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CN113633313B - 一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统 - Google Patents

一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统 Download PDF

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CN113633313B CN202110970899.XA CN202110970899A CN113633313B CN 113633313 B CN113633313 B CN 113633313B CN 202110970899 A CN202110970899 A CN 202110970899A CN 113633313 B CN113633313 B CN 113633313B
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Abstract

本发明提出了一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统，声辐射力弹性成像方法包括：获取生物组织的待观察区域；对待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，第一通道数据用于获取待观察区域信息；根据待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式；使用上述激励源及激励方式在待观察区域产生组织局部位移和振动；在待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据，用于跟踪组织局部位移和振动；将采集的第二通道数据进行后处理得到待观察区域的生物组织的弹性信息。该方法进行同时、多频、多区域声辐射力激励，无需移动或切换探头便可对从组织浅表至较深区域的快速弹性测量与成像。

Description

一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统
技术领域
本发明涉及超声波成像技术领域，尤其涉及一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统。
背景技术
基于声辐射力的超声弹性成像包括剪切波弹性成像(Shear Wave Elastography,SWE)和声辐射力脉冲成像(Acoustic radiation force impulse(ARFI)imaging)等，已经被广泛用于对各种生物软组织的弹性(或硬度)量化，并据此对组织及肌体健康进行评估。声辐射力弹性成像的基本原理是使外部声束聚焦于待检测组织部位，由聚焦声束产生的声辐射力激励出局部组织位移并继而产生机械振动，该振动以剪切波的形式在组织内传播；通过分析超声回波信号在激励前后或剪切波传播过程中的变化，可计算出组织的局部位移或剪切波的传播特性，据此得出组织的弹性参数。
得益于方便和易操作等特性，同一阵列探头同时用于激励和成像的技术成为目前声辐射力超声弹性成像的主流。但由于超声成像存在着空间分辨率和穿透深度的矛盾与权衡：高频超声可以得到较高的空间分辨率，但衰减太快，无法穿透较深的组织；低频超声具有较强的穿透性，能对较深处组织进行成像，但图像空间分辨率不高，成像质量差。这对单阵列探头声辐射力超声弹性成像质量影响尤其显著，使该方法在检测范围上存在着较大的限制。现有的使用单阵列换能器近带宽下沿频率激励声辐射力，带宽上沿频率成像的方法由于频带无法太宽，通常只有80％左右，会对使用范围有很大限制；此外，采用上述方法需要对阵列换能器的两种发射模式进行迅速切换，对成像系统也有较高的要求，无法保证成像质量，尤其是在测量较深层组织时。
另一方面，对块状组织使用基于声辐射力的超声弹性成像时，希望得到尽量接近平面(二维成像中)或柱面(三维成像中)的剪切波波阵面。目前常见的方法为2004年JérémyBercoff等人提出的超音速剪切波成像(Supersonic Shear Imaging)(JérémyBercoff,and Mathias Fink,Supersonic Shear Imaging:A New Technique forSoft Tissue Elasticity Mapping.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2004,51:396-409)。该方法的核心是沿深度方向连续发射单点聚焦波束，因剪切波速远小于波源移动的速度，因此不同波源产生的组织振动叠加形成接近平面的准平面剪切波(quasiplane shear waves)。但由于这些波源(即聚焦波束)并不是同时到达组织的不同深度的，而是存在一定的时间间隔，使得叠加形成的波阵面并不是柱面，而是锥面(Mach cone)，这一现象在测量较厚的组织或者超声硬件系统响应速度较慢时尤其明显。对于剪切波弹性成像，剪切波波阵面偏振方向与探测声波方向的夹角过大会导致弹性估算误差，而修正方法又过于繁琐。
