CN110927252A - 一种靶向剪切波弹性成像检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明系提供一种靶向剪切波弹性成像检测系统及其检测方法，向测试体中注入磁性粒子，将测试体放在超声换能器和激励线圈之间；函数发生器向功率放大器发射方波，函数发生器同时向超声成像系统发出触发信号；功率放大器将方波放大，激励线圈产生脉冲磁场作用于测试体中，磁场驱动测试体中的磁性粒子振动；超声成像系统触发超声换能器工作，超声换能器接收反射脉冲形成射频回波信号；超声成像系统采集来自超声换能器的射频回波信号，并对其进行解调成像，计算获得剪切波速度c和剪切模量G。本发明使用磁性粒子作为探针用作标记，能够有效提高激励信号在复杂环境中的穿透性，剪切波弹性成像检测的检测结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及弹性成像，具体公开了一种靶向剪切波弹性成像检测系统及其检测方法。
背景技术
根据激励方式的不同，超声弹性成像可分为准静态弹性成像、低频振动声弹性成像、剪切波弹性成像、声辐射力脉冲成像、快速剪切波成像等。这些成像方法主要是通过测量感兴趣区域的剪切波速度来量化组织的剪切模量大小。一般测试体的硬度越大，其剪切波速度和剪切模量也越大。
剪切波弹性成像一般通过超声成像系统进行处理获得，现有技术中的弹性成像检测系统主要通过超声换能器对测试体进行测试，再通过超声成像系统采集信息进行剪切波弹性成像，由于不同测试体的内部会有不同的结构和组份，测试体内部的不同结构和组份可能会阻碍超声波的传递，从而影响剪切波弹性成像检测的灵敏度，现有技术中的弹性成像系统无法对所有的测试体都能够获得准确可靠的剪切波弹性成像检测结果。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种靶向剪切波弹性成像检测系统及其检测方法，能够有效提高剪切波弹性成像检测结果的可靠性。
为解决现有技术问题，本发明公开一种靶向剪切波弹性成像检测系统，包括函数发生器，函数发生器的输出端分别连接有功率放大器和超声成像系统，功率放大器的输出端连接有激励线圈，超声成像系统的数据采集端连接有超声换能器，激励线圈与超声换能器之间设有内部含有磁性粒子的测试体。
进一步的，超声成像系统为Verasonics系统。
进一步的，超声换能器为线阵超声换能器。
本发明还公开一种靶向剪切波弹性成像检测方法，包括以下步骤：
步骤一、向测试体中注入磁性粒子，将测试体放在超声换能器和激励线圈之间；
步骤二、函数发生器向功率放大器发射方波，函数发生器同时向超声成像系统发出触发信号；
步骤三、功率放大器将方波放大获得放大方波，激励线圈在放大方波的激励下产生脉冲磁场作用于测试体中，磁场驱动测试体中的磁性粒子振动；
步骤四、超声成像系统触发超声换能器工作，超声换能器发射检测脉冲作用于测试体中形成反射脉冲，超声换能器接收反射脉冲形成射频回波信号；
步骤五、超声成像系统采集来自超声换能器的射频回波信号，并对其进行解调成像，计算获得剪切波速度c和剪切模量G。
进一步的，步骤二中，函数发生器发射的方波脉冲宽度为1ms。
进一步的，步骤三中，功率放大器将方波放大20dB后获得放大方波。
进一步的，步骤四中，超声换能器发射检测脉冲的中心频率为5MHz、重复频率为10kHz、复合角度个数为5、有效探测频率为2kHz。
进一步的，步骤五中，超声成像系统获得剪切波速度c和剪切模量G的计算方法分别为：
其中，
是在一个给定的轴向范围内的平均位移，M是指垂直方向上的样点个数，N是指时间方向上的样点个数，fc为射频信号的中心频率，I和Q分别为射频回波信号经解调之后的同相和正交分量，ρ是测试体的密度。
本发明的有益效果为：本发明公开一种靶向剪切波弹性成像检测系统及其检测方法，使用磁性粒子作为探针用作标记，在激励线圈所发出磁场的作用下，磁性粒子会产生振动，进而导致其周围结构的剪切波传播，能够有效提高激励信号在复杂环境中的穿透性，通过超声换能器能够准确可靠地获得磁性粒子的振动和剪切波传播信息，从而有效提高系统整体的灵敏度，超声成像系统能够获得磁性粒子的分布及其周围结构的弹性信息，剪切波弹性成像检测的检测结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明中靶向剪切波弹性成像检测系统的结构示意图。
