自由臂三維超聲彈性成像中rf體數據的估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，該方法在已采集到壓縮前、后RF幀序列的基礎上，根據掃描區域的位置構建壓縮前、壓縮后兩個RF數據立體，遍歷壓縮前RF幀序列的每一個RF信號采樣點，將該點經坐標變換映射到壓縮前Volume中，對鄰近位置的體素進行幅度插值；然后利用幅度信息,結合信號的頻率及傳播距離，估算出Volume中每一條RF信號，對每一條RF信號經過低通濾波處理，最終得到壓縮前RF體數據，采取同樣的操作遍歷壓縮后的RF幀序列，計算得到壓縮后的RF體數據。本發明從RF幀序列估計RF體數據的方法，得到的RF體數據可直接簡單地用于計算三維彈性圖像，該方法適用于多種復雜掃描情況下的自由臂三維超聲彈性成像。
【專利說明】自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機輔助醫學成像【技術領域】，特別涉及一種自由臂三維超聲彈性成像中超聲射頻(RF)信號體數據的估計方法。
【背景技術】
[0002]醫學超聲診斷是現代醫學影像的重要組成部分，在人身體的許多組織(比如心臟、肝臟、乳房、淺表組織等)的病理診斷中有很大的參考價值。人體軟組織的質地變化通常與其病理過程有著密切關系，當組織發生病變時，組織的硬軟程度或彈性大小等特征會發生明顯改變。
[0003]生物組織的彈性信息對于疾病的診斷過程具有重要的參考價值。然而，包括X射線成像、超聲成像(us)、磁共振成像(MRI)、計算機斷層掃描(CT)等在內的傳統醫學成像模態獲取的只是組織的密度與厚度等屬性，都不能直接提供彈性這一組織的基本力學屬性的信息。臨床上，病變(比如癌癥)組織在病變早期時密度與厚度等屬性與正常的組織很相近，所以采用以上的成像模式都很難檢測到早期的病變，而近年來快速發展的超聲彈性成像技術(Elastography)，通過獲取有關組織彈性信息進行成像，能夠及時地檢測到早期病變，彌補了傳統醫學成像模態的不足，具有重要的臨床應用價值和廣闊的應用前景。
[0004]超聲彈性成像其基本原理為對某一組織施加一個內部(包括自身的)或外部的、動態或靜態/準靜態的激勵；在彈性力學、生物力學等物理條件下，組織將產生一個響應，例如位移、應變與速度的分布；利用數字信號處理和數字圖像技術，估計出組織內部的位移、應變等參數，從而間接或直接反映其彈性模量等力學屬性的差異。
[0005]二維超聲圖像可以很好地反應當前組織截面的情況，但是2D的超聲檢查也有一些不足之處，2D超聲檢`查依賴于診斷者的經驗知識來控制超聲探頭的移動，得到的圖像也僅能反應當前截面的信息，待檢查部位組織(比如病灶的立體幾何形狀)的三維形狀只能依賴于診斷者的想象而不能直觀的顯示出來；2D超聲檢查難以將圖像平面定位到器官中的具體位置，也難以獲取器官特定截面的圖像；2D超聲成像中，計算距離及體積依賴于人體器官近似幾何形狀的公式，也依賴于2D圖像的視角。從量化的角度以及方便后續研究的角度上看，2D超聲是一種很差的成像模式，而3D成像模式具有三維直觀顯示，便于測量，能獲取組織任意截面屬性信息等優點，能夠很好的克服2D成像模式的限制。
[0006]三維超聲彈性成像獲取的是組織的三維彈性模量信息。三維超聲彈性成像過程主要包括RF體數據的獲取，組織應變的計算，三維圖像重建及三維圖像的顯示幾個步驟。其中，RF體數據獲取是至關重要的一步，壓縮前后RF體數據的匹配性將直接決定著應變計算結果的正確與否。三維超聲成像的數據獲取方法可以分為兩種:1、采用一維線陣探頭獲取2D序列圖像，將2D圖像序列重構成三維圖像體數據；2、采用二維陣列探頭直接獲取三維圖像體數據。其中采用一維線陣探頭獲取2D序列圖像通常有自由臂(free-hand)掃描、機械驅動掃描兩種掃描方式；當采用自由臂掃描時，需要將一種定位裝置(聲學定位，光學定位或者電磁定位裝置等)固定到超聲探頭上，在采集每一幀圖像時記錄圖像的空間位置信息。[0007]對于自由臂掃描的三維超聲彈性成像，在采集數據時，操作者需要手握探頭貼緊組織皮膚表面以一定的速率移動一段距離采集壓縮前的RF數據幀序列，然后再用探頭對同一部位的組織施加并保持一定的壓力再次以同樣的速率移動一段距離采集壓縮后的RF數據幀序列。在計算彈性圖像時，根據兩次采集的數據尋找壓縮前和壓縮后匹配的RF幀計算得到彈性圖像，將多幅彈性圖像進行三維重建并顯示。上述方法的思想是將二維彈性圖計算方法簡單地擴展一個維度到三維，其前提是壓縮前后采集RF數據幀序列時需保證探頭垂直于組織表面同時探頭移動速率及方向相同，但在實際操作中該方法有很大的局限性，這是因為:
[0008]1、探頭移動過程中可能會發生傾斜或偏轉；
[0009]2、壓縮組織掃描時，難以保證探頭施加的壓力均勻，施壓的方向沿軸向；
[0010]3、探頭在前后兩次移動中難以保證移動速率相同，移動方向相同。
[0011]在自由臂掃描中，上述三種情況屬于常見問題，如果操作者沒有很好的經驗的話，壓縮前、后采集的RF幀序列將會難以匹配，進而造成后續的組織時移估計及應變計算中出現較大的誤差，最終得到三維彈性結果與實際相差甚遠。因此，針對普通的沒有過多經驗的操作者，如何利用自由臂掃描方法在一般情況下采集到的RF幀序列，計算得到正確的組織三維彈性圖像是一個急需解決的問題。

【發明內容】

[0012]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法。
[0013]本發明的目的通過下述技術方案實現:`[0014]自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，包括下述步驟:
[0015](I)構建壓縮前、后兩個RF數據Volume,確定兩個Volume的位置和尺寸；
[0016](2 )遍歷壓縮前RF幀序列中的每一條RF信號的每一個采樣點，將該點經過坐標轉換映射到壓縮前Volume中，對其鄰近體素進行幅度插值；對于壓縮后的RF幀序列，采用同樣的方法對壓縮后RF體數據進行插值；
[0017](3)插值完后，對于RF體數據中每一條“RF信號”，利用該條“RF信號”上的每個點的幅度以及信號的頻率、傳播距離，估計出一條近似真實的RF信號；
[0018](4)對Volume中每一條估計出的RF信號進行低通濾波處理，最終得到RF體數據。
[0019]優選的，步驟(1)中，構建的壓縮前、后RF數據Volume的位置和尺寸根據掃描得到的RF幀的位置范圍來確定，Volume的上表面要位于所有采集到的RF幀的空間位置的上方，Volume區域要包含壓縮前RF幀序列所在的空間區域與壓縮后相交集的區域；根據RF幀中單位長度像素的個數來確定Volume在長、寬、高方向上的體素個數，即確定Volume的尺寸。
[0020]優選的，構建的壓縮前、后RF數據Volume的位置和尺寸都相同。
[0021]優選的，步驟(2)中，首先對整個Volume進行幅度插值；每當遍歷到RF幀序列中的某一幀的某一條RF信號的起點時，計算該條RF信號的解析信號，記該條RF信號為rf=FSi；J, FSi；j表示幀序列frame sequences中第i幀的第j條RF信號，其解析信號為a(t)=s(t)ej<Ht),幅度為 s(t),相位為 4) (t)。[0022]優選的，進行幅度插值時，將RF信號的第i個采樣點映射到Volume中一點，以該點為球心，R為半徑，將值賦給球體內的每一個體素點，當一個體素點被多次賦值時求總和的均值，當一個體素點一次都沒有被賦值過時，用其臨近體素的幅度值的均值對其賦值。
[0023]優選的，以到球心距離倒數為權重對鄰近的體素進行加權賦值。
[0024]優選的，步驟(3)中，RF信號的估計，根據插值后得到的RF體數據Volume的每一條“RF信號”的幅度以及信號的頻率，傳播距離，用RF信號近似公式重新計算出實際的RF信號；壓縮前、后Volume對應位置的RF信號的初始相位Φ相同。
[0025]優選的，步驟(3)中，RF信號的估計，不對RF信號上每一個采樣點進行相位估計，而是根據RF信號頻率以及采樣率以一個正弦周期或半個正弦周期為單位來估計，在進行相位估計的時候只需計算每個周期或半個周期的起點相位即可。
[0026]優選的，步驟(4)中，構建一個FIR低通濾波器，對估計的每一條RF信號進行低通濾波處理，濾除人為引入的高頻信息，從而得到最終的RF體數據。
[0027]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0028]( I)在自由臂三維超聲彈性成像中，本發明相當于在掃描得到的RF幀序列和計算彈性圖像之間提供了一種通用的接口，該接口可以屏蔽操作者不規范的數據采集方式，使得通過不規范采集方式獲取的RF幀序列都能很好的用于后續的彈性圖像計算。
[0029](2)本發明創新性的提出了一種RF信號估計方法，通過對一條RF信號上的每一個采樣點進行幅度插值，利用幅度，頻率，波速，傳播距離等信息估計出RF信號的波形，再通過低通濾波器濾除信號的高頻分量，從而估計出近似真實的RF信號。