发明内容
有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统。
具体地，所述基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法包括：
获取生物组织的待观察区域；
对所述待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，所述第一通道数据用于获取所述待观察区域的信息；
根据所述待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式；
使用所述激励源及激励方式在所述待观察区域产生组织局部位移和振动；
在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据，用于跟踪所述组织局部位移和振动；
将采集的所述第二通道数据进行后处理得到所述待观察区域的所述生物组织的弹性信息；
其中，所述激励源为多频超声探头，所述多频超声探头用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，所述第二频率超声波的频率小于所述第一频率超声波的频率，所述第一频率超声波用于获取所述第二通道数据，所述第二频率超声波用于产生声辐射力的激励源及激励方式。
在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据之后，将采集的所述第二通道数据进行后处理之前，所述基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法还可以包括：
调整激励脉冲的焦点位置，重复激励所述组织局部位移和振动以及所述发射和接收超声信号的操作，对所述待观察区域进行扫描；
和/或，将采集的所述第一通道数据进行后处理。
在一些实施例中，所述多频超声探头具有一个探头，所述探头具有多个超声波频率，所述探头具有的超声波频率包括所述第一频率超声波和所述第二频率超声波。
在一些实施例中，所述多频超声探头包括第一换能器组件和第二换能器组件，所述第二换能器组件包括两个及以上的换能器，两个及以上的所述换能器设置在所述第一换能器组件的两侧或四周，所述第二换能器组件的频率低于所述第一换能器组件的频率。
所述声辐射力的激励源和激励方式包括：
使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列单独激励；或，使用所述多频超声探头的多个第二换能器组件阵列单独或共同激励；或，使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列与第二换能器组件阵列共同激励；或，使用所述多频超声探头发射一次聚焦波束进行激励；或，使用所述多频超声探头向所述生物组织发射多次聚焦波束进行激励。
当所述声辐射力的激励方式为共同激励时，能够对同一焦点或不同焦点使用同一频率或不同频率进行同时激励；或，对同一焦点或不同焦点使用同一频率或不同频率进行分时激励。
所述“根据所述待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式”包括：
对所述生物组织的浅表组织或较厚的所述生物组织的最浅层使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列单独激励；
对较厚的所述生物组织的较深处使用所述多频超声探头的第二换能器组件阵列单独或共同激励；
对沿途声衰减较大的所述生物组织使用第一换能器组件阵列与第二换能器组件阵列共同激励。
所述“在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据”包括：
运用所述多频超声探头向所述待观察区域发射纵波超声序列，并使用所述第一换能器组件接收所述生物组织中产生的回波得到所述第二通道数据，或使用所述第一换能器组件与所述第二换能器组件协同接收所述生物组织中产生的回波得到所述第二通道数据。
所述“将采集的所述第一通道数据和所述第二通道数据进行后处理得到所述待观察区域的所述生物组织的弹性信息”包括：
将采集到的所述第二通道数据进行滤波重建得到IQ数据；
对所述IQ数据进行相应的算法处理，得到所述待观察区域内由所述声辐射力产生的所述生物组织局部位移或振动，或，由此产生的剪切波的传播速度；
根据所述局部组织位移或者所述剪切波的传播速度对所述生物组织的弹性进行估算。
所述“对所述IQ数据进行相应的算法处理”包括：
对所述IQ数据进行相关处理；或，对所述IQ数据进行互相关处理；或，对所述IQ数据进行绝对差值求和处理。
所述“根据所述局部组织位移或者所述剪切波的传播速度对所述生物组织的弹性进行估算”包括：
根据扫描得到的局部组织位移的幅度得到组织的相对弹性或相对硬度；
或，根据剪切波传播速度与所述生物组织的弹性模量之间的关系式估算所述生物组织的弹性。
所述“所述剪切波传播速度与所述生物组织的弹性模量之间的关系式”包括：其中，E表示各向同性纯弹性块状组织的弹性模量，cs表示各向同性纯弹性块状组织的剪切波传播速度，ρ表示各向同性纯弹性块状组织的组织密度；
