CN110507360B - 剪切波成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种剪切波成像方法，包括以下步骤，于组织内部产生剪切波；预估剪切波，对应所述剪切波在不同时刻的位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息；根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算；成像显示所述剪切波参数计算的结果。发明提供的剪切波成像方法及系统，预先估计剪切波的检测位置，使得剪切波的检测可以小范围准确的进行，从而使得检测能量相对集中，提升检测信噪比。同时还减少冗余的检测次数，加快了检测过程，减轻数据处理负担。本发明还提供一种剪切波成像系统。

Description

剪切波成像方法及系统

技术领域

本发明涉及超声波成像领域，尤其涉及一种剪切波成像方法及系统。

背景技术

超声弹性成像是近年来临床研究关心的热点之一，主要反映组织的弹性或软硬程度，在组织癌症病变的辅助检测、良恶性判别、预后恢复评价等方面得到越来越多应用。现有一种超声弹性成像采用剪切波进行成像，主要通过在组织内部产生剪切波的传播并检测其传播参数并成像才，从而反映组织间的硬度差异。

此种方法具有较佳的稳定性和可重复操作性。但由于在应用此方法中，组织内部产生的剪切波较微弱，且剪切波在组织内的传播是一个瞬态过程，剪切波传播一定时间与一定距离后就会衰减消失，因此必须在一段时间内快速且大面积的提取剪切波信息，对剪切波的提取要求要求较高，对进行剪切波提取的提取系统的数据处理负荷较大，精度较低。

发明内容

提供一种剪切波成像方法及系统，提升检测信噪比，减少冗余的检测次数，加快检测过程。

一种剪切波成像方法，包括以下步骤，

于组织内部产生剪切波；

预估所述剪切波在不同时刻的位置，对应所述剪切波在不同时刻的位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息；

根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算；

成像显示所述剪切波参数计算的结果。

进一步的，当预估剪切波，对应所述剪切波在不同时刻的位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息时，进一步包括以下步骤，

预估剪切波于目标组织内的传播速度；

根据所述剪切波于目标组织内的传播速度预估剪切波在各个时刻于所述目标组织内的剪切波预估位置；

分别于所述各个时刻向相应的剪切波预估位置发送追踪脉冲，并接收各个追踪脉冲的回波信息。

进一步的，获取所述剪切波在各个时刻的所述剪切波预估位置时，所述剪切波距波源的位置距离

满足：

其中，所述t_k为剪切波产生后的任一时刻，所述t₀为所述剪切波起始传播时刻，

为剪切波于所述目标组织内传播的平均速度。

进一步的，相邻两次检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于或等于c_hΔt，且每次检测时剪切波的检测宽度大于或等于Δt(c_h-c_l)，其中，所述预估的剪切波速度的变化范围为c_l至c_h，Δt为相邻两次检测时刻的时间间隔。

进一步的，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，对所述剪切波的传播距离、剪切波的传播速度、目标组织的杨氏模量中的至少一种进行计算。

进一步的，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，进一步包括以下步骤：

设定参考信息；

将目标区域内各个位置的不同时刻的追踪脉冲的回波信息与该位置对应的参考信息做互相关比较，获取该位置处不同时刻的质点位移数据。

进一步的，设定参考信息时，选用某一时刻的追踪脉冲的回波信息作为参考信息或在剪切波传播前发送参考脉冲，并将所述参考脉冲的回波信息作为参考回波信息。

进一步的，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，所述剪切波的传播速度满足以下公式：

式中，c表示传播速度，u_z可以视为纵向位移数据，也可采用纵向速度数据进行计算，x代表横向坐标，z代表纵向坐标。

进一步的，成像显示所述剪切波参数计算的结果时，形成传播速度分布图、杨氏模量参数图、剪切模量参数图、某段时间内的传播距离参数图、目标区域内的平均速度值参数图中的至少一种。

一种剪切波成像系统，包括超声探头、控制模块、信号处理模块、计算模块及显示系统，所述超声探头设有收发模块，所述超声探头的收发模块、信号处理模块、计算模块、显示系统依次连接，所述控制模块连接于所述收发模块，

