CN107613878A - 用于检测物体运动的超声成像系统和方法 - Google Patents

用于检测物体运动的超声成像系统和方法 Download PDF

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Abstract

基于ping的成像系统可以用于跟踪硬物体或者软物体在成像的介质内的运动。可以通过定义指纹点以及基于多个发射的ping的回波跟踪每个指纹点的定位来执行运动检测和运动跟踪。

Description

用于检测物体运动的超声成像系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为62/140,296、提交于2015年3月30日、名称为“UltrasoundImaging Systems and Methods for Detecting ObjectMotion”的美国临时专利申请和申请号为62/235,411、提交于2015年9月30日、名称为“Ultrasound Imaging Systems andMethods forDetecting Object Motion”的美国临时专利申请的权益，在此通过引用而将这两份美国临时专利申请的内容结合于此。
引用结合
在本说明书中提到的所有公开文本和专利申请通过引用而结合于此，如同具体地和个别地指明通过引用而结合每份个别公开文本或者专利申请的程度。
技术领域
本申请总体上涉及超声成像领域，并且更特别地涉及使用基于ping的超声成像的高速运动跟踪。
背景技术
在常规的基于扫描线的超声成像中，向待检查的身体组织中发射聚焦的超声能量束，并且检测和绘制沿着相同线返回的回波以形成图像的沿着扫描线的部分。可以通过重复该过程并且组合沿着扫描平面内的一系列扫描线的图像部分来形成完整图像。必须通过插值来估计相继扫描线之间中的任何信息。
已经将相同过程扩展成通过组合来自多个相邻切片(其中每个切片在不同扫描平面中)的图像来获得三维体积的超声图像。同样，必须通过插值来估计来自相继扫描平面之间中的任何空间的任何信息。由于时间在捕获完整2D切片之间流逝，所以可能显著地妨碍获得用于移动物体的3D图像数据。所谓“4D”成像系统(其中第四维度是时间)力争产生3D体积空间的移动图像(即，视频)。基于扫描线的成像系统也具有固有的帧速率限制，这在对移动物体尝试4D成像时产生困难。
由于这些和其它因素，现有2D和3D超声成像系统和方法的限制中的一些限制包括欠佳的时间和空间分辨率、成像深度、斑点噪声、欠佳的横向分辨率、模糊的组织以及其它这样的问题。
已经在超声成像领域中利用创建多个孔径成像来做出了显著改进，在申请人的在先专利和申请中示出和描述了这些改进的示例。多孔径成像方法和系统允许比常规超声成像系统相比大量地增加的成像分辨率和高得多的帧速率。
发明内容
提供了一种用成像系统跟踪物体的运动的方法，该方法包括以下步骤：用成像系统的控制器在兴趣区域中定义多个基准区域，用控制器在每个基准区域内定义指纹点，其中指纹代表比成像系统可分辨的任何细节更小的面积，从成像系统的换能器阵列向兴趣区域中发射一系列未聚焦的超声ping，用换能器阵列的多个换能器元件从发射的一系列未聚焦的超声ping接收回波，在分离的存储器串中存储由多个换能器元件中的每个换能器元件接收的回波数据，用控制器检测至少一个指纹点的移动，以及用控制器传达指示物体相对于换能器的移动已经出现的信号。
在一些实施例中，该方法还包括用成像系统获得兴趣区域的至少一个图像，并且其中定义多个基准区域包括选择至少一个图像中的多个点。
在一些实施例中，获得兴趣区域的至少一个图像包括获得包含物体的至少一部分的至少两个图像，至少两个图像落在也与物体相交的相交二维平面中，其中定义指纹点包括在二维平面与物体之间的交点处定义第一指纹点，在至少两个图像中的第一图像中定义第二指纹点，以及在第二图像中定义不在交点处的第三指纹点。
在其它实施例中，检测至少一个指纹点的移动包括标识每个存储器串中的指纹点，以及检测每个存储器串中的指纹点的定位的移位。
在一个实施例中，至少一个指纹点包括至少一个机器可标识的峰。
在其它实施例中，该方法还包括在检测到指纹点中的第一指纹点在组合的存储器串中的定位的移位之前组合来自两个或者更多个未聚焦的超声ping的存储器串以形成组合的存储器串。
在一个实施例中，该方法还包括在检测到指纹点中的第一指纹点在组合的存储器串中的定位的移位之前组合来自换能器阵列的两个或者更多个换能器元件的存储器串以形成组合的存储器串。
在一些实施例中，检测至少一个指纹点的移动包括用控制器在除了原有位置之外的位置中标识指纹图案。
在另一实施例中，该方法包括用控制器跟踪物体的运动，包括用控制器获得与被包含在每个基准区域内的每个指纹点对应的移动前指纹图案，用控制器定义包围每个指纹点的搜索区域，用控制器通过取回与包围指纹点中的每个指纹点的搜索区域对应的移动后数据以及波束形成搜索区域来获得多个移动后搜索图像，用控制器在每个移动后搜索区域中搜索移动前指纹图案中的对应的移动前指纹图案的新定位，用控制器基于在搜索区域中发现指纹图案来确定用于指纹点中的至少一个指纹点的新定位，以及用控制器传达指示至少一个指纹点的新定位或者物体的新定位的信号。
在一个实施例中，在跟踪物体的运动的步骤期间波束形成仅搜索区域并且不波束形成不与搜索区域之一对应的回波数据。
在一些实施例中，该方法还包括基于与多个接收换能器元件对应的多个存储器串中的数据来检测指纹点中的第一指纹点的定位的移位。
在另一实施例中，多个换能器元件比它们相互而言更接近换能器阵列的相反端。
在一些实施例中，指纹点的每个指纹点具有在1平方纳米与100平方微米之间的面积。
在其它实施例中，定义的指纹中的每个指纹代表具有比执行该方法的成像系统可分辨的最小细节的大小的一半更小的最大尺度的面积。
在附加实施例中，定义的指纹中的每个指纹代表具有比从阵列发射的超声ping的波长的一半更小的最大尺度的面积。
在一些实施例中，定义的指纹中的每个指纹代表具有比从阵列发射的超声ping的波长的四分之一更小的最大尺度的面积。
在另一实施例中，定义的指纹中的每个指纹代表具有比从阵列发射的超声ping的波长的十分之一更小的最大尺度的面积。
在一个实施例中，所有基准区域落在自由深度范围内，该自由深度范围被定义为距每个换能器元件的距离范围，在该距离范围内返回回波由以下造成：仅单个发射的ping，并且以比在发射换能器元件、最远反射器和距发射元件最远的接收元件之间的最大往返行程时间的倒数更大的速率发射ping。
在另一实施例中，换能器阵列包括对准于第一图像平面的第一多个一维线性换能器元件和对准于与第一图像平面相交的第二图像平面的第二多个一维线性换能器元件，并且其中向兴趣区域中发射一系列未聚焦的ping包括从第一多个一维换能器元件中的第一单个元件发射第一一系列ping以及从第二多个一维换能器元件中的第二单个元件发射第二一系列ping。
在一些实施例中，换能器阵列包括对准于延伸到兴趣区域中的第一图像平面的第一多个一维线性换能器元件、对准于延伸到兴趣区域中的第二图像平面的第二多个一维线性换能器元件，并且包括点源发射器元件，第二图像平面与第一图像平面相交；并且其中向兴趣区域中发射一系列未聚焦的ping包括从点源发射器元件发射一系列未聚焦的ping。
在另一实施例中，点源发射器元件被定位在第一图像平面和第二图像平面的交点处。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。将通过参照阐述说明性实施例的以下具体描述来获得对本发明的特征和优点的更好理解，在说明性实施例中利用本发明的原理并且在其附图中：
图1是图示了用于使用超声系统来检测物体的运动的过程的过程流程图。
图2是图示了用于使用超声系统来跟踪物体的运动的过程的过程流程图。
图3是图示了重叠ping信号的发射的示图。
图4A和图4B图示了从使用多孔径的基于ping的超声成像系统收集的数据得出的一些网纹指纹图案。
图5是具有多个发射换能器元件和多个圆形接收换能器元件的示例成像探测器阵列的示意图。
图6是图示了适合用于在运动检测和/或运动跟踪过程中使用的十字形探测器的示图。
图7是图示了多孔径成像系统的实施例的示意图。
具体实施方式
将参照附图来具体描述各种实施例。参照具体示例和实现方式是出于说明性目的，并且没有旨在于限制本发明或者权利要求的范围。
本公开内容提供了用于使用高速超声技术以用于检测物体、组织或者物质在成像的介质内的运动的系统和方法。这里描述的超声运动检测系统和方法的实施例可以提供其它可用系统不能满足的各种优点。这样的优点可以包括上至10,000帧/秒的潜在运动检测帧速率、在10ms以下的运动检测延时以及用于用标度远小于所用超声的波长的精确度检测和跟踪运动的能力。这里描述的技术可以被用来在正被使用的超声成像系统中检测和跟踪比任何可分辨的物体更小的点的运动。
例如，这里的系统和方法可以用来在多于10kHz的更新速率用小于1毫秒的报告延时检测和跟踪物体小于0.05mm的移动。可以在六个自由度(例如，在X、Y、Z方向上的线性移动以及绕着倾斜、滚动和摇摆轴的旋转)中跟踪移动物体的定位和速率。在一些情况下，这里描述的系统和方法可以执行甚至比这些测量更好。
瑞利判据(Rayleigh criterion)是用于确定成像系统可实现的最小可分辨细节(按照横向分辨率)的大小的公认判据。认为成像过程在一个源点的图像的第一衍射最小值与另一源点的最大值重合时“衍射受限”。对于超声成像探测器的情况而被简化的瑞利判据指示超声探测器在横向分辨率上的最小可分辨细节在总孔径为D时的大小(‘r’)是r≈1.22λ/D(其中λ是在成像的介质中的超声速度除以超声频率)。
由于在基于ping的超声成像系统中没有发射波束形成，所以没有在传统意义上的归于常规相控阵列超声的轴向分辨率。然而，这里在传统意义上使用术语‘轴向分辨率’，因为它传达有些相似的概念：用于区分沿着始于点源发射器的放射线接近放在一起的两个反射器的能力。基于ping的超声成像系统的轴向分辨率近似地等于正被使用的超声的波长(λ)(即，成像的介质中的超声速度除以超声频率)乘以在每个ping中被发射的循环数目。
这里描述的各种运动检测和运动跟踪系统和方法总体上利用这里被称为“基于ping的成像”的成像技术。用对基于ping的成像技术的描述、继而对各种运动检测和运动跟踪技术的描述、转而继而对可以与这里描述的过程和技术组合被使用的各种硬件单元的描述来组织本公开内容。
虽然这里参照对各种解剖结构的超声成像来描述各种实施例，但是将理解，也可以在其它应用(比如对非解剖结构和物体进行成像和评估)中使用这里示出和描述的方法和设备中的许多方法和设备。例如，这里的各种实施例可以应用于非破坏测试应用，比如评估各种结构(比如焊缝、压力容器、管道、结构构建、梁等)的质量、完整性、尺度或者其它特性。系统和方法也可以用于对某个范围的材料(包括人或者动物组织、固体金属(比如铁、钢、铝或者钛、各种合金或者复合材料等))进行成像和/或测试。
关键术语介绍
以下段落提供了用于这里频繁地使用的一些术语的有用定义。其它术语也可以在下文使用它们时被加以定义。
如这里所用，术语“超声换能器”和“换能器”可以带有它们如超声成像技术领域技术人员理解的普通含义，并且可以是指而不限于能够将电信号转换成超声信号和/或相反的任何单个部件。例如，在一些实施例中，超声换能器可以包括压电器件。在其它实施例中，超声换能器可以包括电容微加工超声换能器(CMUT)、由电活化材料(比如压电材料、铁性体材料、铁电材料、热电材料、电致伸缩材料)制成的其它微加工的换能器或者能够将超声波转换成电信号和相反的任何其它换能材料或者器件。
经常在多个个别换能器元件的阵列中配置换能器。如这里所用，术语“换能器阵列”或者“阵列”一般地是指被附着到公共支撑机构的换能器元件的集合。阵列可以通常地(但是未必地)包括被装配到公共背衬板或者衬底的多个换能器元件。这样的阵列可以具有一个维度(1D)、两个维度(2D)、1.X个维度(1.XD)或者三个维度(3D)，如这里别处使用那些术语那样和/或如在本领域中普遍地理解它们那样。也可以使用如本领域技术人员理解的其它维度的阵列。也可以使用环形阵列，比如同心圆阵列和椭圆阵列。在一些情况下，换能器阵列可以包括不规则地隔开的换能器元件、稀疏地定位的换能器元件(也被称为稀疏阵列)、随机地隔开的换能器阵列或者任何其它几何或者随机换能器元件布置。阵列的元件无需连续并且可以被非换能材料分离。
换能器阵列的元件可以是阵列的最小的功能分立部件。例如，在压电换能器元件的阵列的情况下，每个元件可以是单个压电晶体或者压电晶体的单个加工的节段。备选地，在由多个微元件(例如，微加工的元件、微圆顶元件或者其它微大小的元件)组成的阵列中，可以电耦合一组微元件以便共同地作为单个功能元件操作。在这样的情况下，该组共同地操作的微元件
如这里所用，术语“发射元件”和“接收元件”可以带有它们如超声成像技术领域技术人员理解的普通含义。术语“发射元件”可以是指而不限于至少瞬间地执行发射功能的超声换能器元件，在该发射功能中，电信号被转换成超声信号。发射的超声信号可以在特定方向上被聚焦或者可以未聚焦，从而在所有方向或者广范围的方向上发射。相似地，术语“接收元件”可以是指而不限于至少瞬间地执行接收功能的超声换能器元件，在该接收功能中，撞在元件上的超声信号被转换成电信号。向介质中发射超声这里也可以被称为“声穿透”。反射超声波的物体或者结构可以被称为“反射器”或者“散射器”。
如这里所用，指代换能器元件的“定位”或者“位置”的术语是指由该元件表现的声学中心定位。在一些情况下，元件的声学中心定位可以与元件的机械或者几何中心精确地重合。然而，在许多情况下，元件的声学中心定位可能由于各种因素(比如制造不规律、损坏、不规则元件几何形状等)而不同于元件的机械或者几何中心。可以使用各种校准技术(比如在名称为“Calibration of Multiple ApertureUltrasound Probes”的美国专利申请公开号2014/0043933和名称为“Calibration of Ultrasound Probes”的美国专利号9,282,945中描述的校准技术的各种校准技术来确定元件的声学中心定位。
