一種定量剪切波彈性成像方法與流程
2023-04-23 05:02:56
本發明涉及醫學超聲成像技術領域，特別涉及一種定量剪切波彈性成像方法。
背景技術：
近年來，腫瘤疾病已經成為危害我國人民身體健康的主要殺手。腫瘤疾病的防治關鍵在於早期發現。臨床上，人體組織的力學特徵變化往往是腫瘤疾病最為重要的早期預警信號，如乳腺、甲狀腺等腫瘤病變。隨著腫瘤的生長，病變組織與正常組織相比，黏彈性發生較大變化，如乳腺癌與周圍正常組織大約相差90倍，纖維化組織、非浸潤性癌變和浸潤性癌變組織的剪切彈性係數亦存在較大差異，因此，獲得人體組織與粘彈性相關的參數信息(例如形變位移，剪切波速等)在醫學診斷領域尤其對乳腺癌、甲狀腺癌和前列腺癌的早期檢測具有重要意義。
醫學超聲彈性成像是一種通過組織運動顯示組織彈性模量或軟硬程度的超聲成像方式，傳統的擠壓式彈性成像方式需要醫生利用探頭擠壓檢測部位使其受力運動，從而得到組織彈性信息，這種方式的不足在於：醫生需要以適當的操作擠壓檢測部位，主觀性強；由於需要醫生擠壓，不同醫生操作或同一醫生不同時期的操作的結果很難直接進行對比，檢測結果難以復現，往往只能作為定性的檢測結果，無法獲得定量的檢測信息，用以疾病的跟蹤和術後觀察。
目前能進行定量分析的超聲彈性成像技術，主要是基於聲輻射力彈性成像(Acoustic Radiation Force Imaging，ARFI)，ARFI利用醫學超聲功率範圍內的聚焦超聲激勵脈衝在生物黏彈性組織聚焦區域產生聲輻射力，使組織發生形變，然後利用檢測脈衝的回波信號通過相關性的時延計算方法在不同時間點檢測組織的形變位移情況，將其成像後定性地反映組織的黏彈性特性。ARFI彈性成像克服了傳統徒手彈性成像無法從體外對深部組織有效施壓以及因操作者的使用習慣不同造成可重複性較差的缺點。但不足之處在於圖像顯示的是組織相對的形變位移差異，而無法完全定量地估算組織的彈性模量。基於ARFI技術衍生的超聲剪切波成像(SWI，shear wave imaging)，通過調整脈衝激勵方式，根據水平方向多個點的位移-時間曲線估算橫向傳播的剪切波波速，然後利用剪切波傳播特性與生物組織彈性特徵之間的內在聯繫，最終定量重構組織的彈性模量以形成二維的圖像。
但是，現有的定量彈性成像SWI需要使用超聲前端波束合成前的原始射頻信號數據，需要基於平面波發射和接收，平面波技術每秒需要N*c/2z次計算，其中N為並行接收聲束數目，c為聲速，z為掃描深度。而傳統波束合成方法的計算量則要小得多，僅為M/P分之一，其中M為發射次數，P為並行數，例如M等於100，P等於2時，平面波方法的計算量是傳統ARFI方法的至少五十倍(有時甚至高達數百倍)；除了計算量的巨大差異外，基於平面波技術的接收端軟體波束合成還需要存儲大量原始回波信號，大幅度提高了數據存儲和傳輸硬體成本，不便於與醫學超聲系統集成和推廣應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有定量彈性成像技術需要採用原始射頻信號(不經過波束合成)帶來的計算量大、所需硬體設計困難和成本高昂的問題，提供一種對設備要求低、計算量小的超聲定量彈性成像方法及系統。
為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：
一種定量剪切波彈性成像方法，包含如下步驟：
進行ARFI檢測，獲取目標區域中各個位置應變ε，其中包含指定參考位置應變εref；
進行剪切波檢測，獲取目標區域中指定參考位置單點剪切波波速cref；
根據所述單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速c；
根據各個位置應變計剪切波波速獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E。
進一步的，所述目標區域中各位置應變其中，N為梯度滑動計算窗口大小，zi表示各位置的具體深度坐標，表示梯度滑動計算窗口內各個位置坐標的均值，yi表示梯度滑動計算窗口內當前點位移，表示梯度滑動計算窗口內各個位置位移的均值。
進一步的，所述單點剪切波波速根據指定測量點的橫向距離、軸向距離，及各個指定測量點達到最大橫向位移所需要的時間採用二維線性擬合法計算得出。
