CN106461765B - 三维(3d)和/或四维(4d)超声成像 - Google Patents

Abstract

一种超声成像系统(100)包括在同一平面中彼此成角度地偏移的换能器元件的至少第一和第二阵列(108)。传输电路(112)激励该第一阵列和该第二阵列以在多个角度上同时进行传输。接收电路(114)控制该第一阵列和该第二阵列以便在多个角度上同时接收回波信号。回波处理器(116)对接收到的信号进行处理，从而产生用于第一阵列的第一数据流和用于第二阵列的第二数据流。第一数据流和第二数据流包括接收到的回波信号的数字化表示。样本匹配器(118)对第一数据流的样本和第二数据流的样本进行比较并确定二者之间的互相关度。相关因子产生器(120)基于所确定的互相关度产生相关因子信号。扫描转换器(122)基于相关因子信号以及第一数据流和第二数据流产生用于显示的三维图像。

Description

三维(3D)和/或四维(4D)超声成像

技术领域

下文主要涉及超声成像，并且更具体地涉及一种被构造成用于三维(3D)和/或四维(4D)超声成像的超声成像设备。

背景技术

超声成像系统提供了关于处于检查中的对象的内部特性的有用信息。一种示例性的超声成像系统已经包括具有换能器阵列的超声探头和控制台。该超声探头容置该换能器阵列，该换能器阵列包括一个或多个换能器元件。该控制台包括显示监视器和用户界面。

该换能器阵列将超声信号传输到视野中并接收响应于与其中的结构交互的信号而产生的回波。对接收到的回波进行处理，从而产生扫描结构的图像。这些图像可被通过显示监视器直观地呈现出来。根据超声成像设备的造构，图像可以是二维(2D)的、三维(3D)的和/或四维(4D)的。

被配备用于三维和/或四维成像的超声成像系统是半机械化的或包括呈二维矩阵的元件。一种半机械化的超声成像系统包括一种机电传动系统，该机电传动系统将电机的旋转运动转换成该超声换能器阵列的平移运动、旋转运动和/或摇摆运动。不幸的是，该方法需要附加的硬件，从而会增加成本和占用面积。

与具有1维、1.5维或1.75维阵列的换能器元件的构造相比，一种具有呈二维矩阵的元件的超声成像系统在控制台中包括更多的元件、互连到每个元件的互连件以及用于这些元件的对应通道。不幸的是，与不具有1维、1.5维或1.75维阵列的换能器元件的构造相比，二维矩阵的元件增加了成本、布线复杂性和处理需求。

发明内容

本申请的多个方面解决了上述和其它问题。

在一个方面中，一种超声成像系统包括换能器元件的至少两个一维阵列。该至少两个一维阵列包括换能器元件的第一阵列及换能器元件的第二阵列。换能器元件的第一阵列和第二阵列在同一平面中彼此成角度地偏移。该超声成像系统还包括传输电路，该传输电路激励换能器元件的第一阵列和第二阵列以在多个角度上同时传输。该超声成像系统还包括接收电路，该接收电路控制换能器元件的第一阵列和第二阵列以在多个角度上同时接收回波信号。该超声成像系统还包括回波处理器，该回波处理器对接收到的信号进行处理，从而产生用于第一阵列的第一数据流和用于第二阵列的第二数据流。第一数据流和第二数据流包括接收到的回波信号的数字化表示。该超声成像系统还包括样本匹配器，该样本匹配器对第一数据流的样本和第二数据流的样本进行比较并确定二者之间的互相关度。该超声成像系统还包括相关因子产生器，该相关因子产生器基于所确定的互相关度产生相关因子信号。该超声成像系统还包括扫描转换器，该扫描转换器基于相关因子信号以及第一数据流和第二数据流产生用于显示的三维图像。

在另一方面中，一种方法包括对通过换能器探头的至少两个一维阵列同时接收的回波信号进行比较。该至少两个阵列彼此横向地设置在同一平面上。该方法还包括基于该比较确定相关因子信号。该方法还包括基于回波信号和相关因子信号产生三维图像。

在另一方面中，一种计算设备包括在至少两个超声信号的样本之间产生互相关度值的计算机处理器，其中，至少两个超声信号被利用在同一平面中彼此横向地空间定向的至少两个换能器阵列来获得，并基于互相关度值和样本产生三维超声成像。

