CN113520457A - 弹性成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性成像装置和方法，弹性成像装置包括：超声波组件，用于向探测目标发射球面超声波，并接收所述探测目标基于所述球面超声波反射的回波；处理模块，与所述超声波组件连接，用于对所述超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。本发明的方法和装置，提高了弹性成像的图像质量。

Description

弹性成像装置和方法

技术领域

本发明涉及弹性成像技术，尤其涉及一种弹性成像装置和方法。

背景技术

弹性成像技术提供了组织硬度的图像，该图像能够提供关于病变的组织特征的信息。不同组织间弹性系数不同，使得受到外力压迫后组织发生变形的程度也不同。例如，将组织受压前后的回声信号移动幅度的变化转化为实时彩色图像，若组织弹性系数小，则受压后位移变化大的组织显示为红色；若组织的弹性系数大，受压后位移变化小的组织显示为蓝色；弹性系数中等的组织显示为绿色。弹性成像技术借图像色彩反映组织的硬度，使超声图像拓宽，弥补了常规超声的不足，能更生动地显示及定位病变。

波束形成是弹性成像的关键技术，目前大多数弹性成像技术，使用聚焦波逐线发射的方式激励目标并采集回波信号，这种方法图像产生帧频较低，无法检测微小的位移变化，硬度检测结果精度较差。采用平面波发射的方式采集超声图像，采集帧频可超过6000帧/秒，可以取得较好的组织硬度计算结果。

平面波发射波束形成方法可以实现较高的成像帧频，但是在成像区域边缘会产生波前畸变，导致图像质量较差，如图1中的A1区域和A2区域位于成像区域的边缘，图像质量较差。为了提高信噪比，往往需要采用多角度复合的方式进行叠加，如图2中成像区域的B区域包含了所有偏转图像的信息，成像质量是最好；而同样位于成像区域的B1区域和B2区域，由于复合次数较少，成像效果和B区域有差异，图像质量一般也会差些。可见，弹性成像的成像区域的图像质量较差。

发明内容

本发明提供一种弹性成像装置和方法，用以解决弹性成像图像在成像边缘区域的图像质量较差的问题。

一方面，本发明提供一种弹性成像装置，包括：

超声波组件，用于向探测目标发射球面超声波，并接收所述探测目标基于所述球面超声波反射的回波；

处理模块，与所述超声波组件连接，用于对所述超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。

在一实施例中，所述超声波组件包括一个或多个超声波发射阵元，各个所述超声波发射阵元用于发射预设形状的球面超声波。

在一实施例中，所述弹性成像装置包括与所述超声波组件连接的发射波束形成模块，所述发射波束形成模块用于对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，以使各个所述超声波阵元发射预设形状的球面超声波。

在一实施例中，所述处理模块与所述发射波束形成模块连接，所述处理模块还用于确定球面超声波的激励参数，并将所述激励参数发送至所述发射波束形成模块，以使所述发射波束形成模块根据所述激励参数对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励。

在一实施例中，所述处理模块，还用于计算所述图像帧数据中采样点的位移量。

在一实施例中，所述弹性成像装置还包括与所述处理模块连接的显示模块，所述显示模块用于显示所述图像帧数据对应的图像以及所述图像中采样点的位移量。

另一方面，本发明还提供一种弹性成像方法，应用于弹性成像装置，所述弹性成像装置包括超声波组件，所述弹性成像方法包括：

控制所述超声波组件向探测目标发射球面超声波；

接收所述球面超声波反射的回波；

对所述回波进行处理得到图像帧数据。

在一实施例中，所述超声波组件包括多个超声波发射阵元，所述向探测目标发射球面超声波的步骤包括：

控制各个所述超声波发射阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波。

在一实施例中，所述弹性成像装置包括与所述超声波组件连接的发射波束形成模块，所述控制各个所述超声波发射阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波的步骤包括：

控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，以使各个所述超声波阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波。

在一实施例中，所述控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励的步骤包括：

获取目标参数，所述目标参数包括用户操作参数以及预设激励参数中的至少一种；

根据所述目标参数确定目标激励参数，并根据所述目标激励参数控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励。

