CN110998361A - 用于编码的多脉冲超声造影成像的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于超声造影成像的方法，该方法在两个或多个不同的发射事件中的每个中实现编码的多脉冲。响应于两个不同的发射事件而获取的数据被解码和组合。在一些实施例中，编码的多脉冲包括两个或多个连续的哈达玛编码的超声脉冲。在其他实施例中，可以使用多平面波脉冲。作为一个示例，可以使用哈达玛编码来对此类多平面波脉冲进行编码。此外，可使用幅度调制或脉冲反相幅度调制技术对多平面波脉冲进行进一步编码。

Description

用于编码的多脉冲超声造影成像的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月26日提交的美国临时专利申请序列号62/537,107的权益，其标题为“用于编码的多脉冲超声造影成像的方法”，其整体通过引用并入本文。
背景技术
超声造影(“CEUS”)成像的发展为许多临床应用(诸如心肌灌注成像和腹部病变表征)带来巨大潜力。这些成像技术中使用的造影剂通常是封装的微气泡，该微气泡用于改善血液与组织之间的对比度。通常，这些微气泡可以在低机械指数(“MI”)下提供强非线性回波，而组织信号在低MI时大部分是线性的。
为了更好地检测非线性微气泡回波，广泛使用了若干序列来抑制线性组织信号，包括脉冲反转(“PI”)，幅度调制(“AM”)或脉冲反转幅度调制(“PIAM”)序列。这些微气泡成像技术通常涉及在两个不同的发射事件(即，脉冲回波事件)的每一个中用单个脉冲激发造影剂。通过修改PI序列中的脉冲极性、AM序列中的脉冲幅度或相对于第一发射事件中发射的脉冲的PIAM序列中的脉冲极性和脉冲幅度两者，可以生成第二发射事件中发射的脉冲。
在PI、AM和PIAM序列中，来自这两个发射事件的反射回波RF信号被组合以选择性地消除来自组织的线性响应并放大来自造影剂的非线性响应。然而，据几组报道，即使在低MI的情况下，组织也显示出不可忽视的显著的非线性响应。因此，仍然需要在微气泡造影成像中抑制线性和非线性组织信号两者。
发明内容
本公开通过提供用于超声造影成像的方法来解决上述缺点。方法包括使用超声系统在第一发射事件中将第一组超声脉冲发射到受试者体内包含微气泡造影剂的感兴趣区域。第一组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据编码矩阵中的第一项编码的幅度和极性。在第一组超声脉冲的发射之后，用超声系统接收第一超声数据。使用超声系统在第二发射事件中将第二组超声脉冲发射到受试者体内的感兴趣区域。第二组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据编码矩阵中的第二项编码的幅度和极性。在第二组超声脉冲的发射之后，用超声系统接收第二超声数据。通过使用编码矩阵的逆对第一超声数据进行解码来生成第一解码的数据，并且通过使用编码矩阵的逆对第二超声数据进行解码来生成第二解码的数据。通过计算第一解码的数据与第二解码的数据之间的差来生成差异数据，并且根据差异数据产生受试者的图像。
本公开的上述和其他方面及优点将通过以下描述而显现。在描述中，参考了形成本说明书的一部分的附图，其中通过图示的方式示出了优选实施例。然而，此实施例不一定代表本发明的全部范围，因此，参考权利要求和本文来解释本发明的范围。
附图说明
图1是阐述根据本公开中描述的实施例的用于使用编码的多脉冲进行超声造影成像的示例方法的步骤的流程图。
图2示出了哈达玛(Hadamard)编码的多脉冲发射设计的示例。序列包括两个发射事件(即，TX#1和TX#2)。每个发射事件包含连续发射的两个脉冲(即，脉冲1和脉冲2)。TX#2中的脉冲2的符号在二阶哈达玛矩阵之后反转。所接收的信号经历标准的哈达玛解码。然后，脉冲1和移位(轴向上的脉冲长度tpulse)的脉冲2相减以消除组织响应。
图3示出了在使用三态脉冲发生器对3度转向角进行超声造影成像中实现示例HEM复合序列的一对发射事件。
