一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法，包括以下步驟：首先記錄待測組織的原始超聲回波信號；然后通過計(jì)算機(jī)控制的短脈沖信號使介入式超聲陣列探頭產(chǎn)生聲輻射力；接著通過多次的超聲脈沖波束發(fā)射，接受檢測聲輻射力產(chǎn)生的剪切波傳播過程；再分析待測組織內(nèi)剪切波傳播速度，獲得組織內(nèi)剪切波波速分布圖像；最后通過待測組織內(nèi)各位置的剪切波波速映射得到血管內(nèi)組織定量彈性圖像。本發(fā)明具有實(shí)時、定量、快速、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)；采用多陣元的血管內(nèi)換能器陣列來激勵和追蹤剪切波為目的進(jìn)行血管壁組織彈性信息定量分析；有利地促進(jìn)血管內(nèi)彈性成像的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，加強(qiáng)人們對心血管病的早期診斷能力。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種屬于介入式血管內(nèi)超聲彈性成像方法，具體涉及一種利用剪切波 彈性成像技術(shù)進(jìn)行血管內(nèi)快速探測血管彈性信息的彈性成像方法。 一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法

【背景技術(shù)】
[0002] 《中國心血管病報(bào)告2012》指出，心腦血管疾病近年已成為國人健康第一殺手，估 計(jì)全國心血管病患者2. 3億，全國每年350萬人死于心血管病，約占全因死亡的41%，居各 死因首位。報(bào)告還預(yù)測，2010?2030年僅考慮人口老齡化和人口增加的因素，中國35?84 歲人群心血管病(心絞痛、心肌梗死、冠心病猝死和腦卒中)事件數(shù)增加將> 50%。2010年到 2030年心血管病事件數(shù)增加約2, 130萬，死亡增加約770萬。以往認(rèn)為，粥樣硬化斑塊逐 步形成和發(fā)展，致使血管硬化、管腔狹窄、血流阻塞，這是引起心血管急性事件和腦中風(fēng)(猝 死）的主要原因。1988年Ambrose JA等科學(xué)家提出了易損斑塊（Vulnerable Plaque)說， 這是最近20年來心腦血管領(lǐng)域的一個重大突破。一般認(rèn)為，具有薄纖維帽，大脂質(zhì)核心及 大量激活巨噬細(xì)胞的斑塊不穩(wěn)定，易于破裂?，F(xiàn)已證明動脈硬化斑塊破裂脫落而形成血栓 是引起心血管急性事件、急性心肌梗塞、急性冠狀動脈綜合癥(ACS)、中風(fēng)（Stroke)和猝死 的主要原因，因此判斷斑塊的易損性（vulnerability)，從而早期預(yù)測、診斷、有效干預(yù)和處 理易損斑塊是防治心腦血管疾病一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
[0003] 為了能對血管內(nèi)易損斑塊進(jìn)行成像診斷,血管內(nèi)超聲成像技術(shù)（Intravascular Ultrasound, IVUS)于20世紀(jì)80年代末期迅速發(fā)展起來，它是利用安裝在心導(dǎo)管前端的 微型超聲探頭，從血管內(nèi)部成像來檢測管腔大小和管壁結(jié)構(gòu)的介入性超聲診斷技術(shù)。它能 夠?qū)崟r顯示血管橫斷面解剖結(jié)構(gòu)，觀察附著于管壁表面的粥樣硬化斑塊形態(tài)及發(fā)展過程， 測定冠狀動脈狹窄程度，從而指導(dǎo)經(jīng)皮冠脈介入治療以及評價(jià)治療效果。近年來，血管內(nèi)超 聲已成為冠心病等心血管疾病診斷和治療的重要影像學(xué)手段，有文獻(xiàn)稱其為"冠狀動脈狹 窄的診斷與介入療效評估的金標(biāo)準(zhǔn)"。但是，常規(guī)IVUS成像只可以獲得血管單斷層圖像，進(jìn) 而提取該斷層上的血管解剖形態(tài)特征，卻無法獲得可用于判斷斑塊細(xì)節(jié)性質(zhì)的彈性信息。 為了對斑塊進(jìn)行機(jī)械力學(xué)和組成成分上的檢查以作為組織形態(tài)學(xué)檢查的有效補(bǔ)充，血管內(nèi) 彈性成像（intravascular elastography)、血管內(nèi)超聲三維內(nèi)膜硬度圖（intravascular palpography)、血管內(nèi)超聲虛擬組織學(xué)成像（Virtual Histology IVUS, VH-IVUS)等方法先 后被國內(nèi)外學(xué)者提出。目前現(xiàn)有的這些血管內(nèi)超聲彈性成像方法都是基于靜態(tài)施壓方式， 得到位移后估計(jì)出應(yīng)變。應(yīng)變的大小與施加的應(yīng)力大小直接相關(guān)，因此它只能反映組織的 相對彈性，真實(shí)彈性參量(楊氏模量)還需要根據(jù)力學(xué)模型和邊界條件進(jìn)行重構(gòu)。因此，我們 提出采用基于多陣元IVUS換能器的血管內(nèi)超聲輻射力彈性成像方法（即血管內(nèi)超聲多斷 層快速彈性成像方法）以直接獲得管壁組織及斑塊的楊氏模量，更加有效地量化斑塊生物 力學(xué)參數(shù)與其易損性的關(guān)系。
