CN102908168A - 一种基于机械扫描的a超弹性成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，包括三维运动控制装置、A超探头、A超仪和超声成像装置，所述A超仪控制A超探头产生超声信号和接收超声回波信号，所述三维运动控制装置驱动A超探头对感兴趣组织进行机械扫描，所述超声成像装置重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。一种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，包括以下步骤：步骤1、A超探头以不同的压力挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的每个点都进行两次机械扫描，形成两次超声回波信号；步骤2、超声成像装置根据两次不同压力下感兴趣组织的弹性形变量，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。具有定位精度高、灵活性大、图像分辨率高、实用性强和适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声弹性成像技术，特别涉及一种基于机械扫描的A超弹性成像系统及其方法。
背景技术
超声弹性成像是通过探头获取感兴趣区中，同一位置两次不同压力下超声回波信号的波形，并利用两次回波信号进行相关运算，获取相应的组织弹性应变量，一般而言，探头扫描时对组织的压力大小、移动的速度和扫描方向，都会对弹性成像图造成一定的影响。比如，移动速度过快会使组织的位移形变加大；压力过小会使组织的位移形变减小。因此弹性成像时必须考虑探头扫描时的速度大小、扫描方向和对组织的压力大小这三个因素对弹性成像图的影响。
现有的三维医学超声弹性成像技术中，常用的扫描方法有：二维面阵探头扫描、自由臂(Free-Hand)扫描、机械定位扫描三种方式，基于二维面阵探头的扫描方式由于二维面阵的阵元数量巨大，每个阵元都要配置相应的采集通道，因此对技术手段和采用的设备要求较高，而自由臂扫描系统，需要6个自由度的电磁式位置传感器定位，所需设备复杂，同时极易受到电磁、铁磁材料等干扰。基于这两种扫描方式进行扫描时，探头对感兴趣组织的压力很难保持均匀恒定，探头移动的速度和方向也会发生变化，因此对生成的弹性图像有很大的影响。传统的基于B超探头的机械定位扫描方式，虽然可以克服二维面阵探头扫描、自由臂(Free-Hand)扫描这两种扫描方法的缺点，但是由于B超探头的阵元排列为线性,长度和范围都已限定，灵活性受到限制。此外，如果当感兴趣组织的表面为曲面时，B超探头是刚性形状，对组织的压力是不均匀的，且很容易扫描到重复的点，导致基于B超探头的机械扫描定位的精度低；同时由于探头体积大，B超探头的灵活性小，自由度低；同时一般的B超探头的中心频率范围已限定，通常在2MHz-10MHz的范围内，其轴向分辨率相对更高频或更低频的A超探头来说也受到限定，从而在某些情况下无法满足医疗诊断的要求，导致适用范围小。由此可见，现有技术的缺点主要有以下几个方面：
（1）机械扫描定位精度低，显像效果差，特别是对表面是曲面的感兴趣组织无法进行准确的探测。
（2）轴向分辨率不够高。
（3）适用范围狭窄，实用性不强。
（4）灵活性小，自由度低。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，具有定位精度高的优点，设备简单，探头体积小，操作灵活性大，适用范围广的优点。
本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，具有轴向分辨率高，对感兴趣组织的压力均匀，探测结果准确，显像效果好的优点。
本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，包括依次电气连接的三维运动控制装置、A超探头、A超仪和超声成像装置，所述A超仪控制A超探头产生超声信号和接收超声回波信号，所述三维运动控制装置驱动A超探头对感兴趣组织进行机械扫描，所述超声成像装置包括信号采集器、存储器和处理器，A超仪接收A超探头传过来的模拟信号，并把所述模拟信号转换为数字信号，所述信号采集器采集A超仪传过来的扫描轨迹和超声回波信号的数字信号，所述存储器存储扫描轨迹和超声回波信号的数字信号，所述处理器控制信号采集器和存储器，所述超声成像装置根据存储器中的扫描轨迹和超声回波信号的数字信号，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图，所述三维弹性图的轴具有纵向、横向和轴向三个方向。
所述超声成像装置可以为计算机，也可以为能够实现超声成像的其它显影设备。
所述三维运动控制装置包括相互连接的控制台和控制箱，所述控制台具有步进电机，所述步进电机的步进精度为微米级，也可以为更高的精度级别，所述控制台底部设有减震台。
