CN113499097A - 一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置及方法 - Google Patents

一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种无创三维经颅脑组织黏弹及流性成像装置，包括经颅低频振动激励系统、经颅振动调节反馈系统和三维经颅超声旋转扫描装置。实现了经颅条件下基于剪切波成像的脑组织三维黏弹流性的检测。使用了KVFD模型进行多频率的剪切波速度拟合，可以得到弹性、黏性、流性等多参量的组织力学特性，弥足了现有技术仅能进行脑组织黏弹性成像的局限性，黏性与流性对于阿尔兹海默症、脑中风等脑疾病更加敏感，对促进该疾病的早期诊断技术在临床的发展具有巨大潜力。

Description

一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置及方法
技术领域
本发明涉及医学超声成像技术领域，具体为一种无创三维经颅脑组织黏弹和流性成像装置及方法。
背景技术
脑是人体中枢神经系统的重要组成部分。当受到创伤性损伤或脑内发生病变时，如阿尔茨海默症，脑内肿瘤，缺血缺氧性脑病等，脑组织的力学特性会发生明显改变。因此，无创评估脑组织的黏弹性及流性等力学特征对于相关疾病的研究及临床诊断具有重要意义。在临床上，磁共振弹性成像技术(MRE)常被用来评估脑组织黏弹性，但是存在操作时间过长，动态分辨率低，脑组织动态力学特性描述不准确等问题。相较而言，近年来超声剪切波弹性成像技术(SWE)发展迅速，具备更强的实用性，早已应用于临床。SWE可以弥补MRE动态分辨率较低等缺点，再配合Kelvin-Voigt分数阶(KVFD)模型，就可以更准确的描述脑组织的力学特征。
目前，大多数脑组织力学特性成像都是二维黏弹性成像，难以观测病灶的相对位置关系，对操作者的经验知识的依赖性较强。三维黏弹性成像相较于二维成像能够对脑组织的黏弹性进行三维可视化成像，并且可以对任意方向可视化。在临床诊断中可以对于感兴趣区域的多次重复性检查，且与其他3D图像模式融合，提高疾病诊断结果的可靠性。
现存的三维成像都是对于没有骨遮挡的组织进行三维重建，针对于被颅骨遮挡的脑组织的三维黏弹性成像装置以及方法还尚未成熟。传统超声三维机械旋转扫描装置存在三维重建会产生组织形变伪影、病人不适感强烈、对于异型面难以在旋转过程中保证声耦合效果以及探头普适性差等问题。以上问题困扰了经颅条件下脑组织二维黏弹性图像的三维可视化。因此研制一套能够实现高时间分辨率的无创经颅三维脑组织粘弹性成像装置，并且发开与其配套的可测量并准确描述脑组织动态力学特性的方法显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于低频经颅振动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性的三维测量装置及成像方法，解决了现有装置仅能对脑组织弹性进行二维成像的局限性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其包括经颅低频振动激励系统、振动测量反馈装置，以及三维经颅超声旋转扫描装置；
所述经颅低频振动激励系统用于对颅部施加经颅振动，振动测量反馈装置用于确定低频振动激励系统与颅骨间的最优贴合压力；
所述三维经颅超声旋转扫描装置包括外套筒、内套筒、声透膜、进出阀和驱动装置；
所述声透膜罩设在外套筒的一端，内套筒套设在外套筒中，驱动装置与内套筒连接使内套筒自转，超声探头位于内套筒中并固接，进出阀设置在外套筒上，进而使除气水和声透膜共同起到经颅超声耦合的作用。
优选的，所述驱动装置包括电机和传动齿轮，传动齿轮固定套设在内套筒上并位于外套筒的外部，传动齿轮与电机的输出轴啮合。
优选的，所述超声探头的端部设置有密封垫，密封垫位于内套筒的端部，并通过紧固盖与内套筒密封连接。
优选的，所述内套筒上套设有轴承。
优选的，所述振动测量反馈装置包括激光测振仪和压力传感器，激光测振仪用于获取经颅振动的信号，根据信号的频率特性确定低频振动激励系统的柔性振动板与颅骨间的最优贴合压力，压力传感器设置在柔性振动板上。
