CN103026257A - 使用剪切波成像的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

使用剪切波观测弹性介质(2)的成像方法,包括:多个连续激励步骤,由成像装置(1)在弹性介质(2)中的不同激励轨迹(Lj)上产生弹性剪切波,所述不同激励轨迹由最大距离Dm相互分隔开;对应于激励步骤j的成像步骤,在该步骤中,确定在剪切波传播的过程中时间tk的弹性介质的连续原始图像Imj(tk)序列j,原始图像具有大于最大距离Dm的分辨率R;平均步骤,在该步骤中,对应于所述相同对应时间tk的原始图像Imj(tk)进行平均,以确定平均图像Im’(tk)。

Description

使用剪切波成像的方法和装置
本发明涉及使用剪切波成像的方法和装置。
本发明尤其涉及使用剪切波的成像方法来观测弹性介质,其包括:
-激励步骤j,在该步骤中,由成像装置在弹性介质中的激励轨迹处产生弹性剪切波;
-成像步骤,在该步骤中,在所述弹性介质中的剪切波的传播过程中,由所述成像装置来确定弹性介质的连续图像序列。
文献US-B2-7 252 004阐述了这类方法的一个实例,在该实例中,通过计算弹性介质中一点或多点上的剪切波的至少一个传播参数。可以使用由剪切波传播的运动图像构成的连续图像来反映弹性介质。
尽管这种已知方法给出了非常好结果,例如,发现癌变区域或类似的情况,这种方法可以在某些环境中产生具有相对较低的信躁比的图像,例如在具有非常复杂的结构的生物介质中会产生较高的衰减和散射(例如,当剪切波横向传播至肌肉纤维时的动物肌肉)。
本发明的目的在于减少这样的缺点。
为此目的,本发明提出一种使用剪切波的成像方法来观测弹性介质,包括:
-多个激励步骤j,在该步骤中,由成像装置在弹性介质中的不同激励轨迹分别产生弹性剪切波,所述不同激励轨迹由最大距离Dm相互分割开,
-成像步骤,其对应于激励步骤j,在该步骤中,在剪切波在所述弹性介质中传播的过程中,由所述成像装置来确定在时间tk的弹性介质连续原始图像Imj(tk)序列j,所述原始图像的分辨率为R,其至少等于所述最大距离Dm;tk是从产生相应剪切波开始计时的相对时间;
-平均步骤,在该步骤中,对应于相同相对时间tk的原始图像Imj(tk)取平均,以确定对应于所述相对时间tk的平均成像Im’(tk)。
因此,本发明能够消除在原始图像中的大部分的噪音,并且能够获得具有较高信噪比的平均化图像。因此,平均图像可以得到更有效的处理,以便获得更好的剪切传播参数的映射,以及可选择地获得所述传播参数的频谱(例如,所述传播参数的数值作为频率的函数),从而能够获得弹性介质的某些流变数值以及尤其是反映粘性特性的流变数值。
在本发明方法的各个实施例中,可以选择性地执行下述一个或多个步骤:
-本发明还在成像步骤和平均步骤之间包括重新定位步骤,在该步骤中,原始图像Imj(tk)在空间中重新定位,使得不同的激励轨迹的定位与原图像Imj(tk)的位置相一致;
-所述原始图像Imj(tk)通过对各个原始图像的坐标***进行偏置来来实现在空间上的重新定位,使得不同激励轨迹具有与原始图像Imj(tk)相同的坐标;
-所述连续原始图像序列j的数量J至少等于5
-各个激励轨迹与相邻的激励轨迹相互分开的间距大致为R/5,优选的为R/10;
-激励轨迹可由成像装置一个激励步骤只另一个激励步骤的过程中所产生且在弹性介质中移动到另一个激励轨迹;
-在激励轨迹在一个激励步骤至另一个激励步骤的过程中保持相对于成像装置固定位置的同时,移动弹性介质,使得一个激励步骤移至另一激励步骤的过程中移动在弹性介质中的激励轨迹;
-所述剪切波由通过属于所述装置的超声传感器阵列发射至弹性介质的至少一个超声波产生;
-所述剪切激励通过在各个激励轨迹对弹性介质施加外部机械力产生;
-各个原始图像Imj(tk)由超声成像或者IRM获得;