所述步进电机具有运动轴，所述运动轴和A超探头固定连接，所述控制部分按照扫描参数控制运动轴驱动A超探头进行扫描，所述扫描参数包括步进电机的步进距离、A超探头的扫描速度、扫描范围和扫描轨迹。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、A超探头以不同的压力挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的每个点进行两次机械扫描，形成两次超声回波信号；
步骤2、超声成像装置获取感兴趣组织内各个点在步骤1中不同压力下超声回波信号的波形，计算感兴趣组织内各个点沿超声波传播方向的轴向弹性形变量，根据两次不同压力下感兴趣组织的弹性形变量差值，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
所述步骤1可以包括以下步骤：
S1、A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的点逐点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
S2、所述步骤1的机械扫描结束后，A超探头复位，改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，并以步骤1中的扫描轨迹为扫描路径，发送超声波信号再次对感兴趣组织内的点逐点进行机械扫描，形成第二次超声回波信号。
所述步骤1也可以包括以下步骤：
（1）A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的一个点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
（2）改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，对（1）中的所述点再次发送超声波信号进行第二次机械扫描，形成第二次超声回波信号；
（3）A超探头复位，移动A超探头至感兴趣组织内的另一个点，重复(1)和（2），直到感兴趣组织内所有的点均扫描完毕为止。
所述步骤1中的超声回波信号，用X、Y、T加以标识存储，所述X和Y的组合表示A超探头扫描轨迹中的各个点的相对位置，所述X和Y的值分别对应弹性图的横向位置信息和纵向位置信息，所述T存储A超信号穿透组织时的竖直位置信息，所述T的值对应弹性图的轴向位置信息。
所述步骤1中的超声波频率范围为500Hz至50MHz。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）对感兴趣组织的机械定位扫描精度高，显像效果好；A超探头比较小，形状类似笔，对感兴趣组织逐点进行扫描，不会扫描到复的点，特别是当感兴趣组织的表面为曲面时，比如对乳腺组织进行扫描，仍可以实现高精度的机械定位扫描，使生成的二维或三维弹性图能更生动地显示、定位病灶及鉴别病灶性质。
（2）轴向分辨率高；A超探头可以工作在10MHZ以上的频段，高于B超探头的工作频率，因此可以获得较高的轴向分辨率。
（3）实用性强，适用范围广；A超的频率为500Hz至500MHz,频率范围非常大，不仅可以用于人体组织的机械定位扫描，还可以用于动物体组织的机械定位扫描，实用性强，适用范围非常广。
（4）灵活性大，自由度高；A超探头比较小，可以对组织内的点可以实行逐点扫描，灵活性大，自由度高。
附图说明
图1是本发明的系统整体结构示意图。
图2是本发明的整体系统组成图。
图3是本发明的实施例1的弹性成像方法的流程图。
图4是本发明的重建弹性图像的算法流程图。
图5是本发明的实施例2的弹性成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，包括依次电气连接的三维运动控制装置、A超探头1、A超仪2和计算机，所述计算机包括显示器5和主机6，所述三维运动控制装置包括控制台3和控制箱4，所述控制箱4与主机6相连。
所述控制箱4具有X、Y和Z轴三个运动方向的输出端，所述控制台3具有X、Y和Z轴三个运动方向的输入端，所述控制箱4的X、Y和Z轴输出端分别与控制台X、Y和Z轴输入端相连，所述输出端与输入端通过引线相连，所述控制台具有步进电机，所述控制台底部设有减震台，所述控制台包括步进精度为微米级的步进电机，控制箱驱动与控制台的步进电机的运动轴固定连接的A超探头做机械扫描，所述A超仪控制A超探头产生超声信号和接收超声回波信号，所述超声成像装置包括信号采集器、存储器和处理器，所述信号采集器采集扫描轨迹和超声回波信号，所述存储器存储扫描轨迹和超声回波信号，所述处理器控制信号采集器和存储器，所述超声成像装置重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
所述步进电机具有运动轴，所述运动轴和A超探头固定连接，所述控制部分按照扫描参数控制运动轴驱动A超探头进行扫描，所述扫描参数包括步进电机的步进距离、A超探头的扫描速度、扫描范围和扫描轨迹。
所述三维弹性图的轴具有纵向、横向和轴向三个方向。
如图3所示，一种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、A超探头以不同的压力挤压感兴趣组织，发送频率为30MHz的超声波信号，对感兴趣组织内的每个点进行两次机械扫描，形成两次超声回波信号；
