НАВОДИМАЯ ПО АВТОКОРРЕЛЯЦИИ ВЗАИМНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭЛАСТОГРАФИИ СДВИГОВОЙ ВОЛНЫ
AUTOCORRELATION-INDUCED CROSS CORRELATION IN SHEAR WAVE ULTRASONIC ELASTOGRAPHY

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к отслеживанию движения, вызванного сдвиговыми волнами и, в частности, к применению корреляции при отслеживании движения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ультразвуковая эластография сдвиговой волны является новым медицинским методом визуализации, который может измерять механические свойства мягкой ткани, например, модуль сдвига и вязкость при сдвиге. Так как упругость ткани зависит от патологии, эластография может обеспечивать дополнительную клиническую информацию для повышения достоверности диагностики. Одним примером является неинвазивное определение стадии фиброза печени посредством измерения жесткости печени.
В ультразвуковой эластографии сдвиговой волны на основе акустического радиационного давления специальная импульсная последовательность состоит из одного или более длительных толкающих импульсов (обычно продолжительностью несколько сотен микросекунд каждый) и серии чередующихся импульсов слежения. Благодаря воздействию акустического радиационного давления толкающий импульс заставляет ткань в фокальной зоне перемещаться от поверхности датчика и одновременно создает сдвиговую волну, распространяющуюся от фокальной области в направлении, перпендикулярном толкающему пучку. Для каждого поперечного положения вдоль пути сдвиговой волны на глубине фокуса движение ткани, вызванное сдвиговой волной, будет происходить, в основном, в одном направлении с толкающим пучком. Следовательно, импульсы слежения могут для данного положения контролировать такую динамическую реакцию и преобразовывать ее в характерную для положения форму волны смещения, представляющую величину перемещения ткани в зависимости от времени. Упомянутые формы волн могут быть вычислены во множестве положений вдоль пути распространения сдвиговой волны. Формы волн могут быть введены в процесс для вычисления скорости распространения. Например, может быть выполнено Фурье-преобразование этих сдвиговых форм волн, чтобы оценить фазовую скорость сдвиговой волны. В качестве альтернативы, пространственные и временные вычисления удвоенной амплитуды сдвиговой волны могут также выдавать скорость распространения сдвиговой волны. В результате, могут быть определены абсолютные значения механических свойств ткани. В частности и в качестве примера, на скорость, с которой сдвиговая волна распространяется внутри ткани, влияет модуль сдвига, вязкость при сдвиге, плотность ткани и частота сдвиговой волны, при использовании некоторых механических моделей. Чем выше жесткость ткани, тем быстрее перемещается волна. В таком случае, степень жесткости может быть использована, например, при определении стадии фиброза печени.
Точное, надежное и эффективное отслеживание движения является целью при окончательной оценке свойств тканей при ультразвуковой эластографии сдвиговой волны в любой форме. В общем, при ультразвуковой визуализации существуют два основных метода отслеживания движения: 1) получение сдвига по фазе методом автокорреляции и 2) получение сдвига по времени методом взаимной корреляции (или другими альтернативными методами, например, суммарной абсолютной разницы (SAD)).
При подходах на основе автокорреляции смещение представляющих интерес структур вызывает сдвиг по фазе в последующих высокочастотных ультразвуковых эхо-сигналах, обратно-рассеянных движущейся средой. Автокорреляция реализована в большинстве коммерческих ультразвуковых систем для цветового картирования потока в режиме реального времени. Когда ультразвуковые волны распространяются сквозь мягкую ткань, спектр претерпевает сдвиг в сторону нижних частот вследствие частотно-зависимого ослабления. Поэтому, предположение постоянной центральной частоты при доплеровских методах будет приводить к ошибке оценки смещения. Известно использование дополнительной автокорреляции в области ускоренного времени, т.е. в аксиальном направлении ультразвуковых импульсов, чтобы оценивать локальную центральную частоту и, в дальнейшем, повышать точность оценки смещения. Смотри T. Loupas, J.T. Powers, and R. W. Gill, «An Axial Velocity Estimator for Ultrasound Blood Flow Imaging, Based on a Full Evaluation of the Doppler Equation by Means of Two-Dimensional Autocorrelation Approach», IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 42.4., стр. 672-688, 1995.
