CN109310401A

CN109310401A - 使用反射剪切波来监测热消融中的损伤生长

Info

Publication number: CN109310401A
Application number: CN201780035933.6A
Authority: CN
Inventors: F·C·梅拉尔; S·塞特拉曼; 闫平昆; W·T·史; J·克吕克尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2019-02-05
Also published as: EP3468475B1; EP3468475B8; JP2021053432A; JP2019520889A; WO2017211757A1; JP6843159B2; US11337673B2; US20190142366A1; EP3468475A1

Abstract

一种用于边界识别的系统包括：存储器(42)，其用于存储通过介质的剪切波位移作为包括空间分量和时间分量的位移场；方向滤波器(206、208)，其用于对所述位移场进行滤波以提供方向位移场；信号处理设备(26)，其被耦合到所述存储器以运行边界估计器(214)，所述边界估计器用于基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计显示的图像中的组织边界。

Description

使用反射剪切波来监测热消融中的损伤生长

技术领域

本公开内容涉及对医学器械的超声图像处理，更具体地涉及通过方向位移滤波来检测超声图像中的边界。

背景技术

射频消融(RFA)是一种有效且广泛使用的肝肿瘤处置模态，其中，肿瘤被加热到凝固性坏死点，消融齿被插入到肿瘤部位。超声是一种常用的指导这些手术的模态；然而，当前可用的超声成像模态不能提供关于因消融产生的热损伤的足够信息。由于RFA期间温度升高，因此组织硬度发生变化。与健康肝实质相比，RFA产生的热损伤更硬，并且当感兴趣区域内的硬度变化很大时，当前的剪切波成像(SWI)弹性成像和相关联的重建技术的实施方式表现不佳。另外，视场(FOV)中的消融电极的存在改变了局部硬度条件，并且SWI中针对RFA的伪影的主要原因。

发明内容

根据本原理，一种用于边界识别的系统包括通过存储通过介质的剪切波位移而获得的位移场，所述位移场包括空间分量和时间分量。被配置为对所述位移场进行滤波的方向滤波器提供从硬消融损伤边界反射的方向位移场。边界估计器被配置为基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计组织边界。

另一种用于边界识别的系统包括通过存储通过介质的剪切波位移而获得的局部方向位移场，所述局部方向位移场包括空间分量和时间分量。来自高硬度消融边界的显著的剪切波反射是优选使用方向滤波器来检测的，所述方向滤波器被配置为对剪切波位移进行滤波以提供局部方向位移场。边界估计器被配置为基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计硬度组织边界。

又一种用于边界识别的系统包括：存储器，其用于存储通过介质的剪切波位移作为包括空间分量和时间分量的位移场；方向滤波器，其用于对所述位移场进行滤波以提供方向位移场；信号处理设备，其被耦合到所述存储器以运行边界估计器，所述边界估计器用于基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计显示的图像中的组织边界。

另外的一种用于边界识别的系统包括超声模式，所述超声模式用于使用通过介质的推动脉冲来生成剪切波位移以生成位移场。一种信号处理设备包括：剪切波成像模块，其用于针对所述介质中的多个跟踪位置检测剪切波位移以生成位移场；以及数据处理模块，其包括至少一个方向滤波器，所述至少一个方向滤波器用于对所述位移场进行滤波以提供方向位移场。边界估计器基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计显示的图像中的组织边界。

一种用于确定边界的方法包括：基于通过介质的剪切波来生成剪切波位移场；对所述剪切波位移场进行方向滤波以创建方向传播位移场；并且累积所述方向传播位移场的幅度历史以指示图像中最高幅度的位置，从而识别所述图像中的组织边界。

根据下文对本发明的图示性实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得明显，这些详细描述需要结合附图来阅读和理解。

