高强度聚焦超声作为一种非侵入性方法广泛用于超声诊断和治疗。由于高强度聚焦超声声能高且集中,空化效应和热效应是其治疗的重要机制。近年来,高强度聚焦脉冲超声被越来越多地用于诸如冲击波治疗,药物传递和疼痛治疗。尽管利用空化可以得到令人印象深刻的治疗效果,但也有不少案例表明它可能同时引起组织损伤。并且在聚焦超声到达目标区域之前,传播路径上的气泡将散射和吸收大部分声能。因此,研究高强度聚焦脉冲超声激励的空化对其治疗至关重要。伴随空化气泡破裂产生的残留子气泡同样起着重要作用。这些残留的子气泡可以持续到下一个脉冲(几秒钟)。一方面,这些气泡会衰减下一脉冲的声能,并延迟脉冲到达目标区域的时间,从而削弱治疗效果。另一方面,残留子气泡也可作为空化核被后续脉冲激励,可能增强治疗效果或导致进一步组织损伤。如何有效利用超声空化效应同时避免其引起的损伤已经成为超声治疗领域亟待解决的问题。而监测空化过程为进一步探索提供了技术支持。本文着重研究基于信号处理监控空化事件。提出了通过计算累积宽频带空化噪声——空化剂量定量和监测空化强度。进一步研究了驱动功率、含气量、温度等参数对空化活动的影响。此外,通过体外实验探讨了监测和预测高强度聚焦脉冲超声作用下的空化活动。使用被动空化检测系统测量了不同物理参数(负压和脉冲长度等)下各种超声造影剂溶液的瞬态空化阈值和瞬态空化剂量。基于支持向量机,提出探测高强度聚焦脉冲超声作用期间空化事件的识别模型,以及预测空化剂量的回归模型。实验结果表明,结合被动空化检测系统与支持向量机框架可以帮助识别空化事件,具有节约判定空化事件的时间和提高判定准确度的优势。而预测空化剂量的回归模型可以通过在低功率超声作用下进行几组实验,较准确地预测高功率下的空化剂量。这对帮助制定超声治疗方案有重要意义。空化阈值和空化剂量的监测和预测将有助于控制和优化超声治疗期间的空化活动。在此基础上,本论文还研究了监测残留子气泡的动力学行为。利用B超成像技术对冲击波治疗(包括体外冲击波碎石术和体外冲击波治疗)过程中空化气泡的溶解过程进行实时监测和分析。并基于气泡溶解方程和高斯气泡分布,对其测得的散射截面进行数值模拟。结果表明,B超成像技术是监测冲击波脉冲停止后空化泡溶解时间演化过程的有效工具。这项技术对评估和控制冲击波治疗期间残留子气泡的空化活动有非常重要意义。并且通过适当地模拟实验数据可以估计气泡性质,例如气泡尺寸分布和气体扩散特性。这项工作提供了一种实现最佳的冲击波治疗的可能方法:通过调节两个冲击波脉冲之间残留子气泡的溶解过程,使得组织损伤最小化同时不减弱治疗效果。此外,还对超声诊断中异常信号检测进行了探索性研究。超声诊断是临床医学上最常用的一种非侵入诊断手段,具有分辨力、安全性高,费用低等优点。但是由于病变的多样性和复杂性以及医生的临床经验和专业知识限制,B超诊断在区分病变性质方面仍需改进。本文利用B超检查获取的原始RF数据,提出基于统计分析检测异常信号、判定生物组织异常的方法——P值法。该方法比较了一帧原始RF数据中感兴趣区与周围正常部分的的回声分布差异,估算相对P值描述组织异常。同时,尝试了分形分析,从相应的B超图提取反映自身纹理性质的分形维数。进一步将这种两方法用于甲状腺结节性质判定。实验结果表明相对P值与分形维数都可以较好的区分甲状腺结节,可用于辅助超声诊断。本文的工作为控制和优化超声空化的应用奠定了理论基础,为检测和识别生物组织异常提供了新的技术手段。