Сдвиг по времени, получаемый взаимной корреляцией, оценивает временные задержки посредством взаимной корреляции от одного импульса к другому импульсу с использованием радиочастотных (РЧ) данных или комплексных сигналов, передаваемых из РЧ данных. Зону поиска предварительно устанавливают достаточно большой, чтобы исключить потерю оптимального согласования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем документе предлагается решение одной или более из вышеупомянутых проблем.
Два стандартных подхода к оценке смещения представляют собой автокорреляцию и взаимную корреляцию. Автокорреляция более эффективна с точки зрения вычислений, чем взаимная корреляция. Однако автокорреляция подвержена искажениям - максимальный предел смещения равен четверти длины волны (для стандартного датчика визуализации печени с центральной частотой 3 МГц, предел приблизительно равен 120 мкм).
При обычном, т.е. неконтролируемом взаимно-корреляционном подходе, предел искажений исключается. Однако данный подход занимает больше вычислительного времени, которое пропорционально зависит от предварительно заданной зоны поиска. Поиск по большой площади делает стандартную взаимную корреляцию вычислительно затратной. Однако если зона поиска установлена слишком малой, то будет пропущен истинный пик взаимно-корреляционной функции; если зона поиска слишком большая, то будет происходить скачкообразное изменение пиков из-за шума, содержащегося в сигналах. В данном случае взаимная корреляция может создавать ложный корреляционный пик, превышающий истинный пик. Ложные пики будут вносить нарушение непрерывности и ошибку при оценке смещения. К сожалению, на практике, размер необходимой зоны поиска будет переменным. В случаях клинических применений движение мягких тканей, вызванное ультразвуковой эластографией сдвиговой волны, имеет порядок десятка микрометров (10-мкм). Верхний предел ограничивается, в основном, пределом безопасности акустической мощности, установленным Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA). Движение вызванной сдвиговой волны обычно наблюдается с помощью ультразвуковых импульсов слежения в течение периода 10-20 миллисекунд (мс) для одного толкающего импульса сдвиговой волны. Если используют множество толкающих импульсов, то наблюдение можно продлить до 50-100 мс. Хотя пациентам обычно рекомендуют задерживать дыхание на несколько секунд во время эластографии сдвиговой волны, в течение периода времени 50-100 мс движение пациента (движение, вызванное сердечной деятельностью, и дыхательное движение) и фоновое движение иногда могут превышать четверть длины волны и достигать значений на порядок величины больше, чем истинное движение сдвиговой волны, скрывая, тем самым, истинный сигнал сдвиговой волны. В данном случае, если используют одну обычную взаимную корреляцию, то следует использовать очень большую зону поиска для определения местонахождения максимума корреляционной функции. Данные результаты приводят к увеличению времени вычислений и, возможно, к ложному скачкообразному изменению пиков. Если используют одну только автокорреляцию, то, очевидно, будут происходить фазовые искажения.
Двухэтапный подход к отслеживанию движения, предлагаемый в настоящем документе, является более устойчивым к фоновому движению.
Данный новый подход использует как автокорреляцию, так и взаимную корреляцию для точного и эффективного отслеживания распространения сдвиговой волны в мягкой ткани. Такой подход полезен, например, для применений в живом организме ультразвуковой эластографии сдвиговой волны. Двухэтапный подход можно характеризовать как наводимую по автокорреляции взаимную корреляцию. На первом этапе фазу извлекают из автокорреляции комплексных сигналов и соответствующим образом развертывают. Затем вычисляют первоначальное смещение по фазе с использованием постоянной центральной частоты. На втором этапе первоначальное смещение квантуется и используется в качестве начальной точки, чтобы обеспечить для взаимной корреляции сокращенное окно поиска для получения окончательного смещения с высокой точностью. Благодаря объединению автокорреляции и взаимной корреляции предлагаемый способ особенно подходит для применения в режиме реального времени. Вычисление посредством взаимной корреляции согласно настоящему предложению выполняется намного быстрее, чем стандартная взаимная корреляция. При этом уменьшаются также разброс оценок смещения и систематическая ошибка без необходимости оценки в явной форме среднего значения частоты РЧ сигналов.
