超声系统及使用超声系统获得目标组织的二维弹性图的方法

摘要

本发明公开超声系统及使用超声系统获得目标组织的二维弹性图的方法。该超声系统包括超声探头、附接到超声探头并且其上具有至少一个安装部的连接架、至少一个振动器及用于收容至少一个振动器的至少一个振动器支架。至少一个振动器支架固定到连接架的至少一个安装部上，并且包括安装在一起的第一支架和第二支架，并且第一支架和第二支架共同限定收容腔，至少一个振动器收容在所述至少一个振动器支架的所述收容腔中。

说明书

技术领域

本发明大体涉及医疗技术，尤其涉及一种超声系统及一种使用该超声系 统获得目标组织的二维弹性图的方法。

背景技术

作为一种新兴的组织成像技术，基于剪切波的弹性成像技术近年来取得 了较大的发展。一般而言，通过进行剪切波弹性成像可以确定生物组织的一 些机械特性，例如粘弹性，进而，通过获得的粘弹性信息可以辅助确定该特 定的组织是否与某些病理症状相关联。在实际进行剪切波弹性成像时通常会 向目标组织施加由外部振动器产生的推动力，以在该推动力的作用下在目标 组织内部产生剪切波；以及通过超声探头发射超声信号并且接收反射回来的 超声回波信号。然后，可以通过对这些接收到的超声回波信号进行特定的处 理，从而可以确定在目标组织内部传播的剪切波的各种特性参数，例如，剪 切波的传播速度。由于在目标组织内部传播的剪切波的特性参数与目标组织 的机械特性之间存在确定的关系，因此，基于该确定的剪切波特性参数(例 如，剪切波的传播速度)可以进一步确定出目标组织的机械特性，例如，粘 弹性等，以辅助对目标组织进行分析、诊断或者治疗。

在基于剪切波的弹性成像技术的实现中，振动器通常有两种配置方式。 一种是直接应用单独的外部振动器放置于待测目标组织的附近，以产生需要 的机械波。然而，这种配置方式对于医生的操作很不方便，因为医生需要同 时操作超声仪上的操作界面、超声探头以及上述外部振动器。如此，一个医 生很难同时操作上述三个部分，一般需要其他人员进行辅助操作，如此浪费 了人力，降低了效率。另一种配置方式是直接将振动器内嵌到超声探头的内 部。然而，这种配置方式由于振动器被内嵌至超声探头中，故超声探头的尺 寸便会相应的增大，并且成本也会增加。此外，超声仪应用振动器的功能仅 为其具有的一个小的功能，很多时候都不需要应用此功能，然而，在不需要 振动器的功能的情况下则很难将内嵌的振动器从超声探头上拆卸下来。总之， 现有的大多数基于剪切波的弹性成像技术的实现不适合临床环境使用。因为 在这些现有的实现中所使用的振动器通常非常大并且很复杂，或者在临床环 境中使用将会非常昂贵。

因此，有必要提供一种改进的系统及使用这种改进的系统来确定目标组 织的特性参数的方法以解决如上所述的至少一个问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种超声系统，其包括超声探头、附接到所 述超声探头并且其上具有至少一个安装部的连接架、至少一个振动器及用于 收容所述至少一个振动器的至少一个振动器支架。其中，所述至少一个振动 器支架固定到所述连接架的所述至少一个安装部上，并且包括安装在一起的 第一支架和第二支架，并且所述第一支架和所述第二支架共同限定收容腔， 所述至少一个振动器收容在所述至少一个振动器支架的所述收容腔中。