-所述方法包括特征步骤,在该步骤中,基于随时间而变化的平均成像Im’(tk),计算在弹性介质至少一个点上的至少一个剪切波传播参数;
-在特征步骤中计算的剪切波传播参数选自剪切波速度、剪切模量、杨氏模量、剪切波衰减、剪切弹性、剪切粘性、机械松弛时间和各向异性;
-所述激励具有至少500Hz的带宽,所述剪切波的传播参数可以所述带宽中的多个频率来计算。
因此,本发明还提供了用于实施上述方法的成像装置,其使用剪切波来观测弹性介质,所述装置包括至少一个电子中央单元,用于:
-在多个连续激励步骤j中,在弹性介质的不同激励轨迹上分别产生弹性剪切波,所述不同激励轨迹由最大距离Dm相互分隔开;
-为了确定对应在各个激励步骤j分别在所述弹性介质中传播剪切波过程中的时间tk的所述弹性介质连续原始成像Imj(tk)的序列j,所述原始成像具有的分辨率R至少等于所述最大距离Dm,tk是从产生相应剪切波开始的相对时间;
-平均对应于相同相对时间tk的原始图像Imj(tk),以确定对应于相同相对时间tk的平均图像Im’(tk)。
在本发明装置的各个实施例中,有可能选择性执行下述一项或多项:
-所述电子中央单元还适用于所述原始图像Imj(tk)在平均所述图像之前的空间重新定位,使得不同的激励轨迹的定位与原始成像Imj(tk)中的位置相互一致;
-所述电子中央单元适用于通过偏置各个原始图像的坐标***使得不同的激励轨迹具有与原始图像Imj(tk)相同的坐标来进行空间的重新定位;
-所述电子中央单元适用于在一个激励步骤至另一个激励步骤的过程中移动弹性介质中的激励轨迹;
-所述电子中央单元适用于根据随着时间变化的连续平均图像来计算弹性介质至少一点的至少一个剪切波传播参数,所述剪切传播参数选自剪切波速度、剪切模量、杨氏模量、剪切波衰减、剪切弹性、剪切粘度、机械松弛时间和各向异性;
-所述装置适用于在带宽至少为500Hz时应用,并且所述电子中央单元适用于以所述带宽内的多个频率来计算所述剪切波传播参数。
本发明的其它特性和优点将通过参考附图的非限制性实施例的阐述而变得更加清晰。
在附图中:
图1示出了在本发明一个实施例中的剪切波成像装置的示意图;
图2说明了由图1所示成像装置所确定的弹性介质连续原始图像序列的实例,显示了在弹性介质中产生连续剪切波的激励轨迹;
图3说明了重新定位步骤,在该步骤中,原始图像进行空间重新定位,使得不同激励轨迹的定位与原始图像对应的位置相一致;
图4示出了通过平均图3所示不同重新定位的原始图像所获得的平均图像的实例;
图5示出了对应于图4所示平均图像的原始图像;以及,
图6示出了作为频率函数的剪切波速度的图形,是由如图4所示连续平均图像来计算在弹性介质一点上的剪切波。
在各个附图中,类似的标记表示相同或相似的元素。
图1所示的成像装置1适用于研究弹性剪切波在弹性介质2中的传播,剪切波是漫射超声波的压缩且可以由下述构成:
-由非活体物体,具体为在工业应用中的质量控制;或,
-由活体物体,例如在医学应用中的病人身体的一部分。
作为实例,这些移动可以籍助于微计算机4(至少包括诸如键盘等的输入接口4b以及诸如显示器的输出接口4a)或其它电子中央单元来跟踪,用于将超声压缩波从其外部表面3发射至介质2内。这些压缩波与介质2所包括的反射超声压缩波的扩散粒子5相互作用。粒子5由在介质2中的任意非均匀物质构成,尤其是在医学应用中,它们可以由人体组织内存在的胶原粒子构成(在回波图像中,这些粒子形成的点称为“斑点”)。
为了观测剪切波的传播,使用放置在观测介质2外表面3的超声波探头6。这个探头沿着轴x发射超声波压缩波脉冲,该脉冲是回波中常用的类型,例如在0.5MHz至100MHz之间范围内的频率,优选的在0.5MHz至15MHz之间范围内,例如大约为4MHz。
超声波探头6由n个超声波传感器阵列T1、T2、...Ti、...、Tn构成,其中n为不小于1的整数。作为实例,探头6可采用传感器线型带状的形式,包括例如沿着垂直于X轴的Y轴排成一直线n=128的传感器。然而,所讨论的探头也可采用二维的传感器阵列形式(平面或其它类型)。
