專利名稱：超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方法
超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集
成方法 方法領域 本發(fā)明屬于超聲成像領域，涉及到一種超聲造影成像方法以及將該成像方法與灌
注參量估計和灌注參量功能成像集成的方法。
背景方法 生物組織或器官的微血管血流灌注評價是獲得生物組織功能、生理和病理狀態(tài)等 信息的重要途徑。隨著超聲造影劑的出現(xiàn)及不斷革新發(fā)展，使得超聲造影增強的血流灌注 定量評價成為分析實質臟器血流灌注的重要手段，并具有實時、安全、便捷和成本低廉的特 點。該方法涉及超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像等方法，具有廣泛的臨床 應用前景。 基于造影微泡的線性與非線性振動、時域解相關和瞬時破壞增強等特性，大量超 聲造影成像方法被不斷的研究和應用，包括二次諧波，脈沖逆轉諧波，次諧波，超諧波，脈沖 逆轉多普勒，脈沖釋放爆破等。然而，大多數(shù)超聲造影成像方法基于造影微泡背向散射回波 的幅度信息，不可避免地受到組織聲衰減和微泡聲遮擋的干擾，嚴重影響了造影成像本身 及以此為基礎的后續(xù)灌注定量評價的準確性，目前發(fā)展的一些抑制組織聲衰減和微泡聲遮 擋的成像方法耗時較長、易受臟器移動影響，不能滿足實時、準確顯示的要求。因此，研究可 以抑制組織聲衰減和微泡聲遮擋并能實時、準確顯示探測對象的超聲造影成像方法具有重 要意義，對此，本發(fā)明提出了一種造影增強的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法。
血流灌注參量估計方法基于造影成像方法得到的圖像序列，通過選取圖像局部感 興趣區(qū)域獲得時間強度曲線，對該曲線進行擬合分析，得到與血流量、局部血容量相關的參 數(shù)，從而半定量甚至定量評價血流灌注情況?；跁r間強度曲線的超聲血流灌注模型有短 時團注指示劑稀釋模型、連續(xù)灌輸破壞再灌注模型和破壞動態(tài)衰減模型。短時團注指示劑 稀釋模型利用造影劑為指示劑以質量守恒定律為基礎，在向血流中快速注入一定劑量的造 影劑之后，利用造影劑的背向散射增強效應來探測造影微泡濃度隨時間的變化。Wei et al 首次提出連續(xù)灌注破壞再灌注模型，即以恒定速率持續(xù)注入超聲造影劑，在達到穩(wěn)定狀態(tài) 時發(fā)射高能量的破壞脈沖將成像平面內的造影劑微泡全部破壞，隨后發(fā)射低能量成像脈沖 觀察造影劑微泡的再灌注過程。破壞動態(tài)衰減模型是利用等間隔中等能力的超聲脈沖造成 感興趣區(qū)內部分造影劑微泡破壞，在下次超聲輻射前，血液的流入和流出造成感興趣區(qū)內 造影劑劑量的增加，下次超聲輻射后，又造成部分微泡破壞，如此不斷間隔輻射、微泡破壞 和再填充，當單次輻射超聲造成微泡的破壞量與兩次超聲輻射時間間隔內感興趣區(qū)造影劑 再灌注量相等時微泡濃度達到平衡。 上述灌注參量估計方法采用手動方式選擇較大尺寸感興趣區(qū)域，一方面忽略了感 興趣區(qū)域內局部血流灌注的差異性，另一方面容易引入非灌注區(qū)域而產(chǎn)生誤差，進一步降 低了估計準確性。于是，一種自動化的灌注參量功能成像方法被提出，成為灌注參量估計方 法的有力補充，兩者相結合能夠提供更為全面、準確的血流動力學信息。目前的灌注參量估 計和灌注參量功能成像方法，都是通過視頻數(shù)據(jù)或射頻信號得到時間強度曲線，不能準確
4的反映灌注區(qū)內的微泡濃度變化，因此在本發(fā)明中，發(fā)展了將脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù) 成像方法與灌注參量估計和灌注參量功能成像集成的方法。 本發(fā)明申請人在可編程超聲設備的基礎上實施脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像 方法，并將該成像方法與三種模型的灌注參量估計和灌注參量功能成像方法予以集成，提 高了工作效率并增強了灌注模型間比較的可靠性。

發(fā)明內容
針對上述國內外的超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像方法的現(xiàn) 狀，本發(fā)明的目的在于，提供一種造影增強的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法及基于 參數(shù)圖像序列的多灌注模型的手動灌注參量估計和自動化灌注參量功能成像的集成方法。
