CN110243950B - 基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法 - Google Patents

基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法，该方法采用的测量系统包括信号发生器、超声脉冲收发器、功率放大器、激励探头、跟踪探头、NI采集卡、运动控制器，通过使用幅值调制后的信号激发激励探头，使其在聚焦区域产生单位时间内幅值变化的声辐射力，引起聚焦区域产生局部位移，利用跟踪探头接收到的声辐射力激励前后的超声回波信号对产生的位移响应进行计算，进而评估介质的弹性特性，重建介质的弹性分布。

Description

基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法
技术领域
本发明属于超声弹性成像技术领域，涉及利用幅值调制方法调制声压信号，通过获得较大的位移响应提高成像分辨率的方法，特别是一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法。
背景技术
超声波携带着能量和动量，其在介质的传播过程中由于吸收和反射等效应造成了能量和动量的交换，由此产生声辐射力。声辐射力作用到具有弹性特性的介质上，会产生轴向的压缩拉伸，进而产生位移，通过计算轴向方向上的位移，评估介质的弹性特性参数，重建介质的弹性分布。近年来，基于声辐射力激励的超声弹性成像方法受到了研究学者们的广泛关注。1990年，Sugimoto(T Sugimoto,S Ueha and K Itoh,Tissue hardnessmeasurement using the radiation force of focused ultrasound,《IEEE Symposiumon Ultrasonics》,1990,171591)首次利用聚焦超声波产生的声辐射力对介质的硬度进行评估。
目前基于声辐射力激励的超声弹性成像方法的研究，主要可以概括为以下几个方面：
1、基于脉冲波的激励，使聚焦区域发生局部位移和横向传播的剪切波，利用声辐射力激励前后的超声回波信号计算组织发生的位移，或对剪切波的传播进行监测，对介质的弹性分布进行重建；
2、基于连续波的激励，利用调制的低频信号使聚焦区域产生简谐振动，进而向外辐射声波，使用水听器等设备检测声波的幅值和相位等信息，重建介质的弹性分布。
目前文献中提及利用脉冲波激励的超声弹性成像方法中，2001年，美国杜克大学的Nightingale领导的研究组(K R Nightingale,M L Palmeri,R W Nightingale and G ETrahey,On the feasibility of remote palpation using acoustic radiation force,《The Journal of the Acoustical Society of America》,2001,110:625-634)提出了声辐射力脉冲成像方法。通过发射高强度的聚焦超声波，产生声辐射力，致使介质产生局部位移。使用传统的方法(多普勒/脉冲回波检测位移)检测介质发生的位移，估计其弹性属性，通过扫描整个被测物场，重建被测物场的弹性分布。2005年，美国专利(US 20050215899A1)公开了一种关于ARFI成像的方法和系统。
目前文献中提及利用脉冲波激励的超声弹性成像方法中，1998年，Sarvazyan(APSarvazyan,O V Rudenko,S D Swanson,J B Fowlkes and S Y Emelianov,Shear waveelasticity imaging:a new ultrasonic technology of medical diagnostics,《Ultrasound in Medicine&Biology》,1998,24:1419-1435)首次提出剪切波弹性成像方法(ShearWave Elasticity Imaging,SWEI)。该方法运用脉冲信号激励聚焦超声换能器，在聚焦区域产生了声辐射力，使得聚焦区域产生横向传播的剪切波，利用磁共振技术对剪切波的传播进行监测，从而实现对介质弹性特性的定量分析。2012年，美国专利(US20080249408A1)公开了一种估计超声剪切波速度以及重建剪切模量分布的方法。
目前文献中提及利用连续波激励的超声弹性成像方法中，1998年，Fatemi等人(MFatemi and J F Greenleaf,Ultrasound-Stimulated Vibro-Acoustic Spectrography,《Science》,1998,280:82-85)提出了声振动成像方法，并通过实验证明了该方法的可行性。该方法使用两个具有微小频差Δf(一般为几百Hz至数万Hz)的正弦信号分别激励两个共焦的超声换能器，在聚焦区域产生周期性低频振荡的声辐射力，使介质的聚焦区域产生简谐振动，进而向外辐射频率为Δf的声波，这种声波同时包含了聚焦区域的弹性信息和声衰减信息，使用水听器检测声波的幅值和相位等信息，评估介质的弹性属性，通过对被测物场进行扫描，实现弹性分布的重建。2010年美国专利(US 007785259B2)公开了振动声成像的方法。
