一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，包括以下步骤：操控线性阵列超声传感器进行自由扫查，采集并保存超声回波信号，通过计算剪切模量获得一系列二维超声弹性图像；结合光学定位，将二维图像放置在三维体积中的正确位置，对目标组织进行基于体数据的三维空间重建；利用三维可视化和渲染技术，展示重建后的反映目标定量弹性信息的三维图形。本发明专利技术考虑到剪切波在三维空间内的传播特性，从二维扩展到三维超声剪切波弹性成像能更准确的测量剪切波速度和量化组织刚度，同时也能从三维视角上提供更全面的物理特性和目标评估。目标评估。目标评估。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法


[0001]本专利技术涉及一种剪切波弹性成像方法，特别是一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法。

技术介绍

[0002]剪切波弹性成像是一种利用组织弹性模量和生物学特性的相关性进行成像来评估目标硬度的超声技术，通过发射脉冲信号进行聚焦来产生横向传播的剪切波，利用快速平面波激励跟踪剪切波位移和速度，从而计算组织的剪切模量。
[0003]通过确定力学参数和弹性组织特性，超声剪切波弹性成像为B型超声和彩色多普勒超声的诊断补充了信息，能够检查早期病变的肌肉骨骼软组织的异常信息，弥补了传统医学成像模态的不足。然而二维超声弹性图像并不能直观的反映目标的立体几何形状，它所反应的诊断信息局限于组织的二维截面信息，缺乏三维视角下的宏观物理特性的观测，在观察者之间的一致性和准确性还有待提升；考虑到剪切波在三维中传播的特性，从二维扩展到三维剪切波弹性成像，可以促进更准确的剪切波速度估计和更好的量化组织刚度，从而提供更全面的目标评估。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，通过线性阵列超声传感器发射并接收平面波回波信号，获取目标的B型超声图像作为参考图像，确定超声剪切波弹性成像的感兴趣区域；
[0007]步骤2，通过所述线性阵列超声传感器的传感器单元发射不同时延的超声信号，使超声波束聚焦于目标深度和位置，产生横向传播的剪切波；使用快速平面波激励来跟踪剪切波传播时的位移和速度，通过散斑跟踪算法计算组织位移，计算剪切波速度和剪切模量，结合彩色编码技术，获得二维超声定量弹性图像；
[0008]步骤3，操控所述线性阵列超声传感器按顺序进行自由扫查，每次采集到的回波信号按照步骤2所述方法生成二维超声定量弹性图像，结合光学定位相机获取空间位置信息，将二维图像中的每个像素放置在正确位置的三维体积中，重建出三维空间的目标图形；
[0009]步骤4，通过三维可视化和渲染技术，利用体积渲染从三维图像中提取信息，将整个三维图像投影到二维平面，完成三维视角上的目标物理特性评估。
[0010]本专利技术步骤1中，所述线性阵列超声传感器包括一组线性排列的超声传感器元，所有超声传感器元的位置相对固定，每个超声传感器元之间的距离相同，且独立工作；
[0011]步骤1中所述获取目标的B型超声图像的方法是延时叠加算法，所述超声传感器元同时发射平面超声并接收回波信号，将各个超声传感器元接收到的回波信号进行叠加求
和，获取目标区域的结构信息，确定剪切波弹性成像的感兴趣区域，为剪切波追踪阶段提供参考图像。
[0012]本专利技术步骤2中，所述聚焦超声信号的方法是基于所述线性阵列超声传感器的波束形成法，包括：
[0013]通过对每个超声传感器元设置发射不同时延的超声信号，使每个超声传感器元发射声波的波阵面在空间中传播并逐渐汇聚成一点，在目标位置聚焦波束；波束聚焦处吸收声波产生声辐射力，在目标位置聚焦引发声辐射力，使该处的组织粒子发生震动，产生横向传播的剪切波；
