CN116763358A - 基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，利用有限振幅超声信号对存在微观力学性能变化的介质或早期病症的生物组织进行辐射，得到携带介质性质的畸变的非线性超声信号，对其进行处理，得到相对线性信号的相移，利用相移计算得到介质的非线性系数；然后通过对目标的围绕扫描，采用变换Radon原理对目标内的非线性系数进行断层计算，从而获得介质非线性系数的高区分度非线性超声二维断层扫描影像。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声影像方法，特别是一种基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法。
背景技术
存在微观力学性能变化的介质以及一些病变生物组织，特别是早期病变组织，由于其声阻抗与正常组织相当，常规超声影像不能获得良好的区分度。
非线性超声介于功率超声及线性超声之间，产生非线性现象且又不过于强烈，有较好的理论可以参考。非线性超声信号在介质中传播时会产生畸变，即其相位发生偏移，信号处理后也能发现高次谐波滋生的特征。而介质的声非线性系数与材料的高阶弹性参量相关，适合用来反映介质内部特别是生物组织内的微小力学性能变化，比如，病变生物组织的非线性弹性参量变化比线性参量的变化高6倍，利用非线性超声对生物组织进行成像，更有利于发现和评估早期病变，大大提高了成像区分度。利用非线性引起的谐波进行成像，还能提升图像的分辨率。
但是，传统测量非线性系数是通过比较二次谐波与基频信号的幅度得到的，所依据的二阶摄动公式只适合于小自变量如近距离传播、低激励水平等，适用范围较窄；提取基频信号和二次谐波的幅度时还需要考虑硬件比如滤波器的频率响应及近场效应，引入了新的干扰因素；同时，二次谐波只是非线性性质的局部特性，更多有价值的非线性特征在处理过程中被抛弃了，造成了信号利用率的浪费；上述原因造成二次谐波法提取非线性系数的可靠性低、效率差。
本申请人研究发现，采用相移这个更全面的非线性特征测量非线性系数，可以在更远距离、更高激励情况下适用，提高了可靠性和处理效率。
将介质的非线性系数离散化，结合相移公式和Radon变换，可以得到介质非线性系数的二维断层扫描影像，由于非线性系数的高区分度性质，最终提高了病变组织的高区分度性质，有利于发现常规超声不易发现的低区分度的早期病变组织。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法。本发明的方法具有适用范围广、信号特征明显且信号处理更容易、结果更可靠的特点。
本发明的技术方案：一种基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，利用有限振幅超声信号对存在微观力学性能变化的介质，得到携带介质非线性性质的畸变的非线性超声信号，对其进行处理，得到非线性信号的相位；同时，利用非线性信号局部位置相位不变的原理模拟线性信号的相位，做差得到非线性信号相对线性信号的相移，利用相移计算得到介质的非线性系数；利用超声阵列对检测目标进行围绕扫描，得到相移沿特定路径的相移二维矩阵，通过公式变化为非线性系数沿特定路径的积分的二维矩阵，最后采用Radon变换获得具有高区分度的介质非线性系数的非线性超声二维断层扫描影像。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，所述方法包括如下步骤：
1)在存在微观力学性能变化的介质的周围安装超声探头阵列围绕目标进行机械旋转或电子旋转依次辐射有限振幅超声信号；对应的超声探头阵列接收非线性信号并传至计算机中记录；
2)根据步骤1)记录的信号，对其进行Hilbert变换，得到信号的相位；同时，根据记录非线性信号的相位-时间关系，并依据非线性信号振幅为零的位置相位不变的原理模拟线性信号的相位，并做差得到非线性超声信号的相移；
3)利用非线性超声信号的相移沿某一条直线的累积与非线性系数的空间分布关系：结合Radon变换对记录的所有扫描数据进行计算，从而获得介质非线性系数的二维断层扫描影像；其中，β,ρ0,c0,/>ω,dx,dy,p0依次为介质的非线性系数、介质密度、介质声速、相移、激励信号角频率、二维传播路径距离和激励声压，x,y为空间坐标，l为某超声传播路径或积分路径，θ为原点到传播路径与x轴的夹角，δ为冲激函数。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，所述有限振幅超声信号为至少10周正弦信号，且采用平均值模式平均8次以上以减小噪声对相位提取的影响。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，所述存在微观力学性能变化的介质为固体介质时，产生有限振幅超声信号的超声探头阵列粘贴于固体介质上，采用电子旋转依次激励超声探头，并由其余探头接收。