用于切变波参数估算的超声波方法和系统 【发明领域】
本发明涉及一种超声波方法和一种超声波系统。该方法和系统用于：确定瞬变切变波在组织中的局部传播速度，显示一个瞬变切变波速度图象的序列，确定组织弹性信息。
本发明应用这种信息作为工具，诊断患者组织的异常，例如肿瘤或浮肿。已知这些异常相对于声音背底组织展示出其机械性质的变化，切变波传播信息可以确定该异常的位置。发明背景
已有一种用于确定身体各个不同部位组织弹性的方法，见Sarvazyan的美国专利5,606,971。根据这种已知的方法，用聚焦的超声源，把超声波聚焦到组织的不同位置，该超声源能把超声波传输到它的焦点区域。这种超声源最好是一种相控阵种类的超声换能器。该聚焦超声波是调幅的，它用于在组织中的不同位置产生切变波。所述切变波进一步通过测量其在组织表面的振幅和相位来进行测量。至少组织中切变波的一个传播参数从相位和振幅地测量值确定，例如在传播的切变波的切变波速度、衰减系数、组织质点切变位移的振幅和速度。基于这些测量值，用已知的关系式计算，至少确定组织的一个机械参数，例如：切变弹性模量，杨氏模量，动态切变粘度。对所有调幅的聚焦超声波，重复该方法的步骤，使其聚焦在所述不同位置。显示的动态切变粘度和弹性模量的计算值随所述位置坐标而变化。
这种产生切变波的已知方法必须使用聚焦的超声源，例如相控阵超声换能器，它用于传送大量的超声波能量到组织中产生切变波的位置。由于必须有一定量的超声波能量用于局部组织，聚焦的超声源可能对患者的组织有一定的破坏效应。发明概述
本发明的目的是提供一种方法和一种系统，来实现不用聚焦超声源的方法，以避免对患者组织可能的二次效应。根据本发明，组织中的切变波由一种外部机械振动源产生。该切变波产生组织质点的位移。根据本发明，一种标准的超声波诊断系统用于测量组织质点的速度和切变波前的速度。这种超声波诊断系统也具有显示切变波前传播图象序列的装置。
问题是切变波在组织中以大约每秒1米的速度传播几个厘米，例如4厘米。在这种情况下，传播的时间大约是40ms(毫秒)。这种速度太快，传播时间延迟太短以至于用标准超声波诊断成像系统产生的标准超声波图象序列，无法显现切变波在组织上的效应。这样一种系统的图象帧速率不适合显现切变波的传播，因为它只有每秒15幅图象的量级，而显现切变波需要大约每毫秒1幅图(每秒1000幅图)的图象帧速率。
如权利要求1所要求的那样，本发明提供了一种确定瞬变切变波前传播参数的超声波诊断成像方法，该方法包括在组织中形成瞬变切变波的步骤：获取组织的超声波图象数据(S，S*)，瞬变切变波前沿着图像线，在时间延迟内在所述组织中传播一个深度(z)；估算每条图像线的组织速度(V)；由图象线上的超声波数据(S，S*)和组织速度(V)，构造组织速度图象序列[I(V)]；以及导出在序列的指定时刻的切变波前速度(Csw)。如权利要求7所要求的那样，本发明也提供了一种超声波诊断成像方法，该方法用于从瞬变切变波前速度(Csw)，确定组织局部的机械参数。
如权利要求8所要求的那样，本发明还提供一种实现所述方法的系统。
本发明使得利用带有标准换能器的标准超声波诊断成像系统在切变波影响下组织移动的序列可视化，该标准换能器分别发射和接收标准超声波信号和反射信号。本发明还使得对组织区域进行定位和确定组织区域的机械参数，该区域相对于背景有明显不同的机械参数。附图简述
下文结合以下附图对本发明进行了详细描述，其中
图1A是超声波诊断成像系统的方框图，该系统包括在组织中产生切变波的装置，以及处理反射信号和显示相应图象的装置；图1B说明一幅图象中超声线的扫描；图1C说明一种超声波全图序列的形成；
图2是超声波诊断成像系统的方框图，该系统用于处理在切变波影响下组织区域的超声波信号，以及用于测量波前速度和组织局部机械参数；
