使用基于声脉冲和多孔多普勒超声的运动检测的利记博彩app
【专利摘要】一种全场或“基于声脉冲”的多普勒超声成像的方法，其允许检测多普勒信号，该信号指示在成像场中任一点的运动反射体，而无需预先定义范围门。在各种实施例中，这些全场多普勒成像方法可以包括从发射孔发射多普勒声脉冲、用一个或多个分开的接收孔接收多普勒声脉冲的回波、检测多普勒信号和确定运动反射体的速度。在一些实施例中，该系统也提供通过基于由多个接收孔接收的回波数据求解一组联立方程来确定运动方向的能力。
【专利说明】使用基于声脉冲和多孔多普勒超声的运动检测
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2011 年 12月 1 日提交的标题为"Doppler Ultrasound Imaging Using a Multiple Aperture Probe"的 No. 61/565, 796 的美国临时专利申请和 2012 年 8 月 21 日 提交的标题为"Ultrasound Imaging System Memory Architecture，'的 No. 61/691，717 的 美国临时专利申请的权利，两者都通过参考合并于此。
[0003] 本申请涉及2007年10月1日提交的标题为"Method And Apparatus To Produce Ultrasonic Images Using Multiple Apertures，' 的 No. 11/865501 的美国专 利申请，其现在为No. 8007439的专利；2011年1月6日提交的标题为"Imaging With Multiple Aperture Medical Ultrasound And Synchronization Of Add-On Systems，'的 吣.13/002778的美国专利申请，现在公开为吣.2011-017840041;2010年4月14日提交 的标题为"Universal Multiple Aperture Medical Ultrasound Probe，'的No. l2/76〇,375 的美国专利申请，现在公开为No. 2010-0262013-A1 ;2010年4月14日提交的标题为 "Multiple Aperture Ultrasound Array Alignment Fixture" 的 No. 12/760, 327 的美国 专利申请，现在公开为No. 2010-0268503-A1 ;2011年10月12日提交的标题为"Multiple Aperture Probe Internal Apparatus and Cable Assemblies" 的 No. 13/272, 098 的美国 专利申请，现在公开为No. 2012-0095347-A1 ;2011年10月12日提交的标题为"Concave Ultrasound Transducers and3D Arrays" 的 No. 13/272, 105 的美国专利申请，现在公开为 Νο·2012-0095343-Α1;和 2011 年2 月 17 日提交的标题为 "Point Source Transmission And Speed-〇f-Sound Correction Using Multi-Aperture Ultrasound Imaging" 的 No. 13/029,907的美国专利申请，现在公开为No. 2011-0201933-A1。
[0004] 通过参考的合并
[0005] 本说明书中提到的全部公开和专利申请在相同程度上通过参考合并于此，如同每 个个体公开或专利申请被具体且分别指示为通过参考合并地那样。
【技术领域】
[0006] 本公开大体上涉及医学成像，并且尤其是涉及使用具有多孔的探针的多普勒超声 成像。
【背景技术】
[0007] 医学超声波中的多普勒法包括许多用于对血液流动进行成像和定量的相关技术。 对于静止目标，对于每个发射的脉冲，从换能器传输的，从目标反射的，和返回到换能器的 超声波脉冲的往返行程传播时间是相等的。在运动对象的情形中，连续回波描记返回关于 发射脉冲将在不同时间到达。例如，在小于静止往返时间的间隔接收的回波描记返回可以 表示反射体向TX/RX探针运动，而在比静止往返时间长的间隔接收的返回可以表示反射体 远离TX/RX探针运动。这是众所周知的多普勒效应的结果，其也可以按照有关频率来描述。 在频率域中，以比预期频率高的频率接收的反射信号可以表示反射体向发射器/接收器运 动，而以比预期频率低的频率接收的反射信号可以表示反射体远离发射器/接收器运动。 从这个信息，能够估算运动反射体的速度。
[0008] 常规的超声波（或如本文中所使用的"基于扫描线"的超声波）利用相控阵列控 制器生成并操纵（steer)大体上线性发射波形。为了生成B模式图像，这些线性波形（或 "扫描线"）的序列可以被生成和操纵，以便跨关心区域进行扫描。沿着每个各自的扫描线 接收回波。然后，个体扫描线可以被组合，以形成完整图像。
[0009] 因为常规的基于扫描线的超声波路径是定向的（沿着扫描线的轴），所以仅仅沿 着扫描线轴的运动生成多普勒（运动运动）信号。横贯扫描线的流动对使用这些常规方法 而言是不可检测的，并因此常规多普勒法中获得的速度量值仅表示流速度矢量位于沿着发 射/接收扫描线轴的分量。为了估算流速度矢量的真实量值，采用矢量多普勒法。这些方 法依靠来自多个相交扫描线的数据，以估算流矢量和流速度矢量的方向。
[0010] 已经开发几种基于扫描线的多普勒方法，以呈现血流的不同方面。一般，流场的 "空间成像"（或者被称作"B模式"呈现或"扇形扫描"成像）被用于定位血管，以测量其尺 寸、并观察流结构。"流成像"在"双重"模式中结合回波描记成像使用，"双重"模式在覆盖 图中结合两种类型的图像，回波描记振幅在灰度级中呈现而流速度以颜色来展现。
[0011] 声谱仪可以通过选择关心区域内部选定的小很多的样本体积来获得详细量化的 流速度。能够被独立采样和处理的最小体积通过扫描线波束的轴向长度（发射脉冲宽度） 和横向波束宽度（成像平面内外）给定。使用基于扫描线的多普勒法，这个小样本体积，也 称作"范围门"、"多普勒门"或"多普勒范围门"，必须在多普勒超声信号的发射和接收之前 由超声检查医师经由用户界面定义。用于预先定义多普勒范围门的这个要求意味着：不定 义新的范围门，就不可以确定位于预定义的范围门外的运动反射体，这可能需要进行单独 的多普勒成像期。
[0012] 基于扫描线的多普勒成像也能够对基于扫描线的超声波成像系统内的B模式图 像的帧率施加实质限制。基于扫描线的超声波成像系统的帧率是脉冲重复频率（PRF，其由 超声波在成像介质中往返传播的时间限制）除以每帧的扫描线数目。典型的基于扫描线的 超声波成像系统使用每帧大约64到大约192之间的扫描线。通常，8和32脉冲回波事件 的整体被用于关心区域中每个多普勒扫描线。这些多普勒整体是对B模式扇形扫描的有效 打断，得到比否则系统能够做到的更低的B模式帧率（或者需要的每B模式帧的扫描线更 少）。
【发明内容】
[0013] 在一个方面，提供了通过从换能器阵列的多个换能器元件选择发射孔来进行多普 勒超声的方法。接着，从发射孔发射未聚焦的超声信号到关心区域中，然后仅在第一接收孔 上接收未聚焦的超声信号的回波。也存在将所接收的回波存储在存储装置中的步骤。然后， 存在下面的步骤：对所接收的回波进行波束成形以便为关心区域内的多个反射体的每个确 定显示位置。从关心区域的所接收回波数据选择第一测试段并且在多个反射体的至少一个 接收步骤的回波内检测多普勒频移的步骤。也存在确定至少一个反射体在第一测试段内的 速度的步骤。最后，存在在图像中显示至少一个反射体的运动信息的步骤，其中该运动信息 部分地基于检测步骤和确定步骤。
[0014] 该方法也可以可选地在确定步骤中包括确定第一测试段内至少一个反射体的运 动方向的步骤。在该方法的一个方面，存在选择第二测试段，然后为第二测试段内的多个反 射体的至少一个重复选择、检测、确定和显示的步骤。
[0015] 在还另一个方面，该方法也可以包括选择第二测试段，其中第二测试段是在第一 测试段内的关心区域的部分以外的关心区域的部分。在一些实施例中，无需用于未聚焦的 超声信号的预定义的范围门，执行选择发射和接收步骤。在一个方面，在检测步骤之前执行 波束成形步骤。在另一个方面，在波束成形步骤之前执行检测步骤。在还其它方面，基于关 心区域内的像素位置选定选择测试段步骤。更进一步，一些方面可以进行，由此用户基于用 B模式图像和来自接收步骤的信息而人工执行选择测试段步骤。
[0016] 在一些额外的替换例中，成像系统自动执行选择测试段。在还另一个方面，可以包 括系统地评估关心区域内每个测试段的步骤。这个步骤仅评估未聚焦的超声信号的接收回 波内的每个测试段。在更进一步方面，存在基于同时发生关心区域的B模式图像和关心区 域内关联位置信息的计算机辅助检测分析来选择测试段的步骤。在一些方面，基于在接收 步骤中的信号之间的定时来执行选择测试段的步骤。在还其它方面，选择测试段的步骤部 分地基于对应于目标区域内所关心深度范围的时间范围。更进一步，通过评估关心区域内 的全部测试段来执行选择测试段的步骤。
[0017] 在还其它的额外实施例中，也存在接收在与第一接收孔分开的第二接收孔上的 回波的步骤。在另一个替换例中，存在为由到第一接收孔的声路径成像的每个像素并且 为由到第二接收孔的声路径成像的每个像素计算调节系数的过程。也可以提供通过将调 节系数应用到确定步骤的结果获得改进的速度测量的方法。在一些方面，调节系数是1/ cos (Φ/2)，其中Φ是用于使用所述发射孔的位置、所成像的每个像素的位置和所述第一 接收孔和所述第二接收孔的每个的位置定义的角度的发射器到反射器线和接收器到反射 体线之间的角度。在其他方面，存在为运动反射体，将来自所述第一接收孔获得的经调节的 速度测量结果与来自所述第二接收孔获得的经调节的速度测量结果相结合的方法。在还其 他方面，存在求解联立方程的方法，其包括使用所述第一接收孔的位置和使用所述第一接 收孔获得的速度测量结果以及第二接收孔的位置和使用所述第二接收孔获得的速度测量 结果，以获得表示第一反射体的运动的方向和大小的速度矢量。在其他方面，也存在求解第 二组联立方程的方法，其包括使用所述第一接收孔的位置和使用所述第一接收孔获得的速 度测量以及第三接收孔的位置和使用所述第三接收孔获得的速度测量，以获得表示第一反 射体的运动的方向和大小的第二速度矢量。在另一个方面，也存在对所述第一速度矢量和 所述第二速度矢量求平均的步骤，以获得描述所述第一反射体的运动速度和方向的新的速 度矢量。
[0018] 在一些附加方面，也存在使用来自第一声路径和不同的第二声路径的速度测量结 果为多个反射体计算第一多个速度矢量的方法。在一些方面，存在为所述多个反射体执行 所述速度矢量的每个的平均操作的步骤，以便为所述多个反射体确定运动主方向。在一些 方面，存在将颜色应用到与所述速度矢量沿着主运动轴的分量有关的所述多个反射体的非 零速度的反射体的步骤。更进一步的替换例可以提供方法，用于计算从所述第一声路径和 第三声路径获得的多个第二速度矢量；并且对所述多个第一速度矢量和所述多个第二速度 矢量求平均值。在还其他实施例中，在求解联立方程的步骤之前也可以存在用于应用调节 系数的附加步骤。在一些方面，发射的步骤可以包括在所选定频率发射脉冲宽度超过大约 七个周期的未聚焦的超声信号，或者在另一方面，发射频率低于被用于B模式成像的频率 的未聚焦的超声信号。
[0019] 在用多普勒超声成像的方法的附加替换方面，提供了从第一发射孔向运动对象发 射第一未聚焦的半圆形超声波波前脉冲的步骤。接着，存在在第一接收孔接收第一波前脉 冲的回波和在第二接收孔接收第一波前脉冲的回波。其后，存在基于在所述第一和第二接 收孔接收的回波计算在一个或多个测试段的对象速度矢量的步骤。在一个方面，也存在为 图像中的每个像素使用数据独立近似法来计算最小对象速度的过程。还其他方面提供数据 独立近似法，其包括使第一测量速度值乘以第一角度的一半的余弦的倒数，所述第一角度 由所述发射孔、第一测试段和第二接收孔定义。还其他替换例提供通过基于多孔探针的几 何结构求解一组联立方程，来计算所述运动反射体的速度和方向。在一些示例性实施例中， 也可以存在其他方面，用于计算速度矢量的方向，或计算速度矢量的大小。在一个方面，存 在通过用第一速度测量和第二速度测量的数值的和的一半来计算所述速度矢量的数值；所 述第一速度测量沿着将所述第一接收孔、测试段和所述第二接收孔之间的角度平分的声路 径；并且所述第二速度测量沿着从发射孔到测试段、到所述第二接收孔的声路径。
[0020] 在还其他方面，存在接收用户输入的步骤，所述用户输入指示所述运动对象的主 运动的轴。
[0021] 在还其他方面，提供了显示至少一个颜色的步骤，以指示沿着主运动的所指示轴 的运动。另外，也可以存在用于自动分析多个所测量的速度矢量的这些方法的方面，以识别 主运动的至少一个轴。
[0022] 在另一个替换的实施例中，提供了通过从第一发射孔发射第一未聚焦的半圆形超 声波波前来测量对象在关心区域内运动的速度的方法。也存在下列步骤：接收第一波前 脉冲在第一接收孔的回波；存储所接收回波的同相值；存储所接收回波的正交值；和评估 同相和正交值，以确定对象在关心区域内相对于第一发射孔或第一接收孔的运动大小和方 向。在一个方面，发射孔和接收孔位于共同的换能器阵列上。在另一方面，也存在下述步骤： 在与所述第一接收孔分开的第二接收孔接收所述第一波前脉冲的回波，并且存储所述接收 的回波的同相和正交值。
[0023] 在另一替换实施例中，提供了用多孔超声波成像系统检测和显示对象图像的运动 的方法，其包括从多孔超声波探针的发射孔发射未聚焦的半圆形超声波脉冲的序列。也存 在用所述多孔超声波探针的接收孔分别接收来自所述序列的每个脉冲的回波的步骤。在 一个方面，存在成像帧率，其等于发射步骤中发射连续未聚焦的半圆形超声波脉冲的速率。 方面也包括从每个发射脉冲的回波形成完整图像帧的序列、分析连续图像帧中的差异以检 测成像的对象的运动的步骤，并且另外或替代地包括显示对象的图像和突出检测运动的步 骤。在一些方面，该突出包括将颜色应用到沿着主运动轴的运动。
