CN100594392C - 多区彩色多普勒波束发射方法 - Google Patents

多区彩色多普勒波束发射方法 Download PDF

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Abstract

在此公开了一种用于产生受检者的彩色多普勒图像的方法。该方法包括以下步骤：将第一和第二发射波束发射(401)到受检者中，其中所述第一和第二发射波束由第一和第二频率来表征，并且其中所述第一和第二发射波束的每个分别具有与其相关的第一和第二组接收波束；接收(403)第一和第二组接收波束；以及基于第一和第二组接收波束产生(405)合成彩色多普勒图像。

Description

多区彩色多普勒波束发射方法
本发明一般而言涉及超声成像，更特别地涉及用于改善彩色多普勒成像中的近场分辨率和远场灵敏度的方法。
常规的超声波检查是利用诊断超声设备进行的，该诊断超声设备将声能发射到人体内，并且接收反射离开诸如心脏、肝和肾之类的身体组织和器官的信号。由于血细胞的运动，所以可以从多普勒频移或者从时域互相关函数上的移位获得血流模式。这些移位产生反射声波，该声波通常可以以二维的格式显示，这称为彩色血流成像或彩色速度成像。典型的超声系统在多个路径上发射脉冲，并且将在所述多个路径上从对象接收的回波转换成用于产生超声数据的电信号，根据该超声数据可以显示超声图像。获得由其产生超声数据的原始数据的过程通常被称为“扫描”、“扫掠”或“转向波束”。
超声波检查可以实时地进行，这是指当进行扫描时超声图像以快速连续的格式显示。典型地，产生图像的扫描用电子学方法执行，并利用了一组换能器元件(称为“阵列”)，该组换能器元件被布置成直线，并由一组电脉冲来每个元件一个脉冲地进行激励。通常将脉冲定时以构造扫掠动作。
超声扫描器中的信号处理通常以施加于阵列的每个元件的激励脉冲的成形和延迟开始，以便产生聚焦的、转向的和变迹的(apodized)传播到组织中的脉冲波。可以调整或“成形”所发射声脉冲的特性以符合特定成像模式的设置。例如，脉冲成形可以包括根据所返回的回波最终是被用于B-扫描、脉冲多普勒还是彩色多普勒成像模式来调整不同行的脉冲宽度。脉冲成形也可以包括调整中心频率，该中心频率在现代宽带换能器中可以在宽范围上被设定，并且可以根据正被扫描的身体部分来选择。多个扫描器还将脉冲的包络成形(即通过使它在形状上成为高斯型)以改善所得到声波的传播特征。
由组织结构散射声波产生的回波通过换能器阵列内的所有元件来接收，并且随后进行处理。这些回波信号的处理通常用变迹函数、动态聚焦、转向延迟和其它这种过程的应用在单独通道或元件级上开始。
在信号处理中最重要的因素之一是波束形成。在换能器阵列中，通过在不同时间激励每个换能器元件来聚焦和转向波束，以使来自每个元件的所得到声波将同时到达预期的焦点。
可以参考图1来理解该原理，该图描绘了具有离焦点111的距离分别为d1、d2、d3和d4的换能器103、105、107和109的换能器阵列101。在所示情况中，波束被聚焦并转向到左边。由于从焦点到换能器阵列的换能器元件103的距离d1短于从焦点到换能器元件109的距离d4，所以在发射期间，元件109必须在元件103、105和107之前被激励，以便由每个元件产生的波同时到达焦点。相反，在图2所示的情况中，焦点113位于右边。在此，在发射期间，换能器的元件必须以相反的顺序被激励(也就是，元件103必须在元件105、107和109之前被激励)，以便由每个元件产生的波同时到达焦点。这种协调换能器元件的触发的过程被称为“波束形成”，以及实施该过程的装置被称为“波束形成器”。