图3A和3B分别说明超声波亚图序列的形成和相应的组织速度亚图序列的形成；
图4说明组织速度全图序列的构成；
图5说明由组织速度全图序列构成的图象以提供切变波前速度测量。发明详述
图1A展示出一个方框图，表示标准超声波诊断成像系统1，它与标记为探测器的超声换能器10及振动发生器2连接。该超声波诊断系统与处理系统100连接，以便确定瞬变切变波的局部传播速度，显示瞬变切变波前的图象序列，确定组织参数，例如：组织弹性。
参照图1B，探测器10被定位在与待检测组织5相接触的位置，并发射超声波脉冲穿过所述组织。该探测器包括超声换能器元件，这些元件布置成与组织表面平行及与标记为X轴的OX轴平行。该换能器元件能够发射若干超声波束，这些超声波束的超声波脉冲平行于标记为Z轴的OZ轴，且正交于X轴。超声波束的总数lIM，例如，可以是lIM＝128或lIM＝256。以下每个超声波束称为一根平行于Z轴的超声线，且它们在X轴上的坐标为x1到xlIM。当超声波脉冲传播通过组织5时，沿着横坐标为xi，指数为i，如1≤i≤lIM的一条线，沿所述线遇到的组织质点产生相应的反射波。探测器接收到这些反射波，其被接收的时刻与平行于Z轴的超声线上反射波形成的深度z相关。从沿位于横坐标为xi的线的反射的所有反射波的集合形成了该组织的一根超声波数据线，该数据是复数数据，标记为S和S*。扫描一根深度z约为4cm的线需要的时间小于或大约Tl＝100μs；为了解释的简便，以下假设这个时间是Tl＝100μs。逐一扫描lIM根线，形成一种全二维的超声波数据(S和S*)图象，称作超声波图象。这种超声波图象包括lIM根线(128或256根线)，这些线平行于Z轴，按规律的间隔(x1，x2，...，xlIM)排列。这些线沿Z轴方向测量大约有4cm长。根据上面的假设，大约需要时间TIM＝lIM 100μs来形成一幅深度达4cm的二维超声波图象：
对一幅128线的超声波图象，TIM＝12,8ms。
或对一幅256线的超声波图象，TIM＝25,6ms。
参照图1A，超声波诊断成像系统1与一个振动发生器2连接，该发生器是一种外部机械脉冲发生器2。对患者来说，外部机械脉冲发生器的优点是显而易见的，且从业医生很容易使用。各种机械脉冲借助接触体4被施加于组织5，并在组织5内产生切变波，该切变波在组织5内以一个速度传播的深度z约为4cm，先验地估算的传播速度为：
Csw＝约1m/s
用该估算的速度Csw，该切变波在组织内传播达4cm深度处需要的时间为：
Tsw＝40ms。
本发明提出了用于瞬变切变波前在显示器45上可视化的一种方法和一种系统，显示器45与标准超声波诊断系统1连接。为此目的，图1A的超声波诊断系统包括处理系统100，该处理系统与标准超声波诊断系统1、脉冲振动发生器2及探测器10相关联。探测器10相对于振动发生器2，可以以任何恰当的方式放置，以便用标准超声波诊断系统1形成切变波传播组织区域5的超声波图象。
为了显现瞬变切变波前，首先在切变波前传播的时间延迟内形成一种暂时的超声波图象序列。参照图1C，为了正确地显现这种传播，建议形成有N幅超声波图象的暂时序列，例如N＝10至50幅图象。在下文给出的一个实例中，选择形成一种暂时序列，它有：
N＝40幅超声波图象，
标记为I1，I2，至IN，这些超声波图象在时间延迟内有规律地获得，时间延迟为：
Tsw＝40ms。
所以，利用前面涉及一根线的扫描时间Tl的假设，超声波诊断成像系统必须每1ms提供一幅超声波图象，以使切变波可视化，而标准超声波诊断成像系统只能够每12,8ms或25,6ms提供一幅超声波图象，这就是时间TIM，所以，这样一种标准超声波诊断系统不适应提供恰当的图象帧速率，来构造暂时的超声波图象序列，而暂时的超声波图象序列是显现瞬变切变波前传播所需要的。处理系统100能够解决这个问题。