本发明的另一个方面在于提供一种用于使用超声系统来获得目标组织的 二维弹性图的方法，该超声系统包括超声探头；附接到所述超声探头并且其 上具有至少一个安装部的连接架；至少一个振动器；用于收容所述至少一个 振动器的至少一个振动器支架，其中所述至少一个振动器支架固定到所述连 接架的所述至少一个安装部上，并且包括安装在一起的第一支架和第二支架， 并且所述第一支架和所述第二支架共同限定收容腔，所述至少一个振动器收 容在所述至少一个振动器支架的所述收容腔中；振动器控制单元，其用于驱 动所述至少一个振动器，以向目标组织产生连续的剪切波；超声发射及接收 单元，其用于通过所述超声探头发射超声信号并且接收超声回波信号，从而 探测在所述目标组织内部传播的剪切波；剪切波计算及弹性重构单元，其用 于基于探测到的在所述目标组织内部传播的剪切波及所述振动器和所述目标 组织内部的每一个测量点的位置，来计算所述目标组织内部的每一个测量点 的剪切波速度，并且，基于计算出的所述目标组织内部的每一个测量点的剪 切波速度来估算出所述目标组织的二维弹性图，其中，所述振动器的位置是 所述振动器投影到所述超声探头的超声二维扫查面内的位置；及显示器，用 于显示所述目标组织的所述二维弹性图。所述方法包括步骤：

向目标组织产生连续的剪切波；

探测在所述目标组织内部传播的剪切波；

基于所述探测到的所述目标组织内部传播的剪切波来估算出剪切波曲线；

基于所述估算出的剪切波曲线来估算出在振动器频率下的剪切波幅值和 相位；

执行方向滤波过程，从而来估算出在所述目标组织内部的每一个测量点 和所述振动器的位置的连线方向上的过滤后的方向剪切波曲线的幅值和相位； 及

基于所述估算出的方向剪切波曲线的相位差来计算出所述目标组织内部 的每一个测量点的剪切波速度。

根据本发明的具体实施方式的超声系统，由于振动器独立于超声探头设 置，从而不会增加超声探头的大小和成本，并且可以选择性地去使用振动器。 当在临床应用中需要使用振动功能时，则可以容易地将振动器安装到超声探 头上，从而，操作者可以单手同时操作超声探头和振动器。当在临床应用中 不需要使用振动功能时，则操作者也能够容易地将振动器从超声探头上脱卸 下来。

根据本发明的具体实施方式的超声系统通过简单且巧妙的设计将至少一 个振动器连接到超声探头上，这种设计成本非常低廉并且尺寸较小。而且， 本发明的超声系统能够使用在不同的平台中，并且能够容易地使用于临床环 境。

使用本发明的如上所述的超声系统来获得待测目标组织的二维弹性图的 方法能够容易地产生并且探测深层组织的剪切波，而不存在声功率问题。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优 点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同 的部件，其中：

图1是根据本发明的一个具体实施方式的超声系统的示意图；

图2是图1的超声系统的结构框图；

图3是根据本发明的第一具体实施方式的振动装置及超声探头的组装示 意图；

图4是图3的振动装置及超声探头的顶部示意图；

图5是图3的振动装置及超声探头的分解示意图；

图6是根据本发明的第二具体实施方式的振动装置及超声探头的组装示 意图；

图7是图6的振动装置及超声探头的分解示意图；

图8是根据本发明的一个具体实施方式的使用图1的超声系统来获得目 标组织的二维弹性图的方法的流程图；及

图9是示出本发明的超声探头和振动器以及待测目标组织的位置的示意 图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下 面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的 详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要 的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术 语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本 说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表 示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或 者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或 者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者 物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元 件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限 定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是 间接的。

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的示例性超声系统的示意图， 及图2示出图1的超声系统的结构框图。现在参照图1和图2所示，根据本 发明的一个具体实施方式的超声系统100主要包括主设备1、输入装置2、显 示器3及超声探头4。为了实现额外的振动功能，超声系统100还可以包括 振动装置5，该振动装置5能够根据实际应用需要可移除地安装到超声探头4 上。