图4示出了用于使用三态脉冲发生器的示例MW-HEM成像序列的发射脉冲设计。序列包括四个发射事件(TX#1–TX#4)，发射事件中的每个包含两个成角度的如MW成像中的平面波发射。每个成角度的发射包含如本公开中所描述的HEM序列中的两个连续的脉冲。在两个成角度的平面波发射之间添加小的交错时间Δt。相同的角度的两个脉冲之间不添加交错时间。每个脉冲旁边标记的是在每个发射事件中每个角度的发射脉冲的极性的指示。
图5示出了用于使用三态脉冲发生器的示例MW-AM成像序列的发射脉冲设计。序列包括四个发射事件(TX#1–TX#4)，发射事件中的每个包含两个成角度的如MW成像中的平面波发射。+1和+1/2脉冲的幅度由脉冲占空比反映。在两个成角度的平面波发射之间添加小的交错时间Δt。每个成角度的发射仅包含一个脉冲。给定脉冲的极性和幅度遵循等式(11)中的编码矩阵设计，在脉冲旁边以红色标记其极性和幅度。
图6A示出了用于使用三态脉冲发生器的另一示例MW-AM成像序列的发射脉冲设计。仅示出第一发射事件(即，TX#1和TX#2)。每个发射事件包含四个成角度的平面波发射，幅度和极性遵循等式(12)中的编码矩阵。+1和+1/2脉冲的幅度由脉冲占空比反映。在相邻的脉冲发射之间添加小的交错时间，Δt。每个成角度的发射包含单个脉冲。
图6B示出了用于使用三态脉冲发生器的另一示例MW-AM成像序列的发射脉冲设计。仅示出第一发射事件(即，TX#1和TX#2)。每个发射事件包含四个成角度的平面波发射，幅度和极性遵循等式(12)中的编码矩阵。+1和+1/2脉冲的幅度由脉冲占空比反映。在具有相同角度但不同脉冲的发射之间的小的交错时间Δt减小到0。每个成角度的发射包含两个连续的编码的脉冲。
图7示出了示例MW-HEM发射序列和相关的处理流水线。哈达玛编码的发射事件(例如，HEM编码的事件)在时间上顺序地被激励。在哈达玛矩阵的输入之后，发射事件包含相同的平面波发射角度，但不同的脉冲极性。所接收的RF信号可被解码成RF对。每对包含用相同脉冲激励的发射角度。脉冲对之间的相减抑制组织线性响应。可以对解码和重组的RF信号进行波束成形和复合，以产生最终图像。该图中的第一行是图4的示意图。
图8是可实现本公开中描述的方法的示例超声系统的框图。
具体实施方式
本文所描述的是用于超声造影成像的方法，该方法在两个不同的发射事件中的每个中实现编码的多脉冲。响应于两个不同的发射事件而获取的数据被解码和组合。在一些实施例中，编码的多脉冲包括两个或更多个连续的哈达玛编码的超声脉冲。在其他实施例中，可以使用多平面波脉冲。作为一个示例，可以使用哈达玛编码来对此类多平面波脉冲进行编码。此外，可使用幅度调制或脉冲反相幅度调制技术对多平面波脉冲进行进一步编码。
现在参考图1，示出了阐明用于在连续的发射事件中使用编码的多脉冲来进行超声造影成像的示例方法的步骤的流程图。方法包括在第一发射事件中将超声脉冲发射到感兴趣区域，如步骤102所指示。通常，将超声脉冲发射到其中存在超声造影剂的感兴趣区域。例如，可以将微气泡造影剂施用给被成像的受试者，使得当发射超声脉冲时，微气泡造影剂存在于感兴趣区域中。
超声脉冲是编码的脉冲。例如，可以通过基于哈达玛编码矩阵中的编码因子来调整超声脉冲的极性，从而根据哈达玛编码对超声脉冲进行编码。作为示例，所施加的超声脉冲包括根据二阶哈达玛编码矩阵而编码的两个连续的超声脉冲。在其他实施例中，可以使用除哈达玛编码矩阵之外的编码矩阵，并且可以通过适当的编码(例如，通过使用更高阶的哈达玛或其他编码矩阵)来发射更大量的超声脉冲。在任何情况下，根据编码矩阵中的第一项对在第一发射事件中发射的脉冲进行编码。例如，编码矩阵中的每一行可以对应于不同的发射事件，并且编码矩阵中的每一列可以对应于各个脉冲。这样，根据编码矩阵中的行对第一发射事件中发射的超声脉冲的集合进行编码，其中该行中的每个元素对应于在发射事件中发射的不同脉冲的不同编码。然后，响应于在第一发射事件中发射到感兴趣区域的超声脉冲，接收第一组回波信号数据，如步骤104所指示。
