专利名称：一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法
一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法技术领域
本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法。
背景技术：
超声弹性成像技术是近年兴起的用以反应生物组织内部弹性特征的新型超声成像技术，它利用超声波RF信号来追踪生物组织在受到外力挤压前后的形变和运动信息，通过一定的算法得到生物组织的应变、弹性模量等力学特征。由于生物组织病变与其力学特征密切相关，如常见的乳腺癌病变区域通常要比正常组织硬，因此超声弹性成像可以为临床医学诊断提供重要的辅助信息，具有非常广阔的应用前景。
超声准静态弹性成像的概念最早由Ophir等人于1991年首次提出，其目的是借助超声成像仪对生物组织的硬度信息、弹性参数进行成像显示。它的主要步骤包括(I)用超声探头记录待测生物组织在某一时刻的一帧超声信号；(2)利用超声探头挤压待测组织， 同时记录组织受挤压后的超声信号；(3)比对所记录的两帧超声信号，采用位移估计算法 (如经典的互相关算法)计算出待测组织在受挤压后的位移场；(4)通过对组织位移场的分析，计算出最终的弹性图(elastogram,可以是应变图也可以是弹性模量图)。
超声弹性成像的一般方法是利用超声探头挤压生物组织，同时记录返回的超声RF 信号进行成像。由于超声信号在声波传播的方向(纵向)分辨率要明显高于垂直其传播方向(侧向)，因此传统超声弹性成像中，都仅仅计算位移场中的纵向分量，而侧向位移分量往往由于分辨率低、噪声大而被忽略。但是生物组织在受到探头挤压的运动并不是简单的一维运动，在超声成像平面中，它还伴随着不可忽略的侧向运动，因此如何准确地计算出侧向位移分量也开始收到研究人员的关注。为了使一维位移分量扩展到二维平面位移场，通常将用于一维纵向位移估计的方法(主要是基于信号窗口追踪的方法)应用到二维追踪， 这些方法最早应用于血流成像技术。但是在超声弹性成像中，由于超声信号在侧向的空间分辨率明显低于纵向空间分辨率，使得在侧向方向需要高强度的数值插值。因此到目前为止，二维位移场的估计仍然受到超声探头硬件条件的制约，以至于侧向位移分量的准确度和分辨率并不能得到非常满意的结果。发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，能够在有效滤除系统内外部噪声的同时，恢复出高质量的侧向位移分量，得到具有较好分辨率和信噪比的二维位移场。
一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，包括如下步骤
(I)采用超声探头通过挤压对生物组织进行探测，连续采集得到多帧超声图像，并估算出每帧超声图像对应的一维纵向位移分量；
(2)根据生物组织的材质特性，建立生物组织力学模型的动态方程；对所述的动态方程进行状态空间转换以及离散化，得到生物组织的系统离散方程；
(3)引入与所述的系统离散方程对应的测量方程，根据系统离散方程、测量方程以及各帧超声图像的一维纵向位移分量，通过H滤波迭代算法估算出生物组织的二维位移场。
所述的步骤(I)中，采用时域位移估计法或相位域位移估计法估算出每帧超声图像对应的一维纵向位移分量。时域位移估计法是通过计算两个信号的时延值来计算位移的，而相位域算法则是基于相位差的来估计位移的。
所述的生物组织力学模型的动态方程如下
MZ+CV+KU = R
其中M为生物组织的质量矩阵(其与生物组织的密度有关)，C为生物组织的阻尼矩阵且C= αΜ+βΚ, α和β均为权重系数(均为给定的实际经验值且取值范围为 O. 01 O. 05)，K为生物组织的刚度矩阵(其与生物组织的材质有关)，R为外力载荷向量 (其与超声探头的挤压用力有关)，U为生物组织的位移矩阵，V为生物组织的速度矩阵，Z 为生物组织的加速度矩阵。
所述的步骤(2)中，对动态方程进行状态空间转换以及离散化的过程为首先，对动态方程进行状态空间转换，得到生物组织的时域状态方程如下
权利要求
1.一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，包括如下步骤 (1)采用超声探头通过挤压对生物组织进行探测，连续采集得到多帧超声图像，并估算出每帧超声图像对应的一维纵向位移分量； (2)根据生物组织的材质特性，建立生物组织力学模型的动态方程；对所述的动态方程进行状态空间转换以及离散化，得到生物组织的系统离散方程； (3)引入与所述的系统离散方程对应的测量方程，根据系统离散方程、测量方程以及各帧超声图像的一维纵向位移分量，通过H c 滤波迭代算法估算出生物组织的二维位移场。
2.根据权利要求I所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的步骤(I)中，采用时域位移估计法或相位域位移估计法估算出每帧超声图像对应的一维纵向位移分量。
3.根据权利要求I所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的生物组织力学模型的动态方程如下MZ+CV+KU = R 其中M为生物组织的质量矩阵，C为生物组织的阻尼矩阵且C= αΜ+βΚ, α和β均为权重系数，K为生物组织的刚度矩阵，R为外力载荷向量，U为生物组织的位移矩阵，V为生物组织的速度矩阵，Z为生物组织的加速度矩阵。
4.根据权利要求I所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的步骤(2)中，对动态方程进行状态空间转换以及离散化的过程为首先，对动态方程进行状态空间转换，得到生物组织的时域状态方程如下
5.根据权利要求I所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的测量方程为Ji = DXi+Vi ;其中，Ji为第i帧超声图像对应的一维纵向位移分量，D为测量矩阵，Vi为第i帧超声图像采样时刻的测量噪声矩阵。
6.根据权利要求I所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的步骤(3)中，所述的H c 滤波迭代算法基于以下公式xi+1 = AiX^BiWfHi (Yi-Dxi)其中=Qi和Pi分别为第i帧超声图像采样时刻估计误差和初始误差的权重矩阵，Y为约束衰减系数。
7.根据权利要求6所述的超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，其特征在于所述的H c 滤波迭代算法的收敛条件如下 其中P为收敛阈值。
全文摘要
本发明公开了一种超声弹性成像中生物组织二维位移场的估计方法，包括(1)采集超声图像并估算纵向位移分量；(2)通过生物组织力学模型建立系统离散方程；(3)通过H∞滤波估算出生物组织的二维的位移场。本发明提出二维位移场估计方法是将现有所得的纵向位移测量值在生物力学模型约束下经H∞滤波算法得到位移场的最优估计，在有效滤除系统内外部噪声的同时，恢复出高质量的侧向位移分量，用于应变计算和弹性参数的重建；通过与现有方法进行比较，本发明方法在超声弹性成像侧向位移估计方面将会起到非常有效的作用。
文档编号A61B8/13GK102920485SQ20121042455
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者刘华锋, 袁金伟, 胡正珲 申请人:浙江大学