CN101677802A - 用于在超声系统中实现基于深度的增益控制的简化控制 - Google Patents

Abstract

通过基于存储的曲线族调整图像中的各深度处的增益，使得曲线族中的各曲线规定作为深度的函数的所有深度的增益调整，实现用于实现基于深度的增益控制的改进型方法。用户界面使得用户能够立即选择整个曲线(与对于各深度范围使用一组单独和独立地可调整的增益控制的现有技术的方法不同)。然后使用选择的曲线以修改由缺省时间增益补偿(TGC)曲线提供的增益调整。

Description

用于在超声系统中实现基于深度的增益控制的简化控制

相关申请的交叉参考

本申请要求在2007年1月24日提交的美国临时申请第60/886481号的优先权，其内容通过参考结合于此。

背景技术

常规的超声机的操作方式是，发送超声能量的脉冲，随后接收已经从相关解剖结构反射的超声返回信号，并将返回信号处理成图像。由于声音的有限速度，因此，首先到达的返回信号与较浅的深度相对应，而在时间上稍后到达的返回信号与较深的深度相对应。由于超声能量在其从换能器到目标区域的路径上以及在其从目标区域回到换能器的路径上均被衰减，因此许多现有技术的系统通过使用时间增益补偿(TGC)补偿该衰减，以对于与较深的深度相对应的稍后到达的信号提供附加的放大。由于通过许多解剖结构导致的超声能量的往返衰减一般大约三分贝每厘米，因此常使用类似图1所示的曲线的线性增益曲线20作为缺省的TGC曲线。

但是，由于在现实世界的应用中超声能量在其中行进的材料通常是不均匀的，因此超声能量经受的实际的衰减将通常不是距离的线性函数。一种已知的用于处理这种非线性衰减的方法是基于深度将成像区域分成大量的区域，并对于各区域提供个别的增益调整。图2A是这种类型的控制的例子，其中，成像区域被分成八个深度区域A～H，并且，提供滑块控制22以在各区域中独立地改变增益(高于和超过由缺省TGC曲线提供的增益)。在示出的例子中，通过向右移动滑块22增加或通过向左移动滑块22减小任何给定区域中的增益。

图2B是表示对于缺省增益曲线的偏差的增益调整曲线24的示图。这些偏差由图2A所示的滑块22的位置控制，这些位置确定应关于缺省TGC曲线增加或减小多少增益。深度A～H中的每一个中的增益的增加或减小分别与(图2A所示的)滑块22向右或向左移动的量相对应。为了示出图2A中的滑块22的位置和图2B中的增益曲线24之间的映射，在图2B中的虚线中示出滑块位置22′。(注意，图2B中的滑块22′的位置与图2A中的滑块22的位置相对应，但是旋转90°。)

在滑块已经移动到它们的用户选择的位置之后，常规的超声系统将通过使用图2C所示的调整的TGC曲线28作为深度的函数改变增益。调整的TGC曲线28的形状基于三种成分：缺省TGC增益20(来自图1)；对于缺省的调整(基于图2B所示的曲线24，该曲线24依赖于滑块的位置)；和总体增益控制的贡献，该贡献在所有的深度上使增益升高恒定的量。该总体增益由偏移量26表示，可通过使用任何适当的用户界面(例如，未示出的旋钮或滑块控制)调整其大小。

发明内容

通过将选择的设定点映射到规定N个深度中的每一个处的增益的完整的增益调整数据集上，基于单个控制的设定点作为深度的函数控制超声系统中的增益。然后，基于选择的增益调整数据集调整这些深度中的每一个处的增益。

