消除剪切波中的背景噪聲的方法和相應的超聲成像系統的製作方法

2023-09-13 21:45:10

消除剪切波中的背景噪聲的方法和相應的超聲成像系統的製作方法
【專利摘要】本發明名稱為「消除剪切波中的背景噪聲的方法和相應的超聲成像系統」。本發明提供了一種用於消除剪切波中的背景噪聲的方法和相應的超聲成像系統。該方法包括：沿推動脈衝向量發射推動脈衝；在遠離推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝；接收響應於第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號；以及處理第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。根據本發明，能夠消除剪切波所包含的背景噪聲，降低推動脈衝的持續時間和電壓。
【專利說明】消除剪切波中的背景噪聲的方法和相應的超聲成像系統
【技術領域】
[0001]本發明一般地涉及超聲檢測領域，更特別地涉及一種用於消除剪切波中的背景噪聲的方法、設備和包括該設備的超聲成像系統。
【背景技術】
[0002]超聲檢測是現代醫療領域常用的一種檢測手段。
[0003]當聲波在異質介質中傳播時,產生聲脈衝福射力(Acoustic radiation force)。聲脈衝輻射力能夠表徵組織的生物機械彈性。這一點引起了在材料科學和醫療診斷領域的研究興趣。
[0004]診斷成像長久以來追求的目標之一就是組織的精確表徵。臨床醫生想要獲得身體器官的診斷區域，並使成像系統識別出圖像中的組織的特徵。理想地，臨床醫生希望成像系統識別出病變為惡性還是良性。儘管完全實現這一目標有待進一步努力，但是診斷成像還是能夠為臨床醫生提供有關組織的組成的線索。這一領域的一項技術是彈性成像，其測量身體內的組織的彈性或硬度。例如，高硬度的乳房腫瘤或腫塊有可能是惡性的，而較軟的並且更加柔順的腫塊則可能是良性的。由於已知腫塊的硬度與惡性或良性相關，因而彈性成像為臨床醫生提供了另一有助於診斷和確定治療方案的依據。
[0005]一種方案是剪切波測量。在對身體上的點壓縮之後釋放時，下層的組織受到向下的壓縮，之後在釋放壓縮力時重新向上彈回。但是由於處於壓縮力下的組織與周圍組織是連續結合的，因而處於力向量的側向的未受壓縮的組織也將對受壓縮組織的上下移動做出響應。這一側向的漣漪效應又被稱為剪切波，它是周圍組織對向下的壓縮力的響應。此外，已經確定可以通過來自超聲脈衝的輻射壓力產生向下推動組織所需的力，並且可以採用超聲接收感知和測量由剪切波引起的組織運動。由局部組織機械特性確定剪切波速度。剪切波將以某一速度通過軟組織，以另一更高的速度通過硬組織。通過測量身體內的某一點處的剪切波的速度，將獲得有關組織的特性的信息，例如，組織的剪切彈性模量、楊氏模量和動態剪切粘度。側向傳播的剪切波傳播緩慢，通常為每秒幾米或更慢，這使得剪切波容易被檢測，但是其在幾釐米或更短的距離上就會迅速衰減。由於可以針對每次測量重複相同的「推動脈衝」，因而剪切波技術有助於採用超聲對組織特徵進行客觀量化。此外，剪切波速度獨立於推動脈衝強度，從而減少了測量對用戶的依賴。
[0006]ARFI (聲脈衝輻射力成像)使用聚焦超聲向小的組織體積產生輻射力。然後，使用常規的超聲跟蹤組織的剪切波位移，通過使用基於超聲相關的方法計算組織彈性。使用ARFI方法的圖像提供了組織的機械衝激響應信息，相對於B模式(黑白模式)能夠改善對比度，特別是在肺部和胸部應用中。當組織發生病理學改變時，其彈性可能顯著變化。很多臨床研究表明，組織的彈性性質對於癌症診斷和治療評估而言是很有用的信息。ARFI圖像與B模式圖像互補，是用於表徵組織機械性質的有用方法。
[0007]但是，ARFI也具有其自身的缺點。其主要缺點在於，剪切波振幅很低，只有大約10 μ m。其容易對諸如系統電子噪聲和病人運動之類的噪聲敏感，特別是對心臟運動或呼吸運動敏感，這會影響剪切波位移估計。在現有技術中，解決這個問題的方法是增加波束的發射電壓或者增加其持續時間。這將顯著增加聲輸出功率，甚至增加到超出FDA(美國食品藥品監督管理局)限制。
[0008]本發明的目的正是解決這一問題。

【發明內容】

[0009]為實現上述目的，本發明提供了一種用於消除剪切波中的背景噪聲的方法，包括:沿推動脈衝向量發射推動脈衝；在遠離推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝；接收響應於第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號；以及處理第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。