波束形成通常在发射(上面所述)和接收期间实施。接收时的波束形成在概念上类似于发射时的波束形成。在接收时，从给定点111(参见图1)返回的回波在不同时间遇到换能器阵列101中元件103、105、107和109中的每个，因为这些元件离焦点111分别为不同的距离d1、d2、d3和d4。因此，从各个元件进入超声扫描器的信号必须被延迟，以使它们都在相同时刻“到达”。然后将来自每个元件的信号相加在一起以形成随后由超声仪器的剩余部件处理的超声信号。典型地，使用具有32-192个换能器元件的一维阵列进行波束形成。延迟来自每个单独元件的信号，以便将波束转向到期望的方向。
除了将所接收的信号组合成输出信号中之外，波束形成器还聚焦该波束。当使用动态聚焦时，对于从阵列发射的每个脉冲，波束形成器在深度增加时跟踪深度并聚焦接收波束。接收孔通常将被允许与深度一起增大，因为这实现了对于深度恒定的横向分辨率，并且减小了对所成像介质中的像差的灵敏度。为了使接收孔与深度一起增大，有必要动态控制在阵列中用于接收回波的元件的数量。由于常常使用加权函数(变迹法)来减少或消除来自合成信号的旁瓣，所以元件加权也必须与深度一起动态更新。
大多数超声扫描器能够执行平行波束形成。平行波束形成是指通过在单个发射波束内聚焦多个接收波束来从单个发射事件中采集多个往返波束。发射波束由于其单独聚焦而通常被变迹以改善场深，因此固有地宽于动态聚焦的接收波束。接收波束具有局部声最大值，其相对于发射波束是离轴的。平行波束形成允许所成像的场被更快地扫描，并且从而允许帧被更快地更新。平行波束形成在3D成像中尤其有利，因为需要收集的帧的数量很大。
虽然使用波束形成器和波束形成过程已经显著改善了声学图像的质量，但是本领域仍存在多个难题。特别是，目前的声学成像技术通常需要在近场分辨率(通常由较高频率提供，并且通常限制在受检者(subject)中大约第一厘米的深度)和远场灵敏度(通常由较低频率提供)之间进行折衷。因此，例如，虽然已经显著改善了低流速的分辨率，但是这些改善通常以场深为代价来发生。一些方法利用了频移，以使近场扫描以第一频率进行，而远场扫描以第二频率进行。然而，这种方法不是最佳的，并且对于具有显著场深的特征提供了差的分辨率。这种方法也常常产生成像伪影。
因此，在本领域需要一种用于在图像的整个深度上改善彩色多普勒成像的分辨率的方法。在本领域还需要一种用于改善彩色多普勒成像中的近场分辨率和远场灵敏度的方法。通过在此公开以及下文描述的方法和装置来满足这些和其它的需要。
在一个方面，提供一种用于产生受检者的彩色多普勒图像的方法。该方法包括以下步骤：将第一和第二发射波束发射到受检者中，其中所述第一和第二发射波束由第一和第二频率来表征，并且其中所述第一和第二发射波束中的每个分别具有与其相关的第一和第二组接收波束；接收第一和第二组接收波束；以及基于该第一和第二组接收波束产生合成彩色多普勒图像。合成图像可以由第一和第二组接收波束的加权平均来得到，在该情况中，加权平均可以通过将第一和第二加权因子分别应用于第一和第二组接收波束来得到。可以选择第一和第二加权因子以优化灵敏度和近场分辨率。
优选地，第一频率为高频，以及第二频率为低频。甚至更优选地，第一和第二频率之间的差至少为约2MHz，并且最优选地，第一和第二频率之间的差在约2MHz到约7MHz的范围内。可以使用具有在第一和第二发射波束的频率之间的频率的任何数量的附加发射波束。
第一和第二帧可以基于第一和第二组接收波束从频率估计得到。作为另一方式，优选为彩色多普勒图像的合成图像可以从对应于第一和第二组接收波束的频率估计得到。通过将用于为第一组接收波束产生频率估计的复信号估计和用于为第二组接收波束产生频率估计的复信号估计取平均可以形成合成图像。因此，例如第一(F1)和第二(F2)频率可以被使得V1＝V2，其中
V1＝PRF1·c/(2F1cos(θ))，以及
V2＝PRF2·c/(2F2cos(θ))，以及其中：
PRF1是与F1相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
PRF2是与F2相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
θ是彩色多普勒角(通常为常数)；以及
c是声速。