為實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明給出如下的方法解決方案 —種基于可編程超聲設備的超聲脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像、灌注參量估計 和灌注參量功能成像的集成方法，通過此方法將超聲脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像子系 統(tǒng)、灌注參量估計子系統(tǒng)和灌注參量功能成像子系統(tǒng)予以集成。脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參 數(shù)成像子系統(tǒng)包含基于可編程超聲設備的線陣換能器和基于主控計算機的射頻數(shù)據(jù)處理 成像單元，實施時，通過前者發(fā)射脈沖逆轉激勵序列，采集由回波信號形成的原始射頻數(shù) 據(jù)。該原始射頻數(shù)據(jù)導入主控PC機，通過射頻數(shù)據(jù)處理成像單元中的成像軟件系統(tǒng)處理得 到參數(shù)圖像序列。該圖像序列一方面實現(xiàn)準實時的顯示，另一方面保存作為灌注參量估計 子系統(tǒng)和灌注參量功能成像子系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。灌注參量估計子系統(tǒng)與灌注參量功能成像 子系統(tǒng)共用同一個基于可編程超聲設備的發(fā)射脈沖序列組合編程控制系統(tǒng)和造影劑注入 控制系統(tǒng)，同時，兩者都包含各自的基于主控計算機的軟件處理系統(tǒng)，分別是手動灌注參量 估計軟件系統(tǒng)和自動化灌注參量功能成像軟件系統(tǒng)。實施時，根據(jù)選用的灌注模型(包括 短時團注指示劑稀釋模型、連續(xù)灌輸破壞再灌注模型和破壞動態(tài)衰減模型)，采取相應的造 影劑注入方式，對應于上述三種模型分別為快速團式注入方式、恒速連續(xù)注入方式和恒速 連續(xù)注入方式。同樣，根據(jù)選用的灌注模型編程實現(xiàn)相應的發(fā)射脈沖序列組合并激勵線陣 換能器對血流灌注進行成像和/或干預。其中對血流灌注進行成像由脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng) 計參數(shù)成像子系統(tǒng)實現(xiàn)的成像方法來實現(xiàn)。獲得的造影圖像序列分別輸入手動灌注參量估 計軟件系統(tǒng)和自動化灌注參量功能成像軟件系統(tǒng)，從多個角度定量分析流速、血流量等血 流灌注動力學信息。 超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像集成方法，按照如下步驟
(1)將設置在探測目標上方的線陣換能器通過具有射頻數(shù)據(jù)采集接口的可編程超 聲設備與主控計算機連接； (2)在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集
到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機
采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；實現(xiàn)超聲造影成像方法； (3)在步驟(2)超聲造影成像方法的基礎上實現(xiàn)灌注參量估計方法或灌注參量功
能成像方法； 所述灌注參量估計方法是指從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌注破壞再灌注或破 壞動態(tài)衰減三個模型中選擇一個所要實施的灌注模型；根據(jù)選擇的灌注模型在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設 備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計 參數(shù)成像的方法成像；在采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法基礎上，根據(jù)選擇的 灌注模型實現(xiàn)灌注參量估計方法； 所述灌注參量功能成像方法是指從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌注破壞再灌注 或破壞動態(tài)衰減三個模型中選擇一個所要實施的灌注模型；根據(jù)選擇的灌注模型在探測目 標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超 聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡 統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；在采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法基礎上，根據(jù)選 擇的灌注模型實現(xiàn)灌注參量功能成像方法； 所述步驟(2)中采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法步驟如下
(1)利用基于可編程超聲設備的線陣換能器發(fā)射脈沖逆轉序列，即沿一條掃描線 相繼發(fā)射、接收0相和相的同幅度脈沖，后續(xù)掃描線重復操作直至完成二維平面掃查，形 成單幀射頻數(shù)據(jù)； (2)采集得到單幀原始射頻數(shù)據(jù)，分離出O相脈沖和相脈沖的回波射頻數(shù)據(jù)，兩 者經(jīng)過相加消除奇次諧波分量，保留了偶次諧波分量； (3)采用希爾伯特(Hilbert)變換進行解調，提取偶次諧波信號包絡； (4)經(jīng)過二次采樣及對數(shù)壓縮生成常規(guī)脈沖逆轉諧波灰度圖像，作為解剖結構背
