剪切波弹性成像方法及系统与流程

本发明涉及利用超声波成像技术领域，尤其涉及一种剪切波弹性成像方法及系统。

背景技术：

二维剪切波弹性成像技术主要是通过测量剪切波在组织中的传播速度，然后直接将剪切波速度以特定的颜色表，对应的将不同的速度值映射成不同颜色显示到图像上；或者根据公式，结合组织密度等其他参数，将剪切波速度换算为杨氏模量，然后通过特定的颜色表，对应的不同的杨氏模量值映射为不同颜色显示到图像上。医生或者操作人员能够直观的根据图像颜色判断出感兴趣区域组织的硬度信息，进而确定异常区域。

但是剪切波速度以及根据剪切波速度计算出来的杨氏模量只是剪切波传播过程中所能够反映组织信息的一部分，只反映出了组织的硬度信息剪切波检测的可靠性低。

技术实现要素：

为了更好地开发剪切波在组织检测领域的用途，本发明的目的是提供一种剪切波弹性成像方法及系统，该方法及系统可反映出剪切波的速度和衰减信息，有利于提高剪切波检测的可靠性和全面性。

本发明所采用的技术方案是：

一种剪切波弹性成像方法，包括步骤：

s1，利用声辐射力在预设位置激励产生剪切波；

s2，在剪切波传播路径上多次发射超声检测波束检测剪切波，以获取剪切波检测数据；

s3，解析剪切波检测数据以获取剪切波的速度信息和衰减信息；

s4，利用预设的图像映射算法处理剪切波速度信息和衰减信息，输出对应的图像信息。

优选的，所述步骤s3具体为：利用剪切波检测数据生成剪切波波形数据，根据相邻的剪切波检测扫描线的剪切波波形数据计算剪切波的速度信息和衰减信息，所述衰减信息包括剪切波幅度衰减信息和/或剪切波频率衰减信息和/或剪切波时域波形变化信息。

优选的，所述步骤s3包括获取剪切波速度信息子步骤：根据相邻的剪切波检测扫描线位置的剪切波传播到达时间，计算该位置的剪切波速度信息。

优选的，所述步骤s3包括获取剪切波幅度衰减信息子步骤：确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波幅度衰减信息。

优选的，所述步骤s3包括获取剪切波频率衰减信息子步骤：利用傅里叶变换处理剪切波波形数据，确定傅里叶变换后的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波频率衰减信息。

优选的，所述步骤s2包括获取剪切波时域波形变化信息子步骤：确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平方的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平方的平均值以获取剪切波时域波形变化信息。

优选的，所述步骤s1具体为：在剪切波弹性成像的感兴趣区域内，在预设位置利用声辐射力激励产生剪切波，根据感兴趣区域的大小和单次激励所产生的剪切波的传播距离来确定超声声辐射力激励的次数。

优选的，所述步骤s2具体为：在剪切波传播路径上多次发射超声检测波束检测剪切波，以获取回波信号，利用波束合成算法处理回波信号以生成多个剪切波检测扫描线，并在每个剪切波检测扫描线上生成多个时刻的剪切波检测数据。

一种剪切波弹性成像系统，包括：剪切波激励模块，用于利用声辐射力在预设位置激励产生剪切波；检测模块，用于在剪切波传播路径上发射超声检测波束检测剪切波，以获取剪切波检测数据；计算模块，用于解析剪切波检测数据以获取剪切波的速度信息和衰减信息；图像处理模块，用于利用预设的图像映射算法处理剪切波速度信息和衰减信息，输出对应的图像信息。

优选的，所述衰减信息包括剪切波幅度衰减信息和/或剪切波频率衰减信息和/或剪切波时域波形变化信息，所述计算模块具体包括：剪切波速度信息计算子模块，用于根据相邻的剪切波检测扫描线位置的剪切波传播到达时间，计算该位置的剪切波速度信息；剪切波幅度衰减信息子模块，用于确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波幅度衰减信息；剪切波频率衰减信息子模块，用于确定傅里叶变换后的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波频率衰减信息；剪切波时域波形变化信息子模块，用于确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平方的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平方的平均值以获取剪切波时域波形变化信息。

本发明的有益效果是：

本发明通过测量剪切波传播过程中的速度信息和衰减信息，并将其显示，克服了现有技术中存在的剪切波弹性成像系统测量对象单一，导致组织信息反映不全面的技术问题，实现了一种可反映出剪切波的速度和衰减信息的剪切波弹性成像方法及系统，进而有利于提高剪切波检测的可靠性和全面性。

另外，本发明对于剪切波速度信息和剪切波衰减信息的计算都采用的是通过对波束合成后的剪切波检测数据进行自相关、互相关等算法得到的剪切波的轴向速度或轴向位移数据，因此可以很方便地实施在系统中。