图2为本发明中超声成像系统解调成像的流程示意图。
图3为传统方法检测和本发明检测的成像图。
图4为本发明检测时不同检测点的振动位移曲线图。
附图标记为：函数发生器10、功率放大器20、超声成像系统30、激励线圈40、超声换能器50、测试体60。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图1至图4。
本发明实施例公开一种靶向剪切波弹性成像检测系统，如图1所示，包括函数发生器10，函数发生器10的输出端分别连接有功率放大器20和超声成像系统30，功率放大器20的输出端连接有激励线圈40，超声成像系统30的数据采集端连接有超声换能器50，激励线圈40与超声换能器50之间设有内部含有磁性粒子的测试体60。
在本实施例中，超声成像系统30为美国的Verasonics系统，Verasonics系统通过友好且强大的MATLAB编译环境，研发人员可以自定义整个超声系统的任何一个组件功能，能够基于平面波脉冲发射进行快速的数据采集。
在本实施例中，超声换能器50为型号是L7-4的线阵超声换能器50。
本发明实施例还公开一种靶向剪切波弹性成像检测方法，依次包括以下步骤：
步骤一、向测试体60中注入磁性粒子，磁性粒子相当于影像探针，用于提高弹性成像的灵敏度和准确度，将测试体60放在超声换能器50和激励线圈40之间；
步骤二、函数发生器10向功率放大器20发射方波，函数发生器10同时向超声成像系统30发出触发信号；
步骤三、功率放大器20将方波放大获得放大方波，激励线圈40在放大方波的激励下产生脉冲磁场作用于测试体60中，磁场驱动测试体60中的磁性粒子振动；
步骤四、超声成像系统30触发超声换能器50工作，超声换能器50发射检测脉冲作用于在脉冲磁场作用下的测试体60中，形成反射脉冲，超声换能器50接收反射脉冲形成射频回波信号；
步骤五、超声成像系统30采集来自超声换能器50的射频回波信号，并对其进行解调成像，计算获得剪切波速度c和测试体60的剪切模量G。
在本实施例中，步骤五中，如图2所示，超声成像系统30即对射频回波信号的解调成像方法具体为：
A、对射频回波信号进行IQ解调，获得解调信号；
B、对解调后的信号求包络和自相关；
C、对求包络后的信号依次进行归一化、对数压缩和结构成像；
D、对自相关后的信号依次进行质心定位、中值滤波和磁动成像；
E、从自相关后的信号获得质点振动速度，对质点振动速度依次进行方向滤波、速度拟合和弹性成像。
在本实施例中，步骤二中，函数发生器10发射的方波脉冲宽度为1ms。
在本实施例中，步骤三中，功率放大器20将方波放大20dB后获得放大方波。
在本实施例中，步骤四中，超声换能器50发射检测脉冲的中心频率为5MHz、重复频率为10kHz、复合角度个数为5、有效探测频率为2kHz。
在本实施例中，步骤五中，超声成像系统30获得剪切波速度c和剪切模量G的计算方法分别为：
其中，
是在一个给定的轴向范围内的平均位移，M是指垂直方向即深度方向上的样点个数，N是指时间方向上的样点个数即帧数，fc为射频信号的中心频率，I和Q分别为射频回波信号经IQ解调之后的同相和正交分量，对每个仿体用相同的激励方式重复多次，并将获得的多组数据叠加以提高振动位移检测信号的信噪比，ρ是测试体60的密度。
使用传统方法和本发明方法进行检测：
制备仿体，将猪皮粉、玉米粉和去离子水按质量为5：5：100的比例混合，微波加热使猪皮粉和玉米粉溶解后，放置在仿体模具中冷却获得中空的凝胶体。取部分加热溶解后的仿体溶液分别与磁性粒子γ-Fe2O3和非磁性粒子α-Fe2O3混合，磁性粒子和非磁性粒子的粒径均为10nm，制备的颗粒浓度为10mg/ml，然后将其分别灌入中空区域直径为3mm的凝胶体中获得仿体，仿体用作测试体60。
首先通过传统的B-mode超声成像系统对声阻抗差异较大区域进行扫描，以获得粒子标记的截面区域。如图3中a1-a3所示，磁性粒子和非磁性粒子标记的区域都显示较强的声反射信号。该结果也表明传统方法中单一的结构成像容易受到其他占位信息的干扰。