如这里所用，术语“孔径”可以是指单个换能器元件或者由成像控制电子器件共同地管理为公共组的一组换能器元件。例如，在一些实施例中，孔径可以是对可以与相邻孔径的元件在物理上分离和相异的元件的分组。然而，相邻孔径无需必然地在物理上分离或者相异。反言之，单个孔径可以包括相互间隔任何一个距离或者不同距离的两个或者更多个在物理上分离或者相异的换能器阵列或者元件的元件。在一些情况下，两个或者更多个元件无需相互相邻以被包括在相互的公共孔径中。例如，不同组的换能器元件(例如，“左孔径”可以由左阵列加上在物理上相异的中心阵列的左一半构造，而“右孔径”可以由右阵列加上在物理上相异的中心阵列的右一半构造)。
如这里所用，术语“接收孔径”、“声穿透孔径”和/或“发射孔径”这里用来意味着个别元件、作为组来执行希望的发射或者接收功能的在阵列内的一组元件或者甚至完整阵列。在一些实施例中，这样的发射和接收孔径可以被创建为具有专用功能的在物理上分离的部件。在其它实施例中，可以如需要的那样动态地电子定义任何数目的发送和/或接收孔径。在其它实施例中，多孔径超声成像系统可以使用专用功能和动态功能孔径的组合。在一些情况下，可以在两个或者更多个ping循环(如以下定义的那样)期间向不同孔径指派元件。
如这里所用，术语“ping循环”是指从近似于点源的发射器发射ping开始并且在发射的ping的所有可用(或者所有希望的)回波已经由接收换能器元件接收时结束的循环。在许多情况下，ping循环可以相异并且被分离某个时间段。在其它情况下，ping循环可以在时间上相互重叠。也就是说，第N+1个ping循环可以在完成第N个ping循环之前开始(发射ping)。
如这里所用，术语“总孔径”是指探测器中的所有成像孔径的总大小。换而言之，术语“总孔径”可以是指由在用于特定成像循环的发射和/或接收元件的任何组合的最远换能器元件之间的最大距离定义的一个或者多个尺度。因此，总孔径可以由被指明为用于特定循环的发送或者接收孔径的任何数目的子孔径组成。在单孔径成像布置的情况下，总孔径、子孔径、发射孔径和接收孔径可以都具有相同尺度。在多孔径成像布置的情况下，总孔径的尺度包括所有发送和接收孔径加上在孔径之间的任何空间的尺度之和。
在一些实施例中，两个孔径可以在连续阵列上被定位为相互相邻。在其它实施例中，两个孔径可以在连续阵列上相互重叠，从而使得至少一个元件作为两个分离孔径的部分工作。可以按照特定应用所需要的任何方式动态地定义孔径的位置、功能、元件数目和物理大小。
这里描述的元件和阵列也可以是多功能。也就是说，在一个实例中将换能器元件或者阵列指明为发射器没有排除它们在下一实例中立即重新指明为接收器。另外，这里的控制系统的实施例包括用于基于用户输入、预设的扫描或者分辨率判据或者其它自动地确定的判据电子地做出这样的指明的能力。
如这里所用，成像系统的“图像能力场”可以是可以实际地由成像系统成像的、成像的物体或者物质的任何面积或者体积。对于如这里描述的基于ping的成像系统，术语“图像能力场”可以与术语“声穿透的区域”同义。术语“兴趣区域”可以是指在图像能力场内的二维或者三维区域。图像能力场相对于探测器的范围可以受物理限制所影响(例如，基于信噪比或者衰减率)或者可以是选择的逻辑限制(例如，基于希望的兴趣区域)。
如这里所用，术语“像素”是指在成像系统的图像能力场内的二维空间的区域。术语“像素”没有旨在于被限于显示设备的像素，并且可以代表大于或者小于显示像素的、现实比例物体的区域。“像素”可以代表任何现实大小的图像能力场的区域，并且在一些情况下可以代表比成像系统的任何可分辨物体更小的区域。像素可以、但是无需必然地是方形或者矩形，并且可以具有允许对图像能力场的连续二维表示的任何形状。在一些情况下，代表像素的数据可以没有被显示，但是仍然可以作为单位而被处理并且被称为“像素”。
如这里所用，术语“体素”是指在成像系统的图像能力场内的三维空间的区域。术语“体素”没有旨在于被限于二维或者三维显示设备的任何特定部分，并且可以代表大于或者小于显示体素的、现实比例物体的区域。“体素”可以代表任何现实大小的图像能力场的三维区域，并且在一些情况下可以代表比成像系统的任何可分辨物体更小的区域。体素可以、但是无需必然地是三维方形或者矩形棱柱。体素可以具有允许对图像能力场的连续三维表示的任何形状。在一些情况下，代表体素的数据可以没有被显示，但是仍然可以作为单位而被处理并且被称为“体素”。
如这里所用，术语“像素位置”和“体素位置”(或者“定位”)是指在图像能力场内的可由坐标系标识的位置，该坐标系可以是笛卡尔坐标系或者任何其它坐标系。
如这里所用，“像素”可以被描述为与“体素”“相交”。可以使用任何希望的惯例来将二维像素定义为与三维像素相交。例如，对于方形像素和立方形像素，与体素相交的像素可以是体素的方形面或者穿过体素的任何其它方形或者矩形。如果用于像素的坐标系不同于用于体素的坐标系，则一个像素可以与多个体素相交。
如这里所用，术语“回波”是指到达接收换能器元件的超声波阵面或者对超声波阵面的模拟或者数字表示。由于这里描述的成像方法允许极宽范围的探测器配置，所以到达接收换能器的一些超声信号可以源于在成像的物体的相反侧上的发射换能器元件。这样的波阵面也旨在于被包括在“回波”的定义内，即使这样的波阵面也可以被描述为“被透射”或者“被偏转”。
如这里所用，术语“反射器”和“散射器”是指正被成像的、物理物体的物理部分。在被波阵面撞击时，反射器和散射器将旨在于在主要地由物理学规定的方向上重新辐射波阵面。术语没有旨在于限制发射器、散射器和反射器的相对几何形状。
如这里所用，动词术语“反射”和“散射”是指散射器对传播的超声波阵面的影响。在一些情况下，散射器仅略微地偏转的波阵面(例如，形成逼近180°的组合的发射元件/散射器/接收元件角度)仍然可以被描述为已经被该散射器(或者“反射器”)“反射”。
如这里所用，术语“样本”是指在物理易失性或者非易失性存储介质中的数字数据元。除非上下文另有提示，否则这里描述的“样本”一般地是指代表接收的超声波形的离散部分的数据元。可以在采样速率量化和数字地采样由响应于接收的超声波阵面而振动的换能器元件产生的时变电信号，以便产生代表接收的时变电信号的一系列数字值。那些值可以被称为“样本”。在一些情况下，“样本”可以包括在两个数字地存储的样本值之间中的插值的值。
如果在已知的采样速率(通常地，但是未必地为一致采样速率)完成数字采样，则每个样本的定位(例如，如按照在存储器设备中的位置或者在值序列中的定位而被测量的)可以直接地与负责每个样本值的波阵面段的到达时间有关。
如这里所用，术语“波束形成”是指基于样本值(被直接地存储或者插值)、负责样本值的发射元件的已知声学中心定位和负责样本值的接收元件的已知声学中心定位来确定用于像素或者体素的值的过程。这里别处进一步具体描述波束形成。
如这里所用，术语“图像”(作为名词)是指对物理物体的人类可见图形表示或者被存储在物理存储介质上的一系列非瞬态数字值，该一系列非瞬态数字值可以由软件和/或图像处理器解释以产生这样的图形表示。如这里所用，术语“图像”未必意味着任何特定程度的性质或者人类可读性。“图像”可以是指对物体的二维表示(例如，在一些情况下的横截面)或者三维体积表示。如这里所用，术语“图像”和“成像”(以动词形式)是指产生图像的过程。
点源发射超声成像介绍
在各种实施例中，点源发射超声成像(另外被称为基于ping的超声成像)较传统的基于扫描线的成像而言提供若干优点。点源发射就它的空间特性而言不同于沿着有向扫描线在从换能器元件阵列的特定方向中聚焦能量的“相控阵列发射”。可以发射点源脉冲(这里也被称为“ping”)以便生成二维圆形波阵面或者三维球形波阵面，由此在二维或者三维兴趣区域中声穿透尽可能宽的面积。来自兴趣区域中的散射器的回波可以返回到接收孔径的所有元件(或者没有被阻止发射回波的障碍物阻挡的所有那些元件)。那些接收的回波信号可以在短期或者长期存储器(取决于特定系统的需要或者能力)中被滤波、放大、数字化和存储。
然后可以通过确定负责接收的回波样本的反射器的定位来从接收的回波重建图像。可以基于接收的回波样本的到达时间(可以基于样本定位被推断出)、负责回波样本的发射元件的声学定位和负责回波样本的接收元件的声学定位来计算负责数字回波样本的每个反射器的定位。
波束形成可以通过基于软件、基于固件或者基于硬件的动态波束形成技术被执行，在该技术中可以连续地改变波束形成器的聚焦以在与反射器定位对应的特定像素定位聚焦处。这样的波束形成器可以被用来绘制从点源ping接收的回波的定位。在一些实施例中，这样的动态波束形成器可以基于每个回波信号从发射器到个别接收换能器元件的往返行程时间来绘制信号的轨迹。
在二维成像情况下，对于由发射换能器元件和接收换能器元件产生的给定的回波样本，负责回波样本的目标反射器的可能定位的轨迹将是由两个焦点数学地定义的椭圆。椭圆的第一交点将在发射换能器元件的定位处并且第二交点将在接收换能器元件的定位处。虽然若干其它可能的反射器定位位置沿着相同椭圆，但是相同目标反射器的回波也将由其它接收换能器元件接收。每个接收换能器元件的略微地不同的定位意味着每个接收元件将定义用于目标反射器的略微地不同的椭圆。通过对用于多个元件的椭圆求和来累计结果将指示用于反射器的椭圆的交点。随着来自更多接收元件的回波样本与先前回波样本组合，相交椭圆将朝着目标反射器位于的点收敛。目标反射器定位可以与代表反射器的像素位置相关。组合的样本值可以被用来确定用于在像素位置处的显示像素的显示强度。由此可以组合由任何数目的接收元件接收的回波振幅以形成每个像素。在其它实施例中，可以不同地组织计算以得到基本上相同即过。
各种算法可以用于组合由分离的接收元件接收的回波信号。例如，一些实施例可以个别地处理回波信号，从而在沿着它的椭圆的所有可能的位置处绘制每个回波信号，然后继续下一回波信号。备选地，可以个别地处理每个像素位置，从而在前进到下一像素位置之前标识和处理潜在地对该像素位置有贡献的所有回波样本。
可以通过组合由波束形成器从相同或者不同点源(或者多个不同点源)发射的一个或者多个后续的发射的ping而被形成的图像来进一步提高图像质量。对图像质量的再进一步的改进可以通过组合由多于一个接收孔径形成的图像而被获得。
一个重要考虑是对来自不同ping、不同发射点源或者不同接收孔径的图像的求和是否应当是相干求和(相位敏感)或者不相干求和(在没有相位信息的情况下对信号的量值求和)。
关于是否使用相干或者不相干求和的判决可能受接收孔径和/或发射孔径的横向范围/大小影响。在一些实施例中，以下可以是便利的：限制孔径的大小以服从平均声速对于从散射器到接收孔径的每个元件的每个路径基本上相同这样的假设。对于窄接收孔径，容易满足这一简化假设。然而，随着接收孔径的宽度增加，可能到达拐点(在这里被称为“最大相干孔径宽度”或者“最大相干宽度”)，超出该拐点，由公共反射器的回波行进的路径将在返回到相互最远离的元件时必然地穿过具有固有地不同声速的不同类型的组织。在这一不同造成逼近或者超过180度的接收波阵面相位移位时，超出最大相干宽度而被延伸的附加接收元件将实际地劣化图像而不是改进它。
相同考虑也可以适用于可以包括多个相干地组合的换能器元件的发射孔径的大小。在被使用在三维成像(或者3D数据收集)中的二维换能器阵列的情况下，在两个维度中定义最大相干孔径大小可以是有用的。因此，在各种实施例中，最大相干孔径可以在方形、圆形、多边形或者其它二维形状中被定义为一组换能器元件，其中在任何两个元件之间的距离最大，从而使得将在相干地组合在孔径的元件处接收的回波数据时避免相位抵消。
因此，为了实现具有远大于最大相干孔径宽度的总孔径宽度的宽探测器的益处(例如，在增加的空间分辨率方面)，全探测器宽度可以被物理地或者逻辑地划分为多个接收孔径，每个接收孔径可以限于比最大相干孔径宽度更小或者与之相等并且因此小到足以避免对接收的信号的相位抵消的有效宽度。
最大相干宽度可以对于不同患者(或者不同测试物体)、对于在相同患者上的不同探测器位置和对于其它变量(比如超声频率)而不同。在一些实施例中，可以对于给定的探测器和/或成像系统确定折衷宽度。在其它实施例中，可以向多孔径超声成像控制系统配置动态算法以将可用元件细分成小到足以避免显著图像退化相位抵消的组。在各种实施例中，特定相干孔径大小可以由控制系统自动地确定或者通过经由用户控件(比如拨盘或者滑块)的用户输入来手动地确定。
在一些实施例中，相干(相位敏感)求和可以被用来组合从一个或者多个ping产生的、由位于公共接收孔径上的换能器元件接收的回波数据。在一些实施例中，如果分离的接收孔径被大小设定和定位以便形成比用于给定的成像目标的最大相干宽度更大的组合的总孔径，则相干求和可以被用来组合由这样的接收孔径接收的图像数据或者回波数据。
二维的基于ping的波束形成可以隐含地假设从点源发射的波阵面在兴趣区域中在物理上是圆形。在实际中，波阵面也可能在与扫描平面正交的维度中具有一些穿透(即，一些能量可能实质上“泄漏”到与希望的二维图像平面垂直的维度中，这可能具有减少有效成像深度的影响)。附加地，“圆形”波阵面根据使用的换能材料的独特轴外性质可能实际地限于在换能器的正面前面的半圆或者圆形的小于180度的部分。相似地，三维“球形”波阵面可以在待成像的介质内具有半球或者小于半球的形状。
用于3D超声成像的点源发射
对点源超声成像(这里也被称为“基于ping”的成像)的以上描述主要地描述了二维成像，在该二维成像中，超声信号被聚焦到图像的区域中的近似于平面的窄场中。可以用透镜化或者其它技术实现这样的二维聚焦。基于ping的成像也可以被扩展到实时三维成像而没有添加显著复杂性。可以使用在两个维度中换能器元件相互间隔开的超声探测器执行三维的基于ping的成像。这里别处描述了一些示例探测器配置。
