專利名稱：一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法
技術領域：
本發明涉及超聲彈性成像技術領域，具體地涉及一種生物組織位移估計方法。
背景技術：
在超聲彈性成像中，最關鍵的問題在于對組織的位移分布進行估計。選擇壓縮前 信號中的小段數據用來跟蹤對應的小段組織的位移，稱為跟蹤波段，其長度稱為尺度。選擇 合適的尺度在超聲彈性成像的位移估計中非常重要。當對組織施加的壓縮量比較小的時 (如小于1 ，所選的尺度越大，包含的信息越多，位移估計的精度越高，對隨機噪聲的干 擾也越不敏感；當對組織施加的壓縮量比較大的時(如1-5% )，由于組織被壓縮，組織壓縮 前、后形變較大，尺度越大位移估計的精度越低，同時，尺度越大又越不容易受到隨機噪聲 的干擾；而當尺度較小的時候，組織壓縮前、后的形變較小，位移估計的精度越高，然而此時 的位移估計又易受到隨機噪聲的干擾。彈性成像技術最早由Jonathan Ophir于1991年提出，后在理論和技術上都獲得 了飛速發展。由于其可獲得獨特的組織特征信息，使得其在某些應用場合比如乳腺，對于惡 性腫瘤和良性腫瘤的診斷具有很高的特異性和敏感性，從而在臨床上獲得了廣泛應用。生物組織的彈性反映了其硬度，與病灶的生物學特征密切相關，但是其和組織的 散射并無直接關系，因此，B超圖像不能很好的反應組織的這一生物學特征。臨床病理學的 研究證明，脂肪、乳腺、纖維化組織、非浸潤性癌變和浸潤性癌變組織的彈性系數存在著明 顯差異，這意味著彈性系數對于病變組織的定性分析具有重要價值。由于不同組織和同一種組織不同病變情況下彈性系數的差異，在外力作用下，其 發生形變的程度就會不同。超聲彈性成像的基本原理為將超聲探頭嵌于一塊擠壓板中，沿 著探頭的縱向壓縮組織，分別采集組織壓縮前、后的射頻信號；組織被壓縮時，組織內將會 產生一個沿壓縮方向的應變，如果組織內部彈性模量分布不均勻，組織內的應變分布也會 有所差異；彈性模量較大的區域，引起的應變比較小；反之，彈性模量較小的區域，相應的 應變比較大。通過一些方法估計出組織內部不同位置的位移，從而計算出組織內部的應變 分布情況，用來間接描述組織內部的彈性模量分布，從而描述組織的生理、病理狀態。對于二維超聲彈性成像，一般采用線陣的B型超聲探頭，采集組織壓縮前、后的每 條掃描線的射頻信號，分別按照超聲彈性成像原理計算出每一條掃描線對應組織的一維應 變分布。最后把所有掃描線對應的一維應變分布按掃描線順序組成一個二維應變分布，以 灰度圖或偽彩圖顯示，用來間接描述組織內部的彈性模量分布。現有的超聲彈性成像步驟為1.使用全數字B型超聲儀器(線陣探頭)得到待測生物組織(或彈性仿體)壓縮 前的一副數字化的二維射頻信號；2.手持該B型超聲儀器探頭(或利用步進電動機)，沿著探頭的縱向對該組織施 加一個微小的擠壓(控制在之內)，得到組織壓縮后的一幅數字化二維射頻信號；3.確定需要計算的范圍并設為R，從步驟1和2得到的組織壓縮前后的二維射頻4信號中選擇一條掃描線L (L-R≥1且L+R≤Lmax，Lmax為掃描線的最大值)，將壓縮前序號在 L-R:L+R的掃描線數據設為PreS(L)，同理壓縮后的掃描線數據設為PostS(L)；4.從壓縮前信號I^reS(L)中取一小段長度為T的數據(I1，數據個數為U，U = round (Τ · U1),其中T的單位為mm，U1代表Imm的組織對應的數據個數，round代表取整操作，該 數據Cl1的序號從Ii1到ni+U_l，ni可在1≤n1≤U的范圍內選擇；在確定的搜索范圍τ 到 τ2內，求該小段數據與壓縮后數據d2的絕對值差和，其中(12在^到τ 2內取，其規模和大 小與Cl1相同，計算公式如下ε (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) I τ 1≤i ≤ τ2其中τ工為0，τ2為對組織施加的壓縮量，以采樣數據的個數表示；5.確定步驟4得到的絕對值差和函數ε (i)的最小值對應的位置t1;、就是數據 Cl1在組織壓縮后的位移；6.