所述收发模块用于根据剪切波预估位置发射追踪脉冲，并接收所述追踪脉冲与所述参考脉冲的回波信息；

所述控制模块用于控制所述收发模块发射追踪脉冲；

所述信号处理模块用于对回波信息进行信号预处理；

所述计算模块用于预估剪切波在不同时刻的剪切波预估位置，并对信号处理模块输出的信号进行处理计算；

所述显示系统用于将所述计算模块生成的剪切波参数计算结果进行图像显示。

进一步的，所述计算模块包括，

预估单元，用于根据剪切波的传播时长与剪切波于所述目标组织内传播的平均速度预估所述剪切波在各个时刻的剪切波预估位置。

数据计算单元，用于计算剪切波的传播参数。

本发明提供的剪切波成像方法及系统，预先估计剪切波的检测位置，使得剪切波的检测可以小范围准确的进行，从而使得检测能量相对集中，提升检测信噪比。同时还减少冗余的检测次数，加快了检测过程，减轻数据处理负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种剪切波成像方法的流程示意图；

图2至图5是本发明的剪切波成像方法中的发射不同声辐射力脉冲序列示意图；

图6是本发明中剪切波成像方法的剪切波检测位置随时间变化示意图；

图7至图8是本发明中采用不同追踪脉冲发射偏转角度的发射偏转角度示意图；

图9是本发明提供的一种剪切波成像系统的构成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供一种剪切波成像方法，预先预估剪切波的检测位置，使得剪切波的检测可以小范围准确的进行，从而使得检测能量相对集中，提升检测信噪比。同时还减少了冗余的检测次数，加快了检测过程，减轻数据处理负担。

本发明的剪切波成像方法包括以下步骤：

步骤S101，于组织内部产生剪切波。在本步骤中，可采用各种方法于组织内部产生剪切波，如通过组织外部的外力振动于组织内部产生剪切波，还可通过向组织内部发射声辐射力脉冲(ARFI，acoustic radiation force impulse)等方式于组织内部产生剪切波。其中，所述声辐射力脉冲可聚焦，也可以无聚焦。

可以理解的是，由于发射声辐射力脉冲产生的剪切波本身幅度较小，又由于剪切波会随着传播迅速衰减，因此可通过发射一系列声辐射力脉冲以提高剪切波的强度，或者拓宽剪切波的传播范围，或者改变剪切波波形特征已提高检测灵敏度等，从而避免由于剪切波的衰减影响成像。

如图2所示，可向同一个位置连续发射多次聚焦脉冲，以提高所产生剪切波的强度。如图3、4所示，可向改变连续发射的聚焦脉冲的纵向(指聚焦发射的方向)及横向(指与聚焦发射垂直的方向)位置，以拓宽剪切波的传播范围，并使得剪切波沿着某特定方向传播。如图5所示，可同时在不同横向位置发射脉冲，以使先后不同时间到达的两个剪切波波形叠加起来，方便检测。

步骤S102，预估所述剪切波在不同时刻的位置，对应所述剪切波在不同时刻的位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息。

所述步骤S102进一步包括以下步骤：

步骤S1021，预估剪切波于目标组织内的传播速度。

剪切波产生后，开始在组织中传播，随着组织弹性特性的不同，其传播快慢是不同的。为了预估追击剪切波，需要根据目标组织估计一个平均速度

并估计可能的速度变化范围c_l至c_h，这个平均速度及范围可以参考既有的学术测量数据、或者测量经验等，由系统根据情况预先指定。比如假定目标组织内剪切波的平均传播速度约为2m/s，可能的变化范围为1～4m/s等，或者假定其平均传播速度为1m/s，可能的变化范围为0.5～2m/s等。

步骤S1022，根据所述剪切波于目标组织内的传播速度预估剪切波在各个时刻于所述目标组织内的位置，获取所述剪切波在各个时刻的所述剪切波预估位置。

在剪切波产生后的不同时刻t_k，假设剪切波起始传播时刻为t₀，则可以估测其距波源的位置距离

满足下式关系：

假设相邻两次检测时刻的时间间隔为Δt，即满足：Δt＝t_k-t_k-1，则可以估测两次检测时刻间剪切波的传播范围Δd_l～Δd_h，满足：

Δd_l＝c_lΔt

Δd_h＝c_hΔt

于是，相邻两次检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于或等于Δd_l，避免剪切波传播太慢时预估定位超前，同时每次检测时剪切波的检测宽度大于或等于Δd_h-Δd_l＝Δt(c_h-c_l)，以保证每次预估定位能包含该时刻剪切波所有可能位置。