图2展示的方框图表示具有获取暂时超声波亚图序列的装置系统100，它用于估算切变波作用下的组织质点的局部速度，用于构造组织速度全图序列，用于估算切变波前速度，和用于显现瞬变切变波传播影响下的组织的位移。
参照图3A，在第一个时刻α1，振动发生器在组织5中产生第一个切变波，并且，使用超声波诊断系统1的扫描配置44，在同一时刻α1，与组织5耦合的探测器10在横坐标为x1处开始扫描第一根线，以便提供标记为S和S*的超声波数据的第一根线。系统扫描一根线需要时间Tl＝100μs，所述系统安排Tsw＝40ms来扫描切变波传播过的4cm，且必须以每毫秒一幅超声波图象的速率提供N＝40幅暂时的超声波图象。所以该系统有时间来扫描第一幅超声波图象I1的数目为1＜lK≤10的相邻线，这些线布置在横坐标x1，x2，....x10，形成超声波数据(S和S*)线的第一波段，在该第一幅超声波图象I1中，该波段标记为K1(I1)。例如，lK＝10根线。
参照图3A，该系统还扫描第二幅暂时超声波图象I2的数目为lK＝10的相邻线，这些线布置在相同的横坐标x1，x2，....x10，形成超声波数据(S和S*)线的第一波段，在第二幅超声波图象I2中，标记为有相同横坐标的lK＝10线的K1(I2)。
参照图3A，该系统还扫描每幅包括I40在内的暂时超声波图象的数目为lK＝10的相邻线，在每幅暂时超声波图象I1至I40中，仅仅形成一个lK＝10线的波段K1，这些线布置在横坐标x1～x10，第一个波段K1标记为要完成128线或256线的每幅完整超声波图象的第一幅亚图K1。系统需要花Tsw＝40ms，完成N＝40个超声波数据为S和S*的暂时超声波亚图K1(I1)至K1(I40)。这便形成超声波数据(S和S*)的第一个超声波亚图序列。
正像本技术领域的熟练人员可能理解的那样，超声波亚图象线的数目这样计算：确定在切变波传播时间Tsw内，可能扫描过的线的总数目lsw；已知扫描一根线的时间Tl；固定序列中超声波图象的数目N，该数目的超声波图象能够恰当地显现切变波前位移。这就给出了在振动发生器2的一个脉冲时间内，从I1至IN每幅超声波图象可能扫描的线数lK：
lk＝lsw/N
在第二个时刻α2，振动发生器2在组织5的相同区域中产生第二个切变波，使用扫描配置44，在同一时刻α2，与组织5相耦合探测器10开始在横坐标为x11处扫描第一根线，这就形成第一幅暂时超声波图象I1的第二波段K2(I1)的超声波数据(S和S*)的第一根线。所以，现在该系统在横坐标x11至x20处扫描lK＝10根线，因此，形成超声波数据(S和S*)的第二波段，标记为K2(I1)，它在第一个暂时超声波图象I1中，包括lK＝10根线。
然后，和前面关于图3A的描述一样，该系统进一步扫描每一幅暂时超声波图象I1至I40的lK＝10根相邻线，这些相邻线布置在横坐标x11至x20处，形成暂时超声波亚图K2(I1)至K2(I40)的波段。
在接下来的时刻α3至αk，振动发生器2提供一个机械脉冲，产生一个在组织5同一区域中传播的切变波，并且，使用扫描配置44，在同一时刻，与组织5相耦合的探测器10开始扫描lK＝10根线的第一根线，形成暂时超声波图象I1至I40的相应波段K的超声波图象。
对每一幅超声波图象I1至I40进行扫描，直到构造完k个波段或超声波亚图K1至Kk。在每一幅超声波亚图中，按照每一幅全图的线数目lIM的不同，用户恰当地选择超声波亚图的数目k及其线的数目lk。在时刻αk，构造最后一个超声波亚图序列。
