本发明涉及超声引导聚集超声治疗，特别是一种基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法及系统。
背景技术：
1、高强度聚集超声（hifu）治疗是一种无电离辐射、非侵入式治疗方式，相较于传统手术、激光或射频消融等介入式治疗，可在焦域处诱导生物效应，但是对近场或远场无显著影响，具有术后恢复快等优点，在临床上已被广泛用于子宫腺肌瘤、前列腺癌、原发性震颤、骨肿瘤等疾病的治疗。由于组织普遍存在的声学异质性导致聚焦超声换能器在组织内部形成的真实声场焦点位置（焦域声场最大值所在的位置）相对于几何焦点位置存在不可预知的偏移，且焦域声场幅值分布也会发生不可预知的改变。焦点位置的偏移可能损伤治疗目标附近的重要器官，引起腹痛、肠穿孔、子宫出血等并发症。此外，焦域声场分布的改变不仅会改变消融区域的形状，还会改变消融区域的治疗效率，引起病灶消融不全或过度治疗等问题，严重影响hifu治疗的安全性和有效性。因此，只有通过影像对组织内部的真实声场焦域位置、声场分布进行精确可视化，才能够发挥hifu作为一种精确、无创治疗方式的最大潜力。
2、已有文献报道了一种基于背向散射信号实现聚焦超声焦域可视化的方法。该方法使用b超换能器接收二维（2d）平面感兴趣区域（roi）中由组织背向散射回来的聚集超声信号，利用2d延迟叠加（das）图像重建算法定性地对聚集超声焦域进行成像。上述基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法虽然能够根据获取的聚焦超声焦域图像比较精确地预测真实焦域的空间位置，但是还存在一定的局限性：首先，为保证聚焦超声的疗效，聚焦超声换能器的形状通常设计为球面聚焦的三维（3d）换能器。上述2d das算法的模型假设聚焦超声波在b超探头的2d roi平面空间中传播、被组织散射及最终被b超换能器采集，该模型与聚集超声在3d空间中传播，被组织散射，进而再被b超换能器接收的实际物理过程不相符，2d das算法忽略了大量存在于3d空间中的聚集超声波对图像重建的影响，会大幅降低焦域图像的信噪比，并在图像中产生大量伪影，进而降低了焦域定位的可靠性。其次，上述2d das算法忽略的大量背向散射能量会显著降低焦域区域的图像对比度，特别是在焦域以外区域存在局部高散射组织的情况下，重建图像中局部高散射体的幅值会远大于焦域处的幅值，引起将高幅值区域误判为焦域的风险，因此上述方法不得不采用了更多信号处理技术来抑制噪声或高散射区域信号，增加了焦域定位方法的复杂度。此外，这些抑制噪声或高散射区域信号的信号/图像处理方法，在提升焦域定位精度的同时会造成焦域幅值分布失真甚至丢失。因此，超声引导聚集超声技术对体内聚集超声焦域幅值分布进行成像还面临挑战。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法及系统，该方法采用更加符合真实物理模型的3d das成像算法，大幅提升焦域图像的信噪比和对比度，在提高对焦域外高散射体信号的抗干扰能力的同时避免引入会导致声场幅值分布信息变化的噪声/伪影抑制算法，实现更精确地预测真实焦域的空间位置和声场幅值分布。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，包括以下步骤：利用接收换能器采集三维空间中由聚焦超声换能器发射聚焦超声束产生，在组织内传播过程中被散射，最终被接收换能器所在位置接收到的聚焦超声背向散射信号；使用基于三维空间模型的图像重建算法实施焦域可视化。
4、所述接收换能器用于接收背向散射信号，可以是由n（n为大于1的正整数）个换能器以1d 、2d、3d其中任意一种形式排布的阵列超声换能器，也可以是由单个超声换能器通过机械扫描实现1d、2d、3d阵列换能器的采集效果，或者是由1d阵列换能器通过机械扫描实现2d、3d阵列换能器的采集效果，或者是由2d阵列换能器通过机械扫描实现3d阵列换能器的采集效果。
5、在本发明中，单个超声换能器可以通过机械扫描实现1d、2d、3d的接收换能器对应成像区域（感兴趣区域，roi）；1d阵列超声换能器可以通过机械扫描实现2d、3d的接收换能器对应成像区域（感兴趣区域，roi）；2d阵列超声换能器可以通过机械扫描实现3d的接收换能器对应成像区域（感兴趣区域，roi）。
