超快超声多普勒脊髓微血流成像系统
技术领域
本发明属于生物医学超声成像技术领域，具体涉及脊髓微血流成像系统。
背景技术
脊髓损伤常伴随着功能性神经损伤，创伤中心区域血流完全损失和周围血流灌注量的减少可用于指示脊髓功能损伤病灶。
目前，临床上进行脊柱损伤的标准诊断方法有X光平片、计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)等。这些方法目前仍旧存在以下不足：存在对人体健康有害的电磁辐射，成本高，成像时间较长。相比于这些已有的方法，超声成像具有成像速度快、设备便携、成本低和无电离辐射等优点。基于多角度平面波复合成像的超快超声多普勒血流成像方法作为一种新型血流监测技术，具有对脊髓内微血管和相关微血流进行高分辨率成像的潜力。(何琼,罗建文.超高速超声成像的研究进展[J].中国医学影像技术,2014,30(8):1251-1255.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成像速度快、设备便携、成本低和无电离辐射的脊髓微血流成像系统。
本发明提供的脊髓微血流成像系统，是基于超快超声多普勒技术的，该系统分为硬件和软件两部分。其中，硬件部分可分为两大模块：超声信号发射和接收模块，以及实验器材模块。超声信号发射和接收模块包含波形发生器、超声探头、模拟信号放大器、模拟信号滤波器、模数转换器和存储单元；实验器材模块包含脊髓固定装置、生理信号检测装置、脊髓加压装置、电刺激装置、示波器和任意波形发生器；软件部分包括超声脉冲发射与接受序列模块、波束合成模块、运动校准模块、杂波滤除取模块、血流多普勒成像模块、求差模块。该系统涉及的技术包含超快超声成像技术、超声血流多普勒成像技术、脊髓功能成像等。
(一)硬件部分
1.超声波发射与接收模块
超声波发射与接收模块包括波形发生器、超声探头、模拟信号放大器、模拟信号滤波器、模数转换器和存储单元。该模块的作用是发射超声信号的接收回波信号。
优选地，该硬件模块的连接方式和工作流程如图2所示，首先由软件设定的超声波发射与接收序列控制波形发生器产生传输波形，并由超声探头将电能转化为声能发射超声波；回波信号的接收由同一个或不同的超声探头完成，并由模拟信号放大器和模拟信号滤波器对回波信号进行处理，然后又模数转换器进行模数转换，送入存储单元，完成数据存储。
2.实验器材模块
实验器材模块用于对脊髓进行固定，并在不同的条件下对脊髓微血流成像，和相关生理信号的监测。
优选地，该模块包括脊髓固定装置、生理信号监测装置、脊髓加压装置、电刺激装置、示波器和任意波形发生器。脊髓固定装置用于对脊髓进行固定，可以利用脊髓加压装置对脊髓定量地加压，并通过示波器观察在不同的压力情况下血流动力学的变化；也可以利用电刺激装置对观测对象施加电刺激，通过脊髓微血流分析探究脊髓神经功能与血流变化的关系，从而进行相关的生理病理性分析；并可以辅以生理信号监测装置实时测量呼吸、心跳等生理信号，进行呼吸心跳相关的运动校准，以及其他生理信号与血流信号的相关性分析。
(二)软件模块
软件模块包括超声脉冲发射与接受序列模块、波束合成模块、运动校准模块、杂波滤除模块、血流多普勒成像模块、求差模块。
该脊髓血流多普勒成像系统的软件流程如图1所示。首先，由超声脉冲发射与接受序列模块编写超声平面波发射与接收序列，控制硬件模块发射超声波并接收回波信号。由波束合成模块对接收到的回波信号进行波束合成，得到B模式图像，并对发射多个角度平面波得到的B模式图像的数据进行相干复合，得到高质量的B模式图像。由运动校准模块对图像之间的位置进行校准(呼吸会引起脊髓位置的移动，因此需要校准)。接下来由杂波滤除模块进行杂波滤除，已知接收到的全部信号为y,y＝s+t+n,s为血流信号，t为组织信号，n为噪声信号，需要滤除原始信号中的组织信号和噪声信号，才能得到清晰的血流信号图。接下来由血流多普勒成像模块做进一步的处理得到多普勒血流图。若是对脊髓加压或是对观测对象施加电刺激，对不同状态下的得到的图像数据由求差模块进行求差计算，以便进行脊髓功能分析和相关的生理病理性分析。
(1)超声平面波发射与接收模块
确定一个超声平面波的发射和接收序列，基于超快超声成像技术，满足高帧频、高质量成像的要求。
具体地，确定用于超快超声平面波成像的方法对脊髓微血流进行超声多普勒成像的一个高效的信号发射和接收序列(包含超声平面波脉冲的发射和回波数据的接收)，一个完整的序列包含多个子序列，在每一个子序列中，发射一组N个不同角度的倾斜平面波，由这N次发射倾斜平面波得到的B模式图像可合成一帧高质量的B模式图像。1秒内该子序列重复K次即每秒可以获得K帧高质量的复合B模式图像。设定采样时长为t秒，对时间t秒内得到的回波数据进行分析。
