一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法及系统

本发明属于超声医学成像与医学图像处理，具体涉及一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法及系统。

背景技术：

1、超声剪切波弹性成像是一种通过追踪剪切波在组织中的传播过程，进而定量评估组织力学特性的成像方法。该方法具有实时性强、成本较低、适合床旁检测等优势，已在肝脏、乳腺、肌肉及脑组织力学评估中展现出重要应用潜力。

2、在三维超声剪切波弹性成像中，剪切波在组织内部传播时会受到组织非均匀性、边界反射、散射波、噪声及复杂传播路径的影响。尤其在经颅或深部组织成像条件下，超声信号和剪切波信号均可能发生衰减和畸变，导致获得的三维剪切波场中存在较强噪声、多方向波干扰及局部波前扭曲现象。这些因素会降低剪切波速度估计的准确性，并进一步影响弹性等力学参数评估的可靠性。

3、作为一种改进，为了提高剪切波速度估计的稳定性，通常需要在速度重建前对三维剪切波波场进行滤波增强。其中，方向滤波是一类常用的波场处理方法，其基本思想是根据剪切波传播方向保留目标波成分，并抑制反射波、散射波及噪声等非目标成分，从而改善剪切波波场的相干性和可分析性。现有方向滤波方法多采用全局方向滤波方式，即依据预设的全局传播方向或人工选择的滤波角度，对整个剪切波波场进行统一方向选择。然而，三维剪切波在复杂组织中往往并非沿单一固定方向传播，局部传播方向可能随空间位置发生变化。若采用固定方向滤波，容易造成局部有效剪切波成分被削弱，或无法充分抑制反射波、散射波及噪声干扰。

4、因此，开发一种能够根据三维剪切波复波场的局部相位结构，自适应估计局部主传播方向，并在三维频域中进行方向选择的滤波方法，以提高三维剪切波波场的质量和后续力学参数重建的稳定性。综合来看，目前在三维超声剪切波弹性成像中，采用全局固定方向滤波难以适应局部传播方向空间变化，导致有效波成分容易被削弱，干扰抑制相对不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法及系统，目的在于解决在目前的三维超声剪切波弹性成像中，存在采用全局固定方向滤波难以适应局部传播方向空间变化，导致有效波成分容易被削弱，干扰抑制相对不足的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法，包括如下步骤：

4、获取三维超声数据，对三维超声数据进行位移估计，获得三维剪切波位移时空数据；

5、其中，三维超声数据是在剪切波传播过程中对目标组织区域进行三维超声成像获得的包含剪切波传播信息的数据；

6、基于三维剪切波位移时空数据，提取目标振动频率对应的复剪切波场，将复剪切波场按照空间位置划分为多个三维局部数据块；

7、分别提取每个三维局部数据块的相位梯度信息并计算结构张量，估计局部主传播方向，进方向滤波，获得滤波后的局部复剪切波场；

8、将各三维局部数据块对应的滤波后的局部复剪切波场进行空间融合，得到滤波后三维复剪切波场；基于滤波后三维复剪切波场计算剪切波速度分布和弹性分布，完成三维超声剪切波弹性成像。

9、在一些实施方式中，对三维剪切波位移时空数据沿时间维进行傅里叶变换，提取目标振动频率对应的复剪切波场；相邻三维局部数据块之间设置有重叠区域。

10、在一些实施方式中，估计局部主传播方向，具体为：

11、对于每个三维局部数据块，基于三维局部数据块内的复剪切波场计算局部相位梯度，得到三维局部数据块内各空间位置的局部相位梯度矢量；

12、在每个三维局部数据块内，根据各空间位置的局部相位梯度矢量构建相位梯度结构张量，对相位梯度结构张量进行特征值分解，将最大特征值对应的特征向量确定为三维局部数据块的局部主传播方向。

13、进一步地，局部相位梯度通过复数相邻点相位差分方法计算得到；具体地：

14、基于复剪切波场相邻点之间的复共轭乘积，计算沿三维空间各方向的局部相位梯度分量，各方向的局部相位梯度分量构成局部相位梯度矢量；

15、局部相位梯度矢量反映局部剪切波相位在空间中的变化方向，用于表征局部波数方向或局部传播方向。

16、进一步地，在构建相位梯度结构张量之前，对局部相位梯度矢量进行单位化处理；在每个三维局部数据块内，根据单位化后的相位梯度矢量以及三维局部数据块内的归一化幅值权重，构建相位梯度结构张量；

17、相位梯度结构张量通过以下方式构建：

18、；

19、其中，为第个三维局部数据块的相位梯度结构张量，为第个数据块对应的空间区域，为第个数据块内的归一化幅值权重，为单位化后的相位梯度矢量，为的转置；

20、相位梯度结构张量为三维对称矩阵，用于描述当前数据块内相位梯度方向的集中程度和主方向分布特征。

21、进一步地，在确定各三维局部数据块的局部主传播方向之后，还包括方向校正和方向可靠性判断步骤；

22、方向校正步骤包括：根据预设参考方向对局部主传播方向进行符号校正，使局部主传播方向与预设参考方向保持一致；其中，预设参考方向根据剪切波激励位置、预期传播方向或整体波场传播趋势确定；

