本发明属于hifu治疗声空化监测技术领域，具体是涉及一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法。
背景技术：
高强度聚焦超声(highintensityfocusedultrasound,hifu)的治疗源为超声波。与太阳灶聚焦阳光在焦点处产生巨大能量原理类似，该技术将体外低能量超声波聚焦于体内靶区，在肿瘤内产生瞬态高温(60℃以上)、空化、机械作用等生物学效应，杀死靶区内的肿瘤细胞。高强度聚焦超声(hifu)可以精确地将声能量集中于病人体内预先确定的治疗区域中，并且不损伤该区域周围的正常组织器官。这些特点使得hifu在治疗肿瘤、止血和基因/药物转染等方面得到广泛应用。在hifu治疗中，当hifu脉冲的负声压相部分穿过液体或组织时，先前存在的蒸汽、气体空隙，抑或溶液中抽出的气体都能导致空化气泡的产生。研究人员指出，空化现象在hifu治疗中可显著提高声能吸收，导致局部组织温度快速升高、血管崩溃、细胞膜瞬间穿孔等生物效应，从而对增强hifu疗效起到重要作用，但在某些情况下，hifu引发的空化现象也可能存在潜在的副作用。例如，不可预知的组织损伤、对正常组织的不良热损伤或不可逆的细胞损伤等。因此，为了保证hifu治疗的安全性、有效性及可重复性，亟需发展实时监控和定量评价超声空化的相关技术。在此基础上，通过调整超声参数来实现对hifu引发的声空化行为的诸多物理特性(如空间分布、产生时间、强度、持续时间等)和空化效应的有效调控。
一维被动空化探测(pcd)技术采用一个单阵元宽带传感器来探测由空化泡剧烈塌缩时产生的宽频噪声信号，但无法提供空化泡群的空间信息；近年来提出的二维被动空化映射技术可用于监测局部声空化活动，然而，由于hifu脉冲和监控设备的非同步性，该技术的纵向分辨率仍然存在一定的局限。
b超成像技术能够极好地提供人体组织内时空变化情况，所以空化气泡通过b超成像后，能够提供空化气泡的时空行为，从而能够监控hifu治疗中高回声区域的时空行为，但hifu脉冲与b超成像系统扫描声波之间的干涉问题会影响b超成像系统监控hifu引发的空化行为的活动，造成b超成像对于声空化产生阈值的灵敏度较低，b超成像的灰度图片不能很好地反映声空化产生阈值；vaezy等通过同步hifu脉冲信号与超声成像扫描声波，建立了关于hifu治疗的实时b超成像系统，信号同步之后，可以产生一个稳定而清晰(无干涉条纹)的b超成像窗口来实现对hifu引发的产生的高回声区域的可视化，然而，该方法具有一定缺陷，必须对临床使用的b超仪器或hifu系统进行改装以添加相应的电子同步单元，增加了整套系统的复杂性且降低了系统之间各设备的兼容性，因而阻碍系统在不同需求的临床治疗中的实际应用不具有可扩展性。
中国专利cn2014102296147，公开了一种基于b超图像实现hifu治疗时声空化的时空量化监控系统及方法，该系统包括信号发生器、功率放大器、聚焦换能器、水槽、b超图像采集系统、阻抗匹配电路、仿体、超声探头和三维运动平台，其中信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路和聚焦换能器依次相连，功率放大器将信号发生器输出的波形信号放大，经阻抗匹配电路后驱动聚焦换能器激发声场，聚焦换能器和仿体位于水槽内部，b超图像采集系统与三维运动平台相连，该b超图像采集系统控制三维运动平台带动超声探头在仿体表面辐射；系统平台搭建以后，该方法实现步骤为：首先采集体外仿体视频图像；然后截取空化泡群所有区域；接着去除b超图像干涉条纹的干扰；获取图像空化泡群区域轮廓，对区域轮廓内像素点计数；最后对每一帧图像做上述步骤，即对每一帧图像空化泡群区域轮廓进行获取，对区域轮廓内像素点计数，以区域轮廓内像素点个数量化空化泡群面积，得到生成空化泡群面积随帧数变化曲线，即得到空化泡群面积随时间的变化规律；该专利通过对b超图像进行灰度处理，去除图像中干涉条纹以及非空化泡群区域的干扰：a、提取经步骤二处理后视频图像中最后三帧连续图像的像素点坐标和灰度值；b、确定最佳灰度阈值，该灰度阈值为所述连续三帧图像中干涉条纹和非空化泡群区域的最高灰度值，且不能高于空化泡群区域的最小亮度值；c、确定最佳灰度阈值后，从所述视频图像的第一帧图像开始，以两帧连续图像为一组，将两帧连续图像中灰度值小于最佳灰度阈值的像素点灰度值设为0，其他像素点灰度值不变，并增强处理后两帧连续图像的图像对比度；d、将经步骤c处理后两帧连续图像对应坐标相同的像素点灰度值开根号后相乘，合成一新图像，该新图像经5x5高斯滤波平滑处理后替换所述两帧连续图像的前一帧图像，后一帧图像保持不变并作为下一组两帧连续图像中的前一帧；e、重复步骤c和d中对所述两帧连续图像的操作过程，对视频图像进行处理，生成滤除干扰后的视频图像，该方法没必要对临床使用的b超仪器或hifu系统进行改装以添加相应的电子同步单元，降低了整套系统的复杂性，但是存在一定缺陷：在滤除干扰时需要人为设定灰度阈值，如此人为设定存在一定主观性，该人为设定可能引入系统误差，降低整套系统的检测效果；另外仅仅通过matlab已有程序来对图像进行处理以及用上下两帧图像的乘积作为新的一帧图像，不能达到精确的处理效果；最后该方法通过对空化泡群面积的精确量化，实现对hifu治疗时声空化的时空监控，实时定量监测空化泡群的生成过程及演变情况，但是仅仅通过面积不能精确表示监测空化泡群的生成过程及演变情况，并不能起到很好的监测作用。
