專利名稱：基于超高速攝影技術(shù)的超聲場中微泡行為分析系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析超聲場中微泡行為的系統(tǒng)和方法，更具體的是一種利用超高速攝影技術(shù)分析在生物醫(yī)學(xué)超聲場中微泡群和單個微泡行為的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
超聲場按照生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的不同包括醫(yī)學(xué)診斷、控制藥物釋放、聲化學(xué)反應(yīng)、加熱治療、超聲碎石以及高強(qiáng)度聚焦超聲場等?？栈⑴莺桶の⑴菰诔晥鲋械膭討B(tài)特性是生物醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域普遍關(guān)心的一個問題。
空化微泡是由于聲空化產(chǎn)生的。聲空化可以定義為充有氣體或水蒸氣的空腔在超聲場作用下發(fā)生振蕩的任何現(xiàn)象，其在超聲的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用?？栈梢杂捎跍囟鹊纳吆褪┘訖C(jī)械力來影響生物系統(tǒng)，還可以通過產(chǎn)生自由基引起化學(xué)變化。猛烈的聲空化會引起高熱和更大的機(jī)械力，可能給組織造成嚴(yán)重的損傷和破壞。即使是在診斷超聲的低劑量水平，也不能排除空化微泡的生物效應(yīng)。在超聲碎石過程中，空化微泡是破碎結(jié)石的主要作用力。高強(qiáng)度聚焦超聲的出現(xiàn)使對空化的研究更加成為熱點。因此對于超聲空化微泡行為的分析不僅有助于揭示其作用的機(jī)理，更重要的是這方面的研究將可能使控制空化，進(jìn)而利用空化成為可能。
包膜微泡是一種直徑小于10微米，由油、脂質(zhì)體、聚合物、蛋白質(zhì)等包膜包裹高分子惰性氣體形成的氣泡。它是生物醫(yī)學(xué)超聲研究領(lǐng)域內(nèi)的另一個熱點，尤其是診斷超聲、控制藥物釋放和高強(qiáng)度聚焦超聲研究領(lǐng)域的前沿課題。這種微泡能夠增強(qiáng)超聲檢測圖像的分辨率，因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床超聲診斷。而包膜中攜帶藥物后，包膜微泡就具有造影和藥物包裹雙重功能，被用于超聲包膜微泡介導(dǎo)的靶向藥物釋放，參見中國發(fā)明專利《超聲微泡包膜微泡定位控釋方法》CN200410021905.3(
公開日2005年1月5日，公開號CN1559615)。已有研究提示使用高強(qiáng)度聚焦超聲聯(lián)用超聲包膜微泡的方法不僅能夠監(jiān)控超聲的治療效果，而且能協(xié)同增加能量積聚，增加靶區(qū)溫度升高速度和幅度，縮短治療時間。對于包膜微泡行為的分析將為開發(fā)包膜微泡的應(yīng)用提供依據(jù)，為新的治療方案的提出提供參考。
空化微泡和包膜微泡在一般情況下直徑都是微米級，因此可以統(tǒng)稱為微泡。兩者從物理特性上講具有共同點，即都是氣泡。區(qū)別在于空化微泡是自由氣泡，而包膜微泡是有一層膜包裹的氣泡?？栈⑴莸男袨榕c包膜微泡的行為非常類似，都具有很強(qiáng)的散射特性，非線性特性，而且在超聲作用下都會展現(xiàn)出復(fù)雜而又有趣的動態(tài)現(xiàn)象。在光學(xué)上可以使用相同的方法對它們的行為進(jìn)行分析。
超高速攝影技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于診斷超聲場中包膜微泡、超聲碎石場中空化微泡、聲化學(xué)反應(yīng)器中空化微泡群以及高強(qiáng)度聚焦超聲場中空化微泡群的研究中。美國Ferrara小組和荷蘭的Nico de Jong小組通過將高速攝影機(jī)與倒置顯微鏡相結(jié)合來研究包膜微泡在診斷超聲場作用下的運動特征；美國L.A.Crum小組用高速攝影機(jī)拍攝了空化碎石過程中空化微泡群的行為；德國W.Lauterborn小組將高速攝影機(jī)與長工作距離顯微鏡結(jié)合研究生化學(xué)反應(yīng)器中空化微泡群的結(jié)構(gòu)特征；日本 Matsumoto小組使用顯微超高速攝影系統(tǒng)觀察了高強(qiáng)度聚焦超聲場中高頻和低頻超聲相結(jié)合控制石頭附近空化微泡群破裂的過程。但是還有很多領(lǐng)域有待于進(jìn)一步的研究，比如組織界面附近包膜微泡的行為、超聲控制藥物釋放過程中微泡的動態(tài)變化過程、高強(qiáng)度聚焦超聲場中血管內(nèi)微泡的行為等等。據(jù)申請人的調(diào)研，目前國內(nèi)還沒有關(guān)于用超高速攝影系統(tǒng)分析生物醫(yī)學(xué)超聲場中微泡行為的相關(guān)文章和專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種基于超高速攝影技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)超聲場中微泡(空化微泡和造影微泡)行為分析的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)采用超高速攝影技術(shù)觀察微泡群的在超聲場中的行為，采用顯微超高速攝影技術(shù)觀察單個微泡在超聲場中行為；并提供了分析微泡群和單個微泡在自由場、組織附近、微管內(nèi)行為的方法；在分析的基礎(chǔ)上提出了控制微泡群產(chǎn)生和破裂的方法以及微泡應(yīng)變估計的方法。