[0024] 在还另一个方面，存在生成指示运动的超声图像的方法，该方法通过从非易失性 数字存储装置取回第一数据组，第一数据包括发射孔的位置和定向信息，并且从非易失性 的数字存储装置取回第二数据组，第二数据组包括由所发射的多普勒声脉冲信号的序列的 回波引起的一系列回波大小值。其后，存在基于第一组多普勒检测参数来检测所述第二数 据组的至少步骤分内的多普勒位移频率的步骤。在一些方面，存在基于第二组波束成形参 数来确定至少一个运动反射体的步骤，其中至少一个参数的值不同于获取所述回波数据的 实况成像期间使用的值。在额外方面，第一组参数和第二组参数包括下列一个或多个：发射 孔定义、接收孔定义、测试段、主方向轴、表征快速运动值超过缓慢运动值的相对运动阈值， 多普勒运动评估算法、声速假定、一个或多个加权因数、解卷积滤波值、匹配滤波值、校准数 据值或传播数据值。在更进一步替换方面，多普勒检测参数包括测试段定义、主方向轴定 义、最小速度阈值和多普勒运动评估算法的至少一个。在还其他额外方面，波束成形参数包 括声速值、加权因数、所应用滤波类型、探针校准数据和描述超声波发射信号的数据的至少 一个。
[0025] 在还另一额外或替换方面，提供了通过将单个未聚焦的第一超声信号发射到目标 对象来进行多普勒超声的方法。接着，存在接收单个未聚焦的第一超声信号的回波的步骤。 然后，存在从单个未聚焦的第一超声信号检测所述目标对象的至少两个分开区域中的运动 的步骤。在一些方面，也可以存在执行具有一个或多个接收的所述接收步骤，而不使用被用 于执行所述发射步骤的孔。还其他方面也可以执行所接收回波的波束成形，以便为包括所 述目标对象的关心区域内多个反射体的每个确定显示位置。在还其他方面，也可以存在检 测运动步骤，用于检测单个未聚焦的第一超声信号的所述接收的回波内的至少一个像素的 多普勒频移。在另一方面，无需用于单个未聚焦的第一超声信号的预定义范围门，执行所述 选择发射和接收步骤。在还另一方面，在检测步骤之前执行波束成形步骤。在还另一方面， 在检测步骤之后执行波束成形步骤。
[0026] 在还另一方面，根据任何上述实施例提供了检测多普勒位移的方法，由此通过从 回波波束成形图像在相关B模式图像上指定的任何测试段的位移从每个声脉冲或未聚焦 的超声信号返回。其后，基于样本的序列在测试段为每个声脉冲评估多普勒频移。
[0027] -种根据任何上述实施例的检测多普勒位移的方法，由此测试段在接收元件处声 脉冲开始之后被指定为响应时间。其后，仅使用在每个接收器处的多普勒数据的检测的时 间作为到用于多普勒的波束成形器的输入，然后根据方向和/或频率对波束成形的多普勒 进行彩色编码。其后，在一个方面，存在将颜色信息叠加到B模式图像上的步骤。在一个替 换的方面，代替直接使用多普勒检测的时间作为到用于多普勒的波束成形器的输入，而是 使用多普勒检测时间选择原始回波段以用作到用于多普勒的波束成形器的输入，该方法进 行。在更进一步方面，存在选择回波段的步骤，以便为得到图像的改进横向分辨率提供相干 增加。
[0028] 应当理解，上面或本文中所述的任何上面实施例的方法可以被提供作为计算机可 读指令或代码或者使用计算机可读指令或代码执行，该代码包括用于使用为这些操作和处 理配置的软件、固件或硬件的一个或更多基于计算机超声信号处理系统执行的步骤。
[0029] 应当理解，上述说明性方面、实施例、替换例和步骤也可以被组合，以提供本文中 上述的发明方法的更进一步的替换实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 在随后的权利要求中详细阐述本发明的新颖特征。下列详细说明阐述了说明性实 施例，其中利用本发明的原理，通过参考下列详细说明和附图，将获得本发明的特征和优点 的更好理解，其中：
[0031] 图1是流程图，说明用于使用基于声脉冲多普勒超声成像技术检测运动的过程的 实施例。
[0032] 图2是流程图，说明用于使用基于声脉冲多普勒超声成像技术检测运动的过程的 另一个实施例。
[0033] 图3是包括多个换能器阵列的多孔超声波探针的截面图。
[0034] 图4是具有单个连续曲线1D、1. 5D、2D或CMUT换能器阵列的超声波探针的截面 图。
[0035] 图5是基于声脉冲（ping-based)的波束成形技术的实施例的示意图。
[0036] 图6是基于声脉冲的波束成形技术的第二实施例的示意图。
[0037] 图7是说明多普勒子系统的实施例的方框图。
[0038] 图8是包括许多接收元件且仅有单个发射元件的超声波换能器阵列的示意图。
[0039] 图9A是从多普勒声脉冲接收的同相回波的振幅对时间图。
[0040] 图9B是从多普勒声脉冲接收的正交回波的振幅对时间图。
[0041] 图10是在任一端具有发射元件且包括许多接收元件的阵列的超声波探针的示意 图。
[0042] 图11是超声波探针的示意图，所述探针具有两个包括被分为两个分开的孔的许 多接收元件的换能器阵列。右手孔被示为具有至少一个发射元件。
[0043] 图12是多孔探针，其包括具有至少一个指定的发射元件的水平换能器阵列和相 对于第一阵列成角度放置的第二元件阵列。
[0044] 图13是多孔探针，其包括具有至少一个指定发射元件的水平阵列。第二和第三元 件阵列被放置在水平阵列的任一侧上，并且被示为相对于第一阵列成角度地定向。
[0045] 图14是流程图，说明用于使用数据独立近似因数来估算运动反射体速度的过程 的实施例。
[0046] 图15是多孔成像方案的示意说明。
[0047] 图16是流程图，说明用于使用多孔超声成像探针来获得二维速度矢量的过程的 实施例。
[0048] 图17是示出使用图12的系统的多普勒速度测量过程的一个实施例的方面的示意 说明。
[0049] 图18是示出多普勒速度测量过程的实施例的方面的示意图。
[0050] 图19是说明超声波成像系统的部件的方框图。
[0051] 图20是流程图，说明用于使用基于声脉冲成像系统在无需检测多普勒位移的情 况下检测运动的过程的实施例。
[0052] 图21是流程图，说明用于重新处理所存储的多普勒原始回波数据的过程的实施 例。
【具体实施方式】
[0053] 本文中描述的方法和装置解决今日多普勒超声技术中的许多问题。使用常规基于 扫描线的多普勒，超声检查医师面临的是试图满足下述相冲突的要求：定位超声探针以获 得最佳B模式图像，以及定位所述探针以使扫描线波束与血管中的血流对准。常规多普勒 的第二个问题是，多普勒的视场必然受到预定义的多普勒范围门的限制，以致于在选定扫 描线上的脉冲重复频率高到足以对多普勒频率敏感。
[0054] 本文中所描述的方法和系统的一些实施例使用基于声脉冲的多普勒成像技术，其 中具有相对长的脉冲长度（多普勒声脉冲）的未聚焦的半圆形（或圆柱形）超声波脉冲被 用于声照射（insonify)每个多普勒声脉冲中的全部视场，以便能够在B模式视场中的任何 地方检测到多普勒频率，而无需预先限定多普勒范围门。此外，能够检测运动反射体的速度 和方向，而无需将探针相对于运动方向对准。在一些实施例中，使用多孔超声波探针可以进 一步允许对二维运动矢量的检测。多孔的基于声脉冲的多普勒和B模式成像的各种实施例 可以同时提高B模式图像的横向分辨率和多普勒速度估算的准确度。
[0055] 使用常规的基于扫描线的多普勒成像，一般通过发射聚焦的扫描线波束并用沿着 同一扫描线聚焦的接收器来接收回波，而产生脉冲多普勒信号。使用这些系统，在发射和接 收超声信号之前，必须沿着扫描线定义范围门，以便定义将在其中检测运动信息的关心区 域的深度。从范围门内采样回波的样本，同时沿着同一扫描线发射连续脉冲。然后，这些样 本被评估，以检测指示运动的多普勒频率。
[0056] 在美国专利No. 8, 007, 439和美国专利申请公开No.申请2010-0262013-A1 ; 2010-0268503-A1 ;和2011-0201933-A1中示出并描述使用多孔探针的超声波成像系统。下 面的实施例提供用于执行多普勒速度测量和利用多孔探针进行成像的方法和系统，以及诸 如在本 申请人:上述专利申请中和本文中附图和说明书中示出并描述的系统。
[0057] 尽管本文中参考各种人体结构的超声波成像描述了各种实施例，但应当理解，本 文中所示且所描述的许多方法和器件也可以被用于其他应用，诸如成像和评估非解剖结构 和对象。例如，本文中所述的超声波探针、系统和方法可以被用于各种机械对象、结构对象 或材料，诸如焊缝、管道、梁、板、压力容器、分层结构等，的无损试验或评估。此外，用于评估 成像对象或物质的运动或速度的系统和方法的各种实施例也可以被用于非医学场景，诸如 测量移动通过管、压力容器或其他流体载体导管或容器的流体的速度。因此，本文中对医学 或解剖结构成像目标（诸如血液、血管、心脏或其它器官）的参考仅仅被提供作为可以使用 本文中所述的各种仪器和技术来成像或评估的近乎无限种类的目标的非限制实例。
[0058] 对基于声脉冲的多普勒超声波技术的介绍
[0059] 本文中参考附图描述的各种实施例提供了系统和方法，其用于使用基于声脉冲的 多普勒成像和基于声脉冲的B模式成像技术来检测、评估和表征运动对象的速度。如下面 将更详细描述的，一些实施例还提供了用具有多孔超声波探针和基于声脉冲的成像技术的 组合的进一步优点，下面将更详细地描述这样的成像技术。
[0060] 当使用基于声脉冲的超声波成像技术时，可以发射声脉冲后从返回到接收换能器 元件的反射体回波收集定时信息和频率信息两者。可以通过基于声脉冲的波束成形过程 (如本文中其它地方或上面参考的本 申请人:在先申请中所述的）从定时信息确定回波的位 置，同时可以通过应用多普勒原理从频率信息确定运动反射体的速度。因此，声照射区域内 每个反射体的位置和速度都可以从单个发射声脉冲确定。可以通过结合从多个声脉冲获得 的信息，可以提高准确度和解析度。
[0061] 参考图1和2,现在将提供基于声脉冲和基于声脉冲的多孔运动检测过程的一些 实施例的概述。下面参考将额外的图在随后的段落中提供各种工序的进一步细节和实施 例。
[0062] 图1说明了基于声脉冲的多普勒运动检测/成像过程10的实施例，其中成像系统 可以自动循环经过多个空间上定义的"测试段"，以便识别包含运动反射体的所关心的声照 射区域的段。在一些实施例中，对应于最终图像的每个像素的回波数据可以作为单独的测 试段而被处理。图1的过程可以开始于发射（TX)孔12的选择。理想的发射孔将是提供关 心区域的无阻碍视野（即，不被肋骨或其它障碍物阻碍）的孔。在各种实施例中，适当的TX 孔（如下所述）可以通过自动化过程或人工过程来选择。
[0063] 一旦TX孔被选定12,那么第一多普勒声脉冲可以被发射14到所关心的区域中。 可使用一个或多个接收孔（取决于被使用的探针的构造和是否如下将述地使用二维多普 勒检测）来接收16第一多普勒声脉冲的回波。可以为每个接收换能器元件单独存储18接 收回波。在一些实施例中，通过每个接收孔接收的回波可以被存储在两个或更多单独的数 据流18中。第一数据流可以表示同相回波，并且第二数据流可以表示"正交"回波，该"正 交"回波表示在相对于同相数据等于大约90度（rc/2弧度）的时间延迟处采样的相同的所 接收波形。在其他实施例中，可以通过其它方法实现类似结果，诸如对所接收的回波数据流 进行重复取样。替代地，也可以使用不同于-90度的延迟。在一些实施例中，如果处理硬件 足以处理回波数据，而无实质延迟，那么可以省略存储回波数据的步骤。
[0064] 在图1的实施例中，然后，所接收的多普勒回波可以被波束成形20,以确定每个反 射体（运动或不运动）在关心区域内的位置。在一些实施例中，可以使用诸如如下所述的 基于声脉冲的波束成形技术。一旦多普勒回波已经波束成形20,那么可以选择测试段（即， 将在其中搜索到多普勒位移信号的所接收回波数据的有限段）。在图1的过程10中，可以 参考相应反射体在关心区域内的位置，来定义22这些测试段。在一些实施例中，成像系统 可以自动选择测试段22。例如，在一些实施例中，成像系统可以被配置为循环经过所关心的 声照射区域中的全部可能的测试段。在其他实施例中，成像系统可以被配置为允许基于与 同一关心区域的同期B模式图像中位置相关联的位置而选择22 -个或多个测试段。在一 些这种实施例中，用户可以从所显示的B模式图像选择22任何数目的任何尺寸的区域，并 且多普勒数据中的相应区域可以被当做一个或更多测试段来对待。在其他的实施例中，自 动启发法可以用于识别已知特征（诸如血管、器官或其他结构）并且用于基于可以在其中 期望或寻找运动的那些所识别特征的一部分而自动地选择22测试段。
[0065] 一旦选定22第一测试段（无论人工还是自动），测试段内的反射体的回波可以被 评估以检测可能存在的任何多普勒频率24。在一些实施例中，可以使用下面参考图9A和 9B描述的任何方法检测24多普勒频率。在备选实施例中，也可以使用其他的检测多普勒频 率的方法。
[0066] 一旦在测试段内确定24多普勒频率，该数据就可以被进一步分析，以确定26运动 反射体的速度和方向。在一些实施例中，确定运动反射体的速度26的步骤可以涉及应用 阈值测试，以确定反射体是否运动得比阈值速度快。在其他的实施例中，尺寸、强度或频率 阈测试可以被应用，以确定运动反射体是否比阈值尺寸大，至少强度与阈值强度相同，或者 属于指定频率范围。例如，血管在B模式图像中趋向于显得比周围组织颜色更深。因此，由 "浅色"区域围绕的相对纵向"深色"区域可以被选定为好的候选测试段，在其中寻找运动信 息。在一些实施例中，可以在随后的步骤中忽略阈值测试失败的反射体。在一些实施例中， 可以使用如下所述的方法检测运动反射体的速度。在替代实施例中，也可以使用基于多普 勒位移原理来量化运动反射体的速度的其他方法。
[0067] 在一些实施例中，可以相对于超声波探针一维地检测26运动反射体的方向。在这 种一维运动检测实施例中，运动可以被表征为"向"探针或"远离"探针运动。下面描述这 些一维运动检测方法的一些实施例。也可以使用任何其他适当的方法。
[0068] 在其他实施例中，当回波在至少两个分离的孔上被接收换能器元件接收时，运动 反射体的方向可以被表征26为像平面内的二维矢量。下面参考图16描述这种二维运动检 测方法的一些实施例的细节。也可以使用其他二维运动检测方法。
[0069] 可以重复30选择测试段22、检测多普勒频率24、确定运动反射体26的速度和方 向的步骤至所需要或要求的次数，直到已经评估将测试的全部测试段。如果足够的数据处 理硬件可利用，那么可以并行评估多个测试段，而不是依序评估。