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，所述存在微观力学性能变化的介质为凝聚体介质或为早期病症的生物组织时，超声探头阵列通过固定装置环绕目标介质，利用流体，如脱气水作为耦合介质以提高辐射的超声能量，脱气水可减小水中微泡对测量介质非线性性质的影响。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，所述流体包括但不限于脱气水。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，对步骤2)所述信号进行处理时，还包括但不限于Fourier变换和小波变换方法，从而获得所述信号的相位。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，步骤2)所述根据记录信号的相位-时间关系计算线性信号的相位，是利用非线性信号的零幅度信号不畸变，即相位不偏移的特征，即零幅度信号处的相位为与线性相位一致，得到线性信号的相位-时间关系，再做差得到非线性信号的相移。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，步骤3)所述计算，选择相移在0.2-0.65之间的信号进行计算；因为：相移在较小时，噪声信号会影响得到相移的精度；同时相移在较大时，由于非线性声波信号畸变严重，Hilbert变换在获取信号相位时有较大难度甚至出现错误。
前述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，步骤4)所述Radon变换，为计算机断层成像的投影变换方法，通过将介质的非线性系数离散化，得到不同路径下的超声信号的一系列相移，结合相移公式和Radon变换，获得非线性系数的二维断层扫描影像。
本发明的有益效果
目前最常用的非线性系数估计方法是基于二次谐波的摄动解，而利用本发明的有限振幅信号的相位偏移(相移)对非线性系数进行估计，其比二次谐波方法有以下益处：
1、二次谐波只是有限振幅信号非线性性质的局部特征，相位却能呈现更全面的非线性特征，使得信号的非线性特征利用得更加充分。
2、二次谐波解是摄动近似解，根据数学理论，它只在小自变量时，即短距离、小非线性系数、低激励水平条件下成立，而相移的适用范围则要更宽泛。
3、利用相移方法估计非线性系数避免了二次谐波的提取过程，也避免了滤波器的使用，同时还规避了相关仪器设备如滤波器频率响应对测量结果的影响，信号处理过程更加简单，结果更可靠。
4、本发明方法简单，相移与距离成正比，为后期的Radon变换进行计算机二维断层扫描影像提供了可行性。
由于早期病变组织的声阻抗变化小，常规超声无法形成高区分度的影像，但由于与非线性系数相关的高阶弹性参量的变化相对线性弹性参量高6倍，对非线性系数成像能大大提高成像的区分度；同时，利用Radon变换，可以实现生物组织的计算机二维断层扫描成像，有利于早期病变组织的诊断尽早发现。
附图说明
图1为假设的鸡蛋在水中的数据模型，最外围的介质是水；椭圆内是蛋清和蛋黄。
图2为利用非线性超声对水中鸡蛋进行超声180°扫描后的相移数据矩阵图。
图3为利用Radon变换对图2中相移数据处理后的鸡蛋二维断层扫描成像结果，即鸡蛋非线性系数的空间分布结果。
图4为假设的出现病变的人体肝脏的数据模型。
图5为利用非线性超声对人体肝脏进行超声180°扫描后的相移数据。
图6为利用Radon变换对图5中相移数据处理后的人体肾脏二维断层扫描成像结果，即人体肝脏非线性系数的空间分布结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1
1)利用计算软件模拟如图1所示的鸡蛋的数据模型，其中，为了保持各介质的声阻抗一致，密度全设为1.00g/cm3，声速1500m/s，水的非线性系数设为5，将蛋清非线性系数参数设为5.25，蛋黄非线性系数参数设为5.5；信号激励频率5MHz。在鸡蛋的周围安装超声探头阵列围绕鸡蛋进行机械旋转或电子旋转依次辐射10周正弦超声信号；对应的超声探头阵列接收非线性信号并记录；
2)根据步骤1)记录的信号，对其进行Hilbert变换，得到信号的相位矩阵，并根据记录信号的相位-时间关系计算线性信号的相位，做差得到记录非线性超声信号的相移矩阵，如图2所示；
3)选择相移在0.2-0.65之间的相移信号，并利用非线性超声信号的相移沿某一条直线的累积与非线性系数的空间分布关系：结合Radon变换对记录的所有扫描数据进行计算，从而获得介质非线性系数的二维断层扫描影像，如图3所示，其中，β,ρ0,c0,/>ω,d,p0依次为介质的非线性系数、介质密度、介质声速、相移、激励信号角频率、传播距离和激励声压，x,y为空间坐标，l为某超声传播路径或积分路径，θ为原点到传播路径与x轴的夹角，δ为冲激函数。