附图说明

图1是画出作为深度的函数的增益的现有技术的缺省TGC曲线。

图2A示出现有技术的超声系统中的用于在不同的图像深度处进行增益调整的一组控制。

图2B示出现有技术的超声系统的增益调整曲线。

图2C示出现有技术的超声系统的调整的增益曲线。

图3是用于在不同的深度处控制超声系统的增益的用户界面的第一实施例。

图4是第一实施例的增益调整曲线族。

图5是第一实施例的调整的增益曲线族。

图6是示出一种用于构建调整的增益曲线的方法的流程图。

图7是构建并使用调整的增益曲线的超声系统的框图。

图8A是用于在不同的深度处控制超声系统的增益的用户界面的第二实施例。

图8B是用于在不同的深度处控制超声系统的增益的用户界面的第三实施例。

图9是用于在不同的深度处控制超声系统的增益的用户界面的第四实施例。

图10是第四实施例的附加的增益调整曲线族。

图11是第一实施例的可选的增益调整曲线族。

具体实施方式

这里说明的优选的实施例提供用于实现基于深度的增益控制的改进方法。它们提供在不需要对于多个深度中的每一个进行个别和单独地可调整的增益调整控制的情况下控制对于缺省TGC增益曲线的偏差的简化方法。

图3表示本发明的第一实施例的一组用户界面控制，其中，仅通过使用两个控制-亮度控制32和TGC控制34-来控制调整的TGC曲线。注意，虽然这些控制32、34被示为旋钮，但是本领域技术人员将会理解，可以用各种各样的可选择的用户界面(包含但不限于滑块、显示屏上的视觉控制等)代替它。

在本实施例中，同时通过使用单个控制34来设定许多不同的深度中的每一个的对于缺省TGC曲线的不同偏差水平。通过使TGC控制34的各位置与规定在各深度处对于缺省增益曲线的偏差的完整增益调整曲线相对应，实现这一点。图4A是四条这种曲线40～45的示意性表示，并且，这些曲线中的一条是基于TGC控制34的位置被选择的。因此，当用户将TGC控制34设定为特定的位置时，它使系统从预定的增益调整曲线族选择完整的增益调整曲线，这里，曲线族中的各曲线对于所有的深度规定对于缺省增益曲线的偏差量。例如，将TGC控制34设为位置0会选择增益调整曲线40，将TGC控制34设为位置1会选择增益调整曲线41等。注意，虽然为了清楚起见图4仅示出少量的曲线，但是实际上优选使用大量的曲线(例如，8条、16条或32条)，以向最终用户提供更细的控制度。还应注意，虽然图4示出图像被分成八个深度区域A～H，但是深度区域可被分成更小的增量(例如，分成16或32个深度区域)或更大的增量(例如，分成4～6个深度区域)。这里，用户基于TCG控制34的位置选择的特定增益调整曲线被称为“选择的增益调整曲线”。

选择的增益调整曲线与其它的控制一起被系统使用，以产生确定在各深度处使用的增益的调整的TGC增益曲线。优选对于每个深度通过将来自选择的增益调整曲线的增益调整加到(图1所示的)缺省TGC增益曲线20上实现增益的确定。优选地，还提供第二控制(即，图3所示的亮度控制32)以便以用户可选择的量上下偏移整个调整的TGC增益曲线。

图5是根据基于(图3所示的)TGC控制34的位置选择(图4所示的)四条增益调整曲线40、41、43或45中的哪一条表示四条不同的调整的TGC增益曲线50、51、53、55。例如，将TGC控制34设为位置0会导致选择图4中的增益调整曲线40。由于曲线40是平的(即，在所有的深度处增益调整为0dB)，因此得到的调整的TGC增益曲线会为图5中的曲线50。类似地，将TGC控制34设为(图3中的)位置1会导致选择图4中的增益调整曲线41，这会导致调整的TGC增益曲线类似于图5中的曲线51。注意，对于图5中的所有曲线50～55，对于整条曲线的偏移48的大小由(图3所示的)亮度控制32的位置控制。

图6是用于基于(图3所示的)亮度控制32和TGC控制34的位置产生图5所示的调整的TGC增益曲线中的任一条的一个示例性方法的流程图。在本例子中，图像被分成八个深度面元(bin)(即，深度A～H)，并且，对于五条不同的增益调整曲线(即，曲线0～5)提供数据。一种在系统中存储增益调整数据的方式是通过使用存储在存储器中的表格，该表格在八个深度面元中的每一个处对于五条曲线中的每一条规定单位为dB的增益调整。例如，参见表1。

