使用重叠传输射束的合格区域的增强超声成像的利记博彩app
【专利摘要】用于提高超声图像的分辨率和帧速率的方法和相关系统包括对于传输射束组中每个传输射束指定单独的元素传输特性；确定传输射束在视场的场点处的各种属性；使用上述属性中的一个或多个确定由每个传输射束贡献的接收的超声回波信号是否适于使用在成像中，如果是，信号应如何处理；存储用于每个场点的所确定的信息，用于在处理每个新图像帧时重复使用；使用该存储的信息选择和处理用于每个场点的随后接收的回波信号，以在场点处产生用于每个合格回波信号的图像参数；以及组合用于场点的来自重叠的传输射束的多个图像参数，以形成构成用于图像帧的场点的最终图像参数。
【专利说明】使用重叠传输射束的合格区域的增强超声成像
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119 (e)要求于2011年5月2日提交的第61/481，476号美国临时专利申请的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开涉及超声成像，更具体地，涉及用于确定和利用用于成像处理的图像场点特性的方法和系统。
【背景技术】
[0004]超声波成像利用高频声波来使物体内部可视化。例如，声学检测设备如超声波检查设备用于检查各种物体(包括人体、焊接点周围的区域、以及工业产品如基于木材的板)的内部。虽然在组织成像如医学超声显像的背景下描述本公开，但是本公开在该领域之外也有应用。
[0005]医学超声成像已发展成了用于诊断各种疾病状态和情况的有效工具。多年来超声设备的市场稳定成长，并通过图像质量和区分组织的各种类型的能力的改进而被推动。超声成像总是需要大量的信号和图像处理方法，尤其对于使用多达128或更多换能器元素的阵列系统，其中每个均具有独特的信号处理要求。过去的十年看到了除处于市场最低层的系统之外几乎所有系统 中数字信号处理的提高的准确度和灵活性的转变。这种转变提供了能够利用传输的声波和返回的超声回波信号中更多的信息的改进的成像方法的可能性。
[0006]商业超声系统通常利用用于成像的聚焦传输射束。通常利用传输射束组穿透二维图像场，其中这些传输射束在图像场的宽度上一致地间隔开，并且每个在图像场中聚焦在期望最佳图像分辨率的深度处。来自每个顺序的传输射束的返回超声回波被接收并被处理，以获得图像数据的一个或多个线，其中这些线对应于传输射束组中每个传输射束的轴线。然后该多个图像数据线被内插到像素阵列中，以产生图像。
[0007]图1中示出了上述方法。典型的顺序线扫描30可包括128个传输射束32，导致了128个图像线34，该128个图像线34然后被内插到像素36中以进行显示。通常，传输射束32显著宽于重建的图像线34，尤其在非传输射束的聚焦深度的深度处。这样导致横向分辨率随深度而变化，并如图1所示在传输聚焦区获得最清晰的分辨率。仅沿射束轴线的场点用于重建图像参数，从而导致与使用在扫描中的传输射束32的数目相等的一组图像线34。因为相对于显示器38中像素36的间隔该组图像线34通常稀疏地间隔开，所以对于显示器中的每个像素36，图像线34中的点必须被内插。
[0008]现代商业系统试图通过在图像场的整个宽度上利用每个顺序扫描位置处的多个传输以在场的更大深度上提高横向分辨率。在每个位置处，多个传输射束利用在所关心的深度上传播的不同聚焦区。来自每个区域的图像线数据被组合，从而提供场的更大的有效深度。该技术以增加的采集时间或降低的帧速率为代价提高横向分辨率。产生完整图像的时间为从各个传输射束中的每个获得回波信号所需时间的总和，其通常由声速和被成像的媒介中所关心的最大深度限定。对于每个图像帧所利用的传输射束越多，获得图像帧所需时间就越长，并且帧速率就越慢。
[0009]因为帧速率在许多超声应用中是重要因素，所以经常会利用另一技术来减小图像采集时间。传输射束被弱聚焦，以使得在每个射束中可重建多个接收线，因此允许在图像场的宽度上使得传输射束更远地间隔开，并减小覆盖图像场所需的传输射束的总数。虽然该技术加速了图像获取并可恢复使用多个聚焦区所失去的一些帧速率，但是由于每个传输射束变宽，横向分辨率通常会降低。
【发明内容】
[0010]根据本公开的一方面，提供了用于提高从多元素换能器获得的超声图像的帧速率和分辨率的方法和系统。该方法包括:
[0011]a.对用于采集图像帧的传输射束组中的每个传输射束，指定传输孔和单独的元素传输特性，其中所述传输射束组包括穿透期望视场的至少一部分的至少一个传输射束；
[0012]b.通过测量或模拟，确定多个场点处所述传输射束组中每个传输射束的各个属性，其中所述多个场点覆盖所述视场；
[0013]c.存储用于每个场点的所述属性，用于在处理每个新图像帧时重复使用；
[0014]d.利用所述传输射束组传输和接收回波信号并将所述回波信号存储在内存中；
[0015]e.利用所存储的传输射束属性中的一个或多个处理所存储的回波信号，以确认从由使用在成像中的给定传输射束贡献的场点接收的超声回波信号合格，并指定所述信号应如何进行处理；
[0016]f.对于场点从重叠的合格传输射束组产生并组合多个图像参数，以产生构成用于所述图像帧的场点值的最终图像参数。
[0017]根据本公开的另一方面，传输射束的测量或模拟的属性包括一些属性中至少之
[0018]a.在传输事件的持续时间上所述传输射束的峰强度；
[0019]b.所述传输射束的所述峰强度发生在所述场点处的时间；
[0020]c.通过所述脉冲强度超过阈值的时间确定的传输脉冲持续时间，其中所述阈值通常小于脉冲峰的_20dB ；
[0021]d.所述峰强度与在传输事件过程中出现在场点处射束强度的任何其他峰的比率；以及
[0022]e.所述传输射束脉冲的波前相对于用于指定所述场点的定位的被选择轴线的入射角。
[0023]在本公开的在一个实施方式中，所述传输射束组被设计成使通过使用未聚焦的传输射束穿透所述视场并利用少量传输/接收采集来使帧速率最大化。在另一实施方式中，所述传输射束组被设计成使空间分辨率和对比分辨率最大化，并仍以大于在传统扫描系统中的速率获得帧。
[0024]根据本公开的另一方面，处理接收的用于组织或血液速度的回波信号使用入射传输射束属性的存储角修正基于多普勒频移的速度计算，从而获得每个场点处运动的方向和量值。【专利附图】
【附图说明】
[0025]结合附图通过以下详细说明，本公开的以上及其他特征和优点将更容易被理解，在附图中:
[0026]图1示出了使用聚焦光束的传统扫描与图像信息；
[0027]图2是示出了由截断阈值确定的边界的场点网格处传输射束的最大强度的视图；
[0028]图3示出了不同场点处的传输波形；
[0029]图4是示出了三个或四个接收的回波信号可组合用于成像的重叠区域中的场点的四个重叠的传输射束的视图；
[0030]图5是面向像素处理的一个实施方式的基于软件的架构的示意图；
[0031]图6是根据面向像素处理形成的插入式模块的示意图；
[0032]图7是用于根据面向像素处理形成的128元素线性阵列的采集数据的示意图；
[0033]图8是使用在面向像素处理中的像素映射过程的示意图；以及
[0034]图9示出了用于本公开的过程的系统架构的高级表现。
【具体实施方式】
[0035]在下面的描述中，阐明了某些具体细节以提供对公开的各种实施方式的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，这些实施方式可在没有一个或多个上述具体细节，或利用其他方法、部件、材料等的情况下进行实施。
[0036]除非上下文中另有要求，否则在整个说明书及所附权利要求中，词语“包括(comprise)”及其变型如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应从开放、包容性的意义上进行解释，也就是说解释为“包括但不限于。”
[0037]在整个说明书中参考“一个实施方式”或参考“实施方式”意思是结合该实施方式描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的不同部分出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”并不必须所有都指同一实施方式。此夕卜，在一个或多个实施方式中，具体的特征、结构、或特性可以任何合适的方式进行组合。
[0038]如使用在本说明书和所附权利要求书中，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”、以及“该(the)”包括复数的所指对象，除非上下文中另外清楚地指示。还应注意，术语“或”通常以其最广的意义被使用，也就是说意思是“和/或”，除非上下文中另外清楚地指示。
