CN111698947B - 多参数组织硬度量化 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了被配置为确定各向异性组织的硬度水平的超声系统和方法。系统能够包括超声换能器，所述超声换能器被配置为采集响应于朝向各向异性组织发射的超声脉冲回波，所述各向异性组织相对于所述超声换能器的标称轴向方向具有角度取向。系统还能够包括波束形成器，所述波束形成器被配置为控制所述超声换能器以沿着转向角度发射推动脉冲以用于在所述各向异性组织中生成剪切波。所述转向角度能够是基于所述组织的所述角度取向的。所述换能器还能够被控制为发射跟踪脉冲。系统还能够包括处理器，所述处理器被配置为存储根据在所述换能器处接收的回波信号生成的跟踪线回波数据。响应于所述回波数据，所述处理器能够检测由所述剪切波的传播引起的所述组织内的运动并且测量所述剪切波的速度。

Description

多参数组织硬度量化
技术领域
本公开涉及用于使用剪切波弹性成像来确定各向异性组织的硬度水平的超声系统和方法。
背景技术
超声剪切波弹性成像已经被用来测量各种组织的局部硬度水平，其可以提供用于检测组织异常和诊断诸如癌症或肝纤维化的状况的有价值信息。超声剪切波弹性成像通常涉及将“推动脉冲”从换能器发射到组织内，由此生成横向地传播通过组织的剪切波。跟踪由换能器发射的脉冲能够然后被用来在剪切波传播时测量剪切波的速度，剪切波的速度通常基于组织的硬度而波动。例如，假设完全相同的推动脉冲被用来在每种组织类型中生成剪切波，软组织中的剪切波速度通常低于硬组织中的剪切波速度。因此，剪切波速度的变化能够被用来将正常的软组织与异常的硬组织区分开。
虽然先前存在的超声弹性成像系统已经证明在测量像肝脏、乳房、前列腺和甲状腺的器官中的局部组织硬度水平方面是有效的，包括这样的器官的组织主要是各向同性的。因此，组织的硬度水平在所有方向上都近乎是完全相同的。肌肉组织和包括肌腱、肾脏和心脏的组织的硬度水平表现出各向异性力学性质，即，在不同方向上不同的组织硬度水平。这样的组织的硬度量化由于缺乏对取决于超声系统和物质结构特性的复杂剪切波传播的了解和能够充分表征各向异性组织性质的成像模态的不可获得性而受到阻碍。因此需要被配置为经由剪切波弹性成像确定各向异性组织的硬度水平的新的超声系统。
发明内容
本公开描述了用于经由剪切波超声成像确定各向异性组织的硬度水平的系统和方法。根据本文中描述的方法评估的各向异性组织(例如，骨骼肌)可以相对于用来询问组织的超声换能器的标称轴向方向倾斜。为了准确地跟踪根据被发射到组织内的推动脉冲生成的剪切波的传播模式，本文中的系统被配置为确定组织的角度取向并且基于所确定的取向来调整推动脉冲的转向角度。推动脉冲能够以各种转向角度被发射以充分表征组织，而被布置为平行于推动脉冲的跟踪脉冲监测由得到的剪切波引起的组织位移。通过该系统采集的位移数据然后能够用来确定组织内的各个点处的剪切波的速度。速度数据指示组织硬度。如果各向异性组织是横向各向同性物质(骨骼肌往往被认为是横向各向同性的)，则系统还能够基于用于充分表征研究中的各向异性组织的多角度剪切波速度测量结果来重建全部三个力学模量(即纵向剪切模量、横向剪切模量和纵向杨氏模量)。
根据本公开的原理，一种超声成像系统可以包括超声换能器，所述超声换能器被配置为采集响应于朝向目标组织发射的超声脉冲的回波，所述目标组织包括相对于所述超声换能器的标称轴向方向具有角度取向的各向异性组织。系统还可以包括波束形成器，所述波束形成器被配置为：控制所述超声换能器沿着转向角度发射推动脉冲以用于在所述目标组织中生成剪切波，其中，所述转向角度是基于所述目标组织的所述角度取向的；从所述超声换能器沿着平行于所述推动脉冲的横向分开的跟踪线发射跟踪脉冲；并且从所述超声换能器接收来自沿着所述横向分开的跟踪线的点的回波信号。系统还能够包括处理器，所述处理器与所述波束形成器通信并且被配置为：存储根据所接收的回波信号生成的跟踪线回波数据；响应于所述跟踪线回波数据，检测由所述剪切波通过所述目标组织的传播引起的所述目标组织内的运动；并且测量所述剪切波的速度。
在一些实施例中，所述处理器被配置为响应于用户输入而确定所述角度取向。在一些范例中，所述处理器还被配置为基于所采集的回波来确定所述目标组织的所述角度取向。在一些实施例中，所述处理器被配置为通过在补偿波束模式方向性之后确定在由所述波束形成器发射的多个图像波束转向角度处生成的反向散射信号的最大强度来确定所述目标组织的所述角度取向。在一些范例中，所述处理器被配置为通过对根据所采集的回波生成的图像帧执行霍夫变换来确定所述目标组织的角度取向。在一些实施例中，所述处理器被配置为通过确定由所述剪切波引起的沿横向方向和轴向方向的组织位移来检测运动。在一些范例中，所述处理器被配置为测量沿所述横向方向和所述轴向方向的所述剪切波的速度。