超声成像的方法和装置制造方法
【专利摘要】将第一超声波脉冲施加在生物组织以在该生物组织中创建剪切波，向该生物组织内传输聚焦的超声波脉冲，从该生物组织接收一个或多个超声波信号，并且基于接收的一个或多个超声波信号检测该生物组织内的剪切波。确定至少一个与被检测的剪切波相关的传播特性，显示所确定的至少一个传播特性。通过声辐射力或者机械性压缩获得应变图像,例如通过超声探头。随后，使用之前获得的剪切波速度图像将该应变图像转换成新的剪切波速度图像。
【专利说明】超声成像的方法和装置
【技术领域】
[0001] 此处描述的系统和方法概括地涉及超声成像领域。更具体地，下述实施例涉及在 组织中测量剪切波速度的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 疾病状态使得软组织比在生理状态下呈现得更为僵硬。内科医生因此使用触诊来 定位在身体内部的僵硬组织，并且因此而识别疾病状态。例如，已知乳癌通常比健康的乳房 组织更坚硬，并且可以通过触诊检测出坚硬的肿块。
[0003]由下面的公式，组织中的剪切波传播特性与组织的硬度相关（杨氏模量）：
[0004] E = 3 P · c2 (1)
[0005]其中c是剪切波的传播速度，E是杨氏模量，以及P是组织密度。因此，可以通过 测量穿过组织的剪切波的传播速度来在组织中检测癌或者其他疾病状态。
[0006] 通过将强超声波脉冲施加在组织可以在该组织内创建剪切波。该超声波脉冲显现 出较高的振幅和较长的持续时间（比如100微秒的数量级）。该超声波脉冲产生推动该组 织的声辐射力，因而导致各层组织沿着超声波脉冲的方向滑动。组织的这些滑动（剪切） 运动可以被认为是低频（比如从10到500Hz)剪切波，并且可以向与超声波脉冲方向垂直 的方向传播。超声波脉冲在组织中以1540m/s的速度传播。然而，剪切波在组织中的传播 就慢得多，大约是卜l〇m/s的数量级。
[0007] 因为组织运动通常在轴方向上（即超声波脉冲方向），因此可以使用传统的超声 多普勒技术来检测剪切波。在这点上，超声多普勒技术最适合在轴方向上检测速度。可替 代地，还可以通过测量由声辐射力导致的组织位移来检测剪切波。
[0008] 为了更准确地测量剪切波的传播速度,需要快速地或者以每秒几千帧的快帧速率 来跟踪该剪切波。帧中的图像包含了几百条超声线。常规超声成像的典型帧速率大约是50 帧/秒，其太慢而不能跟踪剪切波传播。因此，需要在保持良好的信噪比和良好的空间分辨 率的同时増加帧速率。而且，还需要有效地提供组织硬度的指标。
[0009] 剪切波速度成像显现出有限的空间分辨率。由于剪切波速度的测量需要在至少两 个横向位置处检测剪切波（即在至少两个超声波束的位置处），因此横向的空间分辨率尤 其有限。另一方面，仅仅使用一个超声波束就可以检测组织应变。因此，组织应变成像比剪 切波速度成像显现出更高的空间分辨率。然而，组织应变成像仅仅产生了组织硬度的定性 测量，而剪切波速度成像提供了定量测量。
[0010] 图说明
[0011] 图1是声辐射力导致产生剪切波的图像。
[0012] 图2是一些实施例的超声成像系统的图像。
[0013] 图3是传统的超声成像系统的图像。
[0014] 图4是多个超声波发送/接收波束的图像。
[0015] 图5是一个超声波发送波束和多个超声波接收波束的图像。
[0016]图6是^切波传播速度的平方的颜色编码。
[0017]图7是剪切波传播速度的平方的颜色编码。
[0018]图8显示了通过声辐射力和剪切波传播而生成剪切波的图像。
[0019]图9是显示了剪切波滑动运动的图像。
[0020]图1〇是显示了剪切波传播的图像。
[0021]图11是显示了剪切波传播的图像。
[0022]图12是在组织中剪切波传播速度的平方的颜色编码图的例子。
[0023]图I3是显示了由声辐射力导致的组织位移的图像。
[0024]图14是利用了由RGB表示而组成颜色编码柱的剪切波速度的平方C2的数值范围。 [0025]图15是显示了关于超声换能器的超声坐标系的图像。
[0026] 图16A是应变图像。
[0027]图16B是剪切波图像。
[0028] 图是应变图像和剪切波图像。
[0029]图17是依据一些实施例的、在剪切波图像值和应变图像值之间的相关和回归线。
[0030] 图1S是依据一些实施例的处理流程图。
[0031] 图19A是压缩前的组织。
[0032] 图19B是压缩后的组织。
[0033] 图20是依据一些实施例的处理流程图。
【具体实施方式】
[0034]将参照图对实施例进行描述，其中在全部图中，相似的数字表示相似的元件。在详 细地描述这些实施例之前，应该理解的是，实施例不局限于其对在下面描述中提出的或在 图中图示的示例的细节的应用。可以以不同的应用并以不同的方式来实践或实施其他实施 例。而且，应该理解的是，此处所使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应该被视作限 制。本文所使用的"包括（including) "、"包含（comprising)"或"具有"及其变型是指包 括之后列出的项目和其等同物以及其他项目。术语"安装"、"连接"和"联接（coupled) "被 广泛地使用并且包括直接和间接的安装、连接和联接。此外，"连接"和"联接"并不限于物 理或机械的连接或联接。