表1

根据正被使用的硬件的特性，通过规定实现期望的增益变化所需要的控制信号的值而不是规定单位为dB的增益变化自身的值来处理增益可能是更加方便的。例如，在+0.5V控制信号提供+7.5dB的增益并且-0.5V控制信号提供-7.5dB的增益的系统中，除了以mV为单位而不是以dB为单位规定表2中的值以外，表2会表示表1中所示的相同的增益变化。本说明书的剩余部分使用这种约定，并且主要处理增益控制信号(单位为mV)而不是单位为dB的增益。

表2

现在返回图6，在步骤62中，(图3所示的)TGC控制34的位置由系统取得以确认被用户选择的TGC控制的设定点。相关领域技术人员将会理解，可通过使用各种已知的用户界面技术实现取得步骤，该用户界面技术将依赖于用于实现TGC控制34的特定类型的控制(例如，电位计、光学编码器、触摸屏等)。

在步骤63中，基于在步骤62中取得的控制的位置选择增益调整曲线中的一条。一种实现该选择的简单的方式是，将(图3所示的)TGC控制34的运动的全量程分成N个相等的子范围(subrange)，这里，N等于存储在存储器中的曲线的数量，然后，在控制位于第一子范围中时对于曲线#0选择数据，并在控制位于下一子范围中时对于曲线#1选择数据等。

在步骤64中，取得缺省TGC曲线。表3示出规定约3dB每厘米的增益的适当的缺省TGC曲线的例子。

表3

深度	cm	dB	mV
				A	0	0	0
B	1.57	4.8	321
				C	3.14	9.6	643
D	4.71	14.5	964
				E	6.29	19.3	1286
F	7.86	24.1	1607
				G	9.43	28.9	1929
H	11.0	33.8	2250

注意，表3中的数据代表由图1中的曲线20示出的相同的3dB/cm缺省TGC函数。当然，相关领域技术人员将认识到，由于表3代表线性函数，因此可以在需要时而不是在作为数据点被存储在表格中时计算其中的数据包含。

然后，在步骤65中，使用与选择的增益调整曲线(来自表2)相对应的数据以修改缺省TGC曲线(来自表3)。表4示出对于六条曲线0～5中的每一条的该修改的结果。为了实现该修改，将各深度A～H处的增益调整加到这些深度中的每一个处的缺省TGC曲线数据上，以形成初步调整的TGC曲线，并且表4是当使用六条曲线0～5中的每一条以修改缺省TGC曲线时表示对于这些初步调整的TGC曲线的数据。因此，表4中的数据表示解释穿透深度和用户通过(图3所示的)TGC控制34选择的增益调整曲线的控制信号。

表4

(图3所示的)亮度控制32的目的是，通过对于整个图像升高总体增益，增加或降低整个图像周期的总体亮度。在步骤66中，取得亮度控制的位置，并且在步骤67中，系统构建将用于随后成像的调整的TGC曲线。可例如通过与亮度控制的设定位置相对应的控制值实现该步骤以在所有深度处以恒定的值调整增益控制信号。例如，如果亮度控制32被设定为在系统中提供总体6db的增益，这里，6db与400mV的控制信号相对应，那么会将400mV加到表4中的每个数据点上以产生表5所示的数据集。注意，在控制信号超过放大器的最大允许值的情况下，增益控制设定应被设为其最大值，并且可以使用数字增益以对图片中的相应像素进行后处理。

表5

在步骤68中，基于控制分支69的操作，调整的TGC曲线然后用于随后的成像操作，直到(图3所示的)控制32、34被调整时。如果控制被调整，那么处理返回开始，使得可以形成新的调整的TGC曲线并然后将其用于成像。