在一些实施例中，所述处理器还被配置为基于所述剪切波的所测量的速度来生成剪切波图，所述剪切波图包括剪切波速度值的二维图像的显示。一些范例还包括被配置为显示所述目标组织的实况超声图像和ROI跟踪框的用户界面，所述ROI跟踪框被配置为响应于所述推动脉冲的所述转向角度的调整而改变形状。在一些实施例中，所述处理器还被配置为确定在多个推动脉冲转向角度和角度组织取向处获得的多个剪切波速度。在一些实施例中，所述处理器还被配置为基于所述多个剪切波速度来确定所述目标组织的多参数硬度值。在一些范例中，所述波束形成器被配置为从所述超声换能器发射多个推动脉冲，每个推动脉冲以相对于所述目标组织的不同转向角度被发射，使得第一推动脉冲平行于所述目标组织被发射，第二推动脉冲垂直于所述目标组织被发射，并且第三推动脉冲以相对于所述目标组织的倾斜角度被发射。
根据本公开的一种剪切波成像的方法可以包含：采集响应于朝向目标组织发射的超声脉冲的超声回波，所述目标组织相对于所述超声换能器具有角度取向；沿着转向角度发射推动脉冲以在所述目标组织中生成剪切波，所述转向角度基于所述目标组织的所述角度取向；沿着平行于所述推动脉冲的横向分开的跟踪线发射跟踪脉冲；接收来自沿着所述横向分开的跟踪线的点的回波信号；存储根据所接收的回波信号生成的跟踪线回波数据；检测由所述剪切波通过所述目标组织的传播引起的所述目标组织内的运动；以及测量所述剪切波的速度。
在一些范例中，所述方法可以包含确定所述目标组织的所述角度取向。在一些实施例中，确定所述目标组织的所述角度取向包括确定在由所述波束形成器发射的多个图像波束转向角度处生成的反向散射信号的强度。在一些范例中，检测所述目标组织内的运动包括确定由所述剪切波引起的沿横向方向和轴向方向的组织位移。范例方法可以还包含测量沿所述横向方向和所述轴向方向的所述剪切波的速度。在一些实施例中，发射推动脉冲包括发射多个推动脉冲，每个推动脉冲以相对于所述目标组织的不同转向角度被发射，使得第一推动脉冲平行于所述目标组织被发射，第二推动脉冲垂直于所述目标组织被发射，并且第三推动脉冲以相对于所述目标组织的倾斜角度被发射。实施例还可以包含确定在多个推动脉冲转向角度和角度组织取向处获得的多个剪切波速度。
本文中描述的方法或其步骤中的任一个可以被体现在非瞬态计算机可读介质中，所述非瞬态计算机可读介质包括可执行指令，所述可执行指令当被运行时可以引使医学成像系统的处理器执行本文中体现的方法或步骤。
附图说明
图1A是肱二头肌的超声图像。
图1B是用来采集图1A的图像的超声探头放置的示意图。
图1C是内侧腓肠肌的超声图像。
图1D是用来采集图1C的图像的超声探头放置的示意图。
图2是根据本发明的原理构建的超声成像系统的框图。
图3A是以第一角度取向示出各向异性组织的实况超声图像的范例显示屏。
图3B是以第二角度取向示出图3A中示出的各向异性组织的实况超声图像的范例显示屏。
图3C是以第三角度取向示出图3A中示出的各向异性组织的实况超声图像的范例显示屏。
图4是示出实况超声图像和经典剪切波成像技术的列表视图的范例显示屏。
图5A是示出实况超声图像和经典剪切波成像技术的基于图像的视图的范例显示屏。
图5B是能够用来生成图5A的实况超声图像的用户界面的范例。
图6示出了平行于超声换能器成像平面的横向方向布置的目标组织的九幅超声图像，每幅图像在不同转向角度处被获得。
图7示出了以相对于超声换能器成像平面的横向方向的倾斜角度布置的目标组织的九幅超声图像，每幅图像在不同转向角度处被获得。
图8A是根据图6中示出的图像生成的复合图像。
图8B是根据图7中示出的图像生成的复合图像。
图8C是通过将以相对于超声换能器成像平面的横向方向的另一倾斜角度布置的多幅图像进行组合而生成的复合图像。
图8D是根据针对图8A-8C的波束转向角度测量的反向散射信号强度的图形表示。
图9A是使用常规转向的推动/跟踪波束而生成的硬度图。
图9B是被显示在超声图像上的非转向ROI跟踪框。
图9C是被显示在超声图像上的转向ROI跟踪框。
图9D是被显示在超声图像上的具有不同角度的转向ROI跟踪框。
图10是根据本公开的原理生成并显示的范例报告。
图11是根据本公开的原理执行的方法。
具体实施方式
某些实施例的以下描述在本质上仅仅是示范性的，而不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。在本系统和方法的实施例的以下详细描述中，参考附图，附图形成本说明书的一部分，并且附图通过图示的方式来示出可以实践所描述的系统和方法的具体实施例。以足够的细节描述这些实施例以使得本领域技术人员能够实践当前公开的系统和方法，并且应当理解，可以利用其他实施例，并且可以做出结构和逻辑改变而不偏离本系统的精神和范围。此外，出于简洁的目的，当特定特征对于本领域技术人员而言将是显而易见的时，将不再讨论对这些特征的详细描述，以便不使对本系统的描述晦涩难懂。以下详细描述因此不应在限制性的意义上来理解，并且本系统的范围仅仅是由权利要求来限定的。
