一種用於超聲成像和彈性測量的方法及儀器的製作方法

2023-09-13 08:42:40

專利名稱：一種用於超聲成像和彈性測量的方法及儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳統超聲掃描儀的超聲成像和彈性測量。
背景技術：
組織彈性的測量在各臨床領域中均非常的重要，如評估各類肝臟疾病導致的肝臟纖維化、燒傷導致的疤痕、放療引起的組織纖維化、收縮和疲勞造成的肌肉僵化等。因此，多 種測量組織彈性的技術應運而生，例如美國專利No. 6494840提出了一種基於超聲印壓技 術來定量檢測組織彈性的組織觸診設備。通過使用超聲成像探頭來進行超聲印壓測量，可 以在超聲成像的引導下測定組織彈性。然而，觸診設備有若干限制，包括對組織邊界條件的要求。例如，需要對組織進行 直接擠壓，並需要一個位於下方的組織邊界。而且，該設備只能提供整個被壓縮組織的平均 彈性值。另一項技術使用靜態擠壓的方法通過應變成像來測定組織內的彈性分布，例如， 美國專利NO. 5107837所述。另外，美國專利No. 5099848討論了另一種使用振動源和多普 勒組織速度檢測來描繪彈性分布的技術。此外，還開發出了一些利用振動或聲輻射力在組 織中生成剪切波(shear waves)，同時使用高幀率超聲監測剪切波的傳播來對組織彈性進 行測量或成像的方法。使用上述方法，利用振動和輻射力能夠測量彈性的固有值，如楊氏模量。但是目前 仍然有必要使用常規超聲成像設備同時進行彈性測量和超聲成像。

發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種用於超聲成像和彈性測量的方法，該方法包括 掃描物體以獲得B型超聲圖像，從B型超聲圖像中選取A型信號，由一組選定的超聲傳感器 在所選取的A型信號的位置傳輸高幀率超聲信號，基於高幀率超聲信號構建瞬態M型圖像， 基於瞬態M型圖像增強剪切波的傳播軌跡，基於傳播軌跡和顯示結果計算物體的彈性，並 同時顯示B型超聲成像和瞬態M型測量結果。根據本發明的另一方面，提供了一種用於超聲成像和彈性測量的儀器，包括用於 掃描物體以獲得B型超聲圖像的掃描控制單元，用於從B型超聲圖像中選取A型信號的選 擇單元，用於由一組選定的超聲傳感器在所選取的A型信號的位置傳輸高幀率超聲信號的 超聲探頭，用於基於高幀率超聲信號構建瞬態M型圖像的處理單元，用於基於瞬態M型圖 像增強剪切波傳播軌跡的增強單元，用於基於傳播軌跡和顯示結果計算物體彈性的計算單 元，以及用於同時顯示B型超聲圖像和瞬態M型測量結果的顯示單元。結合附圖和下面對本發明的典型實施例的描述，本發明的各個方面和特徵將是顯 而易見的。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明的硬體模塊的典型框圖；圖2是根據本發明的實施例的超聲探頭配置的示意圖；圖3是同步顯示B型圖像和瞬態M型圖像的示意圖；圖4是生成高幀率超聲信號的例子的示意圖； 圖5是同步顯示B型圖像和瞬態M型超聲圖像的典型流程圖；圖6是在擾動源不可控的情況下，同步顯示B型和瞬態M型超聲圖像的典型流程圖；圖7A是根據本發明的實施例的瞬態M型信號序列圖；圖7B是根據本發明的實施例的增強的剪切波傳播軌跡圖像；圖8是根據本發明的另一實施例的超聲探頭配置示範圖。