附图说明

本公开内容将参考以下附图来详细呈现对优选实施例的以下描述，其中：

图1是示出根据一个实施例的包括边界识别的超声系统的框图/流程图；

图2是示出根据一个实施例的介质中的剪切波相互作用的图；

图3是根据一个实施例更详细地示出用于边界识别的系统/方法的框图/流程图；

图4是示出根据一个实施例的用于对位移数据的方向滤波的图示性滤波器的图；

图5是示出根据一个实施例的用于创建合成图像的边界识别的方法的框图/流程图；

图6是示出根据一个实施例的用于生成样条以定义图像中的边界的边界识别方法的框图/流程图；

图7是示出根据一个实施例的用于生成样条以定义图像中的边界的另一种边界识别方法的框图/流程图；

图8是示出用于根据本原理描绘损伤边界的位移幅度数据的图像；并且

图9是示出用于根据本原理描绘损伤边界的图8的数据的基于延迟的弹性成像重建的图像。

具体实施方式

根据本原理，在存在非常硬的内含物(例如由射频消融(RFA)生成的内含物)的情况下提供针对超声剪切波弹性成像的重建。由于组织中的(例如在热损伤与肝实质之间)弹性不匹配，大部分机械波能量从损伤的边界反射回来。反射模式提供了关于损伤边界的重要信息。在一个实施例中，反射波随时间累积，其在波具有最高幅度的损伤边界之外立即形成杂波。在另一实施例中，可以采用诸如有限元模型的模型。该模型采用传播波场作为输入并且迭代地求解反射边界(例如，损伤边界)以使来自模型的估计的反射波与使用剪切波成像测得的反射波之间的误差最小化。随时间处理结果得到的损伤边界估计结果以指示扩展的消融区并显示结果得到的损伤边界估计结果以用于监测处置进展。

由于检测灵敏度高，因此本方法对于检测非常硬的边界(例如，热消融区)特别有效。检测灵敏度高是因为在损伤之外独特存在的高幅度反射剪切波以及具有(与硬度消融区内的较低位移幅度相比)较高位移幅度的反射剪切波。

在特别有用的实施例中，RFA处置方案采用在设备制造商的说明书中提供的简单(通常是椭圆体)的消融体积预测。实际处置体积可能大大偏离预测，由此可能导致邻近的解剖结构受损或在不完全消融后肿瘤复发。对临床医生的实时反馈可能解决这些临床挑战。作为一种广泛使用的指导工具，超声成像是实时消融监测的一种选择。在RFA手术期间，由于热坏死，组织硬度升高。为了使凝固区可视化，能够使用超声弹性成像来确定经处理的组织与未经处理的组织之间的高硬度对比度。

对RFA的实时监测确保了足够的肿瘤处置覆盖范围。首先，监测模态对于热损伤边界的检测应该是高度敏感的，尤其是在存在硬消融针的情况下。其次，特定方法应当足以覆盖整个消融区。超声剪切波弹性成像(SWI)通过用声辐射力推动组织并随时间对结果得到的剪切波传播进行成像而在(例如与超声图像的视场相比)相对较小的区域中提供鲁棒的弹性估计结果。组织弹性估计结果基于剪切波传播速度，所述剪切波传播速度与组织弹性成比例。可以使用飞行时间(TOF)方法通过测量垂直于剪切波传播方向的跟踪线之间的延迟来估计剪切波速，这也被称为峰值出现时间(TTP)重建。通过使用在多个空间位置处确定的剪切波到达时间，TOF方法能够提供剪切波速(SWS)估计结果。通过假设固定的传播方向，能够使用线性回归来计算SWS。

由剪切波弹性成像和TTP提供的组织弹性估计结果依赖于远离推进波束的前向行进的波。可能引起更复杂的波现象(例如，反射或折射)的SWI感兴趣区域中的内含物降低了这些方法的性能。为了改善基于剪切波速的重建算法(例如，TTP)的性能，可以将方向滤波器应用于剪切波位移图，其消除了后向行进的反射波。然而，在较硬内含物(例如，由RFA生成的热损伤)的情况下，前向传播波方法的剪切波速估计的表现是次优的，这是由于因弹性不匹配而造成大部分波能从内含物边界反射。另外，组织中存在消融针限制了周围硬损伤的移动并且有效地增加了损伤周围的剪切硬度，这进一步降低了传统的基于剪切波速的重建的性能。此外，在RFA处置期间形成的气泡遮蔽了被消融的病灶内的视场，这降低了损伤内剪切波位移检测的信噪比(SNR)并对损伤本身的弹性成像重建提出了挑战。本原理提供了用于具有较硬内含物的介质的剪切波成像的替代弹性成像重建的方法，其提供对扩展的热消融边界的充分评估。

应当理解，本发明将在超声成像器械方面进行描述；然而，本发明的教导宽泛得多并且适用于任何声学成像器械。在一些实施例中，本原理用于跟踪或分析复杂的生物系统或机械系统。特别地，本原理适用于生物系统的内部跟踪流程以及身体的所有区(例如，肺、胃肠道、排泄器官、血管等)中的流程。附图中描绘的元件可以以硬件和软件的各种组合方式来实施，并且可以提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。

附图中示出的各种元件的功能能够通过使用专用硬件以及能够运行与适当的软件相关联的软件的硬件来提供。当这些功能由处理器提供时，这些功能能够由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个体处理器来提供，这些个体处理器中的一些处理器能够共享。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够运行软件的硬件，而是能够隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储设备等。

