一种剪切波传播速度的检测方法、系统和超声成像设备

摘要

本发明提供的剪切波传播速度的检测方法、系统和超声成像设备，通过获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变‑时间”曲线，进行频谱分析，判断两个频谱的主成分频率范围的范围差是否超过预设阈值。若超过则根据距离剪切波源更远的检测位置的频谱的主成分频率范围，对两个频谱对应的“形变‑时间”曲线进行带通滤波，这样能确保两个检测位置的剪切波主成分频率范围接近。最后根据两个“形变‑时间”曲线进行剪切波波速估计，从而提高了检测剪切波传播速度的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种剪切波传播速度的检测方法、系统和超声成像设备。

背景技术

剪切波弹性成像技术可实现生物组织实时硬度定量检测，为临床判断组织病变情况提供依据。它的基本原理如下：声辐射力聚焦冲击能在组织内部产生剪切波，由于剪切波在不同硬度的组织传播速度有差异，通过检测剪切波在不同位置的传播速度可以间接反映该位置的软硬情况。根据剪切波波速大小进行伪彩色映射即为剪切波弹性成像。因此，剪切波波速估计的准确性对组织弹性情况的判断至关重要。

剪切波在组织传播过程中会引起组织的位移形变，利用超快帧频成像技术观察和检测目标区域的位移形变，通过位移形变重建出观察位置的剪切波震动曲线。传统的剪切波波速估计方法为Time-of-Flight(TOF)方法，即对观察区域中的不同位置所重建的剪切波震动曲线进行波峰匹配，找出波峰相差时间间隔，此间隔可以理解为剪切波从该两个检测位置之间传播所用时间。而两检测位置之间的距离为已知，通过距离除以时间得出剪切波经过两个检测位置之间的平均速度。

声辐射力冲击的剪切波在组织传播时衰减非常快，距离冲击源越远，位移估计结果的信噪比就越低。这些因素都会直接影响到剪切波波速估计的准确性。

发明内容

本发明提供一种剪切波传播速度的检测方法、系统和超声成像设备，以提高剪切波传播速度检测的准确性。

一实施例提供一种剪切波传播速度的检测方法，包括：

获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，所述第一位置和第二位置的形变由剪切波引起，所述剪切波先经过第一位置，后经过第二位置；

分别对所述第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线；

确定所述第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，并比较得到两个主成分频率范围的范围差；

判断所述范围差是否超过预设阈值，若是，则以第二位置的主成分频率范围分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到所述第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线；

根据两个滤波后的“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔；

根据所述时间间隔以及第一位置和第二位置的距离，得到所述剪切波在第一位置和第二位置之间传播的速度值。

一实施例提供的所述的方法中，所述确定所述第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，包括：

将所述第一位置的频谱曲线中预设幅值对应的频谱宽度确定为主成分频率范围；

将所述第二位置的频谱曲线中预设幅值对应的频谱宽度确定为主成分频率范围。

一实施例提供的所述的方法中，所述预设幅值为频谱曲线中峰值的30%-70%中的一个。

一实施例提供的所述的方法中，所述获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，包括：

获取生物组织的弹性观察区域；

激励所述生物组织以激发剪切波经过所述弹性观察区域，采用超高帧频成像技术采集所述弹性观察区域中预设的第一位置和第二位置的超声回波信号；

根据所述超声回波信号进行位移估计运算得到所述第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线。

一实施例提供的所述的方法中，所述获取生物组织的弹性观察区域，包括：

向生物组织发射超声波，并接收超声回波信号；

根据所述超声回波信号生成超声图像并显示；

响应于用户输入的用于在所述超声图像上确定弹性观察区域的指令，得到生物组织的弹性观察区域。

一实施例提供的所述的方法中，所述第一位置和第二位置的深度相同。

一实施例提供一种剪切波传播速度的检测系统，包括：

获取模块，用于获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，所述第一位置和第二位置的形变由剪切波引起，所述剪切波先经过第一位置，后经过第二位置；