在第一发射事件之后的第二发射事件中，将附加的超声脉冲发射到感兴趣区域，如步骤106所指示。作为示例，在第二发射事件中施加的超声脉冲还包括两个连续的超声脉冲。在其他实施例中，可以使用除哈达玛编码矩阵之外的编码矩阵，并且可以通过适当的编码(例如，通过使用更高阶的哈达玛或其他编码矩阵)来发射更大量的超声脉冲。在任何情况下，根据编码矩阵中的第二项对在第二发射事件中发射的脉冲进行编码。例如，编码矩阵的不同行可用于对第二发射事件中发射的脉冲进行编码。响应于在第二发射事件中发射到感兴趣区域的超声脉冲，接收第二组回波信号数据，如步骤108所指示。
与其他微气泡成像方法相比，通过在每个发射事件中连续发射多个脉冲，可以使在步骤102和106中发射的超声脉冲的脉冲长度更长，这可以提高微气泡的非线性能量。此外，使用编码成极性快速变化的连续的超声脉冲可以激励微气泡强的非线性响应。作为一个示例，与其他超声造影成像方法相比，这些因素的组合可导致增强的造影-组织比和信噪比。
在一些实施例中，在第一和第二发射事件中发射的超声脉冲可以实现编码的多脉冲(诸如哈达玛编码的多脉冲(“HEM”))。可以在许多不同的发射模式(包括标准平面波复合、聚焦光束、合成孔径成像等)中实现编码的多脉冲。在一些其他实施例中，在第一和第二发射事件中发射的超声脉冲可以实现多平面波复合，诸如使用哈达玛编码的多脉冲(“MW-HEM”)的多平面波复合。HEM和MW-HEM脉冲序列的示例在下面更详细地描述。
可以用带通滤波器对第一和第二组回波信号数据进行滤波，以消除特定频率成分(诸如来自组织和造影剂的第二谐波成分)，如步骤110所指示。使用该带通滤波器优点在于，使用编码的激励倾向于增加组织的第二谐波响应。优选地，带通滤波器以发射中心频率(即，对应于基本频率)为中心。由于对于哈达玛编码，脉冲反转不改变二次谐波的极性，因此将带通滤波器应用于回波信号数据有助于减少组织非线性响应。
然后，使用适当的解码矩阵对第一和第二组回波信号数据进行解码，以便生成第一和第二经解码的信号数据，如步骤112所指示。例如，在使用二阶哈达玛编码矩阵对在第一和第二发射事件中发射的超声脉冲进行编码时，然后实施哈达玛解码以对回波信号数据进行解码。可以将解码的RF信号视为本将从两个不同的发射事件中以相同的幅度、脉冲极性和转向角发射的一对相同脉冲获得的数据。
然后，将第一和第二经解码的信号数据在时间上对齐，如步骤114所指示。作为示例，可以通过施加与一个脉冲长度相对应的时移来将经解码的信号数据在时间上对齐。
然后，通过在时间对齐之后，计算第一经解码的信号数据与第二经解码的信号数据之间的差来生成差异数据，如步骤116所指示。在实施多平面波复合时，执行对应于每个转向角的每个脉冲对之间的相减。这两个解码与重新对齐的RF信号之间的相减消除了组织线性响应，而保留了与造影剂相关联的非线性基本能量。
然后，根据差异数据重构或以其他方式产生一个或多个图像，如步骤118所指示。作为一个示例，可以实施相干平面波复合以根据差异数据形成图像。
现在参考图2，示出了哈达玛编码的多脉冲(“HEM”)脉冲序列设计的示例。如上所述，两个或多个超声脉冲包含在HEM序列中。在该示例中，使用了两个脉冲(脉冲1和脉冲2)。在两个发射事件(TX#1和TX#2)中连续地发射超声脉冲。在每个发射事件中由于发射多个脉冲而导致的扩展脉冲长度增加了发射的能量。结果，来自造影剂和组织的反射信号功率增加了。在该示例中，两个脉冲相似，除了在第二发射事件(TX#2)中，第二脉冲的极性在进行二阶哈达玛编码后反转。第二发射事件中两个脉冲之间的快速符号变化激发了来自微气泡的强非线性信号。该编码过程可被描述为
H2P＝M (1)；
或者为
Figure BDA0002377939410000061
其中，P＝[p1 p2]T被定义为用单个脉冲发射获取的回波RF信号(例如，p1是在发射第一脉冲但不发射第二脉冲的情况下获取的信号)，而M是从编码的HEM发射接收的回波信号数据(例如，m1是在第一发射事件中从第一和第二脉冲所接收的组合的信号，而m2是在第二发射事件中从第一和第二脉冲所接收的组合的信号。
如上所述，可以在哈达玛解码之前应用以所发射的中心频率为中心的带通滤波器。在一个非限制性示例中，实施该滤波以消除或以其他方式减少二次谐波信号，因为这些信号没有通过改变基波信号的脉冲极性而被正确地编码和解码。在许多情况下，即使在低机械指数下，组织谐波(主要是二次谐波)可能相对强。因此，基本滤波器有助于进一步抑制组织信号。如上所述，经滤波的信号M经过哈达玛解码，诸如通过与哈达玛编码矩阵的逆