如图2所示，主设备1可以包括剪切波计算及弹性重构单元12、超声发 射及接收单元14及振动器控制单元16。输入装置2例如键盘和电脑鼠标用 于向剪切波计算及弹性重构单元12输入操作指示。剪切波计算及弹性重构单 元12用于根据该操作指示去产生控制信号给振动器控制单元16。基于该控 制信号，振动器控制单元16用于驱动振动装置5以向病人的目标组织产生连 续的剪切波。病人的目标组织可以包括肝脏组织、心肌组织、乳腺组织、前 列腺组织、甲状腺组织、淋巴腺等。振动装置5用于向目标组织施加推动力， 从而在目标组织内部产生随时间变化的连续的剪切波。超声发射及接收单元 14用于通过超声探头4发射超声信号并且接收反射回来的超声回波信号，从 而来探测在目标组织内部传播的剪切波。剪切波计算及弹性重构单元12用于 接收来自超声发射及接收单元14的电信号并且基于该接收到的电信号执行 相应的算术运算。显示器3用于显示剪切波计算及弹性重构单元12的运算结 果。

本发明的振动装置5包括附接到超声探头4上并且在其上具有至少一个 安装部521的连接架52、至少一个振动器54以及用于收容至少一个振动器 54的至少一个振动器支架56。至少一个振动器56固定到连接架52的至少一 个安装部521。通过连接架52及至少一个振动器支架56，将至少一个振动器 54可移除地安装到超声探头4上。在一个具体实施方式中，振动装置5通过 USB连接器(未图示)连接到超声系统100，具体地，振动装置5的至少一 个振动器54通过USB连接器连接到超声系统100的主设备1的振动器控制 单元16。然而，至少一个振动器54和振动器控制单元16之间的控制模式并 不局限于这种有线模式，实际上，根据不同的设计需求，至少一个振动器54 还可以通过无线的控制模式连接到振动器控制单元16。

图3示出根据本发明的第一具体实施方式的振动装置及超声探头的组装 示意图，以及图4和图5分别示出图3的振动装置及超声探头的顶部示意图 和分解示意图。参照图3至图5所示，根据本发明的第一具体实施方式的振 动装置5包括附接到超声探头4上并且其上设有两个安装部521的连接架52， 相应地，振动装置5包括两个振动器54及两个振动器支架56。两个安装部 521对称地设置在连接架52上。

连接架52大体呈环形，并且设有环形第一开口522。环形第一开口522 的大小大于超声探头4，并且超声探头4能够收容在环形第一开口522中。

连接架52包括位于环形第一开口522的第一纵长端的第一凸块523和位 于环形第一开口522的相对的第二纵长端的第二凸块(未图示)。对应于连接 架52的第一凸块523和第二凸块，超声探头4分别在其第一纵长端设有第一 凹槽(未图示)并且在其相对的第二纵长端设有第二凹槽(未图示)。需要注 意的是，本发明的附图仅仅示出超声探头4的简化示意图，而并没有示出设 置在超声探头4上的具体结构，例如，设置在超声探头4上的第一凹槽和第 二凹槽均未在附图中被示出。连接架52的第一凸块523和第二凸块分别咬合 在超声探头4的第一凹槽和第二凹槽，从而将连接架52可移除地固定到超声 探头4上。

为了操作者方便地将连接架52从超声探头4上拆卸下来，连接架52在 邻近其第一纵长端还包括操作部525。在本具体实施方式中，连接架52的两 个安装部521对称地设置在操作部525的相对两侧。

继续参照图3至图5，两个振动器支架56中的每一个均包括彼此安装在 一起的第一支架561和第二支架562。第一支架561和第二支架562共同限 定用于将振动器54收容在其中的收容腔(未标号)。在本具体实施方式中， 是以振动器54为圆柱体为例来进行说明的。对应于振动器54的圆柱体形状， 第一支架561在其内部设有第一半圆柱体收容腔5610，第二支架562在其内 部设有第二半圆柱体收容腔5620。第一半圆柱体收容腔5610和第二半圆柱 体收容腔5620共同形成一个完整的收容腔。在其他的具体实施方式中，振动 器54也可以采用其他的形状，并且相应地，第一支架561的第一收容腔5610 和第二支架562的第二收容腔5620将进行适应性改变。