旦 豕； (5)選取統(tǒng)計參數(shù)成像區(qū)域或選擇全局成像，并確定用于計算參量m的矩形滑動 窗尺寸； (6)利用m參量計算公式(1)計算二維矩形窗內偶次諧波包絡像素點的m值，將該 m值賦給矩形滑動窗的中心像素點。 (7)使矩形滑動窗以單像素點為步進單位在成像平面內進行縱向及橫向滑動，每 滑動一個像素點，重復步驟(5)、 (6)，直至遍歷整個成像平面； (8)對m值進行彩色編碼，隨著m值由小變大，顏色由冷色調過渡到暖色調；
(9)將彩色m參量圖像與(4)中所得灰度背景圖像相疊加；
(10)重復步驟(1)至(9)生成并保存經(jīng)疊加的m參量圖像序列。
所述公式
l2
的回波:
中選擇-
m= ^ 2 "、、。 ，、w (1)
其中，統(tǒng)計參數(shù)m作為成像因子，e。表示0相位脈沖的回波，en表示相位脈沖 R( )表示包絡檢波運算，E( )表示統(tǒng)計平均。 所述灌注參量估計方法的步驟如下
(1) 從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型 -種模型；
(2) 根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；
(3) 根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式；
6
(4)通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影 微泡灌注進行檢測或/和干預； (5)利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列；
(6)手動選擇任意多邊形感興趣區(qū)域，通過瀏覽圖像序列識別目標組織的位移，并 手動微調序列圖像中組織移動或形變幀的感興趣區(qū)域位置； (7)計算感興趣區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到原始時間強度曲 線； (8)根據(jù)應用的灌注模型類型，實施相應的時間強度曲線擬合方法；
(9)從經(jīng)過擬合的時間強度曲線中提取相應的灌注參量；
(10)如需應用另一個灌注模型進行灌注參量估計，則重復步驟(1)至(9)。
所述灌注參量功能成像方法步驟如下 (1)從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型 中選擇一種； (2)根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；
(3)根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式； (4)通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影 微泡灌注進行檢測或/和干預； (5)利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列； (6)根據(jù)成像單位類型自動選取覆蓋二維成像平面的成像單位區(qū)域； (7)計算成像單位區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到三維原始時間強
度曲線矩陣； (8)應用時間強度曲線快速去噪方法對每一條時間強度曲線進行去噪；
(9)提取灌注參量并彩色編碼顯示； (10)如需應用另一個灌注模型進行灌注參量功能成像，則重復步驟(1)至(9)。
上述超聲脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像子系統(tǒng)實現(xiàn)的成像方法，采用脈沖逆轉 雙脈沖激勵模式，消除來自非灌注組織的基波信號，保留來自造影微泡的偶次諧波信號，并 利用Nakagami統(tǒng)計模型對獲得的偶次諧波回波包絡信號進行統(tǒng)計特征分析，計算出相應 的統(tǒng)計參數(shù)m作為成像因子。參數(shù)m通過公式(1)算出。 其中，e。表示0相位脈沖的回波， 表示Ji相位脈沖的回波，R( )表示包絡檢 波運算，E(O表示統(tǒng)計平均。 上述灌注參量估計子系統(tǒng)實現(xiàn)的手動灌注參量估計方法，基于成像子系統(tǒng)得到的 參數(shù)圖像序列，可采用多種造影劑注入方式和灌注模型。 上述灌注參量功能成像子系統(tǒng)實現(xiàn)的自動化灌注參量功能成像方法，基于成像子 系統(tǒng)得到的參數(shù)圖像序列，可采用多種造影劑注入方式和灌注模型。 本發(fā)明將超聲造影成像，灌注參量估計和灌注參量功能成像的方法予以集成，從 多角度檢測血流灌注情況并獲取定量的血流動力學信息。同時，基于超聲發(fā)射脈沖序列組 附=2 。~~-^ (1)
