专利名称：弹性成像方法和系统及其中的生物组织位移估计方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学信号处理，特别是涉及弾性成像方法和系统及其中的生物组织位移估计方法和系统。
背景技术：
超声成像技术具有无创伤、无电离辐射、价廉、动态实时等优点，已被广泛应用于临床医学领域，成为多种疾病早期诊断的有效手段。生物组织的弹性模量(或硬度)依赖于其分子组成以及相应的微观组织结构，与其生物学特性紧密相关，病变组织和正常组织往往存在弹性模量(或硬度)的差异。以检测生物组织力学特性为目的的超声弾性成像是近年来兴起的超声影像学技术，其基本原理是对组织施加ー个微小的应变(如1%的量级)，对组织应变前后的射频或者包络信号进行散斑跟踪，估计得到组织内部的纵向位移分布，从而得到组织的应变分布，以灰度图或者伪彩图的形式表示，称为弹性图像。该技术在乳腺癌检测、肝硬化分期、动脉粥样硬化斑块、聚焦超声、射频消融等治疗和监控方面具有广阔的应用前景。应变分布显示，即生成弹性图像，是超声成像技术的关键步骤，其准确性至关重要。传统的弾性成像方法是通过计算压缩前、后回波信号互相关函数峰值的偏移量来估计组织的位移，该方法虽然物理概念简单、但是由于超声设备的电子噪声、量化噪声、组织压缩导致回波信号轴向变形等原因，产生信号的解相关性作用，使得位移估计不准确，带来较大的误差，同时，ー些典型的应用对信号处理的实时性提出了要求，而高重叠的互相关处理过程运算量非常大。
发明内容
基于此，提供ー种快速、准确的弹性成像方法和系统及其中的生物组织位移估计方法和系统。一种弹性成像中的生物组织位移估计方法，包括以下步骤采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号；根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间；捜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点；根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标；计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。在其中一个实施例中，所述建立高斯差分信号空间步骤包括对所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号进行采样，提取生物组织预设深度的采样信号；
将采样信号与多个尺度的高斯核函数卷积，构成多尺度信号空间；将相邻的多尺度信号空间信号相减，构成多尺度高斯差分信号空间。在其中一个实施例中，所述搜索高斯差分信号空间的极值点的步骤包括采用遍历式搜索，将高斯差分信号空间每ー层上的每ー个点都与周围的八个点进行比较，所述八个点分别为当前层相邻两个点以及相邻层当前点附近的六个点；若当前点与八个点比较后，为最小或者最大 ，则该点为极值点。在其中一个实施例中，所述根据最小距离准则，对压缩前以及压缩后的初始特征点进行匹配的步骤包括计算压缩前的初始特征点与相邻于该点的五个压缩后的初始特征点的距离，当最小距离小于0. I,最小距离和次小距离的比值小于0. 5,则该点和最小距离对应的点匹配成功。在其中一个实施例中，还涉及一种弹性成像方法，包含上述实施例中的生物组织位移估计方法，所述弹性成像方法还包括根据所述生物组织位移估计值生成应变分布图。在其中一个实施例中，还涉及ー种生物组织位移估计系统，包括采集装置，用于采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号；高斯差分信号空间构建装置，用于根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间；初始特征点获取装置，用于搜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点；最終特征点对获取装置，用于根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标；位移值计算装置，用于计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。在其中一个实施例中，所述高斯差分信号空间构建装置包括采样单元，用于对所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号进行采样，提取生物组织预设深度的采样信号；多尺度信号空间构建単元，用于将采样信号与多个尺度的高斯核函数卷积，构成多尺度信号空间；多尺度高斯差分信号空间构建単元，用于将相邻的多尺度信号空间信号相减，构成多尺度高斯差分信号空间。