第一支架561在其第一端设有第二开口5611并且在其相对的第二端设有 孔5612，第二开口5611用于方便振动器54的振针542的插入，孔5612用 于振动器54的电源线544的延伸穿出。第二开口5611的大小小于振动器54， 从而能够将振动器54保持在第一支架561中。

如图3所示，连接架52的安装部521设有第一螺丝孔5211，并且对应 于连接架52的第一螺丝孔5211，振动器56的第一支架561设有第二螺丝孔 5613。在一个具体实施方式中，第一支架561设有从其外侧向外凸伸出的第 一柱体5615，第二螺丝孔5613设置在第一柱体5615上。在本具体实施方式 中，连接架52的安装部521间隔设有一对第一螺丝孔5211，并且，第一支 架561间隔设有一对带有第二螺丝孔5613的第一柱体5615。从第一支架561 的内部将两个螺丝563分别安装入第一螺丝孔5211和第二螺丝孔5613中， 从而能够将第一支架561固定到连接架52上。

第一支架561还设有第三螺丝孔5614。在一个具体实施方式中，第一支 架561设有从其内侧向外凸伸出的第二柱体5616，第三螺丝孔5614设在第 二柱体5616上。对应于第一支架561的第三螺丝孔5614，第二支架562设 有第四螺丝孔5621。在一个具体实施方式中，第二支架562还设有用于收容 螺丝564的头部的凹口5622，第四螺丝孔5621设置在凹口5622中。在本具 体实施方式中，第一支架561间隔设有一对带有第三螺丝孔5614的第二柱体 5616，并且，第二支架562间隔设有一对第四螺丝孔5621。从第二支架562 的外部将两个螺丝564分别安装入第三螺丝孔5614和第四螺丝孔5621中， 从而能够将第一支架561和第二支架562彼此安装在一起。

组装时，通过从第一支架561的内部将两个螺丝563分别螺入到连接架 52的安装部521的第一螺丝孔5211和第一支架561的第二螺丝孔5613中， 从而将振动器支架56的第一支架561先固定到连接架52上。然后，将振动 器54安装在振动器支架56的第一支架561的第一半圆柱体收容腔5610内， 其中，振动器54的振针542插入并且从第一支架561的第二开口5611中延 伸出，振动器54的电源线544从第一支架561的孔5612中延伸穿出。最后， 通过从第二支架562的外部将两个螺丝564分别螺入到第一支架561的第三 螺丝孔5614和第二支架562的第四螺丝孔5621中，从而将第二支架562固 定到第一支架561上。振动器54、振动器支架56以及连接架52三者组装在 一起，从而形成本发明的振动装置5。本发明的振动装置5独立于超声探头4 设置，从而不会增加超声探头4的大小和成本，并且可以选择性地去使用振 动装置5。当在临床应用中需要使用振动功能时，则可以容易地将振动装置5 安装到超声探头4上，其中，连接架52的第一开口522收容超声探头4，并 且，连接架52的第一凸块523和第二凸块分别咬合在超声探头4的第一凹槽 和第二凹槽中，从而，操作者可以单手同时操作超声探头4和振动装置5。 当在临床应用中不需要使用振动功能时，则只要操作者轻轻向外扳动操作部 525，即可将振动装置5轻易地从超声探头4上脱卸下来。

在另一个具体实施方式中，连接架52除了在其第一纵长端具有两个安装 部521之外，还可以在其第二纵长端具有两个安装部，即，连接架52在其上 具有四个安装部。类似地，在第二纵长端设置的两个安装部也对称地设置在 连接架52上。对应地，振动装置5包括四个振动器54和用于收容四个振动 器54的四个振动器支架56。