[0039]本文中提供的本公开的摘要和标题仅用于方便的目的，而不用于解释实施方式的范围或含义。
[0040]描述了超声成像方法和对应的系统，其可使用多组部分或完全重叠的具有各种射束特性的传输射束以穿透媒介，其中前述传输射束包括在深度上聚焦的或弱聚焦、或完全未聚焦的传输射束。根据本公开的一方面，该方法包括通过模拟或测量，提前确定当用于传输射束组中给定射束的传输脉冲经过场点时将在每个图像场点处产生的传输射束的相关特性。
[0041]这些特性可包括在场点处导致的峰声强、峰声强出现在场点处的时间、强度大于某一水平的持续时间(脉冲持续时间)、峰强度与传输事件过程中出现在场点处的射束强度的任何其他峰之比、以及峰传输强度波相对于场点的入射角。然后这些特性中的一个或多个可用于确认传输场的适于成像的区域。这些传输场特性可存储在计算系统的内存中，然后在成像处理过程中被调用，其中该成像处理用于使用之前被特征化的传输射束组的超声扫描。射束特性可用于确定哪些场点落入传输射束的合格区域中和应如何处理在每个场点处返回的用于给定传输射束的回波信号。场点处最终的声学图像参数来源于来自传输射束组中一个或多个传输射束的被处理信号的组合。
[0042]本公开提供了这样的系统和方法，其利用从每个传输射束生成的更多回波信号并在成像过程中将来自多个重叠传输波束的信号组合，以改进图像分辨率和/或减小帧采集次数。如图1所示，单个传输射束32可穿透换能器视场的相当大区域。此外，典型的顺序扫描中的穿透区域显著地重叠，并且相同场点由传输射束组中的数个传输射束穿透。可处理包括在传输射束内的其他场点，并将场点处来自每个重叠射束的结果组合，而不是仅沿每个射束的轴线重建图像参数。为了实现这种重建方法，需要确定传输射束的穿透区域和测量该区域的参数的一些方法，其中前述参数有助于确定用于区域中的场点的处理的最佳类型。
[0043]确定由传输射束穿透的区域的范围的一个方法是使用射束模拟技术或通过直接测量计算场点网格42的每个场点40处传输射束的最大强度，如图2所示。在某已知的时间(取决于媒介中的声速)，脉冲传输射束将在射束的穿透区域中的场点处生成强度峰。该强度峰将随场点相对于射束轴线的定位而改变，通常随距射束轴线的距离增加而减小。场点处强度峰的数值由图2中场点的灰色的阴影所指示。在距波束轴线某一距离处，峰强度将变得足够弱，以使得从场点返回的回波信号将变得不可检测或不可用，因为其将与背景噪音和声杂波(clutter)混合。因此截断阈值可建立在最大峰强度的某一比率处，对于该比率具有低于阈值的强度的场点表示为位于传输射束的穿透区域之外。在不同的场点处，可选择具有不同的截断阈值，因为场点处传输脉冲的总强度可随深度、组织衰减、及其他因素而改变。然后各个阈值限定射束的主穿透区域的边界43，该主穿透区域还将被称为合格区域(参见图2)。对于传输射束的穿透区域内的场点，还可在成像操作中使用峰强度值将从每个场点返回的回波归一化。这样可在传输射束的主穿透区域上提供图像参数的一致的强度重建。
[0044]除传输脉冲的峰强度之外的其他传输射束特性对于确认哪个场点可用于成像可能是重要的。对于距射束的焦点一定距离处的场点，传输脉冲的持续时间可被延长，因为来自换能器中各个元素的传输脉冲的到达时间并不一致。如果观察焦点处射束轴线上的场点53处脉冲强度的持续时间，与偏离轴线且远离焦点的场点54处脉冲强度的持续时间相比，可观察到波形50和波形51，如图3所示。
[0045]用于焦点处场点的强度波形51表现良好并形成一个峰55。偏轴点处强度波形50更散开，并具有次峰52。场点处强度波形中次峰的存在和中央峰的传播可在来自场点的用于成像的回波信号的处理中导致降低的分辨率和增加的杂波。因此排除强度波形的中央峰传播超过指定量处的场点或存在比中央峰的某个指定比率更高的次峰处的场点是有用的。在图3中，次峰是主峰的比率阿尔法，并可设置阿尔法的最大值，其可用于拒绝具有高次峰的场点。用于保证次峰的低贡献的阿尔法的期望值可小于0.1 (_20dB)。
[0046]因为利用传输射束的上述特性中的一些或全部以确认哪个场点可用于利用该具体射束成像，因此可确信计算用于场点的图像参数是准确的并没有由不希望的信号损害。因此,对于传输射束组中的每个传输射束，可在覆盖传输射束的相当大区域的场点上执行成像操作，而不是仅沿射束轴线。这样允许设计这样的传输射束组，其覆盖所关心的期望的图像场并仅具有很少的部分或完全重叠的传输射束，而不是当仅射束轴线被重建时需要的大量的射束。使用少于64个波束允许减小的采集次数和更高的帧速率。另外，因为同一场点可以是用于传输射束组中多个传输射束的合格场点，所以成像处理可利用来自多个传输射束的回波信号。