依次從壓縮前數據I^reS(L)中取小段長度為T即數據個數為U的數據d2，d3， A dn，每段數據的序號依次錯開V個采樣數據1≤V≤U,直到在錯開V個采樣數據將超出 PreS(L)的范圍，按步驟4、5相同的方法依次得到各段數據對應的位移t2，t3，Atn，其中η 為小段數據的總數；則位移序列t1;t2，t3，Atn為壓縮前數據ft~eS(L)對應的組織的位移估 計；7.利用步驟3-6相同的方法，依次得到第L+l，L+2，ΛLmax-L掃描線數據對應的生 物組織的位移估計；8.對ft~eS(L)對應的組織的位移估計序列t1; t2，t3，Atn求差分，得到生物組織 PreS(L)對應組織的應變分布，計算公式如下s1= (t2-t1)/v,S2 = (t3-t2)/v ,∧s(n-1) = (tn-tn-1)/v其中，Sl，s2，S3, A Slri分別為屯，屯，d3，A Cllri對應的組織應變；9.利用步驟8相同的方法，依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R條掃描線數據對應生物 組織的應變分布；10.將步驟9得到的Lmax_2 · R條掃描線數據對應的應變分布插值成Lmax條，按照 掃描線的順序組合成一個二維數據，并以灰度圖或偽彩圖的形式表示出來，得到組織的二 維應變分布圖。在超聲彈性成像中，選擇壓縮前的信號的中的小段數據用來跟蹤對應的小段組織 的位移，稱為跟蹤波段。其長度稱為跟蹤波段程度，或者尺度。選擇合適的尺度在超聲彈性 成像的位移估計中非常重要。當對組織施加的壓縮量比較小(如小于1%)的時候，尺度越 大，包含的信息越多，位移估計的精度越高，對隨機噪聲的干擾也越不敏感。當對組織施加 的壓縮量比較大(如1-5%)的時候，尺度越大，由于組織被壓縮，組織壓縮前后信號重合部 分越小，利用絕對值差和最小值位置進行位移估計的精度越低，同時，尺度越大又越不容易 受到隨機噪聲的干擾；而當尺度較小的時候，組織壓縮前、后信號重合的部分較大，位移估 計的精度越高，然而此時的位移估計有對隨機噪聲的干擾比較敏感。

發明內容
本發明為了解決對組織施加的壓縮量比較大的時候大尺度和小尺度的矛盾，提出 一種采用兩種尺度的組織位移估計方法。在組織壓縮量比較大時，將選擇大尺度和小尺度 相結合的組織位移估計方法，可對這兩種組織位移估計的優缺點實現揚長避短，提高組織 位移的估計精度。本發明實現發明目的采用的技術方案是1、一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，包括以下步驟a.使用數字化超聲儀器測量并得到待測生物組織在壓縮前的一副數字化的二維 射頻信號；b.沿著數字化超聲儀器的線陣探頭的縱向對待測生物組織施加一個微小的擠壓， 壓縮量控制在之內，得到壓縮后的一幅數字化二維射頻信號；c.確定需要計算的范圍并設為R，從步驟a和b得到的待測生物組織壓縮前后的 二維射頻信號中各選擇一條掃描線L(L-R彡1且L+R彡Lmax，Lfflax為掃描線的最大值)，將壓 縮前的序號在L-R: L+R的掃描線數據設為I^reS (L)，壓縮后的序號在L-R: L+R的掃描線數據 設為 PostS (L)；d.從壓縮前的掃描線數據I^reS(L)中取一小段長度為Ta的數據(I1，數據個數為 Ua, Ua = round (Ta .U1)，其中Ta的單位為HinuU1代表Imm的生物組織對應的數據個數，round 代表取整操作，該數據Cl1的序號從Ii1到ni+Ua-l，Ii1可在1彡Ii1彡Ua的范圍內選擇；在確 定的搜索范圍^到τ2內，求該小段數據Cl1與壓縮后數據d2的絕對值差和，其中(12在T1 到τ 2內取，其規模和大小與Cl1相同，計算公式如下ε ‘ (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) I τ ^ i ^ τ2其中τ工為0，τ2為對組織施加的壓縮量，以采樣數據的個數表示；e.確定步驟d得到的絕對值差和函數ε ‘ (i)的最小值對應的位置t/，t/就 是利用尺度Ta進行位移估計時數據Cl1在待測組織壓縮后的位移；f.