CN110927729A - 基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法，该方法的测量系统主要包括信号发生器、超声脉冲收发器、射频功率放大器、激励探头、跟踪探头、数据采集处理系统以及步进电机，其中激励探头用来产生声辐射力并激励介质产生位移响应，该探头的激励信号由信号发生器产生，并经过射频功率放大器放大；跟踪探头由超声脉冲收发器激励，并用于接收声辐射力激励前后的射频回波信号，通过数据采集处理系统对回波信号进行采集和处理，计算介质由于声辐射力激励产生的位移响应，评估介质的弹性特性；使用步进电机对跟踪探头进行移动，实现跟踪探头对侧向方向的检测，重建测量区域的弹性分布。

Description

基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法
技术领域
本发明属于超声弹性成像技术领域，涉及利用位移在侧向方向的衰减特性，通过补偿剪切波在介质传播过程中引起位移的衰减，重建介质弹性特性分布，有效减少激励探头的激发次数，进而提高成像效率，特别是一种基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法。
背景技术
超声波在介质传播过程中，由于吸收和散射的作用导致能量密度发生变化，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，同时产生横向传播的剪切波。通过计算轴向方向上位移，或者检测剪切波波速等信息，评估介质的弹性特性参数，重建介质的弹性分布。超声弹性成像作为一种新型的超声成像方法，起源于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、基于声辐射力脉冲激励，通过计算声辐射力激励前后介质发生的局部位移，评估介质的弹性特性，使用声辐射力完成被测物场的扫描，重建介质的弹性分布；
2、基于声辐射力脉冲激励，监测由声辐射力激励引起的剪切波的传播，计算剪切波横向传播的速度，评估介质的弹性特性，并实现图像重建；
3、基于谐波声辐射力激励，利用调制的低频信号使聚焦区域产生简谐振动，进而向外辐射低频声波，使用水听器等设备检测声波的幅值和相位等信息，并对被测物场进行扫描，重建介质的弹性分布。
目前文献中提及利用声辐射力脉冲激励，检测局部位移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 WNightingale and G E Trahey,On the feasibility of remote palpation usingacoustic radiation force,《The Journal of the Acoustical Society of America》,2001,110:625-634)提出了声辐射力脉冲(Acoustic Radiation Force Impulse,ARFI)成像方法。通过发射高强度的聚焦超声波，在聚焦区域产生较大的声辐射力，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。2015年，杜克大学的Nightingale等人(SRosenzweig,M Palmeri,K Nightingale,Analysis of rapid multi-focal-zone ARFIimaging,《IEEE Transactions on Ultrasonics Ferro-electrics and FrequencyControl》,2015,62:280-289)提出一种多区域聚焦的ARFI成像方法，研究表明，多区域聚焦的ARFI成像方法在获得与单区域聚焦ARFI成像方法结果相当的情况下，有效扩展激励的轴向区域，同时提高重建图像的对比度噪声比。