具體實施例方式下面將結合具體實施例並參照附圖對本發明進行進一步的說明。圖1是本發明的硬體模塊的典型框圖。超聲掃描系統100包括存儲器101、微處理 器102、超聲掃描儀109和顯示單元107。超聲掃描儀109包括掃描控制單元103、脈衝發 生器/接收器和多路復用器單元104、波束形成和數據採集單元105、信號和圖像處理單元 106，以及超聲探頭108。圖1中每個元件都能夠與超聲掃描系統100中另一個元件通信。微處理器102能夠執行指令來控制超聲掃描儀109。微處理器102可以與存儲器 101通信，存儲器101可能包括用來驅動超聲掃描儀109的計算機可執行程序代碼。存儲器 101作為超聲掃描系統100的主存儲器。微處理器102和存儲器101可以設置在外部設備 中，如設置在個人電腦中。在另一個具體實施例中，存儲器101和微處理器102內置於超聲 掃描儀109內。在機械掃描的情況下，掃描控制單元103控制與超聲探頭108相連的電動機來執 行掃描。超聲探頭108可包含一系列超聲傳感器，這將在下面結合圖2進行說明。掃描控制單元103控制脈衝發生器/接收器和多路復用器104生成時序脈衝來驅 動超聲傳感器和進行電子掃描。它也能夠激活超聲探頭108中選定的傳感器子集，並從超 聲探頭108處接收信號。波束形成器和數據採集單元105生成適當的延時來驅動換能器陣列中的的不同 陣元，並以不同的延時從不同器件採集超聲信號。信號和圖像處理單元106處理瞬態M型 信號序列並測定組織彈性，這些將在下面結合圖7A和7B進行詳細描述。信號和圖像處理 單元106也能處理波束形成信號來生成B型超聲圖像。顯示單元107顯示超聲掃描儀獲得的超聲圖像。顯示單元107可以是一個外置顯 示設備，如陰極射線管(CRT)顯示器或液晶顯示(LCD)屏。該顯示單元也可能是一個內嵌 於超聲掃描儀的液晶顯示屏。圖2示出了根據本發明一個實施例的超聲探頭108。該探頭可以通過一個可彎曲 的電纜連接到超聲掃描儀109。如圖2所示，超聲探頭包含一系列超聲傳感器210。在本實 施例中，示出了 128個探頭(Tl T128)。然而，本發明並未限定超聲傳感器的數目，可以採 用任何數量的傳感器。
超聲掃描儀109可以工作在兩種常見模式下。第一種是用超聲束掃描整個成像 平面來構建組織的圖像(B型)，第二種是將超聲束固定在一定位置以連續獲得沿波束方向 的組織的超聲信號(M型)。對於B型掃描，波束的掃描可以利用電子掃描或機械掃描來實 現。對於M型掃描，所獲得的超聲信號可以被繪製出來，從而顯示隨著時間的推移組織內的 任何運動。傳統的M型用來觀測心臟的運動，而且通常不要求非常高的幀速率。該信號也 可被用於頻率分析來獲取組織的局部速率，如血流量。該模式被稱為都卜勒模式。圖3是根據本發明的實施例的B型320和瞬態M型330超聲圖像的同步顯示示意 圖。瞬態M型可用於監測組織內剪切波的傳播。如果該組織是均勻的，那麼剪切波的速度 在不同深度將是一致的，其軌跡也將是一條直線。如果該組織是不均勻的，剪切波軌跡將是 曲線(圖7A)。關於這一點，剪切波在組織中的傳播速度代表了組織的硬度或彈性模量。