在另一方面，提供一种用于对受检者进行声学成像的方法，该方法包括以下步骤：将第一和第二发射波束发射到受检者中，其中第一和第二发射波束分别由第一频率F1和第二频率F2来表征，其中F1＞F2；接收分别对应于第一和第二发射波束的第一和第二组接收波束；确定第一和第二组接收波束的频率；将第一和第二加权因子应用于所确定的频率，从而产生第一和第二加权频率；以及基于第一和第二加权频率产生合成彩色多普勒图像。优选地，所述第一和第二组接收波束的每组具有多个元素(member)。
在又一方面，提供一种用于产生受检者的彩色多普勒图像的方法。该方法包括以下步骤：从受检者获得灰度图像帧；通过将第一发射波束发射到受检者中并接收与第一发射波束相关的第一组接收波束来从受检者获得第一彩色图像帧，其中所述第一发射波束由第一频率来表征，并且具有与其相关的第一组接收波束；通过将第二发射波束发射到受检者中获得第二彩色图像帧，其中所述第二发射波束由第二频率来表征，并且具有与其相关的第二组接收波束，其中所述第二频率与所述第一频率不同；接收第一和第二组接收波束；以及基于第一和第二组接收波束产生合成彩色多普勒图像。
下面将进一步详细描述在此的教导的这些和其它方面。
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考将结合附图所采用的下面的描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的特征，其中：
图1是说明为了解释在超声诊断系统中换能器阵列的元件和焦点之间的距离差别而需要时间延迟的图；
图2是说明为了解释在超声诊断系统中换能器阵列的元件和焦点之间的距离差别而需要时间延迟的图；
图3是说明在此公开的方法的一个实施例中的帧采集序列的流程图；
图4是说明用于实施在此公开的方法的系统的流程图；
图5说明在接收侧上的4路平行波束图；
图6说明可用于实施在此公开的方法的超声装置；
图7是说明图6所示的类型的装置的功能元件的示意图；以及
图8是说明在此公开的方法的一个实施例的流程图。
现在已经发现，上述需要可以通过使用由多个发射和/或接收频率表征的多个发射波束来满足。因此，在优选实施例中，将第一和第二发射波束发射到受检者中，其中第一和第二发射波束由第一和第二频率来表征，并且其中第一和第二发射波束的每个分别具有与其相关的第一和第二组接收波束。然后，第一和第二组接收波束被接收并被用于产生合成彩色多普勒图像。这种方法改善了在图像的整个深度上彩色多普勒成像的分辨率，并且允许改善近场分辨率而不会不利地影响远场灵敏度。
参考图3可以一般地理解在此公开的方法的一个优选实施例，该图3描绘了可用于根据在此的教导形成合成彩色多普勒图像的数据采集序列。在此示出的特定序列201中，回波帧被采集203，随后采集高频色帧205(例如9MHz，用于近场)和低频(例如6MHz，用于远场)色帧207。然后为成像过程的剩余部分重复该序列。
在该过程的可选择实施例中，可以在逐行的基础上而不是逐帧的基础上进行数据采集。因此，例如在这种实施例中，可以收集高频色帧的行，然后收集低频色帧的行，并且可以重复该过程直到收集了整个帧。在存在大量衰减回波的应用中可能不期望这种可选择实施例，因为这将导致对数据采集过程的干扰。
仍然在其它实施例中，可以以一个给定频率采集多个帧，然后以另一频率采集帧。例如，可以以高频采集多个帧，每个帧以不同深度被采集，然后以低频采集多个帧(每个帧再次以不同深度被采集)。
可选择地，可以使用图3所示的序列，但是所用的一个或两个频率的聚焦深度可以从一个迭代改变为下一个迭代。例如，可以用由相关回波帧跟随的在1cm聚焦的高频(9MHz)波束和在4cm聚焦的低频(6MHz)波束来实施一个迭代。随后的迭代可以用在2cm聚焦的高频(9MHz)波束和再次在4cm聚焦的低频(6MHz)波束来实施。在一些应用中，这种方法可能是有利的，因为波束形成器的聚焦能力可以允许给定频率有可能实现较深的深度。
