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CN112023284A - 一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法 - Google Patents

一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法 Download PDF

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CN112023284A CN202010905133.9A CN202010905133A CN112023284A CN 112023284 A CN112023284 A CN 112023284A CN 202010905133 A CN202010905133 A CN 202010905133A CN 112023284 A CN112023284 A CN 112023284A
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杨军
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Abstract

本发明属于生物医学和声学交叉领域,具体涉及该方法在聚焦声动力治疗过程中,先对治疗的目标区域进行普通模式成像,启动聚焦声动力治疗的超声发射,对治疗的目标区域进行处理,目标区域组织受到超声辐射力的作用产生垂直于声束方向传播的剪切波;再发射成像脉冲对治疗的目标区域进行剪切波成像,融合后既得到组织内声场强度分布图,即可判断聚焦的焦点位置,完成实时监测。本发明的有益效果是:本发明可直接从组织B模式图像上确定聚焦声动力治疗时的焦点位置;对焦点位置进行实时监测,从而提高声动力治疗的准确性。

Description

一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法
技术领域
本发明涉及声动力治疗领域,具体涉及一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法。
技术背景
目前,声动力技术(Sonodynamic Therapy,SDT)是指通过超声激活声敏剂、利用组织氧产生活性氧进而发挥生物学作用的技术。SDT利用超声的强穿透力特性,可实现深部组织的无创治疗,在抑制肿瘤生长、调控动脉粥样硬化演变方面有着广阔的应用前景。其中,在进行声动力治疗时,采用聚焦方式可提高声能量输入效率,然而要提高治疗的准确性,则需要对焦点位置进行实时监测。
现有的声场焦点位置监测方法有水听器法、光学法、超声测温法、被动空化成像法。其中水听器法和光学法可得到声场强度分布,但目前仅能在体外进行,因而不适于组织内焦点位置的监测。超声测温法和被动空化法常用于高强度聚焦超声(几百到几千W/cm2)治疗时焦点位置监测,声动力治疗时发射声场强度一般在2W/cm2,其在组织内产生的温度变化较小,空化效应也较弱,因此难以用超声测温法和被动空化法进行监测。相比之下,聚焦声动力治疗时可在焦点处产生较强的声辐射力,从而激发较大幅度的剪切波,因此对治疗的目标区域(治疗区域)组织进行剪切波成像即可对焦点位置进行监测。
发明内容
本发明公开了一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法,以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法,该方法利用从治疗目标区域的组织内声场强度分布图像确定聚焦声动力治疗时的焦点位置,实现对焦点位置进行实时监测,从而提高声动力治疗的准确性。
进一步,所述普通模式成像为B模式成像。
进一步,所述方法的具体步骤为:
S1)利用相控阵探头发射成像脉冲对治疗的目标区域进行普通B模式成像,得到B模式成像结果;
S2)启动聚焦声动力治疗的超声发射,对治疗的目标区域进行处理,目标区域组织受到超声辐射力的作用产生垂直于声束方向传播的剪切波;
S3)当治疗脉冲停止发射后,采用相控阵探头发射成像脉冲,对治疗的目标区域进行剪切波成像,得到剪切波成像结果;
S4)将S3)得到的剪切波成像结果与S1)得到B模式成像结果进行融合后,即得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,每个脉冲重复周期内重复以上操作,即可对声动力治疗焦点位置进行实时监测。
进一步,所述S2)中所述聚焦声动力治疗超声是在组织内形成聚焦声场,其产生方式为几何聚焦,即采用声透镜,或电子聚焦,即采用相控阵方式实现。
进一步,所述S3)中,所述剪切波成像脉冲与治疗脉冲间隔是小于100μs发射,剪切波向两侧扩散距离在1mm量级。
进一步,所述剪切波成像中的数据相关处理过程如下:
首先,将采集到的超声RF信号经解调之后可获得其同向分量I与正交分量Q;
其次,将得到的同向分量I与正交分量Q代入下式计算成像区域内剪切波幅度u(n),公式如下:
Figure BDA0002661147350000031
式中:fc为中心频率,c为声速,M为窗长,共有M帧数据参与相关计算,n和n+l代表采集到的数据帧序号。