一旦阅读和理解所附说明书，本领域技术人员将意识到本申请的其它方面。

附图说明

本申请被通过示例示出并且不限于附图，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件，并且附图中：

图1示意性地示出了一种超声成像系统，该系统包括具有多个一维阵列的换能器元件的探头和控制台；

图2示出了用于第一阵列的在波束轮廓(beam profile)中具有对象的包络信号；

图3示出了用于不同的第二阵列的在波束轮廓中不具有对象的包络信号；

图4示出了用于图2和图3的包络信号的相关因子信号；

图5示出了用于第一阵列的在波束轮廓中具有对象的包络信号；

图6示出了用于不同的第二阵列的在波束轮廓中具有对象的包络信号；

图7示出了用于图5和图6的包络信号的相关因子信号；

图8示出了用于第一阵列的在波束轮廓中具有对象的包络信号；

图9示出了用于不同的第二阵列的在波束轮廓中具有对象的包络信号；

图10示出了用于图8和图9的包络信号的相关因子信号；

图11示出了一种实施例，其中换能器阵列中的一个包括一系列相邻(contiguous)元件，并且另一换能器阵列包括两个节段，每个节段都对接(butt up)到换能器阵列中的这一个；

图12示出了一种实施例，其中另一换能器阵列包括一系列相邻元件，并且换能器阵列中的一个包括两个节段，每个节段都对接到该另一换能器阵列；

图13示出了一种实施例，其中换能器阵列中的两个都包括两个节段，每个节段都对接到并不包括任何换能器元件的区域；

图14示出了一种实施例，其中换能器阵列中的两个都包括两个节段，每个节段都对接到由这些换能器阵列所共享的换能器元件；

图15示出了具有至少四个换能器阵列的实施例；以及

图16示出了一种用于使用如在图11、图12、图13、图14和图15中的一幅中所示的至少两个换能器阵列进行三维超声成像的示例方法。

具体实施方式

图1示意性地示出了一种包括超声成像探头102和超声成像控制台104的系统100。在这个示例中，探头102和控制台104通过通信路径106进行通信。

超声成像探头102包括N个一维(1D)换能器阵列，其包括换能器阵列108₁、…、换能器阵列108_N，其中N是等于或大于2的整数，本文中共同称为换能器阵列108。换能器阵列108₁、…、108_N分别包括换能器元件组110₁、…、110_N。换能器阵列108可以是线性的、弧形的和/或其它形状的阵列。换能器阵列108可以包括六十四个(64)、九十六个(96)、二百五十六个(256)和/或其它数量的换能器元件。

在一种情况中，探头102包括在同一平面中彼此横向或正交的两个换能器阵列(即，N＝2)，并且使用有限数量的换能器元件和对应数量的信号通道来获取用于三维和/或四维成像的数据，而无需机械地移动一维换能器阵列108中的任一个并且不包括二维矩阵换能器和相关的大量互连件和通道。与机械的移动换能器阵列和/或包括二维矩阵的构造相比，这可以降低复杂性和成本。

控制台104包括传输电路112，该传输电路112控制换能器阵列108的换能器元件110的激励以传输超声信号。在一种情况下，这包括控制换能器阵列108中的至少两个以从阵列108中的这至少两个的元件110同时传输波束。控制台104还包括接收电路114，该接收电路114按线路发送通过换能器元件110接收到的射频模拟(回波)信号。开关可被用于在传输电路112和接收电路114之间进行切换。

波束的角度调整(angling)可以通过相控阵列和/或其它方法来实现，在此期间，时间相关的方法和/或其它方法可被用于使传输和/或接收聚焦和/或用于引导传输和/或接收的聚焦。发射和接收可被反复进行，直到覆盖了所关注的空间角度。例如，在每个换能器阵列108以一(1)度分辨率在四十五(45)个不同的角度上聚焦的情况下，角度调整被反复进行45x45或2025次。本文中也设想到了其它角度和/或分辨率。

控制台104还包括回波处理器116，该回波处理器116将接收到的用于每个阵列108的射频模拟信号转换成各自数据流中的数字化表示。对于每个都包括96个元件的两个阵列108，这包括处理(例如，延迟和求和)来自每个阵列108的96个元件中的每一个的96个信号并产生两个数据流，每个换能器阵列108使用一个数据流。利用希尔伯特变换等的包络检波(Envelope detection)可被用于检测包含在数据流中的振幅。数据流中的样本的数量取决于接收周期的长度及样本频率。

控制台104还包括对不同数据流中的样本进行比较的样本匹配器118。该比较可被使用与预定权重函数相乘的预定数量的早期样本和晚期样本以样本的方式实施。对于该比较，样本匹配器118可应用互相关方法，其中，互相关为一(1)表示精确匹配，互相关度为零(0)表示不匹配，并且互相关度介于二者之间表示二者之间的相对匹配度。

