Page 56 - 《应用声学》2020年第6期

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留平面波高帧频低能量的同时，提高空化噪声比
0 引言
(Cavitation-to-noise ratio, CNR)。Liu 等 [14] 利用
聚 焦 超 声 治 疗 [1−3] (Focused ultrasound RPNNP 模型构造母小波，并且用波束合成后的信
号进行小波变换得到空化图像。Bai 等 [15] 基于特
surgery, FUS) 是利用超声束良好的方向性、可
征空间的脉冲反转次谐波和超快速超声空化成像
穿透性和可汇聚性，将体外超声聚焦到体内靶病变
相结合，保证了波束合成图像的质量，提高了图像
区域，通过热效应、空化效应和机械效应等达到治
的分辨率。黄玉蓉等 [16] 在超声诊断的造影成像中
疗效果。其中空化效应是肿瘤热消融、体外碎石.、
利用 Doinikov 模式构建造影微泡母小波，先进行连
超声溶栓以及超声药物控制释放等超声治疗的关
续小波变换，再由小波系数代替原始回波信号，最
键机制。为了控制和利用空化效应以实现FUS的高
后对其进行后续波束合成得到造影图像。本文提出
效精准治疗，必须对 FUS过程中的声空化进行监控
一种结合 CBWT、波束合成和平方差值求和减影
成像。
(Sum-of-squared differences, SSD)的超快速主动空
目前，现有的声空化检测和成像的方法主要
化成像方法，以获得高质量的空化图像。首先，采用
是光学法和声学法。光学法主要是通过高速/超高
基于平面波的超快速超声空化主动成像方法，获取
速摄影 [4−5] (High-speed photography, HSP)、声致
空化微泡原始回波信号；其次，基于RPNNP模型构
发光 [6−7] (Sonoluminescence, SL)以及声致化学发
建空化微泡母小波，并对空化微泡原始回波信号进
光 [8] (Sonochemiluminescence, SCL) 和光衰减法
行连续小波变换；再次，对获取的小波系数进行多种
等。光学方法可以直观记录空化泡的行为和时空
波束合成算法，并结合 SSD 减影算法，提高空化图
动态分布，但对于某一断层面的空化分布无法给
像质量。为验证方法有效性，本文讨论了 CBWT、3
出具体信息，且受限于透明介质。声学法包括主动
种波束合成算法(DAS、MV、MVCF)以及SSD数字
空化成像 [9] (Active cavitation imaging, ACI)和被
减影算法对空化图像 CNR 值的影响，实验结果表
动空化成像 [10] (Passive cavitation imaging, PCI)。
明CBWT-MVCF-SSD空化图像最优，其CNR值比
Farny 等 [11] 和 Gyongy 等 [12] 使用线阵换能器，线
DAS空化图像高31.73 dB。
阵阵元不发射只接收的方式进行数据采集空化信
号，然后通过波束合成算法计算时间能量进行二
1 实验系统
维重建得到被动空化成像，然而对于提供准确的
空间位置信息的一级重建算法有待提升。主动空 实验系统包括聚焦超声系统和 Verasonics 平
化成像包括普通 B 模式空化成像和超快速空化成 面波超声采集系统两部分，两者之间通过一个
像方法。由于声空化具有瞬态特性，普通 B 模式 任意波形发生器进行时序控制。如图 1 所示，聚
超声成像采用逐线扫描模式，成像速度较慢，无 焦超声换能器固定在透明有机玻璃水槽 (50 cm×
法捕获空化微泡瞬态特性。Gateau 等 [13] 提出了 40 cm×30 cm) 的侧壁，水槽中充满自来水，并保持
一种超快主动空化成像(Ultrafast active cavitation Տ൦ᝏԧηՂ
͊ਓฉॎ Verasonics
imaging, UACI) 技术，该技术采用高帧速率的平面 ηՂԧၷ٨ ጇፒ
波发射模式，但是基于平面波的空化成像质量较
差，需要依赖于后端波束合成算法以改进图像横向
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分辨率和信噪比。目前常用的后端波束合成算法 Ҫဋஊܸ٨
包括延迟叠加 (Delay-and-sum, DAS)算法、最小方 ࣱ᭧ฉ
差 (Minimum variance, MV) 算法和相干系数最小
方差 (Coherence factor based minimum variance,
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MVCF)算法。
空化微泡母小波 (Cavitation bubble wavelet
图 1 基于超快速主动空化实验系统示意图
transform, CBWT) 技术是近年来提出的一种新型 Fig. 1 Schematic diagram of the ultra-fast active
平面波超快速超声空化主动成像方法，它可在保 cavitation experiment system