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種基于超高速攝影技術(shù)的超聲場中微泡行為分析系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由聲學(xué)子系統(tǒng)和光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成；所述的聲學(xué)子系統(tǒng)包括雙通道任意波形發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器和三維調(diào)節(jié)裝置；雙通道任意波形發(fā)生器的一個通道與功率放大器相連接，用于給置于玻璃水槽中的超聲換能器提供激勵信號，雙通道任意波形發(fā)生器的另一個通道和光學(xué)子系統(tǒng)中的超高速攝影機(jī)相連，作為光學(xué)子系統(tǒng)中的高速攝影機(jī)的觸發(fā)信號；通過調(diào)整這兩個通道信號的延時，能夠控制聲場發(fā)射與拍攝的相對時間間隔，進(jìn)而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的時序控制；三維調(diào)節(jié)裝置，用于控制放入聲場內(nèi)的組織夾持裝置/流動控制裝置觀察目標(biāo)的位置；光學(xué)子系統(tǒng)由超高速攝影機(jī)、光源控制器、閃光光源組成；超高速攝影機(jī)通過光源控制器與閃光光源連接，閃光光源置于玻璃水槽的上方，將超聲換能器的位置置于超高速攝影機(jī)工作距離顯微鏡視野內(nèi)；其中超高速攝影機(jī)，其鏡頭為普通照相機(jī)鏡頭，用于提供超聲場中微泡群的圖像，該超高速攝影機(jī)能夠提供7幅分幀圖像和1幅條紋圖像，條紋成像通道能夠提供隨時間/空間變化的圖像序列；圖像采集最大幀頻為108f/s，且圖像之間的時間間隔在允許范圍內(nèi)任意可調(diào)；超高速攝影機(jī)和PC機(jī)相連，PC機(jī)內(nèi)有支持超高速攝影機(jī)的控制軟件，用于完成圖像采集與控制、圖像處理和分析。
在上述系統(tǒng)上，采用以下措施即可構(gòu)成觀察單個微泡在超聲場中行為的顯微超高速攝影系統(tǒng)(1)用長工作距離顯微鏡頭代替普通照相機(jī)鏡頭，將觀察的視野縮小為2mm左右，空間分辨率提高至1μm；(2)在閃光光源前面放置凸透鏡，且閃光光源的光纖位于凸透鏡的焦點處，由此得到平行光；(3)調(diào)節(jié)長工作距離顯微鏡和光纖的高度和位置，使它們位于同一光軸上；(4)調(diào)解超聲換能器的位置使觀察區(qū)域位于長工作距離顯微鏡的視野內(nèi)。
一種觀察并記錄在超聲作用下自由場中微泡行為的方法，其特征在于，采用上述系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，其操作步驟如下(1)將水注入水槽中，當(dāng)觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻；(2)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度，觀察不同含氣量下超聲場中微泡的行為；(3)改變雙通道任意波形發(fā)生器的兩個通道發(fā)射信號之間的時間間隔，拍攝不同時刻微泡的瞬態(tài)行為；(4)改變功率放大器輸出功率，獲得不同功率下的自由場中微泡的行為記錄；(5)改變高速攝影機(jī)的曝光時間、幀間間隔，獲得不同時間分辨率的超高速圖像序列。
一種觀察并記錄在超聲作用下組織界面附近微泡行為的方法，采用上述系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，其操作步驟如下(1)將水注入水槽中，觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時需要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻；(2)將生物組織固定在生物組織夾持裝置中，并將此夾持裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制組織樣本在超聲場中的相對位置；(3)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度、改變組織在聲場中的位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔，拍攝不同條件下組織界面處微泡的行為。
一種觀察并記錄在超聲作用下微管內(nèi)微泡行為的方法，上述系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，所述的微管為透光透聲的纖維管，用于模擬血管的作用，其操作步驟如下(1)將流動控制裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制纖維管在超聲場中的相對位置；(2)將均勻的含有包膜微泡的溶液通過流動控制裝置注入纖維管中，流動控制裝置由注射器-外延管-纖維管-外延管連接構(gòu)成，外延管選擇內(nèi)徑與纖維管外徑良好吻合的塑料軟管，待溶液填充滿纖維管，停止注入，靜置直到液體靜止；(3)改變注射泵的流動速度、微泡的稀釋比例、纖維管與高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的相對位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的起始時刻的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、超高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔、以及纖維管位于聲場中的位置，拍攝不同條件下微管中微泡行為的高速攝影圖像序列。
一種將調(diào)頻信號和調(diào)幅信號相結(jié)合來控制微泡群產(chǎn)生和破裂的方法，其特征在于，采用上述系統(tǒng)，在觀察高強(qiáng)度聚焦超聲自由場中微泡群的實驗中，觀察到高功率超聲作用后，微泡群首先出現(xiàn)在焦域，并且在一段時間內(nèi)穩(wěn)定的分布于焦域，通過控制超聲作用時間，使用高幅度的超聲信號在超聲焦域首先產(chǎn)生穩(wěn)定的微泡群，在微泡群產(chǎn)生后，使用低幅的調(diào)頻信號來破壞微泡群，控制微泡群、利用微泡破裂過程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)；其操作步驟如下(1)采用自由場中確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場中產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群時超聲換能器輸入功率的大小，以及穩(wěn)定微泡群存在的時間，進(jìn)而確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場焦域產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群對應(yīng)的超聲信號的幅度和作用時間；(2)按照(1)中確定的超聲信號的幅度和持續(xù)時間產(chǎn)生微泡群，然后采用低幅度調(diào)頻信號使之破裂。用超高速攝影系統(tǒng)記錄微泡群破裂所需要的時間，進(jìn)而得到低幅度調(diào)頻信號使微泡群破裂對應(yīng)的超聲信號的幅度和持續(xù)時間；(3)結(jié)合上述步驟(1)和步驟(2)確定調(diào)幅和調(diào)頻信號的參數(shù)，對微泡群的產(chǎn)生和破裂進(jìn)行控制。