[0004] 所謂血管內(nèi)超聲多斷層快速彈性成像方法是融合了血管內(nèi)超聲成像技 術(shù)（Intravascular Ultrasound, IVUS)和剪切波快速彈性成像技術(shù)（shear wave elastography, SWE)的特點(diǎn)。一方面，血管內(nèi)超聲成像技術(shù)是目前唯一商業(yè)化用于臨 床檢測的可以實(shí)時提供患者冠狀動脈血管橫截面圖像的檢查手段，目前IVUS成像技術(shù) 已可以對冠狀動脈甚至更細(xì)小血管進(jìn)行血管內(nèi)成像，在不影響臨床經(jīng)皮冠狀動脈成形術(shù) (percutan-eous translumianal coronary angioplasty, PTCA)手術(shù)過程與療效的前提下， 可定性地提供動脈壁結(jié)構(gòu)灰度圖像，對于冠狀動脈粥樣硬化與狹窄等心血管疾病的診斷與 治療具有和重要意義；另一方面，剪切波彈性成像技術(shù)是利用超聲波束產(chǎn)生的聲輻射力對 下層組織進(jìn)行施壓，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產(chǎn)生復(fù)原力，該復(fù)原力會產(chǎn)生機(jī) 械波，尤其是沿組織橫向傳播的剪切波。一般來說，機(jī)械波的傳播性質(zhì)與材料的力學(xué)特征緊 密相關(guān)，剪切波作為組織復(fù)原力產(chǎn)生的一種機(jī)械橫波，其傳播性質(zhì)必然包含著組織內(nèi)的諸 多力學(xué)信息，一般來說，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。人 們正是利用這一性質(zhì)，通過組織內(nèi)傳播的剪切波速度反推獲得組織的楊氏模量絕對值。剪 切波在生物體內(nèi)傳播速度一般為1~1〇 m/s，故可利用的超快速成像方法進(jìn)行捕捉剪切波傳 播過程。
[0005] 綜上所述，血管內(nèi)超聲多斷層快速彈性成像方法的基本工作原理是：首先利用介 入式探頭在血管內(nèi)激勵血管壁組織產(chǎn)生剪切波，并通過快速成像捕捉該剪切波在組織內(nèi)的 傳播速度，最后以剪切波傳播速度反推得到血管壁組織的彈性圖像。而實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的 主要瓶頸在于設(shè)計(jì)可以兼顧血管內(nèi)介入技術(shù)和快速捕捉剪切波波速的超聲成像探頭及相 應(yīng)的快速成像方法。目前，國際上采用血管內(nèi)超聲成像技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要有美國 Volcano公司生產(chǎn)研制的Eagle Eye? Platinum Catheter,但并沒有專門用于激勵血管壁組 織產(chǎn)生剪切波和捕捉剪切波傳播過程的血管內(nèi)超聲陣列探頭。2013年美國杜克大學(xué)生物 工程系的 Vivek Patel, Jeremy J. Dahl 等利用 Eagle Eye? Platinum Catheter 對嘗試將聲 福射力彈性成像技術(shù)（Acoustic Radiation Force Impulse imaging)與介入式超聲探頭相 結(jié)合以用于血管內(nèi)易損斑塊的探測，結(jié)果顯示利用血管內(nèi)超聲探頭激勵產(chǎn)生聲輻射力并用 于彈性成像的技術(shù)是可行的。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有商業(yè)化設(shè)備的不足，本專利提出了一種專門用 于激勵和追蹤血管壁組織內(nèi)剪切波的介入式多陣元超聲成像方法。其與現(xiàn)有方法的不同在 于，本方法采用多陣元的血管內(nèi)換能器陣列，以激勵和追蹤剪切波為目的進(jìn)行血管壁組織 彈性信息定量分析，通過比較血管壁正常組織與病變組織或易損斑塊的不同的彈性信息來 實(shí)現(xiàn)心血管病的早期診斷。該技術(shù)方法可有利地促進(jìn)血管內(nèi)彈性成像的進(jìn)一步推廣和應(yīng) 用，加強(qiáng)人們對心血管病的早期診斷能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪 切波彈性成像方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術(shù)對血管壁及其周圍組織進(jìn)行脈 沖激勵產(chǎn)生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產(chǎn)生復(fù)原力，該復(fù)原力會產(chǎn)生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實(shí)時回 