综述 | 经颅聚焦超声相位畸变校正算法

文摘   2024-12-23 09:01   广东  
2024.12.19. 上海科技大学研究团队在《iRADIOLOGY》期刊上发表文章 “Systematic review of phase aberration correction algorithms for transcranial focused ultrasound”,本文系统综述了经颅聚焦超声(tFUS)相位畸变校正算法

经颅聚焦超声(tFUS)可用于治疗脑部疾病,但颅骨导致的相位畸变和压力衰减会影响治疗效果,需进行相位校正。
相位校正算法原理:一般包括两步,即声场估计调整发射脉冲

1. 声场估计方法

  • 实验方法

    • 水听器法:被视为 “金标准”,但多靶点治疗时水听器移动困难且有创。

    • 声空化发射法:可避免水听器植入,但存在气泡位置控制和潜在损伤问题。

    • 磁共振引导自适应方法:利用核磁共振成像技术,通过测量超声引起的组织位移来实现相位校正。

  • 模拟方法

    • CT:常用于相位校正,可准确获取颅骨形状和声学参数,但有辐射。
    • MRI:可减少辐射,但获取声学参数较复杂,可通过多种方法从MR图像生成虚拟CT图像,具有潜在应用价值。
    • FDTD 法:精度高但计算成本大,可用于研究tFUS治疗中的波传播问题,已应用于临床研究和新技术评估。

    • k-空间伪谱法:精度高、色散小、计算速度快,适用于大规模3D声学模拟常用于tFUS相位畸变校正研究。
    • 瑞利积分法:基于惠更斯原理,可计算声场,但假设条件限制其在实际tFUS治疗中的应用。

    • 射线追踪法:计算速度快但精度低,可分为直线、折线和曲线射线追踪,已应用于临床tFUS系统,在多种疾病治疗中取得良好效果。

    • 角谱法(ASM):传统ASM适用于均匀介质,混合角谱法和异构角谱法可用于非均匀介质,计算效率和精度有所不同。

    • 混合域方法:用于模拟声学传播,计算速度快,适用于连续波。

2. 发射脉冲调整方法

    • 时间反转法:基于波传播方程的时间反转不变性,可自适应校正相位畸变,适用于宽带脉冲信号,已广泛应用于tFUS治疗。
    • 互相关法:通过计算自相关和互相关系数来确定相位偏移,调整发射脉冲。

    • 直接相位计算法:直接从声场获取相位偏移,调整发射脉冲实现聚焦。

    畸变影响tFUS


    声场测量实验方法的示意图

    tFUS处理中相位像差校正的模拟方法

    不同相位校正方法的论文数量


    文章链接
    https://doi.org/10.1002/ird3.112
    https://onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2Fird3.112&file=ird3112-sup-0001-suppl-data.docx
    Systematic review of phase aberration correction algorithms for transcranial focused ultrasound. 


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