专利名称：一种采用双尺度的生物组织位移估计方法
技术领域：
本发明涉及超声弹性成像技术领域，具体地涉及一种生物组织位移估计方法。
背景技术：
在超声弹性成像中，最关键的问题在于对组织的位移分布进行估计。选择压缩前 信号中的小段数据用来跟踪对应的小段组织的位移，称为跟踪波段，其长度称为尺度。选择 合适的尺度在超声弹性成像的位移估计中非常重要。当对组织施加的压缩量比较小的时 (如小于1 ，所选的尺度越大，包含的信息越多，位移估计的精度越高，对随机噪声的干 扰也越不敏感；当对组织施加的压缩量比较大的时(如1-5% )，由于组织被压缩，组织压缩 前、后形变较大，尺度越大位移估计的精度越低，同时，尺度越大又越不容易受到随机噪声 的干扰；而当尺度较小的时候，组织压缩前、后的形变较小，位移估计的精度越高，然而此时 的位移估计又易受到随机噪声的干扰。弹性成像技术最早由Jonathan Ophir于1991年提出，后在理论和技术上都获得 了飞速发展。由于其可获得独特的组织特征信息，使得其在某些应用场合比如乳腺，对于恶 性肿瘤和良性肿瘤的诊断具有很高的特异性和敏感性，从而在临床上获得了广泛应用。生物组织的弹性反映了其硬度，与病灶的生物学特征密切相关，但是其和组织的 散射并无直接关系，因此，B超图像不能很好的反应组织的这一生物学特征。临床病理学的 研究证明，脂肪、乳腺、纤维化组织、非浸润性癌变和浸润性癌变组织的弹性系数存在着明 显差异，这意味着弹性系数对于病变组织的定性分析具有重要价值。由于不同组织和同一种组织不同病变情况下弹性系数的差异，在外力作用下，其 发生形变的程度就会不同。超声弹性成像的基本原理为将超声探头嵌于一块挤压板中，沿 着探头的纵向压缩组织，分别采集组织压缩前、后的射频信号；组织被压缩时，组织内将会 产生一个沿压缩方向的应变，如果组织内部弹性模量分布不均勻，组织内的应变分布也会 有所差异；弹性模量较大的区域，引起的应变比较小；反之，弹性模量较小的区域，相应的 应变比较大。通过一些方法估计出组织内部不同位置的位移，从而计算出组织内部的应变 分布情况，用来间接描述组织内部的弹性模量分布，从而描述组织的生理、病理状态。对于二维超声弹性成像，一般采用线阵的B型超声探头，采集组织压缩前、后的每 条扫描线的射频信号，分别按照超声弹性成像原理计算出每一条扫描线对应组织的一维应 变分布。最后把所有扫描线对应的一维应变分布按扫描线顺序组成一个二维应变分布，以 灰度图或伪彩图显示，用来间接描述组织内部的弹性模量分布。现有的超声弹性成像步骤为1.使用全数字B型超声仪器(线阵探头)得到待测生物组织(或弹性仿体)压缩 前的一副数字化的二维射频信号；2.手持该B型超声仪器探头(或利用步进电动机)，沿着探头的纵向对该组织施 加一个微小的挤压(控制在之内)，得到组织压缩后的一幅数字化二维射频信号；3.确定需要计算的范围并设为R，从步骤1和2得到的组织压缩前后的二维射频4信号中选择一条扫描线L (L-R≥1且L+R≤Lmax，Lmax为扫描线的最大值)，将压缩前序号在 L-R:L+R的扫描线数据设为PreS(L)，同理压缩后的扫描线数据设为PostS(L)；4.从压缩前信号I^reS(L)中取一小段长度为T的数据(I1，数据个数为U，U = round (Τ · U1),其中T的单位为mm，U1代表Imm的组织对应的数据个数，round代表取整操作，该 数据Cl1的序号从Ii1到ni+U_l，ni可在1≤n1≤U的范围内选择；在确定的搜索范围τ 到 τ2内，求该小段数据与压缩后数据d2的绝对值差和，其中(12在^到τ 2内取，其规模和大 小与Cl1相同，计算公式如下ε (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) I τ 1≤i ≤ τ2其中τ工为0，τ2为对组织施加的压缩量，以采样数据的个数表示；5.确定步骤4得到的绝对值差和函数ε (i)的最小值对应的位置t1;、就是数据 Cl1在组织压缩后的位移；6.