一種微泡應(yīng)變估計的方法，其特征在于，該方法首先對微泡顯微超高速圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，包括直方圖均衡、微泡邊緣提取、質(zhì)心計算。其中，質(zhì)心計算是由于微泡在超聲場中的運動不僅包括形變，還分別有向x和y方向的平移運動，按照圓周擬合和橢圓擬合兩種情況計算微泡半徑與質(zhì)心坐標(biāo)；進(jìn)行以上預(yù)處理以后，采用基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法，對處理后的圖像序列進(jìn)行運動估計，其步驟如下首先采用基于遺傳算法的非剛性體光流運動估計算法進(jìn)行初始光流場迭代與運動參數(shù)的全局優(yōu)化估計，得到初始光流場；具體實現(xiàn)方法是令P(xP，yP)為非剛性體上一點， 是其速度矢量， 是點P鄰域內(nèi)任意一點，速度為u(u，v)，根據(jù)非剛性體的亥姆霍茲理論和Horn與Schunck的光流約束方程▿f·u→p+▿f·M(x→-x→P)=-ft---(1)]]>式中，表示兩維的空間梯度，ft是圖像亮度的時間梯度，式(1)可看作是輸入為u→P(upx,vpy)]]>和M，輸出為-ft的線性系統(tǒng)，如果已知非剛性體上運動微元內(nèi)的亮度分布，即可計算每一點的時空亮度梯度，進(jìn)而估計該過約束系統(tǒng)中的未知輸入變量，獲得微元運動參數(shù)；將非剛性體運動等效為若干共同運動的有限微元的總和，假設(shè)圖像中大小為N×N的微元內(nèi)運動是一致的，對于圖像上一點P，其N×N鄰域內(nèi)每一點均符合式(1)，構(gòu)成包含六個未知變量、N×N個等式的線性系統(tǒng)，根據(jù)最小二乘法，希望下式最小ϵ2=Σi=1N×N[▿fi·u→P+▿fi·M(x→i-x→P)+fti]2→min---(2)]]>其中，上標(biāo)i表示點P的N×N鄰域內(nèi)第i點，利用遺傳算法解此優(yōu)化問題，即可獲得對u→P(upx,vpy)]]>和M的估計；基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法的第二步，是采用經(jīng)典的相關(guān)反饋算法進(jìn)行相關(guān)反饋迭代，計算包膜微泡運動位移矢量場，即可得到微泡形變運動矢量光流圖，以及根據(jù)光流圖得到的應(yīng)變估計圖。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點1)與傳統(tǒng)微泡檢測的聲學(xué)方法相比較，本發(fā)明提出的用超高速攝影技術(shù)觀察超聲場中微泡群和單個微泡的方法更加直觀、準(zhǔn)確性更高。獲得的結(jié)果可以與聲學(xué)檢測的結(jié)果相結(jié)合，使對微泡行為的分析更加全面，同時為探索超聲治療過程中微泡的生物效應(yīng)提供依據(jù)。
2)本發(fā)明采用的超高速攝影系統(tǒng)，幀頻最高可達(dá)到108f/s。用于記錄高頻超聲作用下微泡的非線性瞬態(tài)特性，具有高時間分辨率、靈敏性強(qiáng)的特點?？梢杂涗泿资{秒時間段內(nèi)微泡的行為。這樣的時間分辨率是目前國內(nèi)相同領(lǐng)域內(nèi)其它系統(tǒng)所達(dá)不到的。
3)本發(fā)明采用雙通道任意波形發(fā)生器來控制聲學(xué)與光學(xué)的同步，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的時序控制。與一般使用的延時發(fā)生器相比簡單易行，準(zhǔn)確度高。
4)本發(fā)明提出了的分析自由場中微泡行為的方法對于認(rèn)識微泡在超聲場中的作用機(jī)理提供了手段，為理論仿真提供了重要依據(jù)，并且為新的超聲治療方案的提出提供了參考。
5)本發(fā)明提出的用分析組織界面處微泡的方法，除了具有4)中敘述的優(yōu)點之外，還為研究微泡與組織的作用機(jī)理提供了手段。
6)本發(fā)明提出的分析微管內(nèi)微泡的方法，提供了研究血管內(nèi)微泡行為的一種仿體實驗方法，除了4)中敘述的相同優(yōu)點之外，還為研究血管內(nèi)微泡的生物效應(yīng)提供一種手段。
7)本發(fā)明提出的將調(diào)頻信號和調(diào)幅信號相結(jié)合的方法，為控制微泡群的產(chǎn)生和破裂，進(jìn)而利用微泡的空化效應(yīng)提供了一種方案。
8)本發(fā)明提出的利用基于遺傳算法的相關(guān)反饋(GACF)方法計算微泡的位移分布矢量，進(jìn)而得到其應(yīng)變分布圖像的方法，考慮到微泡在聲壓作用下的位移，對于微小位移運動估計具有良好的精確性，應(yīng)用范圍廣泛。同時，為更進(jìn)一步計算微泡的彈性特性提供了方法。


圖1是本發(fā)明提出的用于分析超聲場中微泡群行為的超高速攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明第二方面提出的用于分析超聲場中單個微泡行為的顯微超高速攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明第四方面提出的分析超聲場中組織界面附近微泡行為的方法中使用的生物組織夾持裝置的主視圖和俯視圖。
圖4是本發(fā)明第五方面提出的分析超聲場中微管內(nèi)微泡行為的方法中使用的流動控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是超高速攝影系統(tǒng)拍攝的整個聲場中空化微泡群的隨時間變化的圖像序列。
圖6是超高速攝影系統(tǒng)拍攝的組織界面附近空化微泡群的圖像序列。
圖7是調(diào)頻與調(diào)幅相結(jié)合的用于微泡群控制的信號序列示意圖。
圖8是顯微超高速攝影系統(tǒng)拍攝的圖像序列中的兩幀原始圖像。
圖9是經(jīng)過直方圖均衡和邊緣提取之后的顯微高速攝影圖像。
