CN114305669B - 一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法及系统，其方法包括步骤：S1、对感兴趣区域进行超声扫查，以得到超声回波数据；S2、对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；S3、基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；S4、基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；S5、基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；S6、显示超声衰减特征图像。本发明可以实现对热消融过程中热损伤区域的实时、高对比度、准确和清晰的监测；不需要超声回波数据满足特定的分布模型，不需额外的模型训练和学习过程，实现简单，可直接应用于临床中。
Description
技术领域
本发明属于超声监控成像技术领域，具体涉及一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法及系统。
背景技术
肿瘤热消融技术通过经皮穿刺的射频电极或微波探针，使得肿瘤组织温度升高，最终达到肿瘤凝固坏死和灭活的目的。为了在消除肿瘤的同时不对周围正常组织产生影响，需要对热消融过程进行实时的监测。
考虑到热消融过程中会产生大量气泡以及气泡会使超声回波产生强反射这一特性，临床医生通常采用传统超声B模式对热消融过程进行监测，但是因为气泡并不能完全反映消融区域的特性，并且B模式图像对比度不高，甚至在实际使用过程中，不同的图像增益设置会导致不同的成像效果，图像质量的好坏对预设参数的设置依赖性较大。
现有研究者提出使用超声Nakagami成像技术来对热消融过程进行监测。Nakagami模型是一种统计模型，利用由超声背向散射信号估计的Nakagami统计参量可以区分生物组织中不同散射子的浓度，由此可以实现对热消融过程的监测。但是该技术的使用前提是估计对象必须满足分布模型，在实际应用中超声信号的处理过程可能会影响回波数据的统计分布，从而导致分布模型难以满足，此外超声Nakagami成像对于消融区域的边缘监测特异性不够。
公开号为CN109171998B的中国专利，公开了一种基于超声深度学习的热消融区域识别监测成像方法与系统，该方法通过结合实际热消融区域的光学图像和超声图像对深度学习模型进行训练，最终实现对热消融区域的分类和识别。但是深度学习模型往往需要大量数据进行训练保证可靠性，而数据的采集和获取往往是很困难的，这都导致基于深度学习的监测方法在实际应用中存在较大困难。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法及系统，可以实现对热消融过程中热损伤区域的实时、高对比度、准确和清晰的监测，且实现简单。
本发明采用以下技术方案：
一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法，包括步骤：
S1、选取热消融监测的感兴趣区域，并对感兴趣区域进行超声扫查，以得到超声回波数据；
S2、对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；
S3、基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；
S4、基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；
S5、基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；
S6、显示超声衰减特征图像。
作为优选方案，步骤S1与步骤S2之间还包括步骤：对不同深度的超声回波数据进行不同的增益补偿。
作为优选方案，步骤S3中，包括步骤：
S3.1、对超声射频数据进行解调，以得到超声正交信号；
S3.2、求取超声正交信号的包络；
S3.3、对包络进行对数压缩，以得到对数压缩后的超声图像数据。
作为优选方案，步骤S5与步骤S6之间还包括步骤：
将超声衰减特征图像的扫查坐标系，转换为显示坐标系；
对转换坐标系后的超声衰减特征图像进行平滑滤波，以得到最终的超声衰减特征图像。
作为优选方案，平滑滤波包括时间平滑滤波、空间平滑滤波。
作为优选方案，步骤S3.2中，包络的计算公式具体为：
，
其中，I表示超声正交信号的实部，Q表示超声正交信号的虚部，R表示求取的包络，env为求取包络的函数，j表示虚数单位。
作为优选方案，步骤S3.3中，计算公式具体为：
，
其中，Img为对数压缩后的超声图像数据，a为log函数的底数。
作为优选方案，步骤S4中，计算公式具体为：
，
，
，
