一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法，本方法通过将全波形反演方法引入到乳腺超声三维成像中来，通过对高频的超声波的全波形信息进行反演，可以使最终的分辨率达到0.5mm，从而可以获得高分辨率的乳腺结构，这个分辨率是传统超声波检测成像方法所无法达到的。本方法使用了多尺度分频计算策略，通过先对低频信息进行反演，然后利用低频信息反演得到的模型，引入高频信息再次反演，最终获得准确的反演结果，从而克服了传统全波形反演在乳腺超声三维成像中存在的目标函数容易收敛到局部极小值的局限性。函数容易收敛到局部极小值的局限性。函数容易收敛到局部极小值的局限性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法


[0001]本专利技术属于乳腺超声成像领域，具体涉及一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法。

技术介绍

[0002]目前，针对乳腺筛查常用的检查方法有触诊、乳腺钼靶X射线检查、核磁共振以及超声波乳腺检测等，但是这几类方法都有其优点和不足。对于触诊，其成本低，且比较方便，但是其对微小钙化体检出率低，并且依赖医生的经验。对于乳腺钼靶X射线检查，其对钙化灶敏感，且适用于大龄女性，但是其产生的X射线对人体辐射较大，并且不适合致密乳腺，在检查时体感也比较差。对于核磁共振，其具有灵敏度高，且适用于致密乳腺的优点，但是其单次检查成本过高而且耗时较长。对于超声波乳腺检测，其优点为应用普及且无辐射，并且价格便宜，对致密性乳房也很适用，但是其对操作者的专业性要求较高，难以进行质量控制，并且在算法方面还存在着不足。
[0003]由于中国女性的乳房主要以致密型为主，为了弥补乳腺X线检查对致密型乳房的不适用问题，当前最主要的乳腺检测方法是乳腺X线检查+乳腺超声检查。乳腺超声检查中常用的算法有旅行时层析成像和衍射成像等。旅行时层析成像算法通过假设可以根据射线准确描述波传播来进行成像，但是该算法忽略了散射波、衍射波以及折射波等，通常会丢失细节，从而无法实现很高的分辨率。而对于衍射层析成像算法来说，由于对于乳腺组织，弱散射近似不成立，因此需要对这些线性化进行调整以开发适用于定量乳腺成像的技术。并且，对于上述两种算法来说，都只能进行反射成像，无法进行反演成像，更无法利用全部的波形信息来进行成像。基于上述问题，全波形反演技术在超声成像方面的运用在近年来越来越受到关注。
[0004]目前，常规的全波形反演存在如下几个局限性：1.严重依赖低频信息，当低频信息不足时，全波形反演容易出现周期跳跃现象，即优化过程收敛到局部极小值的情况。2.全波形反演要计算目标函数的梯度，梯度的计算会消耗巨大的内存空间，所需计算要求高。并且进行三维全波形反演时，计算量巨大。3.收敛速度慢，导致计算效率低下。上述几个局限性的存在严重制约了全波形反演技术在乳腺超声成像中的应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法，实现全波形反演在乳腺超声检查中的应用。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：提供一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法，该方法包括以下步骤：S1、选定目标乳腺的一个二维切面，通过超声波装置获取该二维切面处的实际测量数据，分别采用带通滤波器和高通滤波器对实际测量数据进行滤波，获取目标乳腺低频数据和目标乳腺高频数据；
S2、基于乳腺各部分声波速度及密度构建均匀的初始低频乳腺模型，获取初始低频乳腺模型中的乳腺声波方程；S3、采用有限差分法求解当前乳腺声波方程，得到正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据；S4、将该二维切面处目标乳腺低频数据与正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据做差，得到低频误差，并基于低频误差构建低频目标函数；S5、采用伴随状态法求解低频目标函数，分别获取低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度；S6、更新当前的低频乳腺模型：基于低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度，采用L
‑
BFGS方法对当前低频乳腺模型的声波速度及乳腺密度进行更新；S7、重复步骤S2至步骤S6，直至低频目标函数收敛，将当前最新低频乳腺模型作为该二维切面处的低频反演结果；S8、将该二维切面处的低频反演结果作为初始高频乳腺模型，将低频乳腺模型更新过程中的目标乳腺低频数据替换为目标乳腺高频数据；S9、采用与步骤S3至步骤S7相同的方法对当前的高频乳腺模型进行更新，直至高频乳腺模型对应的高频目标函数收敛，将当前最新高频乳腺模型作为该二维切面处的最终反演结果；S10、采用与步骤S1至步骤S9相同的方法获取目标乳腺其他二维切面的最终反演结果，通过插值方法将目标乳腺不同二维切面处的最终反演结果进行插值拟合，得到三维反演结果，即完成乳腺超声三维成像。