7合編程控制方法實現(xiàn)了多種灌注模型的一體化定量分析系統(tǒng)，提升了多模型比較的準確性 及可信賴度。提供的超聲造影成像方法采用脈沖逆轉超聲寬帶激勵模式，提高了超聲造影 成像的分辨率。由此形成的偶次諧波包絡能夠抑制來自無灌注組織的基波信號，從而增強 了信噪比和統(tǒng)計參數(shù)計算的準確性。相比于其他超聲回波包絡統(tǒng)計模型統(tǒng)計參數(shù)計算，提 供的基于Nakagami統(tǒng)計模型的統(tǒng)計參數(shù)成像計算需求量小，具有實時成像的潛力。此外， 該造影成像方法利用造影微泡背向散射信號的統(tǒng)計分布特征而不是造影微泡背向散射信 號的強度，克服了聲傳播路徑上組織及造影微泡導致的聲衰減對造影成像及灌注定量評價 方法的影響。


附圖1是本發(fā)明的超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像集成方法 圖； 附圖2是本發(fā)明的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像流程圖； 附圖3是本發(fā)明的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法原理說明圖； 附圖4是本發(fā)明的手動灌注參量估計方法流程圖； 附圖5是本發(fā)明的自動化灌注參量功能成像方法流程圖； 附圖6是本發(fā)明的灌注參量估計和灌注參量功能成像原理說明圖。
具體實施例方式
本發(fā)明包括以下三個方面的內容 第一方面，提供了一種集成了超聲造影成像，灌注參量估計及灌注參量功能成像 方法的系統(tǒng)。 第二方面，提供了一種基于脈沖逆轉雙脈沖激勵序列的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參 數(shù)成像方法。 第三方面，提供了一種基于超聲發(fā)射脈沖序列組合編程控制方法的利用單一系統(tǒng) 實現(xiàn)多種灌注定量評價策略的方法。 下面具體闡述上述三方面內容的具體實施方法 依據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種集成了超聲造影成像，灌注參量估計
及灌注參量功能成像方法的系統(tǒng)。參看圖l，整體系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)，分別是脈沖逆轉諧
波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像子系統(tǒng)，灌注參量估計系統(tǒng)子系統(tǒng)和灌注參量功能成像系統(tǒng)子系統(tǒng)。 脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像子系統(tǒng)由集成了線陣換能器的可編程超聲設備
及基于主控計算機的成像軟件組成。利用本發(fā)明第二方面的內容中提供的基于脈沖逆轉雙
脈沖激勵模式的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法，獲得反映造影微泡濃度分布及變化
的參數(shù)圖像序列，用于后續(xù)的灌注參量估計和灌注參量功能成像。 灌注參量估計系統(tǒng)包括本發(fā)明第三方面的內容中提供的發(fā)射脈沖序列組合編程 控制系統(tǒng)、造影劑注入控制系統(tǒng)和手動灌注參量估計軟件系統(tǒng)。造影劑注入控制系統(tǒng)由注 射器、恒流泵及相應配件組成。實施時，根據(jù)特定灌注模型的需要采用相應的方式(包括造 影劑濃度，注入速度等)注入造影劑。手動灌注參量估計軟件系統(tǒng)由感興趣區(qū)域(Region of interest, ROI)手動選取，時間強度曲線(Time intensity curve, TIC)擬合和灌注參量提取三個模塊組成。感興趣區(qū)域采用手動適形選取策略，即具有超聲影像辨識經(jīng)驗的人員 根據(jù)目標臟器的整體或局部邊緣手動選取任意多邊形區(qū)域，感興趣區(qū)域選定后高亮顯示， 通過計算其中的平均灰度值作為時間的函數(shù)得出時間強度曲線，本系統(tǒng)集成實現(xiàn)三種灌注 模型，分別為短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型。針 對每種模型給出了相應的灌注參量定義并提供了相應的時間強度曲線擬合方法?；趨⒘?的定義即可從擬合后的時間強度曲線中提取出目標參量，用于血流動力學信息定量分析和 比較。
該方法的具體實施步驟如下 (1)從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型 中選擇一種模型； (2)根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；
(3)根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式； (4)通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影 微泡灌注進行檢測或/和干預； (5)利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列；