其中，为深度Z位置超声回波数据的功率谱，/>为深度Z+d位置超声回波数据的功率谱，/>为功率谱的对数差值，fc为接收的中心频率，/>为功率谱在中心频率附近预设范围内的均值，N为求功率谱均值采用的点数，d为深度差，/>为计算出的深度Z位置的衰减系数。
作为优选方案，步骤S6中，还同时显示基于步骤S1中所述超声回波数据获取的超声B模式图像。
相应地，还提供了一种基于声衰减特征的超声热消融监测系统，包括依次联接的超声扫查模块、波束合成模块、对数压缩模块、超声衰减模块、显示模块，其中超声衰减模块包括相联的衰减系数计算单元、衰减特征图像生成单元，且衰减系数计算单元与对数压缩模块联接，衰减特征图像生成单元与显示模块联接；
超声扫查模块，用于对选取热消融监测的感兴趣区域，进行超声扫查，以得到超声回波数据；
波束合成模块，用于对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；
对数压缩模块，用于基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；
衰减系数计算单元，用于基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；
衰减特征图像生成单元，用于基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；
显示模块，用于显示超声衰减特征图像。
本发明的有益效果是：
可以实现对热消融过程中热损伤区域的实时、高对比度、准确和清晰的监测。
可以支持超声传统B模式与超声衰减特征图像的同时显示，更好的帮助临床医生判断热损伤区域的情况。
超声衰减特征图像的计算依赖于超声回波数据，所以具有超声传统B模式一样的无损无辐射的优点。
不需要超声回波数据满足特定的分布模型，不需额外的模型训练和学习过程，实现简单，可直接应用于临床中。
只对ROI区域进行超声扫查，可以降低后续的计算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法的流程图；
图2是本发明所述一种基于声衰减特征的超声热消融监测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
参照图1，本实施例提供了一种基于声衰减特征的超声热消融监测方法，包括步骤：
S1、选取热消融监测的感兴趣区域，并对感兴趣区域进行超声扫查，以得到超声回波数据；
S2、对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；
S3、基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；
S4、基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；
S5、基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；
S6、显示超声衰减特征图像。
本实施例方案可以实现对热消融过程中热损伤区域的实时、高对比度、准确和清晰的监测。其次不需要超声回波数据满足特定的分布模型，不需额外的模型训练和学习过程，直接对ROI区域进行超声扫查，可以降低后续的计算量，实现简单、可直接应用于临床中。再次超声衰减特征图像的计算依赖于超声回波数据，所以具有超声传统B模式一样的无损无辐射的优点。
其中步骤S6中，还同时显示基于步骤S1中所述超声回波数据获取的超声B模式图像，因此本实施例方案可以支持超声传统B模式与超声衰减特征图像的同时显示，更好的帮助临床医生判断热损伤区域的情况。
具体地：
步骤S1中，具体为，通过超声探头对感兴趣区域（Region of interest，ROI）进行超声扫查，以得到超声回波数据，其中ROI区域的选择可以直接由用户进行输入，并且支持在成像过程中ROI区域的位置、大小随时可调。
步骤S1与步骤S2之间还包括步骤：对不同深度的超声回波数据进行不同的增益补偿。由于超声波在传播过程中会不断衰减，传播深度越深，衰减越大，所以需要对不同深度地方的超声回波信号进行不同的增益补偿，具体可以通过预先将增益曲线存储在存储器中，在使用时再进行读取的方式。
步骤S3中，包括步骤：
S3.1、对超声射频数据进行解调，以得到超声正交信号，即IQ数据，这里需要说明的是不同深度的解调频率可不同，同样可以在存储器中预先存储设置的不同深度的解调频率，在使用时再进行读取；
S3.2、求取超声正交信号的包络；
S3.3、对包络进行对数压缩，以得到对数压缩后的超声图像数据。
其中，步骤S3.2，包络的计算公式具体为：
，
其中，I表示超声正交信号的实部，Q表示超声正交信号的虚部，R表示求取的包络，j表示虚数单位，env为求取包络的函数。包络计算的函数env可以采用绝对值函数，则上述公式变为，也可以直接求取IQ数据的平方和作为包络。