波信號，其中該區(qū)域的組織內(nèi)存在激勵產(chǎn)生的剪切波； 步驟4)執(zhí)行多次超聲脈沖檢測波束發(fā)射、接收并記錄實(shí)時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內(nèi)各位置的原始回波信號與實(shí)時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據(jù)捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進(jìn)一步反推得到待測組織內(nèi)各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎(chǔ)上對待檢測組織進(jìn)行彈性成像。
[0008] 進(jìn)一步的，所述步驟（5)具體為：依據(jù)待檢測組織內(nèi)沿剪切波傳播方向上的任意 兩位置的距離和實(shí)時回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產(chǎn)生變化的時間差，可 以計(jì)算該距離間剪切波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認(rèn) 為該平均速度為剪切波的瞬時傳播速度。
[0009] 本發(fā)明的有益效果： 采用本發(fā)明技術(shù)方案，能對血管壁及其周圍組織彈性信息進(jìn)行測量，具有實(shí)時、定量、 快速、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)；其與現(xiàn)有血管內(nèi)超聲彈性成像技術(shù)相比最大的不同在于本方法采 用多陣元的血管內(nèi)換能器陣列，以激勵和追蹤剪切波為目的進(jìn)行血管壁組織彈性信息定量 分析，通過比較血管壁正常組織與病變組織或易損斑塊的不同的彈性信息來實(shí)現(xiàn)心血管病 的早期診斷；該技術(shù)方法可有利地促進(jìn)血管內(nèi)彈性成像的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，加強(qiáng)人們對 心血管病的早期診斷能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的工作流程示意圖； 圖2是本發(fā)明的血管內(nèi)超聲剪切波彈性成像換能器探頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是血管內(nèi)剪切波彈性成像工作原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0012] 參照圖1所示，一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術(shù)對血管壁及其周圍組織進(jìn)行脈 沖激勵產(chǎn)生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產(chǎn)生復(fù)原力，該復(fù)原力會產(chǎn)生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實(shí)時回 波信號，其中該區(qū)域的組織內(nèi)存在激勵產(chǎn)生的剪切波； 步驟4)執(zhí)行多次超聲脈沖檢測波束發(fā)射、接收并記錄實(shí)時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內(nèi)各位置的原始回波信號與實(shí)時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據(jù)捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進(jìn)一步反推得到待測組織內(nèi)各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎(chǔ)上對待檢測組織進(jìn)行彈性成像。
[0013] 進(jìn)一步的，所述步驟（5)具體為：依據(jù)待檢測組織內(nèi)沿剪切波傳播方向上的任意 兩位置的距離和實(shí)時回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產(chǎn)生變化的時間差，可 以計(jì)算該距離間剪切波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認(rèn) 為該平均速度為剪切波的瞬時傳播速度。