在下面还参考根据本实施例的方法、装置(系统)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示描述了本技术。应理解，框图和/或流程图图示的框和框图和/或流程图图示中的框的组合可以通过计算机可执行指令来实施。这些计算机可执行指令可以被提供给通用计算机、专用计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器、控制器或控制单元以产生一种机器，使得经由计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器运行的指令产生用于实施在一个或多个框图和/或流程图框中指定的功能/动作的单元。
如本文中描述的，各向异性组织指的是表现出各向异性力学性质(例如，跨组织纤维的不同方向改变的组织硬度水平)的组织。例如，各向异性组织可以通过平行于和垂直于包括组织的有组织纤维的方向测量的不同硬度值来表征。本文中预见到的各向异性组织的范例包括但不限于：肌肉组织、肌腱组织和肾脏组织。本文中预见到的各向异性组织的子集包括例如骨骼肌组织和心肌组织。为了便于描述，前面提到的组织类型将在涵盖性术语“各向异性”下被提及。
各向同性组织指的是表现出各向同性性质(例如，跨组织的不同方向保持大致恒定的组织硬度值)的组织。先前存在的剪切波弹性成像系统通常已经被编程为假设包括诸如肝脏、乳房、前列腺和甲状腺的器官的组织是线性的、不可压缩的且各向同性的。因此，当确定这样的组织的硬度水平时，先前存在的系统仅仅已经确定一个物理参数，即，杨氏模量，其能够被表示为组织密度(ρ)和剪切波速度(Vsh)的函数，如公式1.1中示出的：
公式1.1.E＝3ρVsh 2
杨氏模量可以用来表征各向同性组织的硬度，因为超声换能器相对于组织的角度不会影响在将推动脉冲发射到组织内后产生的剪切波的传播模式。相比之下，当将推动脉冲发射到各向异性组织内时调整换能器的角度将改变剪切波通过组织的传播模式。例如，图1A和图1C示出了由两种不同类型的骨骼肌构成的各向异性组织的超声图像。如图所示，两种肌肉类型的有组织纤维相差纤维相对于用来对它们进行成像的换能器的角度。图1A是肱二头肌纤维102和剪切波跟踪框104的超声图像。跟踪框104内的纤维被自然地布置为平行于图1B中示出的超声换能器106的成像平面内的横向方向，该超声换能器被放置在患者的二头肌108上面。因此，(沿箭头的方向)被发射到纤维102内的推动脉冲将以近似垂直的角度经过纤维，生成沿纤维的方向传播的剪切波。图1C是内侧腓肠肌纤维110和剪切波跟踪框112的超声图像。相比于图1A中示出的纤维，跟踪框112内的纤维被布置为与图1D中示出的换能器114的成像平面内的横向方向成一倾斜角度，该换能器被放置在患者的小腿肚116上面。(沿箭头的方向)被发射到纤维110内的推动脉冲将以一倾斜角度经过纤维，生成也沿纤维的方向传播的剪切波。由于每种肌肉类型中的不同角度的纤维，通过将推动脉冲发射到每种组织内生成的剪切波传播模式因此将变化。因此，剪切波速度在每种组织类型中必须被不同地测量。在图1A的组织中能够通过确定(即，平行于纤维的)纵向剪切模量来测量剪切波速度；然而，在图1C的组织中只能够通过识别横向剪切模量、纵向剪切模量和纵向杨氏模量来准确地测量剪切波速度，这需要沿相对于换能器的三个肌肉纤维取向测量剪切波速度：(1)纤维平面内且平行于横向方向、(2)垂直于成像平面的纤维交叉平面、和(3)具有已知倾斜角度的纤维平面内。
本文中提供了一种基于超声的剪切波弹性成像系统，其被配置为确定各向异性组织中的组织硬度值而不管这样的组织相对于换能器的角度如何。本文中描述的系统能够被配置为确定各向异性组织纤维的角度取向，并且基于所确定的取向，自动进行和/或引导用户进行定制的剪切波弹性成像技术，其能够涉及基于所确定的纤维取向以特定角度电子地转向推动脉冲并且跟踪波束。实施例能够还被配置为以响应于所确定的纤维取向和所发射的超声脉冲的参数的方式执行剪切波跟踪和波速度重建。在各种采集条件下采集的剪切波速度和硬度值能够被制成表格并且被显示以便充分表征各向异性组织。通过实施本文中描述的系统和方法，能够减少由不同成角引起的各向异性组织硬度测量结果的变化，由此在表现出各向异性力学性质的组织中生成更准确的标准化硬度测量结果。对本文中描述的技术的应用包括对许多组织异常的检测，组织异常包括肿瘤、损伤、肌无力和/或纤维化。特定实施方式可以包括对诸如营养不良和肌炎的肌肉疾病的检测。在一些范例中，本文中描述的系统可以用来确定在不同状态下的肌肉硬度，例如，主动收缩状态与被动休息。除了各种肌肉类型之外，能够检查肾脏皮质中的各向异性组织。