此外，本文记载本发明的原理、方面和实施例的所有陈述及其特定范例旨在包含其结构和功能等同物。另外，这些等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物(即，开发的执行相同功能的任何元件，而不管结构如何)。因此，例如，本领域技术人员应当理解，本文呈现的框图表示体现本发明的原理的说明性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图表、流程图等表示可以基本上在计算机可读存储介质中表示并且因此可以由计算机或处理器运行的各种过程，而不管是否明确示出了这样的计算机或处理器。

此外，本发明的实施例能够采用能从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供由计算机或任何指令运行系统使用或与其结合使用的程序代码。出于描述的目的，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、传达、传播或传输程序以供指令运行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何装置。这种介质能够是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)、Blu-Ray^TM以及DVD。

说明书中对本原理的“一个实施例”或“实施例”及其其他变型的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现在各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其他变型不一定都指代相同的实施例。

应当理解，例如，在“A/B”、“A和/或B”和“A和B中的至少一个”的情况下，对以下的“/”、“和/或”和“中的至少一个”的任一个的使用旨在包括仅选择第一个列出的选项(A)，或仅选择第二个列出的选项(B)，或选择两个选项(A和B)。作为另外的范例，在“A、B和/或C”和“A、B和C中的至少一个”的情况下，这样的措辞旨在包括仅选择第一个列出的选项(A)，或仅选择第二个列出的选项(B)，或仅选择第三个列出的选项(C)，或仅选择第一个列出的选项和第二个列出的选项(A和B)，或仅选择第一个列出的选项和第三个列出的选项(A和C)，或仅选择第二个列出的选项和第三个列出的选项(B和C)，或选择所有三个选项(A和B和C)。对于本领域和相关领域的普通技术人员显而易见，所列出的许多项目是可以扩展的。

还应当理解，当诸如层、区域或材料的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，它能够直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上方”时，不存在中间元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它能够直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。

现在参考附图，其中，相同的附图标记表示相同或相似的元件，并且首先参考图1，以框图形式示出了根据本原理构造的超声成像系统10。超声系统10包括换能器设备或探头12，其具有用于发射超声波和接收回波信息的换能器阵列14。换能器阵列可以被配置为例如线性阵列或相控阵列，并且能够包括压电元件或电容微机械超声换能器(CMUT)元件。换能器阵列14例如能够包括能够在高度维度和方位维度上扫描以进行2D和/或3D成像的换能器元件的二维阵列(如图所示)。换能器设备12能够是各种形式。

换能器阵列14被耦合到探头12中的微波束形成器16，微波束形成器16控制阵列中的换能器元件对信号的发射和接收。在该范例中，微波束形成器16与换能器设备12集成在一起，并且被耦合到发射/接收(T/R)开关18，其在发射与接收之间切换并且保护主波束形成器22免受高能发射信号的影响。在一些实施例中，系统10中的T/R开关18和其他元件能够被包括在换能器探头12中，而不是被包括在单独的超声系统基座中。在微波束形成器16的控制下来自换能器阵列14的超声波束的发射由耦合到T/R开关18和波束形成器22的发射控制器20来指导，发射控制器20可以接收来自用户在用户接口或控制面板24上的操作的输入。

由发射控制器20控制的一个功能是波束转向的方向。波束可以从换能器阵列14(正交于换能器阵列14)前向转向，或者对于更宽的视场以不同的角度转向。由微波束形成器16产生的部分波束形成的信号被耦合到主波束形成器22，其中，来自换能器元件的各个拼片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的信号。换能器设备或探头12能够创建具有相对较大的覆盖区(例如2-3cm宽)的剪切波。换能器设备12能够创建推动脉冲，其位于预期的损伤区之外。推动脉冲在发射焦点处或其周围创建局部组织位移，引起剪切位移和剪切波传播，其能够通过跟踪脉冲、射频(RF)数据采集和信号处理而获得。

波束形成的信号被耦合到信号处理设备26。信号处理设备或处理器26能够以各种方式处理接收到的回波信号，例如，带通滤波、抽样、I分量和Q分量分离，以及谐波信号分离。信号处理器26也可以执行额外的信号增强，例如，散斑减少、信号复合，以及噪声消除。

根据本原理，信号处理器26包括剪切波成像模块25，其被配置为创建剪切波位移并以高分辨率用较大的覆盖区(例如2-3cm宽)对剪切波进行成像。数据处理模块27被包括在信号处理器26中，用于将方向滤波器应用于结果得到的位移场，从而将场分成前向传播波和后向传播波。还包括用于基于如何根据前向传播场生成反射场来估计硬损伤边界的处理算法(例如，累积方法)。例如，能够存储传播波位移的峰值、幅值或其他特征以创建位移场或图。能够针对传播介质中的对应位置映射累积(存储)的数据。

