專利名稱：一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場的估計方法
一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場的估計方法技術(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的估計方法。
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信號來追蹤生物組織在受到外力擠壓前后的形變和運動信息，通過一定的算法得到生物組織的應(yīng)變、彈性模量等力學特征。由于生物組織病變與其力學特征密切相關(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生物組織的硬度信息、彈性參數(shù)進行成像顯示。它的主要步驟包括(I)用超聲探頭記錄待測生物組織在某一時刻的一幀超聲信號；(2)利用超聲探頭擠壓待測組織， 同時記錄組織受擠壓后的超聲信號；(3)比對所記錄的兩幀超聲信號，采用位移估計算法 (如經(jīng)典的互相關(guān)算法)計算出待測組織在受擠壓后的位移場；(4)通過對組織位移場的分析，計算出最終的彈性圖(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，同時記錄返回的超聲RF 信號進行成像。由于超聲信號在聲波傳播的方向(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，都僅僅計算位移場中的縱向分量，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動并不是簡單的一維運動，在超聲成像平面中，它還伴隨著不可忽略的側(cè)向運動，因此如何準確地計算出側(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展到二維平面位移場，通常將用于一維縱向位移估計的方法(主要是基于信號窗口追蹤的方法)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)向方向需要高強度的數(shù)值插值。因此到目前為止，二維位移場的估計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的估計方法，能夠在有效濾除系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲的同時，恢復出高質(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。
一種超聲彈性成像中生物組織二維位移場的估計方法，包括如下步驟
(I)采用超聲探頭通過擠壓對生物組織進行探測，連續(xù)采集得到多幀超聲圖像，并估算出每幀超聲圖像對應(yīng)的一維縱向位移分量；
(2)根據(jù)生物組織的材質(zhì)特性，建立生物組織力學模型的動態(tài)方程；對所述的動態(tài)方程進行狀態(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)離散方程對應(yīng)的測量方程，根據(jù)系統(tǒng)離散方程、測量方程以及各幀超聲圖像的一維縱向位移分量，通過H濾波迭代算法估算出生物組織的二維位移場。
所述的步驟(I)中，采用時域位移估計法或相位域位移估計法估算出每幀超聲圖像對應(yīng)的一維縱向位移分量。時域位移估計法是通過計算兩個信號的時延值來計算位移的，而相位域算法則是基于相位差的來估計位移的。
所述的生物組織力學模型的動態(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)(均為給定的實際經(jīng)驗值且取值范圍為 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，對動態(tài)方程進行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化的過程為首先，對動態(tài)方程進行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，得到生物組織的時域狀態(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的估計方法，包括如下步驟 (1)采用超聲探頭通過擠壓對生物組織進行探測，連續(xù)采集得到多幀超聲圖像，并估算出每幀超聲圖像對應(yīng)的一維縱向位移分量； (2)根據(jù)生物組織的材質(zhì)特性，建立生物組織力學模型的動態(tài)方程；對所述的動態(tài)方程進行狀態(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)離散方程對應(yīng)的測量方程，根據(jù)系統(tǒng)離散方程、測量方程以及各幀超聲圖像的一維縱向位移分量，通過H c 濾波迭代算法估算出生物組織的二維位移場。
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的估計方法，其特征在于所述的步驟(I)中，采用時域位移估計法或相位域位移估計法估算出每幀超聲圖像對應(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的估計方法，其特征在于所述的生物組織力學模型的動態(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的估計方法，其特征在于所述的步驟(2)中，對動態(tài)方程進行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換以及離散化的過程為首先，對動態(tài)方程進行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，得到生物組織的時域狀態(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的估計方法，其特征在于所述的測量方程為Ji = DXi+Vi ;其中，Ji為第i幀超聲圖像對應(yīng)的一維縱向位移分量，D為測量矩陣，Vi為第i幀超聲圖像采樣時刻的測量噪聲矩陣。
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的估計方法，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幀超聲圖像采樣時刻估計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的估計方法，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的估計方法，包括(1)采集超聲圖像并估算縱向位移分量；(2)通過生物組織力學模型建立系統(tǒng)離散方程；(3)通過H∞濾波估算出生物組織的二維的位移場。本發(fā)明提出二維位移場估計方法是將現(xiàn)有所得的縱向位移測量值在生物力學模型約束下經(jīng)H∞濾波算法得到位移場的最優(yōu)估計，在有效濾除系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲的同時，恢復出高質(zhì)量的側(cè)向位移分量，用于應(yīng)變計算和彈性參數(shù)的重建；通過與現(xiàn)有方法進行比較，本發(fā)明方法在超聲彈性成像側(cè)向位移估計方面將會起到非常有效的作用。
文檔編號A61B8/13GK102920485SQ20121042455
公開日2013年2月13日 申請日期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 申請人:浙江大學