[0007]进一步地，步骤S2中乳腺声波方程的表达式为：其中为乳腺密度；和分别为乳腺粒子速度的水平分量和垂直分量；p表示压力；K表示体积模量，，V表示乳腺声波速度；为超声波装置的超声信号；表示乳腺粒子速度的水平分量对时间求导；表示压力对水平方向进行求导；表示压力对垂直方向进行求导；表示乳腺粒子速度的水平分量对水平方向进行求导；表示乳腺粒子速度的垂直分量对垂直方向进行求导；表示乳腺粒子速度的垂直分量对时间求导；
表示压力对时间求导。
[0008]进一步地，步骤S3求解过程中，通过并行计算中的区域分解方法同时调用多个cpu进行计算。
[0009]进一步地，步骤S4中低频误差的表达式为：其中为二维切面i处目标乳腺低频数据；为正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据。
[0010]进一步地，步骤S4中低频目标函数的表达式为：其中表示矩阵的转置。
[0011]进一步地，步骤S5的具体方法为：将正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据与目标乳腺低频数据的残差作为源进行反传，得到反传波场，将正演波场与反传波场进行互相关即可求得低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度；其中低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度的表达式分别为：的表达式分别为：为超声波记录的总时间；为反传的粒子速度的水平分量；为反传的粒子速度的垂直分量；为反传的压力。
[0012]进一步地，步骤S6中声波速度及乳腺密度的更新表达式分别为：其中表示第n次更新得到的声波速度；表示第n+1次更新得到的声波速度；
为第n次更新对应的步长；为第n次更新对应的拟海森矩阵；表示当前目标函数关于声波速度的梯度；表示第n+1次更新得到的乳腺密度；表示第n次更新得到的乳腺密度；表示当前目标函数关于乳腺密度的梯度。
[0013]进一步地，步长的计算方法为：设定两个更新步长和，在当前时刻进行额外两次正演计算，得到三组正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据；将三组正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据与实际测量数据进行比较得到三个二范数误差；通过和拟合出一个抛物线曲线，通过求取系数a、b和c，并根据公式获取当前的步长。
[0014]本专利技术的有益效果为：1.通过将全波形反演方法引入到乳腺超声三维成像中来，通过对高频的超声波的全波形信息进行反演，可以使最终的分辨率达到0.5mm，从而可以获得高分辨率的乳腺结构，这个分辨率是传统超声波检测成像方法所无法达到的。
[0015]2.在正演过程中利用Openmpi进行并行计算，运用多个cpu节点进行计算，极大地提高了计算效率。并且在计算目标函数梯度的时候，采用了伴随状态法，极大地减少了内存需求。通过并行计算和伴随状态法求解梯度两个方法克服了传统全波形反演在乳腺超声三维成像中存在的内存需求大及计算量大的局限性。
[0016]3.使用了多尺度分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选定目标乳腺的一个二维切面，通过超声波装置获取该二维切面处的实际测量数据，分别采用带通滤波器和高通滤波器对实际测量数据进行滤波，获取目标乳腺低频数据和目标乳腺高频数据；S2、基于乳腺各部分声波速度及密度构建均匀的初始低频乳腺模型，获取初始低频乳腺模型中的乳腺声波方程；S3、采用有限差分法求解当前乳腺声波方程，得到正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据；S4、将该二维切面处目标乳腺低频数据与正演计算的目标乳腺低频超声波波场数据做差，得到低频误差，并基于低频误差构建低频目标函数；S5、采用伴随状态法求解低频目标函数，分别获取低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度；S6、更新当前的低频乳腺模型：基于低频目标函数关于声波速度的梯度和低频目标函数关于乳腺密度的梯度，采用L
‑
BFGS方法对当前低频乳腺模型的声波速度及乳腺密度进行更新；S7、重复步骤S2至步骤S6，直至低频目标函数收敛，将当前最新低频乳腺模型作为该二维切面处的低频反演结果；S8、将该二维切面处的低频反演结果作为初始高频乳腺模型，将低频乳腺模型更新过程中的目标乳腺低频数据替换为目标乳腺高频数据；S9、采用与步骤S3至步骤S7相同的方法对当前的高频乳腺模型进行更新，直至高频乳腺模型对应的高频目标函数收敛，将当前最新高频乳腺模型作为该二维切面处的最终反演结果；S10、采用与步骤S1至步骤S9相同的方法获取目标乳腺其他二维切面的最终反演结果，通过插值方法将目标乳腺不同二维切面处的最终反演结果进行插值拟合，得到三维反演结果，即完成乳腺超声三维成像。2.根据权利要求1所述的基于全波形反演技术的乳腺超声三维成像方法，其特征在于，步骤S2中乳腺声波方程的表达式为：其中为乳腺密度；和分别为乳腺粒子速度的水平分量和垂直分量；p表示压力；K表示体积模量，，V表示乳腺声波速度；为超声波装置的超声信号；表示乳腺
粒子速度的水平分量对时间求导；表示压力对水平方向进行求导；表示压力对垂直方向进行求导；表示乳腺粒子速度的水平分量对水平方向进...

【专利技术属性】
技术研发人员：周旭晖，霍守东，曹健，穆盛强，邹佳儒，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：