经处理的信号被耦合到B模式(或其他模式)处理器28，其能够采用幅度检测对身体中的结构进行成像。由B模式处理器产生的信号被耦合到扫描转换器30和多平面重新格式化器32。扫描转换器30以所需的图像格式以它们被接收的空间关系布置回波信号。例如，扫描转换器30可以将回波信号布置成二维(2D)扇形形状格式或金字塔形三维(3D)图像。多平面重新格式化器32能够将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收的回波转换成该平面的超声图像。

当从给定参考点观察时，体积绘制器34将3D数据集的回波信号转换成投影的3D图像。2D或3D图像从扫描转换器30、多平面重新格式化器32和体积绘制器34被耦合到图像处理器36，以用于进一步增强、缓存和临时存储以用于在图像显示器38上显示。图形处理器40能够利用超声图像生成图形叠加物以用于显示。这些图形叠加物或参数块能够包括例如标准识别信息(例如，患者姓名)、图像的日期和时间、成像参数、帧索引等。出于这些目的，图形处理器40接收来自用户接口24的输入，例如，键入的患者姓名。用户接口24也能够被耦合到多平面重新格式化器32，以用于选择和控制多个多平面重新格式化(MPR)图像的显示。

根据本原理，采集超声数据并将其存储在存储器42中。存储器42被描绘为居中放置；然而，存储器42也可以存储数据并在信号路径中的任何位置处进行交互。存储器42被配置为存储程序和应用程序(例如，在地图或查找表中的位移数据的累积结果)。图形处理器40和/或图像处理器36根据图像信号进行图像调整。显示器38提供消融监测，其在具有扩展的损伤边界的每个采集帧处获得更新。显示器38还可以允许用户与系统10及其部件和功能或者系统10内的任何其他元件进行交互。接口24进一步促进了这一点，接口24可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其他外围设备或控件，以允许用户从系统10反馈和与系统10交互。

根据本原理，使用系统10来提供剪切波生成和检测。探头12发射高幅度和长持续时间(例如，～1ms)的推动脉冲以在(被成像的)组织中创建足够的声辐射力而使组织充分(例如以微米级)移位。一旦移除这种力，位移就以剪切波的形式垂直于推动方向进行传播。剪切波传播具有相当高的信噪比(SNR)，其通过跟踪具有高脉冲重复频率(例如，1.5kHz)的脉冲来检测，该脉冲距推线约2-3cm。可以采用“n”个跟踪脉冲来覆盖感兴趣区域(ROI)的横向范围，并且对“m”个时间点重复跟踪以采集每个跟踪位置的整个位移历史，其能够被存储在存储器42中。在一个有用的实施例中，推动脉冲被放置在预期的损伤边界之外，使得边界被放置在检测范围的大约一半处。

在成像操作期间，用户可能需要确定一幅或多幅图像中的边界。根据一个实施例，可以通过使用手动或软件开关44来激活边界检测模式以进入该模式。在边界检测模式中，通过如上所述在信号处理设备26中采用剪切波位移和方向位移滤波器来提供更大的灵敏度以检测边界。信号处理设备26提供边界估计器以解译或描画组织之间的边界。

信号处理设备26可以包括(一种或多种)计算机可读存储介质，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本原理的各个方面。计算机可读存储介质能够是有形设备，其能够保留和存储供指令运行设备使用的指令。计算机可读存储介质可以例如是但不限于电子存储设备、磁性存储设备、光学存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述项目的任何合适组合。计算机可读存储介质可以包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备(例如，其上记录有指令的打孔卡或凹槽中的凸起结构)，以及前述项目的任何合适组合。本文使用的计算机可读存储介质不应被解释为瞬态信号本身，例如，无线电波或其他自由传播的电磁波或声波。

本文描述的计算机可读程序指令能够从计算机可读存储介质被下载到相应的计算/处理设备或者经由网络(例如，互联网、局域网、广域网和/或无线网络)被下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络接口从网络中接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令以用于存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化处理电子电路以运行计算机可读程序指令，从而执行本原理的各个方面。