如下面更详细所述，高频色帧和低频色帧可以结合加权函数或其它这样的手段一起使用，以形成在图像的整个深度上具有改善的分辨率的合成彩色多普勒图像，同时回波帧提供适于用作图像背景的灰度图像。
图4说明可以用于在此公开的彩色多普勒成像技术的系统301的一个非限定性实施例的基本元件。所说明的该特定系统假定使用两个发射波束，一个以高频发射，以及另一个以低频发射，不过本领域技术人员将会理解，在此公开的技术可以容易地推广到使用多于两个发射波束频率的系统。
该系统包括波束形成器前端303，其发射信号以便通过发射线来形成图像。接收器或正交带通(QBP)滤波器305接收所发射信号的回波，并将所接收的信号转换成从输入信号与余弦和正弦信号的乘积获得的复数。所得到的复数被输入到杂波滤波器307中，该滤波器校正受检者的壁运动。提供幂和自相关函数309，其采用多个脉冲重复间隔(PRI)，并从平均相位产生复频率估计。该频率估计通过多普勒公式与实际多普勒速度相关。
该系统还包括多区帧平均功能311、横向插值和空间平均功能313以及平均频率估计315功能。通过其将两个或更多个信号基本上混合在一起的多区帧平均，包括复信号估计S(t)317的应用，该估计由公式1给出：
S(t)＝P*a(d)*S(t-1)+(1-P)*b(d)*S(t)    (公式1)
其中
a(d)是深度和低频相关加权；
b(d)是深度和高频相关加权；以及
P是帧平均系数。
在帧平均过程中，与深度相关的低频和高频加权因子的使用通过防止低频信号遮盖近场分辨率来保持近场分辨率，同时也防止高频信号导致灵敏度的损失。结果是由低频和高频信号的平滑混合产生的适当的连续信号。在缺乏加权因子的情况下，可观察到高频信号在某个深度(通常约几个厘米)的信号损失，并且切换到较低频信号产生了不连续。
提供横向插值和空间平均313功能以改善信噪比。这优选通过将信号在横向和轴向上取平均来实现。平均频率估计315功能从其反正切得到角相位。然后将相位转换成速度。
产生从一个信号到另一信号的甚至更平滑的转换(也就是，在两个信号分辨率的情况中，产生低频和高频信号的更优混合)的各种选择是可能的。因此，例如QDB可以作为深度的函数工作以突出在给定深度存在的频率。
如前所述，在此所述的方法并不特别局限于以不同频率工作的任何数量的发射波束。然而，优选地，存在多个以不同频率工作的发射波束，并且每个发射波束具有多个(例如4个)与其相关的接收波束。如果使用两个频率，那么所使用的频率优选隔开至少2MHz但不大于7MHz，不过如果使用在中间频率工作的另外的发射波束，那么更大的范围会是可接受的。
在使用具有第一(F1)和第二(F2)发射频率的发射波束的系统中的发射波束的频率优选被选择，以使得对于各自的速度V1和V2，条件
V1＝V2                    (公式2)
为真，其中
V1＝PRF1·c/(2F1cos(θ))        (公式3)
以及
V2＝PRF2·c/(2F2cos(θ))        (公式4)
并且其中：
PRF1是与F1相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
PRF2是与F2相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
θ是彩色多普勒角(通常为常数)；以及
c是声速。
图5说明了能够在这里公开的成像方法中使用的波束图401的一个特定的非限定性例子。波束图没有按比例绘制。波束图是包括发射波束403以及接收波束405、407、409和411的4路平行波束图。在此公开的方法的典型实施例中，将使用多个发射波束，其中每个可以具有所说明的类型的波束图。
在一些实施例中，可以比较接收波束405和409的综合能量，以便如果有的话确定哪一路调整每个接收孔在高度方向上的中心，如果需要任何调整以补偿封闭的话。同样，可以比较接收波束407和411的综合能量，以便如果有的话确定哪一路横向调整每个接收孔的中心。