[0035] 图1中显示了由强超声波脉冲120创建声辐射力。超声波脉冲120展现出较高的 振幅以及较长的持续时间（例如100毫秒数量级）。从超声换能器阵列110传输超声波脉 冲120。超声波脉冲120在生物组织160中聚焦于一个焦点 13〇,导致在该焦点130处推动 组织160的声辐射力。超声波脉冲120可以传输多次，并且对于多个传输的超声波脉冲中 的每一个可以聚焦于不同的焦点处。
[0036] 组织主要在超声波脉冲120的轴向上被推动，创建在横向上或者除轴向以外 的其他方向（例如垂直方向）上传播的剪切波140、150。剪切波140、150的传播速度依赖 于组织160的硬度（杨氏模数或者剪切模数）。如公式1所示，较高的组织硬度导致较高的 剪切波传播速度。例如癌的病理状态会增加组织硬度，因而可以通过确定传播速度来诊断 这些状态。例如，依据组织状态，剪切波传播速度可以从lm/s到10m/s。
[0037] 因为剪切波可以由组织运动（或活动）来表现特征，因此，可以使用超声多普勒技 术来检测剪切波（例如参见 US4573477, US4622977, US4641668, US4651742, US4651745, US 4759375, US4766905, US4768515, US4771789, US4780837, US4799490,以及 US4961427)。为 了检测此组织运动（活动），多次将超声波脉冲发射到组织，并且由散射器在组织中散射超 声，再由超声波换能器接收超声波作为接收到的超声波信号。在为了聚焦和导向而应用延 迟和/或相位旋转之后,对来自超声换能器阵列的接收到的超声波信号进行滤波、放大、数 字化、变迹以及波束成形（即合并）。这些处理步骤的顺序可以互换。接收到的形成波束的 RF超声波信号经过正交解调，得到复数多普勒I-Q信号。在彩色多普勒技术中，以脉冲重复 频率（PRF)发射超声波并且将速度检测为接收到的超声波信号中的频移（多普勒频移）。 接收到的超声波与和所发射的超声波频率相同频率的同相位（〇度）参考信号以及正交（90 度）参考信号混合，得到复数多普勒I-Q信号。
[0038] -般而言，复数I-Q信号被用于推导多普勒频移，因为多普勒频移和血液速度具 有如下关系：
[0039]
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 获得具有至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图像； 获得应变图像； ' 确定在第一剪切波图像和应变图像之间的回归线； 基于该回归线，将该应变图像转换成具有至少一个剪切波传播特性的第二剪切波图 像。
2·如权利要求1所述的方法，其中获得应变图像包括使用力来获取应变图像，所述力 为声辐射力或者机械性压缩。
3. 如权利要求1所述的方法，其中第一剪切波图像包括至少一个图像象素。
4. 如权利要求1所述的方法，其中确定第一剪切波图像和应变图像之间的回归线包 括： 将应变图像和第一剪切波图像划分成多个区域；以及 计算所述多个区域的每个区域内的应变图像值和第一剪切波图像值之间的回归线。
5·如权利要求4所述的方法，其中应变图像值包括应变或应变的倒数。
6·如权利要求1所述的方法，其中获得剪切波图像包括： 将第一超声波脉冲施加至生物组织以在该生物组织中创建剪切波； 向该生物组织内传输聚焦的超声波脉冲； 接收来自该生物组织的超声波信号响应于该聚焦的超声波脉冲而产生的一个或多个 超声波信号； 基于接收的一个或多个超声波信号，检测该生物组织中的剪切波； 确定与所检测的剪切波相关联的至少一个剪切波传播特性；以及 形成与所检测的剪切波相关联的具有所述至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图 像。
7. 如权利要求2所述的方法，其中使用力来获得应变图像包括： 在将该力施加至该生物组织之前获得第一超声波图像； 在将该力施加至该生物组织之后获得第二超声波图像； 通过互相关、差的绝对值和（SAD)、差的平方和（SSD)、差的绝对值的立方和（SCD)、差 的绝对值的幂次方和（sro)、彩色多普勒频移、彩色多普勒相位或彩色多普勒速度来计算在 第一和第二超声波图像之间的组织位移；以及 通过计算所述位移的空间导数来计算应变图像。
8. 如权利要求1所述的方法，其中至少一个剪切波传播特性包括下面一个或多个： 与一个或多个已检测的剪切波相关联的传播速度；以及 实数（b)和剪切波传播速度的平方（c2)的乘积（bc2)。