[0010]本發明還提供了一種超聲成像系統，包括超聲探頭，該超聲探頭能夠:沿推動脈衝向量發射推動脈衝；在遠離推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝；接收響應於第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號，該超聲成像系統能夠處理第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。
[0011]本發明可以應用於ARFI超聲系統中。根據本發明，能夠消除剪切波所包含的背景噪聲，降低推動脈衝的持續時間和電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]根據下文中參考附 圖而進行的詳細描述，本發明的上述和其他的目的和特徵將變得明顯，其中:
[0013]圖1A和圖1B是本發明的原理的示意圖；
[0014]圖2是根據本發明一個實施例的用於消除剪切波中的背景噪聲的方法的示意圖；並且
[0015]圖3是根據組織位移信息計算剪切波速度值的原理的示意圖。
[0016]在這些附圖中，使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行進一步說明。
[0018]下面包括在此採用的所選擇的術語的定義。這些定義包括落入術語的範圍內並且可以用於實現的組件的各種示例和/或形式。示例並非旨在進行限制。這些定義可以包括術語的單數和複數形式兩者。
[0019]對「一個實施例」、「實施例」、「一個示例」、「示例」等等的引用表明如此描述的實施例或示例可以包括特定特徵、結構、特性、性質、元素或限度，但並非每個實施例或示例都必然包括特定特徵、結構、特性、性質、元素或限度。另外，重複使用短語「在一個實施例中」雖然有可能是指代相同實施例，但並非必然指代相同實施例。
[0020]為簡單起見，以下描述中省略了本領域技術人員公知的某些技術特徵。
[0021 ] 圖1A和圖1B是本發明的原理的不意圖。在圖1A和圖1B中，標號10為超聲探頭，標號11為病人身體或仿體，Push為推動脈衝，Trackl和Track2為一組跟蹤脈衝，TrackT和Track2』為另一組跟蹤脈衝。[0022]採用超聲探頭將一個或多個推動脈衝發射到組織內，從而沿推動脈衝的向量方向對組織進行超聲擠壓。
[0023]在傳統的ARFI圖像中，推動脈衝與彩色都卜勒脈衝類似。推動脈衝應當足夠長以便在組織中生成剪切波。在推動脈衝之後，是一系列的跟蹤脈衝，這些跟蹤脈衝與常規的B脈衝類似。在現有技術中，跟蹤脈衝總是與推動脈衝的位置接近。
[0024]根據本發明，跟蹤脈衝對具有兩個不同的位置。一個位置如圖1A中的Trackl和Track2所示，跟蹤脈衝Trackl和Track2的位置都遠離推動脈衝Push，以便收集組織中的噪聲。組織中的剪切波會快速衰減。於是，在該位置中，剪切波已經衰減掉，因此將沒有剪切波，而只有噪聲。
[0025]另一個位置與現有技術中相同，如圖1B中的Trackl』和Track2』所示，以便收集包括噪聲的剪切波。
[0026]最後，將第二個位置的信號與第一個位置的信號相減。相減的結果即為不含噪聲的剪切波。從而，可以消除組織中的噪聲的影響。
[0027]圖2是根據本發明一個實施例的用於消除剪切波中的背景噪聲的方法200的示意圖。
[0028]根據本發 明的一個實施例，方法200可以包括步驟210-240。
[0029]在步驟210中，沿推動脈衝向量發射推動脈衝。根據本發明的一個優選實施例，在一幀中，先發一束較長的push脈衝，在此脈衝的激勵下，焦點組織會產生橫向傳播的剪切波。
[0030]在步驟220中，在遠離推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝。該第一組聚焦跟蹤脈衝可以對應於圖1中的Trackl和Track2。根據本發明的一個優選實施例，可以在Trackl和Track2兩個波束的位置間隔輪流發射若干條Trackl和Track2,其中Trackl和Track2的發射時間間隔一定且已知，Trackl和Track2的物理距離一定且已知。