或，其中，μ1表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的切变弹性模量，μ2表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切粘度，ωs表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率，cs(ωs)表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率为ωs时的剪切波传播速度。
本发明还提供了一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像系统，用于执行上述基于多频超声探头的剪切波成像方法，包括：
参考数据采集模块：用于对生物组织的待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，所述第一通道数据用于获取所述待观察区域的信息；
判断模块：用于根据所述待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式；
原始数据采集模块：用于在生物组织的待观察区域激励组织振动，并发射和接收超声信号以跟踪组织振动，得到第二通道数据；
通道数据处理模块：用于对所述第二通道数据和/或所述第一通道数据进行滤波重建得到IQ数据；
IQ数据处理模块：用于对所述IQ数据进行相关算法处理，得到所述待观察区域内由声辐射力产生的局部组织位移或者由此产生的剪切波的传播速度；
弹性估算与成像模块：用于根据所述局部组织位移或者剪切波传播速度对所述生物组织的弹性进行估算，并生成组织弹性图像。
综上所述，本发明的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法及系统具有以下有益效果：用单一探头便可实现同时、多频、多区域声辐射力激励；克服了现有的超音速剪切波源的锥形波阵面的缺点，可以形成真正的柱形波阵面；无需移动或切换探头，仅凭单一探头便可实现对从组织浅表至较深区域的快速弹性测量与成像；突破常规单频换能器阵列的带宽限制，对较深区域进行高效声辐射力激励的同时还可以使用第一换能器组件进行图像采集，从而提升弹性成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法的流程示意图；
图2为本发明的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法所运用的多频超声探头的一种结构示意图；
图3为图2所示的多频超声探头的阵列的一种排布示意图；
图4a为运用图2和图3所示的多频超声探头设置的一种声辐射力激励方式；
图4b为运用图2和图3所示的多频超声探头设置的另一种声辐射力激励方式；
图4c为运用图2和图3所示的多频超声探头设置的又一种声辐射力激励方式；
图4d为运用图2和图3所示的多频超声探头设置的再一种声辐射力激励方式；
图5为本发明的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像系统的结构示意图。
附图标记：
1-第一换能器组件；11-第一换能器组件阵列；2-第二换能器组件；21-第二换能器组件阵列；3-背衬层；4-压电层；5-匹配层；6-柔性电路板；7-声透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法运用到一种可变焦的多排相控阵超声探头。具体地，本实施例所运用的多频超声探头为一种可变焦的多排相控阵超声探头，包括第一换能器组件和第二换能器组件，第二换能器组件包括两个及以上的换能器，第一换能器组件居中，第二换能器组件排列在第一换能器组件的周围，具体为第二换能器组件排列在第一换能器组件的两侧或排列在第一换能器组件的四周，各换能器的发射和接收可独立控制。其中，第二换能器组件的频率低于第一换能器组件的频率，使多频超声探头包括具有较高频率的部分和具有较低频率的部分。
上述多频超声探头由于换能器之间互不影响，可以同时进行低频激励高频成像的超谐波成像和弹性成像模式,以及多频段换能器的无干扰同步高质量超声成像模式。例如,多频段的换能器对单体靶点进行多频同步成像；或，对同一截面或不同截面上不同位置和深度的靶点进行同步成像,增强换能器的成像范围和成像效率；或，对同一聚焦靶点位置进行低频信号激励和高频信号接收的超谐波成像和弹性成像；或，对不同深度的靶点位置进行同步低频激励和高频成像,或使用一对具有较高频率的第一换能器组件和具有较低频率的第二换能器组件对同一靶点位置进行同步超谐波成像/弹性成像并同时利用另一个换能器进行基波成像或引导，等等。
参见说明书附图1，本发明的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法包括：
S1：获取生物组织的待观察区域。
S2：使用多频超声探头中的第一换能器组件对待观察区域的初始状态做一次B模式信号采集并存储为第一通道数据，第一通道数据用于获取待观察区域的位置、厚度、声衰减等信息，并作为ARFI成像的初始状态参考。
S3：根据待观察区域的位置、厚度、声衰减等信息确定出合适的声辐射力的激励源及激励方式。
