一种分时多点激励剪切波融合成像方法及系统

1.本发明涉及超声弹性成像技术领域，具体为一种分时多点激励剪切波融合成像方法及系统。


背景技术：

2.通过剪切波传播反演传输介质弹性信息的超声弹性成像技术，已广泛应用于生物组织机械特性的研究领域。超声剪切波弹性成像被应用于多种器官、组织的弹性成像中，优质的剪切波成像质量为速度重建图像奠定了基础。超快速平面波成像技术与声辐射力技术结合，出现了超音速剪切波弹性成像的概念。超快速超声成像对剪切波的捕捉，在医学检测中，得到广泛研究和应用，如：动脉血管壁的各向异性，心肌，肝纤维化，眼角膜，乳腺病变，肌肉纤维的检测等。
3.但是，超音速剪切波成像利用声辐射力在组织深处连续聚焦多次激励产生类似马赫锥的剪切波波阵面，形成角度可变的马赫锥形剪切波，但剪切波波阵面始终与聚焦方向有一定角度，无法得到平行的剪切波波阵面，影响剪切波速度重建准确度及图像的分辨率。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种分时多点激励剪切波融合成像方法及系统，能够获得与聚焦方向平行的剪切波波阵面，提高剪切波的振动幅度，增加传播距离以及扫描范围，优化剪切波速度重建的准确度以及图像的分辨率。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种分时多点激励剪切波融合成像方法，包括如下步骤：
7.分时段顺次激励不同聚焦深度位置处产生剪切波；
8.按照相同采集条件顺次采集不同聚焦深度位置处的剪切波图像；
9.基于空间复合原理，按照设定的加权规则将不同聚焦深度位置处帧序数相同的剪切波图像叠加融合形成新的剪切波图像，完成剪切波融合成像。
10.优选地，所述分时段顺次激励不同聚焦深度位置产生剪切波采用连续正弦信号作为激励超声波束。
11.优选地，所述分时段顺次激励不同聚焦深度位置产生剪切波包括：
12.采用偏转聚焦法将超声波束推入不同的轴向深度以产生声辐射力，通过改变超声波束的轴向聚焦深度，利用声辐射力顺次激励不同轴向位置处产生剪切波。
13.优选地，所述利用声辐射力顺次激励不同轴向位置处产生剪切波包括：
14.声辐射力顺次激励不同轴向位置处，利用高帧频平面波成像方法追踪产生的低频剪切波，并基于延迟叠加算法形成剪切波。
15.优选地，所述按照相同采集条件顺次采集不同聚焦深度位置处的剪切波图像前，包括：
16.采集不同聚焦深度位置处的激励产生剪切波的组织回波信号，从组织回波信号中
提取的剪切波信息并进行剪切波成像。
17.优选地，所述从组织回波信号中提取的剪切波信息前，包括采用均值滤波方法去除组织回波信号中的背景信号。
18.优选地，所述加权规则设定加权系数为1。
19.优选地，所述按照设定的加权规则将不同聚焦深度位置处帧序数相同的剪切波图像叠加融合包括：
20.通过调整在不同聚焦深度获取的剪切波图像的帧序列来控制叠加后剪切波角度的偏转。
21.一种分时多点激励剪切波融合成像系统，包括：
22.激励模块，用于分时段顺次激励不同聚焦深度位置处产生剪切波；
23.采集模块，用于按照相同采集条件顺次采集不同聚焦深度位置处的剪切波图像；
24.图像叠加模块，用于基于空间复合原理，按照设定的加权规则将不同聚焦深度位置处帧序数相同的剪切波图像叠加融合形成新的剪切波图像。
25.优选地，所述采集模块包括滤波模块，滤波模块用于采用均值滤波方法去除组织回波信号中的背景信号。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明提供一种分时多点激励剪切波融合成像方法，通过利用声辐射的方法通过确定目标位置，激励产生剪切波；在采集条件不随聚焦位置改变的情况下采集组织回波信号；利用声辐射力成像的方法从分时激励-采集的组织回波信号中提取剪切波信息，进行剪切波成像；基于惠更斯原理，将剪切波经相干叠加后形成波阵面同频同相的平面波，可以获得与速度重建方向相同的融合剪切波阵面，波阵面与聚焦方向之间的夹角为零，从而提高了剪切波速度估计的准确性。此外，本发明所述的分时多点激励剪切波融合成像方法可以根据帧序列重建在介质的不同深度处获取的剪切波传播图像，以生成具有可调节角度的平面剪切波并可以改变偏转聚焦的偏转角度，提高剪切波的振动幅度，增加传播距离以及扫描范围，优化剪切波速度重建准确度及图像的分辨率。同时，本发明所述的方法可以定量地绘制剪切波速度和介质的弹性，具有广泛的应用价值，对组织弹性的定量评价具有良好的应用前景。
