剪切波彈性成像方法和裝置與流程

2023-10-09 05:44:49 1

本發明涉及超聲波醫療技術領域，更具體地涉及一種剪切波彈性成像方法和裝置。

背景技術：

超聲成像由於具有實時、廉價、非侵入性和非電離輻射等優點而廣泛地用於臨床診斷。超聲彈性成像，特別是基於聲輻射力的剪切波成像，在組織彈性定性和定量的測量中發揮巨大的作用，例如，血管剪切波彈性成像對管壁的彈性定量起到至關重要的作用。然而由於一些組織本身的一些特性，導致相關技術中的剪切波彈性成像不能準確地對其進行彈性定性和定量，以血管為例來說，血管具有各向異性的特性，使得在血管剪切波彈性成像時，須要同時考慮血管的長軸切面的剪切波和短軸切面的剪切波，相關技術中的剪切波彈性成像僅僅能夠對血管的長軸切面進行剪切波彈性成像，會造成血管的彈性定量不準確，降低血管的病理檢測精度。

因此，需要提供一種剪切波彈性成像方法和裝置，以至少部分地解決上述問題。

技術實現要素：

考慮到上述問題而提出了本發明一種剪切波彈性成像方法和裝置，可以針對待檢測對象，例如身體組織、血管等得到較準確的彈性定量，提高待檢測對象的病理檢測精度。

根據本發明一方面，提供了一種剪切波彈性成像方法，所述方法包括：

獲取待檢測對象的採樣數據，所述採樣數據包括直角坐標系的超聲圖像數據；對所述直角坐標系的超聲圖像數據進行坐標轉換，以將所述直角坐標系的超聲圖像數據轉換為極坐標系的超聲圖像數據；通過預設處理方法對所述極坐標系的超聲圖像數據進行處理，以得到用於表徵所述待檢測對象的彈性模量的剪切波彈性成像；對所述剪切波彈性成像進行可視化處理，以用於顯示所述待檢測對象的彈性模量。

可選地，所述對所述直角坐標系的超聲圖像數據進行坐標轉換包括：對所述直角坐標系的超聲圖像數據進行空間插值，以得到極坐標系的超聲圖像數據。

可選地，所述對所述直角坐標系的超聲圖像數據進行空間插值包括：確定所述待檢測對象的幾何中心；以及以所述幾何中心為極坐標原點，根據預設採樣率分別對極坐標系的角度方向和半徑方向進行數據採樣，以獲得採樣數據點；用所述直角坐標系的超聲圖像數據對所述採用數據點進行空間插值，以得到極坐標系的超聲圖像數據。

可選地，所述通過預設處理方法對所述極坐標系的超聲圖像數據進行處理包括：通過第一處理方法處理所述極坐標系的超聲圖像數據，以得到所述極坐標系的超聲圖像數據的任一數據點的位移和沿所述待檢測對象的感興趣方向傳播的剪切波；以及，基於所述任一數據點的位移，通過第二處理方法對沿所述待檢測對象環向傳播的剪切波進行處理，以得到剪切波頻散曲線。

可選地，所述通過預設處理方法對所述極坐標系的超聲圖像數據進行處理還包括：基於所述任一數據點的位移和沿所述待檢測對象環向傳播的剪切波得到剪切波的傳輸速度。

可選地，所述通過第一處理方法處理所述極坐標系的超聲圖像數據包括：對所述極坐標系的超聲圖像數據進行斑點追蹤，以得到任一數據點的在所述極坐標系中的徑向位移和環向位移；以及基於所述徑向位移和環向位移建立位移時間曲線；對所述位移時間曲線進行二維傅立葉變換，以得到傅立葉變換結果，其中，所述傅立葉變換結果的不同角度範圍表示剪切波的不同方向的運動信息；對感興趣的角度進行加窗處理，後經過逆傅立葉變換，以得到沿所述待檢測對象的感興趣方向傳播的剪切波。

可選地，所述對所述極坐標系的超聲圖像數據進行斑點追蹤包括：對所述極坐標系的超聲圖像數據中的任一數據點進行加窗處理，得到對應該數據點的數據窗；當前後連續兩幀的超聲圖像數據中所述數據窗的相關性最大時，確定該數據點的在所述極坐標系中的徑向位移和環向位移。