目前文献中提及利用连续波激励的超声弹性成像方法中，2004年，Fatemi等人(Shigao Chen,Mostafa Fatemi,Randall Kinnick,and F.Greenleaf,Comparison ofStress Field Forming Methods for Vibro-acoustography,《IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》,2004,51:313-321)提出了利用幅值调制的方法产生谐波振荡的声辐射力。幅值调制方法的核心是对两个幅值为P0，主频为f0，但具有微小频差Δf的连续声压信号P1(t)＝P0sin(2πf1t)和P2(t)＝P0sin(2πf2t)进行调制，其中f1＝f0+Δf/2，f2＝f0-Δf/2。得到的调制信号包含高频成分(主频f0)和低频成分(差频Δf)两个部分，其中高频部分产生一个恒定的声辐射力，而低频部分则产生一个简谐变化的声辐射力。将该调制信号作用于聚焦超声换能器，低频振荡的声辐射力使聚焦区域发射声波，通过测量声波的幅值相位等信息，估计介质的力学特性参数等信息。
现有利用脉冲波激励的超声弹性成像方法通过产生的暂态声辐射力使聚焦区域发生局部位移和横向传播的剪切波，再利用声辐射力激励前后的超声回波信号计算组织发生的位移，或对剪切波的传播进行监测。该方法引起的位移为微米级，可能由于响应太小导致位移不能被检测到，或者即使能够检测到相应的位移，其分辨率也不高；此外该方法需要较高采样频率的测量系统，或者使用上采样等技术增加数据量，以计算微米级的位移；并且其检测的分辨率取决于算法的种类，和算法中选取的参数等因素。而现有利用连续波激励的超声弹性成像方法则直接检测介质振动激发的低频声波，该声波频率很低，衰减较慢，因此具有较高的分辨率，但是两束连续波调制产生的连续波声压信号在传播过程中会产生驻波，这会影响成像的精度。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法。本发明在原有的脉冲波激励的基础上，在传递相同的能量总量的前提下，调制出能量更为集中的激励信号，从而提供更高幅值的声辐射力，增大由声辐射力激励引起的位移响应，提高弹性成像的空间分辨率和对比度，降低对测量系统的要求。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法，该方法采用的测量系统包括信号发生器、超声脉冲收发器、功率放大器、激励探头、跟踪探头、NI采集卡、运动控制器，通过使用幅值调制后的信号激发激励探头，使其在聚焦区域产生单位时间内幅值变化的声辐射力，引起聚焦区域产生局部位移，利用跟踪探头接收到的声辐射力激励前后的超声回波信号对产生的位移响应进行计算，进而评估介质的弹性特性，重建介质的弹性分布。该方法包含以下步骤：
(1)根据跟踪探头的频率设置激发跟踪探头的信号P1；
(2)确定声辐射力的形式，令施加在介质上的声辐射力的幅值由小逐渐增大再减小，根据声压信号与声辐射力的关系，调制出激发激励探头的信号P2，并通过信号发生器和超声脉冲收发器的连接完成信号P1和P2的同步；
(3)利用超声脉冲收发器发射的P1信号激发跟踪探头，获得射频回波信号RF1；
(4)信号发生器发射的P2信号，经功率放大器放大之后用于激发激励探头，使其在聚焦区域产生所需的声辐射力，进而引起聚焦区域产生局部位移；
(5)再次通过超声脉冲收发器使用步骤2确定的信号P1激发跟踪探头，使其获得另外一组射频回波信号RF2；
(6)将跟踪探头接收到的两组射频回波信号RF1和RF2使用互相关算法等进行数据处理，计算由声辐射力引起的位移；
(7)通过位移直接估计介质聚焦区域的弹性信息，或通过计算剪切波速度定量计算聚焦区域的弹性特性；
(8)对被测物场进行扫描，重复步骤3-7，重建被测物场的弹性分布。
根据声压信号与声辐射力的关系，调制出激发激励探头的信号P2的方法如下：
声辐射力F与激励信号p(t)的关系式：
Figure BDA0002060449080000041
其中α为超声波在介质中传播的衰减系数，c为声速，ρ为介质的密度，P(t)为激励信号p(t)在时间上的平均的平方；
确定所需声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小，根据声辐射力F与激励信号p(t)的关系式调制出激发激励探头的信号P2。
本发明与传统的基于脉冲波激励的超声弹性成像方法相比，使用幅值调制的信号对激励探头进行激发，使得信号输出的能量更集中，产生的大幅值的声辐射力有利于增大位移响应，从而降低了对测量系统的要求，提高了超声弹性成像的空间分辨率和对比度，为超声弹性成像的激励提供一种新的形式；此外，基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法，为声辐射力在其他领域的应用提供一种思路。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的操作流程图；
