CN114515169B - 一种超声心肌组织多参数成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声心肌组织多参数成像方法及系统，采用多个呈上升和下降、交替发射的大声域发散波于心肌组织，获得多组原始通道数据，采用快速波束合成方法进行波束合成，得到多个波束合成后的射频数据，根据射频数据进行成像参数重构获得心肌组织多参量图像，改善了组织在迅速变形时，大角度引起的旁瓣伪影和相位延迟干扰相干复合，消除了旋转产生的相位延迟，保留组织运动产生的相位延迟，交替序列和自相关积联合，改善了心脏图像的对比度和分辨率；获得了高达20个参量的高帧率、大声域超声心肌组织速度、位移、瞬时应变、累积应变图像。

Description

一种超声心肌组织多参数成像方法及系统

技术领域

本发明属于超声成像领域，涉及高帧率发散波相干复合心脏超声心肌多参数弹性成像技术，具体涉及一种超声心肌组织多参数成像方法及系统。

背景技术

超声作为医学影像学中帧率最高的一种成像方式，具有实时性、无辐射、床边检测等优势，常作为心脏结构与功能成像的手段。心脏的高帧率成像对于心脏检测有着重要的意义，然而心脏处在快速运动中(静息态心率约60bpm，压力状态120bpm以上)难以被传统成像方式良好表征。

传统超声心动图存在帧率与声域相互制约的矛盾。传统超声心动图采用聚焦波逐线扫描的方式进行成像，但为了应对心脏的快速搏动，需要缩小声域，仅可对全部或部分左心室进行成像，这时帧率可达到70Hz左右。近年为了克服上述矛盾，采用了多波束扫描和小扇区拼接的方法获得较大声域的心超图像，而帧率也可提高至100Hz左右。但依然无法应对因低帧率和心脏快速搏动导致的去相关噪声对心肌组织参数(如速度、应变等)计算与成像，存在较大的干扰和误差。为了克服传统方式的不足，需要高帧率、大声域的超声心动成像技术。

近年提出的超快平面波技术为上述难题和临床需求带来希望，理论上平面波成像可以达到5000Hz以上的帧率，足以应对心脏的快速搏动(一般为60bpm)。但因平面波是无焦点和低声压发射，获得通道数据信噪比极低，为此，法国Tanter小组提出了多角度相干复合技术，以牺牲一定的帧率获得与聚焦波成像质量相当的高帧率平面波成像。但心脏因肋骨遮挡，需采用相控阵发射发散波实现上述多角度相干复合高帧率成像；此时存在着因发散波大倾角与心脏快速运动导致的相位延迟，这在相干复合时同一相位的散射点无法对齐，造成相移干扰，特别是大声域(如四腔室心脏全景成像)两侧极低声压区旁瓣干扰极大，使得心肌大声域成像质量不理想，对心肌组织参数(如速度、应变等)计算与成像，存在较大的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声心肌组织多参数成像方法及系统，以克服上述在心脏快速搏动状态下超声成像难以在帧率和声域之间取舍、成像质量不理想、心肌组织参数干扰较大的难题，更好地分析心肌运动。

一种高帧率、大声域超声心肌组织多参数成像方法，包括以下步骤：

1)相控阵阵列探头发射一组M个(M为偶数，如M＝32)且倾角分别呈上升和下降两支、交替发射的大声域发散波。

2)获得相对应的M组原始通道数据Ri(i＝1,2,…,N)，依据快速波束合成方法进行波束合成，得到M个波束合成后的射频数据Sj(j＝1,2,…,M)。

3)根据倾角处于上升支与下降支的M个射频数据S_j计算两支之间的自相关角乘积，由此获得相应倾角之间因心肌快速运动和大倾角、大声域发射导致的相移角度，并在对M个倾角的射频数据进行相干复合的同时利用该相移角度进行相位补偿。