本发明可广泛应用于各种剪切波弹性成像系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明剪切波弹性成像方法一个实施例的流程示意图；

图2是本发明剪切波弹性成像方法另一种实施例的流程示意图；

图3是本发明剪切波弹性成像方法一个实施例的原理示意图；

图4是本发明剪切波弹性成像方法一个实施例的时域波形示意图；

图5是本发明剪切波弹性成像方法一个实施例的频域波形示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

生物组织学的研究表明：粘弹性是反映人体组织力学信息的最佳指标。也就是说，除了弹性之外，粘性也需要考虑在内，仅靠单一剪切波速度信息是不足以整体评估组织的力学属性。同时，人体中的大部分组织又具有各向异性和动态性，如肌肉、肝脏等。因此需要其他参数来评估组织的力学属性。剪切波在传播的过程中，幅值、频率和波形会产生变化，通过这些变化可以用来衡量剪切波速度估计的可靠性和准确性，以及作为一种辅助的方法来评估组织的力学属性。

基于上述原理，本发明的基本构思为：提供一种剪切波弹性成像的方法及系统，将剪切波的速度信息和衰减信息通过特定的图像映射算法，映射成不同的颜色或者灰度，显示到显示介质或者装置上来。利用该方法及系统不仅能够将组织的剪切波速度信息，即组织的剪切波速度或杨氏模量显示出来,而且能够将组织的剪切波传播的衰减信息显示出来。实现步骤如图1所示，包括步骤：

s1，利用声辐射力在预设位置激励产生剪切波；

s2，在剪切波传播路径上多次发射超声检测波束检测剪切波，以获取剪切波检测数据；

s3，解析剪切波检测数据以获取剪切波的速度信息和衰减信息；

s4，利用预设的图像映射算法处理剪切波速度信息和衰减信息，输出对应的图像信息。

需要说明的是，本发明提出的一种剪切波弹性成像方法及系统适用于剪切波检测的单角度或多角度平面波成像，也适用于大多具有多波束合成能力的超声成像系统上。

具体的，如图2-4所示，本实施例中，剪切波弹性成像方法包括以下步骤：

a1、在剪切波弹性成像的感兴趣区域(roi框,regionofinterest)内，在特定的预设位置利用声辐射力激励产生剪切波。

如图2所示，本实施根据轴向位移或轴向速度数据来计算剪切波信息矩阵。所述剪切波信息矩阵包括剪切波速度或杨氏模量，以及剪切波幅度衰减、剪切波频率衰减和剪切波时域波形变化等。

具体的，可依据roi框的大小和单次激励所产生的剪切波的大致传播距离来确定超声声辐射力激励的次数。若roi区域的长度和宽度是单次激励所产生的剪切波的大致传播距离的两倍，那么就至少需要四次激励才能让剪切波充满整个roi框。其中，产生声辐射力的方法是发射高能量(一般为几百微秒)的超声脉冲，然后发射跟踪脉冲去检测产生的剪切波。发射和检测可以实现在同一个探头上，也可利用不同的探头来分别实现。

a2、在剪切波传播的路径上，多次发射超声检测波束检测剪切波，对回波信号使用波束合成算法生成剪切波检测扫描线，并在每个剪切波检测扫描线上生成多个时刻的剪切波检测数据。

具体的，可在剪切波传播的路径上，重复多次发射覆盖范围较大的超声检测波束，这一类超声波束可以是非聚集平面波超声波束(单角度或多角度)，也可以是聚焦超声波束。其中，波束合成大致可以分为软件波束合成(超快速成像技术)和硬件波束合成(多波束合成技术)。软件波束合成可以实现单次发射即可重建所有通道的数据，而硬件波束合成单次发射只能形成几条扫描线。利用多波束合成技术，得到单次发射的剪切波检测超声脉冲波束的回波信息，重建多条(通常为4-8条)扫描线的数据。检测剪切波的超声脉冲波束发射次数和重复频率都需要根据roi框的长度宽度和剪切波速度值而定。例如：roi框的长度或宽度越大，则发射次数越多；剪切波速度值越大，则相应的检测脉冲的重复频率和发射次数就要相应的提高。如图3所示，其中，超声换能器5产生声辐射力激励超声脉冲波束1，声辐射力激励超声脉冲波束1聚焦在预设的焦点2，从而在roi框6内产生剪切波，4为剪切波的传播波前，超声换能器5产生用于检测剪切波的超声脉冲波束3，对超声脉冲波束3的回波信号使用波束合成算法生成4条剪切波检测扫描线a、b、c和d。重复多次发射检测剪切波的超声脉冲波束，形成在每一条扫描线上任一点的时间序列数据。