变换模块，用于分别对所述第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线；

计算判断模块，用于确定所述第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，并比较得到两个主成分频率范围的范围差；判断所述范围差是否超过预设阈值，若是，则以第二位置的主成分频率范围分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到所述第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线；根据两个滤波后的“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔；根据所述时间间隔以及第一位置和第二位置的距离，得到所述剪切波在第一位置和第二位置之间传播的速度值。

一实施例提供的测量系统，还包括显示模块，所述显示模块用于显示所述速度值。

一实施例提供一种超声成像设备，包括：

超声探头，用于发射超声波，接收所述超声波的回波；

显示器；

处理器，用于获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，所述第一位置和第二位置的形变由剪切波引起，所述剪切波先经过第一位置，后经过第二位置；分别对所述第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线；确定所述第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，并比较得到两个主成分频率范围的范围差；判断所述范围差是否超过预设阈值，若是，则以第二位置的主成分频率范围分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到所述第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线；根据两个滤波后的“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔；根据所述时间间隔以及第一位置和第二位置的距离，得到所述剪切波在第一位置和第二位置之间传播的速度值。

一实施例提供一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现如上所述的方法。

依据上述实施例的剪切波传播速度的检测方法、系统和超声成像设备，通过获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，进行频谱分析，判断两个频谱的主成分频率范围的范围差是否超过预设阈值。若超过则根据距离剪切波源更远的检测位置的频谱的主成分频率范围，对两个频谱对应的“形变-时间”曲线进行带通滤波，这样能确保两个检测位置的剪切波主成分频率范围接近。最后根据两个“形变-时间”曲线进行剪切波波速估计，从而提高了检测剪切波传播速度的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的剪切波传播速度的检测系统一实施例的结构框图；

图2为本发明提供的剪切波传播速度的检测方法一实施例的流程图；

图3为本发明提供的剪切波传播速度的检测系统中，一超声图像的示意图；

图4为本发明提供的剪切波传播速度的检测系统中，第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线图；

图5为本发明提供的剪切波传播速度的检测系统中，第一位置和第二位置的频谱曲线图；

图6为图5中两个频谱曲线主成分频率范围的示意图；

图7为第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线图；

图8为本发明提供的超声成像设备一实施例的结构框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

本发明通过对两个不同检测位置的“形变-时间”曲线进行频谱分析，判断两频谱中心频率位置偏差范围；若超过范围阈值，则根据距离剪切波源更远的检测位置的频谱选出剪切波主成分频率范围，再以该频率范围对位移估计结果进行带通滤波，这样能确保两个检测位置的剪切波频率主成分频率范围接近。本发明改善了剪切波在组织中传播时主成分频率偏移对波速估计的影响，使得剪切波波速估计结果更加精确，提高了结果的有效性。下面通过具体实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的剪切波传播速度的检测系统，包括获取模块10、变换模块20、计算判断30和显示模块40。

获取模块10用于获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线。第一位置和第二位置的形变由剪切波引起，且剪切波先经过第一位置，后经过第二位置，换而言之，从剪切波的传播路径来看，第一位置在前，第二位置在后。

变换模块20用于分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线。

计算判断模块30用于确定第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，并比较得到两个主成分频率范围的范围差；判断范围差是否超过预设阈值，若是，则以第二位置的主成分频率范围分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线；根据两个滤波后的“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔；根据时间间隔以及第一位置和第二位置的距离，得到剪切波在第一位置和第二位置之间传播的速度值。

显示模块40用于显示剪切波传播速度的所述速度值。

可见，本发明在两个位置的频谱曲线的频率范围偏差较大时，采用距离剪切波源更远的第二位置的频率范围对两个位置的“形变-时间”曲线分别进行滤波，从而将两个位置的“形变-时间”曲线拉近，并以此进行后续剪切波传播速度的计算，提高了传播速度的准确性。

如图2所示，所述检测系统对剪切波传播速度进行检测，其过程可以包括如下步骤：

步骤1、获取模块10获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线。检测系统还可以包括存储器，存储器存储有第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，获取模块10可以从存储器中获取第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线。获取模块10也可以从其他设备获取第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线。