依次从压缩前数据I^reS(L)中取小段长度为T即数据个数为U的数据d2，d3， A dn，每段数据的序号依次错开V个采样数据1≤V≤U,直到在错开V个采样数据将超出 PreS(L)的范围，按步骤4、5相同的方法依次得到各段数据对应的位移t2，t3，Atn，其中η 为小段数据的总数；则位移序列t1;t2，t3，Atn为压缩前数据ft~eS(L)对应的组织的位移估 计；7.利用步骤3-6相同的方法，依次得到第L+l，L+2，ΛLmax-L扫描线数据对应的生 物组织的位移估计；8.对ft~eS(L)对应的组织的位移估计序列t1; t2，t3，Atn求差分，得到生物组织 PreS(L)对应组织的应变分布，计算公式如下s1= (t2-t1)/v,S2 = (t3-t2)/v ,∧s(n-1) = (tn-tn-1)/v其中，Sl，s2，S3, A Slri分别为屯，屯，d3，A Cllri对应的组织应变；9.利用步骤8相同的方法，依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R条扫描线数据对应生物 组织的应变分布；10.将步骤9得到的Lmax_2 · R条扫描线数据对应的应变分布插值成Lmax条，按照 扫描线的顺序组合成一个二维数据，并以灰度图或伪彩图的形式表示出来，得到组织的二 维应变分布图。在超声弹性成像中，选择压缩前的信号的中的小段数据用来跟踪对应的小段组织 的位移，称为跟踪波段。其长度称为跟踪波段程度，或者尺度。选择合适的尺度在超声弹性 成像的位移估计中非常重要。当对组织施加的压缩量比较小(如小于1%)的时候，尺度越 大，包含的信息越多，位移估计的精度越高，对随机噪声的干扰也越不敏感。当对组织施加 的压缩量比较大(如1-5%)的时候，尺度越大，由于组织被压缩，组织压缩前后信号重合部 分越小，利用绝对值差和最小值位置进行位移估计的精度越低，同时，尺度越大又越不容易 受到随机噪声的干扰；而当尺度较小的时候，组织压缩前、后信号重合的部分较大，位移估 计的精度越高，然而此时的位移估计有对随机噪声的干扰比较敏感。
发明内容
本发明为了解决对组织施加的压缩量比较大的时候大尺度和小尺度的矛盾，提出 一种采用两种尺度的组织位移估计方法。在组织压缩量比较大时，将选择大尺度和小尺度 相结合的组织位移估计方法，可对这两种组织位移估计的优缺点实现扬长避短，提高组织 位移的估计精度。本发明实现发明目的采用的技术方案是1、一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，包括以下步骤a.使用数字化超声仪器测量并得到待测生物组织在压缩前的一副数字化的二维 射频信号；b.沿着数字化超声仪器的线阵探头的纵向对待测生物组织施加一个微小的挤压， 压缩量控制在之内，得到压缩后的一幅数字化二维射频信号；c.确定需要计算的范围并设为R，从步骤a和b得到的待测生物组织压缩前后的 二维射频信号中各选择一条扫描线L(L-R彡1且L+R彡Lmax，Lfflax为扫描线的最大值)，将压 缩前的序号在L-R: L+R的扫描线数据设为I^reS (L)，压缩后的序号在L-R: L+R的扫描线数据 设为 PostS (L)；d.从压缩前的扫描线数据I^reS(L)中取一小段长度为Ta的数据(I1，数据个数为 Ua, Ua = round (Ta .U1)，其中Ta的单位为HinuU1代表Imm的生物组织对应的数据个数，round 代表取整操作，该数据Cl1的序号从Ii1到ni+Ua-l，Ii1可在1彡Ii1彡Ua的范围内选择；在确 定的搜索范围^到τ2内，求该小段数据Cl1与压缩后数据d2的绝对值差和，其中(12在T1 到τ 2内取，其规模和大小与Cl1相同，计算公式如下ε ‘ (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) I τ ^ i ^ τ2其中τ工为0，τ2为对组织施加的压缩量，以采样数据的个数表示；e.确定步骤d得到的绝对值差和函数ε ‘ (i)的最小值对应的位置t/，t/就 是利用尺度Ta进行位移估计时数据Cl1在待测组织压缩后的位移；f.