在从点源发射换能器启动三维脉冲时，所得半球波阵面行进到兴趣区域(ROI)中，其中超声能量的一些可以由ROI中的散射器反射(或者偏转)。来自散射器的回波中的一些回波可以朝着探测器的接收换能器元件行进，其中回波可以在短期或者长期存储器设备中被检测、放大、数字化和存储。每个数字化的样本值可以代表来自ROI的散射器。如在2D情况下那样，每个接收的样本的量值与它的到达时间以及使用的发射和接收换能器的确切定位一起可以被分析以定义对散射器的潜在定位进行标识的点的轨迹。在3D情况下，这样的轨迹是以发射和接收换能器元件的定位为它的交点的椭圆体。发射和接收换能器元件的每个唯一组合可以定义相同反射器的分离的视图。因此，通过组合来自多个发射-接收换能器元件组合的信息，可以更准确地代表每个反射器的实际位置。
例如，在一些实施例中，可以在计算机存储器中通过从对选择的数字样本的评估开始来组装3D体素阵列中的图像。选择的数字化的样本值可以被写入到由以上描述的对应的椭圆体指示的每个体素中。前进到对每个其它收集的样本值完成相同操作并且然后组合所有所得椭圆体可以产生更精化的图像。实际散射器将由许多椭圆体的交点指示，而椭圆体的未被其它椭圆体加强的部分将具有低信号电平并且可以被视为噪声(即，通过滤波、增益调整或者其它图像处理步骤被消除或者减少)。
在其它实施例中，可以通过从待产生的最终3D图像体积中的选择的体素开始来改变计算顺序。例如，对于选择的体素，可以对于每个发射器/接收器对来标识最接近的存储的样本或者插值的样本。然后可以对与选择的体素对应的所有样本评估和求和(或者平均)以产生体素的最终表示。可以通过计算从发射器(即，用来产生样本的发射器)的三维定位到选择的体素定位的矢量距离加上从选择的体素定位到用来产生样本的接收器的定位的矢量距离来确定样本与选择的体素的接近度。这样的线性距离可以通过将总路径长度除以经过成像的物体的声速而与时间划分的样本值有关。使用这样的方法，与计算的时间对应的样本可以与选择的体素关联。
图像层组合
用于为接收的回波样本确定位置的技术一般地在这里被称为波束形成，而用于组合从多个发射器/接收器组合或者从使用相同发射器/接收器组合而发射的多个分离的ping获得的信息的技术可以一般地被称为图像层组合。在各种实施例中，帧可以由任何数目的组合的图像层组成。可以在显示器上以希望的帧速率依次地显示帧以形成移动图像或者视频。以上描述的波束形成也可以有益地用于使用原始回波数据来评估在经过3D体积的2D横截面切片中的像素值。在各种实施例中，可以在任何任意角度或者沿着经过3D体积的任何弯曲的路径来取得这样的2D切片。相同技术也可以被用来使用原始回波数据来放大(即，增加特征的大小)而不是放大经处理的像素或者体素。
从一个ping和一个接收元件的不同唯一组合和/或一个ping和一个接收孔径的组合而获得的图像可以在这里被称为“子图像层”。可以相干地组合多个子图像层以提高总图像质量。可以执行附加图像层组合以进一步提高最终图像的质量。在图像层组合的上下文中，术语“图像”可以是指单个二维像素、三维体积的单个体素或者任何数目的像素或者体素的集合。
可以在四个图像层级方面描述图像层组合。这三种情况包括基级图像层、第一级图像层、第二级图像层和第三级图像层。如这里所用，短语基级图像层是指通过波束形成在单个接收元件处从单个发射的ping接收的回波而获得的“图像”。如以上描述的那样，波束形成过程定义与每个回波样本对应的椭圆。因此，基级图像可以由代表由单个接收元件接收的单个ping的所有回波的一系列这样的椭圆构成。这样的图像可能没有具体地对于诊断成像目的而有用，但是可以用于其它目的。
可以从在单个接收孔径处接收的由来自单个发射孔径的单个ping产生的回波形成第一级图像层(其中“发射孔径”可以是单个表观点源发射元件、单元件发射器或者一组发射元件)。对于单个ping和单个接收孔径的唯一组合，由接收孔径中的所有接收元件接收的回波可以被相干地求和以获得第一级图像层。备选地，可以通过组合在公共接收孔径的元件处接收的两个或者更多个ping的回波来形成第一级图像。
由在单个接收孔径处接收的多个发射的ping(来自相同或者不同发射空间)的回波产生的多个第一级图像层可以被一起求和以产生第二级图像层。可以进一步处理第二级图像层以改进对准或者其它图像特性。
可以通过组合用来自多个接收孔径的数据形成的第二级图像层来获得第三级图像。在一些实施例中，第三级图像可以被显示为依次时域帧以形成移动图像。
在一些实施例中，也可以通过对同相和正交回波数据求和(也就是通过对每个回波与对于每个接收-孔径元件而延迟1/4波长的回波求和)来形成第一级图像层的像素或者体素。在一些情况下，回波数据可以被采样和存储为同相数据集和为分离的正交数据集。在其它情况下，如果数字采样速率可整除四，则可以通过在同相样本之前的适当数目的样本处选择样本来标识与同相样本对应的正交样本。如果希望的正交样本没有对应于现有整个样本，则可以通过插值来获得正交样本。组合用于单个图像(像素、体素或者像素或者体素汇集)的同相和正交数据可以提供增加回波数据的分辨率而没有引入模糊影响这样的优点。相似地，在除了1/4波长之外的值处的样本可以与同相样本组合以便改进各种成像特性。
可以通过相干相加、不相干相加或者二者的组合来实现对各种图像层的组合、求和或者平均。相干相加(在图像层求和期间并入相位和量值二者的信息)往往最大化横向分辨率，而不相干相加(仅对量值求和而省略相位信息)往往平均掉斑纹噪声并且最小化可能由经过成像的介质的声速的较小变型所引起的图像层对准误差的影响。通过不相干求和来减少斑纹噪声，因为每个图像层将往往发展它自己的独立斑纹图案，并且不相干地对图案求和具有平均掉这些斑纹图案的效果。备选地，如果相干地添加图案，则它们相互加强并且仅一个强斑纹图案产生。
在大多数实施例中，通常地相干组合由单个接收孔径的元件接收的回波。在一些实施例中，可以改变接收孔径的数目和/或每个接收孔径的大小以便最大化图像质量度量(比如横向分辨率、声速变型容许、斑纹噪声减少等)的某个希望的组合。在一些实施例中，这样的备选元件到孔径分组布置可以可由用户选择。在其它实施例中，这样的布置可以由成像系统自动地选择或者发展。
可以通过如下不相干相加来容许声速的变型：相干地对两个像素与声速变型求和从而产生仅半个波长的延迟(例如，对于3MHz超声近似地为0.25mm)造成破坏性相位抵消，这引起显著图像数据损失；如果不相干地添加像素，则相同或者甚至更大延迟仅引起图像层中的不显著空间失真而没有图像数据损失。对这样的图像层的不相干添加可能造成对最终图像的一些平滑(在一些实施例中，可以有意地添加这样的平滑以使图像更可读)。
在所有三个图像层级，如果在希望的精确程度已知探测器元件的几何形状并且对跨所有路径的恒定声速的假设是有效的，则相干添加可能导致多孔径系统的最大横向分辨率。同样地，在所有图像层级，不相干添加导致最佳平均掉斑纹噪声和容许经过成像的介质的声速的较小变型。
在一些实施例中，相干添加可以被用来组合由相位抵消不大可能成问题的孔径产生的图像层，并且然后可以使用不相干添加，其中相位抵消将更可能带来问题，比如在组合由在分离超过某个阈值的距离的不同接收孔径处接收的回声形成的图像时。
在一些实施例中，可以通过使用对从公共接收孔径的元件获得的所有子图像层的相干添加来形成所有第一级图像，其中假设接收孔径具有小于最大相干孔径宽度的宽度。对于第二和第三级图像层，相干和不相干求和的许多组合是有可能的。例如，在一些实施例中，可以通过对有贡献的第一级图像层相干地求和来形成第二级图像层，而可以通过对有贡献的第二级图像层的不相干求和来形成第三级图像。
时域帧可以根据在处理时间与图像质量之间的希望的折衷由任一级的图像层形成。更高级图像将往往有更高质量，但是也可能需要更多处理时间。因此，如果希望提供实时成像，则可以限制图像组合处理的级以便显示图像而没有显著“滞后”对操作者可见。这样的折衷的细节可以取决于使用的特定处理硬件以及其它因素。
[参考描述2D和3D的基于ping的成像的其它申请：711和710]
在收集3D数据之时的2D成像
在一些实施例中，可以使用探测器和成像系统来执行一种形式的2D成像，该探测器和成像系统被配置用于通过简单地波束形成并且仅显示来自接收的三维回波数据的2D数据切片来3D成像。例如，可以使用这样的技术以便使用具有有限处理能力的成像设备来减少波束形成计算并且简化用于实时成像的显示，而仍然保留完全3D回波数据。
例如，可以从组成成像的区域的三维体积表示的体素选择(自动地或者由用户)二维平面，可以标识与选择的平面相交的体素。然后可以通过仅波束形成对应于与选择的平面相交的体素的那些回波样本来形成选择的平面的二维图像。然后可以实时显示选择的二维图像平面而同时收集整个声穿透的体积的三维数据。
可以在以后时间使用具有更大处理能力的设备来波束形成和回顾收集的完全3D回波数据。在一些实施例中，待波束形成和显示的2D切片可以由成像设备自动地选择。备选地，待波束形成和显示的2D切片可以由设备的操作者选择或者调整。
数据捕获和离线分析
在各种实施例中，可以捕获和在原始数据存储器设备中存储由从点源发射换能器发射并且由一个或者多个接收换能器元件阵列接收的ping产生的原始未波束形成的回波数据，以用于后续取回和分析。备选地，可以通过网络数字地发射捕获的回波数据以用于远程处理、波束形成和/或查看。除了回波数据之外，也可以存储和/或通过网络传输和取回附加数据以用于后续和/或远程图像生成和分析。这样的附加数据可以包括描述发射和接收换能器元件的定位的校准数据以及描述与具体回波数据关联的发射换能器的标识(或者定位)的发射数据。
在取回这样的数据之后，临床医生可以使用数据以在做出可能在实况成像会话期间尚未做出的调整之时以多种方式重构成像会话。例如，可以接连地生成和示出经过3D体积的一系列2D切片的图像以便模拟穿过兴趣区域的表面的2D换能器。在申请人的以下专利申请中描述了这些和其它方法的示例：美国专利申请公开号2014/0058266、名称为“Ultrasound Imaging System MemoryArchitecture”和PCT专利申请公开号WO2016/028787、名称为“Network-Based Ultrasound Imaging System”。
被配置用于对患者的整个身体或者患者的身体的大部分成像的探测器的一些实施例可以包括大小设定为覆盖患者的身体的希望的区域的大部分的表观点源发射器和接收元件的阵列。例如，探测器可以被大小设定为覆盖患者的胸部的基本上一半或者更多。这样的探测器可以具有约8cm到约10cm的最大尺度。
备选地，可以在患者的身体上放置能够声穿透例如+或者-30度的圆锥形体积的小得多的探测器，从而使得可以在圆锥中包括兴趣器官。可以在多于一个地方放置这样的探测器以覆盖更大兴趣体积。
检测物体在成像的介质中的运动
在某些医学和非医学应用中，可能希望在高精确和准确程度上以很低延时(即，很快响应)来监视结构在成像的介质内的定位和很小移动。一般而言，用于实现这些目标的系统和方法可以在这里被称为运动检测和/或运动跟踪。例如，在某些机器人外科手术应用中，希望检测和响应于正在对其执行外科手术的身体部分的很小移动以便最小化伤害或者损坏。现在将参照图1至图6来描述使用基于ping的多孔径超声来实现高可靠性物体运动检测和运动跟踪的各种系统和方法。
针对这样的挑战的方式可以依赖于可用超声成像硬件。例如，在一些情况下，被配置为使用由几何接收元件点缀的一个或者多个表观点源发射器阵列对目标物体成像的超声探测器或者被配置用于基于ping的超声成像的任何其它探测器可以适当地用于以高速度、精确度和准确度来检测和跟踪运动。其它实施例可以涉及使用被配置用于运动检测和/或运动跟踪应用的探测器、成像系统和用户界面。以下提供用于运动跟踪的各种探测器和成像系统配置的示例。
现在将提供用于运动检测和运动跟踪的示例方式的概述，继而为可以用于执行运动检测和运动跟踪的系统和方法的具体示例。将参照图1描述用于检测一个或者多个物体、面积或者区域在声穿透的区域内的运动的过程的各种实施例，并且将参照图2描述用于跟踪运动的过程的各种实施例。
如这里所用，短语“运动检测”或者“运动监视”可以是指用于建立对一个或者多个观察点的运动是否已经出现的二元(例如，“无运动”比对“运动”)确定。运动检测可以是指对一个或者多个物体、点或者其它定义的区域在声穿透的平面或者体积内的运动的指示。
如这里所用，术语“运动跟踪”可以是指对描述检测到的运动的一个或者多个度量的收集、确定或者计算。例如，运动跟踪可以包括对移动物体的速度的指示、已经移动的物体相对于某个坐标系的新定位的指示或者描述移动中或者移动的物体的其它度量。在一些情况下，可以在六个自由度中检测和/或跟踪运动。例如，在x、y和z方向上的线性运动以及
图1的过程流程图图示了包括以下步骤的运动检测过程400的示例：获得在介质内的待跟踪的物体(或者多个物体)的图像402，选择在待跟踪的物体上或者中的多个基准区域404，在每个基准区域内定义一个或者多个指纹405，将一系列跟踪ping发射到介质中406；在未波束形成的接收回波数据中标识每个基准区域或者每个基准区域的部分408，监视每个基准区域在未波束形成的回波数据内的定位410，检测基准区域中的至少一个基准区域在未波束形成的回波数据内的定位移位412，以及产生指示运动已经出现的信号414。
在一些实施例中，获得待跟踪的物体的图像402可以包括获得在介质内的待跟踪的物体的一个或者多个二维图像。例如，成像系统可以被配置为显示包括物体(或者多个物体)的介质的至少两个平面(二维)图像以被监视运动。第一图像平面可以被定向于相对于第二图像平面的角度。第一和第二图像平面可以相互正交或者在某个其它角度，但是第一和第二图像平面优选地没有共面。