目前文献中提及利用声辐射力脉冲激励，监测横向传播剪切波的超声弹性成像方法中，1998年，Sarvazyan(A P Sarvazyan,O V Rudenko,S D Swanson,J B Fowlkes and SY Emelianov,Shear wave elasticity imaging:a new ultrasonic technology ofmedical diagnostics,《Ultrasound in Medicine&Biology》,1998,24:1419-1435)首次提出剪切波弹性成像方法(Shear Wave Elasticity Imaging,SWEI)。该方法运用脉冲信号激励聚焦超声换能器，在聚焦区域产生较大的声辐射力，引起剪切应变，并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(US 20080249408 A1)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。2017年，Zhou等人(X J Qian,T Ma,M Y Yu,X Y Chen,K K Shung and Q FZhou,Multi-functional ultrasonic micro-elastography imaging system,《Scientific Reports》,2017,7:1-11)针对ARFI成像方法和SWEI成像方法的特点，将两种方法有效的结合起来，实现了多功能的超声弹性成像，大大提高了成像的空间分辨率。
目前文献中提及利用谐波声辐射力激励，检测辐射声波的幅值和相位等信息的超声弹性成像方法中，1998年，Fatemi等人(M Fatemi 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 007785259 B2)公开了振动声成像的方法。
现有利用声辐射力激励的超声弹性成像方法中，利用聚焦超声波产生的声辐射力对介质进行激励，检测聚焦区域的响应，仅能对聚焦区域的弹性特性进行评估，需要控制聚焦超声换能器的移动实现对被测物场的扫描，才能重建整个被测物场的弹性分布，效率较低。而在SWEI方法中，利用侧向方向产生的位移的时间信息计算剪切波速度等信息，重建测量区域的弹性分布，其重建结果会受到较大的抖动干扰，因此重建图像的空间分辨率较低。
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供一种可以提交成像效率和质量的基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法。本发明根据ARFI和SWEI成像方法的特点，充分利用剪切波传播引起的侧向方向的位移信息，在原有的脉冲波激励的基础上，将ARFI和SWEI两种方法相结合，使用由于剪切波传播引起的侧向方向的位移信息对测量区域的弹性特性直接进行重建，减少聚焦超声换能器的扫描和激励，简化了成像系统和测量过程，提高了成像效率，并提高了重建图像的空间分辨率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法，该方法的测量系统主要包括信号发生器、超声脉冲收发器、射频功率放大器、激励探头、跟踪探头、数据采集处理系统以及步进电机，其中激励探头用来产生声辐射力并激励介质产生位移响应，该探头的激励信号由信号发生器产生，并经过射频功率放大器放大；跟踪探头由超声脉冲收发器激励，并用于接收声辐射力激励前后的射频回波信号，通过数据采集处理系统对回波信号进行采集和处理，计算介质由于声辐射力激励产生的位移响应，评估介质的弹性特性；使用步进电机对跟踪探头进行移动，实现跟踪探头对侧向方向的检测，重建测量区域的弹性分布，该方法包含以下步骤：
(1)首先激发跟踪探头，得到能够反映介质初始位置的参考回波信号；然后信号发生器输出的信号经射频功率放大器放大后用于激发激励探头，使其在聚焦区域产生较大的声辐射力，引起介质的位移响应；再次激发跟踪探头，获得反映介质发生位移之后的回波信号；对两组回波信号进行处理并计算被测介质中跟踪探头轴向方向上各点产生的最大位移量；使用步进电机完成跟踪探头在侧向方向上的扫描，重复上述步骤，得到整个被测物场中各点的最大位移量u；
(2)对介质中各点的最大位移量u取对数，值为Y，即Y＝lgu；将各点距焦点处的侧向距离l取对数，值为X，即X＝lgl；
(3)求介质中各点沿侧向方向即剪切波传播方向位移量变化的梯度，即斜率k0；
(4)求介质中各点沿侧向方向梯度k0的梯度，即梯度变化率k0'；
(5)判断侧向方向上各点梯度变化率的绝对值|k0'|是否大于阈值T，即找出梯度k0产生跳变的位置，阈值T通常由经验选取，如果梯度变化率的绝对值|k0'|大于T，则说明该点位于杨氏模量发生变化的边界位置，将这些边界位置记录下来，记作图R1；