从压缩前的扫描线数据ft~eS(L)中的数据段Cl1的中央位置再取尺度为Tb、序号M +ro·辨^^)到巧+ round(^^) + Ub-1的一小段数据该数据的个数为Ub，Ub= Ixnmd(TbXU1),其中Tb的单位为mm，并且满足Tb<Ta，在13到τ4确定的搜索范围内 求该小段数据与扫描线数据％的绝对值差和，其中％在13到τ4内取，其规模和大小与屯 相同，计算公式如下ε〃 ⑴=Σ |e「e2(i) Ii 彡 τ4其中τ 3和τ 4为组织位移精细调整的范围，满足如下关系τ 4 < τ 2，τ 3 = τ 工+ ( τ 2_ τ 4)，；g.确定步骤f得到的绝对值差和函数ε “ (i)的最小值对应的位置t/，为 利用尺度Tb进行位移估计时数据ei的位移相对于t/的偏移；h.利用尺度Tb估计得到的位移偏移t/和对尺度Ta估计得到的位移t/进行调 整，得到的小段数据Cl1的精细调整后的位移t1;即ti = t/ +I1"i.依次从压缩前的扫描线数据ft~eS(L)中取一小段尺度为Ta即数据个数为Ua的数据d2，d3，A dn，每段的数据的序号依次错开V个采样数据，1 ^V^U,直到在错开V个采 样数据将超出I^reS (L)的范围，按照步骤d_h相同的方法依次得到各段数据对应的位移t2， t3，Atn，其中η为小段数据的总数；则位移序列t1;t2，t3，Atn为压缩前扫描线数据(L) 对应的待测生物组织的位移估计；j.在利用压缩前扫描线数据ft~eS(L)的位移序列t1;t2，t3，Atn，采用最小二乘拟 合的方法求得应变，即S1 = leastsquare (t” t2, A t1+k),s2 = leastsquare (t2, t3, A t2+k),...sn_k = leastsquare (tn_k, tn_k+1, Atn)其中k的值的范围与位移序列的个数η有关；k.利用上述的方法依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R条扫描线数据对应组织的应变 分布；将得到的Lmax-2 · R条扫描线数据对应的应变分布插值成Lmax条，按照扫描线的顺序 组合成一个二维数据，并以灰度图或伪彩图的形式表示出来，得到待测生物组织的二维应 变分布图。所述步骤f中，Tb的取值最好为^八τ4的取值最好为16253j Wr2。所述步骤d还包括对所述Ta和所述搜索范围τ工到τ 2进行插值处理的步骤。所述步骤f还包括对所述Tb和所述搜索范围^到τ 4进行插值处理的步骤。所述步骤j中k值的范围取位移序列个数η的十分之一。本发明的有益效果是，在组织压缩量比较大的情况下，选择大尺度和小尺度进行 组织位移估计相结合的方法，对这两种组织位移估计的优缺点实现了互补，提高了组织位 移估计的精度；在利用组织位移求组织对应的应变时，采用最小二乘拟合法，大大提高了组 织应变估计的精度。
图1，本发明实施例与一般方法的位移估计效果比较图。
具体实施例方式本发明的具体实施例如下利用Insana实验室提供的弹性仿体的射频信号。弹 性仿体的组织厚度为30mm，其中在21mm处埋藏一个6mm软性小球。对组织施加的压缩 量为2.2%，即0.65mm。探头的中心频率为3. 5MHZ，射频信号的采样频率为40MHZ，，假 设超声波在组织内的传播速度为1540m/s，因此Imm的组织对应lmm/1540X 103mm/s/ (40 X IO6HZ) /2 ^ 52个数据，因为组织深度为30mm，所以，每一条扫描线的数据为30 X 52 = 1560个，对组施加的压缩量以采样数据的个数表示为30X2. 2% X52 ^ 34个采样数据。本实施例中计算的范围R = 4，即每次取2XR+1 = 9条扫描线做为一组，采用的大 尺度Ta为2mm，搜索的范围为0到34 ；采用的小尺度Tb为1mm，搜索的范围9到25。