一种根无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、在激振仪和超声成像设备同步触发条件下，旋转扫描以获取不同角度下多个振动频率的射频信号；
步骤2、根据获取的各个射频数据求解各自对应的剪切波速度的估计值；
步骤3、根据每个角度下的多个频率的剪切波速度的估计值得到每个角度下的脑组织的黏性、弹性和流性；
步骤4、根据各个角度下的脑组织的黏性，弹性和流性构建二维黏弹性以及流性图像，得到各个角度下的二维黏弹性以及流性图像；
步骤5、根据各个角度下的二维黏弹性以及流性图像进行三维重建，得到三维可视化黏弹性以及流性图像。
优选的，步骤1中获取射频信号的方法如下：
S101，将三维超声旋转扫描探测装置放置于颅骨颞窗，超声成像设备与低频经颅振动同步触发，超声成像设备获取射频信号；
S102，调节低频振动的频率，采集不同频率下的射频信号；
S103，通过步进电机驱动超声探头旋转，重复步骤S102，获取采集不同频率下的射频信号，直到完成三维重建所需要的旋转扫描数据。
优选的，步骤1数据采集完成后进行数据的时空标定，使超声探头和步进电机的旋转坐标系同步，使步进电机的位姿信息与射频信号的采集时间保持一致。
优选的，步骤5中采用使用PNN算法进行三维重建。
优选的，还包括步骤6，采用三维图像处理方法得到预定成像效果的三维可视化图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种无创三维经颅脑组织黏弹以及流性成像装置，包括经颅低频激励系统和三维经颅超声旋转扫描装置。采用调节装置将激振仪、振动杆和柔性板调节到水平状态，控制剪切波沿竖直方向传播，使剪切波传播垂直于每条超声扫描线，进而求得每条扫描线的剪切波速度，进行二维剪切波成像，为三维成像打下基础。调节反馈系统引入激光测振仪，配合压力传感器的示数可以反馈经颅低频激励系统的有效性，也可以提高操作的重复性。在一次二维图像采集后，经颅低频振动系统保持不动，通过三维经颅超声旋转扫描装置旋转超声探头，重复采集，再进行三维重建得到三维黏弹性及流性成像。三维成像突破了二维成像的局限性，可以准确的判断出脑部病灶的位置关系，对于手术方案的制定以及靶向载药治疗等提供诊断价值。也可以与其他成像方式融合，相互补足，提供更详尽的诊断信息。最后，采用减震支架吸收人体肌肉的振动，降低振动噪声，提高成像效果。
本发明提供的一种三维经颅超声旋转扫描装置，解决了传统超声三维机械旋转扫描装置的三维重建组织形变伪影、病人不适感强烈、对于异型面难以在旋转过程中保证声耦合效果以及探头普适性差等问题。该系统采用外套筒与内套筒结合的方式，内套筒负责带动超声探头进行机械旋转扫描，外套筒负责对不规则颅骨进行特异性声耦合，针对外套筒增设了声透膜、进出阀、密封垫圈等零部件，在灌入除气水之后，可以完成对于异型面颅骨的良好声耦合。在旋转扫描的过程中，外套筒对于颅部不产生相对运动，避免了机械扫描过程中的软组织形变，可以减少超声三维重建伪影。同时在采集过程中，外套筒与病人之间不存在摩擦和强迫运动，显著降低了病人不适感，提高了旋转扫描数据采集的成功率。此外，该装置特别的探头装载方式使得面临对超声探头有不同性能要求的应用场景，只需要更换根据不同型号探头形状特制的探头密封垫，就可以使用不同型号超声探头完成机械旋转扫描，进而实现超声三维成像。这降低了该三维超声旋转探测装置的推广成本，具有良好普适性。
本发明的测量方法使用了KVFD模型进行多频率的剪切波速度拟合，可以得到弹性、黏性、流性等多参量的组织力学特性，弥足了现有仅能进行脑组织弹性成像的局限性，黏性与流性对于阿尔兹海默症、脑中风等脑疾病更加敏感，有潜力使得疾病在早期就得以进行有效诊断。
附图说明
图1为本发明三维低频激励获得经颅超声脑组织黏弹以及流性装置图；
图2为本发明三维经颅超声旋转扫描装置的结构图；
图3为本发明三维经颅超声旋转扫描装置的爆炸图；
图4为本发明三维经颅超声脑组织黏弹以及流性数据采集框图；
图5为本发明三维经颅超声脑组织黏弹以及流性数据处理算法框图。
图中：1，模态激振仪；2，步进电机；3，振动杆；4，压力传感器；5，柔性振动板；6，三维超声旋转探测装置；7，超声探头；8，固定结构；9，声透膜；10，外套筒；11，进出阀；12，轴承；13，轴承密封垫；14，步进电机；15，传动齿轮；16，内套筒；17，探头密封圈；18，探头紧固盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种无创三维经颅脑组织黏弹及流性成像装置，包括经颅低频振动激励系统、经颅振动调节反馈系统和三维经颅超声旋转扫描装置。
