超声弹性成像在体内活体组织机械特性分析平台

超声剪切波弹性成像 (SWE) 已成为一种有前途的技术，能够定量估计软组织硬度。然而，它的实际实施很复杂，并带来了许多工程挑战，包括高能量突发传输、高帧率数据采集和处理大量数据集的高计算要求。因此，到目前为止，SWE 仅适用于高端商用系统或批量且昂贵的研究平台。在这项工作中，我们提出了一种低成本、便携且完可配置的 256 通道研究系统，该系统能够实施各种 SWE 技术。我们使用各种推波模式评估了其传输能力，并开发了用于重建组织硬度图的算法。使用行业标准的弹性成像模型在均质和异质实验中评估了三种不同的推波生成方法。结果表明，可以使用便携式和成本优化的系统实现 SWE 模式，而不会造成明显的图像质量损失。

一种低成本、便携且完可配置的超声系统，该系统实现了二维实时剪切波弹性成像 (SWE) 成像模式。为了实现这一目标，256 TX/64 RX us4R-lite 研究系统的传输能力，以支持推脉

冲生成。该系统与信号处理管道相结合，从原始 RF 数据重建刚度图。实时成像性能由结合图形处理单元 (GPU) 的高效重建算法执行提供。使用行业标准弹性 Q/A 幻影对整体系统性能进行了实验评估。根据重建时间评估了相关重建参数。该系统实现了刚度估计，偏差 <5%，SNR 为 30 dB，能够检测到大小 >4 mm 的病变和各种刚度，CNR 在 13-17 dB 范围内。在配备 NVIDIA RTX3060 GPU 的 PC 笔记本电脑上，系统吞吐量已达到 5 fps。

图 1显示了一般的 SWE 测量程序。与大多数超声波技术一样，该过程包括两个阶段：数据采集，然后是数据处理和图像重建。先，使用推动脉冲在介质中生成 ARF。可以通过使用脉冲回波超声检测沿剪切波传播路径的微小轴向位移，以超声波方式跟踪由 ARF 的脉冲激发引起的剪切波运动。剪切波速度 (SWS) 取决于弹性介质的特性。通常，必须使用高帧率平面波成像 (PWI) 才能有效跟踪剪切波。推动脉冲生成结束后，扫描仪立即切换到高帧率成像模式并捕获 RF 数据。然后，在波束形成过程中使用 RF 数据重建一系列图像。连续的波束形成图像是基于相关算法的输入，该算法通过获取每个像素的粒子轴向位移来执行剪切波检测。已知方法在 [ 3 ] 中详细描述。后，利用剪切波运动数据获取组织刚度图。目前已提出了多种算法，其中大多数基于飞行时间 (ToF) 方法。这些方法可分为两类：线性回归方法[ 4、5、6、7、8、9 ]和剪切波轨迹检测方法[ 10、11 ] 。

SWE 的主要优势在于，由于使用了 ARF，因此无需外部、操作员相关的应力。此外，应变弹性成像仅提供定量的软组织刚度图，而 SWE 可以定性和定量地估计软组织刚度。它还具有超声成像的共同特点，即无创、快速、成本相对较低，并且应用广泛，例如 [ 12 ] 慢性肝病的纤维化评估、乳腺癌筛查、甲状腺结节评估、胃肠道壁诊断、前列腺异常筛查和心血管系统诊断 [ 13 ]。