[0047]对于一个具体示例，考虑给定的场点P (63)，其由一组多个传输射束T1,穿透，如图4所示。在图4中，示出了三个区域60、61、62，其分别包括具有四个重叠射束的场点、具有三个重叠射束的场点和具有四个重叠射束的场点。如下文更充分地描述的，使用多个重叠传输射束区域的成像可提供增强的空间分辨率。对于每个传输射束，以下特性在场点P处通过模拟或直接测量而被确定。
[0048]I (Tn)-P点处声学强度。
[0049]tp (Tn)-P点处从传输开始到峰声学强度出现的时间。
[0050]tb (Tn)-大于tp (Tn)的某指定部分的声学强度的持续时间。
[0051]r (Tn)-任何次强度峰的强度与I (Tn)的比率。
[0052]0 (Tn)-声波波前相对于换能器轴线的入射角。
[0053]对于回波图像形成，通过延迟和将各个换能器元素接收信号求和，以重建通过场点处任何反射体生成的回波信号，对于传输射束组中每个传输射束，可获得用于场点P的复信号值Sn。这是众所周知的射束形成方法，尽管在这种情况下，信号重建是在具体的场点处执行的，而不是在沿每个传输射束的轴线定位的点处。为了计算用于将使用在信号重建中的各个换能器元素信号的时间延迟，可使用从传输开始到场点处出现峰声学强度的时间tp (Tn)0
[0054]在该不例性情况中，可具有在场点P处产生一些声能的多达八个传输射束，并且可计算八个复信号值Sg。为了获得P点处用于该组传输射束的总复信号值，可将各个信号值组合如下:
[0055]Sp= (S1*N1+S2*N2+S3*N3+S4*N4+S5*N5+S6*N6+S7*N7+S8*N8) /8
[0056]其中Ni_8是归一化常数，其通过计算峰声学强度值的倒数I (IV8)而获得。例如，如果传输射束T1在P点处的强度为0.5 (以某一任意单位)而传输射束T4在P点处的强度为1.0，将计算&=2和队=1。在这种情况下，将期望信号值S1为信号值S4的强度的一半，所以信号值S1将乘以2，以给予其与信号值S4相等的对总和的贡献。
[0057]以上组合等式没有将若干因素考虑在内。用于具体的传输射束的峰声学强度I(Tn)可能较弱，以使得其将仅对组合的信号增加噪音。为了防止这样的情况，在I (Tn)小于指定阈值，如P点处最大声学强度的0.05倍的情况下，将用于Sn的归一化常数Nn设置为
O。另外，对于某些传输射束Tn，在场点P不沿波束轴线定位的情况，P点处传输脉冲的持续时间tb (Tn)可被延长。使用来自这些传输射束的信号将使图像分辨率降低，因此如果tb(Tn)的值大于指定量，如最短传输脉冲持续时间的1.2倍，则将用于这些射束的归一化常数设置为零。最后，对于某些传输射束，P点处传输脉冲可能已发展出不期望的特性，如在时间上发生在主峰之后的次峰。在这种情况下，可使用次峰的强度的比率r (Tn)确认这些射束。如果r (Tn)的值位于某一阈值之上，如0.02 (次峰大于主峰的强度的2%)，则归一化常数可设置为零。利用这些增加的约束，组合公式可进行如下修改:
[0058]当通过应用至I (Tn)的强度阈值而使得合格时:
[0059]
【权利要求】
1.提高从多元素换能器获得的超声图像帧的帧速率和分辨率的方法，包括: a.对用于采集图像帧的传输射束组中的每个传输射束，指定传输孔和单独的元素传输特性，其中所述传输射束组包括穿透期望视场的至少一部分的至少一个传输射束； b.通过测量或模拟，确定多个场点处所述传输射束组中每个传输射束的各个属性，其中所述多个场点覆盖所述视场； c.存储用于每个场点的所述属性，用于在处理每个新图像帧时重复使用； d.利用所述传输射束组传输和接收回波信号并将所述回波信号存储在内存中； e.利用所存储的传输射束属性中的一个或多个处理所存储的回波信号，以确认从由使用在成像中的给定传输射束贡献的场点接收的超声回波信号合格，并指定所述信号应如何进行处理； f.对于场点从重叠的合格传输射束组产生并组合多个图像参数，以产生构成用于所述图像帧的场点值的最终图像参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输射束的在场点处测量或模拟的属性包括以下属性中至少之一: a.在传输事件的持续时间上所述传输射束的峰强度； b.所述传输射束的所述峰强度发生在所述场点处的时间； c.通过所述脉冲强 度超过阈值的时间确定的传输脉冲持续时间，其中所述阈值通常小于脉冲峰的_20dB ； d.所述峰强度与在传输事件过程中出现在场点处射束强度的任何其他峰的比率；以及 e.所述传输射束脉冲的波前相对于用于指定所述场点的定位的被选择轴线的入射角。