具体的实施步骤1.设组织压缩前、后的射频信号(R = 4)分别为ft~eS(L)和PostS(L)，信号长度 为 1560 ；2.从该扫描线数据I^reS(L)中取一小段尺度为Ta的数据屯，Ta = 2mm，其数据个 数为U= 104 ；该数据序号从17到121，在0到34的搜索范围内求该小段数据与压缩后数 据(12 (规模大小同Cl1 一样，范围为从1到121)的绝对值差和ε' (i)，计算公式如下ε ‘ (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) |0 ^ i ^ 343.确定该绝对值差和函数ε ‘ (i)的最小值对应的位置t' 1 t'工就是利用尺 度Ta进行位移估计时数据Cl1在弹性仿体压缩后的位移；4.在Cl1中央位置取长度Tb为数据Tb = lmm, θι序号为43到95，在9到25的 搜索范围内球该小段数据与压缩后数据e2 (规模大小同el —样，范围为从31到91)的绝 对值差和ε “ (i)，计算公式如下ε “ (i) =Σ Iere2(I) | 9 ^ i ^ 25 ；5.确定步骤4得到的绝对值差和函数ε丨‘(i)的最小值对应的位置t〃 1； t〃工 就是利用尺度Tb进行位移估计时数据ei的位移相对于t/的偏移；6.利用小尺度Tb估计得到的位移偏移t"工对尺度Ta估计得到的位移t'工进行 调整，得到小段数据Cl1的精细调整后的位移t1;即I1 = t" !+t‘‘ 27.依次从扫描线数据I^reS(L)中取一小段尺度为Ta数据个数为Ua的数据d2，d3， Adn，每段数据的序号依次错开沈个采样数据，直到在错开沈个数据将超出ft~eS(L)的范 围，按照步骤2-6相同的办法依次得到各段数据对应的位移t2，t3，Atn，其中η为小段数据 的总数为55，则位移序列t1; t2，t3，Atn为压缩前扫描线数据(L)对应的弹性仿体的 位移估计。本实施例与一般方法的位移估计效果比较图如图1所示，图1中，横坐标代表的不 同位置，纵坐标表示应变的大小。图中虚线代表单尺度估计得到的组织应变分布；实线为 从用本发明提出的双尺度方法估计得到的组织应变分布。由对比可知，采用双尺度跟踪波 段的方法进行位移应变估计，结果比采用单尺度跟踪波段的方法进行位移估计方法效果要 好，位移估计的精度更高，特别是在组织应变比较大的区域更为明显。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术 方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领 域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的 精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。8
权利要求
1. 一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，包括以下步骤a.使用数字化超声仪器测量并得到待测生物组织在压缩前的一副数字化的二维射频 信号；b.沿着数字化超声仪器的线阵探头的纵向对待测生物组织施加一个微小的挤压，压缩 量控制在之内，得到压缩后的一幅数字化二维射频信号；c.确定需要计算的范围并设为R，从步骤a和b得到的待测生物组织压缩前后的二维 射频信号中各选择一条扫描线L(L-R彡1且L+R彡Lmax，Lfflax为扫描线的最大值)，将压缩前 的序号在L-R: L+R的扫描线数据设为I^reS (L)，压缩后的序号在L-R: L+R的扫描线数据设为 PostS(L)；d.从压缩前的扫描线数据I^reS(L)中取一小段长度为Ta的数据(I1，数据个数为Ua，Ua =round (Ta ·仏)，其中Ta的单位为mm，U1代表Imm的生物组织对应的数据个数，round代 表取整操作，该数据Cl1的序号从Ii1到ni+Ua-l，Ii1可在1彡Ii1彡Ua的范围内选择；在确定 的搜索范围^到τ2内，求该小段数据Cl1与压缩后数据d2的绝对值差和，其中(12在^到 τ 2内取，其规模和大小与Cl1相同，计算公式如下ε ‘⑴=Σ I Cl1-Cl2 ⑴ T1 ^ i ^ τ2其中^为0，τ 2为对组织施加的压缩量，以采样数据的个数表示；e.确定步骤d得到的绝对值差和函数ε‘ (i)的最小值对应的位置t/，t/就是利 用尺度Ta进行位移估计时数据Cl1在待测组织压缩后的位移；f.