[0070] -旦已经确定26所有选择的测试段中的运动反射体的方向和速度，这种信息就 可以被汇编为图像，该图像可以被覆盖或以其他方式与显示给用户的B模式图像结合。在 其他实施例中，运动信息可以在数字上呈现为图形，或以其他方式在无需产生图像的情况 下与B模式图像结合。
[0071] 图2说明基于声脉冲的多普勒运动检测/成像过程11的替代实施例。图2的过 程11大体上类似于图1中的过程，但是在图2的过程11中波束成形所接收回波20和检测 多普勒频率24的步骤的顺序相对于图1的过程中这些步骤的顺序被颠倒。
[0072] 在图2的过程11中，在波束成形以确定反射体产生回波的位置之前，可以在回波 中检测24多普勒频率。图2的序列意思是为多普勒频率的存在评估的"测试段"的选择19 之前不需要知道反射体的位置。这仅仅意思是可以参考对于给定回波数据流的回波接收次 数的范围来执行选择19测试段的步骤。替代地，如在先前描述的实施例中那样，可以进行 所接收回波的接收时间和B模式图像中相应反射体的位置之间的粗关联。例如，因为接收 回波的时间通常与反射体的深度相关，所以可以按照相对于探针的深度来定义测试段的范 围，并且这些深度信息可以被转换为回波接收时间的范围。在一些这种情形中，至少从用户 的角度，测试段的选择可以以与上述相同的方式进行。在完全自动的实施例中，成像系统可 以被配置为将测试段确定19为用于特定接收元件的回波数据流的离散段。
[0073] -旦基于多普勒检测步骤24确定运动反射体，对应于运动反射体的回波可以被 波束成形，以确定其在关心区域内的位置。在一些实施例中，多普勒回波数据的波束成形可 以限于确定只有那些已经识别为运动得比阈值速度更快的反射体（或者通过其它阈值测 试的反射体）的位置。在其他实施例中，从将波束成形的多普勒回波数据选择反射体可以 按照需要经受任何其它滤波器或限制。
[0074] -旦已经波束成形多普勒回波，回波数据就可以被评估，以确定相应运动反射体 的速度和方向。如下面更详细描述的，可以在一维或二维上执行这种速度和方向的检测。
[0075] 替代地，在一些实施例中，如果如图2所示，检测运动方向26的步骤在过程11中 仅在一维上执行，那么可以在方向检测步骤26后执行波束成形步骤20。这是由于一维方向 检测不需要有关反射体在关心区域内的位置的信息。
[0076] 在一些实施例中，接着存储回波数据的步骤18的所有步骤（例如，19-30)可以仅 仅使用从存储器取回的回波数据来执行。在这些实施例中，可以对步骤的顺序、作出的假设 或影响多普勒回波数据处理的其它因素进行各种调整。可以迭代进行这些调整，直到达到 期望的质量水平。下面参考图21描述用于重新处理从存储器取回的原始多普勒回波数据 的过程的实例。在一些实施例中，使用完全独立于用于发射和接收超声信号的超声波成像 系统的数据处理硬件来执行这种处理。这种备选处理硬件可以包括台式计算机、平板计算 机、膝上计算机、智能电话、服务器或任何其他通用数据处理硬件。
[0077] 多孔超声波成像过程的实施例
[0078] 多孔超声波成像通常涉及使用总宽度比用常规超声技术可能的大很多的超声波 探针。多孔超声波成像涉及从少数几个换能器元件发射超声信号，并且使用数量大很多的 换能器元件来接收回波。通过将接收换能器元件布置到多个接收孔中并且执行各种处理和 组合步骤，可以形成横向分辨率显著超过使用常规窄探针可能得到的分辨率的超声图像。
[0079] 多孔图像可以被用于B模式成像，以生成关心区域的高分辨率空间图像。使用多 孔成像系统用于多普勒成像可以提供关于检测二维运动的能力的额外优点。
[0080] 如本文中所使用的，术语"超声换能器"和"换能器"如本领域技术人员所理解的 通常意义是超声波成像技术，并且可以非限制地涉及能够将电信号转换为超声信号和/或 反之亦然的任何单个部件。例如，在一些实施例中，超声波换能器可以包括压电器件。在一 些替换实施例中，超声换能器可以包括电容微电机超声波换能器（CMUT)。换能器经常被配 置为多个元件的阵列。如本领域技术人员理解的，这些阵列可以具有一维（1D)、二维（2D)、 或者1.5维（1.5D)。换能器阵列的元件可以是阵列的最小分立部件。例如，在压电换能器 元件的阵列的情形中，每个元件都可以是单个压电晶体，或压电晶体的单个加工段。
[0081] 如本文中所使用的，术语"发射元件"和"接收元件"如本领域技术人员所理解的其 通常意义是超声波成像技术。术语"发射元件"可以指超声波换能器元件，但不限制于此， 该超声波换能器元件至少暂时执行发射功能，其中电信号被转换为超声波波前。类似地，术 语"接收元件"可以指超声波换能器元件，但不限制于此，该超声波换能器元件至少暂时执 行接收功能，其中撞击在元件上的超声波波前被转换为电信号。超声波到介质中的发射在 本文中也可以被称作"声照射"。反射超声波的对象或结构可以被称作"反射体"或"散射 体"。
[0082] 如本文中所使用的，术语"孔"指概念上的"开口"，超声信号可以通过其发送和/ 或接收。在实际操作中，孔只不过是换能器元件组，这些元件作为共同组由成像控制电子器 件组一起管理。例如，在一些实施例中，孔可以是元件的实体组，这些元件可以是从相邻孔 的元件实体分开。例如，图3的探针中的三个换能器阵列的每个都可以被当做单独的孔。然 而，相邻孔不需要实体上分开。
[0083] 如本文中所使用的，术语"总孔"涉及全部成像孔的总的累计尺寸。换句话说，术 语"总孔"可以指由被用于特定成像周期的发送和/或接收元件的任何组合的最远的换能 器元件之间的最大距离所定义的一个或多个维度。因此，总孔由如用于特定周期的指定为 发送或接收孔的任何数目的子孔组成。在单孔成像布置的情形中，总孔、子孔、发射孔和接 收孔将全部具有相同维度。在多孔成像布置的情形中，总孔的维度包括所有发送和接收孔 和其之间的任何距离的和。
[0084] 如本文中所使用的，术语"接收孔"、"声照射孔"和/或"发射孔"如本领域技术人 员所理解的其通常意义是超声波成像，并且可以指单个元件、阵列内的元件组、甚至通用外 壳内的整个阵列，其在给定时间从期望的实体观点或孔执行期望的发射或接收功能。在一 些实施例中，这些各种孔可以被建立为具有专用功能的实体分开的部件。在替换实施例中， 该功能性可以按照需要电子地指派和改变。在更进一步的实施例中，孔功能性可以涉及固 定和可变元件两者的组合。在一些实施例中，两个孔可以放置为在连续阵列上彼此相邻。在 还其他的实施例中，两个孔可以在连续阵列上彼此重叠，以便至少一个元件起两个分开的 孔的部分的作用。孔的位置、功能、元件数目和实际尺寸可以以特定应用所需要的任何方式 动态定义。对用于特定应用的这些参数的约束将在下面讨论和/或将为本领域技术人员清 楚。
[0085] 在一些实施例中，接收孔的宽度可以由这样的假设限制，该假设为声速对于从反 射体到接收孔的每个元件的每个路径都相同。在足够窄的接收孔中，这个简化的假设是可 接受的。然而，随着接收孔宽度增加，到达顶点（在本文中被称作"最大相干孔宽度"），该 路径一般在该点将穿过具有不同声速的不同类型的材料。（这在医学成像中尤其真实，其中 变化的组织类型可能具有基本不同的声速。）当这个差异导致接近180度的相移时，超过最 大相干接收孔宽度的额外接收元件将实际上降低图像，而不是改善该图像。
[0086] 因此，在一些实施例中，为了利用总孔宽度大于最大相干宽度的宽探针，完全探针 宽度可以实体上或逻辑上被分为多个孔，其每个都可以被限制于小于最大相干孔宽度的宽 度，并且可以足够小，以避免接受信号出现相位抵消。针对不同患者以及同一患者上的不同 探针位置，最大相干宽度能够不同。在一些实施例中，折衷（例如，对于所期望的成像方案 的范围的最小或平均最佳值）宽度可以为给定探针系统建立。在其他的实施例中，多孔超 声波成像控制系统可以配置为具有动态算法，以将多个孔中的可用元件细分为组，这些组 足够小以避免显著的相位抵消。
[0087] 如本文中所使用的，短语"声路径"指后面是超声波的路径。在多孔成像的背景中， 声路径在发射孔（其可以包括一个或多个换能器元件）开始，行进到声照射材料（例如，人 组织、动物组织、或无生命材料）中到反射体，然后返回到接收孔的元件。在一些实施例中， 声路径可以被描述为在接收孔终止，而不是在个体接收元件终止。这些实施例可以在由接 收孔的多个元件接收的数据聚集时发生。因为多孔探针可以利用任何数目的发射孔和任何 数目的接收孔（其每个都可以利用任何数目的个体换能器元件），在声照射区域内的任何 给定反射体都可以由许多声路径成像。因此，声路径通常是发射孔、接收元件（或接收孔） 和反射体的唯一组合。如下面将更详细描述的，为了执行多孔波束成形，多孔探针的几何结 构必须已知。
[0088] "孔内声学路径"是其中发射孔和接收孔的中心位于同一点的声路径。例如，其中 被用作发射孔的单个元件也被用作接收元件的声路径可以被描述为孔内声学路径。因此， "孔内"声路径是发射孔和接收孔的中心不位于同一点的任何声路径。
[0089] 多孔探针的实例
[0090] 图3说明多孔探针1000的一个实施例，其可以在一些实施例中被用于多普勒成 像。图3的探针1000包括三个换能器阵列1001、1002、1003,每个都是1D、2D或矩阵换能器 阵列。如图所示，横向阵列1001和1003可以以相对于中心阵列1002定向在一定角度。在 一些实施例中，横向阵列相对于中心阵列的角度能够为0度，但是也能够是大于0度的任何 角度。在一个实施例中，一对横向阵列1001和1003可以在水平中心阵列1002下方以大约 30度的角度设置。在一些实施例中，图3的探针1000可以具有实质上宽于2cm的总宽度， 并且在一些实施例中比为l〇cm或更宽。
[0091] 在一些实施例中，如图1中所示，探针1000可以包括可以实体上彼此分开的分离 的换能器阵列1001、1002、1003。例如，在图1中，距离"d"将左阵列1001从中心阵列1002 分开。距离"d"能够是在孔1001上的换能器元件和孔1002上的换能器元件之间的最小距 离。在一些实施例中，该距离"d"可以是零或与可能用于特定应用所期望的一样大。在替 换实施例中，孔之间的距离可以尽可能大，以增加在特定应用的约束内多孔成像系统的横 向分辨率。在一些实施例中，探针可以被构造为在相邻换能器阵列之间提供可调节距离或 角度。这种可调整性可以为大范围解剖结构的成像提供灵活性。
[0092] 图4说明多孔探针1010的替换实施例，其可以在一些实施例中被用于多普勒成 像。图4的探针包括单个连续的1D、1. 5D、2D或CMUT换能器阵列1012,其总宽度1020明显 比用于任何预期成像方案的最大相干宽度更宽。例如，在一些实施例中，图4的探针1010的 阵列1012的总宽度1020可以大于大约2cm，并且在一些实施例中可以是10cm或更大。在 图2的实施例中，任何数目的孔可以按照需要而被动态分配。该阵列1012被示出具有对称 的连续凹曲线，然而在替换实施例中，阵列1012可以按照需要具有任何其他对称或不对称 凹面或平面形状。
[0093] 在一些实施例中，相邻孔的距离和定向可以相对于彼此固定，诸如通过使用硬壳。 在替换实施例中，孔相对于彼此的距离和定向可以是可变的，诸如用可活动链接。在替换实 施例中，下面系统和方法可以按照需要用任何多孔探针使用。在更进一步的实施例中，在上 面提到的本 申请人:的先前申请中描述的任何多孔超声波探针配置都可以与本文中所述的 多普勒成像系统和方法的各种实施例结合使用。
[0094] 在一些实施例中，多孔超声波探针和成像过程可以与基于扫描线的相控阵列发射 系统结合使用。在其他实施例中，多孔超声波探针和成像过程特别适合于从完全不同的发 射波形受益。
[0095] 对基于声脉冲的成像的介绍
[0096] 与常规基于扫描线的相控阵列超声波成像系统相反，多孔超声波成像系统的一些 实施例可以在发射脉冲期间使用点源发射。从点源发射的超声波波前（在本文中也被称作 "声脉冲"）用每个圆形或球形波前照射整个关心区域。从单个接收换能器元件接收的单个 声脉冲接收的回波可以被波束成形，以形成声照射的关心区域的完整图像。结合跨宽探针 的多个接收换能器的数据和图像，并且结合来自多个声脉冲的数据，可以获得非常高的分 辨率图像。此外，这种系统允许在非常高的帧率下成像，由于帧率仅仅受限于声脉冲重复频 率，即在发射换能器元件、最大深度反射体和最远的接收换能器元件之间行进的发射波前 的往返行程的传播时间的倒数。在一些实施例中，基于声脉冲的成像系统的帧率可以只等 于声脉冲重复频率。在其他实施例中，如果期望从超过一个声脉冲形成巾贞，那么基于声脉冲 的成像系统的帧率可以等于声脉冲重复频率除以每帧的声脉冲数。
[0097] 如本文中所使用的，术语"点源发射"和"声脉冲"可以指发射的超声波能量从单 个空间位置到介质中的引入。这可以使用单个超声波换能器元件或一起发射的相邻的换能 器元件的组合实现。来自所述元件的单个发射可以近似为均匀的球面波前，或在成像2D切 片的情形中，其在2D切片内建立均匀的圆形波。在一些情形中，来自点源发射孔的圆形或 球面波前的单个发射在本文中可以被称作"声脉冲"或"点源脉冲"或"未聚焦脉冲"。
[0098] 点源发射在空间特性上不同于基于扫描线的"相控阵列发射"或"定向脉冲发射"， 其中定向发射是在从换能器元件阵列的特定方向（沿着扫描线）上聚焦能量。相控阵列发 射依次操纵换能器元件的组的相，以便加强或操纵关心区域声照射波到具体关心区域。 [0099] 在一些实施例中，使用一系列发射声脉冲的多孔成像可以通过将点源声脉冲从第 一发射孔发射并且用两个或更多接收孔的元件接收发射的声脉冲的回波来操作。完整图像 可以通过基于发射和接收回波之间的延迟时间对反射体的位置进行三角定位而形成。因 此，每个接收孔可以从每个发射的声脉冲的回波形成完整图像。在一些实施例中，单个时间 域帧可以通过结合在两个或更多接收孔从单个发射的声脉冲接收的回波形成的图像来形 成。在其他实施例中，单个时间域帧可以通过结合在一个或更多接收孔从两个或更多发射 声脉冲接收的回波形成的图像来形成。在一些这些实施例中，多个发射声脉冲可以源自不 同的发射孔。
[0100] 基于声脉冲的波束成形的实施例