在其中一个实施例中，所述初始特征点获取装置包括极值点捜索模块，用于采用遍历式捜索，将高斯差分信号空间每ー层上的每ー个点都与周围的八个点进行比较，所述八个点分别为当前层相邻两个点以及相邻层当前点附近的六个点；若当前点与八个点比较后，为最小或者最大，则该点为极值点。在其中一个实施例中，所述最终特征点对获取装置包括初始特征点匹配模块，用于计算压缩前的初始特征点与相邻于该点的五个压缩后的初始特征点的距离，当最小距离小于0. I,最小距离和次小距离的比值小于0. 5，则该点和最小距离对应的点匹配成功。在其中一个实施例中，还涉及一种弹性成像系统，包含上述实施例中的生物组织位移估计系统，所述弹性成像系统还包括应变分布图生成装置，用于根据所述生物组织位移估计值生成应变分布图。上述弾性成像方法和系统及其中的生物组织位移估计方法和系统利用原始射频回波信号构建多尺度高斯差分信号空间，然后从空间中提取一系列特征点，根据多尺度空间的理论，这些点不随射频回波信号位移和尺度改变，因此在组织应变时，与发生畸变的信号相比，提取的特征点具有更强的稳定性，称为应变不变特征点，通过追踪特征点的运动来计算组织的应变分布，较大的提高了处理速度的同时，还能保证处理的精度。
图I为ー实施例的弹性成像方法的流程图；图2为变化相关系数P 23的理论值曲线示意图；图3为ー实施例的建立高斯差分信号空间流程图；图4为超声射频回波信号的多尺度信号空间示意图；图5为ー实施例的捜索高斯差分信号空间的极值点的流程图；图6为ー实施例的捜索高斯差分信号空间的极值点示意图；图7为应变不同的超声射频回波信号中提取的初始特征点位置坐标图；图8为ー实施例的压缩前后初始特征点最小距离匹配的流程图；图9为ー实施例的压缩前后初始特征点最小距离匹配的示意图；图10为ー实施例的仿体实验结果图ー；图11为ー实施例的仿体实验结果图ニ ；图12为ー实施例的弹性成像系统的结构示意图；图13为ー实施例的高斯差分信号空间构建装置的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，一种弹性成像方法，包括以下步骤S110、采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号；S120、根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间；S130、捜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点；S140、根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标；S150、计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。S160、根据所述生物组织位移估计值生成应变分布图。上述的最終特征点为压缩不变的特征点，本实施例通过追踪压缩不变特征点，以快速、准确地测量生物组织的纵向位移，从而计算生物组织的应变分布，得到应变分布图，即弹性图像。其依据的基本原理是对于ー维的超声射频回波信号，在只考虑压缩组织沿波束方向的位移，且应变很小(〈10%)的情况下，压缩后回波信号模型可近似表示成压缩前回波信号的尺度变化模型，压缩不变特征点的提取问题则简化成寻找尺度不变的特征点，通过跟踪压缩前、后特征点对的运动变化，计算组织的位移。可以理解的是，上述步骤S160也可以省略棹，从而保护ー种生物组织位移估计方法。上述基本原理证明如下设压缩前的一维超声射频回波信号T1 (x)表示为n (JC) = S(X) 0 p(x) + nI (x)( I )式(I)中，X表示超声探察的深度，与接收超声射频回波信号的时间t满足X =tc/2, c为人体内的声速；ni(x)表示均值为0，且与信号不相干的高斯白噪声；s(x)为组织散射函数(scattering function),在频域可以表示为高斯平稳过程 EiS2(kx)St(k2)] = SSik1 -k2)(2 )式(2)中，5为单位冲激函数；S表示该随机过程的平均能量值，p(X)为散射子分布函数(Point Spread Function, PSF),在频域通常表示为
权利要求
1.一种弹性成像中的生物组织位移估计方法，其特征在于，包括以下步骤 采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号； 根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间； 搜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点； 根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标； 计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。