综上所述，现有的对hifu治疗时声空化监控的技术并不能实现精确的声控化监测，不能精确地表示声空化气泡群的生成过程以及演变情况，从而降低了监测效果，不利于实施，并不能保证hifu治疗的安全性、有效性及可重复性。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，不能实现精确的声控化监测，不能精确地表示声空化气泡群的生成过程以及演变情况，从而降低了监测效果，不利于实施，并不能保证hifu治疗的安全性、有效性及可重复性。本发明提供一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，该方法能够实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，监测准确性高，监测效果好，并保证了hifu治疗的安全性、有效性及可重复性。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，包括以下步骤：步骤一、首先对体外仿体进行hifu辐射，并采用b超图像采集器观测并记录仿体中空化气泡群的时空行为；
步骤二、对b超图像采集器采集的关于空化气泡群时空行为的视频图像进行处理；
步骤三、在处理后的每一帧b超图像中选取感兴趣区和参考区；
步骤四、将每一帧b超图像中感兴趣区与参考区进行比较，计算反映每一帧图像声空化强度的相对p值prelative；
步骤五、根据所述步骤四得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative，由此判断空化气泡群的时空行为。该方法能够实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，监测准确性高，监测效果好，并保证了hifu治疗的安全性、有效性及可重复性。
进一步地，所述步骤二中，对每一帧b超图像进行处理，处理过程包括带通滤波处理。以b超采集器的超声扫描频率作为中心频率，使用带通滤波预处理声空化图像，消除冗余信号对测量带来的影响，进一步提高了监测准确性。
进一步地，所述步骤三中，根据hifu治疗方案设定的治疗区域，在处理后的每一帧b超图像中选取包含空化气泡的区域为感兴趣区，在感兴趣区附近选取等面积的矩形区为参考区。相比较已有的公知技术，同时选取感兴趣区和参考区进行对比，更具客观性，降低了现有技术中由于主观性引入的误差。
进一步地，所述步骤四包括以下步骤：
1)计算每一帧b超图像中感兴趣区和参考区中每条扫描线上每n个周期的次谐波信号的均方根值；
2)将感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的均方根值与参考区进行比较，得到每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值；
3)计算感兴趣区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值，计算参考区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值；
4)根据公式(一)计算反映每一帧图像声空化强度的相对p值prelative：
上式中，proi表示感兴趣区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值，prr表示参考区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值。同时选取感兴趣区和参考区进行对比，并且引入一个相对p值作为衡量声空化产生阈值的参量，更具客观性，降低了现有技术中由于主观性引入的误差，进一步提高了监测准确性。
进一步地，所述步骤1)中：
根据公式(二)计算每一帧b超图像中感兴趣区和参考区中每条扫描线上每n个周期的次谐波信号的均方根值，
上式中，n表示感兴趣区或参考区中第n条扫描线，
进一步地，根据shapiro-wilk检验计算得到感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值。通过将感兴趣区和参考区的均方根值数组作为参数输入至shapiro-wilk检验算法中，得到感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值，实施方便，且感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值更加准确，进一步提高了监测准确性。