成像系统也可以被配置为指示相互重叠的、第一和第二图像平面的区域。如果希望，则用户可以相对于正被成像的物体移动探测器，以便在第一和第二图像平面内重新定位目标物体。在一些实施例中，可以仅需单个图像平面以用于标识和/或选择多个基准区域。
在一些实施例中，取代显示二维切片，系统可以产生和显示对包括待监视和跟踪的一个或者多个物体的成像的区域的三维渲染。
选择基准区域和指纹
如这里所用，术语“基准区域”和“基准点”可以是指在可以由成像系统代表的声穿透的面积或者体积内的小空间区域(可以是二维或者三维)。尽管在一些情况下可以基于在人类可见或者人类可读显示设备上显示的图像来选择基准区域，但是基准区域本身也可以作为由成像系统产生的定义的数据集而存在，如果希望则可以从该数据集产生可见图像。换而言之，基准区域无需(但是可以)等同于图像。在一些实施例中，可以选择基准区域而没有显示图像。
如这里所用，“指纹”或者“指纹点”可以是代表基准区域的全部或者部分的机器可识别签名。这里别处描述了指纹的具体示例。在一些情况下，定义的基准区域可以被大小设定为大到足以在成像的区域的显示的图像中是人类可见点阵。在一些情况下，这样的基准区域可以大于对于高速运动检测和跟踪而言需要或者希望的基准区域。因此，在一些情况下，可能希望在基准区域内定义小得多的机器可识别区域的指纹。
在一些情况下，可以处理和自动地分析整个基准区域数据集或者图像作为代表在如由成像系统感知的成像的区域内的区域的指纹。在这样的实施例中，可以在块405处将在块404处选择的整个基准区域定义为指纹。
在一些情况下，指纹可以包括基准区域的二维或者三维部分，该部分可以被称为“子区域”、“子体积”、“子面积”，它们可以在基准区域内被定义以便建立代表更大基准区域的部分的机器可识别签名。在这样的情况下，如在块405处指示的那样，在基准区域中定义指纹可以包括将基准区域的子区域定义为指纹。例如，基准区域的部分可以被选择作为可以被用来一致地标识基准区域的指纹。
在一些实施例中，指纹可以包括代表完整数据集的节段的一个或者多个数据样本串，该数据集代表基准区域。代表基准区域的完整数据集可以由可以被映射(例如，通过波束形成过程)到在基准区域内的点的所有回波数据样本组成。在一些实施例中，指纹可以由代表在基准区域内的非连续点或者连续点的数据点定义。也可以在组成子区域中的点的数据样本的集合方面定义作为基准区域的子区域而被定义的指纹。
在一些情况下，定义基准区域的步骤可以包括定义适合作为指纹的区域，由此排除对于用于在基准区域内定义指纹的分离步骤的需要。
在各种实施例中，选择在待跟踪的物体上或者中的多个基准区域的步骤404可以包括自动或者手动选择一个、两个、三个或者更多小区域。在一些实施例中，可以选择三个基准区域。选择至少三个非线性基准区域可以有益地有助于用于在六个自由度中检测和/或跟踪运动的能力。由于可以相对于彼此和相对于探测器知道三个点中的每个点的定位，所以可以在六个自由度中检测和跟踪物体的任何运动。
在一些实施例中，选择基准区域可以包括人类用户或者自动化的软件代理标识和选择用于用作基准区域的特定区域。相似地，在基准区域内选择和/或定义指纹可以由人类用户手动地执行或者由自动化的软件代理自动地执行。在一些情况下，选择基准区域和指纹可以在由人类用户指引之时被自动化。例如，用户可以在显示器上的希望的位置处放置光标或者指针，并且自动化的系统可以在相对于光标或者指针的预定位置处选择基准区域和/或指纹。软件代理可以被配置为基于预定标准或者基于由人类用户定义的判据来选择基准区域和/或指纹。在自动地选择和定义基准区域和指纹的情况下，可以省略获得图像的步骤402。
在一些实施例中，定义基准区域和/或指纹可以包括定义与物体上或者内的对应区域和与在显示屏幕上可显示的图像的对应部分关联的一个或者多个数据集(由一组回波数据样本组成)。代表基准区域或者指纹的数据集可以包括由成像系统的一个或者多个接收换能器元件接收的数字化的数据。在一些情况下，代表基准区域或者指纹的数据集可以包括通过组合由多于一个换能器元件接收的数据而获得的数据。例如，代表基准区域或者指纹的数据可以包括由组成接收孔径的多个换能器元件接收的相干地组合的数据。在其它实施例中，代表基准区域或者指纹点的数据可以包括由两个或者更多个接收孔径或者元件接收的相干地组合或者不相干地组合的数据。
因此，在一些实施例中，基准区域可以由人类用户手动地定义或者由成像系统或者其它计算系统自动地定义，并且在基准区域内定义指纹的步骤可以包括在基准区域内定义子区域(手动地或者自动地)、然后将指纹定义为来自代表整个子区域的完整数据集之中的数据样本的集合。备选地，在基准区域内定义指纹的步骤可以包括直接地定义来自代表整个基准区域的完整数据集之中的数据样本的集合。
在一些实施例中，被定义为数据样本的集合的指纹可以在通过监视指纹在未波束形成的数据中的样本定位来执行运动检测过程时有益。
在一些实施例中，可以基于由相互间隔开显著距离的至少两个接收元件接收的回波来定义指纹回波样本数据集。例如，在一些实施例中，可以选择定义指纹的接收元件，从而使得从选择的接收元件到选择的指纹点(或者基准区域)绘出的射线形成尽可能接近90°的角度。可以基于在元件之间的距离来选择用于定义指纹数据集的接收元件。例如，指纹数据集可以被定义为与由相互间隔至少X cm的两个元件接收的选择的指纹对应的回波数据，其中X可以是至少2cm、至少3cm、至少4cm、至少5cm、至少6cm或者更多。
在一些实施例中，指纹可以包括一个或者多个可识别峰和/或谷，这些峰和/或谷可以指示可以在回波信号中产生相异峰和/或谷的硬反射器和/或发射的ping图案。在一些情况下，峰或者谷可以基于在未波束形成的回波数据中的局部最大值或者最小值而在回波数据中可识别。
在各种实施例中，由基准区域或者指纹点(或者二者)定义的区域的物理大小可以取决于各种因素(比如由成像系统使用的换能器或者换能器阵列的物理大小和成像的物体本身的大小)而在从一平方毫米的小部分到若干平方厘米或者更大的任何大小。在示例医学成像情况下，超声成像换能器可以具有从约1平方厘米到约100平方厘米这一级的大小，并且基准点可以代表在约一平方毫米、0.1mm2、0.0625mm2、0.05mm2或者更少这一级的物理区域。
在一些情况下，基准区域或者指纹(或者二者)可以代表比用于特定成像系统的任何可分辨物体小得多的区域。换而言之，基准区域或者指纹点无需代表在成像的物体内的实际可见结构。在这样的情况下，基准区域或者指纹可以实际地包含成像系统在成像场内的选择的点的非自然分量、噪声或者其它失真和/或特性。在一些情况下，基准区域或者指纹点可以包括多个反射器，而在其它情况下，基准区域或者指纹可以包含单个反射器或者没有人类可见反射器。如果被用于运动检测或者运动跟踪的成像系统基于发射的超声或者其它能量，则基准区域可以完全不含反射器。
在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义具有比可由成像系统分辨的最小细节的大小的一半更小的最大尺度(例如，圆直径、矩形对角尺度等)的点。在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义具有比可由成像系统分辨的最小细节的大小的四分之一更小的最大尺度的点。在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义具有比可由成像系统分辨的最小细节的大小的十分之一更小的最大尺度的点。
在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义有比由成像系统发射的超声的波长的一半更小的最大尺度的点。在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义有比由成像系统发射的超声的波长的四分之一更小的最大尺度的点。在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义有比由成像系统发射的超声的波长的十分之一更小的最大尺度的点。在一些实施例中，定义指纹点可以包括定义有比由成像系统发射的超声的波长的百分之一更小的最大尺度的点。
每个基准区域和/或指纹可以包括已知在待跟踪的物体的表面上或者内部的小区域。例如，如果待跟踪的物体是骨骼(比如大腿骨、胫骨、腓骨、膝盖骨等)，则选择的基准区域和/或指纹可以在骨骼的表面上、在紧凑骨骼内部、在海绵骨骼内部或者在骨骼骨髓中。这样的特征可以在由如这里描述的基于ping的多孔径超声成像系统或者在其它成像系统中产生的图像中由操作者可见和可识别。
在一些实施例中，标识待跟踪的目标物体的特征可以由适当地训练的网络或者其它计算机辅助的检测系统自动地识别。也可以在软组织、器官、肌肉、软骨、流体、外科手术工具、针、导管、机器人外科手术设备或者任何其它可标识的结构或者物质的表面上或者内部标识基准区域和/或指纹。
在一些实施例中，可能希望选择具有高对比度程度的区域以用于用作基准区域和/或指纹。例如，在这样的实施例中，基准区域和/或指纹点可以包括由白色包围的暗区域或者由暗色包围的基本上白色区域。在其它实施例中，任何可见对比度级的区域可以被用作基准区域和/或指纹点。在一些实施例中，对基准区域和/或指纹点的分析可以在比任何可见结构更小的标度上出现，因此只要选择的基准点或者指纹点包含处理系统可辨别的特征，人类可见对比度就可以不重要。
基准区域和/或指纹点可以具有任何希望的形状，比如方形、矩形、圆形或者无定形形状。基准区域和/或指纹点也可以具有任何希望的大小。例如，基准区域和/或指纹点可以包括大小小于一平方毫米、数平方毫米、若干平方毫米或者更大的面积。
例如，基准区域或者指纹点可以包括直径近似为1mm、0.5mm、0.25mm、0.22mm或者更小的无定形面积。在另一示例中，基准区域或者指纹点可以包括约1到100平方纳米或者更小的方形或者矩形面积。在一些实施例中，指纹点可以是具有发射的超声信号的波长(λ)的倍数或者分数的边或者直径的方形、矩形、圆形或者其它形状。例如，指纹点可以具有约等于λ、2xλ、3xλ、4xλ或者波长的更大倍数或者0.75λ、0.5λ、0.25λ或者更小的边或者直径。
在一些实施例中，基准区域或者指纹点对于在人类患者中的物体可以有益地被相互分离约1mm到约100mm或者更多。在兽医患者或者工业应用中，可以使用在点之间的大得多的距离，比如上至1米或者上至10米或者更多。在其它实施例中，指纹点可以有益地被相互分离图像平面的全范围那么大。图像平面的全范围可以取决于因素，比如正被使用的探测器的大小、缩放级和其它因素。在点之间的更大间距可以允许在检测物体的移动时的更大灵敏度。
对基准区域或者指纹点的选择可以手动，比如由人类操作者经由用户界面设备选择一个或者多个点。例如，用户可以在其中第一图像平面与第二图像平面重叠的区域中选择第一基准区域或者基准点。如果在重叠区域中不能标识适当点，则可以对探测器重定位，直至适合用于用作基准区域或者指纹点的点落在相交区域中。用户可以在第一图像平面中选择第二基准区域或者指纹点。用户可以在第二图像平面中选择第三基准区域或者指纹点。在其它示例实施例中，第一基准区域或者指纹点可以在第一或者第二图像平面的区域中而不是在重叠区域中。在更多其它示例实施例中，第一基准区域或者指纹点可以落在与第一图像平面或者第二图像平面不共面的第三图像平面上。
备选地，对基准区域或者指纹点的选择可以被部分地或者全部地自动化，比如通过对一个或者多个图像的软件评估以便自动地标识和选择满足预定判据(比如以上讨论的判据或者其它判据)的集合的点。
例如，在一些实施例中，选择多个基准区域或者指纹点可以包括在兴趣物体的显示的图像中将点选择图标定位在物体上。点选择图标可以包括二维形状，比如三角形、等边三角形、方形、矩形或者其它多边形形状。沿着多边形点选择图标的线段的每个顶点或者其它点可以代表基准区域或者指纹点。因此，在一些实施例中，用户可以操控用户界面以将点选择图标定位在目标物体的图像的希望的区域上，并且计算机系统可以从相对于图标而被标识的区域选择适当基准区域或者指纹点，比如在多边形形状内的点、在多边形的顶点处的点、沿着多边形的线段的点或者相对于图标而被定义的其它点。在各种实施例中，点选择图标可以包括弯曲的节段、无定形形状、圆形形状、椭圆形形状或者其它形状。
在一些实施例中，可以通过对用户界面设备的操控来调整点选择图标的大小。备选地，点选择图标在定义指纹点的特征之间可以具有固定距离。在相互的显著距离处间隔基准区域或者指纹点可以提供改进的运动跟踪。
发射跟踪ping
在各种实施例中，向介质中发射一系列跟踪ping的步骤406可以包括在预定ping重复速率从单个发射元件发射ping。在一些实施例中，用于发射跟踪ping的单个发射元件可以是表观点源发射器(例如，如在名称为“Ultrasound Imaging Using Apparent Point-Source Transmit Transducer”的美国专利申请公开号2015/0080727中描述的那样)或者近似于点源的任何其它发射换能器或者换能器元件或者微元件组合。在其它实施例中，用于发射跟踪ping的单个发射元件可以是线性阵列的元件。在其它实施例中，可以从两个或者更多个换能器元件同时或者依次地发射跟踪ping。在一些实施例中，跟踪ping发射换能器元件可以位于与接收元件相同的探测器中。在一些实施例中，发射换能器元件可以独立于包含接收换能器元件的探测器。
如以上描述的那样，在一些情况下，指纹可以包括可以在原始未波束形成的回波数据中可标识的一个或者多个峰。在这样的实施例中，可以用近似于冲激(impulse)的波形来发射每个跟踪ping。例如，可以用具有用于每个跟踪ping的单个峰的三角波形来驱动跟踪ping发射器。返回的回波可以具有可识别的峰，该峰在时间上具有充分窄的展开使得可以用足够精确度区分接收的脉冲的峰以标识希望的运动程度。接收的峰的任何时间移位可以基于物体中的声速而与在物体与探测器之间的距离改变有关。因此，峰可以被识别的精确度可以与希望的运动检测精确度有关。