图3为本发明的测试使用的三种激励信号波形及各自产生的声辐射力波形，其中内部的正弦信号为激励信号，外部的包络为对应的声辐射力信号；三种激励信号均具有相同的能量总量，其中信号(a)和信号(b)为传统的脉冲激励信号，其单位时间的能量为恒值，信号(a)的幅值为信号(b)的两倍，但是其激励时间为信号(b)的一半；而信号(c)为本发明提出的幅值调制的激励信号，其激励时间与信号(a)相同，但是单位时间内输出的能量不相等，幅值先从小逐渐增大再减小，峰值比信号(a)的峰值要大。
图4为本发明的原理示意图；
图5为本发明的三种激励信号产生的声辐射力引起两种均匀介质的位移响应；
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明的基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法加以说明。
本发明通过使用幅值调制的信号激发激励探头，提供能量更为集中的激励信号，产生更高幅值的声辐射力，从而使介质达到更大的位移量，通过处理跟踪探头接收到的声辐射力激励前后的超声回波信号，对位移响应进行计算，评估介质的弹性特性，重建其弹性分布，提出一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法。
本发明的基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法的测量系统如图1所示，主要包括信号发生器、超声脉冲收发器、功率放大器、激励探头、跟踪探头、NI采集卡、运动控制器，首先激发跟踪探头，使其接收提供介质初始位置信息的参考回波信号，使用幅值调制后的信号激发激励探头，使其在聚焦区域产生声辐射力，引起聚焦区域产生局部位移，再次激励跟踪探头，获得聚焦区域发生位移之后的回波信号，将声辐射力激励前后的回波信号进行数据处理，计算位移响应，进而评估介质的弹性特性，重建介质的弹性分布。基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法的操作流程图如图2所示，大概可以分为以下几个步骤：
1、根据跟踪探头频率设置激发跟踪探头的信号P1。
本发明中跟踪探头和传统超声成像中探头的作用一致，均由常规波形的脉冲激励信号进行激发，并用于接收射频回波信号，因此，根据跟踪探头频率设置激发跟踪探头的信号P1。
2、确定声辐射力的形式，令施加在介质上的声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小，而不是施加一个单位时间内幅值相等的声辐射力，根据声压信号与声辐射力的关系，调制出激发激励探头的信号P2。
当单位时间内的声辐射力幅值均相等时，其能量均匀作用到介质上，如图3的(a)和(b)信号所示；而将相同能量总量的声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小的施加到介质上时，该信号输出的能量更集中，提供了更高峰值的声辐射力，如图3的信号(c)所示。
超声波在传播过程中由于吸收和反射等效应与介质发生了能量和动量的交换，由此产生声辐射力，其原理图如图4所示，声辐射力的表达式为
Figure BDA0002060449080000051
其中α为超声波在介质中传播的衰减系数，c为声速，I为声强，声强与声压的平方成正比，
Figure BDA0002060449080000061
其中P(t)为激励信号p(t)在时间上的平均的平方。因此声辐射力与激励信号的关系为
Figure BDA0002060449080000062
确定所需声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小，根据上述信号与声辐射力的关系以及激励探头的频率，得到本发明中需要的声辐射力对应的信号P2。同时通过信号发生器和超声脉冲收发器的连接完成信号P1和P2的同步。
3、使用步骤2确定的信号P1激发跟踪探头，获得射频回波信号RF1。
首先通过超声脉冲收发器的自发自收模式，使用步骤2确定的信号P1激发跟踪探头，并接收射频回波信号RF1，该组回波信号提供介质的初始位置信息，由于该信号发射的时间和强度都很小，以至于产生的声辐射力引起的位移等响应可忽略不计。
4、利用步骤2调制好的信号P2激发激励探头，使其在聚焦区域产生所需的声辐射力，进而引起聚焦区域产生局部位移。
信号发生器发射P2信号，并使用功率放大器放大，用于激发激励探头，由于吸收和反射的效应，使得超声波在传播过程中发生能量交换，由此产生声辐射力，进而引起聚焦区域的局部位移响应。由于调制的激励信号发射的能量比原有的脉冲信号更集中，因此提供更高幅值的声辐射力，提高位移响应。
5、再次使用步骤2确定的信号P1激发跟踪探头，使其获得另外一组射频回波信号RF2。