进一步地，根据设定的统计学显著性水平α以及通过步骤四得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative，当b超图像对应的相对p值prelative小于α时，认为该帧b超图像对应的时间点为发生声空化的时间阈值。通过采用设定的统计学显著性水平α，将b超图像对应的相对p值prelative与α进行比较，确定发生声空化的时间阈值，该时间点后声空化效应将逐步累积，声空化强度越高，进一步提高了监测准确性。
进一步地，通滤波处理中滤波带宽设定为b超图像采集器中心工作频率的50％-80％。
进一步地，该方法提供实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统，该系统包括任意波形发生器、与任意波形发生器连接的功率放大器、与功率放大器连接的阻抗匹配电路、与阻抗匹配电路连接的强聚焦换能器、仿体、超声探头、与超声探头连接的三维计算机控制运动系统以及与三维计算机控制运动系统连接的b超图像采集器，其中强聚焦换能器和仿体均置于水槽中，强聚焦换能器置于仿体一侧，该水槽注满除气水，用于将仿体浸没在其中；所述功率放大器将任意波形发生器输出的波形信号放大，经阻抗匹配电路后驱动强聚焦换能器激发声场，所述b超图像采集器控制三维计算机控制运动系统带动超声探头对仿体辐射，利用b超图像采集器观测并记录空化气泡群的时空行为，从而对空化气泡群的时空行为进行观测，实现对hifu治疗声空化进行监测。
有益效果：
本发明与现有技术比较，具有的优点是：
1、本发明方法方法能够实现对声空化的生成过程以及演变情况的精确监测，监测准确性高，监测效果好，并保证了hifu治疗的安全性、有效性及可重复性；
2、本发明方法无需提升系统的复杂性也无需牺牲系统兼容性，在临床治疗中的实际应用实现更为方便简易，适用性强；
3、本发明对每一帧b超图像进行处理，处理过程包括带通滤波处理。以b超采集器的超声扫描频率作为中心频率，使用带通滤波预处理声空化图像，消除冗余信号对测量带来的影响，进一步提高了监测准确性；
4、本发明相比较已有的公知技术，同时选取感兴趣区和参考区进行对比，并且引入一个相对p值作为衡量声空化产生阈值的参量，更具客观性，降低了现有技术中由于主观性引入的误差；
5、本发明根据实际情况对常用的均方根值计算方法进行了改进，得到的感兴趣区和参考区中每条扫描线上每n个周期的次谐波信号的均方根值更加准确，进一步提高了监测准确性；
6、本发明通过将感兴趣区和参考区的均方根值数组作为参数输入至shapiro-wilk检验算法中，得到感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值，实施方便，且感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值更加准确，进一步提高了监测准确性；
7、本发明通过采用设定的统计学显著性水平α，将b超图像对应的相对p值prelative与α进行比较，确定发生声空化的时间阈值，该时间点后声空化效应将逐步累积，声空化强度越高，进一步提高了监测准确性；
8、本发明方法提供实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统，利用b超图像采集器观测并记录空化气泡群的时空行为，从而对空化气泡群的时空行为进行观测，实现对hifu治疗声空化进行监测，进一步提高了监测的准确性。
附图说明
图1是本发明方法步骤流程图。
图2是本发明实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统的结构示意图。
图3是本发明系统获取的同一帧图像中截取感兴趣区域和参考区域的示意图。
附图标号说明：
1、任意波形发生器；2、功率放大器；3、阻抗匹配电路；4、强聚焦换能器；5、仿体；6、水槽；7、超声探头；8、三维计算机控制运动系统；9、b超图像采集器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例一：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，对hifu治疗方案中设定的治疗区域进行hifu治疗，hifu治疗后在该区域中产生空化现象，产生空化气泡群，空化气泡群随时间变化而变化，由b超图像采集器对空化气泡群的时空行为进行观测，实时采集该空化气泡群的图像，并记录空化气泡群的时空行为的视频资料；参照图1，包括以下步骤，首先对体外仿体进行hifu辐射，并采用b超图像采集器观测并记录仿体中空化气泡群的时空行为；然后对b超图像采集器采集的关于空化气泡群时空行为的视频图像进行处理，对每一帧b超图像进行处理，处理过程包括带通滤波处理；在处理后的每一帧b超图像中选取感兴趣区和参考区；将感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的均方根值与参考区进行比较，得到每