参考图2，根据本原理说明性地描绘了具有跟踪脉冲104的推动脉冲102的示意性布局。成像阵列14(图1)在损伤边界110处或其附近保持与组织112接触。在一个有用的实施例中，推动脉冲102被放置在损伤边界110之外，使得边界110在剪切波106的跟踪范围108的大约一半处。推动脉冲102以高幅度和长持续时间(例如，～1ms)传输，以在组织112中创建足够的声辐射力而使组织112移位(例如，至少一微米)。位移以剪切波106的形式传播，剪切波106垂直于推动脉冲102的推动方向移动。剪切波106传播具有能够通过跟踪具有高脉冲重复频率(例如，1.5kHz)的脉冲或线104来检测的SNR，脉冲或线104距推线约2-3cm。

超声扫描器的声输出设置(例如，推动脉冲幅度或跟踪脉冲幅度)以及脉冲序列可以是剪切波成像模态的默认值，而不是特定于反射波方法的。这些设置优选在美国食品与药品管理局(FDA)的批准限度内(即，机械指数≤1.9)。

可以采用足以覆盖感兴趣区域(ROI)的横向范围(跟踪范围108)的多个跟踪脉冲“n”，并且对于“m”个时间点重复跟踪以采集每个跟踪位置(对应于每条跟踪线104)的整个位移历史。可以执行针对2D或3D区域的位移历史。

能够使用由信号处理器26(图1)根据跟踪数据而运行的散斑跟踪算法来检测剪切波位移。数据处理27(图1)可以包括应用于结果得到的位移的至少一个方向滤波器(优选为两个，但是也可以使用更多个)。能够应用频域中的空间滤波器与时间滤波器的任何组合；然而，所描述的说明性实施例在横向x方向(平行于剪切波传播方向)和在时间上采用空间-时间滤波器。将滤波器应用于每个深度点处的剪切位移(对于z方向上总共有“d”个点)，以获得沿着x轴的前向传播波和后向传播波。

参考图3，示意性地描绘了示出由信号处理设备26使用用于RFA损伤估计的前向传播波和后向传播波执行的数据采集和处理的框图/流程图。信号处理设备26可以包括硬件和/或软件。在一个特别有用的实施例中，信号处理设备26包括一个或多个处理器和存储器。存储器可以包括集成的存储器、外部的存储器(42，图1)或其组合。

推动波束102由超声探头12(图1)启动(计数器i＝1)并提供n个跟踪波束104。推动波束102可以包括例如约0.5微米至约10微米的幅度，持续时间大约为1ms。也可以采用其他脉冲幅度和持续时间。

沿着多(n)条跟踪线104监测推动脉冲102，以捕获剪切波位移的空间方面。每个跟踪线位置的结果重复m次以捕获剪切波位移的时间方面的信息。在框202中根据(沿着推动脉冲行进方向的)“d”深度的位移点的跟踪数据来执行组织位移计算。这识别或定义了随时间的位移场，例如，在块204中由d×n×m来定义。存储随时间的位移场以提供累积的历史。随时间的位移场可以被存储在缓存器或其他存储器元件(例如，图1中的存储器42)中。

在超声剪切波弹性成像(SWE)中，因反射和折射造成的复杂波场被指示为低SNR和伪影的来源，因此使用方向滤波器来分离和消除这些反射并改善重建算法性能。

将二维空间-时间方向滤波器(例如参考图4)应用于数据以用于对前向传播波或后向传播波进行滤波。对于所描述的实施例，由于剪切波运动的主要空间传播方向是随时间(t维度)的横向方向(x维度)，因此将方向滤波器应用于包括x维度和t维度的2D空间。此外，在深度方向(y维度)上的每个点处对x-t数据执行滤波。时间方向和空间方向的任何组合都可用于方向滤波。方向滤波器206、208可以以数字方式实施，并且可以应用于图像或其他数据。在一个实施例中，当邻近像素值之间发生大的变化(陡峭的梯度)时，方向滤波器206搜索图像内的边缘。这种值的变化是通过图像数据中的一阶导数(或斜率)测得的。

由于剪切波的高度分散和衰减的性质，在靠近源处观察到最高位移和最明确的波前。类似地，对于反射的剪切波，在靠近反射边界处观察到最高位移幅度。

在如上所述采集和处理剪切波数据之后，将前向方向滤波器206应用于数据以确定前向位移场210。前向位移场210可以包括2D傅立叶变换或应用于数据的其他变换或数据处理，从而(通过空间和时间进展)对前向传播波的数据进行区分/滤波。对于每个深度点(d)，将2D FFT应用于x-t空间中的数据以获得ωk频域数据。将特定于波传播方向的预先计算的频域滤波器与数据的FFT相乘。预先计算的方向滤波器可以采用棋盘图案的形式，如图4所示，或者可以采用其他形式。

