CN116712100A - 一种旋转式内窥低帧频血流成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转式内窥低帧频血流成像方法，属于超声内窥成像领域，通过采集连续低帧频回波数据，通过对回波数据进行自动配准消除运动伪影；然后对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，形成多普勒二维血流图，满足介入超声诊断和手术中侧视血流成像的需求。
Description
技术领域
本发明涉及超声内窥成像领域，尤其是涉及旋转式内窥低帧频血流成像方法。
背景技术
内窥超声成像技术能对远离体表的器官如心脏、肠、胃等，从体内角度获取更清晰直观、更高分辨的图像。内窥超声成像技术又分机械旋转式单探头和多阵元电子探头，前者尺寸小(1-2mm外径)可进入更狭小的腔道如血管，后者体积更大阵元更多，能进行多种模式的成像，如彩色多普勒显像和脉冲多普勒频谱显示。但面对腔道狭小的应用场景如血管内超声和椎骨钉道骨内超声，只能采用机械旋转式内窥超声成像技术，利用机械驱动单侧视超声换能器沿轴心进行360度旋转以获取换能器所处横截面图像。
但机械旋转式单探头技术应用于经腔软组织成像时，医生能够根据图像评估腔道壁的结构，判断是否存在斑块或肿瘤。当确认到斑块或肿瘤后，则需要评估斑块/肿瘤的状态(动脉粥样硬化斑块的破裂风险与斑块内滋养血管相关，肿瘤的迅速扩大也与滋养血管丰富化相关)，因此现有的机械旋转式单探头超声成像只能确定异常存在，要想进一步确定异常的风险等级、制订治疗方案，则需要对斑块/肿瘤内的滋养血管进行成像。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种旋转式内窥低帧频血流成像方法，能够提取侧视视野内的血流信息，获得二维血流图像，提供更多信息用于诊断。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种旋转式内窥低帧频血流成像方法，包括以下步骤：
采集低帧频回波数据：探头进入腔道后旋转环扫，采集连续低帧频回波数据，每帧超声图像包含感兴趣区域；
消除伪影：对所述回波数据进行自动配准消除运动伪影；
形成多普勒二维血流图：对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，形成多普勒二维血流图。
进一步地，当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，所述旋转式内窥低帧频血流成像方法还包括慢时叠加步骤，所述慢时叠加步骤位于所述消除伪影步骤以及所述形成多普勒二维血流图步骤之间，所述慢时叠加步骤具体为：对回波数据在慢时方向加窗，在慢时维度上形成有一定重叠率的多个时间窗。
进一步地，当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，所述形成多普勒二维血流图步骤具体为：对每一时间窗的数据以分角度壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，将多帧血流信息叠加形成多普勒二维血流图。
进一步地，当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，采集连续低帧频回波数据时，采集图像数量大于800帧。
进一步地，所述消除伪影步骤具体包括：
对每一帧图像进行边缘检测，提取腔道壁的轮廓；
对每一帧轮廓进行特征点检测，提取轮廓上的关键点；
选择一帧图像作为基准帧，将其余帧的上述特征点与基准帧特征点一对一匹配，使其余帧上的每一特征点均与基准帧上相近位置的特征点形成对应关系；
由匹配的特征点对计算空间变换模型，使用所述空间变换模型对相应图像进行空间变换，将所有采集数据与所设置基准帧对齐，完成自动配准。
进一步地，其余帧的上述特征点与基准帧特征点一对一匹配时，匹配原则是局域最短距离匹配。
进一步地，匹配的特征点的数量为至少4对。
进一步地，以分角度复合壁滤波器进行滤波处理具体包括：
相邻角度数据复合；
奇异值分解；
特征值滤波；
各角度加权重构。
进一步地，在采集低帧频回波数据中，数据帧频为30帧/秒～100帧/秒。
相比现有技术，本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法通过采集连续低帧频回波数据，通过对回波数据进行自动配准消除运动伪影；然后对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，形成多普勒二维血流图，满足介入超声诊断和手术中侧视血流成像的需求。
附图说明