圖3中的選擇線310可以由掃描控制單元103控制，以對B型圖像進行自動掃描。 在線310所處的每個位置都可以得到一幅瞬態M型超聲圖像。各個位置沿深度方向的斜率 分布都可以被計算出來。所有位置的斜率分布(Slope profile)可以用來構建斜率圖像。 通過由斜率計算得到的楊氏模量，可以構建楊氏模量圖。根據力學和聲學，楊氏模量(用於測量組織彈性)可以通過以下方程式計算 其中 指組織中剪切波的傳播速度，G是組織的剪切模量，P是組織密度，E是楊 氏模量，υ是組織的泊松比。因為組織主要由水組成，當以足夠高的壓縮速率對其進行壓 縮時它幾乎是不可壓縮的，在這一假設下泊松比接近0.5，將等式(1)和(2)合併，可得E = 3 P Cs (3)使用等式(3)和已知組織密度，通過瞬態M型測量出剪切波速度，就可以計算出楊 氏模量。對於特定組織，如肝臟，其密度是相對一致的。因此，可以用一個常量值。如果考慮每個不同深度的楊氏模量，上述計算可應用於獲得每段剪切波軌跡的斜 率。如果楊氏模量是有深度依賴性的，圖7Β中的軌跡501就不會是一條直線。該軌跡可以 表示為y = x(t) (4)軌跡的斜率分布可以由以下公式得到 其中Cs(y)，即軌跡的斜率分布，代表組織中不同深度的剪切波的傳播速度。平滑 技術，如移動平均數或中值濾波，可用於平滑斜率分布。上述深度依賴的剪切波傳播速度的 計算可應用於構建瞬態M型圖像的所有選定部位。因此，可以得到剪切波傳播速度的二維 圖，即軌跡的斜率，其可採用Cs(x，y)來表示，其中X表示橫向尺寸，Y表示深度方向。使用 Cs(x, y)和等式(3)，可以計算出楊氏模量圖。
超聲掃描儀109以大約30幀/秒的速度進行B型掃描。在進行B型掃描時，可以選擇某一感興趣的特定位置，如線310。當選擇某一感興趣的特定位置時，也就選定了相應 的傳感器子集來進行瞬態M型掃描。例如，傳感器子集可能包括32個傳感器(即T33-T64)。 然後，提高用來驅動傳感器子集的幀率，至少1000幀/秒，以在感興趣的位置(一個固定位 置)採集超聲信號以構建瞬態M型圖像。通過在B型和瞬態M型掃描間連續切換，可同步 觀測B型超聲圖像與瞬態M型超聲圖像。高幀率可以被用來監測組織的擾動，組織的擾動可以通過多種方法生成，例如，施 加於體外或者在體內生成(如心臟搏動)的振動或撞擊、由聚焦超聲束生成的聲輻射力、插 入組織內的振動探針、自發性或電刺激引起的肌肉收縮等。一般來說，機械剪切波可以由振 動、撞擊、心臟搏動、肌肉收縮和聲輻射力等引發。剪切波在組織內以比超聲成像使用的縱 波慢很多的速度傳播。因而，瞬態M型超聲可以觀測組織內剪切波的傳播。傳統M型中沒有用於觀測的同步機制，即M型圖像是通過使用有用的A型超聲信 號逐幀連續構建的。各M型幀的起點(starting point)都不與其他信息同步。通常，當M 型被用來觀察心臟組織時，ECG信號也被記錄下來並被添加到M型圖像的上部以作參考。然 而，ECG信號並非用於同步M型圖像。在本發明中，瞬態M型超聲圖像與振動、撞擊或幹擾 組織的聲輻射力的開始時刻同步。因此，反覆擾動期間採集的瞬態M型圖像可以穩定地在 屏幕上顯示。有兩種方式來同步瞬態M型圖像與擾動信號。第一種情況，擾動的開始時刻可以 被控制，包括外部施加的振動、撞擊或聲輻射力，或者為肌肉收縮施加的電刺激等情況。在 這種情況下，超聲掃描儀可以生成一個觸發信號以控制相應模塊在這一觸發瞬間生成振 動、撞擊、聲輻射力、或用於肌肉收縮的電刺激。同樣的觸發信號也可以用來控制瞬態M型 開始掃描。因此，瞬態M型圖像和擾動得以同步。為了觀測擾動後最開始時刻的活動，可以 發送觸發信號延遲或提前一定時間啟動瞬態M型掃描。此外，為了觀測組織受到的實際擾 動，可將運動傳感器，如加速度計，附在組織表面，採集與擾動有關的信號。這個信號可以疊 加在瞬態M型圖像上。