CN105074498B - 具有对梯形的扇区的空间复合的超声诊断成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种超声诊断成像系统，通过组合从不同观看方向采集的分量帧，产生空间复合的梯形的扇区图像。使用虚拟顶点扫描格式，使得分量帧的每个扫描线出自阵列换能器的面上的不同点并且以不同扫描角度被转向。针对不同的分量帧，所述扫描线被以各自不同的角度转向。在图示的范例中，每个分量帧的所述扫描线相对于参考分量帧中对应的扫描线增加五度。当所述分量帧被组合用于空间复合时，实质上在整个像场上组合最大数目的分量帧。

Description

具有对梯形的扇区的空间复合的超声诊断成像系统
技术领域
本发明涉及超声诊断成像系统，并且尤其涉及产生梯形的扇区格式的空间复合图像的超声诊断成像系统。
背景技术
空间复合是这样一种成像技术，在其中通过组合从(已从每个角度或观看方向接收到的)复合图像目标中的每个点接收的数据，将从多个有利位置或角度(观看方向)获得的给定目标的许多超声图像组合成单个复合图像。空间复合的范例可见于美国专利4649327(Fehr等人)；4319489(Yamaguchi等人)；4159462(Rocha等人；6210328(Robinson等人)；6126598(Entrekin等人)以及6224552(Jago等人)。通过从基本上独立的空间方向快速采集一系列空间交叠的分量图像帧，使用阵列换能器以实施对分量帧的电子束操控和/或电子平移，来执行实时空间复合成像。通过求和、平均、峰值检测或其他组合手段，将分量帧组合成复合图像。以受采集帧速率限制的速率来重复采集序列和复合图像的形成，采集帧速率即要在所选择的成像宽度和深度上采集完全互补的扫描线的分量帧所需要的时间。复合图像通常比来自单一视点的常规超声图像显示更低的斑纹和更好的镜面反射描绘。在具有N个分量帧的复合图像中，斑纹减少了(即，斑纹信号与噪声比率得以改善)N的平方根，条件是被用于创建复合图像的分量帧基本上是独立的并且被平均化。几种标准能够被用于确定分量帧的独立程度(参见，例如O’Donnell等人在IEEE Trans.UFFC第35卷，第4号，第470-76页(1988年))。实践中，针对利用转向线性阵列的空间复合成像，这意味着分量帧之间的最小转向角度。该最小角度通常在几度的量级上，即三或四度。
空间复合扫描改善图像质量的第二种方式是通过改善对镜面界面的采集。例如，弯曲的骨-软组织界面在超声束精确垂直于该界面时产生强回声，并且在射束仅偏离垂直几度时产生非常弱的回声。这些界面常常是弯曲的，并且利用常规扫描，界面中仅有小部分可见。空间复合扫描从许多不同角度采集界面的视图，使弯曲的界面可见并且在更大的视场上连续。更大的角度差异一般改进镜面目标的连续性。然而，可获得的角度差异受换能器阵列元件的接受角度限制。接受角度取决于换能器阵列元件节距、频率和构建方法。
空间复合能够以超声成像中使用的各种图像格式完成，包括扇区图像和线性图像。用于空间复合的方便格式是如在前述Robinson等人、Entrekin等人和Jago等人的专利中描述的转向线性格式。以此格式，每个分量帧均从被转向为给定观看方向的平行扫描线形成。例如，能够使用全部被转向为0°(正前方)方向的扫描线采集第一分量帧。然后能够利用分别全部被转向为+15°方向和-15°方向的扫描线采集第二和第三分量帧。当分量帧被空间对齐地组合时，它们将产生空间复合的梯形图像。遗憾的是，如下文讨论的，空间复合效应在整个图像上并不是均匀的。这是因为在所组合的图像中不同区域中存在不同程度的图像交叠。因此，合乎期望的是以梯形扫描格式进行空间复合，其中空间复合效应遍及最大程度的空间复合图像组合最多数目的分量帧。
发明内容
根据本发明的原理，空间复合梯形图像是通过扫描虚拟顶点分量帧而形成的。虚拟顶点是一种相控波束转向技术，其中，扫描像场的扫描线以不同角度被转向。其被称为虚拟顶点是因为全部的扫描线看起来源自于超声换能器的面后面的共同点或顶点。以虚拟顶点格式采集分量帧，其中，扫描线在每个分量帧中相对于换能器的面的不同角度而被转向。当分量帧被组合时，在像场的实质部分上的交叠提供了遍及复合图像的大的区域上高度的空间复合。
附图说明
在附图中：
图1图示了根据本发明的原理构建的超声诊断成像系统的方框图形式；
图2图示了图1的空间复合处理器的实施方式的框图形式；
图3a至图3d图示由在转向线性扫描格式中采集的分量帧形成的空间复合图像的最高图像质量的区域；以及
图4a至图4c图示了根据本发明的用于空间复合梯形图像的形成而采集的分量帧。