(6)将步骤(5)中|k0'|大于T处的梯度值剔除，并对余下位置上各点的梯度值k0求平均值K；
(7)根据B＝Y-KX的关系求出各点对应的截距值B，该值与杨氏模量呈负相关关系；
(8)将各点求得的B值作为灰度值进行成像，记作图R2，并将R2与步骤(5)中记录的杨氏模量发生变化的边界位置图R1进行叠加，得到最后的成像结果。
可取T＝0.01。
本发明与传统的ARFI成像方法相比，使用由于剪切波传播引起的侧向方向的位移信息，并分析位移在侧向方向上的衰减特性，对聚焦区域侧向方向产生的位移进行补偿，实现聚焦区域周围局部区域的图像重建，减少了聚焦超声换能器的扫描和激励，简化了成像系统和测量过程，提高了成像效率；直接使用声辐射力激励前后引起的位移对局部区域的弹性特性进行评估，并实现图像重建，提高了重建图像的空间分辨率，为基于声辐射力激励的超声弹性成像提供一种新的成像方法。
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为本发明的原理示意图；
图4为本发明的仿真数据；
图5为本发明的仿真数据成像结果；
图6为本发明的实验数据成像结果；
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明的基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法加以说明。
本发明基于剪切波在介质中的传播规律，利用位移在侧向方向的衰减特性，通过补偿剪切波在介质传播过程中引起位移的衰减，重建介质弹性特性分布，减少激励探头的激发次数，简化成像系统和过程，提高成像效率和空间分辨率，提出一种基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法。
本发明的基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像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、射频功率放大器、激励探头、跟踪探头、数据采集处理系统以及步进电机，其中激励探头用来产生声辐射力并激励介质产生位移响应，该探头的激励信号由信号发生器产生，并经过射频功率放大器放大；跟踪探头由超声脉冲收发器激励，并用于接收声辐射力激励前后的射频回波信号，通过数据采集处理系统对回波信号进行采集和处理，计算介质由于声辐射力激励产生的位移响应，评估介质的弹性特性；使用步进电机对跟踪探头进行移动，实现跟踪探头对侧向方向的检测，重建测量区域的弹性分布。基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法的操作流程图如图3所示，大概可以分为以下几个步骤：
1、首先激发跟踪探头，得到能够反映介质初始位置的参考回波信号；然后信号发生器输出的信号经射频功率放大器放大后用于激发激励探头，使其在聚焦区域产生较大的声辐射力，引起介质的位移响应；再次激发跟踪探头，获得反映介质发生位移之后的回波信号；对两组回波信号进行处理并计算被测介质中跟踪探头轴向方向上各点产生的最大位移量；使用步进电机完成跟踪探头在侧向方向上的扫描，重复上述步骤，得到整个被测物场中各点的最大位移量u；
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，其表达式为
Figure BDA0002266929220000051
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。
假设弹性介质可分为无数个微元，根据牛顿第二定律，介质内微元的内力(如应力)必须与外力(如声辐射力)和惯性力保持平衡，当作用在弹性介质上的外力为脉冲声辐射力
Figure BDA0002266929220000061
时，其动量守恒方程为
Figure BDA0002266929220000062
Figure BDA0002266929220000063
其中
Figure BDA0002266929220000064
代表声辐射力的幅值大小，假设该力的方向为沿着z轴方向，脉冲函数
Figure BDA0002266929220000065
和δ(t)代表脉冲声辐射力在t时刻作用于介质中的
Figure BDA0002266929220000066
处，ρ为介质密度，λ与μ为拉梅常数，