進一步的，所述單點剪切波波速cref通過公式X＝Aβ得出，其中，式中，xi表示指定測量點的橫向距離，ti表示指定測量點達到最大位移所需時間，zi表示指定測量點的軸向距離，β1即為所求的指定測量點單點剪切波速cref，β0和β2為利用上式計算單點剪切波速cref過程中同時計算得出的回歸參數，本方法中不使用這兩個參數。
進一步的，所述各個位置剪切波波速其中，在聚焦區域，γ取值1；在聚焦區域之外的軸向區域，其中，z為軸向距離，n和σ為表示激勵聲場的系統常數，取值範圍均為0～10，n和σ兩個參數的取值可以相同或不同。
進一步的，所述聚焦區域DOF＝8(f#)2λ，其中，λ表示波長，f#為孔徑控制參數，其為在0～5之間的實數，可見聚焦區域通常由設備參數決定，其大小範圍只與設備參數相關，與目標區域大小無關，目標區域可能大於聚焦區域，也可能等於聚焦區域，或者小於聚焦區域。
進一步的，所述定量剪切波彈性圖像E＝3ρc2，其中，ρ為被測區域介質密度。
以上方法可以運行在如下的超聲定量彈性成像系統中，該系統包括，
剪切波脈衝發生器，用於發射剪切波激勵脈衝及檢測脈衝信號；
ARFI脈衝發生器，用於發射ARFI激勵脈衝及檢測脈衝信號；
探頭，用於接收剪切波回波信號或ARFI回波信號；
控制裝置，用於控制剪切波脈衝發生器、ARFI脈衝發生器的開關，接收剪切波回波信號和ARFI回波信號，並，根據ARFI回波信號計算目標區域各個位置的應變ε，其中包含指定參考位置應變εref；根據剪切波回波信號計算指定參考位置單點剪切波波速cref；根據單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速c；根據各個位置應變計剪切波波速c及應變εref獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E；
顯示裝置，用於將所述定量剪切波彈性圖像E顯示。
所述探頭包括波束合成器，其用於將FRFI回波信號或剪切波回波信號經過波束合成，合成為回波射頻信號。
所述控制裝置包括剪切波信號處理模塊、單點剪切波速計算模塊；
所述剪切波信號處理模塊自探頭接收剪切波回波射頻信號，並經過解調、位移估算得出被測組織目標區域各位置或者僅獲取指定參考位置的剪切波位移-時間數據；
所述單點剪切波速計算模塊根據剪切波位移-時間數據計算指定參考位置剪切波波速cref，其通過公式X＝Aβ得出，其中，式中，xi表示指定測量點(指定測量點包含指定參考位置)的橫向距離，ti表示指定測量點達到最大位移所需時間，zi表示指定測量點的軸向距離，β1即為所求的指定測量點單點剪切波速cref；
所述控制裝置還包括ARFI信號處理模塊、應變計算模塊；
所述ARFI信號處理模塊用於自探頭接收ARFI回波射頻信號，並經過解調、位移估算得出被測組織目標區域各位置的ARFI位移-時間數據；
所述應變計算模塊根據所述ARFI位移-時間數據計算目標區域各位置應變其中，N為梯度滑動計算窗口大小，zi表示各位置具體深度坐標，表示梯度滑動計算窗口內各個位置坐標的均值，yi表示梯度滑動計算窗口內當前點位移，表示梯度滑動計算窗口內各個位置位移的均值，ε中包含指定參考位置的應變εref。
所述控制裝置還包括彈性模量計算模塊；
所述控制裝置還包括波速計算模塊及彈性模量計算模塊；
所述波速計算模塊用於根據指定參考位置單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速其中，在聚焦區域，γ取值1；在聚焦區域之外的軸向區域，其中，z為軸向距離，n和σ為表示激勵聲場的系統常數，取值範圍均為0～10，n和σ兩個參數的取值可以相同或不同；
所述彈性圖像計算模塊用於根據c及應變εref獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E＝3ρc2，其中，ρ為被測區域介質密度。
所述控制裝置控制所述剪切波脈衝發生器、ARFI脈衝發生器交替發射。
所述剪切波脈衝發生器及所述ARFI脈衝發生器為同一電路實現，其由所述控制裝置控制發送剪切波脈衝或ARFI脈衝；，