在其它实施例中，可以基于对指纹的监视的定位来执行运动检测，该指纹可以未必地包含一个或者多个可标识的峰，但是可以是可以被可标识为数据串的原始未波束形成的数据的图案。在这样的实施例中，跟踪ping无需具有显著峰并且可以具有其它信号形状，比如部分正弦周期、完全正弦周期、正弦半周期、编码的激励信号形状或者任何其它形状的部分或者完全周期。在这样的实施例中，取代监视反射峰的定位，运动检测过程可以如以下进一步描述的那样来监视指纹的定位。
涉及ping发射的另一重要变量是ping重复速率。可以基于给定的超声频率、介质的给定的最大深度、在成像的介质中的给定的声速和在成像的介质中的超声的衰减速率来确定最大ping重复速率。对于这样的变量(和/或其它变量)的给定的数量，最大ping重复速率可以由为了单个ping从跟踪ping发射元件行进到介质中的最深点并且然后返回到换能器阵列的最远接收元件而需要的最大往返行程时间(其中可以至少部分地基于用于返回回波信号的最小可接受信噪比来定义最深点)定义。如果发射后续第二ping不早于在发射第一ping之后的最大往返行程时间，则可以最容易地区分第一ping的回波与第二ping的回波。因此，在一些实施例中，预定ping重复速率可以是对于特定超声频率、深度和声速的最大往返ping行程时间的倒数。换而言之，预定ping重复速率可以涉及每tRT秒发射一个ping，其中tRT等于对于特定超声频率、深度和声速的最大往返ping行程时间。
在备选实施例中，可以在比对于特定超声频率、深度、衰减速率和声速的最大往返ping行程时间更快的速率来发射跟踪ping。比最大往返ping行程时间更快地发射跟踪ping(或者成像ping)可以允许更快运动检测响应时间、更快运动跟踪更新时间和更高帧速率。这样的更高ping速率通过使用各种技术而是有可能的，以下提供这些技术的一些示例。
在一些实施例中，如果选择基准区域和/或指纹点以便都在相互相同的深度范围内，则可以在比对于特定超声频率、深度、衰减速率和声速的最大往返ping行程时间更快的速率发射跟踪ping。在这样的实施例中，第一ping的晚到回波(例如，来自深或者远反射器)可以可区分于第二后续ping的早到回波(例如，来自浅或者近场反射器)。
图3示意地图示了从两个连续地发射的ping接收的回波。左列502包括一系列块，每个块代表从第一ping(被称为ping编号“N”)的回波收集的样本或者一组样本。右列504的块代表从紧接在ping N之后发射的后续ping的回波收集的样本。在图3的图示中，深度(即，从发射元件到成像的物体中的深度)和从ping发射起的时间二者由竖轴506代表。如果在接收从第一ping N起的最深回波508之前的时间发射第二ping(N+1)，则第二ping N+1的最浅回波510将在时间上与第一ping N的最深回波508重叠。如果没有其它方法可用于区分第一ping N的回波与第二ping N+1的回波，则重叠的深508和浅回波510可能相互干扰，从而引起在基于那些重叠回波的成像或者运动跟踪时的困难。
然而，在最深回波508与最浅回波510之间的中场区域512中的回波可以没有任何重叠。因此，通过选择已知落在没有这样的重叠回波返回的中场区域中的指纹点，可以增加跟踪ping发射速率在往返ping行程时间以上，而没有劣化运动检测过程或者运动跟踪过程。没有连续ping的重叠回波的这一中场区域可以在这里被称为“自由深度范围”。随着ping重复速率增加(即，随着用在ping之间的更短时间间隔发射ping)，自由深度范围的大小变得更小。
因此，在一些实施例中，对基准区域或者指纹点的选择可以限于可以基于希望的跟踪ping发射速率而被定义的深度区域。更宽自由深度范围可以与每秒更低数目的跟踪ping对应，而更窄自由深度范围可以允许每秒发射更高数目的跟踪ping。在一些实施例中，可以在图形显示器上向用户指示可以在其内选择基准区域或者指纹点的自由深度范围，或者用户界面可以防止用户选择落在确定的自由深度范围以外的基准区域或者指纹点。在一些实施例中，用户可以调整跟踪ping发射速率和/或可允许的指纹点选择范围的宽度。在自动选择基准区域或者指纹点的情况下，自动化的过程可以被配置为避免选择在自由深度范围以外的基准区域或者指纹点并且仅选择在自由深度范围内的基准区域或者指纹点。
在一些情况下，可以假设比图3中所示的“最深”回波更深的超声信号被过于衰减以至于由于重叠而引起麻烦。由于超声的衰减速率随超声频率变化，所以也可以通过变化发射的超声ping的频率来变化自由深度范围的大小。在医学成像的情况下，普遍地接受普通人组织中的衰减速率为单向行进的近似0.5B/MHz/cm。用于不同介质的衰减速率将往往不同。
在一些实施例中，也可以选择发射的超声的频率以便最小化来自比自由深度范围的最深端明显地更深的反射器的回波。可以基于超声在待成像的介质中在超声频率的衰减速率选择该频率。由于更高频超声随着在比更低频超声更高的速率行进的距离而衰减，所以可以选择如下频率，来自比自由深度范围明显地更深的区域的回波在干扰后续ping的浅回波之前在该频率被充分地衰减。因此，在一些实施例中，可以基于希望的自由深度范围的大小手动地或者自动地调整跟踪ping发射频率。
在一些实施例中，也可以在比对于所用超声频率的完全往返行程时间的倒数更大的速率来发射成像ping，并且波束形成的区域(和/或显示的图像的区域)可以限于自由深度范围。通过仅显示自由深度区域的图像，可以避免来自通过发射重叠ping而引起的重叠回波的任何非自然分量或者其它负面影响。
这一技术可以用于执行对在目标介质内的窄区域的很高帧速率的成像。用于执行这一技术的过程可以包括以下步骤：定义自由深度区域的浅边和深边(如以上描述的那样)，标识与自由深度区域对应的回波数据样本，波束形成标识的样本以形成自由深度区域(或者在自由深度区域内的子区域)的高帧速率的图像集合，以及显示自由深度区域的图像。以这一方式，取决于被组合以形成每帧的ping的数目，可以实现每秒10,000帧或者更多的成像帧速率(例如，如在这里的图像层组合一节中描述的那样)。
在各种实施例中，也可以使用(单独或者与以上方法组合)区分一个ping的回波与另一ping的回波的一种或者多种其它方法。这样的其它方法可以包括“编码的激励”技术，在这些技术中，每个“ping”具有唯一地可识别的波形形状。这样的其它方法可以包括在第一频率发射第一ping并且在第二不同频率发射第二紧接地后续ping。然后可以基于接收的超声信号的频率来区分第一ping的回波与第二ping的回波。
标识和监视回波数据中的指纹
在一些实施例中，图1中的标识未波束形成的接收回波数据中的每个指纹的步骤408可以包括在指纹点区域内的单个反射器中标识发射的跟踪ping的一个或者多个峰。如以上描述的那样，可以用具有与锐点尽可能接近的短峰的波形形状来发射跟踪ping。
在一些实施例中，图1中的标识未波束形成的接收回波数据中的每个指纹的步骤408可以包括通过标识代表指纹的数据样本的图案来标识指纹。在一些情况下，标识指纹数据样本图案可以包括首先对用于两个或者更多个元件的数据样本求和和/或以别的方式变换数据。在一些情况下，标识一个或者多个指纹数据串可以包括标识串的近似匹配。可以基于具有在预定阈值以下的值的Levenshtein距离(或者其它串度量)来确定近似匹配(即，如果在预计的范围门内的串在先前标识的指纹的预定Levenshtein距离内则可以检测到指纹数据串)。
在其它实施例中，可以通过如以下参照运动跟踪过程而被描述的那样监视波束形成的指纹在成像的区域内的定位来执行运动检测。
在各种实施例中，监视每个指纹点在未波束形成的回波数据内的定位的步骤410可以包括在包围每个选择的指纹点的范围门内监视数字样本。然后可以在用于每个相继跟踪ping的回波数据中(或者在模拟回波信号中)监视检测到的指纹的在时间上的定位。如果看见指纹在时间上(或者对于一系列数字样本在样本定位上)移位，则这样的移位可以指示指纹点相对于探测器的移动。从多个接收元件的有利点监视多个点(例如，至少三个非共线点)可以有益地允许在六个自由度中的任何自由度中检测运动。
每个指纹点中的反射器的回波可以由探测器的所有接收元件接收。因此，如果每个接收元件被加入到分离的接收通道，从而使得可以数字化地存储由每个接收元件接收的数字化的回波，则可以从每个接收元件的有利点独立地监视来自基准区域内的指纹的在时间上的定位。因此，每个接收元件可以具有对反射指纹的在时间上的定位的独立透视。由于指纹和基准区域将很可能是与每个接收元件的不同距离，所以定义待监视的范围门的数字样本的范围可以通常地对于每个元件而不同。因此，可以创建范围门的表以定义将对于每个接收元件通道而被监视的范围门。
可以在时间上、在样本数目上或者按照任何其它适当度量来测量待监视的范围门的大小。待监视的范围门的大小可以尽可能小(以便限制所需处理时间)而如为了检测可能在跟踪ping之间出现的预计的移动范围而需要的那样大。
检测指纹定位移位
在各种实施例中，在未波束形成的回波数据内检测基准区域中的至少一个基准区域的定位的移位的步骤412可以包括确定指纹的在时间上的定位的检测到的移位是否超过阈值移位。例如，在各种实施例中，被解释为代表运动的、指纹的定位的移位的大小可以取决于希望的置信度以及其它因素而变化。
在一些实施例中，在未波束形成的回波数据内检测基准区域中的至少一个基准区域的定位的移位的步骤412可以包括将来自多个接收元件的结果组合成“运动”或者“无运动”的单个指示。如果每个接收元件提供对是否已经检测到运动的独立指示，则在一些实施例中如果来自至少X个接收元件的数据指示至少一个指纹点的移动已经出现则可以指示运动。“X”取决于对于特定应用而言希望的置信度程度可以是从一个元件到所有可用接收元件的任何数目。例如，在一些实施例中，可以对于每个发射的跟踪ping的回波为每个元件确定运动的二元指示。如果值1指示移动并且值0指示无移动，则可以对用于所有元件的结果求和，并且可以建立阈值总值以评估集体结果以确定运动是否已经出现。在其它实施例中，可以平均来自所有元件的结果，并且可以建立阈值平均以确定运动是否已经出现。在进一步的实施例中，可以使用其它聚合算法。
在其它实施例中，用来检测运动的接收元件可以跨探测器相互间隔。在一个示例中，可以轮询相互间隔至少X的距离的三个或者更多个元件以检测指纹的改变的定位。X的值可以取决于探测器的大小，并且在一些实施例中可以是尽可能大的距离。在一些示例中，X可以是至少1cm、至少2cm、至少3cm、至少4cm、至少5cm、至少6cm、至少7cm或者更多。在一些情况下，可以使用围绕探测器间隔的三个位置中的每个位置的多组两个、三个或者更多个接收元件。在这样的情况下，监视指纹点(410)和检测指纹点的定位的移位的步骤可以包括监视与那些选择的接收元件对应的回波数据。
指示运动
在各种实施例中，产生指示运动已经出现的信号的步骤414可以包括从成像系统的运动检测块向运动跟踪块提供数字或者模拟信号。在一些实施例中，产生指示运动已经出现的信号的步骤414可以包括向人类操作者提供运动已经出现的指示。例如，向人类操作者的指示可以包括照射光、关断光、闪烁光、在显示屏幕上显示消息、生成声音或者任何其它指示。在一些实施例中，产生指示运动已经出现的信号的步骤414可以包括发送停止设备(比如机器人外壳手势部件(比如激光器、能量源、机械切割器或者其它设备))的操作的信号。
在一些实施例中，响应于运动已经出现的指示，可以启动数据记录过程，在该过程期间为从在检测到运动之前的预定时间直至在检测到运动之后的预定时间发射的所有跟踪ping在非易失性存储器设备中存储原始回波数据。例如，系统可以包括循环缓冲器和用于在检测到运动时将所有ping和回波数据存储一段时间(或者直至用户停止记录数据)的指令。
跟踪基准区域的运动
图2的过程流程图图示了包括以下步骤的运动跟踪过程420的示例：获得介质内的待跟踪的物体的图像424，在基准区域中定义指纹425，向介质中发射一系列跟踪ping 426；接收指示运动已经出现的信号428，波束形成至少一个指纹点的移动前图像430，定义包围指纹点的搜索区域432，使用移动后回波数据来波束形成搜索区域的图像434，在移动后图像的搜索区域中搜索在移动前图像中标识的指纹图案436，以及标识指纹点的新定位438。在一些实施例中，可以向外部设备(比如机器人手臂、监视超声探测器的定位的跟踪系统或者任何其它电子或者机电系统)传达新定位。在一些实施例中，在标识指纹点的新定位之后，过程420可以返回到块426以继续从指纹点的新定位跟踪它们的定位。
在各种实施例中，获得介质内的待跟踪的物体的图像422、选择在待跟踪的物体上或者中的多个基准区域424、在基准区域内定义指纹425和向介质中发射一系列跟踪ping426的步骤可以与以上参照图1而描述的步骤基本上相同。
在一些实施例中，指纹可以被大小设定为小于成像系统的横向和/或轴向分辨率限制。在这样的实施例中，指纹点可以代表发射的波阵面在物体内或者上的特定点的图案而不是物体的实际可见特征。在这样的实施例中，对指纹点的跟踪可以由产生在待跟踪的物体处在相互成显著角度相交的波阵面的成像系统改进。例如，如果波阵面在指纹点处在相互成近似90度相交，则相交波形的图案的波束形成的表示与其它所处相似的区域比较可以在声穿透的场的至少局部区域内基本上唯一。在一些实施例中，这样的表示可以在被显示时包括相交线的网纹图案(无论是否实际地显示这样的点)。
图4A和图4B图示了从使用如这里描述的多孔径的基于ping的超声成像系统收集的数据而得出的一些示例网纹指纹图案550a、550b。以夸张的黑白色示出图案550a、550b以便醒目显示图案。在成像系统中，图案可以用灰度来产生，并且因此可以提供更细微的细节。然而，图4A和图4B的图示足以提供正被描述的图案类型的想法。