[0014]在超声波束聚焦后，发射快速平面波并接收回波信号，生成多帧B型超声图像，利用散斑跟踪算法在超声图像上选取匹配块和搜索框，确定块匹配标准以及搜索方式，在下一帧图像的对应位置附近搜索并确定散斑图像的最佳匹配位置，即最佳匹配块，计算组织位移和剪切波速度。
[0015]步骤2中所述散斑跟踪算法的块匹配标准为最小绝对误差和，绝对误差和ρ
m,n
的计算方法如下：
[0016][0017]其中，X,Y表示两帧图像，把图像看作其像素值位置的二维矩阵，则X
i,j
表示图像X中位置坐标为(i,j)的像素值，Y
i+m,j+n
则表示图像Y中搜索区域的像素值，(m,n)表示选定的目标图像块在两帧图像之间的位移，l和k是目标块的尺寸；当绝对误差和ρ
m,n
最小时，表示两块图像块最匹配。
[0018]步骤2中所述散斑跟踪算法中的搜索方式为菱形搜索算法，采取了5个匹配点的小模板SDSP和9个匹配点的大模板LDSP这两种搜索模板，方法包括：
[0019]在参考图像中选择一个待匹配的区域块，将该区域块中的W0的位置设置为中心点，选用大模板LDSP对待匹配的区域块计算该搜索区域中包含中心点在内的9个点的最小绝对误差和，判断最小误差块的位置；
[0020]如果最小误差块不在搜索区域的中心，则将该最小误差块作为新的中心点，继续重复以上过程，直到最小误差块位于搜索区域中心；
[0021]采用小模板SDSP按照上述步骤进行搜索，最终得到的最小误差块为最佳匹配块。
[0022]步骤2中所述计算剪切模量的方法包括：
[0023]对所述最佳匹配块与参考图像中的待匹配的区域块之间进行计算获得剪切位移，并通过计算得到剪切模量μ(x,z)，计算方法包括：
[0024][0025]其中，μ是像素点坐标(x,z)处的剪切模量，平扫方式近似表示在y方向上没有明显的衍射，x
‑
z平面上的像素点坐标(x,z)处的剪切位移为u
z
(x,z)，t是时间，ρ是介质密度，ω是中心频率，N表示频率数，为一个阈值，F表示时域上的傅里叶变换，为二阶偏导数运算；根据该公式计算出剪切模量后，杨氏模量E通过公式E≈3μ计算得到，获得二维超声定量弹性图像。
[0026]本专利技术步骤2中，所述彩色编码技术是通过编码方法将二维超声弹性图像灰度转换成彩色图像，其中，将弹性系数小的图像部分，编码为红色，表示对应的组织软；弹性系数大的图像部分，编码为蓝色，表示对应的组织硬；弹性系数中等的图像部分编码为绿色。
[0027]本专利技术步骤3中，所述重建三维空间的目标图形是基于体数据的重建方法，包括：
[0028]步骤3
‑
1，构建体数据结构：
[0029]根据二维超声弹性图像的信息确定重建体数据的尺寸，尺寸规模包括体数据维度大小，坐标原点信息以及体素间的空间间隔，通过一种基于包围盒的技术确定重建体数据的大小；
[0030]步骤3
‑
2，重新分配采样像素：
[0031]对二维弹性图像上的每一个像素点进行遍历，通过变换矩阵重新排列像素点的位置信息，将像素映射到三维体数据的正确的位置中，映射方法为前向映射，包括：
[0032]u
i
＝MX
i
ꢀꢀ
(3)
[0033]其中，u
i
表示重建体数据中对应的体素坐标，M是前向变换矩阵，X
i
是二维超声定量弹性图像上的像素坐标；
[0034]步骤3
‑