Figure BDA0002266929220000067
为声辐射力作用后产生的位移。结合公式(2)和(3)可以得到如下动量平衡方程
Figure BDA0002266929220000068
其初始条件(t＝0)为
Figure BDA0002266929220000069
如图3所示，假设在弹性介质中，脉冲声辐射力焦点处侧向位置上有一点a，通过格林函数对公式(4)进行求解，解出a点的位移为
Figure BDA00022669292200000610
其中u为被测点a的位移，l为点a与焦点之间的距离，cT为剪切波波速，其中脉冲函数
Figure BDA00022669292200000611
表示剪切波传播到点a时，该位置上才会产生相应的位移量。剪切波波速可通过下式计算
Figure BDA00022669292200000612
其中剪切波波速cT与杨氏模量E之间的关系为
Figure BDA00022669292200000613
因此将公式(8)带入式(6)中，可以得到
Figure BDA00022669292200000614
如果不考虑传播过程，仅考虑剪切波传播后各点所产生的位移量，即忽略式中的脉冲函数
Figure BDA0002266929220000071
该式可进一步简化为
Figure BDA0002266929220000072
假设每次施加的声辐射力幅值f不变，则可进一步处理为
Figure BDA0002266929220000073
Figure BDA0002266929220000074
将式(11)两侧同时取对数，有
lgu＝-lgl+lgm-lgE (13)
该式可视为Y＝KX+B的一次函数形式，由于假设每次施加的声辐射力幅值f为定值，即lgm为定值，则截距B＝lgm-lgE与杨氏模量的对数呈负相关关系。杨氏模量E的大小将直接影响函数与Y轴的截距，即杨氏模量值越小，截距的值越大，若杨氏模量值越大，则截距的值越小，根据该规律可更直观有效地区分不同杨氏模量的介质之间的差异。
2、对介质中各点的最大位移量u取对数，值为Y，即Y＝lgu；将各点距焦点处的侧向距离l取对数，值为X，即X＝lgl；
3、求介质中各点沿侧向方向(剪切波传播方向)位移量变化的梯度(斜率)k0；
计算侧向方向每相邻两个测量点对数形式位移的变化量，由公式(13)可知，声辐射力对介质进行激励时，所产生的位移对数形式与对数形式的侧向距离线性相关，且不同杨氏模量的介质对应关系式的斜率相同，但是在杨氏模量发生变化的位置，其斜率也会发生变化；因此，通过求取位移量变化的梯度，能够提取杨氏模量变化的边界。
4、求介质中各点沿侧向方向梯度k0的梯度(梯度变化率)k0'；
由于不同杨氏模量介质对应关系式的斜率相同，因此求取梯度(斜率)的变化率时，除杨氏模量变化的位置，其余位置产生的位移的梯度变化率均为零。
5、判断侧向方向上各点梯度变化率的绝对值|k0'|是否大于阈值T，即找出梯度k0产生跳变的位置，阈值T通常由经验选取，取T＝0.01，如果梯度变化率的绝对值|k0'|大于T，则说明该点位于杨氏模量发生变化的边界位置，将这些边界位置记录下来，记作图R1；
6、将步骤(5)中|k0'|大于T处的梯度值剔除，并将余下位置上各点的梯度值k0求平均值K；
7、根据B＝Y-KX的关系求出各点对应的截距值B，该值与杨氏模量呈负相关关系；
8、将各点求得的B值作为灰度值进行成像，记作图R2，并将R2与步骤(5)中记录的杨氏模量发生变化的边界位置图R1进行叠加，得到最后的成像结果。
图4为本发明的仿真数据，模型(I)-(III)为含有不同内含物的仿真模型，第二行为提取的不同仿真模型的测量区域，第三行为声辐射力作用后，测量区域沿聚焦点侧向方向的位移数据，第四行是对位移数据进行对数处理后的结果，第五行为经过补偿算法处理后，沿聚焦点侧向方向各点的截距值。由第三行可以看出由于剪切波传播过程中存在能量衰减现象，使得侧向方向上的位移随着与聚焦点处距离的增加而迅速衰减，但是将位移数据与侧向距离均进行对数处理之后，可以看出除介质杨氏模量变化的交界处，各点之间的位移变化率(斜率)是相同的，而且相同杨氏模量的各点对应的对数位移曲线的截距均相同，而不同杨氏模量的各点对应的对数位移曲线的截距不同，经过补偿算法处理后，得到各点位移变化的截距值，可以看出截距值的大小与杨氏模量大小有关，截距越大，该区域的杨氏模量越小。