图6示出了可以用于实现在此公开的方法的一个可能的超声成像系统10的简化框图。相关领域的普通技术人员将会认识到，如图6所说明的超声成像系统10和下文描述的其操作打算一般地表示这种系统，并且任何特定系统可以明显不同于图6所示的系统，特别是在结构的细节和这种系统的操作方面。因此，关于在此所述的方法和装置或附于其的权利要求书，超声成像系统10应当被看作是说明性的和示例性的而非限定性的。
超声成像系统10一般包括超声单元12和所连接的换能器14。换能器14包括空间定位器接收器16。超声单元12已经将空间定位器发射器18和相关的控制器20集成在其中。控制器20通过提供定时和控制功能来提供对系统的整体控制。控制例程包括修改接收器16的操作以便产生诸如实况实时图像、预先记录的图像或者暂停或冻结图像之类以供观察和分析的体积超声图像的各种例程。
超声单元12还配备有用于控制超声的发射和接收的成像单元22以及用于在监视器上产生显示的图像处理单元24(参见图7)。图像处理单元24包含用于再现三维图像的例程。发射器18优选位于超声单元12的上部以便获得到接收器16的清楚发射。尽管没有专门说明，但是在此所述的超声单元可以被配置成推车(cart)形式。
在徒手成像期间，技术员将换能器14以受控运动在受检者25上方移动。超声单元12结合由成像单元22产生的图像数据和由控制器20产生的位置数据，以产生适合于在监视器上再现的数据矩阵(参见图7)。超声成像系统10使用通用处理器和类似于PC的体系结构将图像再现过程与图像处理功能集成。另一方面，有可能使用ASIC执行缝合和再现。
图7是可用于实践在此公开的方法的超声系统的框图30。图11所示的超声成像系统被配置成使用脉冲发生电路，但是同样可被配置成用于任意波形操作。超声成像系统10使用适合于结合标准个人计算机(“PC”)类型部件的集中式体系结构，并且包括换能器14，该换能器基于来自发射器28的信号以已知的方式通过一个角度扫描超声波束。反向散射信号或回波由换能器14检测，并通过接收/发射开关32依次馈给信号调节器34和波束形成器36。换能器14包括优选被配置为可转向二维阵列的元件。信号调节器34接收反向散射的超声信号，并在它们被馈给波束形成器36之前通过放大和形成电路调节那些信号。在波束形成器36内，超声信号被转换成数字值，并且根据来自沿着超声波束的方位角的点的反向散射信号的幅度被配置成数字数据值的“行”。
波束形成器36将数字值馈给专用集成电路(ASIC)38，该专用集成电路结合了将数字值转换成更有益于用来馈给监视器40的视频显示的形式的主处理模块。前端数据控制器42从波束形成器36接收数字数据值的行，并在收到时将每行缓冲在缓冲器44的区域中。在累积了一行数字数据值后，前端数据控制器42通过总线46将中断信号发送到共享中央处理单元(CPU)48。CPU 48执行控制程序50，该程序包括可操作用来实现在ASIC 38内每个处理模块的单独的异步操作的程序。更特别地，当接收到中断信号时，CPU 48将驻留于缓冲器42中的一行数字数据值馈给随机存取存储器(RAM)控制器52，以用于存储在组成统一的共享存储器的随机存取存储器(RAM)中。RAM 54也存储用于CPU 48的指令和数据，其包括数字数据值的行和在ASIC38中各个模块之间传送的数据，所有这些都在RAM控制器52的控制下。
如上所述，换能器14结合了接收器16，该接收器结合发射器28进行操作以产生位置信息。位置信息被提供给控制器20(或由控制器20产生)，该控制器20以已知的方式输出位置数据。位置数据结合数字数据值的存储(在CPU 48的控制下)被存储在RAM 54中。
控制程序50控制前端定时控制器45以将定时信号输出到发射器28、信号调节器34、波束形成器36和控制器20，以便将它们的操作与ASIC 38内的模块的操作同步。前端定时控制器45还发出控制总线46的操作和ASIC 38内各种其它功能的定时信号。