再次使用超声脉冲收发器发射P1信号激发跟踪探头，使其获得介质聚焦区域受到声辐射力激励之后的射频回波信号RF2，该组回波信号提供介质发生位移之后的位置信息。
6、将跟踪探头接收到的两组射频回波信号RF1和RF2使用一些互相关算法进行处理，计算由声辐射力引起的位移。
对跟踪探头接收的两组射频回波信号RF1和RF2进行滤波、互相关算法等处理之后，计算聚焦区域由声辐射力引起的局部位移。
7、通过位移直接估计介质聚焦区域的弹性信息，或通过计算剪切波速度定量计算聚焦区域的弹性特性。
由步骤6的位移直接对介质聚焦区域的弹性特性进行定性评估，或者通过位移峰值时间等计算剪切波速度，定量评价介质的弹性特性。
8、对被测物场进行扫描，重复步骤3-7，重建被测物场的应变分布或弹性分布。
通过改变聚焦区域的位置，完成对整个被测物场的扫描，重复步骤3-7，获得每个聚焦区域的弹性特性，进而重建被测物场的应变或弹性分布。
本发明将图3中三种不同形式的激励信号作用于两种不同杨氏模量的均匀介质进行验证，结果如图5所示。其中信号(a)、(b)和(c)的激励信号均具有相同的能量总量，其中信号(a)和信号(b)的单位时间的能量为恒值，信号(a)的幅值为信号(b)的两倍，但是其激励时间为信号(b)的一半；对于信号(c)，其激励时间与信号(a)相同，但是单位时间内输出的能量不相等，幅值先从小逐渐增大再减小，峰值比信号(a)的峰值要大。从结果可以看出，三种形式的激励信号作用于介质中，其产生的声辐射力引起的最大位移的关系为dmax(c)＞dmax(a)＞dmax(b)。因此可以证明基于幅值调制的声辐射力的脉冲激励方法能够获得更高的位移量，有望提高超声弹性成像的对比度和分辨率。
本发明的基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法，其主要用于基于声辐射力激励的超声弹性成像方法的信号激励，但也可应用于其他使用声辐射力的领域中。
本实施例使用幅值调制的信号激发激励探头，与传统的基于脉冲波激励的超声弹性成像方法相比，激励信号输出的能量更集中，可以提供更高的声辐射力峰值，从而使介质达到更大的位移量，达到提高超声弹性成像的空间分辨率和对比度，降低对测量系统要求的目的。

Claims (1)

1.一种基于幅值调制的声辐射力脉冲激励方法，该方法所采用的测量系统包括信号发生器、超声脉冲收发器、功率放大器、激励探头、跟踪探头，通过使用幅值调制后的信号激发激励探头，使其在聚焦区域产生单位时间内幅值变化的声辐射力，引起聚焦区域产生局部位移，利用跟踪探头接收到的声辐射力激励前后的超声回波信号对产生的位移响应进行计算，进而评估介质的弹性特性，重建介质的弹性分布，该方法包含以下步骤：
（1）根据跟踪探头的频率设置激发跟踪探头的信号P1；
（2）当单位时间内的声辐射力幅值均相等时，其能量均匀作用到介质上，而将相同能量总量的声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小的施加到介质上时，输出的能量更集中，从而提供更高峰值的声辐射力，根据这一原理，确定声辐射力的形式，令施加在介质上的声辐射力的幅值由小逐渐增大再减小，根据声压信号与声辐射力的关系，调制出激发激励探头的信号P2，并通过信号发生器和超声脉冲收发器的连接完成信号P1和P2的同步，其中，根据声压信号与声辐射力的关系，调制出激发激励探头的信号P2的方法如下：
声辐射力F与激励信号p(t)的关系式：
Figure 472073DEST_PATH_IMAGE002
其中，α为超声波在介质中传播的衰减系数，c为声速，ρ为介质的密度，P(t)为激励信号p(t)在时间上的平均值的平方；
确定所需声辐射力的幅值由小逐渐增大再逐渐减小，根据声辐射力F与激励信号p(t)的关系式调制出激发激励探头的信号P2；
（3）利用超声脉冲收发器发射的P1信号激发跟踪探头，获得反映介质初始位置信息的射频回波信号RF1；
（4）信号发生器发射的P2信号，经功率放大器放大之后用于激发激励探头，使其在聚焦区域产生所需的声辐射力，进而引起聚焦区域产生局部位移；
（5）再次通过超声脉冲收发器使用步骤（1）确定的信号P1激发跟踪探头，使其获得介质聚焦区域受到声辐射力激励之后的射频回波信号RF2，该回波信号提供介质发生位移之后的位置信息；
（6）将跟踪探头接收到的两组射频回波信号RF1和RF2使用互相关算法进行数据处理，计算由声辐射力引起的位移；
（7）通过位移直接估计介质聚焦区域的弹性信息，或通过计算剪切波速度定量计算聚焦区域的弹性特性；
（8）对被测物场进行扫描，重复步骤（3）-（7），重建被测物场的弹性分布。
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超声编码激励产生声辐射力的数值模拟;陈思平 等;《深圳大学学报理工版》;20110331;第28卷(第2期);第165-171页 *

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