基于超声回波背向散射能量变化的多参量实时监控成像系统

本发明属于超声成像领域，具体涉及基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的高灵敏多参量超声治疗实时监控成像技术。

背景技术：

超声成像具有无电离辐射、便携性和在介入治疗流程中兼容及易集成等优点，且具有快速实时反馈和目标定位的能力，已被用于监测和指导超声治疗。包括热消融治疗在内的超声治疗已被广泛应用于各种实体肿瘤的治疗中，在热消融治疗中超声实时监控成像可用于治疗前的定位、治疗期间的监测和反馈控制以及术后评估。

基于超声参数的成像技术可以用于提高射频、微波和高强度聚焦超声治疗中产生的病灶蛋白固化、组织消融的检测灵敏度，同时也可以用来评估在治疗期间和治疗后病灶组织的温度的升高和能量沉积的增加。从超声背向散射回波中估计的超声参数包括回波时移、衰减系数、k参数、nakagami参数等。然而，基于这些参数的超声成像方法对温度变化和加热过程中热组织相关变化的检测灵敏度低，特别是温度-时间加热策略改变导致治疗过程中组织加热动力学变化时，其灵敏度、对比度会受到限制。

考虑到运动和组织蛋白固化造成回声时间偏移和回波信号大幅衰减，背向散射能量变化技术已用于监测治疗过程中温度的变化，并且已经连续应用于组织蛋白固化小温度变化的1d、2d和3d测试。但是病灶区域内背向散射能量变化的估算会受到固定窗长及窗长边界上奇异值、治疗过程中热膨胀伪影、声速变化和组织收缩导致的回声偏移的影响，降低了背向散射能量变化估计的稳定性、鲁棒性与平滑性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超声回波背向散射能量变化的多参量实时监控成像系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的多参量成像方法，包括以下步骤：

1)实时获取m帧二维(2d)超声包络能量数据；

2)依据估计窗长可变的窗长区域分别计算第m帧二维(2d)超声包络能量数据在每一窗长区域内的像素点背向散射能量变化的均值，其中，m＝1，2，3，…，m；然后计算不同估计窗长下的窗长区域中心像素的背向散射能量变化的均值得到均值矩阵；

3)根据m帧二维(2d)超声包络能量数据的均值矩阵计算对应的均值

4)按数值相位提取的不同分量，并进行多参量成像。

优选的，所述步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)在超声监控期间，对于实时采集自超声成像探头的第m(m＝1，2，3，…，m)帧原始射频数据进行包络检波运算，得到第m帧2d超声包络数据r；

1.2)将第m帧2d超声包络数据r平方，得到第m帧2d超声包络能量数据r²(包络数据的二次方即为背向散射能量值)，将第m帧2d超声包络能量数据r²在超声成像探头波束发射的垂直方向进行插值，以获得横向分辨率更高的2d超声包络能量数据。

优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)以超声成像探头发射波束的波长为基准改变估计窗长，在每一估计窗长下逐窗估计、单像素遍历整个单帧2d超声包络能量数据，并将计算得到的每一特定窗长区域内所有像素点的背向散射能量改变量的平均值赋予该特定窗长区域内的中心像素，得到所述中心像素的背向散射能量的改变量；

2.2)计算所有估计窗长下位置相同的中心像素的背向散射能量改变量的平均值。

优选的，所述估计窗长表示为：

wn＝n×λ，n＝1，2，3，…，n

其中，λ表示波长，n表示估计窗长数目。

优选的，所述像素点的背向散射能量改变量是通过计算像素点2d超声包络能量数据与参考基准的比值的对数而得到。

优选的，所述中心像素的背向散射能量改变量的平均值按照以下公式计算：

其中，ηn表示第n个估计窗长下的某一窗长区域内所有像素点的背向散射能量改变量的平均值。

优选的，所述步骤3)中，均值按照以下公式计算：

其中，为第m帧超声包络能量数据对应的

优选的，所述步骤3)还包括以下步骤：利用m帧二维(2d)超声包络能量数据的均值矩阵构建三维(3d)均值矩阵。

优选的，所述步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)获得的正值分量、负值分量以及绝对值分量，并分别进行坐标变换；

4.2)根据坐标变换后的正值分量、负值分量以及绝对值分量进行伪彩色编码以及成像。

一种基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的多参量超声治疗实时监控成像系统，包括用于控制治疗和监控时序的同步波形发生和触发设备、用于在监控时序接收治疗区域超声回波信号的超声成像探头以及与超声成像探头相连的超声采集和处理设备；所述超声采集和处理设备包括超声回波信号处理模块、中心像素背向散射能量变化计算模块、多时空复合背向散射能量变化计算模块以及多参量超声成像模块，依次用于执行以上步骤1-步骤4。

优选的，所述同步波形发生和触发设备用于通过长短时分序列在一次完整治疗时间内(长时序列分时控制超声治疗，长时序列用于治疗时间；短时序列分时控制超声成像监控，短时序列用于超声成像监控时间)，控制长时序列治疗与短时序列监控成像的交替进行。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化参数的计算，解决了回声偏移降低背向散射能量变化估计的稳定性、鲁棒性与平滑性的问题，实现了在超声治疗过程中进行灵敏度、对比度均得到显著增强的超声监控成像。