控制台104还包括相关因子信号发生器120。在一种情况下，相关因子信号发生器120产生应用这两个阵列108的相关因子信号。该相关因子信号包括作为接收过程中的时间的函数描述信号中的样本有多么等同的一系列相关因子。该相关因子信号基于通过样本匹配器118确定的互相关度值。

短暂地转向图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，示出了示例包络信号和对应的相关因子信号。在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10中，包络信号始于紧位于传输之后的时间点。第一或y轴202表示振幅并且第二或x轴204表示时间。

图2到图4示出了一种示例，其中对象位于一个阵列108的波束轮廓中。图2示出了用于阵列108的在波束轮廓中具有对象的包络信号。区域206对应于来自该对象的回波信号。图3示出了用于阵列108的在波束轮廓中不具有对象的包络信号。回波信号包括低水平，例如该系统的固有噪音和低水平背景散射。图4使用与图2和图3的包络信号互相关的方法示出了相关因子信号402。包络信号是不相关的，并且所产生的相关因子信号402是低的。

图5到图7示出了一种示例，其中，对象位于这两个波束轮廓中。图5示出了用于一个阵列108的在波束轮廓中具有对象的包络信号，并且图6示出了用于另一阵列108的在该波束轮廓中具有该对象的包络信号。区域502和602对应于来自对象的回波信号。图7使用与图5和图6的包络信号互相关的方法示出了相关因子信号702。图5和图6的包络信号是相关的，并且所产生的相关因子信号702是高的。

在图2到图7的情况下，对象为固体，从而遍及其横截面具有恒定的反射因子。

在图8到图10中，对象(例如，诸如血管或胆囊)包含流体。在这种情况下，来自对象的边缘的回波是强烈的而来自内侧流体的回波是非常低的。这是由如下事实所导致的，即，来自对象内侧的低水平回波(包络)可能低于背景噪音。

图8示出了用于一个阵列108的在该波束轮廓中具有该对象的包络信号，图9示出了用于另一阵列108的在该波束轮廓中具有该对象的包络信号。区域802和902对应于来自对象的边缘的回波信号。区域804和904对应于来自对象内侧的回波信号。

图10使用与图8和图9的包络信号互相关的方法示出了相关因子信号1002。图8和图9的对应于边缘的包络信号是相关的，并且所产生的相关因子信号1002是高的。图8和图9的对应于内侧的包络信号是相关的，并且低于背景噪音。

回到图1，控制台104还包括：扫描转换器122，该扫描转换器122转换处理信号并产生用于显示的图像；以及显示器124，该显示器124可被用于显示扫描后的转换数据。为了建立用于可视化表示的灰度，在一种情况下，相关因子信号可被用作用于两个包络信号之间的平均值的乘数。在使用或不使用低水平阈值的情况下，这可抑制背景散射回波等。

控制台104还包括具有输入装置(例如，鼠标、键盘、触摸控制器等)的用户界面(UI)126，该用户界面126允许与该系统100进行用户交互。控制台104还包括控制器128，该控制器128控制传输电路112、接收电路114、回波处理器116、样本匹配器118和扫描转换器122中的至少一个。

对变型进行讨论。

在一个对象为固体的变型(如结合图2到图7所讨论的那样)中，采用最低样本值方法。对于该方法，样本匹配器118识别和选择包络信号的一组比较样本的最低样本值。这样一来，用于所产生的信号的值在信号源自于其的引导角中总是与最多的选择性阵列相关。如果这两个值相等，选择哪个都没关系。

在另一变型中，采用合成孔径方法。在利用合成孔径方法的情况下，不采用相控阵列，并且在计算处于限定空间角度中的三维波束轮廓的一个过程中同时处理来自这两个阵列108的所有元件信号。

在另一变型中，至少一个换能器阵列108包括1.5维或1.75维阵列的换能器元件。

在另一变型中，通过远离该系统100的计算系统实现样本匹配器118、相关因子发生器120和扫描转换器122中的至少一个。这种计算系统的一个示例包括执行存储在计算机可读存储介质(“内存”)中的至少一个计算机可读指令的至少一个处理器(例如，微处理器、中央处理单元等)，该介质不包括瞬时介质并且包括物理内存和/或其它非瞬时介质。微处理器也可执行由载波、信号或其它瞬时介质承载的一个或多个计算机可读指令。

图11、图12、图13、图14和图15示出了换能器阵列108的空间关系的非限制性示例。

最初参考图11，两个换能器阵列108(换能器阵列108₁和108_N)内容相对于彼此空间地定向，使得它们处于同一平面中并且在中心区域1102处交叉，并且彼此成角度地偏移九十(90)度或大致90度。在该示例中，换能器阵列108₁为单一阵列的相邻换能器元件1104，并且该换能器阵列108_N包括两个节段1106₁和1106₂，每个节段都对接到换能器阵列108₁。