传感器T1-Tn由微计算机4、也有可能通过中央单元CPU来相互独立控制,中央单元包括例如在通过柔性电缆链接探头6的电子机架7。传感器T1-Tn因此可选择性地发射:
-超声压缩波可以是”平面波”(即,其波前在X、Y平面中的直线传播的波),也可以是照射在介质2中的整个观测区域的聚焦或非聚焦波的其它类型的波,例如由引起不同传感器T1-Tn发射随机声波信号所产生的波;或者,
-超声压缩波聚焦在介质2的一点或多点上。
为了观测剪切波在介质2中的传播,可以连续执行下述步骤:
a)激励步骤,在该步骤中,微型计算机4通过引起探头6在弹性介质2聚焦至少一个超声波在弹性介质中产生弹性剪切波;
b)观测步骤,在该步骤中,在弹性介质2观测区域的多个点上同时观测剪切波的传播;以及,
c)成像步骤,在该步骤中,微型计算机4处理在子步骤b2)所接收到的弹性介质2的声波信号,以便以连续的间隔tk来确定连续传播的图像(tk为产生剪切波开始计时的相对时间)。
a)激励步骤
在激励步骤a)中,剪切激励可由超声传感器阵列6发射至弹性介质2中的至少一个聚焦超声波产生。
在激励步骤a)中所发射的聚焦超声波可为频率f在0.5MHz至15MHz之间的单频波,例如大约等于4MHz,其发射持续时间为p/f秒,p为在50至5000范围内的整数(例如,大约为500)以及f以Hz表示。以方波或类似的形式的激励可产生至少500Hz(例如0-1000Hz)相对较宽带宽的剪切波。
在激励步骤a)中所发射的聚焦超声波可以聚焦在单一聚焦点或多个聚焦点上,使得产生的剪切波呈现所需要的波形并且照射在介质2中所需要的区域。焦点(s)由产生剪切波的激励轨迹构成。例如,激励轨迹L可以通过沿着直线快速聚焦多个连续超声波所获得的直线形式,这种情况有可能产生平面剪切波,如Bercoff等所解释的,见[″Supersonic Shear Imaging:a NewTechnique for Soft Tissue Elasticity Mapping″,IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,vol.51,no.4,April 2004,p.396-409]。
b)观测步骤
观测步骤可以包括下述子步骤:
b1)微计算机4引起探头6向弹性介质中发射连续的超声压缩波震动,其超声压缩波优选为非聚焦或弱聚焦的,至少以每秒500次速率发射(在步骤a)中发射的聚焦超声波的聚焦和定时,以及该超声波的定时适用于使得所述超声波至少部分能在剪切波传播的过程中通过观测区域到达观测区域,至少对部分发射的超声波而言);
b2)微计算器4使得探头6实时检测和记录从弹性介质2中接收到的声波信号,所述信号包括超声压缩波与弹性介质中的反射粒子5相互作用所产生的回波,这些回波对应于(直接或间接)弹性介质位移的连续图像。
在步骤b1)过程中,可以至少例如小于1秒,有可能以每秒500至10000次范围内的速率来发射非聚焦超声压缩波,并优选为在每秒1000至5000次范围内的速率(该速率受限于压缩波通过介质2的往返时间,即,以方向X通过介质的厚度:这是在发射新的压缩波之前,探头6接收到由压缩波所产生的所有回波的所需时间)。
各个非聚焦超声压缩波以比剪切波传播速度高得多的速度通过介质2的传播(例如,在人体中大约每秒1500米的速度),并且与反射粒子5相互作用,从而在信号中产生回波或其它模拟干扰,这在回波描述技术中称为“斑点噪声”。
在子步骤b2)中,在每发射k次非聚焦超声压缩波之后,由传感器T1-Tn获取斑点噪声。在第k次发射后,各个传感器Ti以这种方法所获取到的信号si(tk)由机架7及连接着所述传感器的采样形成部分以高频(例如,30Mhz至100MHz)进行初始采样和实时数字化(例如,12比特),所述采样器分别标记为E1、E2、...、En