附图说明

图1为本发明的整体流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

本发明提出在使用超声治疗时采用基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的高灵敏多参量超声治疗实时监控成像方法对治疗区域进行实时精准监测，成像方法的核心在于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化参数的计算。

为此，本发明通过长短时分序列控制超声治疗与超声成像监控，并在其中的超声成像监控短时序列期间，实时采集m(m>1)帧二维(2d)超声包络数据。然后通过由粗到精(即由大到小)改变估计窗长，以及逐窗估计、单像素遍历整个单帧超声包络能量数据，计算获得每一特定窗长区域内所有像素点背向散射能量的变化，并将其均值赋予对应的中心像素(即将该均值作为中心像素的背向散射能量变化)；计算所有估计窗长下位置相同的中心像素的背向散射能量变化的均值(计算可以仅涉及在所有估计窗长下位置均重叠的中心像素，也可以通过用较小估计窗长下确定的外围位置的中心像素对较大估计窗长下未包含的对应位置的中心像素进行覆盖补齐，从而可以按照所设定的某一估计窗长，例如最小估计窗长下所包含的所有中心像素的位置进行背向散射能量变化叠加平均)，得到第m(m＝1，2，3，…，m)帧超声包络能量数据对应的二维(2d)矩阵以及相应的三维(3d)矩阵，接着计算所有m帧超声包络能量数据对应的二维(2d)矩阵的均值矩阵，得到多时空复合的二维(2d)矩阵。最后按数值相位，分别获得的不同分量，经坐标变换和伪彩色编码后获得基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的多参量超声治疗实时监控成像。

上述基于多时空尺度复合超声回波背向散射能量变化的高灵敏多参量超声治疗实时监控成像方法，具体包括以下步骤(图1)：

(1)设定主要用于超声治疗(高/低强度超声治疗)的长时序列(占空比：90％-97％)，以及用于超声成像监控的短时序列(占空比：3％-10％)。在一次完整治疗时间内，交替进行长时序列治疗与短时序列超声成像监控。

(2)在超声成像监控短时序列tm，通过超声成像探头向治疗区域发射超声波束并实时接收超声回波信号，经采集得到m帧原始的射频数据，经包络检波运算(例如，希尔伯特变换)，获得m帧2d超声包络数据r。

(3)将2d超声包络数据r平方，将该包络数据r平方后得到的2d超声包络能量数据r²，在超声成像探头波束发射的垂直方向进行插值(以提高横向分辨率)，得到插值后的2d超声包络能量数据。

(4)以超声成像探头发射的超声波束的波长λ为基准，设定估计窗长wn(wn＝n×λ，n＝1，2，3，…，n，n为估计窗长数目，n≤15)，然后由设定的最大估计窗长(窗长区域wn×wn)到最小估计窗长(窗长区域w1×w1)即由粗到精，逐窗(具体指窗长区域wn×wn)估计、单像素(窗移动步长为单像素)遍历整个单帧(第m帧，m＝1，2，3，…，m)的超声包络能量数据(指插值后的2d超声包络能量数据)。

(5)在遍历中，以治疗前(设定的首个超声治疗长时序列之前)的对应2d超声包络能量数据为参考基准，通过计算各像素的2d超声包络能量数据与参考基准的比值的对数，获得治疗过程中每一特定窗长区域(wn×wn)内所有像素点各自背向散射能量的改变量：

其中，表示特定窗长区域内任意像素点经过插值后的2d超声包络能量数据，表示特定窗长区域内该像素点在治疗前的2d超声包络能量数据(即采用的参考基准)；

将特定窗长区域内所有像素点背向散射能量改变量的均值(ηn)赋予该窗长区域内的中心位置像素点(简称中心像素)。

(6)重复步骤(5)并计算所有估计窗长(wn＝n×λ，n＝1，2，3，…，n)下对应中心像素点的背向散射能量改变量的均值从而得到对应2d的矩阵：

(7)在整个超声成像监控短时序列内，对所有m帧超声包络能量数据逐帧重复操作步骤(6)，获得m帧超声包络能量数据对应的三维(3d)矩阵(相比矩阵进一步增加了空间维度)。

(8)按以下公式计算多时空复合的均值矩阵：

其中，为第m(m＝1，2，3，…，m)帧超声包络能量数据对应的为短时序列tm内可变窗长区域(wn＝n×λ)的多时空复合的背向散射能量改变量的均值。

(9)按数值相位，可以分别获得的正值分量、负值分量以及绝对值分量，将所获得的不同分量数值按不同成像换能器的规则进行坐标变换，获得对应成像笛卡尔坐标系下的数值

(10)根据坐标变换后的的正值分量、负值分量以及绝对值分量进行伪彩色编码，获得基于多时空尺度复合的超声回波背向散射能量改变的三参量超声治疗实时监控成像。

本发明具有以下优点：

1、提出了多时空尺度复合下的超声回波背向散射能量改变的计算方法，改善了其估计的稳定性、鲁棒性、平滑性。

2、提高了超声成像实时监控超声治疗的灵敏度与对比度。

3、基于多参量的超声回波背向散射能量改变的监控成像方法，为超声治疗监控提供了多角度表征。