基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，在HIFU作用于组织仿体的过程中用高速摄影机获得损伤形成及振动的连续图像，运用图像金字塔的Lucas‑Kanade光流法获得损伤的振动位移曲线，再运用峰值时间法,即TTP(time‑to‑peak)法计算得到损伤上在HIFU作用下产生的声辐射力剪切波的传播速度，根据介质密度、介质中剪切波波速和介质剪切弹性模量之间的关系式即可对损伤的剪切弹性模量进行定量估计，进而实现对治疗过程中靶区组织的弹性特性进行实时监控并评价治疗效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声成像
，特别涉及一种基于LK金字塔光流法跟踪剪切波估计高强度聚焦超声(HIFU)热损伤弹性特性的系统及方法。
技术介绍
高强度聚焦超声(HIFU)治疗是最具有潜在应用前景的肿瘤治疗新方法之一，因其非侵入性、针对深部靶组织的精确治疗等优点，已在各种肿瘤治疗方面获得了临床运用。HIFU治疗将超声换能器发射的高能超声束聚焦于生物体目标靶区内，在超声聚焦焦点处产生60℃以上的瞬态高温,通过热效应作用几秒钟后破坏靶区组织而不损伤周围组织来达到治疗的目的。HIFU对肿瘤组织的病理改变以不可逆的凝固性坏死为主，在治疗过程中，靶区组织的硬度会随着治疗进程发生变化，其变化范围为初始硬度的4～12倍。为了达到较好的治疗效果、确定合适的治疗剂量，临床上需要对靶区组织的弹性特性进行实时监控并评价治疗效果。超声弹性成像通过获取相关组织的弹性信息进行成像，提供了一种独特的成像观察方法。弹性成像主要分为静态/准静态法和动态法(即声辐射力剪切波弹性成像)。和静态/准静态法采用外部机械施压使组织发生形变，再通过超声回波技术或核磁共振技术检测该形变来获取组织的弹性参数不同，声辐射力剪切波弹性成像通过超声波聚焦到组织内部来对组织施加压力，声辐射力可深入组织内部进行局部施压而不受组织边界的影响，可实时定量地对目标区域的弹性特性进行评估。现有的声辐射力成像技术是通过发射聚焦超声脉冲在被测生物组织靶区内诱导出剪切波，再通过高帧率的超声平面波对剪切波进行跟踪来获得剪切波的相关参数,如：中国专利技术专利申请CN201310404937.0，专利名称“声辐射力脉冲成像估算方法和系统”，采用了超声成像监测剪切波的方法；中国专利技术专利申请CN201310558087.X，专利名称“弹性模量测量方法和系统”，通过发射超声射频波束跟踪剪切波；中国专利技术专利申请CN201410091601.8，专利名称“使用自适应时间阶段的超声ARFI位移成像”，使用超声扫描跟踪在焦点区周围的位置处的组织随时间的位移；中国专利技术专利申请CN201410514340.6，专利名称“医学超声成像中的剪切波检测”，利用超声来检测剪切波。然而运用超声跟踪声辐射力剪切波存在一些问题：1.超声激励诱发的剪切波振动位移在微米数量级，其回波易受噪声及生物体自身运动的干扰；2.现有的超声设备信噪比较低，所测得的振动位移结果精度较低；3.超声影像设备的图像分辨率较低，难以保证弹性图像的分辨率和对比度；4.利用超声对剪切波进行跟踪的实时性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计系统及方法，以克服现有弹性成像方法中的不足；本专利技术方法具有良好的精确性和实时性，可定量监控治疗过程中损伤区域弹性特性的变化。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，包括以下步骤：1)采集被测介质损伤振动的N张连续高速摄影图像；2)采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理，得到通过两标记点标记的感兴趣区域的各时刻位移，进而绘制位移曲线；3)对步骤2)处理后获得的标记点位移曲线，运用TTP算法求得损伤图像中两标记点之间的平均剪切波波速；4)通过步骤3)获得的平均剪切波波速，获得被测介质两标记点之间的区域的剪切弹性模量。进一步的，步骤1)具体包括以下步骤：任意波形发生器输出的信号经过射频功率放大器放大后激励HIFU换能器，对LED光源照射下的水箱中的被测介质施加作用；高速摄影设备同时被任意波形发生器触发，实现高帧率的图像采集。进一步的，采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理前，先对图像进行降采样，形成图像金字塔。进一步的，采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理具体包括以下步骤：步骤S1、确认高速摄影所得连续高速摄影图像的总帧数N；步骤S2、读入第i帧图像数据；步骤S3、读入第i+1帧图像数据；步骤S4、通过LK法计算出i和i+1两帧图像之间的位移场P0(i)；步骤S5、将位移场P0(i)和P0(i-1)矢量相加，取各像素点的标量位移矩阵，得到叠加位移场P1(i)；步骤S6、将当前图像帧数i与图像总帧数N进行比较，若i<N，进行步骤S7；若i＝N，则进行步骤S8，取出感兴趣区域的各时刻位移，绘制位移曲线。