[0101] 波束成形通常被理解为一个过程，在多个分散的接收器接收的成像信号通过该过 程被结合以形成完整的相干图像。基于声脉冲的波束成形的过程与这个理解一致。基于声 脉冲的波束成形的实施例通常涉及，基于超声信号可以沿着其行进的路径、假定的恒定声 速和发射声脉冲和接收回波的时间之间经过的时间，来确定对应于所接收的回波数据的部 分的反射体的位置。换句话说，基于声脉冲成像涉及基于假设速度和测量时间的距离的计 算。一旦已经计算这种距离，有可能对任何给定反射体的可能位置进行三角定位。可能用 关于发射和接收换能器元件的相对位置的精确信息进行这个距离计算（如上面参考的本 申请人:的先前申请中，多孔探针可以被校准，以在至少期望的精确度的程度上确定每个换 能器元件的声学位置）。在一些实施例中，基于声脉冲的波束成形可以被称作"动态波束成 形"。
[0102] 动态波束成形器可以被用于为对应于由每个发射的声脉冲引起的每个回波的图 像像素确定位置和强度。当发射声脉冲信号时，波束成形不需要被应用到所发射的波形，但 是动态波束成形可以被用于结合用多个接收换能器接收的回波，以形成像素数据。
[0103] 如本文中所使用的，动态波束成形指的是，波束成形器的焦点可以被连续转换为 随着像素正在成像而聚焦在每个像素位置。在一些实施例中，动态波束成形器可以绘制从 发射机到每个接收换能器元件的每个回波在每个瞬时的轨迹。单个反射体（例如，图5中 的点（n，p)的轨迹将位于沿着图5中的椭圆52,其第一焦点在发射换能器元件54的位置 并且第二焦点在接收换能器元件56的位置。尽管几个其他可能的反射体位于沿着同一椭 圆（如由反射体（g，h)、（i，j)、（k，m)等所示），同一反射体（n，p)的回波也将由接收孔的 每个其他接收换能器元件接收。每个接收换能器元件（R1、R2、R3)的稍微不同位置意思是 如图6中所说明的，每个接收元件将具有对于反射体（n，p)稍微不同的椭圆形。通过为共 同接收孔的所有元件连续对椭圆（例如，52、57、58)求和累计所述结果将指示接收孔的全 部椭圆的交点，从而向显示表示反射体（η, p)的像素的点会聚。由任何数目的接收元件接 收的回波振幅可以从而被组合为每个像素值。这种系统也可以被称作累积器。在其他实施 例中，该计算能够被不同地组织，以达到大体上同一图像。
[0104] 该图像质量可以通过结合由波束成形器从一个或多个随后发射声脉冲形成的图 像而提高。对图像质量的更进一步提高可以通过结合由超过一个接收孔形成的图像而获 得。重要的考虑因素是，来自不同声脉冲或接收孔的图像的总和是否应该是相干总和（相 位敏感）或不相干总和（在没有相位信息的情况下对信号的数值求和）。在一些实施例中， 相干（对相位灵敏）总和可以被用于结合由位于由一个或多个声脉冲引起的共同接收孔的 换能器元件接收的回波数据。在一些实施例中，不相干总和可以被用于结合由接收孔接收 的回波数据或图像数据，其可能含有相位抵消的数据。这可以是接收孔具有大于用于给定 成像目标的最大相干孔宽度更大的结合的总孔时的情形。
[0105] 在一些实施例中，第一组图像可以使用同相数据获得，并且第二组图像可以从正 交数据获得。
[0106] 本 申请人:的在先申请中描述了在B模式成像中使用的这种动态波束成形器的各 种实施例，包括美国专利No. 8, 007, 439和美国专利申请公开No. 2011-0201933-A1。
[0107] 对基于声脉冲的多普勒的介绍
[0108] 与常规基于扫描线的相控阵列超声波成像系统相反，多孔超声波成像系统的一些 实施例可以在发射脉冲期间使用点源发射。从点源发射的超声波波前（在本文中也被称 作"声脉冲"）用圆形或球形波前照射整个关心区域。因此，不需要在用基于声脉冲的成像 系统发射之前为多普勒测量建立有限的关心区域（例如，如这种有限区域的"范围门"通常 在本领域中已知），因为多普勒信号可以从成像视场中的任一点检测。因此，本文中所述的 系统和方法的一些实施例可以被配置为循环经过并从整个声照射关心区域内的多个"测试 段"单独地寻求运动信息，以便确定这些测试段的哪一个包括运动反射体。这个重要优点适 用于一维多普勒信号（即流向或远离探针或阵列）和矢量多普勒两者，该矢量多普勒利用 超过一个换能器阵列来检测图像平面内的二维运动矢量。当使用矢量多普勒（即，使用横 向间隔开的阵列或阵列段的多普勒成像）与声脉冲发射结合，反射体能够沿着在图像平面 内具有任何定向的轴被指定。轴甚至可以与多孔换能器相切，并不限于与换能器排列成行。 该多孔探针需要仅仅照明所关心的领域，因为能够在所有方向对流进行计算。
[0109] 在各种实施例中，多孔超声波成型系统可以被配置为用使用未聚焦的宽波前脉冲 的多孔探针来执行B模式成像，诸如半圆形或球面波前脉冲。这些宽的波前脉冲可以通过 从点源元件（或元件组）发射持续时间短的超声波波前信号形成。在这些实施例中，也可 以期望使用宽的波前发射波束用于使用多普勒技术来检测成像的对象或物质的运动。这种 系统的优点包括不需要发射波束成形器和用于多普勒和B模式成像两者的共用接收波束 成形器的可能性。另外，范围门不需要在窄的段中预先分配。而是，图像中每个像素可以单 独被测试为"测试段"。此外，在一些实施例中，用具有至少两个孔的多孔探针执行多普勒成 像意味着血流速度可以在任何方向被检测到。具有三个或更多孔的多孔探针可以提供进一 步改进。
[0110] 基于声脉冲的多普勒发射波形的实施例
[0111] 图7提供了方框图，其说明了用于测量对象110内部的运动的基于声脉冲的多普 勒处理子系统100的实施例。该多普勒处理子系统100可以是独立于或集成到更宽广的超 声波成像系统中。在一些实施例中，由基于声脉冲的多普勒子系统100控制的发射换能器 元件120和接收换能器元件112可以是超声波探针所有元件的子组（例如，图3、8、或10-13 的任何一个或任何其他多孔探针配置）。由接收换能器元件112接收的回波信号可以被发 射到指定信道的接收电子器件122,其可以包括各种模数和滤波电子器件。在一些实施例 中，基于声脉冲的多普勒子系统100可以被配置为控制探针的所有可用换能器元件。在一 些实施例中，发射元件120可以是专用于多普勒发射功能的单个换能器元件，但是在其他 实施例中，发射元件120可以包括任何数目的探针的换能器元件，其可以即时指定为并作 为多普勒发射元件。如下面更详细描述的，延迟控制器124可以被提供，以应用指定信道延 迟126到所接收的回波信号，用于存储同相和正交回波信号。也可以包括下面更详细描述 的存储器220和显示器244装置。
[0112] 图7的多普勒子系统100也可以包括（软件或硬件）波束成形器，如下面更详细 描述的，其被配置为执行基于声脉冲的波束成形过程。复杂波形处理器140可以被用于执 行同相和正交回波信号的复杂处理，以便检测多普勒位移频率和/或确定多普勒信号的运 动方向。
[0113] 图8说明了探针1030的实施例，其包括许多接收元件"rx"，但是相对小的发射 孔"tx"（其可以由单个换能器元件构成或可以包括组合的两个、三个、四个、五个或更多元 件），其被用于发射未聚焦的点源脉冲信号（aka "声脉冲")。在一些实施例中，发射孔可以 包括标准阵列的一个或多个元件，或者其可以是特定换能器，被设计用于承受更大的电压 摆幅并且作为发射器比作为接收器更有效。在一些实施例中，接收元件"rx"可以被用于仅 接收模式，并且因此不需要花费并经历每个元件上的发射/接收开关的衰减。
[0114] 在一些实施例中，诸如图8中示意说明的探针1030可以是"单孔探针"，其中对于 探针被设计用于其的大多数成像方案，其总孔比最大相干宽度窄。替代地，图8的示意图也 可以表示多孔探针的任何单个孔。
[0115] 在使用中，基于声脉冲的多普勒子系统（例如，如图7所示）可以控制探针，诸如 图8中所示，以在高声脉冲重复率重复地从发射换能器"tx"发射声脉冲，并且由接收换能 器"rx"接收的回波可以由多普勒子系统100数字化。在一些实施例中，最大理论声脉冲重 复率可以由目标组织中的声速和关心区域的目标深度（说明任何衰减）限制。例如，最大声 脉冲重复率优选地足够缓慢，以便第一发射波前从发射换能器行进，在关心区域中被对象 反射，并且在发射第二波前之前到达接收换能器。然而，该声脉冲重复率不需要比这个往返 行程的传播时间慢。在一些实施例中，进一步安全裕度可以被增加到脉冲之间的时间上，以 避免在接收换能器处脉冲重叠。在各种实施例中，可以支持从大约2, 000Hz到大约8, 000Hz 或更高的声脉冲重复率。在一些实施例中，可以使用大约2500Hz的声脉冲重复率。
[0116] 图7的系统可以还包括脉冲发生器，其被配置为生成多普勒发射波形。在各种实 施例中，为了评估运动的目的使用多普勒技术发射的超声波声脉冲可以具有比用于成像 (例如B模式）目的发射的声脉冲（或其他的超声信号）不同的特性。在一些实施例中， 将用于多普勒成像中的波形可以在低于为用于同一关心区域的B模式成像发射的波形的 频率下发射。例如，如果使用在3MHz的频率发射的超声信号获得B模式图像，那么可以使 用在2MHZ发射的超声波波形获得相应的多普勒彩色流成像（例如，将被覆盖在B模式图像 上）。如本领域中众所周知，没有假信号情况下能够检测到的最高的多普勒频率是PRF/2。 在基于声脉冲的多普勒的背景中，这意味着没有假信号情况下可检测的最大多普勒频率是 发射的多普勒声脉冲频率的一半。因此，发射中心频率低于用于B模式成像的多普勒声脉 冲可以减少多普勒信号的假信号的发生。
[0117] 用于多普勒成像的超声波声脉冲也可以被发射为脉冲宽度（即，周期）比为B模 式成像发射的声脉冲长。更长的脉冲宽度使波前在特殊测试段持续足够长的时间，以便可 以在返回的回波中检测到多普勒位移。这些多普勒发射声脉冲的脉冲宽度可以在周期中测 量。在各种实施例中，取决于被成像的介质的特性、发射信号的频率、关心区域的深度及其 他因素，多普勒声脉冲的单个周期的脉冲宽度可以直到几十或更多周期。在一些特殊实施 例中，多普勒声脉冲的脉冲宽度可以在大约10个周期和大约32个周期之间。在几个具体 实例中，多普勒声脉冲的脉冲宽度可以是大约10个周期、12个周期、13个周期、14个周期、 15个周期、16个周期、17个周期、18个周期、19个周期或20个周期。
[0118] 脉冲长度增加可以导致"多普勒分辨率"增加（即，运动反射体的速度的测量的质 量），但是更长的脉冲宽度通常也将导致"空间分辨率"的减少（即，描述运动反射体的位 置的信息的质量）。因此，用于多普勒发射声脉冲的脉冲宽度的任何选择将涉及平衡这两 个竞争因素。在一些实施例中，用户界面控制可以被提供，以允许用户增加或减少发射脉冲 宽度。对脉冲宽度的调整可以基于诸如将成像的对象的材料、大小或密度、所期望的成像深 度、或用于运动检测准确度对运动反射体位置准确度的优先、或其它相关因素的用户评定， 来人工执行。在其他实施例中，超声波成像系统可以基于关于这些因素的信息的自动评定 或人工输入来自动调整发射脉冲宽度。
[0119] 在一些实施例中，超声波系统可以被配置为在发射多普勒信号和B模式成像信号 之间交替。在这些实施例中，在长多普勒声脉冲从单个发射孔发射之后，一个或多个B模式 成像信号可以从一个或多个B模式成像发射孔发射。在一些实施例中，可以包括比多普勒 声脉冲脉冲宽度更短并且频率更高的一个或多个声脉冲的B模式成像发射信号可以作为 多普勒信号从同一发射孔发射，或者从一个或多个不同的发射孔发射。在其他实施例中，多 普勒成像系统可以被配置为发射第二多普勒声脉冲，或从与第一多普勒声脉冲的同一发射 孔发射一系列多普勒声脉冲。在还其他实施例中，多普勒成像系统可以被配置为在从第一 发射孔发射第一多普勒声脉冲之后从第二发射孔发射第二多普勒声脉冲。在更进一步实施 例中，任何数目的发射孔可以被用于发射多普勒声脉冲。在大多数实施例中，通常将在继续 从其他的发射孔发射进一步的多普勒声脉冲之前，从一个发射孔发射完全多普勒声脉冲。
[0120] 在一些实施例中，多普勒声脉冲也可以包括前序和/或后续（postamble)信号，其 可以由接收系统用于（分别地）识别多普勒声脉冲信号的开始和/或结束。这些前序和/ 或后续信号可以按照需要包括任何信号形。
[0121] 接收和存储基于声脉冲的多普勒回波数据的实施例
[0122] 在各种实施例中，由接收孔接收的回波可以被数字化并且存储在存储装置中（例 如，使用诸如下面更详细描述的系统）。在一些实施例中，从多普勒声脉冲接收的回波数据 可以被存储在两个数据组中，在本文中被称作同相数据组和正交数据组。同相数据表示具 有零延迟的所接收回波信号。正交数据表示相同回波信号，但是其相对于同相数据具有大 约发射波形的中心频率周期的四分之一的延迟。如下面更详细描述的，同相和正交数据可 以被分析和比较，以确定任何多普勒位移的方向。
[0123] 如下面参考图19更详细描述的，回波数据可以为每个接收换能器元件存储在分 开的数据流中。在一些实施例中，两个数据流（例如，同相和正交）或更多可以为每个换能 器元件存储。
[0124] 如本文中所使用的，术语"测试段"指在检查中所接收的多普勒回波数据的离散部 分。测试段的概念类似于被用于常规基于扫描线的多普勒成像的多普勒范围门的概念，但 是包括更多。在基于扫描线多普勒成像中，可利用的测试段仅仅被限制于声照射对象的已 经在发射和接收超声信号之前预先定义为多普勒范围门的那些段。在这些常规基于扫描线 的超声波成像系统中，在任一时刻仅仅显著声照射沿着扫描线的数据。因此，在基于扫描线 的系统中，多普勒门必须由位于沿着目标最小深度和最大深度之间的扫描线的区域组成。
[0125] 相反，在利用宽的波前或点源发射脉冲（例如，声脉冲）的基于声脉冲的多普勒成 像系统中，全部图像平面用每个发射声脉冲声照射，结果，图像平面中的任何（或每个）像 素可以被分析为单独的测试段，而无需预先定义在其中为多普勒频率测试的窄的区域。在 其他实施例中，测试段可以被定义为相邻像素组。在一些实施例中，一个或更多测试段可以 由用户通过适当的用户界面器件选择，诸如拨号盘、滑动器、数字键盘、触摸屏手势等等。
[0126] 使用如上所述的动态波束成形技术，由接收孔的全部元件接收的多普勒声脉冲的 回波可以被结合，从而为每个反射体（由一个或多个像素表示）确定位置。然后，反射体可 以被这样布置到将为多普勒频率检测评估的测试段中。在其他实施例中，回波数据可以被 布置到仅基于回波数据的到达时间的测试段中。
[0127] 多普勒频率检测的实施例