在另一個具體實施例中，擾動的開始時刻無法得到控制，如心臟搏動、自發性肌肉 收縮、手指或儀器對組織的人為碰撞。在這種情況下，我們可以使用一個傳感器從體表捕捉 擾動信號並將其作為一個觸發信號來啟動瞬間M型掃描。上述傳感器可以是用來探測組織 運動的加速度計，由加速度指示的組織運動的開始時刻可用於觸發。同時，運動傳感器採集 的擾動信號也可以顯示在瞬態M型圖像中以作參考。在傳統的M型超聲圖像，只用包絡A型信號來構建M型圖像。因此，超聲信號的相 位信息沒有得到保存。在瞬態M型中，射頻(RF)數據被用來構建圖像，隨後的圖像處理也 是基於該RF數據。圖5示出了同步顯示B型和瞬態M型超聲圖像的處理步驟的流程圖。此方法可兼 用於機械和電子超聲掃描。B型圖像和M型圖像是可選擇性、連續獲得並顯示的。在步驟S501中，超聲掃描儀109進行掃描來構建B型圖像。隨後，在步驟S502中 超聲掃描儀從B型圖像中採集A型信號。在步驟S503中，超聲探頭生成觸發信號。此後， 觸發信號控制模塊在觸發瞬間生成擾動。施加到組織上的擾動可以是電控制的，例如使用 振動器觸發擾動。在步驟S505中，在選定的位置生成高幀率超聲信號波束。例如，用戶可以選擇在一個固定的位置來聚焦超聲信號。如圖4所示，可選擇一個想要的位置構建M型圖像。一組傳感器子集也隨之被選 用來生成並聚焦超聲信號。例如，傳感器T33到T64(32個傳感器)被選用來聚焦超聲信號 以構建瞬態M型圖像(請注意，本發明不限制構建M型圖像的超聲傳感器數量)。通過聚焦 超聲信號，超聲掃描儀可以高幀率傳輸超聲信號。因此，可以生成一個高幀率超聲信號410。 在步驟S506中，基於一系列的RF超聲數據，構建了瞬態M型圖像，如圖7A所示。 圖7A是一個基於RF數據採集低於6000幀/秒A型超聲信號而獲得瞬態M型圖像的典型 結果。圖7A中的Y軸代表組織深度，X軸代表信號採集的時間。圖7B是一幅剪切波傳播 軌跡的增強圖像(步驟S507)。接下來，在步驟S508中，虛線701是手動或自動繪製出的軌 跡斜率，它可以被疊加到圖7A的瞬態M型圖像中。此外，為了計算軌跡各處的斜率，可以分 段計算該軌跡，以獲得沿深度方向的斜率分布。此分布可用灰階或彩階編碼併疊加在B型 或M型圖像中。在步驟S509中，超聲掃描系統100對瞬態M型掃描的彈性測量(楊氏模量)進行 計算，並在步驟S510中在顯示單元107中顯示其結果。如果需要更多掃描，該進程返回到 步驟S501。否則這一進程結束。圖6是在擾動源不可控的情況下顯示B型和瞬態M型超聲圖像的典型流程圖。步 驟S501、S502和S505至S510與圖5中描述的相同，故而不再對其進行說明。步驟S601確 定了是否檢測到擾動信號。如果沒有檢測到擾動信號，該進程返回步驟S501。另一種情況， 當檢測到擾動信號時，進程跳轉到S505。啟動M型掃描的觸發信號採集自與幹擾有關的信 號，可以是心電信號、心臟搏動，採用加速度計在組織表面採集的加速度信號等。本發明可以提供一種存儲介質，其用於將用於執行上述進程的程序代碼存儲在計 算機系統或設備中(如個人電腦)，並由計算機系統或儀器的CPU或MPU從存儲介質讀取程 序代碼，然後執行該程序。圖8舉例說明了本發明的另一個具體實施例。在此實施例中，超聲探頭陣列800 包含設置在超聲探頭內部的振動器810。它被固定在超聲傳感器元件(Tl至T128)後面的 基底材料或阻尼材料820上，對接觸到探頭表面的組織830施加振動。該振動器是由一個 脈衝發生器驅動的，脈衝發生器由來自超聲掃描儀的觸發信號觸發。雖然本發明結合了具 體實施例進行說明，但是應當理解本發明並不限於所公布的具體實施例。下列權利要求的 範圍應符合其最廣的解釋，並包括各種改變或等效替換而得的結構和功能。