[0031]在步驟230中，接收響應於第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號。例如，可以按照時間交錯的方式對每一跟蹤脈衝向量重複採樣，因而當在每一跟蹤脈衝向量位置發生由剪切波產生的運動時，能夠優選通過使來自所述向量的相繼詢問的回波數據相關來檢測所述由剪切波產生的運動。當剪切波沿側向遠離推動脈衝向量移動時，跟蹤脈衝的定位也可以側向移動以跟隨剪切波的傳播。
[0032]在步驟240中，處理第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。由於第一組聚焦跟蹤脈衝的位置遠離推動脈衝，因此剪切波已經衰減掉。該第一組組織位移信息中包含組織中的背景噪聲引起的位移但不包含剪切波傳播引起的位移。
[0033]根據本發明的另一實施例，方法200還可以包括步驟250-280。
[0034]在步驟250中，在與推動脈衝向量相鄰的第二組多個位置處發射第二組聚焦跟蹤脈衝。該第二組聚焦跟蹤脈衝可以對應於圖1中的Trackl』和Track2』。根據本發明的一個優選實施例，可以在Trackl』和Track2』兩個波束的位置間隔輪流發射若干條Trackl』和Track2』，其中Trackl』和Track2』的發射時間間隔一定且已知，Trackl』和Track2』的物理距離一定且已知。
[0035]在步驟260中，接收響應於第二組聚焦跟蹤脈衝的第二組聚焦回波信號。[0036]在步驟270中，處理第二組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第二組組織位移信息。該第二組組織位移信息中包含剪切波傳播引起的位移和組織中的背景噪聲引起的位移。這些背景噪聲例如來自於病人的心臟運動或呼吸運動。
[0037]在步驟280中，用第二組組織位移信息減去第一組組織位移信息，得到相減後的一組組織位移信息。相減後的這一組組織位移信息僅包括剪切波信號所引起的組織位移，從而消除了剪切波信號中的背景噪聲。
[0038]根據本發明的一個實施例，第一組多個位置中位置的數量與第二組多個位置中位
置的數量相等。
[0039]根據本發明的一個實施例，第一組多個位置和第二組多個位置中位置的數量都是2，如圖1A和圖1B所示。
[0040]根據本發明的一個實施例，第一組多個位置和第二組多個位置中位置的數量相等且都大於2。在該實施例中，可以先對每一組位置中不同位置所對應的組織位移信息求平均，從而使得每一組組織位移信息所包括的組織位移信息的數量為2。例如，第一組位置包括3個位置，分別對應於跟蹤脈衝Trackl、Track2、Track3,第二組位置包括3個位置，分別對應於跟蹤脈衝Trackl』、Track2』、Track3』。可以對Trackl、Track2所對應的組織位移信息求平均，得到Trackl2，並對Track2、Track3所對應的組織位移信息求平均，得到Track23。由此，得到既包含剪切波又包含噪聲的一組組織位移信息Trackl2、Track23。然後，可以對Trackl』、Track2』所對應的組織位移信息求平均，得到Trackl』 2』，並對Track2』、Track3』所對應的組織位移信息求平均，得到Track2』 3』。由此，得到只包含噪聲不包含剪切波的一組組織位移信息Trackl2、Track230最後，用後面的一組組織位移信息Trackl' 2』、Track2』 3'減去前面的一組組織位移信息Trackl2、Track23，得到只包含剪切波的一組組織位移信息。應當注意，求平均的方式不限於上述方式，而是可以是本領域中已知或將來開發的任何求平均的方式。
[0041]根據本發明的一個實施例，第一組多個位置中位置的數量與第二組多個位置中位置的數量不相等。在該實施例中，可以先對位置數量更多的那一組組織位移信息求平均，從而使得兩組住址位移信息的數量相等。
[0042]根據本發明的一個實施例，可以根據相減後的一組組織位移信息計算剪切波速度值。例如，可以對來自被重複採樣的跟蹤脈衝向量的數據進行處理，以找到剪切波在跟蹤脈衝向量的每一點處引起峰值位移的時間，這優選通過使相繼的位移測量結果互相關、曲線擬合或內插來實現。對相鄰採樣向量上的點經歷峰值位移的時間的分析將產生對應於特定向量位置處的剪切波的速度的測量結果。
[0043]參考圖3，圖3是根據組織位移信息計算剪切波速度值的原理的示意圖。
[0044]例如，由後處理算法可以計算得到Trackl位置處組織隨著時間變化的位移，此位移是由於剪切波的傳播引起的。同理可得到Track2位置處組織隨著時間變化的位移。Trackl位置處的位移的最大值dmaxl和Track2位置處的位移的最大值dmax2之間的時間差T即可作為剪切波從Trackl位置處傳播到Track2位置處所需的時間，進而可以計算得到剪切波在此組織中的傳播速度。具體而言，剪切波速度=(dmaxl-dmax2) /T。
