檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法、檢測生物組織彈性的方法及生物組織彈性成 ...的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法、檢測生物組織彈性的方法 及生物組織彈性成像方法。
【背景技術】
[0002] 在醫學診斷中，生物組織的彈性信息對于診斷疾病具有非常重要的參考價值。一 般認為，軟組織病理的改變往往與組織的硬度相關。如組織的硬度或彈性會隨著腫瘤在組 織中的生長或擴散而改變。甚至在腫瘤在出現形態學改變前，其硬度已經發生變化，導致 正常組織與病變組織之間存在較大的彈性差異。這種利用生物組織的力學特性的差異，通 過區分外力作用下不同生物組織的響應（應變、位移等）而進行成像的方法即為彈性成像 (elastography) 〇
[0003] 對目前的超聲彈性成像技術來說，根據加載方式不同，可將其大致分為兩類：靜態 /準靜態超聲彈性成像和動態超聲彈性成像。目前發展較為成熟的超聲彈性成像技術多屬 于靜態/準靜態超聲彈性成像技術，其基本原理是利用采用手動加壓的方法使待檢目標發 生變形，通過向變形前后的特檢目標發射超聲波并接收回波信號，經分析處理后獲得位移、 應變、應變率和速度等待檢目標的響應參數，最終估計出待檢目標的楊氏模量、剪切模量、 泊松比和拉梅常數等材料力學屬性的相對值，進而定性地了解目標不同組分的硬度差異， 并根據這一差異診斷待檢目標的病理狀況。
[0004] 但類似的超聲彈性成像方法對成像的深度和位置都會有限制。手動加壓的加載 方式決定了這種超聲彈性成像方法不能對深層組織進行成像，相應產生的應變與位移也會 受到施加壓力的大小、加載時間的長短等人為因素的影響。所以類似方法只能定性的顯示 淺表組織的彈性信息，重復性差。為了上述缺陷，可行的方法之一是采用聚焦超聲束激勵 的方法引起組織運動，再利用超聲成像技術探測組織的運動，通過組織運動特性重建組織 體彈性參數分布，即動態超聲彈性成像技術。作為一種具有代表性的動態超聲彈性成像技 術，剪切波彈性成像技術（shear wave elastography, SWE)是超聲彈性成像技術的一種替 代方案。其基本思想是通過檢測聲輻射力激發組織而產生的剪切波的傳播特性進行成像的 方法。一般是通過超聲探頭發射的強度在安全閾值內的聲輻射脈沖在待檢組織內形成聲輻 射力（Acoustic Radiation Force)對下層組織進行施壓，壓力在聲波傳播方向上推動組 織，組織相應地產生復原力，該復原力會產生機械波，尤其是沿組織橫向傳播的剪切波。而 機械波的傳播性質與材料的力學特征緊密相關，剪切波作為組織復原力產生的一種機械橫 波，其傳播性質必然包含著組織內的諸多力學信息。簡單地說，剪切波速度越快，說明組織 楊氏模量值越大，即組織的硬度越大。利用這一性質，即可通過組織內傳播的剪切波速度反 推得到組織的楊氏模量絕對值。所以對剪切波彈性成像方法來說，其核心技術是跟蹤剪切 波在組織內的傳播過程并據此計算其傳播速度。剪切波在生物體內傳播速度緩慢，一般為 1?10m/s，故可利用超聲成像方法捕捉剪切波的傳播過程。
[0005] 對一般的動態超聲彈性成像方法而言，其工作原理是通過檢測聲輻射力作用前后 的超聲回波信號，應用相應的變形估計算法對這些信號進行分析處理，進而根據胡克定理 確定出待檢對象彈性信息的空間分布。這類技術急待改進的方面主要體現在：改善系統的 性能水平，有效提高超聲換能器的電聲轉換效率，輸出高能量的超聲波信號產生更大的超 聲輻射力，實現待檢材料彈性參數較大動態范圍的檢測，以進一步拓展該技術的應用空間； 開發利用超聲回波實現組織微小形變檢測的計算方法，提高圖像的信噪比、分辨率、對比度 及幀頻進而實現組織力學參數空間分布的實時檢測，以提高該技術的臨床應用價值。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的之一是為了克服現有技術中的不足，提供一種可對深層生物組織檢 測的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法。
[0007] 為實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現：
[0008] 檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，利用待檢測組織內沿剪 切波傳播方向上的任意兩位置的距離和分別在該兩位置上實時回波信號與原始回波信號 的MC值產生變化的時間差，計算該兩位置間剪切波傳播的速度。
[0009] 優選地是，按照以下公式計算實時回波信號與原始回波信號之間的模態置信度 MAC 值：
[0010]
【主權項】
1. 檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，利用待檢測組織內沿剪切 波傳播方向上的任意兩位置的距離和分別在該兩位置上實時回波信號與原始回波信號的 MAC值產生變化的時間差，計算該兩位置間剪切波傳播的速度。
2. 根據權利要求1所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于， 按照以下公式計算實時回波信號與原始回波信號之間的模態置信度MAC值：