经颅低频振动激励系统包括依次连接的信号发生器、功率放大器和模态激振仪1，激振仪1支撑在支架上，能够通过步进电机2进行水平度的调节。振动杆3上设置有水平仪，振动杆3的一端通过M5螺纹与激振仪1连接，振动杆3的另一端套设有柔性振动板5，柔性振动板5上设置有水平仪，柔性振动板5的两端通过采用螺栓固定在振动杆3上。柔性振动板5底面为内凹的微弧面，用于贴合在头颅的顶部，且内嵌有压力传感器4，用于反馈振动板与患者头部的贴合情况。
优选地，柔性振动板5施加在颞骨对应的冠状面与人体正中矢状面在颅骨顶部的交点位置，此位置为颅骨弧度较小，使得贴合性更加紧密。
优选地，柔性振动板5为内凹微弧面，且由软硅胶制成的空心板，凹微弧面贴合软质皮材料，提高经颅振动质量，使病人使用感更加舒适且利用剪切波的经颅传播。
优选地，经颅振动频率应选择40-160Hz之间。在此范围内，模态激振仪可以在低功率下获得良好的单频经颅振动，且不会在脑组织中产生较大的突变加速度。
经颅振动调节反馈系统包括激光测振仪和压力传感器4。在调节完成经颅振动之后，通过激光测振仪测量经颅振动的微小位移，反馈调节是否得当。压力传感器4设置在柔性振动板5的弧面上，用于检测柔性振动板5与头颅的贴合情况，压力传感器4与控制单元进行数据连接。
参阅图2和3，三维经颅超声旋转扫描装置包括三维超声旋转探测装置6、低频经颅超声探头7以及控制低频经颅超声探头7的超声成像设备，三维超声旋转扫描探测装置6具有声耦合、探头装载和旋转扫描驱动三个功能。
三维超声旋转探测装置6包括外套筒10、内套筒16、声透膜9、进出阀11和驱动装置。
外套筒10为两端开口结构，声透膜9罩设在外套筒的一端，内套筒通过另一端套设在外套筒中，驱动装置与内套筒连接，使内套筒自转，超声探头7位于内套筒中并固接，进出阀11设置在外套筒上，用于对外套筒内部输入除气水同时排出空气，使除气水和声透膜共同起到经颅超声耦合的作用。
声透膜9由固定结构8固定在外套筒10的前端，固定结构8与外套筒10的端部卡接。
进出阀由两个微型电磁阀构成，使用过程中可以手控或由控制器向外套筒中注入除气水并释放空气以平衡气压，使得除气水完全充满外套筒内部空间，从而使除气水和声透膜共同起到经颅超声耦合的作用。
外套筒和内套筒之间设置有旋转装置，使内套筒在外套筒中旋转，旋转装置包括轴承12和轴承密封圈13，轴承12套设在内套筒上，轴承密封圈13位于轴承的端部。外套筒10与内套筒16通过轴承12连接，使得内外套筒可以相对旋转而无轴向位移。这使得在三维旋转扫描过程中，外套筒相对保持静止不动，减少超声伪影，提高患者的舒适感。轴承密封圈13安装在轴承12上，确保轴承处不发生渗漏。
驱动装置包括步进电机14和传动齿轮15，传动齿轮15固定在内套筒16上并位于外套筒的端部，步进电机14固定在外套筒10上，步进电机14的输出轴与传动齿轮15啮合，驱动内套筒16进行旋转。步进电机14与控制器连接。
超声探头7的端部设置有密封垫17，密封垫17中设置有配装超声探头7端部的凹槽，超声探头7的一端固定在凹槽中，然后将超声探头7伸入至内套筒中，且密封垫位于内套筒的端部，在通过探头紧固盖18固定在内套筒上并旋紧，从而使得探头被牢固装载在内套筒上且不发生渗漏。
超声探头7的形状开模定制探头密封垫17，并使用硅胶作为密封垫17的制备材料，以保证密封效果。根据不同的型号的超声探头，只需要重新制作探头密封垫圈，保证大气压下的密封效果，就可以适用于各个形状的超声探头，具有普适性。
超声探头7放置在颅骨的颞窗位置，低频经颅超声探头7可沿颞骨对应的冠状面观测脑组织，此处为颅骨最薄处，约为1.6mm，对于超声的衰减最小。
参阅图4和5，下面对上述无创三维经颅脑组织黏弹及流性成像装置的成像方法进行详细的说明，包括以下步骤：
步骤110、在激振仪和超声成像设备同步触发条件下，扫描旋转获取不同角度下多个振动的频率的射频信号。具体步骤如下：
S101，使病患静坐目视前方。柔性板与患者头颅顶部贴合，信号发生器以及功率放大器通过模态激振仪1产生经颅低频振动，通过步进电机2改变贴合程度进而调整经颅振动，直至激光测振仪测得的经颅低频振动为单频正弦信号，记录该时刻的压力传感器的数据，以方便重复试验。