Figure BDA0002377939410000071
乘M来获得P，
Figure BDA0002377939410000072
在哈达玛编码之后，P包含通过在两个单独的发射事件中分别发射第一和第二超声脉冲而本将获得的信号。在该处理中，两个超声脉冲具有相同的幅度和极性，除了它们之间的时间延迟tpulse，如图2所示。可以通过选择性地将信号p1和p2组合来消除来自组织的线性响应。如上所述，信号p1和p2首先在时间上重新对齐。作为一个示例，可以通过沿快速时间方向轴向地将RF信号移动脉冲长度tpulse来实现该时间重新对齐。然后可以通过计算来自第一脉冲的信号与来自第二脉冲的时间偏移信号之间的差来消除组织线性响应，
s＝p1(t)-p2(t+tpulse) (4)。
在上面的示例中，在两个发射事件(即，TX#1和TX#2)中连续发射脉冲1和脉冲2。可以在脉冲1与脉冲2之间插入小时间间隔ε。组织响应是线性的，并且不应随时间间隔的选择而变化；因此，可以选择时间间隔以包括强微气泡非线性响应，以便改善微气泡-组织造影。通常，时间间隔ε应当足够小，使得微气泡在脉冲2到达之前不完全返回到脉冲1之后的平衡状态。例如，时间间隔可以是0.1微秒。如果使用时间间隔ε，则应修改上述时间对齐步骤，以也考虑小的时间间隔。可以以本公开中所描述的任何脉冲序列来实现该小的时间间隔，但是不应将其与本公开中其他地方所描述的时间延迟Δt混淆。
上面的示例使用二阶哈达玛编码；然而，如本公开中所提到的，也可以使用更高阶的编码矩阵。作为一个非限制性示例，可以使用四阶哈达玛编码矩阵。在此类示例中，将实施四个发射事件，每个发射事件具有四个编码的脉冲。在解码和时间对齐之后，可以获得四个信号。然后，可以以各种方式将这些信号组合以消除组织线性响应。例如，可以使用与任意两个脉冲(例如，脉冲1和脉冲2、脉冲1和脉冲3、脉冲2和脉冲3)相关联的数据之间的差。作为另一示例，可以累积脉冲之间的差，诸如(p1-p2)+(p3-p4)、(p1-p3)+(p2-p4)等。
在另一示例中，经时间对齐的信号可以被波束成形并且通过包络检测被转换成四个不同的B模式图像，并且这些B模式图像之间的绝对差可以被累积，诸如|I1-I2|+|I3-I4|、|I1-I2|+|I2-I3|+|I3-I4|等。在又一示例中，可以累积这些B模式图像之间的平方差，诸如(I1-I2)2+(I3-I4)2、(I1-I2)2+(I2-I3)2+(I3-I4)2等。
图3示出了以三度的采样转向角在平面波相干复合中实现HEM成像序列的一对发射事件的示例。在图3中，图例中的[+，0，-]代表三态脉冲。哈达玛编码之后，在每个波下面标记的[1，-1]代表正脉冲和负(即，反转的)脉冲。在第一和第二发射事件的每一个中，两个脉冲以相同的角度连续发射，脉冲之间没有时间间隔。脉冲的极性遵循二阶哈达玛矩阵，与图2中的脉冲相似。类似地，可以获得遵循相同激励模式的其他发射角。之后，可以将如上所述的相同解码和重组步骤应用于从所有转向角接收的RF信号。然后，可以对与不同转向角相对应的解码和重组信号进行波束成形并相干相加，以执行复合。注意，在发射事件#2中，将三态脉冲发生器的“0”线插入在第一脉冲与第二脉冲之间，以便将这两个脉冲分开以供实现更好的可视化。在实际的实现中，该“0”线可以被丢弃，因此也可以使用具有[+，-]的双态脉冲发生器。
因此，已经提出了本公开中所描述的方法的一种示例实现。在该示例中，用二阶哈达玛编码矩阵将发射的脉冲长度加倍。该实现导致更高的发射能量，并因此导致更高的信噪比(“SNR”)。同样，第二发射事件中哈达玛编码脉冲之间的快速符号变化激发了来自微气泡强烈的非线性响应，以增加微气泡与组织之间的造影。因此，相对于诸如PI、AM和PIAM之类的其他常用微气泡成像序列，本公开中所描述的方法提供并增加了图像SNR和造影-组织比(“CTR”)。