图2示出了根据本公开的被配置为对各向异性组织执行剪切波弹性成像的范例超声系统200。如图所示，系统200能够包括超声数据采集单元210，该超声数据采集单元能够包括超声探头211，该超声探头包含被配置为发射和接收超声信号的超声传感器阵列212。阵列212被配置为将超声推动脉冲214发射到包含各向异性组织218(例如，肌肉骨骼组织)的目标区域216内。阵列212还被配置为将多个跟踪脉冲219发射到各向异性组织218内，以检测在推动脉冲的发射之后的剪切波传播。阵列212经由发射/接收(T/R)开关223被耦合到发射波束形成器221和多线接收波束形成器222。通过波束形成器221、222的发射和接收的协同能够由波束形成器控制器224来控制。多线接收波束形成器222能够产生回波信号的空间上不同的接收线(A-线)，其能够由信号处理器225通过滤波、降噪等来进行处理。在一些实施例中，数据采集单元210的部件可以被配置为根据在阵列212处接收的超声回波220来生成多个超声图像帧226。系统200还可以包括一个或多个处理器，诸如数据处理器227，其可以被配置为将A-线数据组织成组，并且基于每组A-线中体现的数据来检测各向异性组织218的局部移动。数据采集单元210和数据处理器227的部件一起被配置为通过感测并分析当剪切波传播通过组织时由剪切波引起的各向异性组织218的位移来检测横向或倾斜行进的剪切波的速度。跟踪组织的位移可以部分地通过使跟踪脉冲219时间交错来实现，例如如在美国申请公布No.2013/0131511(Peterson等人)中描述的，其以引用方式被完全并入本文。
在各种实施例中，系统210还包括与数据处理器227和用户界面230耦合的显示处理器228。显示处理器228能够被配置为根据图像帧226来生成超声图像232、用于执行剪切波弹性成像的指令234、剪切波感兴趣区域跟踪框图形236(“ROI跟踪框”)、一个或多个自动化标题238和实况剪切波图239，实况剪切波图可以基于剪切波的所测量的速度并且包括由系统200确定的剪切波速度值的二维图像的显示。用户界面230能够被配置为当超声扫描正在被执行时实时显示超声图像232，并且可以在扫描之前、期间或之后的任何时间接收用户输入240。图2中示出的系统200的配置可以改变。例如，系统200能够是便携式的或固定的。各种便携式设备(例如，笔记本电脑、平板电脑、智能手机等)可以用来实施系统200的一个或多个功能。在包含这样的设备的范例中，超声传感器阵列212可以例如是可经由USB接口连接的。
系统200能够被配置为响应于对用户输入240的接收而在多个成像模态与非成像模态之间进行切换。可能模态中的一种包括剪切波成像，其可以包含用于各向同性和各向异性组织弹性成像的单独的子模态。在一些范例中，在用户指示系统进入用于各向异性组织的剪切波成像模式之后，被配置为显示实况超声图像的显示屏可以显现。在图3A-3C中提供了显示屏的范例，这些图示出了在可选择平面内设置下从相对于纤维取向的不同换能器取向成像的各向异性组织的实况超声图像显示。在一些实施例中，用户能够通过视觉地检查组织的超声图像(例如，B-模式图像)来确定各向异性组织的角度取向。额外地或备选地，本文中的系统能够被配置为自动检测纤维取向，并且然后相应地电子地转向推动/跟踪脉冲。可以为用户呈现经由通过数字角度测量工具辅助的视觉检查或通过由系统执行的自动化取向测量来测量纤维取向的选项。
图3A-3C中的每个示出了以相对于用来对它们进行成像的超声换能器不同的角度取向布置的组织纤维。纤维可以相对于换能器的标称轴向方向(例如，沿着深度方向或大致垂直于换能器)倾斜。在超声系统上操作的角度测量工具被配置为在定义的角度测量框303、305、307内测量每幅图像302、304、306中的纤维的角度。在所示出的具体范例中，第一图像302示出了以相对于轴向方向的大约90°(或相对于横向方向的0°)取向的组织纤维，第二图像304示出了以相对于轴向方向的大约64°(或相对于横向方向的26°)取向的组织纤维，并且第三图像306示出了以相对于轴向方向的大约112.9°(或相对于横向方向的-23°)取向的组织纤维。
在组织纤维的角度取向之后，超声采集单元(例如，单元210)可以被用来基于纤维的角度取向以特定角度将推动脉冲和跟踪脉冲发射到组织内，使得得到的剪切波沿纤维平面内且平行于横向方向、纤维交叉平面方向和在已知倾斜角度处的纤维平面内方向传播通过组织。在一些范例中，系统可以被配置为引导用户通过推动脉冲测量的定制序列来生成沿这些方向通过组织的剪切波。图4图示了能够在用户界面(例如，用户界面230)上被呈现给用户以引导用户通过定制的剪切波成像协议的范例显示400。如图所示，显示400能够包括目标组织的实况超声图像402和被叠加在其上的剪切波ROI跟踪框404。显示400还包括用于执行剪切波扫描序列和采集成像平面内并且横向于成像平面(即，交叉平面)的剪切波速度测量结果的指令406的列表(被呈现为工作或检查列表)。在一些范例中，显示400能够包括用于在平面内与交叉平面采集状态之间进行切换的可选择图标。在确定纤维取向(其为指令406的列表中的第一指令)之后，系统可以更新指令406以在各种转向角度处执行剪切波成像。如图所示，指令可以以检查列表格式被显示，使得每个步骤的完成邻近每个指令被实时记录。样本指令可以包括例如“测量/检测纤维取向”；“平面内1/转向θ1＝0°”；“旋转换能器90°”；或“X-平面1/转向θ1＝0°”。在各种实施例中，缺省的转向角度可以被设置在0°处。