具体实施方式
首先参考图1，示出了根据本发明的原理构建的超声诊断成像系统。超声探头10包括平面阵列换能器12，平面阵列换能器12在由虚线矩形和平行四边形(描绘出通过转向线性波束扫描扫描的区域的轮廓)指代的像场上以不同角度发射波束。附图中指示三组扫描线，被标记为A、B和C，每组相对于阵列换能器的面以不同角度被转向。阵列换能器能够是换能器元件的一维(1D)阵列或者是换能器元件的二维(2D)矩阵阵列。波束的发射是由发射器14控制的，发射器14控制阵列换能器的元件中的每个的定相和致动时间，从而沿阵列并以预定角度从预定原点发射每个波束。在使用2D阵列换能器时，由定位于探头10中的微波束形成器IC(μBF)提供发射和空间波束形成。1D阵列换能器在期望时也能够使用微波束形成器。从沿每个扫描线返回的回波被阵列的元件接收，通过模数转换被数字化，并且被耦合到数字波束形成器16。当使用微波束形成器时，在信号被耦合到系统波束形成器16之前，由微波束形成器在探头中执行至少空间波束形成。数字波束形成器延迟并加和来自阵列元件或微波束形成器的回波，以沿每个扫描线形成聚焦相干数字回波样本的序列。发射器14、微波束形成器和波束形成器16是在系统控制器18的控制下操作的，系统控制器18继而对在由超声系统的用户操作的用户接口20上对控制的设置做出响应。系统控制器控制发射器(和/或微波束形成器)，以期望角度、发射能量和频率，发射期望数目的扫描线组。系统控制器还控制数字波束形成器，以恰当延迟并组合针对使用的孔径和图像的接收到的回波信号。
由可编程数字滤波器22对扫描线回波信号进行滤波，可编程数字滤波器22限定感兴趣频带。当对谐波造影剂进行成像或执行组织谐波成像时，滤波器22的带宽被设定为使发射带的谐波通过。然后由检测器24检测经滤波器的信号。在优选的实施例中，滤波器和检测器包括多个滤波器和检测器，使得接收到的信号可以被分成多通带，所述多通带被分别检测并被重新组合以减少频率复合的图像斑纹。针对B模式成像，检测器24将执行对回波信号包络的幅度检测。针对多普勒成像，针对图像中的每个点集合回波的集合，并且对回波的集合进行多普勒处理以估计多普勒频率或多普勒功率强度。
根据本发明的原理，在处理器30中通过空间复合来处理数字回波信号。数字回波信号首先被预处理器32预处理。预处理器32能够在期望时利用加权因子对信号样本进行预加权。能够利用加权因子来对样本进行预加权，所述加权因子为被用于形成特定复合图像的分量帧的数目的函数。预处理区还能够对在一个交叠图像的边缘处的边缘线进行加权，从而使在其中被复合的样本或图像的数目改变处的过渡平滑。经预处理的信号样本可以然后在再采样器34中经历再采样。再采样器34能够空间重对齐对一个分量帧的估计或者重对齐到显示空间的像素。
在再采样之后，由组合器36复合图像帧。组合可以包括求和、平均化、峰值检测或其他组合手段。被组合的样本也可以在过程中的该步骤中的组合之前被加权。最终，由后处理器38执行后处理。后处理器将所组合的值归一化到限制范围的值。后处理器能够通过查找表最容易地执行，并且能够同时执行对复合值的范围的压缩，以及到适用于对复合图像的显示的值的范围的映射。
复合过程可以在估计数据空间或在显示像素空间中执行。在优选的实施例中，扫描转换是在复合过程之后由扫描转换器40执行的。复合图像可以以估计或显示像素的形式被存储在存储器42中。如果被存储为估计形式，则图像可以在从Cineloop(电影回放)存储器被回放用于显示时被扫描转换。扫描转换器和Cineloop存储器也可以被用于绘制空间复合图像的三维表示，如在美国专利5485842和5860924中描述的。在扫描转换之后，空间复合图像被视频处理器44处理以供显示并且被显示在图像显示器50上。
图2图示了图1的空间复合处理器30的一种实施方式。处理器30在该范例中是由以各种方式处理图像数据的一个或多个数字信号处理器60来实施的。例如，数字信号处理器60来对接收到的图像数据进行加权，并且能够对图像数据进行再采样，以空间对齐来自每个帧的像素。数字信号处理器60将经处理器的图像帧送往多个帧存储器62，帧存储器62缓存个体分量图像帧。能够由帧存储器62存储的分量图像帧的数目优选地至少等于要被复合的分量图像帧的最大数目，例如十六帧。根据本发明的原理，数字信号处理器对控制参数做出响应，控制参数包括图像显示深度、最大复合的区域的深度、临床应用、复合显示速率、操作模式，以及采集速率，用于确定在给定时刻要复合的图像的数目。数字信号处理器选择帧存储器62中存储的分量帧，用于集合为累积存储器64中的复合图像。在累积存储器64中形成的复合图像被归一化电路66加权或映射，然后被压缩到期望的显示位数，并且在期望时，通过查找表(LUT)68被重新映射。经完全处理的复合图像数据然后被传输到扫描转换器用于格式化和显示。