接下来在图12中，示出了一种类似于图11的构造的构早。该示例类似于图11的示例，不同之处在于，换能器阵列108_N包括该单一阵列的相邻换能器元件1202，并且该换能器阵列108₁包括两个节段1204₁和1204₂，每个节段都对接到该换能器阵列108_N。

转向图13，示出了一种实施例，其中，换能器阵列108₁包括两个节段1202₁和1202₂，并且换能器阵列108_N包括两个节段1106₁和1106₂，这四个节段1106₁、1106₂、1202₁和1202₂对接到不包括任何换能器元件的区域1302。

图14示出了一种实施例，其中，换能器阵列108₁包括两个节段1202₁和1202₂，并且换能器阵列108_N包括两个节段1106₁和1106₂，并且这四个节段1106₁、1106₂、1202₁和1202₂对接到由换能器阵列108₁和108_N所共享的换能器元件1402。

图15示出了一种具有至少四个换能器阵列108(换能器阵列108₁和108_N及换能器阵列108_I和108_J)的实施例。在该实施例中，换能器阵列108被相对于彼此空间地定向，使得它们处于同一平面中并且在中心区域1102处交叉，并且彼此成角度地偏移四十五(45)度或大致45度。中间区域可包括用于一个阵列108的换能器元件、由两个或多个阵列108所共享的换能器元件或不包括换能器元件。

本文中也设想到了其它构造。

图16示出了使用被如图11、图12、图13、图14和图15中的一幅所示构造的换能器阵列108中的两个进行三维超声成像的示例性方法。

将会理解的是，下列行为被出于解释性的目的并且并不是限制性的。因此，可省略这些行为中的一个或多个，可添加一个或多个行为，一个或多个行为可以不同的次序(包括与另一行为同时)发生，等等。

在1602处，一个阵列108以所关注的角度倾斜。例如，对于从-45度到+45度的角度范围中的一组角度，该阵列108可以-45度倾斜。在另一情况下，采用不同的初始角度和/或一组不同的角度。

在1604处，另一阵列108以所涉及的角度倾斜。同样，对于在-45到+45度的角度范围中的一组角度，该阵列108可能以-45度倾斜。在另一情况下，采用一种不同的初始角度和/或一组不同的角度。

在1606处，同时激励这两个阵列108进行传输。

在1608处，这两个阵列108同步地接收。

在1610处，使用于这两个阵列108中的每个的接收到的模拟射频信号波束成形(beamform)，从而产生具有接收到的模拟射频信号的数字化表示的两个数据流信号。

在1612处，对每个数据流信号的包络进行检测。

在1614处，确定数据流信号的包络之间的相关因子并对其进行保存。

在1616处，确定另一阵列是否将会以所关注的另一角度倾斜。如果是，针对所关注的另一角度重复动作1604到1614。例如，该阵列108可被递增到-44度或处于该角度范围中的其它角度。

如果不是，在1618处，确定一个阵列是否将会以所关注的另一角度倾斜。如果是，对于所关注的另一角度重复进行动作1602到1616。例如，阵列108可被递增到-44度或处于该角度范围中的其它角度。

如果不是，在1620处，基于这些相关因子和包络信号产生三维图像。该三维图像可被直观地呈现出，被传送到另一装置，进行进一步处理等。

上文内容可被通过被编码或者嵌置在计算机可读存储介质上的计算机可读指令来实施，该计算机可读指令在由计算机处理器执行时致使处理器实施所描述的动作。此外或作为选择，由信号、载波或其它瞬时介质承载这些计算机读取指令中的至少一个。

在一种变型中，可以同时处理来自多个角度的回波信号，其可减少图16的内部循环(动作1616)中的迭代次数。减少迭代次数会提高系统的帧率(frame rate)并因此增加每秒产生的三维图像的数量。如果该次数足够高以作为时间的函数产生有用的三维图像，则可以实现四维模式。

已经参照多种实施例描述了本申请。一旦阅读了本申请，其他人将会想到修改和变化。本发明意在被解释为包括所有的这种修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效方案的范围内。

Claims (25)

1.一种超声成像系统(100)，包括：

换能器元件(110)的至少两个一维阵列(108)，所述阵列包括在同一平面中彼此成角度地偏移的换能器元件(110₁)的第一阵列(108₁)和换能器元件(110_N)的第二阵列(108_N)；