与PI相比，本公开中所描述的方法可以主要用基本的非线性成分来成像造影剂，使得减小了频率相关的衰减，特别是在较深的成像区域中。与PI相比，由于较低的成像频带和较长的脉冲长度，因此可以降低本公开中所描述的方法中的空间分辨率。然而，可通过显著提高的图像SNR和CTR来平衡此类分辨率损失。另外，本公开中所描述的方法可能不需要宽带探针以在发射和成像频率两者上提供良好的响应。因此，在一些实现中，可以将发射和成像频率选择为在探针的中心频率处以增加灵敏度。
与AM和PIAM相比，如上所述，本公开中所描述的方法可以实现更好的SNR和CTR，尤其是在较深的成像区域中。本公开中所描述的方法可以提供与AM和PIAM中的横向和轴向分辨率相当的分辨率，这表明可以用本公开中所描述的方法来实现更高阶的哈达玛编码矩阵。
如上所述，在一些实施例中，多平面波成像序列可适于与本公开中所描述的方法一起使用。现在更详细地描述此类应用。作为一个示例，上述HEM序列可适于使用多平面波脉冲，从而产生多平面波HEM(“MW-HEM”)序列。作为另一示例，可以在编码的多平面波序列中使用幅度调制，从而产生多平面波幅度调制(“MW-AM”)序列。作为又另一示例，可以在编码的多平面波序列中使用脉冲反转幅度调制，从而产生多平面波脉冲反转幅度调制(“MW-PIAM”)序列。
通常，这些多平面波序列利用具有以下格式的编码矩阵，
Figure BDA0002377939410000091
其中A是编码矩阵，
Figure BDA0002377939410000092
是哈达玛编码矩阵，而B是基础脉冲的集合。作为示例，对于MW-HEM，基础脉冲可以是哈达玛编码的基础脉冲集，B＝H2；对于MW-AM，基础脉冲可以是B＝[1，1/2]T；对于MW-PIAM，基础脉冲可以是B＝[1，1/2]T。
这些多平面波方法主要用微气泡反射的基本非线性能量对微气泡成像，可以使用基本带通滤波器(即，以发射中心频率为中心的滤波器)提取该能量。可以通过将所接收和经滤波的回波RF信号乘以在不同的多平面波成像情况下使用的相对应编码矩阵的逆，解码这些信号。可以将解码的RF信号等同于本将从两个不同的发射事件中以相同的幅度、脉冲极性和转向角发射的一对相同脉冲获得的信号。然后，可以应用相干平面波复合来根据差异数据产生图像。
在上述的HEM多平面波成像实现中，两个编码的脉冲在两个具有相同转向角的发射事件中的每一个中连续发射。该HEM脉冲序列可以与多平面波发射结合以获得SNR增益。在组合中，可以将HEM脉冲视为基础脉冲，并以脉冲代码格式写入为，
Figure BDA0002377939410000101
脉冲代码的每一行对应于一个发射事件，而每一列对应于在不同发射事件中发射的脉冲(即，列中的每个元素对应于一个脉冲)。然后，通过克罗内克乘积(Kroneckerproduct)可以在多平面波成像中将HEM基础脉冲实现为，
Figure BDA0002377939410000102
其中，k表示多平面波成像中使用的哈达玛编码矩阵的阶，
Figure BDA0002377939410000103
表示克罗内克乘积，而A是MW-HEM序列的编码矩阵。之后，该MW-HEM成像过程可被描述为，
AP＝M (8)；
其中P是具有pij元素的列向量，分别对应于以jth(j＝1,...,J)转向角的ith(i＝1,2)脉冲获取的回波RF信号。例如，p11对应于用在第一转向角下的脉冲1(无脉冲2)激励获取的信号。在等式(8)中，M是具有ml元素的列向量，对应于从lth(l＝1:L)MW-HEM发射事件所接收的回波。例如，m1对应于MW-HEM序列的第一发射事件中的所接收信号。原则上，发射事件的数L可以选择为转向角数J的两倍。
图4示出了实现二阶哈达玛编码的多平面波复合的MW-HEM脉冲序列的示例。在该示例中，编码矩阵为，
Figure BDA0002377939410000104
用该编码矩阵，等式(8)可被扩展为，
Figure BDA0002377939410000111
