專利名稱：一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法
一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
超聲彈性成像技術(shù)是近年興起的用以反應(yīng)生物組織內(nèi)部彈性特征的新型超聲成像技術(shù)，它利用超聲波RF信號(hào)來(lái)追蹤生物組織在受到外力擠壓前后的形變和運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)一定的算法得到生物組織的應(yīng)變、彈性模量等力學(xué)特征。由于生物組織病變與其力學(xué)特征密切相關(guān)，如常見的乳腺癌病變區(qū)域通常要比正常組織硬，因此超聲彈性成像可以為臨床醫(yī)學(xué)診斷提供重要的輔助信息，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
超聲準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像的概念最早由Ophir等人于1991年首次提出，其目的是借助超聲成像儀對(duì)生物組織的硬度信息、彈性參數(shù)進(jìn)行成像顯示。它的主要步驟包括(I)用超聲探頭記錄待測(cè)生物組織在某一時(shí)刻的一幀超聲信號(hào)；(2)利用超聲探頭擠壓待測(cè)組織， 同時(shí)記錄組織受擠壓后的超聲信號(hào)；(3)比對(duì)所記錄的兩幀超聲信號(hào)，采用位移估計(jì)算法 (如經(jīng)典的互相關(guān)算法)計(jì)算出待測(cè)組織在受擠壓后的位移場(chǎng)；(4)通過(guò)對(duì)組織位移場(chǎng)的分析，計(jì)算出最終的彈性圖(elastogram,可以是應(yīng)變圖也可以是彈性模量圖)。
超聲彈性成像的一般方法是利用超聲探頭擠壓生物組織，同時(shí)記錄返回的超聲RF 信號(hào)進(jìn)行成像。由于超聲信號(hào)在聲波傳播的方向(縱向)分辨率要明顯高于垂直其傳播方向(側(cè)向)，因此傳統(tǒng)超聲彈性成像中，都僅僅計(jì)算位移場(chǎng)中的縱向分量，而側(cè)向位移分量往往由于分辨率低、噪聲大而被忽略。但是生物組織在受到探頭擠壓的運(yùn)動(dòng)并不是簡(jiǎn)單的一維運(yùn)動(dòng)，在超聲成像平面中，它還伴隨著不可忽略的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，因此如何準(zhǔn)確地計(jì)算出側(cè)向位移分量也開始收到研究人員的關(guān)注。為了使一維位移分量擴(kuò)展到二維平面位移場(chǎng)，通常將用于一維縱向位移估計(jì)的方法(主要是基于信號(hào)窗口追蹤的方法)應(yīng)用到二維追蹤， 這些方法最早應(yīng)用于血流成像技術(shù)。但是在超聲彈性成像中，由于超聲信號(hào)在側(cè)向的空間分辨率明顯低于縱向空間分辨率，使得在側(cè)向方向需要高強(qiáng)度的數(shù)值插值。因此到目前為止，二維位移場(chǎng)的估計(jì)仍然受到超聲探頭硬件條件的制約，以至于側(cè)向位移分量的準(zhǔn)確度和分辨率并不能得到非常滿意的結(jié)果。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，能夠在有效濾除系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲的同時(shí)，恢復(fù)出高質(zhì)量的側(cè)向位移分量，得到具有較好分辨率和信噪比的二維位移場(chǎng)。
一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，包括如下步驟
(I)采用超聲探頭通過(guò)擠壓對(duì)生物組織進(jìn)行探測(cè)，連續(xù)采集得到多幀超聲圖像，并估算出每幀超聲圖像對(duì)應(yīng)的一維縱向位移分量；
(2)根據(jù)生物組織的材質(zhì)特性，建立生物組織力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)方程；對(duì)所述的動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化，得到生物組織的系統(tǒng)離散方程；
(3)引入與所述的系統(tǒng)離散方程對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程，根據(jù)系統(tǒng)離散方程、測(cè)量方程以及各幀超聲圖像的一維縱向位移分量，通過(guò)H濾波迭代算法估算出生物組織的二維位移場(chǎng)。
所述的步驟(I)中，采用時(shí)域位移估計(jì)法或相位域位移估計(jì)法估算出每幀超聲圖像對(duì)應(yīng)的一維縱向位移分量。時(shí)域位移估計(jì)法是通過(guò)計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的時(shí)延值來(lái)計(jì)算位移的，而相位域算法則是基于相位差的來(lái)估計(jì)位移的。
所述的生物組織力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)方程如下
MZ+CV+KU = R