传输电路(112)，所述传输电路激励换能器元件的所述第一阵列和所述第二阵列以在多个角度上同时进行传输；

接收电路(114)，所述接收电路控制换能器元件的所述第一阵列和所述第二阵列以在所述多个角度上同时接收回波信号；

对接收到的信号进行处理的回波处理器(116)，从而产生用于所述第一阵列的第一数据流和用于所述第二阵列的第二数据流，其中，所述第一数据流和所述第二数据流包括接收到的回波信号的数字化表示；

样本匹配器(118)，所述样本匹配器将所述第一数据流的样本和所述第二数据流的样本进行比较并确定二者之间的互相关度；

相关因子产生器(120)，所述相关因子产生器基于所确定的互相关度产生相关因子信号；

扫描转换器(122)，所述扫描转换器基于所述相关因子信号以及所述第一数据流和所述第二数据流产生三维图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，换能器元件的所述第一阵列和所述第二阵列是彼此正交的。

3.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，所述第一阵列或所述第二阵列中的一个包括换能器元件的相邻阵列并且所述第一阵列或所述第二阵列中的另一个包括两个节段，所述两个节段中的每一个都在所述相邻阵列的中心区域处对接到所述相邻阵列。

4.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，所述第一阵列和所述第二阵列都包括两个节段，所述两个节段中的每一个都对接到非换能区域。

5.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，所述第一阵列和所述第二阵列都包括两个节段，所述两个节段中的每一个都对接到换能区域。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述换能区域由所述第一阵列和所述第二阵列共享。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个阵列至少包括换能器元件的第三阵列和第四阵列(108_I、108_J)。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，换能器元件的所述第一阵列、所述第二阵列、所述第三阵列和所述第四阵列彼此成角度地偏移45度。

9.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，互相关度为一表示所述样本匹配。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，互相关度为0表示所述样本并不匹配。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，互相关度介于0和1之间表示所述样本之间的相对相关度。

12.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，所述扫描转换器通过相应的相关因子对所述样本加权以产生所述三维图像。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述扫描转换器采用所述相关因子作为乘数以确定两个样本之间的平均值。

14.根据权利要求1到2中的任一项所述的系统，其中，所述扫描转换器施加预定阈值以抑制背景散射回波。

15.一种方法，包括：

对由换能器探头的至少两个一维阵列同时接收到的回波信号进行比较，其中，所述至少两个阵列彼此横向地设置在同一平面中；

基于所述比较确定相关因子信号；

基于所述回波信号和所述相关因子信号产生三维图像。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：

将所述回波信号数字化，从而形成用于所述至少两个一维阵列中的每一个的数字化信号，其中，每个数字化信号都表示所述回波信号的振幅并且基于数字化的振幅确定所述相关因子信号。

17.根据权利要求15到16中的任一项所述的方法，所述方法还包括：

控制所述至少两个一维阵列以在预定体积上进行传输和接收。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

控制所述至少两个一维阵列包括：使所述至少两个一维阵列中的第一阵列以第一角度范围中的所关注的第一角度倾斜，以及使所述至少两个一维阵列中的第二阵列以第二角度范围中的所关注的第二角度倾斜；以及

启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收。

19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：

将所述至少两个一维阵列中的所述第一阵列和所述第二阵列中的一个的倾斜角度改变到所关注的另一角度；以及

启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：

针对所述第一角度范围或所述第二角度范围中的整组角度，将所述至少两个一维阵列中的所述第一阵列或所述第二阵列中的一个的倾斜角度相继改变到所关注的另一角度，以及启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收。

21.根据权利要求18到20中的任一项所述的方法，所述方法还包括：

将所述至少两个一维阵列中的所述第一阵列或所述第二阵列中的另一个的倾斜角度改变到所关注的另一角度；并且

启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收。

22.根据权利要求21所述的方法，所述方法还包括：

针对处于所述第一角度范围或所述第二角度范围中的整组角度，将所述至少两个一维阵列中的所述第一阵列或所述第二阵列中的一个的倾斜角度相继改变到所关注的另一角度，并且启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收。

23.根据权利要求15到16中的任一项所述的方法，其中，启动所述至少两个一维阵列以进行传输和接收包括控制所述至少两个一维阵列以同时传输和同步接收。

24.根据权利要求15到16中的任一项所述的方法，所述方法还包括：

通过确定所述回波信号的样本之间的互相关度来确定所述相关因子信号。

25.一种计算设备，包括：

计算机处理器，所述计算机处理器在至少两个超声信号的样本之间产生互相关度值，并基于所述互相关度值和所述样本产生三维超声成像，其中，所述至少两个超声信号被利用在同一平面中彼此横向地空间定向的至少两个换能器阵列获得。