Улучшение функциональных характеристик данного нового способа по сравнению с традиционной автокорреляцией включает в себя: 1) устранение искажений; и 2) отсутствие потребности в учете эффектов ослабления по глубине центральной частоты и случайных флуктуаций частоты. Последнее преимущество имеет место потому, что оценка смещения с использованием взаимной корреляции на основе сдвига по времени устойчива к изменению частоты. Кроме того, улучшение функциональных характеристик данного нового способа по сравнению с традиционной взаимной корреляцией включает в себя: 1) значительно сокращенный размер поиска для преодоления скачкообразного изменения пиков (ложных максимумов или минимумов), что приводит к повышению точности оценки; и 2) значительное ускорение вычислений.
В настоящей заявке предлагается объединить оценки автокорреляции и взаимной корреляции таким способом, который использует преимущества способности каждой повышать общую функциональную характеристику отслеживания движения. Например, ошибка из-за какого-либо искажения, не исключенная развертыванием фазы на первом этапе, корректируется или уменьшается путем обеспечения взаимной корреляции. В другом примере относительно высокие затраты вычислительных ресурсов на взаимную корреляцию снижаются путем обеспечения взаимной корреляции со значительно сокращенным поиском с помощью начальной точки, извлекаемой автокорреляцией. Приведенный составной протокол может получать более точную и устойчивую оценку смещения для эластографии сдвиговой волны, чем любой отдельный протокол.
В соответствии с аспектом предлагаемой технологии ультразвуковой способ оценки движения включает в себя испускание множества ультразвуковых импульсов, разнесенных друг от друга в направлении распространения сдвиговой волны, чтобы отслеживать аксиальное движение, обусловленное сдвиговой волной. Сдвиговая волна вызывается аксиально-направленным ультразвуковым или механически возбужденным толкающим импульсом. Исходя из эхо-сигналов импульсов слежения, способ использует автокорреляцию для оценки аксиального смещения. Затем способ использует оценку в качестве начальной точки в алгоритме отслеживания движения во временной области, чтобы модифицировать оценку для выдачи модифицированного смещения. Модификация может давать улучшение оценки с точки зрения точности отслеживания движения. Испускание может соответственно осуществляться из нескольких акустических окон, причем множество ультразвуковых визуализирующих датчиков, выполняют визуализацию, соответственно, через эти окна. Автокорреляция и алгоритм могут оперировать конкретно с данными визуализации, полученными с помощью импульсов, используемых при отслеживании движения, обусловленного волной, которая вызвана толчком, при этом толчок является одиночным толчком. Алгоритм может включать в себя взаимную корреляцию по постепенно увеличиваемой зоне поиска при условии соблюдения критерия согласования изображений. Сбор данных в ходе процедуры может быть распространен на несколько импульсов.
Подробности нового, наводимого по автокорреляции отслеживания движения во временной области в эластографии сдвиговой волны дополнительно изложены в дальнейшем с помощью последующих чертежей, которые изображены не в масштабе.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение примерного ультразвукового устройства для оценки движения и концептуальное отображение свободной от шумов сдвиговой волны в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 представляет собой концептуальную схему, содержащую примеры концепций, имеющих отношение к работе устройства, показанного на фиг. 1; и
Фиг. 3 представляет собой набор блок-схем последовательностей операций способа, демонстрирующих возможную работу при наводимом по автокорреляции отслеживании движения во временной области в эластографии сдвиговой волны, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 представляет в виде наглядного и неограничивающего примера ультразвуковое устройство 100 для оценки движения, применимое для эластографии сдвиговой волны при отслеживании движения во временной области под контролем автокорреляции. Устройство 100 включает в себя схему 104 получения изображения, схему 108 отслеживания движения, контроллер 112 и устройство 116 хранения данных. Схема получения изображения выполнена с возможностью пространственно-разнесенного 120 получения изображения из соответствующих поперечных положений 124. Устройство 100 дополнительно включает в себя множество ультразвуковых визуализирующих датчиков 128. Получение изображения выполняется из соответствующих акустических окон 132. Акустическое окно является зоной на визуализирующей поверхности датчика 128, который находится в контакте с исследуемым объектом или пациентом (человеком или животным) и обменивается ультразвуковыми импульсами, используемыми при визуализации. Ультразвуковые импульсы 140 испускаются в аксиальном направлении 136, а радиочастотные (РЧ) данные 144 отражаются обратно от пациента в том же направлении. Импульс 140 динамически отражается обратно с нескольких глубин 148 визуализации, от которых берутся отсчеты для исследования среды внутри пациента.