4)根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度，产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，由此对心动周期的每一时刻的心肌进行分割计算获得心肌掩模。获得该心肌掩模内的多普勒速度分布。

5)根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据且利用上一步骤的心肌掩模约束心肌运动估计，获得心肌的瞬时横向和纵向位移并进行心肌应变估计，获得相应的心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变。

6)根据上述多个瞬时应变参量，在不同的坐标系下重建获得心肌的瞬时径向应变、周向应变，以及瞬时主成分应变。同时，在心动周期内对相应参量进行累积，获得相应的累积径向应变、累积周向应变、累积主成分应变。

7)对上述心肌组织参量分布，包括心肌速度、位移、瞬时应变，以及心动周期内的累积应变进行彩色编码成像，一次性可重构获得高帧率、大声域超声心肌组织多参量图像。

优选的，所述步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)超声相控阵列探头发射M个角宽为β的大声域呈发散状的平面波序列，即为发散波序列。

1.2)该发散波序列发射以垂直发射为0°，虚拟点左右倾斜，呈-θ至+θ倾角变化。

1.3)该发散波序列的发射的倾角变化分上升支和下降支两组。

1.4)处在上升支的1至M/2个序列的倾角由-θ按均匀或非均匀步长γ增长至+θ-γ。

1.5)紧接着下降支的M/2+1至M个序列的倾角由+θ按均匀或非均匀步长γ减少至-θ+γ。

优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)按步骤2)所述M个且倾角分别呈上升和下降两支、交替发射的大声域发散波发射序列获得相对应的M组原始通道数据R_i(i＝1,2,…,N)。其中N为超声探头的通道个数。

2.2)依据快速波束合成方法进行波束合成，得到M个波束合成后的射频数据S_j(j＝1,2,…,M)。利用延迟叠加方法的快速波束合成由以下公式表示：

其中，w_i表示权重，Δ_i是单元输出的延时。

优选的，所述步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)由处于上升支的发散波回波序列经波束合成得到的射频数据S_j(j＝1,2,…,M/2)进行自相关计算，得到上升支的自相关射频数据

其计算公式为：

其中s_m是在(θ,γ)处的第m个射频数据。

3.2)由处于下降支的发散波回波序列经波束合成得到的射频数据S_j(j＝M/2+1,M/2+2,…,M)进行自相关计算，得到下降支的自相关射频数据

其计算公式为：

3.3)根据相移角度

对帧间位移和相位旋转进行调整，得到M个射频数据S_j(j＝1,2,…,M)的相干复合射频数据/>

所述自相关积产生的相位延迟角度由以下方程给出：

所述相干复合射频数据由以下方程计算：

优选的，所述步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度，由以下方程给出：

4.2)由该多普勒速度分布产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，大于该阈值的速度分布数据设为1，否则为零，由此实现心动周期的每帧的心肌的全自动分割计算，获得心动周期内的每帧的心肌掩模。

4.3)以每一帧的心肌掩模点乘相应帧的心脏多普勒速度分布，获得心肌多普勒速度分布矩阵。

优选的，所述步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据且利用权利要求书5得到的心肌掩模约束心肌运动估计，获得心肌的瞬时横向和纵向位移；

5.2)利用二维应变估计器进行心肌应变估计，获得相应的瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变。

优选的，所述步骤6)具体包括以下步骤：

6.1)根据瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，确定目标区几何中心，在极坐标系下重建获得以该几何中心为极坐标原点的瞬时径向应变和瞬时周向应变。

6.2)根据瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，进行主成分分析，获得主成分坐标系下的瞬时最大主成分应变、瞬时最小主成分应变，以及最大与最小主成分夹角分布。

6.3)依据上述瞬时应变，在心动周期内进行累积，获得相应的累积径向应变、累积周向应变、累积最大主成分应变、累积最小主成分应变。

优选的，所述步骤7)具体包括以下步骤：

7.1)以每帧心肌掩模中零点为参考位置，替换心肌速度、横向位移、纵向位移分布对应位置为空值，之后对非空值区域进行彩色编码，获得高帧率、大声域超声心肌组织速度、横向位移、纵向位移图像。

