[发明专利]微秒分辨空化时空分布的三维空化定量成像方法

说明书

技术领域

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

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，为更好地研究不同媒介空化的产生机制以便更好地控制和利用空化，需要研究有效的空化检测与成像方法。

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究，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(Passive Cavitation Detection,PCD)和主动空化检测(Active Cavitation Detection,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。

在PCD和ACD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(Passive Cavitation Imaging,PCI)和主动空化成像(Active Cavitation 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，无法满足研究空化瞬态分布的要求。

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究，无法提供空间信息。

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究相对较少，而人体的血流是一种脉动流，因此有必要研究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

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。

为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：