在图4中，图示性地示出了空间-时间滤波器掩模250，其具有y轴上的时间频率(ω)与x轴上的空间频率(波数(k))。白色区域260指示值1表示要保持的ωk频域的部分，而黑色区域262指示滤波器的零值，其中，信号被滤除以用于前向传播波。适当地平滑黑色区域与白色区域之间的过渡区域以避免滤波伪影，例如，吉布斯现象。对后向传播波采用图4的图像的该滤色器的镜像，其中，白色区域260是黑色的，而黑色区域262是白色的。可以执行逆FFT以获得经滤波的x-t空间数据。该数据包括在单个方向上(在这种情况下为前向)传播的波。

同样，在图3中，将后向方向滤波器208应用于数据以确方后向位移场212。在较硬内含物(例如，由RFA生成的热损伤)的情况下，前向传播波方法的剪切波速估计结果可能不够，这是因为由于弹性不匹配而造成大部分波能从内含物边界反射。应当理解，为了方便起见，采用前向方向和后向方向，并且可以采用任何两个传播方向。还优选地，方向在空间上彼此相反。后向位移场212可以包括2D傅立叶变换或应用于数据的其他变换或数据处理，从而(通过空间和时间进展)对后向传播波进行区分/滤波。针对每个深度点(d)，将2D FFT应用于x-t空间中的数据以获得ωk频域数据。将特定于波传播方向的预先计算的频域滤波器与数据的FFT相乘。预先计算的方向滤波器可以采用与图4所示相反的棋盘图案的形式，例如，黑色区域262指示值1，表示要保持的ωk频域的部分，而白色区域260指示滤波器的零值，其中，信号被滤除以用于后向传播波。适当地平滑黑色区域与白色区域之间的过渡区域以避免滤波伪影，例如，吉布斯现象。可以执行逆FFT以获得经滤波的x-t空间数据。该数据包括在单个方向上(在这种情况下为后向)传播的波。

信号处理设备26被耦合到存储器以运行边界估计器214，从而基于随时间累积的方向位移场的历史来估计显示的图像中的组织边界。边界估计器214对方向传播位移场的幅度历史进行累积，以指示图像中的最高幅度的位置，从而识别图像中的组织边界。边界估计器214可以包括不同的形式，例如，图像处理程序、数据处理程序、模型(例如，有限元模型)、求解器等。在有用的实施例中，边界估计器214包括用于基于前向位移场210和/或后向位移场212来估计组织边界的处理算法或模型。边界估计器214包括累积方法，其随时间对测得的强度、能量等进行计数或累积。随着波的传递，能够记录(缓存)前向幅度迹线和后向幅度迹线，以评价最大能量通过的区域。由于损伤边界具有较高的硬度，因此前向位移场和后向位移场应当提供关于损伤边界的冗余信息，其中，在损伤边界前方获得反射波的杂波，在损伤边界处它们具有最高幅度(随时间累积的最高强度)。在一个实施例中，边界估计器214依赖于因来自边界的反射而造成的后向传播波幅度的累积。在一个实施例中，在方向滤波之后对波幅度的历史进行求和。这在反射波具有最高幅度之处的内含物之外给出显着的对比度，从而形成指示反射边界的杂波。

在框216中将边界估计结果(BE)保存在存储器中，并且处理继续到决策框218。在决策框218中，确定i(计数器)是否大于1。如果i不大于1，则路径返回以生成推动波束。如果i大于1，则路径前进到框220。也可以采用其他迭代方案。

在框220中，由于组织的不均匀性，处理提供损伤边界以及潜在反射物的其他内含物。在RFA的情况下，实际损伤边界随时间扩展，因此在短暂的时间(例如，2-3秒)之后重复采集和处理，同时保持超声探头静止。重复测量将为内在反射物提供相同的解决方案；然而，热损伤边界将在几次重复测量中扩展，因此对处理的任选添加可以是使用减法(BE_i-BE_i-1)或互相关(lag(BE_i,BE_i-1))来检测损伤边界在几个重复周期中的偏移。这种额外的处理将抵消来自组织的固有反射物并提供生长的损伤边界。能够通过图像配准来补偿测量结果之间的少量运动引发的偏移。此时，在框224中将损伤边界发送到RFA监测显示单元以提供对处置的反馈。在框222中，递增迭代计数器并返回路径以生成新的推动波束102。

在用于边界估计的一个实施例中，基于模型的波动方程能够在边界估计器214中得到求解，其中，前向传播波和后向传播波分别作为模型的输入和输出。该模型可以包括有限元模型，该有限元模型能够用于模拟剪切波传播的瞬态动力学。在框214中，使用重建算法根据前向传播波估计健康组织硬度，重建算法例如为峰值出现时间(TTP)重建，并且假设损伤硬度远大于健康组织硬度(例如是健康组织硬度的3倍)。使用这些材料属性，优化模型的几何参数(损伤边界的位置)，以使模拟的反射波(来自模型解)与测得的反射波(来自剪切波成像)之间的误差最小化。将针对损伤边界的最优解存储在存储缓存器中并且类似地进行处理以用于显示。本原理可以以多种方式执行，并且可以包括不同的输出配置和目标。