步骤2、超声成像装置获取感兴趣组织内各个点在步骤1中不同压力下超声回波信号的波形，计算感兴趣组织内各个点沿超声波传播方向的轴向弹性形变量，根据两次不同压力下感兴趣组织的弹性形变量差值，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
所述步骤1包括以下步骤：
S1、A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的点逐点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
S2、所述步骤1的机械扫描结束后，A超探头复位，改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，并以步骤1中的扫描轨迹为扫描路径，发送超声波信号再次对感兴趣组织内的点逐点进行机械扫描，形成第二次超声回波信号。
如图4所示，所述步骤1中的超声回波信号，采用关于X、Y和T的函数S(X，Y,T)进行存储，所述X和Y的组合表示A超探头扫描轨迹中的各个点的相对位置，所述X和Y的值分别对应弹性图的横向位置信息和纵向位置信息，所述T存储A超信号穿透组织时的竖直位置信息，所述T的值对应弹性图的轴向位置信息；所述步骤2中重建二维和三维弹性图的算法如图4所示，重建算法具体包括以下步骤：
（1）设置扫描参数：扫描速度、扫描范围、扫描轨迹；
（2）通过运动轴驱动探头机械扫描，第一次扫描结束时将探头复位，调节探头的竖直位置，改变探头对组织的压力，从相同的水平位置进行第二次扫描；
（3）获取探头机械扫描时返回的超声回波信号和探头的空间位置信息，储存在计算机内存中，以Ｓ（x,y,t）表示，（x,y）表示扫描时的平面位置，t对应超声回波信号穿越组织时的轴向位置；
（4）计算机通过对同一位置的超声回波信号进行互相关运算，求解出该超声回波信号轴向位置上的组织弹性应变，在结合水平位置，用R（x,y,z）表示；
（5）选取适当的平面范围，可以得到一点空间体积V内的组织各点弹性应变量R（x,y,z），据此按照实际诊断要求，重建出组织的二维平面弹性图像或者三维弹性图像。
实施例2
如图1和图2所示，一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，包括依次电气连接的三维运动控制装置、A超探头1、A超仪2和计算机，所述计算机包括相互连接的显示器5和主机6，所述三维运动控制装置包括控制台3和控制箱4，所述控制箱4与主机6相连。
所述控制箱4具有X、Y和Z轴三个运动方向的输出端，所述控制台3具有X、Y和Z轴三个运动方向的输入端，所述控制箱4的X、Y和Z轴输出端分别与控制台X、Y和Z轴输入端相连，所述输出端与输入端通过引线相连，所述控制台具有步进电机，所述控制台底部设有减震台，所述控制台包括步进精度为微米级的步进电机，控制箱驱动与控制台的步进电机的运动轴固定连接的A超探头做机械扫描，所述A超仪控制A超探头产生超声信号和接收超声回波信号，所述超声成像装置包括信号采集器、存储器和处理器，所述信号采集器采集扫描轨迹和超声回波信号，所述存储器存储扫描轨迹和超声回波信号，所述处理器控制信号采集器和存储器，所述超声成像装置重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
所述步进电机具有运动轴，所述运动轴和A超探头固定连接，所述控制部分按照扫描参数控制运动轴驱动A超探头进行扫描，所述扫描参数包括步进电机的步进距离、A超探头的扫描速度、扫描范围和扫描轨迹。
所述三维弹性图的轴具有纵向、横向和轴向三个方向。
如图5所示，一种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、A超探头以不同的压力挤压感兴趣组织，发送频率为50MHz的超声波信号，对感兴趣组织内的每个点进行两次机械扫描，形成两次超声回波信号；
步骤2、超声成像装置获取感兴趣组织内各个点在步骤1中不同压力下超声回波信号的波形，计算感兴趣组织内各个点沿超声波传播方向的轴向弹性形变量，根据两次不同压力下感兴趣组织的弹性形变量差值，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
所述步骤1包括以下步骤：
（1）A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的一个点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
（2）改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，对（1）中的所述点再次发送超声波信号进行第二次机械扫描，形成第二次超声回波信号；
（3）A超探头复位，移动A超探头至感兴趣组织内的另一个点，重复(1)和（2），直到感兴趣组织内所有的点均扫描完毕为止。
如图4所示，所述步骤1中的超声回波信号，采用关于X、Y和T的函数S(X，Y,T)进行存储，所述X和Y的组合表示A超探头扫描轨迹中的各个点的相对位置，所述X和Y的值分别对应弹性图的横向位置信息和纵向位置信息，所述T存储A超信号穿透组织时的竖直位置信息，所述T的值对应弹性图的轴向位置信息；所述步骤2中重建二维和三维弹性图的算法如图4所示，重建算法具体包括以下步骤：