a3、利用剪切波检测扫描线上的剪切波检测数据，计算得到每个剪切波检测扫描线上的剪切波波形数据。

计算由剪切波传播所引起的组织轴向位移或轴向速度，是根据该被检测点与在同一位置、不同时刻所形成的扫描线上的时间序列数据计算而来。这种轴向位移或轴向速度计算可以是相对于超声声辐射力激励前预先储存的扫描线数据，利用自相关或互相关算法计算得到；也可以是同一位置、不同时刻的扫描线数据进行自相关或互相关算法计算得到。轴向速度和轴向位移之间可以通过关系式相互转换：轴向速度是轴向位移在时间维度上的微分，轴向位移是轴向速度在时间维度上的积分。对每个扫描线位置的多次回波计算的轴向位移或轴向速度数据按照时间顺序组合起来，形成该位置的剪切波时间波形。如图4所示，图4中7为图2中扫描线a处的剪切波时间波形，图4中8为图3中扫描线b处的剪切波时间波形，图4中9为图3中扫描线c处的剪切波时间波形，图4中10为图3中扫描线d处的剪切波时间波形。

a4、根据每个剪切波检测扫描线上的剪切波波形数据，计算得到每一条剪切波检测扫描线位置的剪切波传播到达时间。其中，确定剪切波传播到达时间的方法有许多种，最常用的是根据轴向速度数据或轴向位移数据的峰值点所对应的时间，其即为剪切波到达该位置的到达时间。

a5、根据相邻近的几个剪切波检测扫描线位置的剪切波传播到达时间，计算该位置的剪切波速度。

a6、根据相邻近的几个剪切波检测扫描线位置的剪切波波形数据，计算剪切波的衰减信息，这里的衰减信息包括剪切波幅度衰减、剪切波频率衰减以及剪切波时域波形变化等信息。

超声声辐射力激励组织产生剪切波，剪切波随着传播距离的增加，其信号的幅值和频率以及波形会产生变化，因此，可以通过评估这些变化来补充现有大部分机器只显示剪切波速度这一单一参数的情况。

具体的，以图4为例，对于剪切波幅度衰减而言，先确定轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，然后找到最接近于峰值的-3db(峰值的倍)或-6db(峰值的1/2倍)的截止位置，取所有大于或等于截止位置的平均值。其中,图3中的11、12、13和14分别是7、8、9和10的截止位置。以图4中的7为例，计算过程如下：

num＝length(ampa≥cutoffa)(公式1)

其中，cutoffa是截止位置，ampa表示图4中7的幅值，num表示图4中7的幅值大于截止位置的点数(使用length长度函数计算得到)，meanampa表示对于所有大于截止位置的幅值的平均值(使用mean均值函数计算得到)。同理，可以得到图4中的8、9和10的幅值平均值。因此，通过将相邻剪切波扫描线的计算结果进行微分操作，以此来评估幅值的变化率。计算过程如下：

meanampdiff(i)＝meanamp(i)-meanamp(i+1)(公式3)

其中，i表示横向方向上的剪切波检测扫描线数，meanamp(i)和meanamp(i+1)分别表示某一深度下相邻位置的幅值平均值，meanampdiff(i)表示该深度下相邻位置的幅值平均值的微分结果，以此来评估幅值变化率。

而对于剪切波频率衰减，我们也可以用类似的方法来评估。如图5所示，其中15、16、17和18分别是图4中7、8、9和10的傅里叶变换的结果。通过傅里叶变换，可以提取出信号的频率成分。首先确定轴向位移数据或轴向速度数据傅里叶变换结果的峰值，然后找到最接近于峰值的-3db(峰值的倍)或-6db(峰值的1/2倍)的截止位置，取所有大于或等于截止位置的平均值。其中图5中的19、20、21和22分别是15、16、17和18的截止位置。以图5中的15为例，计算过程如下所示：

fftampa＝abs(fft(ampa))(公式4)

fftnum＝length(fftampa≥fftcutoffa)(公式5)

其中，ampa是图4中的7的幅值，fft(ampa)是对ampa求傅里叶变换的结果，fftcutoffa是截止位置，fftampa表示图5中15的幅值(使用abs绝对值函数计算得到)，fftnum表示图5中15的幅值大于或等于截止位置的点数(使用length长度函数计算得到)，fftmeanampa表示对于所有大于或等于截止位置的幅值的平均值(使用mean均值函数计算得到)。同理，可以得到16、17和18的幅值平均值。因此，通过将相邻剪切波扫描线的计算结果进行微分操作，以此来评估剪切波频率的变化率。

而剪切波时域波形变化可以用信号的能量来衡量。假设取某一轴向位置和横向位置上的轴向位移或轴向速度信号，由于时间序列的长度是有限的，也就是说该信号的能量是有限的。信号的能量的物理意义是指信号传递能力的大小。若信号的频率越高，衰减则越迅速，传播距离越小；若信号的频率越低，具有的能量就越大，传播距离则越远。以图4中的7为例，计算过程如下：