利用转向线性阵列的复合扫描得到交叠分量帧的模式，使得在其中全部N个帧都交叠的最大图像质量区域(RMIQ)为倒三角形区域，其底在复合图像的顶部。利用其他扫描几何配置，例如源自于阵列中的不同点的交叠相控阵列帧，RMIQ将呈现相应地不同的形状。这由图3a至图3d图示。图3b、图3c和图3d图示了被组合为形成图3a的空间复合图像的分量转向线性帧。图3b的分量帧是由以+15°的角度扫描平行四边形像场72的多个平行相邻扫描线形成的，在图像帧72的中心示出这些扫描线中的一个。这是复合图像的分量帧“C”。图3c的分量帧是由以0°的角度扫描矩形像场74的多个平行相邻扫描线形成的，在图像帧74的中心示出这些扫描线中的一个。这是复合图像的分量帧“B”。图3d的分量帧是由以-15°的角度扫描平行四边形像场76的多个平行相邻扫描线形成的，在图像帧76的中心示出这些扫描线中的一个。这是复合图像的分量帧“A”。在图3a中，示出在被空间配准以形成最终复合图像80的三个分量帧A、B和C。在RMIQ区域的任一侧，其中全部三个分量帧交叠并且被复合，交叠的帧的数目空间减小，仅两个帧在被指示为2的区域中交叠，并且在被指示为1的区域中仅存在单个帧。这意味着复合图像中的特定点，取决于分量帧是否在该点有数据，可以仅接收来自分量帧的子集的贡献。
根据本发明的原理，根据以虚拟顶点扫描格式扫描的分量帧产生空间复合超声图像。虚拟顶点是相控阵列扫描的形式，其中以相对于换能器阵列的面(发射表面)逐步不同的角度操控波束。在常规的相控阵列成像中，全部波束都发源自阵列的面上的共同点，一般在阵列的中心。该共同点是三角形扇区图像的顶点。在虚拟顶点扫描中，扫描线从其发源的共同点是位于阵列的面后面的“虚拟的”点，如美国专利5123415(Daigle)中描述的。在图4a中示出这样的扫描格式，其中虚拟顶点是在阵列12的面后面的点“O”。该范例中的换能器阵列为线性1D阵列，单一行的换能器元件E1至En。如在该范例中所见，以相对于阵列的面为0°的角度发射和接收中心扫描线。超声成像转换中使用的角度将在阵列前面正前方向指定为0°方向。在该中心扫描线的任一侧，毗邻的扫描线以不断增大的角度被逐步转向。在该范例中，紧邻中心左边的扫描线转向为-6°的角度，并且紧邻中心右边的扫描线转向为+6°的角度。随着距阵列的中心的距离增加，转向角的倾斜以6°的增量增加到在被扫描的扇区像场的横向侧的-48°和+48°。
在该范例中，图4a的扫描格式产生一个用于空间复合的分量帧。在图4b和图4c中示出另外两个分量帧。在图4b中，每个扫描线均发源自阵列的面上与图4a中扫描线相同的点，但被转向为向左5°的不同观看方向。在图4a中被转向为0°的角度的扫描线在图4b中被转向为-5°的角度。该扫描线现在以与图4a的0°扫描线不同的观看方向探询像场。观看方向上5°的差提供了观看方向的差异，该差异足以产生空间复合图像的斑纹减少特性。类似地，在中心左边的扫描线(其在之前被转向为-6°的角度)现在被转向额外的5°增量，从而其被导向到-11°的角度。在中心右边的扫描线，之前被转向为+6°的角度，现在被转向为+1°的角度。转向角中的该增量改变是在整个像场上执行的，并且在扇区的左横向侧的扫描线被转向为-53°的角度，并且在右横向侧的扫描线被转向为+43°的角度。因此，图4b中的像场中的每个点均是从与受图4a的扫描格式影响的不同的观看方向被探询的。
在图4c中，每个扫描线再次源自于阵列的面上与前面的分量帧中相同的点，但这次是以向右5°的角度增量。因此，图4a的0°扫描线现在被转向为+5°。中心左边的扫描线(其在图4a中被转向为-6°的角度)现在在图4c中被转向为-1°的角度，并且右边的扫描线(其曾被转向为+6°的角度)现在被转向为+11°的角度。在整个像场上重复每个扫描线的该5°增量偏斜，造成最左边扫描线被转向为-43°并且最右边扫描线被转向为+53°。这得到像场中的每个点均以与第一分量图像和第二分量图像两者不同的第三观看方向被探询。
当图4a、图4b和图4c的三个分量图像被复合时，存在跨图像的整个区域上虚拟地对三个分量图像的复合。换句话说，RMIQ实质上在整个像场上存在。仅在图像的横向极端处RMIQ减弱。创造性的空间复合技术针对二维和三维成像两者均有效，其能够利用标准相控阵列扫描和虚拟顶点相控扫描两者来执行，并且其能够利用扫描转换的或预扫描转换的图像数据来执行。尽管其大体上更方便整体上在扫描另一分量帧之前采集每个分量帧，但本领域技术人员将认识到，能够以时间交错的方式采集不同分量帧的扫描线。例如，能够针对一个分量帧以第一观看方向采集发源于阵列的面上的一个点的扫描线，针对第二分量帧以第二观看方向采集发源于相同点的扫描线，并且针对第三分量帧以第三观看方向采集发源于相同点的扫描线。然后从这些时间交错的扫描线合成分量帧。