由于步骤68和控制分支69之间的交互作用，因此当控制正被调整时成像过程正在进行，并且操作员可在超声机的显示器上实时看到改变(图3所示的)控制32、34的结果。当存储的曲线的数量较少(如上述的例子中的那样)，当(图3所示的)TGC控制34与子范围之间的边界相交时，调整控制可导致图像以较大的“跳跃”变化。任选地，可通过使用相关领域技术人员容易想到的各种方法消除这种跳跃，诸如增加曲线的数量，使得子范围的尺寸将较小，或者基于TGC控制的位置在各曲线之间内插以产生与TGC控制34的中间位置相对应的内插的增益调整曲线。在可选择的实施例中，可使用曲线拟合而不是内插来产生与TGC控制34的中间位置相对应的增益调整曲线。

当然，相关领域技术人员将会理解，可以在不依赖于在以上的例子中说明的表格1～5的情况下很容易地设想基于这两个控制32、34的位置产生调整的TGC曲线的各种可选择的方法。具体而言，对于通过简单地取得(图3所示的)亮度控制32和TGC控制34的位置并基于这两个取得的位置在各深度处计算调整的TGC曲线的值产生调整的TGC曲线来说，数学是足够简单的。

注意，可通过将图像分成不同数量的或大或小的深度面元修改上述的例子。如果期望的话，可个别地基于所讨论的像素的深度(例如，通过对于中间点使用内插或曲线拟合)以及亮度和TGC控制的位置，对于图像中的各像素计算调整的TGC曲线的值。例如，在具有12厘米的穿透深度的样本以0.015毫米间隔开的系统中，12厘米图像深度与8000个样本相对应，因此，可对于这8000个样本中的每一个计算单独的增益调整。

图7是计算调整的TGC曲线并使用调整的TGC曲线以控制超声成像期间的增益的系统的框图。在图7的实施例中，超声换能器76包含36个元件，但是可以使用具有任意数量的元件的换能器。虽然特定类型的超声换能器不是关键的，但是优选相控阵列换能器，特别是在美国专利申请10/996816(在2004年11月24日提交)中说明的类型，其内容通过参考结合于此。可以使用任何常规的超声发送/接收开关77以交替地将换能器76连接到发送脉冲发生器(未示出)或接收放大器78上。Texas Instruments VCA2613是适于这种应用的接收放大器。由于各VCA2613包含两个放大器，因此，需要18个VCA2613装置以同时放大所有36个换能器的输出。

用户界面71包括以上讨论的TGC和亮度控制，并可通过使用各种常规的方法中的任一种被实现。控制器72从用户界面取得亮度和TGC设定，计算适当的调整的TGC曲线的形状(例如，如上所述)，并将得到的数据存储在表格73中。一种实现表格73的适当的方式是，将各接收像素的增益控制值加载到表格中。例如，在使用每条线8000个像素的系统中，可以使用具有8000个数据点的表格以对于给定线中的各像素提供单独的增益调整。

函数发生器74在接收循环期间重复产生调整的TGC曲线，并且将信号馈送到放大器78的增益控制输入，以在接收循环的不同部分期间适当地修改增益。如波形75示出的那样，函数发生器74被配置为依次对于图像的各线对于各接收间隔重复输出调整的TGC曲线。对于各线，超声换能器在周期Tx期间发送脉冲，然后，系统切换为接收模式并接收与该脉冲相对应的返回信号，通过使用调整的TGC曲线Rx以修改接收放大器78的增益。示出的波形75对于图像的三条连续线i、i+1和i+2示出该过程，并且该过程继续，直到对于图像中的各线接收返回。

一种实现函数发生器74的适当的方式是，使函数发生器从表格73读取各接收像素的增益控制值(例如，用由控制器72控制的读取操作或通过使用DMA)，并将得到的数据流馈送到D/A转换器中。然后，与正接收相应像素的时刻同步，D/A转换器的输出被施加到放大器78的增益控制输入。在所有的数据点被读取之后，发送下一个像素并将表格的读取指针复位，以对于图像中的下一条线开始新的接收循环。相关领域技术人员将会认识到，各种可选择的方法可以用于实现调整的TGC曲线的重复产生。