实施例2
1)利用计算软件模拟如图4所示的肝脏的数据模型，周围水的密度为1.00g/cm3，声速1500m/s，非线性系数设为5；肝脏的参考参数为：密度1.05g/cm3，声速1588m/s，正常肝脏的非线性系数7.2，病变肝脏部分的非线性系数7.5；信号激励频率5MHz。在肝脏的周围安装超声探头阵列围绕肝脏进行机械旋转或电子旋转依次辐射10周正弦超声信号；对应的超声探头阵列接收非线性信号并记录；
2)根据步骤1)记录的信号，对其进行Hilbert变换，得到信号的相位矩阵，并根据记录信号的相位-时间关系计算线性信号的相位，做差得到记录非线性超声信号的相移矩阵，如图5所示；
3)选择相移在0.2-0.65之间的相移信号，并利用非线性超声信号的相移沿某一条直线的累积与非线性系数的空间分布关系：结合Radon变换对记录的所有扫描数据进行计算，从而获得介质非线性系数的二维断层扫描影像，如图6所示，其中，β,ρ0,c0,/>ω,d,p0依次为介质的非线性系数、介质密度、介质声速、相移、激励信号角频率、传播距离和激励声压，x,y为空间坐标，l为某超声传播路径或积分路径，θ为原点到传播路径与x轴的夹角，δ为冲激函数。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：利用有限振幅超声信号对存在微观力学性能变化的介质，得到携带介质性质的畸变的非线性超声信号，对其进行处理，得到非线性信号的相位；同时，利用非线性信号局部位置相位不变的原理模拟线性信号的相位，做差得到非线性信号相对线性信号的相移，利用相移计算得到介质的非线性系数；利用超声阵列对检测目标进行围绕扫描，得到相移沿特定路径的二维矩阵，通过公式变化为非线性系数沿特定路径的积分的矩阵，最后采用Radon变换获得具有高区分度的介质非线性系数的非线性超声二维断层扫描影像。
2.根据权利要求1所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在存在微观力学性能变化的介质的周围安装超声探头阵列围绕目标进行机械旋转或电子旋转依次辐射有限振幅超声信号；对应的超声探头阵列接收非线性信号并传至计算机中记录；
2)根据步骤1)记录的信号，对其进行Hilbert变换，得到信号的相位；同时，根据记录非线性信号的相位-时间关系，并依据非线性信号振幅为零的位置相位不变的原理模拟线性信号的相位，做差得到非线性超声信号的相移；
3)利用非线性超声信号的相移沿某一条直线的累积与非线性系数空间分布的关系：结合Radon变换对记录的所有扫描数据进行计算，从而获得介质非线性系数的二维断层扫描影像；其中，β,ρ0,c0,/>ω,dx,dy,p0依次为介质的非线性系数、介质密度、介质声速、相移、激励信号角频率、二维传播路径距离和激励声压，l为某超声传播路径或积分路径，θ为原点到传播路径与x轴的夹角，δ为冲激函数。
3.根据权利要求1或2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：所述有限振幅超声信号为至少10周正弦信号，且采用平均值模式平均8次以上以减小噪声对相位提取的影响。
4.根据权利要求1或2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：所述存在微观力学性能变化的介质为固体介质，产生有限振幅超声信号的超声探头阵列粘贴于固体介质上，采用电子旋转依次激励超声探头，并由其余探头接收。
5.根据权利要求1或2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：所述存在微观力学性能变化的介质为凝聚体介质或为生物组织时，超声探头阵列通过固定装置环绕目标介质，利用流体作为耦合介质以提高辐射的超声能量。
6.根据权利要求5所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：所述流体包括但不限于脱气水。
7.根据权利要求2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：对步骤2)所述信号进行相位处理时，还包括但不限于Fourier变换和小波变换。
8.根据权利要求2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：步骤3)所述计算，选择相移在0.2-0.65之间的信号进行计算。
9.根据权利要求2所述的基于相移技术的高区分度非线性超声断层扫描影像方法，其特征在于：步骤4)所述Radon变换，为计算机断层成像的投影变换方法，通过将介质的非线性系数离散化，得到不同路径下的超声信号的一系列相移，结合相移公式和Radon变换，获得非线性系数的二维断层扫描影像。
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