用户可以依照指令406通过调整波束形成器(例如，发射波束形成器221)的转向角度而开始剪切波成像。实施例能够包括用于调整波束转向角度的旋钮或数字控制装置。响应于转向角度调整，剪切波ROI跟踪框404的几何形状可以实时改变。在图4中示出的具体范例中，20°波束转向角度已经被用户指定，如通过标题408指示的和如ROI跟踪框404的倾斜角度显现的。在用户的指导下，平行推动/跟踪脉冲能够以指定的20°角度被发射到组织内。
图5A示出了可以被呈现在用户界面上的显示500的另一范例。显示500包括目标组织的实况超声图像502和被配置为响应于由用户输入的波束转向调整而改变形状的ROI跟踪框504。显示500还包括多个角度波束转向状态框506。在所示出的范例中，状态框506包括在各种取向的ROI跟踪框下的目标组织的缩略图。在以特定波束转向角度完成剪切波跟踪之后，显示被修改以示出该角度的ROI跟踪框的状态框被填充或加阴影。所示出的显示500包括三个未填充的状态框506，每个状态框表示要根据定制的剪切波协议被发射的不同的波束转向角度。
图5B示出了用来生成图5A中示出的显示500的用户界面508的范例。如图所示，可以为用户呈现用于测量纤维取向并响应于检测到的纤维取向而执行剪切波弹性成像的多个交互按钮。尤其地，用户界面508包括当前波束转向角度510，在该具体范例中，当前波束转向角度为20°。用户界面508还显示各种观察选项512，其包括：“实况比较”；“顶部/底部”；以及“左/右”。
如上面提到的，本文中描述的系统的实施例还可以被配置为在没有用户输入的情况下自动测量目标组织的纤维取向并且响应于所测量的纤维取向而执行推动/跟踪脉冲的定制序列。自动化纤维取向确定和推动/跟踪发射可以被实施以减少用户交互并且消除测量可变性。本文中的系统能够被配置为根据可以被单独或组合地实施的多种技术以自动化方式确定纤维取向。例如，纤维取向可以根据基于图像处理的方法(例如，边缘检测和用于线性特征检测的霍夫变换)和/或基于声学性质的方法(其可以涉及以各种角度将超声波束转向到目标组织内并且然后将得到的图像组合在一起)来确定。
被配置为执行基于声学性质的方法来确定纤维取向的系统可以被配置为实施皇家飞利浦有限公司的SonoCT。SonoCT是能够被本文中的系统用来分析超声反向散射系数/强度的实时复合成像技术。SonoCT可以涉及以各种波束转向角度发射超声波束和接收对应的超声回波。从所接收的回波，可以在每个角度处确定感兴趣区域内的反向散射信号强度，例如通过在逐像素的基础上确定每幅图像的信号强度。系统能够确定峰值强度值，并且识别对应于峰值强度值的组织取向角度。在图6-8中示出了由本文中的范例系统实施的复合成像技术的范例。
图6示出了经由平行于成像平面的横向方向布置的各向异性组织的九个不同的波束转向角度获得的九幅B-模式超声图像。在每幅图像上面指示了用来采集每幅图像的波束转向角度。如图所示，范例波束转向角度可以包括相对于轴向方向的-20°、-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°和20°。在每个角度处，原始射频数据能够经由超声数据采集单元(例如，采集单元210)来采集，并且针对通过图6的中间图像中示出的白色框604指定的感兴趣区域内的反向散射强度进行分析。在图6中示出的九幅图像中，在考虑波束模式方向性之后，观察到的反向散射强度在经由0°的波束转向角度产生的图像中是最大的。
图7示出了经由以相对于成像平面的横向方向的大约-23°的倾斜角度布置的各向异性组织的九个不同的波束转向角度获得的九幅B-模式超声图像702。在每幅图像上面指示了用来采集每幅图像的波束转向角度。如在图7中，在该实施例中采用的范例波束转向角度还包括-20°、-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°和20°。观察到的反向散射强度在20°波束转向角度处是最大的，如通过白色感兴趣区域框704所示出的。