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值；将每一帧b超图像中感兴趣区与参考区进行比较，计算反映每一帧图像声空化强度的相对p值prelative；最后根据得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative，由此判断空化气泡群的时空行为；根据得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative得到相对p值prelative随时间的变化曲线，在该相对p值prelative随时间的变化曲线中，可以得到相对p值prelative的变化全过程，对应声空化现象全过程，可以得到发生声空化对应的时间点。
实施例二：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例一，将b超图像采集器采集的空化气泡群的时空行为的视频资料存入电脑，以备对存入电脑的空化气泡群的时空行为的视频图像进行后续离线图像处理；对b超图像采集器采集的体外仿体的视频图像中每一帧图像进行处理，处理过程包括带通滤波处理，采用fir带通滤波器处理每一帧b超图像并提取其次谐波信号，该次谐波信号频率定义为b超探头的中心工作频率的1/2，fir带通滤波器的滤波带宽设定为b超探头的中心工作频率的50％-80％。
实施例三：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例一，对hifu治疗方案中设定的治疗区域进行hifu治疗，hifu治疗后在该区域中产生声空化现象，产生空化气泡群，根据hifu治疗方案设定的治疗区域，在处理后的每一帧b超图像中选取包含空化气泡的区域为感兴趣区，在感兴趣区附近选取等面积的矩形区为参考区，参照图3，位于中间的深色框是感兴趣区，右边的浅色框是参考区，感兴趣区和参考区的面积相等。
实施例四：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例三，将每一帧b超图像中感兴趣区与参考区进行比较，计算反映每一帧图像声空化强度的相对p值prelative，具体包括以下步骤：
1)计算每一帧b超图像中感兴趣区和参考区中每条扫描线上每n个周期的次谐波信号的均方根值，n取值为自然数；
2)将感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的均方根值与参考区进行比较，得到每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值；
3)计算感兴趣区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值，计算参考区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值；
4)根据公式(一)计算反映每一帧图像声空化强度的相对p值prelative：
上式中，proi表示感兴趣区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值，prr表示参考区中扫描线上次谐波信号的分布差异度值的算术平均值。根据得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative得到相对p值prelative随时间的变化曲线，在该相对p值prelative随时间的变化曲线中，可以得到相对p值prelative的变化全过程，对应声空化现象全过程，可以得到发生声空化对应的时间点。
实施例五：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例四，根据公式(二)计算每一帧b超图像中感兴趣区和参考区中每条扫描线上每n个周期的次谐波信号的均方根值，
上式中，n表示感兴趣区或参考区中第n条扫描线，
实施例六：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例五，根据shapiro-wilk检验计算得到感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值，shapiro-wilk检验工作原理是将某帧图像中感兴趣区中扫描线上的均方根值与参考区的扫描线上的均方根值进行比较，将某帧图像中参考区的扫描线上的均方根值数与该参考区中其它扫描线上的均方根值数进行比较，得到反映该帧b超图像中感兴趣区域与参考区域的扫描线上次谐波信号的分布差异度值，具体操作是将某帧图像中感兴趣区中各扫描线上的均方根值数组与参考区的扫描线上的均方根值数组作为参数输入至shapiro-wilk检验程序中，输出结果为感兴趣区和参考区中每条扫描线上次谐波信号的分布差异度值，在本实施例中，通过matlab软件shapiro-wilk检验程序计算得到。