而在本实施例中，检测系统还可以包括超声探头和输入装置，输入装置用于接收用户的输入，例如可以是鼠标、键盘、控制面板、轨迹球、触摸板、触摸屏中的一种或多种等。如图3所示，获取模块10获取生物组织B的弹性观察区域A，例如，可以控制超声探头向生物组织B发射超声波，并接收超声回波信号；根据超声回波信号生成超声图像P并在显示模块40的显示界面显示。用户通过输入装置在超声图像P上确定弹性观察区域A，例如通过鼠标选定一个区域或采用系统默认的区域作为弹性观察区域A等。获取模块10响应于用户输入的用于在超声图像P上确定弹性观察区域A的指令，得到生物组织B的弹性观察区域A。

获取模块10控制超声探头激励生物组织以激发剪切波经过弹性观察区域A，例如通过声辐射力冲击激发剪切波经过该区域A进行传播。获取模块10控制超声探头采用超高帧频成像技术采集弹性观察区域A中预设的第一位置和第二位置的超声回波信号，例如以预设帧频（频率）发射超声波，并接收超声波的回波信号，预设帧频大于等于1000帧/秒。获取模块10根据超声回波信号进行位移估计运算得到第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线，例如，将超声回波信号进行图像处理得到一段时间的超声图像，通过比较超声图像中的各超声图像帧中第一位置的变化，得到第一位置的形变，从而得到第一位置的“形变-时间”曲线，如图4的m1所示，同样的方法得到第二位置的“形变-时间”曲线，如图4的n1所示。

第一位置和第二位置是弹性观察区域A的两个预设位置，弹性观察区域A确定了，第一位置和第二位置也就确定了，本实施例中，第一位置和第二位置分别为弹性观察区域A左侧的中心m和右侧的中心n。第一位置m和第二位置n确定了，两者之间的距离L也就已知了。本实施例中，第一位置m和第二位置n的深度相同，即两者是处于同一水平线上的两个不同的位置，换而言之，第一位置m和第二位置n是两个不同的横向检测位置。以剪切波源更靠近第一位置m为例进行说明。

步骤2、变换模块20对第一位置的“形变-时间”曲线m1进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线，如图5中的虚线曲线；对第二位置的“形变-时间”曲线n1进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线，如图5中的实线曲线。

步骤3、计算判断模块30确定第一位置的频谱曲线的主成分频率范围和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围。主成分频率范围顾名思义为频谱曲线的主要频率范围。例如，将第一位置的频谱曲线中预设幅值对应的频谱宽度确定为主成分频率范围；将第二位置的频谱曲线中预设幅值对应的频谱宽度确定为主成分频率范围。预设幅值可根据需要进行设置，例如为频谱曲线中峰值的30%-70%中的一个。本实施例以预设幅值为峰值的50%为例进行说明，换而言之，本实施例中，将第一位置的频谱曲线中波峰的50%对应的频谱宽度作为主成分频率范围（图6虚线箭头所示的宽度）；将第二位置的频谱曲线中波峰的50%对应的频谱宽度作为主成分频率范围（图6实线箭头所示的宽度）。

计算判断模块30比较得到两个主成分频率范围的范围差，例如取两个主成分频率范围差值的绝对值作为所述范围差。

步骤4、计算判断模块30判断范围差是否超过预设阈值，若是，则进入步骤5，否则进入步骤6。

步骤5、范围差超过预设阈值，说明两个位置的“形变-时间”曲线差异较大，则计算判断模块30以第二位置的主成分频率范围对第一位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到第一位置滤波后的“形变-时间”曲线（图7中的曲线m2）；以第二位置的主成分频率范围对第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到第二位置滤波后的“形变-时间”曲线（图7中的曲线n2），由图7与图4比较可知，滤波后两者的波形曲线更为接近。滤波可以是带通滤波。声辐射力冲击的剪切波在组织传播时衰减非常快，而且存在干扰，通过对频率进行滤波，可以改善，然而只是简单的滤波还不足以明显的提高剪切波传播速度估算（计算）的准确性，尤其是在粘弹性组织中剪切波传播还会存在剪切波频散等情况，将影响速度计算的准确性；而本申请采用远离剪切波源的第二位置的主成分频率范围分别对两个“形变-时间”曲线进行带通滤波，降低了衰减、干扰和频散等不利因素的干扰，使滤波后的两个“形变-时间”曲线更为接近，后续计算得到的剪切波传播速度更为准确。