附图说明
28.图1为本发明剪切波速度估算方法的步骤流程图；
29.图2为本发明剪切波速度估算系统框图；
30.图3为本发明超声辐射力多点激励不同深度位置不同时刻的剪切波原理图；
31.图4为本发明分时激励下帧序相同的剪切波融合示意图；
32.图5为本发明分时激励相同帧序的融合剪切波数据处理示意图；
33.图6为本发明实施例中多用途超声体模示意图；
34.图7(a)为本发明0
°
的锥形剪切波示意图；
35.图7(b)为本发明10
°
的锥形剪切波示意图；
36.图7(c)为本发明15
°
的锥形剪切波示意图；
37.图8(a)为本发明10
°
偏转角度聚焦引起的分时多点激励剪切波融合成像结果示意
图；
38.图8(b)为本发明-15
°
偏转角度聚焦引起的分时多点激励剪切波融合成像结果示意图；
39.图8(c)为本发明15
°
偏转角度聚焦引起的分时多点激励剪切波融合成像结果示意图；
40.图9为本发明b超扫描图像的弹性贴图结果示意图；
41.图10为本发明横波速度图像示意图；
42.图11为本发明横波速度函数示意图。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
46.如图1所示，本发明一种分时多点激励剪切波融合成像方法，包括如下步骤：
47.分时段顺次激励不同聚焦深度位置处产生剪切波；
48.按照相同采集条件采集不同聚焦深度位置处的剪切波图像；
49.基于声辐射力成像方法从采集的超声图像中提取剪切波信息；
50.基于空间复合原理，按照设定的加权规则将不同聚焦深度位置处帧序数相同的剪切波图像叠加融合形成新的剪切波图像，完成剪切波融合成像。
51.本发明提供一种分时多点激励剪切波融合成像方法，通过利用声辐射的方法通过确定目标位置，激励产生剪切波；在采集条件不随聚焦位置改变的情况下采集组织回波信号；利用声辐射力成像的方法从分时激励-采集的组织回波信号中提取剪切波信息，进行剪切波成像；基于惠更斯原理，将剪切波经相干叠加后形成波阵面同频同相的平面波，可以获得与速度重建方向相同的融合剪切波阵面，波阵面与聚焦方向之间的夹角为零，从而提高了剪切波速度估计的准确性。此外，本发明所述的分时多点激励剪切波融合成像方法可以根据帧序列重建在介质的不同深度处获取的剪切波传播图像，以生成具有可调节角度的平面剪切波并可以改变偏转聚焦的偏转角度，提高剪切波的振动幅度，增加传播距离以及扫描范围，优化剪切波速度重建准确度及图像的分辨率。同时，本发明所述的方法可以定量地绘制剪切波速度和介质的弹性，具有广泛的应用价值，对组织弹性的定量评价具有良好的
应用前景。
52.具体地，本发明所述的分时多点激励剪切波融合成像方法，具体实施方式如下：
53.(1)沿深度方向的目标位置分时段顺次激励产生剪切波
54.改变超声的轴向聚焦深度，利用声辐射力顺次激励不同的目标位置，如图3所示，包括轴向位置pa、pb、pc、pd……
，同时使用高帧频平面波成像采集各次激励的剪切波传播视频。
55.(2)顺次采集不同聚焦点的剪切波视频图像
56.按照同一采集条件(成像方法，速率等)，仅改变超声产生声辐射力作用位置采集剪切波传播视频。
57.其中，图3中的(a)表示pa点采集的数据矩阵用a(m,n,k)表示，m,n,k分别表示采集数据的横、纵坐标及帧序数，如pa点的第0、1、2、3、
……
帧图像分别是a1，a2，a3，a4···
，同样如图3中的(b)、(c)和(d)所示，pb，pc，pd点的数据矩阵分别为b(m,n,k)，c(m,n,k)，d(m,n,k)。
58.(3)均值滤波方法去掉背景图像
59.使用多普勒成像中均值滤波方法去掉背景图像，连续采集背景图像并对超声图像取均值。采集到的超声图像中包含了微弱的剪切波信息，通过多幅图像求均值使移动剪切波的背景信号基本忽略不计，取i
ref
和q
ref
分别是信号正交解调的实部和虚部，如公式(1)所示。
[0060][0061]
其中，k和k表示采集的第k帧图像数据和一共采集了k帧；m表示一条扫描线上的深度，n表示第n条扫描线，即m，n表示一帧图像中包含m行n列的图像数据。
[0062]
(4)采用相关算法得出振动幅度最大的区域
[0063]
对相邻的图像使用如公式(2)的相关算法得出振动幅度最大的区域。
[0064]icorrelation