9· 一种储存了计算机可执行程序代码的非暂态媒介，该程序代码由计算设备执行以： 获得具有至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图像； 获得应变图像； 确定在第一剪切波图像和应变图像之间的回归线；以及 基于该回归线将应变图像转换成具有至少一个剪切波传播特性的第二剪切波图像。
10.如权利要求9所述的媒介，其中该程序代码由计算设备执行以获得应变图像包括， 该程序代码由计算设备执行以： 使用力来获得该应变图像，该力为声辐射力或者机械性压缩。
11.如权利要求9所述的媒介，其中第一剪切波图像包括至少一个图像象素。
12·如权利要求9所述的媒介，其中该程序代码由计算设备执行以确定在第一剪切波 图像和应变图像之间的回归线包括，该程序代码由计算设备执行以： 将应变图像和第一剪切波图像划分成多个区域；以及 计算所述多个区域的每个区域内的应变图像值和第一剪切波图像值之间的回归线。
13.如权利要求I2所述的媒介，其中该应变图像值包括应变或者应变的倒数。
14·如权利要求9所述的媒介，其中该程序代码由计算设备执行以获得剪切波图像包 括，该程序代码由计算设备执行以： 将第一超声波脉冲施加至生物组织以在该生物组织中创建剪切波； 向该生物组织内传输聚焦的超声波脉冲； 接收来自该生物组织的超声波信号响应于该聚焦的超声波脉冲而产生的一个或多个 超声波信号； 基于接收的一个或多个超声波信号，检测该生物组织中的剪切波； 确定与所检测的剪切波相关联的至少一个剪切波传播特性；以及 形成与所检测的剪切波相关联的具有所述至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图 像。
15. 如权利要求10所述的媒介，其中该程序代码由计算设备执行以使用力获得应变图 像包括，该程序代码由计算设备执行以： 在将该力施加至该生物组织之前获得第一超声波图像； 在将该力施加至该生物组织之后获得第二超声波图像； 通过互相关、差的绝对值和（SAD)、差的平方和（SSD)、差的绝对值的立方和（SCD)、差 的绝对值的幂次方和（SPD)、彩色多普勒频移、彩色多普勒相位或彩色多普勒速度来计算在 第一和第二超声波图像之间的组织位移； 通过计算所述位移的空间导数来计算应变图像。
16. 如权利要求9所述的媒介，其中至少一个剪切波传播特性包括下面一个或多个： 与一个或多个已检测的剪切波相关联的传播速度；以及 实数（b)和剪切波传播速度的平方（c2)的乘积（bc2)。
17. -种系统，包括： 存储设备； 处理器，执行储存在存储器中的计算机可执行程序代码以： 获得具有至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图像； 获得应变图像； 确定在第一剪切波图像和应变图像之间的回归线； 基于该回归线，将该应变图像转换成具有至少一个剪切波传播特性的第二剪切波图 像。
18. 如权利要求17所述的系统，其中获得应变图像包括使用力来获取应变图像，该力 为声辐射力或者机械性压缩。 I9·如权利要求π所述的系统，其中第一剪切波图像包括至少一个图像象素。
20. 如权利要求Π 所述的系统，其中确定第一剪切波图像和应变图像之间的回归线包 括： 将应变图像和第一剪切波图像划分成多个区域· ，以及 计算所述多个区域的每个区域内的应变图像值和第一剪切波图像值之间的回归线。
21. 如权利要求20所述的系统，其中应变图像值包括应变或应变的倒数。
22. 如权利要求17所述的系统，其中获得剪切波图像包括： 将第一超声波脉冲施加至生物组织以在该生物组织中创建剪切波； 向该生物组织内传输聚焦的超声波脉冲； 接收来自该生物组织的超声波信号响应于该聚焦的超声波脉冲而产生的一个或多个 超声波信号； 基于接收的一个或多个超声波信号，检测该生物组织中的剪切波； 确定与所检测的剪切波相关联的至少一个剪切波传播特性；以及 形成与所检测的别切波相关联的具有所述至少一个剪切波传播特性的第一剪切波图 像。
23. 如权利要求I8所述的系统，其中使用力来获得应变图像包括： 在将该力施加至该生物组织之前获得第一超声波图像； 在将该力施加至该生物组织之后获得第二超声波图像； 通过互相关、差的绝对值和（SAD)、差的平方和（SSD)、差的绝对值的立方和（SCD)、差 的绝对值的幂次方和（sro)、彩色多普勒频移、彩色多普勒相位或彩色多普勒速度来计算在 第一和第二超声波图像之间的组织位移； 通过计算所述位移的空间导数来计算应变图像。
24. 如权利要求17所述的系统，其中至少一个剪切波传播特性包括下面一个或多个. 与一个或多个已检测的剪切波相关联的传播速度；以及 ' 实数（b)和剪切波传播速度的平方（c2)的乘积（be2)。
【文档编号】A61B8/08GK104203115SQ201380018671
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月26日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】田村正 申请人:日立阿洛卡医疗株式会社