Хотя разные обозначения на фиг. 1 помечают разные датчики 128, это служит для пояснения. Датчики 128 могут быть приведены в действие, в общем, идентично при визуализации среды. Их можно приводить в действие одновременно, параллельно, хотя настоящее изобретение не ограничено таким применением.
Поперечное направление 152 является направлением распространения сдвиговой волны, которая была сгенерирована аксиально направленным толчком. Толчок был создан ультразвуком, сфокусированным на конкретной глубине визуализации, чтобы передать достаточное акустическое радиационное давление или, возможно, был механически вызванным толчком.
В основном в аксиальном направлении 136 на упомянутой глубине визуализации распространяющаяся сдвиговая волна деформирует и смещает среду. График на фиг. 1 показывает три формы волн, представляющих смещение ткани тела под влиянием сдвиговой волны. Три формы волн соответствуют поперечным расстояниям 0 мм, 5 мм и 10 мм от фокуса толкающего импульса. Толкающий импульс длится в течение нескольких сотен микросекунд, с началом в момент времени, соответствующий началу координат графиков. Смещения ткани отслеживаются в течение 35 мс. Упомянутые смещения нормируются по пиковому смещению при 0 мм для наглядности. Сдвиговая волна, вызванная смещениями или деформациями 158 на разных поперечных расстояниях (т.е. 0 мм, 5 мм, 10 мм), оказывает смещающее действие распространяющейся сдвиговой волны. Их формы волн изменяются в зависимости от механических свойств ткани и расстояния распространения в поперечном направлении от начала сдвиговой волны (т.е. местоположения фокуса толкающего импульса).
Автокорреляция является, как упоминалось выше, первым этапом двухэтапного подхода к отслеживанию аксиального смещения. Смещение интересующих структур в движущейся среде вызывает сдвиг по фазе последующих высокочастотных ультразвуковых эхо-сигналов, обратно-рассеянных движущейся средой.
Сдвиг по фазе оценивают посредством одномерной автокорреляции комплексных сигналов (комплексных аналитических или модулирующих сигналов) в области замедленного времени. Модулирующие данные состоят из синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих, извлекаемых при формировании пучка после приема посредством демодуляции для исключения несущей частоты. Извлечение комплексных аналитических сигналов из РЧ данных также известно и описано в патенте США № 7873686, Elfataoui et al.
0
0
p
q
p
q
При отслеживании сдвиговой волны G(x,y) представляет собой комплексное изображение, полученное в качестве опорного сигнала до возбуждения толкающего импульса. Опорные импульсы, с которыми было получено опорное изображение G(x,y), являются начальной частью отслеживания движения. Аксиальное направление 136 проходит вдоль x-оси, а поперечное направление 152 проходит вдоль y-оси. Каждая точка или «пиксель» (x,y) представляет отсчет изображения на глубине 148 визуализации, соответствующей x, а в поперечном положении 124, соответствующем y.
n
Функция G(x,y) является n-ым получением изображения после толчка во время отслеживания сдвиговой волны. Получения изображения могут повторяться, например, параллельно, с помощью датчиков 128, при этом n варьируется в диапазоне до, например, N=30 или более после одного толчка (N определяется частотой повторения импульсов отслеживания и продолжительностью отслеживания). Однако предполагается, что в пределах объема настоящего изобретения отслеживание может продолжаться более секунды или даже после последующего толчка.
k,n
Обобщенная формула для вычисления одномерной корреляции R на пикселе (x,y) представлена ниже для комплексного немодулированного сигнала или комплексного аналитического сигнала:
, (1)
k,n
n
где (2M+1) представляет собой размер корреляционного ядра 203 в осевом направлении 136, как видно из фиг. 2; и R представляет коэффициент корреляции при k-задержке в области ускоренного времени (аксиальном направлении) и n- задержке в области замедленного времени (времени отслеживания). G* комплексно сопряжена с Gn.