为了能够观察到连续多帧图像之间细微的血流变化，并且尽可能地提高成像帧率，需要计算两次发射超声平面波之间的可以达到的最短的时间间隔，计算出理论上的最高成像帧频，据此设计平面波发射与接收序列。由于超声波在一定距离内的传播时间受到声波在某一特定介质内传播速度的制约，因此存在一个最小的物理极限，其分析过程如下：
利用该线阵探头对感兴趣的区域进行复合平面波扫描，可以观察到长方形的成像区域。为了得到该成像区域清晰的图像信息，前一次与后一次平面波脉冲发射的时间间隔，要大于等于超声波在该长方形区域对角线长度往返所需要的时间。已知成像区域深度为d、探头阵列的总长度为L，超声波在软组织中的传播速度为c，那么两次发射超声平面波之间的最短的时间间隔计算如下：
(2)波束合成模块：对一段时间接收到的回波数据进行波束合成，得到成像区域的B模式图像的数据。即对时间t秒内的超声探头接收到的每一组N个角度的回波数据进行波束合成，获得连续多帧高质量的复合B模式图像。
优选地，波束合成之后，对每一组发射多角度倾斜平面波得到的图像数据进行相干复合成像，可以有效地提高图像的信噪比和分辨率，得到高质量的B模式图像。
(3)运动校准模块：呼吸会引起脊髓位置移动，需要进行图像之间的位置校准。
(4)杂波滤除模块：接收到的回波数据包含三部分，静态组织的回波信号、血流的回波信号和噪声。因此需要对运动校准之后的图像数据进行滤波，滤除噪声和静态组织信号的数据。
优选地，本发明中，所述滤波采用特征值分解的方法。该方法主要分为以下三步：特征值分解，滤除杂波分量对应的特征向量和特征值，矩阵重构。
(4.1)特征值分解：首先，将连续多帧的图像数据构建为一个二维矩阵Am*n。特征值分解过程如下：
E(A*AT)＝λ*U*UT；
其中，U为m*m的特征向量矩阵，λ是m*m的对角阵，对角元素是矩阵特征值。
(4.2)滤除杂波分量对应的特征向量和特征值，已知静态组织杂波分量对应特征值较大的信号成分，动态血流信号对应特征值较小的信号成分。将前k个最大的特征值和对应的特征向量置零，得到新的特征向量矩阵为Uk。
(4.3)重构图像矩阵，如下式所示，
进一步优选地，其中k的选取以下几种方法：1.直接法：直接确定k值，建议k取m(特征值总数)的5％～25％。2.间接法：根据特征值之间的相对分布决定杂波成分对应的特征值子集。首先将特征值按照降序排列，将相邻两个特征值的差λi-λi+1下降至某一阈值σ或是比值λi/λi+1下降至某一阈值δ时对应的特征值的序号i作为k的取值。σ的建议取值为0.15～0.2，δ的建议取值为1.0015～1.002。3.多普勒频移分析法：血流信号的多普勒频移较高，软组织信号的多普勒频移较低。通过计算各个特征向量的多普勒频移fi，确定需要滤除的特征向量和特征值。归一化之后的多普勒频移的范围为0～0.5，建议取0.03～0.04中的某一个值作为软组织信号的截止频率，将多普勒频移在该截止频率以下的特征向量及其对应的特征值置零，那么就可以滤除杂波分量。该截止频率对应的特征向量的下标即为k。多普勒频移的计算公式如下：
其中，PRF是脉冲发射频率，m是一个特征向量的总长度，ei(j)是第i个特征向量对应的第j个元素。
(5)多普勒成像模块：对提取出的动态血流信号进一步处理，得到多普勒成像结果。
(6)求差模块：在施加不同外界作用下和正常状态下脊髓的微血流图像的变化，并进行脊髓功能分析和相关的生理病理性分析。
本发明系统的特点与效果
本发明中，基于超快超声成像技术和多角度平面波复合成像的理论编写超声平面波发射与接收控制模块，并由计算机软件控制硬件设备发射和接收超声波；对接收到的回波数据进行处理，最终得到多普勒血流图像；并对血流的速度、方向等参数进行分析。系统还提供了在脊髓加压、受损伤，刺激条件下对脊髓微血流进行成像的模式，可以进行脊髓功能分析和生理病理性分析。
本发明系统可以对脊髓微血流进行高帧频、高质量成像；并可以得到快速血流的连续多帧高分辨率图像，生成血流的动态变化图；相较于传统的微血流成像方法，该系统无需向血管中注射超声造影剂，通过高帧频成像和多角度平面波复合成像来提高血流图像的分辨率和信噪比。该成像系统可以用于脊髓的血流动力学分析和脊髓功能分析。
附图说明
图1是系统结构示意图。
图2超声波发射与接收硬件模块的工作流程示意图。
图3超声波在成像区域内最远传播距离示意图。
图4是本实施例中超快超声平面波发射与接收序列的示意图。
图5是本实施例中对大鼠脊髓成像得到的回波数据进行图像重建之后的结果。
图6是实施例中对波束合成之后的数据进行特征值分解得到的特征值按降序排列的散点图。