[0128] 多普勒位移频率可以通过将来自单个换能器元件接收的单个多普勒声脉冲的回 波分为许多样本来识别。在一些实施例中，回波信号可以被分为样本，以便每个样本大约是 发射频率的单个周期的大小。例如，如果多普勒发射声脉冲的脉冲宽度为16个周期，那么 从这种多普勒声脉冲接收的回波可以被分为16个等长样本，用于多普勒频率检测。然后， 样本可以被分析以确定接收的回波的频率是否比相应的发射多普勒声脉冲的频率更高或 更低。频率高于或低于相应的多普勒声脉冲的回波指示运动反射体。如果反射体未运动， 那么来自反射体的回波信号的全部样本的振幅会大体上彼此相等。如果反射体运动，那么 样本的振幅可以期望以多普勒频率变化。在一些实施例中，多普勒频率的检测可以通过将 所接收回波信号分为如上所述的同相和正交数据流而得到进一步的帮助。这参考图9A和 9B进一步说明。
[0129] 图9A说明了用于从多普勒声脉冲获得的单个测试段的同相回波数据的波形62的 实例，并且图9B说明了用于从同一多普勒声脉冲获得的同一测试段的正交回波数据的相 应的波形64。如果所讨论的测试段位于零运动的点处，那么图9A和9B的波形将具有恒定 振幅，并且频率大体上等于所发射多普勒声脉冲的频率（加不可避免的噪声的影响）。实 际上，图9A和9B的波形表示运动的点，并且因此为相应的多普勒频率的样本。因此，通过 比较所接收的回波信号的测得频率与所发射声脉冲信号的已知频率，可以检测到多普勒位 移。由于两个这种信号（即，同相信号和正交信号）之间具有大约90度的相移，有可能确 定运动是向着换能器探针还是远离换能器探针。在替代实施例中，也可以使用从所接收的 波形检测多普勒频率的任何其他已知方法。
[0130] -旦为给定运动反射体检测到多普勒位移频率，就可以基于接收的多普勒回波的 时间和诸如成像介质中的诸如声速（"c"）的已知信息，直接计算与所检测的多普勒频率关 联的速度。例如，在一些实施例中，可以使用被称作时间域相关（TDC)的技术，其中反射体 位移（Λ X)通过取声速（"c"）和所检测时间位移（At，对应于多普勒频移）的乘积的一 半来确定。
[0131] Δ X = c* Δ t
[0132] 运动反射体的速度（Vr)仅仅是位移（Λ x)除以发射波形（PP)的连续周期之间的 时期：
[0133] Vr = Δ χ/ΡΡ
[0134] 在各种替代实施例中，也可以使用基于所检测多普勒频率而量化反射体的速度的 任何其他已知方法。
[0135] 除了反射体的标量速度，也可以不同精度地确定运动的矢量方向，这取决于使用 的分析的类型、可利用的处理能力、使用的探针类型及其他因素。通常，可以在一维上或多 维上检测到运动。
[0136] 一维多普勒运动检测的实施例
[0137] 在一些实施例中，这些处理可以通过在诸如图9Α和9Β中说明的同相波形62和正 交波形64的复杂（实部和虚部的）组合上执行快速傅里叶变换来实现这些处理。这种操 作的结果将产生Ν个元素的复数矢量。然后，该复数元素可以被转换为振幅，或者可以计算 功率谱。该元素的一半对应于正多普勒位移（向探针的运动），并且另一半对应于负的位移 (离开探针的运动）。在替代实施例中，这个处理可以用在发射多普勒声脉冲频率下采样三 个或更多帧的无限脉冲响应（HR)滤波器实现。在进一步实施例中，任何其他正交检测方法 或任何其他已知方法可以被用于基于所检测的多普勒频率对运动反射体的方向进行一维 确定。在一些实施例中，这些多普勒处理的结果可以被显示给临床医生，并且也可以拥有声 频输出。在一些实施例中，多普勒数据可以作为对B模式扫描的覆盖（overlay)而显示。
[0138] 在一些实施例中，如上面参考图2所述，在执行任何波束成形20之前，在发射多普 勒声脉冲之后，接收孔的每个元件接收的原始的未经波束成形的回波数据可以被分析，以 检测指示运动反射体的多普勒频率位移24。在这些实施例中，"测试段"可以基于由接收元 件接收的回波的相对时间而定义并选择，而不是基于如上实施例中的反射体位置（通过波 束成形确定）。在这些实施例中，多普勒频率可以以如上所述大体相同的方式检测24,而不 是基于反射体位置定义测试段，测试段可以通过由每个接收元件接收的回波信号的定时定 义。
[0139] 在一些这种实施例中，一旦在回波数据的一个或多个段中检测到24运动，那么指 示运动反射体的那些回波就可以被波束成形20,以便为表示运动反射体的像素确定位置。 通过这种波束成形（例如，使用诸如如上所述的动态波束成形过程），可以确定运动反射体 在多普勒回波数据中的位置。在单个接收孔的全部接收元件接收的多普勒回波数据可以通 过相干求和而组合，以便提高得到的位置信息的横向分辨率。
[0140] 在一些实施例中，当波束成形以定位表示将显示的图像（或图像层）中运动像素 的像素位置时，可以忽略多普勒回波数据组指示无运动的部分或者指示速度低于阈值的那 些部分。这样，仅仅由运动得比阈值快的反射体引起的多普勒回波数据可以被用于建立多 普勒图像。
[0141] 在一些实施例中，B模式成像的自动探试分析可以被用于提高将包括在最终多普 勒图像（或合成图像的多普勒图像层）中的多普勒信息的空间分辨率。例如，B模式图像可 以被评估以识别血管（例如，使用诸如美国专利8, 105, 239中所述的过程）。用这种信息， 成像系统可以被配置为产生指示在仅仅被识别为血管的区域中的运动的图像。在其他医学 或非医学应用中可以应用类似的方法。
[0142] 在一些实施例中，检测到的运动可以在显示器上被指示为颜色。在所检测的运动 是一维的（即，向着或离开探针）实施例中，一个方向上（例如，向着探针）的运动可以以 一种颜色指示，诸如红色，而在相反方向上（例如，离开探针）的运动可以以另一种颜色指 示，诸如蓝色。可以通过改变两个选定颜色的强度指示变化的多普勒频率。然后，这种有颜 色的多普勒图像可以用B模式图像覆盖，以便为多普勒运动信息提供背景。在其他实施例 中，多普勒图像可以独立显示。使用一维基于声脉冲的多普勒方法，无需预先具体定义所关 心的多普勒区域（或测试段），就可以显示在B模式图像内的任一点的运动。这是因为多普 勒声脉冲将声照射由相应B模式图像的程度定义的所有关心区域。
[0143] 多维多普勒运动检测的实施例
[0144] 通过使用超过一个接收孔或超过一个发射元件，也可以检测到沿着超过一个轴排 列的流的分量。在这种实施例中，沿着不同轴的流分量能够被组合，以便为每个门或像素找 出流动的总速度和方向。例如参考图8,在探针1030的发射孔"tx"左边的接收元件"rx" 可以被作为一个接收孔处理（例如，使用如上所述的一个一维过程），而在发射孔"tx"右边 的接收元件"rx"可以作为单独的接收孔处理。在这个情形中，如与左侧孔相比，对于右侧 孔的最大流动灵敏度的方向将稍微不同。在一些实施例中，方向灵敏度的这个差异可以被 利用，以推断目标对象（例如，动脉中的血液）的总流量和方向。
[0145] 在替代实施例中，相同的优点可以通过利用多个发射孔和单个接收孔来实现。例 如，图10说明了在每一端上都具有发射换能器元件的线性换能器阵列1034。在一些实施例 中，图10的阵列1034可以足够宽，以包括多个接收孔。这些方法的每个的实施例在下面更 详细地描述。
[0146] 在一些实施例中，总孔大于为用于设计成像场景的最大相干孔宽度两倍、三倍或 更多倍的多孔超声波探针可以被用于增加点源发射孔"tx"、将评估的像素、和每个接收孔 对着（subtend)的角度。通过增加到被评估的像素的路径之间的角度，在不同接收孔处的 测量结果之间的差异通常将更大，并且所推断的总流量和方向将更不容易出错。在一些实 施例中，多孔探针可以是双孔系统，诸如图11中所示的阵列1032或图12的阵列1036。在 其他实施例中，多孔探针可以是如图13中所示的三孔探针1038。进一步实施例提供了许多 其他可能性，诸如将一个或多个发射孔放在接收阵列的边缘，而不是中心，放在凸状或凹状 曲线阵列，或者放在在沿着阵列不同点放置的多个发射孔。在一些实施例中，可以使用超过 一个发射孔，并且通过使用每个发射孔接收的多普勒结果可以用来自其他发射孔的结果求 平均值，以进一步提高结果。图10中说明了具有多个发射孔的探针1034的实例。
[0147] 图14说明了过程300的实施例，其用于使用多孔超声波探针检测标量速度测量并 且基于探针几何结构进行与回波数据相独立的近似。根据图14的过程300,该超声波成像 系统可以首先确定302正在使用多孔超声波探针。这种识别302可以通过探针和连接探针 时的成像系统之间的握手通信发生。替代地，这种检测302可以简单地涉及确定使用多孔 探针收集存储数据组。
[0148] 该过程300也可以涉及为图像域中每个像素计算或以其他方式获得304校正因数 的阵列（即，用于通过其将成像特定反射体的每个声路径的校正因数）。如下面将进一步描 述的，可以基于使用的多孔探针的发射和接收孔的几何结构为每个孔内声路径计算数据独 立近似因数。可以使用任何可利用的方法识别并定位306运动反射体，这些方法包括本文 中所述的方法。可以通过将所测量速度乘以这种数据独立近似因数来计算308最小反射体 速度。通过求平均值、加权平均或任何其他方法可以聚集多个速度测量结果，从而进一步细 化最小速度估算的准确度。
[0149] 参考图15并且如下面更详细描述的，连接发射孔320和像素位置315的第一线 321与将像素位置315连接到接收孔322的第二线之间的角度Φ 1仅仅取决于探针的已知 几何结构和使用的图像窗口。图15还说明了发射线321和各自接收线325和327之间的 角度Φ2和Φ3。结果，对于给定探针和图像窗口，可以为发射孔320、像素位置315和接 收孔322、324或326的每种组合（即为每个声路径）预先计算角度Φ。一旦已经确定角 度Φ，就可以为每个像素位置和像素上的每个声学窗口预先计算等于l/cos(〇/2)的数据 独立近似因数。对于Φ为零的任何声路径（即，孔内声路径），该校正因数将简单地为一 ( C〇S(0) = 1)。对于Φ几乎为零的任何声路径，校正因数也可以假定是一。
[0150] 再次参考图14,使用如上所述的任何方法，或任何其他适当的方法，多普勒频率检 测可以用于使用一个或多个声路径来鉴定、定位和确定运动反射体306在任何（或每个） 像素位置的速度。然后，对于任何给定像素，通过每个声路径获得的速度可以乘以308用于 该声路径的数据独立近似因数，从而获得表示反射体的最小速度的速度测量结果。可以结 合（诸如通过求平均值或加权平均）由多个声路径获得的速度测量结果，从而进一步提高 测量的准确度。在其他实施例中，由多个声路径获得的最大速度测量结果可以被视为所述 最小速度测量结果。
[0151] 图16说明了过程350的实施例，其用于检测表示运动反射体在图像平面内的速度 和方向的二维速度矢量。图16的过程350可以以与图14的过程300大体相同的步骤开始， 包括检测多孔超声波探针302的存在、为将使用的声路径计算304调节因数、使用多普勒检 测技术识别并定位306运动反射体、和应用308数据独立调整因数。在计算速度方向之前， 该数据独立调整因数可以被用作对速度的修正。然后，可以通过结合使用两个不同声路径 获得的测量结果，来计算360速度矢量。可以通过求解源于用于两个所使用路径的声路径 几何结构的一组联立方程，来计算360反射体在图像平面内的运动速度和方向。下面参考 等式1-7提供这些联立方程的实例。
[0152] 然后，可以结合362使用来自多对声路径的测量获得的速度矢量，诸如通过找到 矢量的叉积。在一些实施例中，一个或多个声路径可以被识别（由用户人工，或者由成像系 统或图像处理系统自动），从而更可能为特殊反射体提供运动速度和方向的精确测量。在这 些实施例中，当结合通过多个声路径获得的矢量时，使用这些更高质量的声路径获得的速 度矢量可以被给予更高的加权值。
[0153] 为了描述上简单，将参考图12的探针1036描述多孔多普勒成象系统的工作。由 于本文中的描述和说明，对图13的探针1038或者任何其他的可能探针构造的这个分析的 扩展对本领域技术人员而言是清楚。
[0154] 图12的探针1036包括其上具有至少一个指定的发射元件"tx"的第一水平阵列。 如上所示，发射元件可以位于第一水平阵列的中心。在一些实施例中，未用于发射功能的换 能器元件可以为接收功能保留。相对于第一阵列成直线或以角度放置的第二阵列可以完全 被指定为用于接收回波。每个元件在第一和第二阵列每个上的声学位置优选地在至少所期 望的精度上精确已知。
[0155] 图17说明了图12的系统的进一步简化表示。在图17中，点C1050表示将为其估 算流的速度和方向的测试段（在本文中称作候选点1050)。为这个讨论目的，在点cl050的 真实速度被表示为V，并且真实方向被表示为角度γ。点"a"1052表示水平阵列的中心，并 且对应于发射孔"X"的位置以及第一接收孔"Rxl"的中心。点"b"表示第二接收孔"rx2" 的中心元件。
[0156] 线"a-c" 1062表示发射波前从发射元件"tx"行进到候选点1050的路径。线 "a-c"1062也表示回波从候选点1050返回到第一接收孔"Rxl"的中心的路径。线"b-c"1064 表示回波从候选点1050行进到第二接收阵列"Rx2"上的点"b" 1054的路径。角α是线 "a-c" 1062相对于水平参照线1070的角度。类似地，角β表示线"b-c" 1064相对于同一 水平参照线1070的角度。
[0157] 如果候选点"c" 1050由来自从发射孔"tx"发射的脉冲的回波的第一接收孔 "Rxl"（即，沿着声路径"a-c"）成像，那么多普勒信息将对运动沿着线"a-c" 1062的分 量最灵敏。用从发射孔"tx"发射的多普勒信号对来自第二接收孔"Rx2"的同一候选 点"c" 1050( S卩，沿着声路径"a-c-b"）成像，对于多普勒信息最灵敏的轴是所说明的线 "d-c" 1066,其将角度"a-c-b" 1068二等分。这是因为多普勒信息（即接收回波的频率相 对于发射多普勒声脉冲频率的增加或减少）将受沿着线"d-c"1066的发射和接收路径两者 的影响。线"d-c"离水平参照1070的角度为δ = (α+β)/2。因此，无需进行更进一步 的分析，上述确定运动方向的一维方法可以被采用以测量沿着在点"c"处沿着反射体的线 "d-c" 1066的速度分量。