(m,n,k)＝[i(m,n,k-1)-i
ref
(m,n)]
×
[q(m,n,k)-q
ref
(m,n)]+[i(m,n,k)-i
ref
(m,n)]
×
[q(m,n,k-1)-q
ref
(m,n)]k＜k
[0065]qcorrelation
(m,n,k)＝[i(m,n,k-1)-i
ref
(m,n)]
×
[i(m,n,k)-i
ref
(m,n)]-[q(m,n,k)-q
ref
(m,n)]
×
[q(m,n,k-1)-q
ref
(m,n)]k＜k
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，i
correlation
和q
correlation
分别表示振动幅度最大的区域的实部和虚部。
[0066]
(5)分时激励剪切波的融合方法
[0067]
剪切波图像融合根据惠更斯原理，将沿着某个方向移动的剪切波分时激励点看作线阵中的点阵元，激励的剪切波经相干叠加后形成波阵面同频同相的平面波。数据采集系统在pa点激励的剪切波a(m,n,k)采集后的矩阵a，其中第一帧采集的剪切波图像a(m,n,1)记作a1。多个剪切波激励点可以看作是由点振源组成线阵，激励出的剪切波叠加后形成平面波。根据平面波空间复合原理，对不同激励位置的剪切波超声图像矩阵为[a(m,n,k),b(m,n,k),c(m,n,k),d(m,n,k)]
t
，按照一定的加权规则将帧序数相同的图像融合形成新剪切波超声图像矩阵mix，如公式(3)所示。
[0068]
mix(m,n,k)＝∑ωr×
r(m,n,k),r＝a,b,c
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
其中，图像ωr表示融合时的加权系数，本文将1作为加权系数；r表示聚焦激励点，示意图中从激励的起点pa开始到激励的终点pd结束；m、n表示聚焦点位置声辐射力激励剪切波视频均由多帧m
×
n的二维图像矩阵构成；k仍然表示剪切波视频的帧序数，如公式(4)所示。
[0070]
mixk＝[ak]+[bk]+[ck]+
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0071]
通过分时激励的帧序数为k的视频图像融合，按照叠加原理融合后形成的波阵面垂直于该波阵面的方向传播。由mix1,mix2,mix3…
形成新的剪切波视频图像，融合过程示意如图4所示，数据处理过程如图5所示。
[0072]
如图2所示，本发明还提供一种分时多点激励剪切波融合成像系统，包括：
[0073]
激励模块，用于分时段顺次激励不同聚焦深度位置处产生剪切波；
[0074]
采集模块，用于按照相同采集条件顺次采集不同聚焦深度位置处的剪切波图像；
[0075]
信息提取模块，用于基于声辐射力成像方法从采集的超声图像中提取剪切波信息；
[0076]
成像模块，用于根据提取的剪切波信息进行剪切波成像，获取剪切波图像；
[0077]
图像叠加模块，用于基于空间复合原理，按照设定的加权规则将不同聚焦深度位置处帧序数相同的剪切波图像叠加融合形成新的剪切波图像。
[0078]
进一步地，所述采集模块包括信号提取模块和滤波模块，信号提取模块用于采集不同聚焦深度位置处的激励产生剪切波的组织回波信号，滤波模块用于采用均值滤波方法去除组织回波信号中的背景信号。
[0079]
进一步地，所述成像模块还包括计算模块，计算模块用于对剪切波图像中的相邻帧图像依次采用相关算法计算出振动幅度最大区域，并提取振动幅度最大区域中的剪切波信息。
[0080]
实施例
[0081]
下面结合具体实验，对本发明所述的方法进行验证说明：
[0082]
在本实施例的实验中，使用verasonics(vantage128)超声实验系统，进行剪切波的激励、采集、以及成像；利用128阵元超声探头l11-4v，其中心频率为6.25mhz，使用32个阵元进行聚焦激励，发射5us的连续正弦信号作为激励波束，利用高帧频(20kfps)平面波的成像方法，追踪传播的低频剪切波，利用延迟叠加算法进行波束形成；通过去除背景参考信号，连续两帧图像做相关后得到剪切波图像。
[0083]
本实施例中，选择在多用途、多组织超声仿体(model 040gse)上进行实验,该仿体提供有不同硬度的弹性靶群(10kpa,40kpa,60kpa)、灰阶靶群(左侧白点)等，如图6所示。