S102，将三维超声旋转扫描探测装置6通过声耦合垫放置于颅骨颞窗附近。此处为颅骨的最薄处且为最小曲率半径处，以使得超声的衰减减弱，获得更好的成像质量。超声成像设备控制超声探头产生多角度2000Hz的超高帧频超声平面波。超声成像设备与低频经颅振动同步触发，使得超声采集与经颅振动同时产生，保证最小时序误差。超声成像设备获取射频信号，存储至多通道超声平台。
S103，调节低频振动的频率，以20Hz为步长采集在40-160Hz低频经颅振动激励下，采集各个频率下的射频信号，此时第一轮数据采集结束。
S104，保持压力传感器示数不发生改变，通过控制器使三维超声旋转扫描探测装置6中步进电机驱动内套筒旋转一定角度，超声探头与内套筒同步以该角度进行旋转。探头旋转后，重复步骤S103，获取采集各个频率下的射频信号。
S105，超声探头旋转扫描的最小步长与旋转角度范围可以根据临床需求确定，重复步骤S104的采集操作，直到完成三维重建所需要的旋转扫描数据。完成三维黏弹性以及流性成像的数据采集过程。
步骤210、进行时空标定，使超声探头和步进电机的旋转坐标系同步，使步进电机的位姿信息与射频信号的采集时间保持一致。
步骤310、利用获取的各个射频数据分别进行波束合成，再利用互相关算法获取脑组织的微小位移数据。
具体的，在互相关算法之后使用3*10矩阵中值滤波去噪，再使用傅里叶逆变换滤波器降噪，得到脑组织微小位移。
步骤410、根据位移数据并结合拉东变化速度算法，得到每个位移数据对应的剪切波速度的估计值。
具体的，对于不同旋转角度α的二维超声图像的剪切波速度计算，应该在使用拉动变换求得剪切波速度后，除以|cosα|，进行剪切波速度矫正。
步骤510、将每个角度下的多个频率的剪切波速度的估计值利用KVFD模型计算得到每个角度下的脑组织的黏性，弹性和流性。
步骤610、根据各个角度下的脑组织的黏性，弹性和流性构建二维黏弹性以及流性图像，得到各个角度下的二维黏弹性以及流性图像。
具体的，对于得到的粘弹性以及流性与互相关算法求得的位移矩阵，一一对应，获得三张力学参量二维图像，分别代表弹性，粘性以及流性。
步骤710、根据各个角度下的二维黏弹性以及流性图像进行三维重建。用时空定标后的电机位姿信息表示序列超声扫描图像中的每一个像素的空间位置；选择PixelNearest Neighbor，PNN三维插值算法进行规则化后的体素网格重建，从而确定规则化体素网格对应的体素值。
优选地，使用PNN算法进行三维重建，重建速度最快，保证了超声的高时间分辨率，实时诊断的特性。
步骤810、采用三维图像处理方法得到预定成像效果的三维可视化图像。
在Matlab中将该数据进行GUI可视化显示后，选择切片投影、表面渲染和体绘制方法得到临床需要的可视化图像，对可视化的图像进行区域选取和测量等操作，测量目标的大小和体积。
在三维重建完成之后，保存规则化体素网格，在Matlab中将该数据进行GUI可视化显示；也可以将该体素网格按照深度方向切片导出，得到的规则化断层序列图像，该序列图像可用本文开发的三维可视化软件或者其他的可视化软件(如Mimics,3D slicer)打开，做图像分割、区域生长等处理后进行可视化。
优选地，通过选择不同的切片投影、表面渲染和体绘制方法得到临床需要的可视化图像，对可视化的图像进行区域选取和测量等操作，测量目标的大小和体积。同时还可以与其他成像方式得到的图像进行比对、融合，互相补足缺点，提供更多诊断信息。
本发明公开的一种无创三维经颅脑组织黏弹及流性成像装置，包括经颅低频振动激励系统、经颅振动调节反馈系统和三维经颅超声旋转扫描装置。实现了经颅条件下基于剪切波成像的脑组织三维黏弹流性的检测。本发明采取了40-160Hz频带范围的低频振动激励，降低了低频振动的功率，保证了临床应用的安全性。在调节反馈系统中引入激光测振仪，配合数显式压力传感器解决了传统低频激励装置操作重复性差的缺陷。
进一步，使用KVFD模型进行多频率的剪切波速度拟合，可以得到弹性、黏性、流性等多参量的组织力学特性，弥足了现有仅能进行脑组织弹性的成像的局限性。黏性与流性的检测对于阿尔兹海默症、脑中风等脑疾病的初期诊断有重大意义。