Смещение D в (x,y) для n-го сбора данных отслеживания сдвиговой волны сначала вычисляется в виде
, (2)
n
p
q
p
q
Где c означает скорость звука,  означает угол одномерного коэффициента автокорреляции при нулевой задержке в области ускоренного времени, и  означает центральную частоту. Таким образом, D(x,y) после квантования, которое описано ниже, служит оценкой аксиального смещения среды, при этом оценка является характерной для текущего пикселя (x,y). Угол или «фазу» можно извлечь по формуле
n
n
n
-1
∠R(x,y)=tan(Im[R(x,y)]/Re[R(x,y)]), (3)
n
и, перед подстановкой в уравнение (2), подвергают развертыванию фазы, чтобы ослабить или устранить искажения. Функции Re и Im выделяют, соответственно, действительную и мнимую составляющие комплекснозначного коэффициента R автокорреляции. Что касается развертывания фазы, предполагается, что сдвиг развернутой фазы в замедленном времени (т.е. от n до n+1, где n=1,…, N-1) должен быть гладким, без скачка. Как показано на фиг. 2, за неразвернутой фазой 206 для n-го сбора данных следует неразвернутая фаза 208 для n+1-го сбора данных. Фаза 210 для n+2-го сбора данных сдвигается обратно по модулю 2π в пределах ограничивающего интервала [π,-π]. Это дает, в результате, неразвернутую фазу 212 и скачок 214 фазы, близкий к 2π по величине и не характеризующий фактическое осевое движение в среде. Развертывание фазы решает данную проблему путем выдачи развернутой фазы 210. Если, несмотря на развертывание фазы, происходит скачок, он обычно указывает на значительное, обусловленное внешними причинами движение, т.е. происходящее извне плоскости сдвиговой волны.
n
p
q
p
q
n
p+1
q
p+1
q
p
p+1
Уравнение (1) содержит 2M+1 глубин отсчетов, используемых в ядре автокорреляции для конкретного значения «x». Для любого данного n-го сбора данных, отсчеты собираются с каждой из 2M+1 глубин отсчетов и дополнительных глубин отсчетов. Дополнительные глубины отсчетов позволяют исполнить уравнение (1) множество раз, каждый раз для отличающегося значения «x». Например, в процессе одного исполнения, подлежит определению D(x,y) для пикселя (x, y); при следующем выполнении, определению подлежит D(x,y) для пикселя (x, y), при этом x и x находятся, соответственно, на разных глубинах отсчета.
Уравнение (1) не только исполняется многократно, каждый раз для данного пикселя, для которого вычисляется оценка смещения; данный набор исполнений повторяется, каждый раз для другого n-го сбора данных (1≤n≤N).
q
q+1
Кроме того, все вышеописанные исполнения уравнения (1) повторяются каждый раз для другого поперечного положения. Каждое поперечное положение 124 соответствует значению «y». Таким образом, y имеет поперечное положение 124, отличающееся от поперечного положения y.
На фиг. 2 две последовательных глубины из глубин отсчета при данном поперечном положении 124 обозначены 218, 220.
Во время данного n-го сбора данных в данном поперечном положении 124 данные собираются с глубины 218 отсчета и глубины 220 отсчета последовательно для всех глубин отсчета в течение окна на прием. Все упомянутое делается повторно при сборе данных за сбором данных. Поочередно, все повторяющиеся сборы данных (т.е. каждый с глубины 218 отсчета и глубины 220 отсчета, последовательно) делаются повторно для всех поперечных положений друг за другом.
Полный набор сборов данных выполняется один раз и записывается в устройство 116 хранения данных, при этом, затем упомянутые данные многократно используются на этапах один и два.
AC
Аксиальное смещение D (или «D») в уравнении (2) указывает начальную точку для второго этапа при двухэтапном способе.
AC
p
q
Смещение D в уравнении (2), как аксиальное отклонение от текущего пикселя (x, y), обычно будет иметь конечную точку, расположенное между местоположениями отсчета.
AC
AC
Вместо использования самого смещения D в качестве начальной точки, D квантуют на основе последовательных глубин 218, 220 отсчета, разделенных шагом 222 пикселей в аксиальном направлении, показанном на фиг. 2 стрелкой 224. Такой же шаг пикселей или дополнительно уточненный (посредством повышающей дискретизации РЧ или комплексного сигнала) шаг можно использовать на втором этапе. В последнем случае смещение DAC следует скорректировать с использованием отношения шагов пикселей до и после повышающей дискретизации.