所述剪切波脈衝發生器及所述ARFI脈衝發生器為各自獨立電路實現，其由所述控制裝置控制啟動、關閉時間。
所述剪切波脈衝發生器和/或ARFI脈衝發生器共有24路以上。
所述剪切波脈衝發生器或ARFI脈衝發生器包括依次串接的驅動放大器、脈衝發生器、過流過壓保護電路、Tx/Rx開關，以及自Tx/Rx開關反饋的限幅放大器、數模轉換電路。
與現有技術相比，本發明的有益效果：
本發明提供的超聲定量彈性成像方法基於滑動窗口線性擬合的應變和使用二維線性擬合的剪切波波速檢測算法，其結果魯棒性更好、抗噪聲能力更強，結果更可靠。同時在不額外增加超聲前端存儲與傳輸模塊負荷的情況下，實現了超聲全域定量彈性成像，大幅地減低了超聲定量彈性成像系統的設計難度和設備成本。
本發明方法運行的系統中設置有有效電路切換和保護模塊，讓系統滿足ARFI與剪切波不同發射時序要求的同時，有效保護人體和系統電路，並最大限度的進行聲激勵以達到更好檢測效果。
附圖說明：
圖1為本發明提供的超聲定量彈性成像方法流程圖。
圖2是本發明提供的超聲定量彈性成像系統框圖。
圖3是本發明中剪切波脈衝發生器和/或所述ARFI脈衝發生器構成示例的結構框圖。
圖4是本發明中本發明中聲激勵使用的發射脈衝序列示意圖。
圖5是剪切波波速計算使用的脈衝發射方式示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本發明內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。
實施例1：如圖1所示，本發明提供一種定量剪切波彈性成像方法，包含如下步驟：
S100：進行ARFI檢測，獲取目標區域中各個位置應變ε，本實施例中，所述各個位置可以是目標區域的所有點位置，也可以是目標區域中指定個數的目標點位置(如目標區域的N個均勻分布的點位置)，也可以是目標區域選取的N個規則排列的點位置(規則排列可以是等距排列，或規則的不等距排列，各個點可能排成一行，也可能排成其他規則形狀)；不管所述各個位置是指目標區域所有點位置，還是N個均勻分布的目標點位置，或是N個規則排列的點位置，其中均包含至少一個指定參考位置，即獲取的各個位置應變ε中包含指定參考位置應變εref；
S200：進行剪切波檢測，獲取目標區域中指定參考位置單點剪切波波速cref；
步驟S100和S200的執行順序並無特殊要求，如可以先執行S100，再執行S200，也可以先執行S200，再執行S100.
S300：根據所述單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速c；
S400：根據各個位置應變計剪切波波速獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E。
具體的，所述目標區域中各位置應變其中，N為梯度滑動計算窗口大小，zi表示各位置具體深度坐標，表示梯度滑動計算窗口內各個位置坐標的均值，yi表示梯度滑動計算窗口內當前點位移，表示梯度滑動計算窗口內各個位置位移的均值。
所述單點剪切波波速根據指定測量點的橫向距離、軸向距離，及各個指定測量點達到最大橫向位移所需要的時間採用二維線性擬合法計算得出。
所述單點剪切波波速cref通過公式X＝Aβ得出，其中，式中，通常我們在軸向深度上預設I個深度，每個深度上預設J個指定位置(點)，共，m個指定位置(點)，m＝I*J；我們將每個位置(點)在剪切波作用下達到最大位移的時間看做是剪切波傳播到該位置(點)的時間，通過剪切波位移-時間數據可以得到剪切波傳遞到該位置(點)的時間，即ti；同時，zi表示指定測量位置(點)在軸向深度的軸向距離(表徵深度位置)，xi表示指定測量位置(點)的橫向距離(表徵橫向位置)，即，當各個指定位置(點)選定時，X中各個元素值以及zi值便已確定，我們只需從剪切波位移-時間數據中找出各個指定位置(點)達到最大位移所需時間ti即可完成計算；公式中，β1即為所求的指定測量點單點剪切波速cref；同時，應注意的是，β0和β2為利用上式計算單點剪切波速cref過程中同時計算得出的回歸參數，本方法中並不使用這兩個參數，其作用和含義對本發明沒有實質意義。