（1）设置扫描参数：扫描速度、扫描范围、扫描轨迹；
（2）通过运动轴驱动探头机械扫描，第一次扫描结束时将探头复位，调节探头的竖直位置，改变探头对组织的压力，从相同的竖直位置进行第二次扫描，直到组织内的所有的点都被扫描完成为止；
（3）获取探头机械扫描时返回的超声回波信号和探头的空间位置信息，储存在PC机内存中，以Ｓ（x,y,t）表示，（x,y）表示扫描时的平面位置，t对应超声回波信号穿越组织时的轴向位置；
（4）PC机通过对同一位置的超声回波信号进行互相关运算，求解出该超声回波信号轴向位置上的组织弹性应变，在结合水平位置，用R（x,y,z）表示；
（5）选取适当的平面范围，可以得到一点空间体积V内的组织各点弹性应变量R（x,y,z），据此按照实际诊断要求，重建出组织的二维平面弹性图像或者三维弹性图像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机械扫描的A超弹性成像系统，其特征在于，包括依次电气连接的三维运动控制装置、A超探头、A超仪和超声成像装置，所述A超仪控制A超探头产生超声信号和接收超声回波信号，所述三维运动控制装置驱动A超探头对感兴趣组织进行机械扫描，所述超声成像装置包括相互连接的信号采集器、存储器和处理器，所述超声成像装置重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
2.根据权利要求1所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统，其特征在于，所述三维运动控制装置包括相互连接的控制台和控制箱，所述控制台具有步进电机，所述步进电机的步进精度为微米级，所述控制台底部设有减震台。
3.根据权利要求2所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统，其特征在于，所述步进电机具有运动轴，所述运动轴和A超探头固定连接，所述控制部分按照扫描参数控制运动轴，驱动A超探头进行扫描，所述扫描参数包括步进距离、扫描速度、扫描范围和扫描轨迹。
4.根据权利要求1所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统，其特征在于，所述三维弹性图的轴具有纵向、横向和轴向三个方向。
5.根据权利要求1所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统，其特征在于，所述超声成像装置为计算机。
6.一种基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、A超探头以不同的压力挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的每个点都进行两次机械扫描，形成两次超声回波信号；
步骤2、超声成像装置根据两次不同压力下感兴趣组织的弹性形变，重建感兴趣组织的二维或三维弹性图。
7.根据权利要求6所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
S1、A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的点逐点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
S2、所述步骤1的机械扫描结束后，A超探头复位，改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，并以步骤1中的扫描轨迹为扫描路径，发送超声波信号再次对感兴趣组织内的点逐点进行机械扫描，形成第二次超声回波信号。
8.根据权利要求6所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
（1）A超探头挤压感兴趣组织，发送超声波信号，对感兴趣组织内的一个点进行第一次机械扫描，形成第一次超声回波信号；
（2）改变A超探头对感兴趣组织的挤压程度，对（1）中所述的点再次发送超声波信号进行第二次机械扫描，形成第二次超声回波信号；
（3）A超探头复位，移动A超探头至感兴趣组织内的另一个点，重复(1)和（2），直到感兴趣组织内所有的点均扫描完毕为止。
9.根据权利要求6所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤1中的超声回波信号，用X、Y、T加以标识存储，其中所述X和Y的组合表示A超探头扫描轨迹中的各个点的相对位置，所述X和Y的值分别对应弹性图的横向位置信息和纵向位置信息，所述T存储A超信号穿透组织时的竖直位置信息，所述T的值对应弹性图的轴向位置信息。
10.根据权利要求6所述的基于机械扫描的A超弹性成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤1中的超声波频率范围为500Hz至50MHz。
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