参考图5，在一个实施例中，可以将损伤边界与常规采集的B模式图像一起显示为叠加物或者将损伤边界叠加在常规采集的B模式图像上。在框302中，发送推动波束以生成剪切波。在框304中，获得3D(2个空间维度和时间)剪切波位移场D(d＝1..numDepth，n＝1..numX，m＝1..numTime)，其中，numDepth是深度点的数量，numX是横向采样点的数量，numTime是对剪切波位移进行采样的时间点的数量。在框306中，在深度d，D(d，x＝1..numX，t＝t.numTime)处为每个平面应用方向滤波器(后向或前向或两者)。这将创建后向传播位移场D_后(d＝1..numDepth，n＝1..numX，m＝1..numTime)。在框308中，计算所有时间点上的最大位移幅度，例如D_后，最大(d＝1..numDepth，n＝1..numX)。在框310中，D_后，最大被累积在具有N个元素的圆形环形缓存区中，如果环形缓存区已被填充，则覆盖最旧的元素。N的说明性值是[2..10]。在框312中，如果缓存器中存在少于N个元素，则转到框302以生成新的位移场。在框314中，如果缓存区被填充(具有N个元素)，则继续进行框316。

在框316中，对经缓存的D_后，最大(1..N)求平均以找到D_{后，最大，平均}(d＝1..numDepth，n＝1..numX)。在框318中，显示D_{后，最大，平均}(与采集的B模式图像共同显示/叠加在采集的B模式图像上)。

参考图6，在另一实施例中，估计并显示损伤边界，而不是显示平均最大后向传播幅度。这里，图5的框302到316保持不变，并且路径继续进行到框320。在框320中，在数据中找到最大D_{后，最大，平均}的位置d_最大，x_最大。在框322中，掩蔽D_{后，最大，平均}中的位置的区，仅保留幅度大于阈值的那些像素(例如，最大幅度的1/2)。在框324中，识别围绕d_最大的深度范围d₁…d₂，其中，所有像素都是例如>最大幅度的1/2。在框326中，对于d₁...d₂中的每个深度d_i，识别幅度下降到<最大幅度的1/2的x值x_i>1/2x_最大。在框326中，通过点(d_i,x_i)对样条进行拟合，并将该样条显示为损伤边界的估计结果。

参考图7，在另一实施例中，估计并显示损伤边界，而不是使用不同的方法来显示平均最大后向传播幅度。这里，图5的框302到306包括保持不变，并且路径继续进行到框330。在框330中，对所有numTime点的后向(或前向)滤波剪切位移求和，即，∑_tD_后(d＝1..numDepths,n＝1..numX,t)，以获得单剪切位移场图像D_总和。在框332中，检测每个深度点的D_总和的最大值(d_i,x_最大@di)，还检测最大值周围的半峰全宽(FWHM)点(d_i,x_{FWHM_1@di}&d_i,x_{FWHM_2@di})。在框334中，通过推动脉冲的相对侧上的FWHM点(d_i,x_{FWHM_2@di})对样条进行拟合并估计损伤边界。

这些方法说明了定义和显示损伤边界的方式。这些方法不应被解释为限制，而是可以根据本原理采用其他数据处理和成像方法。

参考图8，根据一个说明性实施例示出了用于边界检测的反射/后向传播波的后处理的结果400。尽管这种包含物的硬度较小，但与由RFA生成的典型热损伤相比，在损伤边界前面获得了反射波404的杂波，在损伤边界处它们具有最高幅度。损伤402用虚线圆圈来指示，反射波杂波404描画了其边界。弹性模量结果以帕斯卡(Pa)为单位。

参考图9，针对与图8中的结果400相同的数据集示出了基于时间延迟的弹性成像重建420，其指示出损伤422。弹性模量结果以Pa为单位。重建420示出了仅使用前向传播波的基于时间延迟的重建。常规的弹性成像重建仍然对该数据集表现良好，因为损伤与背景之间的硬度差异在合理的限度内(例如，15kPa对7.5kPa)。通过反射波方法估计的边界(图8)符合弹性成像重建中可见的损伤的形状(图9)。宽杂波404能够被分段，并且其远离推动脉冲位置的远端被标记为损伤边界，如参考图7所提供的。