步骤S1021，分别于所述各个时刻向相应的剪切波预估位置发送追踪脉冲，并接收各个追踪脉冲的回波信息。

如图6所示，从剪切波传播起始开始，系统以间隔Δt发送追踪脉冲以持续检测，每次检测均保持一定的检测横向波束宽度，即同时收回一定宽度的回波信息，回波信息包括上述一定宽度中各个横向位置的信息，横向位置的间隔不能太大以保证一定的横向分辨力。同时，相邻检测之间波束中心保持小于Δd_l的移动距离，或者如果Δt较小导致Δd_l太小，则也等效于每隔n个检测时刻之间波束中心距离保持小于nΔd_l的移动距离。当然，系统可以从任意时刻开始检测或者从距离剪切波波源一定距离开始检测，只需先根据平均传播速度估计下在当前位置处或当前时刻下剪切波的可能的位置即可，需要等剪切波传到该位置并离开后才开始改变每次检测的中心位置。

由于每次检测必须保持一定的横向波束宽度，而横向线间距不能太大以保证一定的横向分辨力，则可能要求系统具备超宽波束合成能力，即同时收回多个横向位置的回波信息的能力，如图7及图8所示。波束数目比如1～1024，系统根据需要调节，比如4波束、16波束、32波束、64波束、96波束、128波束等。波束越宽，则意味着发射声场的聚焦越弱，声场能量横向分布越均匀越不集中，这也同时会带来波束中每个检测位置的信噪比的降低。为了改善检测质量，对同一个中心位置，可以连续发射多次，每次发射波束的角度不同，然后将不同角度的回波信号进行合成以增加信噪比。角度数目及偏转角度的大小都由系统根据实际需要来调节，比如采用3个角度，偏转-5°、0°、5°等。

步骤S103，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算。根据所述追踪脉冲的回波信息可以计算出多种参数，比如传播距离、传播速度、杨氏模量等。

在本步骤中，可通过对各个时刻的追踪脉冲的回波信息进行整合，从而获取剪切波在传播过程中目标组织各个位置处一小段时间内的回波信息，且剪切波刚好在这一小段时间内通过该对应位置。

所述步骤S103进一步包括以下步骤：

步骤S1031，获取参考信息；可以理解的是，所述参考信息可根据需要自行选用。如选用相应位置某一时刻的追踪脉冲的回波信息作为参考信息。也可在剪切波传播前发送参考脉冲，并将所述参考脉冲的回波信息作为参考回波信息。所述参考需要用于与对所述剪切波进行追击的追踪脉冲做互相关比较。

步骤S1032，将目标区域内各个位置的不同时刻的追踪脉冲的回波信息与该位置对应的参考信息做互相关比较，获取该位置处不同时刻的质点位移数据。进一步的，可形成该位置处的位移-时间曲线，在这段时间内，剪切波会经历接近、到达并离开该位置的全过程，对应曲线出现波峰。如图5所示，由于预估追击检测，每个横向位置都能得到相应的一小段位移-时间曲线，只是曲线对应的时刻不同，相邻位置对应的时刻可能会有一部分重叠。位移-时间曲线上峰值所在位置即对应着剪切波到达该位置的时刻。

剪切波的传播速度有多种计算方法可用，比如，对同一深度上两个不同横向位置对应的位移-时间曲线，进行互相关比较，可以得到两横向位置之间对应的时间差异，该时间差对应着这两个横向位置之间的剪切波传播时间。横向位置间的距离与传播时间之比即这两个横行位置间的传播速度。

比如，对某个位置，取出剪切波到达该位置时刻附近两个时刻分别对应的各个横向位置的位移数据，形成两个时刻的位移-横向位置曲线，对两曲线进行互相关比较可以得到两个时刻之间的横向位置差异，该位置差对应了这两个时刻之间的剪切波的传播距离。传播距离与两时刻时间差之比即为该位置附近的传播速度。