通过本发明方法进行检测，通过脉冲磁场激励和振动信号采集及处理，我们可以获得磁性粒子的振动分布，并且具有很好的信噪比，如图3中b所示。对比图3中a1、a2、a3和b，可以清楚地定位到振源的位置，如图3中c所示。在获得振源位置的同时对其周围组织的振动信息进行采集和分析，图3中b和c各部分距离激励信号的时间间隔分别为0.5ms、1.5ms和2.5ms和3.5ms。结果显示出较为明显的剪切波传播。随后，对剪切波传播过程中三个不同位置分别计算其振动位移随时间的变化曲线，结果如图4所示，相邻两点之间的距离为0.308mm，在剪切波传播过程中，较远质点的位移曲线与较近质点的位移曲线在相位上存在一定的延时，并且位移幅值呈现递减趋势。基于此，通过分析振源直线上不同位置的振动相位图，分别计算出各点到达峰值位移的时间差，再进行线形拟合，即可获得该仿体的剪切波速度为3.669m/s，该仿体的密度约为1.3Kg/L，即可获得该仿体的剪切模量约为17.5Kpa。根据剪切波速度和剪切模量可以反映出测试体60的硬度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种靶向剪切波弹性成像检测系统，其特征在于，包括函数发生器(10)，所述函数发生器(10)的输出端分别连接有功率放大器(20)和超声成像系统(30)，所述功率放大器(20)的输出端连接有激励线圈(40)，所述超声成像系统(30)的数据采集端连接有超声换能器(50)，所述激励线圈(40)与所述超声换能器(50)之间设有内部含有磁性粒子的测试体(60)。
2.根据权利要求1所述的一种靶向剪切波弹性成像检测系统，其特征在于，所述超声成像系统(30)为Verasonics系统。
3.根据权利要求1所述的一种靶向剪切波弹性成像检测系统，其特征在于，所述超声换能器(50)为线阵超声换能器(50)。
4.基于权利要求1-3任一所述的一种靶向剪切波弹性成像检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、向测试体(60)中注入磁性粒子，将所述测试体(60)放在超声换能器(50)和激励线圈(40)之间；
步骤二、函数发生器(10)向功率放大器(20)发射方波，函数发生器(10)同时向超声成像系统(30)发出触发信号；
步骤三、所述功率放大器(20)将方波放大获得放大方波，所述激励线圈(40)在放大方波的激励下产生脉冲磁场作用于所述测试体(60)中，磁场驱动所述测试体(60)中的磁性粒子振动；
步骤四、所述超声成像系统(30)触发所述超声换能器(50)工作，所述超声换能器(50)发射检测脉冲作用于所述测试体(60)中形成反射脉冲，所述超声换能器(50)接收反射脉冲形成射频回波信号；
步骤五、所述超声成像系统(30)采集来自超声换能器(50)的射频回波信号，并对其进行解调成像，计算获得剪切波速度c和剪切模量G。
5.根据权利要求4所述的一种靶向剪切波弹性成像检测方法，其特征在于，所述步骤二中，所述函数发生器(10)发射的方波脉冲宽度为1ms。
6.根据权利要求5所述的一种靶向剪切波弹性成像检测方法，其特征在于，所述步骤三中，所述功率放大器(20)将方波放大20dB后获得放大方波。
7.根据权利要求6所述的一种靶向剪切波弹性成像检测方法，其特征在于，所述步骤四中，所述超声换能器(50)发射检测脉冲的中心频率为5MHz、重复频率为10kHz、复合角度个数为5、有效探测频率为2kHz。
8.根据权利要求4所述的一种靶向剪切波弹性成像检测方法，其特征在于，所述步骤五中，所述超声成像系统(30)获得剪切波速度c和剪切模量G的计算方法分别为：
其中，
是在一个给定的轴向范围内的平均位移，M是指垂直方向上的样点个数，N是指时间方向上的样点个数，fc为射频信号的中心频率，I和Q分别为射频回波信号经解调之后的同相和正交分量，ρ是测试体(60)的密度。
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