本发明提供的弹性成像装置和方法，弹性成像装置包括超声波组件以及处理模块，超声波组件用于向探测目标发射球面超声波，并接收探测目标基于球面超声波发射的回波，处理模块则将超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。本发明弹性成像装置通过向探测目标发射球面超声波，经验证，单角度的球面超声波发射方式所对应发生即便的区域位于成像区域以外，并不会影响弹性成像的图像质量；而进行多角度偏转发射复合球面超声波，各个偏转声波激励均能覆盖成像区域，保证整个成像区域的图像质量；可见，本发明提供的弹性成像装置和方法能够提高了弹性成像的图像质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为一示例性弹性成像技术对应的成像区域的示意图；

图2为另一示例性弹性成像技术对应的成像区域的示意图；

图3为本发明弹性成像装置的一结构示意图；

图4为本发明弹性成像装置的成像区域的一示意图；

图5为本发明弹性成像装置的成像区域的另一示意图；

图6为本发明弹性成像装置中超声波组件的结构示意图；

图7为本发明弹性成像装置的另一结构示意图；

图8为本发明弹性成像装置对探测目标进行探测的流程图；

图9为本发明弹性成像一实施例。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

其次，对本发明所涉及的名词进行解释：

球面超声波：指的是球面波，球面波是指波阵面为同心球面的波。

弹性成像：指的是能够将获取的生物体材料的弹性或硬度信息转换成医生习惯的可见光图像，从而让医生能够通过可见光图像判别组织的材料力学特性，进而根据组织的软硬情况判断相应组织或器官可能发生的病理改变以及其位置、形状和大小。弹性成像的原理为，使用某种方式使得被检测组织发生位移，采集并分析连续采集的一系列超声回波数据，计算出不同位置的目标的位移大小，进而计算出组织硬度。常用的位移产生方法包括，准静态(按压式)、外加机械震动、超声探头产生机械波和人体自身的振动。为了得到高精度的组织硬度成像结果，在目标产生位移的过程中，需要使用较高帧频进行采集。

波束形成是弹性成像的关键技术，目前大多数弹性成像技术，使用聚焦波逐线发射的方式激励目标并采集回波信号，这种方法图像产生帧频较低，无法检测微小的位移变化，硬度检测结果精度较差。因而，采用平面波发射的方式采集超声图像，采集帧频可超过6000帧/秒，取得了较好的组织硬度计算结果。

平面波发射波束形成帧频较高，但是在成像区域边缘会产生波前畸变，导致图像质量较差，如图1中的A1区域和A2区域位于成像区域的边缘，图像质量较差。为了提高信噪比，往往需要采用多角度复合的方式进行叠加，如图2中成像区域的B区域包含了所有偏转图像的信息，成像质量是最好；而同样位于成像区域的B1区域和B2区域，由于复合次数较少，成像效果和B区域有差异，图像质量一般也会差些。可见，使用平面波波束形成技术弹性成像的成像边缘区域的图像质量较差。

本发明提供的弹性成像技术以及弹性成像装置，旨在解决现有技术的如上技术问题。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

本发明提供一种弹性成像装置100，参照图3，弹性成像装置100包括超声波组件101以及处理模块102。超声波组件101与处理模块102连接，超声波组件101用于向探测目标发射球面超声波，且接收探测目标基于球面超声波反射的回波。而处理模块，则用于对超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。

参照图4，弹性成像装置100向探测目标发射单角度的球形超声波，球面超声波的扩展激励区域(图5的扇形区域)包含成像区域A，A区域内的球面超声波均匀扩散、不会产生畸变，而A1区域以及A2区域的球面超声波会发生畸变。而A1区域以及A2区域是位于成像区域A之外，并不会影响图像质量。

参照图5，弹性成像装置100向探测目标进行多角度的球形超声波的发射，各个偏转的球面超声波均能够覆盖B区域(B区域为图5中阴影区域)，且球面超声波发生比畸变的区域B1区域和B2区域位于成像区域(图5中粗线条的长方形区域为成像区域)之外，而B区域略小于完整的成像区域，因而能够保证成像区域的图像质量。

本实施例提供的弹性成像装置超声波组件以及处理模块，超声波组件用于向探测目标发射球面超声波，并接收探测目标基于球面超声波发射的回波，处理模块则将超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。本发明弹性成像装置通过向探测目标发射球面超声波，经验证，单角度的球面超声波发射方式所对应发生即便的区域位于成像区域以外，并不会影响弹性成像的图像质量；而进行多角度偏转发射复合球面超声波，各个偏转声波激励均能覆盖成像区域，保证整个成像区域的图像质量；可见，本发明提供的弹性成像装置提高了弹性成像的图像质量。

