基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切波彈性成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲彈性成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切 波彈性成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲彈性成像是一種以檢測(cè)生物組織彈性信息為目的的新興技術(shù)，其成像原理 是，利用聚焦超聲產(chǎn)生的聲福射力（acoustic radiation force, ARF)激勵(lì)生物組織，根據(jù) 聲輻射力施加前后該組織的形變差求解彈性系數(shù)，進(jìn)而彈性成像。根據(jù)聲輻射力的施加方 式，超聲彈性成像可分為三類：準(zhǔn)靜態(tài)法，例如診斷超聲中的聲流法（Acoustic Streaming in Diagnostic Ultrasound, ASIDU);瞬態(tài)法，例如聲福射力脈沖成像（Acoustic Radiation Force Impulse Imaging, ARFII)、剪切波彈性成像（Shear Wave Elasticity Imaging, SWEI)、超聲剪切成像（Supersonic Shear Imaging, SSI);諧波法，例如振動(dòng)聲成 像（Vibro-Acoustography)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)成像（Harmonic Motion Imaging, ΗΜΙ) 〇
[0003] 其中，剪切波彈性成像通過檢測(cè)由聲輻射力激勵(lì)生物組織產(chǎn)生的剪切波的傳播速 度，反演出剪切模量，再據(jù)此彈性成像。由于只需要聚焦超聲單點(diǎn)激勵(lì)，所以成像過程受外 部及生物組織內(nèi)部環(huán)境影響較小，且安全可靠，收到廣大臨床醫(yī)護(hù)和科研人員的高度重視， 近些年來，無(wú)論在理論研究和臨床應(yīng)用都取得了眾多突破，成為當(dāng)前超聲彈性成像技術(shù)中 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。超聲剪切波彈性成像的核心步驟是測(cè)出聚焦聲輻射力誘發(fā)的剪切波的傳 播速度，而固定孔徑下，當(dāng)聚焦深度較淺時(shí)，聚焦超聲產(chǎn)生的聲輻射力場(chǎng)會(huì)在焦點(diǎn)兩側(cè)產(chǎn)生 柵瓣，引起位移場(chǎng)在焦點(diǎn)兩側(cè)產(chǎn)生偽位移場(chǎng)，從而導(dǎo)致標(biāo)記質(zhì)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)畸變， 且聚焦深度越淺，畸變程度越大，這樣大大降低了剪切波傳播速度測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本申請(qǐng)通過提供一種基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切波彈性成像方法，對(duì)不同的測(cè) 量深度，動(dòng)態(tài)控制孔徑大小，以獲得良好的位移-時(shí)間曲線，以解決現(xiàn)有技術(shù)中淺聚焦深度 時(shí)剪切波傳播速度不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切波彈性成像方法，包括以下步驟：
[0007] S1 :在不同的聚集深度z下，通過調(diào)整超聲換能器的孔徑寬度D來控制聲輻射力場(chǎng) 的形狀，以消除聲輻射力柵瓣，即：聚集深度z變大，超聲換能器的孔徑寬度D調(diào)大，聚集深 度z變小，超聲換能器的孔徑寬度D調(diào)?。?br>[0008] S2 :根據(jù)超聲換能器在孔徑寬度D時(shí)的有效聲壓PJ十算聲輻射力F ;
[0009] S3:由聲輻射力矢量與三維波動(dòng)方程的格林函數(shù)卷積求得該聲輻射力引起質(zhì)點(diǎn)振 動(dòng)的位移場(chǎng)；
[0010] S4 :針對(duì)每個(gè)聚焦深度，利用峰值時(shí)間法求解剪切力波的傳播速度CT;
[0011] S5:按照
計(jì)算剪切模量μ，其中P為被測(cè)生物組織密度，CT為步驟S4
所得的剪切力波的傳播速度；
[0012] S6 :根據(jù)楊氏模量E、剪切模塊μ與泊松比v三者關(guān)系式：
重構(gòu)生物組織的彈性模量并實(shí)現(xiàn)不同深度的彈性成像，其中λ 為L(zhǎng)ame常數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步地，孔徑寬度D隨焦距f的改變而變化，且滿足
，式中，入。 為載波波長(zhǎng)；超聲換能器的孔徑寬度
式中，N_elements為活躍物理陣元數(shù)，d為相鄰兩陣元的中心間距，width為陣元寬度，kerf 為陣元間隙；通過調(diào)整活躍物理陣元數(shù)【elements的數(shù)目實(shí)現(xiàn)超聲換能器的孔徑寬度D的 調(diào)節(jié)，對(duì)不同焦距f下的活躍物理陣元數(shù)【elements按照
進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，N_elements取整數(shù)，且當(dāng)陣元總數(shù)為偶數(shù)時(shí)，活躍物理陣元數(shù)N_elements 取偶數(shù)，當(dāng)陣元總數(shù)為奇數(shù)時(shí)，活躍物理陣元數(shù)【elements取奇數(shù)。