可選地，所述基於所述任一數據點的位移，以及通過第二處理方法對沿所述待檢測對象環向傳播的剪切波進行處理包括：基於所述任一數據點的位移，得到所述剪切波波前在不同時間到達位置得到的位移時間曲線；對所述位移時間曲線進行二維傅立葉變換，以得到傅立葉變換結果，所述傅立葉變換結果中包括頻率值和任一頻率值對應的所有波數值；針對感興趣的角度，基於所述感興趣的角度中每個所述頻率值對應的最大波數值建立剪切波頻散曲線。

可選地，所述對所述剪切波彈性成像進行可視化處理包括：對所述極坐標系的剪切波彈性成像進行空間插值，以得到所述剪切波彈性成像的可視化數據。

根據本發明另一方面，提供了剪切波彈性成像裝置，所述裝置包括：數據獲取單元，用於獲取待檢測對象的採樣數據，所述採樣數據包括直角坐標系的超聲圖像數據；坐標轉換單元，用於對所述直角坐標系的超聲圖像數據進行坐標轉換，以將所述直角坐標系的超聲圖像數據轉換為極坐標系的超聲圖像數據；處理單元，用於通過預設處理方法對所述極坐標系的超聲圖像數據進行處理，以得到用於表徵所述待檢測對象的彈性模量的剪切波彈性成像；可視化單元，用於對所述剪切波彈性成像進行可視化處理，以用於顯示所述待檢測對象的彈性模量。

本發明實施例提供的剪切波彈性成像方法和裝置，基於坐標變換(直角坐標系轉換為極坐標系)實現待檢測對象的剪切波彈性成像，可以對待檢測對象的長軸切面的剪切波和短軸切面的剪切波進行處理，以得到待檢測對象的準確的彈性定量，提高對待檢測對象的病理檢測精度。

附圖說明

通過結合附圖對本發明實施例進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯。附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中，相同的參考標號通常代表相同部件或步驟。

圖1示出根據本發明一個實施例的剪切波彈性成像方法的流程示意圖；

圖2示出根據本發明一個實施例的空間插值實現過程的示意圖；

圖3示出根據本發明一個實施例的斑點追蹤的原理示意圖；

圖4示出根據本發明一個實施例的剪切波彈性成像裝置的結構框圖。

具體實施方式

為了使得本發明的目的、技術方案和優點更為明顯，下面將參照附圖詳細描述根據本發明的示例實施例。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是本發明的全部實施例，應理解，本發明不受這裡描述的示例實施例的限制。基於本發明中描述的本發明實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動的情況下所得到的所有其它實施例都應落入本發明的保護範圍之內。

基於聲輻射力的剪切波彈性成像技術是一種評估組織硬度的超聲彈性成像技術。其基本原理為：由探頭向生物體的軟組織發射高能量的超聲波，產生聲輻射力，在聲輻射力和組織的剪切應力的作用下，特定區域內的軟組織會產生向四周傳播的振動，從而產生剪切波，由於生物體軟組織的硬度和剪切波速度存在著關聯關係，因此可以通過檢測剪切波的速度以分析生物體軟組織的硬度。

相關技術的剪切波彈性成像的可以包括兩個關鍵點：1、考慮軸向位移，即剪切波的振動方向；2、方向濾波器設置時僅考慮某一個感興趣的方向。對於像血管這樣的軟組織，相關技術中的剪切波彈性成像僅能對其長軸切面的剪切波成像進行處理，而不能處理其短軸切面的剪切波彈性成像。但對於血管短軸切面的剪切波彈性成像，需要考慮的是徑向位移而非軸向位移，以及需要沿著環向濾波的方向濾波器。因此，通過相關技術的剪切波彈性成像，很難準確地對血管進行彈性定量，而降低血管的病理檢測精度。

為了解決上文所述的問題，本發明實施例提出一種剪切波彈性成像方法和裝置，基於坐標變換實現待檢測對象的剪切波彈性成像，得到待檢測對象的準確的彈性定量，提高對待檢測對象的病理檢測精度。

下面將結合附圖對本發明提供的剪切波彈性成像方法和裝置進行詳細描述，以使本領域技術人員能夠清楚、準確地理解本發明的技術方案。

圖1示出根據本發明一個實施例的剪切波彈性成像方法的流程示意圖。如圖1所示，本發明實施例提供的一種剪切波彈性成像方法包括如下步驟：

步驟110，獲取待檢測對象的採樣數據，其中，採樣數據包括直角坐標系的超聲圖像數據。

在本步驟中，可以利用聲輻射力激勵待檢測對象的感興趣區域，對感興趣區域進行超高速超聲成像，以得到待檢測對象的感興趣區域的超聲圖像數據。示例性地，超聲圖像數據可以包括RF(Radio Frequency，射頻)數據、包絡數據、B模數據中的至少一種。