[0045]根據本發明的一個實施例，可以根據剪切波速度值計算楊氏模量。也就是說，速度變化指示組織具有不同硬度或彈性。由於剪切波的傳播速度與組織的楊氏模量之間存在以下關係，因此可以得到楊氏模量:
[0046]
【權利要求】
1.一種用於操作超聲成像系統以消除剪切波中的背景噪聲的方法，包括: 沿推動脈衝向量發射推動脈衝； 在遠離所述推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝； 接收響應於所 述第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號；以及 處理所述第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括: 在與所述推動脈衝向量相鄰的第二組多個位置處發射第二組聚焦跟蹤脈衝； 接收響應於所述第二組聚焦跟蹤脈衝的第二組聚焦回波信號； 處理所述第二組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第二組組織位移信息；以及用所述第二組組織位移信息減去所述第一組組織位移信息，得到相減後的一組組織位移息。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述第一組多個位置中位置的數量與所述第二組多個位置中位置的數量相等。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一組多個位置和所述第二組多個位置中位置的數量都是2。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一組多個位置和所述第二組多個位置中位置的數量都大於2。
6.根據權利要求2所述的方法，其中所述第一組多個位置中位置的數量與所述第二組多個位置中位置的數量不相等。
7.根據權利要求2所述的方法，進一步包括: 根據所述相減後的一組組織位移信息計算剪切波速度值。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括: 根據所述剪切波速度值計算楊氏模量。
9.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述背景噪聲來自於病人的心臟運動或呼吸運動。
10.一種超聲成像系統，包括超聲探頭，所述超聲探頭能夠: 沿推動脈衝向量發射推動脈衝； 在遠離所述推動脈衝向量的第一組多個位置處發射第一組聚焦跟蹤脈衝； 接收響應於所述第一組聚焦跟蹤脈衝的第一組聚焦回波信號， 所述超聲成像系統能夠處理所述第一組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第一組組織位移信息。
11.根據權利要求10所述的超聲成像系統，其中所述超聲探頭還能夠: 在與所述推動脈衝向量相鄰的第二組多個位置處發射第二組聚焦跟蹤脈衝； 接收響應於所述第二組聚焦跟蹤脈衝的第二組聚焦回波信號， 所述超聲成像系統還能夠: 處理所述第二組聚焦回波信號以確定隨時間變化的第二組組織位移信息；以及用所述第二組組織位移信息減去所述第一組組織位移信息，得到相減後的一組組織位移息。
12.根據權利要求11所述的超聲成像系統，其中所述第一組多個位置中位置的數量與所述第二組多個位置中位置的數量相等。
13.根據權利要求12所述的超聲成像系統，其中所述第一組多個位置和所述第二組多個位置中位置的數量都是2。
14.根據權利要求12所述的超聲成像系統，其中所述第一組多個位置和所述第二組多個位置中位置的數量都大於2。
15.根據權利要求11所述的超聲成像系統，其中所述第一組多個位置中位置的數量與所述第二組多個位置中位置的數量不相等。
16.根據權利要求11所述的超聲成像系統，其中所述超聲成像系統還能夠根據所述相減後的一組組織位移信息計算剪切波速度值。
17.根據權利要求16所述的超聲成像系統，其中所述超聲成像系統還能夠根據所述剪切波速度值計算楊氏模量。
18.根據權利要求10或11所述的超聲成像系統，其中所述背景噪聲來自於病人的心臟運動或呼吸運動。
【文檔編號】A61B8/00GK103908289SQ201210593023
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月31日 優先權日:2012年12月31日
【發明者】唐露, 程剛, 韓曉東, 沈亮 申請人:Ge醫療系統環球技術有限公司