随后,存储以这种方式进行采样和数字化的信号si(tk),例如以实时的方式存储于属于机架7且专用于传感器Ti的存储器Mi
作为实例,各个存储器Mi具有128MB的存储容量并且能够包括连续接收到的k=1至q次所发射的所有信号si(tk),其中q等于超声波发射的总数。
c)成像步骤
成像步骤c)可由微计算机4以延时方式来执行,在已经存储了对应于剪切波相同传播的所有信号si(tk)之后,中央单元CPU使得属于机架7的加法电路重新处理这些信号(或者可以由自己来执行该处理,或在所述微型计算机4)中执行该处理,使用对应于子步骤c1)的通用形成路径来执行),如文献US-B2-7252004所述。
这样产生的图像Im(tk),例如在该条件下的2D图像,各自采用对应于观测区域坐标系(x,y)的离散位置的矩阵形式,各个对应于在第k次发射后的观测区域的图像。
在路径形成的步骤后,中央单元CPU将图像Im(tk)存储于机架7的中央存储器M部分或微计算机4内。
各个图像Im(tk)可以具有大致等于或小于1mm的分辨率。
重复步骤a-c
根据本发明,重复J次步骤a-c,J例如在4至10之间的数值。在激励步骤J=1至J的过程中,激励轨迹Lj由成像装置从一个重复j至另一个重复中进行偏置(通过改变传感器阵列6所传输超声波的聚焦,例如,改变应用于传感器T1-Tn的延迟,该方法在现有技术中是知晓的)。连续的激励轨迹Lj由最大距离Dm相互分隔开,Dm最大等于或优选小于所述分辨率R。在特定的实施例中,各个激励轨迹与相邻激励轨迹Lj之间分割开的间距为至多R/5,且优选为至多R/10。例如,可以使用J=7的迭代以及激励轨迹Lj的每次迭代可以偏置R/10间距,使得在第一次迭代(j=1)和最后一次迭代(j=J)之间的总偏置间距等于7R/10。
当激励轨迹Lj呈现如图2所示平行于X轴的直线,所述激励轨迹Lj可以从一次迭代至下一次迭代的平行于Y轴的所述间距进行偏置。上述偏置可以通过这样的事实获得:激励轨迹Lj由成像装置1从一个激励步骤a)至另一个激励步骤的过程中在弹性介质中移动。当激励轨迹呈现直线时,该直线可以通过倾斜小角度的直线来实现从一次迭代到另一次迭代的偏置,在这种情况下,一次激励线与另一次激励线的各点之间距离(所述距离是以垂直于属于所述点的激励直线进行测量的)沿着所述直线而变化,并且最大距离Dm为一次激励轨迹中的一点与另一次激励轨迹中的一点之间距离的最大数值。
在一个变化例中,所述介质2在从一个激励步骤至另一激励步骤的过程中移动,同时阵列6保持固定以及激励轨迹相对于传感器阵列6保持固定,使得激励轨迹Lj在一个激励步骤至另一个激励步骤的过程中在弹性介质2中移动。这适用于介质2为活体人类或动物的肝脏或心脏的部分。在这种情况下,连续激励步骤a)可以在介质位置非常靠近于参考位置的时间进行,使得在激励轨迹之间的最大距离Dm仍旧小于分辨率R。
在各个激励步骤j之后,可以连续的间隙获得如上所述的图像序列Imj(tk)。这些图像Imj(tk)称之为原始图像。
d)重新定位步骤
如图3所示,原始图像Lj(tk)可以在空间上进行重新定位,使得不同的激励轨迹(Lj)的定位与所述不同原始图像Imj(tk)中的对应位置相一致。这种重新定位可以通过对原始图像Imj(tk)坐标***(x,y)(或在3D成像中的3D坐标***(x,y,z))的偏置来获得,使得不同激励轨迹(Lj)在所有原始图像中Imj(tk)中都具有相同的坐标。重新定位步骤可以在各个成像步骤c)之后对应各个原始图像来执行,也可以在所有步骤a-c迭代之后,同时对应所有原始图像来执行。
该重新定位步骤可选择性的省略。如上所述,当弹性介质是移动的并且激励轨迹相对于传感器阵列是固定的,则该重新定位步骤可以优选省略;反之,当激励轨迹Lj在一次次的迭代中相对于传感器阵列是移动的,则优选执行所述重新定位。
e)平均步骤