以血管為例，血管內彈性成像可以利用氣囊、血壓變化或者外部擠壓來激勵血管，估計血管的運動即位移(一般為縱向)，得到血管的應變分布，從而表徵血管的彈性。在本發明實施例中，可以利用聲輻射力激勵血管，得到血管的超聲圖像數據。示例性地，在本步驟中獲得的超聲圖像數據為直角坐標系的超聲圖像數據。

步驟120，對直角坐標系的超聲圖像數據進行坐標轉換，以將直角坐標系的超聲圖像數據轉換為極坐標系的超聲圖像數據。

在本步驟中，可以通過坐標變換將直角坐標系的超聲圖像數據轉換為極坐標系的超聲圖像數據。可以通過空間插值法實現直角坐標系至極坐標系的坐標轉換。作為一個示例，可以將待檢測對象的幾何中心確定為極坐標原點，根據預設採樣率分別對極坐標系的角度方向和半徑方向進行數據採樣，以獲得採樣數據點，用直角坐標系的超聲圖像數據對採用數據點進行空間插值，以得到極坐標系的超聲圖像數據。示例性地，在極坐標系中，橫坐標為角度，縱坐標為半徑。關於確定待檢測對象的幾何中心，例如可以通過手動選擇的方式確定，也可以通過對待檢測對象的圖像進行圖像自動分割以實現對其幾何中心的選擇。

仍以血管為例，將血管的幾何中心(例如，圓心)作為極坐標原點，從原點發射線狀採樣，其中，沿著射線方向為半徑方向，垂直於射線方向為角度方向。在本發明實施例中，根據預設採樣率對血管的半徑方向和角度方向均進行採樣，以獲得採用數據點，再利用直角坐標系的超聲圖像數據對採用數據點進行空間插值，實現直角坐標繫到極坐標系的坐標轉換，從而得到極坐標系的超聲圖像數據。預設採樣率例如可以是極坐標系的任一個方向採集的數據點的數量，其可以根據實際需求設定，在本發明實施例中不對此進行限定。空間插值法可以例如採用線性插值、多項式擬合插值等任一種實現，本發明不對此進行限制。

下面將結合圖2所示的本發明實施例的空間插值實現過程的示意圖，可以理解的是，圖2所示的插值實施例僅為示例，而不造成對本發明的限制。圖2中以二維空間插值為例，設直角坐標系中的任意一數據點的坐標可以表示為(x，y)，在確定待檢測對象的幾何中心(例如，血管的圓心)後，任意一數據點在極坐標中表示可以為(r,θ)。圖中實心的點代表直角坐標系的超聲圖像數據，空心的點代表圓心確定後極坐標下需要獲得的數據(極坐標系下的超聲圖像數據)，可以通過對半徑方向和角度方向均勻採樣獲得。可以根據實心點的信息通過空間插值得到空心的點的信息。

步驟130，通過預設處理方法對極坐標系的超聲圖像數據進行處理，以得到用於表徵待檢測對象的彈性模量的剪切波彈性成像。

剪切波彈性成像是通過檢測聲輻射力激發組織而產生剪切波的傳播進行成像的方法。通過對剪切波彈性成像進行運算處理可以求得組織的剪切模量，用以對組織病理進行分析。

在本步驟中，可以通過預先設定的處理方法對極坐標系的超聲圖像數據進行處理，從而得到待檢測對象的剪切波彈性成像。根據本發明一實施例，可以通過第一處理方法處理極坐標系的超聲圖像數據，以得到極坐標系的超聲圖像數據的任一數據點的位移和沿所述待檢測對象的感興趣方向傳播的剪切波，以及基於任一數據點的位移通過第二處理方法對沿待檢測對象環向傳播的剪切波進行處理，以得到剪切波頻散曲線。

