基于接收端空间复合的超声弹性成像及压力反馈方法

摘要

本发明公开了一种基于接收端空间复合的超声弹性成像及压力反馈方法，即基于相位零(Phase-zero)的改进算法实现的医疗超声弹性成像算法，计算位移时，传统算法在一条扫描线上进行位移计算，在组织运动包含水平分量情况下该算法会产生较大误差；而新算法窗口涵盖邻近多条扫描线，从而减少了组织水平运动分量带来的误差，提高了超声弹性成像的性噪比。同时，本发明亦将接收端多角度复合(Receive-Side Spatial-Compounding)技术运用于弹性成像系统中，从而进一步减小了弹性成像噪声的影响，进一步提高了系统性噪比。最后，提出了一种基于平均应变的弹性成像压力反馈技术，以提示医生当前按压力度及正常按压力度范围。

说明书

技术领域

本发明属于医学技术领域，涉及一种超声弹性成像方法，具体涉及一种基于接收端空间 复合的超声弹性成像及压力反馈方法，属于基础领域，主要为数字信号处理，也包括部分 数字图像处理。

背景技术

弹性成像是一种通过组织运动显示组织弹性模量或软硬程度的超声成像方式，可用于探 测人体内的肿瘤硬块，为医生提供其良恶性的一些参考信息。相位零(Phase-zero)是弹性 成像的主要方法之一。其原理是通过计算挤压组织时相邻两帧同一位置的窗口内信号相位差 的平均值，从而估计出该窗口中心位置的信号较前一帧信号的时间偏移。

${\tau }_i=\frac{1}{\mathrm{wL}}\underset{j=i-\frac{L}{2}}{\overset{i+\frac{L}{2}}{\Sigma }}({\theta }_{1,j}-{\theta }_{2,j})$

其中w为信号中心频率，L为信号窗口长度。对于超声信号而言，两帧间信号的时移即 可表示组织的位移，通过计算位移的竖直方向梯度，即应变，再加上应力在组织中均匀分布 的假设，即可用应变分布来代表组织软硬的分布情况。现有技术中存在以下缺陷：

首先，传统的相位零算法计算信号时移τ_i采用一维窗口，其缺点是在组织运动包含横向 位移的时候，位移估计的误差会增大，这种增大的误差造成了弹性成像噪声增加，信噪比降 低。另外这种一维窗口会造成生成弹性成像信号间，即水平方向图像的不连续。

其次，由于超声的特性，弹性成像不免产生与组织位置相关的噪声，这种噪声使用普通 去噪方式效果有限。一般采用不同方向角度对同一位置扫描的弹性成像图像的复合来消除噪 声。医疗超声图像空间复合主要分为两种，发射-接收端的空间复合以及接受端的空间复合。 前者需要多次发射接收，故帧率较低，后者只需要一次发射接收，然后通过改变聚焦参数来 改变接收信号角度。本发明使用后者进行空间复合，以进一步提高弹性成像的信噪比。

最后，弹性成像经过处理显示时，不同的按压力度，在不同的软硬比组织下可能会有相 同的显示效果，故不能很好的显示组织真实的软硬差别，不利于医生的诊断。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于接收端空间复合的超声弹性成像及压力 反馈方法，本发明是一个超声弹性成像模块，其目的是为了实时产生高信噪比弹性成像，并 与B模式并行显示。本发明提出使用二维窗口进行弹性成像位移估计，取得信噪比更高，质 量更好的弹性成像图像。本发明使用平均帧间应变作为按压力度的表示方法，使用水平指示 条给予医生当前按压力度反馈，并标示合理按压力度范围，以提高弹性成像结果的参考价值。

本发明的内容主要包括三项，即(1)在IQ数据上的二维窗口的相位零算法。(2)基于 接收端聚焦的弹性成像空间复合技术。(3)基于帧间平均应变的按压指示技术。具体方案为：

一种在IQ数据上的二维窗口的相位零算法，包括以下步骤：

(1)使用基带IQ数据作为输入

(2)使用二维窗口而非一维窗口计算帧间信号时移

基于接收端聚焦的弹性成像空间复合技术，包括以下步骤：

(1)探头发射一次，发射以普通方式聚焦

(2)接收聚焦分别使用三个不同角度聚焦

(3)将不同角度信号进行弹性成像，并将成像结果进行空间复合。

基于帧间平均应变的按压指示技术，(1)使用平均应变值，即将信号时移分布求梯度后 的结果的平均值，来表示探头压力大小；(2)使用带刻度和合理范围和指示箭头的界面元素 来显示此压力大小。