[0158] 对于这个讨论，Vmax表示对于给定多普勒声脉冲频率可检测的最大速度。如本领 域中众所周知，没有假信号可检测的最大的多普勒频率是PRF/2。在基于声脉冲的多普勒 的背景中，这意味着没有假信号可检测的最大多普勒频率是发射的多普勒声脉冲频率的一 半。以Vmax在候选点"c"运动的颗粒沿着路径"a-c"返回的相移为每个脉冲π弧度。这 等于在脉冲之间的时间中运动四分之一波长（λ/4)的颗粒。然而，沿着路径"d-c"并且由 第二接收孔"Rx2"沿着路径"a-c-b"的相移感测的同一速度产生仅仅Ji cos(S-a)的相 移。这能够参考图18看出，其中在候选点1050的颗粒被表示为沿着路径"d-c"行进距离 λ /4到点el074(图中距离被夸大）。使到点' Π 080的垂直线在点"c"下落到线"a-e"上建 立了三角形"c-e-f "，其中段"e_f " 1082表示用于路径"a-c"的路线长度的增加，由于在点 "c"的反射体运动到点"e" 1074的位置。注意到角度"d-e-a"几乎等于角度"d-c-a"（因 为距离"c-e"非常小），那么"e-f"?=X/4c 〇S(S-a)。由于这个递增的路线长度与用 于路径"c-b"的相同，那么总的相位移为π cos( δ -α )。因此沿着路径"a-c-d"的所有测 量可以通过将这些测量乘以l/cos(S-a)来校正。
[0159] 幸运地是，如上面所计算的角差和修正能够为每个图像像素预先已知，并且这不 取决于发射或回波数据。这是因为每个图像像素都绘制到关心区域内的已知位置，并且因 为每个换能器元件的声学位置由成像系统已知（例如，如诸如上面参考的本 申请人:的在先 申请中所讨论校准系统确定的）。因此，对于选定图像深度，能够从已知的探针几何结构计 算用于每个图像像素和每个发射孔/接收孔组合（即，每个声路径）的角度S和a。因 此，能够在多普勒测量过程期间预先计算并且在存储器中存储在任何选定成像深度或图像 窗口的用于每个像素的校正因数的阵列。在其他实施例中，可以动态计算这些校正因数。
[0160] 可以通过确定由发射孔、反射体点和接收元件（例如如图15中所示）形成的角度 Φ，然后为该声路径将数据独立校正因数计算为l/cos(〇/2)，来为任何孔内声路径计算类 似的校正因数。用于任何孔内声路径（对于其Φ是零）的校正因数将等于一（因为cos (0) =1)。
[0161] 用于沿着路径a-c-b的多普勒位移的校正=l/c〇S(S-a) (1)
[0162] 假设进行这个校正（并且关于用于诸如图13中的多孔配置的发射-接收路径两 者），用于V和γ的计算可以如下进行。
[0163] 让Va为使用声路径"' d_c"在点"c"的V的测量结果，并且让Vb为使用声路径 "a-c"在点"c"的V的测量结果。那么
[0164] Va = V cos ( y - α ) (2)
[0165] Vb = V cos ( y - δ ) (3)
[0166] 由于Va、Vb、α和δ已知或已测量，那么能得到V和γ如下：
[0167] 让 K = Va/Vb
[0168] 如果Vb不是零或不接近零，
[0169] cos(y-a) =K cos(y-5)
[0170] cos y cos a +sin y sin a = K cos y cos δ +K sin y sin δ
[0171] (cos a -K cos δ ) cos y = (K sin δ -sin a ) sin y
[0172] tan γ = (cos a -K cos δ ) / (K sin δ -sin a )如果 Vb 尹 〇
[0173] γ = arctan ((cos a -K cos δ ) / (K sin δ -sin a ))如果 Vb 尹 〇 (5)
[0174] 替代地，如果Va不是零或不接近零，
[0175] K' = Vb/Va (6)
[0176] cos y cos δ +sin y sin δ = K' (cos y cos a +sin y sin a )
[0177] (cos δ -K，cos a ) cos γ = (K，sin a -sin δ ) sin γ
[0178] tan γ = (cos δ -K，cos a ) / (K，sin a -sin δ )如果 Va 尹 〇
[0179] γ = arctan ((cos δ -K，cos α ) / (K，sin a -sin δ ))如果 Va 尹 〇 (7)
[0180] 在使用适合等式得到Y之后，等式（2)或（3)任一个可以被用于评估速度V，不考 虑流体流动方向。
[0181] 对于许多应用，等式（4)和（5)或（6)和（7)的相对复杂的计算可能不被证明是 正确的。如果进行等式（1)的修正，其不是依靠数据的（即，这些值可以基于探针几何结构 和成像深度和像素位置已知，而无需任何回波数据），那么估算总速度的最大误差通过使用 下列等式：
[0182] S (speed) = (Va+Vb)/2 (8)
[0183] 能够被如下计算：
[0184] S = V/2 (cos ( y - a ) +cos ( Υ - δ ))
[0185] 当下列情况，最大速度出现，
[0186] dS/dy =-V/2 (sin ( y - a )+sin ( γ - β )) =0
[0187] 然后
[0188] sin ( γ - α ) = -sin ( γ - δ ) = sin ( δ - γ )
[0189] γ - α = δ - γ
[0190] 2 Υ = α + δ
[0191] γ = (α + δ)/2
[0192] 因此当V与角度（α + δ)/2排成直线时，最大速度出现。
[0193] 该系统对在与线"d_c"正交的方向上的流动最不灵敏，也就是（α + δ ) /2+ π /2。
[0194] S = V/2 [cos ((- α + δ +η) /2) +cos (( α - δ +η) /2)]
[0195] = V/2 [sin (( δ - α ) /2) +sin (( δ - α ) /2)]
[0196] = V sin (( δ - α )/2)
[0197] 在图像的角度（δ-α)大于30度的任何区域中，使用这个简化方式在正交方向上 的速度将被低估不超过50%。
[0198] 对于与角度（α + δ)/2对齐的流动，
[0199] S = V cos (( δ - α )/2) ·
[0200] 因此，在其中（δ-a )/2小于60度的任何区域中，使用这个简化方式在方向 (α + δ )/2的方向上的速度分量将被低估不超过50%。
[0201] 相反，由单个角度（或一维）颜色流多普勒估算的速度能够在与测量角度正交的 方向上完全错过速度。
[0202] 在上述分析中，使用接收孔rx的中心基于接收孔关于中心点对称的假设来执行 计算，并且在执行速度计算之前连续对由接收孔的单个元件接收的回波求和。在其他实施 例中，可以在上述速度计算中使用在接收孔上的任何其他的点。在进一步实施例中，上述计 算可以延伸至如由接收孔的每个单个元件所测量的那样分别计算速度。
[0203] 类似地，由于本文中所述的如将对本领域技术人员清楚的，上述分析也可以被延 伸至利用超过两个接收孔和/或超过一个发射孔的系统。例如，上述分析可被应用到包括 第三接收孔的超声波探针，诸如图13中的中心阵列"rx3"。在这些实施例中，任何给定运 动反射体"c"的速度的第一测量可以使用如被应用到中心接收孔"rx3"和左接收孔"rx2" 的分析来计算。反射体"c"的速度的第二测量可以使用如被应用到中心接收孔"rx3"和右 接收孔"rxl"的分析来计算。然后，第一和第二者速度矢量可以被求平均值以获得最终速 度测量。在一些实施例中，第一和第二速度矢量可以与加权平均值结合，加权平均给发射/ 接收孔对更多加权值，其提供了被测量点的更好的视图。类似地，使用两个发射孔和一个或 多个接收孔测量的速度矢量可以被平均，以提高速度测量的准确度。
[0204] 例如，在一些实施例中，上述过程可以用于使用第二、第三、第四、第五（或任何数 目额外的）接收孔同时与第一接收孔获得速度测量。在这些实施例中，可以（例如，通过求 平均值或加权平均）结合从全部接收孔获得的速度数值和方向测量，从而进一步增加这些 测量的准确度。
[0205] 非多普勒运动检测
[0206] 图20说明了使用基于声脉冲的成像系统而无需检测多普勒频率就可以检测运动 的过程400的实例。这些实施例可以使用高帧率声脉冲成像和图像处理技术来检测所成像 像素的运动。因为完整图像可以从单个发射声脉冲的回波计算（如上并且在上面参考的本 申请人:的在先申请中所述），所以可以以与最大可能的声脉冲重复率一样高的帧频获得声 脉冲图像，所述帧频仅仅由单个声脉冲信号的往返行程的传播时间来限制。换句话说，因为 单个声脉冲需要形成图像，那么对帧频的唯一重要限制是在所成像介质中的超声波声速。 例如，在一些实施例中，当用足够高的的帧频下的图像序列成像到18cm深度时，基于声脉 冲的成像系统能够实现每秒4000帧或更高的帧频，可以直接看到对象的运动。此外，可以 进行高帧频图像的序列的计算机分析，以便使用颜色流或任何其他技术自动识别并突出运 动。
[0207] 因此，在一些实施例中，用于非多普勒运动检测方法的过程400可以包括通过选 择发射孔402、发射B模式声脉冲404、用多个孔406接收B模式声脉冲的回波406来获得 单个帧。步骤402-406可以重复408,以获得一些帧（例如，几十个、几百个或几千个帧）。 (在一些实施例中，步骤402-406可以用不同发射孔重复，以便为第一帧获得额外数据）。然 后，每个帧都可以被波束成形，以获得一系列图像410。
[0208] 在一些实施例中，然后可以使用通常用于图像处理的许多已知运动评估技术的任 何技术来进行412对高帧频图像的序列的自动分析。使用这些技术，快速运动反射体（诸 如管中流体或血）可以区别于静止或慢慢运动的对象（诸如管壁、血管壁或固体组织）的 较慢运动。像素值比来自静止或缓慢运动对象所期望的更快的变化可以被检测为运动并且 被显示为叠加在B模式图像上的颜色。然后，可以强调被识别为表示运动对象或物质的像 素414,诸如类似于本文中所述的其他实施例通过应用强度或色调依赖于运动的方向和速 度而变化的颜色。在一些实施例中，诸如基于在几个帧上每个像素的频率分析的信号处理 可以被用于区别快速运动小反射体和缓慢运动的大反射体。在各种实施例中，这些技术可 以被用于确定所关心的成像区域内任何方向上的运动速度矢量。
[0209] 显示运动信息
[0210] 不论是使用多普勒技术或高帧频运动评估技术来检测到运动，可以建立一个或多 个阈值以提供用于从"缓慢运动"或"静止"点区别"快速运动"点的测试。在各种实施例中， 阈值可以由用户人工建立或者由软件代理基于因数自动确定，该因数例如已知成像对象中 所检测的运动和/或有关所期望的运动范围的信息的分析。在一些实施例中，可以用与快 速运动点不同的颜色或强度显示缓慢运动或静止点。
[0211] 关于颜色流多普勒，本发明的实施例能够能够潜在地为可用显示器提供过多信 息。在一些实施例中，可以用不同颜色来对每个流角度进行颜色编码，但是这些颜色的解释 可能令人困惑。当前医学实践中颜色流多普勒的一个重要使用是检测血流的逆流和紊流。 为了这些目的，可以期望双颜色系统。
[0212] 在这些实施例中，在检测到流动的局部区域，可以确定用于流动的最大轴（诸如 沿着动脉或通过瓣膜）。然后，在沿着最大流动轴的一个方向上的运动可以由一个颜色的 色调指示（诸如红色），并且在相反方向上的运动可以由另一个颜色指示（诸如蓝色）。因 此，在一些实施例中，基于找到沿着最大轴的每个方向的分量，所有方向可以被显示为红色 或蓝色。
[0213] 在这些实施例中，该超声波成像系统或图像显示工作站可以被配置有用户界面， 用户可以用该用户界面确定应该为其分配颜色的轴（单个维）或坐标系（二维）。例如，用 户可以确定单个维，以便根据沿着所选择轴的速度分量的符号和数值，图像中的每个像素 都被分配颜色（例如红色或蓝色）。在其它实施例中，可以定义二维彩色系统，以便可以基 于沿着第二轴的速度分量应用至少第三颜色。在各种实施例中，主流的一个、两个或更多轴 可以由运动数据的软件分析自动确定或者由用户通过适当的用户界面人工确定。例如，主 运动的轴可以通过计算所有（或几个）速度矢量的平均值来确定。
[0214] 例如，可以定义坐标系，以便沿着横轴的正的速度分量的像素被着色红色，其强度 与沿着横轴的速度分量的数值成比例。在同一实例中，具有沿着横轴的负的速度分量的像 素可以被着色蓝色，其强度与负的横向速度分量的数值成比例。然后，具有沿着纵轴的正的 速度分量的像素可以被着色另一种颜色，诸如黄色，其强度与正的纵向速度分量的数值成 比例。也可以使用任何其他坐标系（例如，径向坐标或非正交坐标系）和配色方案。
[0215] 对于流体流动不具有主方向的更加复杂的情况下，为每个流角度采用不同颜色的 显示可以是优选地。
[0216] 频谱多普勒是一种形式的超声图像显示，其中流速度的谱在Y轴上图形表示，并 且时间在X轴上图形表示。在一些实施例中，谱分析所需要的所有数据可以对B模式图像 中的每个均可用。控制器将为将光标放置在所关心的区域并且确定样本尺寸所必需的，以 结合以光标位置为中心。
[0217] 在一些实施例中，对上面讨论到的类似技术可以被用于本领域中已经称作"功率 多普勒"。功率多普勒是非定向的并且已经被用于检测非常低的流率。为了区别非常低的 流率，该系统可能需要发射非常长的多普勒声脉冲，以在多普勒声脉冲频率下实现更多样 本。这可以具有降低帧频的效果。在一些实施例中，如功率多普勒中惯例的，可以放弃方向 信息，或者可以如上所述参考彩色多普勒描述那样显示出方向信息。
[0218] 存储器架构
[0219] 如上所述的系统和方法的各种实施例可以通过使用被配置为存储成像期 (session)的数字化回波波形的超声波成像系统来进一步提高。这些数字回波数据可以随 后在被配置为波束成形和处理回波数据以形成图像的成像系统上或者在独立电脑或其它 工作站上处理。在一些实施例中，这种工作站装置可以包括具有软件的任何数字处理系统， 该软件用于使用如上所述的任何技术动态波束成形并处理回波数据。