图4A和图4B的图案展示由波阵面在指纹点交互而产生的网纹，该指纹点具有作为成像系统的分辨能力的小部分的面积。图案未必地代表在成像的介质内的任何实际物理结构，但是在探测器与选择的点之间的成像的介质的变型可以影响在选择的点出现的波阵面的图案。
如这里别处描述的那样，可以通过使用足够宽以使得位置相互最远的元件可以提供选择的基准点的显著地不同视角的超声探测器来产生相交对角线的图案。将那些视点求和成单个图像可以形成交叉对角线图案，比如所示的那些图案。
在一些情况下，具有多个在物理上分离的接收阵列(可以或者可以没有朝着彼此成角度)的探测器可以实现这样的唯一波形相交图案。在其它情况下，具有接收阵列的探测器可以提供希望的唯一波形相交图案，该接收阵列足够宽使得与阵列的范围最接近的元件在指纹点具有明显视角(例如，显著地大于零度的角度到竖直线、上至约45度或者更多)。以下描述探测器配置的更多示例。
在一些实施例中，可能希望选择至少三个非共线点作为指纹点。选择非共线点可以增加将检测到在任何方向上的任何运动的置信度。在一些实施例中，也可能希望选择相互分离充分距离使得可以在三个维度中被充分地检测和/或跟踪运动的点。
在各种实施例中，接收指示运动已经出现的信号的步骤428可以包括接收由以上描述的运动检测过程产生的信号。在其它实施例中，接收指示运动已经出现的信号428可以包括从基于不同运动检测过程的不同系统接收信号。在各种实施例中，信号可以指示已经被检测到运动的指纹点的数目和/或身份。
在各种实施例中，波束形成至少一个指纹点的移动前图像的步骤430可以包括仅波束形成被定义为指纹点的、成像的物体的区域或者仅波束形成被定义为被指示运动的指纹点的区域。指纹区域可以包含人类可见、机器可读或者二者的唯一图案。唯一图案可以定义可以在更大区域内被跟踪的指纹以便跟踪指纹点的运动。换而言之，波束形成至少一个指纹点的移动前图像的步骤430可以包括没有波束形成图像的除了被定义为指纹点的区域之外的任何区域。
在一些实施例中，波束形成移动前图像的步骤430可以包括波束形成比定义的指纹点更大的面积(例如，在块424处被定义的整个基准区域)，并且可以选择波束形成的面积的子节段作为指纹图案。在一些实施例中，子节段可以对应于被定义为指纹点的区域。在一些实施例中，被波束形成为移动前图像的面积可以是如以上描述的那样被定义为搜索区域的面积。
由于基于软件的波束形成可以涉及一些处理时间，所以最小化对可能的最小面积波束形成可以明显地减少为了跟踪物体的移动而需要的处理时间。在一些实施例中，可以在并行过程中同时波束形成一个、两个、三个或者更多个指纹点中的每个指纹点的搜索区域和/或指纹点区域。
可以基于发送和接收换能器元件的已知定位、发射和接收的超声信号在成像的介质中的声速以及发射和接收的信号的定时来标识与指纹点和与包围指纹点的搜索区域对应的数据样本。因此，在一些实施例中，可以在定义指纹点时标识与指纹点对应的数据样本。基于这一信息，可以高效地定位、取回和使用与待波束形成的区域对应的数据样本以形成图像或者直接地评估数据样本以检测图案。
在各种实施例中，波束形成移动前图像430的步骤可以包括波束形成紧接地在其期间检测到运动的ping之前的ping接收的回波。换而言之，假设可以将跟踪ping从P0到Pn依次地编号，如果基于在ping编号P7的回波中的指纹与ping编号P6的回波比较的移位而检测到运动，则可以使用ping编号P6、P5或者更早ping(例如，P0到P6中的任何)的任何ping编号的回波来生成每个测试区域或者包围每个指纹点的所有区域的移动前图像。在一些实施例中，可以在循环缓冲器中存储先前发射的ping的回波以有助于分析在检测到运动之前接收的回波。
在一些实施例中，在每个指纹点周围的移动前波束形成的区域的大小可以确切地是定义的指纹点的大小。在其它实施例中，在每个指纹点周围的波束形成的区域可以略微地或者明显地大于指纹点，比如比指纹点大10％、20％、30％、50％、1.5倍、2倍、3倍或者更多。
在各种实施例中，定义包围每个指纹点的搜索区域的步骤432可以包括定义如下面积，在该面积内，指纹可能已经在移动前图像与待评估的移动后图像之间的时间内移动。例如，如果指纹点可以已经在任何方向上可行地移动指纹点的宽度的100％，则搜索区域可以是至少与指纹点可能已经移入的面积一样大的面积。
对于方形或者矩形点，搜索面积可以包括原有指纹点在中心定位的九个方形或者矩形。这可以允许跟踪指纹仅在它的维度的一个倍数(或者沿着对角线方向的～1.4倍)内的移动。在其它实施例中，搜索面积可以被定义为指纹面积的大小的倍数，其中倍数至少足够大使得在发射的ping之间的最大预计运动仍然可以在搜索面积内。例如，搜索面积可以被定义为指纹点的尺度的五倍，由此允许指纹已经从它的先前定位移动它的尺度的上至两倍。在其它实施例中，搜索面积可以被定义为指纹点的尺度的7倍、9倍或者11倍或者更大。因此，搜索区域的大小可以基于指纹的大小、ping重复速率和/或可以在连续ping之间出现的预计的运动程度。
在一些实施例中，定义包围每个指纹点的搜索区域的步骤432可以包括将搜索区域定义为与在块424中定义的基准区域相同的大小。
在搜索区域436内搜索移动前指纹图案可以包括比较来自移动前图像的指纹图案与在移动后图像中的作为用于指纹点的潜在新定位的多个测试区域。定义测试区域可以包括定义从定义的指纹点位置移位例如一个单位(其中“单位”被定义为与指纹相同形状和尺度的区域)的区域。例如，可以通过定义与指纹点的波束形成的移动前图像相同大小但是在每个竖直和水平方向上从移动前图像移位一个单位(例如，左移位一个单位、右移位一个单位、上移位一个单位和下移位一个单位)的面积来定义四个测试区域。可以通过从指纹点的波束形成的移动前图像对角地移位(比如上移位一个单位和下移位一个单位；上移位一个单位和左移位一个单位；下移位一个单位和右移位一个单位；以及下移位一个单位和左移位一个单位)来定义另外四个测试区域。
在各种实施例中，使用移动后回波数据来波束形成搜索区域的图像的步骤434可以包括标识在运动出现之后发射的一个或者多个跟踪ping的回波。例如，如果基于在ping编号P6与ping编号P7之间的移位而检测到运动，则P7或者以后ping的回波可以被视为移动后回波数据。在一些实施例中，可以组合(例如，相干地或者不相干地求和或者平均)两个或者更多个移动后ping的回波。在一些实施例中，波束形成移动前和/或移动后图像可以包括如在本公开内容中别处描述的那样使用基于ping的多孔径成像技术和图像层组合技术以组合由可以被分组成一个或者多个接收孔径的多个个别换能器元件获得(相干地和/或不相干地)的图像。
在各种实施例中，使用移动后回波数据来波束形成搜索区域的图像的步骤434可以包括仅波束形成兴趣区域的被定义为测试区域的那些部分。换而言之，使用移动后回波数据来波束形成搜索区域的图像的步骤434可以包括没有波束形成兴趣区域的没有被定义为测试区域的任何部分。以这一方式，可以相对于波束形成整个兴趣区域或者整个连续图像大量地减少为了执行波束形成计算而需要的处理时间。
在各种实施例中，在搜索区域的移动后图像中搜索移动前指纹图案的步骤436可以包括使用互相关技术，在这些技术中比较每个测试区域的每个单位与移动前图像的每个单位以标识在测试区域图像与移动前图像之间的最高相关性。与指纹点的移动前图像最高度地相关的测试区域可以被选择作为新指纹点定位438。
在一些实施例中，在搜索区域的移动后图像中搜索移动前指纹图案的步骤436可以包括从每个测试区域的每个对应单位减去移动前图像的每个单位以获得与每个相减对应的一个差值图像。具有最低值的差值图像可以被标识为与移动前图像的最接近匹配。作为结果，与最低值差值图像对应的测试图像区域可以被标识为用于指纹点的新定位438。在其它实施例中，任何其它运动估计或者图像搜索过程可以被用来标识指纹图案在移动后搜索区域图像内的新定位。例如，差值图像的其它统计测量(例如，中值、标准偏差等)可以被用来选择与指纹点最接近地匹配的测试区域。
在一些实施例中，可以向外部设备(比如机器人外科手术控制系统)、人类接口(比如显示器或者可听通知)或者向另一控制系统传达一个或者多个指纹点的新定位和/或物体的新定位。
在一些实施例中，可以并行同时执行运动检测过程和运动跟踪过程。在其它实施例中，可以仅在运动检测过程已经检测到运动已经出现之后启动运动跟踪过程。
在一些实施例中，可以省略接收指示运动已经出现的信号的步骤428，并且可以连续地运行图2的整个过程420，从而当在块438处标识一个或者多个指纹点的新定位之后返回到块426。在一些这样的实施例中，图2的过程420可以用于运动检测和运动跟踪二者。例如，如果块426的搜索过程确定指纹点在“移动后”图像中的与它在“移动前”图像中相同的定位，则过程可以确定运动尚未出现。在另一方面，如果块426的搜索过程确定指纹点没有在“移动后”图像中的与它在“移动前”图像中相同的定位，则过程可以同时确定运动已经出现并且跟踪指纹点的新定位。
在这样的情况下，“移动前”图像可以简单地是在第一时间获得的第一图像，并且“移动后图像”可以是在第二更晚时间获得的第二图像。可以基于希望的运动更新速率来选择获得这样的图像的帧速率。由于为了波束形成搜索区域而需要的时间，这样的实施例可以在运动检测时比使用以上参照图1描述的基于未波束形成的数据的运动检测过程略微地更慢。然而，这样的成本鉴于使用如这里别处描述的基于ping的成像技术而有可能的极高帧速率可能是小的。
在一些实施例中，可以从探测器的一个或者多个发射元件发射正常成像ping(例如，二维ping或者三维ping)，并且可以收集回波以获得与执行运动检测和/或运动跟踪过程基本上同时从三维体积数据提取的完全地波束形成的二维图像、三维体积或者二维图像。在一些实施例中，成像ping可以与跟踪ping交织或者交替。在其它实施例中，可以在发射成像ping并且收集成像回波数据之时中止跟踪。
在各种实施例中，这里示出和描述的探测器中的任何探测器可以用于通过这里描述的过程中的一个或者多个过程来执行运动检测和/或运动跟踪。
用于运动检测和运动跟踪的成像探测器的配置
图5图示了被配置用于如以上描述的三维的基于ping的多孔径成像的超声探测器450的示例实施例。图5的探测器450可以包括多个表观点源发射元件452(或者其它专用发射换能器元件)和多个接收元件454。
在用于运动跟踪和/或运动检测时，发射元件452中的一个或者多个发射元件可以被指明为可以在运动跟踪和/或运动检测过程期间从其发射跟踪ping的跟踪ping发射器元件(例如，元件456或者任何其它单个发射元件452)。在各种实施例中，探测器450的所有接收元件454或者探测器450的所有接收元件454的子集可以在运动跟踪和/或运动检测过程期间被用作接收元件。在一些实施例中，可以对于探测器450的每一个接收元件454接收和分离地存储原始回波数据。在一些实施例中，分析可以限于来自探测器450的所有接收元件454的仅子集的回波数据。在其它实施例中，可以使用来自探测器450的所有接收元件454的回波数据来执行分析。
现在将描述使用图5的探测器450来执行图1的运动检测过程400的示例。探测器450可以被用来使用这里描述的成像系统和方法中的任何成像系统和方法来获得介质和待跟踪的物体的三维体积成像402。备选地，探测器450和(例如，如这里别处描述的)成像系统可以被用来获得来自介质的三维体积内的一个或者多个二维平面的一个或者多个图像。可以从一个或者多个二维图像、从三维体积渲染或者使用自动化的软件代理来选择指纹点404。
在一些实施例中，在过程400中发射跟踪ping 406可以包括将单个发射元件(比如元件456(或者任何其它发射元件))指明为跟踪ping发射器。从仅单个发射器发射跟踪ping可以简化检测运动的过程，因为仅需一次确定指纹点反射器相对于发射元件的在时间上的定位。然而，在一些实施例中，可以从两个或者更多个发射元件发射跟踪ping。
可以如以上描述的那样分离地存储由接收元件454中的每个接收元件接收的回波数据。可以在短期或者长期存储器设备中存储并且可以评估代表每个跟踪ping的回波的数据，以根据过程步骤408在每个指纹点内标识一个或者多个反射器，比如通过在数据中标识指纹。可以通过确定哪个样本编号(或者多个样本编号)代表指纹来监视指纹的定位。代表每个基准区域的指纹的样本编号可以被称为静止样本。如果在静止样本之前或者之后的不同样本定位中检测到指纹，则可以做出确定指纹点(以及因此基准区域)已经移动。在一些实施例中，如果检测到的指纹点从静止样本移动仅单个样本定位则可以指示移动。在其它实施例中，如果检测到指纹为从静止样本移动两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或者更多个样本则可以指示移动。在一些情况下，指示移动的样本移位的大小可以是数字采样速率的函数。
在一些实施例中，可以在时间而不是样本定位方面定义指纹的静止定位。例如，在一些实施例中，可以通过评估用于每个接收元件的模拟回波信号来监视指纹的定位。如果指纹包含可识别的峰或者峰的图案，则这可以特别地有益。指纹移动预定纳秒数(或者其它时间值)可以指示移动。在一些实施例中，由于探测器450可以从每个ping的回波收集三维体积数据，所以监视指纹410的定位可以包括在可以与发射跟踪ping的速率一样高的更新速率在三个维度中监视指纹的定位。如以上讨论的那样，在一些实施例中，可以在每秒1,000个ping、每秒2,000个ping、每秒3,000个ping、每秒5,000个ping、每秒10,000个ping或者更多的速率发射跟踪ping。