比如可以直接利用波的传播方程推导出近似计算公式如下：

式中，c表示传播速度，u_z可以视为纵向位移数据，也可采用纵向速度数据进行计算，x代表横向坐标，z代表纵向坐标。还可以将上述公式变换到频域进行计算。

在一定条件下，剪切波的传播速度与组织硬度有近似固定的关系：

E＝3ρc²

式中，ρ表示组织密度，E表示组织的杨氏模量值。一定条件下，杨氏模量越大，意味着组织硬度越大。

此外，从各位置的剪切波的传播速度值，还可以进一步计算得到剪切模量、某段固定时间内的传播距离、目标区域内的平均传播速度等。

步骤S104，成像显示所述剪切波参数计算的结果。

得到最终传播速度数据后，将其显示在图像上可形成传播速度分布图，图上各个位置之间的传播速度差异直接反映其硬度差异。当然，也可以显示其他参数图，比如杨氏模量参数图、剪切模量参数图、某段时间内的传播距离参数图、目标区域内的平均速度值参数图等。对上述参数，可经过一定处理显示成为电影图、平面或空间分布图、参数值、曲线图等，也可采用灰阶或彩色编码，也可与其他模式图比如解剖图进行叠加或融合后一起显示。

如图9所示，本发明还提供一种剪切波成像系统，包括超声探头11、控制模块12、信号处理模块13、计算模块15及显示系统17，所述超声探头11设有收发模块110，所述超声探头11的收发模块110、信号处理模块13、计算模块15、显示系统17依次连接，所述控制模块12连接于所述收发模块110。

其中：

所述收发模块110用于发射追踪脉冲，并接收所述追踪脉冲与所述参考脉冲的回波数据。

所述控制模块12用于控制所述收发模块110发射追踪脉冲。实际使用中，所述控制模块12按照预设时间间隔发射追踪脉冲构成的特定的超声序列，从而便于追击剪切波并供所述超声探头11的收发模块110接收相应的回波数据。

所述信号处理模块13用于对回波数据进行信号预处理，从而便于计算模块15进行后续计算，所述信号预处理可包括波束合成处理，还可包括如信号放大、模数转换、正交分解等。

计算模块15用于预估剪切波在不同时刻的位置，并用于对用于对波束合成输出的信号进行处理计算。

在本实施例中，所述计算模块15包括：

预估单元151，用于根据剪切波的传播时长与剪切波于所述目标组织内传播的平均速度预估所述剪切波在各个时刻的所述剪切波预估位置。

数据计算单元153，用于计算剪切波的传播参数。

显示系统17用于将所述计算模块15生成的剪切波参数计算结果进行图像显示。

可以理解的是，所述超声探头11、控制模块12、信号处理模块13、计算模块15及显示系统17的物理设置位置可根据需要自行调整，如可将超声探头11、控制模块12、信号处理模块13、计算模块15及显示系统17统一设置于同一壳体中，从而实现一体化设置；也可采用分体设置，并通过有线或无线的方式相连接以进行数据通信。

本发明提供的剪切波成像方法及系统，于组织内部产生剪切波，并在一段时间内预估并追击剪切波的传播过程，追击位置随着传播的进行不断改变，因此每个时刻只需快速小范围获取其传播位置信息，然后将所得信息进行整合，计算出目标区域内剪切波波前电影图、传播距离、传播速度等与弹性有关的参数，最终成像以反映不同组织间的弹性差异。本发明的剪切波成像方法由于预先预估了剪切波的检测位置，使得剪切波的检测可以小范围准确的进行，从而使得检测能量相对集中，提升检测信噪比。同时还减少了冗余的检测次数，加快了检测过程，减轻了系统的数据处理负担。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种剪切波成像方法，其特征在于，包括以下步骤，

于组织内部产生剪切波；

预估所述剪切波在不同时刻的位置以得到剪切波在各个时刻于目标组织内的剪切波预估位置，对应所述剪切波在不同时刻的剪切波预估位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息，其中，对所述剪切波预估位置以间隔时间Δt发送多次追踪脉冲以进行检测，每次检测保持固定的横向波束宽度，所述回波信息包括所述横向波束宽度中各个横向位置的信息；相邻检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于Δd_l，每隔n个检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于nΔd_l，其中，Δd_l为根据预估的速度变化范围估计出来的两次检测时刻间剪切波的最小传播距离，Δt为相邻两次检测时刻的时间间隔；