[0220] 图19是说明部件的方框图，其可以被包括在被配置用于存储回波数据的超声波 成像系统的一些实施例中。图19的图形包括几个子系统：发射控制子系统204、探针子系 统202、接收子系统210、图像生成子系统230,和视频子系统240。与大多数超声系统不同， 图19的系统提供了存储装置，其被配置为存储原始的未经波束成形的回波数据，用于后面 的取回和处理。
[0221] 在各种实施例中，所接收的回波数据可以在各个阶段从纯模拟回波信号存储到完 整处理的数字图像甚至数字视频。例如，纯原始模拟信号可以使用模拟记录介质存储，诸如 模拟磁带。在稍微高的处理水平下，数字数据可以在将模拟信号穿过模拟-数字转换器之 后立即存储。可以在数字化回波数据上执行进一步处理，诸如带通滤波、内插、向下采样、向 上采样、其它滤波等，并且可以在这些额外滤波或处理步骤之后存储原始数据。然后，这些 原始数据可以被波束成形，以便为每个接收的回波确定像素定位，从而形成图像。单独图像 可以作为帧而结合，以形成视频。在一些实施例中，可以期望在执行非常少的处理之后存储 数字化回波数据（例如，在数字回波数据的一些滤波或调节之后，但是在执行任何波束成 形或图像处理之前）。一些超声系统存储波束成形的回波数据或经完全处理的图像数据。 尽管如此，如本文中所使用的，短语"原始回波数据"和"原始数据"可以指所存储的回波信 息，这些回波信息描述在波束成形之前的任何处理水平上的接收到的超声回波（RX数据）。 原始回波数据可以包括由B模式声脉冲、多普勒声脉冲、或任何其他超声发射信号得到的 回波数据。
[0222] 除了接收回波数据之外，也可以期望存储有关一个或多个超声发射信号的信息， 该信号生成特定组的回波数据。例如，当用如上所述的多孔声脉冲超声方法成像时，期望知 道有关生成特定组回波的发射声脉冲的信息。这种信息可以包括一个或多个发射元件的身 份和/或位置以及频率、大小、脉冲宽度、持续时间或描述发射超声信号的其它信息。发射 数据在本文中一起称作"TX数据"。在一些实施例中，这些TX数据可以被明确存储在同一 原始数据存储装置中，在该原始数据存储装置中存储原始回波数据。例如，描述发射信号的 TX数据可以被存储为一组由发射信号生成的原始回波数据之前的报头或在发射信号生成 的一组原始回波数据之后的页脚。在其他实施例中，TX数据可以被明确存储在单独的存储 装置中，其对用于运行波束成形过程的系统而言是可访问的。在其中明确存储发射数据的 实施例中，短语"原始回波数据"或"原始数据"也可以包括这些明确存储的TX数据。在更 进一步实施例中，换能器元件位置信息可以被明确存储在同一或分开的存储装置中。这种 元件位置数据可以被称作"校准数据"或"元件位置数据"，并且在一些实施例中通常可以被 包括在"原始数据"内。
[0223] TX数据也可以被暗中存储。例如，如果成像系统被配置为在一致的或已知序列中 发射一致定义的超声信号（例如，一致的大小、形状、频率、持续时间等），那么可以在波束 成形过程期间采用这种信息。在这些情形中，需要与回波数据关联的唯一信息是发射换能 器的位置（或身份）。在一些实施例中，这种信息可以基于原始数据存储器中的原始回波 数据的组织来暗中获得。例如，系统可以被配置为存储每个声脉冲之后的固定数量的回波 记录。在这些实施例中，来自第一声脉冲的回波可以被存储在存储器位置0到"η"（其中， "η"是为每个声脉冲存储的记录的数目），而来自第二声脉冲的回波可以被存储在存储器 位置η+1到2η+1。在其他实施例中，可以在回波组之间留下一个或多个空的记录。在一些 实施例中，可以使用各种存储器交叉存取技术暗示发射声脉冲和接收回波数据点（或回波 组）之间的关系，来存储接收的回波数据。类似的，假设在一致的、已知采样率下采用数据， 那么接收每个回波数据点的时间可以从该数据点在存储器中的位置推断出来。在一些实施 例中，相同技术也可以被用于在单个原始数据存储装置中暗中存储来自多个接收信道的数 据。
[0224] 如图19中所示，超声波成像系统200可以包括超声探针202,其可以包括多个单 独超声换能器元件，其中一些可以被指定为发射元件，并且其中另外的可以被指定为接收 元件。在一些实施例中，每个探针换能器元件可以将超声振动转换为随时间变化的电信号， 并且反之亦然。在一些实施例中，该探针202可以包括以任何所期望配置的任何数目的超 声换能器阵列。与本文中所述的系统和方法连接使用的探针202可以按照需要具有任何配 置，包括单孔和多孔探针。
[0225] 来自探针202的元件的超声信号的发射可以由发射控制器204控制。在接收发射 信号的回波时，探针元件可以生成对应于所接收超声振动的随时间变化的电信号。表示接 收回波的信号可以从探针202输出并且发送给接收子系统210。在一些实施例中，该接收子 系统可以包括多个信道，每个信道可以包括模拟前端器件（"AFE"）212和模拟数字转换器 件（ADC) 214。在一些实施例中，接收子系统210的每个信道也可以在ADC214之后包括数 字滤波器和数字调节器（未示出）。在一些实施例中，在ADC214之前也可以提供模拟滤波 器。每个ADC214的输出可以被引导到原始数据存储装置220中。在一些实施例中，可以为 探针202的每个接收换能器元件提供接收子系统210的独立信道。在其他实施例中，两个 或更多换能器元件可以共享共同的接收信道。
[0226] 在一些实施例中，模拟前端器件212(AFE)可以在将信号传到模拟数字转换器件 214(ADC)之前执行某些滤波过程。ADC214可以被配置为以一些预先确定的采样率将接收 模拟信号转换为一系列的数字数据点。不同于大多数超声系统，然后，图19的超声波成像 系统的一些实施例可以在执行任何进一步的波束成形、滤波、图像层结合或其他图像处理 之前，存储数字数据，这些数字数据表示在原始数据存储装置220中每个单独接收元件接 收的超声回波信号的时间、相位、大小和/或频率。
[0227] 为了将所获取的数字样本转换为图像、数据转换为图像，该数据可以由图像生成 子系统230从原始数据存储器220取回。如图所示，该图像生成子系统230可以包括波束 成形块232和图像层结合（"ILC"）块234。在一些实施例中，波束成形器232可以与包括 探针校准数据的校准存储器238通信。探针校准数据可以包括关于精确声学位置、操作质 量的信息，和/或关于单独探针换能器元件的其他信息。该校准存储器238可以实体上位 于探针内、在成像系统内、或在探针和成像系统两者外的位置。
[0228] 在一些实施例中，在穿过图像生成块230之后，然后图像数据可以被存储在图像 缓冲存储器236中，其可以存储波束成形的和（在一些实施例中）层组合的图像帧。然后， 视频子系统240内的视频处理器242可以从图像缓冲器取回图像帧，并且可以将该图像处 理为可以在视频显示器244上显示和/或作为数字视频剪辑被存储在视频存储器246中的 视频流，例如本领域中称作"影片回放"。
[0229] 在一些实施例中，该发射控制器204可以包括模拟和数字部件的任何组合，这些 模拟和数字部件用于控制探针202的换能器元件按照所期望的成像算法以所期望频率和 间隔从所选定发射孔发射未经聚焦的超声声脉冲。在一些实施例中，发射控制器204可以 被配置为在超声频率的范围发射超声声脉冲。在一些（然而不是所有）实施例中，发射控 制器也可以被配置为作为相控阵列工作，发射经聚焦的（即，发射波束成形）超声扫描线波 束。
[0230] 在一些实施例中，AFE212可以被配置为在将模拟信号传到模拟数字转换器件之前 对接收的模拟信号执行各种放大和滤波过程。例如，AFE212可以包括放大器，诸如低噪声 放大器（LNA)、可变增益放大器（VGA)、带通滤波器，和/或其他的放大或滤波器件。在一些 实施例中，AFE器件212可以被配置为在接收触发信号时开始将模拟信号传到ADC214。在 其他实施例中，AFE器件能够"自由运行"，连续将模拟信号传到ADC。
[0231] 在一些实施例中，每个模拟数字转换器214通常都可以包括被配置为以一些一致 的预先确定的采样率对接收的模拟信号继续拧采样的任何装置。例如，在一些实施例中，模 拟数字转换器可以被配置为以25MHz记录随时间变化的模拟信号的数字样本，25MHz为每 秒2500万个样本或每40纳秒一个样本。因此，由ADC采样的数据可以简单地包括数据点 的列表，每个数据点都可以对应于在特定瞬间的信号值。在一些实施例中，AFE器件212可 以被配置为在接收触发信号时开始对模拟信号进行数字采样。在其他实施例中，ADC器件 能够"自由运行"，连续采样所接收的模拟信号。
[0232] 在一些实施例中，原始数据存储装置220可以包括任何适合的易失性或非易失性 存储器储存器件。在一些实施例中，原始数据存储器220也可以包括通信电子器件，其用于 通过有线或无线网络将原始数字超声数据发射到外部装置。在这些情形中，发射的原始回 波数据可以以任何所期望格式存储在外部装置上。在其他实施例中，原始数据存储器220 可以包括易失性存储器、非易失性存储器和通信电子器件的组合。
[0233] 在一些实施例中，该原始数据存储装置220可以包括暂时（易失性或非易失性） 存储器段和长期非易失性存储器段。在一些实施例的实例中，在波束成形器不能工作足够 快以容纳来自ADC的全速数据的情形中，暂时存储器可以作为ADC和波束成形器之间的缓 冲器。
[0234] 在一些实施例中，长期非易失性存储装置可以被配置为从暂时存储装置或直接从 ADC接收数据。这种长期存储装置可以被配置为存储大量原始回波数据用于后续处理、分析 或发射到外部装置。
[0235] 在一些实施例中，原始数据存储器中的数据数量可取决于数字采样率、每个数据 样本（以比特或字节）的尺寸、所应用的任何数据压缩及其他因素。因此，在一些实施例中， 具有大约2GB容量的存储装置可以存储对应于大约六秒实时显示的原始回波数据。在其他 实施例中，表示更短或更长时段的数据可以以相同的存储器的量存储。
[0236] 在一些实施例中，该波束成形块232和图像层结合块234可以每个都包括任何数 字信号处理和/或计算部件，这些部件被配置为执行指定过程（例如，如下所述）。例如，在 各种实施例中，该波束成形232和图像层结合234可以由在GPU上运行的软件或由在FPGA 架构上运行的固件执行。
[0237] 在一些实施例中，该视频处理器242可以包括任何视频处理硬件、固件和软件部 件，其可以被配置为将图像帧组合为视频流，用于显示和/或存储。
[0238] 在一些实施例中，可以大体上实时接收、波束成形、处理和显示回波数据（在一些 实施例中存在一些等待时间），而在存储装置中同时存储回波数据。在一些这种实施例中， 用于实时显示的处理和/或波束成形可以包括从存储装置（其可以以环形缓冲模式工作） 取回由多个声脉冲引起的回波数据，并且可以在从不同时间发射的多个声脉冲接收的回波 数据上同时执行波束成形或处理。在其他实施例中，回波数据被存储在长期存储储存装置 中，并且可以波束成形和处理用于在更晚的时间显示，和/或使用与被用于发射和接收超 声信号的系统完全不同的计算硬件。这种单独的计算系统通常可以被认为是成像工作站。
[0239] 在成像期间，其中如在一个或多个上面实施例中所述那样发射多普勒声脉冲信 号，可以使用如上所述的仪器（或等效仪器）获取并存储大体上未经处理的回波数据。这 种原始回波数据可以被获取并存储（无论该回波是否被处理），以在初始成像期间显示多 普勒分析的结果。因此，在一些实施例中，从多普勒声脉冲接收的回波可以仅仅使用从原始 数据存储装置取回的所获取的原始回波数据和有关成像期间的任何其他可使用信息（诸 如描述多普勒声脉冲的相应TX数据）而被解释或分析。
[0240] 在一个实例中，多孔多普勒图形可以在成像期间发射，并且无需在实况成像期间 处理或显示彩色流多普勒就可以获取并存储得到的多普勒回波数据。所存储的原始回波数 据随后可以从存储器取回并且使用相同或不同的处理硬件处理，以便显现（visualize)并 分析多普勒成像的结果。在另一个实例中，多孔多普勒图形可以在成像期间在B模式成像 信号中间或与其同时发射，并且可以接收、获取并存储得到的B模式成像数据，而同时将该 B模式图形和多普勒图像波束成形、处理和显示在单个显示器上（例如，以覆盖图像或作为 分开的并列图像）。
[0241] 使用多孔声脉冲成像过程生成超声图像意味着来自所有关心区域的图像是总是 "聚焦的"。这是成立的，由于每个所发射的声脉冲照明所有区域，接收孔从所有区域接收回 波，并且动态多孔波束成形过程可以形成声照射区域的任何部分或全部的图像。在这种情 形中，图像的最大范围可以主要由衰减和信噪比因素限制，而不是由发射或接收波束成形 仪器的受限的焦点。因此，全分辨率图像可以使用相同组原始回波数据由关心区域的任何 部分形成。如本文中所使用的，术语"图像窗口"将被用于指所有所关心的声照射区域的选 定部分。在一些实施例中，同时图像可以由声照射区域内的多个重叠或非重叠区域（图像 窗口）形成。
[0242] 同样，彩色流图像（或强调一个或多个成像区域的运动的其他图像）可以由所关 心的声照射区域内任何选定区域形成。因此，在一些实施例中，回波数据可以从存储装置取 回，并且图像窗口可以完全独立于实况成像期间所使用的成像窗口定义。在这些实施例中， 多普勒回波数据可以独立于在实况成像期间进行的选择来评估。例如，当重新处理由存储 装置取回的回波数据时，诸如图像窗口、运动轴、"快"对"慢"运动阈值、多普勒运动评估算 法、声速假定、加权因素、各种过滤（例如解卷积过滤或匹配过滤）、校准数据、TX数据、换能 器元件到孔分组、或在B模式或多普勒分析、波束成形或图像处理中使用的任何其他信息 条的因素可以相对于实况成像期间使用的值而改变。
[0243] 图21说明用于在实况成像期间后的某一时间重新处理所存储的多普勒原始回波 数据的过程420的实施例。在实况成像期间422,可以发射多普勒声脉冲，并且可以接收这 些多普勒声脉冲的回波。表示接收的回波信号的原始回波数据可以被存储424在存储装置 中。在以后的某一时间，所存储的原始多普勒回波数据可以从存储装置426取回，并且通过 相对于在实况成像期间422使用的值改变428至少一个处理参数而被重新处理。然后，可 以使用新的参数来重新计算430运动信息，并且然后可以显示432从重新计算的运动信息 得到的新的图像。