进一步的，超声波组件包括一个或多个超声波发射阵元，参照图6，图6为超声波组件101包括多个超声波发射阵元1001的示意图。图6中A、B、C、D为四个超声波发射阵元，302为成像区域，且每个超声波发射阵元1001连接一根电缆，球面超声波通过A、B、C、D四个阵元的激励产生。各个超声波发射阵元可以产生预设形状的球面超声波，超声波组件能够产生期望形状的球面超声波。

参照图7，弹性成像装置100包括与超声波组件101连接的发射波束形成模块103，发射波束形成模块103对各个超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，从而使得各个超声波阵元发射预设形状的球面超声波。可以理解的是，发射波束形成模块103通过电缆连接超声波发射阵元1001。

进一步的，处理模块102与发射波束形成模块103。处理模块中设有主控单元，主控单元通过用户操作参数以及预设激励参数中的至少一个确定激励方案，激励方案中包括激励参数，使得发射波束形成模块103基于激励参数向各个超声波发射阵元1001施加不同时延的电脉冲激励。

此外，处理模块102还设有计算单元，计算单元对于采集的图像帧序列进行计算，也即对相邻图像帧的采样点进行计算，得到图像帧中每个采样点(x,y)的位移量D(x,y)。计算单元基于各个采样点的位移量计算探测目标的应变或者硬度。

需要说明的是，主控单元以及计算单元可以是独立于处理模块的部件，也可以是处理模块的内部部件。

进一步的，弹性成像装置100还包括与处理模块102连接的显示模块，显示模块用于显示图像帧数据对应的图像以及图像中采样点的位移量。也即显示模块用于显示弹性成像所形成的图像。

参照图8，图8为弹性成像装置对探测目标进行探测的示意图。

1、先对探测目标施加振动；

2、处理模块根据用户操作或预设激励参数确定激励方案，激励方案中包括目标激励参数，目标激励参数包括球面超声波产生的振源点的位置，球面超声波的强度，球面超声波波的方向等；

3、发射波束形成模块基于激励方案中的目标激励参数对超声波组件的各个超声波发射阵元施加不同延时的电脉冲激励，从而产生期望形状的球面超声波；

4、超声波组件接收探测目标反射的回波，并将回波发射至处理模块；

5、处理模块将回波由电信号进行数字化采样和处理，形成包含探测目标结构信息的图像帧数据进行保存，t时刻采集的图像帧数据帧用I(t)表示，图像帧数据为二维图像数据，其中采样点用I(t,x,y)表示。不同时刻连续采集的图像帧数据I(tk)按照先后次序缓存，输入处理模块的计算单元，计算I(t)中每个采样点的位移量；

6、基于位移量就算探测目标的应变或者硬度。

位移量可以通过二维位移估算方法得到，具体的，二维位移估算的步骤为：

步骤1、对两个连续采集的图像帧数据的第一射频帧与第二射频帧，用匹配算法进行二维初始位移估计；

步骤2、用第一步得到的二维初始位移估计对第一射频帧的图像进行拉伸调整；

步骤3、将原始的第二射频帧与调整后的第一射频帧，通过亚像素位移估计算法进行二维位移估计；

步骤4、将步骤1所得位移估计结果与步骤3所得的位移估计结果进行合成处理，得到较二维初始位移估计精确的总体二维位移估计。

进一步的，还包括步骤5：重复进行下列过程直至符合设定条件：用步骤3得到的亚像素位移估计对步骤2得到的调整后的第一射频帧图像进行进一步调整，例如拉伸调整；并用第二射频帧与进一步调整后的第一射频帧通过亚像素位移估计算法进行二维位移估计；再将所得到的亚像素二维位移估计累加到步骤S4得到的二维位移估计。