所述组织包括:皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分。
一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测系统,所述系统包括:上位机、普通B模式成像装置和超声装置,
所述普通B模式成像装置,用于对治疗的目标区域进行普通B模式成像,并得到B模式成像结果发送给上位机;
所述超声装置,用于对治疗的目标区域发射超声脉冲,
上位机,用于处理将接收到B模式成像结果和剪切波成像结果进行融合处理,得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,完成实时监测。
一种计算机可读存储介质,包括指令,当其在计算机上运行时,使得计算机执行上述的用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法。
本发明的有意效果是:由于采用上述技术方案,本发明可直接从组织B模式图像上确定聚焦声动力治疗时的焦点位置;(2)对焦点位置进行实时监测,从而提高声动力治疗的准确性。
附图说明
图1为本发明的一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法流程框图。
图2为剪切波成像法对焦点位置进行监测实验示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法,该方法在聚焦声动力治疗过程中,先对治疗的目标区域进行普通模式成像,再进行聚焦治疗超声发射,治疗的目标区域组织受到超声辐射力的作用,产生垂直于声束方向传播的剪切波,再发射成像脉冲对治疗的目标区域进行剪切波成像,融合后既得到组织内声场强度分布图,即可判断聚焦的焦点位置,完成实时监测。
所述普通模式成像为B模式成像。
如图1所示,所述方法的具体步骤为:
S1)利用相控阵探头发射成像脉冲对治疗区域进行普通B模式成像,得到B模式成像结果;
S2)启动聚焦声动力治疗的超声发射,对治疗的目标区域进行处理,目标区域组织受到超声辐射力的作用产生垂直于声束方向传播的剪切波;
S3)当治疗脉冲停止发射后,采用相控阵探头发射成像脉冲,对治疗区域进行剪切波成像,得到剪切波成像结果;
S4)将S3)得到的剪切波成像结果与S1)得到B模式成像结果进行融合后,即得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,每个脉冲重复周期内重复以上操作,即可对声动力治疗焦点位置进行实时监测。
所述S2)中所述声动力治疗超声是在组织内形成聚焦声场,其产生方式为几何聚焦,即采用声透镜,或电子聚焦,即采用相控阵方式实现。
所述S3)中,所述剪切波成像脉冲与治疗脉冲间隔是小于100μs发射,剪切波向两侧扩散距离在1mm量级。
所述剪切波成像中的数据相关处理过程如下:
首先,将采集到的超声RF信号经解调之后可获得其同向分量I与正交分量Q;
其次,将得到的同向分量I与正交分量Q代入下式计算成像区域内剪切波幅度u(n),公式如下:
Figure BDA0002661147350000061
式中:fc为中心频率,c为声速,M为窗长,共有M帧数据参与相关计算,n和n+l代表采集到的数据帧序号。
所述组织包括:皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分。
一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测系统,所述系统包括:上位机、普通B模式成像装置和超声装置,
所述普通B模式成像装置,用于对治疗的目标区域进行普通B模式成像,并得到B模式成像结果发送给上位机;
所述超声装置,用于对治疗的目标区域发射超声脉冲,
上位机,用于处理将接收到B模式成像结果和剪切波成像结果进行融合处理,得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,完成实时监测。
一种计算机可读存储介质,包括指令,当其在计算机上运行时,使得计算机执行上述的用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法。
由于剪切波产生后迅速向两侧传播,其速度约在m/s量级。本方案中,为尽量保证监测效果,仅采用剪切波成像结果的前三帧显示焦点位置,在此时间内,剪切波向两侧扩散距离在1mm量级,可满足监测需求。
常规剪切成像一般希望得到组织力学属性分布等信息,因此需要获取剪切波在组织不同区域的传播速度信息。与常规剪切成像不同的是,本技术中关注的是聚焦治疗超声在组织中的焦点位置。组织受到超声脉冲作用之后,即会产生横向振动(剪切波),并沿与激励超声垂直的方向传播。超声声场强度越大,则组织受到的作用力越大,产生的剪切波幅度越高,因此焦点处产生的剪切波幅度最大。但是,剪切波一旦产生,随即向两侧传播,且幅度迅速衰减,若成像时间过长,则只能得到剪切波远离其产生区域的分布,且因组织衰减,其幅度不能表征激励超声在组织内的强度,从而难以得到其焦点位置。另外,若激励超声停止后立即开始发射成像脉冲并采集成像数据,由于激励超声幅度大,衰减时间长,其反射回波极有可能对成像造成干扰,甚至使成像失败,同样无法得到焦点位置。因此,需要在超声激励停止后间隔一段时间t,然后开始发射成像脉冲,取初始的n帧的数据进行剪切波成像,即可得到组织内声场强度分布,从而判断焦点位置。此时焦点位置监测精度为v(t+nf),其中v为剪切波波速,f为剪切波成像帧率。