[0244] 在一个实例中，在活动实况成像期间，可以选择并显示聚焦在所关心的声照射区 域的特别小面积部分的第一图像窗口，而原始回波数据可以被获取并存储到存储装置。在 取回所存储的回波数据期间，可以定义仅仅部分重叠第一图像窗口的第二图像窗口。在其 它情形中，第二图像窗口可以完全与第一图像窗口不重叠。类似地，可以在第二图像窗口中 定义完全不同的颜色流运动轴。结果，第二图像窗可以被定义为显示在实况成像期间不可 见的运动信息（或者因为所选择的图像窗口不同，或者因为可以修订在实况成像期间作出 的其他假设）。在一些实施例中，来自单个成像期间的回波数据可以为两个或更多独立图像 窗口波束成形并处理。在这些情况下，多普勒数据可以在一个图像窗口中重叠，而两个图像 窗口被并列显示。因为从同一数据组生成两个图像，所成像对象的运动图像将完全同步，并 且在两个（可能完全不重叠）的图像窗口中的对象的运动可以同时被查看，以显现该对象 (例如，在心搏周期中同一点的心脏）的不同区域的同步动作。
[0245] 在另一个实例中，当重新处理相对于实况成像期间所存储的回波数据时，可以改 变接收"孔"的定义。因为可以为每个接收元件单独存储回波数据，所以可以在任何时候改 变换能器元件到接收孔的分组。因此，在一些实施例中，如果确定在实况多普勒成像期间使 用的接收孔指定是用于测量特定速度矢量的次最佳值，可以改变接收孔指定，并且可以重 复使用如上所述的一个或多个方法的速度矢量的评估，以求提高速度矢量测量。在一些实 施例中，许多接收孔可以相对于实况成像期间使用的接收孔的数目增加或减少。在其他实 施例中，可以相对于实况成像期间使用的位置改变一个或多个孔沿着阵列（或多阵列）的 位置。
[0246] 尽管已经在某些优选实施例和实例的背景中公开本发明，本领域技术人员应当理 解，本发明延伸超过具体公开的实施例到其他替换实施例和/或本发明的使用和其清楚的 修改和等价物。因此，意图的是，本文中所公开的本发明的保护范围不应该由如上所述的特 定公开的实施例限制，但是应该仅仅通过正确阅读来确定。特别是，如在相关领域中技术人 员的水平内可以采用材料和制造技术。此外，参考单个术语包括存在多个相同术语的可能 性。更准确地说，如本文中所使用的并且在附加权利要求中，单数形式"一"和"所述"和"该" 包括复数指示，除非背景另外清楚指示。进一步注意，该权利要求可以被划为配出任何可选 元件。同样，这个陈述被用来作为用于这种唯一术语使用的前述基础，如与权利要求元件的 叙述有关的"单独"、"仅仅"等，或"否定"限制的使用。除非在本文中另外定义，本文中使用 的所有技术和科学术语具有与本发明属于的本领域中普通技术人员通常理解的相同意义。
【权利要求】
1. 一种进行多普勒超声的方法，所述方法包括： 从换能器阵列的多个换能器元件中选择发射孔； 从所述发射孔发射未聚焦的超声信号到关心区域中； 仅仅接收在第一接收孔上的所述未聚焦的超声信号的回波； 在存储装置中储存所述接收的回波； 对所述接收的回波进行波束成形，以便为所述关心区域内的多个反射体的每个反射体 确定显示位置； 从所述关心区域的所述接收的回波数据选择第一测试段； 检测所述多个反射体的至少一个反射体的所述接收步骤的所述回波内的多普勒频 移； 确定所述第一测试段内的所述至少一个反射体的速度；和 在图像中显示所述至少一个反射体的运动信息，其中所述运动信息部分地基于所述检 测步骤和所述确定步骤。
2. 根据权利要求1所述的方法，所述确定步骤还包括：确定所述至少一个反射体在所 述第一测试段内的运动方向。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 选择第二测试段，其后为所述第二测试段内的所述多个反射体的至少一个反射体重复 所述选择、检测、确定和显示步骤。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 选择第二测试段，其中所述第二测试段是所述关心区域在所述第一测试段内的所述部 分以外的部分。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中无需用于所述未聚焦的超声信号的预定义范围 门，执行所述选择发射和接收步骤。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述检测步骤之前执行所述波束成形步骤。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述波束成形步骤之前执行所述检测步骤。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中基于所述关心区域内的像素位置来选择所述选择 测试段步骤。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中基于与B模式图像和来自所述接收步骤的信息的 相关性，由使用者人工执行所述选择测试段步骤。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中成像系统自动执行所述选择测试段步骤。
11. 根据权利要求10所述的方法，还包括：系统地评估所述关心区域内的每个测试段 的步骤。
12. 根据权利要求10所述的方法，还包括：仅仅评估所述未聚焦的超声波信号的所述 接收的回波内的每个测试段的步骤。
13. 根据权利要求10所述的方法，还包括：基于所述关心区域的同时期B模式图像和 所述关心区域内关联的位置信息的计算机辅助检测分析来选择测试段的步骤。
14. 根据权利要求7所述的方法，其中所述选择测试段的步骤部分地基于和所述目标 区域内的关心深度范围相对应的时间范围。
15. 根据权利要求7所述的方法，其中基于所述接收步骤中的所述信号之间的定时来 执行所述选择测试段的步骤。
16. 根据权利要求7所述的方法，其中通过评估所述关心区域内的全部测试段来执行 所述选择测试段的步骤。
17. 根据权利要求1所述的方法，还包括：在与所述第一接收孔分开的第二接收孔上接 收回波。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括：为到所述第一接收孔的声路径成像的每个 像素和到所述第二接收孔的声路径成像的每个像素，计算调节系数。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括：通过将所述调节系数应用到所述确定步骤 的结果来获得改进的速度测量。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中所述调节系数是1/(3〇8(Φ/2)，其中Φ是用于 使用所述发射孔的位置、被成像的每个像素的位置和所述第一接收孔和所述第二接收孔的 每个的位置定义的角度的、发射器到反射体线和接收器到反射体线之间的角度。
21. 根据权利要求19所述的方法，还包括：为运动反射体结合从所述第一接收孔获得 的经调节的速度测量与从所述第二接收孔获得的经调节的速度测量。
22. 根据权利要求17所述的方法，还包括：求解联立方程，其包括使用所述第一接收孔 的位置和使用所述第一接收孔获得的速度测量以及所述第二接收孔的位置和使用所述第 二接收孔的速度测量，以获得表示第一反射体的运动的方向和大小的速度矢量。
23. 根据权利要求22所述的方法，还包括求解第二组联立方程，其包括使用所述第一 接收孔的位置和使用所述第一接收孔获得的速度测量以及第三接收孔的位置和使用所述 第三接收孔获得的速度测量，以获得表示第一反射体的运动的方向和大小的第二速度矢 量。
24. 根据权利要求23所述的方法，还包括对所述第一速度矢量和所述第二速度矢量求 平均，以获得描述所述第一反射体的运动速度和方向的新的速度矢量。
25. 根据权利要求1所述的方法，还包括：使用来自第一声路径和不同的第二声路径的 速度测量，为多个反射体计算多个第一速度矢量。
26. 根据权利要求25所述的方法，为所述多个反射体执行每个所述速度矢量的求平均 操作，以便为所述多个反射体确定运动主方向。
27. 根据权利要求26所述的方法，还包括：将颜色应用到与所述速度矢量沿着主运动 轴的分量有关的所述多个反射体的每个非零速度反射体。
28. 根据权利要求25所述的方法，还包括：计算从所述第一声路径和第三声路径获得 的多个第二速度矢量；并且对所述多个第一速度矢量和所述多个第二速度矢量求平均。
29. 根据权利要求22所述的方法，还包括：在所述求解联立方程的步骤之前应用调节 系数。
30. 根据权利要求1所述的方法，所述发射步骤还包括：在选定频率下发射脉冲宽度超 过大约七个周期的未聚焦的超声信号。
31. 根据权利要求1所述的方法，所述发射步骤还包括：发射频率低于用于Β模式成像 的频率的未聚焦的超声信号。
32. -种用多普勒超声进行成像的方法，包括： 从第一发射孔向运动对象发射未聚焦的半圆形第一超声波波前脉冲； 在第一接收孔接收所述第一波前脉冲的回波； 在第二接收孔接收所述第一波前脉冲的回波；和 基于在所述第一和第二接收孔接收的回波，计算在一个或多个测试段的对象速度矢 量。
33. 根据权利要求32所述的方法，还包括：为图像中的每个像素使用数据独立近似来 计算最小对象速度。
34. 根据权利要求33所述的方法，其中所述数据独立近似包括使第一测量速度值乘以 第一角度的一半的余弦的倒数，所述第一角度由所述发射孔、第一测试段和所述第二接收 孔定义。
35. 根据权利要求32所述的方法，还包括：通过基于多孔探针的几何结构求解一组联 立方程，来计算所述运动反射体的速度和方向。
36. 根据权利要求32所述的方法，还包括：计算所述速度矢量的方向。
37. 根据权利要求32所述的方法，还包括：计算所述速度矢量的大小。
38. 根据权利要求32所述的方法，其中通过用第一速度测量和第二速度测量的大小之 和的一半来计算所述速度矢量的大小；所述第一速度测量沿着将所述第一接收孔、测试段 和所述第二接收孔之间的角度平分的声路径进行；并且所述第二速度测量沿着从发射孔到 测试段、到所述第二接收孔的声路径进行。
39. 根据权利要求32所述的方法，还包括：接收用户输入，所述用户输入指示所述运动 对象的主运动轴。
40. 根据权利要求39所述的方法，还包括：显示至少一个颜色，以指示沿着所述指示的 主运动轴的运动。
41. 根据权利要求32所述的方法，还包括：自动分析多个所测量的速度矢量，以识别至 少一个主运动轴。
42. -种测量在关心区域内运动的对象的速度的方法，包括： 从第一发射孔发射未聚焦的半圆形的第一超声波波前脉冲； 在第一接收孔接收所述第一波前脉冲的回波； 存储所述接收的回波的同相值； 存储所述接收的回波的正交值；和 评估所述同相值和正交值，以确定所述关心的区域内对象相对于所述第一发射孔或所 述第一接收孔的运动的大小和方向。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中所述发射孔和所述接收孔位于共同的换能器阵 列上。
44. 根据权利要求42所述的方法，还包括：在与所述第一接收孔分开的第二接收孔接 收所述第一波前脉冲的回波，并且存储所述接收的回波的同相值和正交值。
45. -种检测和显示用多孔超声波成像系统成像的对象的运动的方法，所述方法包 括： 从多孔超声波探针的发射孔发射未聚焦的半圆形超声波脉冲的序列； 用所述多孔超声波探针的接收孔分别接收来自所述序列的每个脉冲的回波； 其中成像帧率等于在发射步骤中发射连续未聚焦的半圆形超声波脉冲的速率； 从每个发射脉冲的所述回波形成完整图像帧的序列； 分析连续图像帧中的差异，以检测所成像的对象的运动；和 显示所述对象的图像并突出所述检测到的运动。
46. 根据权利要求45所述的方法，其中所述突出包括将颜色应用到沿着主运动轴的运 动。
47. -种生成指示运动的超声图像的方法，所述方法包括： 从非易失性数字存储装置取回第一数据组，所述第一数据包括发射孔的位置和定向信 息； 从非易失性数字存储装置取回第二数据组，所述第二数据组包括由发射的多普勒声脉 冲信号的序列的回波引起的一系列回波大小值； 基于第一组多普勒检测参数，检测所述第二数据组的至少一部分内的多普勒位移频 率； 基于第二组波束成形参数，确定至少一个运动反射体的位置，其中至少一个参数的值 不同于获取所述回波数据的实况成像期的期间使用的值。
48. 根据权利要求47所述的方法，其中所述第一组参数或所述第二组参数包括下列一 个或多个：发射孔定义、接收孔定义、测试段、主方向轴、表征快速运动值超过缓慢运动值的 相对运动阈值，多普勒运动评估算法、声速假定、一个或多个加权因数、解卷积滤波值、匹配 滤波值、校准数据值、或发射数据值。
49. 根据权利要求47所述的方法，其中所述多普勒检测参数包括测试段定义、主方向 轴定义、最小速度阈值和多普勒运动评估算法中的至少一个。
50. 根据权利要求47所述的方法，其中所述波束成形参数包括声速值、加权因数、所应 用滤波类型、探针校准数据和描述超声波发射信号的数据的至少一个。
51. -种进行多普勒超声的方法，包括： 将单个未聚焦的第一超声信号发射到目标对象中； 接收所述单个未聚焦的第一超声信号的回波；和 从所述单个未聚焦的第一超声信号的所述回波检测所述目标对象的至少两个分开区 域中的运动。
52. 根据权利要求51所述的方法，还包括：在不使用被用于执行所述发射步骤的孔的 情况下，执行具有一个或多个接收的所述接收步骤。
53. 根据权利要求51所述的方法，还包括：对所述接收的回波进行波束成形，以便为包 含所述目标对象的关心区域内多个反射体的每个反射体确定显示位置。
54. 根据权利要求51所述的方法，所述检测运动步骤还包括：检测所述单个未聚焦的 第一超声信号的所述接收的回波内的至少一个像素的多普勒频移。
55. 根据权利要求51所述的方法，其中无需用于所述单个未聚焦的第一超声信号的预 定义范围门，执行所述选择发射和接收步骤。
56. 根据权利要求53所述的方法，其中在所述检测步骤之前执行所述波束成形步骤。
57. 根据权利要求53所述的方法，其中在所述检测步骤之后执行所述波束成形步骤。
【文档编号】G06T7/20GK104105449SQ201280059236
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】D·F·施佩希特, K·D·布鲁尔, D·M·史密斯, J·R·卡尔, V·N·李, B·R·里特兹 申请人:毛伊图像公司