根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算；

成像显示所述剪切波参数计算的结果。

2.如权利要求1所述的剪切波成像方法，其特征在于，

当预估所述剪切波在不同时刻的位置以得到剪切波在各个时刻于所述目标组织内的剪切波预估位置，对应所述剪切波在不同时刻的剪切波预估位置发送多次追踪脉冲并接收所述追踪脉冲的回波信息时，进一步包括以下步骤，

预估剪切波于目标组织内的传播速度；

根据所述剪切波于目标组织内的传播速度预估剪切波在各个时刻于所述目标组织内的剪切波预估位置；

分别于所述各个时刻向相应的剪切波预估位置发送多次追踪脉冲，并接收各个追踪脉冲的回波信息。

3.如权利要求2所述的剪切波成像方法，其特征在于，获取所述剪切波在各个时刻的所述剪切波预估位置时，所述剪切波距波源的位置距离

满足：

其中，所述t_k为剪切波产生后的任一时刻，所述t₀为所述剪切波起始传播时刻，

为剪切波于所述目标组织内传播的平均速度。

4.如权利要求1至3任一项所述的剪切波成像方法，其特征在于，所述于组织内部产生剪切波包括以下至少一种方式：

向同一位置连续发射多次聚焦脉冲；

或者，改变连续发射的聚焦脉冲的纵向位置和横向位置，以使得剪切波沿着特定方向传播；

或者，同时在不同横向位置发射聚焦脉冲，以使得先后不同时间到达的剪切波波形叠加。

5.如权利要求1所述的剪切波成像方法，其特征在于，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，对所述剪切波的传播距离、剪切波的传播速度、目标组织的杨氏模量中的至少一种进行计算。

6.如权利要求1所述的剪切波成像方法，其特征在于，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，进一步包括以下步骤：

设定参考信息；

将目标区域内各个位置的不同时刻的追踪脉冲的回波信息与该目标区域内各个位置对应的参考信息做互相关比较，获取该目标区域内各个位置处不同时刻的质点位移数据。

7.如权利要求6所述的剪切波成像方法，其特征在于，设定参考信息时，选用某一时刻的追踪脉冲的回波信息作为参考信息或在剪切波传播前发送参考脉冲，并将所述参考脉冲的回波信息作为参考回波信息。

8.如权利要求1所述的剪切波成像方法，其特征在于，根据所述追踪脉冲的回波信息进行剪切波参数计算时，所述剪切波的传播速度满足以下公式：

式中，c表示传播速度，u_z可以视为纵向位移数据，也可采用纵向速度数据进行计算，x代表横向坐标，z代表纵向坐标。

9.如权利要求1所述的剪切波成像方法，其特征在于，成像显示所述剪切波参数计算的结果时，形成传播速度分布图、杨氏模量参数图、剪切模量参数图、某段时间内的传播距离参数图、目标区域内的平均速度值参数图中的至少一种。

10.一种剪切波成像系统，其特征在于，包括超声探头、控制模块、信号处理模块、计算模块及显示系统，所述超声探头设有收发模块，所述超声探头的收发模块、信号处理模块、计算模块、显示系统依次连接，所述控制模块连接于所述收发模块，

所述收发模块用于根据剪切波预估位置发射多次追踪脉冲，并接收所述追踪脉冲与参考脉冲的回波信息，其中，对所述剪切波预估位置以间隔时间Δt发送多次追踪脉冲以进行检测，每次检测保持固定的横向波束宽度，所述回波信息包括所述横向波束宽度中各个横向位置的信息，相邻检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于Δd_l，每隔n个检测时刻之间剪切波检测位置的移动距离小于nΔd_l，其中，Δd_l为根据预估的速度变化范围估计出来的两次检测时刻间剪切波的最小传播距离，Δt为相邻两次检测时刻的时间间隔；

所述控制模块用于控制所述收发模块发射追踪脉冲；

所述信号处理模块用于对回波信息进行信号预处理；

所述计算模块用于预估剪切波在不同时刻的剪切波预估位置，并对信号处理模块输出的信号进行处理计算；

所述显示系统用于将所述计算模块生成的剪切波参数计算结果进行图像显示。

11.如权利要求10所述的剪切波成像系统，其特征在于，所述计算模块包括，

预估单元，用于根据剪切波的传播时长与剪切波于目标组织内传播的平均速度预估所述剪切波在各个时刻的剪切波预估位置；

数据计算单元，用于计算剪切波的传播参数。

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