依据待观察区域的位置、厚度、声衰减等不同，声辐射力的激励源也有所不同。本实施例提供了一种如说明书附图2所示的多频超声探头，该多频超声探头包括第一换能器组件1和设置在第一换能器组件1两侧的第二换能器组件2，第一换能器组件1包括一个换能器，第二换能器组件2包括两个换能器每个第一换能器组件1和每个第二换能器组件2均包括层叠设置的背衬层3、压电层4和匹配层5，通过柔性电路板6实现压电层4与外部电路的电气互连，该多频超声探头还包括声透镜7。本实施例的多频超声探头的阵列一种排布如说明书附图3所示：第二换能器组件2的阵元间距为第一换能器组件1的阵元间距的两倍，该多频超声探头的阵列按照一组第二换能器组件阵列21对应两组第一换能器组件阵列11排布设置。
使用上述多频超声探头进行的声辐射力的激励源和激励方式包括：
使用多频超声探头的第一换能器组件阵列11单独激励；或，使用多频超声探头的多个第二换能器组件阵列21单独或共同激励；或，使用多频超声探头的第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21共同激励；或，使用多频超声探头发射一次聚焦波束进行激励；或，使用多频超声探头向生物组织发射多次聚焦波束进行激励。
其中，当共同激励时，多个激励源可针对同一焦点或不同焦点同时使用同一频率或不同频率进行激励。即，进行共同激励时，多个第二换能器组件阵列21针对同一焦点同时使用同一频率或不同频率进行激励；或，多个第二换能器组件阵列21针对不同焦点同时使用同一频率或不同频率进行激励；或，第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21针对同一焦点同时使用不同频率进行激励；或，第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21针对不同焦点使用不同频率进行激励。
可选地，共同激励可以进行同时也可以分时进行。例如：多个第二换能器组件阵列21针对同一焦点或不同焦点分时进行激励；或，第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21针对同一焦点或不同焦点分时进行激励。
S4：在待观察区域产生有效的组织局部位移和振动，然后发射和接收超声信号得到第二通道数据，用于跟踪上述由声辐射力引起的组织局部位移和振动。
S41：使用上述激励源和激励方式在待观察区域产生有效的组织局部位移和振动。
以如图2所示的多频超声探头进行激励为例，对不同位置和厚度的待观察的生物组织设置不同的声辐射力激励源及激励方式：如图4a所示，对较薄生物组织的浅表组织的弹性测量使用第一换能器组件阵列11单独做声辐射力激励。如图4b所示，对较厚的生物组织的弹性测量：第一换能器组件阵列11用于对其中的最浅层激励，第二换能器组件阵列21用于对较深处激励，多个第二换能器组件阵列21可单独或共同激励。其中不同的第二换能器组件阵列21分别聚焦于不同焦点，通过调节发射延时，使不同换能器阵列发出的聚焦波束同时到达处在不同深度的焦点，激励出不同深度的局部剪切振动，叠加形成平面(二维观测)或柱面(三维观测)剪切波。如图4c所示，若生物组织较薄但沿途声衰减较大，则可使用第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21共同激励的方式：使不同换能器阵列发出的声波同时聚焦于该组织的同一位置。如图4d所示，如果生物组织较厚且沿途声衰减较大，则使用第一换能器组件阵列11与第二换能器组件阵列21共同激励的方式，沿厚度方向快速变换焦点位置激励，使不同深度上产生的局部振动叠加形成准平面(二维)或锥面(三维)剪切波。若待观察区域较浅，或在深度方向跨度较小，则仅需发射一次聚焦波束。反之，若待观察区域较深，或在深度方向跨度较大，则可通过向组织的不同深度以超音速依次发射的聚焦波束，叠加形成平面剪切波。
采用该方法在无需切换探头的前提下可同时测量极浅表和更深层组织的弹性；由于多个不同频换能器可同时聚焦于同一靶点激励，对声衰减较高或较深的组织也可以激励出较高幅度的振动或位移，从而提升弹性成像质量；此外，由于各换能器可分别控制其聚焦深度，激励时间亦可自由调控，相当于通过该方法可以灵活控制剪切波波源的空间和时间分布，进一步通过波的干涉叠加等效应对组织内剪切波特性进行调控，如前面提到的平面和准平面剪切波等。对剪切波其它的特性也可以用类似的方法进行调控，限于篇幅的原因，在此不进行穷举。
S42：在待观察区域发射和接收超声信号以追踪步骤S41中所述的局部位移和振动，采集得到第二通道数据。具体地，运用多频超声探头向待观察区域以高重复频率发射纵波超声序列并接收组织中产生的回波得到第二通道数据。其中，第二通道数据可单独使用多频超声探头中的第一换能器组件1发射与采集超声波信号得到，或者使用第一换能器组件1与第二换能器组件2协同发射与采集超声波信号得到。
S5：调整激励脉冲的焦点位置，重复激励组织局部位移和振动以及发射和接收超声信号的操作，对所述待观察区域进行扫描。
S6：将采集到的通道数据进行滤波重建得到IQ数据，并将IQ数据存储于系统缓存区。其中，包括将采集到的第二通道数据进行滤波重建得到IQ数据。在一些实施例中，还可以包括将第一通道数据进行滤波重建得到IQ数据，以作为声辐射力脉冲(ARFI)成像的参考。