3.根据权利要求1所述的方法，其中处理所存储的回波信号包括通过使用每个传输射束在所述场点处的峰传输强度补偿每个存储的回波信号的增益。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个场点设置在位于将被显示的图像帧中像素的对应定位处的矩形阵列中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输射束组配置成通过使用未聚焦的传输射束穿透所述视场并利用小于64个传输/接收采集使帧速率最大化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输射束组配置成通过控制所述组中所述传输射束的重叠量来提供优化的空间分辨率和对比分辨率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中处理接收的用于组织或血液速度的回波信号使用入射传输射束属性的存储角来修正基于多普勒频移的速度计算，以获得每个场点处运动的方向和量值。
8.实施在计算机中的用于提高从多元素换能器获得的超声图像帧的帧速率和分辨率的系统，包括: 处理器和内存，所述处理器和内存配置成执行以下操作: a.对用于采集图像帧的传输射束组中的每个传输射束，指定传输孔和单独的元素传输特性，其中所述传输射束组包括穿透期望视场的至少一部分的至少一个传输射束； b.通过测量或模拟，确定多个场点处所述传输射束组中每个传输射束的各个属性，其中所述多个场点覆盖所述视场；C.存储用于每个场点的所述属性，用于在处理每个新图像帧时重复使用； d.利用所述传输射束组传输和接收回波信号并将所述回波信号存储在内存中； e.利用所存储的传输射束属性中的一个或多个处理所存储的回波信号，以确认从由使用在成像中的给定传输射束贡献的场点接收的超声回波信号合格，并指定所述信号应如何进行处理； f.对于场点从重叠的合格传输射束组产生并组合多个图像参数，以产生构成用于所述图像帧的场点值的最终图像参数。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述传输射束的在场点处测量或模拟的属性包括以下属性中至少之一: a.在传输事件的持续时间上所述传输射束的峰强度； b.所述传输射束的所述峰强度发生在所述场点处的时间； c.通过所述脉冲强度超过阈值的时间确定的传输脉冲持续时间，其中所述阈值通常小于脉冲峰的_20dB ； d.所述峰强度与在传输事件过程中出现在场点处射束强度的任何其他峰的比率；以及 e.所述传输射束脉冲的波前相对于用于指定所述场点的定位的被选择轴线的入射角。
10.根据权利要求8所述的系统，其中处理所存储的回波信号包括通过使用每个传输射束在所述场点处的峰传输强度补偿每个存储的回波信号的增益。
11.根据权利要求8的所述的系统，其中所述多个场点设置在位于将被显示的图像帧中像素的对应定位处的矩形阵列中。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述传输射束组配置成通过使用未聚焦的传输射束穿透所述视场并利用小于64个传输/接收采集使帧速率最大化。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述传输射束组配置成通过控制所述组中所述传输射束的重叠量来提供优化的空间分辨率和对比分辨率。
14.根据权利要求8所述的系统，其中处理接收的用于组织或血液速度的回波信号使用入射传输射束属性的存储角来修正基于多普勒频移的速度计算，以获得每个场点处运动的方向和量值。
【文档编号】G01S15/89GK103765240SQ201280031950
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年5月2日 优先权日:2011年5月2日
【发明者】罗纳德·埃尔文·戴格尔 申请人:维拉声学公司