本原理能够提供和显示用于损伤生长估计和消融监测流程的弹性图。特别地，本原理得到突出显示其中发生剪切波反射的(硬度)边界的图像，而不是提供对整个视场中的硬度估计。这可以在使用具有非常坚硬的内含物的体模的测试中进行检查，例如，如果边界可视化随着内含物的硬度增大而改善，则有利地采用反射波处理。消融治疗监测的方法能够应用于用于RF消融监测的任何设备。此外，相同的方法也可以与其他形式的基于热的热消融治疗(例如，微波、高强度聚焦超声(HIFU)等)一起使用。除了热疗监测以外，本实施例还能够应用于图像引导的活组织检查应用，其中，由于存在针或其他设备而增大了活组织检查目标的有效硬度。

在解读权利要求时，应当理解：

a)“包括”一词不排除存在给定权利要求中列出的元件或动作之外的其他元件或动作；

b)元件前的“一”或“一个”一词不排除存在多个这样的元件；

c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；

d)若干“手段”可以由相同的项目或硬件或实施结构或功能的软件来表示；并且

e)除非另有说明，否则不要求动作或步骤的具体顺序。

已经描述了用于监测热消融中的损伤生长的反射剪切波的优选实施例(所述优选实施例旨在是说明性的而不是限制性的)，应当注意，本领域技术人员在以上教导的启示下能够做出修改和变型。因此应当理解，可以在本文中如权利要求书概括的那样的公开的实施例的范围内，对所公开的公开内容的特定实施例做出改变。因此已经描述了专利法所要求的细节和特性，在权利要求书中阐述了由专利证书所要求并期望保护的内容。

Claims

1.一种用于边界识别的系统，包括：

存储器(42)，其用于存储通过介质的剪切波位移作为包括空间分量和时间分量的位移场；

至少一个方向滤波器(206、208)，其用于对所述位移场进行滤波以提供方向位移场；以及

信号处理设备(26)，其被耦合到所述存储器以运行边界估计器(214)，所述边界估计器用于基于随时间累积的所述方向位移场的历史来估计显示的图像中的组织边界。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，针对所述位移场的所述剪切波位移是由来自超声探头(12)的推动脉冲(102)生成的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个方向滤波器包括前向传播滤波器(206)，所述前向传播滤波器被配置为对所述位移场进行滤波以提供前向传播位移场作为所述方向位移场。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个方向滤波器包括后向传播滤波器(208)，所述后向传播滤波器被配置为对所述位移场进行滤波以提供后向传播位移场作为所述方向位移场。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个方向滤波器包括前向传播滤波器(206)和后向传播滤波器(208)，所述前向传播滤波器和所述后向传播滤波器被配置为对所述位移场进行滤波以提供前向传播位移场和后向传播位移场作为所述方向位移场。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述边界估计器(214)包括处理算法，所述处理算法累积传播波的幅度读数以估计损伤的边界。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述边界估计器(214)包括通过以下操作来估计所述边界的模型：使用传播波场作为输入，并且迭代地求解反射波以使来自所述模型的估计的反射波与使用剪切波成像测得的反射波之间的误差最小化。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述边界估计器(214)基于指示剪切波幅度的历史的像素杂波来估计所述边界。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括超声成像系统(10)，所述超声成像系统具有边界估计器模式(44)，当所述边界估计器模式被激活时，所述边界估计器模式估计超声图像中的所述边界。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括：

超声模式(44)，其使用推动脉冲来生成通过介质的剪切波位移以生成位移场；并且其中，所述信号处理设备(26)包括：

剪切波成像模块(25)，其用于针对所述介质中的多个跟踪位置检测剪切波位移以生成位移场；以及

数据处理模块(27)，其包括至少一个方向滤波器(206、208)，所述至少一个方向滤波器用于对所述位移场进行滤波以提供方向位移场，所述数据处理模块包括所述边界估计器(214)。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述边界估计器(214)基于指示剪切波幅度的历史的像素杂波来估计所述边界。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述超声模式(44)包括边界估计器模式，当所述边界估计器模式被激活时，所述边界估计器模式估计超声图像中的所述边界。

13.一种用于确定边界的方法，包括：

基于通过介质的剪切波来生成(204)剪切波位移场；

对所述剪切波位移场进行方向滤波(206、208)以创建方向传播位移场；并且

累积(214)所述方向传播位移场的幅度历史以指示图像中最高幅度的位置，从而识别所述图像中的组织边界。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述最高幅度和/或所述最高幅度的平均值是利用超声图像来显示的。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括通过幅度数据定义样条以指示所述边界。