權利要求
一種用於超聲成像和彈性測量的方法，其特徵在於，所述方法包括掃描物體以獲得B型超聲圖像；從B型超聲圖像中選取A型信號；由一組選定的超聲傳感器在所選取的A型信號的位置傳輸高幀率超聲信號；基於高幀率超聲信號構建瞬態M型圖像；基於瞬態M型圖像增強剪切波的傳播軌跡；基於傳播軌跡和顯示結果計算物體的彈性；並同時顯示B型超聲成像和瞬態M型測量結果。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，還包括生成觸發信號並基於所述觸發信號 控制擾動。
3.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述高幀率至少為1000幀/秒。
4.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述剪切波傳播軌跡疊加到瞬態M型圖像上。
5.根據權利要求4所述方法，其特徵在於，所述剪切波軌跡包含一條用來指示軌跡斜 率的線。
6.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述剪切波傳播軌跡用於計算沿深度方向 的斜率分布。
7.根據權利要求6所述方法，其特徵在於，由掃描控制單元控制選取A型信號的位置並 在整個B型圖像上進行自動掃描以獲得在每個位置的分布並構建一幅關於斜率的新圖像。
8.根據權利要求7所述方法，其特徵在於，進一步包括基於所述斜率得到楊氏模量圖。
9.一種用於超聲成像和彈性測量的儀器，包括 用於掃描物體以獲得B型超聲圖像的掃描控制單元； 用於從B型超聲圖像中選取A型信號的選擇單元；用於由一組選定的超聲傳感器在選取的A型信號的位置傳輸高幀率超聲信號的超聲 探頭；用於基於高幀率超聲信號構建瞬態M型圖像的處理單元； 用於基於瞬態M型圖像增強剪切波傳播軌跡的增強單元； 用於基於傳播軌跡和顯示結果計算物體彈性的計算單元； 以及用於同時顯示B型超聲圖像和瞬態M型測量結果的顯示單元。
10.根據權利要求9所述的儀器，其特徵在於，所述超聲探頭包括一系列超聲換能器以 及安裝在超聲探頭內的振動器，所述振蕩器被裝在所述超聲換能器元件陣列的基底材料上 以對組織施加振動，其中組織與超聲探頭的表面相接觸。
全文摘要
本發明涉及一種用於超聲成像和彈性測量的方法，包括掃描物體獲得B型超聲圖像，從B型超聲圖像中選取A型信號，由一組選定的超聲傳感器在所選取的A型信號的位置傳輸高幀率超聲信號，基於高幀率超聲信號構建瞬態M型圖像，基於瞬態M型圖像增強剪切波的傳播軌跡，基於傳播軌跡和顯示結果計算物體的彈性，並同時顯示B型超聲圖像和瞬態M型測量結果。本發明還涉及一種用於超聲成像和彈性測量的儀器。本發明只需要修改軟體，並對硬體做少量改動，就能使用常規超聲成像設備同時進行彈性測量和超聲成像。大大降低了成本，方便使用。
文檔編號A61B8/00GK101843501SQ20091013933
公開日2010年9月29日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年3月23日
發明者鄭永平 申請人:香港理工大學