实施例七：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例六，根据设定的统计学显著性水平α以及通过步骤四得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative，根据得到的各帧b超图像对应的相对p值prelative得到相对p值prelative随时间的变化曲线，在该相对p值prelative随时间的变化曲线中，可以得到相对p值prelative的变化全过程，当某帧b超图像对应的相对p值prelative小于α时，认为该帧b超图像对应的时间点为发生声空化的时间阈值，即可认为该处发生了稳定的声空化现象，prelative越大则对应的空化强度越高，对于多帧b超图像，第一次出现prelative>α的时间点即可被判定为声空化产生的时间阈值，该时间点后声空化效应将逐步累积。
实施例八：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，首先对体外仿体进行hifu辐射治疗，采用实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统对体外仿体进行hifu辐射治疗，实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统，参照图2，该系统包括任意波形发生器1、与任意波形发生器1连接的功率放大器2、与功率放大器2连接的阻抗匹配电路3、与阻抗匹配电路3连接的强聚焦换能器4、仿体5、超声探头7、与超声探头7连接的三维计算机控制运动系统8以及与三维计算机控制运动系统8连接的b超图像采集器9，其中强聚焦换能器4和仿体5均置于水槽6中，强聚焦换能器4置于仿体5一侧，该水槽6注满除气水，用于将仿体5浸没在其中；任意波形发生器1作为超声信号源用于超声信号的发射，功率放大器2将任意波形发生器1的输出的超声信号放大，该输出信号经过阻抗匹配电路3后驱动强聚焦换能器4，强聚焦换能器4激发声场，实现对hifu治疗方案中设定的治疗区域进行hifu治疗，在设定的治疗区域中产生声空化现象，b超图像采集器9控制三维计算机控制运动系统8带动超声探头7对仿体5辐射，对声空化气泡群进行监测，利用b超图像采集器9观测并记录空化气泡群的时空行为，b超图像采集器9实时采集该空化气泡群的运动图像，形成空化气泡群的视频资料，该视频资料记载了空化气泡群的时空行为，基于实施例七，b超图像采集器9从而对空化气泡群的时空行为进行观测，实现对hifu治疗声空化进行监测。
实施例九：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例八，实时监测高强聚焦超声治疗声空化的系统，该系统中任意波形发生器1采用美国agilent33250a，与任意波形发生器1连接的功率放大器采用美国enia1502，与阻抗匹配电路3连接的强聚焦换能器4采用直径为10.0cm，几何焦距为10.0cm的强聚焦换能器，便携式医用b超探头7采用美国terasont3000，与超声探头7连接的三维计算机控制运动系统采用美国velmex-unislide8；任意波形发生器1作为超声信号源用于超声信号的发射，功率放大器2将任意波形发生器1的输出信号放大，该输出信号经过阻抗匹配电路3后驱动强聚焦换能器4，强聚焦换能器4激发声场，b超图像采集器9控制三维计算机控制运动系统8带动超声探头7对仿体5辐射，实现对hifu治疗方案中设定的治疗区域进行hifu治疗，在辐照过程中，通过便携式b超自带的控制程序实时采集超声图像，记录频率为14帧/秒，主控计算机通过软件控制三维机械运动平台的移动，hifu治疗后在该区域中产生空化现象，产生空化气泡群，同时利用b超图像采集器9观测并记录空化气泡群的时空行为，b超图像采集器9实时采集该空化气泡群的图像，形成空化气泡群视频资料，从而对空化气泡群的时空行为进行观测，实现对hifu治疗声空化进行监测。在本实施例中，控制强聚焦换能器4的工作频率和脉冲重复频率分布固定在1.12mhz和100hz，通过调节驱动声压(如p-＝7.50)或脉冲宽度(如脉冲宽度为3000cycles)来改变辐照声能量，在不同声能量辐照下，对仿体中由超声空化产生的高亮区域的产生时间和强度进行了研究。
实施例十：
本实施例的一种实时监测高强聚焦超声治疗声空化的方法，基于实施例九，本实施例中，控制强聚焦换能器4的工作频率和脉冲重复频率分布固定在1.12mhz和100hz，驱动声压p-＝7.50，脉冲宽度为3000cycles，美国terasonb超探头5c2a中心工作频率为2.5mhz，b超帧率为14帧/秒，当取n＝10时，计算所得的相对p值为0.1523，对于设定显著性水平α＝0.5，计算所得的相对p值小于0.5，因此图像上出现了显著差异，可以认为开始出现了明显的声空化现象，而此时间点即可被定义为声空化产生阈值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。