图7是实施例中特征值降序排列之后相邻两个特征值之差(λi-λi+1)的散点图。
图8是实施例中特征值降序排列之后相邻两个特征值之比(λi/λi+1)的散点图。
图9是对每一个特征向量所作多普勒频移分析的结果图。
图10是实施例中经过多帧图像的位置校准之后，利用特征值分解算法提取出的动态血流图。
图11是实施例中经过多帧图像的位置校准之后，利用特征值分解算法分离出的静态组织图。
图12是实施例中对大鼠脊髓成像得到多普勒血流图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明提出的脊髓微血流超声成像系统，该系统框图也同样适用于该实施例。该实施例是利用本发明提出的脊髓微血流成像系统对大鼠脊髓进行成像，但并不限于对大鼠脊髓的成像。
1.设计超声波发射与接收序列
本发明中，利用超快超声平面波成像的技术对脊髓微血流进行高帧频、高质量的成像。因此首先要确定相邻两次发射倾斜平面波所需的最短的时间间隔，在一次成像中超声波经过最远距离如图3所示，成像区域深度d＝6.308*10-3m，探头阵列的总长度L＝1.27*10-2m，超声在软组织中的传播速度c＝1.54*103m/s，计算得最短时间间隔为：
2.发射平面波接收回波信号
用细针轻轻刺入脊髓，造成局部损伤。将超声探头固定于脊髓正上方，采集时长设定为1s，采集并存储回波数据。超声信号发射和接收模块的工作流程示意图如图2所示，超声信号的发射首先由波形发生器产生传输波形，并由探头将电能转化为声能发射超声波；回波信号的接收是由同一个或不同的超声探头完成，并由模拟信号放大器和滤波器对回波信号进行处理，继而进行模数转换和数据存储。
3.波束合成
利用波束合成算法对回波数据进行图像重建，并将每一组得到的27个B模式图像进行相干叠加，合成为一帧高质量的B模式图像。在1s内该子序列重复520次即每秒可以获得520帧高质量的复合B模式图像。在本实施例中，设定采样时长为1s，数据处理后可以得到520帧复合B模式图像。图5是本实施例中波束合成得到的一帧复合B模式图像的成像结果。
4.运动校准
心跳和电刺激等其他因素会引起脊髓位置移动，因此要进行多帧图像之间的位置校准。
5.杂波滤除
(1)将运动校准之后的连续520帧复合B模式图像的数据构建为一个二维矩阵Am*n，特征值分解过程如下：E(A*AT)＝λ*U*UT，其中，U为m*m的特征向量矩阵，S是m*m的对角阵，对角元素是特征值。本实施例中，经过特征值分解得到的520个特征值按降序排列的如图6所示。
(2)由于杂波分量对应特征值大的信号成分，因此前k个最大的特征值置零，再进行矩阵重构，实现杂波滤除。k的选取有以下几种方法：
I.直接取值法：k直接按照特征值总数的百分比p进行选取，p建议取值5％～20％，即26～130。在本实施例中，特征值总数m为520，k的建议取值为26～104。
II.间接取值法：将特征值按降序排列之后，相邻两个特征值的差λi-λi+1下降至某一阈值σ或是比值λi/λi+1下降至某一阈值δ时对应的特征值的序号作k的取值。σ建议取值0.15～0.2，图7是实施例中特征值降序排列之后相邻两个特征值之差λi-λi+1的散点图，由图得本实施例中k的建议取值为30～102；δ建议取值1.0015～1.002，图8是实施例中特征值降序排列之后相邻两个特征值之比λi/λi+1的散点图，由图得k可取值为30～102。
III.频谱分析法：对每一个特征向量，作多普勒频移分析，其结果如图9所示。由图所示，多普勒频移比较低的信号成分幅值比较大，对应软组织区域；为了不滤除杂波信号中混合的血流信号成分，建议将k取在多普勒频移为0.03～0.04对应的特征向量的序号，k可取值42～102。
多普勒频移的计算公式如下：
(3)重构图像矩阵，如下式所示：
6.多普勒血流图
对动态血流图做进一步处理，得到多普勒血流图，如图12所示。图中可以看到大鼠脊髓微血管结构，并且可以观察到水平方向-2.5mm，竖直方向-1.5mm至-2mm处因受到细针刺入这一机械损伤而引起的局部微血流缺失。
本实施例的作用与效果：
本实施例中，应用本发明提出的脊髓微血流超声成像系统，基于超快超声多普勒血流成像的技术得到连续多帧高质量的脊髓血流图，每一帧图像中都可以观察到脊髓微血流，并且可以看到一段时间内血流的动态变化情况，经过进一步处理可以得到血流的多普勒图像。在本实施例中，还可以观测到脊髓受到机械创伤之后，受损伤区域局部微血流的缺失，从而直观的反映出脊髓受损伤情况，本发明提出的脊髓微血流成像系统可以对脊髓微血流成像，并进行相关功能性分析。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
