(10)申请公布号 CN 102860842 A
(43)申请公布日 2013.01.09C N 102860842 A
*CN102860842A*
(21)申请号 201210363616.6
(22)申请日 2012.09.26
A61B 8/00(2006.01)
(71)申请人浙江大学
地址310027 浙江省杭州市西湖区浙大路
38号
(72)发明人袁金伟 刘华锋
(74)专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限
公司 33224
代理人
胡红娟
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种实时准静态超声弹性成像
方法，包括：(1)采集多帧超声射频信号；(2)建立 复数互相关函数；(3)求取超声射频信号的位移
应变分布图。本发明超声弹性成像方法利用超声
信号的相位域信息，建立信号的复数模型，通过计
算信号的复数互相关函数来得到相位差，从而计
算出位移分布值；相比于现有基于时域互相关的
成像方法，本发明方法计算量明显减小，运算效率
大大提高，适合应用于实时成像系统；同时，本发
明方法利用生物组织位移场分布连续性的特征，
引入先验时间预估值，解决了相位差混乱的问题。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页
1.一种实时准静态超声弹性成像方法，包括如下步骤：
(1)采用超声探头对待测生物组织进行探测，连续采集得到多帧超声射频信号；所述的超声射频信号由若干条A线组成；
(2)基于连续两帧超声射频信号的复数表达，建立连续两帧超声射频信号的复数互相关函数；
(3)对于任一帧超声射频信号，利用所述的复数互相关函数求取其对应的位移场分布图，进而根据所述的位移场分布图求取超声射频信号对应的生物组织应变分布图；
(4)根据步骤(3)，遍历每一帧超声射频信号，实时生成超声射频信号对应的生物组织应变分布图。
2.根据权利要求1所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的连续两帧超声射频信号的复数表达如下：
其中：X(t)和Y(t)分别表示连续前后两帧超声射频信号，A(t)为超声射频信号的幅值，ω
为超声探头的中心频率，τ表示连续两帧超声射频信号的时延，θ表示超声射频信号初始相位，t表示时间，j为虚单位。
3.根据权利要求1所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，利用复数互相关函数求取超声射频信号对应的位移场分布图的方法为：
1)将当前帧超声射频信号及其下一帧超声射频信号中每条A线均分割成若干个信号片段；
2)对于当前帧超声射频信号中的任一信号片段x(t)，确定其先验时间预估值t
p
；并从当前帧超声射频信号的下一帧超声射频信号中提取与信号片段x(t)对应的信号片段y(t)；
3)根据信号片段y(t)和复数互相关函数，计算出信号片段x(t)的相位差；
4)根据信号片段x(t)的相位差，计算出信号片段x(t)的位移值；
5)根据步骤2)至4)，依次遍历当前帧超声射频信号中的每一信号片段，求取每一信号片段的位移值，从而得到当前帧超声射频信号对应的位移场分布图。
4.根据权利要求3所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的步骤1)
中，根据以下公式确定信号片段x(t)的先验时间预估值t
p
：
t p ＝round((τ
1
+τ
2
)/2)
其中：ronnd为取整函数，τ
1
为同一A线上信号片段x(t)的前一信号片段的时延值，
τ
2
为信号片段x(t)所在A线的前一A线上与信号片段x(t)对应的信号片段的时延值。
5.根据权利要求3所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的步骤4)中，根据以下公式计算出信号片段x(t)的位移值：
其中：u为信号片段x(t)的位移值，ω为信号片段x(t)的相位差，ω
为超声探头的
中心频率，t
p 为信号片段x(t)的先验时间预估值，λ
为超声波的波长。
6.根据权利要求3所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的步骤1)中，确定信号片段x(t)的先验时间预估值t
p
的方法如下：
a.首先，根据公式t
p ＝round((τ
1
+τ
2
)/2)计算出信号片段x(t)的先验时间预估值；
b.然后，从当前帧超声射频信号的下一帧超声射频信号中提取与信号片段x(t)对应的信号片段y(t)；进而根据信号片段y(t)和复数互相关函数，计算出信号片段x(t)的相位差；
c.将计算得到的相位差与给定阈值进行比较，若相位差小于给定阈值，则确定步骤a 计算得到的先验时间预估值为信号片段x(t)的先验时间预估值t
p
；若相位差大于等于给定阈值，则执行步骤d；
d.对信号片段x(t)和信号片段y(t)进行数值插值后返回执行步骤a。
7.根据权利要求1、3或6所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的复数互相关函数的表达式如下：
其中：x(t)为X(t)中的信号片段，y(t)为Y(t)中与x(t)对应的信号片段，v为微分
时间变量，*表示复数共轭，t
p 为x(t)的先验时间预估值，t
为互相关函数运算窗；R
xy
(t，
t
p
)为x(t)与y(t)的复数互相关函数，其由实部R和虚部e jω组成，ω为x(t)的相位差。
8.根据权利要求1所述的实时准静态超声弹性成像方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据位移场分布图采用最小二乘拟合法求取超声射频信号对应的生物组织应变分布图。