AC
Квантование, которое может быть с повышением или понижением, и округление на основе близости или по умолчанию приводят к квантованному смещению [D] 226.
p
q
Это служит в качестве характерной для пикселя, т.е. характерной для (x, y) оценки аксиального смещения ткани тела.
p
q
AC
Пиксель (x, y), смещенный на [D], является начальной точкой для второго этапа. Именно на данном втором этапе выполняется точная настройка оценки 226 с первого этапа, которая выполняется посредством согласования одного изображения с другим с последующим поиском пика и полиномиального приближения или определения пересечения нулевой фазы для точной настройки.
Поскольку согласование одного изображения с другим на этапе два выполняется во временной области, то на первом этапе отсутствует потребность в учете ослабления центральной частоты для ультразвука, испускаемого для сборов данных, и на первом этапе отсутствует потребность в коррекции оценки 226 для ослабления центральной частоты. В предпочтительном варианте, исключаются непроизводительные потери на коррекцию ослабления центральной частоты. Ослабление накапливается 231 от глубины 228 отсчета к глубине 230 отсчета. Стрелки, пересекающие «x» на фиг. 2, представляют отсутствие потребности в учете ослабления центральной частоты, которое происходит во время распространения импульсов 140 слежения.
p
p
q
Для взаимной корреляции, которая является частью алгоритма отслеживания движения во временной области, обеспечивается начальная точка 234 в качестве смещения 226 из аксиального положения, обозначенного «x» на фиг. 2, текущего рассматриваемого пикселя (x, y). Смещение или «позиционирование» 226 соответствует сдвигу относительно опорного изображения 227 корреляционного ядра 203, которое использовалось при автокорреляции. Сдвинутое ядро 236 используется во взаимной корреляции.
Взаимная корреляция во временной области оценивает временные задержки посредством взаимной корреляции принятых РЧ эхо-сигналов (или комплексных аналитических или немодулированных сигналов) от одного импульса к другому импульсу.
Двумерная взаимная корреляция описана ниже, поскольку первый и второй этапы могут быть использованы для определения двумерного смещения. Такое определение предназначено для повышения точности в качестве компромиссного решения в обмен на дополнительное вычисление.
0
0
n
k,l
ρʹ
При двумерной ультразвуковой визуализации две составляющих вектора (u,v) смещения можно оценить с использованием процедуры двумерного отслеживания спеклов. Таким образом, «u» находится в аксиальном направлении 136, а «v» находится в поперечном направлении 152. В частности, при каждом пикселе (x,y) в исходных фазочувствительных сигналах или изображениях, которые составляют опорное изображение G(x,y) (т.е. РЧ сигнал, комплексный немодулированный или комплексный аналитический сигнал), вокруг пикселя задано двумерное корреляционное ядро с пространственной протяженностью, равной приблизительно одному спеклу. Спекл, по размеру соответствующий M и J в нижеприведенной формуле (4), задается как полная ширина на половине максимума в обоих направлениях функции двумерной автокорреляции исходного комплексного изображения G(x,y). Затем выполняют взаимную корреляцию упомянутого ядра с комплексным изображением G(x,y) после деформации, т.е. после толчка. Двумерный взвешенный коэффициент взаимной корреляции  в пикселе (x,y), полученный при n-м сборе данных, в виде функции двумерных задержек (k,l) вычисляется следующим образом:
. (4)
ij
В приведенном выражении W является простой двумерной весовой функцией в пределах (2M+1)×(2J+1)-точечного ядра корреляции. Взвешивание умножением на веса средневзвешенного снижает вероятность скачкообразного изменения пика и суммарную ошибку при поиске оптимальной (или «максимальной») задержки. Высокочастотный шум моет быть ослаблен с помощью весовой функции, которая плавно снижается до нуля в хвостах, например, окна Хэннинга.
Коэффициент корреляции является нормированной на единицу, комплексной функцией от задержек (k,l) в диапазоне ±K и ±L.