然而，本发明的超声系统100并不局限于此。在又一个具体实施方式中， 本发明的超声系统100可以包括偶数个振动器54和其数目对应于振动器54 的数目的振动器支架56，相应地，连接架52在其上设有其数目对应于振动 器54的数目的安装部521。安装部521对称地设置在连接架52上，从而确 保振动器54对称地安装到连接架52上。由于振动器54对称地安装到连接架 52上，也就是说，振动器54对称地设置在超声探头4上，因此，由这些振 动器54产生的连续的剪切波能够在目标组织内部对称地传播。所以，由这些 振动器54产生的多个连续的对称的剪切波将产生叠加效应，叠加后的剪切波 的传播方向将会与超声探头4发出的超声束的传播方向几乎垂直，这可大大 提高诊断精度。

图6示出根据本发明的第二具体实施方式的振动装置和超声探头4的组 装示意图，及图7示出图6的振动装置和超声探头4的分解示意图。如图6 和图7所示，与根据本发明的第一具体实施方式的振动装置5所不同的是， 在根据本发明的第二具体实施方式的振动装置5′中，振动装置5′的连接架52′ 仅设置有一个安装部521′。该安装部521′设置在连接架52′的相对于操作部 525′的第二纵长端，并且其上设有一对第一螺丝孔5211′。相应地，振动装置 5′包括一个振动器54及一个用于收容该振动器54的振动器支架56。安装部 521′在连接架52′上的所在位置应该要确保在振动器54安装到超声探头4上之 后，振动器54的振针542位于超声探头4的超声二维扫查面内，进而能够确 保由振动器54产生的剪切波的传播方向与超声探头4发出的超声束的传播方 向几乎垂直，从而能够大大提高诊断精度。

本发明的超声系统100通过简单且巧妙的设计将至少一个振动器54连接 到超声探头4上，这种设计成本非常低廉并且尺寸较小。而且，本发明的超 声系统100能够使用在不同的平台中，并且能够容易地使用于临床环境。

本发明还提供了一种用于使用如上所述的超声系统100来获得待测目标 组织的二维弹性图的方法。超声系统100包括：

超声探头4；

连接架52、52′，其附接到超声探头4，并且其上具有至少一个安装部521、 521′；

至少一个振动器54；

至少一个振动器支架56，其用于收容至少一个振动器54，其中至少一个 振动器支架56固定到连接架52、52′的至少一个安装部521、521′上，并且包 括安装在一起的第一支架561和第二支架562，并且第一支架561和第二支 架562共同限定收容腔，至少一个振动器54收容在至少一个振动器支架56 的收容腔中；

振动器控制单元16，其用于驱动至少一个振动器54，以向目标组织产生 连续的剪切波；

超声发射及接收单元14，其用于通过超声探头4发射超声信号并且接收 反射回来的超声回波信号，从而探测在目标组织内部传播的剪切波；

剪切波计算及弹性重构单元12，其用于基于探测到的在目标组织内部传 播的剪切波及振动器54和目标组织内部的每一个测量点的位置，来计算目标 组织内部的每一个测量点的剪切波速度，并且，基于计算出的目标组织内部 的每一个测量点的剪切波速度来估算出目标组织的二维弹性图，其中，振动 器54的位置是振动器54投影到超声探头4的超声二维扫查面内的位置；及

显示器3，用于显示目标组织的二维弹性图。

以下将对使用如上所述的超声系统100来获得目标组织的二维弹性图的 方法进行详细说明。图8示出根据本发明的一个具体实施方式的使用如上的 超声系统100来获得目标组织的二维弹性图的方法的流程图；及图9是示出 本发明的超声探头4和振动器54以及待测目标组织的位置的示意图。如图8 并结合参照图9所示，在本方法中，以下将以一个振动器54为例来进行说明， 该方法包括如下步骤：

在步骤61中，打开振动器54以向目标组织产生连续的剪切波。

在步骤62中，探测在目标组织内部传播的剪切波。在一个具体实施方式 中，通过使用彩色流或多普勒模式来探测在目标组织内部传播的剪切波并且 将其转换成声音信号，然后该声音信号通过超声探头4转换成电信号，然后 该电信号被输入到剪切波计算及弹性重构单元12中进行相应的运算。