参照图2，该超声波亚图序列的超声波数据用于构造相应的组织速度亚图序列。沿着超声波亚图序列的每根扫描线，测量在切变波作用下组织质点的速度。对本技术领域的熟练人员来说，这种组织位移速度的测量是一种众所周知的操作，常常在具有组织速度测量装置41的标准超声波系统1上进行。
超声波诊断成象系统1可以用不同的方法进行组织速度的测量，这是在序列分别为K1至Kk的超声波亚图中，横坐标为x1-xl的每一根扫描线上进行的。例如一种已知的方法是“相移法”，根据这种方法，组织速度[V(n，l，z)]，依照下列公式，由超声波亚图序列超声线的超声波数据S和S*，通过处理装置41获得。V(n,l,z)=C4πlKTlfoArgΣm=n-pm=n+pS(m,l,z)S*(m+1,l,z)]]>
其中：n是超声波亚图数为N的序列中图象的数目，1≤n≤N-1。l是所考虑的超声波亚图的线的数目，该数目属于一个给定的超声波亚图n的K1至Kk中超声亚图中的线总数lk，从中估算组织的速度。Tl是一根线的扫描时间，fo是反射信号的平均频率，S和S*是复数超声波信号的数值，z是要估算速度点处的深度，C是组织中的超声波速度(在本实例中，1≤n≤39，lk＝10和Tl＝100μs)。在上式中，p是为计算速度而被平均数据的数目，例如：p可能等于2；m由n和p计算得到。
参照图3B，用这种方法构造组织速度亚图序列，该序列由N-2p(例如N-2p＝40-4＝36)幅亚图组成，它的数目不同于超声波亚图序列的亚图数目N(N＝40)。然而，组织速度亚图序列的数目k与超声波亚图序列的数目相同。
在一个变型中，该组织速度可以用众所周知的“暂时移位方法”测量，或者由用户选择的其他方法测量。
然后，将组织速度亚图序列储存在标记为MEM1的第一存储器装置42中，明显地，组织速度值存作其位置的函数，并标记为P(x，z，t)，其中，x是沿着x轴的扫描线的横坐标，t是不同于n的时刻，它对应着所述图象序号n，z是沿着z轴的深度。所以，P(x，z，t)是t时刻组织速度亚图中横坐标为x和深度为z的一个点，t时刻对应着序号为n的该组织速度亚图，该点在(含N-2p幅)组织速度亚图的k个序列K1[V(n，l，z)]至Kk[V(n，l，z)]中的序号为n的该组织速度亚图上。
参照图2，对k幅组织速度亚图K1[V(n，l，z)]至Kk[V(n，l，z)]进一步的处理，以便将它们组成用于构造一个N-2p幅组织速度全图的暂时序列，标记为I1[V(n，l，z)]至IN-2p[V(n，l，z)]。
该操作采用第一种处理装置40进行，该装置记为处理系统100中的PROCESSING1。PROCESSING1使所有组织速度亚图的线同步，以形成组织速度全图。在该操作中，使全部k个相邻序列中组织速度第一亚图的第一线与第一时刻α1形成的第一亚图的第一线同步。为了覆盖第一幅全图，考虑每根图象线形成之间所需要的时间延迟，使全部对应所给出的全图的k幅组织速度亚图的所有线同步于所述的第一线。然后，根据相邻亚图序列中第一亚图形成的时刻，用相同的方式处理组织速度序列的全部相邻的亚图，以覆盖组织速度全图。
参照图4，于是，作为结果的组织速度系列建立起来了，它是由如此构造的N-2p＝36幅组织速度全图I1[V(n，l，z)]至IN-2p[V(n，l，z)]所构成。通过这种同步操作，组织速度系列的每一幅组织速度全图I1[V(n，l，z)]至IN-2p[V(n，l，z)]与各自的切变波在组织中传播的时刻t相对应，t为以前已定义过的n的函数。