在使用图5的探测器450以执行运动跟踪过程(比如图2的过程420)时，可以使用三维体积数据的数字或者图形表示来执行波束形成移动前图像430、定义测试区域432、波束形成测试区域434、在搜索区域中搜索移动前指纹436和标识新指纹定位的步骤中的任何或者所有步骤。例如，移动前图像可以包括体素的三维体积。相似地，测试区域可以包括体素的三维体积，并且比较移动前图像与测试区域图像436可以包括比较移动前体积的体素与每个测试区域体积。在一些实施例中，比较可以包括执行对体素的互相关以确定测试区域体积中的哪个测试区域体积与移动前体积最接近地匹配。在一些实施例中，比较可以包括从测试区域中的每个测试区域的体素减去移动前图像的体素以获得多个差值体积。标识新指纹点定位可以包括定义代表用于一个或者多个指纹点的新定位的新三维体积。
在其它实施例中，可以根据成像的区域的接收的三维体积表示来计算经过基准区域的一个、两个、三个或者更多个二维切片(如这里别处描述的那样)，并且可以在定义的平面中波束形成每个搜索区域的二维表示。例如，在一个实施例中，可以对于每个基准区域或者对于基准区域和接收元件(或者接收孔径)的每个组合来定义不同二维平面。备选地，与所有三个(或者更多个)基准区域相交的单个平面可以被定义为其中可以波束形成搜索区域的平面。
图6图示了被配置用于通过评估在两个基本上平面图像区域中的回波数据来执行示例运动检测和运动跟踪过程的超声探测器470的示例实施例。探测器470可以包括一个或者多个发射元件480的多个线性换能器阵列472、474、476、478(也被称为1D阵列)。
每个阵列472、474、476、478可以包括可以如在超声换能器领域中被良好理解的那样由透镜化材料聚焦到二维区域(也可以被称为阵列的“图像平面”)中的多个线性换能器元件482。由于聚焦的线性阵列的性质，每个阵列的所谓的“二维聚焦的区域”可以实际地在与图像平面垂直的维度中具有某个厚度。二维聚焦的区域的厚度可以基于在元件482与待成像的介质之间穿插的透镜化材料的形状、按照从阵列到介质中的深度而变化。
可以布置阵列的第一对472、474，从而使得第一阵列472的二维聚焦的区域与第二阵列474的二维聚焦的区域对准。第一和第二阵列的重叠的二维聚焦的区域可以被称为第一公共图像平面。
相似地，可以布置阵列的第二对476、478，从而使得第三阵列476的二维聚焦的区域与第四阵列478的二维聚焦的区域对准。第三和第四阵列的重叠的二维聚焦的区域可以被称为第二公共图像平面。
第一对阵列472、474的第一公共图像平面可以在直角或者在如希望的任何其它角度与第二对阵列476、478的第二公共图像平面相交。在各种实施例中，一个、两个、三个、四个或者更多个阵列可以与每个公共图像平面对准。第一和第二公共图像平面可以具有不等数目的阵列或者元件。在一些实施例中，可以提供并且在与第一和第二公共图像平面之一或者二者相交的第三(或者附加)图像平面上聚焦附加阵列。
在各种实施例中，一维元件中的一些一维元件可以被指明为发送元件并且其它一维元件可以被指明为接收元件。在其它实施例中，可以在发送与接收功能之间切换所有一维元件482。
在被用于运动跟踪和/或运动检测时，一维元件482中的一个或者多个一维元件可以被指明为可以在运动跟踪和/或运动检测过程期间从其发射跟踪ping的跟踪ping发射器元件。在其它实施例中，发射元件480可以被用作跟踪ping发射元件。
在各种实施例中，探测器470的所有一维元件482或者探测器470的所有一维元件482的子集可以在运动跟踪过程400和/或运动检测过程420期间被用作接收元件。在一些实施例中，可以对于探测器470的每一个接收元件分离地接收和存储原始回波数据。在一些实施例中，分析可以限于来自探测器470的所有接收元件482的子集的回波数据。在其它实施例中，可以使用来自探测器470的所有接收元件482的回波数据来执行分析。
现在将描述使用图6的探测器470来执行图1的运动检测过程400的示例。探测器470可以被用来使用这里描述的成像系统和方法中的任何成像系统和方法来获得介质和待跟踪的物体的两个相交二维图像402。例如，可以使用在第一公共图像平面上聚焦的第一对阵列472、474来获得介质和物体的第一二维图像。一个或者多个指纹点可以由人类操作者或者由自动化的软件代理从第一图像选择404。
可以使用在第二公共图像平面上聚焦的第二对阵列476、478来获得介质和物体的第二二维图像。一个或者多个指纹点可以由人类操作者或者由自动化的软件代理从第一图像选择404。可以使用可以包括如以上描述的二维的基于ping的多孔径成像过程的任何适当成像过程来获得第一和第二二维图像。
在一些实施例中，第一图像和/或第二图像可以包括两个图像的重叠区域的可见指示。可以用有色线、有色阴影区域、更高或者更低亮度的区域的形式或者别的方式来提供这样的指示。
在一些实施例中，在过程400中发射跟踪ping 406可以包括将来自每个公共图像平面的单个发射元件(比如第一阵列472的元件486和第三阵列476的元件488)(或者阵列中的任何阵列的任何其它发射元件)指明为跟踪ping发射器。从仅单个发射器发射跟踪ping可以简化检测运动的过程，因为仅需一次确定指纹点反射器相对于发射元件的在时间上的定位。然而，在一些实施例中，可以从两个或者更多个发射元件发射跟踪ping。
可以备选地从发射元件480发射跟踪ping。发射元件480可以发射各自可以如以上描述的那样由在单个图像平面上聚焦的阵列472、474、476、478的接收元件接收的三维波阵面。以这一方式，单个发射元件可以发射其回波可以在两个公共图像平面中的每个公共图像平面中被分离地接收的跟踪ping。
在使用图6的探测器470以执行运动跟踪过程(比如图2的过程420)时，可以使用第一公共图像平面和第二公共图像平面中的每个公共图像平面的至少部分的二维图像来执行波束形成移动前图像430、定义测试区域432、波束形成测试区域434、比较测试区域图像与移动前图像436和标识新指纹点定位438的步骤中的任何或者所有步骤。例如，移动前图像可以包括指纹点的二维图像的图形或者数字表示。相似地，测试区域可以包括在公共图像平面之一或者二者内的二维单位区域。比较移动前图像与测试区域图像436可以包括比较移动前二维图像的单位与每个测试区域的二维图像的单位。在一些实施例中，比较可以包括执行对单位的互相关以确定测试区域图像中的哪个测试区域图像与移动前图像最接近地匹配。在一些实施例中，比较可以包括从测试区域中的每个测试区域的单位减去移动前图像的单位以获得多个差值图像。标识新指纹点定位可以包括定义代表用于一个或者多个指纹点的新定位的新二维图像。
在其它实施例中，也可以使用能够被用来执行这里描述的方法的任何其它超声探测器。例如，也可以使用被配置用于二维的基于扫描线或者基于ping的成像的探测器。在一些实施例中，两个或者更多个探测器可以被串接用于运动跟踪和/或运动检测过程。
评估材料弹性
在一些实施例中，这里描述的技术可以被用来评估成像的材料的弹性。被称为“超声弹性成像”的技术可以总体上涉及通过向材料中发射引起剪切波的脉冲并且监视剪切波在材料中传播的速度来机械地扭曲材料。剪切波传播速度然后可以被用来确定成像的材料的材料刚度和弹性模量。
这里描述的系统和方法可以被用来测量剪切波的传播速度。在一个示例中，可以定义多个指纹点(例如，四个、五个、十个、二十个或者更多个点)，可以发射剪切波启动脉冲，并且可以如这里描述的那样跟踪定义的点中的每个点的定位。然后可以评估所得定位和事件信息以确定剪切波传播速度。
在一些情况下，可以在剪切波传播之时收集和存储回波数据。然后可以在多个试验中分析存储的回波数据，这些回波数据定义在每个试验期间的不同指纹点集合。然后可以聚合多个试验的结果以提供成像的介质的各种部分的运动的更完整表示。可以并行(例如，相互同时间或者同时期)或者串行(例如，一个接着另一个)地评估试验。
在其它实施例中，可以使用这里描述的运动跟踪方法来直接地测量成像的材料的弹性模量。由于这里描述的运动跟踪方法可以提供关于很小点在很高速度的移动的信息，所以运动跟踪方法可以用来检测在成像的物体或者材料内的任何数目的点的位移(或者应变)。弹性模量等于施加的应力(每单位面积的力)除以所得应变(位移)。因此，可以通过向物体、组织或者材料施加已知应力并且然后使用这里描述的运动跟踪技术以测量所得应变来确定弹性模量。可以在多个点测量应变，并且可以平均或者以别的方式(例如，在一些情况下使用有限元方法)组合结果以获得总弹性模量或者多个区域特有弹性模量。
评估流体流量
这里描述的系统和方法也可以用来评估在包含流动流体的管道或者容器中的流体流量。例如，可以在管道或者容器内标识多个点(例如，2、3、4、5、10、20或者数百个点)。然后可以如这里描述的那样监视那些点的定位尽可能久。取决于流量的性质和/或流体的性质，代表每个指纹点的图案可以随着流体移动而改变。因此，系统可以被配置为确定代表点的图案何时已经劣化太多而无法继续使用该点。此后，系统然后可以定义新点以替换退化的点。在一些情况下，可以在劣化的点的上次已知的定位或者附近定义新点。在其它情况下，可以基点在先前两个、三个或者更多个ping期间的定位推测新点。然后可以与其它点一起跟踪新点的定位。
在一些情况下，可以在流体正在流动或者以别的方式移动之时收集和存储回波数据一段时间。然后可以在多个试验中分析存储的回波数据，该回波数据定义在每个试验期间在流体内的不同指纹点集合。然后可以聚合多个试验的结果以提供成像的流体的各种部分的运动的更完整表示。可以并行(例如，相互同时间或者同时期)或者串行(例如，一个接着另一个)地评估试验。
多孔径超声成像系统部件
图7的框图图示了可以与如这里描述的系统和方法的各种实施例组合被使用的超声成像系统200的部件。图7的系统200可以包括若干子系统：发射控制子系统204、探测器子系统202、接收子系统210、图像生成子系统230和视频子系统240。在各种实施例中，系统200也可以包括用于包含用于在一个或者多个超声成像步骤期间使用的各种数据的一个或者多个存储器设备。这样的存储器设备可以包括原始回波数据存储器220、加权因子存储器235、校准数据存储器238、图像缓冲器236和/或视频存储器246。在各种实施例中，可以在单个存储器设备上存储所有数据(包括用于执行任何其它过程的软件和/或固件代码)。备选地，分离的存储器设备可以用于一个或者多个数据类型。
从探测器202的元件发射超声信号可以由发射控制子系统204控制。在一些实施例中，发射控制子系统204可以包括用于控制探测器202的换能器元件以根据希望的成像算法从选择的发射孔径在希望的频率和间隔发射未聚焦的超声ping的模拟和数字部件的任何组合。在一些实施例中，发射控制子系统204可以被配置为在某个范围的超声频率发射超声ping。在一些(但是不是所有)实施例中，发射控制子系统也可以被配置为在相控阵列模式中控制探测器从而发射聚焦的(即，发射波束形成的)超声扫描线波束。
在一些实施例中，发射控制子系统204可以包括发射信号定义模块206和发射元件控制模块208。发射信号定义模块206可以包括被配置为定义将由超声探测器发射的信号的希望的特性的硬件、固件和/或软件的适当组合。例如，发射信号定义模块206可以建立(例如，基于用户输入或者预定因素)待发送的超声信号的特性，比如脉冲开始时间、脉冲长度(持续时间)、超声频率、脉冲功率、脉冲形状、脉冲方向(如果有)、脉冲量值、发射孔径位置或者任何其它特性。
发射元件控制模块208然后可以取得关于希望的发射脉冲的信息并且确定将向适当换能器元件发送的对应电信号以便产生这一信号。在各种实施例中，信号定义模块206和发射元件控制模块208可以包括分离的电子部件，或者可以包括一个或者多个公共部件的部分。
在从兴趣区域接收发射的信号的回波时，探测器元件可以生成与接收的超声振动对应的时变电信号。可以从探测器202输出并且向接收子系统210发送代表接收的回波的信号。在一些实施例中，接收子系统可以包括各自可以包括模拟前端设备(“AFE”)212和模拟到数字转换设备(ADC)214的多个通道。在一些实施例中，接收子系统210的每个通道在ADC214之后也可以包括数字滤波器和数据调控器(未示出)。在一些实施例中，也可以在ADC214之前提供模拟滤波器。每个ADC 214的输出可以被指引到原始数据存储器设备220中。在一些实施例中，可以对于探测器202的每个接收换能器元件提供接收子系统210的独立通道。在其它实施例中，两个或者更多换能器元件可以共享公共接收通道。
在一些实施例中，模拟前端设备212(AFE)可以在向模拟到数字转换设备214(ADC)传递信号之前执行某些滤波过程。ADC 214可以被配置为在某个预定采样速率将接收的模拟信号转换成一系列数字数据点。不同于多数超声系统，图7的超声成像系统的一些实施例然后可以在执行任何进一步接收波束形成、滤波、图像层组合或者其它图像处理之前在原始数据存储器设备220中存储代表由每个个别接收元件接收的超声回波信号的定时、相位、量值和/或频率的数字数据。
为了将捕获的数字样本转换成图像，数据可以由图像生成子系统230从原始数据存储器220取回。如所示，图像生成子系统230可以包括波束形成块232和图像层组合(“ILC”)块234。在一些实施例中，波束形成器232可以与包含探测器校准数据的校准存储器238通信。探测器校准数据可以包括关于精确定位、操作质量的信息和/或关于个别探测器换能器元件的其它信息。校准存储器238可以在物理上位于探测器内、成像系统内或者探测器和成像系统二者外部的位置。
在一些实施例中，在穿过图像生成块230之后，图像数据然后可以被存储在可以存储波束形成和(在一些实施例中)层组合的图像帧的图像缓冲器存储器236中。视频子系统240内的视频处理器242然后可以从图像缓冲器取回图像帧，并且可以将图像处理成可以在视频显示器244上显示和/或在视频存储器246中存储为数字视频剪辑(例如，如在本领域中被称为“电影回放”)的视频流。