图1为本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于经腔道软组织成像的流程图；
图2为本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法的应用于骨内超声成像时的流程图；
图3为本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法消除伪影时的空间变换示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法的流程图，本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法，应用于经腔道软组织成像时，包括以下步骤：
采集低帧频回波数据：探头进入腔道后旋转环扫，采集连续低帧频回波数据，每帧超声图像包含感兴趣区域；
消除伪影：对所述回波数据进行自动配准消除运动伪影；
形成多普勒二维血流图：对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，形成多普勒二维血流图。
具体的，采集低帧频回波数据步骤中，探头进入腔道后在发射-接收超声的同时由直流电机控制实现连续360°环扫，采集连续低帧频(帧频低于100帧/秒)回波数据。具体的，在本实施例中，数据帧频为30帧/秒～100帧/秒。
消除伪影步骤使低帧频系统采集数据的对齐，目的是消除前后帧图像间的相对位移。具体的，消除伪影步骤具体为：
对每一帧图像进行边缘检测，提取腔道壁的轮廓。因为腔道壁均有强反射特性，腔道壁轮廓包含足够的位置信息用于后续特征提取，因此边缘检测可以减少计算量，大大提高后续配准的效率。
对每一帧轮廓进行特征点检测，提取轮廓上的关键点，如角点和边缘点。
特征匹配，选择一帧图像作为基准帧，将其余帧的上述特征点与基准帧特征点一对一匹配，即其余帧上的每一特征点均与基准帧上同一位置(或相近位置)的特征点形成对应关系，匹配原则是局域最短距离匹配，且保证匹配出至少4对特征点对。
Pm,iPn,i＝min(Pm,iPn,1,Pm,iPn,2,…,Pm,iPn,K),其中，n＝1,2,…N，
i＝1,2,…K，Pn,i表示第n帧上的第i个特征点，Pm,i表示第m帧为基准帧，基准帧上的第i个特征点，共有N帧数据，每帧检测出K个特征点(K≥4)。
如图3所示，由匹配特征点对计算空间变换模型，使用该模型对相应图像进行空间变换，将所有采集数据与所设置基准帧对齐，完成自动配准。
Pm,i＝Hm,n*Pn,i,i＝1,2,…K，Hm,n是空间变换模型
I′n＝Hm,n*In,In是待校正的第n帧数据(采集数据)，I′n是经过空间变换后(与基准帧Im对齐)的第n帧数据。
在形成多普勒二维血流图步骤中，对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理具体为：相邻角度数据复合，SVD(奇异值)分解，特征值滤波，各角度加权重构。将具有空间高相关性和时间低频率的特征信号滤除，实现高效的壁滤波。相较普通壁滤波(对单个角度数据直接慢时滤波)速度更快，对杂波的抑制效果也更好(该滤波方法能利用相邻角度数据间的空间相关性，比传统的高通滤波效果好)。
本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法也能够应用于椎骨钉道骨内超声成像。多种脊柱疾病需采用脊柱融合固定手术进行治疗，此类手术中椎弓根螺钉被广泛应用。在临床实践中螺钉错位容易引起并发症，为了降低错位风险，临床上采用了多种导航技术，以提高螺钉放置的准确率。临床上常用的方法有C-arm、C导航、3DX光透视检查等，但这些技术存在辐射高、兼容性低、成本高等缺点，不适用于术中实时评估。而超声具有实时性强、应用范围广、操作性强、成本低、无辐射等优点，是未来脊柱固定手术导航的一种更有前景的选择。在颈椎部位椎弓根钉道创建过程中，由于椎弓根部位尺寸狭小，钉道偏离率相对较高，为防止钉道偏离直接穿破椎动脉，需要对骨壁外侧椎动脉进行成像。超声需穿过骨组织对椎动脉成像，为提高穿透性，超声换能器中心频率不能太高，范围在1MHz～10MHz较为合适。
当旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于椎骨钉道骨内超声成像时，旋转式内窥低帧频血流成像方法如图2所示，在采集低帧频回波数据步骤中，采集的图像帧数大于应用于经腔道软组织成像，以便于后续多帧叠加的方式增强功率多普勒信号，以补偿超声穿过骨组织的衰减，在骨壁足够薄的条件下可以快速检测椎动脉血流，以达到在手术操作过程中预警的目的。
当旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于椎骨钉道骨内超声成像时，旋转式内窥低帧频血流成像方法还包括慢时叠加步骤，慢时叠加步骤位于消除伪影步骤以及形成多普勒二维血流图步骤之间，慢时叠加步骤具体为：对回波数据在慢时方向加窗，在慢时维度上形成有一定重叠率的多个时间窗。
形成多普勒二维血流图步骤具体为：对每一时间窗的数据以分角度壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，将多帧血流信息叠加形成多普勒二维血流图。
本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法在普通B模式图像上增加多普勒模式，对横截面成像区域内的血流进行检测，应用于经腔道软组织成像可有效识别斑块或肿瘤内部新生滋养血管，用于斑块/肿瘤风险评级，对后续控制病情、制订治疗方案有重要意义。本发明旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于椎骨置钉导航可检测到骨壁外侧的血流，可实现血管实时检测，能有效减少椎动脉破损概率，并且减少容纳椎动脉的骨通道被穿破概率，后者保证了骨通道完整性，有利于患者术后恢复。此外，骨壁未破损就可避免骨愈合时的增生对椎动脉形成压迫，因此降低了二次手术发生的可能性；采用的直流电机旋转控制方式，相对步进电机大大提高了血流图像的成像速度，可进行实时侧视血管成像。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集低帧频回波数据：探头进入腔道后旋转环扫，采集连续低帧频回波数据，每帧超声图像包含感兴趣区域；
消除伪影：对所述回波数据进行自动配准消除运动伪影；
形成多普勒二维血流图：对回波数据以分角度复合壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，形成多普勒二维血流图。
2.根据权利要求1所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，所述旋转式内窥低帧频血流成像方法还包括慢时叠加步骤，所述慢时叠加步骤位于所述消除伪影步骤以及所述形成多普勒二维血流图步骤之间，所述慢时叠加步骤具体为：对回波数据在慢时方向加窗，在慢时维度上形成有一定重叠率的多个时间窗。
3.根据权利要求2所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，所述形成多普勒二维血流图步骤具体为：对每一时间窗的数据以分角度壁滤波器进行滤波处理，对滤波处理后的数据进行功率多普勒处理提取血流信息，将多帧血流信息叠加形成多普勒二维血流图。
4.根据权利要求2所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：当所述旋转式内窥低帧频血流成像方法应用于骨内超声成像时，采集连续低帧频回波数据时，采集图像数量大于800帧。
5.根据权利要求1所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：所述消除伪影步骤具体包括：
对每一帧图像进行边缘检测，提取腔道壁的轮廓；
对每一帧轮廓进行特征点检测，提取轮廓上的关键点；
选择一帧图像作为基准帧，将其余帧的上述特征点与基准帧特征点一对一匹配，使其余帧上的每一特征点均与基准帧上相近位置的特征点形成对应关系；
由匹配的特征点对计算空间变换模型，使用所述空间变换模型对相应图像进行空间变换，将所有采集数据与所设置基准帧对齐，完成自动配准。
6.根据权利要求5所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：其余帧的上述特征点与基准帧特征点一对一匹配时，匹配原则是局域最短距离匹配。
7.根据权利要求5所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：匹配的特征点的数量为至少4对。
8.根据权利要求1所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：以分角度复合壁滤波器进行滤波处理具体包括：
相邻角度数据复合；
奇异值分解；
特征值滤波；
各角度加权重构。
9.根据权利要求1所述的旋转式内窥低帧频血流成像方法，其特征在于：在采集低帧频回波数据中，数据帧频为30帧/秒～100帧/秒。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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