(6)手動選擇任意多邊形感興趣區(qū)域，通過瀏覽圖像序列識別目標組織的位移，并 手動微調序列圖像中組織移動或形變幀的感興趣區(qū)域位置； (7)計算感興趣區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到原始時間強度曲 線； (8)根據(jù)應用的灌注模型類型，實施相應的時間強度曲線擬合方法； (9)從擬合得到的時間強度曲線中提取相應的灌注參量； (10)如需應用另一個灌注模型進行灌注參量估計，則重復步驟(1)至(9)。 灌注參量功能成像軟件系統(tǒng)包括本發(fā)明第三方面的內容中提供的超聲發(fā)射脈沖
序列組合編程控制系統(tǒng)，造影劑注入控制系統(tǒng)和自動化灌注參量功能成像軟件系統(tǒng)。所包
括的發(fā)射脈沖序列組合編程控制系統(tǒng)和造影劑注入控制系統(tǒng)與灌注參量估計系統(tǒng)中提供
的相同。自動化灌注參量功能成像軟件系統(tǒng)包含以下模塊成像單位區(qū)域自動化選取，時間
強度曲線快速去噪，灌注參量提取與彩色編碼顯示。依據(jù)不同的灌注模型，采取不同的處理方法。
該方法的具體實施步驟如下 (1)從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型 中選擇一種； (2)根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；
(3)根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式； (4)通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影 微泡灌注進行檢測或/和干預； (5)利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列； (6)根據(jù)成像單位類型自動選取覆蓋二維成像平面的成像單位區(qū)域； (7)計算成像單位區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到三維原始時間強
度曲線矩陣；
(8)應用時間強度曲線快速去噪方法對每一條時間強度曲線進行去噪；
(9)提取灌注參量并彩色編碼顯示； (10)如需應用另一個灌注模型進行灌注參量功能成像，則重復步驟(1)至(9)。
依據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種基于脈沖逆轉雙脈沖激勵序列的脈沖 逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法。將通過脈沖逆轉雙脈沖激勵模式獲得回波射頻數(shù)據(jù)進行 分離、相加和包絡檢波運算，形成僅含偶次諧波的回波包絡信號。采用Nakagami包絡統(tǒng)計 模型分析包絡信號的統(tǒng)計分布特性，計算出相應的統(tǒng)計參數(shù)值，參數(shù)m通過公式(1)計算得 到。
,2fe +^))]2 m m="~ *■ 、 "~^-^ ① 其中，e。表示0相位脈沖的回波， 表示Ji相位脈沖的回波，R( )表示包絡檢 波運算，E(O表示統(tǒng)計平均。 提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法的具體實施步驟如下
(1)利用基于可編程超聲設備的線陣換能器發(fā)射脈沖逆轉序列，即沿一條掃描線 相繼發(fā)射、接收0相和Ji相的同幅度脈沖，后續(xù)掃描線重復操作直至完成二維平面掃查，形 成單幀射頻數(shù)據(jù)； (2)采集得到單幀原始射頻數(shù)據(jù)，分離出O相脈沖和Ji相脈沖的回波射頻數(shù)據(jù)，兩 者經(jīng)過相加消除奇次諧波分量，保留了偶次諧波分量； (3)采用希爾伯特(Hilbert)變換進行解調，提取偶次諧波信號包絡； (4)經(jīng)過二次采樣及對數(shù)壓縮生成常規(guī)脈沖逆轉諧波灰度圖像，作為解剖結構背
旦 豕； (5)選取統(tǒng)計參數(shù)成像區(qū)域或選擇全局成像，并確定用于計算參量m的矩形滑動 窗尺寸； (6)利用m參量計算公式(1)計算二維矩形窗內偶次諧波包絡像素點的m值，將該 m值賦給矩形滑動窗的中心像素點； (7)使矩形滑動窗以單像素點為步進單位在成像平面內進行縱向及橫向滑動，每 滑動一個像素點，重復步驟(5)、 (6)，直至遍歷整個成像平面； (8)對m值進行彩色編碼，隨著m值由小變大，顏色由冷色調過渡到暖色調；
(9)將彩色m參量圖像與(4)中所得灰度背景圖像相疊加；
(10)重復步驟(1)至(9)生成并保存經(jīng)疊加的m參量圖像序列。
提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法的優(yōu)點如下 (1)采用脈沖逆轉超聲激勵模式，避免常規(guī)帶通濾波器導致的基波分量與諧波分 量的重疊干擾，實現(xiàn)寬帶發(fā)射接收，提高了超聲成像的分辨率； (2)利用偶次諧波包絡統(tǒng)計特性計算能夠度量造影微泡濃度的統(tǒng)計參數(shù)，抑制來 自非灌注區(qū)域的基波信號，增強了信噪比和統(tǒng)計參數(shù)計算的準確性； (3)與其他超聲回波包絡統(tǒng)計模型的統(tǒng)計參數(shù)相比，基于Nakagami統(tǒng)計模型的統(tǒng) 計參數(shù)計算需求量小，具有實時成像的潛力； (4)利用造影微泡背向散射信號的統(tǒng)計分布特征而不是造影微泡背向散射信號的強度，克服了傳播路徑上組織及造影微泡導致的聲衰減對造影微泡濃度檢測的影響。