7.2)以每帧心肌掩模中零点为参考位置，替换瞬时横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分应变的瞬时应变以及主成分夹角的辅助参量对应位置为空值，之后对非空值区域进行彩色编码，获得高帧率、大声域超声心肌横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分的瞬时应变图像和主成分夹角的辅助参量图像。

7.3)以每帧心肌掩模中零点为参考位置，替换心动周期内的累积横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分应变的累积应变对应位置为空值，之后对非空值区域进行彩色编码，获得高帧率、大声域超声心肌横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分的累积应变图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种超声心肌组织多参数成像方法，采用多个呈上升和下降、交替发射的大声域发散波于心肌组织，获得多组原始通道数据，采用快速波束合成方法进行波束合成，得到多个波束合成后的射频数据，根据射频数据进行成像参数重构获得心肌组织多参量图像，克服传统超声心动图的心脏快速搏动状态下超声成像难以在帧率和声域之间取舍、成像质量不理想、心肌组织参数干扰较大的难题，改善了组织在迅速变形时，大角度引起的旁瓣伪影和相位延迟干扰相干复合，消除了旋转产生的相位延迟，保留组织运动产生的相位延迟，交替序列和自相关积联合，改善了心脏图像的对比度和分辨率；获得了高达20个参量的高帧率、大声域超声心肌组织速度、位移、瞬时应变、累积应变图像。

利用两个自相关的角乘积估计运动引起的传输相位延迟，对应组织运动的相位延迟，利用这些相位延迟对波束形成的数据进行相位重构，得到运动补偿的应力作用下高对比度和分辨率的高帧率相干复合发散超声心动图，可以适用于更精确、更稳定、更鲁棒的应变估计器。

附图说明

图1为本发明实施例中整体流程框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提出一种超声心肌组织多参数成像方法，包括交替发射序列大声域发散波的产生与接收，自相关角乘积的计算，调整帧间位移和相位旋转，多应变参量计算的多参量成像；在心脏超声成像时一种高帧率、大声域超声心肌组织多参数成像方法对成像实现高时空分辨率、对比度、运动估计精度以及获得多种参数，成像方法的核心在于具有多个倾角的上升下降交替传输序列耦合信号单时延慢时自相关的运动相移补偿。

为此，本发明使用一种包括上升和下降阶段的交替发散波序列，采集M个相干的原始通道数据Ri，对其进行延时叠加的波束合成获得波束合成后的数据Sj，顺着M个射频数据计算上升支与下降支的自相关，对于给定长度M，沿着时间轴计算了两个自相关，分别对应于发散波序列的上升和下降阶段，利用两个自相关的角乘积估计运动引起的传输相位延迟，对应组织运动的相位延迟，利用这些相位延迟对波束形成的数据进行相位重构，得到运动补偿的应力作用下高对比度和分辨率的高帧率相干复合发散超声心动图；在得到的心肌运动成像图中进行位移估计方法和应变估计方法，进行多参数心肌成像。

上述一种超声心肌组织多参数成像方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)发射一组M个(M为偶数，如M＝32)倾角分别呈上升和下降两支、交替发射的大声域呈发散状的平面波序列，接收到原始通道数据后进行快速波束合成。

(2)依据得到的波束合成射频数据，分别计算上升支和下降支的射频数据自相关

然后计算两两之间的自相关角乘积。上升支和下降支的自相关射频数据分别由以下公式表示：

其中，s_m是在(θ,γ)处的第m个射频数据。共有j组经波束合成得到的射频数据，由上升支(j＝1,2,…,M/2)与下降支(j＝M/2+1,M/2+2,…,M)组成。