圖10(a)是提供參考的經(jīng)過預(yù)處理的圖像(b)是根據(jù)圖8中的兩幀圖像得到的光流圖(c)是相應(yīng)的應(yīng)變估計灰度圖。
為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施例方式
依照本發(fā)明的技術(shù)方案，一種利用超高速攝影技術(shù)分析超聲場中微泡行為的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由聲學(xué)子系統(tǒng)和光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成。
聲學(xué)子系統(tǒng)包括雙通道任意波形發(fā)生器，功率放大器，超聲換能器與三維調(diào)節(jié)裝置。雙通道任意波形發(fā)生器的一個通道與功率放大器相連接，提供超聲換能器的激勵信號，另一個通道和超高速攝影機(jī)相連，作為高速攝影機(jī)的觸發(fā)信號。通過調(diào)整這兩個信號的延時可以控制聲場發(fā)射與拍攝的相對時間間隔，進(jìn)而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的時序控制。超聲換能器置于玻璃水槽中。三維調(diào)節(jié)裝置用于精確控制放入聲場內(nèi)的觀察目標(biāo)的位置。
光學(xué)子系統(tǒng)包括一臺超高速攝影機(jī)及其控制系統(tǒng)、閃光光源、普通照相機(jī)鏡頭。該高速攝影機(jī)能提供7幅分幀(framing)圖像和1幅條紋(streak)圖像，圖像采集最大幀頻為108f/s，且以上每幅圖像之間的時間間隔在允許范圍內(nèi)任意可調(diào)。條紋成像通道可以提供隨時間/空間變化的圖像序列。對超高速攝影機(jī)的控制通過一套控制軟件實現(xiàn)，可以完成圖像采集與控制、圖像處理和分析。該光學(xué)子系統(tǒng)還配有高強(qiáng)度的閃光光源。
在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用以下措施即可構(gòu)成觀察單個微泡在超聲場中行為的顯微超高速攝影系統(tǒng)(1)用長工作距離顯微鏡頭代替普通照相機(jī)鏡頭，將觀察的視野縮小為2mm左右，空間分辨率提高到1μm左右。
(2)在光纖前面放置凸面鏡，且光纖的出光口位于該透鏡的焦點處得到平行光。
(3)調(diào)節(jié)長工作距離顯微鏡和光纖的高度和位置，使它們位于同一光軸上。
(4)調(diào)解超聲換能器的位置使觀察區(qū)域位于長工作距離顯微鏡的視野內(nèi)。
以上整套系統(tǒng)全部放置在蜂窩式氣墊隔振平臺上。這樣可以避免在實施過程中已經(jīng)對準(zhǔn)焦點的光學(xué)和聲學(xué)系統(tǒng)以及微泡本身受到外界振動的干擾，影響結(jié)果的精確度。
在上述提出的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明給出一種觀察并記錄在超聲作用下自由場中微泡(微泡群和單個微泡)行為的方法。該方法具體操作步驟如下(1)將水注入水槽中。觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻。
(2)利用第一方面提出的超高速攝影系統(tǒng)分析微泡群的行為，用第二方面提出的顯微超高速攝影系統(tǒng)分析單個微泡的行為。
(3)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度，觀察不同含氣量下超聲場中微泡的行為。
(4)改變雙通道任意波形發(fā)生器的兩個通道發(fā)射信號之間的時間間隔，拍攝不同時刻微泡的瞬態(tài)行為。
(5)改變功率放大器輸出功率，獲得不同功率下的自由場中微泡的行為記錄。
(6)改變高速攝影機(jī)的曝光時間、幀間間隔，獲得不同時間分辨率的超高速圖像序列。
在上述提出的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明給出一種觀察并記錄在超聲作用下組織界面附近微泡(微泡群和單個微泡)行為的方法。具體操作步驟如下(1)將水注入水槽中。觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時需要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻。
(2)將生物組織固定在生物組織夾持裝置中，并將此夾持裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上。調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制組織樣本在超聲場中的相對位置。
(3)利用上述超高速攝影系統(tǒng)和顯微超高速攝影系統(tǒng)分析微泡群和單個微泡的行為。
(4)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度、改變組織在聲場中的位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔，拍攝不同條件下組織界面處微泡的行為。
在上述提出的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還給出一種觀察并記錄在超聲作用下微管內(nèi)微泡(微泡群和單個微泡)行為的方法。這里的微管起到模擬血管的作用，使用的是透光透聲的纖維管。其操作步驟如下(1)將流動控制裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上。調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制纖維管在超聲場中的相對位置。
(2)將均勻的含有包膜微泡的溶液通過流動控制裝置注入纖維管中，流動控制裝置由注射器-外延管-纖維管-外延管連接構(gòu)成，外延管選擇內(nèi)徑與纖維管外徑可以良好吻合的塑料軟管，作用是避免注射器針頭在推注微泡過程中損傷半徑較小的纖維管管壁，同時也具有良好的靈活性，方便與水槽外部注射器的連通。待溶液填充滿纖維管，停止注入，靜置直到液體靜止。
(3)利用上述超高速攝影系統(tǒng)和顯微超高速攝影系統(tǒng)分析微泡群和單個微泡的行為。