图5为本发明的仿真数据成像结果，模型(I)-(III)为含有不同内含物的仿真模型，第二行为提取的不同仿真模型的测量区域，第三行为声辐射力作用后，测量区域位移数据的重建结果，第四行为将位移数据进行对数处理后的重建结果，第五行为位移的梯度变化率的重建结果，第六行为经过补偿算法处理后的重建结果。可以看出，直接对被测区域的位移进行重建不能看出区域内的弹性分布情况，如果将位移值进行对数处理后，则可初步得到被测区域的弹性分布情况；但是由于剪切波传播过程中存在能量衰减现象，使得具有相同杨氏模量的介质由于与聚焦点之间的侧向距离不同，产生的位移量也有所不同，因此，图中的灰度值并不能准确反映该点的软硬程度；而对数形式位移的梯度变化率的重建结果仅能够检测出介质杨氏模量变化的位置，仍不能准确反映介质的弹性模量分布；最后可以看出，通过补偿算法处理后，能够对被测区域的杨氏模量实现重建。
图6为本发明的实验数据成像结果，模型(I)-(III)为含有不同内含物的实验模型，第二行为提取的不同实验模型的测量区域，第三行为将位移数据进行对数处理后的重建结果，第四行为经过补偿算法处理后的重建结果。可以看出，直接对被测区域的位移进行重建，可初步得到被测区域的弹性分布情况，但是由于剪切波传播过程中存在能量衰减现象，使得具有相同杨氏模量的介质由于与聚焦点之间的侧向距离不同，产生的位移量也有所不同，因此图中的灰度值并不能准确反映该点的软硬程度，通过补偿算法处理后，能够对被测区域的杨氏模量实现重建。
本发明的基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法，其主要用于基于声辐射力脉冲激励的超声弹性成像的图像重建中，但也可应用于其他超声弹性成像方法中。
本实施例基于剪切波在介质中的传播规律，利用位移在侧向方向的衰减特性，使用由于剪切波传播引起的侧向方向的位移信息，实现对测量区域的弹性特性的重建。与传统的超声弹性成像方法相比，减少了激励探头的激发次数，简化了成像系统和测量过程，从而达到提高成像效率和重建图像空间分辨率的目的。

Claims (2)

1.一种基于位移衰减特性的声辐射力脉冲弹性成像方法，该方法的测量系统主要包括信号发生器、超声脉冲收发器、射频功率放大器、激励探头、跟踪探头、数据采集处理系统以及步进电机，其中激励探头用来产生声辐射力并激励介质产生位移响应，该探头的激励信号由信号发生器产生，并经过射频功率放大器放大；跟踪探头由超声脉冲收发器激励，并用于接收声辐射力激励前后的射频回波信号，通过数据采集处理系统对回波信号进行采集和处理，计算介质由于声辐射力激励产生的位移响应，评估介质的弹性特性；使用步进电机对跟踪探头进行移动，实现跟踪探头对侧向方向的检测，重建测量区域的弹性分布。该方法包含以下步骤：
(1)首先激发跟踪探头，得到能够反映介质初始位置的参考回波信号；然后信号发生器输出的信号经射频功率放大器放大后用于激发激励探头，使其在聚焦区域产生较大的声辐射力，引起介质的位移响应；再次激发跟踪探头，获得反映介质发生位移之后的回波信号；对两组回波信号进行处理并计算被测介质中跟踪探头轴向方向上各点产生的最大位移量；使用步进电机完成跟踪探头在侧向方向上的扫描，重复上述步骤，得到整个被测物场中各点的最大位移量u；
(2)对介质中各点的最大位移量u取对数，值为Y，即Y＝lgu；将各点距焦点处的侧向距离l取对数，值为X，即X＝lgl；
(3)求介质中各点沿侧向方向即剪切波传播方向位移量变化的梯度，即斜率k0；
(4)求介质中各点沿侧向方向梯度k0的梯度，即梯度变化率k0'；
(5)判断侧向方向上各点梯度变化率的绝对值|k0'|是否大于阈值T，即找出梯度k0产生跳变的位置，阈值T通常由经验选取，如果梯度变化率的绝对值|k0'|大于T，则说明该点位于杨氏模量发生变化的边界位置，将这些边界位置记录下来，记作图R1；
(6)将步骤(5)中|k0'|大于T处的梯度值剔除，并对余下位置上各点的梯度值k0求平均值K；
(7)根据B＝Y-KX的关系求出各点对应的截距值B，该值与杨氏模量呈负相关关系；
(8)将各点求得的B值作为灰度值进行成像，记作图R2，并将R2与步骤(5)中记录的杨氏模量发生变化的边界位置图R1进行叠加，得到最后的成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取T＝0.01。
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