进一步，本发明提供了一种用于人体经颅的三维经颅超声旋转探测装置，能够驱动超声探头进行旋转扫描，多角度地采集脑组织在经颅低频振动激励下产生的微小位移。结合三维重建算法，可以形成三维的黏弹性以及流性的多力学参量成像。对于临床诊断，提供了更加直观可靠的病灶信息，提供病灶的具体位置关系，降低了对于医生丰富临床经验的依赖性。三维黏弹以及流性成像也可以结合核磁共振弹性成像进行联合诊断，互相弥补缺点，对病灶的病理性判断提供多方依据。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其特征在于，包括经颅低频振动激励系统、振动测量反馈装置，以及三维经颅超声旋转扫描装置；
所述经颅低频振动激励系统用于对颅部施加经颅振动，振动测量反馈装置用于确定低频振动激励系统与颅骨间的最优贴合压力；
所述三维经颅超声旋转扫描装置包括外套筒(10)、内套筒(16)、声透膜(9)、进出阀(11)和驱动装置；
所述声透膜(9)罩设在外套筒的一端，内套筒套设在外套筒中，驱动装置与内套筒连接使内套筒自转，超声探头(7)位于内套筒中并固接，进出阀(11)设置在外套筒上，进而使除气水和声透膜共同起到经颅超声耦合的作用。
2.根据权利要求1所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其特征在于，所述驱动装置包括电机和传动齿轮，传动齿轮固定套设在内套筒上并位于外套筒的外部，传动齿轮与电机的输出轴啮合。
3.根据权利要求1所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其特征在于，所述超声探头(7)的端部设置有密封垫(17)，密封垫(17)位于内套筒的端部，并通过紧固盖(18)与内套筒密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其特征在于，所述内套筒上套设有轴承。
5.根据权利要求1所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置，其特征在于，所述振动测量反馈装置包括激光测振仪和压力传感器，激光测振仪用于获取经颅振动的信号，根据信号的频率特性确定低频振动激励系统的柔性振动板与颅骨间的最优贴合压力，压力传感器设置在柔性振动板上。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在激振仪和超声成像设备同步触发条件下，旋转扫描以获取不同角度下多个振动频率的射频信号；
步骤2、根据获取的各个射频数据求解各自对应的剪切波速度的估计值；
步骤3、根据每个角度下的多个频率的剪切波速度的估计值得到每个角度下的脑组织的黏性、弹性和流性；
步骤4、根据各个角度下的脑组织的黏性，弹性和流性构建二维黏弹性以及流性图像，得到各个角度下的二维黏弹性以及流性图像；
步骤5、根据各个角度下的二维黏弹性以及流性图像进行三维重建，得到三维可视化黏弹性以及流性图像。
7.根据权利要求5所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，其特征在于，步骤1中获取射频信号的方法如下：
S101，将三维超声旋转扫描探测装置放置于颅骨颞窗，超声成像设备与低频经颅振动同步触发，超声成像设备获取射频信号；
S102，调节低频振动的频率，采集不同频率下的射频信号；
S103，通过步进电机驱动超声探头旋转，重复步骤S102，获取采集不同频率下的射频信号，直到完成三维重建所需要的旋转扫描数据。
8.根据权利要求6所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，其特征在于，步骤1数据采集完成后进行数据的时空标定，使超声探头和步进电机的旋转坐标系同步，使步进电机的位姿信息与射频信号的采集时间保持一致。
9.根据权利要求6所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，其特征在于，步骤5中采用使用PNN算法进行三维重建。
10.根据权利要求6所述的一种无创三维经颅脑组织黏弹性和流性成像装置的成像方法，其特征在于，还包括步骤6，采用三维图像处理方法得到预定成像效果的三维可视化图像。
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