MW-HEM序列的该示例包含四个发射事件(即，TX#1-TX#4，L＝4)，每个事件具有两个成角度的平面波发射(即，J＝2)。在每个发射事件期间，如在标准多平面波复合中，在成角度的发射之间添加短的交错时间Δt。作为一个示例，Δt可被选择为1μs。为了进行适当的解码，优选地将交错时间Δt选择为足够长，以使微气泡在先前的脉冲激励之后返回到相对平衡。另外，在每个成角度的发射期间，如在HEM成像中，在没有交错时间的情况下连续激励两个H2编码的脉冲。脉冲极性遵循基于等式(9)来分配的哈达玛因子，在图4中的每个发射事件中除了发射的脉冲之外还标记了该极性。注意，在发射事件#2中，三态脉冲发生器的“0”线插入在第一脉冲与第二脉冲之间，以便将这两个脉冲分开以供实现更好的可视化。在实际的实现中，该“0”线可以被丢弃，因此也可以使用具有[+，-]的双态脉冲发生器。
在MW-AM和MW-PIAM两个序列中，可以在不同情况下调整多平面波复合，这在表1中进行了概述，并在下面进行更详细的描述。
表1
Figure BDA0002377939410000112
类似于MW-HEM序列，MW-AM和MW-PIAM序列可以使用以脉冲代码格式写入的基础脉冲，并经由克罗内克乘积与多平面波成像结合。例如，在MW-AM中，可以使用以下编码矩阵，
Figure BDA0002377939410000121
作为另一示例，可以在H2编码的多平面波序列中使用脉冲反转幅度调制，在这种情况下，等式(11)中的基础脉冲[1，1/2]T被替换为[1，-1/2]T基础脉冲。
同样，脉冲代码的每一行对应于一个发射事件，而给定行中的每一元素对应于给定发射事件中的一个发射脉冲。如图5中所示的脉冲设计示例中，示出了以转置格式的等式(11)中的编码矩阵，以在每个发射事件中沿着时间方向垂直地匹配发射的脉冲。对于此类MW-AM序列，两个基础脉冲(即，+1和+1/2脉冲)在不同的发射事件中分别发射，与MW-HEM相对，其中同一发射事件期间在每个成角度的发射中，两个编码的脉冲连续发射。相应地，由于在每个成角度的发射期间的单个基础脉冲激励，因此与在MW-HEM中相比，MW-AM的编码矩阵的列数减少了一半。因此，这等效于分别对+1和+1/2基础脉冲进行编码，每个遵循相同的H2。
为了进一步增加发射能量，可以在每个发射事件中一起对MW-AM和MW-PIAM序列中的两个基础脉冲进行编码，而不是像图5那样分别进行编码。
对于表1中情况2所述的MW-AM序列，可以通过首先生成四阶哈达玛矩阵，然后将该矩阵中偶数列的值减小为一半来构造编码矩阵，如，
Figure BDA0002377939410000122
其中“·”表示矩阵之间的逐个元素乘积。对于MW-PIAM，编码矩阵可被构建如下，
Figure BDA0002377939410000131
图6A示出了基于该情况2MW-AM设计的前两个发射事件。如情况1所示，将两个基础脉冲在所有发射事件中一起编码，而不是在不同的发射事件中分开编码。+1和+1/2脉冲的幅度由图中的脉冲占空比反映。在一些实施例中，可以通过仅利用换能器元件的一半(诸如用奇数换能器元件)发射超声来实现+1/2脉冲。在两个相邻的脉冲发射之间添加小的交错时间Δt。
图6B示出了如表1中的情况3所描述的MW-AM发射脉冲设计示例。受MW-HEM激发，在相同成角度的平面波发射之间的交错时间Δt可以被减小为图4中的零，旨在编码的脉冲之间具有快速的极性和幅度变化的较高微气泡非线性能量激励。
注意，对于情况2和3的MW-AM，之后是等式(12)中所示相同的编码矩阵；然而，如图6A和6B中所示，分别基于脉冲发射之间的交错时间来使用不同的发射脉冲设计。
类似地，等式(13)示出了如等式(12)中在相同MW复合中实现的PIAM的编码矩阵设计。等式(12)与(13)之间的比较说明了情况2和3中的MW-AM和MW-PIAM是等效的。仅发射事件的顺序改变。然而，该原理不适用于情况1。在下面的描述中，将上述三种不同情况下的MW-AM序列分别称为MW-AM1、MW-AM2和MW-AM3。
在MW-HEM、MW-AM或MW-PIAM发射之后，首先将以发射中心频率为中心的带通滤波器应用于所接收的RF信号，以消除二次谐波信号，因为该RF信号不遵循哈达玛编码。然后，对经滤波的信号进行解码。
作为一个示例，可以通过将在编码的MW激励中所接收的回波RF信号乘以编码矩阵的逆来完成解码步骤，
P＝A-1M (14).