其中，《k(n)代表窗口長度為n的第k個取樣窗，.代表在第i次發射波束后第j個 通道接收到的回波信號，科^?代表t= 0時刻下，第j個通道采集的原始回波信號，MACijk代 表通過《k(n)截取的實時回波信號與！及外/的模態置信度。
3. 根據權利要求1或2所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于， 根據對待檢測組織各位置對超聲回波信號的MAC值，組成矩陣；并記錄在不同時刻下待檢 測組織各位置對超聲回波信號的MAC值，分別組成矩陣；依據待檢測組織內沿剪切波傳播 方向上的任意兩位置的距離和分別在兩位置上實時回波信號與原始回波信號的MAC值矩 陣產生變化的時間差，計算該距離間剪切波傳播的平均速度。
4. 根據權利要求1所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，所 述的實時回波信號為實時超聲回波信號；所述原始回波信號為原始超聲回波信號。
5. 根據權利要求1所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，包 括步驟： ① .待檢測組織發射超聲波束，并接收超聲回波信息作為參考的原始組織回波信號， 記為; ② .對待檢測組織發射聚焦波束，使待檢測組織產生剪切波； ③ .在待檢測組織產生剪切波后，對待檢測組織的待檢測區域發射超聲波束并接收反 射回來的回波信號； ④ .重復步驟③，對待檢測區域多次發射超聲波束，記錄超聲回波信號，記為Lj;直到 剪切波傳播至待檢測區域之外； ⑤ .通過窗函數^^對步驟④中實時接收的超聲回波信號步^和步驟①中記錄原始超 聲射頻回波信號仍1/進行多次截取，計算MAC值。
6. 根據權利要求5所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，所 述的步驟②中，對待檢測組織發射聲波，在組織內部產生聲輻射力，利用聲輻射力在聲波傳 播方向上推動待檢測組織，使待檢測組織產生剪切波。
7. 根據權利要求5所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于， 所述的步驟①中，通過超聲儀器的發射端（12)控制陣列超聲換能器（13)對待檢測組 織（14)發射超聲波束，并通過接收端（15)和數據采集模塊（16)記錄不同通道接收到的超 聲回波信息作為參考的原始組織回波信號，記為仍)./，并傳回至數據存儲器（17); 所述的步驟②中，通過發射端（12)控制陣列式超聲換能器（13)對待檢測組織（14)發 射聚焦波束，在組織內部產生聲輻射力，聲輻射力在聲波傳播方向上推動待檢測組織，使待 檢測組織產生剪切波； 所述的步驟③中，在聲輻射力對待檢測組織進行激勵后，控制發射端（12)對待檢測組 織的待檢測區域發射超聲波束并接收反射回來的超聲回波信號（15); 所述的步驟④中，重復步驟③，對待檢測區域多次發射超聲波束，通過數據采集模塊 (16)實時記錄各通道接收到的超聲射頻回波信號并傳回至數據存儲器（17)，記為！，直 到剪切波傳播至待檢測區域之外； 所述的步驟⑤中，通過窗函數《k(21)對步驟④中實時接收的超聲射頻回波信號 步u(23)和步驟①中記錄原始超聲射頻回波信號(22)進行多次截取，并計算截取后的 超聲射頻回波信號與原始回波信號之間的模態置信度MAC值。
8. 根據權利要求1所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，所 述生物組織為人體組織。
9. 根據權利要求8所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，所 述人體組織為深層組織。
10. 檢測生物組織彈性的方法，其特征在于，采用權利要求1至7任一權利要求所述的 方法檢測剪切波在生物組織中的傳播速度，再利用剪切波在生物組織中的傳播速度與彈性 的線性關系計算得到組織的彈性特性數據。
11. 生物組織彈性成像方法，其特征在于，利用權利要求1至7任一權利要求所述的方 法計算生物組織的彈性，并對彈性數據生成映射圖像。
【專利摘要】本發明公開了檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法、檢測生物組織彈性的方法及生物組織彈性成像方法。本發明所述的檢測剪切波在生物組織中傳輸速度的方法，其特征在于，利用待檢測組織內沿剪切波傳播方向上的任意兩位置的距離和分別在該兩位置上實時回波信號與原始回波信號的MAC值產生變化的時間差，計算該兩位置間剪切波傳播的速度。本發明中采用模態置信準則對剪切波進行跟蹤，可以實現組織在剪切波作用下的微形變估計算，提高圖像的信噪比、分辨率、對比度；靈敏度高。另一方面，模態置信準則是對超聲回波射頻信號的時域計算方法，計算流程一致性較好，可以允許多項連續的模態置信因子計算任務在相同時間的并發操作即并行計算使整幅彈性圖像的復雜計算操作獲得較高的加速比。因此，該方法可以有效的提高彈性成像算法的計算速度并實現剪切波的傳播過程的實時跟蹤。
【IPC分類】A61B8-08
【公開號】CN104605891
【申請號】CN201410852544
【發明人】焦陽, 顧天明, 崔崤峣, 徐杰
【申請人】中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月31日