所述各個位置剪切波波速其中，在聚焦區域γ取值1；在聚焦區域之外的軸向區域(當目標區域大於聚焦區域時，需用到此處)，其中，z為軸向距離，n和σ為表示激勵聲場的系統常數，取值範圍均為0～10，n和σ兩個參數的取值可以相同或不同。
所述定量剪切波彈性圖像E＝3ρc2，其中，ρ為被測區域介質密度。
本實施例提供的方法可以運行在如圖2、圖3所示的超聲定量彈性成像系統中，該系統包括，
剪切波脈衝發生器，用於發射剪切波激勵脈衝及檢測脈衝信號；
ARFI脈衝發生器，用於發射ARFI激勵脈衝及檢測脈衝信號；
探頭，用於接收剪切波回波信號或ARFI回波信號；
控制裝置1，用於控制剪切波脈衝發生器、ARFI脈衝發生器的開關，接收剪切波回波信號和ARFI回波信號，並，根據ARFI回波信號計算目標區域各個位置的應變ε，其中包含指定參考位置應變εref；根據剪切波回波信號計算指定參考位置單點剪切波波速cref；根據單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速c；根據各個位置應變計剪切波波速c及應變εref獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E。
顯示裝置，用於將所述定量剪切波彈性圖像E顯示。具體的，在顯示之前，還包括對控制裝置計算得出的彈性圖像E數據進行掃描轉換，平滑處理等一系列的處理過程，最後將該圖像通過顯示器展現給用戶。
所述探頭包括波束合成器2，其用於將ARFI回波信號或剪切波回波信號經過波束合成，合成為回波射頻信號。
所述控制裝置1包括剪切波信號處理模塊13、單點剪切波速計算模塊14；
所述剪切波信號處理模塊13自探頭接收剪切波回波射頻信號，並經過解調成為IQ數據，進一步對該IQ數據進行位移估算得出被測組織目標區域各位置的剪切波位移-時間數據；
所述單點剪切波速計算模塊14根據剪切波位移-時間數據計算指定參考位置剪切波波速cref，其通過公式X＝Aβ得出，其中，式中，xi表示指定測量點的橫向距離，ti表示指定測量點達到最大位移所需時間，zi表示指定測量點的軸向距離，β1即為所求的指定測量點單點剪切波速cref；
所述控制裝置1還包括ARFI信號處理模塊11、應變計算模塊12；
所述ARFI信號處理模塊11用於自探頭接收ARFI回波射頻信號，並經過解調形成IQ數據，並進一步通過對IQ數據進行位移估算得出被測組織目標區域各位置的ARFI位移-時間數據；
所述應變計算模塊12根據所述ARFI位移-時間數據計算目標區域各位置應變其中，N為梯度滑動計算窗口大小，zi表示各位置(此處的各位置通常也是從目標區域中選取的)具體深度坐標，表示梯度滑動計算窗口內各個位置坐標的均值，yi表示梯度滑動計算窗口內當前點位移，表示梯度滑動計算窗口內各個位置位移的均值。
所述控制裝置1還包括波速計算模塊15及彈性模量計算模塊16；
所述波速計算模塊15用於根據指定參考位置單點剪切波波速計算各個位置剪切波波速其中，在聚焦區域，γ取值1；在聚焦區域之外的軸向區域，其中，z為軸向距離，n和σ為表示激勵聲場的系統常數，取值範圍均為0～10，n和σ兩個參數的取值可以相同或不同；
所述彈性圖像計算模塊16用於根據c及應變εref獲取各個位置定量剪切波彈性圖像E＝3ρc2，其中，ρ為被測區域介質密度。
所述控制裝置1控制所述剪切波脈衝發生器、ARFI脈衝發生器交替發射。
具體的，如圖3所述，一些實施例中，控制裝置1硬體部分可由PC、控制電路板和FPGA晶片組組成，另外一些實施例中，控制裝置也可以是完全集成在一起的集成電路構成，上述的剪切波信號處理模塊、單點剪切波速計算模塊、ARFI信號處理模塊、應變計算模塊、彈性模量計算模塊按功能分布在上述硬體裝置中。
所述剪切波脈衝發生器及所述ARFI脈衝發生器為同一電路實現，其由所述控制裝置控制發送剪切波脈衝或ARFI脈衝；或，
所述剪切波脈衝發生器及所述ARFI脈衝發生器為各自獨立電路實現，其由所述控制裝置控制啟動、關閉時間。
具體的，在所述剪切波脈衝發生器及所述ARFI脈衝發生器為同一電路實現的實施例中，如圖3所示，發生器包括依次串接的驅動放大器100、脈衝發生器101、過流過壓保護電路102、Tx/Rx開關103，以及自Tx/Rx開關反饋的限幅放大器104、數模轉換電路105。過流過壓保護電路102可以讓系統滿足ARFI與剪切波不同發射時序要求的同時，有效保護人體和系統電路，並最大限度的進行聲激勵以達到更好檢測效果。