从压缩前的扫描线数据I^reS(L)中的数据段(I1的中央位置再取尺度为Tb、序号从nx ■辨+r0und{^^) + Ub -1的一小段数据该数据的个数为Ub，Ub= Ixnmd(TbXU1),其中Tb的单位为mm，并且满足Tb<Ta，在13到τ4确定的搜索范围内 求该小段数据与扫描线数据％的绝对值差和，其中％在13到τ4内取，其规模和大小与屯 相同，计算公式如下ε “⑴=Σ ere2(i) | τ3彡 i 彡 τ4其中13和τ 4为组织位移精细调整的范围，满足如下关系τ 4 < τ 2，τ3= τ τ 2- τ 4),；g.确定步骤f得到的绝对值差和函数ε“ (i)的最小值对应的位置t/，t/为利用 尺度Tb进行位移估计时数据ei的位移相对于t/的偏移；h.利用尺度Tb估计得到的位移偏移t/和对尺度Ta估计得到的位移t/进行调整， 得到的小段数据Cl1的精细调整后的位移t1;即ti = t/ +t,i.依次从压缩前的扫描线数据I^reS(L)中取一小段尺度为Ta即数据个数为Ua的数据 d2，d3，Λ dn，每段的数据的序号依次错开V个采样数据，1 <V<U，直到在错开V个采样数 据将超出I^reS(L)的范围，按照步骤d_h相同的方法依次得到各段数据对应的位移t2，t3， Atn，其中η为小段数据的总数；则位移序列t1; t2，t3，Atn为压缩前扫描线数据(L) 对应的待测生物组织的位移估计；j.在利用压缩前扫描线数据I^reS (L)的位移序列t1; t2，t3，Λ tn，采用最小二乘拟合的 方法求得应变，即51= leastsquare (t” t2, Λ t1+k)，52= leastsquare (t2, t3, A t2+k),sn_k = leastsquare (tn_k, tn_k+1, Atn) 其中k的值的范围与位移序列的个数η有关；k.利用上述的方法依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R条扫描线数据对应组织的应变分布； 将得到的Lmax-2 · R条扫描线数据对应的应变分布插值成Lmax条，按照扫描线的顺序组合成 一个二维数据，并以灰度图或伪彩图的形式表示出来，得到待测生物组织的二维应变分布 图。
2.根据权利要求1所述的一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，其特征在于所述步骤f中，Tb的取值最好为‘7； <Tb < ^Ta16 2 °
3.根据权利要求2所述的一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，其特征在于所3述步骤f中，τ 4的取值最好为〗Γ2幺Γ4幺T2。
4.根据权利要求1所述的一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，其特征在于所 述步骤d还包括对所述Ta和所述搜索范围T1到τ 2进行插值处理的步骤。
5.根据权利要求1所述的一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，其特征在于所 述步骤f还包括对所述Tb和所述搜索范围^到τ 4进行插值处理的步骤。
6.根据权利要求1所述的一种采用双尺度的生物组织位移估计方法，其特征在于所 述步骤j中k值的范围取位移序列个数η的十分之一。
全文摘要
本发明为了解决选取大尺度和小尺度的矛盾，提出一种采用双尺度的组织位移估计方法，在组织压缩量比较大的情况下，选择大尺度和小尺度进行组织位移估计相结合的方法，对这两种组织位移估计的优缺点实现了互补，提高了组织位移估计的精度；在利用组织位移求组织对应的应变时，采用最小二乘拟合法，大大提高了组织应变估计的精度。
文档编号A61B8/08GK102048560SQ20101058696
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者齐育彬 申请人:深圳市蓝韵实业有限公司