23、方向可靠性判断步骤包括：根据相位梯度结构张量的特征值计算局部方向一致性指标，并根据局部方向一致性指标判断当前三维局部数据块内的剪切波传播方向是否稳定；

24、当局部方向一致性指标大于或等于设定阈值时，判定当前三维局部数据块内的剪切波传播方向稳定，并采用符号校正后的局部主传播方向作为滤波方向；

25、当局部方向一致性指标低于设定阈值时，判定当前三维局部数据块内的剪切波传播方向不稳定，并采用相邻数据块的可靠方向、全局参考方向或默认传播方向作为替代滤波方向。

26、在一些实施方式中，方向滤波，具体为：

27、对于每个三维局部数据块，将三维局部数据块的复剪切波场变换至三维波数空间，根据滤波方向构建方向滤波器，利用方向滤波器对三维局部数据块在三维波数空间中的频谱进行滤波处理，再将滤波后的频谱逆变换回空间域，得到滤波后的局部复剪切波场；

28、方向滤波器为局部软锥形方向滤波器，根据波数矢量与滤波方向之间的夹角构建，用于增强或保留与局部主传播方向一致的有效剪切波成分，抑制偏离主传播方向的反射波、散射波以及噪声成分。

29、在一些实施方式中，方向滤波中，还将方向滤波器与三维波数带通滤波器结合形成联合滤波器；三维波数带通滤波器用于限制剪切波有效波数范围，去除低波数漂移成分和高波数噪声成分；将联合滤波器作用于当前数据块的三维频谱，得到滤波后的频域数据，再经三维逆傅里叶变换得到滤波后的局部复剪切波场。

30、在一些实施方式中，将各三维局部数据块对应的滤波后的局部复剪切波场进行空间融合，具体为：

31、对各三维局部数据块的重叠区域采用窗函数加权融合方式进行叠加，得到完整的滤波后三维复剪切波场；

32、基于滤波后三维复剪切波场计算剪切波速度分布，具体为：

33、基于滤波后三维复剪切波场重新计算局部相位梯度，获得滤波后的局部波数矢量，根据滤波后的局部波数矢量的模值以及目标振动频率对应的角频率计算各空间位置处的剪切波速度，通过如下公式得到三维剪切波速度分布：

34、；

35、其中，表示空间位置处的剪切波速度，为目标振动频率对应的角频率，为空间位置处滤波后的局部波数矢量的模值，为防止分母为零的极小常数；

36、角频率根据目标振动频率计算，，其中为目标振动频率。

37、本发明还提供一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波系统，用以实现上述一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法，包括三维剪切波位移数据获取模块、复剪切波场提取模块、局部方向滤波模块以及剪切波速度分布计算模块；其中：

38、三维剪切波位移数据获取模块，用于：获取三维超声数据，对三维超声数据进行位移估计，获得三维剪切波位移时空数据；

39、其中，三维超声数据是在剪切波传播过程中对目标组织区域进行三维超声成像获得的包含剪切波传播信息的数据；

40、复剪切波场提取模块，用于：基于三维剪切波位移时空数据，提取目标振动频率对应的复剪切波场，将复剪切波场按照空间位置划分为多个三维局部数据块；

41、局部方向滤波模块，用于：分别提取每个三维局部数据块的相位梯度信息并计算结构张量，估计局部主传播方向，进方向滤波，获得滤波后的局部复剪切波场；

42、剪切波速度分布计算模块，用于：将各三维局部数据块对应的滤波后的局部复剪切波场进行空间融合，得到滤波后三维复剪切波场；基于滤波后三维复剪切波场计算剪切波速度分布和弹性分布，完成三维超声剪切波弹性成像。

43、与现有技术相比，本发明一种三维超声剪切波弹性成像的方向滤波方法及系统，具有以下有益效果：

44、本发明通过在三维复剪切波场的局部数据块内计算相位梯度，并根据相位梯度方向构建相位梯度结构张量。相位梯度结构张量能够表征局部区域内相位梯度方向的集中程度和主导方向，通过特征值分解可获得局部数据块内剪切波的主传播方向。本发明根据该局部主传播方向在三维波数空间中构建方向滤波器，仅保留与局部主传播方向一致的有效剪切波成分，抑制偏离该方向的反射波、散射波和噪声成分；并且通过对多个局部数据块的滤波结果进行重叠加权融合，从而获得完整的滤波后三维复剪切波场。本发明能够根据三维复剪切波场的局部相位结构自适应估计局部主传播方向，并在三维波数空间中进行方向选择性滤波，从而提高三维剪切波波场质量，增强复杂波场条件下剪切波速度估计及后续力学参数重建的稳定性和鲁棒性。