S7：对IQ数据进行相应算法处理，包括但不限于相关(correlation)、互相关(cross-correlation)、绝对差值求和处理或其它类似的方法，得到待观察区域内由声辐射力产生的所述生物组织局部位移或振动，或由此产生的剪切波的传播速度。
S8：根据局部组织位移或者剪切波的传播速度，对生物组织的弹性进行估算：根据局部组织位移估算待观测组织的相对硬度，或者根据剪切波传播速度与生物组织的弹性模量之间的关系式对生物组织的弹性进行估算。
例如，对各向同性纯弹性块状组织，其杨氏模量(Young’s modulus,E)与剪切波速和组织密度的关系为其中，E表示各向同性纯弹性块状组织的弹性模量，cs表示各向同性纯弹性块状组织的剪切波传播速度，ρ表示各向同性纯弹性块状组织的组织密度。
对均匀各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料剪切波速与切变弹性模量、剪切粘度、剪切波角频率之间的关系可以表示为其中，μ1表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的切变弹性模量，μ2表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切粘度，ωs表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率，cs(ωs)表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率为ωs时的剪切波传播速度。
在本实施例中，声辐射力的激励源为多频超声探头，多频超声探头用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，第二频率超声波的频率小于第一频率超声波的频率，第一频率超声波用于获取第二通道数据，第二频率超声波用于产生声辐射力的激励源及激励方式。此外，获取第一通道数据的超声波的频率可以与第一频率超声波的频率相同也可以不同。在本实施例中，用于获取第一通道数据的超声波的频率可以为任意频率。本方法仅凭单一探头便可实现对从组织浅表至较深区域的快速弹性测量与成像。
实施例2
本实施例提供了一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，该方法运用到一种可变焦的多排相控阵超声探头。具体地，本实施例所运用的多频超声探头具有一个探头，该探头具有多个超声波频率。本实施例的多频超声探头可以工作在多个超声波频率，能够发射不同频率的超声波进行声辐射力激励。
本实施例的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法包括：
S1：获取生物组织的待观察区域。
S2：使用多频超声探头中的第一换能器组件对待观察区域的初始状态做一次B模式信号采集并存储为第一通道数据，第一通道数据用于获取待观察区域的位置、厚度、声衰减等信息，并作为ARFI成像的初始状态参考。
S3：根据待观察区域的位置、厚度、声衰减等信息确定出合适的声辐射力的激励源及激励方式。
S4：在待观察区域产生有效的组织局部位移和振动，然后发射和接收超声信号得到第二通道数据，用于跟踪上述由声辐射力引起的组织局部位移和振动。
S41：使用上述激励源和激励方式在待观察区域产生有效的组织局部位移和振动。
S42：在待观察区域发射和接收超声信号以追踪步骤S41中所述的局部位移和振动，采集得到第二通道数据。
S5：调整激励脉冲的焦点位置，重复激励组织局部位移和振动以及发射和接收超声信号的操作，对所述待观察区域进行扫描。
S6：将采集到的通道数据进行滤波重建得到IQ数据，并将IQ数据存储于系统缓存区。其中，包括将采集到的第二通道数据进行滤波重建得到IQ数据。在一些实施例中，还可以包括将第一通道数据进行滤波重建得到IQ数据，以作为声辐射力脉冲(ARFI)成像的参考。
S7：对IQ数据进行相应算法处理，包括但不限于相关(correlation)、互相关(cross-correlation)、绝对差值求和处理或其它类似的方法，得到待观察区域内由声辐射力产生的所述生物组织局部位移或振动，或由此产生的剪切波的传播速度。
S8：根据局部组织位移或者剪切波的传播速度，对生物组织的弹性进行估算：根据局部组织位移估算待观测组织的相对硬度，或者根据剪切波传播速度与生物组织的弹性模量之间的关系式对生物组织的弹性进行估算。
本实施例的多频超声探头的探头具有的超声波频率包括第一频率超声波和第二频率超声波。第二频率超声波的频率小于第一频率超声波的频率，第一频率超声波用于获取第二通道数据，第二频率超声波用于产生声辐射力的激励源及激励方式。此外，获取第一通道数据的超声波的频率可以与第一频率超声波的频率相同也可以不同。在本实施例中，用于获取第一通道数据的超声波的频率可以为任意频率。
本实施例的多频超声探头可以工作在多个超声波频率，通过发射不同频率的超声波作为声辐射力的激励源和获取第二通道数据以实现多频弹性超声成像。本方法仅凭单一探头便可实现对从组织浅表至较深区域的快速弹性测量与成像。
实施例3
本实施例为一种运用实施例1或2所提供的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像系统。