Когда, как в уравнениях (1)-(3), для отслеживания аксиального движения применяются только одномерная корреляция и одномерный поиск, вышеприведенная формула упрощается до L=0 и J=0 и приводится к виду:
. (5)
p
AC
q
n
k
,
n
maxI
maxI
AC
p
q
n
p
AC
q
0
ρʹ
(x,y)
Соответствующее корреляционное ядро 236 имеет размер 2M+1. Значение «x» с правой стороны уравнения (5) заменено начальной точкой 234, т.е. (x+[D], y) для G(x,y) (0<n<=N). Задержка k и, следовательно, диапазон [-K,K] наращивается на протяжении итеративных решений уравнения (5). Таким образом, протяженность зоны поиска равна M+k шагов 222 пикселей с каждой аксиальной стороны от центра корреляционного ядра 236. Задержка k, связанная с тем, что оказывается максимальным значением коэффициента  корреляции, применяется при интерполяции для нахождения пика кривой коэффициента корреляции и соответствующей или «максимальной» задержки k. Поскольку задержка k находится в аксиальном направлении 136, то она является вектором. Оценка [D] 226 с первого этапа также является вектором в том же направлении 136. Два вектора (или, эквивалентно, скаляра в одномерном случае) складываются для извлечение модифицированного смещения, т.е. уточненного измерения смещения, для пикселя (x, y). В двумерном случае оба складываемых вектора являются двумерными. В качестве альтернативы использованию начальной точки 234 в качестве замены значения «x» для G(x,y) (0<n<=N) может быть использовано (x-[D], y) как замена «x» в G(x,y).
В рабочем порядке, и как видно из примерной процедуры 300 на фиг. 3, счетчик сборов данных инициализируется установкой на нуль (этап S302).
Датчики 128 расположены с интервалом 120 и в контакте с пациентом или субъектом (этап S304).
Получают опорное изображение 227, т.е. выполняют сбор данных визуализации (этап S306).
В частности, при выполнении этапа S306 вызывается подпроцедура 310 получения изображения, которая исполняется следующим образом. Счетчик поперечных положений инициализируется установкой на нуль (этап S308). Счетчик глубин визуализации также инициализируется установкой на нуль (этап S310). Испускается ультразвуковой импульс 140 датчиком 128 в текущем поперечном положении 124 (этап S312). Получается РЧ сигнал 144 от ультразвукового эхо-сигнала, приходящего с текущей глубины 148 визуализации (этап S314). Если данная глубина не является последней глубиной (этап S316), то счетчик глубин наращивается (этап S318), и выполняется возврат на этап S314 приема отсчета. Если, напротив, глубина является последней (этап S316), то счетчик глубин сбрасывается (этап S319). Если текущее положение 124 не является последним положением (этап S320), то счетчик положений наращивается (этап S322), а обработка возвращается на этап S312 испускания импульса. Если, с другой стороны, текущее положение является последним положением (этап S320), то извлекают комплексные аналитические сигналы из полученных РЧ данных (этап S324). Извлеченные аналитические сигналы сохраняются в памяти в соответствии с сохраненными РЧ сигналами (этап S326). В качестве альтернативы, комплексные аналитические данные могут не генерироваться или не требоваться, если, например, интерполяция задержек корреляции выполняется методом полиномиального приближения. Аналогично, комплексные модулирующие данные могут служить РЧ данными на первом и втором этапах.
p
q
n
ac
AC
AC
k
,
n
max
maxI
maxI
maxI
IM
ML
ML
maxI
IM
ML
AC
maxI
p
q
ρʹ
(x,y)
В ходе основной процедуры 300 испускается толкающий импульс (этап S328). Предполагается, что в ходе всей процедуры 300 испускается одиночный толкающий импульс, хотя, в качестве альтернативы, впоследствии могли бы быть испущены дополнительно один или более толкающих импульсов, чтобы обеспечить возможность дополнительного отслеживания за счет возможного повышения общего фонового шума, обусловленного движением пациента в течение периода времени, необходимого для дополнительного отслеживания. Если, на данный момент получение изображения еще должно продолжаться (этап S330), то счетчик сборов данных наращивается (этап S332), вызывается подпроцедура 310 получения изображения для отслеживания (этап S334), и выполняется возврат на этап S330. Если же получение изображения больше не должно продолжаться (этап S330), то процедура указывает на первое поперечное положение 124 в полученных данных, для которого должно быть измерено смещение (этап S335). Обработка указывает на первый пиксель (x, y) в текущем поперечном положении 124 (этап S336). Выполняется автокорреляция по уравнению (1) при нулевой задержке (этап S338). Уравнение (3) используется для выделения фазы комплекснозначного коэффициента R автокорреляции (этап S340). Фаза развертывается на основании определения фазы предыдущего сбора данных (этап S342). Применяется уравнение (2), чтобы оценить аксиальное смещение D для текущего пикселя (этап S344). D квантуется