自相关角乘积产生的相位延迟角

根据以下公式计算：

由此相移角度对帧间位移和相位旋转进行调整，获得M个射频数据S_j(j＝1,2…M)的相干复合射频数据

(3)计算单时刻相干复合数据的多普勒速度并生成分布阈值矩阵，对心肌进行分割计算获得心肌掩膜，由此约束相移补偿后的高帧率相干复合心肌运动射频数据，获得心肌瞬时位移；然后利用二维应变估计器进行心肌应变估计，得到横向应变、纵向应变、剪切波方向应变。

多普勒速度由以下方程给出：

(4)根据上一步骤得到的应变参量，在极坐标系下重建获得瞬时径向应变和瞬时周向应变；在主成分坐标系下获得瞬时最大、最小主成分应变，以及最大和最小主成分夹角分布；根据瞬时参量计算累积径向应变、累积周向应变，以及累积最大、最小主成分应变。

(5)对上一步骤产生的心肌组织参量分布进行彩色编码成像。重构获得高帧率、大声域超声心肌组织速度、横向位移、纵向位移图像；获得横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分的瞬时应变图像和主成分夹角的辅助参量图像；获得横向应变、纵向应变、剪切方向应变、径向应变、周向应变、最大主成分应变、最小主成分累积应变图像。

一种超声心肌组织多参数成像系统，包括数据发射采集模块、预处理模块和成像模块；

数据发射采集模块，用于采用多个呈上升和下降、交替发射的大声域发散波于心肌组织，获得多组原始通道数据，采用快速波束合成方法进行波束合成，得到多个波束合成后的射频数据；

预处理模块，用于根据倾角处于上升与下降的多个射频数据计算两支射频数据之间的自相关角乘积，获得相应倾角之间因心肌快速运动和大倾角、大声域发射导致的相移角度，再对多个倾角的射频数据进行相干复合的同时利用该相移角度进行相位补偿；根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度，产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，对心动周期的每一时刻的心肌进行分割计算获得心肌掩模；根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据与心肌掩模，计算心肌的瞬时横向和纵向位移并进行心肌应变估计，获得相应的心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变；根据心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，在不同的坐标系下重建获得心肌的瞬时径向应变、周向应变，以及瞬时主成分应变；

成像模块用于根据预处理模块处理得到的参数进行彩色编码成像可重构获得心肌组织多参量图像。

本发明一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器采用中央处理单元(CPU)，或者采用其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可用于超声心肌组织多参数成像方法的操作。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体采用计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机可读存储介质包括终端设备中的内置存储介质，提供存储空间，存储了终端的操作系统，也可包括终端设备所支持的扩展存储介质。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中可用于超声心肌组织多参数成像方法的相应步骤。

本发明具有以下优点：

1、克服传统超声心动图难以在组织快速运动、变形状态下在帧率和声域之间取舍的制约，克服大角度引起的旁瓣伪影和相位延迟干扰相干复合，改善了心超图像的对比度和分辨率。

2、一次性重构具有20个参量的高帧率、大声域超声心肌组织参量成像，为心脏的运动组织的超声检测提供了多角度表征的可靠判据。

3、一种高帧率、大声域超声心肌组织多参数成像方法，可以适用于更精确、更稳定、更鲁棒的应变估计器，提高心脏参数检测精度。

本发明一种超声心肌组织多参数成像方法，首先使用具备倾角呈上升和下降两支的大声域发散波序列获取多个相位相干的接收回波，并进行波束合成，然后通过不同倾角的自相关角乘积对得到的波束合成信号进行相移旋转和补偿，得到高帧率相干复合心肌射频数据，降低旁瓣和相移干扰，进而提供估计心肌运动位移和应变估计的框架，获得包括瞬时、累积应变参量的高帧率、大声域、多参数的心超图像。

Claims (10)

1.一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用多个呈上升和下降、交替发射的大声域发散波于心肌组织，获得多组原始通道数据，采用快速波束合成方法进行波束合成，得到多个波束合成后的射频数据；

