二维空化分布图像原始 射频数据进行处理，得到沿垂直于阵列放置方向不同单元位置的一系列二维空化分布图 像：首先选定某一单元位置二维空化成像区域中的某个目标点，根据目标点的位置计算有 效孔径及延时得到对目标点进行接收聚焦后的通道信号；然后对通道信号进行最小方差