图8A-8D示出了由本文中的系统执行的图像复合的结果以及针对不同取向的组织的反向散射强度值与转向角度的图形表示。图8A示出了通过将图6中示出的图像602进行组合而生成的最终角度复合图像。一个或多个处理器(例如，信号处理器225和/或数据处理器227)能够被配置为对图像进行复合，并且产生图8A的图像，该图像示出了平行于成像平面的横向方向取向的各向异性组织。图8B示出了通过将图7中示出的图像702进行组合而生成的最终角度复合图像，该图像示出了以相对于成像平面的横向方向的大约-23°的倾斜角度取向的各向异性组织。图8C示出了通过将以相对于成像平面的横向方向的大约25°的倾斜角度布置的多幅图像进行组合而生成的最终角度复合图像。图8D是根据针对图8A-8C中示出的纤维的三个角度取向的波束转向角度描绘所测量的反向散射信号强度的线图。表示平行组织对准的线802在0°转向角度处达到峰值强度，表示-23°组织对准的线804在20°转向角度处达到峰值，并且表示25°组织对准的线806在-20°转向角度处达到峰值。因此，平面内纤维取向能够通过搜索经由多个发射/接收波束转向角度检测的反向散射信号强度的全局最大值来确定。通过确定峰值反向散射信号强度，本文中的系统能够确定各向异性组织纤维相对于用来对纤维进行成像的换能器的成像平面的取向。
在确定目标组织纤维的角度取向之后，本文中的系统能够相应地调整推动/跟踪波束的发射角度，使得推动和跟踪波束以以下中的每个被发射：(1)纤维平面内且平行于横向方向，(2)纤维交叉平面方向，以及(3)具有已知倾斜角度的纤维平面内方向。波束转向角度能够基于纤维取向被实时调整。显示处理器(例如，显示处理器228)与用户界面(例如，用户界面230)协作能够显示由系统以与图4和/或图5A中示出的方式类似的方式实施的推动/跟踪波束的自动化调整的指示。例如，形状调整的ROI跟踪框可以被显示在实况超声图像上。当推动/跟踪波束以相对于组织的各种角度被发射时，跟踪框的形状可以被调整。
图9A-9D示出了可以在将推动/跟踪波束发射到以相对于成像平面的横向方向的倾斜角度布置的各向异性组织内期间被显示给用户的范例超声图像。图9A示出了使用常规推动/跟踪ROI配置(即，不响应于组织纤维的倾斜角度取向)生成的实况组织硬度图像902。图9B示出了尚未被转向的剪切波ROI跟踪框904。图9C示出了已经被转向到20°的剪切波跟踪框906，并且图9D示出了已经被转向到-20°的剪切波跟踪框。在各种实施例中，以相对于超声换能器成像平面的横向方向的倾斜角度取向的目标组织的充分表征可能需要以相对于目标组织的三个或更多个不同的发射角度发射推动脉冲和跟踪波束，如图9B-9D中图示的。一个推动/跟踪序列可以近似平行于目标组织被发射，第二推动/跟踪序列可以以相对于目标组织的近似垂直角度被发射，并且第三推动/跟踪序列可以以相对于目标组织的指定倾斜角度被发射。指定倾斜角度基于视觉地或以自动化方式确定的纤维的角度取向来确定。每个不同的转向角度将生成在目标组织内沿不同方向传播的剪切波。
图9A中示出的组织硬度图像902也可以与图9B-9C中的每个中示出的实况超声图像同时被显示，例如叠加在ROI跟踪框的顶部上或附近。当超声换能器和/或组织纤维被移动时或当不同转向的推动/跟踪波束被发射时，硬度图可以被实时更新。本文中的系统被配置为根据波束形成器的转向角度来重建硬度图。在一些范例中，用户界面可以接收指示系统测量ROI跟踪框内的子区域或点的绝对硬度的用户输入，例如，“保存”或“停止”，所述子区域或点也可以由用户定义。子区域的形状和尺寸可以改变。硬度测量结果能够被存储在存储器中，并且配合被用来采集测量结果的采集条件被显示在最终报告(例如，如图10中示出的报告1000)中。
图9A-9D(和图5A)中示出的ROI跟踪框的调整表示由本文中描述的多个系统部件执行的波束转向。例如，发射波束形成器(例如，波束形成器221)能够被配置为以由系统确定的角度将一个或多个推动脉冲发射到目标组织内。控制器(例如，波束形成器控制器224)能够被配置为接收由处理器(例如，数据处理器227)确定的发射角度，并且指导发射波束形成器以指定角度发射推动脉冲。用来监测由得到的剪切波引起的组织位移的跟踪波束能够以相同的发射角度(即，平行于推动脉冲)被发射。接收波束形成器(例如，多线接收波束形成器222)然后能够响应于所发射的跟踪波束而接收回波。跟踪波束与推动脉冲方向对准，使得得到的组织运动与用于最佳运动信噪比的声学波束轴线对准。
为了准确地确定组织硬度值，本文中描述的系统能够被配置为处理由数据采集单元(经由接收波束形成器)接收的信息，从而以考虑推动脉冲和跟踪脉冲的转向的方式重建剪切波速度。使用一个或多个处理器(例如，数据处理器227)，系统能够被配置为将剪切波诱发的组织位移的超声扫描数据转换为以相对于超声换能器的成像平面的特定角度测量的剪切波诱发的组织位移的扫描数据。一个或多个处理器还能够被配置为执行沿横向方向和轴向方向两者的剪切波速度向量估计，以考虑剪切波的真实传播角度。剪切波速度重建然后能够通过将横向速度分量和轴向速度分量组合成真实复合剪切波速度来执行，因此考虑由角度推动脉冲生成的剪切波将使组织沿横向方向和轴向方向两者移位的事实。以此方式，系统在这里被配置为以适应于用来生成剪切波的推动和跟踪脉冲的转向角度的方式重建剪切波速度。最终剪切波重建能够通过将潜在的剪切波传播模式、推动/跟踪转向角度、和纤维相对于超声探头的成像平面的角度取向进行组合来确定。