如前所述，控制程序50配置CPU 48以使得前端数据控制器44能够将数字数据值的行和位置信息移动到RAM控制器52中，然后它们被存储在RAM 54中。由于CPU 48控制数字数据值的行的传送，所以它检测何时整个图像帧已经被存储在RAM 54中。在这点上，CPU 48由控制程序50来配置，并且认识到数据可用于扫描转换器58的操作。因此，在这点上，CPU 48通知扫描转换器58它能够从RAM 54存取数据帧以进行处理。
为了(通过RAM控制器52)存取RAM 54中的数据，扫描转换器58中断CPU 48以向RAM 54请求数据帧的行。然后该数据被传送到与扫描转换器58有关的缓冲器60，并被转换成基于X-Y坐标系的数据。当该数据与来自控制器20的位置数据结合时，产生了X-Y-Z坐标系中的数据矩阵。可以为4-D(X-Y-Z-时间)数据使用四维矩阵。对来自RAM 54的图像帧的随后的数字数据值重复该过程。所得到的处理的数据通过RAM控制器52作为显示数据被返回到RAM 54中。显示数据通常与由波束形成器36产生的数据分开存储。CPU 48和控制程序50通过上述中断程序检测扫描转换器58的操作的完成。视频处理器62中断CPU 48，该CPU 48通过将来自RAM 54的视频数据的行馈到缓冲器62中进行响应，该缓冲器与视频处理器64相关。视频处理器64使用视频数据来将三维体积超声图像在监视器40上再现为二维图像。
本发明的上面描述是说明性的，并且不打算是限制性的。因此将会认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述实施例进行各种添加、替换和修改。因此，本发明的范围应当仅根据所附权利要求书进行解释。

Claims (10)

1.一种用于产生受检者的彩色多普勒图像的方法，包括以下步骤：
将第一和第二发射波束发射到受检者中，其中所述第一和第二发射波束分别由第一和第二频率来表征，并且所述第一和第二发射波束中的每个分别具有与其相关的第一和第二组接收波束；
接收第一和第二组接收波束；
基于第一和第二组接收波束从频率估计来获得第一和第二帧；
通过交错第一和第二帧来产生合成彩色多普勒图像；和
其中第一频率为高频，第二频率为低频。
2.权利要求1所述的方法，其中第一和第二频率之间的差至少为大约2MHz。
3.权利要求1所述的方法，其中通过将用于为第一组接收波束产生频率估计的复信号估计和用于为第二组接收波束产生频率估计的复信号估计取平均来形成合成图像。
4.权利要求1所述的方法，其中第一频率F1和第二频率F2被使得V1＝V2，其中
V1＝PRF1·c/(2F1cos(θ))，以及
V2＝PRF2·c/(2F2cos(θ))，
并且其中：
V1和V2是实际多普勒速度；
PRF1是与F1相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
PRF2是与F2相关的彩色多普勒脉冲重复频率；
θ是彩色多普勒角；以及
c是声速。
5.权利要求4所述的方法，其中θ是常数。
6.权利要求1所述的方法，其中第一和第二组接收波束的每组具有多个波束。
7.一种用于对受检者进行声学成像的方法，包括以下步骤：
将第一和第二发射波束发射到受检者中，其中第一和第二发射波束分别由第一频率F1和第二频率F2来表征，其中第一频率为高频，第二频率为低频；
接收分别对应于第一和第二发射波束的第一和第二组接收波束；
确定第一和第二组接收波束的频率；
将第一和第二加权因子应用于所确定的频率，从而产生第一和第二加权频率；以及
基于第一和第二加权频率产生合成彩色多普勒图像。
8.权利要求7所述的方法，其中第一和第二频率之间的差至少为约2MHz。
9.权利要求7所述的方法，其中选择第一和第二加权因子以优化灵敏度和近场分辨率。
10.权利要求7所述的方法，其中所述第一和第二组接收波束的每组具有多个波束。
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