[发明专利]一种基于半球阵的高分辨三维被动空化成像方法

说明书

本发明提供了一种基于半球阵的高分辨三维被动空化成像方法：对超声半球阵换能器被动接收到的空化信号进行延时，构造协方差矩阵并对其进行对角加载处理，根据对角加载后的协方差矩阵计算最优加权向量，利用最优加权向量对延时信号进行加权，对所得的延时加权信号进行组合、叠加，得到孔径自相关输出信号，然后从中提取二次谐波分量，计算得到三维成像区域内成像位置的空化强度，进行线性插值和对数压缩，从而得到高分辨率的三维被动空化图像。本发明能够有效降低主瓣宽度和旁瓣水平，克服了现有半球阵被动空化成像方法在空间分辨性能方面的不足。

技术领域

本发明属于超声检测与超声成像技术领域，具体涉及一种基于半球阵的高分辨三维被动空化成像方法。

背景技术

空化检测与成像技术一直是生物医学超声领域研究的热点，按照超声换能器工作模式可分为主动和被动两种，其中主动的空化检测与成像主要依靠单阵元超声换能器和诊断超声换能器发射聚焦波脉冲或平面波脉冲同时接收空化信号来实现。在空化的被动检测与成像中，超声换能器的发射被关闭，只是被动地接收空化信号，这样做避免了产生空化的聚焦超声信号对发射脉冲的影响，因此能够实现聚焦超声辐照过程中空化的实时检测与成像。

空化的被动检测与成像中，一维时间检测主要是利用单阵元超声换能器被动接收空化信号，来研究空化活动随时间的变化规律，并根据傅里叶变换分析空化的频率特征，进一步利用频谱来计算空化剂量，从而实现空化的定量分析。然而，空化本身是一种随机的瞬态物理过程，一维时间检测无法得到空化在空间中的位置和分布，难以对聚焦超声治疗过程中产生的空化进行有效定征。因此，近年来发展了空化的二维平面成像技术，其是在一维时间检测的基础上发展而来的，主要通过关闭线阵换能器或相控阵换能器的发射，使所有阵元同时接收空化信号，再根据被动波束合成算法进行图像重建，即可对聚焦超声治疗中产生的空化进行实时监控与反馈，例如，当图像中空化较强时则考虑降低声能量，空化较弱时则考虑提高声能量，当空化在非治疗区域产生时则通过图像引导将聚焦超声治疗的焦点移动到治疗区域等等。

二维被动空化成像技术仅能看到一个平面，不能实现空化在三维空间中的全方位监控，不适用于一些需要精细治疗的部位，例如颅脑。在经颅超声治疗，例如血脑屏障开放中，有学者采用超声半球阵换能器来实现经颅超声治疗过程中空化活动的实时监控，其中超声半球阵换能器比人类颅骨尺寸稍大，其几何焦距即为半球的圆心。超声半球阵换能器表面分布着若干个阵元，这些阵元将会采集经颅超声治疗过程中产生的空化信号，并采用波束合成算法进行重建，则可得到颅脑内空化在三维空间中的分布。而由于半球阵本身的孔径相比线阵换能器或相控阵换能器要大得多，因此其成像分辨性能相比一维阵列较好。然而现有半球阵被动空化成像方法采用的是最传统的延时、叠加和积分方法，该方法是一种盲波束合成方法，会产生较大的主瓣宽度和较高的旁瓣水平，降低了空化源定位的空间精确程度，从而不利于经颅聚焦超声治疗中空化的检测与成像。

鉴于以上内容，很有必要提出一种基于半球阵的高分辨三维被动空化成像方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于半球阵的高分辨三维被动空化成像方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

步骤一：计算感兴趣的三维成像区域内任意成像位置和超声半球阵换能器每个阵元位置之间的距离；采集超声半球阵换能器各阵元被动接收的空化信号并存储；

步骤二：根据感兴趣的三维成像区域内某个成像位置和超声半球阵换能器每个阵元位置之间的距离，对步骤一所得的空化信号进行延时处理，得延时信号，利用延时信号构造协方差矩阵，对该协方差矩阵进行对角加载以提高其鲁棒性，根据对角加载后的协方差矩阵和导向向量计算最优加权向量；