图10是根据本公开的原理生成并显示的范例报告1000。如图所示，报告1000可以包括各种患者人口统计信息1002和剪切波组织表征信息1004。表征信息1004能够根据目标组织的角度取向和/或波束形成器的转向角度而被分类。例如，信息1004能够包括用来执行剪切波成像的超声换能器是在平面内、交叉平面、在转向角度处的平面内、还是抵靠倾斜取向的目标组织的平面内发射推动脉冲。信息1004还可以包括针对每个转向角度和/或纤维取向的平均剪切波速度、剪切波速度标准偏差、中值剪切波速度和剪切波速度的四分位范围。包括目标组织的纤维的取向角度能够连同推动脉冲/跟踪波束的转向角度一起被显示。通过显示经由各种纤维取向和转向角度获得的剪切波信息，目标组织的多参数硬度量化被体现在报告1000中。这种信息可以通过披露跨不同纤维取向的剪切波传播的差异来改善由用户(例如，放射科医生)执行的组织硬度评价的准确性。通过以所示出的方式将信息制成表格，用来获得硬度量化的剪切波成像条件可以在随后的检查时被重复，由此实现一致的标准化组织询问技术。
图11是根据本公开的原理执行的剪切波成像的方法的流程图。范例方法1100示出了可以以任何顺序被本文中描述的系统和/或装置使用的步骤。方法1100可以由超声成像系统(诸如系统100或其他系统，包括例如移动系统，诸如皇家飞利浦有限公司(“Philips”)的LUMIFY)来执行。另外的范例系统可以包括也由Philips生产的SPARQ和/或EPIQ。
在所示出的实施例中，方法1100在框1102处通过“采集响应于朝向目标组织发射的超声脉冲的超声回波，所述目标组织相对于超声换能器具有角度取向”开始。
在框1104处，该方法包含“沿着转向角度发射推动脉冲以在目标组织中生成剪切波，所述转向角度基于目标组织的角度取向”。
在框1106处，该方法包含“沿着平行于推动脉冲的横向分开的跟踪线发射跟踪脉冲”。
在框1108处，该方法包含“接收来自沿着横向分开的跟踪线的点的回波信号”。
在框1110处，该方法包含“存储根据所接收的回波信号生成的跟踪线回波数据”。
在框1112处，该方法包含“检测由剪切波通过目标组织的传播引起的目标组织内的运动”。
在框1114处，该方法包含“测量剪切波的速度”。
在使用诸如基于计算机的系统或可编程逻辑的可编程器件来实现部件、系统和/或方法的各种实施例中，应认识到，上述系统和方法可以使用诸如“C”、“C++”、“FORTRAN”、“Pascal”，“VHDL”等的各种已知的或以后开发的编程语言来实现。相应地，可以准备各种存储介质，诸如磁性计算机盘、光盘、电子存储器等，其可以包含可以引导诸如计算机的设备以实现上述系统和/或方法的信息。一旦适当的设备能够访问存储介质上包含的信息和程序，存储介质就可以向设备提供信息和程序，从而使设备能够执行本文中描述的系统和/或方法的功能。例如，如果向计算机提供包含适当材料(例如源文件、目标文件、可执行文件等)的计算机磁盘，则计算机可以接收该信息，适当地配置其自身并执行在上面的图表和流程图中概述的各种系统和方法的功能以实现各种功能。也就是说，计算机可以从磁盘接收涉及上述系统和/或方法的不同元件的信息的各个部分，实现个体系统和/或方法并协调以上所描述的个体系统和/或方法的功能。
鉴于本公开，要注意的是，本文中描述的各种方法和设备可以以硬件、软件和固件来实现。此外，各种方法和参数仅通过范例而不是以任何限制意义被包括。鉴于本公开，本领域普通技术人员可以实现本教导以确定他们自己的技术和实现这些技术需要的设备，同时保持在本发明的范围内。本文中描述的处理器中的一个或多个的功能性可以被并入到更少数或单个处理单元(例如，CPU)内，并且可以使用被编程为响应于可执行指令而执行本文中描述的功能的专用集成电路(ASIC)或通用处理电路。
尽管本系统可能已经具体参考超声成像系统进行了描述，但也可以设想，本系统可以扩展到其中以系统性方式获得一幅或多幅图像的其他医学成像系统。因此，本系统可以用于获得和/或记录与肾脏、睾丸、乳房、卵巢、子宫、甲状腺、肝、肺、肌肉骨骼、脾脏、心脏、动脉和血管系统有关(但不限于此)的图像信息，以及与超声引导的介入有关的其他成像应用。此外，本系统还可以包括可以与常规成像系统一起使用的一个或多个程序，使得它们可以提供本系统的特征和优点。在研究本公开后，本公开的某些额外优点和特征对本领域技术人员而言可以是显而易见的，或者可以由采用本公开的新颖系统和方法的人员体验。本系统和方法的另一优点可以是常规医学图像系统可以被容易地升级以并入本系统、设备和方法的特征和优点。
当然，应认识到的是，本文中描述的范例、实施例或过程中的任何一个可以与一个或多个其他范例、实施例和/或过程组合或分离，和/或根据本系统、设备和方法在分离的设备或设备部分之中被执行。