Claims (15)

1.一种用于产生空间复合图像的超声诊断成像系统，包括：
阵列换能器(12)，其适于在多个不同观看方向采集分量帧，以及
复合图像处理器(30)，其包括：
发射器(14)，其适于控制所述阵列换能器以针对多个分量帧中的每个以梯形扫描格式对扫描线进行转向，其中，所述发射器适于通过(1)在多个不同扫描角度上并且(2)相对于其他分量帧的相应扫描线分别以不同的扫描角度对每个分量帧的所述扫描线进行转向，来生成多个不同观看方向，其中，所述多个分量帧中的每个分量帧的所述扫描线在所述阵列换能器的中心的左边或右边相对于其他分量帧的所述相应扫描线在角度上全部被增加相同角度增量；以及
复合图像存储器(62)，适于存储已从不同观看方向采集的分量帧，
其中，所述复合图像处理器(30)适于组合所采集的分量帧以形成空间复合图像。
2.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，还包括波束形成器(16)，所述波束形成器适于接收来自每个扫描线方向的回波信号。
3.如权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所述发射器还包括微波束形成器，
其中，所述阵列换能器和所述微波束形成器两者均定位于超声探头(10)中。
4.如权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所述波束形成器还包括微波束形成器，
其中，所述阵列换能器和所述微波束形成器两者均定位于超声探头(10)中。
5.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述阵列换能器(12)还包括换能器元件的一维线性阵列。
6.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述阵列换能器(12)还包括换能器元件的二维平面阵列。
7.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，每个分量帧的所述各自扫描线源自于所述阵列换能器(12)的面上的相同点。
8.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述发射器(14)还适于对每个分量帧的各自扫描线进行转向，所述每个分量帧的各自扫描线以不同的转向角源自于所述阵列换能器(12)的面上的相同点。
9.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述梯形扫描格式还包括在所述阵列换能器(12)的面的前方的近场区域，在所述近场区域中所述扫描线汇聚到共同顶点。
10.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述发射器(14)还适于控制所述阵列换能器(12)以通过相控阵列波束转向来对每个分量帧的所述扫描线进行转向。
11.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述发射器(14)还适于控制所述阵列换能器(12)来以虚拟顶点扫描格式对每个分量帧的所述扫描线进行转向。
12.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，阵列换能器(12)适于以时间交错的顺序采集所述分量帧的扫描线。
13.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述阵列换能器(12)适于采集在所述多个分量帧之间的观看方向差异，其中，所述分量帧之间的所述观看方向差异至少为三度。
14.如权利要求13所述的超声诊断成像系统，其中，所述分量帧之间的所述观看方向差异为五度。
15.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述复合图像处理器(30)适于通过求和、平均、峰值检测或其他组合手段中的一种来组合所采集的分量帧。
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