步骤6、计算判断模块30根据两个“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔。即，范围差没有超过预设阈值，说明两个位置的“形变-时间”曲线的差异可接受，则计算判断模块30根据第一位置的“形变-时间”曲线和第二位置的“形变-时间”曲线，得到这两个“形变-时间”曲线的峰值对应的时间间隔t，如图4所示。若两个“形变-时间”曲线经过了滤波，则计算判断模块30根据第一位置滤波后的“形变-时间”曲线m2和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线n2，得到两个滤波后的“形变-时间”曲线的峰值对应的时间间隔t，如图7所示。具体的，计算判断模块30在“形变-时间”曲线中搜索最大值，即为峰值，从而得到峰值对应的时刻，两个峰值对应时刻的时间差即为所述时间间隔t。

步骤7、计算判断模块30根据时间间隔t以及第一位置和第二位置的距离L，得到剪切波在第一位置m和第二位置n之间传播的速度值v，例如，v=L/t。该速度值即反映了弹性观察区域的弹性。计算判断模块30还可以在生物组织的超声图像上，基于所述速度值v对弹性观察区域进行伪彩色映射（渲染），便于用户观察，而且在图2所示的流程中，第一位置和第二位置均可以取多个，两者成对出现，一对对应一个弹性观察区域，进而可以得到多个弹性观察区域的弹性（剪切波传播速度），有利于用户掌握同一组织不同位置的软硬情况。

步骤8、显示模块40显示剪切波传播速度的所述速度值v以及生物组织经过渲染的超声图像。显示模块40可以是各类型的显示器。

综上所述，本发明提供的方法和系统，能有效的提高剪切波传播速度测量的准确性，为医生评估组织的软硬程度提供可靠的依据。

如图8所示，本发明还提供一种超声成像设备，其包括：超声探头81，发射和接收模块82，处理器83，显示器84和输入装置85。

超声探头81，其包括至少一个换能器，用于发射超声波，接收超声波的回波。

发射和接收模块82，其分别与超声探头81和处理器83连接，用于将发射序列、接收序列传输给超声探头81，并将超声探头81接收的超声波的回波传输给处理器83。

输入装置85，用于接收用户的输入，例如可以是鼠标、键盘、控制面板、轨迹球、触摸板、触摸屏中的一种或多种等。

处理器83用于产生用于控制超声探头81发射超声波的发射序列，产生用于控制超声探头81接收超声波的回波的接收序列，对超声探头接收的回波进行处理生成超声图像。

本实施例中，处理器83还用于获取生物组织的弹性观察区域中第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线；分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行傅里叶变换，得到对应的频谱曲线；确定第一位置和第二位置的频谱曲线的主成分频率范围，并比较得到两个主成分频率范围的范围差；判断范围差是否超过预设阈值，若是，则以第二位置的主成分频率范围分别对第一位置和第二位置的“形变-时间”曲线进行滤波，得到第一位置和第二位置滤波后的“形变-时间”曲线；根据两个滤波后的“形变-时间”曲线得到两个曲线的峰值对应的时间间隔；根据时间间隔以及第一位置和第二位置的距离，得到剪切波在第一位置和第二位置之间传播的速度值；通过显示器84显示所述速度值。

可见，上述系统的功能可以由处理器83完成，换而言之，处理器83包括上述的：获取模块10、变换模块20和计算判断模块30。由于处理器83包含的这些功能模块的具体功能，以及对剪切波传播速度的检测的详细过程在上述实施例中已阐述，故在此不做赘述。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。