图8A示出提供与上述的第一实施例类似的亮度控制32和TGC控制34并且添加深度控制36的用户界面的第二实施例。在示出的实施例中，可在6和12厘米之间设定深度控制。优选地，当需要较小的穿透深度时，深度控制通过限制发送功率操作。这对于符合超声信号的FDA的ALARA要求是有益的。

图8B示出提供与上述的第二实施例类似的亮度控制32、TGC控制34和深度控制36并且添加用于选择原始图像数据的数字后处理的滤波系数的“滤波”控制38的用户界面的第三实施例。

图9示出提供与上述的第一实施例类似的亮度控制32和TGC控制34′并且添加应用控制31的用户界面的第四实施例。应用控制用于选择曲线族，并且TGC控制用于从选择的曲线族中选择一条曲线。例如，当应用控制31被设为“H”时，图5所示的曲线族50～55会被选择，并且当应用控制31被设为“K”时，图10所示的曲线族90～95会被选择。应用控制31的其它设定会导致选择其它曲线族(未示出)。

一旦应用控制31已经被设定为给定的位置，TGC控制34′就以与在上述的第一实施例中从单个曲线族选择单条曲线的方式类似的方式从选择的曲线族中选择曲线。由于不同目标区域的解剖结构的变化或其它因素，对于为所有可能的预期用途提供最佳图像来说一个曲线族可能是不够的，因此该应用控制31是有用的。通过提供应用控制31，可对于心脏成像优化一个曲线族，可对于肾脏成像优化第二曲线族，对于肺脏成像优化第三曲线族等。然后，分别通过将应用控制31切换到H、K或L选择对于心脏、肾脏或肺脏优化的曲线族，然后，TGC控制34′从选择的曲线族中选择曲线。当然，相关领域技术人员将会认识到，虽然以上的讨论仅提到对于心脏、肾脏和肺脏优化的曲线族，但也可提供对于这些器官的特定的示图或完全不同的用途(包括医疗和非医疗用途)优化的曲线族。

由于将更容易地将给定的超声机返回先前的控制设定状态，因此以上说明的简化控制还使得成像过程是更可重复的。例如，管理人能够指示操作员分别用设为“H”、5和2的应用控制、亮度控制和TGC控制捕获特定对象的图像。例如，对于在不同的日子从同一病人获得的图像的比较的便利化，或者，在教导操作员如何使用机器的情况下，这会是有用的。甚至可在不同的超声机之间提供这种可重复性，这些超声机使用上述的技术以规定用于捕获图像的机器设置(以与在拍照的情况下焦距、f制光圈和快门速度规定照相机的设置的方式类似的方式)。

在可选择的实施例中，代替基于开关的位置选择曲线族，可以基于扣到系统上的换能器/探针的类型选择曲线族(假定实现适当的探针识别方法)。

任选地，可以对于本实施例添加深度控制(与上面关于第二实施例讨论的类似)和/或滤波系数选择器(与上面关于第二实施例讨论的类似)。

表6是可替代以上在表2中阐述的数据的可选择的增益调整数据集的数据集，图11是与该数据相对应的增益调整曲线集的示图。对于300mV控制信号提供+13.33dB的增益的系统，以mV为单位规定该特定数据集。

表6

注意，对于该数据，曲线6、7和8的增益对于较深的深度减小。对于在解剖结构的相关部分全部包含于较浅的部分中的情况下使图像的最深的部分变暗，这是有用的。

Claims (21)

1.一种控制超声系统中的增益的方法，该方法包括以下步骤：

基于第一控制的单个设定点，从一组增益调整数据集选择一个增益调整数据集，其中，该组中的各增益调整数据集规定N个深度中的每一个处的增益，这里，该组包含至少4个增益调整数据集，并且N至少为3；以及

基于在选择步骤中选择的增益调整数据集调整N个深度中的每一个处的增益。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一控制是旋钮，并且第一控制的单个设定点是旋钮的角位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，增益调整数据规定对于线性TGC曲线的偏差。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，增益调整数据集中的每一个包含N个深度中的每一个的数据点。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，增益调整数据集中的每一个包括规定作为深度的函数的增益的等式。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，该组包含至少5个增益调整数据集，并且N至少为8。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