所述剪切波脈衝發生器和/或ARFI脈衝發生器共有24路以上，如48路、64路、128路、256路等。
使用時，控制裝置根據用戶設定的電壓、脈衝長度和相位等參數信息控制脈衝發生器(剪切波脈衝發生器和/或所述ARFI脈衝發生器)產生激勵和檢測脈衝信號，在T/R開關的控制下發射電路產生的超聲波進入生物組織，接收電路接收回波信號。系統在發射或接收信號時，通過設置孔徑控制參數f#及聚焦深度z，並利用公式來控制活動陣元(脈衝發生器)的個數，公式中，D是探頭孔徑大小，即用戶通過設置孔徑控制參數f#及聚焦深度z來控制活動探頭孔徑的大小來實現對活動陣元個數的控制，用戶可根據情況在最大活動陣元數(如64路)內選擇實際需要的活動陣元數量，例如，系統如果包括64路脈衝發生器，則系統可以實現的最大探頭孔徑大小即為64個陣元所分布的面積，孔徑控制參數f#通常為大於0小於或等於5的實數。因為激勵組織產生形變的力是由探頭根據用戶設定的選項發射的短時長脈衝波在聚焦區域形成的，與操作者的操作手法無關，因此可以認為在有效成像區域內力的大小是均勻的，一致的。聚焦區域的深度(Depth of Focus)可以描述為：DOF＝8(f#)2λ，λ表示波長；例如，對於5MHz的激勵脈衝，如果孔徑控制參數f#＝2，生物組織中的聲速近似等於1540m/s，那麼DOF的值接近1cm。ARFI彈性成像採用的是逐線方式掃描，每一個水平位置都會根據相同的系統參數發射激勵脈衝使得組織產生微小形變，因此可以認為在焦點附近1cm範圍內的聲輻射力可以看作是均勻的，一致的，這個區域我們稱為聚焦區域，如上所述，在聚焦區域中，剪切波波速計算公式中的γ取值為1。
發射脈衝序列示意如圖4所示，根據ROI窗口深度位置，信號中心頻率大小、PRF(pulse repeat frequency，脈衝重複頻率)、激勵電壓以及脈衝長度等參數控制發射脈衝序列。序列的頭部是1個或多個檢測脈衝(Detect beam,較高電壓(例如80V，一般與B模式相同)，短脈衝(例如2個周期))作為組織位移信息的參考信號；接下來是多組激勵脈衝/檢測脈衝對，激勵脈衝(Push beam,較低電壓(例如20～40V)，長脈衝(100～250個周期))用於在組織內焦點附近的局部區域激勵產生微小位移。
檢測脈衝(高電壓的短脈衝)用於跟蹤聲輻射力載荷在加載的過程中組織的形變情況；之後是一系列的檢測脈衝跟蹤聲輻射力載荷消失後組織的形變情況。激勵脈衝的作用是使焦點位置處的局部組織在安全條件下能夠振動起來，長回波信號由於其空間解析度差不能用於位移估算，所以探頭陣元在發射激勵脈衝時關閉信號變跡，所有活動陣元的發射信號幅值相同，增強信號攜帶的能量以便在安全條件下產生更大的聲輻射力。用於激勵的長脈衝波頻率和用於檢測的短脈衝波中心頻率可選擇相同或不同，優選方案是中心頻率不同，這樣可以為了避免激勵脈衝對檢測脈衝回波信號的幹擾，同時在信號處理時易於區分激勵和檢測的回波信號。
另外發射脈衝序列中的長脈衝波數目是可變的，整個序列的波數目也是可變的，這裡我們將一次激勵整個序列的波數目定義為取樣容積數目(ensemblesize)，例如16，24，32。長脈衝波數目(激勵波)+短脈衝波數目(參考和檢測波)＝取樣容積數目，梯度滑動計算窗口N的大小為0～取樣容積數之間的任意值，具體其為採用自適應算法自動選擇，此處不再贅述。
一組剪切波發射脈衝包含若干個不同空間位置如圖4所示的發射脈衝序列，其中激勵脈衝空間位置固定，而不同發射序列的檢測脈衝空間位置不同；如圖5所示，D為檢測波，P為激勵波，假如有一組剪切波發射脈衝採用5個間隔為1mm的發射脈衝序列，這5個序列的激勵波P1、P2、P3、P4、P5均在同一空間位置，而5個發射脈衝序列中的檢測波D1、D2、D3、D4、D5在相同或不同空間位置，同時，至少一個檢測脈衝的空間位置和激勵脈衝位置相同，如圖中的D1。
ARFI脈衝發生器使用的發射脈衝序列與剪切波脈衝發生器相同，但一幀ARFI成像掃描過程中激勵波保持與檢測波為同一空間位置。