解码的信号P、p1j和p2j与通过在相同转向角下的两个不同的发射事件中分别激励一对相同的脉冲(即，相同的极性和幅度)而获得的信号相似。然而，可以通过使用MW编码和解码步骤来增强SNR。解码后，首先在时间上重新排列所有脉冲对，以补偿由MW编码引入的交错时间Δt，并补偿如在MW-HEM或MW-AM3中的脉冲长度延迟tpulse。这可以通过将解码的RF信号沿快速时间方向移动由Δt和tpulse确定的适当时间来实现。之后，可以通过将解码的脉冲对与重新对齐的脉冲对之间的相减来抑制线性组织信号，如p2j-p1j。注意，对于MW-AM1和MW-PIAM1，可以分别对+1脉冲和1/2脉冲进行解码。在该示例中，使用0.5的幅度调制；然而，应当理解，可以使用其他幅度调制(例如，0.1、0.25)。
另外，对于AM或PIAM平面波成像，可以使用棋盘格发射模式。作为示例，对于AM，棋盘格发射模式可包括三个发射事件：激励(firing)所有奇数换能器元件，激励所有偶数换能器元件以及激励整个阵列。可以将来自第三发射事件的返回回波减去来自前两个发射事件的返回回波的总和，以消除线性组织信号。棋盘格AM可以改善线性信号消除，并且需要较低的硬件复杂度。对于棋盘格AM，可以将不同的单平面波发射中的脉冲(即，以不同的转向角激励奇数、偶数或全元素)划分为多个子组以供进行MW编码。例如，具有四个复合角的棋盘格AM总共具有12个发射脉冲。这些脉冲可被划分为4和8个子组，然后分别由H4和H8矩阵进行编码。与具有不同脉冲幅度的AM相比，棋盘格AM可以导致更低的帧速率。
图7示出了MW-HEM序列分别发射、解码、重组和复合的过程的简化示意图。在时间上顺序地激励与图4中所示的相同的四个发射事件。所接收的RF信号ml经历解码处理，以恢复如在标准平面波成像中本将获得的具有相同的脉冲对的信号p1j和p2j(在第二行中分别用红色和绿色线表示)。脉冲对重组降低了组织线性响应。然后，可以将平面波波束成形和复合步骤从不同角度应用于重新对齐的RF数据，以形成最终的复合图像。
因此，在本公开中已经描述了用于在多平面波成像中实现超声造影(“CEUS”)脉冲序列(包括MW-AM、MW-PIAM和MW-HEM)的不同策略。这些MW-CEUS序列主要使用基本频带，这可以通过哈达玛矩阵正确地进行编码和解码。组合后，微气泡信号的造影、SNR和穿透深度得到了显著改善。因此，本公开中所描述的方法可以在频率依赖性衰减在微气泡检测效率中占主导地位时，扩展CEUS成像用于不同应用(诸如对弱流量的小血管成像或用高频CEUS成像)的潜力。
图8示出了可以实现本公开中所描述的方法的超声系统800的示例。超声系统800包括换能器阵列802，换能器阵列802包括多个分别驱动的换能器元件804。换能器阵列802可包括任何合适的超声换能器阵列，包括线性阵列、曲线阵列、相控阵列等等。类似地，换能器阵列802可包括1D换能器、1.5D换能器、1.75D换能器、2D换能器、3D换能器等。
当由发射器806激励时，每一个换能器元件802产生超声能量猝发。从被研究的对象或受试者反映的回换能器阵列802的超声能量(例如，回波)被每一个换能器元件804转换为电气信号(例如，回波信号)，并且通过一组开关810可以单独应用到接收器808。发射器806、接收器808和开关810在控制器812的控制下操作，控制器812可包括一个或多个处理器。作为一个示例，控制器812可包括计算机系统。
发射器806可以发射未聚焦的或聚焦的超声波。在一些配置中，发射器806也可以被编程以发射发散波、球面波、圆柱波、平面波、或其组合。此外，发射器806可被编程以发射空间或时间编码的脉冲。
接收器808可被编程以对手头的成像任务执行合适的检测序列。在一些实施例中，检测序列可包括逐行扫描、复合平面波成像、合成孔径成像和复合发散波束成像中的一个或多个。
在一些配置中，发射器806和接收器808可被编程以实现高帧速率。例如，可实现与至少100Hz的采集脉冲重复频率(“PRF”)相关联的帧速率。在一些配置中，超声系统800可在时间方向上采样和存储至少一百组回波信号。
使用本公开中描述的或本领域中以其他方式已知的技术，控制器812可以被编程以设计成像序列。例如，如上所述，控制器812可以被编程为基于HEM序列和MW-HEM序列、MW-AM序列或MW-PIAM序列来设计成像序列。在一些实施例中，控制器812接收用户输入，该用户输入定义在成像序列的设计中使用的各种因素。
可以通过将开关810设置到它们的发射位置来执行扫描，因而引导发射器806瞬间地接通以根据设计的成像序列在单个发射事件期间激励每一个换能器元件804。然后可以将开关810设置到它们的接收位置，并且测量由每个换能器元件804响应于一个或多个检测到的回波产生的后续回波信号并将其施加到接收器808。来自每个换能器元件804的分别的回波信号可在接收器808中被组合以产生单个回波信号。根据回波信号产生的图像可被显示在显示系统814上。
在一些实施例中，接收器808可包括用于处理回波信号或根据回波信号生成的图像的处理单元，该处理单元可以由硬件处理器和存储器来实现。作为示例，根据本公开中所描述的方法，此类处理单元可以对信号数据进行过滤、对信号数据进行解码、对信号数据进行组合并根据信号数据产生图像。
本公开已经描述了一个或多个优选实施例，并且应当理解，除了明确说明的那些之外的许多等效例、替代例、变化例和修改例是可能的并且在本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种用于利用超声系统产生图像的方法，所述方法的步骤包括：
(a)使用超声系统在第一发射事件中将第一组超声脉冲发射到受试者体内包含微气泡造影剂的感兴趣区域，所述第一组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据编码矩阵中的第一项编码的幅度和极性；
(b)在所述第一组超声脉冲的发射之后，用所述超声系统接收第一超声数据；