[0014] 動(dòng)態(tài)孔徑控制即針對(duì)不同的聚焦深度，開啟相應(yīng)的活躍物理陣元數(shù)目，當(dāng)聚焦深 度較淺時(shí)，只開啟少數(shù)的中心陣元，邊緣的其他陣元?jiǎng)t處于靜默狀態(tài)，此時(shí)的孔徑寬度D較 小，隨著聚焦深度的逐漸增加，相應(yīng)的邊緣陣元也隨之開啟，增大了孔徑寬度D，從而控制聲 輻射力場(chǎng)的形狀，有效消除柵瓣現(xiàn)象和位移場(chǎng)中的偽位移，使得得到的聚焦中心側(cè)向標(biāo)記 點(diǎn)的位移-時(shí)間曲線更符合對(duì)剪切波傳播速度測(cè)量的要求。
[0015] 更進(jìn)一步地，步驟S2中聲輻射力
i式中，α為生物組織的聲衰減系數(shù)， c為超聲在生物組織中的傳播速度，I為一空間位置時(shí)間平均聲強(qiáng)，且
，式中， Ρ為生物組織的組織密度，ζ為生物組織的聲阻抗，匕為當(dāng)前時(shí)刻的有效聲壓。
[0016] 實(shí)施時(shí)，步驟S3中按照
求得該聲輻射力引 起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移場(chǎng)，式中，為瞬態(tài)作用力矢量
>在粘彈性介質(zhì)中引起的位移 場(chǎng)，1"和|為方向向量，t和τ為時(shí)間
為格林函數(shù)分量。
[0017] 更具體的，步驟S4中的峰值時(shí)間法求解剪切力波的傳播速度4的具體步驟如下：
[0018] S41 :在聚焦位置的橫向方向上，取間距相同的多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，記錄每個(gè)采樣時(shí)刻對(duì) 應(yīng)的振動(dòng)位移，得到每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的振動(dòng)位移時(shí)間圖；
[0019] S42 :記錄每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)振動(dòng)位移主峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；
[0020] S43:利用最小二乘法擬合出以各標(biāo)記點(diǎn)的位置信息為自變量，對(duì)應(yīng)的主峰值到達(dá) 的時(shí)刻為因變量的一條直線，該條直線的斜率的倒數(shù)即為剪切波傳播速度值。
[0021] 使用峰值時(shí)間法（Time To Peak displacement, TTP)最大特點(diǎn)在于求解過程中關(guān) 注的是各個(gè)點(diǎn)主峰值到達(dá)時(shí)刻，與峰值的具體值無(wú)關(guān)，因此，利用該方法求解剪切波傳播速 度誤差較小。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)是：通過動(dòng)態(tài)改 變超聲換能器孔徑的大小來控制聲輻射力場(chǎng)的形狀，有效消除柵瓣現(xiàn)象和位移場(chǎng)中的偽位 移，大大提高了淺聚焦深度的剪切波傳播速度的測(cè)量準(zhǔn)確率。
【附圖說明】
[0023] 圖1為動(dòng)態(tài)孔徑控制示意圖；
[0024] 圖2為基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的聚焦超聲發(fā)射示意圖；
[0025] 圖3為聚焦超聲誘發(fā)生物組織產(chǎn)生剪切波示意圖；
[0026] 圖4為某一標(biāo)記點(diǎn)離焦點(diǎn)不同側(cè)向位置的位移-時(shí)間曲線圖；
[0027] 圖5為焦距5mm靜態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖；
[0028] 圖6為焦距5mm動(dòng)態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖；
[0029] 圖7為焦距7mm靜態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖；
[0030] 圖8為焦距7_動(dòng)態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖；
[0031] 圖9為焦距9mm靜態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖；
[0032] 圖10為焦距9mm動(dòng)態(tài)孔徑控制下標(biāo)志點(diǎn)歸一化位移-時(shí)間曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 本申請(qǐng)通過提供一種基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切波彈性成像方法，對(duì)不同的測(cè) 量深度，動(dòng)態(tài)控制孔徑大小，以獲得良好的位移-時(shí)間曲線，以解決現(xiàn)有技術(shù)中淺聚焦深度 時(shí)剪切波傳播速度不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。
[0034] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式，對(duì) 上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0035] 實(shí)施例
[0036] 一種基于動(dòng)態(tài)孔徑控制的超聲剪切波彈性成像方法，包括以下步驟：
[0037] S1 :在不同的聚集深度z下，通過調(diào)整超聲換能器的孔徑寬度D來控制聲輻射力場(chǎng) 的形狀，以消除聲輻射力柵瓣，即：聚集深度z變大，超聲換能器的孔徑寬度D調(diào)大，聚集深 度z變小，超聲換能器的孔徑