從壓縮前的掃描線數據ft~eS(L)中的數據段Cl1的中央位置再取尺度為Tb、序號M +ro·辨^^)到巧+ round(^^) + Ub-1的一小段數據該數據的個數為Ub，Ub= Ixnmd(TbXU1),其中Tb的單位為mm，并且滿足Tb<Ta，在13到τ4確定的搜索范圍內 求該小段數據與掃描線數據％的絕對值差和，其中％在13到τ4內取，其規模和大小與屯 相同，計算公式如下ε〃 ⑴=Σ |e「e2(i) Ii 彡 τ4其中τ 3和τ 4為組織位移精細調整的范圍，滿足如下關系τ 4 < τ 2，τ 3 = τ 工+ ( τ 2_ τ 4)，；g.確定步驟f得到的絕對值差和函數ε “ (i)的最小值對應的位置t/，為 利用尺度Tb進行位移估計時數據ei的位移相對于t/的偏移；h.利用尺度Tb估計得到的位移偏移t/和對尺度Ta估計得到的位移t/進行調 整，得到的小段數據Cl1的精細調整后的位移t1;即ti = t/ +I1"i.依次從壓縮前的掃描線數據ft~eS(L)中取一小段尺度為Ta即數據個數為Ua的數據d2，d3，A dn，每段的數據的序號依次錯開V個采樣數據，1 ^V^U,直到在錯開V個采 樣數據將超出I^reS (L)的范圍，按照步驟d_h相同的方法依次得到各段數據對應的位移t2， t3，Atn，其中η為小段數據的總數；則位移序列t1;t2，t3，Atn為壓縮前掃描線數據(L) 對應的待測生物組織的位移估計；j.在利用壓縮前掃描線數據ft~eS(L)的位移序列t1;t2，t3，Atn，采用最小二乘擬 合的方法求得應變，即S1 = leastsquare (t” t2, A t1+k),s2 = leastsquare (t2, t3, A t2+k),...sn_k = leastsquare (tn_k, tn_k+1, Atn)其中k的值的范圍與位移序列的個數η有關；k.利用上述的方法依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R條掃描線數據對應組織的應變 分布；將得到的Lmax-2 · R條掃描線數據對應的應變分布插值成Lmax條，按照掃描線的順序 組合成一個二維數據，并以灰度圖或偽彩圖的形式表示出來，得到待測生物組織的二維應 變分布圖。所述步驟f中，Tb的取值最好為^八τ4的取值最好為16253j Wr2。所述步驟d還包括對所述Ta和所述搜索范圍τ工到τ 2進行插值處理的步驟。所述步驟f還包括對所述Tb和所述搜索范圍^到τ 4進行插值處理的步驟。所述步驟j中k值的范圍取位移序列個數η的十分之一。本發明的有益效果是，在組織壓縮量比較大的情況下，選擇大尺度和小尺度進行 組織位移估計相結合的方法，對這兩種組織位移估計的優缺點實現了互補，提高了組織位 移估計的精度；在利用組織位移求組織對應的應變時，采用最小二乘擬合法，大大提高了組 織應變估計的精度。


圖1，本發明實施例與一般方法的位移估計效果比較圖。
具體實施例方式本發明的具體實施例如下利用Insana實驗室提供的彈性仿體的射頻信號。彈 性仿體的組織厚度為30mm，其中在21mm處埋藏一個6mm軟性小球。對組織施加的壓縮 量為2.2%，即0.65mm。探頭的中心頻率為3. 5MHZ，射頻信號的采樣頻率為40MHZ，，假 設超聲波在組織內的傳播速度為1540m/s，因此Imm的組織對應lmm/1540X 103mm/s/ (40 X IO6HZ) /2 ^ 52個數據，因為組織深度為30mm，所以，每一條掃描線的數據為30 X 52 = 1560個，對組施加的壓縮量以采樣數據的個數表示為30X2. 2% X52 ^ 34個采樣數據。本實施例中計算的范圍R = 4，即每次取2XR+1 = 9條掃描線做為一組，采用的大 尺度Ta為2mm，搜索的范圍為0到34 ；采用的小尺度Tb為1mm，搜索的范圍9到25。