(4)改變注射泵的流動速度、微泡的稀釋比例、纖維管與高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的相對位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的起始時刻的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、超高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔、以及纖維管位于聲場中的位置，拍攝不同條件下微管中微泡行為的高速攝影圖像序列。
根據(jù)對自由場中微泡群的分析結(jié)果，提出一種將調(diào)頻信號和調(diào)幅信號相結(jié)合來控制微泡群產(chǎn)生和破裂的方法。
在觀察高強(qiáng)度聚焦超聲自由場中微泡群的實驗中，觀察到高功率超聲作用后，微泡群首先出現(xiàn)在焦域，并且在一段時間內(nèi)穩(wěn)定的分布于焦域。因此可以通過控制超聲作用時間，使用高幅度的超聲信號在超聲焦域首先產(chǎn)生穩(wěn)定的微泡群。在微泡群產(chǎn)生后，使用低幅的調(diào)頻信號來破壞微泡群，這樣就可以控制微泡群、利用微泡破裂過程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)。
本方法操作步驟如下(1)采用本發(fā)明提出的自由場中微泡群行為分析的方法，確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場中產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群時超聲換能器輸入功率的大小，以及穩(wěn)定微泡群存在的時間，進(jìn)而確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場焦域產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群對應(yīng)的超聲信號的幅度和作用時間。
(2)按照(1)中確定的超聲信號的幅度和持續(xù)時間產(chǎn)生微泡群，然后采用低幅度調(diào)頻信號使之破裂。用超高速攝影系統(tǒng)記錄微泡群破裂所需要的時間，進(jìn)而得到低幅度調(diào)頻信號使微泡群破裂對應(yīng)的超聲信號的幅度和持續(xù)時間。
(3)結(jié)合(1)和(2)就可以確定調(diào)幅和調(diào)頻信號的參數(shù)。利用這種方法可以實現(xiàn)對微泡群的產(chǎn)生和破裂的控制。
一種對獲得的顯微高速攝影圖像序列進(jìn)行圖像處理，從而得到微泡應(yīng)變估計的方法，該方法對在獲得的單個微泡高速攝影圖片的基礎(chǔ)上首先對微泡顯微超高速圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，包括直方圖均衡、微泡邊緣提取、質(zhì)心計算。其中，質(zhì)心計算是由于微泡在超聲場中的運動不僅包括形變，還分別有向x和y方向的平移運動。本方法中主要按照圓周擬合和橢圓擬合兩種情況計算微泡半徑與質(zhì)心坐標(biāo)。
進(jìn)行以上預(yù)處理以后，采用基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法(Genetic Algorithm BasedCorrelation Feedback Technique，GACF)，對處理后的圖像序列進(jìn)行運動估計基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法(GACF)，首先采用基于遺傳算法的非剛性體光流運動估計(Genetic Algorithm Based Optical Flow Estimation，GAOF)算法進(jìn)行初始光流場迭代與運動參數(shù)的全局優(yōu)化估計(進(jìn)化5～10次)，得到初始光流場。具體實現(xiàn)方法令P(xP，yP)為非剛性體上一點， 是其速度矢量， 點P鄰域內(nèi)任意一點，速度為u(u，v)。根據(jù)非剛性體的亥姆霍茲理論(Helmoitz Theorem)和Horn與Schunck的光流約束方程，▿f·u→p+▿f·M(x→-x→P)=-ft---(1)]]>式中，表示兩維的空間梯度，ft是圖像亮度的時間梯度。式(1)可看作是輸入為u→P(upx,vpy)]]>和M，輸出為-ft的線性系統(tǒng)，如果已知非剛性體上運動微元內(nèi)的亮度分布，即可計算每一點的時空亮度梯度，進(jìn)而估計該過約束系統(tǒng)(Overconstrained System)中的未知輸入變量，獲得微元運動參數(shù)。
微泡的運動一般認(rèn)為是非剛性的，我們將非剛性體運動等效為若干共同運動的有限微元的總和。假設(shè)圖像中大小為N×N的微元內(nèi)運動是一致的，對于圖像上一點P，其N×N鄰域內(nèi)每一點均符合式(1)，構(gòu)成包含六個未知變量、N×N個等式的線性系統(tǒng)。根據(jù)最小二乘法，希望下式最小ϵ2=Σi=1N×N[▿fi·u→P+▿fi·M(x→i-x→P)+fti]2→min---(2)]]>其中，上標(biāo)i表示點P的N×N鄰域內(nèi)第i點。利用遺傳算法解此優(yōu)化問題，可獲得對u→P(upx,vpy)]]>和M的估計。
基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法的第二步，是采用經(jīng)典的相關(guān)反饋算法進(jìn)行相關(guān)反饋迭代，計算包膜微泡運動位移矢量場?？梢缘玫轿⑴菪巫冞\動矢量光流圖，以及根據(jù)光流圖得到的應(yīng)變估計圖。
參見附圖，圖1是用于分析超聲場中微泡群行為的超高速攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由超高速攝影系統(tǒng)、光源控制器、閃光光源、雙通道任意波形發(fā)生器，功率放大器，超聲換能器，樣品池，三維調(diào)節(jié)裝置組成。在分析組織界面處以及微管中空化微泡群的行為時，需要將組織夾持裝置和流動控制裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，并放置于樣品池中虛線框所示的位置。