最后，上述讨论仅仅旨在说明本系统，而不应被解释为将权利要求限制到任何特定实施例或实施例组。因此，虽然已经参考示范性实施例特别详细地描述了本系统，但是也应认识到，本领域普通技术人员可以设计出许多修改和备选实施例，而不偏离如在随附的权利要求中所阐述的本系统的更广泛的和想要的精神和范围。因此，本说明书和附图应被认为是说明性的而不旨在限制随附权利要求书的范围。

Claims (14)

1.一种用于剪切波成像的超声成像系统，包括：
超声换能器，其被配置为采集响应于朝向目标组织发射的超声脉冲的回波，所述目标组织包括相对于所述超声换能器的标称轴向方向具有角度取向的各向异性组织；
波束形成器，其被配置为：
控制所述超声换能器以沿着转向角度发射推动脉冲以用于在所述目标组织中生成剪切波，其中，所述转向角度是基于所述目标组织的所述角度取向的；
从所述超声换能器沿着平行于所述推动脉冲的横向分开的跟踪线发射跟踪脉冲；并且
从所述超声换能器接收来自沿着所述横向分开的跟踪线的点的回波信号；以及
处理器，其与所述波束形成器通信并且被配置为：
存储根据所接收的回波信号生成的跟踪线回波数据；
响应于所述跟踪线回波数据，检测由所述剪切波通过所述目标组织的传播引起的所述目标组织内的运动；并且
测量所述剪切波的速度，
并且其中，所述超声成像系统还包括被配置为显示所述目标组织的实况超声图像和ROI跟踪框的用户界面，所述ROI跟踪框被配置为响应于所述推动脉冲的所述转向角度的调整而改变形状。
2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器被配置为响应于用户输入而确定所述角度取向。
3.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为基于所采集的回波来确定所述目标组织的所述角度取向。
4.根据权利要求3所述的超声成像系统，其中，所述处理器被配置为通过确定在由所述波束形成器发射的多个图像波束转向角度处生成的反向散射信号的强度来确定所述目标组织的所述角度取向。
5.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器被配置为通过对根据所采集的回波生成的图像帧执行霍夫变换来确定所述目标组织的角度取向。
6.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器被配置为通过确定由所述剪切波引起的沿横向方向和轴向方向的组织位移来检测运动。
7.根据权利要求6所述的超声成像系统，其中，所述处理器被配置为测量沿所述横向方向和所述轴向方向的所述剪切波的速度。
8.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为基于所述剪切波的所测量的速度来生成剪切波图，所述剪切波图包括剪切波速度值的二维图像的显示。
9.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为确定在多个推动脉冲转向角度和角度组织取向处获得的多个剪切波速度。
10.根据权利要求9所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为基于所述多个剪切波速度来确定所述目标组织的多参数硬度值。
11.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述波束形成器被配置为从所述超声换能器发射多个推动脉冲，每个推动脉冲以相对于所述目标组织的不同转向角度被发射，使得第一推动脉冲平行于所述目标组织被发射，第二推动脉冲垂直于所述目标组织被发射，并且第三推动脉冲以相对于所述目标组织的倾斜角度被发射。
12.一种剪切波成像的方法，所述方法包括：
采集响应于朝向目标组织发射的超声脉冲的超声回波，所述目标组织包括相对于超声换能器的标称轴向方向具有角度取向的各向异性组织；
沿着转向角度发射推动脉冲以在所述目标组织中生成剪切波，所述转向角度基于所述目标组织的所述角度取向；
沿着平行于所述推动脉冲的横向分开的跟踪线发射跟踪脉冲；
接收来自沿着所述横向分开的跟踪线的点的回波信号；
存储根据所接收的回波信号生成的跟踪线回波数据；
检测由所述剪切波通过所述目标组织的传播引起的所述目标组织内的运动；以及
测量所述剪切波的速度，
并且其中，所述方法还包括：
显示所述目标组织的实况超声图像和ROI跟踪框；以及
响应于所述推动脉冲的所述转向角度的调整而改变所述ROI跟踪框的形状。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括确定所述目标组织的所述角度取向。
14.一种非瞬态计算机可读介质，包括可执行指令，所述可执行指令当被运行时使超声成像系统的处理器执行根据权利要求12-13所述的方法中的任一个。
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