【專利附圖】

【附圖說明】`
[0030]圖1是本發明的流程圖；
[0031]圖2是本發明主要使用場景示意圖；
[0032]圖3 (a)是根據RF幀序列確定壓縮前RF數據Volume的位置和尺寸；
[0033]圖3 (b)是根據RF幀序列確定壓縮后RF數據Volume的位置和尺寸；
[0034]圖4是遍歷至壓縮前RF幀序列中某一幀內的某條RF信號的一個采樣點；
[0035]圖5是對Volume中的體素進行幅度插值和相位估計；
[0036]圖6是相鄰位置的三條RF信號；
[0037]圖7是根據圖6中第1，3條信號估計第2條信號，上部分是真實信號，下部分
[0038]為估計出來的信號。
【具體實施方式】
[0039]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0040]實施例
[0041]如圖1、圖2所示，自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，包括下述步驟:
[0042](I)構建壓縮前、后兩個RF數據Volume,確定兩個Volume的位置和尺寸；
[0043](2)遍歷壓縮前RF幀序列中的每一條RF信號的每一個采樣點，將該點經過坐標轉換映射到壓縮前Volume中，對其鄰近體素進行幅度插值；對于壓縮后的RF幀序列，采用同樣的方法對壓縮后RF體數據進行插值；
[0044](3)插值完后，對于RF體數據中每一條“RF信號”，利用該條“RF信號”上的每個點的幅度以及信號的頻率，傳播距離，估計出一條近似真實的RF信號；
[0045](4)對Volume中每一條估計出的RF信號進行低通濾波處理，最終得到RF體數據。
[0046]如圖3 Ca)和圖3 (b)所示，通常情況下，自由臂采集到的RF幀序列不可能是平行規則的排列，而是有角度旋轉以及幀疏密不同等等復雜的情況，這種情況下，壓縮前RF幀序列和壓縮后RF幀序列很難匹配，因此并不能直接用于彈性值計算；本發明可以利用這些RF幀序列，通過插值估計出一個規則的RF數據體(Volume),使得壓縮前Volume的每一條RF信號都可以和壓縮后的Volume中的每一條RF信號很好的匹配，從而利用壓縮前、后兩個Volume來直接進行計算彈性圖像。由于壓縮后Volume的計算方法和過程與壓縮前的Volume計算方法和過程相同，因此，只以壓縮前Volume為例，具體實施步驟如下:
[0047](I)確定壓縮前Volume的位置和尺寸。如圖3 (a)所示，根據壓縮前RF幀序列中每個幀中每個像素點的三維坐標(XiJpZi)求出RF幀序列的在三個坐標軸的范圍[xmin, XmaJ，[Ymin, YmaJ，[Zmin, ZmaJ ；同樣如圖3 (b)所示，求取壓縮后RF幀序列在坐標軸上的范圍，取交集部分，得到交集部分的坐標范圍[X1mtoX1max], [Y1min, Y1max] ^ [Z1min, Z1maJ ;尋找所有的RF幀中在y軸方向上的最小值，以這個最小值作為Volume的上表面，目的就是讓Volume能完全夠覆蓋所有RF幀的頂部。確定好Volume的位置后，按照RF幀中x, y軸單位長度像素的個數來確定Volume在x，y，z方向上的體素個數，即確定Volume的尺寸。
[0048](2)對Volume中的體素進行幅度插值。遍歷壓縮前RF幀序列中的每一幀的每一條RF信號，求出該RF信號的解析信號a (t) =s (t) eJ$(t)，得到幅度s (t)，然后遍歷該RF信號的每一個采樣點，如圖4所示,將該采樣點rf(i)進行坐標變換,如果變換后的點不在Volume中，棄之，反之，尋找在以該`點為球心，R=I為半徑的球內的體素，過球心垂直于X軸的截面圖如圖5所示；其中，A點為某一幀中某一條RF信號的起始采樣點，B點為遍歷至RF信號中的某一點rf (i)經坐標變換后映射到Volume中點，將RF信號中當前點的幅度值賦給球內的所有體素，如果一個體素被多次賦值，記錄被賦值的次數以及被賦的值的加和，求均值。
[0049](3)估計RF信號。得到Volume中每條“RF信號”的幅度值后，然后估算RF信號的相位。如圖5所示，Volume的y軸方向的一列離散點即為待估計的離散RF信號；已知聲波在組織中的速率c,頻率為fd,傳播距離為x(t),取初始相位Φ=0,代入rf=s(t)cos(Φ+2 JIfciXaVc)中就可以估算出一條RF信號。需要注意的是，初始相位φ可以任意設定，但需保證壓縮前、后對應位置(相匹配)的RF信號的初始相位要相同。圖6為相鄰位置的三條RF信號，用第1，3條信號來估計第2條信號，結果如圖7所示，圖7上部分為真實的第2條RF信號，下部分為估計出來的第2條RF信號。