步骤5之后还可以进行步骤6：对步骤S4或步骤S5得到的图像，通过各向异性扩散方法进行微分处理。

BMA(Block Matching Algorithm，匹配算法，简称BMA)将图像分为多个矩形块，针对各个块，在另一图像(例如射频帧)中检索最佳估计，从而估计位移向量。由于各个块足够小，所以旋转和缩放可通过待匹配的两图像中的相应区域分段转换来进行大致估计。简单说，各种版本的，包括：(1)可能使用不同匹配标准，例如最小化方差和，均方误差和绝对平均误差，或最大化互相关函数以及弹性极限差分分类；(2)较之于穷尽搜索，使用不同的检索策略虽然损失准确性但能够减少计算量，例如使用三步搜索、菱形搜索、二维对数算法、正交搜索和分级搜索等等；(3)使用拉普拉斯图像金字塔或小波变换进行多解析度块匹配；其他变换包括浮点精度块匹配，块面积变化的块匹配和可变形块匹配等等。

二维位移估计方法，可使用亚像素精度遍历搜索BMA。遍历搜索BMA也是块匹配最为直接的方法。

为了达到更高的初始位移估计，还可以用BMA对进行了像素插值的两帧图像进行计算，从而得到亚像素的位移分辨率。比如在每两个像素点之间插一个新的像素点，就可以得到半像素的位移分辨率。

根据BMA移动估计结果调整后的第一射频帧与原始的第二射频帧图像具有更佳的相关性，因此保证了后续可用LK-OF(光流方法)进行亚像素移动估计的效果。这样，在实际应用中就可以在保证准确的基础上使用大于1％的形变来获得相对高的形变对比度。其他块匹配方法也可在步骤S1中使用。

步骤S2中，用步骤S1得到的二维初始位移估计对第一射频帧图像进行拉伸调整，使得相比于原始的第一帧，调整后的第一帧和原始的第二帧之间的相关性更高；

然后进行步骤S3：将原始的第二射频帧与经步骤S2调整后的第一射频帧，通过亚像素位移估计算法进行位移估计。

装置计算出相邻图像帧数据的所有采样点的位移量后，可以将所有的位移量组成位移矩阵。对位移矩阵按预设方向(位移矩阵中列的走向即为预设方向)采用最小二乘法计算梯度得到梯度矩阵，该梯度矩阵即为探测目标的生物组织应变分布。生物组织应变分布按扫描线方向组合成二维数据，并以灰度图或者伪彩图的形式表示出来，则得到该生物组织的二维应变分布图。

基于弹性成像装置，本发明还提供一种弹性成像方法。

参照图9，图9为本发明弹性成像方法第一实施例，弹性成像方法包括：

步骤S10，控制超声波组件向探测目标发射球面超声波。

步骤S20，接收球面超声波反射的回波。

步骤S30，对回波进行处理得到图像帧数据。

在本实施例中，探测目标为人或动物内的组织器官。在当探测目标外加振动之后，弹性成像装置控制超声波组件想探测目标发射球面超声波。

探测目标会将球面超声波进行反射，使得超声波组件接收反射后的回波。弹性成像装置再对回波进行处理，从而得到图像帧数据。具体的，弹性成像装置将回波由电信号进行数字化采样和处理，形成包含探测目标结构信息的图像帧数据进行保存，t时刻采集的图像帧数据帧用I(t)表示，图像帧数据为二维图像数据，其中采样点用I(t,x,y)表示。不同时刻连续采集的图像帧数据I(tk)按照先后次序缓存。弹性成像装置再计算I(t)中每个采样点的位移量，最后基于各个采样点的位移量计算探测目标的应变或者硬度。

参照图4，弹性成像装置向探测目标发射单角度的球形超声波，球面超声波的扩展激励区域(图5的扇形区域)包含成像区域A，A区域内的球面超声波均匀扩散、不会产生畸变，而A1区域以及A2区域的球面超声波会发生畸变。而A1区域以及A2区域是位于成像区域A之外，并不会影响图像质量。

参照图5，弹性成像装置向探测目标进行多角度的球形超声波的发射，各个偏转的球面超声波均能够覆盖B区域(B区域为图5中阴影区域)，且球面超声波发生比畸变的区域B1区域和B2区域位于成像区域(图5中粗线条的长方形区域为成像区域)之外，而B区域略小于完整的成像区域，因而能够保证成像区域的图像质量。