[0014] 實(shí)施例： 本發(fā)明所述的血管內(nèi)超聲剪切波彈性成像方法可用于回波成像和剪切波彈性成像，適 用于心臟等器官、組織的血管內(nèi)超聲剪切波彈性成像。這種成像方法需將成像換能器介入 至血管內(nèi)，該成像換能器由多個換能器單元沿基座軸向和周向布置組成。且各換能器單元 由多通道的電子線路控制發(fā)射超聲脈沖波束和接收相應(yīng)的回波信息。各個換能器單元尺 寸、及之間距離可根據(jù)待檢測組織內(nèi)剪切波傳播速度設(shè)定。為清晰起見，在圖2中，只顯示 了以橫截面為正六邊形的柱體為基底，6個側(cè)面共布置4X6共24個換能器單元的配置方 案。值得注意的是，除非其他技術(shù)人員對相關(guān)方案的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則 都應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0015] 在將上述的血管內(nèi)超聲剪切波彈性成像探頭介入至待檢測的血管后，成像系統(tǒng)采 用計(jì)算機(jī)控制信號發(fā)射器輸出一個采控制信號至現(xiàn)場可編程門陣列（匹配電路）并分頻得 到兩個時鐘觸發(fā)信號：一路時鐘信號觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個短暫的正弦波電壓信號，換 能器受到電壓激勵，產(chǎn)生超聲信號；在超聲信號發(fā)射后，換能器陣列轉(zhuǎn)為接收模式，對回波 信號進(jìn)行濾波、放大、時間增益補(bǔ)償后，通過多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器以高于信號帶寬四倍的采樣頻 率進(jìn)行同步采樣，從而獲得無混疊失真的高信噪比RF數(shù)據(jù)。
[0016] 具體實(shí)施上，在上述基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)發(fā)射端，通過功率放大器將放大電壓加至大功 率聚焦超聲換能器以產(chǎn)生脈沖聚焦聲輻射力；與此同時，另外一路時鐘信號觸發(fā)信號發(fā)射 /接收器控制成像超聲探頭發(fā)射/接收超聲射頻信號，脈沖重復(fù)頻率（PRF) 4KHz，并將接收 到的超聲射頻回波信號（RF-echo)反饋至數(shù)字采集卡，最后利用計(jì)算機(jī)存儲設(shè)備保存用于 重構(gòu)彈性特征的RF信號。第一路觸發(fā)信號控制信號發(fā)生器產(chǎn)生一個時延電壓，是為了預(yù)留 時間讓成像超聲換能器采集施加聲輻射力之前的射頻回波信號，以便與施加聲輻射力之后 的射頻信號進(jìn)行比較并通過算法重構(gòu)出仿體(或生物組織）的彈性特征。
[0017] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術(shù)對血管壁及其周圍組織進(jìn)行脈 沖激勵產(chǎn)生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產(chǎn)生復(fù)原力，該復(fù)原力會產(chǎn)生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區(qū)域內(nèi)的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實(shí)時回 波信號，其中該區(qū)域的組織內(nèi)存在激勵產(chǎn)生的剪切波； 步驟4)執(zhí)行多次超聲脈沖檢測波束發(fā)射、接收并記錄實(shí)時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內(nèi)各位置的原始回波信號與實(shí)時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據(jù)捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進(jìn)一步反推得到待測組織內(nèi)各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎(chǔ)上對待檢測組織進(jìn)行彈性成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管內(nèi)超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于， 所述步驟（5)具體為：依據(jù)待檢測組織內(nèi)沿剪切波傳播方向上的任意兩位置的距離和實(shí)時 回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產(chǎn)生變化的時間差，可以計(jì)算該距離間剪切 波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認(rèn)為該平均速度為剪切 波的瞬時傳播速度。
【文檔編號】A61B8/12GK104055541SQ201410289734
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】崔崤峣, 焦陽, 顧天明, 簡小華, 向永嘉 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所