依據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供了一種基于超聲發(fā)射脈沖序列組合編程控制 方法的利用單一系統(tǒng)實現(xiàn)多種灌注定量評價策略的方法。利用超聲脈沖幅度、頻率(周 期)、發(fā)射時序可編程的線陣換能器同時滿足短時團注指示劑稀釋，連續(xù)灌輸破壞再灌注和 破壞動態(tài)衰減三種血流灌注模型對于超聲發(fā)射脈沖序列組合的特殊要求。
下面分別描述針對三種血流灌注模型的發(fā)射脈沖序列組合 (1)短時團注指示劑稀釋模型的發(fā)射脈沖序列組合。利用低能量脈沖逆轉發(fā)射 序列檢測作為指示劑的造影劑在稀釋過程中，造影劑濃度隨時間的變化。采用低能量的目 的是盡可能的減少超聲脈沖對造影劑微泡的破壞，避免由于微泡破壞導致微泡濃度估計偏
低。發(fā)射脈沖的能量用機械指數(shù)(MI)來衡量，MI的計算公式為M/ = ^7 P—為激勵脈 沖的負聲壓，f為激勵脈沖的中心頻率。 (2)連續(xù)灌輸破壞再灌注模型的發(fā)射脈沖序列組合。利用低能量脈沖逆轉發(fā)射序 列+高能量多周期破壞脈沖+低能量脈沖逆轉發(fā)射序列的脈沖時序組合來檢測造影微泡的 破壞再灌注過程。其中低能量脈沖逆轉發(fā)射序列與(1)所述相同，破壞脈沖前的低能量脈 沖逆轉發(fā)射序列用于檢測造影微泡的灌注與否及灌注程度，當灌注達到穩(wěn)態(tài)時(即成像平 面內的造影強度保持不變)，發(fā)射高能量多周期破壞脈沖將成像平面內的造影微泡盡可能 的全部破壞，隨后的低能量脈沖逆轉發(fā)射序列用于檢測造影微泡再補充過程中造影微泡濃 度隨時間逐漸上升的動態(tài)過程。 (3)破壞動態(tài)衰減模型的發(fā)射脈沖序列組合。中等能量脈沖逆轉發(fā)射序列，幀間隔 與(1)， (2)所述的相比要長，這樣做的目的是提供讓造影微泡少量補充的緩沖時間，但同 時，幀間隔又不能過長，因為過長的無超聲輻照時期會使得灌注重新回到穩(wěn)態(tài)，導致最終的 時間強度曲線變成鋸齒狀的近似直線。 本發(fā)明提供的超聲發(fā)射脈沖序列組合編程控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同需要實現(xiàn)三種 灌注定量評價策略所需脈沖發(fā)射序列組合間的自由切換。 參看圖2，給出了脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像軟件流程圖，該軟件將產(chǎn)生于脈 沖逆轉雙脈沖激勵模式的單幀原始射頻數(shù)據(jù)進行O相和Ji相分離，并對分離后的數(shù)據(jù)應用 全局相加運算，獲得只包含偶次諧波的回波信號，在經(jīng)歷了包絡檢測環(huán)節(jié)之后，軟件平行采 取兩條處理路線，其一是歷經(jīng)對數(shù)壓縮運算和二次采樣環(huán)節(jié)形成脈沖逆轉諧波圖像，給予 灰度編碼作為解剖結構背景，另一條是歷經(jīng)成像窗選取和滑動窗包絡統(tǒng)計參數(shù)計算環(huán)節(jié)形 成參數(shù)m圖像，給予彩色編碼并與上述灰度背景疊加得到最終的圖像。 參看圖3，圖3給出了脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法的原理圖。首先利用 可編程線陣換能器發(fā)射O相和Ji相同幅度脈沖逆轉序列，采集得到原始射頻數(shù)據(jù)后，分離 出0相脈沖和Ji相脈沖回波，并對分離后的回波數(shù)據(jù)進行相加運算，獲得只包含偶次諧波 的回波信號。對該回波信號進行包絡檢測得到回波包絡之后，一方面對包絡信號進行二次 采樣和對數(shù)壓縮生成常規(guī)的脈沖逆轉諧波灰度圖像；另一方面，利用一定尺寸的滑動窗在 回波包絡矩陣上逐像素滑動，根據(jù)滑動窗內的回波概率密度分布計算參數(shù)m并賦給滑動窗 中心像素點，再將得到的參數(shù)m矩陣進行彩色編碼后顯示。參數(shù)m圖像可以不局限于全局 偽彩色顯示，也可以與脈沖逆轉諧波灰度圖像進行疊加顯示。
11
參看圖4，給出了手動灌注參量估計軟件流程圖，首先選擇采用的灌注模型類型， 系統(tǒng)將根據(jù)所選模型類型自動完成初始化，同時根據(jù)應用條件人工完成其他初始設置。在 完成圖像序列讀入之后，手動選擇感興趣區(qū)域(ROI)。該軟件提供ROI微調位移補償功能， 利用鍵盤方向鍵實現(xiàn)對每一幀圖像的ROI位置修正并自動保存更新經(jīng)修改的ROI位置信 息。時間強度曲線(TIC)計算得出，該軟件提供多種TIC擬合方式用于對比尋優(yōu)，在此基礎 上完成灌注參量提取和保存。 參看圖5，給出了自動化灌注參量功能成像軟件流程圖，在完成了灌注模型類型選 擇后，系統(tǒng)自動進行初始化。此時選擇成像單位區(qū)域類型，系統(tǒng)自動實現(xiàn)成像單位區(qū)域選 取，生成時間強度曲線(TIC)三維矩陣。