随后,对对应于相同相对时间tk的原始图像Imj(tk)(如果可能,在它们重新定位之后)作平均,以便确定对应于所述相对时间tk的平均图像Im’(tk)。该平均可以是原始图像的象素数值sj(tk)(x,y)的简单算术平均。
如图4所示,平均步骤能够获得比原始图像更高质量的平均图像,如图5所示。尤其是,通过平均步骤,图像的信噪比可以显著增加,使得下一步骤中的介质2流变特征具有更好的特征。
在推进区域的侧向距离2mm处,最大剪切波频率为200Hz(-6dB)。在200Hz之上的频率分量被组织衰减。当使用新的平均方法时,对于确定的位置而言,最大的剪切波频率为500Hz(-6dB)可以获得比传统方法更多的组织弹性介质的信息。
f)特征化步骤
基于随时间变化的平均图像Im’(tk),可以计算出在所述弹性介质至少一点上的至少一个剪切波参数,优选基于完整的图像来获得弹性介质的映射。剪切波传输参数选自例如剪切波速度、剪切模量、杨氏模量、剪切波衰减、剪切波弹性、剪切波粘度、机械松弛时间和各向异性。这类参数可根据如文献US-B2-7252004所解释的方法来确定。
此外,由于平均图像具有好的信噪比,就有可能进行所述参数的频谱分析。例如,如图6所示,当所述参数为剪切波的速度v时,就有可能确定所述速度v是所述剪切波带宽中的频率f的函数。
当测量参数为剪切波衰减α,该衰减可以认为是根据下列定律变化的,例如:α(f)=α01fa
式中:f为剪切波频率以及a为加权系数,对生物介质中的机械波而言,一般在0至2之间。在这种情况下,本发明可以精确地评估加权系数并映射弹性介质中的y,如同文献WO-A-2009/007582所指导的。
变换实施例
在一个变换例中,剪切波的激励可以通过在各个激励轨迹上对弹性介质施加外部机械力来获得,例如,通过由微计算机4控制的振动器来获得剪切波的激励,如文献WO-A-00/55616所解释的。
在另一变换例中,各个原始图像Imj(tk)通过IRM而不是超声成像来获得。

Claims (19)

1.使用剪切波观测弹性介质(2)的成像方法,包括:
-多个连续激励步骤j,在该步骤中,由成像装置(1)在弹性介质(2)中的不同激励轨迹(Lj)上产生弹性剪切波,所述不同激励轨迹由最大距离Dm相互分隔开;
-对应于激励步骤j的成像步骤,在该步骤中,在剪切波在所述弹性介质中传播过程中,由成像装置(1)确定在时间tk的弹性介质的连续原始图像Imj(tk)序列j,所述原始图像具有至少等于最大距离Dm的分辨率R,tK为从对应于剪切波产生开始计时的相对时间;-平均步骤,在该步骤中,对应于所述相同相对时间tk的原始图像Imj(tk)进行平均,以确定对应于所述相对时间tk的平均图像Im’(tk)。
2.根据权利要求1所述的成像方法,还包括:在成像步骤和平均步骤之间的重新定位步骤,在该步骤中,所述原始图像Imj(tk)在空间上进行重新定位,使得不同激励轨迹(Lj)的定位与所述原始图像Imj(tk)中的位置相一致。
3.根据权利要求2所述的成像方法,其特征在于,所述原始图像Imj(tk)通过各个原始图像的坐标***的偏置实现空间重新定位,使得不同激励轨迹(Lj)具有与所述原始图像Imj(tk)的相同坐标。
4.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述连续原始图像序列j的数量J至少等于5。
5.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述各个激励轨迹(Lj)与相邻激励轨迹之间分割开的间距至多R/5,且优选为至多R/10。
6.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述激励轨迹(Lj)在一个激励步骤至另一个激励步骤的过程中由成像装置(1)在弹性介质(2)中移动。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述弹性介质(2)移动,同时激励轨迹在一个激励步骤至另一个激励步骤中相对于成像装置(1)保持固定,使得激励轨迹(Lj)在一个激励步骤至另一个激励步骤中在弹性介质(2)中移动。