参见说明书附图5，基于多频超声探头的声辐射力弹性成像系统包括：
参考数据采集模块：对所述待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，第一通道数据用于获取待观察区域的信息，并作为ARFI成像的初始状态参考。
判断模块：根据待观察区域的位置、厚度、声衰减等信息确定出合适的声辐射力的激励源及激励方式。
根据待观察区域的位置、厚度、声衰减等不同，声辐射力的激励源也有所不同，例如：对较薄的浅表组织的弹性测量使用第一换能器组件1做声辐射力激励。对较厚组织的弹性测量：第一换能器组件1用于最浅层激励，第二换能器组件2用于较深处激励。若待观测组织较薄但沿途声衰减较大，则可使用第一换能器组件1与第二换能器组件2共同激励的方式：使不同换能器发出的声波同时聚焦于该组织的同一位置。如果待观测组织较厚且沿途声衰减较大，则使用第一换能器组件与第二换能器组件共同激励的方式，并沿厚度方向快速变换焦点位置激励。
原始数据采集模块：用于在生物组织的待观察区域激励组织振动，并发射和接收超声信号以跟踪组织振动，得到第二通道数据，包括：声辐射力激励单元和超声信号发射与接收单元。
声辐射力激励单元：运用多频超声探头使用通过判断模块确定的激励源及激励方式在待观察区域利用声辐射力激励出局部组织位移或剪切波。
超声信号发射与接收单元：运用多频超声探头发射纵波超声信号，运用多频超声探头的第一换能器组件1接收回波信号，或运用第一换能器组件1与第二换能器组件2协同接收回波，得到第二通道数据。
通道数据处理模块：用于对数据采集模块采集到的第二通道数据和/或第一通道数据进行滤波重建得到IQ数据。
IQ数据处理模块：用于对IQ数据进行相关算法处理，得到待观察区域内由声辐射力产生的局部组织位移或者由此产生的剪切波的传播速度。其中，对IQ数据进行相关算法处理的方法包括：对IQ数据进行相关处理、对IQ数据进行互相关处理、对IQ数据进行绝对差值求和处理或对IQ数据进行其他类似的方法处理。对IQ数据进行相关算法处理得到待观察区域内由声辐射力直接产生或由剪切波传播产生的组织位移或组织位移随时间的变化结果。
弹性估算与成像模块：用于根据所述局部组织位移或者剪切波传播速度对所述生物组织的弹性进行估算并生成组织弹性图像：根据局部组织位移估算生物组织的相对硬度，或者根据剪切波传播速度与生物组织的弹性模量之间的关系式对生物组织的弹性进行估算并生成组织弹性图像。
综上所述，本发明提供了一种利用单个探头实现对不同深度、不同厚度组织的弹性进行测量的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，用单一探头便可实现同时、多频、多区域声辐射力激励；克服了现有的超音速剪切波源的锥形波阵面的缺点，可以产生真正的柱形波阵面。进一步，无需移动或切换探头，仅凭单一探头便可实现对从组织浅表至较深区域的快速弹性测量与成像。突破常规单频换能器阵列的带宽限制，对较深区域进行高效声辐射力激励的同时还可以使用第一换能器组件进行图像采集，从而提升弹性成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，所述多频超声探头包括第一换能器组件和第二换能器组件，所述第二换能器组件包括两个及以上的换能器，两个及以上的换能器设置在所述第一换能器组件的两侧或四周，所述第二换能器组件的频率低于所述第一换能器组件的频率，其特征在于，
获取生物组织的待观察区域；
对所述待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，所述第一通道数据用于获取所述待观察区域的信息，所述信息包括所述待观察区域的位置、厚度、声衰减；
根据所述信息确定声辐射力的激励源及激励方式，所述声辐射力的激励源和激励方式包括：
使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列单独激励；
或，使用所述多频超声探头的多个第二换能器组件阵列单独或共同激励；
或，使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列与第二换能器组件阵列共同激励；
或，使用所述多频超声探头发射一次聚焦波束进行激励；
或，使用所述多频超声探头向所述生物组织发射多次聚焦波束进行激励；
使用所述激励源及激励方式在所述待观察区域产生组织局部位移和振动；
在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据，用于跟踪所述组织局部位移和振动；
将采集的所述第二通道数据进行后处理得到所述待观察区域的所述生物组织的弹性信息；
其中，所述激励源为多频超声探头，所述多频超声探头用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，所述第二频率超声波的频率小于所述第一频率超声波的频率，所述第一频率超声波用于获取所述第二通道数据，所述第二频率超声波用于产生声辐射力的激励源及激励方式。
2.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据之后，将采集的所述第二通道数据进行后处理之前，所述基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法还包括：