TIC快速去噪程序啟動實現(xiàn)TIC的優(yōu)化。以此為基 礎進行灌注參量的快速提取和彩色編碼顯示。 參看圖6，給出了灌注參量估計和灌注參量功能成像原理的說明。三種灌注模型對 應不同的造影劑注射方式和脈沖發(fā)射序列，確定灌注模型后，通過偶次諧波包絡統(tǒng)計參數(shù) 成像方法生成灌注圖像序列。進行灌注參量估計時，首先在圖像上手動選定感興趣區(qū)域并 對感興趣區(qū)域內的圖像強度做平均，遍歷整個圖像序列得到原始的時間強度曲線，然后對 時間強度曲線進行擬合，從擬合得到的時間強度曲線上得到相應的灌注參量；進行灌注參 量功能成像時，首先根據(jù)成像單位類型在圖像上自動選取覆蓋二維成像平面的成像單位區(qū) 域，然后遍歷整個圖像序列并計算成像單位區(qū)域內的平均圖像強度得到三維原始時間強度 曲線，利用擬合或去噪后的時間強度曲線得到灌注參量，將該灌注參量代替相應位置的灰 度值后進行彩色編碼顯示。 本發(fā)明提供的超聲造影成像、灌注參量估計及灌注參量功能成像方法集成系統(tǒng)的
工作過程如下首先，依據(jù)應用的血流灌注模型——短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再
灌注和破壞動態(tài)衰減之一，制定相應的造影劑注入方式，超聲發(fā)射脈沖序列組合方式，灌注
參量估計策略和灌注參量功能成像策略；然后，啟動造影劑注入控制系統(tǒng)注入合適劑量的
造影劑，同時利用可編程超聲設備控制預設的發(fā)射脈沖序列組合激勵線陣換能器，對造影
增強的血流灌注進行成像和/或干預。采集原始射頻數(shù)據(jù)并導入主控計算機。成像環(huán)節(jié)由
主控計算機中的基于脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)的造影成像軟件來實現(xiàn)。成像獲取的造影
圖像序列分別輸入同樣位于主控計算機中的手動灌注參量估計軟件和自動化灌注參量功
能成像軟件，生成與應用的血流灌注模型相對應的灌注參量數(shù)值及功能圖像。 以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定
本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬方法領域的普通方法人員來說，在不脫 離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所
提交的權利要求書確定專利保護范圍。
1權利要求
超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方法，其特征在于，按照如下步驟(1)將設置在探測目標上的線陣換能器通過具有射頻數(shù)據(jù)采集接口的可編程超聲設備與主控計算機連接；(2)在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；實現(xiàn)超聲造影成像方法；(3)在步驟(2)超聲造影成像方法的基礎上實現(xiàn)灌注參量估計方法或灌注參量功能成像方法；所述灌注參量估計方法是指從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌注破壞再灌注或破壞動態(tài)衰減三個模型中選擇一個所要實施的灌注模型；根據(jù)選擇的灌注模型在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；在采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法基礎上，根據(jù)選擇的灌注模型實現(xiàn)灌注參量估計方法；所述灌注參量功能成像方法是指從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌注破壞再灌注或破壞動態(tài)衰減三個模型中選擇一個所要實施的灌注模型；根據(jù)選擇的灌注模型在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；在采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法基礎上，根據(jù)選擇的灌注模型實現(xiàn)灌注參量功能成像方法。
2. 如權利要求1所述超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方 法，其特征在于，所述步驟(2)中采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法步驟如下(1) 利用基于可編程超聲設備的線陣換能器發(fā)射脈沖逆轉序列，即沿一條掃描線相繼 發(fā)射、接收0相和Ji相的同幅度脈沖，后續(xù)掃描線重復操作直至完成二維平面掃查，形成單 幀射頻數(shù)據(jù)；(2) 采集得到單幀原始射頻數(shù)據(jù)，分離出O相脈沖和Ji相脈沖的回波射頻數(shù)據(jù)，兩者經(jīng) 過相加消除奇次諧波分量，保留了偶次諧波分量；(3) 采用希爾伯特(Hilbert)變換進行解調，提取偶次諧波信號包絡；(4) 