(c)使用所述超声系统在第二发射事件中将第二组超声脉冲发射到所述受试者体内的所述感兴趣区域，所述第二组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据所述编码矩阵中的第二项编码的幅度和极性；
(d)在所述第二组超声脉冲的发射之后，用所述超声系统接收第二超声数据；
(e)通过使用所述编码矩阵的逆对所述第一超声数据进行解码来生成第一解码的数据，并且通过使用所述编码矩阵的逆对所述第二超声数据进行解码来生成第二解码的数据；
(f)通过计算所述第一解码的数据与所述第二解码的数据之间的差来生成差异数据；以及
(g)根据所述差异数据产生图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述编码矩阵是哈达玛编码矩阵。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述哈达玛编码矩阵是二阶哈达玛编码矩阵。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述编码矩阵包括基础脉冲集与哈达玛编码矩阵之间的克罗内克增量乘积。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述基础脉冲集包括用哈达玛编码矩阵编码的脉冲。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述基础脉冲集包括用幅度调制进行调制的脉冲。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述基础脉冲集包括用脉冲反转进行调制的脉冲。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述基础脉冲集包括用脉冲反转幅度调制进行调制的脉冲。
9.如权利要求1所述的方法，其中在对所述第一超声数据和所述第二超声数据进行解码之前和/或之后，用带通滤波器对所述第一超声数据和所述第二超声数据进行滤波。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述带通滤波器以发射所述第一和第二组超声脉冲时使用的发射中心频率为中心。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组超声脉冲包括第一组多平面波超声脉冲，而所述第二组超声脉冲包括第二组多平面波超声脉冲。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一组多平面波超声脉冲包括以第一转向角和第二转向角发射的多平面波脉冲，而所述第二组多平面波超声脉冲也包括以所述第一转向角和所述第二转向角发射的多平面波脉冲。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(f)包括在计算所述第一解码的数据与所述第二解码的数据之间的差之前，在时间上对齐所述第一解码的数据和所述第二解码的数据。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组超声脉冲或所述第二组超声脉冲中的至少一个包括使用平面波复合或合成孔径成像中的至少一个形成的超声脉冲的集合。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组超声脉冲或所述第二组超声脉冲中的至少一个包括聚焦的超声波束。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组超声脉冲或所述第二组超声脉冲中的至少一个包括连续发射的超声脉冲。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组超声脉冲或所述第二组超声脉冲中的至少一个包括与在超声脉冲之间插入的时间间隔一起发射的超声脉冲。
18.一种用于利用超声系统产生图像的方法，所述方法的步骤包括：
(a)使用超声系统在第一发射事件中将第一组超声脉冲发射到受试者体内包含微气泡造影剂的感兴趣区域，所述第一组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据编码矩阵中的第一项编码的幅度和极性，其中在所述第一发射事件中，使用所述超声系统的换能器阵列的换能器元件的第一子集来发射所述第一组超声脉冲；
(b)在所述第一组超声脉冲的发射之后，用所述超声系统接收第一超声数据；
(c)使用所述超声系统在第二发射事件中将第二组超声脉冲发射到所述受试者体内的所述感兴趣区域，所述第二组超声脉冲包括至少两个超声脉冲，每个超声脉冲具有根据所述编码矩阵中的第二项编码的幅度和极性，其中在所述第二发射事件中，使用所述超声系统的换能器阵列的换能器元件的第二子集来发射所述第二组超声脉冲；
(d)在所述第二组超声脉冲的发射之后，用所述超声系统接收第二超声数据；
(e)使用所述超声系统在第三发射事件中将第三组超声脉冲发射到所述受试者体内的所述感兴趣区域，其中使用所述换能器阵列中的所有换能器元件发射所述第三组超声脉冲；
(f)在所述第三组超声脉冲的发射之后，用所述超声系统接收第三超声数据；
(g)通过使用所述编码矩阵的逆对所述第一超声数据进行解码来生成第一解码的数据，并且通过使用所述编码矩阵的逆对所述第二超声数据进行解码来生成第二解码的数据；
(h)通过将所述第一解码的数据和所述第二解码的数据求和来生成组合的数据；
(h)通过计算所述组合的数据与所述第三超声数据之间的差来生成差异数据；以及
(g)根据所述差异数据产生图像。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一组换能器元件包括所述换能器阵列中的奇数换能器元件，并且换能器元件的第二子集包括所述换能器阵列中的偶数换能器元件。
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