步骤S3.3中，由于系统的动态范围是有限的，为了更好的处理和显示超声回波数据，需要对超声包络数据进行动态范围压缩，即对数压缩，计算公式具体为：
，
其中，Img为对数压缩后的超声图像数据，a为log函数的底数，一般设置为10，也可以采用其他非负整数。
步骤S4中，热消融过程中，感兴趣区域组织会发生凝固坏死，其对超声波的衰减会发生变化，通过对衰减系数的实时估计，可以实现对热损伤区域的监测。衰减系数可以通过不同深度超声回波功率谱的对数差值进行估计，计算公式具体为：
，
，
，
其中，为深度Z位置超声回波数据的功率谱，/>为深度Z+d位置超声回波数据的功率谱，/>为功率谱的对数差值，fc为接收的中心频率，/>为功率谱在中心频率附近预设范围内的均值，N为求功率谱均值采用的点数，N一般设置为2-8，d为深度差，为计算出的深度Z位置的衰减系数。
衰减系数的计算通过逐线逐点的次序进行，并基于不同深度位置处的衰减系数，最终得到整个感兴趣区域的超声衰减特征图像。
步骤S5与步骤S6之间还包括步骤：
将超声衰减特征图像的扫查坐标系，转换为显示坐标系，从超声探头接收的数据其坐标系为扫查坐标系，需要通过坐标转换将其转换为显示坐标系；
对转换坐标系后的超声衰减特征图像进行平滑滤波，以得到最终的超声衰减特征图像，平滑滤波包括时间平滑滤波、空间平滑滤波，时间平滑滤波可以采用FIR滤波或者IIR滤波，空间平滑滤波可以采用均值滤波、高斯平滑、频域滤波、非线性滤波等其他方式。
实施例二：
参照图2，本实施例,提供一种基于声衰减特征的超声热消融监测系统，包括依次联接的超声扫查模块、波束合成模块、对数压缩模块、超声衰减模块、显示模块，其中超声衰减模块包括相联的衰减系数计算单元、衰减特征图像生成单元，且衰减系数计算单元与对数压缩模块联接，衰减特征图像生成单元与显示模块联接；
超声扫查模块，用于对选取热消融监测的感兴趣区域，进行超声扫查，以得到超声回波数据；
波束合成模块，用于对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；
对数压缩模块，用于基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；
衰减系数计算单元，用于基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；
衰减特征图像生成单元，用于基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；
显示模块，用于显示超声衰减特征图像。
其中，超声扫查模块除了超声探头，还可以包括发射/接收电路、信号放大模块、模数转换器。其中超声探头可以是凸阵探头，也可以是线阵探头、相控阵探头或者其他特制探头，发射/接收电路用于控制超声探头的发射超波和接收超声回波，信号放大模块用于超声信号的放大，模数转换器用于将模拟超声信号转为数字信号。
显示模块可采用医学超声专用的显示器，也可以采用工作站电脑、手机等其他显示器，显示器的数量可以是一个也可以是多个。
需要说明的是，本实施例提供的一种基于声衰减特征的超声热消融监测系统，与实施例一类似，在此不多做赘述。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于声衰减特征的超声热消融监测系统，其特征在于，包括依次联接的超声扫查模块、波束合成模块、对数压缩模块、超声衰减模块、显示模块，其中超声衰减模块包括相联的衰减系数计算单元、衰减特征图像生成单元，且衰减系数计算单元与对数压缩模块联接，衰减特征图像生成单元与显示模块联接；
超声扫查模块，用于对选取热消融监测的感兴趣区域，进行超声扫查，以得到超声回波数据；
波束合成模块，用于对超声回波数据进行波束合成，以得到超声射频数据；
对数压缩模块，用于基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据；
衰减系数计算单元，用于基于超声图像数据，计算不同深度超声回波数据的功率谱的对数差值，进而得到不同深度位置处的衰减系数；
衰减特征图像生成单元，用于基于不同深度位置处的衰减系数，得到感兴趣区域的超声衰减特征图像；
显示模块，用于显示超声衰减特征图像；
其中，对数压缩模块中基于超声射频数据，计算得到对数压缩后的超声图像数据，包括步骤：
对超声射频数据进行解调，以得到超声正交信号；
求取超声正交信号的包络；
对包络进行对数压缩，以得到对数压缩后的超声图像数据；
其中，衰减系数计算单元中不同深度位置处的衰减系数，计算公式具体为：
，
，
，
其中，为深度Z位置超声回波数据的功率谱，/>为深度Z+d位置超声回波数据的功率谱，/>为功率谱的对数差值，fc为接收的中心频率，/>为功率谱在中心频率附近预设范围内的均值，N为求功率谱均值采用的点数，d为深度差，/>为计算出的深度Z位置的衰减系数。
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