调整激励脉冲的焦点位置，重复激励所述组织局部位移和振动以及所述发射和接收超声信号的操作，对所述待观察区域进行扫描；
和/或，将采集的所述第一通道数据进行后处理。
3.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述多频超声探头具有一个探头，所述探头具有多个超声波频率，所述探头具有的超声波频率包括所述第一频率超声波和所述第二频率超声波。
4.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，当所述声辐射力的激励方式为共同激励时，
能够对同一焦点或不同焦点使用同一频率或不同频率进行同时激励；
或，对同一焦点或不同焦点使用同一频率或不同频率进行分时激励。
5.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述根据所述待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式包括：
对所述生物组织的浅表组织或较厚的所述生物组织的最浅层使用所述多频超声探头的第一换能器组件阵列单独激励；
对较厚的所述生物组织的较深处使用所述多频超声探头的第二换能器组件阵列单独或共同激励；
对沿途声衰减较大的所述生物组织使用第一换能器组件阵列与第二换能器组件阵列共同激励。
6.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述在所述待观察区域发射和接收超声信号得到第二通道数据包括：
运用所述多频超声探头向所述待观察区域发射纵波超声序列，并使用所述第一换能器组件接收所述生物组织中产生的回波得到所述第二通道数据，或使用所述第一换能器组件与所述第二换能器组件协同接收所述生物组织中产生的回波得到所述第二通道数据。
7.根据权利要求1所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述将采集的所述第二通道数据进行后处理得到所述待观察区域的所述生物组织的弹性信息包括：
将采集到的所述第二通道数据进行滤波重建得到IQ数据；
对所述IQ数据进行相应的算法处理，得到所述待观察区域内由所述声辐射力产生的所述生物组织局部位移或振动，或，由此产生的剪切波的传播速度；
根据局部组织位移或者所述剪切波的传播速度对所述生物组织的弹性进行估算。
8.根据权利要求7所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述对所述IQ数据进行相应的算法处理包括：
对所述IQ数据进行相关处理；
或，对所述IQ数据进行互相关处理；
或，对所述IQ数据进行绝对差值求和处理。
9.根据权利要求7所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述根据所述局部组织位移或者所述剪切波的传播速度对所述生物组织的弹性进行估算包括：
根据扫描得到的局部组织位移的幅度得到组织的相对弹性或相对硬度；或，根据剪切波传播速度与所述生物组织的弹性模量之间的关系式估算所述生物组织的弹性。
10.根据权利要求9所述的基于多频超声探头的声辐射力弹性成像方法，其特征在于，所述剪切波传播速度与所述生物组织的弹性模量之间的关系式包括：其中，E表示各向同性纯弹性块状组织的弹性模量，cs表示各向同性纯弹性块状组织的剪切波传播速度，ρ表示各向同性纯弹性块状组织的组织密度；
或，其中，μ1表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的切变弹性模量，μ2表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切粘度，ωs表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率，cs(ωs)表示各向同性的Kelvin-Voigt粘弹性材料的剪切波角频率为ωs时的剪切波传播速度。
11.一种基于多频超声探头的声辐射力弹性成像系统，用于执行权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于，包括：
参考数据采集模块：用于对生物组织的待观察区域的初始状态做B模式信号采集并存储为第一通道数据，所述第一通道数据用于获取所述待观察区域的信息；
判断模块：用于根据所述待观察区域的信息确定声辐射力的激励源及激励方式；
原始数据采集模块：用于在生物组织的待观察区域激励组织振动，并发射和接收超声信号以跟踪组织振动，得到第二通道数据；
通道数据处理模块：用于对所述第二通道数据和/或所述第一通道数据进行滤波重建得到IQ数据；
IQ数据处理模块：用于对所述IQ数据进行相关算法处理，得到所述待观察区域内由声辐射力产生的局部组织位移或者由此产生的剪切波的传播速度；
弹性估算与成像模块：用于根据所述局部组织位移或者剪切波传播速度对所述生物组织的弹性进行估算并生成组织弹性图像。
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