在步骤63中，基于探测到的目标组织内部传播的剪切波来估算出剪切波 曲线。在一个具体实施方式中，基于上述的电信号来估算出剪切波曲线，从 而获得如下：

其中(m,n)代表目标组织内部的任意测量点P的位置，sw(m,n,t)代表测量 点P(m,n)随时间t变化的剪切波曲线，A(m,n)代表测量点P(m,n)的幅值，代表测量点P(m,n)的相位，以及f代表振动器频率。

在步骤64中，基于估算出的剪切波曲线来估算出在振动器频率f下的剪 切波幅值A和相位在一个具体实施方式中，可以通过快速傅里叶变换来估 算出在振动器频率f下的剪切波幅值A和相位替代地，在另一个具体实施方 式中，可以通过卡尔曼滤波器来估算出在振动器频率f下的剪切波幅值A和相 位从而可以获得如下：

在步骤65中，执行方向滤波过程，从而来估算出在测量点P(m,n)和振动 器O(p,q)的位置连线方向D1(如图9所示)上的过滤后的方向剪切波曲线的 幅值和相位。该方向滤波过程还包括如下步骤。

在步骤651中，基于振动器频率f下的剪切波幅值A和相位通过快速傅里 叶变化来获得在频域(即K_x-K_z域)上的剪切波，如下：

SW_kx-kz＝FFT(SW)(3)

在步骤652中，基于测量点P(m,n)和振动器O(p,q)之间的相对位置方向滤 波从而获得如下的值：

$\mathrm{DF}(m,n)={(\arctan \left(\frac{q-n}{p-m}\right)-\theta )}^2---\left(4\right)$

其中，(p,q)代表振动器54的位置(在本说明书中，振动器的位置O(p,q) 是振动器54投影到超声探头4的超声二维扫查面内的位置)，及θ代表超声探 头4的宽度扫查方向D2与测量点P(m,n)和振动器O(p,q)的位置连线方向D1 之间的夹角(如图9所示)。

在步骤653中，通过如下算术运算来估算出在测量点P(m,n)和振动器 O(p,q)的位置连线方向D1上的过滤后的方向剪切波曲线的幅值和相位：

SW_i＝iFFT(SW_kx-kz·DF(m,n))(5)

在步骤66中，基于估算出的方向剪切波曲线的相位差来计算出目标组织 内部的每个测量点的剪切波速度。在一个具体实施方式中，基于估算出的方 向剪切波曲线并且通过如下算术运算来计算出目标组织内部的测量点的剪切 波速度：

其中，v(m,n)代表在目标组织内部的测量点的剪切波速度，f代表振动 器频率，及Δd和分别代表在测量点P和振动器的位置连线方向D1上的与 该测量点P相邻的两点Pl、Pr之间的距离差和相位差。

经过以上步骤61至66，根据目标组织内部的每一个测量点的位置，可 以最终获得目标组织内部的每一个测量点的剪切波速度。

本发明还包括：基于计算出的在目标组织内部的每一个测量点的剪切波 速度来估算出目标组织的一帧的二维弹性图像。为了更加精确地估算出目标 组织的二维弹性图像，本发明还可以包括：重复以上的步骤61至66；估算 出目标组织的多帧的二维弹性图像；及对估算出的目标组织的多帧的二维弹 性图像求平均，从而获得目标组织的最终二维弹性图。

在超声系统100包括两个以上的振动器54的情况下，本方法包括：对于 对于每一个振动器54，执行如上的步骤61至66；及对所有振动器54的计算 结果求平均。

使用本发明的如上所述的超声系统100来获得待测目标组织的二维弹性 图的方法能够容易地产生并且探测深层组织的剪切波，而不存在声功率问题。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技 术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权 利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。