6、在本发明中，1d、2d、3d对应的接收换能器对应成像区域（感兴趣区域，roi）为三维空间中的平面或三维立体空间，即需要使用三维空间坐标描述roi中的像素所对应的位置。
7、本发明所述聚焦超声换能器可以是单个球面聚焦超声换能器，也可以是单个中间开孔的球面聚焦超声换能器，或者是由多个换能器按照球面分布形式组成的阵列换能器。阵列换能器的所有阵元可以同时发射超声波，也可以通过相控方式移动聚焦超声焦域的位置。
8、所述三维空间模型为基于聚焦超声换能器、接收换能器及接收换能器对应成像区域（感兴趣区域，roi）的空间位置关系构建的三维空间坐标数据集，及根据所述三维空间坐标数据集生成的由聚焦超声换能器每个发射位置到roi中的各坐标点、再到每个接收换能器位置的声波传播路径所组成的映射关系数据集。
9、所述三维空间坐标数据集包括：聚焦超声换能器三维空间坐标数据、接收换能器三维空间坐标数据、感兴趣区域roi三维空间坐标数据。
10、所述构建聚焦超声换能器三维空间坐标数据的方法如下：
11、a)对于单个球面聚焦超声换能器或中间开孔的球面聚焦超声换能器：
12、在聚焦超声换能器发射超声波的球面立体空间表面取m（m为大于8的整数）个空间坐标作为聚焦超声换能器三维空间坐标数据，记作聚焦超声换能器三维空间坐标数据，其中t表示第t个聚集超声换能器，t为1到m的整数。
13、b)对于由m个换能器按照球面分布形式组成的聚集超声阵列换能器：
14、取换能器总个数为m的聚集超声阵列换能器中每一个换能器中心所在位置的三维空间坐标记作聚焦超声换能器三维空间坐标数据 ，其中t表示第t个聚集超声换能器，t为1到m的整数。
15、所述n个接收背向散射信号的换能器的三维空间坐标数据作为接收换能器三维空间坐标数据，其中r表示第r个接收换能器，r为1到n的整数。
16、所述感兴趣区域roi三维空间坐标数据是根据重建图像分辨率将接收换能器的感兴趣区域roi在三维空间坐标系中离散化后对应的坐标数据集，其中i表示感兴趣区域roi图像中第i个像素。
17、所述图像重建算法按照以下公式实现聚焦超声焦域可视化：
18、
19、其中，表示感兴趣区域roi内第i个坐标点的幅值为，roi所代表幅值分布图即为聚焦超声焦域可视化的结果图，表示第个聚焦超声换能器到roi中第i个坐标点的距离, 表示roi中第i个坐标点的到第r个接收换能器的距离，表示超声波的传播速度，表示第r个接收换能器在时刻接收到的背向散射信号，为聚焦超声换能器三维空间坐标点总数，为超声阵列换能器三维空间坐标点总数。
20、在本发明的一个实施例中，所述的背向散射信号可以在图像重建前根据聚集超声换能器和接收换能器的带宽和频率特性进行适当滤波，达到抑制发射和接收换能器带宽以外的噪声，提高图像信噪比的目的。
21、第二方面，本发明提供一种基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化系统，所述系统包括：
22、聚焦超声换能器，用于发射聚焦超声波束；
23、接收换能器，用于接收所述感兴趣区域的背向散射信号；
24、背向散射信号采集器，用于采集所述背向散射信号，得到聚焦超声的背向散射信号原始数据；
25、换能器固定模块，用于固定所述聚焦超声换能器与接收换能器，使得所述聚焦超声换能器的焦域处于接收换能器的roi（成像直线或成像平面或三维空间）范围内，探头固定模块用于明确所述聚焦超声换能器与所述接收换能器的空间位置关系；
26、所述计算机设备，用于执行上述方法中提供的方法。
27、在本发明的一个实施例中，所述系统还包括：功率放大器、信号发生器、匹配盒、计算机设备；
28、所述功率放大器，用于激励所述聚焦超声换能器产生聚焦超声波束；
29、所述信号发生器，用于产生模拟信号使所述功率放大器产生激励信号；
30、所述匹配盒，用于匹配所述聚焦超声换能器的输入阻抗，以提高聚集超声换能器的电声转化效率；
31、所述计算机设备，用于控制所述信号发生器产生所述模拟信号；