8.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,所述剪切波由属于所述成像装置(1)的超声波传感器阵列将至少一个超声波发射至弹性介质(2)中来产生。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述剪切激发过在各个激励轨迹将外部机械力施加于弹性介质来产生。
10.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,其特征在于,所述各个原始图像Imj(tk)通过超声成像或IRM获得。
11.根据上述权利要求中任一项所述的成像方法,还包括特征化步骤,在该步骤中,基于随时间变化的所述平均图像Im’(tk),来计算在弹性介质至少一点上的至少一个剪切波传播参数。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述在特征化步骤中计算的剪切波传播参数选自剪切波速度、剪切波模量、杨氏模量、剪切波衰减、剪切弹性、剪切粘度、机械松弛时间和各向异性。
13.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述激励具有至少为500Hz的带宽,并且在所述带宽的多个频率上计算所述剪切波传播参数。
14.适用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法使用剪切波观测弹性介质(2)的成像装置,所述装置包括至少一个电子中央单元(4),用于:
-在多个连续激励步骤j中,在弹性介质(2)的多个激励轨迹(Lj)上分别产生弹性剪切波,所述不同的激励轨迹由最大距离Dm相互分隔开,
-在各个激励步骤j中,确定在剪切波分别在所述弹性介质中传播的过程中在时间tk的弹性介质的连续原始图像Imj(tk)序列j,所述原始图像具有至少等于最大距离Dm的分辨率,tk为从对应于剪切波产生开始计时的相对时间,
-对应于相同相对时间tk的原始图像Imj(tk)进行平均,以确定所述相对时间tk的平均图像Im’(tk)。
15.根据权利要求14所述的装置,其特征在于,所述电子中央单元(4)还进一步适用于在所述图像平均之前对所述原始图像Imj(tk)进行空间重新定位,使得不同的激励轨迹(Lj)的定位与原始图像Imj(tk)的坐标位置相一致。
16.根据权利要求15所述的装置,其特征在于,所述电子中央单元(4)适用于通过偏置各个原始图像的坐标***来实现所述原始图像Imj(tk)的空间重新定位,使得不同的激励轨迹(Lj)具有在原始图像Imj(tk)中的相同坐标。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的装置,其特征在于,所述电子中央单元(4)适用于在一个激励步骤至另一个激励步骤的过程中在弹性介质(2)中移动激励轨迹(Lj)。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的装置,所述电子中央单元(4)用于基于随时间变化的连续平均图像来计算在弹性介质(2)至少一点上的至少一个剪切波传播参数,所述剪切波传播参数选自剪切波速度、剪切波模量、杨氏模量、剪切波衰减、剪切波弹性、剪切波粘度、机械松弛时间和各向异性。
19.根据权利要求18所述的装置,其特征在于,所述装置适用于施加具有至少500Hz带宽的剪切波,并且所述中央单元(4)适用于以所述带宽中的多个频率来计算所述剪切波传播参数。
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