根据实测经验,聚焦深度约30mm时,间隔时间t一般取100~150μs即可消除激励超声强回波的干扰。由于剪切波传播速度一般在m/s量级,成像帧数为1万帧每秒时,若取前4帧进行处理,则焦点位置监测精度约为1mm。
实施例:
实验采用Verasonics Vantage256通道超声系统,在弹性模量12.5kPa的仿体上进行,换能器为嘉瑞L9-4线型阵列128阵元医用探头,其中中间的32阵元用于激励聚焦声波以产生声辐射力,聚焦深度约15mm,激励电压20V。聚焦声波发射完毕立即采用平面波超快成像观测剪切波产生位置,设定帧率为10000帧/s。
图2中左侧为B模式图像,其顶部区域1表示用于激发声辐射力的32阵元位置,白色方框2为拟采用超快成像对剪切波进行监测的区域,空白方框3标记为预定聚焦位置。右侧为监测结果,蓝色区域4为剪切波成像图,与左图中白色方框2对应;其中部黄色区域5表示此处剪切波强度较高,即聚焦焦点区域,可发现其位置与左图中3的位置基本重合,即采用本方法可对焦点位置进行监测。
在声动力治疗过程中,组织受到超声辐射力的作用产生垂直于声束方向传播的剪切波,对于聚焦超声,焦点处声场最强,声辐射力最大,因而对应的剪切波幅度最高。因此对治疗的目标区域进行剪切波成像,即可从图像中获取焦点所在位置。由此可对声动力治疗时组织中的焦点位置进行实时监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法,其特征在于,该方法利用对治疗目标区域的组织进行普通成像和剪切波成像,融合后得到治疗目标区域的组织内声场强度分布图像,分析确定聚焦声动力治疗时的焦点位置,实现对焦点位置进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述普通模式成像为B模式成像。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述方法的具体步骤为:
S1)利用相控阵探头发射成像脉冲对治疗的目标区域进行普通B模式成像,得到B模式成像结果;
S2)启动聚焦声动力治疗的超声发射,对治疗的目标区域进行处理,目标区域组织受到超声辐射力的作用产生垂直于声束方向传播的剪切波;
S3)当治疗脉冲停止发射后,间隔设定时间,采用相控阵探头发射成像脉冲,对治疗的目标区域进行剪切波成像,得到剪切波成像结果;
S4)将S3)得到的剪切波成像结果与S1)得到B模式成像结果进行融合后,即得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,每个脉冲重复周期内重复以上操作,即可对声动力治疗焦点位置进行实时监测。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述S2)中所述聚焦声动力治疗超声是在组织内形成聚焦声场,其产生方式为几何聚焦,即采用声透镜,或电子聚焦,即采用相控阵方式实现。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述S3)中,所述剪切波成像脉冲与治疗脉冲间隔是小于100μs发射,剪切波向两侧扩散距离在1mm量级。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述剪切波成像中的图像处理的具体步骤为:
首先,将采集到的超声RF信号经解调之后可获得其同向分量I与正交分量Q;
然后,将得到的同向分量I与正交分量Q代入下式计算成像区域内剪切波幅度u(n),公式如下:
Figure FDA0002661147340000021
式中:fc为中心频率,c为声速,M为窗长,共有m帧数据参与相关计算,n和n+l代表采集到的数据帧序号。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述组织包括:皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分。
8.一种用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测系统,其特征在于,所述系统包括:上位机、普通B模式成像装置和超声装置,
所述普通B模式成像装置,用于对治疗的目标区域进行普通B模式成像,并得到B模式成像结果发送给上位机;
所述超声装置,用于对治疗的目标区域发射超声脉冲,
上位机,用于处理将接收到B模式成像结果和剪切波成像结果进行融合处理,得到组织内声场强度分布图像,根据图像即可得到焦点在组织内的位置,完成实时监测。
9.一种计算机可读存储介质,包括指令,当其在计算机上运行时,使得计算机执行如权利要求1-7任意一项所述的用于聚焦声动力疗法的焦点位置实时监测方法。
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