由圖2可見，用于分析單個微泡的實驗系統(tǒng)由雙通道任意波形發(fā)生器1，光學(xué)成像系統(tǒng)2，聲學(xué)發(fā)生系統(tǒng)3，樣品池4，聲介質(zhì)5，三維調(diào)節(jié)裝置6組成。圖中的標(biāo)號7表示放置組織夾持裝置和流動控制裝置的位置。其中，光學(xué)成像系統(tǒng)包括超高速攝影系統(tǒng)2-1，長工作距離顯微鏡2-2，閃光光源2-3，透鏡2-4；聲學(xué)發(fā)生系統(tǒng)由功率放大器3-1，超聲換能器3-2構(gòu)成。整個系統(tǒng)置于蜂窩式氣墊隔振平臺上。
由于這兩套系統(tǒng)只有在光學(xué)系統(tǒng)上有一些差別，因此對于它們的實施方式在這里一起介紹。雙通道任意波形發(fā)生器選用Tektronix公司的AWG420。光學(xué)成像系統(tǒng)中，超高速攝影系統(tǒng)選用英國DRS Hadland公司的Imacon 468，它是一套基于多倍增強(qiáng)CCD模塊的高時間和空間分辨率數(shù)字成像系統(tǒng)，能提供統(tǒng)一光軸的7幅分幀(framing)圖像和1幅條紋(streak)圖像，其最顯著的指標(biāo)是圖像采集最小幀頻為108f/s，且以上7個通道之間的時間間隔在允許范圍內(nèi)任意可調(diào)。Streak通道可以提供一個時間/空間的記錄，它能給出被觀察事件的一個總體圖像，將framing方式各幀之間沒有記錄的情況記錄下來。Streak通道的采集時間范圍從100ns～100μs，其移動速率是7.82ns/mm～7.8μsec/mm，采集速率為0.173nsecs/pixel～173nsecs/pixel。圖像采集與控制功能由帶有兩個17″純平顯示器的PC計算機(jī)和相應(yīng)軟件包完成。電纜包括有長度為10m長的光纖，光纖成像板和插入裝置，操作手柄和傳輸器。另外配有高1.8m的支架，500J/1.5ms的氙燈閃光光源及其功率控制與調(diào)節(jié)裝置和閃光光源光纖適配器。閃光光源入射光路上加一透鏡，用于將光源發(fā)射的發(fā)散光轉(zhuǎn)化為平行光。長工作距離顯微鏡選用美國QUESTAR公司的QM100，焦距在15cm到35.5cm范圍內(nèi)可調(diào)。普通照相機(jī)鏡頭采用Nikon公司的Nikkor50mmf/1.4D。聲學(xué)發(fā)生系統(tǒng)中，功率放大器選用美國T&G Power Conversion公司的AG1016；高強(qiáng)度聚焦超聲(超聲)換能器采用法國Besancon公司制造的Imasonic單陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，該換能器中心頻率為1.2MHz、孔徑140m、幾何焦距120mm，焦域大小經(jīng)測量為9.0mm(縱向)×1.5mm(橫向)。在1.2MHz的頻率下，超聲換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率是75％。樣品池為25cm(長)×25cm(寬)×35cm(高)的玻璃水槽。聲介質(zhì)在不同的方法中采用不同的液體，本發(fā)明中主要用非除氣水。三維調(diào)節(jié)裝置是由日本Suruga Seiki Co.LTD公司生產(chǎn)的。蜂窩式氣墊隔振平臺也是由日本Suruga Seiki Co.LTD公司生產(chǎn)，隔振精度為垂直方向1.1Hz，水平方向0.8Hz。
圖3為生物組織夾持裝置的主視圖8和俯視圖9，前后面板的中部分別是20mm×20mm的矩形透聲窗，避免對聲場產(chǎn)生影響。
圖4可見流動控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由注射器10，外延管11，纖維管12和支架13構(gòu)成。其中纖維管為400-008(Spectrum Labs，US)，其內(nèi)徑為200um、壁厚為8um。外延管選用900-0300(ID0.38mm，OD1.09mm)，套在400-008兩端，露出中間約10cm長度，并且兩端連接部分固定。套好的微管裝在一個特制的U形或丫形支架上。支架后部的桿與三維調(diào)節(jié)裝置相連接。
以下是發(fā)明人給出的實施例，但并不局限于這些實施例。
實施例1用超高速攝影系統(tǒng)觀察超聲場中微泡群的行為1)參考圖1，調(diào)整水槽的位置，使感興趣區(qū)域位于高速攝影機(jī)的視野內(nèi)。
2)采用非除氣水作為聲介質(zhì)，觀察包膜微泡時需要在水中注入包膜微泡(例如聲諾維)。對超聲場中組織附近微泡群行為分析還需要將生物組織固定在夾持裝置中(參考圖3)，并將此夾持裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)其在聲場中的位置。對超聲場中微管內(nèi)微泡群行為分，則需要將均勻的含有包膜微泡的溶液通過流動控制裝置注入纖維管中。
3)超高速攝影系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置為曝光時間10μs，幀間時間200μs，拍攝的7幅分幀圖像覆蓋的時間段長度為1.2ms。調(diào)節(jié)功率放大器使得輸出給高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的功率為100W。
4)雙通道任意波形發(fā)生器的通道1產(chǎn)生脈沖信號，用于觸發(fā)超高速攝影系統(tǒng)，通道2產(chǎn)生頻率為1.2MHz的正弦信號，輸出給功率放大器。初始時刻兩信號同步發(fā)射，通道1延遲為0μs?？梢圆杉礁邚?qiáng)度聚焦超聲場中超聲開始作用0～1.2ms內(nèi)微泡行為的顯微高速圖像序列。
5)將任意波形發(fā)生器通道1的信號延遲1.2ms，再次觸發(fā)，可以獲得超聲作用1.2ms到2.4ms內(nèi)微泡行為的顯微超高速圖像序列。再增加延遲時間，可以獲得下一個1.2ms內(nèi)的結(jié)果，如此循環(huán)，可以獲得需要時間長度內(nèi)的所有的圖像序列。圖5就是用這種方法拍攝的整個聲場中的空化微泡群的分布隨時間變化的序列。圖6是拍攝的組織界面處空化微泡群分布的圖像序列。
6)在具體實施中，可以根據(jù)實際需要改變曝光時間，幀間時間等參數(shù)。例如，要分析一個周期內(nèi)微泡群的空間時間特性，那么參數(shù)的選擇可以為曝光時間10ns，幀間時間90ns，等效幀頻10MHz。
7)研究不同條件對微泡群特性的影響改變功率放大器的輸出功率、水的除氣程度、包膜微泡的濃度等，結(jié)合(3)、(4)、(5)三步，采集不同條件下微泡行為的高速攝影圖像序列。
觀察單個微泡的行為時，只需要將實驗系統(tǒng)換為顯微高速攝影系統(tǒng)，然后按照步驟(2)～步驟(7)進(jìn)行操作。