一种实时准静态超声弹性成像方法
技术领域
[0001] 本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种实时准静态超声弹性成像方法。
背景技术
[0002] 长期的临床实践发现，生物组织的硬度或弹性的变化往往暗示着病变的发生，这很大程度上跟生物组织的分子构成和组合形式有关。例如，常见的乳腺癌、肾脏癌、前列腺癌以及肝转移等恶性疾病通常表现为组织上的硬化，其硬度明显大于病变前的正常组织。因此，生物组织的硬度或弹性信息对于疾病的检测，尤其是肿瘤的检测诊断，有着非常重要的参考意义。然而，传统的医学成像方式，包括X射线成像、CT、MRI以及传统B超成像等，都不能直接地将这一信息反映在医学图像上。
[0003] 为了检测生物组织的硬度和弹性，临床上使用较多的方法是触诊，即临床医生直接用手对待测部位进行挤压，通过手指的触感来判定组织的硬化程度，进而辅助癌症肿瘤的检测和诊断。然而，触诊有很大的局限性。首先，对于病变的结果判定很大程度上依赖于临床医生的主观经验；其次，很多分布于组织深处或大小较小的肿瘤并不能通过手部触碰而感受到。
[0004] 超声准静态弹性成像(以下简称超声弹性成像)的概念最早由Ophir等人于1991年首次提出，其目的是借助超声成像仪对生物组织的硬度信息、弹性参数进行成像显示。它的主要步骤包括：1)用超声探头记录待测生物组织在某一时刻的一帧超声信号；2)利用超声探头挤压待测组织，同时记录组织受挤压后的超声信号；3)比对所记录的两帧超声信号，采用位移估计算法(如经典的互相关算法)计算出待测组织在受挤压后的位移场；4)通过对组织位移场的分析，计算出最终的弹性图(可以是应变图也可以是弹性模量图)。[0005] 在超声弹性成像系统中，如何快速准确地估计出生物组织在受到压力后的运动位移是最为核心的问题。因此，在近20年的研究当中，运动估计算法最受到相关研究人员的关注。利用互相关算法
来估计超声RF信号时延的方法是公认适用于超声弹性成像技术比较准确的方法，目前已有很多的位移估计算法都是基于信号互相关技术。
[0006] 由于超声成像系统尤以其成像实时性为优势，因此在研究超声弹性成像时，人们对成像方法的实时性要求也较为关注。可以说，提高超声弹性成像中的位移估计算法的计算效率也是实现成像系统临床应用实时性的关键。由于信号的互相关是一系列的积分操作，因此会引入较大的运算量。在早期，硬件条件无法提供有力支持的情况下，互相关方法其实并不适用于实时成像。另一方面，也有不少研究人员受到超声多普勒血流成像技术的启发，提出了基于相位信息的位移估计算法。这些算法虽然在稳定性上相对弱于时域互相关算法，但是计算速度较快，能达到实时成像的要求。但是由于相位信息具有周期性，因此当组织位移大于信号波长的1/4时，需要采取相位解调措施来避免相位信息错乱的发生。
发明内容
[0007] 针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种实时准静态超声弹性成
像方法，能够克服其易于发生相位信息错乱的缺陷，能够实时准确地监控生物组织在受到压力后的运动状态。
[0008] 一种实时准静态超声弹性成像方法，包括如下步骤：
[0009] (1)采用超声探头对待测生物组织进行探测，连续采集得到多帧超声射频信号；所述的超声射频信号由若干条A线组成，每条A线都是由超声探头的一个信号收发单元接收到的超声回波信号，是关于时间t的函数。
[0010] (2)基于超声射频信号的复数表达，建立连续两帧超声射频信号的复数互相关函数；
[0011] (3)对于任一帧超声射频信号，利用所述的复数互相关函数求取其对应的位移场分布图，进而根据所述的位移场分布图求取超声射频信号对应的生物组织应变分布图；[0012] (4)根据步骤(3)，遍历每一帧超声射频信号，实时生成超声射频信号对应的生物组织应变分布图。
[0013] 所述的连续两帧超声射频信号的复数表达如下：
[0014]
[0015]
[0016] 其中：X(t)和Y(t)分别表示连续前后两帧超声射频信号，A(t)为超声射频信号的幅值，ω
为超声探头的中心频率，τ表示连续两帧超声射频信号的时延，θ表示超声射频信号初始相位，t表示时间，j为虚单位。
[0017] 所述的复数互相关函数的表达式如下：
[0018]
[0019] 其中：x(t)为X(t)中的信号片段，y(t)为Y(t)中与x(t)对应的信号片段，v为
微分时间变量，*表示复数共轭，t
p 为x(t)的先验时间预估值，t
为互相关函数运算窗且为
给定经验值；R
xy
(t，tp)为x(t)与y(t)的复数互相关函数，其由实部R和虚部e jω组成，ω为x(t)的相位差。
[0020] 所述的步骤(3)中，利用复数互相关函数求取超声射频信号对应的位移场分布图的方法为：
[0021] 1)将当前帧超声射频信号及其下一帧超声射频信号中每条A线均分割成若干个信号片段；
[0022] 2)对于当前帧超声射频信号中的任一信号片段x(t)，确定其先验时间预估值t p；并从当前帧超声射频信号的下一帧超声射频信号中提取与信号片段x(t)对应的信号片段y(t)；
[0023] 3)根据信号片段y(t)和复数互相关函数，计算出信号片段x(t)的相位差；[0024] 4)根据信号片段x(t)的相位差，计算出信号片段x(t)的位移值；
[0025] 5)根据步骤2)至4)，依次遍历当前帧超声射频信号中的每一信号片段，求取每一信号片段的位移值，从而得到当前帧超声射频信号对应的位移场分布图。
[0026] 所述的步骤1)中，根据以下公式确定信号片段x(t)的先验时间预估值t p：[0027] t p＝round((τ1+τ2)/2)
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