[0084]
其中，剪切波参数如表1所示：
[0085]
表1成像参数
[0086][0087]
实验过程中聚焦激励1次采集1组剪切波视频，每组视频中包含图像m帧，使用m处图像缓存区存储采集到的图像数据，依次改变聚焦深度(以波长为长度单位，使用符号λ表示)，循环激励-采集n组，将每一组采集到的图像帧以加权系数为1，累加进缓存区，即融合成平面剪切波。
[0088]
通过使用verasonics将超声波束聚焦在不同位置，我们可以获得一组包含帧图像的剪切波传播视频。本文通过改变聚焦深度(以波长表示)，通过循环激励和采集获得了四组剪切波传播视频。上述剪切波传播视频根据相应的帧序列进行累积，可以融合以获得平面剪切波。基于较大角度的剪切波检测和量化软组织的弹性信息方便，快捷，可以代替改变探针角度的传统多角度检测方法。为了产生大角度的切变波阵面，采用偏转聚焦法将波束推入不同的深度以产生声辐射力。
[0089]
为了产生具有不同角度的剪切波，可以重建记录剪切波传播的视频，以根据不同的帧顺序获得可控制的圆锥形剪切波，例如，在pa处融合剪切波视频的第四帧。pb处的剪切波视频的第三帧，pc处的剪切波视频的第二帧和pd处的剪切波视频的第一帧。分时多点激励剪切波融合成像方法通过调整图像融合期间在不同深度获取的剪切波图像的帧序列来控制剪切波的角度，这等效于在ssi中更改移动源的速度。
[0090]
本实施例中，定义使用本发明所述的方法产生的角度的一半为半锥角，通过分时多点激励剪切波融合成像方法可以得到波阵面ab几乎平行于中心聚焦轴(红色基准线)并可以获得波阵面与中心轴之间的夹角近似为0
°
的结果如图7(a)所示。通过改变融合时间实现可控半锥角的剪切波阵面如图7(b)和图7(c)所示，分别为10
°
与15
°
。
[0091]
与传统技术不同，本发明所述的方法仅通过图像重建和帧序调整就可以实现具有不同半圆锥角的圆锥形平面剪切波。本发明所述的方法突破了传统ssi技术的局限性，实现了角度可调节的平面切变波。
[0092]
表2为图8的设计偏转角度以及实际偏转角度差的结果。
[0093]
表2半圆锥角的理论和实验结果比较
[0094][0095]
激励焦点是通过将超声波束聚焦在沿声束轴的四个不同位置而产生的，通过控制偏转聚焦结果可以获得具有不同偏转角的分时多点激励剪切波融合成像的成像结果。随着偏转角的增加，声场强度和振动幅度减小。如图8所示，我们定左偏为正数角度的偏转，右偏转则为复数角度，其中，图8(a)、图8(b)、图8(c)中的偏转角度分别为10
°
，-15
°
，15
°
。多角度平面剪切波的产生可以解决由于探头角度的机械变化而带来的不便和系统误差的问题。在实际应用中，可以在不改变探头角度的情况下产生角度可控的剪切波阵面。
[0096]
因此，本发明提供了一种检测组织异质性的解决方案，以改变传统方法中的问题。其中，表3是图8的设计偏转角度以及实际偏转角度的结果。
[0097]
表3偏转聚焦理论与实验结果的比较
[0098][0099]
在仿体中，本实施例中选择040gse体模中60kpa的刚性夹杂物及其邻近区域进行b超成像如图9所示。使用本发明所述的分时多点激励剪切波融合成像方法对roi进行成像，以实现更好的呈现效果。由图9显示结果可以看出，目标roi的b超结果只能隐约得看到原型包含物的大致信息，无法准确的观测出硬物的边界。roi用白色矩形标记，长度为宽度为80λ。速度重建图像的横向范围是轴向范围是叉号是分别位于20λ，40λ，60λ，80λ的四个焦点位置。在roi中，刚性夹杂物用虚线圆圈标记。其直径为24λ(6mm)，弹性为60kpa。
[0100]
分时多点激励剪切波融合成像在弹性图计算中具有更好的性能，这主要是由于剪切波视频的融合降低了随机噪声。在硬质夹杂区中，本发明所述的方法都是一致且可靠的恢复硬质夹杂区的形状和位置信息。另外，我们提取了在包含物焦点深度处(59λ)的剪切波速度图像数据。采用分时多点激励剪切波融合成像方法估算的剪切波速度曲线与理论曲线相吻合。因此，分时多点激励剪切波融合成像方法可以准确地表征夹杂物的弹性信息的变化，其速度重建图像结果如图10所示，夹杂物圆心处速度函数结果如图11所示，其中，实线表示估计值，虚线表示理论速度。
[0101]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。