为了进行该同步操作，把储存在存储器MEM1中涉及到这些线的速度值取出，输入到同步装置PROCESSING1中，PROCESSING1具有校正时间延迟的功能，这种时间延迟是由扫描操作所产生的。首先，为了构造t时刻的组织速度序列的一幅全图，k个组织速度序列中的每一幅组织速度亚图的线必须同步于第一幅组织速度亚图的第一根线，这里的第一幅组织速度亚图对应于所述的组织速度全图。其次，全图的线上的点必须同步于对应的组织速度值，该速度值从组织速度亚图序列中估算，考虑到：超声波亚图序列包括N幅出现在n时刻的超声波亚图，而组织速度亚图序列包括N-2p幅出现在t时刻的组织速度亚图。将会注意到：时刻tl和tl+1间的实际时间延迟为Tl，这两个时刻分别对应着相同深度z处两相邻线上的速度V(n，l，z)和V(n，l+1，z)，Tl就是扫描一根线的时间延迟。也将注意到：扫描一幅超声波亚图所必需的时间是lkTl。所以，对应着速度V(n，1，z)和V(n，l，z)的时刻t1和tl间的时间延迟为：
tl-t1＝(l-1)Tl。
为了上述原因，根据下述公式，利用标记为I的内插函数在组织速度亚图中寻找标号为l的线上的实际速度，该内插函数是随时间t变化的速度数据的插值函数：
fl(t)＝I[V(n，l，z)]，从n＝p到N-2p
其中：t＝[n+(l-1)]l 小于lkTl
函数fl(t)是一个对速度数据进行筛选的函数，对所要构造的组织速度图象，该函数提供所考虑线上的实际组织速度。这种筛选函数可以是本技术领域的熟练人员所知道的一种，例如：三次样条函数或正弦基本(sinus cardinal)函数。
亚图序列K的数目k，暂时超声波图像的数目N，以及用于形成暂时超声波图像线的数目l，需要由用户选定。在阶段3的结尾，从N幅超声波亚图的k个已获的序列和该组织速度的估算中，一个暂时的组织速度全图系列已经构造出来了，该系含有N-2p＝40-2p幅组织速度全图象。
参照图2，从PROCESSING1获得的数据储存在存储器装置47，该装置被标记为MEM2，这些全图象是切变波传播区域5的组织速度像，用系统1的显示装置45按序列显示这些图像。在该处理阶段，显示器展示出机械脉冲作用下移动的组织区域，机械脉冲由振动发生器2提供。
参照图2，在下一阶段，组织速度图象序列的数据从MEM2中提取，并供给标记为PROCESSING2的第二个处理装置50，。组织速度序列数据包括每一幅图象每一点和切变波传播的每一时刻t的组织速度值，由此，接下来，被称为Imax的图象在PROCESSING2中构造得到。
参照图5，在PROCESSING2中，通过写操作建立这种新的图象IMAX，又叫做最大速度图象，在t1到tN-2p间称作tMAX的时刻，在所述图像线上的点进行写操作，当组织速度为最大值时，标记为VMAX。图象Imax的不同点用标记为Lt的线连接起来，图象IMAX对应着同一时刻tMAX的组织速度最大值。同一根线上的所有点是同一时刻t的最大速度点，这些线为速度等高线。所以，这些线展示出切变波前传播的时刻。对图象IMAX的时间梯度的估算容许确定切变波前的速度。该波前速度标记为Csw，用PROCESSING2估算，在新图象IMAX中随梯度变化，并用下式表示：CSW=(dtMAX2dx+dtMAX2dz)-12]]>
从PROCESSING2提取得到的传播波前速度数据进一步用计算装置51进行处理，用于估算组织参数，例如，组织区域的弹性，见引言部分参考文献的已知公式。这些组织参数储存在存储器装置52中，以便进一步用作协助诊断肿瘤和其他疾病的工具。
该超声波诊断成象系统可以是一种标准超声波设备1，10，辅以一种处理装置100，该处理装置包括一个适当编程的计算机、一个工作站处理器、或者一个特殊用处的处理器，这种处理器含线路装置，例如：LUTs、存储器、滤波器、逻辑算子，这些用于依据本发明实现本方法各步骤的功能。该工作站可以包括一个键盘、一个屏幕45和一个鼠标。该处理系统可以连接到辅助的存储装置以储存医学图象。