2.根据权利要求I所述的生物组织位移估计方法，其特征在于，所述建立高斯差分信号空间步骤包括 对所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号进行采样，提取生物组织预设深度的采样信号; 将采样信号与多个尺度的高斯核函数卷积，构成多尺度信号空间； 将相邻的多尺度信号空间信号相减，构成多尺度高斯差分信号空间。
3.根据权利要求I或2所述的生物组织位移估计方法，其特征在于，所述搜索高斯差分信号空间的极值点的步骤包括 采用遍历式搜索，将高斯差分信号空间每一层上的每一个点都与周围的八个点进行比较，所述八个点分别为当前层相邻两个点以及相邻层当前点附近的六个点； 若当前点与八个点比较后，为最小或者最大，则该点为极值点。
4.根据权利要求3所述的生物组织位移估计方法，其特征在于，所述根据最小距离准贝U，对压缩前以及压缩后的初始特征点进行匹配的步骤包括 计算压缩前的初始特征点与相邻于该点的五个压缩后的初始特征点的距离，当最小距离小于O. I,最小距离和次小距离的比值小于O. 5，则该点和最小距离对应的点匹配成功。
5.一种弹性成像方法，其特征在于，包含权利要求I至4中任一项所述的生物组织位移估计方法，所述弹性成像方法还包括 根据所述生物组织位移估计值生成应变分布图。
6.一种生物组织位移估计系统，其特征在于，包括 采集装置，用于采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号； 高斯差分信号空间构建装置，用于根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间； 初始特征点获取装置，用于搜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点； 最终特征点对获取装置，用于根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标； 位移值计算装置，用于计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。
7.根据权利要求6所述的生物组织位移估计系统，其特征在于，所述高斯差分信号空间构建装直包括 采样单元，用于对所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号进行采样，提取生物组织预设深度的采样信号； 多尺度信号空间构建单元，用于将采样信号与多个尺度的高斯核函数卷积，构成多尺度信号空间； 多尺度高斯差分信号空间构建单元，用于将相邻的多尺度信号空间信号相减，构成多尺度高斯差分信号空间。
8.根据权利要求6所述的生物组织位移估计系统，其特征在于，所述初始特征点获取装置包括极值点搜索模块，用于采用遍历式搜索，将高斯差分信号空间每一层上的每一个点都与周围的八个点进行比较，所述八个点分别为当前层相邻两个点以及相邻层当前点附近的六个点；若当前点与八个点比较后，为最小或者最大，则该点为极值点。
9.根据权利要求6所述的生物组织位移估计系统，其特征在于，所述最终特征点对获取装置包括初始特征点匹配模块，用于计算压缩前的初始特征点与相邻于该点的五个压缩后的初始特征点的距离，当最小距离小于O. 1，最小距离和次小距离的比值小于O. 5，则该点和最小距离对应的点匹配成功。
10.一种弹性成像系统，其特征在于，包含权利要求6至9中任一项所述的生物组织位移估计系统，所述弹性成像系统还包括应变分布图生成装置，用于根据所述生物组织位移估计值生成应变分布图。
全文摘要
弹性成像方法和系统及其中的生物组织位移估计方法和系统。一种弹性成像中的生物组织位移估计方法，包括以下步骤采集生物组织在压缩前和压缩后的超声波射频回波信号；根据所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号，建立高斯差分信号空间；搜索所述高斯差分信号空间的极值点，根据极值点的坐标，从所述压缩前和压缩后的超声波射频回波信号中提取与所述极值点的坐标对应的初始特征点，得到压缩前的初始特征点以及压缩后的初始特征点；根据最小距离准则，将所述压缩前的初始特征点与所述压缩后的初始特征点进行匹配，将匹配成功的点对作为最终特征点对，并记录所述最终特征点对的坐标；计算所述最终特征点对的坐标变化均值为生物组织位移估计值。上述方法较大的提高了处理速度的同时，还能保证处理的精度。
文档编号A61B8/08GK102764141SQ201210253338
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者孟龙, 沈洋, 肖杨, 郑海荣 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院