S2，根据倾角处于上升支与下降支的多个射频数据计算两支射频数据之间的自相关角乘积，获得相应倾角之间因心肌快速运动和大倾角、大声域发射导致的相移角度，再对多个倾角的射频数据进行相干复合的同时利用该相移角度进行相位补偿；

S3，根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度，产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，对心动周期的每一时刻的心肌进行分割计算获得心肌掩模；

S4，根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据与心肌掩模，计算心肌的瞬时横向和纵向位移并进行心肌应变估计，获得相应的心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变；

S5，根据心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，在不同的坐标系下重建获得心肌的瞬时径向应变、周向应变，以及瞬时主成分应变；

S6，根据上述得到参数进行彩色编码成像可重构获得心肌组织多参量图像。

2.根据权利要求1所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，采用相控阵阵列探头发射一组多个倾角分别呈上升和下降两支、交替发射的大声域发散波。

3.根据权利要求2所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，相控阵阵列探头发射的多个角宽为β的大声域呈发散状的平面波序列。

4.根据权利要求1所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，由处于上升支的发散波回波序列经波束合成得到的射频数据S_j(j＝1,2,…,M/2)进行自相关计算，得到上升支的自相关射频数据

由处于下降支的发散波回波序列经波束合成得到的射频数据S_j(j＝M/2+1,M/2+2,…,M)进行自相关计算，得到下降支的自相关射频数据

根据相移角度

对帧间位移和相位旋转进行调整，得到M个射频数据S_j(j＝1,2,…,M)的相干复合射频数据/>

5.根据权利要求1所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度；

由该多普勒速度分布产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，大于该阈值的速度分布数据设为1，否则为零，获得心动周期内每帧的心肌掩膜；

以每一帧的心肌掩模点乘相应帧的心脏多普勒速度分布，获得心肌多普勒速度分布矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据及心肌掩模约束心肌运动估计，获得心肌的瞬时横向和纵向位移；利用二维应变估计器进行心肌应变估计，获得相应的瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变。

7.根据权利要求6所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，根据瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，确定目标区几何中心，在极坐标系下重建获得以该几何中心为极坐标原点的瞬时径向应变和瞬时周向应变。

8.根据权利要求7所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，根据瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，进行主成分分析，获得主成分坐标系下的瞬时最大主成分应变、瞬时最小主成分应变，以及最大与最小主成分夹角分布。

9.根据权利要求8所述的一种超声心肌组织多参数成像方法，其特征在于，在心动周期内进行累积，获得相应的累积径向应变、累积周向应变、累积最大主成分应变、累积最小主成分应变。

10.一种超声心肌组织多参数成像系统，其特征在于，包括数据发射采集模块、预处理模块和成像模块；

数据发射采集模块，用于采用多个呈上升和下降、交替发射的大声域发散波于心肌组织，获得多组原始通道数据，采用快速波束合成方法进行波束合成，得到多个波束合成后的射频数据；

预处理模块，用于根据倾角处于上升与下降的多个射频数据计算两支射频数据之间的自相关角乘积，获得相应倾角之间因心肌快速运动和大倾角、大声域发射导致的相移角度，再对多个倾角的射频数据进行相干复合的同时利用该相移角度进行相位补偿；根据相移补偿角计算每一个相干复合射频数据的多普勒速度，产生该时刻的多普勒速度分布阈值矩阵，对心动周期的每一时刻的心肌进行分割计算获得心肌掩模；根据相移补偿后的高帧率相干复合心肌射频数据与心肌掩模，计算心肌的瞬时横向和纵向位移并进行心肌应变估计，获得相应的心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变；根据心肌瞬时横向应变、纵向应变、以及剪切方向应变，在不同的坐标系下重建获得心肌的瞬时径向应变、周向应变，以及瞬时主成分应变；

成像模块用于根据预处理模块处理得到的参数进行彩色编码成像可重构获得心肌组织多参量图像。

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