進一步地，在一些實施例中，採用第一處理方法對極坐標系的超聲圖像數據的處理可以包括如下步驟：

步驟A、對極坐標系的超聲圖像數據進行斑點追蹤，以得到任一數據點的在極坐標系中的徑向位移和環向位移。

在該步驟中即可以通過斑點追蹤實現位移估計，其中，斑點追蹤的實現方法包括不限互相關、自相關、光流法等塊運動匹配的所有可以得到極坐標內二維位移的方法。

示例性地，可以對極坐標系的超聲圖像數據中的任一數據點進行加窗處理，得到對應該數據點的數據窗，當連續兩幀的超聲圖像數據中數據窗的相關性(評價相關性的參數諸多，例如，可以是自相關係數，也可以是互相關係數等)最大時，確定該數據點的在極坐標系中的徑向位移和環向位移。在本發明實施例中，相關性係數可以通過自相關、互相關、絕對誤差和、幅度差平方和以及光流法等方式計算確定，可以理解，相關性係數的計算不限於這幾種實現方式，還可以通過其他塊匹配的運動估計算法實現，在此不再一一贅述。如圖3所示的斑點追蹤的原理示意圖。如圖3的a圖像中，確定一感興趣區域(如圖中數據窗位置)，由於剪切波是連續運動的，因此需要在至少兩幀圖像中對其進行搜索跟蹤，如圖3中的b和c圖像，當連續兩幀的超聲圖像數據中數據窗的相關性最大時(可以理解為匹配度最好的位置，即圖3中d圖像中的最佳匹配位置)，分別得到沿角度方向和半徑方向的位移，即徑向位移和環向位移，如圖3中的d圖像的標識的兩處位移。

步驟B、基於徑向位移和環向位移建立位移時間曲線。

示例性地，例如可以在待檢測對象的感興趣區域的傳播路徑上，任意一個時刻對應波前到達的空間位置，將連續的若干個時刻整合在一起，一個維度代表時間，另一個維度代表空間位置，由于波前傳播是連續的，因此可以在二維空間內確定波前傳播的情況，即建立位移時間曲線。

步驟C、對位移時間曲線進行二維傅立葉變換，以得到傅立葉變換結果，其中，傅立葉變換結果的不同角度範圍表示剪切波的不同方向的運動信息。

步驟D、對感興趣的角度進行加窗處理，後經過逆傅立葉變換，以得到沿待檢測對象的感興趣方向傳播的剪切波。

步驟C和步驟D實現方向濾波，即對位移時間曲線進行傅立葉變換、逆傅立葉變換、方向加窗處理得到感興趣方向傳播的剪切波。

而步驟130的基於任一數據點的位移通過第二處理方法對沿待檢測對象環向傳播的剪切波進行處理的步驟可以包括：基於任一數據點的位移，得到剪切波波前在不同時間到達位置得到的位移時間曲線，對位移時間曲線進行二維傅立葉變換，以得到傅立葉變換結果，傅立葉變換結果中包括頻率值和任一頻率值對應的所有波數值，針對感興趣的角度，基於感興趣的角度中每個頻率值對應的最大波數值建立剪切波頻散曲線。

示例性地，選擇感興趣的角度方向，例如，當感興趣的角度方向向右時，對應的傅立葉變換中的信息位於第一象限，其中，傅立葉變換中的信息分別包括頻率信息和波數信息(頻率值和波數值)，取任一個頻率值下最大的波數值，得到待檢測對象的剪切波頻散曲線，即不同頻率的剪切波相速度曲線。基於剪切波的頻散曲線評價待檢測對象的剪切模量，準確率更高，而對於像血管這樣的待檢測對象，基於極坐標系下對感興趣的角度的選擇，可以同時處理長軸切面和短軸切面，彌補相關技術的弊端，得到更精準的待檢測對象的彈性定量。

根據本發明另一實施例，進一步地，本步驟還可以包括基於任一數據點的位移和沿待檢測對象環向傳播的剪切波得到剪切波的傳輸速度。示例性地，在極坐標系中，根據剪切波波前在不同時間到達位置對剪切波波速進行測量，從而得到剪切波的傳播速度。應用該實施例，結合剪切波的傳播速度及剪切波的頻散曲線評價待檢測對象的剪切模量，兩者可以相輔相成，進一步提高待檢測對象的彈性定量的精準度。

步驟140，對剪切波彈性成像進行可視化處理，以用於顯示待檢測對象的彈性模量。

由於位移估計、方向濾波等都是在極坐標下進行，得到方向濾波後的剪切波傳播後，可以對剪切波傳播的數據(例如，可以包括散射子震動位移、速度、加速度等)進行坐標變換，即由極坐標轉換成直角坐標，轉換原理及過程與步驟120相同，在此不再贅述，通過坐標轉換實現剪切波傳播的可視化，即實現剪切波彈性成像的可視化處理。

應用本發明實施例提供的剪切波彈性成像方法，基於坐標變換(直角坐標系轉換為極坐標系)實現待檢測對象的剪切波彈性成像，可以對待檢測對象的長軸切面的剪切波和短軸切面的剪切波進行處理，以得到待檢測對象的準確的彈性定量，提高對待檢測對象的病理檢測精度。