實施例2調(diào)頻調(diào)幅相結(jié)合控制微泡群的產(chǎn)生和破裂超聲換能器使用高強(qiáng)度聚焦超聲換能器。改變圖1中雙通道任意波形發(fā)生器通道2的輸出信號，由單頻的正弦信號變?yōu)檎{(diào)頻調(diào)幅相結(jié)合的正弦信號，如圖7所示。在圖中的信號序列中，首先用高幅單頻正弦信號在目標(biāo)介質(zhì)中產(chǎn)生僅位于高強(qiáng)度聚焦超聲場焦域內(nèi)的空化微泡群，接著用低幅的調(diào)頻正弦信號使空化微泡破裂，從而達(dá)到控制空化的目的。具體步驟如下1)采用實施例1中的方法，確定在焦域產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群時超聲信號的功率和穩(wěn)定微泡群存在的時間長度。
2)按照(1)中確定的超聲信號的幅度和時間先產(chǎn)生空化微泡，再采用低幅度調(diào)頻信號(調(diào)頻范圍840KHz～1.56MHz)使之破裂，記錄使產(chǎn)生的空化微泡破裂所需要的時間，進(jìn)而得到使空化微泡破裂所需的低幅度調(diào)頻信號的幅度和作用時間。
3)結(jié)合(1)和(2)確定調(diào)幅和調(diào)頻信號的參數(shù)，得到圖7所示的調(diào)頻與調(diào)幅相結(jié)合的正弦波用于控制微泡群的產(chǎn)生和破裂。
實施例3基于顯微高速攝影圖像序列的單個微泡應(yīng)變估計采用實施例1介紹的方法，獲得顯微高速攝影圖像序列，取出其中的兩幀(參考圖8)對其進(jìn)行預(yù)處理，包括直方圖均衡、邊緣提取，可以得到圖9所示的結(jié)果。對圖9中的結(jié)果進(jìn)行橢圓擬和得到相應(yīng)的質(zhì)心位置，并使用基于遺傳算法的相關(guān)反饋算法處理，可以得到微泡的質(zhì)心位移，以及相應(yīng)的微泡運動光流圖(圖10(b))以及應(yīng)變估計灰度圖(圖10(c))。
權(quán)利要求
1.一種基于超高速攝影技術(shù)的超聲場中微泡群行為分析系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由聲學(xué)子系統(tǒng)和光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成；所述的聲學(xué)子系統(tǒng)包括雙通道任意波形發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器和三維調(diào)節(jié)裝置；雙通道任意波形發(fā)生器的一個通道與功率放大器相連接，用于給置于玻璃水槽中的超聲換能器提供激勵信號，雙通道任意波形發(fā)生器的另一個通道和光學(xué)子系統(tǒng)中的超高速攝影機(jī)相連，作為光學(xué)子系統(tǒng)中的高速攝影機(jī)的觸發(fā)信號；通過調(diào)整這兩個通道信號的延時，能夠控制聲場發(fā)射與拍攝的相對時間間隔，進(jìn)而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的時序控制；三維調(diào)節(jié)裝置，用于控制放入聲場內(nèi)的組織夾持裝置/流動控制裝置觀察目標(biāo)的位置；光學(xué)子系統(tǒng)由超高速攝影機(jī)、光源控制器、閃光光源組成；超高速攝影機(jī)通過光源控制器與閃光光源連接，閃光光源置于玻璃水槽的上方，將超聲場觀察區(qū)域置于超高速攝影機(jī)視野內(nèi)；其中超高速攝影機(jī)，其鏡頭為普通照相機(jī)鏡頭，用于提供超聲場中微泡的圖像，該超高速攝影機(jī)能夠提供7幅分幀圖像和1幅條紋圖像，條紋成像通道能夠提供隨時間/空間變化的圖像序列；圖像采集最大幀頻為108f/s，且圖像之間的時間間隔在允許范圍內(nèi)任意可調(diào)；超高速攝影機(jī)和PC機(jī)相連，PC機(jī)內(nèi)有支持超高速攝影機(jī)的控制軟件，用于完成圖像采集與控制、圖像處理和分析。
2.一種基于超高速攝影技術(shù)的超聲場中單個微泡行為分析系統(tǒng)，其特征在于，在權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)上，采用以下措施即可構(gòu)成觀察單個微泡在超聲場中行為的顯微超高速攝影系統(tǒng)(1)用長工作距離顯微鏡頭代替普通照相機(jī)鏡頭，將觀察的視野縮小為2mm左右，空間分辨率提高至1μm；(2)在閃光光源前面放置凸透鏡，且閃光光源的光纖位于凸透鏡的焦點處，由此得到平行光；(3)調(diào)節(jié)長工作距離顯微鏡和光纖的高度和位置，使它們位于同一光軸上；(4)調(diào)解超聲換能器的位置使觀察區(qū)域位于長工作距離顯微鏡的視野內(nèi)。
3.一種觀察并記錄在超聲作用下自由場中微泡行為的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，其操作步驟如下(1)將水注入水槽中，當(dāng)觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻；(2)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度，觀察不同含氣量下超聲場中微泡的行為；(3)改變雙通道任意波形發(fā)生器的兩個通道發(fā)射信號之間的時間間隔，拍攝不同時刻微泡的瞬態(tài)行為；(4)改變功率放大器輸出功率，獲得不同功率下的自由場中微泡的行為記錄；(5)改變高速攝影機(jī)的曝光時間、幀間間隔，獲得不同時間分辨率的超高速圖像序列。
4.一種觀察并記錄在超聲作用下組織界面附近微泡行為的方法，采用權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，其操作步驟如下(1)將水注入水槽中，觀察空化微泡時水槽中不放任何樣本；觀察包膜微泡時需要將包膜微泡通過注射器注入水槽中，并靜置一段時間待其分布均勻；(2)將生物組織固定在生物組織夾持裝置中，并將此夾持裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制組織樣本在超聲場中的相對位置；(3)改變水的除氣程度以及包膜微泡的濃度、改變組織在聲場中的位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔，拍攝不同條件下組織界面處微泡的行為。