具體的實施步驟1.設組織壓縮前、后的射頻信號(R = 4)分別為ft~eS(L)和PostS(L)，信號長度 為 1560 ；2.從該掃描線數據I^reS(L)中取一小段尺度為Ta的數據屯，Ta = 2mm，其數據個 數為U= 104 ；該數據序號從17到121，在0到34的搜索范圍內求該小段數據與壓縮后數 據(12 (規模大小同Cl1 一樣，范圍為從1到121)的絕對值差和ε' (i)，計算公式如下ε ‘ (i) =Σ I Cl1-Cl2 (i) |0 ^ i ^ 343.確定該絕對值差和函數ε ‘ (i)的最小值對應的位置t' 1 t'工就是利用尺 度Ta進行位移估計時數據Cl1在彈性仿體壓縮后的位移；4.在Cl1中央位置取長度Tb為數據Tb = lmm, θι序號為43到95，在9到25的 搜索范圍內球該小段數據與壓縮后數據e2 (規模大小同el —樣，范圍為從31到91)的絕 對值差和ε “ (i)，計算公式如下ε “ (i) =Σ Iere2(I) | 9 ^ i ^ 25 ；5.確定步驟4得到的絕對值差和函數ε丨‘(i)的最小值對應的位置t〃 1； t〃工 就是利用尺度Tb進行位移估計時數據ei的位移相對于t/的偏移；6.利用小尺度Tb估計得到的位移偏移t"工對尺度Ta估計得到的位移t'工進行 調整，得到小段數據Cl1的精細調整后的位移t1;即I1 = t" !+t‘‘ 27.依次從掃描線數據I^reS(L)中取一小段尺度為Ta數據個數為Ua的數據d2，d3， Adn，每段數據的序號依次錯開沈個采樣數據，直到在錯開沈個數據將超出ft~eS(L)的范 圍，按照步驟2-6相同的辦法依次得到各段數據對應的位移t2，t3，Atn，其中η為小段數據 的總數為55，則位移序列t1; t2，t3，Atn為壓縮前掃描線數據(L)對應的彈性仿體的 位移估計。本實施例與一般方法的位移估計效果比較圖如圖1所示，圖1中，橫坐標代表的不 同位置，縱坐標表示應變的大小。圖中虛線代表單尺度估計得到的組織應變分布；實線為 從用本發明提出的雙尺度方法估計得到的組織應變分布。由對比可知，采用雙尺度跟蹤波 段的方法進行位移應變估計，結果比采用單尺度跟蹤波段的方法進行位移估計方法效果要 好，位移估計的精度更高，特別是在組織應變比較大的區域更為明顯。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明而并非限制本發明所描述的技術 方案；因此盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發明已進行了詳細的說明，但是本領 域的技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換；而一切不脫離本發明的 精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍中。8
權利要求
1. 一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，包括以下步驟a.使用數字化超聲儀器測量并得到待測生物組織在壓縮前的一副數字化的二維射頻 信號；b.沿著數字化超聲儀器的線陣探頭的縱向對待測生物組織施加一個微小的擠壓，壓縮 量控制在之內，得到壓縮后的一幅數字化二維射頻信號；c.確定需要計算的范圍并設為R，從步驟a和b得到的待測生物組織壓縮前后的二維 射頻信號中各選擇一條掃描線L(L-R彡1且L+R彡Lmax，Lfflax為掃描線的最大值)，將壓縮前 的序號在L-R: L+R的掃描線數據設為I^reS (L)，壓縮后的序號在L-R: L+R的掃描線數據設為 PostS(L)；d.從壓縮前的掃描線數據I^reS(L)中取一小段長度為Ta的數據(I1，數據個數為Ua，Ua =round (Ta ·仏)，其中Ta的單位為mm，U1代表Imm的生物組織對應的數據個數，round代 表取整操作，該數據Cl1的序號從Ii1到ni+Ua-l，Ii1可在1彡Ii1彡Ua的范圍內選擇；在確定 的搜索范圍^到τ2內，求該小段數據Cl1與壓縮后數據d2的絕對值差和，其中(12在^到 τ 2內取，其規模和大小與Cl1相同，計算公式如下ε ‘⑴=Σ I Cl1-Cl2 ⑴ T1 ^ i ^ τ2其中^為0，τ 2為對組織施加的壓縮量，以采樣數據的個數表示；e.