[0050](4)對RF信號進行低通濾波處理。根據RF信號的頻率以及采樣率，設計FIR濾波器，對Volume中估計出的每一條RF信號進行低通濾波處理，得到最終的RF體數據。
[0051]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)構建壓縮前、后兩個RF數據Volume,確定兩個Volume的位置和尺寸； (2 )遍歷壓縮前RF幀序列中的每一條RF信號的每一個采樣點，將該點經過坐標轉換映射到壓縮前Volume中，對其鄰近體素進行幅度插值；對于壓縮后的RF幀序列，采用同樣的方法對壓縮后RF體數據進行插值； (3)插值完后，對于RF體數據中每一條“RF信號”，利用該條“RF信號”上的每個點的幅度以及信號的頻率、傳播距離，估計出一條近似真實的RF信號； (4)對Volume中每一條估計出的RF信號進行低通濾波處理，最終得到RF體數據。
2.根據權利要求1所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，步驟(1)中，構建的壓縮前、后RF數據Volume的位置和尺寸根據掃描得到的RF幀的位置范圍來確定，Volume的上表面要位于所有采集到的RF幀的空間位置的上方，Volume區域要包含壓縮前RF幀序列所在的空間區域與壓縮后相交集的區域；根據RF幀中單位長度像素的個數來確定Volume在長、寬、高方向上的體素個數，即確定Volume的尺寸。
3.根據權利要求1或2所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，構建的壓縮前、后RF數據Volume的位置和尺寸都相同。
4.根據權利要求1所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于,步驟(2)中，首先對整個Volume進行幅度插值；每當遍歷到RF幀序列中的某一幀的某一條RF信號的起點時，計算該條RF信號的解析信號，記該條RF信號為M=FS^FSu表示中貞序列frame sequences中第i幀的第j條RF信號，其解析信號為a (t) =s (t) (t),幅度為S(t),相位為Φ (t) O
5.根據權利要求4所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，進行幅度插值時，將RF信號的第i個采樣點rf (i)映射到Volume中一點，以該點為球心，R為半徑，將s (i)值賦給球體內的每一個體素點，當一個體素點被多次賦值時求總和的均值，當一個體素點一次都沒有被賦值過時，用其臨近體素的幅度值的均值對其賦值。
6.根據權利要求4所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，以到球心距離倒數為權重對鄰近的體素進行加權賦值。
7.根據權利要求1所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，步驟(3)中，RF信號的估計，根據插值后得到的RF體數據Volume的每一條“RF信號”的幅度以及信號的頻率，傳播距離，用RF信號近似公式rf=s (t) cos ( Φ +2 π f0x (t) /c)重新計算出實際的RF信號；壓縮前、后Volume對應位置的RF信號的初始相位Φ相同。
8.根據權利要求1所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，步驟(3)中，RF信號的估計，不對RF信號上每一個采樣點進行相位估計，而是根據RF信號頻率以及采樣率以一個正弦周期或半個正弦周期為單位來估計，在進行相位估計的時候只需計算每個周期或半個周期的起點相位即可。
9.根據權利要求1所述的自由臂三維超聲彈性成像中RF體數據的估計方法，其特征在于，步驟(4)中，構建一個FIR低通濾波器，對估計的每一條RF信號進行低通濾波處理，濾除人為引入的高頻信息，從而得到最終的RF體數據。
【文檔編號】A61B8/00GK103767733SQ201410020359
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】黃慶華, 陳朝虹 申請人:華南理工大學