經(jīng)過二次采樣及對數(shù)壓縮生成常規(guī)脈沖逆轉諧波灰度圖像，作為解剖結構背景；(5) 選取統(tǒng)計參數(shù)成像區(qū)域或選擇全局成像，并確定用于計算參量m的矩形滑動窗尺寸；(6) 利用m參量計算公式(1)計算二維矩形窗內偶次諧波包絡像素點的m值，將該m值 賦給矩形滑動窗的中心像素點；(7) 使矩形滑動窗以單像素點為步進單位在成像平面內進行縱向及橫向滑動，每滑動 一個像素點，重復步驟(5)、 (6)，直至遍歷整個成像平面；(8) 對m值進行彩色編碼，隨著m值由小變大，顏色由冷色調過渡到暖色調；(9) 將彩色m參量圖像與(4)中所得灰度背景圖像相疊加；(10) 重復步驟(1)至(9)生成并保存經(jīng)疊加的m參量圖像序列。所述公式W2:(1)其中，統(tǒng)計參數(shù)m作為成像因子，e。表示0相位脈沖的回波，en表示Ji相位脈沖的回 波，R( )表示包絡檢波運算，E( )表示統(tǒng)計平均。
3. 如權利要求1所述超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方 法，其特征在于，所述灌注參量估計方法的步驟如下(1) 從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型中選 擇一種模型；(2) 根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；(3) 根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式；(4) 通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影微泡 灌注進行檢測或/和干預；(5) 利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列；(6) 手動選擇任意多邊形感興趣區(qū)域，通過瀏覽圖像序列識別目標組織的位移，并手動 微調序列圖像中組織移動或形變幀的感興趣區(qū)域位置；(7) 計算感興趣區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到原始時間強度曲線；(8) 根據(jù)應用的灌注模型類型，實施相應的時間強度曲線擬合方法；(9) 從經(jīng)過擬合的時間強度曲線中提取相應的灌注參量；(10) 如需應用另一個灌注模型進行灌注參量估計，則重復步驟(1)至(9)。
4. 如權利要求1所述超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方 法，其特征在于，所述灌注參量功能成像方法步驟如下(1) 從短時團注指示劑稀釋、連續(xù)灌輸破壞再灌注和破壞動態(tài)衰減三個灌注模型中選 擇一種；(2) 根據(jù)應用的灌注模型類型設置相應的超聲脈沖發(fā)射序列組合；(3) 根據(jù)應用的灌注模型類型采取相應的造影微泡注入方式；(4) 通過脈沖發(fā)射序列組合編程控制系統(tǒng)驅動線陣換能器，對目標平面內的造影微泡 灌注進行檢測或/和干預；(5) 利用本發(fā)明提供的脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法生成圖像序列；(6) 根據(jù)成像單位類型自動選取覆蓋二維成像平面的成像單位區(qū)域；(7) 計算成像單位區(qū)域內的平均圖像強度作為時間的函數(shù)，得到三維原始時間強度曲 線矩陣；(8) 應用時間強度曲線快速去噪方法對每一條時間強度曲線進行去噪；(9) 提取灌注參量并彩色編碼顯示；(10) 如需應用另一個灌注模型進行灌注參量功能成像，則重復步驟(1)至(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了超聲造影成像、灌注參量估計和灌注參量功能成像及其集成方法，該集成方法按照如下步驟(1)將設置在探測目標上的線陣換能器通過具有射頻數(shù)據(jù)采集接口的可編程超聲設備與主控計算機連接；(2)在探測目標內按照快速團式或恒速連續(xù)的方式注入造影劑，線陣換能器采集到的數(shù)據(jù)通過可編程超聲設備處理后由射頻數(shù)據(jù)采集接口輸出到主控計算機；主控計算機采用脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像的方法成像；實現(xiàn)超聲造影成像方法；(3)在步驟(2)超聲造影成像方法的基礎上實現(xiàn)灌注參量估計方法或灌注參量功能成像方法。本發(fā)明申請人在可編程超聲設備的基礎上實施脈沖逆轉諧波包絡統(tǒng)計參數(shù)成像方法，并將該成像方法與三種模型的灌注參量估計和灌注參量功能成像方法予以集成，提高了工作效率并增強了灌注模型間比較的可靠性。
文檔編號A61B8/06GK101756713SQ200910023839
公開日2010年6月30日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權日2009年9月9日
發(fā)明者萬明習, 衛(wèi)敏, 楊星, 谷曉林, 鐘徽 申請人:西安交通大學