確定步驟d得到的絕對值差和函數ε‘ (i)的最小值對應的位置t/，t/就是利 用尺度Ta進行位移估計時數據Cl1在待測組織壓縮后的位移；f.從壓縮前的掃描線數據I^reS(L)中的數據段(I1的中央位置再取尺度為Tb、序號從nx ■辨+r0und{^^) + Ub -1的一小段數據該數據的個數為Ub，Ub= Ixnmd(TbXU1),其中Tb的單位為mm，并且滿足Tb<Ta，在13到τ4確定的搜索范圍內 求該小段數據與掃描線數據％的絕對值差和，其中％在13到τ4內取，其規模和大小與屯 相同，計算公式如下ε “⑴=Σ ere2(i) | τ3彡 i 彡 τ4其中13和τ 4為組織位移精細調整的范圍，滿足如下關系τ 4 < τ 2，τ3= τ τ 2- τ 4),；g.確定步驟f得到的絕對值差和函數ε“ (i)的最小值對應的位置t/，t/為利用 尺度Tb進行位移估計時數據ei的位移相對于t/的偏移；h.利用尺度Tb估計得到的位移偏移t/和對尺度Ta估計得到的位移t/進行調整， 得到的小段數據Cl1的精細調整后的位移t1;即ti = t/ +t,i.依次從壓縮前的掃描線數據I^reS(L)中取一小段尺度為Ta即數據個數為Ua的數據 d2，d3，Λ dn，每段的數據的序號依次錯開V個采樣數據，1 <V<U，直到在錯開V個采樣數 據將超出I^reS(L)的范圍，按照步驟d_h相同的方法依次得到各段數據對應的位移t2，t3， Atn，其中η為小段數據的總數；則位移序列t1; t2，t3，Atn為壓縮前掃描線數據(L) 對應的待測生物組織的位移估計；j.在利用壓縮前掃描線數據I^reS (L)的位移序列t1; t2，t3，Λ tn，采用最小二乘擬合的 方法求得應變，即51= leastsquare (t” t2, Λ t1+k)，52= leastsquare (t2, t3, A t2+k),sn_k = leastsquare (tn_k, tn_k+1, Atn) 其中k的值的范圍與位移序列的個數η有關；k.利用上述的方法依次得到第R+l，R+2，Λ Lmax-R條掃描線數據對應組織的應變分布； 將得到的Lmax-2 · R條掃描線數據對應的應變分布插值成Lmax條，按照掃描線的順序組合成 一個二維數據，并以灰度圖或偽彩圖的形式表示出來，得到待測生物組織的二維應變分布 圖。
2.根據權利要求1所述的一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，其特征在于所述步驟f中，Tb的取值最好為‘7； <Tb < ^Ta16 2 °
3.根據權利要求2所述的一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，其特征在于所3述步驟f中，τ 4的取值最好為〗Γ2幺Γ4幺T2。
4.根據權利要求1所述的一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，其特征在于所 述步驟d還包括對所述Ta和所述搜索范圍T1到τ 2進行插值處理的步驟。
5.根據權利要求1所述的一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，其特征在于所 述步驟f還包括對所述Tb和所述搜索范圍^到τ 4進行插值處理的步驟。
6.根據權利要求1所述的一種采用雙尺度的生物組織位移估計方法，其特征在于所 述步驟j中k值的范圍取位移序列個數η的十分之一。
全文摘要
本發明為了解決選取大尺度和小尺度的矛盾，提出一種采用雙尺度的組織位移估計方法，在組織壓縮量比較大的情況下，選擇大尺度和小尺度進行組織位移估計相結合的方法，對這兩種組織位移估計的優缺點實現了互補，提高了組織位移估計的精度；在利用組織位移求組織對應的應變時，采用最小二乘擬合法，大大提高了組織應變估計的精度。
文檔編號A61B8/08GK102048560SQ20101058696
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者齊育彬 申請人:深圳市藍韻實業有限公司