32、所述计算机设备分别与所述信号发生器和所述背向散射信号采集器连接，所述信号发生器分别与背向散射信号采集器和所述功率放大器连接，所述功率放大器分别与所述信号发生器和所述匹配盒连接，所述匹配盒分别与所述功率放大器和所述聚焦超声换能器连接，所述超声阵列换能器与背向散射信号采集器连接。
33、本发明的有益效果：现有在2d空间中进行图像重建的方法中，所使用的接收换能器实际上采集了3d空间中被散射回来的聚焦超声信号，然而，现有方法在图像重建时把3d信号数据假设为2d平面内接收到的信号数据来进行重建，会把成像平面以外的信号反投影到错误的位置，降低了图像的对比度和信噪比。为解决上述问题，本发明采用基于3d空间模型的图像重建算法，考虑了聚焦超声在3d空间中传播、散射进而被接收换能器采集的真实物理过程，能够将采集到的3d信号投影到正确的位置，大幅提升了焦域图像的信噪比和对比度。此外， 由于本发明提出的3d das重建算法在立体视角下比2d das算法在平面视角下大幅增加了大量可利用的声波传播路径，提高了对焦域外高散射体信号的抗干扰能力。凭借上述3d das重建算法的优点，使得本发明能够避免引入会导致声场幅值分布信息变化的噪声/伪影抑制算法，实现了更精确地预测了真实焦域的空间位置和声场幅值分布。
1.基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：利用接收换能器采集三维空间中由聚焦超声换能器发射聚焦超声束产生，在组织内传播过程中被散射，最终被接收换能器所在位置接收到的聚焦超声背向散射信号；使用基于三维空间模型的图像重建算法实施焦域可视化。
2.如权利要求1所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述接收换能器用于接收背向散射信号，是通过若干换能器以1d、2d、3d其中任意一种形式排布的阵列超声换能器采集得到的；或是通过单个超声换能器通过机械扫描实现1d、2d或3d阵列换能器的采集得到的；或者通过1d阵列换能器通过机械扫描实现2d或3d阵列换能器的采集得到的；或者是通过2d阵列换能器通过机械扫描实现3d阵列换能器的采集得到的。
3.如权利要求1所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述聚焦超声换能器是单个球面聚焦超声换能器，或者是单个中间开孔的球面聚焦超声换能器；或者是由多个换能器按照球面分布形式组成的阵列换能器；所述阵列换能器的所有阵元可同时发射超声波，或者通过相控方式移动聚焦超声焦域的位置。
4.如权利要求1所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述三维空间模型为基于聚焦超声换能器、接收换能器及接收换能器对应感兴趣区域roi的空间位置关系构建的三维空间坐标数据集，及根据所述三维空间坐标数据集生成的由聚焦超声换能器每个发射位置到兴趣区域roi中的各坐标点，再到每个接收换能器位置的声波传播路径所组成的映射关系数据集。
5.如权利要求4所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述三维空间坐标数据集包括聚焦超声换能器三维空间坐标数据、接收换能器三维空间坐标数据、感兴趣区域roi三维空间坐标数据；
6.如权利要求1所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述图像重建算法按照以下公式实现聚焦超声焦域可视化：
7.如权利要求6所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化方法，其特征在于：所述的背向散射信号在图像重建前根据聚集超声换能器和接收换能器的带宽和频率特性进行适当滤波，达到抑制发射和接收换能器带宽以外的噪声，提高图像信噪比的目的。
8.基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化系统，其特征在于：包括：
9.如权利要求8所述的基于背向散射信号的聚焦超声焦域可视化系统，其特征在于，所述系统还包括：功率放大器、信号发生器和匹配盒；