进一步的，步骤3)中TTP算法具体为：在剪切波传播的横向路径上选取两个距离已知的标记点，作出这两个标记点的剪切振动位移曲线，在位移曲线上测量出这两个标记点在剪切振动过程中依次达到位移峰值的时间间隔，由两点的距离间隔除以时间间隔即可得到剪切波在这两点之间的平均传播速率。进一步的，被测介质的杨氏弹性模量E和该被测介质中剪切波波速ct的关系如下： c t = μ ρ - - - ( 1 ) ]]> c t = E 3 ρ - - - ( 2 ) ]]>其中：ct——剪切波速/m·s-1；ρ——介质的密度/kg·m-3；μ——剪切弹性模量/kPa；E——杨氏弹性模量/kPa。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术为了克服超声跟踪剪切波的不足，提出了一种新的剪切波跟踪方法，即基于光流法的HIFU热损伤剪切波弹性特性估计方法。光流法可在估计区域得到稠密的位移场，具有灵敏度高、鲁棒性好、实时性好等优点，其检测精度达到微米级，达到了对剪切波进行跟踪的精度要求。本专利技术采用LK金字塔光流法来处理高速摄影采集的HIFU热损伤形成过程的图像序列，对HIFU作用下热损伤中的剪切波进行实时跟踪，进而定量估计目标区域的弹性特性。附图说明图1是本专利技术采用的计算介质中剪切波波速的TTP算法示意图。图2是本专利技术中LK金字塔光流算法的图像降采样流程图。图3是本专利技术对高速摄影设备所得的一系列高频图像帧进行位移估计的算法流程图。图4是本专利技术中任意波形发生器作用于HIFU换能器和高速摄影设备的一组激励脉冲的构成图。图5是本专利技术一种基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计系统的框图。图6是本专利技术中高速摄影设备拍摄所得的一帧BSA仿体中HIFU热损伤图像。图7(a)是HIFU损伤形成初期在BSA仿体上选取的两个标记点，其坐标分别为(138，37)、(138，45)；图7(b)是HIFU损伤形成中期在BSA仿体上选取的两个标记点，其坐标分别(184，30)、(184，48)；图7(c)是HIFU损伤形成末期在BSA仿体上选取的两个标记点，其坐标分别为(205，68)、(205，89)。图8(a)是HIFU损伤形成初期的标记点位移曲线图；图8(b)是HIFU损伤形成中期的标记点位移曲线图；图8(c)是HIFU损伤形成末期的标记点位移曲线图。具体实施方式已知含有牛本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集被测介质损伤振动的N张连续高速摄影图像；2)采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理，得到通过两标记点标记的感兴趣区域的各时刻位移，进而绘制位移曲线；3)对步骤2)处理后获得的标记点位移曲线，运用TTP算法求得损伤图像中两标记点之间的平均剪切波波速；4)通过步骤3)获得的平均剪切波波速，获得被测介质两标记点之间的区域的剪切弹性模量。

【技术特征摘要】
1.基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集被测介质损伤振动的N张连续高速摄影图像；2)采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理，得到通过两标记点标记的感兴趣区域的各时刻位移，进而绘制位移曲线；3)对步骤2)处理后获得的标记点位移曲线，运用TTP算法求得损伤图像中两标记点之间的平均剪切波波速；4)通过步骤3)获得的平均剪切波波速，获得被测介质两标记点之间的区域的剪切弹性模量。2.根据权利要求1所述的基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：任意波形发生器输出的信号经过射频功率放大器放大后激励HIFU换能器，对LED光源照射下的水箱中的被测介质施加作用；高速摄影设备同时被任意波形发生器触发，实现高帧率的图像采集。3.根据权利要求1所述的基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，其特征在于，采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理前，先对图像进行降采样，形成图像金字塔。4.根据权利要求1所述的基于LK光流法的HIFU损伤剪切波弹性特性估计方法，其特征在于，采用LK法对步骤1)采集的N张连续高速摄影图像进行处理具体包括以下步骤：步骤S1、确认高速摄影所得连续高速摄影图像的总帧数N；步骤S2、读入第i帧图像数据；步骤S3、读入第i+1帧图像数据；步骤S4、通过LK法计算出i和i+1两帧图像之间的位移场P0(i)；步骤S5、将位移场P0(i)和P0(i-1)矢量相加，取各像素点的标量位移矩阵，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆明珠，张灵璐，高雅，马风超，黄伟骏，王睿，万明习，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61