3，计算体数据中的空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过线性阵列超声传感器发射并接收平面波回波信号，获取目标的B型超声图像作为参考图像，确定超声剪切波弹性成像的感兴趣区域ROI；步骤2，通过所述线性阵列超声传感器的传感器单元发射不同时延的超声信号，使超声波束聚焦于目标深度和位置，产生横向传播的剪切波；使用快速平面波激励来跟踪剪切波传播时的位移和速度，通过散斑跟踪算法计算组织位移，计算剪切波速度和剪切模量，结合彩色编码技术，获得二维超声定量弹性图像；步骤3，操控所述线性阵列超声传感器按顺序进行自由扫查，每次采集到的回波信号按照步骤2所述方法生成二维超声定量弹性图像，结合光学定位相机获取空间位置信息，将二维图像中的每个像素放置在正确位置的三维体积中，重建出三维空间的目标图形；步骤4，通过三维可视化和渲染技术，利用体积渲染从三维图像中提取信息，将整个三维图像投影到二维平面，完成三维视角上的目标物理特性评估。2.根据权利要求1所述的一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，步骤1中，所述线性阵列超声传感器包括一组线性排列的超声传感器元，所有超声传感器元的位置相对固定，每个超声传感器元之间的距离相同，且独立工作；步骤1中所述获取目标的B型超声图像的方法是延时叠加算法，所述超声传感器元同时发射平面超声并接收回波信号，将各个超声传感器元接收到的回波信号进行叠加求和，获取目标区域的结构信息，从而确定剪切波弹性成像的感兴趣区域，为剪切波追踪阶段提供参考图像。3.根据权利要求2所述的一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，步骤2中，所述聚焦超声信号的方法是基于所述线性阵列超声传感器的波束形成法，包括：通过对每个超声传感器元设置发射不同时延的超声信号，使每个超声传感器元发射声波的波阵面在空间中传播并逐渐汇聚成一点，在目标位置聚焦波束；波束聚焦处吸收声波产生声辐射力，在目标位置聚焦引发声辐射力，使该处的组织粒子发生震动，产生横向传播的剪切波；在超声波束聚焦后，发射快速平面波并接收回波信号，生成多帧B型超声图像，利用散斑跟踪算法在超声图像上选取匹配块和搜索框，确定块匹配标准以及搜索方式，在下一帧图像的对应位置附近搜索并确定散斑图像的最佳匹配位置，即最佳匹配块，计算组织位移和剪切波速度。4.根据权利要求3所述的一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，步骤2中所述散斑跟踪算法的块匹配标准为最小绝对误差和，绝对误差和ρ
n,n
的计算方法如下：其中，X,Y表示两帧图像，把图像看作其像素值位置的二维矩阵，则X
i,j
表示图像X中位置坐标为(i,j)的像素值，Y
i+m,j+n
则表示图像Y中搜索区域的像素值，(m,n)表示选定的目标图像块在两帧图像之间的位移，l和k是目标块的尺寸；当绝对误差和ρ
m,n
最小时，表示两块图像块最匹配。
5.根据权利要求4所述的一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，步骤2中所述散斑跟踪算法中的搜索方式为菱形搜索算法，采取了5个匹配点的小模板SDSP和9个匹配点的大模板LDSP这两种搜索模板，方法包括：在参考图像中选择一个待匹配的区域块，将该区域块中的W0的位置设置为中心点，选用大模板LDSP对待匹配的区域块计算该搜索区域中包含中心点在内的9个点的最小绝对误差和，判断最小误差块的位置；如果最小误差块不在搜索区域的中心，则将该最小误差块作为新的中心点，继续重复以上过程，直到最小误差块位于搜索区域中心；采用小模板SDSP按照上述步骤进行搜索，最终得到的最小误差块为最佳匹配块。6.根据权利要求5所述的一种基于线性阵列的三维超声剪切波弹性成像方法，其特征在于，步骤2中所述计算剪切模量的方法包括：对所述最佳匹配块与参考图像中的待匹配的区域块之间进行计算获得剪切位移，并通过计算得到剪切模...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁杰，王玉蝉，吴桐，陶超，刘晓峻，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：