基于第二控制的单个设定点选择总体增益；以及

基于总体增益调整N个深度中的每一个处的增益。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该组包含至少5个增益调整数据集，并且N至少为8。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括基于第三控制的设定点选择多组增益调整数据集中的一组的步骤，其中，多个组中的各组与预期用途相对应。

10.一种改进型超声系统，用于通过将超声能量传送到目标区域中、检测从目标区域反射的超声能量的多个部分并将检测到的能量处理成图像而获得对象的图像，其中，改进包括增益控制系统，所述增益控制系统具有：

基于由用户选择的第一单个设定点从一组增益调整数据集选择一个增益调整数据集的第一增益控制，其中，该组中的各增益调整数据集规定N个深度中的每一个处的增益，这里，N至少为3；以及

基于由用户选择的第二单个设定点选择总体增益的第二增益控制，

其中，超声系统基于通过第一增益控制选择的增益调整数据集调整N个深度中的每一个处的像素的增益，并且还基于通过第二增益控制选择的总体增益调整图像中的所有像素的增益。

11.根据权利要求10的改进型超声系统，其中，第一增益控制包括旋钮，并且第一增益控制的第一单个设定点是旋钮的角位置。

12.根据权利要求10所述的改进型超声系统，其中，该组包含至少5个增益调整数据集，并且N至少为8。

13.根据权利要求10所述的改进型超声系统，其中，增益控制系统还具有基于由用户选择的第三单个设定点选择多组增益调整数据集中的一组的第三控制，其中，多个组中的各组与预期用途相对应，并且，超声系统使用所选择的组以实现增益调整。

14.根据权利要求13所述的改进型超声系统，其中，多个组中的各组包含至少5个增益调整数据集，并且N至少为8。

15.一种控制超声系统中的增益的方法，该方法包括以下步骤：

基于第一控制的单个设定点选择N个深度中的每一处的增益调整数据，这里，N至少为3，其中，(a)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将第一控制设为第一设定点选择第一增益调整数据集{A₁、A₂、...A_N}；(b)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将第一控制设为第二设定点选择第二增益调整数据集{B₁、B₂、...B_N}；以及(c)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将第一控制设为第三设定点选择第三增益调整数据集{C₁、C₂、...C_N}；以及

基于在选择步骤中选择的增益调整数据集调整N个深度中的每一个处的增益。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，N至少为8，并且，(d)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将第一控制设为第四设定点选择第四增益调整数据集{D₁、D₂、...D_N}；以及(e)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将第一控制设为第五设定点选择第五增益调整数据集{E₁、E₂、...E_N}。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

基于第二控制的单个设定点选择总体增益；以及

基于总体增益调整N个深度中的每一个处的增益。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，N个深度中的每一个之间的增益过渡是平滑的。

19.一种改进型超声系统，用于通过将超声能量传送到目标区域中、检测从目标区域反射的超声能量的多个部分并将检测到的能量处理成图像获得对象的图像，其中，改进包括增益控制系统，所述增益控制系统具有：

基于由用户选择的单个设定点同时调整N个深度中的每一个处的增益的第一增益控制，这里，N至少为3，其中，(a)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将控制设为第一设定点选择第一增益调整集{A₁、A₂、...A_N}；(b)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将控制设为第二设定点选择第二增益调整集{B₁、B₂、...B_N}；以及(c)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将控制设为第三设定点选择第三增益调整集{C₁、C₂、...C_N}；以及

以依赖于由用户选择的第二控制的设定点的量调整全部N个深度处的总体增益的第二增益控制。

20.根据权利要求19所述的改进型超声系统，其中，N至少为8，并且，(d)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将控制设为第四设定点选择第四增益调整集{D₁、D₂、...D_N}；以及(e)分别地，对于用在N个深度中的每一个处，将控制设为第五设定点选择第五增益调整集{E₁、E₂、...E_N}。

21.根据权利要求19所述的改进型超声系统，其中，N个深度中的每一个之间的增益过渡是平滑的。

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