其中，ampa是图4中的7的幅值，n是剪切波时域波形的长度。|·|表示对ampa取绝对值，energya表示时间序列长度为n的轴向位移或轴向速度信号的能量。同理，可以得到16、17和18的能量。因此，通过将相邻剪切波扫描线的计算结果进行微分操作，以此来评估信号能量的变化率。

据来计算剪切波的衰减信息，这里的衰减信息包括剪切波幅度衰减、剪切波频率衰减以及剪切波时域波形变化等信息。

a7、重复a2-a6,直到得到能够覆盖整个剪切波弹性成像的roi框内的剪切波速度信息矩阵和剪切波衰减信息矩阵。

具体的，重复a2-a6，即通过分别沿着横向方向和轴向方向进行计算，得到可以覆盖整个剪切波弹性成像的roi框内的剪切波速度、剪切波幅度衰减、剪切波频率衰减以及剪切波时域波形变化等信息矩阵。如图3所示，由于剪切波的传播存在衰减特性，所以剪切波在横向方向上传播一段距离之后会逐渐衰减；而且剪切波不只存在于某一深度，而是具有一定的轴向范围。所以我们计算剪切波速度信息和剪切波衰减信息时，先在同一深度沿着横向方向对不同检测点进行计算；然后再对下一深度(轴向方向)沿着横向方向对不同检测点进行计算，以此类推。从而将roi框的结果全部计算完，得到能够覆盖整个剪切波弹性成像的roi框内的剪切波速度信息矩阵和剪切波衰减信息矩阵。

a8、将a7得到的剪切波速度信息矩阵和剪切波衰减信息矩阵，通过特殊的图像映射算法映射成不同颜色或者不同灰度，显示出来。

其中，图像映射算法可以是利用颜色表或灰度表(颜色表/灰度表记录了颜色/灰度与速度信息和衰减信息的对应关系)实现的直接查表映射算法，也可以是利用其它计算形式(如将速度信息和衰减信息经过特定公式的数值变换后与颜色/灰度编码进行对应匹配)实现的图像映射算法。将二维的剪切波幅值衰减图像显示出来，可以用来侧面反映剪切波速度估计的准确性和可靠性。通过分别沿着横向方向和轴向方向进行计算，以灰度或彩色映射的方法，将剪切波频率衰减图像以二维的形式显示出来。

具体的，可通过特殊的图像映射算法将结果映射成不同灰度或者不同颜色，以二维的形式显示出来。剪切波速度信息矩阵反映了待测组织的弹性信息，而剪切波幅值衰减、剪切波频率衰减和剪切波时域波形变化则侧面反映剪切波速度估计的准确性和可靠性，以及可以作为另一种评估待测组织的方法。

本发明还提供了一种剪切波弹性成像系统，包括：剪切波激励模块，用于利用声辐射力在预设位置激励产生剪切波；检测模块，用于在剪切波传播路径上发射超声检测波束检测剪切波，以获取剪切波检测数据；计算模块，用于解析剪切波检测数据以获取剪切波的速度信息和衰减信息；图像处理模块，用于利用预设的图像映射算法处理剪切波速度信息和衰减信息，输出对应的图像信息。

本实施例中，所述衰减信息包括剪切波幅度衰减信息和/或剪切波频率衰减信息和/或剪切波时域波形变化信息，所述计算模块具体包括：剪切波速度信息计算子模块，用于根据相邻的剪切波检测扫描线位置的剪切波传播到达时间，计算该位置的剪切波速度信息；剪切波幅度衰减信息子模块，用于确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波幅度衰减信息；剪切波频率衰减信息子模块，用于确定傅里叶变换后的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平均值以获取剪切波频率衰减信息；剪切波时域波形变化信息子模块，用于确定剪切波波形数据的轴向位移数据或轴向速度数据的峰值，设置一个幅值截止区域，获取在幅值截止区域内的幅度的平方的平均值，比较相邻的剪切波检测扫描线的幅度的平方的平均值以获取剪切波时域波形变化信息。

本实施例中，一种剪切波弹性成像系统的工作过程与前述一种剪切波弹性成像方法相对应，在此不做赘述。

本发明通过测量剪切波传播过程中的速度信息和衰减信息，并将其显示，克服了现有技术中存在的剪切波弹性成像系统测量对象单一，导致组织信息反映不全面的技术问题，实现了一种可反映出剪切波的速度和衰减信息的剪切波弹性成像方法及系统，进而有利于提高剪切波检测的可靠性和全面性。

另外，本发明对于剪切波速度信息和剪切波衰减信息的计算都采用的是通过对波束合成后的剪切波检测数据进行自相关、互相关等算法得到的剪切波的轴向速度或轴向位移数据，因此可以很方便地实施在系统中。

本发明可广泛应用于各种剪切波弹性成像系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。