本实施例提供技术方案中，弹性成像装置控制超声波组件向探测目标发射球面超声波，并接收探测目标基于球面超声波发射的回波，再对回波进行处理得到图像帧数据。本发明弹性成像装置通过向探测目标发射球面超声波，经验证，单角度的球面超声波发射方式所对应发生即便的区域位于成像区域以外，并不会影响弹性成像的图像质量；而进行多角度偏转发射复合球面超声波，各个偏转声波激励均能覆盖成像区域，保证整个成像区域的图像质量；可见，本发明提供的弹性成像方法能够提高了弹性成像的图像质量。

在一实施例中，超声波组件包括多个超声波发射阵元，向探测目标发射球面超声波的步骤包括：

控制各个超声波发射阵元向探测目标发射预设形状的球面超声波。

参照图6，图6为超声波组件包括多个超声波发射阵元的示意图。图6中A、B、C、D为四个超声波发射阵元，且每个超声波发射阵元1001连接一根电缆，球面超声波通过A、B、C、D四个阵元的激励产生。各个超声波发射阵元可以产生预设形状的球面超声波，超声波组件能够产生期望形状的球面超声波。

进一步的，弹性成像装置控制发射波束形成模块对各个超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，以使各个超声波阵元向探测目标发射预设形状的球面超声波。

而弹性成像装置是通过获取目标参数确定目标激励参数，并根据目标激励参数控制发射波束形成模块对各个超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励。目标参数包括用户操作参数以及预设激励参数中的至少一种。目标激励参数包括球面超声波产生的振源点的位置，球面超声波的强度，球面超声波波的方向等。

此外，弹性成像装置还设有显示模块，显示模块用于显示图像帧数据对应的图像以及图像中采样点的位移量。也即显示模块用于显示弹性成像所形成的图像。

在本实施例提供的技术方案中，弹性成像装置控制各个超声波发射阵元向探测目标发射预设形状的球面超声波，从而使得弹性成像装置能够基于设定形状的球面超声波准确得到探测目标的应变或者硬度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种弹性成像装置，其特征在于，包括：

超声波组件，用于向探测目标发射球面超声波，并接收所述探测目标基于所述球面超声波反射的回波；

处理模块，与所述超声波组件连接，用于对所述超声波组件传输的回波进行处理得到图像帧数据。

2.根据权利要求1所述的弹性成像装置，其特征在于，所述超声波组件包括一个或多个超声波发射阵元，各个所述超声波发射阵元用于发射预设形状的球面超声波。

3.根据权利要求2所述的弹性成像装置，其特征在于，所述弹性成像装置包括与所述超声波组件连接的发射波束形成模块，所述发射波束形成模块用于对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，以使各个所述超声波阵元发射预设形状的球面超声波。

4.根据权利要求3所述的弹性成像装置，其特征在于，所述处理模块与所述发射波束形成模块连接，所述处理模块还用于确定球面超声波的激励参数，并将所述激励参数发送至所述发射波束形成模块，以使所述发射波束形成模块根据所述激励参数对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励。

5.根据权利要求1-4任一项所述的弹性成像装置，其特征在于，所述处理模块，还用于计算所述图像帧数据中采样点的位移量。

6.根据权利要求1-4任一项所述的弹性成像装置，其特征在于，所述弹性成像装置还包括与所述处理模块连接的显示模块，所述显示模块用于显示所述图像帧数据对应的图像以及所述图像中采样点的位移量。

7.一种弹性成像方法，应用于所述弹性成像装置，其特征在于，所述弹性成像装置包括超声波组件，所述弹性成像方法包括：

控制所述超声波组件向探测目标发射球面超声波；

接收所述球面超声波反射的回波；

对所述回波进行处理得到图像帧数据。

8.根据权利要求7所述的弹性成像方法，其特征在于，所述超声波组件包括多个超声波发射阵元，所述向探测目标发射球面超声波的步骤包括：

控制各个所述超声波发射阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波。

9.根据权利要求8所述的弹性成像方法，其特征在于，所述弹性成像装置包括与所述超声波组件连接的发射波束形成模块，所述控制各个所述超声波发射阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波的步骤包括：

控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励，以使各个所述超声波阵元向所述探测目标发射预设形状的球面超声波。

10.根据权利要求9所述的弹性成像方法，其特征在于，所述控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励的步骤包括：

获取目标参数，所述目标参数包括用户操作参数以及预设激励参数中的至少一种；

根据所述目标参数确定目标激励参数，并根据所述目标激励参数控制所述发射波束形成模块对各个所述超声波发射阵元施加不同时延的电脉冲激励。

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