其中M為生物組織的質(zhì)量矩陣(其與生物組織的密度有關(guān))，C為生物組織的阻尼矩陣且C= αΜ+βΚ, α和β均為權(quán)重系數(shù)(均為給定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值且取值范圍為 O. 01 O. 05)，K為生物組織的剛度矩陣(其與生物組織的材質(zhì)有關(guān))，R為外力載荷向量 (其與超聲探頭的擠壓用力有關(guān))，U為生物組織的位移矩陣，V為生物組織的速度矩陣，Z 為生物組織的加速度矩陣。
所述的步驟(2)中，對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化的過(guò)程為首先，對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，得到生物組織的時(shí)域狀態(tài)方程如下
權(quán)利要求
1.一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，包括如下步驟 (1)采用超聲探頭通過(guò)擠壓對(duì)生物組織進(jìn)行探測(cè)，連續(xù)采集得到多幀超聲圖像，并估算出每幀超聲圖像對(duì)應(yīng)的一維縱向位移分量； (2)根據(jù)生物組織的材質(zhì)特性，建立生物組織力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)方程；對(duì)所述的動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化，得到生物組織的系統(tǒng)離散方程； (3)引入與所述的系統(tǒng)離散方程對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程，根據(jù)系統(tǒng)離散方程、測(cè)量方程以及各幀超聲圖像的一維縱向位移分量，通過(guò)H c 濾波迭代算法估算出生物組織的二維位移場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(I)中，采用時(shí)域位移估計(jì)法或相位域位移估計(jì)法估算出每幀超聲圖像對(duì)應(yīng)的一維縱向位移分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的生物組織力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)方程如下MZ+CV+KU = R 其中M為生物組織的質(zhì)量矩陣，C為生物組織的阻尼矩陣且C= αΜ+βΚ, α和β均為權(quán)重系數(shù)，K為生物組織的剛度矩陣，R為外力載荷向量，U為生物組織的位移矩陣，V為生物組織的速度矩陣，Z為生物組織的加速度矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(2)中，對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化的過(guò)程為首先，對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，得到生物組織的時(shí)域狀態(tài)方程如下
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的測(cè)量方程為Ji = DXi+Vi ;其中，Ji為第i幀超聲圖像對(duì)應(yīng)的一維縱向位移分量，D為測(cè)量矩陣，Vi為第i幀超聲圖像采樣時(shí)刻的測(cè)量噪聲矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(3)中，所述的H c 濾波迭代算法基于以下公式xi+1 = AiX^BiWfHi (Yi-Dxi)其中=Qi和Pi分別為第i幀超聲圖像采樣時(shí)刻估計(jì)誤差和初始誤差的權(quán)重矩陣，Y為約束衰減系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，其特征在于所述的H c 濾波迭代算法的收斂條件如下 其中P為收斂閾值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場(chǎng)的估計(jì)方法，包括(1)采集超聲圖像并估算縱向位移分量；(2)通過(guò)生物組織力學(xué)模型建立系統(tǒng)離散方程；(3)通過(guò)H∞濾波估算出生物組織的二維的位移場(chǎng)。本發(fā)明提出二維位移場(chǎng)估計(jì)方法是將現(xiàn)有所得的縱向位移測(cè)量值在生物力學(xué)模型約束下經(jīng)H∞濾波算法得到位移場(chǎng)的最優(yōu)估計(jì)，在有效濾除系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲的同時(shí)，恢復(fù)出高質(zhì)量的側(cè)向位移分量，用于應(yīng)變計(jì)算和彈性參數(shù)的重建；通過(guò)與現(xiàn)有方法進(jìn)行比較，本發(fā)明方法在超聲彈性成像側(cè)向位移估計(jì)方面將會(huì)起到非常有效的作用。
文檔編號(hào)A61B8/13GK102920485SQ20121042455
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者劉華鋒, 袁金偉, 胡正琿 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)