для выдачи квантованного смещения [D] 226 (этап S346). Корреляционное ядро 203, применяемое при автокорреляции, после этого сдвигается, что дает сдвинутое ядро 236 для последующей взаимной корреляции (этап S348). Инициализируется абсолютное значение корреляционной задержки k на основании, например, ожидаемой наименьшей зоны поиска, необходимой для коррекции оценки 226 с первого этапа (этап S350). Например, типичная 100 мкм предварительно заданная зона поиска при взаимной корреляции может быть уменьшена до 30 мкм, что является преимуществом предлагаемого двухэтапного способа. Взаимная корреляция согласно уравнению (5) выполняется на комплексных аналитических сигналах итерационно по мере того, как задержка k изменяется от -K до K (этап S352). Это не налагает ограничения на первый этап, так как возможно применение любой комбинации РЧ, комплексных аналитических или комплексных немодулированных сигналов. Из набора коэффициентов , сформированных в ходе итераций, выбирается максимальный коэффициент ρ, и определяется его фаза 240, аналогично тому, как выполнялось для коэффициента автокорреляции (этап S354). Выбирается полученный посредством итераций ближайший соседний коэффициент с фазой 242 противоположной полярности и применяется интерполяция для определения, исходя из пересечения 244 нуля, интерполированной корреляционной задержки lag и соответствующего интерполированного максимального коэффициента ρ взаимной корреляции (этап S356). Если ρ не удовлетворяет условию порога или «критерия» T согласования изображений (этап S358), то задержка k увеличивается (этап S360). Делается запрос о том, является ли задержка k после этого больше, чем порог T максимальной задержки (этап S362). Если задержка k не больше, чем T (этап S362), то взаимная корреляция по уравнению (5) повторяется для каждого из промежуточных значений k, вносимых непосредственно предшествующим отдельным этапом S360 (этап S364). Затем выполняется возврат на этап S354. Если же, напротив, ρ удовлетворяет условию T (этап S358) или задержка k превышает T (этап S362), то выполняется сложение векторов, с суммированием квантованного смещения [D] 226 с интерполированной корреляционной задержки lag (этап S366). Если остаются еще пиксели (x, y) для обработки (этап S368), то наращивается указатель пикселя (этап S370), и выполняется возврат к этапу S338 автокорреляции. В противном случае, если больше не остается пикселей для обработки (этап S368), но требуется обработать дополнительные пространственные положения (этап S372), то наращивается указатель пикселя (этап S374), и обработка возвращается на этап S336.
Вышеописанный предлагаемый способ проверен с использованием клинических данных на живых организмах. Для двухэтапного способа обнаружено улучшение результатов отслеживания движения при последующей обработке данных по сравнению с другими алгоритмами. Улучшение показателя отслеживания движения означает более высокую достоверность клинических данных, повышающих качество диагноза при том же времени исследования.
Хотя методологию настоящего изобретения можно эффективно применять при постановке медицинского диагноза для человека или животного, объем настоящего изобретения этим не ограничивается. В более широком смысле раскрытые в настоящем документе методы относятся к улучшенному отслеживанию движения вызванного сдвиговой волной, в живых организмах или вне организмов.
Хотя изобретение подробно представлено на чертежах и охарактеризовано в вышеприведенном описании, упомянутые чертежи и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Примером альтернативного алгоритма отслеживания движения во временной области является способ минимального различия при поблочном сравнении.
После изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения специалистами в данной области техники в процессе практической реализации заявленного изобретения могут быть разработаны и выполнены другие модификации предложенных вариантов осуществления. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного числа. Никакие позиции в формуле изобретения нельзя считать ограничивающими объем изобретения.
Компьютерная программа может быть сохранена кратковременно, на время или на длительный период времени на подходящем машиночитаемом носителе, например, оптическом носителе данных или полупроводниковом носителе. Упомянутый носитель является невременным только в том смысле, что он не является временным распространяющимся сигналом, но включает в себя другие формы машиночитаемых носителей, например, регистровую память, кэш процессор и оперативное запоминающее устройство (RAM).
Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Очевидное обстоятельство, что некоторые признаки упомянуты во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает невозможность применения комбинации упомянутых признаков в подходящем случае.