与现有技术相比本发明的有益效果为：改进后的弹性成像的质量更不易受到水平位移带 来的信号解相关(de-correlation)的影响，成像噪声更小；并结合使用接收端空间复合，可 以抑制噪声而不降低帧率；提供了按压力度的指示，为弹性成像提供了额外的压力信息，便 于医生对图像进行分析。

附图说明

图1中a为传统弹性成像时移的计算窗口示意图，b为本发明使用的二维信号时移计算窗 口示意图；

图2是基于接收端的空间复合数据流示意图；

图3是界面示意图，下方是压力回馈指示条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

基于IQ数据上的二维窗口的相位零算法的信号时移估计

对于传统的IQ数据上的一维窗口相位零算法，采用以下方法估算两帧信号某个窗口范 围内的时移：

τ₀＝0

${\tau }_i={\tau }_{i-1}-\arg (e^{j{w}_0{\tau }_{i-1}}\underset{t=i-W/2}{\overset{i+W/2}{\Sigma }}{x}_{1b}\left(t\right)·x_{2b}^{*}(t-{\tau }_{i-1}))$

其中即为基带IQ信号x_1b与x_2b所对应的RF信号 在窗口[t_k-T_w/2，t_k+T_w/2]内的平均相位差。对于中心频率为w₀的信号而言，其相位差与 对应时移的关系为上述公式计算自相关或平均相位差使用前一窗口位置计算出的时 移提前移动信号，以使两帧信号相位差绝对值小于(相位算子arg只能准确获得之 内的相位)。另外，是第二帧的这条IQ信号x_2b在t-τ_i-1处插值得到的结 果再取共轭。

本发明使用同样的原理，但使用二维窗口计算两帧信号的时移，即使用如下公式：

τ_0,j＝0

${\tau }_{i,j}={\tau }_{i-1,j}-\arg (e^{j{w}_0{\tau }_{i-1,j}}\underset{l=j-W_l/2}{\overset{j+W_l/2}{\Sigma }}\underset{t=i-W/2}{\overset{i+W/2}{\Sigma }}{x}_{1b}(t,l)·x_{2b}^{*}(t-{\tau }_{i-1,j},l))---\left(1\right)$

其中j为当前IQ信号位于的线的编号。在附图1中a为传统相位零算法窗口示意图，b 为本发明相位零算法窗口示意图。

基于接收端聚焦的弹性成像空间复合技术：

本发明使用了接收端空间复合技术来增加弹性成像的信噪比。其原理是让超声波信号按 普通方式进行发射聚焦，但在接收时则按三个不同角度进行接收聚焦，从而收到三帧不同的 RF回波信号，将这三帧不同角度的RF回波信号转换为IQ信号，再分别与对应上一帧此角 度回波信号进行相位零计算，以及梯度计算，就可以得到三帧不同角度的弹性成像。最后再 将此三帧不同角度的弹性成像进行空间复合，即：

$I(i,j)=\frac{1}{3}[I_1(i,j)+I_2(i,j)+I_3(i,j)]$

即可获得增强信噪比的复合弹性成像图像。此方法具体流程见图2。信号经过一次发送，根 据接收聚焦的不同生成三个不同角度的接收回波RF信号，RF信号经过处理变为基带IQ信号， 再分别与上一次发射的同角度IQ信号计算信号时移，然后计算弹性成像，最后经过扫描转换 后再进行空间复合。

基于帧间平均应变的按压指示技术：

最后，由于弹性成像经过处理显示时，不同的按压力度，在不同的软硬比组织下可能会 有相同的显示效果，故不能很好的显示组织真实的软硬差别，不利于医生的诊断。并且弹性 成像质量在一定压力与帧间位移范围内最好，所以有必要给予医生以当前按压力度的指示。 本发明使用帧间平均应变来表示按压力度。即：

$S=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}S(i,j)$

其中S(i,j)为计算出的弹性应变图像。图3为按此方式显示的按压力度反馈的界面示意 图。