在一些实施例中，AFE 212可以被配置为在向模拟到数字转换设备传递接收的模拟信号之前对模拟信号执行各种放大和滤波过程。例如，AFE 212可以包括放大器，比如低噪声放大器(LAN)、可变增益放大器(VGA)、带通或者低通/防混叠滤波器和/或其它放大或者滤波过程。在一些实施例中，AFE设备212可以被配置为在接收触发信号时开始向ADC 214传递模拟信号。在其它实施例中，AFE设备可以“自由运行”，从而连续地向ADC传递模拟信号。
在一些实施例中，每个模拟到数字转换器214可以总体上包括被配置为在某个一致、预定采样速率对接收的模拟信号采样的任何设备。例如，在一些实施例中，模拟到数字转换器可以被配置为在25MHz记录时变模拟信号的数字样本，其中25MHz是每秒2500万个样本或者每40纳秒一个样本。因此，由ADC采样的数据可以简单地包括各自可以与在特定时刻的信号值对应的数据点的列表。在一些实施例中，ADC 214可以被配置为在接收触发信号时开始数字地采样模拟信号。在其它实施例中，ADC设备可以“自由运行”，从而连续地采样接收的模拟信号。
在一些实施例中，原始数据存储器设备220可以包括任何适当易失性或者非易失性素质存储器存储设备。在一些实施例中，原始数据存储器220也可以包括用于通过有线或者无线网络向外部设备传输原始数据超声数据的通信电子器件。在这样的情况下，发射的原始回波数据可以用任何希望的格式被存储在外部设备上。在其它实施例中，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。
在一些实施例中，原始数据存储器设备220可以包括暂时(易失性或者非易失性)存储器节段和长期非易失性存储器节段。在这样的实施例的示例中，暂时存储器可以在其中波束形成器232可能不能操作快到足以容纳来自ADC 214的全速率数据的情况下充当在ADC214与波束形成器232之间的缓冲器。在一些实施例中，长期非易失性存储器设备可以被配置为从暂时存储器设备或者直接地从ADC214接收数据。这样的长期存储器设备可以被配置为存储某个数量的原始回波数据以用于后续处理、分析或者向外部设备发射。
在一些实施例中，波束形成块232和图像层组合块234可以各自包括被配置为执行指定的过程的(例如，如以下描述的)任何数字信号处理和/或计算部件。例如，在各种实施例中，波束形成232和图像层组合234可以由在单个GPU上、在多个GPU上、在一个或者多个CPU上、在CPU和GPU的组合上、在单个或者多个加速器卡或者模块上、在分布式处理系统或者群集式处理系统上运行的软件执行。备选地，这些或者其它过程可以由在FPGA(现场可编程门阵列)架构或者一个或者多个专用ASIC(专用集成电路)设备上运行的固件执行。
在一些实施例中，视频处理器242可以包括可以被配置为将图像帧组装成用于显示和/或存储的视频流的任何视频处理硬件、固件和软件部件。
在一些实施例中，成像系统可以包括运动处理器255。运动处理器255可以被配置为向包括波束形成器232和ILC块234的图像生成子系统230发送数据和指令以及从图像生成子系统230接收数据和指令。运动处理器255可以被配置为向图像生成子系统发送数据和指令以便指令波束形成器和ILC关于将波束形成图像能力区域的哪个部分。运动处理器255也可以被配置为从图像生成子系统230接收如为了执行这里描述的各种运动检测和/或运动跟踪过程的任何运动检测和/或运动跟踪过程而需要的数据和指令。运动处理器也可以被配置为向TX控制器204发送指令以便控制在运动检测过程和/或运动跟踪过程期间发射跟踪ping和/或成像ping。
运动处理器255也可以被配置为监视在原始数据存储器设备220中存储的数据以便监视指纹的定位并且取回将在运动检测和/或运动跟踪过程期间被波束形成或者以别的方式被处理的原始回波数据。
运动处理器255也可以被配置为向视频子系统240发送指令以及从视频处理器240接收数据和指令以便控制向用户显示的图像、光标和其它元素和/或从用户输入设备接收数据。
运动处理器可以包含一个或者多个数据存储设备，该一个或者多个数据存储设备可以包含用于执行这里描述的各种运动检测和/或运动跟踪过程的任何运动检测和/或运动跟踪过程的指令。
某些术语
虽然已经在某些优选实施例和示例的上下文中公开本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明超出具体地公开的实施例扩展至本发明的备选实施例和/或使用及其明显修改和等效物。对以上实施例的各种修改将容易地为本领域技术人员所清楚，并且这里定义的通用原理可以适用于其它实施例而没有脱离本发明的精神实质或者范围。因此，旨在于这里公开的本发明的范围不应受以上描述的具体的公开的实施例限制，而是应当仅按照对所附权利要求的合理解读来确定。
具体而言，可以如在相关领域技术人员的水平内那样运用材料和制造技术。另外，对单数项目的引用包括有多个相同项目存在的可能性。更具体而言，如这里和在所附权利要求中使用的那样，除非上下文清楚地另有规定，单数形式“一个/一种”、“所述”和“该”包括复数引用物。也如这里所用，除非另有显式地陈述，术语“或者”包括所有呈现的备选并且含义与常用短语“和/或”实质上相同。还注意可以撰写权利要求以排除任何可选要素。这样，这一陈述旨在于用作为用于与对权利要求要素的记载结合使用比如“独自地”、“仅”等这样的排他术语或者使用“否定”限制的前引基础。除非这里另有定义，这里使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员普遍地理解的相同含义。
也可以在单个实现方式中组合实施在本公开内容中在分离的实现方式的上下文中描述的某些特征。反言之，也可以在多个实现方式中分离地或者在任何适当子组合中实施在单个实现方式的上下文中描述的各种特征。虽然以上可以将特征描述为在某些实施例中作用，但是在一些情况下可以从要求保护的组合中删减来自该组合的一个或者多个特征，并且可以要求保护该组合为任何子组合或者任何子组合的变化。另外，权利要求可以被撰写以排除任何公开的元素。这样，在前语句旨在于充当用于与权利要求元素的记载或者“否定”限制的使用有关的、比如“独自地”、“仅”等这样的排他术语的前引基础。
另外，尽管可以按照特定顺序在附图中描绘或者在说明书中描述操作，但是无需按照所示特定顺序或者按照依次顺序执行这样的操作和无需执行所有操作以实现希望的结果。可以在示例方法和过程中并入没有描绘或者描述的其它操作。例如，可以在描述的操作的任何操作之前、之后、与任何操作同时或者在任何操作之间执行一个或者多个附加操作。另外，可以在其它实现方式中对操作重新安排或者重新排序。也不应将在以上描述的实现方式中对各种系统部件的分离理解为在所有实现方式中要求这样的分离，并且应当理解描述的部件和系统一般地可以一起集成在单个产品中或者被封装成多个产品。附加地，其它实现方式在本公开内容的范围内。
已经结合附图描述了一些实施例。一些图可以按比例来绘制，但是这样的比例不应有限制，因为除了所示尺度和比例之外的尺度和比例被设想和在公开的本发明的范围内。距离、角度等仅为说明性而未必带有与所示设备的实际尺度和布局的确切关系。可以添加、去除和/或重新布置部件。另外，可以在这里阐述的所有其它实施例中使用这里与各种实施例结合对任何特定特征、方面、方法、性质、特性、性质、属性、要素等的公开内容。附加地，可以使用适合用于执行记载的步骤的任何设备来实践这里描述的任何方法。

Claims (21)

1.一种用成像系统跟踪物体的运动的方法，包括以下步骤：
用所述成像系统的控制器在兴趣区域中定义多个基准区域；
用所述控制器在每个基准区域内定义指纹点，其中所述指纹点代表比所述成像系统可分辨的任何细节更小的面积；
从所述成像系统的换能器阵列向所述兴趣区域中发射一系列未聚焦的超声ping；
用所述换能器阵列的多个换能器元件从发射的所述一系列未聚焦的超声ping接收回波；
在分离的存储器串中存储由所述多个换能器元件中的每个换能器元件接收的回波数据；
用所述控制器检测至少一个指纹点的移动；以及
用所述控制器传达指示所述物体相对于所述换能器阵列的移动已经出现的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括用所述成像系统获得所述兴趣区域的至少一个图像，并且其中定义所述多个基准区域包括在所述至少一个图像中选择多个点。
3.根据权利要求2所述的方法，其中获得兴趣区域的至少一个图像包括获得包含所述物体的至少一部分的至少两个图像，所述至少两个图像落在也与所述物体相交的相交二维平面中；
其中定义所述指纹点包括在所述二维平面和所述物体之间的交点处定义第一指纹点，以及在所述至少两个图像中的第一图像中定义第二指纹点，以及在第二图像中定义不在所述交点处的第三指纹点。
4.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述至少一个指纹点的移动包括在每个存储器串中标识指纹点，以及检测所述指纹点在每个存储器串中的定位的移位。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个指纹点包括至少一个机器可标识的峰。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在检测到所述指纹点中的第一指纹点在组合的存储器串中的定位的移位之前组合来自两个或者更多个未聚焦的超声ping的存储器串以形成所述组合的存储器串。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在检测到所述指纹点中的第一指纹点在组合的存储器串中的定位的移位之前组合来自所述换能器阵列的两个或者更多个换能器元件的存储器串以形成所述组合的存储器串。
8.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述至少一个指纹点的移动包括用所述控制器在除了原有位置之外的位置中标识指纹图案。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括用所述控制器跟踪所述物体的运动，包括：
用所述控制器获得与被包含在每个基准区域内的每个指纹点对应的移动前指纹图案；
用所述控制器定义包围每个指纹点的搜索区域；
用所述控制器通过取回与包围所述指纹点中的每个指纹点的所述搜索区域对应的移动后数据以及波束形成所述搜索区域来获得多个移动后搜索图像；
用所述控制器在每个移动后搜索区域中搜索所述移动前指纹图案中的对应的移动前指纹图案的新定位；
用所述控制器基于在搜索区域中发现指纹图案来确定用于所述指纹点中的至少一个指纹点的新定位；以及
用所述控制器传达指示所述至少一个指纹点的新定位或者所述物体的新定位的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在跟踪所述物体的运动的步骤期间波束形成仅所述搜索区域而不波束形成不与所述搜索区域之一对应的回波数据。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括基于与多个接收换能器元件对应的多个所述存储器串中的数据来检测所述指纹点中的第一指纹点的定位的移位。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个换能器元件比它们相互而言更接近所述换能器阵列的相反端。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述指纹点中的每个指纹点具有在1平方纳米与100平方微米之间的面积。
14.根据权利要求1所述的方法，其中定义的所述指纹中的每个指纹代表具有比执行所述方法的成像系统可分辨的最小细节的大小的一半更小的最大尺度的面积。
15.根据权利要求1所述的方法，其中定义的所述指纹中的每个指纹代表具有比从所述阵列发射的所述超声ping的波长的一半更小的最大尺度的面积。
16.根据权利要求1所述的方法，其中定义的所述指纹中的每个指纹代表具有比从所述阵列发射的所述超声ping的波长的四分之一更小的最大尺度的面积。
17.根据权利要求1所述的方法，其中定义的所述指纹中的每个指纹代表具有比从所述阵列发射的所述超声ping的波长的十分之一更小的最大尺度的面积。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所有所述基准区域落在被定义为距每个换能器元件的距离范围的自由深度范围内，在所述距离范围中返回回波由以下造成：仅单个发射的ping，并且以比在发射换能器元件、最远反射器和距所述发射元件最远的接收元件之间的最大往返行程时间的倒数更大的速率发射ping。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述换能器阵列包括对准于第一图像平面的第一多个一维线性换能器元件和对准于与所述第一图像平面相交的第二图像平面的第二多个一维线性换能器元件，并且其中向所述兴趣区域中发射一系列未聚焦的ping包括从所述第一多个一维换能器元件中的第一单个元件发射第一一系列ping以及从所述第二多个一维换能器元件中的第二单个元件发射第二一系列ping。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述换能器阵列包括对准于延伸到所述兴趣区域中的第一图像平面的第一多个一维线性换能器元件、对准于延伸到所述兴趣区域中的第二图像平面的第二多个一维线性换能器元件，并且包括点源发射器元件，所述第二图像平面与所述第一图像平面相交；并且其中向所述兴趣区域中发射一系列未聚焦的ping包括从所述点源发射器元件发射一系列未聚焦的ping。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述点源发射器元件被定位在所述第一图像平面与所述第二图像平面的交点处。
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