此外，通過方向濾波處理，可以得到剪切波在待檢測對象(例如，血管壁)徑向的運動，並可以有效的去除待檢測對象(例如，沿血管壁)環向的反射波，為待檢測對象的彈性定量研究提供基礎。

另外，通過待檢測對象(例如血管)橫截面的剪切波成像，進一步可以得到管壁的剪切波速度、頻散曲線，結合剪切波傳播速度和頻散曲線對待檢測對象的彈性進行定量測量，可以提高測量精度和準確度。

本發明還提供一種應用上述剪切波彈性成像方法的剪切波彈性成像裝置。圖4示出根據本發明一個實施例的剪切波彈性成像裝置的結構框圖。如圖4所示，剪切波彈性成像裝置可以包括數據獲取單元410、坐標轉換單元420、處理單元430和可視化單元440。示例性地，數據獲取單元410、坐標轉換單元420、處理單元430和可視化單元440均可以設置在計算機中，由計算機的運算處理單元實現。

數據獲取單元410可以用於獲取待檢測對象的採樣數據，其中，採樣數據包括直角坐標系的超聲圖像數據。

坐標轉換單元420可以用於對數據獲取單元410獲取的直角坐標系的超聲圖像數據進行坐標轉換，以將超直角坐標系的超聲圖像數據轉換為極坐標系的超聲圖像數據。

處理單元430可以用於通過預設處理方法對坐標轉換單元420得到的極坐標系的超聲圖像數據進行處理，以得到用於表徵待檢測對象的彈性模量的剪切波彈性成像。

可視化單元440可以用於對處理單元430得到的剪切波彈性成像進行可視化處理，以用於顯示所述待檢測對象的彈性模量。

應用本發明實施例提供的剪切波彈性成像裝置，可以基於坐標變換(直角坐標系轉換為極坐標系)實現待檢測對象的剪切波彈性成像，可以對待檢測對象的長軸切面的剪切波和短軸切面的剪切波進行處理，以得到待檢測對象的準確的彈性定量，提高對待檢測對象的病理檢測精度。

儘管本文已經參考附圖描述了示例實施例，應理解上述示例實施例僅僅是示例性的，並且不意圖將本發明的範圍限制於此。本領域普通技術人員可以在其中進行各種改變和修改，而不偏離本發明的範圍和精神。所有這些改變和修改意在被包括在所附權利要求所要求的本發明的範圍之內。

本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、或者計算機軟體和電子硬體的結合來實現。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的設備和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的設備實施例僅僅是示意性的，例如，單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個設備，或一些特徵可以忽略，或不執行。

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

類似地，應當理解，為了精簡本發明並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該本發明的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多的特徵。更確切地說，如相應的權利要求書所反映的那樣，其發明點在於可以用少於某個公開的單個實施例的所有特徵的特徵來解決相應的技術問題。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。

本領域的技術人員可以理解，除了特徵之間相互排斥之外，可以採用任何組合對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特徵以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的每個特徵可以由提供相同、等同或相似目的的替代特徵來代替。

此外，本領域的技術人員能夠理解，儘管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特徵而不是其它特徵，但是不同實施例的特徵的組合意味著處於本發明的範圍之內並且形成不同的實施例。例如，在權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

本發明的各個部件實施例可以以硬體實現，或者以在一個或者多個處理器上運行的軟體模塊實現，或者以它們的組合實現。本領域的技術人員應當理解，可以在實踐中使用微處理器或者數位訊號處理器(DSP)來實現根據本發明實施例的導線懸掛點定位裝置中的一些模塊的一些或者全部功能。本發明還可以實現為用於執行這裡所描述的方法的一部分或者全部的裝置程序(例如，電腦程式和電腦程式產品)。這樣的實現本發明的程序可以存儲在計算機可讀介質上，或者可以具有一個或者多個信號的形式。這樣的信號可以從網際網路網站上下載得到，或者在載體信號上提供，或者以任何其他形式提供。

應該注意的是上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，並且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的範圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位於括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞「包含」不排除存在未列在權利要求中的組件或步驟。位於組件之前的單詞「一」或「一個」不排除存在多個這樣的組件。本發明可以藉助於包括有若干不同組件的硬體以及藉助於適當編程的計算機來實現。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬體項來具體體現。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式或對具體實施方式的說明，本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。