5.一種觀察并記錄在超聲作用下微管內(nèi)微泡行為的方法，采用權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，分析微泡群或單個微泡的行為，所述的微管為透光透聲的纖維管，用于模擬血管的作用，其操作步驟如下(1)將流動控制裝置固定于三維調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，精確控制纖維管在超聲場中的相對位置；(2)將均勻的含有包膜微泡的溶液通過流動控制裝置注入纖維管中，流動控制裝置由注射器-外延管-纖維管-外延管連接構(gòu)成，外延管選擇內(nèi)徑與纖維管外徑良好吻合的塑料軟管，待溶液填充滿纖維管，停止注入，靜置直到液體靜止；(3)改變注射泵的流動速度、微泡的稀釋比例、纖維管與高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的相對位置、雙通道任意波形發(fā)生器兩個通道發(fā)出信號的起始時刻的時間間隔、功率放大器發(fā)射功率、超高速攝影機(jī)的曝光時間和幀間間隔、以及纖維管位于聲場中的位置，拍攝不同條件下微管中微泡行為的高速攝影圖像序列。
6.一種將調(diào)頻信號和調(diào)幅信號相結(jié)合來控制微泡群產(chǎn)生和破裂的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，在觀察高強(qiáng)度聚焦超聲自由場中微泡群的實驗中，觀察到高功率超聲作用后，微泡群首先出現(xiàn)在焦域，并且在一段時間內(nèi)穩(wěn)定的分布于焦域，因此通過控制超聲作用時間，使用高幅度的超聲信號在超聲焦域首先產(chǎn)生穩(wěn)定的微泡群，在微泡群產(chǎn)生后，使用低幅的調(diào)頻信號來破壞微泡群，進(jìn)而實現(xiàn)控制微泡群、利用微泡破裂過程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)；其操作步驟如下(1)采用自由場中觀察微泡群的方法確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場中產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群時超聲換能器輸入功率的大小，以及穩(wěn)定微泡群存在的時間，進(jìn)而確定在高強(qiáng)度聚焦超聲場焦域產(chǎn)生穩(wěn)定微泡群對應(yīng)的超聲信號的幅度和作用時間；(2)按照(1)中確定的超聲信號的幅度和持續(xù)時間產(chǎn)生微泡群，然后采用低幅度調(diào)頻信號使之破裂。用超高速攝影系統(tǒng)記錄微泡群破裂所需要的時間，進(jìn)而得到低幅度調(diào)頻信號使微泡群破裂對應(yīng)的超聲信號的幅度和持續(xù)時間；(3)結(jié)合上述步驟(1)和步驟(2)確定調(diào)幅和調(diào)頻信號的參數(shù)，對微泡群的產(chǎn)生和破裂進(jìn)行控制。
7.一種微泡應(yīng)變估計的方法，其特征在于，該方法首先對微泡顯微超高速圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，包括直方圖均衡、微泡邊緣提取、質(zhì)心計算。其中，質(zhì)心計算是由于微泡在超聲場中的運動不僅包括形變，還分別有向x和y方向的平移運動，按照圓周擬合和橢圓擬合兩種情況計算微泡半徑與質(zhì)心坐標(biāo)；進(jìn)行以上預(yù)處理以后，采用基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法，對處理后的圖像序列進(jìn)行運動估計，其步驟如下首先采用基于遺傳算法的非剛性體光流運動估計算法進(jìn)行初始光流場迭代與運動參數(shù)的全局優(yōu)化估計，得到初始光流場；具體實現(xiàn)方法是令P(xP，yP)為非剛性體上一點， 是其速度矢量， 是點P鄰域內(nèi)任意一點，速度為u(u，v)，根據(jù)非剛性體的亥姆霍茲理論和Horn與Schunck的光流約束方程▿f·u→P+▿f·M(x→-x→P)=-ft---(1)]]>式中，表示兩維的空間梯度，ft是圖像亮度的時間梯度，式(1)可看作是輸入為 和M，輸出為-ft的線性系統(tǒng)，如果已知非剛性體上運動微元內(nèi)的亮度分布，即可計算每一點的時空亮度梯度，進(jìn)而估計該過約束系統(tǒng)中的未知輸入變量，獲得微元運動參數(shù)；將非剛性體運動等效為若干共同運動的有限微元的總和，假設(shè)圖像中大小為N×N的微元內(nèi)運動是一致的，對于圖像上一點P，其N×N鄰域內(nèi)每一點均符合式(1)，構(gòu)成包含六個未知變量、N×N個等式的線性系統(tǒng)，根據(jù)最小二乘法，希望下式最小ϵ2=Σi=1N×N[▿fi·u→P+▿fi·M(x→i-x→P)+fti]2→min---(2)]]>其中，上標(biāo)i表示點P的N×N鄰域內(nèi)第i點，利用遺傳算法解此優(yōu)化問題，即可獲得對 和M的估計；基于遺傳算法的相關(guān)反饋方法的第二步，是采用經(jīng)典的相關(guān)反饋算法進(jìn)行相關(guān)反饋迭代，計算包膜微泡運動位移矢量場，即可得到微泡形變運動矢量光流圖，以及根據(jù)光流圖得到的應(yīng)變估計圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超高速攝影技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)超聲場(包括醫(yī)學(xué)診斷、控制藥物釋放、聲化學(xué)反應(yīng)、加熱治療、超聲碎石以及高強(qiáng)度聚焦超聲場)中微泡(空化微泡和造影微泡)行為分析的系統(tǒng)和方法。具體包括提出了用于觀察超聲場中微泡群的超高速攝影系統(tǒng)以及用于觀察單個微泡的顯微超高速攝影系統(tǒng)；給出了分析微泡在自由場、組織附近、微管內(nèi)行為的方法；并在對微泡群分析的基礎(chǔ)上提出了控制微泡群產(chǎn)生和破裂的方法，在獲得的單個微泡高速攝影圖像的基礎(chǔ)上提出了微泡應(yīng)變估計的方法。
文檔編號G01N29/00GK1847824SQ20061004183
公開日2006年10月18日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者萬明習(xí), 陳紅, 李曉靜, 崔崤峣 申請人:西安交通大學(xué)